JP2019085624A - Method for forming nitride film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method of forming a nitride film.
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)等の材料として、InGaN膜が知られている。InGaN膜は、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、プラズマ励起原子層堆積(PEALD:Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)法等により形成される。 An InGaN film is known as a material such as a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode), a high electron mobility transistor (HEMT: High Electron Mobility Transistor), and the like. The InGaN film is formed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) method, or the like.
ところで、MOCVD法では、高温成膜によるInGaN膜からのIn抜けが発生するため、In/(In+Ga)比率が0.5以上のInGaN膜を形成することが困難である。PEALD法では、低温でInGaN膜を成膜できるので、In抜けの発生を抑制できるが、プラズマダメージによる表面モフォロジーの悪化、膜中不純物の増加等の問題が生じ得る。 By the way, in the MOCVD method, it is difficult to form an InGaN film having an In / (In + Ga) ratio of 0.5 or more, since In removal from the InGaN film occurs due to high temperature film formation. In the PEALD method, since the InGaN film can be formed at a low temperature, generation of In loss can be suppressed, but problems such as deterioration of surface morphology due to plasma damage and increase of impurities in the film may occur.
また、中性粒子ビームを利用した原子層蒸着方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Also, an atomic layer deposition method using a neutral particle beam is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記の中性粒子ビームを利用した原子層蒸着方法では、中性粒子ビームの照射により基板から発生する酸素源によって、形成される膜に不純物が混入する場合がある。 However, in the above-described atomic layer deposition method using a neutral particle beam, an impurity may be mixed into the formed film due to the oxygen source generated from the substrate by the irradiation of the neutral particle beam.
そこで、上記課題に鑑み、不純物が少なく高品質な窒化物膜を形成することが可能な窒化物膜の形成方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a method of forming a nitride film capable of forming a high quality nitride film with few impurities.
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る窒化物膜の形成方法は、基板に原料ガスを供給する第1の供給ステップと、前記基板に窒素原子を含み水素原子を含まない中性粒子ビームを照射する第1の照射ステップと、を含む処理により、前記基板の上に第1の窒化物膜を形成する第1の膜形成工程と、前記基板に前記原料ガスを供給する第2の供給ステップと、前記基板に窒素原子と水素原子とを含む中性粒子ビームを照射する第2の照射ステップと、を含む処理により、前記第1の窒化物膜の上に第2の窒化物膜を形成する第2の膜形成工程と、を有する。 In order to achieve the above object, in the nitride film forming method according to one aspect of the present invention, there is provided a first supplying step of supplying a source gas to a substrate, and a neutral containing hydrogen atoms and containing nitrogen atoms in the substrate. A first film forming step of forming a first nitride film on the substrate by a process including a first irradiation step of irradiating a particle beam, and a second film supplying the source gas to the substrate And a second irradiation step of irradiating the substrate with a neutral particle beam containing nitrogen atoms and hydrogen atoms to form a second nitride on the first nitride film. And a second film forming step of forming a film.
開示の窒化物膜の形成方法によれば、不純物が少なく高品質な窒化物膜を形成することができる。 According to the disclosed nitride film forming method, it is possible to form a high quality nitride film with few impurities.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification and the drawings, substantially the same configuration is given the same reference numeral to omit redundant description.
本発明の実施形態に係る成膜装置について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る成膜装置の概略構成図である。 A film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
図1に示されるように、成膜装置1は、処理容器12を備えている。処理容器12は、軸線Zが延びる方向(以下「軸線Z方向」という。)に延在する略円筒形状の容器であり、内部に空間を形成する。処理容器12の内部の空間は、仕切り板40により、プラズマ生成室S1と、プラズマ生成室S1の下方に設けられた成膜室S2とに仕切られている。
As shown in FIG. 1, the
処理容器12は、第1側壁12a、第2側壁12b、底部12c、及び蓋部12dを有する。第1側壁12aは、軸線Z方向に延在する略円筒形状を有し、プラズマ生成室S1を形成する。第1側壁12aには、ガスラインP11,P12が形成されている。
The
ガスラインP11は、第1側壁12aの外面から延びて、ガスラインP12に接続している。ガスラインP12は、第1側壁12a内において軸線Zを中心に略環状に延在している。ガスラインP12には、プラズマ生成室S1にガスを噴射するための複数の噴射口H1が接続している。
The gas line P11 extends from the outer surface of the
ガスラインP11には、バルブV11、マスフローコントローラM1、及びバルブV12を介してガス供給源G1が接続されている。ガス供給源G1は、窒化ガスの供給源である。窒化ガスとしては、例えば窒素(N2)ガスを用いることができる。ガス供給源G1、バルブV11、マスフローコントローラM1、バルブV12、ガスラインP11、ガスラインP12、及び噴射口H1は、窒化ガス供給部を構成している。窒化ガス供給部は、ガス供給源G1からの反応ガスの流量をマスフローコントローラM1において制御し、流量制御したN2ガスをプラズマ生成室S1に供給する。 A gas supply source G1 is connected to the gas line P11 via a valve V11, a mass flow controller M1, and a valve V12. The gas supply source G1 is a supply source of a nitriding gas. As the nitriding gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas can be used. The gas supply source G1, the valve V11, the mass flow controller M1, the valve V12, the gas line P11, the gas line P12, and the injection port H1 constitute a nitriding gas supply unit. The nitriding gas supply unit controls the flow rate of the reaction gas from the gas supply source G1 in the mass flow controller M1, and supplies the flow-controlled N 2 gas to the plasma generation chamber S1.
ガスラインP11には、バルブV21、マスフローコントローラM2、及びバルブV22を介してガス供給源G2が接続されている。ガス供給源G2は、水素含有ガスの供給源である。水素含有ガスとしては、例えば水素(H2)ガスを用いることができる。ガス供給源G2、バルブV21、マスフローコントローラM1、バルブV22、ガスラインP11、ガスラインP12、及び噴射口H1は、水素含有ガス供給部を構成している。水素含有ガス供給部は、ガス供給源G2からのH2ガスの流量をマスフローコントローラM2において制御し、流量制御したH2ガスをプラズマ生成室S1に供給する。
A gas supply source G2 is connected to the gas line P11 via a valve V21, a mass flow controller M2, and a valve V22. The gas supply source G2 is a supply source of hydrogen-containing gas. For example, hydrogen (H 2 ) gas can be used as the hydrogen-containing gas. The gas supply source G2, the valve V21, the mass flow controller M1, the valve V22, the gas line P11, the gas line P12, and the injection port H1 constitute a hydrogen-containing gas supply unit. The hydrogen-containing gas supply unit controls the flow rate of the H 2 gas from the gas
第1側壁12aの上端には、蓋部12dが設けられている。蓋部12dには、開口が設けられており、開口内には、プラズマ生成室S1内に吐出される反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ発生部20が設けられている。
A
プラズマ発生部20は、金属線等により形成されるアンテナをコイル状に鉛直軸周りに巻き回して構成されている。アンテナは、接地電極を介して、整合器及び高周波電源に接続されている。また、プラズマ発生部20の直下には、プラズマ生成室S1を封止するように、石英、アルミナ等により形成される略円盤形状の誘電体窓16が設けられている。高周波電源により、アンテナに対して所定の出力の高周波電力を印加することで、誘電体窓16の直下に電界が発生し、プラズマ生成室S1においてプラズマが発生する。
The
第1側壁12aの下方には、第1側壁12aに連続して第2側壁12bが延在している。第2側壁12bは、軸線Z方向に延在する略円筒形状を有しており、成膜室S2を形成している。成膜室S2内には、成膜対象の基板Wを載置するための載置台36が設けられている。載置台36は、処理容器12の底部12cから軸線Z方向に延在する支持体38によって支持されている。載置台36は、加熱器、冷却器等の温度制御機構(図示せず)を備えている。また、載置台36は、静電チャック等の吸着保持機構(図示せず)を備えている。
A
第2側壁12bには、第2側壁12bを貫通して処理容器12の外部から内部に貫通するガス供給ノズルP31が設けられている。ガス供給ノズルP31には、バルブV31、マスフローコントローラM3、及びバルブV32を介してガス供給源G3が接続されている。ガス供給源G3は、成膜処理に用いられる原料ガスのガス供給源である。原料ガスは、トリメチルガリウム(TMG)、塩化ガリウム(GaCl3)等のガリウム(Ga)含有ガスと、トリメチルインジウム(TMI)等のインジウム(In)含有ガスとを含む。ガス供給源G3、バルブV31、マスフローコントローラM3、バルブV32、及びガス供給ノズルP31は、原料ガス供給部を構成している。原料ガス供給部は、ガス供給源G3からの原料ガスの流量をマスフローコントローラM3において制御し、流量制御した原料ガスを成膜室S2に供給する。
The
成膜装置1では、プラズマ生成室S1と成膜室S2との間に仕切り板40が設けられており、仕切り板40によりプラズマ生成室S1と成膜室S2とが互いに分離されている。仕切り板40は、例えば第1側壁12aによって支持される。仕切り板40は、略円盤形状の部材である。仕切り板40は、プラズマ生成室S1と成膜室S2とを連通させる複数の開口40hを有している。
In the
仕切り板40は、プラズマ生成室S1において発生した紫外線に対する遮蔽性を有する。即ち、仕切り板40は、紫外線を透過しない材料から構成され得る。また、仕切り板40は、プラズマ生成室S1において発生したイオンが開口40hを画成する内壁面によって反射されながら開口40hを通過するときに、イオンに電子を供与する。これにより、仕切り板40は、イオンを中性化し、中性化されたイオン、即ち中性粒子を成膜室S2に放出する。仕切り板40は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、グラファイト等の部材により形成される。
The
仕切り板40には、バイアス電力を仕切り板40に与えるためのバイアス電源PGが接続されていてもよい。バイアス電源PGは、高周波バイアス電力を発生する高周波電源であってもよく、直流電源であってもよい。バイアス電源PGによって仕切り板40に電力が与えられると、プラズマ生成室S1において発生したイオンは、仕切り板40に向けて加速される。その結果、仕切り板40を通過する粒子の速度が高められる。
A bias power supply PG for applying bias power to the
また、成膜装置1では、底部12cにおいて成膜室S2に接続された排気管48に、圧力調整器50及び減圧ポンプ52が接続されている。圧力調整器50及び減圧ポンプ52は、排気装置を構成している。成膜装置1では、N2ガス、H2ガス、及び原料ガスの流量を、それぞれマスフローコントローラM1、マスフローコントローラM2、及びマスフローコントローラM3で調整し、圧力調整器50で排気量を調整できる。これにより、成膜装置1は、プラズマ生成室S1及び成膜室S2の圧力を任意の圧力に設定できる。
Further, in the
また、成膜装置1には、装置全体の制御を行う制御部100が設けられている。制御部100は、レシピに従い、レシピに示された種々の処理条件下で後述する窒化物膜の形成方法を実行するように、成膜装置1内の種々の機器の動作を制御する。例えば、制御部100は、バルブV11,V12に制御信号を送出して、ガス供給源G1からのN2ガスの供給及び供給停止を制御し、マスフローコントローラM1に制御信号を送出して、N2ガスの流量を制御する。また、制御部100は、バルブV21,V22に制御信号を送出して、ガス供給源G2からのH2ガスの供給及び供給停止を制御し、マスフローコントローラM2に制御信号を送出して、H2ガスの流量を制御する。また、制御部100は、バルブV31,V32に制御信号を送出して、ガス供給源G3からの原料の供給及び供給停止を制御し、マスフローコントローラM3に制御信号を送出して、原料ガスの流量を制御する。また、制御部100は、圧力調整器50に制御信号を送出して、排気量を制御する。さらに、制御部100は、プラズマ発生部20の高周波電源に制御信号を送出して、高周波電力(RF電力)のパワーを制御する。また、制御部100は、バイアス電源PGに制御信号を送出して、仕切り板40へのバイアス電力の供給及び供給停止、更には、バイアス電力を調整する。更には、制御部100は、載置台36の温度制御機構に制御信号を送出して、載置台36の温度を制御する。
In addition, the
制御部100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の演算手段及び記憶手段を備える。制御部100は、プログラムが記憶された記憶媒体からレシピの処理を行うプログラムをインストールし、レシピの処理を実行するようなマイクロコンピュータとして構成されてもよい。また、制御部100は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)のような電子回路として構成されてもよい。
The
次に、本発明の実施形態に係る窒化物膜の形成方法について、前述した成膜装置1を用いてInGaN膜を形成する場合を例に挙げて説明する。以下に示す窒化物膜の形成方法は、制御部100が成膜装置1内の種々の機器の動作を制御することにより実行される。図2は、本発明の実施形態に係る窒化物膜の形成方法の一例を示すフローチャートである。
Next, a method of forming a nitride film according to an embodiment of the present invention will be described by taking, as an example, a case where an InGaN film is formed using the
最初に、基板Wが処理容器12内の載置台36の上に載置され、温度制御機構により基板Wが所定温度(例えば100℃以下)に調整され、圧力調整器50により処理容器12内の圧力が所定の圧力に調整される。基板Wは、例えばサファイア基板、シリコン基板であってよい。
First, the substrate W is mounted on the mounting table 36 in the
ステップST1では、原料ガス供給部により成膜室S2内に第1の原料ガスが供給される。第1の原料ガスは、例えばTMG、GaCl3等のGa含有ガス及びTMI等のIn含有ガスを含む混合ガスであってよい。ステップST1により、基板Wの上にGa及びInを含む膜が形成される。 In step ST1, the first source gas is supplied into the film forming chamber S2 by the source gas supply unit. The first source gas may be, for example, a mixed gas containing Ga-containing gas such as TMG and GaCl 3 and In-containing gas such as TMI. By the step ST1, a film containing Ga and In is formed on the substrate W.
ステップST2では、原料ガス供給部により成膜室S2内にパージガスが供給される。パージガスは、例えばN2ガス、Arガス等の不活性ガスであってよい。ステップST2により、成膜室S2内に残留する第1の原料ガスがパージされる。なお、ステップST2では、成膜室S2内に残留する第1の原料ガスがパージ可能であればよく、原料ガス供給部とは異なるガス供給部によりパージガスが供給されてもよい。 In step ST2, the purge gas is supplied into the film forming chamber S2 by the source gas supply unit. The purge gas may be, for example, an inert gas such as N 2 gas or Ar gas. In step ST2, the first source gas remaining in the film forming chamber S2 is purged. In step ST2, the first source gas remaining in the film forming chamber S2 may be purged, and a purge gas may be supplied from a gas supply unit different from the source gas supply unit.
ステップST3では、窒化ガス供給部によりプラズマ生成室S1内に窒化ガスが供給され、プラズマ発生部20の高周波電源によりアンテナに対して高周波電力が印加される。また、バイアス電源PGにより仕切り板40にバイアス電力が印加される。窒化ガスは、例えばN2ガスであってよい。ステップST3により、基板Wに対して窒素原子を含み水素原子を含まない中性粒子ビームが照射され、基板Wの上に形成されたGa及びInを含む膜と窒素原子を含む中性粒子とが反応してInGaN膜が形成される。
In step ST3, the nitriding gas is supplied into the plasma generation chamber S1 by the nitriding gas supply unit, and high frequency power is applied to the antenna by the high frequency power supply of the
ステップST4では、窒化ガス供給部によりプラズマ生成室S1内にパージガスが供給される。パージガスは、例えばステップST2で用いたガスと同様であってよい。ステップST4により、プラズマ生成室S1内に残留する窒化ガスがパージされる。なお、ステップST4では、プラズマ生成室S1内に残留する窒化ガスがパージ可能であればよく、窒化ガス供給部とは異なるガス供給部によりパージガスが供給されてもよい。 In step ST4, the purge gas is supplied into the plasma generation chamber S1 by the nitriding gas supply unit. The purge gas may be, for example, the same as the gas used in step ST2. In step ST4, the nitriding gas remaining in the plasma generation chamber S1 is purged. In step ST4, the nitriding gas remaining in the plasma generation chamber S1 may be purged, and the purge gas may be supplied by a gas supply unit different from the nitriding gas supply unit.
ステップST5では、制御部100は、ステップST1からステップST4までの工程(以下「第1のALDサイクル」という。)が所定回数実行されたか否かを判定する。所定回数とは、レシピ等により定められた回数であり、例えば100〜200回であってよい。ステップST5において、第1のALDサイクルが所定回数実行されていないと制御部100が判定した場合、ステップST1へ戻り、原料ガス供給部による原料ガスの供給が行われる。一方、ステップST5において、第1のALDサイクルが所定回数実行されたと制御部100が判定した場合、ステップST6へ進む。
In step ST5, the
ステップST6では、原料ガス供給部により成膜室S2内に第2の原料ガスが供給される。第2の原料ガスは、例えばTMG、GaCl3等のGa含有ガス及びTMI等のIn含有ガスを含む混合ガスである。第2の原料ガスは、第1の原料ガスと同じガスであってもよく、第1の原料ガスと異なるガスであってもよい。ステップST6により、第1のALDサイクルが所定回数実行されることで基板Wの上に形成されたInGaN膜の上に、Ga及びInを含む膜が形成される。 In step ST6, the second source gas is supplied into the film forming chamber S2 by the source gas supply unit. The second source gas is, for example, a mixed gas containing Ga-containing gas such as TMG and GaCl 3 and In-containing gas such as TMI. The second source gas may be the same gas as the first source gas, or may be a gas different from the first source gas. By step ST6, a film containing Ga and In is formed on the InGaN film formed on the substrate W by performing the first ALD cycle a predetermined number of times.
ステップST7では、原料ガス供給部により成膜室S2内にパージガスが供給される。パージガスは、例えばステップST2で用いたガスと同様であってよい。ステップST7により、成膜室S2内に残留する第2の原料ガスがパージされる。なお、ステップST7では、成膜室S2内に残留する第2の原料ガスがパージ可能であればよく、原料ガス供給部とは異なるガス供給部によりパージガスが供給されてもよい。 In step ST7, the purge gas is supplied into the film forming chamber S2 by the source gas supply unit. The purge gas may be, for example, the same as the gas used in step ST2. In step ST7, the second source gas remaining in the film forming chamber S2 is purged. In step ST7, the second source gas remaining in the film forming chamber S2 may be purged, and the purge gas may be supplied from a gas supply unit different from the source gas supply unit.
ステップST8では、窒化ガス供給部及び水素含有ガス供給部によりプラズマ生成室S1内にそれぞれ窒化ガス及び水素含有ガスが供給され、プラズマ発生部20の高周波電源によりアンテナに対して高周波電力が印加される。また、バイアス電源PGにより仕切り板40にバイアス電力が印加される。窒化ガスは、例えばN2ガスであってよく、水素含有ガスは、例えばH2ガスであってよい。ステップST8により、基板Wに対して窒素原子及び水素原子を含む中性粒子ビームが照射され、基板Wの上に形成されたGa及びInを含む膜と窒素原子及び水素原子を含む中性粒子とが反応してInGaN膜が形成される。
In step ST8, the nitriding gas supply unit and the hydrogen containing gas supply unit respectively supply the nitriding gas and the hydrogen containing gas into the plasma generation chamber S1, and the high frequency power supply of the
ステップST9では、窒化ガス供給部及び水素含有ガス供給部によりプラズマ生成室S1内にパージガスが供給される。パージガスは、例えばステップST2で用いたガスと同様であってよい。ステップST9により、プラズマ生成室S1内に残留する窒化ガス及び水素含有ガスがパージされる。なお、ステップST9では、プラズマ生成室S1内に残留する窒化ガス及び水素含有ガスがパージ可能であればよく、窒化ガス供給部及び水素含有ガス供給部のいずれかによりパージガスが供給されてもよい。また、窒化ガス供給部及び水素含有ガス供給部とは異なるガス供給部によりパージガスが供給されてもよい。 In step ST9, the purge gas is supplied into the plasma generation chamber S1 by the nitriding gas supply unit and the hydrogen-containing gas supply unit. The purge gas may be, for example, the same as the gas used in step ST2. In step ST9, the nitriding gas and the hydrogen-containing gas remaining in the plasma generation chamber S1 are purged. In step ST9, the nitriding gas and the hydrogen-containing gas remaining in the plasma generation chamber S1 may be purged, and the purge gas may be supplied from either the nitriding gas supply unit or the hydrogen-containing gas supply unit. Further, the purge gas may be supplied by a gas supply unit different from the nitriding gas supply unit and the hydrogen-containing gas supply unit.
ステップST10では、制御部100は、ステップST6からステップST9までの工程(以下「第2のALDサイクル」という。)が所定回数実行されたか否かを判定する。所定回数とは、レシピ等により定められた回数であり、例えば1000〜2000回であってよい。ステップST10において、第2のALDサイクルが所定回数実行されていないと制御部100が判定した場合、ステップST6へ戻り、原料ガス供給部による原料ガスの供給が行われる。一方、ステップST10において、第2のALDサイクルが所定回数実行されたと制御部100が判定した場合、ステップST11へ進む。
In step ST10, the
ステップST11では、制御部100は、所定回数実行された第1のALDサイクルと所定回数実行された第2のALDサイクルとを含む積層サイクルが所定回数実行されたか否かを判定する。所定回数は、レシピ等により定められた回数であり、1回であってもよく、複数回であってもよい。ステップST11において、積層サイクルが所定回数実行されていないと制御部100が判定した場合、ステップST1へ戻り、原料ガス供給部による原料ガスの供給が行われる。一方、ステップST11において、積層サイクルが所定回数実行されたと制御部100が判定した場合、処理を終了する。このようにして、基板Wの上にInGaN膜が形成される。
In step ST11, the
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物膜の形成方法では、まず、基板Wに対し、原料ガスの供給と窒素原子を含み水素原子を含まない中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返すことで、基板Wの上にInGaN膜を形成する。その後、原料ガスの供給と窒素原子及び水素原子を含む中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返すことで、InGaNの薄膜の上にInGaN膜を更に形成する。このように、基板Wの表面が露出している成膜の初期段階では、水素原子を含まない中性粒子ビームを基板Wに照射するため、基板Wの表面からの酸素の脱離を抑制でき、InGaN膜中に酸素が取り込まれるのを抑制できる。但し、初期段階において活性な水素が存在しないため、InGaN膜中に原料ガス等に起因する炭素等の不純物が混入しやすい。しかしながら、成膜の初期段階の後、窒素原子及び水素原子を含む中性粒子ビームを基板Wに照射するので、この段階で成膜されるInGaN膜中に含まれる炭素及び初期段階に形成されたInGaN膜中に含まれる炭素等の不純物は活性な水素によって脱離する。この場合は、基板Wまで活性な水素は到達せず、基板W側からの酸素の発生はない。その結果、最終的に形成されたInGaN膜中の酸素濃度及び炭素濃度が低く(不純物が少なく)、高品質なInGaN膜を形成できる。 As described above, in the nitride film forming method according to the embodiment of the present invention, first, the substrate W is supplied with a source gas and irradiated with a neutral particle beam containing nitrogen atoms and containing no hydrogen atoms. Are alternately repeated to form an InGaN film on the substrate W. Thereafter, by alternately repeating the supply of the source gas and the irradiation of the neutral particle beam containing nitrogen atoms and hydrogen atoms, an InGaN film is further formed on the InGaN thin film. As described above, in the initial stage of film formation in which the surface of the substrate W is exposed, the neutral particle beam not containing hydrogen atoms is irradiated to the substrate W, so that desorption of oxygen from the surface of the substrate W can be suppressed. In addition, the incorporation of oxygen into the InGaN film can be suppressed. However, since no active hydrogen is present at the initial stage, impurities such as carbon resulting from the source gas and the like are easily mixed in the InGaN film. However, since the substrate W is irradiated with a neutral particle beam containing nitrogen atoms and hydrogen atoms after the initial stage of film formation, carbon contained in the InGaN film to be formed at this stage and formed in the initial stage Impurities such as carbon contained in the InGaN film are eliminated by active hydrogen. In this case, active hydrogen does not reach the substrate W, and no oxygen is generated from the substrate W side. As a result, the oxygen concentration and the carbon concentration in the finally formed InGaN film are low (there are few impurities), and a high quality InGaN film can be formed.
(実施例1)
実施例1では、基板温度を30℃に設定し、TMG及びTMIの混合ガスの供給と、N及びHを含む中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返してInGaN膜を形成し、InGaN膜中のIn/(In+Ga)及びバンドギャップエネルギー(eV)を測定した。なお、実施例1では、TMGとTMIの混合比率を変更して複数のInGaN膜を形成した。
Example 1
In Example 1, the substrate temperature is set to 30 ° C., the supply of the mixed gas of TMG and TMI, and the irradiation of the neutral particle beam containing N and H are alternately repeated to form an InGaN film, and the InGaN film is formed. In / (In + Ga) and band gap energy (eV) were measured. In Example 1, the mixture ratio of TMG and TMI was changed to form a plurality of InGaN films.
図3は、InGaN膜の特性を示す図である。図3において、横軸はInGaN膜中のIn/(In+Ga)を示し、縦軸はInGaN膜のバンドギャップエネルギーEg(eV)を示す。 FIG. 3 is a diagram showing the characteristics of the InGaN film. In FIG. 3, the horizontal axis indicates In / (In + Ga) in the InGaN film, and the vertical axis indicates the band gap energy Eg (eV) of the InGaN film.
図3に示されるように、TMGとTMIの混合比率を変更することで、InGaN膜中のIn/(In+Ga)を調整できることが分かる。特に、実施例1では、MOCVD法による高温成膜では形成することが困難なIn/(In+Ga)が0.5以上のInGaN膜を形成できることが確認できた。また、In/(In+Ga)が0.5以上のInGaN膜において、表面の二乗平均粗さ(RMS)は0.13nm程度、炭素不純物濃度は0.07at%と、検出限界を考慮すればほぼ0at%であった。これらの値は、成膜温度を200℃としてPECVD法により形成されるInGaN膜よりも良好な値であった。 As shown in FIG. 3, it can be seen that the In / (In + Ga) in the InGaN film can be adjusted by changing the mixing ratio of TMG and TMI. In particular, in Example 1, it has been confirmed that an InGaN film in which In / (In + Ga), which is difficult to form by high temperature film formation by the MOCVD method, is 0.5 or more can be formed. In addition, in the InGaN film where In / (In + Ga) is 0.5 or more, the root mean square roughness (RMS) of the surface is about 0.13 nm, the carbon impurity concentration is 0.07 at%, which is about 0 att considering the detection limit %Met. These values were better than those of the InGaN film formed by the PECVD method at a film formation temperature of 200 ° C.
また、図3に示されるように、In/(In+Ga)が大きくなるにつれて、バンドギャップエネルギーEgが小さくなっていることが分かる。このことから、GaN結晶中のGaがInに置換され、GaとInとが合金化していると考えられる。 Further, as shown in FIG. 3, it can be seen that the band gap energy Eg decreases as In / (In + Ga) increases. From this, it is considered that Ga in the GaN crystal is replaced with In, and Ga and In are alloyed.
(実施例2)
実施例2では、基板温度を30℃に設定したサファイア基板に、TMGの供給と、N及びHを含む中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返してInGaN膜を形成し、InGaN膜中の酸素及び炭素の原子濃度を測定した。なお、実施例2では、TMGの供給時間が0.5秒、1秒、2秒の場合について、評価を行った。また、中性粒子ビームの照射については、N2ガスとH2ガスの合計の流量に対するN2ガスの流量の割合(以下「N2/(N2+H2)」という。)を0.5、照射時間を5秒とした。
(Example 2)
In Example 2, supply of TMG and irradiation of neutral particle beam containing N and H are alternately repeated on a sapphire substrate whose substrate temperature is set to 30 ° C. to form an InGaN film, and oxygen in the InGaN film And the atomic concentration of carbon was measured. In Example 2, the evaluation was performed for the cases where the supply time of TMG is 0.5 seconds, 1 second, and 2 seconds. In addition, for the irradiation of neutral particle beam, the ratio of the flow rate of N 2 gas to the total flow rate of N 2 gas and H 2 gas (hereinafter referred to as “N 2 / (N 2 + H 2 )”) is 0.5. The irradiation time was 5 seconds.
図4は、TMGの供給時間と膜中不純物濃度との関係を示す図である。図4において、横軸はTMGの供給時間(秒)を示し、縦軸は酸素又は炭素の原子濃度(%)を示す。 FIG. 4 is a view showing the relationship between the supply time of TMG and the impurity concentration in the film. In FIG. 4, the horizontal axis shows the supply time (seconds) of TMG, and the vertical axis shows the atomic concentration (%) of oxygen or carbon.
図4に示されるように、N及びHを含む中性粒子ビームを照射することで、InGaN膜中への炭素の混入を1%以下に抑制できることが分かる。また、図4に示されるように、TMGの供給時間を2秒以下とすることで、InGaN膜中への酸素の混入を14%以下に抑制できることが分かる。 As shown in FIG. 4, it can be seen that, by irradiating the neutral particle beam containing N and H, the contamination of carbon in the InGaN film can be suppressed to 1% or less. Further, as shown in FIG. 4, it can be seen that the mixing of oxygen into the InGaN film can be suppressed to 14% or less by setting the supply time of TMG to 2 seconds or less.
(実施例3)
実施例3では、基板温度を30℃に設定したサファイア基板に、TMGの供給と、N及びHを含む中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返してInGaN膜を形成し、InGaN膜中の酸素及び炭素の原子濃度を測定した。なお、実施例3では、中性粒子ビームの照射時間が2.5秒、5秒、10秒、30秒の場合について、評価を行った。また、TMGの供給時間を1秒、中性粒子ビームのN2/(N2+H2)を0.5とした。
(Example 3)
In Example 3, supply of TMG and irradiation of neutral particle beam containing N and H are alternately repeated on a sapphire substrate whose substrate temperature is set to 30 ° C. to form an InGaN film, and oxygen in the InGaN film And the atomic concentration of carbon was measured. In Example 3, the evaluation was performed for the cases where the irradiation time of the neutral particle beam is 2.5 seconds, 5 seconds, 10 seconds, and 30 seconds. Further, the supply time of TMG is set to 1 second, and N 2 / (N 2 + H 2 ) of the neutral particle beam is set to 0.5.
図5は、中性粒子ビームの照射時間と膜中不純物濃度との関係を示す図である。図5において、横軸は中性粒子ビームの照射時間(秒)を示し、縦軸は酸素又は炭素の原子濃度(%)を示す。 FIG. 5 is a view showing the relationship between the irradiation time of the neutral particle beam and the impurity concentration in the film. In FIG. 5, the horizontal axis shows the irradiation time (seconds) of the neutral particle beam, and the vertical axis shows the atomic concentration (%) of oxygen or carbon.
図5に示されるように、中性粒子ビームの照射時間が5秒以下の場合、InGaN膜中の酸素濃度が低く、10%以下であることが分かる。また、中性粒子ビームの照射時間が2.5秒以上の場合、InGaN膜中の炭素濃度が比較的低く、5秒以上の場合、InGaN膜中の炭素濃度がほぼ0%であることが分かる。よって、酸素濃度及び炭素濃度を低減するという観点から、中性粒子ビームの照射時間は、5秒以下であることが好ましく、2.5秒以上5秒以下であることがより好ましく、5秒であることが特に好ましい。 As shown in FIG. 5, when the irradiation time of the neutral particle beam is 5 seconds or less, it can be seen that the oxygen concentration in the InGaN film is low and 10% or less. Also, it can be seen that the carbon concentration in the InGaN film is relatively low when the neutral particle beam irradiation time is 2.5 seconds or more, and the carbon concentration in the InGaN film is almost 0% when the neutral particle beam irradiation time is 5 seconds or more. . Therefore, from the viewpoint of reducing the oxygen concentration and the carbon concentration, the irradiation time of the neutral particle beam is preferably 5 seconds or less, more preferably 2.5 seconds or more and 5 seconds or less, and 5 seconds Being particularly preferred.
(実施例4)
実施例4では、基板温度を30℃に設定したサファイア基板に、TMGの供給と、N及びHを含む中性粒子ビームの照射とを交互に繰り返してInGaN膜を形成し、InGaN膜中の酸素及び炭素の原子濃度を測定した。なお、実施例4では、N2/(N2+H2)が0.3、0.4、0.5、0.8、0.9、1の場合について、評価を行った。また、TMGの供給時間を1秒、中性粒子ビームの照射時間を5秒とした。
(Example 4)
In Example 4, supply of TMG and irradiation of neutral particle beam containing N and H are alternately repeated on a sapphire substrate whose substrate temperature is set to 30 ° C. to form an InGaN film, and oxygen in the InGaN film And the atomic concentration of carbon was measured. In Example 4, N 2 / (N 2 + H 2) is for the case of 0.3,0.4,0.5,0.8,0.9,1 was evaluated. Further, the supply time of TMG was 1 second, and the irradiation time of the neutral particle beam was 5 seconds.
図6は、窒素比率と膜中不純物濃度との関係を示す図である。図6において、横軸はN2/(N2+H2)を示し、縦軸は酸素又は炭素の原子濃度(%)を示す。 FIG. 6 is a view showing the relationship between the nitrogen ratio and the impurity concentration in the film. In FIG. 6, the horizontal axis represents N 2 / (N 2 + H 2 ), and the vertical axis represents the atomic concentration (%) of oxygen or carbon.
図6に示されるように、N2/(N2+H2)の値が1、即ち、N2ガスのみの場合、酸素濃度はほぼ0%であるが、炭素濃度が高くなることが分かる。これは、活性な水素が存在しない条件では、炭素がCHxとなってInGaN膜中から脱離しないためであると考えられる。一方、N2ガスにH2ガスを添加した場合、炭素濃度がほぼ0%であるが、酸素濃度が高くなることが分かる。これは、活性な水素によってInGaN膜中から炭素が脱離するが、活性な水素によって基板表面から酸素が発生し、InGaN膜中に取り込まれていると考えられる。よって、酸素濃度及び炭素濃度を低減するという観点から、N2/(N2+H2)は0.4〜0.8であることが好ましく、0.4であることが特に好ましい。N2/(N2+H2)を0.4〜0.8とすることで、10%以下の酸素濃度及びほぼ0%の炭素濃度を実現できる。また、N2/(N2+H2)を0.4とすることで、特に低い酸素濃度及びほぼ0%の炭素濃度を実現できる。 As shown in FIG. 6, when the value of N 2 / (N 2 + H 2 ) is 1, ie, only N 2 gas, the oxygen concentration is almost 0%, but it can be seen that the carbon concentration becomes high. It is considered that this is because carbon does not desorb from the InGaN film as CHx in the absence of active hydrogen. On the other hand, when H 2 gas is added to N 2 gas, the carbon concentration is almost 0%, but the oxygen concentration is high. It is considered that this is because carbon is desorbed from the InGaN film by active hydrogen, but oxygen is generated from the substrate surface by the active hydrogen and taken into the InGaN film. Therefore, from the viewpoint of reducing the oxygen concentration and the carbon concentration, N 2 / (N 2 + H 2 ) is preferably 0.4 to 0.8, and particularly preferably 0.4. By setting N 2 / (N 2 + H 2 ) to 0.4 to 0.8, an oxygen concentration of 10% or less and a carbon concentration of almost 0% can be realized. In addition, by setting N 2 / (N 2 + H 2 ) to 0.4, a particularly low oxygen concentration and a carbon concentration of approximately 0% can be realized.
(実施例5)
実施例5では、以下に示す成膜条件(A)〜(C)でサファイア基板の上にInGaN膜を形成し、InGaN膜中の酸素及び炭素の原子濃度を測定した。
(Example 5)
In Example 5, an InGaN film was formed on a sapphire substrate under film forming conditions (A) to (C) described below, and the atomic concentrations of oxygen and carbon in the InGaN film were measured.
<成膜条件(A) 第1のALDサイクルのみ>
基板温度:30℃
原料ガス:TMG
原料ガスの供給時間:1秒
N2/(N2+H2):1
中性粒子ビームの照射時間:5秒
<成膜条件(B) 第2のALDサイクルのみ>
基板温度:30℃
原料ガス:TMG
原料ガスの供給時間:1秒
N2/(N2+H2):0.4
中性粒子ビームの照射時間:5秒
<成膜条件(C) 第1のALDサイクル+第2のALDサイクル>
成膜条件(A)と同様の条件で第1のALDサイクルを実行した後、成膜条件(B)と同様の条件で第2のALDサイクルの条件を実行した。
<Deposition condition (A) Only the first ALD cycle>
Substrate temperature: 30 ° C
Source gas: TMG
Feed time of raw material gas: 1 second N 2 / (N 2 + H 2 ): 1
Irradiation time of neutral particle beam: 5 seconds <Deposition condition (B) Only the second ALD cycle>
Substrate temperature: 30 ° C
Source gas: TMG
Feed time of raw material gas: 1 second N 2 / (N 2 + H 2 ): 0.4
Irradiation time of neutral particle beam: 5 seconds <Deposition condition (C) first ALD cycle + second ALD cycle>
After the first ALD cycle was performed under the same conditions as the film forming condition (A), the conditions for the second ALD cycle were performed under the same conditions as the film forming condition (B).
図7は、InGaN膜の膜中不純物濃度を示す図である。図7において、縦軸は酸素又は炭素の元素比率(%)を示す。 FIG. 7 is a view showing the impurity concentration in the InGaN film. In FIG. 7, the vertical axis represents the element ratio (%) of oxygen or carbon.
図7に示されように、第1のALDサイクルを実行した後、第2のALDサイクルを実行することで、InGaN膜中の酸素濃度及び炭素濃度が低く(不純物が少なく)、高品質なInGaN膜を形成できることが確認できた。 As shown in FIG. 7, by performing the second ALD cycle after performing the first ALD cycle, the oxygen concentration and the carbon concentration in the InGaN film are low (with few impurities), and high-quality InGaN is obtained. It has been confirmed that a film can be formed.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention, A various deformation | transformation and improvement are possible within the scope of the present invention.
上記の実施形態では、窒化物膜としてInGaN膜を例に挙げて説明したが、これに限定されず、本発明に係る窒化物膜の形成方法は、例えばSiN膜、TiN膜等の他の窒化物膜を形成する場合にも適用可能である。 In the above embodiment, the InGaN film has been described as an example of the nitride film, but the present invention is not limited to this. The nitride film forming method according to the present invention may be, for example, another nitride film such as a SiN film or TiN film. It is applicable also when forming an object film.
1 成膜装置
12 処理容器
20 プラズマ発生部
40 仕切り板
S1 プラズマ生成室
S2 成膜室
W 基板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板に窒素原子を含み水素原子を含まない中性粒子ビームを照射する第1の照射ステップと、
を含む処理により、前記基板の上に第1の窒化物膜を形成する第1の膜形成工程と、
前記基板に第2の原料ガスを供給する第2の供給ステップと、
前記基板に窒素原子と水素原子とを含む中性粒子ビームを照射する第2の照射ステップと、
を含む処理により、前記第1の窒化物膜の上に第2の窒化物膜を形成する第2の膜形成工程と、
を有する、
窒化物膜の形成方法。 A first supply step of supplying a first source gas to the substrate;
A first irradiation step of irradiating the substrate with a neutral particle beam containing nitrogen atoms and not containing hydrogen atoms;
Forming a first nitride film on the substrate by a process including
Supplying a second source gas to the substrate;
A second irradiation step of irradiating the substrate with a neutral particle beam containing nitrogen atoms and hydrogen atoms;
Forming a second nitride film on the first nitride film by a process including
Have
Method of forming a nitride film.
前記第2の膜形成工程は、前記第2の供給ステップと前記第2の照射ステップとを交互に繰り返す工程である、
請求項1に記載の窒化物膜の形成方法。 The first film forming step is a step of alternately repeating the first supply step and the first irradiation step.
The second film forming step is a step of alternately repeating the second supply step and the second irradiation step.
A method of forming a nitride film according to claim 1.
請求項2に記載の窒化物膜の形成方法。 The number of times of alternately repeating the first supply step and the first irradiation step is smaller than the number of times of alternately repeating the second supply step and the second irradiation step.
A method of forming a nitride film according to claim 2.
前記第2の膜形成工程は、前記第2の供給ステップの後に、前記第2の原料ガスをパージする第2のパージステップを含む、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の窒化物膜の形成方法。 The first film forming step includes a first purge step of purging the first source gas after the first supply step,
The second film formation step includes a second purge step of purging the second source gas after the second supply step.
A method of forming a nitride film according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の窒化物膜の形成方法。 Alternately repeating the first film forming process and the second film forming process;
A method of forming a nitride film according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の窒化物膜の形成方法。 The first source gas and the second source gas are gases containing a Ga-containing gas and an In-containing gas.
A method of forming a nitride film according to any one of claims 1 to 5.
前記In含有ガスは、トリメチルインジウム(TMI)である、
請求項6に記載の窒化物膜の形成方法。 The Ga-containing gas is trimethylgallium (TMG) or gallium chloride (GaCl 3 ),
The In-containing gas is trimethylindium (TMI),
A method of forming a nitride film according to claim 6.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の窒化物膜の形成方法。 The second source gas is the same gas as the first source gas,
A method of forming a nitride film according to any one of claims 1 to 7.
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の窒化物膜の形成方法。 The substrate is a sapphire substrate,
A method of forming a nitride film according to any one of claims 1 to 8.
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2017
- 2017-11-08 JP JP2017215872A patent/JP2019085624A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023008295A1 (en) * | 2021-07-30 | 2023-02-02 | 株式会社Screenホールディングス | Method for producing group iii-nitride semiconductor |
| JP2023020168A (en) * | 2021-07-30 | 2023-02-09 | 株式会社Screenホールディングス | Method for manufacturing group iii nitride semiconductor |
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