JP7061214B2 - 半導体積層体、半導体素子および半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体積層体、半導体素子および半導体素子の製造方法に関する。

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（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた半導体素子が注目されており、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。

特にコランダム型のα－Ｇａ_２Ｏ_３金属酸化物は、比較的安価なサファイア基体を用いたエピタキシャル成長が可能であり、さらにミストＣＶＤ（化学気相成長）法（特許文献１）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法（特許文献２）といった常圧プロセスが適用できることから、既存の電力用半導体素子にくらべて低コストで製造できる期待がある。

特開２０１３－２８４８０号公報 特開２０１９－３４８８２号公報 特開２０１８－００２５４４号公報

一方で、上述のようなヘテロエピタキシャル成長では、基体とエピタキシャル層との格子不整合や熱膨張係数の違いによるストレスに起因して、転位などの結晶欠陥や反りやクラックが生じるという問題があった。特に大面積の基体に成膜を行う場合にはこれらの問題がより顕著になり、その生産が困難であった。

特許文献３では下地基板に２層以上の酸化物層が形成されている下地基板を用いて、３００μｍ四方以上の領域でクラックを含まない膜厚３μｍ以上のコランダム構造を有するＩｎＡｌＧａＯ系半導体膜を形成した例が示されている。しかしながら、特許文献３に示されている例によりクラックを抑制できるのは、実際のところ直径４インチ（約１０センチメートル）未満の小口径基板に限られ、実用的なサイズ（直径４インチ以上）の基板を用いた場合には効果が不十分であった。また小口径の基板においても、基板の反りを抑制するには至らなかった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、ヘテロエピタキシャル成長により形成される場合であっても、結晶欠陥、反り、及びクラックが抑制された高品質なコランダム型結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体及び高性能な半導体素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、少なくとも、基体と、バッファ層と、少なくとも１種の金属元素を含みコランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜とを含み、前記基体の主表面の上に直接または別の層を介して前記バッファ層を有し、前記バッファ層の上に前記結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体であって、前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、前記複数のバッファ膜のうちの少なくとも２層のバッファ膜の膜厚が、２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である半導体積層体を提供する。

本発明は、また、少なくとも、基体と、バッファ層と、少なくとも１種の金属元素を含みコランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜とを含み、前記基体の主表面の上に直接または別の層を介して前記バッファ層を有し、前記バッファ層の上に前記結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体であって、前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、前記複数のバッファ膜の膜厚は、すべて２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である半導体積層体を提供する。

このようなバッファ層を有することにより、基体と結晶性金属酸化物半導体膜の格子不整合に由来するストレスを効果的に緩和することができるので、結晶欠陥の導入を低減し、さらにクラックと反りが抑制された、高品質な結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体が得られるものとなる。

このとき、前記バッファ膜は、前記結晶性金属酸化物半導体膜に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含むことが好ましい。

さらに、前記バッファ層は、該バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素の組成比が大きくなるように前記複数のバッファ膜が積層した積層構造体であることが好ましい。

これにより、バッファ層のストレス緩和効果をさらに高めることができるので、バッファ層上の結晶性金属酸化物半導体膜がさらに高品質なものとなる。

このとき、前記バッファ膜は、前記バッファ層の下地に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含むことが好ましい。

さらに、前記バッファ層は、該バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記バッファ層の下地の前記主成分金属元素の組成比が小さくなるように前記複数のバッファ膜が積層した積層構造体であることが好ましい。

これにより、バッファ層のストレス緩和効果をさらに高めることができるので、バッファ層上の結晶性金属酸化物半導体膜がさらに高品質なものとなる。

このとき、前記バッファ層の下地は前記基体であり、前記基体の前記主成分金属元素はアルミニウムであることが好ましい。

アルミニウムを主成分金属元素とする、例えばサファイアウェハのようなウェハは、品質およびコストの面から基体として好適に用いることができる。

このとき、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素はガリウムであることが好ましい。

ガリウム酸化膜は、バンドギャップが大きく、本発明に係る結晶性金属酸化物半導体膜として好適に用いることができる。

このとき、前記結晶性金属酸化物半導体膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。

これにより、結晶性金属酸化物半導体膜がより高品質なものとなる。

このとき、前記基体の主表面の面積は１０ｃｍ^２以上であることが好ましい。

これにより、結晶性金属酸化物半導体膜がさらに高品質なものとなる。また、デバイス設計の自由度が高くなる。

このとき、上記に記載の半導体積層体における、少なくとも前記バッファ層と前記結晶性金属酸化物半導体膜を備える半導体素子を提供することが好ましい。

これにより、電気特性の優れた、高性能な半導体素子となる。

また、本発明は、少なくとも結晶性金属酸化物半導体膜と電極とを有する半導体素子の製造方法であって、基体の主表面の上に、バッファ層として、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を２層以上含む、複数層のバッファ膜を形成する工程と、前記バッファ層の上に、コランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有する半導体素子の製造方法を提供する。

また、本発明は、さらに、少なくとも結晶性金属酸化物半導体膜と電極とを有する半導体素子の製造方法であって、基体の主表面の上に、バッファ層として、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を複数層形成する工程と、前記バッファ層の上に、コランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有する半導体素子の製造方法を提供する。

このようなバッファ層を形成することにより、基体と結晶性金属酸化物半導体膜の格子不整合に由来するストレスを効果的に緩和することができるので、結晶欠陥の導入が低減され、さらにクラックと反りが抑制された高品質な結晶性金属酸化物半導体膜を用いた、高性能な半導体素子が得られる。

以上のように、本発明によれば、ヘテロエピタキシャル成長により形成される場合であっても、結晶欠陥、反り、及びクラックが抑制された高品質なコランダム型結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体、半導体素子および半導体素子の製造方法を提供することができる。また、本発明に係る結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体を用いることで、高性能な半導体素子を製造することができる。

本発明に係る半導体積層体の構造の一形態を示す図である。 本発明に係る半導体積層体の構造の別の形態を示す図である。 本発明に係るショットキーバリアダイオードの一例を示す図である。 本発明に係る高電子移動度トランジスタの一例を示す図である。 本発明に係る半導体電界効果トランジスタの一例を示す図である。 本発明に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの一例を示す図である。 本発明に係る発光素子ダイオードの一例を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上述のように、ヘテロエピタキシャル成長により形成される場合であっても、結晶欠陥、反り、及びクラックが抑制された高品質なコランダム型結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体が求められていた。

本発明者は、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、少なくとも、基体と、バッファ層と、少なくとも１種の金属元素を含みコランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜とを含み、前記基体の主表面の上に直接または別の層を介して前記バッファ層を有し、前記バッファ層の上に前記結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体であって、前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、前記複数のバッファ膜のうちの少なくとも２層のバッファ膜の膜厚が、２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である半導体積層体、また、前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、前記複数のバッファ膜の膜厚は、すべて２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である半導体積層体により、基体と半導体膜の格子不整合に由来するストレスを効果的に緩和することができるので、結晶欠陥の導入を低減し、さらにクラックと反りが抑制された、高品質な半導体積層体が得られることを見出し、本発明を完成した。

また、本発明者は、少なくとも結晶性金属酸化物半導体膜と電極とを有する半導体素子の製造方法であって、基体の主表面の上に、バッファ層として、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を２層以上含む、複数層のバッファ膜を形成する工程と、前記バッファ層の上に、コランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有する半導体素子の製造方法、また、基体の主表面の上に、バッファ層として、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を複数層形成する工程と、前記バッファ層の上に、コランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有する半導体素子の製造方法により、結晶欠陥が低減され、さらにクラックや反りが抑制された、高品質な結晶性金属酸化物半導体膜を用いた半導体素子が得られることを見出し、本発明を完成した。

以下、図面を参照して説明する。

（半導体積層体）
図１、図２はそれぞれ、本発明に係る半導体積層体の構造の一形態を示す図である。本発明に係る結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体（以下、単に「半導体積層体」と呼称する場合もある）１００、２００は、基本的に、基体１０１、２０１と、バッファ層１１２、２１２と、結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３とを含み、基体１０１、２０１の主表面の上に形成されたバッファ層１１２、２１２と、さらにその上に形成された結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３で構成されている。

（基体）
基体１０１、２０１は、結晶物を主成分として含んでいれば特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体であってもよいし、導電体であってもよいし、半導体であってもよいし、単結晶であってもよいし、多結晶であっても良い。また、基体に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素がアルミニウムである基体を用いることが好ましい。なかでも、品質およびコストの面から、サファイアウェハを用いるのが好ましい。

基体の主面の面方位は特に限定されず、サファイアウェハの場合、例えばｃ面、ｍ面、ａ面などの主要面が使用できる。また、ジャスト面に対してオフ角を有するものであってもよい。オフ角は、特に限定されないが、好ましくは０°～１５°である。

基体１０１、２０１の厚さは、特に限定されないが、コストの面から２００～８００μｍ程度が好ましい。また、基体１０１、２０１の主表面の面積は、１０ｃｍ^２以上であるのが良く、より好ましくは直径約１０ｃｍ（４インチ）以上であるのが良い。このように基体１０１、２０１を大直径のものとすれば、基体１０１、２０１の上に形成される結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３がさらに高品質かつ生産性の高いものとなる。また、デバイス設計の自由度が高くなる。基体１０１、２０１の形状は、本発明においては特に限定されない。

（バッファ層）
バッファ層１１２、２１２は、図１のように基体１０１上へ直接形成されても良いし、別の層を介して形成されても良い。別の層として、例えば、結晶性金属酸化物半導体膜を基体から分離するための剥離層を導入する場合などでは、図２のように剥離層２０４上へ形成されていてもよい。

（バッファ膜）
バッファ層１１２、２１２は、それぞれ組成の異なる複数のバッファ膜１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの積層構造体となっている。バッファ膜はそれぞれが異なる組成を有するものとする。より好ましくは、後述する結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素、または、バッファ層１１２、２１２の下地に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含んでいるのが良い。もちろん、結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３の主成分金属元素とバッファ層１１２、２１２の下地の主成分金属元素の両方を含んでいても良い。ここで、バッファ層１１２、２１２の下地の主成分金属元素とは、図１の形態では基体１０１の主成分金属元素を、また図２の形態では剥離層２０４の主成分金属元素を指す。

なお、図１および図２の形態では、バッファ層は３層のバッファ膜で構成されているが、本発明はこれに限らず、組成がそれぞれ異なる２層以上（複数層）のバッファ膜が形成されていれば、結晶性金属酸化物半導体膜の厚さなどの条件により、バッファ膜全体の層数および組成を適宜調整することができる。このとき、２層以上（複数層）のバッファ膜のうちの少なくとも２層のバッファ膜のそれぞれの膜厚を２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下とする。少なくとも２層のバッファ膜の厚さはすべて同じ厚さであっても、異なる厚さであっても良いが、２００ｎｍ未満では十分な効果が得られず、また６５０ｎｍ超では応力が顕著になって反りと欠陥が導入されるようになる。２層以上（複数層）のバッファ膜のすべての膜厚が２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であれば好ましい。

また、バッファ膜が結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３の主成分金属元素を含む場合には、基体１０１、２０１側から結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３側に向かうにつれて、結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３の主成分金属元素の組成比が大きくなるようにバッファ膜を積層するのが良い。また、バッファ膜が、バッファ層１１２、２１２の下地の主成分金属元素を含む場合には、基体１０１、２０１側から結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３側に向かうにつれて、バッファ層１１２、２１２の下地の主成分金属元素の組成比が小さくなるようにバッファ膜を積層するのが良い。例えば、図１の形態でＡｌ_２Ｏ_３ウェハ上にα－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶性金属酸化物半導体膜を形成する場合、バッファ膜を（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ＜１）で形成し、ｘの値をバッファ膜１０２ａからバッファ膜１０２ｃに向かって小さくするのが良い。

また、基体に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素がアルミニウムである基体を用い、バッファ層の下地を基体とすることが好ましい。品質およびコストの面で有利である。

（結晶性金属酸化物半導体膜）
結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３の主成分は、コランダム構造を取る結晶性金属酸化物であれば特に限定されず、例えば、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、ガリウム、ロジウム、インジウム、イリジウムのいずれかを含む結晶性金属酸化物を主成分とすることができる。結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素はガリウムであることがより好ましい。具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｉ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｒｈ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｉｒ_２Ｏ_３であり、本発明においては特にＧａ_２Ｏ_３であるのが好ましい。Ｇａ_２Ｏ_３は、バンドギャップが大きく、様々な半導体素子としての応用が期待できるからである。また上記の金属元素から選ばれる２元素をＡ、Ｂとした場合に（Ａ_ｘＢ_１－ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ＜１）で表される２元系の金属酸化物や、あるいは、上記の金属元素から選ばれる３元素をＡ、Ｂ、Ｃとした場合に（Ａ_ｘＢ_ｙＣ_{１－ｘ－ｙ}）_２Ｏ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で表される３元系の金属酸化物とすることもできる。

さらに、結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３は、上記の金属酸化物の単層構造でも良いし、組成やドーパントなどの含有成分が異なる複数の結晶膜の積層構造であっても良い。

結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３の膜厚は１μｍ以上であるのが良く、好ましくは３μｍ以上であるのが良い。このような膜厚にすることで結晶の配向性が改善し、より高品質な結晶性金属酸化物半導体膜とすることができる。

また、本発明に係る半導体積層体は、適用する半導体素子等の設計に応じて、導電性を付与すべく不純物でドーピングされていてもよい。この場合の不純物としては、例えば半導体膜１０３、２０３が少なくともガリウムを含む場合には、シリコン、ゲルマニウム、スズ、マグネシウム、銅のいずれか、またはこれらの組合せが好適に使用できる。尚、この場合の導電型はｎ型となる。ドーピングにより添加される不純物の濃度は、目的とする最終製品の設計にもよるが、１×１０^１６ｃｍ^－３以上８×１０^２２ｃｍ^－３以下とするのが一般的である。特に結晶性金属酸化物半導体膜１０３、２０３は、異なる濃度で不純物が添加された結晶膜の積層とすることができる。またバッファ層１０２、２０２も同様のドーピングにより導電性を具備して良い。

（半導体素子）
また、上記したような、本発明に係る半導体積層体を用い、半導体積層体における、少なくともバッファ層と結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体素子を提供することができる。このような半導体素子は、基体を含むものであっても、基体が除去されたものであっても良い。本発明に係る半導体素子は、結晶欠陥の導入が低減され、さらにクラックや反りが抑制された、高品質な結晶性金属酸化物半導体膜を用いるものであり、高品質な半導体素子である。半導体素子の応用例（具体例）については、後で詳しく説明する。

（半導体積層体の製造方法）
本発明に係る半導体積層体の製造方法は特に限定されない。結晶性金属酸化物半導体膜の種類や、適用する半導体素子に応じて、基体、バッファ層を適宜選択し、基体上に成膜を行うことで、半導体積層体を得ることができる。成膜方法は特に限定されず、プラズマＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）、ＡＰＣＶＤ（大気圧ＣＶＤ）、ミストＣＶＤ、ＨＶＰＥ、スパッタ、イオンプレーティングなど公知の幅広い手法により実現できる。

（半導体素子の製造方法）
また、基体の主表面の上に、直接又は別の層を介してバッファ層を形成する。バッファ層は、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を２層以上含むように製膜することにより、形成する。バッファ層を構成する複数層のバッファ膜のすべてを、厚さ２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下として製膜することが好ましい。このバッファ層の上に、コランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜を形成し、本発明に係る半導体積層体を得る。その後に、さらに、結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成することで、半導体素子を製造する。このとき、基体と、バッファ層と、結晶性金属酸化物半導体膜を含む半導体積層体をそのまま用いることもできるし、基体を除去してバッファ層と結晶性金属酸化物半導体膜を残したり、基体とバッファ層を除去して、結晶性金属酸化物半導体膜のみを残したりしてもよい。このようにして、結晶欠陥の導入が低減され、さらにクラックや反りが抑制された高品質な結晶性金属酸化物半導体膜を用いた、高性能な半導体素子を製造することができる。

（応用できる半導体素子の例）
上記のような結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体は、欠陥密度が低減され、電気特性に優れており、工業的に有用なものである。このような結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体は、様々な半導体素子等に好適に用いることができ、とりわけ、パワーデバイスに有用である。

また、本発明に係る結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体は、電極が結晶性金属酸化物半導体膜の片面側に形成された横型の素子（横型デバイス）と、結晶性金属酸化物半導体膜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る。本発明においては、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。半導体素子としては、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）、半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、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（ＬＥＤ）などが挙げられる。

以下、本発明の結晶性金属酸化物半導体膜をｎ型半導体層（ｎ＋型半導体やｎ－半導体層等）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素子において、さらに他の層（例えば絶縁体層や導体層）などが含まれていてもよいし、また、中間層や緩衝層（バッファ層）などは適宜省いてもよい。

図３は、本発明に係るＳＢＤの一例である。ＳＢＤ３００は、相対的に低濃度のドーピングを施したｎ－型半導体層３０１ａ、相対的に高濃度のドーピングを施したｎ＋型半導体層３０１ｂ、ショットキー電極３０２およびオーミック電極３０３を備えている。

ショットキー電極３０２およびオーミック電極３０３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、アルミニウム、モリブデン、コバルト、ジルコニウム、スズ、ニオブ、鉄、クロム、タンタル、チタン、金、プラチナ、バナジウム、マンガン、ニッケル、銅、ハフニウム、タングステン、イリジウム、亜鉛、インジウム、パラジウム、ネオジムもしくは銀等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、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並びに積層体などが挙げられる。

ショットキー電極３０２およびオーミック電極３０３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。より具体的には、例えば、前記金属のうち２種類の第１の金属と第２の金属とを用いてショットキー電極を形成する場合、第１の金属からなる層と第２の金属からなる層を積層させ、第１の金属からなる層および第２の金属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。

ＳＢＤ３００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３０１ａ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３０３からショットキー電極３０２へ電子が流れる。したがって、本発明の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。

図４は、本発明に係るＨＥＭＴの一例である。ＨＥＭＴ４００は、バンドギャップの広いｎ型半導体層４０１、バンドギャップの狭いｎ型半導体層４０２、ｎ＋型半導体層４０３、半絶縁体層４０４、緩衝層４０５、ゲート電極４０６、ソース電極４０７およびドレイン電極４０８を備えている。

図５は、本発明に係るＭＯＳＦＥＴの一例である。ＭＯＳＦＥＴ５００はｎ－型半導体層５０１、ｎ＋型半導体層５０２及び５０３、ゲート絶縁膜５０４、ゲート電極５０５、ソース電極５０６およびドレイン電極５０７を備えている。

図６は、本発明に係るＩＧＢＴの一例である。ＩＧＢＴ６００は、ｎ型半導体層６０１、ｎ－型半導体層６０２、ｎ＋型半導体層６０３、ｐ型半導体層６０４、ゲート絶縁膜６０５、ゲート電極６０６、エミッタ電極６０７およびコレクタ電極６０８を備えている。

図７は、本発明に係るＬＥＤの一例である。ＬＥＤ７００は、第１の電極７０１、ｎ型半導体層７０２、発光層７０３、ｐ型半導体層７０４、透光性電極７０５、第２の電極７０６を備えている。

透光性電極の材料としては、インジウムまたはチタン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、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２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。

第１の電極７０１及び第２の電極７０６の材料としては、例えば、アルミニウム、モリブデン、コバルト、ジルコニウム、スズ、ニオブ、鉄、クロム、タンタル、チタン、金、プラチナ、バナジウム、マンガン、ニッケル、銅、ハフニウム、タングステン、イリジウム、亜鉛、インジウム、パラジウム、ネオジムもしくは銀等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、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。電極の製膜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。

以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

（実施例１）
ミストＣＶＤ装置を用いて、以下のように半導体積層体を作製した。２台の噴霧器（噴霧器Ａ、噴霧器Ｂ）と石英製の管状反応炉を用意し、両噴霧器を石英管で接続し、さらにそこから石英管を枝出しして反応器と接続した。

次に、ガリウムアセチルアセトナート０．０４ｍｏｌ／Ｌの水溶液に濃度３４％の塩酸を体積比で１％加え、スターラーで６０分間攪拌し、前駆体を得た。この前駆体を噴霧器Ａに充填した。次に、アルミニウムアセチルアセトナート０．０６ｍｏｌ／Ｌの水溶液に濃度３４％の塩酸を体積比で１％加え、スターラーで６０分間攪拌し、前駆体を得た。この前駆体を噴霧器Ｂに充填した。

次に、厚さ０．６ｍｍの４インチｃ面サファイア基板を石英製サセプターに立てかけた状態で反応炉に装填し、基板温度が４５０℃になるように加温した。次に、２．４ＭＨｚの超音波振動子により水を通じて噴霧器Ａ、Ｂの前駆体に超音波振動を伝播させて、前駆体をミスト化した。

この後、噴霧器Ａと噴霧器Ｂに総流量として毎分２０Ｌの窒素ガスを加え、ミストと窒素ガスの混合気を反応炉に供給し、基板の上に膜厚４００ｎｍのバッファ膜を一層形成した。続けて、噴霧器Ｂへの窒素ガス流量を減少させることで混合気中のＡｌ比率を低下させながら、同様の成膜を３回繰り返して２層目から４層目のバッファ膜を積層した。各バッファ膜中のＡｌ／Ｇａ比率は、１層目から４層目にかけて、０．６０、０．３０、０．１５、０．０５とした。次に、噴霧器Ｂへの窒素ガス供給を止め、噴霧器Ａへの窒素ガス流量を毎分２０Ｌとしてミストと窒素ガスの混合気を反応器に１８０分間供給し、膜厚約７μｍの半導体膜を形成した。

次に、窒素ガス供給と基板への加温を停止し、室温付近まで冷却してから基板を反応炉から取り出した。得られた半導体膜は、Ｘ線回折測定により、α－Ｇａ_２Ｏ_３であることが確認された。

この後、作製した膜について、クラック、反りおよび転位密度を評価した。クラックは、基板全面の光学顕微鏡明視野で観察される１ｍｍ長以上の直線状欠陥として、発生の有無を評価し、また反りは基板の両端を結ぶ直線と凹または凸の頂点との最短の距離として評価した。また転位密度は、積層体の縦断面を１００ｎｍ厚の薄片化した試料を使い、ＴＥＭ法によって定量した。

（実施例２、３）
各バッファ膜の膜厚を２００ｎｍ（実施例２）、６５０ｎｍ（実施例３）としたこと以外は実施例１と同様に半導体積層体を作製した。作製した半導体膜は、Ｘ線回折測定により、α－Ｇａ_２Ｏ_３であることが確認された。この後、実施例１と同様の評価を行った。

（比較例１、２）
各バッファ膜の膜厚を１５０ｎｍ（比較例１）、７００ｎｍ（比較例２）としたこと以外は実施例１と同様に半導体積層体を作製した。作製した半導体膜は、Ｘ線回折測定により、α－Ｇａ_２Ｏ_３であることが確認された。この後、実施例１と同様の評価を行った。

（実施例４）
１層目と２層目のバッファ膜の膜厚を１５０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様に半導体積層体を作製した。作製した半導体膜は、Ｘ線回折測定により、α－Ｇａ_２Ｏ_３であることが確認された。この後、実施例１と同様の評価を行った。

（比較例３）
１層目、２層目および３層目のバッファ膜の膜厚を１５０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様に半導体積層体を作製した。作製した半導体膜は、Ｘ線回折測定により、α－Ｇａ_２Ｏ_３であることが確認された。この後、実施例１と同様の評価を行った。

実施例１、２、３および比較例１、２のクラック、反り、転位密度の評価結果を表１に示す。また、実施例４および比較例３のクラック、反り、転位密度の評価結果を表２に示す。

表１および表２に示した実施例の結果で示されるように、本発明に係る半導体積層体は、クラックと反りが抑制され、かつ転位密度が低減された高品質な膜であることが分かる。一方、従来技術の比較例で得られた半導体積層体は、クラックと著しい反りが生じ、また転位密度も高かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１００、２００…半導体積層体、
１０１、２０１…基体、
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ…バッファ膜、
１０３、２０３…結晶性金属酸化物半導体膜、 １１２、２１２…バッファ層、
２０４…剥離層、
３００…ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、
３０１ａ…ｎ－型半導体層、 ３０１ｂ…ｎ＋型半導体層、
３０２…ショットキー電極、 ３０３…オーミック電極、
４００…高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、
４０１…バンドギャップの広いｎ型半導体層、
４０２…バンドギャップの狭いｎ型半導体層、
４０３…ｎ＋型半導体層、 ４０４…半絶縁体層、 ４０５…緩衝層、
４０６…ゲート電極、 ４０７…ソース電極、 ４０８…ドレイン電極、
５００…金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、
５０１…ｎ－型半導体層、 ５０２、５０３…ｎ＋型半導体層、
５０４…ゲート絶縁膜、 ５０５…ゲート電極、
５０６…ソース電極、 ５０７…ドレイン電極、
６００…絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、
６０１…ｎ型半導体層、 ６０２…ｎ－型半導体層、
６０３…ｎ＋型半導体層、 ６０４…ｐ型半導体層、
６０５…ゲート絶縁膜、 ６０６…ゲート電極、
６０７…エミッタ電極、 ６０８…コレクタ電極、
７００…発光ダイオード（ＬＥＤ）、
７０１…第１の電極、 ７０２…ｎ型半導体層、 ７０３…発光層、
７０４…ｐ型半導体層、 ７０５…透光性電極、 ７０６…第２の電極。

Claims (11)

1. 少なくとも、基体と、バッファ層と、少なくとも１種の金属元素を含みコランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜とを含み、
   前記基体の主表面の上に直接または別の層を介して前記バッファ層を有し、前記バッファ層の上に前記結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体であって、
   前記結晶性金属酸化物半導体膜は単結晶膜であり、
   前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、
   前記複数のバッファ膜のうちの少なくとも２層のバッファ膜の膜厚が、２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、
   前記バッファ膜は、前記結晶性金属酸化物半導体膜に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含み、
   前記バッファ層は、該バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素の組成比が大きくなるように前記複数のバッファ膜が積層した積層構造体であり、
   前記基体はコランダム構造を有するものであることを特徴とする半導体積層体。
2. 少なくとも、基体と、バッファ層と、少なくとも１種の金属元素を含みコランダム構造を有する結晶性金属酸化物半導体膜とを含み、
   前記基体の主表面の上に直接または別の層を介して前記バッファ層を有し、前記バッファ層の上に前記結晶性金属酸化物半導体膜を有する半導体積層体であって、
   前記結晶性金属酸化物半導体膜は単結晶膜であり、
   前記バッファ層は、組成がそれぞれ異なる複数のバッファ膜の積層構造体であり、
   前記複数のバッファ膜の膜厚は、すべて２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、
   前記バッファ膜は、前記結晶性金属酸化物半導体膜に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含み、
   前記バッファ層は、該バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素の組成比が大きくなるように前記複数のバッファ膜が積層した積層構造体であり、
   前記基体はコランダム構造を有するものであることを特徴とする半導体積層体。
3. 前記バッファ膜は、前記バッファ層の下地に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の半導体積層体。
4. 前記バッファ層は、該バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記バッファ層の下地の前記主成分金属元素の組成比が小さくなるように前記複数のバッファ膜が積層した積層構造体であることを特徴とする請求項３に記載の半導体積層体。
5. 前記バッファ層の下地は前記基体であり、前記基体の前記主成分金属元素はアルミニウムであることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか一項に記載の半導体積層体。
6. 前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素はガリウムであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体積層体。
7. 前記結晶性金属酸化物半導体膜の膜厚は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体積層体。
8. 前記基体の主表面の面積は１０ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体積層体。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の半導体積層体における、少なくとも前記バッファ層と前記結晶性金属酸化物半導体膜を備えることを特徴とする半導体素子。
10. 少なくとも結晶性金属酸化物半導体膜と電極とを有する半導体素子の製造方法であって、
    コランダム構造を有する基体の主表面の上に、バッファ層として、前記結晶性金属酸化物半導体膜に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含み、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を２層以上含む、複数層のバッファ膜を、前記バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素の組成比が大きくなるように形成する工程と、
    前記バッファ層の上に、コランダム構造を有し、単結晶膜である結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、
    少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
11. 少なくとも結晶性金属酸化物半導体膜と電極とを有する半導体素子の製造方法であって、
    コランダム構造を有する基体の主表面の上に、バッファ層として、前記結晶性金属酸化物半導体膜に含まれる金属元素のうち、最も多く含まれる主成分金属元素を含み、それぞれ異なる組成を有するとともに２００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の厚さのバッファ膜を、前記バッファ層の前記基体側から前記結晶性金属酸化物半導体膜側に向かうにつれて、前記結晶性金属酸化物半導体膜の前記主成分金属元素の組成比が大きくなるように、複数層形成する工程と、
    前記バッファ層の上に、コランダム構造を有し、単結晶膜である結晶性金属酸化物半導体膜を形成する工程と、
    少なくとも前記結晶性金属酸化物半導体膜の上に電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体素子の製造方法。

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