結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體以及半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體以及半導(dǎo)體裝置 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，特別地，涉及對(duì)于電力用或光接收/發(fā)送用半導(dǎo)體裝置 而言有用的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體以及由所述結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 作為可以實(shí)現(xiàn)高耐壓、低損耗以及高耐熱的第二代的轉(zhuǎn)換器件（switching devices)，使用能帶隙大的氧化鎵（Ga2O3)的半導(dǎo)體裝置受到關(guān)注，被期待適用于逆變器等 電力用半導(dǎo)體裝置。并且，由于具有寬的能帶隙還被期待應(yīng)用于LED或傳感器等光接收/ 發(fā)送裝置。根據(jù)非專利文獻(xiàn)1 (金子健太郎、"剛玉結(jié)構(gòu)氧化鎵類混晶薄膜的生長(zhǎng)與物理性 質(zhì)"，京都大學(xué)博士論文，平成25年3月），該氧化鎵可以分別與銦或鋁混合，或與兩者混合 成為混晶從而控制能帶隙，并且作為InAlGaO類半導(dǎo)體，該氧化鎵構(gòu)成極具魅力的材料系 統(tǒng)。在此所謂InAlGaO類半導(dǎo)體是指InxAlYGaz03(0蘭X蘭2、0蘭Y蘭2、0蘭Z蘭2、X+Y+Z =1. 5~2. 5)，并且能夠看作含有氧化鎵的同一材料系統(tǒng)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 作為用于實(shí)現(xiàn)使用這些InAlGaO類半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置的底層材料，研究了 β氧 化鎵基板或藍(lán)寶石基板。 根據(jù)專利文獻(xiàn)1(國(guó)際公開(kāi)第2013/035842號(hào)），當(dāng)使用β氧化鎵基板時(shí)，可以容許氧 化鎵的同質(zhì)外延生長(zhǎng)，可以提高氧化鋁鎵薄膜的質(zhì)量。然而，適用的基板尺寸存在限制，與 硅或藍(lán)寶石等已經(jīng)進(jìn)行大量生產(chǎn)的材料相比較，難以增大其直徑。 根據(jù)專利文獻(xiàn)2(國(guó)際公開(kāi)第2013/035844號(hào)）以及專利文獻(xiàn)3(日本特開(kāi)2013 - 058636號(hào)公報(bào)），當(dāng)使用藍(lán)寶石基板時(shí)，可以提高具有剛玉結(jié)構(gòu)的AlxGaY03(0 = X = 2、 〇蘭Y蘭2、X+Y = 2)薄膜的質(zhì)量，但難以提高β -gallia結(jié)構(gòu)膜的質(zhì)量。另外，由于藍(lán)寶 石是絕緣體，因此還存在電流不能在底層材料中流通的問(wèn)題。此時(shí)，在底層材料上不能形 成源極、漏極的任一電極，限制半導(dǎo)體裝置的每單位面積的輸出電流。當(dāng)直徑增大6英寸、 8英寸時(shí)，這些直徑增大后的藍(lán)寶石的工業(yè)應(yīng)用沒(méi)有取得這么大的發(fā)展，因此存在能否安定 地獲取這樣的不安，以及獲取成本上升等問(wèn)題。
[0004] 另外，氧化鎵或藍(lán)寶石的低導(dǎo)熱率也妨礙提高半導(dǎo)體裝置的耐熱性。 另外，底層材料的特性也引起涉及用于實(shí)現(xiàn)低損耗的半導(dǎo)體裝置的電學(xué)特性的問(wèn)題。 例如，為了實(shí)現(xiàn)高耐壓、低損耗的半導(dǎo)體裝置，除了降低通道層的損耗之外，還需要降低通 道層以外的損耗。例如，要求降低構(gòu)成半導(dǎo)體裝置的接觸區(qū)域的損耗，另外，還要求在立式 半導(dǎo)體裝置中降低底層材料或底層材料與通道層之間的層的損耗。
[0005] 此外，隨著移動(dòng)電話等的發(fā)展，在提高信息處理終端的每單位體積的處理能力的 背景下，要求實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體裝置的小型化，還存在使具有不同的功能的半導(dǎo)體裝置復(fù)合化而 減少半導(dǎo)體裝置的個(gè)數(shù)的市場(chǎng)要求。在此，將使用有InAlGaO類半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置，與工 業(yè)應(yīng)用上不可抵擋地發(fā)展中的使用有Si的半導(dǎo)體裝置或基板復(fù)合化，這一點(diǎn)被強(qiáng)烈地需 求。即使使用其晶體成長(zhǎng)技術(shù)目前被證實(shí)的氧化鎵、藍(lán)寶石基板的任意一個(gè)，這樣的結(jié)合也 需要更換底層材料等，難以實(shí)現(xiàn)。
[0006] 另外，作為InAlGaO類半導(dǎo)體的重要的應(yīng)用領(lǐng)域，GaN、AIN、InN、AlGaN、InGaN、 InAlGaN等氮化物半導(dǎo)體的底層材料應(yīng)用也重要。氮化物半導(dǎo)體被應(yīng)用于LED、激光等光接 收/發(fā)送領(lǐng)域，當(dāng)將最一般的藍(lán)寶石基板作為底層材料來(lái)使用時(shí)，在作為導(dǎo)電層的η層中發(fā) 生電壓降低?發(fā)熱損耗?電流分布不均勻等問(wèn)題，同時(shí)由于藍(lán)寶石基板是絕緣的，因此存在 由于必須使兩極性的電極形成在相同的InAlGaN半導(dǎo)體上而造成的電流密度的界限等問(wèn) 題。還存在難以將LED器件和Si半導(dǎo)體裝置結(jié)合的問(wèn)題。Si {111}面上的氮化物半導(dǎo)體的 成膜技術(shù)由于緩沖層等的處理而受到矚目，但被批量生產(chǎn)的Si {100}面上的氮化物半導(dǎo)體 的成膜技術(shù)還未取得進(jìn)展，工業(yè)應(yīng)用也很困難。
[0007] 根據(jù)專利文獻(xiàn)3,可以將β氧化鎵基板作為底層材料來(lái)使用使氮化鎵的晶體生 長(zhǎng)，但適用的基板尺寸存在限制，與硅或藍(lán)寶石等已經(jīng)進(jìn)行大量生產(chǎn)的材料相比較，難以增 大其直徑。
[0008] 根據(jù)非專利文獻(xiàn) 2 (IEEE EDL、30、1015、2009 年），MIT 的 Tomas Palacios 等將在 31{111}上生長(zhǎng)的416&~/6&~膜從3丨{111}基板分離，將416 &~/6&~薄膜粘貼于3丨{100}基 板，謀求Si設(shè)備與GaN設(shè)備的集成。然而，存在工時(shí)多且難以從基板全面整齊地剝離等問(wèn) 題。
[0009] 另外，在非專利文獻(xiàn)3 (WILSON K et al? Electronic,Structural, and Reactive Properties of Ultrathin Aluminum Oxide Films on Pt (111)，The Journal of Physical Chemistry B，1998年，Vol. 102，P. 1736-1744)中記載了在Pt {111}上形成氧化鋁薄膜的層 疊結(jié)構(gòu)體。
[0010] 在專利文獻(xiàn)4(日本特開(kāi)2011 - 192975號(hào)公報(bào)）中記載了在Pt{lll}層上形成 氧化鈦層（TiOx)的層疊結(jié)構(gòu)體。
[0011] 另外，在專利文獻(xiàn)5(日本特開(kāi)2011 - 029399號(hào)公報(bào)）、專利文獻(xiàn)6(日本特開(kāi) 2012 - 256850號(hào)公報(bào)）、專利文獻(xiàn)7(日本特開(kāi)2012 - 256851號(hào)公報(bào)）中，記載了在由 Pt {111}構(gòu)成的底層膜或下部電極上，形成鐵電體膜的層疊結(jié)構(gòu)體。然而，非專利文獻(xiàn)3記 載的氧化鋁、專利文獻(xiàn)4記載的氧化鈦、專利文獻(xiàn)5~7記載的鐵電體膜（PZT膜等）均不 作為半導(dǎo)體而發(fā)揮作用，還包含利用導(dǎo)電性作為導(dǎo)電性底層材料或電極材料而利用，難以 將其本身作為半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體來(lái)使用。
[0012] 由此，在半導(dǎo)體裝置所使用的層疊結(jié)構(gòu)體中還存在很多問(wèn)題，例如，在金屬層與半 導(dǎo)體層的界面中產(chǎn)生銷連接（pinning)，或是在成膜后不能維持肖特基接觸，或不能在縱 方向?qū)?，或半?dǎo)體裝置的照度不均勻，或亮度等也不足，對(duì)半導(dǎo)體裝置的大電流化限制多 等，特別地，在半導(dǎo)體的電學(xué)特性中存在大量的問(wèn)題。
[0013] 本發(fā)明鑒于所述問(wèn)題，目的在于提供一種半導(dǎo)體特性好的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體。
[0014] 本發(fā)明人為了實(shí)現(xiàn)所述目的認(rèn)真研究后發(fā)現(xiàn)一種層疊結(jié)構(gòu)體，其中，直接或介由 其他層在所含主要成分為單軸取向的金屬之金屬層上具備半導(dǎo)體層，且該半導(dǎo)體層的所含 主要成分為結(jié)晶性氧化物半導(dǎo)體，所述結(jié)晶性氧化物半導(dǎo)體是含有從鎵、銦以及鋁中選擇 的一種或兩種以上的金屬的氧化物半導(dǎo)體，另外，發(fā)現(xiàn)單軸取向的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的導(dǎo) 電性的易控制性好，可以在縱方向?qū)?，具有良好的電學(xué)特性，可以一舉解決所述的現(xiàn)有技 術(shù)中的問(wèn)題。
[0015] 另外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)具備所述結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的半導(dǎo)體裝置被應(yīng)用于面向 InAlGaO類半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域，可以減少通道層以外的損耗，可以在廉價(jià)且能夠擴(kuò)大直徑的 底層材料上形成半導(dǎo)體層，可以在導(dǎo)熱率優(yōu)于β氧化鎵基板或藍(lán)寶石基板的底層材料上 形成半導(dǎo)體層，另外，還發(fā)現(xiàn)作為面向氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)將InAlGaO類半導(dǎo)體 作為底層材料來(lái)使用，可以減少光接收/發(fā)送層以外的損耗，減少浪費(fèi)的發(fā)熱，可以在廉價(jià) 且可以擴(kuò)大直徑的底層材料上形成半導(dǎo)體層，可以實(shí)現(xiàn)與Si半導(dǎo)體裝置的復(fù)合化。 另外，本發(fā)明人得到所述認(rèn)識(shí)之后，進(jìn)一步研究完成了本發(fā)明。
[0016] 即，本發(fā)明涉及一種結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體，其中，直接或介由其他層在所含主要成分 為單軸取向的金屬之金屬層上具備半導(dǎo)體層，且所述半導(dǎo)體層的所含主要成分為結(jié)晶性氧 化物半導(dǎo)體，所述結(jié)晶性氧化物半導(dǎo)體是含有從鎵、銦以及鋁中選擇的一種或兩種以上的 金屬的氧化物半導(dǎo)體，另外，所述結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體是單軸取向的。
[0017] 本發(fā)明的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的半導(dǎo)體特性好，特別地，導(dǎo)電性的易控制性好，可以 在縱方向?qū)ǎ哂辛己玫碾妼W(xué)特性。 【【附圖說(shuō)明】】
[0018] 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的事例的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)例子的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)例子的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)例子的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)例子的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另一個(gè)例子的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體的剖面圖。 圖7是表示本發(fā)明的肖特基勢(shì)皇二極管（SBD)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖8是表示本發(fā)明的肖特基勢(shì)皇二極管（SBD)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖9是表示本發(fā)明的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖10是表示本發(fā)明的高電子迀移率晶體管（HEMT)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖11是表示本發(fā)明的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥?示意圖。 圖12是用于說(shuō)明圖11的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)的制造工序的一 部分的示意圖。 圖13是表示本發(fā)明的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)的一個(gè)例子的示意 圖。 圖14是表示本發(fā)明的靜電感應(yīng)晶體管（SIT)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖15是用于說(shuō)明圖8的SIT的制造工序的一部分的不意圖。 圖16是表示本發(fā)明的肖特基勢(shì)皇二極管（SBD)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖17是表示本發(fā)明的高電子迀移率晶體管（HEMT)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥膱D。 圖18是表示本發(fā)明的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥?示意圖。 圖19是表示本發(fā)明的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖20是表示本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖21是表示本發(fā)明的發(fā)光器件（LED)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖22是表示本發(fā)明的發(fā)光器件（LED)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖23是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的成膜裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖24是表示本發(fā)明的實(shí)施例的X射線衍射線形的一個(gè)例子的圖。 圖25是表示本發(fā)明的實(shí)施例的X射線衍射線形的一個(gè)例子的圖。 圖26是表示本發(fā)明的實(shí)施例的X射線衍射線形的一個(gè)例子的圖。 圖27是表示本發(fā)明的實(shí)施例的X射線衍射線形的一個(gè)例子的圖。 圖28是表示本發(fā)明的肖特基勢(shì)皇二極管（SBD)的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦拥氖疽鈭D。 圖29是表示本發(fā)明的實(shí)施例中的IV特性的評(píng)估結(jié)果的圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0019] 本發(fā)明的結(jié)晶性層疊結(jié)構(gòu)體在所含主要成分為單軸取向的金屬之金屬層上，直接 或介由其他層具備所含主要成分為結(jié)晶性氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層。
[0020] 如果是單軸取向的金屬，所述金屬就沒(méi)有特別地限定。"單軸取向的金屬"可以是 在膜厚方向以及膜面內(nèi)方向、或膜厚方向等一定的方向具有單一的晶體取向的金屬，還包 含優(yōu)先單軸取向的金屬。在本發(fā)明中優(yōu)選在膜厚方向單軸取向。金屬是單晶或多晶的，當(dāng) 金屬為多晶時(shí)，構(gòu)成多晶的多個(gè)晶粒分別具有晶體取向，這些晶粒通過(guò)朝向同一方向來(lái)對(duì) 多晶的金屬進(jìn)行單軸取向?？梢酝ㄟ^(guò)X射線衍射法來(lái)確認(rèn)取向是否是單軸取向。例如，如 以下那樣。首先，準(zhǔn)備檢查對(duì)象的薄膜樣品FS和隨機(jī)取向的同一晶體的粉末樣品PS。接 著，針對(duì)薄膜樣品FS，求得來(lái)自特定的晶體面CPl的峰的積分強(qiáng)度Fl與來(lái)自其他的晶體面 CP2的峰的積分強(qiáng)度F2的比（F1/F2)。接著，針對(duì)粉末樣品PS，求得來(lái)自特定的晶體面CPl 的峰的積分強(qiáng)度（Pl)與來(lái)自其他的晶