JP2014072533A

JP2014072533A - 半導体装置

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Publication number: JP2014072533A
Application number: JP2013212623A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Kaneko; 健太郎金子; Toshimi Hitora; 俊実人羅; Takashi Hirao; 孝平尾
Original assignee: ROCA KK
Current assignee: ROCA KK
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP6067532B2

Abstract

【課題】良質なコランダム型結晶膜を形成する半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明によれば、コランダム型結晶構造を有する下地基板とコランダム型結晶構造を有する半導体層、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とから形成される半導体装置が提供される。コランダム型の結晶構造を持つ材料のなかには酸化膜が多く含まれ、絶縁膜としての機能を果たすことができることのみならず、下地基板、半導体層および絶縁膜がすべてコランダム型の結晶構造を有していることにより下地基板上に良質な半導体層、絶縁膜を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力用半導体装置に関する。

高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな炭化珪素（ＳｉＣ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。
特にＳｉＣを材料とする高耐圧半導体デバイスにおいては、シリコンと同様、基板表面にＭＯＳ構造を形成するＳｉＣＭＯＳＦＥＴの開発が進められてきた。
しかし、ＳｉＣ半導体装置やＧａＮ半導体装置では、多くの解決すべき課題が残されている。なかでも重大な課題は、ノーマリーオフ型の素子構造が困難である問題である。
特にＳｉＣＭＯＳＦＥＴのＭＯＳ構造においては、良質な絶縁膜の形成が困難であることに起因することが明らかになってきた。これは、結晶性の良い半導体層を形成することに注視するあまり、結晶性が良く良好なデバイス特性が期待されるＳｉＣ等の半導体が選択され、そのうえで、熱酸化等の手法による実現可能な絶縁膜の選択、成膜プロセスの検討が行われてきてきたことに因る。

特願平９−１６４５１３号広報

ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍ，Ｖｏｌｕｍｅｓ６００−６０３，ｐ６９５―６９８

本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであり、その目的は良好な絶縁膜を形成した半導体装置を提供することにある。

本発明は、コランダム型の結晶構造をもつ下地基板、半導体層および絶縁膜で形成されることを特徴とする半導体装置である。コランダム型の結晶構造を持つ材料のなかには酸化膜が多く含まれ、絶縁膜としての機能を果たすことができることのみならず、下地基板、半導体層および絶縁膜がすべてコランダム型の結晶構造を有していることにより下地基板上に良質な半導体層、絶縁膜を実現することができる。コランダム型の結晶構造を持つ下地基板、半導体層および絶縁膜はＣＶＤ成膜等の手段を用いて結晶成長させる。

ノーマリーオフ型半導体装置を実現するためには、良質な絶縁膜層の形成のみならず、異なる組成を有する膜との間に、オフ時に電子だまりが形成されないことが要求される。コランダム型の結晶構造をもつ材料は、m軸及びa軸などのc軸に対して垂直な方位では分極が極めて小さいことも知られている。そのため、下地基板、半導体層および絶縁膜の中に存在する異種材料界面に電子だまりが生じることもなく、横方向デバイス形成時の電流リークを生じない。これはＧａＮ系材料で異種材料界面に生じる二次元電子ガスが利用されているのとは全く異なる性質である。

コランダム型の結晶構造を持つ材料としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化チタン（Ｔｉ_２Ｏ_３）酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_３）、酸化コバルト（Ｃｏ_２Ｏ_３）を含み、更に、これらの複数材料を組み合わせた混晶を含む。

下地基板と半導体層を同一の半導体組成で構成するホモエピタキシャル成長により形成した場合には、格子定数のミスマッチに由来する結晶欠陥が生じず、あるいは半導体層の格子定数が下地基板の格子定数の±１５%以内の範囲で異なるエピタキシャル成長により形成した場合は、格子定数のミスマッチに由来する結晶欠陥が生じにくい。コランダム型の結晶構造を持つ材料の一部は比較的大きなバンドギャップ値を有しており、不純物種および不純物濃度を制御して半導体層かつ絶縁層として利用した場合、良好な特性を実現できる。格子定数差が５％以内であれば格子定数のミスマッチに由来する結晶欠陥がさらに生じにくい。

たとえば、図１に示すように、α型酸化アルミニウム・ガリウムＡｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＝１．５〜２．５）基板３上に、半導体層として、不純物ドープしたα型酸化アルミニウム・ガリウムＡｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｏ_３膜２（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＝１．５〜２．５）を形成し、さらにα型酸化アルミニウム・ガリウムＡｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３膜１を絶縁膜として形成する。ここで、それぞれのＸの値は格子定数の差が１５％以内となる条件を満たす必要があるが、Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２、Ｘ３、Ｙ３は、それぞれ、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｘ＋Ｙは、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

下地基板と半導体層、半導体層と絶縁膜、あるいは下地基板と半導体層、絶縁膜全てを、コランダム型結晶構造をもつ異なる材料、異なる組成で形成することも可能である。
たとえば、図２に示すように、下地基板６にα型サファイアＡｌ_２Ｏ_３、半導体層５に不純物ドープされたα型Ｉｎ_Ｘ１Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_Ｚ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、０≦Ｚ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１＝１．５〜２．５）、絶縁膜４にα型Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＝１．５〜２．５）を形成することができる。Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、Ｘ２、Ｙ２は、それぞれ、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１、Ｘ２＋Ｙ２は、それぞれ、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよいし、下地基板と半導体層、絶縁膜の３層のうち、１層のみ異なる材料、異なる組成で形成してもよい。

下地基板と半導体層とを、コランダム型結晶構造をもつ異なる材料で形成する場合、中間層として、コランダム型結晶構造を持つ結晶性応力緩和層を形成することも可能である。結晶性応力緩和層は、異なる材料間の界面に生じる応力を低減させ、且つ、界面および各層の結晶品質を良好に保つために有効である。さらに下地基板に期待しない電流パスが存在する場合、下地基板由来の電流リークを低減させる効果が期待できる場合もある。一般に下地基板と半導体層との間に緩衝層は低温成長させた低結晶品質膜で形成されることがあるが、結晶性応力緩和層は、半導体層や下地基板と大きく変わらない結晶性を有することを特徴とする。これは一般的な緩衝層は異なる結晶構造を有する

たとえば、図３に示すように、下地基板１０にα型サファイアＡｌ_２Ｏ_３を用い、結晶性応力緩和層９としてＡｌ量を徐々に低減させたα型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＝１．５〜２．５）膜を形成したのち、半導体層８として不純物ドープされたα型Ｉｎ_Ｘ２Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_Ｚ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、０≦Ｚ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝１．５〜２．５）膜を形成し、さらに、絶縁膜７にα型Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜を形成することができる。
ここで結晶性応力緩和層の異種材料総数は１以上であれば良い。Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２、Ｘ３、Ｙ３は、それぞれ、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｘ１＋Ｙ１、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２、Ｘ３＋Ｙ３は、それぞれ、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

半導体層と絶縁膜とを、コランダム型結晶構造をもつ異なる材料で形成する場合、半導体層と絶縁膜との間にはコランダム型結晶構造を持つキャップ層を形成することも可能である。キャップ層は、下地基板と半導体層との間に形成される緩衝層と異なり、半導体層と絶縁膜との間に形成されることを特徴とする。電力用半導体装置として利用される場合、絶縁膜は絶縁膜上部に形成される金属に印加された電圧により生じる電界を効率的に伝えるために膜厚を薄くすることが期待される。そのため、半導体膜と絶縁膜との界面に存在する格子定数のミスマッチにより、絶縁膜中に生じる応力は小さく、応力を緩和する必要性が生じない。さらに、従来は、絶縁膜の結晶構造に着目して、絶縁膜を半導体層と同一の結晶構造で実現することで良質なコランダム型結晶膜を実現することは期待されていなかった。よって、キャップ層で期待される応力緩和や結晶品質を良好に保つ効果を絶縁膜および絶縁膜-半導体膜間の中間層に期待されることはなく、半導体層と絶縁膜との中間層としてキャップ層が形成されることはなかった。

本発明において、当該キャップ層は、コランダム型結晶膜の信頼性を向上させる効果をもたらす。半導体層と絶縁膜との間で生じる電流パスを低減させることができる。さらに、コランダム型結晶膜中に存在する小孔を減少できるため、水素原子をはじめとする外因不純物の浸入を防ぐためである。絶縁膜および半導体膜の小さな分極に起因する、絶縁膜と半導体層との間のごくわずかに存在する電子だまりを小さくする効果もあり、これによりノーマリーオフ型半導体装置を実現する効果もある。

たとえば、図４に示すように、下地基板１５にα型サファイアＡｌ_２Ｏ_３を用い、結晶性応力緩和層１４としてＡｌ量を徐々に低減させたα型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＝１．５〜２．５）膜を形成したのち、半導体層１３として不純物ドープされたα型Ｉｎ_Ｘ２Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_Ｚ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、０≦Ｚ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝１．５〜２．５）膜を形成し、さらに、キャップ層１２としてα型Ａｌ量を徐々に大きくしたＡｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜、絶縁膜１１にα型Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_Ｙ４Ｏ_３（０≦Ｘ４≦２、０≦Ｙ４≦２、Ｘ４＋Ｙ４＝１．５〜２．５）膜を形成することができる。ここで結晶性応力緩和層およびキャップ層の異種材料総数は１以上であれば良い。Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２、Ｘ３、Ｙ３、Ｘ４、Ｙ４は、それぞれ、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｘ１＋Ｙ１、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２、Ｘ３＋Ｙ３、Ｘ４＋Ｙ４は、それぞれ、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

下地基板と半導体層、あるいは半導体層と絶縁膜とをコランダム型結晶構造をもつ異なる材料で形成する場合、半導体層と絶縁膜、下地基板と半導体層、および結晶性応力緩和層と半導体層、キャップ層と絶縁膜との間にコランダム型結晶構造を持つ構造相転移防止層を形成することも可能である。結晶性応力緩和層、半導体層、キャップ層、絶縁膜を形成するそれぞれの結晶成長温度が当該形成層より下層の結晶構造転移温度より高いときには、構造相転移防止層を形成することで、コランダム型結晶構造から異なる結晶構造に変化することを防ぐことができる。結晶構造の相転移を防ぐために、結晶性応力緩和層、半導体層、キャップ層、絶縁膜の形成温度を低くした場合には、結晶性が低下してしまう。そのため、成膜温度を低下させることで結晶構造の変化をおさえることも困難であり、構造相転移防止層の形成は有効である。

たとえば、図５に示すように、半導体層１８にＩｎ_Ｘ１Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_Ｚ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、０≦Ｚ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１＝１．５〜２．５）膜を形成し、構造相転移防止層１７に、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＝１．５〜２．５）膜を形成し、絶縁膜１６にＡｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜を形成することができる。この場合、構造相転移防止層１７のＡｌ含有率（Ｘ２値）は、Ａｌ含有率を半導体層中のＡｌ含有率（Ｙ１値）より大きく、絶縁膜中のＡｌ含有率（Ｘ３値）より小さい。構造相転移防止層の異種材料総数は１以上であれば良い。Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２、Ｘ３、Ｙ３は、それぞれ、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１、Ｘ２＋Ｙ２、Ｘ３＋Ｙ３は、それぞれ、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

下地基板、半導体層、絶縁膜を含むすべての層をコランダム型結晶により形成させたのち、下地基板でない側の面に対し支持基板を貼り付け、その後に下地基板を水素イオン注入や加熱処理等の工程を経て剥離することで、半導体層や絶縁膜はコランダム型結晶であるがコランダム型結晶でない支持基板を利用した半導体製造装置を形成することも可能である。これにより、コランダム型結晶でない基板を支持基板とすることができるので、より放熱性に優れた基板を用いたり、基板コストを低減させることができる。下地基板上に絶縁膜を形成し、そのうえに半導体層を形成するなど、成膜の順番を入れ替えることも可能である。これにより、イオン注入、エッチング、フォトリソグラフィーなどのデバイスプロセスの手順を簡素化することができる。

本発明の実施の形態の事例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態の他の例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態の他の例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態の他の例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態の他の例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態の事例を示す成膜装置の構成図である。本発明の実施の形態のＴＥＭ画像の一例を示す顕微鏡写真である。本発明の実施の形態のＴＥＭ画像の他の事例を示す顕微鏡写真である。本発明の実施の形態のＸ線回折プロファイルの一例を示す図である。本発明の実施の形態のＴＥＭ画像の他の事例を示す顕微鏡写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る半導体装置およびその製造方法の好ましい実施形態について説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成要素は同一であるものとする。

［半導体装置の製造方法、コランダム型結晶膜の成膜装置］
半導体装置の製造方法およびコランダム型結晶を成膜する際に使用する成膜装置１０Ａについて説明する。

図６に示す成膜装置１９はミストＣＶＤ装置であり、下記の構成を有している。すなわち、成膜装置１９は、下地基板等の被成膜試料２０と試料台２１と、窒素源２２、窒素源２２から送り出される窒素の流量を調節するための流量調節弁２３と、溶液２４ａが入れられたミスト発生源２４と、水２５ａが入れられた容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、石英管あるいはステンレス等の金属、アルミナ等のセラミックスからなる成膜室２７と、成膜室２７の周辺部あるいは下部に設置されたヒータ２８とを備えている。

この成膜装置１９を用いたコランダム型結晶膜の成膜においては、まず、ヒータ２８によって成膜室２７が所定温度（例えば、３００〜５５０℃）にまで昇温される。その後、下地基板等の被成膜試料２０が成膜室２７内の試料台２１上に配置される。

被成膜試料２０の配置が完了すると、あらかじめ窒素源２２から送られてきた窒素ガスによって成膜室内部の雰囲気が十分に置換され、その後、超音波振動子２６の振動が開始される。超音波振動子２６が所定周波数（例えば２．４ＭＨｚ）で振動すると、その振動が水２５ａを介して溶液２４ａに伝播し、溶液２４ａからミストが発生する。発生したミストは、窒素源２２から送られてきた窒素に押し出され、昇温後の成膜室２７に導入される。

成膜室２７に導入されたミストは、高温により分解されながらコランダム型結晶膜を成膜すべき被成膜試料２０の面に到達する。そして、被成膜試料２０の表面においてＣＶＤ反応が起こり、コランダム型結晶膜が成膜される。その結果、ミストが到達した面の少なくとも一部分がコランダム型結晶膜によって覆われる。例えば、溶液２４ａが溶質としてのガリウムアセチルアセトナートと、溶媒としての超純水とからなる場合は、酸化ガリウム膜が成膜される。この他、成膜装置１９では、下表に示すコランダム型結晶膜が成膜可能である。
[コランダム型結晶材料および組成]

表１に、コランダム型結晶構造を持つ下地基板、半導体層、絶縁膜を構成する結晶膜種例と成膜に用いる溶質、溶媒の例を示す。

下地基板、半導体層、絶縁膜を形成するコランダム型結晶膜は、いずれも単一組成膜であっても混晶膜であってもよい。混晶膜とする場合は、２種類以上の溶質を混合した溶液１３ａからミストを発生させるか、または、別々に発生させた２種類以上のミストを同時に成膜室１６に導入すればよい。
[取り出し]

コランダム型結晶膜の成膜が完了すると、コランダム型結晶膜付きの下地基板が成膜室１６から取り出される。以上により、本発明に係る半導体装置の成膜工程は終了し、イオン注入やエッチング、フォトリソグラフィー等のデバイスプロセスへと移される。
［膜構造］

図７および図８は、成膜装置１０Ｃを用いてミストＣＶＤ法により下地基板としてα型サファイアＡｌ_２Ｏ_３を用い、半導体層としてα型酸化ガリウムＧａ_２Ｏ_３膜（図７）およびα型Ａｌ_ｌ．１Ｇａ_０．９Ｏ_３（Ａｌ＝５５％）を成膜した結果を示すＴＥＭ画像である。α型サファイア基板上の半導体層として任意の組成のα型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５〜２．５）を成膜しても良い。図９に成膜した半導体膜のＸ線回折結果の一例を示す。α型サファイア基板上の半導体層として任意の組成のα型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５〜２．５）を形成した後に、さらに絶縁膜として、任意の組成のα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５〜２．５）を形成しても良い。図１０は半導体層として形成したα型酸化ガリウムＧａ_２Ｏ_３膜上に、さらに絶縁膜としてα型Ａｌ_０．７６Ｇａ_１．４４Ｏ_３（Ａｌ＝３８％）を成膜させた一例を示すＴＥＭ画像である。

コランダム型結晶構造を有する膜であれば種々の材料、組成を用いて、下地基板、半導体層および絶縁膜を形成しても良いし、コランダム型結晶構造を有する膜として、表１に記載の任意の材料およびこれらの混晶を用いても良い。

下地基板と半導体層、絶縁膜の全てが同一の膜であっても良いし、あるいはそれぞれの膜の下地層の格子定数に対し格子定数差１５％以内の半導体材料、半導体組成を用いて形成しても良い。

コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜の各層の間に異なる材料・組成から形成される層を形成しても良い。たとえば、下地基板と半導体層との間にコランダム結晶構造を有する結晶性応力緩和層を形成しても良いし、半導体層と絶縁膜との間にコランダム型結晶構造を有するキャップ層もしくは構造相転移防止層を形成しても良い。あるいはこれらの結晶性応力緩和層とキャップ層、構造相転移防止層を複数組み合わせて形成しても良い。また、下地基板、半導体層、絶縁膜を形成するコランダム型結晶膜は、いずれも単一組成膜または混晶膜を複数層積層した多層構造とすることもできる。多層構造にすれば、結晶性を向上したり、電流を増大させたり、信頼性を向上させることができる。

半導体層が任意の組成のα型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５〜２．５）の場合、下地基板としてα型サファイアＡｌ_２Ｏ_３基板やα型Ｇａ_２Ｏ_３基板を用い、絶縁膜としてα型Ａｌ_０．７６Ｇａ_１．４４Ｏ_３（Ａｌ＝３８％）を成膜させても良い。このとき、結晶性応力緩和層としてコランダム結晶構造を有する１層以上から形成され、α型サファイア基板のときはＡｌ量を徐々に低減させ、α型Ｇａ_２Ｏ_３基板のときはＡｌ量を徐々に増加させた、α型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を用いても良い。キャップ層あるいは構造相転移防止層として、１層以上から形成され、Ａｌ量を徐々に大きくしたα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を用いても良い。結晶性応力緩和層はα型サファイア基板と半導体層、キャップ層は半導体層と絶縁膜、との間のそれぞれの格子定数差に由来する刀状転位、らせん転位、基底面転位等の各種転位の低減に効果が期待できる。

構造相転移防止層は一例として、以下の場合に形成しても良い。α型サファイア下地基板上に半導体層としてα型Ｇａ_２Ｏ_３膜を形成し、その上に絶縁膜として結晶性に優れたα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を形成したいとき、半導体と絶縁膜との間に、キャップ層として絶縁膜よりもＡｌ組成比の小さなα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を形成する。α型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜の結晶成長温度は５００℃以下にすることもできる。しかしながら、Ａｌ組成比が大きい場合、５３０℃以上の成膜温度にすることにより、いっそう結晶性に優れた成膜を行うことができる。他方で、５３０℃以上の成膜温度の場合、キャップ層なしで絶縁膜を成膜しようとすると、半導体層および絶縁膜の一部がβ型に構造相転移されてしまった状態になることがある。そこで、一旦、キャップ層として、絶縁膜よりもＡｌ組成比の小さなα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を５００℃以下の温度で成膜し、その後、絶縁膜としてＡｌ組成比がキャップ層よりも大きなα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を５３０℃以上の温度で成膜する。

下地基板、半導体層、絶縁膜の順序は下側から下地基板、半導体層、絶縁膜の順に形成しても良いし、下地基板、絶縁膜、半導体層の順に形成しても良い。

コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜のすべてあるいは一部の層を形成したのち、下地基板を剥離し、別の支持基板に固定しても良い。一例として以下の手順を用いても良い。まず、α型サファイアＡｌ_２Ｏ_３基板を用い、絶縁層としてα型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）膜を形成した後、半導体層として任意の組成のα型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５〜２．５）を形成し、その後、半導体層上に酸化シリコン膜を形成する。別途、ＳｉＣ基板上あるいはＳｉ基板上に酸化シリコン膜を成膜した支持基板を用意して、半導体層上の酸化シリコン膜と接合させた後、下地基板を剥離する。下地基板を剥離するために、半導体層上の酸化シリコン成膜後、下地基板の剥離までの間に水素イオン等のイオン注入や加熱・冷却工程、プラズマ処理を用いても良いしエッチング等の方法を用いても良い。下地基板としては表１に含まれるコランダム結晶構造を持つ任意の金属酸化膜を用いても良く、支持基板としては、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体基板やセラミック膜、金属基板、ガラス基板などを用いても良い。コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜の各層の間に異なる材料・組成から形成される層を形成しても良い。たとえば、下地基板と半導体層との間にコランダム結晶構造を有する結晶性応力緩和層を形成しても良いし、半導体層と絶縁膜との間にコランダム型結晶構造を有するキャップ層もしくは構造相転移防止層を形成しても良い。あるいはこれらの結晶性応力緩和層とキャップ層、構造相転移防止層を複数組み合わせて形成しても良い。下地基板の貼り合わせ後、コランダム型結晶表面の結晶性を改善するため、ＣＭＰ等の方法で表面研磨しても良いし、これにより、結晶性応力緩和層、キャップ層、構造相転移防止層の一部あるいは全部が取り除かれても良い。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例が考えられる。例えば、ミストＣＶＤの成膜方式については、数ｍｍ以下のチャネルを反応領域として利用するファインチャネル法、基板上に直線状のノズルを設け、ここから基板に垂直方向にミスト（およびキャリアガス）を吹き付け、さらにノズルを直線状の出口とは垂直方向に移動させるというリニアソース法や、複数の方式を混合した、あるいは派生させた方式でも良い。ファインチャネル法では、均質な薄膜作製と原料の利用効率の向上が可能であるし、リニアソース法では、将来の大面積基板およびロールツーロールでの連続成膜が可能である。キャリアガスとして窒素ではなくアルゴン、酸素、オゾン、空気などのガスを流すこともできるし、成膜室を大気圧ではなく加圧や減圧をしても良い。

また、上記実施形態では、ミストＣＶＤ法によりコランダム型結晶膜を成膜したが、他の手法により成膜してもよい。コランダム型結晶膜を成膜可能な他の手法としては、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法等がある。

なお、本発明では、コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体膜、絶縁膜、結晶性応力緩和層、キャップ層、構造相転移防止層にコランダム型結晶膜に適当な元素（例えば、スズ、シリコン、マグネシウム）をドーピングしてもよい。これにより、導電性ならびに絶縁性を調整することができる。

さらに、本発明では、コランダム型結晶構造を有する半導体膜、絶縁膜、結晶性応力緩和層、キャップ層、構造相転移防止層の一部に、膜組成および元素ドーピング濃度についての一定の繰り返し構造を導入しても良い。これにより、応力緩和の促進、あるいはキャリア濃度の増減、キャリア移動度の大小を調整することが可能である。

１絶縁膜
２半導体層
３下地基板
４絶縁膜
５半導体層
６下地基板
７絶縁膜
８半導体層
９結晶性応力緩和層
１０下地基板
１１絶縁膜
１２キャップ層
１３半導体層
１４結晶性応力緩和層
１５下地基板
１６絶縁膜
１７構造相転移防止層
１８半導体層
１９成膜装置
２０被成膜試料
２１試料台
２２窒素源
２３流量調節弁
２４ミスト発生源
２４a 溶液
２５ミスト発生源
２５a 水
２６超音波振動子
２７成膜室
２８ヒータ

Claims

コランダム型結晶構造を有する下地基板とコランダム型結晶構造を有する半導体層、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とから形成される半導体装置。
前記コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜のすべてが、サファイア、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化クロム、酸化鉄、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化コバルトのいずれか、あるいは、サファイア、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化クロム、酸化鉄、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化コバルトの複数の混晶で形成される、請求項１記載の半導体装置。
前記コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜のすべてが同一、あるいは格子定数差１５％以内の半導体材料および組成を用いて形成される請求項１に記載の半導体装置。
前記結晶がα型酸化アルミニウム・ガリウムＡｌ_ＸＧａ_ＹＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、Ｘ＋Ｙ＝１．５〜２．５）から形成される請求項３に記載の半導体装置。
前記コランダム型結晶構造を有する下地基板、半導体層、絶縁膜の少なくともいずれかの層が、異なる組成の結晶から形成される請求項１に記載の半導体装置。
前記下地基板がα型サファイア、半導体層がα型Ｉｎ_Ｘ１Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_Ｚ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、０≦Ｚ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１＝１．５〜２．５）、絶縁膜がα型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_Ｚ２Ｏ_３（０≦Ｙ２≦２、０≦Ｚ２≦２、Ｙ２＋Ｚ２＝１．５〜２．５）から形成された請求項５に記載の半導体装置。
前記コランダム型結晶構造を有する下地基板と半導体層との間に、コランダム型結晶構造を有する結晶性応力緩和層を有する請求項１に記載の半導体装置。
前記下地基板にα型サファイアを用い、結晶性応力緩和層として、１層以上から形成され、Ａｌ量を徐々に低減させたα型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＝１．５〜２．５）膜を形成したのち、半導体層としてα型Ｉｎ_Ｘ２Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_Ｚ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、０≦Ｚ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝１．５〜２．５）膜を形成し、さらに、絶縁膜にα型Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜を形成した請求項７に記載の半導体装置。
前記半導体層と絶縁膜との間にキャップ層として、半導体層の結晶材料と絶縁膜の結晶材料で使用されている元素の少なくとも一部の元素を含む結晶が使用されている請求項１に記載の半導体装置。
前記下地基板にα型サファイアを用い、半導体層として不純物ドープされたα型Ｉｎ_Ｘ２Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_Ｚ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、０≦Ｚ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝１．５〜２．５）膜を形成し、さらに、キャップ層としてＡｌ量を徐々に大きくしたα型Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜、絶縁膜にα型Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_Ｙ４Ｏ_３（０≦Ｘ４≦２、０≦Ｙ４≦２、Ｘ４＋Ｙ４＝１．５〜２．５）膜を形成した請求項９に記載の半導体装置。
前記下地基板と半導体層との間に、結晶性応力緩和層として１層以上から形成され、Ａｌ量を徐々に低減させたα型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＝１．５〜２．５）膜を形成した請求項１０に記載の半導体装置。
前記半導体層と絶縁膜との間に構造相転移防止層として、半導体層の結晶材料と絶縁膜の結晶材料で使用されている元素の少なくとも一部の元素を含む結晶が使用されている請求項１に記載の半導体装置。
半導体層として不純物ドープされたα型Ｉｎ_Ｘ１Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_Ｚ１Ｏ_３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、０≦Ｚ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１＝１．５〜２．５）膜を形成し、さらに、構造相転移防止層としてＡｌ量を徐々に大きくしたα型Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｏ_３（０≦Ｘ２≦２、０≦Ｙ２≦２、Ｘ２＋Ｙ２＝１．５〜２．５）膜、絶縁膜にα型Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｏ_３（０≦Ｘ３≦２、０≦Ｙ３≦２、Ｘ３＋Ｙ３＝１．５〜２．５）膜を形成した請求項１２に記載の半導体装置。
コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜、必ずしもコランダム型結晶構造を有さない支持基板、支持基板とコランダム型結晶との接合層とを含む半導体装置。
前記支持基板が、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、金属基板、セラミック基板、ガラス基板のいずれかで形成される請求項１４に記載の半導体装置。
前記接合層が、酸化シリコン膜で形成される請求項１４に記載の半導体装置。