JP6066210B2 - Ga2O3系半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明は、Ga23系半導体素子に関する。
従来のGa23系半導体素子として、サファイア基板上に形成されたGa23結晶膜を用いたGa23系半導体素子が知られている(例えば、非特許文献1、2参照)。
K. Matsuzaki et al. Thin Solid Films 496, 2006, pp.37-41. K. Matsuzaki et al. Appl. Phys. Lett. 88, 092106, 2006.
しかしながら、Ga23結晶とサファイア結晶は結晶構造がまったく異なるため、サファイア基板上にGa23結晶をヘテロエピタキシャル成長させることは非常に困難である。このため、サファイア基板上のGa23結晶膜を用いて高品質のGa23系半導体素子を形成することは困難である。
したがって、本発明の目的は、高品質のGa23系半導体素子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、[1]〜[4]のGa23系半導体素子を提供する。
[1]第1の導電型を有するβ−Ga基板と、前記β−Ga基板上に直接または他の膜を介して形成されたβ−Ga単結晶膜と、前記β−Ga単結晶膜上に形成されたソース電極と、前記β−Ga基板の前記β−Ga単結晶膜と反対側の面上に形成されたドレイン電極と、前記β−Ga単結晶膜中に形成され、前記ソース電極が接続された、第1の濃度に制御された前記第1の導電型のドーパントを含み、前記第1の導電型を有するコンタクト領域と、前記β−Ga単結晶膜上に第1のゲート絶縁膜を介して形成された、又は第2のゲート絶縁膜に覆われて前記β−Ga 単結晶膜中に埋め込まれたゲート電極と、を含み、前記β−Ga基板は、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面を主面とし、前記ゲート電極が前記β−Ga 単結晶膜上に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成されている場合の前記β−Ga単結晶膜は、前記第1の濃度よりも低く制御された第2の濃度の前記第1の導電型のドーパントを含む前記第1の導電型を有する膜であって、前記コンタクト領域を囲む前記第1の導電型と異なる第2の導電型又はi型(真性)のボディ領域を有し前記ゲート電極が前記第2のゲート絶縁膜に覆われてβ−Ga 単結晶膜中に埋め込まれている場合の前記β−Ga 単結晶膜は、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する膜、又はドーパントを含まない膜である、Ga系半導体素子。
[2]前記ソース電極は第1及び第2のソース電極を含み、前記ゲート電極は、前記β−Ga単結晶膜上の前記第1のソース電極と前記第2のソース電極との間の領域に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成され、前記β−Ga単結晶膜は前記第1の導電型を有し、前記コンタクト領域は、前記第1及び第2のソース電極がそれぞれ接続される第1及び第2のコンタクト領域を含み、前記ボディ領域は、前記第1及び第2のコンタクト領域をそれぞれ囲む第1及び第2のボディ領域を含む、前記[1]に記載のGa系半導体素子。
[3]前記β−Ga単結晶膜は、前記β−Ga基板上に前記第1の導電型を有する他のβ−Ga単結晶膜を介して形成され、前記β−Ga単結晶膜は、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するか、又はドーパントを含まず、前記ゲート電極は、前記第2のゲート絶縁膜に覆われて前記β−Ga 単結晶膜中に埋め込まれ、前記コンタクト領域は、前記ゲート電極の両側にそれぞれ位置する第1及び第2のコンタクト領域を含む、前記[1]に記載のGa系半導体素子。
[4]前記第1及び第2の導電型は、それぞれn型及びp型である、前記[1]〜[3]のいずれか1つに記載のGa23系半導体素子。
本発明によれば、高品質のGa23系半導体素子を提供することができる。
第1の実施の形態に係るGa23系MISFETの断面図 第1の実施の形態に係るMBE装置の構成を概略的に示す構成図 第1の実施の形態に係るn型β−Ga23基板及びn型β−Ga23単結晶膜の断面図 第1の実施の形態に係るn型β−Ga23基板及びn型β−Ga23単結晶膜の断面図 第2の実施の形態に係るGa23系MISFETの断面図 第3の実施の形態に係るGa23系MISFETの断面図
本発明の実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なβ−Ga23系単結晶膜を形成し、その高品質のβ−Ga23系単結晶膜を用いて、高品質のGa23系半導体素子を形成することができる。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕
第1の実施の形態では、Ga23系半導体素子としてのプレーナゲート構造を有するGa23系MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)について説明する。
(Ga23系半導体素子の構成)
図1は、第1の実施の形態に係るGa23系MISFET20の断面図である。Ga23系MISFET20は、n型β−Ga23基板2上に形成されたn型β−Ga23単結晶膜3と、n型β−Ga23単結晶膜3上に形成されたソース電極22a、22bと、n型β−Ga23単結晶膜3上のソース電極22a、22bの間の領域にゲート絶縁膜26を介して形成されたゲート電極21と、n型β−Ga23単結晶膜3中のソース電極22a、22bの下にそれぞれ形成されたn型のコンタクト領域23a、23bと、コンタクト領域23a、23bをそれぞれ囲むp型のボディ領域24a、24bと、n型β−Ga23基板2のn型β−Ga23単結晶膜3と反対側の面上に形成されたドレイン電極25と、を含む。
Ga23系MISFET20は、ソース電極とドレイン電極がそれぞれ素子の上下に設置され、縦方向に電流が流れる縦型半導体素子である。ゲート電極21に閾値以上の電圧を印加すると、p型のボディ領域24a、24bのゲート電極21下の領域にチャネルが形成され、ソース電極22a、22bからドレイン電極25へ電流が流れるようになる。
n型β−Ga23基板2は、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Sn、Ge、Pb、Mn、As、Sb、Bi、F、Cl、Br、又はI等のn型ドーパントを含む。n型β−Ga23基板2は、例えば、100〜600μmの厚さを有する。また、n型β−Ga23基板2は、例えば、5×1018〜1×1020/cm3の濃度のn型ドーパントを含む。
n型β−Ga23基板2の主面は、面方位について特に限定されないが、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。すなわち、n型β−Ga23基板2において主面と(100)面のなす角θ(0<θ≦90°)が50°以上であることが好ましい。(100)面から50°以上90°以下回転させた面として、例えば、(010)面、(001)面、(−201)面、(101)面、及び(310)面が存在する。
n型β−Ga23基板2の主面が、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面である場合、n型β−Ga23基板2上にβ−Ga23系結晶をエピタキシャル成長させるときに、β−Ga23系結晶の原料のn型β−Ga23基板2からの再蒸発を効果的に抑えることができる。具体的には、β−Ga23系結晶を成長温度500℃で成長させたときに再蒸発する原料の割合を0%としたとき、n型β−Ga23基板2の主面が、(100)面から50°以上90°以下回転させた面である場合、再蒸発する原料の割合を40%以下に抑えることができる。そのため、供給する原料の60%以上をβ−Ga23系結晶の形成に用いることができ、β−Ga23系結晶の成長速度や製造コストの観点から好ましい。
β−Ga23結晶は単斜晶系の結晶構造を有し、その典型的な格子定数はa=12.23Å、b=3.04Å、c=5.80Å、α=γ=90°、β=103.7°である。β−Ga23結晶においては、c軸を軸として(100)面を52.5°回転させると(310)面と一致し、90°回転させると(010)面と一致する。また、b軸を軸として(100)面を53.8°回転させると、回転方向によって(101)面又は(−201)面と一致し、(100)面を53.8°回転させたときに(101)面が現れる回転方向へ76.3°回転させると(001)面と一致する。
また、n型β−Ga23基板2の主面は、(010)面から37.5°以下の角度だけ回転させた面であってもよい。この場合、n型β−Ga23基板2とi型β−Ga23単結晶膜3との界面を急峻にすることができると共に、i型β−Ga23単結晶膜3の厚みを高精度に制御することができる。
n型β−Ga23単結晶膜3は、後述される方法によりn型β−Ga23基板2上に形成された単結晶膜である。n型β−Ga23単結晶膜3は、Sn、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Si、Ge、Pb、Mn、As、Sb、Bi、F、Cl、Br、I等のn型ドーパントを含む。n型β−Ga23単結晶膜3の厚さは、例えば、10〜500nmである。また、n型β−Ga23単結晶膜3は、例えば、1×1015〜1×1019/cm3の濃度のn型ドーパントを含む。
なお、n型β−Ga23基板2とn型β−Ga23単結晶膜3との間に、他の膜が形成されてもよい。この他の膜としては、例えば、n型ドーパントの濃度がn型β−Ga23単結晶膜3よりも高く、場合によってはn型β−Ga23基板2よりも高いn型β−Ga23単結晶膜が形成される。この場合、n型β−Ga23基板2上に他の膜がホモエピタキシャル成長により形成され、他の膜上にn型β−Ga23単結晶膜3がホモエピタキシャル成長により形成される。
ゲート電極21、ソース電極22a、22b、及びドレイン電極25は、例えば、Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等の金属、これらの金属のうちの2つ以上を含む合金、又はITO等の導電性化合物、導電性ポリマーからなる。導電性ポリマーとしては、ポリチオフェン誘導体(PEDOT:ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン)にポリスチレンスルホン酸(PSS)をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体にTCNAをドーピングしたもの等が用いられる。また、ゲート電極21は、異なる2つの金属からなる2層構造、例えばAl/Ti、Au/Ni、Au/Co、を有してもよい。
ゲート絶縁膜26は、SiO2、AlN、SiN、Al23、β−(AlxGa1-x23(0≦x≦1)等の絶縁材料からなる。中でも、β−(AlxGa1-x23はβ−Ga23結晶上に単結晶膜として成長させることができるため、界面準位の少ない良好な半導体絶縁膜界面を形成することができ、他の絶縁膜を用いたときよりもゲート特性が良好になる。
コンタクト領域23a、23bは、n型β−Ga23単結晶膜3中に形成されたn型ドーパントの濃度が高い領域であり、それぞれソース電極22a、22bが接続される。コンタクト領域23a、23bに含まれるn型ドーパントとn型β−Ga23単結晶膜3に主に含まれるn型ドーパントは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
ボディ領域24a、24bは、Mg、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、Pb、N、P等のp型ドーパントを含む。ボディ領域24a、24bは、p型の領域、又は電荷補償によりi型のような性質を有する高抵抗領域である。
(Ga23系MISFETの製造方法)
β−Ga23系単結晶膜の製造方法としては、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法等があるが、本実施の形態では、MBE法を用いた薄膜成長法を採用する。MBE法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
図2は、β−Ga23系単結晶膜の形成に用いられるMBE装置の一例を示す構成図である。このMBE装置1は、真空槽10と、この真空槽10内に支持され、n型β−Ga23基板2を保持する基板ホルダ11と、基板ホルダ11に保持されたn型β−Ga23基板2を加熱するための加熱装置12と、薄膜を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル13(13a、13b)と、複数のセル13を加熱するためのヒータ14(14a、14b)と、真空槽10内に酸素系ガスを供給するガス供給パイプ15と、真空槽10内の空気を排出するための真空ポンプ16とを備えている。基板ホルダ11は、シャフト110を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。
第1のセル13aには、Ga粉末等のβ−Ga23系単結晶膜のGa原料が充填されている。この粉末のGaの純度は、6N以上であることが望ましい。第2のセル13bには、ドナーとしてドーピングされるn型ドーパントの原料の粉末が充填されている。第1のセル13a及び第2のセル13bの開口部にはシャッターが設けられている。
基板ホルダ11には、予め作製されたn型β−Ga23基板2が取り付けられ、このn型β−Ga23基板2上にβ−Ga23結晶をn型ドーパントを添加しつつホモエピタキシャル成長させることにより、n型β−Ga23単結晶膜3を形成する。
このn型β−Ga23基板2は、例えば、次のような手順で作製される。まず、EFG法により、Si等のn型ドーパントを添加したn型β−Ga23単結晶インゴットを作製する。なお、添加する元素はSiに限られず、例えば、Gaサイトを置換する場合は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Sn、Ge、Pb、Mn、As、Sb、又はBiを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、F、Cl、Br、又はIを用いることができる。Siを添加する場合は、原料粉末にSiO2粉末を混合する。n型β−Ga23基板2に良好な導電性を持たせるためには、SiO2を0.05mol%以上添加すればよい。n型β−Ga23単結晶インゴットのドナー濃度は、例えば、5×1018〜1×1020/cm3である。また、FZ法によりn型β−Ga23単結晶インゴットを作製してもよい。作製したインゴットを所望の面方位が主面となるように、例えば1mm程度の厚さにスライス加工して基板化する。そして、研削研磨工程にて100〜600μm程度の厚さに加工する。
次に、上記の手順によって作製されたn型β−Ga23基板2をMBE装置1の基板ホルダ11に取り付ける。次に、真空ポンプ16を作動させ、真空槽10内の気圧を1×10-8Pa程度まで減圧する。そして、加熱装置12によってn型β−Ga23基板2を加熱する。なお、n型β−Ga23基板2の加熱は、加熱装置12の黒鉛ヒータ等の発熱源の輻射熱が基板ホルダ11を介してn型β−Ga23基板2に熱伝導することにより行われる。
n型β−Ga23基板2が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ15から真空槽10内に、酸素系ガスを供給する。
真空槽10内に酸素系ガスを供給した後、真空槽10内のガス圧が安定するのに必要な時間(例えば5分間)経過後、基板ホルダ11を回転させながら第1のセル13a及び第2のセル13bをそれぞれ第1のヒータ14a及び第2のヒータ14bにより加熱し、Ga及びn型ドーパントを蒸発させて分子線としてn型β−Ga23基板2の表面に照射する。
例えば、第1のセル13aは900℃に加熱され、Ga蒸気のビーム等価圧力(BEP;Beam Equivalent Pressure)は1×10-4Paである。
これにより、n型β−Ga23基板2の主面上にβ−Ga23結晶がSn等のn型ドーパントを添加されながらホモエピタキシャル成長し、n型β−Ga23単結晶膜3が形成される。β−Ga23結晶の成長温度は、例えば、700℃である。なお、Sn以外のn型ドーパントとして、Gaサイトを置換する場合は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Si、Ge、Pb、Mn、As、Sb、Bi等を用いることができ、酸素サイトを置換する場合は、F、Cl、Br、I等を用いることができる。n型ドーパントの添加濃度は、例えば、1×1015〜1×1019/cm3の範囲から選択される。
なお、n型β−Ga23単結晶膜3は、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等により形成されてもよい。
図3A及び図3Bは、本実施の形態に係るn型β−Ga23単結晶膜3の断面図である。n型β−Ga23単結晶膜3は、n型β−Ga23基板2の主面2a上に上記のMBE法によって形成される。
図3Aは、β−Ga23結晶をホモエピタキシャル成長させる間、n型ドーパントを連続的に添加することにより形成されるn型β−Ga23単結晶膜3を表す。
n型β−Ga23単結晶膜3のドナー濃度は、例えば、1×1015〜1×1019/cm3であり、特に、1×1015〜1×1018/cm3であることが好ましい。このドナー濃度は、成膜時の第2のセル13bの温度により制御することができる。
図3Bは、β−Ga23結晶をホモエピタキシャル成長させる間、一定周期で間欠的にn型ドーパントを添加することにより形成されるn型β−Ga23単結晶膜3を表す。この場合、n型ドーパントとしてSnが用いられる。
具体的には、第2のセル13bのシャッターを操作することにより、Sn蒸気を第2のセル13bから間欠的に発生させ、Snを間欠的にβ−Ga23結晶に添加する。Snの添加は、間欠的に2回以上実施されることが好ましい。この場合、アニール処理を施さなくても、n型β−Ga23単結晶膜3にSn添加量に応じた電気伝導性を付与することができる。
図3Bのn型β−Ga23単結晶膜3は、成膜時に間欠的にSnが添加されるため、Snを添加しない時間に成長した第1の層4(4a、4b、4c)と、Snを添加する時間に成長した第2の層5(5a、5b、5c)を有する。
第2の層5のSn濃度は、成膜時の第2のセル13bの温度により制御することができる。第1の層4は、理想的にはSnを含まず、第2の層5から拡散した微量のSnを含むのみである。そのため、第1の層4のSn濃度は、第2の層5のSn濃度よりも低い。n型β−Ga23単結晶膜3中の平均Sn濃度は、例えば、1×1014〜3×1018/cm3であり、特に、1×1015〜1×1018/cm3であることが好ましい。
例えば、第1の層4a、4b、4cの厚さは3〜20nm、第2の層5a、5b、5cの厚さは0.2〜1nmである。第1の層4a、4b、4cの厚さが20nmよりも大きい場合は、第2の層5a、5b、5cの間隔が大きすぎてn型の効果が薄くなるおそれがある。一方、第2の層5a、5b、5cの厚さが1nmよりも大きい場合は、第2の層5a、5b、5cから第1の層4a、4b、4cへのSnの拡散量が多すぎて間欠的なn型の効果が薄くなるおそれがある。
なお、n型β−Ga23単結晶膜3の最下層(n型β−Ga23基板2の主面2aに接する層)は、第1の層4であっても第2の層5であってもよい。また、第1の層4及び第2の層5の層数は限定されない。
n型β−Ga23単結晶膜3を形成した後、n型β−Ga23単結晶膜3にMg等のp型ドーパントをイオン注入することにより、ボディ領域24a、24bを形成する。なお、注入するイオンはMgに限られず、例えば、Gaサイトを置換する場合は、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、又はPbを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、N又はPを用いることができる。p型ドーパントの注入後、アニール処理を行い、注入によるダメージを回復させる。
なお、ボディ領域24a、24bの形成方法はイオン注入に限られず、熱拡散法を用いてもよい。この場合、n型β−Ga23単結晶膜3のボディ領域24a、24bを形成したい領域上にMg等の金属を接触させ、熱処理を施すことによりn型β−Ga23単結晶膜3中にMg等のドーパントを拡散させる。
次に、n型β−Ga23単結晶膜3のボディ領域24a、24b内にSn等のn型ドーパントをイオン注入することにより、コンタクト領域23a、23bを形成する。なお、注入するイオンはSnに限られず、例えば、Gaサイトを置換する場合は、Ti、ZR、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Si、Ge、Pb、Mn、As、Sb、又はBiを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、F、Cl、Br、又はIを用いることができる。注入濃度は、例えば、1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下である。注入深さは、30nm以上であればよい。注入後、注入領域の表面をフッ酸にて10nm程度エッチングする。硫酸や硝酸、塩酸などを用いて行ってもよい。その後、窒素雰囲気下で800℃以上30min以上のアニール処理を施し、注入ダメージを回復させる。アニール処理を酸素雰囲気で行う場合は、処理温度を800℃以上950℃以下、処理時間を30min以上とすればよい。
なお、コンタクト領域23a、23bの形成方法はイオン注入に限られず、熱拡散法を用いてもよい。この場合、n型β−Ga23単結晶膜3のコンタクト領域23a、23bを形成したい領域上にSn等の金属を接触させ、熱処理を施すことによりn型β−Ga23単結晶膜3中にSn等のドーパントを拡散させる。
その後、ゲート絶縁膜26、ゲート電極21、ソース電極22a、22b、及びドレイン電極25を形成する。
〔第2の実施の形態〕
第2の実施の形態では、Ga23系半導体素子としてのトレンチゲート構造を有するGa23系MISFETについて説明する。
(Ga23系MISFETの構成)
図4は、第2の実施の形態に係るGa23系MISFET30の断面図である。Ga23系MISFET30は、n型β−Ga23基板2上に形成されたn型β−Ga23単結晶膜3と、n型β−Ga23単結晶膜3上に形成されたアンドープβ−Ga23単結晶膜6と、ゲート絶縁膜36に覆われてアンドープβ−Ga23単結晶膜6中に埋め込まれたゲート電極31と、アンドープβ−Ga23単結晶膜6中のゲート電極31の両側にそれぞれ形成されたコンタクト領域33a、33bと、アンドープβ−Ga23単結晶膜6上に形成され、コンタクト領域33a、33bに接続されたソース電極32と、n型β−Ga23基板2のn型β−Ga23単結晶膜3と反対側の面上に形成されたドレイン電極35と、を含む。
Ga23系MISFET30は、ソース電極とドレイン電極がそれぞれ素子の上下に設置され、縦方向に電流が流れる縦型半導体素子である。ゲート電極31に閾値以上の電圧を印加すると、アンドープβ−Ga23単結晶膜6中のゲート電極31の両側の領域にチャネルが形成され、ソース電極32からドレイン電極35へ電流が流れるようになる。
ゲート電極31、ゲート絶縁膜36、ソース電極32、ドレイン電極35は、それぞれ第1の実施の形態のゲート電極21、ゲート絶縁膜26、ソース電極22(22a、22b)、ドレイン電極25と同様の材料からなる。
アンドープβ−Ga23単結晶膜6は、ドーパントを含まない高抵抗のβ−Ga23単結晶膜である。結晶欠陥等により弱い導電性を有する場合もあるが、電気抵抗が十分高いため、ゲート電極31に電圧を印加することなくソース電極32からドレイン電極35へ電流が流れることはない。アンドープβ−Ga23単結晶膜6は、例えば、0.1〜100μmの厚さを有する。
コンタクト領域33(33a、33b)は、第1の実施の形態のコンタクト領域23(23a、23b)と同様のn型ドーパントを含む。
(Ga23系MISFETの製造方法)
まず、第1の実施の形態と同様の工程を経て、n型β−Ga23基板2及びn型β−Ga23単結晶膜3を形成する。
次に、MBE法によりドーパントを添加せずにn型β−Ga23単結晶膜3上にβ−Ga23単結晶を成長させ、アンドープβ−Ga23単結晶膜6を形成する。アンドープβ−Ga23単結晶膜6の具体的な形成方法は、例えば、n型β−Ga23単結晶膜3の形成方法からn型ドーパントを注入する工程を省いたものである。
次に、アンドープβ−Ga23単結晶膜6内にSn等のn型ドーパントをイオン注入することにより、コンタクト領域を形成する。なお、注入するイオンはSnに限られず、例えば、Gaサイトを置換する場合は、Ti、ZR、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Si、Ge、Pb、Mn、As、Sb、又はBiを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、F、Cl、Br、又はIを用いることができる。注入濃度は、例えば、1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下である。注入深さは、30nm以上であればよい。注入後、注入領域の表面をフッ酸にて10nm程度エッチングする。硫酸や硝酸、塩酸などを用いて行ってもよい。その後、窒素雰囲気下で800℃以上30min以上のアニール処理を施し、注入ダメージを回復させる。アニール処理を酸素雰囲気で行う場合は、処理温度を800℃以上950℃以下、処理時間を30min以上とすればよい。
なお、コンタクト領域の形成方法はイオン注入に限られず、熱拡散法を用いてもよい。この場合、アンドープβ−Ga23単結晶膜6のコンタクト領域を形成したい領域上にSn等の金属を接触させ、熱処理を施すことによりアンドープβ−Ga23単結晶膜6中にSn等のドーパントを拡散させる。
次に、アンドープβ−Ga23単結晶膜6の表面のコンタクト領域を含む領域にドライエッチングを施して溝を形成し、その溝中にゲート絶縁膜36に覆われたゲート電極31を埋め込む。ここで、溝を形成することによりコンタクト領域がコンタクト領域33a、33bに分かれる。
具体的には、例えば、堆積法とエッチング加工により溝の底面と側面上にゲート絶縁膜36を形成し、その上に堆積法とエッチング加工によりゲート電極31を形成し、最後に堆積法とエッチング加工によりゲート電極31上のゲート絶縁膜36を形成する。
その後、ソース電極32及びドレイン電極35を形成する。
〔第3の実施の形態〕
第3の実施の形態は、アンドープβ−Ga23単結晶膜6の代わりにp型β−Ga23単結晶膜が形成される点において第2の実施の形態と異なる。第2の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
(Ga23系MISFETの構成)
図5は、第3の実施の形態に係るGa23系MISFET40の断面図である。Ga23系MISFET40は、n型β−Ga23基板2上に形成されたn型β−Ga23単結晶膜3と、n型β−Ga23単結晶膜3上に形成されたp型β−Ga23単結晶膜7と、ゲート絶縁膜に覆われてp型β−Ga23単結晶膜7中に埋め込まれたゲート電極31と、p型β−Ga23単結晶膜7中のゲート電極31の両側にそれぞれ形成されたコンタクト領域33a、33bと、p型β−Ga23単結晶膜7上に形成され、コンタクト領域33a、33bに接続されたソース電極32と、n型β−Ga23基板2のn型β−Ga23単結晶膜3と反対側の面上に形成されたドレイン電極35と、を含む。
Ga23系MISFET40は、ソース電極とドレイン電極がそれぞれ素子の上下に設置され、縦方向に電流が流れる縦型半導体素子である。ゲート電極31に閾値以上の電圧を印加すると、p型β−Ga23単結晶膜7中のゲート電極31の両側の領域にチャネルが形成され、ソース電極32からドレイン電極35へ電流が流れるようになる。
p型β−Ga23単結晶膜7は、Mg、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、Pb、N、P等のp型ドーパントを含む。p型β−Ga23単結晶膜7は、例えば、0.1〜100μmの厚さを有する。また、p型β−Ga23単結晶膜7は、例えば、1×1015〜1×1019/cm3の濃度のp型ドーパントを含む。
Ga23系MISFET40は、p型層であるp型β−Ga23単結晶膜7をチャネル層として用いるため、第2の実施の形態のGa23系MISFET30よりも閾値電圧が高い。
p型β−Ga23単結晶膜7は、n型β−Ga23単結晶膜3上にMg等のp型ドーパントを添加しながらβ−Ga23単結晶を成長させることにより形成される。なお、添加するイオンはMgに限られず、例えば、Gaサイトを置換する場合は、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、又はPbを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、N又はPを用いることができる。
(実施の形態の効果)
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なβ−Ga23単結晶膜を形成し、そのβ−Ga23単結晶膜を用いて、高品質のGa23系半導体素子を形成することができる。また、これらのGa23系半導体素子は、高品質なβ−Ga23単結晶膜をチャネル層として用いるため、優れた動作性能を有する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、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、上記実施の形態において、Ga23系半導体素子をn型半導体素子として説明したが、p型半導体素子であってもよい。この場合、各部材の導電型(n型又はp型)が全て逆になる。
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態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。
高品質のGa23系半導体素子を提供する。
1…MBE装置、2…n型β−Ga23基板、3…n型β−Ga23単結晶膜、6…アンドープβ−Ga23単結晶膜、7…p型β−Ga23単結晶膜、20、30、40…Ga23系MISFET、21、31…ゲート電極、22a、22b、32…ソース電極、25、35…ドレイン電極、26、36…ゲート絶縁膜、23a、23b、33a、33b…コンタクト領域、24a、24b…ボディ領域

Claims (4)

  1. 第1の導電型を有するβ−Ga基板と、
    前記β−Ga基板上に直接または他の膜を介して形成されたβ−Ga単結晶膜と、
    前記β−Ga単結晶膜上に形成されたソース電極と、
    前記β−Ga基板の前記β−Ga単結晶膜と反対側の面上に形成されたドレイン電極と、
    前記β−Ga単結晶膜中に形成され、前記ソース電極が接続された、第1の濃度に制御された前記第1の導電型のドーパントを含み、前記第1の導電型を有するコンタクト領域と、
    前記β−Ga単結晶膜上に第1のゲート絶縁膜を介して形成された、又は第2のゲート絶縁膜に覆われて前記β−Ga 単結晶膜中に埋め込まれたゲート電極と、
    を含み、
    前記β−Ga基板は、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面を主面とし、
    前記ゲート電極が前記β−Ga 単結晶膜上に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成されている場合の前記β−Ga単結晶膜は、前記第1の濃度よりも低く制御された第2の濃度の前記第1の導電型のドーパントを含む前記第1の導電型を有する膜であって、前記コンタクト領域を囲む前記第1の導電型と異なる第2の導電型又はi型(真性)のボディ領域を有し
    前記ゲート電極が前記第2のゲート絶縁膜に覆われてβ−Ga 単結晶膜中に埋め込まれている場合の前記β−Ga 単結晶膜は、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する膜、又はドーパントを含まない膜である、Ga系半導体素子。
  2. 前記ソース電極は第1及び第2のソース電極を含み、
    前記ゲート電極は、前記β−Ga単結晶膜上の前記第1のソース電極と前記第2のソース電極との間の領域に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成され、
    前記β−Ga単結晶膜は前記第1の導電型を有し、
    前記コンタクト領域は、前記第1及び第2のソース電極がそれぞれ接続される第1及び第2のコンタクト領域を含み、
    前記ボディ領域は、前記第1及び第2のコンタクト領域をそれぞれ囲む第1及び第2のボディ領域を含む
    請求項1に記載のGa系半導体素子。
  3. 前記β−Ga単結晶膜は、前記β−Ga基板上に前記第1の導電型を有する他のβ−Ga単結晶膜を介して形成され、
    前記β−Ga単結晶膜は、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するか、又はドーパントを含まず、
    前記ゲート電極は、前記第2のゲート絶縁膜に覆われて前記β−Ga 単結晶膜中に埋め込まれ
    前記コンタクト領域は、前記ゲート電極の両側にそれぞれ位置する第1及び第2のコンタクト領域を含む、
    請求項1に記載のGa系半導体素子。
  4. 前記第1及び第2の導電型は、それぞれn型及びp型である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載のGa系半導体素子。
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