(57)【要約】【課題】  ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体表面の欠陥を低減しながら、ＩＩＩ族窒化物半導体表面に窒化物又は酸化物を成膜する方法及び成膜装置を提供する。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体に対して、窒素ラジカルを照射しながら加熱し、窒素空孔による欠陥を抑制し、ＰＬＤ法によりターゲット材料を蒸発させ、窒素ラジカル又は酸素ラジカルと反応させながら窒化物、酸化物を成膜する。また、レーザ光を複数に分岐することで、形成する膜の膜厚均一性を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物を表面に有する基板に対して、前記基板の表面に窒素ラジカルを照射しながら加熱する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記基板表面に膜を形成する第２の工程と
を含むことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記第２の工程は、成膜材料からなるターゲットの表面にパルス状にレーザ光を照射し、
前記基板に前記成膜材料を蒸着させることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、前記基板の表面に窒素ラジカル、酸素ラジカル又は窒素ラジカルと酸素ラジカルとの混合を照射しながら前記基板に前記成膜材料の窒化物、酸化物又は酸窒化物を形成する
ことを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
ターゲット表面に照射する前記レーザ光は光学的に複数に分岐されたレーザ光である
ことを特徴とする請求項２又は３記載の成膜方法。
【請求項５】
成膜対象である基板を支持する基板支持装置と、前記基板を加熱する基板加熱装置と、成膜材料からなるターゲットを収容するターゲット容器と、前記ターゲット容器を支持するターゲット支持装置と、ラジカル照射装置と、レーザ照射装置とを備え、
前記ラジカル照射装置は、窒素ラジカルを発生させ、前記基板の表面に窒素ラジカルを供給し、
前記レーザ照射装置は、パルス状のレーザ光を前記ターゲット表面に照射する
ことを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
前記レーザ照射装置と前記ターゲットとの間に、レーザ光を複数に分岐する光学素子を有することを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記ターゲット容器が前記ターゲットと接する壁面に、凹凸が設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の成膜装置。
【請求項８】
前記ターゲット容器が前記ターゲットと接する壁面が
前記ターゲットを構成する成膜材料との濡れ性が悪い物質から構成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項９】
前記ターゲット支持装置は、前記ターゲット容器を揺動又は回転できる
ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物及び酸化物の成膜方法並びに成膜装置、特にＩＩＩ族窒化物半導体基板上に窒化物及び酸化物を形成する成膜方法並びに成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物、例えばＧａＮに代表されるワイドバンドギャップ半導体は、電力用トランジスタへの実用化が進んでいる。
従来よりＧａＮ等を成膜するため、ＭＢＥ（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法が使用されている。しかし、ＭＢＥ法は、良質な結晶を得るために超高真空が必要であり、必要な蒸気圧を得るために材料を極めて高温にしなければならず、装置全体の冷却機構が必要になる。
【０００３】
近年、ＭＢＥ法に替わりＰＬＤ（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜が注目されている。ＰＬＤ法は、成膜材料からなるターゲットの表面に短パルスのレーザ光（パルス状のレーザ光）を照射し、材料を蒸発（アブレーション）させ、基板に成膜する方法である。特にピコ秒程度以下の短パルスのレーザ光を使用することで、熱エネルギーがターゲットの深部にまで拡散する前に材料を蒸発させることができる。すなわち、短パルスのレーザ光は、ターゲットを加熱することなく、材料を蒸発することができる。
【０００４】
ＰＬＤ法によるＩＩＩ族窒化物の成膜方法については、例えば、特許文献１には、アンモニア又は窒素ラジカル雰囲気中においてＧａ系ＩＩＩ族金属をターゲットにして、ＩＩＩ族窒化物を形成する方法が開示されている。
また、特許文献２には、窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物をＰＬＤ法により形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２９４０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８８２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されているように、従来の研究は、専ら成膜するＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性向上に関するものである。ＩＩＩ族窒化物半導体の再成長を行う場合や、ＩＩＩ族窒化物半導体上に絶縁膜又はコンタクト電極を形成する場合において、下地となるＩＩＩ族窒化物半導体への影響についての研究はなされていない。
【０００７】
例えば、半導体デバイスの１つであるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）は、半導体表面のチャネル領域の電気伝導をゲート電極による電界により制御するものである。ＦＥＴにおいては、チャネルが形成されるＧａＮ表面とゲート絶縁膜との界面準位は、ＦＥＴの特性に大きな影響を与え、ＦＥＴの駆動電流、応答速度の劣化を生じる。
また、コンタクト電極とＧａＮ表面との接触抵抗（コンタクト抵抗）は、コンタクト電極に接するＧａＮ表面の結晶性に影響され、コンタクト抵抗の増加を生じさせることがある。
【０００８】
また、ＰＬＤ法は、レーザをターゲット表面に照射し、材料を蒸発させるため、レーザが照射された局所的な領域（スポット）から材料が蒸発する。そのため、大口径の基板に対して、均一な厚さの膜を形成することが困難であるという問題がある。
膜厚の均一性向上のためには、成膜対象である基板を自公転させたり、レーザ光をターゲット表面上で走査させる機構や、そのための制御システムが必要となり、装置が高額化するという問題がある。
【０００９】
また、ＰＬＤ法による成膜装置（以下、ＰＬＤ装置と称することがある）の成膜チャンバ内に残存する酸素や窒素等により、ターゲット表面に形成された酸窒化物の影響により、蒸着された膜の純度が低下するという課題もある。
【００１０】
上記課題に鑑み、本発明は、良好な電気特性を得ることが可能な、ＩＩＩ族窒化物半導体上での再成長及び窒化物、酸化物又は酸窒化物を形成するための成膜方法並びにその成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る成膜方法は、
ＩＩＩ族窒化物を表面に有する基板に対して、前記基板の表面に窒素ラジカルを照射しながら加熱する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記基板表面に膜を形成する第２の工程と
を含むことを特徴とする。
【００１２】
このような成膜方法とすることで、ＩＩＩ族窒化物の表面での、半導体デバイス製造プロセスの前工程で生じ得る窒素脱離（窒素抜け）による欠陥を修復できるとともに、成膜前の窒素脱離を防止し、表面近傍の結晶欠陥が低減されたＩＩＩ族窒化物上に膜を形成することができる。そのため、本成膜方法を適用したＦＥＴ等の電子デバイスにおいて、不要な界面準位等による電気特性の劣化を防止することができる。
【００１３】
また、本発明に係る成膜方法は、
前記第２の工程は、成膜材料からなるターゲットの表面にパルス状にレーザ光を照射し、
前記基板に前記成膜材料を蒸着させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る成膜方法は、
前記第２の工程は、前記基板の表面に窒素ラジカル、酸素ラジカル又は窒素ラジカルと酸素ラジカルとの混合を照射しながら前記基板に前記成膜材料の窒化物、酸化物又は酸窒化物を形成する
ことを特徴とする。
【００１５】
このような構成とすることで、ＰＬＤ法におけるレーザ光の周波数を制御することで成膜速度を調整しながら、基板表面に供給される窒素ラジカルや酸素ラジカルとの反応性を制御し、良質な膜を形成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る成膜方法は、
ターゲット表面に照射する前記レーザ光は光学的に複数に分岐されたレーザ光である
ことを特徴とする。
【００１７】
このような構成とすることにより、膜厚の均一性が向上し、基板の大口径化にも対応することができる。
【００１８】
本発明に係る成膜装置は、
成膜対象である基板を支持する基板支持装置と、前記基板を加熱する基板加熱装置と、成膜材料からなるターゲットを収容するターゲット容器と、前記ターゲット容器を支持するターゲット支持装置と、ラジカル照射装置と、レーザ照射装置とを備え、
前記ラジカル照射装置は、窒素ラジカルを発生させ、前記基板の表面に窒素ラジカルを供給し、
前記レーザ照射装置は、パルス状のレーザ光を前記ターゲット表面に照射する
ことを特徴とする。
【００１９】
このような構成とすることで、ＩＩＩ族窒化物表面の結晶欠陥を低減しながら、窒化物等の膜を形成することができる。その結果、本装置を用いて形成したＦＥＴ等の電子デバイスの性能が向上する。
【００２０】
また、本発明に係る成膜装置は、
前記レーザ照射装置と前記ターゲットとの間に、レーザ光を複数に分岐する光学素子を有することを特徴とする。
【００２１】
このように光学素子によって光学的にレーザ光を分岐するため、ＰＬＤ装置に、基板の自公転装置やレーザ走査装置等の複雑な装置を設ける必要がない。
また、例えばレーザ光を直線上に配列するように分岐し、ターゲット表面に直線上に配列された照射スポットを設けることで、基板を自転させるだけで、形成する膜の膜厚均一を向上することができる。従って、簡単な装置構成で膜厚均一性を実現することができる。
【００２２】
また、本発明に係る成膜装置は、
前記ターゲット容器が前記ターゲットと接する壁面に、凹凸が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る成膜装置は、
前記ターゲット容器が前記ターゲットと接する壁面が
前記ターゲットを構成する成膜材料との濡れ性が悪い物質から構成されていることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る成膜装置は、
前記ターゲット支持装置は、前記ターゲット容器を揺動又は回転できることを特徴とする。
【００２５】
このような構成とすることで、ターゲット表面に形成された酸化物等の不要なスラグがターゲット容器（坩堝）の内壁面側に移動し、レーザ光がスラグに照射されることを防止することにより、ＰＬＤ法により形成される膜の純度劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における成膜装置の概念図。
【図２】レーザ光を複数に分岐する光学素子の機能を説明する模式図。
【図３】分岐されたレーザ光による成膜方法を模式的に説明する断面図。
【図４】膜厚均一性が向上する原理を説明する概念図。
【図５】絶縁ゲート型ＦＥＴのトランジスタ特性を示すグラフ。
【図６】ターゲット容器の変形例を示す上面図及び断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付して、説明を省略することがある。
【００２８】
また、簡単のため、以下の説明においては、ＩＩＩ族窒化物半導体の典型としてＧａＮを例に説明することがあるが、ＧａＮに限定するものではない。例えばＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮの混晶等もＩＩＩ族窒化物半導体に含まれる。
【００２９】
図１は、ＰＬＤ装置の主要な構成を示す概念図である。
【００３０】
ＰＬＤ装置は、気密性を有する真空容器であるチャンバ１の内部に、基板支持装置２、ターゲット支持装置３を備えている。基板支持装置２上には、膜を形成する対象物である基板４が載置される。
基板４は、表面にＧａＮ層を有する円形状のウェハが例示されるが、それに限定されない。
【００３１】
基板支持装置２は、内蔵されている加熱装置により、基板４を２００［℃］以上に加熱し、一定温度に保持することができる。加熱装置は、ジュール熱を発生させるヒータからの熱伝導により加熱する方式でもよく、ランプのような輻射熱により加熱する方式でもよい。
【００３２】
ターゲット支持装置３上には、ターゲット容器５ａが支持されている。ターゲット容器５ａは、成膜材料であるターゲット６ａを収納する。従って、ターゲット支持装置３は、ターゲット容器５ａを介してターゲット６ａを支持する。
また、ターゲット支持装置３は温度制御装置を備えている。従って、ターゲット支持装置３は、ターゲット容器５ａを介して、ターゲット６ａの温度を一定温度に保持することができる。
【００３３】
上記温度制御装置は、加熱装置を備え、ターゲット６ａを融点以上に加熱し、ターゲット６ａを液体ターゲットとして使用できるように構成してもよい。
また、上記温度制御装置は、ペルチエ素子や熱交換器等の冷却装置を備え、レーザ光によるターゲットの温度上昇を抑制できるように構成してもよい。さらに、加熱装置と冷却装置の両方を備え、高度な温度制御が可能なように構成してもよい。
【００３４】
例えば、ｎ型ドーピングのＩＩＩ族窒化物をエピタキシャル成長させる際には、ターゲット材料にＧａ、Ａｌ、Ｉｎの単体または合金にＧｅを０．５〜５［ｍｏｌ％］添加したものを用いることができ、ｐ型ドーピングのＩＩＩ族窒化物をエピタキシャル成長させる際には、上記ターゲット材料の単体または合金にＭｇを０．５〜５［ｍｏｌ％］添加したものを用いることができる。更に、そのようなエピタキシャル成長層上に、Ｓｉ及びＮｉＯやＣ１２Ａ７などの酸化物ターゲットを配置して、レーザースポットの位置に移動させることで連続的に成膜することも可能である。
【００３５】
ターゲット容器は、チャンバ１内に複数備えることができる。図１においては、２つのターゲット容器５ａ、５ｂに、それぞれ異なるターゲット６ａ、６ｂが収納されている例を示す。成膜すべき材料に合わせて、ターゲット容器５ａまたはターゲット容器５ｂを選択し、ターゲット支持装置３により支持し、一定温度に保持することができる。そのため、連続的に複数の異なる種類の膜を形成することが可能となる。
なお、ターゲット容器の個数は２個に限定されず、それ以上であっても良く、また１個であっても良い。
【００３６】
チャンバ１は、レーザ光を導入する光透過窓７を備える。チャンバ１の外部に設置されたレーザ照射装置８から放射されたパルス状レーザは、レンズ９で集光され、光透過窓７を介してチャンバ１内部に導入され、ターゲット６ａ上に照射される。
レーザパルスの周波数は、後述するようにターゲット６ａ表面において、成膜材料に対して連続した励起を維持することができる繰り返し周波数の閾値以上とする。
パルス状レーザの中心波長、１パルスのエネルギー、パルス幅は、それぞれ、例えば、１０６４［ｎｍ］、５０［μＪ］、ピコ秒オーダーとすることができるが、これに限定するものではない。また、ターゲット６ａ上でのレーザの照射領域（スポット）径は、例えば１００［μｍ］又はそれ以下に集光されるが、これに限定されるものではない。
【００３７】
本ＰＬＤ装置は、レーザ照射装置８とレンズ９との間に回折光学素子１０(Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）を備え、回折光学素子１０によりレーザ光は複数に分岐される。分岐されたレーザ光はレンズ９により集光される。
図２は、回折光学素子１０によるレーザ光の分岐と、レンズ９によるレーザ光の集光を示す模式図である
【００３８】
図２に示すように、レーザ照射装置８から放射されたレーザ光１０１は回折光学素子１０により複数のレーザ光１０２に分岐される。分岐されたレーザ光１０２は、レンズ９によりターゲット６ａの表面に集光される。集光されたレーザ光１０３は、ターゲット６ａ表面を照射し、光エネルギーを供給する。
さらに、回折光学素子１０を使用することにより、所望の分岐パターンを容易に制御することができる。
なお、回折光学素子は、市販の回折光学素子を利用できる。
【００３９】
分岐されたレーザ光を集光するレンズ９にはＦ−θレンズ（テレセントリックＦ−θレンズ又は非テレセントリックＦ−θレンズ）が使用される。
【００４０】
レンズ９にテレセントリックＦ−θレンズを使用した場合、各レーザ光は、ターゲット６ａ表面上の位置に依らず、それぞれターゲット６ａ表面に同じ角度で入射する。その結果、分岐された各レーザ光は、ターゲット６ａ表面上で同一のスポット形状を得ることができ、照射された複数の領域に、単位面積当たり同じエネルギーを供給することができる。
一方、レンズ９が非テレセントリックＦθレンズの場合、レーザ光が拡がるため、光透過窓７より大きい領域にレーザ光を照射することができる。なお、光透過窓７からターゲット６ａまでの距離が、ターゲット６ａの径より十分長いため、この場合においても分岐されたレーザ光は、ほぼ同じ角度でターゲット６ａ表面に入射するとみなせる。
【００４１】
このようにレーザ光を複数に分岐する多分岐（マルチスプリット）照射は、後述するように、基板４上に形成される膜厚分布（膜厚均一性）を向上させることができる。
【００４２】
なお、上記例では、レーザ光を分岐する光学素子として回折光学素子を使用したが、ビームエクスパンダによりレーザー光のビーム径を拡大した後に、微小なレンズを特定のパターンに配置した、所謂マイクロレンズアレイを用いてレーザ光を分岐してもよい。
マイクロレンズアレイの場合、レーザの分岐とともに各レンズを集光レンズとして利用することができる。
【００４３】
ターゲット６ａ表面のレーザ光が照射された箇所では、成膜材料が蒸発する。ターゲット６ａ表面から放出された成膜材料は、プルーム１１を形成し、対向する基板４に到達した成膜材料により膜が形成される。
【００４４】
チャンバ１は、ガス導入口１２、排気口１３を備えており、圧力制御、雰囲気制御が可能である。
排気口１３には、真空ポンプが接続されており、チャンバ１内部を排気し、真空状態に保つことができる。
【００４５】
ガス導入口１２からは、必要に応じて、雰囲気制御用ガスを導入することも可能である。排気口１３と真空ポンプとの間に設置されたＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブの開度や真空ポンプの回転数の制御により、チャンバ１の内部の圧力を一定に保持することが可能である。
【００４６】
また、本装置は、ターゲット表面の不要な酸化防止のため、基板交換のためのロードロック室を有し、成膜用のチャンバ１の排気には、ターボ分子ポンプを使用することで、ベースプレッシャーを１０−５［Ｐａ］以下とすることができる。
さらに、使用する窒素ガスは、半導体対応の高純度ガスであり、例えばガス精製器を使用し、特に酸素濃度が、１［ｐｐｂ］以下であるガスが好適に使用される。
【００４７】
さらにチャンバ１は、ラジカル照射装置１４、例えばラジカルガンを備えている。
ラジカル照射装置１４は、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）により流量制御された窒素ガス、例えば２［ｓｃｃｍ］の窒素（Ｎ２）ガスが導入され、高周波、例えば１３．５６［ＭＨｚ］の電力が供給される。ラジカル照射装置１４は、供給された電力エネルギーにより窒素ガスから窒素ラジカル１８を発生させ、発生した窒素ラジカル１８を流出口であるノズル１５から基板４の表面に照射する。窒素ラジカルは活性であるため、基板４の表面及びターゲット６ａから基板４へ飛来した成膜材料に対する窒化作用がある。
なお、印加する電力の周波数は、上記に限定するものではない。
【００４８】
（膜厚均一性の向上）
以下、本ＰＬＤ装置により、基板４上に形成される膜厚均一性が向上する原理について説明する。
【００４９】
ターゲット６ａ表面から放出される成膜材料の放出量は、ターゲット６ａ表面に対する垂直方向（法線方向）とのなす角度αに依存した角度分布を有する。一般に、放出量の角度分布は、垂直方向、即ちαがゼロの方向に、最大となり、水平方向、即ちαが９０°方向に０（ゼロ）となる。放出量の角度分布は、経験的に余弦則、すなわちｃｏｓαのｎ乗に比例する式で近似できることが知られている。（通常ｎは１以上の値。）
【００５０】
ターゲット６ａ表面のレーザが照射されたスポットからは、上記角度分布を有した成膜材料が放出される。そのため、レーザが照射されたスポット表面の法線と基板４表面との交点では成膜速度が最も高く、その交点から離れるに従い成膜速度が低くなる。
例えば、ターゲット６ａ表面の中央１箇所にレーザ光が照射される場合、基板４に形成される膜は、中央部での膜厚が厚く、外周部ほど膜厚が薄くなる。従って、基板４のサイズが大きくなるに従い、中央部と外周部との膜厚差が大きくなる。
【００５１】
図３は、複数に分岐されたレーザ光により、ターゲット６ａ表面から複数のプルームが放出される状況を模式的に説明する断面図である。図３に示すように、回折光学素子１０により、複数に分岐されたレーザ光１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、ターゲット６ａ表面の複数の箇所（スポット）に照射される。レーザ光が照射された複数のスポットから、成膜材料の複数のプルーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃが放出される。
プルームの発生箇所はレーザ光の照射位置で決定され、レーザ光の照射位置は、回折光学素子１０およびレンズ９により決定することができる。
【００５２】
図４は、プルーム１１により基板４上に成膜する場合の概念図を示す。
図４（ａ）は、１つのプルームにより、基板４上に成膜される例、図４（ｂ）は、９つのプルームにより基板４上に成膜される例を示す。図４（ｂ）で示す例では、ターゲット６ａ上で形成するプルームの発生箇所は、中心部と中心部を囲むように同心円上に配置されている。
【００５３】
図４（ａ）で示す例においては、１つのプルームにより、基板４の中心部分にある領域１６を中心にして成膜されるため、領域１６において最も膜厚が厚く、外周部に近づくに従い徐々に膜厚が減少する。
一方、図４（ｂ）で示す例においては、９つのプルームにより、基板４の中心部分の領域１６ａ及び外周部分の領域１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉを中心にして成膜されるため、外周部での膜厚の減少を防止し、膜厚の均一性が向上する。
なお、領域１６、１６ａ等は、説明のために、最も膜厚が厚く形成される領域を概念的に示したものであり、この領域のみに膜が形成されることを示すものではない。
【００５４】
なお、上記例では、理解のためにレーザ光を９つに分岐する例を示したが、分岐数は９に限るものではない。
回折光学素子１０によりレーザを分岐する数及び配置は、基板４に成膜される膜厚分布（膜厚の均一性）に対する要求から決定すればよい。
【００５５】
なお、膜厚分布は、例えばターゲット６ａ表面の中央１箇所から放出された膜厚分布データを実測し、その実測データを重ね合わせることで予測することができる。すなわち、まず分岐しないレーザ光により、ターゲット表面の１個の照射スポットから放出された膜厚分布データを実測する。次に、複数に分岐したレーザ光の各照射スポットに対して、実測した膜厚分布データをそれぞれ適用し、これらの膜厚分布を足し合わせて、基板４上の全体の膜厚分布を求める。
或いは、レーザスポットから放出される分布関数が、ｃｏｓαのｎ乗に比例すると仮定して、１個の照射スポットから放出された膜厚分布の実測データから、冪数ｎ及び比例係数を算出する。次に、複数に分岐したレーザ光の各照射スポットから放出される角度分布に、得られた分布関数を適用し、基板４の表面位置で積分することで膜厚分布を求めることができる。
【００５６】
上述のように基板４上の膜厚分布が予測可能であるため、基板４のサイズ、膜厚均一性、成長速度、装置の処理能力（スループット）の要請に合わせて、回折光学素子１０によるレーザ光の分岐パターンを決定することができる。また、回折光学素子１０を交換することにより、様々な要求に応じることができる。
【００５７】
また、レーザ光を直線上に配列するように分岐し、ターゲット表面に直線上に配列された照射スポットから成膜材料をアブレーションさせ、基板４を（自公転ではなく）単に自転させるだけで、形成する膜の膜厚均一を向上することができる。すなわち、基板４を自転させる機構、例えば電動モータ、を基板支持装置２に設けるという、簡単な装置構成で膜厚均一性を実現することができる。
【００５８】
（成膜方法）
以下、本ＰＬＤ装置を用いた成膜方法について説明する。
【００５９】
（前処理工程）
まず、基板支持装置２に支持された基板４を、基板支持装置２に内蔵された加熱装置により、例えば２００［℃］以上の所定の温度に加熱する。
基板４の加熱方法は、例えば、一定温度に保持した基板支持装置２に基板４を載置し、基板支持装置２から熱伝導で加熱する方法、基板支持装置２に基板４を載置後、基板支持装置２の温度を上昇させ熱伝導により加熱する方法、又は基板支持装置２側から基板４の裏面に対してランプにより光を照射し、輻射熱により基板４を加熱する方法がある。加熱方法は、上記のいずれの方法を使用してもよく、又上記に限定するものではない。
【００６０】
その後、ラジカル照射装置１４から窒素ラジカルを基板４表面に照射する。このとき、窒素ラジカルは基板４の表面を窒化する効果がある。
基板４の表面にＩＩＩ族窒化物である、例えばＧａＮ層がある場合、表面から窒素が脱離した窒素空孔に、活性な窒素を供給することにより、窒素空孔を減少させることができる。
【００６１】
基板４を加熱することにより、窒素ラジカルと表面近傍のＧａＮ層内への熱拡散を促進するとともに、窒素ラジカルを窒素空孔との反応性を高めることができる。
【００６２】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた電子デバイスの製造工程、例えばドライエッチングのようなプラズマ処理やイオン注入等、において、ＧａＮ層に結晶欠陥が発生することがある。このような、ＧａＮ層に存在する結晶欠陥を、窒素ラジカルを照射しながら熱処理、例えば２００［℃］以上、を施すことにより、回復させることが可能である。この場合、窒素ラジカルを供給することにより、熱処理によりＧａＮ層から窒素が脱離することを防止しながら、欠陥の回復をすることができる。
なお、所定の温度に到達後に窒素ラジカルを照射してもよいが、窒素ラジカルを照射しながら昇温し、所定の温度に保持することで、昇温時の窒素脱離を効果的に防止できる。
【００６３】
例えば、基板４を基板支持装置２に支持し、ラジカル照射装置１４から窒素ラジカルを基板４表面に照射しながら、基板４を所定の温度に到達するまで加熱処理を行ってもよい。
【００６４】
（成膜工程）
次に、上記前処理工程に続いて、大気開放することなく連続的に、ＰＬＤ法により、ターゲット６ａを使用し、基板４表面に成膜処理を行う。そのため、基板４表面に自然酸化膜の形成や、大気中の汚染物の付着を防止でき、形成される膜と基板４との界面に不要な生成物等の存在を排除できる。
【００６５】
レーザ照射装置８から発せられたパルス状のレーザ光は、レーザ光の光学的な分岐装置である回折光学素子１０により複数に分岐され、その後レンズ９により集光され、光透過窓７を経由してターゲット６ａ表面に照射される。
なお、パルス状のレーザ光は、例えばナノ秒パルス、ピコ秒パルス、フェムト秒パルスのレーザ光を使用することができる。
【００６６】
ターゲット６ａ表面のレーザ光が照射されたスポットからは、ターゲット６ａの材料が蒸発し、対向する基板４に向かって放出される。
基板４に形成される膜の成長速度は、レーザ光を放射する繰り返し周波数に依存し、繰り返し周波数が閾値以上になると、成膜速度が増加し始める。
例えば、ターゲットをＧｅドープのＧａを使用し、レーザの中心波長を１０６４［ｎｍ］、パルス幅を２４［ｐｓ］（ピコ秒）、フルエンス１．１ ［Ｊ／ｃｍ２］のとき、成膜速度は、繰り返し周波数７０［ｋＨｚ］以上で、安定した成膜が可能となる。
なお、短パルスのレーザーとしては、パルス幅がピコ秒であることが好ましい。１つのレーザパルスのエネルギーが高すぎると、ターゲットに凹凸が発生することがある。
【００６７】
成膜速度は、レーザのエネルギー（フルーエンス）によっても制御できるが、繰り返し周波数を調整することにより、成膜速度を高精度に調整することができる。それにより、ラジカル照射装置１４から供給される窒素ラジカルや酸素ラジカルとの反応を調整することができる。
【００６８】
ターゲット６ａは固体であってもよいが、融点以上に加熱し液化することで、安定した濃度のＧｅドープＧａを蒸発させることができる。
【００６９】
レーザ光によるターゲット６ａ表面から成膜材料を基板４表面へと蒸発させるとともに、例えば、窒化物を形成する場合、ラジカル照射装置１４から、基板４表面に窒素ラジカルを照射する。
【００７０】
基板４表面において、ターゲット６ａ表面から蒸発した成膜材料と窒素ラジカルとが反応し、窒化物、例えばＧｅドープのＧａＮ膜が形成される。
このとき、基板４を、例えば２００［℃］以上に加熱することで、窒化反応を促進させることができる。
【００７１】
また、上述のように、基板４のサイズ、膜厚均一性への要求から、レーザ光を、回折光学素子１０により複数に分岐して、ターゲット６ａに照射する。
なお、分岐数に応じてレーザ光のエネルギーが分散されるため、繰り返し周波数は、分岐数に依存する。
【００７２】
装置内に複数の異なる材料からなるターゲットを準備することで、異なる種類の膜を形成することができ、さらに大気に晒すこと無く、制御された雰囲気内で、複数の膜を連続して形成することもできる。
【００７３】
例えばターゲット６ｂとしてＳｉ（シリコン）を採用し、Ｓｉをレーザ光により蒸発させ、基板４の表面において窒素ラジカルと反応させて、シリコン窒化膜を成膜することも可能である。
【００７４】
また、例えば、ターゲット容器５ａに収容されているＧａＮからなるターゲット６ａを用いてＧａＮ膜を形成した後に、Ｓｉからなるターゲット６ｂを収容するターゲット容器５ｂとターゲット容器５ａとを入れ替え、ターゲット支持装置３にてターゲット容器５ａを支持し、ターゲット６ｂにレーザ光照射し、シリコン窒化膜をＧａＮ膜上に形成してもよい。
【００７５】
また、基板４の表面において酸素ラジカルと反応させて、シリコン酸化膜を成膜することも可能である。ラジカル照射装置１４に酸素ガスを供給し、酸素ラジカルを照射する。基板４表面に供給された酸素ラジカルと、ターゲット６ａから蒸発した成膜材料とが反応して酸化物を形成することができる。
【００７６】
なお、シリコン以外の金属等の物質と、窒素又は酸素と反応させ、金属等の窒化物、酸化物を形成することができる。
【００７７】
さらに、基板４表面に蒸発した成膜材料を供給するとともに窒素ラジカルと酸素ラジカルを同時に混合して供給し、例えばＳｉＯＮ等の酸窒化物を形成することも可能である。
【００７８】
本実施形態の成膜方法は、以下に述べるように、例えばＦＥＴのゲート絶縁膜やソース／ドレイン領域へのコンタクト電極に、有利に適用することができる。
【００７９】
ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体のチャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する場合、窒素脱離による欠陥の発生の防止と欠陥の回復を行いながら、ゲート絶縁膜を形成することができる。そのため、不要な界面準位の発生を防止でき、ＦＥＴの性能の向上、ばらつきの抑制を実現することができる。
【００８０】
また、ソース／ドレイン上にコンタクト電極を形成する場合、窒素脱離を防止しながら界面の結晶欠陥を回復することができるため、コンタクト電極とソース／ドレイン領域とのコンタクト抵抗の増加を防止することができる。
【００８１】
特にイオン注入によりソース／ドレイン領域に不純物のドーピングを行った場合、窒素ラジカルを照射しながら活性化アニール処理を行うことで、ＩＩＩ族窒化物半導体表面からの窒素脱離による欠陥の発生を防止しながら、ドーパントの活性化が可能となる。そのため、トランジスタの性能向上とばらつきの抑制が可能になる。
【００８２】
なお、上記のように、窒素ラジカルを照射しながら加熱する工程と、ＰＬＤ法による成膜工程とを同一チャンバ内で実施したが、それぞれ異なるチャンバで実施し、異なるチャンバ間を真空搬送装置により基板４を移送してもよい。
この場合、窒素ラジカルを照射しながら加熱する工程に使用する装置においては、ターゲット６ａ、ターゲット容器５ａ、ターゲット支持装置３は不要であり、ターゲット表面にレーザ光を照射するレーザ照射装置８は不要である。ただし、基板４を表面から加熱するためにレーザ光を使用する構成としてもよい。
【００８３】
（検証）
ゲート絶縁型ＦＥＴのトランジスタ特性を測定することにより、本装置により形成したシリコン窒化膜とＩＩＩ族窒化物半導体との界面準位が低減する効果を検証した。
【００８４】
検証のため、ゲート絶縁膜として、本装置によりシリコン窒化膜を形成した２種類のＦＥＴサンプルを作製し、トランジスタ特性を比較調査した。
【００８５】
検証に使用したＦＥＴのサンプル作製手順の概要は以下のとおりである。
【００８６】
まず、サファイア又はシリコン上にＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ層を１［μｍ］、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０［ｎｍ］、連続してエピタキシャル成長させた後、８００［℃］程度の高温処理を行なった基板を準備した。
次に、上記基板に対し室温で窒素ラジカルを照射し、シリコンをターゲットとしてＰＬＤ法によりシリコンナイトライド膜を２０［ｎｍ］形成したサンプルＡと、窒素ラジカルを照射しながら２００［℃］に昇温した後に、シリコンをターゲットとしてＰＬＤ法によりシリコンナイトライド膜を２０［ｎｍ］形成したサンプルＢを作製した。
【００８７】
上記２種類のサンプルＡ、Ｂに対して、膜厚２０［ｎｍ］のＮｉ及び膜厚２００［ｎｍ］のＡｕを蒸着し、リフトオフ法によりパターニングすることで、チャネル領域上にゲート電極を形成した。
その後、リソグラフィーと、例えばＣＦ４を用いたドライエッチングとの組合わせにより、ソース及びドレイン領域となる基板表面が露出するように、シリコンナイトライド膜を除去する。
次に、膜厚２０［ｎｍ］のＴｉ及び膜厚２００［ｎｍ］のＡｌを蒸着し、リフトオフ法によりパターニングし、ソース及びドレインとなる領域上にコンタクト電極を形成する。
その後、窒素雰囲気で５００［℃］程度で熱処理を行い、コンタクト電極と基板のソース及びドレイン領域との間でオーミック接触を得た。
【００８８】
図５は、Ｇａ窒化物半導体基板上に、ゲート絶縁膜として、本装置によりシリコン窒化膜を形成したＦＥＴのトランジスタ特性を示し、ゲート電圧を昇圧、降圧したときのドレイン電流の変化（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれサンプルＡ及びサンプルＢのトランジスタ特性を示す。
図５（ａ）においては、ゲート電圧の昇圧時と降圧時で、明らかなドレイン電流の差が見られ、Ｉｄ−Ｖｇ特性にヒステリシスが観察される。しかし、図５（ｂ）においては、Ｉｄ−Ｖｇ特性にヒステリシスは観察されない。
従って、基板に対して窒素ラジカルを照射しながら２００［℃］で加熱することで、Ｇａ窒化物半導体基板表面とゲート絶縁膜であるシリコン窒化膜との間の界面準位が低減し、良好なトランジスタ特性が得られることが検証できた。
また、基板加熱温度の依存性から、基板を２００［℃］以上に加熱することにより窒素ラジカルがＩＩＩ族窒化物の欠陥の回復を促進することが理解できる。
【００８９】
（変形例）
図６は、ターゲット容器５ａの変形例を示し、図６（ａ）、（ｂ）はターゲット６ａを収容するターゲット容器５ａの上面図、図６（ｃ）はターゲット容器５ａの断面図である。
ターゲット容器５ａに収容（保持）されているターゲット６ａは、ターゲット支持装置３により加熱可能である。ターゲット６ａを融点以上の温度に加熱保持することで、ターゲット６ａを液体ターゲットとして利用することができる。
この場合、ターゲット容器５ａは坩堝として使用する。
【００９０】
ＰＬＤ法において液体ターゲットを使用する場合、例えばターゲット６ａの表面が酸化や窒化されていると、酸窒化物等が、表面張力によってターゲット６ａ表面にスラグとして析出（或いは凝集）することがある。
レーザ光がこのスラグ（析出物）に照射されると、基板４上に蒸着され、形成された膜の純度を劣化させることがある。
以下では、このスラグによる膜の純度劣化を防止する方法について説明する。
【００９１】
このスラグは、熱エネルギーによりターゲット６ａ表面上を浮遊し、移動する。このスラグをレーザ光照射領域外に束縛することにより、スラグからの蒸着を防止し、形成された膜の純度の劣化を防止することができる。
【００９２】
図６（ａ）に示すように、ターゲット容器５ａの内壁には溝が形成されており、内壁面に凹凸を設けることで、ターゲット６ａとターゲット容器５ａの内壁との接触面積を増大させることができる。
【００９３】
図６（ｂ）に示すように、ターゲット６ａを融点以上に加熱し液化させると、ターゲット６ａの表面張力はターゲット容器５ａの内壁との接触部を小さくするように働き、さらにターゲット６ａを揺動することでターゲット６ａの外縁が円状となり、ターゲット容器５ａの内壁の凹部から離間する。ターゲット６ａ表面のスラグ７は、内壁の凹部へと移動する。その結果、レーザ光が照射されるターゲット６ａ表面からスラグ７は排除され、ターゲット６ａ表面が滑らかな鏡面となる。なお、ターゲット６ａ表面が鏡面化する現象は、目視によっても確認できる。
この揺動、回転操作により、スラグのない表面が得られたターゲットは、揺動又は回転を止めた後、ＰＬＤ法により、蒸着を行うことができる。
例えば、ＩＩＩ族金属をターゲットにした場合、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｉを不純物として予め含有させたものを用いることができる。ただし、これらの合金（混合物）の融点は上昇する場合があり、添加する不純物種および量により加熱温度を変える必要があることは言うまでもない。
【００９４】
上記のようにターゲット容器５ａの少なくとも内壁面の材質は、ターゲット６ａと反応しない、ターゲット６ａとの濡れ性が悪い材質、具体的には、アルミナ、シリカ、Ｐ−ＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ−Ｎｉｔｒｉｄｅ：窒化ホウ素）等のセラミックや、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）を採用することで、スラグ１７の内壁面側への移動を促進することができる。
なお、ターゲット容器５ａを上記材料で構成する必要はなく、例えばターゲット容器５ａの内壁に、上記セラミック材料を内壁に、例えばイオンプレーティング等により、コーティングすればよい。
【００９５】
図６（ｃ）は、ターゲット容器５ａの断面図である。図６（ｃ）に示すように、例えばターゲット材料の出し入れを容易にするため、ターゲット容器５ａの内壁にテーパーを設けてもよいし、内壁が垂直形状であってもよい。
【００９６】
さらに、ターゲットを支持するターゲット支持装置３に、ターゲット容器６ａを揺動（又は回転）させる機能を付加してもよい。揺動させることにより、スラグのターゲット容器５ａの内壁面への移動を促進することができる。
モータをチャンバ１外に設置し、ターゲット支持装置３に対して揺動運動を、シャフトにより直接的に伝達してもよく、磁気カップリングにより間接的に伝達してもよく、又はモータをチャンバ１内に設置してもよい。なお、所定の角度範囲での揺動運動でもよいし、回転運動であってもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１  チャンバ
２  基板支持装置
３  ターゲット支持装置  
４  基板
５ａ、５ｂ  ターゲット容器
６ａ、６ｂ  ターゲット
７  光透過窓
８  レーザ照射装置
９  レンズ
１０  回折光学素子
１１  プルーム
１２  ガス導入口
１３  排気口
１４  ラジカル照射装置
１５  ノズル
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ  領域（スポット）
１７  スラグ
１８  窒素ラジカル
１０１  レーザ光
１０２  レーザ光
１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ  レーザ光
【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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