特許 6248060 β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法、及び局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248060

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法、及び局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶体

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/425 20060101AFI20171204BHJP

   C30B 29/16 20060101ALI20171204BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/425

   C30B29/16

   H01L21/265 602A

   H01L21/265 602Z

【請求項の数】4

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2015-92979(P2015-92979)

(22)【出願日】2015年4月30日

(62)【分割の表示】特願2013-532499(P2013-532499)の分割

【原出願日】2012年8月2日

(65)【公開番号】特開2015-179850(P2015-179850A)

(43)【公開日】2015年10月8日

【審査請求日】2015年5月28日

(31)【優先権主張番号】特願2011-196434(P2011-196434)

(32)【優先日】2011年9月8日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年〜平成２５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／挑戦研究（事前研究一体型）／超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(74)【代理人】

【識別番号】100119208

【弁理士】

【氏名又は名称】岩永 勇二

(74)【代理人】

【識別番号】100124246

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 和光

(74)【代理人】

【識別番号】100145171

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 浩行

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 公平

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０３５４６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１５６１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０５６０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０３１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−３０２２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５４１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４９１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１０７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２８６３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１１６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６９３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２３５９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１７７９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／４２５

Ｃ３０Ｂ ２９／１６

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のドナー濃度を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜よりなる上面及び底面を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体を形成する工程と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の前記上面に所定の形状の開口を有したマスクを形成する工程と、
前記マスクの前記開口を通して前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体にＳｉ、Ｓｎ及びＧｅから選択された元素のイオンを前記底面に達しないようにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に注入する工程と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に所定の熱処理を施して前記イオンの注入時に発生した結晶のダメージを修復するとともに前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の前記イオンの注入領域に前記第１のドナー濃度より高い第２のドナー濃度を有する導電性領域を形成する工程と、
を含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法。

【請求項2】

前記所定の熱処理は、不活性雰囲気下で８００℃〜１１００℃の熱処理を含む請求項１記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法。

【請求項3】

前記所定の熱処理は、酸素雰囲気下で８００℃〜９５０℃の熱処理を含む請求項１記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法。

【請求項4】

側面及び底面を有し、所定のドナー濃度に制御された導電性領域と、
前記導電性領域の前記側面及び底面を包囲し、前記所定のドナー濃度より低いドナー濃度に制御された包囲領域と、
を含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜よりなる局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体であって、
前記導電性領域は、前記所定のドナー濃度としてのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）が、５×１０^１７／ｃｍ^３以上である局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体、特に優れた導電性を有する領域を形成することができるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のＧａ_２Ｏ_３単結晶の形成方法として、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を成長させながらＳｉやＳｎ等のＩＶ族元素を添加して、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶に導電性を付与する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、従来の他のＧａ_２Ｏ_３単結晶の形成方法として、サファイア基板上にＳｎ等の不純物を添加しながらβ−Ｇａ_２Ｏ_３結晶をヘテロエピタキシャル成長させ、導電性を有するβ−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

また、ＳｉＣ結晶にイオン注入により不純物イオンを導入する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−２３５９６１号公報

【特許文献2】特許第４０８３３９６号公報

【特許文献3】特許第４５８１２７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一方、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶等の酸化物単結晶に導電性を付与するための不純物の導入に、イオン注入法を用いることは難しい。これは、酸化物にはイオン注入によるダメージが発生しやすく、イオン注入後のアニール処理でもダメージを十分に回復させることが難しいことによる。酸化物単結晶においては、イオン注入の際に酸素が欠損することにより、結晶のダメージが大きくなるものと考えられる。

【0007】

しかしながら、イオン注入法には、母結晶の形成後に不純物濃度を制御することが可能であることや、比較的容易に不純物を局所的に導入することが可能であること等の利点がある。

【0008】

したがって、本発明の目的は、優れた導電性を有する領域を形成することのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［４］のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法、及び局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体を提供する。

【0010】

［１］第１のドナー濃度を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜よりなる上面及び底面を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体を形成する工程と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の前記上面に所定の形状の開口を有したマスクを形成する工程と、前記マスクの前記開口を通して前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体にＳｉ、Ｓｎ及びＧｅから選択された元素のイオンを前記底面に達しないようにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に注入する工程と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に所定の熱処理を施して前記イオンの注入時に発生した結晶のダメージを修復するとともに前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の前記イオンの注入領域に前記第１のドナー濃度より高い第２のドナー濃度を有する導電性領域を形成する工程と、を含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に局所的な導電性領域を形成する方法。

【0011】

［２］前記所定の熱処理は、不活性雰囲気下で８００℃〜１１００℃の熱処理を含む［１］記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体。

【0012】

［３］前記所定の熱処理は、酸素雰囲気下で８００℃〜９５０℃の熱処理を含む［１］記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体。

【0013】

［４］側面及び底面を有し、所定のドナー濃度に制御された導電性領域と、前記導電性領域の前記側面及び底面を包囲し、前記所定のドナー濃度より低いドナー濃度に制御された包囲領域と、を含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜よりなる局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体であって、前記導電性領域は、前記所定のドナー濃度としてのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）が、５×１０^１７／ｃｍ^３以上である局所的な導電性領域を備えたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、優れた導電性を有する領域を形成することのできる、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1A】イオン注入工程の一例を示すβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の断面図。

【図1B】イオン注入工程の一例を示すβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の断面図。

【図1C】イオン注入工程の一例を示すβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の断面図。

【図1D】イオン注入工程の一例を示すβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の断面図。

【図2】イオン注入後の窒素雰囲気下でのアニール処理の温度とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜の導電性との関係を表すグラフ。

【図3】イオン注入後の酸素雰囲気下でのアニール処理の温度とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜の導電性との関係を表すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0020】

〔実施の形態〕
本実施の形態によれば、イオン注入法を用いてドナー不純物をＧａ_２Ｏ_３系単結晶体に導入し、所定の条件下でアニール処理を施すことにより、優れた導電性を有する高ドナー濃度領域をＧａ_２Ｏ_３系単結晶体中に形成することができる。以下、その実施の形態の一例として、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体のドナー濃度制御方法について詳細に説明する。なお、本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶体はβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体に限られず、α−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体等の他の構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶体であってもよい。

【0021】

図１Ａ〜１Ｄは、イオン注入工程の一例を示すβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体の断面図である。

【0022】

まず、図１Ａに示すように、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１にマスク２を形成する。マスク２は、フォトリソグラフィ法等を用いて形成される。

【0023】

次に、図１Ｂに示すように、イオン注入によりドナー不純物をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１に注入し、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１の表面にドナー不純物注入領域３を形成する。このとき、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１のマスク２に覆われた領域にはドナー不純物が注入されないため、ドナー不純物注入領域３はβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１の表面の一部の領域に形成される。ドナー不純物注入領域３のドナー不純物濃度は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１のドナー不純物を注入していない領域のドナー不純物濃度よりも高い。

【0024】

なお、マスク２を用いずにイオン注入を行い、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１の全表面にドナー不純物注入領域３を形成してもよい。また、イオン注入の条件を調整することにより、ドナー不純物注入領域３の深さや濃度分布を制御することができる。

【0025】

次に、図１Ｃに示すように、マスク２を除去する。

【0026】

その後、図１Ｄに示すように、８００℃以上のアニール処理を施すことにより、ドナー不純物注入領域３のドナー不純物を活性化させ、ドナー濃度の高い高ドナー濃度領域４を形成する。また、このアニール処理により、イオン注入により生じたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１のダメージを回復することができる。具体的なアニール処理の条件は、例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等の不活性雰囲気下で８００℃以上、酸素雰囲気下で８００℃以上９５０℃以下である。

【0027】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなる。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３結晶である（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。

【0028】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板や、支持基板上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜である。

【0029】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体１にイオン注入法により導入されるドナー不純物として、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ等のＩＶ族元素が用いられる。

【0030】

図２は、イオン注入後の窒素雰囲気下でのアニール処理の温度とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体としてのβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の導電性との関係を表すグラフである。図２の縦軸は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の高ドナー濃度領域の単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）、すなわちｎ型半導体であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の高ドナー濃度領域の導電性の高さを表す。図２の横軸は、窒素雰囲気下でのアニール処理の温度を表す。アニール処理は、各々３０分間実施される。

【0031】

この高ドナー濃度領域は、深さ２００ｎｍのボックス型の領域であり、ドナー濃度が３×１０^１７／ｃｍ^３のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板に、濃度１×１０^１９／ｃｍ^３のＳｉ又はＳｎをイオン注入することにより形成した。また、この高ドナー濃度領域は、（０１０）面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面に垂直にドナー不純物を注入することにより形成した。

【0032】

図２中の■及び▲は、それぞれドナー不純物としてＳｉ及びＳｎを注入する場合のＮｄ−Ｎａの値を示す。また、○は、ドナー不純物を注入しない場合のＮｄ−Ｎａの値を示す。

【0033】

図２に示されるように、Ｓｉを注入する場合、Ｓｎを注入する場合ともに、８００℃以上のアニール処理によりＮｄ−Ｎａの値が高くなる。すなわち、イオン注入後に窒素雰囲気下で８００℃以上のアニール処理を実施することにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板に高い導電性を付与することができる。なお、ドナー不純物を注入しない場合は、アニール処理の温度を上げてもＮｄ−Ｎａの値が大きく増加することはない。

【0034】

図３は、イオン注入後の酸素雰囲気下でのアニール処理の温度とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶体としてのβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の導電性との関係を表すグラフである。図３の縦軸は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の高ドナー濃度領域の単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）、すなわちｎ型半導体であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の高ドナー濃度領域の導電性の高さを表す。図３の横軸は、酸素雰囲気下でのアニール処理の温度を表す。アニール処理は、各々３０分間実施される。

【0035】

図３中の■及び▲は、それぞれドナー不純物としてＳｉ及びＳｎを注入する場合のＮｄ−Ｎａの値を示す。

【0036】

図３に示されるように、Ｓｉを注入する場合、８００℃以上９５０℃以下のアニール処理によりＮｄ−Ｎａの値が高くなる。また、Ｓｎを注入する場合、８００℃以上１１００℃以下のアニール処理によりＮｄ−Ｎａの値が高くなる。すなわち、イオン注入後に酸素雰囲気下で８００℃以上９５０℃以下のアニール処理を実施することにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板に高い導電性を付与することができる。

【0037】

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、イオン注入法を用いてドナー不純物をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶体に導入し、所定の条件下でアニール処理を施すことにより、優れた導電性を有する高ドナー濃度領域をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶体中に形成することができる。イオン注入法を用いて高ドナー濃度領域を形成するため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶体の形成後に高ドナー濃度領域のドナー濃度を制御し、所望の導電性を付与することができる。また、マスク等を用いることにより、高ドナー濃度領域をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶体中に局所的に形成することができる。

【0038】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0039】

１…β−Ｇａ_２Ｏ_３系単単結晶体、２…マスク、３…ドナー不純物注入領域、４…高ドナー濃度領域

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】