JP2003101011A - 半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＺｎＯを薄膜材料とした半導体デバイスの品
質向上を図ること。 【解決手段】 チャンネル層４１を形成するＺｎＯ薄膜
と格子定数が等しい、ＺｎＯの単結晶を材料として基板
４６を形成することで、基板４６上に形成されるチャン
ネル層４１を結晶欠陥のない高品質なＺｎＯ薄膜により
形成することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層が酸化亜
鉛の薄膜によって形成される半導体デバイスに関するも
のである。 【０００２】 【従来の技術】従来から、半導体デバイスにおいては、
アモルファスシリコンや多結晶シリコンなどを薄膜材料
として形成された半導体デバイスが広く用いられている
が、近年、薄膜材料として酸化亜鉛（ＺｎＯ）が注目さ
れており、ＺｎＯを薄膜材料として形成した半導体デバ
イスを、例えば紫外線ＬＥＤ（ＬＥＤ：Light Emitting
Diode）やレーザダイオード（ＬＤ；Laser Diode）、透
明トランジスタなどの既存の半導体デバイスに応用した
り、新たな用途への研究開発が進められている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体デバ
イスを作成するにあたっては、ベース基板上に形成する
薄膜の品質が、その電気的特性や光学的特性、信頼性
（寿命）などに重大な影響を与えることが知られてお
り、薄膜の品質が良好なほど、電気的、光学的特性や信
頼性が良好なものとされる。 【０００４】このため、ＺｎＯを薄膜材料とした半導体
デバイスを作成する場合には、ベース基板上に結晶欠陥
のない高品質のＺｎＯ薄膜を形成することが重要にな
る。薄膜の品質を決定する要因は、薄膜材料と、ベース
基板材料との格子定数の差が挙げられ、この格子定数の
差が小さいほど結晶欠陥のない薄膜を成膜できることが
知られている。なお、格子定数とは、結晶内で規則正し
く並んでいる原子の配列間隔を示すものである。 【０００５】そこで、例えばベース基板上に極めて高品
質のＺｎＯ薄膜を形成するには、ベース基板をＺｎＯ薄
膜と格子定数が同じＺｎＯの単結晶によって形成するこ
とが考えられるが、これまでの技術では、ベース基材と
して利用ができるＺｎＯの単結晶を育成することができ
なかった。 【０００６】このため、ＺｎＯ薄膜を形成した半導体デ
バイスを作成する際には、ＺｎＯの単結晶と格子定数が
比較的近いサファイアなどにより形成したベース基板を
用いるようにしていた。しかしながら、サファイアとＺ
ｎＯの単結晶との間では、格子定数が１８％程度異なる
ため、サファイアにより形成したベース基板上に高品質
のＺｎＯ薄膜を形成することができず、結果的には、Ｚ
ｎＯの薄膜によって半導体層が形成された半導体デバイ
スの品質向上を図ることができなかった。 【０００７】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明はこのよ
うな点を鑑みてなされたものであり、ＺｎＯを薄膜材料
とした半導体デバイスの品質向上を図ることを目的とす
る。 【０００８】上記目的を達成するため、本発明の半導体
デバイスは、酸化亜鉛の単結晶によって形成される基板
と、基板上に酸化亜鉛を材料とした半導体層が形成され
ている。 【０００９】本発明によれば、半導体層を形成する基板
を、半導体層の材料である酸化亜鉛と格子定数が等し
い、酸化亜鉛の単結晶を用いて形成するようにしている
ため、基板上に形成される半導体層の薄膜を結晶欠陥の
ない高品質なものとすることが可能になる。 【００１０】 【発明の実施の形態】図１は、本実施の形態とされる半
導体デバイスの構造の一例を示した断面図である。な
お、図１には、半導体デバイスとして電界効果トランジ
スタ（Field Effect Transistor、ＦＥＴ）の構造が示
されている。この図１に示す半導体デバイスは、半導体
層であるチャネル層４１、ソース４２、ドレイン４３、
ゲート４４、ゲート絶縁層４５、基板４６によって構成
され、基板４６の上には、チャネル層４１が形成され、
このチャネル層４１上に、ゲート絶縁層４５、ソース４
２及びドレイン４３が形成される。そして、ゲート絶縁
層４５上にゲート４４が形成されている。 【００１１】そして、このように構成された本実施の形
態の半導体デバイスにおいては、基板４６を酸化亜鉛
（ＺｎＯ）の単結晶により形成したうえで、この基板４
６上にＺｎＯ薄膜によってチャンネル層４１を形成する
ようにしている。つまり、本実施の形態においては、基
板４６をこれまで実現することができなかったＺｎＯの
単結晶によって形成することで、基板４６とチャンネル
層４１の格子定数を等しくするようにしている。したが
って、本実施の形態によれば、基板４６上に形成するチ
ャンネル層４１を、結晶欠陥が殆どない高品質のＺｎＯ
薄膜とすることができるので、半導体デバイスの電気的
特性や光学的特性、信頼性を飛躍的に向上させることが
可能になる。 【００１２】なお、本実施の形態では半導体デバイスと
してＴＦＴの構造を例に挙げて説明したが、これはあく
までも一例であり、ＺｎＯを薄膜材料として形成される
半導体デバイスであれば、例えば紫外線ＬＥＤやレーザ
ダイオード、透明トランジスタなどの半導体デバイスで
あっても適用することができる。 【００１３】以下、本出願人が本発明に至った背景につ
いて説明しておく。これまで、本実施の形態において半
導体デバイスの基板として利用しているＺｎＯの単結晶
は、ＺｎＯの単結晶を水熱合成法によって育成する際
に、原料の溶解液として強アルカリ溶液を用いるため、
育成容器であるオートクレーブの主材（鉄）が腐食して
単結晶に不純物として混入してしまうため、純度の高い
ＺｎＯの単結晶を育成することができないという問題が
あった。 【００１４】そこで、本出願人は、例えばＺｎＯなどの
強アルカリ溶液又は強酸溶液を溶解液として用いて単結
晶を育成する場合でも、不純物が混入することなく、極
めて純度の高い単結晶を育成することができる単結晶育
成容器を提案した（特願２００１−２５５１５１号）。
これにより、これまで育成することが出来なかった極め
て純度の高いＺｎＯの単結晶を育成することが可能にな
った。 【００１５】しかしながら、本出願人が提案した単結晶
育成容器を用いてＺｎＯの単結晶の育成を行ったとして
も、現状では、例えば半導体デバイスなどのベース基材
などの工業用途に利用可能な大きさまで育成できる種結
晶が存在しないため、半導体デバイスなどのベース基材
として実用可能なＺｎＯの単結晶を育成するまでに至ら
なかった。 【００１６】ここで、図７を用いて、ＺｎＯの単結晶を
育成する際に用いる種結晶と、種結晶から育成されるＺ
ｎＯの単結晶の大きさの関係について説明しておく。図
７は、単結晶育成装置内において育成されるＺｎＯの単
結晶の様子を模式的に示した図である。この図７に示す
ように、ＺｎＯの種結晶１００は、育成装置内の育成溶
液によってＺｎＯの単結晶が付着することで、その口径
（直径）がｒ１→ｒ２→ｒ３の順に徐々に成長していく
ことになる。なお、直径方向の成長に比べると僅かでは
あるが、結晶は上下方向にも成長していくことになる。
この場合、ＺｎＯの単結晶は、その上下部分が角錐形状
（或いは円錐形状）で、中央部分が角柱形状（或いは円
柱形状）となるように成長していくことになる。このと
き、ＺｎＯの単結晶の上下部分は、単結晶が成長して、
その口径が大きくなるにしたがって徐々に長くなってい
くため、ベース基材として利用可能な角柱部分の長さが
ｘ１→ｘ２→ｘ３の順に徐々に短くなっていくことにな
る。 【００１７】つまり、育成されるＺｎＯの単結晶の大き
さと、種結晶の長さとの間には比例関係があり、種結晶
の長さを長くすれば、それだけ口径ｒが大きい、或いは
角柱部分の長いＺｎＯの単結晶を育成することができる
ことになる。 【００１８】したがって、例えば育成したＺｎＯの単結
晶の角柱部分を薄くスライスしてベース基材として利用
するには、生産性の観点から、その口径ｒが１〜３イン
チ以上で、しかも利用する角状部分ができるだけ長いほ
うが好ましいものとされる。しかしながら、実際には、
半導体デバイス等のベース基材などに利用可能な大きさ
のＺｎＯの単結晶を育成できる程度の長さを有する種結
晶すら存在しないのが現状であった。 【００１９】そこで、本出願人は、以下のようにしてＺ
ｎＯの種結晶を作成するようにした。図２は、そのＺｎ
Ｏの種結晶の作成方法の一例を模式的に示した図であ
る。この場合、先ず、図２（ａ）に示すように、ＺｎＯ
種結晶を作成するうえで、ベースとなる基材１を用意す
る。基材１は、例えばサファイア基板やガラス基板な
ど、その表面にＺｎＯ薄膜を成膜することができる材料
によって形成される。また、基材１は、少なくとも何れ
か一辺の長さが、先に図７においても説明したように、
例えば育成したＺｎＯの単結晶の角柱部分から１〜３イ
ンチ以上とされ、工業用途に利用可能な大きさのＺｎＯ
の単結晶を育成するのに必要となる、種結晶の長さと同
等、或いはそれ以上の長さとされる。なお、本実施の形
態では基材１の形状を平板形状としているが、これはあ
くまでも一例であり、基材１は例えば円板形状のものを
用いることも可能である。 【００２０】次に、図２（ｂ）に示すように、基材１の
表面に、エピタキシャル成長法の一である気相成長法
（ＶＰＥ；Vapor Phase Epitaxy）によってＺｎＯ膜２
を成膜した後、図２（ｃ）に示すように、このＺｎＯ膜
２を成膜した基材１をブレード・ソー、又はワイヤー・
ソーなどを用いて分割することで、図２（ｄ）に示すよ
うに、工業用途に使用可能なサイズのＺｎＯの単結晶を
育成するのに必要な長さの種結晶３を作成することがで
きる。 【００２１】次に、上記のようにして作成した種結晶３
を用いてＺｎＯの単結晶を育成する育成方法の一例を図
３を用いて説明する。図３は、本出願人が先に提案した
単結晶育成容器を用いた単結晶育成装置５１の一例を示
した図である。この図３に示す単結晶育成装置５１は、
水熱合成法によって、ＺｎＯの単結晶を育成する際に必
要な温度及び圧力を、その内部に加えることができるオ
ートクレーブ５２と、このオートクレーブ５２の内部に
収容して使用する育成容器６０とから構成される。オー
トクレーブ５２は、例えば鉄を主材とした高張力鋼など
によって形成されたオートクレーブ５２の容器本体に、
パッキン５７を挟んで蓋体５４を被せて、固着部５５に
より固着することで、その内部を気密封止するような構
造となっている。 【００２２】オートクレーブ５２内に収容して使用する
育成容器６０は、例えば白金（Ｐｔ）などによって形成
されており、その形状は略円筒状の容器とされる。そし
て、その上部には圧力調整部として作用するベローズ７
０が育成容器６０の内部を密閉した状態で取り付けられ
ている。 【００２３】このような単結晶育成装置５１では、育成
容器６０内の上部側にフレーム６１と貴金属線（白金
線）６２を用いてＺｎＯ種結晶３を吊り下げると共に、
その下部側に原料６６を配置して種結晶３の育成を行う
ようにしている。この場合、ＺｎＯ種結晶３と原料６６
との間には、熱対流を制御する内部バッフル板６４が設
けられており、この内部バッフル板６４によって、育成
容器６０内が溶解領域と成長領域とに区切られている。
内部バッフル板６４には、複数の孔が形成されており、
この孔の数によって決定されるバッフル板６４の開口面
積により、溶解領域から成長領域への対流量を制御して
溶解領域と成長領域との間に温度差が得られるようにな
っている。 【００２４】そして、この育成容器６０内に、例えば水
酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸カルシウム（Ｎａ２
ＣＯ３）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの強アルカリ
溶液を注入し、またオートクレーブ５２と育成容器６０
との間に伝熱のために例えば純水などの伝熱溶液６７を
注入して、ヒーター５６，５６・・によって、オートク
レーブ５２を加熱することで、育成容器６０内では、溶
解領域において強アルカリ溶液に原料６６が溶解した育
成溶液７１が生成され、この育成溶液７１が内部バッフ
ル板６４を介して成長領域に供給されることで、ＺｎＯ
種結晶３を育成するようにしている。 【００２５】また、この図３に示す単結晶育成装置５１
では、育成容器６０の外側に外部バッフル板６５が設け
られており、この外部バッフル板６５により育成容器６
０の外側の対流を制限することで、育成容器６０内の領
域間においてＺｎＯ種結晶３の成長に必要な温度差が得
られるようにしている。 【００２６】また、育成容器６０の上部には、圧力調整
部としてベローズ７０が設けられており、このベローズ
７０の伸縮によって育成容器６０の内部圧力と外部圧力
の均衡を図るようにしている。 【００２７】そして、このような単結晶育成装置５１を
用いて、水熱合成法により、種結晶３からＺｎＯの単結
晶の育成を行うことで、育成容器内６０において不純物
の混入が殆どなく、しかも図４に示すように工業用途に
利用できる口径サイズｒを有するＺｎＯの単結晶１０を
育成することができるようになった。 【００２８】従って、このＺｎＯの単結晶１０の上下に
位置する角錐部分を取り除いた角柱部分を、例えば所定
径となるように研磨した後、輪切りにスライスすれば、
工業用途に利用可能な、すなわち半導体デバイスに利用
可能なＺｎＯウェハー１１を作成することができるよう
になった。 【００２９】但し、この場合は、図４に示すように、Ｚ
ｎＯの単結晶１０の中心部分には、種結晶３として用い
たサファイア基板の部分が残るので、この場合は、Ｚｎ
Ｏの単結晶１０からＺｎＯウェハー１１を作成すること
なく、例えばＺｎＯの単結晶１０に含まれている基材１
の部分を除くように、縦方向にスライスすることで、Ｚ
ｎＯの単結晶１０から種結晶用の基材２０を得て、この
基材２０を用いて新たな種結晶を作成するようにした。 【００３０】図５は、基材２０から種結晶を作成する際
の作成方法の一例を模式的に示した図である。この場合
は、図５（ａ）に示すように、ＺｎＯの単結晶１０から
切り出した基材２０を、例えばブレード・ソー又ワイヤ
ー・ソーなどを用いて、図５（ｂ）に示すように分割し
て、工業用途に使用可能なＺｎＯの単結晶の育成に必要
な長さを有する種結晶２１を作成するようにした。 【００３１】従って、上記図３に示した単結晶育成装置
５１を用いて、再度、水熱合成法によって種結晶２１か
らＺｎＯの単結晶を作成すれば、再度、水熱合成法によ
り育成すれば、育成容器内６０において不純物の混入が
殆どなく、しかも図６に示すように工業用途に利用でき
る口径サイズｒを有するＺｎＯの単結晶３０を育成する
に至った。特に、この場合は、ＺｎＯの単結晶３０の育
成に使用する種結晶２１にサファイア基板などが含まれ
ていないので、ＺｎＯの単結晶３０から良質なＺｎＯウ
ェハー３１を得ることができる。 【００３２】従って、このようなＺｎＯウェハー３１を
半導体デバイスの基板材料に用いて、この基板上にＺｎ
Ｏ薄膜を形成することで、結晶欠陥が殆どない高品質の
ＺｎＯ薄膜を形成できる半導体デバイスの発明実現に至
った。 【００３３】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体デ
バイスは、半導体層を形成する基板を、半導体層の材料
である酸化亜鉛と格子定数が等しい、酸化亜鉛の単結晶
を用いて形成するようにしているため、基板上に形成さ
れる半導体層の薄膜を結晶欠陥のない高品質なものとす
ることが可能になる。これにより、酸化亜鉛を薄膜材料
として構成する半導体デバイスの電気的特性や光学的特
性、信頼性を飛躍的に向上させることができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態とされる半導体デバイスの
構造の一例を示した断面図である。 【図２】ＺｎＯ種結晶の作成方法を模式的に示した図で
ある。 【図３】本出願人が先に提案した単結晶育成容器を用い
た単結晶育成装置の一例を示した図である。 【図４】ＺｎＯの単結晶の一例を示した図である。 【図５】ＺｎＯ種結晶の作成方法の一例を模式的に示し
た図である。 【図６】ＺｎＯの単結晶の一例を示した図である。 【図７】ＺｎＯの種結晶と、この種結晶から育成される
ＺｎＯの単結晶の大きさの関係を説明するための説明図
である。 【符号の説明】 １ ２０ 基材、２ ＺｎＯ膜、３ ２１ 種結晶、１
０ ３０ ＺｎＯの単結晶、１１ ３１ ＺｎＯウェハ
ー、４１ チャネル層、４２ ソース、４３ドレイン、
４４ ゲート、４５ ゲート絶縁層、４６ 基板、５１
単結晶育成装置、５２ オートクレーブ、５４ 蓋
体、５５ 固着部、５６ ヒーター、５７ パッキン、
６０ 育成容器、６１ フレーム、６２ 白金線、６４
内部バッフル板、６５ 外部バッフル板、６６ 原
料、６７ 伝熱溶液、７０ ベローズ、７１ 育成溶
液、ＺｎＯ 酸化亜鉛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 酸化亜鉛の単結晶によって形成される基
   板と、 上記基板上に酸化亜鉛を材料とした半導体層が形成され
   ていることを特徴とする半導体デバイス。