JP5705656B2 - Method for forming gallium nitride columnar structure and apparatus for forming gallium nitride columnar structure - Google Patents
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Description
この発明は、反応性スパッタ法を用いた窒化ガリウム柱状構造の形成方法、及び該方法を用いて窒化ガリウム柱状構造を形成する装置に関する。 The present invention relates to a method for forming a gallium nitride columnar structure using a reactive sputtering method, and an apparatus for forming a gallium nitride columnar structure using the method.
III族窒化物半導体の1つである窒化ガリウム系半導体は、紫外光から可視光に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有することから、発光ダイオードやレーザダイオード等の光学デバイスの形成材料として広く用いられている。また、窒化ガリウムは、例えばシリコンやガリウムヒ素等の他の半導体材料と比較して、電圧破壊に対する高い耐性を有することに加え、高い飽和電子速度を有する。 A gallium nitride based semiconductor, which is one of group III nitride semiconductors, has a direct transition type band gap of energy corresponding to ultraviolet light to visible light. Therefore, as a material for forming optical devices such as light emitting diodes and laser diodes. Widely used. Further, gallium nitride has a high saturation electron velocity in addition to high resistance to voltage breakdown as compared with other semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide.
そのため、近年では、こうした窒化ガリウムによって形成されたナノスケールの構造物、いわゆる窒化ガリウム柱状構造を上記光学デバイスの発光体、電界放出素子、及び化学センサ等の電子デバイスに応用する試みが盛んに行われている。 Therefore, in recent years, attempts have been actively made to apply such nanoscale structures formed of gallium nitride, so-called gallium nitride columnar structures, to electronic devices such as light emitters, field emission elements, and chemical sensors of the above optical devices. It has been broken.
窒化ガリウム柱状構造の形成には、例えば特許文献1に記載のように、気相−液相−固相成長法(VLS法)が用いられている。VLS法では、固体である下地層の表面に形成された液体の触媒金属、例えばニッケルや白金等に対して、気体状の原料、例えばトリメチルガリウムとアンモニアとが供給される。そして、触媒金属中に溶解した原料が過飽和の状態になると、金属触媒と下地層との間にて窒化ガリウムの凝集が生じることで、下地層の表面に対して垂直な方向に窒化ガリウム柱状構造が形成される。 For forming the gallium nitride columnar structure, for example, as described in Patent Document 1, a vapor-liquid-solid growth method (VLS method) is used. In the VLS method, gaseous raw materials such as trimethyl gallium and ammonia are supplied to a liquid catalyst metal formed on the surface of a solid underlayer such as nickel and platinum. When the raw material dissolved in the catalyst metal becomes supersaturated, gallium nitride aggregates between the metal catalyst and the underlayer, so that the gallium nitride columnar structure is perpendicular to the surface of the underlayer. Is formed.
ところで、上記VLS法による窒化ガリウム柱状構造の形成方法では、窒化ガリウム柱状構造が金属触媒の液相中で成長する。そのため、形成された窒化ガリウム柱状構造は、触媒金属の混入を免れ得ない。こうした窒化ガリウム柱状構造が上述のような電子デバイスに組み込まれると、窒化ガリウム中の触媒金属が、電子デバイスの性能に影響を及ぼしてしまうことも少なくない。 By the way, in the method of forming a gallium nitride columnar structure by the VLS method, the gallium nitride columnar structure grows in a liquid phase of a metal catalyst. For this reason, the formed gallium nitride columnar structure cannot avoid the mixing of the catalyst metal. When such a gallium nitride columnar structure is incorporated in an electronic device as described above, the catalytic metal in gallium nitride often affects the performance of the electronic device.
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒金属の混入を抑えることの可能な窒化ガリウム柱状構造の形成方法、及び該方法を用いる窒化ガリウム柱状構造の形成装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for forming a gallium nitride columnar structure capable of suppressing the mixing of a catalytic metal, and an apparatus for forming a gallium nitride columnar structure using the method. It is to provide.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、窒化ガリウムの柱状構造を形成する窒化ガリウム柱状構造の
形成方法であって、真空槽内に配置されたガリウムターゲットにバイアス電力を供給して、前記真空槽内に供給された希ガスによって前記ガリウムターゲットをスパッタする工程と、前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム柱状構造を形成する工程とを含み、前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記基板の表面から蒸発させる温度よりも高い温度で窒化ガリウムを成長させるものであり、前記窒素含有ガスが窒素ガスであり、前記希ガスがアルゴンガスであって、前記窒化ガリウムを形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して61%以上100%以下の成長速度となる範囲とし、且つ、前記窒化ガリウム柱状構造を形成するときの前記基板の温度を基板温度T(℃)、前記ガリウムターゲットに供給される高周波電力をバイアス電力P(W/cm 2 )とするとき、前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、600≦T≦1200、0<P≦4.63を満たすことを要旨とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
The invention according to claim 1 is a method of forming a gallium nitride columnar structure for forming a gallium nitride columnar structure, wherein a bias power is supplied to a gallium target disposed in the vacuum chamber, and the gallium nitride columnar structure is formed in the vacuum chamber. Sputtering the gallium target with the supplied rare gas, the nitrogen-containing gas supplied into the vacuum chamber and activated by plasma, and the sputtered gallium are heated in the vacuum chamber. Forming a gallium nitride columnar structure by reacting on a single crystal substrate, wherein the nitrogen-containing gas is a ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. Among the nitrogen concentration, the growth rate of the gallium nitride is supplied into the vacuum chamber so as to be in a nitrogen concentration range determined by the nitrogen supply, The bias power causes gallium to reach the surface of the single crystal substrate in addition to the gallium to be nitrided, and the temperature of the single crystal substrate is such that all of the gallium other than the gallium to be nitrided der those growing gallium nitride at a temperature higher than the temperature to evaporate from the surface is, the a nitrogen-containing gas is nitrogen gas, said nitrogen when the rare gas be argon gas, for forming the gallium nitride The concentration is in a range where the growth rate is 61% or more and 100% or less with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride, and the temperature of the substrate when forming the gallium nitride columnar structure is the substrate temperature T (° C. ), When the high frequency power supplied to the gallium target is the bias power P (W / cm 2 ), the substrate temperature T and the bias power P However, it is summarized that 600 ≦ T ≦ 1200 and 0 <P ≦ 4.63 are satisfied .
請求項3に記載の発明は、単結晶基板を収容するとともに該単結晶基板を加熱する加熱部を有した真空槽と、前記真空槽内に希ガスとしてのアルゴンガスと窒素含有ガスとしての窒素ガスとを供給するガス供給部と、前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、前記ガリウムターゲットに高周波電力であるバイアス電力を供給する電力供給部と、前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給部の動作を制御する制御部とを備える窒化ガリウム柱状構造の形成装置であって、前記制御部は、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、且つ、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させるとともに、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記基板の表面から蒸発させる温度よりも高い温度で窒化ガリウムを成長させるように前記加熱部に前記基板を加熱させ、前記窒素濃度が前記窒化ガリウムの成長速度の極大値に対して61%以上100%以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、且つ、前記窒化ガリウム柱状構造を形成するときの前記基板の温度を基板温度T(℃)、前記ガリウムターゲットに供給される高周波電力をバイアス電力P(W/cm 2 )とするとき、前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、600≦T≦1200、0<P≦4.63を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御することを要旨とする。 The invention described in claim 3 is a vacuum chamber that houses a single crystal substrate and has a heating unit that heats the single crystal substrate, and an argon gas as a rare gas and nitrogen as a nitrogen- containing gas in the vacuum chamber. and a gas supply unit for supplying a gas, a gallium target disposed in the vacuum chamber, a power supply unit for supplying a bias electric power is high frequency power to the gallium target to sputter the gallium target in the rare gas And a control unit that controls the operation of the heating unit, the gas supply unit, and the power supply unit, wherein the control unit includes the rare gas and the nitrogen Of the nitrogen concentration, which is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate with the gas, the growth rate of gallium nitride is in the range of the nitrogen concentration that is controlled by the nitrogen supply. The driving of the gas supply unit is controlled, and the bias power is output to the power supply unit so that gallium reaches the surface of the single crystal substrate in addition to the gallium to be nitrided, and the nitride is nitrided The substrate is heated so that gallium nitride is grown at a temperature higher than the temperature at which all gallium other than gallium is evaporated from the surface of the substrate, and the nitrogen concentration is a maximum value of the growth rate of the gallium nitride. The driving of the gas supply unit is controlled so that the growth rate is 61% or more and 100% or less, and the temperature of the substrate when the gallium nitride columnar structure is formed is the substrate temperature T ( ° C), when the high frequency power supplied to the gallium target is the bias power P (W / cm 2 ), the substrate temperature T and the bias power P However, the gist is to control the heating unit and the power supply unit so as to satisfy 600 ≦ T ≦ 1200 and 0 <P ≦ 4.63 .
本発明者らの鋭意研究により、窒化ガリウムのプロセス領域のうち、窒化されるガリウム以外にも単結晶基板の表面にガリウムが到達する領域であれば、単結晶基板の表面上に到達したガリウムの有する該表面上での流動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散し、窒化ガリウムの粒成長が基板表面上にて抑えられることが見出された。一方、このような領域にて、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが単結晶基板の表面から蒸発する温度よりも高い温度で窒化ガリウムを成長させることによって、基板表面上にて以下のような反応が進行することが見出された。 As a result of intensive research by the present inventors, in the gallium nitride process region, if the gallium reaches the surface of the single crystal substrate in addition to the gallium nitride, the gallium that has reached the surface of the single crystal substrate It has been found that due to the fluidity on the surface, the gallium itself diffuses two-dimensionally and the grain growth of gallium nitride is suppressed on the substrate surface. On the other hand, by growing gallium nitride at a temperature higher than the temperature at which all of the gallium other than gallium nitride is evaporated from the surface of the single crystal substrate in such a region, It was found that the reaction proceeded.
まず、単結晶基板に到達するガリウムの流束である入射流束はバイアス電力が高いほど大きくなる。また、単結晶基板に到達するガリウムのうちで蒸発するガリウムの流束である放出流束は、単結晶基板の温度が高くなる分だけ大きくなる。そして、これら入射流速と放出流速の差分が、窒化ガリウムの結晶の成長方向を支配する過飽和度を与えるパラメータとなる。 First, the incident flux, which is the flux of gallium reaching the single crystal substrate, increases as the bias power increases. In addition, the emission flux, which is the flux of gallium that evaporates among the gallium that reaches the single crystal substrate, increases as the temperature of the single crystal substrate increases. The difference between the incident flow velocity and the discharge flow velocity is a parameter that gives the degree of supersaturation that governs the growth direction of the gallium nitride crystal.
具体的には、適度な過飽和度における窒化ガリウムの成長は、単結晶基板における上下方向の結晶軸であるc軸方向に沿った成長である縦方向成長と、単結晶基板の表面と平行な方向への成長である横方向成長との成長速度比が同程度となる。そして、単結晶基板の表面に沿った層状の窒化ガリウムが形成されることなる。これに対して、過飽和度が十分に小さくなるように設定された条件下においては、横方向成長の速度に対する縦方向成長の速度が大きくなるため、縦方向に異方性をもった成長が自発的に進行する。その結果、基板表面においては、窒化ガリウムの結晶粒毎に、基板表面から離れるように該基板表面の法線方向に窒化ガリウムが成長することで、窒化ガリウム柱状構造が自己形成される。つまり、単結晶基板に到達するガリウムの入射流束を決めるバイアス電力と、単結晶基板に到達するガリウムのうちで蒸発するガリウムの放出流束を決める単結晶基板の温度とをそれぞれ制御することで窒化ガリウム柱状構造を形成することが可能となる。 Specifically, the growth of gallium nitride at an appropriate degree of supersaturation includes vertical growth, which is growth along the c-axis direction, which is the vertical crystal axis in a single crystal substrate, and a direction parallel to the surface of the single crystal substrate. The growth rate ratio with the lateral growth, which is the growth of Then, layered gallium nitride along the surface of the single crystal substrate is formed. On the other hand, under conditions set so that the degree of supersaturation is sufficiently small, the growth rate in the vertical direction is increased relative to the growth rate in the horizontal direction. It progresses. As a result, gallium nitride grows in the normal direction of the substrate surface away from the substrate surface for each gallium nitride crystal grain on the substrate surface, so that a gallium nitride columnar structure is self-formed. In other words, by controlling the bias power that determines the incident flux of gallium reaching the single crystal substrate and the temperature of the single crystal substrate that determines the emission flux of gallium that evaporates among the gallium reaching the single crystal substrate, respectively. A gallium nitride columnar structure can be formed.
そこで、請求項1に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成方法、及び請求項3に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成装置では、ガリウムターゲットから基板表面に供給されるガリ
ウムの量と相関を有するバイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるものとされている。また、単結晶基板から蒸発するガリウムの量と相関を有する単結晶基板の温度が、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板の表面から蒸発させる温度よりも高いものとされる。これにより、ガリウムターゲットをスパッタすることで基板表面にガリウムを供給するとともに、窒化源を同基板表面に供給することのみによって窒化ガリウム柱状構造を形成することができる。しかも、上記VLS法のように、液体状の触媒金属を用いずに窒化ガリウム柱状構造を形成することから、形成された窒化ガリウム柱状構造への触媒金属の混入が自ずと抑制されることになる。
Accordingly, in the method for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 1 and the apparatus for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 3 , a bias power having a correlation with the amount of gallium supplied from the gallium target to the substrate surface. However, gallium other than gallium to be nitrided is allowed to reach the surface of the substrate. In addition, the temperature of the single crystal substrate having a correlation with the amount of gallium evaporated from the single crystal substrate is higher than the temperature at which all of the gallium other than the gallium to be nitrided is evaporated from the surface of the substrate. As a result, a gallium nitride columnar structure can be formed only by supplying gallium to the substrate surface by sputtering a gallium target and supplying a nitriding source to the substrate surface. In addition, since the gallium nitride columnar structure is formed without using a liquid catalyst metal as in the VLS method, mixing of the catalyst metal into the formed gallium nitride columnar structure is naturally suppressed.
また、上記請求項1に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成方法、及び上記請求項3に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成装置によれば、窒素濃度が窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して61%以上100%以下の成長速度となる。そして、単結晶基板の温度が、600℃以上1200℃以下になるとともに、ガリウムターゲットの単位面積あたりに供給されるバイアス電力Pが、0W/cm2より大きく4.63W/cm2以下になる。そのため、蒸発するガリウムの量や単結晶基板上に供給されるガリウムの量が十分に高い環境下にて、窒化ガリウムを結晶粒として成長させること、ひいては窒化ガリウム柱状構造を形成することが容易なものとなる。 Further, a method of forming a gallium nitride columnar structure according to the claim 1, and according to the forming apparatus of gallium nitride columnar structure according to the claim 3, the nitrogen concentration relative to the maximum value in the growth rate of gallium nitride The growth rate is 61% or more and 100% or less. Then, the temperature of the single crystal substrate, with less than or equal to 1200 ° C. 600 ° C. or higher, a bias power P supplied per unit area of the gallium target, becomes larger 4.63W / cm 2 or less than 0 W / cm 2. Therefore, it is easy to grow gallium nitride as crystal grains and thus form a gallium nitride columnar structure in an environment where the amount of gallium to be evaporated and the amount of gallium supplied onto the single crystal substrate is sufficiently high. It will be a thing.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成方法において、前記窒素濃度が、前記窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となる範囲であり、前記バイアス電力が、周波数が13.56MHzのバイアス電力であり、前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、P<0.0088T−6.60、P≧0.0116T−11.37を満たすことを要旨とする。 The invention according to claim 2 is the method for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 1 , wherein the nitrogen concentration is 91% or more and 100% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride. The bias power is a bias power having a frequency of 13.56 MHz, and the substrate temperature T and the bias power P are P <0.0088T-6.60, P ≧ 0.0116T−. The gist is to satisfy 11.37.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成装置において、前記バイアス電力が、周波数が13.56MHzのバイアス電力であり、前記制御部が、前記窒素濃度が前記窒化ガリウムの成長速度の極大値に対して91%以上100%以下
の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、P<0.0088T−6.60、P≧0.0116T−11.37を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御することを要旨とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the apparatus for forming a gallium nitride columnar structure according to the third aspect , the bias power is a bias power having a frequency of 13.56 MHz, and the control unit is configured so that the nitrogen concentration is the nitrogen concentration. The driving of the gas supply unit is controlled so that the growth rate is 91% or more and 100% or less with respect to the maximum value of the growth rate of gallium nitride, and the substrate temperature T and the bias power P are: The gist is to control the heating unit and the power supply unit so as to satisfy P <0.0088T-6.60 and P ≧ 0.0116T-11.37.
上記請求項2に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成方法、及び上記請求項4に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成装置では、窒素濃度が窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となる範囲となるようにする。そして、上記バイアス電力Pを周波数が13.56MHzであるバイアス電力とするときに、上記基板温度T及びバイアス電力Pが、P<0.0088T−6.60、P≧0.0116T−11.37を満たす条件で窒化ガリウム柱状構造の形成を行うようにしている。そのため、窒化ガリウムの結晶粒を形成し、且つ、こうした窒化ガリウム結晶粒を基板表面から離れるように該基板表面の法線方向に引き続き成長させること、ひいては窒化ガリウム柱状構造を形成することが容易になる。 In the method for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 2 and the apparatus for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 4 , the nitrogen concentration is 91% or more to the maximum value in the growth rate of gallium nitride. The growth rate should be within a range that is not more than%. When the bias power P is a bias power having a frequency of 13.56 MHz, the substrate temperature T and the bias power P are P <0.0088T-6.60, P ≧ 0.0116T-11.37. The gallium nitride columnar structure is formed under conditions that satisfy the above conditions. Therefore, it is easy to form gallium nitride crystal grains and to continuously grow such gallium nitride crystal grains away from the substrate surface in the normal direction of the substrate surface, thereby forming a gallium nitride columnar structure. Become.
以下、本発明の窒化ガリウム柱状構造の形成方法及び窒化ガリウム柱状構造の形成装置の一実施形態について図1〜図8を参照して説明する。まず、窒化ガリウム柱状構造の形成装置としてのスパッタ装置の全体的な構成について図1を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for forming a gallium nitride columnar structure and an apparatus for forming a gallium nitride columnar structure according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, an overall configuration of a sputtering apparatus as a gallium nitride columnar structure forming apparatus will be described with reference to FIG.
図1に示されるように、スパッタ装置10の備える円筒状の真空槽11内には、カソードハウジング12が配置され、また、該カソードハウジング12の内部には、マグネトロン磁場を生成するためのマグネット12aが収容されている。このカソードハウジング12のうち、マグネット12aの上側には、バッキングプレート13が配置され、また、バッキングプレート13の上側には、該バッキングプレート13に接続されるターゲット14が配置されている。このターゲット14は、バッキングプレート13の上側に配置された容器14bと、該容器14bに収容されるガリウム14aとから構成されている。この容器14bに収容されるガリウム14aは、バッキングプレート13を介して電力供給部としての高周波電源15に接続されるとともに、該高周波電源15の出力するバイアス電力が供給されるようになっている。また、上述したマグネット12aによるマグネトロン磁場が、このガリウム14aの表面上に形成されるように、上記ターゲット14が配置されている。 As shown in FIG. 1, a cathode housing 12 is disposed in a cylindrical vacuum chamber 11 provided in the sputtering apparatus 10, and a magnet 12 a for generating a magnetron magnetic field is formed inside the cathode housing 12. Is housed. In the cathode housing 12, a backing plate 13 is disposed above the magnet 12 a, and a target 14 connected to the backing plate 13 is disposed above the backing plate 13. The target 14 includes a container 14b disposed on the upper side of the backing plate 13 and gallium 14a accommodated in the container 14b. The gallium 14a accommodated in the container 14b is connected to a high-frequency power source 15 as a power supply unit via a backing plate 13, and is supplied with bias power output from the high-frequency power source 15. The target 14 is arranged so that the magnetron magnetic field generated by the magnet 12a is formed on the surface of the gallium 14a.
上記真空槽11内におけるターゲット14の直上には、窒化ガリウム(GaN)柱状構造の形成対象である基板Sを保持する基板ステージ16が設けられている。窒化ガリウム柱状構造の形成対象である基板Sとは、例えばサファイア(Al2O3)等の単結晶の支持基板上に、単結晶基板としての窒化アルミニウム(AlN)層が形成されたものである。また、真空槽11の内表面には、窒化ガリウムの付着を防ぐ防着板17が、上記ターゲット14における基板Sに対向する面と、上記基板ステージ16とを露出させるように配置されている。 A substrate stage 16 that holds a substrate S on which a gallium nitride (GaN) columnar structure is to be formed is provided immediately above the target 14 in the vacuum chamber 11. The substrate S to be formed with a gallium nitride columnar structure is a substrate in which an aluminum nitride (AlN) layer as a single crystal substrate is formed on a single crystal support substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ). . Further, on the inner surface of the vacuum chamber 11, an adhesion preventing plate 17 for preventing adhesion of gallium nitride is disposed so as to expose the surface of the target 14 facing the substrate S and the substrate stage 16.
真空槽11の外表面における上記基板ステージ16と対向する位置には、円筒状のヒータ室18が設けられ、また、該ヒータ室18の内部には、加熱部としてのヒータユニット19が設置されている。ヒータユニット19は、例えばハロゲンランプヒータであって、その先端が基板ステージ16の保持する基板Sに対向し、600℃〜1200℃の範囲で上記基板Sを加熱する。 A cylindrical heater chamber 18 is provided at a position facing the substrate stage 16 on the outer surface of the vacuum chamber 11, and a heater unit 19 as a heating unit is installed inside the heater chamber 18. Yes. The heater unit 19 is, for example, a halogen lamp heater, the tip of the heater unit 19 faces the substrate S held by the substrate stage 16, and heats the substrate S in the range of 600 ° C. to 1200 ° C.
真空槽11には、ターゲット14のガリウム14aをスパッタするアルゴン等の希ガスを供給する希ガス供給部としてのマスフローコントローラMFC1が接続されている。また、真空槽11には、スパッタされたガリウムを窒化するための窒素含有ガスとしての窒素ガスを供給する窒素ガス供給部としてのマスフローコントローラMFC2が接続されている。さらにまた、真空槽11には、該真空槽11内を減圧するための真空ポンプや真空槽11内の圧力を所定の圧力に調整するための圧力調整弁等から構成される排気部20が接続されている。 Connected to the vacuum chamber 11 is a mass flow controller MFC1 as a rare gas supply unit for supplying a rare gas such as argon for sputtering the gallium 14a of the target 14. The vacuum chamber 11 is connected to a mass flow controller MFC2 as a nitrogen gas supply unit that supplies nitrogen gas as a nitrogen-containing gas for nitriding the sputtered gallium. Further, the vacuum chamber 11 is connected to an exhaust unit 20 including a vacuum pump for reducing the pressure in the vacuum chamber 11 and a pressure adjusting valve for adjusting the pressure in the vacuum chamber 11 to a predetermined pressure. Has been.
スパッタ装置10には、上記高周波電源15、ヒータユニット19、及びマスフローコントローラMFC1,MFC2に接続されるとともに、これらの動作を制御する制御部30が搭載されている。制御部30は、上記ターゲット14に供給すべき単位面積あたりのバイアス電力を形成条件の一つとして記憶するとともに、該バイアス電力に応じた駆動信号を高周波電源15に出力する。また、制御部30は、プロセス時における基板Sの温度を形成条件の一つとして記憶するとともに、基板Sの温度を該プロセス時における温度に上昇させるための駆動信号をヒータユニット19に出力する。また、制御部30は、プロセス時におけるアルゴンガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量でアルゴンガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラMFC1に出力する。また、制御部30は、プロセス時における窒素ガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量で窒素ガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラMFC2に出力する。そして、制御部30は、真空槽11内に供給されるアルゴンガス及び窒素ガスの総流量に占める窒素ガスの流量を所定の割合とする。 The sputtering apparatus 10 is equipped with a control unit 30 that is connected to the high-frequency power supply 15, the heater unit 19, and the mass flow controllers MFC 1 and MFC 2 and controls these operations. The control unit 30 stores the bias power per unit area to be supplied to the target 14 as one of the forming conditions, and outputs a drive signal corresponding to the bias power to the high frequency power supply 15. In addition, the control unit 30 stores the temperature of the substrate S during the process as one of the formation conditions, and outputs a drive signal for increasing the temperature of the substrate S to the temperature during the process to the heater unit 19. Further, the control unit 30 stores the flow rate of argon gas during the process as one of the forming conditions, and outputs a drive signal for supplying argon gas at the flow rate to the mass flow controller MFC1. Further, the control unit 30 stores the flow rate of the nitrogen gas at the time of the process as one of the formation conditions, and outputs a drive signal for supplying the nitrogen gas at the flow rate to the mass flow controller MFC2. Then, the control unit 30 sets the flow rate of nitrogen gas in the total flow rate of argon gas and nitrogen gas supplied into the vacuum chamber 11 to a predetermined ratio.
上述した構成からなるスパッタ装置10の作用のうち、特に上記スパッタ装置10が窒化ガリウム柱状構造の形成方法にて行う動作ついて図2〜図6を参照して以下に説明する。 Of the operation of the sputtering apparatus 10 having the above-described configuration, the operation performed by the sputtering apparatus 10 by the method of forming a gallium nitride columnar structure will be described below with reference to FIGS.
上記スパッタ装置10にて窒化ガリウム柱状構造の形成を行う際には、まず、上記排気部20によって真空槽11内が所定の圧力にまで減圧される。そして、図示しない搬出入口から真空槽11内に基板Sが搬入されると、該基板Sが上記基板ステージ16によって保持される。次いで、図2に示されるように、上記真空槽11内に基板Sが搬入されると、アルゴンガス雰囲気においてヒータユニット19による基板Sの昇温が行われる(タイミングt1〜タイミングt2)。そして、基板Sの温度が例えば室温から所定の温度にまで昇温されると、アルゴンガスと窒素ガスとがこれらガスの総流量に占める窒素ガスの流量が所定の割合となるように供給される。次いで、上記高周波電源15からターゲット14に対して所定のバイアス電力Pでのバイアス電力の供給が開始される(タイミングt2)。これにより、タイミングt1から継続して供給されているアルゴンガスによってターゲット14のガリウム14aがスパッタされる。このとき、窒素ガスの供給も開始されていることから、プラズマによって窒素ガスが活性化されて、スパッタされたガリウム粒子が該活性化された窒素ガスにより基板S上で窒化される。そして、窒化ガリウム柱状構造が上記基板S上に形成される(タイミングt2〜タイミングt3)。 When the gallium nitride columnar structure is formed by the sputtering apparatus 10, first, the inside of the vacuum chamber 11 is reduced to a predetermined pressure by the exhaust unit 20. Then, when the substrate S is carried into the vacuum chamber 11 from a carry-in / out port (not shown), the substrate S is held by the substrate stage 16. Next, as shown in FIG. 2, when the substrate S is carried into the vacuum chamber 11, the temperature of the substrate S is increased by the heater unit 19 in an argon gas atmosphere (timing t1 to timing t2). Then, when the temperature of the substrate S is raised from room temperature to a predetermined temperature, for example, argon gas and nitrogen gas are supplied so that the flow rate of nitrogen gas in the total flow rate of these gases becomes a predetermined ratio. . Next, supply of bias power at a predetermined bias power P from the high-frequency power supply 15 to the target 14 is started (timing t2). Thereby, the gallium 14a of the target 14 is sputtered by the argon gas continuously supplied from the timing t1. At this time, since the supply of the nitrogen gas is started, the nitrogen gas is activated by the plasma, and the sputtered gallium particles are nitrided on the substrate S by the activated nitrogen gas. Then, a gallium nitride columnar structure is formed on the substrate S (timing t2 to timing t3).
なお、このとき、窒素ガスは所定の流量Fn1にて真空槽11内に供給されるとともに、アルゴンガスは所定の流量Fa2にて同真空槽11内に供給される。これにより、真空槽11内に供給されるガスの総流量Fn1+Fa2に対して窒素ガスの流量Fn1が所定の割合とされる。この際、タイミングt1からタイミングt2にわたって供給されていたアルゴンの流量Fa1と、タイミングt2からの上記総流量Fn1+Fa2とを略同一とすることで、真空槽11内における圧力の変動を抑えられる。これにより、アルゴンガスとは異なる窒素ガスが添加されるとしても、こうしたガス種の変更にかかわらず、以後に行われるスパッタの開始時にてプラズマの状態が安定するようになる。 At this time, nitrogen gas is supplied into the vacuum chamber 11 at a predetermined flow rate Fn1, and argon gas is supplied into the vacuum chamber 11 at a predetermined flow rate Fa2. As a result, the flow rate Fn1 of nitrogen gas is set to a predetermined ratio with respect to the total flow rate Fn1 + Fa2 of gas supplied into the vacuum chamber 11. At this time, by making the argon flow rate Fa1 supplied from the timing t1 to the timing t2 substantially the same as the total flow rate Fn1 + Fa2 from the timing t2, fluctuations in pressure in the vacuum chamber 11 can be suppressed. As a result, even if a nitrogen gas different from the argon gas is added, the plasma state becomes stable at the start of subsequent sputtering regardless of the change in the gas type.
そして、タイミングt2から所定の時間が経過すると、上記アルゴンガスの供給及びバイアス電力の供給を停止することで、ターゲット14のスパッタを終了する(タイミングt3)。なお、上記制御部30は、窒化ガリウム柱状構造の長さに応じた反応性スパッタのプロセス時間を形成条件の一つとして記憶しており、タイミングt2からタイミングt3の期間が、上記プロセス時間に設定される。 Then, when a predetermined time elapses from the timing t2, the supply of the argon gas and the supply of the bias power are stopped, thereby terminating the sputtering of the target 14 (timing t3). The control unit 30 stores the reactive sputtering process time corresponding to the length of the gallium nitride columnar structure as one of the forming conditions, and the period from the timing t2 to the timing t3 is set to the process time. Is done.
また、タイミングt3において、上記ヒータユニット19による基板Sの加熱も終了されることで、基板Sの温度が例えば室温にまで冷却される(タイミングt4)。基板Sの冷却期間であるタイミングt3からタイミングt4までにわたり、真空槽11内には、窒素ガスが、上記流量Fn1よりも大きい流量Fn2にて供給され続ける。これにより、窒化ガリウムの成長温度において蒸気圧の高い窒素が窒化ガリウム膜から脱離することで、表面欠陥が生じることを抑制することができる。 Further, at the timing t3, the heating of the substrate S by the heater unit 19 is also finished, whereby the temperature of the substrate S is cooled to, for example, room temperature (timing t4). Nitrogen gas continues to be supplied into the vacuum chamber 11 at a flow rate Fn2 larger than the flow rate Fn1 from timing t3 to timing t4, which is the cooling period of the substrate S. Thereby, it is possible to suppress generation of surface defects due to desorption of nitrogen having a high vapor pressure from the gallium nitride film at the growth temperature of gallium nitride.
ちなみに、例えば、窒化ガリウム柱状構造の形成時(タイミングt3〜タイミングt4)において、基板Sの温度を1000℃とし、上記総流量Fn1+Fa2に対する窒素ガスの流量Fn1の割合である窒素濃度を30%とするときには、以下のような条件にて窒化ガリウム柱状構造の形成を行う。 Incidentally, for example, at the time of forming the gallium nitride columnar structure (timing t3 to timing t4), the temperature of the substrate S is set to 1000 ° C., and the nitrogen concentration that is the ratio of the flow rate Fn1 of nitrogen gas to the total flow rate Fn1 + Fa2 is set to 30%. Sometimes, the gallium nitride columnar structure is formed under the following conditions.
すなわち、タイミングt1からタイミングt2までの20分間で、基板Sの温度を室温から1000℃にまで昇温する。このときのアルゴンガスの流量Fa1を55sccmとする。そして、タイミングt2からタイミングt3までの40分間で、基板Sの温度を1000℃に維持しつつ、直径120mmのターゲット14に対して150Wのバイアス電力を供給して、基板S上に窒化ガリウム柱状構造を形成する。このときのアルゴンガスの流量Fa2を38.5sccmとし、窒素ガスの流量Fn1を16.5sccmとすることで、上記窒素濃度を30%とする。次いで、タイミングt3からタイミングt4の20分間で、基板Sの温度を1000℃から室温にまで冷却する。このときの窒素ガスの流量Fn2を100sccmとする。 That is, the temperature of the substrate S is raised from room temperature to 1000 ° C. in 20 minutes from timing t1 to timing t2. At this time, the flow rate Fa1 of the argon gas is set to 55 sccm. Then, a bias power of 150 W is supplied to the target 14 having a diameter of 120 mm while maintaining the temperature of the substrate S at 1000 ° C. for 40 minutes from the timing t2 to the timing t3, and the gallium nitride columnar structure is formed on the substrate S. Form. At this time, the flow rate Fa2 of argon gas is set to 38.5 sccm, and the flow rate Fn1 of nitrogen gas is set to 16.5 sccm, whereby the nitrogen concentration is set to 30%. Next, the temperature of the substrate S is cooled from 1000 ° C. to room temperature in 20 minutes from timing t3 to timing t4. At this time, the flow rate Fn2 of nitrogen gas is set to 100 sccm.
本実施形態の窒化ガリウム柱状構造の形成方法においては、上記タイミングt2からタイミングt3での窒化ガリウム柱状構造の形成に際し、真空槽11内に供給されるガスの総流量Fn1+Fa2に占める窒素ガスの流量Fn1の割合である上記窒素濃度と、基板Sの温度、及びバイアス電力を所定の範囲に制御するようにしている。これにより、基板Sの表面に該表面の法線方向に延びる窒化ガリウム柱状構造が形成できるようになる。 In the method for forming a gallium nitride columnar structure of the present embodiment, the flow rate of nitrogen gas Fn1 occupying the total flow rate Fn1 + Fa2 of the gas supplied into the vacuum chamber 11 when forming the gallium nitride columnar structure from timing t2 to timing t3. The above-mentioned nitrogen concentration, the temperature of the substrate S, and the bias power are controlled within a predetermined range. Thereby, a gallium nitride columnar structure extending in the normal direction of the surface can be formed on the surface of the substrate S.
以下、上記窒素濃度、基板温度、及びバイアス電力の範囲の詳細について、図3〜図6を参照して説明する。図3は、上述した窒化ガリウム柱状構造の形成装置を用いて形成される窒化ガリウムの成長速度における窒素濃度(N2%)への依存性を示すグラフである。なお、一点鎖線で示される曲線C1、実線で示される曲線C2、及び二点鎖線で示される曲線C3は、各々の形成条件のうち、窒素ガスの流量のみが変更されたときの成長速度を示している。また、曲線C1,C2,C3の各々の条件では、プロセス時の基板温度Tが互いに等しく、ターゲット14に供給されるバイアス電力が、曲線C1、曲線C2、曲線C3の順に大きくなるように設定されている。 Details of the nitrogen concentration, substrate temperature, and bias power ranges will be described below with reference to FIGS. FIG. 3 is a graph showing the dependence of the growth rate of gallium nitride formed using the above-described gallium nitride columnar structure forming apparatus on the nitrogen concentration (N 2 %). In addition, the curve C1 shown with a dashed-dotted line, the curve C2 shown with a continuous line, and the curve C3 shown with a dashed-two dotted line show the growth rate when only the flow volume of nitrogen gas is changed among each formation conditions. ing. Under the conditions of the curves C1, C2, and C3, the substrate temperatures T during the process are equal to each other, and the bias power supplied to the target 14 is set to increase in the order of the curves C1, C2, and C3. ing.
図3に示されるように、窒化ガリウムの成長速度は、上記窒素濃度(N2%)によって変化するものである。三つの曲線C1,C2,C3から明らかなように、成長速度は、基板温度及びバイアス電力の条件に関わらず、上記窒素濃度に対して極大となる値を有する。 As shown in FIG. 3, the growth rate of gallium nitride varies with the nitrogen concentration (N 2 %). As is apparent from the three curves C1, C2, and C3, the growth rate has a maximum value with respect to the nitrogen concentration regardless of the conditions of the substrate temperature and the bias power.
三つの曲線C1,C2,C3の各々において、極大値を与える窒素濃度よりも低濃度側、すなわち窒素濃度範囲Na,Nb,Ncは、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウムの成長速度が高くなる領域である。このような窒素濃度への依存性から、こうした低濃度側の領域の殆どは、基板Sの表面に到達するガリウムの量に対して、同基板Sの表面に供給される窒素の量が少ない領域であって、窒化されるガリウムの量が窒素の量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような窒素濃度範囲Na,Nb,Ncであれば、窒化される前のガリウムを概ね基板Sの表面で流動させることが可能となる。 In each of the three curves C1, C2, and C3, the lower concentration side than the nitrogen concentration that gives the maximum value, that is, the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc are regions in which the growth rate of gallium nitride increases as the nitrogen concentration increases. It is. Because of such dependence on the nitrogen concentration, most of the low concentration region is a region in which the amount of nitrogen supplied to the surface of the substrate S is smaller than the amount of gallium reaching the surface of the substrate S. Thus, it can be said that the amount of gallium nitrided is limited by the amount of nitrogen. Therefore, in such a nitrogen concentration range Na, Nb, Nc, gallium before being nitrided can be made to flow almost on the surface of the substrate S.
これに対し、三つの曲線C1,C2,C3の各々において、極大値Ma,Mb,Mcを与える窒素濃度よりも高濃度側は、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウムの成長速度が低くなる領域である。このような窒素濃度への依存性から、こうした高濃度側の領域とは、基板Sに到達するガリウムの量に対して、同基板Sの表面に供給される窒素の量が過剰となる領域であって、窒化されるガリウムの量がガリウムの量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような領域では、スパッタされたガリウムが基板Sの表面に到達しても、基板Sの表面に存在する窒素が多い分、こうしたガリウムと窒素との反応機会が多くなり、結局のところ、基板Sの表面におけるガリウムの拡散が抑制されてしまう。 On the other hand, in each of the three curves C1, C2, and C3, the higher concentration side than the nitrogen concentration that gives the maximum values Ma, Mb, and Mc is a region where the growth rate of gallium nitride decreases as the nitrogen concentration increases. is there. Due to such dependence on the nitrogen concentration, such a high concentration region is a region where the amount of nitrogen supplied to the surface of the substrate S is excessive with respect to the amount of gallium reaching the substrate S. Thus, it can be said that the amount of gallium nitrided is limited by the amount of gallium. Therefore, in such a region, even if the sputtered gallium reaches the surface of the substrate S, the amount of nitrogen present on the surface of the substrate S increases, so the chance of reaction between such gallium and nitrogen increases. However, the diffusion of gallium on the surface of the substrate S is suppressed.
一方、上述した窒素濃度範囲Na,Nb,Ncを用いて成膜を行ったとしても、図4(a)〜(c)に示されるように、互いに異なる構造の窒化ガリウムが形成される。そして、基板Sの表面に到達するガリウムの流束であるガリウム流束と、基板に到達する活性化された窒素の流束である窒素流束とに応じて、これらの構造が定められることが本発明者らの実験によって認められた。 On the other hand, even when film formation is performed using the above-described nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc, gallium nitrides having different structures are formed as shown in FIGS. These structures can be determined according to the gallium flux that is the flux of gallium that reaches the surface of the substrate S and the nitrogen flux that is the flux of activated nitrogen that reaches the substrate. This was confirmed by our experiments.
詳述すると、上記窒素濃度範囲Na,Nb,Ncのうち、ガリウム流束が窒素流束に対して過剰になる範囲、つまり成長速度が小さい側の範囲では、図4(a)に示されるように、ガリウムの単体が、基板Sの表面に半球状をなして析出してしまうことが認められた。また、上記窒素濃度範囲Na,Nb,Ncのうち、ガリウム流束が窒素流束に対して過剰になる程度が上記図4(a)の範囲よりも小さくなると、図4(b)に示されるように、窒化ガリウムが層状構造をなして成長することが認められた。 More specifically, in the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc, the range where the gallium flux is excessive with respect to the nitrogen flux, that is, the range where the growth rate is low is as shown in FIG. In addition, it was observed that the gallium simple substance was deposited on the surface of the substrate S in a hemispherical shape. Moreover, when the extent to which the gallium flux becomes excessive with respect to the nitrogen flux in the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc becomes smaller than the range shown in FIG. 4A, FIG. 4B shows. Thus, gallium nitride was observed to grow in a layered structure.
他方、上記窒素濃度範囲Na,Nb,Ncのうち、ガリウム流束が窒素流束に対して過剰になる程度がさらに小さい範囲、つまり成長速度の極大値近傍の範囲では、図4(c)に示されるように、ガリウムの拡散が抑制されて窒化ガリウムが、上記層状構造体よりも積層厚さが厚くなるように3次元的に成長し、また、成長した表面は凹凸状に形成されることが認められた。 On the other hand, in the above nitrogen concentration range Na, Nb, Nc, in a range where the gallium flux is excessively smaller than the nitrogen flux, that is, in the vicinity of the maximum growth rate, FIG. As shown, the diffusion of gallium is suppressed, and gallium nitride grows three-dimensionally so that the thickness of the stacked layer is greater than that of the layered structure, and the grown surface is formed to be uneven. Was recognized.
また一方、上記窒素濃度範囲Na,Nb,Ncのうち、ガリウム流速が窒素流速に対して過剰になる程度が上記図4(a)の範囲よりも小さく、且つ上記図4(c)の範囲よりも大きい範囲であっても、窒化されるガリウム以外のガリウムが全て蒸発するよりも高い温度範囲においては、図4(d)に示されるように、窒化ガリウムは、基板Sの表面から離れる方向、且つ該表面の法線方向に延びる柱状構造をなすことが認められた。 On the other hand, in the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc, the extent that the gallium flow rate is excessive with respect to the nitrogen flow rate is smaller than the range shown in FIG. 4A and more than the range shown in FIG. In the temperature range higher than the gallium other than the gallium nitride to evaporate, the gallium nitride is separated from the surface of the substrate S as shown in FIG. In addition, it was recognized that a columnar structure extending in the normal direction of the surface was formed.
これは、図4(d)に示されるような柱状構造の窒化ガリウムを形成するためには、基板Sの表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とを制御するパラメータの範囲を上記窒素濃度に加えて新たに規定する必要があることを示すものである。 In order to form gallium nitride having a columnar structure as shown in FIG. 4D, the gallium flux reaching the surface of the substrate S and the gallium flux evaporating from the substrate surface are controlled. This indicates that it is necessary to newly define the parameter range in addition to the nitrogen concentration.
ちなみに、上記成長速度の極大値Ma,Mb,Mcよりも高濃度側においても、図4(c)に示されるように、窒化ガリウムが、上記層状構造体よりも積層厚さが厚くなるように3次元的に成長し、また、成長した表面は凹凸状に形成されることが認められた。 Incidentally, as shown in FIG. 4C, the gallium nitride is thicker than the layered structure as shown in FIG. 4C even on the higher concentration side than the maximum values Ma, Mb, Mc of the growth rate. It was observed that the three-dimensional growth occurred and the grown surface was formed in an uneven shape.
ここで、上記ターゲット14に供給するバイアス電力が大きい程、ターゲット14がスパッタされやすくなる。そのため、基板Sの表面に到達するガリウムの量は、ターゲット14に供給するバイアス電力の大きさに正の相関を有し、それゆえに、このバイアス電力を制御することによって、基板Sの表面に到達するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。 Here, the larger the bias power supplied to the target 14, the easier the target 14 is sputtered. Therefore, the amount of gallium that reaches the surface of the substrate S has a positive correlation with the magnitude of the bias power supplied to the target 14, and therefore reaches the surface of the substrate S by controlling this bias power. It is possible to independently control the gallium flux.
また一方、ガリウムは、一旦基板Sの表面に到達したとしても、単体の状態にあるときに基板Sから熱を受けて蒸発する場合もある。このようにして基板Sの表面から蒸発するガリウムの量は、基板Sの温度に正の相関を有し、それゆえに、この基板Sの温度を制御することによって、基板Sの表面から蒸発するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。 On the other hand, even if gallium once reaches the surface of the substrate S, it may evaporate by receiving heat from the substrate S when in a single state. The amount of gallium evaporated from the surface of the substrate S in this way has a positive correlation with the temperature of the substrate S. Therefore, by controlling the temperature of the substrate S, the gallium evaporated from the surface of the substrate S. It is possible to independently control the flux of the.
そして、上記窒素濃度範囲Na,Nb,Ncであれば、少なからずガリウムの有する流動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散する。これに加え、基板Sの表面に到達したガリウムのうち、窒素と反応して窒化ガリウムとなる分を除くガリウムの量と、基板Sの表面から蒸発するガリウムの量とが等しくなるような条件、つまり成長表面においてガリウムの過飽和度が最適な条件であれば、上述のようにして拡散したガリウムの余剰分が、基板Sの表面上から蒸発する。これにより、図4(b)に示されるような層状構造の窒化ガリウム膜が形成される。 In the nitrogen concentration range Na, Nb, Nc, gallium itself diffuses two-dimensionally due to the fluidity of gallium. In addition to this, among the gallium that has reached the surface of the substrate S, the amount of gallium excluding the amount that reacts with nitrogen to become gallium nitride is equal to the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate S. That is, if the supersaturation degree of gallium is the optimum condition on the growth surface, the excess gallium diffused as described above evaporates from the surface of the substrate S. Thereby, a gallium nitride film having a layered structure as shown in FIG. 4B is formed.
一方、上記窒化ガリウムとなる分を除くガリウムの量に対して、基板Sの表面から蒸発するガリウムの量が少なくなるような条件、つまり成長表面においてガリウムの過飽和度が上記最適な条件よりも大きい条件であれば、図4(a)に示されるように、余剰なガリウムが析出する。 On the other hand, the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate S is smaller than the amount of gallium except for the amount of gallium nitride, that is, the degree of supersaturation of gallium on the growth surface is larger than the optimum condition. If the conditions are satisfied, excess gallium is deposited as shown in FIG.
また一方、上記窒化ガリウムとなる分を除くガリウムの量に対して、基板Sの表面から蒸発するガリウムの量が多くなるような条件、つまり成長表面においてガリウムの過飽和度が上記最適な条件よりも小さい条件であれば、図4(d)に示されるように、窒化ガリウムの柱状構造が形成される。 On the other hand, the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate S is larger than the amount of gallium nitride except for the amount of gallium nitride, that is, the degree of supersaturation of gallium on the growth surface is higher than the optimum condition. If the conditions are small, a columnar structure of gallium nitride is formed as shown in FIG.
つまり、下記(条件1)〜(条件3)を満たす形成条件であれば、基板Sに到達した後に蒸発するガリウムが柱状構造の形成に寄与する結果、図4(d)に示すような窒化ガリウムの柱状構造を形成することができる。
(条件1)窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲である。
(条件2)バイアス電力が、窒化されるガリウム以外にも基板Sの表面にガリウムを到達させる範囲の電力である。
(条件3)基板Sの温度が、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板Sの表面から蒸発させる温度よりも高い範囲の温度である。
That is, if the formation conditions satisfy the following (Condition 1) to (Condition 3), the gallium evaporated after reaching the substrate S contributes to the formation of the columnar structure. As a result, the gallium nitride as shown in FIG. The columnar structure can be formed.
(Condition 1) The growth rate of gallium nitride is in the range of nitrogen concentration limited by nitrogen supply.
(Condition 2) The bias power is within a range that allows gallium to reach the surface of the substrate S in addition to gallium to be nitrided.
(Condition 3) The temperature of the substrate S is in a range higher than the temperature at which all of the gallium other than the gallium to be nitrided is evaporated from the surface of the substrate S.
上記(条件1)〜(条件3)が満たされる形成条件の一例を図5及び図6を参照して以下に説明する。図5及び図6は、上述した窒化ガリウム柱状構造の形成装置を用いて、上記窒素濃度を窒化ガリウムの成長速度を窒素供給が律速する範囲とし、且つ成長速度における極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となる範囲としたときの窒化ガリウムの構造を示すグラフ及びSEM写真である。 An example of formation conditions that satisfy the above (Condition 1) to (Condition 3) will be described below with reference to FIGS. 5 and 6 show that the nitrogen concentration is within the range in which the growth rate of gallium nitride is determined by the nitrogen supply, and is 91% or more with respect to the maximum value in the growth rate, using the above-described gallium nitride columnar structure forming apparatus. It is the graph and SEM photograph which show the structure of gallium nitride when it is set as the range used as the growth rate of 100% or less.
(領域1:析出領域:条件A,B,C,D)
図5に示されるように、基板Sの温度が相対的に低く、且つターゲット14に供給されるバイアス電力も相対的に小さい下記条件A,Bでは、図6(a)に示されるように、基板Sの表面に半球状をなすようなガリウムの析出が認められた。
・条件A:基板温度Tが600℃、バイアス電力Pが1.39W/cm2
・条件B:基板温度Tが700℃、バイアス電力Pが1.39W/cm2
また、条件A及び条件Bよりも基板温度が高く、且つターゲット14に供給されるバイアス電力がより大きい下記条件C,Dでも、図6(b)に示されるように、条件A,Bよりも少ないとはいえ基板S表面にて半球状をなすガリウムの析出が認められた。
・条件C:基板温度Tが800℃、バイアス電力Pが4.17W/cm2
・条件D:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが4.17W/cm2
こうした結果から、上記条件A〜条件Dを含む領域1とは、基板Sに到達したガリウムのうちで窒化された分を除くガリウムの量が、基板S上での加熱によって蒸発するガリウムの量よりも過剰となる領域であると言える。
(Region 1: Precipitation region: Conditions A, B, C, D)
As shown in FIG. 5, under the following conditions A and B where the temperature of the substrate S is relatively low and the bias power supplied to the target 14 is relatively small, as shown in FIG. Precipitation of gallium having a hemispherical shape was observed on the surface of the substrate S.
Condition A: substrate temperature T is 600 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Condition B: substrate temperature T is 700 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Further, even in the following conditions C and D where the substrate temperature is higher than that in the conditions A and B and the bias power supplied to the target 14 is larger, as shown in FIG. Precipitation of hemispherical gallium was observed on the surface of the substrate S although it was small.
Condition C: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 4.17 W / cm 2
Condition D: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 4.17 W / cm 2
From these results, the region 1 including the above conditions A to D is that the amount of gallium excluding the nitrided portion of the gallium that has reached the substrate S is more than the amount of gallium evaporated by heating on the substrate S. It can be said that this is an excessive region.
(領域2:層状構造領域:条件E,F,G,H,I)
一方、条件Cと同一の基板温度であっても、ターゲット14に供給されるバイアス電力がより小さい下記条件E,Fでは、図6(c)に示されるように、基板Sの表面に平坦な窒化ガリウム膜が形成された。
・条件E:基板温度Tが800℃、バイアス電力Pが0.44W/cm2
・条件F:基板温度Tが800℃、バイアス電力Pが1.39W/cm2
また、これら条件E,Fよりも高い基板温度である下記条件Gでも、条件E,Fにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、図6(d)に示されるように、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件G:基板温度Tが900℃、バイアス電力Pが1.32W/cm2
さらにまた、条件E,F,Gよりも高い基板温度であって、且つ高いバイアス電力である下記条件でも、条件E,F,Gにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件H:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが2.20W/cm2
・条件I:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが2.78W/cm2
こうした結果から、上記条件E〜条件Iを含む領域2とは、基板Sに到達したガリウムのうちで窒素と反応せずに基板S上に単体として存在するガリウムの量と、基板S上での加熱によって蒸発するガリウムの量とが略等しくなる領域であると言える。
(Region 2: Layered structure region: Conditions E, F, G, H, I)
On the other hand, even if the substrate temperature is the same as that in the condition C, the following conditions E and F in which the bias power supplied to the target 14 is smaller are flat on the surface of the substrate S as shown in FIG. A gallium nitride film was formed.
Condition E: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 0.44 W / cm 2
Condition F: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Further, even in the following condition G, which is a substrate temperature higher than these conditions E and F, although it is inferior in flatness to the gallium nitride film formed by the conditions E and F, as shown in FIG. Gallium nitride film formation was observed.
Condition G: substrate temperature T is 900 ° C. and bias power P is 1.32 W / cm 2
Furthermore, even under the following conditions where the substrate temperature is higher than the conditions E, F, and G and the bias power is high, the gallium nitride film formed under the conditions E, F, and G is inferior in flatness, but is flat. Gallium nitride film formation was observed.
Condition H: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 2.20 W / cm 2
Condition I: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 2.78 W / cm 2
From these results, the region 2 including the above conditions E to I refers to the amount of gallium existing alone on the substrate S without reacting with nitrogen among the gallium reaching the substrate S, and on the substrate S. It can be said that this is a region where the amount of gallium evaporated by heating is substantially equal.
(領域3:柱状構造領域:条件J,K,L,M,N,O,P,Q)
他方、上記条件E,Fと同一の基板温度であっても、よりターゲット14に供給されるバイアス電力が小さい下記条件Jでは、図6(e)に示されるように、柱状構造の窒化ガリウム柱状構造が成長していた。
・条件J:基板温度Tが800℃、バイアス電力Pが0.23W/cm2
また、条件Jよりも基板温度が高い下記条件K,Lでは、図6(f)に示されるように、基板S上に形成された凹凸構造から基板Sの表面と離れる方向、且つ該表面の法線方向に延びるように形成された線状構造の窒化ガリウム柱状構造が認められた。
・条件K:基板温度Tが900℃、バイアス電力Pが0.44W/cm2
・条件L:基板温度Tが900℃、バイアス電力Pが0.23W/cm2
そして、条件K,Lよりも高い基板温度である下記条件M,N,Oでも、条件K,Lによって形成された窒化ガリウム柱状構造よりも基板Sの表面における窒化ガリウム柱状構造の密度が低いものの、窒化ガリウム柱状構造の形成が認められた。
・条件M:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが0.23W/cm2
・条件N:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが0.93W/cm2
・条件O:基板温度Tが1000℃、バイアス電力Pが1.39W/cm2
さらに、上記条件M,N,Oよりも高い基板温度である下記条件P,Qでも、上記M,N,Oよって形成された窒化ガリウム柱状構造よりも基板Sの表面における窒化ガリウム柱状構造の密度が低いものの、窒化ガリウム柱状構造の形成が認められた。
・条件P:基板温度Tが1100℃、バイアス電力Pが1.39W/cm2
・条件Q:基板温度Tが1100℃、バイアス電力Pが2.20W/cm2
上記条件K,L,M,N,O,P,Qを含む領域3とは、基板Sに対して到達するガリウムの量から窒素と反応した分を除いた量よりも、基板Sでの加熱によって蒸発するガリウムの量が多い領域である。加えて、基板Sの表面に供給された窒素と反応する以前に蒸発するガリウムの量が、上記領域2よりも多くなる程度に基板温度の高い領域である。
(Region 3: Columnar structure region: Conditions J, K, L, M, N, O, P, Q)
On the other hand, even if the substrate temperature is the same as the above conditions E and F, under the following condition J where the bias power supplied to the target 14 is smaller, as shown in FIG. The structure was growing.
Condition J: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 0.23 W / cm 2
In the following conditions K and L where the substrate temperature is higher than the condition J, as shown in FIG. 6 (f), the direction away from the surface of the substrate S from the concavo-convex structure formed on the substrate S and the surface A linear gallium nitride columnar structure formed so as to extend in the normal direction was observed.
Condition K: substrate temperature T is 900 ° C. and bias power P is 0.44 W / cm 2
Condition L: substrate temperature T is 900 ° C. and bias power P is 0.23 W / cm 2
Even in the following conditions M, N, and O, which are higher substrate temperatures than the conditions K and L, the density of the gallium nitride columnar structures on the surface of the substrate S is lower than that of the gallium nitride columnar structures formed by the conditions K and L. The formation of gallium nitride columnar structures was observed.
Condition M: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 0.23 W / cm 2
Condition N: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 0.93 W / cm 2
Condition O: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Further, the density of the gallium nitride columnar structures on the surface of the substrate S is higher than that of the gallium nitride columnar structures formed by the M, N, and O even under the following conditions P and Q, which are substrate temperatures higher than the above conditions M, N, and O. However, the formation of a gallium nitride columnar structure was observed.
Condition P: substrate temperature T is 1100 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Condition Q: substrate temperature T is 1100 ° C. and bias power P is 2.20 W / cm 2
The region 3 including the above-described conditions K, L, M, N, O, P, and Q is the amount of gallium that reaches the substrate S and the amount of heating on the substrate S rather than the amount obtained by removing the amount reacted with nitrogen. This is a region where a large amount of gallium is evaporated. In addition, this is a region where the substrate temperature is high enough that the amount of gallium that evaporates before reacting with the nitrogen supplied to the surface of the substrate S is larger than the region 2.
(領域4:非成膜領域:条件R,S)
図5示されるように、先のいずれの条件よりも基板温度の高い下記条件R,Sでは、基板S上での窒化ガリウムの成長が認められなかった。つまり、該条件R,Sを含む領域4とは、基板Sに到達したガリウムが窒化されることなく基板Sから蒸発してしまう領域であると言える。
・条件R:基板温度Tが1150℃、バイアス電力が0.93W/cm2
・条件S:基板温度Tが1200℃、バイアス電力が1.39W/cm2
したがって、基板温度が600℃以上1200℃以下の範囲であって、且つ、ターゲット14に供給されるバイアス電力が0W/cm2より大きく4.63W/cm2以下であるときには、下記二直線に挟まれた上記領域4に含まれるように、基板温度Tとバイアス電力Pとが設定される。
・条件E,G,Hを通る第一直線:P=0.0088T−6.60
・条件M,Pを通る第二直線:P=0.0116T−11.37
なお、バイアス電力Pと基板Sの表面に到達するガリウムの量との関係は、線形近似されるものであるとともに、基板温度Tが600℃以上1200℃以下の範囲であれば、該基板温度Tと基板の表面から蒸発するガリウムの量との関係は、概ね線形近似されるものである。そのため、基板Sの表面にて余剰となるガリウムの量よりも基板の表面から蒸発するガリウムの量が多くなるようなバイアス電力Pと基板温度Tとの関係も線形近似されるものである。
(Region 4: Non-deposition region: Conditions R and S)
As shown in FIG. 5, no growth of gallium nitride on the substrate S was observed under the following conditions R and S where the substrate temperature was higher than any of the previous conditions. That is, it can be said that the region 4 including the conditions R and S is a region in which gallium reaching the substrate S evaporates from the substrate S without being nitrided.
Condition R: substrate temperature T is 1150 ° C., bias power is 0.93 W / cm 2
Condition S: substrate temperature T is 1200 ° C. and bias power is 1.39 W / cm 2
Accordingly, the substrate temperature is in the range of 600 ° C. or higher 1200 ° C. or less, and, when the bias power supplied to the target 14 is large 4.63W / cm 2 or less than 0 W / cm 2 is sandwiched following two linear The substrate temperature T and the bias power P are set so as to be included in the region 4 described above.
-First straight line passing through conditions E, G, H: P = 0.0088T-6.60
Second line passing through conditions M and P: P = 0.116T-11.37
Note that the relationship between the bias power P and the amount of gallium reaching the surface of the substrate S is linearly approximated, and if the substrate temperature T is in the range of 600 ° C. to 1200 ° C., the substrate temperature T And the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate is approximately linearly approximated. Therefore, the relationship between the bias power P and the substrate temperature T in which the amount of gallium evaporated from the substrate surface is larger than the amount of surplus gallium on the surface of the substrate S is also linearly approximated.
上記基板Sの表面に上記窒化ガリウム柱状構造を形成する工程について図7を参照して説明する。まず、図7(a)に示されるように、サファイア基板等の単結晶で形成された基板41上に例えば窒化アルミニウムの下地層42を積層した基板Sを用意する。下地層42は、例えばスパッタ等の成膜方法によって、基板41の表面に形成される。下地層42は、略均一な粒径を有した結晶粒の集合として形成される。これにより、下地層42の結晶粒を核として成長する窒化ガリウム柱状構造43の直径が、下地層42上に形成された窒化ガリウム柱状構造間で互いに略等しくなる。そのため、例えば窒化ガリウム柱状構造43を上述のような電子デバイスに用いた場合に、窒化ガリウム柱状構造43間には、柱状構造の径に依存する材料特性のばらつきが生じにくくなる。 A process of forming the gallium nitride columnar structure on the surface of the substrate S will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 7A, a substrate S is prepared in which a base layer 42 made of, for example, aluminum nitride is laminated on a substrate 41 made of a single crystal such as a sapphire substrate. The underlayer 42 is formed on the surface of the substrate 41 by a film forming method such as sputtering. The underlayer 42 is formed as a collection of crystal grains having a substantially uniform grain size. Thereby, the diameters of the gallium nitride columnar structures 43 grown using the crystal grains of the underlayer 42 as nuclei are substantially equal between the gallium nitride columnar structures formed on the underlayer 42. For this reason, for example, when the gallium nitride columnar structure 43 is used in the electronic device as described above, variation in material characteristics depending on the diameter of the columnar structure is less likely to occur between the gallium nitride columnar structures 43.
次いで、基板Sが上記スパッタ装置10に搬入された後、上述のような条件にて反応性スパッタが行われると、上記下地層42を形成する結晶粒と略等しい直径を有した窒化ガリウム柱状構造43が、基板Sの上面全体に形成される。 Next, after the substrate S is carried into the sputtering apparatus 10, when reactive sputtering is performed under the above-described conditions, the gallium nitride columnar structure having a diameter substantially equal to the crystal grains forming the base layer 42. 43 is formed on the entire top surface of the substrate S.
このように、本実施形態の窒化ガリウム柱状構造の形成方法によれば、反応性スパッタによって基板S上に窒化ガリウム柱状構造を形成することができるため、上記VLS法のように、触媒金属が窒化ガリウム柱状構造に混入することを抑えることができる。
[実施例]
図8に示されるように、厚さ0.42mm、直径50.8mmのサファイア基板51上に、厚さ25nmの窒化アルミニウムからなる窒化アルミニウム層52を反応性スパッタ法によって形成した。その後、窒化アルミニウム層52の表面から離れる方向、且つ該表面の法線方向に延びる窒化ガリウム柱状構造53を反応性スパッタによって以下の条件にて形成した。
As described above, according to the method for forming a gallium nitride columnar structure of the present embodiment, the gallium nitride columnar structure can be formed on the substrate S by reactive sputtering, so that the catalyst metal is nitrided as in the VLS method. Mixing into the gallium columnar structure can be suppressed.
[Example]
As shown in FIG. 8, an aluminum nitride layer 52 made of aluminum nitride having a thickness of 25 nm was formed on a sapphire substrate 51 having a thickness of 0.42 mm and a diameter of 50.8 mm by a reactive sputtering method. Thereafter, a gallium nitride columnar structure 53 extending in the direction away from the surface of the aluminum nitride layer 52 and in the normal direction of the surface was formed by reactive sputtering under the following conditions.
・ガリウムターゲット 直径120mm2
・アルゴンガス流量 38.5sccm
・窒素ガス流量 16.5sccm
・窒素濃度 30%
・バイアス電力(13.56MHz) 1.39W/cm2(150W)
・基板温度 1000℃
・反応性スパッタの継続時間 40分
なお、上記窒素濃度とは、上記基板温度とバイアス電力とによって規定される窒化ガリウムの成長速度のうち、その極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となるような窒素濃度である。こうした条件にて反応性スパッタを行ったところ、窒化アルミニウム層52上には、直径略50nm、長さ略2000nmの窒化ガリウム柱状構造53が、略1.0×1010本/mm2の密度で形成された。
・ Gallium target Diameter 120mm 2
・ Argon gas flow rate 38.5sccm
・ Nitrogen gas flow 16.5sccm
・ Nitrogen concentration 30%
Bias power (13.56 MHz) 1.39 W / cm 2 (150 W)
・ Substrate temperature 1000 ℃
Reactive sputtering duration 40 minutes Note that the nitrogen concentration is a growth rate of 91% or more and 100% or less of the maximum value of the growth rate of gallium nitride defined by the substrate temperature and bias power. Nitrogen concentration that gives a speed. When reactive sputtering was performed under these conditions, a gallium nitride columnar structure 53 having a diameter of about 50 nm and a length of about 2000 nm was formed on the aluminum nitride layer 52 at a density of about 1.0 × 10 10 pieces / mm 2 . Been formed.
以上説明した実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
(1)窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲にて、窒化されるガリウム以外にも基板Sの表面にガリウムを到達させるように、バイアス電力が設定される。また、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板Sの表面から蒸発させるように、基板Sの温度が設定される。これにより、ターゲット14をスパッタすることで基板Sの表面にガリウムを供給するとともに、窒化源を同基板Sの表面に供給することのみによって窒化ガリウム柱状構造を形成することができる。
According to the embodiment described above, the effects listed below can be obtained.
(1) Bias power is set so that gallium reaches the surface of the substrate S in addition to gallium to be nitrided in a nitrogen concentration range in which the growth rate of gallium nitride is controlled by nitrogen supply. Further, the temperature of the substrate S is set so that all of the gallium other than the gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate S. Thus, the gallium nitride columnar structure can be formed only by supplying gallium to the surface of the substrate S by sputtering the target 14 and supplying a nitriding source to the surface of the substrate S.
しかも、上記VLS法のように、液体状の触媒金属を用いずに窒化ガリウム柱状構造を形成することから、形成された窒化ガリウム柱状構造への触媒金属の混入が自ずと抑制されることになる。 In addition, since the gallium nitride columnar structure is formed without using a liquid catalyst metal as in the VLS method, mixing of the catalyst metal into the formed gallium nitride columnar structure is naturally suppressed.
(2)上記窒素濃度を窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して61%以上100%以下の成長速度とした。そして、基板Sの温度を600℃以上1200℃以下とするとともに、ターゲット14の単位面積あたりに供給するバイアス電力Pを0W/cm2より大きく4.63W/cm2以下とした。これにより、基板へ到達するガリウム原子の流束と、基板から熱的に再蒸発するガリウムの流束のバランス、すなわち、基板上でのガリウムの過飽和度を十分に低く調整することが可能となり、ひいては窒化ガリウム柱状構造を形成することが容易なものとなる。 (2) The nitrogen concentration was set to a growth rate of 61% or more and 100% or less with respect to the maximum value in the growth rate of gallium nitride. Then, while a 600 ° C. or higher 1200 ° C. or less the temperature of the substrate S, bias power P was largely 4.63W / cm 2 or less than 0 W / cm 2 is supplied per unit of the target 14 area. This makes it possible to adjust the balance between the flux of gallium atoms reaching the substrate and the flux of gallium thermally re-evaporated from the substrate, that is, the degree of supersaturation of gallium on the substrate, sufficiently low. As a result, it becomes easy to form a gallium nitride columnar structure.
(3)上記窒素濃度を窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となる範囲となるようにした。そして、上記バイアス電力Pを周波数が13.56MHzであるバイアス電力とするときに、上記基板温度T及びバイアス電力Pが、P<0.0088T−6.60、P≧0.0116T−11.37を満たす条件で窒化ガリウム柱状構造の形成を行うようにした。そのため、基板へ到達するガリウム原子の流束と、基板から熱的に再蒸発するガリウムの流束のバランス、すなわち、基板上でのガリウムの過飽和度を十分に低く調整することが可能となり、ひいては窒化ガリウム柱状構造を形成することが容易になる。 (3) The nitrogen concentration is in a range where the growth rate is 91% or more and 100% or less with respect to the maximum value in the growth rate of gallium nitride. When the bias power P is a bias power having a frequency of 13.56 MHz, the substrate temperature T and the bias power P are P <0.0088T-6.60, P ≧ 0.0116T-11.37. The gallium nitride columnar structure was formed under the conditions satisfying the above conditions. Therefore, it is possible to adjust the balance between the flux of gallium atoms reaching the substrate and the flux of gallium thermally re-evaporated from the substrate, that is, the degree of supersaturation of gallium on the substrate, and thus It becomes easy to form a gallium nitride columnar structure.
なお、上述した第一直線、及び第二直線に基づいて規定される範囲は、窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して91%以上100%以下の成長速度を示す窒素濃度領域においてのみ成り立つものである。しかしながら、他の窒素濃度範囲、すなわち、窒化ガリウムの成長速度が、その極大値に対して61%以上100%以下となる窒素濃度の範囲であれば、上記バイアス電力と基板温度との調整により窒化ガリウム柱状構造を選択的に形成可能である。 The range defined based on the first straight line and the second straight line described above is established only in the nitrogen concentration region where the growth rate is 91% or more and 100% or less with respect to the maximum value of the growth rate of gallium nitride. is there. However, in another nitrogen concentration range, that is, a nitrogen concentration range in which the growth rate of gallium nitride is 61% or more and 100% or less with respect to the maximum value, nitriding is performed by adjusting the bias power and the substrate temperature. Gallium columnar structures can be selectively formed.
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。 In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows .
・窒化されるガリウム以外のガリウムが基板Sの表面に到達しているか否かは、基板Sの表面に向けて進行する流束を計測するとともに、計測された流束の積算値と成膜された窒化ガリウム中のガリウムの量とを比較することによって確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるバイアス電力は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、基板に到達するガリウムの流速と窒化ガリウム中に含まれるガリウムの量との計測値に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時のバイアス電力は、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させる範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。 Whether gallium other than the gallium to be nitrided has reached the surface of the substrate S is determined by measuring the flux traveling toward the surface of the substrate S and forming a film with the integrated value of the measured flux. It can also be confirmed by comparing the amount of gallium in the gallium nitride. Therefore, in addition to the range defined based on the first straight line and the second straight line described above, the bias power that causes gallium other than gallium nitride to reach the surface of the substrate is not limited to the flow rate of gallium reaching the substrate and the gallium nitride. It is also possible to set the range based on the measured value with the amount of gallium contained in the gallium. In short, the bias power at the time of film formation is not particularly limited as long as the gallium other than gallium to be nitrided is within a range that reaches the surface of the substrate.
・窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発しているか否かは、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度とに基づいて確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発するような基板温度は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時の基板温度は、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発する範囲よりも高い温度範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。 Whether or not all of the gallium other than the gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate can be confirmed based on the amount of gallium other than the gallium nitride and the evaporation rate of gallium. Therefore, the substrate temperature at which all of the gallium other than gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate is not limited to the range defined based on the first straight line and the second straight line described above, It can also be set to a range based on the amount of gallium and the evaporation rate of gallium. In short, if the temperature of the substrate during film formation is higher than the range in which all of the gallium other than gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate, the method for defining the range is not particularly limited. Absent.
・窒素含有ガスは、希ガスと窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように真空槽内に供給されるものであればよく、こうした窒素濃度であれば該窒素濃度は上記範囲に限定されるものではない。 -The nitrogen-containing gas is in a nitrogen concentration range in which the growth rate of gallium nitride is determined by the nitrogen supply in the nitrogen concentration, which is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. Any material can be used as long as it is supplied into the vacuum chamber, and the nitrogen concentration is not limited to the above range as long as the nitrogen concentration is such.
・上記基板41は、サファイア基板の他に、炭化シリコン(SiC)基板、シリコン(Si)基板等であってもよい。
・上記下地層42は、窒化アルミニウムからなる層以外にも、例えば、窒化ガリウム等からなる層であってもよい。
The substrate 41 may be a silicon carbide (SiC) substrate, a silicon (Si) substrate, or the like in addition to the sapphire substrate.
The base layer 42 may be a layer made of gallium nitride, for example, in addition to the layer made of aluminum nitride.
・上記基板S上に、上記下地層が形成されていなくともよい。 · On the substrate S, it may not have the underlying layer is formed.
10…スパッタ装置、11…真空槽、12…カソードハウジング、12a…マグネット、13…バッキングプレート、14…ターゲット、14a…ガリウム、14b…容器、15…高周波電源、16…基板ステージ、17…防着板、18…ヒータ室、19…ヒータユニット、20…排気部、30…制御部、41…基板、42…下地層、43,53…窒化ガリウム柱状構造、51…サファイア基板、52…窒化アルミニウム層、MFC1,MFC2…マスフローコントローラ、S…基板。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sputtering device, 11 ... Vacuum chamber, 12 ... Cathode housing, 12a ... Magnet, 13 ... Backing plate, 14 ... Target, 14a ... Gallium, 14b ... Container, 15 ... High frequency power supply, 16 ... Substrate stage, 17 ... Adhesion Plate, 18 ... Heater chamber, 19 ... Heater unit, 20 ... Exhaust unit, 30 ... Control unit, 41 ... Substrate, 42 ... Underlayer, 43, 53 ... Gallium nitride columnar structure, 51 ... Sapphire substrate, 52 ... Aluminum nitride layer , MFC1, MFC2 ... Mass flow controller, S ... Substrate.
Claims (4)
真空槽内に配置されたガリウムターゲットにバイアス電力を供給して、前記真空槽内に供給された希ガスによって前記ガリウムターゲットをスパッタする工程と、
前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム柱状構造を形成する工程とを含み、
前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、
前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、
前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させる温度よりも高い温度で窒化ガリウムを成長させるものであり、
前記窒素含有ガスが窒素ガスであり、前記希ガスがアルゴンガスであって、
前記窒化ガリウムを形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウムの成長速度における極大値に対して61%以上100%以下の成長速度となる範囲とし、
且つ、前記窒化ガリウム柱状構造を形成するときの前記基板の温度を基板温度T(℃)、
前記ガリウムターゲットに供給される高周波電力をバイアス電力P(W/cm 2 )とするとき、
前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、
600≦T≦1200
0<P≦4.63
を満たす
ことを特徴とする窒化ガリウム柱状構造の形成方法。 A method for forming a gallium nitride columnar structure for forming a gallium nitride columnar structure,
Supplying a bias power to a gallium target disposed in a vacuum chamber, and sputtering the gallium target with a rare gas supplied in the vacuum chamber;
A gallium nitride columnar structure is prepared by reacting a nitrogen-containing gas activated by plasma and sputtered gallium on a single crystal substrate heated in the vacuum chamber. Forming a step,
The nitrogen concentration range in which the growth rate of the gallium nitride is controlled by the nitrogen supply, of the nitrogen concentration that is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. To be supplied into the vacuum chamber so that
The bias power causes gallium to reach the surface of the single crystal substrate in addition to the gallium to be nitrided,
The temperature of the single crystal substrate state, and are all gallium except gallium being the nitride that is grown gallium nitride at a temperature higher than the temperature to evaporate from the surface of the single crystalline substrate,
The nitrogen-containing gas is nitrogen gas, the noble gas is argon gas,
The nitrogen concentration when forming the gallium nitride is in a range where the growth rate is not less than 61% and not more than 100% with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride,
And, the temperature of the substrate when forming the gallium nitride columnar structure is a substrate temperature T (° C.),
When the high frequency power supplied to the gallium target is a bias power P (W / cm 2 ),
The substrate temperature T and the bias power P are
600 ≦ T ≦ 1200
0 <P ≦ 4.63
A method of forming a gallium nitride columnar structure characterized by satisfying
前記バイアス電力が、周波数が13.56MHzのバイアス電力であり、
前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、
P<0.0088T−6.60
P≧0.0116T−11.37
を満たす
請求項1に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成方法。 The nitrogen concentration is in a range where the growth rate is 91% or more and 100% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride,
The bias power is a bias power having a frequency of 13.56 MHz;
The substrate temperature T and the bias power P are
P <0.0088T-6.60
P ≧ 0.0116T-11.37
The method for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 1 .
前記真空槽内に希ガスとしてのアルゴンガスと窒素含有ガスとしての窒素ガスとを供給するガス供給部と、
前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、
前記ガリウムターゲットに高周波電力であるバイアス電力を供給する電力供給部と、
前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給部の動作を制御する制御部と
を備える窒化ガリウム柱状構造の形成装置であって、
前記制御部は、
前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、窒化ガリウムの成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、且つ、
前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させるとともに、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させる温度よりも高い温度で窒化ガリウムを成長させるように前記加熱部に前記単結晶基板を加熱させ、
前記窒素濃度が前記窒化ガリウムの成長速度の極大値に対して61%以上100%以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、且つ、
前記窒化ガリウム柱状構造を形成するときの前記基板の温度を基板温度T(℃)、
前記ガリウムターゲットに供給される高周波電力をバイアス電力P(W/cm 2 )とするとき、
前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、
600≦T≦1200
0<P≦4.63
を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
ことを特徴とする窒化ガリウム柱状構造の形成装置。 A vacuum chamber containing a single crystal substrate and having a heating unit for heating the single crystal substrate;
A gas supply unit for supplying argon gas as a rare gas and nitrogen gas as a nitrogen- containing gas into the vacuum chamber;
A gallium target disposed in the vacuum chamber;
A power supply unit that supplies bias power that is high-frequency power to the gallium target;
A controller for controlling the operation of the heating unit, the gas supply unit, and the power supply unit when the gallium target is sputtered with the rare gas, and a gallium nitride columnar structure forming apparatus comprising:
The controller is
The gas supply so that the growth rate of gallium nitride is within the range of the nitrogen concentration controlled by the nitrogen supply among the nitrogen concentration, which is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. Control the drive of the unit, and
In addition to the gallium nitride, the bias power is output to the power supply unit so that gallium reaches the surface of the single crystal substrate, and all the gallium other than the gallium nitride is supplied to the single crystal substrate. Heating the single crystal substrate to the heating unit to grow gallium nitride at a temperature higher than the temperature to evaporate from the surface ;
Controlling the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration falls within a range of 61% to 100% with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride; and
The temperature of the substrate when forming the gallium nitride columnar structure is a substrate temperature T (° C.),
When the high frequency power supplied to the gallium target is a bias power P (W / cm 2 ),
The substrate temperature T and the bias power P are
600 ≦ T ≦ 1200
0 <P ≦ 4.63
The apparatus for forming a gallium nitride columnar structure is characterized in that the heating unit and the power supply unit are controlled so as to satisfy the above .
前記制御部が、
前記窒素濃度が前記窒化ガリウムの成長速度の極大値に対して91%以上100%以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、
前記基板温度Tと前記バイアス電力Pとが、
P<0.0088T−6.60
P≧0.0116T−11.37
を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
請求項3に記載の窒化ガリウム柱状構造の形成装置。 The bias power is a bias power having a frequency of 13.56 MHz;
The control unit is
Controlling the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration falls within a range of 91% to 100% with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride;
The substrate temperature T and the bias power P are
P <0.0088T-6.60
P ≧ 0.0116T-11.37
The apparatus for forming a gallium nitride columnar structure according to claim 3 , wherein the heating unit and the power supply unit are controlled so as to satisfy the condition.
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