特許 7158627 結晶積層構造体、半導体装置、及び、結晶積層構造体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-13

(45)【発行日】2022-10-21

(54)【発明の名称】結晶積層構造体、半導体装置、及び、結晶積層構造体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/365 20060101AFI20221014BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20221014BHJP

   C30B 25/20 20060101ALI20221014BHJP

   C30B 29/16 20060101ALI20221014BHJP

   C23C 16/40 20060101ALI20221014BHJP

【ＦＩ】

H01L21/365

H01L29/86 301F

H01L29/86 301M

H01L29/86 301D

C30B25/20

C30B29/16

C23C16/40

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2022527788

(86)(22)【出願日】2021-09-03

(86)【国際出願番号】 JP2021032392

【審査請求日】2022-05-12

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】湯田 洋平

(72)【発明者】

【氏名】綿引 達郎

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 義直

(72)【発明者】

【氏名】後藤 健

【審査官】長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０８６４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９１７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０９９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１４４４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５

Ｈ０１Ｌ ２９／８７２

Ｃ３０Ｂ ２５／２０

Ｃ３０Ｂ ２９／１６

Ｃ２３Ｃ １６／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１主面を有し、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面上に設けられ、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板と逆側に第２主面を有し、β型の結晶構造を有するエピタキシャル成長層であるＧａ_２Ｏ_３単結晶層と
を備え、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面、及び、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面のそれぞれの面方位は、（０１１）面である、結晶積層構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の結晶積層構造体であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層は塩素を含む、結晶積層構造体。

【請求項3】

請求項１に記載の結晶積層構造体であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の残留キャリア濃度は３×１０^１５／ｃｍ^３以下である、結晶積層構造体。

【請求項4】

請求項２に記載の結晶積層構造体であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の塩素の濃度は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である、結晶積層構造体。

【請求項5】

第１主面を有し、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を準備する工程と、
塩化ガリウム系ガスと酸素含有ガスとによって、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面上に、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板と逆側に第２主面を有し、β型の結晶構造を有するエピタキシャル成長層であるＧａ_２Ｏ_３単結晶層を形成する工程と
を備え、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面、及び、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面のそれぞれの面方位は、（０１１）面である、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層は９００℃以上の成長温度下で形成され、
前記塩化ガリウム系ガスは、ガリウム原料と、水素を含まない塩素含有ガスとの反応によって生成され、
前記塩化ガリウム系ガス及び前記酸素含有ガスのそれぞれは、水素を含まない、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項7】

請求項６に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記酸素含有ガスはＯ_２ガスである、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項8】

請求項６または請求項７に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記塩素含有ガスはＣｌ_２ガスである、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項9】

請求項５に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記塩化ガリウム系ガスは、ガリウム金属体と、Ｃｌ_２ガスまたはＨＣｌガスを含む塩素含有ガスとの反応によって生成される、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項10】

請求項６から請求項９のうちのいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記塩化ガリウム系ガスは、３００℃以上の雰囲気温度下で生成される、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項11】

請求項６から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記塩化ガリウム系ガスは、ＧａＣｌガスと、ＧａＣｌガスを除く他の塩化ガリウム系ガスとを含み、
ＧａＣｌガスの分圧比は、前記他の塩化ガリウム系ガスの分圧比よりも高い、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項12】

請求項５から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の成長速度が１μｍ／ｈ以上である、結晶積層構造体の製造方法。

【請求項13】

請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の結晶積層構造体と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面上に設けられたショットキー電極と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層と逆側の面上に設けられたオーミック電極と
を備え、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層のキャリア濃度は、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板のキャリア濃度よりも低い、半導体装置。

【請求項14】

請求項１３に記載の半導体装置であって、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面上に互いに離間して設けられたソース電極及びドレイン電極と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面上、かつ、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と
をさらに備える、半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、結晶積層構造体、半導体装置、及び、結晶積層構造体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体素子の高耐圧化を図るために、半導体素子に用いられる材料がワイドギャップ半導体（ワイドバンドギャップ半導体ともいう）に移行しつつある。そのワイドギャップ半導体の一種である酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードでは、珪素（Ｓｉ）及び炭化珪素（ＳｉＣ）などを用いたショットキーバリアダイオードと比較して、逆方向耐圧を高くすることができる。このような酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードについて、様々な技術が提案されている（例えば特許文献１及び２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－０９６１９７号公報

【文献】特開２０１６－０２９７３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、酸化ガリウムを用いた半導体素子では、酸化ガリウムのエピタキシャル成長層内の欠陥密度が高くなると、デバイス特性の低下を招くという問題があった。

【0005】

そこで、本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、デバイス特性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る結晶積層構造体は、第１主面を有し、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板と、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面上に設けられ、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板と逆側に第２主面を有し、β型の結晶構造を有するエピタキシャル成長層であるＧａ_２Ｏ_３単結晶層とを備え、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の前記第１主面、及び、前記Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の前記第２主面のそれぞれの面方位は、（０１１）面である。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の第１主面、及び、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の第２主面のそれぞれの面方位は、（０１１）面である。このような構成によれば、デバイス特性を高めることができる。

【0008】

本開示の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係るＧａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体を概略的に例示する断面図である。

【図2】実施の形態１に係る面方位を示す斜視図である。

【図3】実施の形態１に係る面方位を説明するための概略図である。

【図4】実施の形態１に係る気相成長装置を概略的に例示する断面図である。

【図5】実施の形態２に係る半導体装置を概略的に例示する断面図である。

【図6】実施の形態３に係る半導体装置を概略的に例示する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付される図面を参照しながら本実施の形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、以下の図面では適宜、構成の省略、または、構成の簡略化がなされる。また、異なる図面にそれぞれ示される構成の大きさ及び位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。

【0011】

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様である。したがって、同様の構成要素などについての詳細な説明については、重複を避けるために省略する場合がある。

【0012】

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る結晶積層構造体であるＧａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体を概略的に例示する断面図である。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の主面上に形成されたＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２とを備える。Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の形成方法は、エピタキシャル成長を用いて、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜ともいう）を形成する方法であれば特に限定されるものではない。

【0013】

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１は、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板である。以下の説明では、β－Ｇａ_２Ｏ_３を、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の材料の基本とする。ただし、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の材料は、これに限ったものではなく、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）またはマグネシウム（Ｍｇ）からなる群のうちの１種以上を添加したＧａを主成分とする酸化物であってもよい。

【0014】

その一例として、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の材料に、（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}）_２Ｏ_３（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされるガリウム酸化物を用いることができる。Ａｌを添加した場合には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１のバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１のバンドギャップが狭くなる。また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の材料は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１は、酸素欠損のみでｎ型の伝導性を示す基板、ｎ型不純物のみでｎ型の伝導性を示す基板、及び、酸素欠損とｎ型不純物との両方でｎ型の伝導性を示す基板のいずれであってもよい。

【0015】

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１は、例えば、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法やＥＦＧ（Ｅｄｇｅ－Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ－Ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法等の融液成長法により生成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶のバルク結晶をスライスして表面を研磨することにより形成される。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の作製時に形成される酸素欠陥の量と、ＳｉやＳｎ等の不純物の量とによって決まる。不純物量の制御及びその活性化率を制御することにより、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１中の電子キャリア濃度を制御することができる。

【0016】

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１は第１主面を有しており、図１の例では第１主面は上面である。第１主面の面方位は（０１１）面であることが好ましく、第１主面の（０１１）面に対するオフセット角度は０°であることが最も望ましい。しかしながら、第１主面の面方位は、（０２１）面及び（０１２）面を除く（０２１）面から（０１２）面までの間の面方位であればよい。以下、このことについて、図２及び図３を用いて説明する。

【0017】

図２は、β－Ｇａ_２Ｏ_３の面方位を示す斜視図である。β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶は、単斜晶系であるため、（１００）面はｂ軸とｃ軸とが成す面（つまりｂｃ面）に平行な面である。

【0018】

図３は、ａ軸の格子ベクトルに沿って、３つの格子ベクトルの原点の手前にａ面、つまり（１００）面を見たときのオフセット角度を示す概略図である。ｃ軸に付されたアスタリスクは、図面の奥方向に傾くｃ軸を、慣例的な図面内の方向として表すことを意味する。

【0019】

原点からａ面へａ軸方向に沿って進む右ねじの回転方向（図３では反時計回りの方向に対応）を正方向とした場合に、第１主面の面方位は、（０１１）面から正方向に１８．８２９２°以下で回転させた面方位であればよい。換言すれば、第１主面の（０１１）面に対するオフセット角度は、第１主面の面方位として（０１２）面が現れない角度であればよい。また、第１主面の面方位は、（０１１）面から負方向に１３．２５０４°以下で回転させた面方位であればよい。換言すれば、第１主面の（０１１）面に対するオフセット角度は、第１主面の面方位として（０２１）面が現れない角度であればよい。

【0020】

Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と同様に、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる。Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と同様に、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。また、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と同様に、酸素欠損のみでｎ型の伝導性を示す層、ｎ型不純物のみでｎ型の伝導性を示す層、及び、酸素欠損とｎ型不純物との両方でｎ型の伝導性を示す層のいずれであってもよい。なお、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の電子キャリア濃度は、例えば、エピタキシャル成長中における不純物の供給量または酸素欠陥を制御することで調節することができる。

【0021】

Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の第１主面上に設けられており、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と逆側に第２主面を有する。図１の例では第２主面は上面である。

【0022】

Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の第２主面の面方位は、（０１１）面であることが好ましく、第２主面の（０１１）面に対するオフセット角度は０°であることが最も望ましい。しかしながら、第２主面の面方位は、（０２１）面及び（０１２）面を除く（０２１）面から（０１２）面までの間の面方位であればよい。すなわち、第２主面の面方位は、（０１１）面から正方向に１８．８２９２°以下で回転させた面方位であればよく、第２主面の（０１１）面に対するオフセット角度は、第２主面の面方位として（０１２）面が現れない角度であればよい。また、第２主面の面方位は、（０１１）面から負方向に１３．２５０４°以下で回転させた面方位であればよく、換言すれば、第２主面の（０１１）面に対するオフセット角度は、第２主面の面方位として（０２１）面が現れない角度であればよい。

【0023】

一般的にＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の形成時には、様々な要因により単結晶基板中に欠陥が形成されることが知られている。例えば、（００１）面を主面としたＧａ_２Ｏ_３単結晶基板では、すべり面を起因とした欠陥が当該主面上に現れることになる。また、その単結晶基板上にエピタキシャル成長層を形成した場合には、その欠陥がエピタキシャル成長層に引き継がれ、エピタキシャル成長層の主面にも現れる。

【0024】

これに対して本実施の形態１のように第１主面及び第２主面のそれぞれの面方位が（０１１）面及びその付近である構成では、すべり面を起因とした欠陥が、第１主面及び第２主面に現れることが抑制されるので、欠陥密度を低減することができる。デバイスの特性に直接影響する因子である欠陥密度を低減化することにより、デバイスの漏れ電流の低減、または、逆方向耐圧の向上などが可能となるため、デバイス特性を高めることができる。

【0025】

＜製造方法＞
本実施の形態１に係るＧａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体の製造方法のうち、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２のエピタキシャル成長について主に説明する。以下、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の形成方法に、ＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いる場合について説明するが、これに限ったものではない。例えば、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の形成方法に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または、ミストＣＶＤ法などが用いられてもよい。

【0026】

ただし、ＭＢＥ法では、真空槽内にガリウム蒸気と酸素系ガスとを供給することによって、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１上にエピタキシャル成長を行うことが可能であるが、成長レートが比較的低く、厚い層の形成には長い時間を要するため、大量生産には不向きである。ＰＬＤ法では、基板への原料供給源であるソースが点源であり、ソース直上とそれ以外の場所との間で成長レートが異なるため、膜厚の面内分布が不均一になりやすく、面積の大きい膜の成長に不向きである。また、ＰＬＤ法では、成長レートが比較的低いため、大量生産には不向きである。ミストＣＶＤ法では、大口径化は比較的容易であるが、使用原料に含まれている不純物がエピタキシャル成長中にＧａ_２Ｏ_３単結晶層に取り込まれてしまうため、高純度なＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層を得ることが困難である。

【0027】

これに対して、ＨＶＰＥ法では、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等と比較して、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層の成膜レートが高く、膜厚の面内分布の均一性が高く、大口径化が可能であるため、大量生産に適している。

【0028】

図４は、ＨＶＰＥ法用の気相成長装置を概略的に例示する断面図である。ＨＶＰＥ法用の気相成長装置は、反応チャンバー２０と、反応チャンバー２０の周囲に設置され、反応チャンバー２０内を加熱する第１加熱手段２６及び第２加熱手段２７とを備える。

【0029】

反応チャンバー２０は、原料反応領域Ｒ１と、結晶成長領域Ｒ２とを有する。原料反応領域Ｒ１では、ガリウム原料が収容された反応容器２５が配置されており、塩化ガリウム系ガスが生成される。本実施の形態１では、反応容器２５に収容されるガリウム原料はガリウム金属体であるが、これに限ったものではない。

【0030】

結晶成長領域Ｒ２では、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１が配置されており、原料反応領域Ｒ１で生成されたガリウムの原料ガスである塩化ガリウム系ガスと、酸素の原料ガスである酸素含有ガスとによって、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の成長が行われる。反応チャンバー２０の材質は、例えば、石英ガラスなどであるが、特にこれに限定されるものではない。

【0031】

第１加熱手段２６及び第２加熱手段２７は、反応チャンバー２０の原料反応領域Ｒ１及び結晶成長領域Ｒ２をそれぞれ加熱することが可能である。第１加熱手段２６及び第２加熱手段２７のそれぞれは、例えば、抵抗加熱式や輻射加熱式の加熱装置であるが、特にこれらに限定されるものではない。

【0032】

反応チャンバー２０は、第１ガス導入ポート２１、第２ガス導入ポート２２、第３ガス導入ポート２３、及び、排気ポート２４を有する。

【0033】

第１ガス導入ポート２１は、不活性のキャリアガスを用いて、Ｃｌ_２ガスまたはＨＣｌガスを含む塩素含有ガスを、反応チャンバー２０の原料反応領域Ｒ１内に導入するためのポートである。不活性のキャリアガスは、例えば、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）またはヘリウムガス（Ｈｅ）などであり、以下において同様である。

【0034】

第２ガス導入ポート２２は、不活性のキャリアガスを用いて、酸素ガス（Ｏ_２）または水蒸気ガス（Ｈ_２Ｏ）を含む酸素含有ガスと、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２にＳｉ等の不純物を添加するための添加元素の原料ガスとを、反応チャンバー２０の結晶成長領域Ｒ２へ導入するためのポートである。

【0035】

第３ガス導入ポート２３は、不活性のキャリアガスを反応チャンバー２０の結晶成長領域Ｒ２へ導入するためのポートである。

【0036】

排気ポート２４は、反応チャンバー２０の結晶成長領域Ｒ２で用いられなかったガスなどを、反応チャンバー２０外に排気するためのポートである。

【0037】

次に、ＨＶＰＥ法を用いて本実施の形態１に係るＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成する例について説明する。

【0038】

まず、第１加熱手段２６を用いて反応チャンバー２０の原料反応領域Ｒ１を加熱することによって、原料反応領域Ｒ１の雰囲気温度を、予め定められた温度に保つ。

【0039】

次に、第１ガス導入ポート２１からキャリアガスを用いて塩素含有ガスを導入し、原料反応領域Ｒ１において、予め定められた温度に保たれた雰囲気温度下で反応容器２５内のガリウム金属体と塩素含有ガスとを反応させ、塩化ガリウム系ガスを生成する。生成される塩化ガリウム系ガスは、ＧａＣｌガスと、ＧａＣｌガスを除く他の塩化ガリウム系ガスとを含み、他の塩化ガリウム系ガスとしては、例えば、ＧａＣｌ_２ガス、ＧａＣｌ_３ガス、（ＧａＣｌ_３）_２ガス等が想定される。

【0040】

ＧａＣｌガスは、他の塩化ガリウム系ガスよりも、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長駆動力を高めることができる、換言すれば成長速度を向上させることができる温度に保つことができる。また、高純度、高品質のＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成するためには、高い温度での成長が有効である。以上のことから、ＧａＣｌガスの分圧が高い塩化ガリウム系ガスを生成することが好ましい。

【0041】

これを実現するために、原料反応領域Ｒ１内の雰囲気温度は、ＧａＣｌガスの分圧比が、他の塩化ガリウム系ガスの分圧比よりも高くなるような温度であることが好ましい。具体的には、原料反応領域Ｒ１の雰囲気温度を、ＧａＣｌガスの分圧比が高くなる３００℃以上の状態に第１加熱手段２６で保持して、反応容器２５内のガリウム金属体と塩素含有ガスとを反応させることが好ましい。例えば、原料反応領域Ｒ１の雰囲気温度が８５０℃である場合には、ＧａＣｌガスの分圧比が圧倒的に高くなり、他の塩化ガリウム系ガスはＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長にほとんど寄与しなくなる。

【0042】

また、第１加熱手段２６の寿命と、石英ガラス等からなる反応チャンバー２０の耐熱性とを考慮して、原料反応領域Ｒ１の雰囲気温度を１０００℃以下に保持した状態で、反応容器２５内のガリウム金属体と塩素含有ガスを反応させることが好ましい。

【0043】

ところで、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を成長させる雰囲気に水素を含まないようにすると、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の結晶成長駆動力が向上し、成長速度を向上させることができる。このため、塩化ガリウム系ガスは、ガリウム原料と、水素を含まない塩素含有ガスとの反応によって生成された、例えば水素を含まないＣｌ_２ガスなどであってもよく、酸素含有ガスは、水素を含まないＯ_２ガスなどであってもよい。

【0044】

以上の製造方法によれば、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の成長速度は、１時間当たり１μｍ以上、つまり１μｍ／ｈ以上にすることができる。

【0045】

次に、結晶成長領域Ｒ２において、原料反応領域Ｒ１で生成された塩化ガリウム系ガスと、第２ガス導入ポート２２から導入された酸素含有ガスとを混合させ、その混合ガスにＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１を曝す。これにより、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１上にＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２をエピタキシャル成長させる。このとき、反応チャンバー２０を収容する炉内の結晶成長領域Ｒ２における圧力は、例えば１ａｔｍに保たれる。

【0046】

添加元素としてＳｉまたはＡｌ等を含むＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成する場合には、添加元素の原料ガスを、塩化ガリウム系ガス及び酸素含有ガスに加えて、第２ガス導入ポート２２から結晶成長領域Ｒ２に導入する。例えば、添加元素としてＳｉを含むＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成する場合には、添加元素の原料ガスとして、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）などの塩化物系ガスが用いられる。

【0047】

なお、結晶成長領域Ｒ２におけるＯ_２ガスの供給分圧のＧａＣｌガスの供給分圧に対する比が０．５以上であり、成長温度が９００℃以上であることが、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を効率的に成長させる観点から好ましい。また、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の効率的な成長だけに着目すれば、成長温度が約１０００℃以上であることがより好ましい。なお、成長温度は、例えば、反応チャンバー２０内の雰囲気温度と、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の温度との少なくともいずれか１つに相当する。

【0048】

また、ＨＶＰＥ法を用いて形成されるＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２には、およそ５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の濃度の塩素が含まれる。これは、塩素含有ガスを用いてＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２が形成されることに起因する。ＨＶＰＥ法以外の塩素含有ガスを用いない方法によって形成されるＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２には、通常、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の塩素が含まれることはない。

【0049】

また、ＨＶＰＥ法を用いて形成されるＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の残留キャリア濃度は、１×１０^１３／ｃｍ^３以下となる。このため、ＳｉなどのＩＶ族元素を不純物ドーピングすれば、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２のキャリア濃度を、例えば、１×１０^１３～１×１０^２０／ｃｍ^３の範囲、つまり３×１０^１５／ｃｍ^３を含む範囲で制御することが可能である。なお、キャリア濃度は、例えばＣ－Ｖ（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ－ｖｏｌｔａｇｅ）法によって測定することができる。

【0050】

＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１によれば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の第１主面、及び、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の第２主面のそれぞれの面方位は、（０１１）面及びその付近である。このような構成によれば、第１主面及び第２主面の欠陥密度を低減することができ、デバイスの漏れ電流の低減、及び、逆方向耐圧の向上などが可能となるので、デバイス特性を高めることができる。

【0051】

また、塩化ガリウム系ガスと酸素含有ガスとを用いるＨＶＰＥ法によってＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成すれば、成膜レート、及び、膜厚の面内分布の均一性を高くすることができ、大口径化が可能となる。

【0052】

また、塩化ガリウム系ガスにおいて、ＧａＣｌガスの分圧比を、他の塩化ガリウム系ガスの分圧比よりも高くすれば、高純度、高品質のＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２を形成することができ、その成長駆動力を高めることができる。

【0053】

また、酸素の原料としてＨ_２Ｏを利用した場合、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の表面平坦性を向上させることができる。

【0054】

＜実施の形態２＞
図５は、本実施の形態２に係る半導体装置の構成を概略的に例示する断面図である。本実施の形態２に係る半導体装置は、実施の形態１に係るＧａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体を備えるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）である。しかしながら本実施の形態２に係る半導体装置は、ＳＢＤに限定されるものではなく、他の半導体ダイオードであってもよいし、これら以外の半導体装置であってもよい。

【0055】

図５の半導体装置は、上述したＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１及びＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と、アノード電極３と、カソード電極４とを備える。アノード電極３は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の上面上に設けられ、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と電気的にショットキー接合されたショットキー電極である。カソード電極４は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１のＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と逆側の面である下面上に設けられ、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１と電気的にオーミック接合されたオーミック電極である。

【0056】

ｎ型不純物を含むＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は、酸素欠損とｎ型不純物との合計の濃度となる。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は、例えば、１×１０^１７ｃｍ^－３以上、かつ、１×１０^１９ｃｍ^－３以下であってよい。また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１とカソード電極４とのコンタクト抵抗を低減するために、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の不純物濃度は、上記数値範囲よりも高濃度であってもよい。

【0057】

Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の上面上に配設される。Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の電子キャリア濃度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度よりも低いことが望ましく、例えば、１×１０^１５ｃｍ^－３以上、かつ、１×１０^１７ｃｍ^－３以下であってよい。

【0058】

アノード電極３は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の上面上に配設される。アノード電極３は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２とショットキー接合されるため、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の仕事関数よりも仕事関数が大きい金属材料で構成されることが好ましい。

【0059】

このような金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、または、パラジウム（Ｐｄ）であってよい。アノード電極３は、複数の金属材料を積層した積層構造であってよい。例えば、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２とのショットキー接合に適した金属材料からなる第１層を、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２に接触させて配設し、第１層の上面上に、他の金属材料からなる第２層を配設することによってアノード電極３を構成してもよい。

【0060】

カソード電極４は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の下面上に配設される。カソード電極４は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１とオーミック接合されるため、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の仕事関数よりも仕事関数が小さい金属材料で構成されることが好ましい。また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１に形成した後の熱処理によって、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１との接触抵抗が小さくなるような金属材料で、カソード電極４が構成されることが好ましい。

【0061】

このような金属材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）であってよい。また、カソード電極４は、アノード電極３と同様に、複数の金属材料を積層した積層構造であってもよい。例えば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の下面に酸化しやすい金属材料が接触している場合には、当該金属材料の下面上に酸化しにくい金属材料をさらに形成した積層構造のカソード電極４を構成してもよい。また例えば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１に接触し、オーミック接合に適したＴｉからなる第１層を配設し、第１層の下面上に、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）からなる第２層を配設することによってカソード電極４を構成してもよい。また、カソード電極４は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の下面の全体に配設されてもよく、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の下面の一部に配設されてもよい。

【0062】

以上のような実施の形態２によれば、実施の形態１の積層結晶構造体を利用することにより、デバイス特性が高められた半導体装置を実現することができる。

【0063】

＜実施の形態３＞
図６は、本実施の形態３に係る半導体装置の構成を概略的に例示する断面図である。本実施の形態３に係る半導体装置は、実施の形態１に係るＧａ_２Ｏ_３単結晶積層構造体を備える横型ショットキーゲートトランジスタである。しかしながら本実施の形態３に係る半導体装置は、横型ショットキーゲートトランジスタに限定されるものではなく、ゲート絶縁膜を有する他の半導体スイッチング素子であってもよいし、これら以外の半導体装置であってもよい。

【0064】

図６の半導体装置は、上述したＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１及びＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と、ソース電極５と、ドレイン電極６と、ゲート電極７とを備える。ソース電極５及びドレイン電極６は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の上面上に互いに離間して設けられ、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と電気的にオーミック接合されたオーミック電極である。ゲート電極７は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の上面上、かつ、ソース電極５とドレイン電極６との間に設けられ、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２と電気的にショットキー接合されたショットキー電極である。

【0065】

本実施の形態３に係る半導体装置は、電流の流れる方向が横方向であるため、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の電子キャリア濃度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度よりも高い。この点は、実施の形態２に示した縦型の半導体素子と異なる点であり、このようなＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２はそのｎ型不純物の濃度を調節することにより形成することができる。

【0066】

ｎ型不純物を含むＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は、酸素欠損とｎ型不純物との合計の濃度となる。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は、例えば、１×１０^１２ｃｍ^－３以上、かつ、１×１０^１５ｃｍ^－３以下であってよい。また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１の電子キャリア濃度は電流の流れに寄与しないので、不純物濃度は、上記数値範囲よりも低濃度であってもよい。つまり、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１を意図的に半絶縁化するために、鉄（Ｆｅ）等をＧａ_２Ｏ_３単結晶基板１に添加してもよい。

【0067】

一方、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の不純物濃度及び電子キャリア濃度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板１よりも高濃度であることが望ましく、その電子キャリア濃度は、例えば、１×１０^１５ｃｍ^－３以上、かつ、１×１０^１７ｃｍ^－３以下であってよい。

【0068】

ソース電極５及びドレイン電極６は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２とオーミック接合されるため、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の仕事関数よりも仕事関数が小さい金属材料で構成されることが好ましい。また、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２に形成した後の熱処理によって、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２との接触抵抗が小さくなるような金属材料で、ソース電極５及びドレイン電極６が構成されることが好ましい。このような金属材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）であってよい。また、ソース電極５及びドレイン電極６は、実施の形態２で説明したカソード電極４と同様に、積層構造であってもよい。

【0069】

ゲート電極７は、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２とショットキー接合されるため、Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層２の仕事関数よりも仕事関数が大きい金属材料で構成されることが好ましい。このような金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、または、パラジウム（Ｐｄ）であってよい。また、ゲート電極７は、実施の形態２で説明したアノード電極３と同様に、積層構造であってもよい。

【0070】

なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

【0071】

上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0072】

１ Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板、２ Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル成長層、３ アノード電極、４ カソード電極、５ ソース電極、６ ドレイン電極、７ ゲート電極。

【要約】

デバイス特性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。結晶積層構造体は、第１主面を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を備える。また、結晶積層構造体は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の第１主面上に設けられ、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板と逆側に第２主面を有するエピタキシャル成長層であるＧａ_２Ｏ_３単結晶層を備える。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の第１主面の面方位は、（０１１）面である。また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の第２主面は、（０１１）面である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】