JP6021143B2 - GaN-based device manufacturing method and AlN film forming method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、GaN(窒化ガリウム)系発光素子に代表されるGaN系デバイスの製造方法およびそのバッファ層として用いられるAlNの成膜方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a GaN-based device typified by, for example, a GaN (gallium nitride) -based light-emitting element and a method for forming AlN used as a buffer layer thereof.
GaN系LED(Light Emitting Diode)の成膜プロセスにおいては、一般的に、サファイア基板上に、バッファ層、クラッド層、活性層等を含む各種構造膜が順次形成された積層構造を有する。これらの各層は、典型的には、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法でエピタキシャル成長させた膜で構成されている。例えば下記特許文献1には、サファイア基板上に形成されたGaNまたはAlNで表されるバッファ層と、その上に形成されたn型のGaN層と、その上に形成されたAlN層とGaN層との多層膜とをそれぞれMOCVD法で成膜する、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法が記載されている。
In a film forming process of a GaN-based LED (Light Emitting Diode), generally, it has a laminated structure in which various structural films including a buffer layer, a cladding layer, an active layer, and the like are sequentially formed on a sapphire substrate. Each of these layers is typically composed of a film epitaxially grown by MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). For example, in
LEDデバイスの作製プロセスにおいては、MOCVD法による成膜プロセスがスループットを向上させる上でボトルネックになっていること、MOCVDで使用されるMO原料が非常に高価であること等から、LEDの一部の構造膜(例えばバッファ層)の成膜プロセスについてMOCVD法から他の成膜方法への代替が求められている。 In the LED device fabrication process, the film formation process by MOCVD is a bottleneck for improving throughput, and the MO raw material used in MOCVD is very expensive. There is a demand for an alternative from the MOCVD method to another film forming method for the film forming process of the structural film (for example, the buffer layer).
しかしながらMOCVD法以外の方法で成膜したバッファ層は、MOCVD法で成膜したバッファ層と比較して、その上に形成されるGaN系材料層の膜特性が低下してしまうという問題があった。 However, the buffer layer formed by a method other than the MOCVD method has a problem that the film characteristics of the GaN-based material layer formed thereon are deteriorated as compared with the buffer layer formed by the MOCVD method. .
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、MOCVD法とは異なる成膜方法によってGaN系材料層の高い膜特性を維持可能なバッファ層を形成することができるGaN系デバイスの製造方法およびAlNの成膜方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a GaN-based device capable of forming a buffer layer capable of maintaining high film characteristics of a GaN-based material layer by a film forming method different from the MOCVD method, and The object is to provide a method of forming an AlN film.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るGaN系デバイスの製造方法は、窒素に0.1[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスをスパッタリングガスに用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する第1の窒化アルミニウム層を形成することを含む。
上記第1の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層が形成される。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a GaN-based device according to one embodiment of the present invention uses a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.1 [sccm] or less to nitrogen to sputter an aluminum target. This includes forming a first aluminum nitride layer having aluminum polarity on the substrate.
A gallium nitride-based material layer is formed on the first aluminum nitride layer.
本発明の他の形態に係るGaNデバイスの製造方法は、窒素に0.2[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスをスパッタリングガスに用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する第1の窒化アルミニウム層を0.5nm以下の厚みで形成することを含む。
スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、上記第1の窒化アルミニウム層上に、アルミニウム極性を有する第2の窒化アルミニウム層が形成される。
上記第2の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層が形成される。
A method of manufacturing a GaN device according to another aspect of the present invention is to sputter an aluminum target using a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.2 [sccm] or less to nitrogen as a sputtering gas, on the substrate, Forming a first aluminum nitride layer having an aluminum polarity with a thickness of 0.5 nm or less.
By sputtering an aluminum target using pure nitrogen as a sputtering gas, a second aluminum nitride layer having an aluminum polarity is formed on the first aluminum nitride layer.
A gallium nitride-based material layer is formed on the second aluminum nitride layer.
また本発明の一形態に係る窒化AlNの成膜方法は、窒素に0.1[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスのプラズマを形成することを含む。
上記プラズマ中のイオンでアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する窒化アルミニウム層が形成される。
In addition, a method for forming an AlN nitride film according to one embodiment of the present invention includes forming plasma of a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.1 [sccm] or less to nitrogen.
By sputtering an aluminum target with ions in the plasma, an aluminum nitride layer having aluminum polarity is formed on the substrate.
本発明の一実施形態に係るGaN系デバイスの製造方法は、窒素に0.1[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスをスパッタリングガスに用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する第1の窒化アルミニウム層を形成することを含む。
上記第1の窒化アルミニウム層上には、窒化ガリウム系材料層が形成される。
A method for manufacturing a GaN-based device according to an embodiment of the present invention includes sputtering an aluminum target using a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.1 [sccm] or less to nitrogen as a sputtering gas. Forming a first aluminum nitride layer having aluminum polarity.
A gallium nitride-based material layer is formed on the first aluminum nitride layer.
上記製造方法においては、スパッタリングガスとして窒素に微量の酸素を混合したガスを用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上にアルミニウム極性(Al極性)を有する第1の窒化アルミニウムの結晶層を形成する。これにより、その第1の窒化アルミニウム層の上に結晶性、平坦性の優れた、高い膜特性を有する窒化ガリウム系材料層を形成することが可能となる。 In the above manufacturing method, a first aluminum nitride crystal layer having aluminum polarity (Al polarity) is formed on a substrate by sputtering an aluminum target using a gas obtained by mixing a small amount of oxygen with nitrogen as a sputtering gas. To do. This makes it possible to form a gallium nitride-based material layer having excellent crystallinity and flatness and high film characteristics on the first aluminum nitride layer.
また上記GaN系デバイスの製造方法によれば、所望の膜特性を有する第1の窒化アルミニウム層をスパッタリング法で形成することができるため、MOCVD法で成膜する場合と比較して、原料コストの低減とスループットの向上とを図ることができる。これにより当該窒化アルミニウム層をバッファ層とする窒化ガリウム系デバイスの生産コストの低減と生産性の向上とを図ることができる。 Also, according to the method for manufacturing a GaN-based device, since the first aluminum nitride layer having desired film characteristics can be formed by the sputtering method, the raw material cost can be reduced compared with the case of forming the film by the MOCVD method. Reduction and improvement in throughput can be achieved. Thereby, it is possible to reduce the production cost and improve the productivity of the gallium nitride-based device using the aluminum nitride layer as a buffer layer.
スパッタリングガスに含まれる酸素流量は0.1[sccm]以下であり、0[sccm]は含まない。酸素流量が0[sccm]又は0.1[sccm]を超えると、基板上に形成される窒化アルミニウム層の結晶性が悪化し、その上に形成される窒化ガリウム系材料層の結晶性および平坦性が損なわれ、所望とする膜特性が得られない。さらに、酸素流量が0.2[sccm]を超えると、窒化アルミニウム自体の結晶性が大幅に悪化し、やはり所望とする膜特性が得られない。 The flow rate of oxygen contained in the sputtering gas is 0.1 [sccm] or less and does not include 0 [sccm]. When the oxygen flow rate exceeds 0 [sccm] or 0.1 [sccm], the crystallinity of the aluminum nitride layer formed on the substrate deteriorates, and the crystallinity and flatness of the gallium nitride material layer formed thereon The desired film characteristics cannot be obtained. Furthermore, when the oxygen flow rate exceeds 0.2 [sccm], the crystallinity of aluminum nitride itself is greatly deteriorated, and desired film characteristics cannot be obtained.
上記スパッタリングガスとして、窒素流量に対する酸素流量の比が0.1%以下であるガスが用いられてもよい。これによりAl極性を有する窒化アルミニウム層を安定して成膜することができる。 As the sputtering gas, a gas having a ratio of an oxygen flow rate to a nitrogen flow rate of 0.1% or less may be used. Thereby, an aluminum nitride layer having Al polarity can be stably formed.
上記GaN系デバイスの製造方法は、さらに、第2の窒化アルミニウム層を形成する工程を有してもよい。上記第2の窒化アルミニウム層は、上記窒化ガリウム系材料層の形成前に、スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで形成される。 The GaN-based device manufacturing method may further include a step of forming a second aluminum nitride layer. The second aluminum nitride layer is formed by sputtering an aluminum target using pure nitrogen as a sputtering gas before forming the gallium nitride material layer.
第1の窒化アルミニウム層はAl極性を有するため、スパッタリングガスに純窒素を用いた場合でも、第1の窒化アルミニウム層の上に、Al極性を有する第2の窒化アルミニウム層を形成することができる。したがってGaN系デバイスにおいて第1および第2の窒化アルミニウム層をバッファ層として使用する場合、バッファ層の成膜初期のみ窒素に微量酸素を混合することで、所望の膜特性を有する窒化アルミニウム層および窒化ガリウム系材料層を安定に成膜することができる。 Since the first aluminum nitride layer has Al polarity, the second aluminum nitride layer having Al polarity can be formed on the first aluminum nitride layer even when pure nitrogen is used as the sputtering gas. . Therefore, when the first and second aluminum nitride layers are used as buffer layers in a GaN-based device, an aluminum nitride layer and a nitride layer having desired film characteristics can be obtained by mixing a trace amount of oxygen with nitrogen only at the initial stage of film formation of the buffer layer. A gallium-based material layer can be formed stably.
また本発明の他の実施形態に係るGaNデバイスの製造方法は、窒素に0.2[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスをスパッタリングガスに用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する第1の窒化アルミニウム層を0.5nm以下の厚みで形成することを含む。
スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、上記第1の窒化アルミニウム層上に、アルミニウム極性を有する第2の窒化アルミニウム層が形成される。
上記第2の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層が形成される。
In addition, a method of manufacturing a GaN device according to another embodiment of the present invention includes a sputtering method using a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.2 [sccm] or less to nitrogen as a sputtering gas. Forming a first aluminum nitride layer having an aluminum polarity with a thickness of 0.5 nm or less.
By sputtering an aluminum target using pure nitrogen as a sputtering gas, a second aluminum nitride layer having an aluminum polarity is formed on the first aluminum nitride layer.
A gallium nitride-based material layer is formed on the second aluminum nitride layer.
酸素流量が0.1[sccm]を超えると、成膜される窒化アルミニウム層の結晶性が悪化する傾向にあるものの、酸素流量が0.2[sccm]以下である場合、成膜される窒化アルミニウム層は0.5nm以下の厚みにおいて良好な結晶性を維持することが確認された。そこで上記GaN系デバイスの製造方法は、0.2[sccm]以下の流量の酸素を添加したスパッタリングガスで厚み0.5nm以下の第1の窒化アルミニウム層をスパッタ成膜した後、純窒素(酸素無添加)のスパッタリングガスで第2の窒化アルミニウム層をスパッタ成膜する。これにより、結晶性および平坦性に優れた窒化ガリウム系材料層を上記第2の窒化アルミニウム層の上に形成することが可能となる。 When the oxygen flow rate exceeds 0.1 [sccm], the crystallinity of the formed aluminum nitride layer tends to deteriorate, but when the oxygen flow rate is 0.2 [sccm] or less, the formed nitride film It was confirmed that the aluminum layer maintained good crystallinity at a thickness of 0.5 nm or less. Therefore, in the method of manufacturing the GaN-based device, a first aluminum nitride layer having a thickness of 0.5 nm or less is formed by sputtering with a sputtering gas to which oxygen having a flow rate of 0.2 [sccm] or less is added, and then pure nitrogen (oxygen) A second aluminum nitride layer is formed by sputtering with an additive-free sputtering gas. This makes it possible to form a gallium nitride material layer having excellent crystallinity and flatness on the second aluminum nitride layer.
一方、本発明の一実施形態に係る窒化AlNの成膜方法は、窒素に0.1[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスのプラズマを形成することを含む。
上記プラズマ中のイオンでアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する窒化アルミニウム層が形成される。
On the other hand, a method for forming a nitrided AlN film according to an embodiment of the present invention includes forming a plasma of a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.1 [sccm] or less to nitrogen.
By sputtering an aluminum target with ions in the plasma, an aluminum nitride layer having aluminum polarity is formed on the substrate.
上記成膜方法においては、窒素と微量酸素との混合ガスをスパッタリングガスとして使用することで、基板上にAl極性を有する窒化アルミニウムの結晶層を形成するようにしている。これによりMOCVD法で成膜する場合と比較して、原料コストの低減とスループットの向上とを図ることができる。 In the film forming method, a mixed gas of nitrogen and trace oxygen is used as a sputtering gas to form an aluminum nitride crystal layer having Al polarity on a substrate. Thereby, compared with the case where it forms into a film by MOCVD method, reduction of raw material cost and improvement of a throughput can be aimed at.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の実施形態において製造されるGaN系デバイスの構成を示す概略断面図である。本実施形態においてGaN系デバイス10は、GaN系LEDで構成される。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a GaN-based device manufactured in an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the GaN-based
GaN系デバイス10は、基板1の上に、バッファ層2を介して各種GaN系材料層が順次形成された積層構造を有する。基板1には、典型的にはサファイア基板が用いられるが、これ以外にも、例えばGaN基板が用いられてもよい。
The GaN-based
バッファ層2は、窒化アルミニウム(AlN)からなり、結晶性のよいGaN系膜を成長させるための下地層として形成される。すなわちバッファ層2は、サファイア基板1とGaN系材料層との間の格子不整合あるいはGaN系材料層の欠陥の増加を防止する緩衝層としての役割を果たす。バッファ層2は、後述するようにスパッタ法で成膜され、その厚みは、例えば15〜50nmである。
The
GaN系材料の積層膜は、非ドープGaN層3と、Siドープn型GaN層4と、多層量子井戸構造層(MQW:Multi-layer Quantum Well)5と、Mgドープp型AlGaN層(電子ブロック層)6と、Mgドープp型GaN層7等を含み、バッファ層2の上に順次積層される。これらGaN系材料層の種類、組み合わせ、膜厚等は特に限定されず、LED構造や発光波長等に応じて適宜設定される。これらのGaN系材料層は、MOCVD法で成膜される。
The laminated film of GaN-based materials includes an
なお本例では、Siドープn型GaN層4には負極端子9aが、Mgドープp型GaN層7にはITOからなる透明電極層8を介して正極端子9bがそれぞれ設けられる。
In this example, the Si-doped n-
GaN系材料層は、MOCVD法により形成された二元あるいは三元混晶のエピタキシャル成長層で構成される。これらGaN系材料層の膜質すなわち結晶性は、下地材料層の結晶性に影響され、特にバッファ層2の膜質がGaN系デバイス10の特性に大きな影響を及ぼす。
The GaN-based material layer is composed of a binary or ternary mixed crystal epitaxial growth layer formed by MOCVD. The film quality, that is, the crystallinity of the GaN-based material layer is affected by the crystallinity of the underlying material layer. In particular, the film quality of the
本実施形態においてバッファ層2は、窒化アルミニウム(AlN)で構成され、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。本発明者らは、AlNがN極性かAl極性かによって、その上に積層されるGaN系材料層の膜質が大きく変化することを確認した。すなわち、バッファ層2がN極性のAlN層で構成される場合には、その上に積層される非ドープGaN層3の表面に著しい凹凸が形成されることで平坦性が低下する。これに対してバッファ層2がAl極性のAlN層で構成される場合には、その上に積層される非ドープGaN層3に高い平坦性が確保される。
In the present embodiment, the
そして本発明者らは、スパッタリング法でAlN層を成膜する際、成膜条件によって、成膜されるAlN層の極性が異なることを見出した。これによりAl極性を有するAlN層を安定に成膜することが可能となった。また、MOCVD法と比較して低コストかつ高スループットでAlN層を形成することが可能となった。 The present inventors have found that when forming an AlN layer by sputtering, the polarity of the formed AlN layer differs depending on the film forming conditions. As a result, an AlN layer having Al polarity can be stably formed. In addition, an AlN layer can be formed at a low cost and a high throughput as compared with the MOCVD method.
以下、本実施形態におけるAlNの成膜方法について説明する。本実施形態では、GaN系デバイス10におけるバッファ層2の成膜工程を例に挙げて説明する。
Hereinafter, the AlN film forming method in this embodiment will be described. In the present embodiment, the film forming process of the
図2は、AlNの成膜に使用されるスパッタ装置100の概略断面図である。スパッタ装置100は、成膜室101を形成する真空チャンバ102と、基板1を支持するためのステージユニット120と、ターゲット131を保持するカソードユニット130とを有する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a
真空チャンバ102は、真空ポンプ103と接続されており、成膜室110を所定の真空圧力に排気あるいは維持可能に構成される。真空チャンバ102にはさらに、成膜室101と真空ポンプ103との間を遮断可能な排気バルブ104が設置されている。真空チャンバ102は、典型的には、グランド電位に接続される。
The
ステージユニット120は、真空チャンバ102の底部に設置される。ステージユニット120は、ステージ121の中心に固定された回転軸122を含む回転機構、ステージ121の直下に配置された複数のホイストピン123を含むリフト機構、ステージ121を所定温度に加熱可能な加熱機構、ステージ121の高さを調整可能な調整機構等を有する。またステージユニット120は、ステージ121上に基板1を固定するための静電チャックやメカニカルチャック等の各種チャック機構を有してもよい。
The
複数のホイストピン123は、ステージ121への未処理の基板1のロード時、及び、ステージ121からの処理済みの基板1のアンロード時に上記リフト機構によりステージ121に対して上下移動させられる。成膜室101への基板1の搬入、及び、成膜室101からの基板1の搬出は、真空チャンバ102に設けられた開口102aを介して行われる。開口102aは、成膜時、ゲートバルブ105により密閉される。
The plurality of hoist
カソードユニット130は、真空チャンバ102の天板102bに設置される。カソードユニット130は、アルミニウムターゲット131を含むターゲットアセンブリと、ターゲット131の背面側に配置され、ターゲット131の表面に所定の磁場を形成するマグネットアレイ132と、ターゲット131の正面側に配置されたシャッタ133を含むシャッタ機構等を有する。
The
ターゲット131の表面は、ステージ121の上面に対して斜め方向に対向し、ステージ121は成膜時に回転軸122のまわりに所定の回転速度で回転制御される。これにより基板1上に成膜されるAlN層2の面内均一性が高められる。スパッタパワーは例えば330W、ターゲット131と基板1との間の距離は、例えば235mm以上とされる。
The surface of the
基板1へのAlNのスパッタ成膜時、基板1はステージ121上で所定温度に加熱される。これによりAlN層の結晶性を高めることができる。基板温度は特に限定されず、本実施形態では630℃に設定される。
During sputter deposition of AlN on the
スパッタ装置100は、成膜室101内へスパッタリングガスを導入するためのガス導入ライン140をさらに有する。本実施形態においてスパッタリングガスとしては、窒素(N2)を主体とし、これに微量の酸素(O2)を混合したガスが用いられる。
The
ガス導入ライン140は、所定の割合で混合した酸素と窒素の混合ガスを成膜室101へ導入する単一のガス配管で構成されてもよいし、酸素と窒素とを各々流量制御して別々に成膜室101へ導入する複数本のガス配管で構成されてもよい。
The
本実施形態では、アルミニウムターゲット131をスパッタするためのスパッタリングガスとしては、純窒素に0.1[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスが用いられる。酸素が0[sccm]のとき、成膜されるAlN層はN極性となる。また、酸素流量が0.1[sccm]を超えると、成膜されるAlN層の結晶性が低下する傾向にある。酸素流量を0.1[sccm]以下、例えば、0.02[sccm]以上0.06[sccm]以下の場合に、Al極性を有するAlN層を安定に成膜することができる。
In this embodiment, as a sputtering gas for sputtering the
スパッタリングガス中の窒素流量に対する酸素流量の比は、0.1%以下に設定される。本実施形態においてスパッタリングガスとしての窒素流量は70[sccm](プロセス圧力は0.45[Pa])とされる。この場合、酸素流量が0.02、0.06、0.1[sccm]の場合の窒素ガスに対する流量比(酸素分圧)はそれぞれ、2.9×10−4(1.3×10−4[Pa])、8.6×10−4(3.9×10−4[Pa])、1.4×10−3(6.4×10−4[Pa])となる。 The ratio of the oxygen flow rate to the nitrogen flow rate in the sputtering gas is set to 0.1% or less. In this embodiment, the flow rate of nitrogen as sputtering gas is 70 [sccm] (process pressure is 0.45 [Pa]). In this case, the flow rate ratio (oxygen partial pressure) to nitrogen gas when the oxygen flow rate is 0.02, 0.06, and 0.1 [sccm] is 2.9 × 10 −4 (1.3 × 10 − 4 [Pa]), 8.6 × 10 −4 (3.9 × 10 −4 [Pa]), and 1.4 × 10 −3 (6.4 × 10 −4 [Pa]).
上述のようにAl極性を有するAlN層の成膜に際しては、成膜室101内の酸素の濃度を高精度に制御する必要がある。したがって成膜前における成膜室101内の残留酸素の影響を抑制するため、成膜室101の排気時に真空チャンバ102を加熱して吸着酸素を除去したり、真空ポンプ103にコールドトラップを付加して凝縮性の酸素ガスの排気特性を高めたりしてもよい。
As described above, when forming an AlN layer having Al polarity, it is necessary to control the oxygen concentration in the
図3は、本実施形態の成膜方法によって成膜された厚み25nmのAlN(002)のロッキングカーブを示す。成膜条件は、基板温度630℃、窒素流量70[sccm]、酸素流量0.02[sccm]、スパッタパワー330Wとした。半値幅が7arcsecと非常に狭く、良好な結晶性を得られることが確認された。結晶性については、酸素流量が0より大きく0.1[sccm]以下の範囲では違いが生じなかった。 FIG. 3 shows a rocking curve of AlN (002) having a thickness of 25 nm formed by the film forming method of the present embodiment. The film formation conditions were a substrate temperature of 630 ° C., a nitrogen flow rate of 70 [sccm], an oxygen flow rate of 0.02 [sccm], and a sputtering power of 330 W. The full width at half maximum was as narrow as 7 arcsec, and it was confirmed that good crystallinity could be obtained. Regarding the crystallinity, no difference occurred when the oxygen flow rate was greater than 0 and less than or equal to 0.1 [sccm].
一方、スパッタリングガスへの酸素添加の有無によって極性由来のエッチング速度比が大きく異なることが確認された。すなわち、N極性のAlNはKOH(水酸化カリウム)にエッチングされやすく、Al極性のAlNはKOHにエッチングされにくい。 On the other hand, it was confirmed that the etching rate ratio derived from polarity greatly varies depending on whether or not oxygen is added to the sputtering gas. That is, N-polar AlN is easily etched by KOH (potassium hydroxide), and Al-polar AlN is not easily etched by KOH.
図4は、酸素流量0[sccm]の条件で成膜したAlN(002)のKOH水溶液(0.1mol/l)に対する耐性を測定した一実験結果であり、実線(41)はエッチング前のX線回折強度を、一点鎖線(42)はエッチング開始から1分後のX線回折強度をそれぞれ示す。 FIG. 4 is a result of an experiment in which the resistance of AlN (002) deposited on an oxygen flow rate of 0 [sccm] to a KOH aqueous solution (0.1 mol / l) was measured. A solid line (41) represents an X-ray before etching. The dashed line (42) represents the X-ray diffraction intensity after 1 minute from the start of etching.
一方、図5は、酸素流量0.02[sccm]の条件で成膜したAlN(002)のKOH水溶液(0.1mol/l)に対する耐性を測定した一実験結果であり、実線(51)はエッチング前のX線回折強度を、一点鎖線(52)、破線(53)および二点鎖線(54)はそれぞれ、エッチング開始から1分後、5分後および20時間後のX線回折強度をそれぞれ示す。 On the other hand, FIG. 5 shows an experimental result of measuring the resistance of AlN (002) formed on an oxygen flow rate of 0.02 [sccm] to a KOH aqueous solution (0.1 mol / l), and the solid line (51) indicates etching. For the previous X-ray diffraction intensity, the alternate long and short dash line (52), the broken line (53), and the two-dot chain line (54) indicate the X-ray diffraction intensity after 1 minute, 5 minutes and 20 hours, respectively, from the start of etching. .
図4および図5に示すように、酸素無添加のスパッタリングガスで成膜されたAlNは、KOHによりほとんどエッチングされるのに対して、酸素添加したAlNではほとんどKOHにエッチングされていないことが確認された。このように酸素添加の有無によりKOHに対するエッチング耐性に違いが生じるのは、AlNの極性に由来するものであって、0.02[sccm]という微量の酸素をスパッタリングガスに添加することによって、N極性からAl極性に変化したものと推認される。 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, it is confirmed that AlN formed by sputtering gas containing no oxygen is almost etched by KOH, whereas AlN added with oxygen is hardly etched by KOH. It was done. The difference in etching resistance to KOH due to the presence or absence of oxygen addition is due to the polarity of AlN. By adding a small amount of oxygen of 0.02 [sccm] to the sputtering gas, N It is inferred that the polarity has changed to Al polarity.
さらに本発明者らは、酸素添加量が0.1[sccm]を超えると所定の膜厚以上でAlNの結晶性が低下し、その上に形成されるGaN層の結晶性、平坦性が悪化する傾向にあることを確認した。この結果から、本実施形態においては、アルミニウムターゲットをスパッタして結晶性および平坦性の優れたAl極性のAlN層を安定に成膜するために、スパッタリングガス中の酸素流量を0[sccm]超0.1[sccm]以下とした。 Furthermore, when the oxygen addition amount exceeds 0.1 [sccm], the inventors deteriorated the crystallinity and flatness of the GaN layer formed on the AlN crystallinity at a predetermined film thickness or more. Confirmed that there is a tendency to. From this result, in this embodiment, in order to stably form an Al-polar AlN layer having excellent crystallinity and flatness by sputtering an aluminum target, the oxygen flow rate in the sputtering gas exceeds 0 [sccm]. It was set to 0.1 [sccm] or less.
次に、流量0、0.02および0.1[sccm]の酸素を添加して成膜した厚み25nmのAlNの上に、MOCVD法でGaN膜(図1の非ドープGaN層3)をそれぞれ2nmの厚みで成膜した。その結果、酸素流量が0[sccm]の場合、GaN膜は3次元成長してしまい、表面に凹凸が生じたことが確認された。一方、酸素流量が0.02および0.1[sccm]の場合、AlN上には2次元成長と考えられるフラットな表面のGaN膜を成膜することができた。このことから、下地であるAlN膜の極性に由来するものと考えられ、AlNがAl極性である場合の方が、N極性である場合よりも、表面平坦性に優れたGaN膜が得られ、発光デバイスのバッファ層としてより適したものであることが確認された。
Next, a GaN film (
一例として、流量0.02[sccm]の酸素を添加して成膜したAlNの上に形成したGaN膜の結晶特性を図6および図7に示す。図6はGaN(002)のロッキングカーブを、図7はGaN(102)のロッキングカーブをそれぞれ示す。図6において半値幅は81arcsec、図7において半値幅は291arcsecであった。 As an example, FIG. 6 and FIG. 7 show the crystal characteristics of a GaN film formed on AlN formed by adding oxygen at a flow rate of 0.02 [sccm]. 6 shows a rocking curve of GaN (002), and FIG. 7 shows a rocking curve of GaN (102). In FIG. 6, the half width was 81 arcsec, and in FIG. 7, the half width was 291 arcsec.
以上のように本実施形態においては、スパッタリングガスとして窒素に微量(0.1[sccm]以下)の酸素を混合したガスを用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上にアルミニウム極性(Al極性)を有する窒化アルミニウムを形成するようにしている。これにより、その窒化アルミニウム層の上に結晶性、平坦性の優れた、高い膜特性を有する窒化ガリウム系材料層を形成することが可能となる。 As described above, in the present embodiment, aluminum sputtering is performed on a substrate by sputtering an aluminum target using a gas in which a small amount (0.1 [sccm] or less) of oxygen is mixed with nitrogen as a sputtering gas. ) Is formed. This makes it possible to form a gallium nitride-based material layer having excellent crystallinity and flatness and high film characteristics on the aluminum nitride layer.
また本実施形態によれば、所望の膜特性を有する窒化アルミニウム層をスパッタリング法で形成することができるため、MOCVD法で成膜する場合と比較して、原料コストの低減とスループットの向上とを図ることができる。これにより当該窒化アルミニウム層をバッファ層とする窒化ガリウム系デバイスの生産コストの低減と生産性の向上とを図ることができる。 In addition, according to the present embodiment, an aluminum nitride layer having desired film characteristics can be formed by a sputtering method. Therefore, compared with the case of forming a film by the MOCVD method, the raw material cost is reduced and the throughput is improved. Can be planned. Thereby, it is possible to reduce the production cost and improve the productivity of the gallium nitride-based device using the aluminum nitride layer as a buffer layer.
<第2の実施形態>
図8は、本発明の第2の実施形態を示している。本実施形態では、GaN系デバイスとして、基板1とGaN層3との間に、第1の窒化アルミニウム(AlN)層21とその上に積層された第2の窒化アルミニウム(AlN)層22とを含むバッファ層20を有する。なおGaN層3より上層側は図示を省略している。
<Second Embodiment>
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, as a GaN-based device, a first aluminum nitride (AlN)
第1のAlN層21は、上述の第1の実施形態で説明したように、窒素に微量(0.1[sccm]以下)の酸素を添加したスパッタリングガスでアルミニウムターゲットをスパッタすること成膜された、Al極性のAlN膜で構成される。第2のAlN層22は、スパッタリングガスとして純窒素(酸素流量0[sccm])を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで成膜される。この場合、第2のAlN層22は、無酸素でスパッタ成膜されるにもかかわらず、下地である第1のAlN層21の結晶配向にならってエピタキシャル成長したAl極性を有するAlN膜で構成される。
As described in the first embodiment, the
上述のように本実施形態においては、微量酸素を含むスパッタリングガスで第1のAlN層21を成膜した後、無酸素のスパッタリングガスで第2のAlN層22を成膜することで、全体的にAl極性を有するAlNからなるバッファ層20を形成するようにしている。これによりバッファ層成膜時の酸素流量の管理負担が軽減され、比較的容易に所望の配向特性を有するバッファ層を得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the
第1および第2のAlN層21,22の成膜に際しては、共通のガス導入ライン140(図1)を用いることができる。この場合、第2のAlN層22の成膜時は、酸素の流量をゼロにして窒素のみを成膜室101へ導入してもよく、窒素流量は変化させることなく一定の流量(例えば70[sccm])に維持してもよい。
When the first and second AlN layers 21 and 22 are formed, a common gas introduction line 140 (FIG. 1) can be used. In this case, when the
第1および第2のAlN層21,22の厚みは特に限定されず、第2のAlN層22は第1のAlN層21よりも厚く形成されてもよい。例えばバッファ層20の総厚が25nmの場合、第1のAlN層21の厚みを2nm、第2のAlN層22の厚みを23nmとすることができる。
The thicknesses of the first and second AlN layers 21 and 22 are not particularly limited, and the
<第3の実施形態>
続いて本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態では、上述の第2の実施形態において説明した2層構造のバッファ層20を形成するに際して、第1の窒化アルミニウム層21の形成方法が第2の実施形態と異なる。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, when the
すなわち本実施形態に係るGaNデバイスの製造方法は、窒素に0.2[sccm]以下の流量の酸素を添加したガスをスパッタリングガスに用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、基板上に、アルミニウム極性を有する第1の窒化アルミニウム層を0.5nm以下の厚みで形成することを含む。
スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、上記第1の窒化アルミニウム層上に、アルミニウム極性を有する第2の窒化アルミニウム層が形成される。
上記第2の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層が形成される。
That is, in the method for manufacturing a GaN device according to this embodiment, an aluminum target is sputtered by sputtering an aluminum target using a gas obtained by adding oxygen at a flow rate of 0.2 [sccm] or less to nitrogen as a sputtering gas. Forming a first aluminum nitride layer having a thickness of 0.5 nm or less.
By sputtering an aluminum target using pure nitrogen as a sputtering gas, a second aluminum nitride layer having an aluminum polarity is formed on the first aluminum nitride layer.
A gallium nitride-based material layer is formed on the second aluminum nitride layer.
上述のように、酸素流量が0.1[sccm]を超えると、成膜される窒化アルミニウム層の結晶性が悪化する傾向にある。しかしながら酸素流量が0.2[sccm]以下である場合には、成膜される窒化アルミニウム層は0.5nm以下の厚みにおいて良好な結晶性を維持できることが確認された。 As described above, when the oxygen flow rate exceeds 0.1 [sccm], the crystallinity of the formed aluminum nitride layer tends to deteriorate. However, it was confirmed that when the oxygen flow rate is 0.2 [sccm] or less, the formed aluminum nitride layer can maintain good crystallinity at a thickness of 0.5 nm or less.
そこで本実施形態では、0.2[sccm]以下の流量の酸素を添加したスパッタリングガスで厚み0.5nm以下の第1の窒化アルミニウム層をスパッタ成膜した後、純窒素(酸素無添加)のスパッタリングガスで第2の窒化アルミニウム層をスパッタ成膜する。このようにして形成された第1の窒化アルミニウム層は、Al極性を有し、その結晶性も良好である。したがってこの上に積層される第2の窒化アルミニウム層もまた、下地の結晶性を引き継いでAl極性の良好な結晶性、平坦性を有する。これにより、結晶性および平坦性に優れた窒化ガリウム系材料層を上記第2の窒化アルミニウム層の上に安定に形成することが可能となる。 Therefore, in the present embodiment, the first aluminum nitride layer having a thickness of 0.5 nm or less is formed by sputtering with a sputtering gas to which oxygen having a flow rate of 0.2 [sccm] or less is added, and then pure nitrogen (no oxygen added) is formed. A second aluminum nitride layer is formed by sputtering with a sputtering gas. The first aluminum nitride layer formed in this way has Al polarity and good crystallinity. Therefore, the second aluminum nitride layer laminated thereon also takes over the crystallinity of the base and has good Al polarity crystallinity and flatness. This makes it possible to stably form a gallium nitride-based material layer having excellent crystallinity and flatness on the second aluminum nitride layer.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば以上の実施形態では、GaN系デバイスとして、GaN系LEDを例に挙げて説明したが、これ以外にも、GaN系半導体レーザ等の発光素子、パワーデバイス用のGaN系ダイオードあるいはトランジスタにも、本発明は適用可能である。 For example, in the above embodiment, a GaN-based LED has been described as an example of a GaN-based device, but besides this, a light-emitting element such as a GaN-based semiconductor laser, a GaN-based diode for a power device, or a transistor, The present invention is applicable.
また以上の実施形態では、AlNを成膜するスパッタ装置として図2に示す構造を示したが、これに限られず、他の構造のスパッタ装置にも本発明は適用可能である。 In the above embodiment, the structure shown in FIG. 2 is shown as the sputtering apparatus for depositing AlN. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to sputtering apparatuses having other structures.
1…基板
2,20,21,22…バッファ層(AlN層)
10…GaN系デバイス
100…スパッタ装置
DESCRIPTION OF
10 ... GaN-based
Claims (4)
前記第1の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層を形成する
GaN系デバイスの製造方法。 Sputtering an aluminum target by adding oxygen with a flow rate of greater than 0 and less than 0.1 [sccm] to nitrogen and using as the sputtering gas a gas having a ratio of the oxygen flow rate to the nitrogen flow rate of 0.1% or less. , sapphire or GaN substrate, to form a first aluminum nitride layer of aluminum polarity,
A method of manufacturing a GaN-based device, wherein a gallium nitride-based material layer is formed on the first aluminum nitride layer.
前記窒化ガリウム系材料層の形成前に、スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、前記第1の窒化アルミニウム層上に、第2の窒化アルミニウム層を形成する
GaN系デバイスの製造方法。 The method for manufacturing a GaN-based device according to claim 1 , further comprising:
Before forming the gallium nitride material layer, a second aluminum nitride layer is formed on the first aluminum nitride layer by sputtering an aluminum target using pure nitrogen as a sputtering gas. Production method.
スパッタリングガスに純窒素を用いてアルミニウムターゲットをスパッタすることで、前記第1の窒化アルミニウム層上に、アルミニウム極性の第2の窒化アルミニウム層を形成し、
前記第2の窒化アルミニウム層上に、窒化ガリウム系材料層を形成する
GaN系デバイスの製造方法。 Sputtering an aluminum target by adding oxygen with a flow rate of greater than 0 and less than or equal to 0.2 [sccm] to nitrogen and using as the sputtering gas a gas having a ratio of the oxygen flow rate to the nitrogen flow rate of 0.1% or less. Forming a first aluminum nitride layer of aluminum polarity with a thickness of 0.5 nm or less on a sapphire or GaN substrate;
By using pure nitrogen as a sputtering gas by sputtering an aluminum target, the first aluminum nitride layer, forming a second aluminum nitride layer of aluminum polarity,
A method of manufacturing a GaN-based device, wherein a gallium nitride-based material layer is formed on the second aluminum nitride layer.
前記プラズマ中のイオンでアルミニウムターゲットをスパッタすることで、サファイア又はGaN基板上に、アルミニウム極性の窒化アルミニウム層を形成する
AlNの成膜方法。 Adding oxygen at a flow rate greater than 0 and less than or equal to 0.1 [sccm] to nitrogen, and forming a gas plasma in which the ratio of the oxygen flow rate to the nitrogen flow rate is less than or equal to 0.1% ;
Wherein by ion sputtering of aluminum targets in the plasma, the sapphire or GaN substrate, a film forming method of AlN to an aluminum nitride layer of aluminum polarity.
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