JP7295540B2 - 成膜方法、及び、半導体装置の製造方法 - Google Patents

成膜方法、及び、半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本明細書に開示の技術は、基体上に膜を形成する技術に関する。
特開２０１５－０７０２４８号公報には、基体の表面に半導体または導体の特性を有する酸化物膜を形成する技術が開示されている。この技術では、基体を加熱しながら、酸化物膜材料が溶解した溶液のミストを基体の表面に供給する。この技術によれば、基体の表面に、酸化物膜を成長させることができる。
半導体または導体の特性を有する酸化物膜にビスマスをドープすることで、酸化物膜の特性を変化させることができる。しかしながら、基体の表面にミストを供給することで酸化物膜を形成する技術では、酸化物膜にビスマスをドープする方法が確立されていない。本明細書では、基体の表面にミストを供給することで酸化物膜を形成するときに酸化物膜にビスマスをドープする技術を提案する。
本明細書が開示する成膜方法は、ビスマスがドープされているとともに半導体または導体の特性を有する酸化物膜を基体上に形成する。この成膜方法は、前記基体を加熱しながら、前記酸化物膜の構成元素を含む酸化物膜材料とビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の表面に供給する工程を有する。前記ビスマス化合物が、ビスマスエトキシド、酢酸酸化ビスマス、酢酸ビスマス、硝酸ビスマス５水和物、硝酸ビスマス、オキシ硝酸ビスマス、２－エチルヘキサン酸ビスマス、オクタン酸ビスマス、ナフテン酸ビスマス、次没食子酸ビスマス、次サリチル酸ビスマス、塩化ビスマス、塩化酸化ビスマス、クエン酸ビスマス、オキシ酢酸ビスマス、オキシ過塩素酸ビスマス、オキシサリチル酸ビスマス、臭化ビスマス、ヨウ化ビスマス、水酸化ビスマス、オキシ炭酸二ビスマス、硫化ビスマス、硫酸ビスマス、炭酸ビスマス、及び、酸化ビスマスからなるグループから選択される物質である。
上記グループから選択されたビスマス化合物を含む溶液のミストを基体の表面に供給することで、ビスマスがドープされている酸化物膜を基体上に形成することができる。
成膜装置１０の構成図。 成膜された酸化ガリウム膜中のビスマスの濃度分布を示すグラフ。
本明細書が開示する成膜方法の付加的な特徴について、以下に列記する。なお、以下に列記された各特徴は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ビスマス化合物が、塩基性ビスマス化合物であってもよい。例えば、前記ビスマス化合物が、塩基性酢酸ビスマス、塩基性硫酸ビスマス、塩基性硝酸ビスマス、または、塩基性炭酸ビスマスであってもよい。
塩基性ビスマス化合物は溶液に溶けやすいので、溶液中のビスマスの濃度を高くすることができる。したがって、塩基性ビスマス化合物を用いることで、ビスマスの含有濃度が高い酸化物膜を成長させることができる。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の前記表面に供給する前記工程が、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物の両方が溶解した溶液からミストを生成する工程と、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物の両方が溶解した前記溶液の前記ミストを前記基体の前記表面に供給する工程、を有していてもよい。
本明細書が開示する別の一例の成膜方法においては、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の前記表面に供給する前記工程が、前記酸化物膜材料が溶解した溶液からミストを生成する工程と、前記ビスマス化合物が溶解した溶液からミストを生成する工程と、前記酸化物膜材料が溶解した前記溶液の前記ミストと前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストを前記基体の前記表面に供給する工程、を有していてもよい。
このように、酸化物膜材料とビスマス化合物の両方が溶解した溶液からミストを生成する方法でも、酸化物膜材料が溶解した溶液とビスマス化合物が溶解した溶液をそれぞれミスト化する方法のいずれでも、好適に酸化物膜を形成することができる。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が、単結晶膜であってもよい。
単結晶である酸化物膜を形成することで、酸化物膜を半導体素子等に好適に用いることができる。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、または、これらを組み合わせた酸化物により構成されていてもよい。この場合、前記酸化物膜材料が、インジウム化合物、アルミニウム化合物、及び、ガリウム化合物の少なくとも１つを含んでいてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が、酸化亜鉛により構成されていてもよい。この場合、前記酸化物膜材料が、亜鉛化合物を含んでいてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が、酸化ガリウム、または、酸化ガリウムを含む酸化物により構成されていてもよい。この場合、前記酸化物膜材料が、ガリウム化合物であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ガリウム化合物が、有機物であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ガリウム化合物が、金属錯体であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ガリウム化合物が、ガリウムアセチルアセトナートであってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ガリウム化合物が、ハロゲン化物であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記ガリウム化合物が、塩化ガリウムであってもよい。
塩化ガリウムは、安価であると共に、残留不純物を生じさせ難い。したがって、酸化物膜材料として有用である。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストに含まれるビスマス原子の数が、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストに含まれるインジウム原子、アルミニウム原子、及び、ガリウム原子の総数の１０００倍以下であってもよい。
この構成によれば、結晶品質が高い酸化物膜を形成することができる。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記基体が、酸化ガリウムにより構成されていてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記基体が、β‐Ｇａ２Ｏ３により構成されていてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記基体が、α‐Ｇａ２Ｏ３により構成されていてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記基体が、α‐Ａｌ２Ｏ３により構成されていてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が、β‐Ｇａ２Ｏ３により構成されていてもよい。
この構成によれば、酸化物膜の特性が安定であり、酸化物膜の導電性を制御し易い。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜が半導体膜であってもよい。前記成膜方法が、前記酸化物膜にアクセプタをドープする工程を有していてもよい。なお、ミストを供給する工程とアクセプタをドープする工程が共通化されてもよい。すなわち、ミストを供給する工程で、成長する酸化物膜中にアクセプタがドープされてもよい。また、酸化物膜が形成された後に、酸化物膜にアクセプタをドープする工程が実施されてもよい。
ビスマスを含む酸化物半導体膜中では、アクセプタを活性させることができる。したがって、ｐ型の酸化物半導体膜を形成することができる。
本明細書が開示する一例の成膜方法においては、前記酸化物膜を形成するときに、前記基体を４００～１０００℃に加熱してもよい。
この構成によれば、結晶品質が高い酸化物膜を形成できるとともに、酸化物膜の導電性を正確に制御することができる。
前記ビスマス化合物が酸化ビスマスである場合には、前記溶液に塩酸、硝酸、硫酸、及び、酢酸からなるグループから選択される酸が添加されていてもよい。
この構成によれば、酸化ビスマスが溶液に溶解し易い。
（実施例）
図１に示す成膜装置１０は、基板７０上に酸化物膜を形成する装置である。成膜装置１０は、基板７０が配置される炉１２と、炉１２を加熱するヒータ１４と、炉１２に接続されたミスト供給装置２０と、炉１２に接続された排出管８０を備えている。
炉１２の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、図１に示す炉１２は、上流端１２ａから下流端１２ｂまで延びる管状炉である。炉１２の長手方向に垂直な断面は、円形である。例えば、炉１２の直径を、約４０ｍｍとすることができる。但し、炉１２の断面は円形に限定されない。
ミスト供給装置２０は、炉１２の上流端１２ａに接続されている。炉１２の下流端１２ｂには、排出管８０が接続されている。ミスト供給装置２０は、炉１２内にミスト６２を供給する。ミスト供給装置２０によって炉１２内に供給されたミスト６２は、炉１２内を下流端１２ｂまで流れた後に、排出管８０を介して炉１２の外部に排出される。
炉１２内には、基板７０を支持するための基板ステージ１３が設けられている。基板ステージ１３は、炉１２の長手方向に対して基板７０が傾くように構成されている。基板ステージ１３に支持された基板７０は、炉１２内を上流端１２ａから下流端１２ｂに向かって流れるミストが基板７０の表面にあたる向きで支持される。
ヒータ１４は、前述したように、炉１２を加熱する。ヒータ１４の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、図１に示すヒータ１４は、電気式のヒータであって、炉１２の外周壁に沿って配置されている。これにより、ヒータ１４は炉１２の外周壁を加熱し、それによって炉１２内の基板７０が加熱される。
ミスト供給装置２０は、ミスト発生槽２２を有している。ミスト発生槽２２は、水槽２４、溶液貯留槽２６、超音波振動子２８を有している。水槽２４は、上部が解放された容器であり、内部に水５８を貯留している。超音波振動子２８は、水槽２４の底面に設置されている。超音波振動子２８は、水槽２４内の水５８に超音波振動を加える。溶液貯留槽２６は、密閉型の容器である。溶液貯留槽２６は、基板７０の表面にエピタキシャル成長させる膜の原料を含む溶液６０を貯留している。また、溶液６０中に、成長させる膜にｎ型またはｐ型のドーパントを付与するための原料（例えば、フッ化アンモニウム等）がさらに溶解していてもよい。溶液貯留槽２６の底部は、水槽２４内の水５８に浸漬されている。溶液貯留槽２６の底面は、フィルムにより構成されている。これによって、水槽２４内の水５８から溶液貯留槽２６内の溶液６０に超音波振動が伝わり易くなっている。超音波振動子２８が水槽２４内の水５８に超音波振動を加えると、水５８を介して溶液６０に超音波振動が伝わる。すると、溶液６０の表面が振動して、溶液６０の上部の空間（すなわち、溶液貯留槽２６内の空間）に溶液６０のミスト６２が発生する。
ミスト供給装置２０は、ミスト供給路４０と、搬送ガス供給路４２と、希釈ガス供給路４４をさらに備えている。ミスト供給路４０は、溶液貯留槽２６と炉１２との間を接続している。搬送ガス供給路４２は、溶液貯留槽２６に接続されている。希釈ガス供給路４４は、ミスト供給路４０に接続されている。搬送ガス供給路４２は、溶液貯留槽２６へ搬送ガス６４を供給する。希釈ガス供給路４４は、ミスト供給路４０へ希釈ガス６６を供給する。
（実施例１）
次に、成膜装置１０を用いた成膜方法について説明する。実施例１では、基板７０として、表面に（０１０）結晶面が露出しているβ型酸化ガリウム（β‐Ｇａ２Ｏ３）の単結晶によって構成された基板を用いる。また、実施例１では、基板７０の表面に、β型酸化ガリウム膜を形成する。また、実施例１では、溶液６０として、塩化ガリウム（ＧａＣｌ３またはＧａ２Ｃｌ６）と塩基性硝酸ビスマス（４ＢｉＮＯ３（ＯＨ）２・ＢｉＯ（ＯＨ））が溶解した水溶液を用いる。塩化ガリウムは、酸化ガリウム膜の原料である。塩基性硝酸ビスマスは、酸化ガリウム膜にドープするためのビスマスを供給する。すなわち、実施例１では、酸化物膜がβ型酸化ガリウム膜であり、酸化物膜材料が塩化ガリウムであり、ビスマス化合物が塩基性硝酸ビスマスである。溶液６０には、０．５ｍｏｌ／Ｌの濃度で塩化ガリウムが溶解しており、０．０１ｍｏｌ／Ｌの濃度で塩基性硝酸ビスマスが溶解している。また、実施例１では、搬送ガス６４として窒素ガスを用い、希釈ガス６６として窒素ガスを用いる。
図１に示すように、まず、炉１２内の基板ステージ１３上に基板７０を設置する。ここでは、基板７０の（０１０）結晶面が上面（ミスト６２に曝される面）となる向きで基板７０を基板ステージ１３上に設置する。次に、ヒータ１４によって、基板７０を加熱する。ここでは、基板７０の温度を、約７５０℃に制御する。基板７０の温度が安定したら、ミスト供給装置２０を作動させる。すなわち、超音波振動子２８を動作させることによって、溶液貯留槽２６内に溶液６０のミスト６２を生成する。同時に、搬送ガス供給路４２から溶液貯留槽２６内に搬送ガス６４を導入し、希釈ガス供給路４４からミスト供給路４０に希釈ガス６６を導入する。ここでは、搬送ガス６４及び希釈ガス６６の合計流量を、約５Ｌ／ｍｉｎとする。搬送ガス６４は、溶液貯留槽２６を通って、矢印４７に示すようにミスト供給路４０内に流入する。このとき、溶液貯留槽２６内のミスト６２が、搬送ガス６４と共にミスト供給路４０内に流入する。また、希釈ガス６６は、ミスト供給路４０内でミスト６２と混合される。これによって、ミスト６２が希釈化される。ミスト６２は、窒素ガス（すなわち、搬送ガス６４と希釈ガス６６）とともにミスト供給路４０内を下流側に流れ、矢印４８に示すようにミスト供給路４０から炉１２内に流入する。炉１２内では、ミスト６２は、窒素ガスとともに下流端１２ｂ側へ流れ、排出管８０へ排出される。
炉１２内を流れるミスト６２の一部は、加熱された基板７０の表面に付着する。すると、ミスト６２（すなわち、溶液６０）が、基板７０上で化学反応を起こす。その結果、基板７０上に、β型酸化ガリウム（β‐Ｇａ２Ｏ３）が生成される。基板７０の表面に継続的にミスト６２が供給されるので、基板７０の表面にβ型酸化ガリウム膜が成長する。この成膜方法によれば、高品質の単結晶のβ型酸化ガリウム膜が成長する。成長する酸化ガリウム膜には、塩基性硝酸ビスマス中のビスマス原子が取り込まれる。このため、ビスマスがドープされた酸化ガリウム膜が形成される。ここでは、６０分間成膜処理を行い、約１００ｍｌの溶液６０を消費して、酸化ガリウム膜を成長させる。このように成長させた酸化ガリウム膜は、半導体または導体の特性を示す。
図２は、この成膜方法により形成した酸化ガリウム膜中のビスマスの濃度分布を測定した結果を示している。図２の横軸は、酸化ガリウム膜の表面からの深さを示しており、深さ０μｍが酸化ガリウム膜の表面の位置である。図２に示すように、０～０．２２μｍの深さ範囲が酸化ガリウム膜であり、０．２２μｍよりも深い範囲が基板７０である。図２に示すように、成長させた酸化ガリウム膜内で、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高いビスマスの濃度が観測された。成長させた酸化ガリウム膜内のビスマス濃度は、基板７０内のビスマス濃度よりも明らかに高い。このように、実施例１の方法によれば、ビスマスが高濃度にドープされた酸化ガリウム膜を形成可能である。
以上に説明したように、実施例１の成膜方法によれば、ビスマスがドープされたβ型酸化ガリウム膜を形成することができる。特に、実施例１では、β型酸化ガリウム膜がβ型酸化ガリウムによって構成された基板７０上にホモエピタキシー成長するので、より高品質なβ型酸化ガリウム膜を形成することができる。
（実施例２）
次に、実施例２の成膜方法について説明する。実施例２では、基板７０としてサファイア（Ａｌ２Ｏ３）によって構成された基板を用いる。また、実施例２では、基板７０の表面に、α型酸化ガリウム膜を形成する。また、実施例２では、溶液６０として、臭化ガリウム（ＧａＢｒ３、Ｇａ２Ｂｒ６）と塩基性硝酸ビスマスが溶解した水溶液を用いる。臭化ガリウムは、酸化ガリウム膜の原料である。塩基性硝酸ビスマスは、酸化ガリウム膜にドープするためのビスマスを供給する。すなわち、実施例２では、酸化物膜がα型酸化ガリウム膜、酸化物膜材料が臭化ガリウム、ビスマス化合物が塩基性硝酸ビスマスである。溶液６０には、０．１ｍｏｌ／Ｌの濃度で臭化ガリウムが溶解しており、０．００１ｍｏｌ／Ｌの濃度で塩基性硝酸ビスマスが溶解している。また、実施例２では、搬送ガス６４として窒素ガスを用い、希釈ガス６６として窒素ガスを用いる。
実施例２の成膜方法でも、実施例１と同様に、基板ステージ１３上に基板７０を設置し、ヒータ１４によって基板７０を加熱する。ここでは、基板７０の温度を、約５００℃に制御する。基板７０の温度が安定したら、ミスト供給装置２０を作動させる。すなわち、超音波振動子２８の動作、搬送ガス６４の導入、及び、希釈ガス６６の導入を、実施例１と同様に実施する。その結果、ミスト６２が、炉１２内に流入し、炉１２内を流れるミスト６２の一部が加熱された基板７０の表面に付着する。すると、ミスト６２（すなわち、溶液６０）が、基板７０上で化学反応を起こす。その結果、基板７０上に、α型酸化ガリウム（α‐Ｇａ２Ｏ３）が生成される。基板７０の表面に継続的にミスト６２が供給されるので、基板７０の表面にα型酸化ガリウム膜が成長する。この成膜方法によれば、高品質の単結晶のα型酸化ガリウム膜が成長する。酸化ガリウム膜には、塩基性硝酸ビスマス中のビスマス原子が取り込まれる。このため、ビスマスがドープされた酸化ガリウム膜が形成される。このように成長させた酸化ガリウム膜は、半導体または導体の特性を示す。
（実施例３）
次に、実施例３の成膜方法について説明する。実施例３では、基板７０として、ガラスによって構成された基板を用いる。また、実施例３では、基板７０の表面に、酸化亜鉛膜（ＺｎＯ）を形成する。また、実施例３では、溶液６０として、酢酸亜鉛（ＺｎＡｃ２：但し、Ａｃはアセチル基を表す）と塩基性硝酸ビスマスが溶解した水溶液を用いる。酢酸亜鉛は、酸化亜鉛膜の原料である。塩基性硝酸ビスマスは、酸化亜鉛膜にドープするためのビスマスを供給する。すなわち、実施例３では、酸化物膜が酸化亜鉛膜、酸化物膜材料が酢酸亜鉛、ビスマス化合物が塩基性硝酸ビスマスである。溶液６０には、０．０５ｍｏｌ／Ｌの濃度で酢酸亜鉛が溶解しており、０．００１ｍｏｌ／Ｌの濃度で塩基性硝酸ビスマスが溶解している。また、実施例３では、搬送ガス６４として窒素ガスを用い、希釈ガス６６として窒素ガスを用いる。
実施例３の成膜方法でも、実施例１と同様に、基板ステージ１３上に基板７０を設置する。次に、ヒータ１４によって基板７０を加熱する。ここでは、基板７０の温度を、約４００℃に制御する。基板７０の温度が安定したら、ミスト供給装置２０を作動させる。すなわち、超音波振動子２８の動作、搬送ガス６４の導入、及び、希釈ガス６６の導入を、実施例１と同様に実施する。その結果、ミスト６２が、炉１２内に流入し、炉１２内を流れるミスト６２の一部が加熱された基板７０の表面に付着する。すると、ミスト６２（すなわち、溶液６０）が、基板７０上で化学反応を起こす。その結果、基板７０上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が生成される。基板７０の表面に継続的にミスト６２が供給されるので、基板７０の表面に酸化亜鉛膜が成長する。この成膜方法によれば、高品質の単結晶の酸化亜鉛膜が成長する。酸化亜鉛膜には、塩基性硝酸ビスマス中のビスマス原子が取り込まれる。このため、ビスマスがドープされた酸化亜鉛膜が形成される。このように成長させた酸化亜鉛膜は、半導体または導体の特性を示す。
以上の実施例１～３で説明したように、酸化物膜材料とビスマス化合物が溶解した溶液のミストを用いて酸化物膜を成長させることで、ビスマスがドープされた酸化物膜を形成することができる。
なお、上述した実施例１、２では、いずれも、溶液６０に溶解しているビスマス原子の数（濃度）が、溶液６０に溶解しているガリウム原子の数（濃度）の１０００倍以下である。この構成によれば、結晶品質が高い酸化ガリウム膜を形成することができる。また、上述した実施例３では、溶液６０に溶解しているビスマス原子の数（濃度）が、溶液６０に溶解している亜鉛原子の数（濃度）の１０００倍以下である。この構成によれば、結晶品質が高い酸化亜鉛膜を形成することができる。
なお、実施例１～３では、基板７０の表面に酸化ガリウム膜（Ｇａ２Ｏ３）または酸化亜鉛膜（ＺｎＯ）を形成した。しかしながら、基板７０の表面に、他の酸化物膜を形成してもよい。例えば、酸化インジウム膜（Ｉｎ２Ｏ３）や酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成してもよい。また、酸化インジウム、酸化アルミニウム、及び、酸化ガリウムを組み合わせた材料（すなわち、ＩｎｘＡｌｙＧａｚＯ３（０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦２、０≦ｚ≦２））の膜を形成してもよい。酸化インジウム膜を形成する場合には、溶液６０に溶解させる酸化物膜材料として、インジウム化合物を用いることができる。酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶液６０に溶解させる酸化物膜材料として、アルミニウム化合物を用いることができる。酸化インジウム、酸化アルミニウム、及び、酸化ガリウムを組み合わせた材料の膜を形成する場合には、溶液６０に溶解させる酸化物膜材料として、インジウム化合物、アルミニウム化合物、及び、ガリウム化合物を組み合わせて用いることができる。これらの場合、ミスト６２に含まれるビスマス原子の数（すなわち、モル濃度）をミスト６２に含まれるインジウム原子、アルミニウム原子、及び、ガリウム原子の総数（すなわち、インジウム原子、アルミニウム原子、及び、ガリウム原子のモル濃度の合計値）の１０００倍以下とすることで、結晶性が高い酸化物膜を形成することができる。
また、上述した実施例１～３では、基板７０を４００～７５０℃に加熱した。成膜工程においては、基板７０を４００～１０００℃の温度に制御することができる。このように温度を制御することで、より好適に酸化物膜を形成することができる。
また、上述した実施例１～３では、単結晶の酸化物膜を形成した。しかしながら、アモルファス、または、多結晶の酸化物膜を形成してもよい。
また、上述した実施例１～３では、基板７０が、β型酸化ガリウム、サファイア、または、ガラスにより構成されていた。しかしながら、基板７０が、他の材料によって構成されていてもよい。他の材料によって構成された基板７０を用いることで、実施例１～３とは異なる特性の酸化物膜を形成することができる。例えば、基板７０が、α型酸化ガリウム（α‐Ｇａ２Ｏ３）、γ型酸化ガリウム、δ型酸化ガリウム、ε型酸化ガリウム、酸化アルミニウム（例えば、α型酸化アルミニウム（α‐Ａｌ２Ｏ３））、または、窒化ガリウム（ＧａＮ）等によって構成されていてもよい。また、基板７０は、絶縁体でも、半導体でも、導体でもよい。
また、上述した実施例１～３では、基板７０（すなわち、板状の部材）の表面に酸化物膜を形成した。しかしながら、他の形状の部材を基材として用い、その基材の表面に酸化物膜を形成してもよい。
また、上述した実施例１～３では、溶液６０に溶解しているビスマス化合物が、塩基性硝酸ビスマスであった。しかしながら、溶液６０に溶解させるビスマス化合物として、他の材料を用いてもよい。例えば、溶液６０に溶解させるビスマス化合物として、ビスマスエトキシド、酢酸酸化ビスマス、酢酸ビスマス、硝酸ビスマス５水和物、硝酸ビスマス、オキシ硝酸ビスマス、２－エチルヘキサン酸ビスマス、オクタン酸ビスマス、ナフテン酸ビスマス、次没食子酸ビスマス、次サリチル酸ビスマス、塩化ビスマス、塩化酸化ビスマス、クエン酸ビスマス、オキシ酢酸ビスマス、オキシ過塩素酸ビスマス、オキシサリチル酸ビスマス、臭化ビスマス、ヨウ化ビスマス、水酸化ビスマス、オキシ炭酸二ビスマス、硫化ビスマス、硫酸ビスマス、及び、炭酸ビスマスにより構成されるグループから選択される１または複数の物質を用いることができる。上記グループのビスマス化合物は、水に溶解し易いので、ミストを用いた成膜方法に適している。このため、上記グループに含まれるビスマス化合物が溶解した溶液のミストを用いて酸化物膜を成長させることで、酸化物膜中にビスマスをドープすることができる。なお、上記グループに含まれるビスマス化合物のうち、塩基性ビスマス化合物（例えば、塩基性酢酸ビスマス、塩基性硫酸ビスマス、塩基性硝酸ビスマス、または、塩基性炭酸ビスマス）は特に水に溶解し易い。したがって、塩基性ビスマス化合物を用いると、溶液中におけるビスマス濃度を高くし易い。したがって、塩基性ビスマス化合物を用いることで、ビスマスの濃度が高い酸化物膜を形成することができる。
また、上述した実施例１～３では、溶液６０に溶解しているビスマス化合物が、塩基性硝酸ビスマスであった。しかしながら、溶液６０に溶解させるビスマス化合物として、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を用いてもよい。この場合、溶液６０に、塩酸、硝酸、硫酸、酢酸からなるグループから選択される酸を添加することができる。酸化ビスマスは、水に溶解し難い。しかしながら、水に上記グループから選択される酸を添加すると、酸化ビスマスが水に容易に溶解する。このようにして得られた溶液（すなわち、酸化ビスマスが溶解した溶液）のミストを用いて酸化物膜を成長させることで、酸化物膜中にビスマスをドープすることができる。また、酸化ビスマスと上記グループの酸はいずれも、工業的に量産されており、容易に入手可能である。したがって、この方法によれば、ビスマスがドープされた酸化物膜を容易に形成することができる。
また、上述した実施例１、２では、溶液６０に溶解しているガリウム化合物が、塩化ガリウム、または、臭化ガリウムであった。しかしながら、溶液６０に溶解させるガリウム化合物として、他の材料を用いてもよい。なお、高品質な酸化ガリウム膜を形成するために、ガリウム化合物は、有機物であってもよい。また、ガリウム化合物は、金属錯体であってもよい。もしくは、ガリウム化合物は、ハロゲン化物であってもよい。例えば、ガリウム化合物として、ガリウムアセチルアセトナート（例えば、ガリウム（ＩＩＩ）アセチルアセトナート（Ｃ１５Ｈ２１ＧａＯ６））、三酢酸ガリウム（Ｃ６Ｈ９ＧａＯ６）、ヨウ化ガリウム（ＧａＩ３、Ｇａ２Ｉ６）等を用いることができる。但し、塩化ガリウム（特に、塩化ガリウム（ＩＩＩ））は、安価であり、残留不純物が少ない成膜が可能であるので、より使いやすい。
また、上述した実施例３では、溶液６０に溶解している亜鉛化合物が、酢酸亜鉛であった。しかしながら、溶液６０に溶解させる亜鉛化合物として、他の材料を用いてもよい。
また、実施例１～３では、溶液貯留槽２６が酸化物膜材料とビスマス化合物の両方が溶解した溶液６０を収容しており、その溶液６０からミストを生成し、生成したミストを炉１２に供給した。しかしながら、酸化物膜材料が溶解した溶液を収容する第１容器とビスマス化合物が溶解した溶液を収容する第２容器をそれぞれ別個に設けてもよい。そして、第１容器内で酸化物膜材料が溶解した溶液の第１ミストを生成し、第２容器内でビスマス化合物が溶解した溶液の第２ミストを生成し、第１ミストと第２ミストを炉１２に供給してもよい。
また、実施例１～３では、搬送ガス６４及び希釈ガス６６として窒素を用いたが、不活性ガス等の他のガスを搬送ガス６４及び希釈ガス６６として用いることができる。
また、実施例１～３では、成長させた酸化物膜にアクセプタをドープしなかったが、酸化物膜にアクセプタをドープしてもよい。例えば、溶液６０にアクセプタを含む物質をさらに溶解させて、アクセプタを含む酸化物膜を成長させてもよい。または、アクセプタを含まない酸化物膜を成長させた後に、酸化物膜中にアクセプタをドープしてもよい。例えば、酸化物膜を成長させた後に、酸化物膜中にアクセプタ（例えば、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｎ等）をイオン注入してもよい。また、酸化物膜を成長させた後に、酸化物膜の表面にアクセプタを含む層を形成し、その層から酸化物膜へアクセプタを固相拡散させてもよい。酸化物膜（特に、酸化ガリウム膜）の内部ではアクセプタの活性化させることが困難である。しかしながら、ビスマスを含む酸化物膜（特に、酸化ガリウム膜）の内部では、アクセプタを活性化させることが可能である（例えば、Fernado P. Sabino, Xuefen Cai, Su-Huai Wei, and Anderson Janotti (2019), "Bismuth-doped Ga2O3 as candidate for p-type transparent conducting material". arXiv:1906.00840v1を参照のこと）。したがって、ビスマスを含む酸化物膜にアクセプタをドープすることで、ｐ型の酸化ガリウム膜を形成することができる。
また、上記いずれかの成膜方法によって形成した酸化物膜の内部に半導体素子を形成することで、半導体装置を製造してもよい。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

Claims (20)

  1. ビスマスがドープされており、半導体または導体の特性を有し、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化ガリウムを含む酸化物、または、これらを組み合わせた酸化物により構成された酸化物膜を基体上に形成する成膜方法であって、
    前記基体を加熱しながら、前記酸化物膜の構成元素を含む酸化物膜材料とビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の表面に供給する工程、
    を有し、
    前記ビスマス化合物が、ビスマスエトキシド、酢酸ビスマス、２－エチルヘキサン酸ビスマス、オクタン酸ビスマス、ナフテン酸ビスマス、次没食子酸ビスマス、次サリチル酸ビスマス、塩化酸化ビスマス、クエン酸ビスマス、オキシ酢酸ビスマス、オキシ過塩素酸ビスマス、オキシサリチル酸ビスマス、ヨウ化ビスマス、水酸化ビスマス、オキシ炭酸二ビスマス、硫化ビスマス、硫酸ビスマス、及び、炭酸ビスマスからなるグループから選択される物質である、成膜方法。
  2. 前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の前記表面に供給する前記工程が、
    前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物の両方が溶解した溶液からミストを生成する工程と、
    前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物の両方が溶解した前記溶液の前記ミストを前記基体の前記表面に供給する工程、
    を有する請求項１の成膜方法。
  3. 前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した溶液のミストを前記基体の前記表面に供給する前記工程が、
    前記酸化物膜材料が溶解した溶液からミストを生成する工程と、
    前記ビスマス化合物が溶解した溶液からミストを生成する工程と、
    前記酸化物膜材料が溶解した前記溶液の前記ミストと前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストを前記基体の前記表面に供給する工程、
    を有する請求項１の成膜方法。
  4. 前記酸化物膜が、単結晶膜である請求項１～３のいずれか一項の成膜方法。
  5. 前記酸化物膜が、酸化インジウム、酸化ガリウム、または、これらを組み合わせた酸化物により構成されており、
    前記酸化物膜材料が、インジウム化合物、及び、ガリウム化合物の少なくとも１つを含む、
    請求項１～４のいずれか一項の成膜方法。
  6. 前記酸化物膜が、酸化ガリウム、または、酸化ガリウムを含む酸化物により構成されており、
    前記酸化物膜材料が、ガリウム化合物である、
    請求項１～４のいずれか一項の成膜方法。
  7. 前記ガリウム化合物が、有機物である請求項６の成膜方法。
  8. 前記ガリウム化合物が、金属錯体である請求項６または７の成膜方法。
  9. 前記ガリウム化合物が、ガリウムアセチルアセトナートである請求項６～８のいずれか一項の成膜方法。
  10. 前記ガリウム化合物が、ハロゲン化物である請求項６の成膜方法。
  11. 前記ガリウム化合物が、塩化ガリウムである請求項６または１０の成膜方法。
  12. 前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストに含まれるビスマス原子の数が、前記酸化物膜材料と前記ビスマス化合物が溶解した前記溶液の前記ミストに含まれるインジウム原子、アルミニウム原子、及び、ガリウム原子の総数の１０００倍以下である、請求項１～１１のいずれか一項の成膜方法。
  13. 前記基体が、酸化ガリウムにより構成されている請求項１～１２のいずれか一項の成膜方法。
  14. 前記基体が、β‐Ｇａ２Ｏ３により構成されている請求項１３の成膜方法。
  15. 前記基体が、α‐Ｇａ２Ｏ３により構成されている請求項１３の成膜方法。
  16. 前記基体が、α‐Ａｌ２Ｏ３により構成されている請求項１～１２のいずれか一項の成膜方法。
  17. 前記酸化物膜が、β‐Ｇａ２Ｏ３により構成されている請求項１～１６のいずれか一項の成膜方法。
  18. 前記酸化物膜が半導体膜であり、
    前記酸化物膜にアクセプタをドープする工程を有する、
    請求項１～１７のいずれか一項の成膜方法。
  19. 前記酸化物膜を形成するときに、前記基体を４００～１０００℃に加熱する請求項１～１８のいずれか一項の成膜方法。
  20. 半導体装置の製造方法であって、請求項１～１９のいずれか一項の成膜方法によって前記酸化物膜を形成する工程を備える、製造方法。
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