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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024088829
(43)【公開日】2024-07-03
(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/872 20060101AFI20240626BHJP
C30B 29/16 20060101ALI20240626BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20240626BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20240626BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20240626BHJP
H01L 29/24 20060101ALI20240626BHJP
H01L 29/47 20060101ALI20240626BHJP
H01L 21/302 20060101ALI20240626BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240626BHJP
【ＦＩ】
H01L29/86 301F
C30B29/16
H01L29/86 301D
H01L29/86 301P
H01L29/78 654C
H01L29/78 652T
H01L29/24
H01L29/48 F
H01L29/48 P
H01L29/48 D
H01L21/302 201A
H01L29/78 658G
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022203816
(22)【出願日】2022-12-21
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】大島 孝仁
(72)【発明者】
【氏名】大島 祐一
【テーマコード（参考）】
4G077
4M104
5F004
【Ｆターム（参考）】
4G077AA03
4G077AB02
4G077AB10
4G077BB10
4G077DB01
4G077FG03
4G077HA06
4M104AA10
4M104BB04
4M104BB05
4M104BB06
4M104BB07
4M104BB08
4M104BB09
4M104BB16
4M104BB17
4M104BB18
4M104CC03
4M104DD08
4M104DD24
4M104DD34
4M104DD37
4M104DD43
4M104EE02
4M104FF09
4M104GG03
5F004BA19
5F004BB26
5F004BD04
5F004DA29
5F004DB19
5F004EA06
5F004EA34
(57)【要約】
【課題】
本発明の課題は、加工ダメージが少なく、結晶表面や接合界面での界面準位の発生が抑制されて良好なデバイス特性が得られる半導体装置を提供することである。
【解決手段】
溝状の開口部を有する半導体層を備え、半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、半導体層の第1主表面の結晶の面方位は（００１）であり、溝の長手方向は前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、溝の長手方向の側壁は（１００）ファセット面であり、溝の底部は溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では単一の（－１０１）面方位を有する。
【選択図】 図１
本発明の課題は、加工ダメージが少なく、結晶表面や接合界面での界面準位の発生が抑制されて良好なデバイス特性が得られる半導体装置を提供することである。
【解決手段】
溝状の開口部を有する半導体層を備え、半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、半導体層の第1主表面の結晶の面方位は（００１）であり、溝の長手方向は前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、溝の長手方向の側壁は（１００）ファセット面であり、溝の底部は溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では単一の（－１０１）面方位を有する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、（１００）ファセット面であり、
前記溝の底部は、前記溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では（－１０１）の面方位を有する、半導体装置。
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、（１００）ファセット面であり、
前記溝の底部は、前記溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では（－１０１）の面方位を有する、半導体装置。
【請求項2】
前記溝の底部は、前記溝の幅が２．０μｍ以上の場所では（－１０１）および（００１）の面方位を有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項3】
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して１３．７°傾いている、請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項4】
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（－１０２）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁の少なくとも１面は、（１００）ファセット面であり、かつ、前記第１主表面に対して垂直である、半導体装置。
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（－１０２）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁の少なくとも１面は、（１００）ファセット面であり、かつ、前記第１主表面に対して垂直である、半導体装置。
【請求項5】
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と｛３１０｝面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、｛３１０｝ファセット面であり、
前記溝の底部は、（００１）の面方位を有し、
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して８．４°傾いている、半導体装置。
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と｛３１０｝面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、｛３１０｝ファセット面であり、
前記溝の底部は、（００１）の面方位を有し、
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して８．４°傾いている、半導体装置。
【請求項6】
前記溝の少なくとも一方の側面の少なくとも一部はチャネルである、請求項１から５の何れか１記載の半導体装置。
【請求項7】
複数の前記溝で形成された線状突起状の半導体層を有するＦｉｎ型ＭＯＳＦＥＴ構造を備える、請求項１から６の何れか１記載の半導体装置。
【請求項8】
前記溝の側面の少なくとも一部と前記溝の底面に配置された絶縁膜を介して、アノード電極が前記側面と前記底部を有して構成される立体構造の少なくとも一部に形成されており、
かつ前記アノード電極が前記立体構造の一部で前記半導体層とショットキー接続をしたＴｅｎｃｈ型ＭＯＳＳＢＤ構造を備える、請求項１から５の何れか１記載半導体装置。
かつ前記アノード電極が前記立体構造の一部で前記半導体層とショットキー接続をしたＴｅｎｃｈ型ＭＯＳＳＢＤ構造を備える、請求項１から５の何れか１記載半導体装置。
【請求項9】
請求項１から８の何れか一記載の半導体装置を有する、パワーデバイス。
【請求項10】
第１主表面の面方位が（００１）または（－１０２）であるβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層を準備することと、
前記第１主表面と（１００）および｛３１０｝からなる群から選ばれる１以上の結晶面の交線に平行な方向に長手方向を備えた溝状の開口部を有するエッチング用マスクを前記第１主表面上に形成することと、
還元性ガスを用い、大気圧下、３００℃以上１２００℃以下で、前記マスクの開口部に露出した前記β－Ｇａ２Ｏ３結晶を選択エッチングすること、を含む半導体装置の製造方法。
前記第１主表面と（１００）および｛３１０｝からなる群から選ばれる１以上の結晶面の交線に平行な方向に長手方向を備えた溝状の開口部を有するエッチング用マスクを前記第１主表面上に形成することと、
還元性ガスを用い、大気圧下、３００℃以上１２００℃以下で、前記マスクの開口部に露出した前記β－Ｇａ２Ｏ３結晶を選択エッチングすること、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記還元性ガスは、ハロゲン化水素ガスおよび水素ガスからなる群から選ばれる１以上からなるガスである、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記還元性ガスは、塩化水素ガスである、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
β－Ｇａ２Ｏ３は、ＳｉＣやＧａＮより広いバンドギャップ（約４．６ｅＶ）と、Ｓｉの約２０倍という高い破壊電界強度を有するため、パワー半導体を中心にその活用が嘱望されている。
β－Ｇａ２Ｏ３単結晶基板は、ＦＺ（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌａｋｉ）、ＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）、およびＥＦＧ（Ｅｄｇｅ－Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ－Ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）などの方法で製造することが可能で、特にＥＦＧ法で品質の高い６インチ基板が商用化されている。
β－Ｇａ２Ｏ３単結晶基板は、ＦＺ（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌａｋｉ）、ＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）、およびＥＦＧ（Ｅｄｇｅ－Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ－Ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）などの方法で製造することが可能で、特にＥＦＧ法で品質の高い６インチ基板が商用化されている。
【0003】
このため、β－Ｇａ２Ｏ３材料を用いたショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）や金属酸化物半導体トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の研究開発が盛んに行われている。そこでは、それらデバイスの耐圧を原理的に向上させたり、ユニポーラ半導体であるβ－Ｇａ２Ｏ３であってもノーマリーオフ動作とすることが可能なトレンチやフィンなどの構造検討も進んでおり、非特許文献１、２にみられるように、多くの試作結果が報告されている。
【0004】
ここで、それらの構造は、現在は、異方性ドライエッチング（反応性イオンエッチング）による加工で形成されているが、β－Ｇａ２Ｏ３パワーデバイスで、トレンチやフィン形成に異方性ドライエッチングを用いると下記のようなダメージや欠陥に関する問題があることが指摘されている。
【0005】
（１）ドライエッチングを用いた場合、形成されるトレンチやフィンの側壁表面は、加工ダメージを受ける。そのため、ドライエッチング後に、アルカリや酸を用いたウェットプロセスでのダメージ除去が必要になる。
（２）ドライエッチング加工で形成された側壁は、結晶のファセットを反映していないため、未結合手密度が大きい。これは、結晶表面準位や接合界面準位密度の増大につながり、デバイス特性を低下させる。
（２）ドライエッチング加工で形成された側壁は、結晶のファセットを反映していないため、未結合手密度が大きい。これは、結晶表面準位や接合界面準位密度の増大につながり、デバイス特性を低下させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Ｆ．Ｏｔｓｕｋａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅss，１５，０１６５０１（２０２２）ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．３５８４８／１８８２－０７８６／ａｃ４０８０
【非特許文献2】Ｗ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ（ＩＥＤＭ），（２０１９）ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１０９／ＩＥＤＭ１９５７３．２０１９．８９９３５２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記従来のトレンチやフィン構造を有するβ―Ｇａ２Ｏ３半導体装置の問題を解決して、加工ダメージが少なく、結晶表面や接合界面での界面準位の発生が抑制されて良好なデバイス特性が得られ、微細加工に適したβ―Ｇａ２Ｏ３半導体を用いた半導体装置、特にβ―Ｇａ２Ｏ３半導体の特性を活かしたパワーデバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、（１００）ファセット面であり、
前記溝の底部は、前記溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では（－１０１）の面方位を有する、半導体装置。
（構成２）
前記溝の底部は、前記溝の幅が２．０μｍ以上の場所では（－１０１）および（００１）の面方位を有する、構成１記載の半導体装置。
（構成３）
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して１３．７°傾いている、構成１または２記載の半導体装置。
（構成４）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（－１０２）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁の少なくとも１面は、（１００）ファセット面であり、かつ、前記第１主表面に対して垂直である、半導体装置。
（構成５）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と｛３１０｝面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、｛３１０｝ファセット面であり、
前記溝の底部は、（００１）の面方位を有し、
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して８．４°傾いている、半導体装置。
（構成６）
前記溝の少なくとも一方の側面の少なくとも一部はチャネルである、構成１から５の何れか１記載の半導体装置。
（構成７）
複数の前記溝で形成された線状突起状の半導体層を有するＦｉｎ型ＭＯＳＦＥＴ構造を備える、構成１から６の何れか１記載の半導体装置。
（構成８）
前記溝の側面の少なくとも一部と前記溝の底面に配置された絶縁膜を介して、アノード電極が前記側面と前記底部を有して構成される立体構造の少なくとも一部に形成されており、
かつ前記アノード電極が前記立体構造の一部で前記半導体層とショットキー接続をしたＴｅｎｃｈ型ＭＯＳＳＢＤ構造を備える、構成１から５の何れか１記載半導体装置。
（構成９）
構成１から８の何れか一記載の半導体装置を有する、パワーデバイス。
（構成１０）
第１主表面の面方位が（００１）または（－１０２）であるβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層を準備することと、
前記第１主表面と（１００）および｛３１０｝からなる群から選ばれる１以上の結晶面の交線に平行な方向に長手方向を備えた溝状の開口部を有するエッチング用マスクを前記第１主表面上に形成することと、
還元性ガスを用い、大気圧下、３００℃以上１２００℃以下で、前記マスクの開口部に露出した前記β－Ｇａ２Ｏ３結晶を選択エッチングすること、を含む半導体装置の製造方法。
（構成１１）
前記還元性ガスは、ハロゲン化水素ガスおよび水素ガスからなる群から選ばれる１以上からなるガスである、構成１０記載の半導体装置の製造方法。
（構成１２）
前記還元性ガスは、塩化水素ガスである、構成１０記載の半導体装置の製造方法。
（構成１）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、（１００）ファセット面であり、
前記溝の底部は、前記溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では（－１０１）の面方位を有する、半導体装置。
（構成２）
前記溝の底部は、前記溝の幅が２．０μｍ以上の場所では（－１０１）および（００１）の面方位を有する、構成１記載の半導体装置。
（構成３）
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して１３．７°傾いている、構成１または２記載の半導体装置。
（構成４）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（－１０２）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁の少なくとも１面は、（１００）ファセット面であり、かつ、前記第１主表面に対して垂直である、半導体装置。
（構成５）
溝を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、
前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、
前記溝の長手方向は、前記第１主表面の面方位と｛３１０｝面の交線に平行な方向であり、
前記溝の長手方向の側壁は、｛３１０｝ファセット面であり、
前記溝の底部は、（００１）の面方位を有し、
前記溝の長手方向の側壁は、前記第1主表面の垂直面に対して８．４°傾いている、半導体装置。
（構成６）
前記溝の少なくとも一方の側面の少なくとも一部はチャネルである、構成１から５の何れか１記載の半導体装置。
（構成７）
複数の前記溝で形成された線状突起状の半導体層を有するＦｉｎ型ＭＯＳＦＥＴ構造を備える、構成１から６の何れか１記載の半導体装置。
（構成８）
前記溝の側面の少なくとも一部と前記溝の底面に配置された絶縁膜を介して、アノード電極が前記側面と前記底部を有して構成される立体構造の少なくとも一部に形成されており、
かつ前記アノード電極が前記立体構造の一部で前記半導体層とショットキー接続をしたＴｅｎｃｈ型ＭＯＳＳＢＤ構造を備える、構成１から５の何れか１記載半導体装置。
（構成９）
構成１から８の何れか一記載の半導体装置を有する、パワーデバイス。
（構成１０）
第１主表面の面方位が（００１）または（－１０２）であるβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層を準備することと、
前記第１主表面と（１００）および｛３１０｝からなる群から選ばれる１以上の結晶面の交線に平行な方向に長手方向を備えた溝状の開口部を有するエッチング用マスクを前記第１主表面上に形成することと、
還元性ガスを用い、大気圧下、３００℃以上１２００℃以下で、前記マスクの開口部に露出した前記β－Ｇａ２Ｏ３結晶を選択エッチングすること、を含む半導体装置の製造方法。
（構成１１）
前記還元性ガスは、ハロゲン化水素ガスおよび水素ガスからなる群から選ばれる１以上からなるガスである、構成１０記載の半導体装置の製造方法。
（構成１２）
前記還元性ガスは、塩化水素ガスである、構成１０記載の半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、加工ダメージが少なく、結晶表面や接合界面での界面準位の発生が抑制されて良好なデバイス特性が得られ、微細加工に適したβ―Ｇａ２Ｏ３半導体を用いたトレンチあるいはフィン構造を有する半導体装置、特にβ―Ｇａ２Ｏ３半導体の特性を活かしたパワーデバイスおよびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明によるβ―Ｇａ２Ｏ３構造体の構造を説明する断面図である。
【図2】本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３フィン構造体の製造工程を示すフローチャート図である。
【図3】本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３構造体の製造工程を断面図で示した工程図である。
【図4】本発明によるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤの製造工程を断面図で示した工程図である。
【図5】本発明によるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤの製造工程を断面図で示した工程図である。
【図6】本発明によるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤの製造工程を断面図で示した工程図である。
【図7】本発明によるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤの製造工程を断面図で示した工程図である。
【図8】縦型ＦｉｎＦＥＴの素子構造を説明する断面図である。
【図9】円形窓に対して選択エッチングを施したときのエッチングの様子を示した表面ＳＥＭ写真である。
【図10】放射状の線状窓に対して選択エッチングを施したときのエッチングの様子を示した表面ＳＥＭ写真で、線状窓の方位が（ａ）は１０°刻み、（ｂ）は主要な面内方位を向いているときである。
【図11】アンダーエッチング量の面内異方性を極座標系で示した選択エッチング特性図である。
【図12】［０１０］方位の窓幅とマスク幅が異なる線状の窓マスクパターンに対する選択エッチング後のＳＥＭ写真である。
【図13】［０１０］方位の線状窓に対する選択エッチング後の断面加工形状を示す（ａ）、（ｂ）ＳＥＭ写真、およびその写真を基に作成した（ｃ）断面模式図である。（ａ）は窓幅が１.２μｍ、マスク幅が２．８μｍ、（ｂ）は窓幅が５．５μｍ、マスク幅が１．０μｍの場合を示す。なお、集束イオンビーム加工による表面変形を防止する目的でカーボンが堆積されている。
【図14】［－１３０］方位の線状窓に対する選択エッチング後の断面加工形状を示す（ａ）ＳＥＭ写真、およびその写真を基に作成した（ｂ）断面模式図である。
【図15】（－１０２）面基板を用いたときの選択エッチングの様子を観察したＳＥＭ写真である。パターンは放射状の線状窓で、その方位は１０°刻みである。
【図16】（－１０２）面基板を用いたときの［０１０］方位の窓幅とマスク幅が異なる線状窓に対する選択エッチングの様子を観察したＳＥＭ写真である。
【図17】（－１０２）面基板を用いたときの［０１０］方位の窓幅が１．４μｍ、マスク幅が２．６μｍの線状窓に対する選択エッチング後の断面加工形状を示す（ａ）ＳＥＭ写真、およびその写真を基に作成した（ｂ）断面模式図である。
【図18】（－１０２）面基板を用いたときの［０１０］方位の窓幅が０．５μｍ、マスク幅が５．７μｍの線状窓に対する選択エッチング後の断面加工形状を示すＳＥＭ写真である。
【図19】実施例で還元熱処理装置として用いたＨＶＰＥ装置の構成を示す装置構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
（実施の形態１）
実施の形態１では、β型Ｇａ２Ｏ３（β－Ｇａ２Ｏ３）パワー半導体デバイスを作製する際に用いられる溝（トレンチ）を有するトレンチ構造体１０１（図１参照）について説明する。ここで、トレンチ構造体１０１は、マスク１２の開口部１３下に形成されるトレンチを有するβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層１１からなり、後述するように、トレンチの側面１１α、１１β、底面１１γ、側面の垂直面に対する角度θで特徴付けられる構造体である。
実施の形態１では、β型Ｇａ２Ｏ３（β－Ｇａ２Ｏ３）パワー半導体デバイスを作製する際に用いられる溝（トレンチ）を有するトレンチ構造体１０１（図１参照）について説明する。ここで、トレンチ構造体１０１は、マスク１２の開口部１３下に形成されるトレンチを有するβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層１１からなり、後述するように、トレンチの側面１１α、１１β、底面１１γ、側面の垂直面に対する角度θで特徴付けられる構造体である。
【0012】
実施の形態１で説明する本発明のトレンチ構造体１０１は、溝を有する半導体層１１を備え、半導体層１１はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、半導体層１１の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、前記溝の長手方向は前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、前記溝の底部１１γは前記溝の幅が０μｍを超えて２．０μｍ以下の場所では（－１０１）の面方位を有する構造体である。
【0013】
この構造により、半導体層１１の側面１１αおよび１１βは、最も表面エネルギーが小さく安定な（１００）ファセット面になる。最も安定な（１００）ファセットで形成されたβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層１１の側面１１αおよび１１βは、未結合手が少なく表面準位密度も小さい。このため、その側壁を利用した実施の形態１の半導体装置は、優れた電気特性を有し、例えば、リーク電流、モビリィティ、信頼性、および耐圧などが優れたものになる。特にこの（１００）ファセット面からなる側面１１αおよび１１βをチャネル層やドリフト層として用いた半導体装置は、電気特性、信頼性および品質安定性に優れたものになる。
【0014】
また、トレンチ構造体１０１は、前記溝の幅が２．０μｍ以上の場所では溝の底部１１γが（－１０１）だけでなく、第１主表面である（００１）でも構成される。このように底部１１γのファセット構成を、溝の幅で制御できる。
【0015】
実施の形態１で説明する本発明の第２のトレンチ構造体１０１は、溝を有する半導体層１１を備え、半導体層１１はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、半導体層１１の第１主表面の結晶の面方位は（－１０２）であり、前記溝の長手方向は前記第１主表面の面方位と（１００）面の交線に平行な方向であり、かつ、溝の長手方向の側壁１１αおよび１１βは前記第１主表面に対して垂直、すなわちθが０である構造体である。
【0016】
この構造により、溝の長手方向の側壁１１αおよび１１βは安定して（１００）ファセット面になり、β－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層側壁１１αおよび１１βは未結合手密度の発生が大幅に抑えられる。その結果、結晶表面準位や接合界面準位密度の問題が生じない結晶面になり、この構造体を用いて作製された半導体装置、特にこの（１００）ファセット面からなる側面１１αおよび１１βをチャネル層やドリフト層として用いた半導体装置は、電気特性、信頼性および品質安定性に優れたものになる。
また、第２のトレンチ構造体１０１は、溝の長手方向の側壁１１αおよび１１βが半導体層１１の第１主表面に対して垂直、すなわちθが０であるため、加工を含め取り扱いが容易であるという特徴を有する。
また、第２のトレンチ構造体１０１は、溝の長手方向の側壁１１αおよび１１βが半導体層１１の第１主表面に対して垂直、すなわちθが０であるため、加工を含め取り扱いが容易であるという特徴を有する。
【0017】
実施の形態１で説明する本発明の第３のトレンチ構造体１０１は、溝を有する半導体層１１を備え、半導体層１１はβ－Ｇａ２Ｏ３結晶からなり、前記半導体層の第１主表面の結晶の面方位は（００１）であり、前記溝の長手方向は前記第１主表面の面方位と｛３１０｝面の交線に平行な方向であり、前記溝の長手方向の側壁は｛３１０｝ファセット面であり、前記溝の底部は（００１）の面方位を有し、前記溝の長手方向の側壁は前記第主表面の垂直面に対して８．４°傾いている構造体である。
【0018】
この構造により、溝の長手方向の側壁１１αおよび１１βは安定して｛３１０｝ファセット面になり、β－Ｇａ２Ｏ３結晶からなる半導体層側壁１１αおよび１１βは未結合手密度の発生が大幅に抑えられる。その結果、結晶表面準位や接合界面準位密度の問題が生じない結晶面になり、この構造体を用いて作製された半導体装置、特にこの｛３１０｝ファセット面からなる側面１１αおよび１１βをチャネル層やドリフト層として用いた半導体装置は、電気特性、信頼性および品質安定性に優れたものになる。
【0019】
【0020】
第１段階として、結晶面が（００１）面または（－１０２）面であるβ－Ｇａ２Ｏ３結晶半導体からなる半導体層１１ａを準備する（図２の工程Ｓ１１、図３（ａ））。半導体層１１ａとしては、ＦＺ、ＣＺ、ＶＢおよびＥＦＧ法などによって製造されたβ－Ｇａ２Ｏ３結晶基板を用いてもよいし、β－Ｇａ２Ｏ３結晶基板上にＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって製膜されたβ－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層、またはβ－Ｇａ２Ｏ３結晶基板とβ－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層の両者を用いてもよい。
【0021】
第２段階として、基板面と（１００）面および｛３１０｝からなる群から選ばれる１以上の結晶面の交線に平行な方向に長手方向を揃えた溝状の開口部を有するエッチング用マスク１２を形成する（工程Ｓ１２）。
具体的には、半導体層１１ａ上にＳｉＯ２などのエッチング用ハードマスクからなる薄膜１２ａを形成し（図３（ｂ））、その上に溝状の開口をもつレジストパターン１５を形成する（図３（ｃ））。ここで、薄膜１２ａはＳｉＯ２の他、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮＸ、Ｓｉを用いてもよい。また、ここでは、エッチングマスク用のパターンを溝に着目して溝状開口としているが、図３（ｃ）にも示されているように、溝に囲まれたマスクに着目すると線状の突起パターンであるフィン状のパターンと捉えることもできる。
次に、レジストパターン１５をマスクにしてウェットエッチングまたはドライエッチングを施して薄膜１２ａに開口１３を形成し（図３（ｄ））、引き続き、酸素プラズマアッシング、オゾンアッシングあるいはレジスト剥離液などを用いて、レジストパターン１５を剥離して溝状の開口１３を有するエッチング用マスク１２を形成する（図３（ｅ））。ここで、マスク１２の厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。厚さが１ｎｍ未満の場合、欠陥が発生しやすい。マスク１２は製造する半導体装置にとって必須なものではないダミー物であり、かつマスクへのクラック生成を抑制する観点から、その厚さは１０００ｎｍ以下が好ましい。
具体的には、半導体層１１ａ上にＳｉＯ２などのエッチング用ハードマスクからなる薄膜１２ａを形成し（図３（ｂ））、その上に溝状の開口をもつレジストパターン１５を形成する（図３（ｃ））。ここで、薄膜１２ａはＳｉＯ２の他、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮＸ、Ｓｉを用いてもよい。また、ここでは、エッチングマスク用のパターンを溝に着目して溝状開口としているが、図３（ｃ）にも示されているように、溝に囲まれたマスクに着目すると線状の突起パターンであるフィン状のパターンと捉えることもできる。
次に、レジストパターン１５をマスクにしてウェットエッチングまたはドライエッチングを施して薄膜１２ａに開口１３を形成し（図３（ｄ））、引き続き、酸素プラズマアッシング、オゾンアッシングあるいはレジスト剥離液などを用いて、レジストパターン１５を剥離して溝状の開口１３を有するエッチング用マスク１２を形成する（図３（ｅ））。ここで、マスク１２の厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。厚さが１ｎｍ未満の場合、欠陥が発生しやすい。マスク１２は製造する半導体装置にとって必須なものではないダミー物であり、かつマスクへのクラック生成を抑制する観点から、その厚さは１０００ｎｍ以下が好ましい。
【0022】
第３段階として、還元性ガスを用いてβ－Ｇａ２Ｏ３からなる半導体層１１ａをドライエッチングする。このエッチングは、大気圧下、３００℃以上１２００℃以下、好ましくは５００℃以上１１００℃以下の温度環境でエッチングすることが好ましい。大気圧とすることで扱いが容易になる上にエッチング速度が上がって生産性が向上する。また、上記の温度範囲にすることにより高いエッチング速度が得られ、生産性が向上する。結晶面選択性のエッチングであるため、エッチング速度の速い高温エッチングでも加工側面１１αや１１βは（１００）や｛３１０｝面になり、安定で欠陥の少ない側面が得られる。また、プラズマを使用していないので、エッチング面のダメージも無視できるレベルに抑えられる。
【0023】
還元性ガスとしては、ハロゲン化水素ガスおよび水素ガスからなる群より選ばれる１以上のガスを挙げることができる。その中でも、比較的取り扱いが容易で、充分なエッチング速度が実現できる塩化水素ガス（ＨＣｌガス）を好んで使用することができる。
大気圧下でのエッチングであるため、還元性ガスに加えてキャリアガスも添加してエッチングするのが好ましい。キャリアガスとしては、窒素ガス、およびアルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガスなどの貴ガスを挙げることができるが、この中でも窒素ガスは取り扱いが容易で比較的安価であるため、特に好んで用いることができる。
なお、実施例で触れるように、２μｍレベルのエッチングにかかる時間は５分で、この還元性ガスを用いた選択エッチングは生産性が高い。
以上の方法により、β－Ｇａ２Ｏ３からなる半導体層１１に所望のトレンチが形成されたトレンチ構造体１０１が製造される（工程Ｓ１３、図３（ｆ））。
大気圧下でのエッチングであるため、還元性ガスに加えてキャリアガスも添加してエッチングするのが好ましい。キャリアガスとしては、窒素ガス、およびアルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガスなどの貴ガスを挙げることができるが、この中でも窒素ガスは取り扱いが容易で比較的安価であるため、特に好んで用いることができる。
なお、実施例で触れるように、２μｍレベルのエッチングにかかる時間は５分で、この還元性ガスを用いた選択エッチングは生産性が高い。
以上の方法により、β－Ｇａ２Ｏ３からなる半導体層１１に所望のトレンチが形成されたトレンチ構造体１０１が製造される（工程Ｓ１３、図３（ｆ））。
【0024】
マスク１２の開口部は、加工しやすいＳｉＯ２などの薄膜１２ａを用いることにより、微細加工可能で、したがって本方法では、微細なβ－Ｇａ２Ｏ３を用いたトレンチ構造体１０１をたやすく製造することが可能である。
【0025】
（実施の形態２）
実施の形態２では、パワー用途に好適な半導体装置の１つであるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（Ｔｒｅｎｃｈ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ)２０１について、その製造方法を含めて説明する。
実施の形態２では、パワー用途に好適な半導体装置の１つであるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（Ｔｒｅｎｃｈ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ)２０１について、その製造方法を含めて説明する。
【0026】
【0027】
最初に、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１上にβ－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａが形成された試料を準備する（図４（ａ））。ここで、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１は、その第１主表面の面方位を（００１）または（－１０２）とする。不純物に関しては、Ｓｉ、Ｓｎなどが１０１８ｃｍ-３以上１０２０ｃｍ-３以下ドープされたものを好んで用いることができる。β－Ｇａ２Ｏ３基板５１は、ＦＺ、ＣＺ、ＶＢおよびＥＦＧのどの方法で形成したものも使用可能であるが、量産コストと品質の面からＥＦＧ法によって製造されたものを好んで使用することができる。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａは、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤおよび低圧ＣＶＤ法を用いて形成することができる。β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの第１主表面の面方位は（００１）または（－１０２）である。ここで、エピタキシャル成長による形成された凹凸はデバイス性能を劣化させるため、β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａを形成後にＣＭＰ等による研磨を施しておくことが好ましい。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの不純物に関しては、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅなどが１０１５ｃｍ-３以上１０１７ｃｍ-３以下ドープされたものを好んで用いることができる。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの厚さは特に制約はないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下を挙げることができる。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａは、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤおよび低圧ＣＶＤ法を用いて形成することができる。β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの第１主表面の面方位は（００１）または（－１０２）である。ここで、エピタキシャル成長による形成された凹凸はデバイス性能を劣化させるため、β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａを形成後にＣＭＰ等による研磨を施しておくことが好ましい。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの不純物に関しては、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅなどが１０１５ｃｍ-３以上１０１７ｃｍ-３以下ドープされたものを好んで用いることができる。
β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの厚さは特に制約はないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下を挙げることができる。
【0028】
なお、Ｔｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（２０１）に関する以下の説明では、第１主表面の面方位を（００１）とした場合について説明するが、（－１０２）面方位のβ－Ｇａ２Ｏ３基板５１を用いた場合は、面方位（００１）を（－１０２）に置き換えればよい。ここで、図面において、面方位（００１）を用いた場合は、傾斜をもった溝（開口）パターンが形成されるが、面方位（－１０２）を用いた場合は、垂直な溝パターンになる。
【0029】
次に、β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａの上にエッチング用ハードマスクとなるマスク５２を形成する（図４（ｂ））。マスク５２の材料としては、ＳｉＯ２を好んで用いることができるが、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉなどβ－Ｇａ２Ｏ３の還元性エッチングガスに対してエッチングレートが遅く、フッ素系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸系水溶液などを用いたウェットエッチングにより容易に剥離できる材料を用いてもよい。
【0030】
その後、マスク５２をエッチングマスクとして還元性ガスを用いてβ－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層５３ａをエッチングして溝状パターンを有するβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層５３を形成する（図４（ｃ））。ここで、還元性ガスとしては、前述のように、ハロゲン化水素ガスおよび水素ガスからなる群より選ばれる１以上のガスを好んで挙げることができ、塩化水素ガス（ＨＣｌガス）を特に好んで用いることができる。圧力は扱いが容易な大気圧でよく、エッチング時の温度は３００℃以上１２００℃以下でよい。特に、５００℃以上１１００℃以下の温度にすると、平坦なファセット面を高いエッチングレートで得られ、Ｔｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（２０１）の製造スループットが向上するため好ましい。
しかる後、マスク５２をドライエッチング、ウェットエッチング、あるいはその両者を用いて除去する（図５（ａ））。
しかる後、マスク５２をドライエッチング、ウェットエッチング、あるいはその両者を用いて除去する（図５（ａ））。
【0031】
次に、図５（ｂ）に示すように、コンフォーマルに絶縁膜５４ａを形成する。絶縁膜５４ａは準位や欠陥が少なく、耐圧に優れたものが好ましく、例えば、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＳｉＯｘ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮからなる群より選ばれる１以上を挙げることができる。これらの膜から選ばれる単層膜でも、積層膜でもよい。成膜方法は特に問わないが、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法およびＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を挙げることができるが、特に欠陥の少なさとコンフォーマル性被着に優れるＡＬＤ法を好んで用いることができる。
絶縁膜５４ａの厚さは、特に限定がないが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下を挙げることができる。
絶縁膜５４ａの厚さは、特に限定がないが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下を挙げることができる。
【0032】
引き続き、図５（ｃ）に示すように、少なくともβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層５３の上面部分５５（後にショットキー接続になる面）が露出するように、絶縁膜５４ａの上面部分が除去された第１の絶縁膜５４に加工する。この加工法としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法やエッチバック法およびそれらの組み合わせを挙げることができる。
【0033】
しかる後、絶縁膜５６ａを堆積させ（図６（ａ））、引き続き、溝（トレンチ）を形成しようとする所望の領域が露出するような開口を有するレジストパターン５７を形成する（図６（ｂ））。ここで、絶縁膜５６ａとしては、例えば、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミドを挙げることができる。その形成方法としては、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法、塗布形成法を挙げることができる。
その後、絶縁膜５６ａをエッチングし（図６（ｃ））、引き続いてレジストパターン５７を酸素ガスアッシング、オゾン処理および剥離液などにより除去し、トレンチ領域以外のフィールド部分の少なくとも一部に第２の絶縁膜５６を形成する（図７（ａ））。
その後、絶縁膜５６ａをエッチングし（図６（ｃ））、引き続いてレジストパターン５７を酸素ガスアッシング、オゾン処理および剥離液などにより除去し、トレンチ領域以外のフィールド部分の少なくとも一部に第２の絶縁膜５６を形成する（図７（ａ））。
【0034】
次に、β－Ｇａ２Ｏ３が露出したβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層５３の上面部分５５および第１の絶縁膜５４の露出表面を十分洗浄した後、アノードとなる導電性膜５８ａをβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層５３側の面（上面）に形成し、カソードとなる導電性膜５９を裏面側に形成する（図７（ｂ））。
ここで、導電性膜５８ａとしては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＣｕを挙げることができる。導電性膜５８ａの形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法などを挙げることができる。
導電性膜５９としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＩＴＯからなる群から選択された少なくとも１つ、およびこれらの群から選択された少なくとも１つを含む合金を挙げることができる。導電性膜５９の形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法などを挙げることができる。なお、導電性膜５９は、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１とオーミック接触が取れていることが好ましい。このことを考慮して、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１のドーピングが制御され、また、導電性膜５９を積層膜とすることも好ましい。
ここで、導電性膜５８ａとしては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＣｕを挙げることができる。導電性膜５８ａの形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法などを挙げることができる。
導電性膜５９としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＩＴＯからなる群から選択された少なくとも１つ、およびこれらの群から選択された少なくとも１つを含む合金を挙げることができる。導電性膜５９の形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法などを挙げることができる。なお、導電性膜５９は、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１とオーミック接触が取れていることが好ましい。このことを考慮して、β－Ｇａ２Ｏ３基板５１のドーピングが制御され、また、導電性膜５９を積層膜とすることも好ましい。
【0035】
最後に、導電性膜５８ａをリソグラフィとエッチングにより加工して、所望のアノード電極５８とカソード電極（導電性膜）５９を有するＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（２０１）が製造される（図７（ｃ））。なお、アノード電極５８は、成膜、リソグラフィおよびエッチングによる形成方法に代えて、リフトオフ法で形成してもよい。
【0036】
製造されたＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（２０１）は、β－Ｇａ２Ｏ３からなる半導体５３がアノード電極５８とショットキー接触し、溝部のβ－Ｇａ２Ｏ３半導体５３の側面が結晶のファセットを反映していて未結合手密度が少ないことから結晶欠陥や結晶表面の界面準位密度が低いものとなる。このような高品質のβ－Ｇａ２Ｏ３半導体５３と、高い耐圧特性を引き出せるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ構造が相まって、製造されるＴｒｅｎｃｈ ＭＯＳＳＢＤ（２０１）は、パワーデバイスに特に好適なリーク電流特性に優れた高耐圧ダイオードとなる。
【0037】
（実施の形態３）
実施の形態３では、パワー用途に好適な半導体装置の１つである縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）について述べる。
実施の形態３では、パワー用途に好適な半導体装置の１つである縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）について述べる。
【0038】
縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、図８に示すように、β－Ｇａ２Ｏ３からなる基板７１、β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（エピタキシャルβ－Ｇａ２Ｏ３層）７２、β－Ｇａ２Ｏ３からなるフィン（β－Ｇａ２Ｏ３）７３、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜７５、ゲート電極７６、ゲート電極とソース電極等を電気的に分離する役割を担う絶縁層７７、フィン７３とソース電極７９をオーミック接触とし、かつその接触抵抗を下げる機能をもつｎ＋層７８、およびドレイン電極８０からなる。
【0039】
基板７１は、電気抵抗の関係から、ＳｉやＳｎなどが１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下ドープされたものが好んで用いられる。β－Ｇａ２Ｏ３半導体層７２は、ＨＶＰＥ法などによって形成されるドーパントの量が１０１５ｃｍ－３以上１０１７ｃｍ－３以下のβ－Ｇａ２Ｏ３結晶であり、その厚さは１μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
フィン７３は、エッチングハードマスク（図示なし）を用いてβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層（エピタキシャル形成β－Ｇａ２Ｏ３層）を還元性ガスによりエッチング加工して、実施の形態１と同様にして形成される。ここで、フィン７３のドーピングは１０１５ｃｍ－３以上１０１７ｃｍ－３以下としておくことが好ましい。フィン７３の側面の表層付近はチャネル層として機能する。
絶縁膜（ゲート絶縁膜）７５としては、ＳｉＯ２の他、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉ３Ｎ４などのいわゆるＨｉｇｈ－ｋ膜を好んで用いることができる。その厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
フィン７３は、エッチングハードマスク（図示なし）を用いてβ－Ｇａ２Ｏ３半導体層（エピタキシャル形成β－Ｇａ２Ｏ３層）を還元性ガスによりエッチング加工して、実施の形態１と同様にして形成される。ここで、フィン７３のドーピングは１０１５ｃｍ－３以上１０１７ｃｍ－３以下としておくことが好ましい。フィン７３の側面の表層付近はチャネル層として機能する。
絶縁膜（ゲート絶縁膜）７５としては、ＳｉＯ２の他、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉ３Ｎ４などのいわゆるＨｉｇｈ－ｋ膜を好んで用いることができる。その厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【0040】
ゲート電極７６としては、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＰｏｌｙＳｉおよびＣｕを、ソース電極７９およびドレイン電極８０としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＩＴＯからなる群から選択された少なくとも１つ、およびこれらの群から選択された少なくとも１つを含む合金を好んで用いることができる。微細加工において重要な密着性も考慮すると、例えば、ソース電極７９としては、下層からＴｉ、Ａｌ、Ｐｔが順に積層された積層膜、ドレイン電極としては、下層からＴｉ、Ａｕが順に積層された二層膜を好んで用いることができる。
絶縁層７７としては、例えば、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミドを挙げることができる。
ｎ＋層７８は、イオン注入によって形成できる。ドーパントとしてはＳｉやＳｎを、そのドーパント量としては、１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下を挙げることができる。その厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下を挙げることができる。なお、このｎ＋層７８は、作製が容易ではないため、フィン７３のドーピング量によっては、省略してもよい。
絶縁層７７としては、例えば、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミドを挙げることができる。
ｎ＋層７８は、イオン注入によって形成できる。ドーパントとしてはＳｉやＳｎを、そのドーパント量としては、１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下を挙げることができる。その厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下を挙げることができる。なお、このｎ＋層７８は、作製が容易ではないため、フィン７３のドーピング量によっては、省略してもよい。
【0041】
縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、実施の形態１で説明した方法により、エピタキシャルβ－Ｇａ２Ｏ３層を大気圧下で還元性ガスによりドライエッチングしてフィン７３をもつフィン構造体を準備し、ＣＶＤ法やスパッタリング法などによって絶縁膜（ゲート絶縁膜）７５を形成し、フィン７３の少なくとも側面の一部を含む領域に、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、あるいはＭＯＣＶＤ法などでゲート電極７６を形成し、絶縁体層７７をスパッタリング法、ＣＶＤ法あるいは塗布形成法により形成し、その上でソース電極７９およびドレイン電極８０を形成して、製造される。
【0042】
縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、実施の形態１で述べたトレンチ構造体１０１を有する半導体装置で、複数の前記溝によって形成された線状突起であるフィンの少なくとも両側面（２面および４面）を覆うようにゲート電極が配置された半導体装置である。
そして、縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、チャネル層となるβ－Ｇａ２Ｏ３半導体からなるフィン７３の側面が、結晶のファセットを反映していて未結合手密度が少ないことから、結晶欠陥や結晶表面の界面準位密度が低いものとなる。このような高品質のβ－Ｇａ２Ｏ３半導体からなるフィン７３と、優れた電気特性を引き出せる縦型ＦｉｎＦＥＴ構造が相まって、優れた電流特性を有するＦＥＴになる。
そして、縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、チャネル層となるβ－Ｇａ２Ｏ３半導体からなるフィン７３の側面が、結晶のファセットを反映していて未結合手密度が少ないことから、結晶欠陥や結晶表面の界面準位密度が低いものとなる。このような高品質のβ－Ｇａ２Ｏ３半導体からなるフィン７３と、優れた電気特性を引き出せる縦型ＦｉｎＦＥＴ構造が相まって、優れた電流特性を有するＦＥＴになる。
【0043】
縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）におけるチャネル層は、なるべく面積が広いほうが電流が稼げるので望ましい。縦型ＦｉｎＦＥＴ構造は、フィンを微細加工で単位面積あたりに多数形成することによりその表面積を広くすることが可能である。本発明によれば、パッキングデンシティが高く、微細で、かつアスペクト比の高いフィン７３を形成することができる。このため、実施の形態４による縦型ＦｉｎＦＥＴ（２０３）は、特にパワーデバイスに好適な、電気特性の優れたものとなる。
【実施例0044】
（実施例１）
＜試料の作製＞
最初に、ＥＦＧ法によるβ－Ｇａ２Ｏ３基板１１ａを準備し（図３（ａ））、その基板１１ａ上にアモルファス状のＳｉＯ２（１２ａ）を形成した（図３（ｂ））。
ここで、β－Ｇａ２Ｏ３基板は、ノベルクリスタルテクノロジーが製造した（００１）、（－１０２）面の基板を用いた。
アモルファスＳｉＯ２（１２ａ）は、前駆体としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いたプラズマ化学気相堆積法により形成し、その膜厚は１００ｎｍとした。
＜試料の作製＞
最初に、ＥＦＧ法によるβ－Ｇａ２Ｏ３基板１１ａを準備し（図３（ａ））、その基板１１ａ上にアモルファス状のＳｉＯ２（１２ａ）を形成した（図３（ｂ））。
ここで、β－Ｇａ２Ｏ３基板は、ノベルクリスタルテクノロジーが製造した（００１）、（－１０２）面の基板を用いた。
アモルファスＳｉＯ２（１２ａ）は、前駆体としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いたプラズマ化学気相堆積法により形成し、その膜厚は１００ｎｍとした。
【0045】
その後、溝状の開口パターンを有するレジストパターン１５を形成した（図３（ｃ））。しかる後、フッ化水素酸緩衝液を用いたウェットエッチングを行い（図３（ｄ））、引き続きレジストパターン１５を剥離して溝状の開口１３を有するＳｉＯ２からなるマスク１２を形成した（図３（ｅ））。ここで、レジストの剥離は、アセトンおよび酸素プラズマアッシングにより行い、β－Ｇａ２Ｏ３基板露出部の脱脂を行った。
【0046】
その後、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ：Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）用装置を還元熱処理装置として用いて試料を１０３８℃に加熱し、ＨＣｌガスを導入して選択エッチングを５分間行って評価用試料であるトレンチ構造体１０１を作製した（図３（ｆ））。ＨＣｌガスの導入量は５ｓｃｃｍで、キャリアガスとして精製されたＮ２ガス（露点＜－１１０℃）もＨＣｌガスと同時に導入して大気圧下でエッチング処理を行った。このときのＨＣｌガスの分圧は６３Ｐａである。
【0047】
ＨＶＰＥ装置２００１は内製の装置で、その装置の概要を図１９に示す。
ＨＶＰＥ装置２００１は、ヒーター１０１２によって所望の温度に加熱可能な反応炉１００１を有する。
反応炉１００１は、ガリウム原料供給源１００２（未使用）、酸素原料供給源供給管１００６（未使用）、エッチング性ガス供給管１００８および基板ホルダー１０１０を備え、石英で作製された反応炉１００１に供給されたガスは排気管１０１１によって排出される。
エッチング性ガス供給管１００８は、基板ホルダー１０１０上に載置された試料に、エッチング性ガス１００９を所定の量に制御して供給する。
エッチング性ガス１００９として還元性ガスのガスを用いるが、実施例では、石英との反応性が低く、取り扱いも容易であるＨＣｌガスを使用した。
ＨＶＰＥ装置２００１は、ヒーター１０１２によって所望の温度に加熱可能な反応炉１００１を有する。
反応炉１００１は、ガリウム原料供給源１００２（未使用）、酸素原料供給源供給管１００６（未使用）、エッチング性ガス供給管１００８および基板ホルダー１０１０を備え、石英で作製された反応炉１００１に供給されたガスは排気管１０１１によって排出される。
エッチング性ガス供給管１００８は、基板ホルダー１０１０上に載置された試料に、エッチング性ガス１００９を所定の量に制御して供給する。
エッチング性ガス１００９として還元性ガスのガスを用いるが、実施例では、石英との反応性が低く、取り扱いも容易であるＨＣｌガスを使用した。
【0048】
＜評価＞
エッチング後の試料をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察により評価した。使用したＳＥＭはＳＵ８２３０（日立ハイテク製）である。
エッチング後の試料をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察により評価した。使用したＳＥＭはＳＵ８２３０（日立ハイテク製）である。
【0049】
最初に、円形の窓パターンに対して表面からＳＥＭで調べた。その結果を図９に示すが、マスク部はエッチングされず、窓部がエッチングされていることがわかる。表層のみならず数ミクロン程度の深さ方向のエッチング状況が濃淡状況から観察できる。さらに、加速電圧１０ｋＶでの観察により、マスク下にもエッチング領域があり、アンダーエッチングされていることがわかる。そのアンダーエッチングにより形成される形状は扁平な６角形であり、アンダーエッチングレートに面内異方性があることがわかる。
【0050】
面内異方性を詳細に評価するため、放射状の窓パターンに対して上面から観察した結果を図１０に示す。なお、窓方位は、同図に示すように、（ａ）１０°刻み、（ｂ）主要な面内方位の２種である。
観察により得られた表面のアンダーエッチング量の面内異方性を図１１に示す。ここでｎ［ｈｋｌ］は、面直軸を回転軸として面内［ｈｋｌ］方位を反時計回りに９０°回転した方向を表す。図１１からわかるように、アンダーエッチング量は特定の方位で小さくなっている。最もアンダーエッチング量が小さい方位は［－１００］と［１００］であり、２番目に小さいのはｎ［１３０］、ｎ［－１３０］、ｎ［１－３０］、ｎ［－１－３０］である。この結果は、図１０に示した扁平な６角形の構成に符合する。ここで、いずれの場合も［１００］側と［－１００］側でエッチング量にわずかに差が認められる（極点図の上側と下側）。
観察により得られた表面のアンダーエッチング量の面内異方性を図１１に示す。ここでｎ［ｈｋｌ］は、面直軸を回転軸として面内［ｈｋｌ］方位を反時計回りに９０°回転した方向を表す。図１１からわかるように、アンダーエッチング量は特定の方位で小さくなっている。最もアンダーエッチング量が小さい方位は［－１００］と［１００］であり、２番目に小さいのはｎ［１３０］、ｎ［－１３０］、ｎ［１－３０］、ｎ［－１－３０］である。この結果は、図１０に示した扁平な６角形の構成に符合する。ここで、いずれの場合も［１００］側と［－１００］側でエッチング量にわずかに差が認められる（極点図の上側と下側）。
【0051】
アンダーエッチング量が小さい方位はプロセス上有用であるため、［０１０］方向に伸びた溝状開口（ストライプ窓）に関し、より詳細に評価した。
図１２は、マスクと窓の幅が制御された選択エッチングで作製されたトレンチ（窓幅が１.２μｍ、マスク幅が２．８μｍ）とフィン（窓幅が５．５μｍ、マスク幅が１．０μｍ）のＳＥＭ像である。サブミクロンのフィンも形成可能であることがわかる。
図１２は、マスクと窓の幅が制御された選択エッチングで作製されたトレンチ（窓幅が１.２μｍ、マスク幅が２．８μｍ）とフィン（窓幅が５．５μｍ、マスク幅が１．０μｍ）のＳＥＭ像である。サブミクロンのフィンも形成可能であることがわかる。
【0052】
さらに図１３に示すように、それら構造の断面をＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ）で削り出し、ＳＥＭで観察した。同図の（ａ）は窓幅が小さな場合であり、トレンチ構造が形成できていることがわかる。（ｂ）はマスク幅が小さい場合であり、サブミクロンのフィンが形成できていることがわかる。いずれの場合も側壁面は、表面エネルギー密度が最も小さい（１００）ファセットで構成されている（トレースして加工状況を表示した図１３（ｃ）参照）。
【0053】
なお、結晶構造から必然的に（１００）ファセットは垂直ではなく１３．７°傾斜する。また、トレンチの底部に注目すれば、窓幅が小さくトレンチ幅が小さいときは、すべて（－１０２）面で底部が構成されているが、窓幅が大きくトレンチ幅が広くなれば、（－１０２）面だけでなく基板面である（００１）面でも底部が構成されていることがわかる。
【0054】
２番目にアンダーエッチングが小さな方位においても、断面観察を行った。窓方向が［－１３０］の溝状開口のエッチング断面を図１４に示す。底部は（００１）面だけで構成されており、側壁は（３１０）ファセット面が現れ、８．４°傾斜した。この場合は、窓幅によらず底部は全て（００１）面だけで構成され、垂直に近い側壁となるため、フィンの形成に有用であると考えられる。ただし、アンダーエッチング量は大きい。このため、トレンチの微細パターン形成という観点からは、アンダーエッチング量の少ない窓方向が［０１０］の溝状開口の活用性が高いと考える。
【0055】
（－１０２）基板は、（－１０２）と側壁の（１００）とが垂直の関係にあるため、デバイス応用上有用性が高いトレンチであると考える。さらに（－１０２）基板を用いることで、すべてのマスク幅で（１００）ファセット側壁が垂直で底部が（－１０２）だけで構成されるトレンチ構造が得られると考えられる。
そこで、（－１０２）面のβ－Ｇａ２Ｏ３基板１１を準備して評価を行った。なお、その基板が（－１０２）面の基板であることは、Ｘ線回折測定により確認してある。
そこで、（－１０２）面のβ－Ｇａ２Ｏ３基板１１を準備して評価を行った。なお、その基板が（－１０２）面の基板であることは、Ｘ線回折測定により確認してある。
【0056】
最初に、前述の（００１）基板を用いたときの評価と同様に、放射状の窓パターンに対して上面からＳＥＭ観察して、アンダーエッチングの面内異方性を評価した。その結果を図１５に示す。その結果、窓（溝状開口）が［０１０］方位でアンダーエッチング量が最小になっていることがわかる。これは溝の側面が（１００）ファセットになっているためと考えられる。
【0057】
次に、作製されたトレンチ（窓幅が１．４μｍ、マスク幅が２．６μｍ）とフィン（窓幅が０．５μｍ、マスク幅が５．７μｍ）の状況をＳＥＭ観察した。その結果を図１６に示すが、整然と並んだファセット形状で構造が形成されていることがわかる。
【0058】
さらに、それら構造の断面をＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ）で削り出し、その断面をＳＥＭで観察した。傾斜角は５４°であり、表面変形等を防止する目的で、表面にはカーボンからなる保護膜が形成されている。
図１７（ａ）は窓幅が小さな場合のＳＥＭ写真であり、同図（ｂ）はその写真を基にトレース表示した図である。溝側壁は（１００）ファセット面のトレンチ構造が形成できていることがわかる。なお、溝底部は（－１０２）面と（－１０１）面の間にあり、確定できない。
図１８は窓幅の広い、いわゆるフィンを形成した場合のＳＥＭ写真であるが、窓幅が小さな場合と同様にフィン側壁は（１００）ファセット面になっている。なお、溝底部の面は比較的荒れており、図１７と同様に特定のファセットで構成されていない。
図１７（ａ）は窓幅が小さな場合のＳＥＭ写真であり、同図（ｂ）はその写真を基にトレース表示した図である。溝側壁は（１００）ファセット面のトレンチ構造が形成できていることがわかる。なお、溝底部は（－１０２）面と（－１０１）面の間にあり、確定できない。
図１８は窓幅の広い、いわゆるフィンを形成した場合のＳＥＭ写真であるが、窓幅が小さな場合と同様にフィン側壁は（１００）ファセット面になっている。なお、溝底部の面は比較的荒れており、図１７と同様に特定のファセットで構成されていない。
【産業上の利用可能性】
【0059】
本発明により、界面準位等の発生が抑制されて良好なデバイス特性が得られ、微細加工に適したβ―Ｇａ２Ｏ３半導体を用いた半導体装置が提供される。ここで、この半導体装置は、トレンチあるいはフィン構造を有していて、耐圧が高く、ワイドバンドギャップを有するβ―Ｇａ２Ｏ３半導体の特性を引き出すものであり、特に、高性能パワーデバイスとして好適なものである。
パワーデバイスは、ＥＶやハイブリッド車のパワートレイン、サーバー用電源、再エネ機器、産業機器、鉄道車両など様々な分野で使用され、スマート社会実現に欠かせないデバイスに位置付けられている。このため、本発明は、社会的に大きなインパクトを有し、産業に与える影響は大きいと考える。
パワーデバイスは、ＥＶやハイブリッド車のパワートレイン、サーバー用電源、再エネ機器、産業機器、鉄道車両など様々な分野で使用され、スマート社会実現に欠かせないデバイスに位置付けられている。このため、本発明は、社会的に大きなインパクトを有し、産業に与える影響は大きいと考える。
【符号の説明】
【0060】
１１ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（（溝を有する）半導体層）
１１ａ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（半導体層）
１２ マスク（ＳｉＯ２）
１２ａ 薄膜（ＳｉＯ２）
１３ 開口
１５ レジストパターン
５１ 基板（β－Ｇａ２Ｏ３基板）
５２ マスク（ＳｉＯ２）
５３ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層
５３ａ β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
５４ 第１の絶縁膜
５４ａ 絶縁膜
５５ β－Ｇａ２Ｏ３露出部（ショットキー接続部）
５６ 第２の絶縁膜
５６ａ 絶縁膜
５７ レジストパターン
５８ 電極（アノード電極）
５８ａ 導電性膜
５９ 導電性膜（カソード電極）
７１ 基板（β－Ｇａ２Ｏ３）
７２ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（エピタキシャルβ－Ｇａ２Ｏ３層）
７３ フィン（β－Ｇａ２Ｏ３）
７５ 絶縁膜（ゲート絶縁膜）
７６ ゲート電極
７７ 絶縁層
７８ ｎ＋層
７９ ソース電極
８０ ドレイン電極
１０１ トレンチ構造体（評価用試料）
２０１ Ｔｒｅｎｃｈ ＳＢＤＭＯＳ
２０３ 縦型ＦｉｎＦＥＴ
３０１ 半導体装置、フィン構造体、トレンチ構造体
１００１ 反応炉
１００２ ガリウム原料供給源
１００３ ガリウム金属
１００４ ガリウム化合物化ガス（ハロゲンガス）
１００５ ガリウム原料ガス供給管
１００６ 酸素原料供給源供給管
１００７ 酸素原料ガス
１００８ エッチング性ガス供給管
１００９ エッチング性ガス（還元性ガス）
１０１０ 基板ホルダー
１０１１ 排気管
１０１２ ヒーター
２００１ ＨＶＰＥ装置
１１ａ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（半導体層）
１２ マスク（ＳｉＯ２）
１２ａ 薄膜（ＳｉＯ２）
１３ 開口
１５ レジストパターン
５１ 基板（β－Ｇａ２Ｏ３基板）
５２ マスク（ＳｉＯ２）
５３ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層
５３ａ β－Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
５４ 第１の絶縁膜
５４ａ 絶縁膜
５５ β－Ｇａ２Ｏ３露出部（ショットキー接続部）
５６ 第２の絶縁膜
５６ａ 絶縁膜
５７ レジストパターン
５８ 電極（アノード電極）
５８ａ 導電性膜
５９ 導電性膜（カソード電極）
７１ 基板（β－Ｇａ２Ｏ３）
７２ β－Ｇａ２Ｏ３半導体層（エピタキシャルβ－Ｇａ２Ｏ３層）
７３ フィン（β－Ｇａ２Ｏ３）
７５ 絶縁膜（ゲート絶縁膜）
７６ ゲート電極
７７ 絶縁層
７８ ｎ＋層
７９ ソース電極
８０ ドレイン電極
１０１ トレンチ構造体（評価用試料）
２０１ Ｔｒｅｎｃｈ ＳＢＤＭＯＳ
２０３ 縦型ＦｉｎＦＥＴ
３０１ 半導体装置、フィン構造体、トレンチ構造体
１００１ 反応炉
１００２ ガリウム原料供給源
１００３ ガリウム金属
１００４ ガリウム化合物化ガス（ハロゲンガス）
１００５ ガリウム原料ガス供給管
１００６ 酸素原料供給源供給管
１００７ 酸素原料ガス
１００８ エッチング性ガス供給管
１００９ エッチング性ガス（還元性ガス）
１０１０ 基板ホルダー
１０１１ 排気管
１０１２ ヒーター
２００１ ＨＶＰＥ装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
