43

スパッタリング法を用いた高品質窒化ガリウム膜の形成
召倉高清田持橋水雅豪言三実＊ 1
人＊ 1
諸＊ 2
聡＊ 2

Highly crystalline GaN thin film formed by GaN sputtering method
Masami MESUDA
Hideto KURAMOCHI
Tokio TAKAHASHI
Mitsuaki SHIMIZU

Gallium nitride (GaN) film is a promising wide band gap semiconductor. It is used as film for LED devices and is
expected to also be used in semiconductor power devices. The MOCVD method has been extensively used to grow
GaN film, but one problem is that it has been difficult to deposit GaN film on large substrate. On the other hand, thesputtering method can be used to deposit uniform films even on large substrates. Furthermore, the film formation
temperature of the sputtering method is relatively low and it can form GaN film with a large In / Ga ratio. However,
it is difficult to obtain a highly crystalline GaN film by the sputtering method, and there are few reports on sputtering
using a GaN sputtering target in particular. Through this study, we found a method for fabricating a high crystalline
GaN film with crystal phase and polarity controlled by investigating sputtering conditions using the GaN sputteringtarget that we developed, and confirmed that an HEMT device was fabricated and was driven normally on sputteredfilm.

1．緒ている 1）− 3） ことから、同用途への展開が期待されて言いる。

近年、省エネルギー化に向けた様々な材料に関する

GaN 膜の成膜に一般的に用いられる MOCVD 法 4）− 6）

研究開発が行われている。例えば、現在までに省エネは、高結晶性膜が得られるが、製造面において、原料ルギー向け発光材料として、LED 等が既に工業化さの利用効率が低く、大面積への成膜が困難である。更れ、他にもインバータ等の電力変換・制御装置のキーに、1000℃以上での高温成膜が必要であるために高 Inコンポーネントである、パワーデバイスの電力損失の組成の InGaN 均一膜の成膜が困難となり、優れた緑低減などに向けた研究開発が進んでいる。

色発光素子が得られない等多くの課題がある。

窒化ガリウム（GaN）は、ワイドバンドギャップ型

一方、スパッタリング法は、CVD 法と比較し材料半導体の一つであり、省エネルギー化の観点においての利用効率が高く、工業的に大面積への成膜に用いら既に LED にて活用されているが、パワーデバイスにれており、更にスパッタ粒子エネルギーを用いることおいても、オン抵抗が小さくスイッチング特性が優れで、MOCVD 法と比較して低温で結晶性膜を成膜可能＊1＊2

アドバンストマテリアル研究所
産業技術総合研究所

新規ターゲットグループであることから、MOCVD 法での課題を解決できる可能性がある。

TOSOH Research & Technology Review Vol.61（2017）44

スパッタリング法を用いた GaN 膜に関する研究開を用いて測定を行い、窒素並びにガリウムの含有量を発は金属ガリウムをターゲットとした反応性スパッタ測定した上で窒素含有量比（＝窒素量［atm%］／（窒７）−９）

リングによるものがある。金属ガリウムを用いたスパッタリング成膜では、金属ガリウムの融点が低く素量＋ガリウム量）［atm%］）を計算した。
（3）膜の結晶相、極性確認（融点 29.8℃）スパッタ中に金属ガリウムが融解し放GaN 膜の結晶相並びに極性は、飛行時間型原子散電が不安定になる、Al 等多くの金属と容易に低融点合乱表面分析装置（TOFLAS − 3000、パスカル社製）を金を生成するため取り扱いが困難である等、多くの課用いて測定を行った。

題が存在している。そこで我々は GaN スパッタリン

測定結果から得られた極点図と表層４層までシミュグターゲットを独自に開発し、それを用いた GaN 膜

レーションで得られた各結晶相、極性の極点図と比較の成膜に関する研究を進めている10）− 12）。

本稿では、GaN スパッタリングターゲットを用いた高品質窒化ガリウム膜の形成ついて報告する。具体的には、GaN スパッタリングターゲット中の不純物することで、GaN 膜の結晶相（六方晶、立方晶）、極性（N 極性、Ga 極性）を判断した。
（4）表面粗さ
走査型プローブ顕微鏡

Nanoscope Ⅲ a（Brukerが膜質に与える影響、GaN スパッタ成膜条件改善にAXS）を用いて、タッピングモード AFM にて 2 μ mよる高結晶膜の開発、デバイス構築に向けた結晶相の× 2 μ m の視野で測定を行った。表面粗さが目視で大制御、最後に作製したデバイスの駆動状況について報きいことを確認した際にはレーザー顕微鏡（キーエン告する。

ス製）を用いて測定を行った。
（5）スパッタリングターゲット中の酸素含有量測定

2．実

験

［1］GaN スパッタリングターゲットの作製
スパッタリングターゲット用 GaN 焼結体は当社独自の GaN 粉末合成技術、並びに GaN 焼成技術を元に、対象物を熱分解させ、酸素・窒素・水素分析装置（Leco社製）を用いて窒素並びに酸素含有量を熱伝導度法により測定し、残部を Ga と仮定した上で酸素含有量を算出した。
（6）薄膜断面観察

含有酸素量を変化させて作製した。GaN 焼結体を所

薄膜の結晶格子の状態を観察するため、薄膜の断面定の形状に加工し、バッキングプレートにボンディンサンプルを作製し、TEM（透過型電子顕微鏡）を利グすることで GaN スパッタリングターゲットとした。

用し、観察を行った。

［2］成膜方法［3］デバイス特性確認作製した 5inch φ GaN スパッタリングターゲット

スパッタ GaN 膜上に HEMT（高電子移動度トランを用いて、RF 方式にてスパッタ成膜を実施した。基ジスタ）デバイスを作製し、VG（ゲート電圧）、ID（ド板は c 面配向した単結晶サファイア基板を使用し、成レイン電流）、VDS（ドレイン−ソース電圧）を測定し、膜時の基板温度やガス種ガス圧力を調整し成膜を行った。

VG − ID 特性と VDS − ID 特性評価により駆動可能かどう

比較対象の MOCVD 膜は、MOCVD 法にてバッファか確認した。

層を挿入し、その上に GaN を所定厚みに成膜することで得た。
［3］GaN 膜の評価
（1）膜の結晶性把握

3．結果及び考察［1］スパッタリングターゲットの影響

結晶性を評価するためにブルカー製 X 線回折装置同一の成膜条件における GaN スパッタリングター（D8 DISCOVER）を用いて結晶性の評価を行った。結ゲットに含有する酸素量に対する結晶方位の単一性の晶の単一性は、
2 θ／ωスキャンにより得られた（0002）、影響（Fig. 1）、並びに結晶配向性への影響（Fig. 2）（1011）各面のピーク強度比から評価し、結晶配向性を評価した。これらの図より、含有酸素量が低減するに関しては、（0002）面のωスキャンによるロッキンことで結晶方位の単一性、結晶配向性が改善しており、グカーブ半値幅から評価した。結晶の回転対称性の有特にスパッタリングターゲット中の酸素量が少ない領無は基板を（0002）面から（1120）面に傾け、回転さ域では、結晶方位の単一性について、（1011）面が見せることで確認した。

られず（0002）面のみ存在していることが確認された。

（2）膜中窒素含有量比の測定

また、結晶配向性についても、同様に酸素量を少なくラザフォード後方散乱分光法（RBS 法、CEA 社製）することで、大きく半値幅が改善し、結晶性の高い膜東ソー研究・技術報告45［2］低温成膜での GaN 膜の高結晶化

105
XRDI（0002）／（101−1）plane ratio

第 61 巻（2017）

Fig. 3 には成膜温度と膜の結晶配向性の関係を示す。
MOCVD 法では 1000℃以上の成膜温度が必要４）−６）だ104が、スパッタ法では温度によらずロッキングカーブ半103

値幅が大きく改善することを見出した。更に、回転対称性を評価したところ、6 回対称を示すピークが得ら210れ、回転対称性も良好であった。また、結晶格子の様110子を確認するため、断面 TEM の観察を行った（Fig. 4）。
TEM 像より、格子レベルで整列した GaN 薄膜が得ら
Oxygen content of GaN target［atm％］

ターゲット中酸素量と結晶方位単一性の関係

Fig.１

れていることを確認した。
現行法との比較のため、MOCVD 法とスパッタ法の比較を行った。Fig. 5 に同等の膜厚（300nm）における MOCVD 法とスパッタ法のロッキングカーブ半値（0002）Rocking curve FWHM［arcsec］

幅の比較を示す。MOCVD 法と比較し、ロッキングカー
ブ半値幅の小さいスパッタ GaN 膜が得られた。これは、低温成膜においてもスパッタエネルギーが付与されることで、窒素並びにガリウムが格子配列したためと考えられる。
［3］結晶相制御
デバイス作製には表面平坦性を高くする必要があ

Oxygen content of GaN target［atm％］

Fig.２

ターゲット中酸素量と配向性の関係が得られた。単結晶において、酸素が取り込まれることで格子が歪むことが知られており 13）、スパッタにおいても同様にスパッタリングターゲットに含有する酸込まれず、GaN 薄膜の結晶方位の単一性、結晶配向（0002）Rocking curve FWHM［arcsec］

性が改善したと推測される。

02004006008001000a）Sputtering

Fig.４

スパッタ GaN 膜と MOCVD 膜の比較

Sputtering

Sputtering temp.［℃］

Fig.３

成膜温度の影響b）MOCVD with buffer（0002）Rocking curve FWHM［arcsec］

素を低減することでスパッタ GaN 膜中に酸素が取り

Fig.５

MOCVD

スパッタ GaN 膜の断面 TEM 像

TOSOH Research & Technology Review Vol.61（2017）

46

る。デバイス構築を MOCVD 法による成膜で実施すて確認したところ、積層膜で平坦化した条件のスパッるため、MOCVD 法により GaN 膜をスパッタ GaN 膜

タ GaN 膜は立方晶（111）面に配向しているという結上に積層し、その平坦性を評価したところ、Fig. 6 の a）

果が得られた（Fig. 7 b））
。さらに、スパッタ GaN 膜のような凹凸が表面に見られる条件が存在した。このを 1000℃でアニール処理を実施したところ、六方晶ような凹凸を示す膜が得られるのは、結晶の c 軸の向（0002）Ga 極性の膜へ変化していた（Fig. 7c））。このきが六方晶（0002）N 極性であるためと考えられる

14）様な結晶相変化について、MBE（分子線エピタキシー）− 16）。そこでスパッタ膜の極性を評価したところ、六法にて、低温成膜で立方晶、高温成膜では六方晶とな方晶（0002）N 極性であることを確認した（Fig. 7 a））。

ることが知られており 17）、この温度による結晶相変化

このような凹凸を持つ膜ではデバイスを構築することが積層膜の極性に影響したと考えられる。

は困難であり、平坦性の高い六方晶（0002）Ga 極性

つまり、スパッタ成膜後、MOCVD 処理の際にスパッとなるようにスパッタ膜の結晶状態を制御する必要がタ膜が加熱されることで結晶相が立方晶（111）面かある。そこで、MOCVD 膜が六方晶（0002）Ga 極性ら六方晶（0002）Ga 極性へ変化し、MOCVD 法で積となるような条件を探索した。

層した際に平坦な膜を得ることが可能となったと推測

Fig. 8 にはスパッタ時の成膜ガス圧とスパッタ＋される。

MOCVD 積層膜の表面粗さを示す。更に括弧内の数字

ガス圧による結晶相変化の要因として、スパッタ雰はその条件における RBS 法により測定した窒素含有囲気中の窒素が考えられる。そこで、膜中の窒素含有量比を指す。0.5Pa 以上のガス圧で成膜したスパッタ量比へのスパッタガス圧の影響を確認した。Fig.8 に膜上において、スパッタ＋ MOCVD 積層膜の表面平示されるように、膜の結晶相が六方晶（0002）N 極性坦性が著しく向上しており、これらの積層膜の極性はである場合は窒素含有量比が 50％よりも小さく、立六方晶（0002）Ga 極性であった。その要因を解析す方晶（111）配向となる条件では窒素含有量比が 50％るため、スパッタ膜成膜後の極性を TOFLAS を用いとなることが確認された。つまり、GaN 膜中の窒素a）b）

10μm10μma）On high crystalline GaN sputtered film

Fig.６a）

b）On improved GaN sputtered film

スパッタ＋MOCVD GaN 積層膜の SEM 像b）c）

Simulation−）N−polar）（（0002Simulation（（111）Cubic）

Simulation（（0002）Ga−polar）

a）Gas pressure 0.3Pab）Gas pressure 1.5Pac）Gas pressure 1.5Pa＋anneal

Fig.７

スパッタ GaN 膜の極性評価（TOFLAS 像）

東ソー研究・技術報告

Film roughness Ra［nm］（N）［％］（N＋Ga）

100

Miura, The 60th JSAP Spring Meeting （2013）［ 3 ］M. Hikita, M. Yanagihara, Y. Uemoto, T. Ueda, T.
Tanaka and D, Ueda, Panasonic Technical Journal ,55, 91（2009）10［ 4 ］S. Nakamura, Y. Harada and M. Seno, J. Appl.
（50.0％）

10.1

47［ 2 ］T. Minami, H.Chonan, T. Ide, M. Shimizu and N.

（48.5％）

1000

第 61 巻（2017）

Phys. Lett ., 58, 2021（1991）（50.0％）［ 5 ］H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda, J.

Appl. Phys. Lett ., 48, 353（1986）
00.5

11.5

22.5

Sputtering gas pressure［Pa］

Fig.８

成膜ガス圧と積層膜の表面粗さ［ 6 ］S. Nakamura, T. Mukai, and M. Senoh, J. Appl.

Phys ., 71, 5543（1992）［ 7 ］T. Miyazaki, T. Fujimaki, S. Adachi and K.Ohtsuka,

J.Appl.Phys ., 89, 8316（2001）［ 8 ］S. Ziani, L. Douglas, B. José, L. Paulo and S. José,

量が変化することで結晶相が変化するということが示唆された。
［4］デバイス駆動試験

J.Appl.Phys ., 114, 183515（2013）［ 9 ］Y.Daigo N Mutsukura, Thin solid Films , 483, 38（2005）

今回作製した立方晶（111）配向したスパッタ GaN［10］M. Mesuda and H.Kuramochi, The 15th IUMRS-膜を下地膜として、HEMT 構造のデバイスの作製並International Conference in Asia （2014）

びに駆動テストを行った。N 極性のスパッタ GaN 膜［11］M. Mesuda, H.Kuramochi and M.Shimizu The

上ではデバイス作製が困難であったが、立方晶（111）配向したスパッタ GaN 膜上ではデバイスを作製可能であることを確認した。また、スパッタ GaN 膜を用いない、従来の構造のデバイスと同様の駆動特性を示した。

76th JSAP Autumn Meeting （2015）［12］M. Mesuda, H.Kuramochi, T. Takahashi andM.Shimizu ICCGE-18 （2016）［13］M.Imanishi, S. Fukuda, K. Murakami, H.
Imabayashi, D. Matsuo, M. Maruyama, M. Imade,M. Yoshimura, Y. Tsusaka, J. Matsui and Y. Mori,

4．ま と め
我々は、独自に開発した GaN スパッタリングターゲットを用いて、スパッタ GaN 膜の高品質化に関する研究を実施した。低温成膜でも高い結晶配向性をもつ GaN 膜を作製することが可能であり、更に、成The 76th JSAP Autumn Meeting（2015）［14］Y. Fujita, Y. Takano, Y. Inoue, M. Sumiya, S. Fuke
and T. Nakano, Jpn. J. Appl. Phys ., 52, 08JB26（2013）［15］T.Akasaka Y. Kobayashi, and M. Kasu, Appl.

Phys. Lett ., 97, 141902（2010）

膜時のガス圧を制御することでスパッタ GaN 膜の結［16］A. R. Smith A. R. Smith, R. M. Feenstra, D. W.

晶相並びに極性を制御した。そうして得られた立方晶

Greve, M.-S. Shin, M. Skowronski, J. Neugebauer（111）面に配向したスパッタ GaN 膜上に MOCVD 法

and J. E. Northrup, Appl. Phys. Lett. , 72, 2114

にて GaN を積層することで、六方晶（0002）Ga 極性をもつ平坦な膜を作製することが可能となった。更にHEMT デバイスを作製し、従来の製法と同等のデバイス特性を持つことを確認した。
以上のように、GaN スパッタリングターゲットを用いた薄膜作製技術は、スパッタ法の特徴を活かし、GaN テンプレート基板への適用が期待される。

参考文献［ 1 ］大橋弘通、応用物理、73、1571（2004）（1998）［17］赤崎勇、Ⅲ族窒化物半導体、培風館（1999）