(57)【要約】【課題】結晶性が良好なＺｎＯ半導体層を安価に形成でき、また、結晶性が良好なＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を安価に製造できる方法を提供する。【解決手段】スパッタ法を用いて、基板１上に、１×１０−１０　Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層２、または、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク（例えば（１０３）または（１１２）のピーク）を有するＺｎＯバッファ層２を形成し、ＺｎＯバッファ層２上にＺｎＯ半導体層３を形成する。ＺｎＯバッファ層２の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量が少ない条件でＺｎＯ半導体層３を形成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とするＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項２】
基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とするＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項３】
基板上に、スパッタ法を用いてＺｎＯ半導体層を形成する方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて、前記基板上にＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上に、該ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とするＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項４】
導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項３記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項５】
Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項３記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項６】
前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする請求項２または５記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項７】
前記酸素ガス流量比を２０％以上として前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項８】
前記ＺｎＯバッファ層の膜厚を５００ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項９】
前記ＺｎＯバッファ層と前記ＺｎＯ半導体層とを連続的に形成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項１０】
スパッタガス中の酸素ガス流量比を漸次低減させながら前記ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを連続的に形成することを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項１１】
前記ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを同一の形成室内で形成することを特徴とする請求項９または１０に記載のＺｎＯ半導体層の形成方法。
【請求項１２】
基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
スパッタ法により形成されたＺｎＯ半導体層を有する半導体素子の製造方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて、基板上にＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上に、該ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項１４記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項１４記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする請求項１３または１６記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記酸素ガス流量比を２０％以上にして前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ＺｎＯバッファ層の膜厚を５００ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
基板と、該基板上に形成された１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯ層と、該ＺｎＯ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項２１】
基板と、該基板上に形成されており、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯ層と、該ＺｎＯ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項２２】
前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする請求項２１記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるＺｎＯ半導体層を形成する方法、ＺｎＯ半導体層を備えた発光素子，受光素子または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体素子の製造方法、及び、ＺｎＯ半導体層を備えた半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＺｎＯ半導体は、直接遷移で禁制帯幅が大きい（〜３．４ｅＶ）という特徴を有していることから、青色から紫外領域の光を発光若しくは受光する発光／受光素子、またはＴＦＴ等の半導体素子への適用が検討されている。
【０００３】
ＺｎＯ半導体層を形成する方法としてはＭＢＥ法、スパッタ法またはレーザアブレーション法等の方法が知られており、近年ＺｎＯ半導体層の結晶性向上のためにバッファ層を介してＺｎＯ半導体層を形成することが検討されている。
【０００４】
Ａｌ，Ｍｇ等の不純物を含むＺｎＯバッファ層を介してＺｎＯ発光層を形成することで、良好な結晶性を有するＺｎＯ発光層を形成できる旨が記載されている（例えば、特許文献１参照）。また、半導体層形成時の温度よりも低温で形成したＺｎＯバッファ層を介してＺｎＯ半導体層を形成することで、良好な結晶性を有するＺｎＯ半導体層を形成できる旨が記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２４４０１４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８７９９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した不純物を含むバッファ層を用いる従来技術にあっては、Ａｌ，Ｍｇ等の不純物源を別途用意する必要があり、このために製造コストが増大するという課題がある。また、不純物を含むバッファ層をスパッタ法で形成した場合、形成室内の例えば壁面等にも不純物を含むＺｎＯ膜が形成される。このため、バッファ層とＺｎＯ発光層とを同じ形成室で形成すると、ＺｎＯ発光層形成時に壁面等に付着したＺｎＯ膜からＡｌ，Ｍｇ等の不純物が形成室内に放出され、これらの不所望の不純物がＺｎＯ発光層中に取り込まれてしまう可能性がある。また、バッファ層中に含まれる上記不純物がＺｎＯ発光層中に拡散することによって、ＺｎＯ発光層での不所望の不純物の取り込みが生じる可能性がある。そして、これらの不所望の不純物の取り込みが生じる結果、発光層の発光特性が低下する虞れがある。また、斯かる不所望の不純物の取り込みを抑制するためにバッファ層形成用の形成室と発光層形成用の形成室とを別々に設けると、装置コストの増大を招き、製造コストの増大を招くという課題が生じる。
【０００７】
一方、低温で形成したバッファ層を用いるという従来技術によれば、不所望の不純物の取り込みは抑制できるが、バッファ層形成時の温度と半導体層形成時の温度とが異なる。このため、ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを同じ形成室内で形成しようとした場合、バッファ層形成終了後から半導体層形成開始に至るまでの間に基板の昇温時間が必要となることから所要時間が長くなり、製造コストの増大を招くという課題が生じる。また、スループット向上のためにバッファ層形成用の形成室と、半導体層形成用の形成室とを別々に設けることも可能ではあるが、この場合にもやはり装置コストが増大するために、製造コストの増大を招くという課題がある。
【０００８】
本発明は、斯かる事情に鑑みなされたものであって、結晶性の良好なＺｎＯ半導体層を安価に形成できる形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、結晶性の良好なＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を安価に製造できる製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】更に、本発明は、結晶性の良好なＺｎＯ半導体層を備える半導体素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、基板上に、スパッタ法を用いてＺｎＯ半導体層を形成する方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて、前記基板上にＺｎＯバッファ層を形成し、該ＺｎＯバッファ層上に、該ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項３において、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項３において、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項２または５において、前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項３乃至６のいずれかにおいて、前記酸素ガス流量比を２０％以上として前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００１８】
請求項８に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記ＺｎＯバッファ層の膜厚を５００ｎｍ以上とすることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記ＺｎＯバッファ層と前記ＺｎＯ半導体層とを連続的に形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項３乃至８のいずれかにおいて、スパッタガス中の酸素ガス流量比を漸次低減させながら前記ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを連続的に形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、請求項９または１０において、前記ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを同一の形成室内で形成することを特徴とする。
【００２２】
請求項１２に係る半導体素子の製造方法は、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に係る半導体素子の製造方法は、基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４に係る半導体素子の製造方法は、スパッタ法により形成されたＺｎＯ半導体層を有する半導体素子の製造方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて、基板上にＺｎＯバッファ層を形成する工程と、該ＺｎＯバッファ層上に、該ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１５に係る半導体素子の製造方法は、請求項１４において、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００２６】
請求項１６に係る半導体素子の製造方法は、請求項１４において、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するように酸素ガス流量比を調整して前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００２７】
請求項１７に係る半導体素子の製造方法は、請求項１３または１６において、前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする。
【００２８】
請求項１８に係る半導体素子の製造方法は、請求項１４乃至１７のいずれかにおいて、前記酸素ガス流量比を２０％以上にして前記ＺｎＯバッファ層を形成することを特徴とする。
【００２９】
請求項１９に係る半導体素子の製造方法は、請求項１２乃至１８のいずれかにおいて、前記ＺｎＯバッファ層の膜厚を５００ｎｍ以上とすることを特徴とする。
【００３０】
請求項２０に係る半導体素子は、基板と、該基板上に形成された１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯ層と、該ＺｎＯ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項２１に係る半導体素子は、基板と、該基板上に形成されており、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯ層と、該ＺｎＯ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項２２に係る半導体素子は、請求項２１において、前記（００２）及び（００４）以外のピークは、（１０３）または（１１２）のピークを含むことを特徴とする。
【００３３】
本発明に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成し、ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成するか、または、基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク、具体的には（１０３）または（１１２）のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成し、ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する。
【００３４】
本発明のＺｎＯ半導体層の形成方法では、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成し、このＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成するので、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を形成することができる。この理由は以下のように考えられる。
【００３５】
１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層中、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層中においては、大径の結晶粒が存在し、且つ大径の結晶粒の夫々はある程度の距離を隔てて分散して存在している。そして、ＺｎＯ半導体層はＺｎＯバッファ層中における大径の結晶粒を結晶核として結晶成長することとなるが、この際ＺｎＯバッファ層中においてはこれらの大径の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなるので、結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体が成長する。また、ＺｎＯバッファ層はＡｌ，Ｍｇ等不所望の不純物を含まないノンドープの層であるので、不所望の不純物の取込によるＺｎＯ半導体層の特性低下が生じることがない。更に、半導体層と同じ材料でバッファ層を形成するので、バッファ層と半導体層との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を形成することができる。
【００３６】
また、本発明に係るＺｎＯ半導体層の形成方法は、基板上に、スパッタ法を用いてＺｎＯ半導体層を形成する方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて基板上にＺｎＯバッファ層を形成し、ＺｎＯバッファ層上に、ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成する。
【００３７】
本発明のＺｎＯ半導体層の形成方法では、基板上にスパッタガス中の酸素ガス流量比が多い条件でＺｎＯバッファ層を形成することから、ＺｎＯバッファ層中に大径の結晶粒が形成され、加えて大径の結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在する。また、ＺｎＯバッファ層形成時よりも酸素ガス流量比が少ない条件で形成するため、ＺｎＯバッファ層よりも導電率が高く半導体として機能するＺｎＯ半導体層を形成することができる。そして、ＺｎＯ半導体層はＺｎＯバッファ層中における大径の結晶粒を結晶核として結晶成長することとなるが、この際これらの大径の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなるので、結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体が成長する。また、ＺｎＯバッファ層はＡｌ，Ｍｇ等不所望の不純物を含まないノンドープの層であるので、不所望の不純物の取込によるＺｎＯ半導体層の特性低下が生じることがない。更に、半導体層と同じ材料でバッファ層を形成するので、バッファ層と半導体層との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を形成することができる。
【００３８】
このようなＺｎＯ半導体層の形成方法において、好ましくは導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように、または、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク、具体的には（１０３）または（１１２）のピークを有するように、スパッタガス中の酸素ガス流量比を調整してＺｎＯバッファ層を形成する。このようにすれば、径がより大きい結晶粒を有し、また隣合う結晶粒同士が十分な距離を隔てて分散したＺｎＯバッファ層を形成することができるので、ＺｎＯ半導体層の結晶性，移動度を効果的に向上させることができる。この場合、酸素ガス流量比を２０％以上としてＺｎＯバッファ層を形成することが好ましい。このように酸素ガス流量比を２０％以上とすることにより、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下であるＺｎＯバッファ層、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成することができるので、良好な結晶性を有し、移動度が高いＺｎＯ半導体層を形成できる。また、ＺｎＯバッファ層の膜厚は５００ｎｍ以上とすることが好ましい。このように膜厚を５００ｎｍ以上とすることにより、バッファ層として十分に機能させることができるので、良好な結晶性を有し、移動度が高いＺｎＯ半導体層を形成できる。更に、ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを連続的に形成すると良い。斯かる構成とすることにより、形成時間を短縮することができるので、製造コストを低減できる。また、この場合においては、スパッタガス中の酸素ガス流量比を漸次低減させながら連続的に形成すると良い。斯かる構成においても、形成時間の短縮を図ることができるので、製造コストを低減できる。加えて、ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層とを同一の形成室内で形成することが好ましい。斯かる構成とすることにより、形成室の数を減らすことができるので、装置コストを低減でき、製造コストの低減を図ることができる。
【００３９】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、ＺｎＯ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備えるか、または、基板上に、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク、具体的には（１０３）または（１１２）のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成する工程と、ＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備える。
【００４０】
本発明の半導体素子の製造方法では、基板上に、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成し、このＺｎＯバッファ層上にＺｎＯ半導体層を形成するので、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造することができる。この理由は以下のように考えられる。
【００４１】
１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層中、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層中においては、大径の結晶粒が存在し、且つ大径の結晶粒の夫々はある程度の距離を隔てて分散して存在している。そして、ＺｎＯ半導体層はＺｎＯバッファ層中における大径の結晶粒を結晶核として結晶成長することとなるが、この際これら大径の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなるので、結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体が成長する。また、ＺｎＯバッファ層はＡｌ，Ｍｇ等不所望の不純物を含まないノンドープの層であるので、不所望の不純物の取込によるＺｎＯ半導体層の特性低下が生じることがない。更に、半導体層と同じ材料でバッファ層を形成するので、バッファ層と半導体層との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造することができる。
【００４２】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、スパッタ法により形成されたＺｎＯ半導体層を有する半導体素子の製造方法において、酸素を含むスパッタガスを用いて基板上にＺｎＯバッファ層を形成する工程と、ＺｎＯバッファ層上に、ＺｎＯバッファ層の形成時よりもスパッタガス中の酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層を形成する工程とを備える。
【００４３】
本発明に係る半導体素子の製造方法では、基板上にスパッタガス中の酸素ガス流量比が多い条件でＺｎＯバッファ層を形成するので、ＺｎＯバッファ層中に大径の結晶粒が形成され、加えて大径の結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在するようになる。また、ＺｎＯバッファ層形成時よりも酸素ガス流量比が少ない条件で形成するため、ＺｎＯバッファ層よりも導電率が高く半導体として機能するＺｎＯ半導体層を形成することができる。そして、ＺｎＯ半導体層はＺｎＯバッファ層中における大径の結晶粒を結晶核として結晶成長することとなるが、この際これら大径の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなるので、結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体が成長する。また、ＺｎＯバッファ層はＡｌ，Ｍｇ等不所望の不純物を含まないノンドープの層であるので、不所望の不純物の取込によるＺｎＯ半導体層の特性低下が生じることがない。更に、半導体層と同じ材料でバッファ層を形成するので、バッファ層と半導体層との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造することができる。
【００４４】
このような半導体素子の製造方法において、好ましくは、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるように、または、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク、具体的には（１０３）または（１１２）のピークを有するように、酸素ガス流量比を調整してＺｎＯバッファ層を形成する。このようにすれば、径のより大きな結晶粒を有し、また隣合う結晶粒同士が十分な距離を隔てて分散したＺｎＯバッファ層を形成することができるので、結晶性，移動度がより向上したＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を効果的に製造できる。この場合、スパッタガス中における酸素ガス流量比が２０％以上の条件でＺｎＯバッファ層を形成することが好ましい。このように酸素ガス流量比を２０％以上とすることにより、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下であるＺｎＯバッファ層、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層を形成することができるので、良好な結晶性を有し、移動度が高いＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造できる。また、ＺｎＯバッファ層の膜厚は５００ｎｍ以上とすることが好ましい。このように膜厚は５００ｎｍ以上とすることにより、バッファ層として十分に機能させることができるので、良好な結晶性を有し、移動度が高いＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造できる。
【００４５】
本発明に係る半導体素子は、基板と、基板上に形成された１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層と、ＺｎＯバッファ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備えるか、または、基板と、基板上に形成されたＸ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク、具体的には（１０３）または（１１２）のピークを有するＺｎＯバッファ層と、ＺｎＯバッファ層上に形成されたＺｎＯ半導体層とを備える。
【００４６】
本発明の半導体素子では、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層上、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層上に形成されたＺｎＯ半導体層を有するので、素子特性が優れた半導体素子を提供することができる。この理由は以下のように考えられる。
【００４７】
１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を有するＺｎＯバッファ層中、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層中においては、大径の結晶粒が存在し、且つ大径の結晶粒の夫々がある程度の距離を隔てて分散して存在している。そして、このＺｎＯバッファ層上に形成されたＺｎＯ半導体層は、ＺｎＯバッファ層中における大径の結晶粒を結晶核として結晶成長している。従って、これら大径の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、ＺｎＯ半導体層の結晶成長時には、隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長が阻害されることが抑制されているために、大径の結晶粒を有するＺｎＯ半導体層が形成されている。また、ＺｎＯ半導体層が同じ材料で構成されているバッファ層上に形成されているので、バッファ層と半導体層との間の接合がホモ接合となり良好な格子整合が得られている結果、粒径の向上したＺｎＯ半導体層が形成されている。従って、大径に形成された結果、結晶性，移動度が向上したＺｎＯ半導体層を有するので、素子特性が向上した半導体素子を提供することができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００４９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＺｎＯ半導体層の形成方法を説明するための構造断面図である。同図を参照して、１は基板であり、ガラス基板、サファイア基板、水晶基板、シリコン基板、溶融石英基板等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。２はＺｎＯバッファ層、３はＺｎＯ半導体層である。本実施形態にあっては、ＺｎＯバッファ層２をスパッタ法により酸素ガス流量比が大きい条件で形成し、ＺｎＯ半導体層３をスパッタ法により酸素ガス流量比が小さい条件で形成している。
【００５０】
ここで、スパッタガス中における酸素ガス流量比がＺｎＯ膜の結晶性に与える影響について以下に詳述する。
【００５１】
図２，図３，図４は、ガラス基板上に、スパッタガス中における酸素ガスの流量比を種々変化させて形成した厚さ２００ｎｍ，５００ｎｍ，１０００ｎｍのＺｎＯ膜の導電率と、酸素ガス流量比との関係を示す特性図である。形成条件は表１に示す通りであり、スパッタガスとしてＡｒガスとＯ２　ガスとの混合ガスを用いた。また、ＺｎＯ膜の形成にあたってはＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いた。
【００５２】
【表１】
2004006686.tif 000003
【００５３】
図２〜図４に示すように、形成されるＺｎＯ膜の導電率はスパッタガス中における酸素ガス流量比に大きく依存し、酸素ガス流量比が大きくなるほど導電率が小さくなって、抵抗が高いＺｎＯ膜となることが分かる。これは、ＺｎＯ膜中に酸素が多く含まれた場合、酸素欠損に起因するドナーが減少して導電率が低下するためと考えられる。また、厚さ２００ｎｍのＺｎＯ膜では酸素ガス流量比をいくら大きくしても導電率は１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下とはならないが（図２）、厚さ５００ｎｍのＺｎＯ膜では酸素ガス流量比を２０％以上（図３）、厚さ１０００ｎｍのＺｎＯ膜では酸素ガス流量比を１０％以上（図４）とすることにより、１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下の導電率を実現できる。なお、本発明においてＺｎＯ半導体層とはｎ型またはｐ型の導電性を有するものを意味し、例えば導電率が略１×１０−９Ｓ／ｃｍ以上のものである。斯かるＺｎＯ半導体層はスパッタガス中の酸素ガス流量比を極めて少なくした条件で形成することができる。なお、ホール効果測定の結果から、酸素ガス流量比を小さくして形成した導電率が高い膜は、ｎ型の導電性を有することが分かっている。
【００５４】
図５，図６，図７は、上述した厚さ２００ｎｍ，５００ｎｍ，１０００ｎｍのＺｎＯ膜に関して０％，２５％，１００％と形成時の酸素ガス流量比を変化させた場合の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により評価した結果を示す特性図であり、ＸＲＤの測定スペクトルを示す。
【００５５】
厚さ５００ｎｍ及び１０００ｎｍのＺｎＯ膜については、酸素ガス流量比を高くする（２５％，１００％）ことにより、ＸＲＤにより評価したＺｎＯ結晶面の回折ピークにおいて、（００２）及び（００４）以外に、（１０３）または（１１２）のピークを有していることが分かる。
【００５６】
また、図８，図９，図１０は、このようなＺｎＯ膜における表面及び断面の２次電子像（ＳＥＭ像）を表した写真である。更に、図１１は、酸素ガス流量比０％，２５％，１００％で形成したＺｎＯ膜におけるＳＥＭ写真の結果を示す模式図である。図１１においてＡで示した領域は粒径が４０ｎｍ以上の大粒径の結晶領域を示し、Ｂで示した領域は微小な結晶粒（粒径が２０ｎｍ未満）の集合領域を示している。酸素ガス流量比が小さい場合には粒径の小さい結晶が互いに近接して多数存在し、酸素ガス流量比が大きい場合には粒径の大きな結晶がある程度の距離を隔てて分離して存在することが分かる。
【００５７】
図１２は、図２に示した膜厚２００ｎｍのＺｎＯ膜における結晶性を、ＸＲＤにより評価した結果を示す特性図であり、ＸＲＤの測定スペクトルを示す。なお、図中各スペクトルの横に示した値は、膜形成時におけるスパッタガス中の酸素ガス流量比を示している。図１２から、いずれのＺｎＯ膜についても（００２）面に起因するピークが観測され、酸素ガス流量比が大きくなるほどそのピーク高さが大きくなり、特に酸素ガス流量比を５０％以上としたときにピーク高さが大幅に増大し、結晶性が向上することが分かる。
【００５８】
酸素ガス流量比を変化させて得られる図１２に示した各ＺｎＯ膜の結晶性及び結晶粒径の大きさを評価した結果を、表２にまとめて示す。なお、結晶性の評価は、酸素ガス流量比を１００％としたときに得られたＺｎＯ膜における（００２）面のピーク高さを１００として、各サンプルにおける（００２）面のピーク高さを相対値で示している。また、結晶粒径はＳＥＭ写真から求めた。
【００５９】
【表２】
2004006686.tif 000004
【００６０】
以上のように、スパッタ法を用いてＺｎＯ膜を形成した場合にあっては、スパッタガス中の酸素ガス流量比を大きくするほど結晶粒径が大きく、また、その酸素ガス流量比を大きくすることにより（００２）及び（００４）以外に（１０３）または（１１２）でピークを有するＸ線回折パターンを呈する膜を得ることができ、更に、その酸素ガス流量比を大きくするほど（００２）面のピーク高さが大きい膜が得られることが分かる。
【００６１】
バッファ層としては、結晶粒径が大きく、また結晶粒が分散して存在する膜を用いることが好ましい。即ち、結晶粒が存在するバッファ層を用いることにより、バッファ層中の結晶粒を核として半導体層を結晶成長させることができる。このとき、結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在するバッファ層を用いることにより、結晶成長の際に隣合う結晶同士がぶつかり合って結晶成長が阻害されることを抑制することができ、粒径が大きい結晶粒を有する半導体層を成長させることができる。一方、バッファ層中の結晶粒が密接して多数存在していると、結晶成長の際に隣合う結晶同士がぶつかってしまい、結晶成長が阻害されてしまうので、大粒径の結晶が成長し難い。また、結晶核となる結晶粒の径が大きいほど、これを核として成長する結晶の粒径を大きくできる。
【００６２】
加えて、バッファ層として半導体層と同じ材料であるＺｎＯを用いることにより、バッファ層からの不所望の不純物の拡散等の問題が生じることがなく、良好な特性を有するＺｎＯ半導体層を形成することができる。
【００６３】
以上の次第から、スパッタガス中の酸素ガス流量比を大きくして形成することにより得られた、径の大きな結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在するＺｎＯ膜をバッファ層として用い、この上にＺｎＯ半導体層を形成することで、大粒径で結晶性が優れたＺｎＯ半導体層を得ることができると考えられる。
【００６４】
斯かる径の大きな結晶粒が分散して存在するＺｎＯバッファ層としては、具体的には、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるＺｎＯ膜、または、Ｘ線回折法による結晶面の回折ピークにおいて（００２）及び（００４）以外のピーク（例えば（１０３）または（１１２）のピーク）を有するＺｎＯ膜が好ましいと考えられる。
【００６５】
導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるＺｎＯ膜は、図１２に示す如く結晶性が高く、且つ図１１に示す如く径の大きな結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在している。また、（００２）及び（００４）以外のピーク（例えば（１０３）または（１１２）のピーク）を有するＺｎＯ膜は、図５〜図１０の結果から分かるように、（００２）及び（００４）のみのピークを有するＺｎＯ膜と比較して、膜中に存在する残留応力が大きく、径の大きな結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在している。
【００６６】従って、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるＺｎＯ膜、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯ膜が、バッファ層として好ましい。導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下となるＺｎＯ膜は、例えばスパッタ法を用いて酸素ガス流量比が２０％以上の条件で形成することができる。なお、このように酸素ガス流量比を調整して形成するＺｎＯバッファ層の導電率の下限は、酸素ガス流量比を１００％とした場合の１×１０−１２　Ｓ／ｃｍ程度である。また、（００２）及び（００４）以外の（１０３）または（１１２）のピークを有するＺｎＯ膜は、例えばスパッタ法を用いて酸素ガス流量比が２５％以上の条件で形成することができる。但し、上述した構成のＺｎＯバッファ層は、これに限らず、投入電力、圧力等の他の条件、またはこれらの条件を組合せて制御することにより形成することができる。
【００６７】
（実施例１）
実施例１として、ガラス製の基板１上に表３に示す条件を用いてＺｎＯバッファ層２、ＺｎＯ半導体層３をスパッタ法により形成した。
【００６８】
【表３】
2004006686.tif 000005
【００６９】
ＺｎＯバッファ層２とＺｎＯ半導体層３とを、同じスパッタ室内で、基板温度は３００℃と一定のまま、放電を止めることなくスパッタガスを切替えることにより連続的に形成した。また、ＺｎＯバッファ層２形成時にはスパッタガスとしてＡｒガスとＯ２　ガスとの混合ガスを用い、スパッタガスの総流量を１５ｓｃｃｍと一定にして酸素ガス流量比を２５％，５０％，１００％と変化させると共に、膜厚を５００ｎｍ，８００ｎｍと変化させて複数種類のＺｎＯバッファ層２を形成した。そして、これら複数種類のＺｎＯバッファ層２上に同一条件（酸素ガス流量比：０％、膜厚２００ｎｍ）でＺｎＯ半導体層３を形成した。
【００７０】
一方、比較例として、ＺｎＯバッファ層２を設けずにＺｎＯ半導体層３を表３と同一の条件で基板１上に直接形成したものを作製した。
【００７１】
このようにして作製した本発明のサンプル１（酸素ガス流量比：２５％、膜厚８００ｎｍ）とサンプル２（酸素ガス流量比：１００％、膜厚５００ｎｍ）とにおける結晶性の評価結果、並びに表面及び断面のＳＥＭ像を表した写真を、図１３並びに図１４に示す。また、上記した比較例における結晶性の評価結果も図１３に併せて示す。
【００７２】
また、本発明のサンプル３（酸素ガス流量比：２５％、膜厚５００ｎｍ）、サンプル４（酸素ガス流量比：５０％、膜厚５００ｎｍ）及びサンプル５（酸素ガス流量比：１００％、膜厚５００ｎｍ）と、上記した比較例とについて、電子移動度を測定した。その測定結果を表４に示す。なお、ＺｎＯ半導体層３はｎ型となるので、電子移動度を測定している。
【００７３】
【表４】
2004006686.tif 000006
【００７４】
表４から明らかに、本発明のサンプルによれば比較例に比べて高い電子移動度を得ることができた。また、特に酸素ガス流量比を５０％以上としてＺｎＯバッファ層を形成したサンプル４及びサンプル５によれば、７２ｃｍ２　／Ｖ・ｓ以上の高い電子移動度を得ることができた。従って、ＺｎＯバッファ層を形成する際の酸素ガス流量比は５０％以上とすることが好ましい。
【００７５】
このように本発明のサンプルが比較例よりも高い電子移動度を得ることができた理由は、本発明のサンプルにおけるＺｎＯ半導体層３がＺｎＯバッファ層２中に存在する結晶粒を核として結晶成長したために、比較例よりも結晶粒径が大きくなったことによるものと考えられる。
【００７６】
図１５は、本発明における結晶成長の状態を示す模式図、図１６は、比較例における結晶成長の状態を示す模式図である。比較例にあっては、結晶が柱状に成長し、その粒径も小さい。本発明では、ある程度の距離を隔ててＺｎＯバッファ層２中に分散する大きな結晶粒Ｃを核として大径の結晶Ｄが成長して、ＺｎＯ半導体層３が形成される。
【００７７】
また、酸素ガス流量比を大きくして形成したＺｎＯバッファ層２によれば、前述の図１２に示した如く結晶性が良好であり、ＺｎＯバッファ層２中の結晶粒の径が大きく、且つ夫々の結晶粒が十分な距離を隔てて分散して存在している。または、酸素ガス流量比を２０％以上として形成することにより、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍのＺｎＯバッファ層２を得ることができ、酸素ガス流量比を２５％以上として形成することにより、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層２を得ることができる。このようなＺｎＯバッファ層２中の結晶粒の径は大きく、且つ夫々の結晶粒が十分な距離を隔てて分散して存在している。そして、斯かるＺｎＯバッファ層２上にＺｎＯ半導体層３を形成することにより、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長が阻害されることを抑制でき、大粒径の結晶が成長するので、高い電子移動度を得ることができる。
【００７８】
また、バッファ層として不所望の不純物を含有しないノンドープのＺｎＯを用いたので、形成室内の例えば壁面等に不所望の不純物を含有するＺｎＯ膜が形成されることがない。従って、壁面等に付着したＺｎＯ膜またはＺｎＯバッファ層２からの不純物がＺｎＯ半導体層３中に混入することがなく、高品質のＺｎＯ半導体層３が得られる。
【００７９】
更に、バッファ層として上述の通りノンドープのＺｎＯを用いたので、ＺｎＯバッファ層２とＺｎＯ半導体層３とを同じスパッタ形成室を用いて形成することができる。従って、バッファ層形成用の形成室と半導体層形成用の形成室とを別々に設ける必要がないので装置コストを低減することができ、製造コストの低減を図れる。加えて、基板温度を変化させることなくＺｎＯバッファ層２とＺｎＯ半導体層３とを連続的に形成するので、製造時間の短縮が可能となり、製造コストの低減を図ることができる。
【００８０】
（実施例２）
次に、実施例２として、ガラス製の基板１上に表５に示す条件を用いてＺｎＯバッファ層２、ＺｎＯ半導体層３をスパッタ法により形成し、得られた積層膜の移動度及びキャリア密度をホール効果測定により求めた。
【００８１】
【表５】
2004006686.tif 000007
【００８２】
実施例２において実施例１と異なる点は、ＺｎＯバッファ層２形成時におけるスパッタガス中の酸素ガス流量比を１００％と一定にすると共に、ＺｎＯバッファ層２の膜厚を１００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲で変化させた点である。得られたガラス製の基板１／ＺｎＯバッファ層２／ＺｎＯ半導体層３の積層膜の移動度と、ＺｎＯバッファ層２の膜厚との関係を図１７に、また上記積層膜中のキャリア密度とＺｎＯバッファ層２の膜厚との関係を図１８に示す。なお、本実施例においてもＺｎＯ半導体層３はｎ型となるので、移動度は電子移動度について測定した。
【００８３】
図１７に示す通り、ＺｎＯバッファ層２の膜厚を５００ｎｍ以上とすることで、積層膜の電子移動度を７０ｃｍ２　／Ｖ・ｓ以上と向上することができる。また、ＺｎＯバッファ層２の膜厚を１０００ｎｍ以上とすることで、積層膜の電子移動度を８０ｃｍ２　／Ｖ・ｓ以上と向上することができる。
【００８４】
また、図１８に示す通り、積層膜中のキャリア密度はＺｎＯバッファ層２の膜厚に依存せず、５×１０１７ｃｍ−３程度で略一定である。
【００８５】
これらの結果から、ＺｎＯバッファ層２の膜厚は５００ｎｍ以上とすることが好ましく、１０００ｎｍ以上とすることがより好ましい。この理由は、ＺｎＯバッファ層２の膜厚を５００ｎｍ以上、好ましくは１０００ｎｍ以上とすることにより、ＺｎＯバッファ層２中の結晶粒の径が十分大きくなった結果、これらの結晶粒を結晶核として成長するＺｎＯ半導体層３中の結晶粒が大きくなったからであると考えられる。
【００８６】
なお、ＺｎＯバッファ層２の膜厚が５０００ｎｍを越えるとＺｎＯバッファ層２の表面に凹凸が生じ、平坦性が失われてしまう。斯かる表面形状を有するＺｎＯバッファ層２上にＺｎＯ半導体層３を形成すると、ＺｎＯ半導体層３の表面にも同様に凹凸が生じることとなり、この結果半導体素子を形成した際にデバイス特性が低下してしまう。従って、斯かるデバイス特性の低下を抑制するために、ＺｎＯバッファ層２の膜厚は５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００８７】
（第２実施形態）
次に、本発明の半導体素子の製造方法に係る実施形態について説明する。
【００８８】
図１９は、第２実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。なお、本実施形態においては半導体素子としてＴＦＴを製造する場合について説明する。
【００８９】
まず、図１９（ａ）に示す工程においては、予め洗浄したガラス製の基板１１上に、スパッタ法を用いて酸素ガス流量比が２０％以上の条件で膜厚５００ｎｍ以上のＺｎＯバッファ層１２を形成し、スパッタガスとしてＡｒガスのみを用い、膜厚２００ｎｍ程度のＺｎＯ半導体層１３を連続して形成する。このとき、ＺｎＯバッファ層１２及びＺｎＯ半導体層１３の形成は同じ基板温度で連続的に行う。このとき、放電を止めることなくスパッタガスを切替えることによりＺｎＯバッファ層１２とＺｎＯ半導体層１３とを連続的に形成しても良いし、ＺｎＯバッファ層１２形成後、一旦放電を止めてスパッタガスを切替え、ＺｎＯ半導体層１３を形成するようにしても良い。また、ＺｎＯバッファ層１２とＺｎＯ半導体層１３とは同じスパッタ形成室内で形成する。その後、フォトリソグラフィ等によりＺｎＯバッファ層１２及びＺｎＯ半導体層１３の積層膜をパターニングし、島状に加工する。
【００９０】
次いで、図１９（ｂ）に示す工程においては、ＲＦプラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜として膜厚約５００ｎｍのＳｉＮ膜１４を形成する。次に、図１９（ｃ）に示す工程においては、ＳｉＮ膜１４におけるＺｎＯ半導体層１３のソース，ドレイン領域上の部分をエッチング除去する。最後に、図１９（ｄ）に示す工程においては、蒸着法を用いてＡｌからなるソース電極，ドレイン電極及びゲート電極１５Ｓ，１５Ｄ及び１５Ｇを形成して本実施形態に係るＴＦＴを製造する。
【００９１】
以上のように、本実施形態に係る半導体素子の製造方法によれば、基板１１上にスパッタガス中の酸素ガス流量比が多い条件でＺｎＯバッファ層１２を形成し、次いでＺｎＯバッファ層１２上に、このＺｎＯバッファ層１２形成時よりも酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層１３を形成する工程を有している。
【００９２】
上記のように酸素ガス流量比が２０％以上の条件でＺｎＯバッファ層１２を形成することによって、ＺｎＯバッファ層１２中の結晶粒の径が大きくなり、加えて隣合う結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在するようになる。上記のように酸素ガス流量比を２０％以上の条件とすることにより、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍ以下のＺｎＯバッファ層１２、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層１２を形成することができるので、ＺｎＯバッファ層１２中の結晶粒の径が大きくなり、加えて隣合う結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在するようになる。
【００９３】
そして、これらの結晶粒が結晶核として作用してＺｎＯ半導体層１３の結晶成長が生じるが、この際ＺｎＯバッファ層１２中の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなり、この結果結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体層１３が成長する。また、ＺｎＯ半導体層１３と同じ材料でＺｎＯバッファ層１２を形成するので、ＺｎＯバッファ層１２とＺｎＯ半導体層１３との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる結果、粒径の向上したＺｎＯ半導体層１３が成長する。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層１３を有する半導体素子（ＴＦＴ）を製造することができる。
【００９４】
更に、ＺｎＯバッファ層１２として不所望の不純物を含有しないノンドープのＺｎＯを用いたので、形成室内の例えば壁面等に不所望の不純物を含有するＺｎＯ膜が形成されることがない。従って、壁面等に付着したＺｎＯ膜またはＺｎＯバッファ層１２からの不純物がＺｎＯ半導体層１３中に混入することがなく、高品質のＺｎＯ半導体層１３が得られる。
【００９５】
また、ＺｎＯバッファ層１２として上述の通りノンドープのＺｎＯを用いたので、ＺｎＯバッファ層とＺｎＯ半導体層１３とを同じスパッタ形成室を用いて形成することができる。従って、バッファ層形成用の形成室と半導体層形成用の形成室とを別々に設ける必要がないので装置コストを低減することができ、製造コストの低減を図れる。
【００９６】
加えて、基板温度を変化させることなくＺｎＯバッファ層１２とＺｎＯ半導体層１３とを連続的に形成するので、製造時間の短縮が可能となり、製造コストの低減を図ることができる。
【００９７】
以上のことから、本実施形態によれば、結晶性が良好で高い移動度を有するＺｎＯ半導体層１３をチャネルとしたＴＦＴを製造することが可能となり、特性の良好なＴＦＴを得ることができる。
【００９８】
（実施例３）
本実施形態の実施例として、表６に示す条件を用いてＺｎＯバッファ層１２及びＺｎＯ半導体層１３を形成してＴＦＴを製造した。本実施例においても形成装置としてはＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、同一の形成室内でＺｎＯバッファ層１２とＺｎＯ半導体層１３とを同じ基板温度（３００℃）で形成している。また、スパッタガスとしてはＡｒガスとＯ２　ガスとの混合ガスを用い、ＺｎＯバッファ層１２形成時には酸素ガス流量比を１００％、ＺｎＯ半導体層１３形成時には酸素ガス流量比を０％とした。また、比較例としてＺｎＯバッファ層１２を備えない以外は実施例と同一の条件でＴＦＴを製造した。
【００９９】
【表６】
2004006686.tif 000008
【０１００】
その結果、実施例のＴＦＴによれば約２ｃｍ２　／Ｖ・ｓの電界効果移動度を得ることができたのに対し、比較例のＴＦＴの場合には約０．２ｃｍ２　／Ｖ・ｓの電界効果移動度しか得ることができなかった。これは、上述の通り本実施例におけるＺｎＯ半導体層の方が、比較例におけるＺｎＯ半導体層よりも結晶性が良好であることに起因するものと考えられる。
【０１０１】
（第３実施形態）
次に、本発明の半導体素子の製造方法に係る他の実施形態について説明する。
【０１０２】
図２０は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。なお、本実施形態においては半導体素子として発光ダイオードを製造する場合について説明する。
【０１０３】
まず、図２０（ａ）に示す工程においては、予め洗浄したサファイア製の基板２１上に、スパッタ法を用いて酸素ガス流量比が２０％以上の条件で、膜厚１μｍのＺｎＯバッファ層２２を形成する。次いで、スパッタガスとしてＡｒガスのみを用い、膜厚１μｍのＺｎＯ半導体層２３を連続して形成する。このとき、ＺｎＯ半導体層２３は前述の通りｎ型となる。
【０１０４】
また、ＺｎＯバッファ層２２とＺｎＯ半導体層２３とは同じスパッタ形成室を用いて形成する。このとき、ＺｎＯバッファ層２２及びＺｎＯ半導体層２３の形成は基板温度が一定のまま放電を止めることなくスパッタガスの切替だけで連続的に行っても良いし、ＺｎＯバッファ層２２形成後、一旦放電を止めてスパッタガスを切替え、ＺｎＯ半導体層２３を形成するようにしても良い。
【０１０５】
次いで、図２０（ｂ）に示す工程においては、ｎ型のＺｎＯ半導体層２３上に、厚さ約０．２μｍのＺｎＯ活性層２４を形成する。ＺｎＯ活性層２４の形成にはＭＢＥ法を用い、ＧａがドープされたＺｎＯ活性層２４を形成する。このとき、ＺｎＯ活性層２４中のＧａのドーピング量は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１５ｃｍ−３の範囲とすることが好ましい。なお、Ｇａの代わりにＡｌ等他の１３族元素をドーピングしても良い。そして、ＺｎＯ活性層２４上に、ＭＢＥ法を用いてＮがドープされたｐ型ＺｎＯ層２５を形成する。
【０１０６】
更に、図２０（ｃ）に示す工程においては、ｐ型ＺｎＯ層２５及びＺｎＯ活性層２４の一部をエッチング除去し、ｎ型ＺｎＯ層２３の一部を露出させることによりｎ電極形成領域２３Ａを形成する。最後に、図２０（ｄ）に示す工程においては、ｎ型ＺｎＯ層２３におけるｎ電極形成領域２３Ａ上及びｐ型ＺｎＯ層２５上に、蒸着法を用いてＡｌからなる電極２６を形成することにより、発光ダイオードが製造される。
【０１０７】
本実施形態においても、基板２１上にスパッタガス中の酸素ガス流量比が多い条件でＺｎＯバッファ層２２を形成し、次いでＺｎＯバッファ層２２上に、ＺｎＯバッファ層２２形成時よりも酸素ガス流量比が少ない条件でＺｎＯ半導体層２３を形成する工程を有している。
【０１０８】
上記のように酸素ガス流量比が２０％以上の条件でＺｎＯバッファ層２２を形成することによって、ＺｎＯバッファ層２２中の結晶粒の径が大きくなり、加えて隣合う結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在するようになる。上記のように酸素ガス流量比を２０％以上の条件とすることにより、導電率が１×１０−９Ｓ／ｃｍのＺｎＯバッファ層２２、または、（００２）及び（００４）以外のピークを有するＺｎＯバッファ層２２を形成することができるので、ＺｎＯバッファ層２２中の結晶粒の径が大きくなり、加えて隣合う結晶粒が近接することなくある程度の距離を隔てて分散して存在するようになる。
【０１０９】
そして、これらの結晶粒が結晶核として作用してＺｎＯ半導体層２３の結晶成長が生じるが、この際ＺｎＯバッファ層２２中の結晶粒がある程度の距離を隔てて分散して存在していることから、結晶成長時に隣合う結晶粒同士がぶつかり合って互いの結晶成長を阻害することが少なくなり、この結果結晶粒径の大きなＺｎＯ半導体層２３が成長する。また、ＺｎＯ半導体層２３と同じ材料でＺｎＯバッファ層２２を形成するので、ＺｎＯバッファ層２２とＺｎＯ半導体層２３との間の接合がホモ接合となり、良好な格子整合が得られる結果、粒径の向上したＺｎＯ半導体層２３が成長する。これらの結果、良好な結晶性を有し、移動度が向上したＺｎＯ半導体層２３を有する半導体素子（発光ダイオード）を製造することができる。
【０１１０】
更に、ＺｎＯバッファ層２２として不所望の不純物を含有しないノンドープのＺｎＯを用いたので、形成室内の例えば壁面等に不所望の不純物を含有するＺｎＯ膜が形成されることがない。従って、これら壁面等に付着したＺｎＯ膜またはＺｎＯバッファ層２２からの不純物がＺｎＯ半導体層２３中に混入することがなく、高品質のＺｎＯ半導体層２３が得られる。
【０１１１】
以上のように、粒径が大きく且つ不所望の不純物が混入していないｎ型のＺｎＯ半導体層２３上に、ＺｎＯ活性層２４，ｐ型ＺｎＯ半導体層２５が形成されるので、これらＺｎＯ活性層２４及びｐ型ＺｎＯ半導体層２５の特性も向上する。従って、本実施形態によれば、素子特性の優れた発光ダイオードを提供することができる。
【０１１２】
更に、ＺｎＯバッファ層２２として上述の通りノンドープのＺｎＯを用いたので、ＺｎＯバッファ層２２とＺｎＯ半導体層２３とを同じスパッタ形成室を用いて形成することができる。従って、バッファ層形成用の形成室と半導体層形成用の形成室とを別々に設ける必要がないので装置コストを低減することができ、製造コストの低減を図れる。加えて、基板温度を変化させることなくＺｎＯバッファ層２２とＺｎＯ半導体層２３とを連続的に形成するので、製造時間の短縮が可能となり、製造コストの低減を図ることができる。
【０１１３】
なお、第２実施形態及び第３実施形態においては半導体素子の例としてＴＦＴ及び発光ダイオードについて説明したが、本発明に係る半導体素子はこれらに限定されるものではなく、光センサ等他の半導体素子にも適用することができる。
【０１１４】
また、上述した実施形態では、ＲＦスパッタリング装置を用い、スパッタガスとしてＯ２　ガスとＡｒガスとを用いたが、ＤＣスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装置、またはヘリコンプラズマ波スパッタリング装置等を用い、スパッタガスとして、Ｏ２　ガスとＨｅガス，Ｎｅガス，またはＫｒガス等の不活性ガスとを用いても良い。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係るＺｎＯ半導体層の形成方法によれば、粒径が大きく移動度が向上したＺｎＯ半導体層を形成することができると共に、その製造コストの低減も図ることができる。
【０１１６】
また、本発明に係る半導体素子の製造方法によれば、粒径が大きく移動度が向上したＺｎＯ半導体層を有する半導体素子を製造することが可能となるので、素子特性の向上を図ることができる。また、その製造コストの低減も図ることができる。
【０１１７】
更に、本発明に係る半導体素子によれば、粒径が大きく移動度が向上したＺｎＯ半導体層を備えるので、素子特性が向上した半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＺｎＯ半導体層の形成方法を説明するための構造断面図である。
【図２】ＺｎＯ膜（膜厚：２００ｎｍ）の導電率と酸素ガス流量比との関係を示す特性図である。
【図３】ＺｎＯ膜（膜厚：５００ｎｍ）の導電率と酸素ガス流量比との関係を示す特性図である。
【図４】ＺｎＯ膜（膜厚：１０００ｎｍ）の導電率と酸素ガス流量比との関係を示す特性図である。
【図５】ＺｎＯ膜（膜厚：２００ｎｍ）のＸ線回折の評価結果を示す特性図である。
【図６】ＺｎＯ膜（膜厚：５００ｎｍ）のＸ線回折の評価結果を示す特性図である。
【図７】ＺｎＯ膜（膜厚：１０００ｎｍ）のＸ線回折の評価結果を示す特性図である。
【図８】ＺｎＯ膜（酸素ガス流量比：０％）のＳＥＭ像を表した写真である。
【図９】ＺｎＯ膜（酸素ガス流量比：２５％）のＳＥＭ像を表した写真である。
【図１０】ＺｎＯ膜（酸素ガス流量比：１００％）のＳＥＭ像を表した写真である。
【図１１】ＺｎＯ膜の表面ＳＥＭ写真の模式図である。
【図１２】ＺｎＯ膜の結晶性をＸ線回折により評価した結果を示す特性図である。
【図１３】ガラス／ＺｎＯバッファ層／ＺｎＯ半導体層の積層膜のＸ線回折の評価結果を示す特性図である。
【図１４】ガラス／ＺｎＯバッファ層／ＺｎＯ半導体層の積層膜のＳＥＭ像を表した写真である。
【図１５】本発明における結晶成長の状態を示す模式図である。
【図１６】比較例における結晶成長の状態を示す模式図である。
【図１７】ガラス／ＺｎＯバッファ層／ＺｎＯ半導体層の積層膜の移動度とＺｎＯバッファ層の膜厚との関係を示す特性図である。
【図１８】ガラス／ＺｎＯバッファ層／ＺｎＯ半導体層の積層膜中のキャリア密度とＺｎＯバッファ層の膜厚との関係を示す特性図である。
【図１９】本発明に係る半導体素子（ＦＥＴ）の製造方法の工程図である。
【図２０】本発明に係る半導体素子（発光ダイオード）の製造方法の工程図である。
【符号の説明】
１，１１，２１　基板
２，１２，２２　ＺｎＯバッファ層
３，１３，２３　ＺｎＯ半導体層
【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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