JP2021038117A - 積層構造体、半導体装置及び半導体システム - Google Patents
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Description
本発明に係る積層構造体1の一実施形態は、図1に示すように、タンタル酸リチウムを主成分とする単結晶基板10上に、ベータガリア構造を有する結晶性酸化物膜20が積層されている積層構造体1である。なお、単結晶基板10と結晶性酸化物膜20との間には、バッファ層などが介在していてもよい。
まず、本発明に係る積層構造体が有するタンタル酸リチウムを主成分とする単結晶基板について説明する。
本発明に係る積層構造体における結晶性酸化物膜は、ベータガリア構造を有する結晶性酸化物膜である。結晶性酸化物膜は、通常、金属と酸素から構成される。結晶性酸化物膜は、金属成分として、例えば、ガリウム、鉄、インジウム、アルミニウム、バナジウム、チタン、クロム、ロジウム、イリジウム、ニッケル及びコバルトから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでもよい。特に、ガリウム、インジウム又はアルミニウムを含むものであることが好ましく、少なくともガリウムを含むものであることが、より好ましい。結晶性が高く、熱的に、より安定なものとなる。なお、結晶性酸化物膜はベータガリア構造であれば、単結晶でも多結晶でもよい。
本発明に係る積層構造体は、少なくとも、ドーパント源とガリウム等の金属源を含有する水溶液を霧化又は液滴化して生成されるミストを、キャリアガスを用いてタンタル酸リチウムを主成分とする単結晶基板へ搬送し、ついで単結晶基板上で該ミストを熱反応させて結晶性酸化物膜を成膜する方法により製造することができる。このような結晶性酸化物膜を含む積層構造体を成膜可能な成膜装置について説明する。
原料溶液(水溶液)104aには、ガリウム等の金属源が含有されている。すなわち、ガリウムの他、例えば、鉄、インジウム、アルミニウム、バナジウム、チタン、クロム、ロジウム、イリジウム、ニッケル及びコバルトから選ばれる1種又は2種以上の金属を含むことができる。特に、ガリウム、インジウム又はアルミニウムを含むことが好ましく、少なくともガリウムを含むことが、より好ましい。前記金属を錯体又は塩の形態で、水に溶解又は分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩などが挙げられる。また、上記金属を、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸等に溶解したものも塩の水溶液として用いることができる。溶質濃度は0.01〜1mol/Lが好ましい。
ミスト化部120では、原料溶液104aを調整し、前記原料溶液104aをミスト化してミストを発生させる。ミスト化手段は、原料溶液104aをミスト化できさえすれば特に限定されず、公知のミスト化手段であってよいが、超音波振動によるミスト化手段を用いることが好ましい。より安定してミスト化することができるためである。
搬送部109は、ミスト化部120と成膜部140とを接続する。搬送部109を介して、ミスト化部120のミスト発生源104から成膜部140の成膜室107へと、キャリアガスによってミストが搬送される。搬送部109は、例えば、供給管109aとすることができる。供給管109aとしては、例えば石英管や樹脂製のチューブなどを使用することができる。
成膜部140では、ミストを加熱し熱反応を生じさせて、基板(単結晶基板)110の表面の一部又は全部に成膜を行う。成膜部140は、例えば、成膜室107を備え、成膜室107内には基板(単結晶基板)110が設置されており、該基板(単結晶基板)110を加熱するためのホットプレート108を備えることができる。ホットプレート108は、図2に示されるように成膜室107の外部に設けられていてもよいし、成膜室107の内部に設けられていてもよい。また、成膜室107には、基板(単結晶基板)110へのミストの供給に影響を及ぼさない位置に、排ガスの排気口112が設けられてもよい。
キャリアガス供給部130は、キャリアガスを供給するキャリアガス源102aを有し、キャリアガス源102aから送り出されるキャリアガス(以下、「主キャリアガス」という)の流量を調節するための流量調節弁103aを備えていてもよい。また、必要に応じて希釈用キャリアガスを供給する希釈用キャリアガス源102bや、希釈用キャリアガス源102bから送り出される希釈用キャリアガスの流量を調節するための流量調節弁103bを備えることもできる。
次に、図2を参照しながら、本発明に係る結晶性酸化物膜の成膜方法の一例を説明する。まず、原料溶液104aをミスト化部120のミスト発生源104内に収容し、基板(単結晶基板)110であるタンタル酸リチウムを主成分とする単結晶基板を、ホットプレート108上に直接又は成膜室107の壁を介して設置し、ホットプレート108を作動させる。単結晶基板として用いるタンタル酸リチウムは熱膨張係数が大きいため、低温から徐々に昇温するのが好ましい。
結晶性酸化物膜を成膜した後、膜表面の平坦化や、電気的特性をより安定させるためにアニールを行うことも可能である。アニール処理の条件として、例えば、温度を500℃以上とすることができる。上限は特に限定されず、結晶性酸化物膜や単結晶基板が熱処理に耐えうる範囲であればよいが、例えば、1000℃とすることができる。アニール処理の時間は特に限定されないが、例えば1分以上とすることができる。また、生産性を考慮すれば、1時間以下が好ましく、30分以下とすることがより好ましい。アニール処理の雰囲気は特に限定されないが、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。また、このようなアニール処理により、結晶性酸化物膜の表面粗さ(算術平均粗さ:Ra)を0.1μm以下とできる。電気特性等が安定化する効果が期待できる。なお、表面粗さは、原子間力顕微鏡(AFM)により10μm角の領域についての表面形状測定結果を用い、JIS B0601に基づき算出して得た算術平均粗さ(Ra)を表す。
単結晶基板を結晶性酸化物膜から剥離してもよい。剥離手段は特に限定されず、公知の手段であってもよい。例えば、機械的衝撃を与えて剥離する手段、熱を加えて熱応力を利用して剥離する手段、超音波等の振動を加えて剥離する手段、エッチングして剥離する手段、レーザーリフトオフなどが挙げられる。前記剥離によって、結晶性酸化物膜を自立膜として得ることができる。
半導体装置を構成するために必要となる電極の形成は、一般的な方法を用いることができる。すなわち、蒸着、スパッタ、CVD、めっきなどの他、樹脂等と一緒に接着させる印刷法など、いずれを用いてもかまわない。電極材料としては、Al、Ag、Ti、Pd、Au、Cu、Cr、Fe、W、Ta、Nb、Mn、Mo、Hf、Co、Zr、Sn、Pt、V、Ni、Ir、Zn、In、Ndなどの金属の他、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェンまたはポリピロールなどの有機導電性化合物、いずれを用いてもかまわないし、これらの2種以上の合金、混合物でもかまわない。電極の厚さは、1〜1000nmが好ましく、より好ましくは10〜500nmである。
タンタル酸リチウム単結晶基板上に、バッファ層としてノンドープのβ−Ga2O3を形成し、さらにその上に、結晶性酸化物膜としてβ−Ga2O3を形成した積層構造体を作製し、評価を行った。製造条件は以下のとおりである。
基板 : 信越化学工業社製、タンタル酸リチウム単結晶基板
直径2インチ(50mm)、厚さ200μm、m面
鏡面仕上げ
バッファ層 : β−Ga2O3(ノンドープ)
結晶性酸化物膜: β−Ga2O3
成膜方法 : ミストCVD法
原料水溶液 : 臭化ガリウム
塩化スズ
Ga:Sn=1:0.02
臭化水素酸10%
キャリアガス : N2、2L/min
希釈ガス : N2、4.5L/min
成膜温度 : 400℃
成膜時間 : 180分
基板として、オフ角を有するm面タンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結晶性酸化物膜を得た。なお、オフ角は、実施例2は0.5°、実施例3は3.0°とした。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は、それぞれ、実施例2が3.4μm、実施例3が3.1μmであった。
原料溶液として、臭化ガリウムの代わりにヨウ化ガリウムを用い、ガリウムとスズの原子数比を1:0.05に変更したこと、及び、基板として、表面にバッファ層としてβ―Ga2O3(Snドープ)が積層されたm面タンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は3.3μmであった。
基板として、表面にバッファ層が積層されていないm面タンタル酸リチウム基板を用いたこと、及び、成膜時間を60分としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は0.6μmであった。
基板として、表面にバッファ層としてβ−Ga2O3(ノンドープ)が積層されたa面タンタル酸リチウム基板を用いたこと、及び、原料溶液として、塩化スズのかわりに酸化ゲルマニウムを用い、ガリウムとゲルマニウムの原子数比を1:0.02としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は3.2μmであった。
基板として、表面にバッファ層としてβ−Ga2O3(Snドープ)が積層されたa面タンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は2.8μmであった。
基板として、表面にバッファ層としてβ−Ga2O3(ノンドープ)が積層されたc面タンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は3.0μmであった。
原料溶液として、臭化ガリウムの代わりにヨウ化ガリウムを用いたこと以外は、実施例8と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は3.6μmであった。
基板として、表面にバッファ層としてβ−Ga2O3(ノンドープ)が積層されたr面タンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶性酸化物膜を得た。得られた結晶性酸化物膜の膜厚は2.9μmであった。
基板として、(013)面を主面として有するタンタル酸リチウム基板を用いたこと以外は実施例1と同様に成膜を行った。
成膜した結晶性酸化物膜の相の同定は、XRD回折装置を用いて、10度から120度まで2θ/ωスキャンを行うことによって行った。測定はCuKα線を用いて行った。その結果、得られた結晶性酸化物膜は、実施例1−5では、c面β−Ga2O3であり、実施例6,7ではb面β−Ga2O3であり、実施例8,9では(−201)面を主面とするβ−Ga2O3であり、実施例10ではa面β−Ga2O3であった。比較例で得られた結晶性酸化物膜の面方位は同定できなかった。
実施例1−10及び比較例で得られた結晶性酸化物膜につき、van der pauw法により、ホール効果測定を実施した。測定したキャリア密度、移動度及び抵抗率を表1に示す。表1に示すように、比較例では抵抗率は100mΩcm以上であり、抵抗率の高い膜であったが、本発明に係る結晶性酸化物膜は、電気特性に優れており、特に、抵抗率の低いものが得られたことがわかる。また、キャリア密度についても、比較例では1.0×1018/cm3未満であったが、実施例1−10では高いキャリア密度を有するものが得られた。さらに、移動度についても、実施例1−10では高い特性を有するものが得られた。
101…成膜装置、 102a…キャリアガス源、
102b…希釈用キャリアガス源、 103a…流量調節弁、
103b…流量調節弁、 104…ミスト発生源、 104a…原料溶液(水溶液)、
105…容器、 105a…水、 106…超音波振動子、 107…成膜室、
108…ホットプレート、 109…搬送部、 109a…供給管、
110…基板(単結晶基板)、 112…排気口、 116…発振器、
120…ミスト化部、130…キャリアガス供給部、140…成膜部。
Claims (10)
- 基板と、ベータガリア構造を有する結晶性酸化物膜とを有する積層構造体であって、
前記基板がタンタル酸リチウムを主成分とする単結晶基板であり、
前記結晶性酸化物膜がドーパントを含み、電気抵抗率が50mΩcm以下のものであることを特徴とする積層構造体。 - 前記結晶性酸化物膜の電気抵抗率が5mΩcm以下のものであることを特徴とする請求項1に記載の積層構造体。
- 前記積層構造体における前記結晶性酸化物膜の主面が、a面、b面、c面又は(−201)面であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の積層構造体。
- 前記ドーパントが、スズ、ゲルマニウム又はケイ素であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物膜の移動度が30cm2/Vs以上であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物膜のキャリア密度が1.0×1018/cm3以上であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物膜が、ガリウム、インジウム又はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物膜が、少なくともガリウムを含むことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の積層構造体。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の積層構造体を含むことを特徴とする半導体装置。
- 請求項9に記載の半導体装置を備えることを特徴とする半導体システム。
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