CN117321256A - 层叠结构体、半导体装置以及层叠结构体的制造方法 - Google Patents

层叠结构体、半导体装置以及层叠结构体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种层叠结构体，其特征在于包括基底基板与以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜，所述结晶性氧化物膜的表面的均方根粗糙度为0.2μm以下，所述基底基板的直径为50mm以上，所述基底基板的TTV为30μm以下。由此，提供包含表面平滑的结晶性氧化物膜的层叠结构体以及所述层叠结构体的制造方法。

Description

层叠结构体、半导体装置以及层叠结构体的制造方法
技术领域
本发明涉及一种层叠结构体、半导体装置以及层叠结构体的制造方法。
背景技术
作为在被成膜试料上形成结晶性高的氧化镓系薄膜的方法，已知有液雾化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法等的使用水微粒子的成膜方法(专利文献1)。此方法中，将乙酰丙酮镓等的镓化合物溶解于盐酸等的酸中来制作原料溶液，使所述原料溶液微粒子化，由此来生成原料微粒子，并将所述原料微粒子通过载气供给至被成膜试料的成膜面，使原料微粒子反应而在成膜面上形成薄膜，由此，在被成膜试料上形成结晶性高的氧化镓系薄膜。
为了使用氧化镓系薄膜来形成半导体元件，必须进行氧化镓系薄膜的导电性的控制，专利文献1以及非专利文献1中，公开了对α-氧化镓薄膜进行杂质掺杂的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-028480号公报
专利文献2：日本专利特开2015-199649号公报
非专利文献
非专利文献1：采用辅助喷雾化学气相沉积法在掺锡蓝宝石上生长导电刚玉结构的α-Ga2O3薄膜(日本应用物理杂志51(2012)070203)(Electrical Conductive Corundum-Structuredα-Ga2O3 Thin Films on Sapphire with Tin-Doping Grown by Spray-Assisted Mist Chemical Vapor Deposition(Japanese Journal of Applied Physics51(2012)070203))
发明内容
发明所要解决的问题
根据专利文献1以及非专利文献1的方法，尽管能够形成导电性优异的α-氧化镓(以下也有时称作“α-Ga2O3”)薄膜，但存在膜表面不平滑的特有问题，要用于半导体装置，尚无法让人满意。而且，为了使膜表面变得平滑，也考虑进行蚀刻等的表面处理，但此时，存在薄膜被削薄或者半导体特性受损等的问题。
针对此问题，专利文献2公开了一种降低平均粗糙度(Ra)的方法。但是，即便使用此方法，表面的平坦性也不能说是足够的，使用所获得的膜的半导体装置特性也未能让人满意。
本发明是为了解决所述问题而完成，其目的在于提供一种包含表面平滑的结晶性氧化物膜的层叠结构体、以及提供所述层叠结构体的制造方法。
解决问题的技术手段
本发明是为了达成所述目的而完成，提供一种层叠结构体，其具有基底基板与以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜，所述结晶性氧化物膜的表面的均方根粗糙度为0.2μm以下，所述基底基板的直径为50mm以上，所述基底基板的总厚度变化(Total ThicknessVariation，TTV)为30μm以下。
此种层叠结构体具有表面平滑的结晶性氧化物膜，在适用于半导体装置的情况下，半导体特性优异。
而且，本发明中，所述结晶性氧化物膜也可设为单晶或进行了单轴取向的膜。
由此，在适用于半导体装置的情况下，半导体特性优异。
而且，本发明中，优选的是，所述基底基板的厚度为100μm～5000μm。
由此，表面变得更为平滑，在适用于半导体装置的情况下，能够制成半导体特性更为优异的层叠结构体。
而且，本发明中，所述结晶性氧化物膜的膜厚也可为1μm～100μm。
由此，在适用于半导体装置的情况下，半导体特性变得更为优异。
而且，本发明中，优选的是，所述基底基板为单晶的基板。
由此，能够制成具有结晶性也更优异的氧化镓膜的层叠结构体。
而且，本发明中，优选的是，所述基底基板为蓝宝石基板、钽酸锂基板或铌酸锂基板中的任一种。
由此，能够制成具有表面更为平滑且结晶性也更为优异的氧化镓膜的层叠结构体。
而且，本发明中，所述层叠结构体的与具有结晶性氧化物膜的面为相反侧的面的表面粗糙度Ra也可为0.5μm以下。
此种层叠结构体是高品质且适合于半导体膜装置的制造的层叠结构体。
而且，本发明中，所述层叠结构体的与具有结晶性氧化物膜的面为相反侧的面的波纹度Wa也可为50μm以下。
此种层叠结构体是更高品质且适合于半导体膜装置的制造的层叠结构体。
而且，本发明中，提供一种包含上文所述的层叠结构体的半导体装置。
由此，成为具有更优异的特性的半导体装置。
而且，本发明中，提供一种层叠结构体的制造方法，包括：
液雾产生工序，在雾化部中，使包含镓的原料溶液雾化而产生液雾；
载气供给工序，将用于搬送所述液雾的载气供给至所述雾化部；
搬送工序，经由连接所述雾化部与成膜室的供给管，将所述液雾通过所述载气从所述雾化部搬送至设置有基底基板的所述成膜室；以及
成膜工序，对所述经搬送的液雾进行热处理而在所述基底基板上进行成膜，
作为所述基底基板，使用直径为50mm以上且TTV为30μm以下的基板。
根据此种层叠结构体的制造方法，能够制造包含具有平滑的表面的结晶性氧化物膜的层叠结构体。
而且，本发明中，作为所述基底基板，可使用厚度为100μm～5000μm的基板。
由此，表面变得更为平滑，在适用于半导体装置的情况下，能够制造半导体特性更为优异的层叠结构体。
而且，本发明中，作为所述基底基板，可使用单晶的基板。
由此，能够制造具有结晶性也更为优异的氧化镓膜的层叠结构体。
而且，本发明中，作为所述基底基板，可使用蓝宝石基板、钽酸锂基板或铌酸锂基板中的任一种。
由此，能够更廉价地制造具有表面更为平滑且结晶性也更为优异的氧化镓膜的层叠结构体。
而且，本发明中，也可将所述基底基板的与成膜面为相反侧的面的表面粗糙度Ra设为0.5μm以下。
若为此种方法，则能够稳定地制造包含结晶取向性优异的、高品质的半导体膜的层叠结构体。而且，基板背面对搬送系统或基板载体的损伤得到大幅减轻，因此装置内的发尘得到抑制，除此以外，搬送系统或基板载体的材质的自由度变大，因此能够更稳定且廉价地制造包含高品质的半导体膜的层叠结构体。
而且，本发明中，也可将所述基底基板的与成膜面为相反侧的面的波纹度Wa设为50μm以下。
若如此，则与基板的接触面积增加，由此，导热提高，成膜用原料液雾所引起的成膜中的基板表面的温度下降变得不显著而半导体膜的结晶取向性不会下降，因此，能够稳定地制造高品质的层叠结构体。
而且，本发明中，在所述成膜工序中，也可将所述基底基板载置于载台，将所述载台的与所述基底基板的接触面的表面粗糙度Ra设为0.5μm以下。
若为此种方法，则能够稳定地制造包含结晶取向性优异的、高品质的半导体膜的层叠体。而且，基板背面对搬送系统或基板载体的损伤得到大幅减轻，因此装置内的发尘得到抑制，除此以外，搬送系统或基板载体的材质的自由度变大，因此能够更稳定且廉价地制造包含具有高品质的刚玉型结晶结构的半导体膜的层叠体。
而且，本发明中，在所述成膜工序中，也可将所述基底基板载置于载台，将所述载台的与所述基底基板的接触面的波纹度Wa设为50μm以下。
若如此，则与基板的接触面积增加，由此，导热提高，成膜用原料液雾所引起的成膜中的基板表面的温度下降变得不显著而半导体膜的结晶取向性不会下降，因此能够稳定地制造高品质的层叠结构体。
发明的效果
如上所述，根据本发明的层叠结构体，成为具有表面平滑的结晶性氧化物膜，且在适用于半导体装置的情况下半导体特性优异的层叠结构体。而且，根据本发明的层叠结构体的制造方法，能够制造具有表面平滑的结晶性氧化物膜，且在适用于半导体装置的情况下半导体特性优异的层叠结构体。
附图说明
图1是表示本发明的半导体装置的一例的概略结构图。
图2是表示本发明的成膜方法中所用的成膜装置的一例的概略结构图。
图3是表示本发明的基底基板的TTV与结晶性氧化物膜表面的均方根粗糙度的关系的图。
图4是表示用于本发明的雾化部的一例的概略结构图。
具体实施方式
如上所述，正在寻求提供包含表面平滑的结晶性氧化物膜的层叠结构体、以及所述层叠结构体的制造方法。
本创作人等关于所述问题反复进行了专心研讨，结果发现下述内容，从而完成了本发明，即，通过如下所述的层叠结构体，成为具有表面平滑的结晶性氧化物膜，且在适用于半导体装置的情况下半导体特性优异的层叠结构体，所述层叠结构体具有基底基板与以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜，其特征在于，所述结晶性氧化物膜的表面的均方根粗糙度为0.2μm以下，所述基底基板的直径为50mm(2英寸)以上，所述基底基板的TTV为30μm以下。
而且，本创作人等发现，通过如下所述的层叠结构体的制造方法，能够制造具有表面平滑的结晶性氧化物膜，且在适用于半导体装置的情况下半导体特性优异的层叠结构体，从而完成了本发明，所述层叠结构体的制造方法的特征在于包括：
液雾产生工序，在雾化部中，使包含镓的原料溶液雾化而产生液雾；
载气供给工序，将用于搬送所述液雾的载气供给至所述雾化部；
搬送工序，经由连接所述雾化部与成膜室的供给管，将所述液雾通过所述载气从所述雾化部搬送至设置有基底基板的所述成膜室；以及
成膜工序，对所述经搬送的液雾进行热处理而在所述基底基板上进行成膜，
作为所述基底基板，使用直径为50mm以上且TTV为30μm以下的基板。
此处，本发明中所说的液雾是指分散在气体中的液体的微粒子的总称，包含被称作雾、液滴等者。以下，一边参照附图一边进行说明。
以下，对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于这些说明。
(层叠结构体)
图1表示包括本发明的层叠结构体110的半导体装置100。如图1所示，本发明的层叠结构体110具有基底基板101与以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜103，所述结晶性氧化物膜103的表面103c的均方根粗糙度为0.2μm以下，所述基底基板101的直径为50mm(2英寸)以上，所述基底基板101的TTV为30μm以下。由此，成为具有表面平滑的结晶性氧化物膜103，且在适用于半导体装置的情况下半导体特性优异的层叠结构体110。
(基底基板)
以往，当基底基板101的直径变大时，结晶性氧化物膜103表面的均方根粗糙度的恶化显著，尤其是直径50mm以上的基底基板，得不到粗糙度为0.2μm以下的结晶性氧化物膜。因此本创作人等进行了专心调查得知：如图3所示，结晶性氧化物膜表面的均方根(RootMean Square，RMS)从基底基板的TTV超过30μm的附近开始急剧增加。如后所述，考虑原因是与加热器的热接触的恶化以及热阻的增加。因此，在本发明中将TTV设为30μm以下。如本发明这样，即便使用基底基板101的直径为50mm(2英寸)以上的基板，通过将基底基板101的TTV设为30μm以下，结晶性氧化物膜103的表面103c的均方根粗糙度也会成为0.2μm以下。
本发明的层叠结构体的基底基板的直径为50mm(2英寸)以上，TTV为30μm以下。直径的上限值并无特别限定，例如可设为300mm以下。而且，TTV的下限值并无特别限定，例如可设为0.1μm以上。
TTV为total thickness variation(总厚度变化)的缩写，是将晶片背面作为基准面来沿厚度方向测定的高度在晶片整个面上的最大值与最小值之差。本发明中，基底基板的TTV为30μm以下。此时获得的层叠结构体的TTV也为30μm以下。TTV能够利用测微计、静电电容方式、光干涉方式、激光共焦方式等来测定。
所述层叠结构体的、与具有结晶性氧化物膜的面103c为相反侧的面的Ra也可为0.5μm以下。表面粗糙度Ra越小越好，下限值并无特别限定，例如可设为0.1nm以上。若表面粗糙度Ra为0.5μm以下，则与基底基板101的接触面积不会减少，因此导热不会发生恶化，不用引起成膜用原料液雾所造成的成膜中的基体表面的温度下降而半导体膜的结晶取向性不会下降。
所述层叠结构体的、与具有结晶性氧化物膜的面103c为相反侧的面的波纹度Wa也可为50μm以下。波纹度Wa越小越好，下限值并无特别限定，例如可设为0.5μm以上。若Wa为50μm以下，则与基底基板101的接触面积增加，由此，导热提高，成膜用原料液雾所引起的成膜中的基体表面的温度下降变得不显著而半导体膜的结晶取向性不会下降。
波纹度Wa是以“从平面形状的几何准确的平面计起的翘曲的大小”来定义。波纹度Wa可在根据所述载置面的形状而适当决定的所述载置面上的一个以上的任意直线上进行测定。例如，在所述载置面为圆形的情况下，可在所述圆的中心呈直角相交的两直线上，将所述圆的直径设为测定长度。波纹度Wa是指使用触针法、原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)法或者光干涉法、共焦法、基于焦点移动的图像合成法等借助使用激光显微镜或共焦显微镜的非接触式的测定法得出的表面形状测定结果，并基于JIS B0601而算出所得的值。
基底基板的厚度优选为100μm～5000μm。若处于此范围内，则操作(handling)变得良好，并且在成膜时，热阻变小，可获得优质的膜。
基底基板只要成为所述结晶性氧化物膜的支撑体，则并无特别限定。材料并无特别限定，可使用公知的基板，既可为有机化合物，也可为无机化合物。例如可列举聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、氟树脂、铁或者铝、不锈钢、金等的金属、石英、玻璃、碳酸钙、氧化镓、ZnO等。除了这些以外，可列举硅、蓝宝石或者α型氧化镓、钽酸锂、铌酸锂、SiC、GaN、氧化铁、氧化铬等的单晶基板。本发明的层叠结构体的基底基板理想的是如上所述的单晶基板。通过它们，能够获得更优质的结晶性氧化物膜。尤其，蓝宝石基板、钽酸锂基板、铌酸锂基板相对较廉价，在工业上有利。
另外，基底基板表面的RMS优选为0.1μm以下。通过使用此种基板，容易获得RMS为0.2μm以下的结晶性氧化物膜。而且，基底基板上的0.5μm以上的颗粒密度优选为50/cm2以下，金属杂质密度优选为1×1011/cm2以下。通过使用此种基底基板，容易获得结晶性良好的结晶性氧化物膜。一旦制成层叠结构体之后，便难以进行此种基底基板表面的RMS或基底基板上的颗粒密度、金属杂质密度等的评估。
(结晶性氧化物膜)
本发明的层叠结构体的结晶性氧化物膜是一种以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜，其中，以所述氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜的表面的均方根粗糙度为0.2μm以下。均方根粗糙度的下限值并无特别限定，例如可设为0.0001μm以上。
结晶性氧化物膜一般包含金属与氧，但在本发明的层叠结构体的结晶性氧化物膜中，只要将作为金属的镓设为主成分即可。另外，本发明中，所谓“以镓为主成分”，是指金属成分中的50％～100％为镓。作为镓以外的金属成分，例如也可包含从铁、铟、铝、钒、钛、铬、铑、铱、镍以及钴中选择的一种或两种以上的金属。
在结晶性氧化物膜中，也可包含掺杂剂元素。例如可列举锡、锗、硅、钛、锆、钒或铌等的n型掺杂剂或者铜、银、镍、锡、铱、铑、钴、镁等的p型掺杂剂等，并无特别限定。掺杂剂的浓度例如也可为约1×1016/cm3～1×1022/cm3，既可设为约1×1017/cm3以下的低浓度，也可设为约1×1020/cm3以上的高浓度。
结晶性氧化物膜的结晶结构并无特别限定，既可为β镓(β-Gallia)结构，也可为刚玉结构，还可为立方晶。也可多个结晶结构混合存在或者为多晶，但优选为单晶或进行了单轴取向的膜。为单晶或进行了单轴取向的膜，可利用X射线衍射装置或电子射线衍射装置等来确认。当对膜照射X射线或电子射线时，可获得与结晶结构相应的衍射像，但若进行了单轴取向，则仅会出现特定的波峰。由此可判定为进行了单轴取向。
所述均方根粗糙度(RMS)只要为0.2μm以下，则并无特别限定。另外，均方根粗糙度(RMS)是指使用通过原子力显微镜(AFM)对10μm见方的区域进行的表面形状测定结果，基于JIS B 0601(相当于同规格内的Rq)而算出所得的值。
而且，算术平均粗糙度(Ra)是指使用通过原子力显微镜(AFM)对10μm见方的区域进行的表面形状测定结果，基于JIS B 0601而算出所得的值。
结晶性氧化物膜的膜厚并无特别限定，优选为1μm以上。上限值并无特别限定。例如可设为100μm以下，优选的是50μm以下，更优选的是可设为20μm以下。通过设为此种膜厚，从而在适用于半导体装置的情况下，半导体特性变得更为优异，例如耐压提高等。
而且，在基底基板与结晶性氧化物膜之间也可介隔有其他层。所谓其他层，是指成分与基底基板及最表层的结晶性氧化物膜不同的层，也被称作缓冲层。缓冲层为氧化物半导体膜、绝缘膜、金属膜等皆可，作为材料，例如可较佳地使用Al2O3、Ga2O3、Cr2O3、Fe2O3、In2O3、Rh2O3、V2O3、Ti2O3、Ir2O3等。作为缓冲层的厚度，优选为0.1μm～2μm。
(成膜装置)
图2表示基于本发明的层叠结构体的制造方法的成膜装置201的一例。成膜装置201至少具有：雾化部220，使包含镓的原料溶液204a雾化而产生液雾；载气供给部230，供给搬送液雾的载气；供给管209，连接雾化部220与成膜室207，通过载气来搬送液雾；以及成膜室207，对从供给管209与载气一同供给的液雾进行热处理，以在基底基板210上进行成膜。
(雾化部)
雾化部220中，使包含镓的原料溶液204a雾化而产生液雾。雾化部件只要能够使包含镓的原料溶液204a雾化，则并无特别限定，可为公知的雾化部件，但优选使用借助超声波振动的雾化部件。这是因为能够更稳定地进行雾化。
此种雾化部220的一例示于图4。雾化部220也可包括：液雾产生源204，收容包含镓的原料溶液204a；容器205，盛入有可传递超声波振动的介质例如水205a；以及超声波振子206，被安装在容器205的底面。详细而言，包含收容着含有镓的原料溶液204a的容器的液雾产生源204可使用支撑体(未图示)而收纳在收容有水205a的容器205内。超声波振子206也可被配设在容器205的底部，还可将超声波振子206与振荡器216予以连接。并且可构成为，当使振荡器216运转时，超声波振子206振动，超声波在液雾产生源204内经由水205a来传播，从而包含镓的原料溶液204a发生雾化。
(包含镓的原料溶液)
包含镓的原料溶液204a只要可雾化且包含镓，则溶液中所含的材料并无特别限定，既可为无机材料，也可为有机材料。可较佳地使用金属或金属化合物，例如也可使用包含从镓、铁、铟、铝、钒、钛、铬、铑、镍及钴中选择的一种或两种以上的金属者。作为此种原料溶液，可使用使金属以络合物或盐的形态溶解或分散到有机溶剂或水中的溶液。作为盐的形态，例如可列举氯化金属盐、溴化金属盐、碘化金属盐之类的卤化盐等。而且，将所述金属溶解到氢溴酸、盐酸、氢碘酸之类的卤化氢等中所得的溶液也能够作为盐溶液来使用。作为络合物的形态，例如可列举乙酰丙酮络合物、羰基络合物、氨络合物、氢化络合物等。通过将乙酰丙酮混合到前述的盐溶液中，也能够形成乙酰丙酮络合物。包含镓的原料溶液204a中的金属浓度并无特别限定，可设为0.005mol/L～1mol/L等。
也可在包含镓的原料溶液204a中混合氢卤酸或氧化剂等的添加剂。作为氢卤酸，例如可列举氢溴酸、盐酸、氢碘酸等，其中尤其优选氢溴酸或氢碘酸。作为氧化剂，例如可列举过氧化氢(H2O2)、过氧化钠(Na2O2)、过氧化钡(BaO2)、过氧化苯甲酰(C6H5CO)2O2等的过氧化物、次氯酸(HClO)、高氯酸、硝酸、臭氧水、过乙酸或硝基苯等的有机过氧化物等。
也可在包含镓的原料溶液204a中包含掺杂剂。掺杂剂并无特别限定。例如可列举锡、锗、硅、钛、锆、钒或铌等的n型掺杂剂或者铜、银、铱、铑、镁等的p型掺杂剂等。
(载气供给部)
如图2所示，载气供给部230具有供给载气的载气源202a。此时，也可包括用于对从载气源202a送出的载气的流量进行调节的流量调节阀203a。而且，也可根据需要而包括供给稀释用载气的稀释用载气源202b、或用于对从稀释用载气源202b送出的稀释用载气的流量进行调节的流量调节阀203b。
载气的种类并无特别限定，可根据成膜物来适当选择。例如可列举氧、臭氧、氮或氩等的惰性气体、或者氢气或合成气体等的还原气体等。而且，载气的种类既可为一种，也可为两种以上。例如，作为第二载气，也可进一步使用将与第一载气相同的气体以除此以外的气体予以稀释(例如稀释为10倍)的稀释气体等，也能够使用空气。载气的流量并无特别限定。例如在50mm(2英寸)的基底基板上进行成膜的情况下，载气的流量优选设为0.05L/分钟～50L/分钟，更优选设为5L/分钟～20L/分钟。
(供给管)
成膜装置201具有连接雾化部220与成膜室207的供给管209。此时，液雾从雾化部220的液雾产生源204经由供给管209而由载气予以搬送，并供给至成膜室207内。供给管209例如可使用石英管或玻璃管、树脂制的管等。
(成膜室)
在成膜室207内设置有基底基板210，可包括用于对所述基底基板210进行加热的加热器208。加热器208既可如图2所示那样设在成膜室207的外部，也可设在成膜室207的内部。而且，在成膜室207，也可在不会对液雾向基底基板210的供给造成影响的位置设有废气的排气口212。而且，既可将基底基板210设置在成膜室207的上表面等而设为面朝下(facedown)，也可将基底基板210设置于成膜室207的底面而设为面朝上(face up)。
另外，在成膜室207内，也可设置有用于载置基底基板210的载台。此时，所述载台的表面粗糙度Ra也可为0.5μm以下。表面粗糙度Ra越小越好，下限值并无特别限定，例如可设为0.1nm以上。若表面粗糙度Ra为0.5μm以下，则与基底基板210的接触面积不会减少，因此导热不会恶化，不会引起成膜用原料液雾所造成的成膜中的基体表面的温度下降而半导体膜的结晶取向性不会下降。
而且，波纹度Wa也可为50μm以下。波纹度Wa越小越好，下限值并无特别限定，例如可设为0.5μm以上。若Wa为50μm以下，则与基底基板210的接触面积增加，由此，导热提高，成膜用原料液雾所引起的成膜中的基体表面的温度下降变得不显著而半导体膜的结晶取向性不会下降。
(层叠结构体的制造方法)
接下来，以下，一边参照图2，一边说明本发明的层叠结构体的制造方法的一例。本发明的特征点在于，在液雾CVD中，将基板的直径设为50mm以上，将TTV设为30μm以下。
液雾CVD法不同于其他的CVD法，必须使原料以液体的状态到达基板表面。因此，基板表面的温度会大幅下降。此时，若基板的TTV大于30μm，则基板与加热器的热接触会发生恶化。同时，基板厚度厚的部位的热阻相对较大。在它们的影响下，基板表面温度的下降变得更大。直径50mm以上时尤为显著。若在此状态下进行成膜，则会在膜表面引起异常生长，所获得的膜的表面粗糙度将变得非常大，超过0.2μm。因而，在本发明的层叠结构体的制造方法中，通过使用直径为50mm以上、TTV为30μm以下的基底基板，能够在原生(as-grown)状态下获得膜表面的均方根粗糙度为0.2μm以下的层叠结构体。
将利用前述的方法而混合的包含镓的原料溶液204a收容到液雾产生源204内，将基底基板210载置于成膜室207内，使加热器208运转。接下来，打开流量调节阀203a、流量调节阀203b，从载气源202a、载气源202b将载气供给至成膜室207内，将成膜室207的环境充分置换为载气后，分别调节载气的流量与稀释用载气的流量。
接下来，作为液雾产生工序，使超声波振子206振动，使所述振动通过水205a而传播至包含镓的原料溶液204a，由此来使包含镓的原料溶液204a雾化而产生液雾。
接下来，作为载气供给工序，将用于搬送液雾的载气供给至雾化部220。
接下来，作为搬送工序，经由连接雾化部220与成膜室207的供给管209，将液雾通过载气从雾化部220搬送至成膜室207。
接下来，作为成膜工序，对被搬送至成膜室207的液雾进行加热而使其产生热反应，在基底基板210的表面的一部分或全部进行成膜。
对于热反应，只要通过加热来使液雾产生反应即可，反应条件等也无特别限定。可根据原料或成膜物来适当设定。例如，加热温度为120℃～600℃的范围，优选的是200℃～600℃的范围，更优选的是设为300℃～550℃的范围。
另外，关于热反应，在真空下、非氧环境下、还原气体环境下、空气环境下以及氧环境下的哪种环境下进行皆可，只要根据成膜物来适当设定即可。而且，关于反应压力，在大气压下、加压下或减压下的哪种条件下进行皆可，但若为大气压下的成膜，则能够简化装置结构，因而优选。
(缓冲层)
在所述成膜时，也可在基底基板与所述膜之间适当设置缓冲层。缓冲层的形成方法并无特别限定，可通过溅镀法、蒸镀法等公知的方法来成膜，但在使用如上所述的液雾CVD法的情况下，只要适当变更包含镓的原料溶液便能形成，从而简便。具体而言，可较佳地使用使从铝、镓、铬、铁、铟、铑、钒、钛、铱中选择的一种或两种以上的金属以络合物或盐的形态溶解或分散到水中的溶液来作为原料水溶液。作为络合物的形态，例如可列举乙酰丙酮络合物、羰基络合物、氨络合物、氢化络合物等。作为盐的形态，例如可列举氯化金属盐、溴化金属盐、碘化金属盐等。而且，使所述金属溶解到氢溴酸、盐酸、氢碘酸等中的溶液也能够作为盐的水溶液来使用。此时，溶质浓度优选为0.005mol/L～1mol/L，溶解温度设为20℃以上。关于其他条件，也与所述设为同样，由此可形成缓冲层。在使缓冲层以规定的厚度成膜后，进行结晶性氧化物膜的成膜。
(热处理)
而且，也可将利用基于本发明的层叠结构体的制造方法的成膜方法而获得的膜以200℃～600℃进行热处理。由此，膜中的未反应物种等被去除，从而可获得更高品质的层叠结构体。热处理既可在空气中、氧环境中进行，也可在氮或氩等的惰性气体环境下进行。热处理时间可适当决定，例如可设为5分钟～240分钟。
(剥离)
本发明的层叠结构体中，也可将结晶性氧化物膜从基底基板予以剥离。剥离方式并无特别限定，也可为公知的方式。作为剥离方式的方法，例如可列举：给予机械冲击来予以剥离的方式、施加热而利用热应力来予以剥离的方式、施加超声波等的振动来予以剥离的方式、进行蚀刻而予以剥离的方式等。通过所述剥离，可作为自支撑膜而获得所述结晶性氧化物膜。
(半导体装置的结构例)
使用本发明的层叠结构体的半导体装置100的较佳例示于图1。图1的示例中，在基底基板101上形成有结晶性氧化物膜103。结晶性氧化物膜103是从基底基板101侧依次层叠绝缘性薄膜103a与导电性薄膜103b而构成。在导电性薄膜103b上形成有栅极绝缘膜105。在栅极绝缘膜105上形成有栅极电极107。而且，在导电性薄膜103b上，以夹着栅极电极107的方式而形成有源极/漏极电极109。根据此种结构，通过对栅极电极107施加的栅极电压，形成于导电性薄膜103b的耗尽层的控制成为可能，从而晶体管动作(场效应晶体管(FieldEffect Transistor，FET)元件)成为可能。
作为使用本发明的层叠结构体而形成的半导体装置，可列举金属绝缘层半导体(Metal-Insulator-Semiconductor，MIS)或高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transition，HEMT)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)等的晶体管或者利用半导体-金属结的肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode)、与其他P层组合而成的PN或PIN二极管、受光/发光元件。本发明的层叠结构体对于这些元件的特性提高有用。
(层叠结构体的制造系统)
接下来，以下一边参照图2，一边说明本发明的层叠结构体的制造系统的一例。本发明的特征点在于，在液雾CVD中，将基板的直径设为50mm以上，将TTV设为30μm以下。
液雾CVD法不同于其他的CVD法，必须使原料以液体的状态到达基板表面。因此，基板表面的温度会大幅下降。此时，若基板的TTV大于30μm，则基板与加热器的热接触会发生恶化。同时，基板厚度厚的部位的热阻相对较大。在它们的影响下，基板表面温度的下降变得更大。直径50mm以上时尤为显著。若在此状态下进行成膜，则会在膜表面引起异常生长，所获得的膜的表面粗糙度将变得非常大，超过0.2μm。因而，在本发明的层叠结构体的制造系统中，通过使用直径为50mm以上、TTV为30μm以下的基底基板，能够在原生(as-grown)状态下获得膜表面的均方根粗糙度为0.2μm以下的层叠结构体。
将利用前述的方法而混合的包含镓的原料溶液204a收容到液雾产生源204内，将基底基板210载置于成膜室207内，使加热器208运转。接下来，打开流量调节阀203a、流量调节阀203b，从载气源202a、载气源202b将载气供给至成膜室207内，将成膜室207的环境充分置换为载气后，分别调节载气的流量与稀释用载气的流量。
接下来，作为液雾产生机构，使超声波振子206振动，使所述振动通过水205a而传播至包含镓的原料溶液204a，由此来使包含镓的原料溶液204a雾化而产生液雾。
接下来，作为载气供给机构，将用于搬送液雾的载气供给至雾化部220。
接下来，作为搬送机构，经由连接雾化部220与成膜室207的供给管209，将液雾通过载气从雾化部220搬送至成膜室207。
接下来，作为成膜机构，对被搬送至成膜室207的液雾进行加热而使其产生热反应，在基底基板210的表面的一部分或全部进行成膜。
对于热反应，只要通过加热来使液雾产生反应即可，反应条件等也无特别限定。可根据原料或成膜物来适当设定。例如，加热温度为120℃～600℃的范围，优选的是200℃～600℃的范围，更优选的是设为300℃～550℃的范围。
另外，关于热反应，在真空下、非氧环境下、还原气体环境下、空气环境下以及氧环境下的哪种环境下进行皆可，只要根据成膜物来适当设定即可。而且，关于反应压力，在大气压下、加压下或减压下的哪种条件下进行皆可，但若为大气压下的成膜，则能够简化装置结构，因而优选。
(缓冲层)
在所述成膜时，也可在基底基板与所述膜之间适当设置缓冲层。缓冲层的形成方法并无特别限定，可通过溅镀法、蒸镀法等公知的方法来成膜，但在使用如上所述的液雾CVD法的情况下，只要适当变更包含镓的原料溶液便能形成，从而简便。具体而言，可较佳地使用使从铝、镓、铬、铁、铟、铑、钒、钛、铱中选择的一种或两种以上的金属以络合物或盐的形态溶解或分散到水中的溶液来作为原料水溶液。作为络合物的形态，例如可列举乙酰丙酮络合物、羰基络合物、氨络合物、氢化络合物等。作为盐的形态，例如可列举氯化金属盐、溴化金属盐、碘化金属盐等。而且，使所述金属溶解到氢溴酸、盐酸、氢碘酸等中的溶液也能够作为盐的水溶液来使用。此时，溶质浓度优选为0.005mol/L～1mol/L，溶解温度设为20℃以上。关于其他条件，也与所述设为同样，由此可形成缓冲层。在使缓冲层以规定的厚度成膜后，进行结晶性氧化物膜的成膜。
(热处理)
而且，也可将利用基于本发明的层叠结构体的制造系统的成膜系统而获得的膜以200℃～600℃进行热处理。由此，膜中的未反应物种等被去除，从而可获得更高品质的层叠结构体。热处理既可在空气中、氧环境中进行，也可在氮或氩等的惰性气体环境下进行。热处理时间可适当决定，例如可设为5分钟～240分钟。
(剥离)
本发明的层叠结构体中，也可将结晶性氧化物膜从基底基板予以剥离。剥离方式并无特别限定，也可为公知的方式。作为剥离方式的方法，例如可列举：给予机械冲击来予以剥离的方式、施加热而利用热应力来予以剥离的方式、施加超声波等的振动来予以剥离的方式、进行蚀刻而予以剥离的方式等。通过所述剥离，可作为自支撑膜而获得所述结晶性氧化物膜。
而且，本发明中，优选为如下所述的层叠结构体的制造系统，即，在将所述基底基板设置于所述成膜室中之前，在所述基底基板的直径为50mm以上的情况下，确认TTV为30μm以下。
实施例
以下，使用实施例以及比较例来具体说明本发明，但本发明并不限定于这些例。
(实施例1)
一边参照图2，一边说明本实施例中所用的成膜装置201。成膜装置201包括：载气源202a，供给载气；流量调节阀203a，用于调节从载气源202a送出的载气的流量；稀释用载气源202b，供给稀释用载气；流量调节阀203b，用于调节从稀释用载气源202b送出的稀释用载气的流量；液雾产生源204，收容包含镓的原料溶液204a；容器205，收容有水205a；超声波振子206，被安装在容器205的底面；成膜室207，包括加热器208；以及石英制的供给管209，从液雾产生源204连接到成膜室207为止。
(基底基板)
作为基底基板210，准备直径100mm(4英寸)的c面蓝宝石基板。通过光干涉式的平整度测试仪(flatness tester)来测定TTV，结果为16μm。将所述基板载置于成膜室207内，使加热器208运转而使温度升温至500℃。
(包含镓的原料溶液)
接下来，进行包含镓的原料溶液的制作。溶剂设为超纯水，溶质设为溴化镓。将镓浓度设为0.1mol/L，将其作为包含镓的原料溶液204a。
(成膜)
将如上述那样获得的包含镓的原料溶液204a收容到液雾产生源204内。继而，打开流量调节阀203a、流量调节阀203b，从载气源202a、载气源202b将载气供给至成膜室207内，将成膜室207的环境充分置换为载气后，分别将载气的流量调节为2L/分钟、将稀释用载气的流量调节为6L/分钟。作为载气，使用氮。
接下来，使超声波振子206以2.4MHz振动，使所述振动通过水205a传播至包含镓的原料溶液204a，由此，使包含镓的原料溶液204a雾化而生成液雾。将所述液雾通过载气，经由供给管209而导入至成膜室207内。并且，在大气压下、500℃的条件下，在成膜室207内使液雾产生热反应，在基底基板210上形成氧化镓的薄膜。成膜时间设为30分钟。
(评估)
对于形成在基底基板210上的薄膜，通过X射线衍射而确认形成有α-Ga2O3。接下来，通过AFM来测定膜表面的均方根粗糙度RMS。其结果RMS为8nm。
而且，利用Filmetrics公司的反射分光式膜厚计F50来测定膜厚，结果为0.52μm。
(实施例2、实施例3)
作为基底基板210，准备TTV不同的直径100mm(4英寸)的c面蓝宝石基板。具体而言，准备TTV为3μm、26μm的基板，除此以外，以与实施例1相同的条件来进行成膜、评估。其结果RMS分别为2nm、8nm。而且，膜厚分别为0.49μm、0.51μm。
(比较例1、比较例2)
作为基底基板210，准备TTV为41μm、61μm的直径100mm(4英寸)的c面蓝宝石基板。除此以外，以与实施例1相同的条件来进行成膜、评估。其结果RMS分别为245nm、303nm。而且，膜厚分别为0.47μm、0.46μm。
(实施例4)
将成膜时间设为60分钟，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果，膜厚为1.1μm，RMS为11nm。
(实施例5)
将成膜时间设为480分钟，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果，膜厚为8.5μm，RMS为15nm。
(实施例6)
实施例1中，将基板非成膜面的Ra设为0.41μm，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果RMS为7nm。而且，膜厚为0.51μm。
(实施例7)
实施例1中，将基板非成膜面的Wa设为47.7μm，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果RMS为10nm。而且，膜厚为0.53μm。
(实施例8)
实施例1中，在加热器上铺设铜板(载台)，将所述铜板的Ra设为0.45μm，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果RMS为5nm。而且，膜厚为0.48μm。
(实施例9)
实施例1中，在加热器上铺设铜板(载台)，将所述铜板的Wa设为48.2μm，除此以外，以与实施例1相同的条件进行成膜、评估。其结果RMS为6nm。而且，膜厚为0.50μm。
图3表示对实施例1、实施例2、实施例3以及比较例1、比较例2进行汇总的图表。可知的是，当基底基板的TTV超过30μm时，结晶性氧化物膜表面的RMS急剧增加。如前所述，考虑原因是与加热器的热接触的恶化以及热阻的增加。
另外，本发明并不限定于所述实施方式。所述实施方式为例示，与本发明的权利要求中记载的技术思想具有实质上相同的结构，起到同样的作用效果的任何实施方式均包含在本发明的技术范围内。

Claims (17)

1.一种层叠结构体，其特征在于包括基底基板与以氧化镓为主成分的结晶性氧化物膜，所述结晶性氧化物膜的表面的均方根粗糙度为0.2μm以下，所述基底基板的直径为50mm以上，所述基底基板的总厚度变化为30μm以下。
2.根据权利要求1所述的层叠结构体，其特征在于，
所述结晶性氧化物膜为单晶或进行了单轴取向的膜。
3.根据权利要求1或2所述的层叠结构体，其特征在于，
所述基底基板的厚度为100μm～5000μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的层叠结构体，其特征在于，
所述结晶性氧化物膜的膜厚为1μm～100μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的层叠结构体，其特征在于，
所述基底基板为单晶的基板。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的层叠结构体，其特征在于，
所述基底基板为蓝宝石基板、钽酸锂基板或铌酸锂基板中的任一种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的层叠结构体，其特征在于，
所述层叠结构体的与具有结晶性氧化物膜的面为相反侧的面的表面粗糙度Ra为0.5μm以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的层叠结构体，其特征在于，
所述层叠结构体的与具有结晶性氧化物膜的面为相反侧的面的波纹度Wa为50μm以下。
9.一种半导体装置，其特征在于包含如权利要求1至8中任一项所述的层叠结构体。
10.一种层叠结构体的制造方法，其特征在于包括：
液雾产生工序，在雾化部中，使包含镓的原料溶液雾化而产生液雾；
载气供给工序，将用于搬送所述液雾的载气供给至所述雾化部；
搬送工序，经由连接所述雾化部与成膜室的供给管，将所述液雾通过所述载气从所述雾化部搬送至设置有基底基板的所述成膜室；以及
成膜工序，对所述经搬送的液雾进行热处理而在所述基底基板上进行成膜，
作为所述基底基板，使用直径为50mm以上且总厚度变化为30μm以下的基板。
11.根据权利要求10所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
作为所述基底基板，使用厚度为100μm～5000μm的基板。
12.根据权利要求10或11所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
作为所述基底基板，使用单晶的基板。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
作为所述基底基板，使用蓝宝石基板、钽酸锂基板或铌酸锂基板中的任一种。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
将所述基底基板的与成膜面为相反侧的面的表面粗糙度Ra设为0.5μm以下。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
将所述基底基板的与成膜面为相反侧的面的波纹度Wa设为50μm以下。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
在所述成膜工序中，将所述基底基板载置于载台，将所述载台的与所述基底基板的接触面的表面粗糙度Ra设为0.5μm以下。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的层叠结构体的制造方法，其特征在于，
在所述成膜工序中，将所述基底基板载置于载台，将所述载台的与所述基底基板的接触面的波纹度Wa设为50μm以下。
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