JP6647521B2 - 導電性積層構造体の製造方法 - 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の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。
絶縁体基板は、上記の結晶性酸化物半導体膜の支持体となるものであれば特に限定されない。本発明においては、前記絶縁体基板が、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板であるのが好ましい。コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板は、基板中の組成比で、コランダム構造を有する結晶物を50%以上含むものであれば、特に限定されないが、本発明においては、70%以上含むものであるのが好ましく、90%以上であるのがより好ましい。コランダム構造を有する結晶を主成分とする基板としては、例えば、サファイア基板などが挙げられる。絶縁体基板の厚さは、本発明においては特に限定されないが、好ましくは、50〜2000μmであり、より好ましくは200〜800μmである。
前記結晶性酸化物半導体膜は、コランダム構造を有する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、本発明においては、インジウム、アルミニウムおよびガリウムから選ばれる1種または2種以上の元素を含有する結晶性酸化物半導体を主成分として含むのが、放熱性および耐圧性の更なる向上の観点から好ましい。なお、本発明において、「主成分」とは、原子比で、全体に対し、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。前記結晶性酸化物半導体膜は、単結晶膜であってもよく、多結晶膜であってもよいが、本発明においては、前記結晶性酸化物半導体膜が、多結晶が含まれていてもよい単結晶膜であるのが好ましく、単結晶を主成分とする単結晶膜であるのがより好ましい。
本発明においては、前記導電性接着剤を用いることにより、導電性接着層が形成される。前記導電性接着層は、単層であってもよいし、多層であってもよいが、本発明においては、2層以上の多層であるのが好ましい。前記導電性接着層が2層以上の多層である場合には、前記導電性接着剤は通常2種以上用いられる。また、前記導電性接着層は、通常、非晶性であるが、結晶などの副成分が含まれていてもよい。また、前記導電性接着層の厚みは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、10nm〜200μmであるのが好ましく、30nm〜50μmであるのがより好ましい。
また、本発明においては、前記導電性基板が、半導体層または導電体層等の導電性の層を形成する。前記導電性基板の厚みは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、0.1μm〜5000μmであるのが好ましく、10μm〜2000μmであるのがより好ましく、50〜1000μmであるのが最も好ましい。
なお、本発明においては、工程(2)または(3)の後、研削や研磨等の公知の手段を用いて、前記導電性基板の厚みを制御することもできる。
なお、工程(2)で得られた貼合せ積層構造体の絶縁体基板が、表面に金属膜が形成されている基板である場合には、本工程において、基板部分のみを剥離すればよく、金属膜が半導体層表面に残っていてもよい。金属膜を半導体層表面に残すことで、半導体表面上の電極形成が容易かつ良好なものとなる。
1.積層
(1)CVD装置
まず、図4を用いて、本実施例で用いたCVD装置19を説明する。CVD装置19は、絶縁体基板等の被成膜試料20を載置する試料台21と、キャリアガスを供給するキャリアガス源22と、キャリアガス源22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23と、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる成膜室27と、成膜室27の周辺部に設置されたヒータ28を備えている。試料台21は、石英からなり、被成膜試料20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室27と試料台21をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料20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。
臭化ガリウムと酸化ゲルマニウムをガリウムに対するゲルマニウムの原子比が1:0.01となるように水溶液を調整した。この際、48%臭化水素酸溶液を体積比で10%を含有させた。この原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。
次に、被成膜試料20として、1辺が10mmの正方形で厚さ600μmのc面サファイア基板を試料台21上に設置させ、ヒータ28を作動させて成膜室27内の温度を500℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23を開いてキャリアガス源22からキャリアガスを成膜室27内に供給し、成膜室27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5L/minに調節した。キャリアガスとしては、酸素ガスを用いた。
次に、超音波振動子26を2.4MHzで振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24a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27内に導入され、成膜室27内で反応して、被成膜試料20の成膜面でのCVD反応によって被成膜試料20上に薄膜を形成した。
上記(4)で形成した薄膜の相の同定をした。同定は、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で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、実施例1の原料溶液を用いて形成した薄膜は、α−Ga203であった。
結晶性酸化物半導体膜表面に、Ti膜およびAu膜をそれぞれ順にスパッタで積層し、また、Si基板上にもTi膜およびAu膜をそれぞれ順にスパッタで積層した。そして、Au接合でもって、結晶性酸化物半導体膜とSi基板とを貼り合わせた。
レーザリフトオフを用いてサファイア基板を除去した。レーザリフトオフの条件は、下記表1のとおりである。
下記表2の条件でレーザリフトオフを行ったこと以外は、実施例1と同様にして導電性積層構造体を作製した。
下記表3の条件でレーザリフトオフを行ったこと以外は、実施例1と同様にして導電性積層構造体を作製した。
下記表4の条件でレーザリフトオフを行ったこと以外は、実施例1と同様にして導電性積層構造体を作製した。
下記表5の条件でレーザリフトオフを行ったこと以外は、実施例1と同様にして導電性積層構造体を作製した。
Au膜に代えてAg膜を用いたこと以外は、それぞれ実施例1〜5と同様にして導電性積層構造体を作製した。X線回折にて測定した結果、Ag膜を用いた実施例9および10では、コランダム構造の他にβガリア構造が確認された。また、Ag膜を用いた実施例6〜10よりも、Au膜を用いた実施例1〜5の方がレーザリフトオフによる剥離が非常に良好であった。
プラズマで表面処理を行った後、導電性接着剤を用いずに、直接接合により、Si基板を貼り付けようとしたが、基板が割れてしまい、接合がうまくいかなかった。
導電性接着剤を用いずに、絶縁性の接着剤樹脂を用いて、Si基板をはりつけたが、研磨しても、手で剥がそうとしても、サファイア基板を除去することはできなかった。
原料溶液24aとして、臭化水素酸を添加せずに、臭化ガリウムと臭化インジウムとをモル比で10:1となるように添加し、さらに、臭化スズを添加し、ガリウムに対するスズの含有量が1原子%となるように調整した水溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、被成膜試料20上に薄膜を形成した。なお、成膜時間は180分間であった。
下記表6の条件としたこと以外は、実施例1と同様にして、レーザリフトオフを行い、得られた薄膜を被成膜試料20から剥離した。また、得られた薄膜は、X線回折装置を用いて、20°〜150°までスキャンして同定したところ、コランダム構造を有しており、α単相であった。また、剥離も非常に良好であった。
波長を255nmとしたこと以外は、実施例11と同様にして、成膜し、そして、レーザリフトオフを行い、得られた薄膜を被成膜試料20から剥離した。また、得られた薄膜は、X線回折装置を用いて、20°〜150°までスキャンして同定したところ、コランダム構造を有しており、α単相であった。スキャンの一部であるXRDデータを図6に示す。なお、ガリウムとインジウムの合計に対するインジウムの含有量は5原子%であった。また、剥離も非常に良好であった。
臭化ガリウムと臭化インジウムとをモル比で5:1となるように添加したこと以外は、実施例11と同様にして、被成膜試料20上に薄膜を形成した。得られた薄膜をバッファ層として用いて、さらに、バッファ層上に、実施例12と同様にして、薄膜を形成した。バッファ層の成膜時間は30秒であった。また、下記表7の条件としたこと以外は、実施例1と同様にして、レーザリフトオフを行い、バッファ層を含む薄膜を被成膜試料20から剥離した。また、得られた薄膜は、X線回折装置を用いて、20°〜150°までスキャンして同定したところ、コランダム構造を有しており、α単相であった。スキャンの一部であるXRDデータを図7に示す。なお、ガリウムとインジウムとの合計に対するインジウムの含有量は12原子%であった。また、剥離も非常に良好であった。
レーザリフトオフの条件を、ArFエキシマレーザーを用いて、波長を193nmとしたこと以外は、実施例13と同様にして、成膜し、そして、レーザリフトオフを行い、得られた薄膜を被成膜試料20から剥離した。また、得られた薄膜は、X線回折装置を用いて、20°〜150°までスキャンして同定したところ、コランダム構造を有しており、α単相であった。また、剥離はあまり悪くはなかった。
バッファ層として、実施例1に準じて、Ga2O3を560℃で10秒間、Ga2O3を500℃で10分間、Fe2O3を500℃で10分間成膜して得られたものを用いたこと以外は、実施例13と同様にして、成膜し、被成膜試料20にバッファ層を介して薄膜を形成した。なお、バッファ層のFe2O3の成膜には、鉄アセチルアセトナート0.05mol/Lに、塩酸1.5%を含有させた水溶液を原料溶液として用いた。
波長を260nmとしたこと以外は、実施例13と同様にして、成膜し、そして、レーザリフトオフを行い、得られた薄膜を被成膜試料20から剥離した。また、得られた薄膜は、X線回折装置を用いて、20°〜150°までスキャンして同定したところ、コランダム構造を有しており、α単相であった。スキャンの一部であるXRDデータを図8に示す。なお、ガリウムとインジウムとの合計に対するインジウムの含有量は6原子%であった。また、剥離も良好であった。
2 導電性接着層
3 導電性基板
9 絶縁体基板
10 結晶性積層構造体
19 ミストCVD装置
20 被成膜試料
21 試料台
22 キャリアガス源
23 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 成膜室
28 ヒータ
Claims (10)
- 絶縁体基板上に、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分とする結晶性酸化物半導体膜を積層した後、前記結晶性酸化物半導体膜に、導電性接着剤を介して、導電性基板を貼り付け、ついで、前記絶縁体基板を除去することを特徴とする導電性積層構造体の製造方法。
- 前記積層を、ミストCVD法により行う請求項1記載の方法。
- 前記除去を、機械的衝撃を加えて剥離する手段、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、研削して除去する手段、スマートカット法等のイオン注入を行った後、熱処理をすることにより剥離する手段またはレーザリフトオフ法により剥離する手段を用いて行う請求項1または2に記載の方法。
- 前記除去を、200nm以上の波長でレーザリフトオフ法により行う請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記導電性接着剤が金属を主成分として含む請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 前記金属が、金、銀、白金、チタンおよびニッケルから選ばれる1種または2種以上の金属である請求項5記載の方法。
- 前記絶縁体基板が、サファイア基板である請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- 前記結晶性酸化物半導体が、少なくともガリウムを含む請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
- 前記導電性基板が、半導体を主成分として含む請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記半導体が、ケイ素を含有する請求項9記載の方法。
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