(57)【要約】【課題】  酸化ガリウム膜を速い成膜速度で形成する。【解決手段】  基板上に酸化ガリウム膜を成長させるスパッタリング装置であって、チャンバと、前記チャンバ内に配置されているとともに前記基板を固定するステージと、前記チャンバ内に配置されているとともにガリウム元素を含むガリウムターゲットと、前記ガリウムターゲットに電圧を印加する第１電源と、前記チャンバ内に酸素元素を供給する酸素元素供給装置、を有する。このスパッタリング装置によれば、酸化ガリウム膜を速い成膜速度で形成することができる。【選択図】図１
2020164940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に酸化ガリウム膜を成長させるスパッタリング装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に配置されており、前記基板を固定するステージと、
前記チャンバ内に配置されており、ガリウム元素を含むガリウムターゲットと、
前記ガリウムターゲットに電圧を印加する第１電源と、
前記チャンバ内に酸素元素を供給する酸素元素供給装置、
を有するスパッタリング装置。
【請求項２】
前記酸素元素供給装置が、前記チャンバ内に酸素ラジカルを供給する請求項１のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記酸素元素供給装置が、前記チャンバ内に酸素含有ガスを供給する請求項１または２のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記チャンバ内に窒素元素を供給する窒素元素供給装置をさらに有する請求項１〜３のいずれか一項のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記窒素元素供給装置が、前記チャンバ内に窒素ラジカルを供給する請求項４のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記窒素元素供給装置が、前記チャンバ内に窒素ガスを供給する請求項４のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記ガリウムターゲットが、酸化ガリウム中でアクセプタとなる元素を含む請求項１〜６のいずれか一項のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記チャンバ内に配置されており、酸化ガリウム中でアクセプタとなる元素を含むアクセプタターゲットと、
前記アクセプタターゲットに電圧を印加する第２電源、
をさらに有する請求項１〜７のいずれか一項のスパッタリング装置。
【請求項９】
成膜処理中に前記酸素元素供給装置が前記チャンバ内に供給する前記酸素元素の量を変更する供給量制御装置をさらに有する請求項１〜８のいずれか一項のスパッタリング装置。
【請求項１０】
スパッタリング装置によって基板上に酸化ガリウム膜を成長させて半導体装置を製造する製造方法であって、
前記スパッタリング装置が、
チャンバと、
前記チャンバ内に配置されており、前記基板を固定するステージと、
前記チャンバ内に配置されており、ガリウム元素を含むガリウムターゲットと、
前記ガリウムターゲットに電圧を印加する第１電源と、
前記チャンバ内に酸素元素を供給する酸素元素供給装置、
を有し、
前記製造方法が、
前記酸素元素供給装置によって前記チャンバ内に前記酸素元素を供給するとともに前記第１電源によって前記ガリウムターゲットに電圧を印加しながら、前記ステージに固定された前記基板の表面に前記ガリウムターゲットから生じるガリウム元素を堆積させることで、前記基板の前記表面に酸化ガリウム膜を成長させる工程、
を有する製造方法。
【請求項１１】
前記工程中に前記酸素元素供給装置が前記チャンバ内に供給する前記酸素元素の量を変更する、請求項１０の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、スパッタリング装置と半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
特許文献１には、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法によって酸化ガリウム膜を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ＭＢＥ法の成膜速度は遅い。このため、特許文献１の技術では、酸化ガリウム膜の成膜速度が遅い。本明細書では、より速い成膜速度で酸化ガリウム膜を形成する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するスパッタリング装置は、基板上に酸化ガリウム膜を成長させる。このスパッタリング装置は、チャンバと、前記チャンバ内に配置されているとともに前記基板を固定するステージと、前記チャンバ内に配置されているとともにガリウム元素を含むガリウムターゲットと、前記ガリウムターゲットに電圧を印加する第１電源と、前記チャンバ内に酸素元素を供給する酸素元素供給装置、を有する。
【０００６】
なお、上記酸素元素は、酸素単体であってもよいし、酸素化合物であってもよい。また、上記酸素元素は、原子であってもよいし、分子であってもよいし、ラジカルであってもよい。また、上記ガリウム元素は、ガリウム単体であってもよいし、ガリウム化合物であってもよい。また、上記第１電源が上記ガリウムターゲットに印加する電圧は、直流電圧であっても交流電圧（例えば、高周波電圧）であってもよい。
【０００７】
このスパッタリング装置で酸化ガリウム膜を成長させるときには、ガリウムターゲットに電圧を印加してガリウムターゲットからガリウム元素を放出させる。ガリウムターゲットから放出されるガリウム元素をステージに固定された基板の表面に堆積させることによって、基板の表面に膜を成長させる。また、成膜処理中に、酸素元素供給装置によってチャンバ内に酸素元素を供給する。すると、成長する膜中に酸素元素が取り込まれ、基板の表面に酸化ガリウム膜が成長する。このように、このスパッタリング装置によれば、スパッタリングによって酸化ガリウム膜を成長させることができる。スパッタリングの成膜速度は速いので、酸化ガリウム膜を速い成膜速度で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１のスパッタリング装置の構成図。
【図２】酸素ラジカルガンのＲＦ電力と酸化ガリウム膜中でのｎ型キャリア密度の関係を示すグラフ。
【図３】実施例２のスパッタリング装置の構成図。
【図４】酸素ラジカルガンのＲＦ電力と酸化ガリウム膜中での実効ｐ型キャリア密度の関係を示すグラフ。
【図５】実施例４のスパッタリング装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【０００９】
図１に示す実施例１のスパッタリング装置１０は、チャンバ１２を有している。チャンバ１２の内部には、ステージ１４、ターゲット１６、磁石１８、シャッター２０が配置されている。ステージ１４には、基板２２を固定することができる。基板２２は、その上面がステージ１４に接するようにして固定される。スパッタリング装置１０は、ステージ１４に固定された基板２２の下面に、酸化ガリウム膜を成長させる。ステージ１４は、ヒータを内蔵しており、基板２２を加熱することができる。ターゲット１６は、ステージ１４に固定された基板２２に対向する位置に配置されている。ターゲット１６は、酸化ガリウムの焼結体によって構成されている。ターゲット１６にイオンが衝突すると、ターゲット１６からガリウム原子や酸化ガリウム分子が放出される。ターゲット１６から放出されたガリウム原子や酸化ガリウム分子が基板２２の下面に堆積することで、基板２２の下面に膜が成長する。ターゲット１６は、チャンバ１２の外部に配置されたＤＣ電源２４に接続されている。ＤＣ電源２４は、ターゲット１６に直流電圧を印加する。磁石１８は、ターゲット１６の下側に配置されている。磁石１８は、永久磁石である。磁石１８は、ターゲット１６の上面近傍の空間に水平方向に約８００Ｇの磁界を生じさせる。シャッター２０は、板状の部材である。シャッター２０は、ピラーを介して回転エアシリンダ２６に接続されている。回転エアシリンダ２６は、シャッター２０を回転させる。回転エアシリンダ２６がシャッター２０を回転させることで、シャッター２０は、ターゲット１６の上部の位置（ターゲット１６を覆う位置）とターゲット１６を覆わない位置の間で移動する。以下では、ターゲット１６を覆う位置にシャッター２０を移動させることを、シャッター２０を閉じるという。また、ターゲット１６を覆わない位置にシャッター２０を移動させることを、シャッター２０を開くという。シャッター２０を閉じることで、スパッタリング処理を停止することができる。シャッター２０を閉じた状態では、シャッター２０とターゲット１６の間の距離は約９０ｍｍである。
【００１０】
スパッタリング装置１０は、酸素ガス供給源４０とアルゴンガス供給源５０を有している。酸素ガス供給源４０は、酸素ガス供給管４２を介してチャンバ１２に接続されている。酸素ガス供給源４０は、酸素ガス供給管４２を介してチャンバ１２内に酸素ガス（Ｏ２ガス）を供給する。アルゴンガス供給源５０は、アルゴンガス供給管５２を介してチャンバ１２に接続されている。アルゴンガス供給源５０は、アルゴンガス供給管５２を介してチャンバ１２内にアルゴンガス（Ａｒガス）を供給する。
【００１１】
スパッタリング装置１０は、酸素ラジカルガン６０、ラジカルガン用酸素ガス供給管６２、及び、ＲＦ電源６４を有している。酸素ラジカルガン６０は、チャンバ１２の壁面に設置されている。ラジカルガン用酸素ガス供給管６２は、酸素ガス供給管４２から分岐している。ラジカルガン用酸素ガス供給管６２の下流端は、酸素ラジカルガン６０に接続されている。ラジカルガン用酸素ガス供給管６２は、酸素ラジカルガン６０に酸素ガスを供給する。ＲＦ電源６４は、酸素ラジカルガン６０にＲＦ電圧（高周波電圧）を供給する。酸素ラジカルガン６０は、ラジカルガン用酸素ガス供給管６２から供給される酸素ガスにＲＦ電圧を印加することで、酸素ラジカルを生成する。酸素ラジカルガン６０は、チャンバ１２内に酸素ラジカルを射出する。酸素ラジカルガン６０は、ステージ１４に固定された基板２２の下面に向かって酸素ラジカルを射出する。酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量は、ＲＦ電源６４が供給するＲＦ電力が高いほど多くなる。
【００１２】
なお、酸素ガス供給管４２、アルゴンガス供給管５２、ラジカルガン用酸素ガス供給管６２のそれぞれには、適宜、バルブとＭＦＣ（マスフローコントローラー）が設置されている。各バルブによって、各供給管を開閉することができる。また、各ＭＦＣによって、各供給管内のガスの流量が所定値に制御される。
【００１３】
スパッタリング装置１０は、排気管７２、クライオポンプ７４、及び、ドライポンプ７６を有している。排気管７２は、チャンバ１２に接続されている。クライオポンプ７４とドライポンプ７６は、排気管７２に並列に接続されている。クライオポンプ７４とドライポンプ７６は、排気管７２を介してチャンバ１２内のガスを外部に排出する。ドライポンプ７６は低真空用のポンプであり、クライオポンプ７４は高真空用のポンプである。ドライポンプ７６を動作させた後にクライオポンプ７４を動作させることで、チャンバ１２内を高真空状態まで減圧することができる。
【００１４】
次に、スパッタリング装置１０を用いて基板２２の下面に酸化ガリウム膜を成長させる方法について説明する。基板２２の材料には種々の材料を使用することができる。以下では、β型酸化ガリウムを基板２２として用い、基板２２の下面が（００１）面により構成されている場合について説明する。まず、基板２２をステージ１４に固定する。次に、ドライポンプ７６とクライオポンプ７４によって、チャンバ１２内が１×１０−５Ｐａ以下の気圧となるようにチャンバ１２内を減圧する。次に、ステージ１４が内蔵するヒータを作動させ、基板２２の温度を約８００℃に制御する。次に、酸素ガス供給源４０からチャンバ１２内に酸素ガスを供給するとともに、アルゴンガス供給源５０からチャンバ１２内にアルゴンガスを供給する。ここでは、アルゴンガスと酸素ガスを２：１の比率で混合したガスをチャンバ１２内に供給する。次に、酸素ラジカルガン６０によって基板２２の下面に向かって酸素ラジカルを射出する。ここでは、約３００ＷのＲＦ電力で酸素ラジカルガン６０を動作させる。次に、ＤＣ電源２４によってターゲット１６へ約１０００Ｗの電力を投入する。これによって、チャンバ１２内にプラズマを発生させる。
【００１５】
次に、シャッター２０を開く。すると、プラズマ中でイオン化したアルゴンがターゲット１６に衝突し、ターゲット１６からガリウム原子及び酸化ガリウム分子が放出される。放出されたガリウム原子及び酸化ガリウム分子は、基板２２の下面に堆積する。これによって、基板２２の下面に膜が成長する。また、ターゲット１６から放出されたガリウム原子は、酸素ラジカルガン６０から射出された酸素ラジカル、及び、チャンバ１２内に存在する酸素ガスと反応して酸化する。このため、基板２２の下面に、酸化ガリウム膜が成長する。
【００１６】
以上に説明したように、実施例１のスパッタリング装置１０によれば、酸化ガリウム膜を形成することができる。成長させた酸化ガリウム膜を用いて、半導体装置を製造することが可能である。スパッタリング装置１０によれば、速い成膜速度で酸化ガリウム膜を成長させることができる。
【００１７】
実施例１の方法により成長させた酸化ガリウム膜に対してＸ線回折による分析を行ったところ、酸化ガリウム膜がβ型酸化ガリウムにより構成されており、酸化ガリウム膜の下面が（００１）面であることが確認された。すなわち、基板２２から結晶的に連続する酸化ガリウム膜が形成されていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＣ−Ｖ測定によるキャリア密度分析を行ったところ、酸化ガリウム膜はｎ型で、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア濃度が１×１０−１５ｃｍ−３以下であることが確認された。一般に、酸化ガリウムの結晶中には酸素空孔（酸素サイトに酸素原子が存在しない欠陥）が形成され易い。酸素空孔はドナーとして振る舞うため、酸化ガリウムの結晶性が低いと酸化ガリウム中のｎ型キャリア密度が高くなる。これに対し、上記の方法により成長させた酸化ガリウム膜中では、ｎ型キャリア密度が低い。成長させた酸化ガリウム膜では、酸素空孔が少なく、結晶性が高いことが確認された。
【００１８】
図２は、酸素ラジカルガン６０に投入するＲＦ電力と、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア密度の関係を示している。図２に示すように、ＲＦ電力が高いほど、ｎ型キャリア密度が低くなる。上述したように、ＲＦ電力が高いほど酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量は多くなる。また、酸素ラジカルの供給量が多いほど、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度は低くなる。酸素空孔の密度が低いほど、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア密度は低くなる。したがって、図２のように、ＲＦ電力が高いほど、ｎ型キャリア密度が低くなると考えられる。また、酸素ガス供給管４２からチャンバ１２内への酸素ガスの供給量が多いほど、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度が低くなり、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア密度が低くなると考えられる。このように、チャンバ１２内への酸素元素の供給量（すなわち、酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量、及び、酸素ガス供給管４２からの酸素ガスの流量）によって、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア密度を制御することができる。
【００１９】
上記のように、酸素元素の供給量によって酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア密度が変化するので、成膜処理中に酸素元素の供給量を変化させることで、ｎ型キャリア密度が異なる複数の酸化ガリウム膜を連続して形成することができる。例えば、成膜処理中に酸素ラジカルガン６０に投入するＲＦ電力を変更する制御装置を設け、ｎ型キャリア密度が異なる複数の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。また、成膜処理中に酸素ガス供給管４２によってチャンバ１２内に供給する酸素ガスの流量を変更して、ｎ型キャリア密度が異なる複数のｎ型の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。
【実施例２】
【００２０】
図３は、実施例２のスパッタリング装置を示している。実施例２のスパッタリング装置は、ｐ型の酸化ガリウム膜を成長させることができる。図３に示すように、実施例２のスパッタリング装置は、窒素ラジカルガン８０、ラジカルガン用窒素ガス供給管８２、ＲＦ電源８４、及び、窒素ガス供給源８６を有している。実施例２のスパッタリング装置のその他の構成は、実施例１のスパッタリング装置１０と等しい。
【００２１】
窒素ラジカルガン８０は、チャンバ１２の壁面に設置されている。窒素ラジカルガン８０は、ラジカルガン用窒素ガス供給管８２によって窒素ガス供給源８６に接続されている。ラジカルガン用窒素ガス供給管８２は、窒素ラジカルガン８０に窒素ガス（Ｎ２ガス）を供給する。ＲＦ電源８４は、窒素ラジカルガン８０にＲＦ電圧を供給する。窒素ラジカルガン８０は、ラジカルガン用窒素ガス供給管８２から供給される窒素ガスにＲＦ電圧を印加することで、窒素ラジカルを生成する。窒素ラジカルガン８０は、チャンバ１２内に窒素ラジカルを射出する。窒素ラジカルガン８０は、ステージ１４に固定された基板２２の下面に向かって窒素ラジカルを射出する。窒素ラジカルガン８０による窒素ラジカルの供給量は、ＲＦ電源８４が供給するＲＦ電力が高いほど多くなる。なお、ラジカルガン用窒素ガス供給管８２には、バルブとＭＦＣが設置されている。
【００２２】
実施例２のスパッタリング装置を用いて基板２２の下面に酸化ガリウム膜を成長させる方法について説明する。以下では、基板２２として、下面が（００１）面により構成された酸化ガリウム基板を用いる場合について説明する。まず、実施例１と同様にして、酸素ラジカルガン６０を動作させるまでの処理を実行する。なお、実施例２では、酸素ラジカルガン６０を約５００ＷのＲＦ電力で動作させる。次に、窒素ラジカルガン８０によって基板２２の下面に向かって窒素ラジカルを射出する。ここでは、約５０ＷのＲＦ電力で窒素ラジカルガン８０を動作させる。次に、ＤＣ電源２４によってターゲット１６へ約１０００Ｗの電力を投入する。これによって、チャンバ１２内にプラズマを発生させる。次に、シャッター２０を開く。すると、ターゲット１６からガリウム原子及び酸化ガリウム分子が放出されて、基板２２の下面に堆積する。このため、実施例１の場合と同様に、基板２２の下面に酸化ガリウム膜が成長する。
【００２３】
基板２２の下面に酸化ガリウム膜が成長するときに、窒素ラジカルガン８０から射出された窒素ラジカルが酸化ガリウム膜中に取り込まれる。このため、窒素がドープされた酸化ガリウム膜が成長する。窒素は、酸化ガリウム膜中でアクセプタとして振る舞う。このため、ｐ型の酸化ガリウム膜が成長する。
【００２４】
実施例２の方法により成長させた酸化ガリウム膜に対してＳＩＭＳによる元素分析を行ったところ、酸化ガリウム膜中に１×１０１８ｃｍ−３の濃度で窒素原子が取り込まれていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＸ線回折による分析を行ったところ、酸化ガリウム膜がβ型酸化ガリウムにより構成されており、その下面が（００１）面であることが確認された。すなわち、基板２２から結晶的に連続する酸化ガリウム膜が形成されていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＣ−Ｖ測定によるキャリア密度分析を行ったところ、ＶとＣ２が正の比例関係を示し、ｐ型の傾向が認められた。このように、実施例２のスパッタリング装置によれば、ｐ型の酸化ガリウム膜を形成することができる。
【００２５】
なお、実施例２でも、チャンバ１２内への酸素元素の供給量（すなわち、酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量、及び、酸素ガス供給管４２からの酸素ガスの流量）によって、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度を制御することができる。酸素空孔はドナーとして振る舞うので、ｐ型の酸化ガリウム膜中では、酸素空孔の密度が高くなるほどｐ型キャリアの密度が低下する。したがって、チャンバ１２内への酸素元素の供給量によって、ｐ型キャリアの密度を調整することができる。また、成膜処理中にチャンバ１２内への酸素元素の供給量を変更することで、実効ｐ型キャリア密度が異なる複数のｐ型の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。
【００２６】
なお、上述した実施例２では、窒素ラジカルガン８０によってチャンバ１２内に窒素元素を供給した。しかしながら、実施例２のスパッタリング装置が、窒素ラジカルガン８０に代えてまたは窒素ラジカルガン８０に加えて、チャンバ１２内に窒素ガス（Ｎ２）を供給する窒素ガス供給管を有していてもよい。チャンバ１２内に窒素ガスを供給すると、窒素ガスから酸化ガリウム膜中に窒素原子が取り込まれるので、ｐ型の酸化ガリウム膜を形成することができる。
【００２７】
また、実施例２のスパッタリング装置では、成膜処理中に、チャンバ１２内への窒素元素の供給量（すなわち、窒素ラジカルや窒素ガスの供給量）を変更することで、実効ｐ型キャリア密度が異なる複数のｐ型の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。
【実施例３】
【００２８】
実施例３のスパッタリング装置は、ターゲット１６として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が添加された酸化ガリウム結晶体を用いる。ターゲット１６には、ＺｎＯが０．１ｗｔ％の濃度で混錬されている。実施例３のスパッタリング装置のその他の構成は、実施例１のスパッタリング装置１０と等しい。
【００２９】
実施例３のスパッタリング装置を用いて基板２２の下面に酸化ガリウム膜を成長させる方法について説明する。以下では、基板２２として、下面が（００１）面により構成された酸化ガリウム基板を用いる場合について説明する。実施例１と同様にして、シャッター２０を開くまでの処理を実行する。なお、実施例３では、酸素ラジカルガン６０を約５００ＷのＲＦ電力で動作させる。シャッター２０を開くと、ターゲット１６から放出されたガリウム原子及び酸化ガリウム分子が基板２２の下面に堆積し、基板２２の下面に酸化ガリウム膜が成長する。さらに、ターゲット１６から亜鉛原子が放出される。ターゲット１６から放出された亜鉛原子は、酸化ガリウム膜中に取り込まれる。このため、亜鉛がドープされた酸化ガリウム膜が成長する。亜鉛は、酸化ガリウム膜中でアクセプタとして振る舞う。このため、ｐ型の酸化ガリウム膜が成長する。
【００３０】
実施例３の方法により成長させた酸化ガリウム膜に対してＳＩＭＳによる元素分析を行ったところ、酸化ガリウム膜中に１×１０２０ｃｍ−３の濃度で亜鉛原子が取り込まれていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＸ線回折による分析を行ったところ、酸化ガリウム膜がβ型酸化ガリウムにより構成されており、その下面が（００１）面であることが確認された。すなわち、基板２２から結晶的に連続する酸化ガリウム膜が形成されていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＣ−Ｖ測定によるキャリア密度分析を行ったところ、ＶとＣ２が正の比例関係を示し、ｐ型の傾向が認められた。このように、実施例３のスパッタリング装置によれば、ｐ型の酸化ガリウム膜を形成することができる。
【００３１】
図４は、酸素ラジカルガン６０に投入するＲＦ電力と、酸化ガリウム膜中の実効ｐ型キャリア密度の関係を示している。図４に示すように、ＲＦ電力が高いほど、実行ｐ型キャリア密度が高くなる。上述したように、ＲＦ電力が高いほど酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量は多くなる。また、酸素ラジカルの供給量が多いほど、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度は低くなる。酸素空孔は酸化ガリウム膜中でドナーとして振る舞うので、ｐ型の酸化ガリウム膜中では、酸素空孔密度が低いほど、実効ｐ型キャリア密度が高くなる。したがって、図４のように、ＲＦ電力が高いほど、実効ｐ型キャリア密度が高くなると考えられる。また、酸素ガス供給管４２からチャンバ１２内への酸素ガスの供給量が多いほど、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度が低くなり、酸化ガリウム膜中の実効ｐ型キャリア密度が高くなると考えられる。このように、チャンバ１２内への酸素元素の供給量（すなわち、酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量、及び、酸素ガス供給管４２からの酸素ガスの流量）によって、酸化ガリウム膜中の実効ｐ型キャリア密度を制御することができる。また、成膜処理中にチャンバ１２内への酸素元素の供給量を変更することで、実効ｐ型キャリア密度が異なる複数のｐ型の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。
【００３２】
なお、実施例３では、ターゲット１６に酸化亜鉛が含有されていたが、酸化ガリウム膜にアクセプタをドープ可能な他の物質が含有されていてもよい。例えば、カルシウム、亜鉛、マグネシウム、銅、鉄等のアクセプタ元素、または、これらのアクセプタ元素の化合物が、ターゲット１６に含有されていてもよい。なお、アクセプタをドープ可能な物質は、ターゲット１６に０．０１〜５ｗｔ％の濃度で含有されていてもよい。
【実施例４】
【００３３】
図５は、実施例４のスパッタリング装置を示している。実施例４のスパッタリング装置は、ｐ型の酸化ガリウム膜を成長させることができる。図５に示すように、実施例４のスパッタリング装置は、ターゲット９０、磁石９２、シャッター９４、ＤＣ電源９６、及び、回転エアシリンダ９８を有している。実施例４のスパッタリング装置のその他の構成は、実施例１のスパッタリング装置１０と等しい。
【００３４】
ターゲット９０は、チャンバ１２内に設置されている。ターゲット９０は、ターゲット１６の隣に配置されており、ステージ１４に固定された基板２２に対向する位置に配置されている。ターゲット９０は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の焼結体によって構成されている。ターゲット９０にイオンが衝突すると、ターゲット９０から亜鉛原子が放出される。ターゲット９０は、チャンバ１２の外部に配置されたＤＣ電源９６に接続されている。ＤＣ電源９６は、ターゲット９０に直流電圧を印加する。すなわち、ターゲット１６に対するＤＣ電源２４とは別にターゲット９０に対するＤＣ電源９６が設けられている。このため、ターゲット１６に対する投入電力から独立して、ターゲット９０に対する投入電力を制御することができる。磁石９２は、ターゲット９０の下側に配置されており、ターゲット９０の上面近傍の空間に水平方向に磁界を生じさせる。シャッター９４は、板状の部材であり、回転エアシリンダ９８によって回転させられる。回転エアシリンダ９８は、シャッター９４を開閉する。
【００３５】
実施例４のスパッタリング装置を用いて基板２２の下面に酸化ガリウム膜を成長させる方法について説明する。以下では、基板２２として、下面が（００１）面により構成された酸化ガリウム基板を用いる場合について説明する。まず、実施例１と同様にして、ＤＣ電源２４によってターゲット１６へ約１０００Ｗの電力を投入するまでの処理を実行する。なお、実施例４では、酸素ラジカルガン６０を約５００ＷのＲＦ電力で動作させる。ターゲット１６への電力投入によって、ターゲット１６上にプラズマが発生する。次に、ＤＣ電源９６によってターゲット９０へ約１００Ｗの電力を投入する。これによって、ターゲット９０上にプラズマが発生する。次に、２つのシャッター２０、９４を開く。すると、イオン化したアルゴンがターゲット１６に衝突し、ターゲット１６からガリウム原子及び酸化ガリウム分子が放出される。同時に、イオン化したアルゴンがターゲット９０に衝突し、ターゲット９０から亜鉛原子が放出される。放出されたガリウム原子及び酸化ガリウム分子は、基板２２の下面に堆積する。これによって、基板２２の下面に酸化ガリウム膜が成長する。また、ターゲット９０から放出された亜鉛原子が、酸化ガリウム膜中に取り込まれる。このため、亜鉛がドープされた酸化ガリウム膜が成長する。亜鉛は、酸化ガリウム膜中でアクセプタとして振る舞う。このため、ｐ型の酸化ガリウム膜が成長する。
【００３６】
実施例４の方法により成長させた酸化ガリウム膜に対してＳＩＭＳによる元素分析を行ったところ、酸化ガリウム膜中に５×１０１９ｃｍ−３の濃度で亜鉛原子が取り込まれていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＸ線回折による分析を行ったところ、酸化ガリウム膜がβ型酸化ガリウムにより構成されており、その下面が（００１）面であることが確認された。すなわち、基板２２から結晶的に連続する酸化ガリウム膜が形成されていることが確認された。また、成長させた酸化ガリウム膜に対してＣ−Ｖ測定によるキャリア密度分析を行ったところ、ＶとＣ２が正の比例関係を示し、ｐ型の傾向が認められた。このように、実施例４のスパッタリング装置によれば、ｐ型の酸化ガリウム膜を形成することができる。
【００３７】
実施例４のスパッタリング装置では、ターゲット１６に投入する電力から独立してターゲット９０に投入する電力を制御することができる。このため、基板２２の下面に供給する亜鉛原子の量を独立して制御することができる。このため、成長する酸化ガリウム膜中のｐ型不純物濃度を任意の値に制御することができる。
【００３８】
なお、実施例４でも、チャンバ１２内への酸素元素の供給量（すなわち、酸素ラジカルガン６０による酸素ラジカルの供給量、及び、酸素ガス供給管４２からの酸素ガスの流量）によって、酸化ガリウム膜中の酸素空孔の密度を制御することができる。酸素空孔はドナーとして振る舞うので、ｐ型の酸化ガリウム膜中では、酸素空孔の密度が高くなるほどｐ型キャリアの密度が低下する。したがって、チャンバ１２内への酸素元素の供給量によって、ｐ型キャリアの密度を調整することができる。また、成膜処理中にチャンバ１２内への酸素元素の供給量を変更することで、実効ｐ型キャリア密度が異なる複数のｐ型の酸化ガリウム膜を連続して形成してもよい。
【００３９】
また、実施例４では、ターゲット９０に酸化亜鉛が含有されていたが、酸化ガリウム膜にアクセプタをドープ可能な他の物質が含有されていてもよい。例えば、カルシウム、亜鉛、マグネシウム、銅、鉄等のアクセプタ元素、または、これらのアクセプタ元素の化合物が、ターゲット９０に含有されていてもよい。
【００４０】
また、上述した実施例４では、シャッター２０とシャッター９４を同時に開いたが、シャッター２０とシャッター９４を交互に開いてもよい。この構成によれば、酸化ガリウム膜と酸化亜鉛膜を交互に積層した膜を形成することができる。
【００４１】
なお、上述した実施例１〜４のスパッタリング装置は、チャンバ１２内に酸素元素を供給する手段として、酸素ラジカルガン６０と酸素ガス供給管４２を有していた。しかしながら、チャンバ１２内に酸素元素を供給する手段が、酸素ラジカルガン６０と酸素ガス供給管４２のいずれか一方のみであってもよい。また、酸素ガス（Ｏ２ガス）に代えて、オゾンガス（Ｏ３ガス）をチャンバ１２内に供給してもよい。また、その他の酸素原子を含むガスをチャンバ１２内に供給してもよい。
【００４２】
また、上述した実施例１〜４では、基板２２が酸化ガリウムにより構成されていたが、基板２２が他の物質によって構成されていてもよい。
【００４３】
また、上述した実施例１〜４では、チャンバ１２内にスパッタリングガスとしてアルゴンを供給したが、スパッタリングガスがその他の不活性ガスであってもよい。スパッタリングガスとして、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、または、これらの少なくとも１つを含む混合ガスを用いてもよい。
【００４４】
また、上述した実施例では、各ターゲットに直流電圧を印加したが、各ターゲットに高周波電圧を印加してもよい。
【００４５】
上述した実施例の構成要素と、請求項の構成要素との関係について説明する。実施例１〜４のターゲット１６は、請求項のガリウムターゲットの一例である。実施例１〜４のＤＣ電源２４は、請求項の第１電源の一例である。実施例１〜４の酸素ラジカルガン６０と酸素ガス供給管４２は、請求項の酸素元素供給装置の一例である。実施例２の窒素ラジカルガン８０は、請求項の窒素元素供給装置の一例である。実施例２に関連して説明したチャンバ１２内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給管も、請求項の窒素元素供給装置の一例である。請求項４のターゲット９０は、請求項のアクセプタターゲットの一例である。
【００４６】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００４７】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置では、酸素元素供給装置が、チャンバ内に酸素ラジカルを供給してもよい。
【００４８】
また、本明細書が開示する別の一例のスパッタリング装置では、酸素元素供給装置が、チャンバ内に酸素含有ガスを供給してもよい。なお、酸素含有ガスは、酸素原子を含むガスであり、酸素ガス（Ｏ２ガス）、オゾンガス（Ｏ３ガス）等が含まれる。
【００４９】
なお、スパッタリング装置が、酸素ラジカルを供給する酸素元素供給装置と、酸素含有ガスを供給する酸素元素供給装置の両方を有していてもよい。
【００５０】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置では、チャンバ内に窒素元素を供給する窒素元素供給装置をさらに有していてもよい。
【００５１】
窒素は、酸化ガリウム膜中でアクセプタとして機能する。チャンバ内に窒素元素を供給すると、酸化ガリウム膜中に窒素元素が取り込まれ、酸化ガリウム膜をｐ型化することができる。
【００５２】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置では、窒素元素供給装置が、チャンバ内に窒素ラジカルを供給してもよい。
【００５３】
また、本明細書が開示する別の一例のスパッタリング装置では、窒素元素供給装置が、チャンバ内に窒素ガスを供給してもよい。
【００５４】
なお、スパッタリング装置が、窒素ラジカルを供給する窒素元素供給装置と、窒素ガスを供給する窒素元素供給装置の両方を有していてもよい。
【００５５】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置では、ガリウムターゲットが、酸化ガリウム中でアクセプタとなる元素を含んでいてもよい。
【００５６】
ガリウムターゲットが酸化ガリウム中でアクセプタとなる元素（アクセプタ元素）を含んでいると、そのアクセプタ元素が酸化ガリウム膜中に取り込まれる。このため、酸化ガリウム膜をｐ型化することができる。
【００５７】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置は、チャンバ内に配置されているとともに酸化ガリウム中でアクセプタとなる元素を含むアクセプタターゲットと、アクセプタターゲットに電圧を印加する第２電源、をさらに有していてもよい。なお、第２電源がアクセプタターゲットに印加する電圧は、直流電圧であっても交流電圧（例えば、高周波電圧）であってもよい。
【００５８】
アクセプタターゲットが存在すると、アクセプタターゲットから生じた元素（アクセプタ元素）が基板の表面に供給され、そのアクセプタ元素が酸化ガリウム膜中に取り込まれる。このため、酸化ガリウム膜をｐ型化することができる。また、ガリウムターゲットに印加する電圧（第１電源の印加電圧）とアクセプタターゲットに印加する電圧（第２電源の印加電圧）を異なる電圧とすることができるので、基板の表面に供給されるガリウム元素の量とアクセプタ元素の量を個別に制御することができる。したがって、酸化ガリウム膜中のアクセプタ元素の濃度を意図した濃度に制御することができる。
【００５９】
本明細書が開示する一例のスパッタリング装置は、成膜処理中に酸素元素供給装置がチャンバ内に供給する酸素元素の量を変更する供給量制御装置をさらに有していてもよい。
【００６０】
酸化ガリウム膜中には、酸素サイトに酸素が充填されない酸素空孔が形成される。酸化ガリウム膜中の酸素空孔はドナーとして振る舞う。成膜処理中における酸素元素の供給量が多いと、酸素空孔が少なくなり、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア濃度が低くなる。例えば、ｎ型の酸化ガリウム膜を成長させる場合には、チャンバ内への酸素元素の供給量が少ないほど、酸素空孔の密度が高くなり、酸化ガリウム膜中のｎ型キャリア濃度が高くなる。また、ｐ型の酸化ガリウム膜を成長させる場合には、ｎ型不純物（酸素空孔）はｐ型不純物に対するカウンタードープとなる。このため、ｐ型の酸化ガリウム膜を成長させる場合には、チャンバ内への酸素元素の供給量が少ないほど、酸素空孔の密度が高くなり、酸化ガリウム膜中のｐ型キャリア濃度が低くなる。このように、チャンバ内への酸素元素の供給量によって、成長する酸化ガリウム膜の特性が変化する。上記のように成膜処理中に酸素元素の供給量を変更することで、特性が異なる複数の酸化ガリウム膜を連続して成膜することができる。
【００６１】
また、本明細書では、半導体装置の製造方法を提案する。本明細書が開示する一例の製造方法は、酸素元素供給装置によってチャンバ内に酸素元素を供給するとともに第１電源によってガリウムターゲットに電圧を印加しながら、ステージに固定された基板の表面にガリウムターゲットから生じるガリウム元素を堆積させることで、基板の表面に酸化ガリウム膜を成長させる。
【００６２】
この製造方法によれば、速い成膜速度で酸化ガリウム膜を形成することができる。
【００６３】
また、本明細書が開示する一例の製造方法では、成膜工程中に酸素元素供給装置がチャンバ内に供給する酸素元素の量を変更してもよい。
【００６４】
このように酸素元素の供給量を変更することで、特性が異なる複数の酸化ガリウム膜を連続して成膜することができる。
【００６５】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００６６】
１０  ：スパッタリング装置
１２  ：チャンバ
１４  ：ステージ
１６  ：ターゲット
１８  ：磁石
２０  ：シャッター
２２  ：基板
２４  ：ＤＣ電源
２６  ：回転エアシリンダ
４０  ：酸素ガス供給源
４２  ：酸素ガス供給管
５０  ：アルゴンガス供給源
５２  ：アルゴンガス供給管
６０  ：酸素ラジカルガン
６２  ：ラジカルガン用酸素ガス供給管
６４  ：ＲＦ電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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