GaNエピタキシャル薄膜形成用スパッタリングモジュール「SEGul」の開発
白井雅紀 ・築田宗一朗 ・小林宏樹 ・上村隆一郎
＊1＊1

＊1

＊1

Development of Sputtering Module “SEGul” for Forming GaN Epitaxial Thin Films.
Masanori SHIRAI , Souichirou TSUKUDA ,＊1

Hiroki KOBAYASHI＊1＊1＊1and Ryuichiro KAMIMURA＊1

Advanced Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, Japan

We have developed “Radical assist Sputter Epitaxy”（RaSE）method which enables epitaxial
growth of gallium nitride（GaN）by sputtering and “SEGul” system for mass production.
The “RaSE” method has the advantages of low deposition temperature and low material usage
cost for forming epitaxial GaN thin film compared to metal organic chemical vapor deposition（MOCVD）method which is a common film formation method of GaN.
MO-CVD method uses organometallics and toxic gases such as NH3 as raw materials, and theformation temperature is about 1000 ℃. In contrast, “RaSE” method uses common materials such as
Ga, N2, and Ar, and GaN formation can be performed at relatively low temperatures of 700 ℃ orlower. It can also be applied to the formation of high density n-type GaN thin films with n-type20-3
carrier density in the 1x10 cm range by using additional sputtering source for doping.
In this report, we describe the characteristics of GaN thin films formed by the “RaSE” method, as
well as the mass production system “SEGul” which can handle up to 8-inch wafer sizes.

1.

はじめに触抵抗を改善するデバイス構造が提唱されている。

1, 2）

一方でGaNの製造手法として普及しているMO-CVD化合物半導体である窒化ガリウム（GaN）は照明用法においてはn型GaNの高濃度化に限界があると言わLEDの発光素子として広く利用されている。また，半れている 。またMO-CVD法による再成長工程を追加導体として「高い飽和電子速度」や「高い絶縁破壊電する場合，装置や材料に加え有害ガスの除害設備等製圧」という特長を有し，前者はGaN HEMTとして通造に関わるコスト増加も課題となる。これらの解決策

信デバイス等に，後者は縦型GaNパワーデバイスへのとして我々はスパッタリング法によるGaNのエピタキ活用が期待されている。例えばAlGaN/GaNヘテロ接シャル成長の開発をおこなっている。スパッタリング合を用いたGaN HEMT（高電子移動度トランジスタ：

法はアルゴン（Ar）雰囲気中で材料となるターゲッ

High Electron Mobility Transistor）は高速・大容量トへ高電圧を印加し発生するプラズマを利用し，材料モバイル通信規格である5G向けの通信デバイスとしを基板へ膜として堆積させる物理蒸着法である。また，て開発が進められている。またEVやサーバ用電源と窒素（N2）等の反応性ガスを添加することで窒化物のしてGaN縦型パワーデバイスの実用化に向けた開発も形成ができ，MO-CVD法と比較し，扱いの容易な材進められている。近年ではPCや携帯端末用の電源や料でGaNを形成することができる。

3）

充電器のACアダプターへGaNデバイスを採用するこ

本報告では我々が開発したGaN エピタキシャル薄とで小型化と高出力化を両立した製品が登場し，注目膜形成技術であるRaSE法と同専用スパッタモジューを集めている。

ル「SEGul（シーガル）」について紹介を行う。

GaＮ系LEDやパワーデバイスに共通する課題の 1つとして「半導体/金属電極間の接触抵抗の低減」がある。解決策として電極と半導体の接触部にキャリア密度で10 cm 台の高濃度n型GaN層を再成長させ，接20-32.

RaSE法の概要

本項ではRaSE法によるGaN形成について簡単に解説を行う。スパッタリング法によりGaN等の化合物薄（株）アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500）＊1	

膜を形成する手法としてリアクティブスパッタリング法がある。これにはプラズマを利用し金属ターゲット
March/2023 No.857表面とプロセスガス（例えばN2）を反応させて得られる化合物層をスパッタリングする手法やターゲットとして目的の化合物を用いる手法がある。どちらの手法も目的の化合物の状態で基板に堆積し薄膜を形成していく。Thorntonのモデル

より，基板に堆積する粒4, 5）子でエピタキシャル成長を行うにはその表面で材料をマイグレーションさせ再配置と結晶化を促すことが有効であると考えられる。マイグレーションに必要なエネルギーを与えるには基板温度を対象となる材料の融点近くにすることが望ましい。しかしGaNの融点は約2000 ℃以上と高い一方，1000 ℃程度から熱分解が生じると言われている。リアクティブスパッタリング法
を用いる場合にはGaN粒子をいかにマイグレーションFig.1させるかが課題となる。

Schematic diagram of RaSE method.

我々が開発したRaSE法は金属GaターゲットとN＊（窒素ラジカル）を照射するプラズマ源を利用する。
単体元素として供給される金属GaとN が基板上で反上部に基板加熱用のヒーターが設置される。また，ド応することでGaNを形成することを特徴としている。

ーピングによりn型GaNを成長させる場合には，GaカGaは融点が30 ℃以下と低くスパッタリングのプラズソードとは別に配置されているドーピングターゲットマの熱により容易に溶解する。一方で，蒸気圧も低い用のカソードを利用しGaと共スパッタリング（Co-ためスパッタリングプロセスにおいて液体として安定Sputtering）を行うことが出来る。代表的な添加元素して扱うことができる。この特性により基板上でも液はシリコン（Si）又はゲルマニウム（Ge）であるが，体Gaとして存在できることからGaNへの反応過程にこれらはターゲットの交換により変更が可能である。

＊

おいて十分なマイグレーションを行うことができると考えている。本手法により基板温度600～700 ℃程度のGaNの形成手法としては低温とされる温度帯でGaNエピタキシャル成長を実現した。またプラズマ源から2.2 RaSE法のプロセスフロー
Fig.2にRaSE法の標準的なプロセスフローを示す。
「Substrate transfer」：基板搬送生成・供給されるN はスパッタリングのプラズマ中

基板をL/UL（Load/Unload）チャンバーからプロで生成されるN2イオン種に比べ反応性が強く，基板にセスチャンバーに搬送する。SEGulは上記機構により付着したGaを十分に窒化させることができる。そのプロセス室のヒーター温度を500 ℃，到達圧力を10＊際に必要なN2導入量はリアクティブスパッタ法に比べ少量であり，Gaターゲット表面を窒化させることなく，安定して金属Gaを基板へ供給することが可能である。
2.1 装置構成
Fig.1にRaSE法の構成要素を示す。プロセスチャン
バーはスパッタリングカソードと窒素ラジカル源，基板加熱用のヒーター及びプロセスガス導入部が適宜配置された構成が基本となる。スパッタリングカソードにはガリウム（Ga）ターゲットが配置されている。
Gaは融点がおよそ30 ℃と低くプロセス中は液体状態となることから，専用のターゲット容器で取り扱う。
窒素ラジカル源からはN がプロセスチャンバー内に＊供給され，通常のスパッタリングガスであるArとN2に加えてN をプロセス中に利用することができる。
＊

ターゲットのGaが液体になるため，装置形態はカソ8ード上部に基板を配置するデポアップ型となる。装置

Fig.2

RaSE method process flow.

-5

Pa台に維持した状態で基板の出し入れが可能である。
「Heating up ＆ Pre-Processing」：昇温＆前処理
基板搬送後所望の成長温度に向けて昇温を行う。同時にラジカル源から基板へN の照射を行うこともで＊きる。
「GaN Epi.」：Gaスパッタとエピタキシャル成長
プロセスガス（Ar または Ar＋N2）およびラジカ
ル源からN を所定の条件にて導入，Ga，ドーパント＊

各スパッタカソードに電圧を印加しスパッタリングを行う。基板表面ではGaとN の反応が進行しGaN層が＊成長する。
「Post-Processing」：後処理
RaSE法では基板表面のGaをN により窒化させるこ＊

Fig.3 SEM image of Si doped SP-GaN thin film
formed by “RaSE” method.（a）Ga PowerとでGaNを形成する。
「Sputtering」終了の段階では

77 W，（b）Ga Power 80 W，（c）Ga Power

基板表面に未反応の残留Gaが発生する場合がある。N＊85 W，（d）Ga Power 90 Wの照射により残留Gaの窒化を促すことができる。
「Heating down」：降温所定の温度まで基板温度を下げ基板の回収を行う。

3.

スパッタリングGaN薄膜の諸特性

RaSE法にて形成したGaN薄膜の諸特性について，開発したRaSE専用スパッタリングモジュールSEGulの成膜結果を用いて紹介をする。
SEGulはφ 8 inchウェーハの直接搬送に対応している。 ま た， 専 用 の 基 板 ホ ル ダ ー を 使 用 す る こ と で8 inch以下の小径ウェーハやチップ基板等に成膜を行うこともできる。検証では10×20 mmのチップ基板を使用した。基板はHVPE製un-doped GaNテンプレー
ト層付きサファイア基板（GaN on Sap.基板）と通常のサファイア基板（Sap.基板）を使用した。前者ではFig.4 G rowth rate of Si doped SP-GaN layer
formed on sapphire substrate.

スパッタリングGaN（以降SP-GaN）膜の各種特性評
価を，後者ではSEMで取得した断面像から膜厚を測長しSP-GaN膜の成長膜厚の推定を行った。

SP-GaN薄膜の表面SEM画像を示す。Gaの出力増加に3.1 RaSE法の成長条件と膜質の相関
GaN薄膜形成時のGa供給量に対する膜質の変化に伴い表面のモフォロジーが改善していく様子が確認できる。

ついて述べる。SP-GaN層の成長フローはFig.2で示し

次にSEMにてSap.基板上におけるSP-GaN層の断面た通りである。成長時の基板温度は約600 ℃とした。

測長から膜厚の確認を行った。得られた膜厚から算出

共スパッタリングによりGaとn型ドーパントを，ラジしたSP-GaN層の成長速度をFig.4に示す。スパッタリ

カル源からN をそれぞれ基板に供給しSP-GaN層の成ングにおいてターゲットから放出されるスパッタ粒子長を行った。その際のSP-GaN層の狙い膜厚は100 nm（Ga）の量はカソードに印加されるRF出力に依存すとし，n型ドーパントにはSiターゲットを使用した。

るので，基板に供給されるGa量はRF出力にともなっGaカソードに接続したRF電源の出力を変えた 4 水準て増加する。一方で供給されるN 量は一定であり，のSP-GaN薄膜を形成した。各々について評価を行いGaの供給量が一定量を超えた場合にはN の不足によGaの供給量に対する膜質変化について検討を行った。

り基板表面にGaが蓄積されるようになり，GaNの成Fig.3にGa出力に対するGaN on Sap.基板上のSi-doped長速度は頭打ちになると予測した。結果はFig.4で示＊＊＊March/2023 No.859すように成長速度がGaの出力に比例し増加し続けた。
よって検討範囲の成長はGaに対しN の供給が比較的＊多い「窒素過多条件」での成長であると考えている。
ここで，本検討におけるGaの出力依存性をGaNの成長面に存在するGaとN の比率と考え考察を行う。
＊

Gaに印加するRF出力が小さく相対的にN の存在比＊率が上がれば，成長面でのGaとN の衝突確率は高ま＊る。基板に到達したGaは次々にN と反応しGaNを形＊成していくためマイグレーションに有利なGa状態を維持できずエピタキシャル成長が阻害される。結果としてFig.3（a）に示すようにGaNの表面モフォロジーが低下する。Gaの存在比が上がる（RF出力を増やす）と成長面でのN との衝突確率は低下する。成長面で＊マイグレーションに有利なGaの状態を維持する時間

Fig.6

XRD ω scan of GaN（10-10）plane.

的余裕が生まれるためエピタキシャル成長が進行し表面モフォロジーが改善したと考えている。

以上のことからRaSE法により成長させるGaN薄膜

Fig.5にホール効果測定から得られたGaN on Sap.基の成長速度やモフォロジー，電気特性等の基本的な膜板上のSP-GaN薄膜のGa出力に対するキャリア密度と質はGaとN の供給比率の影響を受ける。成長条件の移動度の依存性を示す。キャリア密度はGaの出力に設定においては，両者の最適化が重要であると考えてよらず概ね2.0×10 cm 程度で推移している。一方でいる。

20-3＊

結晶品質の影響を受けやすい移動度は出力と共に向上する傾向を示した。これは表面モフォロジーの改善傾

3.2 SEGulのGaN成膜性能向と一致しておりGa出力の増大による結晶品質の向Fig.7にSEGulの外観図を示す。装置は「基板カセッ上によるものと考えている。参考までにGaN on Sap.

ト室」
「搬送コアチャンバー」および「プロセスチャ基板においてX線回折法（XRD）にて測定したGaNンバー」の 3 室構成を基本形とする。
「搬送コアチャ（10-10）面のωスキャンの結果をFig.6に示す。Ga=80

ンバー」に「プロセスチャンバー」を増設することでWで形成したSP-GaN層と下地膜であるHVPE製GaN生産量の増強が可能である。 6 角形コアを採用した場層の比較をしている。得られたピーク強度から算出し合，最大 3 室のプロセスチャンバーが配置できる仕様

た半値幅はSP-GaN層が約425arcsec，GaNテンプレーになっている。

ト層が約401arcsecとなった。

Fig.5 H all effect measurement results of Si
doped SP-GaN layer formed on sapphire
substrate with GaN template.

10Fig.7 E
 xternal view of the GaN sputtering module“SEGul”.

Table 1 List of uniformity performance of sputtered GaN films

SEGulによるSP-GaN層形成性能についてその面内ている。デバイス開発において目的や用途に応じた製均一性を紹介する。均一性の評価は前項と同じくチッ造手法の選択肢があることは非常に重要であり，GaNプ基板（Sap.基板 および GaN on Sap.基板）を使用し製造においても本技術が新たな選択肢としてデバイスた。専用のチップ用ホルダーを用いてφ 8 inch基板中の発展に貢献していくことを期待する。

央からφ20，60，100，140，180 mmに相当する位置に基板を配置して該当位置の成膜性能を取得した。成文 献

長条件は面内分布を考慮し3.1項で示したGa出力80 W

1）N. Yafune, M. Nagamori, H. Chikaoka, F.の水準とし，前項と同じ手法にて各基板の膜厚およびWatanabe, K. Sakuno, and M. Kuzuhara, :Low-電気特性の評価を行った。

resistivity V/Al/Mo/Au ohmic contacts on

Table 1に膜厚，電気特性の評価結果をまとめた。
得られたn型GaNの電気特性は面内平均で移動度87cm ・V ・sec ，キャリア密度2.0×10 cm であった。
2-1-1

20-3AlGaN/GaN anealed at low temperature, Jpn.
J.Appl.Phys., 49,（2010）04DF10.
2）J. Zhang, X. Kang, X. Wang, S. Huang, C. Chen,

各項目の 8 inch面内における分布は概ね± 5 %程度とK. Wei, Y. Zheng, Q. Zhou, W. Chen, B. Zhang,なっている。GaN系デバイスで利用されている基板サand X. Liu, :Ultralow- contact-resistance Au-free

イズは用途や基板種によって異なるが主にφ 4 ～ 6ohmic contacts with low annealing temperatureinchが主流であり，現行のデバイス製造に加え将来的on AlGaN/GaN hetrostructures,IEEE Electronな大口径化にも対応可能である。

Device Lett., 39,（2018）847-850.
3）A. Suzuki, S. Choe, Y. Yamada, N. Otsuka, and D.

4.

まとめUeda,: NiO gate GaN-based enhancement-mode
hetrojunction field-effect transistor with

本稿ではRaSE法によるGaNエピタキシャル薄膜形

extremely low on-resistance using metal organic

成技術と専用スパッタリングモジュール「SEGul」にchemical vapor deposition regrown Ge-dopedついて紹介した。現在，本技術は高濃度n型GaNの形

layer, Jpn. J. Appl. Phys., 55,（2016）121001.4）

成に特化した技術である一方「低温形成，安価・簡4）J.A. Thornton : J. Vac. Sci. T., 11, 666（1974）

便」といった既存のGaN製造手法にはない特長を有し, 3059（1986）
5）J.A. Thornton : J. Vac. Sci. T., A4（6）11
March/2023 No.85