JP2021172555A - 結晶膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献8には、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用いて、ハライド気相成長法(HVPE法)により、コランダム構造を有する酸化ガリウムを成膜することが記載されている。しかしながら、α―Ga2O3は準安定相であるので、β―Ga2O3のように成膜することが困難であり、工業的にはまだまだ多くの課題があった。また、特許文献10および11には、PSS基板を用いて、ELO結晶成長を行い、表面積は9μm2以上であり、転位密度が5×106cm−2の結晶膜を得ることが記載されている。しかしながら、パワーデバイスとして酸化ガリウムの性能を存分に発揮するには、転位密度だけでなく、さらにSi等の不純物を低減すること、すなわち、Siの含有量を1×1016cm−3以下とすることなどが必要であり、このような不純物の無い結晶膜を容易に製造できる方法が待ち望まれている。
なお、特許文献1〜11はいずれも本出願人らによる特許または特許出願に関する公報であり、現在も検討が進められている。
[1] 原料から結晶成長により基板上に結晶膜を形成する結晶膜の製造方法であって、前記原料がGaCl3を含み、前記の結晶成長を、前記原料の分圧を1kPa以上且つ酸素含有雰囲気下の結晶成長条件にて行うことを特徴とする結晶膜の製造方法。
[2] 前記の結晶成長を、HVPE法により行前記[1]記載の製造方法。
[3] 前記の結晶成長を、成膜速度90μm/時間以上の結晶成長条件にて行う、前記[1]または[2]に記載の製造方法。
[4] 前記の結晶成長を、400〜700℃の温度下で行う、前記[1]〜[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5] 前記の結晶成長を、前記基板上に、直接または他の層を介して、凹部または凸部からなる凹凸部を形成し、ついで、該凹凸部上に前記結晶膜を形成することにより行う前記[1]〜[4]のいずれかに記載の製造方法。
[6] 前記凹凸部の形成を、前記基板上に直接または他の層を介してマスクを規則的に配列することにより行う、前記[1]〜[5]のいずれかに記載の製造方法。
[7] 前記結晶基板が、サファイア基板である前記[1]〜[6]のいずれかに記載の製造方法。
[8] 前記結晶膜が、結晶性酸化物膜である前記[1]〜[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9] 前記結晶性酸化物膜が、Ga2O3またはその混晶を含む前記[8]記載の製造方法。
[10] 前記結晶性酸化物膜が、コランダム構造を有する前記[8]または[9]に記載の製造方法。
前記基板は、通常、結晶基板である。前記結晶基板は、結晶物を主成分として含む基板であれば、特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板、またはβ−ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板、六方晶構造を有する結晶物を主成分として含む基板などが挙げられる。なお、前記「主成分」とは、基板中の組成比で、前記結晶物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。
また、本発明においては、前記凸部の形成を、前記結晶基板上にマスク層を形成することにより行うのが好ましい。マスク層は、例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法等の公知の成膜手段によってマスク層の構成材料を成膜した後、上記した公知のパターグ加工手段によって加工することにより好適に形成することができる。前記マスク層の構成材料としては、前記凸部の構成材料として例示した材料等が挙げられる。本発明においては、前記マスク層を用いて結晶膜を製造する場合、前記多結晶を少なくとも前記マスク層上に形成するのが、より厚膜且つより大面積の前記結晶性酸化物層を得ることができるので、好ましい。
図2は、本発明における結晶基板の結晶成長面上に設けられた凹凸部の一態様を示す。図2の凹凸部は、結晶基板1と、マスク層4とから構成されている。図3は、天頂方向から見た図2に示す凹凸部の表面を示している。図2および図3からわかるように、マスク層4は、結晶基板1の結晶成長面上に形成されており、ドット状に穴が空いている。マスク層4のドットの穴からは結晶基板1が露出しており、ドット状の凹部2bが三角格子状に形成されている。なお、前記ドットの円は、それぞれ一定の周期aの間隔ごとに設けられている。周期aは、特に限定されないが、本発明においては、1μm〜1mmであるのが好ましく、5μm〜300μmであるのがより好ましい。ここで、周期aは、隣接するドットの円の端部同士の間の距離をいう。なお、マスク層4は、マスク層4の構成材料を成膜した後、フォトリソグラフィー等の公知の手段を用いて所定形状に加工することにより形成することができる。また、マスク層4の構成材料としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn、Al等の酸化物、窒化物または炭化物、カーボン、ダイヤモンド、金属、またはこれらの混合物等が挙げられる。また、マスク層4の成膜手段は、特に限定されず、公知の手段であってよい。前記マスク層4の成膜手段としては、例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法等が挙げられる。
前記金属源は、ガリウムを含んでおり、ガス化が可能なものであれば、特に限定されず、金属単体であってもよいし、金属化合物であってもよい。本発明においては、前記金属源が、ガリウム単体であるのが最も好ましい。また、前記金属源は、気体であってもよいし、液体であってもよいし、固体であってもよいが、本発明においては、前記金属源が液体であるのが好ましい。
前記結晶膜は、結晶性酸化物膜であるのが好ましく、前記結晶性酸化物膜は、結晶性酸化物の単結晶を主成分として含むのが好ましい。また、本発明においては、前記結晶性酸化物が半導体であってもよい。前記結晶性酸化物としては、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウムから選ばれる1種または2種以上の金属を含む金属酸化物の結晶などが挙げられる。本発明においては、前記結晶性酸化物が、アルミニウム、インジウムおよびガリウムから選ばれる少なくとも1種の金属を含有するのが好ましく、少なくともガリウムを含むのがより好ましく、Ga2O3またはその混晶であるのが最も好ましい。前記結晶性酸化物の結晶構造は、特に限定されない。前記結晶性酸化物の結晶構造としては、例えば、コランダム構造、β―ガリア構造、六方晶構造(例えば、ε型構造等)、直方晶構造(例えばκ型構造等)、立方晶構造、または正方晶構造等が挙げられる。本発明においては、前記結晶性酸化物が、コランダム構造、β―ガリア構造または六方晶(例えば、ε型構造等)を有するのが好ましく、コランダム構造を有するのがより好ましい。なお、「主成分」とは、前記結晶性酸化物が、原子比で、前記結晶性酸化物層の全成分に対し、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。前記結晶性酸化物層の厚さは、特に限定されないが、10μm以上であるのが好ましく、30μm以上であるのがより好ましく、50μm以上であるのが最も好ましい。
1.ELOマスクの形成
基板として、表面にα―Ga2O3層が形成されたサファイア基板(c面、オフ角0.25°)を用いて、基板上にスパッタリング法を用いてSiO2からなるマスク層を形成し、ついで、フォトリソグラフィー法を用いて、形成したマスク層を所定形状のマスクに加工した。具体的には、開口部(ドット)(直径:5μm)が、周期(隣接するドットの端部どうしの間の距離)5μmで三角格子状に基板上に配列するようにマスク層を加工した。
2−1.HVPE装置
図1を用いて、本実施例で用いたハライド気相成長(HVPE)装置50を説明する。HVPE装置50は、反応室51と、金属源57を加熱するヒータ52aおよび基板ホルダ56に固定されている基板を加熱するヒータ52bとを備え、さらに、反応室51内に、酸素含有原料ガス供給管55bと、反応性ガス供給管54bと、基板を設置する基板ホルダ56とを備えている。そして、反応性ガス供給管54b内には、金属含有原料ガス(金属ハロゲン化物ガス)供給管53bが備えられており、二重管構造を形成している。なお、酸素含有原料ガス供給管55bは、酸素含有原料ガス供給源55aと接続されており、酸素含有原料ガス供給源55aから酸素含有原料ガス供給管55bを介して、酸素含有原料ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、酸素含有原料ガスの流路を構成している。また、反応性ガス供給管54bは、反応性ガス供給源54aと接続されており、反応性ガス供給源54aから反応性ガス供給管54bを介して、反応性ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、反応性ガスの流路を構成している。金属含有原料ガス供給管53bは、ハロゲン含有原料ガス供給源53aと接続されており、ハロゲン含有原料ガスが金属源に供給されて金属含有原料ガスとなり金属含有原料ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給される。反応室51には、使用済みのガスを排気するガス排出部59が設けられており、さらに、反応室51の内壁には、反応物が析出するのを防ぐ保護シート58が備え付けられている。
金属含有原料ガス供給管53b内部にガリウム(Ga)金属源57(純度99.99999%以上)を配置し、反応室51内の基板ホルダ56上に、基板として、上記1.で得られたマスク層付きのサファイア基板を設置した。その後、ヒータ52aおよび52bを作動させて反応室51内の温度を570℃(Ga金属源付近)および520℃(基板ホルダ付近)にまで昇温させた。
金属原料含有ガス供給管53b内部に配置したガリウム(Ga)金属57に、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから、塩化水素(HCl)ガス(純度99.999%以上)を供給した。Ga金属と塩化水素(HCl)ガスとの化学反応によって、塩化ガリウム(GaCl/GaCl3)を生成した。得られた塩化ガリウム(GaCl/GaCl3)と、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるO2ガス(純度99.99995%以上)を、反応性ガス供給管54bを通して、前記基板上に供給した。そして、HClガスの流通下で、塩化ガリウム(GaCl/GaCl3)およびO2ガスを基板上で大気圧下、520℃にて反応させ、基板上に成膜した。ここで、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから供給されるHClガスの流量(分圧)を1kPa、反応性ガス供給源54aから供給されるHClガスの流量(分圧)を1kPa、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるO2ガスの流量(分圧)を2.5kPaに、それぞれ維持した。
上記2−3.にて得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図8に示す。また、得られた結晶膜の写真を図5に示す。また、得られた結晶膜につき、SIMS測定を実施した。測定結果を表1に示す。表1から明らかなとおり、実施例品は比較例品に比べSi等の含有量が検出限界値以下であった。
表2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶膜を作製した。得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図6に示す。
表2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶膜を作製した。得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図7に示す。
1 基板(結晶基板)
1a 基板の表面
2b 凹部
4 マスク層
50 ハライド気相成長(HVPE)装置
51 反応室
52a ヒータ
52b ヒータ
53a ハロゲン含有原料ガス供給源
53b 金属含有原料ガス(金属ハロゲン化物ガス)供給管
54a 反応性ガス供給源
54b 反応性ガス供給管
55a 酸素含有原料ガス供給源
55b 酸素含有原料ガス供給管
56 基板ホルダ
57 金属源
58 保護シート
59 ガス排出部
Claims (10)
- 原料から結晶成長により基板上に結晶膜を形成する結晶膜の製造方法であって、前記原料がGaCl3を含み、前記の結晶成長を、前記原料の分圧を1kPa以上且つ酸素含有雰囲気下の結晶成長条件にて行うことを特徴とする結晶膜の製造方法。
- 前記の結晶成長を、HVPE法により行う請求項1記載の製造方法。
- 前記の結晶成長を、成膜速度90μm/時間以上の結晶成長条件にて行う、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記の結晶成長を、400〜700℃の温度下で行う、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記の結晶成長を、前記基板上に、直接または他の層を介して、凹部または凸部からなる凹凸部を形成し、ついで、該凹凸部上に前記結晶膜を形成することにより行う請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記凹凸部の形成を、前記基板上に直接または他の層を介してマスクを規則的に配列することにより行う、請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- 前記結晶基板が、サファイア基板である請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記結晶膜が、結晶性酸化物膜である請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記結晶性酸化物膜が、Ga2O3またはその混晶を含む請求項8記載の製造方法。
- 前記結晶性酸化物膜が、コランダム構造を有する請求項8または9に記載の製造方法。
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