(57)【要約】【課題】、移動度が高い結晶性酸化物薄膜を含む半導体装置用積層構造体を提供する。【解決手段】本発明によれば、下地基板と、その上に形成され且つ少なくともガリウムと鉄とを共に含む結晶性酸化物薄膜を含む、半導体装置用積層構造体であって、前記結晶性酸化物薄膜は、ガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である、半導体装置用積層構造体が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板と、その上に形成され且つ少なくともガリウムと鉄とを共に含む結晶性酸化物薄膜を含む、半導体装置用積層構造体であって、
前記結晶性酸化物薄膜は、ガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である、半導体装置用積層構造体。
【請求項２】
前記結晶性酸化物薄膜は、コランダム構造を有する、請求項１に記載の半導体装置用積層構造体。
【請求項３】
前記原子比は、０．１〜１０である、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置用積層構造体。
【請求項４】
前記結晶性酸化物薄膜は、組成がＩｎＸＡｌＹＧａＺＦｅＶＯ３（０≦Ｘ≦２.３、０≦Ｙ≦２.３、０．１≦Ｚ≦２.４、０．１≦Ｖ≦２．４、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖ＝１．５〜２．５）である、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の半導体装置用積層構造体。
【請求項５】
前記結晶性酸化物薄膜は、移動度が３ｃｍ２／Ｖｓ以上である、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の半導体装置用積層構造体。
【請求項６】
前記半導体装置は、パワーデバイスである、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の半導体装置用積層構造体。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層構造体を含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置用積層構造体、及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化ガリウムは、酸化物半導体の中で最も広いバンドギャップを有し、トランジスタやダイオードなどの種々の半導体装置での応答が期待されている。非特許文献１は、ミストＣＶＤ法によって結晶性の高い酸化ガリウム薄膜を製造する方法を開示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Electrical Conductive Corundum-Structured α-Ga2O3 Thin Films on Sapphire with Tin-Doping Grown by Spray-Assisted Mist Chemical Vapor Depositio（Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 070203）
【非特許文献２】Electron Transport in Pure and Doped Hematite（Nano Lett. 2011, 11, 1775-1781）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１の酸化ガリウム薄膜の移動度は、２．８ｃｍ２／Ｖｓという低い値であり、この低い移動度が酸化ガリウム薄膜を用いて薄膜トランジスタなどの半導体装置を開発する上での障害となっている。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、移動度が高い結晶性酸化物薄膜を含む半導体装置用積層構造体、及び半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、下地基板と、その上に形成され且つ少なくともガリウムと鉄とを共に含む結晶性酸化物薄膜を含む、半導体装置用積層構造体であって、前記結晶性酸化物薄膜は、ガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である、半導体装置用積層構造体が提供される。
【０００７】
本発明者らは結晶性酸化物薄膜がガリウムと鉄の両方を含み且つガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である場合に、結晶性酸化物薄膜の移動度が劇的に大きくなるという現象を発見した。上記の通り、酸化ガリウムの移動度は非常に小さく、非特許文献２に記載されているように酸化鉄の移動度は０．０１ｃｍ２／Ｖｓというさらに小さな値である。それにも関わらず、より移動度が低い酸化鉄を酸化ガリウムと混晶させることにより上記結晶性酸化物薄膜の移動度が向上することは驚きの結果であった。そして、このような結晶性酸化物薄膜を用いることによって優れた特性を有する半導体装置が得られることが分かり、本発明の完成に到った。
【０００８】
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記結晶性酸化物薄膜は、コランダム構造を有する。
好ましくは、前記原子比は、０．１〜１０である。
好ましくは、前記結晶性酸化物薄膜は、組成がＩｎＸＡｌＹＧａＺＦｅＶＯ３（０≦Ｘ≦２.３、０≦Ｙ≦２.３、０．１≦Ｚ≦２.４、０．１≦Ｖ≦２．４、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖ＝１．５〜２．５）である。
好ましくは、前記結晶性酸化物薄膜は、移動度が３ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
好ましくは、前記半導体装置は、パワーデバイスである。
好ましくは、上記記載の積層構造体を含む半導体装置である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の半導体装置の構成例を示す。
【図２】本発明の実施例で用いたミストＣＶＤ装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態の半導体装置用積層構造体は、下地基板と、その上に形成され且つ少なくともガリウムと鉄とを共に含む結晶性酸化物薄膜を含む、半導体装置用積層構造体であって、前記結晶性酸化物薄膜は、ガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である。本明細書において、半導体装置用積層構造体とは、下地基板上に結晶性酸化物薄膜が形成されてなる構造体である。この積層構造体は、トランジスタやダイオードなどの半導体装置の一部であってもよく、ゲート絶縁膜や電極などが未形成で未だ半導体装置として動作しない状態のいわゆるエピウエハであってもよい。
【００１１】
＜結晶性酸化物薄膜＞
本発明の結晶性酸化物薄膜は、ガリウムと鉄の両方を含み且つガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である。この原子比は、例えば０．０５〜２０であり、０．１〜１０が好ましく、０．２〜６がさらに好ましい。この原子比は、具体的には例えば、０．０５、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、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、７、８、９、１０、１５、２０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。この結晶性酸化物薄膜の結晶構造を構成する金属がガリウムと鉄のみであってもよく、その他の金属（例：Ａｌ、Ｉｎなど）を含んでもよい。この結晶性酸化物薄膜の組成の一例は、ＩｎＸＡｌＹＧａＺＦｅＶＯ３（０≦Ｘ≦２.３、０≦Ｙ≦２.３、０．１≦Ｚ≦２.４、０．１≦Ｖ≦２．４、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖ＝１．５〜２．５）である。なお、上記一般式において、Ｘ、Ｙは、それぞれ、具体的には例えば、０、０．０１、０．０５、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、２．１、２．２、２．３である。Ｚ、Ｖ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、２．１、２．２、２．３、２．４である。Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖは、具体的には例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５である。Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖは、それぞれ、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。なお、上記一般式は、結晶構造を形成する格子点上の原子の組成を表現しているのであって、「Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｖ＝２」と表記していないことからも明らかなように、ノンストイキオメトリー酸化物も含んでおり、これは、金属不足酸化物、酸素不足酸化物も含む。
【００１２】
本発明の結晶性酸化物薄膜は、酸化ガリウム薄膜や酸化鉄薄膜に比べて、移動度が高いことが特徴である。この結晶性酸化物薄膜の移動度は、好ましくは３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、さらに好ましくは４、５、６、７、又は７．５ｃｍ２／Ｖｓ以上である。移動度の上限は、特に規定されないが、例えば１０、５０、１００、５００又は１０００ｃｍ２／Ｖｓである。
【００１３】
本発明の結晶性酸化物薄膜は、ノンドープであっても、不純物でドーピングされていてもよく、結晶性酸化物薄膜に対して要求される特性によって適宜決定される。ドーピングする不純物の種類は、特に限定されないが、例えば、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される少なくとも１種からなる。
【００１４】
本発明の結晶性酸化物薄膜の形成方法は、特に限定されないが、例えば、ガリウム化合物、鉄化合物、インジウム化合物、アルミニウム化合物を結晶性酸化物薄膜の組成に合わせて組み合わせた原料化合物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酸化物薄膜を結晶成長させることができる。なお、上記各化合物は、金属単体を出発原料にして成膜直前に各化合物に変化させたものであってもよい。
【００１５】
下地基板は、上記の結晶性酸化物薄膜の支持体となるものであれば特に限定されず、結晶性酸化物薄膜がコランダム構造を有する場合は、下地基板もコランダム構造を有することが好ましい。コランダム構造を有する基板としては、サファイア基板や、α型酸化ガリウム基板が挙げられる。また、下地基板は、コランダム構造を有さないものであってもよい。コランダム構造を有さない下地基板としては、例えば、六方晶構造を有する基板（例：ＧａＮ基板）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、結晶性酸化物薄膜を形成することができる。
【００１６】
ガリウム化合物、鉄化合物、インジウム化合物、及びアルミニウム化合物としては、それぞれの金属についての有機金属錯体（例：アセチルアセトナート錯体）やハロゲン化物（フッ化、塩化、臭化、又はヨウ化物）が挙げられる。結晶性酸化物薄膜を不純物でドーピングする場合、ドーパント原料としては、ドーピングされる不純物の金属単体又は化合物（例：ハロゲン化物、酸化物）が挙げられる。
【００１７】
より具体的には、結晶性酸化物薄膜は、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、水、過酸化水素水、有機溶媒であることが好ましい。結晶性酸化物薄膜を不純物でドーピングする場合は、ドーパント原料の存在下で、上記原料化合物を酸化反応させればよい。ドーパント原料は、好ましくは、原料溶液に含められて、原料化合物と共に微粒子化される。
【００１８】
＜半導体装置の構成例＞
本実施形態の結晶性酸化物薄膜を用いた半導体装置の例を図１に示す。図１の例では、下地基板１上に、半導体層として、結晶性酸化物薄膜３が形成されている。結晶性酸化物薄膜３上にはゲート絶縁膜５が形成されている。ゲート絶縁膜５上にはゲート電極７が形成されている。また、結晶性酸化物薄膜３上には、ゲート電極７を挟むように、ソース・ドレイン電極９が形成されている。このような構成によれば、ゲート電極７に印加するゲート電圧によって結晶性酸化物薄膜３に形成される空乏層の制御が可能となり、トランジスタ動作（ＦＥＴデバイス）が可能となる。
【００１９】
本発明の結晶性酸化物薄膜を用いて形成される半導体装置としては、ＭＩＳやＨＥＭＴ等のトランジスタやＴＦＴ、半導体-金属接合を利用したショットキーバリアダイオード、他のＰ層と組み合わせたＰＮ又はＰＩＮダイオード、受発光素子が挙げられる。また、本発明の結晶性酸化物薄膜は、移動度が大きいので、パワートランジスタやパワーダイオード等のパワーデバイスの半導体層として好適である。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を説明する。以下の実施例では、ミストＣＶＤ法によって結晶性酸化物薄膜を形成しているが、本発明の効果は、結晶性酸化物薄膜が所定の組成を有していることに由来していると考えられ、本発明の範囲は、ミストＣＶＤ法以外の方法によって得られた結晶性酸化物薄膜を有する半導体装置にも及ぶ。
【００２１】
１．ＣＶＤ装置
まず、図２を用いて、本実施例で用いたＣＶＤ装置１９を説明する。ＣＶＤ装置１９は、下地基板等の被成膜試料２０を載置する試料台２１と、キャリアガスを供給するキャリアガス源２２と、キャリアガス源２２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２３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の石英管からなる成膜室２７と、成膜室２７の周辺部に設置されたヒータ２８を備えている。試料台２１は、石英からなり、被成膜試料２０を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室２７と試料台２１をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料２０上に形成される薄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。
【００２２】
２．原料溶液の作製
ガリウムアセチルアセトナートの濃度が０．０２ｍｏｌ／Ｌ、鉄アセチルアセトナートの濃度が０．０３ｍｏｌ／Ｌ、塩酸の濃度が体積比で１％になるように原料溶液を作製した。
【００２３】
３．成膜準備
次に、被成膜試料２０として、ｃ面サファイア基板を試料台２１上に設置させ、ヒータ２８を作動させて成膜室２７内の温度を５００℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁２３を開いてキャリアガス源２２からキャリアガスを成膜室２７内に供給し、成膜室２７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎに調節した。キャリアガスとしては、大気を用いた。
【００２４】
４．薄膜形成
次に、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって原料溶液２４ａを微粒子化させて原料微粒子を生成した。この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室２７内に導入され、成膜室２７内で反応して、被成膜試料２０の成膜面でのＣＶＤ反応によって被成膜試料２０上に薄膜を形成した。成膜時間は５０分とした。
【００２５】
５．評価
（１）結晶性酸化物薄膜の同定
上記方法で得られた結晶性酸化物薄膜の相の同定をした。同定は、薄膜用ＸＲＤ回折装置を用いて、１５度から９５度の角度で２θ／ωスキャンを行うことによって行った。測定は、ＣｕＫα線を用いて行った。その結果、形成した薄膜は、コランダム構造を有するα−（ＧａＦｅ）２Ｏ３であることが分かった。
また、ＸＲＤ測定における２θ／ωスキャンのピーク位置から混晶比を算出したところ、この薄膜でのＧａ：Ｆｅの原子比は、４２：５８（ガリウムに対する鉄の原子比が１．３８）であることが分かった。
【００２６】
（２）結晶性酸化物薄膜の移動度の測定
次に、上記方法で得られた結晶性酸化物薄膜の移動度を測定した。この測定は、比抵抗／ＡＣホール測定システムを用い、Van der pauw法によって、磁場：０．５Ｔ、温度：室温の条件で行った。その結果を表１に示す。表１には、非特許文献１〜２の文献値も合わせて示した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、ガリウムと鉄の両方を含み且つガリウムに対する鉄の原子比が０．０５以上である本発明の実施例の結晶性酸化物薄膜の移動度は、酸化ガリウムの移動度と酸化鉄の移動度のどちらよりも大幅に高かった。この結果は、本発明の結晶性酸化物薄膜が半導体装置での半導体層として好適に利用可能であることを示している。
【図１】
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【図２】
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