JP2018032699A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、α−Ga2O3は、既に汎用に販売されているサファイア基板と同じ結晶構造を有するため、光・電子デバイスへの利用には好適であり、さらに、β−Ga2O3よりも広いバンドギャップをもつため、パワーデバイスに特に有用であり、そのため、α−Ga2O3を半導体として用いた半導体装置が待ち望まれている状況である。
また、特許文献3には、β−Ga2O3を半導体として用い、これに適合したショットキー特性が得られる電極として、Au、Pt、あるいはNiおよびAuの積層体のいずれかを用いた半導体装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1〜3の記載の電極を、α−Ga2O3を半導体として用いた半導体装置に適用した場合、ショットキー電極やオーミック電極として機能しなかったり、電極が膜につかなかったり、半導体特性が損なわれたりするなどの問題があった。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
[1] 金属酸化物を含むショットキー電極と、インジウム、ガリウム又はアルミニウムを含む半導体層とを少なくとも備える半導体装置であって、
前記金属酸化物が、周期律表第6族〜第9族のいずれかに属する1種又は2種以上の金属を含む金属酸化物であることを特徴とする半導体装置。
[2] 前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体膜を構成材料とする前記[1]記載の半導体装置。
[3] 前記半導体層が、インジウム又はガリウムを含む前記[1]又は[2]に記載の半導体装置。
[4] 前記金属酸化物が、周期律表第6族の金属を含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[5] 前記金属酸化物がタングステンを含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[6] 前記金属酸化物が、周期律表第7族の金属を含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[7] 前記金属酸化物が、レニウムを含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[8] 前記金属酸化物が、周期律表第8族の金属を含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[9] 前記金属酸化物が、ルテニウムを含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[10] 前記金属酸化物が、周期律表第9族の金属を含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[11] 前記金属酸化物が、コバルト又はイリジウムを含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置。
[12] ショットキーバリアダイオードである前記[1]〜[11]のいずれかに記載の半導体装置。
[13] 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が前記[1]〜[12]のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
霧化・液滴化工程は、前記原料溶液を霧化または液滴化する。前記原料溶液の霧化手段または液滴化手段は、前記原料溶液を霧化または液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化手段または液滴化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミストまたは液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷がないため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは100nm〜10μmである。
前記原料溶液は、霧化または液滴化が可能な材料を含んでおり、重水素を含有していれば特に限定されず、無機材料であっても、有機材料であってもよいが、本発明においては、金属または金属化合物であるのが好ましく、ガリウム、鉄、インジウム、アルミニウム、バナジウム、チタン、クロム、ロジウム、ニッケル、コバルト、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、シリコン、イットリウム、ストロンチウムおよびバリウムから選ばれる1種または2種以上の金属を含むのがより好ましい。
搬送工程では、キャリアガスでもって前記ミストまたは前記液滴を成膜室内に搬送する。前記キャリアガスとしては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、流量を下げた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、0.01〜20L/分であるのが好ましく、1〜10L/分であるのがより好ましい。希釈ガスの場合には、希釈ガスの流量が、0.001〜2L/分であるのが好ましく、0.1〜1L/分であるのがより好ましい。
成膜工程では、成膜室内で前記ミストまたは液滴を熱反応させることによって、基体上に、結晶性酸化物半導体膜を成膜する。熱反応は、熱でもって前記ミストまたは液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度(例えば1000℃)以下が好ましく、650℃以下がより好ましく、300℃〜650℃が最も好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよいが、非酸素雰囲気下または酸素雰囲気下で行われるのが好ましい。また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、大気圧下で行われるのが好ましい。なお、膜厚は、成膜時間を調整することにより、設定することができる。
前記基体は、前記結晶性酸化物半導体膜を支持できるものであれば特に限定されない。前記基体の材料も、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基体であってよく、有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。前記基体の形状としては、どのような形状のものであってもよく、あらゆる形状に対して有効であり、例えば、平板や円板等の板状、繊維状、棒状、円柱状、角柱状、筒状、螺旋状、球状、リング状などが挙げられるが、本発明においては、基板が好ましい。基板の厚さは、本発明においては特に限定されない。
図1は、本発明に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の好適な一例を示している。図1のSBDは、n−型半導体層101a、n+型半導体層101b、ショットキー電極105aおよびオーミック電極105bを備えている。
ショットキー電極およびオーミック電極の形成は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ミストCVD法などの公知の手段により行うことができる。より具体的に例えば、ショットキー電極を形成する場合、真空蒸着法、スパッタリング法、ミストCVD法などにより金属層を形成した後、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより行うことができる。
なお、本発明においては、金属酸化物層とともに金属層が用いられるのが、半導体特性がより良好となるので好ましく、金属酸化物層とともに用いられる金属層が、銅、アルミニウム、金及びニッケルから選ばれる1種または2種以上を含むのがより好ましい。
その他の構成等については、上記図1のSBDの場合と同様である。
図2のSBDは、図1のSBDに比べ、さらに絶縁特性に優れており、より高い電流制御性を有する。
図7は、本発明に用いられる金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)の一例を示している。図7のMESFETは、n−型半導体層111a、n+型半導体層111b、緩衝層(バッファ層)118、半絶縁体層114、ゲート電極115a、ソース電極115bおよびドレイン電極115cを備えている。
1−1.成膜装置
図5を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置1を説明する。ミストCVD装置1は、キャリアガスを供給するキャリアガス源2aと、キャリアガス源2a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3aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)源2bと、キャリアガス(希釈)源2bから送り出されるキャリアガス(希釈)の流量を調節するための流量調節弁3bと、原料溶液4aが収容されるミスト発生源4と、水5aが入れられる容器5と、容器5の底面に取り付けられた超音波振動子6と、成膜室7と、ミスト発生源4から成膜室7までをつなぐ供給管9と、成膜室7内に設置されたホットプレート8と、熱反応後のミスト、液滴および排気ガスを排出する排気口11とを備えている。なお、ホットプレート8上には、基板10が設置されている。
0.1M臭化ガリウム水溶液に臭化スズを混合し、ガリウムに対するスズの原子比が1:0.08となるように水溶液を調整し、この際、臭化重水素酸を体積比で10%を含有させ、これを原料溶液とした。
上記1−2.で得られた原料溶液4aをミスト発生源4内に収容した。次に、基板10として、サファイア基板をホットプレート8上に設置し、ホットプレート8を作動させて成膜室7内の温度を470℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁3a、3bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段2a、2bからキャリアガスを成膜室7内に供給し、成膜室7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5.0L/分に、キャリアガス(希釈)の流量を0.5L/分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして窒素を用いた。
次に、超音波振動子6を2.4MHzで振動させ、その振動を、水5aを通じて原料溶液4aに伝播させることによって、原料溶液4aを霧化させてミスト4bを生成させた。このミスト4bが、キャリアガスによって、供給管9内を通って、成膜室7内に導入され、大気圧下、470℃にて、成膜室7内でミストが熱反応して、基板10上に膜が形成された。なお、膜厚は7.5μmであり、成膜時間は180分間であった。
XRD回折装置を用いて、上記1−4.にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ga2O3であった。
2−1.成膜装置
図6を用いて、実施例で用いたミストCVD装置19を説明する。ミストCVD装置19は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22a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23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22b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23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部に設置されたヒーター28とを備えている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で作製することにより、基板20上に形成される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。
0.1M臭化ガリウム水溶液に臭化重水素酸を体積比で20%を含有させ、これを原料溶液とした。
上記1−2.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、基板20として、サファイア基板から剥離したn+型半導体膜をサセプタ21上に設置し、ヒーター28を作動させて成膜室27内の温度を510℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23a、23bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段22a、22bからキャリアガスを成膜室27内に供給し、成膜室27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5L/分に、キャリアガス(希釈)の流量を0.5L/分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
次に、超音波振動子26を2.4MHzで振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを霧化させてミストを生成した。このミストが、キャリアガスによって成膜室27内に導入され、大気圧下、510℃にて、成膜室27内でミストが反応して、基板20上に半導体膜が形成された。なお、膜厚は3.6μmであり、成膜時間は120分間であった。
XRD回折装置を用いて、上記2−4.にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ga2O3であった。
図3に示されるように、n−型半導体層上に、ReO3層をミストCVD法にて積層し、Re層およびAl層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、ReO3層の厚さは0.5μmであり、Re層の厚さは0.08μmであり、Al層の厚さは5μmであった。
n+型半導体層上に、Ti層およびAu層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、Ti層の厚さは0.05μmであり、Au層の厚さは0.3μmであった。
以上のようにして得られた半導体装置につき、IV測定を実施し、ショットキー特性が良好であることを確認し、さらに、耐圧を調べたところ、約870Vであった。これらの結果から、実施例1品が半導体特性およびショットキー特性に優れていることがわかる。
Re層の代わりにTi層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Re層の代わりにCr層を用いたこと、及びReO3層の代わりに、CuドープCs0.33WO3層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Re層の代わりにIr層を用いたこと、及びReO3層の代わりに、IrO2層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Re層の代わりにCo層を用いたこと、及びReO3層の代わりに、CoO3層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Re層を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Re層の代わりにTi層を用いたこと、及びReO3層の代わりに、RuO3層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
Al層の代わりにCu層を用いたこと以外は、実施例1と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置は、実施例1と同様、良好な半導体特性およびショットキー特性を示した。
参考までに、ショットキー電極にPtを用いた場合のIV測定結果を図11に示す。図11からも明らかなとおり、α−Ga2O3の半導体層を用いた場合、半導体特性やショットキー特性が大幅に損なわれることがわかる。
ショットキー電極にITO膜を用いたところ、ITO膜では、抵抗が非常に悪かった。なお、ITO膜はスパッタリングにて成膜した。
2a キャリアガス源
2b キャリアガス(希釈)源
3a 流量調節弁
3b 流量調節弁
4 ミスト発生源
4a 原料溶液
4b ミスト
5 容器
5a 水
6 超音波振動子
7 成膜室
8 ホットプレート
9 供給管
10 基板
11 排気口
19 ミストCVD装置
20 基板
21 サセプタ
22a キャリアガス供給手段
22b キャリアガス(希釈)供給手段
23a 流量調節弁
23b 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
28 ヒーター
29 排気口
50a ショットキー電極(3層)
50b ショットキー電極(2層)
51 Al層
52 Re層
53 ReO3層
54 Re層
55 ReO3層
101a n−型半導体層
101b n+型半導体層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
111a n−型半導体層
111b n+型半導体層
114 半絶縁体層
115a ゲート電極
115b ソース電極
115c ドレイン電極
118 緩衝層
Claims (13)
- 金属酸化物を含むショットキー電極と、インジウム、ガリウム又はアルミニウムを含む半導体層とを少なくとも備える半導体装置であって、
前記金属酸化物が、周期律表第6族〜第9族のいずれかに属する1種又は2種以上の金属を含む金属酸化物であることを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体膜を構成材料とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体層が、インジウム又はガリウムを含む請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、周期律表第6族の金属を含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物がタングステンを含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、周期律表第7族の金属を含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、レニウムを含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、周期律表第8族の金属を含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、ルテニウムを含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、周期律表第9族の金属を含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物が、コバルト又はイリジウムを含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオードである請求項1〜11のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が請求項1〜12のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
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