JP6100047B2 - 窒化ガリウム膜の形成方法、及び、窒化ガリウム膜の形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板に対して窒化ガリウム膜を形成する窒化ガリウム膜の形成方法、及び窒化ガリウム膜の形成装置に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体の１つである窒化ガリウム系半導体は、紫外光から可視光に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有することから、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子の形成材料として広く用いられている。また、窒化ガリウムは、例えばシリコンやガリウムヒ素等の他の半導体材料と比較して、電圧破壊に対する高い耐性を有することに加え、高い飽和電子速度を有する。そのため、窒化ガリウムは、上記発光装置の形成材料としてだけではなく、電子デバイスや受光素子等の形成材料としても広く用いられている。

こうした窒化ガリウムは一般に、バルク単結晶の製造が困難なために、有機金属化学気相成長法、分子線エピタキシー法等の他、例えば特許文献１に記載のような反応性スパッタ法によって、サファイア、炭化ケイ素等からなる基板上にエピタキシャル成長される。

上記文献に記載の方法では、まず、バッファ層と呼ばれる窒化アルミニウム膜が、反応性スパッタ法によってサファイア基板上に形成される。次いで、窒化ガリウム膜が、同じく反応性スパッタ法によってバッファ層上に形成される。これにより、サファイア基板の格子定数と窒化ガリウム膜の格子定数との不整合がバッファ層によって解消されることによって、窒化ガリウム膜が、バッファ層上にエピタキシャル成長することになる。

特開２００８−２９４４４９号公報

ところで、上記サファイア基板は、絶縁体であるとともに、素子基板として用いられている他の基板よりも相対的に熱伝導性が低い。そこで、半導体であって、且つ、熱伝導性が相対的に高いシリコン基板が、窒化ガリウム膜の形成基板として用いられつつある。加えて、シリコン基板は、サファイア基板よりも安価で、且つ、大面積化の可能であることから、上記各種素子の製造にかかる費用が削減されることにもなる。

しかしながら、シリコン基板は、窒化ガリウムとの格子定数、熱膨張率等の物性値差がサファイア基板と比較して大きいことに加え、サファイア基板と比較して酸素や窒素等との反応性が高い。そのため、上述のような反応性スパッタ法によるバッファ層の形成が、シリコン基板に対して行われると、該シリコン基板の表面が容易に窒化される。これにより、シリコン基板の表面に少なからずアモルファス状の窒化シリコンが形成されてしまうために、バッファ層、ひいては、窒化ガリウム膜の結晶性が失われてしまう。

なお、こうした問題は、シリコン基板に対する窒化ガリウム膜の形成が、化学的に活性な窒素含有ガスを原料とする有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、プラズマによって活性化された窒素含有ガスを原料とするプラズマ援用分子線エピタキシー（ＲＦ−ＭＢＥ）法等によって行われた場合にも共通するものである。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリコン基板に対して窒化ガリウム膜を形成する際に、窒化ガリウム膜の結晶性を高めることのできる窒化ガリウム膜の形成方法、及び窒化ガリウム膜の形成装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
本発明の一態様は、アルミニウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成したプラズマを用いてスパッタして、シリコン基板上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、前記窒化アルミニウム膜上に窒化ガリウム膜を形成する工程とを備える窒化ガリウム膜の形成方法であって、前記窒化アルミニウム膜を形成する前に、アルミニウムターゲットを希ガスから生成したプラズマを用いてスパッタして、前記シリコン基板上にアルミニウム膜を形成する工程を備え、前記アルミニウム膜及び前記窒化アルミニウム膜を形成するときの前記シリコン基板の温度を１０００℃以上１２００℃以下とする。

本発明の一態様では、シリコン基板に対して窒化ガリウム膜のバッファ層となる窒化アルミニウム膜を形成する前に、シリコン基板上にアルミニウム膜を形成するようにしている。そのため、窒化アルミニウム膜の形成に際して、アルミニウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されたプラズマを用いてスパッタしても、シリコン基板の表面が、混合ガス中に含まれる窒素イオンや窒素ラジカル等の窒化源にさらされにくくなる。それゆえに、シリコン基板の表面に窒化シリコンが形成されにくくなり、ひいては、シリコン基板上に形成される窒化アルミニウム膜、並びに窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明の一態様では、前記窒化ガリウム膜を形成する工程では、前記アルミニウム膜を形成する工程にて前記アルミニウム膜が形成される真空槽とは異なる真空槽内で、前記窒化ガリウム膜が形成される。

窒化ガリウム膜の形成装置にて窒化ガリウム膜が形成されるときには、ガリウムや窒素を含む成膜種が、シリコン基板上だけでなく、窒化ガリウム膜の形成装置の内壁面にも付着し、付着した成膜種が内壁面から剥がれ落ちることによって、窒化ガリウム膜の形成装置内にはパーティクルが生じる。ここで、シリコン基板にアルミニウム膜が形成される前に、シリコン基板にパーティクルが付着すると、シリコン基板とパーティクルとの間で反応が起こることによって、シリコン基板上にアルミニウム膜が形成されにくくなってしまう。この点で、本発明の一態様によれば、窒化ガリウム膜の形成が、アルミニウム膜が形成される真空槽とは異なる真空槽にて行われるため、アルミニウム膜が形成される前のシリコン基板上にガリウムや窒素を含むパーティクルが付着しない。結果として、シリコン基板上にアルミニウム膜が形成されにくくなることが抑えられる。

本発明の一態様では、前記窒化ガリウム膜は、ガリウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されたプラズマを用いてスパッタすることで形成される。
本発明の一態様によれば、シリコン基板上のアルミニウム膜に積層された窒化アルミニウム上に、スパッタにより窒化ガリウム膜が形成される。そのため、スパッタにより形成された窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明の一態様では、前記窒化アルミニウム膜を形成する工程が、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム膜との間に前記アルミニウム膜が存在する状態で終了される。
窒化アルミニウム膜の形成時には、シリコン基板上に形成されたアルミニウム膜が、混合ガスのプラズマにさらされることにより、アルミニウム膜は、その表面から窒化されることになる。そのため、シリコン基板上にアルミニウム膜が形成されているとはいえ、アルミニウム膜がその厚さ方向の全体にわたって窒化された場合、シリコン基板の表面も窒化されてしまう可能性が高くなる。

この点、本発明の一態様では、アルミニウム膜が、シリコン基板と窒化アルミニウム膜との間に残っている状態で、窒化アルミニウム膜の形成工程が終了される。そのため、窒化ガリウム膜を形成する工程など、窒化アルミニウム膜が形成された後の工程で基板が加熱される際にも、シリコン基板の表面の窒化が抑えられ、ひいては、窒化ガリウム膜の結晶性をより高めることができる。

本発明の一態様は、前記アルミニウム膜を形成する工程と、前記窒化アルミニウム膜を形成する工程とでは、同一のアルミニウムターゲットを用いて行い、前記窒化アルミニウム膜を形成した後に、前記アルミニウムターゲットに対して前記希ガスから生成されたプラズマを供給して、該アルミニウムターゲットの表面をクリーニングするクリーニング工程を更に備える。

本発明の一態様では、窒化アルミニウム膜を形成した後にアルミニウムターゲットの表面が希ガスでスパッタされるため、後続するシリコン基板に対してアルミニウム膜を形成するとしても、後続するシリコン基板の表面に窒素が供給されにくくなる。それゆえに、単一のアルミニウムターゲットを用いてアルミニウム膜と窒化アルミニウム膜とを形成しても、シリコン基板の表面が窒化されにくくなるため、窒化ガリウム膜の結晶性が高められるという効果を連続して処理される複数のシリコン基板上で得られる。

本発明の一態様は、前記アルミニウム膜の形成工程を行う前に、前記シリコン基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程を更に備え、前記自然酸化膜を除去するときの前記シリコン基板の温度を１０００℃以上とし、前記自然酸化膜を除去する工程は、前記アルミニウム膜が形成される真空槽にて行われる。
本発明の一態様では、シリコン基板の表面に形成された自然酸化膜を除去するようにしている。そのため、自然酸化膜の形成されたシリコン基板に対して窒化ガリウム膜が形成されるよりも、窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明の一態様は、前記アルミニウム膜を形成する工程では、該アルミニウム膜の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。
本願発明者らは、シリコン基板上に形成されるアルミニウム膜の厚さが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるときに、該アルミニウム膜上に形成される窒化アルミニウム膜の結晶性が高められ、且つ、上記範囲に含まれている限りは、窒化アルミニウム膜の結晶性が同程度に高められることを見出した。

この点、本発明の一態様では、シリコン基板上に形成されるアルミニウム膜の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下としていることから、アルミニウム膜上に形成される窒化アルミニウム膜の結晶性、及び該窒化アルミニウム膜上に形成される窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明の一態様は、窒化ガリウム膜の形成装置が、希ガスから生成されるプラズマ中でアルミニウムターゲットをスパッタしてシリコン基板上にアルミニウム膜を形成するアルミニウム膜形成部と、窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されるプラズマ中でアルミニウムターゲットをスパッタして前記アルミニウム膜上に窒化アルミニウム膜を形成する窒化アルミニウム膜形成部と、前記窒化アルミニウム膜上に窒化ガリウム膜を形成する窒化ガリウム膜形成部とを備え、前記アルミニウム膜形成部及び前記窒化アルミニウム膜形成部は、前記シリコン基板を１０００℃以上１２００℃以下に加熱する基板ステージを備える。

本発明の一態様では、窒化アルミニウム膜形成部が、シリコン基板に対して窒化アルミニウム膜を形成する前に、アルミニウム膜形成部が、シリコン基板上にアルミニウム膜を形成するようにしている。そのため、窒化アルミニウム膜の形成に際して、アルミニウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されたプラズマを用いてスパッタしても、シリコン基板の表面が、混合ガス中に含まれる窒素イオンや窒素ラジカル等の窒化源にさらされにくくなる。それゆえに、シリコン基板の表面に窒化シリコンが形成されにくくなり、ひいては、シリコン基板上に形成される窒化アルミニウム膜、並びに窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明の一態様では、前記窒化ガリウム膜形成部は、前記アルミニウム膜形成部の搭載される真空槽とは異なる真空槽に搭載されている。
本発明の一態様によれば、本発明の一態様によれば、アルミニウム膜が形成される前のシリコン基板上にガリウムや窒素を含むパーティクルが付着しないため、シリコン基板上にアルミニウム膜が形成されにくくなることが抑えられる。

本発明の一態様は、前記窒化ガリウム膜形成部は、ガリウムターゲットと、窒素含有ガス及び希ガスを供給するガス供給部と、前記窒素含有ガスと前記希ガスとの混合ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部とを備える。

本発明の一態様では、窒化ガリウム膜形成部が、プラズマ生成部によってガス供給部から供給された混合ガスからプラズマを生成し、これにより、ガリウムターゲットをスパッタすることで、窒化ガリウム膜を形成する。そのため、スパッタにより形成された窒化ガリウム膜の結晶性を高めることができる。

本発明における窒化ガリウム膜の形成装置を具体化した第１実施形態であるスパッタ装置の全体構成を示す概略図。 スパッタ装置を構成する各構成要素の駆動の態様を示すタイミングチャート。 （ａ）〜（ｅ）本発明における窒化ガリウム膜の形成方法を具体化した第１実施形態を工程順に示す工程図。 （ａ）Ａｌ膜上に形成されたＡｌＮ膜に対するωスキャンによって得られたＸ線ロッキングカーブ（ｂ）Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＮ膜に対するωスキャンによって得られたＸ線ロッキングカーブを示す図。 Ａｌ膜上に形成されたＡｌＮ膜に対するωスキャンによって得られたＸ線ロッキングカーブを示す図。 Ａｌ膜の厚さとＡｌＮ（０００２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフ。 （ａ）ＡｌＮ膜上に形成されたＧａＮ膜のＸ線回折におけるＧａＮ（１０−１２）反射付近のΦスキャン測定結果を示す図（ｂ）Ａｌ膜とＡｌＮ膜との上に形成されたＧａＮ膜のＸ線回折におけるＧａＮ（１０−１２）反射付近のΦスキャン測定結果を示す図。 本発明における窒化ガリウム膜の形成装置を具体化した第２実施形態であるスパッタ装置の全体構成を示す概略図。 スパッタ装置の備える真空槽の構成を内部構造とともに示す概略図。

［第１実施形態］
以下、本発明における窒化ガリウム膜の形成方法をスパッタ法として具体化した第１実施形態、及び窒化ガリウム膜の形成装置をスパッタ装置として具体化した第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

［スパッタ装置の全体構成］
まず、窒化ガリウム膜の形成装置を具体化した第１実施形態であるスパッタ装置について、図１を参照して説明する。

図１に示されるように、スパッタ装置１０が有する真空槽１１には、該真空槽１１内に基板Ｓを搬出入するためのゲートバルブ１２が取り付けられている。なお、真空槽１１内に搬入される処理前の基板Ｓは、自然酸化膜が表面に形成されたシリコン基板（Ｓｉ基板）である。

また、真空槽１１には、該真空槽１１内を所定圧力に減圧する排気部１３が接続されている。排気部１３は、例えば、真空ポンプと、真空ポンプの排気流量を調整するバルブとから構成されている。さらに、真空槽１１には、該真空槽１１内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給部１４と、同真空槽１１内に希ガスを供給する希ガス供給部とが連結されている。窒素含有ガス供給部１４は、窒素含有ガスとしての窒素ガス（Ｎ_２ガス）を所定流量にて真空槽１１内に供給するマスフローコントローラである。また、希ガス供給部１５は、希ガスとしてのアルゴンガス（Ａｒガス）を所定流量にて真空槽１１内に供給するマスフローコントローラである。

スパッタ装置１０にて、基板Ｓに対する所定の処理が行われるときには、排気部１３の排気流量と、上記窒素含有ガス供給部１４及び希ガス供給部１５の各々から供給されるガスの流量とによって、真空槽１１内が所定の圧力とされる。

真空槽１１内には、上記基板Ｓを保持する円板状の基板ステージ１６が搭載されている。基板ステージ１６には、該基板ステージ１６に接続された図示されない回転軸を介してステージモータ１７が接続されている。ステージモータ１７は、基板Ｓに対して所定の処理が行われるときに回転駆動することで、基板ステージ１６、並びに基板ステージ１６に保持された基板Ｓをこれらの周方向に回転させる。

また、基板ステージ１６に内設された図示されないヒータ電極には、基板ステージ１６の温度を上昇させるヒータ電源１８が接続されている。ヒータ電源１８は、基板Ｓに対する所定の処理が行われるときに、ヒータ電極を加熱することによって、基板ステージ１６に保持された基板Ｓを所定の温度に加熱する。

基板ステージ１６の上方には、基板Ｓに対する各種金属膜の形成に用いられるアルミニウムカソード２１Ａとガリウムカソード２１Ｇとが搭載されている。アルミニウムカソード２１Ａは、バッキングプレート２２Ａと、真空槽１１内に表面をさらすようにバッキングプレート２２Ａに取り付けられたアルミニウムターゲットＴＡと、バッキングプレート２２Ａを挟んでアルミニウムターゲットＴＡとは反対側に配置された磁気回路２３Ａとを有している。バッキングプレート２２Ａには、該バッキングプレート２２Ａを介してアルミニウムターゲットＴＡに電力を供給するアルミニウムターゲット電源２４Ａが接続されている。アルミニウムターゲット電源２４Ａは、例えば、周波数が１３．５ＭＨｚである高周波電力を出力する高周波電源であって、上記基板Ｓに対して各種金属膜を形成するときに、アルミニウムターゲットＴＡに対して電力を供給することで、真空槽１１内のガスからプラズマを生成する。

ガリウムカソード２１Ｇは、上記アルミニウムカソード２１Ａと同様、バッキングプレート２２Ｇと、ガリウムターゲットＴＧと、磁気回路２３Ｇとを有している。バッキングプレート２２Ｇには、上記アルミニウムターゲット電源２４Ａと同様のガリウムターゲット電源２４Ｇが接続されているとともに、バッキングプレート２２Ｇを介してガリウムターゲットＴＧを冷却する冷却部２５が接続されている。冷却部２５は、例えばバッキングプレート２２Ｇに形成された水路内を流れる冷媒を所定温度とすることによって、ガリウムターゲットＴＧを固相に維持する。これにより、ガリウムターゲットＴＧの配置における自由度が高められる。

なお、上記カソード２１Ａ，２１Ｇは、基板Ｓの表面に対する法線と、各カソード２１Ａ，２１Ｇが有するターゲットＴＡ，ＴＧの表面に対する法線とが、所定の角度にて交差するように真空槽１１に取り付けられている。

真空槽１１内には、該真空槽１１の内壁面に沿った形状のシャッタ２６が配設されている。シャッタ２６は、上記ターゲットＴＡ，ＴＧのいずれかの表面を露出させる開口部２６ａを有するとともに、基板ステージ１６の回りを囲んでいる。シャッタ２６には、シャッタ２６を回転させるシャッタモータ２７が、図示されない回転軸を介して連結されている。シャッタモータ２７は、シャッタ２６を回転させることで、ターゲットＴＡ，ＴＧの表面に対する開口部２６ａの位置を相対移動させ、これにより、開口部２６ａから露出させるターゲットをアルミニウムターゲットＴＡとガリウムターゲットＴＧとに切り替える。

シャッタ２６は、一方のターゲットがスパッタされるときに、他方のターゲットの表面を覆うことで、ターゲット表面に対してスパッタ粒子が付着することを抑える。また、シャッタ２６は、各ターゲットＴＡ，ＴＧからのスパッタ粒子が、真空槽１１の内壁面に付着することを抑える。

こうしたスパッタ装置１０には、ゲートバルブ１２、排気部１３、窒素含有ガス供給部１４、希ガス供給部１５、ステージモータ１７、各電源１８，２４Ａ，２４Ｇ、及びシャッタモータ２７が接続されるとともに、これらの駆動を制御する制御部１０Ｃが搭載されている。また、制御部１０Ｃには、ゲートバルブ１２、排気部１３、窒素含有ガス供給部１４、希ガス供給部１５、ステージモータ１７、各電源１８，２４Ａ，２４Ｇ、及びシャッタモータ２７の出力に関するプロセスステップ毎の設定値が、プロセスレシピとして記憶されている。

制御部１０Ｃは、上記プロセスレシピを読み出した後、プロセスレシピを構成するプロセスステップ毎に、そのプロセスステップに定められた設定値を読み出して、該読み出した設定値に応じた指令を生成する。そして、制御部１０Ｃは、上記ゲートバルブ１２、ステージモータ１７、シャッタモータ２７、排気部１３、各ガス供給部１４，１５、及び各電源１８，２４Ａ，２４Ｇを駆動する駆動部にて、各々の指令に応じた駆動信号を生成して出力する。

なお、アルミニウム膜形成部は、アルミニウムターゲットＴＡ、アルミニウムターゲット電源２４Ａ、バッキングプレート２２Ａ、及び、希ガス供給部１５によって構成されている。また、窒化アルミニウム膜形成部は、アルミニウムターゲットＴＡ、アルミニウムターゲット電源２４Ａ、バッキングプレート２２Ａ、窒素含有ガス供給部１４、及び希ガス供給部１５から構成されている。また、窒化ガリウム膜形成部は、ガリウムターゲットＴＧ、ガリウムターゲット電源２４Ｇ、バッキングプレート２２Ｇ、窒素含有ガス供給部１４、及び希ガス供給部１５によって構成されている。このうち、窒素含有ガス供給部１４及び希ガス供給部１５がガス供給部を構成し、ガリウムターゲット電源２４Ｇ、及びバッキングプレート２２Ｇがプラズマ生成部を構成している。

［スパッタ装置の作用］
次に、図２及び図３を参照して、上記スパッタ装置１０の作用として、該スパッタ装置１０の動作の一つであるＳｉ基板に対する窒化ガリウム膜（ＧａＮ膜）の形成処理の作用について説明するとともに、本発明の窒化ガリウム膜の形成方法を具体化した第１実施形態について説明する。

ＧａＮ膜の形成処理が行われるときには、まず、制御部１０Ｃから排気部１３に対して排気指令に応じた駆動信号が出力されることにより、真空槽１１内が、所定圧力にまで減圧される。また、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して指令に応じた駆動信号が出力されることで、シャッタモータ２７の回転位置が所定位置に維持される。これにより、シャッタ２６が、上記２つのターゲットＴＡ，ＴＧの表面を覆う位置に維持される。

真空槽１１内が減圧されると、図２に示されるように、タイミングＴ１にて、制御部１０Ｃからゲートバルブ１２に対して開閉指令に応じた駆動信号が出力されることにより、開かれたゲートバルブ１２から基板Ｓが搬入されるとともに、基板Ｓの搬入が完了すると、ゲートバルブ１２が再び閉じられる。真空槽１１に搬入された基板Ｓは、上記基板ステージ１６上に載置される。なお、基板Ｓは、Ｓｉ基板３１の表面に自然酸化膜３２が形成された構造である（図３（ａ）参照）。

基板Ｓが基板ステージ１６上に載置されると、タイミングＴ２にて、制御部１０Ｃからヒータ電源１８に対して加熱指令に応じた駆動信号が出力されることにより、基板ステージ１６並びに基板Ｓの温度が１０００℃にまで加熱される。そして、タイミングＴ３までの所定期間にわたって基板Ｓの温度が１０００℃に維持されると、Ｓｉ基板３１上の自然酸化膜３２が除去される（自然酸化膜除去工程：図３（ｂ）参照）。

このように、自然酸化膜３２の除去が、スパッタ装置１０内での加熱によって行われるため、該自然酸化膜３２の除去がウェットエッチングによって行われる場合と比較して、Ｓｉ基板３１表面の洗浄を含めたＧａＮ膜の形成を簡便に行うことができる。

自然酸化膜３２が除去されると、タイミングＴ３にて、制御部１０Ｃから希ガス供給部１５に対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることにより、Ａｒガスが、１５０ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内に供給される。また、タイミングＴ３にて、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して開放指令に応じた駆動信号が出力されることにより、シャッタモータ２７が所定の回転位置にまで回転駆動される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａが、アルミニウムターゲットＴＡと対向する位置にまで移動する。シャッタ２６の開口部２６ａが移動すると、タイミングＴ４にて、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して停止指令に応じた信号が出力されることにより、シャッタモータ２７が所定の回転位置に維持される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａが、アルミニウムターゲットＴＡと対向する位置に維持される。

同じくタイミングＴ４では、制御部１０Ｃからアルミニウムターゲット電源２４Ａに対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることにより、１５０Ｗ（１．３３Ｗ／ｃｍ^２）の高周波電力がアルミニウムターゲットＴＡに供給される。これにより、真空槽１１内のＡｒガスからプラズマが生成されるとともに、該プラズマによってアルミニウムターゲットＴＡがスパッタされる。こうしたＡｒガス及び電力の供給がタイミングＴ５まで維持されることにより、Ｓｉ基板３１上に５ｎｍのアルミニウム膜（Ａｌ膜）３３が形成される（Ａｌ膜形成工程：図３（ｃ）参照）。

Ａｌ膜３３が形成されると、タイミングＴ５にて、制御部１０Ｃから希ガス供給部１５に対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることで、Ａｒガスが、４５ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内に供給される。また、同じくタイミングＴ５では、制御部１０Ｃから窒素含有ガス供給部１４に対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることで、Ｎ_２ガスが、１０ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内に供給される。

なお、このとき、アルミニウムターゲット電源２４ＡからアルミニウムターゲットＴＡへの電力の供給は維持されている。これにより、真空槽１１内のＡｒガスとＮ_２ガスとの混合ガスからプラズマが生成されるとともに、該プラズマによってアルミニウムターゲットＴＡがスパッタされる。こうしたＡｒガス、Ｎ_２ガス、及び電力の供給がタイミングＴ６まで維持されることにより、４０ｎｍの窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ膜）３４がＡｌ膜３３上に形成される（ＡｌＮ膜形成工程：図３（ｄ）参照）。

こうしてＡｌＮ膜３４が形成されているときには、Ｓｉ基板３１の表面がＡｌ膜３３で覆われている。そのため、Ｓｉ基板３１の表面が、プラズマ中に含まれるＮイオンやＮラジカル等の窒化源にさらされにくくなる。それゆえに、Ｓｉ基板３１の表面が窒化されにくくなる。

しかも、ＡｌＮ膜３４の形成工程は、先のＡｌ膜形成工程にてＳｉ基板３１上に形成されたＡｌ膜３３の全てが窒化される前に、すなわちＳｉ基板３１上に形成されたＡｌ膜３３が、Ｓｉ基板３１とＡｌＮ膜３４との間に残っている状態で終了される。そのため、Ｓｉ基板３１の表面が、後続する工程での加熱によっても窒化されにくくなる。それゆえに、ＡｌＮ膜３４は、結晶性が高められた状態でＡｌ膜３３上に形成されることになる。

ＡｌＮ膜３４が形成されると、タイミングＴ６にて、制御部１０Ｃからアルミニウムターゲット電源２４Ａに対して停止指令に応じた信号が出力されることで、アルミニウムターゲットＴＡに対する電力の供給が停止される。同じくタイミングＴ６では、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して開放指令に応じた駆動信号が出力されることにより、シャッタモータ２７が所定の回転位置にまで回転駆動される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａが、ガリウムターゲットＴＧと対向する位置にまで移動する。シャッタ２６の開口部２６ａが移動すると、タイミングＴ７にて、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して停止指令に応じた信号が出力されることで、シャッタモータ２７が所定の回転位置に維持される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａが、ガリウムターゲットＴＧと対向する位置に維持される。

同じくタイミングＴ７では、制御部１０Ｃからガリウムターゲット電源２４Ｇに対して電力指令が出力されることにより、１５０Ｗ（１．３３Ｗ／ｃｍ^２）の高周波電力がガリウムターゲットＴＧに供給される。また、同じくタイミングＴ７では、制御部１０Ｃからヒータ電源１８に対して降温指令に応じた駆動信号が出力されることで、基板ステージ１６並びに基板Ｓの温度が８００℃に変更される。なお、このとき、Ａｒガス及びＮ_２ガスは、上記タイミングＴ６と同流量に維持されている。

こうしたＡｒガス、Ｎ_２ガス、及び電力の供給がタイミングＴ８まで維持されることにより、２μｍのＧａＮ膜３５がＡｌＮ膜３４上に形成される（ＧａＮ膜形成工程：図３（ｅ）参照）。先のＡｌ膜形成工程、ＡｌＮ膜形成工程、及びＧａＮ膜形成工程により、単一のＳｉ基板３１に対してＡｌ膜３３、ＡｌＮ膜３４、及びＧａＮ膜３５の各々が一層ずつ形成される。

こうして形成されたＧａＮ膜３５の下層には、結晶性の高められたＡｌＮ膜３４が形成されている。そのため、ＡｌＮ膜３４を構成する結晶にならってエピタキシャル成長するＧａＮ膜３５の結晶性も自ずと高められることになる。

また、Ｓｉ基板３１上の自然酸化膜３２が除去されているため、自然酸化膜３２が形成されているＳｉ基板３１に対してＧａＮ膜３５が形成されるよりも、ＧａＮ膜３５の結晶性を高めることができる。

ＧａＮ膜３５が形成されると、タイミングＴ８にて、制御部１０Ｃから希ガス供給部１５に対して停止指令に応じた信号が出力されることで、Ａｒガスの供給が停止される。同じくタイミングＴ８では、制御部１０Ｃから窒素含有ガス供給部１４に対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることで、Ｎ_２ガスが、１００ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内に供給される。また、同じくタイミングＴ８では、制御部１０Ｃからガリウムターゲット電源２４Ｇ及びヒータ電源１８の各々に対して停止指令及び降温指令に応じた信号が出力されることで、ガリウムターゲットＴＧに対する電力の供給と、基板ステージ１６並びに基板Ｓの加熱が停止される。こうしたＮ_２ガスの供給がタイミングＴ９まで維持されることで、基板ＳがＮ_２ガス雰囲気にて冷却される。

基板Ｓの冷却が完了すると、タイミングＴ９にて、制御部１０Ｃから窒素含有ガス供給部１４に対して停止指令に応じた信号が出力されることで、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽１１内が所定の圧力にまで減圧される。

Ｎ_２ガスの供給が停止されると、タイミングＴ１０にて、制御部１０Ｃからゲートバルブ１２に対して開閉指令に応じた駆動信号が出力されることで、開かれたゲートバルブ１２から処理後の基板Ｓが搬出されるとともに、基板Ｓの搬出が完了すると、再びゲートバルブ１２が閉じられる。

処理後の基板Ｓが搬出されると、タイミングＴ１１にて、制御部１０Ｃから希ガス供給部１５に対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることで、Ａｒガスが、１５０ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内に供給される。また、同じくタイミングＴ１１では、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して開放指令に応じた駆動指令が出力されることで、シャッタモータ２７が、所定の回転位置にまで回転駆動される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａが、アルミニウムターゲットＴＡと対向する位置にまで移動する。シャッタ２６の開口部２６ａが移動すると、タイミングＴ１２にて、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して停止指令に応じた信号が出力されることで、シャッタモータ２７が、所定の回転位置で維持される。これにより、シャッタ２６の開口部２６ａは、アルミニウムターゲットＴＡと対向する位置で維持される。

同じくタイミングＴ１２では、制御部１０Ｃからアルミニウムターゲット電源２４Ａに対して供給指令に応じた駆動信号が出力されることで、１５０Ｗ（１．３３Ｗ／ｃｍ^２）の高周波電力が、アルミニウムターゲットＴＡに対して供給される。これにより、真空槽１１内のＡｒガスからプラズマが生成されるとともに、該プラズマによってアルミニウムターゲットＴＡがスパッタされる。

これにより、上記ＡｌＮ膜の形成工程にて表面に形成された窒化物が、アルミニウムターゲットＴＡから取り除かれる。そのため、複数の基板Ｓに対して連続してＧａＮ膜の形成を行ったとしても、先行する基板Ｓに対するＡｌＮ膜３４の形成により、アルミニウムターゲットＴＡの表面に形成された窒化物は、後続する基板Ｓに対してＡｌ膜３３を形成する以前に取り除かれる。それゆえに、後続する基板Ｓの表面に対してＡｌ膜３３を形成するときに、該基板Ｓの表面、つまりはＳｉ基板３１の表面に窒素が供給されにくくなる。したがって、単一のアルミニウムターゲットＴＡを用いてＡｌ膜３３とＡｌＮ膜３４とを順に形成するとともに、これら膜の形成が複数の基板Ｓに対して行われたとしても、基板Ｓの表面が窒化されにくくなる。

アルミニウムターゲットＴＡに対する電力の供給が所定時間維持されると、タイミングＴ１３にて、制御部１０Ｃから希ガス供給部１５に対して停止指令に応じた信号が出力されることで、Ａｒガスの供給が停止される。同じくタイミングＴ１３では、制御部１０Ｃからアルミニウムターゲット電源２４Ａに対して停止指令に応じた信号が出力されることで、アルミニウムターゲットＴＡに対する電力の供給が停止される（アルミニウムターゲットクリーニング工程）。

また、同じくタイミングＴ１３では、制御部１０Ｃからシャッタモータ２７に対して閉鎖指令に応じた駆動信号が出力されることで、シャッタモータ２７が所定の回転位置にまで回転駆動される。これにより、シャッタ２６が、タイミングＴ１４にて、２つのターゲットＴＡ，ＴＧを覆う位置にまで上記開口部２６ａが移動する。

こうしてアルミニウムターゲットのクリーニングが行われた後に、処理前の基板Ｓが上記ゲートバルブ１２から真空槽１１内に搬入されることで、該基板Ｓに対してアルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、及び窒化ガリウム膜がこの順に形成される。

［試験例］
［ＡｌＮ層の結晶性］
アルミニウムターゲットを以下の条件でスパッタすることによって、直径２００ｍｍのＳｉ（１１１）基板に５ｎｍのＡｌ膜を形成した。なお、アルミニウムターゲット表面とＳｉ（１１１）基板の表面との距離を６０ｍｍとした。

［Ａｌ膜形成条件］
・アルミニウム電源出力周波数 １３．５ＭＨｚ
・アルミニウム電源出力電力 １５０Ｗ（１．３３Ｗ／ｃｍ^２）
・真空槽内の圧力 ０．６５Ｐａ
・Ａｒガス流量 １５０ｓｃｃｍ
・基板温度 ８００℃
そして、真空槽内に供給されるガスの種類並びに流量を、上記Ａｌ膜形成条件から以下のように変更して、Ａｌ膜上に４０ｎｍのＡｌＮ膜を形成した。

［ＡｌＮ膜形成条件］
・Ａｒガス流量 ４５ｓｃｃｍ
・Ｎ_２ガス流量 １０ｓｃｃｍ
こうして形成されたＡｌＮ膜の結晶性を評価するために、Ｘ線回折によって（００２）面のロッキングカーブを測定した。ωスキャンによるロッキングカーブの測定結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示されるように、ロッキングカーブの半値幅は１．２°であることが認められた。

また、４０ｎｍのＡｌＮ膜をＳｉ（１１１）基板に対して直に形成し、該ＡｌＮ膜における（００２）面のロッキングカーブを上述の方法によって測定した。なお、ＡｌＮ膜の形成は、上記ＡｌＮ膜形成条件にて行った。ただし、真空槽内にプラズマを形成するときにのみ、Ａｒガス及びＮ_２ガスの供給を以下の条件とした。

［プラズマ形成条件］
・Ａｒガス流量 １５０ｓｃｃｍ
・Ｎ_２ガス流量 ５０ｓｃｃｍ
こうして形成されたＡｌＮ膜のロッキングカーブの測定結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示されるように、ロッキングカーブの半値幅は２．０°よりも大きい値であることが認められた。

つまり、Ｓｉ基板の表面にＡｌ膜を形成した後に、Ｓｉ基板に対してＡｌＮ膜を形成することにより、Ａｌ膜を形成しない場合と比較して、Ｓｉ基板の表面における窒化が抑えられ、これによりＡｌＮ膜の結晶性が高められることが認められた。

また、上記Ａｌ膜形成条件及びＡｌＮ膜形成条件から、基板温度のみを１０００℃に変更して、Ｓｉ（１１１）基板上にＡｌ膜とＡｌＮ膜とをこの順に形成した。そして、ＡｌＮ膜における（００２）面のロッキングカーブを上述の方法によって測定した。この測定結果を図５に示す。図５に示されるように、ロッキングカーブの半値幅は０．３８°であることが認められた。このように、Ａｌ膜及びＡｌＮ膜を形成するときの温度が１０００℃であると、ＡｌＮ膜の結晶性がより高められることが認められた。なお、Ｓｉ基板の変形が起こらない１２００℃以下の範囲においては、Ａｌ膜及びＡｌＮ膜を形成するときのＳｉ基板の温度が高いほど、ＡｌＮ膜の結晶性が高められることが認められた。

このように、Ａｌ膜及びＡｌＮ膜を形成するときのＳｉ（１１１）基板の温度を１０００℃以上１２００℃以下とすれば、（００２）面におけるロッキングカーブの半値幅が０．５°以下という結晶性の高いＡｌＮ膜を得られることが認められた。

［Ａｌ膜の厚さとＡｌＮ膜の結晶性との関係］
Ｓｉ（１１１）基板上に、０ｎｍ〜１２ｎｍのＡｌ膜と、４０ｎｍのＡｌＮ膜とをこの順に形成し、ＡｌＮ膜における（０００２）面のロッキングカーブを測定した。こうして測定されたロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅を図６に示す。なお、Ａｌ膜の形成条件、及びＡｌＮ膜の形成は、上記各条件から基板温度のみを１０００℃に変更した条件にて行った。また、ロッキングカーブの測定方法は上記と同様とした。

図６に示されるように、Ａｌ膜の厚さが０ｎｍから１ｎｍまでの範囲では、Ａｌ膜の厚さが大きくなるに従って、半値幅が小さくなることが認められた。そして、Ａｌ膜の厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲では、Ａｌ膜の厚さにかかわらず、半値幅が０．５°程度の略同じ値であることが認められた。これに対し、Ａｌ膜の厚さが１０ｎｍより大きい範囲では、Ａｌ膜の厚さが大きくなるに従って、半値幅が大きくなることが認められた。このように、Ａｌ膜の厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるときに、ＡｌＮ膜の結晶性が高められることが認められた。

なお、Ａｌ膜の厚さが１ｎｍよりも薄いときには、Ｓｉ基板の表面に対して部分的にＡｌ膜が形成されているのみであるために、Ａｌ膜によって覆われていないＳｉ基板の表面が窒化し、その結果、ＡｌＮ膜の結晶性が相対的に低くなると考えられる。他方、Ａｌ膜の厚さが１０ｎｍよりも厚いときには、Ａｌ膜の厚さが大きくなることによって、Ａｌ膜の結晶性に対するＳｉ基板とＡｌ膜との格子不整合の影響が大きくなり、その結果、Ａｌ膜そのものの結晶性、並びにＡｌＮ膜の結晶性が相対的に低くなると考えられる。

また、Ａｌ膜上に形成したＡｌＮ膜の厚さが、上記以外の厚さであっても、Ａｌ膜を形成した場合に、ＡｌＮ膜のロッキングカーブの値がＳｉ基板上にＡｌ膜を形成しない場合よりも小さくなることが認められた。

［ＧａＮ膜の結晶性］
Ｓｉ（１１１）基板上に、５ｎｍのＡｌ膜と、４０ｎｍのＡｌＮ膜とをこの順に形成した後、ガリウムターゲットを以下の条件にてスパッタして２μｍのＧａＮ膜を形成した。なお、Ａｌ膜の形成条件と、ＡｌＮ膜の形成条件とは、上記と同一の条件とした。また、ガリウムターゲットの表面とＳｉ（１１１）基板の表面との距離を６０ｍｍとした。

［ＧａＮ膜形成条件］
・ガリウム電源出力周波数 １３．５ＭＨｚ
・ガリウム電源出力電力 １５０Ｗ（１．３３Ｗ／ｃｍ^２）
・真空槽内の圧力 ０．６５Ｐａ
・Ａｒガス流量 ４５ｓｃｃｍ
・Ｎ_２ガス流量 １０ｓｃｃｍ
・基板温度 ８００℃
こうして形成されたＧａＮ膜の結晶性を評価するために、Ｘ線回折によって（１０−１２）面のロッキングカーブを測定したところ、ロッキングカーブの半値幅は０．５９２°であることが認められた。また、このＧａＮ膜における（０００２）面のロッキングカーブをωスキャンにより測定したところ、ロッキングカーブの半値幅が０．３３５°であることが認められた。さらに、ＧａＮ（１０−１２）反射付近のΦスキャン測定を行った。この測定結果を図７（ａ）に示す。図７（ａ）に示されるように、結晶の面内配向のばらつき、すなわち結晶のモザイク性が小さいことが認められた。

また、Ｓｉ（１１１）基板上に、４０ｎｍのＡｌＮ膜を直に形成した後、２μｍのＧａＮ膜を形成し、該ＧａＮ膜における（１０−１２）面のロッキングカーブを上述の方法によって測定した。なお、ＡｌＮ膜の形成は、上記Ａｌ膜を形成しないときの条件にて行うとともに、ＧａＮ膜の形成は、上記ＧａＮ層形成条件にて行った。Ｘ線解析によって（１０−１２）面のロッキングカーブを測定したところ、ロッキングカーブの半値幅は１．３４６°であることが認められた。また、このＧａＮ膜における（０００２）面のロッキングカーブをωスキャンにより測定したところ、ロッキングカーブの半値幅が０．６９８°であることが認められた。また、ＧａＮ（１０−１２）反射付近のΦスキャン測定を行った。この測定結果を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）に示されるように、Ａｌ膜を形成した場合と比較して結晶の面内配向のばらつき、すなわち結晶のモザイク性が大きいことが認められた。

なお、Ａｌ膜の厚さが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲では、ＧａＮ膜における（０００２）面のロッキングカーブの半値幅が、上述と略同様の値であって、Ａｌ膜を形成しない場合よりも小さい値であることが認められた。また、Ａｌ膜の厚さが、０ｎｍより大きく１ｎｍ未満の範囲では、ＧａＮ膜のロッキングカーブの半値幅は、Ａｌ膜の厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であるときよりは大きい値であるものの、Ａｌ膜を形成しない場合よりも小さい値であることが認められた。他方、Ａｌ膜の厚さが１０ｎｍよりも大きい範囲では、Ａｌ膜の厚さが０．１μｍを超えたときに、Ａｌ膜を形成しない場合よりも上記ロッキングカーブの半値幅が大きくなることが認められた。これは、上述したように、Ｓｉ基板表面の窒化よりも、Ｓｉ基板とＡｌ膜との格子不整合の方が、ＡｌＮ膜の結晶性に対して影響しているためと考えられる。

また、Ａｌ膜上に形成されるＡｌＮ膜の厚さ及びＧａＮ膜の厚さは、上記以外の厚さであっても、ＧａＮ膜のロッキングカーブの値は、Ａｌ膜を形成した場合に、Ａｌ膜を形成しない場合よりも小さくなることが認められた。

以上説明したように、上記第１実施形態によれば以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）Ｓｉ基板３１に対してＧａＮ膜３５のバッファ層となるＡｌＮ膜３４を形成する前に、Ｓｉ基板３１上にＡｌ膜３３を形成するようにしている。そのため、ＡｌＮ膜３４の形成に際して、アルミニウムターゲットＴＡをＮ_２ガスとＡｒガスとの混合ガスから生成されたプラズマを用いてスパッタしたとしても、Ｓｉ基板３１の表面が、混合ガス中に含まれる窒素イオンや窒素ラジカル等の窒化源にさらされにくくなる。それゆえに、Ｓｉ基板３１に対してＡｌＮ膜３４を介してＧａＮ膜３５を形成しても、Ｓｉ基板３１の表面が窒化されることを抑えられる。

（２）Ａｌ膜３３が、Ｓｉ基板３１とＡｌＮ膜３４との間に残っている状態で、ＡｌＮ膜３４の形成工程が終了される。そのため、Ｓｉ基板３１表面の窒化がより抑えられるようになる。

（３）複数の基板Ｓに対してＧａＮ膜３５の形成を行うときに、先行する基板Ｓに対してＧａＮ膜３５を形成した後、アルミニウムターゲットＴＡの表面をＡｒガスでスパッタした上で、後続する基板Ｓに対してＡｌ膜を形成するようにしている。そのため、先行する基板Ｓに対するＡｌＮ膜３４の形成が行われることで、アルミニウムターゲットＴＡの表面が窒化されていたとしても、後続する基板Ｓの表面、つまりＳｉ基板３１の表面に窒素が供給されにくくなる。それゆえに、単一のアルミニウムターゲットＴＡを用いてＡｌ膜３３とＡｌＮ膜３４とを形成しても、Ｓｉ基板３１の表面が窒化されにくくなる。

（４）Ｓｉ基板３１に形成された自然酸化膜３２を加熱により除去するようにしている。そのため、従来多用されているウェットエッチングによって自然酸化膜３２を除去するよりも、Ｓｉ基板３１の洗浄からＧａＮ膜３５の形成までを簡便な方法にて行うことができる。

（５）Ｓｉ基板３１上に形成されるＡｌ膜３３の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下としているため、Ａｌ膜３３上に形成されるＡｌＮ膜３４の結晶性、及び該ＡｌＮ膜３４上に形成されるＧａＮ膜３５の結晶性を高めることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明における窒化ガリウム膜の形成方法をスパッタ法として具体化した第２実施形態、及び窒化ガリウム膜の形成装置をスパッタ装置として具体化した第２実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態と比較して、スパッタ装置の構成が異なる。そのため、以下では、こうした相違点を説明し、その他の説明を省略する。また、以下では、スパッタ装置の全体構成、スパッタ装置の備える成膜室の構成、スパッタ装置の作用を順に説明する。

［スパッタ装置の全体構成］
図８を参照してスパッタ装置の全体構成を説明する。
図８に示されるように、スパッタ装置４０は、搬送ロボット４１Ｒの搭載された搬送室４１を備え、搬送室４１には、搬出入室４２と、アルミニウム成膜室４３と、ガリウム成膜室４４とが連結されている。搬送室４１と各処理室４２〜４４との間には、搬送室４１と各処理室４２〜４４との間の連通と閉鎖とを行うゲートバルブが取り付けられている。

搬出入室４２は、スパッタ装置４０の外部からスパッタ装置４０の内部に処理前の基板Ｓを搬入し、搬送室４１に搬出する。搬出入室４２は、処理後の基板Ｓを搬送室４１から搬入し、スパッタ装置４０の外部に搬出する。

アルミニウム成膜室４３は、搬出入室４２から搬入した処理前の基板Ｓに、Ａｌ膜とＡｌＮ膜とを順に形成し、処理後の基板Ｓを搬出入室４２に搬出する。ガリウム成膜室４４は、アルミニウム成膜室４３での処理後の基板ＳにＧａＮ膜を形成し、ガリウム成膜室４４での処理後の基板Ｓを搬送室４１に搬出する。搬送室４１の搬送ロボット４１Ｒは、搬送室４１内にて、各処理室４２〜４４に搬入する基板Ｓを搬出元から搬出先に向けて搬送する。

なお、アルミニウム成膜室４３とガリウム成膜室４４とでは、各処理室４３，４４が所定の圧力に減圧された状態で成膜が行われる。一方、搬送室４１では、搬送室４１内が所定の圧力に減圧された状態で基板Ｓの搬送が行われてもよいし、大気圧の状態で基板Ｓの搬送が行われてもよい。搬送室４１での基板Ｓの搬送が所定の圧力に減圧された状態で行われる場合には、搬出入室４２では、基板Ｓを外部から搬入するとき、及び、基板Ｓを外部に搬出するときに、搬送室４１内が大気圧の状態とされることが好ましい。一方、搬出入室４２では、基板Ｓを搬送室４１に搬送するとき、及び、基板Ｓを搬送室４１から搬入するときに、搬送室４１内が所定の圧力に減圧されることが好ましい。搬送室４１での基板Ｓの搬送が大気圧の状態で行われる場合には、搬出入室４２内も大気圧の状態にされることが好ましい。

［各成膜室の構成］
図９を参照して、スパッタ装置４０の備える各処理室４３，４４の構成を説明する。なお、アルミニウム成膜室４３とガリウム成膜室４４とでは、形成する膜が異なるものの、成膜に関わる構成は略同様である。そのため、以下では、アルミニウム成膜室４３の構成を説明することで、ガリウム成膜室４４の説明に代える。

図９に示されるように、アルミニウム成膜室４３の真空槽５１の下方には、基板Ｓを保持する基板ステージ５２が設置され、基板ステージ５２の上方には、カソード５３が搭載されている。カソード５３は、基板ステージ５２と略平行をなす状態で向かい合うターゲットＴと、ターゲットＴにおける基板ステージ５２とは向かい合わない面に取り付けられたバッキングプレート５４とを備えている。なお、カソード５３には、バッキングプレート５４に対してターゲットＴとは反対側に、ターゲットＴにおける基板ステージ５２と向かい合う面に漏洩磁場を形成する磁気回路が搭載されていてもよい。また、アルミニウム成膜室４３のターゲットＴの形成材料には、アルミニウムが用いられる一方、ガリウム成膜室４４のターゲットＴの形成材料には、ガリウムが用いられる。バッキングプレート５４には、バッキングプレート５４を介してターゲットＴに電力を供給するターゲット電源５５が接続されている。

真空槽５１には、真空槽５１内を所定の圧力に減圧する排気部５６と、成膜に用いられるガスを所定の流量で真空槽５１内に供給するガス供給部５７が接続されている。ガス供給部５７は、スパッタガスとしての希ガス、例えばＡｒガスと、反応ガスとしての窒素含有ガス、例えばＮ_２ガスとを真空槽５１内に供給する。

［スパッタ装置の作用］
スパッタ装置４０にてＧａＮ膜が形成されるときには、まず、搬出入室４２が処理前の基板Ｓをスパッタ装置４０内に搬入し、搬送室４１が搬出入室４２から搬入された基板Ｓをアルミニウム成膜室４３まで搬送する。処理前の基板Ｓがアルミニウム成膜室４３の基板ステージ５２によって保持されると、ガス供給部５７がＡｒガスを供給し、かつ、ターゲット電源５５がターゲットＴに電力を供給することによって、真空槽５１内にＡｒガスからプラズマが生成される。真空槽５１内にプラズマが生成されることによってターゲットＴがスパッタされ、基板Ｓ上にＡｌ膜が形成される。次いで、ガス供給部５７がＡｒガスとＮ_２ガスとを供給することによって、真空槽５１内に混合ガスからプラズマが生成され、基板Ｓ上にＡｌＮ膜が形成される。

アルミニウム成膜室４３にて処理された基板Ｓは、搬送室４１を経由してガリウム成膜室４４に搬入される。基板Ｓがガリウム成膜室４４の基板ステージ５２によって保持されると、ガス供給部５７がＡｒガスとＮ_２ガスとを真空槽５１内に供給し、かつ、ターゲット電源５５がターゲットＴに電力を供給することによって、真空槽５１内に混合ガスからプラズマが生成される。真空槽５１内にプラズマが生成されることによってターゲットＴがスパッタされ、基板ＳのＡｌＮ膜上に、例えば、厚さが０．５μｍ以上であるＧａＮ膜が形成される。

上述のように、ガリウム成膜室４４では、厚さが０．５μｍ以上のＧａＮ膜が形成される。そのため、例えば、アルミニウム成膜室４３のように、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のアルミニウム膜が形成される場合と比較して、ガリウム成膜室４４での成膜時間は長くなる。それゆえに、ガリウム成膜室４４の真空槽５１の内壁面には、ターゲットＴのスパッタによってターゲットＴから放出されたＧａの粒子や、Ｇａの粒子が窒化されたＧａＮの粒子が堆積しやすくなる。結果として、ガリウム成膜室４４内には、真空槽５１の内壁面から剥がれ落ちたＧａやＮを含むパーティクルが生じやすくなる。

ここで、基板ＳへのＡｌ膜、ＡｌＮ膜、及び、ＧａＮ膜の形成が１つの真空槽内で行われる場合には、処理前の基板Ｓが真空槽内に搬入されると、基板ＳにＧａやＮを含むパーティクルが付着しやすい。これにより、基板Ｓと基板Ｓに付着したパーティクルとの間で反応が起こることによって、基板Ｓ上にＡｌ膜が形成されにくくなってしまう。

この点で、上述した実施形態では、Ａｌ膜及びＡｌＮ膜が形成されるアルミニウム成膜室４３と、ＧａＮ膜が形成されるガリウム成膜室４４とが個別に真空槽５１を備え、Ａｌ膜及びＡｌＮ膜と、ＧａＮ膜とは相互に異なる真空槽５１内で形成される。そのため、Ａｌ膜が形成される前の基板ＳにＧａやＮを含むパーティクルが付着しない。それゆえに、基板Ｓ上にＡｌ膜が形成されにくくなることを抑えられる。結果として、ＧａＮ膜を備える素子の歩留まりが高められる。

以上説明したように、上記第２実施形態によれば、上記（１）、（２）、（４）、（５）の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（６）Ａｌ膜が形成される前の基板ＳにＧａやＮを含むパーティクルが付着しないため、基板Ｓ上にＡｌ膜が形成されにくくなることが抑えられる。

なお、上記各実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ＡｌＮ膜３４の形成工程において、Ａｌ膜３３の全体が窒化されてもよい。こうした構成であっても、Ｓｉ基板３１の表面にＡｌ膜３３が形成されていない場合と比較して、Ｓｉ基板３１の表面が窒化されることを抑えることは可能である。

・１枚のＳｉ基板３１に対してＡｌ膜３３、ＡｌＮ膜３４、及びＧａＮ膜３５を形成する毎にアルミニウムターゲットＴＡのクリーニングを行うのではなく、複数のＳｉ基板３１に対してＡｌ膜３３，ＡｌＮ膜３４、及びＧａＮ膜３５の形成を行う毎にアルミニウムターゲットＴＡのクリーニングを行うようにしてもよい。こうした構成であっても、アルミニウムターゲットＴＡのクリーニングを全く行わない構成と比較して、Ｓｉ基板３１の表面に対するＮの供給を起こりにくくすることは可能である。

・アルミニウムターゲットＴＡのクリーニングを行わなくともよい。こうした構成であっても、表面が窒化されているとはいえ、アルミニウムターゲットＴＡをＡｒガスでスパッタして、Ｓｉ基板３１の表面にＡｌ膜３３を形成する。そのため、Ｓｉ基板３１の窒化がより起こりやすいＡｌＮ膜３４を形成する工程にてＳｉ基板３１の表面の窒化を抑えられる分、Ｓｉ基板３１の表面にＡｌＮ膜を直に形成する場合と比較して、Ｓｉ基板３１表面の窒化を抑えることができる。

・Ｓｉ基板３１の表面に形成された自然酸化膜３２の除去は、ウェットエッチング等、スパッタ装置１０での加熱以外の方法で行うようにしてもよい。ただし、上述のように、自然酸化膜３２を加熱によって行うことにより、ウェットエッチングを行うよりも、シリコン基板の洗浄から窒化ガリウム膜の形成までをより簡便な方法にて行うことができる。

・Ａｌ膜３３の厚さは、Ａｌ膜３３とＳｉ基板３１との格子不整合により、Ｓｉ基板３１に対して直にＡｌＮ膜３４が形成されたときよりもＡｌＮ膜３４、ひいてはＧａＮ膜３５の結晶性が低下しない範囲で、任意の厚さとすればよい。

・基板Ｓは、スパッタ装置１０に搬入される前に、ウェットエッチング等によって自然酸化膜が除去されたシリコン基板であってもよい。
・窒素含有ガスは、上記Ｎ_２ガスの他、例えばＮＨ_３ガス等であってもよい。

・希ガスは、上記Ａｒガスの他、例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスのいずれか、あるいは、これら希ガスを混合したガスであってもよい。
・アルミニウムターゲット電源２４Ａ及びガリウムターゲット電源２４Ｇは、各ターゲットＴＡ，ＴＧに直流電力を供給する直流電源であってもよく、また、上記高周波電源と直流電源との両方からなる構成であってもよい。なお、各ターゲット電源２４Ａ，２４Ｇが高周波電源と直流電源との両方を備える場合、高周波電源と直流電源とから同時に電力を出力してもよく、また、高周波電源と直流電源とから互いに異なるタイミングにて電力を出力してもよい。要は、電源の種類及び電力の供給態様は、真空槽１１内のガスからプラズマを形成可能な範囲で、適宜変更可能である。

・各カソード２１Ａ，２１Ｇは、基板Ｓの表面に対する法線と、ターゲットＴＡ，ＴＧの表面に対する法線とが平行になるように、真空槽１１に取り付けられていてもよい。
・スパッタ装置１０は、２つのアルミニウムカソードを有し、そして、一方のアルミニウムカソードをＡｌ膜３３の形成に用い、他方のアルミニウムカソードをＡｌＮ膜３４の形成に用いるようにしてもよい。こうした構成によれば、アルミニウムターゲットＴＡをクリーニングする工程を割愛することができる。

・第２実施形態におけるスパッタ装置４０では、ＡｌＮ膜の形成が、所望とする厚さのＡｌＮ膜の形成が可能であれば、ガリウム成膜室４４にて行われてもよい。こうした構成では、ガリウム成膜室４４には、ターゲットＴの基板ステージ５２と向かい合う面の全体を覆った状態と、同面の全体を真空槽５１内に露出させる状態とで切り替えるシャッタが設けられていることが好ましい。そして、ガリウム成膜室４４にてＡｌＮ膜が形成されているときには、ターゲットＴの基板ステージ５２と向かい合う面がシャッタによって覆われた状態にされ、かつ、ＧａＮ膜が形成されるときには、ターゲットＴの基板ステージ５２と向かい合う面がシャッタによって覆われていない状態とされればよい。なお、シャッタは、ターゲットＴの基板ステージ５２と向かい合う面の一部を覆う構成でもよいし、同面の一部を真空槽５１内に露出させる構成でもよい。こうした構成であっても、シャッタが設けられていない構成と比べて、Ａｌ膜とＧａＮ膜との間に所定の厚さを有したＡｌＮ膜が形成されやすくなる。

・第２実施形態におけるスパッタ装置４０の備えるアルミニウム成膜室４３とガリウム成膜室４４とは、搬送室４１で連結された構成でなくともよく、アルミニウム成膜室４３とガリウム成膜室４４との各々が、独立したスパッタ装置として具体化されてもよい。この場合には、窒化ガリウム膜の形成装置として、図９に示される構成を備えるスパッタ装置を２つ備える構成であればよい。こうした構成であっても、上記（６）に準じた効果を得ることができる。

・第２実施形態のスパッタ装置４０におけるアルミニウム成膜室４３とガリウム成膜室４４とが相互に独立したスパッタ装置である場合にも、第２実施形態のスパッタ装置４０と同様、ＡｌＮ膜の形成が、アルミニウム成膜室で行われてもよいし、ガリウム成膜室で行われてもよい。なお、ＡｌＮ膜の形成がガリウム成膜室で行われる構成であれば、スパッタ装置４０のガリウム成膜室４４でＡｌＮ膜の形成が行われる場合と同様、ガリウム成膜室には、シャッタが設けられていることが好ましい。

・スパッタ装置は、スパッタ装置は、Ａｌ膜を形成するためのアルミニウムカソードが搭載された真空槽と、ＡｌＮ膜を形成するためのアルミニウムカソードが搭載された真空槽と、ガリウムカソードが搭載された真空槽との３つの真空槽を有するようにしてもよい。こうした構成であっても、３つの真空槽の各々が、１つの搬送室に連結された構成でもよいし、３つの真空槽が相互に独立した構成でもよい。いずれの構成であっても、Ａｌ膜が形成される前の基板ＳにＧａやＮを含むパーティクルが付着しないため、上記（６）に準じた効果を得ることができる。

・スパッタ装置にて形成された窒化アルミニウム膜３４上への窒化ガリウム膜の形成方法は、上述したスパッタ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、及びＭＢＥ法等でもよい。なお、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、及びＭＢＥ法によって形成された窒化ガリウム膜であっても、シリコン基板３１上にアルミニウム膜と窒化アルミニウム膜とを形成した後に、窒化ガリウム膜を形成することによって、窒化ガリウム膜の結晶性が高められることが、発明者らによって認められている。

・ＧａＮ膜が形成されるＳｉ基板は、上記（１１１）配向のＳｉ基板に限らず、（１１０）配向、あるいはその他の結晶配向であってもよい。つまり、Ｓｉ基板の結晶配向がどのようであれ、Ｓｉ基板に対してＡｌＮ膜を形成する前にＡｌ膜を形成することで、ＡｌＮ膜、ひいてはＧａＮ膜をエピタキシャル成長させやすくなる。

１０，４０…スパッタ装置、１０Ｃ…制御部、１１，５１…真空槽、１２…ゲートバルブ、１３，５６…排気部、１４…窒素含有ガス供給部、１５…希ガス供給部、１６…基板ステージ、１７…ステージモータ、１８…ヒータ電源、２１Ａ…アルミニウムカソード、２１Ｇ…ガリウムカソード、２２Ａ，２２Ｇ…バッキングプレート、２３Ａ，２３Ｇ…磁気回路、２４Ａ…アルミニウムターゲット電源、２４Ｇ…ガリウムターゲット電源、２５…冷却部、２６…シャッタ、２６ａ…開口部、２７…シャッタモータ、３１…シリコン（Ｓｉ）基板、３２…自然酸化膜、３３…アルミニウム（Ａｌ）膜、３４…窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、３５…窒化ガリウム（ＧａＮ）膜、４１…搬送室、４１Ｒ…搬送ロボット、４２…搬出入室、４３…アルミニウム成膜室、４４…ガリウム成膜室、５２…基板ステージ、５３…カソード、５４…バッキングプレート、５５…ターゲット電源、５７…ガス供給部、Ｓ…基板、Ｔ…ターゲット、ＴＡ…アルミニウムターゲット、ＴＧ…ガリウムターゲット。

Claims (10)

1. アルミニウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成したプラズマを用いてスパッタして、シリコン基板上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
   前記窒化アルミニウム膜上に窒化ガリウム膜を形成する工程と
   を備える窒化ガリウム膜の形成方法であって、
   前記窒化アルミニウム膜を形成する前に、
   アルミニウムターゲットを希ガスから生成したプラズマを用いてスパッタして、前記シリコン基板上にアルミニウム膜を形成する工程を備え、
   前記アルミニウム膜及び前記窒化アルミニウム膜を形成するときの前記シリコン基板の温度を１０００℃以上１２００℃以下とする
   ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成方法。
2. 前記窒化ガリウム膜を形成する工程では、
   前記アルミニウム膜を形成する工程にて前記アルミニウム膜が形成される真空槽とは異なる真空槽内で、前記窒化ガリウム膜が形成される
   請求項１に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
3. 前記窒化ガリウム膜は、
   ガリウムターゲットを窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されたプラズマを用いてスパッタすることで形成される
   請求項１又は２に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
4. 前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、
   前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム膜との間に前記アルミニウム膜が存在する状態で終了される
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
5. 前記アルミニウム膜を形成する工程と、前記窒化アルミニウム膜を形成する工程とでは、同一のアルミニウムターゲットを用いて行い、
   前記窒化アルミニウム膜を形成した後に、
   前記アルミニウムターゲットに対して前記希ガスから生成されたプラズマを供給して、該アルミニウムターゲットの表面をクリーニングするクリーニング工程を更に備える
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
6. 前記アルミニウム膜の形成工程を行う前に、
   前記シリコン基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する工程を更に備え、
   前記自然酸化膜を除去するときの前記シリコン基板の温度を１０００℃以上とし、
   前記自然酸化膜を除去する工程は、前記アルミニウム膜が形成される真空槽にて行われる
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
7. 前記アルミニウム膜を形成する工程では、該アルミニウム膜の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
8. 希ガスから生成されるプラズマ中でアルミニウムターゲットをスパッタしてシリコン基板上にアルミニウム膜を形成するアルミニウム膜形成部と、
   窒素含有ガスと希ガスとの混合ガスから生成されるプラズマ中でアルミニウムターゲットをスパッタして前記アルミニウム膜上に窒化アルミニウム膜を形成する窒化アルミニウム膜形成部と、
   前記窒化アルミニウム膜上に窒化ガリウム膜を形成する窒化ガリウム膜形成部とを備え、
   前記アルミニウム膜形成部及び前記窒化アルミニウム膜形成部は、前記シリコン基板を１０００℃以上１２００℃以下に加熱する基板ステージを備える
   ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成装置。
9. 前記窒化ガリウム膜形成部は、
   前記アルミニウム膜形成部の搭載される真空槽とは異なる真空槽に搭載されている
   請求項８に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。
10. 前記窒化ガリウム膜形成部は、
    ガリウムターゲットと、
    窒素含有ガス及び希ガスを供給するガス供給部と、
    前記窒素含有ガスと前記希ガスとの混合ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部とを備える
    請求項８又は９に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。

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