JP5214251B2 - 高密度低エネルギープラズマ気相エピタキシーの装置 - Google Patents

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Description

（関連出願）
本出願は、２００６年２月２８日に出願された米国暫定特許出願第６０／６５７，２０８号を優先権主張としたＰＣＴ出願であり、その内容は参照することにより本出願に組み込まれる。
本発明は、エピタキシー成長法及びコーティング装置の分野に関するものである。より詳細には、気相又は気体の状態から直接物質を堆積させることによって単結晶を形成するエピタキシャル形成のための装置及び方法に関する。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体窒化ガリウム（ＧａＮ）とそのアルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の合金は、高周波及び高出力のどちらの電子的使用においても理想的な物質である（参照することにより本件に組み込まれるＢｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．によるＳｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌ．４６，１５３５（２００２）を例として参照）。また、これらの物質は、短波長発光ダイオード及びレーザーの使用にも適する（参照することにより本件に組み込まれるＮａｋａｍｕｒａによるＡｎｎｕ．Ｒｅｖ Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．２８，１２５（１９９８）；ＮａｋａｍｕｒａによるＳｃｉｅｎｃｅ ２８１，９５６（１９９８）；及びＳｍｉｔｈ ｅｔ ａｌ．によるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９５，８２４７（２００４）を例として参照）。
しかし、上記物質の主な欠点の一つは、バルク形態に成長する上で必要となる高温及び高圧という厳しい状況下に置かれるため、大きな単結晶ができないことである。大きなＧａＮ基板を合成する唯一の方法は、厚い自立ＧａＮ層をサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の支持基板上に成長させ、のちに基板を取り除くというヘテロエピタキシー法のみである。基板を取り除く工程を行わずに処理を行う装置においては、より薄いヘテロエピタキシャルＩＩＩ−Ｖ窒化層を用いることも可能である。
ＧａＮのヘテロエピタキシャル成長に用いられる全ての技術において共通する問題は、成長層において初期に存在する高転位密度である。この問題は、ＧａＮやサファイア、炭化ケイ素及びシリコン等の使用可能な基板物質の格子定数が異なることに起因する（参照することにより本件に組み込まれるＤａｄｇｅｒ ｅｔ ａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ｃ）０，１５８３（２００３）を例として参照）。ミスフィット転位が高密度であると、ヘテロエピタキシャルＧａＮ層は貫通転位（ＴＤ）においても高密度を有する傾向があり、それが活性層を貫通するたびにデバイス性能を低下させる。ＴＤ密度をデバイス製造における許容範囲内の数値に抑えるために、様々な形態のバッファ層成長やマスク使用及びマスク不使用の場合における横方向成長等の多くの方法が考案された（参照することにより本件に組み込まれるＤａｖｉｓ ｅｔ ａｌ．によるＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ ９０，９９３（２００２）を例として参照）。
エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族窒化層を成長させるために用いられる主な方法は、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）である。ＨＶＰＥでは原料として純金属が用いられ、気体ハロゲンとして反応領域に輸送され、一般的にはＮＨ3等の窒素含有気体と反応され、通常１０００℃以上に加熱された基板上にエピタキシャル層を形成する。ＨＶＰＥには、最高で１００μｍ／ｈにまで至る非常に高い成長率を有するという利点がある（参照することにより本件に組み込まれるＮｉｋｏｌａｅｖ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６，４７２，３００を例として参照）。その高い成長率から、ＨＶＰＥは数十ミクロンの厚さの層を成長させるために主に用いられ、とりわけ、後のＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ工程で使用される基板となる自立層の生成に用いられる。
しかし、ＨＶＰＥを用いるとシャープな界面の低率及び制御が比較的得られにくく、異なる反応炉の領域間において基板の機械的な動作が必要となる場合もある（参照することにより本件に組み込まれるＴｓｖｅｔｋｏｖ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６７０６１１９号を例として参照）。さらに、反応帯の領域において水素ガスが存在すると、特に例えばマグネシウム不純物等によって高ｐ型ドーピングを得るためには、不活性ガス雰囲気において基板にアニールを施すことが必要となる（参照することにより本件に組み込まれるＮｉｋｏｌａｅｖ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６４７２３００号を例として参照）。
ＭＯＣＶＤ（又は「有機金属気相エピタキシー」の略称であるＭＯＶＰＥ）は、有機金属前駆体を、例えば窒化物成長の場合にはアンモニア等の、アニオンを含有するその他の反応ガスと共に用いるＣＶＤ技術である。高価な前駆ガスを必要とし、たった数μｍ／ｈという比較的低い成長率しか有さない点は、ＭＯＣＶＤの大きな不利点である。さらに、ＧａＮヘテロエピタキシーにおいて、通常バッファ層は、１０００℃以上の温度下で活性層が積層する前に、低い基板温度でサファイア、ＳｉＣ又はＳｉ上に成長されなければならない（参照することにより本件に組み込まれるＰｅｃｚａｌｓｋｉ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６８１８０６１号を例として参照）。しかしながら、ＭＯＣＶＤはデバイス製造に適した活性層構造を成長させるために最もよく用いられる技術である（参照することにより本件に組み込まれるＷａｎｇ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４，３５３１（１９９９）及びＮａｋａｍｕｒａによるＳｃｉｅｎｃｅ ２８１，９５６（１９９８）を例として参照）。
一般的な基板とＧａＮとの熱膨張係数における大差は、堆積時の高い基板温度と相まって、クラック（亀裂）のないエピタキシャル層を形成する上で大きな障害となる。クラックの回避には、かなり複雑な層間構成が必要になると推測される（参照することで本件に組み込まれるＢｌaｓｉｎｇ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１，２７２２（２００２）を例として参照）。ＨＶＰＥ及びＭＯＣＶＤは、共に大気圧又は多少減圧された条件下でも作用する成長技術である。層の均一性はほとんどのところ、反応炉の形状及びガスフローによって決まる。
その一方で、ＭＢＥにおける圧力は高真空又は超高真空の範囲であるため、平均自由行程は反応炉の範囲を遥かに凌ぐ。金属は、いわゆるエフュージョンセルにおいて気化され、分子線又は原子線は該セルから加熱された基板の方向に、気相内で散乱することなく進行する。窒化物成長では、活性窒素を生成する窒素源を用いる必要がある。活性化は、通常窒素分子のプラズマ励起によって得ることができる。窒素活性化のために、遠隔の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）のプラズマ源を用いて窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させる装置は、参照することにより本件に組み込まれるＭｏｕｓｔａｋａｓ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５６３３１９２号に一例として記載されている。通常ガリウムはエフュージョンセルから供給されるため、ＭＢＥにおいてはＭＯＣＶＤで一般的に用いられるような高価な有機金属の前駆体を必要としない。その上、ＭＢＥは層構成及び界面の急峻性に対して優れた制御が可能である（参照することにより本件に組み込まれるＥｌｓａｓｓ ｅｔａｌ．によるＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，Ｌ１０２３（２０００）を例として参照）。しかし、複雑な装置を要し、約１μｍ／ｈという低成長率しか得られないゆえに、半導体へテロ構造の大量生産に適した技術であるとは考えられていない。
窒化物半導体の大量生産（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎ Ｋaｎｅｌ ｅｔ ａｌ.による米国特許第６４５４８５５号を例として参照）に潜在的に適した方法とは、低エネルギープラズマ化学気相成長法（ＬＥＰＥＣＶＤ）である。窒素活性化がリモートプラズマ源において生じるプラズマアシストＭＢＥとは対照的に、ＬＥＰＥＣＶＤでは高密度の低エネルギープラズマは基板の表面と直接的に接触する。低エネルギープラズマはＤＣアーク放電によって生成され、これによって誘起金属前駆体及び窒素が活性化される（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎ Ｋaｎｅｌ ｅｔ ａｌ.による米国特許第６９１８３５２号を例として参照）。潜在的には、ＬＥＰＥＣＶＤは成長率のダイナミックレンジに対して最適な制御を行うと同時に、ＨＶＰＥと同様の成長率（数十μｍ／ｈ）を得ることが可能であるため、優れた界面品質が得られる。さらに、反応前駆体の活性化は、熱的にというよりはむしろプラズマによって得られるので、この方法は低い基板温度でも作用すると推測される。ＬＥＰＥＣＶＤにおいて用いられるＤＣプラズマ源は、３００ｍｍまでの基板に対応可能であることが分かっている（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎ Ｋaｎｅｌ ｅｔ ａｌ.によるＷＯ２００６／０００８４６を例として参照）。
「ＬＥＰＥＣＶＤ」という用語はＤＣアーク放電に関連して作られた造語であるが（参照することにより本件に組み込まれるＲｏｓｅｎｂｌａｄ ｅｔ ａｌ．によるＳｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ １６，２７８５（１９９８）を例として参照）、エピタキシーに適した低エネルギープラズマを生成する方法はＤＣアーク放電のみではない。従来技術によると、エピタキシャル成長に適した十分に低いエネルギーのイオンは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源によってもまた生成される（参照することで本件に組み込まれるＨｅｕｎｇ−Ｓｉｋ Ｔａｅ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，１０２１（１９９４）を例として参照）。大面積基板にプラズマ助長ＣＶＤによるエピタキシャル成長を行うのに潜在的に適したＥＣＲプラズマ源は、参照することにより本件に組み込まれるＫａｔｓｕｙａ Ｗａｔａｎａｂｅによる米国特許第５５８０４２０号に例として記載されている。しかしながら、産業半導体処理においては、多大なＥＣＲ源がエピタキシーよりもむしろエッチングに使用されており、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の場合には非常に高いエッチ率が得られる（参照することにより本件に組み込まれるＶａｒｔｕｌｉ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，１４２６（１９９６）を例として参照）。
さらにその他の高密度で低エネルギーのプラズマ源としては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源がある。このプラズマ源は、大きなウエハー径のスケーリングがより容易であったり、低価格であったりと、ＥＣＲ源よりも多くの利点を持つ。ＩＣＰ源の様々な種類を検討される場合、参照することで本件に組み込まれるＨｏｐｗｏｏｄによるＰｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１，１０９（１９９２）を参照して頂きたい。プラズマ処理のために用いられる最も一般的な改良機器は、プラズマベッセルの周りにコイルが巻かれたヘリカル誘導結合器（カプラ）（参照することにより本件に組み込まれるＳｔｅｉｎｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．による米国特許第４３６８０９２号を例として参照）及び螺旋状の平コイルを用いたスパイラル誘導結合器（参照することにより本件に組み込まれるＯｇｌｅによる米国特許第４９４８４５８号を例として参照）である。スパイラル結合器を基にしたプラズマ源は、より高いプラズマ均一性を有し、より大きな寸法の基板のスケーリングを円滑にする等の利点がある（参照することにより本件に組み込まれるＣｏｌｌｉｓｏｎ ｅｔ ａｌ．によるＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１６，１００（１９９８）を例として参照）。
通常ＩＣＰ源は１３．５６ＭＨｚの周波数で稼動されるが、より低い周波数で稼動することによって容量結合が減少し、イオンエネルギーがさらに低くなることが判明した（参照することにより本件に組み込まれるＭａ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５７８３１０１号を例として参照）。
通常ＥＣＲ源及びＩＣＰ源のどちらも、エッチングに用いられる。ＩＣＰ源を用いてもＧａＮの非常に高いエッチ率が得られる（参照することにより本件に組み込まれるＳｈｕｌ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，１１１９（１９９６）を例として参照）。しかしながら、半導体品質の物質のエピタキシャル成長にこれらのプラズマ源が用いられることは非常に稀である。近年では、シリコンのイオンプレーティングエピタキシャル成長に、電気的に遮へいされたＩＣＰ源を使用することが提案されているが、この方法には、堆積チャンバーの中に金属製のコリメータを必要とするという明白な不利点がある（参照することにより本件に組み込まれるＪｏｈｎｓｏｎによる米国特許第６８１１６１１号を例として参照）。
ＩＣＰ源は、例えばリモートプラズマが通常使用される熱ＣＶＤに用いられるチャンバー等の処理チャンバーを効率的に洗浄するため用いられることも可能である（参照することにより本件に組み込まれるＳｔｅｇｅｒによる米国特許第５７８８７９９号を例として参照）。半導体処理では可能な限り粒子汚染を低いレベルに抑える必要があるため、チャンバー洗浄は特に重要である。ＩＣＰ源等のプラズマ源が具備された処理チャンバーは、効率的な洗浄のために付加的なリモートソース（ｒｅｍｏｔｅ ｓｏｕｒｃｅ）を備える必要はもちろんない（参照することにより本件に組み込まれるＮｅｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６９９２０１１号を例として参照）。
プラズマ化学気相成長において低エネルギープラズマを生成するためにいかなるプラズマ源が用いられたとしても、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体成長に適用されると、ＭＯＣＶＤよりも遥かに広範囲において成長層に炭素混入が生じる可能性が高い。炭素混入は、ＭＯＣＶＤやＬＥＰＥＣＶＤにおいて上記したように、有機前駆体が使用されることに起因する（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎ Ｋaｎｅｌ ｅｔ ａｌ.による米国特許第６４５８５５号を例として参照）。意図的ではない炭素取り込みは、ＬＥＰＥＣＶＤにおいて前駆体をクラッキングするために用いられる強度のプラズマによって大幅に高められていると推測され、炭素はドーパントとして作用するため、場合によってはデバイス応用に適用できない程度にまで増大されることもある（参照することにより本件に組み込まれるＧｒｅｅｎ ｅｔ ａｌ.によるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９５，８４５６（２００４）を例として参照）。
本発明は、上記で説明したような炭素及び水素混入、高い基板温度、そして低堆積率等の先行技術の欠点を回避することを目的とする。先行技術におけるもう一つの主要な制限は、比較的小さい寸法（製造時で２インチ、サファイア基板で実験したところ最大６インチ）のウエハーを使用することであるが、３００ｍｍ（又はそれ以上）までシリコンウエハーのスケーリングを大きくすることも本発明の目的の一つとする。
本発明は、半導体支持基板上に化合物半導体層を迅速にエピタキシャル成長させるための新規の低エネルギープラズマ装置及び方法である。本発明は、堆積処理の最中にも構成物質となる試薬やその濃度を制御可能に変えられるため、多種多様な化合物層の成長に用いることが可能である。該方法の第１ステップにおいて、１つ又は複数の金属が気化され、金属蒸気は装置の堆積チャンバーの中に注入される。気化は、例えば堆積チャンバーの内部と連通するエフュージョンセル又はスパッタターゲットを用いて行うことができる。（例えばガリウム等の）金属蒸気をチャンバー内に注入する際に、非金属性で通常非反応性の非毒性ガス（Ｎ2の窒素）が同時にチャンバー内に注入される。これとほぼ同時に行われる第２ステップでは、（例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）又はＤＣアーク放電プラズマ等の）いくつかあるプラズマ発生メカニズムのうちのいずれかを用いて、堆積チャンバー内で高密度低エネルギープラズマが発生、維持される。非金属性気体はプラズマに完全にさらされると非常に活性化し、金属蒸気と反応してプラズマにおいて支持及び加熱された半導体基板上にエピタキシャル半導体層（例えばＧａＮ）を形成する。本発明では有機前駆体の試薬は用いられないため炭素が生じることはなく、大面積のシリコン基板上に半導体層を生成する用途に特に適する。さらに、有毒性のキャリア又は試薬気体を用いない場合には、本発明の方法は環境に非常に優しくもある。
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ半導体、とりわけＧａＮ、ＧａＡＩＮやＧａＩｎＮ等のＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための装置及び方法を包含する装置である。本装置は、半導体支持部上へ半導体層をプラズマ気相エピタキシーするための低エネルギー高密度プラズマを生成し、本装置は、高周波電力増幅器、紫・青・白の発光ダイオード及び青色と紫外半導体レーザーに適したヘテロ構造の安価な製造を可能にする。
図１を参照すると、装置１０は排気管２４に接続されたターボ分子ポンプ等の真空ポンプ装置（図示なし）と連通するチャンバー内部２１を有する真空堆積チャンバー２０を含んでなる。堆積チャンバー２０及びポンプ装置は、半導体の超清浄処理に対応するものが選択される。例えば、処理ガスが使用されない場合でも超高真空の効果を有する装置は適合することが分かっている。アルゴン、窒素等の不活性で通常非反応性のガスや処理に適するその他の付加的なガスは、ガス注入口２２を介して堆積チャンバー２０に供給される。窒素は、Ｎ2の構造では通常非反応性ガスである。しかし、本装置のプラズマ場にさらされると、Ｎ2窒素は原子構造であるＮに変換され、非常に活性化し反応性が強くなる。堆積チャンバー２０には誘電体窓２８が設けられ、該窓から高周波がスパイラルコイルアセンブリ３０によってチャンバー内部２１に結合される。スパイラルコイルアセンブリ３０は、インピーダンス整合回路網３２及び高周波発生器３４と接続される。スパイラルコイルから発せられる高周波は、チャンバー２０の内部２１において高密度低エネルギープラズマを励起する。例えば、ドイツ、ブッパータルのＪＥ Ｐｌａｓｍａ Ｃｏｎｓｕｌｔ ＧｍｂＨによる誘導結合プラズマ源ＩＣＰ−Ｐ２００は、１０-4から１０-2ｍｂａｒの間の圧力範囲で最大１ｋＷの電力で稼動されると、２０ｅV以下のアルゴン及び窒素イオンエネルギーを生むことが分かっている。
基板ホルダである堆積アセンブリ５０は、絶縁体２６によって堆積チャンバー２０とは電気的に絶縁される。１つ又は複数の基板支持部５４は、抵抗ヒーターやランプヒーター等の加熱手段によって裏側から加熱される。基板支持部５４は、誘電体窓２８の近傍のプラズマ密度が最高値の域から数表皮厚さ（通常５〜２０）だけ離れて配置される。本発明では、通常の作動圧において表皮厚さは約１ｃｍとされる。基板ホルダ５０は、接地されるかもしくは電気的に浮遊した状態で配置される。また、基板ホルダ５０は、ＤＣ自己バイアスを生じさせるべく、ＤＣバイアス電源に接続されるか、インピーダンス整合回路網５６を介して高周波発生器５８に結合されてもよい。これらの手段は、基板５４の電位をプラズマの電位に関連して制御するために行われる。このようにすることで、基板５４の表面に対して垂直な電場部成分を、プラズマ３６を制御するパラメーターとは独立して制御することが可能となる。このように、基板に衝突するイオンのエネルギーをエピタキシャル成長に最適な条件に調整することが可能となる。
さらに、堆積チャンバー２０には１つ又は複数の金属蒸気放出部４０（開示される具体例におけるエフュージョンセル）が備わり、そこから気化されたガリウム、インジウム、アルミニウム等の金属が蒸気となってチャンバー内部２１に注入される。これらの金属に関しては、分子線エピタキシーにおける通常の気化速度よりも早い速度が得られるように、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で用いられる標準的なエフュージョンセルの温度は容易に調節が可能である。例えば、ガリウムセル温度を２００℃上げることで、ＭＢＥで通常では毎秒１単分子層であるガリウム・ヒ素の成長率を１００倍にするのに適していることが分かっている。ＭＢＥと同様に、高速シャッター４２は蒸気放出部４０からのフラックスを完全に遮断するように制御可能である。
エピタキシャル堆積において、誘導コイル３０に加えられる高周波電力及びチャンバー２０におけるガス圧は、加熱された基板５４が低エネルギープラズマに完全にさらされるように選択される。通常、チャンバー２０におけるガス圧は１０-4ｍｂａｒから１．０ｍｂａｒの範囲であり、最も一般的には１０-2から１０-1ｍｂａｒの範囲であることが多い。このような条件下で、活性窒素とエフュージョンセル４０から放出された金属蒸気は、拡散輸送によってプラズマを移動する。そして窒素と反応された金属原子は、加熱された基板５４上にエピタキシャル窒化物層を形成する。
次に図２を参照すると、低エネルギープラズマ３６にさらされた基板５４上の成長膜５５がより詳細に示されている。プラズマにおけるイオン密度は、誘電体窓２８から基板５４へ指数関数的に減少する。例としてプラズマ源「ＩＣＰ−Ｐ２００」を使用した場合、１０ｓｃｃｍのガスフローで１０-1ｍｂａｒの窒素圧及び１０００Ｗのｒｆ電力を用いると、窒素プラズマにおけるイオン密度は誘電体窓２８から約１０ｃｍ下方に配置された基板で１０11ｃｍ-3をさらに超過する。約１０-1ｍｂａｒ以下の窒素分圧が用いられる場合には、窒素ガスと共にアルゴンを制御された流量でガス注入口２２から真空チャンバー２０に注入して、ガス圧の総計を例えば約１０-1mｂａｒに固定した方がイオンエネルギーを低く保つには都合よい。
ＭＯＣＶＤでは基板温度は通常１０００℃又はそれ以上であるところ、高密度プラズマ３６における反応種の効率的な活性化及び低エネルギーイオンによる基板５４への強い衝撃によって、基板温度を大幅に低下させることも可能となる。これによって、通常用いられる基板（サファイア、炭化ケイ素、シリコン）の異なる熱膨張係数による層クラッキングの問題は、大幅に削減されるものと推測される。
次に図３を参照すると、プラズマ３６を制限し密度及び均一性を増すために、チャンバーにコイル又は永久磁石７０が選択的に備えられた真空チャンバー２０の一部がより詳細に示されている。これらコイル又は永久磁石によって形成された磁場は、プラズマ形成を補助し、約１０-3から１０-2テスラのほんの微弱な磁場でも、有益な効果をもたらすのに十分であると考えられる。
本発明の好適な具体案では、エピタキシャル窒化物半導体成長において反応ガスを全く使用しない。付加的なセル４０ａには、マグネシウム、亜鉛及びアクセプタ不純物として作用するその他の類似金属等の好ましくは元素形態で用いられるドーピング種が収容されてもよい。同様に、シリコン等のドナーとして作用するドーパントも付加的なセル４０ａに収容されてもよい。このような放出部４０ａ（エフュージョンセル）には、ドーパント蒸気の急速且つ完全な遮断を可能にする高速シャッター４２も備えられる。３００ｍｍ、潜在的にはそれ以上のウエハーのスケーリングを可能にするための、基板支持部５４の素材の好適な選択肢としてはシリコンが好ましい。しかし、最先端技術において用いられるその他の基板もまた、本発明による新技術において同様に使用可能である。
金属気化のためのエフュージョンセルとエピタキシャル層成長に適した高密度低エネルギープラズマを組み合わせることは、いまだかつて提案されていない。この新たな方法を低エネルギープラズマ気相成長法（ＬＥＰＥＶＰＥ）と呼ぶこととする。ＬＥＰＥＶＰＥは、ＤＣプラズマ放電及び反応ガスの前駆体が用いられるＬＥＰＥＣＶＤを含め、従来のあらゆる方法と全く異なる条件で稼動される。
本発明のある具体案では、内部の高温の金属との熱反応や連結管から堆積チャンバーへの拡散輸送をなくすために、蒸気放出部３００の領域は個別に作動される（図６、３２０参照）。本発明の好適な具体案では、１つの気化された金属につき１つ以上の蒸気放出部４０、４０ａ（エフュージョンセル）が用いられる。各セルが異なる温度で稼動できるため、１つのセルから別のセルへ切り替えることによって簡単に成長率やドーピング密度を急激に変更することが可能となる。
本発明の別の具体案では、気体として適用されるのが好ましいドーピング元素については、付加的なガス管２３を用いてドーピングガスは堆積チャンバーに注入される。ｎ型ドーピングのためのシラン等のドーピングガスは、アルゴン等の非反応性ガスに希釈されることが好ましい。ドーピングのダイナミックレンジは、１つのドーピングガスにつき１つ以上のガス管を用いることで増加可能となる。固体ソースのみがドーピングとして蒸気放出部４０ａにおいて用いられる好適な具体案では、本発明による方法は水素を用いずに行われる。水素を用いない方法は熱アニールによるドーパント活性化を必要としないため、この具体案は特にｐドープされたＧａＮ層に望ましい。また、本件の方法は炭素を含む前駆体ガスを必要としないため、炭素を用いることはない。
図１に開示される本発明の好適な具体案において、基板支持部５４のアセンブリは上方に向けられている。このような構造は、半導体処理に通常用いられるもので、ウエハーの処理及び基板ホルダである堆積アセンブリ５０の設計を容易にする。本発明によると、ＬＥＰＥＶＰＥは基板支持部５４の表面に高密度低エネルギープラズマが直接接触することを特徴とする。よって、基板支持部５４の表面は、低エネルギーイオンの激しい衝突を受けることとなり、イオンのエネルギーは基板バイアスを適切に選択することによって調節される。この点、通常ラジカルのみを生成し、基板表面において非常に低いイオン密度を有するリモートプラズマ源を用いたプラズマ処理方法と対照的である。低エネルギーイオンによる激しい基板衝突は、５００℃という低い基板温度及び５ｎｍ／ｓ以上の非常に高い成長率でデバイス品質半導体層のエピタキシャル成長を行う上で有益であることが分かっている（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎ Ｋaｎｅｌ ｅｔ ａｌ.によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０，２９２２（２００２）を例として参照）。本発明によると、ＬＥＰＥＶＰＥと最先端のウエハー処理器具（図示なし）を組み合わせることで、非常に高いスループットが期待できる。
本発明によると、装置１０は、特殊処理された単結晶基板５４上にエピタキシャルＩＩＩ−Ｖ半導体、特にＩＩＩ族窒化物を成長させるために用いられてもよい。基板５４の可能な表面処理方法には、最先端の化学プレ洗浄（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｅ−ｃｌｅａｎｓ）、その場熱洗浄（ｉｎ ｓｉｔｕ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｓ）又はプラズマ洗浄と、それに続いて行われるエピタキシャル窒化物半導体成長に適した酸化物、炭化物又は低温窒化物等のエピタキシャルテンプレートのその場形成が含まれる場合もある。
次に、図４には本件のエピタキシー装置における装置１０が開示されており、成長物質が堆積する基板支持部５４が、チャンバー内部２１において今度は下方に向けられた基板ホルダ５０のテーブルに取り付けられている。この構造は、ウエハー処理システム及び基板ホルダ５０の設計がより複雑となる代わりに、粒子汚染にまつわる問題を削減できるという特徴を有する。上記されるように、堆積チャンバー２０には、プラズマ形成を補助するコイル又は永久磁石が選択的に具備されてもよく、同様にエフュージョンセル４０等が備えられてもよい。
次に、図５には本発明の別の具体案が開示されており、堆積チャンバー２０における基板ホルダ５０に取り付けられる基板支持部５４は、ここでも下方に向けられている。堆積チャンバー２０はプラズマ形成を補助するコイル又は永久磁石が選択的に具備されてもよい（図３を参照）。
この具体案において、金属元素蒸気は、スパッタターゲット６２を保持する水冷スパッタ源６０によってプラズマに供給される。スパッタターゲット６２は、同心円状又は環状の形態でＩＰＣ源の誘電体窓２８の周囲を囲むように配置されることが望ましい。スパッタターゲットは、インピーダンス整合回路６４を介して高周波電源６６に接続され、これによって電源６６は、ＩＣＰコイル３０に電力供給するための発生器３４で用いられる周波数と好適には大幅に異なる周波数で交流電圧を供給する。これによって、２種の電源３４と６６の間で望ましくない干渉が生じることが軽減される。本発明の別の具体案では、スパッタ源６０はＤＣ電源によって電力供給される。約０．２×１０−２ｍｂａｒ ｍの一般的な圧力−距離（pｒｅｓｓｕｒｅｓ−ｄｉｓｔａｎｃｅ）の製品の場合、スパッタ源を用いて電子グレード半導体物質を成長させることが可能なように、基板に達するスパッタ粒子はほぼ完全に熱化されていることが分かっている（参照することにより本件に組み込まれるＳｕｔｔｅｒ ｅｔ ａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３９５４（１９９５）を例として参照）。
エピタキシャル層の成長より前にスパッタ源６０の洗浄を行うために、チャンバー２０には可動式のシャッターアセンブリ８２が選択的に備えられることも可能であり、シャッター板８０が基板５４の下方近辺に配置されることによって、プレスパッタの際にスパッタ粒子が基板に達するのを防ぐことができる。
本発明の好適な具体案では、エピタキシャル窒化物半導体成長において反応ガスは全く用いられない。付加的なスパッタターゲット６０ａには、アクセプタ不純物として作用するマグネシウム、亜鉛やその類似金属等の元素形態で用いられるのが好ましいドーピング種が含まれる場合もある。同様に、シリコン等のドナーとして作用するドーパントも、付加的なスパッタターゲット６０ａから供給されてもよい。また別の具体案においては、各ターゲット６２の間で二次汚染が生じるのを防ぐために、各スパッタ源６０にはシャッター（図示なし）が選択的に備えられてもよい。
エピタキシャル成長の間、誘導コイル３０に供給される高周波電力及びチャンバー２０内のガス圧は、加熱された基板５４が低エネルギープラズマに完全にさらされるように選択される。通常、チャンバー２０内のガス圧は１０-3ｍｂａｒから１０-1ｍｂａｒの範囲であり、最も一般的には１０-2から１０-1ｍｂａｒの範囲である。このような条件下で、活性窒素とスパッタ源６０から注入される金属蒸気は拡散輸送によってプラズマを移動し、上記されるように工程は進められる。
本発明の別の具体案では、スパッタ源６０はエフュージョンセル４０と組み合わされてもよく、その場合この２つのソースは誘電体窓２８の周囲に対称的に配置される。元素形態の反応物質及びドーパントを気化させるためのエフュージョンセル及びスパッタ源を、エピタキシャル層成長に適した高密度低エネルギープラズマと組み合わせることは、これまで提案されたことはない。本発明の好適な具体案では、１つの気化金属につき１つ以上のスパッタ源６０及びエフュージョンセル４０が用いられる。それぞれのソースは、金属蒸気の異なるフラックスを運ぶように作動することができ、これにより１つのソースから別のソースに切り替えることによって、成長率又はドーピング密度の急激な変化を容易に可能にする。また別の具体案では、エフュージョンセル４０及びスパッタ源６０は、電子線気化器（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）に代替もしくは補完されてもよい。電子線気化器は、エフュージョンセル４０では大きなフラックスを得るのが困難な低い蒸気圧の元素を気化させるのに特に適する。
次に図６には、本発明の別の具体案が示されており、装置１０は熱陰極１３０、不活性ガス注入口１２０及び統合されたもしくは個別の陽極１１０からなるアセンブリを備えたブロードエリア型プラズマ源（ｂｒｏａｄ ａｒｅａ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ）１００を有する。基板に衝突するイオンは約２０Ｖ以下の電圧であることを踏まえて、陰極１３０と陽極１１０の間の電圧差は３０Ｖ以下であることが望ましい。アークプラズマ１４０が点火されるプラズマ源１００は、堆積チャンバー２００に取り付けられる。ロードロック２２０が備わってなる堆積チャンバー２００は、例えばバルブ２０５を介してチャンバー２００と接続されたターボ分子ポンプ２１０等によって排気され、基板加熱アセンブリ２３０を含んでなる。窒素等の不活性ガスや水素等の付加的なガスを注入するためのガス管２４０は、堆積チャンバーに接続される。コイル２５０によって形成される閉じ込め磁界（ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を変えることによって、プラズマ密度を急激に変化させることもできる。
さらに、このチャンバーには、ガリウム、インジウムやアルミニウム等の金属が気化されるエフュージョンセル３００が備わってなる。この付加的なエフュージョンセル３００には、アクセプタ不純物として作用するマグネシウム、亜鉛や類似金属等の元素形態で用いられるのが好ましいとされるドーピング種が含まれてもよい。エフュージョンセルには、金属蒸気を完全に遮断するためのシャッター３１０が備わってなる。
基板４００の加熱されたアセンブリは、プラズマ源においてアーク放電によって生成され、透過性陽極１１０を通過して堆積チャンバーに広がる低エネルギープラズマに完全にさらされる。アーク放電は、堆積チャンバー２００における熱陰極１３０によって持続され、堆積チャンバーにおいて、最も典型的には１０-2ｍｂａｒの範囲だが、１０-4ｍｂａｒから最低１０-1ｍｂａｒという幅広い範囲の圧力で操作可能である。堆積チャンバー内を移動するプラズマ活性窒素は、金属蒸気と反応して基板４００上にエピタキシャル窒化物膜を形成する。
通常エフュージョンセルは、例えば分子線エピタキシー装置等における超高真空において金属を気化させるために用いられる。しかし、本件においては、拡散的に輸送が行われる約１０-2ｍｂａｒの典型圧力で生成される高密度低エネルギープラズマに金属蒸気を導入するために用いられる。このように、ＬＥＰＥＶＰＥはその他の方法とは全く異なる条件下で稼動される方法であるといえる。本発明の具体案の１つでは、内部の加熱された金属と熱反応が生じるのを防ぐと共に、接続管から堆積チャンバーまでの拡散輸送を防ぐように、エフュージョンセル３００の領域は差動排気３２０される。
本発明の好適な具体案では、１つの気化金属につき１つ以上のエフュージョンセル３００が用いられる。それぞれのセルが異なる温度で稼動されることによって、１つのセルから別のセルに切り替えることで成長率又はドーピング密度を急激に変えることが容易に可能となる。さらに、コイル２５０によって形成される磁場を変えることによって生じるプラズマ密度の変化によって、成長率のダイナミックレンジをさらに高めることができる。
本発明のまた別の具体案では、ガス状で用いられるのが好ましいドーピング元素については、堆積チャンバーに注入される際に付加的なガス管２４０ａが用いられる。例えばｎ型ドーピングに用いられるシラン等のドーピングガスは、アルゴン等の不活性ガスに希釈されることが好ましい。ドーピングのダイナミックレンジは、１つのドーピングガスにつき１つ以上のガス管を用いることで高めることができる。
本発明による方法は、炭素含有の前駆体ガスを全く必要としないため炭素は用いられない。好適な具体案においては水素も使用せずに稼動される。水素を使用しない方法は熱アニールによるドーパントの活性化を必要としないため、この具体案はｐドープＧａＮ層にとりわけ望ましい。
ＬＥＰＥＶＰＥはプラズマ活性法であるので、エピ層及び基板の異なる熱膨張係数によって生じる引張応力が、成長温度から冷却される際に望ましくないクラック形成にしばしばつながる競争技術よりも低い基板温度で稼動されることができる。
添付Ａ 下記の文書は参照として本件に組み込まれ、本件は下記文献に依存する。
米国特許文献
６４７２３００ １０／２００２ Nikolaev et al.
６７０６１１９ ３／２００４ Tsvetkov et al.
６８１８０６１ １１／２００４ Peczalski et al.
５６３３１９２ ５／１９９７ Moustakas et al.
６４５４８５５ ９／２００２ von Kanel et al．
６９１８３５２ ７／２００５ von Kanel et al．
５５８０４２０ １２／１９９６ Watanabe et al．
４３６８０９２ １／１９８３ Steinberg et al．
４９４８４５８ ８／１９９０ Ogle
６８１１６１１ １１／２００４ Johnson
５７８８７９９ ８／１９９８ Sterger et al．

その他の特許文献
ＷＯ２００６／０００８４６ １／２００６ von Kanel et al.

追加出版物

J.D.Brown et al.,「シリコン（１１１）基板上の１００ｍｍＧａＮに製造されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴｓ」, Solid-State Electronics, VOl. 46, No. 10 (October 2002) pp. 1535-1539.

S. Nakamura,「ＩｎＧａＮベースのレーザーダイオード」, Annual Reviews on Material Science, Vol. 28 (1998) pp. 125-152.

S. Nakamura,「ＩｎＧａＮベースの青色発光ダイオード及びレーザーダイオードにおける構造不完全性の役割」, Science, Vol. 281 (14 August 1998) pp. 956-961.

G.A.Smith et al.,「ハイドライド気相エピタキシー紫外発光ダイオードからの３４１ｎｍ発光」, Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 12 (15 June 2004) pp. 8247-8251.

R. F. Davis et al.,「窒化ガリウム物質−進歩、現状及び潜在的な障害」, Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 6 (June 2002) pp. 993-1004.

A. Dadger et al.,「シリコン上での窒化ガリウムの有機金属化学気相エピタキシー」, physica status solidi (c), Vol. 0, No. 6 (September 2003) pp. 1583-1606.

T. Wang et al.,「サファイア基板に成育されたＡｌＧａＮ−ＧａＮヘテロ構造における１０4ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動性」, Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 23 (7 June 1999) pp. 3531-3533.

J. Blasing et al.,「低温ＡＩＮ中間層による応力低減の原因」, Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 15 (7 October 2002) pp. 2722-2724.

C. R. Elsass,「プラズマアシスト分子線エピタキシーによって成長されたＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造における電子輸送」, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 39, Part 2, No. 10B (15 October 2000) pp. L1023-1025.

C. Rosenbladet. al.,「低エネルギープラズマ化学気相成長法によるシリコンエピタキシー」, Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 16, No. 5 (Sept/Oct 1998), pp. 2785-2790.

Heung-Sik Tae et al.,「超高真空電子サイクロトロン共鳴化学気相成長法による低温シリコンホモエピタキシー」, Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 8 (21 February 1994) pp. 1021-1023.


C. B. Vartuli et al.,「III‐V族窒化物のＩＣＩ／Ａｒ電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング」, Applied Physics Letters, Vol. 69, No. 10 (2 September 1996), pp. 1426-1428.

W. Z. Collison et al.,「プラズマモデリング及びラングミュア探針を用いた大ウエハーの低圧誘導結合プラズマエッチングの研究」, Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 16, No. 1 (Jan/Feb 1998), pp. 100-107.

R. J. Shul et al.,「ＧａＮの誘導結合プラズマエッチング」, Applied Physics Letters, Vol. 69, No. 8 (19 August 1996), pp. 1119-1121.

J. Hopwood,「プラズマ処理に用いられる誘導結合プラズマの検討」, Plasma Source Science and Technology, Vol. 1, No. 2 (May 1992) pp. 109-116.

D. S. Green et. al.,「高周波プラズマアシスト分子線エピタキシーにおけるＧａＮのＣＢｒ4との炭素ドーピング」, Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 12 (15 June 2004) pp.8456-8462.

H. von Kanel,「低エネルギープラズマ化学気相成長法によって成長された変調ドープＧｅ量子井戸における超高正孔移動度」, Applied Physics Letters, Vol. 80, No. 16 (22 April 2002) pp. 2922-2924.

P. Sutter et al.,「スパッタエピタキシャルＳｉ／ＳｉI-xＧｅxヘテロ構造における量子輸送」, Applied Physics Letters, Vol. 67, No. 26 (25 December 1995) pp.3954-3956.
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源及びエフュージョンセルを備えた低エネルギープラズマ気相エピタキシー（ＬＥＰＥＶＰＥ）装置の概略側面図である。 低エネルギープラズマにさらされた基板上の成長膜を示した概略図である。 磁界に閉じ込められたプラズマの概略図である。 ＩＣＰ源及びエフュージョンセルを備え、基板が下方に向けられたＬＥＰＥＶＰＥ装置の改良案の概略図である。 ＩＣＰ源及びスパッタ源を備えたＬＥＰＥＶＰＥ装置の概略側面図である。 ＤＣプラズマ源及びエフュージョンセルを備えたＬＥＰＥＶＰＥの本発明による装置を示した概略図である。
符号の説明
１０ 装置
２０ 堆積チャンバー
２１ チャンバー内部
２２ ガス注入口
２３ ガス管
２４ 排気管
２６ 絶縁体
２８ 誘電体窓
３０ コイルアセンブリ
３２ インピーダンス整合回路網
３４ 高周波発生器
３６ プラズマ
４０ エフュージョンセル
４０ａ 付加的なエフュージョンセル
４２ 高速シャッター
５０ 堆積アセンブリ／基板ホルダ
５４ 基板
５５ 成長膜
５６ インピーダンス整合回路網
５８ 高周波発生器
６０ スパッタ源
６２ スパッタターゲット／スパッタガン
６４ インピーダンス整合回路
６６ 電源
８０ シャッター板
８２ シャッターアセンブリ
１００ プラズマ源
１１０ 陽極
１２０ ガス注入口
１３０ 熱陰極
１４０ アークプラズマ
２００ 堆積チャンバー／プラズマチャンバー
２０５ バルブ
２１０ ターボ分子線ポンプ
２２０ ロードロック
２３０ 基板加熱アセンブリ
２４０ ガス管
２４０ａ ガス管
２５０ コイル
３００ 蒸気放出部／エフュージョンセル
３１０ シャッター
３２０ 差動排気部
４００ 基板

Claims (3)

  1. 半導体エピタキシーのための真空装置であって、該装置は
    ａ．エピタキシャル析出の際に１０―２ｍｂａｒから１０―１ｍｂａｒの間で圧力制御され
    た堆積チャンバー（２００）と、
    ｂ．上記堆積チャンバー内に配置され、基板（４００）を保持及び１０００℃以下まで加
    熱する基板ホルダ（２３０）と、
    ｃ．物質を蒸発させて、元素金属、金属合金またはドーパントを含む気体粒子に気化し、
    上記堆積チャンバーに供給する蒸気放出部（３００）と、
    ｄ．上記堆積チャンバーにガスを供給するガス供給システム（２４０）と、
    ｅ．少なくとも一つの熱陰極（１３０）と陽極（１１０）及び不活性ガス注入口（１２０
    ）を備え、上記堆積チャンバー（２００）内で上記熱陰極（１３０）と陽極（１１０）の
    間に３０Ｖ以下のアーク放電プラズマ（１４０）を発生すると共に、上記基板が上記アー
    ク放電プラズマ（１４０）に晒されるように適合されたプラズマ源（１００）と、
    ｆ．上記堆積チャンバー（２００）におけるアーク放電プラズマ（１４０）の密度を変化
    可能とする磁場を生成するのに適した磁場発生器（２５０）と、
    からなり、上記堆積チャンバー（２００）内にガス及び気体粒子を拡散的に伝搬するよ
    うに適合され、該ガス及び気体粒子は、反応して低エネルギープラズマ気相エピタキシー
    によって上記基板ホルダ（２３０）に固定され加熱された上記基板（４００）上に均一な
    エピタキシャル半導体層（５５）を形成するように、プラズマ（１４０）によって活性化
    されることを特徴とする装置。
  2. 上記エピタキシャル半導体層が成長する際に、上記アーク放電プラズマ（１４０）に露
    出された上記基板（４００）は２０Ｖ以下のエネルギーを有するイオンによる衝撃を受け
    ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 上記基板（４００）における平均プラズマ均一性を向上させるように、磁場の方向を周
    期的に変化させるための手段（７０）が備えられることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
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