ＺｎＯ系薄膜
【課題】基板上にＺｎＯ系薄膜を形成する場合に、平坦な膜を成長させるためのＺｎＯ系薄膜を提供する。
【解決手段】 図１（ａ）では、ＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系薄膜２が形成されている。また、図１（ｂ）では、ＺｎＯ系基板１上に、ＺｎＯ系薄膜の積層体であるＺｎＯ系積層体１０が形成されている。ＺｎＯ系積層体１０は、ＺｎＯ系半導体層３やＺｎＯ系半導体層４等の複数のＺｎＯ系半導体層が積層された積層体である。ＺｎＯ系薄膜２やＺｎＯ系積層体１０を形成する場合には、成長温度７５０℃以上で成長させるか、又は、膜表面の粗さが所定の範囲になるように、膜表面のステップ構造が所定の構造となるように形成する。
【解決手段】 図１（ａ）では、ＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系薄膜２が形成されている。また、図１（ｂ）では、ＺｎＯ系基板１上に、ＺｎＯ系薄膜の積層体であるＺｎＯ系積層体１０が形成されている。ＺｎＯ系積層体１０は、ＺｎＯ系半導体層３やＺｎＯ系半導体層４等の複数のＺｎＯ系半導体層が積層された積層体である。ＺｎＯ系薄膜２やＺｎＯ系積層体１０を形成する場合には、成長温度７５０℃以上で成長させるか、又は、膜表面の粗さが所定の範囲になるように、膜表面のステップ構造が所定の構造となるように形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にエピタキシャル成長を行うＺｎＯ系薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。半導体デバイスでは、ドーピングが異なる薄膜や組成の異なる薄膜などを堆積することによって特有の機能を持たせることが多い。その際、その薄膜の平坦性が問題になる。
【０００４】
薄膜の平坦性が良くないとキャリアが薄膜中を移動するときの抵抗になったり、積層構造の上層になるほど、表面荒れが大きくなり、その表面荒れのためにエッチング深さの均一性が取れなかったり、表面荒れによる異方的な結晶面の成長が起こったり、といった問題が発生しやすく、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。そのため、通常は薄膜表面はできるだけ平坦なことが望まれる。
【０００５】
一方、ＧａＮ系半導体素子の製造方法のように、ＺｎＯがサファイア基板上に成長されることが多かったが、ＺｎＯ結晶基板が市販されるようになり、ＺｎＯ系基板上のＺｎＯ系薄膜の成長という方法が試みられている。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al NtureMaterial4(2005)42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、ＺｎＯ系基板等の成長用基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させることは、非常に簡単なように思えるが、実は広い範囲での表面平坦を得ることは難しく、どのようなＺｎＯ系薄膜を用いれば良いか等、その表面平坦性を得るための条件等は、従来明確にわかっていなかった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、基板上にＺｎＯ系薄膜を形成する場合に、平坦な膜を成長させるためのＺｎＯ系薄膜を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１．５ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ２ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ１．５ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、前記ステップラインが有する凹凸の変動幅は、略全てのステップラインに対して前記ステップ構造が有するテラス面の理想的な幅以下に形成されていることを特徴とする請求項４、６のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、ＺｎＯ系材料層上に、成長温度７５０℃以上で結晶成長させることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板上にＺｎＯ系薄膜を結晶成長させる場合、成長温度（基板温度）を７５０℃以上にしているので平坦な膜が得られる。また、成長温度７５０℃以上にする場合と等価な条件、すなわち結晶成長表面の粗さや結晶成長表面のステップ構造の条件を規定しており、平坦なＺｎＯ系薄膜が得られるだけでなく、これらの諸条件を維持しながら、ＺｎＯ系薄膜の上にさらにＺｎＯ系薄膜を繰り返して積層したとしても、積層された上層のＺｎＯ系薄膜の膜の平坦性を維持することができる。また、ステップフロー成長において、ステップが安定しやすくなり、平坦面が得られやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明のＺｎＯ系薄膜の構造を示す。
【００１８】
ここで、ＺｎＯ系薄膜におけるＺｎＯ系とは、ＺｎＯをベースとした混晶材料であり、Ｚｎの一部をIIＡ族もしくはIIＢ族で置き換えたもの、Ｏの一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものである。
【００１９】
図１（ａ）では、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系薄膜２が形成されている。また、図１（ｂ）では、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系基板１上に、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系薄膜の積層体であるＺｎＯ系積層体１０が形成されている。ＺｎＯ系積層体１０は、ＺｎＯ系半導体層３やＺｎＯ系半導体層４等の複数のＺｎＯ系半導体層が積層された積層体である。
【００２０】
このように、ＺｎＯ系薄膜をＺｎＯ系材料層上にエピタキシャル成長させる場合には、エピタキシャル成長したＺｎＯ系薄膜が基板となってさらにその上にＺｎＯ系薄膜が繰り返して積層させる場合の積層された上層の膜の平坦性が得られるかも重要な点となる。以下に図１（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても平坦なＺｎＯ系薄膜が得られる条件について説明する。
【００２１】
図２は、図１（ａ）のように、ＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系薄膜２をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法によってエピタキシャル成長させた場合の表面像を表す。具体的には、ＺｎＯ系基板１にＭｇＺｎＯを用い、ＺｎＯ系薄膜２はＺｎＯとした。また、図２の下段が成長させたＺｎＯの表面像を表しており、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、２０μｍの分解能でスキャンした。
【００２２】
ＺｎＯを結晶成長させる場合の基板温度は変化させて測定しており、図２に示すように、図２（ａ）が８１０℃、（ｂ）が７６０℃、（ｃ）が７３５℃、（ｄ）が７２０℃、（ｅ）が６８５℃である。図２（ｃ）（ｄ）（ｅ）の場合は、図の表面像からわかるように表面の凹凸の散在が目立っている。一方、図２（ａ）（ｂ）の場合は表面は綺麗な状態になっており、膜の平坦性が良い状態であることがわかる。
【００２３】
次に、基板温度を図２に示された温度だけでなく、もう少し細かく基板温度を変化させてそのときのＺｎＯの表面の平坦性を数値として表し、それらをグラフにしたものが図４である。図４の縦軸Ｒａ（単位はｎｍ）は、膜表面の算術平均粗さを表す。算術平均粗さＲａとは、図６に示すような測定された粗さ曲線から求められる。
【００２４】
粗さ曲線は、例えば、図２で観察された膜表面の凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。算術平均粗さＲａ＝（１／ｌ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ（積分区間は０〜ｌまで）と表される。このようにすることで、１つの傷が測定値に及ぼす影響が非常に小さくなり、安定した結果が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、これらを用いている。
【００２５】
以上のように算出された算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして表示したのが図４である。図４の黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４からもわかるように、基板温度が７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。またこのときの算術平均粗さＲａの境界値は、Ｒａを緩めに取ると１．５ｎｍ、厳しく取ると１．０ｎｍ程度になることがわかる。
【００２６】
図５は、図４と同じ測定データから、膜表面の二乗平均粗さＲＭＳを求めたものである。二乗平均粗さＲＭＳは、図６のような測定された粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根を表す。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｌを用いて、
ＲＭＳ＝｛（１／ｌ）×∫（ｆ（ｘ））２ｄｘ｝１／２（積分区間は０〜ｌまで）となる。
【００２７】
図５は縦軸に二乗平均粗さＲＭＳを、横軸に基板温度を示したものである。ここで、黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。基板温度については、図４と同様、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。一方、二乗平均粗さＲＭＳについては、境界値を緩く取ると２．０ｎｍ、厳しく取ると１．５ｎｍ程度となっていることがわかる。
【００２８】
したがって、ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合は、基板温度を７５０℃以上にしてエピタキシャル成長させれば、平坦性の良い膜が得られる。一方、表面粗さの観点から言えば、膜表面の算術平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが２ｎｍ以下となるように成長表面（主面）を結晶成長させれば、その後の積層されるＺｎＯ系薄膜も平坦性が維持できることなる。より望ましいのは、Ｒａが１ｎｍ以下、かつＲＭＳが１．５ｎｍ以下となるように結晶成長させることである。
【００２９】
例えば、以上の条件で、ＺｎＯ系薄膜を図１（ｂ）のように積層した場合の表面像を図３に示す。これは、図２と同様、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、２０μｍの分解能でスキャンした像である。具体的には、ＺｎＯ系基板１にＭｇ０．２ＺｎＯを用い、その上にＺｎＯ系積層体１０としてＭｇ０．１ＺｎＯとＺｎＯを交互に１０周期積層させたものを形成した。基板温度は７７０℃とした。ＺｎＯ薄膜上のＺｎＯ薄膜だけではなく、図３のように混晶組成薄膜を積層させた場合でも、正しい基板温度設定又は膜の表面粗さを一定に保つことで、積層構造の最上層において平坦膜が得られることがわかる。
【００３０】
次に、ＺｎＯ系化合物の結晶構造から膜の平坦性を形成するための条件を考える。ＺｎＯ系化合物はＧａＮと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。Ｃ面やａ軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、Ｃ面は（０００１）面と表される。ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合には、通常Ｃ面（０００１）面が行われるが、Ｃ面ジャスト基板を用いた場合、図８（ａ）のようにウエハ主面の法線方向がｃ軸方向と一致する。しかし、Ｃ面ジャストＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させても膜の平坦性が良くならないことが知られている。
【００３１】
そこで、ＺｎＯ系基板１は、図７に示されるように、＋Ｃ面を有する基板主面の法線がｃ軸から傾斜しており、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜させた法線を持つ基板主面となるように研磨されている。図７は、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影（投影）した射影（投影）軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を示す。
【００３２】
すなわち、ＺｎＯ系基板１（ウエハ）の主面の法線方向をｃ軸方向と一致させずに、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から傾き、オフ角を有するようにする。例えば、図８（ｂ）に示されるように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜しているとすると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図８（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、法線Ｚが傾斜したことにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面１ｂとが生じる。
【００３３】
ここで、テラス面１ａがＣ面（０００１）となり、ステップ面１ｂはＭ面（１０−１０）に相当する。図のように、形成された各ステップ面１ｂは、ｍ軸方向にテラス面１ａの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。すなわち、テラス面１ａと垂直なｃ軸と基板主面の法線Ｚとはθ度のオフ角を形成する。また、ステップ面１ｂのステップエッジとなるステップライン１ｅは、ｍ軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面１ａの幅を取りながら並行に並ぶようになる。
【００３４】
このように、ステップ面をＭ面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面１ｂによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面１ａとステップ面１ｂの２面との結合になるので、テラス面１ａに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。
【００３５】
表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面法線が少なくともｍ軸方向に傾斜した基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層させると、ＺｎＯ系半導体層はこのステップ面１ｂを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。
【００３６】
ところで、図８（ｂ）で傾斜角度（オフ角）θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂのステップ高さｔが大きくなりすぎて、平坦に結晶成長しなくなるので、下記の製造例では、ｍ軸方向のオフ角θを０．５度とした。また、この傾斜角度を、望ましいステップ高さｔの大きさに言い換えると、ＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに相当する。
【００３７】
上述したように、ｍ軸方向にステップライン１ｅが規則的に並んでおり、ｍ軸方向とステップライン１ｅが垂直の関係になっていることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップライン１ｅの間隔やラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。
【００３８】
ｍ軸に対してステップライン１ｅが垂直になっているとは、例えば図９に示すように、ステップ面１ｄが平坦ではなく、やや凹凸（うねり）がある場合も含むことを意味する。ステップライン１ｆに存在する凹凸（うねり）のピークからピークまでの変動幅は、図のようにＬ１、Ｌ２等、複数の異なる変動幅が発生する場合があるが、これらの変動幅を含めてＬと表し、テラス面１ｃの理想的な幅をＷとすると、略全てのステップでＬ≦Ｗとなることが平坦な膜を作製するためには必要となる。ここで、テラス面１ｃの理想的な幅Ｗは、上記オフ角θ（ラジアン）とステップ高さｔを用いて、Ｗ＝ｔ／ｔａｎθで表される。
【００３９】
変動幅Ｌは、上述したようにＬ１、Ｌ２等の複数の変動幅を含むものであるが、前記の不等式は、複数の変動幅が略全てＬ≦Ｗとなるステップ構造であることが望ましい。変動幅ＬがＬ≦Ｗを満足していない場合は、図９のＡの部分のように、ステップラインが束ねられステップの段差が大きくなるので、沿面成長速度のバラツキを発生させ、表面荒れを生る要因となる。例えば、ステップ高さｔをＺｎＯ系結晶の１分子層分に相当する０．２６ｎｍとし、オフ角θを０．５度とすると、Ｗ＝ｔ／ｔａｎθは、約３０ｎｍとなる。なお、凹凸を有するステップライン１ｆがｍ軸と垂直になっているかどうかについては、凹凸の中心線をステップラインとして判断すれば良い。
【００４０】
以上のように、ＺｎＯ系結晶成長表面のステップ構造が維持できるように形成することで、平坦な表面のＺｎＯ系薄膜が形成できるとともに、この平坦な膜の上に積層されるＺｎＯ系薄膜についても、平坦な膜を形成することができる。例えば、図３の表面画像に示されるように、混晶組成薄膜を積層させた場合でも、膜の表面のステップ構造を上記条件を保ちながら成長させることで、積層構造の最上層において平坦膜が得られる。
【００４１】
また、ＺｎＯ系薄膜を成長させるための成長用基板として、実施例ではＺｎＯ系基板を用いているが、ＺｎＯ系基板の代わりに六方晶構造を有するＧａＮ基板やサファイア基板を用いても良く、この場合でも、上記同様、平坦なＺｎＯ系薄膜を形成することができる。
【００４２】
以下に、図１に示すようなＺｎＯ系薄膜の製造方法を説明する。ＺｎＯ系基板１として基板主面法線がｍ軸方向に０．５度ＯＦＦしているＺｎＯ基板を使用する。このＺｎＯ基板をロードロック室に入れ、水分除去のために１×１０−５〜１×１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空環境で２００℃、３０分程度加熱する。１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空を持つ搬送チャンバーを経由して、液体窒素で冷やされた壁面を持つ成長室に基板を導入し、ＭＢＥ法を用いてＺｎＯ系薄膜２を成長させる。
【００４３】
Ｚｎは７Ｎの高純度ＺｎをｐＢＮ製の坩堝に入れたクヌーセンセルを用い、２６０〜２８０℃程度に加熱して昇華させることにより、Ｚｎ分子線として供給する。IIＡ族元素の一例としてＭｇがあるが、Ｍｇも６Ｎの高純度Ｍｇを用い、同様の構造のセルから３００℃〜４００℃に加熱して昇華させ、Ｍｇ分子線として供給する。酸素は６ＮのＯ２ガスを用い、電解研磨内面を持つＳＵＳ管を通じて円筒の一部に小さいオリフィスを開けた放電管を備えたＲＦラジカルセルに０．１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ程度で供給、１００〜３００Ｗ程度のＲＦ高周波を印加してプラズマを発生させ、反応活性を上げたＯラジカルの状態にして酸素源として供給する。プラズマは重要で、Ｏ２生ガスを入れてもＺｎＯ系薄膜は形成されない。
【００４４】
基板は一般的な抵抗加熱であればＳｉＣコートしたカーボンヒータを使う。Ｗなどでできた金属系のヒータは酸化してしまい使えない。他にもランプ加熱、レーザー加熱などで温める方法もあるが、酸化に強ければどの方法でもかまわない。
【００４５】
７５０℃以上に加熱し、約３０分、１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空中で加熱した後、ラジカルセルとＺｎセルのシャッターを開けてＺｎＯ薄膜成長を開始する。この時、どういった種類の膜を形成するかに関わらず、上述したように平坦膜を得るためには、基板温度の観点からは７５０℃以上が必要である。
【００４６】
ところで、ＺｎＯ系材料層上に、平坦なＺｎＯ系薄膜を結晶成長させるためには、基板温度（成長温度）７５０℃以上が必要であるが、この基板温度を正確に検出しなければばらない。基板温度の測定は、図１０又は図１１のような構成で行われる。１２はＺｎＯ系基板であり、ＺｎＯ系基板１２の結晶成長表面側とは反対側に多層膜１３が形成されている。多層膜１３は、ＺｎＯ系基板１２側から誘電体膜／Ａｕ（金）膜の順に積層された積層体を含むものである。誘電体膜にはＮｉＯ、ＳｉＯ２等が用いられる。なお、多層膜１３は、上記Ａｕ膜の代わりにＰｔ（白金）膜を用いて、ＺｎＯ系基板１２側から誘電体膜／Ｐｔ（白金）膜の順に積層された積層体を含むようにしても良い。前記誘電体膜は、Ａｕ又はＰｔの拡散を防止する役割を果たしている。
【００４７】
そして、図１０の構成では、多層膜１３が形成されたＺｎＯ系基板１２を基板ホルダー１４に取り付け、ヒータ等の熱源１５により熱を加えて所定の成長温度にし、このときの基板温度を赤外線温度計（パイロメーター）１６により測定する。
【００４８】
仮に多層膜１３がないＺｎＯ系基板１２のみを基板ホルダー１４に取り付けて、基板温度を計測した場合には、以下のような問題が発生する。ＺｎＯ系材料は、可視光領域から波長８μｍ程度にわたってほぼ透明であるので、結晶成長させる際に用いられる基板ホルダー１４からの赤外線がＺｎＯ系基板１２又はＺｎＯ系基板１２上に既に積層されたＺｎＯ系薄膜を透過してしまうので、これら余計な赤外線が赤外線温度計１６に入射するためにＺｎＯ系基板の正確な基板温度を計測することができない。
【００４９】
一方、図１１の構成で、仮に多層膜１３がないＺｎＯ系基板１２のみを基板ホルダー１７に取り付けて、基板温度を計測した場合には、ＺｎＯ系基板１２の背面に基板ホルダーが存在しないので、赤外線温度計１６は図１０のように基板ホルダー１４からの赤外線を受光することはないものの、今度は熱源１５からの赤外線がＺｎＯ系基板１２又はＺｎＯ系基板１２上に既に積層されたＺｎＯ系薄膜を透過し、赤外線温度計１６に入射するので、やはり正確な基板温度測定ができない。
【００５０】
また、デバイスを作製する際に行われる電極の形成後に行う熱処理（アニール処理）やドーピングされた不純物を活性化するためのアニール処理を行うことがあるが、このような場合でも上記と同様の理由で正確な温度を測定することができない。
【００５１】
しかしながら、ＺｎＯ系基板１２には、多層膜１３がＺｎＯ系薄膜積層方向とは反対の方向に設けられているので、図１０では多層膜１３が基板ホルダー１４と、図１１では多層膜１３が熱源１５と相対する構成となり、多層膜１３中のＡｕ膜又はＰｔ膜が熱源１５や基板ホルダー１４から放射される赤外線を反射して、ＺｎＯ系基板１２やその上に積層されたＺｎＯ系薄膜への透過を阻止するので、赤外線温度計１６には基板自身の温度を示すＡｕ膜又はＰｔ膜というバックメタルからの赤外放射しか入射せず、正確な温度測定を行うことができる。このようにして、赤外線温度計１６によって基板温度を計測して、基板温度が７５０℃以上になるように制御する。
【００５２】
ところで、赤外線を反射するバックメタルとしては、ＺｎＯ系薄膜を形成する場合、酸化雰囲気で製膜されるため、酸化されやすい材料は使えず、酸素に強く、７５０℃を超える温度で耐えられる金属となると上記のようにＰｔやＡｕが適切である。なお、多層膜１３にＡｕ膜を用いた場合、Ａｕ膜の赤外線放射率を０．５とするのが望ましい。また、多層膜１３にＰｔ膜を用いた場合、Ｐｔ膜の赤外線放射率を０．３〜０．１５とするのが望ましい。
【００５３】
他方、図１０、１１の基板温度測定の構成で、パイロメーター１６に替えてサーモグラフィを使用しても良い。ＩｎＧａＡｓを検出器に使う上記パイロメーター１６では数μｍ程度を検出波長に使うので、前述したように、ＺｎＯ系基板やＺｎＯ系薄膜のように赤外領域で透明性が高いと基板温度が正確に測定できない。そのために、上記のように、多層膜１３を設けている。
【００５４】
ところが、サーモグラフィは、約８μｍ〜１４μｍ程度の範囲を波長感度に持つため、室温からの測定が可能であり、ＺｎＯ系基板やＺｎＯ系薄膜等の温度測定に適している。サーモグラフィは、周知のように物体から放射される赤外線を分析し、熱分布を図として表した可視化が可能な装置である。サーモグラフィを採用した場合、ＺｎＯ系基板１２から放射される赤外線を分析して、熱源１５により加熱されたＺｎＯ系基板１２の熱分布を計測する。
【００５５】
例えば、波長が８μｍの赤外線がＺｎＯ系基板１２を透過する透過率は数％であるが、多層膜１３を形成せず、ＺｎＯ系基板１２単体とし、この基板をサーモグラフィによって観測すると、黒くみえる。つまり、サーモグラフィからみてＺｎＯ系基板１２の背後にある物体から放射される赤外線はＺｎＯ系基板１２によりカットされ、ＺｎＯ系基板１２から放射される赤外線に基づき、基板温度を高精度にサーモグラフィにより計測できる。
【００５６】
なお、サーモグラフィを採用する場合は、ボロメータ型の赤外線検出器を備えるサーモグラフィであることが好ましい。冷却が必要な量子型の赤外線検出器を使用した赤外線アレイセンサを備える場合に比べて、ボロメータ型若しくは焦電型などの熱型の赤外線検出器を使用した非冷却型赤外線サーモグラフィは、小型・軽量化および低価格化が可能なためである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のＺｎＯ系薄膜の積層構造を示す図である。
【図２】本発明のＺｎＯ系薄膜の成長温度毎の表面状態を示す図である。
【図３】本発明のＺｎＯ系薄膜を多層積層した場合の表面状態を示す図である。
【図４】ＺｎＯ系薄膜表面の算術平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図５】ＺｎＯ系薄膜表面の二乗平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図６】算術平均粗さ及び二乗平均粗さを説明する図である。
【図７】基板主面法線と基板結晶軸であるｃ軸、ｍ軸、ａ軸との関係を示す図である。
【図８】基板主面法線がｍ軸方向にのみオフ角を有する場合の基板表面を示す図である。
【図９】ｍ軸方向に少し凹凸のあるステップラインが並んだ状態を示す図である。
【図１０】ＺｎＯ系薄膜を成長させる場合の基板温度を計測する構成を示す図である。
【図１１】ＺｎＯ系薄膜を成長させる場合の基板温度を計測する他の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＺｎＯ系基板
２ ＺｎＯ系薄膜
３ ＺｎＯ系半導体層
４ ＺｎＯ系半導体層
１０ ＺｎＯ系積層体
１２ ＺｎＯ系基板
１３ 多層膜
１４ 基板ホルダー
１５ 熱源
１６ 赤外線温度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にエピタキシャル成長を行うＺｎＯ系薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。半導体デバイスでは、ドーピングが異なる薄膜や組成の異なる薄膜などを堆積することによって特有の機能を持たせることが多い。その際、その薄膜の平坦性が問題になる。
【０００４】
薄膜の平坦性が良くないとキャリアが薄膜中を移動するときの抵抗になったり、積層構造の上層になるほど、表面荒れが大きくなり、その表面荒れのためにエッチング深さの均一性が取れなかったり、表面荒れによる異方的な結晶面の成長が起こったり、といった問題が発生しやすく、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。そのため、通常は薄膜表面はできるだけ平坦なことが望まれる。
【０００５】
一方、ＧａＮ系半導体素子の製造方法のように、ＺｎＯがサファイア基板上に成長されることが多かったが、ＺｎＯ結晶基板が市販されるようになり、ＺｎＯ系基板上のＺｎＯ系薄膜の成長という方法が試みられている。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al NtureMaterial4(2005)42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、ＺｎＯ系基板等の成長用基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させることは、非常に簡単なように思えるが、実は広い範囲での表面平坦を得ることは難しく、どのようなＺｎＯ系薄膜を用いれば良いか等、その表面平坦性を得るための条件等は、従来明確にわかっていなかった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、基板上にＺｎＯ系薄膜を形成する場合に、平坦な膜を成長させるためのＺｎＯ系薄膜を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１．５ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ２ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ１．５ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、前記ステップラインが有する凹凸の変動幅は、略全てのステップラインに対して前記ステップ構造が有するテラス面の理想的な幅以下に形成されていることを特徴とする請求項４、６のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜である。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、ＺｎＯ系材料層上に、成長温度７５０℃以上で結晶成長させることを特徴とするＺｎＯ系薄膜である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板上にＺｎＯ系薄膜を結晶成長させる場合、成長温度（基板温度）を７５０℃以上にしているので平坦な膜が得られる。また、成長温度７５０℃以上にする場合と等価な条件、すなわち結晶成長表面の粗さや結晶成長表面のステップ構造の条件を規定しており、平坦なＺｎＯ系薄膜が得られるだけでなく、これらの諸条件を維持しながら、ＺｎＯ系薄膜の上にさらにＺｎＯ系薄膜を繰り返して積層したとしても、積層された上層のＺｎＯ系薄膜の膜の平坦性を維持することができる。また、ステップフロー成長において、ステップが安定しやすくなり、平坦面が得られやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明のＺｎＯ系薄膜の構造を示す。
【００１８】
ここで、ＺｎＯ系薄膜におけるＺｎＯ系とは、ＺｎＯをベースとした混晶材料であり、Ｚｎの一部をIIＡ族もしくはIIＢ族で置き換えたもの、Ｏの一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものである。
【００１９】
図１（ａ）では、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系薄膜２が形成されている。また、図１（ｂ）では、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系基板１上に、ＺｎＯ系材料層であるＺｎＯ系薄膜の積層体であるＺｎＯ系積層体１０が形成されている。ＺｎＯ系積層体１０は、ＺｎＯ系半導体層３やＺｎＯ系半導体層４等の複数のＺｎＯ系半導体層が積層された積層体である。
【００２０】
このように、ＺｎＯ系薄膜をＺｎＯ系材料層上にエピタキシャル成長させる場合には、エピタキシャル成長したＺｎＯ系薄膜が基板となってさらにその上にＺｎＯ系薄膜が繰り返して積層させる場合の積層された上層の膜の平坦性が得られるかも重要な点となる。以下に図１（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても平坦なＺｎＯ系薄膜が得られる条件について説明する。
【００２１】
図２は、図１（ａ）のように、ＺｎＯ系基板１上にＺｎＯ系薄膜２をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法によってエピタキシャル成長させた場合の表面像を表す。具体的には、ＺｎＯ系基板１にＭｇＺｎＯを用い、ＺｎＯ系薄膜２はＺｎＯとした。また、図２の下段が成長させたＺｎＯの表面像を表しており、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、２０μｍの分解能でスキャンした。
【００２２】
ＺｎＯを結晶成長させる場合の基板温度は変化させて測定しており、図２に示すように、図２（ａ）が８１０℃、（ｂ）が７６０℃、（ｃ）が７３５℃、（ｄ）が７２０℃、（ｅ）が６８５℃である。図２（ｃ）（ｄ）（ｅ）の場合は、図の表面像からわかるように表面の凹凸の散在が目立っている。一方、図２（ａ）（ｂ）の場合は表面は綺麗な状態になっており、膜の平坦性が良い状態であることがわかる。
【００２３】
次に、基板温度を図２に示された温度だけでなく、もう少し細かく基板温度を変化させてそのときのＺｎＯの表面の平坦性を数値として表し、それらをグラフにしたものが図４である。図４の縦軸Ｒａ（単位はｎｍ）は、膜表面の算術平均粗さを表す。算術平均粗さＲａとは、図６に示すような測定された粗さ曲線から求められる。
【００２４】
粗さ曲線は、例えば、図２で観察された膜表面の凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。算術平均粗さＲａ＝（１／ｌ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ（積分区間は０〜ｌまで）と表される。このようにすることで、１つの傷が測定値に及ぼす影響が非常に小さくなり、安定した結果が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、これらを用いている。
【００２５】
以上のように算出された算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして表示したのが図４である。図４の黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４からもわかるように、基板温度が７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。またこのときの算術平均粗さＲａの境界値は、Ｒａを緩めに取ると１．５ｎｍ、厳しく取ると１．０ｎｍ程度になることがわかる。
【００２６】
図５は、図４と同じ測定データから、膜表面の二乗平均粗さＲＭＳを求めたものである。二乗平均粗さＲＭＳは、図６のような測定された粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根を表す。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｌを用いて、
ＲＭＳ＝｛（１／ｌ）×∫（ｆ（ｘ））２ｄｘ｝１／２（積分区間は０〜ｌまで）となる。
【００２７】
図５は縦軸に二乗平均粗さＲＭＳを、横軸に基板温度を示したものである。ここで、黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。基板温度については、図４と同様、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。一方、二乗平均粗さＲＭＳについては、境界値を緩く取ると２．０ｎｍ、厳しく取ると１．５ｎｍ程度となっていることがわかる。
【００２８】
したがって、ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合は、基板温度を７５０℃以上にしてエピタキシャル成長させれば、平坦性の良い膜が得られる。一方、表面粗さの観点から言えば、膜表面の算術平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが２ｎｍ以下となるように成長表面（主面）を結晶成長させれば、その後の積層されるＺｎＯ系薄膜も平坦性が維持できることなる。より望ましいのは、Ｒａが１ｎｍ以下、かつＲＭＳが１．５ｎｍ以下となるように結晶成長させることである。
【００２９】
例えば、以上の条件で、ＺｎＯ系薄膜を図１（ｂ）のように積層した場合の表面像を図３に示す。これは、図２と同様、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、２０μｍの分解能でスキャンした像である。具体的には、ＺｎＯ系基板１にＭｇ０．２ＺｎＯを用い、その上にＺｎＯ系積層体１０としてＭｇ０．１ＺｎＯとＺｎＯを交互に１０周期積層させたものを形成した。基板温度は７７０℃とした。ＺｎＯ薄膜上のＺｎＯ薄膜だけではなく、図３のように混晶組成薄膜を積層させた場合でも、正しい基板温度設定又は膜の表面粗さを一定に保つことで、積層構造の最上層において平坦膜が得られることがわかる。
【００３０】
次に、ＺｎＯ系化合物の結晶構造から膜の平坦性を形成するための条件を考える。ＺｎＯ系化合物はＧａＮと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。Ｃ面やａ軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、Ｃ面は（０００１）面と表される。ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合には、通常Ｃ面（０００１）面が行われるが、Ｃ面ジャスト基板を用いた場合、図８（ａ）のようにウエハ主面の法線方向がｃ軸方向と一致する。しかし、Ｃ面ジャストＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させても膜の平坦性が良くならないことが知られている。
【００３１】
そこで、ＺｎＯ系基板１は、図７に示されるように、＋Ｃ面を有する基板主面の法線がｃ軸から傾斜しており、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜させた法線を持つ基板主面となるように研磨されている。図７は、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影（投影）した射影（投影）軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を示す。
【００３２】
すなわち、ＺｎＯ系基板１（ウエハ）の主面の法線方向をｃ軸方向と一致させずに、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から傾き、オフ角を有するようにする。例えば、図８（ｂ）に示されるように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜しているとすると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図８（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、法線Ｚが傾斜したことにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面１ｂとが生じる。
【００３３】
ここで、テラス面１ａがＣ面（０００１）となり、ステップ面１ｂはＭ面（１０−１０）に相当する。図のように、形成された各ステップ面１ｂは、ｍ軸方向にテラス面１ａの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。すなわち、テラス面１ａと垂直なｃ軸と基板主面の法線Ｚとはθ度のオフ角を形成する。また、ステップ面１ｂのステップエッジとなるステップライン１ｅは、ｍ軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面１ａの幅を取りながら並行に並ぶようになる。
【００３４】
このように、ステップ面をＭ面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面１ｂによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面１ａとステップ面１ｂの２面との結合になるので、テラス面１ａに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。
【００３５】
表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面法線が少なくともｍ軸方向に傾斜した基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層させると、ＺｎＯ系半導体層はこのステップ面１ｂを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。
【００３６】
ところで、図８（ｂ）で傾斜角度（オフ角）θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂのステップ高さｔが大きくなりすぎて、平坦に結晶成長しなくなるので、下記の製造例では、ｍ軸方向のオフ角θを０．５度とした。また、この傾斜角度を、望ましいステップ高さｔの大きさに言い換えると、ＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに相当する。
【００３７】
上述したように、ｍ軸方向にステップライン１ｅが規則的に並んでおり、ｍ軸方向とステップライン１ｅが垂直の関係になっていることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップライン１ｅの間隔やラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。
【００３８】
ｍ軸に対してステップライン１ｅが垂直になっているとは、例えば図９に示すように、ステップ面１ｄが平坦ではなく、やや凹凸（うねり）がある場合も含むことを意味する。ステップライン１ｆに存在する凹凸（うねり）のピークからピークまでの変動幅は、図のようにＬ１、Ｌ２等、複数の異なる変動幅が発生する場合があるが、これらの変動幅を含めてＬと表し、テラス面１ｃの理想的な幅をＷとすると、略全てのステップでＬ≦Ｗとなることが平坦な膜を作製するためには必要となる。ここで、テラス面１ｃの理想的な幅Ｗは、上記オフ角θ（ラジアン）とステップ高さｔを用いて、Ｗ＝ｔ／ｔａｎθで表される。
【００３９】
変動幅Ｌは、上述したようにＬ１、Ｌ２等の複数の変動幅を含むものであるが、前記の不等式は、複数の変動幅が略全てＬ≦Ｗとなるステップ構造であることが望ましい。変動幅ＬがＬ≦Ｗを満足していない場合は、図９のＡの部分のように、ステップラインが束ねられステップの段差が大きくなるので、沿面成長速度のバラツキを発生させ、表面荒れを生る要因となる。例えば、ステップ高さｔをＺｎＯ系結晶の１分子層分に相当する０．２６ｎｍとし、オフ角θを０．５度とすると、Ｗ＝ｔ／ｔａｎθは、約３０ｎｍとなる。なお、凹凸を有するステップライン１ｆがｍ軸と垂直になっているかどうかについては、凹凸の中心線をステップラインとして判断すれば良い。
【００４０】
以上のように、ＺｎＯ系結晶成長表面のステップ構造が維持できるように形成することで、平坦な表面のＺｎＯ系薄膜が形成できるとともに、この平坦な膜の上に積層されるＺｎＯ系薄膜についても、平坦な膜を形成することができる。例えば、図３の表面画像に示されるように、混晶組成薄膜を積層させた場合でも、膜の表面のステップ構造を上記条件を保ちながら成長させることで、積層構造の最上層において平坦膜が得られる。
【００４１】
また、ＺｎＯ系薄膜を成長させるための成長用基板として、実施例ではＺｎＯ系基板を用いているが、ＺｎＯ系基板の代わりに六方晶構造を有するＧａＮ基板やサファイア基板を用いても良く、この場合でも、上記同様、平坦なＺｎＯ系薄膜を形成することができる。
【００４２】
以下に、図１に示すようなＺｎＯ系薄膜の製造方法を説明する。ＺｎＯ系基板１として基板主面法線がｍ軸方向に０．５度ＯＦＦしているＺｎＯ基板を使用する。このＺｎＯ基板をロードロック室に入れ、水分除去のために１×１０−５〜１×１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空環境で２００℃、３０分程度加熱する。１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空を持つ搬送チャンバーを経由して、液体窒素で冷やされた壁面を持つ成長室に基板を導入し、ＭＢＥ法を用いてＺｎＯ系薄膜２を成長させる。
【００４３】
Ｚｎは７Ｎの高純度ＺｎをｐＢＮ製の坩堝に入れたクヌーセンセルを用い、２６０〜２８０℃程度に加熱して昇華させることにより、Ｚｎ分子線として供給する。IIＡ族元素の一例としてＭｇがあるが、Ｍｇも６Ｎの高純度Ｍｇを用い、同様の構造のセルから３００℃〜４００℃に加熱して昇華させ、Ｍｇ分子線として供給する。酸素は６ＮのＯ２ガスを用い、電解研磨内面を持つＳＵＳ管を通じて円筒の一部に小さいオリフィスを開けた放電管を備えたＲＦラジカルセルに０．１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ程度で供給、１００〜３００Ｗ程度のＲＦ高周波を印加してプラズマを発生させ、反応活性を上げたＯラジカルの状態にして酸素源として供給する。プラズマは重要で、Ｏ２生ガスを入れてもＺｎＯ系薄膜は形成されない。
【００４４】
基板は一般的な抵抗加熱であればＳｉＣコートしたカーボンヒータを使う。Ｗなどでできた金属系のヒータは酸化してしまい使えない。他にもランプ加熱、レーザー加熱などで温める方法もあるが、酸化に強ければどの方法でもかまわない。
【００４５】
７５０℃以上に加熱し、約３０分、１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空中で加熱した後、ラジカルセルとＺｎセルのシャッターを開けてＺｎＯ薄膜成長を開始する。この時、どういった種類の膜を形成するかに関わらず、上述したように平坦膜を得るためには、基板温度の観点からは７５０℃以上が必要である。
【００４６】
ところで、ＺｎＯ系材料層上に、平坦なＺｎＯ系薄膜を結晶成長させるためには、基板温度（成長温度）７５０℃以上が必要であるが、この基板温度を正確に検出しなければばらない。基板温度の測定は、図１０又は図１１のような構成で行われる。１２はＺｎＯ系基板であり、ＺｎＯ系基板１２の結晶成長表面側とは反対側に多層膜１３が形成されている。多層膜１３は、ＺｎＯ系基板１２側から誘電体膜／Ａｕ（金）膜の順に積層された積層体を含むものである。誘電体膜にはＮｉＯ、ＳｉＯ２等が用いられる。なお、多層膜１３は、上記Ａｕ膜の代わりにＰｔ（白金）膜を用いて、ＺｎＯ系基板１２側から誘電体膜／Ｐｔ（白金）膜の順に積層された積層体を含むようにしても良い。前記誘電体膜は、Ａｕ又はＰｔの拡散を防止する役割を果たしている。
【００４７】
そして、図１０の構成では、多層膜１３が形成されたＺｎＯ系基板１２を基板ホルダー１４に取り付け、ヒータ等の熱源１５により熱を加えて所定の成長温度にし、このときの基板温度を赤外線温度計（パイロメーター）１６により測定する。
【００４８】
仮に多層膜１３がないＺｎＯ系基板１２のみを基板ホルダー１４に取り付けて、基板温度を計測した場合には、以下のような問題が発生する。ＺｎＯ系材料は、可視光領域から波長８μｍ程度にわたってほぼ透明であるので、結晶成長させる際に用いられる基板ホルダー１４からの赤外線がＺｎＯ系基板１２又はＺｎＯ系基板１２上に既に積層されたＺｎＯ系薄膜を透過してしまうので、これら余計な赤外線が赤外線温度計１６に入射するためにＺｎＯ系基板の正確な基板温度を計測することができない。
【００４９】
一方、図１１の構成で、仮に多層膜１３がないＺｎＯ系基板１２のみを基板ホルダー１７に取り付けて、基板温度を計測した場合には、ＺｎＯ系基板１２の背面に基板ホルダーが存在しないので、赤外線温度計１６は図１０のように基板ホルダー１４からの赤外線を受光することはないものの、今度は熱源１５からの赤外線がＺｎＯ系基板１２又はＺｎＯ系基板１２上に既に積層されたＺｎＯ系薄膜を透過し、赤外線温度計１６に入射するので、やはり正確な基板温度測定ができない。
【００５０】
また、デバイスを作製する際に行われる電極の形成後に行う熱処理（アニール処理）やドーピングされた不純物を活性化するためのアニール処理を行うことがあるが、このような場合でも上記と同様の理由で正確な温度を測定することができない。
【００５１】
しかしながら、ＺｎＯ系基板１２には、多層膜１３がＺｎＯ系薄膜積層方向とは反対の方向に設けられているので、図１０では多層膜１３が基板ホルダー１４と、図１１では多層膜１３が熱源１５と相対する構成となり、多層膜１３中のＡｕ膜又はＰｔ膜が熱源１５や基板ホルダー１４から放射される赤外線を反射して、ＺｎＯ系基板１２やその上に積層されたＺｎＯ系薄膜への透過を阻止するので、赤外線温度計１６には基板自身の温度を示すＡｕ膜又はＰｔ膜というバックメタルからの赤外放射しか入射せず、正確な温度測定を行うことができる。このようにして、赤外線温度計１６によって基板温度を計測して、基板温度が７５０℃以上になるように制御する。
【００５２】
ところで、赤外線を反射するバックメタルとしては、ＺｎＯ系薄膜を形成する場合、酸化雰囲気で製膜されるため、酸化されやすい材料は使えず、酸素に強く、７５０℃を超える温度で耐えられる金属となると上記のようにＰｔやＡｕが適切である。なお、多層膜１３にＡｕ膜を用いた場合、Ａｕ膜の赤外線放射率を０．５とするのが望ましい。また、多層膜１３にＰｔ膜を用いた場合、Ｐｔ膜の赤外線放射率を０．３〜０．１５とするのが望ましい。
【００５３】
他方、図１０、１１の基板温度測定の構成で、パイロメーター１６に替えてサーモグラフィを使用しても良い。ＩｎＧａＡｓを検出器に使う上記パイロメーター１６では数μｍ程度を検出波長に使うので、前述したように、ＺｎＯ系基板やＺｎＯ系薄膜のように赤外領域で透明性が高いと基板温度が正確に測定できない。そのために、上記のように、多層膜１３を設けている。
【００５４】
ところが、サーモグラフィは、約８μｍ〜１４μｍ程度の範囲を波長感度に持つため、室温からの測定が可能であり、ＺｎＯ系基板やＺｎＯ系薄膜等の温度測定に適している。サーモグラフィは、周知のように物体から放射される赤外線を分析し、熱分布を図として表した可視化が可能な装置である。サーモグラフィを採用した場合、ＺｎＯ系基板１２から放射される赤外線を分析して、熱源１５により加熱されたＺｎＯ系基板１２の熱分布を計測する。
【００５５】
例えば、波長が８μｍの赤外線がＺｎＯ系基板１２を透過する透過率は数％であるが、多層膜１３を形成せず、ＺｎＯ系基板１２単体とし、この基板をサーモグラフィによって観測すると、黒くみえる。つまり、サーモグラフィからみてＺｎＯ系基板１２の背後にある物体から放射される赤外線はＺｎＯ系基板１２によりカットされ、ＺｎＯ系基板１２から放射される赤外線に基づき、基板温度を高精度にサーモグラフィにより計測できる。
【００５６】
なお、サーモグラフィを採用する場合は、ボロメータ型の赤外線検出器を備えるサーモグラフィであることが好ましい。冷却が必要な量子型の赤外線検出器を使用した赤外線アレイセンサを備える場合に比べて、ボロメータ型若しくは焦電型などの熱型の赤外線検出器を使用した非冷却型赤外線サーモグラフィは、小型・軽量化および低価格化が可能なためである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のＺｎＯ系薄膜の積層構造を示す図である。
【図２】本発明のＺｎＯ系薄膜の成長温度毎の表面状態を示す図である。
【図３】本発明のＺｎＯ系薄膜を多層積層した場合の表面状態を示す図である。
【図４】ＺｎＯ系薄膜表面の算術平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図５】ＺｎＯ系薄膜表面の二乗平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図６】算術平均粗さ及び二乗平均粗さを説明する図である。
【図７】基板主面法線と基板結晶軸であるｃ軸、ｍ軸、ａ軸との関係を示す図である。
【図８】基板主面法線がｍ軸方向にのみオフ角を有する場合の基板表面を示す図である。
【図９】ｍ軸方向に少し凹凸のあるステップラインが並んだ状態を示す図である。
【図１０】ＺｎＯ系薄膜を成長させる場合の基板温度を計測する構成を示す図である。
【図１１】ＺｎＯ系薄膜を成長させる場合の基板温度を計測する他の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＺｎＯ系基板
２ ＺｎＯ系薄膜
３ ＺｎＯ系半導体層
４ ＺｎＯ系半導体層
１０ ＺｎＯ系積層体
１２ ＺｎＯ系基板
１３ 多層膜
１４ 基板ホルダー
１５ 熱源
１６ 赤外線温度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１．５ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ２ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項２】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ１．５ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項３】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項４】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項５】
前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項６】
前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項７】
前記ステップラインが有する凹凸の変動幅は、略全てのステップラインに対して前記ステップ構造が有するテラス面の理想的な幅以下に形成されていることを特徴とする請求項４、６のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項８】
基板上に、成長温度７５０℃以上で結晶成長させることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項１】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１．５ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ２ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項２】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が、算術平均粗さ１ｎｍ以下で、かつ二乗平均粗さ１．５ｎｍ以下になるように形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項３】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項４】
基板上に結晶成長されるＺｎＯ系薄膜であって、
前記ＺｎＯ系薄膜の結晶成長方向の主面が有するステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項５】
前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップ高さがＺｎＯ系結晶の１分子の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項６】
前記結晶成長方向の主面はステップ構造を有しており、前記ステップ構造のステップラインがｍ軸に対して略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項７】
前記ステップラインが有する凹凸の変動幅は、略全てのステップラインに対して前記ステップ構造が有するテラス面の理想的な幅以下に形成されていることを特徴とする請求項４、６のいずれか１項に記載のＺｎＯ系薄膜。
【請求項８】
基板上に、成長温度７５０℃以上で結晶成長させることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【図１】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２１８９８１（Ｐ２００８−２１８９８１Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５９８７（Ｐ２００８−５９８７）
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]