(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ源としてヘリコン波励起プラズマを用いる成膜方法であって、少なくとも、真空チャンバーに連結された石英管と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるためのＲＦアンテナと、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイルとを有するプラズマ源から真空チャンバー内に放出されるヘリコン波励起プラズマを、ターゲットにＤＣバイアスを与えることによりターゲットに照射してターゲットをスパッタし、その際に、ターゲットの法線方向に対し、プラズマ入射角θ1と基板への出射角θ2とを同じにする、または（θ2−θ1）／θ2を±２０％以内に収め、ターゲットから放出されたスパッタ粒子により基板上にエピタキシャル成長を行うことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
成長時に原料ガスを分離供給することを特徴とする請求項１の成膜方法。
【請求項３】
成長時の基板部分の圧力を３ｍＴｏｒｒ以下とすることを特徴とする請求項１または２の成膜方法。
【請求項４】
プラズマ源から真空チャンバー内に放出されるヘリコン波励起プラズマによりターゲットをスパッタし、ターゲットから放出されたスパッタ粒子により基板上にエピタキシャル成長を行う成膜装置であって、プラズマ源は、少なくとも、真空チャンバーに連結された石英管と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるためのＲＦアンテナと、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイルとを有し、成膜装置は、ターゲットにＤＣバイアスを与える手段と、ターゲットの法線方向に対し、プラズマ入射角θ1と基板への出射角θ2とを同じ、または（θ2−θ1）／θ2を±２０％以内に収める手段とを備えていることを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
成長時に原料ガスを分離供給する手段を備えていることを特徴とする請求項４の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、成膜方法および成膜装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高性能な半導体膜や光機能膜等の高機能性被膜形成などに有用な、ダメージフリーな高機能エピタキシャル被膜形成を容易に行うことのできる、新しい成膜方法および成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＺｎＯ：Ｂ，Ａｌ（ボロン・アルミニウム添加酸化亜鉛）などの酸化物半導体は、たとえば透明導電性電極・窓材として太陽電池や光検出器、可視発光ダイオードに利用されている。また、単結晶ＺｎＯのエピタキシャル成長膜は可視から紫外領域での発光素子材料としても注目されている。他方、ＺｎＯと類似の特性を示すＧａＮは、単結晶はもとより、ガラスや金属、酸化膜上に堆積させた多結晶薄膜においても強い発光を呈する。したがって、バンド構造が類似で酸化に対し強い（はじめから酸化物である）ＺｎＯは、安価な多結晶薄膜発光素子材料としても注目される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の成膜技術では、成長中の膜損傷が大きく、光学特性に優れた多結晶薄膜の形成は困難であった。たとえば、従来のＤＣ、ＲＦスパッタ法では、基板−ターゲット間にプラズマを発生するため超薄膜に対する損傷が避け難いのである。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情を鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、ダメージフリーな高機能エピタキシャル被膜形成を容易に行うことのできる、新しい成膜方法および成膜装置を提供することを課題としている、
【０００５】
【課題を解決する手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、プラズマ源としてヘリコン波励起プラズマを用いる成膜方法であって、少なくとも、真空チャンバーに連結された石英管と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるためのＲＦアンテナと、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイルとを有するプラズマ源から真空チャンバー内に放出されるヘリコン波励起プラズマを、ターゲットにＤＣバイアスを与えることによりターゲットに照射してターゲットをスパッタし、その際に、ターゲットの法線方向に対し、プラズマ入射角θ1と基板への出射角θ2とを同じにする、または（θ2−θ1）／θ2を±２０％以内に収め、ターゲットから放出されたスパッタ粒子により基板上にエピタキシャル成長を行うことを特徴とする成膜方法（請求項１）を提供し、この成膜方法において、成長時に原料ガスを分離供給すること（請求項２）や、成長時の基板部分の圧力を３ｍＴｏｒｒ以下とすること（請求項３）をも提供する。
【０００６】
また、この出願の発明は、プラズマ源から真空チャンバー内に放出されるヘリコン波励起プラズマによりターゲットをスパッタし、ターゲットから放出されたスパッタ粒子により基板上にエピタキシャル成長を行う成膜装置であって、プラズマ源は、少なくとも、真空チャンバーに連結された石英管と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるためのＲＦアンテナと、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイルとを有し、成膜装置は、ターゲットにＤＣバイアスを与える手段と、ターゲットの法線方向に対し、プラズマ入射角θ1と基板への出射角θ2とを同じ、または（θ2−θ1）／θ2を±２０％以内に収める手段とを備えていることを特徴とする成膜装置（請求項４）、そしてさらに、成膜時に原料ガスを分離供給する手段を備えている成膜装置（請求項５）をも提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の成膜方法は、高真空中で低エネルギプラズマ電子を高密度に発生できる「ヘリコン波励起プラズマ」（ＨＷＰ：Helicon-Wave excited Plasma）をリモートソースとして、大面積化の可能なスパッタ法に適用した、ＺｎＯおよびＭｇＺｎＯ、ＣｄＺｎＯなどの混晶やＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの混晶のスパッタエピタキシー単結晶成長法である。すなわち、基板−ターゲット間にプラズマをたてず、ヘリコン波励起プラズマをリモートプラズマ的に用いてターゲットのみをスパッタし、基板へのプラズマ損傷を低減させると同時に真空度を高め、単原子層レベルでのエピタキシャル成長を実現する方法である。
【０００９】
この成膜方法では、プラズマ源としてヘリコン波励起プラズマを用い、少なくとも、真空チャンバーに連結された石英管と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるためのＲＦアンテナと、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイルとを有するプラズマ源から真空チャンバー内に放出されるヘリコン波励起プラズマを用いる。たとえば図１に例示したように、比較的高真空（たとえば３ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１ｍＴｏｒｒ以下）で発生させる弱磁界アシスト低エネルギプラズマを、プラズマ源（１）により基板（３）から隔離して発生させて、ターゲット（２）を衝撃する。これにより、プルーム的なスパッタ粒子（４）のみが基板（３）に供給され、膜損傷が劇的に減少するのである。また、ターゲット（２）にバイアスを与えることにより所望の並進エネルギを与えることが可能であり、成長部は真空度が高く、基板ヒータ（５）などによる基板加熱も可能となり、新しいエピタキシー法が実現されることになる。
【００１０】
図２は、上記成膜方法を実行するこの出願の発明の成膜装置の一例を示したものである。たとえばこの図２に例示したように、この出願の発明の成膜装置では、プラズマ源としてヘリコン波励起プラズマが用いられており、ヘリコン波励起プラズマによりターゲットがスパッタされ、ターゲットから放出されるスパッタ粒子により基板上にエピタキシャル成長が行われる構成となっている。
【００１１】
より具体的には、プラズマ源は、少なくとも、真空チャンバーに連結されたヘリコン波励起プラズマを発生させる石英管（１１）と、石英管内のプラズマ発生領域に連続高周波場を発生させるＲＦアンテナ（１２）と、磁界を発生させるため石英管外周に設けられた一対のコイル（１３ａ）（１３ｂ）と、ターゲット（１４）および基板ホルダー（１６）が設置された真空チャンバー（１８）とを有している。図２の例では、永久磁石（１５）およびシャッター（１７）なども設置されている。
【００１２】
永久磁石（１５）はターゲット（１４）の裏側に位置し、ヘリコン波励起プラズマを集束させるためのＤＣバイアスをターゲット（１４）に与える。基板ホルダー（１６）は、図示していないが基板ヒータを備え、保持した基板を加熱可能となっている。基板に回転機構が備えられていても良い。
【００１３】
このような構成の成膜装置およびそれに実行される成膜方法は、上述した酸化物半導体膜や窒化物半導体膜はもとより、従来はＥＢ蒸着に頼ってきた高融点金属や高融点酸化物反射コーティング（たとえばＭｇＦ2）セラミクスや超伝導酸化物などのスパッタにも適用可能である。また、太陽電池や発光ダイオードのような２端子デバイスのみならず、超薄膜・ヘテロ界面などがデバイス表面近くにある場合でも適用できる。したがって、たとえばフォトニックバンドギャップデバイスやマイクロキャビティ光源のプロセスにも応用できるのである。
【００１４】
さらにまた、単結晶ＺｎＯのエピタキシャル成長だけでなく、ガラスや反射率の高い金属上に多結晶接合形発光素子を形成できれば、安価に作れる多結晶薄膜発光素子としての実用化の可能性も高い。たとえば、ＧａＮをガラスや金属、酸化膜上に堆積させる多結晶半導体薄膜の分野に酸化に強いＺｎＯが参入し、透明なトランジスタと集積化すれば、大型フラットディスプレイを高層ビルの窓にはめ込んだり、紫外線をカットして目的地まで誘導するディスプレイを自動車のフロントガラスに組み込むことも可能になる。
【００１５】
この出願の発明は、以上のとおりの特徴を有するものであるが、以下に、添付した図面に沿って実施例を示し、さらに詳しくこの発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
【実施例】
前述の図２に例示した成膜装置を用いて、サファイアＣ面、Ａ面、Ｒ面基板上にＺｎＯ薄膜をスパッタエピタキシャル成長させた。本実施例では、ＲＦアンテナ（１２）としてナゴヤタイプＩＩＩを用い、１３．５６ＭＨｚを最大５ｋＷで発生させる高周波電源（１９）によりマッチングボックス（２０）を介して運転するようにした。
【００１７】
プラズマ導入口の方向は、ターゲット（２）の法線方向に対してヘリコン波励起プラズマ入射角θ１と基板への出射角θ２とが同じになる、あるいは（θ２−θ１）／θ２が±２０％以内となるように設定する（図３参照）。本実施例ではθ１＝θ２＝３０°とした。この場合においてターゲット（２）は上下３６０°どこを向いていても構わない。また成長時の基板部分の圧力は３ｍＴｏｒｒ以下である。プラズマ入射角、出射角および基盤圧力をこのような数値に設定することで、効率よくプラズマを発生させ、且つ基板表面の真空度がエピタキシャル成長に十分なほど低く、高密度の低エネルギプラズマを再現性良く発生できる。
【００１８】
本実施例ではさらに、基板温度を制御して６００℃とし、プラズマの安定化も同時に図った。
以上の条件にて成膜を行った結果、Ｘ線の２θスキャン半値幅が０．１°以下の完全ｃ軸配向ＺｎＯ膜を得ることができた。図４は、このＺｎＯ膜のＸ線回折の測定結果（φスキャン）を例示したものである。通常のＭＢＥ（分子線エピタキシー）やレーザＭＢＥ法では、６００℃という低温ではサファイアｃ面上にはａ軸の方向が３０°づつずれた１２回対称のマルチドメイン多結晶膜が得られやすいが、この出願の発明によれば、図４に示すように面内でａ軸の回転が抑制された６回対称を示す高ｃ軸配向性膜が得られる。すなわち、低温で単一ドメイン構造ＺｎＯ成長を実現できるのである。
【００１９】
また、このＺｎＯ膜の３００Ｋおよび７７Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定したところ、たとえば図５に例示したように、ＺｎＯのバンドギャップに対応する３７０〜３９０ｎｍという紫外域の発光が極めて支配的な優れたスペクトルとなった。
なお、半導体をIII族窒化物半導体とし、原料ガスにアンモニアないしは有機窒素ガス（ジメチルヒドラジンなど）を用いたり、半導体を酸化物半導体とし、原料ガスに酸素もしくは笑気ガス（Ｎ2Ｏ）もしくはオゾンガスまたはそれらのプラズマを用いたりすることができる。
【００２０】
他方、同様にしてＧａＮの成膜を行ったところ、ＺｎＯと同様に、ＧａＮのバンドギャップに対応する３６０〜３７０ｎｍ付近の紫外発光が支配的な膜を成長することができた。
【００２１】
なお、図２にも例示したように、この出願の発明においては、スパッタガスと薄膜構成元素のアシストガスないしは反応性ガスとを分離供給する。一例として、ＺｎＯのエピタキシャル成長の際に酸素（ないしはアシストガス、活性ガス、プラズマガス、有機金属でも構わない）と笑気ガスを分離導入したところ、結晶性の大きな改善を実現でき、Ｘ線の半値幅が半分以下、発光強度が１０倍程度となった。
【００２２】
以上の実施例から明らかなように、この出願の発明の成膜方法および成膜装置は、酸化物半導体や窒化物半導体のエピタキシャル成長に非常に有効である。
【００２３】
この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、高性能被膜形成に有用であり、特に大面積の基板に安価に再現性および均一性良くエピタキシャル薄膜を成長させることのできる、新しい成膜方法および成膜装置が提供される。
【００２５】
また、この成膜方法および装置は、半導体プロセスや、酸化物半導体デバイスおよび窒化物半導体デバイスの作製工程、プラズマスパッタ（エピタキシャル）堆積膜を必要とするデバイス、光電子素子分野などの様々な半導体分野にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明を説明する図である。
【図２】この出願の発明の成膜装置を例示した概略構成図である。
【図３】プラズマ入射について説明するための図である。
【図４】この出願の発明により成膜されたＺｎＯ薄膜の回折強度の測定結果を例示した図である。
【図５】この出願の発明により成膜されたＺｎＯ薄膜のフォトルミネッセンス強度の測定結果を例示した図である。
【符号の説明】
１  プラズマ源
２  ターゲット
３  基板
４  スパッタ粒子
５  基板ヒータ
１１  石英管
１２  ＲＦアンテナ
１３ａ，１３ｂ  コイル
１４  ターゲット
１５  永久磁石
１６  基板ホルダー
１７  シャッター
１８  真空チャンバー
１９  高周波電源
２０  マッチングボックス
【図１】
0003816759.tif 000002
【図２】
0003816759.tif 000003
【図３】
0003816759.tif 000004
【図４】
0003816759.tif 000005
【図５】
0003816759.tif 000006