JP5938809B2

JP5938809B2 - 分子線エピタキシー装置

Info

Publication number: JP5938809B2
Application number: JP2014252892A
Authority: JP
Inventors: 勝堀; 天野　浩; 浩天野; 加納　浩之; 浩之加納; 昭治田; 山川　晃司; 晃司山川
Original assignee: Nagoya University NUC; Katagiri Engineering Co Ltd; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Katagiri Engineering Co Ltd; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2015062255A

Description

本発明は、ラジカル源と分子線セルとを有した分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に関する。特に、ラジカル源によって生成されるラジカル密度が高く、成膜速度が向上されたＭＢＥ装置に関する。

近年、ＬＥＤやパワーデバイスの半導体材料として、III 族窒化物半導体の重要性が増大している。III 族窒化物半導体の結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が知られており、現在主としてＭＯＣＶＤ法が用いられている。

しかしＭＯＣＶＤ法は、アンモニアを大量に必要とすることによるコスト高や、多色発光のＬＥＤを作成するためのIII 族窒化物半導体への希土類金属元素の添加に対して、有効な有機金属材料がないこと、などの多くの課題を有している。

一方、ＭＢＥ法は、低不純物濃度のIII 族窒化物半導体を容易に形成可能であり、希土類金属元素の添加も容易であるという利点がある。ＭＢＥ法によってIII 族窒化物半導体を結晶成長させる場合、材料源としてIII 族元素、窒素の原子蒸気の生成が必要になる。III 族元素は固体金属なので、通常、ＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製のるつぼに金属を入れて加熱して原子蒸気を発生させている。これに対して窒素は気体であるため、通常、窒素分子ガスを分解する方法や、アンモニアガスを分解する方法などの方法によって原子蒸気を発生させている。この窒素分子ガスを分解して窒素の原子蒸気を生成する方法として、コイル状の電極に高周波電力を印加して生成する誘導結合プラズマを用いた窒素ラジカル源が使われる（たとえば特許文献１）。窒素ラジカル源を使用してIII 族窒化物半導体の結晶成長速度を向上させるためには、ラジカルのフラックス密度を高める必要がある。

高密度のラジカルを生成することができるラジカル源として、特許文献２に記載のラジカル源がある。特許文献２のラジカル源は、窒素ガスを供給する供給管、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）を生成するＣＣＰ部、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を生成するＩＣＰ部とをこの順に直列に接続した構造である。この構造によると、ＩＣＰ部でプラズマ化される前に、あらかじめＣＣＰ部でプラズマ化され、ＣＣＰがＩＣＰに導入されるため、高い窒素ラジカル密度が得られる。

特開２００８−７８２００特開２００９−４１５７

しかし、従来のＭＢＥ装置では、ラジカル源により生成させる窒素ラジカルの密度が低く、その結果、III 族窒化物半導体の成膜速度が遅いという問題があった。また、生成される窒素ラジカルの密度が向上された特許文献２に記載のラジカル源を、ＭＢＥ装置に適用することも考えられる。しかし、特許文献２に記載のラジカル源をもってしてもIII 族窒化物半導体の成膜速度を向上させるのには窒素ラジカル密度が十分でない。

そこで本発明の目的は、ラジカル源を有したＭＢＥ装置において、ラジカル源の生成するラジカル密度が高く、結晶の成膜速度が向上されたＭＢＥ装置を提供することである。

第１の発明は、ラジカルを生成するラジカル源と、分子線あるいは原子線を生成する分子線セルと、内部に基板を保持する真空容器とを有し、真空中においてラジカルと分子線あるいは原子線を基板に照射することによって、ラジカルの元素と分子線あるいは原子線の元素とで構成される化合物を基板上に結晶成長させる分子線エピタキシー装置において、ラジカル源は、気体を供給する導体からなる供給管と、供給管に後続する誘電体からなるプラズマ生成管と、プラズマ生成管の外壁に位置し、プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、プラズマ生成管の外壁を囲み、内部に冷却液が循環する中空部を有した構造であって、プラズマ生成管の内部に容量結合プラズマを発生させる容量結合プラズマ電極と、容量結合プラズマ電極の中空部において容量結合プラズマの発生する領域のプラズマ生成管外周に沿って配置され、プラズマ生成管の中心部に容量結合プラズマを偏在させるように配設された複数の永久磁石とを有することを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

上記のラジカル源は複数設けられていてもよく、結晶成長させる化合物の構成元素以外の元素のラジカルを供給するラジカル源を設けてもよい。たとえば、III 族窒化物半導体の成膜材料となる窒素ラジカルを供給するラジカル源と、基板のクリーニングなどに用いる水素ラジカルを供給するラジカル源とを、それぞれ設けるようにしてもよい。

永久磁石は、消磁防止の観点からキュリー温度の高いものが望ましく、たとえばＳｍＣｏ磁石、ＡｌＮｉＣｏ磁石などを用いる。

第２の発明は、第１の発明において、容量結合プラズマ電極は、コイルよりも供給管に近い側に位置し、プラズマ生成管の内部に発生させた容量結合プラズマを誘導結合プラズマ中に導入する電極であることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、永久磁石は、中空部に露出し、冷却液で冷却されるように配置されていることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。
第４の発明は第１から第３の発明において、永久磁石は、カスプ磁場により、プラズマ生成管の中心部に容量結合プラズマを生成することを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

第５の発明は、第１から第４の発明において、コイルは、プラズマ生成管の中心部のプラズマ密度よりも、プラズマ生成管の内壁に沿った領域の方がプラズマ密度が高くなる分布のローブライトモードの誘導結合プラズマを発生させることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

第６の発明は、第１から第５の発明において、容量結合プラズマ電極は、円筒形状であることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。
第７の発明は、第１から第６の発明において、ラジカル源は、供給管により窒素が供給され、窒素ラジカルを生成する窒素ラジカル源であり、結晶成長させる化合物は窒化物であることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

第８の発明は、第７の発明において、分子線セルは、III 族金属の分子線を生成するものであり、結晶成長させる化合物は、III 族窒化物半導体であることを特徴とする分子線エピタキシー装置である。

本発明によると、ラジカル源は、プラズマ生成管の中心部に容量結合プラズマを収縮して偏在させた状態で、容量結合プラズマを誘導結合プラズマに導入することができ、ラジカルのフラックス密度を高めるために高いガス圧とした場合において、プラズマ生成管の中心部における誘導結合プラズマの密度が減少してしまうのを補償することができる。そのため、より高密度のラジカルを生成することができる。

また、容量結合プラズマにはエネルギーの高い電子が多く存在しており、これが誘導結合プラズマに注入されるため、ガス分子の原子への分解能を向上させることができるとともに、原子状ラジカルに高い内部エネルギーを付与することができる。このような内部エネルギーの高い原子状ラジカルは、結晶表面における表面マイグレーション機能を高めること（すなわち、到達した元素が基板表面において十分に動き、成長サイトに到達しやすくなること）ができ、結晶性の向上を図ることができる。したがって、本発明の分子線エピタキシー装置は、ラジカル源によって高密度かつ内部エネルギーの高い原子状ラジカルを供給することができるので、結晶性の向上を図ることができる。また、成膜の際に成長温度の低減などを図ることもできる。

また、他の発明におけるプラズマ源は、容量結合プラズマ電極の中空部に水を還流させることで、容量結合プラズマ電極の温度上昇を抑制することができる。また、磁石を直接水に浸して冷却することができる。そのため、磁石の消磁を抑制することができ、高密度なラジカルの生成を長時間持続することができる。したがって、この発明によれば、成膜の安定性を向上させることができる。

また、本発明の分子線エピタキシー装置は、窒化物の成膜に利用することができ、III 族窒化物半導体の成膜に利用することができる。

実施例１のＭＢＥ装置の構成を示した図。ラジカル源５の構成を示した図。ラジカル源５の図２におけるＡ−Ａでの断面図。ガス流量と窒素ラジカル密度との関係を示した図。ＧａフラックスとＧａＮの成膜速度との関係を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のＭＢＥ装置の構成を示した図である。実施例１のＭＢＥ装置は、図１のように、内部が１０^-8Ｐａ程度の超真空に保持される真空容器１と、真空容器１の内部に設けられ、基板３を保持し、基板３の回転、加熱が可能な基板ステージ２と、基板３表面に分子線（原子線）を照射する分子線セル４Ａ〜Ｃと、基板３表面に窒素ラジカルを供給するラジカル源５と、を備えている。実施例１のＭＢＥ装置は、超真空中に加熱して保持された基板３表面に、分子線セル４Ａ〜ＣによってIII 族金属の原子線を、ラジカル源によって窒素ラジカルを照射することで、基板３表面にIII 族窒化物半導体を結晶成長させる装置である。

分子線セル４Ａ〜Ｃは、III 族金属材料を保持する坩堝、坩堝を加熱するヒータ、シャッターを有し、坩堝を加熱してIII 族金属の蒸気を発生させて原子線を形成し、原子線をシャッターによって開閉することで原子線量を制御可能としている。分子線セル４Ａ〜Ｃは、たとえば分子線セル４ＡがＧａ、分子線セル４ＢがＩｎ、分子線セル４ＣがＡｌの原子線を生成する。他に、ｎ型不純物（たとえばＳｉ）や、ｐ型不純物（たとえばＭｇ）の分子線を基板３に照射する分子線セル４を設けてもよい。

図２は、ラジカル源５の詳細な構成を示した図である。また、図３は、図２でのＡ−Ａにおける断面図である。

図２、３のように、ラジカル源５は、ＳＵＳからなり、窒素ガスが供給される供給管１０と、供給管１０に接続する熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）からなる円筒状のプラズマ生成管１１を有している。プラズマ生成管１１の内径は２４ｍｍであり、長さは９０ｍｍである。プラズマ生成管１１の供給管１０接続側とは反対側の開口には、直径５ｍｍの孔が開けられたオリフィス板１９が配置されている。

プラズマ生成管１１の外側であって、供給管１０とプラズマ生成管１１との接続部近傍には、円筒形のＣＣＰ電極１３が配置されている。ＣＣＰ電極１３は、その内部に中空部１３ａを有している。また、ＣＣＰ電極１３には給水管１６および排水管１７が接続されており、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａと給水管１６および排水管１７の管内とが連続している。給水管１６からＣＣＰ電極１３の中空部１３ａへと冷却水を導入し、排水管１７より冷却水を排出することが可能な構造となっており、冷却水を還流させてＣＣＰ電極１３を冷却可能となっている。

ＣＣＰ電極１３の内部には、プラズマ生成管１１の外周に沿って等間隔に６個の永久磁石１４が配置されている。永久磁石１４はＳｍＣｏからなる。また、これらの永久磁石１４は、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに露出している。そのため、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに冷却水を還流させてＣＣＰ電極１３を冷却する際、永久磁石１４は冷却水と直接接触する。これにより、ＣＣＰ電極１３の加熱によって上昇する永久磁石１４の温度を効率的に抑えることができる。

プラズマ生成管１１の外側であって、ＣＣＰ電極１３よりも下流側（供給管１０側とは反対側）には、プラズマ生成管１１の外周に沿って巻かれたコイル１２を有している。コイル１２は中空のステンレス管を３回半巻いたものであり、そのステンレス管内部に冷却水を通して冷却できる構造となっている。

ＣＣＰ電極１３とコイル１２には高周波電源（図示しない）が接続されており、供給管１０は接地されている。高周波電源によって高周波電力をＣＣＰ電極１３、コイル１２にそれぞれ印加することで、プラズマ生成管１１内部であって外周にコイル１２が配置された領域に誘導結合プラズマを、プラズマ生成管１１内部であって外周にＣＣＰ電極１３が配置された領域に容量結合プラズマを、それぞれ形成することができる。

供給管１０とプラズマ生成管１１との接続部における供給管１０の開口には、供給管１０側に向かって、セラミックからなる寄生プラズマ防止管１５が挿入されている。寄生プラズマ防止管１５の内径は１ｍｍ、外径は供給管１０の内径にほぼ等しい。この寄生プラズマ防止管１５の挿入により、供給管１０の内壁は寄生プラズマ防止管１５に覆われ、ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との間で寄生プラズマが発生してしまうのが防止される。寄生プラズマ防止管１５は、ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との間での放電により、供給管１０の内部に寄生プラズマが生じてラジカル密度の低下を引き起こしてしまうのを防止するものである。これにより、容量結合プラズマはプラズマ生成管１１の内部にのみ生成され、プラズマ密度が向上する。その結果、容量結合プラズマ形成によるラジカル生成能力を向上させることができ、より高密度のラジカルを生成することができるラジカル源を実現することができる。寄生プラズマ防止管１５の材料は、ＢＮ、ＰＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などのセラミックを用いることができる。

寄生プラズマを効果的に防止するためには、寄生プラズマ防止管１５の挿入長は、供給管１０の内径の１０倍以上とすることが望ましい。より望ましくは、供給管１０の内径の２０〜５０倍である。

これらのプラズマ生成管１１、コイル１２、ＣＣＰ電極１３は、円筒状の筐体１８に納められている。筐体１８は、ラジカル照射側が開口している。その開口近傍には、イオンを除去するための電極、あるいは磁石（いずれも図示しない）を配置してもよい。

ラジカル源５は、プラズマ生成管１１内部に供給管１０から窒素ガスを供給し、コイル１２およびＣＣＰ電極１３への高周波電力の印加によって、プラズマ生成管１１内部に誘導結合プラズマと容量結合プラズマとをそれぞれ生成し、容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入することによって高密度の窒素ラジカルを生成する構成である。

ここで、ラジカル源５では、供給管１０に寄生プラズマ防止管１５が挿入されており、ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との間での放電により供給管１０内部に寄生プラズマが生じてしまうのを防止している。この寄生プラズマ防止管１５を挿入したことにより、容量結合プラズマがプラズマ生成管１１内部にのみ生成され、容量結合プラズマのプラズマ密度が向上する。そのため、生成される窒素ラジカル密度も向上する。

また、容量結合プラズマは、６個の永久磁石１４によるカスプ磁場によって、プラズマ生成管１１の中心部に収縮して偏在する。窒素分子の分解能を高めるために高いガス圧力とする場合、誘導結合プラズマは通常はハイブライトモードではなく、ローブライトモードとなる。ハイブライトモードとは、プラズマ生成管１１の中心部にプラズマが形成された状態であり、ラジカル密度が高い状態である。一方、ローブライトモードとは、プラズマ形状がプラズマ生成管１１の内壁に沿って形成され、中心部のプラズマ密度が低い状態であり、ラジカル密度が低い状態である。しかし、中心部に偏在した容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入することで、ローブライトモードのプラズマ形状が変動し、中心部でのプラズマ密度の低下が補償される。その結果、高いガス圧力の場合であっても、中心部のプラズマ密度が向上し、誘導結合プラズマのみを生成する場合に比べて非常に高いラジカル密度を実現することができる。また、容量結合プラズマ中に多く存在する高エネルギーな電子により、窒素ガスの分子から原子への分解能が高まるとともに、その生成された原子状ラジカルの内部エネルギーが向上する。

また、永久磁石１４は、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに冷却水を還流させることで直接冷却することができ、永久磁石１４の温度上昇を抑制して永久磁石１４の消磁を効果的に防止することができる。そのため、プラズマ生成管１１の中心部にＣＣＰプラズマが偏在する状態を長時間維持することができ、その結果、長時間にわたって高密度なラジカルの生成を維持することができる。

実施例１のＭＢＥ装置では、上記のように生成される窒素ラジカルの密度が高いラジカル源５を備えているため、III 族窒化物半導体の成膜速度が従来のＭＢＥ装置に比べて向上している。また、内部エネルギーの高い窒素ラジカルを照射することができるので、結晶表面における窒素の表面マイグレーション機能を高めることができる。すなわち、窒素元素が結晶表面で十分に動き、成長サイトに到達する確率が向上し、結晶性の向上や、層間界面の急峻性の向上を図ることができる。また、基板６の温度を低減することができ、これによりさらなる結晶性の向上を図ることができる。また、ラジカル源５は長時間にわたって窒素ラジカルを生成できるため、III 族窒化物半導体の成膜も長時間安定して行うことができる。

図４は、実施例１のラジカル源によって発生させた窒素ラジカルの密度を、真空紫外吸光分光法によって測定し、窒素ラジカルの密度と窒素ガスの流速との関係を調べた結果である。従来の誘導結合プラズマによって発生させるラジカル源では、窒素ラジカルの密度はおよそ１×１０¹¹ｃｍ^-3であるのに対し、実施例１のラジカル源を用いると、窒素ガス流速が５〜３５ｓｃｃｍの範囲において１×１０¹¹ｃｍ^-3よりも高い密度であることがわかる。特に窒素ガス流速が１５〜２５ｓｃｃｍの範囲では、１×１０¹²ｃｍ^-3以上の密度であり、従来のラジカル源に比べて１０倍以上の密度の窒素ラジカルが生成されていることがわかる。

図５は、基板３の温度を８４０℃、圧力を１×１０^-4Ｔｏｒｒ、窒素ガス流速を１５ｓｃｃｍとし、Ｇａフラックスを変化させた場合のＧａＮの成膜速度を測定した結果を示したグラフである。ＧａＮの成膜速度は、Ｇａフラックスを２×１０^-6ｔｏｒｒとした場合には７００ｎｍ／ｈ、４×１０^-6ｔｏｒｒとした場合には１４００ｎｍ／ｈであった。従来のＭＢＥ装置では、ＧａＮの成膜速度は５００ｎｍ／ｈ程度であったが、実施例１のＭＢＥ装置では、ラジカル源５の生成する窒素ラジカルの密度が高いため、従来のＭＢＥ装置に比べて約３倍の成膜速度を実現することができた。

本発明のＭＢＥ装置は、III 族窒化物半導体の成膜装置として有用である。

１：真空容器
２：基板ステージ
３：基板
４Ａ〜Ｃ：分子線セル
５：ラジカル源
１０：供給管
１１：プラズマ生成管
１２：コイル
１３：ＣＣＰ電極
１４：永久磁石
１５：寄生プラズマ防止管
１６：給水管
１７：排水管
１８：筐体

Claims

ラジカルを生成するラジカル源と、分子線あるいは原子線を生成する分子線セルと、内部に基板を保持する真空容器とを有し、真空中において前記ラジカルと前記分子線あるいは原子線を基板に照射することによって、前記ラジカルの元素と前記分子線あるいは原子線の元素とで構成される化合物を前記基板上に結晶成長させる分子線エピタキシー装置において、
前記ラジカル源は、
気体を供給する導体からなる供給管と、
前記供給管に後続する誘電体からなるプラズマ生成管と、
前記プラズマ生成管の外壁に位置し、前記プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、
前記プラズマ生成管の外壁を囲み、内部に冷却液が循環する中空部を有した構造であって、前記プラズマ生成管の内部に容量結合プラズマを発生させる容量結合プラズマ電極と、
前記容量結合プラズマ電極の前記中空部において前記容量結合プラズマの発生する領域の前記プラズマ生成管外周に沿って配置され、前記プラズマ生成管の中心部に前記容量結合プラズマを偏在させるように配設された複数の永久磁石と
を有する
ことを特徴とする分子線エピタキシー装置。
容量結合プラズマ電極は、前記コイルよりも前記供給管に近い側に位置し、前記プラズマ生成管の内部に発生させた前記容量結合プラズマを前記誘導結合プラズマ中に導入する電極であることを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシー装置。
前記永久磁石は、前記中空部に露出し、前記冷却液で冷却されるように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分子線エピタキシー装置。
前記永久磁石は、カスプ磁場により、前記プラズマ生成管の中心部に前記容量結合プラズマを生成することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の分子線エピタキシー装置。
前記コイルは、前記プラズマ生成管の中心部のプラズマ密度よりも、前記プラズマ生成管の内壁に沿った領域の方がプラズマ密度が高くなる分布のローブライトモードの誘導結合プラズマを発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の分子線エピタキシー装置。
前記容量結合プラズマ電極は、円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の分子線エピタキシー装置。
前記ラジカル源は、前記供給管により窒素が供給され、窒素ラジカルを生成する窒素ラジカル源であり、結晶成長させる前記化合物は窒化物であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の分子線エピタキシー装置。
前記分子線セルは、III 族金属の分子線を生成するものであり、結晶成長させる前記化合物は、III 族窒化物半導体であることを特徴とする請求項７に記載の分子線エピタキシー装置。