(57)【要約】【課題】高品質な窒化物半導体を作製するための、下地層として使用できる窒化物系薄膜複合構造体とその製造方法を提供する。【解決手段】窒化物系薄膜複合構造体は、バルク単結晶ウエハ上に形成された窒化物系薄膜を含む窒化物系薄膜複合構造体であって、バルク単結晶の結晶構造と特定の配向関係を持ってバルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶と、窒化物微結晶を取り囲み、且つ、バルク単結晶ウエハの表面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、によって構成される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク単結晶ウエハ上に形成された窒化物薄膜を含む窒化物系薄膜複合構造体であって、
前記バルク単結晶ウエハの結晶構造と特定の配向関係を持って前記バルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶と、
前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶ウエハの表面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、
によって構成される、窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項２】
上面が平坦である、請求項１に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項３】
上面の算術平均粗さが０．１ｎｍ以上であって１０ｎｍ以下である、請求項２に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項４】
前記窒化物系薄膜複合構造体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの内、１種類以上の金属元素が窒化された２元もしくは３元以上の元素から構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項５】
前記窒化物微結晶同士の間隔が５ｎｍ以上５０μｍ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項６】
前記窒化物系薄膜複合構造体において、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項７】
前記窒化物系薄膜複合構造体は、Ｓａｐｐｈｉｒｅ（α―Ａｌ２Ｏ３）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ４の群から選択されるいずれか一つのバルク単結晶ウエハ上に形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物系薄膜複合構造体。
【請求項８】
スパッタリング装置の真空チャンバー内にバルク単結晶基板と、ターゲット材と、を用意するステップと、
前記真空チャンバー内に窒素を３０％以上含むガスを導入し、０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の圧力とし、基板の温度が２５℃以上１０００℃以下で、周波数１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下で電力を印加する時間割合が０．１％以上３０％以下となる電力パルスを印加してプラズマを発生させ、反応性スパッタリング法によって、前記基板上に窒化物微結晶と、前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶基板の表面全面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、を成膜するステップと、
を含む、窒化物系薄膜複合構造体の製造方法。
【請求項９】
反応性スパッタリングにおいて、ターゲット材とガスとを反応させて前記基板上に薄膜を形成する反応性スパッタリングを行う際にプラズマを発生させるために直流電流をパルス状に供給する、請求項８に記載の窒化物系薄膜複合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系薄膜複合構造体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量の削減や、水俣条約による水銀使用の禁止を背景に、電力制御用パワーデバイスや一般照明としての発光デバイスへの窒化物半導体応用が期待されている。
【０００３】
窒化物半導体は格子整合する初期基板が存在しないことから、薄膜、バルク結晶に寄らずＳａｐｐｈｉｒｅ（α−Ａｌ２Ｏ３）やＳｉＣ、Ｓｉ、ＳｃＡｌＭｇＯ４等の異種バルク単結晶上に窒化物半導体結晶は作製される。結晶成長の手法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタリング法等が一般に知られている。
【０００４】
しかしながらいずれの手法によって窒化物半導体結晶を形成する場合でも、上述したバルク結晶を初期基板として用いた場合には窒化物半導体とは格子定数が異なり、その格子定数差が問題となる。格子不整合によって窒化物半導体結晶中に多量の欠陥が発生し、窒化物半導体結晶の品質低下によってデバイスの効率や寿命低下を引き起こす主原因となっている。このような問題を解決するため、選択的に横方向成長させて結晶欠陥を含まない窒化物半導体を成長する手法である、Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ（以下、「ＥＬＯ法」と記す。）がよく知られている。
【０００５】
そこで基板を断面方向から見た図６Ａ及び図６Ｂを参照しながらＥＬＯ法について説明する。図６Ａは、ＥＬＯ法によって結晶成長を行う前の試料における断面図であり、図６Ｂは、成長途中の試料における断面図である。ＥＬＯ法では、種結晶基板上に加工した下地層（バッファ層）が用いられる。具体的には図６Ａに示すように、バルク単結晶ウエハ６０１に成膜された結晶性薄膜６０２の上に、非晶質材料であるＳｉＯ２やＳｉＮ等から成る周期的な開口部を有するマスク６０３の設けられた下地層が初期基板として用いられる。
【０００６】
図７Ａには図６Ａで示した断面図を上から見た平面図を示した。マスク７０２は、図７Ａに示すように開口部７０１がストライプパターンであっても良いし、図７Ｂのように開口部７０１がドットパターンであっても良い。マスク開口部のサイズやピッチは２μｍ以上１０μｍ以下であることが多い。図６Ａのようなマスク加工をした基板上に結晶成長を行った場合には非晶質のマスク６０３上には原料分子の吸着が不安定となるためマスク直上を起点とした結晶成長が進行せず、マスク開口部のみを起点として結晶成長が進行する。結晶成長が進行するに従い、図６Ｂのようにマスク開口部を起点として成長した結晶６０４がマスク６０３を覆うように横方向成長する。最終的には結晶６０４がマスク６０３を完全に被覆することで基板上に一様に連続した結晶膜を形成する。この時、結晶欠陥はマスク開口部から引き継がれて成長した結晶中を伝搬することになるが、横方向成長によって伝搬方向が基板表面と垂直方向から平行な方向へと曲げられ、隣の開口部より横方向成長した結晶と会合し、転位のループを形成することで転位が対消滅する。このようにしてＥＬＯ法を用いて作製された窒化物結晶は、転位密度をおよそ１０６ｃｍ−２以上１０７ｃｍ−２以下程度とＥＬＯ法を用いない場合の１０９ｃｍ−２と比較すると２桁以上低減させることができる。
【０００７】
ＥＬＯ法において重要な点は、基板表面に図７Ａに示したようなＬｉｎｅ  ａｎｄ  Ｓｐａｃｅパターンや、図７Ｂに示したドットパターンのように基板表面に周期的にマスク７０２と開口部７０１とが形成された初期基板を用いることである。サイズやピッチが制御された基板表面の露出した開口部７０１と結晶成長が進行しない非晶質から成るマスク７０２によって横方向成長を促進し、高品質な窒化物結晶を成長することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１８９８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＥＬＯ法は、低転位密度の結晶を作製する上で有用な手法であるが、ＥＬＯ法で使用するための下地基板を用意するためには多数の成膜や加工が必要となる。このことから、成膜や加工を行うための設備を導入、維持するためのコスト、また多数の工程を含むために生産性の面で課題がある。まず、設備コストについて、下地となるＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法による結晶性薄膜６０２を作製するための設備や、ＳｉＯ２やＳｉＮから成るマスク７０２を形成するためのＣＶＤやスパッタリングの設備、さらにマスク７０２の開口部７０１を作成するためのリソグラフィーやフッ酸等を用いたエッチングのための設備が必須となる。ＣＶＤは原料が可燃性であることが多く危険かつ高価なことに加え、除害装置、例えば排ガス処理装置等を有したＣＶＤ装置やリソグラフィーのための露光装置も極めて高価であり、生産コストを大きく引き上げる要因となる。次に、生産性の面について、ＥＬＯ法では成膜や露光、エッチング等の多数の工程を含むため、生産に要する時間を大きく増加させる。
【００１０】
本発明は、上述したような従来法の課題を解決するものであり、安価なスパッタリング法を用いた１段階の工程によってＥＬＯ法で使用される加工基板と同等の機能を持つ窒化物系薄膜複合構造体とその成膜方法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】
本発明に係る窒化物系薄膜複合構造体は、バルク単結晶ウエハ上に形成された窒化物薄膜を含む窒化物系薄膜複合構造体であって、
前記バルク単結晶ウエハの結晶構造と特定の配向関係を持って前記バルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶と、
前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶ウエハの表面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、
によって構成される。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物系薄膜複合構造体の製造方法は、スパッタリング装置の真空チャンバー内にバルク単結晶基板と、ターゲット材と、を用意するステップと、
前記真空チャンバー内に窒素を３０％以上含むガスを導入し、０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の圧力とし、基板の温度が２５℃以上１０００℃以下で、周波数１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下で電力を印加する時間割合が０．１％以上３０％以下となる電力パルスを印加してプラズマを発生させ、反応性スパッタリング法によって、前記基板上に窒化物微結晶と、前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶基板の表面全面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、を成膜するステップと、
を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る窒化物系薄膜複合構造体及びその製造方法によって、ＣＶＤやリソグラフィーといった成膜や露光工程を利用することなく、ＥＬＯ法を用いて窒化物結晶を作製した場合と同等以上の結晶品質の窒化物結晶を作製するための下地基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】実施の形態１に係る窒化物系薄膜複合構造体の断面構造を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの窒化物系薄膜複合構造体の平面図である。
【図２Ａ】バルク単結晶ウエハと窒化物微結晶の配向関係を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａにおいて、バルク単結晶ウエハがサファイアである場合の結晶軸を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ａにおいて、窒化物微結晶がＡｌＮである場合の結晶軸を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ｂ及び図２Ｃのサファイアの［１−１００］軸とＡｌＮの［１−１００］軸との配向関係を示す概略図である。
【図３】実施の形態１に係るスパッタリング装置の構成を示す概略図である。
【図４】実施の形態１に係る窒化物系薄膜複合構造体の微結晶であるＡｌＮ（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ反射を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る窒化物系薄膜複合構造体の上にＭＯＣＶＤ成長したＧａＮの光学顕微鏡像である。
【図６Ａ】従来のＥＬＯ法で用いられる基板の断面構造を示す概略断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの基板上に結晶成長を行った場合の状態を示す概略断面図である。
【図７Ａ】従来のＥＬＯ法で用いられるマスク加工パターンの一例を示す平面図である。
【図７Ｂ】従来のＥＬＯ法で用いられるマスク加工パターンの別例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、バルク単結晶ウエハ上に形成された窒化物薄膜を含む窒化物系薄膜複合構造体であって、
前記バルク単結晶ウエハの結晶構造と特定の配向関係を持って前記バルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶と、
前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶ウエハの表面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、
によって構成される。
【００１６】
第２の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第１の態様において、上面が平坦であってもよい。
【００１７】
第３の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第２の態様において、上面の算術平均粗さが０．１ｎｍ以上であって１０ｎｍ以下であってもよい。
【００１８】
第４の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記窒化物系薄膜複合構造体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの内、１種類以上の金属元素が窒化された２元もしくは３元以上の元素から構成されてもよい。
【００１９】
第５の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記窒化物微結晶同士の間隔が５ｎｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
【００２０】
第６の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記窒化物系薄膜複合構造体において、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。
【００２１】
第７の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記窒化物系薄膜複合構造体は、Ｓａｐｐｈｉｒｅ（α―Ａｌ２Ｏ３）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ４の群から選択されるいずれか一つのバルク単結晶ウエハ上に形成されてもよい。
【００２２】
第８の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体の製造方法は、スパッタリング装置の真空チャンバー内にバルク単結晶基板と、ターゲット材と、を用意するステップと、
前記真空チャンバー内に窒素を３０％以上含むガスを導入し、０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の圧力とし、基板の温度が２５℃以上１０００℃以下で、周波数１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下で電力を印加する時間割合が０．１％以上３０％以下となる電力パルスを印加してプラズマを発生させ、反応性スパッタリング法によって、前記基板上に窒化物微結晶と、前記窒化物微結晶を取り囲み、且つ、前記バルク単結晶基板の表面全面を覆う非晶質の窒化物薄膜と、を成膜するステップと、
を含む。
【００２３】
第９の態様に係る窒化物系薄膜複合構造体の製造方法は、上記第８の態様において、反応性スパッタリングにおいて、ターゲット材とガスとを反応させて前記基板上に薄膜を形成する反応性スパッタリングを行う際にプラズマを発生させるために直流電流をパルス状に供給してもよい。
【００２４】
以下、図面を参照しながら、実施の形態に係る窒化物系薄膜複合構造体とその製造方法について詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００２５】
（実施の形態１）
＜窒化物系薄膜複合構造体＞
始めに、図１Ａ及び図１Ｂを主として参照しながら、実施の形態１の窒化物系薄膜複合構造体１００について説明する。図１Ａは、実施の形態１のバルク単結晶ウエハ１０１上に窒化物系薄膜複合構造体１００を積層した積層体の断面構造を示す概略断面図である。図１Ｂは、図１Ａの窒化物系薄膜複合構造体１００の平面図である。この窒化物系薄膜複合構造体１００は、バルク単結晶ウエハ１０１の上に形成され、バルク単結晶の結晶構造と特定の配向関係を持って上記バルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶１０２と、上記窒化物微結晶と同一の材料からなる非晶質の窒化物薄膜１０３と、の複合体により構成される。バルク結晶ウエハ１０１の上には複数の窒化物微結晶１０２が配置されている。複数の窒化物微結晶１０２のそれぞれは、例えば単結晶である。複数の窒化物微結晶１０２のそれぞれは、バルク単結晶の結晶構造と特定の配向関係を持ってバルク単結晶ウエハ上に設けられている。すなわち、複数の窒化物微結晶１０２は互いに結晶軸の方向が一致している。
【００２６】
ここで図２Ａ乃至図２Ｄを用いて、上述したバルク単結晶ウエハの結晶構造と特定の配向関係を持って上記バルク単結晶ウエハ上に設けられた窒化物微結晶について説明する。図２Ａは、バルク単結晶ウエハとしてＳａｐｐｈｉｒｅ（０００１）基板を用い、窒化物微結晶としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いた場合における単結晶バルクウエハと微結晶の配向関係を表す概略図である。図２Ｂは、バルク単結晶ウエハがサファイアである場合の結晶軸を示す図である。図２Ｃは、窒化物微結晶がＡｌＮである場合の結晶軸を示す図である。
Ｓａｐｐｈｉｒｅは、コランダム型の結晶構造を持ち、その単位格子２０１は六角柱で表すことができる。また、ＡｌＮは、ウルツ鉱型の結晶構造を持ち、その単位格子２０２も同様に六角柱で表すことができる。図２Ａ及び図２Ｄは、それぞれの単位格子の六角柱の［０００１］軸を一致するように重ね、上から見た平面図を示している。こで特定の配向関係とは、まず、Ｓａｐｐｈｉｒｅの結晶軸［０００１］とＡｌＮの結晶軸［０００１］との方向が一致している配向関係を持つことである。次に、Ｓａｐｐｈｉｒｅの［１−１００］軸に対してＡｌＮの［１−１００］軸が３０°回転した配向関係を持つことである。すなわち、図２Ｄに示すように、Ｓａｐｐｈｉｒｅの単位格子がＡｌＮの単位格子の上に中心軸を一致させた状態で［０００１］軸が３０°回転して上に乗っている状態である。
【００２７】
また、別の配向関係の例として、単結晶バルクウエハとしてＺｎＯ（酸化亜鉛）の（０００１）面を用い、窒化物微結晶としてＡｌＮを選択したような、共にウルツ鉱構造の組み合わせを選択した場合が挙げられる。この場合には、それぞれのウルツ鉱の［０００１］方向と［１−１００］軸とが共に一致している配向関係を持つ。すなわち、それぞれの単位格子が［０００１］軸及び［１−１００］軸を共に一致させ、回転することなく上に乗っている状態である（図示せず）。
【００２８】
さらに、窒化物微結晶と同一の材料からなる非晶質の窒化物薄膜とは、特定の決まった微結晶と同一組成から構成される化合物であるが、特定の結晶構造を持たないアモルファス構造の窒化物薄膜を指す。
【００２９】
微結晶１０２は、成膜プロセス中に自発的に形成されるため、微結晶同士の間隔や大きさは後述する窒化物系薄膜複合構造体の製造方法におけるプロセス条件によって制御することができる。本窒化物系薄膜複合構造体は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法によっても形成することができる。しかし、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法は、基板温度が高温であり基板上のマイグレーションにともなって結晶が成長する方式である。このことから、上記方法では、基板である単結晶バルクウエハの上に形成される結晶の表面粗さは成長速度や基板温度やその他の形成条件によって敏感に変化してしまい、結晶状態と平坦性を同時に制御することが難しい。一方、スパッタリング法は、基板温度が比較的低温であることから、マイグレーションの距離が小さく、平坦な膜を形成しやすい。基板の表面粗さに影響をうけるが、スパッタリング法により、算術平均粗さＲａが０．１ｎｍ以上であって１０ｎｍ以下である薄膜を形成することが可能である。すなわち、本開示の窒化物系薄膜複合構造体は上面が平坦であることが好ましい。さらに、本開示の窒化物系薄膜複合構造体は、上面の算術平均粗さが０．１ｎｍ以上であって１０ｎｍ以下であることが好ましい。特に、成膜された薄膜において膜厚の面内均一性や平坦性に優れ、かつ生産設備のコストが安いことから、窒化物系薄膜複合構造体の成膜は、スパッタリング法によって行うことが望ましい。
【００３０】
＜スパッタリング装置＞
次に、実施の形態１に係る窒化物系薄膜複合構造体を形成するためのスパッタリング装置３００について説明する。図３は、実施の形態１に係るスパッタリング装置３００の構成を示す概略図である。このスパッタリング装置３００は、真空チャンバー３０１と、真空ポンプ３０２と、ガス供給源３０４と、バッキングプレート３０８と、直流電源３３０と、パルス化ユニット３３２と、制御部の一例として機能する電源制御器３４０と、パルス制御器３４１と、基板ホルダー３０５と、を備えている。
【００３１】
真空チャンバー３０１は、ゲートバルブ３０３を介して接続された真空ポンプ３０２で排気することによって、真空状態への減圧を行うことができる。
【００３２】
ガス供給源３０４は、スパッタリングに必要なガスを真空チャンバー３０１へ一定速度で供給することができる。ガス供給源３０４で供給するガスは、例えば窒素又は酸素など目的の材料と反応性を持ったガス、又は、反応性を持ったガスと不活性なアルゴンなどの希ガスとの混合ガスなどが選択できる。
【００３３】
ゲートバルブ３０３は、その開閉率を変化させることで、真空チャンバー３０１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。
【００３４】
図３において、真空チャンバー３０１の上部内には、ターゲット材３０７が配置されている。ターゲット材３０７は、任意のスパッタ材料であるが、例えば窒化物を形成する金属材料又は半導体材料などの無機材料である。本実施の形態１の場合は、高純度（６Ｎ：９９．９９９９％）のＡｌである。
【００３５】
バッキングプレート３０８は、真空チャンバー３０１の上部内に配置されて、後述する基板ホルダー３０５に対向するように、ターゲット材３０７を支持している。
【００３６】
直流電源３３０は、パルス化ユニット３３２とバッキングプレート３０８とを介して、ターゲット材３０７に電気的に接続され、ターゲット材３０７に電圧を印加することができる。パルス化ユニット３３２は、直流電源３３０によって発生した直流電流を、内蔵するコンデンサ等に蓄積し、内蔵する半導体スイッチング素子等によりオン又はオフして、パルス化することができる。なお、パルス化ユニット３３２は、パルス制御器３４１によって制御され、直流電源３３０及びパルス制御器３４１は、電源制御器３４０によって制御される。また、直流電源３３０からパルス化ユニット３３２への電流は電流計３３１によって計測され、計測された電流値が電源制御器３４０にフィードバックされる。つまり、電源制御器３４０において、電流計３３１で計測した電流値が所定の値となるように直流電源３３０をフィードバック制御する。
【００３７】
マグネット３０９及びヨーク３１０は、真空チャンバー３０１の上部内のバッキングプレート３０８の裏面に配置され、ターゲット材３０７の表面に磁場を発生させることができる。マグネット３０９は１つ以上であればよい。なお、マグネット３０９は、永久磁石、電磁石のいずれであってもよい。ヨーク３１０は、マグネット３０９の一端と接続されており、磁気回路を構成し、ターゲット材３０７と反対側への不要な磁場の漏洩を抑制できる。
【００３８】
図３において、真空チャンバー３０１の下部内には、基板３０６を支持する基板ホルダー３０５が配置されている。基板ホルダー３０５は、基板３０６の下部に配置され、バッキングプレート３０８で支持されたターゲット材３０７の表面に基板３０６の表面が対向するように、基板３０６を支持する。
【００３９】
＜窒化物系薄膜複合構造体の製造方法＞
次に、本実施の形態１による窒化物系薄膜複合構造体の製造方法、つまり、窒化物系薄膜複合構造体の成膜手順を説明する。
（１）まず始めに基板投入を行う。前述の図３の基板３０６の位置に、成膜しようとする基板３０６、例えばＳａｐｐｈｉｒｅ（０００１）基板（「バルク単結晶ウエハ」）を設置する。基板３０６の設置については、真空チャンバー３０１を大気開放して直接手で設置する場合、又は、大気開放せずに、ロードロックチャンバーからロボットアーム等を用いて機械で設置する場合もある。
（２）続いて、真空ポンプ３０２を作動させて真空チャンバー３０１内が真空状態になるように減圧を行い、所定の真空度に到達した後、ガス供給源３０４からガスを導入し、所定のガス圧力となるようにゲートバルブ３０３の開度を調整する。
（３）ガス流量と圧力が安定すると、電力を印加し、プラズマを発生させ、成膜を開始する。この場合、窒化物微結晶と非晶質の窒化物薄膜との成膜は、一段階で行う。成膜条件としては、例えば、真空チャンバー内に窒素を３０％以上含むガスを導入し、０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の圧力とする。また、基板の温度は２５℃以上１０００℃以下である。さらに、周波数１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下で電力を印加する時間割合が０．１％以上３０％以下となる電力パルスを印加してプラズマを発生させている。以上の条件下において、所望の膜厚となるように任意の時間だけ成膜を行った後、基板を取り出して一連の動作は終了する。
以上によって、バルク単結晶ウエハである基板３０６への窒化物系薄膜構造体の成膜を行うことができる。
【００４０】
次に、上述したスパッタリング法によって成膜した窒化物系薄膜複合構造体の評価方法について記述する。窒化物系薄膜複合構造体中の微結晶１０２と非晶質１０３の複合体の評価は、Ｘ線による構造解析と窒化物系薄膜複合構造体を初期基板としてＭＯＣＶＤ法で成長したＧａＮを光学顕微鏡によって観察することで行う。
【００４１】
Ｘ線による評価の詳細を説明する。Ｘ線による構造解析は、文献（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、２６８（２００４）、１−７）に記載された手法を用いて、ＡｌＮ（０００２）のＸ線ロッキングカーブ反射のピークを微結晶由来の幅の狭いピークと非晶質由来の幅の広いピークとの重なりと仮定し、ガウス関数を用いて微結晶由来のピークと、非晶質由来のピークとを分離することで、微結晶１０２と非晶質１０３とのそれぞれの存在を確認できる。ここでＸ線ピークの幅は具体的な数値で表すことができないが、分離された２つのピークのうち相対的に幅が狭いピークが微結晶由来、幅の広いピークが非晶質由来と関連付けている。
【００４２】
次に、光学顕微鏡による評価について説明する。微結晶１０２の間隔は、Ｘ線では評価できないため、窒化物系薄膜複合構造体を初期基板としてＧａＮをＭＯＣＶＤ成長し、結晶成長が進行した位置を光学顕微鏡で観察することで評価する。スパッタリング法で成膜した窒化物薄膜の全面が結晶もしくは非晶質だった場合には、層状に成長したＧａＮもしくは多結晶のＧａＮがそれぞれ成長するはずである。一方、微結晶と非晶質の複合体が成長している場合には、微結晶部分では微結晶が結晶核となり結晶成長が容易に進行するためにＧａＮの結晶構造に由来する六角柱状の結晶が観測される。これに対し、非晶質部分では結晶成長が進行しないために何も観察されないはずである。従ってスパッタリング法で作成した薄膜が微結晶と非晶質の複合体であれば、六角柱がある間隔を持って並んだ光学顕微鏡像が観察される。
【００４３】
（実施例１）
実施の形態１の実施例１における検討結果を以下に記す。実施例１では、スパッタ法を用い、ターゲット材としてＡｌを使用し、反応性ガスとして窒素を用いて窒化物系薄膜複合構造体の成膜を行った。成膜圧力は０．４５Ｐａとなるように窒素ガスの流量を制御し、ランプ加熱によって基板温度は４００℃に一定に保った。プラズマ放電のためにターゲットに印加した電力は０．１５ｋＷとし、パルスの条件は、周波数１０ｋＨｚで、電力を印加するデューティー比は５％とした。成膜した窒化物系薄膜複合構造体の膜厚は２０ｎｍとなるように成膜時間を調整した。
【００４４】
ここで成膜圧力はプラズマ放電が起こる圧力であればよく、０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下であればよい。望ましくは０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下である。０．１Ｐａ未満ではプラズマ放電を維持するのが難しく、放電不良を生じる場合がある。１Ｐａを越える場合、反応性ガスによる窒化反応が不十分となり金属Ａｌが析出する等、膜質が劣化する場合がある。上記成膜では完全窒素系で行っているが、スパッタガスとしてＡｒを添加してもよく、望ましくは供給されるガス種中の窒素が３０％以上１００％以下の範囲が望ましい。窒素の割合が３０％未満では窒化反応が不十分となり、窒化不良によって金属Ａｌの析出や成膜後の試料取り出し時の酸化等の問題が引き起こされる。基板温度については２５℃以上１０００℃以下であればよいが、望ましくは２５℃以上６００℃以下の範囲である。それ以上の温度、１０００℃を越える温度では過度の結晶化が起こり、微結晶と非晶質との複合構造体の形成が難しい。なお、下限温度の２５℃は室温の目安であり、室温であればこれより低くてもよい。
また、プラズマ放電のためにターゲットに印加する電力のパルスの周波数について、低周波側、例えば１ｋＨｚ未満の条件では、本発明者の検討においては、プラズマ放電が極めて不安定となる。また、高周波側は、例えば１００ｋＨｚを超えると、一周期が１０マイクロ秒程度となり、電源装置の制約などでデューティー比を所望の値まで下げることができない。そのため、周波数については、１ｋＨｚ以上でかつ１００ｋＨｚ以下が適当であると考える。
【００４５】
また、瞬間的に大電力を印加し、解離エネルギーの高い窒素ガスを反応性の高い原子状窒素、またはラジカル状態の窒素を生成する目的の達成のためには、一周期における電力を印加する時間は、短時間であることが望ましい。しかし、一周期における電力を印加する時間の割合が、デューティー比０．１％未満においては、電力の立ち上がりの途中であり、設定の電力に達するための時間が不十分である。またデューティー比３０％を越えた付近から、前述の窒素ガスが解離されてできる原子状窒素又はラジカル状態の窒素が減少し、デューティー比５０％程度になると通常の直流スパッタと変わらない状況となる。従って、一周期における電力を印加する時間の割合については、デューティー比０．１％以上３０％以下が適切である。膜厚については１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であればよく、望ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。１ｎｍよりも膜厚が薄い場合には、窒化物系薄膜複合構造体を下地層としてＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥにより窒化物半導体の結晶成長を行った際の昇温時に熱分解により消失してしまう。一方、１００ｎｍよりも厚い場合には、微結晶の密度が過多となることや微結晶の配向が乱れてしまうために窒化物系薄膜複合構造体の下地層としての機能が失われる。
【００４６】
次に、成膜した窒化物系薄膜複合構造体の評価結果について説明する。スパッタリング法によって作製した窒化物系薄膜複合構造体に対し、前述した目的のためＸ線ロッキングカーブ測定を行い、得られたＡｌＮ（０００２）面の反射ピークを微結晶、非晶質由来のピークに分離した結果を図４に示す。詳細な方法については上述の通りであるため省略する。実線がＸ線測定によって得られた生データ、一点鎖線、二点鎖線はそれぞれフィッティングによって求めた微結晶、非晶質由来のピークとなっており、点線はその和を表している。生データと点線はほぼ重なる良いフィッティング結果となっており、スパッタリング法によって成膜した窒化物系薄膜複合構造体が微結晶と非晶質の複合体であることを支持する結果である。
【００４７】
次に、スパッタリング法により作製した窒化物系薄膜複合構造体の上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮを成膜した結果について説明する。ＩＩＩ族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｖ族原料にはＮＨ３をそれぞれ用いた。ＴＭＧは２３ｓｃｃｍ、ＮＨ３は５ＳＬＭだけ供給し、リアクタ中のトータルフローは５０ＳＬＭとなるように水素ガスで希釈した。基板温度は１０５０℃とし、ＧａＮの成長を６０分間行った。得られた試料の光学顕微鏡による観察結果を図５に示す。図５によれば、ウルツ鉱構造に由来する六角形の形をしたＧａＮが観察された。また走査型電子顕微鏡による観察を行ったところ、高さ１μｍ以上
２０μｍ以下の柱状の結晶が５０ｎｍ以上２０μｍ以下の間隔で得られていることがわかった。ＧａＮの結晶成長は微結晶を起点として進行するため、バルク単結晶ウエハ上に形成された窒化物系薄膜複合構造体中の微結晶も同様に、５０ｎｍ以上２０μｍの間隔を持って点在していることがわかる。この微結晶の間隔は成膜条件によって制御することができ、その間隔は５ｎｍ以上５０μｍ以下であればよく、望ましくは５０ｎｍ以上２０μｍ以下である。５ｎｍよりも小さい場合には、その後のＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法で窒化物半導体の結晶成長を行った際に結晶同士の結合界面が欠陥となるため高品質な結晶を成長することができない。一方、微結晶同士の間隔が５０μｍ以上になるとＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法で結晶成長を行った際に微結晶を起点として成長した窒化物半導体結晶が結合できなくなるためピットやマイクロパイプといった重大な欠陥を生成する原因となる。一方で六角柱が形成されていない領域においては、ＧａＮの成長は確認されず、核形成もおきていないことがわかった。この領域では上述したように単結晶バルク基板は非晶質に覆われていることを支持する結果を得た。
【００４８】
従って、スパッタ法を用いて作製した窒化物系薄膜複合構造体上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮを成長した試料の光学顕微鏡による観察結果は、窒化物系薄膜複合構造体は微結晶と非晶質からなる複合構造体であることを支持する結果であった。
【００４９】
以上の実施形態により、スパッタ法を用いて単結晶バルク基板上に微結晶と非晶質からなる窒化物系薄膜複合構造体が形成できることがわかった。従って安価なスパッタリング法を用いた１段階の工程によってＥＬＯ法で使用される加工基板と同等の機能を持つ窒化物系薄膜複合構造体とその成膜方法を提供することが可能となる。
【００５０】
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本実施の形態に係る窒化物系薄膜複合構造体及びその製造方法は、ＧａＮをはじめとしたＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶から成る窒化物半導体をＭＯＣＶＤやＨＶＰＥ法によって成長するための下地層及びその製造方法として利用できる。また、ＥＬＯ法で作製していた高品質結晶と同等の品質を持つ前記窒化物半導体を安価に、効率よく生産することが可能であるため有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  窒化物系薄膜複合構造体
１０１  バルク単結晶ウエハ
１０２  窒化物微結晶
１０３  非晶質窒化物薄膜
２０１  Ｓａｐｐｈｉｒｅの単位格子
２０２  ＡｌＮの単位格子
３００  スパッタリング装置
３０１  真空チャンバー
３０２  真空ポンプ
３０３  ゲートバルブ
３０４  ガス供給源
３０５  基板ホルダー
３０６  基板
３０７  ターゲット材
３０８  バッキングプレート
３０９  マグネット
３１０  ヨーク
３３０  直流電源
３３１  電流計
３３２  パルス化ユニット
３４０  電源制御器
３４１  パルス制御器
６０１  バルク単結晶ウエハ
６０２  結晶性薄膜
６０３  非晶質マスク
７０１  開口部
７０２  マスク
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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