JP6946999B2 - Method for forming gallium oxynitride crystal film - Google Patents
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Description
本発明は、ガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a gallium oxynitride crystal film.
窒化ガリウム(以下、GaNという)は、主に青色発光ダイオードを構成する材料として脚光を浴びてきた。GaNは、ワイドバンドギャップ半導体としても工業的に有用であり、最近では、ワイドバンドギャップ半導体の特徴である高耐圧性を利用して、GaNを用いたパワーデバイスが開発されている。また、酸化ガリウム(III)(以下、Ga2O3という)は、GaNよりもさらにバンドギャップの大きな材料であり、深紫外発光材料としての利用が検討され、GaNと同様にその高耐圧性を利用して高耐圧用のトランジスタなどが開発されている。GaNおよびGa2O3の両者ともに単結晶の育成が試みられ、一定の成果が得られている。しかしながら、育成した単結晶の品質に課題があることや、未だ価格が高いことが産業分野への普及の妨げとなっている。 Gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) has been in the limelight mainly as a material constituting a blue light emitting diode. GaN is also industrially useful as a wide bandgap semiconductor, and recently, a power device using GaN has been developed by utilizing the high withstand voltage characteristic of the wide bandgap semiconductor. In addition, gallium oxide (III) (hereinafter referred to as Ga 2 O 3 ) is a material having a larger bandgap than GaN, and its use as a deep ultraviolet light emitting material has been studied. Transistors for high withstand voltage have been developed using this. Attempts have been made to grow single crystals for both GaN and Ga 2 O 3, and some results have been obtained. However, there are problems with the quality of the grown single crystals and the high prices are hindering their widespread use in the industrial field.
ところで、ガリウム、酸素および窒素からなる化合物であるガリウム酸窒化物(以下、GaONという)は、GaNとGa2O3との中間的な組成を有することから、そのバンドギャップはGaNとGa2O3との間の値であることが予想される材料である。このことを利用してバンド構造を制御し、デバイス特性や光触媒機能を最大限に発現する材料への応用が期待される。 By the way, since gallium oxynitride (hereinafter referred to as GaON), which is a compound composed of gallium, oxygen and nitrogen , has an intermediate composition between GaN and Ga 2 O 3 , its band gap is GaN and Ga 2 O. It is a material that is expected to be a value between 3 and 3. Utilizing this, it is expected to be applied to materials that control the band structure and maximize the device characteristics and photocatalytic functions.
しかしながら、GaONについての研究例は、非常に少ない。そのためバンド構造を決定するその結晶相は未だ確定していない(非特許文献1〜3)。また、GaONの結晶構造は、GaNの窒素原子を酸素原子で置き換えた構造、またはGa2O3の酸素原子を窒素原子で置き換えた構造であるといった描像が、適切であるかどうかも明らかではなかった。
However, there are very few studies on GaON. Therefore, the crystal phase that determines the band structure has not yet been determined (Non-Patent
一般的に、触媒機能はその材料表面の原子配列に強く影響される。したがって、GaONを触媒機能を有する材料へと応用する場合には、その結晶相に含まれる結晶構造を所定に制御することが可能な形成方法が必要である。例えば、酸化チタン(IV)(以下、TiO2という)の示す光触媒作用はよく知られており、主に紫外域の光を吸収して効果を発現するが、TiO2に対して窒素をドーピングしたチタン酸窒化物(以下、TiONという)は、より可視域側の光を吸収するため、TiO2よりも光触媒効率が向上することが知られている。Ga2O3もTiO2と同様に光触媒作用を有する材料として知られているが、金属酸窒化物同士でも、TiONとGaONとではその結晶構造が全く異なるので、TiONについての材料学的知見はそのまま適用することができない。 In general, catalytic function is strongly influenced by the atomic arrangement on the surface of the material. Therefore, when GaON is applied to a material having a catalytic function, a forming method capable of predeterminedly controlling the crystal structure contained in the crystal phase is required. For example, the photocatalytic action of titanium oxide (IV) (hereinafter referred to as TiO 2 ) is well known, and it mainly absorbs light in the ultraviolet region to exert its effect, but it is doped with nitrogen against TiO 2. Titanium oxynitride (hereinafter referred to as TiON) is known to have higher photocatalytic efficiency than TIO 2 because it absorbs light on the more visible region side. Ga 2 O 3 is also known as a material having a photocatalytic activity as well as TiO 2, but a metal oxynitride each other, since the crystal structure is completely different in the TiON and GaON, Metallurgical knowledge of TiON is It cannot be applied as it is.
以上のような背景を反映して、GaONの結晶相を作り分けるプロセス技術が求められていた。 Reflecting the above background, there has been a demand for a process technique for producing different GaON crystal phases.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガリウム酸窒化物であるGaONの膜を形成する方法であって、スパッタリングターゲットとしてGa2O3を用いて、反応ガスとして酸素ガスおよび窒素ガスを成膜室内に導入し、スパッタリング成膜してGaON前駆体膜を得る成膜工程と、前記成膜工程の後に、前記GaON前駆体膜を真空中において加熱してGaON膜を得るポストアニール処理工程とを備え、前記酸素ガスに対する前記窒素ガスの流量比が、1/2以下であるときには、前記GaON膜の結晶構造がβガリア構造であり、1以上2以下であるときには、前記GaON膜の結晶構造がスピネル型構造であり、4以上であるときに、前記GaON膜の結晶構造がウルツ鉱型構造である、ガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法、を提供する。 The present invention has been made to solve the above problems, and is a method for forming a film of GaON, which is a gallium oxynitride, in which Ga 2 O 3 is used as a sputtering target and oxygen gas is used as a reaction gas. And nitrogen gas is introduced into the film forming chamber, and a film forming step of obtaining a GaON precursor film by sputtering film formation, and after the film forming step, the GaON precursor film is heated in a vacuum to obtain a GaON film. The post-annealing treatment step is provided , and when the flow rate ratio of the nitrogen gas to the oxygen gas is 1/2 or less, the crystal structure of the GaON film is a β-gallia structure, and when it is 1 or more and 2 or less, the above. Provided is a method for forming a gallium oxynitride crystal film, wherein the crystal structure of the GaON film is a spinel type structure, and when the number is 4 or more, the crystal structure of the GaON film is a wurtzite type structure .
以上説明したように、本発明によって様々な結晶構造のGaON膜を形成することができる。例えば、光触媒特性などの材料特性は、その結晶構造に大きく依存するので、本発明によって、所望の結晶構造を有するGaON膜を得て良好な材料特性を得ることが可能になる。 As described above, the GaON film having various crystal structures can be formed by the present invention. For example, since material properties such as photocatalytic properties largely depend on the crystal structure thereof, the present invention makes it possible to obtain a GaON film having a desired crystal structure and obtain good material properties.
一般に、金属酸窒化物がどのような結晶相で存在するかは、結晶化のし易さに影響を受ける。本発明者は、スパッタリング成膜の際に、成膜室内に導入する酸素ガスと窒素ガスとの流量比を変えて成膜することにより結晶化の速度を調節すると、GaONの生成相が変化するという知見を得た。すなわち、本発明者は、当該知見よりスパッタリング成膜中における酸素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比を所定の値とすることにより、GaON膜の結晶構造を制御することが可能である点に着想を得て、本発明を完成するに至った。 In general, the crystal phase in which the metal oxynitride exists is affected by the ease of crystallization. The present inventor changes the formation phase of GaON when the crystallization rate is adjusted by changing the flow rate ratio of the oxygen gas and the nitrogen gas introduced into the film forming chamber during the sputtering film formation. I got the finding. That is, the present inventor can control the crystal structure of the GaON film by setting the ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the oxygen gas during the sputtering film formation to a predetermined value based on the above findings. Inspired by this, the present invention was completed.
第一に、酸素ガスの流量よりも窒素ガスの流量を少なくして、すなわち反応ガスとして、酸素ガスを主体として導入し成膜すると、Ga2O3にとって最安定な結晶構造であるβ-Ga2O3の構造造を維持し、β-Ga2O3の酸素原子の一部分が窒素原子に置き換わった化合物であるβ−Ga2O(N)3が生成する。なお、シリコン基板上において、β−Ga2O3の結晶化は、600℃以上の加熱により促進され十分な速度で進行する。 First, when the flow rate of nitrogen gas is made smaller than the flow rate of oxygen gas, that is, when oxygen gas is mainly introduced as a reaction gas and a film is formed, β-Ga, which is the most stable crystal structure for Ga 2 O 3, is formed. The structural structure of 2 O 3 is maintained, and β-Ga 2 O (N) 3 , which is a compound in which a part of the oxygen atom of β-Ga 2 O 3 is replaced with a nitrogen atom, is produced. The crystallization of β-Ga 2 O 3 on the silicon substrate is promoted by heating at 600 ° C. or higher and proceeds at a sufficient rate.
第二に、酸素ガスの流量と窒素ガスの流量とが同等なときは、生成したGaON膜の構造は、Ga2O3とGaNの中間的な構造で、その構造は、Ga2O3およびGaNの両者が単体の場合に比べて結晶化しにくい。これは、Ga2O3を基本骨格とすれば、その酸素原子を窒素原子で置換することにより結晶構造が乱れるからである。同様に、GaNを基本骨格とすると、その窒素原子の一部を酸素原子で置換することにより、2価のアニオンが侵入するため、やはり結晶格子が乱れることになる。結晶多形であるGa2O3において最も低温相であって結晶性の低いのはγ−Ga2O3である。つまり、酸素ガスの流量と窒素ガスの流量とが同等であれば、上述のγ−Ga2O3に類似した結晶構造、すなわちスピネル型構造を形成する。 Second, when the flow rate of oxygen gas and the flow rate of nitrogen gas are equivalent, the structure of the produced GaON film is an intermediate structure between Ga 2 O 3 and GaN, and the structure is Ga 2 O 3 and Both GaN are less likely to crystallize than when they are simple substances. This is because if Ga 2 O 3 is used as the basic skeleton, the crystal structure is disturbed by substituting the oxygen atom with a nitrogen atom. Similarly, when GaN is used as the basic skeleton, a divalent anion invades by substituting a part of the nitrogen atom with an oxygen atom, so that the crystal lattice is also disturbed. In Ga 2 O 3 , which is a polymorph of crystals, γ-Ga 2 O 3 is the coldest phase and has the lowest crystallinity. That is, if the flow rate of oxygen gas and the flow rate of nitrogen gas are equal, a crystal structure similar to the above-mentioned γ-Ga 2 O 3 , that is, a spinel-type structure is formed.
第三に、酸素ガスを導入せずに窒素ガスのみを導入してスパッタリング成膜を行うときは、生成したGaON膜中に取り込まれるのは、ほとんどが窒素原子であるが、酸素も一定割合で含有される。このとき、ウルツ鉱型の結晶、すなわちGaNの結晶構造に類似した構造を有する結晶が生成する。GaNの結晶構造中の窒素原子位置の一部を酸素原子で置き換えた構造が生成すると考えられる。 Thirdly, when only nitrogen gas is introduced without introducing oxygen gas to perform sputtering film formation, most of the nitrogen atoms are incorporated into the generated GaON film, but oxygen is also contained in a certain proportion. It is contained. At this time, a wurtzite-type crystal, that is, a crystal having a structure similar to the crystal structure of GaN is generated. It is considered that a structure in which a part of the nitrogen atom position in the crystal structure of GaN is replaced with an oxygen atom is generated.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。また、本発明の実施の形態は、本発明の要旨の範囲を逸脱しない限り、以下の例示に何ら限定されることはない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Moreover, the embodiment of the present invention is not limited to the following examples as long as it does not deviate from the scope of the gist of the present invention.
まず、本発明における成膜工程を実施するための装置の構成について説明をする。 First, the configuration of the apparatus for carrying out the film forming process in the present invention will be described.
図1は、本発明における成膜工程に用いるスパッタ装置であって、スパッタリングターゲットを用いて、それに由来する物質を基板上にスパッタリング成膜をする成膜装置である。図1のスパッタ装置の成膜室2の内部は真空に排気され、その成膜室2の内部には、スパッタリングターゲット3、保持機構4、基板5、ヒータ6およびガス導入ポート7が備えられる。
FIG. 1 is a sputtering apparatus used in the film forming process in the present invention, which is a film forming apparatus for sputtering a substance derived from the sputtering target onto a substrate. The inside of the
スパッタリングターゲット3に対向する位置には、基板5が配置され、基板5はヒータ6上に載置されている。ヒータ6によって基板5を加熱しながら成膜を行ったり、成膜後に成膜室2内を真空にしてポストアニール処理を行ったりすることができる。スパッタ装置1は、その成膜室2に外部から連結されたガス導入ポート7を備えており、ガス導入ポート7を通じて成膜室2の内部へと、スパッタガスとしてのアルゴンを、反応ガスとしての窒素ガスおよび酸素ガスとを導入する。それぞれのガスの流量は、sccm単位(standard cc/min.、圧力1atm(大気圧 1013hPa)、温度25℃の条件で規格化)で設定した。
The substrate 5 is arranged at a position facing the sputtering target 3, and the substrate 5 is placed on the heater 6. The film can be formed while heating the substrate 5 with the heater 6, or the inside of the
スパッタリングターゲット3は、基板5との距離などを適切にするよう保持機構4によって保持されている。スパッタ装置1はさらに、スパッタリング成膜の所定条件を実現するために、ターゲット3と基板5との間または基板5の周辺に高周波電界や磁界を発生させる機構(図示せず)も含んでいる。
The sputtering target 3 is held by the holding mechanism 4 so as to make the distance from the substrate 5 appropriate. The sputtering
また、薄膜を製造する場合には、基板上に堆積する膜の組成分布を均等化するために、基板5の中心を貫通する軸に対して基板を回転させるのが望ましい。 Further, in the case of producing a thin film, it is desirable to rotate the substrate with respect to an axis penetrating the center of the substrate 5 in order to equalize the composition distribution of the film deposited on the substrate.
[実施条件]
上記のスパッタ装置1の構成を用いて、スパッタ装置1としてRFマグネトロンスパッタ装置を採用し、スパッタリングターゲット3としてGa2O3を用いた。スパッタ装置1の成膜室2の内部は、ターボ分子ポンプ(図示せず)により排気され、マスフローコントローラ(図示せず)により酸素ガスと窒素ガスとを成膜室2へ導入する際の流量を制御した。基板として4インチサイズのSi(100)単結晶基板を用いた。ここで、シリコン基板を用いたのは、表面が酸化膜で覆われており、非晶質基板として結晶配列がエピタキシャル成長に影響を与えないようにするためである。RFマグネトロンスパッタガンへの投入パワーは60Wに設定し、基板5の温度は室温に設定して成膜した。成膜後、GaON前駆体膜が成膜された基板5を取り出して、12mm×12mmのサイズにカットして、測定用試料を準備した。その測定用試料に対して、真空中で、300℃以上800℃以下の温度で、1時間、ポストアニール処理を行った。なお、スパッタリングターゲット3であるGa2O3の温度が1000℃を超えるとGa2O3膜が蒸発するため、ポストアニール温度は1000℃以下とする必要がある。
[Implementation conditions]
Using the above configuration of the
次に、ポストアニール処理によって生成したGaON膜を、X線回折装置を用いてθ−2θ法によりX線回折(X−Ray Diffraction、以下、XRDという)パターンを計測し、そのXRDパターンから結晶構造を解析した。さらに、斜入射X線回折(Grazing Incident X−Ray Diffraction、以下、GIXRDという)法による測定を行った。このとき、測定面に対するX線の入射角度は、1.5°とした。ここで、GIXRD法は、シリコン基板からの回折を検出しにくいメリットがあり、GaON膜の内部で配向していない結晶子も高感度で検出することができる。以下では、XRDパターンおよびGIXRDパターンを総称して、回折パターンという。 Next, the GaON film produced by the post-annealing treatment is subjected to an X-ray diffraction (X-Ray Diffraction, hereinafter referred to as XRD) pattern by the θ-2θ method using an X-ray diffractometer, and the crystal structure is obtained from the XRD pattern. Was analyzed. Further, the measurement was performed by the oblique incident X-ray diffraction (Grazing Incident X-Ray Diffraction, hereinafter referred to as GIXRD) method. At this time, the incident angle of the X-ray with respect to the measurement surface was set to 1.5 °. Here, the GIXRD method has an advantage that it is difficult to detect diffraction from a silicon substrate, and it is possible to detect crystals that are not oriented inside the GaON film with high sensitivity. Hereinafter, the XRD pattern and the GIXRD pattern are collectively referred to as a diffraction pattern.
図2の(a)は、酸素ガスの流量を1sccmとし、窒素ガスの流量を1sccmとして成膜したGaON前駆体膜を、各温度でポストアニールした試料のXRDパターンである。図2の(b)は、その試料についてのGIXRDパターンである。ポストアニール処理工程においてそれぞれの温度で処理したすべての試料についての回折パターンは、回折ピークが顕在化しておらずブロードであり、ほとんど結晶化していない傾向が判る。800℃でのポストアニール処理において、得られた回折パターンによれば、スピネル型構造のGa2O3、すなわちγ−Ga2O3の結晶面に対応した回折ピークγ(311)、γ(422)およびγ(440)を同定することができる。この回折パターンによれば、窒素を含まずに酸素のみを含むγ−Ga2O3と比べて、回折ピーク同士の強度比も異なっている。このような、回折ピークが顕在化しておらずブロードな回折パターンを示す非晶質状態は、結晶中の酸素原子の一部が窒素原子に置き換わっているために生じている。 FIG. 2A is an XRD pattern of a sample in which a GaON precursor film formed with an oxygen gas flow rate of 1 sccm and a nitrogen gas flow rate of 1 sccm is post-annealed at each temperature. FIG. 2B is a GIXRD pattern for the sample. It can be seen that the diffraction patterns for all the samples treated at the respective temperatures in the post-annealing treatment step tend to be broad with no actual diffraction peaks and hardly crystallized. In the post-annealing treatment at 800 ° C., according to the diffraction pattern obtained, a diffraction peak corresponding to the crystal plane of the spinel-type Ga 2 O 3 structure, i.e. γ-Ga 2 O 3 γ ( 311), γ (422 ) And γ (440) can be identified. According to this diffraction pattern, the intensity ratio between the diffraction peaks is also different from that of γ-Ga 2 O 3 which contains only oxygen without containing nitrogen. Such an amorphous state in which the diffraction peak is not actualized and shows a broad diffraction pattern is generated because a part of oxygen atoms in the crystal is replaced with nitrogen atoms.
なお、基板表面へ供給されGaON前駆体膜に含まれる酸素原子は、スパッタリングターゲットのGa2O3に由来するものと、酸素ガスがプラズマ中でイオン化して解離したものに由来するものとの両方である。一方、基板表面へ供給されGaON前駆体膜に含まれる窒素原子は、窒素ガスがプラズマ中でイオン化して解離したものに限られる。 The oxygen atoms supplied to the surface of the substrate and contained in the GaON precursor film are both derived from Ga 2 O 3 of the sputtering target and those derived from oxygen gas ionized and dissociated in plasma. Is. On the other hand, the nitrogen atoms supplied to the substrate surface and contained in the GaON precursor membrane are limited to those in which nitrogen gas is ionized and dissociated in plasma.
比較として、窒素ガスを導入せずに、シリコン基板上にGa2O3をスパッタリング成膜したときには、堆積した膜中には窒素が含まれない。その堆積した膜をポストアニール処理により結晶化させた場合には、ランダム配向したβ−Ga2O3が生成する。このβ−Ga2O3について回折パターンに現れる回折ピークは、本実施例において生成させたGaONについて得られた回折パターンの回折ピークよりもシャープである。このことは、明らかにGaON膜中の窒素の存在によりその結晶構造が影響を受けていることを示している。一般に、γ−Ga2O3は、結晶多形であるGa2O3の中における最低温相である。GaON膜中に窒素原子が大量に含まれることで、Ga2O3とGaNとのいずれかへと結晶化をしにくくなって、結晶化温度が上がり、低温相のスピネル型結晶が生成するものと考えられる。 For comparison, when Ga 2 O 3 is sputtered on a silicon substrate without introducing nitrogen gas, the deposited film does not contain nitrogen. When the deposited film is crystallized by post-annealing treatment, randomly oriented β-Ga 2 O 3 is produced. The diffraction peak appearing in the diffraction pattern for this β-Ga 2 O 3 is sharper than the diffraction peak in the diffraction pattern obtained for GaON generated in this example. This clearly indicates that the crystal structure is affected by the presence of nitrogen in the GaON film. In general, γ-Ga 2 O 3 is the lowest temperature phase in Ga 2 O 3 which is a polymorph of crystals. The GaON film contains a large amount of nitrogen atoms , which makes it difficult to crystallize into either Ga 2 O 3 or GaN, raises the crystallization temperature, and produces spinel-type crystals in the low-temperature phase. it is conceivable that.
図3の(a)は、酸素ガス流量を1sccmとし、窒素ガス流量を2sccmとして成膜したGaON前駆体膜をポストアニール処理した後のXRDパターンである。図3の(b)は、その試料についてのGIXRDパターンである。本実施例に用いる装置および実施条件は、成膜室2に導入するガスの流量比以外について、実施例1の場合と同様である。本実施例では、窒素ガスの流量が実施例1に比べて2倍になっている。得られたXRDパターンおよびGIXRDパターンによれば、実施例1の場合と同様に、生成したGaON膜の結晶相は、γ−Ga2O3に類似した構造の結晶中に窒素原子が含まれるスピネル型結晶である。この実施例で得られた回折パターンは、実施例1で得られた回折パターンと比べると回折ピークとしての形状を示しているものの、その回折ピークはブロードであり、実施例1の場合と同様にGaONの結晶性の低さを反映している。図3の(a)のXRDパターンに見られる回折強度は小さい。一方、図3の(b)のGIXRDパターンでは、GIXRD法は小さな結晶子からの弱い回折を検出可能なため、より明瞭な回折ピークが観測されている。特に、2θ=30〜38°に現れる回折ピークは、γ(220)とγ(311)とに分離している。
FIG. 3A is an XRD pattern after post-annealing a GaON precursor film formed with an oxygen gas flow rate of 1 sccm and a nitrogen gas flow rate of 2 sccm. FIG. 3B is a GIXRD pattern for the sample. The apparatus and implementation conditions used in this embodiment are the same as those in the first embodiment except for the flow rate ratio of the gas introduced into the
図4の(a)は、酸素ガス流量を1sccmとし、窒素ガス流量を4sccmとして成膜したGaON前駆体膜をポストアニール処理した後のXRDパターンである。図4の(b)は、その試料についてのGIXRDパターンである。本実施例に用いる装置および実施条件は、成膜室2に導入するガスの流量比以外について、実施例1の場合と同様である。本実施例では、ポストアニール処理の温度が700℃以下の場合、実施例1および実施例2の場合と同様に、回折パターンに現れる回折ピークはブロードであって、微結晶の存在を示しているが、ポストアニール処理の温度が800℃の場合には、2θ=32°に現れる回折ピークが2θ=36°に現れる回折ピークよりも大きくなり、実施例1および実施例2で生成された結晶と異なる結晶が生成していることが明らかに分かる。これらの回折ピークの位置は、ウルツ鉱型結晶のGaNから得られる回折パターンにおける位置と類似している。特に、2θ=30〜38°において、(100)、(002)および(101)の3個の回折ピークが現れる回折パターンの特徴は、粉末試料から得られる標準的なGaNの回折パターンと一致している。ここで、GaNの多結晶において、これら3個の回折ピークのうち (101)面からの回折が最も大きく観測されるのに対して、本実施例で得られる回折パターン(図4の(a)および(b))では(100)面からの回折が最も大きくなっている。これについてもGaNの結晶中に窒素原子が含有されることにより、結晶の形態が影響を受けていることを反映している。
FIG. 4A is an XRD pattern after post-annealing a GaON precursor film formed with an oxygen gas flow rate of 1 sccm and a nitrogen gas flow rate of 4 sccm. FIG. 4B is a GIXRD pattern for the sample. The apparatus and implementation conditions used in this embodiment are the same as those in the first embodiment except for the flow rate ratio of the gas introduced into the
ところで、Ga2O3のウルツ鉱型結晶は、α−Ga2O3である。α−Ga2O3から得られる回折ピーク位置は、本実施例で得られる回折パターン(図4の(a)および(b))における位置と全く異なっているので、本実施例で得られたGaONの結晶は、Ga2O3ではなくGaNの結晶中の窒素原子のいくつかを酸素原子で置き換えた構造であると考えられる。 Incidentally, wurtzite type crystal of Ga 2 O 3 is α-Ga 2 O 3. Since the diffraction peak position obtained from α-Ga 2 O 3 is completely different from the position in the diffraction pattern ((a) and (b) of FIG. 4) obtained in this example, it was obtained in this example. It is considered that the GaON crystal has a structure in which some of the nitrogen atoms in the GaN crystal are replaced with oxygen atoms instead of Ga 2 O 3.
図5の(a)は、酸素ガスを導入せずに窒素ガスのみを導入し、窒素ガスの流量を4sccmとして成膜したGaON前駆体膜をポストアニール処理した後のXRDパターンである。図5の(b)は、その試料についてのGIXRDパターンである。本実施例に用いる装置および実施条件は、成膜室2に導入するガスの流量比以外について、実施例1の場合と同様である。実施例3で生成させたGaON膜について得られる回折パターン(図4の(a)および(b))と同様に、ウルツ鉱型のGaN結晶について得られる回折パターンにおける回折ピーク位置と類似する回折角にピークが現れる。ここで、実施例3で生成させたGaON膜について得られる回折パターン(図4の(a)および(b))と比べると、(100)、(002)および(101)のそれぞれの結晶面に由来する回折ピーク同士が完全に分離して、実施例4の条件で生成されたGaON膜よりも本実施例で生成されたGaON膜の方が、その結晶性が向上していることが分かる。本実施例では、成膜室2に酸素ガスを供給していない。したがって、生成したGaON膜中に含まれる酸素源は、スパッタリングターゲットに予め含まれていた酸素だけである。つまり、スパッタリングターゲットに予め含まれていた酸素に由来するGaON膜中の酸素原子の多くが窒素原子により置き換えられて、酸素原子を少なく含むGaON膜が生成したと考えられる。
FIG. 5A is an XRD pattern after post-annealing a GaON precursor film formed by introducing only nitrogen gas without introducing oxygen gas and setting the flow rate of nitrogen gas to 4 sccm. FIG. 5B is a GIXRD pattern for the sample. The apparatus and implementation conditions used in this embodiment are the same as those in the first embodiment except for the flow rate ratio of the gas introduced into the
図6の(a)は、酸素ガス流量を1sccmとし、窒素ガス流量を0.5sccmとして成膜したGaON前駆体膜をポストアニール処理した後のXRDパターンである。図6の(b)は、その試料についてのGIXRDパターンである。本実施例に用いる装置および実施条件は、成膜室2に導入するガスの流量比以外について、実施例1の場合と同様である。本実施例では、実施例1〜実施例4において、すなわち酸素ガス流量に対して窒素ガス流量の方が多い場合に生成されたGaON膜と大きく異なり、β−Ga2O3の存在を特徴づける回折パターンが得られている。さらに、実施例1〜実施例4において、すなわち酸素ガス流量に対して窒素ガス流量の方が多い場合にはポストアニール処理時に結晶化が進行する温度が700℃以上800℃以下であったのに対し、ポストアニール処理の温度が500℃以上において、β−Ga2O3に由来する回折ピークが出現している。このことは、実施例1〜実施例4で生成されたGaON膜と比べて大幅にその結晶化温度が下がっていることを示している。本実施例で生成されたGaON膜は、β−Ga2O3の酸素原子の一部を窒素原子に置き換えたβ−Ga2O(N)3である。窒素ガスの流量よりも酸素ガスの流量を多くすると、すなわち酸素ガスの流量に対する窒素ガスの流量を少なくすると、GaONの結晶構造は、よりβ−Ga2O3に近づき、スパッタリングターゲットであるβ−Ga2O3の基本的な結晶構造を維持したままとなるが、スパッタリング成膜中に成膜室2に導入する窒素ガスの流量をゼロとしない限り、生成されるGaON膜中において、ガリウム原子に結合しているアニオンのうち少なくとも一部が確実に窒素原子に置換されることにより、β−Ga2O(N)3が生成される。
FIG. 6A is an XRD pattern after post-annealing a GaON precursor film formed with an oxygen gas flow rate of 1 sccm and a nitrogen gas flow rate of 0.5 sccm. FIG. 6B is a GIXRD pattern for the sample. The apparatus and implementation conditions used in this embodiment are the same as those in the first embodiment except for the flow rate ratio of the gas introduced into the
高耐圧パワーデバイス、発光デバイス、光触媒などの材料としての用途が想定される。 It is expected to be used as a material for high withstand voltage power devices, light emitting devices, photocatalysts, etc.
1 スパッタ装置
2 成膜室
3 スパッタリングターゲット
4 保持機構
5 基板
6 ヒータ
1 Sputtering
Claims (4)
スパッタリングターゲットとしてGa2O3を用いて、反応ガスとして酸素ガスおよび窒素ガスを成膜室内に導入し、スパッタリング成膜してGaON前駆体膜を得る成膜工程と、
前記成膜工程の後に、前記GaON前駆体膜を真空中において加熱してGaON膜を得るポストアニール処理工程とを備え、
前記酸素ガスに対する前記窒素ガスの流量比が、
1/2以下であるときには、前記GaON膜の結晶構造がβガリア構造であり、
1以上2以下であるときには、前記GaON膜の結晶構造がスピネル型構造であり、
4以上であるときに、前記GaON膜の結晶構造がウルツ鉱型構造である、ガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法。 It is a method of forming a film of GaON, which is a gallium oxynitride.
A film forming step of using Ga 2 O 3 as a sputtering target, introducing oxygen gas and nitrogen gas as reaction gases into the film forming chamber, and performing sputtering film formation to obtain a GaON precursor film.
After the film forming step, a post-annealing treatment step of heating the GaON precursor film in a vacuum to obtain a GaON film is provided .
The flow rate ratio of the nitrogen gas to the oxygen gas is
When it is 1/2 or less, the crystal structure of the GaON film is a β-gaul structure.
When it is 1 or more and 2 or less, the crystal structure of the GaON film is a spinel type structure.
A method for forming a gallium oxynitride crystal film, wherein the crystal structure of the GaON film is a wurtzite-type structure when the number is 4 or more.
GaON膜がβ−Ga2O(N)3である、請求項1に記載のガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法。 The flow rate ratio of the nitrogen gas to the oxygen gas, when it is 1/2 or less, the GaON film is a β-Ga 2 O (N) 3, the gallium oxynitride crystal film according to claim 1 Forming method.
前記酸素ガスに対する前記窒素ガスの流量比が、
1/2以下であるときには、温度が500℃以上1000℃以下で加熱し、
1以上2以下または4以上であるときには、温度が800℃以上1000℃以下で加熱
する工程である、
請求項1または2に記載のガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法。 The post-annealing process is
The flow rate ratio of the nitrogen gas to the oxygen gas is
When it is 1/2 or less, it is heated at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
When it is 1 or more and 2 or less or 4 or more, it is a step of heating at a temperature of 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
The method for forming a gallium nitride crystal film according to claim 1 or 2.
スパッタリングターゲットとしてGaGa as a sputtering target 22 OO 33 を用いて、反応ガスとして酸素ガスおよび窒素ガスを成膜室内に導入し、スパッタリング成膜してGaON前駆体膜を得る成膜工程と、Introducing oxygen gas and nitrogen gas as reaction gases into the film formation chamber and sputtering film formation to obtain a GaON precursor film.
前記成膜工程の後に、前記GaON前駆体膜を真空中において加熱してGaON膜を得るポストアニール処理工程であって、前記酸素ガスに対する前記窒素ガスの流量比が、After the film forming step, the GaON precursor film is heated in a vacuum to obtain a GaON film, and the flow rate ratio of the nitrogen gas to the oxygen gas is determined.
1/2以下であるときには、温度が500℃以上1000℃以下で加熱し、When it is 1/2 or less, it is heated at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
1以上2以下または4以上であるときには、温度が800℃以上1000℃以下で加熱する工程と、When it is 1 or more and 2 or less or 4 or more, the step of heating at a temperature of 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less and
を備える、ガリウム酸窒化物結晶膜の形成方法。A method for forming a gallium oxynitride crystal film.
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