JP7634812B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置に関する。また、本発明は半導体装置を有するシステムに関する。 The present invention relates to a semiconductor device. The present invention also relates to a system having a semiconductor device.
半導体装置の小型化にともなって、製造工程において、100μm以下、さらには1μm以下の微細な位置調整や微細加工が求められる場合がある。例えば、特許文献1には、薄膜トランジスタの製造方法が記載されていて、基板上に形成されたゲート電極のパターンがゲート絶縁膜で覆われており、前記ゲート絶縁膜上に有機半導体層と電極層が形成されて、さらにネガ型の感光性レジスト膜を堆積し、前記ゲート電極を遮光マスクとして基板側から裏面露光して、レジストパターンを形成する方法が開示されている。さらに、前記レジストパターンは、電極層をエッチングしてソース、ドレインを形成するためのマスクとして使用され、ゲート電極に対して、ソース、ドレインが自己整合的に位置合わせを行うことが記載されている。 As semiconductor devices become smaller, there are cases where fine position adjustments and fine processing of 100 μm or less, or even 1 μm or less, are required in the manufacturing process. For example, Patent Document 1 describes a method for manufacturing a thin-film transistor, in which a gate electrode pattern formed on a substrate is covered with a gate insulating film, an organic semiconductor layer and an electrode layer are formed on the gate insulating film, a negative photosensitive resist film is deposited, and a resist pattern is formed by exposing the back surface of the substrate side to light using the gate electrode as a light-shielding mask. Furthermore, it is described that the resist pattern is used as a mask for etching the electrode layer to form a source and drain, and that the source and drain are self-aligned with respect to the gate electrode.
また、例えば、特許文献2には、チャネル保護層を形成する膜を、透光性を有する酸化物層上に形成し、チャネル保護層を形成する膜上にポジ型のフォトレジストを形成し、裏面露光法を用いて、酸化物半導体層中のチャネル形成領域上に選択的にチャネル保護層を形成する半導体装置の製造方法が記載されて、フォトマスク数を削減することができる旨記載されている。 For example, Patent Document 2 describes a method for manufacturing a semiconductor device in which a film forming a channel protection layer is formed on a light-transmitting oxide layer, a positive photoresist is formed on the film forming the channel protection layer, and a backside exposure method is used to selectively form a channel protection layer on a channel formation region in an oxide semiconductor layer, thereby reducing the number of photomasks.
一方で、半導体装置の製造工程において、例えば、異種基板上に結晶をエピタキシャル成長(ヘテロエピタキシャル成長)させる際に、基板と結晶の格子不整合から、転位やクラック等の欠陥が生じる問題がある。この問題に対し、特許文献3に記載のようにELOを用いた成膜手法が検討されている。また、非特許文献1には、ELO技術によって、転位密度が1.0×106/cm2以下のα-Ga2O3膜を得られることが記載されている。 On the other hand, in the manufacturing process of a semiconductor device, for example, when epitaxially growing a crystal on a heterogeneous substrate (heteroepitaxial growth), there is a problem that defects such as dislocations and cracks occur due to lattice mismatch between the substrate and the crystal. In response to this problem, a film formation method using ELO is being considered as described in Patent Document 3. In addition, Non-Patent Document 1 describes that an α-Ga 2 O 3 film with a dislocation density of 1.0×10 6 /cm 2 or less can be obtained by the ELO technique.
なお、半導体としては、例えば、炭化珪素(Silicon Carbide)や、窒化ガリウム(Gallium Nitride)、窒化インジウム(Gallium Indium)、窒化アルミニウム(Gallium Alminium)およびそれらの混晶を含めた窒化ガリウム窒化物半導体が知られており、青色LEDやパワー半導体等の様々な半導体装置に用いられている。近年、新しい半導体として、酸化ガリウム(Ga2O3)が注目されている。 As semiconductors, for example, silicon carbide, gallium nitride, indium nitride, aluminum nitride, and gallium nitride nitride semiconductors including mixed crystals thereof are known, and are used in various semiconductor devices such as blue LEDs and power semiconductors. In recent years, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has been attracting attention as a new semiconductor.
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム(Ga2O3)を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。また、広いバンドギャップから短い波長域のLEDやセンサー等の受発光装置としての幅広い応用も期待されている。特に、酸化ガリウムの中でもコランダム構造を有するα―Ga2O3等は、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、InAlGaO系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでInAlGaO系半導体とはInXAlYGaZO3(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5~2.5)を示し(特許文献4等)、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。 As a next-generation switching element capable of realizing high voltage resistance, low loss, and high heat resistance, semiconductor devices using gallium oxide (Ga 2 O 3 ) with a large band gap have been attracting attention, and are expected to be applied to power semiconductor devices such as inverters. In addition, a wide range of applications as light receiving and emitting devices such as LEDs and sensors with short wavelengths due to the wide band gap are also expected. In particular, α-Ga 2 O 3 and the like having a corundum structure among gallium oxides can control the band gap by mixing indium and aluminum, respectively or in combination, and constitutes an extremely attractive material system as an InAlGaO-based semiconductor. Here, InAlGaO-based semiconductors refer to In x Al y Ga z O 3 (0≦X≦2, 0≦Y≦2, 0≦Z≦2, X+Y+Z=1.5-2.5) (Patent Document 4, etc.), and can be viewed as the same material system containing gallium oxide.
なお、半導体材料としては、さらに窒化ホウ素やダイヤモンドも注目されている。 In addition, boron nitride and diamond are also attracting attention as semiconductor materials.
しかしながら、上記のような材料を結晶として結晶性の基体上にエピタキシャル成長させて半導体装置を得る場合に、半導体装置の製造過程で、前記結晶上に配置する必要な層、領域、および/またはトレンチの位置合わせ等を効率よく行って半導体装置を製造するには、まだまだ課題があった。 However, when epitaxially growing the above-mentioned materials as crystals on a crystalline substrate to obtain a semiconductor device, there are still many challenges to be overcome in efficiently aligning the necessary layers, regions, and/or trenches to be placed on the crystal during the manufacturing process of the semiconductor device.
本発明は、半導体層がドリフト領域とチャネル領域とを少なくとも含む場合に、転位密度のより少ない領域にチャネル領域が配置された半導体装置を提供することを目的の一つとする。 One of the objectives of the present invention is to provide a semiconductor device in which, when a semiconductor layer includes at least a drift region and a channel region, the channel region is disposed in a region with a lower dislocation density.
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、結晶性の基体の第1面の一部を覆って遮光部を配置すること、前記結晶性の基体の第1面上に結晶をエピタキシャル成長させて積層体とすること、前記積層体の前記結晶側に感光層を形成すること、前記結晶性の基体の第2面側から光を照射することを含むフォトリソグラフィにより前記感光層を選択的に除去することを含む方法によりドリフト領域とチャネル領域とを含む半導体層を少なくとも備える半導体装置を製造することで、転位密度のより少ない領域にチャネル領域を配置することができ、オン抵抗がより低減され、半導体特性に優れた半導体装置を得られることが分かり、上記した従来の問題を一挙に解決できることを見出した。 As a result of intensive research into achieving the above object, the present inventor has found that by manufacturing a semiconductor device having at least a semiconductor layer including a drift region and a channel region by a method including disposing a light-shielding portion to cover a portion of the first surface of a crystalline substrate, epitaxially growing a crystal on the first surface of the crystalline substrate to form a stack, forming a photosensitive layer on the crystal side of the stack, and selectively removing the photosensitive layer by photolithography including irradiating light from the second surface side of the crystalline substrate, the channel region can be disposed in a region with a lower dislocation density, the on-resistance can be further reduced, and a semiconductor device with excellent semiconductor characteristics can be obtained, thereby solving the above-mentioned conventional problems in one fell swoop.
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。 After obtaining the above findings, the inventors conducted further research and completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
[1] ドリフト領域とチャネル領域とを含む半導体層を少なくとも備え、前記チャネル領域の転位密度が、前記ドリフト領域の転位密度よりも小さい、半導体装置。
[2] 前記半導体層が、さらに、ソース領域を有しており、前記ソース領域の転位密度が前記ドリフト領域の転位密度よりも小さい前記[1]記載の半導体装置。
[3] 前記半導体層が、コランダム構造を有する前記[1]または[2]に記載の半導体装置。
[4] 前記チャネル領域のチャネル長方向が、a軸方向またはm軸方向である前記[3]記載の半導体装置。
[5] 前記ドリフト領域のドリフト電流方向が、m軸方向である前記[3]または[4]に記載の半導体装置。
[6] 前記半導体層が、少なくともガリウムを含む前記[1]~[5]のいずれかに記載の半導体装置。
[7] さらに、ゲート電極を備えており、前記ゲート電極が、直接または他の層を介して前記チャネル領域に隣接している前記[1]~[6]のいずれかに記載の半導体装置。
[8] 前記半導体層がトレンチを有しており、前記ゲート電極の少なくとも一部が前記トレンチ内に位置している前記[7]記載の半導体装置。
[9] 前記ゲート電極が、ゲート絶縁膜を介して前記チャネル領域に隣接している前記[7]または[8]に記載の半導体装置。
[10] 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)または絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)である前記[1]~[9]のいずれかに記載の半導体装置。
[11] 前記[1]~[10]のいずれかに記載の半導体装置を有する電力変換装置。
[12] 前記[1]~[10]のいずれかに記載の半導体装置を有する制御システム。
That is, the present invention relates to the following inventions.
[1] A semiconductor device comprising at least a semiconductor layer including a drift region and a channel region, the channel region having a lower dislocation density than the drift region.
[2] The semiconductor device according to [1], wherein the semiconductor layer further has a source region, and the dislocation density of the source region is lower than the dislocation density of the drift region.
[3] The semiconductor device according to [1] or [2], wherein the semiconductor layer has a corundum structure.
[4] The semiconductor device according to [3], wherein the channel length direction of the channel region is the a-axis direction or the m-axis direction.
[5] The semiconductor device according to [3] or [4], wherein the direction of a drift current in the drift region is the m-axis direction.
[6] The semiconductor device according to any one of [1] to [5], wherein the semiconductor layer contains at least gallium.
[7] The semiconductor device according to any one of [1] to [6], further comprising a gate electrode, the gate electrode being adjacent to the channel region directly or via another layer.
[8] The semiconductor device according to [7], wherein the semiconductor layer has a trench, and at least a portion of the gate electrode is located within the trench.
[9] The semiconductor device according to [7] or [8], wherein the gate electrode is adjacent to the channel region via a gate insulating film.
[10] The semiconductor device according to any one of [1] to [9], which is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a static induction transistor (SIT), a junction field effect transistor (JFET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
[11] A power conversion device having the semiconductor device according to any one of [1] to [10].
[12] A control system comprising the semiconductor device according to any one of [1] to [10] above.
本発明の第1の態様としてドリフト領域とチャネル領域とを含む半導体層を少なくとも備え、前記チャネル領域の転位密度が、前記ドリフト領域の転位密度よりも小さい半導体装置を提供する。また、本発明の第2の態様として、ドリフト領域とチャネル領域と、ソース領域とを含む半導体層とを少なくとも備え、前記チャネル領域の転位密度が前記ドリフト領域の転位密度よりも小さく、前記ソース領域の転位密度が前記ドリフト領域の転位密度よりも小さい半導体装置を提供する。本発明の実施態様によれば、転位のより少ない位置にチャネル領域やソース領域を配置することができ、半導体特性に優れた半導体装置を工業的有利に得ることができる。 As a first aspect of the present invention, a semiconductor device is provided that includes at least a semiconductor layer including a drift region and a channel region, and the dislocation density of the channel region is smaller than the dislocation density of the drift region. As a second aspect of the present invention, a semiconductor device is provided that includes at least a semiconductor layer including a drift region, a channel region, and a source region, and the dislocation density of the channel region is smaller than the dislocation density of the drift region, and the dislocation density of the source region is smaller than the dislocation density of the drift region. According to the embodiment of the present invention, the channel region and the source region can be arranged in a position with fewer dislocations, and a semiconductor device with excellent semiconductor characteristics can be obtained with industrial advantage.
本発明の半導体装置の第1の態様として、図1-aに半導体装置の概略平面図を示す。
図1-bが、図1-aで示す半導体装置のIb-Ib断面図を示す。半導体装置100は、ドリフト領域160とチャネル領域161とを含む半導体層157と、前記半導体層157上に配置された絶縁膜154と、前記絶縁膜154上に配置されたゲート電極155aとを少なくとも有し、前記チャネル領域161の転位密度が、前記ドリフト領域160の転位密度よりも小さい。このような構造とすることにより、オン抵抗が低減された前記半導体装置を得ることができる。前記半導体層157の第1面157a側に近い位置に前記ゲート電極155aが配置されており、前記半導体装置100は、前記第1面157a側に近い位置に、さらにソース電極155bを有している。前記ソース電極155bは、少なくとも一部が前記絶縁膜154で被覆されている。また、前記半導体装置100は、前記第1面157a側の反対側の第2面157bに近い位置に配置されたドレイン電極155cを有している。ここでは、前記半導体層157(第1の半導体層ともいう)の前記第2面157bに接触して、半導体層156(第2の半導体層ともいう)の第1面156aが配置されている。
As a first embodiment of the semiconductor device of the present invention, a schematic plan view of the semiconductor device is shown in FIG.
FIG. 1-b shows a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 1-a taken along line Ib-Ib. The semiconductor device 100 at least includes a semiconductor layer 157 including a drift region 160 and a channel region 161, an insulating film 154 disposed on the semiconductor layer 157, and a gate electrode 155a disposed on the insulating film 154, and the dislocation density of the channel region 161 is smaller than the dislocation density of the drift region 160. By adopting such a structure, the semiconductor device with reduced on-resistance can be obtained. The gate electrode 155a is disposed at a position close to the first surface 157a side of the semiconductor layer 157, and the semiconductor device 100 further includes a source electrode 155b at a position close to the first surface 157a side. At least a portion of the source electrode 155b is covered with the insulating film 154. The semiconductor device 100 also includes a drain electrode 155c disposed at a position close to the second surface 157b opposite to the first surface 157a side. Here, a first surface 156a of a semiconductor layer 156 (also referred to as a second semiconductor layer) is disposed in contact with the second surface 157b of the semiconductor layer 157 (also referred to as a first semiconductor layer).
なお、前記ドレイン電極155cは、詳細には、前記第2の半導体層156の第2面156b上に配置されている。この場合、第2の半導体層156は、n+型半導体層であって、第1の半導体層157は、n-型半導体層である。半導体装置100は、前記n-型半導体層157内に、前記n-型半導体層157の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域158を有している。ここでは、前記半導体領域158は、p型半導体領域であり、図1-aおよび図1-bで示すように、前記ゲート電極155aの端部と平面視で重なる部分を有するように前記第1の半導体層157内に配置されている。前記ゲート電極155aの真下には第1半導体層157が位置しており、この部分が前記ドリフト領域160となる。また、前記p型半導体領域158内に、前記p型半導体領域158の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域159が位置しており、前記半導体領域159はn+型半導体領域である。前記p型半導体領域158は、前記ゲート電極155aの端部と平面視で重なる部分が前記チャネル領域161となる。図1-bの断面図で示すように、前記チャネル領域161は、前記ゲート電極155aの真下に位置する前記ドリフト領域160の外側に位置しており、また前記ゲート電極155aの端部下に位置している。また、前記n+型半導体領域159は、ソース領域162となる。前記ソース領域162は、図1-bの断面図で示すように、前記チャネル領域161の外側に位置している。また、前記ソース領域162は平面視で前記ゲート電極とは重複していない。前記ソース領域162の転位密度が、前記ドリフト領域160の転位密度よりも小さい。このような構成とすることにより、前記半導体装置のオン抵抗をより良好に低減することができる。本態様においては、前記半導体層157がコランダム構造を有している。前記半導体層がコランダム構造を有するGa2O3半導体層であってもよいし、Gaを含む混晶の酸化物半導体層であってもよい。 In addition, the drain electrode 155c is specifically arranged on the second surface 156b of the second semiconductor layer 156. In this case, the second semiconductor layer 156 is an n+ type semiconductor layer, and the first semiconductor layer 157 is an n- type semiconductor layer. The semiconductor device 100 has a semiconductor region 158 having a conductivity type different from the conductivity type of the n- type semiconductor layer 157 in the n- type semiconductor layer 157. Here, the semiconductor region 158 is a p-type semiconductor region, and is arranged in the first semiconductor layer 157 so as to have a portion overlapping the end of the gate electrode 155a in a plan view, as shown in FIG. 1-a and FIG. 1-b. The first semiconductor layer 157 is located directly below the gate electrode 155a, and this portion becomes the drift region 160. In addition, a semiconductor region 159 having a conductivity type different from that of the p-type semiconductor region 158 is located in the p-type semiconductor region 158, and the semiconductor region 159 is an n+ type semiconductor region. The p-type semiconductor region 158 has a portion overlapping the end of the gate electrode 155a in a plan view, which becomes the channel region 161. As shown in the cross-sectional view of FIG. 1-b, the channel region 161 is located outside the drift region 160 located directly below the gate electrode 155a, and is also located below the end of the gate electrode 155a. In addition, the n+ type semiconductor region 159 becomes a source region 162. As shown in the cross-sectional view of FIG. 1-b, the source region 162 is located outside the channel region 161. In addition, the source region 162 does not overlap with the gate electrode in a plan view. The dislocation density of the source region 162 is smaller than the dislocation density of the drift region 160. By adopting such a configuration, it is possible to more effectively reduce the on-resistance of the semiconductor device. In this embodiment, the semiconductor layer 157 has a corundum structure. The semiconductor layer may be a Ga2O3 semiconductor layer having a corundum structure, or may be a mixed crystal oxide semiconductor layer containing Ga.
本態様において、前記半導体層157がコランダム構造を有する場合、前記半導体層156は主面としてm面を有していてもよい。本発明の実施態様においては、後述の半導体装置の製造過程において、転位の伸びる場所に前記ドリフト領域を配置し、転位が少ない場所に前記チャネル領域および前記ソース領域を配置することが可能となる。この場合、前記チャネル領域および/または前記ソース領域の転位密度は例えば5.0×106/cm2以下となる。前記ドリフト領域160は、前記チャネル領域161よりも転位が多い領域に位置しているが、後述のとおり、転位の伸びる方向は予測することができることから、転位の伸びる方向と電流(ドリフト電流)の流れる方向とを合わせて配置することができる。前記ドリフト電流は、前記ドレイン電極155cから前記ソース電極155bに向かって流れる電流を指し、前記ドリフト電流の流れる方向は、前記半導体層157の主面がm面の場合、前記半導体層157のm軸方向(図1-bで示されるY-Y方向)と実質的に平行となる。なお、「実質的に平行」とは、ここでは半導体層のm軸とドリフト電流の流れる方向が平行であることを含むが、完全に平行でなくてもよく、前記半導体層のm軸方向と前記ドリフト電流の流れる方向とのなす角が0°以上10°以下となる態様であれば、「実質的に平行」であることを意味している。 In this embodiment, when the semiconductor layer 157 has a corundum structure, the semiconductor layer 156 may have an m-plane as the main surface. In an embodiment of the present invention, in the manufacturing process of the semiconductor device described later, it is possible to arrange the drift region in a place where dislocations extend, and arrange the channel region and the source region in a place where dislocations are few. In this case, the dislocation density of the channel region and/or the source region is, for example, 5.0×10 6 /cm 2 or less. The drift region 160 is located in a region with more dislocations than the channel region 161, but since the direction in which the dislocations extend can be predicted as described later, it is possible to arrange the drift region 160 so that the direction in which the dislocations extend and the direction in which the current (drift current) flows are aligned. The drift current refers to a current flowing from the drain electrode 155c to the source electrode 155b, and when the main surface of the semiconductor layer 157 is an m-plane, the direction in which the drift current flows is substantially parallel to the m-axis direction of the semiconductor layer 157 (the Y-Y direction shown in FIG. 1-b). Here, "substantially parallel" includes the m-axis of the semiconductor layer being parallel to the direction of the drift current, but does not have to be completely parallel. It means "substantially parallel" as long as the angle between the m-axis direction of the semiconductor layer and the direction of the drift current is 0° or more and 10° or less.
また、前記チャネル領域のチャネル長方向が、前記半導体層157のa軸方向またはm軸方向であるのが好ましい。半導体装置の実施態様の一つとして、チャネル長方向が前記半導体層157のa軸方向であるとは、前記半導体層157の主面がm面の場合、図1-bで示すように、m面に平行な方向(図1-bで示されるX-X方向)がチャネル長方向であることを意味する。また、別の半導体装置の実施態様として、チャネル長方向が前記半導体層157のm軸方向であるとは、前記半導体層157がトレンチを有しており、主面がm面の場合には、前記半導体層157のm軸に平行な方向(図1-bで示されるY-Y方向)がチャネル長方向となるトレンチを有するのが好ましい。さらに別の実施態様として、前記コランダム構造を有する半導体層が、酸化ガリウムとアルミニウムおよび/またはインジウムを含むコランダム構造を有する混晶の半導体層であってもよい。前記半導体層はドーパントを含んでいてもよい。なお、別の実施態様として、半導体装置は、製造方法の実施態様の過程で用いる遮光部を含んでいてもよい。この場合、半導体装置は開口部を有する遮光部を有しており、遮光部の開口部が平面視で前記ドリフト領域160と少なくとも一部が重なるのが好ましい。なお、後述するように、前記遮光部は、製造過程で除去することも可能であるので、半導体装置には含まれなくてもよい。 In addition, it is preferable that the channel length direction of the channel region is the a-axis direction or the m-axis direction of the semiconductor layer 157. In one embodiment of the semiconductor device, the channel length direction is the a-axis direction of the semiconductor layer 157, meaning that when the main surface of the semiconductor layer 157 is an m-plane, the direction parallel to the m-plane (X-X direction shown in FIG. 1-b) is the channel length direction, as shown in FIG. 1-b. In another embodiment of the semiconductor device, the channel length direction is the m-axis direction of the semiconductor layer 157, meaning that the semiconductor layer 157 has a trench, and when the main surface is an m-plane, it is preferable that the semiconductor layer 157 has a trench in which the channel length direction is a direction parallel to the m-axis of the semiconductor layer 157 (Y-Y direction shown in FIG. 1-b). In yet another embodiment, the semiconductor layer having a corundum structure may be a semiconductor layer of a mixed crystal having a corundum structure containing gallium oxide and aluminum and/or indium. The semiconductor layer may contain a dopant. In another embodiment, the semiconductor device may include a light-shielding portion used in the process of the embodiment of the manufacturing method. In this case, it is preferable that the semiconductor device has a light-shielding portion having an opening, and the opening of the light-shielding portion overlaps at least a portion of the drift region 160 in a plan view. As described below, the light-shielding portion may be removed during the manufacturing process, and therefore may not be included in the semiconductor device.
本発明の半導体装置の第2の態様として、図2-aに半導体装置の概略平面図を示す。図2-bが図2-aで示す半導体装置のIIb-IIbで示す部分断面図である。半導体装置200は、ドリフト領域160とチャネル領域161とを含む半導体層13と、前記半導体層13上に配置された絶縁膜35(ゲート絶縁膜)と、前記絶縁膜35上に配置されたゲート電極36’とを少なくとも有し、前記チャネル領域161の転位密度が、前記ドリフト領域160の転位密度よりも小さい。このような構造とすることにより、オン抵抗が低減された前記半導体装置を得ることができる。前記半導体層13の第1面側に近い位置に前記ゲート電極36’が配置されており、前記半導体装置200は、前記半導体層13の第1面側に近い位置に、さらにソース電極64を有している。前記ゲート電極36’と前記ソース電極64の間には絶縁層62’、63’が配置されている。また、前記半導体装置200は、前記第1面側の反対側に近い位置に配置されたドレイン電極65を有している。ここでは、前記半導体層13(第1の半導体層ともいう)の前記第2面に接触して、半導体層3(第2の半導体層ともいう)の第1面が配置されている。 As a second embodiment of the semiconductor device of the present invention, FIG. 2-a shows a schematic plan view of the semiconductor device. FIG. 2-b is a partial cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 2-a, shown at IIb-IIb. The semiconductor device 200 has at least a semiconductor layer 13 including a drift region 160 and a channel region 161, an insulating film 35 (gate insulating film) arranged on the semiconductor layer 13, and a gate electrode 36' arranged on the insulating film 35, and the dislocation density of the channel region 161 is smaller than the dislocation density of the drift region 160. By adopting such a structure, the semiconductor device with reduced on-resistance can be obtained. The gate electrode 36' is arranged in a position close to the first surface side of the semiconductor layer 13, and the semiconductor device 200 further has a source electrode 64 in a position close to the first surface side of the semiconductor layer 13. Insulating layers 62', 63' are arranged between the gate electrode 36' and the source electrode 64. The semiconductor device 200 also has a drain electrode 65 arranged in a position close to the opposite side of the first surface side. Here, the first surface of semiconductor layer 3 (also called the second semiconductor layer) is arranged in contact with the second surface of semiconductor layer 13 (also called the first semiconductor layer).
なお、前記ドレイン電極65は、詳細には、前記第2の半導体層3の第2面上に配置されている。この場合、第2の半導体層3は、n+型半導体層であって、第1の半導体層13は、n-型半導体層である。前記半導体装置200は、前記n-型半導体層13内に、前記n-型半導体層13の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域60が位置している。ここでは、前記半導体領域60は、p-型半導体領域である。また、前記p-型半導体領域60内に、前記p-型半導体領域60の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域61が位置している。前記半導体領域61は、n+型半導体領域である。前記n+型半導体領域61内に、前記p-型半導体領域60と前記半導体領域61とに少なくとも一部が接触してp+型半導体領域66が配置されている。また、前記半導体層13は、さらに、p+型半導体領域66の少なくとも一部およびn+型半導体領域61の少なくとも一部を含むソース領域162を有しており、前記ソース領域162の転位密度が、前記ドリフト領域160の転位密度よりも小さい。このような構成とすることにより、前記半導体装置のオン抵抗をより良好に低減することができる。本態様においては、前記半導体層13がコランダム構造を有している。前記半導体層がコランダム構造を有するGa2O3半導体層であってもよい。 In addition, the drain electrode 65 is specifically arranged on the second surface of the second semiconductor layer 3. In this case, the second semiconductor layer 3 is an n+ type semiconductor layer, and the first semiconductor layer 13 is an n- type semiconductor layer. In the semiconductor device 200, a semiconductor region 60 having a conductivity type different from that of the n- type semiconductor layer 13 is located in the n- type semiconductor layer 13. Here, the semiconductor region 60 is a p- type semiconductor region. Also, a semiconductor region 61 having a conductivity type different from that of the p- type semiconductor region 60 is located in the p- type semiconductor region 60. The semiconductor region 61 is an n+ type semiconductor region. A p+ type semiconductor region 66 is arranged in the n+ type semiconductor region 61 with at least a part of it being in contact with the p- type semiconductor region 60 and the semiconductor region 61. The semiconductor layer 13 further includes a source region 162 including at least a part of the p+ type semiconductor region 66 and at least a part of the n+ type semiconductor region 61, and the dislocation density of the source region 162 is smaller than the dislocation density of the drift region 160. With this configuration, the on-resistance of the semiconductor device can be reduced more effectively. In this embodiment, the semiconductor layer 13 has a corundum structure. The semiconductor layer may be a Ga2O3 semiconductor layer having a corundum structure.
本態様において、前記半導体層13がコランダム構造を有する場合、前記半導体層13は主面としてm面を有していてもよい。本態様においては、後述の半導体装置の製造過程において、転位の伸びる場所に前記ドリフト領域を配置し、転位が少ない場所に前記チャネル領域および前記ソース領域を配置することが可能となる。この場合、前記チャネル領域および/または前記ソース領域の転位密度は例えば5.0×106/cm2以下となる。前記ドリフト領域160は、前記チャネル領域161よりも転位が多い領域に位置しているが、転位の伸びる方向と電流(ドリフト電流)の流れる方向とを合わせて配置することができる。すなわち、転位の伸びる方向にドリフト電流が流れる配置とする。前記ドリフト電流は、本態様においては前記ドレイン電極65から前記ソース電極64に向かって流れる電流を指し、前記ドリフト電流の流れる方向は、前記半導体13の主面がm面の場合には、前記半導体層13のm軸方向となる。本態様において、前記半導体層13は単結晶であるのが好ましい。なお、前記絶縁膜62’、63’は層間絶縁膜である。また、半導体装置100の実施態様の例として説明したように、前記半導体層13の主面がm面である場合には、前記チャネル領域161のチャネル長方向が、前記半導体層13のa軸方向またはm軸方向であるのが好ましい。さらに別の実施態様として、前記コランダム構造を有する半導体層が、酸化ガリウムと、アルミニウムおよび/またはインジウムを含む、コランダム構造を有する混晶の半導体層であってもよい。また、前記半導体層はドーパントを含んでいてもよい。なお、本実施態様において、半導体装置200は、製造方法の実施態様の過程で用いる、開口部を有する遮光部12を含んでいるが、遮光部12の開口部が平面視で前記ドリフト領域160と少なくとも一部が重なるのが好ましい。なお、後述するように、前記遮光部は、結晶性の基体の少なくとも一部と共に製造過程で除去することが可能であるので、半導体装置には含まれなくてもよいことは言うまでもない。 In this embodiment, when the semiconductor layer 13 has a corundum structure, the semiconductor layer 13 may have an m-plane as a main surface. In this embodiment, in the manufacturing process of the semiconductor device described later, it is possible to arrange the drift region in a place where dislocations extend, and arrange the channel region and the source region in a place where dislocations are few. In this case, the dislocation density of the channel region and/or the source region is, for example, 5.0×10 6 /cm 2 or less. The drift region 160 is located in a region with more dislocations than the channel region 161, but can be arranged so that the direction in which the dislocations extend and the direction in which the current (drift current) flows are aligned. That is, the drift current is arranged so that the drift current flows in the direction in which the dislocations extend. In this embodiment, the drift current refers to a current flowing from the drain electrode 65 to the source electrode 64, and when the main surface of the semiconductor 13 is an m-plane, the direction in which the drift current flows is the m-axis direction of the semiconductor layer 13. In this embodiment, the semiconductor layer 13 is preferably single crystal. The insulating films 62' and 63' are interlayer insulating films. As described as an example of the embodiment of the semiconductor device 100, when the main surface of the semiconductor layer 13 is an m-plane, it is preferable that the channel length direction of the channel region 161 is the a-axis direction or the m-axis direction of the semiconductor layer 13. As another embodiment, the semiconductor layer having a corundum structure may be a mixed crystal semiconductor layer having a corundum structure containing gallium oxide and aluminum and/or indium. The semiconductor layer may also contain a dopant. In this embodiment, the semiconductor device 200 includes a light shielding portion 12 having an opening used in the process of the embodiment of the manufacturing method, and it is preferable that at least a part of the opening of the light shielding portion 12 overlaps with the drift region 160 in a plan view. It is to be noted that, as described later, the light shielding portion can be removed during the manufacturing process together with at least a part of the crystalline base, so it goes without saying that it does not have to be included in the semiconductor device.
本発明の実施態様の一つとして、例えば、半導体装置の製造方法が、結晶性の基体の第1面の一部を覆って遮光部を配置すること、前記結晶性の基体の第1面上に結晶をエピタキシャル成長させて積層体とすること、前記積層体の前記結晶側に層を形成すること、前記結晶性の基体の第2面側から光を照射することを含むフォトリソグラフィにより前記層を選択的に除去することを含む。図5-a~図5-eに半導体装置の製造方法の概略説明図を示す。図5-aで示すように、結晶性の基体11の第1面11aの一部を覆って遮光部12を配置する。前記遮光部12で覆われていない、結晶性の基体11の第1面11aにエピタキシャル成長させて結晶13を形成する。前記結晶は半導体層であってもよい。このようにして、第1面11aと、前記第1面11aの反対側の第2面11bとを少なくとも有し、光を透過する結晶性の基体11と、前記結晶性の基体11の前記第1面11aの一部を覆って配置された光を遮断する遮光部12と、前記結晶性の基体11の前記第1面11a上にエピタキシャル成長されている結晶13と、を有する、積層体14を得ることができる。本実施態様において、前記結晶性の基体11は、4eV以上のバンドギャップを有している。また、実施態様の一つとして、前記遮光部は、前記結晶性の基体のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有していてもよい。例えば、前記遮光部のバンドギャップは、2.5eV以下のバンドギャップとすることができる。図5-aで示すように、エピタキシャル成長された結晶13は、遮光部12の少なくとも一部を覆って成長されており、遮光部12全体を覆うように成長させてもよい。次に、前記結晶13上に層17を形成する。前記層17は目的に応じて、一層としてもよいし、二層あるいは三層以上配置してもよい。本実施態様において、前記層17を形成することが、前記結晶13上に第1の層15を形成し、前記第1の層15上に第2の層16を形成することを含んでいる。前記層17が前記結晶13と前記遮光部12上に配置された第1の層15と、前記第1の層15上に配置された第2の層16とを有している。なお、本実施態様においては、例えば、第1の層15をマスク層または電極層とし、第2の層16を感光層として、積層体14を準備した。次に図5-cで示すように、前記結晶性の基体11の第1面11aの反対側である第2面11b側、すなわち前記積層体14の第2面14b側から光を照射し、図5-dで示すように、フォトリソグラフィにより前記層17を選択的に除去した図を示す。前記フォトリソグラフィが、前記感光層16の一部の露光を行うことにより、前記露光を行った露光領域以外の非露光領域において、露光現像により感光層16を除去し、エッチングにより第1の層15を除去し、結果、前記層17を除去することができる。この場合、前記感光層16は、ネガ型の感光層であり、光が照射されなかった領域が除去されて、光を照射した領域の層17’(ここでは層17’は第1の層15’と第2の層16’を含む)を残している。次に、図5-eで示すように、残った第1の層16’を除去して所望の形状に配置された第1の層15’(ここでは、例えば、電極層など)を有する積層構造体を得ることができる。なお、前記結晶性の基体の少なくとも一部および遮光部12は、半導体装置の製造方法の中で、除去することもできる。図7は、本発明の実施態様の一つとして、結晶上に配置したネガ型の感光層を配置して、積層体を形成した平面写真を示しており、図8は、図7で示す積層体のVIII-VIII断面を示す写真である。この実施態様では、結晶性の基体11をサファイア基板とし、結晶性の基体の第1面11a上に開口部を有する遮光部12を配置し、結晶性の基体の第1面11aから結晶13をエピタキシャル成長させており、遮光部12の開口部と平面視で重なる位置にネガ型のフォトレジストを形成している。 As one embodiment of the present invention, for example, a method for manufacturing a semiconductor device includes disposing a light-shielding portion to cover a portion of a first surface of a crystalline substrate, epitaxially growing a crystal on the first surface of the crystalline substrate to form a stack, forming a layer on the crystal side of the stack, and selectively removing the layer by photolithography including irradiating light from the second surface side of the crystalline substrate. Figures 5-a to 5-e show schematic diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. As shown in Figure 5-a, a light-shielding portion 12 is disposed to cover a portion of the first surface 11a of the crystalline substrate 11. A crystal 13 is formed by epitaxial growth on the first surface 11a of the crystalline substrate 11 that is not covered by the light-shielding portion 12. The crystal may be a semiconductor layer. In this way, a laminate 14 can be obtained, which includes a crystalline base 11 that transmits light and has at least a first surface 11a and a second surface 11b opposite to the first surface 11a, a light-shielding portion 12 that is arranged to cover a portion of the first surface 11a of the crystalline base 11 and blocks light, and a crystal 13 that is epitaxially grown on the first surface 11a of the crystalline base 11. In this embodiment, the crystalline base 11 has a band gap of 4 eV or more. In one embodiment, the light-shielding portion may have a band gap lower than the band gap of the crystalline base. For example, the band gap of the light-shielding portion may be a band gap of 2.5 eV or less. As shown in FIG. 5-a, the epitaxially grown crystal 13 is grown to cover at least a portion of the light-shielding portion 12, and may be grown to cover the entire light-shielding portion 12. Next, a layer 17 is formed on the crystal 13. The layer 17 may be one layer, two layers, or three or more layers depending on the purpose. In this embodiment, forming the layer 17 includes forming a first layer 15 on the crystal 13 and forming a second layer 16 on the first layer 15. The layer 17 has a first layer 15 arranged on the crystal 13 and the light-shielding portion 12, and a second layer 16 arranged on the first layer 15. In this embodiment, for example, the first layer 15 is a mask layer or an electrode layer, and the second layer 16 is a photosensitive layer, to prepare a laminate 14. Next, as shown in FIG. 5-c, light is irradiated from the second surface 11b side, which is the opposite side of the first surface 11a of the crystalline base 11, that is, the second surface 14b side of the laminate 14, and the layer 17 is selectively removed by photolithography as shown in FIG. 5-d. The photolithography exposes a part of the photosensitive layer 16, and in the non-exposed region other than the exposed region, the photosensitive layer 16 is removed by exposure and development, and the first layer 15 is removed by etching, resulting in the removal of the layer 17. In this case, the photosensitive layer 16 is a negative photosensitive layer, and the region not irradiated with light is removed, leaving the layer 17' (here, the layer 17' includes the first layer 15' and the second layer 16') in the region irradiated with light. Next, as shown in FIG. 5-e, the remaining first layer 16' is removed to obtain a laminated structure having the first layer 15' (here, for example, an electrode layer, etc.) arranged in a desired shape. Note that at least a part of the crystalline base and the light shielding portion 12 can also be removed in the manufacturing method of the semiconductor device. FIG. 7 shows a planar photograph of a laminate formed by arranging a negative photosensitive layer arranged on a crystal as one embodiment of the present invention, and FIG. 8 shows a photograph showing the VIII-VIII cross section of the laminate shown in FIG. 7. In this embodiment, the crystalline base 11 is a sapphire substrate, a light-shielding portion 12 having an opening is disposed on the first surface 11a of the crystalline base, crystals 13 are epitaxially grown from the first surface 11a of the crystalline base, and a negative photoresist is formed at a position that overlaps with the opening of the light-shielding portion 12 in a planar view.
なお、図5-a~図5-eに示すように、ネガ型の感光層を用いて説明したが、本発明の別の実施態様の一つとして、図6-a~図6-eにポジ型の感光層を用いて半導体装置の製造方法の概略説明図を示す。図6-aで示すように、結晶性の基体11の第1面11aの一部を覆って遮光部12を配置する。前記遮光部12で覆われていない、結晶性の基体11の第1面11aにエピタキシャル成長させて結晶13を形成する。図6-aで示すように、エピタキシャル成長された結晶13は、遮光部12の少なくとも一部を覆って成長されており、遮光部12全体を覆うように成長させてもよい。次に、前記結晶13上に層17を形成する。前記層17は目的に応じて、一層としてもよいし、二層あるいは三層以上配置してもよい。本実施態様では、前記層17が前記結晶13と前記遮光部12上に配置された感光層16として、複数の層を含む積層体14を準備した。次に図6-cで示すように、前記結晶性の基体11の第1面11a側、すなわち前記積層体14の第1面14a側の反対側である、前記結晶性の基体11の第2面11b側、すなわち前記積層体14の第2面14b側から光を照射し、図6-dで示すように、フォトリソグラフィにより前記層17を選択的に除去した図を示す。前記フォトリソグラフィが、前記層17の一部の露光を行うことにより、前記露光を行った露光領域において、前記層17を除去することができる。この場合、前記感光層16は、ポジ型の感光層16を前記層17として配置しており、光が照射された領域の感光層16を除去して、光が照射されなかった領域の感光層16’が残されている。本実施態様においては、残された感光層16’の上から薄膜形成後、感光層16’とその上の薄膜を除去することで、感光層16が除去された領域にマスク層を形成することができ、図6-eで示されるように、図5-eで示される積層構造体18と同じ積層構造体を得ることもできる。上記のようなネガ型および/またはポジ型の感光層を組み合わせることで、結晶上に配置する層の形成および/または位置合わせを容易に、また必要に応じて反復して行える。品質の良い結晶が得られた段階で、前記遮光部を再度利用して、電極層の形成や位置合わせを行うこともできる。図9は、本発明の実施態様の一つとして、結晶上に配置したポジ型の感光層を配置して、積層体を形成した平面写真を示しており、図10は、図9で示す積層体のX-X断面を示す写真である。この実施態様では、結晶性の基体11をサファイア基板とし、結晶性の基体の第1面11a上に開口部を有する遮光部12を配置し、結晶性の基体の第1面11aから結晶13をエピタキシャル成長させており、遮光部12と平面視で重なる位置に、ポジ型のフォトレジストを形成している。 As shown in Fig. 5-a to Fig. 5-e, a negative photosensitive layer has been used in the description. However, as another embodiment of the present invention, Fig. 6-a to Fig. 6-e show schematic diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device using a positive photosensitive layer. As shown in Fig. 6-a, a light-shielding portion 12 is arranged to cover a part of the first surface 11a of the crystalline base 11. A crystal 13 is formed by epitaxial growth on the first surface 11a of the crystalline base 11 that is not covered by the light-shielding portion 12. As shown in Fig. 6-a, the epitaxially grown crystal 13 is grown to cover at least a part of the light-shielding portion 12, and may be grown to cover the entire light-shielding portion 12. Next, a layer 17 is formed on the crystal 13. The layer 17 may be a single layer, or may be arranged in two or more layers depending on the purpose. In this embodiment, a laminate 14 including multiple layers is prepared as the layer 17, which is a photosensitive layer 16 arranged on the crystal 13 and the light-shielding portion 12. Next, as shown in FIG. 6-c, light is irradiated from the second surface 11b side of the crystalline base 11, i.e., the second surface 14b side of the laminate 14, which is opposite to the first surface 11a side of the crystalline base 11, i.e., the first surface 14a side of the laminate 14, and as shown in FIG. 6-d, the layer 17 is selectively removed by photolithography. By exposing a part of the layer 17 by the photolithography, the layer 17 can be removed in the exposed area where the exposure was performed. In this case, the photosensitive layer 16 is a positive type photosensitive layer 16 arranged as the layer 17, and the photosensitive layer 16 in the area irradiated with light is removed, leaving the photosensitive layer 16' in the area not irradiated with light. In this embodiment, after forming a thin film on the remaining photosensitive layer 16', the photosensitive layer 16' and the thin film thereon are removed, so that a mask layer can be formed in the area where the photosensitive layer 16 has been removed, and as shown in FIG. 6-e, the same laminate structure as the laminate structure 18 shown in FIG. 5-e can be obtained. By combining the above-mentioned negative and/or positive photosensitive layers, the formation and/or alignment of layers to be placed on the crystal can be easily performed, and can be repeated as necessary. At the stage where a good quality crystal is obtained, the light shielding portion can be used again to form and align the electrode layer. FIG. 9 shows a planar photograph of a laminate formed by placing a positive photosensitive layer on a crystal as one embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a photograph showing the X-X cross section of the laminate shown in FIG. 9. In this embodiment, the crystalline base 11 is a sapphire substrate, a light-shielding portion 12 having an opening is disposed on the first surface 11a of the crystalline base, crystals 13 are epitaxially grown from the first surface 11a of the crystalline base, and a positive photoresist is formed at a position that overlaps with the light-shielding portion 12 in a planar view.
本発明の実施態様の一つとして、図15-a~図15-nは、半導体装置の製造方法の工程の一例を示す部分断面図であり、例えば、図2-bの半導体装置のIIb-IIbで切断した概略断面部分を参照する。本実施態様において、結晶性の基体11として、サファイア基板1上にα-Ga2O3の結晶層2(第1の結晶層)を配置してバッファ層とし、さらに、前記結晶層2(第1の結晶層)上に、α-Ga2O3の結晶層3(第2の結晶層)を配置したものを用いた。なお、結晶性の基体の例として、図3-a~図3-dで示すように、結晶性の基体は一層でもよいし、2層以上を有していてもよい。本実施態様においては、図15-aで示すように、結晶性の基体11の第1面11a(ここではα-Ga2O3の結晶層3の第1面3a)上に、遮光部12をストライプ状に配置した。前記結晶層3は、ドーパントを含有する酸化物半導体層(第1の酸化物半導体層)であってもよい。さらに、前記結晶層3の第1面3a上に単結晶13をエピタキシャル成長させてエピタキシャル膜を形成して、酸化物半導体層(第2の酸化物半導体層)13とした。前記結晶層3の前記第1面3a上に位置する第2の酸化物半導体層13の第1領域13Aと、前記遮光部12上に位置する第2領域13Bとを有し、前記第2の酸化物半導体層13が前記第2領域13Bにおいて横方向成長を含むことから、前記第2領域13Bの転位密度が前記第1領域13Aの転位密度よりも小さくなる。前記第2の酸化物半導体層13の第1面13aを研磨などにより平坦化し、図15-bに示すように、前記第2の酸化物半導体層13の第1面13a上に感光層16を配置する。次に、前記結晶性の基体11の第1面11a側の反対側である第2面11b側、すなわち前記積層体14の第2面14b側から光を照射する。さらに、図15-cで示すように、フォトリソグラフィ工程の現像により前記感光層16を選択的に除去してパターン化された感光層16’を形成する。前記フォトリソグラフィでは、前記感光層16の一部の露光を行うことにより、前記露光を行った露光領域以外の非露光領域において、前記感光層16を除去することができる。この場合、前記感光層16は、ネガ型の感光層であり、光が照射されなかった領域が現像により除去される。前記第2の酸化物半導体層13の第1面13aが感光層16’から露出されている。エッチングにより、前記第2の酸化物半導体層13の前記第1面13aに凹部を設けて、前記第2の酸化物半導体層13の前記第1面13aに凹凸形状を形成し、図15-dの積層体を得る。同様にして、例えば、転位密度の多い位置に合わせて、トレンチを形成することも可能である。 As one embodiment of the present invention, Fig. 15-a to Fig. 15-n are partial cross-sectional views showing an example of a process of a method for manufacturing a semiconductor device, and for example, refer to the schematic cross-sectional portion cut along IIb-IIb of the semiconductor device in Fig. 2-b. In this embodiment, the crystalline base 11 is a buffer layer formed by disposing a crystal layer 2 (first crystal layer) of α-Ga 2 O 3 on a sapphire substrate 1, and further, a crystal layer 3 (second crystal layer) of α-Ga 2 O 3 is disposed on the crystal layer 2 (first crystal layer). As an example of the crystalline base, as shown in Fig. 3-a to Fig. 3-d, the crystalline base may have one layer or two or more layers. In this embodiment, as shown in Fig. 15-a, a light shielding portion 12 is disposed in a stripe shape on the first surface 11a of the crystalline base 11 (here, the first surface 3a of the crystal layer 3 of α-Ga 2 O 3 ). The crystal layer 3 may be an oxide semiconductor layer (first oxide semiconductor layer) containing a dopant. Furthermore, a single crystal 13 is epitaxially grown on the first surface 3a of the crystal layer 3 to form an epitaxial film, which is an oxide semiconductor layer (second oxide semiconductor layer) 13. The second oxide semiconductor layer 13 has a first region 13A located on the first surface 3a of the crystal layer 3 and a second region 13B located on the light-shielding portion 12, and the second oxide semiconductor layer 13 includes lateral growth in the second region 13B, so that the dislocation density of the second region 13B is smaller than the dislocation density of the first region 13A. The first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13 is planarized by polishing or the like, and a photosensitive layer 16 is disposed on the first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13 as shown in FIG. 15-b. Next, light is applied from the second surface 11b side, which is the opposite side of the first surface 11a side of the crystalline base 11, that is, the second surface 14b side of the laminate 14. Furthermore, as shown in FIG. 15-c, the photosensitive layer 16 is selectively removed by development in a photolithography process to form a patterned photosensitive layer 16'. In the photolithography, a part of the photosensitive layer 16 is exposed to light, so that the photosensitive layer 16 can be removed in a non-exposed area other than the exposed area where the exposure was performed. In this case, the photosensitive layer 16 is a negative type photosensitive layer, and the area where the light was not irradiated is removed by development. The first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13 is exposed from the photosensitive layer 16'. A recess is provided on the first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13 by etching, and an uneven shape is formed on the first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13, thereby obtaining the laminate of FIG. 15-d. Similarly, it is also possible to form trenches at positions where there is a high dislocation density, for example.
本実施態様では、図15-eに示すように、前記凹凸形状を有する前記第2の酸化物半導体層13の前記第1面13a上に、第3の半導体層60(ここではp−型半導体層)を形成する。さらに、前記第3の半導体層60上に、第4の半導体層61(ここではn+型半導体層)を形成する。前記第4の半導体層61上に、第5の半導体層66(p+型半導体層)を形成し、前記第5の半導体層61の第1面の凹凸形状を研磨などにより平坦化することで、前記酸化物半導体層13に少なくとも部分的に埋設された半導体領域60(p−型半導体領域)と、前記半導体領域60(p−型半導体領域)に少なくとも部分的に埋設された半導体領域61(n+型半導体領域)および前記半導体領域61(n+型半導体領域)に少なくとも部分的に埋設された前記半導体領域(p+型半導体領域)66を、平面視で前記遮光部12と少なくとも一部が重なるようにセルフアラインで形成することができる。なお、図15-fで示すように、前記酸化物半導体層13の第1面13aと、前記酸化物半導体層13に少なくとも一部が埋設された前記半導体領域(p−型半導体領域)60の第1面と、前記半導体領域(p−型半導体領域)60に少なくとも部分的に埋設された半導体領域(n+型半導体領域)61の第1面および前記半導体領域(n+型半導体領域)61に少なくとも部分的に埋設された前記半導体領域(p+型半導体領域)66とを互いに研磨などにより面一とすることができる。また、図15-fで示すように、面一となった前記酸化物半導体層13と、前記半導体領域(p−型半導体領域)60と、前記半導体領域(n+型半導体領域)61と、前記半導体領域(p+型半導体領域)66上のそれぞれの第1面上に、ゲート絶縁膜35をさらに形成する。 In this embodiment, as shown in Figure 15-e, a third semiconductor layer 60 (here, a p-type semiconductor layer) is formed on the first surface 13a of the second oxide semiconductor layer 13 having the uneven shape. Furthermore, a fourth semiconductor layer 61 (here, an n+ type semiconductor layer) is formed on the third semiconductor layer 60. A fifth semiconductor layer 66 (p+ type semiconductor layer) is formed on the fourth semiconductor layer 61, and the uneven shape of the first surface of the fifth semiconductor layer 61 is flattened by polishing or the like, so that a semiconductor region 60 (p-type semiconductor region) at least partially embedded in the oxide semiconductor layer 13, a semiconductor region 61 (n+ type semiconductor region) at least partially embedded in the semiconductor region 60 (p-type semiconductor region), and the semiconductor region (p+ type semiconductor region) 66 at least partially embedded in the semiconductor region 61 (n+ type semiconductor region) can be formed in a self-aligned manner so as to at least partially overlap with the light-shielding portion 12 in a planar view. As shown in FIG. 15-f, the first surface 13a of the oxide semiconductor layer 13, the first surface of the semiconductor region (p-type semiconductor region) 60 at least partially embedded in the oxide semiconductor layer 13, the first surface of the semiconductor region (n+ type semiconductor region) 61 at least partially embedded in the semiconductor region (p-type semiconductor region) 60, and the semiconductor region (p+ type semiconductor region) 66 at least partially embedded in the semiconductor region (n+ type semiconductor region) 61 can be made flush with each other by polishing or the like. Also, as shown in FIG. 15-f, a gate insulating film 35 is further formed on the first surfaces of the oxide semiconductor layer 13, the semiconductor region (p-type semiconductor region) 60, the semiconductor region (n+ type semiconductor region) 61, and the semiconductor region (p+ type semiconductor region) 66 that are flush with each other.
次に、前記ゲート絶縁膜35上に感光層(ネガ型)16を配置し、図15-bと同様に、裏面露光を含むフォトリソグラフィを行い、前記ゲート絶縁膜35上に配置され、平面視で、前記遮光部12の端部と、前記半導体領域(p−型半導体領域)60の端部と、前記半導体領域(n+型半導体領域)61の端部と重なる端部を有するゲート電極36’(ゲート電極パターン)を形成した。次に、図15-i、及び図15−jで示すように、前記ゲート電極36’が形成された前記ゲート絶縁膜35上に、第1の層間絶縁膜62(例えばSiN膜)を形成し、異方性エッチングにより、ゲート電極36’の端部と接する個所のみに第1の層間絶縁膜62’を残して、ゲート電極36’の端部の間の第1の層間絶縁膜62’の間に、ゲート絶縁膜35を部分的に露出させた。次に、前記ゲート絶縁膜35、前記第1の層間絶縁膜62および前記ゲート電極36’上に、第2の層間絶縁膜63(例えばSiO2膜)を形成した。続いて、図15-kに示すように、前記第2の層間絶縁膜63上に感光層(ポジ型)16を形成し、さらに図15-l、図15-mに示すように、上部からの光照射による通常の露光マスクを利用した露光とエッチングにより、前記ゲート電極36’の端部の間の前記第1の層間絶縁膜62’の間で、前記第2の層間絶縁膜63’の間にゲート絶縁膜35を部分的に露出させた。このとき層間絶縁膜62’が、前記エッチングのマスクになり、第2の層間絶縁膜63だけがエッチングされるようにエッチング条件を選ぶことにより、セルフアラインコンタクトとして形成する。次に、図15-nで示すように、前記第2の層間絶縁膜63’を覆って、前記部分的に露出されたゲート絶縁膜62と接触して配置されたソース電極64を配置した。次に結晶性の基体11の少なくとも一部(サファイア基板1とバッファ層2)を除去し、結晶層3(ここでは第1の結晶性半導体層)の第2面3b側にドレイン電極65を形成し、例えば、図2-aおよび図2-bで示す半導体装置200とすることができる。 Next, a photosensitive layer (negative type) 16 is disposed on the gate insulating film 35, and photolithography including backside exposure is performed in the same manner as in FIG. 15-b, to form a gate electrode 36' (gate electrode pattern) disposed on the gate insulating film 35 and having an end overlapping an end of the light shielding portion 12, an end of the semiconductor region (p-type semiconductor region) 60, and an end of the semiconductor region (n+ type semiconductor region) 61 in a plan view. Next, as shown in FIG. 15-i and FIG. 15-j, a first interlayer insulating film 62 (e.g., a SiN film) is formed on the gate insulating film 35 on which the gate electrode 36' is formed, and anisotropic etching is performed to partially expose the gate insulating film 35 between the first interlayer insulating film 62' between the ends of the gate electrode 36', leaving the first interlayer insulating film 62' only at the portion in contact with the end of the gate electrode 36'. Next, a second interlayer insulating film 63 (e.g., SiO2 film) was formed on the gate insulating film 35, the first interlayer insulating film 62, and the gate electrode 36'. Then, as shown in FIG. 15-k, a photosensitive layer (positive type) 16 was formed on the second interlayer insulating film 63, and as shown in FIG. 15-l and FIG. 15-m, the gate insulating film 35 was partially exposed between the first interlayer insulating film 62' between the ends of the gate electrode 36' and between the second interlayer insulating film 63' by exposure and etching using a normal exposure mask by light irradiation from above. At this time, the interlayer insulating film 62' becomes a mask for the etching, and the etching conditions are selected so that only the second interlayer insulating film 63 is etched, thereby forming a self-aligned contact. Next, as shown in FIG. 15-n, a source electrode 64 was arranged to cover the second interlayer insulating film 63' and to contact the partially exposed gate insulating film 62. Next, at least a portion of the crystalline base 11 (the sapphire substrate 1 and the buffer layer 2) is removed, and a drain electrode 65 is formed on the second surface 3b side of the crystalline layer 3 (here, the first crystalline semiconductor layer), thereby obtaining, for example, the semiconductor device 200 shown in Figures 2-a and 2-b.
(基体)
前記基体は、結晶性の基体であって、10nm~500nmの範囲にある波長の光を透過するものであれば特に限定されない。前記基体が結晶基板であってもよいし、前記結晶性の基体が結晶基板と結晶基板上に配置された結晶層を有していてもよい。また、実施態様の一つとして、前記結晶性の基体が結晶層であってもよいし、半導体結晶であってもよい。前記結晶性の基体の材料も、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基体であってよく、有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。前記基体の形状としては、どのような形状のものであってもよく、あらゆる形状に対して有効であり、例えば、平板や円板等の板状、繊維状、棒状、円柱状、角柱状、筒状、螺旋状、球状、リング状などが挙げられるが、本発明の実施態様の一つにおいては、図3(a)に示すように結晶基板1であるのが好ましい。また、本発明の別の実施態様においては、結晶性の基体11が結晶層を含むのも好ましい。前記結晶層が半導体層であってもよい。例えば、図3(b)に示すように、結晶性の基体11が結晶基板1と、前記結晶基板1上に形成された結晶層(半導体層を含む)2を有していてもよい。前記結晶基板の厚さは、本発明においては特に限定されない。また、結晶性の基体として、図3(c)で示すように、結晶基板1上に前記結晶基板上に配置された第1の結晶層2と、前記第1の結晶層2上に配置された第2の結晶層3を含んでいてもよい。すなわち、バッファ層等の他の層を含めて複数の結晶層を積層して結晶性の基体11としてもよい。さらに、異なる電気導電を有する半導体層を含めて結晶性の基体として用いてもよく、結晶性の基体自体が半導体層であってもよい。また、図3(d)は、結晶性の基体11が少なくとも第1の結晶層と第1の結晶層上に配置された第2の結晶層を含む場合の一態様を示す。例えば、本発明の実施態様において、結晶性の基体11が、第1の結晶層2(例えばn+型半導体層)と、前記第1の結晶層2上に配置された第2の結晶層3(例えばn-型半導体層)を含んでいてもよい。
(Base)
The substrate is not particularly limited as long as it is a crystalline substrate and transmits light having a wavelength in the range of 10 nm to 500 nm. The substrate may be a crystalline substrate, or the crystalline substrate may have a crystalline substrate and a crystalline layer disposed on the crystalline substrate. In addition, as one embodiment, the crystalline substrate may be a crystalline layer or a semiconductor crystal. The material of the crystalline substrate is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and may be a known substrate, an organic compound, or an inorganic compound. The shape of the substrate may be any shape, and is effective for all shapes, for example, a plate shape such as a flat plate or a disk, a fiber shape, a rod shape, a column shape, a prism shape, a tube shape, a spiral shape, a sphere shape, a ring shape, etc., but in one embodiment of the present invention, it is preferable that the substrate is a crystalline substrate 1 as shown in FIG. 3(a). In another embodiment of the present invention, it is also preferable that the crystalline substrate 11 includes a crystalline layer. The crystalline layer may be a semiconductor layer. For example, as shown in FIG. 3(b), the crystalline base 11 may have a crystalline substrate 1 and a crystalline layer (including a semiconductor layer) 2 formed on the crystalline substrate 1. The thickness of the crystalline substrate is not particularly limited in the present invention. In addition, as shown in FIG. 3(c), the crystalline base may include a first crystalline layer 2 arranged on the crystalline substrate 1 and a second crystalline layer 3 arranged on the first crystalline layer 2. That is, the crystalline base 11 may be formed by stacking a plurality of crystalline layers including other layers such as a buffer layer. Furthermore, a semiconductor layer having a different electrical conductivity may be included in the crystalline base, and the crystalline base itself may be a semiconductor layer. Also, FIG. 3(d) shows an embodiment in which the crystalline base 11 includes at least a first crystalline layer and a second crystalline layer arranged on the first crystalline layer. For example, in an embodiment of the present invention, a crystalline substrate 11 may include a first crystal layer 2 (e.g., an n+ type semiconductor layer) and a second crystal layer 3 (e.g., an n- type semiconductor layer) disposed on the first crystal layer 2.
(結晶基板)
前記結晶性の基体が結晶基板を含む場合あるいは前記結晶性の基体が結晶基板である場合、前記結晶基板は、結晶物を主成分として含む基板であれば特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素およびダイヤモンドから選択される少なくとも1つの材料を含んでいる。前記結晶基板の例として、酸化ガリウム基板、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、コランダム構造を有する結晶物を少なくとも表面に含む基板などが挙げられる。本発明の実施態様の一つとして、前記結晶性の基板が金属酸化物を主成分として含むのが好ましい。なお、前記「主成分」とは、結晶性の基板中の組成比で、前記金属酸化物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。また、本発明の別の実施態様として、前記結晶性の基板が金属窒化物を主成分として含む場合には、前記「主成分」とは、結晶性の基板中の組成比で前記金属窒化物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。
(Crystal Substrate)
When the crystalline substrate includes a crystalline substrate or when the crystalline substrate is a crystalline substrate, the crystalline substrate is not particularly limited as long as it is a substrate containing a crystalline substance as a main component, and may be a known substrate. It may be an insulating substrate, a conductive substrate, or a semiconductor substrate. It may be a single crystal substrate or a polycrystalline substrate. The crystalline substrate may contain at least one material selected from, for example, gallium oxide, aluminum oxide, gallium nitride, aluminum nitride, boron nitride, and diamond. Examples of the crystalline substrate include a gallium oxide substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, an AlGaN substrate, and a substrate containing a crystalline substance having a corundum structure at least on the surface. As one embodiment of the present invention, it is preferable that the crystalline substrate contains a metal oxide as a main component. The "main component" refers to a crystalline substrate containing 50% or more of the metal oxide in terms of composition ratio, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. In another embodiment of the present invention, when the crystalline substrate contains a metal nitride as a main component, the "main component" refers to a crystalline substrate containing 50% or more of the metal nitride in terms of composition ratio, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more.
本発明の実施態様の一つとして、前記結晶性の基板がコランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板であってもよい。前記コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、サファイア基板、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。前記β-ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、β-Ga2O3基板、またはβ-Ga2O3とAl2O3とを含む混晶体基板などが挙げられる。なお、β-Ga2O3とAl2O3とを含む混晶体基板としては、例えば、Al2O3が原子比で0%より多くかつ60%以下含まれる混晶体基板などが好適な例として挙げられる。 As one embodiment of the present invention, the crystalline substrate may be a substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component. Examples of the substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component include a sapphire substrate and an α-type gallium oxide substrate. Examples of the substrate containing a crystal having a β-gallium structure as a main component include a β-Ga 2 O 3 substrate, or a mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3. A suitable example of the mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 is a mixed crystal substrate containing more than 0% and 60% or less of Al 2 O 3 in atomic ratio.
本発明の実施態様の一つとして、前記結晶基板が、サファイア基板であるのが好ましい。前記サファイア基板としては、例えば、c面サファイア基板、m面サファイア基板、a面サファイア基板などが挙げられる。また、前記サファイア基板はオフ角を有していてもよい。前記オフ角は、特に限定されないが、好ましくは0°~15°である。なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、50~2000μmであり、より好ましくは200~800μmである。 As one embodiment of the present invention, the crystal substrate is preferably a sapphire substrate. Examples of the sapphire substrate include a c-plane sapphire substrate, an m-plane sapphire substrate, and an a-plane sapphire substrate. The sapphire substrate may have an off-angle. The off-angle is not particularly limited, but is preferably 0° to 15°. The thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000 μm, and more preferably 200 to 800 μm.
(遮光部)
前記遮光部は、10nm~500nmの範囲にある波長に対して光透過率が10%以下であれば特に限定されない。前記遮光部は金属を含んでいてもよいし、前記遮光部がシリコン(Si)を含んでいてもよい。本発明の実施態様の一つとして、結晶性の基体上に配置された遮光部をマスクとして用いて、結晶をエピタキシャル成長することができる。
(Light shielding part)
The light-shielding portion is not particularly limited as long as it has a light transmittance of 10% or less for wavelengths in the range of 10 nm to 500 nm. The light-shielding portion may contain a metal, or may contain silicon (Si). As one embodiment of the present invention, a crystal can be epitaxially grown using the light-shielding portion disposed on a crystalline substrate as a mask.
(光源)
前記積層体に照射する光の光源は、10nm~500nmの波長の光を照射することができれば特に限定されないが、本発明の実施態様においては、感光層に効率よく反応する波長として、300nm~500nmの波長の光を照射することができる光源が好ましい。
(light source)
The light source for irradiating the laminate with light is not particularly limited as long as it can irradiate light with a wavelength of 10 nm to 500 nm. In an embodiment of the present invention, however, a light source capable of irradiating light with a wavelength of 300 nm to 500 nm, which is a wavelength that efficiently reacts with the photosensitive layer, is preferred.
(結晶)
前記結晶は、単結晶であれば特に限定されず、実施態用の一つとして、回転ドメインを含む単結晶であってもよいし、多結晶を含んでいてもよいが、本発明の実施態様においては、前記単結晶はエピタキシャル結晶であるのが好ましい。
(crystal)
The crystal is not particularly limited as long as it is a single crystal, and in one embodiment, it may be a single crystal containing a rotation domain or may contain a polycrystal. However, in an embodiment of the present invention, it is preferable that the single crystal is an epitaxial crystal.
(感光層)
本発明の実施態様において、前記感光層は、300nm~500nmの波長の光によって物性が変化する組成物の層であれば特に限定されず、公知の感光材料を用いて感光層を形成してもよい。前記感光層は、前記光を受けた部分が化学反応しポリマーの極性や分子量を変えることにより現像選択性を付加される。前記光によって化学反応した部分を選択的に取り除き(ポジ型)または前記光によって化学反応した部分を選択的に残し(ポジ型)、照射した光のイメージどおりに必要な層のパターンを形成することができる。前記光を照射した後に、例えば希アルカリ水溶液を現像液として用いて、前記感光層(ポジ型の場合)の露光部を溶解させて未露光部を残すことも可能である。また、前記感光層(ネガ型の場合)の未露光部を溶解させて露光部を残すことも可能である。本発明の実施態様においては、前記感光層がフォトレジスト層であるのが好ましい。
(Photosensitive Layer)
In an embodiment of the present invention, the photosensitive layer is not particularly limited as long as it is a layer of a composition whose physical properties change with light of a wavelength of 300 nm to 500 nm, and the photosensitive layer may be formed using a known photosensitive material. The photosensitive layer is given development selectivity by changing the polarity or molecular weight of the polymer through a chemical reaction at the portion exposed to the light. The portion chemically reacted by the light is selectively removed (positive type) or the portion chemically reacted by the light is selectively left (positive type), and a required layer pattern can be formed according to the image of the irradiated light. After the light irradiation, it is also possible to dissolve the exposed portion of the photosensitive layer (in the case of a positive type) and leave the unexposed portion by using, for example, a dilute alkaline aqueous solution as a developer. It is also possible to dissolve the unexposed portion of the photosensitive layer (in the case of a negative type) and leave the exposed portion. In an embodiment of the present invention, the photosensitive layer is preferably a photoresist layer.
照射する光の透過スペクトルに対して、結晶(Ga2O3)は75%以上の光透過率を有しており、基体上に配置された遮光部の光透過率が5%以下であることが分かる。本発明の実施態様においては、前記結晶性の基体と前記結晶とが、300nm~500nmの波長の光を50%以上透過することが好ましく、70%以上透過することがより好ましい。 It can be seen that the crystal (Ga 2 O 3 ) has a light transmittance of 75% or more for the transmission spectrum of the irradiated light, and the light transmittance of the light-shielding part arranged on the base is 5% or less. In an embodiment of the present invention, the crystalline base and the crystal preferably transmit 50% or more of light with a wavelength of 300 nm to 500 nm, and more preferably transmit 70% or more.
また、前記遮光部は、本発明の実施態様においては、結晶性の基体上に周期的に形成されているのが好ましく、周期的かつ規則的にパターン化されているのがより好ましい。前記遮光部の形状としては、特に限定されず、例えば、ストライプ状、ドット状、メッシュ状またはランダム状などが挙げられるが、本発明においては、ストライプ状が好ましい。 In addition, in an embodiment of the present invention, the light-shielding portion is preferably formed periodically on a crystalline substrate, and more preferably is patterned periodically and regularly. The shape of the light-shielding portion is not particularly limited, and examples thereof include a stripe shape, a dot shape, a mesh shape, and a random shape, but in the present invention, a stripe shape is preferred.
前記遮光部の構成材料は、特に限定されず、公知の材料であってよい。絶縁体材料であってもよいし、導電体材料であってもよいし、半導体材料であってもよい。また、前記構成材料は、非晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。本発明の実施態様においては、前記遮光部の構成材料が、Siであるのが好ましい。また、カーボンブラックなどの遮光性粒子を含有させたSiO2、SiNまたは多結晶シリコンを主成分として含むSi含有化合物を遮光部として配置することもできる。前記遮光部の別の構成材料の例として、前記結晶性酸化物半導体の結晶成長温度よりも高い融点を有する金属(例えば、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどの貴金属等)などが挙げられる。なお、前記構成材料の含有量は、前記遮光部中、組成比で、50%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、90%以上が最も好ましい。 The material of the light shielding part is not particularly limited and may be a known material. It may be an insulating material, a conductive material, or a semiconductor material. The material may be amorphous, single crystal, or polycrystalline. In an embodiment of the present invention, the material of the light shielding part is preferably Si. In addition, a Si-containing compound containing SiO 2 , SiN, or polycrystalline silicon as a main component containing light shielding particles such as carbon black can be arranged as the light shielding part. Examples of other materials of the light shielding part include metals (e.g., precious metals such as platinum, gold, silver, palladium, rhodium, iridium, and ruthenium) having a melting point higher than the crystal growth temperature of the crystalline oxide semiconductor. The content of the material in the light shielding part is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and most preferably 90% or more, in terms of composition ratio.
前記遮光部の形成手段としては、公知の手段であってよく、例えば、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、レーザーパターニング、その後のエッチング(例えばドライエッチングまたはウェットエッチング等)などの公知のパターニング加工手段などが挙げられる。本発明においては、前記遮光部がストライプ状またはドット状であるのが好ましく、ストライプ状であるのがより好ましい。また、本発明においては、前記結晶基板が、PSS(Patterned Sapphire Substrate)基板であるのも好ましい。前記PSS基板のパターン形状は、特に限定されず、公知のパターン形状であってよい。前記パターン形状としては、例えば、円錐形、釣鐘形、ドーム形、半球形、正方形または三角形のピラミッド形等が挙げられるが、本発明においては、前記パターン形状が、円錐形であるのが好ましい。また、前記パターン形状のピッチ間隔も、特に限定されないが、本発明においては、5μm以下であるのが好ましく、1μm~3μmであるのがより好ましい。 The means for forming the light-shielding portion may be a known means, for example, a known patterning processing means such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (e.g., dry etching or wet etching, etc.). In the present invention, the light-shielding portion is preferably striped or dotted, and more preferably striped. In addition, in the present invention, it is also preferable that the crystal substrate is a PSS (Patterned Sapphire Substrate) substrate. The pattern shape of the PSS substrate is not particularly limited and may be a known pattern shape. Examples of the pattern shape include a cone shape, a bell shape, a dome shape, a hemisphere shape, a square or a triangular pyramid shape, and the like, but in the present invention, the pattern shape is preferably a cone shape. In addition, the pitch interval of the pattern shape is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 5 μm or less, and more preferably 1 μm to 3 μm.
なお、遮光部の厚さは特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記遮光部の厚さを150nm以下と薄膜にすることも可能であることから、積層構造体の厚みに大きな影響を与えることなく、反復して結晶上に必要な層(マスク層や電極層等)および/またはトレンチ等を適切な位置に必要な大きさで容易に形成することができる。 The thickness of the light-shielding portion is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, the thickness of the light-shielding portion can be as thin as 150 nm or less, so that the necessary layers (mask layers, electrode layers, etc.) and/or trenches, etc. can be easily formed repeatedly on the crystal in the appropriate positions and with the necessary sizes without significantly affecting the thickness of the laminated structure.
また、本発明の実施態様の一つとして、図11の断面図で示すように、サファイア基板1上に結晶層2(α-Ga2O3)を形成したものを結晶性の基体11とした。前記結晶性の基体11の第1面11a(ここでは結晶層2)上に遮光部12を周期的に配置して、結晶性の基体11の第1面上に、α-Ga2O3をエピタキシャル成長させて結晶13とした。異種基板であるサファイア基板上にα-Ga2O3(ここでは結晶層2および結晶13)をエピタキシャル成長(ここではヘテロエピタキシャル成長)させており、結晶性の基体11の第1面上(遮光部12に覆われていない部分)から略垂直方向(垂直方向と前記垂直方向に対して±30°を含む方向)に転位が伸びていることが分かる。面方位により転位の伸び方の予測がつくことから、前記結晶性の基体11の第2面11bから光を照射することを含むフォトリソグラフィにより、例えば、転位の上に合わせてELO成長用のマスク層を電子ビームによって蒸着形成することも可能となる。また、転位の伸びる位置に合わせてトレンチを形成することも可能になる。 As one embodiment of the present invention, as shown in the cross-sectional view of Fig. 11, a crystalline base 11 is formed by forming a crystal layer 2 (α-Ga 2 O 3 ) on a sapphire substrate 1. Light-shielding parts 12 are periodically arranged on a first surface 11a (here, the crystal layer 2) of the crystalline base 11, and α-Ga 2 O 3 is epitaxially grown on the first surface of the crystalline base 11 to form a crystal 13. α-Ga 2 O 3 (here, the crystal layer 2 and the crystal 13) is epitaxially grown (here, heteroepitaxially grown) on a sapphire substrate, which is a heterogeneous substrate, and it can be seen that dislocations extend from the first surface of the crystalline base 11 (a portion not covered by the light-shielding parts 12) in a substantially vertical direction (a direction including a vertical direction and ±30° with respect to the vertical direction). Since the extension of dislocations can be predicted from the plane orientation, it is possible to form, for example, a mask layer for ELO growth by deposition using an electron beam to align with the dislocations by photolithography including irradiating light from the second surface 11b of the crystalline base 11. It is also possible to form trenches to align with the positions where the dislocations extend.
本発明の実施態様の一つとして、図12の断面図で示すように、結晶性の基体11の第1面11a上に遮光部12をストライプ状に配置した。図13は、図12で示す写真の一部を拡大した写真を示し、図14は、図13で示す写真をさらに拡大して、参照番号をつけた。詳細には、本実施態様において、結晶性の基体11として、サファイア基板1上にα-Ga2O3の結晶層2を配置したものを用いた。前記結晶性の基体11の第1面11a(ここではα-Ga2O3の結晶層2)上に、遮光部12をストライプ状に配置した。なお、本実施態様の遮光部12は、結晶性の基体11の第1面11a上に配置されたSiO2層と前記SiO2層上に配置されたSi層の二層を含むものとした。前記遮光部12は、2.5eV以下の低バンドギャップを有している。前記ストライプ状に遮光部12が配置された結晶性の基体11の第1面11a上に結晶13を成長させた。図11で示す実施態様と同様に、本実施態様においてもα-Ga2O3(ここでは結晶層2および結晶13)は、異種基板であるサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長されている。本実施態様では、前記結晶13が位置する、前記結晶性の基体11の第1面11a上にポジ型の感光層16を形成して、前記結晶13も覆った。なお、前記結晶性の基体11(ここではサファイア基板1とα-Ga2O3の結晶層2)と前記結晶13は4eV以上のバンドギャップを有している。前記結晶性の基体11の第2面11b側から、10nm~500nmの範囲にある波長の光を照射することで、遮光部12に隣設された結晶性の基体11の露出領域に前記光が入射して、前記結晶性の基体11の第2面11bに対して垂直だけでなく角度をつけて斜め方向にも光を入射させることで、図14で示すように前記感光層16の露光領域を矢印方向(または矢印と逆方法)にずらすことができる。角度を変えて光を入射させることで、露光領域を変えることも自在に行える。本実施態様では、前記感光層16の露光領域を現像して除去し、さらに層17を形成した。本実施態様では、層17としてSiO2層を電子ビームにより蒸着して形成した。図11の写真で示すように、転位の伸びる位置に合わせて層17を形成することが可能で、また、前記結晶を再成長させて転位を低減させた後に、前記層17は10nm~500nmの範囲にある波長の光を透過する層なので、前記遮光部12をマスクとして用い、再びフォトリソグラフィを用いて、必要な層やトレンチ等の位置合わせを行うことができる。本実施態様においては、繰り返しフォトリソグラフィを行うことができるため、特にヘテロエピタキシャル成長される結晶を含む半導体装置の製造方法に適している。なお、本実施態様のように、遮光部が規則的にパターン形成(ここでは周期的なストライプ状に配置)されているのが好ましい。なお、SiO2および半導体膜上のPt皮膜は、観察を容易にする目的で設けたものである。 As one embodiment of the present invention, as shown in the cross-sectional view of FIG. 12, the light shielding portion 12 is arranged in a stripe shape on the first surface 11a of the crystalline base 11. FIG. 13 shows a photograph in which a part of the photograph shown in FIG. 12 is enlarged, and FIG. 14 shows a further enlargement of the photograph shown in FIG. 13, with reference numbers added. In detail, in this embodiment, the crystalline base 11 is a sapphire substrate 1 on which a crystal layer 2 of α-Ga 2 O 3 is arranged. The light shielding portion 12 is arranged in a stripe shape on the first surface 11a of the crystalline base 11 (here, the crystal layer 2 of α-Ga 2 O 3 ). Note that the light shielding portion 12 in this embodiment includes two layers, a SiO 2 layer arranged on the first surface 11a of the crystalline base 11 and a Si layer arranged on the SiO 2 layer. The light shielding portion 12 has a low band gap of 2.5 eV or less. A crystal 13 was grown on the first surface 11a of the crystalline base 11 on which the light shielding portion 12 was arranged in the stripe shape. As in the embodiment shown in FIG. 11, in this embodiment, α-Ga 2 O 3 (here, the crystal layer 2 and the crystal 13) was heteroepitaxially grown on a sapphire substrate, which is a heterogeneous substrate. In this embodiment, a positive photosensitive layer 16 was formed on the first surface 11a of the crystalline base 11 on which the crystal 13 was located, to cover the crystal 13. The crystalline base 11 (here, the sapphire substrate 1 and the crystal layer 2 of α-Ga 2 O 3 ) and the crystal 13 have a band gap of 4 eV or more. By irradiating the second surface 11b of the crystalline base 11 with light having a wavelength in the range of 10 nm to 500 nm, the light is incident on the exposed area of the crystalline base 11 adjacent to the light-shielding portion 12, and the light is incident not only perpendicularly but also obliquely at an angle to the second surface 11b of the crystalline base 11, so that the exposed area of the photosensitive layer 16 can be shifted in the direction of the arrow (or in the opposite direction to the arrow) as shown in FIG. 14. By changing the angle at which the light is incident, the exposed area can be freely changed. In this embodiment, the exposed area of the photosensitive layer 16 is developed and removed, and a layer 17 is further formed. In this embodiment, a SiO 2 layer is formed as the layer 17 by evaporating it with an electron beam. As shown in the photograph of FIG. 11, it is possible to form layer 17 in accordance with the position where dislocations extend, and after the crystal is regrown to reduce dislocations, the layer 17 is a layer that transmits light with a wavelength in the range of 10 nm to 500 nm, so that the light-shielding portion 12 can be used as a mask and photolithography can be used again to align the necessary layers, trenches, etc. In this embodiment, photolithography can be performed repeatedly, so it is particularly suitable for manufacturing a semiconductor device including a heteroepitaxially grown crystal. It is preferable that the light-shielding portion is regularly patterned (here, arranged in a periodic stripe shape) as in this embodiment. The Pt coating on the SiO 2 and semiconductor film is provided for the purpose of facilitating observation.
本発明の実施態様においては、前記結晶性の基体の少なくとも一部として、図3(b)で示すように、結晶基板上に結晶層2として応力緩和層等を含むバッファ層を設けてもよく、バッファ層を設ける場合には、バッファ層上でも前記遮光部を形成してもよい。また、遮光部よりも光透過率の高い凸凹形状を前記結晶層2上に設けてもよい。また、本発明の実施態様の一つとして、前記結晶基板が、表面の一部または全部に、バッファ層を有しているのも好ましい。前記バッファ層の形成方法は、特に限定されず、公知の手段であってよい。前記形成方法としては、例えば、スプレー法、ミストCVD法、HVPE法、MBE法、MOCVD法、スパッタリング法等が挙げられる。本発明においては、前記バッファ層が、ミストCVD法により形成されているのが、前記バッファ層上に形成される前記結晶膜の膜質をより優れたものとでき、特に、チルト等の結晶欠陥を抑制できるため、好ましい。以下、前記バッファ層をミストCVD法により形成する好適な態様を、より詳細に説明する。 In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3(b), a buffer layer including a stress relaxation layer or the like may be provided as the crystal layer 2 on the crystal substrate as at least a part of the crystalline base, and when a buffer layer is provided, the light-shielding portion may also be formed on the buffer layer. In addition, an uneven shape having a higher light transmittance than the light-shielding portion may be provided on the crystal layer 2. In addition, as one embodiment of the present invention, it is also preferable that the crystal substrate has a buffer layer on a part or all of the surface. The method of forming the buffer layer is not particularly limited and may be a known means. Examples of the forming method include a spray method, a mist CVD method, a HVPE method, a MBE method, a MOCVD method, a sputtering method, and the like. In the present invention, the buffer layer is preferably formed by a mist CVD method, since the quality of the crystal film formed on the buffer layer can be improved, and in particular, crystal defects such as tilt can be suppressed. Below, a preferred embodiment of forming the buffer layer by a mist CVD method will be described in more detail.
前記バッファ層は、好適には、例えば、原料溶液を霧化して霧化液滴を得ること(霧化工程)、得られた霧化液滴をキャリアガスを用いて前記基板まで搬送すること(搬送工程)、前記基板および/または基体の表面の一部または全部で、前記霧化液滴を熱反応させる(バッファ層形成工程)ことにより形成することができる。 The buffer layer can be preferably formed, for example, by atomizing the raw material solution to obtain atomized droplets (atomization process), transporting the obtained atomized droplets to the substrate using a carrier gas (transport process), and thermally reacting the atomized droplets on a part or all of the surface of the substrate and/or base body (buffer layer formation process).
(霧化工程)
霧化工程は、前記原料溶液を霧化して霧化液滴を得る。前記原料溶液の霧化方法は、前記原料溶液を霧化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化方法が好ましい。超音波を用いて得られた霧化液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷がないため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは0.1~10μmである。
(Atomization process)
In the atomization step, the raw solution is atomized to obtain atomized droplets. The method of atomizing the raw solution is not particularly limited as long as it can atomize the raw solution, and may be a known means, but in the present invention, an atomization method using ultrasonic waves is preferred. The atomized droplets obtained using ultrasonic waves are preferable because they have an initial velocity of zero and float in the air, and are not sprayed like a spray, but are mist that floats in space and can be transported as a gas, so there is no damage due to collision energy, which is very suitable. The droplet size is not particularly limited, and may be droplets of about several mm, but is preferably 50 μm or less, and more preferably 0.1 to 10 μm.
(原料溶液)
前記原料溶液は、ミストCVDにより、前記バッファ層、結晶、結晶層、および/または半導体層が得られる溶液であれば特に限定されない。前記原料溶液としては、例えば、霧化用金属の有機金属錯体(例えばアセチルアセトナート錯体等)やハロゲン化物(例えばフッ化物、塩化物、臭化物またはヨウ化物等)の水溶液などが挙げられる。前記霧化用金属は、特に限定されず、このような霧化用金属としては、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる1種または2種以上の金属等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記霧化用金属が、ガリウム、インジウムまたはアルミニウムを少なくとも含むのが好ましく、ガリウムを少なくとも含むのがより好ましい。原料溶液中の霧化用金属の含有量は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されないが、好ましくは、0.001モル%~50モル%であり、より好ましくは0.01モル%~50モル%である。
(raw material solution)
The raw material solution is not particularly limited as long as it is a solution that can obtain the buffer layer, crystal, crystal layer, and/or semiconductor layer by mist CVD. Examples of the raw material solution include an aqueous solution of an organometallic complex (e.g., acetylacetonate complex, etc.) of a metal for atomization, or a halide (e.g., fluoride, chloride, bromide, or iodide, etc.). The metal for atomization is not particularly limited, and examples of such a metal for atomization include one or more metals selected from aluminum, gallium, indium, iron, chromium, vanadium, titanium, rhodium, nickel, cobalt, and iridium. In an embodiment of the present invention, the metal for atomization preferably contains at least gallium, indium, or aluminum, and more preferably contains at least gallium. The content of the metal for atomization in the raw material solution is not particularly limited as long as it does not hinder the object of the present invention, but is preferably 0.001 mol% to 50 mol%, and more preferably 0.01 mol% to 50 mol%.
また、原料溶液には、ドーパントが含まれているのも好ましい。原料溶液にドーパントを含ませることにより、イオン注入等を行わずに、結晶構造を壊すことなく、バッファ層、結晶層、および/または半導体層の導電性を容易に制御することができる。本発明においては、前記ドーパントがスズ、ゲルマニウム、またはケイ素であるのが好ましく、スズ、またはゲルマニウムであるのがより好ましく、スズであるのが最も好ましい。前記ドーパントの濃度は、通常、約1×1016/cm3~1×1022/cm3であってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約1×1017/cm3以下の低濃度にしてもよいし、ドーパントを約1×1020/cm3以上の高濃度で含有させてもよい。本発明の実施態様においては、ドーパントの濃度が1×1020/cm3以下であるのが好ましく、5×1019/cm3以下であるのがより好ましい。 It is also preferable that the raw material solution contains a dopant. By including a dopant in the raw material solution, the conductivity of the buffer layer, the crystal layer, and/or the semiconductor layer can be easily controlled without ion implantation or the like and without destroying the crystal structure. In the present invention, the dopant is preferably tin, germanium, or silicon, more preferably tin or germanium, and most preferably tin. The concentration of the dopant may usually be about 1×10 16 /cm 3 to 1×10 22 /cm 3 , or the dopant concentration may be a low concentration of, for example, about 1×10 17 /cm 3 or less, or the dopant may be contained at a high concentration of about 1×10 20 /cm 3 or more. In an embodiment of the present invention, the dopant concentration is preferably 1×10 20 /cm 3 or less, and more preferably 5×10 19 /cm 3 or less.
原料溶液の溶媒は、特に限定されず、水等の無機溶媒であってもよいし、アルコール等の有機溶媒であってもよいし、無機溶媒と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。本発明においては、前記溶媒が水を含むのが好ましく、水または水とアルコールとの混合溶媒であるのがより好ましく、水であるのが最も好ましい。前記水としては、より具体的には、例えば、純水、超純水、水道水、井戸水、鉱泉水、鉱水、温泉水、湧水、淡水、海水などが挙げられるが、本発明においては、超純水が好ましい。 The solvent of the raw material solution is not particularly limited, and may be an inorganic solvent such as water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent of an inorganic solvent and an organic solvent. In the present invention, the solvent preferably contains water, more preferably water or a mixed solvent of water and alcohol, and most preferably water. More specifically, examples of the water include pure water, ultrapure water, tap water, well water, mineral water, hot spring water, spring water, fresh water, and seawater, and in the present invention, ultrapure water is preferred.
(搬送工程)
搬送工程では、キャリアガスでもって前記霧化液滴を成膜室内に搬送する。前記キャリアガスは、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、流量を下げた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、0.01~20L/分であるのが好ましく、1~10L/分であるのがより好ましい。希釈ガスの場合には、希釈ガスの流量が、0.001~2L/分であるのが好ましく、0.1~1L/分であるのがより好ましい。
(Transportation process)
In the transport step, the atomized droplets are transported into the film-forming chamber by a carrier gas. The carrier gas is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and suitable examples include oxygen, ozone, inert gas such as nitrogen or argon, or reducing gas such as hydrogen gas or forming gas. The type of carrier gas may be one type, but may be two or more types, and a dilution gas with a reduced flow rate (for example, a 10-fold dilution gas, etc.) may be further used as a second carrier gas. The supply point of the carrier gas may be not only one but also two or more. The flow rate of the carrier gas is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 20 L/min, and more preferably 1 to 10 L/min. In the case of a dilution gas, the flow rate of the dilution gas is preferably 0.001 to 2 L/min, and more preferably 0.1 to 1 L/min.
(バッファ層、結晶、結晶層および/または半導体層の形成工程)
バッファ層、結晶、結晶層および/または半導体層(以下、結晶層ともいう)の形成工程では、成膜室内で前記霧化液滴を熱反応させることによって、基板上に、前記結晶層を形成する。熱反応は、熱でもって前記霧化液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度(例えば1000℃)以下が好ましく、650℃以下がより好ましく、400℃~650℃が最も好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、大気圧下で行われるのが好ましい。なお、結晶層の厚みは、形成時間を調整することにより、設定することができる。
(Process for forming buffer layer, crystal, crystal layer and/or semiconductor layer)
In the process of forming a buffer layer, a crystal, a crystal layer and/or a semiconductor layer (hereinafter also referred to as a crystal layer), the mist droplets are thermally reacted in a film formation chamber to form the crystal layer on the substrate. The thermal reaction may be performed as long as the mist droplets react with heat, and the reaction conditions are not particularly limited as long as the object of the present invention is not hindered. In this process, the thermal reaction is usually performed at a temperature equal to or higher than the evaporation temperature of the solvent, but is preferably not too high (for example, 1000°C) or lower, more preferably 650°C or lower, and most preferably 400°C to 650°C. In addition, the thermal reaction may be performed under any atmosphere, such as a vacuum, a non-oxygen atmosphere, a reducing gas atmosphere, or an oxygen atmosphere, as long as the object of the present invention is not hindered. In addition, the thermal reaction may be performed under any condition, such as atmospheric pressure, pressurized pressure, or reduced pressure, but in the present invention, it is preferable to perform the thermal reaction under atmospheric pressure. The thickness of the crystal layer can be set by adjusting the formation time.
上記のようにして、前記結晶基板上の表面の一部または全部に、結晶を形成してバッファ層を有する基体とし、前記基体の該バッファ層上に上記した遮光部を配置し、さらに結晶を上記した方法を用いてエピタキシャル成長させることができる。前記基体上に配置された遮光部により、基体上に凹凸部が形成されることから、横方向成長を含む結晶を得ることができ、前記結晶上に層を形成することにより、前記結晶におけるチルト等の欠陥をより低減することができ、膜質をより優れた結晶膜とすることができる。また、上記のように、前記結晶膜を半導体装置の半導体層として用いることも可能であり、前記遮光部を用いて、前記半導体層上に電極などのパターンを形成することもできる。 As described above, a crystal can be formed on a part or all of the surface of the crystal substrate to form a base having a buffer layer, the above-mentioned light-shielding portion can be disposed on the buffer layer of the base, and the crystal can be epitaxially grown using the above-mentioned method. The light-shielding portion disposed on the base forms uneven portions on the base, so that a crystal including lateral growth can be obtained, and by forming a layer on the crystal, defects such as tilt in the crystal can be further reduced, resulting in a crystal film with superior film quality. As described above, the crystal film can also be used as a semiconductor layer of a semiconductor device, and the light-shielding portion can be used to form a pattern such as an electrode on the semiconductor layer.
また、前記結晶は、特に限定されないが、本発明の実施態様の一つにおいては、金属酸化物を主成分として含んでいるのが好ましい。前記金属酸化物としては、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる1種または2種以上の金属を含む金属酸化物などが挙げられる。本発明においては、前記金属酸化物が、インジウム、アルミニウムおよびガリウムから選ばれる1種または2種以上の元素を含有するのが好ましく、少なくともインジウムまたは/およびガリウムを含んでいるのがより好ましく、少なくともガリウムを含んでいるのが最も好ましい。本発明の成膜方法の実施形態の一つとして、バッファ層が金属酸化物を主成分として含み、バッファ層が含む金属酸化物がガリウムと、ガリウムよりも少ない量のアルミニウムを含んでいてもよい。また、本発明の成膜方法の実施形態の一つとして、バッファ層が超格子構造を含んでいてもよい。なお、本発明の実施態様において、「主成分」とは、前記金属酸化物が前記結晶の全成分に対し、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。また、前記結晶と前記バッファ層とは、本発明の目的を阻害しない限り、それぞれ互いに主成分が同一であってもよいし、異なっていてもよいが、本発明の実施態様においては、同一であるのが好ましい。 In addition, the crystal is not particularly limited, but in one embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal contains a metal oxide as a main component. Examples of the metal oxide include metal oxides containing one or more metals selected from aluminum, gallium, indium, iron, chromium, vanadium, titanium, rhodium, nickel, cobalt, and iridium. In the present invention, the metal oxide preferably contains one or more elements selected from indium, aluminum, and gallium, more preferably contains at least indium and/or gallium, and most preferably contains at least gallium. In one embodiment of the film formation method of the present invention, the buffer layer may contain a metal oxide as a main component, and the metal oxide contained in the buffer layer may contain gallium and a smaller amount of aluminum than gallium. In one embodiment of the film formation method of the present invention, the buffer layer may contain a superlattice structure. In addition, in the embodiment of the present invention, the "main component" means that the metal oxide is preferably contained in an amount of 50% or more, more preferably 70% or more, and even more preferably 90% or more of the total components of the crystal, and may be 100%. Furthermore, the main components of the crystal and the buffer layer may be the same or different, as long as the object of the present invention is not hindered, but in this embodiment of the present invention, it is preferable that they are the same.
本発明においては、前記バッファ層が設けられていてもよい前記結晶基板上に金属含有原料ガス、酸素含有原料ガス、反応性ガスおよび所望によりドーパント含有ガスを供給し、反応性ガスの流通下で成膜する。本発明においては、前記成膜が、加熱されている基板上で行われるのが好ましい。前記成膜温度は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、900℃以下が好ましくい。前記結晶がコランダム構造を有する場合には400℃~700℃であるのが好ましい。また、前記成膜は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非真空下、還元ガス雰囲気下、不活性ガス雰囲気下および酸化ガス雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、また、常圧下、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、常圧下または大気圧下で行われるのが好ましい。なお、膜厚は成膜時間を調整することにより、設定することができる。 In the present invention, a metal-containing raw material gas, an oxygen-containing raw material gas, a reactive gas, and optionally a dopant-containing gas are supplied onto the crystal substrate on which the buffer layer may be provided, and a film is formed under the flow of the reactive gas. In the present invention, it is preferable that the film is formed on a heated substrate. The film formation temperature is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, but is preferably 900°C or less. When the crystal has a corundum structure, it is preferably 400°C to 700°C. In addition, the film formation may be performed under any atmosphere, such as a vacuum, a non-vacuum, a reducing gas atmosphere, an inert gas atmosphere, or an oxidizing gas atmosphere, as long as it does not impede the object of the present invention. In addition, the film formation may be performed under any condition, such as normal pressure, atmospheric pressure, pressurized pressure, or reduced pressure, but in the present invention, it is preferable that the film is formed under normal pressure or atmospheric pressure. The film thickness can be set by adjusting the film formation time.
なお、本発明の実施態様における結晶は、スプレー法、ミストCVD法、HVPE法、MBE法、MOCVD法およびスパッタリング法から選択される少なくとも1つの方法により形成される。 In addition, the crystals in the embodiments of the present invention are formed by at least one method selected from the spray method, the mist CVD method, the HVPE method, the MBE method, the MOCVD method, and the sputtering method.
前記結晶の形成方法の一例として、図4-aで示すHVPE装置を用いて結晶を形成する場合について説明する。例えば、金属を含む金属源をガス化して金属含有原料ガスとし、ついで、前記金属含有原料ガスと、酸素含有原料ガスとを反応室内の、遮光部が一部に配置された結晶性の基体上に供給して結晶をエピタキシャル成長することができる。また、前記結晶をエピタキシャル成長する際に、前記金属含有原料ガスと酸素含有原料ガスと反応性ガスとを、前記遮光部が一部に配置された結晶性の基体上に供給し、前記結晶のエピタキシャル成長を行うことができる。HVPE装置50は、例えば、反応室51と、金属源57を加熱するヒータ52aおよび基体ホルダ56に固定されている基体を加熱するヒータ52bとを備えている。さらに、反応室51内に、酸素含有原料ガス供給管55bと、反応性ガス供給管54bと、基体を設置する基体ホルダ56とを備えていてもよい。そして、反応性ガス供給管54b内には、金属含有原料ガス供給管53bが備えられており、二重管構造を形成している。なお、酸素含有原料ガス供給管55bは、酸素含有原料ガス供給源55aと接続されており、酸素含有原料ガス供給源55aから酸素含有原料ガス供給管55bを介して、酸素含有原料ガスが基体ホルダ56に固定されている基体に供給可能なように、酸素含有原料ガスの流路を構成している。また、反応性ガス供給管54bは、反応性ガス供給源54aと接続されており、反応性ガス供給源54aから反応性ガス供給管54bを介して、反応性ガスが基体ホルダ56に固定されている基体に供給可能なように、反応性ガスの流路を構成している。金属含有原料ガス供給管53bは、ハロゲン含有原料ガス供給源53aと接続されており、ハロゲン含有原料ガスが金属源に供給されて金属含有原料ガスとなり金属含有原料ガスが基体ホルダ56に固定されている基体に供給される。反応室51には、使用済みのガスを排気するガス排出部59が設けられており、さらに、反応室51の内壁には、反応物が析出するのを防ぐ保護シート58が備え付けられている。 As an example of the method for forming the crystal, a case where a crystal is formed using the HVPE apparatus shown in FIG. 4-a will be described. For example, a metal source containing a metal is gasified to form a metal-containing source gas, and then the metal-containing source gas and the oxygen-containing source gas are supplied to a crystalline substrate in a reaction chamber, part of which is arranged with a light-shielding portion, to epitaxially grow the crystal. In addition, when epitaxially growing the crystal, the metal-containing source gas, the oxygen-containing source gas, and the reactive gas are supplied to a crystalline substrate in a part of which is arranged with a light-shielding portion, to perform epitaxial growth of the crystal. The HVPE apparatus 50 includes, for example, a reaction chamber 51, a heater 52a for heating the metal source 57, and a heater 52b for heating the substrate fixed to the substrate holder 56. Furthermore, the reaction chamber 51 may include an oxygen-containing source gas supply pipe 55b, a reactive gas supply pipe 54b, and a substrate holder 56 for placing the substrate. The reactive gas supply pipe 54b is provided with a metal-containing source gas supply pipe 53b, forming a double pipe structure. The oxygen-containing source gas supply pipe 55b is connected to the oxygen-containing source gas supply source 55a, and constitutes a flow path of the oxygen-containing source gas so that the oxygen-containing source gas can be supplied from the oxygen-containing source gas supply source 55a to the substrate fixed to the substrate holder 56 through the oxygen-containing source gas supply pipe 55b. The reactive gas supply pipe 54b is connected to the reactive gas supply source 54a, and constitutes a flow path of the reactive gas so that the reactive gas can be supplied from the reactive gas supply source 54a to the substrate fixed to the substrate holder 56 through the reactive gas supply pipe 54b. The metal-containing source gas supply pipe 53b is connected to the halogen-containing source gas supply source 53a, and the halogen-containing source gas is supplied to the metal source to become a metal-containing source gas, which is then supplied to the substrate fixed to the substrate holder 56. The reaction chamber 51 is provided with a gas exhaust section 59 for discharging used gas, and the inner wall of the reaction chamber 51 is fitted with a protective sheet 58 to prevent the reaction product from precipitating.
(金属源)
前記金属源は、金属を含んでおり、ガス化が可能なものであれば、特に限定されず、金属単体であってもよいし、金属化合物であってもよい。前記金属としては、例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる1種または2種以上の金属等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる1種または2種以上の金属であるのが好ましく、ガリウムであるのがより好ましく、前記金属源が、ガリウム単体であるのが最も好ましい。また、前記金属源は、気体であってもよいし、液体であってもよいし、固体であってもよいが、本発明の実施態様においては、例えば、前記金属としてガリウムを用いる場合には、前記金属源が液体であるのが好ましい。
(Metal Source)
The metal source is not particularly limited as long as it contains a metal and can be gasified, and may be a metal element or a metal compound. Examples of the metal include one or more metals selected from gallium, aluminum, indium, iron, chromium, vanadium, titanium, rhodium, nickel, cobalt, and iridium. In an embodiment of the present invention, the metal is preferably one or more metals selected from gallium, aluminum, and indium, more preferably gallium, and the metal source is most preferably gallium element. The metal source may be gas, liquid, or solid, but in an embodiment of the present invention, for example, when gallium is used as the metal, the metal source is preferably liquid.
前記ガス化の手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってよい。本発明の実施態様においては、前記ガス化の手段が、前記金属源をハロゲン化することにより行われるのが好ましい。前記ハロゲン化に用いるハロゲン化剤は、前記金属源をハロゲン化できさえすれば、特に限定されず、公知のハロゲン化剤であってよい。前記ハロゲン化剤としては、例えば、ハロゲンまたはハロゲン化水素等が挙げられる。前記ハロゲンとしては、例えば、フッ素、塩素、臭素、またはヨウ素等が挙げられる。また、前記ハロゲン化水素としては、例えば、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素等が挙げられる。本発明においては、前記ハロゲン化に、ハロゲン化水素を用いるのが好ましく、塩化水素を用いるのがより好ましい。本発明においては、前記ガス化を、前記金属源に、ハロゲン化剤として、ハロゲンまたはハロゲン化水素を供給して、前記金属源とハロゲンまたはハロゲン化水素とをハロゲン化金属の気化温度以上で反応させてハロゲン化金属とすることにより行うのが好ましい。前記ハロゲン化反応温度は、特に限定されないが、本発明においては、例えば、前記金属源がガリウムであり、前記ハロゲン化剤が、HClである場合には、900℃以下が好ましい。β-Ga2O3を主成分として含む結晶をエピタキシャル成長(この場合は、ホモエピタキシャル成長)させる場合には、650℃よりも高い温度であるのが好ましい。α-Ga2O3を主成分として含む結晶をエピタキシャル成長(この場合は、ヘテロエピタキシャル成長)させる場合には、前記反応温度は650℃以下の温度であるのが好ましく、400℃~650℃であるのが最も好ましい。前記結晶がコランダム構造を有し、ガリウムとアルミニウムの金属酸化物を主成分として含む場合には、ガリウムとアルミニウムの比率によるが、前記反応温度は500℃~750℃であるのが好ましい。前記金属含有原料ガスは、前記金属源の金属を含むガスであれば、特に限定されない。前記金属含有原料ガスとしては、例えば、前記金属のハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物など)等が挙げられる。 The gasification means is not particularly limited and may be a known means as long as it does not impede the object of the present invention. In an embodiment of the present invention, the gasification means is preferably carried out by halogenating the metal source. The halogenating agent used for the halogenation is not particularly limited and may be a known halogenating agent as long as it can halogenate the metal source. Examples of the halogenating agent include halogen and hydrogen halide. Examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Examples of the hydrogen halide include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, and hydrogen iodide. In the present invention, it is preferable to use hydrogen halide for the halogenation, and more preferably hydrogen chloride. In the present invention, it is preferable to carry out the gasification by supplying a halogen or hydrogen halide as a halogenating agent to the metal source and reacting the metal source with the halogen or hydrogen halide at a temperature equal to or higher than the vaporization temperature of the metal halide to form a metal halide. The halogenation reaction temperature is not particularly limited, but in the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, it is preferably 900°C or less. When a crystal containing β-Ga 2 O 3 as a main component is epitaxially grown (in this case, homoepitaxial growth), the temperature is preferably higher than 650°C. When a crystal containing α-Ga 2 O 3 as a main component is epitaxially grown (in this case, heteroepitaxial growth), the reaction temperature is preferably 650°C or less, and most preferably 400°C to 650°C. When the crystal has a corundum structure and contains metal oxides of gallium and aluminum as main components, the reaction temperature is preferably 500°C to 750°C, depending on the ratio of gallium and aluminum. The metal-containing source gas is not particularly limited as long as it is a gas containing the metal of the metal source. Examples of the metal-containing source gas include halides (fluorides, chlorides, bromides, iodides, etc.) of the metals.
本発明の実施態様においては、金属を含む金属源をガス化して金属含有原料ガスとした後、前記金属含有原料ガスと、前記酸素含有原料ガスとを、前記反応室内の基板上に供給する。また、本発明においては、反応性ガスを前記基体上に供給する。前記酸素含有原料ガスとしては、例えば、O2ガス、CO2ガス、NOガス、NO2ガス、N2Oガス、H2OガスまたはO3ガス等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記酸素含有原料ガスが、O2、H2OおよびN2Oからなる群から選ばれる1種または2種以上のガスであるのが好ましく、O2を含むのがより好ましい。なお、本発明の実施形態の一つとして、前記酸素含有原料ガスはCO2を含んでいてもよい。前記反応性ガスは、通常、金属含有原料ガスおよび酸素含有原料ガスとは異なる反応性のガスであり、不活性ガスは含まれない。前記反応性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、エッチングガス等が挙げられる。前記エッチングガスは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のエッチングガスであってよい。本発明の実施態様においては、前記反応性ガスが、ハロゲンガス(例えば、フッ素ガス、塩素ガス、臭素ガスまたはヨウ素ガス等)、ハロゲン化水素ガス(例えば、フッ酸ガス、塩酸ガス、臭化水素ガス、ヨウ化水素ガス等)、水素ガスまたはこれら2種以上の混合ガス等であるのが好ましく、ハロゲン化水素ガスを含むのが好ましく、塩化水素を含むのが最も好ましい。なお、前記金属含有原料ガス、前記酸素含有原料ガスまたは前記反応性ガスは、キャリアガスを含んでいてもよい。前記キャリアガスとしては、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス等が挙げられる。また、前記金属含有原料ガスの分圧は特に限定されないが、本発明においては、0.5Pa~1kPaであるのが好ましく、5Pa~0.5kPaであるのがより好ましい。前記酸素含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明においては、前記金属含有原料ガスの分圧の0.5倍~100倍であるのが好ましく、1倍~20倍であるのがより好ましい。前記反応性ガスの分圧も、特に限定されないが、本発明においては、前記金属含有原料ガスの分圧の0.1倍~5倍であるのが好ましく、0.2倍~3倍であるのがより好ましい。 In an embodiment of the present invention, a metal source containing a metal is gasified to obtain a metal-containing source gas, and then the metal-containing source gas and the oxygen-containing source gas are supplied onto the substrate in the reaction chamber. In addition, in the present invention, a reactive gas is supplied onto the substrate. Examples of the oxygen-containing source gas include O2 gas, CO2 gas, NO gas, NO2 gas, N2O gas, H2O gas, and O3 gas. In an embodiment of the present invention, the oxygen-containing source gas is preferably one or more gases selected from the group consisting of O2 , H2O , and N2O , and more preferably contains O2 . In addition, in one embodiment of the present invention, the oxygen-containing source gas may contain CO2 . The reactive gas is usually a gas with a different reactivity from the metal-containing source gas and the oxygen-containing source gas, and does not include an inert gas. The reactive gas is not particularly limited, but may be, for example, an etching gas. The etching gas is not particularly limited as long as it does not hinder the object of the present invention, and may be a known etching gas. In an embodiment of the present invention, the reactive gas is preferably a halogen gas (e.g., fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, or iodine gas), a hydrogen halide gas (e.g., hydrofluoric acid gas, hydrochloric acid gas, hydrogen bromide gas, hydrogen iodide gas), hydrogen gas, or a mixed gas of two or more of these, and preferably contains a hydrogen halide gas, and most preferably contains hydrogen chloride. The metal-containing source gas, the oxygen-containing source gas, or the reactive gas may contain a carrier gas. Examples of the carrier gas include inert gases such as nitrogen and argon. The partial pressure of the metal-containing source gas is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 0.5 Pa to 1 kPa, and more preferably 5 Pa to 0.5 kPa. The partial pressure of the oxygen-containing source gas is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 0.5 times to 100 times the partial pressure of the metal-containing source gas, and more preferably 1 time to 20 times. The partial pressure of the reactive gas is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 0.1 to 5 times, and more preferably 0.2 to 3 times, the partial pressure of the metal-containing source gas.
本発明の実施態様においては、さらに、ドーパント含有ガスを前記基板に供給するのも好ましい。前記ドーパント含有ガスは、ドーパントを含んでいれば、特に限定されない。前記ドーパントも、特に限定されないが、本発明においては、前記ドーパントが、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびスズから選ばれる1種または2種以上の元素を含むのが好ましく、ゲルマニウム、ケイ素、またはスズを含むのがより好ましく、ゲルマニウムを含むのが最も好ましい。このようにドーパント含有ガスを用いることにより、得られる膜の導電率を容易に制御することができる。前記ドーパント含有ガスは、前記ドーパントを化合物(例えば、ハロゲン化物、酸化物等)の形態で有するのが好ましく、ハロゲン化物の形態で有するのがより好ましい。前記ドーパント含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記金属含有原料ガスの分圧の1×10-7倍~0.1倍であるのが好ましく、2.5×10-6倍~7.5×10-2倍であるのがより好ましい。なお、本発明の実施態様においては、前記ドーパント含有ガスを、前記反応性ガスとともに前記基体上に供給するのが好ましい。半導体としては、例えば、炭化珪素(Silicon Carbide)や、窒化ガリウム(Gallium Nitride)、窒化インジウム(Gallium Indium)、窒化アルミニウム(Gallium Alminium)およびそれらの混晶を含めた窒化ガリウム窒化物半導体を主成分として含んでいてもよいし、結晶性金属酸化物を主成分として含んでいてもよい。前記結晶性金属酸化物としては、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる1種または2種以上の金属を含む金属酸化物などが挙げられる。本発明においては、前記結晶性金属酸化物が、インジウム、アルミニウムおよびガリウムから選ばれる1種または2種以上の元素を含有するのが好ましく、少なくともインジウムまたは/およびガリウムを含んでいるのがより好ましく、ガリウムまたはその混晶であるのが最も好ましい。なお、本発明の実施態様の一つとして、半導体膜が主成分として結晶性金属酸化物を含む場合、「主成分」とは、前記結晶性金属酸化物が、原子比で、前記結晶膜の全成分に対し、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。前記結晶性金属酸化物の結晶構造は、特に限定されないが、本発明の実施態様の一つとして、コランダム構造またはβガリア構造であるのが好ましく、コランダム構造であるのがより好ましく、前記半導体膜が、コランダム構造を有する結晶成長膜であるのが最も好ましい。本発明の実施態様の一つとして、得ようとする半導体膜が前記結晶性金属酸化物を主成分として含む場合、前記基体の少なくとも一部として、コランダム構造を含む基板を用いて、前記バッファ層、結晶層、および/または半導体層の成膜を行うことにより、コランダム構造を有する結晶成長膜を得ることができる。前記結晶性金属酸化物は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、本発明の実施態様においては、単結晶であるのが好ましい。また、前記結晶の膜厚は、特に限定されないが、1μm以上であるのが好ましい。前記結晶は、本発明の実施態様において、3μm以上であるのが好ましく、10μm以上であるのがより好ましく、20μm以上であるのが最も好ましい。 In an embodiment of the present invention, it is also preferable to supply a dopant-containing gas to the substrate. The dopant-containing gas is not particularly limited as long as it contains a dopant. The dopant is also not particularly limited, but in the present invention, the dopant preferably contains one or more elements selected from germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium and tin, more preferably germanium, silicon or tin, and most preferably germanium. By using the dopant-containing gas in this way, the conductivity of the obtained film can be easily controlled. The dopant-containing gas preferably contains the dopant in the form of a compound (e.g., a halide, an oxide, etc.), more preferably in the form of a halide. The partial pressure of the dopant-containing source gas is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 1×10 −7 to 0.1 times the partial pressure of the metal-containing source gas, and more preferably 2.5×10 −6 to 7.5×10 −2 times. In addition, in an embodiment of the present invention, it is preferable to supply the dopant-containing gas onto the substrate together with the reactive gas. The semiconductor may contain, as a main component, for example, silicon carbide (Silicon Carbide), gallium nitride (Gallium Nitride), indium nitride (Gallium Indium), aluminum nitride (Gallium Aluminum) and gallium nitride nitride semiconductors including mixed crystals thereof, or may contain, as a main component, a crystalline metal oxide. Examples of the crystalline metal oxide include metal oxides containing one or more metals selected from aluminum, gallium, indium, iron, chromium, vanadium, titanium, rhodium, nickel, cobalt, and iridium. In the present invention, the crystalline metal oxide preferably contains one or more elements selected from indium, aluminum, and gallium, more preferably contains at least indium and/or gallium, and most preferably is gallium or a mixed crystal thereof. In addition, when the semiconductor film contains a crystalline metal oxide as a main component as one embodiment of the present invention, the "main component" means that the crystalline metal oxide is preferably contained in an atomic ratio of 50% or more, more preferably 70% or more, and even more preferably 90% or more of the total components of the crystal film, and may be 100%. The crystal structure of the crystalline metal oxide is not particularly limited, but as one embodiment of the present invention, it is preferably a corundum structure or a β-gallium structure, more preferably a corundum structure, and most preferably the semiconductor film is a crystal growth film having a corundum structure. In one embodiment of the present invention, when the semiconductor film to be obtained contains the crystalline metal oxide as a main component, the buffer layer, the crystal layer, and/or the semiconductor layer can be formed using a substrate containing a corundum structure as at least a part of the base, thereby obtaining a crystal growth film having a corundum structure. The crystalline metal oxide may be single crystal or polycrystalline, but in the embodiment of the present invention, it is preferably single crystal. In addition, the film thickness of the crystal is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more. In the embodiment of the present invention, the crystal is preferably 3 μm or more, more preferably 10 μm or more, and most preferably 20 μm or more.
本発明の製造方法によって得られた結晶は、半導体膜として、特に、半導体装置に好適に用いることができ、とりわけ、パワーデバイスに有用である。前記結晶膜を用いて形成される半導体装置としては、MIS(Metal-Insulator-semiconductor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)等のトランジスタやTFT(Thin Film Transistor)、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。本発明の実施態様においては、前記マスクが形成された基体上に半導体膜をエピタキシャル成長させることで、そのまま半導体装置等に用いることができるという利点がある。また、前記基体等から剥離する等の公知の手段を用いた後に、半導体装置等に適用してもよい。 The crystals obtained by the manufacturing method of the present invention can be suitably used as a semiconductor film, particularly in semiconductor devices, and are particularly useful in power devices. Examples of semiconductor devices formed using the crystal film include transistors such as MIS (Metal-Insulator-semiconductor) and HEMT (High Electron Mobility Transistor), TFTs (Thin Film Transistors), Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, and light-emitting and receiving elements. In an embodiment of the present invention, the semiconductor film is epitaxially grown on the substrate on which the mask is formed, which has the advantage that it can be used as is in semiconductor devices, etc. In addition, it may be applied to semiconductor devices, etc. after using known means such as peeling it off from the substrate, etc.
上述した本発明の半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。より具体的には、インバータやコンバータに内蔵されるダイオードや、スイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等として適用することができる。図16は、本発明の実施態様に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図17は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車(Electric Vehicle)への搭載に適した制御システムである。 The semiconductor device of the present invention described above can be applied to power conversion devices such as inverters and converters to achieve the above-mentioned functions. More specifically, it can be applied as a diode built into an inverter or converter, a switching element such as a thyristor, a power transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Figure 16 is a block diagram showing an example of a control system using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and Figure 17 is a circuit diagram of the same control system, which is particularly suitable for installation in an electric vehicle.
図16に示すように、制御システム500はバッテリー(電源)501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ(駆動対象)505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。 As shown in FIG. 16, the control system 500 has a battery (power source) 501, a boost converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (drive object) 505, and a drive control unit 506, which are mounted on an electric vehicle. The battery 501 is, for example, a storage battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery, and can store power by charging at a power supply station or by regenerative energy during deceleration, and can output a DC voltage required for the operation of the electric vehicle's driving system and electrical system. The boost converter 502 is, for example, a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, and can boost a DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by the switching operation of the chopper circuit, and output it to the driving system such as the motor. The step-down converter 503 is also a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, but by stepping down the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, about 12 V, it can output the voltage to the electrical system, including the power windows, power steering, and on-board electrical equipment.
インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。 The inverter 504 converts the DC voltage supplied from the boost converter 502 into a three-phase AC voltage by switching operation and outputs it to the motor 505. The motor 505 is a three-phase AC motor that constitutes the driving system of the electric vehicle, and is driven to rotate by the three-phase AC voltage output from the inverter 504, and transmits the rotational driving force to the wheels of the electric vehicle via a transmission (not shown) or the like.
一方、図示しない各種センサーを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量(アクセル量)などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はCPU(Central Processing Unit)などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the number of rotations of the wheels, torque, and the amount of depression of the accelerator pedal (acceleration amount) from the electric vehicle while it is running, and these measurement signals are input to the drive control unit 506. At the same time, the output voltage value of the inverter 504 is also input to the drive control unit 506. The drive control unit 506 has the function of a controller equipped with a calculation unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory, and uses the input measurement signal to generate a control signal and output it as a feedback signal to the inverter 504, thereby controlling the switching operation by the switching element. As a result, the AC voltage provided by the inverter 504 to the motor 505 is instantly corrected, allowing the driving control of the electric vehicle to be accurately performed, thereby realizing safe and comfortable operation of the electric vehicle. It is also possible to control the output voltage to the inverter 504 by providing a feedback signal from the drive control unit 506 to the boost converter 502.
図17は、図16における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 Figure 17 shows the circuit configuration of Figure 16 excluding the step-down converter 503, that is, the circuit configuration showing only the configuration for driving the motor 505. As shown in the figure, the semiconductor device of the present invention is used for switching control by being adopted as, for example, a Schottky barrier diode in the step-up converter 502 and the inverter 504. In the step-up converter 502, it is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control, and in the inverter 504, it is incorporated in a switching circuit including an IGBT to perform switching control. In addition, the current is stabilized by interposing an inductor (such as a coil) in the output of the battery 501, and the voltage is stabilized by interposing a capacitor (such as an electrolytic capacitor) between the battery 501, the step-up converter 502, and the inverter 504.
また、図17中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU(Central Processing Unit)からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体装置に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 As shown by the dotted lines in FIG. 17, the drive control unit 506 includes a calculation unit 507 consisting of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 consisting of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 506 is given to the calculation unit 507, which performs the necessary calculations to generate feedback signals for each semiconductor device. The storage unit 508 also temporarily holds the results of calculations performed by the calculation unit 507, and accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table and outputs them to the calculation unit 507 as appropriate. The calculation unit 507 and storage unit 508 can be configured as known in the art, and their processing capabilities can be selected as desired.
図16や図17に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体装置に酸化ガリウム(Ga2O3)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga2O3)をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明に係る半導体装置等を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
なお、上述の制御システム500は本発明の半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。
As shown in FIG. 16 and FIG. 17, in the control system 500, a diode or a switching element such as a thyristor, a power transistor, an IGBT, or a MOSFET is used for the switching operation of the boost converter 502, the buck converter 503, and the inverter 504. The switching characteristics are significantly improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor devices. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized. That is, the boost converter 502, the buck converter 503, and the inverter 504 can each be expected to achieve the effects of the present invention, and the effects of the present invention can be expected in any one of these, any combination of two or more of them, or in any form including the drive control unit 506.
The above-mentioned control system 500 can be applied not only to the control system of an electric vehicle using the semiconductor device of the present invention, but also to control systems for various purposes such as stepping up/down the power from a DC power source, converting DC to AC, etc. Also, a power source such as a solar cell can be used as the battery.
図18は、本発明の実施態様に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図19は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。 Figure 18 is a block diagram showing another example of a control system that employs a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and Figure 19 is a circuit diagram of the same control system, which is suitable for installation in infrastructure equipment and home appliances that operate on power from an AC power source.
図18に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源(電源)601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ(駆動対象)605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器(後述する)に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設(火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など)であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。 As shown in FIG. 18, the control system 600 receives power from an external three-phase AC power source (power source) 601, and includes an AC/DC converter 602, an inverter 604, a motor (drive object) 605, and a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later). The three-phase AC power source 601 is, for example, a power generation facility (thermal power plant, hydroelectric power plant, geothermal power plant, nuclear power plant, etc.) of a power company, and its output is stepped down and supplied as an AC voltage via a substation. It is also installed in a building or a nearby facility in the form of a private generator, for example, and supplied with power via a power cable. The AC/DC converter 602 is a voltage conversion device that converts AC voltage to DC voltage, and converts the AC voltage of 100V or 200V supplied from the three-phase AC power source 601 into a specified DC voltage. Specifically, the voltage is converted into a commonly used desired DC voltage, such as 3.3V, 5V, or 12V. If the drive object is a motor, conversion to 12V is performed. It is also possible to use a single-phase AC power supply instead of a three-phase AC power supply, in which case the same system configuration can be achieved by using a single-phase input AC/DC converter.
インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。 The inverter 604 converts the DC voltage supplied from the AC/DC converter 602 into a three-phase AC voltage by switching operation and outputs it to the motor 605. The form of the motor 604 varies depending on the controlled object, but if the controlled object is a train, it is a three-phase AC motor for driving wheels, if the controlled object is a factory equipment, it is a pump or various power sources, and if the controlled object is a home appliance, it is a three-phase AC motor for driving a compressor, etc., and is driven to rotate by the three-phase AC voltage output from the inverter 604, and transmits the rotational driving force to the driven object (not shown).
なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ302から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く(例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図18中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。 For example, in home appliances, there are many objects to be driven that can be supplied with the DC voltage output from the AC/DC converter 302 as is (for example, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.), in which case the inverter 604 is not required in the control system 600, and as shown in FIG. 18, the DC voltage is supplied from the AC/DC converter 602 to the object to be driven. In this case, for example, a personal computer is supplied with a DC voltage of 3.3 V, and an LED lighting device is supplied with a DC voltage of 5 V.
一方、図示しない各種センサーを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。 Meanwhile, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the rotation speed and torque of the driven object, or the temperature and flow rate of the surrounding environment of the driven object, and these measurement signals are input to the drive control unit 606. At the same time, the output voltage value of the inverter 604 is also input to the drive control unit 606. Based on these measurement signals, the drive control unit 606 provides a feedback signal to the inverter 604 to control the switching operation of the switching element. This allows the AC voltage provided by the inverter 604 to be instantly corrected, allowing accurate operation control of the driven object and achieving stable operation of the driven object. Also, as mentioned above, when the driven object can be driven by a DC voltage, it is also possible to feedback control the AC/DC converter 602 instead of feedback to the inverter.
図19は、図18の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、三相交流電源601とAC/DCコンバータ602との間にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またAC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 Figure 19 shows the circuit configuration of Figure 18. As shown in the figure, the semiconductor device of the present invention is used as, for example, a Schottky barrier diode in an AC/DC converter 602 and an inverter 604 to perform switching control. The AC/DC converter 602 uses, for example, a Schottky barrier diode configured in a bridge circuit, and performs DC conversion by converting and rectifying the negative voltage of the input voltage into a positive voltage. In the inverter 604, the switching control is performed by incorporating it into a switching circuit in an IGBT. Note that the current is stabilized by interposing an inductor (such as a coil) between the three-phase AC power supply 601 and the AC/DC converter 602, and the voltage is stabilized by interposing a capacitor (such as an electrolytic capacitor) between the AC/DC converter 602 and the inverter 604.
また、図19中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体装置に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 As shown by the dotted line in FIG. 19, the drive control unit 606 includes a calculation unit 607 consisting of a CPU and a storage unit 608 consisting of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 606 is given to the calculation unit 607, which performs the necessary calculations to generate feedback signals for each semiconductor device. The storage unit 608 also temporarily holds the results of calculations performed by the calculation unit 607, and accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table and outputs them to the calculation unit 607 as appropriate. The calculation unit 607 and storage unit 608 can be configured as known in the art, and their processing capabilities can be selected as desired.
このような制御システム600においても、図16や図17に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体装置に酸化ガリウム(Ga2O3)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga2O3)をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明に係る半導体膜や半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 In this control system 600, as in the control system 500 shown in FIG. 16 and FIG. 17, diodes and switching elements such as thyristors, power transistors, IGBTs, and MOSFETs are used for the rectification and switching operations of the AC/DC converter 602 and the inverter 604. The switching characteristics are improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor devices. Furthermore, by applying the semiconductor film and semiconductor device according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized. That is, the effects of the present invention can be expected for each of the AC/DC converter 602 and the inverter 604, and the effects of the present invention can be expected for any one of them, a combination of them, or a form including the drive control unit 606.
なお、図18および図19では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器(例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など)や家電機器(例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。 Note that while a motor 605 is shown as an example of a driven object in Figures 18 and 19, the driven object is not necessarily limited to mechanically operated objects, and can be many devices that require AC voltage. The control system 600 can be applied as long as it inputs power from an AC power source to drive the driven object, and can be installed for drive control of equipment such as infrastructure equipment (e.g., power equipment in buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, etc.) and home appliances (e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.).
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The following describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.
(実施例1)
1.基体の準備
基体として結晶基板を用いることもできる。また、例えば、下記3-1で示されるような成膜装置を用いて、結晶基板上に結晶層を形成してバッファ層とし、基体とすることもできる。
Example 1
1. Preparation of the substrate A crystalline substrate can be used as the substrate. In addition, for example, a film forming apparatus such as that shown in 3-1 below can be used to form a crystalline layer on a crystalline substrate to serve as a buffer layer, which can then be used as the substrate.
2.遮光部の形成
上記1.で得られた結晶性の基体であるサファイア基板の第1面の一部を覆うように、プラズマ強化CVD法により、液体オルトケイ酸テトラエチルを用いてケイ素(Si)の遮光部を形成した。遮光部の膜厚は100nmであった。
2. Formation of a light-shielding portion A light-shielding portion of silicon (Si) was formed by plasma-enhanced CVD using liquid tetraethyl orthosilicate so as to cover a part of the first surface of the sapphire substrate, which was the crystalline base obtained in the above 1. The film thickness of the light-shielding portion was 100 nm.
3.半導体膜の形成
3-1.成膜装置
図4-bを用いて、本実施例で用いた成膜装置として、ミストCVD装置19を説明する。ミストCVD装置19は、キャリアガスを供給するキャリアガス供給源22aと、キャリアガス供給源22a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23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)源22bと、キャリアガス(希釈)源22bから送り出されるキャリアガス(希釈)の流量を調節するための流量調節弁23b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、成膜室30と、ミスト発生源24から成膜室30までをつなぐ石英製の供給管27と、成膜室30内に設置されたホットプレート28と、排気口29とを備えている。ホットプレート28上には、成膜する対象物(結晶基板および/または結晶性の基体)20が設置される。なお、本発明の実施態様における成膜装置として、エピタキシャル成長させることが可能な装置を用いることができるが、そのような装置の一例として、図4-bで示されるミストCVD装置を用いた。
3. Formation of semiconductor film 3-1. Film forming apparatus With reference to FIG. 4-b, a mist CVD apparatus 19 will be described as a film forming apparatus used in this embodiment. The mist CVD apparatus 19 includes a carrier gas supply source 22a for supplying a carrier gas, a flow rate control valve 23a for controlling the flow rate of the carrier gas sent from the carrier gas supply source 22a, a carrier gas (dilution) source 22b for supplying a carrier gas (dilution), a flow rate control valve 23b for controlling the flow rate of the carrier gas (dilution) sent from the carrier gas (dilution) source 22b, a mist generating source 24 in which a raw material solution 24a is contained, a container 25 in which water 25a is contained, an ultrasonic vibrator 26 attached to the bottom surface of the container 25, a film forming chamber 30, a quartz supply pipe 27 connecting the mist generating source 24 to the film forming chamber 30, a hot plate 28 installed in the film forming chamber 30, and an exhaust port 29. An object (crystal substrate and/or crystalline base) 20 on which a film is to be formed is placed on a hot plate 28. Note that, as a film forming apparatus in the embodiment of the present invention, an apparatus capable of epitaxial growth can be used, and as an example of such an apparatus, a mist CVD apparatus shown in FIG.
3-2.原料溶液の作製(結晶の形成)
臭化ガリウムを超純水に混合し、ガリウム0.05mol/Lとなるように水溶液を調整し、この際、さらに臭化水素酸を体積比で20%となるように含有させ、これを原料溶液とした。
3-2. Preparation of raw material solution (crystal formation)
Gallium bromide was mixed with ultrapure water to prepare an aqueous solution having a gallium concentration of 0.05 mol/L. Hydrobromic acid was further added to the aqueous solution to a volume ratio of 20% to prepare a raw material solution.
3-3.成膜準備(結晶の形成)
上記3-2.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、2-3.で得た傾斜面を有するマスクが配置された基体を被成膜対象物20として、ホットプレート28上に設置して、基体の温度を630℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23aおよび23bを開いてキャリアガス源22aおよびキャリアガス(希釈)源22bからキャリアガスを成膜室30内に供給し、成膜室30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0.8L/min、キャリアガス(希釈)の流量を0.2L/minにそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして窒素を用いた。
3-3. Preparation for film formation (crystal formation)
The raw material solution 24a obtained in 3-2 above was accommodated in the mist generating source 24. Next, the substrate on which the mask having the inclined surface obtained in 2-3 was placed was placed on the hot plate 28 as the film formation target 20, and the temperature of the substrate was raised to 630°C. Next, the flow rate control valves 23a and 23b were opened to supply carrier gas from the carrier gas source 22a and the carrier gas (dilution) source 22b into the film formation chamber 30, and the atmosphere in the film formation chamber 30 was sufficiently replaced with the carrier gas, and the flow rate of the carrier gas was adjusted to 0.8 L/min and the flow rate of the carrier gas (dilution) was adjusted to 0.2 L/min, respectively. Nitrogen was used as the carrier gas.
3-4.成膜(結晶の形成)
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30内に導入され、630℃にて、成膜室30内で反応して、前記2.で得られた、遮光部が一部に配置された結晶性の基体20上に結晶(Ga2O3)13をエピタキシャル成長させた。なお、成膜時間は3.5時間であった。前記結晶は、X線回折装置で同定したところ、α-Ga2O3であった。
3-4. Film formation (crystal formation)
Next, the ultrasonic vibrator 26 was vibrated at 2.4 MHz, and the vibration was propagated to the raw material solution 24a through the water 25a, thereby atomizing the raw material solution 24a to generate raw material fine particles. The raw material fine particles were introduced into the film formation chamber 30 by the carrier gas, and reacted in the film formation chamber 30 at 630°C, causing epitaxial growth of crystals (Ga 2 O 3 ) 13 on the crystalline base 20 partially provided with a light-shielding portion obtained in 2. The film formation time was 3.5 hours. The crystals were identified by an X-ray diffraction device to be α-Ga 2 O 3 .
3-5.層の形成
次に、結晶13上に層17を形成した。図7および図8で示すようにネガ型の感光層16を用いてフォトリソグラフィによりストライプ状に前記結晶13上に形成した。前記感光層16が、平面視で遮光部と重ならない位置に残されて、平面視で遮光部と重なる位置から選択的に除去することができた。
3-5. Formation of Layer Next, a layer 17 was formed on the crystal 13. As shown in Figures 7 and 8, a negative photosensitive layer 16 was used to form a stripe shape on the crystal 13 by photolithography. The photosensitive layer 16 was left in a position that did not overlap with the light-shielding portion in a planar view, and could be selectively removed from a position that overlapped with the light-shielding portion in a planar view.
(実施例2)
実施例1に記載の3-1.~3-4.と同様にして、遮光部が一部に配置された結晶性の基体20上に結晶(Ga2O3)13をエピタキシャル成長させた。次に、結晶13上に層17を形成した。図9および図10で示すようにポジ型の感光層16を用いて、感光層16が、平面視で遮光部と重なる位置に残されて、平面視で遮光部と重ならない位置から選択的に除去することができた。本発明の実施態様によれば、前記基体上に配置した遮光部を用いて、反復的に必要な層の形成や位置合わせを行うことができることが分かった。
Example 2
In the same manner as in 3-1. to 3-4. described in Example 1, a crystal (Ga 2 O 3 ) 13 was epitaxially grown on a crystalline base 20 on which a light-shielding portion was disposed. Next, a layer 17 was formed on the crystal 13. As shown in Figures 9 and 10, a positive-type photosensitive layer 16 was used, and the photosensitive layer 16 was left in a position overlapping with the light-shielding portion in a planar view, and was selectively removed from a position not overlapping with the light-shielding portion in a planar view. It was found that, according to the embodiment of the present invention, the light-shielding portion disposed on the base can be used to repeatedly form and align required layers.
本発明の製造方法は、半導体(例えば化合物半導体電子デバイス等)、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、特に、pn接合を有する半導体装置、電源などに用いられるパワー半導体を含む半導体装置の製造等に有用である。 The manufacturing method of the present invention can be used in a wide range of fields, including semiconductors (e.g., compound semiconductor electronic devices), electronic and electrical equipment parts, optical and electrophotographic related devices, and industrial materials, but is particularly useful for manufacturing semiconductor devices including semiconductor devices with pn junctions and power semiconductors used in power sources, etc.
1 結晶基板
2 結晶層(第1の結晶層)
3 結晶層(第2の結晶層)
11 結晶性の基体
11a 結晶性の基体の第1面
11b 結晶性の基体の第2面
12 遮光部
12e 遮光部の端部
13 半導体層
13a 半導体層の第1面
13b 半導体層の第2面
13A 第1領域
13B 第2領域
14 積層体
14a 積層体の第1面
14b 積層体の第2面
15 第1の層
15’ 形成されたパターン
16 感光層
16’ 感光層(露光後)
17 層
17’ 層(露光後)
18 積層構造体
19 ミストCVD装置
20 被成膜対象物
21 試料台
22a キャリアガス源
22b キャリアガス(希釈)源
23a 流量調節弁
23b 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
28 ホットプレート
29 排気口
30 成膜室
33 第2の単結晶
34 第3の単結晶
35 ゲート絶縁膜
36 電極層
36’ 形成されたパターン(ゲート電極)
50 ハライド気相成長(HVPE)装置
51 反応室
52a ヒータ
52b ヒータ
53a 金属含有原料ガス供給源
53b 金属含有原料ガス供給管
54a 反応性ガス供給源
54b 反応性ガス供給管
55a 酸素含有原料ガス供給源
55b 酸素含有原料ガス供給管
56 基体ホルダ
57 金属源
58 保護シート
59 ガス排出部
60 半導体領域(例えばp-型半導体領域)
61 半導体領域(例えばn+型半導体領域)
62 第1の層間絶縁膜(SiN膜)
63 第2の層間絶縁膜(SiO2膜)
64 ソース電極
65 ドレイン電極
66 半導体領域(例えばp+型半導体領域)
100 半導体装置
130 結晶膜
154 ゲート絶縁膜
155aゲート電極
155bソース電極
155cソース電極
155dドレイン電極
156 第2の半導体層(n+型半導体層)
156a第2の半導体層の第1面
156b第2の半導体層の第2面
157 第1の半導体層(n-型半導体層)
157a第1の半導体層の第1面
157b第1の半導体層の第2面
158 半導体領域(p型半導体領域)
159 半導体領域(n+型半導体領域)
160 ドリフト領域
161 チャネル領域
162 ソース領域
200 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー(電源)
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ(駆動対象)
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源(電源)
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ(駆動対象)
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部
1 Crystal substrate 2 Crystal layer (first crystal layer)
3. Crystal layer (second crystal layer)
REFERENCE SIGNS LIST 11 crystalline base 11a first surface of crystalline base 11b second surface of crystalline base 12 light-shielding portion 12e end portion of light-shielding portion 13 semiconductor layer 13a first surface of semiconductor layer 13b second surface of semiconductor layer 13A first region 13B second region 14 laminate 14a first surface of laminate 14b second surface of laminate 15 first layer 15' formed pattern 16 photosensitive layer 16' photosensitive layer (after exposure)
17 Layer 17' Layer (after exposure)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Laminated structure 19 Mist CVD apparatus 20 Object to be film-formed 21 Sample stage 22a Carrier gas source 22b Carrier gas (dilution) source 23a Flow rate control valve 23b Flow rate control valve 24 Mist source 24a Raw material solution 25 Container 25a Water 26 Ultrasonic vibrator 27 Supply pipe 28 Hot plate 29 Exhaust port 30 Film-formation chamber 33 Second single crystal 34 Third single crystal 35 Gate insulating film 36 Electrode layer 36' Formed pattern (gate electrode)
50 Halide vapor phase epitaxy (HVPE) apparatus 51 Reaction chamber 52a Heater 52b Heater 53a Metal-containing source gas supply source 53b Metal-containing source gas supply pipe 54a Reactive gas supply source 54b Reactive gas supply pipe 55a Oxygen-containing source gas supply source 55b Oxygen-containing source gas supply pipe 56 Substrate holder 57 Metal source 58 Protective sheet 59 Gas exhaust section 60 Semiconductor region (e.g., p-type semiconductor region)
61 Semiconductor region (e.g., n+ type semiconductor region)
62 First interlayer insulating film (SiN film)
63 Second interlayer insulating film ( SiO2 film)
64 Source electrode 65 Drain electrode 66 Semiconductor region (e.g., p+ type semiconductor region)
100 Semiconductor device
130 Crystal film 154 Gate insulating film 155a Gate electrode 155b Source electrode 155c Source electrode 155d Drain electrode 156 Second semiconductor layer (n+ type semiconductor layer)
156a: first surface of second semiconductor layer; 156b: second surface of second semiconductor layer; 157: first semiconductor layer (n-type semiconductor layer);
157a: first surface of the first semiconductor layer; 157b: second surface of the first semiconductor layer; 158: semiconductor region (p-type semiconductor region);
159 Semiconductor region (n+ type semiconductor region)
160 Drift region 161 Channel region 162 Source region 200 Semiconductor device 500 Control system 501 Battery (power source)
502 Step-up converter 503 Step-down converter 504 Inverter 505 Motor (drive object)
506 Drive control unit 507 Calculation unit 508 Storage unit 600 Control system 601 Three-phase AC power supply (power supply)
602 AC/DC converter 604 Inverter 605 Motor (drive object)
606 Drive control unit 607 Calculation unit 608 Storage unit
Claims (12)
Priority Applications (1)
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