JP6478425B2 - Crystalline semiconductor film and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に有用な結晶性半導体膜および前記結晶性半導体膜を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a crystalline semiconductor film useful for a semiconductor device and a semiconductor device using the crystalline semiconductor film.
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。当該酸化ガリウムは、非特許文献１によれば、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶とすることにより、バンドギャップを制御することが可能であり、中でも、ＩｎＸ１ＡｌＹ１ＧａＺ１Ｏ３（０≦Ｘ１≦２、０≦Ｙ１≦２、０≦Ｚ１≦２、Ｘ１＋Ｙ１＋Ｚ１＝１．５〜２．５）で表されるＩｎＡｌＧａＯ系半導体は、極めて魅力的な材料である。 A semiconductor device using gallium oxide (Ga 2 O 3 ) having a large band gap has been attracting attention as a next-generation switching element that can achieve high breakdown voltage, low loss, and high heat resistance. Application is expected. According to Non-Patent Document 1, the gallium oxide can control the band gap by using a mixed crystal of indium and aluminum, respectively, or a combination thereof. Among them, In X1 Al Y1 Ga Z1 O 3 An InAlGaO-based semiconductor represented by (0 ≦ X1 ≦ 2, 0 ≦ Y1 ≦ 2, 0 ≦ Z1 ≦ 2, X1 + Y1 + Z1 = 1.5 to 2.5) is an extremely attractive material.
特許文献１には、ドーパント（４価の錫）を添加した結晶性の高い導電性α‐Ｇａ２Ｏ３薄膜が記載されている。しかしながら、特許文献１記載の薄膜では、十分な耐圧性を維持することができず、また、炭素不純物が多く含まれており、導電性も含め、半導体特性もまだまだ満足のいくものではなく、半導体装置に用いることがまだまだ困難であった。 Patent Document 1 describes a highly crystalline conductive α-Ga 2 O 3 thin film to which a dopant (tetravalent tin) is added. However, the thin film described in Patent Document 1 cannot maintain sufficient pressure resistance, and contains a large amount of carbon impurities, and the semiconductor characteristics including conductivity are still not satisfactory. It was still difficult to use in the device.
特許文献２には、α−Ａｌ２Ｏ３基板上に、ｐ型のα−（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）２Ｏ３単結晶膜（０≦Ｘ２＜１）を形成したＧａ２Ｏ３系半導体素子が記載されている。しかしながら、特許文献２記載の半導体素子では、結晶の品質にも問題があったりして、半導体素子に適用するには制約が多く、また、ＭＢＥ法では、α−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜（Ｘ２＝０の場合）が作製困難であり、しかも、ｐ型半導体を得るのに、イオン注入と高温での熱処理が必要であったため、ｐ型のα−Ｇａ２Ｏ３そのものが実現困難であり、実際には、特許文献２記載の半導体素子自体が実現困難なものであった。 Patent Document 2 discloses a Ga 2 O 3 system in which a p-type α- (Al X 2 Ga 1 -X 2) 2 O 3 single crystal film (0 ≦ X2 <1) is formed on an α-Al 2 O 3 substrate. A semiconductor device is described. However, the semiconductor element described in Patent Document 2 has a problem in the quality of crystals, and there are many restrictions on application to a semiconductor element. In the MBE method, an α-Ga 2 O 3 single crystal film ( In the case of X2 = 0, it is difficult to manufacture, and in addition, p-type α-Ga 2 O 3 itself is difficult to realize because ion implantation and high-temperature heat treatment are necessary to obtain a p-type semiconductor. Actually, the semiconductor element itself described in Patent Document 2 is difficult to realize.
特許文献３には、ガリウム又はインジウムの臭化物又はヨウ化物を用いて、ミストＣＶＤ法により、酸化物結晶薄膜を製造する方法が記載されている。
特許文献４〜６には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とが積層された多層構造体が記載されている。
なお、特許文献３〜６に記載のＩｎＡｌＧａＯ系半導体は５００℃以上では結晶構造が壊れやすく、アニールが容易ではない等の問題があり、特に、熱耐性や表面平滑性において、必ずしも満足のいくものではなかった。
Patent Document 3 describes a method of producing an oxide crystal thin film by mist CVD using bromide or iodide of gallium or indium.
Patent Documents 4 to 6 describe a multilayer structure in which a semiconductor layer having a corundum crystal structure and an insulating film having a corundum crystal structure are stacked on a base substrate having a corundum crystal structure. .
Note that the InAlGaO-based semiconductors described in Patent Documents 3 to 6 have problems such that the crystal structure is easily broken at 500 ° C. or higher and annealing is not easy. Particularly, the InAlGaO-based semiconductor is not necessarily satisfactory in terms of heat resistance and surface smoothness. It wasn't.
本発明は、半導体特性、特に熱耐性および表面平滑性に優れた結晶性半導体膜および前記結晶性半導体膜を用いた半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a crystalline semiconductor film excellent in semiconductor characteristics, particularly heat resistance and surface smoothness, and a semiconductor device using the crystalline semiconductor film.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、アルミニウムおよびガリウムを含み、アルミニウムとガリウムとの総和に対して、アルミニウム量が１８．５〜７６．６原子％である酸化物半導体膜が、少なくとも８００℃の熱安定性を有しており、熱耐性に優れ、さらに８００℃以上でアニールしても結晶構造が壊れず、しかも、表面平滑性が格段に向上することを見出した。
また、本発明者らは、上記した各種知見を得た後、さらに検討を重ねて、本発明を完成させるに至った。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that an oxide semiconductor containing aluminum and gallium and having an aluminum content of 18.5 to 76.6 atomic% with respect to the total of aluminum and gallium. It has been found that the film has a thermal stability of at least 800 ° C., has excellent heat resistance, and does not break the crystal structure even when annealed at 800 ° C. or higher, and the surface smoothness is remarkably improved. .
In addition, after obtaining the above-described various findings, the present inventors have further studied and completed the present invention.
本発明の結晶性半導体膜は、半導体特性、特に熱耐性および表面平滑性に優れており、本発明の半導体装置は、耐圧性や界面接合性に優れている。 The crystalline semiconductor film of the present invention is excellent in semiconductor characteristics, particularly heat resistance and surface smoothness, and the semiconductor device of the present invention is excellent in pressure resistance and interface bondability.
本発明の結晶性半導体膜は、コランダム構造を有する酸化物半導体を主成分として含む結晶性半導体膜であって、前記酸化物半導体が、アルミニウムおよびガリウムを含み、アルミニウムとガリウムとの総和に対して、アルミニウム量が１８．５〜７６．６原子％であり、前記コランダム構造が、少なくとも８００℃の熱安定性を有していれば特に限定されない。 The crystalline semiconductor film of the present invention is a crystalline semiconductor film containing an oxide semiconductor having a corundum structure as a main component, the oxide semiconductor containing aluminum and gallium, and the total of aluminum and gallium The aluminum content is 18.5 to 76.6 atomic%, and the corundum structure is not particularly limited as long as it has a thermal stability of at least 800 ° C.
前記結晶性半導体膜は、単結晶膜であってもよく、多結晶膜であってもよいが、本発明においては、前記結晶性半導体膜が、多結晶が含まれていてもよい単結晶膜であるのが好ましい。 The crystalline semiconductor film may be a single crystal film or a polycrystalline film. However, in the present invention, the crystalline semiconductor film may contain a polycrystal. Is preferred.
本発明において、「主成分」とは、前記のコランダム構造を有する酸化物半導体が、原子比で、前記結晶性半導体膜の全成分に対し、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。 In the present invention, the “main component” means that the oxide semiconductor having the corundum structure has an atomic ratio of preferably 50% or more, more preferably 70% or more, with respect to all components of the crystalline semiconductor film. More preferably, it means that 90% or more is contained, which means that it may be 100%.
また、本発明において、「少なくとも８００℃の熱安定性」とは、８００℃で熱処理しても主相がコランダム構造を維持していることを意味し、本発明においては、前記結晶性半導体膜のコランダム構造が少なくとも８５０℃の熱安定性を有しているのが好ましく、少なくとも９００℃の熱安定性を有しているのがより好ましい。 In the present invention, “thermal stability of at least 800 ° C.” means that the main phase maintains a corundum structure even after heat treatment at 800 ° C. In the present invention, the crystalline semiconductor film The corundum structure preferably has a thermal stability of at least 850 ° C, and more preferably has a thermal stability of at least 900 ° C.
また、本発明においては、前記酸化物半導体におけるアルミニウム量が６５原子％以下であるのが、表面平滑性もより優れたものになるので好ましい。 In the present invention, the amount of aluminum in the oxide semiconductor is preferably 65 atomic% or less because the surface smoothness is further improved.
また、本発明においては、前記酸化物半導体におけるアルミニウム量が２３．３原子％以上であるのが、８５０℃以上の熱安定性を有し、表面平滑性もより優れたものになるのでより好ましい。 In the present invention, it is more preferable that the amount of aluminum in the oxide semiconductor is 23.3 atomic% or more because it has a thermal stability of 850 ° C. or more and has excellent surface smoothness. .
また、本発明においては、前記酸化物半導体におけるアルミニウム量が４３．２原子％以上であるのが、９００℃以上の熱安定性を有し、表面平滑性もより優れたものになるので最も好ましい。 In the present invention, the amount of aluminum in the oxide semiconductor is 43.2 atomic% or more, which is most preferable because it has a thermal stability of 900 ° C. or more and has excellent surface smoothness. .
前記結晶性半導体膜中には、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブ等のｎ型ドーパント、またはｐ型ドーパントなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、通常、約１×１０１６／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３であってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約１×１０１７／ｃｍ３以下の低濃度にして、例えばｎ型ドーパントの場合には、ｎ−型半導体等とすることができる。また、さらに、本発明によれば、ドーパントを約１×１０２０／ｃｍ３以上の高濃度で含有させて、例えばｎ型ドーパントの場合にはｎ＋型半導体等とすることもできる。本発明においては、ｎ型ドーパントが、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブであるのが好ましく、ｎ−型半導体層を形成する場合、前記結晶性半導体膜中のゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブの濃度を、約１×１０１３〜５×１０１７／ｃｍ３にすることが好ましく、約１×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３にすることがより好ましい。また、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブをｎ型ドーパントとしてｎ＋型半導体層を形成する場合には、前記結晶性半導体膜中のゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブの濃度を、約１×１０２０／ｃｍ３〜１×１０２３／ｃｍ３にすることが好ましく、約１×１０２０／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３にすることがより好ましい。以上のようにして、前記結晶性半導体膜に、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブを含ませることで、スズをドーパントとして用いたときよりも、電気特性に優れた結晶性半導体膜とすることができる。 The crystalline semiconductor film may contain a dopant. The dopant is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. Examples of the dopant include n-type dopants such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium, or p-type dopants. The concentration of the dopant may usually be about 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 22 / cm 3 , and the concentration of the dopant is set to a low concentration of about 1 × 10 17 / cm 3 or less, for example. For example, in the case of an n-type dopant, an n-type semiconductor or the like can be used. Furthermore, according to the present invention, the dopant can be contained at a high concentration of about 1 × 10 20 / cm 3 or more, for example, in the case of an n-type dopant, an n + -type semiconductor or the like can be obtained. In the present invention, the n-type dopant is preferably germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium, and when forming an n-type semiconductor layer, germanium, silicon, titanium in the crystalline semiconductor film, The concentration of zirconium, vanadium or niobium is preferably about 1 × 10 13 to 5 × 10 17 / cm 3, and more preferably about 1 × 10 15 to 1 × 10 17 / cm 3 . In the case where an n + type semiconductor layer is formed using germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium as an n-type dopant, the concentration of germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium in the crystalline semiconductor film is set. About 1 × 10 20 / cm 3 to 1 × 10 23 / cm 3, and more preferably about 1 × 10 20 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . As described above, by including germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium in the crystalline semiconductor film, a crystalline semiconductor film having superior electrical characteristics than when tin is used as a dopant, can do.
前記結晶性半導体膜は、下地基板上に直接形成してもよく、別の層を介して形成してもよい。別の層としては、別の組成のコランダム構造結晶薄膜、コランダム構造以外の結晶薄膜、又はアモルファス薄膜などが挙げられる。構造としては、単層構造であってもよく、複数層構造であってもよい。また、同一の層内に２相以上の結晶相が混じっていてもよい。複数層構造の場合、結晶性半導体膜は、例えば、絶縁性薄膜と導電性薄膜が積層されて構成されるが、本発明においては、これに限定されるものではない。なお、絶縁性薄膜と導電性薄膜とが積層されて複数層構造が構成される場合、絶縁性薄膜と導電性薄膜の組成は、同じであっても互いに異なっていてもよい。絶縁性薄膜と導電性薄膜の厚さの比は、特に限定されないが、例えば、（導電性薄膜の厚さ）／（絶縁性薄膜の厚さ）の比が０．００１〜１００であるのが好ましく、０．１〜５がさらに好ましい。このさらに好ましい比は、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２，３、４、５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。 The crystalline semiconductor film may be formed directly on the base substrate or may be formed via another layer. As another layer, a corundum structure crystal thin film having a different composition, a crystal thin film other than the corundum structure, an amorphous thin film, or the like can be given. The structure may be a single layer structure or a multi-layer structure. Two or more crystal phases may be mixed in the same layer. In the case of a multi-layer structure, the crystalline semiconductor film is configured by laminating an insulating thin film and a conductive thin film, for example, but is not limited to this in the present invention. In addition, when an insulating thin film and an electroconductive thin film are laminated | stacked and a multiple layer structure is comprised, the composition of an insulating thin film and an electroconductive thin film may be the same, or may mutually differ. The ratio of the thickness of the insulating thin film to the conductive thin film is not particularly limited. For example, the ratio of (thickness of the conductive thin film) / (thickness of the insulating thin film) is 0.001 to 100. Preferably, 0.1-5 is more preferable. This more preferable ratio is specifically, for example, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 3, 4, 5 and illustrated here It may be within a range between any two of the numerical values.
本発明においては、ミスト法により、下地基板上に、そのまま又は他の層を介して、前記結晶性半導体膜を積層することができる。 In the present invention, the crystalline semiconductor film can be laminated on the base substrate as it is or via another layer by a mist method.
＜下地基板＞
下地基板は、上記の結晶性半導体膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいが、前記下地基板が、絶縁体基板であるのが好ましく、表面に金属膜を有する基板であるのも好ましい。本発明においては、前記下地基板が、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であるのも好ましい。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は、基板中の組成比で、コランダム構造を有する結晶物を５０％以上含むものであれば、特に限定されないが、本発明においては、７０％以上含むものであるのが好ましく、９０％以上であるのがより好ましい。コランダム構造を有する結晶を主成分とする基板としては、例えば、サファイア基板（例：ｃ面サファイア基板）や、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。β−ガリア構造を有する結晶物を主成分とする基板は、基板中の組成比で、β−ガリア構造を有する結晶物を５０％以上含むものであれば、特に限定されないが、本発明においては、７０％以上含むものであるのが好ましく、９０％以上であるのがより好ましい。β−ガリア構造を有する結晶物を主成分とする基板としては、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３基板、又はＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを含みＡｌ２Ｏ３が０ｗｔ％より多くかつ６０ｗｔ％以下である混晶体基板などが挙げられる。その他の下地基板の例としては、六方晶構造を有する基板（例：ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板）などが挙げられる。六方晶構造を有する基板上には、直接または別の層（例：緩衝層）を介して、前記結晶性半導体膜を形成するのが好ましい。下地基板の厚さは、本発明においては特に限定されないが、好ましくは、５０〜２０００μｍであり、より好ましくは２００〜８００μｍである。
<Base substrate>
The base substrate is not particularly limited as long as it serves as a support for the crystalline semiconductor film. The substrate may be an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductive substrate, but the base substrate is preferably an insulator substrate, and has a metal film on the surface. It is also preferable that In the present invention, it is also preferable that the base substrate is a substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component or a substrate containing a crystal having a β-gallia structure as a main component. The substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component is not particularly limited as long as the composition ratio in the substrate includes 50% or more of the crystal having a corundum structure, but in the present invention, 70% or more. It is preferable that it is contained, and more preferably 90% or more. Examples of the substrate whose main component is a crystal having a corundum structure include a sapphire substrate (eg, c-plane sapphire substrate), an α-type gallium oxide substrate, and the like. There is no particular limitation on the substrate mainly composed of a crystal having a β-gallia structure as long as it contains 50% or more of the crystal having a β-gallia structure in the composition ratio in the substrate. 70% or more is preferable, and 90% or more is more preferable. As a substrate mainly composed of a crystal having a β-gallia structure, for example, a β-Ga 2 O 3 substrate, or a substrate containing Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 , Al 2 O 3 is more than 0 wt% and 60 wt%. % Or less of a mixed crystal substrate. Examples of other base substrates include substrates having a hexagonal crystal structure (eg, SiC substrate, ZnO substrate, GaN substrate). It is preferable to form the crystalline semiconductor film on a substrate having a hexagonal crystal structure directly or via another layer (eg, buffer layer). Although the thickness of a base substrate is not specifically limited in this invention, Preferably, it is 50-2000 micrometers, More preferably, it is 200-800 micrometers.
前記下地基板が、表面に金属膜を有する基板である場合には、前記金属膜は、基板表面の一部または全部に設けられていてもよく、メッシュ状やドット状の金属膜が設けられていてもよい。また、前記金属膜の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、１０〜１０００ｎｍであり、より好ましくは１０〜５００ｎｍである。前記金属膜の構成材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）もしくはハフニウム（Ｈｆ）等の金属またはこれらの合金などが挙げられる。なお、前記金属は、一軸に配向しているのが好ましい。一軸に配向している金属は、膜厚方向及び膜面内方向、もしくは膜厚方向などの一定の方向に単一の結晶方位をもつ金属であればそれでよく、一軸に優先配向している金属も含む。本発明においては、膜厚方向に一軸に配向しているのが好ましい。配向については、一軸に配向しているのか否かをＸ線回折法により確認することができる。例えば、一軸に配向している結晶面に由来するピークとその他の結晶面に由来するピークとの積分強度比と、ランダムに配向した同一結晶粉末の一軸に配向している結晶面に由来するピークとその他の結晶面に由来するピークとの積分強度比と比較して、大きい場合（好ましくは倍以上大きい場合、より好ましくは一桁以上大きい場合）に、一軸に配向していると判断することができる。 When the base substrate is a substrate having a metal film on the surface, the metal film may be provided on a part or all of the substrate surface, and a mesh-like or dot-like metal film is provided. May be. Moreover, the thickness of the metal film is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 nm, and more preferably 10 to 500 nm. Examples of the constituent material of the metal film include platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), silver (Ag), chromium (Cr), copper (Cu), iron (Fe), and tungsten (W). , Titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb), manganese (Mn), molybdenum (Mo), metal such as aluminum (Al) or hafnium (Hf), or alloys thereof. Note that the metal is preferably uniaxially oriented. The uniaxially oriented metal may be any metal as long as it has a single crystal orientation in a certain direction such as the film thickness direction and the film in-plane direction, or the film thickness direction. Including. In the present invention, the film is preferably uniaxially oriented in the film thickness direction. As for the orientation, it can be confirmed by X-ray diffraction method whether or not the orientation is uniaxial. For example, an integrated intensity ratio between a peak derived from a uniaxially oriented crystal plane and a peak derived from another crystal plane, and a peak derived from a uniaxially oriented crystal plane of the same crystal powder that is randomly oriented If the ratio is larger (preferably more than double, more preferably more than an order of magnitude) compared to the integrated intensity ratio between the peak and the peak derived from other crystal planes, it should be determined as being uniaxially oriented. Can do.
本発明においては、前記下地基板が、サファイア基板（例：ｃ面サファイア基板）、α型酸化ガリウム基板、β−Ｇａ２Ｏ３基板もしくはＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを含み、Ａｌ２Ｏ３が０ｗｔ％より多くかつ６０ｗｔ％以下である混晶体基板または表面に金属膜が形成されているこれらの基板であるのが好ましい。このような好ましい下地基板を用いることで、前記結晶性半導体膜の不純物のカーボン含有率、キャリア濃度および半値幅が、他の下地基板を用いた場合に比べてさらに低減することができる。 In the present invention, the base substrate includes a sapphire substrate (eg, c-plane sapphire substrate), an α-type gallium oxide substrate, a β-Ga 2 O 3 substrate or Ga 2 O 3 and Al 2 O 3, and Al 2 A mixed crystal substrate in which O 3 is more than 0 wt% and not more than 60 wt% or these substrates on which a metal film is formed on the surface is preferable. By using such a preferable base substrate, the carbon content, the carrier concentration, and the half-value width of the impurities of the crystalline semiconductor film can be further reduced as compared with the case of using another base substrate.
前記ミスト法は、例えば超音波振動子により、原料を霧化してミストを発生させる工程（１）と、キャリアガスを供給する工程（２）と、前記ミストをキャリアガスによってサセプタに保持されている前記下地基板へ搬送して成膜する工程（３）とを含む成膜方法であれば特に限定されない。前記ミスト法としては、より具体的には例えば、ミスト・エピタキシー法やミストＣＶＤ法などが挙げられる。 The mist method includes, for example, a step (1) of generating a mist by atomizing a raw material by an ultrasonic vibrator, a step (2) of supplying a carrier gas, and the mist held by a susceptor by a carrier gas. There is no particular limitation as long as it is a film forming method including the step (3) of transferring to the base substrate and forming a film. More specifically, examples of the mist method include a mist / epitaxy method and a mist CVD method.
前記工程（１）は、原料を霧化してミストを発生させれば特に限定されない。工程（１）には、原料を霧化してミストを発生させるミスト発生器を用いることができる。前記ミスト発生器は、原料を霧化してミストを発生させることができれば特に限定されず、公知のものであってもよいが、本発明においては、超音波により、原料を霧化してミストを発生させるのが好ましい。なお、原料については、後述する。 The said process (1) will not be specifically limited if the raw material is atomized and mist is generated. In step (1), a mist generator that atomizes the raw material to generate mist can be used. The mist generator is not particularly limited as long as it can atomize the raw material and generate mist, and may be a known one, but in the present invention, the raw material is atomized by ultrasonic to generate mist. It is preferable to do so. The raw materials will be described later.
前記工程（２）は、キャリアガスを供給すれば特に限定されない。前記キャリアガスは、原料を霧化して発生したミストを基板上に搬送できるガス状のものであれば特に限定されない。前記キャリアガスとしては、特に限定されないが、例えば、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、フォーミングガスなどが挙げられる。 The step (2) is not particularly limited as long as a carrier gas is supplied. The carrier gas is not particularly limited as long as it is in a gaseous state capable of transporting mist generated by atomizing the raw material onto the substrate. Although it does not specifically limit as said carrier gas, For example, oxygen gas, nitrogen gas, argon gas, forming gas, etc. are mentioned.
前記工程（３）は、前記ミストをキャリアガスによってサセプタに保持されている前記下地基板へ搬送して成膜できれば特に限定されない。工程（３）には、ミストをキャリアガスによって前記基板へ搬送して、供給管内にて成膜できる管状炉を好適に用いることができる。 The step (3) is not particularly limited as long as the mist can be transported to the base substrate held on the susceptor by a carrier gas and deposited. In the step (3), a tubular furnace that can transport mist to the substrate by a carrier gas and form a film in a supply pipe can be suitably used.
なお、前記結晶性半導体膜形成の際に、前記ドーパントを用いて、ドーピング処理を行うことができる。また、本発明においては、通常、ドーピング処理を、前記原料に異常粒抑制剤を含めて行う。前記原料に異常粒抑制剤を含めてドーピング処理を行うことで、表面平滑性に優れた結晶性半導体膜を得ることができる。ドーピング量は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、原料中、モル比で、０．０１〜１０％であるのが好ましく、０．１〜５％であるのがより好ましい。 Note that when the crystalline semiconductor film is formed, doping treatment can be performed using the dopant. In the present invention, the doping treatment is usually performed with the raw material including an abnormal grain inhibitor. A crystalline semiconductor film having excellent surface smoothness can be obtained by performing a doping treatment including an abnormal grain inhibitor in the raw material. The doping amount is not particularly limited as long as it does not hinder the object of the present invention, but it is preferably 0.01 to 10%, more preferably 0.1 to 5% in terms of molar ratio in the raw material.
前記異常粒抑制剤は、成膜過程で副生する粒子の発生を抑制する効果を有するものをいい、結晶性半導体膜の表面粗さ（Ｒａ）を例えば０．１μｍ以下とすることができれば特に限定されないが、本発明においては、Ｂｒ、Ｉ、ＦおよびＣｌから選択される少なくとも１種からなる異常粒抑制剤であるのが好ましい。安定的に膜形成をするために異常粒抑制剤として、ＢｒやＩを膜中に導入すると異常粒成長による表面粗さの悪化を抑制することができる。異常粒抑制剤の添加量は、異常粒を抑制できれば特に限定されないが、原料溶液中、体積比で５０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましく、１〜３０％の範囲内であることが最も好ましい。このような好ましい範囲で異常粒抑制剤を使用することにより、異常粒抑制剤として機能させることができるので、結晶性半導体膜の異常粒の成長を抑制して表面を平滑にすることができる。 The abnormal grain inhibitor refers to an agent having an effect of suppressing generation of particles by-produced in the film formation process, and particularly if the surface roughness (Ra) of the crystalline semiconductor film can be set to 0.1 μm or less, for example. Although it is not limited, in the present invention, it is preferable that it is an abnormal grain inhibitor composed of at least one selected from Br, I, F and Cl. Introducing Br or I into the film as an abnormal grain inhibitor for stable film formation can suppress the deterioration of the surface roughness due to abnormal grain growth. The added amount of the abnormal grain inhibitor is not particularly limited as long as abnormal grains can be suppressed, but in the raw material solution, the volume ratio is preferably 50% or less, more preferably 30% or less, and 1 to 30%. Most preferably within the range. By using the abnormal grain inhibitor in such a preferable range, it can function as an abnormal grain inhibitor, and thus the growth of abnormal grains in the crystalline semiconductor film can be suppressed and the surface can be smoothed.
結晶性半導体膜の形成方法は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、例えば、ガリウム化合物及びアルミニウム化合物等を結晶性半導体膜の組成に合わせて組み合わせた原料を反応させることによって形成可能である。これによって、下地基板上に、下地基板側から結晶性半導体膜を結晶成長させることができる。ガリウム化合物としては、ガリウム金属を出発材料として成膜直前にガリウム化合物に変化させたものであってもよい。ガリウム化合物としては、例えば、ガリウムの有機金属錯体（例：アセチルアセトナート錯体等）やハロゲン化物（例：フッ化、塩化、臭化又はヨウ化物等）などが挙げられるが、本発明においては、ハロゲン化物（例：フッ化、塩化、臭化又はヨウ化物等）を用いることが好ましい。また、アルミニウム化合物も、ガリウム化合物の場合と同様であり、アルミニウム化合物としては、例えば、アルミニウムの有機金属錯体やハロゲン化物などが挙げられる。 The method for forming the crystalline semiconductor film is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. For example, the crystalline semiconductor film is formed by reacting a raw material in which a gallium compound and an aluminum compound are combined in accordance with the composition of the crystalline semiconductor film. Is possible. Accordingly, the crystalline semiconductor film can be grown on the base substrate from the base substrate side. The gallium compound may be a gallium compound that is changed to a gallium compound immediately before film formation using gallium metal as a starting material. Examples of the gallium compound include organometallic complexes of gallium (e.g., acetylacetonate complex) and halides (e.g., fluoride, chloride, bromide, iodide, etc.). In the present invention, It is preferable to use a halide (eg, fluoride, chloride, bromide or iodide). The aluminum compound is the same as that of the gallium compound, and examples of the aluminum compound include an organometallic complex and a halide of aluminum.
より具体的には、結晶性半導体膜は、原料化合物が溶解した原料溶液から生成された原料微粒子を成膜室に供給して、前記サセプタを用いて、前記成膜室内で前記原料化合物を反応させることによって形成することができる。原料溶液の溶媒は、特に限定されないが、水、過酸化水素水または有機溶媒であることが好ましい。本発明においては、通常、ドーパント原料の存在下で、上記原料化合物を反応させる。なお、ドーパント原料は、好ましくは、原料溶液に含められて、原料化合物と共に又は別々に微粒子化される。前記結晶性半導体膜に含まれる炭素が、ドーパントよりも少なくなり、好ましくは、前記結晶性半導体膜に炭素を実質的に含まないようにことができる。なお、本発明の結晶性半導体膜が、ハロゲン（好ましくはＢｒ）を含むのも良好な半導体構造を形成するため好ましい。ドーパント原料としては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブの金属単体又は化合物（例：ハロゲン化物、酸化物等）などが挙げられる。 More specifically, in the crystalline semiconductor film, the raw material fine particles generated from the raw material solution in which the raw material compound is dissolved are supplied to the film formation chamber, and the raw material compound is reacted in the film formation chamber using the susceptor. Can be formed. The solvent of the raw material solution is not particularly limited, but is preferably water, hydrogen peroxide solution or an organic solvent. In the present invention, the above raw material compound is usually reacted in the presence of a dopant raw material. The dopant raw material is preferably included in the raw material solution and finely divided together with the raw material compound or separately. The crystalline semiconductor film contains less carbon than the dopant, and preferably, the crystalline semiconductor film can be substantially free of carbon. Note that the crystalline semiconductor film of the present invention preferably contains halogen (preferably Br) because a favorable semiconductor structure is formed. Examples of the dopant raw material include tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, or niobium, which are simple metals or compounds (eg, halides, oxides, etc.).
以上のようにして成膜することにより、工業的有利に、前記結晶性半導体膜を得ることができる。なお、本発明においては、成膜時間を適宜調整することにより、膜厚を調節することができる。 By forming the film as described above, the crystalline semiconductor film can be obtained industrially advantageously. In the present invention, the film thickness can be adjusted by appropriately adjusting the film formation time.
本発明においては、成膜後、アニール処理を行ってもよい。アニール処理の温度は、特に限定されないが、７５０℃以上が好ましく、８００℃以上がより好ましく、８５０℃以上がさらにより好ましく、９００℃以上が最も好ましい。このような好ましい温度でアニール処理を行うことにより、より好適に前記結晶性半導体膜のキャリア濃度を調節することができるとともに、表面平滑性も格段に向上させることができる。アニール処理の処理時間は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、１０秒〜１０時間であるのが好ましく、１分〜５時間であるのがより好ましく、３０分〜３時間であるのが最も好ましい。 In the present invention, annealing may be performed after film formation. Although the temperature of annealing treatment is not specifically limited, 750 degreeC or more is preferable, 800 degreeC or more is more preferable, 850 degreeC or more is further more preferable, 900 degreeC or more is the most preferable. By performing the annealing process at such a preferable temperature, the carrier concentration of the crystalline semiconductor film can be adjusted more suitably, and the surface smoothness can be remarkably improved. The treatment time of the annealing treatment is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired, but it is preferably 10 seconds to 10 hours, more preferably 1 minute to 5 hours, and 30 minutes to 3 hours. Most preferably.
なお、本発明の目的を阻害しない限り、前記下地基板を前記結晶性半導体膜から剥離してもよい。剥離手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってもよい。剥離手段としては、例えば、機械的衝撃を加えて剥離する手段、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などが挙げられる。
なお、下地基板が、表面に金属膜が形成されている基板である場合には、基板部分のみを剥離してもよく、金属膜が半導体層表面に残っていてもよい。金属膜を半導体層表面に残すことで、半導体表面上の電極形成が容易かつ良好なものとすることができる。
Note that the base substrate may be peeled from the crystalline semiconductor film as long as the object of the present invention is not impaired. The peeling means is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired, and may be a known means. Examples of the peeling means include a means for peeling by applying a mechanical impact, a means for peeling by applying heat and applying thermal stress, a means for peeling by applying vibration such as ultrasonic waves, a means for peeling by etching, etc. Is mentioned.
Note that in the case where the base substrate is a substrate on which a metal film is formed, only the substrate portion may be peeled off, or the metal film may remain on the surface of the semiconductor layer. By leaving the metal film on the surface of the semiconductor layer, the electrode formation on the semiconductor surface can be made easy and good.
また、前記成膜は繰り返し行ってもよく、成膜を繰り返し行うことにより、膜厚をより厚くすることができる。
本発明においては、上記のようにして成膜することにより、厚さを１μｍ以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上とすることができる。
The film formation may be repeated, and the film thickness can be increased by repeating the film formation.
In the present invention, by forming the film as described above, the thickness can be 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more.
前記結晶性半導体膜は、半導体装置に有用な半導体構造を有しており、本発明においては、前記結晶性半導体膜をそのままで又は所望により更に加工等の処理を施して、半導体装置に用いることができる。また、前記結晶性半導体膜を半導体装置に用いる場合には、本発明の結晶性半導体膜をそのまま半導体装置に用いてもよいし、さらに他の層（例えば絶縁体層、半絶縁体層、導体層、半導体層、緩衝層またはその他中間層等）などを形成して用いてもよい。 The crystalline semiconductor film has a semiconductor structure useful for a semiconductor device, and in the present invention, the crystalline semiconductor film is used in a semiconductor device as it is or after being further processed as desired. Can do. When the crystalline semiconductor film is used for a semiconductor device, the crystalline semiconductor film of the present invention may be used for the semiconductor device as it is, or another layer (for example, an insulator layer, a semi-insulator layer, a conductor). A layer, a semiconductor layer, a buffer layer, other intermediate layers, or the like) may be used.
本発明の結晶性半導体膜は、様々な半導体装置に有用であり、とりわけ、パワーデバイスに有用である。また、半導体装置は、電極が半導体層の片面側に形成された横型の素子（横型デバイス）と、半導体層の表裏両面側にそれぞれ電極を有する縦型の素子（縦型デバイス）に分類することができ、本発明においては、前記結晶性半導体膜を横型デバイスにも縦型デバイスにも好適に用いることができるが、中でも、縦型デバイスに用いることが好ましい。前記半導体装置としては、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）または発光ダイオードなどが挙げられる。本発明においては、前記半導体装置が、ＳＢＤ、ＭＯＳＦＥＴ、ＳＩＴ、ＪＦＥＴまたはＩＧＢＴであるのが好ましく、ＳＢＤ、ＭＯＳＦＥＴまたはＳＩＴであるのがより好ましい。また、本発明においては、前記半導体装置が、ｐ型半導体層を含まないものであってもよい。 The crystalline semiconductor film of the present invention is useful for various semiconductor devices, and particularly useful for power devices. In addition, the semiconductor device is classified into a horizontal element in which electrodes are formed on one side of a semiconductor layer (horizontal device) and a vertical element (vertical device) having electrodes on both sides of the semiconductor layer. In the present invention, the crystalline semiconductor film can be suitably used for both a horizontal device and a vertical device, but among them, it is preferably used for a vertical device. Examples of the semiconductor device include a Schottky barrier diode (SBD), a metal semiconductor field effect transistor (MESFET), a high electron mobility transistor (HEMT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), and an electrostatic induction transistor ( SIT), junction field effect transistor (JFET), insulated gate bipolar transistor (IGBT), or light emitting diode. In the present invention, the semiconductor device is preferably an SBD, MOSFET, SIT, JFET or IGBT, and more preferably an SBD, MOSFET or SIT. In the present invention, the semiconductor device may not include a p-type semiconductor layer.
以下、前記結晶性半導体膜をｎ型半導体層（ｎ＋型半導体やｎ−型半導体等）に適用した場合の好適な例を、図面を用いて説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。なお、以下に例示する半導体装置において、本発明の目的を阻害しない限り、さらに他の層（例えば絶縁体層、半絶縁体層、導体層、半導体層、緩衝層またはその他中間層等）などが含まれていてもよいし、また、緩衝層（バッファ層）なども適宜省いてもよい。 Hereinafter, preferred examples in which the crystalline semiconductor film is applied to an n-type semiconductor layer (such as an n + -type semiconductor or an n − -type semiconductor) will be described with reference to the drawings. However, the present invention is limited to these examples. Is not to be done. Note that in the semiconductor device exemplified below, other layers (for example, an insulator layer, a semi-insulator layer, a conductor layer, a semiconductor layer, a buffer layer, or other intermediate layers) are provided as long as the object of the present invention is not impaired. It may be included, and a buffer layer (buffer layer) and the like may be omitted as appropriate.
（ＳＢＤ）
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。
(SBD)
FIG. 1 shows an example of a Schottky barrier diode (SBD) according to the present invention. The SBD of FIG. 1 includes an n− type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a Schottky electrode 105a, and an ohmic electrode 105b.
ショットキー電極およびオーミック電極の材料は、公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。 The material of the Schottky electrode and the ohmic electrode may be a known electrode material. Examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Metals such as Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag, or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), oxidation Examples thereof include metal oxide conductive films such as zinc indium (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole, or mixtures thereof.
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、真空蒸着法またはスパッタリング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、Ｍｏからなる層とＡｌからなる層を積層させ、Ｍｏからなる層およびＡｌからなる層に対して、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。 Formation of a Schottky electrode and an ohmic electrode can be performed by well-known means, such as a vacuum evaporation method or sputtering method, for example. More specifically, for example, when forming a Schottky electrode, a layer made of Mo and a layer made of Al are stacked, and patterning using a photolithography technique is performed on the layer made of Mo and the layer made of Al. Can be done.
図１のＳＢＤに逆バイアスが印加された場合には、空乏層（図示せず）がｎ型半導体層１０１ａの中に広がるため、高耐圧のＳＢＤとなる。また、順バイアスが印加された場合には、オーミック電極１０５ｂからショットキー電極１０５ａへ電子が流れる。このようにして前記半導体構造を用いたＳＢＤは、高耐圧・大電流用に優れており、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。 When a reverse bias is applied to the SBD of FIG. 1, a depletion layer (not shown) spreads in the n-type semiconductor layer 101a, so that a high breakdown voltage SBD is obtained. In addition, when a forward bias is applied, electrons flow from the ohmic electrode 105b to the Schottky electrode 105a. Thus, the SBD using the semiconductor structure is excellent for high withstand voltage and large current, has a high switching speed, and is excellent in withstand voltage and reliability.
図２は、本発明に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示している。図２のＳＢＤは、図１のＳＢＤの構成に加え、さらに絶縁体層１０４を備えている。より具体的には、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａ、オーミック電極１０５ｂおよび絶縁体層１０４を備えている。 FIG. 2 shows an example of a Schottky barrier diode (SBD) according to the present invention. The SBD of FIG. 2 further includes an insulator layer 104 in addition to the configuration of the SBD of FIG. More specifically, an n − type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a Schottky electrode 105a, an ohmic electrode 105b, and an insulator layer 104 are provided.
絶縁体層１０４の材料としては、例えば、ＧａＯ、ＡｌＧａＯ、ＩｎＡｌＧａＯ、ＡｌＩｎＺｎＧａＯ４、ＡｌＮ、Ｈｆ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＧｄＯ、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４などが挙げられるが、本発明においては、コランダム構造を有するものであるのが好ましい。コランダム構造を有する絶縁体を絶縁体層に用いることで、界面における半導体特性の機能を良好に発現させることができる。絶縁体層１０４は、ｎ−型半導体層１０１とショットキー電極１０５ａとの間に設けられている。絶縁体層の形成は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法などの公知の手段により行うことができる。 Examples of the material of the insulator layer 104 include GaO, AlGaO, InAlGaO, AlInZnGaO 4 , AlN, Hf 2 O 3 , SiN, SiON, Al 2 O 3 , MgO, GdO, SiO 2, and Si 3 N 4. However, in the present invention, it preferably has a corundum structure. By using an insulator having a corundum structure for the insulator layer, a function of semiconductor characteristics at the interface can be satisfactorily exhibited. The insulator layer 104 is provided between the n − type semiconductor layer 101 and the Schottky electrode 105a. The insulator layer can be formed by known means such as sputtering, vacuum deposition, or CVD.
ショットキー電極やオーミック電極の形成や材料等については、上記図１のＳＢＤの場合と同様であり、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、圧着法、ＣＶＤ法等の公知の手段を用いて、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などからなる電極を形成することができる。 The formation and material of the Schottky electrode and the ohmic electrode are the same as those in the case of the SBD in FIG. 1. For example, using known means such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, a pressure bonding method, a CVD method, Metals such as Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd, or Ag Or a metal oxide conductive film such as an alloy thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), or an organic conductive compound such as polyaniline, polythiophene, or polypyrrole, or An electrode made of a mixture of these can be formed.
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。 The SBD of FIG. 2 is further superior in insulation characteristics and has higher current controllability than the SBD of FIG.
図３のＳＢＤは、本発明に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示している。図３のＳＢＤは、図１や図２のＳＢＤの構成とは、トレンチ構造を有しており、半絶縁体層１０４を備えている点で大きく異なっている。図３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、オーミック電極１０５ｂおよび半絶縁体層１０３を備えており、耐圧性を維持したまま、リーク電流を大幅に低減することができ、大幅な低オン抵抗化も可能となる。 The SBD of FIG. 3 shows an example of a Schottky barrier diode (SBD) according to the present invention. The SBD of FIG. 3 is greatly different from the configuration of the SBD of FIGS. 1 and 2 in that it has a trench structure and includes a semi-insulator layer 104. The SBD of FIG. 3 includes an n− type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a Schottky electrode 105a, an ohmic electrode 105b, and a semi-insulator layer 103, and greatly reduces leakage current while maintaining withstand voltage characteristics. The on-resistance can be greatly reduced.
半絶縁体層１０４は、半絶縁体で構成されていればそれでよく、前記半絶縁体としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、ベリリウム（Ｂｅ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム、バリウム等の半絶縁体ドーパントを含むものやドーピング処理がなされていないもの等が挙げられる。 The semi-insulator layer 104 may be a semi-insulator, and examples of the semi-insulator include magnesium (Mg), ruthenium (Ru), iron (Fe), beryllium (Be), cesium ( Cs), those containing a semi-insulating dopant such as strontium and barium, and those not subjected to doping treatment.
（ＭＥＳＦＥＴ）
図４は、本発明に係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４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。
(MESFET)
FIG. 4 shows an example of a metal semiconductor field effect transistor (MESFET) according to the present invention. The MESFET of FIG. 4 includes an n− type semiconductor layer 111a, an n + type semiconductor layer 111b, a buffer layer (buffer layer) 118, a semi-insulator layer 114, a gate electrode 115a, a source electrode 115b, and a drain electrode 115c.
ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極の材料は、公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。 The material of the gate electrode, the drain electrode and the source electrode may be a known electrode material. Examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Metals such as Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd, or Ag, or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) Metal oxide conductive films such as zinc indium oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole, or a mixture thereof. The gate electrode, the drain electrode, and the source electrode can be formed by a known means such as a vacuum deposition method or a sputtering method.
半絶縁体層１１４は、半絶縁体で構成されていればそれでよく、前記半絶縁体としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、ベリリウム（Ｂｅ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム、バリウム等の半絶縁体ドーパントを含むものやドーピング処理がなされていないもの等が挙げられる。 The semi-insulator layer 114 may be any semi-insulator, and examples of the semi-insulator include magnesium (Mg), ruthenium (Ru), iron (Fe), beryllium (Be), cesium ( Cs), those containing a semi-insulating dopant such as strontium and barium, and those not subjected to doping treatment.
図４のＭＥＳＦＥＴでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。 In the MESFET of FIG. 4, since a good depletion layer is formed under the gate electrode, the current flowing from the drain electrode to the source electrode can be controlled efficiently.
（ＨＥＭＴ）
図５は、本発明に係る光電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一例を示している。図５のＨＥＭＴは、バンドギャップの広いｎ型半導体層１２１ａ、バンドギャップの狭いｎ型半導体層１２１ｂ、ｎ＋型半導体層１２１ｃ、半絶縁体層１２４、ゲート電極１２５ａ、ソース電極１２５ｂおよびドレイン電極１２５ｃを備えている。
(HEMT)
FIG. 5 shows an example of a photoelectron mobility transistor (HEMT) according to the present invention. 5 includes an n-type semiconductor layer 121a having a wide band gap, an n-type semiconductor layer 121b having a narrow band gap, an n + type semiconductor layer 121c, a semi-insulator layer 124, a gate electrode 125a, a source electrode 125b, and a drain electrode 125c. I have.
ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極の材料は、それぞれ公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。 The material of the gate electrode, the drain electrode and the source electrode may be a known electrode material, and examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, and Ti. , Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag, or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO ), Metal oxide conductive films such as zinc indium oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene or polypyrrole, or mixtures thereof. The gate electrode, the drain electrode, and the source electrode can be formed by a known means such as a vacuum deposition method or a sputtering method.
なお、ゲート電極下のｎ型半導体層は、少なくともバンドギャップの広い層１２１ａと狭い層１２１ｂとで構成されており、半絶縁体層１２４は、半絶縁体で構成されていればそれでよく、前記半絶縁体としては、例えばルテニウム（Ｒｕ）や鉄（Ｆｅ）等の半絶縁体ドーパントを含むものやドーピング処理がなされていないもの等が挙げられる。
図５のＨＥＭＴでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。また、本発明においては、さらにリセス構造とすることで、ノーマリーオフを発現することができる。
Note that the n-type semiconductor layer under the gate electrode is composed of at least a wide band gap layer 121a and a narrow layer 121b, and the semi-insulator layer 124 only needs to be composed of a semi-insulator. Examples of the semi-insulator include those containing a semi-insulator dopant such as ruthenium (Ru) and iron (Fe) and those not subjected to doping treatment.
In the HEMT of FIG. 5, since a good depletion layer is formed under the gate electrode, the current flowing from the drain electrode to the source electrode can be controlled efficiently. Further, in the present invention, normally-off can be expressed by using a recess structure.
（ＭＯＳＦＥＴ）
本発明の半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合の一例を図６に示す。図６のＭＯＳＦＥＴは、トレンチ型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎ−型半導体層１３１ａ、ｎ＋型半導体層１３１ｂ及び１３１ｃ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている。
(MOSFET)
An example in which the semiconductor device of the present invention is a MOSFET is shown in FIG. The MOSFET in FIG. 6 is a trench MOSFET, and includes an n− type semiconductor layer 131a, n + type semiconductor layers 131b and 131c, a gate insulating film 134, a gate electrode 135a, a source electrode 135b, and a drain electrode 135c.
ドレイン電極１３５ｃ上には、例えば厚さ１００ｎｍ〜１００μｍのｎ＋型半導体層１３１ｂが形成されており、前記ｎ＋型半導体層１３１ｂ上には、例えば厚さ１００ｎｍ〜１００μｍのｎ−型半導体層１３１ａが形成されている。そして、さらに、前記ｎ−型半導体層１３１ａ上には、ｎ＋型半導体層１３１ｃが形成されており、前記ｎ＋型半導体層１３１ｃ上には、ソース電極１３５ｂが形成されている。 An n + type semiconductor layer 131b with a thickness of 100 nm to 100 μm, for example, is formed on the drain electrode 135c, and an n − type semiconductor layer 131a with a thickness of, for example, 100 nm to 100 μm is formed on the n + type semiconductor layer 131b. Has been. Further, an n + type semiconductor layer 131c is formed on the n − type semiconductor layer 131a, and a source electrode 135b is formed on the n + type semiconductor layer 131c.
また、前記ｎ−型半導体層１３１ａ及び前記ｎ＋型半導体層１３１ｃ内には、前記ｎ＋半導体層１３１ｃを貫通し、前記ｎ−型半導体層１３１ａの途中まで達する深さの複数のトレンチ溝が形成されている。前記トレンチ溝内には、例えば、１０ｎｍ〜１μｍの厚みのゲート絶縁膜１３４を介してゲート電極１３５ａが埋め込み形成されている。 Further, a plurality of trench grooves that penetrate through the n + semiconductor layer 131c and reach the middle of the n− type semiconductor layer 131a are formed in the n− type semiconductor layer 131a and the n + type semiconductor layer 131c. ing. A gate electrode 135a is embedded in the trench groove through a gate insulating film 134 having a thickness of 10 nm to 1 μm, for example.
図６のＭＯＳＦＥＴのオン状態では、前記ソース電極１３５ｂと前記ドレイン電極１３５ｃとの間に電圧を印可し、前記ゲート電極１３５ａに前記ソース電極１３５ｂに対して正の電圧を与えると、前記ｎ−型半導体層１３１ａの側面にチャネル層が形成され、電子が前記ｎ−型半導体層に注入され、ターンオンする。オフ状態は、前記ゲート電極の電圧を０Ｖにすることにより、チャネル層ができなくなり、ｎ−型半導体層が空乏層で満たされた状態になり、ターンオフとなる。 In the ON state of the MOSFET of FIG. 6, when a voltage is applied between the source electrode 135b and the drain electrode 135c and a positive voltage is applied to the gate electrode 135a with respect to the source electrode 135b, the n− type is applied. A channel layer is formed on the side surface of the semiconductor layer 131a, and electrons are injected into the n − type semiconductor layer to turn on. In the off state, when the voltage of the gate electrode is set to 0 V, the channel layer cannot be formed, the n − type semiconductor layer is filled with the depletion layer, and the turn-off is performed.
図７は、図６のＭＯＳＦＥＴの製造工程の一部を示している。例えば図７（ａ）に示すような半導体構造を用いて、ｎ−型半導体層１３１ａおよびｎ＋型半導体層１３１ｃの所定領域にエッチングマスクを設け、前記エッチングマスクをマスクにして、さらに、反応性イオンエッチング法等により異方性エッチングを行って、図７（ｂ）に示すように、前記ｎ＋型半導体層１３１ｃ表面から前記ｎ−型半導体層１３１ａの途中にまで達する深さのトレンチ溝を形成する。次いで、図７（ｃ）に示すように、熱酸化法、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の公知の手段を用いて、前記トレンチ溝の側面及び底面に、例えば５０ｎｍ〜１μｍ厚のゲート絶縁膜１３４を形成した後、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いて、前記トレンチ溝に、例えばポリシリコン等のゲート電極材料をｎ−型半導体層の厚み以下に形成する。 FIG. 7 shows a part of the manufacturing process of the MOSFET of FIG. For example, using a semiconductor structure as shown in FIG. 7A, an etching mask is provided in predetermined regions of the n− type semiconductor layer 131a and the n + type semiconductor layer 131c, and the reactive ions are further formed using the etching mask as a mask. By performing anisotropic etching by an etching method or the like, as shown in FIG. 7B, a trench groove having a depth reaching from the surface of the n + type semiconductor layer 131c to the middle of the n − type semiconductor layer 131a is formed. . Next, as shown in FIG. 7C, a gate having a thickness of, for example, 50 nm to 1 μm is formed on the side and bottom surfaces of the trench groove by using known means such as a thermal oxidation method, a vacuum deposition method, a sputtering method, and a CVD method. After the insulating film 134 is formed, a gate electrode material such as polysilicon is formed in the trench groove below the thickness of the n − type semiconductor layer in the trench groove by using a CVD method, a vacuum deposition method, a sputtering method or the like.
そして、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の公知の手段を用いて、ｎ＋型半導体層１３１ｃ上にソース電極１３５ｂを、ｎ＋型半導体層１３１ｂ上にドレイン電極１３５ｃを、それぞれ形成することで、パワーＭＯＳＦＥＴを製造することができる。なお、ソース電極およびドレイン電極の電極材料は、それぞれ公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。 Then, by using a known means such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method or the like, a source electrode 135b is formed on the n + type semiconductor layer 131c, and a drain electrode 135c is formed on the n + type semiconductor layer 131b. A power MOSFET can be manufactured. The electrode material of the source electrode and the drain electrode may be a known electrode material, and examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, and Ti. , Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag, or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO ), Metal oxide conductive films such as zinc indium oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene or polypyrrole, or mixtures thereof.
このようにして得られたＭＯＳＦＥＴは、従来のトレンチ型ＭＯＳＦＥＴに比べて、さらに耐圧性に優れたものとなる。なお、図６では、トレンチ型の縦型ＭＯＳＦＥＴの例を示したが、本発明においては、これに限定されず、種々のＭＯＳＦＥＴの形態に適用可能である。例えば、図６のトレンチ溝の深さをｎ−型半導体層１３１ａの底面まで達する深さまで掘り下げて、シリーズ抵抗を低減させるようにしてもよい。なお、横型のＭＯＳＦＥＴの場合の一例を図８に示す。図８のＭＯＳＦＥＴは、ｎ−型半導体層１３１ａ、第１のｎ＋型半導体層１３１ｂ、第２のｎ＋８型半導体層１３１ｃ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂ、ドレイン電極１３５ｃ、緩衝層１３８および半絶縁体層１３９を備えている。図８に示すように、ｎ＋型半導体層をｎ−型半導体層に埋め込むことで、他の横型のＭＯＳＦＥＴに比べ、より良好に電流を流すことができる。 The MOSFET obtained in this way is further superior in pressure resistance compared to a conventional trench MOSFET. Although FIG. 6 shows an example of a trench type vertical MOSFET, the present invention is not limited to this and can be applied to various MOSFET forms. For example, the depth of the trench groove in FIG. 6 may be dug down to a depth reaching the bottom surface of the n − type semiconductor layer 131a to reduce the series resistance. An example of a lateral MOSFET is shown in FIG. 8 includes an n− type semiconductor layer 131a, a first n + type semiconductor layer 131b, a second n + 8 type semiconductor layer 131c, a gate insulating film 134, a gate electrode 135a, a source electrode 135b, a drain electrode 135c, and a buffer layer. 138 and a semi-insulator layer 139. As shown in FIG. 8, by burying the n + type semiconductor layer in the n− type semiconductor layer, it is possible to flow a current better than other lateral MOSFETs.
（ＳＩＴ）
図９は、本発明の半導体装置がＳＩＴである場合の一例を示す。図９のＳＩＴは、ｎ−型半導体層１４１ａ、ｎ＋型半導体層１４１ｂ及び１４１ｃ、ゲート電極１４５ａ、ソース電極１４５ｂおよびドレイン電極１４５ｃを備えている。
(SIT)
FIG. 9 shows an example where the semiconductor device of the present invention is SIT. The SIT of FIG. 9 includes an n− type semiconductor layer 141a, n + type semiconductor layers 141b and 141c, a gate electrode 145a, a source electrode 145b, and a drain electrode 145c.
ドレイン電極１４５ｃ上には、例えば厚さ１００ｎｍ〜１００μｍのｎ＋型半導体層１４１ｂが形成されており、前記ｎ＋型半導体層１４１ｂ上には、例えば厚さ１００ｎｍ〜１００μｍのｎ−型半導体層１４１ａが形成されている。そして、さらに、前記ｎ−型半導体層１４１ａ上には、ｎ＋型半導体層１４１ｃが形成されており、前記ｎ＋型半導体層１４１ｃ上には、ソース電極１４５ｂが形成されている。 An n + type semiconductor layer 141b with a thickness of 100 nm to 100 μm, for example, is formed on the drain electrode 145c, and an n − type semiconductor layer 141a with a thickness of, for example, 100 nm to 100 μm is formed on the n + type semiconductor layer 141b. Has been. Further, an n + type semiconductor layer 141c is formed on the n − type semiconductor layer 141a, and a source electrode 145b is formed on the n + type semiconductor layer 141c.
また、前記ｎ−型半導体層１４１ａ内には、前記ｎ＋半導体層１３１ｃを貫通し、前記ｎ−半導体層１３１ａの途中の深さまで達する深さの複数のトレンチ溝が形成されている。前記トレンチ溝内のｎ−型半導体層上には、ゲート電極１４５ａが形成されている。
図９のＳＩＴのオン状態では、前記ソース電極１４５ｂと前記ドレイン電極１４５ｃとの間に電圧を印可し、前記ゲート電極１４５ａに前記ソース電極１４５ｂに対して正の電圧を与えると、前記ｎ−型半導体層１４１ａ内にチャネル層が形成され、電子が前記ｎ−型半導体層に注入され、ターンオンする。オフ状態は、前記ゲート電極の電圧を０Ｖにすることにより、チャネル層ができなくなり、ｎ−型半導体層が空乏層で満たされた状態になり、ターンオフとなる。
In the n − type semiconductor layer 141a, a plurality of trench grooves having a depth penetrating the n + semiconductor layer 131c and reaching a midway depth of the n − semiconductor layer 131a are formed. A gate electrode 145a is formed on the n − type semiconductor layer in the trench.
9, when a voltage is applied between the source electrode 145b and the drain electrode 145c and a positive voltage is applied to the gate electrode 145a with respect to the source electrode 145b, the n− type is applied. A channel layer is formed in the semiconductor layer 141a, and electrons are injected into the n − type semiconductor layer to turn on. In the off state, when the voltage of the gate electrode is set to 0 V, the channel layer cannot be formed, the n − type semiconductor layer is filled with the depletion layer, and the turn-off is performed.
図９に示されるＳＩＴの製造には、公知の手段を用いることができる。例えば、図７（ａ）に示される半導体構造を用いて、上記の図７のＭＯＳＦＥＴの製造工程と同様にして、ｎ−型半導体層１４１ａおよびｎ＋型半導体層１４１ｃの所定領域にエッチングマスクを設け、前記エッチングマスクをマスクにして、例えば、反応性イオンエッチング法等により異方性エッチングを行って、前記ｎ＋型半導体層１３１ｃ表面から前記ｎ−型半導体層の途中まで達する深さのトレンチ溝を形成する。次いで、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法等で、前記トレンチ溝に、例えばポリシリコン等のゲート電極材料をｎ−型半導体層の厚み以下に形成する。そして、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の公知の手段を用いて、ｎ＋型半導体層１３１ｃ上にソース電極１３５ｂを、ｎ＋型半導体層１３１ｂ上にドレイン電極１３５ｃを、それぞれ形成することで、図９に示されるＳＩＴを製造することができる。 Known means can be used for manufacturing the SIT shown in FIG. For example, using the semiconductor structure shown in FIG. 7A, an etching mask is provided in predetermined regions of the n − type semiconductor layer 141a and the n + type semiconductor layer 141c in the same manner as the MOSFET manufacturing process shown in FIG. Using the etching mask as a mask, for example, anisotropic etching is performed by a reactive ion etching method or the like to form a trench groove having a depth reaching from the surface of the n + type semiconductor layer 131c to the middle of the n − type semiconductor layer. Form. Next, a gate electrode material such as polysilicon, for example, is formed in the trench groove below the thickness of the n − type semiconductor layer by CVD, vacuum deposition, sputtering, or the like. Then, by using a known means such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method or the like, a source electrode 135b is formed on the n + type semiconductor layer 131c, and a drain electrode 135c is formed on the n + type semiconductor layer 131b. The SIT shown in FIG. 9 can be manufactured.
なお、ソース電極およびドレイン電極の電極材料は、それぞれ公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。 The electrode material of the source electrode and the drain electrode may be a known electrode material, and examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, and Ti. , Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag, or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO ), Metal oxide conductive films such as zinc indium oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene or polypyrrole, or mixtures thereof.
上記例では、ｐ型半導体を使用していない例を示したが、本発明においては、これに限定されず、ｐ型半導体を用いてもよい。ｐ型半導体を用いた例を図１０〜１６に示す。これらの半導体装置は、上記例と同様にして製造することができる。なお、ｐ型半導体は、ｎ型半導体と同じ材料であって、ｐ型ドーパントを含むものであってもよいし、異なるｐ型半導体であってもよい。 In the above example, an example in which a p-type semiconductor is not used is shown. However, the present invention is not limited to this, and a p-type semiconductor may be used. Examples using a p-type semiconductor are shown in FIGS. These semiconductor devices can be manufactured in the same manner as in the above example. The p-type semiconductor is the same material as the n-type semiconductor and may include a p-type dopant or may be a different p-type semiconductor.
図１０は、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ｐ型半導体層１０２、絶縁体層１０４、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バリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な一例を示す。 FIG. 10 illustrates a preferred Schottky barrier diode (SBD) including an n− type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a p type semiconductor layer 102, an insulator layer 104, a Schottky electrode 105a, and an ohmic electrode 105b. An example is shown.
図１１は、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ｐ型半導体層１０２、ショットキー電極１０５ａおよびオーミック電極１０５ｂを備えているトレンチ型のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な一例を示す。トレンチ型のＳＢＤによれば、耐圧性を維持したまま、リーク電流を大幅に低減することができ、大幅な低オン抵抗化も可能となる。 FIG. 11 illustrates a preferred example of a trench Schottky barrier diode (SBD) including an n − type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a p type semiconductor layer 102, a Schottky electrode 105a, and an ohmic electrode 105b. Show. According to the trench type SBD, the leakage current can be greatly reduced while maintaining the withstand voltage, and the on-resistance can be significantly reduced.
図１２は、バンドギャップの広いｎ型半導体層１２１ａ、バンドギャップの狭いｎ型半導体層１２１ｂ、ｎ＋型半導体層１２１ｃ、ｐ型半導体層１２３、ゲート電極１２５ａ、ソース電極１２５ｂ、ドレイン電極１２５ｃおよび基板１２９を備えている高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の好適な一例を示す。 12 shows an n-type semiconductor layer 121a with a wide band gap, an n-type semiconductor layer 121b with a narrow band gap, an n + type semiconductor layer 121c, a p-type semiconductor layer 123, a gate electrode 125a, a source electrode 125b, a drain electrode 125c, and a substrate 129. A suitable example of a high electron mobility transistor (HEMT) provided with:
図１３は、ｎ−型半導体層１３１ａ、第１のｎ＋型半導体層１３１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１３１ｃ、ｐ型半導体層１３２、ｐ＋型半導体層１３２ａ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の好適な一例を示す。なお、ｐ＋型半導体層１３２ａは、ｐ型半導体層であってもよく、ｐ型半導体層１３２と同じであってもよい。 FIG. 13 shows an n− type semiconductor layer 131a, a first n + type semiconductor layer 131b, a second n + type semiconductor layer 131c, a p type semiconductor layer 132, a p + type semiconductor layer 132a, a gate insulating film 134, a gate electrode 135a, A preferred example of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) provided with a source electrode 135b and a drain electrode 135c is shown. The p + type semiconductor layer 132a may be a p type semiconductor layer or the same as the p type semiconductor layer 132.
図１４は、ｎ−型半導体層１４１ａ、第１のｎ＋型半導体層１４１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１４１ｃ、ｐ型半導体層１４２、ゲート電極１４５ａ、ソース電極１４５ｂおよびドレイン電極１４５ｃを備えている接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の好適な一例を示す。 FIG. 14 includes an n − type semiconductor layer 141a, a first n + type semiconductor layer 141b, a second n + type semiconductor layer 141c, a p type semiconductor layer 142, a gate electrode 145a, a source electrode 145b, and a drain electrode 145c. A suitable example of a junction field effect transistor (JFET) is shown.
図１５は、ｎ型半導体層１５１、ｎ−型半導体層１５１ａ、ｎ＋型半導体層１５１ｂ、ｐ型半導体層１５２、ゲート絶縁膜１５４、ゲート電極１５５ａ、エミッタ電極１５５ｂおよびコレクタ電極１５５ｃを備えている絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の好適な一例を示す。 FIG. 15 shows an n-type semiconductor layer 151, an n− type semiconductor layer 151a, an n + type semiconductor layer 151b, a p type semiconductor layer 152, a gate insulating film 154, a gate electrode 155a, an emitter electrode 155b, and a collector electrode 155c. A suitable example of a gate type bipolar transistor (IGBT) is shown.
（ＬＥＤ）
本発明の半導体装置が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合の一例を図１６に示す。図１６の半導体発光素子は、第２の電極１６５ｂ上にｎ型半導体層１６１を備えており、ｎ型半導体層１６１上には、発光層１６３が積層されている。そして、発光層１６３上には、ｐ型半導体層１６２が積層されている。ｐ型半導体層１６２上には、発光層１６３が発生する光を透過する透光性電極１６７を備えており、透光性電極１６７上には、第１の電極１６５ａが積層されている。なお、図１６の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。
(LED)
An example in which the semiconductor device of the present invention is a light emitting diode (LED) is shown in FIG. The semiconductor light emitting element of FIG. 16 includes an n-type semiconductor layer 161 on the second electrode 165b, and a light-emitting layer 163 is stacked on the n-type semiconductor layer 161. A p-type semiconductor layer 162 is stacked on the light emitting layer 163. A light-transmitting electrode 167 that transmits light generated by the light-emitting layer 163 is provided over the p-type semiconductor layer 162, and a first electrode 165 a is stacked over the light-transmitting electrode 167. 16 may be covered with a protective layer except for the electrode portion.
透光性電極の材料としては、インジウム（Ｉｎ）またはチタン（Ｔｉ）を含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２またはこれらの２以上の混晶またはこれらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極を形成できる。また、透光性電極を形成した後に、透光性電極の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。 As a material for the light-transmitting electrode, an oxide conductive material containing indium (In) or titanium (Ti) can be given. More specifically, for example, In 2 O 3 , ZnO, SnO 2 , Ga 2 O 3 , TiO 2 , CeO 2, a mixed crystal of two or more thereof, or a material doped with these may be used. A translucent electrode can be formed by providing these materials by known means such as sputtering. Moreover, after forming the translucent electrode, thermal annealing for the purpose of making the translucent electrode transparent may be performed.
図１６の半導体発光素子によれば、第１の電極１６５ａを正極、第２の電極１６５ｂを負極とし、両者を介してｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１に電流を流すことで、発光層１６３が発光するようになっている。 16, the first electrode 165a is a positive electrode and the second electrode 165b is a negative electrode, and a current is passed through the p-type semiconductor layer 162, the light-emitting layer 163, and the n-type semiconductor layer 161 through both of them. Thus, the light emitting layer 163 emits light.
第１の電極１６５ａ及び第２の電極１６５ｂの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（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、ポリチオフェン又はポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。電極の形成法は特に限定されることはなく、印刷方式、スプレー法、コ−ティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ−ティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式などの中から前記材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って前記基板上に形成することができる。 Examples of the material of the first electrode 165a and the second electrode 165b include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Metals such as Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd, or Ag or alloys thereof, metal oxides such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and zinc indium oxide (IZO) Examples thereof include a conductive film, an organic conductive compound such as polyaniline, polythiophene, or polypyrrole, or a mixture thereof. The electrode formation method is not particularly limited, and is a wet method such as a printing method, a spray method, or a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method, CVD, or plasma CVD method. It can be formed on the substrate according to a method appropriately selected in consideration of suitability with the material from among chemical methods such as the above.
なお、発光素子の別の態様を図１７に示す。図１７の発光素子では、基板１６９上にｎ型半導体層１６１が積層されており、ｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１の一部を切り欠くことによって露出したｎ型半導体層１６１の半導体層露出面上の一部に第２の電極１６５ｂが積層されている。 Note that FIG. 17 illustrates another mode of the light-emitting element. In the light-emitting element of FIG. 17, an n-type semiconductor layer 161 is stacked on a substrate 169, and the n-type semiconductor exposed by cutting out part of the p-type semiconductor layer 162, the light-emitting layer 163, and the n-type semiconductor layer 161. A second electrode 165b is stacked on a portion of the layer 161 on the exposed surface of the semiconductor layer.
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
＜実施例１〜６および比較例＞
１．成膜装置
図１８を用いて、本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。
<Examples 1 to 6 and Comparative Example>
1. Film Forming Apparatus A mist CVD apparatus 19 used in this example will be described with reference to FIG. The mist CVD apparatus 19 includes a susceptor 21 on which the substrate 20 is placed, a carrier gas supply means 22a for supplying a carrier gas, and a flow rate adjusting valve 23a for adjusting the flow rate of the carrier gas sent from the carrier gas supply means 22a. The carrier gas (dilution) supply means 22b for supplying the carrier gas (dilution), the flow rate adjusting valve 23b for adjusting the flow rate of the carrier gas sent from the carrier gas (dilution) supply means 22b, and the raw material solution 24a are accommodated. Mist generating source 24, a container 25 in which water 25a is placed, an ultrasonic vibrator 26 attached to the bottom surface of the container 25, a supply pipe 27 made of a quartz tube having an inner diameter of 40 mm, and a peripheral portion of the supply pipe 27 A heater 28 is provided. The susceptor 21 is made of quartz, and the surface on which the substrate 20 is placed is inclined from the horizontal plane. Both the supply pipe 27 and the susceptor 21 serving as a film formation chamber are made of quartz, so that impurities derived from the apparatus are prevented from being mixed into the film formed on the substrate 20.
２．成膜
下記表１に示す成長条件にて、ＡｌＧａＯ系半導体膜を成膜し、アルミニウム含有率が、９．５％（比較例）、１８．５％（実施例１）、２３．３％（実施例２）、２９．８％（実施例３）、４３．２％（実施例４）、６５．０％（実施例５）、７６．６％（実施例６）である半導体膜をそれぞれ得た。アルミニウムの含有率をＸ線にて測定した。ＸＲＤ測定結果を図１９に示す。
2. Film Formation An AlGaO-based semiconductor film was formed under the growth conditions shown in Table 1 below, and the aluminum content was 9.5% (Comparative Example), 18.5% (Example 1), 23.3% ( Example 2), 29.8% (Example 3), 43.2% (Example 4), 65.0% (Example 5), and 76.6% (Example 6) of the semiconductor film, respectively. Obtained. The aluminum content was measured by X-ray. The XRD measurement results are shown in FIG.
３．アニール処理
成膜後、下記表２に示すアニール条件にて、得られたＡｌＧａＯ系半導体膜をアニール処理した。成膜後およびアニール後にＸＲＤ測定を実施し、各膜の構造相転移温度を分析し、それぞれの熱安定性を調べた。結果を図２０に示す。
3. Annealing treatment After the film formation, the obtained AlGaO-based semiconductor film was annealed under the annealing conditions shown in Table 2 below. XRD measurement was performed after film formation and after annealing, the structural phase transition temperature of each film was analyzed, and the thermal stability of each film was examined. The results are shown in FIG.
４．表面モフォロジー
前記３．において、ｘ＝４３．２％の９５０℃アニール処理前後の膜表面をＡＦＭにて測定した。結果を、図２１に示す。この結果から、アニール処理によって、表面平坦性が向上していることが分かる。
4). Surface morphology The film surface before and after annealing at 950 ° C. with x = 43.2% was measured by AFM. The results are shown in FIG. From this result, it is understood that the surface flatness is improved by the annealing treatment.
本発明の結晶性半導体膜および板状体は、半導体（例えば化合物半導体電子デバイス等）、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、半導体特性に優れているため、特に、半導体装置に有用である。 The crystalline semiconductor film and plate-like body of the present invention can be used in various fields such as semiconductors (for example, compound semiconductor electronic devices), electronic parts / electric equipment parts, optical / electrophotographic related apparatuses, industrial members, etc. Since it has excellent characteristics, it is particularly useful for semiconductor devices.
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
５１ サセプタ
５２ ミスト加速手段
５３ 基板保持部
５４ 支持部
５５ 供給管
６１ 基板・サセプタ領域
６２ 排出領域
１０１ａ ｎ−型半導体層
１０１ｂ ｎ＋型半導体層
１０２ ｐ型半導体層
１０３ 金属層
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
１２１ａ バンドギャップの広いｎ型半導体層
１２１ｂ バンドギャップの狭いｎ型半導体層
１２１ｃ ｎ＋型半導体層
１２３ ｐ型半導体層
１２４ 半絶縁体層
１２５ａ ゲート電極
１２５ｂ ソース電極
１２５ｃ ドレイン電極
１２８ 緩衝層
１２９ 基板
１３１ａ ｎ−型半導体層
１３１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１３１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１３２ ｐ型半導体層
１３４ ゲート絶縁膜
１３５ａ ゲート電極
１３５ｂ ソース電極
１３５ｃ ドレイン電極
１３８ 緩衝層
１３９ 半絶縁体層
１４１ａ ｎ−型半導体層
１４１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１４１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１４２ ｐ型半導体層
１４５ａ ゲート電極
１４５ｂ ソース電極
１４５ｃ ドレイン電極
１５１ ｎ型半導体層
１５１ａ ｎ−型半導体層
１５１ｂ ｎ＋型半導体層
１５２ ｐ型半導体層
１５４ ゲート絶縁膜
１５５ａ ゲート電極
１５５ｂ エミッタ電極
１５５ｃ コレクタ電極
１６１ ｎ型半導体層
１６２ ｐ型半導体層
１６３ 発光層
１６５ａ 第１の電極
１６５ｂ 第２の電極
１６７ 透光性電極
１６９ 基板
19 Mist CVD apparatus 20 Substrate 21 Susceptor 22a Carrier gas supply means 22b Carrier gas (dilution) supply means 23a Flow control valve 23b Flow control valve 24 Mist generation source 24a Raw material solution 25 Container 25a Water 26 Ultrasonic vibrator 27 Supply pipe 28 Heater 29 Exhaust port 51 Susceptor 52 Mist acceleration means 53 Substrate holding part 54 Support part 55 Supply pipe 61 Substrate / susceptor area 62 Discharge area 101a n− type semiconductor layer 101b n + type semiconductor layer 102 p type semiconductor layer 103 metal layer 104 insulator layer 105a Schottky electrode 105b Ohmic electrode 111a n− type semiconductor layer 111b n + type semiconductor layer 114 semi-insulator layer 115a gate electrode 115b source electrode 115c drain electrode 118 buffer layer 121a n-type semiconductor layer 1 having a wide band gap 21b N-type semiconductor layer 121c having a narrow band gap n + type semiconductor layer 123 p-type semiconductor layer 124 Semi-insulator layer 125a Gate electrode 125b Source electrode 125c Drain electrode 128 Buffer layer 129 Substrate 131a n− type semiconductor layer 131b First n + type Semiconductor layer 131c Second n + type semiconductor layer 132 P type semiconductor layer 134 Gate insulating film 135a Gate electrode 135b Source electrode 135c Drain electrode 138 Buffer layer 139 Semi-insulator layer 141a n− type semiconductor layer 141b First n + type semiconductor layer 141c second n + type semiconductor layer 142 p type semiconductor layer 145a gate electrode 145b source electrode 145c drain electrode 151 n type semiconductor layer 151a n− type semiconductor layer 151b n + type semiconductor layer 152 p type semiconductor layer 154 gate insulating film 155a gate electrode 155 Emitter electrodes 155c collector electrode 161 n-type semiconductor layer 162 p-type semiconductor layer 163 light-emitting layer 165a first electrode 165b second electrode 167 translucent electrode 169 substrate
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