JP2016157875A - 半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法 Download PDF

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崇史 上村
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公平 佐々木
Kohei Sasaki
公平 佐々木
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Abstract

【課題】Al膜とGa基板との界面の界面準位がより低減された半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態として、Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層11上に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、結晶質のAlを主成分とする結晶質層12aと、結晶質層12a上の非晶質のAlを主成分とする非晶質層12bとを含むAl膜12を形成する工程を含み、Al膜12の成長温度により、結晶質層12aの厚さを制御する、半導体積層構造体10の製造方法を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法に関する。
従来の半導体素子として、主面の面方位が(010)であるGa基板上に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD(ALD:Atomic Layer Deposition)法により250℃の成長温度で形成されたAlからなるゲート絶縁膜を有する、トランジスタが知られている(例えば、非特許文献1、2参照)。
また、他の従来の半導体素子として、主面の面方位が(010)であるGa層上に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により250℃の成長温度で形成されたAlからなる酸化物絶縁膜を有する半導体素子が知られている(例えば、特許文献1)。
特許文献1には、Alからなる酸化物絶縁膜が、結晶質層と非晶質層を有し、結晶質層が酸化物絶縁膜とGa基板との界面の界面準位を低減することが開示されている。
特開2015―2343号公報
Masataka Higashiwaki, et al., "Depletion-mode Ga2O3metal-oxide-semiconductor field-effect transistors on β-Ga2O3(010) substrates and temperature dependence of their device characteristics," Applied Physics Letters 103, 123511 (2013) Masataka Higashiwaki, et al., "Depletion-mode Ga2O3MOSFETs on β-Ga2O3 (010) substrates with Si-ion-implanted channel and contacts," Technical Digest - International Electron Devices Meeting 28.7.1 (2013)
本発明の目的は、Al膜とGa基板との界面の界面準位がより低減された半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の[1]、[2]の半導体積層構造体の製造方法、[3]の半導体素子の製造方法、[4]の半導体積層構造体、又は[5]の半導体素子を提供する。
[1]Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層上に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、結晶質のAlを主成分とする結晶質層と、前記結晶質層上の非晶質のAlを主成分とする非晶質層とを含むAl膜を形成する工程を含み、前記Al膜の成長温度により、前記結晶質層の厚さを制御する、半導体積層構造体の製造方法。
[2]前記成長温度が250℃よりも高い、上記[1]に記載の半導体積層構造体の製造方法。
[3]前記Al膜上に電極を形成する工程を含む、上記[1]又は[2]に記載の半導体積層構造体の製造方法を含む、前記Al膜を介して電界効果を及ぼす半導体素子の製造方法。
[4]Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層と、前記Ga層上に形成されたAl膜と、を有し、前記Al膜は、前記Ga層に接触する結晶質のAlを主成分とし、厚さが2.7nmよりも大きい結晶質層と、前記結晶質層上の非晶質のAlを主成分とする非晶質層とを含む、半導体積層構造体。
[5]前記Al膜上に電極を有し、前記Al膜を介して電界効果を及ぼす、上記[4]に記載の半導体積層構造体を含む、半導体素子。
本発明によれば、Al膜とGa基板との界面の界面準位がより低減された半導体積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子及びその製造方法を提供することができる。
図1は、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。 図2は、第2の実施の形態に係るキャパシタの垂直断面図である。 図3(a)〜(d)は、それぞれ、実施例に係る試料の垂直断面のTEM(Transmission Electron Microscope)観察像である。 図4は、実施例に係る試料のAl膜の成長温度と、結晶質層の厚さの関係を示すグラフである。 図5は、図3(c)に示される試料の、250℃で成膜されたAl膜に含まれる結晶質層の電子線回折パターンである。 図6は、比較例に係る試料の垂直断面のTEM観察像である。 図7は、実施例に係る試料、及び比較例に係る試料の界面準位密度を示すグラフである。
本発明は、Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層と、Ga層上に酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により形成された、結晶質層と非晶質層を含むAl膜とを有する半導体積層構造体、及びそれを含む半導体素子に関するものである。
本発明者らは、鋭意研究の結果、Ga層の主面の面方位により、Al膜中に結晶質層が形成されるか否かを制御できること、Al膜の成長温度により、Al膜中の結晶質層の厚さを制御できること、さらには、Al膜中の結晶質層の厚さにより、Al膜とGa基板との界面の界面準位密度を制御できることを新規に見出し、本発明に至った。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体10の垂直断面図である。半導体積層構造体10は、Ga層11と、Ga層11上に形成されたAl膜12を有する。
Ga層11は、Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)の板状又は膜状の部材である。Ga層11は、Si、Sn等のドーパントを含んでもよい。
図1に示される例では、Ga層11はGa基板である。しかしながら、Ga層11の形態は基板に限られず、例えば、他の基板上に成長したGa膜であってもよい。
Al膜12は、Ga層11に接触する結晶質層12aと、結晶質層12a上の非晶質層12bを含む。結晶質層12aは、γ−Al結晶からなり、Ga層11の結晶軸に配向している。結晶質層12aの厚さは、Al膜12の成長温度により制御することができる。
結晶質層12aと非晶質層12bは、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法によって、主面の面方位が(010)であるGa層11上にAlを堆積させることにより、連続的に形成される。
Al膜12の成長温度は、成膜途中で切り替える必要はない。すなわち、一定の成長温度により、結晶質層12aと非晶質層12bを含むAl膜12を形成することができる。
Al膜12は、結晶質層12aを含むことによって、Al膜12とGa層11との界面の界面準位密度が低減され、特に、結晶質層12aの厚さが2.7nm以上になると、界面準位密度がより低減される。結晶質層12aの厚さを2.7nm以上とするためには、Al膜12の成長温度を250℃以上にすることが求められる。
また、半導体積層構造体10のヒステリシス特性を改善するためには、結晶質層12aの厚さがなるべく大きいほうがよい。これは、Ga層11側から結晶質層12aをトンネルして、結晶質層12aと非晶質層12bとの界面にトラップされる電荷が、ヒステリシスの原因となっていると考えられるためであり、結晶質層12aの厚みを増すことにより、トンネル電荷量を低減することができる。
〔第2の実施の形態〕
第2の実施の形態は、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体10を含む半導体素子の一例としての、MOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタについての形態である。
図2は、第2の実施の形態に係るキャパシタ20の垂直断面図である。キャパシタ20は、半導体積層構造体10と、半導体積層構造体10のGa層11の裏面(Al膜12の反対側の面)上に形成されたカソード電極21と、半導体積層構造体10のAl膜12の表面(非晶質層12b側の面)上に形成されたアノード電極22を有する。
キャパシタ20のGa層11は、例えば、Si等のドーパントを含むGa基板である。
カソード電極21は、例えば、Ti/Auの積層構造を有する、Ga層11の裏面の全面に形成される電極である。
アノード電極22は、例えば、Auからなる円形電極である。
(実施の形態の効果)
上記第1、2の実施の形態によれば、Al膜とGa基板との界面の界面準位が低減された半導体積層構造体を得ることができ、その半導体積層構造体を用いて、動作特性に優れた半導体素子を製造することができる。
実施例として、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体10の一形態である4つの半導体積層構造体(以下、試料A1、B1、C1、D1と呼ぶ)を作製し、その垂直断面のTEMによる観察を行った。
また、比較例として、Ga層の主面の面方位が(010)と異なる半導体積層構造体(以下、試料Z1と呼ぶ)を作製し、その垂直断面のTEMによる観察を行った。
(試料A1、B1、C1、D1の作製)
まず、Ga層11として、(010)を主面とするGa基板を用意し、裏面から深さ150nm、濃度5×1019cm−3の条件でSiをイオン注入した後、有機洗浄、イオン注入面のOアッシングを施し、さらに、温度950℃、時間30minの条件で活性化アニールを施した。
次に、Al膜12として、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、厚さ20nmのAl膜をGa層11上に成膜し、試料A1、B1、C1、D1を得た。具体的には、Alの有機金属を原子層レベルの厚さで一層堆積させた後、酸化剤によりAlを酸化し、Alの薄膜を形成する。これを所定のサイクル数だけ繰り返すことにより、厚さ20nmのAl膜を得た。ここで、試料A1、B1、C1、D1のそれぞれのAl膜12の成長温度を100℃、150℃、250℃、300℃とし、それぞれの上記サイクル数を160、176、217、239とした。
(試料Z1の作製)
まず、比較例に係るGa層51として、(−201)面を主面とするGa基板を用意し、裏面にBClRIE(Reactive Ion Etching)処理を施した。
次に、比較例に係るAl膜52として、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、試料A1、B1、C1、D1のAl膜12と同様に、厚さ20nmのAl膜を250℃でGa層51上に成膜し、試料Z1を得た。
(試料A1、B1、C1、D1の断面の観察)
図3(a)〜(d)は、それぞれ、実施例に係る試料A1、B1、C1、D1の垂直断面のTEM観察像である。図3(a)〜(d)の紙面に垂直に表から裏へ向く方向が、Ga層11の[001]方向に一致している。
図3(a)〜(d)によれば、試料A1、B1、C1、D1のAl膜12に含まれる結晶質層12aの厚さは、それぞれ、1.1nm、1.5nm、2.7nm、4.9nmであった。
図3(a)〜(d)は、試料A1、B1、C1、D1のAl膜12には結晶質層12aが含まれ、また、Al膜12の成長温度によって結晶質層12aの厚さが異なることを示している。
なお、試料A1、B1、C1、D1のAl膜12上の層13は、試料の切り出しの際に、観察領域の改質を防ぐためのカーボン系材料からなる保護膜である。
図4は、実施例に係る試料A1、B1、C1、D1のAl膜12の成長温度と、結晶質層12aの厚さの関係を示すグラフである。
図4に示されるように、Al膜12の成長温度が高くなるとともに、結晶質層12aの厚さが大きくなる。このことから、Al膜12の成長温度により、結晶質層12aの厚さを制御することが可能であるといえる。
図5は、図3(c)に示される試料C1の、250℃で成膜されたAl膜12に含まれる結晶質層12aの電子線回折パターンである。この電子線回折パターンが周期性を有することから、結晶質層12aに結晶構造が形成されていることを確認できる。
(試料Z1の断面の観察)
図6は、比較例に係る試料Z1の垂直断面のTEM観察像である。なお、Al膜52上の層53は、Au膜である。
図6は、試料Z1のAl膜52が、非晶質のAlを主成分とする層のみからなることを示している。
試料Z1のAl膜52は、試料A1、B1、C1、D1のAl膜12と同様に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、250℃で成膜されたものである。このことは、下地となるGa層の主面の面方位により、結晶質層が形成されるか否かが決定されることを示している。
実施例として、上記の試料A1、B1、C1、D1を用いて第2の実施の形態に係るキャパシタ20に相当する4つのキャパシタ(以下、試料A2、B2、C2、D2と呼ぶ)を作製し、その界面準位密度を測定した。
また、比較例として、上記の試料Z1を用いてキャパシタ(以下、試料Z2と呼ぶ)を作製し、その界面準位密度を測定した。
(試料A2、B2、C2、D2の作製)
まず、試料A1、B1、C1、D1のGa層11の裏面に厚さ20nmのTi膜と厚さ230nmのAu膜を蒸着により積層することにより、カソード電極21に相当するカソード電極を形成した。
次に、試料A1のAl膜12の表面に蒸着した厚さ250nmのAu膜を、リフトオフによって直径200μmの円形に残すことにより、アノード電極22に相当するアノード電極を形成した。これにより、試料A2、B2、C2、D2を得た。
(試料Z2の作製)
試料Z1に、試料A2、B2、C2、D2と同様の条件でカソード電極及びアノード電極を形成し、試料Z2を得た。
(界面準位密度の測定)
図7は、実施例に係る試料A2、B2、C2、D2、及び比較例に係る試料Z2の界面準位密度を示すグラフである。図7の縦軸は、界面準位密度(Dit)であり、横軸は、伝導帯の底からのエネルギー(E−E)である。
これらの界面準位密度は、試料A2、B2、C2、D2におけるAl膜12とGa層11との界面、又は試料Z2におけるAl膜52とGa層51との界面における界面準位密度であり、高周波におけるC−V特性と低周波におけるC−V特性の比較するHigh−Low法を用いて導出されたものである。
図7によれば、Al膜に結晶質層を含まない試料Z2の界面準位密度が最も高く、厚い結晶質層がAl膜含まれる試料C2、D2の界面準位密度が特に低い。このことは、Al膜に結晶質層が形成されることにより界面準位密度が低減されること、及び結晶質層の厚さが大きくなるほど界面準位密度が低減されることを示している。
図7は、Al膜の成長温度を250℃以上とすることにより、界面準位密度を特に効果的に低減できることを示している。しかしながら、250℃は界面準位密度を大きく低減させるための臨界温度であるため、再現性を高めるためには、成長温度を250℃よりも高く設定することが求められる。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
例えば、第2の実施の形態において、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体10を含む半導体素子の一例として、キャパシタ20を挙げたが、半導体積層構造体10を含む半導体素子はこれに限られず、MOSFET等、Al膜12を介した電界効果によってチャネル領域の導電性が制御される素子であればよい。
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
10…半導体積層構造体、 11…Ga層、 12…Al膜、 12a…結晶質層、 12b…非晶質層12b、 20…キャパシタ

Claims (5)

  1. Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層上に、酸素プラズマを酸化剤に用いたプラズマALD法により、結晶質のAlを主成分とする結晶質層と、前記結晶質層上の非晶質のAlを主成分とする非晶質層とを含むAl膜を形成する工程を含み、
    前記Al膜の成長温度により、前記結晶質層の厚さを制御する、
    半導体積層構造体の製造方法。
  2. 前記成長温度が250℃よりも高い、
    請求項1に記載の半導体積層構造体の製造方法。
  3. 前記Al膜上に電極を形成する工程を含む、
    請求項1又は2に記載の半導体積層構造体の製造方法を含む、前記Al膜を介して電界効果を及ぼす半導体素子の製造方法。
  4. Ga単結晶からなり、主面の面方位が(010)であるGa層と、
    前記Ga層上に形成されたAl膜と、
    を有し、
    前記Al膜は、前記Ga層に接触する結晶質のAlを主成分とし、厚さが2.7nmよりも大きい結晶質層と、前記結晶質層上の非晶質のAlを主成分とする非晶質層とを含む、
    半導体積層構造体。
  5. 前記Al膜上に電極を有し、
    前記Al膜を介して電界効果を及ぼす、
    請求項4に記載の半導体積層構造体を含む、半導体素子。
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