(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素の熱プラズマを用い、該窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光を利用して、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ｇａ系化合物半導体基板上にＧａＮ膜を室温で成長させることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
窒素の熱プラズマを用い、該窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光と、極紫外光発生の光源を併用し、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ｇａ系化合物半導体基板上にＧａＮ膜を室温で成長させることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記窒素の熱プラズマはリモートプラズマとして供給することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記窒素の熱プラズマは、窒素ガスとともに、ヘリウムなどの希ガスを混ぜることにより、前記窒素の熱プラズマの効率を高めることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記金属ガスソースは有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物、金属元素のいずれかの形態あるいはこれらの組み合わせであることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の製造装置としてのプラズマＣＶＤ装置に係り、それに関連する電子デバイス、光デバイス、真空技術、表面処理、表面コーティング技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ系半導体を中心とする窒化物半導体が、高効率発光素子、耐環境電子素子、半導体パッシベーション膜として注目を集めている。
【０００３】
実に幅広いバンドギャップをもつIII −Ｖ窒化物と、その金属元素は、可視及び近紫外波長の領域における電気光学の応用範囲を大いに広げた。これまで、ＧａＮ膜（ＧａＮ  Ｆｉｌｍ）を成長させるために、数多くの技術が開発されてきたが、その中で有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の技術が支配的位置を占めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常のＭＯＣＶＤ法では、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＮＨ3 がソースとして用いられ、ＮＨ3 を熱的に解離するために、その基板は凡そ１０００℃まで加熱する必要がある。
【０００５】
したがって、ＭＯＣＶＤ法の欠点は、利用できる基板材料全てに対し、温度的に不適合な点である。そこで、ポストグロース・クーリング法（成長後冷却法：ｐｏｓｔｇｒｏｗｔｈ  ｃｏｏｌｉｎｇ）により、有効な性質と欠点が窒化膜へ導かれた。
【０００６】
更に加えて、高い成長温度のために、他の好ましくない効果、例えばドーパント、グループIII の金属の蒸着（ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）、拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、偏析（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）を誘発する恐れがある。
【０００７】
このように、適切な基板を選択するということが、その高温成長温度のためにますます難しくなっている。また、ＮＨ3 は毒性を有するため、その処理コストが高い。
【０００８】
このように、これらの材料系は、従来のＭＯＣＶＤ法により製造されてきたが、１０００℃程度の高温プロセスであること、ＮＨ3 の毒性に対する処理コストの観点から改善が求められてきた。
【０００９】
新しい製造法として窒素プラズマを用いるＭＢＥ法が研究されてきたが、成長速度が１時間当たり０．５μｍと小さく、その品質も高効率の発光素子が作成できるレベルに至っていないため、製造装置としては大きな問題点を抱えている。
【００１０】
本発明は、上記問題点を除去し、高成長速度、高品質膜作製というＭＯＣＶＤの特徴と低環境コストというＭＢＥの特徴をともに実現するプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
（１）プラズマＣＶＤ装置において、窒素の熱プラズマを用い、この窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光を利用して、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ｇａ系化合物半導体基板上にＧａＮ膜を室温で成長させるようにしたものである。
【００１２】
（２）プラズマＣＶＤ装置において、窒素の熱プラズマを用い、この窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光と、極紫外光発生の光源を併用し、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ｇａ系化合物半導体基板上にＧａＮ膜を室温で成長させるようにしたものである。
【００１３】
（３）上記（１）又は（２）記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記窒素の熱プラズマはリモートプラズマとして供給するようにしたものである。
【００１４】
（４）上記（１）又は（２）記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記窒素の熱プラズマは、窒素ガスとともに、ヘリウムなどの希ガスを混ぜることにより、前記窒素の熱プラズマの効率を高めるようにしたものである。
【００１５】
（５）上記（１）又は（２）記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記金属ガスソースは有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物、金属元素のいずれかの形態あるいはこれらの組み合わせである。
【００１６】
上記のように構成したので、
（Ａ）窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、成長に有効に働く窒素原子の生成を効率的に行って高成長速度、高品質膜形成を図るとともに、環境コストの低減を図ることができる。また、窒素熱プラズマと金属元素化学種との相互作用により、低温での金属化学種の分解が可能になり、成長温度の低温化を可能にする。
【００１７】
（Ｂ）窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、プラズマ源から極紫外光が発生し、これが金属源である有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物の光分解と、金属原子の表面でのマイグレイションを高めることにより、結晶性の向上と成長温度の低下が可能になる。
【００１８】
（Ｃ）リモートプラズマ構成をとるため、各元素の供給の独立性があり、ＭＯＣＶＤなどのいわゆる、プリマチャ（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ：時期が早い）反応が無いため、結晶成長は各元素の供給速度、成長温度、窒素プラズマと窒素の圧力で決定される。したがって、結晶成長の制御性が非常によい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示すＧａＮ膜のプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【００２１】
この図において、１は成長チャンバー、２は拡散ポンプ、３はロータリーポンプ、４，５，６はバルブ、７は基板ホルダー、８は基板ホルダー７に設けられるヒータ、９は基板ホルダー７を操作するマニピュレータ、１０はＲＦプラズマ発生装置、１１は石英管（ｑｕａｒｔｚ  ｔｕｂｅ）、１２はＲＦヒータ、１３は冷却水の入口、１４は冷却水の出口、１５はＮ2 ソース、１６は発生したＲＦプラズマ、１７はＴＭＧソース、１８は温度バスである。２１は基板であり、例えば、ＧａＡｓ（１００）基板である。
【００２２】
図に示すように、成長チャンバー１には窒素プラズマソース、Ｇａソースのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の供給ライン、真空ポンプとバルブ、真空計などとともに、加熱機構付の基板ホルダー７が設置されている。
【００２３】
ここで、最も重要な点はプラズマ条件であり、１Ｔｏｒｒ程度の窒素圧力で十分なパワー（１ｋＷ以上）を供給することにより、熱プラズマが形成される。
【００２４】
金属化学種の光分解を補助するために、ＭｇＯなどの窓を通してＨｅなどの希ガス放電管を照射することも有効である。
【００２５】
上記のように構成したので、
（１）室温でのＧａＮ膜，ＣａＮＯ膜を形成することができる。
【００２６】
（２）新しい材料であるＧａＮＯ混晶化合物を生成することができる。
【００２７】
（３）高成長速度（数１０ミクロン／時間）が期待できる。
【００２８】
（４）混晶ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等の成長が可能である。
【００２９】
（５）シリコン、Ｍｇなどの不純物元素の添加も、ＳｉやＭｇの有機金属化合物や水素化物、金属元素を用いることによって可能となる。
【００３０】
〔具体例１〕
ここでは、具体的に、熱プラズマＣＶＤ（ｈｏｔ  ｐｌａｓｍａ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、ＧａＡｓ（１００）基板上におけるＧａＮ膜の室温での成長を行った。
【００３１】
従来のＧａＮを用いたＭＯＣＶＤ法による欠点を克服するために、新しい成長技術を開発した。すなわち、熱プラズマＣＶＤ法（ｈｏｔ  ｐｌａｓｍａ  ＣＶＤ）であり、ＧａＮ膜を室温で生成する新奇な方法である。
【００３２】
成長チャンバーにおける高温プラズマの窒素ソースは、誘導的に結合した石英管１１において、３×１０-2Ｔｏｒｒの窒素バックグラウンド圧力で５ｋＷまたはそれ以下のＲＦパワーを供給することによって生成される。このようにして、アバンダントアクティブ窒素原子（ａｂｕｎｄａｎｔ  ａｃｔｉｖｅ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ａｔｏｍｓ）が生成され、その結果、室温において、４μｍ／ｈの高い成長率を得ることができる。
【００３３】
更に、高温プラズマからの強い放射光（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）が基板２１上に照射され、成長の過程においてＴＭＧの解離を促進し、その結果、ＧａＮ膜の室温における成長が実現される。
【００３４】
ＧａＮを成長させる前に、ＧａＡｓ（１００）基板２１を、窒素プラズマビームの放射を伴って、あるいは伴わずに、６００℃まで加熱した。そして、室温にまで冷却した。Ｎ2 とＴＭＧの部分圧力（ｐａｒｔｉａｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）はそれぞれ、３×１０-2ｔｏｒｒ、１×１０-1ｔｏｒｒに設定した。ＧａＮ膜は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）及び光ルミネッセンス分光学（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって観測した。
【００３５】
ＲＨＥＥＤとＸＲＤの結果により、ＧａＮ膜の構造は、成長前の表面処理に依存していることが示された。すなわち、窒素プラズマビームを放射しない場合は、六方晶構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が得られ、窒素プラズマビームを放射した場合は立方晶体構造（ｃｕｂｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が得られる。しかしながら、すべての試料は、ミラー様の構造（ｍｉｒｒｏｒ−ｌｉｋｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を示し、室温において２．９９７ｅＶを中心とする強力で幅の広い放射を示した。
【００３６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【００３８】
（１）窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、成長に有効に働く窒素原子の生成を効率的に行って高成長速度、高品質膜形成を図るとともに、環境コストの低減を図ることができる。また、窒素熱プラズマと金属元素化学種との相互作用により、低温での金属化学種の分解が可能になり、成長温度の低温化を可能にする。
【００３９】
（２）窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、プラズマ源から極紫外光が発生し、これが金属源である有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物の光分解と、金属原子の表面でのマイグレイションを高めることにより、結晶性の向上と成長温度の低下が可能になる。
【００４０】
（３）リモートプラズマ構成をとるため、各元素の供給の独立性があり、ＭＯＣＶＤなどのいわゆる、プリマチャ（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ：時期が早い）反応が無いため、結晶成長は各元素の供給速度、成長温度、窒素プラズマと窒素の圧力で決定される。したがって、結晶成長の制御性が非常によい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すＧａＮ膜のプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【符号の説明】
１    成長チャンバー
２    拡散ポンプ
３    ロータリーポンプ
４，５，６    バルブ
７    基板ホルダー
８    ヒータ
９    マニピュレータ
１０    ＲＦプラズマ発生装置
１１    石英管
１２    ＲＦヒータ
１３    冷却水の入口
１４    冷却水の出口
１５    Ｎ2 ソース
１６    発生したＲＦプラズマ
１７    ＴＭＧソース
１８    温度バス
２１    基板〔ＧａＡｓ（１００）基板〕
【図１】
0003587946.tif 000002