−総合報文−

窒化ガリウムスパッタリングターゲットを用いた
Si 基板上エピタキシャル成膜と評価
末本上岡召
田L i w e n長田知京祐也＊ 1
義弘＊ 1
雅実＊ 1
S A N G＊2
貴弘＊ 3
豊裕＊ 4Fabrication and Characterization of Epitaxial Film on Si Substrate with GaN
Sputtering Target
Yuya SUEMOTO
Yoshihiro UEOKA
Masami MESUDA
Liwen SANG
Takahiro NAGATA
Toyohiro CHIKYOW

Gallium nitride (GaN) films are a type of wide-bandgap semiconductor with expected applications to various
energy-saving devices. In addition to the light-emitting diodes that have already been put into widespreadpractical use, there has been extensive study of their application to power conversion devices in recent years. The
metalorganic chemical vapor deposition method widely used to grow GaN films is problematic in terms of issues
such as raw material utilization efficiency, safety, and formation of large-area films, but these issues can potentiallybe resolved by using a sputtering method. Further, in“GaN on Si”applications, where a GaN film is formed on asilicon substrate, tensile stress generated during cooling after film formation can cause cracks to occur in the GaN
film, but since the sputtering method allows control of internal film stresses according to the conditions in which
the film is formed, applying compressive stress is expected to suppress cracking. In this study, we investigate GaN
film formation on a silicon substrate using an independently developed high-purity GaN sputtering target, producing
findings related to improved crystallinity of the sputtered GaN film and stress control. We furthermore fabricate ahigh-electron-mobility transistor using the sputtered GaN film and confirm that it operates normally.

＊ 1 アドバンストマテリアル研究所 無機電子材グループ＊ 2 国立研究開発法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテク
トニクス研究拠点＊ 3 国立研究開発法人物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点
ナノ電子デバイス材料グループ＊ 4 国立研究開発法人物質・材料研究機構 統合型材料開発・情報基盤部門 デバイス材料設計グループ

1． 緒言
近年、SDGs（持続可能な開発目標）を実現するために、省エネルギー化に向けた様々な材料に関する研究開発が行われている。その中で、当社では省エネルギー材料として窒化ガリウム（GaN）に注目している。
3

TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）

GaN は青色発光ダイオードとして実用化されており、ゲット中の酸素量を低減することでスパッタ GaN 薄

電力損失の少ないパワーデバイスへの応用が期待され膜の配向性が向上することを見出している [18 − 19]。ている [1 − 3]。GaN 膜の成膜に一般的に用いられている

本稿では、低酸素 GaN スパッタリングターゲット

有機金属気相成長法（MOCVD 法）では、高結晶性を用いた Si 基板上への GaN エピタキシャル成膜およGaN 膜が得られているが、製造面において原料の利び評価（結晶性、応力制御）結果について報告する。

用効率が低く、成膜基板の大面積化が困難である。さ

本技術は次世代省エネルギー材料として期待されていらに、成膜において 1000℃以上の高温が必要である

る GaN を用いたデバイスの生産性向上に資するものことから高 In 組成の InGaN の均一成膜が困難となり、であり、GaN デバイスの社会実装を通じてエネルギー優れた緑色〜赤色発光素子が得られない等の課題があ利用効率を大幅に改善し、CO2 削減に貢献することをる。

目指す。

また、パワーデバイスの用途において、安価な Si基板への GaN ヘテロエピタキシャル成長が注目されている。しかし、GaN と Si 基板との間には格子定数および熱膨張係数に差がある（Table 1）[4] ため引張応力が付与されクラックが発生する等、GaN 薄膜の品質を低下させる原因となっている。

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 粉末合成技術および GaN 焼結技術を基に、引張応力の緩和技術として格子定数の異なる 2 種類

酸素含有量 0.4at％のスパッタリング用低酸素 GaN 焼の材料を交互にコヒーレント成長した多層膜構造（歪結体を作製した。その GaN 焼結体を所定の形状に加[5 − 8]

超 格 子 層（Strained Layer Superlattice : SLS））が工し、バッキングプレートにボンディングすることで知られているが、数 µm の厚みが必要となり成膜コスGaN スパッタリングターゲットとした。Fig. １に開ト増加の要因の一つとなっている。

発品 GaN 焼結体の外観を示す。

一方、スパッタリング法では、成膜条件により薄膜の内部応力を制御できるため [9 − 10]、GaN 膜に圧縮応［2］成膜方法力を付与することでクラックの抑制が期待できる。さ

作製した 5inchφGaN スパッタリングターゲットをらに、MOCVD 法と比較して原料の利用効率が高く、用いて、RF 方式にてスパッタ GaN 成膜を実施した。

工業的に大面積成膜に用いられている。また、スパッSi（111）基板を使用し、成膜直前に 5％フッ化水素（HF）タされた粒子は高いエネルギーを有することから、
MOCVD 法と比較して低温で結晶性膜を成膜できることが期待される。
スパッタ法を用いた GaN 膜に関する研究開発は、金属ガリウム（Ga）をターゲットとした反応性スパッタが知られている [11−13]。金属 Ga を用いた反応性スパッタでは、金属 Ga の融点（29.8℃）が低いため、スパッタ中に金属 Ga が融解し放電が不安定になる、Al 等の多くの金属と容易に低融点合金を生成するため取り扱いが困難である等の課題があった。
そこで、当社では、GaN スパッタリングターゲットを独自に開発し、それを用いた GaN 膜の成膜に関する研究を進めている [14 − 17]。過去の報告にて、GaN ター

Table１

Appearance of GaN sputtering target (6inchφ)

Lattice constant and thermal expansion of GaN and Si

lattice constantthermal expansion
lattice mismatch GaN/Si(111)substrate

4Fig.１a［Å］c［Å］
in－plane ［×106 ／ K］
［％］

GaN
3.189
5.185
5.59－

Si（111）
5.43－
2.59－16.9東ソー研究・技術報告第 65 巻（2021）

水溶液に浸漬して表面酸化膜を除去した後、スパッタ測定結果から得られた極点図と表層 4 層までのシ成膜を実施した。成膜条件は、印加電力、基板温度、ミュレーションで得られた各結晶相、極性の極点図とガス種、ガス圧力等である。

比較することで、膜の結晶相（六方晶、立方晶）および極性（Ga 極性、N 極性）を判断した。
（5） 薄膜断面観察［3］GaN 膜の評価

薄膜の結晶格子の状態を確認する為、FIB 加工によ（1） GaN 膜の結晶性結晶性を評価する為、ブルカー社製 X 線回折装置（D8り薄膜の断面サンプルを作製し、TEM（透過型電子DISCOVER）を用いて結晶性を評価をした。結晶の単顕微鏡）を利用し観察を行った。

一性は 2θ／ωスキャンにより得られた回折ピークより（6） 薄膜と基板との界面の状態確認評価し、結晶配向性は（0002）面のωスキャンによる薄膜と基板との界面付近の状態を確認するため、アロッキングカーブ半値幅から評価した。

ルバック・ファイ社製 PHI5000 VersaProbe Ⅱを使用

（2） 膜付き基板の曲率半径測定

して ESCA（X 線光電分光法）分析を行った。

膜付き基板の曲率半径測定には、ミツトヨ社製表面粗さ測定機（SURFTEST SV − 3100）を用いて基板の表［4］デバイス作製

面形状を測定後、得られた測定データについてミツト

スパッタ GaN 膜上に HEMT（高電子移動度トラン

ヨ社製輪郭粗さ解析プログラム（FORMTRACEPAC）

ジスタ）デバイスを作製した。V gs（ゲート－ソースを使用して曲率半径を算出した。

電圧）、I d（ドレイン電流）、V ds（ドレイン－ソース電（3） GaN 膜の内部応力値の推定圧）を測定し、V gs −I d 測定（V ds=1 V 固定）および V ds

Storny 式[20 − 21]1）を使用して、GaN 膜の内部応力−I d 測定よりデバイス特性を確認した。

値σを算出した。
Ests26（1－νs）RtF

σ＝1）

3．結果および考察［1］Si 基板上スパッタクラックレス GaN 成膜

上記１）式において、ES は基板のヤング率、tS は基市販品の AlN ／ Si 基板上にスパッタリング GaN 膜板の厚さ、νS は基板のポアソン比、R は曲率半径、tF（SP − GaN）、および比較として MOCVD 法で成膜しは薄膜（積層膜）全体の厚さである。本稿における Siた GaN 膜（CVD − GaN）の光学顕微鏡像を Fig. ２示す。

（111）基板のヤング率は 169 GPa、ポアソン比は 0.26

Fig. ２より、CVD 法の GaN と比較し、SP − GaN 膜とした

[22]

はクラックレスであり、スパッタ法により引張応力が。

緩和されたと考えられる。詳細は [3] にて述べる。続（4） 膜の結晶相、極性確認
膜の結晶相および極性は、パスカル社製飛行時間型

いて、成膜ガス圧 0.1 Pa および 1.5 Pa におけるスパッ原子散乱表面分析装置（TOFLAS − 3000）を使用して

タ GaN 膜 厚 と GaN（0002）XRC FWHM の 関 係 を測定した。

Fig. ３に示す。

crack

100 µm100 µm(a)Fig.２(b)Optical microscope image of SP－GaN (a) and CVD－GaN (b)5

TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）

洗浄した Si 基板上に AlN 膜をそれぞれスパッタ成膜

GaN (0002) XRC FWHM［arcsec］

10000

した際の SP − AlN ／ Si 界面の断面 TEM 像を Fig. ４にSputtering gas pressure ＝ 1.5 Pa示す。
HF 未洗浄の Si 基板を利用した場合、界面に約 2nm のアモルファス層が存在しており、AlN 膜の格子像は不明瞭であった（Fig. ４（a））。一方、HF 洗浄

0.1 Pa5000を実施した場合、界面のアモルファス層の厚さが約 1nm に減少し、AlN の格子像が明瞭化した（Fig. ４（b））。
これは、HF 洗浄により Si 基板表面の酸化膜が除去され、AlN 膜のエピタキシャル成長が促進されたためと0考えられる。また、残った約 1nm のアモルファス層
0100200300400500600

GaN film thickness［nm］

Fig.３

は AlN 成膜の際に導入した窒素ガスにより基板表面が窒化された可能性が考えられる。

Relationship between SP－GaN film thickness andcrystallinity in SP－GaN/AlN/Si (111)

そこで、さらなる AlN の結晶性向上のため、基板表面の窒化抑制を目的に AlN ／ Si 界面への Al 膜の挿入を検討した。Si 基板上へ Al、AlN および GaN のスパッFig. ３より、低ガス圧で成膜することにより GaNタ成膜を行った。作製したサンプルの構造および AlN（0002）XRC FWHM の値が小さい、つまり、高配向性または GaN の（0002）XRC FWHM を Fig. ５に示す。

な GaN 膜が得られた。これは、低ガス圧成膜ではス

Fig. ５より、AlN ／ Si 界面への Al 挿入により、AlNパッタ粒子の平均自由行程が増大し、より高いエネルおよび GaN の配向性が向上することを確認した。続ギーを持って基板に到達し、基板上での粒子のマイい て、GaN ／ AlN ／ Si 構 造 お よ び GaN ／ AlN ／ Al ／ Si 構

グレーションが活性化したためと考えられる。また、造の断面 TEM 像を Fig. ６に示す。

GaN 膜厚の増加と GaN の配向性に大きな相関が見らFig. ６（a） よ り、Si 上 に 直 接 AlN を 成 膜 し た 場

れないことから、スパッタ GaN 膜は結晶性を一定に合、AlN ／ Si 界面に格子像が不明瞭なアモルファス層保ちつつ膜厚を調整することが可能である。一方で、が 存 在 し て い た。 一 方、GaN ／ AlN ／ Al ／ Si 構 造 の 断

エピタキシャル成長では下地膜の配向性を引き継いで面 TEM 像（Fig. ６（b））では、界面のアモルファス成長するため、スパッタ GaN 膜の配向性向上におい層の形成が抑制されていた。さらに、界面の膜構造て、下地 AlN 膜の高結晶性化が重要と考えられる。の確認のため、ESCA 分析によって得られた AlN ／ Si
界面および AlN ／ Al ／ Si 界面からの光電子の Binding
Energy を Fig. ７に示す。

［2］Si 基板上スパッタ GaN ／ AlN 成膜
続いて、Si（111）基板にスパッタ法で GaN およびAlN（SP − AlN）を成膜した。

Fig. ７（a）より、AlN ／ Si 界面では Si − O および Si− N に由来するピークが見られることから、界面のア最初に、基板表面の影響を確認するため Si 基板のモルファス層は SiOx または Si − N と考えられる。まHF 洗浄効果を確認した。未洗浄の Si 基板および HF

た、AlN ／ Al ／ Si 界面からの光電子の Binding Energy
Amorphous layer（～1 nm）

Amorphous layer（～2 nm）
AlN

Si

1 nm

AlN

1 nm
(a)

Fig.４

6Si(b)TEM image : without HF cleaning (a) and with HF cleaning (b)東ソー研究・技術報告(0002) XRC FWHM［arcsec］

40000

SP－AlNSi (111)30000

第 65 巻（2021）

SP－AlNAl

SP－GaNSi (111)Si (111)

SP－GaN
SP－AlNAl

SP－AlNSi (111)GaN (0002)
XRC FWHM

20000
AlN (0002) XRC FWHM100000

AlN/Si

Fig.５

AlN/Al/Si

GaN/AlN/Si

GaN/AlN/Al/Si

Sample structure and crystallinity of each sample

Amorphous layer

AlN / Si interface

SiSi

1 nm

1 nm

AlNAlN(a)Fig.６(b)TEM image : without Al layer (a) and with Al layer (b)Si
Normalized Intensity

Normalized Intensity

Si

SiOx or Si－N peak106104

Fig.７

102

100

98

96

106

104

102

100

Binding energy［eV］

Binding energy［eV］

(a)

(b)

9896

Binding energy of AlN / Si interface : without Al layer (a) and with Al layer (b)（Fig. ７（b）） よ り、Si − O お よ び Si − N に 由 来 す る［3］Si 基板上 GaN の応力制御ピークが抑制されていることから、Al 挿入によりア（1）スパッタ条件と GaN 薄膜の内部応力の関係モルファス層の形成を抑制できることが明らかとなっ

市販品の AlN ／ Si 基板上にスパッタ GaN 膜を成膜た。このことから、Al 挿入により Si 基板上のアモルし、成膜前後の曲率半径から膜にかかる内部応力値をファス層の形成を抑制したことで、Si 基板の格子情報算出、比較することでスパッタ GaN 膜に付与されたが AlN に伝達され、AlN および GaN 膜がより高配向圧縮応力値を推算した。

化したと考えられる。

最初に、成膜ガス圧を変化させた場合の GaN 膜 1
nm あたりの圧縮応力付与量を Fig. ８に示す。

7

TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）

compressive stress applied per 1 nm of SP－GaN［GPa/nm］

化させた場合の GaN 膜の圧縮応力付与量を Fig. ９に示す。GaN 成膜時のガス圧は 0.1 Pa および 1.5 Pa とした。
Fig. ９より、GaN 膜の膜厚の増加に伴い GaN 膜の圧縮応力付与量が増加することが確認された。この結果から、スパッタ GaN 成膜では、GaN 膜厚を制御することで圧縮応力付与量を調節し、薄膜の内部応力を制御可能であると考えられる。
（2）圧縮応力 GaN ／ Si の作製
0123sputtering gus pressure［Pa］

Relationship between sputtering gas pressure andcompressive stress applied per 1 nm of GaN

Fig.８

Si 基 板 上 に ス パ ッ タ 法 に て 100nm の AlN お よ び
GaN を成膜し、薄膜の応力値と SP − GaN 膜厚との関係を Fig.10 に示す。
Fig.10 よ り、SP − GaN 膜 厚 約 100 nm 以 上 に て、GaN 膜の内部応力が圧縮応力に制御された GaN ／ AlN／ Si 基板の作製に成功した。また、GaN 膜厚を増加さFig. ８より成膜時のガス圧が低いほど圧縮応力付与せることで、スパッタ膜の圧縮応力値が増加すること量が大きい傾向がみられた。このことから、SP − GaNを確認した。以上より、スパッタ GaN 膜は SLS 構造成膜条件により圧縮応力付与量の変化が確認された。に代わる新たな応力制御層としての応用が期待されスパッタ法による薄膜の圧縮応力の発生機構についてる。

は、atomic peening effect が知られている[23]。これは、反跳粒子が高い運動エネルギーを持って成長表面に衝突することで、膜表面原子の押し込みにより圧縮応力が発生すると考えられている。

［4］GaN on Si デバイス動作確認
デバイス作製に使用した GaN の TOFLAS 極点図をFig.11 に示す。

本結果について考察すると、成膜時のガス圧が低Fig.11 より TOFLAS 極点図像が見えることから回いほど粒子の平均自由工程が長くなり、基板到達時転対称性が良好な Ga 極性の GaN 膜と判断できる。前の粒子の運動エネルギーが大きくなった結果、atomic

記基板上に作成した HEMT デバイスの構造を Fig.12、peenig effect が増大し、GaN 膜中の圧縮応力付与量がV gs −I d 測定結果並びに、V ds −I d 測定結果を Fig.13 に示増加したと考えられる。

す。

続いて、同一スパッタ条件において GaN 膜厚を変Compressive stress value of the film［GPa］

1.5
Compressive stress applied by SP－GaN film
［GPa］

Sputtering gas pressure ＝ 0.1 Pa

1.5 Pa1

100nm SP－AlN0.5Sample structure

Si (111)

0－0.5－1Tensile stress－1.502004000600

8

Relationship between SP－GaN film thickness andcompressive stress applied by SP－GaN film

100200300

400500

GaN film thickness［nm］

SP－GaN film thickness［nm］

Fig.９

Compressive stress

SP－GaN

Fig.10Relationship between SP－GaN film thickness andcompressive stress value of the film in SP－GaN/
SP－AlN/Si(111)東ソー研究・技術報告第 65 巻（2021）

Fig.13 より、スパッタ GaN 薄膜を使用したデバイ

4．結言スが動作することが確認された。以上より、GaN on
Si デバイスの下地膜としてスパッタ GaN 膜の応用が我々は、独自に開発した GaN スパッタリングター期待される。

ゲットを用いて、Si 基板上へのスパッタリング GaN成膜に関する検討を実施した。Si 基板上へのスパッタ
GaN 成膜では、AlN バッファ層成膜時に AlN ／ Si 基板界面に形成されるアモルファス層を抑制することで、GaN 膜の結晶配向性を向上させることが可能となった。また、ガス圧および GaN 膜厚を制御することでGaN 膜の内部応力（圧縮応力）を制御できることを見出した。さらに、Si 基板上のスパッタ GaN 膜上にHEMT デバイスを作製し、動作することを確認した。
(a)GaN thin film

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いかすことで、GaN テンプレート基板への適用が期待される。

5．謝辞(b) Ga polarity (simulation)

本研究において、産業技術総合研究所

清水三聡氏には、MOCVD 成膜および HEMT デバイスの作製に

Polarity evaluation of GaN thin film used for device
fabrication (TOFLAS image)

おいて多大なご協力をしていただきました。この場を借りて深く御礼申し上げます。

gatesource

6．参考文献drain［１］大橋弘通、応用物理、73、1571（2004）

AlGaN［２］T. Minami et al., The 60th JSAP Spring Meeting ,GaN
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AlN Buffer layer(Sputter deposition)

91（2009）［４］名古屋工業大学

Si (111)

極微デバイス機能システム研究センター、極微デバイス機能システム研究セ
Fig.12

device structure

ンター報告書、6、1 − 122（2009）

34Vds ＝ 1 V

Drain current［mA］

Drain current［mA］

Fig.11(c)N polarity (simulation)

210－10－8－6－4－2

Gate voltage［V］

Fig.130Vgs ＝ －4 V

3－5 V

2－6 V

1－8 V002－7 V
46810Darin voltage［V］

I－V characteristics of SP－GaN transistors

9TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）［５］矢野良樹 他、大陽日酸技報、32、27 − 28（2013）［６］生方映徳 他、大陽日酸技報、30、23 − 28（2011）［７］名古屋工業大学

極微デバイス次世代材料研究センター、極微デバイス次世代材料研究センター
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10