JP6627131B2 - 結晶性積層構造体および半導体装置 - Google Patents
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Description
特許文献1によると、β酸化ガリウム基板を用いる場合、酸化ガリウムのホモエピタキシャル成長が可能であり、酸化アルミニウムガリウム薄膜の高品質化が可能である。しかしながら、調達可能な基板サイズは限られておりシリコンやサファイア等の既に大量生産が進んでいる材料と比較して大口径化が困難であった。
特許文献2および特許文献3によると、サファイア基板を用いる場合、コランダム構造を有するAlXGaYO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、X+Y=2)薄膜の高品質化は可能であるが、βガリア構造膜の高品質化は困難である。また、サファイアが絶縁体であるために下地材料に電流を流すことができない問題もある。この場合、下地材料上にソース、ドレインのいずれかの電極を形成することができず、半導体装置の単位面積当たり出力電流に限界が生じてしまう。6インチ、8インチに大口径化した場合には、これらの大口径化サファイアの産業応用はそれほど進んでいないため安定調達不安があるとともに調達コスト上昇という問題もあった。
さらに、下地材料の特性は低損失な半導体装置を実現するための電気特性上の課題も引き起こしている。例えば、高耐圧、低損失な半導体装置を実現するためにはチャネル層での低損失化に加えて、チャネル層以外での損失を低減する必要がある。例えば、半導体装置を構成するコンタクト領域の低損失化が要求されており、さらに、縦型半導体装置では下地材料や、下地材料とチャネル層との間の層の低損失化が要求されている。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて、本発明を完成させるに至った。
[2]前記結晶性酸化物半導体が、ガリウムを含む酸化物半導体である前記[1]記載の結晶性積層構造体。
[3] 前記結晶性酸化物半導体が、コランダム構造またはβガリア構造を有する酸化物半導体である前記[1]または[2]に記載の結晶性積層構造体。
[4] 前記金属が、白金、金またはパラジウムである前記[1]〜[3]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[5] 前記金属層が、下地基板上に設けられた金属膜で構成されている前記[1]〜[4]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[6] 前記下地基板が、サファイア基板、Si基板、石英基板、窒化アルミニウム基板、窒化ホウ素基板、SiC基板、ガラス基板、SiGe基板またはプラスチック基板である前記[5]記載の結晶性積層構造体。
[7] 前記[1]〜[6]のいずれかに記載の結晶性積層構造体からなることを特徴とする半導体装置。
[8] 前記[1]〜[6]のいずれかに記載の結晶性積層構造体上に、直接または他の層を介して、電極を備えていることを特徴とする半導体装置。
[9] 一軸に配向している金属を主成分として含む金属層と、前記金属層上に、直接又は他の層を介して、結晶性酸化物半導体を主成分として含む半導体層とを備えている半導体装置であって、前記結晶性酸化物半導体が、ガリウム、インジウムおよびアルミニウムから選ばれる1または2以上の金属を含む酸化物半導体であり、さらに、一軸に配向していることを特徴とする半導体装置。
[10] 縦型デバイスである前記[7]〜[9]のいずれかに記載の半導体装置。
[11] パワーデバイスである前記[7]〜[10]のいずれかに記載の半導体装置。
[12] ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)または発光ダイオード(LED)である前記[7]〜[11]のいずれかに記載の半導体装置。
[13] ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)または静電誘導トランジスタ(SIT)である前記[7]〜[12]のいずれかに記載の半導体装置。
[14] 前記結晶性積層構造体の上面または下面に、直接または他の層を介して、発光層を備えている発光ダイオードである前記[7]〜[12]のいずれかに記載の半導体装置。
前記金属基板としては、例えば、上記金属の種類で例示した金属を主成分として含む金属基板などが挙げられ、より具体的には、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、クロム(Cr)、銅(Cu)、鉄(Fe)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、マンガン(Mn)およびモリブデン(Mo)からなる1または2以上の金属を50質量%以上(好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上)含む金属基板などが挙げられる。前記金属膜としては、例えば、上記金属の種類で例示した金属を主成分として含む金属膜などが挙げられ、より具体的には、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、クロム(Cr)、銅(Cu)、鉄(Fe)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、マンガン(Mn)およびモリブデン(Mo)からなる1または2以上の金属を50%以上(好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上)含む金属膜などが挙げられる。本発明においては、前記金属層が、下地基板上に設けられた金属膜で構成されているのが好ましい。前記下地基板は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記下地基板としては、例えば、サファイア基板、Si基板、石英基板、窒化アルミニウム基板、窒化ホウ素基板、SiC基板、ガラス基板(ホウケイ酸ガラス基板や結晶化ガラス基板も含む)、SiGe基板またはプラスチック基板などが挙げられる。本発明においては、前記下地基板が、c面サファイア基板またはSi基板{100}であるのが好ましい。このような好ましい基板を用いることにより、より半導体特性を向上させることができる。なお、本発明においては、前記金属層を電極として半導体装置に用いることもできる。
なお、前記半導体層は、結晶性酸化物半導体を主成分として含んでいれば、特に限定されないが、通常、前記結晶性酸化物半導体を50モル%以上含む半導体層であり、好ましくは、80モル%以上含む半導体層であり、より好ましくは、90モル%以上含む半導体層である。
白金、金又はパラジウムの基板を使用するときは、市販の材料を購入すればよい。成膜、デバイスプロセス等の工程で損傷せず、扱いやすい100μm以上の厚みを有するものが望ましく、成膜面は化学研磨等の方法で平坦に加工されていることが望ましい。白金や金の薄膜はスパッタ、蒸着、メッキをはじめ、種々の成膜手法を利用することができる。面方位{111}の試料を作製するために、成膜中に加熱処理してもよいし、成膜後に加熱処理してもよい。少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物半導体薄膜成膜時の熱エネルギーにより白金、金、又はパラジウムを配向させてもよい。
好ましい実施形態の一例としては、Si{100}面に酸化シリコン膜を熱酸化により形成したのち、加熱処理を加えながら、スパッタ法によって白金、金又はパラジウムを成膜する方法がある。成膜後の加熱処理を行うことにより、更に白金、金又はパラジウムの結晶性を向上することができる。
<原料>
結晶性酸化物の原料については特に限定しないが、ガリウム化合物とインジウム化合物、アルミニウム化合物のいずれか、又はこれらを組み合わせた金属化合物を材料として用いることができる。ガリウム金属やインジウム金属を出発材料として成膜直前にガリウム化合物やインジウム化合物を形成してもよい。ガリウム化合物とインジウム化合物には、有機錯体やハロゲン化物をはじめ、非常に多くの種類のものがあるが、本実施形態では、ガリウム化合物、インジウム化合物としてはガリウムアセチルアセトナート、インジウムアセチルアセトナートを用い、アルミニウム化合物としてはアルミニウムアセチルアセトナートを用いる。
原料溶液を微粒子化して原料微粒子を生成する方法は、特に限定されないが、原料溶液に超音波振動を印加して微粒子化する方法が一般的である。また、これ以外の方法でも、例えば、原料溶液を噴霧することによって原料溶液を微粒子化することによっても原料微粒子を生成することができる。
キャリアガスは、例えば窒素であるが、アルゴン、酸素、オゾン、空気などのガスを用いてもよい。また、キャリアガスの流量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜50L/minである。原料溶液に有機溶媒を使用するときは酸素元素を含む酸素、オゾン等のガスを用いることが好ましい。
原料微粒子は、キャリアガスによって成膜室に供給され、成膜室において反応が起こって成膜室内に載置された被成膜試料上に薄膜が形成される。被成膜試料上に形成される薄膜は、酸化物結晶(好ましくは酸化物単結晶)の薄膜である。
図1の例では、白金、金又はパラジウムの基板2上にInXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)単結晶膜1がこの順で形成される。
図2の例では、下地材料5上に白金、金又はパラジウムの薄膜4が成膜され、その上にInXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)単結晶膜3がこの順で形成される。白金、金又はパラジウムの薄膜4は配向していることが好ましく、特に{111}面に配向していることが好ましい。下地材料5としてはSi基板、サファイア基板、ガラス基板が好ましく、Cuをはじめとする金属基板でもよい。
図4の例では白金、金又はパラジウムの薄膜11と下地材料13との間に密着度強化層12を成膜している。密着度強化層12は下地材料13と白金、金又はパラジウムの薄膜11との密着度を強化する目的で形成され、チタンやニッケルが好適である。
図5の例では白金、金又はパラジウムの薄膜15と下地材料18との間にブロック層16と密着度強化層17とを成膜している。
図6の例では酸化物半導体薄膜19と白金、金又はパラジウムの薄膜21との間に緩衝層が形成されている。
酸化物半導体薄膜の成膜が完了すると、酸化物半導体薄膜付きの下地材料が成膜室から取り出される。
酸化物半導体薄膜をGaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlGaN半導体等の窒化物半導体の下地材料として利用する場合は、MOCVD等の成膜プロセスにより窒化物半導体を成膜する。窒化物半導体の成膜前に窒化処理を施して酸化物半導体薄膜の最表面を窒素化しておくことでInAlGaN等の窒化物半導体の結晶品質を向上することができる。窒化処理には窒素プラズマ処理やアンモニアガスを流しながら高温アニールする方法を用いることができる。
例えば、酸化物半導体薄膜の上の層としてよりAl濃度の大きな酸化物半導体薄膜を形成することで、コランダム構造酸化物半導体薄膜、好適にはInAlGaO系半導体の相転移を防止、又は制御することができる。
例えば、窒化物半導体層の成膜温度を下地材料であるコランダム構造酸化物半導体薄膜が相転移しない低い温度に抑えること、詳しくはAl濃度にも依存するが、InAlGaO系半導体の場合は800℃以下に抑えること、特に酸化ガリウム半導体の場合は500℃以下に抑えることが好ましい。
その後、金属層などの各層は、下地材料の剥離技術に活用することもできる。例えば、白金や金を薬液等で溶解させ、あらかじめ支持基板に固定した白金や金より上の層を剥離することができる。この場合、白金や金よりを上の層で剥離後に指示基板に固定化させる目的の層は、白金や金を溶解させた薬液で溶解しないよう、薬液を適切に選定しなければならない。
なお、本発明の結晶性積層構造体を半導体装置に用いる場合には、本発明の結晶性積層構造体をそのまま又は所望により基板の剥離等を行って、半導体装置に用いることができる。
図7は、本発明に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の一例を示している。図7のSBDは、n−型半導体層101a、n+型半導体層101b、ショットキー電極105aおよびオーミック電極105bを備えている。
図9は、本発明に係る金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)の一例を示している。図9のMESFETは、n−型半導体層111a、半絶縁体層114、ゲート電極115a、ソース電極115bおよびドレイン電極115cを備えている。
図10は、本発明に係る光電子移動度トランジスタ(HEMT)の一例を示している。図10のHEMTは、バンドギャップの広いn型半導体層121a、バンドギャップの狭いn型半導体層121b、n+型半導体層121c、半絶縁体層124、ゲート電極125a、ソース電極125bおよびドレイン電極125cを備えている。
図10のHEMTでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。また、本発明においては、さらにリセス構造とすることで、ノーマリーオフを発現することができる。
本発明の半導体装置がMOSFETである場合の一例を図11に示す。図11のMOSFETは、トレンチ型のMOSFETであり、n−型半導体層131a、n+型半導体層131b及び131c、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135a、ソース電極135bおよびドレイン電極135cを備えている。
図14は、本発明の半導体装置がSITである場合の一例を示す。図14のSITは、n−型半導体層141a、n+型半導体層141b及び141c、ゲート電極145a、ソース電極145bおよびドレイン電極145cを備えている。
図14のSITのオン状態では、前記ソース電極145bと前記ドレイン電極145cとの間に電圧を印可し、前記ゲート電極145aに前記ソース電極145bに対して正の電圧を与えると、前記n−型半導体層141a内にチャネル層が形成され、電子が前記n−型半導体層に注入され、ターンオンする。オフ状態は、前記ゲート電極の電圧を0Vにすることにより、チャネル層ができなくなり、n−型半導体層が空乏層で満たされた状態になり、ターンオフとなる。
図21は、本発明の半導体装置が発光ダイオード(LED)である場合の一例を示す。図21の半導体発光素子は、第2の電極165b上にn型半導体層161を備えており、n型半導体層161上には、発光層163が積層されている。そして、発光層163上には、p型半導体層162が積層されている。p型半導体層162上には、発光層163が発生する光を透過する透光性電極167を備えており、透光性電極167上には、第1の電極165aが積層されている。なお、図21の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。
1.実験1
1−1.被成膜試料作成
サファイア基板(並木精密宝石株式会社製、C面、0.55mm厚)上に蒸着装置を利用して白金薄膜を成膜したものを被成膜試料とした。
また、別の例では、Si{100)基板(熱酸化膜100nm、N型、0.525mm厚)上に、スパッタ装置(キャノンアネルバ製EB1100)を用いて白金を600℃で10nm成膜し、その後スパッタ装置(同上)を使用して膜厚35nmで白金薄膜を成膜したものを被成膜試料とした。
また、上述のサファイア基板、又はSi{100}基板を被成膜試料として用い、蒸着装置を利用して金薄膜を35nm成膜した。
まず、図23を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置25を説明する。被成膜試料26には上述1−1に記載の方法にて作製した被成膜試料を用いた。ミストCVD装置25は、下地材料等の被成膜試料26を載置する試料台27と、キャリアガスを供給するキャリアガス源28と、キャリアガス源28から送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁29と、原料溶液30aが収容されるミスト発生源24と、水31aが入れられる容器31と、容器31の底面に取り付けられた超音波振動子32と、内径40mmの石英管からなる成膜室33と、成膜室の周辺部に設置されたヒータ34を備えている。試料台27は、石英からなり、被成膜試料26を載置する面が傾斜している。成膜室33と試料台27をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料26上に形成される薄膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
表1に示す原料溶質を超純水中に溶解させることによって所望の濃度の原料溶液30aを作製した。
次に、被成膜試料26として、1辺が10mmの正方形で厚さ600μmの下地材料を試料台27上に設置させ、ヒータ34を作動させて成膜室33内を500℃に昇温させた。次に、流量調節弁29を開いてキャリアガス源29からキャリアガスを成膜室33内に供給し、成膜室33の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を5ml/分に調節した。キャリアガスとしては、窒素ガスを用いた。
次に、超音波振動子を2.4MHzで振動させ、その振動を、水31aを通じて原料溶液30aに伝播させることによって、原料溶液30aを微粒子化させて原料微粒子を生成した。
この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室33内に導入され、成膜室33内で反応して、被成膜試料26の成膜面でのCVD反応によって被成膜試料26上に薄膜を形成した。
表1の実験についてのX線回折結果を図24〜図27に示す。サファイア基板上に形成した試料である図24では白金、図25では金が{111}面に配向していることが確認された。そしてそれぞれの薄膜上に一軸に配向しているコランダム構造の酸化ガリウム(α−Ga2O3)単結晶が形成されていることを確認した。白金薄膜・金薄膜が一軸に配向し、その結果、白金薄膜・金薄膜上に結晶性の酸化ガリウム単結晶薄膜が形成されたと考えられる。また、酸化ガリウムの成膜温度を600℃にして白金又は金の薄膜上に酸化ガリウム薄膜を成膜したところ、β型の酸化ガリウム単結晶薄膜を形成することができた。この場合にも、白金薄膜・金薄膜は成膜後に一軸に配向していることを確認した。
図27で示したSi{100}基板(熱酸化膜100nm、N型、0.525mm厚)上に、金を蒸着法で35nm成膜した試料においても、ミストCVD法を用いた酸化ガリウム形成後にβガリア構造の酸化ガリウム(β−Ga2O3)単結晶が確認された。この金薄膜は、酸化ガリウムの成膜前にすでに一軸に配向しており、一軸に配向している金薄膜上にβ型酸化ガリウム単結晶薄膜を形成することができた。
Si基板、具体的には、面方位{100}、{111}、{110}上に、直接、酸化ガリウムを成膜した場合、酸化ガリウムがアモルファスになってしまい、結晶性酸化ガリウムを形成することができなかった。また、Si基板上に白金薄膜を直接形成し、その上に酸化ガリウムの成膜を行ったところ、酸化ガリウムがアモルファスになってしまい、結晶性酸化ガリウムを形成することができなかった。なお、白金薄膜は、酸化ガリウムの成膜後にも一軸に配向していなかった。
以上のように、白金又は金の薄膜が酸化物半導体薄膜の成膜時までに一軸に配向している場合には、良好な結晶性を有する酸化物半導体薄膜を成膜することに成功した。
得られたSBDにつき、IV特性を評価した。結果を図29に示す。
2 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
3 酸化物半導体薄膜
4 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
5 下地材料
6 酸化物半導体薄膜
7 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
8 ブロック層
9 下地材料
10 酸化物半導体薄膜
11 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
12 密着度強化層
13 下地材料
14 酸化物半導体薄膜
15 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
16 ブロック層
17 密着度強化層
18 下地材料
19 酸化物半導体薄膜
20 緩衝層
21 金属層(白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板)
22 ブロック層
23 密着度強化層
24 下地材料
25 ミストCVD装置
26 被成膜試料
27 試料台
28 キャリアガス源
29 流量調節弁
30 ミスト発生源
30a 原料溶液
31 容器
31a 水
32 超音波振動子
33 成膜室
34 ヒータ
101 n型半導体層
101a n−型半導体層
101b n+型半導体層
102 p型半導体層
103 金属層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
109 下地基板
111a n−型半導体層
111b n+型半導体層
114 半絶縁体層
115a ゲート電極
115b ソース電極
115c ドレイン電極
118 緩衝層
121a バンドギャップの広いn型半導体層
121b バンドギャップの狭いn型半導体層
121c n+型半導体層
123 p型半導体層
124 半絶縁体層
125a ゲート電極
125b ソース電極
125c ドレイン電極
128 緩衝層
129 基板
131a n−型半導体層
131b 第1のn+型半導体層
131c 第2のn+型半導体層
132 p型半導体層
134 ゲート絶縁膜
135a ゲート電極
135b ソース電極
135c ドレイン電極
138 緩衝層
139 半絶縁体層
141a n−型半導体層
141b 第1のn+型半導体層
141c 第2のn+型半導体層
142 p型半導体層
145a ゲート電極
145b ソース電極
145c ドレイン電極
151 n型半導体層
151a n−型半導体層
151b n+型半導体層
152 p型半導体層
154 ゲート絶縁膜
155a ゲート電極
155b エミッタ電極
155c コレクタ電極
161 n型半導体層
162 p型半導体層
163 発光層
165a 第1の電極
165b 第2の電極
167 透光性電極
169 基板
171 下地基板
172 金属層
Claims (12)
- 一軸に配向している金属を主成分として含む金属層上に、直接又は他の層を介して、結晶性酸化物半導体を主成分として含む半導体層を備えている結晶性積層構造体であって、前記結晶性酸化物半導体が、ガリウムを含み且つコランダム構造を有する酸化物半導体であり、さらに、一軸に配向していることを特徴とする結晶性積層構造体。
- 前記金属が、白金、金またはパラジウムである請求項1記載の結晶性積層構造体。
- 前記金属層が、下地基板上に設けられた金属膜で構成されている請求項1または2に記載の結晶性積層構造体。
- 前記下地基板が、サファイア基板、Si基板、石英基板、窒化アルミニウム基板、窒化ホウ素基板、SiC基板、ガラス基板、SiGe基板またはプラスチック基板である請求項3記載の結晶性積層構造体。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の結晶性積層構造体からなることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の結晶性積層構造体上に、直接または他の層を介して、電極を備えていることを特徴とする半導体装置。
- 一軸に配向している金属を主成分として含む金属層と、前記金属層上に、直接又は他の層を介して、結晶性酸化物半導体を主成分として含む半導体層とを備えている半導体装置であって、前記結晶性酸化物半導体が、ガリウムを含み且つコランダム構造を有する酸化物半導体であり、さらに、一軸に配向していることを特徴とする半導体装置。
- 縦型デバイスである請求項5〜7のいずれかに記載の半導体装置。
- パワーデバイスである請求項5〜8のいずれかに記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)または発光ダイオード(LED)である請求項5〜9のいずれかに記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)または静電誘導トランジスタ(SIT)である請求項5〜10のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記結晶性積層構造体の上面または下面に、直接または他の層を介して、発光層を備えている発光ダイオードである請求項5または6に記載の半導体装置。
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