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JP3479041B2 - Method for producing group III metal nitride thin film - Google Patents

Method for producing group III metal nitride thin film

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JP3479041B2
JP3479041B2 JP2000364147A JP2000364147A JP3479041B2 JP 3479041 B2 JP3479041 B2 JP 3479041B2 JP 2000364147 A JP2000364147 A JP 2000364147A JP 2000364147 A JP2000364147 A JP 2000364147A JP 3479041 B2 JP3479041 B2 JP 3479041B2
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thin film
vapor deposition
chemical vapor
group iii
substrate
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同和 琴
志華 李
鎮相 金
柱成 金
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コリア インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、活性状態の窒素原
子(N*、以下「活性化窒素原子」という)を窒素供給
源として使用して、有機金属化合物化学蒸着法(Organo
metallic Compound Chemical Vapor Deposition Metho
d;以下「MOCVD法 」という)により、基板上にII
I族金属窒化物を形成する方法に関する。より具体的に
は、本発明は、III族元素の供給源として有機金属化合
物1種以上およびV族元素である窒素の供給源として活
性化窒素原子を使用して、700℃〜1,000℃の比
較的低い温度の基板上にIII族金属窒化物薄膜を化学蒸
着させて、単結晶、非晶質または多結晶のIII族金属窒
化物薄膜を成長させるMOCVD法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention uses an activated nitrogen atom (N * , hereinafter referred to as "activated nitrogen atom") as a nitrogen supply source to perform a metal organic chemical vapor deposition method.
metallic Compound Chemical Vapor Deposition Metho
d; hereinafter referred to as “MOCVD method”) II on the substrate
A method for forming a Group I metal nitride. More specifically, the present invention uses one or more organometallic compounds as a source of a group III element and activated nitrogen atoms as a source of nitrogen that is a group V element, and is 700 ° C to 1,000 ° C. The chemical vapor deposition of a group III metal nitride thin film on a substrate at a relatively low temperature of 3 to grow a single crystal, amorphous or polycrystalline group III metal nitride thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】通常、基板上に、窒化物系化合物半導体
素子としてのIII族金属窒化物薄膜を成長させるために
は、MOCVD法が用いられている。この時、III族元
素の供給源として、アルキル基、たとえばメチル基また
はエチル基、を有する有機金属化合物が、V族元素であ
る窒素の供給源として、アンモニア(NH3)ガスが用
いられている。
2. Description of the Related Art Generally, the MOCVD method is used to grow a group III metal nitride thin film as a nitride compound semiconductor device on a substrate. At this time, an organometallic compound having an alkyl group such as a methyl group or an ethyl group is used as a supply source of the group III element, and ammonia (NH 3 ) gas is used as a supply source of nitrogen which is a group V element. .

【0003】しかしながら、基板上にIII族金属窒化物
薄膜を成長させるMOCVD法において、窒素供給源と
してアンモニアを使用する場合には、次のような問題点
があった。
However, in the MOCVD method for growing a Group III metal nitride thin film on a substrate, when ammonia is used as a nitrogen supply source, there are the following problems.

【0004】第一に、アンモニアは、窒素と水素のN−
H結合力が非常に強く、1,000℃におけるアンモニ
アの平衡分圧は0.76mmHg以下と非常に小さい。した
がって、有機金属化合物の解離温度は、たかだか500
℃程度と低温であるにもかかわらず、アンモニアを熱分
解させて窒素原子を十分供給するためには、窒化物薄膜
形成温度、すなわち基板の温度、を1,000℃以上の
高温に加熱しなければならなかった。
First, ammonia is N-containing nitrogen and hydrogen.
The H-bonding force is very strong, and the equilibrium partial pressure of ammonia at 1,000 ° C is 0.76 mmHg or less, which is very small. Therefore, the dissociation temperature of the organometallic compound is at most 500.
Despite the low temperature of about ℃, in order to thermally decompose ammonia and supply nitrogen atoms sufficiently, the nitride thin film formation temperature, that is, the temperature of the substrate must be heated to a high temperature of 1,000 ℃ or more. I had to do it.

【0005】第二に、アンモニアを熱分解して得られた
窒素原子(N)と水素原子(H)は寿命が短いため、分
解と同時に再結合が起こり、再びアンモニアを生成す
る。したがって、III族元素の供給源である有機金属化
合物の解離温度と、窒素供給源としてのアンモニアの熱
分解温度と、の不均衡を克服するために、有機金属化合
物量の500〜1000倍程度に相当する、必要量より
はるかに多量のアンモニアを供給しなければならなかっ
た。また、このような過剰量のアンモニアを使用するに
もかかわらず、III族金属窒化物薄膜成長における窒素
欠乏が依然として問題となっていた。
Secondly, since the nitrogen atom (N) and hydrogen atom (H) obtained by thermally decomposing ammonia have a short life, recombination occurs at the same time as decomposition and ammonia is again produced. Therefore, in order to overcome the imbalance between the dissociation temperature of the organometallic compound that is the source of the group III element and the thermal decomposition temperature of ammonia that is the nitrogen source, the amount of the organometallic compound is set to about 500 to 1000 times the amount. A corresponding, much larger amount of ammonia had to be supplied than required. Further, despite the use of such an excessive amount of ammonia, nitrogen deficiency in the growth of the Group III metal nitride thin film remains a problem.

【0006】第三に、多量の未分解アンモニア、または
一時的に分解したのち再結合したアンモニアがそのまま
排気されるため、化学蒸着反応後に、アンモニアを回収
または再処理するための特別な装置が必要になり、さら
に真空ポンプを定期的に掃除しなければならないという
問題があった。
Thirdly, since a large amount of undecomposed ammonia or ammonia that has been temporarily decomposed and then recombined is exhausted as it is, a special device for recovering or reprocessing ammonia after the chemical vapor deposition reaction is required. Then, there was a problem that the vacuum pump had to be regularly cleaned.

【0007】一方、従来のMOCVD法によりIII族金
属窒化物薄膜を成長させるためには、化学蒸着反応温度
が1,000℃以上の高温でなければならない。このた
め、基板として、1,000℃以上の高温でも安定な材
料、たとえばサファイア(α−Al23)を使用しなけ
ればならないという制約があった。
On the other hand, in order to grow a Group III metal nitride thin film by the conventional MOCVD method, the chemical vapor deposition reaction temperature must be as high as 1,000 ° C. or higher. Therefore, there is a constraint that a material that is stable even at a high temperature of 1,000 ° C. or more, for example, sapphire (α-Al 2 O 3 ) must be used as the substrate.

【0008】また、基板材料と蒸着される窒化物とは、
相互に異なる格子常数と熱膨張係数を有するため、基板
上に、その基板と特定の方位関係を有する単結晶薄膜で
あるエピタキシャル薄膜を成長させることが困難であ
り、多結晶形態の窒化物薄膜が形成されるのが一般的で
あった。エピタキシャル薄膜が成長する場合にも、形成
した窒化物薄膜は、電位密度が高く、積層欠陥のような
格子欠陥が多発し、また残留応力が高いので、ひどい場
合には室温に冷却させた薄膜層にクラックが多数発生す
る。たとえば、従来のMOCVD法で成長させたGaN
薄膜は、108〜109/cm2の電位密度を有し、格子欠陥
が多発し、電気的および光学的性質が不良であるという
問題があった。
The substrate material and the deposited nitride are
Since they have different lattice constants and coefficients of thermal expansion, it is difficult to grow an epitaxial thin film, which is a single crystal thin film having a specific azimuth relationship with the substrate, on the substrate. It was generally formed. Even when an epitaxial thin film grows, the formed nitride thin film has a high potential density, many lattice defects such as stacking faults, and high residual stress. A lot of cracks occur in the. For example, GaN grown by conventional MOCVD method
The thin film has a potential density of 10 8 to 10 9 / cm 2 , has a lot of lattice defects, and has a problem of poor electrical and optical properties.

【0009】したがって、GaNのような窒化物のエピ
タキシャル薄膜形成において、格子欠陥の発生頻度を抑
えるために、MOCVD法を改善するための種々の試み
がされてきた。たとえば、緩衝層を成長させたり、窒化
処理法のような基板の前処理方法などが開発されてお
り、LOG法(Lateral Over Growth)または多段階成
長法のような新しい製造方法に関する研究も行なわれて
いる。しかしながら、これらの方法でも、上述したMO
CVD法に基づく問題点を完全に解決するには至ってい
ない。
Therefore, various attempts have been made to improve the MOCVD method in order to suppress the frequency of occurrence of lattice defects in forming an epitaxial thin film of a nitride such as GaN. For example, a method for growing a buffer layer, a pretreatment method for a substrate such as a nitriding method, and the like have been developed, and research on a new manufacturing method such as a LOG method (Lateral Over Growth) or a multi-step growth method has been conducted. ing. However, even with these methods, the above-mentioned MO
The problems based on the CVD method have not been completely solved.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、従来の
MOCVD法における上述の問題点を解決するために鋭
意研究を重ねた結果、窒素の供給源として活性化窒素原
子を使用することにより、基板温度が約700℃〜1,
000℃程度の比較的低温であっても、基板上に単結
晶、非晶質または多結晶のIII族金属窒化物薄膜を形成
し得ることを見出して本発明を完成するに至った。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have conducted extensive studies to solve the above-mentioned problems in the conventional MOCVD method, and as a result, by using activated nitrogen atoms as a nitrogen source, , The substrate temperature is about 700 ℃ -1,
The present invention has been completed by finding that a single crystal, amorphous or polycrystalline Group III metal nitride thin film can be formed on a substrate even at a relatively low temperature of about 000 ° C.

【0011】すなわち、本発明の目的は、窒素の供給源
として、アンモニアに代わり活性化窒素原子を使用し
て、基板上にIII族金属窒化物薄膜を成長させるMOC
VD法を提供することである。
That is, an object of the present invention is to grow a group III metal nitride thin film on a substrate by using activated nitrogen atoms instead of ammonia as a nitrogen source.
It is to provide a VD method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の本発明の目的は、
基板上にIII族金属窒化物薄膜を成長させるMOCVD
法において、窒素の供給源として活性化窒素原子、特に
誘電体障壁放電を用いて活性化させた窒素原子を使用す
ることにより達成することができる。
The above object of the present invention is to:
MOCVD for growing group III metal nitride thin films on substrates
In the method, it can be achieved by using activated nitrogen atoms as a source of nitrogen, especially nitrogen atoms activated using a dielectric barrier discharge.

【0013】本発明によると、III族金属元素の供給源
として有機金属化合物1種以上を使用し、窒素の供給源
として活性化窒素原子を使用して、化学蒸着反応器内の
基板の温度を約700℃〜1,000℃にして化学蒸着
反応させることを特徴とする、基板上にIII族金属窒化
物薄膜を成長させる方法が提供される。
According to the present invention, the temperature of the substrate in the chemical vapor deposition reactor is controlled by using at least one organometallic compound as a source of the group III metal element and activated nitrogen atoms as a source of nitrogen. A method for growing a Group III metal nitride thin film on a substrate is provided, which comprises performing a chemical vapor deposition reaction at about 700 ° C to 1,000 ° C.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の方法において、III族金
属元素としては、Al、GaまたはInなどがあげられ
る。また、これらの有機金属化合物として、アルキル
基、たとえばメチル基またはエチル基を有する有機金属
化合物、たとえば、トリメチルアルミニウム、トリエチ
ルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリ
ウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウムが
あげられる。これらの有機金属化合物は、単独でも、ま
たその混合物でも使用することができる。後者は、特
に、AlGaN、GaInNのような化合物半導体素子
を製造する際に、必要である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the method of the present invention, the Group III metal element may be Al, Ga, In or the like. Further, examples of these organometallic compounds include organometallic compounds having an alkyl group such as a methyl group or an ethyl group, such as trimethylaluminum, triethylaluminum, trimethylgallium, triethylgallium, trimethylindium, and triethylindium. These organometallic compounds can be used alone or in a mixture thereof. The latter is necessary especially when manufacturing compound semiconductor devices such as AlGaN and GaInN.

【0015】V族元素である窒素の供給源には、活性化
窒素原子が用いられる。活性化窒素原子は、活性化状態
の窒素原子を意味しており、活性化窒素原子供給装置を
用いて生成することができる。活性化窒素原子供給装置
は、活性化窒素原子を発生させる装置であれば、いずれ
のものを使用することができる。望ましくは、いわゆる
誘電体障壁放電反応(Dielectric Barrier Discharge:
DBD)を起こす装置である。ここで、誘電体障壁放電
とは、0.1〜5mmの間隔で離隔された金属電極と高誘
電率物質の間の誘電体障壁に、周波数50〜1,000
kHzの交流電源を印加し、誘電体に導電された電荷を瞬
間的に放電させる電子衝撃(マイクロ放電反応)を連続
的に起こすことを意味する。
Activated nitrogen atoms are used as a supply source of nitrogen which is a group V element. The activated nitrogen atom means an activated nitrogen atom, and can be generated by using an activated nitrogen atom supply device. As the activated nitrogen atom supply device, any device can be used as long as it is a device that generates activated nitrogen atoms. Desirably, the so-called Dielectric Barrier Discharge:
It is a device that causes DBD). Here, the dielectric barrier discharge refers to a dielectric barrier between a metal electrode and a high dielectric constant material that is separated by an interval of 0.1 to 5 mm and has a frequency of 50 to 1,000.
It means that an AC impact of kHz is applied to continuously generate electron impact (micro-discharge reaction) that instantaneously discharges the electric charge conducted to the dielectric.

【0016】誘電体障壁反応により活性化窒素原子を発
生させる場合、窒素ガスを、0.1〜5mmの間隔で離隔
された金属電極と高誘電率物質の間の誘電体障壁に、周
波数50〜1,000kHzの交流電源を印加しながら通
過させる。この時、誘電体障壁放電が起こり、窒素ガス
は次の反応式により、原子(N)、活性状態の原子(N
*)、原子イオンもしくは分子イオン(N+、N2 +)、ま
たは活性状態の分子(N2 *)等に分解される。 N2 + e- → N、N*、N+、N2 +、N2 *
When activated nitrogen atoms are generated by the dielectric barrier reaction, nitrogen gas is applied to the dielectric barrier between the metal electrode and the high dielectric constant material, which is separated by an interval of 0.1 to 5 mm, at a frequency of 50 to 50. Pass the AC power of 1,000 kHz while applying it. At this time, dielectric barrier discharge occurs, and the nitrogen gas is converted into atoms (N) and active atoms (N) according to the following reaction formula.
* ), Atomic ions or molecular ions (N + , N 2 + ) or active molecules (N 2 * ). N 2 + e → N, N * , N + , N 2 + , N 2 *

【0017】このように誘電体障壁放電で分解された原
子(N、N*)、活性状態の分子(N2 *)、およびイオ
ン(N2 +、N+)は、それぞれ次の反応経路を通して再
結合し、最終的に分子状態の窒素に還元される。
The atoms (N, N * ), active molecules (N 2 * ), and ions (N 2 + , N + ) decomposed by the dielectric barrier discharge in this way pass through the following reaction paths, respectively. It is recombined and finally reduced to molecular nitrogen.

【0018】 N + N → N2* +N* → N2 + hν(黄色) N2 * +e- →N+ 2 + 2e-2 + +e- →N+ + N + 2e-+ + 2e- →N2+ hν[0018] N + N → N 2 N * + N * → N 2 + hν ( yellow) N 2 * + e - → N + 2 + 2e - N 2 + + e - → N + + N + 2e - N + + 2e - → N 2 + hν

【0019】誘電体障壁放電領域を通過するガスは、活
性状態の窒素原子(N*)と窒素分子(N2 *)で構成さ
れ、時間の経過とともに全てが分子状態の窒素(N2
に回帰する。活性状態の原子の寿命は約9msであり、イ
オンの寿命の約10nsに比べて約1000倍程度長い。
したがって、窒素イオンの再結合反応は、窒素原子の再
結合反応に比べてはるかに速く進行する。特に、活性化
窒素原子(N*)の再結合反応過程は、黄色発光反応で
観察することができるので、NO−滴定法で分析する
と、活性化窒素原子の存在およびその生成量を正確に分
析することができる。
The gas passing through the dielectric barrier discharge region is composed of active nitrogen atoms (N * ) and nitrogen molecules (N 2 * ), and with the passage of time, all of them are molecular nitrogen (N 2 ).
Return to. The lifetime of atoms in the active state is about 9 ms, which is about 1000 times longer than the lifetime of ions, which is about 10 ns.
Therefore, the recombination reaction of nitrogen ions proceeds much faster than the recombination reaction of nitrogen atoms. In particular, since the recombination reaction process of the activated nitrogen atom (N * ) can be observed by the yellow luminescence reaction, the presence of the activated nitrogen atom and its production amount can be accurately analyzed by the NO-titration method. can do.

【0020】誘電体障壁放電により製造された活性化窒
素原子の生成量は、誘電体障壁の間隔、窒素ガスの流入
量、誘電体障壁に印加される電力、周波数および化学蒸
着反応器の圧力により変化する。たとえば、窒素流入量
1L/分であり、誘電体障壁印加電力が100Wであ
る場合、活性化窒素原子の量は4×10+18個/秒で検
出される。この検出量は2.4μmol/分に相当する。
The amount of activated nitrogen atoms produced by the dielectric barrier discharge depends on the distance between the dielectric barriers, the inflow amount of nitrogen gas, the power applied to the dielectric barriers, the frequency and the pressure of the chemical vapor deposition reactor. Change. For example, when the nitrogen inflow is 1 L / min and the dielectric barrier applied power is 100 W, the amount of activated nitrogen atoms is detected at 4 × 10 + 18 / sec. This detected amount corresponds to 2.4 μmol / min.

【0021】本発明では、活性化窒素原子は、活性化窒
素原子供給装置から化学蒸着反応器へと供給される。こ
の時、化学蒸着反応器の内部圧力は、活性化窒素原子を
生成する領域の圧力(100〜400mmHg)より低い約
10〜100mmHgであるので、生成された活性化窒素原
子は、圧力が低い化学蒸着反応器へと自然に供給され
る。
In the present invention, activated nitrogen atoms are supplied from the activated nitrogen atom supply device to the chemical vapor deposition reactor. At this time, the internal pressure of the chemical vapor deposition reactor is about 10 to 100 mmHg, which is lower than the pressure (100 to 400 mmHg ) in the area where activated nitrogen atoms are generated. Naturally fed to a low chemical vapor deposition reactor.

【0022】活性化窒素原子供給装置としては、水平式
の石英管反応装置または垂直式のステンレスチャンバを
使用することができる。両装置の差異は、基板材料に活
性化窒素原子を供給する方法と装置の幾何学的な配列に
ある。
As the activated nitrogen atom supply device, a horizontal quartz tube reactor or a vertical stainless chamber can be used. The difference between the two devices lies in the geometric arrangement of the method and the device for supplying activated nitrogen atoms to the substrate material.

【0023】本発明によると、III族金属窒化物薄膜を
形成させるための活性化窒素原子を熱分解方式で供給し
ないので、従来のアンモニアを使用する場合のように高
温に加熱する必要がない。したがって、化学蒸着反応を
約700℃〜1,000℃の比較的低温で行わせること
ができるので、基板材料として、1,000℃以上の高
温でも安定な単結晶形サファイア(α−Al23)のみ
ならず、シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)
もしくは石英ウェハー、またはシリカガラス(SiO2
−ガラス)などを使用することができる。
According to the present invention, the activated nitrogen atoms for forming the Group III metal nitride thin film are not supplied by the thermal decomposition method, so that it is not necessary to heat them to a high temperature as in the case of using conventional ammonia. Therefore, since the chemical vapor deposition reaction can be performed at a relatively low temperature of about 700 ° C. to 1,000 ° C., a single crystal sapphire (α-Al 2 O) stable as a substrate material even at a high temperature of 1,000 ° C. or higher is used. 3 ) Not only silicon (Si), gallium arsenide (GaAs)
Or quartz wafer or silica glass (SiO 2
-Glass) and the like can be used.

【0024】本発明において、化学蒸着反応器内の基板
の温度は、目的とする窒化物薄膜の品質とその他の工程
条件により決定されるが、一般に約700℃〜1,00
0℃が好ましい。
In the present invention, the temperature of the substrate in the chemical vapor deposition reactor is determined by the desired quality of the nitride thin film and other process conditions, but is generally about 700 ° C. to 1,000 ° C.
0 ° C is preferred.

【0025】また、有機金属化学蒸着反応器の圧力は、
約10〜100mmHg(1,333〜13,330N/m
2)に維持し、基板の表面を不純物が全くない状態に維
持する。
The pressure of the metalorganic chemical vapor deposition reactor is
About 10-100mmHg (1,333-13,330N / m
2 ) to keep the surface of the substrate free of impurities.

【0026】本発明によれば、III族金属元素の供給源
である有機金属化合物は、キャリアガスである窒素ガス
または水素ガスでバブリングした後、数十μmol/分程
度の流量で化学蒸着反応器に供給される。この供給量
は、活性化窒素原子供給装置から化学蒸着反応器に供給
される活性化窒素原子の量に相当する水準である。
According to the present invention, the organometallic compound, which is the supply source of the group III metal element, is bubbled with nitrogen gas or hydrogen gas which is a carrier gas, and then the chemical vapor deposition reactor is supplied at a flow rate of several tens of μmol / min. Is supplied to. This supply amount is at a level corresponding to the amount of activated nitrogen atoms supplied from the activated nitrogen atom supply device to the chemical vapor deposition reactor.

【0027】キャリアガスは、従来のMOCVD法と同
様に、窒化物薄膜の形成反応を制御するために、有機金
属化合物と共に化学蒸着反応器に流す気体であり、適切
な量の窒素ガスまたは水素ガスを用いることができる。
III族元素の有機金属化合物が十分解離される程度に加
熱された容器にキャリアガスを流すことにより、基板に
供給される有機金属化合物の流量を調節することができ
る。キャリアガスの流量は、基板の温度、反応器の圧
力、反応気体の供給方法などにより調節される。
As in the conventional MOCVD method, the carrier gas is a gas which flows into the chemical vapor deposition reactor together with the organometallic compound in order to control the reaction for forming the nitride thin film, and an appropriate amount of nitrogen gas or hydrogen gas. Can be used.
The flow rate of the organometallic compound supplied to the substrate can be adjusted by flowing the carrier gas into a container heated to such an extent that the organometallic compound of the group III element is sufficiently dissociated. The flow rate of the carrier gas is adjusted by the temperature of the substrate, the pressure of the reactor, the method of supplying the reaction gas, and the like.

【0028】反応器内で加熱された基板に到達した有機
金属化合物は熱分解し、活性化窒素原子と、表面反応ま
たは気相反応を行うことにより、基板に対して特定な結
晶方位関係を有するエピタキシャル成長したIII族金属
窒化物の単結晶薄膜、またはそれの非晶質薄膜もしくは
多結晶薄膜を形成する。また、未反応有機金属化合物、
キャリアガス、分解生成物(たとえば、III族元素であ
るAl、GaまたはInとCH4)、再結合した窒素(N
2)ガスなどは排出器を通じて排気される。
The organometallic compound which has reached the substrate heated in the reactor is thermally decomposed and has a specific crystal orientation relationship with the substrate by performing a surface reaction or a gas phase reaction with the activated nitrogen atom. A single crystal thin film of epitaxially grown group III metal nitride, or an amorphous thin film or a polycrystalline thin film thereof is formed. In addition, an unreacted organometallic compound,
Carrier gas, decomposition products (for example, Group III elements Al, Ga or In and CH 4 ), recombined nitrogen (N
2 ) Gas etc. is exhausted through the exhaust device.

【0029】以下に、添付図面を参照して本発明の望ま
しい実施様態を説明する。図1は、誘電体障壁放電を利
用した活性化窒素原子供給装置の概略図であり、図2は
図1のA領域の部分拡大図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view of an activated nitrogen atom supply device using a dielectric barrier discharge, and FIG. 2 is a partially enlarged view of a region A of FIG.

【0030】活性化窒素原子供給装置(6)は、石英管
(4)のような高誘電率物質の管の中央に、金属電極
(3)、たとえばタングステン電極を配置したものであ
り、このタングステン電極(3)と石英管(4)の間に
周波数50〜1,000kHzの交流電源を印加し、誘電
体石英管(4)に導電された電荷が瞬間的に放電される
電子衝撃、すなわちマイクロ放電反応を連続的に起こす
環境下で純度99.999%以上の高純度の窒素
(N2)ガスを通過させることにより、活性化状態の窒
素を生成し、このようにして生成した活性化窒素原子を
蒸着反応器へと供給する。
The activated nitrogen atom supply device (6) is a device in which a metal electrode (3), for example, a tungsten electrode is arranged at the center of a tube of a high dielectric constant material such as a quartz tube (4). An AC power source with a frequency of 50 to 1,000 kHz is applied between the electrode (3) and the quartz tube (4), and the electric charge conducted to the dielectric quartz tube (4) is instantaneously discharged, that is, a microscopic impact. Activated nitrogen is produced by passing a high-purity nitrogen (N 2 ) gas having a purity of 99.999% or more in an environment in which a discharge reaction is continuously generated to produce activated nitrogen. Atoms are fed into a vapor deposition reactor.

【0031】誘電体障壁放電を起こす活性化窒素原子供
給装置(6)は、窒素(N2)ガスの代わりに、窒素と
アルゴンの混合ガス(N2+Ar)を供給しながら、誘
電体と電極との間に上記周波数範囲の交流電源を印加す
ることもできる。窒素とアルゴンの混合ガスを使用する
と、マイクロ放電を極大化できるので有利である。これ
は、マイクロ放電によるArの解離がN2の解離効率よ
り優勢であり、それによるArの2次衝突によりN2
解離が促進されるためである。実際には、混合ガス中の
Arの混合比が80%以上あるとき、Arの影響が大き
く現われる。Arの混合比が80%のとき、N2の解離
効率は約0.47%であるが、Arの混合比が増加し9
5%Arのときは、N2の解離効率が約2.26%に達
する。
The activated nitrogen atom supply device (6) for causing a dielectric barrier discharge supplies a dielectric gas and an electrode while supplying a mixed gas (N 2 + Ar) of nitrogen and argon instead of the nitrogen (N 2 ) gas. It is also possible to apply an AC power supply in the above frequency range between and. The use of a mixed gas of nitrogen and argon is advantageous because the microdischarge can be maximized. This is because the dissociation of Ar by microdischarge is more dominant than the dissociation efficiency of N 2 , and the secondary collision of Ar thereby promotes the dissociation of N 2 . Actually, when the mixing ratio of Ar in the mixed gas is 80% or more, the influence of Ar becomes large. When the mixing ratio of Ar is 80%, the dissociation efficiency of N 2 is about 0.47%, but the mixing ratio of Ar increases to 9%.
At 5% Ar, the dissociation efficiency of N 2 reaches about 2.26%.

【0032】印加電力は、誘電体障壁の大きさにより決
定されるが、石英を誘電体物質として使用する場合に
は、200〜600W程度の電力であれば充分である。
本発明の望ましい実施様態によると、窒素供給源とし
て、誘電体障壁放電により製造した活性化窒素原子を、
活性化窒素原子供給装置(6)から化学蒸着反応器へ供
給し、この時、III族金属元素、たとえばAl、Gaま
たはInの供給源であるこれらの有機金属化合物を、窒
素ガスなどのキャリアガスと共にMOCVD化学蒸着反
応器に供給し、基板温度を約700℃〜1,000℃に
加熱して化学蒸着反応させることにより、基板上にIII
族金属窒化物薄膜を成長させることができる。この方法
を、特に誘電体障壁放電による有機金属化合物化学蒸着
法(DBD−MOCVD工程)という。
The applied power is determined by the size of the dielectric barrier, but when quartz is used as the dielectric material, power of about 200 to 600 W is sufficient.
According to a preferred embodiment of the present invention, activated nitrogen atoms produced by dielectric barrier discharge are used as a nitrogen source.
It is supplied to the chemical vapor deposition reactor from the activated nitrogen atom supply device (6), and at this time, these organometallic compounds as a supply source of the group III metal element such as Al, Ga or In are supplied as a carrier gas such as nitrogen gas. It is supplied to the MOCVD chemical vapor deposition reactor together with the substrate and heated to a temperature of about 700 ° C. to 1,000 ° C. to cause a chemical vapor deposition reaction.
Group metal nitride thin films can be grown. This method is referred to as a metalorganic chemical vapor deposition method (DBD-MOCVD step) particularly by dielectric barrier discharge.

【0033】[0033]

【実施例】本発明によるMOCVD法およびそれから得
られる効果は、下記の実施例により一層明確に理解され
る。もちろん、本発明の範囲がこの実施例により制限さ
れるものではない。
EXAMPLES The MOCVD method according to the present invention and the effects obtained therefrom will be more clearly understood by the following examples. Of course, the scope of the invention is not limited by this example.

【0034】実施例1(GaN薄膜の製造) 活性化窒素原子供給装置(6)において、タングステン
電極(3)と石英管(4)の間に、220〜260kHz
の交流電源を300Wの電力で印加し、誘電体石英管
(4)に導電された電荷を瞬間的に放電させる電子衝撃
を連続的に起こさせる環境下で、純度99.999%以
上の高純度窒素(N2)を0.6L/分通過させ、誘電
体障壁放電により活性化状態の窒素(活性化窒素原子)
を製造した。
Example 1 (Production of GaN thin film) In the activated nitrogen atom supply device (6), 220 to 260 kHz was provided between the tungsten electrode (3) and the quartz tube (4).
AC power of 300 W is applied to the dielectric quartz tube (4) to continuously generate electron impact that instantaneously discharges the electric charge conducted to the dielectric quartz tube (4), and the purity is 99.999% or higher. Nitrogen (N 2 ) is passed through at 0.6 L / min , and nitrogen is activated by the dielectric barrier discharge (activated nitrogen atom).
Was manufactured.

【0035】水平式MOCVD蒸着反応器内を真空ポン
プで排気して、圧力を10〜100mmHgに維持し、70
0℃の温度に加熱した(0001)方位を有するサファ
イア(α−Al23)基板上に、4〜10μmol/分の
流量のトリメチルガリウム(TMG)を、前記の誘電体
障壁放電で製造した活性化窒素原子とともに、前記反応
器に供給した。窒化物形成反応を制御するために、キャ
リアガスとして窒素ガスまたは水素ガスを0.8L/分
流した。
The horizontal MOCVD deposition reactor was evacuated by a vacuum pump to maintain the pressure at 10 to 100 mmHg ,
Trimethylgallium (TMG) having a flow rate of 4 to 10 μmol / min was produced by the dielectric barrier discharge on a sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrate having a (0001) orientation heated to a temperature of 0 ° C. It was fed to the reactor along with activated nitrogen atoms. In order to control the nitride formation reaction, nitrogen gas or hydrogen gas was flown at 0.8 L / min as a carrier gas.

【0036】蒸着されたGaN薄膜をX線2重回折法
(DCXRD)およびオージェ分光法(AES)で分析
した結果、GaN薄膜は、炭素または酸素などの不純物
を含まない純粋なGaN組成であることが判明した。
The deposited GaN thin film was analyzed by X-ray double diffraction (DCXRD) and Auger spectroscopy (AES). As a result, the GaN thin film was a pure GaN composition containing no impurities such as carbon or oxygen. It has been found.

【0037】走査電子顕微鏡(SEM)と透過電子顕微
鏡(X−TEM)で観察した結果、GaN薄膜は、均一
かつ特定の結晶方位で配列された薄膜に成長しているこ
とを確認した。
As a result of observation with a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (X-TEM), it was confirmed that the GaN thin film had grown into a thin film uniformly and arranged in a specific crystal orientation.

【0038】本実施例で使用した適切な反応温度である
700℃では、(0001)方位のサファイア(α−A
23)上に、六方晶構造、すなわち Wurtzite 構造の
GaN(0001)結晶面が基板と平行に成長している
エピタキシャル薄膜が形成された。この、(0001)
方位のサファイア(α−Al23)基板上に成長した
(0001)GaNエピタキシャル薄膜の電気的性質と
光学的性質は、4点プローブとフォトルミネッセンス
(PL)で測定した結果、従来のMOCVD法で製造し
たGaNエピタキシャル薄膜の特性値と同等である。ま
た、エピタキシャル薄膜に形成された電位と積層欠陥の
種類、分布、密度も、従来法で形成した薄膜と同等であ
った。
At the appropriate reaction temperature of 700 ° C. used in this example, sapphire (α-A) having a (0001) orientation is used.
An epitaxial thin film in which a GaN (0001) crystal plane of a hexagonal crystal structure, that is, a Wurtzite structure was grown parallel to the substrate was formed on l 2 O 3 ). This, (0001)
The electrical and optical properties of the (0001) GaN epitaxial thin film grown on the oriented sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrate were measured by a four-point probe and photoluminescence (PL). It is equivalent to the characteristic value of the GaN epitaxial thin film manufactured in. The potential formed on the epitaxial thin film and the type, distribution and density of stacking faults were also the same as those of the thin film formed by the conventional method.

【0039】実施例2(GaN薄膜の製造) DBD−MOCVD工程で使用した条件が、表1に示す
とおりであることを除いては、実施例1と同様の方法で
GaN薄膜を製造した。GaN薄膜の結晶型および配位
を表1に示した。
Example 2 (Production of GaN thin film) A GaN thin film was produced in the same manner as in Example 1 except that the conditions used in the DBD-MOCVD process were as shown in Table 1. Table 1 shows the crystal type and coordination of the GaN thin film.

【0040】実施例3(GaN薄膜の製造) DBD−MOCVD工程で使用した条件が、表1に示す
とおりであることを除いては、実施例1と同様の方法で
GaN薄膜を製造した。GaN薄膜の結晶型および配位
を表1に示した。
Example 3 (Production of GaN thin film) A GaN thin film was produced in the same manner as in Example 1 except that the conditions used in the DBD-MOCVD process were as shown in Table 1. Table 1 shows the crystal type and coordination of the GaN thin film.

【0041】実施例4(GaN薄膜の製造) DBD−MOCVD工程で使用した条件が、表1に示す
とおりであることを除いては、実施例1と同様の方法で
GaN薄膜を製造した。GaN薄膜の結晶型および配位
を表1に示した。
Example 4 (Production of GaN thin film) A GaN thin film was produced in the same manner as in Example 1 except that the conditions used in the DBD-MOCVD process were as shown in Table 1. Table 1 shows the crystal type and coordination of the GaN thin film.

【0042】実施例5(AlN薄膜の製造) 有機金属化合物がトリメチルアルミニウム(TMA)で
あり、DBD−MOCVD工程で使用した条件が、表1
に示すとおりであることを除いては、実施例1と同様の
方法でAlN薄膜を製造した。AlN薄膜の結晶型およ
び配位を表1に示した。
Example 5 (Production of AlN Thin Film) The organic metal compound was trimethylaluminum (TMA), and the conditions used in the DBD-MOCVD process are shown in Table 1.
An AlN thin film was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the above was performed. Table 1 shows the crystal form and coordination of the AlN thin film.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明における、窒素供給源として活性
化窒素原子を使用するMOCVD法は、アンモニアを窒
素供給源として使用する従来のMOCVDとは異なり、
十分な量の活性化窒素原子を化学蒸着反応器に供給する
ことができる。このため、基板温度を、アンモニアが十
分に熱分解する温度である1,000℃以上の高温に加
熱する必要がなく、700℃〜1,000℃程度の比較
的低温で化学蒸着することができる。したがって、1,
000℃以上の温度で安定なサファイア(α−Al
23)のみならず、高温では不安定なシリコン(S
i)、ガリウム砒素(GaAs)もしくは石英ウェハ
ー、またはシリカガラス基板上に、III族金属窒化物薄
膜を形成することができる。
According to the present invention, the MOCVD method using activated nitrogen atoms as a nitrogen source is different from the conventional MOCVD method using ammonia as a nitrogen source.
A sufficient amount of activated nitrogen atoms can be supplied to the chemical vapor deposition reactor. Therefore, it is not necessary to heat the substrate temperature to a high temperature of 1,000 ° C. or higher at which ammonia is sufficiently thermally decomposed, and chemical vapor deposition can be performed at a relatively low temperature of about 700 ° C. to 1,000 ° C. . Therefore, 1,
Sapphire (α-Al stable at temperatures above 000 ℃
Not only 2 O 3 ) but also silicon (S
i), Group III metal nitride thin films can be formed on gallium arsenide (GaAs) or quartz wafers or silica glass substrates.

【0045】また、誘電体障壁放電装置の作動変数を調
節して、活性化窒素原子の供給量を有機金属化合物と等
量に調整することが容易にできるので、アンモニアを使
用する場合のように窒素供給源を多量に供給することを
必要とせず、必要に応じて十分な量の活性化窒素原子を
供給できるので、III-V 族窒化物薄膜の成長速度を、従
来のMOVCVD法より、はるかに大きくすることがで
きる。
Further, since it is easy to adjust the operating variable of the dielectric barrier discharge device to adjust the supply amount of activated nitrogen atoms to the same amount as that of the organometallic compound, it is possible to use the same method as in the case of using ammonia. Since it is possible to supply a sufficient amount of activated nitrogen atoms as needed without supplying a large amount of nitrogen supply source, the growth rate of the III-V group nitride thin film is much higher than that of the conventional MOVCVD method. Can be made larger.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に用いる、誘電体障壁放電を利用した活
性化窒素原子供給装置の概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of an activated nitrogen atom supply device using a dielectric barrier discharge used in the present invention.

【図2】図1のA領域の部分拡大図である。FIG. 2 is a partially enlarged view of a region A of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 同調回路 2 交流電源供給装置 3 タングステン電極 4 誘電体石英 5 アルミニウム電極 6 活性化窒素原子供給装置 1 tuning circuit 2 AC power supply device 3 Tungsten electrode 4 Dielectric quartz 5 Aluminum electrode 6 Activated nitrogen atom supply device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 鎮相 大韓民国ソウル特別市永登浦区永登浦洞 8街82番地 クローバアパート3−812 (72)発明者 金 柱成 大韓民国仁川広域市延壽区東春2洞929 番地 プンリム2次アパート105−703 (56)参考文献 特開 平8−310900(JP,A) 特開 平11−130597(JP,A) 米国特許3551312(US,A) Ki−Sung KIM et a l.,Epitaxial Growt h of GaN by Helico n Wave Plasma Assi sted Metal Organic Chemical Vapor・・・ Process,Japanese J ournal of Applied Physics,1998年12月30日,Pa rt 1, Vol.37, No.12 B,pp.6946−6950 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 C23C 16/34 H01L 21/205 CA(STN) EUROPAT(QUESTEL)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kim Jinzhen Minister No. 82, 8th Street, Yeongdeungpo-dong, Yeongdeungpo-gu, Seoul, Republic of Korea Clover Apartments 3-812 (72) Inventor, Kim Jung-Chang, Incheon-gu, Incheon, Republic of Korea Dongchun 2-dong 929 Pungrim secondary apartment 105-703 (56) Reference JP-A-8-310900 (JP, A) JP-A-11-130597 (JP, A) US Patent 3551312 (US, A) Ki- Sung KIM et al. , Epitaxial Growth of GaN by Helicon Wave Plasma Assisted Metal Organic Chemical Vapor ... Process, Japan, January 30, 2011, April of the April, April, April. 37, No. 12 B, pp. 6946-6950 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 C23C 16/34 H01L 21/205 CA (STN) EUROPAT (QUESTEL)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 III族金属窒化物薄膜を化学蒸着によ
り製造する方法であって、 0.1〜5mmの間隔で離隔した金属電極と高誘電率の物
質間の誘電体の障壁に周波数50〜1,000kHzの交
流電源を印加して、前記誘電体に導電された電荷を連続
的にマイクロ放電させる環境下において、窒素ガスを通
過させる誘電体障壁放電により、活性化窒素原子を発生
させる工程と、 前記誘電体障壁放電により発生させた前記活性化窒素原
子を、化学蒸着反応器内に供給する工程と、 III族金属の有機金属化合物の1種以上を、キャリア
ガスと共に前記化学蒸着反応器内に供給する工程と、 前記 化学蒸着反応器内で前記活性化窒素原子と前記II
I族金属の有機金属化合物の1種以上を基板上に化学
蒸着させる工程と、 を含む ことを特徴とするIII族金属窒化物薄膜の製造
方法。
1. A Group III metal nitride thin film is formed by chemical vapor deposition.
And a high dielectric constant metal electrode separated by a distance of 0.1 to 5 mm.
The frequency of 50 to 1,000 kHz is applied to the barrier of the dielectric between the materials.
Applying an electric current power supply to continue the electric charge conducted to the dielectric.
Nitrogen gas in an environment in which the
Activated nitrogen atom is generated by dielectric barrier discharge
And the activated nitrogen source generated by the dielectric barrier discharge.
The step of feeding the particles into the chemical vapor deposition reactor, and a carrier containing at least one kind of Group III metal organometallic compound.
Wherein the step of supplying the chemical vapor deposition reactor with the gas, and the activated nitrogen atom in the chemical vapor deposition reactor II
Method for producing a group III metal nitride thin film characterized in that it comprises a step of chemical vapor deposition on a substrate and one or more organometallic compounds of Group I metals.
【請求項2】 前記活性化窒素原子を発生させる領域の
圧力が、100〜400mmHgである、請求項1記載の方
法。
2. A region for generating the activated nitrogen atom
The method according to claim 1, wherein the pressure is 100 to 400 mmHg.
Law.
【請求項3】 前記化学蒸着が、基板温度700〜1,
000℃で行う、請求項1または2記載の方法。
3. The chemical vapor deposition is performed at a substrate temperature of 700 to 1,
The method according to claim 1 or 2, which is performed at 000 ° C.
【請求項4】 前記基板が、単結晶形のサファイア、シ
リコン、ガリウム砒素、石英ウェハ、またはシリカガラ
スである、請求項1〜3いずれか1項記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein the substrate is sapphire in single crystal form, silicon, gallium arsenide, quartz wafer, or silica glass.
【請求項5】 前記誘電体障壁放電において、前記窒素
ガスに加えて、さらにアルゴンガスを含む混合ガスを通
過させる、請求項1〜4いずれか1項記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein a mixed gas containing argon gas in addition to the nitrogen gas is passed through the dielectric barrier discharge.
【請求項6】 前記有機金属化合物が、トリアルキルア
ルミニウム、トリアルキルガリウム、またはトリアルキ
ルインジウムである、請求項1〜5のいずれか1項記載
の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the organometallic compound is trialkylaluminum, trialkylgallium, or trialkylindium.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US3551312A (en) 1968-05-20 1970-12-29 Bell Telephone Labor Inc Vacuum evaporation deposition of group iii-a metal nitrides

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Ki−Sung KIM et al.,Epitaxial Growth of GaN by Helicon Wave Plasma Assisted Metal Organic Chemical Vapor・・・Process,Japanese Journal of Applied Physics,1998年12月30日,Part 1, Vol.37, No.12B,pp.6946−6950

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