特開 2023-183210 成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183210

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20231220BHJP

   C23C 14/22 20060101ALI20231220BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20231220BHJP

   H01L 21/203 20060101ALI20231220BHJP

【ＦＩ】

C23C14/06 A

C23C14/22 F

C23C14/34 R

H01L21/203 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096719

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】白井 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】築田 宗一朗

【テーマコード（参考）】

4K029

5F103

【Ｆターム（参考）】

4K029AA06

4K029AA07

4K029AA24

4K029BA58

4K029BB07

4K029BC03

4K029BD01

4K029CA06

4K029CA08

4K029CA15

4K029DA04

4K029DA08

4K029DC03

4K029DC34

4K029DC35

4K029DC39

4K029EA00

4K029EA03

4K029EA05

4K029EA08

4K029EA09

4K029JA02

4K029JA06

5F103AA08

5F103BB22

5F103DD01

5F103GG01

5F103HH03

5F103HH04

5F103NN01

5F103NN10

(57)【要約】

【課題】ターゲット液面での皮膜の成長を抑制しつつ、ターゲットから入射する高エネルギー粒子の影響による膜質の変化を抑制できる成膜方法を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る成膜方法は、減圧雰囲気に維持されたチャンバ内に設置された基板に窒素ラジカルを供給し、液相状態のガリウムターゲットに２００Ｖ以下の放電電圧と磁場を印加することで生成されたマグネトロンプラズマによって前記ガリウムターゲットをスパッタし、前記基板上に窒化ガリウム膜を形成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

減圧雰囲気に維持されたチャンバ内に設置された基板に窒素ラジカルを供給し、
液相状態のガリウムターゲットに２００Ｖ以下の放電電圧と磁場を印加することで生成されたマグネトロンプラズマによって前記ガリウムターゲットをスパッタし、前記基板上に窒化ガリウム膜を形成する
成膜方法。

【請求項2】

請求項１に記載の成膜方法であって、
前記ガリウムターゲットの表面に漏洩する磁場の強度は、０．０６テスラ以上である
成膜方法。

【請求項3】

請求項２に記載の成膜方法であって、
前記減圧雰囲気は、圧力が０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下のアルゴンガス雰囲気であり、
前記窒素ラジカルの供給源にラジカルガンが用いられ、前記圧力に対する前記ラジカルガンに供給される窒素ガスの分圧比は、５％以上２５％以下である
成膜方法。

【請求項4】

請求項３に記載の成膜方法であって、
前記放電電圧は、１５０Ｖ以下である
成膜方法。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
前記液相材料のガリウムターゲットは、金属製の容器に収容され、
前記磁気回路を前記容器の中心に対して偏心した回転軸のまわりに回転させながら、前記ガリウムターゲットをスパッタする
成膜方法。

【請求項6】

請求項１～４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
前記液相材料のガリウムターゲットは、金属製の容器に収容され、
前記基板を前記容器の中心に対して偏心した回転軸のまわりに回転させながら、前記ガリウムターゲットをスパッタする
成膜方法。

【請求項7】

請求項１～４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
前記窒化ガリウム膜にドーピングされる不純物元素からなるターゲット材料をスパッタしながら、前記ガリウムターゲットをスパッタする
成膜方法。

【請求項8】

請求項１～４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
前記基板を３００℃以上９００℃以下で加熱しながら、前記ガリウムターゲットをスパッタする
成膜方法。

【請求項9】

請求項１～４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
前記放電電圧の電源は、直流電源および高周波電源の少なくとも１つを含む
成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マグネトロンスパッタ法により基板上に窒化ガリウム膜を形成する成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ラジカルガンを用いた反応性スパッタリング法が知られている。例えば特許文献１には、ラジカルガン部の放出口から真空槽内に配置された基板に窒素ラジカルを照射しながら金属ガリウムのターゲットをプラズマによってスパッタすることで、基板上に窒化ガリウム薄膜を形成するスパッタ装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１６７７１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

マグネトロンスパッタリング法で形成された膜には、ターゲットから入射する反跳イオンなどの高エネルギー粒子の影響によるダメージが生じやすく、比抵抗等の膜質変化の原因となっている。これを防ぐため、例えば、磁場強度を上げたりスパッタ電源に高周波を重畳したりして高密度プラズマを形成し、放電電圧を下げることで、基板に入射する粒子のエネルギーを下げる手法が採用される。

【0005】

一方、ガリウムターゲットはプラズマの熱で溶解し、その液面がスパッタされる。このような液相状態の金属（以下、液体金属ともいう）の反応性マグネトロンスパッタを行う場合、プラズマ密度が上がると反応性ガスとターゲット液面での反応性が高まり、その反応生成物である皮膜が液面に堆積する。この皮膜は絶縁性であるため、プラズマに曝されることで帯電し、これが原因で異常放電や液面の突沸といった現象を引き起こすおそれがある。

【0006】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ターゲット液面での皮膜の成長を抑制しつつ、ターゲットから入射する高エネルギー粒子の影響による膜質の変化を抑制できる成膜方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一形態に係る成膜方法は、
減圧雰囲気に維持されたチャンバ内に設置された基板に窒素ラジカルを供給し、
液相状態のガリウムターゲットに２００Ｖ以下の放電電圧と磁場を印加することで生成されたマグネトロンプラズマによって前記ガリウムターゲットをスパッタし、前記基板上に窒化ガリウム膜を形成する。

【0008】

本発明の成膜方法においては、反応性の高い窒素ラジカルを用いた反応性マグネトロンスパッタ法を採用することで、チャンバ内への窒素導入量を低減してガリウムターゲットの液面への反応生成物である皮膜の成長を抑制する。また、ガリウムターゲットを２００Ｖ以下の放電電圧でスパッタすることで、ターゲットから基板へ向けて入射する反跳イオンのエネルギーを低減し、当該粒子の影響による膜質の変化を抑制する。

【0009】

前記ガリウムターゲットの表面に漏洩する磁場の強度は、０．０６テスラ以上であってもよい。
チャンバ内への窒素導入量の低減効果によりターゲット液面での皮膜の成長が抑制されるため、磁場強度の増加によりプラズマ密度を向上させることができる。

【0010】

前記減圧雰囲気は、圧力が０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下のアルゴンガス雰囲気であってもよい。前記窒素ラジカルの供給源にラジカルガンが用いられてもよく、前記圧力に対する前記ラジカルガンに供給される窒素ガスの分圧比は、５％以上２５％以下であってもよい。

【0011】

前記液相材料のガリウムターゲットは、金属製の容器に収容され、前記磁気回路を前記容器の中心に対して偏心した回転軸のまわりに回転させながら、前記ガリウムターゲットがスパッタされてもよい。

【0012】

前記液相材料のガリウムターゲットは、金属製の容器に収容され、前記基板を前記容器の中心に対して偏心した回転軸のまわりに回転させながら、前記ガリウムターゲットがスパッタされてもよい。

【0013】

前記窒化ガリウム膜にドーピングされる不純物元素からなるターゲット材料をスパッタしながら、前記ガリウムターゲットがスパッタされてもよい。

【0014】

前記基板を３００℃以上９００℃以下で加熱しながら、前記ガリウムターゲットがスパッタされてもよい。

【0015】

前記放電電圧の電源は、直流電源および高周波電源の少なくとも１つを含んでもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、ターゲット液面での皮膜の成長を抑制しつつ、ターゲットから入射する高エネルギー粒子の影響による膜質の変化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係るスパッタ装置を示す一概略側面図である。

【図2】上記スパッタ装置を示す他の概略側面図である。

【図3】上記スパッタ装置におけるガリウムターゲットのスパッタ源を示す要部拡大断面図である。

【図4】上記スパッタ装置を用いた一実験結果を示す図であって、放電電圧と比抵抗値の相関を示すグラフである。

【図5】上記スパッタ装置を用いた一実験結果を示す図であって、放電電圧と比抵抗分布の相関を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

【0019】

図１および図２は、本発明の一実施形態に係るスパッタ装置１００を示す概略構成図である。図においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は相互に直交する３軸であり、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は高さ方向をそれぞれ示している。図１はＹ軸方向から見たスパッタ装置１００の概略側面図であり、図２はＸ軸方向から見たスパッタ装置１００の概略側面図である。

【0020】

本実施形態のスパッタ装置１００は、基板Ｗ上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜をエピタキシャル成長させる成膜装置として構成される。

【0021】

［全体構成］
スパッタ装置１００は、チャンバ１０と、基板支持部２０と、第１スパッタ源３０と、反応ガス源４０と、第２スパッタ源７０と、制御部８０とを備える。

【0022】

（チャンバ）
チャンバ１０は金属製であり、内部に成膜室１１を形成する。チャンバ１０は、真空ポンプ１２に接続されており、成膜室１１を減圧雰囲気に維持可能に構成される。チャンバ１０は、典型的にはグランド電位に接続される。チャンバ１０には図示せずとも、チャンバ１０の外部と内部との間で基板Ｗの搬出入を行うためのゲートバルブが設けられる。

【0023】

（基板支持部）
基板支持部２０は、チャンバ１０の天面に設置される。基板支持部２０は、成膜室１１に配置される基板ホルダ２１を有する。基板ホルダ２１は円筒形状を有し、その下端の開口端部には基板Ｗの成膜面をチャンバ１０の底部に向けた状態で基板Ｗの周縁部を支持する環状の爪部２２が設けられる。

【0024】

基板支持部２０はさらに、基板ホルダ２１をＺ軸まわりに回転させる回転軸２３ａ（第２の回転軸）を有するモータ２３を有する。モータ２３はチャンバ１０の外側（大気）に設置され、回転軸２３ａは、真空シール機能を備えた回転導入機構２４を介して基板ホルダ２１に接続される。回転軸２３ａは、基板ホルダ２１をその軸心のまわりに回転させることが可能なように基板ホルダ２１の上面中心部に接続される。基板ホルダ６１は、グランド電位に接続される。

【0025】

なお、基板Ｗとしては、半導体基板が用いられる。半導体基板としては、窒化ガリウム基板、サファイア基板、シリコン基板等が挙げられる。基板Ｗの大きさは特に限定されず、本実施形態では、８インチウエハが用いられる。

【0026】

基板支持部２０はさらに、基板Ｗを所定温度に加熱可能な加熱部２５を有する。加熱部２５は、例えば、抵抗加熱式ヒータやランプヒータであり、基板ホルダ２１内（例えばチャンバ１０の天面）に静止状態で配置され、基板Ｗの裏面全域を加熱可能に構成される。上記所定温度は、基板Ｗ上に堆積した窒化ガリウム膜がエピタキシャル成長するのに必要な温度（例えば、３００℃以上９００℃以下）であれば特に限定されず、本実施形態では６００℃である。

【0027】

（反応ガス源）
反応ガス源４０は、窒素ラジカル４７を生成するラジカルガンである。反応ガス源４０は、反応筒４１と、反応筒４１の周囲に設けられたコイル４２と、反応筒４１およびコイル４２を収容する収容部４３とを有する。

【0028】

収容部４３はチャンバ１０の底部に設置され、収容部４３の内部は成膜室１１と連通する。収容部４３の外側（大気）には、反応筒４１の内部に反応ガスを供給するガス源４４と、コイル４２へ高周波電力を入力する高周波電源４５とがそれぞれ設置される。コイル４２は高周波電源が入力されることで反応筒４１の内部に交番磁場を形成し、反応筒４１内に供給された反応ガスを活性化させて窒素ラジカル４７を生成する。反応ガスの供給量は特に限定されず、例えば、１０ｓｃｃｍである。高周波電源４５の周波数および電力は特に限定されず、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力は４００Ｗである。

【0029】

生成された窒素ラジカル４７は、収容部４３の開口部４６を通って成膜室１１へ放出される。反応筒４１の開口部は基板支持部２０に向けて配置されており、反応筒４１から放出された窒素ラジカル４７は、基板支持部２０に支持された基板Ｗの成膜面へ照射される。

【0030】

反応ガスは、典型的には、窒素（Ｎ₂）である。これ以外にも、窒化水素、酸化窒素などの窒素を含む他のガスが採用可能である。

【0031】

（第１スパッタ源）
第１スパッタ源３０は、基板Ｗ上へガリウムのスパッタ粒子３８を供給し、窒素ラジカル４７との反応を経て、基板Ｗ上へ窒化ガリウム膜を形成するスパッタ源である。第１スパッタ源３０は、チャンバ１０の底部に設置される。第１スパッタ源３０は、ターゲット材料Ｔ１を収容可能な凹部３２が表面に形成された容器３１と、容器３１の背面に対向して配置された磁気回路５０と、磁気回路５０をＺ軸方向に平行な軸まわりに回転させることが可能な回転機構６０とを有する。

【0032】

容器３１は、ターゲット材料Ｔ１よりも融点が高い金属材料で形成された円盤状に形成される。容器３１は、ターゲット材料Ｔ１との濡れ性が比較的良好な材料で形成されるのが好ましい。本実施形態では、ターゲット材料Ｔ１が金属ガリウム（Ｇａ）であり、容器３１はステンレス鋼で形成される。容器３１は、チャンバ１０の底部に設けられた円筒状の防着板３３の内部に設置される。

【0033】

図３は、第１スパッタ源３０の要部の拡大断面図である。凹部３２は、典型的には円形の凹部であり、容器３１の成膜室１１に面する表面３１ａに形成される。凹部３２の中心は、容器３１の中心（中心軸Ｃ１）と一致する。容器３１は、底壁部３１１と周壁部３１２とを有し、凹部３２はこれら底壁部３１１と周壁部３１２との間に形成される。凹部３２の大きさは特に限定されず、例えば直径が約１００ｍｍ（４インチ）、深さが約５ｍｍである。

【0034】

容器３１は、基板支持部２０とＺ軸方向に対向する位置に配置される。図１に示すように、容器３１の中心（中心軸Ｃ１）は、基板ホルダ２１の回転軸２３ａ（中心軸Ｃ３）とは偏心した位置に配置される。本実施形態では、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ３との間の水平距離をＸ、基板Ｗの半径をａとしたとき、Ｘ＜ａの関係を満たすように中心軸Ｃ１，Ｃ３が設定される。これにより、中心軸Ｃ１上に基板Ｗを配置できる。

【0035】

図３に示すように凹部３２の隅部３２１に相当する底壁部３１１と周壁部３１２との境界部は、角部ができないように曲面で形成されるのが好ましい。これにより、凹部３２の隅部３２１と液相のターゲット材料Ｔ１（液体金属）との間に空隙が形成されにくくなり、当該空隙を原因とする異常放電（スプラッシュ）の発生を抑制することができる。図３において隅部３２１の曲率半径は、例えば２ｍｍ以上である。また、底壁部３１１と周壁部３１２との間のなす角は、１２０°以上の鈍角であるのが好ましい。これにより、凹部３２の隅部３２１と液体金属との濡れ性が高まるため、上記空隙の形成が抑制される。

【0036】

容器３２の表面３１ａとは反対側の背面（裏面）３１ｂは、平坦面で形成される。容器３２の背面３１ｂは、銅などの熱伝導性に優れたバッキングプレート３４（図１参照）に接合されてもよい。接合方法は特に限定されず、例えば、ろう接、溶接等の適宜の手法が採用可能である。バッキングプレート３４には、冷却媒体が循環する冷却通路が設けられてもよい。あるいは、容器３１の底壁部３１１および周壁部３１２の内部に、冷却媒体が循環する冷却通路が設けられてもよい。これにより、スパッタ成膜時に形成されるプラズマＰ１（図１）の熱から容器３１を保護することができる。

【0037】

容器３１はさらに、スパッタ電源３５に接続されることで、スパッタ電極（スパッタカソード）を構成する。スパッタ電源３５は、高周波電源（ＲＦ）であるが、これに代えて又はこれに加えて、直流電源（ＤＣ）が用いられてもよい。容器３１は、バッキングプレート３４を介してスパッタ電源３５に接続されてもよい。高周波電源の周波数および電力は特に限定されず、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力は８０Ｗである。

【0038】

なお図１に示すように、スパッタ源３０は、成膜室１１にスパッタガスを供給するガス源３７を有する。スパッタガスは、プラズマを形成するためのガスであり、典型的には、アルゴン（Ａｒ）である。スパッタガスの導入位置は特に限定されず、例えば、防着板３３と容器３１との間にスパッタガスが導入される。スパッタガスの導入量は特に限定されず、例えば、６０ｓｃｃｍである。

【0039】

また、容器３１の凹部３２の周囲には、グランド電位に接続されたシールド板３６が配置される。シールド板３６は凹部３２の開口径よりやや小さい内径を有する環状の金属板である。シールド板３６は、図２に示すように凹部３１の表面３１ａとの間に間隙Ｇを介して凹部３１の表面３１ａに対向配置される。

【0040】

シールド板３６は、容器３１の表面３１ａをプラズマＰ１から遮蔽することで、プラズマＰ１によるスパッタから表面３１ａを保護するシールド部として機能する。また、シールド板３６が凹部３２の開口径より小さい内径を有することにより、容器３１とターゲット材料Ｔ１との界面における異常放電を抑えることができる。間隙Ｇの大きさは、容器３１との導通を回避できる大きさであれば特に限定されず、本実施形態では、１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲で異常放電の発生回数を大幅に削減できたことが確認された。

【0041】

磁気回路５０は、容器３１の背面３１ｂに対向して配置される。磁気回路５０は、チャンバ１０の外部（大気）に配置される。磁気回路５０は、容器３１の表面３１ａ側に磁場Ｂ１を形成する磁石部５１と、磁石部５１を支持するヨーク５２と、磁石部５１およびヨーク５２を収容する収容部５３とを有する。

【0042】

磁石部５１は、複数の磁石で構成される。例えば図２に示すように、磁石部５１は、第１磁石部５１ａと、第１磁石部５１ａを中心として環状に配置された複数の第２磁石部５１ｂとを有する。第１磁石部５１ａと第２磁石部５１ｂは、容器３１の背面３１ｂに対向する磁極が互いに異なり、例えば、第１磁石５１ａがＮ極に、第２磁石部５１ｂがＳ極とされる。これら第１磁石５１ａおよび第２磁石５１ｂとの間に形成される磁力線は、容器３１の表面３１ａ側に漏洩し、その漏洩磁場Ｂ１が凹部３２の直上にマグネトロン放電（プラズマＰ１）を発生させる磁場成分を形成する。

【0043】

ヨーク５２は、円盤形状を有し、高透磁率の磁性材料で形成される。ヨーク５２の直径は特に限定されず、例えば３インチである。第１磁石５１ａはヨーク５２の中心に配置され、第２磁石５１ｂは、ヨーク５２の中心と同心的に配置される。ヨーク５２の中心は、磁気回路５０の中心（中心軸Ｃ２）と一致し、容器５１の中心（中心軸Ｃ１）に対して偏心した位置に配置されている。

【0044】

回転機構６０は、磁気回路５０を支持する回転台６１と、回転台６１に接続される回転軸６２ａ（第１の回転軸）を有しこの回転軸６２ａのまわりに磁気回路５０を回転させる駆動モータ６２とを有する。駆動モータ６２は、磁気回路５０の収容部５３の外側に配置され、回転軸６２ａは収容部５３の底部を貫通して回転台６１に接続される。

【0045】

回転軸６２ａは、容器３１の中心軸Ｃ１上に配置される。つまり、回転軸６２ａは、磁気回路５０の中心軸Ｃ２とは偏心した位置に配置される。このため、駆動モータ６２によって磁気回路５０は、容器５１の中心に対して偏心回転する。中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との間の偏心量ΔＣは特に限定されず、例えば１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。

【0046】

以上のように磁気回路５０を容器３１に対して偏心回転させることが可能に構成されることにより、磁気回路５０の回転によりターゲット材料Ｔ１の表面（液面）に形成される磁場が液面に対して相対的に移動し、プラズマＰ１の分布を周期的に変化させる。これによりターゲット材料Ｔ１のエロージョン領域が拡大するため、液面への反応生成物（皮膜）の成長を抑えることができる。

【0047】

［第２スパッタ源］
第２スパッタ源７０は、窒化ガリウム膜にドーピングされる不純物元素のスパッタ粒子７９を基板Ｗへ供給するスパッタ源である。図２に示すように、第２スパッタ源７０は、第１スパッタ源３０と同様に、チャンバ１０の底部に設置される。第２スパッタ源７０は、ターゲット材料Ｔ２を支持するバッキングプレート７２と、バッキングプレート７２の背面に対向して配置された磁気回路７３とを有する。

【0048】

ターゲット材料Ｔ２は、窒化ガリウム膜に添加される不純物元素を構成する金属または半金属材料であり、円板状あるいは矩形板状に形成される。ターゲット材料Ｔ２の種類は、形成する窒化ガリウム膜の導電型（本実施形態ではｎ型）によって任意に設定可能であり、本実施形態ではシリコン（Ｓｉ）である。なお材料としてはこれ以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）やマグネシウム（Ｍｇ）などが用いられてもよい。ターゲット材料Ｔ２は、チャンバ１０の底部に設けられた円筒状の防着板７１の内部に設置される。

【0049】

バッキングプレート７２は、銅などの熱伝導性に優れた金属材料で形成され、チャンバ１０の底部に配置される。バッキングプレート７２は、ろう接、溶接等の適宜の手法を用いてターゲット材料Ｔ２の背面に接合される。バッキングプレート７２には、冷却媒体が循環する冷却通路が設けられてもよい。

【0050】

磁気回路７３は、バッキングプレート７２の背面に対向して配置される。磁気回路７３は、チャンバ１０の外部（大気）に配置される。磁気回路７３は、ターゲット材料Ｔ２の表面に磁場Ｂ２を形成する磁石部７４と、磁石部７４を支持するヨーク７５と、磁石部７４およびヨーク７５を収容する収容部７６とを有する。

【0051】

磁石部７４は、第１スパッタ源３０における磁石部５１と同様に構成される。磁石部７４により形成される磁力線は、ターゲット材料Ｔ２の表面側に漏洩し、その漏洩磁場Ｂ２がターゲット材料Ｔ２の直上にマグネトロン放電（プラズマＰ２）を発生させる磁場成分を形成する。

【0052】

なお、磁気回路７３はバッキングプレート７２の背面に対して固定的に配置されてもよいし、第１スパッタ源３０と同様に回転可能に配置されてもよいし、例えばＹ軸方向に沿って揺動可能に配置されてもよい。

【0053】

バッキングプレート７２はさらに、スパッタ電源７７に接続されることで、スパッタ電極（スパッタカソード）を構成する。スパッタ電源７７は、高周波電源（ＲＦ）であるが、これに限られず、直流電源（ＤＣ）であってもよい。

【0054】

第２スパッタ源７０は、成膜室１１にスパッタガスを供給するガス源７８を有する。スパッタガスは、プラズマを形成するためのガスであり、典型的には、アルゴン（Ａｒ）である。スパッタガスの導入位置は特に限定されず、例えば、防着板７１とターゲット材料Ｔ２との間にスパッタガスが導入される。

【0055】

（制御部）
制御部８０は、チャンバ１０の外部（大気）に設置され、基板支持部２０、第１スパッタ源３０、反応ガス源４０、第２スパッタ源７０等のスパッタ装置１００の動作を統括的に制御する。制御部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のコンピュータに用いられるハードウェア要素および必要なソフトウェアにより実現され得る。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、その他ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が用いられてもよい。

【0056】

［成膜方法］
続いて以上のように構成される本実施形態のスパッタ装置１００の典型的な動作について説明する。

【0057】

基板支持部２０の基板ホルダ２１に基板Ｗが支持された後、真空ポンプ１２により成膜室１１が所定の圧力（例えば０．３Ｐａ）に排気される。成膜室１１が所定の圧力に到達すると、加熱部２５によって基板Ｗを所定温度に加熱しながらモータ２３を駆動し、基板ホルダ２１および基板Ｗを所定回転数で回転させる。なお基板Ｗの回転数は、目的とする面内分布の膜厚が得られる大きさに任意に調整される。

【0058】

反応ガス源４０においては、反応筒４１に反応ガス（窒素ガス）が供給されるとともにコイル４２に高周波電源が入力されることで窒素ラジカル４７が生成され、生成された窒素ラジカル４７は、基板Ｗへ向けて照射される。

【0059】

第１スパッタ源３０においては、ガス源３７から成膜室１１へスパッタガスが供給されるとともに、容器３１に高周波電力が印加されることにより、容器３１と基板ホルダ２１との間にスパッタガス（Ａｒ）のプラズマＰ１が形成される。プラズマＰ１の密度は、容器３１の表面３１ａ側に漏洩する磁気回路５０の磁場Ｂ１が電界と直交する領域で最大となり、主としてこの最大密度のプラズマ領域において容器３１の凹部３２に収容されたターゲット材料Ｔ１がスパッタされる（マグネトロンスパッタリング）。

【0060】

金属ガリウムであるターゲット材料Ｔ１はプラズマＰ１の熱で溶融し、プラズマＰ１により生成されたＡｒイオンによりターゲット材料Ｔの表面（液面）がスパッタされる。スパッタされたターゲット粒子３８（図１）は基板Ｗに向けて飛散し、基板Ｗの成膜面（下面）上で窒素ラジカル４７と反応する。ターゲット粒子３８と窒素ラジカル４７との反応生成物である窒化ガリウム粒子は、基板Ｗの熱でエピタキシャル成長することで、基板Ｗ上に窒化ガリウム膜が形成される。

【0061】

一方、第２スパッタ源７０においては、ガス源７８から成膜室１１へスパッタガスが供給されるとともに、バッキングプレート７２に高周波電力が印加されることにより、スパッタガス（Ａｒ）のプラズマＰ２が形成される。プラズマＰ２の密度は、ターゲット材料Ｔ２の表面側に漏洩する磁気回路７３の磁場Ｂ２が電界と直交する領域で最大となり、主としてこの最大密度のプラズマ領域においてターゲット材料Ｔ２がスパッタされる（マグネトロンスパッタリング）。スパッタされたターゲット粒子７９（図２）は基板Ｗに向けて飛散し、基板Ｗの成膜面（下面）上に形成される窒化ガリウム膜に添加される。第２ターゲット材料Ｔ２のスパッタレートは、窒化ガリウム膜の比抵抗が目標値となるように最適化される。

【0062】

ここで、マグネトロンスパッタリング法で形成された膜には、ターゲットから入射する反跳イオンなどの高エネルギー粒子の影響によるダメージが生じやすく、比抵抗等の膜質変化の原因となっている。本実施形態では第１スパッタ源３０が基板Ｗの中心からオフセットした位置に対向配置されるため、基板Ｗの中心部よりもその周縁部側に第１スパッタ源３０からの高エネルギー粒子がより多く入射する。このため、基板中央よりも基板周縁部の方が膜質変化（例えば比抵抗値の増加）を生じさせやすい。

【0063】

高エネルギー粒子の影響による膜のダメージを防ぐため、例えば、磁場強度を上げたりスパッタ電源に高周波を重畳したりして高密度プラズマを形成し、放電電圧を下げることで、基板に入射する粒子のエネルギーを下げる手法が知られている。ところが本実施形態では、ガリウムターゲットはプラズマの熱で溶解し、その液面がスパッタされる。このような液相状態の金属（以下、液体金属ともいう）の反応性マグネトロンスパッタを行う場合、プラズマ密度が上がると反応性ガスとターゲット液面での反応性が高まり、その反応生成物である皮膜が液面に堆積する。この皮膜は絶縁性であるため、プラズマに曝されることで帯電し、これが原因で異常放電や液面の突沸といった現象を引き起こすおそれがある。

【0064】

このような問題を解決するため、本実施形態の成膜方法は、減圧雰囲気に維持されたチャンバ１１内（成膜室１１）に設置された基板Ｗに窒素ラジカル４７を供給し、液相状態のガリウムターゲット（ターゲット材料Ｔ１）に２００Ｖ以下の放電電圧と磁場を印加することで生成されたマグネトロンプラズマによってガリウムターゲット（ターゲット材料Ｔ１）をスパッタし、基板Ｗ上に窒化ガリウム膜を形成する。

【0065】

すなわち本実施形態においては、反応性の高い窒素ラジカル４７を用いた反応性マグネトロンスパッタ法が採用することで、チャンバ１１内への窒素導入量を低減してガリウムターゲットの液面への反応生成物である皮膜の成長を抑制する。また、ターゲット材料Ｔ１を２００Ｖ以下の放電電圧でスパッタすることで、ターゲット材料Ｔ１から基板Ｗへ向けて入射する反跳イオンのエネルギーを低減し、当該粒子の影響による膜質の変化を抑制する。これによりターゲット液面での皮膜の成長を抑制しつつ、ターゲット材料Ｔ１から入射する高エネルギー粒子の影響による膜質の変化を抑制できる。

【0066】

なお、膜質とは、成膜される窒化ガリウムの結晶性、導電特性などの膜特性をいい、本実施形態では、比抵抗の面内分布をいう。第２スパッタ源７０は、ターゲット材料Ｔ２をスパッタすることで窒化ガリウム膜に不純物元素を添加し、当該窒化ガリウム膜の比抵抗を目標値に調整する。

【0067】

また、放電電圧とは、プラズマＰ１とターゲット材料Ｔ１との間の電位差（所謂Ｖｄｃ）をいい、典型的には、スパッタ電源３５からの投入電圧をいう。この電位差を所定電圧（２００Ｖ）以下にすることで、ターゲット材料Ｔ１から基板Ｗへ向けて入射する反跳イオン等の粒子のエネルギーを制限し、これにより基板Ｗに形成される窒化ガリウム膜の膜質の変化を抑制する。上記所定電圧は、好ましくは１５０Ｖ以下、より好ましくは１２０Ｖ以下である。

【0068】

この際、ターゲット材料Ｔ１の表面（液面）に漏洩する磁場（漏洩磁場）Ｂ１の強度は、０．０６テスラ（６００ガウス）以上であることが好ましい。これによりプラズマＰ１の密度が高まるため、安定したスパッタ成膜を実現できる。放電電圧は磁場Ｂ１の強度で調整でき、典型的には、放電電圧を低くしたい場合には磁場Ｂ１の強度を増大させる。例えば、放電電圧が２００Ｖ付近の場合の磁場Ｂ１の強度は０．０６テスラ、１５０Ｖ付近の場合の磁場Ｂ１の強度は０．０８テスラ、放電電圧が１２０Ｖ付近の場合の磁場Ｂ１の強度は０．１テスラである。磁場強度は、例えば、磁石部５１を構成する磁石材料の種類、あるいは、容器３１と磁気回路５０との間の距離で調整される。以下、磁場Ｂ１の強度を、磁気回路５０の磁場強度ともいう。

【0069】

一方、窒素ラジカル４７を生成するための窒素ガスの導入量は、成膜室１１の圧力が０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下のアルゴン雰囲気である場合、当該圧力に対するラジカルガンに供給される窒素ガスの分圧比で例示すれば、５％以上２５％以下である。窒素ガスの分圧比が５％未満の場合は、目的とする組成の窒化ガリウム膜を形成するのが難しい。また、窒素ガスの分圧比が２５％を超えると、ガリウムターゲット（ターゲット材料Ｔ１）の液面に反応生成物である皮膜が成長しやすく、異常放電の発生を抑えられなくなる。

【0070】

なお、窒素ガスの分圧比は、磁気回路５０の磁場強度に応じて調整するのが好ましい。例えば磁気回路５０の磁場強度が高い場合は、プラズマＰ１の密度増大により窒素との反応性が高くなる結果、ガリウムターゲットの液面にその反応生成物からなる皮膜が成長しやすくなる（異常放電が発生しやすくなる）。このため、磁気回路５０の磁場強度が比較的高い場合は、磁気回路５０の磁場強度が比較的低い場合よりも、窒素ガスの供給量の上限は低く設定されてもよい。また、磁気回路５０の磁場強度が低い場合は、上記皮膜の成長は抑えられるものの、ガリウムとの反応性が低下するため、目的とする組成の窒化ガリウム膜が得られにくくなる。このため、磁気回路５０の磁場強度が比較的低い場合は、磁気回路５０の磁場強度が比較的高い場合よりも、窒素ガスの供給量の下限は高く設定されてもよい。

【0071】

［実験例］
以下、本実施形態のスパッタ装置１００を用いて行った実験例について説明する。

【0072】

（実験例１）
第１スパッタ源３０の磁場強度を０．１０テスラ（１０００ガウス）、放電電圧を１１２Ｖ、磁気回路５０の回転数を１０ｒｐｍ（偏心量ΔＣは１０ｍｍ）、反応ガス源４０における窒素供給量（窒素ガスの分圧比）を１１％としてガリウムターゲット（ターゲット材料Ｔ１）をスパッタし、基板Ｗ上に窒化ガリウム膜を形成した。
なお、第２スパッタ源７０のスパッタ条件、基板Ｗの温度および回転数については各実験例において共通とした。

【0073】

続いて、形成された窒化ガリウム膜の比抵抗値およびその面内分布を測定した。比抵抗値の測定点は、基板Ｗの端部（基板端）およびその中心（基板中央）とし、基板端は、基板Ｗの周縁端部から１５ｍｍの位置とした。比抵抗値は、膜厚とシート抵抗値との積から算出した。膜厚の測定方法は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による測長とし、シート抵抗値の測定には４端子法を採用した。

【0074】

測定の結果を表１に示す。基板端の比抵抗値は３４５μΩｃｍ、基板中央の比抵抗値は３４１μΩｃｍ、それらの平均値は３４３μΩｃｍであり、比抵抗値の面内分布は０．６％であった。

【0075】

（実験例２）
第１スパッタ源３０の磁場強度を０．０８テスラ（８００ガウス）、放電電圧を１４３Ｖとした以外は、実験例１と同一の条件で基板Ｗ上に窒化ガリウム膜を形成した。形成された窒化ガリウム膜について実験例１と同様な手法で比抵抗値およびその面内分布を測定した。測定の結果を表１に示す。基板端の比抵抗値は３４４μΩｃｍ、基板中央の比抵抗値は３３０μΩｃｍ、それらの平均値は３３７μΩｃｍであり、比抵抗値の面内分布は２．１％であった。

【0076】

（実験例３）
第１スパッタ源３０の磁場強度を０．０６テスラ（６００ガウス）、放電電圧を１７７Ｖ、窒素ガス分圧比を１５％とした以外は、実験例１と同一の条件で基板Ｗ上に窒化ガリウム膜を形成した。形成された窒化ガリウム膜について実験例１と同様な手法で比抵抗値およびその面内分布を測定した。測定の結果を表１に示す。基板端の比抵抗値は３８０μΩｃｍ、基板中央の比抵抗値は３４５μΩｃｍ、それらの平均値は３６３μΩｃｍであり、比抵抗値の面内分布は４．８％であった。

【0077】

（実験例４）
第１スパッタ源３０の磁場強度を０．０４テスラ（４００ガウス）、放電電圧を２１４Ｖ、窒素ガス分圧比を１７％とした以外は、実験例１と同一の条件で基板Ｗ上に窒化ガリウム膜を形成した。形成された窒化ガリウム膜について実験例１と同様な手法で比抵抗値およびその面内分布を測定した。測定の結果を表１に示す。基板端の比抵抗値は４４３μΩｃｍ、基板中央の比抵抗値は３３９μΩｃｍ、それらの平均値は３９１μΩｃｍであり、比抵抗値の面内分布は１３．３％であった。

【0078】

【表1】

【0079】

図４は、上記実験例１～４の測定結果から得られた放電電圧と比抵抗値の相関を示すグラフである。また図５は、上記実験例１～４の測定結果から得られた放電電圧と比抵抗分布の相関を示すグラフである。
表１、図３および図４に示すように、放電電圧が２００Ｖ以下である実験例１～３においては、比抵抗値の面内分布がいずれも５％以下（基板端と基板中央における比抵抗値の差が僅か）であった。このことから、放電電圧を２００Ｖ以下とすることにより、基板Ｗに対するプラズマＰ１中のイオンの入射エネルギーを低減できることが確認された。

【0080】

一方、放電電圧が２００Ｖを超える実験例４においては、基板端と基板中央における比抵抗値の差が実験例１～３もはるかに大きく、面内分布も１０％を超えることが確認された。このことは、２００Ｖを超える放電電圧では、基板に入射する高エネルギー粒子の影響で窒化ガリウム膜の膜質の変動が避けられないことを示している。

【0081】

また、実験例１～３の結果にも示されているように、放電電圧が低いほど基板端と基板中央との間の比抵抗値の差が小さくなり、窒化ガリウム膜の比抵抗値分布が向上することが確認された。これらの結果から、ガリウムターゲットの放電電圧は２００Ｖ以下が好ましく、１５０Ｖ以下がより好ましく、１２０Ｖ以下であることが最も好ましい。なお放電電圧の下限は、プラズマＰ１を安定に形成できる電圧であれば特に制限されず、例えば１００Ｖである。

【0082】

さらに、磁気回路５０の磁場強度を高めてプラズマ密度を増加させ放電電圧を低下することで、安定したスパッタ成膜を実現できる。また、磁場強度の上昇に伴って窒素ガス分圧比を低下させることで、プラズマ密度の増加に伴うターゲット液面上での反応生成物（皮膜）の成長を抑制でき、これにより異常放電（アーク放電あるいはスプラッシュ）の発生を抑えることができる。

【0083】

窒素ガス分圧比の上限および下限は、磁場強度の大きさとの関係で決めることができる。例えば表２に示すように、磁場強度が０．０８テスラと比較的高い場合は、窒素ガス分圧比は５％以上２１％以下であるのが好ましい。窒素ガス分圧比が５％未満の場合は、窒素ラジカル４７の生成量が少なすぎて窒化ガリウム膜を安定に形成できない。一方、窒素ガス分圧比が２１％を超えると、窒素ラジカル４７の生成量が多すぎてガリウムターゲットの液面に反応生成物（皮膜）が成長し、異常放電が起きやすくなる。
なお表２において記号「〇」、「△」、「×」は、形成される膜の組成の種類を示しており、「〇」は窒化ガリウム膜、「△」はガリウムと窒化ガリウムの混在膜、「×」はガリウム膜である（「－」は未実施）。

【0084】

【表2】

【0085】

また表２に示す実験結果においては、磁場強度が０．０６テスラの場合の窒素ガス分圧比は８％以上２１％以下であることが好ましく、以下同様に、０．０５テスラの場合は１５％以上２４％以下、０．０４テスラの場合は２１％以上２５％以下であることがそれぞれ好ましい。

【0086】

表２の実験結果は、反応ガス源４０（ラジカルガン）における高周波電源４０の電力が４００Ｗである場合を示しているが、当該電力が０Ｗの場合、すなわち窒素ラジカルに代えて窒素ガスを成膜室１１へ供給したときの磁場強度と形成される膜の特性との関係を表３に示す。

【0087】

【表3】

【0088】

表３に示すように、反応性ガスとして窒素ラジカルの代わりに窒素ガスを用いた場合、窒化ガリウム膜を安定に形成できる窒素ガス分圧比は非常に限定的となり、窒素ガス分圧比の厳密な制御が必要とされる。これに対して、窒素ラジカルを反応性ガスに用いる本実施形態によれば、窒素ガス分圧比の調整の自由度（ロバスト性）が高められるとともに、磁場強度が０．０５テスラ以上の場合は２１％以下の窒素ガス分圧比であっても安定して窒化ガリウム膜を形成することができる（表２参照）。

【0089】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

【0090】

例えば以上の実施形態では、第１スパッタ源３０における磁気回路５０を容器３１に対して偏心回転させながらガリウム（ターゲット材料Ｔ１）をスパッタ成膜するようにしたが、これに限られず、磁気回路５０を回転させずにガリウムをスパッタ成膜するようにしてもよい。

【0091】

また以上の実施形態では、成膜方法として、第１スパッタ源３０と第２スパッタ源７０とを用いたコスパッタ（多元スパッタ）を例に挙げて説明したが、第２スパッタ源７０は省略されてもよい。このような成膜方法においては、窒化ガリウム膜の膜質としては、例えば窒化ガリウム膜の結晶性を評価対象とすることができ、放電電圧を２００Ｖ以下にすることで窒化ガリウム膜の結晶性の変化を抑えることができる。

【符号の説明】

【0092】

１０……チャンバ
１１…成膜室
２０…基板支持部
２１…基板ホルダ
２３ａ…回転軸（第２の回転軸）
２５…加熱部
３０…第１スパッタ源
３１…容器
３２…凹部
４０…反応ガス源
５０…磁気回路
６０…回転機構
６２ａ…回転軸（第２の回転軸）
７０…第２スパッタ源
１００…スパッタ装置
Ｐ１，Ｐ２…プラズマ
Ｔ１，Ｔ２…ターゲット材料
Ｗ…基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】