(57)【要約】【課題】  平坦性に優れた半導体層を成長させることのできるIII 族窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】  第１の工程では、塩素ガスとアルゴンガスとを含む第１のガスをプラズマ化してＧａターゲットからＧａ原子を飛翔させるとともにＧａ原子とＣｌ原子とを反応させて基板Ｓ１に供給し、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第１半導体層３０を成膜する。第２の工程では、アルゴンガスをプラズマ化してＧａターゲットからＧａ原子を基板Ｓ１に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第２半導体層４０を成膜する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上にIII 族窒化物半導体からなる第１半導体層を成膜する第１の工程と、
前記第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、
を有し、
前記第１の工程では、
塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を前記基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して前記基板に供給することにより前記第１半導体層を成膜し、
前記第２の工程では、
希ガスをプラズマ化して前記ターゲットからIII 族原子を前記基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して前記基板に供給することにより前記第２半導体層を成膜すること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記第１の工程は反応性スパッタリング法であり、
前記第２の工程は物理的スパッタリング法であり、
前記第１の工程と前記第２の工程とを同じ装置内で連続して実施すること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記第１の工程では、
前記第１半導体層の膜厚を２０ｎｍ以上とすること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、プラズマを用いて薄膜を成膜するIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に薄膜を成膜する技術として種々の技術がある。例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法が挙げられる。スパッタリング法では、真空中で高速のイオンをターゲットに衝突させ、ターゲットから放出された粒子を基板の上に付着させる。ターゲットに衝突するイオンの運動エネルギーが大きいため、ターゲットから放出される粒子の運動エネルギーも大きい。したがって、緻密で付着力の高い薄膜が得られる。
【０００３】
ところで、従来、ＧａＮ（窒化ガリウム）を成膜する際には、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法が用いられてきた。そして近年では、高い生産性への期待から、大口径基板にＧａＮを成膜することが要求されるようになってきている。しかし、基板が大きいほど、基板とＧａＮ層との間の熱膨張係数差に起因する歪が大きい。そして、基板とＧａＮ層との界面付近で大きな応力が発生する。このような応力は、ＧａＮ層の結晶性に悪影響を与えるおそれがある。また、応力が半導体層の内部にピエゾ電界を生じさせることがある。そのため、このような半導体層を有する半導体素子における電子の振る舞いに悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００４】
スパッタリング法では、従来のＭＯＣＶＤ法等に比べて低い温度で成膜できる可能性がある。成膜温度が低いほど、熱膨張係数差に起因する応力を抑制できる。そのため、近年では、ＧａＮの成膜にスパッタリング法を用いる技術が開発されてきている。例えば、特許文献１では、ターゲットであるＧａを冷却する技術が開示されている（特許文献の段落［０００７］等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１７２４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のスパッタリング装置を用いてＧａＮを成膜する場合には、Ｇａターゲットから基板に向かうＧａ粒子が窒素ガスおよびアルゴンガスに衝突するおそれがある。Ｇａターゲットから飛び出したＧａ粒子は、窒素ガスおよびアルゴンガスと衝突を繰り返しながら運動エネルギーを失っていく。運動エネルギーを失ったＧａ粒子は、基板の表面でほとんど動き回らない。Ｇａ粒子の運動状態が悪いと、ＧａＮが３次元成長しやすくなる。そうすると、面内に一様で結晶性に優れた半導体層を成長させることが困難になる。
【０００７】
また、本発明者らは、スパッタリングによりＧａＮを成膜する場合には、高い平坦性を備えるＧａＮを得ることが困難であることを発見した。
【０００８】
本明細書の技術が解決しようとする課題は、平坦性に優れた半導体層を成長させることのできるIII 族窒化物半導体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法は、基板の上にIII 族窒化物半導体からなる第１半導体層を成膜する第１の工程と、第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、を有する。第１の工程では、塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより第１半導体層を成膜する。第２の工程では、希ガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板に供給することにより第２半導体層を成膜する。
【００１０】
この製造方法においては、第１半導体層を形成するため、表面の平坦性が高い第２半導体層を形成することができる。スパッタリングにより半導体層を成膜することができるため、低い基板温度での成膜が可能である。つまり、大口径の基板に半導体層を成膜することに適している。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書では、平坦性に優れた半導体層を成長させることのできるIII 族窒化物半導体の製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の成膜装置の概略構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態の成膜装置における開口部材の貫通孔を示す平面図である。
【図４】第１の実施形態の変形例の半導体装置の概略構成を示す図である。
【図５】第１のサンプルＪ１および第２のサンプルＪ２の積層構造を示す図である。
【図６】第３のサンプルＪ３の積層構造を示す図である。
【図７】サンプルＪ１のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。
【図８】サンプルＪ２のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。
【図９】サンプルＪ３のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体装置とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。
【００１５】
１．半導体装置
図１は、第１の実施形態の半導体レーザー素子Ａ１の概略構成を示す図である。半導体レーザー素子Ａ１は、基板１０と、バッファ層２０と、第１半導体層３０と、第２半導体層４０と、ｎ型クラッド層Ａ５０と、活性層Ａ６０と、ｐ型クラッド層Ａ７０と、ｐ型コンタクト層Ａ８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有する。
【００１６】
基板１０は、半導体層を支持する。基板１０は、例えば、サファイア基板である。または、その他のＧａＮを成長させることのできる成長基板であるとよい。
【００１７】
バッファ層２０は、ＧａＮを成長させるための低温バッファ層である。バッファ層２０の材質は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。またはその他のバッファ層であってもよい。
【００１８】
第１半導体層３０は、基板１０の上に位置している。第１半導体層３０は、例えば、ＧａＮ層である。第１半導体層３０は、水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により成膜されたIII 族窒化物半導体層である。第１半導体層３０の膜厚は、２０ｎｍ以上であるとよい。好ましくは３０ｎｍ以上である。より好ましくは４０ｎｍ以上である。第１半導体層３０の膜厚は、３００ｎｍ以下であるとよい。第２半導体層４０の表面の平坦性が向上するからである。好ましくは２００ｎｍ以下である。より好ましくは１００ｎｍ以下である。水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により成膜された第１半導体層３０は、半導体レーザー素子Ａ１の素子本来の機能とは無関係であるためである。
【００１９】
第２半導体層４０は、第１半導体層３０の上に位置している。第２半導体層４０は、例えば、ＧａＮ層である。第２半導体層４０は、物理的スパッタリング法により成膜されたIII 族窒化物半導体層である。
【００２０】
ｎ型クラッド層Ａ５０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。ｎ型クラッド層Ａ５０は、ｎ電極Ｎ１に接触するｎ型コンタクト層も兼ねている。活性層Ａ６０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層および障壁層は、III 族窒化物半導体層である。ｐ型クラッド層Ａ７０は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層Ａ８０は、例えば、ｐ型ＧａＮ層である。もちろん、上記以外の構造を有していてもよい。
【００２１】
２．成膜装置
図２は、第１の実施形態の成膜装置１０００の概略構成を示す図である。第１の実施形態の成膜装置１０００は、スパッタリング法により基板の上に薄膜を成膜する装置である。成膜装置１０００は、筐体１００１と、区画部３００と、を有する。ここで、筐体１００１と区画部３００との材質は、例えば、ニッケルめっきされたＳＵＳ（ステンレス鋼）である。筐体１００１と区画部３００とは、接地されている。
【００２２】
筐体１００１は、第１室１００および第２室２００を収容している。区画部３００は、第１室１００を収容している。区画部３００は、第１室１００と第２室２００とを区切っている。つまり、成膜装置１０００は、第１室１００と、第２室２００と、第１室１００と第２室２００とを区画する区画部３００と、を有する。
【００２３】
２−１．第１室
第１室１００は、ターゲット収容部１１０と、ターゲット収容部支持部１２０と、冷却部１３０と、第１の電位付与部１４０と、第１のガス供給部１５０と、第１のガス供給管１６０と、を有している。
【００２４】
ターゲット収容部１１０は、ターゲットＴ１を収容するためのものである。そのため、ターゲット収容部１１０は、ターゲットＴ１を載置するための凹部を有するとよい。ターゲットＴ１は、スパッタリングに用いられる材料である。ターゲットＴ１は、例えば、Ｇａ（ガリウム）である。ターゲット収容部１１０は、後述する基板支持部２１０と対向する位置に配置されている。そのため、ターゲットＴ１は、基板１０と対向する位置に配置されることとなる。
【００２５】
ターゲット収容部支持部１２０は、ターゲット収容部１１０を支持するためのものである。また、ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有している。
【００２６】
冷却部１３０は、ターゲット収容部１１０を冷却するためのものである。冷却部１３０は、水を流す流路１３１と、流路１３１に水を流すポンプ（図示せず）と、ポンプを制御するポンプ制御部（図示せず）と、を有する。水の温度は、例えば１０℃である。水温は、ターゲットＴ１の材料に応じて変更してもよい。冷却部１３０は、ターゲット収容部１１０を介してターゲットＴ１を冷却する。
【００２７】
第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に高周波電位を付与するためのものである。そのため、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０を介してターゲットＴ１に電位を付与することができる。高周波電位の周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚである。もちろん、これ以外の周波数を用いてもよい。
【００２８】
第１のガス供給部１５０は、第１室１００の内部に第１のガスを供給するためのものである。第１のガス供給部１５０は、第１のガスを収容する役割も担っている。第１のガス供給部１５０は、第１のガスとして例えばアルゴンガスを第１室１００に供給する。第１のガスは、後述する第１のプラズマ生成領域でプラズマ化し、ターゲットＴ１に高速で入射する粒子となるものである。第１のガスは、その他の希ガスであってもよい。第１のガスは、その他の不活性ガスであってもよい。
【００２９】
第１のガス供給管１６０は、第１のガス供給部１５０から第１室１００に第１のガスを供給するための流路である。
【００３０】
２−２．第２室
第２室２００は、基板支持部２１０と、加熱部２２０と、プラズマ発生装置２３０と、第２の電位付与部２４０と、第２のガス供給部２５０と、第２のガス供給管２６０と、排気口２７０と、を有している。
【００３１】
基板支持部２１０は、基板Ｓ１を支持するためのものである。ここで、基板Ｓ１は、スパッタリングにより薄膜を成膜される成膜対象部材である。基板Ｓ１は、ＧａＮ層の成膜後にチップ毎に分割されて図１の基板１０およびバッファ層２０になる。基板支持部２１０は、基板Ｓ１の表面が鉛直下方に向くように配置されている。
【００３２】
加熱部２２０は、基板支持部２１０を加熱するためのものである。加熱部２２０は、基板支持部２１０を介して基板支持部２１０に支持されている基板Ｓ１を加熱することができる。また、加熱部２２０は、温度センサーを有するとよい。そして、加熱部２２０は、基板温度を入力された設定温度に保持することができるとよい。
【００３３】
プラズマ発生装置２３０は、第２のガス供給部２５０から供給された第２のガスをプラズマ化するためのものである。プラズマ発生装置２３０は、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ユニットである。プラズマ発生装置２３０は、その他の方式によりプラズマを発生させてもよい。
【００３４】
第２の電位付与部２４０は、プラズマ発生装置２３０に高周波電位を付与するためのものである。高周波電位の周波数は、例えば、２７．１２ＭＨｚである。もちろん、これ以外の周波数を用いてもよい。
【００３５】
第２のガス供給部２５０は、第２室２００の内部に第２のガスを供給するためのものである。第２のガス供給部２５０は、第２のガスを収容する役割も担っている。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして例えば窒素ガスを第２室２００に供給する。第２のガスは、第２のプラズマ生成領域でプラズマ化し、ターゲットＴ１からたたき出された粒子と反応して基板Ｓ１に成膜される。第２のガスは、その他の反応性ガスであってもよい。また、成膜する材料によっては、その他の不活性ガスであってもよい。
【００３６】
第２のガス供給管２６０は、第２のガス供給部２５０からプラズマ発生装置２３０に第２のガスを供給するための流路である。
【００３７】
２−３．区画部
区画部３００は、前述したように第１室１００と第２室２００とを区画している。区画部３００は、壁３１０と、天板３２０と、筒形状部３３０と、開口部材３４０と、を有する。壁３１０および天板３２０は、第１室１００と第２室２００とを区画するためのものである。
【００３８】
２−４．筒形状部および開口部材
筒形状部３３０は、基板支持部２１０に向かって突出する円筒形状の部材である。筒形状部３３０は、ターゲット収容部１１０と基板支持部２１０との間の位置に配置されている。基板支持部２１０に支持された基板Ｓ１およびターゲットＴ１が、筒形状部３３０を延長したと仮定した場合の筒形状の内部に含まれている。そのため、筒形状部３３０は、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子が基板Ｓ１に向かうことを妨げることはない。筒形状部３３０は、第１の開口端３３１を有する。第１の開口端３３１は、筒形状部３３０の開口端のうちの一方である。第１の開口端３３１は基板Ｓ１と対面している。
【００３９】
開口部材３４０は、複数の貫通孔を有する板状の部材である。開口部材３４０は、筒形状部３３０の第１の開口端３３１を覆うとともに第１室１００と第２室２００とを連通する複数の貫通孔を有する。開口部材３４０は、ターゲット収容部１１０と基板支持部２１０との間の位置に配置されている。
【００４０】
図３は、開口部材３４０の貫通孔３４１を示す平面図である。図３に示すように、開口部材３４０の貫通孔３４１は、開口部材３４０の表面にハニカム状に配置されている。開口部材３４０の貫通孔３４１は円形である。貫通孔３４１は、ターゲットＴ１と基板Ｓ１とを結ぶ線上に規則的に配置されている。
【００４１】
開口部材３４０の開口率は３０％以上５０％以下である。開口部材３４０の貫通孔３４１の内径は１ｍｍ以上である。開口部材３４０の貫通孔３４１の内径が１ｍｍ未満であると、Ｇａを含む物質が貫通孔３４１を塞いでしまうおそれがあるためである。貫通孔３４１の大きさが十分であるため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子は開口部材３４０の貫通孔３４１を通過して基板Ｓ１の表面に到達する。
【００４２】
開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は２０ｍｍ以下である。後述するように、ターゲット粒子が第２室２００のガスとそれほど衝突しないようにするためである。好ましくは、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は１０ｍｍ以下である。開口部材３４０と基板Ｓ１との間に窒素原子を含むガスを通過させるために、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は２ｍｍ以上あるとよい。
【００４３】
３．ターゲット粒子とガス粒子との衝突回数
ターゲット粒子と第２室２００のガス粒子との衝突回数Ｎは、第２室２００の内圧Ｐと、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離Ｔと、に依存する。衝突回数Ｎは、内圧Ｐおよび距離Ｔの積に比例する。衝突回数Ｎは、少ないことが好ましい。
【００４４】
４．ＧａＮ層の成膜方法
第１の実施形態の成膜装置１０００は、物理的スパッタリング法および反応性スパッタリング法によるＧａＮ層の成膜をすることができる。第１半導体層３０を成膜する際には反応性スパッタリング法を用い、第２半導体層４０を成膜する際には物理的スパッタリング法を用いる。
【００４５】
４−１．物理的スパッタリング
物理的スパッタリングとは、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子がほぼそのまま基板Ｓ１に到達する通常のスパッタリングである。
【００４６】
基板Ｓ１としてサファイア基板を用いる場合について説明する。ただし、サファイア基板の代わりに別の基板を用いてもよい。ここで、ターゲットＴ１は、Ｇａである。第１のガスは、アルゴンガスである。第２のガスは、窒素ガスである。また、基板Ｓ１は、その表面にＡｌＮバッファ層を有するとよい。このような条件で、サファイア基板の上にＧａＮ層を成膜する。
【００４７】
第１の電位付与部１４０は、ターゲットＴ１に高周波電位を付与する。その際に、第１のガス供給部１５０は、第１のガスを第１室１００に供給する。そのため、ターゲットＴ１の周囲にプラズマが発生する。第１室１００におけるターゲット収容部１１０と区画部３００との間の領域は、第１のプラズマ生成領域である。このように、第１室１００は、第１のプラズマ生成領域を有する。第１のプラズマ生成領域に発生するプラズマは、第１のガスに由来するイオンまたは粒子をターゲットＴ１に照射し、ターゲットＴ１からＧａ粒子を飛び出させる。
【００４８】
第２の電位付与部２４０は、プラズマ発生装置２３０に高周波電位を付与する。その際に、第２のガス供給部２５０は、第２のガスを第２室２００に供給する。そのため、プラズマ発生装置２３０の内部にプラズマが発生する。第２のガスは、このプラズマの内部を通過する際に電離される。そして、第２室２００に供給された第２のガスは、プラズマガスの状態で基板支持部２１０と区画部３００との間に供給される。そのため、第２室２００における基板支持部２１０と区画部３００との間の領域は、第２のプラズマ生成領域である。このように、第２室２００は、第２のプラズマ生成領域を有する。第２のプラズマ生成領域に横たわるプラズマは、窒素原子に由来する粒子を有する。窒素原子に由来する粒子とは、窒素イオン、窒素ラジカル、またはこれらの励起状態である。
【００４９】
ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子は、筒形状部３３０を通過して開口部材３４０の貫通孔３４１を通過する。つまり、Ｇａ粒子は、第１室１００から第２室２００に進入し、基板Ｓ１に向かって飛翔する。Ｇａ粒子は、窒素ガスやアルゴンガスとほとんど衝突しないため、高い運動エネルギーで基板Ｓ１に突入する。そのため、基板Ｓ１に到達したＧａ粒子は、基板Ｓ１の上を好適に動き回る。
【００５０】
一方、窒素原子に由来する粒子は、基板Ｓ１と開口部材３４０とが対向する空間に拡散する。窒素原子に由来する粒子は、基板Ｓ１の上で動き回っているＧａ粒子と結合し、基板Ｓ１の上にＧａＮ層が成膜される。
【００５１】
第１室１００および第２室２００の内圧は、０．１Ｐａ以上２０Ｐａ以下の範囲内である。基板温度は、例えば、３００℃以上８００℃以下である。もちろん、上記以外の数値範囲であってもよい。
【００５２】
４−２．反応性スパッタリング
反応性スパッタリングとは、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子の一部がＣｌ原子と反応し、基板Ｓ１に到達するスパッタリングである。なお、多くのＧａ原子はＣｌ原子と反応することなく基板Ｓ１に到達する。つまり、一部のＧａ粒子は、後述するようにガリウム塩化物の中間状態を経た後にＧａＮを形成する。
【００５３】
第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスと塩素ガス（Ｃｌ2 ）とを含むガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスと水素ガスとを含むガスを供給する。ここでターゲットＴ１はＧａターゲットである。
【００５４】
塩素ガスは、第１のプラズマ生成領域でプラズマ化される。そして、塩素原子に由来する粒子（塩素分子、塩素原子、塩素ラジカルを含む）は、Ｇａターゲットに衝突する。そして、Ｇａターゲットは、塩素原子に由来する粒子と反応してＧａＣｌｘ（ガリウム塩化物）を生成する。そしてＧａＣｌｘの粒子が飛び出す。飛び出したＧａＣｌｘ粒子は、基板Ｓ１に向かって飛翔する。そして、ＧａＣｌｘ粒子は、第２のプラズマ生成領域の窒素原子に由来する粒子と反応する。ここで、窒素原子に由来する粒子は、ＮＨ、ＮＨ2 等の窒化水素およびこれらの励起状態等を含む。これにより、基板Ｓ１の上にＧａＮ層が成膜される。
【００５５】
なお、第２のプラズマ生成領域に含まれる粒子が、Ｇａ原子とＣｌ原子との間の結合を断ち切る。この過程に伴い低温成膜条件では、基板Ｓ１の上のＧａＮ層は、Ｃｌ原子をわずかに含む。また、ＧａＮ層は、Ｈ原子をわずかに含む。
【００５６】
第１のガスに占める塩素ガスの流量は、体積比で０．１％以上１％以下であるとよい。
【００５７】
５．半導体の製造方法
５−１．基板準備工程
基板Ｓ１を準備する。基板Ｓ１は、表面にバッファ層２０を形成されたテンプレート基板である。そして、基板Ｓ１を成膜装置１０００の内部に配置する。また、基板Ｓ１の表面をクリーニングするとよい。そのために例えば、水素ガスまたはプラズマ化した水素ガスを用いるとよい。
【００５８】
５−２．第１半導体層形成工程（第１の工程）
成膜装置１０００の内部で、反応性スパッタリング法により基板Ｓ１のバッファ層２０の上に第１半導体層３０を形成する。具体的には、第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスと塩素ガス（Ｃｌ2 ）とを含むガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスと水素ガスとを含むガスを供給する。第１のガスはプラズマ化されてＧａターゲットからＧａ原子をたたき出す。Ｇａ原子はＣｌ原子と反応してガリウム塩化物を生成する。ガリウム塩化物は基板Ｓ１の表面に到達するとともにプラズマ化した第２のガスと反応することにより、ＧａＮが発生する。このようにして、バッファ層２０の上に第１半導体層３０が形成される。
【００５９】
このように第１の工程では、塩素ガスとアルゴンガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからＧａ原子を飛翔させるとともにＧａ原子とＣｌ原子とを反応させて基板Ｓ１に供給し、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第１半導体層３０を成膜する。
【００６０】
５−３．第２半導体層形成工程（第２の工程）
成膜装置１０００の内部で、物理的スパッタリング法により第１半導体層３０の上に第２半導体層４０を形成する。具体的には、第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスを供給する。第１のガスはプラズマ化されてＧａターゲットからＧａ原子をたたき出す。Ｇａ原子は、第１半導体層３０または成膜途中の第２半導体層４０の表面を動き回る。そして、プラズマ化された窒素ガスがＧａ原子と結合する。このようにして、第１半導体層３０の上に第２半導体層４０が形成される。
【００６１】
このように第２の工程では、アルゴンガスをプラズマ化してＧａターゲットからＧａ原子を基板Ｓ１に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第２半導体層４０を成膜する。
【００６２】
５−４．その他の半導体層形成工程
次に、第２半導体層４０の上にｎ型クラッド層Ａ５０と、活性層Ａ６０と、ｐ型クラッド層Ａ７０と、ｐ型コンタクト層Ａ８０と、をこの順序で形成する。この際には、成膜装置１０００を用いてもよいし、ＭＯＣＶＤ炉等その他の成膜装置を用いてもよい。
【００６３】
５−５．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層Ａ８０からｎ型クラッド層Ａ５０の一部が露出するまで凹部を形成する。ｎ型クラッド層Ａ５０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ型コンタクト層Ａ８０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
【００６４】
５−６．その他の工程
半導体層を形成済みの基板Ｓ１をチップサイズに切り出す分離工程や、熱処理工程等を適宜実施してもよい。以上により、半導体レーザー素子Ａ１が製造される。
【００６５】
６．本実施形態の効果
６−１．表面の平坦性
本実施形態では、基板Ｓ１の上に第１半導体層３０を形成し、第１半導体層３０の上に第２半導体層４０を形成する。このため、第２半導体層４０の表面は平坦である。第１半導体層３０を成膜することなく、第２半導体層４０を成膜する場合には、第２半導体層４０の表面は平坦ではない。
【００６６】
６−２．Ｇａ原子の運動エネルギー
本実施形態では、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離が十分に小さい。そのため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子が第２室２００でアルゴンガスおよび窒素ガスと衝突する回数は、少ない。したがって、Ｇａ原子が基板Ｓ１に衝突する際の運動エネルギーは十分に大きい。そのため、Ｇａ原子は基板Ｓ１の表面上または半導体層の表面上を動き回ることができる。その結果、面内に均一な結晶性に優れた半導体層が成膜されることとなる。ここで、Ｇａ原子の運動エネルギーが小さいと、Ｇａ原子が基板Ｓ１の表面を十分に動き回ることが出来ない。その場合には停止状態に近いＧａ粒子を核にしてＧａＮが３次元成長しやすく、結晶性に優れた半導体層を成長させることは困難である。
【００６７】
６−３．空間中でのＧａＮの合成の抑制
本実施形態では、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離が十分に小さい。そのため、Ｇａ原子と窒素原子を含む粒子との衝突回数が少ない。つまり、Ｇａ原子と窒素原子を含む粒子とが反応して基板Ｓ１と離れた位置でＧａＮの化合物を生成する割合が小さい。また、基板Ｓ１の板面が鉛直下方に向いているため、このようなＧａＮの化合物が基板Ｓ１に堆積しにくい。
【００６８】
６−４．窒素原子を含む粒子の隔離
本実施形態の成膜装置１０００は、開口部材３４０を有する。開口部材３４０における貫通孔３４１以外の部分は、窒素原子に由来する粒子の透過を防止する。つまり、窒素原子に由来する粒子が第１室１００に入りにくい。そのため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子が第１室１００で窒素原子に由来する粒子と衝突することが抑制される。また、ターゲットＴ１が窒化されることを抑制することができる。
【００６９】
６−５．ガスの選択
本実施形態では、ターゲットＴ１から粒子を飛び出させる第１室１００と、基板Ｓ１の上に成膜する第２室２００とが、別々に設けられている。そのため、ターゲット収容部１１０を有する第１室１００と、基板支持部２１０を有する第２室２００とに、異なるガスを供給することができる。そのため、ターゲットＴ１が収容されている第１室１００の内部に、ターゲットＴ１と反応しにくいガスを選択して供給することができる。貫通孔３４１を介して第２室２００から第１室１００にガスが流入するおそれがあるが、その流量は非常に少ない。これにより、ターゲットＴ１の表面でターゲットＴ１が供給ガスと反応することを抑制することができる。
【００７０】
６−６．プラズマ生成領域の分離
また、本実施形態では、ターゲットＴ１から粒子を飛び出させるための第１のプラズマ生成領域と、成膜に用いられるプラズマガスを含む第２のプラズマ生成領域とが、別々に発生する。そのため、第１のプラズマ生成領域のプラズマと、第２のプラズマ生成領域のプラズマとを、別々に制御することができる。例えば、第１のプラズマ生成領域を生成するための電力を強くすることにより、ターゲットＴ１からの粒子を増やすとともに、粒子の運動エネルギーを高くすることができる。そのため、ターゲットＴ１からの粒子の数と、第２のガスに由来する粒子の数とを調整できる可能性がある。したがって、スパッタ収率の向上や、薄膜の結晶性の向上が期待される。
【００７１】
７．変形例
７−１．半導体装置の種類
第１の実施形態の半導体装置は半導体レーザー素子Ａ１である。しかし、第１の実施形態の技術をその他の半導体装置に適用することができる。
【００７２】
図４は、第１の実施形態の変形例におけるＨＥＭＴ素子Ｂ１を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ素子Ｂ１は、基板１０と、バッファ層２０と、第１半導体層３０と、第２半導体層４０と、チャネル層Ｂ５０と、バリア層Ｂ６０と、ソース電極ＳＥ１と、ゲート電極ＧＥ１と、ドレイン電極ＤＥ１と、を有する。チャネル層Ｂ５０は、例えば、ＧａＮ層である。バリア層Ｂ６０は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。
【００７３】
このように、種々の半導体装置に第１の実施形態の技術を適用することができる。
【００７４】
７−２．第１の工程と第２の工程との連続実施
なお、第１の工程と第２の工程とを同じ成膜装置１０００の内部で連続して実施してもよい。第１半導体層３０の表面が酸化されないからである。そのため、第２半導体層４０の表面の平坦性は向上する。
【００７５】
７−３．バッファ層形成工程
本実施形態では既にバッファ層２０を形成済みの基板を用いている。バッファ層を有さない基板を用いる場合には、第１の工程の前にバッファ層２０を形成するバッファ層形成工程を実施してもよい。
【００７６】
７−４．ターゲット
本実施形態ではＧａターゲットを用いる。Ｇａターゲットの代わりに、その他のIII 族原子のターゲットを用いてもよい。例えば、Ａｌ、Ｉｎ等が挙げられる。
【００７７】
７−５．複数の第１室
本実施形態では、成膜装置１０００は、１つの第１室１００を有する。しかし、成膜装置１０００は、複数の第１室１００を有していてもよい。例えば、成膜装置１０００は、Ｇａターゲットを有する第１室１００と、Ａｌターゲットを有する第１室１００と、を有するとよい。その場合には、基板Ｓ１の上にＡｌＧａＮ層を成膜することができる。もちろん、成膜装置１０００は、３以上の第１室１００を有していてもよい。
【００７８】
７−６．希ガス
アルゴンガスの代わりにＨｅ、Ｎｅ等のその他の希ガスを用いてもよい。
【００７９】
７−７．反応性スパッタリングにおける第１のガス
反応性スパッタリングにおける第１のガスとして、塩素ガスの代わりに臭素等のその他のハロゲンを含むガスを用いてもよい。その場合には、Ｇａとハロゲンとの反応生成物が基板Ｓ１に輸送される。また、第１のガスは、メチル等の有機分子を含んでいてもよい。
【００８０】
７−８．物理的スパッタリングにおける第２のガス
本実施形態の物理的スパッタリングでは、第２のガスは水素ガスを含まない。しかし、物理的スパッタリングにおいても、第２のガスは水素ガスを含んでよい場合がある。第２のガスが、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスであるとよい。この場合には、プラズマ発生装置２３０によりＮＨが生成される。この場合にはＮＨが、ＧａＮ層の成膜に寄与するものと考えられる。
【００８１】
７−９．その他のガスの種類
また、第２のガスは、アルゴンガスを含んでいてもよい。このように、第１のガスおよび第２のガスは、２種類以上のガスの混合ガスであってもよい。ただし、第１のガスは、ターゲットＴ１と反応しやすいガスを含まないことが好ましい。そして、第１のガスは、ターゲットＴ１から粒子を放出させるためのものである。第２のガスは、ターゲットＴ１から放出される粒子と反応する粒子を含む。そのため、成膜する材料の種類に応じて適宜選択してもよい。
【００８２】
７−１０．筒形状部の形状
本実施形態の筒形状部３３０は円筒形状である。筒形状部３３０は多角形の筒形状であってもよい。ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子が基板Ｓ１に向かって飛翔することを妨げなければよいからである。
【００８３】
７−１１．貫通孔
開口部材３４０の貫通孔３４１の形状は円形である。貫通孔３４１の形状は、直径１ｍｍの円より大きい多角形であってもよい。また、貫通孔３４１の配置はハニカム状以外の配置であってもよい。
【００８４】
７−１２．シャッター
成膜装置１０００は、貫通孔３４１を開閉するシャッターを有していてもよい。シャッターは、貫通孔３４１を開放状態と閉鎖状態とのいずれかの状態にする開閉部である。シャッターは、上記のように複数の第１室１００を有する場合に有効である。つまり、複数の第１室１００は、それぞれ貫通孔およびシャッターを有する。これにより、基板Ｓ１の上にＡｌターゲットからＡｌＮを成膜し、ＧａターゲットからＧａＮを成膜し、ＡｌターゲットおよびＧａターゲットからＡｌＧａＮを成膜することができる。
【００８５】
７−１３．第１室および第２室の内圧
第２室２００の内圧を第１室１００の内圧よりも低くしてもよい。第２室２００の内部の第２のプラズマ生成領域の粒子が、第１室１００の内部にさらに流入しにくいからである。
【００８６】
７−１４．第１の電位付与部
本実施形態では、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に高周波電位を付与する。第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０にパルス電位を付与してもよい。また、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に定電位を付与してもよい。この場合には、ターゲットＴ１と区画部３００との間に直流電圧が加わる。
【００８７】
７−１５．基板支持部
基板支持部２１０は、回転できるようになっていてもよい。また、基板支持部２１０に高周波電位または定電位を付与する第３の電位付与部を有していてもよい。
【００８８】
７−１６．プラズマ発生装置
プラズマ発生装置２３０としてＩＣＰ装置を用いた場合について説明する。その場合には、ＩＣＰ装置にイオンフィルタを装着してもよい。これにより、窒素イオンが基板Ｓ１に損傷を与えることを抑制できる。
【００８９】
７−１７．ターゲット収容部支持部の磁石
本実施形態では、ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有している。ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有さなくてもよい。
【００９０】
７−１８．粒子のタイミング制御
また、第１室１００から供給される粒子と、第２室２００から供給される粒子とを制御してもよい。例えば、第１の電位付与部１４０が第１のプラズマ生成領域にプラズマを生成している期間内に第２の電位付与部２４０は第２のプラズマ生成領域にプラズマを生成せず、第１の電位付与部１４０が第１のプラズマ生成領域にプラズマを生成していない期間内に第２の電位付与部２４０が第２のプラズマ生成領域にプラズマを生成する。つまり、第１のプラズマ生成領域と第２のプラズマ生成領域とに交互にプラズマを生成する。これにより、第１室１００から基板Ｓ１に向かう粒子と、第２室２００から基板Ｓ１に向かう粒子とを交互に生成する。また、第１のガス供給部１５０が第１のガスを供給するタイミングと、第２のガス供給部２５０が第２のガスを供給するタイミングとを交互にずらしてもよい。
【００９１】
７−１９．基板の種類
本実施形態の基板Ｓ１はサファイア基板である。基板Ｓ１は、Ｓｉ（１１１）基板等のその他の基板であってもよい。
【００９２】
７−２０．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
【００９３】
（実験）
１．サンプルの種類
基板Ｓ１として、ＡｌＮバッファ層を形成済みのサファイア基板を用いた。そして、３種類のサンプルを製造した。図５は、第１のサンプルＪ１および第２のサンプルＪ２の積層構造を示す図である。図６は、第３のサンプルＪ３の積層構造を示す図である。図５に示すように、第１のサンプルＪ１および第２のサンプルＪ２においては、第１半導体層３０および第２半導体層４０を形成した。第３のサンプルＪ３においては、第１半導体層３０を形成せずに、バッファ層の上に第２半導体層４０を形成した。表１に３種類のサンプルにおける第１半導体層３０の膜厚を示す。
【００９４】
［表１］
サンプル        第１半導体層の膜厚
サンプルＪ１        ４４ｎｍ
サンプルＪ２        １５ｎｍ
サンプルＪ３          ０ｎｍ
【００９５】
２．成膜装置の成膜条件
ターゲットＴ１としてＧａを用いた。そのため、粒状のＧａを１００℃で加熱することにより液化し、成膜時には冷却部１３０の冷却水で冷却した。冷却水の温度は１０℃であった。第１の電位付与部１４０の電力は１００Ｗであった。第１の電位付与部１４０の周波数は１３．５６ＭＨｚであった。プラズマ発生装置２３０は、ＩＣＰ装置である。ＩＣＰ装置の電力は１０００Ｗであった。ＩＣＰ装置の周波数は１３．５６ＭＨｚであった。第１室１００および第２室２００の内圧は２Ｐａであった。加熱部２２０の温度、すなわち基板温度は、６００℃であった。
【００９６】
第１半導体層３０を成膜する際には、第１のガスとしてアルゴンガスを３９．８ｓｃｃｍ、塩素ガス０．２ｓｃｃｍ流した。第２のガスとして窒素ガスを９ｓｃｃｍ、水素ガスを１ｓｃｃｍ流した。この場合には、Ｃｌ原子がＧａ原子と反応するため、成膜方法は反応性スパッタリング法である。
【００９７】
第２半導体層４０を成膜する際には、第１のガスとしてアルゴンガスを４０．０ｓｃｃｍ流した。第２のガスとして窒素ガスを１０ｓｃｃｍ流した。この場合には、Ｇａ原子は基板またはその表面層に到達するため、成膜方法は物理的スパッタリング法である。
【００９８】
第１半導体層３０と第２半導体層４０とを成膜する合計の時間は６０分であった。つまり、サンプルＪ１では、第１半導体層３０を３分間成膜した後、第２半導体層４０を５７分間成膜した。サンプルＪ２では、第１半導体層３０を１分間成膜した後、第２半導体層４０を５９分間成膜した。サンプルＪ３では、第２半導体層４０を６０分間成膜した。
【００９９】
３．ＧａＮの表面
図７は、サンプルＪ１のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。図８は、サンプルＪ２のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。図９は、サンプルＪ３のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。
【０１００】
図７に示すように、第１半導体層３０を４４ｎｍ成膜したサンプルＪ１においては、非常に平坦な表面を備えるＧａＮ層が得られた。図８に示すように、第１半導体層３０を１５ｎｍ成膜したサンプルＪ２においては、多少の凹凸を有するＧａＮ層が得られた。図９に示すように、第１半導体層３０を成膜しなかったサンプルＪ３においては、凹凸を有するＧａＮ層が得られた。
【０１０１】
４．実験のまとめ
水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により第１半導体層３０を形成することにより、物理的スパッタリングにより形成する第２半導体層４０の表面の平坦性が向上する。そして、第１半導体層３０の膜厚は、２０ｎｍ以上であるとよい。好ましくは３０ｎｍ以上である。より好ましくは４０ｎｍ以上である。第１半導体層３０の膜厚は、３００ｎｍ以下であるとよい。好ましくは２００ｎｍ以下である。より好ましくは１００ｎｍ以下である。第１半導体層３０は、半導体レーザー素子Ａ１やＨＥＭＴ素子Ｂ１といった素子本来の機能とは無関係であるためである。
【０１０２】
（付記）
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法は、基板の上にIII 族窒化物半導体からなる第１半導体層を成膜する第１の工程と、第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、を有する。第１の工程では、塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより第１半導体層を成膜する。第２の工程では、希ガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板に供給することにより第２半導体層を成膜する。
【０１０３】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法においては、第１の工程は反応性スパッタリング法である。第２の工程は物理的スパッタリング法である。また、第１の工程と第２の工程とを同じ装置内で連続して実施する。
【０１０４】
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法においては、第１の工程では、第１半導体層の膜厚を２０ｎｍ以上とする。
【符号の説明】
【０１０５】
１０００…成膜装置
１００１…筐体
１００…第１室
１１０…ターゲット収容部
１２０…ターゲット収容部支持部
１３０…冷却部
１４０…第１の電位付与部
１５０…第１のガス供給部
１６０…第１のガス供給管
２００…第２室
２１０…基板支持部
２２０…加熱部
２３０…プラズマ発生装置
２４０…第２の電位付与部
２５０…第２のガス供給部
２６０…第２のガス供給管
２７０…排気口
３００…区画部
３１０…壁
３３０…筒形状部
３４０…開口部材
Ｓ１…基板
Ｔ１…ターゲット
【図１】
2020147837.tif 000003
【図２】
2020147837.tif 000004
【図３】
2020147837.tif 000005
【図４】
2020147837.tif 000006
【図５】
2020147837.tif 000007
【図６】
2020147837.tif 000008
【図７】
2020147837.tif 000009
【図８】
2020147837.tif 000010
【図９】
2020147837.tif 000011