特許 7595740 窒化ガリウム膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】窒化ガリウム膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/203 20060101AFI20241129BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20241129BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20241129BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

H01L21/203 S

H01L21/205

C23C14/06 A

C23C14/34 S

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023500606

(86)(22)【出願日】2022-01-06

(86)【国際出願番号】 JP2022000256

(87)【国際公開番号】W WO2022176422

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】P 2021025261

(32)【優先日】2021-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】池田 雅延

【審査官】河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０７５５９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１６７７１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１２５８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／００９５７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－２０４７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２７０７４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０３

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ２３Ｃ １４／０６

Ｃ２３Ｃ １４／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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に対向するように基板を配置し、
前記真空チャンバ内にスパッタリングガスを供給し、
前記真空チャンバ内に窒素ラジカルを供給し、
前記ターゲットに電圧を印加することによって前記スパッタリングガスのプラズマを生成し、
前記スパッタリングガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてガリウムイオンを生成し、
前記ターゲットへの前記電圧の印加を停止し、前記真空チャンバ内の電子と前記窒素ラジカルとが反応した窒素陰イオンと、前記ガリウムイオンと、が反応した窒化ガリウムを前記基板上に堆積させる、ことを含み、
前記ターゲットへの前記電圧が停止しているとき、前記窒素ラジカルの供給が停止される、窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項2】

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に対向するように基板を配置し、
前記真空チャンバ内にスパッタリングガスを供給し、
前記真空チャンバ内に窒素ラジカルを供給し、
前記ターゲットに電圧を印加することによって前記スパッタリングガスのプラズマを生成し、
前記スパッタリングガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてガリウムイオンを生成し、
前記ターゲットへの前記電圧の印加を停止し、前記真空チャンバ内の準安定状態のスパッタリングガスを利用して窒素原子を生成し、前記真空チャンバ内の電子と前記窒素原子とが反応した窒素陰イオンと、前記ガリウムイオンと、が反応した窒化ガリウムを前記基板上に堆積させる、ことを含み、
前記ターゲットへの前記電圧が停止しているとき、前記窒素ラジカルの供給が停止される、窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項3】

前記電圧の印加の停止時間は、２（μｓｅｃ）以上１０（ｍｓｅｃ）以下である、請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項4】

前記ターゲットへの前記電圧の印加は、所定の周波数を有するパルス状である、請求項３に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項5】

前記所定の周波数は、９０（Ｈｚ）以上４００（ｋＨｚ）以下である、請求項４に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項6】

前記ターゲットは、前記窒素に対する前記ガリウムが０．７以上２以下の組成比を有する窒化ガリウムである、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項7】

前記ターゲットは、前記窒素よりも前記ガリウムが多い組成の窒化ガリウムである、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項8】

前記スパッタリングガスは、アルゴンまたはクリプトンである、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項9】

前記基板は、石英基板である、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項10】

前記基板は、ガラス基板である、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項11】

前記基板には、窒化アルミニウム膜が設けられている、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項12】

さらに、前記基板を加熱する、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【請求項13】

前記基板は、４００℃以上６００℃以下で加熱される、請求項１２に記載の窒化ガリウム膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、窒化ガリウム膜の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０２０－１６４９２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、低温で成膜することができ、高品質な窒化ガリウム膜の製造方法を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法は、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に対向するように基板を配置し、真空チャンバ内にスパッタリングガスを供給し、真空チャンバ内に窒素ラジカルを供給し、ターゲットに電圧を印加することによってスパッタリングガスのプラズマを生成し、スパッタリングガスのイオンをターゲットに衝突させてガリウムイオンを生成し、ターゲットへの電圧の印加を停止し、真空チャンバ内の電子と窒素ラジカルとが反応した窒素陰イオンと、ガリウムイオンと、が反応した窒化ガリウムを前記基板上に堆積させる。

【0009】

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に対向するように基板を配置し、真空チャンバ内にスパッタリングガスを供給し、真空チャンバ内に窒素ラジカルを供給し、ターゲットに電圧を印加することによってスパッタリングガスのプラズマを生成し、スパッタリングガスのイオンをターゲットに衝突させてガリウムイオンを生成し、ターゲットへの電圧の印加を停止し、真空チャンバ内の準安定状態のスパッタリングガスを利用して窒素原子を生成し、真空チャンバ内の電子と窒素原子とが反応した窒素陰イオンと、ガリウムイオンと、が反応した窒化ガリウムを基板上に堆積させる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法に用いる成膜装置の構成を示す模式図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法を示すフローチャート図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法を示すフローチャート図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【図8】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。

【図9】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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

本明細書において、説明の便宜上、「上」もしくは「上方」または「下」もしくは「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」もしくは「上方」または「下」もしくは「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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

＜第１実施形態＞
図１～図４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製造方法について説明する。

【0018】

［１．成膜装置１０の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法に用いる成膜装置１０の構成を示す模式図である。

【0019】

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源１７０、および窒素ラジカル供給源１８０を備える。成膜装置１０は、いわゆるスパッタリング装置である。

【0020】

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上に配置される。加熱部１２０は、基板支持部１１０内に設けられ、基板支持部１１０上の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に対向するように設けられている。

【0021】

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が設けられる例を示したが、これらは逆であってもよい。

【0022】

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。また、基板上に成膜される窒化ガリウム膜の窒素は、窒素ラジカル供給源から供給することができる一方、窒化ガリウム膜のガリウムはターゲット１３０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比は、窒素よりもガリウムが多いことがさらに好ましい。

【0023】

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源１７０、および窒素ラジカル供給源１８０が設けられている。

【0024】

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内の気体を排出することができる。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。

【0025】

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、１３．５６（ＭＨｚ）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。

【0026】

スパッタリング電源１６０は、周期的にターゲット１３０に印加する電圧を停止することができる。ターゲット１３０への電圧の印加の停止時間は、２（ｍｓｅｃ）以上１０（ｍｓｅｃ）以下である。また、スパッタリング電源１６０のターゲット１３０への印加は、所定の周波数を有するパルス状であってもよい。この場合、所定の周波数は、１００（ｋＨｚ）以上５００（ｋＨｚ）以下である。

【0027】

スパッタリングガス供給源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源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源１７０から供給す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。

【0028】

窒素ラジカル供給源１８０は、真空チャンバ１００内に設けられた配管１８１と接続され、配管１８１から基板支持部１１０上に配置された基板に向けて窒素ラジカルを照射することができる。窒素ラジカル供給源１８０は、窒素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。

【0029】

なお、窒素ラジカル供給源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。

【0030】

［２．窒化ガリウム膜の製造方法］
図２～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製造方法について説明する。窒化ガリウム膜は、成膜装置１０を用いて製造されるため、以下では、便宜上、図１に示す符号を参照して説明する場合がある。

【0031】

図２は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法を示すフローチャート図である。

【0032】

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上に配置される。基板として、例えば、石英基板またはガラス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石英基板またはガラス基板などを用いることもできる。

【0033】

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

【0034】

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内の気体を排出する。所定の真空度は、例えば、１０^－６（Ｐａ）である。

【0035】

ステップＳ１３０では、スパッタリングガス供給源１７０が、真空チャンバ１００内にスパッタリングガスを供給する。スパッタリングガスとして、例えば、アルゴンまたはクリプトンを用いることができる。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、０．１（Ｐａ）以上１０（Ｐａ）以下である。

【0036】

ステップＳ１４０では、窒素ラジカル供給源１８０が、真空チャンバ１００内に窒素ラジカルを供給する。

【0037】

ステップＳ１５０では、スパッタリング電源１６０が、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に所定の電圧を印加する。これにより、真空チャンバ１００内の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イオン（具体的には、陽イオン）と電子が生成される。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からガリウムイオン（例えば、ガリウム陽イオン）が放出される。

【0038】

ステップＳ１６０では、スパッタリング電源１６０が、ターゲット１３０への電圧の印加を停止する。このとき、反応により生成した窒化ガリウムを基板上に堆積させることができる。ここで、窒化ガリウムの生成について説明する。

【0039】

ステップＳ１６０では、窒素ラジカル供給源１８０から窒素ラジカルが供給されている。窒素原子または窒素ラジカルは、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、窒素陰イオンが生成される。また、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イオン（具体的には、ガリウム陽イオン）と再結合反応し、窒化ガリウムが生成される。生成された窒化ガリウムは基板上に堆積される。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ため、基板の温度が低い場合であっても、基板上に成膜される窒化ガリウム膜は高品質な膜となる。このように、ステップＳ１６０では、ターゲット１３０への電圧の印加を停止し、スパッタリングが行われていない状態であっても、窒素ラジカル供給源１８０から供給される窒素ラジカルを利用して、窒化ガリウムを生成することができる。

【0040】

なお、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。

【0041】

また、ステップＳ１６０では、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。

【0042】

希ガスプラズマ中には、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、１１．６１（ｅＶ）および９．９１（ｅＶ）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。

【0043】

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、窒素ラジカル供給源１８０からの窒素ラジカル以外にも、窒素分子が存在する。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９．７５６（ｅＶ）であるが、この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、窒素ラジカルおよび窒素原子が生成される。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および窒素原子が生成される。上述したように、窒素ラジカルおよび窒素原子の電気陰性度は大きいため、窒素ラジカルおよび窒素原子は真空チャンバ１００内の電子と反応し、窒素陰イオンが生成される。また、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イオンと再結合反応し、窒化ガリウムが生成される。

【0044】

以上説明したように、ステップＳ１６０では、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、窒化ガリウムを生成することができる。

【0045】

本実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法では、ステップＳ１５０およびステップＳ１６０を繰り返すことにより、基板上に窒化ガリウム膜が成膜される。ここで、図３および図４を参照して、スパッタリング電源１６０のオンまたはオフのタイミングについて例示する。

【0046】

図３および図４は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【0047】

図３では、周期的にターゲット１３０に印加する電圧が停止される。すなわち、スパッタリング電源１６０は、ターゲット１３０に電圧を印加する第１の期間とターゲット１３０に電圧を印加しない第２の期間とを周期的に繰り返すようにパルス状に制御する。第１の期間と第２の期間とは、同じ時間であってもよく、異なる時間であってもよい。第１の期間は、特に限定されないが、プラズマの安定する時間によって決定されてもよい。第２の期間は、準安定状態のスパッタガスの寿命または準安定励起窒素分子の寿命によって決定されてもよい。第２の期間は、例えば、２（μｓｅｃ）以上１０（ｍｓｅｃ）である。また、パルスの周波数は、例えば、９０（Ｈｚ）以上４００（ｋＨｚ）以下である。

【0048】

図４では、スパッタリング電源１６０は、第１の期間と第２の期間とが同一であるパルス状の電圧によって、ターゲット１３０に印加する電圧を制御する。この場合、所定の周波数を決定すれば、第１の期間と第２の期間とが等分される。そのため、スパッタリング電源は、１つのパラメータである周波数に基づいてターゲット１３０に印加する電圧を制御することができる。周波数は、例えば、９０（Ｈｚ）以上４００（ｋＨｚ）以下である。

【0049】

以上説明したように、本実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法によれば、ターゲット１３０への電圧の印加を停止したときに、窒素ラジカルおよび準安定状態のスパッタリングガスを利用することによって、基板温度が低温でありながら、高品質な窒化ガリウム膜を形成することができる。

【0050】

＜第２実施形態＞
図５～図７を参照して、第１実施形態と異なる、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法について説明する。なお、以下では、第１実施形態で説明した構成については説明を省略する場合がある。

【0051】

図５は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法を示すフローチャート図である。

【0052】

本実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法では、ステップＳ１６０が実行された後に、ステップＳ１７０が実行される。

【0053】

ステップＳ１７０では、窒素ラジカル供給源１８０が、真空チャンバ１００内への窒素ラジカルの供給を停止する。ステップＳ１７０では、窒素ラジカルの供給が停止されているため、第１実施形態で説明した準安定状態のスパッタリングガスを利用した窒化ガリウムの生成が支配的となる。

【0054】

本実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法では、ステップＳ１４０～ステップＳ１７０を繰り返すことにより、基板上に窒化ガリウム膜が成膜される。ここで、図６および図７を参照して、スパッタリング電源１６０のオンまたはオフのタイミングについて例示する。

【0055】

図６および図７は、本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法において、スパッタリング電源および窒素ラジカル供給源のオンまたはオフのタイミングを示すシーケンス図である。

【0056】

図６では、周期的にターゲット１３０に印加する電圧が停止される。すなわち、スパッタリング電源１６０は、ターゲット１３０に電圧を印加する第１の期間とターゲット１３０に電圧を印加しない第２の期間とを周期的に繰り返すようにパルス状に制御する。また、窒素ラジカル供給源１８０は、第２の期間に、真空チャンバ１００内への窒素ラジカルの供給を停止する。窒素ラジカルの供給が停止される期間は、第２の期間以下である。すなわち、窒素ラジカルの供給が停止される期間は、例えば、２（μｓｅｃ）以上１０（ｍｓｅｃ）である。パルスの周波数は、例えば、９０（Ｈｚ）以上４００（ｋＨｚ）以下である。

【0057】

図７では、スパッタリング電源１６０は、第１の期間と第２の期間とが同一であるパルス状の電圧によって、ターゲット１３０に印加する電圧を制御する。また、ターゲット１３０に電圧が印加されないとき、真空チャンバ１００内への窒素ラジカルの供給も停止される。すなわち、スパッタリング電源１６０と窒素ラジカル供給源とは、所定の周波数で同期されるように制御される。所定の周波数は、例えば、９０（Ｈｚ）以上４００（ｋＨｚ）以下である。

【0058】

以上説明したように、本実施形態に係る窒化ガリウム膜の製造方法によれば、ターゲット１３０への電圧の印加を停止したときに、窒素ラジカルまたは準安定状態のスパッタリングガスを利用することによって、基板温度が低温でありながら、高品質な窒化ガリウム膜を形成することができる。

【0059】

＜第３実施形態＞
図８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。

【0060】

図８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。

【0061】

基板１０１０として、例えば、石英基板またはガラス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。

【0062】

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。

【0063】

第１実施形態または第２実施形態で説明した窒化ガリウム膜の製造方法は、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の成膜にも適用することができる。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。

【0064】

なお、第１実施形態または第２実施形態で説明した窒化ガリウム膜の製造方法は、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の成膜に適用することもできる。

【0065】

以上、本実施形態に係る発光素子１０００は、第１実施形態または第２実施形態で説明した窒化ガリウム膜の製造方法が適用されて窒化ガリウム膜などを形成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。

【0066】

＜第４実施形態＞
図９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。

【0067】

図９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。

【0068】

基板２０１０として、例えば、石英基板またはガラス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。

【0069】

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。

【0070】

第１実施形態または第２実施形態で説明した窒化ガリウム膜の製造方法は、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の成膜に適用することができる。

【0071】

以上、本実施形態に係る半導体素子２０００は、第１実施形態または第２実施形態で説明した窒化ガリウム膜の製造方法が適用されて窒化ガリウム膜などを形成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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【符号の説明】

【0074】

１０：成膜装置、 １００：真空チャンバ、 １１０：基板支持部、 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源、 １７１：配管、 １７２：マスフローコントローラ、 １８０：窒素ラジカル供給源、 １８１：配管、 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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】