(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属窒化物からなる薄膜の形成方法であって、
金属又は当該金属の窒化物からなるターゲットを、パルススパッタ法によって、パルス電圧を印加する時間が前記パルス電圧を印加しない時間のほぼ５分の１以下となることを含むように、プラズマによる衝突を励起源とするスパッタを間欠的に行うスパッタ工程と、
窒素雰囲気中に設けられた対象物上に前記スパッタされた金属原子を堆積させる堆積工程と、
前記対象物上に堆積され所定のエネルギーを有する前記金属原子をマイグレーションさせるマイグレーション工程と、
マイグレーションした前記金属原子と雰囲気中の窒素から生成された窒素ラジカルとを反応させ金属窒化物の結晶を成長させることで前記金属窒化物の薄膜を形成する薄膜形成工程と
を含むことを特徴とするエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記金属は、１３族金属である
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記金属は、４族金属であり、
前記薄膜形成工程の後、前記金属窒化物の前記薄膜上に１３族金属窒化物からなる第二薄膜を形成する第二薄膜形成工程を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記第二薄膜形成工程は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって前記１３族金属窒化物を成長させることを含む
請求項３に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記金属原子を堆積させるときの前記対象物上の温度が８００℃以下である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記金属窒化物の薄膜を形成した後、前記金属原子を堆積させるときの前記対象物上の温度よりも高い温度で前記金属窒化物を加熱する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか一項に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項７】
パルス占有率が２０％以下となるように前記ターゲットをスパッタする
ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項８】
パルス電圧を印加する時間の周期が５０００Ｈｚ以下となるように前記ターゲットをスパッタする
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項２に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法によって、基板上に１３族金属窒化物からなる半導体薄膜を形成する
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記基板がＺｎＯを主成分とし、
前記金属窒化物がＧａＮである
ことを特徴とする請求項９に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項３又は請求項４に記載のエピタキシャル薄膜の形成方法によって、基板上に１３族金属窒化物からなる半導体薄膜を形成する
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記基板がサファイア、ＭｇＯ、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉのうちいずれかを主成分とする
ことを特徴とする請求項９又は請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記基板がＮｉを主成分とし、
前記金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とする
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基板がＭｏを主成分とし、
前記金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とする
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記基板がＭｏ（１００）又はＭｏ（１１０）を主成分とする
ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル薄膜の形成方法及び半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に窒化物半導体の薄膜が設けられた半導体基板が知られている。この窒化物半導体は、有機金属及びアンモニアを原料とするＭＯＣＶＤ法や、超高真空中で原料を蒸着するＭＢＥ法、ＤＣスパッタリング法などによって形成することができる。ＭＯＣＶＤ法は、発生するガスの排ガス処理装置や安全装置が必要となるため、装置コストが高い。ＭＢＥ法は、液体窒素を循環させて装置を冷却する必要があるため、この方法も装置コストが高い。ＤＣスパッタリング法は、原理が単純であり安価なスパッタ装置が多く市販されていることから、装置コストはそれほど高くない。このため、比較的装置コストの低いＤＣスパッタリング法によって窒化物半導体の薄膜を形成することが多い。  
【非特許文献１】Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 7, No. 3, June 2005, p. 1421 - 1427
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＤＣスパッタリング法によって形成すると、薄膜の結晶性が悪くなってしまい、良好な特性を得にくいという問題がある。  
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、装置コストが低く、形成される薄膜の結晶性が高くなるようなエピタキシャル薄膜の形成方法及び半導体基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明に係るエピタキシャル薄膜の形成方法は、金属窒化物からなる薄膜の形成方法であって、金属又は金属窒化物からなるターゲットを間欠的にスパッタし、窒素雰囲気中に設けられた対象物上に前記スパッタされた金属原子を堆積させることを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、金属又は金属窒化物からなるターゲットを間欠的にスパッタすることとしたので、対象物上に金属原子を間欠的に供給することができる。対象物上に供給された金属原子は、次の金属原子が供給されるまでの間、時間的余裕を持って確実に安定な格子位置へマイグレーションすることとなる。金属原子は、安定な格子位置に移動した後、雰囲気中で活性化した窒素ラジカルと反応して金属窒化物の結晶となる。窒素ラジカルは寿命が長いため、金属原子の供給が間欠的であっても、ゆっくりと着実に金属原子と反応し続けることになる。安定な格子位置にある金属原子と窒素ラジカルとがゆっくりと着実に反応するため、形成される金属窒化物の格子位置も安定することとなる。  
このように、金属又は金属窒化物からなるターゲットを間欠的にスパッタし、対象物上に金属原子を間欠的に供給することにより、安定した格子位置の金属窒化物を対象物上に成長させることができる。これにより、結晶性の極めて良好なエピタキシャル薄膜を形成することができる。加えて、本発明はスパッタリング装置によって行うことが可能であるため、装置コストを低く抑えることができる。
【０００６】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、パルススパッタ法によって前記ターゲットをスパッタすることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、パルススパッタ法によってターゲットをスパッタすることとしたので、ターゲットを間欠的にスパッタする工程を容易に行うことができる。パルススパッタ法によってターゲットをスパッタすることにより、短時間で大量の金属を対象物上に供給することができる。対象物上の表面が金属リッチの状態となるため、金属原子のマイグレーションを活発にすることができる。これにより、結晶性の一層良好なエピタキシャル薄膜を形成することができる。
【０００８】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、パルス放電を行う時間がパルス放電を行わない時間のほぼ５分の１以下となるように前記ターゲットをスパッタすることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、パルススパッタ法によってターゲットをスパッタする際に、パルス電圧を印加する時間がパルス電圧を印加しない時間のほぼ５分の１以下である場合に、特に結晶性が向上することを見出した。そこで、本発明によれば、パルス電圧を印加する時間がパルス電圧を印加しない時間のほぼ５分の１以下となるようにターゲットをスパッタすることとしたので、エピタキシャル薄膜の結晶性を更に向上させることができる。
【００１０】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、前記ターゲットが１３族金属又は１３族金属を含む合金からなることを特徴とする。
【００１１】
近年、１３族金属の窒化物の薄膜は、発光素子や電子素子を構成する半導体薄膜として注目されている。本発明によれば、ターゲットが１３族金属又は１３族金属を含む合金からなることとしたので、結晶性の高い１３族金属の窒化物のエピタキシャル薄膜を容易に形成することができる。
【００１２】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、前記１３族金属がアルミニウムであることを特徴とする。
【００１３】
１３族金属の窒化物のうちＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）の薄膜は、発光素子や電子素子を構成する半導体薄膜として特に注目されている。このＡｌＮ薄膜は、良好な特性を得るためには結晶性の高い薄膜である必要がある。本発明によれば、１３族金属がアルミニウムである金属窒化物のエピタキシャル薄膜、すなわちＡｌＮ薄膜を、結晶性が高くなるように形成することができる。
【００１４】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、前記ターゲットが４族金属又は４族金属を含む合金からなることを特徴とする。
【００１５】
４族金属の窒化物、例えばＨｆＮ（ハーフニウムナイトライド）やＺｒＮ（ジルコニウムナイトライド）は化学的に安定した化合物として知られている。４族金属の窒化物からなる薄膜は界面反応が生じにくいため、当該４族金属の窒化物はバリア層やバッファ層の材料として注目されている。  
この４族金属の窒化物からなる薄膜は、高い化学的安定性を得るためには、結晶性の高い薄膜である必要がある。本発明によれば、ターゲットが４族金属又は４族金属を含む合金からなることとしたので、４族金属の窒化物からなるエピタキシャル薄膜についても、結晶性の高い薄膜を形成することができる。
【００１６】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、前記金属原子を堆積させるときの前記対象物上の温度が８００℃以下であることを特徴とする。
【００１７】
通常のＤＣスパッタリング法では、対象物上の金属原子を安定な格子位置へとマイグレーションさせるため、対象物上の温度は１０００℃以上に設定する必要がある。本発明によれば、ターゲットを間欠的にスパッタするので、金属原子を確実に安定な格子位置へとマイグレーションさせることができる。このため、金属原子を堆積させるときの対象物上の温度は通常のＤＣスパッタリング法に比べて低い温度、具体的には８００℃以下に設定することができる。
【００１８】
上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、前記対象物上に前記金属原子を堆積させて堆積物を形成した後、前記金属原子を堆積させるときの前記対象物上の温度よりも高い温度で前記堆積物を加熱することを特徴とする。  
本発明によれば、対象物上に金属原子を堆積させて堆積物を形成した後、金属原子を堆積させるときの対象物上の温度より高い温度で堆積物を加熱することとしたので、当該堆積物の結晶性を改善することができる。これにより、エピタキシャル薄膜の結晶性を一層向上させることができる。
【００１９】
本発明に係る半導体基板の製造方法は、上記の薄膜の形成方法によって、基板上に金属窒化物からなる半導体薄膜を形成することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、上記の薄膜の形成方法によって基板上に金属窒化物からなる半導体薄膜を形成することとしたので、結晶性の高い半導体基板を低コストで製造することができる。この基板は、サファイアを主成分とする基板であっても良いし、ＭｇＯを主成分とする基板であっても良いし、６Ｈ−ＳｉＣを主成分とする基板であっても良いし、ＺｎＯを主成分とする基板であっても良いし、Ｓｉを主成分とする基板であっても良い。
【００２１】
上記の半導体基板の製造方法は、前記基板上に形成された前記半導体薄膜上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって前記金属窒化物を成長させることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、基板上に形成された結晶性の高い半導体薄膜上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって金属窒化物を成長させるので、半導体基板が多層に構成される場合であっても、結晶性の高い半導体薄膜を得ることができる。このときＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって成長させる金属窒化物は、上記半導体薄膜とは異なる物質であっても構わない。例えば半導体薄膜としてＡｌＮやＨｆＮ、ＺｒＮを形成し、その上にＧａＮを成長させるようにしても良い。
【００２３】
本発明に係る半導体素子は、上記の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を具備することを特徴とする。  
本発明によれば、上記の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を具備することとしたので、特性の高い安価な半導体素子を得ることができる。
【００２４】
本発明に係る発光素子は、上記の半導体素子を具備することを特徴とする。  
本発明によれば、上記の半導体素子を具備することとしたので、発光特性が高く安価な発光素子を得ることができる。
【００２５】
本発明に係る電子素子は、上記の半導体素子を具備することを特徴とする。  
本発明によれば、上記の半導体素子を具備することとしたので、電気的特性が高く安価な電子素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ターゲットを間欠的にスパッタすることとしたので、対象物上に金属原子を間欠的に供給することができる。対象物上に供給された金属原子は、次の金属原子が供給されるまでの間、時間的余裕を持って確実に安定な格子位置へマイグレーションすることとなる。金属原子は、安定な格子位置に移動した後、雰囲気中で活性化した窒素ラジカルと反応して金属窒化物の結晶となる。窒素ラジカルは寿命が長いため、金属原子の供給が間欠的であっても、ゆっくりと着実に金属原子と反応し続けることになる。安定な格子位置にある金属原子と窒素ラジカルとがゆっくりと着実に反応するため、形成される金属窒化物の格子位置も安定することとなる。
【００２７】
また、本発明に係る上記のエピタキシャル薄膜の形成方法は、パルス占有率が２０％以下となるように前記ターゲットをスパッタすることを特徴とする。  
本発明者らは、ターゲットをパルススパッタ法によってスパッタする際に、１周期中でのＯＮ時間の占める割合（パルス占有率）を小さくするほど結晶性を向上させることができる点を見出した。パルス占有率を小さくすることで、ＯＮ時間に発生する１３族金属リッチ状態がより瞬間的に実現され、ＯＦＦ時間に発生する表面拡散の時間をその分長くすることができ、十分な表面拡散を行うことができるためであると考えられる。そこで、本発明によれば、パルス占有率が２０％以下となるようにターゲットをスパッタすることとしたので、結晶性の高いエピタキシャル薄膜を得ることができる。
【００２８】
また、本発明に係る上記のエピタキシャル薄膜の製造方法は、パルス電圧を印加する時間の周期が５０００Ｈｚ以下となるように前記ターゲットをスパッタすることを特徴とする。  
本発明者らは、ターゲットをパルススパッタ法によってスパッタする際に、１周期あたりのパルス数（パルス周波数）を小さくするほど結晶性を向上させることができる点を見出した。パルス周波数を小さくすることで、その分パルスのＯＦＦ時間を長くすることができ、当該ＯＦＦ時間に十分な表面拡散を行うことができるためであると考えられる。そこで、本発明によれば、パルス電圧を印加する時間の周期が５０００Ｈｚ以下となるようにターゲットをスパッタすることとしたので、結晶性の高いエピタキシャル薄膜を得ることができる。
【００２９】
また、本発明に係る上記の半導体基板の製造方法は、前記基板がＺｎＯを主成分とし、
前記金属窒化物がＧａＮであることを特徴とする。  
本発明によれば、基板がＺｎＯを主成分とし、金属窒化物がＧａＮであることとしたので、上記エピタキシャル薄膜の製造方法によって半導体薄膜を製造する場合には、室温で製造することができる。
【００３０】
また、本発明に係る上記の半導体基板の製造方法は、前記基板がＮｉを主成分とし、前記金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とすることを特徴とする。  
本発明によれば、基板がＮｉを主成分とし、金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とするので、結晶性の高い半導体薄膜を有する半導体基板を得ることができる。
【００３１】
また、本発明に係る上記の半導体基板の製造方法は、前記基板がＭｏを主成分とし、前記金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とすることを特徴とする。  
本発明によれば、基板がＭｏを主成分とし、金属窒化物がＺｒＮ又はＨｆＮを主成分とするので、結晶性の高い半導体薄膜を有する半導体基板を得ることができる。
【００３２】
また、本発明に係る上記の半導体基板の製造方法は、前記基板がＭｏ（１００）又はＭｏ（１１０）を主成分とすることを特徴とする。  
本発明によれば、基板がＭｏ（１００）又はＭｏ（１１０）を主成分とすることとしたので、ＺｒＮ又はＨｆＮとの間で面内配向関係を安定化させることができる。これにより、結晶性のより高い半導体薄膜を有する半導体基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。  
図１は、本実施形態に係る半導体基板１の構成を示す図である。  
同図に示すように、半導体基板１は、基板２上に半導体薄膜３が積層された構成になっている。半導体基板１は、発光素子や電子素子などに搭載される。
【００３４】
基板２は、例えばサファイア（０００１）やＺｎＯ（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）などの材料からなる。また、ＭｇＯ（１１１）やＳｉ（１１１）などの材料であっても構わない。
【００３５】
半導体薄膜３は、例えば１３族窒化物半導体からなる薄膜である。１３族窒化物としては、例えばＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）、ＩｎＮ（インジウムナイトライド）などが挙げられ、一般式ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。半導体薄膜３は、４族窒化物からなる薄膜であっても構わない。４族窒化物としては、例えばＨｆＮ（ハーフニウムナイトライド）やＺｒＮ（ジルコニウムナイトライド）などが挙げられる。
【００３６】
図２は、上記の半導体薄膜３の製造装置であるスパッタ装置の構成を示す図である。  
同図に示すように、スパッタ装置１０は、チャンバ１１と、基板電極１２と、ターゲット電極１３と、直流電源１４と、電源制御部１５と、窒素供給源１６と、加熱装置１７を主体として構成されている。
【００３７】
チャンバ１１は、外部に対して密閉可能に設けられている。チャンバ１１内は図示しない真空ポンプなどによって減圧できるようになっている。  
基板電極１２は、チャンバ１１内に配置されており、上記の基板２を保持可能になっている。
【００３８】
ターゲット電極１３は、チャンバ１１内に基板電極１２に対向して設けられており、ターゲット１３ａを保持可能になっている。ターゲット１３ａは、例えば１３族金属及びその合金、や４族金属及びその合金からなる。ターゲット１３ａとして用いられる１３族金属は、上記の１３族窒化物を構成する金属であり、例えばＧａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）などが挙げられる。ターゲット１３ａとして用いられる４族金属は、上記の４族窒化物を構成する金属であり、例えばＨｆ（ハーフニウム）やＺｒ（ジルコニウム）などが挙げられる。あるいは、これらの１３族金属又は４族金属を含む合金、１３族金属窒化物、４族金属窒化物であっても構わない。
【００３９】
直流電源１４は、基板電極１２及びターゲット電極１３にそれぞれ電気的に接続されており、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流電圧を印加する電圧源である。  
制御部１５は、直流電源１４に接続されており、直流電源１４の動作のタイミングに関する制御を行う。制御部１５により、基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加することが可能になっている。
【００４０】
窒素供給源１６は、例えば供給管などによってチャンバ１１内に接続されており、チャンバ１１内に窒素ガスを供給する。図示しないが、窒素供給源１６の他、チャンバ内にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給源も設けられている。  
加熱装置１７は、例えば基板電極１２に固定されており、基板電極１２上の基板２の周囲温度を調節できるようになっている。
【００４１】
次に、上記のスパッタ装置１０を用いて本実施形態に係る半導体基板１を製造する工程を説明する。本実施形態では、基板−ターゲット間にパルス直流電圧を印加するパルススパッタ法を例に挙げて説明する。
【００４２】
まず、チャンバ１１内にアルゴンガスを供給し、窒素供給源１６から窒素ガスをチャンバ１１内に供給する。アルゴンガス及び窒素ガスによってチャンバ１１内が所定の圧力になった後、基板２を基板電極１２に保持し、ターゲット１３ａをターゲット電極１３上に設置する。
【００４３】
基板２及びターゲット１３ａを配置した後、加熱装置１７によって、基板２の周囲温度を調節する。このときの調節温度は８００℃以下である。基板２の周囲温度を調節したら、基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加する。このとき印加するパルス電圧は、Ｄｕｔｙ比が２０％以下となるようにする。すなわち、パルス電圧の印加される時間が、パルス電圧の印加されない時間の５分の１以下となるようにする。
【００４４】
パルス電圧が印加されている間、アルゴンガスによるプラズマが発生し、ターゲット１３ａに衝突する。この衝突エネルギーを受けて、ターゲット１３ａを構成する金属原子がチャンバ１１内に放出される。この高エネルギーを有する金属原子２１は、図３に示すように、基板２上に供給される。基板２の表面では、チャンバ内の窒素が窒素ラジカル２２になっている。
【００４５】
基板２上には高エネルギーを有する金属原子２１が大量に供給される。この状態から、図４に示すように、基板２上の金属原子２１は安定な格子位置にマイグレーションする。高エネルギーを有する金属原子２１が大量に供給されるため、基板２の表面は金属リッチの状態になる。金属リッチの状態では、このマイグレーションが活発に起こる。次のパルスが印加されるまでの時間的余裕があるため、金属原子２１は確実に安定な格子位置にマイグレーションする。
【００４６】
安定な格子位置にマイグレーションした金属原子２１は、図５に示すように、チャンバ１１内で活性化した窒素ラジカル２２と反応して金属窒化物２３の結晶となる。窒素ラジカル２２は寿命が長いため、ゆっくりと着実に金属原子２１と反応し続けることになる。安定な格子位置にある金属原子２１と窒素ラジカル２２とがゆっくりと着実に反応するため、形成される金属窒化物２３の格子位置は極めて安定することとなる。
【００４７】
次のパルス電圧がターゲット１３ａに照射されると、上記と同様に金属原子２１が基板２上に供給される。基板２の表面が再び金属リッチの状態になり、金属原子２１が活発にマイグレーションする。安定な格子位置にマイグレーションした金属原子２１は、窒素ラジカル２２と反応して、格子位置の安定した金属窒化物２３が形成される。基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧が印加される毎に、結晶構造の安定した金属窒化物２３が堆積されることになる。
【００４８】
このように、本実施形態では、ターゲット１３ａをパルス電圧によって間欠的にスパッタし、基板２上に金属原子２１を間欠的に供給することにより、安定した格子位置の金属窒化物２３を基板２上に成長させることができる。これにより、結晶性の極めて良好な半導体薄膜３を形成することができる。加えて、本実施形態の一連の製造工程はスパッタ装置１０によって行うことが可能であるため、装置コストを低く抑えることができる。
【００４９】
パルススパッタ法によって基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加すると、短時間で大量の金属原子２１を基板２上に供給することができる。基板２の表面が金属リッチの状態となるため、金属原子２１のマイグレーションを活発にすることができる。これにより、結晶性の良好な半導体薄膜３を形成することができる。
【００５０】
本発明者らは、パルススパッタ法によってターゲット１３ａをスパッタする際に、パルス電圧を印加する時間がパルス電圧を印加しない時間のほぼ５分の１以下である場合に、特に結晶性が向上することを見出した。そこで、上記実施形態によれば、パルス電圧を行う時間がパルス電圧を行わない時間のほぼ５分の１以下となるようにターゲット１３ａをスパッタすることとしたので、半導体薄膜３の結晶性を更に向上させることができる。
【００５１】
本実施形態では、半導体薄膜３を形成する際、金属原子２１を堆積させるときの基板２上の温度が８００℃以下に設定している。通常のＤＣスパッタリング法では、基板上の金属原子を安定な格子位置へとマイグレーションさせるために対象物上の温度を１０００℃以上に設定する必要がある。これに対して、本実施形態では、ターゲット１３ａを間欠的にスパッタするので、金属原子２１を確実に安定な格子位置へとマイグレーションさせることができる。このため、金属原子２１を堆積させるときの基板２上の温度は通常のＤＣスパッタリング法に比べて低い温度、具体的には８００℃以下に設定することができる。
【００５２】
上記の半導体基板１は、例えば半導体素子の構成要素として用いることができる。低い装置コストで結晶性の高い半導体薄膜３を得ることができるため、特性の高い安価な半導体素子を得ることができる。この半導体素子は、例えば発光素子に搭載することができる。発光素子に搭載した場合、発光特性が高く安価な発光素子を得ることができる。上記半導体素子は、電子素子にも搭載可能である。電子素子に搭載した場合、電気的特性が高く安価な電子素子を得ることができる。
【００５３】
［第２実施形態］  
次に、本発明の第２実施形態を説明する。  
図６は、本実施形態に係る半導体基板１０１の構成を示す図である。
【００５４】
同図に示すように、本実施形態に係る半導体基板１０１は、第１実施形態の手順によって基板１０２上に半導体薄膜１０３を形成した後、当該半導体薄膜１０３上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法などの薄膜形成手法によって金属窒化物をさらに成長させたものである（金属窒化物層１０４）。
【００５５】
このときＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって成長させる金属窒化物は、上記半導体薄膜１０３とは異なる物質であっても構わない。例えば半導体薄膜１０３としてＡｌＮやＨｆＮ、ＺｒＮを形成し、その上に金属窒化物層１０４としてＧａＮを成長させるようにしても良い。
【００５６】
例えば基板１０２としてサファイア基板を用いたＧａＮ／ＡｌＮ／サファイアや、ＧａＮ／ＨｆＮ／サファイア、ＧａＮ／ＺｒＮ／サファイアなどの半導体基板１０１が形成可能である。また、基板１０２としてＳｉ（１１１）基板を用いたＧａＮ／ＨｆＮ／Ｓｉ（１１１）などの半導体基板１０１も形成可能である。このような層構造を有する半導体基板１０１は、第１実施形態と同様に、発光素子や電子素子などに搭載される半導体素子の構成要素として用いられることとなる。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、基板１０２上に形成された結晶性の高い半導体薄膜１０３上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって金属窒化物層１０４を成長させるので、半導体基板１０１が多層に構成される場合であっても、結晶性の高い半導体薄膜１０３を得ることができる。これにより、特性の高い半導体基板１０１を得ることができる。
【００５８】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
例えば、上記各実施形態に記載の手法によって半導体薄膜を形成した後、半導体薄膜の成長温度よりも高い温度で当該半導体薄膜を加熱する工程を行っても良い。当該工程を行うことにより、半導体薄膜の結晶性を改善することができる。これにより、半導体薄膜の結晶性を一層向上させることができる。
【００５９】
［パルス占有率とパルス周波数］  
本発明者らは、ターゲットをパルススパッタ法によってスパッタする際に、１周期中でのＯＮ時間の占める割合（パルス占有率）を小さくするほど結晶性を向上させることができる点を見出した。パルス占有率を小さくすることで、ＯＮ時間に発生する１３族金属リッチ状態がより瞬間的に実現され、ＯＦＦ時間に発生する表面拡散の時間をその分長くすることができ、十分な表面拡散を行うことができるためであると考えられる。
【００６０】
図１７はパルス占有率と結晶性との関係を示すグラフである。グラフの横軸はパルス占有率を示しており、グラフの縦軸は結晶性を示している。グラフの縦軸のうち左側の軸は０００２ＦＷＨＭ測定による結晶性（グラフ中には左側に示される）、右側の軸は１０−１２ＦＷＨＭ測定による結晶性（グラフ中には右側に示される）をそれぞれ示している。同図に示すように、パルス占有率が小さくなるほど結晶性が向上していることが読み取れる。
【００６１】
また、本発明者らは、ターゲットをパルススパッタ法によってスパッタする際に、１周期あたりのパルス数（パルス周波数）を小さくするほど結晶性を向上させることができる点を見出した。パルス周波数を小さくすることで、その分パルスのＯＦＦ時間を長くすることができ、当該ＯＦＦ時間に十分な表面拡散を行うことができるためであると考えられる。
【００６２】
図１８はパルス周波数と結晶性との関係を示すグラフである。グラフの横軸はパルス周波数を示しており、グラフの縦軸は結晶性を示している。グラフの縦軸のうち左側の軸は０００２ＦＷＨＭ測定による結晶性（グラフ中には左側に示される）、右側の軸は１０−１２ＦＷＨＭ測定による結晶性（グラフ中には右側に示される）をそれぞれ示している。同図に示すように、パルス周波数が小さくなるほど結晶性が向上していることが読み取れる。
【００６３】
図１９はパルス動作中における窒素プラズマ発光の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示しており、グラフの縦軸は発光の強さを示している。図２０はパルス動作中における電源電圧の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示しており、グラフの縦軸は電源電圧の大きさを示している。また、図１９及び図２０中に、パルスのＯＮ期間を破線で示している。ここではパルス周波数を１ｋＨｚとし、パルス占有率を１０％としている。
【００６４】
図１９に示すように、窒素プラズマの発光の強さはパルスのＯＮ期間に急速に増加し、ＯＮ期間の終期（０．１秒後）に最大となって徐々に強度を落としていく。窒素ラジカルの寿命は１０−１秒〜１０１秒と更に長く、パルスＯＦＦ期間においても窒素プラズマによる反応が行われていると考えられる。
【００６５】
これらの結果から、ターゲットをパルススパッタ法によってスパッタする際には、パルス占有率をより小さくし、パルス周波数をより小さくすることによって、より結晶性の高いエピタキシャル薄膜を形成することができることがわかる。上記のパルススパッタ法においては、パルス占有率を２０％以下とし、パルス周波数を５０００Ｈｚ以下とすることが好ましいといえる。
【００６６】
［スパッタ装置］  
上記実施形態においては、図２に示すスパッタ装置１０を用いてパルススパッタを行う手法を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えば図５３に示すスパッタ装置２０を用いてパルススパッタを行うようにしても構わない。
【００６７】
図５３に示すように、スパッタ装置２０は、チャンバ２１と、基板加熱機構２２と、基板保持部２３と、スパッタガン２４と、パルス電源２５と、制御部２６とを有している。このスパッタ装置２０においては、基板２をチャンバ２１内の基板保持部２３上に保持させた状態で基板加熱機構２２によって当該基板２を加熱することができるようになっている。また、基板２が基板保持部２３上に保持された状態で、複数のスパッタガン２４からスパッタビームが基板２へ向けて射出されるようになっている。
【００６８】
複数のスパッタガン２４は、例えばＧａ及びＧａ合金のビームを射出するスパッタガン２４ａ、Ａｌ及びＡｌ合金のビームを射出するスパッタガン２４ｂ、Ｉｎ及びＩｎ合金のビームを射出するスパッタガン２４ｃ、Ｓｉ及びＳｉ合金のビームを射出するスパッタガン２４ｄ、Ｍｇ及びＭｇ合金のビームを射出するスパッタガン２４ｅを有している。各スパッタガン２４ａ〜２４ｅからのビームを構成する金属の種類については、適宜交換することが可能になっている。したがって、例えばＺｒやＨｆ及びこれらの金属からなるビームを射出できるように構成しても構わない。
【００６９】
複数のスパッタガン２４はそれぞれパルス電源２５に接続されている。パルス電源２５は、スパッタガン２４へパルス電圧を印加する電源である。各スパッタガン２４ａ〜２４ｅに対応するパルス電源２５ａ〜２５ｅが設けられている。これらのパルス電源２５ａ〜２５ｅから出力されるパルス電圧の出力タイミングや出力期間、周波数、振幅などは、制御コンピュータなどの制御部２６によって制御されるようになっている。
【実施例１】
【００７０】
次に、本発明に係る実施例１を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ成長時の基板温度を７５０℃、ＡｌＮ成長時のチャンバ内の圧力を８×１０−３Ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量を５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を２ｓｃｃｍ、投入電力を１５０Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を１ｋＨｚとした。
【００７１】
図７は、上記の条件において、パルス電圧のデューティー比を変えてＡｌＮ薄膜を形成したときの、デューティー比と結晶性との関係を示すグラフである。グラフの横軸がデューティー比を示しており、グラフの縦軸がＦＷＨＭ（半値幅）の値を示している。グラフ中の黒四角は、０００１電子線回折（ＥＢＳＤ０００１）で測定した場合の半値幅である。グラフ中の黒丸は、０００２Ｘ線回折（ＸＤＲ０００２）による半値幅である。
【００７２】
同図に示すように、０００１電子線回折による半値幅の結果、０００２Ｘ線回折による半値幅の結果は、ともにデューティー比を小さくすることで値が小さくなっている。この結果より、パルス電圧を印加する期間を短くし、プラズマ照射の期間を長くすることにより、結晶品質が向上することがわかる。
【実施例２】
【００７３】
次に、本発明に係る実施例２を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法（以下、「パルススパッタ法」という）及びＤＣスパッタ法によってＡｌＮ薄膜を形成し、それぞれの手法によって形成したＡｌＮ薄膜の結晶性を比較した。スパッタ装置は、パルススパッタ法及びＤＣスパッタ法共に、上記実施形態の構成を有する同一のスパッタ装置によって行った。
【００７４】
表１は、ＤＣスパッタ法による結果と、パルススパッタ法による結果とを比較して示した表である。
【００７５】
【表１】
0005490368.tif 000002
【００７６】
同表に示すように、基板はサファイア基板を用いた。ＡｌＮの成長時の基板温度をそれぞれ１１００℃、成長時のチャンバ内の圧力をそれぞれ８×１０−３Ｔｏｒｒ、窒素ガス流量をそれぞれ２ｓｃｃｍ、アルゴンガス流量をそれぞれ５ｓｃｃｍ、投入電力をそれぞれ１５０Ｗとした。パルススパッタ法においては、直流電圧の周波数を１ｋＨｚ、デューティー比を１０％とした。
【００７７】
このような条件においてＡｌＮ薄膜をそれぞれ形成し、形成されたＡｌＮ薄膜について０００２Ｘ線回折を行った。この結果、同表に示すように、ＤＣスパッタ法においては、０００２Ｘ線回折半値幅が２５２０ａｒｃｓｅｃとなった。パルススパッタ法においては、半値幅が１００４ａｒｃｓｅｃとなった。
【００７８】
このように、本実施例の結果から、従来のＤＣスパッタ法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成する場合比べて、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成する場合の方が、高い結晶性を有するＡｌＮ薄膜を得ることができるといえる。
【実施例３】
【００７９】
次に、本発明に係る実施例３を説明する。  
本実施例では、パルススパッタ法及びＤＣスパッタ法によってＡｌＮ薄膜を形成し、それぞれの手法によって形成したＡｌＮ薄膜の結晶性を比較した。スパッタ装置は、パルススパッタ法及びＤＣスパッタ法共に、上記実施形態の構成を有する同一のスパッタ装置によって行った。
【００８０】
表２は、ＤＣスパッタ法による結果と、パルススパッタ法による結果とを比較して示した表である。
【００８１】
【表２】
0005490368.tif 000003
【００８２】
同表に示すように、基板はＭｇＯ（１１１）基板を用いた。ＡｌＮの成長時の基板温度をそれぞれ１１００℃、成長時のチャンバ内の圧力をそれぞれ８×１０−３Ｔｏｒｒ、窒素ガス流量をそれぞれ０．８ｓｃｃｍ、アルゴンガス流量をそれぞれ１．２ｓｃｃｍ、投入電力をそれぞれ１００Ｗとした。パルススパッタ法においては、直流電圧の周波数を５０ｋＨｚ、デューティー比を５０％とした。
【００８３】
このような条件においてＡｌＮ薄膜をそれぞれ形成し、形成されたＡｌＮ薄膜について１１１Ｘ線回折を行った。この結果、同表に示すように、ＤＣスパッタ法においては、１１１Ｘ線回折半値幅が１２６０ａｒｃｓｅｃとなった。パルススパッタ法においては、半値幅が９２９ａｒｃｓｅｃとなった。
【００８４】
このように、本実施例の結果から、従来のＤＣスパッタ法によってＭｇＯ（１１１）基板上にＡｌＮ薄膜を形成する場合比べて、上記実施形態の手法によってＭｇＯ（１１１）基板上にＡｌＮ薄膜を形成する場合の方が、高い結晶性を有するＡｌＮ薄膜を得ることができるといえる。
【実施例４】
【００８５】
次に、本発明に係る実施例４を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成した。ただし、ＡｌＮ成長時の基板温度を５４５℃、ＡｌＮ成長時のチャンバ内の圧力を７．４×１０−３Ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量を４ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を３ｓｃｃｍ、投入電力を９７Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を１０ｋＨｚとした。また、デューティー比を５％とした。
【００８６】
図８は、形成されたＡｌＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図である。電子顕微鏡の倍率は１万倍とした。  
同図に示すように、ＡｌＮ薄膜の表面には目立った凹凸などは見られない。このことから、表面平坦性の高いＡｌＮ薄膜が成長可能であるといえる。
【００８７】
図９は、形成されたＡｌＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質な単結晶が形成されているといえる。
【００８８】
図１０は、形成されたＡｌＮの１０−１２ＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＡｌＮが成長しているといえる。
【００８９】
図示を省略するが、本実施例２において形成されたＡｌＮ結晶の０００１電子線回折の半値幅を測定したら、２６００ａｒｃｓｅｃであった。このことから、半値幅の小さい、結晶性の高いＡｌＮが形成されているといえる。
【００９０】
このように、本実施例４の結果から、パルス電圧を印加してスパッタする上記実施形態の手法を用いてＡｌＮ薄膜を形成することにより、ＡｌＮ成長時の温度が５４５℃という低温であるにもかかわらず、結晶性の高いＡｌＮ薄膜が形成することが可能であるといえる。
【実施例５】
【００９１】
次に、本発明に係る実施例５を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成した。ただし、ＡｌＮ成長時の基板温度を３３６℃、ＡｌＮ成長時のチャンバ内の圧力を７．３×１０−３Ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量を４ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を３ｓｃｃｍ、投入電力を１３０Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を１０ｋＨｚとした。また、デューティー比を５％とした。
【００９２】
図１１は、形成されたＡｌＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図である。電子顕微鏡の倍率は５０００倍とした。  
同図に示すように、ＡｌＮ薄膜の表面には目立った凹凸などは見られない。このことから、表面平坦性の高いＡｌＮ薄膜が成長可能であるといえる。
【００９３】
図１２は、形成されたＡｌＮ薄膜のＥＢＳＤ逆極点図である。  
同図に示すように、（０００１）の単相のＡｌＮ結晶が成長していることがわかる。
【００９４】
図１３は、形成されたＡｌＮ薄膜の１０−１２ＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＡｌＮが成長しているといえる。
【００９５】
このように、本実施例５の結果から、パルス電圧を印加してスパッタする上記実施形態の手法を用いてＡｌＮ薄膜を形成することにより、ＡｌＮ成長時の温度が３３６℃という低温であるにもかかわらず、結晶性の高いＡｌＮ薄膜が形成することが可能であるといえる。
【実施例６】
【００９６】
次に、本発明に係る実施例６を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＺｎＯ（０００−１）基板上にＡｌＮ薄膜を形成した。ただし、ＡｌＮ成長時の基板温度を室温とし、ＡｌＮ成長時のチャンバ内の圧力を８．８×１０−３Ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量を４ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を３ｓｃｃｍ、投入電力を３４Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を１０ｋＨｚとした。また、デューティー比を５％とした。
【００９７】
図１４は、形成されたＡｌＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質なＡｌＮの単結晶が形成されているといえる。
【００９８】
図１５は、形成されたＡｌＮ薄膜のＥＢＳＤ逆極点図である。  
同図に示すように、（０００１）の単相のＡｌＮ結晶が成長していることがわかる。
【００９９】
図１６は、形成されたＡｌＮ薄膜の１０−１２ＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＡｌＮが成長しているといえる。  
このように、ＺｎＯ基板上に室温においても比較的良質なＡｌＮ薄膜が形成されることがわかる。
【実施例７】
【０１００】
次に、本発明に係る実施例７を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア（０００１）基板上にＡｌＮ薄膜を形成し、その後、ＡｌＮ薄膜をアニールした。ＡｌＮ薄膜の成長条件として、ＡｌＮ薄膜の成長温度を１１０２℃とし、成長圧力を８．１×１０−３Ｔｏｒｒとし、Ａｒガス流量を２ｓｃｃｍとし、Ｎ２ガス流量を５ｓｃｃｍとし、投入電力を１８５Ｗとし、周波数（直流パルス電源の繰り返し周波数）を１５００Ｈｚとし、Ｄｕｔｙ比を５０％とした。アニールの条件として、加熱温度を１４００℃とし、加熱時間を６０分とし、加熱雰囲気を窒素中とし、圧力を１気圧とした。アニール処理前及びアニール処理後のそれぞれのＡｌＮ薄膜について、電子線回折を行った。
【０１０１】
アニール処理前では、電子線回折の半値幅が、（０００２）回折において１８８ａｒｃｓｅｃであり、１０−１２回折において１７０８ａｒｃｓｅｃであった。一方、アニール処理後では、電子線回折の半値幅が、（０００２）回折において８０ａｒｃｓｅｃであり、１０−１２回折において１３２１ａｒｃｓｅｃであった。
【０１０２】
この結果から、アニール処理を行うことにより、ＡｌＮ薄膜の結晶性を一層向上させることができるといえる。
【実施例８】
【０１０３】
次に、本発明に係る実施例８を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＧａＮ薄膜を形成した。
【０１０４】
図２１は、形成されたＧａＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質なＧａＮの単結晶が形成されているといえる。
【０１０５】
図２２及び図２３は、形成されたＧａＮ薄膜のＥＢＳＤ逆極点図である。図２２は０００１方位について、図２３は１０−１２方位について、それぞれ示している。  
図２２及び図２３に示すように、ｃ軸配向の６回回転対称性を有する０００１方位の単相のＧａＮ結晶が成長していることがわかる。
【実施例９】
【０１０６】
次に、本発明に係る実施例９を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＡｌＮ薄膜を形成し、その後ＡｌＮ薄膜上にＧａＮ薄膜を形成した。また、ＧａＮ薄膜の表面をＫＯＨによってエッチングした。
【０１０７】
図２４は、形成されたＧａＮ／ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３（サファイア）のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質なＧａＮの単結晶が形成されているといえる。
【０１０８】
図２５は、ＫＯＨエッチング後のＧａＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。  
同図に示すように、ＧａＮ薄膜はＧａ極性であることが確認できる。このことから、品質の良好なＧａＮ薄膜が形成されているといえる。
【実施例１０】
【０１０９】
次に、本発明に係る実施例１０を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＺｎＯ基板上にＧａＮ薄膜を室温で形成した。
【０１１０】
図２６は、形成されたＧａＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質なＧａＮの単結晶が形成されているといえる。
【０１１１】
図２７（ａ）は形成されたＧａＮ薄膜のＡＦＭ像を示す図であり、図２７（ｂ）は当該ＧａＮ薄膜の断面形状を示すグラフである。グラフの横軸は基準点からの距離を示しており、グラフの縦軸は当該基準点に対する高さを示している。  
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように、ステップテラス構造であり原子レベルで平坦なＧａＮ薄膜が形成されていることがわかる。
【０１１２】
図２８は当該ＧａＮ薄膜の室温ＰＬ測定の結果を示すグラフである。グラフの横軸はエネルギー値を示しており、グラフの縦軸は発光の強さを示している。  
同図に示すように、室温においてＧａＮバンド端近傍で発光しており、良好な発光特性であることがわかる。
【実施例１１】
【０１１３】
次に、本発明に係る実施例１１を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってサファイア基板上にＺｒＮ薄膜を形成した。
【０１１４】
図２９は、形成されたＺｒＮ（１１１）薄膜のＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。また、ＥＢＳＤによるチルト方向の半値幅は０．１５°、ツイスト方向の半値幅は０．３０°であった。これらのことから、結晶方位の揃った良質なＺｒＮが成長しているといえる。
【０１１５】
図３０は、形成されたＺｒＮの１−１０入射のＲＨＥＥＤ像を示す図である。
【０１１６】
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質なＺｒＮの単結晶が形成されているといえる。
【実施例１２】
【０１１７】
次に、本発明に係る実施例１２を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＭｇＯ（１１１）基板上にＺｒＮ（１１１）薄膜を形成し、当該ＺｒＮ（１１１）薄膜上にＧａＮ薄膜を形成した。
【０１１８】
図３１は、形成されたＺｒＮ（１１１）薄膜のＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。これらのことから、結晶方位の揃った良質なＺｒＮが成長しているといえる。
【０１１９】
図３２は、形成されたＧａＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、ＺｒＮ（１１１）薄膜上に良質のＧａＮの単結晶が成長しているといえる。
【０１２０】
図３３は形成されたＧａＮ薄膜の０００１方向についてのＥＢＳＤ極点図であり、図３４は当該ＧａＮ薄膜の１１−２２方向についてのＥＢＳＤ極点図である。  
これらの図に示すように、ｃ軸配向の６回回転対称性を有する０００１方位の単相のＧａＮ結晶が成長していることがわかる。また、ＥＢＳＤによるチルト方向の半値幅は０．１６°、ツイスト方向の半値幅は０．３３°であった。このことからも、結晶方位の揃った良質なＧａＮが成長しているといえる。
【実施例１３】
【０１２１】
次に、本発明に係る実施例１３を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＭｇＯ（１００）基板上にＺｒＮ（１００）薄膜を形成した。
【０１２２】
図３５は、形成されたＺｒＮ（１００）薄膜のＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。これらのことから、結晶方位の揃った良質なＺｒＮ（１００）が成長しているといえる。
【０１２３】
図３６は、形成されたＺｒＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＺｒＮの単結晶が成長しているといえる。
【実施例１４】
【０１２４】
次に、本発明に係る実施例１４を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＭｇＯ（１００）基板上にＨｆＮ（１００）薄膜を形成した。
【０１２５】
図３７は、ＭｇＯ（１００）基板上にＤＣスパッタによってＨｆＮ（１００）薄膜を形成したときのＨｆＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図３８は、ＭｇＯ（１００）基板上に上記実施形態の手法（パルススパッタ）によってＨｆＮ（１００）薄膜を形成したときのＨｆＮ薄膜の表面を撮影したＳＥＭ像である。
【０１２６】
ＤＣスパッタリングによるＨｆＮ薄膜については、図３７に示すように、ＡＦＭ−ＲＭＳが０．７６ｎｍであった。これに対して、上記実施形態の手法によるＨｆＮ薄膜については、図３８に示すように、ＡＦＭ−ＲＭＳが０．１８ｎｍであった。このことから、上記実施形態の手法によるＨｆＮ薄膜の方がより結晶性が高いことがわかる。
【０１２７】
図３９及び図４０は、ＤＣスパッタリングによるＨｆＮ薄膜及び上記実施形態の手法によるＨｆＮ薄膜についてのＸ線ロッキングカーブを示すグラフである。図３９は２００の方向について、図４０は１１１の方向についてそれぞれ測定したものである。  
図３９に示すように、ＤＣスパッタリングの場合のＸ線ロッキングカーブから求められる半値幅は０．５８°であり、上記実施形態の手法の場合のＸ線ロッキングカーブから求められる半値幅は０．４６°であった。また、図４０に示すように、ＤＣスパッタリングの場合のＸ線ロッキングカーブから求められる半値幅は０．６９°であり、上記実施形態の手法の場合のＸ線ロッキングカーブから求められる半値幅は０．３６°であった。これらの結果から、ＤＣスパッタリングによって得られたＨｆＮ薄膜よりも、上記実施形態の手法によって得られたＨｆＮ薄膜の方が、結晶性が高いことが認められる。
【実施例１５】
【０１２８】
次に、本発明に係る実施例１５を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＮｉ（１１１）基板上にＨｆＮ薄膜を１０００℃の温度下において形成した。
【０１２９】
図４１は、形成されたＨｆＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＨｆＮの単結晶が成長しているといえる。
【０１３０】
図４２は、形成されたＨｆＮ薄膜の＜１１１＞極点図である。  
同図に示すように、明瞭な３回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＨｆＮが成長しているといえる。
【０１３１】
図４３は、Ｎｉ基板の＜１−１０＞ＥＢＳＤ極点図である。図４４は、形成されたＨｆＮ薄膜の＜１−１０＞ＥＢＳＤ極点図である。  
これらの図に示すように、図中丸印を付した極点が同一の方位であることが認められる。この結果、Ｎｉ基板とＨｆＮ薄膜との間の配向関係が安定していることがわかる。
【実施例１６】
【０１３２】
次に、本発明に係る実施例１６を説明する。  
本実施例では、上記実施形態の手法によってＭｏ基板上にＨｆＮ薄膜を１０５０℃の温度下において形成した。また、Ｍｏ基板として、Ｍｏ（１００）基板及びＭｏ（１１０）基板のそれぞれについてＨｆＮ薄膜を形成した。
【０１３３】
図４５は、Ｍｏ（１００）基板上に形成されたＨｆＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＨｆＮの単結晶が成長しているといえる。
【０１３４】
図４６は、Ｍｏ（１００）基板上に形成されたＨｆＮ薄膜の＜１００＞ＥＢＳＤ極点図とＭｏ（１００）基板の＜１１０＞ＥＢＳＤ極点図とを比較する図である。  
同図に示すように、図中丸印を付した極点が同一の方位であることが認められる。この結果、Ｍｏ（１００）基板とＨｆＮ薄膜との間の配向関係が安定していることがわかる。
【０１３５】
図４７は、Ｍｏ（１１０）基板上に形成されたＨｆＮ薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＨｆＮの単結晶が成長しているといえる。
【０１３６】
図４８は、Ｍｏ（１１０）基板上に形成されたＨｆＮ薄膜の＜１１０＞ＥＢＳＤ極点図とＭｏ（１１０）基板の＜１００＞ＥＢＳＤ極点図とを比較する図である。  
同図に示すように、図中丸印を付した極点が同一の方位であることが認められる。この結果、Ｍｏ（１１０）基板とＨｆＮ薄膜との間の配向関係が安定していることがわかる。
【０１３７】
図４９及び図５０は、ＨｆＮ／Ｍｏ界面における反応の評価について示すグラフであり、図４９はＧＩＸＲ測定結果、図５０はＸＰＳスペクトルをそれぞれ示している。  
これらの図に示すように、Ｍｏに由来するピークが認められない。このため、１０５０℃という成長温度であっても、界面反応や基板原子の拡散が生じることなくＨｆＮ薄膜が成長していることがわかる。
【実施例１７】
【０１３８】
次に、本発明の実施例１７を説明する。  
本実施例では、実施例１６において形成したＨｆＮ／Ｍｏ上に、上記実施形態の手法によってＧａＮを成長させた。
【０１３９】
図５１は、ＨｆＮ（１００）／Ｍｏ（１００）上に成長させたＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＧａＮの単結晶が成長しているといえる。
【０１４０】
図５２は、ＨｆＮ（１１１）／Ｍｏ（１１０）上に成長させたＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示す図である。  
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質のＧａＮの単結晶が成長しているといえる。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体基板の構成を示す図。
【図２】本実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す図。
【図３】本実施形態に係る半導体膜の製造過程を示す工程図。
【図４】同、工程図。
【図５】同、工程図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体基板の構成を示す図。
【図７】本発明の実施例１に係るデューティー比を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例４に係る半導体薄膜の表面を示す電子顕微鏡写真図。
【図９】本実施例に係る半導体薄膜についてのＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図１０】本実施例に係る半導体薄膜についての１０−１２ＥＢＳＤ極点図。
【図１１】本発明の実施例５に係る半導体薄膜の表面を示す電子顕微鏡写真図。
【図１２】本実施例に係る半導体薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。
【図１３】本実施例に係る半導体薄膜についての１０−１２ＥＢＳＤ極点図。
【図１４】本発明の実施例６に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図１５】本実施例に係る半導体薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。
【図１６】本実施例に係る半導体薄膜についての１０−１２ＥＢＳＤ極点図。
【図１７】パルス占有率と結晶性との関係を示すグラフ。
【図１８】パルス周波数と結晶性との関係を示すグラフ
【図１９】パルス動作中における窒素プラズマ発光の時間変化を示すグラフ。
【図２０】パルス動作中における電源電圧の時間変化を示すグラフ。
【図２１】本発明の実施例８に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図２２】本実施例に係る半導体薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。
【図２３】本実施例に係る半導体薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。
【図２４】本発明の実施例９に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図２５】本実施例に係る半導体薄膜についての電子顕微鏡写真。
【図２６】本発明の実施例１０に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図２７】本実施例に係る半導体薄膜の様子を示す図。
【図２８】本実施例に係る半導体薄膜についてのＰＬ測定結果を示すグラフ。
【図２９】本発明の実施例１１に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図３０】本実施例に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図３１】本発明の実施例１２に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図３２】本実施例に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図３３】本実施例に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図３４】本実施例に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図３５】本発明の実施例１３に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図３６】本実施例に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図３７】本発明の実施例１４に係る半導体薄膜の電子顕微鏡写真。
【図３８】本実施例に係る半導体薄膜の電子顕微鏡写真。
【図３９】本実施例に係る半導体薄膜のＸ線ロッキングカーブを示すグラフ。
【図４０】本実施例に係る半導体薄膜のＸ線ロッキングカーブを示すグラフ。
【図４１】本発明の実施例１５に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図４２】本実施例に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図４３】本実施例に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図４４】本実施例に係る半導体薄膜のＥＢＳＤ極点図。
【図４５】本発明の実施例１６に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図４６】本実施例に係る半導体薄膜及び基板のＥＢＳＤ極点図。
【図４７】本実施例に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図４８】本実施例に係る半導体薄膜及び基板のＥＢＳＤ極点図。
【図４９】本実施例に係る半導体薄膜のＧＩＸＲ測定結果を示すグラフ。
【図５０】本実施例に係る半導体薄膜のＸＰＳスペクトルを示すグラフ。
【図５１】本発明の実施例１７に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図５２】本実施例に係る半導体薄膜のＲＨＥＥＤ像を示す図。
【図５３】本発明に係るスパッタ装置の他の構成を示す図。
【符号の説明】
【０１４２】
１…半導体基板  ２…基板  ３…半導体薄膜  １０…スパッタ装置  １１…チャンバ  １２…基板電極  １３…ターゲット電極  １３ａ…ターゲット  １４…直流電源  １５…制御部  １６…窒素供給源  １７…加熱装置  ２１…金属原子  ２２…窒素ラジカル  ２３…金属窒化物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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