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結晶膜の製造方法 UPDATE 外国出願あり

国内特許コード P200016873
整理番号 5926
掲載日 2020年5月11日
出願番号 特願2018-154236
公開番号 特開2020-001997
出願日 平成30年8月20日(2018.8.20)
公開日 令和2年1月9日(2020.1.9)
優先権データ
  • 特願2017-158306 (2017.8.21) JP
  • 特願2018-050516 (2018.3.19) JP
  • 特願2018-120457 (2018.6.26) JP
発明者
  • 大島 祐一
  • 藤田 静雄
  • 金子 健太郎
  • 嘉数 誠
  • 河原 克明
  • 四戸 孝
  • 松田 時宜
  • 人羅 俊実
出願人
  • 株式会社FLOSFIA
  • 国立研究開発法人物質・材料研究機構
  • 国立大学法人京都大学
  • 国立大学法人佐賀大学
発明の名称 結晶膜の製造方法 UPDATE 外国出願あり
発明の概要 【課題】高品質な結晶膜が工業的有利に得られる結晶膜の製造方法を提供する。
【解決手段】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基板上に供給して成膜する結晶膜の製造方法であって、前記基板が、表面に凹部または凸部からなる凹凸部が形成されており、反応性ガスを前記基板上に供給し、前記成膜を、前記反応性ガスの流通下で行うことにより、高品質な結晶膜を成膜し、得られた結晶膜を、半導体装置等に用いる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

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(Ga)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―Ga等は、非特許文献1によると、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InAlGa(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5~2.5)を示し(特許文献9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。

しかしながら、酸化ガリウムは、最安定相がβガリア構造であるので、特殊な成膜法を用いなければ、準安定相であるコランダム構造の結晶膜を成膜することが困難である。また、コランダム構造を有するα―Gaは準安定相であり、融液成長によるバルク基板が利用できない。そのため、現状はα―Gaと同じ結晶構造を有するサファイアを基板として用いている。しかし、α―Gaとサファイアとは格子不整合度が大きいため、サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長されるα―Gaの結晶膜は、転位密度が高くなる傾向がある。また、コランダム構造の結晶膜に限らず、成膜レートや結晶品質の向上、クラックや異常成長の抑制、ツイン抑制、反りによる基板の割れ等においてもまだまだ課題が数多く存在している。このような状況下、現在、コランダム構造を有する結晶性半導体の成膜について、いくつか検討がなされている。

特許文献1には、ガリウム又はインジウムの臭化物又はヨウ化物を用いて、ミストCVD法により、酸化物結晶薄膜を製造する方法が記載されている。特許文献2~4には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とが積層された多層構造体が記載されている。また、特許文献5~7のように、ELO基板やボイド形成を用いて、ミストCVDによる成膜も検討されている。しかしながら、いずれの方法も成膜レートにおいてまだまだ満足のいくものではなく、成膜レートに優れた成膜方法が待ち望まれていた。
特許文献8には、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用いて、ハライド気相成長法(HVPE法)により、コランダム構造を有する酸化ガリウムを成膜することが記載されている。しかしながら、α―Gaは準安定相であるので、β―Gaのように成膜することが困難であり、工業的にはまだまだ多くの課題があった。
なお、特許文献1~8はいずれも本出願人らによる特許または特許出願に関する公報であり、現在も検討が進められている。

産業上の利用分野

本発明は、半導体装置の製造等に有用な結晶膜の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
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基板上に供給することにより金属酸化物の結晶膜を成膜する結晶膜の製造方法であって、前記基板が、表面に凹部または凸部からなる凹凸部が形成されており、反応性ガスを前記基板上に供給し、前記成膜を、前記反応性ガスの流通下で行うことを特徴とする結晶膜の製造方法。

【請求項2】
前記反応性ガスがエッチングガスである請求項1記載の製造方法。

【請求項3】
前記反応性ガスがハロゲン化水素、ハロゲンおよび水素からなる群から選ばれる1種または2種以上を含む請求項1または2に記載の製造方法。

【請求項4】
前記反応性ガスがハロゲン化水素を含む請求項1~3のいずれかに記載の製造方法。

【請求項5】
前記基板がPSS基板である請求項1~4のいずれかに記載の製造方法。

【請求項6】
前記基板が加熱されている請求項1~5のいずれかに記載の製造方法。

【請求項7】
成膜温度が400℃~700℃である請求項1~6のいずれかに記載の製造方法。

【請求項8】
前記金属源がガリウム源であり、前記金属含有原料ガスが、ガリウム含有原料ガスである請求項1~7のいずれかに記載の製造方法。

【請求項9】
前記のガス化を、金属源をハロゲン化することにより行う請求項1~8のいずれかに記載の製造方法。

【請求項10】
前記酸素含有原料ガスが、O、HOおよびNOからなる群から選ばれる1種または2種以上のガスを含む請求項1~9のいずれかに記載の製造方法。

【請求項11】
前記基板がコランダム構造を含み、前記結晶膜がコランダム構造を有する結晶成長膜である請求項1~10のいずれかに記載の製造方法。

【請求項12】
前記基板が、表面にバッファ層を有しており、前記バッファ層がミストCVD法により形成されている請求項1~11のいずれかに記載の製造方法。

【請求項13】
前記結晶膜の成膜を、HVPE法で行う請求項1~12のいずれかに記載の製造方法。

【請求項14】
前記結晶膜の成膜を、5μm/h以上の成長速度で結晶成長させることにより行う請求項1~13のいずれかに記載の製造方法。

【請求項15】
前記凹凸部が、前記基板上に直接または他の層を介してマスクを規則的に配列してなる開口部と、該マスクとから形成されている請求項1~14のいずれかに記載の製造方法。

【請求項16】
前記マスクの開口同士の間隔が3μm以上100μm以下の範囲内である請求項15記載の製造方法。

【請求項17】
表面の一部または全部に凹部または凸部からなる凹凸部が形成されており、かつ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上に、第1の結晶膜を成膜する工程、第1の結晶膜表面の一部または全部に凹部または凸部からなる凹凸部を形成する工程、および該凹凸部が形成されている第1の結晶膜表面上に、第1の結晶膜と同一または異なる主成分を含む第2の結晶膜を成膜する工程を少なくとも含むことを特徴とする結晶膜の製造方法。

【請求項18】
前記の第1の結晶膜表面の凹凸部を、第1の結晶膜を剥離犠牲層として、第1の結晶膜と第2の結晶膜とが剥離可能となるように形成する請求項17記載の製造方法。

【請求項19】
前記の第1の結晶膜表面の凹凸部の形成を、第1の結晶膜表面に任意の形状を有する複数の金属、金属化合物または非金属化合物を配列することにより行う請求項17または18に記載の製造方法。

【請求項20】
表面の一部または全部に凹部または凸部からなる凹凸部が形成されている結晶性酸化ガリウムまたはその混晶を主成分として含む第1の結晶膜上に、結晶性酸化ガリウムまたはその混晶を主成分として含む第2の結晶膜を成膜することを特徴とする結晶膜の製造方法。

【請求項21】
前記の第1の結晶膜表面の凹凸部を、第1の結晶膜を剥離犠牲層として、第1の結晶膜と第2の結晶膜とが剥離可能となるように形成する請求項20記載の製造方法。

【請求項22】
前記の第1の結晶膜表面の凹凸部の形成を、第1の結晶膜表面に任意の形状を有する複数の金属、金属化合物または非金属化合物を配列することにより行う請求項20または21に記載の製造方法。

【請求項23】
基板上に結晶性酸化ガリウムまたはその混晶を主成分として含む剥離犠牲層を形成し、ついで、該剥離犠牲層上に、結晶性酸化ガリウムまたはその混晶を主成分として含む結晶膜を成膜することを特徴とする結晶膜の製造方法。

【請求項24】
前記の剥離犠牲層の形成を、基板上に結晶性酸化ガリウムまたはその混晶を主成分として含む第1の結晶膜を成膜し、ついで、第1の結晶膜表面の一部または全部に凹部または凸部からなる凹凸部を形成して行う請求項23記載の製造方法。

【請求項25】
前記の第1の結晶膜表面の凹凸部の形成を、第1の結晶膜表面に任意の形状を有する複数の金属、金属化合物または非金属化合物を配列することにより行う請求項24記載の製造方法。

【請求項26】
結晶性金属酸化物を主成分として含み、コランダム構造を有する結晶膜であって、転位密度が5×10cm-2よりも低く、表面積が9μm以上であることを特徴とする結晶膜。

【請求項27】
結晶性金属酸化物が少なくともガリウムを含む、請求項26に記載の結晶膜。

【請求項28】
結晶性金属酸化物を主成分として含み、コランダム構造を有する結晶膜であって、横方向結晶成長層を含む表面積が9μm以上の結晶膜であることを特徴とする結晶膜。

【請求項29】
前記表面積が1mm以上の結晶膜である請求項28記載の結晶膜。

【請求項30】
結晶性金属酸化物を主成分として含み、コランダム構造を有する結晶膜であって、(10-14)面に垂直な方向に結晶成長している横方向結晶成長を含むことを特徴とする結晶膜。

【請求項31】
請求項26~30のいずれかに記載の結晶膜を含む半導体装置。

【請求項32】
前記結晶膜は半導体膜であって、
さらに、前記半導体膜と電気的に接続される第1の電極と第2の電極とを有する、請求項31記載の半導体装置。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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