CN115335548A - 层叠膜、包含前述层叠膜的结构体、半导体元件和电子设备以及前述层叠膜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供无裂纹的层叠膜和包含该层叠膜的结构体。该层叠膜包含缓冲层和配置在前述缓冲层之上的至少1层的氮化镓系膜。另外，层叠膜整体的压缩应力为‑2.0GPa以上且5.0GPa以下。

Description

层叠膜、包含前述层叠膜的结构体、半导体元件和电子设备以 及前述层叠膜的制造方法
技术领域
本申请主张基于2020年3月30日提出的日本专利申请2020-060747号的优先权，其整体的公开内容通过参照而在本说明书中援引。
本发明涉及层叠膜、包含前述层叠膜的结构体、半导体元件和电子设备以及前述层叠膜的制造方法。
背景技术
已知在硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板上成膜的氮化镓(GaN)会在高温成膜后的冷却过程中由于热膨胀系数差而对面内方向施加拉伸应力、产生翘曲而产生裂缝(裂纹)。为了应对该问题，以往已知有通过将AlN膜与AlGaN膜交替层叠来减轻拉伸应力，由此防止裂纹的技术(参见非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：矢野良树，基于MOCVD的氮化物系电子器件结构在大口径Si基板上的高速生长，太阳日酸技报、No.32(2013)
发明内容
发明要解决的问题
在作为以往的氮化镓成膜方法的有机金属化学气相沉积法中，在1000℃以上的高温下成膜。因此，在从成膜温度冷却至室温时基板与氮化镓之间会产生热膨胀系数差，由于该热膨胀系数差，在氮化镓薄膜中会产生内部应力。特别是在热膨胀系数比GaN更小的Si、SiC等基板上成膜氮化镓时，在冷却过程中会对氮化镓产生拉伸应力，在氮化镓膜中容易产生裂纹。另外，作为裂纹对策提出的将AlN膜与AlGaN膜交替层叠的方法中，由于多层膜结构会增加膜厚，因此，有成本变高的担心。
本发明人等获得了包含缓冲层和氮化镓系膜且具有特定的压缩应力的层叠膜无裂纹的见解，至此完成了本发明。
本发明的课题在于，提供包含缓冲层和氮化镓系膜的无裂纹的层叠膜和包含该层叠膜的结构体。
用于解决问题的方案
本发明包括下面(1)～(11)的方式。需要说明的是，本说明书中“～”的表述包含其两端的数值。即“X～Y”与“X以上且Y以下”同义。
(1)一种层叠膜，其包含缓冲层和配置在前述缓冲层之上的至少1层的氮化镓系膜，前述层叠膜整体的压缩应力为-2.0GPa以上且5.0GPa以下。
(2)根据上述(1)的层叠膜，其中，前述压缩应力为-1.4以上且5.0GPa以下。
(3)根据上述(1)或(2)的层叠膜，其中，构成前述层叠膜的层数为100层以下。
(4)一种结构体，其包含基板和配置在前述基板上的上述(1)～(3)中任一项的层叠膜。
(5)根据上述(4)的结构体，其中，前述基板的热膨胀系数小于前述氮化镓系膜的热膨胀系数。
(6)一种半导体元件，其具备上述(1)～(3)中任一项的层叠膜、或上述(4)或(5)的结构体。
(7)一种电子设备，其包含上述(6)的半导体元件。
(8)根据上述(1)～(3)中任一项的层叠膜，其中，前述氮化镓系膜为通过溅射法成膜的膜，所述溅射法使用以氮化镓作为主成分的溅射靶。
(9)根据上述(4)或(5)的结构体，其中，前述氮化镓系膜为通过溅射法成膜的膜，所述溅射法使用以氮化镓作为主成分的溅射靶。
(10)一种上述(1)～(3)和(8)中任一项的层叠膜的制造方法，其中，
将具备缓冲层的基板配置于腔室内部，在相对于与前述基板的面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持前述基板与前述靶之间的相对位置关系的状态下，以5.0Pa以下的气体压力通过溅射法在前述缓冲层之上形成氮化镓系膜。
(11)一种上述(4)、(5)和(9)中任一项的结构体的制造方法，其中，
将具备缓冲层的基板配置于腔室内部，在相对于与前述基板的面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持前述基板与前述靶之间的相对位置关系的状态下，以5.0Pa以下的气体压力通过溅射法在前述缓冲层之上形成氮化镓系膜。
发明的效果
根据本发明，提供包含缓冲层和氮化镓系膜的无裂纹的层叠膜和包含该层叠膜的结构体。
附图说明
图1示出层叠膜和结构体的构成的一例。
具体实施方式
针对本发明的具体实施方式(以下称为“本实施方式”)进行说明。需要说明的是，本发明不限于以下的实施方式，可以在不变更本发明主旨的范围内进行各种变更。
＜＜1.层叠膜＞＞
本实施方式的层叠膜包含缓冲层和配置在该缓冲层之上的至少1层的氮化镓系膜。该层叠膜整体的压缩应力为-2.0GPa以上且5.0GPa以下。通过包含缓冲层，可以防止构成基板的原子向氮化镓系膜内的扩散，其结果，可以提高氮化镓系膜的结晶性。由此，可以通过氮化镓系膜所具有的压缩应力进行应力控制，得到无裂纹的层叠膜。
缓冲层的材质没有特别限定。可列举出金刚石膜、氧化锌膜、石墨烯膜、氧化镓膜、氮化硼系膜、氮化铝系膜、氮化铟系膜和氮化铊系膜等。作为氮化铝系膜，可列举出氮化铝膜、或包含铝和氮以外的元素的氮化铝膜。具体而言，可例示出氮化铝膜、氮化铝镓膜、氮化铝铟镓膜等。作为氮化铟系膜，可列举出氮化铟膜、或包含铟和氮以外的元素的氮化铟膜。具体而言，可例示出氮化铟膜或氮化铟镓膜等。从生产率的观点出发，缓冲层优选氮化铝系膜，特别优选制造成本低的氮化铝膜。
缓冲层的膜厚没有特别限定。从抑制原子从基板向氮化镓膜的扩散的观点出发，优选3nm以上，更优选5nm以上，进一步优选10nm以上、15nm以上、20nm以上、30nm以上、50nm以上。另外，从生产率的观点出发，优选1000nm以下，更优选500nm以下，进一步优选300nm以下。需要说明的是，对于缓冲层的膜厚，可以为上述上限值和下限值的任意的组合。例如，可以为3nm以上且1000nm以下，也可以为3nm以上且500nm以下。
本实施方式的层叠膜除缓冲层以外包含至少1层的氮化镓系膜。该氮化镓系膜配置在缓冲层之上。在氮化镓系膜与缓冲层之间可以夹设其他层。但是，氮化镓系膜优选以不隔着其他层而与缓冲层接触的方式配置。
氮化镓系膜由氮化镓、或包含镓和氮以外的原子的氮化镓构成。例如，可列举出氮化镓膜、氮化铝镓膜、氮化铟镓膜、氮化铝铟镓膜、或含有镁、硅等杂质的氮化镓膜等。其中，优选不易产生裂纹的氮化镓膜或氮化铝镓膜，特别优选结晶性容易提高的氮化镓膜。从改善表面平坦性的观点出发，氮化钾系膜优选为以立方晶111面或六方晶0002面为主相的Ga极性或N极性的膜。
氮化镓系膜的膜厚没有特别限定。从基于氮化镓膜的应力控制的观点出发，优选3nm以上，更优选5nm以上，进一步优选10nm以上、15nm以上、20nm以上、30nm以上、50nm以上。另外，从生产率的观点出发，优选5000nm以下，更优选2000nm以下，进一步优选1200nm以下。需要说明的是，对于氮化镓系膜的膜厚，可以为上述上限值和下限值的任意的组合。
层叠膜具有缓冲层/氮化镓系膜的构成。具体而言，可列举出缓冲层/氮化镓膜、缓冲层/氮化铝镓膜、缓冲层/氮化铟镓膜、缓冲层/氮化铝铟镓膜。更具体而言，可列举出氮化铝膜/氮化镓膜、氮化铝膜/氮化铝镓膜、氮化铝膜/氮化铟镓膜、氮化铝膜/氮化铝铟镓膜、氮化铝镓膜/氮化镓膜、氮化铝镓膜/氮化铟镓膜、氮化铝镓膜/氮化铝铟镓膜。这些层叠膜从生产率的观点出发优选。其中，从制造成本的观点出发，特别优选氮化铝膜/氮化镓膜。
层叠膜可以包含缓冲层和氮化镓系膜以外的膜。例如，可以在缓冲层与氮化镓系膜之间夹设其他层。或者可以在氮化镓系膜之上设置其他层。作为这样的膜，可列举出氮化铝膜、氮化铟膜、氮化铝镓膜、氮化铟镓膜、氮化铟铝镓膜。
本实施方式的层叠膜中，层叠膜整体的压缩应力为-2.0GPa以上且5.0GPa以下。通过氮化镓系膜的压缩应力，可以实现应力控制，其结果，可以得到无裂纹的层叠膜。为了抑制最表面的膜的裂纹，压缩应力优选-1.4GPa以上且5.0GPa以下。压缩应力可以从无裂纹的基板的曲率半径计算而求出。
将层叠膜整体的压缩应力限定为-2.0GPa以上。压缩应力若过小，则拉伸侧的应力变大，有膜中产生裂纹的担心。压缩应力优选-1.2GPa以上，更优选-1.0GPa以上、-0.8GPa以上、-0.6GPa以上、-0.5GPa以上、-0.4GPa以上、-0.2GPa以上、-0.1GPa以上、0GPa以上、0.1GPa以上、或0.2GPa以上。
将层叠膜整体的压缩应力限定为5.0GPa以下。压缩应力若过大，则基板的翘曲变大，有对氮化镓系膜的性能造成不良影响、且难以在正常的器件工艺中输送层叠膜的担心。压缩应力进一步优选4.5GPa以下、4.0GPa以下、3.5GPa以下、3.2GPa以下、3.0GPa以下、2.5GPa以下、2.0GPa以下、1.5GPa以下、1.0GPa以下、0.9GPa以下、或0.8GPa以下。
需要说明的是，对于压缩应力，可以为上述上限值和下限值的组合。
层叠膜的层叠数越多生产成本越大，有生产率恶化的担心。因此，构成层叠膜的层数优选100层以下，更优选50层以下，进一步优选20层以下，特别优选10层以下。层数可以为9层以下、8层以下、7层以下、6层以下、5层以下、4层以下、3层以下、或2层以下。需要说明的是，本说明书中，将包含2层以上组成不连续的层(膜)的层叠结构称为层叠膜。组成连续变化的层(膜)视为1层。
若考虑生产率，则层叠膜的膜厚优选总计为5μm以下。膜厚可以通过使用场发射型透射电子显微镜的TEM截面观察来测定。
＜＜2.结构体＞＞
本实施方式的结构体包含基板和配置在该基板上的层叠膜。层叠膜的构成如上所述。
作为基板没有特别限制。从生产率的观点出发，优选硅、碳化硅、氧化锌、蓝宝石、砷化镓、或氮化镓等。另外，优选具有比氮化镓系膜小的热膨胀系数的基板。其原因在于，可以对氮化镓系膜本身赋予压缩应力。例如，作为具有氮化镓膜的热膨胀系数(5.59×10-6/K)以下的热膨胀系数的基板，可列举出由硅(热膨胀率2.59×10-6/K)、碳化硅(4～5×10-6/K)、氧化锌(4.75×10-6/K)形成的基板。其中，优选的是由在氮化镓系薄膜成膜时氧不易作为杂质进入的硅或碳化硅形成的基板，更优选的是氮化镓系膜的结晶性提高的硅(111)基板、或偏离角4度的4H-碳化硅(0001)基板，从基板成本的观点出发，特别优选硅(111)基板。
作为具体的结构体，可列举出硅/氮化铝系膜/氮化镓系膜、硅/氮化铝系膜/氮化镓系膜/氮化铝系膜、碳化硅/氮化铝系膜/氮化镓系膜、碳化硅/氮化铝系膜/氮化镓系膜/氮化铝系膜、硅/(氮化铝系膜/氮化镓系膜)×n(n为自然数)、硅/(氮化铝系膜/氮化镓系膜)×n(n为自然数)/氮化铝系膜、碳化硅/(氮化铝系膜/氮化镓系膜)×n(n为自然数)、碳化硅/(氮化铝系膜/氮化镓系膜)×n(n为自然数)/氮化铝系膜。n＝2以上时，优选最表面层以外的部位包含至少1层以上的氮化镓系膜。其原因在于，认为由此变得不易产生裂纹。
特别优选的是硅/氮化铝膜/氮化镓膜、硅/氮化铝膜/氮化镓膜/氮化铝膜、碳化硅/氮化铝膜/氮化镓膜、碳化硅/氮化铝膜/氮化镓膜/氮化铝膜、硅/(氮化铝膜/氮化镓膜/)×n(n为自然数)、硅/(氮化铝膜/氮化镓膜/)×n(n为自然数)/氮化铝膜、碳化硅/(氮化铝膜/氮化镓膜/)×n(n为自然数)、碳化硅/(氮化铝膜/氮化镓膜/)×n(n为自然数)/氮化铝膜。其原因在于，认为制造成本低、通过单层而结晶性提高。
n优选为n＝50以下。层叠次数越小制造成本越低，因此，更优选n＝40、30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1。
若考虑生产率，则层叠膜的膜厚总计优选为5μm以下。膜厚可以通过使用场发射型透射电子显微镜的TEM截面观察来测定。
将层叠膜和结构体的构成的一例示于图1。层叠膜(6)包含缓冲层(2)和配置在该缓冲层(2)之上的至少1层的氮化镓系膜(4)。另外，结构体(10)包含基板(8)和配置在该基板上的层叠膜(6)。需要说明的是，图1示出1层的氮化镓系膜，但氮化镓系膜并不仅限定于1层。层叠膜可以包含多层的氮化镓系膜。另外，毋庸讳言，在缓冲层与氮化镓系膜之间、或在氮化镓系膜之上可以设置其他层。
＜＜3.半导体元件＞＞
本实施方式的层叠膜或结构体可以适合用于与多个功能部件构成的半导体元件。例如，可以用于LED、激光二极管等发光元件、二极管、晶体管等功率器件等。另外，该半导体元件可以适合用于各种电子设备。
＜＜3.层叠膜和结构体的制造方法＞＞
本实施方式的层叠膜或结构体的制造方法中，制作包含氮化镓系膜的层叠膜，所述氮化镓系膜是通过溅射法成膜，所述溅射法使用以氮化镓作为主成分的溅射靶。具体而言，将具备缓冲层的基板配置于腔室内部，在相对于与该基板面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持基板与靶之间的相对位置关系的状态下，以5.0Pa以下的气体压力通过溅射法在缓冲层之上形成氮化镓系膜。需要说明的是，缓冲层、氮化镓系膜和基板的详情如上所述。
溅射方式没有特别限定。可以适宜选自DC溅射法、RF溅射法、AC溅射法、DC磁控溅射法、RF磁控溅射法、DC脉冲溅射法、脉冲激光溅射法、离子束溅射法等。这些之中，优选的是能够大面积、均匀且高速成膜的DC磁控溅射法、DC脉冲溅射法、或RF磁控溅射法。
本实施方式的制造方法中，将具备缓冲层的基板配置于腔室内部。然后，在相对于与基板的设有缓冲层一侧的面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持基板与靶之间的相对位置关系的状态下，在缓冲层之上形成氮化镓系膜。即，在从基板面(或缓冲层的表面)垂直方向倾斜的位置上配置靶来进行溅射成膜。另外，基板面垂直方向和靶位置之间的倾斜角设为10°以上且60°以下。倾斜角优选15°以上且55°以下，更优选20°以上且50°以下。
通过如此使靶位置倾斜，可以抑制层叠膜的裂纹的产生。即，溅射颗粒具有与基板面平行的成分而入射到基板。因此，基板表面的原子被溅射颗粒向与基板面平行的方向按压。其结果，认为与基板面平行的方向的压缩应力增加，由此裂纹的产生得到抑制。可以说溅射颗粒的入射方向包含了适度混合有水平成分和垂直成分的状态，由此实现了应力控制。
与此相对，在与基板面充分垂直或水平的位置上配置靶进行溅射的情况下，层叠膜和包含其的结构体中的应力控制变得困难。例如，在与基板面垂直地配置靶的情况下，溅射颗粒的入射成分中与基板面水平的成分少，其结果，应力控制变得困难。在与基板面水平地配置靶的情况下，到达基板时的溅射颗粒所具有的能量少，因此，应力控制变得困难。
另外，本实施方式的制造方法中，溅射时的气体压力为5.0Pa以下。溅射时的气体压力越低，从溅射靶释放出的颗粒越容易保持高能量状态到达基板。因此，到达的颗粒重新排列且容易进行外延生长。气体压力优选3.0Pa以下。另外，从使溅射时的放电稳定的观点出发，气体压力优选0.05Pa以上。需要说明的是，对于气体压力，可以为上述上限值和下限值的任意的组合。
通过在这种条件下进行溅射，可以得到六方晶氮化镓系膜，且可以使氮化镓系膜所具有的压缩应力升高。认为这是由于放电气体中的加速离子、经中性化的原子以更高的能量到达基板。即，认为表现出将表面原子击入到内部的原子撞击(atomic peeing)效应，且膜中所捕获的离子、原子通过晶界扩散而扩散到内部，引起薄膜的体积膨胀。为了获得高的覆盖率，优选膜中不混合存在其他的晶相。
使用的溅射靶的氧含量优选低于3at％，更优选1at％以下，进一步优选0.5at％以下。由此，可以提高膜整体的结晶性。另外，靶的纯度也越高越优选。金属杂质的含量优选低于0.1wt％，更优选低于0.01wt％。需要说明的是，杂质中不包含铟、铝等刻意添加的成分。溅射靶的面积优选18cm2以上，更优选100cm2以上。这是因为，靶面积变得越大，放电越稳定，越可以在低气体压力和低功率密度下进行溅射，且膜厚、膜质的均匀性改善。需要说明的是，靶面积是指溅射时与基板相对的靶的面的面积。
制造时装置(腔室)内的真空度优选3×10-5Pa以下，更优选1×10-5Pa以下。这是由于通过将真空度设为低压，残留气体不易以杂质的形式混入，其结果，薄膜的结晶性提高。优选对装置实施烘烤处理以去除残留气体。
另外，优选事先对基板进行前处理。这是由于通过前处理，可以去除附着于基板表面的障碍物，由此可以促进外延生长。前处理方法可例示出反向溅射处理、酸处理、UV处理等。优选根据需要对要使用的基板进行适当的前处理。在例如使用硅基板的情况下，优选的是使用氢氟酸的酸处理。在该情况下，在5％氢氟酸中将硅基板静置15秒以上即可。处理时间优选15秒～900秒。由此，可以去除基板表面的杂质并制成优选的表面状态。
另外，溅射优选将基板加热至800℃以下的温度而进行。这是由于若加热基板，则可以促进溅射颗粒在基板表面中的扩散而提高结晶性。另外，预计氮化镓系膜会在高于800℃的高温下分解，因此，优选将加热温度抑制为800℃以下。
利用的气体以氮气作为主成分。可以仅使用氮气进行成膜或使用添加了一部分通常使用的氩气的氮气而进行成膜。
放电时的功率密度优选0.2W/cm2以上且20W/cm2以下，更优选0.3W/cm2以上且10W/cm2以下，进一步优选0.4W/cm2以上且5W/cm2以下。功率密度可以通过放电时所施加的功率除以溅射靶的面积而计算。溅射靶的密度通常低。因此，功率密度若高于20W/cm2，则有由于对使用的以氮化镓作为主成分的靶施加的功率而导致粗大的多晶颗粒从溅射靶剥离的担心。另一方面，功率密度若低于0.2W/cm2，则等离子体不稳定，因此，放电变得困难。另外，由于制造时的成膜速度降低，因此，有膜的生产率降低的担心。而且，由于溅射时的能量低，因此，有膜的附着力降低的担心。
需要说明的是，也可以在制作的氮化镓系膜上利用其他方法层叠氮化镓系膜。例如，在利用溅射法成膜的氮化镓系膜上，可以利用MOCVD法使氮化镓系膜成膜。
实施例
使用以下的实施例和比较例更详细地说明本发明。但是，本发明不限定于以下的实施例。
(1)层叠膜和结构体的制作
[实施例1～7]
实施例1～7中，制作由硅(Si)/氮化铝(AlN)/氮化镓(GaN)构成的结构体。其中，实施例1～5中，在具备氮化铝(Al)膜的Si(111)基板的表面上使氮化镓(GaN)膜通过溅射法成膜。另外，实施例6和7中，在硅基板的表面上使氮化铝(AlN)膜和氮化镓(GaN)膜依次通过溅射法成膜。此处，氮化铝(AlN)膜相当于缓冲层，氮化镓(GaN)膜相当于氮化镓系膜。将实施例1～7的成膜条件示于表1～3中。
[实施例8～11]
实施例8～11中，制作由碳化硅(SiC)/氮化铝(AlN)/氮化镓(GaN)构成的结构体。具体而言，在偏离角4度的4H-碳化硅(0001)基板的表面上使氮化铝(AlN)膜和氮化镓(GaN)膜依次通过溅射法成膜。将实施例8～11的成膜条件示于表4中。
[比较例1]
比较例1中，制作由硅(Si)/氮化铝(AlN)/氮化镓(GaN)构成的结构体。具体而言，在硅(Si)(111)基板上使氮化镓(GaN)膜通过有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)成膜。将比较例1的成膜条件示于表6中。
[比较例2]
比较例2中，制作由蓝宝石(Al2O3)/氮化镓(GaN)构成的结构体。具体而言，在蓝宝石(Al2O3)(0001)基板上使氮化镓(GaN)膜通过溅射法成膜。将比较例2的成膜条件示于表7中。
(2)评价
针对实施例1～11、比较例1和2中得到的结构体(层叠膜)如下进行各种特性的评价。
＜膜厚＞
通过TEM截面观察求出AlN膜(缓冲层)和GaN膜(氮化镓系膜)各自的膜厚。首先，在样品(层叠膜和包含其的结构体)表面设置作为保护膜的碳涂层。然后，实施聚焦离子束(FIB)加工而制作观察用试样。接着，使用场发射透射电子显微镜(日本电子株式会社、JEM-2100F)进行试样的截面观察。此时电子束加速电压设为200kV。
＜曲率半径＞
使用表面粗糙度测量仪(Mitutoyo Corporation、SURFTEST-3100)调查样品(圆形基板)的表面状态。此时使用标准测针(12AAB403)、无导头型换镜旋座(12AAB355)和检测器(No.178-397-2)，在测定力4mN的条件下进行测定。
首先，使用粗糙度标准片SURFTEST(Mitutoyo Corporation)实施装置校正。该粗糙度标准片SURFTEST为Ra＝2.92μm、Ry＝11.3μm。接着，以凸侧的面成为上侧的方式设置样品(基板)，以通过结构体的重心位置、且重心成为测定直线的中点的方式对于直径或长边的八成长度进行测定。例如在基板为2英寸基板的情况下，测定40mm的范围。另外，在存在1个定向平面(orientation flat)的情况下，以沿着与定向平面平行且成为基板的最大直径的直线通过前述直线的中心位置、且前述直线的中心位置成为测定直线的中点的方式，对于2英寸基板测定40mm的范围。另一方面，在方型基板的情况下，测定通过基板的中心、与边平行且长边的长度的80％的范围。在正方形的方型基板的情况下，以通过基板的中心、与边平行且测定方向成为90°正交的方式从2个方向测定边的长度的80％的范围。需要说明的是，在比较方型基板的4边的长度、各边长度的差小于1mm的情况下，将基板视为正方形的方型基板。在存在多个定向平面的情况下，对于与最长的定向平面平行的方向利用上述方法进行测定。存在多个相同长度的定向平面的情况下，对于与1个定向平面平行的方向利用上述方法对所有的定向平面重复地进行测定。在切口为1个的情况下，以利用上述方法进行测定时的测定线与切口的距离最远的方式设置基板并测定。在切口为多个的情况下，以利用上述方法进行测定时的测定线与1个切口的距离最远的方式设置基板，对于所有切口重复地进行测定。存在定向平面和切口这二者的情况下，利用上述方法对于与定向平面平行的方向进行测定。
接着，基于所得到的测定数据，算出曲率半径。对于曲率半径的算出，使用轮廓粗糙度分析软件(Mitutoyo Corporation、FORMTRACEPAK)，通过指定了利用表面粗糙度测定器的测定范围中的整个范围的圆测定解析来算出曲率半径。对于每1个测定方向重复该测定3次，将所得到的测定值的平均值作为曲率半径。对于1个基板进行多个方向的测定的情况下，各方向分别进行3次测定，将算出的曲率半径的平均值中绝对值最小者视为曲率半径。另外，在曲率半径的测定结果成为凹的情况、即基板表面成为凹型的情况下，利用相同的方法对于相反侧的面进行3次测定，将所得到的值的平均值视为曲率半径。
使用表面粗糙度测定机进行测定时，膜面为凸形状时曲率半径为正的实数，基板面为凸形状时曲率半径为负的实数。
＜内部应力＞
使用所得到的膜厚和曲率半径，依据下述(1)式所示的Sroney的式子算出内部应力σ。下述(1)式中，ES为基板的杨氏模量，ts为基板的厚度，vs为基板的泊松比，R为曲率半径，tF为薄膜(层叠膜)整体的厚度。
Figure BDA0003869743010000131
需要说明的是，将实施例1～11、比较例1和2中使用的基板的杨氏模量、泊松比和基板厚度归纳示于表9中。实施例1～7中的硅基板的杨氏模量和泊松比使用参考文献(V.A.Sethuraman et al.,Electrochemistry Communications,12,(2010),1614-1617)中公开的数值。实施例8～11中的碳化硅基板的杨氏模量和泊松比采用参考文献(E.Konstantinova et al.,Intermetallics,16,(2008),pp.1040-1042)中公开的数值。比较例2中的蓝宝石基板的杨氏模量和泊松比使用株式会社信光社的综合目录中公开的数值。
基板和结构体的厚度使用数显测微计(Mitutoyo Corporation、MDC-25MJT)测定。具体而言，测定基板的重心位置、对曲率半径进行测定时位于测定线延长线上的基板或结构体的边缘以及位于相对于该测定线垂直且通过重心位置的线的延長线上的边缘、这3点处的厚度，将其平均值作为基板或结构体的厚度。结构体中的基板的厚度从结构体的厚度中减去薄膜(层叠膜)整体的厚度而将其算出。
＜裂纹的有无＞
将样品(基板)放置于形状解析激光显微镜(KEYENCE CORPORATION、VK-X200)的试样台，使用50倍的物镜进行观察。然后，确认线状的裂缝(裂纹)的有无。
＜GaN膜的晶体结构＞
使用飞行时间型原子散射表面分析装置(Pascal株式会社、TOFLA S-3000)，评价氮化镓薄膜(GaN膜)的晶相和极性。将样品(层叠膜结构体)以其成膜面成为上面的方式放置于装置中进行测定。将通过测定得到的极图与通过模拟得到的直至表层4层的各晶相和极性的极图进行比较，判断氮化镓薄膜的极性和晶相。测定条件如下所示。
-探针：He(原子散射)
-能量：3keV
-束源-靶间距：805mm
-靶-检测器间距：395mm
-分析室真空度：2×10-3Pa以下
(3)结果
将针对实施例1～5的结构体(层叠膜)得到的评价结果示于表1。将针对实施例6和7的结构体(层叠膜)得到的评价结果示于表3。将针对实施例8～11的结构体(层叠膜)得到的评价结果示于表5。将针对比较例1和2的结构体(层叠膜)得到的评价结果示于表8。
[表1]
表1硅/AIN/GaN的成膜条件和压缩应力值
Figure BDA0003869743010000141
注1)Kyma公司制硅(111)/AIN基板，Prime等级
表1(续)硅/AIN/GaN的成膜条件和压缩应力值
Figure BDA0003869743010000142
[表2]
表2硅/AIN/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000151
表2(续)硅/AIN/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000152
[表3]
表3硅/AIN/GaN的压缩应力值
Figure BDA0003869743010000153
[表4]
表4碳化硅/AIN/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000154
表4(续)碳化硅/AIN/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000155
[表5]
表5碳化硅/AIN/GaN的压缩应力值
Figure BDA0003869743010000161
注1)“-”表示未测定。
[表6]
表6硅/AIN/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000162
[表7]
表7蓝宝石/GaN的成膜条件
Figure BDA0003869743010000163
[表8]
表8压缩应力值、裂纹的有无和曲率半径
Figure BDA0003869743010000164
[表9]
表9基板的杨氏模量、泊松比、基板厚
Figure BDA0003869743010000171

Claims (11)

1.一种层叠膜，其包含缓冲层和配置在所述缓冲层之上的至少1层的氮化镓系膜，所述层叠膜整体的压缩应力为-2.0GPa以上且5.0GPa以下。
2.根据权利要求1所述的层叠膜，其中，所述压缩应力为-1.4以上且5.0GPa以下。
3.根据权利要求1或2所述的层叠膜，其中，构成所述层叠膜的层数为100层以下。
4.一种结构体，其包含基板和配置在所述基板上的权利要求1～3中任一项所述的层叠膜。
5.根据权利要求4所述的结构体，其中，所述基板的热膨胀系数小于所述氮化镓系膜的热膨胀系数。
6.一种半导体元件，其具备权利要求1～3中任一项所述的层叠膜、或权利要求4或5所述的结构体。
7.一种电子设备，其包含权利要求6的半导体元件。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的层叠膜，其中，所述氮化镓系膜为通过溅射法成膜的膜，所述溅射法使用以氮化镓作为主成分的溅射靶。
9.根据权利要求4或5所述的结构体，其中，所述氮化镓系膜为通过溅射法成膜的膜，所述溅射法使用以氮化镓作为主成分的溅射靶。
10.一种权利要求1～3和8中任一项所述的层叠膜的制造方法，其中，
将具备缓冲层的基板配置于腔室内部，在相对于与所述基板的面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持所述基板与所述靶之间的相对位置关系的状态下，以5.0Pa以下的气体压力通过溅射法在所述缓冲层之上形成氮化镓系膜。
11.一种权利要求4、5和9中任一项所述的结构体的制造方法，其中，
将具备缓冲层的基板配置于腔室内部，在相对于与所述基板的面垂直的方向倾斜10°以上且60°以下的范围内的位置上配置以氮化镓作为主成分的靶，在保持所述基板与所述靶之间的相对位置关系的状态下，以5.0Pa以下的气体压力通过溅射法在所述缓冲层之上形成氮化镓系膜。
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