(57)【要約】【課題】  本発明は、触媒分子線エピタキシ（ｃａｔ−ＭＢＥ）の装置、及びそれを用いてIII族窒化物材料を成長させる方法に関する。【解決手段】  本発明の触媒分子線エピタキシ装置１２０は、熱線１０を含み、アンモニア、窒素ガス等の窒素を含むガス１１０が熱線１０を通過する際に、前記熱線１０によって前記窒素を含むガスを触媒作用により分解して活性化イオンを生成し、前記活性化イオンがIII族金属元素と反応して加熱基板上にIII族窒化物エピタキシャル層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシ装置中でIII族窒化物エピタキシャル層を成長させる、触媒分子線エピタキシによるIII族窒化物材料を成長させる成長方法であって、
（１）基板を設け、
（２）III族金属元素を供給するための固体金属を用意し、
（３）窒素を含むガスを触媒作用により分解するための熱線を用意し、
窒素を含むガスが熱線を通過する際に、前記熱線によって前記窒素を含むガスを触媒作用により分解して活性化イオンを生成し、前記活性化イオンはIII族金属元素と反応して加熱基板上にIII族窒化物エピタキシャル層を形成する成長方法。
【請求項２】
前記窒素を含むガスは、アンモニア、窒素又はＮｘＣｌｙである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記活性化イオンは、Ｎ＊イオン、ＮＨ＊イオン又はＮＨ２＊イオンである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記III族金属はＧａ、Ａｌ又はＩｎからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において用いられる触媒分子線エピタキシ装置であって、
（１）III族窒化物材料を成長させるための環境として用いる冷却壁ステンレス鋼の超高真空システム、
（２）前記窒素を含むガスを触媒作用により分解するために用いる熱線、
（３）III族窒化物半導体の成長において必要なIII族元素を供給するために用いる固体III族金属源を備え、
アンモニア又は窒素が熱線を通過する際に、それらを触媒作用により分解して窒素を含む活性化イオンを生成し、前記活性化イオン及びIII族元素は分子線の形態で加熱基板に到着して加熱基板上で反応してIII族窒化物エピタキシャル層を形成する触媒分子線エピタキシ装置。
【請求項６】
前記活性化イオンは、Ｎ＊イオン、ＮＨ＊イオン又はＮＨ２＊イオンである請求項５に記載の触媒分子線エピタキシ装置。
【請求項７】
前記触媒熱線は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属から構成される請求項５に記載の触媒分子線エピタキシ装置。
【請求項８】
前記III族元素は固体金属として供給される請求項５に記載の触媒分子線エピタキシ装置。
【請求項９】
前記固体金属はＧａ、Ａｌ又はＩｎからなる請求項８に記載の触媒分子線エピタキシ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物のエピタキシ装置に関し、詳細には、熱線を備え、気体アンモニア又は窒素分子を触媒的に分解して活性化窒素ラジカルを生成し、この活性化窒素ラジカルを分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によるエピタキシャル成長用窒素源とすることを特徴とする触媒ＭＢＥ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、III族窒化物材料の成長に用いられる最も一般的な技術は、金属−有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）と分子線エピタキシ（ＭＢＥ）である。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ技術に関しては、成長速度が速く膜厚が正確に制御されるので、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）の量産に特に応用可能である。そのため、米国のＥＭＣＯＲＥ社及びＡｘｉｔｒｏｎ社や英国のＴｈｏｍａｓ  Ｓｗａｎ社が、窒化ガリウムの量産用に用いるＭＯＣＶＤ装置を開発している。しかし、ＭＯＣＶＤ技術について言えば、成長温度が高い、高圧である、窒化ガリウム膜の化学組成を維持するために大量のアンモニアを消費するなどの明らかな欠点がある。さらに、アンモニアのレイノルズ数が大きいために、流体では容易に乱流現象が発生するので、成長反応容器の設計及び膜を均一に成長させる制御が難しい技術となり、また現場解析用の素子をシステムに搭載することは容易ではない。
【０００４】
上記ＭＯＣＶＤとは対照的に、ＭＢＥ技術を用いて窒化ガリウムを成長させることは、低温及び低圧において、膜の成長均一性が高くかつゆっくりとした成長速度で実施可能であるので、原子層レベルでより精密に膜厚を制御することが可能であり、量子井戸層構造を製造するための材料成長技術に適用できる。ＭＢＥ技術における各分子線源は、独立して基板に送り出されるので、それらが基板に到達する前に反応容器スペース中における線源間での均質系反応をなくすことができる。さらに、ＭＢＥシステム中では通常１０−１０Ｔｏｒｒの高真空度であるため、炭素及び酸素等のような汚染物質から発生する膜材料のバックグラウンド汚染物が少ない。
【０００５】
しかし、ＭＢＥ技術の欠点は、ＮＨ３及びＮ２は低温で分解することが難しいという特徴を有しているため、現状の窒化ガリウムのＭＢＥエピタキシは、高周波（ＲＦ）及び電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマよって窒素源としてのＮＨ３及びＮ２を励起させることができるのみである。例えば、金属ガリウム又は金属有機ガリウムをガリウム源として用いると、基板表面上で反応を起こして窒化ガリウムを形成することができるが、ＲＦ又はＥＣＲプラズマにより発生する高エネルギーのイオン流が膜を容易に傷つけるので、窒化ガリウムエピタキシャル層の品質は明らかに低下する。
【０００６】
例えば、特許文献１（米国特許第６，１４６，４５８号）は、ＮＨ３ガスを第１の導管を経由しさらにIII族ガスを第２の導管を経由して導入し、ＮＨ３ガスは従来のＭＢＥであるＲＦにより導入されることからなる、現状のＭＢＥ技術を改良する分子線エピタキシを開示している。また、特許文献２（米国特許第６，５００，２５８号）は、III族窒化物半導体層を主に製造するために、時間差を用いて基板の温度を制御し、適切な時点でＮＨ３ガスを導入してＶ族／III族の比を高めることを特徴とする、ＭＢＥ技術による半導体結晶層を成長させる方法を開示している。しかし、依然としてＮＨ３ガスを従来のＭＢＥ技術であるＲＦにより導入しているので、特許文献３（米国特許第６，１４６，４５８号）のように高エネルギーのイオン流が膜に損傷を与えることもあり得る。さらに、米国特許第５，６３７，１４６号は、窒素がＲＦプラズマ励起ラジカル原子技術により供給されることを特徴とする、III族窒化物半導体層を成長させる方法及び装置を開示しているが、エピタキシャル層を損傷させることに関する問題が依然として存在する。本発明では、窒素源をＮＨ３の熱線触媒分解により供給するので、ＲＦ又はＥＣＲプラズマによる窒素源の従来の高エネルギー解離におけるような、高エネルギーのイオン流の存在により膜が損傷することに関する問題がない。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，１４６，４５８号
【特許文献２】米国特許第６，５００，２５８号
【特許文献３】米国特許第６，１４６，４５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主な目的は、従来の分子線エピタキシにおけるＲＦやＥＣＲに起因する高エネルギーのイオン流損傷の問題を解決する、III族窒化物材料を成長させるための触媒分子線エピタキシ（触媒ＭＢＥ）方法及び装置を提供することであり、安定した活性化窒素源を供給することによって、ＲＦ又はＥＣＲ分子線エピタキシに匹敵する成長速度を維持しながら、ＧａＮエピタキシャル層の品質が向上する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の触媒分子線エピタキシ装置は、
１）III族窒化物材料を成長させるための環境として用いる冷却壁ステンレス鋼の超高真空システム、
２）窒素を含むガスを触媒作用により分解するために用いる熱線、
３）III族窒化物半導体の成長に必要なIII族元素を供給するために用いるＧａ、Ａｌ又はＩｎ等の固体III族金属源から構成され、
アンモニア又は窒素が熱線を通過するとき、それらを触媒作用により分解して窒素を含む活性化イオンを生成し、前記活性化イオンとIII族元素は分子線の形態で基板に到着して基板上で反応してIII族窒化物エピタキシャル層を形成する。
【００１０】
本発明の好適な実施例において、前記アンモニアはＮ２やＮｘＣｌｙ等の窒素を含む化合物の他のガスにより置換される。アンモニアが熱線を通過する際に生成されるＮ活性化イオンは、Ｎ＊又はＮＨ＊イオン又はその他の活性化Ｎ成分イオンであればよい。本発明における固体III族源は、Ｇａ、Ａｌ又はＩｎのような高純度金属からなる。
【００１１】
本発明の分子線エピタキシ装置は、熱線、主反応装置、装入チャンバ、ヒータ、ウェハ装入口及び取出口、シャッタ、分子線源るつぼセット及び真空度維持用のポンプシステムから構成される。安定で、かつ活性化された触媒熱線を備えて、例えばアンモニアが熱線を通過する際に、Ｎ＊又はＮＨ＊イオン又はその他の活性化Ｎ成分イオンなどの窒素を含む活性化イオンを生成することが特徴である。熱線の材料は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）等のような高融点金属からなり、タングステン（Ｗ）が最も好適である。熱線の温度は必要な窒素源及び材料により異なり、その範囲は１０００℃〜２５００℃であり、１２００℃〜１７００℃が最も好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点を明白に例示するために、説明に用いる添付図面とともに好適な実施例を提示するが、本発明の内容及び範囲はそれに限定されるものではない。図１は、本発明の好適な実施例における触媒分子線エピタキシ（ｃａｔ−ＭＢＥ）装置を示す図である。図２は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置により成長させたＧａＮサンプル断面を示すＴＥＭ画像である。図３は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置により成長させたＧａＮサンプルのＸ線回折曲線である。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の好適な実施例を示す図である。触媒分子線エピタキシ（触媒ＭＢＥ）装置１２０の主反応装置２０はステンレス鋼により構成されており、壁は水冷される。ヒータ４０は、１〜２インチのウェハを１２００℃まで加熱、回転及び搬送できる。分子線源るつぼセットは、ＧａやＡｌ等のようなIII族元素及びＰ及びＮ型ドーパント源として用いる固体Ｍｇ及びＳｉ源を供給する。窒素源は、高純度ＮＨ３ガスが熱線１０を通過して触媒作用により分解することで生成される、活性化Ｎ又はＮＨイオンからなる。これは、本発明に必須のことである。主反応装置２０及び装入チャンバ３０の真空状態は、それぞれ１３００ｌ／ｓターボポンプ及び６００ｌ／ｓターボポンプにより維持され、最高真空度はそれぞれ３×１０−９Ｔｏｒｒ及び５×１０−６Ｔｏｒｒまで到達可能である。この好適な実施例において膜の成長表面の現場観察を行うために、主反応装置２０には、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）分析器５０が取付けられている。チップウェハ用出入口６０は、ウェハの装入及び取出しに用いる。
【００１４】
本装置を用いてＧａＮエピタキシャル膜を成長させるための一般的な手順は、
（１）最初に、１インチサファイヤ（０００１） 基板をアセトンとメタノールで洗浄し、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ３ＰＯ４が１：３で示される混合溶液によりエッチングし、ＤＩ水により水洗し、Ｎ２により乾燥させる。
【００１５】
（２）洗浄予備処理の後、基板を直ちに装入チャンバ３０中に装入し、装入チャンバ３０の真空度<２×１０−６Ｔｏｒｒのとき基板を主反応装置２０にまで通過させる。基板を９００℃で１０分間アニールした後、５分間窒化処理を行うため、主反応装置の温度を５００℃に低下させる。厚さ２５ｎｍの低温ＧａＮエピタキシャルバッファ層を５００℃で成長させる。最後に、温度を７６０℃に上昇させた後、厚さ３．５μｍのＧａＮエピタキシャル層を成長させる。ここで、ＮＨ３ガスの流速は５０ｓｃｃｍに制御され、熱線の温度は１５００℃であり、Ｇａ源の温度は９８０℃に制御され、成長圧力は成長工程中では１０−４Ｔｏｒｒである。
【００１６】
図２は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置１２０により成長させたＧａＮサンプルの断面を示すＴＥＭ画像である。図３は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置１２０により成長させたＧａＮサンプルのＸ線回折曲線である。上記結果は、好適な実施例において用いたｃａｔ−ＭＢＥ装置１２０により成長させたＧａＮサンプルの結晶品質が非常に良好であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の好適な実施例における触媒分子線エピタキシ（ｃａｔ−ＭＢＥ）装置を示す図である。
【図２】図２は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置により成長させたＧａＮサンプル断面を示すＴＥＭ画像である。
【図３】図３は、本発明にかかるｃａｔ−ＭＢＥ装置により成長させたＧａＮサンプルのＸ線回折曲線である。
【符号の説明】
【００１８】
０１    冷却水の入口
０２    冷却水の出口
１０    熱線
２０    主反応装置
３０    装入チャンバ
４０    ヒータ
５０    反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）分析器
６０    チップウェハ用出入口
７０    シャッタ
８０    分子線源るつぼセット
９０    ターボポンプ
１００  メカニカルポンプ
１１０  高純度アンモニア
１２０  触媒分子線エピタキシ装置
【図１】
2006054419.tif 000003
【図２】
2006054419.tif 000004
【図３】
2006054419.tif 000005