结晶性层叠结构体以及半导体装置的制造方法
【专利说明】结晶性层叠结构体以及半导体装置 【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体装置，特别地，涉及对于电力用或光接收/发送用半导体装置 而言有用的结晶性层叠结构体以及由所述结晶性层叠结构体构成的半导体装置。 【【背景技术】】
[0002] 作为可以实现高耐压、低损耗以及高耐热的第二代的转换器件（switching devices)，使用能带隙大的氧化镓（Ga2O3)的半导体装置受到关注，被期待适用于逆变器等 电力用半导体装置。并且，由于具有宽的能带隙还被期待应用于LED或传感器等光接收/ 发送装置。根据非专利文献1 (金子健太郎、"刚玉结构氧化镓类混晶薄膜的生长与物理性 质"，京都大学博士论文，平成25年3月），该氧化镓可以分别与铟或铝混合，或与两者混合 成为混晶从而控制能带隙，并且作为InAlGaO类半导体，该氧化镓构成极具魅力的材料系 统。在此所谓InAlGaO类半导体是指InxAlYGaz03(0兰X兰2、0兰Y兰2、0兰Z兰2、X+Y+Z =1. 5~2. 5)，并且能够看作含有氧化镓的同一材料系统。 【
【发明内容】
】
[0003] 作为用于实现使用这些InAlGaO类半导体的半导体装置的底层材料，研究了 β氧 化镓基板或蓝宝石基板。 根据专利文献1(国际公开第2013/035842号），当使用β氧化镓基板时，可以容许氧 化镓的同质外延生长，可以提高氧化铝镓薄膜的质量。然而，适用的基板尺寸存在限制，与 硅或蓝宝石等已经进行大量生产的材料相比较，难以增大其直径。 根据专利文献2(国际公开第2013/035844号）以及专利文献3(日本特开2013 - 058636号公报），当使用蓝宝石基板时，可以提高具有刚玉结构的AlxGaY03(0 = X = 2、 〇兰Y兰2、X+Y = 2)薄膜的质量，但难以提高β -gallia结构膜的质量。另外，由于蓝宝 石是绝缘体，因此还存在电流不能在底层材料中流通的问题。此时，在底层材料上不能形 成源极、漏极的任一电极，限制半导体装置的每单位面积的输出电流。当直径增大6英寸、 8英寸时，这些直径增大后的蓝宝石的工业应用没有取得这么大的发展，因此存在能否安定 地获取这样的不安，以及获取成本上升等问题。
[0004] 另外，氧化镓或蓝宝石的低导热率也妨碍提高半导体装置的耐热性。 另外，底层材料的特性也引起涉及用于实现低损耗的半导体装置的电学特性的问题。 例如，为了实现高耐压、低损耗的半导体装置，除了降低通道层的损耗之外，还需要降低通 道层以外的损耗。例如，要求降低构成半导体装置的接触区域的损耗，另外，还要求在立式 半导体装置中降低底层材料或底层材料与通道层之间的层的损耗。
[0005] 此外，随着移动电话等的发展，在提高信息处理终端的每单位体积的处理能力的 背景下，要求实现半导体装置的小型化，还存在使具有不同的功能的半导体装置复合化而 减少半导体装置的个数的市场要求。在此，将使用有InAlGaO类半导体的半导体装置，与工 业应用上不可抵挡地发展中的使用有Si的半导体装置或基板复合化，这一点被强烈地需 求。即使使用其晶体成长技术目前被证实的氧化镓、蓝宝石基板的任意一个，这样的结合也 需要更换底层材料等，难以实现。
[0006] 另外，作为InAlGaO类半导体的重要的应用领域，GaN、AIN、InN、AlGaN、InGaN、 InAlGaN等氮化物半导体的底层材料应用也重要。氮化物半导体被应用于LED、激光等光接 收/发送领域，当将最一般的蓝宝石基板作为底层材料来使用时，在作为导电层的η层中发 生电压降低?发热损耗?电流分布不均匀等问题，同时由于蓝宝石基板是绝缘的，因此存在 由于必须使两极性的电极形成在相同的InAlGaN半导体上而造成的电流密度的界限等问 题。还存在难以将LED器件和Si半导体装置结合的问题。Si {111}面上的氮化物半导体的 成膜技术由于缓冲层等的处理而受到瞩目，但被批量生产的Si {100}面上的氮化物半导体 的成膜技术还未取得进展，工业应用也很困难。
[0007] 根据专利文献3,可以将β氧化镓基板作为底层材料来使用使氮化镓的晶体生 长，但适用的基板尺寸存在限制，与硅或蓝宝石等已经进行大量生产的材料相比较，难以增 大其直径。
[0008] 根据非专利文献 2 (IEEE EDL、30、1015、2009 年），MIT 的 Tomas Palacios 等将在 31{111}上生长的416&~/6&~膜从3丨{111}基板分离，将416 &~/6&~薄膜粘贴于3丨{100}基 板，谋求Si设备与GaN设备的集成。然而，存在工时多且难以从基板全面整齐地剥离等问 题。
[0009] 另外，在非专利文献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)中记载了在Pt {111}上形成氧化铝薄膜的层 叠结构体。
[0010] 在专利文献4(日本特开2011 - 192975号公报）中记载了在Pt{lll}层上形成 氧化钛层（TiOx)的层叠结构体。
[0011] 另外，在专利文献5(日本特开2011 - 029399号公报）、专利文献6(日本特开 2012 - 256850号公报）、专利文献7(日本特开2012 - 256851号公报）中，记载了在由 Pt {111}构成的底层膜或下部电极上，形成铁电体膜的层叠结构体。然而，非专利文献3记 载的氧化铝、专利文献4记载的氧化钛、专利文献5~7记载的铁电体膜（PZT膜等）均不 作为半导体而发挥作用，还包含利用导电性作为导电性底层材料或电极材料而利用，难以 将其本身作为半导体装置的半导体来使用。
[0012] 由此，在半导体装置所使用的层叠结构体中还存在很多问题，例如，在金属层与半 导体层的界面中产生销连接（pinning)，或是在成膜后不能维持肖特基接触，或不能在纵 方向导通，或半导体装置的照度不均匀，或亮度等也不足，对半导体装置的大电流化限制多 等，特别地，在半导体的电学特性中存在大量的问题。
[0013] 本发明鉴于所述问题，目的在于提供一种半导体特性好的结晶性层叠结构体。
[0014] 本发明人为了实现所述目的认真研究后发现一种层叠结构体，其中，直接或介由 其他层在所含主要成分为单轴取向的金属之金属层上具备半导体层，且该半导体层的所含 主要成分为结晶性氧化物半导体，所述结晶性氧化物半导体是含有从镓、铟以及铝中选择 的一种或两种以上的金属的氧化物半导体，另外，发现单轴取向的结晶性层叠结构体的导 电性的易控制性好，可以在纵方向导通，具有良好的电学特性，可以一举解决所述的现有技 术中的问题。
[0015] 另外，本发明人还发现具备所述结晶性层叠结构体的半导体装置被应用于面向 InAlGaO类半导体的应用领域，可以减少通道层以外的损耗，可以在廉价且能够扩大直径的 底层材料上形成半导体层，可以在导热率优于β氧化镓基板或蓝宝石基板的底层材料上 形成半导体层，另外，还发现作为面向氮化物半导体的应用领域，通过将InAlGaO类半导体 作为底层材料来使用，可以减少光接收/发送层以外的损耗，减少浪费的发热，可以在廉价 且可以扩大直径的底层材料上形成半导体层，可以实现与Si半导体装置的复合化。 另外，本发明人得到所述认识之后，进一步研究完成了本发明。
[0016] 即，本发明涉及一种结晶性层叠结构体，其中，直接或介由其他层在所含主要成分 为单轴取向的金属之金属层上具备半导体层，且所述半导体层的所含主要成分为结晶性氧 化物半导体，所述结晶性氧化物半导体是含有从镓、铟以及铝中选择的一种或两种以上的 金属的氧化物半导体，另外，所述结晶性层叠结构体是单轴取向的。
[0017] 本发明的结晶性层叠结构体的半导体特性好，特别地，导电性的易控制性好，可以 在纵方向导通，具有良好的电学特性。 【【附图说明】】
[0018] 图1是表示本发明的实施方式的事例的结晶性层叠结构体的剖面图。 图2是表示本发明的实施方式的另一个例子的结晶性层叠结构体的剖面图。 图3是表示本发明的实施方式的另一个例子的结晶性层叠结构体的剖面图。 图4是表示本发明的实施方式的另一个例子的结晶性层叠结构体的剖面图。 图5是表示本发明的实施方式的另一个例子的结晶性层叠结构体的剖面图。 图6是表示本发明的实施方式的另一个例子的结晶性层叠结构体的剖面图。 图7是表示本发明的肖特基势皇二极管（SBD)的一个适当的例子的示意图。 图8是表示本发明的肖特基势皇二极管（SBD)的一个适当的例子的示意图。 图9是表示本发明的金属半导体场效应晶体管（MESFET)的一个适当的例子的示意图。 图10是表示本发明的高电子迀移率晶体管（HEMT)的一个适当的例子的示意图。 图11是表示本发明的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)的一个适当的例子的 示意图。 图12是用于说明图11的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)的制造工序的一 部分的示意图。 图13是表示本发明的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)的一个例子的示意 图。 图14是表示本发明的静电感应晶体管（SIT)的一个适当的例子的示意图。 图15是用于说明图8的SIT的制造工序的一部分的不意图。 图16是表示本发明的肖特基势皇二极管（SBD)的一个适当的例子的示意图。 图17是表示本发明的高电子迀移率晶体管（HEMT)的一个适当的例子的图。 图18是表示本发明的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)的一个适当的例子的 示意图。 图19是表示本发明的结型场效应晶体管（JFET)的一个适当的例子的示意图。 图20是表示本发明的绝缘栅双极型晶体管（IGBT)的一个适当的例子的示意图。 图21是表示本发明的发光器件（LED)的一个适当的例子的示意图。 图22是表示本发明的发光器件（LED)的一个适当的例子的示意图。 图23是表示本发明的实施方式的成膜装置的结构图。 图24是表示本发明的实施例的X射线衍射线形的一个例子的图。 图25是表示本发明的实施例的X射线衍射线形的一个例子的图。 图26是表示本发明的实施例的X射线衍射线形的一个例子的图。 图27是表示本发明的实施例的X射线衍射线形的一个例子的图。 图28是表示本发明的肖特基势皇二极管（SBD)的一个适当的例子的示意图。 图29是表示本发明的实施例中的IV特性的评估结果的图。 【【具体实施方式】】
[0019] 本发明的结晶性层叠结构体在所含主要成分为单轴取向的金属之金属层上，直接 或介由其他层具备所含主要成分为结晶性氧化物半导体的半导体层。
[0020] 如果是单轴取向的金属，所述金属就没有特别地限定。"单轴取向的金属"可以是 在膜厚方向以及膜面内方向、或膜厚方向等一定的方向具有单一的晶体取向的金属，还包 含优先单轴取向的金属。在本发明中优选在膜厚方向单轴取向。金属是单晶或多晶的，当 金属为多晶时，构成多晶的多个晶粒分别具有晶体取向，这些晶粒通过朝向同一方向来对 多晶的金属进行单轴取向。可以通过X射线衍射法来确认取向是否是单轴取向。例如，如 以下那样。首先，准备检查对象的薄膜样品FS和随机取向的同一晶体的粉末样品PS。接 着，针对薄膜样品FS，求得来自特定的晶体面CPl的峰的积分强度Fl与来自其他的晶体面 CP2的峰的积分强度F2的比（F1/F2)。接着，针对粉末样品PS，求得来自特定的晶体面CPl 的峰的积分强度（Pl)与来自其他的晶