JP2015018881A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によれば、一軸に配向している白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板の上に形成した少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜を含む半導体装置、又は基板が提供される。
【選択図】図1
Description
特許文献1によると、β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、下地材料上にソース、ドレインのいずれかの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。
その第一の目的はInAlGaO系半導体向けの応用分野としては、少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムを含む半導体結晶を用いた半導体装置、又は基板において、チャネル層以外での損失を低減すること、安価で大口径化可能な下地材料上に半導体層を形成すること、β酸化ガリウム基板やサファイア基板よりも熱伝導率の良い下地材料上に半導体層を形成すること、Si半導体装置との複合化を実現することにある。
その第二の目的は、窒化物半導体向けの応用分野としては、InAlGaO系半導体を下地材料として用いることにより、受発光層以外での損失を低減させ無駄な発熱を低減すること、安価で大口径化可能な下地材料上に半導体層を形成すること、Si半導体装置との複合化を実現することにある。
白金や金は貴金属であり、表面酸化膜がほとんど生じないことが知られており、白金や金の表面が、上層に形成する前記金属酸化膜の結晶成長の工程で変化せず、白金や金の面方位を保つことができることが重要と考えられる。さらに、前記金属酸化膜の格子定数と、白金や金の格子定数とが比較的近いことも本結果をもたらした重要な要因であったと類推できる。
同様の金属としてパラジウムが存在しており、表面酸化膜がほとんど生じず、白金や金と格子定数が近いことから、白金や金と同様の効果をもたらすものと合理的に類推できる。白金、パラジウム、金は、酸化膜形成による高抵抗化が生じにくいため、本発明の構成をコンタクト領域や電気伝導層として利用すれば、損失低減が実現できる。
好ましくは、白金又は金、パラジウムの薄膜又は基板が{111}面に配向している。
好ましくは、前記下地材料がSi基板、サファイア基板、ガラス基板のいずれかであるSi基板としては大量に使われ、コストが安く、汎用性の高いSi{100}基板が好ましい。
好ましくは、下地材料と白金又は金、パラジウムとの間に一軸に配向していない層が形成される。これにより、白金又は金、パラジウムが配向しやすくなる。一軸に配向していない層として、金属酸化物や窒化物が挙げられる。例えば、酸化シリコン、酸化亜鉛、酸化スズ、InGaZnO、ITO、InXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)のいずれか一つ又はこれらを同一層中あるいは層状に組み合わせた層である。一軸に配向していない層としては、アモルファス層を含む。一軸に配向していない層として導電性酸化物を形成することで、下地基板とプラチナ又は金、パラジウムとの間の電気伝導性を良好に保つことができる。一軸に配向していない層として酸化シリコン等の絶縁膜を用いることで、下地材料とプラチナ又は金、パラジウムとの間の絶縁性を良好に保つことができる。
好ましくは、下地材料と白金や金、パラジウムとの間にチタン、ニッケル等の1つ又は複数の金属を組み合わせた層を形成する。あるいは導電性酸化物を一つ又は組み合わせた層を介する。これにより、下地材料と白金や金とを低抵抗に接続すること、あるいはオーミック特性を賦与することができる。
好ましくは、前記結晶性酸化物は、InXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)である。X、Y、Z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又はX+Y+Z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。
なお、本発明におけるSi{100}の記載には、同一面方位である(100)、(010)、(001)など等価な対称面を持つ面を全て含んでいる。
白金、金又はパラジウムの基板を使用するときは、市販の材料を購入すれば良い。成膜、デバイスプロセス等の工程で損傷せず、扱いやすい100μm以上の厚みを有するものが望ましく、成膜面は化学研磨等の方法で平坦に加工されていることが望ましい。白金や金の薄膜はスパッタ、蒸着、メッキをはじめる種々の成膜手法を利用することができる。面方位{111}の試料を作製するために、成膜中に加熱処理しても良いし、成膜後に加熱処理しても良い。少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜成膜時の熱エネルギーにより白金、金、又はパラジウムを配向させても良い。
好ましい実施形態の一例としては、Si{100}面に酸化シリコン膜を熱酸化により形成したのち、加熱処理を加えながら、スパッタ法によって白金、金又はパラジウムを成膜する方法がある。成膜後の加熱処理を行うことにより、更に白金、金又はパラジウムの結晶性を向上することができる。
<原料>
結晶性酸化物の原料については特に限定しないが、ガリウム化合物とインジウム化合物、アルミニウム化合物のいずれか、又はこれらを組み合わせた金属化合物を材料として用いることができる。ガリウム金属やインジウム金属を出発材料として成膜直前にガリウム化合物やインジウム化合物を形成しても良い。ガリウム化合物とインジウム化合物には、有機錯体やハロゲン化物をはじめ、非常に多くの種類のものがあるが、本実施形態では、ガリウム化合物、インジウム化合物としてはガリウムアセチルアセトナート、インジウムアセチルアセトナートを用い、アルミニウム化合物としてはアルミニウムアセチルアセトナートを用いる。
原料溶液を微粒子化して原料微粒子を生成する方法は、特に限定されないが、原料溶液に超音波振動を印加して微粒子化する方法が一般的である。また、これ以外の方法でも、例えば、原料溶液を噴霧することによって原料溶液を微粒子化することによっても原料微粒子を生成することができる。
キャリアガスは、例えば窒素であるが、アルゴン、酸素、オゾン、空気などのガスを用いてもよい。また、キャリアガスの流量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜50L/minである。原料溶液に有機溶媒を使用するときは酸素元素を含む酸素、オゾン等のガスを用いることが好ましい。
原料微粒子は、キャリアガスによって成膜室に供給され、成膜室において反応が起こって成膜室内に載置された被成膜試料上に薄膜が形成される。被成膜試料上に形成される薄膜は、酸化物結晶(好ましくは酸化物単結晶)の薄膜である。
図1の例では、白金、金又はパラジウムの基板2上にInXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)膜1がこの順で形成される。
図2の例では、下地材料5上に白金、金又はパラジウムの薄膜4が成膜され、その上にInXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)膜3がこの順で形成される。白金、金又はパラジウムの薄膜4は配向していることが好ましく、特に{111}面に配向していることが好ましい。下地材料5としてはSi基板、サファイア基板、ガラス基板が好ましく、Cuをはじめとする金属基板でも良い。
図4の例では白金、金又はパラジウムの薄膜11と下地材料13との間に密着度強化層12を成膜している。密着度強化層12は下地材料13と白金、金又はパラジウムの薄膜11との密着度を強化する目的で形成され、チタンやニッケルが好適である。
図5の例では白金、金又はパラジウムの薄膜15と下地材料18との間にブロック層16と密着度強化層17とを成膜している。
図6の例では酸化物薄膜19と白金、金又はパラジウムの薄膜21との間に緩衝層が形成されている。
酸化物薄膜の成膜が完了すると、酸化物薄膜付きの下地材料が成膜室から取り出される。
酸化物薄膜をGaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlGaN半導体等の窒化物半導体の下地材料として利用する場合は、MOCVD等の成膜プロセスにより窒化物半導体を成膜する。窒化物半導体の成膜前に窒化処理を施して酸化物薄膜の最表面を窒素化しておくことでInAlGaN等の窒化物半導体の結晶品質を向上することができる。窒化処理には窒素プラズマ処理やアンモニアガスを流しながら高温アニールする方法を用いることができる。
例えば、酸化物薄膜の上の層としてよりAl濃度の大きな酸化物薄膜を形成することで、コランダム構造酸化物薄膜、好適にはInAlGaO系半導体の相転移を防止、又は制御することができる。
例えば、窒化物半導体層の成膜温度を下地材料であるコランダム構造酸化物薄膜が相転移しない低い温度に抑えること、詳しくはAl濃度にも依存するが、InAlGaO系半導体の場合は800℃以下に抑えること、特に酸化ガリウム半導体の場合は500℃以下に抑えることが好ましい。
その後、白金や金の薄膜は、下地材料の剥離技術に活用することもできる。例えば、白金や金を薬液等で溶解させ、あらかじめ支持基板に固定した白金や金より上の層を剥離することができる。この場合、白金や金よりを上の層で剥離後に指示基板に固定化させる目的の層は、白金や金を溶解させた薬液で溶解しないよう、薬液を適切に選定しなければならない。
1.実験1
1−1.被成膜試料作成
サファイア基板(並木精密宝石株式会社製、C面、0.55mm厚)上に蒸着装置を利用して白金薄膜を成膜したものを被成膜試料とした。
また、別の例では、Si{100)基板(熱酸化膜100nm、N型、0.525mm厚)上に、スパッタ装置(キャノンアネルバ製EB1100)を用いてチタンを600℃で10nm成膜し、その後スパッタ装置(同上)を使用して成膜中の被成膜試料温度を600℃として膜厚35nmで白金薄膜を成膜したものを被成膜試料とした。
また、上述のサファイア基板、又はSi{100}基板を被成膜試料として用い、蒸着装置を利用して金薄膜を35nm成膜した。
まず、図7を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置25を説明する。被成膜試料26には上述1−1に記載の方法にて作製した被成膜試料を用いた。ミストCVD装置25は、下地材料等の被成膜試料26を載置する試料台27と、キャリアガスを供給するキャリアガス源28と、キャリアガス源28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29と、原料溶液30aが収容されるミスト発生源24と、水31aが入れられる容器31と、容器31の底面に取り付けられた超音波振動子32と、内径40mmの石英管からなる成膜室33と、成膜室の周辺部に設置されたヒータ34を備えている。試料台27は、石英からなり、被成膜試料26を載置する面が傾斜している。成膜室33と試料台27をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料26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。
表1に示す原料溶質を超純水中に溶解させることによって所望の濃度の原料溶液30aを作製した。
次に、被成膜試料26として、1辺が10mmの正方形で厚さ600μmの下地材料を試料台27上に設置させ、ヒータ34を作動させて成膜室33内を500℃に昇温させた。次に、流量調節弁29を開いてキャリアガス源29からキャリアガスを成膜室33内に供給し、成膜室33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5ml/分に調節した。キャリアガスとしては、窒素ガスを用いた。
次に、超音波振動子を2.4MHzで振動させ、その振動を水31aを通じて原料溶液30aに伝播させることによって原料溶液30a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33内に導入され、成膜室33内で反応して、被成膜試料26の成膜面でのCVD反応によって被成膜試料26上に薄膜を形成した。
表1の実験についてのX線回折結果を図8〜図11に示す。サファイア基板上に形成した試料である図8では白金、図9では金が{111}面に配向していることが確認された。そしてそれぞれの薄膜上にコランダム構造の酸化ガリウム(α−Ga2O3)が形成されていることを確認した。白金薄膜・金薄膜が一軸に配向し、その結果、白金薄膜・金薄膜上に結晶性の酸化ガリウム薄膜が形成されたと考えられる。また、酸化ガリウムの成膜温度を600℃にして白金又は金の薄膜上に酸化ガリウム薄膜を成膜したところ、β型の酸化ガリウム薄膜を形成することができた。この場合にも、白金薄膜・金薄膜は成膜後に一軸に配向していることを確認した。
図11で示したSi{100}基板(熱酸化膜100nm、N型、0.525mm厚)上に、金を蒸着法で35nm成膜した試料においても、ミストCVD法を用いた酸化ガリウム形成後にβガリア構造の酸化ガリウム(β−Ga2O3)が確認された。この金薄膜は、酸化ガリウムの成膜前にすでに一軸に配向しており、一軸に配向している金薄膜上にβ型酸化ガリウム薄膜を形成することができた。
Si基板、具体的には、面方位{100}、{111}、{110}上に、直接、酸化ガリウムを成膜した場合、酸化ガリウムがアモルファスになってしまい、結晶性酸化ガリウムを形成することができなかった。また、Si基板上に白金薄膜を直接形成し、その上に酸化ガリウムの成膜を行ったところ、酸化ガリウムがアモルファスになってしまい、結晶性酸化ガリウムを形成することができなかった。なお、白金薄膜は、酸化ガリウムの成膜後にも一軸に配向していなかった。
以上のように、白金又は金の薄膜が酸化物薄膜の成膜時までに一軸に配向している場合には、良好な結晶性を有する酸化物薄膜を成膜することに成功した。
2 白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板
3 酸化物薄膜
4 白金、金又はパラジウムの薄膜
5 下地材料
6 酸化物薄膜
7 白金、金又はパラジウムの薄膜
8 ブロック層
9 下地材料
10 酸化物薄膜
11 白金、金又はパラジウムの薄膜
12 密着度強化層
13 下地材料
14 酸化物薄膜
15 白金、金又はパラジウムの薄膜
16 ブロック層
17 密着度強化層
18 下地材料
19 酸化物薄膜
20 緩衝層
21 白金、金又はパラジウムの薄膜
22 ブロック層
23 密着度強化層
24 下地材料
25:ミストCVD装置
26:被成膜試料
27:試料台
28:キャリアガス源
29:流量調節弁
30:ミスト発生源
30a:原料溶液
31:ミスト発生源
31a :水
32:超音波振動子
33:成膜室
34:ヒータ
Claims (14)
- 一軸に配向している白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板の上に形成した少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜を含む半導体装置、又は基板。
- 前記白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板が{111}に配向していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置、又は基板。
- 前記白金、金又はパラジウムの薄膜の下層に直接又は他の層を介して、一軸に配向していない層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置、又は基板。
- 前記一軸に配向していない層が、金属酸化物を一つ又は組み合わせていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置、又は基板
- 前記一軸に配向していない層が、導電性酸化物を一つ又は組み合わせていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置、又は基板。
- 前記一軸に配向していない層が酸化シリコン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、ITO、InGaZnO、InXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)のいずれか一つ又はこれらを組み合わせた層であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置、又は基板。
- 前記白金、金又はパラジウムの薄膜がSi、サファイア、酸化シリコンのいずれかの下地材料上に直接又は他の層を介して形成されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一つに記載の半導体装置、又は基板。
- 前記下地材料と白金、金又はパラジウムの薄膜との間に一つ又は複数の金属を組み合わせた層が形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置、又は基板
- 前記少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜がコランダム構造又はβガリア構造、ビックスバイト構造を有することを特徴とする請求項1〜8の何れか1つに記載の半導体装置、又は基板
- 請求項1〜9の何れか1つに記載の少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜上に、少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ又はこれらを組み合わせた窒化物半導体を、直接又は他の層を介して形成されていることを特徴とする半導体装置、又は基板
- Si{100}基板上に一軸に配向した白金、金又はパラジウムの薄膜、InX1AlY1GaZ1O3(0≦X1≦2、0≦Y1≦2、0≦Z1≦2、X1+Y1+Z1=1.5〜2.5)、InX2AlY2GaZ2N(0≦X2≦1.1、0≦Y2≦1.1、0≦Z2≦1.1、X2+Y2+Z2=1.1)半導体を直接又は他の層を介して、この順で形成されていることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の半導体装置、又は基板
- Si{100}基板上に、直接又は他の層を介して形成され且つ一軸に配向した白金、金又はパラジウムの薄膜を有し、当該白金、金又はパラジウムの薄膜上には、白金、金又はパラジウムの薄膜より下層に形成された半導体装置又は基板とは異なる機能を有する半導体装置又は基板を複合化していることを特徴とする半導体装置又は基板。
- 少なくともインジウム、アルミニウム、ガリウムのいずれか一つ、又はこれらを組み合わせた結晶性酸化物薄膜の原料となる溶質が溶媒中に溶解されてなる原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子を、白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板が配置された成膜室に供給して、前記白金、金又はパラジウムの薄膜又は基板上に前記結晶性酸化物薄膜を形成する工程を備える、半導体装置の製造方法、又は基板の製造方法。
- 前記結晶性酸化物薄膜の成膜温度が400〜700℃であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
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