TW202118884A - 積層膜結構體、半導體元件、電子設備、及積層膜結構體的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種具有高結晶性及平坦性的積層膜結構體及其製造方法。該積層膜結構體包括：Si（111）基板；第一薄膜，設置在所述Si（111）基板上，包含氮化物系材料及/或鋁；以及第二薄膜，設置在所述第一薄膜上，包含氮化物系材料，且所述積層膜結構體中，在所述Si（111）基板上存在厚度為0 nm以上且小於1.0 nm的非晶質層，所述積層膜結構體表面的（0002）面的搖擺曲線的半值寬度（FWHM）為1.50°以下。
Description
本發明是有關於一種積層膜結構體及其製造方法。
氮化物系材料顯示出優異的半導體特性。例如，氮化鎵（GaN）作為藍色發光二極體（Light Emitting Diode，LED）或藍色雷射二極體（Laser Diode，LD）的材料來安裝。另外，由於具有高耐壓性能，因此適合用於功率器件等用途。因此，在基板上設置有氮化物系薄膜的積層膜結構體有效用於電子器件領域。此種氮化物系薄膜通常藉由有機金屬化學氣相沈積（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）法製造。另外，除了MOCVD法以外，還提出了用濺射法製造氮化物系薄膜。作為揭示與氮化物系薄膜的製造有關的技術的文獻，可舉出專利文獻1～專利文獻3。
在專利文獻1中揭示了一種半導體結晶膜的成長方法，其為對基板的表面噴射反應氣體，在經加熱的基板表面使半導體結晶膜成長的方法，該方法的特點在於，對基板表面平行或傾斜地噴射反應氣體，同時噴射朝向基板的按壓擴散氣體（專利文獻1的申請專利範圍）。而且，實施例中，記載了如下內容：使用氨、氫氣及三甲基鎵（Trimethyl Gallium，TMG）氣體在藍寶石基板上使GaN成長（專利文獻1的實施例）。
專利文獻2中揭示了一種金屬鎵滲透氮化鎵成形物，其特徵在於，氮化鎵與金屬鎵在成形物中作為不同的相存在，且所述成形物整體中的Ga/（Ga+N）的莫耳比為55%以上且80%以下（專利文獻2的請求項1）。而且，實施例中記載了如下內容：將所獲得的金屬鎵浸透氮化鎵成形物接合來製作氮化鎵系濺射靶；以及在進行所獲得的靶的濺射後，在射頻（radio frequency，RF）濺射、直流（direct current，DC）濺射中可均沒有裂紋地成膜（專利文獻2的[0102]）。
在專利文獻3中揭示了一種氮化鎵膜的形成方法，其包括：使用由含氮氣體與稀有氣體的混合氣體生成的電漿濺射鋁靶，在矽基板上形成氮化鋁膜的步驟；以及在所述氮化鋁膜上形成氮化鎵膜的步驟，且所述氮化鎵膜的形成方法的特徵在於包括如下步驟：在形成所述氮化鋁膜之前，使用由稀有氣體生成的電漿濺射鋁靶，在所述矽基板上形成鋁膜（專利文獻3的請求項1）。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平4-164895號公報
[專利文獻2]日本專利特開2014-159368號公報
[專利文獻3]日本專利特開2013-227198號公報
[發明所欲解決之課題]
用先前的方法製造的氮化物系薄膜存在問題。為了改善器件的特性，理想的是構成器件的氮化物系薄膜的結晶性高。此處，結晶性高是指薄膜內的結晶配向高度一致的狀態。另外，在將氮化物系薄膜用於功率器件等用途的情況下，能夠大口徑化且低成本的Si基板是最有效的基板。
但是，用MOCVD法難以在Si基板上形成高結晶性的氮化物系薄膜（例如氮化鎵薄膜）。即，為了用MOCVD法使高結晶性的薄膜成長，需要將基板溫度提高到1000℃左右，在該溫度下進行成膜。因此，存在成膜時薄膜中的金屬成分（例如鎵）與Si基板反應的現象、即，發生回熔（meltback）蝕刻的問題。另外，氮化鎵的熱膨脹率與Si基板大不相同。因此，在成膜後的降溫過程中，存在氮化鎵薄膜容易出現裂縫的問題。由於存在此種問題，故於MOCVD法中無法使用Si基板，需要使用藍寶石基板、或氮化鎵單結晶基板等昂貴的基板。
另一方面，於使用濺射法的情況下，能夠在低於1000℃的低溫下成膜。因此，能夠在Si基板上形成薄膜，而不會引起回熔蝕刻或裂縫的問題。但是，用濺射法成膜的先前的氮化物系薄膜的結晶性存在改善的餘地。因此，為了製作在Si基板上包括高結晶性氮化物系薄膜的積層膜結構體，期望進一步研究薄膜的成膜條件、或積層膜結構體的界面結構。
鑒於此種問題點，本發明者等人進行了研究，結果獲得如下見解：於在Si基板上設置有包含氮化物系材料及/或鋁的薄膜的積層膜結構體中，Si基板表面附近的狀態對薄膜的結晶性起到重要的作用，對其進行控制在獲得高結晶性氮化物系薄膜方面是重要的。
本發明是基於此種見解而完成者，其目的在於提供一種具有高結晶性及平坦性的積層膜結構體及其製造方法。
[解決課題之手段]
本發明包括下述（1）～（15）的形態。再者，在本說明書中，「～」的表達包括其兩端的數值。即，「X～Y」與「X以上且Y以下」同義。另外，「X及/或Y」與「X及Y的至少一者（X及Y的一者或兩者）」同義。
（1）一種積層膜結構體，包括：
Si（111）基板；
第一薄膜，設置在所述Si（111）基板上，包含氮化物系材料及/或鋁；以及
第二薄膜，設置在所述第一薄膜上，包含氮化物系材料，且
所述積層膜結構體中，於所述Si（111）基板上存在厚度為0 nm以上且小於1.0 nm的非晶質層，所述積層膜結構體表面的（0002）面的搖擺曲線（rocking curve）的半值寬度（full width at half maximum，FWHM）為1.50°以下。
（2）如所述（1）的積層膜結構體，其中所述非晶質層的厚度為0 nm，所述第一薄膜不經由其他層而與所述Si（111）基板直接接觸。
（3）如所述（2）的積層膜結構體，其中距所述Si（111）基板表面10 nm以內的氧含量為5 at%以下。
（4）如所述（2）或所述（3）的積層膜結構體，其中距所述Si（111）基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%以下。
（5）如所述（1）的積層膜結構體，其中所述非晶質層的厚度大於0 nm且小於1.0 nm。
（6）如所述（5）的積層膜結構體，其中距Si（111）基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%以下。
（7）如所述（1）至所述（6）中任一項的積層膜結構體，其中所述積層膜結構體的表面的算術平均粗糙度（Ra）為10.0 nm以下。
（8）如所述（1）至所述（7）中任一項的積層膜結構體，其中所述第一薄膜是氮化鋁薄膜，所述第二薄膜是氮化鎵薄膜。
（9）如所述（1）至所述（8）中任一項的積層膜結構體，其中所述結構體的最表面由六方晶氮化鎵層構成，所述氮化鎵層的表面為鎵（Ga）極性。
（10）一種半導體元件，包括如所述（1）至所述（9）中任一項的積層膜結構體。
（11）一種電子設備，包括如所述（10）的半導體元件。
（12）一種方法，是如所述（1）至所述（9）中任一項的積層膜結構體的製造方法，其包括以下的步驟：
準備Si（111）基板的步驟；
將所述Si（111）基板浸漬在清洗液中的步驟；
在浸漬後的所述Si（111）基板上藉由濺射法形成第一薄膜的步驟；以及
在所述第一薄膜上藉由濺射法形成第二薄膜的步驟，且
在形成所述第一薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2
）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2
表示的濺射能量（Es）設為0.1 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下，
在形成所述第二薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2
）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2
表示的濺射能量（Es）設為0.04 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下。
（13）如所述（12）的方法，其中在形成所述第一薄膜時，將即將成膜之前的成膜裝置內的真空度設為1×10-4
Pa以下。
（14）如所述（12）或所述（13）的方法，其中在形成所述第一薄膜時，向成膜室內僅導入氬氣而形成膜厚1 nm～10 nm的薄膜，然後向成膜室內導入含氮的氣體而繼續進行成膜。
（15）如所述（12）至所述（14）中任一項的方法，其中所述第一薄膜的膜厚為20 nm以上。
[發明的效果]
根據本發明，提供一種具有高結晶性及平坦性的積層膜結構體及其製造方法。
對本發明的具體的實施方式（以下，稱為「本實施方式」）進行說明。再者，本發明並不限定於以下的實施方式，於不變更本發明的主旨的範圍內能夠進行各種變更。另外，於以下的實施方式中，不應限定於各要件的特定組合來解釋，可為任意組合。
[積層膜結構體]
本實施方式的積層膜結構體包括：Si（111）基板；第一薄膜，設置在所述Si（111）基板上，包含氮化物系材料及/或鋁；以及第二薄膜，設置在所述第一薄膜上，包含氮化物系材料。並且於Si（111）基板上存在厚度為0 nm以上且小於1.0 nm的非結晶層。而且積層膜結構體表面的（0002）面的搖擺曲線的半值寬度（FWHM）為1.50°以下。
本實施方式的積層膜結構體具有高平坦的表面，且第一薄膜及第二薄膜的結晶性高。例如用X射線繞射法評價第一薄膜及第二薄膜的結晶性時，（0002）面的搖擺曲線半值寬度（FWHM）為1.50°以下，較佳為1.00°以下，進而佳為0.95°以下，特佳為0.50°以下，最佳為0.10°以下。因此，可將積層膜結構體較佳地用於在Si基板上製作LED等發光元件或功率器件用元件時的基底層。另外，可將積層膜結構體較佳地用作高結晶性氮化鎵薄膜成長用的模板（template）基板。
據本發明者等人所知，並無此種在Si基板上包括高平坦且高結晶性的氮化物系薄膜的積層膜結構體的報告。例如，專利文獻1揭示了藉由MOCVD法使氮化鎵（GaN）在藍寶石基板上成長的情況，但所使用的基板並非Si基板。專利文獻2提出了低氧含量的濺射靶用氮化鎵燒結體，但並無關於Si基板上氮化鎵的結晶性的記載。專利文獻3揭示了在Si基板上使氮化鎵成長時，將氮化鎵作為緩衝層裝入的方法，但並無關於Si基板與氮化鋁緩衝層間的結構的詳細記載。
Si（111）基板是其主面的結晶面方位為（111）面的Si基板。Si（111）基板的製法並無限定，可為藉由切克勞斯基（Czochraski，CZ）法或浮熔帶（floating zone，FZ）法製造者，或者亦可為在藉由該些方法製造的Si單結晶基板上使Si單結晶層磊晶成長的Si磊晶基板。另外，Si（111）基板可在其表面及/或內部包含給予體（donor）或接受體（acceptor）等的摻雜劑元素、或者亦可不包含。
在Si（111）基板上設置第一薄膜。第一薄膜包含氮化物系材料及/或鋁。氮化物系材料只要是氮化物系化合物則並無限定。氮化物系材料及/或鋁可含有摻雜劑元素，或者亦可不含有。作為第一薄膜，例如可列舉：氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜、氮化鈦薄膜、氮化銦薄膜、氮化鋁鎵薄膜、氮化銦鎵薄膜。再者，氮化物系化合物不限於化學計量組成的化合物。例如氮化鎵（GaN）在化學計量組成中鎵（Ga）與氮（N）之比為1：1，但只要維持氮化鎵的結晶結構，就允許偏離化學計量組成。另外，第一薄膜只要包含氮化物系材料及/或鋁，其形態就不受限定。可僅包含氮化物系材料，亦可僅包含鋁。或者亦可包含氮化物系材料與鋁的混相，亦可為包含氮化物系材料的層與包含鋁的層的積層膜。
第一薄膜只要可視為薄膜，其厚度就不受限定。但是，膜厚過薄時，有時第一薄膜及第二薄膜的結晶性或積層膜結構體的表面平坦性差。因此，膜厚較佳為20 nm以上，更佳為30 nm以上，進而佳為40 nm以上。膜厚的上限不受限定。膜厚可為1000 nm以下、可為500 nm以下、亦可為250 nm以下。膜厚可為20 nm～1000 nm、20 nm～500 nm、20 nm～250 nm、30 nm～1000 nm、30 nm～500 nm、30 nm～250 nm、40 nm～1000 nm、40 nm～500 nm及40 nm～250 nm中的任一種。關於膜厚，可準備多個在相同條件下濺射的膜，用接觸式膜厚測定器或光學式膜厚測定器求出膜厚，使用由該些求出的成膜速率來算出。
在第一薄膜上設置包含氮化物系材料的第二薄膜。構成第二薄膜的材料只要是氮化物系化合物則並無限定。氮化物系化合物可含有摻雜劑元素，或者亦可不含有摻雜劑元素。作為第二薄膜，例如可列舉：氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜、氮化鈦薄膜、氮化銦薄膜、氮化鋁鎵薄膜、氮化銦鎵薄膜。另外，第二薄膜只要可視為薄膜，其厚度就不受限定。但是，膜厚較佳為10 nm以上，進而佳為20 nm以上，更佳為30 nm以上。膜厚的上限不受限定。膜厚可為1000 nm以下、可為500 nm以下、亦可為300 nm以下。膜厚可為10 nm～1000 nm、10 nm～500 nm、10 nm～300 nm、20 nm～1000 nm、20 nm～500 nm、20 nm～300 nm、30 nm～1000 nm、30 nm～500 nm、及30 nm～300 nm中的任一種。關於膜厚，可準備多個在相同條件下濺射的膜，用接觸式膜厚測定器或光學式膜厚測定器求出膜厚，使用根據該些求出的成膜速率來算出。
關於本實施方式的積層膜結構體，較佳為其表面、例如第二薄膜表面的算術平均粗糙度（Ra）為10.0 nm以下。藉由如此般減小表面粗糙度，可提高第一薄膜及第二薄膜的結晶性及平坦性。另外，藉由減小第二薄膜的表面粗糙度，能夠在其上進一步使薄膜磊晶成長，從而製作具有良好特性的半導體元件等器件。算術平均粗糙度（Ra）較佳為8.0 nm以下，更佳為5.0 nm以下，進而佳為1.0 nm以下。算術平均粗糙度（Ra）的下限不受限定。算術平均粗糙度（Ra）可為0.1 nm以上，可為0.3 nm以上，亦可為0.5 nm以上。算術平均粗糙度（Ra）可為0.1 nm～8.0 nm、0.1 nm～5.0 nm、0.1 nm～1.0 nm、0.3 nm～8.0 nm、0.3 nm～5.0 nm、0.3 nm～1.0 nm、0.5 nm～8.0 nm、0.5 nm～5.0 nm及0.5 nm～1.0 nm中的任一種。
本實施方式的積層膜結構體的Si（111）基板上的非晶質層的厚度為0 nm以上且小於1.0 nm。即，可在Si（111）基板上包括非晶質層，或者亦可不包括非晶質層。其中，於包括非晶質層的情況下，其厚度小於1.0 nm。以下分別說明不包括非晶質層的情況（第一形態）及包括非晶質層的情況（第二形態）。
首先，使用圖1對第一形態進行說明。圖1是第一形態的積層膜結構體的剖面示意圖。該積層膜結構體（1）包括：Si（111）基板（2）、設置在Si（111）基板（2）上的第一薄膜（3）、及設置在第一薄膜（3）上的第二薄膜（4）。在第一形態中不存在非晶質層。即，非晶質層的厚度為0 nm，第一薄膜（3）不經由其他層而與Si（111）基板（2）直接接觸。
藉由第一薄膜（3）與Si（111）基板（2）直接接觸，可提高第一薄膜（3）及第二薄膜（4）的結晶性。即，Si（111）基板（2）的結晶性高。藉由第一薄膜（3）與高結晶性的Si（111）基板（2）直接接觸，其結晶性由第一薄膜（3）延續。然後，第一薄膜（3）的結晶性由第二薄膜（4）延續。根據源自製法的表現，則第一薄膜（3）及第二薄膜（4）良好地磊晶成長。與此相對，若在Si（111）基板（2）上存在過厚的非晶質層，則第一薄膜（3）的磊晶成長受到阻礙，第一薄膜（3）及第二薄膜（4）的結晶性變低。
在第一形態中，只要維持第二薄膜（4）的高結晶性，第一薄膜（3）與第二薄膜之間可存在其他層。但是，就結晶性的觀點而言，較佳為不存在其他層，第二薄膜（4）與第一薄膜（3）直接接觸。
在第一形態中，較佳為距Si（111）基板表面10 nm以內的氧含量為5 at%（原子%）以下。此處，氧含量是相對於矽、氧及氮的總量的氧量。另外，距基板表面10 nm以內的氧含量是距基板表面在高度方向上為10 nm以內的區域中的氧含量。另外，高度方向是指垂直於基板表面且遠離基板的方向。另外，在自基板中央開始、基板半徑的10%以內的範圍內的任意位置進行測定。該含有氧源自用於積層膜結構體製造的Si（111）基板表面的自然氧化膜。即，Si基板一般在剛獲得的狀態下，自然氧化膜覆蓋其表面。該自然氧化膜為非晶質，其厚度為1 nm～3 nm左右。若直接使用殘留有自然氧化膜的Si基板，則距基板表面10 nm以內的氧量過度增大，第一薄膜與第二薄膜的結晶性有可能下降。與此相對，若使用以更近乎完全的狀態去除了自然氧化膜的Si基板，則距基板表面10 nm以內的氧量受到抑制，從而能夠進一步提高第一薄膜與第二薄膜的結晶性。就結晶性的觀點而言，氧量越少越佳。因此，氧含量更佳為4 at%以下，進而佳為3 at%以下。氧含量的下限可為0 at%，但典型而言為1 at%以上。氧含量亦可為0 at%～4 at%、0 at%～3 at%、1 at%～4 at%及1 at%～3 at%中的任一種。
在第一形態中，較佳為距Si（111）基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%（原子%）以下。此處氮化矽含量是相對於矽、氧及氮的總量的氮化矽量。該氮化矽源自製造積層膜結構體時的第一薄膜成膜步驟中使用的環境氣體（導入氣體）。即，在Si（111）基板上形成第一薄膜時，若在成膜初期的階段於環境氣體中含有氮，則存在於Si基板表面發生氮化反應，形成非晶質的氮化矽的情況。若在Si基板表面大量存在此種氮化矽，則第一薄膜與第二薄膜的結晶性有可能下降。與此相對，藉由控制形成第一薄膜時的環境氣體，可抑制在Si基板表面形成的氮化矽的量。就結晶性的觀點而言，較佳為距基板表面10 nm以內的氮化矽量少。因此，氮化矽含量更佳為4 at%以下，進而佳為3 at%以下，特佳為2 at%以下。氮化矽含量的下限可為0 at%，但典型而言為1 at%以上。氮化矽含量可為0 at%～4 at%、0 at%～3 at%、0 at%～2 at%、1 at%～4 at%、1 at%～3 at%、及1 at%～2 at%中的任一種。
繼而，使用圖2對第二形態進行說明。圖2是第二形態的積層膜結構體的剖面示意圖。該積層膜結構體（1）包括：Si（111）基板（2）、設置在Si（111）基板（2）上的第一薄膜（3）、及設置在第一薄膜（3）上的第二薄膜（4）。另外，在第二形態中，在Si（111）基板（2）與第一薄膜（3）之間存在非晶質層（5）。但是，其厚度小於1.0 nm。即，非晶質層（5）的厚度大於0 nm且小於1.0 nm。
藉由如此般限定非晶質層（5）的厚度，即使存在非晶質層（5），亦可提高第一薄膜（3）及第二薄膜（4）的結晶性。與此相對，若非晶質層（5）過厚，則第一薄膜（3）的結晶配向不一致，成為多晶狀的薄膜。再者，非晶質層的材質並無特別限定。但是，典型而言包含二氧化矽、氮化矽及/或氧化鎂，更典型而言包含二氧化矽。另外，非晶質層（5）的厚度亦可為0.5 nm以上且小於1.0 nm。
在第二形態中，只要維持第一薄膜（3）的高結晶性，則在Si（111）基板（2）與第一薄膜（3）之間可存在非晶質層（5）以外的其他層。但是，較佳為不存在非晶質層（5）以外的其他層。另外，只要維持第二薄膜（4）的高結晶性，則第一薄膜（3）與第二薄膜之間亦可存在其他層。但是，較佳為不存在其他層，第二薄膜（4）與第一薄膜（3）直接接觸。
在第二形態中，較佳為距基板表面10 nm以內的氧含量為5 at%（原子%）以下。此處，氧含量是相對於矽、氧及氮的總量的氧量。另外，所謂距基板表面10 nm以內的氧含量，是距基板表面10 nm以內的區域、即包括非晶質層在內的部分的氧含量。該含有氧與第一形態的情況一樣，源自Si（111）基板表面的自然氧化膜。若使用以更近乎完全的狀態去除了自然氧化膜的Si（111）基板，距基板表面10 nm以內含有的氧量得到抑制，從而能夠進一步提高第一薄膜與第二薄膜的結晶性。氧含量更佳為4 at%以下，進而佳為3 at%以下。氧含量的下限可為0 at%，但典型而言為1 at%以上。氧含量可為0 at%～4 at%、0 at%～3 at%、1 at%～4 at%及1 at%～3 at%中的任一種。
在第二形態中，較佳為距基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%（原子%）以下。該氮化矽與第一形態的情況相同，源自在第一薄膜成膜步驟中使用的環境氣體。藉由抑制距基板表面10 nm以內的氮化矽量，能夠進一步提高第一薄膜與第二薄膜的結晶性。就結晶性的觀點而言，氮化矽量較佳為少。因此，氮化矽含量更佳為4 at%以下，進而佳為3 at%以下，特佳為2 at%以下。氮化矽含量的下限可為0 at%，但典型而言為1 at%以上。氮化矽含量可為0 at%～4 at%、0 at%～3 at%、0 at%～2 at%、1 at%～4 at%、1 at%～3 at%、及1 at%～2 at%中的任一種。
第一形態及第二形態均未限定構成第一薄膜及第二薄膜的材料的組合。構成第一薄膜與第二薄膜的材料可相同，或者亦可不同。另外，第一薄膜及/或第二薄膜可為單層，或者亦可包括多層。作為第一薄膜/第二薄膜的組合，可列舉：氮化鋁薄膜/氮化鎵薄膜、氮化鈦薄膜/氮化鎵薄膜、氮化鋁薄膜/氮化銦鎵薄膜、氮化鋁鎵薄膜/氮化鋁薄膜、氮化鋁鎵薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化銦鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鋁薄膜、鋁薄膜/氮化鋁薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鈦薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鋁薄膜/氮化銦鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鋁鎵薄膜/氮化鋁薄膜、鋁薄膜/氮化鋁鎵薄膜/氮化鎵薄膜，其中較佳為氮化鋁薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鎵薄膜、鋁薄膜/氮化鋁薄膜/氮化鎵薄膜的組合，特佳為氮化鋁薄膜/氮化鎵薄膜的組合。
特佳為第一薄膜是氮化鋁（AlN）薄膜，第二薄膜是氮化鎵（GaN）薄膜。氮化鎵（GaN）作為藍色發光二極體（LED）、藍色雷射二極體（LD）等發光元件、或功率器件等半導體元件的材料是有用的。藉由用氮化鎵（GaN）構成第二薄膜，可將積層膜結構體本身應用於發光元件或半導體元件等電子器件。另外，亦可將積層膜結構體作為基底基板，在其上進一步形成氮化鎵（GaN）。由於在積層膜結構體上形成的氮化鎵（GaN）磊晶成長，因此能夠製成具有良好特性的器件。
進而，藉由用氮化鋁（AlN）構成第一薄膜，可更進一步提高構成第二薄膜的氮化鎵（GaN）的結晶性。即，若在Si（111）基板上直接將氮化鎵（GaN）成膜，根據成膜條件，有時會發生矽（Si）與鎵（Ga）反應的現象，即、回熔蝕刻。與此相對，藉由在Si（111）基板上設置氮化鋁（AlN），能夠更進一步顯著地抑制回熔蝕刻。
積層膜結構體較佳為其最表面、例如第二薄膜的表面由六方晶氮化鎵層構成，該氮化鎵層的表面為鎵（Ga）極性。藉由使最表面為鎵（Ga）極性，在積層膜結構體上進一步形成氮化鎵（GaN）時，可抑制使器件製作變得困難的六邊形小面（facet）的形成。
[半導體元件及電子設備]
本實施方式的半導體元件包括所述積層膜結構體。另外，本實施方式的電子設備包括所述半導體元件。作為半導體元件，例如可例示藍色發光二極體（LED）或藍色雷射二極體（LD）等發光元件、二極體或電晶體等功率器件等。半導體元件以本實施方式的積層膜結構體為基底層，可包括在其上設置的包含氮化鎵（GaN）等氮化物系材料的薄膜及/或厚膜。另外，半導體元件或電子設備亦可包括積層膜結構體以外的其他功能零件。由於構成積層膜結構體的氮化物系薄膜的高結晶性，該半導體元件或電子設備顯示出良好的特性。
[積層膜結構體的製造方法]
本實施方式的積層膜結構體的製造方法不受限定。但是，可按照以下的方法較佳地製造。
本實施方式的積層膜結構體的製造方法包括以下的步驟：準備Si（111）基板的步驟（基板準備步驟）；將所述Si（111）基板浸漬在清洗液中的步驟（濕式蝕刻步驟）；在浸漬後的Si（111）基板上藉由濺射法形成第一薄膜的步驟（第一薄膜成膜步驟）；以及在第一薄膜上藉由濺射法形成第二薄膜的步驟（第二薄膜成膜步驟）。另外，在形成第一薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2
）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2
表示的濺射能量（Es）設為0.1 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下，在形成第二薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2
）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2
表示的濺射能量（Es）設為0.04 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下。以下對各步驟的詳細情況加以說明。
＜基板準備步驟＞
於基板準備步驟中，準備Si（111）基板。Si（111）基板的製造方法並無限定，可為藉由切克勞斯基（Czochraski，CZ）法或浮熔帶（floating zone，FZ）法製造者，或者亦可為在藉由該些方法製造的Si單結晶基板上使Si單結晶層磊晶成長的Si磊晶基板。另外，Si（111）基板可在其表面及/或內部包含給予體或接受體等摻雜劑元素、或者亦可不包含。
＜濕式蝕刻步驟＞
在濕式蝕刻步驟中，將準備的Si（111）基板浸漬在清洗液中。作為浸漬時使用的清洗液，可列舉氫氟酸水溶液、硫酸、鹽酸、過氧化氫、氫氧化銨、三氯乙烯、丙酮、甲醇、異丙醇等，其中較佳為氫氟酸水溶液。另外，於浸漬在清洗液中時，可併用超聲波清洗機。Si（111）基板一般在剛獲得的狀態下，污染物質或自然氧化膜覆蓋其表面。該自然氧化膜為非晶質，其厚度為1 nm～3 nm左右。若直接使用殘留有污染物質或自然氧化膜的Si（111）基板，則距基板表面10 nm以內的氧含量過度增大，第一薄膜與第二薄膜的結晶性有可能下降。因此，設置濕式蝕刻步驟，進行Si（111）基板表面的氧化膜的去除處理（清洗處理）。於使用氫氟酸水溶液作為清洗液的情況下，氫氟酸濃度較佳為5質量%～10質量%。藉由使氫氟酸濃度為5質量%以上，能夠將氫修飾於表面。另外，在超過10質量%的高濃度下，表面粗糙度有可能增大。
Si（111）基板的浸漬時間較佳為5秒～100秒。藉由將浸漬時間設為5秒以上，氧化膜的去除變得充分，在製造後的積層膜結構體中，能夠減小非晶質層的厚度。另外，藉由將浸漬時間設為100秒以下，能夠抑制蝕刻時的表面粗糙度的降低。浸漬時間亦可為20秒以上且100秒以下。藉此，可製作非晶質層厚度0 nm（不存在非晶質）的第一形態的積層膜結構體。浸漬時間亦可為5秒以上且小於20秒。藉此可製作非晶質層的厚度大於0 nm且小於1.0 nm的第二形態的積層膜結構體。
浸漬在清洗液中後，去除基板表面的殘留液滴。殘留液滴的去除可藉由使用氮氣的表面吹掃等方法進行。關於濕式蝕刻處理後的Si（111）基板，相當程度上去除了氧化膜且其表面平坦。處理後的Si（111）基板的算術平均粗糙度（Ra）為0.5 nm以下，較佳為0.3 nm以下。去除殘留液滴後，基板表面容易被環境中的雜質污染，因此較佳為不空出24小時以上的時間，進入第一薄膜成膜步驟。濕式蝕刻步驟結束後，可在5小時內轉移到第一薄膜成膜步驟，亦可在1小時以內轉移。
＜第一薄膜成膜步驟＞
在第一薄膜成膜步驟中，在浸漬後的Si（111）基板上，藉由濺射法形成第一薄膜。作為濺射法，採用公知的方法即可。作為此種公知的方法，可列舉：DC濺射法、RF濺射法、AC濺射法、DC磁控（Magnetron）濺射法、RF磁控濺射法、脈衝濺射法及離子束濺射法。但是，較佳為能夠大面積地均勻且高速地成膜的DC磁控濺射法或RF磁控濺射法。
作為濺射靶，可使用在氮化物系薄膜或鋁薄膜的成膜中使用的公知的靶。作為此種靶，可列舉金屬靶或氮化物系靶。另外，就提高膜整體的結晶性的觀點而言，濺射靶的氧量越低越較佳。氧含量較佳為3 at%（原子%）以下，進而佳為1 at%以下。而且靶面積越大，越能在大面積基板上成膜，同時膜厚或膜質的均勻性提高。因此，靶面積較佳為18 cm2
以上，更佳為100 cm2
以上。再者，靶面積是靶主面一方的面積。
在第一薄膜的成膜時，較佳為將即將成膜之前的成膜裝置內的到達真空度設為1×10-4
Pa以下，更佳設為7×10-5
Pa以下，更佳設為2×10-5
Pa以下，進而佳設為9×10-6
Pa以下，特佳設為5×10-6
Pa以下。藉由提高成膜前的裝置內的真空度，抑制成膜時殘留氣體變成雜質而混入堆積膜（氮化物系薄膜）中，其結果，堆積膜的結晶性進一步提高。為了去除殘留氣體，亦可對成膜前的裝置實施烘烤處理。另外，濺射成膜較佳為在加熱基板的狀態下進行。藉此，可促進堆積在基板上的粒子的遷移，形成穩定的結晶狀態的堆積膜。基板加熱溫度（成膜溫度）較佳為100℃～800℃，更佳為200℃～600℃。成膜溫度較佳為自低溫開始階段性地增加。另外，成膜初期的成膜溫度較佳為200℃～500℃。藉此，可抑制過度遷移而獲得平坦的膜。進而藉由階段性地在300℃～600℃下成膜，在500℃～800℃進而成膜，可兼顧平坦性與結晶性。
作為濺射時的導入氣體，可使用氮化物系薄膜成膜中使用的公知的氣體。作為此種氣體，可列舉氬（Ar）與氮（N2
）的混合氣體。另外，根據需要亦可導入氨等其他氣體。但是，較佳為在將第一薄膜成膜時，在成膜室內僅導入氬（Ar）氣體而形成膜厚3 nm～10 nm的薄膜，然後在成膜室內導入含有氮（N2
）的氣體而繼續進行成膜。例如，在使用金屬靶（金屬鋁靶等）進行成膜的情況下，在成膜初期僅導入氬（Ar）氣體，形成厚度1 nm～10 nm的金屬膜（鋁膜等）。然後，導入含氮（N2
）氣體（例如氮與氬的混合氣體）進行逐次成膜時，金屬膜被氮化而轉換為氮化物膜（氮化鋁膜等），並且在其上進一步堆積氮化物。藉此可獲得結晶性高且氮缺陷少的氮化物系薄膜（氮化鋁薄膜等）。與此相對，若在成膜初期導入含氮（N2
）氣體，則Si基板表面會被氮化，有時會形成非晶質的氮化矽。另外，即使在僅導入氬（Ar）氣體的情況下，若成膜初期的金屬膜的膜厚小於1 nm，由於逐次成膜時導入的氮（N2
），有時亦會在Si基板表面形成氮化矽。若在基板表面形成氮化矽，則有時會阻礙第一薄膜的異質磊晶成長。另一方面，若成膜初期的金屬膜的膜厚超過10 nm，則在逐次成膜時有時難以充分氮化金屬膜。因此，含氮氣體導入前的成膜初期的膜厚較佳為1 nm～10 nm。成膜初期的膜厚可為1 nm～5 nm。
形成第一薄膜時的濺射能量（Es）為0.1 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下。此處，濺射能量（Es）是濺射成膜時的濺射粒子的能量，由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2
）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2
定義。投入電力密度是指實際投入電力除以濺射靶面積時的每單位面積的投入能量。藉此，能夠形成結晶性高的第一薄膜。其詳細的理由不確定，但根據濺射能量（Es）的大小，到達基板的濺射粒子的附著力、濺射粒子在基板上遷移時的擴散長度及/或向已經堆積的膜中的侵入深度等濺射粒子的特性發生變化，藉此推測會對氮化物系薄膜的結晶性產生影響。Es可為0.5 W/cm2
Pa2
以上，可為1 W/cm2
Pa2
以上，可為2 W/cm2
Pa2
以上，可為5 W/cm2
Pa2
以上，可為10 W/cm2
Pa2
以上，可為15 W/cm2
Pa2
以上，可為20 W/cm2
Pa2
以上，可為25 W/cm2
Pa2
以上。另外，Es可為100 W/cm2
Pa2
以下，可為60 W/cm2
Pa2
以下，可為30 W/cm2
Pa2
以下，可為25 W/cm2
Pa2
以下，可為20 W/cm2
Pa2
以下，可為15 W/cm2
Pa2
以下，可為10 W/cm2
Pa2
以下。Es可為0.5 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～15 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～10 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～15 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～10 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～15 W/cm2
Pa2
、2 W/cm2
Pa2
～10 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
〜60 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～15 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～10 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
〜60 W/cm2
Pa2
、10 W/Cm2
Pa2
〜30 W/Cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～15 W/cm2
Pa2
、15 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、15 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、15 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、15 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、15 W/cm2
Pa2
～20 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～60 W/cm2
Pa2
、及25 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
中的任一者。
再者，於在成膜初期僅導入氬（Ar）氣體，在逐次成膜時導入含氮（N2
）氣體進行成膜的情況下，成膜初期及逐次成膜時的濺射能量（Es）可相同，或者亦可不同。
第一薄膜的膜厚較佳為20 nm以上。在第一薄膜的膜厚過薄的情況下，有時第一薄膜及第二薄膜的結晶性或積層膜結構體的表面平坦性差。因此，第一薄膜的膜厚理想的是在一定程度上厚。第一薄膜的膜厚可為30 nm以上，可為40 nm以上，可為50 nm以上，可為60 nm以上，可為70 nm以上，可為80 nm以上。膜厚可為90 nm以下，可為80 nm以下，可為70 nm以下，可為60 nm以下，可為50 nm以下。膜厚可為30 nm～90 nm、30 nm～80 nm、30 nm～70 nm、30 nm～60 nm、30 nm～50 nm、40 nm～90 nm、40 nm～80 nm、40 nm～70 nm、40 nm～60 nm、40 nm～50 nm、50 nm～90 nm、50 nm～80 nm、50 nm～70 nm、50 nm～60 nm、60 nm～90 nm、60 nm～80 nm、60 nm～70 nm、70 nm～90 nm、70 nm～80 nm及80 nm～90 nm中的任一個。
＜第二薄膜成膜步驟＞
在第二薄膜成膜步驟中，在第一薄膜上藉由濺射法形成第二薄膜。作為濺射法，較佳為能夠大面積地均勻且高速地成膜的DC磁控濺射法、脈衝濺射法、或RF磁控濺射法。另外，作為濺射靶，可使用在氮化物系薄膜的成膜中使用的公知的靶。但是，較佳為使用氮化物系靶（例如氮化鎵靶）。另外濺射靶的氧含量較佳為3 at%（原子%）以下，進而佳為1 at%以下。進而靶面積較佳為18 cm2
以上，更佳為100 cm2
以上。
濺射成膜與第一薄膜的成膜同樣，較佳為在加熱基板的狀態下進行。基板加熱溫度（成膜溫度）較佳為100℃～800℃，更佳為300℃～800℃。另外，作為濺射時的導入氣體，可使用氮化物系薄膜成膜中使用的公知的氣體。作為此種氣體，可列舉氬（Ar）及氮（N2
）的混合氣體。另外，根據需要亦可導入氨等其他氣體。
在形成第二薄膜時，使濺射能量（Es）為0.04 W/cm2
Pa2
以上且150 W/cm2
Pa2
以下。藉此，能夠形成結晶性高的第二薄膜。Es可為0.1 W/cm2
Pa2
以上、可為0.5 W/cm2
Pa2
以上、可為1 W/cm2
Pa2
以上、可為5 W/cm2
Pa2
以上、可為10 W/cm2
Pa2
以上、可為20 W/cm2
Pa2
以上、可為25 W/cm2
Pa2
以上、可為30 W/cm2
Pa2
以上。另外，Es可為100 W/cm2
Pa2
以下、可為70 W/cm2
Pa2
以下、可為35 W/cm2
Pa2
以下、可為30 W/cm2
Pa2
以下、可為25 W/cm2
Pa2
以下。Es可為0.1 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、0.1 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、0.1 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、0.1 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、0.1 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、0.5 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、1 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、5 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、10 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、20 W/cm2
Pa2
～25 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
、25 W/cm2
Pa2
～30 W/cm2
Pa2
、30 W/cm2
Pa2
～100 W/cm2
Pa2
、30 W/cm2
Pa2
～70 W/cm2
Pa2
、及30 W/cm2
Pa2
～35 W/cm2
Pa2
中的任一者。
根據需要，可設置在第二薄膜上進一步積層其他氮化物系薄膜的步驟。例如，可在用濺射法將氮化鎵系薄膜作為第二薄膜成膜後，進而在其上用MOCVD法形成氮化鎵系薄膜。
如此，製造本實施方式的積層膜結構體。
[實施例]
使用以下的實施例及比較例來進一步說明本發明。但是本發明並不限定於以下的實施例。
[例1]
如以下般進行例1的積層膜結構體的製作與評價。
（1）積層膜結構體的製作
＜準備步驟＞
作為Si基板準備了n型Si（111）基板（股份有限公司松崎製作所、偏角（Off-angle）：無）。該基板的直徑為50±0.5 mmϕ、厚度為425±25 μm、電阻率為1000 Ω·cm以上。
＜濕式蝕刻步驟＞
對準備的Si基板實施了濕式蝕刻處理（清洗處理）。首先，用超純水（關東化學股份有限公司、超純（Ultrapure）等級）稀釋氫氟酸（關東化學股份有限公司、Ultrapure等級），調製濃度為5質量%的稀釋氫氟酸水溶液。繼而，在調製的稀釋氫氟酸水溶液中浸漬Si基板30秒鐘，將該基板自氫氟酸水溶液中拉出。然後，吹送氮氣去除基板表面殘留的液滴。藉此獲得實施了清洗處理的Si基板（Ra：0.15 nm）。之後，不空出時間而進入第一薄膜的成膜步驟。
＜第一薄膜的成膜步驟＞
使用磁控濺射裝置，在實施了濕式蝕刻處理的Si基板上形成第一薄膜。首先，準備金屬鋁（Al）靶（純度99.99質量%）作為濺射靶。將Si基板與該靶一起配置在濺射裝置的成膜室內，進行了成膜室內的抽真空。在成膜室內的真空度（成膜前到達真空度）成為1.9×10-6
Pa後，開始成膜。
第一薄膜的成膜如以下般進行。首先，將導入成膜室內的氣體僅設為氬（流量：20 sccm），形成膜厚3 nm的薄膜。此時，將基板溫度設為300℃，將濺射能量（Es）設為20 W/cm2
Pa2
。然後，將導入氣體切換成氮（流量：3sccm）與氬（流量：17 sccm）的混合氣體，形成膜厚47 nm的薄膜。此時，將基板溫度設為750℃，將濺射能量（Es）設為5 W/cm2
Pa2
。藉此形成了膜厚50 nm的氮化鋁薄膜。
＜第二薄膜的成膜步驟＞
使用磁控濺射裝置，在成膜的第一薄膜（氮化鋁薄膜）上形成第二薄膜。首先，準備氮化鎵（GaN）靶（純度99.99質量%）作為濺射靶。將成膜了第一薄膜的Si基板與該靶一起配置在成膜室內。將向成膜室內導入的氣體設為氮（流量：10 sccm）與氬（流量：10 sccm）的混合氣體，在基板溫度750℃、濺射能量20 W/cm2
Pa2
的條件下進行成膜。藉此形成了膜厚50 nm的氮化鎵（GaN）薄膜。
如此，製作了在Si基板上設置有氮化鋁薄膜（第一薄膜）與氮化鎵薄膜（第二薄膜）的積層膜結構體。再者，將第一薄膜與第二薄膜的成膜條件亦分別示於表1～表3。
（2）評價
如以下般對獲得的積層膜結構體進行評價。
＜結構解析＞
進行Si基板與第一薄膜之間的解析，藉此檢查了非晶質層的有無及其厚度。解析是以如下方式來進行。首先，在積層膜結構體的表面設置碳塗層作為保護膜後，實施聚焦離子束（focused ion beam，FIB）加工，製作了觀察用試樣。繼而使用場發射型透射電子顯微鏡（（field emission-transmission electron microscope，FE-TEM）：日本電子股份有限公司製JEM-2100F）進行試樣的剖面觀察。此時，電子射線加速電壓設為200 kV。
＜氧量及氮化矽量＞
藉由X射線光電子光譜法（化學分析電子能譜法（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA）），測定了距含有非晶質層的Si基板10 nm以內的氧含量與氮化矽含量。在進行深度方向的分析時，藉由氬（Ar）單體離子對膜試樣進行離子研磨來進行測定。在測定中，使用O1s、N1s及Si2p的峰值面積計算出各元素（O、N、Si）的含量，以相對於矽（Si）、氧（O）及氮（N）的合計濃度的原子濃度計，定量了氧量及氮化矽量。再者，測定條件的詳細情況如下所示。
-X射線源：單色Al-Kα射線（25 W、15 kW）
-照射X射線直徑：100 μmϕ
-通能（Pass Energy）：93.9 eV（O1s、N1s）
11.75 eV（Si2p）
-步距（Step Size）：0.1 eV
＜薄膜的結晶性＞
使用X射線繞射裝置（布魯克（Bruker） AXS製、D8 DISCOVER）評價第一薄膜及第二薄膜的結晶性。分析在40 kV、40 mA的條件下，以高解析度（HIGH RESOLUTION）模式進行。另外，為了去除CuKα2，使用單色儀，執行了ω掃描。測定（0002）面的搖擺曲線，求出半值寬度（FWHM），以此作為薄膜結晶性的指標。再者，分析條件的詳細情況如下所示。
-射線源：CuKα射線（λ=0.15418 nm）
-單色儀：Ge（220）
-探測器（pathfinder）：Crystal3B
-測定模式：ω掃描
-測定間隔： 0.01°
（半高寬0.1°以下時為0.0005°）
-測量時間：0.5秒
-測定範圍：ω=0°～35°
＜氮化鎵薄膜的極性及結晶性＞
使用飛行時間型原子散射表面分析裝置（股份有限公司帕斯卡（PASCAL）、TOFLAS-3000）評價了氮化鎵薄膜的極性及結晶相。將積層膜結構體以其成膜面成為上表面的方式設置在裝置上，進行了測定。藉由將通過測定獲得的極點圖與通過類比獲得的至表層4層為止的各結晶相及極性的極點圖進行比較，判斷氮化鎵薄膜的極性及結晶相。再者，測定條件的詳細情況如下所示。
-探針 ：He（原子散射）
-能量 ：3 keV
-射束源-靶間距離：805 mm
-靶-檢測器間距離：395 mm
-分析室真空度：2×10-3
Pa以下
＜積層膜結構體的表面粗糙度＞
測定了積層膜結構體表面的算術平均粗糙度（Ra）。測定是使用掃描型探針顯微鏡（布魯克（Bruker） AXS，NanoScopeIIIa），以輕拍模式（Tapping Mode）AFM在2 μm×2 μm的視野下進行。
[例2及例3]
第一薄膜及第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例4]
在濕式蝕刻處理時將Si基板的浸漬時間設為5秒鐘，第一薄膜與第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例5]
第一氮化物系薄膜成膜時，針對初期以後的成膜，在500℃設為3 nm，在750℃設為44 nm，第二氮化物系薄膜的成膜條件如表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例6～例17]
第一薄膜及第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例18（比較）]
在濕式蝕刻處理時將Si基板的浸漬時間設為2秒鐘，第一薄膜與第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例19（比較）]
第一薄膜及第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例20（比較）]
濕式蝕刻處理後，在大氣環境下保管1天，再進行第一薄膜與第二薄膜的成膜。第一薄膜與第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
[例21～例25（比較）]
第一薄膜及第二薄膜的成膜條件如表1～表3所示。除此之外，與例1同樣地進行了積層膜結構體的製作及評價。
（3）結果
將針對例1～例25獲得的評價結果示於表4。再者，例1～例17為實施例，例18～例25為比較例。
如表4所示，作為實施例的例1～例17的樣品的非晶質層的厚度小至0.9 nm以下。另外，半值全寬（FWHM）小至0.98°以下，算術平均粗糙度（Ra）小至8.1 nm以下。藉此，在例1～例17中，成功地製作了高平坦、高結晶性且具有六方晶的Ga極性的氮化鎵薄膜（氮化物系薄膜）。
與此相對，作為比較例的例18～例20的樣品的非晶質層的厚度大至2.0 nm。因此半值全寬（FWHM）及算術平均粗糙度（Ra）大，結晶性及表面平坦性差。例如在Si基板的浸漬時間為2秒鐘的例18中，在Si基板與第一薄膜之間殘留2.0 nm被認為是自然氧化膜的非結晶質，而無法獲得所要求的特性的膜。於在氬及氮下進行10秒鐘成膜的例19中，在Si基板與第一薄膜之間殘留2.0 nm被認為是由氣體中雜質引起的氧化膜的非結晶質，無法獲得所要求的特性的膜。在第一薄膜成膜前在大氣環境下保管1天的例20亦同樣，殘留2.0 nm被認為是由大氣中雜質引起的自然氧化膜的非結晶質，而無法獲得所要求的特性的膜。在將形成第一薄膜、及第二薄膜時的濺射能量（Es）設為200 W/cm2
Pa2
的例21、或將第一薄膜的膜厚設為10 nm的例22中，無法獲得所要求的特性的膜。在將第一薄膜成膜前的到達真空度設為2.3×10-4
Pa的例23中，距Si基板表面10 nm以內的氧量多，無法獲得所要求的特性的膜。在將第一薄膜的濺射能量（Es）設為0.05 W/cm2
Pa2
的例24、或將第二薄膜的濺射能量（Es）設為0.03 W/cm2
Pa2
的例25中，無法獲得所要求的特性的膜。
[表1]
第一氮化物系薄膜的成膜條件
注1）「*」表示比較例。
| 成長初期 | |||||||
| 成膜前 到達真空度 （Pa） | 靶 | 濺射能量 Es（W/cm2 Pa2 ） | 導入氣體 | 基板溫度 （℃） | 膜厚 （nm） | ||
| 氮 （sccm） | 氬 （sccm） | ||||||
| 例1 | 1.9×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例2 | 2.3×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例3 | 1.8×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例4 | 2.4×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例5 | 2.1×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例6 | 5.1×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 300 | 1.5 |
| 例7 | 2.2×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例8 | 2.1×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例9 | 2.0×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例10 | 1.8×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例11 | 2.6×10-6 | Al | 10 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例12 | 9.3×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例13 | 9.6×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例14 | 9.6×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例15 | 9.2×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例16 | 9.1×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例17 | 6.0×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 500 | 1.5 |
| 例18* | 1.9×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例19* | 2.1×10-6 | Al | 20 | 12 | 28 | 300 | 3 |
| 例20* | 8.0×10-5 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例21* | 2.4×10-6 | Al | 200 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例22* | 2.2×10-6 | Al | 20 | 0 | 20 | 300 | 3 |
| 例23* | 2.3×10-4 | Al | 30 | 0 | 20 | 300 | 1.5 |
| 例24* | 2.2×10-6 | Al | 0.05 | 0 | 20 | 300 | 1.5 |
| 例25* | 2.7×10-6 | Al | 30 | 0 | 20 | 300 | 1.5 |
[表2]
第一氮化物系薄膜的成膜條件（續）
注1）「*」表示比較例。
| 初期以後 | |||||
| 濺射能量 Es（W/cm2 Pa2 ） | 導入氣體 | 基板溫度 （℃） | 膜厚 （nm） | ||
| 氮 （sccm） | 氬 （sccm） | ||||
| 例1 | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例2 | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例3 | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例4 | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例5 | 5 | 3 | 17 | 500→750 | 3+44 |
| 例6 | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例7 | 20 | 3 | 17 | 500→750 | 3+44 |
| 例8 | 20 | 4 | 16 | 500→750 | 3+44 |
| 例9 | 20 | 6 | 14 | 500→750 | 3+44 |
| 例10 | 20 | 3 | 17 | 500→750 | 3+44 |
| 例11 | 10 | 3 | 17 | 500→750 | 3+44 |
| 例12 | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例13 | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例14 | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例15 | 30 | 4 | 16 | 750 | 45 |
| 例16 | 30 | 4 | 16 | 750 | 45 |
| 例17 | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例18 * | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例19* | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例20* | 5 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例21* | 200 | 3 | 17 | 750 | 47 |
| 例22* | 5 | 3 | 17 | 750 | 10 |
| 例23* | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例24* | 0.05 | 4 | 16 | 750 | 90 |
| 例25* | 30 | 4 | 16 | 750 | 90 |
[表3]
第二氮化物系薄膜的成膜條件
注1）「*」表示比較例。
| \ | 靶 | 濺射能量 Es（W/cm2 Pa2 ） | 導入氣體 | 基板溫度 （℃） | 膜厚 （nm） | |
| 氮 （sccm） | 氬 （sccm） | |||||
| 例1 | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 50 |
| 例2 | GaN | 20 | 6 | 14 | 750 | 50 |
| 例3 | GaN | 20 | 30 | 0 | 800 | 30 |
| 例4 | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例5 | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 50 |
| 例6 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例7 | GaN | 32 | 6 | 14 | 750 | 35 |
| 例8 | GaN | 32 | 6 | 14 | 750 | 35 |
| 例9 | GaN | 32 | 6 | 14 | 750 | 35 |
| 例10 | GaN | 32 | 6 | 14 | 750 | 35 |
| 例11 | GaN | 32 | 6 | 14 | 750 | 35 |
| 例12 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例13 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例14 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例15 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 135 |
| 例16 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 135 |
| 例17 | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例18* | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例19* | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例20* | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例21* | GaN | 200 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例22* | GaN | 20 | 10 | 10 | 750 | 30 |
| 例23* | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例24* | GaN | 32 | 4 | 16 | 750 | 70 |
| 例25* | GaN | 0. 03 | 4 | 16 | 750 | 70 |
[表4]
積層膜結構體的評價結果
| 非晶質層厚度 （nm） | 氧量注 2 (at%) | 氮化矽量注 3 (at%) | 算術平均粗糙度 Ra (nm) | 結晶相、極性 | FWHM （°） | |
| 例1 | 0 | 4 | 3 | 0.91 | 六方晶、Ga極性 | 0.84 |
| 例2 | 0 | 3 | 2 | 0.78 | 六方晶、Ga極性 | 0.71 |
| 例3 | 0 | 3 | 3 | 0.81 | 六方晶、Ga極性 | 0.95 |
| 例4 | 0.8 | 5 | 2 | 0.93 | 六方晶、Ga極性 | 0.98 |
| 例5 | 0 | 2 | 2 | 0.71 | 六方晶、Ga極性 | 0.071 |
| 例6 | 0.2 | 4 | 2 | 5.7 | 六方晶、Ga極性 | 0.81 |
| 例7 | 0 | 3 | 3 | 2.2 | 六方晶、Ga極性 | 0.062 |
| 例8 | 0 | 4 | 3 | 4.2 | 六方晶、Ga極性 | 0.068 |
| 例9 | 0 | 2 | 2 | 4.3 | 六方晶、Ga極性 | 0.062 |
| 例10 | 0 | 3 | 2 | 4.5 | 六方晶、Ga極性 | 0.052 |
| 例11 | 0 | 5 | 2 | 4.5 | 六方晶、Ga極性 | 0.71 |
| 例12 | 0 | 3 | 2 | 2.7 | 六方晶、Ga極性 | 0.65 |
| 例13 | 0 | 2 | 3 | 4.6 | 六方晶、Ga極性 | 0.78 |
| 例14 | 0.9 | 3 | 3 | 8.1 | 六方晶、Ga極性 | 0.74 |
| 例15 | 0.2 | 4 | 2 | 7.5 | 六方晶、Ga極性 | 0.60 |
| 例16 | 0.5 | 3 | 3 | 7.8 | 六方晶、Ga極性 | 0.65 |
| 例17 | 0.1 | 2 | 3 | 5.4 | 六方晶、Ga極性 | 0.80 |
| 例18* | 2.0 | 7 | 2 | 3.2 | 六方晶、Ga極性 | 2.1 |
| 例19* | 2.0 | 3 | 9 | 2.8 | 六方晶、Ga極性 | 2.3 |
| 例2 0* | 2.0 | 8 | 3 | 3.1 | 六方晶、Ga極性 | 2.9 |
| 例21* | 0 | 3 | 3 | 2.1 | 六方晶、Ga極性 | 1.9 |
| 例22* | 0 | 4 | 2 | 3.6 | 六方晶、Ga極性 | 3.1 |
| 例23* | 1.0 | 10 | 4 | 11.4 | 六方晶、Ga極性 | 2.0 |
| 例24* | 0.5 | 3 | 2 | 9.4 | 六方晶、Ga極性 | 2.7 |
| 例25* | 0 | 3 | 3 | 14.2 | 六方晶、Ga極性 | 3.2 |
| 注1）「*」表示比較例。 注2）是距Si基板表面10 nm以內的氧量/非晶質層及距Si基板表面10 nm以內的氧量。 注3）是距Si基板表面10 nm以內的氮化矽量/非晶質層及距Si基板表面10 nm以內的氮化矽量。 |
1:積層膜結構體
2:Si（111）基板
3:第一薄膜
4:第二薄膜
5:非晶質層
圖1表示積層膜結構體的剖面示意圖的一例。
圖2表示積層膜結構體的剖面示意圖的另一例。
1:積層膜結構體
2:Si(111)基板
3:第一薄膜
4:第二薄膜
Claims (15)
- 一種積層膜結構體，包括： Si（111）基板； 第一薄膜，設置在所述Si（111）基板上，包含氮化物系材料及/或鋁；以及 第二薄膜，設置在所述第一薄膜上，包含氮化物系材料，且 所述積層膜結構體中，於所述Si（111）基板上存在厚度為0 nm以上且小於1.0 nm的非晶質層，所述積層膜結構體表面的（0002）面的搖擺曲線的半值寬度（FWHM）為1.50°以下。
- 如請求項1所述的積層膜結構體，其中所述非晶質層的厚度為0 nm，所述第一薄膜不經由其他層而與所述Si（111）基板直接接觸。
- 如請求項2所述的積層膜結構體，其中距所述Si（111）基板表面10 nm以內的氧含量為5 at%以下。
- 如請求項2所述的積層膜結構體，其中距所述Si（111）基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%以下。
- 如請求項1所述的積層膜結構體，其中所述非晶質層的厚度大於0 nm且小於1.0 nm。
- 如請求項5所述的積層膜結構體，其中距所述Si（111）基板表面10 nm以內的氮化矽含量為5 at%以下。
- 如請求項1所述的積層膜結構體，其中所述積層膜結構體的表面的算術平均粗糙度（Ra）為10.0 nm以下。
- 如請求項1所述的積層膜結構體，其中所述第一薄膜是氮化鋁薄膜，所述第二薄膜是氮化鎵薄膜。
- 如請求項1至請求項8中任一項所述的積層膜結構體，其中所述積層膜結構體的最表面由六方晶氮化鎵層構成，所述氮化鎵層的表面為鎵（Ga）極性。
- 一種半導體元件，包括如請求項1至請求項9中任一項所述的積層膜結構體。
- 一種電子設備，包括如請求項10所述的半導體元件。
- 一種方法，是如請求項1至請求項9中任一項所述的積層膜結構體的製造方法，其包括以下的步驟： 準備Si（111）基板的步驟； 將所述Si（111）基板浸漬在清洗液中的步驟； 在浸漬後的所述Si（111）基板上藉由濺射法形成第一薄膜的步驟；以及 在所述第一薄膜上藉由濺射法形成第二薄膜的步驟，且 在形成所述第一薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2 ）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2 表示的濺射能量（Es）設為0.1 W/cm2 Pa2 以上且150 W/cm2 Pa2 以下， 在形成所述第二薄膜時，將由式：Es=[投入電力密度（單位：W/cm2 ）]/[導入氣體壓力（單位：Pa）]2 表示的濺射能量（Es）設為0.04 W/cm2 Pa2 以上且150 W/cm2 Pa2 以下。
- 如請求項12所述的方法，其中在形成所述第一薄膜時，將即將成膜之前的成膜裝置內的真空度設為1×10-4 Pa以下。
- 如請求項12所述的方法，其中在形成所述第一薄膜時，向成膜室內僅導入氬氣而形成膜厚1 nm～10 nm的薄膜，然後向成膜室內導入含氮的氣體而繼續進行成膜。
- 如請求項12至請求項14中任一項所述的方法，其中所述第一薄膜的膜厚為20 nm以上。
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