WO2023218840A1 - 成膜装置および窒化ガリウム膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

窒化ガリウムの成膜方法は、真空チャンバ内の窒素およびガリウムを含むターゲットと対向するように基板を配置し、基板を加熱し、真空チャンバにスパッタリングガスを供給し、真空チャンバに窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給し、ターゲットに電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを生成する、ことを含み、ターゲットのガリウムから放出されるガリウムと窒素ラジカルとの再結合反応によって生成される窒化ガリウム、およびターゲットのガリウムから生成されるガリウム陽イオンと窒素ラジカルから生成される窒素陰イオンとの再結合反応によって生成される窒化ガリウムを基板上に堆積させる。

Description

成膜装置および窒化ガリウム膜の成膜方法

　本発明の一実施形態は、窒化ガリウム膜を成膜する成膜装置に関する。また、本発明の一実施形態は、窒化ガリウム膜の成膜方法に関する。

　スマートフォン等の中小型表示装置においては、液晶やＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を用いた表示装置が既に製品化されている。なかでも、自発光型素子であるＯＬＥＤを用いたＯＬＥＤ表示装置は、液晶表示装置と比べて、高コントラストでバックライトが不要という利点を有する。しかしながら、ＯＬＥＤは有機化合物で構成されるため、有機化合物の劣化によってＯＬＥＤ表示装置の高信頼性を確保することが難しい。

　近年、次世代表示装置として、回路基板の画素内に微小なＬＥＤチップを実装した、いわゆるマイクロＬＥＤ表示装置またはミニＬＥＤ表示装置の開発が進められている。ＬＥＤは、ＯＬＥＤと同様の自発光型素子であるが、ＯＬＥＤと異なり、ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）などを含む安定した無機化合物で構成されるため、ＯＬＥＤ表示装置と比較すると、マイクロＬＥＤ表示装置は高信頼性を確保しやすい。さらに、ＬＥＤチップは、発光効率が高く、高輝度を実現することができる。したがって、マイクロＬＥＤ表示装置またはミニＬＥＤ表示装置は、高信頼性、高輝度、および高コントラストの次世代表示装置として期待されている。

　ところで、マイクロＬＥＤなどで用いられる窒化ガリウム膜は、一般的には、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて８００℃～１０００℃という高温で成膜されている。しかしながら、近年、比較的低温で成膜することができるスパッタリングによる窒化ガリウム膜の成膜が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２０－１６４９２７号公報

　窒化ガリウム膜の成膜が低温で行うことができれば、ガラス基板上に直接マイクロＬＥＤを形成することも可能である。しかしながら、スパッタリングによる窒化ガリウム膜は、十分な品質のものが得られていなかった。

　本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、低温で窒化ガリウム膜を成膜することができる成膜装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一実施形態は、高品質な窒化ガリウム膜の成膜方法を提供することを目的の一つとする。

　本発明の一実施形態に係る成膜装置は、内部を真空にすることが可能な真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、真空チャンバ内に設けられ、窒素およびガリウムを含むターゲットを支持するターゲット支持部と、真空チャンバと接続され、真空チャンバにスパッタリングガスを供給するスパッタリングガス供給部と、ターゲットに電圧を印加し、真空チャンバに供給されたスパッタリングガスのプラズマを生成するスパッタリング電源と、真空チャンバと接続され、真空チャンバに窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給することが可能な第１のラジカル供給源と、真空チャンバと接続され、真空チャンバに塩素ラジカルを供給することが可能な第２のラジカル供給源と、スパッタリングガス供給部、スパッタリング電源、第１のラジカル供給源、および第２のラジカル供給源の少なくとも１つを制御する制御部と、を含む。

　本発明の一実施形態に係る窒化ガリウムの成膜方法は、真空チャンバ内の窒素およびガリウムを含むターゲットと対向するように基板を配置し、基板を加熱し、真空チャンバにスパッタリングガスを供給し、真空チャンバに窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給し、ターゲットに電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを生成する、ことを含み、ターゲットから放出されるガリウムと窒素ラジカルとの再結合反応によって生成される窒化ガリウム、およびターゲットのガリウムから生成されるガリウム陽イオンと窒素ラジカルから生成される窒素陰イオンとの再結合反応によって生成される窒化ガリウムを基板上に堆積させる。

本発明の一実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る成膜装置の制御部の接続関係を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法を示すフローチャート図である。 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部による制御のタイミングを示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部による制御のタイミングを示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部による制御のタイミングを示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部による制御のタイミングを示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係る成膜装置の基板支持部を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る成膜装置における窒化ガリウム膜の膜厚測定を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る半導体素子の構成を示す模式図である。

　以下、本発明に係る各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施形態はあくまで一例にすぎず、当業者が、発明の主旨を保ちつつ適宜変更することによって容易に想到し得るものについても、当然に本発明の範囲に含まれる。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、または形状などが模式的に表される場合がある。しかし、図示された形状などはあくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

　本明細書において「αはＡ、ＢまたはＣを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣのいずれかを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣからなる群から選択される一つを含む」、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。

　本明細書において、説明の便宜上、「上」または「上方」もしくは「下」または「下方」という語句を用いて説明するが、原則として、構造物が形成される基板を基準とし、基板から構造物に向かう方向を「上」または「上方」とする。逆に、構造物から基板に向かう方向を「下」または「下方」とする。したがって、基板上の構造物という表現において、基板と向き合う方向の構造物の面が構造物の下面となり、その反対側の面が構造物の上面となる。また、基板上の構造物という表現においては、基板と構造物との上下関係を説明しているに過ぎず、基板と構造物との間に他の部材が配置されていてもよい。さらに、「上」または「上方」もしくは「下」または「下方」の語句は、複数の層が積層された構造における積層順を意味するものであり、平面視において重畳する位置関係になくてもよい。

　本明細書において、各構成に付記される「第１」、「第２」、または「第３」などの文字は、各構成を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限り、それ以上の意味を有さない。

　本明細書および図面において、同一または類似する複数の構成を総じて表記する際には同一の符号を用い、これらの複数の構成のそれぞれを区別して表記する際には、小文字または大文字のアルファベットを添えて表記する場合がある。また、１つの構成のうちの複数の部分を区別して表記する際には、ハイフンと自然数を用いる場合がある。

　本明細書において、陽イオンおよび陰イオンは、それぞれ、正イオンおよび負イオンという場合がある。

　以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。

＜第１実施形態＞
　図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜装置について説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１０の構成を示す模式図である。

　図１に示すように、成膜装置１０は、真空チャンバ１００、基板支持部１１０、加熱部１２０、ターゲット１３０、ターゲット支持部１４０、ポンプ１５０、スパッタリング電源１６０、スパッタリングガス供給部１７０、第１のラジカル供給源１８０、第２のラジカル供給源１９０、および制御部２００を備える。

　真空チャンバ１００内には、基板支持部１１０、加熱部１２０、ターゲット１３０、およびターゲット支持部１４０が設けられている。基板支持部１１０および加熱部１２０は、真空チャンバ１００内の下方に設けられている。基板は、基板支持部１１０上に載置される。加熱部１２０は、基板支持部１１０内に設けられ、基板支持部１１０上に載置される基板を加熱することができる。ターゲット１３０およびターゲット支持部１４０は、真空チャンバ１００内の上方に設けられている。ターゲット１３０は、ターゲット支持部１４０によって支持され、基板支持部１１０上に配置される基板と対向するように設けられている。

　なお、図１では、真空チャンバ１００内の下方に基板支持部１１０および加熱部１２０が設けられ、真空チャンバ１００内の上方にターゲット１３０およびターゲット支持部１４０が設けられる構成を示したが、これらが設けられる位置は逆であってもよい。

　ターゲット１３０は、窒素およびガリウムを含む窒化ガリウムである。ターゲット１３０の窒化ガリウムの組成比は、窒素に対するガリウムが０．７以上２以下であることが好ましい。基板上に成膜される窒化ガリウム膜の窒素はターゲット１３０および第１のラジカル供給源１８０から供給される一方で、窒化ガリウム膜のガリウムはターゲット１３０のみから供給されるため、ターゲット１３０の窒化ガリウムの組成は、窒素よりもガリウムが多いことがさらに好ましい。また、ターゲット支持部１４０は、後述するエッチングガス（第２のガス）である塩素に対して耐蝕性を有するイットリア系の材料であることが好ましい。

　真空チャンバ１００の外側には、ポンプ１５０、スパッタリング電源１６０、スパッタリングガス供給部１７０、第１のラジカル供給源１８０、および第２のラジカル供給源１９０が設けられている。

　ポンプ１５０は、配管１５１を通じて真空チャンバ１００に接続されている。ポンプ１５０は、配管１５１を通じて、真空チャンバ１００内の気体を排気することができる。すなわち、真空チャンバ１００に接続されたポンプ１５０により、真空チャンバ１００内を真空にすることができる。また、配管１５１に接続されたバルブ１５２の開閉によって、真空チャンバ１００内の圧力を一定に保持することができる。ポンプ１５０として、例えば、ターボ分子ポンプまたはクライオポンプなどを用いることができる。

　スパッタリング電源１６０は、配線１６１を介してターゲット１３０と電気的に接続されている。スパッタリング電源１６０は、直流電圧（ＤＣ電圧）または交流電圧（ＡＣ電圧）を生成し、ターゲット１３０に生成した電圧を印加することができる。交流電圧は、１３．５６ＭＨｚである。また、スパッタリング電源１６０は、ターゲット１３０にバイアス電圧を印加し、さらに、直流電圧または交流電圧を印加することもできる。

　スパッタリング電源１６０は、ターゲット１３０に印加する電圧を周期的に変化させてもよい。例えば、５０μｓｅｃ以上１０ｍｓｅｃ以下の期間ターゲット１３０に電圧が印加し、その後、２μｓｅｃ以上１０ｍｓｅｃ以下の期間ターゲット１３０に電圧を印加することを停止することができる。本実施形態に係る成膜装置では、ターゲット１３０への電圧の印加している期間とターゲット１３０への電圧の印加を停止している期間とを繰り返し、窒化ガリウム膜を成膜する。なお、以下では、ターゲット１３０に電圧を印加している状態をスパッタリング電源１６０のオン状態といい、ターゲット１３０に電圧を印加していない状態をスパッタリング電源１６０のオフ状態という場合がある。

　スパッタリングガス供給部１７０は、配管１７１を通じて真空チャンバ１００に接続されている。スパッタリングガス供給部１７０は、配管１７１を通じて、真空チャンバ１００内にスパッタリングガスを供給することができる。また、配管１７１に接続されたマスフローコントローラ１７２によって、スパッタリングガスの流量を制御することができる。スパッタリングガス供給部１７０から供給されるスパッタリングガスとして、アルゴン（Ａｒ）またはクリプトン（Ｋｒ）を用いることができる。

　第１のラジカル供給源１８０は、真空チャンバ１００内に設けられた配管１８１と接続され、真空チャンバ１００内に窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給することができる。また、配管１８１は、配管１８１の一端が基板支持部１１０に向けられて設けられていてもよい。この場合、配管１８１の一端から、基板支持部１１０上に配置される基板に向けて窒素ラジカルおよび水素ラジカルを照射することができる。詳細は後述するが、第１のラジカル供給源１８０は、窒素を含む第１のガスをプラズマ化して窒素ラジカルを生成することができる。

　第２のラジカル供給源１９０は、真空チャンバ１００内に設けられた配管１９１と接続され、真空チャンバ１００内に塩素ラジカルを供給することができる。また、配管１９１は、配管１９１の一端が基板支持部１１０に向けられて設けられていてもよい。この場合、配管１９１の一端から、基板支持部１１０上に配置される基板に向けて塩素ラジカルを照射することができる。詳細は後述するが、第２のラジカル供給源１９０は、塩素を含む第２のガスをプラズマ化して塩素ラジカルを生成することができる。

　なお、第１のラジカル供給源１８０は、真空チャンバ１００内に設けられ、真空チャンバ１００内で窒素ラジカルを生成してもよい。同様に、第２のラジカル供給源１９０は、真空チャンバ１００内に設けられ、真空チャンバ１００内で塩素ラジカルを生成してもよい。

　制御部２００は、窒化ガリウム膜の成膜において成膜装置１０の動作を制御することができる。制御部２００は、データまたは情報を用いて演算処理を行うことができるコンピュータであり、例えば、中央演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）、またはランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ：ＲＡＭ）などを含む。具体的には、制御部２００は、所定のプログラムを実行して成膜装置１０の動作を制御する。ここで、図２を参照して、制御部２００の制御の詳細について説明する。

　図２は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１０の制御部２００の接続関係を示すブロック図である。

　図２に示すように、制御部２００は、スパッタリング電源１６０およびスパッタリングガス供給部１７０と接続されている。そのため、制御部２００は、スパッタリング電源１６０のオン状態またはオフ状態、および真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給の開始または停止を制御することができる。なお、図２では、制御部２００がスパッタリングガス供給部１７０と接続されている構成を示したが、制御部２００は、マスフローコントローラ１７２と接続され、マスフローコントローラ１７２により、スパッタリングガスの供給の開始または停止を制御してもよい。

　また、制御部２００は、第１のラジカル供給源１８０に設置されている第１のプラズマ電源１８２および第１のガス供給部１８３と接続されている。そのため、制御部２００は、第１のプラズマ電源１８２のオン状態またはオフ状態、および第１のガスの供給の開始または停止を制御することができる。第１のプラズマ電源１８２は、第１のガス供給部１８３から供給される第１のガスをプラズマ化する。そのため、制御部２００が、第１のガスの供給を開始し、第１のプラズマ電源１８２をオン状態となるように制御すると、第１のガスのラジカルが、第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給される。第１のガスは、窒素および水素を含むガスであり、例えば、窒素・水素混合ガス（Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス）またはアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）などである。したがって、第１のガスのラジカルとして、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが、第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給される。なお、制御部２００が、第１のガスの供給を開始し、第１のプラズマ電源１８２をオフ状態となるように制御する場合、第１のガスが、第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給されてもよい。

　また、制御部２００は、第２のラジカル供給源１９０に設置されている第２のプラズマ電源１９２および第２のガス供給部１９３と接続されている。そのため、制御部２００は、第２のプラズマ電源１９２のオン状態またはオフ状態、および第２のガスの供給の開始または停止を制御することができる。第２のプラズマ電源１９２は、第２のガス供給部１９３から供給される第２のガスをプラズマ化する。そのため、制御部２００が、第２のガスの供給を開始し、第２のプラズマ電源１９２をオン状態となるように制御すると、第２のガスのラジカルが、第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給される。第２のガスは、塩素を含むガスであり、例えば、塩素ガス（Ｃｌ_２ガス）または三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ_３ガス）などである。したがって、第２のラジカルとして、塩素ラジカルが、第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給される。なお、制御部２００が、第２のガスの供給を開始し、第２のプラズマ電源１９２をオフ状態となるように制御する場合、第２のガスが、第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給されてもよい。

　制御部２００は、真空チャンバ１００内が所定の圧力に保持されるようにポンプ１５０を制御してもよい。さらに、制御部２００は、基板支持部１１０上に配置される基板が所定の温度で加熱されるように、加熱部１２０を制御してもよい。

　詳細は後述するが、本発明の一実施形態に係る成膜装置１０では、窒素ラジカル、水素ラジカル、および塩素ラジカルを利用して、窒化ガリウム膜の形成処理、エッチング処理、および不純物低減処理を繰り返し行うことにより、基板の温度が４００℃～６００℃のような低温であっても、基板上に高品質な窒化ガリウム膜を成膜することができる。

　なお、成膜装置１０は、ターゲット１３０に窒化ガリウム以外の材料を用いることにより、窒化ガリウム膜以外の窒化物膜を成膜することも可能である。

＜第２実施形態＞
　図３および図４を参照して、本発明の一実施形態である窒化ガリウム膜の成膜方法について説明する。本実施形態で説明する窒化ガリウム膜は、成膜装置１０を用いて成膜されるため、以下では、便宜上、図１および図２に示す符号を参照して説明する場合がある。

　図３は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法を示すフローチャート図である。図３に示す窒化ガリウム膜の成膜方法では、ステップＳ１００～ステップＳ２１０が順次実行される。

　ステップＳ１００では、基板が、ターゲット１３０と対向するように基板支持部１１０上に載置される。成膜装置１０では、基板として、例えば、ガラス基板または石英基板などを用いることができる。また、基板として、窒化アルミニウム膜が形成されたガラス基板または石英基板などを用いることもできる。

　ステップＳ１１０では、基板が、加熱部１２０によって所定の温度に加熱される。所定の温度は、例えば、４００℃以上６００℃以下である。

　ステップＳ１２０では、ポンプ１５０が、所定の真空度以下となるように真空チャンバ１００内の気体を排気する。所定の真空度は、例えば、１０^－６Ｐａであるが、これに限られない。

　ステップＳ１３０では、第１のラジカル供給源１８０が制御され、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給される。

　ステップＳ１４０では、スパッタリングガス供給部１７０が制御され、スパッタリングガスがスパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００に供給される。また、真空チャンバ１００内の圧力は、所定の圧力となるようにマスフローコントローラ１７２によってスパッタリングガスの流量が調整される。所定の圧力は、例えば、０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下である。

　ステップＳ１５０では、スパッタリング電源１６０が制御され、基板に対してターゲット１３０がカソードとなるようにターゲット１３０に所定の電圧の印加が開始される（スパッタリング電源１６０のオン状態）。これにより、真空チャンバ１００に供給されたスパッタリングガスがプラズマ化され、スパッタリングガスの陽イオンおよび電子が生成される。スパッタリングガスのイオンは、基板とターゲット１３０との間の電位差によって加速され、ターゲット１３０に衝突する。その結果、ターゲット１３０からスパッタリングされたガリウムおよびガリウム陽イオンが放出される。

　ステップＳ１５０では、窒素ラジカルが第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給されている。そのため、ターゲット１３０から放出されたガリウムは、窒素ラジカルと再結合反応し、窒化ガリウムを生成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜を形成する。

　また、ステップＳ１５０では、別の再結合反応によっても窒化ガリウムが生成される。窒素は電気陰性度が大きく、電子を引き付けやすい。そのため、窒素ラジカルは、真空チャンバ１００内の電子と反応し、窒素陰イオンを生成する。生成された窒素陰イオンは、基板近傍に存在するガリウム陽イオンと再結合反応し、窒化ガリウムを生成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜を形成する。陽イオンと陰イオンの再結合反応は大きなエネルギーを放出する反応であるため、基板の温度が低い場合であっても、基板上に窒化ガリウム膜を形成することができる。

　ところで、真空チャンバ１００内には酸素が残留している場合がある。この場合、ガリウム陽イオンは、真空チャンバ１００内の残留酸素と反応し、酸化ガリウムを生成する。酸化ガリウムが生成されると窒化ガリウム膜の成長が阻害されるため、真空チャンバ１００内の残留酸素は可能な限り低減されていることが好ましい。ステップＳ１５０では、窒素ラジカルだけでなく、水素ラジカルも真空チャンバ１００に供給されている。水素ラジカルは、残留酸素と反応し、水（水蒸気）を生成する。また、生成された水蒸気は、ポンプ１５０によって真空チャンバ１００から排気される。すなわち、成膜装置１０では、真空チャンバ１００内の残留酸素が低減されているため、酸化ガリウムの生成が抑制され、その結果、基板上に形成される窒化ガリウム膜は高品質な膜となる。

　上述したように、水素ラジカルは、窒化ガリウムの生成を阻害する残留酸素を除去する効果を有する。また、水素ラジカルは、ガリウム陽イオンと反応し、水素化ガリウム陽イオンを生成する場合がある。水素化ガリウム陽イオンは反応性が高く、窒素陰イオンと容易に反応し、窒化ガリウムを生成する。そのため、水素ラジカルは、窒化ガリウムの生成を促進する効果も有する。

　ステップＳ１６０では、スパッタリング電源１６０が制御され、ターゲット１３０への電圧の印加を停止する（スパッタリング電源１６０のオフ状態）。これにより、プラズマは消滅するが、成膜装置１０では、この状態においても窒化ガリウムを生成することができる。具体的には、ステップＳ１６０では、スパッタリングガス（希ガス）の準安定状態を利用して、窒化ガリウムを生成することができる。ここで、ステップＳ１６０における窒化ガリウムの生成の詳細について説明する。

　希ガスのプラズマ中には、寿命の長い準安定状態の希ガス原子が存在することが知られている。例えば、アルゴン原子およびクリプトン原子の準安定状態エネルギーは、それぞれ、１１．６１ｅＶおよび９．９１ｅＶである。このような準安定状態のアルゴン原子またはクリプトン原子は、スパッタリングのプラズマ中において生成され、寿命が長いためにプラズマが消滅した後であっても存在することができる。すなわち、準安定状態のアルゴン原子またはクリプトン原子は、ターゲット１３０への電圧の印加を停止した後においても存在することができる。

　ターゲット１３０への電圧の印加を停止した後において、真空チャンバ１００内には、窒素ラジカルだけでなく、窒素分子が存在している。電子の衝突による窒素分子から窒素原子への解離エネルギーは９．７５６ｅＶであるが、この解離エネルギーはアルゴン原子またはクリプトン原子の準安定状態エネルギーと近い。そのため、窒素分子と準安定状態のアルゴン原子またはクリプトン原子とが衝突すると、窒素分子の解離反応が起こり、窒素ラジカルが生成される。すなわち、ターゲット１３０への電圧の印加を停止した後においても、準安定状態のアルゴン原子またはクリプトン原子によって窒素ラジカルが生成される。上述したように、窒素の電気陰性度は大きいため、窒素ラジカルは真空チャンバ１００内の電子と反応し、窒素陰イオンを生成する。また、ステップＳ１６０では、窒素ラジカルが第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給されている。供給された窒素ラジカルは、真空チャンバ１００内の電子と反応し、窒素陰イオンを生成する。このように生成された窒素陰イオンは、基板近傍に存在するガリウム陽イオンと再結合反応し、窒化ガリウムを生成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜を形成する。

　したがって、ステップＳ１６０では、第１のラジカル供給源１８０から供給される窒素ラジカルだけでなく、準安定状態のアルゴン原子またはクリプトン原子を利用することにより、窒化ガリウムを効率よく生成することができる。

　ステップＳ１７０では、第１のラジカル供給源１８０が制御され、真空チャンバ１００への窒素ラジカルおよび水素ラジカルの供給が停止される。

　ステップＳ１８０では、第２のラジカル供給源１９０が制御され、塩素ラジカルが第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給される。ステップＳ１５０およびステップＳ１６０において形成された窒化ガリウム膜は、結晶領域だけでなく、非晶質領域も含む。そこで、ステップＳ１８０では、塩素ラジカルを利用して、窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングを行う。このエッチングにより、基板上に形成された窒化ガリウム膜の結晶性を向上することができる。なお、非晶質領域は、結晶領域よりもガリウムと窒素との結合が弱い。そのため、非晶質領域の選択的なエッチングが可能である。また、エッチングによって生成される塩化ガリウムの室温での沸点は約２００℃である。そのため、４００℃以上で加熱されている基板近傍では塩化ガリウムは気体であり、窒化ガリウムは基板に堆積されない。

　ステップＳ１９０では、スパッタリング電源１６０が制御され、基板に対してターゲット１３０がカソードとなるようにターゲット１３０に所定の電圧の印加が開始される（スパッタリング電源１６０のオン状態）。これにより、真空チャンバ１００に供給された塩素ラジカルがプラズマ化される。塩素は電気陰性度が大きく、電子を引き付けやすい。そのため、塩素ラジカルは、プラズマ中の電子と反応し、塩素陰イオンを生成する。したがって、ステップＳ１９０では、塩素ラジカルだけでなく、塩素陰イオンを利用して、窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングを行うことができる。そのため、窒化ガリウム膜の非晶質領域を効率よくエッチングすることができる。

　ステップＳ２００では、スパッタリング電源１６０が制御され、ターゲット１３０への電圧の印加を停止する（スパッタリング電源１６０のオフ状態）。

　ステップＳ２１０では、第２のラジカル供給源１９０が制御され、真空チャンバ１００への塩素ラジカルの供給が停止される。

　本実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法では、ステップＳ１３０～ステップＳ２１０を繰り返すことにより、基板上に結晶性が向上された高品質な窒化ガリウム膜を成膜することができる。ここで、図４を参照して、制御部２００による制御のタイミングの詳細について説明する。

　図４は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部２００による制御のタイミングを示すシーケンス図である。なお、図４に示すシーケンス図は、一例であって、制御部２００による制御はこれに限定されない。いくつかの変形例については、後述する。

　図４には、窒化カリウム膜の成膜処理に関する第１の期間Ｔ１～第５の期間Ｔ５が示されている。第１の期間Ｔ１および第４の期間Ｔ４ではスパッタリング電源１６０がオン状態であり、第２の期間Ｔ２、第３の期間Ｔ３、および第５の期間Ｔ５ではスパッタリング電源１６０がオフ状態である。スパッタリング電源１６０がオン状態の期間（スパッタリング電源１６０のオン期間）は、例えば、５０μｓｅｃ以上１０ｍｓｅｃ以下である。プラズマを安定させるためには、スパッタリング電源１６０のオン期間が５０μｓｅｃ以上であることが好ましい。また、スパッタリング電源１６０がオフ状態の期間（スパッタリング電源１６０のオフ期間）は、例えば、２μｓｅｃ以上１０ｍｓｅｃ以下である。スパッタリング電源１６０のオフ期間は、準安定状態のスパッタリングガスの寿命以上であることが好ましい。

（第１の期間Ｔ１）
　第１の期間Ｔ１は、スパッタリング電源１６０のオン期間である。第１の期間Ｔ１では、スパッタリングガスがスパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００に供給されている。また、第１のガス供給部１８３から第１のガスが供給され、第１のプラズマ電源１８２がオン状態である。すなわち、第１のラジカル供給源１８０では、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが生成され、生成された窒素ラジカルおよび水素ラジカルが真空チャンバ１００に供給されている。一方、第２のガス供給部１９３からの第２のガスの供給は停止され、第２のプラズマ電源１９２はオフ状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されておらず、塩素ラジカルは真空チャンバ１００に供給されていない。

　第１の期間Ｔ１では、上述のステップＳ１５０が行われる。すなわち、第１の期間では、真空チャンバ１００に供給されたスパッタリングガスがプラズマ化され、スパッタリングガスの陽イオンおよび電子が生成される。スパッタリングガスの陽イオンは、ターゲット１３０と衝突し、ターゲット１３０からスパッタリングされたガリウムおよびガリウム陽イオンが放出される。ターゲット１３０から放出されたガリウムは、窒素ラジカルと再結合反応し、窒化ガリウムを生成する。また、真空チャンバ１００に供給された窒素ラジカルは、電子と反応し、窒素陰イオンが生成される。生成された窒素陰イオンは、基板近傍に存在するガリウム陽イオンと再結合反応し、窒化ガリウムを生成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜が形成される。

（第２の期間Ｔ２）
　第２の期間Ｔ２は、スパッタリング電源１６０のオフ期間に含まれる。第２の期間Ｔ２では、スパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給が停止される。また、第１のガス供給部１８３から第１のガスが供給されつつ、第１のプラズマ電源１８２がオフ状態となる。そのため、窒素ラジカルおよび水素ラジカルだけでなく、窒素を含む第１のガスが、第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給される。なお、第２のガス供給部１９３からの第２のガスの供給は停止され、第２のプラズマ電源１９２はオフ状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されておらず、塩素ラジカルは第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　第２の期間Ｔ２では、上述のステップＳ１６０が行われる。すなわち、第２の期間Ｔ２では、準安定状態のスパッタリングガスを利用した窒素陰イオンとガリウム陽イオンとの再結合反応により、窒化ガリウムを生成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜を形成する。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積され、窒化ガリウム膜が形成される。

　本実施形態では、第１の期間Ｔ１だけでなく、第２の期間Ｔ２においても窒化ガリウム膜を成膜することにより、窒化ガリウム膜の成膜速度を向上することができる。

（第３の期間Ｔ３）
　第３の期間Ｔ３は、スパッタリング電源１６０のオフ期間に含まれる。第３の期間Ｔ３では、第２のガス供給部１９３から第２のガスが供給され、第２のプラズマ電源１９２がオン状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成され、生成された塩素ラジカルが真空チャンバ１００に供給されている。また、スパッタリング電源１６０がオフ状態を維持しつつ、スパッタリングガスがスパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給が開始され、または停止される。なお、第１のガス供給部１８３からの第１のガスの供給は停止され、第１のプラズマ電源１８２はオフ状態である。すなわち、第１のラジカル供給源１８０では、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが生成されておらず、窒素ラジカルおよび水素ラジカルは第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　第３の期間Ｔ３では、上述のステップＳ１８０が行われる。すなわち、第３の期間Ｔ３では、塩素ラジカルを利用した窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングが行われる。

（第４の期間Ｔ４）
　第４の期間Ｔ４は、スパッタリング電源１６０のオン期間である。第４の期間Ｔ４では、スパッタリングガスがスパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００に供給されている。また、第２のガス供給部１９３から第２のガスが供給され、第２のプラズマ電源１９２がオン状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成され、生成された塩素ラジカルが真空チャンバ１００に供給されている。なお、第１のガス供給部１８３からの第１のガスの供給は停止され、第１のプラズマ電源１８２はオフ状態である。すなわち、第１のラジカル供給源１８０では、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが生成されておらず、窒素ラジカルおよび水素ラジカルは第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　第４の期間Ｔ４では、上述のステップＳ１９０が行われる。すなわち、第４の期間Ｔ４では、塩素ラジカルおよび塩素陰イオンを利用した窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングが行われる。

　本実施形態では、第３の期間Ｔ３だけでなく、第４の期間Ｔ４においても窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングを行うことにより、窒化ガリウム膜の結晶性を向上することができる。

　なお、第４の期間Ｔ４の長さは、第１の期間Ｔ１の長さと同じであってもよく、異なっていてもよい。

（第５の期間Ｔ５）
　第５の期間は、スパッタリング電源１６０のオフ期間に含まれる。第５の期間Ｔ５では、スパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給が開始される。また、第１のガス供給部１８３から第１のガスが供給されつつ、第１のプラズマ電源１８２がオン状態となる。そのため、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが、第１のラジカル供給源１８０から真空チャンバ１００に供給される。なお、第２のガス供給部１９３からの第２のガスの供給は停止され、第２のプラズマ電源１９２はオフ状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されておらず、塩素ラジカルは第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　第５の期間Ｔ５では、真空チャンバ１００に供給された水素ラジカルが、真空チャンバ１００内または窒化ガリウム膜中の塩素と反応し、塩化水素を生成する。生成された塩化水素は、ポンプによって真空チャンバ１００から排気されるため、真空チャンバ１００内または窒化ガリウム膜中の残留塩素が低減される。すなわち、第５の期間Ｔ５における水素ラジカルは、窒化ガリウム膜の不純物である塩素を除去し、窒化ガリウム膜の不純物を低減する効果を有する。したがって、窒化ガリウム膜は、不純物濃度が低い高品質な膜となる。

　本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法によれば、第１の期間Ｔ１～第５の期間Ｔ５が繰り返されることにより、窒化カリウム膜の形成処理、非晶質領域のエッチング処理、および不純物の低減処理が繰り返される。そのため、基板上に成膜される窒化ガリウム膜は、結晶性が高く、高品質な膜となる。

＜変形例１＞
　図５を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法の変形例について説明する。なお、以下では、第２実施形態で説明した構成と同様の構成は、その説明を省略する場合がある。

　図５は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部２００による制御のタイミングを示すシーケンス図である。図５に示すように、本変形例に係る窒化ガリウム膜の成膜方法では、第４の期間Ｔ４’が含まれる。

　第４の期間Ｔ４’は、スパッタリング電源１６０のオン期間である。第４の期間Ｔ４’では、スパッタリングガスがスパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００に供給されていない。供給された塩素ラジカルによってプラズマが安定して形成される場合、真空チャンバ１００にスパッタリングガスが供給されなくてもよい。安定したプラズマが形成されることにより、塩素ラジカルおよび塩素陰イオンが生成されるため、窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングを行うことができる。

＜変形例２＞
　図６を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法の別の変形例について説明する。なお、以下では、第２実施形態で説明した構成と同様の構成は、その説明を省略する場合がある。

　図６は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部２００による制御のタイミングを示すシーケンス図である。図６に示すように、本変形例に係る窒化ガリウム膜の成膜方法では、第４の期間Ｔ４’’が含まれる。

　第４の期間Ｔ４’’は、スパッタリング電源１６０のオン期間である。第４の期間Ｔ４’’では、第２のガス供給部１９３から第２のガスが供給されているが、第２のプラズマ電源１９２がオフ状態である。そのため、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されず、第２のガスが真空チャンバ１００に供給されている。第４の期間Ｔ４’’では、スパッタリング電源１６０がオン状態であるため、真空チャンバ１００に供給された第２のガスはプラズマ化され、塩素ラジカルおよび塩素陰イオンが生成される。そのため、真空チャンバ１００内で生成された塩素ラジカルおよび塩素陰イオンを利用して、窒化ガリウム膜の非晶質領域のエッチングを行うことができる。

＜変形例３＞
　図７を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法のさらに別の変形例について説明する。なお、以下では、第２実施形態で説明した構成と同様の構成は、その説明を省略する場合がある。

　図７は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜方法において、制御部２００による制御のタイミングを示すシーケンス図である。本変形例に係る窒化ガリウム膜の成膜方法では、第１のガスとして、窒素・水素混合ガス（Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス）を用いるが、窒素ガスおよび水素ガスは、それぞれ、第１－１のガス供給部および第１－２のガス供給部から供給される。すなわち、窒素ガスと水素ガスとは別々のガス供給源から供給される。そのため、制御部２００は、窒素ガスの供給の開始もしくは停止、または水素ガスの供給の開始もしくは停止を独立して制御することができる。図７に示すように、本変形例に係る窒化ガリウム膜の成膜方法では、第２の期間Ｔ２’および第５の期間Ｔ５’が含まれる。

　第２の期間Ｔ２’は、スパッタリング電源１６０のオフ期間に含まれる。第２の期間Ｔ２’では、スパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給が停止される。また、第１－１のガス供給部および第１－２のガス供給部から、それぞれ、窒素ガスおよび水素ガスが供給されつつ、第１のプラズマ電源１８２がオフ状態となる。そのため、窒素ラジカルおよび水素ラジカルだけでなく、窒素ガスおよび水素ガスが、真空チャンバ１００に供給される。なお、第２のガス供給部１９３からの第２のガスの供給は停止され、第２のプラズマ電源１９２はオフ状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されておらず、塩素ラジカルは第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　また、第２の期間Ｔ２’では、第１－１のガス供給部からの窒素ガスの供給が停止された後、第１－２のガス供給部からの水素ガスの供給が停止される。このような制御により、スパッタリング電源１６０のオフ期間において、基板表面に堆積されたガリウムに対する水素の表面マイグレーションを促進することができる。すなわち、基板表面のガリウムを水素で終端させることにより、基板表面における酸化ガリウムの生成を抑制することができる。また、形成される窒化ガリウム膜の平坦性を向上させることができる。

　第５の期間Ｔ５’は、スパッタリング電源１６０のオフ期間に含まれる。第５の期間Ｔ５’では、スパッタリングガス供給部１７０から真空チャンバ１００へのスパッタリングガスの供給が開始される。また、第１－１のガス供給部及び第１－２のガス供給部から、それぞれ、窒素ガスおよび水素ガスが供給されつつ、第１のプラズマ電源１８２がオン状態となる。そのため、窒素ラジカルおよび水素ラジカルが、真空チャンバ１００に供給される。なお、第２のガス供給部１９３からの第２のガスの供給は停止され、第２のプラズマ電源１９２はオフ状態である。すなわち、第２のラジカル供給源１９０では、塩素ラジカルが生成されておらず、塩素ラジカルは第２のラジカル供給源１９０から真空チャンバ１００に供給されていない。

　また、第５の期間Ｔ５’では、第１－２のガス供給部から水素ガスの供給が開始された後、第１－１のガス供給部からの窒素ガスの供給が開始される。このような制御により、スパッタリング電源１６０のオフ期間において、窒素ガスを供給する前に、水素ガスを用いて、基板表面に残留する塩素を効率よく除去することができる。

　図７に示すシーケンス図では、窒素ガスの供給の停止および水素ガスの供給の停止または水素ガスの供給の停止および窒素ガスの供給の開始および水素ガスの供給の開始が順次実行される例を示したが、窒素ガスの供給の停止および水素ガスの供給の停止または水素ガスの供給の停止および窒素ガスの供給の開始および水素ガスの供給の開始が同時に実行されてもよい。また、第１－１のガス供給部および第１－２のガス供給部の各々に第１のプラズマ電源１８２を設け、窒素ラジカルの供給の開始または停止および水素ラジカルの供給の開始または停止を独立して制御してもよい。

　なお、本変形例に係る窒化ガリウム膜の成膜方法は、他の変形例に適用することもできる。

＜第３実施形態＞
　図８および図９を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の成膜装置１０の基板支持部１１０Ａについて説明する。なお、以下では、第１実施形態および第２実施形態で説明した構成と同様の構成は、その説明を省略する場合がある。

　図８は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１０の基板支持部１１０Ａを示す模式図である。

　図８に示すように、成膜装置１０内には、基板支持部１１０Ａ上に配置される基板５１０に対して光を照射する照射部１１１Ａ、および基板５１０から反射された光を受光する受光部１１２Ａが設けられている。成膜装置１０内における照射部１１１Ａおよび受光部１１２Ａの設置位置は、特に限定されない。照射部１１１Ａが照射する光は、赤外光線または可視光線である。

　図９は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１０における窒化ガリウム膜の膜厚測定を説明する模式図である。

　第２実施形態で説明したように、成膜装置１０を用いた窒化ガリウム膜の成膜においては、スパッタリング電源１６０のオフ期間が存在する。このオフ期間では、真空チャンバ１００内においてプラズマが形成されていない。そのため、照射部１１１Ａから光Ｌ１が照射されると、受光部１１２Ａは、基板５１０および基板上に形成される窒化ガリウム膜５２０から反射された光を受光することができる。

　基板５１０、窒化ガリウム膜５２０、および真空チャンバ１００内の雰囲気は、それぞれ屈折率が異なる。そのため、照射部１１１Ａから照射された光Ｌ１は、基板５１０および窒化ガリウム膜５２０を透過するだけでなく、基板５１０または基板５１０上に形成されるバッファー層と窒化ガリウム膜５２０との界面、または窒化ガリウム膜５２０の表面で反射される。すなわち、受光部１１２Ａでは、多重反射された光Ｌ２が受光される。受光部１１２Ａで受光される光Ｌ２の強度は、平坦な窒化ガリウム膜５２０の成長とともに、基板５１０および窒化ガリウム膜５２０からの反射光が干渉し合い、周期的な振動が生じる。すなわち、受光部１１２Ａで受光される光は、反射率の振動が生じ、周期的なパターンとして検出される。具体的には、光Ｌ１の波長をλとすると、光Ｌ２の光路差２ｎｄは、式２ｎｄ＝ｋλ（ｋは自然数）で表される。ここで、ｎは窒化ガリウム膜５２０の屈折率であり、ｄは窒化ガリウム膜５２０の膜厚である。したがって、周期的なパターンおよび上述の式に基づき、窒化ガリウム膜５２０の膜厚ｄを算出することができる。

　本発明の一実施形態に係る成膜装置１０では、スパッタリング電源１６０のオフ期間中に光を照射し、干渉現象を利用して窒化ガリウム膜の膜厚を測定することができる。そのため、成膜装置１０では、成膜される窒化ガリウム膜の膜厚を制御することができる。

＜第４実施形態＞
　図１０は、本発明の一実施形態に係る発光素子１０００の構成を示す模式図である。

　図１０に示すように、発光素子１０００は、基板１０１０、バリア層１０２０、バッファー層１０３０、ｎ型半導体層１０４０、発光層１０５０、ｐ型半導体層１０６０、ｎ型電極１０７０、およびｐ型電極１０８０を含む。発光素子１０００は、いわゆるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）であるが、これに限られない。

　基板１０１０として、例えば、ガラス基板または石英基板などを用いることができる。バリア層１０２０として、例えば、窒化シリコン膜などを用いることができる。バッファー層１０３０として、例えば、窒化アルミニウム膜などを用いることができる。ｎ型半導体層１０４０として、シリコンをドープした窒化ガリウム膜などを用いることができる。発光層１０５０として、窒化インジウムガリウム膜と窒化ガリウム膜とが交互に積層された積層体を用いることができる。ｐ型半導体層１０６０として、マグネシウムをドープした窒化ガリウム膜などを用いることができる。ｎ型電極１０７０として、インジウムなどの金属を用いることができる。ｐ型電極１０８０として、パラジウムまたは金などの金属を用いることができる。なお、本実施形態に係る発光素子１０００では、バリア層１０２０が設けられない構成を適用することもできる。

　発光素子１０００の製造方法は次のとおりである。基板１０１０上に、窒化シリコン膜および窒化アルミニウム膜を順に成膜し、バリア層１０２０およびバッファー層１０３０を形成する。また、バッファー層１０３０の上に、シリコンをドープした窒化ガリウム膜を成膜する。また、バッファー層１０３０の上に、窒化インジウムガリウム膜と窒化ガリウム膜とを交互に成膜し、積層体を形成する。また、積層体の上に、マグネシウムをドープした窒化ガリウム膜を成膜する。次に、マグネシウムをドープしたガリウム膜、積層体、およびシリコンをドープした窒化ガリウム膜を、フォトリソグラフィーを用いてエッチングし、ｐ型半導体層１０６０、発光層１０５０、およびｎ型半導体層１０４０を形成する。このとき、シリコンをドープした窒化ガリウム膜の一部の表面を露出させるようにエッチングする。ｎ型半導体層１０４０およびｐ型半導体層１０６０のそれぞれの上に、ｎ型電極１０７０およびｐ型電極１０８０を形成する。

　本実施形態では、成膜装置１０を利用して、発光層１０５０の窒化ガリウム膜だけでなく、発光層１０５０の窒化アルミニウム膜を成膜することもできる。窒化アルミニウムガリウム膜を成膜する場合、成膜装置１０のターゲット１３０として、窒素、アルミニウム、およびガリウムを含む窒化アルミニウムガリウムを用いることができる。また、２つの真空チャンバを基板搬送部を介して接続し、一方の真空チャンバ内で窒化ガリウム膜を成膜し、真空を破ることなく、他方の真空チャンバ内で窒化アルミニウムガリウムを成膜してもよい。

　なお、成膜装置１０を利用して、バッファー層１０３０の窒化アルミニウム膜、ｎ型半導体層１０４０のシリコンをドープした窒化ガリウム膜、またはｐ型半導体層１０６０のマグネシウムをドープした窒化ガリウム膜を成膜することもできる。

　以上、本実施形態に係る発光素子１０００は、成膜装置１０を利用して窒化ガリウム膜を成膜することができるため、耐熱性の低い、例えばガラス基板を用いて作製することができる。

＜第５実施形態＞
　図１１は、本発明の一実施形態に係る半導体素子２０００の構成を示す模式図である。

　図１１に示すように、半導体素子２０００は、基板２０１０、バリア層２０２０、バッファー層２０３０、窒化ガリウム層２０４０、第１の窒化アルミニウムガリウム層２０５０、第２の窒化アルミニウムガリウム層２０６０、第３の窒化アルミニウムガリウム層２０７０、ソース電極２０８０、ドレイン電極２０９０、ゲート電極２１００、第１の絶縁層２１１０、第２の絶縁層２１２０、およびシールド電極２１３０を含む。半導体素子２０００は、いわゆるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、これに限られない。

　基板２０１０として、例えば、ガラス基板または石英基板などを用いることができる。バリア層２０２０として、例えば、窒化シリコン膜などを用いることができる。バッファー層２０３０として、例えば、窒化アルミニウム膜などを用いることができる。窒化ガリウム層２０４０として、窒化ガリウム膜を用いることができる。第１の窒化アルミニウムガリウム層２０５０として、窒化アルミニウムガリウム膜を用いることができる。第２の窒化アルミニウムガリウム層２０６０として、例えば、シリコンをドープした窒化ガリウム膜を用いることができる。第３の窒化アルミニウムガリウム層２０７０として、窒化アルミニウムガリウム膜を用いることができる。ソース電極２０８０およびドレイン電極２０９０として、例えば、チタンまたはアルミニウムなどの金属を用いることができる。ゲート電極２１００として、例えば、ニッケルまたは金などの金属を用いることができる。第１の絶縁層２１１０として、例えば、窒化シリコン膜を用いることができる。第２の絶縁層２１２０として、例えば、酸化シリコン膜を用いることができる。シールド電極２１３０として、例えば、アルミニウム／チタン（Ａｌ／Ｔｉ）などの積層金属を用いることができる。なお、本実施形態に係る半導体素子２０００では、バリア層１０２０が設けられない構成を適用することもできる。

　半導体素子２０００の製造方法は次のとおりである。基板２０１０上に、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化ガリウム膜、および窒化アルミニウムガリウム膜を成膜し、バリア層２０２０、バッファー層２０３０、窒化ガリウム層２０４０、および第１の窒化アルミニウムガリウム層２０５０を形成する。また、第１の窒化アルミニウムガリウム層２０５０の上に、シリコンをドープした窒化アルミニウムガリウム膜および窒化アルミニウムガリウム膜を成膜する。次に、窒化アルミニウムガリウム膜およびシリコンをドープした窒化アルミニウムガリウム膜を、フォトリソグラフィーを用いてエッチングし、第３の窒化アルミニウムガリウム層２０７０および第２の窒化アルミニウムガリウム層２０６０を形成する。このとき、シリコンをドープした窒化アルミニウムガリウム膜の一部の表面を露出させるようにエッチングする。第２の窒化アルミニウムガリウム層２０６０の上に、ソース電極２０８０およびドレイン電極２０９０を形成する。また、第３の窒化アルミニウムガリウム層２０７０の上に、ゲート電極２１００を形成する。ソース電極２０８０、ドレイン電極２０９０、およびゲート電極２１００を覆うように、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜を順に成膜し、第１の絶縁層２１１０および第２の絶縁層２１２０を形成する。第２の絶縁層２１２０の上に、シールド電極２１３０を形成する。

　本実施形態では、成膜装置１０を利用して、窒化ガリウム層２０４０の窒化ガリウム膜だけでなく、バッファー層２０３０の窒化アルミニウム膜、第１の窒化アルミニウムガリウム層２０５０の窒化アルミニウム膜、第２の窒化アルミニウムガリウム層２０６０のシリコンをドープした窒化アルミニウムガリウム膜、および第３の窒化アルミニウムガリウム層２０７０の窒化アルミニウムガリウム膜を成膜することができる。

　以上、本実施形態に係る半導体素子２０００は、成膜装置１０を利用して窒化ガリウム膜を成膜することができるため、耐熱性の低い、例えばガラス基板を用いて作製することができる。

　本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除、もしくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略、もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

　上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１０：成膜装置、　１００：真空チャンバ、　１１０：基板支持部、　、１１１Ａ：照射部、　１１２Ａ：受光部、　１２０：加熱部、　１３０：ターゲット、　１４０：ターゲット支持部、　１５０：ポンプ、　１５１：配管、　１５２：バルブ、　１６０：スパッタリング電源、　１６１：配線、　１７０：スパッタリングガス供給部、　１７１：配管、　１７２：マスフローコントローラ、　１８０：第１のラジカル供給源、　１８１：配管、　１８２：第１のプラズマ電源、　１８３：第１のガス供給部、　１９０：第２のラジカル供給源、　１９１：配管、　１９２：第２のプラズマ電源、　１９３：第２のガス供給部、　２００：制御部、　５１０：基板、　５２０：窒化ガリウム膜、　１０００：発光素子、　１０１０：基板、　１０２０：バリア層、　１０３０：バッファー層、　１０４０：ｎ型半導体層、　１０５０：発光層、　１０６０：ｐ型半導体層、　１０７０：ｎ型電極、　１０８０：ｐ型電極、　２０００：半導体素子、　２０１０：基板、　２０２０：バリア層、　２０３０：バッファー層、　２０４０：窒化ガリウム層、　２０５０：第１の窒化アルミニウムガリウム層、　２０６０：第２の窒化アルミニウムガリウム層、　２０７０：第３の窒化アルミニウムガリウム層、　２０８０：ソース電極、　２０９０：ドレイン電極、　２１００：ゲート電極、　２１１０：第１の絶縁層、　２１２０：第２の絶縁層、　２１３０：シールド電極
 

Claims (17)

1. 　内部を真空にすることが可能な真空チャンバと、
   　前記真空チャンバ内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、
   　前記真空チャンバ内に設けられ、窒素およびガリウムを含むターゲットを支持するターゲット支持部と、
   　前記真空チャンバと接続され、前記真空チャンバにスパッタリングガスを供給するスパッタリングガス供給部と、
   　前記ターゲットに電圧を印加し、前記真空チャンバに供給された前記スパッタリングガスのプラズマを生成するスパッタリング電源と、
   　前記真空チャンバと接続され、前記真空チャンバに窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給することが可能な第１のラジカル供給源と、
   　前記真空チャンバと接続され、前記真空チャンバに塩素ラジカルを供給することが可能な第２のラジカル供給源と、
   　前記スパッタリングガス供給部、前記スパッタリング電源、前記第１のラジカル供給源、および前記第２のラジカル供給源の少なくとも１つを制御する制御部と、を含む、成膜装置。
2. 　前記制御部は、前記第１のラジカル供給源から前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルが供給されているとき、前記第２のラジカル供給源から前記塩素ラジカルを供給しないように前記第２のラジカル供給源を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
3. 　前記制御部は、前記第２のラジカル供給源から前記塩素ラジカルが供給されているとき、前記第１のラジカル供給源から前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルを供給しないように前記第１のラジカル供給源を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
4. 　前記制御部は、前記スパッタリング電源をオフ状態とした後、一定の期間、前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルを前記真空チャンバに供給するように前記第１のラジカル供給源を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
5. 　前記制御部は、前記スパッタリング電源をオフ状態とした後、前記第１のラジカル供給源のプラズマ電源をオフ状態にして窒素ガスおよび水素ガスを前記真空チャンバに供給し、その後、前記窒素ガスの供給を停止させ、前記窒素ガスの供給の停止後に前記水素ガスの供給を停止するように前記第１のラジカル供給源を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
6. 　前記制御部は、前記第２のラジカル供給源から前記塩素ラジカルが供給されているとき、前記スパッタリング電源をオン状態とするように前記スパッタリング電源を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
7. 　さらに、
   　前記真空チャンバ内に設けられ、前記基板に赤外光線または可視光線を照射する照射部と、
   　前記真空チャンバ内に設けられ、照射された前記赤外光線または前記可視光線の反射光を受光する受光部と、を含む、請求項１に記載の成膜装置。
8. 　真空チャンバ内の窒素およびガリウムを含むターゲットと対向するように基板を配置し、
   　前記基板を加熱し、
   　前記真空チャンバにスパッタリングガスを供給し、
   　前記真空チャンバに窒素ラジカルおよび水素ラジカルを供給し、
   　前記ターゲットに電圧を印加して前記スパッタリングガスのプラズマを生成する、ことを含み、
   　前記ターゲットから放出される前記ガリウムと前記窒素ラジカルとの再結合反応によって生成される窒化ガリウム、および前記ターゲットの前記ガリウムから生成されるガリウム陽イオンと前記窒素ラジカルから生成される窒素陰イオンとの再結合反応によって生成される窒化ガリウムを前記基板上に堆積させる、窒化ガリウム膜の成膜方法。
9. 　前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルは、Ｎ_２／Ｈ_２混合ガスおよびＮＨ_３ガスのいずれか１つから生成される、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
10. 　さらに、前記ターゲットへの前記電圧の印加を停止することを含み、
    　前記ターゲットへの前記電圧の印加が停止された期間において、前記ガリウム陽イオンと、電子と前記窒素ラジカルとの反応により生成される窒素陰イオンとの再結合反応によって生成される窒化ガリウムを前記基板上に堆積させる、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
11. 　さらに、
    　前記ターゲットへの前記電圧の印加を停止し、
    　前記真空チャンバへの前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルの供給を停止し、
    　前記真空チャンバに塩素ラジカルを供給する、ことを含み、
    　前記塩素ラジカルにより前記基板上に形成された前記窒化ガリウム膜をエッチングする、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
12. 　さらに、
    　前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルの供給を停止した後に、前記真空チャンバに窒素ガスおよび水素ガスを供給し、
    　前記真空チャンバへの前記窒素ガスの供給を停止した後に、前記真空チャンバへの前記水素ガスの供給を停止する、ことを含む、請求項１１に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
13. 　前記塩素ラジカルは、Ｃｌ_２ガスおよびＢＣｌ_３ガスのいずれか１つから生成される、請求項１１または請求項１２に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
14. 　さらに、前記真空チャンバに前記塩素ラジカルが供給された後、前記ターゲットに電圧を印加して塩素陰イオンを生成することを含み、
    　前記塩素陰イオンにより前記基板上に形成された前記窒化ガリウム膜をエッチングする、請求項１１または請求項１２に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
15. 　前記スパッタリングガスは、アルゴンおよびクリプトンの少なくとも１つである、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
16. 　前記基板は、ガラス基板および石英基板のいずれか１つである、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
17. 　前記基板はガラス基板であり、
    　前記ガラス基板は、４００℃以上６００℃以下で加熱される、請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
     

Images