JP2021002545A - 酸化物半導体膜、酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法及び酸化物半導体膜の製造方法 - Google Patents
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本発明に係る酸化物半導体膜は、ガリウムを主成分とする酸化物半導体膜であって、当該膜の膜厚は1μm以上であり、熱処理されることで電気抵抗率が上昇するものである。一般に酸化物半導体膜は金属と酸素から構成されるが、本発明に係る酸化物半導体膜においては、金属としてガリウムを主成分としていればよい。なお、本発明において「ガリウムを主成分とする」とは、金属成分のうち50〜100%がガリウムであることを意味する。ガリウム以外の金属成分としては、例えば、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、イリジウム、ニッケル及びコバルトから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでもよい。
本発明に係る酸化物半導体膜は、熱処理されることで電気抵抗率が上昇するものである。このとき、熱処理の条件は特に限定されない。熱処理の温度は、350℃以上とすることが好ましい。このような温度範囲であれば、数分〜数十分程度の短時間で電気抵抗率を上昇させることができる。熱処理温度の上限は特に限定されないが、後工程の半導体装置製造工程における最高温度以下とすることが好ましい。例えば、1100℃以下とすることができるが、温度が高くなるほど熱処理に要する合計時間が長くなるため、1000℃以下とすることが好ましく、700℃以下とすることがより好ましい。
次に、本発明に係る酸化物半導体膜の製造について述べる。まず、本発明に係る酸化物半導体膜を製造可能な成膜装置について説明する。図1に、本発明に係る酸化物半導体膜の製造方法に使用可能な成膜装置101の一例を示す。成膜装置101は、原料溶液をミスト化してミストを発生させるミスト化部120と、ミストを搬送するキャリアガスを供給するキャリアガス供給部130と、ミストを熱処理して基板110上に成膜を行う成膜部140と、ミスト化部120と成膜部140とを接続し、キャリアガスによってミストが搬送される搬送部109とを有する。また、成膜装置101は、成膜装置101の全体又は一部を制御する制御部(図示なし)を備えることによって、その動作が制御されてもよい。
原料溶液104aは、金属源として少なくともガリウムと、電気抵抗率調整のためのドーパント元素を含む、ミスト化が可能な材料である。原料溶液104aの詳細については、後述の原料溶液の作製方法において説明する。
ミスト化部120では、原料溶液104aを調整し、原料溶液104aをミスト化してミストを発生させる。ミスト化手段は、原料溶液104aをミスト化できさえすれば特に限定されず、公知のミスト化手段であってよいが、超音波振動によるミスト化手段を用いることが好ましい。より安定してミスト化することができるためである。
搬送部109は、ミスト化部120と成膜部140とを接続する。搬送部109を介して、ミスト化部120のミスト発生源104から成膜部140の成膜室107へと、キャリアガスによってミストが搬送される。搬送部109は、例えば、供給管109aとすることができる。供給管109aとしては、例えば石英管や樹脂製のチューブなどを使用することができる。
成膜部140では、ミストを加熱し熱反応を生じさせて、基板110の表面の一部又は全部に成膜を行う。成膜部140は、例えば、成膜室107を備え、成膜室107内には基板110が設置されており、該基板110を加熱するためのホットプレート108を備えることができる。ホットプレート108は、図1に示されるように成膜室107の外部に設けられていてもよいし、成膜室107の内部に設けられていてもよい。また、成膜室107には、基板110へのミストの供給に影響を及ぼさない位置に、排ガスの排気口112が設けられてもよい。
基板110は、成膜可能であり膜を支持できるものであれば特に限定されない。前記基板110の材料も、特に限定されず、公知の基板を用いることができ、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。例えば、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、鉄やアルミニウム、ステンレス鋼、金等の金属、シリコン、サファイア、石英、ガラス、酸化ガリウム等が挙げられるが、これに限られるものではない。基板110の厚さは特に限定されないが、好ましくは、10〜2000μmであり、より好ましくは50〜800μmである。また基板110の面積は100mm2以上が好ましく、より好ましくは口径が2インチ(50mm)以上である。
キャリアガス供給部130は、キャリアガスを供給するキャリアガス源102aを有し、キャリアガス源102aから送り出されるキャリアガス(以下、「主キャリアガス」という)の流量を調節するための流量調節弁103aを備えていてもよい。また、必要に応じて希釈用キャリアガスを供給する希釈用キャリアガス源102bや、希釈用キャリアガス源102bから送り出される希釈用キャリアガスの流量を調節するための流量調節弁103bを備えることもできる。
本発明に係る酸化物半導体膜の製造方法では、少なくともドーパント元素を含有する第一の水溶液と、少なくともガリウムを含有する第二の水溶液とを、それぞれ別々に作製しておき、作製した前記第一の水溶と、作製した前記第二の水溶液とを混合して第三の水溶液を作製することに特徴を有する。
まず、上記のようにして作製した原料溶液104aを、ミスト化部120のミスト発生源104内に収容し、基板110をホットプレート108上に直接又は成膜室107の壁を介して設置し、ホットプレート108を作動させる。
成膜して得られた酸化物半導体膜を自立膜とする場合には、下地として用いた基板110を、酸化物半導体膜から剥離することができる。剥離手段(方法)は特に限定されず、公知の手段であってもよい。剥離手段(方法)としては例えば、機械的衝撃を与えて剥離する手段、熱を加えて熱応力を利用して剥離する手段、超音波等の振動を加えて剥離する手段、エッチングして剥離する手段、レーザーリフトオフなどが挙げられる。前記剥離によって、前記酸化物半導体膜を自立膜として得ることができる。
本発明に係る酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法では、作製した1μm以上の膜厚を有する酸化物半導体膜に対し熱処理を行うことで電気抵抗率を上昇させ、所望の値とする。これにより、例えば、所望の電気抵抗率より低い膜が得られた場合であっても、熱処理により電気抵抗率を調整でき、所望の電気抵抗率を有する酸化物半導体膜を得ることができる。また、酸化物半導体膜の電気抵抗率が所望の値よりも低めとなるようにして成膜しておき、熱処理により電気抵抗率を所望の範囲内とすれば、その後の半導体装置製造等のプロセスで受ける熱履歴による電気抵抗率の変動を抑制することもできる。なお、電気抵抗率を上昇させる熱処理は、すでに説明したとおりである。
本発明に係る酸化物半導体膜は、適宜構造設計を行うことで、半導体装置に利用できる。例えば、ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、発光ダイオード(LED)などそれぞれの半導体層を構成することができる。
半導体装置を構成するために必要となる電極の形成は、一般的な方法を用いることができる。すなわち、蒸着、スパッタ、CVD、めっきなどの他、樹脂等と一緒に接着させる印刷法など、いずれを用いてもかまわない。電極材料としては、Al、Ag、Ti、Pd、Au、Cu、Cr、Fe、W、Ta、Nb、Mn、Mo、Hf、Co、Zr、Sn、Pt、V、Ni、Ir、Zn、In、Ndなどの金属の他、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェンまたはポリピロールなどの有機導電性化合物、いずれを用いてもかまわないし、これらの2種以上の合金、混合物でもかまわない。電極の厚さは、1〜1000nmが好ましく、より好ましくは、10〜500nmとすることができる。
上述の成膜方法に基づいて、コランダム構造を有する酸化ガリウム(α−Ga2O3)の成膜を行った。
成膜時間を30分としたこと以外は、比較例1と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は1.7μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、1.6Ωcm、8.1Ωcmとなり、この場合も約5倍の電気抵抗率の上昇が確認された。
熱処理温度・時間を400℃・5分としたこと以外は、実施例1と同じ条件で成膜、評価を行った。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、1.8Ωcm、8.8Ωcmとなった。
熱処理温度・時間を500℃・2分としたこと以外は、実施例1と同じ条件で成膜、評価を行った。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、1.7Ωcm、8.3Ωcmとなった。
第一の水溶液として、酸化ゲルマニウム5%の水溶液を作製した。酸化ゲルマニウムの溶解促進のためこれに48%臭化水素を10%混合し、第一の水溶液とした。第二の水溶液として、臭化ガリウム0.1mol/Lの水溶液を調整し、さらに48%臭化水素酸溶液を体積比で10%となるように含有させた。第二の水溶液0.5Lに対し、第一の水溶液を5.0mL混合し、これを原料溶液104aとした。以降は実施例1と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は1.7μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率はそれぞれ9.7Ωcm、52Ωcmとなった。
成膜時間を60分としたこと以外は、実施例4と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は3.3μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、0.065Ωcm、0.31Ωcmとなった。
第一の水溶液として、臭化スズ10%の水溶液を作製した。これに48%臭化水素を10%混合し、第一の水溶液とした。第二の水溶液として、臭化ガリウム0.1mol/Lの水溶液を調整し、さらに48%臭化水素酸溶液を体積比で10%となるように含有させた。第二の水溶液0.5Lに対し、第一の水溶液を10.0mL混合し、これを原料溶液104aとした。以降は実施例1と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は1.7μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、0.052Ωcm、0.34Ωcmとなった。
成膜時間を60分としたこと以外は、実施例6と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は3.4μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率は、それぞれ、0.074Ωcm、0.49Ωcmとなった。
第一の水溶液として、塩化スズ1%の水溶液を作製した。これに48%臭化水素を10%および過酸化水素をスズと等モルとなるよう混合し、第一の水溶液とした。第二の水溶液として、ヨウ化ガリウム0.1mol/Lの水溶液を調整し、さらに57%ヨウ化水素酸溶液を体積比で10%となるように含有させた。第二の水溶液0.5Lに対し、第一の水溶液を2.2mL混合し、これを原料溶液104aとした。以降は実施例1と同じ条件で成膜、評価を行った。この結果、膜厚は3.2μmとなった。熱処理前後の電気抵抗率はそれぞれ2.1Ωcm、9.9Ωcmとなった。
ドーパントを含有する水溶液と、ガリウムを含有する水溶液とを別々に作製せず、初めから混合した溶液とした。原料溶液104aとして、ヨウ化ガリウム0.1mol/Lの水溶液に48%臭化水素を10%、および、塩化スズをガリウムとの原子数比が実施例8と同じになるよう混合した。さらに、過酸化水素をスズと等モルとなるよう混合したところ、溶液は無色から褐色へ変化してしまい、沈殿物も確認された。この溶液を用い、実施例8と同様の成膜処理を行ったが、成膜されなかった。
102b…希釈用キャリアガス源、 103a…流量調節弁、
103b…流量調節弁、 104…ミスト発生源、 104a…原料溶液、
105…容器、 105a…水、 106…超音波振動子、 107…成膜室、
108…ホットプレート、 109…搬送部、 109a…供給管、
110…基板、 112…排気口、 116…発振器、 120…ミスト化部、
130…キャリアガス供給部、 140…成膜部。
Claims (13)
- ガリウムを主成分とする酸化物半導体膜であって、
ドーパント元素と、金属として少なくともガリウムを含み、
膜厚が1μm以上であり、
熱処理されることで電気抵抗率が上昇するものであることを特徴とする酸化物半導体膜。 - 前記熱処理の温度は350℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物半導体膜。
- 前記ドーパント元素として、スズ(Sn)を含むものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の酸化物半導体膜。
- 前記酸化物半導体膜の面積が100mm2以上のものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の酸化物半導体膜。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の酸化物半導体膜を含むことを特徴とする半導体装置。
- ガリウムを主成分とする酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法であって、
1μm以上の膜厚を有し、ドーパント元素と、金属として少なくともガリウムを含む前記酸化物半導体膜に対し熱処理を行うことで、電気抵抗率を上昇させて所望の値とすることを特徴とする酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法。 - 前記熱処理の温度を350℃以上とすることを特徴とする請求項6に記載の酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法。
- 前記ドーパント元素として、スズ(Sn)を含むものとすることを特徴とする請求項6又は7に記載の酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法。
- 前記酸化物半導体膜の面積が100mm2以上のものを用いることを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の酸化物半導体膜の電気抵抗率調整方法。
- ガリウムを主成分とする酸化物半導体膜の製造方法であって、
少なくともドーパント元素を含有する第一の水溶液と、金属として少なくともガリウムを含有する第二の水溶液をそれぞれ作製し、
作製した前記第一の水溶液と、作製した前記第二の水溶液を混合して第三の水溶液を作製し、
前記第三の水溶液を霧化又は液滴化して生成されるミストを、キャリアガスを用いて基板まで搬送し、前記基板上で前記ミストを熱反応させて前記酸化物半導体膜を成膜することを特徴とする酸化物半導体膜の製造方法。 - 前記熱反応により1μm以上の膜厚を有する前記酸化物半導体膜を成膜することを特徴とする請求項10に記載の酸化物半導体膜の製造方法。
- 前記ドーパント元素として、スズ(Sn)を用いることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の酸化物半導体膜の製造方法。
- 前記基板として、成膜面の面積が100mm2以上のものを用いることを特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の酸化物半導体膜の製造方法。
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