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JP7610229B2 - Stacked structure, semiconductor device, and method for manufacturing stacked structure - Google Patents
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Stacked structure, semiconductor device, and method for manufacturing stacked structure Download PDF

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Description

本発明は、積層構造体、半導体装置及び積層構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated structure, a semiconductor device, and a method for manufacturing a laminated structure.

被成膜試料上に結晶性の高い酸化ガリウム系薄膜を形成する方法として、ミストCVD法等の水微粒子を用いた成膜手法が知られている(特許文献1)。この方法では、ガリウムアセチルアセトナートなどのガリウム化合物を塩酸などの酸に溶解して原料溶液を作成し、この原料溶液を微粒子化することによって原料微粒子を生成し、この原料微粒子をキャリアガスによって被成膜試料の成膜面に供給し、原料ミストを反応させて成膜面上に薄膜を形成することによって、被成膜試料上に結晶性の高い酸化ガリウム系薄膜を形成している。 As a method for forming a highly crystalline gallium oxide-based thin film on a sample to be deposited, a deposition technique using water particles such as a mist CVD method is known (Patent Document 1). In this method, a raw material solution is prepared by dissolving a gallium compound such as gallium acetylacetonate in an acid such as hydrochloric acid, and the raw material solution is atomized to generate raw material particles. These raw material particles are supplied to the deposition surface of the sample to be deposited by a carrier gas, and the raw material mist is reacted to form a thin film on the deposition surface, thereby forming a highly crystalline gallium oxide-based thin film on the sample to be deposited.

酸化ガリウム系薄膜を用いて半導体デバイスを形成するためには、酸化ガリウム系薄膜の導電性の制御が必須であり、特許文献1及び非特許文献1では、α-酸化ガリウム薄膜に不純物のドーピングを行う技術が開示されている。 In order to form a semiconductor device using a gallium oxide-based thin film, it is essential to control the conductivity of the gallium oxide-based thin film, and Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a technique for doping an α-gallium oxide thin film with an impurity.

特開2013-28480号公報JP 2013-28480 A 特開2015-199649号公報JP 2015-199649 A Electrical Conductive Corundum-Structured α-Ga2O3 Thin Films on Sapphire with Tin-Doping Grown by Spray-Assisted Mist Chemical Vapor Deposition(Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 070203)Electrical Conductive Corundum-Structured α-Ga2O3 Thin Films on Sapphire with Tin-Doping Grown by Spray-Assisted Mist Chemical Vapor Deposition (Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 070203)

特許文献1及び非特許文献1の方法によれば、導電性に優れたα-酸化ガリウム(以下、「α-Ga」ということもある)薄膜を形成することができるが、膜表面が平滑ではないといった特有の問題があり、半導体装置に用いるには、まだまだ満足のいくものではなかった。また、膜表面を平滑にするため、エッチング等の表面処理を行うことも考えられるが、この場合、薄膜が削られてしまったり、半導体特性が損なわれたりするなどの問題があった。 According to the methods of Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, a thin film of α-gallium oxide (hereinafter, sometimes referred to as "α-Ga 2 O 3 ") having excellent electrical conductivity can be formed, but there is a particular problem that the film surface is not smooth, and it is still not satisfactory for use in semiconductor devices. In addition, in order to smooth the film surface, it is possible to carry out a surface treatment such as etching, but in this case, there are problems such as the thin film being scraped off or the semiconductor properties being impaired.

この問題に対し、特許文献2は平均粗さ(Ra)を低減する方法を開示している。しかしながら、この方法を用いても表面の平坦性は十分とは言えず、得られた膜を用いた半導体装置特性も満足のいくものではなかった。 To address this issue, Patent Document 2 discloses a method for reducing the average roughness (Ra). However, even with this method, the surface flatness is still not sufficient, and the characteristics of the semiconductor device using the obtained film are also unsatisfactory.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、表面が平滑なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を含み、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体を提供すること、さらに、結晶欠陥の低減された結晶性酸化物膜を有する積層構造体を提供すること、及び、前記積層構造体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a laminated structure that includes a crystalline oxide film having a smooth surface and a corundum structure, and that has excellent semiconductor properties when applied to a semiconductor device, and further to provide a laminated structure having a crystalline oxide film with reduced crystal defects, and to provide a method for manufacturing the laminated structure.

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、下地基板と、コランダム構造を有する結晶性酸化物膜とを有する積層構造体であって、前記結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含み、前記結晶性酸化物膜の二乗平均平方根粗さ(RMS)が0.1μm以下である積層構造体を提供する。 The present invention has been made to achieve the above object, and provides a laminated structure having a base substrate and a crystalline oxide film having a corundum structure, the crystalline oxide film containing at least carbon (C) as an impurity, and the root mean square roughness (RMS) of the crystalline oxide film being 0.1 μm or less.

このような積層構造体は、表面が平滑な結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性は優れたものとなる。 Such a laminated structure has a crystalline oxide film with a smooth surface, and when applied to a semiconductor device, it has excellent semiconductor properties.

このとき、前記結晶性酸化物膜中のC濃度が2×1017~2×1020/cmである積層構造体とすることができる。 In this case, the laminated structure can have a C concentration in the crystalline oxide film of 2×10 17 to 2×10 20 /cm 3 .

これにより、表面がより平滑なものとなり、半導体装置に適用した場合に半導体特性がより優れたものとなる。 This results in a smoother surface, which in turn results in better semiconductor properties when applied to semiconductor devices.

このとき、前記結晶性酸化物膜の膜厚が1μm以上である積層構造体とすることができる。 In this case, the layered structure can have a thickness of the crystalline oxide film of 1 μm or more.

これにより、平滑な表面を有し、厚膜の積層構造体となる。 This results in a thick laminated structure with a smooth surface.

このとき、前記下地基板がc面サファイア基板である積層構造体とすることができる。 In this case, the underlying substrate can be a c-plane sapphire substrate to form a laminate structure.

これにより、より良質なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を備えた積層構造体となる。 This results in a laminated structure with a crystalline oxide film having a better quality corundum structure.

このとき、前記結晶性酸化物膜の面積が100mm以上である積層構造体とすることができる。 In this case, the area of the crystalline oxide film can be 100 mm 2 or more.

これにより、半導体装置により有用な、大面積のものとなる。 This makes it more useful for semiconductor devices and results in a larger area.

また、原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子を、キャリアガスによって基板へ搬送し、前記基板上で前記原料微粒子を熱反応させて、コランダム構造を有する結晶性酸化物膜を成膜する積層構造体の製造方法であって、前記原料溶液に少なくとも炭素(C)を含む表面平滑剤を混合することで、前記結晶性酸化物膜へのCのドーピング処理を行い、前記結晶性酸化物膜の表面の二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下とする積層構造体の製造方法を提供することができる。 In addition, a method for manufacturing a laminated structure can be provided in which raw material fine particles generated by atomizing a raw material solution are transported to a substrate by a carrier gas, and the raw material fine particles are thermally reacted on the substrate to form a crystalline oxide film having a corundum structure, and a surface smoothing agent containing at least carbon (C) is mixed into the raw material solution to perform a C doping process on the crystalline oxide film, thereby making the root mean square roughness (RMS) of the surface of the crystalline oxide film 0.1 μm or less.

このような積層構造体の製造方法によれば、平滑な表面を有するコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を含む積層構造体であり、半導体装置に適用した場合に半導体特性は優れた積層構造体を製造することができる。 This method for manufacturing a laminated structure can produce a laminated structure that includes a crystalline oxide film having a corundum structure with a smooth surface, and that has excellent semiconductor properties when applied to a semiconductor device.

このとき、前記表面平滑剤として、アルコール類又はジケトン類のいずれか1つ以上を用いる積層構造体の製造方法とすることができる。 In this case, the method for manufacturing the laminated structure can use one or more of alcohols or diketones as the surface smoothing agent.

これにより、より平滑な表面を有する積層構造体を、より効果的により安定して製造することができる。 This allows laminated structures with smoother surfaces to be produced more effectively and stably.

さらに、コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜と、コランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜とを含む積層構造体であって、前記第二の結晶性酸化物膜の上に前記第一の結晶性酸化物膜を有し、前記第二の結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含むものである積層構造体を提供する。 Furthermore, the present invention provides a laminated structure including a first crystalline oxide film having a corundum structure and a second crystalline oxide film having a corundum structure, the first crystalline oxide film being disposed on the second crystalline oxide film, and the second crystalline oxide film containing at least carbon (C) as an impurity.

このような積層構造体は、コランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜の表面が平滑となるため、コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜の結晶欠陥が低減されたものとなる。このような積層構造体は、半導体特性は非常に優れたものとなる。 In such a laminated structure, the surface of the second crystalline oxide film having a corundum structure is smooth, and therefore the crystal defects of the first crystalline oxide film having a corundum structure are reduced. Such a laminated structure has very excellent semiconductor properties.

このとき、前記第二の結晶性酸化物膜中のC濃度が2×1017~2×1020/cmである積層構造体とすることができる。 In this case, the second crystalline oxide film may have a C concentration of 2×10 17 to 2×10 20 /cm 3 , forming a laminate structure.

これにより、表面がより平滑なものとなり、半導体装置に適用した場合に半導体特性がより優れたものとなる。 This results in a smoother surface, which in turn results in better semiconductor properties when applied to semiconductor devices.

このとき、前記第一の結晶性酸化物膜の膜厚が1μm以上である積層構造体とすることができる。さらに、第一の結晶性酸化物膜の面積が100mm以上である積層構造体とすることができる。 In this case, the first crystalline oxide film may have a thickness of 1 μm or more, and the area of the first crystalline oxide film may be 100 mm 2 or more.

これにより、半導体装置により有用なものとなる。 This makes the semiconductor device more useful.

このとき、上記の積層構造体を含む半導体装置とすることができる。 At this time, a semiconductor device can be formed that includes the above-mentioned laminated structure.

これにより、優れた特性を有する半導体装置となる。 This results in a semiconductor device with excellent characteristics.

以上のように、本発明の積層構造体によれば、表面が平滑なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体となる。また、本発明の積層構造体の製造方法によれば、表面が平滑なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体を製造することが可能となる。さらに、本発明の積層構造体によれば、膜中の結晶欠陥が低減されたコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を含み、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体となる。 As described above, the laminated structure of the present invention has a crystalline oxide film having a smooth surface and a corundum structure, and when applied to a semiconductor device, the laminated structure has excellent semiconductor properties. In addition, the method for manufacturing the laminated structure of the present invention makes it possible to manufacture a laminated structure having a crystalline oxide film having a smooth surface and a corundum structure, and when applied to a semiconductor device, the laminated structure has excellent semiconductor properties. Furthermore, the laminated structure of the present invention includes a crystalline oxide film having a corundum structure with reduced crystal defects in the film, and when applied to a semiconductor device, the laminated structure has excellent semiconductor properties.

本発明に係る成膜方法に用いる成膜装置の一例を示す概略構成図である。1 is a schematic diagram showing an example of a film forming apparatus used in a film forming method according to the present invention; 本発明に係る積層構造体の一例を示す概略構成図である。1 is a schematic diagram showing an example of a laminated structure according to the present invention.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention is described in detail below, but is not limited to these.

上述のように、表面が平滑なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を含み、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体、前記積層構造体の製造方法及び膜中の結晶欠陥が低減されたコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を含み、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体を提供することを提供することが求められていた。 As described above, there was a need to provide a laminate structure that includes a crystalline oxide film having a corundum structure with a smooth surface and has excellent semiconductor properties when applied to a semiconductor device, a method for manufacturing the laminate structure, and a laminate structure that includes a crystalline oxide film having a corundum structure with reduced crystal defects in the film and has excellent semiconductor properties when applied to a semiconductor device.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、下地基板と、コランダム構造を有する結晶性酸化物膜とを有する積層構造体であって、前記結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含み、前記結晶性酸化物膜の二乗平均平方根粗さ(RMS)が0.1μm以下である積層構造体により、表面が平滑な結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体となることを見出し、本発明を完成した。 As a result of extensive research into the above-mentioned problems, the inventors discovered that a laminate structure having a base substrate and a crystalline oxide film having a corundum structure, in which the crystalline oxide film contains at least carbon (C) as an impurity and the root mean square roughness (RMS) of the crystalline oxide film is 0.1 μm or less, has a crystalline oxide film with a smooth surface, and when applied to a semiconductor device, the laminate structure has excellent semiconductor properties, and thus completed the present invention.

また、本発明者らは、原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子を、キャリアガスによって基板へ搬送し、前記基板上で前記原料微粒子を熱反応させて、コランダム構造を有する結晶性酸化物膜を成膜する積層構造体の製造方法であって、前記原料溶液に少なくとも炭素(C)を含む表面平滑剤を混合することで、前記結晶性酸化物膜へのCのドーピング処理を行い、前記結晶性酸化物膜の表面の二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下とする積層構造体の製造方法により、表面が平滑な結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体を製造することができることを見出し、本発明を完成した。 The inventors have also discovered that a method for producing a laminated structure in which raw material fine particles produced by atomizing a raw material solution are transported to a substrate by a carrier gas, and the raw material fine particles are thermally reacted on the substrate to form a crystalline oxide film having a corundum structure, and a surface smoothing agent containing at least carbon (C) is mixed into the raw material solution to perform a C doping process on the crystalline oxide film, and the root mean square roughness (RMS) of the surface of the crystalline oxide film is set to 0.1 μm or less, can produce a laminated structure having a crystalline oxide film with a smooth surface and excellent semiconductor properties when applied to a semiconductor device, thereby completing the present invention.

さらに、本発明者らは、コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜と、コランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜とを含む積層構造体であって、前記第二の結晶性酸化物膜の上に前記第一の結晶性酸化物膜を有し、前記第二の結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含むものである積層構造体により、膜中の結晶欠陥が低減された結晶性酸化物膜を有し、半導体装置に適用した場合に半導体特性の優れた積層構造体となることを見出し、本発明を完成した。 The inventors further discovered that a laminate structure including a first crystalline oxide film having a corundum structure and a second crystalline oxide film having a corundum structure, the first crystalline oxide film being disposed on the second crystalline oxide film, and the second crystalline oxide film containing at least carbon (C) as an impurity, has a crystalline oxide film with reduced crystal defects in the film, and when applied to a semiconductor device, the laminate structure has excellent semiconductor properties, and thus completed the present invention.

以下、図面を参照して説明する。 The following explanation will be given with reference to the drawings.

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、表面平滑剤を用いたドーピング処理により、結晶性酸化物膜の表面が平滑な結晶性積層構造体が得られることを見出し、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive research into achieving the above object, the inventors discovered that a crystalline laminated structure with a smooth surface of a crystalline oxide film can be obtained by doping with a surface smoothing agent, and after further research, they have completed the present invention.

本発明の第一の形態によれば、下地基板と、その上に直接又は別の層を介してコランダム構造を有する結晶性酸化物膜とを備え、前記結晶性酸化物膜の二乗平均平方根粗さ(RMS)が0.1μm以下である結晶性積層構造体を提供する。 According to a first aspect of the present invention, a crystalline laminated structure is provided that includes a base substrate and a crystalline oxide film having a corundum structure formed thereon, either directly or via another layer, and the root mean square roughness (RMS) of the crystalline oxide film is 0.1 μm or less.

また、本発明の第二の形態によれば、少なくとも、コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜と、コランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜とを備え、第二の結晶性酸化物膜の上に第一の結晶性酸化物膜が設けられており、第二の結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含む結晶性積層構造体を提供する。 According to a second aspect of the present invention, a crystalline laminated structure is provided that includes at least a first crystalline oxide film having a corundum structure and a second crystalline oxide film having a corundum structure, the first crystalline oxide film being provided on the second crystalline oxide film, and the second crystalline oxide film containing at least carbon (C) as an impurity.

前記二乗平均平方根粗さ(RMS)は、0.1μm以下であれば特に限定されないが、30nm以下であるのが好ましく、10nm以下であるのがより好ましい。なお、二乗平均平方根粗さ(RMS)は、原子間力顕微鏡(AFM)による10μm角の領域についての表面形状測定結果を用い、JIS B0601に基づき(同規格内におけるRqに相当)算出して得た値をいう。 The root mean square roughness (RMS) is not particularly limited as long as it is 0.1 μm or less, but is preferably 30 nm or less, and more preferably 10 nm or less. The root mean square roughness (RMS) refers to a value calculated based on JIS B0601 (corresponding to Rq in the same standard) using the surface shape measurement results for a 10 μm square area using an atomic force microscope (AFM).

本発明に係る積層構造体は、一層以上の結晶性酸化物膜を含む構造体である。例えば、一層以上の結晶性酸化物膜と下地基板又は薄膜の積層体であってよい。結晶性酸化物膜以外の膜(層)(例:アモルファス層)を含んでいてもよい。下地基板が除去された、複数の膜(層)からなる積層体であってもよい。 The laminated structure according to the present invention is a structure containing one or more crystalline oxide films. For example, it may be a laminate of one or more crystalline oxide films and an underlying substrate or thin film. It may also contain a film (layer) other than a crystalline oxide film (e.g., an amorphous layer). It may also be a laminate consisting of multiple films (layers) from which the underlying substrate has been removed.

前記結晶性酸化物膜は、アニール処理を施したものであってもよく、これにより、結晶性酸化物膜とオーミック電極との間にオーミック電極が酸化した金属酸化膜が形成されていてもよい。オーミック電極としてはインジウムやチタンなどが挙げられる。 The crystalline oxide film may be annealed, so that a metal oxide film formed by oxidizing the ohmic electrode may be formed between the crystalline oxide film and the ohmic electrode. Examples of the ohmic electrode include indium and titanium.

下地基板は、上記の結晶性酸化物膜の支持体となるものであれば特に限定されない。材料は特に限定されず、公知の基体を用いることができ、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。例えば、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、鉄やアルミニウム、ステンレス鋼、金等の金属、シリコン、サファイア、石英、ガラス、炭酸カルシウム、酸化ガリウム、SiC、ZnO、GaN等が挙げられるが、これに限られるものではない。本発明に係る積層構造体においては、コランダム構造を有する基板が好ましい。コランダム構造を有する基板としては、サファイア基板(例:c面サファイア基板)や、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。特に、c面サファイア基板を用いることが好ましい。より良質なコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を得ることができるためである。下地基板の厚さは特に限定されないが、好ましくは、10~2000μmであり、より好ましくは50~800μmである。その面積は100mm以上が好ましく、より好ましくは口径(直径)が2インチ(50mm)以上である。 The base substrate is not particularly limited as long as it can be a support for the crystalline oxide film. The material is not particularly limited, and a known substrate can be used, and may be an organic compound or an inorganic compound. For example, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyimide, polyetherimide, fluororesin, metals such as iron, aluminum, stainless steel, and gold, silicon, sapphire, quartz, glass, calcium carbonate, gallium oxide, SiC, ZnO, GaN, and the like can be mentioned, but are not limited thereto. In the laminated structure according to the present invention, a substrate having a corundum structure is preferable. Examples of the substrate having a corundum structure include a sapphire substrate (e.g., a c-plane sapphire substrate) and an α-type gallium oxide substrate. In particular, it is preferable to use a c-plane sapphire substrate. This is because a crystalline oxide film having a better quality corundum structure can be obtained. The thickness of the base substrate is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm, and more preferably 50 to 800 μm. Its area is preferably 100 mm2 or more, and more preferably its aperture (diameter) is 2 inches (50 mm) or more.

結晶性酸化物膜は、コランダム構造を有し酸化物半導体を主成分として含む薄膜であれば特に限定されない。また、前記結晶性酸化物膜は、単結晶であることが好ましいが、多結晶であってもよい。前記結晶性酸化物膜の組成は、この膜中に含まれる金属元素中の金属元素中のガリウム、インジウム、アルミニウムおよび鉄の合計の原子比が0.5以上であることが好ましく、金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上であることがより好ましい。この好ましい原子比は、具体的には例えば、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。本発明においては、金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上であることがより好ましいが、これは、より好適に前記原料溶液中の表面平滑剤の機能を発現させることができ、前記結晶性酸化物膜の表面粗さをより低減することができるからである。 The crystalline oxide film is not particularly limited as long as it is a thin film having a corundum structure and containing an oxide semiconductor as a main component. The crystalline oxide film is preferably single crystal, but may be polycrystalline. The composition of the crystalline oxide film is preferably such that the total atomic ratio of gallium, indium, aluminum, and iron in the metal elements contained in the film is 0.5 or more, and more preferably the atomic ratio of gallium in the metal elements is 0.5 or more. Specifically, this preferred atomic ratio is, for example, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, or 1, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here. In the present invention, it is more preferable that the atomic ratio of gallium in the metal elements is 0.5 or more, because this can more suitably express the function of the surface smoothing agent in the raw material solution and further reduce the surface roughness of the crystalline oxide film.

また、結晶性酸化物膜の組成は、例えば、一般式:InAlGaFe(0≦X≦2.5、0≦Y≦2.5、0≦Z≦2.5、0≦V≦2.5、X+Y+Z+V=1.5~2.5)であることが好ましく、1≦Zであることがより好ましい。この一般式において、好ましいX、Y、Z及びVは、それぞれ、具体的には例えば、0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5である。また、好ましいX+Y+Z+Vは、具体的には、例えば、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5である。なお、前記X、Y、Z及びV並びにX+Y+Z+Vは、それぞれ、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。なお、上記一般式は、コランダム構造を形成する格子点上の原子の組成を表現しているのであって、「X+Y+Z+V=2」と表記していないことからも明らかなように、ノンストイキオメトリー酸化物も含んでいてもよく、これは、金属不足酸化物、酸素不足酸化物も含んでいてもよい。 The composition of the crystalline oxide film is preferably, for example, the general formula : InXAlYGaZFeVO3 (0≦X≦2.5, 0≦Y≦2.5, 0≦Z≦2.5, 0≦V≦2.5, X+Y+Z+V=1.5 to 2.5), and more preferably 1≦Z. In this general formula, specific preferred X, Y , Z and V are, for example, 0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 and 2.5, respectively. In addition, preferred X+Y+Z+V are, for example, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, and 2.5. The X, Y, Z, and V, as well as X+Y+Z+V, may each be within a range between any two of the numerical values exemplified here. The above general formula expresses the composition of atoms on the lattice points forming the corundum structure, and as is clear from the fact that it is not written as "X+Y+Z+V=2", it may also include non-stoichiometric oxides, which may also include metal-deficient oxides and oxygen-deficient oxides.

結晶性酸化物膜は、下地基板上に直接形成してもよく、別の層を介して形成してもよい。別の層としては、別の組成のコランダム構造を有する結晶膜、コランダム構造以外の結晶膜、又はアモルファス膜などが挙げられる。例えば、Cがドープされ表面が平滑化された結晶性酸化物膜と下地基板との間に、Cをドープしていない結晶性酸化物膜を介在させた積層構造体とすることもできる。 The crystalline oxide film may be formed directly on the base substrate, or may be formed via another layer. Examples of the other layer include a crystalline film having a corundum structure of a different composition, a crystalline film other than a corundum structure, or an amorphous film. For example, a laminated structure may be formed in which a crystalline oxide film that is not doped with C is interposed between a crystalline oxide film that is doped with C and has a smoothed surface and the base substrate.

結晶性酸化物膜は、その少なくとも一部(より具体的には厚さ方向の一部)に不純物がドーピングされているのが好ましいが、構造としては、単層構造であってもよく、複数層構造であってもよい。複数層構造の場合、結晶性酸化物膜は、例えば、絶縁性薄膜と導電性薄膜が積層されて構成されるが、本発明においては、これに限定されるものではない。なお、絶縁性薄膜と導電性薄膜とが積層されて複数層構造が構成される場合、絶縁性薄膜と導電性薄膜の組成は、同じであっても互いに異なっていてもよい。絶縁性薄膜と導電性薄膜の厚さの比は、特に限定されないが、例えば、(導電性薄膜の厚さ)/(絶縁性薄膜の厚さ)の比が0.001~100であるのが好ましく、0.1~5がさらに好ましい。このさらに好ましい比は、具体的には例えば、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2,3、4、5であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 It is preferable that at least a portion of the crystalline oxide film (more specifically, a portion in the thickness direction) is doped with impurities, but the structure may be a single layer structure or a multi-layer structure. In the case of a multi-layer structure, the crystalline oxide film is, for example, formed by laminating an insulating thin film and a conductive thin film, but the present invention is not limited to this. In addition, when an insulating thin film and a conductive thin film are laminated to form a multi-layer structure, the compositions of the insulating thin film and the conductive thin film may be the same or different from each other. The thickness ratio of the insulating thin film and the conductive thin film is not particularly limited, but for example, the ratio of (thickness of the conductive thin film)/(thickness of the insulating thin film) is preferably 0.001 to 100, and more preferably 0.1 to 5. More specifically, the more preferred ratios are, for example, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 3, 4, and 5, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here.

導電性薄膜は、導電性を付与するための不純物でドーピングされていてもよい。適宜導電性を調節することで、結晶性酸化物半導体膜とすることができる。導電性を付与するための不純物のドーピング濃度は、導電性薄膜に対して要求される特性によって適宜決定されるが、好ましくは1×1015/cmから1×1022/cmである。また、ドーピングする不純物の種類は、特に限定されないが、例えば、Ge、Sn、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Rh、Ag、及びCuから選択される少なくとも1種からなるドーパントなどが挙げられる。絶縁性薄膜は、通常、不純物のドーピングが不要であるが、導電性が現れない程度にドーピングされていてもよい。 The conductive thin film may be doped with impurities for imparting conductivity. By appropriately adjusting the conductivity, a crystalline oxide semiconductor film can be obtained. The doping concentration of the impurities for imparting conductivity is appropriately determined depending on the characteristics required for the conductive thin film, and is preferably 1×10 15 /cm 3 to 1×10 22 /cm 3. The type of impurity to be doped is not particularly limited, and examples thereof include dopants consisting of at least one selected from Ge, Sn, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Rh, Ag, and Cu. The insulating thin film does not usually require doping with impurities, but may be doped to the extent that it does not exhibit conductivity.

結晶性酸化物膜の厚さは、特に限定されず、1μm以下であってもよいし、1μm以上であってもよいが、本発明においては、前記結晶性酸化物膜の膜厚が1μm以上であるのが好ましく、1~50μmであるのがより好ましい。このような好ましい膜厚とすることで、半導体特性を損なうことなく、表面平滑性がより優れたものとなるだけでなく、アニール処理時に電気抵抗を低減することもでき、より優れた半導体特性を得ることができる。 The thickness of the crystalline oxide film is not particularly limited and may be 1 μm or less or 1 μm or more, but in the present invention, the thickness of the crystalline oxide film is preferably 1 μm or more, and more preferably 1 to 50 μm. By setting the thickness to such a preferred thickness, not only can the surface smoothness be improved without impairing the semiconductor properties, but the electrical resistance can also be reduced during annealing treatment, resulting in better semiconductor properties.

本発明に係る積層構造体は、原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子をキャリアガスによって成膜室に供給して前記成膜室内に配置された下地基板上にコランダム構造を有する結晶性酸化物膜を形成する際に、前記結晶性酸化物膜に表面平滑剤を用いてドーピング処理を行うことにより、前記結晶性酸化物膜の表面粗さである二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下にすることで製造される。 The laminated structure according to the present invention is manufactured by forming a crystalline oxide film having a corundum structure on a base substrate placed in a film-forming chamber by atomizing a raw material solution to produce fine raw material particles, and then doping the crystalline oxide film with a surface smoothing agent to reduce the surface roughness of the crystalline oxide film, that is, the root-mean-square roughness (RMS), to 0.1 μm or less.

図1に、本発明に係る積層構造体の製造に使用可能な成膜装置101の一例を示す。成膜装置101は、原料溶液をミスト化してミストを発生させるミスト化部120と、ミストを搬送するキャリアガスを供給するキャリアガス供給部130と、ミストを熱処理して基板上に成膜を行う成膜部140と、微粒子化部120と成膜部140とを接続し、キャリアガスによってミストが搬送される搬送部109とを有する。また、成膜装置101は、成膜装置101の全体又は一部を制御する制御部(図示なし)を備えることによって、その動作が制御されてもよい。成膜装置101の詳細については、後述の実施例で説明する。 Figure 1 shows an example of a film forming apparatus 101 that can be used to manufacture the laminated structure according to the present invention. The film forming apparatus 101 has a mist generating section 120 that generates mist by misting a raw material solution, a carrier gas supply section 130 that supplies a carrier gas for transporting the mist, a film forming section 140 that heat-treats the mist to form a film on a substrate, and a transport section 109 that connects the atomization section 120 and the film forming section 140 and transports the mist by the carrier gas. The film forming apparatus 101 may also be controlled in its operation by including a control section (not shown) that controls the entire or part of the film forming apparatus 101. Details of the film forming apparatus 101 will be described in the examples below.

より具体的には、結晶性酸化物膜は、原料化合物が溶解した原料溶液から生成された原料微粒子を成膜室に供給して、前記成膜室内で前記原料化合物を反応させることによって形成することができる。原料溶液の溶媒は、水もしくは過酸化水素水であることが好ましい。薄膜に不純物ドーピングをする場合は、ドーパント原料の存在下で、上記原料化合物を熱反応させればよい。ドーパント原料は、好ましくは、原料溶液に含められて、原料化合物と共に微粒子化される。なお、本願においては、導電性を発現させるためのn型ドーパントおよびp型ドーパントの他、表面平滑効果をもたらす元素もドーパントと呼称する。 More specifically, the crystalline oxide film can be formed by supplying raw material fine particles generated from a raw material solution in which raw material compounds are dissolved to a film formation chamber and reacting the raw material compounds in the film formation chamber. The solvent of the raw material solution is preferably water or hydrogen peroxide. When doping an impurity into a thin film, the raw material compounds may be thermally reacted in the presence of a dopant raw material. The dopant raw material is preferably included in the raw material solution and is microparticulated together with the raw material compounds. In this application, in addition to n-type dopants and p-type dopants for expressing conductivity, elements that bring about a surface smoothing effect are also referred to as dopants.

結晶性酸化物膜の形成方法は特に限定されないが、例えば、ガリウム化合物の他、鉄化合物、インジウム化合物、アルミニウム化合物、バナジウム化合物、チタン化合物、クロム化合物、ロジウム化合物、イリジウム化合物、ニッケル化合物及びコバルト化合物から選ばれる1種又は2種以上の金属を結晶性酸化物膜の組成に合わせて組み合わせた原料化合物を熱反応させることによって形成可能である。これによって、下地基板上に、下地基板側から結晶性酸化物膜を結晶成長させることができる。上記の金属化合物としては、それぞれの金属についての有機金属錯体(例:アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体)やハロゲン化物(フッ化、塩化、臭化、又はヨウ化物)としてもよいし、例えば、金属ガリウムや金属インジウムを出発材料とし、成膜直前にガリウム化合物及びインジウム化合物に変化させたものであってもよい。また、金属ガリウムを塩酸や臭化水素酸などの酸に溶解したものもガリウム化合物として用いることができる。 The method of forming the crystalline oxide film is not particularly limited, but for example, the crystalline oxide film can be formed by thermally reacting a raw material compound in which one or more metals selected from gallium compounds, iron compounds, indium compounds, aluminum compounds, vanadium compounds, titanium compounds, chromium compounds, rhodium compounds, iridium compounds, nickel compounds, and cobalt compounds are combined according to the composition of the crystalline oxide film. This allows the crystalline oxide film to grow crystals on the base substrate from the base substrate side. The above metal compounds may be organometallic complexes (e.g., acetylacetonate complexes, carbonyl complexes, ammine complexes, and hydride complexes) or halides (fluorides, chlorides, bromides, or iodides) of each metal, or may be compounds that are made by using metallic gallium or metallic indium as a starting material and changing them into gallium compounds and indium compounds just before film formation. In addition, metallic gallium dissolved in an acid such as hydrochloric acid or hydrobromic acid can also be used as the gallium compound.

さらに、前記原料溶液には酸を混合してもよい。前記酸としては、例えば、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸などのハロゲン化水素、次亜塩素酸、亜塩素酸、次亜臭素酸、亜臭素酸、次亜ヨウ素酸、ヨウ素酸等のハロゲンオキソ酸、蟻酸、硝酸、等が挙げられる。また、前記原料溶液には塩基を混合してもよい。前記塩基としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化銅、水酸化鉄、等が挙げられる。中でも特にアンモニアは沸点が低いため、溶液を加熱した際に残渣を残さないという点で最も好ましい。 Furthermore, an acid may be mixed into the raw material solution. Examples of the acid include hydrogen halides such as hydrobromic acid, hydrochloric acid, and hydroiodic acid, halogen oxo acids such as hypochlorous acid, chlorous acid, hypobromous acid, bromous acid, hypoiodous acid, and iodic acid, formic acid, and nitric acid. In addition, a base may be mixed into the raw material solution. Examples of the base include potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia, calcium hydroxide, barium hydroxide, magnesium hydroxide, copper hydroxide, and iron hydroxide. Among these, ammonia is particularly preferable because it has a low boiling point and leaves no residue when the solution is heated.

本発明に係る積層構造体及び積層構造体の製造方法においては、ドーピング処理を、前記原料溶液に表面平滑剤を含めて行う。前記原料溶液に表面平滑剤を含めてドーピング処理を行うことで、効率よく、工業的有利に表面粗さが0.1μm以下の結晶性酸化物膜を備える結晶性積層構造体を製造することができる。 In the laminated structure and the method for manufacturing the laminated structure according to the present invention, the doping process is carried out by including a surface smoothing agent in the raw material solution. By carrying out the doping process by including a surface smoothing agent in the raw material solution, it is possible to efficiently and industrially advantageously manufacture a crystalline laminated structure having a crystalline oxide film with a surface roughness of 0.1 μm or less.

表面平滑剤は、結晶性酸化物膜の二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下とすることができれば特に限定されないが、本発明に係る積層構造体の製造方法においては、有機化合物であることが好ましく、さらには、アルコール類もしくはジケトン類であることがより好ましい。より平滑な表面を有する積層構造体を、より効果的により安定して製造することができる。ここで、アルコール類とは例えば、メタノール、エタノール、プロパノールの他、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコールのようなジオール類や、グリセリンのようなトリオール類、が挙げられ、いずれでも構わない。ジケトン類とは例えば、ジアセチル、アセチルアセトン、2,5―ヘキサンジオン、ジメドン、などが挙げられ、いずれでも構わない。 The surface smoothing agent is not particularly limited as long as it can make the root mean square roughness (RMS) of the crystalline oxide film 0.1 μm or less. In the method for producing a laminated structure according to the present invention, however, it is preferably an organic compound, and more preferably an alcohol or a diketone. A laminated structure having a smoother surface can be produced more effectively and stably. Here, examples of alcohols include methanol, ethanol, and propanol, as well as diols such as ethylene glycol, propylene glycol, and diethylene glycol, and triols such as glycerin, and any of these may be used. Examples of diketones include diacetyl, acetylacetone, 2,5-hexanedione, and dimedone, and any of these may be used.

表面平滑剤としてアルコールやジケトンを用いると、Cが膜中に導入され表面粗さの悪化を抑制することができる。Cが結晶格子間に入るなどして、格子歪みを緩和する効果をもたらしていると考えられる。また、基板表面で表面平滑剤分子が立体障害を誘発し、平面的な結晶成長を促していることも考えられる。 When alcohol or diketone is used as a surface smoothing agent, C is introduced into the film, which can prevent the surface roughness from worsening. It is thought that C has the effect of alleviating lattice distortion by entering between the crystal lattices. It is also thought that the molecules of the surface smoothing agent induce steric hindrance on the substrate surface, promoting planar crystal growth.

表面平滑剤は、原料化合物が溶解した水溶液に直接添加しても構わないし、事前に表面平滑剤を水に溶解しpHを調整したものを、原料化合物が溶解した水溶液に加えても構わない。 The surface smoothing agent may be added directly to the aqueous solution in which the raw material compounds are dissolved, or the surface smoothing agent may be dissolved in water in advance and the pH adjusted, and then the solution in which the raw material compounds are dissolved may be added.

本発明に係る積層構造体においては、前記結晶性酸化物膜中のCの含有量が、2×1017~2×1020(atoms/cm)であるのが好ましく、3×1017~1×1020(atoms/cm)であるのがより好ましく、4×1017~8×1019(atoms/cm)であるのが最も好ましい。 In the layered structure according to the present invention, the C content in the crystalline oxide film is preferably 2×10 17 to 2×10 20 (atoms/cm 3 ), more preferably 3×10 17 to 1×10 20 (atoms/cm 3 ), and most preferably 4×10 17 to 8×10 19 (atoms/cm 3 ).

また、本発明に係る積層構造体の製造方法においては、表面平滑剤として、メタノールもしくはアセチルアセトンを用いることが最も好ましく、メタノールもしくはアセチルアセトンを使用することにより、特に、α-Gaを主成分として含む結晶性酸化物膜の表面を非常に平滑にすることができる。表面平滑剤の添加量は特に限定されないが、原料溶液中、体積比で10%以下であることが好ましく、7%以下であることがより好ましく、3~0.001%の範囲内であることが最も好ましい。このような好ましい範囲で使用することにより、表面平滑剤として機能させることができるので、結晶性酸化物膜の表面を平滑にすることができる。 Furthermore, in the method for producing a laminated structure according to the present invention, it is most preferable to use methanol or acetylacetone as the surface smoothing agent, and by using methanol or acetylacetone, it is possible to make the surface of a crystalline oxide film containing α-Ga 2 O 3 as a main component very smooth. The amount of the surface smoothing agent added is not particularly limited, but is preferably 10% or less by volume in the raw material solution, more preferably 7% or less, and most preferably within the range of 3 to 0.001%. By using it in such a preferred range, it can function as a surface smoothing agent, and the surface of the crystalline oxide film can be made smooth.

結晶性酸化物膜に導電性を発現させるためのドーパント原料としては、ドーピングされる不純物の金属単体又は化合物(例:ハロゲン化物、酸化物、水酸化物)などが挙げられる。電子伝導性の制御にはGe、Sn、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nbなどのn型ドーパントやCu、Ir、Rh、Sn、Agなどのp型ドーパントが考えられるがこれに限定されない。 Dopant raw materials for imparting electrical conductivity to the crystalline oxide film include metal elements or compounds (e.g., halides, oxides, hydroxides) of the impurities to be doped. For controlling electronic conductivity, n-type dopants such as Ge, Sn, Si, Ti, Zr, Hf, V, and Nb, and p-type dopants such as Cu, Ir, Rh, Sn, and Ag can be used, but are not limited to these.

熱反応は、加熱により原料微粒子が反応すればよく、反応条件等も特に限定されない。原料や成膜物に応じて適宜設定することができる。例えば、加熱温度は100~600℃の範囲であり、好ましくは200℃~600℃の範囲であり、より好ましくは300℃~550℃の範囲とすることができる。 The thermal reaction is not particularly limited as long as the raw material particles react when heated. The reaction conditions can be set appropriately depending on the raw material and the film to be formed. For example, the heating temperature can be in the range of 100 to 600°C, preferably in the range of 200°C to 600°C, and more preferably in the range of 300°C to 550°C.

熱反応は、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下、空気雰囲気下及び酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、成膜物に応じて適宜設定すればよい。また、反応圧力は、大気圧下、加圧下又は減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、大気圧下の成膜であれば、装置構成が簡略化できるので好ましい。 The thermal reaction may be carried out under any of the following atmospheres: vacuum, non-oxygen atmosphere, reducing gas atmosphere, air atmosphere, and oxygen atmosphere, and may be appropriately set depending on the film to be formed. The reaction pressure may be atmospheric pressure, pressurized pressure, or reduced pressure, but film formation under atmospheric pressure is preferred because it simplifies the device configuration.

上記のようにして、二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下とした結晶性酸化物膜は、緩衝層として利用することができる。すなわち、二乗平均平方根粗さ(RMS)を0.1μm以下とした第二の結晶性酸化物膜を製膜した基板上にさらに、第一の結晶性酸化物膜を製膜するものである。第二の結晶性酸化物膜表面が平坦であるため、この膜上に形成された膜の欠陥や転位は大幅に低減する。得られた第一の結晶性酸化物膜を半導体装置に用いれば、半導体特性に優れた半導体装置を得ることができる。前記第二の結晶性酸化物膜中のC濃度は2×1017~2×1020(atoms/cm)であることが好ましい。一方で、前記第一の結晶性酸化物膜中のC濃度は特に限定されない。すなわち、前記第一の結晶性酸化物膜中のC濃度は2×1017~2×1020(atoms/cm)であってもよいし、2×1017(atoms/cm)以下でも構わない。Cは、表面平坦性を発現させるために必要であるが、優れた半導体特性を発現させるためには特に必要ではないためである。 The crystalline oxide film having a root mean square roughness (RMS) of 0.1 μm or less as described above can be used as a buffer layer. That is, a first crystalline oxide film is formed on a substrate on which a second crystalline oxide film having a root mean square roughness (RMS) of 0.1 μm or less has been formed. Since the surface of the second crystalline oxide film is flat, defects and dislocations in the film formed on this film are significantly reduced. If the obtained first crystalline oxide film is used in a semiconductor device, a semiconductor device having excellent semiconductor characteristics can be obtained. The C concentration in the second crystalline oxide film is preferably 2×10 17 to 2×10 20 (atoms/cm 3 ). On the other hand, the C concentration in the first crystalline oxide film is not particularly limited. That is, the C concentration in the first crystalline oxide film may be 2×10 17 to 2×10 20 (atoms/cm 3 ), or may be 2×10 17 (atoms/cm 3 ) or less. This is because C is necessary for realizing surface flatness, but is not particularly necessary for realizing excellent semiconductor characteristics.

本発明に係る結晶性酸化物においては、成膜後、アニール処理を行ってもよい。アニール処理の温度は、特に限定されないが、600℃以下が好ましく、550℃以下がより好ましく、500℃以下が最も好ましい。このような好ましい温度でアニール処理を行うことにより、より好適に前記結晶性酸化物膜の電気抵抗を低減させることができる。アニール処理の処理時間は、特に限定されないが、10秒~10時間であるのが好ましく、10秒~1時間であるのがより好ましい。 The crystalline oxide according to the present invention may be annealed after film formation. The temperature of the annealing is not particularly limited, but is preferably 600°C or less, more preferably 550°C or less, and most preferably 500°C or less. By performing the annealing at such a preferred temperature, the electrical resistance of the crystalline oxide film can be more suitably reduced. The processing time of the annealing is not particularly limited, but is preferably 10 seconds to 10 hours, and more preferably 10 seconds to 1 hour.

本発明に係る積層構造体においては、結晶性酸化物膜を下地基板から剥離してもよい。剥離手段は特に限定されず、公知の手段であってもよい。剥離手段の方法としては例えば、機械的衝撃を与えて剥離する手段、熱を加えて熱応力を利用して剥離する手段、超音波等の振動を加えて剥離する手段、エッチングして剥離する手段などが挙げられる。前記剥離によって、前記結晶性酸化物膜を自立膜として得ることができる。 In the laminated structure according to the present invention, the crystalline oxide film may be peeled off from the base substrate. The peeling means is not particularly limited and may be any known means. Examples of the peeling means include a means for peeling off by applying a mechanical shock, a means for peeling off by applying heat and using thermal stress, a means for peeling off by applying vibrations such as ultrasonic waves, and a means for peeling off by etching. By the peeling, the crystalline oxide film can be obtained as a free-standing film.

(結晶性積層構造体の構成例)
本発明に係る積層構造体、及び、これを用いた半導体装置の好適な例を図2に示す。図2の例では、下地基板201上に結晶性酸化物膜203が形成されている。結晶性酸化物膜203は、下地基板1側から順に絶縁性薄膜203aと導電性薄膜203bが積層されて構成されている。導電性薄膜203b上にゲート絶縁膜205が形成されている。ゲート絶縁膜205上にはゲート電極207が形成されている。また、導電性薄膜203b上には、ゲート電極207を挟むように、ソース・ドレイン電極209が形成されている。このような構成によれば、ゲート電極207に印加するゲート電圧によって、導電性薄膜203bに形成される空乏層の制御が可能となり、トランジスタ動作(FETデバイス)が可能となる。
(Example of the configuration of the crystalline laminated structure)
A preferred example of the laminated structure according to the present invention and a semiconductor device using the same is shown in FIG. 2. In the example of FIG. 2, a crystalline oxide film 203 is formed on a base substrate 201. The crystalline oxide film 203 is configured by laminating an insulating thin film 203a and a conductive thin film 203b in this order from the base substrate 1 side. A gate insulating film 205 is formed on the conductive thin film 203b. A gate electrode 207 is formed on the gate insulating film 205. In addition, source/drain electrodes 209 are formed on the conductive thin film 203b so as to sandwich the gate electrode 207. With this configuration, it is possible to control the depletion layer formed in the conductive thin film 203b by the gate voltage applied to the gate electrode 207, and a transistor operation (FET device) is possible.

本発明に係る積層構造体を用いて形成される半導体装置としては、MISやHEMT、IGBT等のトランジスタやTFT、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。本発明に係る積層構造体は、これらデバイスの特性向上に有用である。 Semiconductor devices formed using the stacked structure according to the present invention include transistors such as MIS, HEMT, and IGBT, TFTs, Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, and light-emitting and receiving elements. The stacked structure according to the present invention is useful for improving the characteristics of these devices.

以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
図1を用いて、本実施例で用いた成膜装置101を説明する。成膜装置101は、下地基板等の被成膜試料である基体110を載置し加熱するホットプレート108と、キャリアガスを供給するキャリアガス源102a、102bと、キャリアガス源102a、102b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103a、103bと、原料溶液104aが収容される微粒子発生源104と、水105aが入れられる容器105と、容器105の底面に取り付けられた超音波振動子106と、石英製の成膜室107と、を備えている。成膜室107を石英で作製することにより、基体110上に形成される薄膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
Example 1
The film forming apparatus 101 used in this embodiment will be described with reference to Fig. 1. The film forming apparatus 101 includes a hot plate 108 on which a substrate 110, which is a sample to be filmed such as a base substrate, is placed and heated, carrier gas sources 102a and 102b for supplying carrier gas, flow rate control valves 103a and 103b for controlling the flow rate of the carrier gas sent from the carrier gas sources 102a and 102b, a particle generating source 104 in which a raw material solution 104a is contained, a container 105 in which water 105a is contained, an ultrasonic vibrator 106 attached to the bottom surface of the container 105, and a film forming chamber 107 made of quartz. By making the film forming chamber 107 out of quartz, impurities originating from the apparatus are prevented from being mixed into the thin film formed on the substrate 110.

臭化ガリウムと塩化スズをガリウムに対するスズの原子比が1:0.05となるように水溶液を調整した。臭化ガリウムの濃度は0.1mol/Lとした。この際、塩化スズの溶解促進のために、48%臭化水素酸溶液を体積比で10%を含有させた。さらに、表面平滑剤としてメタノールを0.016%混合した。 An aqueous solution of gallium bromide and tin chloride was prepared so that the atomic ratio of tin to gallium was 1:0.05. The concentration of gallium bromide was 0.1 mol/L. In order to promote the dissolution of tin chloride, 10% by volume of 48% hydrobromic acid solution was added. Furthermore, 0.016% methanol was mixed in as a surface smoothing agent.

基体110として、直径4インチ(100mm)のc面サファイア基板をホットプレート108上に戴置して加熱し、基板温度を500℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁103a、103bを開いてキャリアガス源102a、102bからキャリアガスを成膜室107内に供給し、成膜室107の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの合計流量を26L/minに調節した。キャリアガスとしては、酸素ガスを用いた。 As the substrate 110, a c-plane sapphire substrate with a diameter of 4 inches (100 mm) was placed on the hot plate 108 and heated to raise the substrate temperature to 500°C. Next, the flow rate control valves 103a and 103b were opened to supply carrier gas from the carrier gas sources 102a and 102b into the deposition chamber 107, and after the atmosphere in the deposition chamber 107 was sufficiently replaced with the carrier gas, the total flow rate of the carrier gas was adjusted to 26 L/min. Oxygen gas was used as the carrier gas.

次に、超音波振動子106を2.4MHzで振動させ、その振動を水105aを通じて原料溶液104aに伝播させることによって原料溶液104aを微粒子化させて原料微粒子を生成した。この原料微粒子をキャリアガスによって成膜室107内に導入し、被成膜試料110の成膜面でのCVD反応によって被成膜試料110上に薄膜を形成した。成膜時間は180分とした。 Next, the ultrasonic vibrator 106 was vibrated at 2.4 MHz, and the vibration was propagated through the water 105a to the raw material solution 104a, thereby atomizing the raw material solution 104a to generate raw material fine particles. These raw material fine particles were introduced into the film formation chamber 107 by the carrier gas, and a thin film was formed on the film formation sample 110 by a CVD reaction on the film formation surface of the film formation sample 110. The film formation time was 180 minutes.

成膜した薄膜の相の同定をした。同定は、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、形成した薄膜は、コランダム構造を有するα-Gaであった。また、干渉式膜厚計を用いて本実施例の薄膜の膜厚を測定したところ、膜厚は6.0μmであった。 The phase of the formed thin film was identified. The identification was performed by performing 2θ/ω scanning at angles of 15 degrees to 95 degrees using a thin film XRD diffractometer. Measurement was performed using CuKα radiation. As a result, the formed thin film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure. In addition, when the thickness of the thin film of this example was measured using an interference type thickness meter, the thickness was 6.0 μm.

(比較例)
原料溶液にメタノールを混合しないで製膜を行った。具体的には、0.1mol/L臭化ガリウムに対し、塩化スズをガリウムに対するスズの原子比が1:0.05となるように水溶液を調整し、48%臭化水素酸溶液を体積比で10%を含有させた。これを原料溶液としたこと以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は5.8μmであった。
Comparative Example
The film was formed without mixing methanol into the raw material solution. Specifically, an aqueous solution of tin chloride was adjusted to a tin to gallium atomic ratio of 1:0.05 for 0.1 mol/L gallium bromide, and 10% by volume of 48% hydrobromic acid solution was added. Aside from using this as the raw material solution, the film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of the evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 5.8 μm.

(実施例2)
原料溶液として、0.02mol/Lヨウ化ガリウムに対し、塩化スズをガリウムに対するスズの原子比が1:0.007となるように水溶液を調整し、35%塩化水素酸溶液を体積比で2%を含有させた。さらに、表面平滑剤としてメタノールを0.003%混合した。これを原料溶液としたこと以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は1.3μmであった。
Example 2
As a raw material solution, an aqueous solution was prepared by adjusting tin chloride to 0.02 mol/L gallium iodide so that the atomic ratio of tin to gallium was 1:0.007, and 2% by volume of 35% hydrochloric acid solution was contained. Furthermore, 0.003% of methanol was mixed as a surface smoothing agent. Aside from using this as the raw material solution, a film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 1.3 μm.

(実施例3)
原料溶液として、金属ガリウムを塩酸で溶解し、ガリウム濃度0.05mol/Lの溶液を用意した。これに対し、塩化スズをガリウムに対するスズの原子比が1:0.01となるように水溶液を調整し、35%塩化水素酸溶液を体積比で1%を含有させた。さらに、表面平滑剤としてメタノールを0.008%混合した。これを原料溶液としたこと以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は3.1μmであった。
Example 3
As a raw material solution, metallic gallium was dissolved in hydrochloric acid to prepare a solution with a gallium concentration of 0.05 mol/L. In contrast, an aqueous solution of tin chloride was adjusted so that the atomic ratio of tin to gallium was 1:0.01, and 1% of 35% hydrochloric acid solution was contained by volume. Furthermore, 0.008% of methanol was mixed as a surface smoothing agent. Aside from using this as the raw material solution, a film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 3.1 μm.

(実施例4)
実施例1において、メタノールの代わりにエタノールを用いて製膜を行った。これ以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は6.1μmであった。
Example 4
The film was formed using ethanol instead of methanol in Example 1. Other than this, the film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 6.1 μm.

(実施例5)
実施例1において、メタノールの代わりにシュウ酸を用いて製膜を行った。これ以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は6.3μmであった。
Example 5
In Example 1, oxalic acid was used instead of methanol to form a film. Except for this, the film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 6.3 μm.

(実施例6)
実施例1において、メタノールの代わりにアセチルアセトンを用いて製膜を行った。これ以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は6.0μmであった。
Example 6
The film was formed by using acetylacetone instead of methanol in Example 1. Other than this, the film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of the evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 6.0 μm.

(実施例7)
実施例6において、アセチルアセトンの濃度を2.9%として製膜を行った。これ以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は5.9μmであった。
(Example 7)
In Example 6, the concentration of acetylacetone was set to 2.9%, and film formation was performed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 5.9 μm.

(実施例8)
事前に、モル比でアセチルアセトン:アンモニア=1:1となるようアセチルアセトン・アンモニア水溶液を作成した。この水溶液を、実施例7におけるアセチルアセトンとして用い製膜を行った。これ以外は、実施例1と同じ方法で製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は6.4μmであった。
(Example 8)
An acetylacetone-ammonia aqueous solution was prepared in advance so that the molar ratio of acetylacetone:ammonia was 1:1. This aqueous solution was used as acetylacetone in Example 7 to form a film. Other than this, the film was formed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 6.4 μm.

(実施例9)
製膜時間を20分としたこと以外は、実施例1と同じにして製膜を行った。評価の結果、コランダム構造を有するα-Gaであることが確認され、膜厚は0.55μmであった。
(Example 9)
Except for changing the deposition time to 20 minutes, deposition was performed in the same manner as in Example 1. As a result of evaluation, it was confirmed that the film was α-Ga 2 O 3 having a corundum structure, and the film thickness was 0.55 μm.

(評価)
実施例1~9および比較例により得られたα-Ga薄膜サンプルについて、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて二乗平均平方根表面粗さ(RMS)を計測した。また、SIMSを用いて、膜中のCの含有量を調べた。結果を表1に示す。
(evaluation)
The root mean square surface roughness (RMS) of the α-Ga 2 O 3 thin film samples obtained in Examples 1 to 9 and Comparative Example was measured using an atomic force microscope (AFM). In addition, the C content in the film was examined using SIMS. The results are shown in Table 1.

Figure 0007610229000001
Figure 0007610229000001

表1のとおり、表面平滑剤を使用しなかったサンプルは凹凸が大きいのに対して、表面平滑剤有の場合は数nmのRMSの値を示し、表面平滑性に優れた膜であった。同時に膜中のC濃度が非常に大きくなっており、これが表面平滑化効果をもたらしたものと考えられる。 As shown in Table 1, the sample that did not use a surface smoothing agent had large irregularities, whereas the sample that used a surface smoothing agent showed an RMS value of several nm, resulting in a film with excellent surface smoothness. At the same time, the C concentration in the film was very high, which is thought to have brought about the surface smoothing effect.

(実施例10)
製膜時間を10分としたこと以外は、実施例1と同じにして製膜を行い、得られた膜を第二の結晶性酸化物膜とした。引き続き、原料溶液をメタノールを含まないものに変更して製膜を行い、第一の結晶性酸化物膜としてα-Ga膜を5.4μm製膜した。得られた試料に対しX線回折測定を行い、結晶性を評価した。具体的には、α-Gaの(0006)面回折ピークのロッキングカーブを測定し、その半値全幅を求めた。得られた半値全幅は11秒となり、結晶性に非常に優れた膜であることが確認された。
(Example 10)
Except for the film formation time being 10 minutes, film formation was performed in the same manner as in Example 1, and the obtained film was used as a second crystalline oxide film. Subsequently, film formation was performed by changing the raw material solution to one not containing methanol, and a 5.4 μm α-Ga 2 O 3 film was formed as a first crystalline oxide film. X-ray diffraction measurement was performed on the obtained sample to evaluate the crystallinity. Specifically, the rocking curve of the (0006) plane diffraction peak of α-Ga 2 O 3 was measured, and its full width at half maximum was obtained. The obtained full width at half maximum was 11 seconds, and it was confirmed that the film had excellent crystallinity.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-described embodiments. The above-described embodiments are merely examples, and anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and provides similar effects is included within the technical scope of the present invention.

101…成膜装置、 102a…キャリアガス源、
102b…希釈用キャリアガス源、 103a…流量調節弁、
103b…流量調節弁、 104…微粒子発生源、 104a…原料溶液、
105…容器、 105a…水、 106…超音波振動子、 107…成膜室、
108…ホットプレート、 109…搬送部、 109a…供給管、
110…基板(結晶性基板)、 112…排気口、 116…発振器、
120…微粒子化部、130…キャリアガス供給部、140…成膜部、
201…下地基板、 203…結晶性酸化物膜、 203a…絶縁性薄膜、
203b…導電性薄膜、 205…ゲート絶縁膜、 207…ゲート電極、
209…ソース・ドレイン電極。
101...film forming apparatus, 102a...carrier gas source,
102b...dilution carrier gas source; 103a...flow rate control valve;
103b...flow rate control valve; 104...fine particle generating source; 104a...raw material solution;
105: container; 105a: water; 106: ultrasonic transducer; 107: film formation chamber;
108...hot plate; 109...transport unit; 109a...supply pipe;
110...substrate (crystalline substrate), 112...exhaust port, 116...oscillator,
120... atomization section, 130... carrier gas supply section, 140... film formation section,
201: Underlying substrate; 203: Crystalline oxide film; 203a: Insulating thin film;
203b...conductive thin film, 205...gate insulating film, 207...gate electrode,
209...Source/drain electrode.

Claims (7)

コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜と、コランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜とを含む積層構造体であって、
前記第二の結晶性酸化物膜の上に前記第一の結晶性酸化物膜を有し、
前記第一及び第二の結晶性酸化物膜は膜の中に金属元素を含み、該金属元素中のガリウムの原子比は0.5以上であり、
前記第二の結晶性酸化物膜が、不純物として少なくとも炭素(C)を含むものであり、
前記第二の結晶性酸化物膜中のC濃度が2×1017~2×1020/cmであり、
前記第一の結晶性酸化物膜の(0006)面回折ピークのロッキングカーブの半値全幅が11秒以下のものであることを特徴とする積層構造体。
A laminated structure including a first crystalline oxide film having a corundum structure and a second crystalline oxide film having a corundum structure,
The first crystalline oxide film is disposed on the second crystalline oxide film,
the first and second crystalline oxide films contain a metal element therein, and the atomic ratio of gallium in the metal element is 0.5 or more;
the second crystalline oxide film contains at least carbon (C) as an impurity,
the C concentration in the second crystalline oxide film is 2×10 17 to 2×10 20 /cm 3 ;
A laminated structure, characterized in that the full width at half maximum of the rocking curve of the (0006) plane diffraction peak of the first crystalline oxide film is 11 seconds or less.
前記第一の結晶性酸化物膜の膜厚が1μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の積層構造体。 2. The laminate structure according to claim 1 , wherein the first crystalline oxide film has a thickness of 1 [mu]m or more. 前記第一の結晶性酸化物膜の面積が100mm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層構造体。 3. The laminate structure according to claim 1, wherein the area of the first crystalline oxide film is 100 mm2 or more. 前記第二の結晶性酸化物膜の膜厚が6μm以下であることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の積層構造体。 4. The laminate structure according to claim 1, wherein the second crystalline oxide film has a thickness of 6 μm or less. 前記積層構造体はさらに下地基板を備え、該下地基板がc面サファイア基板であることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の積層構造体。 5. The laminated structure according to claim 1, further comprising an underlying substrate, the underlying substrate being a c-plane sapphire substrate. 請求項1~のいずれか1項に記載の積層構造体を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising the laminated structure according to any one of claims 1 to 5 . コランダム構造を有する第一の結晶性酸化物膜とコランダム構造を有する第二の結晶性酸化物膜とを含む積層構造体の製造方法であって、
表面の二乗平均平方根粗さ(RMS)が0.1μm以下である前記第二の結晶性酸化物膜上に、原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子をキャリアガスによって搬送し、前記第二の結晶性酸化物膜上で前記原料微粒子を熱反応させて、前記第一の結晶性酸化物膜の成膜を行うことを特徴とする積層構造体の製造方法。
A method for producing a laminated structure including a first crystalline oxide film having a corundum structure and a second crystalline oxide film having a corundum structure, comprising:
A method for manufacturing a laminated structure, comprising the steps of: transporting raw material particles produced by atomizing a raw material solution onto the second crystalline oxide film having a surface root mean square roughness (RMS) of 0.1 μm or less using a carrier gas; and thermally reacting the raw material particles on the second crystalline oxide film to form the first crystalline oxide film.
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