WO2023058706A1 - 積層体及びその製造方法 - Google Patents

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WO2023058706A1
WO2023058706A1 PCT/JP2022/037383 JP2022037383W WO2023058706A1 WO 2023058706 A1 WO2023058706 A1 WO 2023058706A1 JP 2022037383 W JP2022037383 W JP 2022037383W WO 2023058706 A1 WO2023058706 A1 WO 2023058706A1
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film
oxygen
laminate
nitride film
substrate
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祐也 末本
義弘 上岡
雅実 召田
貴弘 長田
リウエン サン
豊裕 知京
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東ソー株式会社
国立研究開発法人物質・材料研究機構
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    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
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    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • H01L21/2003—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate
    • H01L21/2015—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate the substrate being of crystalline semiconductor material, e.g. lattice adaptation, heteroepitaxy

Definitions

  • the present disclosure relates to a laminate including a nitride film and a silicon substrate, and a manufacturing method thereof.
  • Nitride films such as gallium nitride (GaN) exhibit excellent semiconductor properties. Therefore, laminates including a substrate and a nitride film are being studied for application as electronic devices such as blue light emitting diodes (LEDs) and blue laser diodes (LDs). In recent years, with the development of further applications such as power devices, laminates made of silicon substrates, which are inexpensive substrates, and which are provided with highly crystalline nitride films have been studied.
  • LEDs blue light emitting diodes
  • LDs blue laser diodes
  • a nitride film is deposited on a substrate by a deposition method such as a metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a sputtering method.
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • a sputtering method Since the formation of a highly crystalline nitride film by the MOCVD method requires a substrate temperature of about 1000° C., the reaction between the silicon substrate and a nitride film precursor such as gallium during the film formation, that is, the so-called meltback. etching occurs. Therefore, it is very difficult to form a highly crystalline nitride film on a silicon substrate by the MOCVD method.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Document 1
  • the crystallinity of gallium nitride can be increased by providing a film (first thin film) made of a nitride-based material and/or aluminum between a silicon substrate and a gallium nitride film.
  • a film first thin film
  • the present disclosure provides a laminate made of a silicon substrate with gallium nitride having higher crystallinity than a conventional laminate made of a silicon substrate with gallium nitride, a method for manufacturing the same, a semiconductor device including the same, and the same.
  • An object of the present invention is to provide at least one of electronic equipment including a semiconductor element.
  • the present inventors have found a laminate obtained by laminating a gallium nitride film on a silicon substrate, which is suitable for applications such as power devices, and more specifically, a laminate obtained by laminating a film on a silicon substrate, wherein gallium nitride We investigated those with a membrane.
  • gallium nitride we investigated those with a membrane.
  • the gallium nitride film formed on the outermost surface of the laminate has a highly oriented Ga polarity. It was found that the crystallinity of the film was improved. That is, the present invention is as described in the claims, and the gist of the present disclosure is as follows.
  • a laminate characterized by having a structure in which a Si (111) substrate, an oxygen-containing aluminum nitride film, and a gallium nitride film are laminated.
  • a semiconductor device including the laminate according to any one of [1] to [8] above.
  • a method for manufacturing a laminate comprising: a structure in which a Si (111) substrate, an oxygen-containing aluminum nitride film, and a gallium nitride film are laminated.
  • the deposition method in the GaN deposition step is a sputtering method with a sputtering energy of 0.01 W/cm 2 Pa 2 or more and 150 W/cm 2 Pa 2 or less.
  • the manufacturing method according to one.
  • the present disclosure provides a laminate made of a silicon substrate with gallium nitride having higher crystallinity than a conventional laminate made of a silicon substrate with gallium nitride, a method for manufacturing the same, and a semiconductor device comprising the same , and an electronic device including the semiconductor device.
  • a laminate of the present disclosure will be described by showing an example of an embodiment.
  • the laminate of this embodiment is a laminate characterized by having a structure in which a Si (111) substrate, an oxygen-containing aluminum nitride film, and a gallium nitride film are laminated.
  • the Si(111) substrate in the laminate of this embodiment is a silicon substrate, further a single crystal silicon substrate.
  • One or more silicon substrates selected from the group consisting of Si (100) substrates, Si (110) substrates, and Si (111) substrates are known, depending on the crystal plane orientation of silicon.
  • a silicon substrate having any arbitrary crystal plane orientation can be used depending on the intended use. It has a Si(111) substrate.
  • the Si(111) substrate in the laminate of this embodiment may be a silicon substrate containing a dopant element, or may be at least one of n-type and p-type silicon substrates.
  • the laminate of this embodiment has a structure in which a Si(111) substrate and an oxygen-containing aluminum nitride film are laminated.
  • a gallium nitride film with higher orientation is formed than when gallium nitride is deposited on a Si (111) substrate on which only a nitride film that does not substantially contain oxygen, such as an aluminum nitride film, is laminated. be done.
  • an “oxygen-containing aluminum nitride film” (hereinafter also referred to as an “oxygen-containing AlN film”)” has a crystal structure of aluminum nitride (AlN) and is at least partially substituted with oxygen. It is a film of aluminum nitride. That is, the composition of the oxygen-containing AlN film has a composition that deviates from the stoichiometric ratio of AlN, and the molar ratio of nitrogen (N) to aluminum (Al) is less than 1.0 (N/Al ⁇ 1.0). , is.
  • the oxygen content of the oxygen-containing AlN film is preferably 5 ⁇ 10 20 atoms/cc or more or 7 ⁇ 10 20 atoms/cc or more. This makes it easier to control the crystallinity of GaN during film formation.
  • the oxygen content need not be unnecessarily high, and is, for example, 5 ⁇ 10 21 atoms/cc or less or 3 ⁇ 10 21 atoms/cc or less.
  • the film thickness of the oxygen-containing AlN film is preferably less than 20 nm, 15 nm or less, or 10 nm or less. When the film thickness is less than 20 nm, the polarity of the gallium nitride becomes the Ga polarity when the gallium nitride film is formed, and the crystallinity tends to be higher.
  • the thickness of the oxygen-containing AlN film may be 0.1 nm or more or 1.0 nm or more.
  • the thickness of the oxygen-containing AlN film is preferably 2.0 nm or more or 5.0 nm or more because the surface of the layered product of the present embodiment is likely to be smoother.
  • the oxygen-containing AlN film is preferably a thin film (oxygen-containing AlN thin film), more preferably a sputtered film.
  • the oxygen-containing AlN film may be stacked on the Si(111) substrate with an aluminum film (described later) interposed therebetween. Furthermore, it is preferable that the oxygen-containing AlN film is laminated adjacent to the Si(111) film.
  • the laminate of this embodiment has a structure in which a Si(111) substrate, an oxygen-containing AlN film, and a gallium nitride film (hereinafter also referred to as "GaN film”) are laminated.
  • GaN film Lamination of an oxygen-containing AlN film and a gallium nitride film, preferably lamination of a gallium nitride film on a laminate having a structure in which an oxygen-containing AlN film and a Si(111) substrate are laminated, constitutes the GaN film.
  • Gallium nitride (GaN) becomes highly crystalline and preferably the surface of the GaN film becomes Ga-polar.
  • the "gallium nitride film” is a film that has a gallium nitride crystal structure and is made of a compound containing gallium and nitrogen, and is preferably made of gallium nitride with a hexagonal crystal structure. Further, the gallium nitride film is preferably composed of (0002) epitaxially grown gallium nitride. In this embodiment, the (0002) epitaxial growth can be confirmed by the fact that the gallium nitride is Ga-polar or N-polar.
  • the film thickness of the GaN film is preferably 10 nm or more, 30 nm or more, or 50 nm or more. Also, the thickness of the GaN film can be exemplified by 1000 nm or less, 500 nm or less, 300 nm or less, or 100 nm or less.
  • the GaN film is preferably a thin film (GaN thin film), more preferably a sputtered film.
  • the GaN film may be stacked on the oxygen-containing AlN film with an aluminum nitride film (described later) interposed therebetween. Furthermore, it is preferable that the GaN film is laminated adjacent to the oxygen-containing Al film.
  • the laminate of the present embodiment includes at least one of an aluminum nitride film (hereinafter also referred to as "AlN film”) and an aluminum film (hereinafter also referred to as "Al film”).
  • AlN film an aluminum nitride film
  • Al film an aluminum film
  • the AlN film is an aluminum nitride film that has a crystal structure of aluminum nitride and is not substituted with oxygen.
  • the composition of the AlN film may deviate from the stoichiometric ratio of AlN, and the Al:N molar ratio may not be 1:1.
  • AlN is substantially free of oxygen. It can be exemplified that the oxygen content of the AlN film (AlN film other than the AlN oxide film) is less than 5 ⁇ 10 20 atoms/cc, further 7 ⁇ 10 20 atoms/cc or less.
  • the thickness of the AlN film is arbitrary, it can be exemplified by being 0.1 nm or more or 1.0 nm or more, or being less than 20 nm, 15 nm or less, or 10 nm or less.
  • the AlN film is preferably laminated on the oxygen-containing AlN film.
  • the Al film is a film made of metal aluminum.
  • the Al film is preferably laminated on the Si(111) substrate.
  • the laminate of the present embodiment is a laminate in which a Si (111) substrate, an oxygen-containing AlN film, and a gallium nitride film are laminated, which is regarded as a substrate-film laminate, and further a laminated film structure.
  • the Si(111) substrate, the oxygen-containing AlN film, and the GaN film are preferably laminated in this order, and the oxygen-containing AlN film is laminated adjacent to the Si(111) substrate.
  • various films may be sequentially laminated on a Si(111) substrate, and the surface of the laminate (further, the surface facing the Si(111) substrate; the outermost surface) is GaN Any film may be used.
  • a plurality of oxygen-containing AlN films and GaN films may be laminated on the Si(111) substrate.
  • the laminate of this embodiment will be described below based on the configuration shown in the following diagrams.
  • the thicknesses (film thicknesses) of the Si (111) substrate, the oxygen-containing AlN film, the GaN film, the AlN film, and the Al film are schematically shown to be approximately the same thickness. can be of different thickness
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of the laminate of this embodiment.
  • a laminate (100) is a laminate having a structure in which a Si (111) substrate (10), an oxygen-containing AlN film (11), and a GaN film (12) are laminated.
  • an oxygen-containing AlN film (11) is laminated on a Si (111) substrate (10), and a GaN film (12) is laminated on the oxygen-containing AlN film (11).
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a laminate of another embodiment.
  • the laminate (200) has a structure in which a Si (111) substrate (20), two layers of oxygen-containing AlN films (21a, 21b), and two layers of GaN films (22a, 22b) are laminated. is.
  • a laminated body (200) has an oxygen-containing AlN film (21a) laminated on a Si (111) substrate (20), a GaN film (22a) laminated on the oxygen-containing AlN film (21a), and an oxygen-containing AlN film (21a).
  • (21b) is laminated on the GaN film (22a), and the GaN film (22b) is laminated on the oxygen-containing AlN film (21b).
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of a laminate of another embodiment.
  • a laminate (300) is a laminate having a structure in which a Si (111) substrate (30), an oxygen-containing AlN film (31), a GaN film (32), and an Al film (33) are laminated.
  • the laminate (300) comprises an Al film (33) laminated on a Si (111) substrate (30), an oxygen-containing AlN film (31) laminated on the Al film (33), and a GaN film (32). It is laminated on the oxygen-containing AlN film (31). By laminating the oxygen-containing AlN film on the Al film in this manner, the Ga-polar GaN film is easily grown.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of a laminate of another embodiment.
  • a laminate (400) is a laminate having a structure in which a Si (111) substrate (40), an oxygen-containing AlN film (41), an AlN film (44), and a GaN film (42) are laminated.
  • an oxygen-containing AlN film (41) is laminated on a Si (111) substrate (40)
  • an AlN film (44) is laminated on the oxygen-containing AlN film (41)
  • a GaN film (42) is laminated.
  • ) are stacked on the AlN film (44). Even if the GaN film is not directly laminated on the oxygen-containing AlN film, the structure in which the AlN film is laminated on the oxygen-containing AlN film makes it possible to form a highly crystalline GaN film.
  • the laminated body of this embodiment can be used as a semiconductor element provided with this. Furthermore, the semiconductor device of this embodiment can be used as an electronic device including it.
  • a semiconductor device comprising the laminate of the present embodiment can be used for known semiconductor device applications, and is preferably a light-emitting device or a power device. or, more preferably, it can be used as a power device.
  • light-emitting elements include at least one of blue light-emitting diodes (LEDs) and blue laser diodes (LDs).
  • LEDs blue light-emitting diodes
  • LDs blue laser diodes
  • use as a semiconductor element used for control and supply of electric energy, such as at least one of a diode and a transistor can be exemplified as a power device.
  • the semiconductor device of this embodiment may have a structure in which the laminate of this embodiment is provided as a base layer and a nitride film such as gallium nitride (GaN) is provided on the laminate.
  • a nitride film such as gallium nitride (GaN) is provided on the laminate.
  • the laminate of the present embodiment can be produced by any method as long as a laminate that satisfies the configuration can be obtained.
  • a preferable manufacturing method of the manufacturing method of the present embodiment (hereinafter also referred to as "manufacturing method of the present embodiment"), an AlN film forming step of forming an aluminum nitride film on a Si (111) substrate to obtain a Si substrate provided with an aluminum nitride film; an oxidation step of treating the Si substrate provided with the aluminum nitride film in an oxidizing atmosphere to obtain a Si substrate provided with the oxygen-containing aluminum nitride film; a GaN deposition step of depositing a gallium nitride film on the Si substrate provided with the oxygen-containing aluminum nitride film; and a method for manufacturing a laminate, characterized by having a structure in which a Si (111) substrate, an oxygen-containing aluminum nitride film, and a gallium nitride film are laminate
  • an AlN film is formed on a Si (111) substrate to obtain a Si substrate provided with an AlN film.
  • the Si (111) substrate to be subjected to the AlN film formation step may be a known Si (111) substrate, and the surface roughness (Ra) is 0.5 nm or less, and further a Si (111) substrate of 0.3 nm or less.
  • Known Si (111) substrates include, for example, Si (111) substrates manufactured by the Czochralski (CZ) method or floating zone (FZ) method, and Si single crystal layers epitaxially grown on Si single crystal substrates. Si (111) substrate, and the like.
  • the manufacturing method of the present embodiment may have a cleaning step for cleaning the Si (111) substrate prior to the AlN film forming step.
  • the cleaning may be any known cleaning method capable of removing impurities from the Si(111) substrate, and examples thereof include a cleaning method in which the Si(111) substrate is immersed in a cleaning liquid, ie, so-called wet edging.
  • the cleaning liquid is preferably one or more selected from the group consisting of an aqueous hydrofluoric acid solution, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrogen peroxide, ammonium hydroxide, trichlorethylene, acetone, methanol and isopropanol, and more preferably an aqueous hydrofluoric acid solution.
  • the cleaning liquid is a hydrofluoric acid aqueous solution having a hydrofluoric acid concentration of 5% by mass or more and 10% by mass or less. is more preferable.
  • the Si(111) substrate may be placed in the cleaning liquid so that the substrate is immersed in the cleaning liquid.
  • the immersion may be performed in at least one of a stationary state and a stirring state, and may be immersion in a state of stirring by ultrasonic vibration using an ultrasonic washing machine or the like.
  • the immersion time may be appropriately adjusted according to the type and concentration of the cleaning liquid, and may be, for example, 5 seconds or more and 100 seconds or less.
  • the Si (111) substrate after cleaning may be cleaned by any method to remove the remaining cleaning liquid.
  • the method for removing the cleaning liquid is arbitrary, it may be removed by blowing an inert gas (for example, at least one of nitrogen gas and argon gas) onto the Si(111) substrate.
  • an AlN film is formed on a Si(111) substrate.
  • the film formation method is preferably a sputtering method.
  • Specific sputtering methods include one or more selected from the group of DC sputtering, RF sputtering, AC sputtering, DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, pulse sputtering and ion beam sputtering.
  • the sputtering method is preferably at least one of DC magnetron sputtering method and RF magnetron sputtering method, and more preferably DC magnetron sputtering method, because it is possible to form a film on a substrate having a large area in a short time.
  • a known target used for forming an AlN film may be used as a sputtering target (hereinafter also simply referred to as "target") in the sputtering method.
  • targets include one or more selected from the group of aluminum targets and aluminum nitride targets, preferably aluminum targets.
  • the target preferably has a low oxygen content, and the oxygen content of the target is preferably 3 at% (atomic %) or less, more preferably 1 at% or less. It can be exemplified that the oxygen content of the target is 0.1 at % or more.
  • the area of the sputtering surface of the target is more preferably 18 cm 2 or more because the uniformity of the film thickness and film quality of the resulting AlN film tends to improve.
  • the "sputtering surface” is a surface that faces an object to be deposited, such as a base material, during sputtering and that is in contact with plasmatized atmospheric gas.
  • the sputtering is performed at an ultimate vacuum degree of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less, 7 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, 2 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, 9 ⁇ 10 ⁇ It is preferred to start in a vacuum atmosphere of 6 Pa or less or 5 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa or less.
  • the substrate temperature that is, the temperature of the substrate in sputtering, is 100° C. or higher or 600° C. or higher, and preferably 800° C. or lower or 700° C. or lower.
  • the sputtering time varies depending on the sputtering apparatus used, it is preferable that the thickness of the resulting AlN film is 4 nm or more and 20 nm or less.
  • the film thickness of the obtained AlN film is measured by sputtering for an arbitrary time, and the sputtering time required for forming a unit film thickness (nm) is obtained.
  • the sputtering time should be set so that the
  • the sputtering atmosphere may be any known atmosphere applied to sputtering of an AlN film, and includes one or more selected from the group consisting of an argon atmosphere, a nitrogen atmosphere, and an argon and nitrogen atmosphere.
  • the introduction gas for forming such a sputtering atmosphere may be any known gas used for forming an AlN film. Examples of the introduced gas include a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ), at least one of nitrogen gas, and a mixed gas of argon and nitrogen.
  • other gases such as oxygen gas and ammonia may be introduced as necessary.
  • a preferable sputtering method is a method of forming an Al film having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less in an argon atmosphere, and then nitriding the Al film and forming an AlN film in a nitrogen-containing atmosphere. This makes it easier to obtain an AlN film with high crystallinity.
  • a sputtering method with a sputtering energy of 0.01 W/cm 2 Pa 2 or more and 150 W/cm 2 Pa 2 or less can be used.
  • Sputtering energy is preferably 0.1 W/cm 2 Pa 2 or more, 0.5 W/cm 2 Pa 2 or more, 1 W/cm 2 Pa 2 or more, or 2 W/cm 2 Pa 2 or more, and is preferably 100 W/cm 2 Pa or more. 2 Pa 2 or less, 60 W/cm 2 Pa 2 or less, or 30 W/cm 2 Pa 2 or less.
  • the sputtering energy (Es) is the energy of sputtered particles during sputtering, and can be obtained from the following formula.
  • Es [input power density (unit: W/cm 2 )] /[introduced gas pressure (unit: Pa)] 2
  • the input power density in the above formula is the input energy per unit area of the sputtering surface obtained by dividing the actual input power by the area of the sputtering surface.
  • the sputtering device Prior to sputtering, the sputtering device may be baked in order to remove residual gas remaining in the sputtering device.
  • the Si(111) substrate provided with the aluminum nitride film is treated in an oxidizing atmosphere to obtain a Si(111) substrate provided with the oxygen-containing aluminum nitride film.
  • the treatment in an oxidizing atmosphere may be performed under conditions where the aluminum nitride film partially takes in oxygen.
  • Such treatments include exposure to an atmospheric atmosphere.
  • the exposure time is arbitrary, but 10 seconds or more and 5 minutes or less can be exemplified.
  • the obtained laminate may be subjected to the AlN film formation step prior to the GaN film formation step.
  • GaN film formation process In the GaN film forming step, a GaN film is formed on the Si(111) substrate provided with the oxygen-containing AlN film.
  • the film formation method is preferably a sputtering method.
  • Specific sputtering methods include one or more selected from the group of DC sputtering, RF sputtering, AC sputtering, DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, pulse sputtering, and ion beam sputtering.
  • the sputtering method is preferably at least one of DC magnetron sputtering method and RF magnetron sputtering method, and more preferably DC magnetron sputtering method, because it is possible to form a film on a substrate having a large area in a short time.
  • a known target used for forming a GaN film may be used as the target.
  • Such targets include one or more selected from the group of gallium targets and gallium nitride targets, preferably GaN targets.
  • the target preferably has a low oxygen content, and the oxygen content of the target is preferably 3 at% (atomic %) or less, more preferably 1 at% or less. It can be exemplified that the oxygen content of the target is 0.1 at % or more.
  • the area of the sputtering surface of the target is more preferably 18 cm 2 or more because the resulting GaN film tends to have improved uniformity in film thickness and film quality.
  • the "sputtering surface” is a surface that faces an object to be deposited, such as a base material, during sputtering and that is in contact with plasmatized atmospheric gas.
  • the sputtering is performed at an ultimate vacuum degree of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less, 7 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, 2 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, 9 ⁇ 10 ⁇ It is preferable to carry out at 6 Pa or less or 5 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa or less.
  • the substrate temperature that is, the temperature of the substrate during sputtering, is 100° C. or higher or 600° C. or higher, and preferably 800° C. or lower or 700° C. or lower.
  • the resulting film is smooth and tends to have high crystallinity.
  • the sputtering time varies depending on the sputtering apparatus used, but may be any time that allows the resulting GaN film to have a desired thickness, for example, 5 seconds or more and 1200 minutes or less.
  • the sputtering atmosphere may be any known atmosphere applied to sputtering of a GaN film, and includes one or more selected from the group consisting of an argon atmosphere, a nitrogen atmosphere, and an argon and nitrogen atmosphere.
  • the introduced gas for forming such a sputtering atmosphere may be any known gas used for forming a GaN film. Examples of the introduced gas include a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ), at least one of nitrogen gas, and a mixed gas of argon and nitrogen. In addition, other gases such as oxygen gas and ammonia may be introduced as necessary.
  • a sputtering method with a sputtering energy of 0.01 W/cm 2 Pa 2 or more and 150 W/cm 2 Pa 2 or less can be used.
  • Sputtering energy is preferably 0.1 W/cm 2 Pa 2 or more, 0.5 W/cm 2 Pa 2 or more, 1 W/cm 2 Pa 2 or more, or 2 W/cm 2 Pa 2 or more, and is preferably 100 W/cm 2 Pa or more. 2 Pa 2 or less, 60 W/cm 2 Pa 2 or less, or 30 W/cm 2 Pa 2 or less.
  • the AlN film forming process, the oxidation process, and the GaN film forming process may be repeated.
  • these processes may be repeated 2 times or more and 5 times or less.
  • the laminate obtained by the manufacturing method of the present embodiment may be further coated with a gallium nitride film by a method other than the sputtering method, such as the MOCVD method.
  • a method other than the sputtering method such as the MOCVD method.
  • the oxygen content was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS; SECONDARY ION MASS SPECTROMETRY). That is, using a quadrupole secondary ion mass spectrometer, the secondary ion intensities of Si, Al, Ga and oxygen (O) were measured under the following conditions.
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • Cs ion source 1 kV
  • Primary ion current 100 nA
  • Chamber vacuum Measured under conditions of 5 ⁇ 10 ⁇ 10 torr.
  • the obtained secondary ion intensity was compared with the standard sample, and the content of each element was determined.
  • the secondary ion intensity peak of oxygen (O) that overlaps the secondary ion intensity peak of Al, and the peak with the highest intensity is the secondary ion intensity peak corresponding to oxygen in the oxygen-containing AlN film.
  • O oxygen
  • ⁇ Film thickness> The film thickness of each film of the laminate was measured with a step meter (device name: DekTak 6M, manufactured by Bruker Japan). The vertical resolution of measurement was set to 0.1 nm.
  • Probe He (atomic scattering) Energy: 3keV Beam source-target distance: 805 mm Target-detector distance: 395mm Analysis room vacuum: 2 ⁇ 10 -3 Pa or less
  • Example 1 An n-type Si(111) substrate (manufactured by Matsuzaki Seisakusho Co., Ltd., no off-angle, diameter 50 ⁇ 0.5 mm, thickness 425 ⁇ 25 ⁇ m, resistivity 1000 ⁇ cm or more) was used as the silicon substrate.
  • Ultrapure water (Kanto Chemical Co., Ltd., Ultrapure grade) is used to dilute hydrofluoric acid (Ultrapure grade, Kanto Chemical Co., Ltd.) to obtain diluted hydrofluoric acid having a hydrogen fluoride concentration of 5% by mass. Obtained.
  • the Si substrate was immersed in the obtained diluted hydrofluoric acid for 30 seconds for wet etching treatment, and then the silicon substrate was recovered. Nitrogen gas was blown to the recovered Si substrate to remove droplets on the surface of the silicon substrate to obtain a silicon substrate having a surface roughness (Ra) of 0.15 nm.
  • AlN film formation and oxidation treatment Next, an AlN film was formed on the silicon substrate by RF magnetron sputtering using a magnetron sputtering apparatus.
  • Film formation was performed by placing a metal aluminum (Al) target (purity 99.99% by mass) and a silicon substrate in a film formation chamber (chamber) of a magnetron sputtering apparatus, and then reducing the pressure in the film formation chamber. After the degree of vacuum reached 1.9 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa, sputtering was started under the following conditions in an argon atmosphere, and a laminate (Al/silicon Substrate laminate) was obtained.
  • Al metal aluminum
  • the atmosphere is set to an argon and nitrogen atmosphere, and in this atmosphere, the Al film is nitrided by sputtering under the following conditions, and an AlN film having a thickness of 4 nm is formed on the Al film, A laminate (AlN/silicon substrate laminate) comprising a silicon substrate having an AlN film with a thickness of 5.5 nm was obtained.
  • the preparation chamber was opened to the atmosphere for 1 minute to expose the AlN/silicon substrate laminate to the atmosphere. After exposure to the atmosphere, the pressure in the preparation chamber was reduced to 1.9 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa, and then sputtering was started again. Sputtering was performed under argon and nitrogen atmospheres under the same conditions as above, except that the sputtering time was 120 seconds.
  • an AlN film having a thickness of 8 nm is further formed, and a laminate (AlN/oxygen-containing AlN/silicon substrate laminate) composed of a silicon substrate having an AlN film having a thickness of 8 nm on an oxygen-containing AlN film having a thickness of 5.5 nm is obtained. Obtained.
  • GaN film formation The obtained laminate (AlN/oxygen-containing AlN/silicon substrate laminate) was used, a gallium nitride (GaN) target (99.99% by mass purity) was used as a sputtering target, and the sputtering conditions were as follows. A 70 nm-thickness GaN film was formed on the AlN film by sputtering in the same manner as for the first thin film, except for the conditions of .
  • Example 2 An AlN film having a thickness of 12 nm was formed in the same manner as in Example 1, except that the sputtering time was set to 180 seconds in forming the AlN film. AlN/silicon substrate laminate) was obtained.
  • FIG. 12 shows the SIMS measurement results of the laminate of this example.
  • Example 3 A laminate (GaN/oxygen An AlN film and a GaN film were formed in the same manner as in Example 1, except that an AlN-containing AlN/silicon substrate laminate) was used. ), an AlN film (thickness of 8 nm), a GaN film (thickness of 70 nm), an oxygen-containing AlN film (thickness of 5.5 nm), an AlN film (thickness of 8 nm), and a GaN film (thickness of 70 nm) were laminated. A laminate (GaN/AlN/oxygen-containing AlN/GaN/AlN/oxygen-containing AlN/silicon substrate laminate) was obtained and used as the laminate of this example.
  • Example 4 A laminate (GaN/oxygen-containing AlN/Si laminate) obtained by laminating a silicon substrate, an oxygen-containing AlN film (film thickness: 13.5 nm), and a GaN film (film thickness: 70 nm) obtained in the same manner as in Example 2 was prepared. An AlN film and a GaN film were formed in the same manner as in Example 2, except for using a Si substrate, an oxygen-containing AlN film (thickness: 13.5 nm), and a GaN film (thickness: 70 nm).
  • an oxygen-containing AlN film (thickness 13.5 nm) and a GaN film (thickness 70 nm) to obtain a laminate (GaN/oxygen-containing AlN/GaN/oxygen-containing AlN/silicon substrate laminate), which is A laminate of this example was obtained.
  • Comparative example 1 A laminate (a GaN /AlN/silicon substrate laminate) was obtained, and this was used as the laminate of this comparative example.
  • FIG. 13 shows the SIMS measurement results of the laminate of this comparative example.
  • Comparative example 2 A laminate (GaN/ AlN/silicon substrate laminate) was obtained. Using the obtained laminate, an AlN film and a GaN film were formed again, and a silicon substrate, an AlN film (film thickness: 13.5 nm), a GaN film (film thickness: 70 nm), an AlN film (film thickness: 13.5 nm thick) and a GaN film (70 nm thick) (GaN/AlN/GaN/AlN/silicon substrate laminate), which was used as the laminate of this comparative example.
  • Figures 10 and 11 show pole figures of the surface of the GaN film of the laminate of the comparative example. Since the simulation pattern of N-polar GaN (FIG. 9B) and the pattern of the pole figure of Comparative Example 2 are the same, it can be confirmed that the surface of the GaN film is N-polar. On the other hand, the pole figure pattern of Comparative Example 1 is different from any of the simulation patterns, and it can be confirmed that the polarity is not Ga.

Abstract

従来の窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体と比べ、より結晶性が高い窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体、その製造方法、これを備える半導体素子、及び、該半導体素子を備える電子機器、の少なくともいずれかを提供すること。この積層体は、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする。該積層体は、Ｓｉ（１１１）基板に窒化アルミニウム膜を成膜し、窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得るＡｌＮ成膜工程、該窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を酸化雰囲気で処理し、酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得る酸化工程、及び、該酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板に、窒化ガリウム膜を成膜するＧａＮ成膜工程、を有する、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体の製造方法、によりえられることが好ましい。

Description

積層体及びその製造方法
　本開示は、窒化物膜及びシリコン基板を備える積層体並びにその製造方法に関する。
　窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとする窒化物膜は優れた半導体特性を示す。そのため、基板と窒化物膜とを備える積層体は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、青色レーザーダイオード（ＬＤ）など、電子デバイスとしての適用が検討されている。近年、パワーデバイスなどの更なる用途への展開に伴い、結晶性の高い窒化物膜を備えた、安価な基板であるシリコン基板、からなる積層体が検討されている。
　一般に、窒化物膜は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法やスパッタリング法などの成膜方法によって基板上に成膜されている。ＭＯＣＶＤ法による高結晶性の窒化物膜の成膜は、１０００℃程度の基板温度が必要であるため、成膜中にシリコン基板と、ガリウム等の窒化物膜前駆体との反応、いわゆるメルトバックエッチング、が生じる。そのため、ＭＯＣＶＤ法では、シリコン基板上に高結晶性の窒化物膜を成膜することは非常に困難である。
　一方、スパッタリング法によるシリコン基板への窒化物膜の成膜は、窒化物膜の結晶性の制御が困難であった。これに対し、本発明者らは、窒化物膜とシリコン基板の間に中間層を設けることにより、窒化物膜の結晶性が向上することを報告している（特許文献１）。
特開２０２１－０７５７７９号
　特許文献１では、シリコン基板と、窒化ガリウム膜の間に、窒化物系材料及び／又はアルミニウムからなる膜（第１の薄膜）を設けることで、窒化ガリウムの結晶性を高くすることができる。しかしながら、パワーデバイス等の用途への適用するためには、窒化ガリウムのより一層の結晶性の向上が必要であった。
　本開示は、従来の窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体と比べ、より結晶性が高い窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体、その製造方法、これを備える半導体素子、及び、該半導体素子を備える電子機器、の少なくともいずれかを提供することを目的とする。
　本発明者らは、パワーデバイス等の用途に適し、シリコン基板に窒化ガリウム膜を積層させた積層体、より具体的にはシリコン基板に膜が積層した積層体であって、最表面に窒化ガリウム膜を有するものについて検討した。その結果、シリコン基板と窒化ガリウム膜との間に特定の膜を設けることで、積層体の最表面に形成される窒化ガリウム膜の配向性が高いＧａ極性を有すことになり、該窒化ガリウム膜の結晶性が向上することを見出した。すなわち、本発明は特許請求の範囲に記載の通りであり、また、本開示の要旨は以下の通りである。
［１］　Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体。
［２］　前記窒化ガリウム膜が、酸素含有窒化アルミニウム膜上に積層している、上記［１］に記載の積層体。
［３］　前記窒化ガリウム膜が、窒化アルミニウム膜を介して前記酸素含有窒化アルミニウム膜上に積層している、上記［１］に記載の積層体。
［４］　前記酸素含有窒化アルミニウム膜が、前記Ｓｉ（１１１）基板上に積層している、上記［１］乃至［３］のいずれかひとつに記載の積層体。
［５］　前記酸素含有窒化アルミニウム膜が、アルミニウム膜を介して前記Ｓｉ（１１１）基板上に積層している上記［１］乃至［３］のいずれかひとつに記載の積層体。
［６］　前記酸素含有窒化アルミニウム膜の酸素量が５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上である、上記［１］乃至［５］のいずれかひとつに記載の積層体。
［７］　前記酸素含有窒化アルミニウム膜の膜厚が２０ｎｍ以下である、上記［１］乃至［６］のいずれかひとつに記載の積層体。
［８］　前記窒化ガリウム膜の表面が、ガリウム極性である、上記［１］乃至［７］のいずれかひとつに記載の積層体。
［９］　上記［１］乃至［８］のいずれかひとつに記載の積層体を含む半導体素子。
［１０］　上記［９］に記載の半導体素子を含む電子機器。
［１１］　Ｓｉ（１１１）基板に窒化アルミニウム膜を成膜し、窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得るＡｌＮ成膜工程、
　該窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を酸化雰囲気で処理し、酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得る酸化工程、及び、
　該酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板に、窒化ガリウム膜を成膜するＧａＮ成膜工程、を有する、
　Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体の製造方法。
［１２］　前記ＡｌＮ成膜工程における成膜方法が、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法である、上記［１１］に記載の製造方法。
［１３］　前記酸化工程における酸化処理が、大気暴露である上記［１１］又は［１２］に記載の製造方法。
［１４］　前記ＧａＮ成膜工程における成膜方法が、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法である、上記［１１］乃至［１３］のいずれかひとつに記載の製造方法。
　本開示により、本開示は、従来の窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体と比べ、より結晶性が高い窒化ガリウムを備えたシリコン基板からなる積層体、その製造方法、これを備える半導体素子、及び、該半導体素子を備える電子機器、の少なくともいずれかを提供することができる。
本実施形態の積層体の断面を示す模式図 本実施形態の積層体の断面を示す模式図 本実施形態の積層体の断面を示す模式図 本実施形態の積層体の断面を示す模式図 実施例１の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 実施例２の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 実施例３の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 実施例４の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 シミュレーションにより得られた窒化ガリウムの極点図（図９（ａ）：Ｇａ極性の窒化ガリウム、図９（ｂ）：Ｎ極性の窒化ガリウム） 比較例１の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 比較例２の積層体における窒化ガリウム膜の極点図 実施例２の積層体におけるＳＩＭＳの測定結果 比較例１の積層体におけるＳＩＭＳの測定結果
　本開示の積層体について、実施形態の一例を示して説明する。
　＜積層体＞
　本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体、である。
　本実施形態の積層体におけるＳｉ（１１１）基板は、シリコン基板、更には単結晶シリコン基板である。シリコン基板は、シリコンの結晶面方位により、例えば、Ｓｉ（１００）基板、Ｓｉ（１１０）基板、及び、Ｓｉ（１１１）基板の群から選ばれる１以上が知られている。目的とする用途に応じて、何れか任意の結晶面方位のシリコン基板を使用することができるが、六方晶を有する窒化ガリウムのエピタキシャル成長に適したシリコン基板であるため、本実施形態の積層体はＳｉ（１１１）基板を有する。
　さらに、本実施形態の積層体におけるＳｉ（１１１）基板は、ドーパント元素を含むシリコン基板であってもよく、ｎ型及びｐ型の少なくともいずれかのシリコン基板であってもよい。
　本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜とが、積層した構造を有する。これにより、窒化アルミニウム膜など、実質的に酸素を含有しない窒化物膜のみが積層されたＳｉ（１１１）基板に、窒化ガリウムを成膜する場合と比べ、より配向性の高い窒化ガリウム膜が形成される。
　本実施形態において「酸素含有窒化アルミニウム膜（以下、「酸素含有ＡｌＮ膜」ともいう。）」とは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の結晶構造を有し、なおかつ、少なくとも一部が酸素で置換された窒化アルミニウムの膜である。すなわち、酸素含有ＡｌＮ膜の組成は、ＡｌＮの化学量論比からずれた組成を有し、アルミニウム（Ａｌ）に対する窒素（Ｎ）のモル比が１．０未満（Ｎ／Ａｌ＜１．０）、である。
　酸素含有ＡｌＮ膜の酸素含有量は５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上又は７×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上であることが好ましい。これにより成膜時にＧａＮの結晶性が制御されやすい。酸素含有量は、必要以上に高い必要は無く、例えば、５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下又は３×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下であることが挙げられる。
　酸素含有ＡｌＮ膜の膜厚は２０ｎｍ未満、１５ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が２０ｎｍ未満であることで、窒化ガリウム膜の成膜時に窒化ガリウムの極性がＧａ極性となり、結晶性がより高くなりやすい。酸素含有ＡｌＮ膜の膜厚は０．１ｎｍ以上又は１．０ｎｍ以上であればよい。本実施形態の積層体の表面がより平滑になりやすくなるため、酸素含有ＡｌＮ膜の膜厚は、２．０ｎｍ以上又は５．０ｎｍ以上であることが好ましい。
　酸素含有ＡｌＮ膜は、薄膜（酸素含有ＡｌＮ薄膜）であることが好ましく、スパッタ膜であることがより好ましい。
　酸素含有ＡｌＮ膜は、アルミニウム膜（後述）を介してＳｉ（１１１）基板上に積層していてもよいが、ＧａＮ膜の結晶性がより高くなりやすいため、Ｓｉ（１１１）基板上に積層していること、更には酸素含有ＡｌＮ膜がＳｉ（１１１）膜に隣接して積層していることが好ましい。
　本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有ＡｌＮ膜と、窒化ガリウム膜（以下、「ＧａＮ膜」ともいう。）とが、積層した構造を有する。酸素含有ＡｌＮ膜と、窒化ガリウム膜が積層すること、好ましくは酸素含有ＡｌＮ膜とＳｉ（１１１）基板とが積層した構造を有する積層体に窒化ガリウム膜が積層すること、該ＧａＮ膜を構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶性が高くなり、好ましくは該ＧａＮ膜の表面がＧａ極性となる。
　本実施形態において「窒化ガリウム膜」とは、窒化ガリウムの結晶構造を有し、ガリウムと窒素を含む化合物からなる膜であり、結晶構造が六方晶である窒化ガリウムから構成されることが好ましい。さらに、窒化ガリウム膜は、（０００２）エピタキシャル成長した窒化ガリウムから構成されることが好ましい。なお、本実施形態において、（０００２）エピタキシャル成長は窒化ガリウムがＧａ極性又はＮ極性であることをもって確認することができる。
　ＧａＮ膜の膜厚は１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上又は５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、ＧａＮ膜の膜厚は、１０００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下又は１００ｎｍ以下、が例示できる。
　ＧａＮ膜は、薄膜（ＧａＮ薄膜）であることが好ましく、スパッタ膜であることがより好ましい。
　ＧａＮ膜は、窒化アルミニウム膜（後述）を介して酸素含有ＡｌＮ膜上に積層していてもよいが、ＧａＮ膜の結晶性がより高くなりやすいため、酸素含有ＡｌＮ膜上に積層していること、更にはＧａＮ膜が酸素含有Ａｌ膜に隣接して積層していることが好ましい。
　本実施形態の積層体は、酸素含有ＡｌＮ膜及びＧａＮ膜に加え、窒化アルミニウム膜（以下、「ＡｌＮ膜」ともいう。）及びアルミニウム膜（以下、「Ａｌ膜」ともいう。）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。ＡｌＮ膜が積層することでより結晶性の高いＧａＮ膜が得られやすくなる。また、Ａｌ膜が積層することでその上に積層する、酸素含有ＡｌＮ膜又はＡｌＮ膜の結晶性が向上しやすくなる。
　ＡｌＮ膜は、窒化アルミニウムの膜であり、窒化アルミニウムの結晶構造を有し、なおかつ、酸素で置換されていない窒化アルミニウムの膜である。ＡｌＮ膜の組成は、ＡｌＮの化学量論比からずれた組成であってもよく、Ａｌ：Ｎがモル比で１：１でなくてもよい。
　ＡｌＮは実質的に酸素を含まない。ＡｌＮ膜（酸化ＡｌＮ膜以外のＡｌＮ膜）の酸素含有量は５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ未満、更には７×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下であることが例示できる。
　ＡｌＮ膜の膜厚は任意であるが、０．１ｎｍ以上又は１．０ｎｍ以上であること、また、２０ｎｍ未満、１５ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下であること、が例示できる。
　ＡｌＮ膜は、酸素含有ＡｌＮ膜上に積層していることが好ましい。
　Ａｌ膜は、金属のアルミニウムからなる膜である。Ａｌ膜は、Ｓｉ（１１１）基板上に積層していることが好ましい。
　本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有ＡｌＮ膜と、窒化ガリウム膜が積層した積層体であり、これは、基板－膜積層体、更には積層膜構造体、とみなしてもよい。
　さらに、本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板、酸素含有ＡｌＮ膜、ＧａＮ膜の順で積層していることが好ましく、Ｓｉ（１１１）基板上に隣接して酸素含有ＡｌＮ膜が積層し、なおかつ、該酸素含有ＡｌＮ膜上に隣接してＧａＮ膜が積層する構造を有することが好ましい。本実施形態の積層体は、Ｓｉ（１１１）基板上に順に各種膜が積層していればよく、該積層体の表面（更には、Ｓｉ（１１１）基板に対向する表面。最表面）がＧａＮ膜であればよい。Ｓｉ（１１１）基板上に、複数層の酸素含有ＡｌＮ膜及びＧａＮ膜が積層していてもよい。
　以下、本実施形態の積層体について以下の図に示した構成に基づいて説明する。なお、以下の図において、Ｓｉ（１１１）基板、酸素含有ＡｌＮ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜及びＡｌ膜の厚さ（膜厚）は、模式的に同程度の厚みで示しているが、それぞれ、異なる厚さであってもよい
　図１は本実施形態の積層体の断面を示す模式図である。積層体（１００）は、Ｓｉ（１１１）基板（１０）と、酸素含有ＡｌＮ膜（１１）と、ＧａＮ膜（１２）とが積層した構造を有する積層体である。積層体（１００）は、酸素含有ＡｌＮ膜（１１）がＳｉ（１１１）基板（１０）上に積層し、ＧａＮ膜（１２）が酸素含有ＡｌＮ膜（１１）上に積層している。
　図２は他の本実施形態の積層体の断面を示す模式図である。積層体（２００）は、Ｓｉ（１１１）基板（２０）と、２層の酸素含有ＡｌＮ膜（２１ａ、２１ｂ）と、２層のＧａＮ膜（２２ａ、２２ｂ）とが積層した構造を有する積層体である。積層体（２００）は、酸素含有ＡｌＮ膜（２１ａ）がＳｉ（１１１）基板（２０）上に積層し、ＧａＮ膜（２２ａ）が酸素含有ＡｌＮ膜（２１ａ）上に積層し、酸素含有ＡｌＮ膜（２１ｂ）がＧａＮ膜（２２ａ）上に積層し、なおかつ、ＧａＮ膜（２２ｂ）が酸素含有ＡｌＮ膜（２１ｂ）上に積層している。このように、複数のＧａＮ膜が積層することで、積層体に生じる応力が緩和されやすくなる。
　図３は他の本実施形態の積層体の断面を示す模式図である。積層体（３００）は、Ｓｉ（１１１）基板（３０）と、酸素含有ＡｌＮ膜（３１）と、ＧａＮ膜（３２）と、Ａｌ膜（３３）が積層した構造を有する積層体である。積層体（３００）は、Ａｌ膜（３３）がＳｉ（１１１）基板（３０）上に積層し、酸素含有ＡｌＮ膜（３１）がＡｌ膜（３３）上に積層し、ＧａＮ膜（３２）が酸素含有ＡｌＮ膜（３１）上に積層している。このように、Ａｌ膜上に酸素含有ＡｌＮ膜が積層することで、Ｇａ極性のＧａＮ膜が成長しやすくなる。
　図４は他の本実施形態の積層体の断面を示す模式図である。積層体（４００）は、Ｓｉ（１１１）基板（４０）と、酸素含有ＡｌＮ膜（４１）と、ＡｌＮ膜（４４）と、ＧａＮ膜（４２）とが積層した構造を有する積層体である。積層体（４００）では、酸素含有ＡｌＮ膜（４１）がＳｉ（１１１）基板（４０）上に積層し、ＡｌＮ膜（４４）が酸素含有ＡｌＮ膜（４１）上に積層し、ＧａＮ膜（４２）がＡｌＮ膜（４４）上に積層している。ＧａＮ膜が、酸素含有ＡｌＮ膜上に直接積層していない構成であっても、ＡｌＮ膜が酸素含有ＡｌＮ膜上に積層した構成を有することで、結晶性の高いＧａＮ膜が成膜できる。
　＜半導体素子及び電子機器＞
　本実施形態の積層体は、これを備える半導体素子として使用することができる。さらに本実施形態の半導体素子は、これを備える電子機器として使用することができる。
　本実施形態の積層体を備える半導体素子（以下、「本実施形態の半導体素子」ともいう。）は、公知の半導体素子の用途に使用することができ、好ましくは発光素子及びパワーデバイスの少なくともいずれか、より好ましくはパワーデバイスとして使用することができる。発光素子として、例えば、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）及び青色レーザーダイオード（ＬＤ）の少なくともいずれかが挙げられる。また、パワーデバイスとしてダイオード及びトランジスターの少なくともいずれか、等の電気エネルギーの制御及び供給に用いられる半導体素子として使用することが例示できる。
　本実施形態の半導体素子は、本実施形態の積層体を下地層として備え、該積層体上に窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物膜を備えた構造を有していてもよい。
　＜積層体の製造方法＞
　本実施形態の積層体は、その構成を満たす積層体が得られれば、その製造方法は任意である。好ましい本実施形態の製造方法の製造方法（以下、「本実施形態の製造方法」ともいう。）として、
　Ｓｉ（１１１）基板に窒化アルミニウム膜を成膜し、窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得るＡｌＮ成膜工程、
　該窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を酸化雰囲気で処理し、酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得る酸化工程、及び、
　該酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板に、窒化ガリウム膜を成膜するＧａＮ成膜工程、
を有する、Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体の製造方法、が挙げられる。
　ＡｌＮ成膜工程では、Ｓｉ（１１１）基板にＡｌＮ膜を成膜し、ＡｌＮ膜を備えたＳｉ基板を得る。
　ＡｌＮ成膜工程に供するＳｉ（１１１）基板は、公知のＳｉ（１１１）基板であればよく、表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下、更には０．３ｎｍ以下であるＳｉ（１１１）基板であることが好ましい。公知のＳｉ（１１１）基板として、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法又はフローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたＳｉ（１１１）基板や、Ｓｉ単結晶基板上にＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたＳｉ（１１１）基板、などが挙げられる。
　本実施形態の製造方法において、ＡｌＮ成膜工程に先立ち、Ｓｉ（１１１）基板を洗浄する洗浄工程、を有していてもよい。洗浄は、Ｓｉ（１１１）基板の不純物が除去できる公知の洗浄方法であればよく、Ｓｉ（１１１）基板を洗浄液に浸漬する洗浄方法、いわゆるウェットエッジング、が例示できる。
　洗浄液は、フッ化水素酸水溶液、硫酸、塩酸、過酸化水素、水酸化アンモニウム、トリクロロエチレン、アセトン、メタノール及びイソプロパノールの群から選ばれる１以上、更にはフッ化水素酸水溶液、が好ましい。Ｓｉ（１１１）基板上の不純物を除去し、なおかつ、Ｓｉ（１１１）基板表面粗さを抑えるため、洗浄液は、フッ化水素酸濃度が５質量％以上１０質量％以下であるフッ化水素酸水溶液であることがより好ましい。
　浸漬は、Ｓｉ（１１１）基板が洗浄液に浸るように、該基板を洗浄液中に配置すればよい。浸漬は、静置及び撹拌の少なくともいずれかの状態であればよく、超音波洗浄機の使用等による、超音波振動による撹拌状態での浸漬であってもよい。
　浸漬時間は、洗浄液の種類や濃度に応じて適宜調整すればよく、例えば、５秒以上１００秒以下が挙げられる。
　洗浄後のＳｉ（１１１）基板は任意の方法で残存する洗浄液を除去すればよい。洗浄液の除去方法は任意であるが、Ｓｉ（１１１）基板に不活性ガス（例えば、窒素ガス及びアルゴンガスの少なくともいずれか）を吹き付けることにより、これを除去すればよい。
　ＡｌＮ成膜工程では、Ｓｉ（１１１）基板上に、ＡｌＮ膜を成膜する。成膜方法はスパッタリング法であることが好ましい。具体的なスパッタリング法として、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、ＲＦマグネトロンスパッタリング法、パルススパッタ法及びイオンビームスパッタリング法の群から選ばれる１以上が挙げられる。面積の大きい基板に短時間での成膜が可能であるため、スパッタリング法は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法及びＲＦマグネトロンスパッタリング法の少なくともいずれか、更にはＤＣマグネトロンスパッタリング法であることが好ましい。
　スパッタリング法におけるスパッタリングターゲット（以下、単に「ターゲット」ともいう。）は、ＡｌＮ膜の成膜に使用される公知のターゲットを使用すればよい。このようなターゲットとして、アルミニウムターゲット及び窒化アルミニウムターゲットの群から選ばれる１以上、好ましくはアルミニウムターゲットが挙げられる。
　膜の結晶性を高める観点から、ターゲットは酸素量が低いことが好ましく、ターゲットの酸素含有量は３ａｔ％（原子％）以下、更には１ａｔ％以下であることが好ましい。ターゲットの酸素含有量は０．１ａｔ％以上であることが例示できる。
　得られるＡｌＮ膜の膜厚や膜質の均一性が向上する傾向がある為、ターゲットのスパッタリング面の面積は１８ｃｍ２以上がより好ましい。スパッタリング面の面積が大きいほど、大型の積層体が得られやすくなるが、スパッタリング面の面積は、例えば、３０００ｃｍ２以下であることが挙げられる。なお「スパッタリング面」とは、スパッタリング時に基材等の被成膜物に対向する面であり、かつ、プラズマ化された雰囲気ガスと接触する面である。
　得られるＡｌＮ膜の結晶性の低下が抑制されるため、スパッタリングは、到達真空度が１×１０－４Ｐａ以下、７×１０－５Ｐａ以下、２×１０－５Ｐａ以下、９×１０－６Ｐａ以下又は５×１０－６Ｐａ以下の真空雰囲気で開始することが好ましい。
　スパッタリングの雰囲気を制御するため、スパッタリング中は導入ガスが使用される。そのため、スパッタリング開始時と比べ、スパッタリング中の圧力は高くなる。スパッタリング中の圧力として０．１Ｐａ以上０．８Ｐａ以下が例示できる。
　スパッタリング粒子のマイグレーションを促進するため、スパッタリングは、基板を加熱した状態で行うことが好ましい。基板温度、すなわちスパッタリングにおける基板の温度、は１００℃以上又は６００℃以上であり、また、８００℃以下又は７００℃以下であることが好ましい。
　スパッタリングの時間は、使用するスパッタリング装置により異なるが、得られるＡｌＮ膜の膜厚が４ｎｍ以上２０ｎｍ以下となる時間であることが好ましい。例えば、任意の時間でスパッタリングをし、得られたＡｌＮ膜の膜厚を測定し、単位膜厚（ｎｍ）の成膜に必要なスパッタリングの時間を求め、これを元に、所望の膜厚となるようにスパッタリングの時間を設定すればよい。
　スパッタリングの雰囲気は、ＡｌＮ膜のスパッタリングに適用される公知の雰囲気であればよく、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気、並びに、アルゴン及び窒素雰囲気の群から選ばれる１以上が挙げられる。このようなスパッタリング雰囲気とするための導入ガスは、ＡｌＮ膜の成膜に使用される公知のガスであればよい。導入ガスとして、アルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ２）の混合ガス、並びに、窒素ガス、の少なくともいずれか、更にはアルゴン及び窒素の混合ガス、が挙げられる。また、必要に応じて酸素ガスやアンモニアなどの他のガスを導入してよい。
　好ましいスパッタリング方法として、アルゴン雰囲気で膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌ膜を成膜した後、窒素含有雰囲気下でＡｌ膜を窒化すると共にＡｌＮ膜を成膜する方法、が挙げられる。これにより結晶性が高いＡｌＮ膜が得られやすくなる。
　また、好ましい成膜方法として、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法、が挙げられる。スパッタリングエネルギーは、０．１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上、０．５Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上、１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上又は２Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上であることが好ましく、また、１００Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下、６０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下又は３０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下であればよい。
　本実施形態において、スパッタエネルギー（Ｅｓ）は、スパッタリング時におけるスパッタ粒子のエネルギーであり、以下の式から求めることができる。
　　Ｅｓ＝［投入電力密度（単位：Ｗ／ｃｍ２）］
　　　　　　　　　　　　　／［導入ガス圧力（単位：Ｐａ）］２
　上式における投入電力密度は、実際の投入電力をスパッタリング面の面積で除して求まる、スパッタリング面の単位面積あたりの投入エネルギーである。
　スパッタリングに先立ち、スパッタリング装置に残存する残留気体を除去するため、該スパッタリング装置をベーキング処理してもよい。
　＜酸化工程＞
　酸化工程では、該窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ（１１１）基板を酸化雰囲気で処理し、酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ（１１１）基板を得る。
　酸化雰囲気での処理は、窒化アルミニウム膜が部分的に酸素を取り込む条件であればよい。このような処理として、大気雰囲気に暴露することが挙げられる。
　暴露時間は任意であるが１０秒以上５分以下が例示できる。
　本実施形態の製造方法は、酸化工程後、ＧａＮ成膜工程に先立ち、得られた積層体をＡｌＮ膜成膜工程に供してもよい。
　＜ＧａＮ成膜工程＞
　ＧａＮ成膜工程では、該酸素含有ＡｌＮ膜を備えたＳｉ（１１１）基板に、ＧａＮ膜を成膜する。成膜方法はスパッタリング法であることが好ましい。
　具体的なスパッタリング法として、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、ＲＦマグネトロンスパッタリング法、パルススパッタ法及びイオンビームスパッタリング法の群から選ばれる１以上が挙げられる。面積の大きい基板に短時間での成膜が可能であるため、スパッタリング法は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法及びＲＦマグネトロンスパッタリング法の少なくともいずれか、更にはＤＣマグネトロンスパッタリング法であることが好ましい。
　ターゲットは、ＧａＮ膜の成膜に使用される公知のターゲットを使用すればよい。このようなターゲットとして、ガリウムターゲット及び窒化ガリウムターゲットの群から選ばれる１以上、好ましくはＧａＮターゲットが挙げられる。
　膜の結晶性を高める観点から、ターゲットは酸素量が低いことが好ましく、ターゲットの酸素含有量は３ａｔ％（原子％）以下、更には１ａｔ％以下であることが好ましい。ターゲットの酸素含有量は０．１ａｔ％以上であることが例示できる。
　得られるＧａＮ膜の膜厚や膜質の均一性が向上する傾向がある為、ターゲットのスパッタリング面の面積は１８ｃｍ２以上がより好ましい。スパッタリング面の面積が大きいほど、大型の積層体が得られやすくなるが、スパッタリング面の面積は、例えば、３０００ｃｍ２以下であることが挙げられる。なお「スパッタリング面」とは、スパッタリング時に基材等の被成膜物に対向する面であり、かつ、プラズマ化された雰囲気ガスと接触する面である。
　得られるＧａＮ膜の結晶性の低下が抑制されるため、スパッタリングは、到達真空度が１×１０－４Ｐａ以下、７×１０－５Ｐａ以下、２×１０－５Ｐａ以下、９×１０－６Ｐａ以下又は５×１０－６Ｐａ以下で行うことが好ましい。
　スパッタリングの雰囲気を制御するため、スパッタリング中は導入ガスが使用される。そのため、スパッタリング開始時と比べ、スパッタリング中の圧力は高くなる。スパッタリング中の圧力として０．１Ｐａ以上０．８Ｐａ以下が例示できる。
　スパッタリング粒子のマイグレーションを促進するため、基板を加熱した状態でスパッタリングすることが好ましい。基板温度、すなわちスパッタリング時の基板の温度、は１００℃以上又は６００℃以上であり、また、８００℃以下又は７００℃以下であることが好ましい。得られる膜が平滑になり、なおかつ、その結晶性が高くなりやすい。
　スパッタリングの時間は、使用するスパッタリング装置により異なるが、得られるＧａＮ膜の膜厚が所望の膜厚となる時間であればよく、例えば、５秒以上１２００分以下が挙げられる。
　スパッタリングの雰囲気は、ＧａＮ膜のスパッタリングに適用される公知の雰囲気であればよく、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気、並びに、アルゴン及び窒素雰囲気の群から選ばれる１以上が挙げられる。このようなスパッタリング雰囲気とするための導入ガスは、ＧａＮ膜の成膜に使用される公知のガスであればよい。導入ガスとして、アルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ２）の混合ガス、並びに、窒素ガス、の少なくともいずれか、更にはアルゴン及び窒素の混合ガス、が挙げられる。また、必要に応じて酸素ガスやアンモニアなどの他のガスを導入してよい。
　また、好ましい成膜方法として、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法、が挙げられる。スパッタリングエネルギーは、０．１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上、０．５Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上、１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上又は２Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上であることが好ましく、また、１００Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下、６０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下又は３０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下であればよい。
　＜その他の工程＞
　本実施形態の製造方法において、ＡｌＮ成膜工程、酸化工程及びＧａＮ成膜工程を繰り返してもよく、例えば、これらの工程を２回以上５回以下、繰り返してもよい。
　さらに、本実施形態の製造方法により得られる積層体を、さらにスパッタリング法以外の方法、例えばＭＯＣＶＤ法、で窒化ガリウム膜を成膜してもよい。
　本開示の実施形態について説明したが、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態で具体的に記載された上限値及び下限値を任意に組み合わせた数値範囲も、本開示に含まれるものとする。また、上限値及び／又は下限値を、以下に説明する実施例の値で置換したものも本開示に含まれるものとする。
　本実施形態について、実施例及び比較例を用いて更に説明する。しかしながら本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。なお、得られた積層体は以下の評価を行った。
　＜酸素量＞
　二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；ＳＥＣＯＮＤＡＲＹ　ＩＯＮ　ＭＡＳＳ　ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ）により、酸素量を測定した。すなわち、四重極型二次イオン質量分析装置を使用し、以下の条件で、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ及び酸素（Ｏ）の二次イオン強度を測定した。
　　　Ｃｓイオン源　　：１ｋＶ、
　　　一次イオン電流　：１００ｎＡ、
　　　チャンバー真空度：５×１０－１０ｔоｒｒの測定条件下で行った。
　得られた二次イオン強度の標準試料に対する二次イオン強度を対比し、各元素の含有量を求めた。なお、ＳＩＭＳ測定結果において、Ａｌの二次イオン強度ピークと重複した酸素（Ｏ）の二次イオン強度ピークであって、最も強度が高いピークを、酸素含有ＡｌＮ膜の酸素に対応する二次イオン強度ピークとみなし、その酸素含有量を求めた。
　＜膜厚＞
　段差計（装置名：ＤｅｋＴａｋ　６Ｍ、ブルカージャパン社製）により、積層体の各膜の膜厚をそれぞれ測定した。測定の垂直分解能０．１ｎｍとした。
　＜窒化ガリウム薄膜の極性及び結晶性＞
　飛行時間型原子散乱表面分析装置（装置名：ＴＯＦＬＡＳ－３０００、パスカル社製）を用いて、ＧａＮ膜の極性及び結晶相を評価した。極点図の測定は、積層体の成膜面（ＧａＮ膜が形成されている面）が上面となるように、積層体を該装置に配置し、以下の条件で行った。
　　プローブ　　　　　　　　　：Ｈｅ（原子散乱）
　　エネルギー　　　　　　　　：３ｋｅＶ
　　ビーム源－ターゲット間距離：８０５ｍｍ
　　ターゲット－検出器間距離　：３９５ｍｍ
　　分析室真空度　　　　　　　：２×１０－３Ｐａ以下
　得られた極点図と、同装置の付属解析装置によるシミュレーションにより得られたＧａＮ膜の最表面から原子４層に対応する各層の各結晶相及び極性の極点図と、を比較することで、積層体中のＧａＮ膜の極性及び結晶相を確認した。
　実施例１
　ｎ型Ｓｉ（１１１）基板（松崎製作所社製、オフ角：無、直径５０±０．５ｍｍ、及び、厚さ４２５±２５μｍ、抵抗率１０００Ω・ｃｍ以上）をシリコン基板として使用した。
　超純水（関東化学株式会社、Ｕｌｔｒａｐｕｒｅグレード）を使用し、フッ化水素酸（Ｕｌｔｒａｐｕｒｅグレード、関東化学社製）を希釈して、フッ化水素濃度が５質量％である希釈フッ化水素酸を得た。得られた希釈フッ化水素酸にＳｉ基板を３０秒間浸漬してウェットエッチング処理をした後、シリコン基板を回収した。回収後のＳｉ基板に窒素ガスを吹き付け、シリコン基板表面の液滴を除去し、表面粗さ（Ｒａ）が０．１５ｎｍであるシリコン基板を得た。
　＜ＡｌＮ成膜及び酸化処理＞
　次に、マグネトロンスパッタ装置を使用し、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、シリコン基板にＡｌＮ膜を成膜した。
　成膜は、金属アルミニウム（Ａｌ）ターゲット（純度９９．９９質量％）及びシリコン基板をマグネトロンスパッタリング装置の成膜室（チャンバー）内に配置した後、成膜室内を減圧した。真空度が１．９×１０－６Ｐａになった後に、アルゴン雰囲気下、以下の条件のスパッタリングを開始し、シリコン基板上に膜厚１．５ｎｍのＡｌ膜を備えた積層体（Ａｌ／シリコン基板積層体）を得た。
　　導入ガス　　　　　　　　　：　アルゴン
　　導入ガス流量　　　　　　　：　２０ｓｃｃｍ
　　基板温度　　　　　　　　　：　４００℃
　　圧力　　　　　　　　　　　：　０．５Ｐａ
　　スパッタエネルギー（Ｅｓ）：　３０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２
　　スパッタ時間　　　　　　　：　１０秒
　上記の成膜をした後、雰囲気をアルゴン及び窒素雰囲気とし、該雰囲気下、以下の条件のスパッタリングにより、Ａｌ膜を窒化すると共に、該Ａｌ膜上に膜厚４ｎｍのＡｌＮ膜を成膜し、膜厚５．５ｎｍのＡｌＮ膜を備えるシリコン基板からなる積層体（ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得た。
　　導入ガス　　　　　　　　　：　アルゴン及び窒素
　　導入ガス流量　　　　　　　：　アルゴン１６ｓｃｃｍ、窒素４ｓｃｃｍ
　　基板温度　　　　　　　　　：　６５０℃
　　圧力　　　　　　　　　　　：　０．５Ｐａ
　　スパッタエネルギー（Ｅｓ）：　３０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２
　　スパッタ時間　　　　　　　：　６０秒
　成膜後のＳｉ基板を成膜室から準備室（ロードロック室）に移動させた後、該準備室を１分間大気開放し、ＡｌＮ／シリコン基板積層体を大気暴露した。大気暴露後、準備室を減圧し、真空度が１．９×１０－６Ｐａになった後に、再度、スパッタリングを開始した。スパッタリングは、スパッタ時間を１２０秒としたこと以外は上記と同様な条件で、アルゴン及び窒素雰囲気下で行った。これにより更にＡｌＮ膜を８ｎｍ成膜し、膜厚５．５ｎｍの酸素含有ＡｌＮ膜上に膜厚８ｎｍのＡｌＮ膜を備えるシリコン基板からなる積層体（ＡｌＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得た。
　＜ＧａＮ成膜＞
　得られた積層体（ＡｌＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を使用したこと、スパッタリングターゲットとして窒化ガリウム（ＧａＮ）ターゲット（純度９９．９９質量％）を使用したこと、及び、スパッタリング条件を以下の条件としたこと以外は第１の薄膜と同様な方法でスパッタリングを行い、膜厚７０ｎｍのＧａＮ膜をＡｌＮ膜上に成膜した。
　　導入ガス　　　　　　　　　：　アルゴン及び窒素
　　導入ガス流量　　　　　　　：　アルゴン１６ｓｃｃｍ、窒素４ｓｃｃｍ
　　基板温度　　　　　　　　　：　６５０℃
　　圧力　　　　　　　　　　　：　１．０Ｐａ
　　スパッタエネルギー（Ｅｓ）：　２０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２
　　成膜時間　　　　　　　　　：　１７分
　これにより、シリコン基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚５．５ｎｍ）、ＡｌＮ膜（膜厚８ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／ＡｌＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得、これを本実施例の積層体とした。
　実施例２
　ＡｌＮ膜の成膜において、スパッタ時間を１８０秒としたこと以外は実施例１と同様な方法でＡｌＮ膜を１２ｎｍ成膜し、膜厚１３．５ｎｍのＡｌＮ膜を備えるＳｉ基板からなる積層体（ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得た。
　得られたＡｌＮ／シリコン基板積層体を使用したこと以外は実施例１と同様な方法で大気暴露及びＧａＮ膜の成膜を行い、シリコン基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得、これを本実施例の積層体とした。本実施例の積層体のＳＩＭＳ測定結果を図１２に示す。
　実施例３
　実施例１と同様な方法で得られたシリコン基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚５．５ｎｍ）、ＡｌＮ膜（膜厚８ｎｍ）、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を使用したこと以外は、実施例１と同様な方法でＡｌＮ膜の成膜及びＧａＮ膜の成膜を行ない、シリコン基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚５．５ｎｍ）、ＡｌＮ膜（膜厚８ｎｍ）、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚５．５ｎｍ）、ＡｌＮ膜（膜厚８ｎｍ）、及び、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／ＡｌＮ／酸素含有ＡｌＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得、これを本実施例の積層体とした。
　実施例４
　実施例２と同様な方法で得られたシリコン基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／酸素含有ＡｌＮ／Ｓｉ積層体）を使用したこと以外は、実施例２と同様な方法でＡｌＮ膜の成膜及びＧａＮ膜の成膜を行ない、Ｓｉ基板、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）、酸素含有ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）、及び、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／酸素含有ＡｌＮ／ＧａＮ／酸素含有ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得、これを本実施例の積層体とした。
　これらの実施例の積層体のＧａＮ膜の表面の極点図を図５乃至８に示した。図９（ａ）に示すＧａ極性ＧａＮのシミュレーションパターンと、各実施例の積層体のＧａｎ膜の極点図のパターンが同じであることから、該ＧａＮ膜の表面はＧａ極性であることが確認でき、これにより、実施例のＧａＮ膜は、いずれも（０００２）エピタキシャル成長したＧａＮから構成されていることが確認できる。
　比較例１
　ＡｌＮ膜の成膜後に大気暴露しなかったこと以外は実施例１と同様な方法で、Ｓｉ基板、ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得、これを本比較例の積層体とした。本比較例の積層体のＳＩＭＳ測定結果を図１３に示す。
　比較例２
　ＡｌＮ膜の成膜後に大気暴露しなかったこと以外は実施例２と同様な方法でＳｉ基板、ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／ＡｌＮ／シリコン基板積層体）を得た。得られた積層体を用いて、再度、ＡｌＮ膜の成膜及びＧａＮ膜の成膜を行い、シリコン基板、ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）、ＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）、ＡｌＮ膜（膜厚１３．５ｎｍ）及びＧａＮ膜（膜厚７０ｎｍ）が積層した積層体（ＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ／シリコン基板積層体）、これを本比較例の積層体とした。
　比較例の積層体のＧａＮ膜の表面の極点図を図１０及び１１に示した。Ｎ極性ＧａＮのシミュレーションパターン（図９（ｂ））と、比較例２の極点図のパターンが同じであることから、該ＧａＮ膜の表面はＮ極性であることが確認できる。一方、比較例１の極点図のパターンはいずれのシミュレーションパターンと異なっており、Ｇａ極性ではないことが確認できる。
　結果を下表に示す。
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　令和３年１０月８日に出願された日本国特許出願２０２１－１６６４２８号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容も本開示の明細書の開示として取り入れるものとする。
　１００、２００、３００、４００　…本実施形態の積層体
　１０、２０、３０、４０　　　　　…Ｓｉ（１１１）基板
　１１、２１ａ、２１ｂ、３１、４１…酸素含有ＡｌＮ膜
　１２、２２ａ、２２ｂ、３２、４２…ＧａＮ膜
　３３　…Ａｌ膜
　４４　…ＡｌＮ膜

Claims (14)

  1. 　Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体。
  2. 　前記窒化ガリウム膜が、酸素含有窒化アルミニウム膜上に積層している、請求項１に記載の積層体。
  3. 　前記窒化ガリウム膜が、窒化アルミニウム膜を介して前記酸素含有窒化アルミニウム膜上に積層している、請求項１に記載の積層体。
  4. 　前記酸素含有窒化アルミニウム膜が、前記Ｓｉ（１１１）基板上に積層している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層体。
  5. 　前記酸素含有窒化アルミニウム膜が、アルミニウム膜を介して前記Ｓｉ（１１１）基板上に積層している請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層体。
  6. 　前記酸素含有窒化アルミニウム膜の酸素量が５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層体。
  7. 　前記酸素含有窒化アルミニウム膜の膜厚が２０ｎｍ以下である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層体。
  8. 　前記窒化ガリウム膜の表面が、ガリウム極性である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の積層体。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層体を含む半導体素子。
  10. 　請求項９に記載の半導体素子を含む電子機器。
  11. 　Ｓｉ（１１１）基板に窒化アルミニウム膜を成膜し、窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得るＡｌＮ成膜工程、
    　該窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を酸化雰囲気で処理し、酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板を得る酸化工程、及び、
    　該酸素含有窒化アルミニウム膜を備えたＳｉ基板に、窒化ガリウム膜を成膜するＧａＮ成膜工程、を有する、
    　Ｓｉ（１１１）基板と、酸素含有窒化アルミニウム膜と、窒化ガリウム膜と、が積層した構造を有することを特徴とする積層体の製造方法。
  12. 　前記ＡｌＮ成膜工程における成膜方法が、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法である、請求項１１に記載の製造方法。
  13. 　前記酸化工程における酸化処理が、大気暴露である請求項１１又は１２に記載の製造方法。
  14. 　前記ＧａＮ成膜工程における成膜方法が、スパッタエネルギーが、０．０１Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以上１５０Ｗ／ｃｍ２Ｐａ２以下のスパッタリング法である、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の製造方法。
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NAGATA TAKAHIRO, SUEMOTO YUYA, UEOKA YOSHIHIRO, MESUDA MASAMI, SANG LIWEN, CHIKYOW TOYOHIRO: "Effects of low temperature buffer layer on all-sputtered epitaxial GaN/AlN film on Si (111) substrate", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS, JP, vol. 60, no. SC, 1 June 2021 (2021-06-01), JP , pages SCCG03, XP093055624, ISSN: 0021-4922, DOI: 10.35848/1347-4065/abf07f *

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