以下、図面を参照して本発明の一実施形� ��を説明する。図1は本発明のZnO系薄膜の構造 を示す。

 ここで、ZnO系薄膜におけるZnO系とは、ZnO� ��ベースとした混晶材料であり、Znの一部をII A族もしくはIIB族で置き換えたもの、Oの一部� ��VIB族で置き換えたもの、またはその両方の� ��み合わせを含むものである。

 図1(a)では、ZnO系材料層であるZnO系基板1� �にZnO系材料層であるZnO系薄膜2が形成されて� ��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� �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� �体である。

 このように、ZnO系薄膜をZnO系材料層上に� ��ピタキシャル成長させる場合には、エピタ� ��シャル成長したZnO系薄膜が基板となってさ� ��にその上にZnO系薄膜が繰り返して積層させ� ��場合の積層された上層の膜の平坦性が得ら� ��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。

 図2は、図1(a)のように、ZnO系基板1上にZnO� ��薄膜2をMBE(Molecular Beam Epitaxy)法によってエ� ��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� ��膜2はZnOとした。また、図2の下段が成長さ� �たZnOの表面像を表しており、原子間力顕微� �(AFM)を用い、20μmの分解能でスキャンした。

 ZnOを結晶成長させる場合の基板温度は変� ��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� ��面像からわかるように表面の凹凸の散在が� ��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。

 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� �。図4の縦軸Ra(単位はnm)は、膜表面の算術平� ��粗さを表す。算術平均粗さRaとは、図6に示� ��ような測定された粗さ曲線から求められる� ��

 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� �け抜き取り、この抜き取り部分の平均線か� �測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、� �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� �す影響が非常に小さくなり、安定した結果� �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。

 以上のように算出された算術平均粗さRa� �縦軸にし、基板温度を横軸にして表示した� �が図4である。図4の黒三角(▲)は、基板温度� ��750℃未満のデータを示し、黒丸(●)は基板� �度が750℃以上のデータを示す。図4からもわ� ��るように、基板温度が750℃を境にして基板� ��度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向� ��していることがわかる。またこのときの算� ��平均粗さRaの境界値は、Raを緩めに取ると1.5 nm、厳しく取ると1.0nm程度になることがわか� �。

 図5は、図4と同じ測定データから、膜表面� �二乗平均粗さRMSを求めたものである。二乗� �均粗さRMSは、図6のような測定された粗さ曲� ��の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を� ��計し、平均した値の平方根を表す。算術平� ��粗さRaを算出する際の基準長さlを用いて、
 RMS={(1/l)×∫(f(x)) ² dx} ^1/2 (積分区間は0~lまで)となる。

 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� �す。基板温度については、図4と同様、750℃� ��境にして基板温度が高くなれば、急激に表� ��の平坦性が向上していることがわかる。一� ��、二乗平均粗さRMSについては、境界値を緩� ��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。

 したがって、ZnO系材料層上にZnO系薄膜を� ��長させる場合は、基板温度を750℃以上にし� ��エピタキシャル成長させれば、平坦性の良� ��膜が得られる。一方、表面粗さの観点から� ��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� ��層されるZnO系薄膜も平坦性が維持できるこ� ��なる。より望ましいのは、Raが1nm以下、か� �RMSが1.5nm以下となるように結晶成長させるこ とである。

 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。� �れは、図2と同様、原子間力顕微鏡(AFM)を用� �、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Mg _0.2 ZnOを用い、その上にZnO系積層体10としてMg _0.1 ZnOとZnOを交互に10周期積層させたものを形成� ��た。基板温度は770℃とした。ZnO薄膜上のZnO� ��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。

 次に、ZnO系化合物の結晶構造から膜の平� ��性を形成するための条件を考える。ZnO系化� ��物はGaNと同様、ウルツァイトと呼ばれる六� ��晶構造を有する。C面やa軸という表現は、� �わゆるミラー指数により表すことができ、� �えば、C面は(0001)面と表される。ZnO系材料層� ��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� �た場合、図8(a)のようにウエハ主面の法線方� ��がc軸方向と一致する。しかし、C面ジャス� �ZnO系基板上にZnO系薄膜を成長させても膜の� �坦性が良くならないことが知られている。

 そこで、ZnO系基板1は、図7に示されるよう� �、+C面を有する基板主面の法線がc軸から傾� �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� ��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� �の方へ角度φ _m 、c軸a軸平面に射影した射影軸がa軸の方へ角 度φ _a 傾斜している場合を示す。

 すなわち、ZnO系基板1(ウエハ)の主面の法� ��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� ��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� ��しているとすると、基板1の表面部分(例え� �T1領域)の拡大図である図8(c)に表されるよう� ��、平坦な面であるテラス面1aと、法線Zが傾� ��したことにより生じる段差部分に等間隔で� ��則性のあるステップ面1bとが生じる。

 ここで、テラス面1aがC面(0001)となり、ス� ��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� ��になる。すなわち、テラス面1aと垂直なc軸� ��基板主面の法線Zとはθ度のオフ角を形成す� ��。また、ステップ面1bのステップエッジと� �るステップライン1eは、m軸方向と垂直の関� �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。

 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� ��部分が発生するが、この段差部分に飛来し� ��原子は、テラス面1aとステップ面1bの2面と� �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。

 表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡� ��するが、結合力の強い段差部分や、この段� ��部分で形成されるキンク位置にトラップさ� ��て結晶に組み込まれることによって結晶成� ��が進む沿面成長により安定的な成長が行わ� ��る。このように、基板主面法線が少なくと� ��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� ��形成することができる。

 ところで、図8(b)で傾斜角度(オフ角)θを� �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� �くなるので、下記の製造例では、m軸方向の� ��フ角θを0.5度とした。また、この傾斜角度� �、望ましいステップ高さtの大きさに言い換� ��ると、ZnO系結晶の1分子の厚さに相当する。

 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� �、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。

 m軸に対してステップライン1eが垂直にな� ��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)� �ある場合も含むことを意味する。ステップ� �イン1fに存在する凹凸(うねり)のピークから� ��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� �1cの理想的な幅をWとすると、略全てのステ� �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� ��的な幅Wは、上記オフ角θ(ラジアン)とステ� �プ高さtを用いて、W=t/tanθで表される。

 変動幅Lは、上述したようにL1、L2等の複� �の変動幅を含むものであるが、前記の不等� �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� ��に、ステップラインが束ねられステップの� ��差が大きくなるので、沿面成長速度のバラ� ��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� �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� �有するステップライン1fがm軸と垂直になっ� �いるかどうかについては、凹凸の中心線を� �テップラインとして判断すれば良い。

 以上のように、ZnO系結晶成長表面のステ� ��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� ��、この平坦な膜の上に積層されるZnO系薄膜� ��ついても、平坦な膜を形成することができ� ��。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。

 また、ZnO系薄膜を成長させるための成長� ��基板として、実施例ではZnO系基板を用いて� ��るが、ZnO系基板の代わりに六方晶構造を有� ��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� ��形成することができる。

 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� �がm軸方向に0.5度OFFしているZnO基板を使用す� ��。このZnO基板をロードロック室に入れ、水� ��除去のために1×10 ^-5 ~1×10 ^-6 Torr程度の真空環境で200℃、30分程度加熱する 。1×10 ^-9 Torr程度の真空を持つ搬送チャンバーを経由� �て、液体窒素で冷やされた壁面を持つ成長� �に基板を導入し、MBE法を用いてZnO系薄膜2を� ��長させる。

 Znは7Nの高純度ZnをpBN製の坩堝に入れたクヌ� ��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� ��。IIA族元素の一例としてMgがあるが、Mgも6N� ��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� �給する。酸素は6NのO ₂ 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� �ズマを発生させ、反応活性を上げたOラジカ� ��の状態にして酸素源として供給する。プラ� ��マは重要で、O ₂ 生ガスを入れてもZnO系薄膜は形成されない。

 基板は一般的な抵抗加熱であればSiCコー� ��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。

 750℃以上に加熱し、約30分、1×10 ^-9 Torr程度の真空中で加熱した後、ラジカルセ� �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。

 ところで、ZnO系材料層上に、平坦なZnO系薄� ��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� �を正確に検出しなければばらない。基板温� �の測定は、図10又は図11のような構成で行わ� ��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� ��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� ��である。誘電体膜にはNiO、SiO ₂ 等が用いられる。なお、多層膜13は、上記Au� �の代わりにPt(白金)膜を用いて、ZnO系基板12� �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� �いる。

 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� �、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。

 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� ��場合には、以下のような問題が発生する。Z nO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� ��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� ��ZnO系基板の正確な基板温度を計測すること� ��できない。

 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� �、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� �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� ��な基板温度測定ができない。

 また、デバイスを作製する際に行われる� ��極の形成後に行う熱処理(アニール処理)や� �ーピングされた不純物を活性化するための� �ニール処理を行うことがあるが、このよう� �場合でも上記と同様の理由で正確な温度を� �定することができない。

 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� �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� �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� ��度を計測して、基板温度が750℃以上になる� ��うに制御する。

 ところで、赤外線を反射するバックメタ� ��としては、ZnO系薄膜を形成する場合、酸化� ��囲気で製膜されるため、酸化されやすい材� ��は使えず、酸素に強く、750℃を超える温度� ��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� �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� ��い。

 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� ��用しても良い。InGaAsを検出器に使う上記パ� ��ロメーター16では数μm程度を検出波長に使� �ので、前述したように、ZnO系基板やZnO系薄� �のように赤外領域で透明性が高いと基板温� �が正確に測定できない。そのために、上記� �ように、多層膜13を設けている。

 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� ��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。

 例えば、波長が8μmの赤外線がZnO系基板12� ��透過する透過率は数%であるが、多層膜13を� ��成せず、ZnO系基板12単体とし、この基板を� �ーモグラフィによって観測すると、黒くみ� �る。つまり、サーモグラフィからみてZnO系� �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� �ら放射される赤外線に基づき、基板温度を� �精度にサーモグラフィにより計測できる。

 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� ��グラフィであることが好ましい。冷却が必� ��な量子型の赤外線検出器を使用した赤外線� ��レイセンサを備える場合に比べて、ボロメ� ��タ型若しくは焦電型などの熱型の赤外線検� ��器を使用した非冷却型赤外線サーモグラフ� ��は、小型・軽量化および低価格化が可能な� ��めである。