JP2000150503A - ＧａＡｓやＧａＮに基づく半導体基体上に酸化物層を含む物品 - Google Patents

ＧａＡｓやＧａＮに基づく半導体基体上に酸化物層を含む物品

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧａＡｓに基づく半導体及びＧａＮに基づく
半導体基体上にキャパシタンスが高く、かつ漏れ電流の
小さい酸化物層を有する物品を提供する。 【解決手段】 我々は厚さが５ｎｍ以下の単結晶、単一
ドメインの酸化物層がＧａＡｓに基づく半導体基板の
（１００）面上に成長できることを発見した。類似した
エピタキシャル酸化物がＧａＮ及びＧａＮに基づく半導
体上に成長できる。酸化物とは、典型的にはＭｎ2Ｏ3構
造（例えばＧｄ2Ｏ3）の希土類酸化物である。酸化物／
半導体界面は低い界面状態密度で高品質で、酸化物層は
低い漏れ電流かつ高いブレークダウン電圧である。酸化
物層が薄くかつ誘電率が高いので単位領域当たりのキャ
パシタンスが高いＭＯＳ構造となる。このような構造に
よって有利なＧａＡｓに基づくＭＯＳ−ＦＥＴが形成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電界効果トラン
ジスタ（ＦＥＴ）のようなＧａＡｓやＧａＮに基づく半
導体基体上に酸化物層を含む物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＡｓトランジスタ及び回路は、とり
わけそのＧａＡｓの相対的に高い移動度、半絶縁ＧａＡ
ｓ基板の有用性や比較的製作プロセスの単純さ故に、例
えば無線通信装置といったものに利用されている。
【０００３】ＧａＡｓに基づくＭＯＳ−ＦＥＴに対して
より多くの努力がなされてきた。例えば初期の研究報告
としてのT.Mimura 等のIEEE Transactions on Electron
Devices,Vol.ED-27(6),p.1147(june 1980)を参照され
たい。その論文の著者は達成された結果の主な点として
今のところ見込みはあるが、「デバイスの直流や低周波
数での動作において変則的な振る舞いを起こすことを含
め、いくつか技術的な問題が残っており、疑いなくこれ
らの問題はＧａＡｓのＭＯＳシステムにおける高い表面
状態密度に関連している。」と（p.1154で）結論づけて
いる。また、A.Colquhoun等のIEEE Transactions on El
ectron Devices,Vol.ED 25(3),p.375(March 1978) とH.
Takagi等のIEEE Transactions on Electron Devices,Vo
l.ED 25(5),p.551 (May 1978)を参照されたい。前者で
はチャネルの厚さを決定するエッチングされたノッチを
含むデバイスが発表された。そのような非平面構造は繰
り返して製造することが比較的困難であり、平面状のＭ
ＯＳ−ＦＥＴに比べると期待は薄い。
【０００４】三浦等によって指摘されたように、初期の
デバイスは高い界面状態密度を含んではいるが、それは
ゲート酸化物とＧａＡｓとの間の低い界面品質の影響を
受けていた。最近になってこの問題に対して相当な努力
が向けられてきた。
【０００５】例えばＧｄ3Ｇａ5Ｏ12の高純度単結晶から
電子線蒸着によるＧａ2Ｏ3膜の形成がアメリカ特許第5,
451,548号に開示された。また、アメリカ特許第5,550,0
89号、アメリカ特許出願第08/408,678号と第08/741,010
号では低いミッドギャップの界面状態密度を持つＧａＡ
ｓ／Ｇａ2Ｏ3構造が開示された。また、M.Passlack等は
Applied Pysics Letters,Vol.69(3),p.302(July 1996)
で、分子線エピタキシーを製造されたＧａＡｓ／Ｇａ2
Ｏ／ＳｉＯ2構造の低い界面状態密度の熱力学的、光化
学的安定性を報告した。他の適切な出版物としてM.Pass
lack等のApplied Physics Letters,Vol.68(8),p.1099(F
eb.1996) やM.Hong等のJ. of Vacuum Science and Tech
nology B,Vol.14(3),p.2297,(May/June 1996)がある。
【０００６】この連続した出願のもとで、全体としてＧ
ａxＡyＯzの組成である酸化物層を伴いＧａＡｓに基づ
く半導体（Ｇａは実質的に３＋酸化状態であり、ＡはＧ
ａの１ないしそれ以上に正に荷電した、３＋の酸化状態
にあるＧａを安定化するために採用された安定化元素
で、ｘは０以上、ｚはＧａとＡの両方が実質的に完全に
酸化される条件を満たすために選択され、かつｙ／（ｘ
＋ｙ）が０．１より大きい）について開示してきた。一
つの実施例は、ｘが０、ＡがＧｄの酸化物Ｇｄ2Ｏ3であ
る。
【０００７】米国特許第09/122,558号（Chen等によって
１９９８年７月２４日提出）及び第09/156,719号（Hong
等によって１９９８年９月１８日提出）によって前述の
Ｇａ xＡyＯzの組成のゲート酸化物を有するＧａＡｓに
基づくＭＯＳ−ＦＥＴの製作方法が開示された。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ＭＯＳ構造は基本的に
は、酸化物の誘電率に比例し、かつ酸化物層の厚みに反
比例するキャパシタンスを伴う平面キャパシタである。
単位面積当たりのキャパシタンスが増加したＧａＡｓの
ＭＯＳ構造を得るためには、従来の漏れ電流が許容でき
る程度に低くなるように利用されてきた酸化物層よりも
薄い構造を利用することが望ましい。本出願はそのよう
なＧａＡｓに基づくＭＯＳ構造を開示する。
【０００９】ここで記載された全ての特許、特許出願及
び科学技術論文はこの特許出願の引用文献として組み入
れられた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】これからさらに詳しく述
べるように、この連続した出願のもとで、ＧａＡｓに基
づく半導体基体上に新しい誘電体層を含む物品、及び物
品の製作方法を開示している。
【００１１】さらに明確には、物品はＧａＡｓ半導体上
に酸化物層を含み、界面を形成している。物品はさらに
金属コンタクトを各酸化物層および半導体上に含む。界
面に関係づけられるミッドギャップ界面状態密度が２０
℃でせいぜい１ｘ１０11ｃｍ -2ｅＶ-1である。
【００１２】重要なことに、酸化物層はすべてＧａxＡy
Ｏzの組成をしており、そこでＧａは実質的に３＋の酸
化状態にあり、Ａは３＋の酸化状態にあるＧａを安定化
するための１以上の正に荷電した安定化元素であり、ｘ
は０以上、ｙ／（ｘ＋ｙ）は０．１以上、そしてｚはＧ
ａとＡを実質的に完全に酸化するための必要性を満たす
十分な数である。ここで少なくとも８０％（好ましくは
少なくとも９０％）のそれぞれの元素が酸化される、す
なわちその元素が最も高い酸化状態にあるなら、Ｇａと
Ａはそれぞれ本質的に完全に酸化されたと考えられる。
Ｇａの最も高い酸化状態は３＋である。Ａの最も高い酸
化状態はＡに依存している。例えばもしＡがアルカリ土
類元素ならばその状態は２＋であり、もしＡがＳｃ、Ｙ
や希土類元素ならばその状態は常にではないが、しばし
ば３＋である。
【００１３】本発明の物品作成方法はＧａＡｓの半導体
を準備し、その物体の主表面の一部が実質的に原子レベ
ルで清浄で整列するように半導体を処理し、半導体を汚
染にほとんどさらすことなく実質的に原子レベルで清浄
で配列した表面に酸化物層を形成し金属コンタクトを形
成するステップを含むものである。
【００１４】重要なことに、第１の形成ステップは酸化
物層が全体としてＧａxＡyＯzの組成であるような酸化
物層を形成することを含み、ここでＧａは実質的に３＋
にイオン化された状態であり、Ａは３＋にイオン化され
た状態のＧａを安定化するための正に荷電した一ないし
それ以上の安定化元素であり、ｘはゼロ以上であり、ｙ
／（ｘ＋ｙ）が０．１以上であって、かつｚはＧａおよ
びＡが実質的に完全に酸化される条件を十分に満たす。
【００１５】物品の好ましい実施例では、酸化物はＧａ
とＡの両方を含み、安定化元素ＡはＳｃ、Ｙあるいは
（原子番号５５−７１）の希土類元素である。もう一つ
の好ましい実施例では酸化物層は実質的にＧａのない安
定化元素の酸化物層である。
【００１６】本発明の方法の好ましい実施例で酸化物層
は、一つは（たいてい粉状の）Ｇａ 2Ｏ3を含む堆積源
で、他のものは典型的にはこれもまた粉状の（例えばＧ
ｄ2Ｏ3といった）安定化元素の酸化物といった二つ（か
それ以上）の堆積源から同時に堆積され形成される。も
う一つの好ましい実施例では酸化物層はＧｄ2Ｏ3といっ
た安定化元素の酸化物を含む単一の堆積源からの堆積に
よって形成される。
【００１７】我々は今回ＧａＡｓ半導体基板上に単結
晶、単一ドメイン形態でＧｄ2Ｏ3をエピタキシャル成長
できるという驚くべき発見をした。単結晶酸化物層は典
型的には５ｎｍより薄いとても薄い層厚でさえも漏れ電
流が少なく、都合の良いことにゲート酸化物として利用
できる。「ＧａＡｓに基づく半導体」の意味する物は、
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓのようなＩＩＩ／Ｖ族三元合金
およびＡｌＩｎＧａＡｓのようなＧａやＡｓ含有ＩＩＩ
／Ｖ族四元合金である。さらに我々はＧｄ2Ｏ3がＧａＮ
やＧａＮに基づく半導体上に単結晶、単一ドメイン形態
で成長されうる事を発見した。
【００１８】前述の発見によって、単位面積当たりのキ
ャパシタンスの増加したＭＯＳ構造の製作が可能とな
る。キャパシタンスの増加は第一に、従来可能であった
ものより薄い酸化物層を利用する技術のためである。
【００１９】我々は最近、本発明はＧｄ2Ｏ3の利用に限
られるのではなく、希土類元素の相互の類似性が知られ
ていることに照らして、立方体構造Ｍｎ2Ｏ3型の酸化物
として与えられる他の希土類元素もまた利用されるもの
と信じている。
【００２０】さらに特定すると、我々の発明は半導体基
板上に酸化物層を伴う平面単結晶半導体基板を含む物品
において実施される。
【００２１】重要なことに、半導体基板はＧａＡｓに基
づくＩＩＩ／Ｖ族半導体からなる一群から選択され、酸
化物はＭｎ2Ｏ3型の立方体構造をもち、かつＸ2Ｏ3の組
成（ここでＸは希土類元素、一つないしそれ以上のＹ，
Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕで典型的にはＹ）酸化物
層は好ましくは５ｎｍより薄い単結晶、単一ドメインの
層である。「単一ドメイン」の単結晶層とは全体を通し
てここでは同じ結晶方位をもつ結晶層を意味する。
【００２２】
【実施例】我々の知る限り、従来技術のＧａＡｓに基づ
くＭＯＳ構造はアモルファスな酸化物層を含んでいた。
実際、我々は従来に単結晶酸化物層によってこのような
構造を形成するいかなる提案にも気付かなかった。
【００２３】一般的に類似した特徴は異なる図で同じ添
字によって示した。図は寸法を示していない。図１には
典型的な電子デバイスであるＧａＡｓに基づくＭＯＳ−
ＦＥＴの概要を描写した。添字１４０−１４７はそれぞ
れＧａＡｓ基板（典型的にはｐ形）、ソース領域（典型
的にはｎ形）、ドレイン領域（典型的にはｎ形）、ドレ
インコンタクト、ソースコンタクト、ゲート酸化物、ゲ
ートコンタクトおよびフィールド酸化物を指している。
１４０と１４５との間の界面に関連した界面状態密度は
１０11／ｃｍ2ｅＶ以下であり典型的には再結合速度は
１０4ｃｍ／ｓ以下である。
【００２４】この連続した出願のもとで、ＧａＡｓに基
づくＭＯＳ−ＦＥＴ構造の製作プロセスを詳細に開示し
てきた。このプロセスは組成が全体としてＧａxＡyＯz
（Ｘ≧０で他の記号は前述の通り）である酸化物層を伴
うような構造を製作するために利用される。出願を通し
て酸化物層の厚さは典型的には約５−１５０ｎｍの範囲
であることもまた明らかにされている。このプロセスの
重要な側面は基板の表面状態である。表面は本質的に原
子レベルで清浄でありかつ整列、すなわち表面は再構成
されなければならない。
【００２５】このように製作されたＭＯＳ−ＦＥＴは集
積回路を形成するために、他のＭＯＳ−ＦＥＴを含む他
の電子デバイスに望むように電気的に接続される。例と
して相補形ＭＯＳ−ＦＥＴはインバータを提供するため
に図２のように接続される。図２において添字２３１は
ｎチャネルエンハンスメント形ＧａＡｓＭＯＳ−ＦＥＴ
を、２３２はｐチャネルエンハンスメント形ＧａＡｓＭ
ＯＳ−ＦＥＴを示している。その回路自体は慣例的なも
のではあるが、我々の知る限りにおいてＧａＡｓのＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ技術を使ったものとしては新規なものであ
る。図２の接続は本発明による代表的な回路である。
【００２６】当業者には自明のことであるが、上述のプ
ロセスは同じ基板上にＧａＡｓの平面的なｎ形およびｐ
形ＭＯＳ−ＦＥＴを製作するために適しているだけでな
く、このようなＭＯＳ−ＦＥＴとＧａＡｓ（金属−半導
体）ＭＥＳ−ＦＥＴを結合するためにも使われる。ＭＥ
Ｓ−ＦＥＴを製作するために典型的にはゲート酸化物は
それぞれのゲート領域から除去され、ふさわしい金属
（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ）がショットキーバリアコン
タクトを提供するためにゲート領域に堆積される。Ｇａ
Ａｓに基づくＭＥＳ−ＦＥＴは良く知られており、詳細
な説明は必要ない。しかし我々の知る限り、ＧａＡｓの
ＭＥＳ−ＦＥＴとＧａＡｓのＭＯＳ−ＦＥＴ（相補形エ
ンハンスメント形ＧａＡｓのＭＯＳ−ＦＥＴを含む）と
を統合する技術は従来に存在していなかった。
【００２７】ＧａＡｓに基づくＭＯＳ−ＦＥＴは連続し
た出願のもとで説明されているように製作される。製作
されたデバイス（４０ｘ５０μｍ２ゲート領域）は検査
され、次のような特徴を持つことが見つけられた。
【００２８】図３に示されたようにゲート酸化物はブレ
ークダウン電圧は３．６ｘ１０6Ｖｏｌ／ｃｍである。
相互コンダクタンスは０．３ｍＳ／ｍｍである。図４は
典型的なＭＯＳ−ＦＥＴのドレインＩ−Ｖ特性で、図５
はドレイン電流とゲート電圧を示した図である。
【００２９】単結晶ＧＧＧ（ガドリニウム、ガリウム、
ガーネット；Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）からの電子線蒸着によっ
て膜中には少量（例えば０．１％）のＧｄのみが存在す
るほとんど純粋なＧａ2Ｏ3の薄い膜の堆積が可能である
と技術的に考えられていることは様々な引用文献（例え
ば、米国特許第5,550,089号及び第5,597,768号；M.Pass
lack等のApplied Physics Letters,Vol.69(3),pp.302-3
04）から明かである。
【００３０】更にＧｄの存在は望まれないものであり理
想的には膜は純粋なＧａ酸化物であるべきだと信じられ
ている。例えば米国特許第5,597,768号のcol.1の39-45
行目に「主な問題はＧｄ2Ｏ3のいくつか（特許に従えば
約０．１％）がバルクのトラップ濃度を増加させる欠陥
を形成する不純物として薄膜に取り込まれることであ
る。増加された欠陥と同様に増加されたバルクのトラッ
プ濃度は薄膜が用いられたデバイスの性能を低下させ
る。」と開示されているので参照せよ。Ｇａ2Ｏ3薄膜中
の不純物のレベルを低下させるために、その'768の特許
ではＧａ2Ｏ3とＧａ 2Ｏ3の昇華温度を超える７００度よ
りも高い融点を持つ、もう一つの酸化物を含む異なった
堆積源材料の利用を教示している。そんな材料の一つが
ＭｇＧａ2Ｏ4であり、ＭｇＯとＧａ2Ｏ3を含むと述べら
れている。「ＧＧＧの代わりにＭｇＧａ2Ｏ4を利用する
ことによって、酸化膜の望まれない種の取り込みを劇的
に減らせることや、重要なことに酸化膜の低いバルクの
トラップ濃度が実現される」と述べられている。'768特
許のcol．318-21行を参照されたい。しかしながら'768
特許はいかなる実験データも与えてはいない。
【００３１】我々の継続的な研究（ラザフォード後方散
乱分光法（ＲＢＳ）と堆積超薄膜のＡｕｇｅｒ分析）か
ら（例えば界面状態密度が１０10ｃｍ-2ｅＶ-1の範囲で
特には１ｘ１０11ｃｍ-2ｅＶ-1かそれより低く、低い漏
れ電流で高いブレークダウン電圧の）デバイスの品質の
酸化物薄膜をＧａＡｓとＧａＡｓの半導体に作成する新
しい試みを導くような結果が得られている。
【００３２】我々は特に'768の特許が教示したものと対
照的に望ましい酸化物薄膜が実質的量のＧｄ（あるいは
他の適当な金属元素）からなることを発見した。実際、
我々は純粋なＧａ2Ｏ3粉末（これは純粋なＧａ酸化物で
ある）からの蒸着によって形成された膜が一般的にデバ
イスに利用できる品質ではなく、純粋なＧｄ2Ｏ3（これ
は実質的に純粋なＧｄ酸化物である）からの蒸着によっ
て形成された膜は低い界面状態密度で一般的にデバイス
として利用できる品質であることを発見した。このこと
は図６で例示されており、ＭＯＳコンデンサの決められ
た領域に慣例的な金属コンタクトを持つＧａＡｓ上の酸
化物超薄膜（１６．５ｎｍ−４０ｎｍ）のＩ−Ｖ（電流
ー電圧）特性のデータを示した。図６からただちに理解
されるように４０ｎｍの厚さのＧａ2Ｏ3膜は正のバイア
スが印可されたとき相対的に漏れ電流はあるが、負のバ
イアスが印可されたときブレークダウン電圧が実質的に
ゼロであり、このことは多くのデバイスへの適用に適し
てはいない、一方１８．５ｎｍの厚さのＧｄ2Ｏ3膜は＋
／−３Ｖの時僅かに１０ー 8Ａ／ｃｍ2の電流を流す。中
間組成の（Ｇｄの組成が膜の全金属の原子組成が６、１
４、２０％）膜は中間のブレークダウン電圧を示してい
る。
【００３３】我々はインシツで二つの異なった種、例え
ば一つにＧａ2Ｏ3粉末と他のものにＧｄ2Ｏ3粉末を用い
てＧｄ（あるいは他の適当な金属原子）の組成が少なく
とも全金属組成原子の１０原子％、好ましくは少なくと
も２０原子％に成るように堆積速度が与えられた協調堆
積によって作成された酸化物薄膜が一般的にデバイスの
品質を満たすことを発見してきた。
【００３４】ＧａＡｓ基板は堆積がインシツで行われサ
ンプルを大気にさらすことなしに前述のように（原子レ
ベルで本質的に清浄で整列した）準備されたことが理解
されるだろう。
【００３５】前述の実験的事実は混合酸化物膜（前記に
よって決定されたｘ、ｙ、ｚのＧａ xＡyＯzの組成を持
つ）においてＧａイオンが３＋の酸化状態にされる条件
と一致している。このことは安定化元素と酸素組成を適
切に選ぶことによってなされる。
【００３６】Ｇａが１＋、２＋、３＋の酸化状態で存在
し、３＋状態のＧａを安定化できる正に荷電した元素
（「安定化体」と呼ぶ）があることが知られている。Ｇ
ａの安定化体の中でＧｄはポーリングの電気陰性度１．
１を持っている。他のＧａに対して可能な安定化体はＳ
ｃ、Ｙや他の希土類、アルカリ土類やアルカリ金属元素
がある。Ｇａに対する安定化原素の提供に加えて、Ｇａ
とその安定化元素が本質的に十分に酸化されるという条
件を満たすために堆積膜に十分な量の酸素元素が存在す
ることも必要である。
【００３７】前述の説明は指導的目的だけのものであっ
て本発明の範囲を制限するものではない。
【００３８】本特許出願の発明の好ましい実施例として
酸化膜は得られる膜が全体を通してＧａxＡyＯzの組成
を持つように堆積パラメーターを選択して（例えば電子
線蒸着源といった）二つ以上の別の堆積源から堆積する
ことによって形成される。ここでＡはｘ＞０でＧａの酸
化状態を３＋で安定化させるための１以上に正に荷電し
た安定化元素である。さらにｙ／（ｘ＋ｙ）が０．１と
等しいかより大きいとき、好ましくは０．２以上のとき
ｚはＧａとＡが実質的に完全に酸化されると言う条件を
満たすために選択される。
【００３９】他の好ましい実施例として酸化膜はＧａ酸
化物の堆積することなしにＡの酸化物の堆積によって形
成される。ｚはＡが実質的に完全に酸化されるように選
択され、前記膜の全体としての組成はＡＯｚである。
【００４０】（ｘ＝０でｘ＞０の場合の）例としてＡは
Ｓｃ、Ｙ、（原子番号５５−７１）の希土類金属、アル
カリ土類（Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなど）及びア
ルカリ金属元素（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓなど）を
含むグループから選択される。
【００４１】アルカリ金属元素は湿気に対する不安定さ
や半導体デバイスの製造プロセスの条件の違いのために
一般に好まれない。現在のところ、好まれる安定化元素
はＳｃ、Ｙ、（原子番号５７ー７１の）希土類とアルカ
リ土類金属元素で、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ及びＬｕが最も好まれている。
【００４２】混合酸化膜においてＧａ（およびＡ）が実
質的に完全に酸化される条件とは全てのＧａの１００％
が３＋にイオン化された状態にあることを意味している
わけではないことは理解されるであろう。もし全てのＧ
ａの８０％以上が３＋の状態にあり、８０％以上のＡが
完全に酸化されているならば、典型的には許容できる結
果が得られる。
【００４３】図７にｎ型（２ｘ１０17ｃｍ-3）のＧａＡ
ｓの（１００）面上のＧｄ2Ｏ3の１９ｎｍの厚さのフィ
ルムに対するＣ−Ｖ（キャパシタンスー電圧）データを
示した。ＭＯＳ型コンデンサの電極領域は４．４ｘ１０
-5ｃｍ2である。図７は低周波での蓄積と反転をはっき
りと示している。このデータはＭＯＳ−ＦＥＴを含むデ
バイスの応用にこの酸化膜が適していることを証明して
いる。
【００４４】図８はＧａとＧｄが全金属数の約２２％で
あるＧｄを含む３２ｎｍの厚さの混合酸化膜に対する同
様のデータである。データはまた、実質的には図７と同
様に蓄積と反転を示している。
【００４５】好ましい実施例として物品は反転チャネル
を持つ平面状のエンハンスメント型ＭＯＳ−ＦＥＴを含
んでいる。
【００４６】例１ ＭＯＳ−ＦＥＴはこの連続した出願のもとに開示された
方法に実質的に従って製作される。Ｇｄ及びＧａ含有酸
化膜は、Ｇａ2Ｏ3粉を含む蒸着源及びＧｄ2Ｏ3を含む堆
積源から、金属全体の２２％のＧｄを含む組成の膜が得
られるように選択された堆積速度で、同時電子線蒸着に
よって堆積される。ＭＯＳ−ＦＥＴは実質的に図３−５
に示された特徴を持つ。
【００４７】例２ 酸化膜がＧｄ2Ｏ3であることを除いて、実質的に例１に
従って製作されたＭＯＳ−ＦＥＴである。ＭＯＳ−ＦＥ
Ｔは実質的に例１のデバイスと同様の性能である。
【００４８】この連続した特許出願のもとのＧａＡｓに
基づくＭＯＳ構造はすばらしい特徴を示すが、もし更な
る改善が得られるならば望ましいことである。我々はこ
のことに、Ｇｄ2Ｏ3（及びＭｇ2Ｏ3型構造を持つ他の立
方体酸化物）が低い漏れ電流、かつ高いブレークダウン
電圧を持つとても薄い（例えば５ｎｍより薄い）層で、
（１００）ＧａＡｓ上にエピタキシャル単結晶、単一ド
メイン形の状態で堆積できるという驚くべき発見を通し
て成功した。これは厚さ１．５ｎｍのエピタキシャルＧ
ｄ2Ｏ3膜が約１０-9Ａ／ｃｍ2の漏れ電流（０Ｖの時）
を持つことを表した図１４によって示されている。ＭＯ
Ｓ−ＦＥＴの単位領域当たりのキャパシタンスは誘電体
層の厚さに反比例するので、５ｎｍより薄い酸化膜を伴
う本発明に従うＭＯＳ構造が実質的により厚い酸化膜
（例えば１８．５ｎｍ）を伴う従来技術に基づく類似し
た構造より単位領域当たりのキャパシタンスが著しく大
きいことは明白である。
【００４９】再構成（１００）ＧａＡｓ上へのＧｄ2Ｏ3
の成長は前述の単結晶Ｇａ5Ｇｄ3Ｏ 12の蒸着に類似した
条件下で複数チャンバーのＵＨＶのなかで行われる。例
えばM.Hong等のJ. of Crystal Growth,Vol.150,pp.277-
284,1995及びこの連続した特許出願のもとを参照された
い。
【００５０】Ｇａ5Ｇｄ3Ｏ12の蒸着によって形成された
酸化物混合膜はアモルファスであるが、Ｇｄ2Ｏ3（典型
的には固められた粉の形態）の蒸着によって形成された
膜は、疑いなく単結晶（１００）ＧａＡｓ基板にエピタ
キシャル成長された単結晶である。酸化膜はＧａＡｓ
（１００）面上に（１１０）配向で成長される。
【００５１】
【外１】
【００５２】図１２にはそれぞれ１８．５、３．５及び
１．５ｎｍのＧｄ2Ｏ3膜の表面垂直（１１０）に沿った
Ｘ線回折パターンを示した。図１３にはこれらのピーク
のおよそθ角のロッキングスキャン像が示されている。
これらや他の測定がＭｎ2Ｏ3構造を持つ酸化物層に行わ
れた。最も薄い膜（たとえば１．５ｎｍ）が非常に鋭い
要素としてロッキングスキャンに現れ、これは格子の弾
性ひずみを示し、面内エピタキシャル条件の完全さが確
かめられた。膜の厚さ（例えば５ｎｍないしそれ以上）
が成長するにつれてミスフィット転移の生成によるひず
みを緩和するためにエネルギー的にさらに好ましくな
る。
【００５３】我々のＸ線での研究によって前述の条件下
で、Ｇｄ2Ｏ3が（１００）ＧａＡｓ上に単結晶、単一ド
メインで形成できることが証明された。長方対称の（１
１０）Ｇｄ2Ｏ3面を正方対称の（１００）ＧａＡｓ面へ
調整する事による２回回転対称の退化を考慮に入れる
と、これは異常なことである。単一ドメインの達成によ
ってＧａＡｓ表面に（２Ｘ４）再構成が引き起こされ、
２回回転対称の退化が取り除かれ、単一の変形成長が好
まれる。さらに我々はＧａによって安定化された（４ｘ
６）再構成ＧａＡｓ表面上の単一ドメインＧｄ2Ｏ3のエ
ピタキシャル成長を確認した。
【００５４】単結晶Ｇｄ2Ｏ3膜は電気的に良く絶縁され
ており、０バイアス時に１０ー 9ないし１０ー 10Ａ／ｃｍ2
の範囲のとても低い漏れ電流密度を示す。図１４には２
６ないし１．５ｎｍの範囲の厚さの酸化膜を伴う一連の
Ｇｄ2Ｏ3に対する印可電圧への漏れ電流密度依存を示し
た図である。正電圧バイアスとはＧａＡｓ基板に関して
正となるように上部の電極に相当する。ブレークダウン
電界は体系的に３ないし１３ＭＶ／ｃｍまで増加し、漏
れ電流密度はＧｄ2Ｏ3の厚さが２６ｎｍないし３．５ｎ
ｍまで減少するにつれて大きさで一桁だけ増加してい
る。
【００５５】我々はまた、基板温度が約６００℃以上で
成長されたＧｄ2Ｏ3膜が高い漏れ電流で、かつ低いブレ
ークダウン電界を示すことを確認した。しかし、一度単
結晶Ｇｄ2Ｏ3膜がＧａＡｓ基板上におよそ２００℃−５
００℃の範囲の成長温度で形成されると膜は後の高温
（例えば８５０℃）のプロセスにさらされたときに熱力
学的に安定である。当業者には周知のように、この熱力
学的安定性はデバイスのプロセスを容易にする。
【００５６】前述の説明は一般にＧａＡｓに基づく半導
体かＧａＮに基づく半導体のいづれかのうえに成長され
たＧｄ2Ｏ3のエピタキシャル層に関している。しかし、
希土類元素は全て非常に類似した化学的特性を持つこと
が知られている。我々は、所定の調査によってＧｄ2Ｏ3
の他の希土類酸化物と同様にＹもまたＧａＡｓやＧａＮ
に基づく半導体上にエピタキシャル成長できることを証
明できると信じている。特に出願人はＹ及びＸ2Ｏ3の組
成の酸化物を形成し、かつ結晶構造がＭｎ2Ｏ3形である
希土類元素がＧａＡｓやＧａＮに基づく半導体上にエピ
タキシャル成長できると期待している。Ｙと同様に希土
類元素Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕが好まれる。
【００５７】単結晶ＧａＡｓに基づくＩＩＩ／Ｖ族半導
体あるいはＧａＮに基づく半導体（例えばＡｌＧａＮや
ＩｎＧａＮ）上にＧｄ2Ｏ3（同様にＹ及び様々な希土類
酸化物）の単結晶、単一ドメイン層を成長する能力によ
ってさらに複雑な構造のエピタキシャル成長が可能とな
り、そのような全ての構造が意図される。例えば、エピ
タキシャルＧａＡｓ／Ｇｄ2Ｏ3／ＧａＡｓ構造はすぐに
獲得され、かつ有利なことに半導体デバイス製作に利用
される。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、ＧａＡｓに基づく半導
体及びＧａＮに基づく半導体上にキャパシタンスが高
く、かつ漏れ電流の小さい酸化物層を形成することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】主にＭＯＳ−ＦＥＴのような典型的なデバイス
を示す図である。
【図２】相補形ＭＯＳ−ＦＥＴを含む回路を示す線図で
ある。
【図３】典型的なエンハンスメント形ｐチャネルＧａＡ
ｓ ＭＯＳ−ＦＥＴの電気特性を示す図である。
【図４】典型的なエンハンスメント形ｐチャネルＧａＡ
ｓ ＭＯＳ−ＦＥＴの電気特性を示す図である。
【図５】典型的なエンハンスメント形ｐチャネルＧａＡ
ｓ ＭＯＳ−ＦＥＴの電気特性を示す図である。
【図６】様々な酸化物組成のＧａＡｓ／酸化物／金属構
造からの測定データを示す図である。
【図７】様々な酸化物組成のＧａＡｓ／酸化物／金属構
造からの測定データを示す図である。
【図８】様々な酸化物組成のＧａＡｓ／酸化物／金属構
造からの測定データを示す図である。
【図９】
【外２】
【図１０】
【外３】
【図１１】
【外４】
【図１２】１８．５ｎｍ、３．５ｎｍ及び１．５ｎｍの
（１１０）配向Ｇｄ2Ｏ3膜の（４４０）ブラッグ反射の
Ｘ線θ−２θスキャンを示す図である。
【図１３】１８．５ｎｍ、３．５ｎｍ及び１．５ｎｍの
（１１０）配向Ｇｄ2Ｏ3膜に対するθアングルについて
のこれらのピークのロッキングスキャンを示す図であ
る。
【図１４】それぞれ２６．０、１８．５、１４．０、
３．５及び１．５ｎｍの厚さのＧｄ2Ｏ3膜に対する、漏
れ電流密度と印可電界の関係を示した図である。
【符号の説明】 １４０ ＧａＡｓ基板 １４１ ソース領域 １４２ ドレイン領域 １４３ ドレインコンタクト １４４ ソースコンタクト １４５ ゲート酸化物 １４６ ゲートコンタクト １４７ フィールド酸化物 ２３１ ｎチャネルエンハンスメント形ＭＯＳ−ＦＥＴ ２３２ ｐチャネルエンハンスメント形ＭＯＳ−ＦＥＴ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーメット レフィック コアタン アメリカ合衆国 07059 ニュージャーシ ィ，ウォーレン，クリスティ ドライヴ 56 (72)発明者 ジュエイナイ レイニエン クオ アメリカ合衆国 07060 ニュージャーシ ィ，ウォッチュング，ノッチンガム ドラ イヴ 40 (72)発明者 ジョセフ パータス マナーツ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ブリアント パークウェイ 29

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 配向した平面単結晶半導体基板、および
    前記半導体基板上に酸化物層を含む物品であって、 ａ）前記半導体が、ＧａＡｓに基づく半導体およびＧａ
    Ｎに基づく半導体からなる一群から選択され、 ｂ）前記酸化物層が、Ｍｎ2Ｏ3形の立方体結晶構造を有
    し、かつＸはＹおよび希土類元素からなる一群から選択
    されたＸ2Ｏ3の組成を有する酸化物からなる一群から選
    択され、および ｃ）前記酸化物層が、前記単結晶半導体基板にエピタキ
    シャル成長され、かつ５ｎｍより薄い厚さの単結晶、単
    一ドメインの酸化物層である、 ことを特徴とする物品。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の物品において、前記半導
    体基板が（１００）に配向したＧａＡｓ基板であること
    を特徴とする物品。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の物品において、前記酸化
    物層がＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ，Ｅｒ
    およびＬｕの酸化物からなる一群から選択されることを
    特徴とする物品。
  4. 【請求項４】 請求項２記載の物品において、前記酸化
    物層がＧｄ2Ｏ3である物品。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の物品において、前記物品
    がゲート酸化物として前記酸化物層を伴う電界効果トラ
    ンジスターを含む物品。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の物品において、さらに前
    記酸化物層上にエピタキシャル成長された単結晶半導体
    層を含む物品。
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