(57)【要約】【課題】表面の平滑性に優れ、かつ導電型不純物のイオン注入により導電性に優れた領域が形成されるＧａ２Ｏ３系結晶膜を形成することのできるＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法を提供する。【解決手段】一実施の形態として、（０１０）面を主面とするＧａ２Ｏ３系基板１０上に、５９０℃以上６５０℃以下の成長温度でアンドープのＧａ２Ｏ３系結晶膜１２をエピタキシャル成長させる、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法を提供する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（０１０）面を主面とするＧａ２Ｏ３系基板上に、５９０℃以上６５０℃以下の成長温度でアンドープのＧａ２Ｏ３系結晶膜をエピタキシャル成長させる、
Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【請求項２】
前記成長温度が６２０℃以下である、
請求項１に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【請求項３】
前記成長温度が６２０℃以上である、
請求項１又は２に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【請求項４】
前記成長温度が６１０℃以上６３０℃以下である、
請求項１に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｇａ２Ｏ３系基板上にＧａ２Ｏ３系結晶膜をエピタキシャル成長させる技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、イオン注入によりＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度を制御する技術が知られている（例えば、特許文献４参照）。また、ＭＢＥ法を用いてアンドープのＧａ２Ｏ３結晶膜を成長させ、そこへＳｉを注入してチャネル領域を形成するＭＩＳＦＥＴの製造方法が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５６８０２号公報
【特許文献２】特許第５５４３６７２号公報
【特許文献３】特許第５６１２２１６号公報
【特許文献４】特許第５７４５０７３号公報
【特許文献５】特開２０１５−２２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的の１つは、表面の平滑性に優れ、かつ導電型不純物のイオン注入により導電性に優れた領域が形成されるＧａ２Ｏ３系結晶膜を形成することのできるＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［４］のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法を提供する。
【０００６】
［１］（０１０）面を主面とするＧａ２Ｏ３系基板上に、５９０℃以上６５０℃以下の成長温度でアンドープのＧａ２Ｏ３系結晶膜をエピタキシャル成長させる、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【０００７】
［２］前記成長温度が６２０℃以下である、前記［１］に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【０００８】
［３］前記成長温度が６２０℃以上である、前記［１］又は［２］に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【０００９】
［４］前記成長温度が６１０℃以上６３０℃以下である、前記［１］に記載のＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表面の平滑性に優れ、かつ導電型不純物のイオン注入により導電性に優れた領域が形成されるＧａ２Ｏ３系結晶膜を形成することのできるＧａ２Ｏ３系結晶膜の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態に係る結晶積層構造体の垂直断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、５６０〜６２０℃の成長温度で成長させたＧａ２Ｏ３系結晶膜の表面のＡＦＭ像である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、６５０〜７１０℃の成長温度で成長させたＧａ２Ｏ３系結晶膜の表面のＡＦＭ像である。
【図４】図４は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の表面のＲＭＳ粗さと成長温度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、リーク電流の測定を行った試験体の垂直断面図である。
【図６】図６は、Ｇａ２Ｏ３結晶膜へのＳｉの注入濃度と、Ｓｉが注入された領域とそこに接続される電極との間の接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜に流れるリーク電流の大きさと成長温度との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、チャネル領域のシート抵抗と成長温度との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、コンタクト領域のシート抵抗と成長温度との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、コンタクト領域とＴｉ電極との接触抵抗、コンタクト領域とＴｉ電極との固有接触抵抗をそれぞれ示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〔実施の形態〕
（結晶積層構造体の構成）
図１は、実施の形態に係る結晶積層構造体の垂直断面図である。結晶積層構造体１は、Ｇａ２Ｏ３系基板１０と、Ｇａ２Ｏ３系基板１０上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＧａ２Ｏ３系結晶膜１２を有する。
【００１３】
Ｇａ２Ｏ３系基板１０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板である。ここで、Ｇａ２Ｏ３系単結晶とは、Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ２Ｏ３単結晶をいう。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ２Ｏ３単結晶である（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記のＧａ２Ｏ３単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。また、Ｇａ２Ｏ３系基板１０は、導電性の付与や高抵抗化のために、Ｓｎ、Ｆｅ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００１４】
Ｇａ２Ｏ３系基板１０は、例えば、ＦＺ（Floating Zone）法やＥＦＧ（Edge Defined Film Fed Growth）法等の融液成長法により育成したＧａ２Ｏ３系単結晶のバルク結晶をスライスし、表面を研磨することにより形成される。Ｇａ２Ｏ３系基板１０の主面１１は、（０１０）面である。
【００１５】
Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２は、Ｇａ２Ｏ３系基板１０と同様に、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる。また、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２はＧａ２Ｏ３系基板１０の主面１１上にエピタキシャル結晶成長により形成されるため、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３は、Ｇａ２Ｏ３系基板１０の主面１１と同じ（０１０）面である。
【００１６】
また、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２は、アンドープの結晶膜である。ここで、アンドープとは、故意に不純物がドープされていないという意味である。
【００１７】
Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等の物理的気相成長法により形成される。
【００１８】
Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２は、５９０℃以上６５０℃以下の成長温度（基板温度）でのエピタキシャル成長により形成される。
【００１９】
Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２を６５０℃以下の成長温度で成長させることにより、平滑な表面１３が得られる。さらに、６２０℃以下の成長温度で成長させることにより、より平滑な表面１３が得られる。
【００２０】
また、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２を５９０℃以上６５０℃以下の成長温度で成長させることにより、導電型不純物をイオン注入したときのイオン注入領域のシート抵抗や、そのイオン注入領域とそこに接続した電極との間の接触抵抗を小さくすることができる。
【００２１】
また、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２を６２０℃以上の成長温度で成長させることにより、リーク特性を十分に小さくすることができる。
【００２２】
すなわち、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３の平滑性を重視する場合には、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度を５９０℃以上６２０℃以下とすることが好ましく、リーク特性を重視する場合には、６２０℃以上６５０℃以下とすることが好ましい。
【００２３】
また、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度を６２０℃±１０℃程度、すなわち６１０℃以上６３０℃以下とすることにより、表面１３の平滑性が特に高く、かつリーク特性の良好なＧａ２Ｏ３系結晶膜１２を得ることができる。
【００２４】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、成長温度を制御することにより、表面の平滑性に優れ、かつ導電型不純物をイオン注入したときの注入領域の導電性に優れるＧａ２Ｏ３系結晶膜を形成することができる。
【００２５】
また、成長温度を制御することにより、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の表面の平滑性をさらに向上させたり、リーク特性を向上させたりすることができる。
【実施例】
【００２６】
上記実施の形態に係るＧａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面粗さ、リーク特性、電気抵抗の評価結果を以下に示す。本実施例においては、Ｆｅをドープした高抵抗のＧａ２Ｏ３基板をＧａ２Ｏ３系基板１０として用いた。また、ＭＢＥ法で形成された厚さ１．２μｍのアンドープのＧａ２Ｏ３単結晶膜をＧａ２Ｏ３系結晶膜１２として用いた。
【００２７】
（Ｇａ２Ｏ３系結晶膜の表面粗さの評価）
図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）は、５６０〜７１０℃の成長温度で成長させたＧａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３のＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）像である。これらのＡＦＭ像は、表面１３の１×１μｍ２の領域を写している。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）のＡＦＭ顕微鏡写真の上に記載された温度は、その写真のＧａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度である。また、図２（ａ）、図３（ａ）の横のバーは、図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）のＡＦＭ顕微鏡写真の濃度と表面に垂直な方向（紙面に垂直な方向）の位置の関係を示している。
【００２９】
図４は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３のＲＭＳ（Root Mean Square）粗さと成長温度との関係を示すグラフである。
【００３０】
ここで、ＲＭＳ粗さは、原子間力顕微鏡によりＧａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３の鉛直方向の高さと水平方向の位置との関係を表す曲線を測定し、その平均線から曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根を求めることにより得られる。
【００３１】
図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）、図４は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度が６５０℃以下であるときに平滑な表面１３が得られ、成長温度が６２０℃以下であるときにより平滑な表面１３が得られることを示している。
【００３２】
なお、表面１３のＲＭＳ粗さが大きいと、例えば、結晶積層構造体１を用いてショットキーダイオードやＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）を製造する場合、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２上に形成されたショットキー電極において局所的な電界集中が発生し、素子耐圧の低下を引き起こすおそれがある。これは、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３の凹凸により形成されたショットキー電極の底面の凹凸の凸部に電界が集中することによる。この電界集中を抑えるためのショットキー電極の底面の表面粗さの条件として、ＲＭＳ値が１ｎｍ以下であることが知られている。すなわち、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面１３のＲＭＳ値が１ｎｍ以下であれば、ショットキー電極における局所的な電界集中を抑えることができる。
【００３３】
（Ｇａ２Ｏ３系結晶膜のリーク特性の評価）
図５は、リーク電流の測定を行った試験体２の垂直断面図である。図５に示されるように、試験体２は、結晶積層構造体１のＧａ２Ｏ３系結晶膜１２の表面近傍に２２μｍの距離を隔てて形成された２つのチャネル領域２０と、２つのチャネル領域２０内にそれぞれ形成されたコンタクト領域２１を有する。
【００３４】
ここで、試験体２のＧａ２Ｏ３系結晶膜１２は、上述のように、厚さ１．２μｍのアンドープのＧａ２Ｏ３単結晶膜である。また、チャネル領域２０は、０．３μｍの深さと１００μｍのチャネル幅（チャネル領域の図５の紙面に垂直な方向の幅）を有し、濃度３×１０１７ｃｍ−３のＳｉを含む。また、コンタクト領域２１は、０．１５μｍの深さを有し、濃度５×１０１９ｃｍ−３のＳｉを含む。なお、コンタクト領域２１のＳｉの濃度５×１０１９ｃｍ−３は、コンタクト領域２１とそこに接続される電極との間の接触抵抗が最も低くなる濃度である。
【００３５】
図６は、Ｇａ２Ｏ３結晶膜へのＳｉの注入濃度と、Ｓｉが注入された領域とそこに接続される電極との間の接触抵抗との関係を示すグラフである。図６は、注入濃度が５×１０１９ｃｍ−３であるときに、接触抵抗が最も小さくなる（４．６×１０−６Ωｃｍ２）ことを示している。
【００３６】
図７は、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２に流れるリーク電流の大きさと成長温度との関係を示すグラフである。図７の縦軸は、２つのコンタクト領域２１の間に２００Ｖの電圧を印加したときに流れるリーク電流の大きさである。
【００３７】
図７によれば、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度が５６０℃から増加するにつれてリーク電流が減少しており、成長温度を５９０℃以上に設定することによりリーク電流を実用十分に小さくでき、成長温度を６２０℃以上に設定することによりさらに低減できることがわかる。
【００３８】
（Ｇａ２Ｏ３系結晶膜に形成されたイオン注入領域の電気抵抗の評価）
試験体２のチャネル領域２０及びコンタクト領域２１上にそれぞれ、Ｔｉを用いてＴＬＭ（Transmission Line Model）法用の電極パターンを形成し、チャネル領域２０及びコンタクト領域２１のシート抵抗、並びにコンタクト領域２１と電極との間の接触抵抗及び固有接触抵抗をＴＬＭ法により測定した。
【００３９】
図８は、チャネル領域２０のシート抵抗と成長温度との関係を示すグラフである。
【００４０】
図９は、コンタクト領域２１のシート抵抗と成長温度との関係を示すグラフである。
【００４１】
図１０（ａ）、（ｂ）は、コンタクト領域２１とＴｉ電極との接触抵抗、コンタクト領域２１とＴｉ電極との固有接触抵抗をそれぞれ示すグラフである。
【００４２】
図８より、チャネル領域２０のシート抵抗は成長温度に依存しないことがわかる。一方、図９、図１０（ａ）、（ｂ）によれば、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２の成長温度を５９０℃以上６５０℃以下とすることにより、コンタクト領域２１のシート抵抗、コンタクト領域２１とＴｉ電極との接触抵抗、及びコンタクト領域２１とＴｉ電極との固有接触抵抗を小さくできることがわかる。
【００４３】
上記の評価においては、上述のように、Ｇａ２Ｏ３系基板１０としてＧａ２Ｏ３基板を用いて、Ｇａ２Ｏ３系結晶膜１２としてのＧａ２Ｏ３結晶膜を成長させているが、Ｇａ２Ｏ３基板以外のＧａ２Ｏ３系基板を用いた場合や、Ｇａ２Ｏ３結晶膜以外のＧａ２Ｏ３系結晶膜を用いた場合であっても、同様の評価結果が得られる。また、ドーパントとして、Ｓｎ、Ｇｅ等のＳｉ以外のIV族元素を用いた場合であっても、同様の評価結果が得られる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態、実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００４５】
また、上記に記載した実施の形態、実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態、実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００４６】
１…結晶積層構造体、１０…Ｇａ２Ｏ３系基板、１１…主面、１２…Ｇａ２Ｏ３系結晶膜、１３…表面
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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