JP4428105B2

JP4428105B2 - 化合物膜の製造方法および化合物半導体素子の製造方法

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Description

本発明は、化合物膜の製造方法および化合物半導体素子の製造方法に関し、特に窒化物半導体の膜を基板上に成長させる新しい方法に関する。

窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のうち、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含有する半導体であり、その代表例は、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ガリウム(ＧａＮ)、窒化インジウム(ＩｎＮ)である。これらの窒化物半導体のバンドギャップは、Ｓｉのバンドギャップ（約１．１ｅＶ）の２倍以上の大きさを持ち、「ワイドバンドギャップ半導体」と呼ばれている。窒化物半導体に含まれるガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、および／またはアルミニウム（Ａｌ）の濃度を変化させることにより、バンドギャップの大きさを広い範囲で制御することができる。

このような窒化物半導体は、そのバンドギャップが大きいことから、青色、青紫色、紫外の領域にわたる発光素子のみならず、低消費電力高周波素子や大電流用半導体素子の材料として活発に研究開発が進められている。窒化物半導体の中でも特にＧａＮ系半導体は青色ＬＥＤや青紫色レーザに適用され、実用化されている。これらの短波長発光素子は、現在、サファイア基板やＳｉＣ基板上に成長させた窒化物半導体膜を用いて作製されている。

上記の窒化物半導体膜のような化合物膜の成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などの方法によって行なわれる。なかでも、工業的には、成長のレートが相対的に高いＭＯＣＶＤやＨＶＰＥが主として用いられる。例えばＧａＮ膜をサファイア基板上に形成させる場合、ＭＯＣＶＤ法では、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、水素（Ｈ₂）、および窒素（Ｎ₂）などのガスが用いられ、ＨＶＰＥでは、塩化ガリウム（ＧａＣｌ₃）、窒素（Ｎ₂）、および塩化水素（ＨＣｌ）などのガスが用いられる。

なお、特許文献１および特許文献２は、Ｇａなどの低融点材料のターゲットを用い、窒素ガスプラズマによる反応性スパッタを行うことによって基板上にＧａＮ膜を成長する方法を記載している。スパッタ法は、ＭＯＣＶＤ法などに比べると、原料の利用効率が高く、装置の構造も簡単である。
特開平８−１８１０７３号公報特開平１１−１７２４２４号公報

ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法によって窒化物半導体膜を形成する場合、使用する原料ガスが発火性や有毒性を有しているという問題がある。例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）には発火性があり、塩化ガリウム（ＧａＣｌ₃）は有毒である。このように危険な原料ガスは、その取り扱いが難しく、堆積装置の構造も複雑になる。また、基板上に成長させる化合物を構成しない元素が原料ガス中に多く含まれるため、原料の利用効率が悪く、生産性が低いという問題を有している。

これに対し、特許文献１および特許文献２に記載されている方法では、Ｇａなどの低融点材料ターゲットを液体窒素などの冷却剤を用いて冷却しながらスパッタを行っている。これは、Ｇａの融点が約３０℃であるため、スパッタ時にターゲット材料が液化しないようにターゲット温度をその融点よりも充分に低い温度に維持するためである。しかし、このようにターゲット温度を室温よりも低く維持するには、通常のスパッタ装置には設けられてないような特別の冷却装置が必要となり、装置が大型化する。また、これらの反応性スパッタ法によって堆積されたＧａＮなどの窒化物半導体は、充分な結晶性を有しておらず、半導体素子に求められる優れた膜質を有していないという問題がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、原料を効率的に利用でき、生産性の高い化合物膜の製造方法を提供することにある。

本発明による化合物膜の製造方法は、元素Ａを含み、融点がＴ_mである材料からなるターゲットを用意する工程（ａ）と、前記ターゲットに対向する位置に基板を配置する工程（ｂ）と、前記ターゲットと前記基板との間において元素Ｂを含むガスのプラズマを形成し、前記ターゲットの表面をスパッタリングする工程（ｃ）と、前記基板上に元素Ａおよび元素Ｂを含む化合物の膜を成長させる工程（ｄ）とを含む化合物膜の製造方法であって、前記工程（ｃ）は、前記ターゲットの少なくとも表面領域を融点Ｔ_m以上に加熱し、厚さ１μｍ以上の溶融層を形成しながら、前記ターゲットの表面をスパッタリングする工程（ｃ１）を含む。

好ましい実施形態において、前記材料は、Ｇａ、Ｉｎ、およびＡｌからなる群から選択された少なくとも１種類の材料を主成分とし、融点Ｔ_mが３０℃以下である前記元素である。

好ましい実施形態において、前記材料は、ＧａおよびＩｎからなる群から選択された少なくとも１種類の材料を主成分とし、融点Ｔ_mが３０℃以下である前記元素である。

好ましい実施形態において、前記元素ＡはＧａであり、元素Ｂは窒素である。

好ましい実施形態において、前記基板上に成長させられる膜は窒化物半導体膜である。

好ましい実施形態において、前記工程（ｃ１）において、前記ターゲットの裏面と接触する部材の温度を１０℃以上に保持する。

好ましい実施形態において、前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＺｎＯの単結晶から形成されている。

好ましい実施形態において、前記工程（ｄ）は、前記基板の温度を３５０〜１２００℃以下に加熱・保持する工程（ｄ１）を含む。

好ましい実施形態において、前記（ｃ）は、元素Ｂを前記溶融層中に溶解させる工程（ｃ２）を含む。

好ましい実施形態において、前記（ｃ）は、元素Ｂを前記溶融層中の元素Ａと化学的に結合させる工程（ｃ２）を含む。

好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記ターゲットの表面に元素Ａおよび元素Ｂを含む反応層を形成し、前記反応層をスパッタリングする工程（ｃ３）を含む。

本発明による化合物半導体素子の製造方法は、上記いずれかの方法よって化合物膜が形成された基板を用意する工程と、前記化合物膜の上に化合物半導体積層構造を設ける工程とを含む。

本発明によれば、ターゲットの少なくとも表面領域を融点Ｔ_m以上に加熱し、厚さ１μｍ以上の溶融層を形成しながら、前記ターゲットの表面をスパッタリングする工程を行なうため、反応性スパッタの効率が上昇し、ターゲットに対向する基板上に結晶性の優れた化合物膜を成長させることができる。

本発明では、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル成長法に比べて安全かつ安価なガスを用いながら、より構造の簡単なスパッタ装置を用いて窒化物半導体の膜を形成することが可能になる。

本発明者は、ＧａやＧａ−Ｉｎなどの低融点材料のターゲットを用い、反応性スパッタを行うに際して、ターゲット表面の温度を融点以上に上昇させ、溶融させることにより、形成すべき化合物膜の成長レートを向上させるとともに、膜中に含まれる窒素の量を増加させ、膜質を改善できることを見出した。

本発明では、まず、Ｇａなどの元素Ａを含み、融点がＴ_mである材料からなるターゲットを用意する工程（ａ）と、このターゲットに対向する位置に基板を配置する工程（ｂ）とを行なう。次に、ターゲットと基板との間において窒素などの元素Ｂを含むガスのプラズマを形成し、ターゲットの表面をスパッタリングする工程（ｃ）を行い、これによって基板上に元素Ａおよび元素Ｂを含む化合物の膜を成長させる。

本発明で特徴的な点は、工程（ｃ）において、ターゲットの少なくとも表面領域を融点Ｔ_m以上に加熱し、厚さ１μｍ以上の溶融層を形成しながら、ターゲット表面をスパッタリングする点にある。

このようなスパッタリングにより、ターゲットから元素Ａを基板上に供給しつつ、プラズマ中から元素Ｂをターゲットに供給することが可能である。好ましい実施形態では、プラズマ中における元素Ｂがターゲット表面の溶融部分に固溶し、元素Ａと反応して元素Ａおよび元素Ｂの化合物を形成する。この化合物がスパッタされることにより、対向基板上に成長する化合物の成長レートを高めることができる。また、元素Ｂと結合した反応層がスパッタされることにより、基板上に飛来する元素Ｂの量が増えるため、基板上に成長する化合物層中における元素Ｂの組成比率を上昇させることも可能になる。

上記のように、ターゲット表面において元素Ａと元素Ｂとの結合が促進される理由は、プラズマ中の元素Ｂが反応性の高い活性種に変化していることと、ターゲット表面が溶融することによって元素Ａの反応性自体が向上していること、さらには、プラズマから元素Ｂが高いエネルギーを持ってターゲット表面に衝突して化学反応を促進することなどによるものと考えられる。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。

まず、図１を参照しながら、本実施形態に用いられるスパッタ装置を説明する。なお、スパッタ装置としては、図１に示すもの以外にも、例えばマグネトロン型スパッタ装置を用いることも可能である。

図示されているスパッタ装置１００は、チャンバー１０と、チャンバー１０の内部において基板１２を保持する基板ホルダー１４と、基板１２に対向する位置に設けられたカソード１６と、カソード１６上に配置されたＧａ系ＩＩＩ族金属ターゲット１８とを備えている。

ターゲット１８は、基板１２上に成長させる半導体膜２０の種類に応じて、Ｇａ、ＧａＩｎ、Ｉｎ、ＡｌなどのＩＩＩ族半導体材料が適宜選択される。

チャンバー１０には、不図示のガスインレットおよびガスアウトレットが形成され、ガスインレットから流量の制御された窒素ガスなどの雰囲気ガスがチャンバー１０の内部に導入される。ガスアウトレットは排気システムに接続されている。

基板ホルダー１４およびカソード１６の各々には独立して高周波電力を印加するように電源が接続されている。ターゲット１８は、シャーレ２２の内部に入れられており、シャーレ２２とカソード１６との間にはバッキングプレート２４が配置されている。シャーレ２２は、ＳＵＳや、Ｃｕ、カーボンなどの材料から形成される。

カソード１６およびターゲット１８は、接地されたシールド（アースシールド）２６によって取り囲まれている。このアースシールド２６には、ターゲット１８の上面を開放する開口部が設けられているが、ターゲット１８の周縁部はアースシールド２６によってカバーされている。

本実施形態では、図１のスパッタ装置１００が動作するとき、窒素（Ｎ₂）分圧比が１０〜１００％のスパッタガスがチャンバー１０の内部に導入され、カソード１６に１３．５６ＭＨｚの高周波電力（ＲＦ電力）が印加される。このとき、基板ホルダー１４には高周波電力が印加されても、印加されなくてもよい。

カソード１６に印加されたＲＦ電力により、基板１２とターゲット１８との間の空間に放電が生じ、窒素を含むスパッタガスのプラズマが形成される。

本発明の好ましい実施形態では、ターゲット１８の少なくとも表面領域における温度をターゲット材料の融点Ｔ_m以上に加熱し、その部分を溶融層に変化させる。溶融層の厚さは１μｍ以上である。ターゲット１８の表面に、このような溶融層を形成すると、スパッタ中に窒素ガスが溶融層に溶解する。このため、ターゲット１８からスパッタされて基板１２上に成長するターゲット材料の膜中に効率よく窒素が導入される。

ＧａＮなどの窒化物半導体では、窒素が不足しやすく、それに起因して結晶性の低下が引き起こされることが知られている。しかし、本発明の好ましい実施形態によれば、ターゲット１８の表面が溶融することにより、基板上に成長する窒化物半導体膜２０中の窒素量が増加し、それによって窒化物半導体膜２０の結晶性が改善されると考えられる。

好ましい実施形態では、ターゲット１８の溶融部分において窒素が溶解または反応する結果、ＮとＧａとが結合した化合物（窒化物）の層（反応層）が溶融部分に形成される。このような反応層（固体状態）がターゲット表面に形成されると、対向基板上にＧａのみならず、Ｎ（窒素）を効率的に供給し、堆積することが可能になる。

従来、固体状態のＧａは窒素をほとんど固溶しないことが知られている（Ｎ濃度０．１％以下）。このため、スパッタのターゲットをＧａＮから形成することは極めて難しく、ＧａＮ焼結体ターゲットの価格は数グラムで１万円を超える。また、ＧａＮからは、８００℃程度の温度で窒素（Ｎ）から分解・離脱してしまうという問題もある。

これに対し、本発明では、プラズマに晒されたＧａターゲットの表面を溶融し、また、プラズマによって活性化した窒素を供給することにより、ＧａとＮとの間における反応性を高めることができる。このような反応によって形成された窒化物の層（反応層）の融点はＧａ単体に比べて充分に高く、固体状態にある。このような反応層がプラズマによってスパッタされることにより、化学量論的に窒素が不足していない結晶性に優れた窒化ガリウムを高いレートで成長させることが可能になる。本発明者の検討によれば、Ｇａに対して原子比率で略同じ程度のＮが溶融表面に溶解し、反応層を形成していると考えられる。

この反応層はターゲットの溶融部分の一部または全体を覆っていても良い。固体の反応層がスパッタによって減少すると、ターゲット溶融表面が露出または形成されることになるが、これらの反応が継続的に進行するため、高品質の窒化ガリウム結晶層を基板上に高いレートで成長させることが可能になる。

投入電力の大きさやスパッタの種々の条件によっては、上記のような固体状の反応層の形成が促進されることもあれば、逆に、ほとんど形成されない場合もある。実験によれば、投入電力を大きくするほど、反応層が形成それやすいようである。

なお、従来技術のように、ターゲットの溶融を阻止するためにターゲットを強力に冷却する場合には、溶融層を形成できないため、充分な量の窒素を取り込んだ反応層を形成することも難しい。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
まず、ＳＵＳ製のシャーレ（直径：７５ｍｍ、深さ：６ｍｍ）２２を用意し、１５０℃に加熱したＧａ（融点：約２９℃）をシャーレの内部へ流し込んだ。この後、Ｇａの温度を室温程度に低下させた。そして、ほとんど固体化させた状態のＧａターゲット１８を図１に示すスパッタ装置のカソード１６上に固定した。Ｇａターゲット１８の厚さは約６ｍｍであった。スパッタ時におけるＧａターゲット１８の温度上昇が過度のレベルに達しないように、カソード１６の温度を調節することが好ましい。通常のスパッタ装置のカソードには、水冷機構が備え付けられているので、その水冷機構をそのまま用いることができる。本発明では、前述した特許文献１および２に記載されているような特別の冷却装置（ターゲット温度を融点よりも充分に低い温度に保つ装置）は不要である。

本実施例では、スパッタ工程中において、室温程度または室温を少し下回る温度の冷却水を水冷機構内で循環させることにより、カソード１６の過熱を抑制し、バッキングプレート２４の温度を１７〜２０℃程度に制御した。

チャンバー１０の内部は、真空排気によって１μＴｏｒｒ以下に減圧した後、流量計を介して窒素ガスを供給しながら、基板１２を約７００℃に加熱した状態でＧａターゲット１８のスパッタを行なった。窒素ガス流量は２０ｓｃｃｍ、圧力は７ｍＴｏｒｒに設定した。また、カソード１６とグランドレベル（アースシールド２６）との間に投入したＲＦ電力は５００Ｗ、Ｔ／Ｓは７０ｍｍに設定した。基板１２としては、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用い、そのＣ面上に約２μｍの窒化ガリウム膜（図１における参照符号「２０」）を成長させた。

窒化ガリウム膜２０の成長中、ターゲット１８の表面を観察すると、ＲＦ電力の投入直後から、溶融していることが確認された。スパッタ前においてターゲット１８の表面に深さ０．５ｍｍ程度の凹部を形成した痕が、スパッタ後には消失していることから、溶融部分の層厚は１μｍを充分に超える大きさであることがわかる。

サファイアの基板１２上に成長した窒化ガリウム膜２０は、（０００２）面に配向したウルツ型結晶の膜であった。サファイア基板１２の結晶面方位に従い、基板面内においても結晶方位のそろった単結晶の膜が得られた。膜の成長レートは１５ｎｍ／ｍｉｎであった。

（比較例）
カソード１６の温度を調節する冷却水の温度を８℃まで低下させることにより、ターゲットのバッキングプレートの温度を１０℃程度に下げたこと以外は実施例１と同一の条件で、スパッタを行なった。この場合、スパッタ工程中におけるターゲット１８の溶融は観察されず、固体状態のＧａターゲット１８のスパッタが行なわれた。この比較例では、膜の成長レートは８ｎｍ／ｍｉｎに低下し、得られた膜も非晶質であった。ＥＰＭＡによる組成分析を行なったところ、膜の組成はＧａリッチであり、窒素含有比率が著しく低下していた。

固体状態のＧａターゲットからは、基板へのＧａ供給レートが低下するだけではなく、膜中への窒素の供給が著しく不充分なものとなることがわかる。

ＧａＮの表面を溶融することにより、少なくともターゲットの表面のＧａ溶融層を形成すると、Ｇａのみならず、窒素の基板上への供給レートが高まるため、結晶性に優れたＧａＮ膜を得ることができる。

（実施例２）
本実施例では、室温でＧａ−７５％Ｉｎ（融点：１５．７℃）をＳＵＳ製シャーレ（直径：７５ｍｍ、深さ：６ｍｍ）２２の内部へ流し込んだ。本実施例では、融点が室温（２５℃程度）を下回る低い値を有するターゲット材料を用いるため、特別の加熱をしない場合でも、シャーレ２２などの容器内にターゲット材料を流し込むことができる。

この後、液体状態のＧａＩｎターゲット１８を保持するシャーレ２２を図１に示すスパッタ装置のカソード１６上に固定した。シャーレ２２におけるＧａＩｎターゲットの厚さは約５ｍｍであった。

本実施例でも、スパッタ工程中において室温程度または室温を少し下回る温度の冷却水を水冷機構内で循環させることにより、カソード１６を冷却し、バッキングプレート２４の温度を２４℃程度に制御した。

本実施例では、チャンバー１０の内部は、真空排気によって１μＴｏｒｒ以下の減圧した後、流量計を介してアルゴン（Ａｒ）ガスおよび窒素（Ｎ₂）ガスを供給しながら、基板１２を６５０℃に加熱した状態でＧａＩｎターゲット１８のスパッタを行なった。アルゴンおよび窒素のガス圧力（分圧）は、いずれも７ｍＴｏｒｒに設定した。また、カソード−グラウンド間に投入したＲＦ電力は３００Ｗ、Ｔ／Ｓは７０ｍｍに設定した。基板１２は、実施例１と同じく、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、そのＣ面上に約２μｍのＧａＩｎＮ膜を成長させた。

ＧａＩｎＮ膜の成長中、ＧａＩｎのターゲット１８を観察すると、ターゲット１８の全体が溶融した状態にあることを確認できた。

サファイア基板１２上に成長したＧａＩｎＮ膜（図１の参照符号「２０」）は、（０００２）面に配向したウルツ型結晶の膜であった。格子定数はＧａＮの格子定数よりも５％大きく、膜の成長レートは１０ｎｍ／ｍｉｎであった。

（実施例３）
１５０℃に加熱したＧａ（融点：約２９℃）を実施例１と同じシャーレの内部へ流し込んだ。この後、Ｇａの温度を室温程度に低下させた。そして、ほとんど固体化させた状態のＧａターゲット１８を図１に示すスパッタ装置のカソード１６上に固定した。Ｇａターゲット１８の厚さは約６ｍｍであった。本実施例でも、スパッタ工程中において室温程度または室温を少し下回る温度の冷却水を水冷機構内で循環させることにより、カソード１６を冷却し、バッキングプレート２４の温度を１８〜２２℃程度に制御する。

チャンバー１０の内部は、真空排気によって１μＴｏｒｒ以下に減圧した後、流量計を介して窒素（Ｎ₂）ガスを供給しながら、基板１２を７８０℃に加熱した状態でＧａターゲット１８のスパッタを行なった。窒素の流量は４０ｓｃｃｍ、圧力は１４ｍＴｏｒｒに設定した。また、カソード−グラウンド間に投入したＲＦ電力は７００Ｗ、Ｔ／Ｓは７０ｍｍに設定した。基板は、他の実施例と同じく、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、そのＣ面上に約２μｍのＧａＮ膜を成長させた。

本実施例におけるスパッタ条件は、実施例１におけるスパッタ条件に比べて、窒素のチャンバー１０の内部における分圧を高く維持し、また投入するＲＦ電流を増加させている。

ＧａＮ膜の成長中、ターゲット１６の表面を観察すると、実施例１と同様にＲＦ電力の投入直後に溶融していることが確認された。しかし、７００Ｗまで電力を上昇させる過程において、ターゲット表層部が溶融金属とは異なる物質によって覆われていることが確認された。スパッタ工程の終了後に、上記の物質を分析したところ、ＧａＮから形成されていることがわかった。

サファイア基板１２上に成長したＧａＮ膜２０は、（０００２）面に配向したウルツ型結晶の膜であった。サファイア基板１２の結晶面方位に従い、基板面内においても結晶方位がそろった略単結晶の膜が得られた。膜の成長レートは、実施例１における値よりも大きく、５０ｎｍ／ｍｉｎであった。

本実施例では、得られた膜中に含まれるＧａおよびＮのモル比率が１：１であり、Ａｒや酸素は検出されなかった。

このように、本実施例によれば、窒化ガリウム膜中における窒素の不足を招くことなく、高品質のＧａＮ結晶膜が得られた。

（実施例４）
図２は、スパッタ工程中の窒素雰囲気ガス圧力と窒化ガリウム膜形成レートおよびＸＲＤピーク強度との関係を示すグラフである。このグラフの左側の縦軸は膜形成レートであるが、右側の横軸はＸＲＤピーク強度である。グラフ中の●は膜形成レートを示し、○はＸＲＤピーク強度を示している。ＲＦ電力は５００Ｗ、基板温度は７８０℃であった。

窒素ガスの圧力が４〜１４ｍＴｏｒｒの範囲内で膜形成レートおよび結晶性の両方がともに優れた結果が得られた。

（実施例５）
図３は、スパッタ工程中のＲＦ電力と窒化ガリウム膜形成レートおよびＸＲＤピーク強度との関係を示すグラフである。グラフの左側の縦軸は膜形成レートであるが、右側の横軸はＸＲＤピーク強度である。

グラフ中の●および■は４ｍＴｏｒｒのアルゴンと４ｍＴｏｒｒの窒素の混合ガス雰囲気中でスパッタを行った場合のデータであり、グラフ中の○および□は４ｍＴｏｒｒの窒素ガス雰囲気中でスパッタを行った場合のデータである。また、●および○は膜形成レートを示し、■および□はＸＲＤピーク強度を示している。スパッタ中の基板温度は７８０℃であった。

図３からわかるように、ＲＦ電力の増加に伴って膜形成レートおよび結晶性が向上する。また、アルゴンガスを加えることにより、窒素ガスを単独で使用する場合に比べて、膜形成レートおよび結晶性の向上が顕著になる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法で窒化物半導体膜を形成する場合に必要となる発火性・有毒性を有するガスが不要になるとともに、堆積装置の構造も簡単な公知のスパッタ装置をそのまま使用することができ、装置の操作も容易である。

また、本発明によれば、少なくともターゲット表面がスパッタ中に溶融しているため、固体ターゲットの表面に生じるプラズマエロージョンによるターゲット寿命低下の問題を回避することができる。すなわち、本発明によれば、スパッタによりターゲット表面からターゲット原子が離脱しても、ターゲットの他の溶融部分からターゲット原子が速やかに供給されるため、ターゲット表面に大きな凹部が形成されることがない。

なお、融点が室温よりも高い材料のターゲットを用いる場合、ターゲットとプラズマとが接触しない領域がターゲット表面の一部（例えばアースシールド２６で覆われる周辺部）に存在すると、その領域の温度が融点に達せず、溶融が生じない可能性がある。このような場合、スパッタを長時間行なうと、ターゲット表面に凹部が形成されるが、このような凹部は、ターゲットをシャーレなどの容器ごと加熱して融点以上に昇温すれば、ターゲットの全体が再溶融し、再び平坦な表面を得ることが容易である。

なお、上記の各実施例では、ＧａおよびＩｎからなる群から選択された材料を主成分とするターゲット（融点Ｔ_m：例えば３０℃以下）を用いて窒化物半導体の膜を基板上に成長させたが、本発明は他の化合物を基板上に成長させる場合にも適用可能である。

本発明では、融点Ｔ_mが５０℃以下の材料からなるターゲットを用いているが、加熱装置を用いることにより、より高い融点Ｔ_mを持つ材料のターゲットでも、スパッタ中に表面を溶融し、液体化することが可能である。ただし、特別の加熱装置を用いずに溶融するためには、融点Ｔ_mが５０℃以下の低融点材料ターゲットを用いることが好ましい。

なお、基板の材料は、サファイアに限定されない。窒化ガリウムの単結晶膜を形成する場合は、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＺｎＯの単結晶基板を好適に用いることができる。また、窒化ガリウムの単結晶膜を形成する場合、スパッタ中の基板温度を３５０〜１２００℃以下に加熱・保持することが好ましい。

また、ＩＩＩ族元素を供給するためのターゲット材料のうち、ＩｎやＡｌの融点Ｔｍは１５０〜６６０℃であり、ＧａやＧａ−Ｉｎの融点Ｔｍに比べて高い。しかし、これらのＩＩＩ族元素からなる金属をターゲット材料とする場合でも、ターゲットを加熱することによって表面を溶融すれば、結晶性に優れたＩｎＮやＡｌＮなどの窒化物半導体膜を効率よく形成することが可能になる。このようなターゲットの加熱は、カソード内に特別のヒータを設けて行なってもよいが、カソードに設けられている水冷機構による冷却効率を低下させることによって実現することも可能である。

本発明は、窒化物半導体などのワイドバンドギャップ半導体の結晶成長に適用すると、青色ＬＥＤなどの短波長の発光素子のみならず、低消費電力高周波素子や大電流用半導体素子の量産に大いに寄与し、安全かつ安価に良質の結晶膜を得ることが可能になる。

本発明に好適に用いられるスパッタ装置の一構成例を示す断面図である。スパッタ工程中の窒素雰囲気ガス圧力と窒化ガリウム膜形成レートおよびＸＲＤピーク強度との関係を示すグラフである。このグラフの左側の縦軸は膜形成レートであるが、右側の横軸はＸＲＤピーク強度である。スパッタ工程中のＲＦ電力と窒化ガリウム膜形成レートおよびＸＲＤピーク強度との関係を示すグラフである。グラフの左側の縦軸は膜形成レートであるが、右側の横軸はＸＲＤピーク強度である。

符号の説明

１０チャンバー
１２基板
１４基板ホルダー（アノード）
１６カソード
１８ターゲット
２０半導体膜
２２シャーレ
２４バッキングプレート
２６シールド（アースシールド）
１００スパッタ装置

Claims

元素Ｇａを含み、融点Ｔ _m が３０℃以下である材料からなるターゲットを用意する工程（ａ）と、
前記ターゲットに対向する位置に基板を配置する工程（ｂ）と、
前記ターゲットと前記基板との間において窒素を含むガスのプラズマを形成し、前記ターゲットの表面をスパッタリングする工程（ｃ）と、
前記基板上に窒化物半導体膜を成長させる工程（ｄ）と、
を含む化合物膜の製造方法であって、
前記工程（ｃ）は、水冷によって前記ターゲットを冷却しながら前記ターゲットの表面領域をスパッタリングすることにより、加熱装置を用いることなく前記ターゲットの少なくとも表面領域を融点Ｔ_m以上に加熱し、厚さ１μｍ以上の溶融層を形成しながら、前記ターゲットの表面をスパッタリングする工程（ｃ１）を含む化合物膜の製造方法。
前記工程（ｃ１）において、前記ターゲットの裏面と接触する部材の温度を１０℃以上に保持する、請求項１に記載の化合物膜の製造方法。
前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＺｎＯの単結晶から形成されている請求項１または２に記載の化合物膜の製造方法。
前記工程（ｄ）は、前記基板の温度を３５０〜１２００℃以下に加熱・保持する工程（ｄ１）を含む請求項１から３のいずれかに記載の化合物膜の製造方法。
前記工程（ｃ）は、窒素を前記溶融層中に溶解させる工程（ｃ２）を含む、請求項１から４のいずれかに記載の化合物膜の製造方法。
前記（ｃ）は、窒素を前記溶融層中のＧａと化学的に結合させる工程（ｃ２）を含む、請求項１から５のいずれかに記載の化合物膜の製造方法。
前記工程（ｃ）は、前記ターゲットの表面にＧａおよび窒素を含む反応層を形成し、前記反応層をスパッタリングする工程（ｃ３）を含む請求項１から６のいずれかに記載の化合物膜の製造方法。
請求項１から７のいずれかに記載された方法によって化合物膜が形成された基板を用意する工程と、
前記化合物膜の上に化合物半導体積層構造を設ける工程と、
を含む化合物半導体素子の製造方法。