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JP7785399B2 - Semiconductor device, its use, and its manufacturing method - Google Patents
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JP7785399B2 - Semiconductor device, its use, and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device, its use, and its manufacturing method

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JP7785399B2 JP2024524263A JP2024524263A JP7785399B2 JP 7785399 B2 JP7785399 B2 JP 7785399B2 JP 2024524263 A JP2024524263 A JP 2024524263A JP 2024524263 A JP2024524263 A JP 2024524263A JP 7785399 B2 JP7785399 B2 JP 7785399B2
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Description

本発明は、半導体装置、その用途(特に、当該半導体装置を有するパワーデバイス)、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, its uses (particularly, a power device having the semiconductor device), and its manufacturing method.

β-Ga結晶を材料として用いた半導体装置や当該半導体装置を有するパワー半導体(「パワーデバイス」と称することもある)を中心とした半導体装置などの半導体を用いる電子デバイスの分野においては、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)などの半導体デバイスの研究開発が盛んに行われている。当該研究開発では、それらデバイスの耐圧を原理的に向上できるトレンチ(凹)やフィン(凸)などの構造検討も進んでおり、非特許文献1や2にみられるように、多くの試作結果が報告されている。ここで、当該構造は、現在は、異方性ドライエッチング(一般的に「反応性イオンエッチング」とも称する)による加工で形成されている。
しかし、β-Ga結晶を用いた半導体装置や当該半導体装置を有するパワーデバイスで、トレンチ(凹)やフィン(凸)形成にドライエッチング(主に、異方性ドライエッチング)を用いると下記のような問題があることが指摘されている。
In the field of electronic devices that use semiconductors, such as semiconductor devices that use β-Ga 2 O 3 crystals as their material and power semiconductors (sometimes referred to as "power devices") that incorporate such semiconductor devices, active research and development is being conducted on semiconductor devices such as Schottky barrier diodes (SBDs) and metal oxide semiconductor transistors (MOSFETs). This research and development is also progressing with the study of structures such as trenches (concave) and fins (convex), which can theoretically improve the breakdown voltage of these devices, and many prototype results have been reported, as can be seen in Non-Patent Documents 1 and 2. Currently, these structures are formed by anisotropic dry etching (also commonly referred to as "reactive ion etching").
However, it has been pointed out that the following problems arise when dry etching (mainly anisotropic dry etching) is used to form trenches (concave) or fins (convex) in semiconductor devices using β-Ga 2 O 3 crystals or power devices having such semiconductor devices.

(1)ドライエッチングを用いた場合、形成されるトレンチ(凹)やフィン(凸)の側壁表面(本願では、単に「側面」とも称する)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表面(側面)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。
(3)ドライエッチングによる加工では、デバイス応用上望ましい幅が狭く深いトレンチや、完全に垂直な側壁表面(側面)の作製が困難である。そのような制限のある加工形状は、デバイス設計の制約となる。
(1) When dry etching is used, the sidewall surfaces (also referred to simply as "side surfaces" in this application) of the trenches (concave) and fins (convex) that are formed are damaged during processing. Therefore, after dry etching, it is necessary to remove the damage by a wet process using an alkali or acid.
(2) The sidewall surface (side surface) formed by dry etching does not reflect the crystal facets, and therefore has a high density of dangling bonds, which leads to an increase in the density of crystal surface states and junction interface states, degrading device characteristics.
(3) Dry etching is difficult to fabricate narrow, deep trenches and perfectly vertical sidewalls, which are desirable for device applications. Such limited processing shapes place constraints on device design.

一方で、β型のGa(β-Ga)結晶とは異なる、他の結晶多形であるα型のGa(α-Ga)結晶を用いる半導体デバイスの分野では、シリコンやIII-V族半導体で発展した選択成長技術および横方向成長が促された選択横方向成長技術を用いて主に転位密度低減を目的とした研究が行われている。さらに、当該選択成長技術により、表面エネルギーが小さく安定なファセットで囲まれた3次元構造をもつα-Ga結晶が育成できることも知られており、非特許文献3にその開示がある。
しかしながら、β-Ga結晶を用いる半導体デバイスの分野では、上記選択成長技術は、電極の接触抵抗低減のための高濃度ドープ層の選択成長というごく一部の特殊用途での報告(非特許文献4)にとどまっている。
Meanwhile, in the field of semiconductor devices that use α- Ga2O3 (α- Ga2O3 ) crystals , which are a different crystal polymorph from β- Ga2O3 (β- Ga2O3 ) crystals , research is being conducted primarily with the aim of reducing dislocation density using selective growth techniques developed for silicon and III-V semiconductors and selective lateral overgrowth techniques that promote lateral growth. Furthermore, it is known that this selective growth technique can grow α- Ga2O3 crystals that have a three -dimensional structure surrounded by stable facets with low surface energy, as disclosed in Non-Patent Document 3.
However, in the field of semiconductor devices using β-Ga 2 O 3 crystals, the selective growth technique has only been reported in a few special applications, such as selective growth of highly doped layers to reduce the contact resistance of electrodes (Non-Patent Document 4).

F.Otsuka et al.,Appl.Phys.Express、15,016501(2022)https://doi.org/10.35848/1882-0786/ac4080F. Otsuka et al. , Appl. Phys. Express, 15, 016501 (2022) https://doi. org/10.35848/1882-0786/ac4080 W.Li et al.,IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM),(2019)https://doi.org/10.1109/IEDM19573.2019.8993526W. Li et al. , IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), (2019) https://doi. org/10.1109/IEDM19573.2019.8993526 Y.Oshima et al.,APL Mater.,7,022503(2019)https://doi.org/10.1063/1.5051058Y. Oshima et al. , APL Mater. , 7, 022503 (2019) https://doi. org/10.1063/1.5051058 A.Bhattacharyya et al.,Appl.Phys.Express,14,076502(2021)https://doi.org/10.35848/1882―0786/ac07efA. Bhattacharyya et al. , Appl. Phys. Express, 14, 076502 (2021) https://doi. org/10.35848/1882-0786/ac07ef

本発明は、上記従来のトレンチやフィン構造を有するβ―Ga結晶を備える半導体装置(具体的には、上述した従来のドライエッチングを用いることにより形成されたトレンチ(凹)やフィン(凸)を有するβ―Ga結晶を備える半導体装置)の上記問題を解決して、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、また、微細加工に適した、β―Ga結晶からなる半導体(β―Ga結晶半導体)を用いた半導体装置、当該半導体装置を有するパワーデバイス(特にβ―Ga結晶半導体の特性を活かしたパワーデバイス)、および当該半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to solve the above problems of semiconductor devices including β- Ga2O3 crystals having the above-mentioned conventional trench or fin structure (specifically, semiconductor devices including β- Ga2O3 crystals having trenches (concave) or fins (convex) formed by using the above-mentioned conventional dry etching), and to provide a semiconductor device using a semiconductor made of β- Ga2O3 crystals ( β- Ga2O3 crystalline semiconductor) that suffers little processing damage, suppresses the generation of interface states on the crystal surface or junction interface, thereby obtaining good device characteristics and is suitable for microfabrication, a power device including the semiconductor device (particularly a power device that makes use of the characteristics of the β - Ga2O3 crystalline semiconductor ), and a method for manufacturing the semiconductor device.

本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
β-Ga結晶からなる半導体層を有し、
前記半導体層は第1主表面に線状突起または溝の立体構造を有し、
前記立体構造の側面が(100)ファセット面である、半導体装置。
(構成2)
前記側面は、前記半導体装置の基板面に対し垂直である、構成1記載の半導体装置。
(構成3)
基板上に形成された線状突起または溝からなる立体構造を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ-Ga結晶からなり、
前記線状突起または溝の長手方向は、前記基板の基板面と(100)面の交線に平行な方向である、半導体装置。
(構成4)
前記線状突起または溝の側面は、前記基板面に対し垂直である、構成3記載の半導体装置。
(構成5)
前記基板面は(010)面であり、前記長手方向は[001]方向である、構成3または4記載の半導体装置。
(構成6)
前記基板面は(001)面であり、前記長手方向は[010]方向である、構成3記載の半導体装置。
(構成7)
前記基板面は(-102)面であり、前記長手方向は[010]方向である、構成3または4記載の半導体装置。
(構成8)
前記線状突起または溝の少なくとも一方の側面の少なくとも一部がチャネルである、構成1から7の何れかに記載の半導体装置。
(構成9)
前記立体構造の少なくとも一側面、または立体面全面を覆うようにゲート電極が配置されたFin型MOSFET構造を備える、構成1から8の何れかに記載の半導体装置。
(構成10)
前記立体構造の形状は溝であり、
前記溝の側面の少なくとも一部と底面に配置された絶縁膜を介して、アノード電極が、前記立体構造の少なくとも一部を覆うように形成されており、
かつ前記アノード電極が、前記立体構造の一部において、前記半導体層とショットキー接続をしたTrench型MOSSBD構造を備える、構成1から7の何れかに記載半導体装置。
(構成11)
構成1から10の何れかに記載の半導体装置を有する、パワーデバイス。
(構成12)
β-Ga結晶からなる半導体基板を準備することと、
前記半導体基板の基板面と(100)面の交線に平行な方向に長手方向を備えた線状またはストライプ状のマスキングパターンを形成することと、
気相を利用した堆積法で、前記β-Ga結晶が露出した前記マスキングパターンの開口部にβ-Ga結晶を選択成長させること、を含む半導体装置の製造方法。
(構成13)
前記堆積法は、気相成長法である、構成12記載の半導体装置の製造方法。
The configuration of the present invention is shown below.
(Configuration 1)
It has a semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal,
the semiconductor layer has a three-dimensional structure of linear protrusions or grooves on a first main surface;
The semiconductor device, wherein the side surface of the three-dimensional structure is a (100) facet.
(Configuration 2)
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the side surface is perpendicular to a substrate surface of the semiconductor device.
(Configuration 3)
a semiconductor layer having a three-dimensional structure consisting of linear protrusions or grooves formed on a substrate;
The semiconductor layer is made of β-Ga 2 O 3 crystal,
A semiconductor device, wherein the longitudinal direction of the linear protrusion or groove is parallel to the intersection line between the substrate surface and the (100) plane of the substrate.
(Configuration 4)
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the side surfaces of the linear protrusions or grooves are perpendicular to the surface of the substrate.
(Configuration 5)
5. The semiconductor device according to structure 3 or 4, wherein the substrate surface is a (010) plane and the longitudinal direction is a [001] direction.
(Configuration 6)
4. The semiconductor device according to configuration 3, wherein the substrate surface is a (001) plane and the longitudinal direction is a [010] direction.
(Configuration 7)
5. The semiconductor device according to structure 3 or 4, wherein the substrate surface is a (-102) plane and the longitudinal direction is a [010] direction.
(Configuration 8)
8. The semiconductor device according to any one of configurations 1 to 7, wherein at least a portion of at least one side surface of the linear protrusion or groove is a channel.
(Configuration 9)
9. The semiconductor device according to any one of configurations 1 to 8, comprising a Fin-type MOSFET structure in which a gate electrode is disposed so as to cover at least one side surface of the three-dimensional structure or the entire three-dimensional surface.
(Configuration 10)
the three-dimensional structure has a groove shape;
an anode electrode is formed so as to cover at least a portion of the three-dimensional structure via an insulating film disposed on at least a portion of a side surface and a bottom surface of the groove;
8. The semiconductor device according to any one of structures 1 to 7, wherein the anode electrode has a trench-type MOSSBD structure in which the anode electrode is in Schottky contact with the semiconductor layer in a part of the three-dimensional structure.
(Configuration 11)
A power device comprising the semiconductor device according to any one of configurations 1 to 10.
(Configuration 12)
Preparing a semiconductor substrate made of β-Ga 2 O 3 crystal;
forming a linear or stripe-shaped masking pattern having a longitudinal direction parallel to an intersection line between the substrate surface and a (100) plane of the semiconductor substrate;
and selectively growing β-Ga 2 O 3 crystals in the openings of the masking pattern where the β-Ga 2 O 3 crystals are exposed by a deposition method using a vapor phase.
(Configuration 13)
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the deposition method is a vapor deposition method.

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、また、微細加工に適した、β―Ga結晶を半導体材料として用いたトレンチ(凹)あるいはフィン(凸)構造を有する半導体装置、特にβ―Ga結晶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。 According to the present invention, there is provided a semiconductor device having a trench (concave ) or fin (convex) structure using β- Ga2O3 crystal as a semiconductor material, which has little processing damage, suppresses the generation of interface states on the crystal surface or junction interface, and is suitable for microfabrication, particularly a power device that makes use of the properties of β- Ga2O3 crystal semiconductor, and a method for manufacturing the same.

本発明によるβ―Ga結晶を用いるフィン構造体(トレンチ構造体)を説明する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a fin structure (trench structure) using a β-Ga 2 O 3 crystal according to the present invention. 本発明のβ―Ga結晶を用いるフィン構造体の製造工程を断面図で示した工程図である。図中の(a)から(f)は、前記製造工程中の各製造工程を示す。1 is a process diagram showing, in cross section, the manufacturing process of a fin structure using a β-Ga 2 O 3 crystal of the present invention, in which (a) to (f) indicate each manufacturing step in the manufacturing process. 従来製法によるフィン構造体の製造工程を断面図で示した工程図である。図中の(a)から(e)は、前記製造工程中の各製造工程を示す。1 is a process diagram showing, in cross section, a manufacturing process of a fin structure by a conventional manufacturing method, in which (a) to (e) show each manufacturing step in the manufacturing process. 本発明のβ―Ga結晶を用いる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。FIG. 1 is a flowchart showing the manufacturing process of a fin structure using the β-Ga 2 O 3 crystal of the present invention. 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。図中の(a)から(e)は、前記製造工程中の各製造工程を示す。1A to 1E are cross-sectional views showing the manufacturing process of a trench MOSSBD according to the present invention, in which (a) to (e) show the respective manufacturing steps in the manufacturing process. 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。図中の(a)から(d)は、前記製造工程中の各製造工程を示す。1A to 1D are cross-sectional views showing the manufacturing process of a trench MOSSBD according to the present invention, in which (a) to (d) show the respective manufacturing steps in the manufacturing process. 横型のFinFET素子構造の説明図である。図中の(a)は鳥観図、図中の(b)は断面図である。1A and 1B are explanatory diagrams of a lateral FinFET device structure, in which (a) is a bird's-eye view and (b) is a cross-sectional view. 縦型FinFETの素子構造を説明する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating the element structure of a vertical FinFET. 気相成長法により作製したβ―Ga結晶膜のSEM写真である。図中の(a)はHClを添加した場合のSEM写真、図中の(b)は添加しない場合のSEM写真である。1A and 1B are SEM photographs of a β-Ga 2 O 3 crystal film prepared by vapor phase growth. (a) in the figure is an SEM photograph when HCl is added, and (b) in the figure is an SEM photograph when HCl is not added. 気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンのSEM写真である。図中の(a)は(001)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真、図中の(b)は(010)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真である。These are SEM photographs of fins made of β- Ga2O3 crystals fabricated by vapor phase epitaxy. (a) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (001) plane as the substrate surface was used, and (b) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (010) plane as the substrate surface was used. 気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンのSEM写真である。図中の(a)は(001)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真、図中の(b)は(010)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真である。These are SEM photographs of fins made of β- Ga2O3 crystals fabricated by vapor phase epitaxy. (a) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (001) plane as the substrate surface was used, and (b) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (010) plane as the substrate surface was used. 気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンの断面のSEM写真である。図中の(a)は(001)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真、図中の(b)は(010)面を基板面とする基板を用いた場合のSEM写真である。These are SEM photographs of the cross section of a fin made of β- Ga2O3 crystals fabricated by vapor phase growth. (a) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (001) plane as the substrate surface was used, and (b) in the figure is an SEM photograph when a substrate with a (010) plane as the substrate surface was used. 気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンの形状を説明する断面模式図である。図中の(a)は(001)面を基板面とする基板を用いた場合の断面模式図、図中の(b)は(010)面を基板面とする基板を用いた場合の断面模式図である。1A and 1B are schematic cross-sectional views illustrating the shape of a fin made of β- Ga2O3 crystal fabricated by vapor phase epitaxy, where (a) is a schematic cross-sectional view when a substrate having a (001) plane as its substrate surface is used, and (b) is a schematic cross-sectional view when a substrate having a (010) plane as its substrate surface is used. 実施の形態1で説明する気相成長装置(HVPE装置)の構成の概要を示す図(装置構成説明図)である。1 is a diagram (apparatus configuration explanatory diagram) showing an outline of the configuration of a vapor phase growth apparatus (HVPE apparatus) described in a first embodiment. [0023]FIG. (-102)面を基板面とする基板を用いて気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンのSEM写真である。1 is a SEM photograph of a fin made of β-Ga 2 O 3 crystal produced by vapor phase epitaxy using a substrate having a (−102) plane as the substrate surface. 図中の(a)、(b)、(c)は、(-102)面を基板面とする基板を用いて気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンのSEM写真である。In the figure, (a), (b), and (c) are SEM photographs of fins made of β-Ga 2 O 3 crystals fabricated by vapor phase epitaxy using a substrate with a (−102) plane as the substrate surface. 図中の(a)は、(-102)面を基板面とする基板を用いて気相成長法により作製したβ―Ga結晶からなるフィンの断面のSEM写真であり、図中の(b)は、その写真を基にトレースした断面形状の模式図である。(a) in the figure is an SEM photograph of the cross section of a fin made of β-Ga 2 O 3 crystal fabricated by vapor phase epitaxy using a substrate with a (−102) plane as the substrate surface, and (b) in the figure is a schematic diagram of the cross-sectional shape traced based on the photograph.

(実施の形態1)
実施の形態1では、β型Ga(β-Ga)結晶を用いた半導体装置を有するパワー半導体(パワーデバイス)で用いられるトレンチ(凹)およびフィン(凸)を選択成長技術(特に「選択横方向成長技術」)により形成する方法を説明する。
当該方法は、β-Ga結晶からなる基板の表面に線状開口のあるマスクを形成し、選択成長技術により得られる、ファセットで囲まれた線状の結晶をフィン、そして、それら結晶(すなわち、当該選択成長技術により得られる、ファセットで囲まれた線状の結晶(フィン))の隙間をトレンチとみなした立体構造を有するβ-Ga結晶からなる半導体層を形成するものである。ここで、最も表面エネルギーが小さく安定な(100)面がトレンチやフィンの側壁表面(側面)となるように、線状開口の方位を設定する。
因みに、本願において「フィン」(「フィン(凸)」と記載することもある)とは、特に断りのない限り、ファセットで囲まれた形状が線状の結晶のことであり、凸状の形状(立体構造)を有し、本願では、単に「線状突起」とも称する。また、本願において「トレンチ」(「トレンチ(凹)」と記載することもある)とは、特に断りのない限り、ファセットで囲まれた形状が線状の結晶(フィン)が2つ以上存在する場合に隣合うフィンの間に現れる隙間のことであり、凹状の形状(立体構造)を有し、本願では、単に「溝」とも称する。
また、本願において「線状突起または溝」とは、以下に述べるとおりである。
本発明の「半導体装置」では、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造は、線状突起(「フィン」)により形成される構造を有する。この場合、線状突起(「フィン」)に着目すると、当該半導体層は、線状突起(フィン)によって構成されることになるため、線状突起からなる立体構造(すなわち、凸状の形状)を有すると見なされる。しかしながら、当該半導体層は、隣り合う線状突起(「フィン」)の間(隙間)に溝が現れるので、当該溝(トレンチ)に注目すると、当該半導体層は、溝(トレンチ)によって構成されることになる。この場合、当該半導体層は、溝からなる立体構造(すなわち、凹状の形状)を有すると見なされる。そのため、上記線状突起からなる立体構造(すなわち、凸状の形状)を有する半導体層と上記溝からなる立体構造(すなわち、凹状の形状)を有する半導体層は、互いに同じである。つまり、本発明の「半導体装置」では、上述のとおり、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造の見方(評価)として、線状突起(「フィン」)に着目する場合と溝(トレンチ)に注目する場合の2通りがあるので、本発明の「半導体装置」では、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造を「線状突起または溝」と規定しているだけである。このため、本願において「線状突起または溝」とは、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造を、線状突起(「フィン」)に着目して線状突起のみからなると見なす場合、または、隣り合う線状突起の隙間を溝とみなし、当該溝に着目して溝のみからなると見なす場合を意味する。
また、本願では、β-Ga結晶からなる半導体層を有する表面を「第1主表面」とも称する。当該表面は、β-Ga結晶からなる半導体層を有していればよく、例えば、基板の表面でも基板上に形成された層の表面であってもよい。
また、本願において「半導体装置」とは、上記に示した本発明の構成において半導体装置として定義されているものを意味する。具体的には、半導体を材料として作製した半導体デバイス(半導体素子)であり、一般的によく知られているものとして、例えば、半導体ダイオード、トランジスタ、ICやLSIなどの半導体デバイス(半導体素子)が挙げられる。
また、本願において「パワーデバイス」(「パワー半導体」とも称する)とは、上記に示した本発明の構成においてパワーデバイスとして定義されているものを意味する。具体的には、例えば、インバータやコンバータなどの電力変換器に用いられる半導体素子が挙げられる。ICやLSIのような半導体デバイス(半導体素子)と比較し、半導体回路内に流れる電流が大電流であることを特徴とする。
このような方法による結晶成長で作製したトレンチ(凹)やフィン(凸)の側壁表面(側面)は、最も安定な(100)ファセット面で形成されているため、未結合手が少なく表面準位密度も小さい。そのため、それら(すなわち、最も安定な(100)ファセット面で形成され、未結合手が少なく表面準位密度も小さい上記トレンチとフィンの側壁表面)を利用したデバイスによれば、良好な特性が得られる。また、幅が狭く、深さが大きいトレンチ(凹)や、適切にオフ角制御された基板面を用いることにより、完全に垂直な側壁表面(側面)の作製が容易であり、理想的なデバイス設計が可能となる。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a method for forming trenches (concave) and fins (convex) used in a power semiconductor (power device) having a semiconductor device using β-type Ga 2 O 3 (β-Ga 2 O 3 ) crystals by selective growth technology (particularly, "selective lateral overgrowth technology") will be described.
This method involves forming a mask with a linear opening on the surface of a substrate made of β- Ga2O3 crystal, and forming a semiconductor layer made of β- Ga2O3 crystal with a three-dimensional structure in which linear crystals surrounded by facets obtained by selective growth technology are regarded as fins, and the gaps between these crystals (i.e., linear crystals ( fins ) surrounded by facets obtained by selective growth technology) are regarded as trenches. Here, the orientation of the linear opening is set so that the (100) plane, which has the lowest surface energy and is the most stable, becomes the sidewall surface (side surface) of the trench or fin.
Incidentally, in this application, unless otherwise specified, a "fin" (sometimes referred to as a "fin (convex)") refers to a crystal having a linear shape surrounded by facets, has a convex shape (three-dimensional structure), and is also simply referred to as a "linear protrusion." In addition, in this application, a "trench" (sometimes referred to as a "trench (concave)") refers to a gap that appears between adjacent fins when there are two or more crystals (fins) having a linear shape surrounded by facets, and has a concave shape (three-dimensional structure), and is also simply referred to as a "groove."
In addition, in the present application, the term "linear protrusions or grooves" is as described below.
In the "semiconductor device" of the present invention, the three-dimensional structure of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystals has a structure formed by linear protrusions ("fins"). In this case, when focusing on the linear protrusions ("fins"), the semiconductor layer is composed of linear protrusions (fins), and is therefore considered to have a three-dimensional structure made of linear protrusions (i.e., a convex shape). However, since grooves appear in the gaps between adjacent linear protrusions ("fins") in the semiconductor layer, when focusing on the grooves (trenches), the semiconductor layer is considered to be composed of trenches. In this case, the semiconductor layer is considered to have a three-dimensional structure made of grooves (i.e., a concave shape). Therefore, the semiconductor layer having the three-dimensional structure made of linear protrusions (i.e., a convex shape) and the semiconductor layer having the three-dimensional structure made of grooves (i.e., a concave shape) are the same. In other words, in the "semiconductor device" of the present invention, as described above, there are two ways to view (evaluate) the three-dimensional structure of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal: focusing on the linear protrusions ("fins") and focusing on the grooves (trenches). Therefore, in the "semiconductor device" of the present invention, the three-dimensional structure of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal is simply defined as a "linear protrusion or groove." Therefore, in this application, "linear protrusion or groove" means a case where the three-dimensional structure of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal is considered to consist only of linear protrusions by focusing on the linear protrusions ("fins"), or a case where the gaps between adjacent linear protrusions are considered to be grooves by focusing on the grooves and considered to consist only of the grooves.
In the present application, the surface having a semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystals is also referred to as the “first main surface.” This surface may be, for example, the surface of a substrate or the surface of a layer formed on a substrate, as long as it has a semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystals.
In addition, in this application, the term "semiconductor device" refers to a device defined as a semiconductor device in the configuration of the present invention described above. Specifically, it refers to a semiconductor device (semiconductor element) made of a semiconductor material, and commonly known examples include semiconductor devices (semiconductor elements) such as semiconductor diodes, transistors, ICs, and LSIs.
In addition, in this application, the term "power device" (also referred to as "power semiconductor") refers to a device defined as a power device in the configuration of the present invention described above. Specific examples include semiconductor elements used in power converters such as inverters and converters. Compared to semiconductor devices (semiconductor elements) such as ICs and LSIs, a power device is characterized by the large current that flows within the semiconductor circuit.
The sidewall surfaces (side faces) of trenches (concave) and fins (convex) fabricated by crystal growth using this method are formed on the most stable (100) facet, resulting in few dangling bonds and a low surface state density. Therefore, devices utilizing these (i.e., the sidewall surfaces of the trenches and fins formed on the most stable (100) facet, with few dangling bonds and a low surface state density) can achieve excellent characteristics. Furthermore, by using narrow, deep trenches (concave) and a substrate surface with an appropriately controlled off-angle, it is easy to fabricate perfectly vertical sidewall surfaces (side faces), enabling ideal device design.

実施の形態1の半導体装置101は、図1に示すように、β-Ga結晶からなる基板11上に形成されたマスク12の開口部13の基板露出面に形成されたβ-Ga結晶からなる半導体層14を有する。つまり、前記半導体層14は、第1主表面に線状突起または溝の立体構造を有し、前記立体構造の側面が(100)ファセット面になっている。ここで、第1主表面とは、図1に従えば、基板11の表面であって、半導体層14を形成するために使用する側の表面のことであり、溝とは、図1に従えば、β-Ga結晶からなるフィン14の隙間として形成されている凹状の立体構造部のことであり、線状突起とは、図1に従えば、β-Ga結晶からなる凸状の立体構造部(すなわち、フィン14)のことである。図1に従えば、前記溝の側壁表面(側面)は、前記線状突起の側壁表面(側面)でもある。
または、実施の形態1の半導体装置101は、β-Ga結晶からなる基板11に形成された線状突起または溝からなる立体構造を有する半導体層14を備え、前記半導体層14はβ-Ga結晶からなり、前記線状突起または溝の長手方向は、前記基板の基板面と(100)面の交線に平行な方向になっている。
ここで、基板11の基板面は(010)面であり、前記長手方向は[001]方向である、あるいは、基板11の基板面は(001)面であり、前記長手方向は[010]方向であることが好ましい。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 101 of the first embodiment includes a semiconductor layer 14 made of β-Ga 2 O 3 crystals formed on an exposed surface of a substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 crystals at an opening 13 in a mask 12. That is, the semiconductor layer 14 has a three-dimensional structure of linear protrusions or grooves on a first main surface, and the side surfaces of the three-dimensional structures form (100) facets. Here, the first main surface, according to FIG. 1, refers to the surface of the substrate 11 that is used to form the semiconductor layer 14. The grooves, according to FIG. 1, refer to concave three-dimensional structures formed as gaps in fins 14 made of β-Ga 2 O 3 crystals. The linear protrusions, according to FIG. 1, refer to convex three-dimensional structures (i.e., fins 14) made of β-Ga 2 O 3 crystals. According to FIG. 1, the sidewall surfaces (side surfaces) of the grooves are also the sidewall surfaces (side surfaces) of the linear protrusions.
Alternatively, the semiconductor device 101 of the first embodiment includes a semiconductor layer 14 having a three-dimensional structure consisting of linear protrusions or grooves formed on a substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal, the semiconductor layer 14 being made of β-Ga 2 O 3 crystal, and the longitudinal direction of the linear protrusions or grooves being parallel to the intersection of the substrate surface and the (100) plane of the substrate.
Here, it is preferable that the substrate surface of the substrate 11 is a (010) plane and the longitudinal direction is the [001] direction, or that the substrate surface of the substrate 11 is a (001) plane and the longitudinal direction is the [010] direction.

このようにすると、最も表面エネルギーが小さく、安定な(100)面がその立体構造の側面、すなわちフィンやトレンチの側面になる。最も安定な(100)ファセット面で形成されたフィンやトレンチ状の立体構造を有するβ-Ga結晶からなる半導体層14の側面は、未結合手が少なく表面準位密度も小さい。このため、その側壁表面(側面)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、前記線状突起または溝の少なくとも一方の側壁表面(側面)が半導体装置のチャネルになっている場合、そのチャネルは未結合手が少なく表面準位密度も低いため、その半導体装置は、リーク電流、モビリィティおよび信頼性に優れたものになる。
In this way, the (100) plane, which has the lowest surface energy and is stable, becomes the side of the three-dimensional structure, i.e., the side of the fin or trench. The side of the semiconductor layer 14 made of β-Ga 2 O 3 crystal having a three-dimensional structure like a fin or trench formed with the most stable (100) facet plane has few dangling bonds and a low surface state density. Therefore, the semiconductor device of the first embodiment, which utilizes this sidewall surface (side), has excellent electrical characteristics, such as excellent leakage current, mobility, reliability, and breakdown voltage.
In particular, when at least one sidewall surface (side surface) of the linear protrusion or groove serves as a channel of the semiconductor device, the channel has few dangling bonds and a low surface state density, and therefore the semiconductor device has excellent leakage current, mobility, and reliability.

半導体層14の立体構造体の側壁表面(側面)、すなわち半導体層14の線状突起または溝の側壁表面(側面)は、基板11の基板面に対し垂直であることが好ましい。
側壁表面(側面)が垂直であると半導体層14を覆う層間膜、ゲート絶縁膜等の絶縁膜、ゲート電極などを半導体層14に対して左右対称に形成することができ、また半導体層14を覆う膜にボイドなどの欠陥が発生しにくくなる。側壁表面(側面)が垂直であると、側壁表面(側面)をチャネルなどに使用するときの活用性が大変高くなる。
The sidewall surfaces (side faces) of the three-dimensional structures of the semiconductor layer 14 , that is, the sidewall surfaces (side faces) of the linear protrusions or grooves of the semiconductor layer 14 are preferably perpendicular to the substrate surface of the substrate 11 .
If the sidewall surfaces (side surfaces) are vertical, the interlayer film covering the semiconductor layer 14, the insulating film such as the gate insulating film, the gate electrode, etc. can be formed symmetrically with respect to the semiconductor layer 14, and defects such as voids are less likely to occur in the film covering the semiconductor layer 14. If the sidewall surfaces (side surfaces) are vertical, the sidewall surfaces (side surfaces) are highly useful when used as a channel, etc.

ここで、基板11として(010)面を基板面とする基板を用い、マスク開口部13の長手方向を[001]方向とした場合は、極小エネルギーで結晶が成長していく関係で、自動的に形成される半導体層14は、側壁表面(側面)が垂直なβ-Ga結晶からなる立体構造体(フィン(線状突起)やトレンチ(溝)など)になる。 Here, when a substrate having a (010) plane as the substrate surface is used as the substrate 11 and the longitudinal direction of the mask opening 13 is set to the [001] direction, the crystal grows with minimal energy, and the semiconductor layer 14 that is automatically formed becomes a three-dimensional structure (such as a fin (linear protrusion) or a trench (groove)) made of β-Ga 2 O 3 crystal with vertical sidewall surfaces (side surfaces).

一方、基板11として(001)面を基板面とする基板を用いた場合は、安定な形状の立体構造体が形成されるマスク開口部13の長手方向が[010]方向で、垂直から13.7°傾いた方向に立体構造体が形成される。
このことに鑑み、基板11として(001)面を基板面とする基板を用いる場合は、基板11に13.7°のオフ角を設けておくことが好ましい。β-Ga結晶からなり、基板面が(001)面であり、かつ13.7°のオフ角が設けられた基板11を用いることにより、側壁表面(側面)が垂直な形状のβ-Ga結晶からなる半導体層14をもつ立体構造体および半導体装置を提供することが可能になる。
On the other hand, when a substrate having a (001) plane as the substrate surface is used as the substrate 11, the longitudinal direction of the mask opening 13 in which a three-dimensional structure having a stable shape is formed is the [010] direction, and the three-dimensional structure is formed in a direction tilted by 13.7° from the vertical.
In view of this, when a substrate having a (001) plane as its substrate surface is used as the substrate 11, it is preferable to provide an off-angle of 13.7° in the substrate 11. By using the substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal, having a (001) plane as its substrate surface and provided with an off-angle of 13.7°, it becomes possible to provide a three-dimensional structure and a semiconductor device having a semiconductor layer 14 made of β-Ga 2 O 3 crystal with vertical sidewall surfaces (side surfaces).

次に、半導体装置(フィン構造体)101の製造方法を図2および図4を参照しながら説明する。なお、ここでは当該半導体装置をフィン構造体101として、凸パターンであるフィン(線状突起)部に着目して説明する。凹パターンであるトレンチ(溝)部に着目すれば、当該半導体装置をトレンチ構造体101として見なすこともできる。
第1段階として、結晶面が(010)面あるいは(001)面であるβ-Ga結晶のからなる基板(半導体基板)11を準備する(図4の工程S11、図2(a))。ここで、(001)面を基板面とする基板を用いる場合は、上記のように、13.7°のオフ角を設けておくことが好ましい。
第2段階として、基板面と(100)面の交線に平行な方向に長手方向を備えた線状またはストライプ状(すなわち、平行線状)のマスキングパターン12を形成する(工程S12)。
具体的には、基板11上にSiOなどからなる薄膜12aを形成し(図2(b))、その上に線状またはストライプ状の開口をもつレジストパターン15を形成する(図2(c))。そして、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に開口部13を形成し(図2(d))、続いて、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を剥離して線状またはストライプ状の開口部13を有するマスク12を形成する(図2(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。マスク12の厚さを1nm以上とすることは、膜欠陥などを通じてマスク上にGa結晶に由来した異物が発生しやすいことを効果的に防止する観点から、好ましい。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以下とすることが好ましい。
Next, a manufacturing method of the semiconductor device (fin structure) 101 will be described with reference to Figures 2 and 4. Note that the semiconductor device will be described as the fin structure 101, focusing on the fin (linear protrusion) portion, which is a convex pattern. If the focus is on the trench (groove) portion, which is a concave pattern, the semiconductor device can also be considered as a trench structure 101.
In the first step, a substrate (semiconductor substrate) 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal with a (010) or (001) crystal plane is prepared (step S11 in FIG. 4, FIG. 2(a)). When using a substrate with a (001) plane as the substrate plane, it is preferable to set an off-angle of 13.7° as described above.
In the second step, a linear or stripe-shaped (i.e., parallel line-shaped) masking pattern 12 is formed with its longitudinal direction parallel to the intersection line between the substrate surface and the (100) plane (step S12).
Specifically, a thin film 12a made of SiO2 or the like is formed on a substrate 11 (FIG. 2(b)), and a resist pattern 15 with linear or stripe-shaped openings is formed on the thin film 12a (FIG. 2(c)). Then, using the resist pattern 15 as a mask, wet or dry etching is performed to form openings 13 in the thin film 12a (FIG. 2(d)). Subsequently, the resist pattern 15 is stripped using oxygen plasma ashing, ozone ashing, or a resist stripper to form a mask 12 with linear or stripe-shaped openings 13 (FIG. 2(e)). The thickness of the mask 12 is preferably 1 nm or more but not more than 1000 nm. A thickness of 1 nm or more is preferable from the viewpoint of effectively preventing the generation of foreign matter derived from Ga2O3 crystals on the mask due to film defects , etc. The mask 12 is a dummy object not essential to the semiconductor device being manufactured, and its thickness is preferably 1000 nm or less from the viewpoint of suppressing the generation of cracks in the mask.

第3段階として、気相成長法を用いてマスキングパターン12の開口部13にβ-Ga結晶(フィン)14を選択成長させて、β-Ga結晶を用いるフィン構造体(半導体装置)101を製造する(工程S13、図2(f))。
マスク12の開口部は、加工しやすいSiOなどの薄膜12aを用いることにより、容易な微細加工も可能である。したがって本方法では、微細なβ-Ga結晶を用いたフィン構造体101をたやすく製造することが可能である。
In the third step, a β-Ga 2 O 3 crystal (fin) 14 is selectively grown in the opening 13 of the masking pattern 12 using a vapor phase epitaxy method to manufacture a fin structure (semiconductor device) 101 using the β-Ga 2 O 3 crystal (step S13, FIG. 2(f)).
The openings in the mask 12 can be easily microfabricated by using a thin film 12a made of an easily processable material such as SiO 2. Therefore, this method makes it possible to easily manufacture a fin structure 101 using fine β-Ga 2 O 3 crystals.

本発明で用いる気相を利用した堆積法の一つとして気相成長法(CVD)が挙げられるが、気相成長法(CVD)としては、ハライド気相成長法(HVPE:Halide vapor phase epitaxy)、低圧CVD(Low-pressure chemical vapor deposition)、有機金属気相成長法(Metal organic vapor phase epitaxy)、ミストCVD(Mist chemical vapor deposition)を挙げることができる。 One of the deposition methods using the vapor phase used in this invention is chemical vapor deposition (CVD), which includes halide vapor phase epitaxy (HVPE), low-pressure chemical vapor deposition (LPE), metal organic vapor phase epitaxy (MCVD), and mist chemical vapor deposition (MCVD).

本発明で用いる気相成長法とその特徴を、HVPEを例にとって、以下に説明する。
本発明の気相成長法の特徴は、β-Ga結晶からなる基板が露出している面を核にして選択的にβ-Ga結晶を成長させ、SiOなどのマスク面にはβ-Ga結晶を成長させないことである。
このために、本発明の気相成長法は、ガリウム原料ガスと酸素原料ガスからなるガス(すなわち、β-Ga結晶を成長させるガス)に加え、Gaをエッチングする性質をもつ反応性ガスを添加することを特徴とすることが好ましい。
The vapor phase growth method used in the present invention and its features will be explained below, taking HVPE as an example.
The vapor phase growth method of the present invention is characterized in that β-Ga 2 O 3 crystals are selectively grown on the exposed surface of the substrate made of β-Ga 2 O 3 crystals as nuclei, and β-Ga 2 O 3 crystals are not grown on the mask surface such as SiO 2 .
For this reason, the vapor phase growth method of the present invention is preferably characterized by adding a reactive gas having the property of etching Ga 2 O 3 to a gas consisting of a gallium source gas and an oxygen source gas (i.e., a gas for growing β-Ga 2 O 3 crystal).

当該気相成長法で使用する装置の一例として、気相成長装置(HVPE装置)2001の概要構成を図14に示す。
気相成長装置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、酸素原料供給源供給管1006、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、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。
ガリウム原料供給源1002には、その内部にガリウム金属1003が備えられる。そして、ガリウム原料供給源1002に供給されたガリウム化合物化ガス1004とガリウム金属が反応して生成されたガリウム原料ガスが、ガリウム原料ガス供給管1005を通じて、基板ホルダー1010上に載置された試料に供給される。
酸素原料供給源供給管1006は、基板ホルダー1010上に載置された試料に、酸素原料ガス1007を所定の量に制御して、供給する。
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(還元性ガス)1009を所定の量に制御して、供給する。
As an example of an apparatus used in the vapor phase growth method, a schematic configuration of a vapor phase growth apparatus (HVPE apparatus) 2001 is shown in FIG.
The vapor phase growth apparatus 2001 has a reactor 1001 that can be heated to a desired temperature by a heater 1012 .
The reactor 1001 is equipped with a gallium precursor supply source 1002 , an oxygen precursor supply pipe 1006 , an etching gas supply pipe 1008 , and a substrate holder 1010 , and the gas supplied to the reactor 1001 is exhausted through an exhaust pipe 1011 .
Gallium source supply source 1002 contains gallium metal 1003. Gallium compound gas 1004 supplied to gallium source supply source 1002 reacts with gallium metal to produce gallium source gas, which is then supplied to a sample placed on substrate holder 1010 through gallium source gas supply pipe 1005.
An oxygen source supply pipe 1006 supplies a controlled amount of oxygen source gas 1007 to a sample placed on a substrate holder 1010 .
An etching gas supply pipe 1008 controls and supplies a predetermined amount of etching gas (reducing gas) 1009 to a sample placed on a substrate holder 1010 .

ここで、ガリウム化合物化ガス1004としては、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガス、例えばClおよびHClを、酸素原料ガス1007としては、O、HOおよびNOからなる群より選ばれる1以上のガス、特に、Oを好んで用いることができる。
また、エッチング性ガス1009としては、HCl、HF、HBr、H、Clなどの還元性ガスを挙げることができる。還元性ガスの中でも特にHClは、石英との反応性が低く、取り扱いも容易であることから特に好んで用いることができる。
ガリウムのハロゲン化合物と酸素原料とは容易に反応し、酸化ガリウムを生成する。なお、Gaのハロゲン化物はGaClおよび/またはGaClを含むことが好ましい。これらのハロゲン化物(すなわち、GaClおよび/またはGaCl)は、反応性に優れており、酸化ガリウムの成長を促進する。
なお、これらのガス(すなわち、ガリウム化合物化ガス1004やエッチング性ガス1009)は不活性ガスであるキャリアガスとともに供給されてもよい。不活性ガスとしては、窒素(N)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガスおよびクリプトン(Kr)ガスを挙げることができる。
Here, the gallium compound gas 1004 may be a halogen gas or a hydrogen halide gas, for example, Cl2 and HCl, and the oxygen source gas 1007 may be one or more gases selected from the group consisting of O2 , H2O and N2O , with O2 being particularly preferred.
The etching gas 1009 may be a reducing gas such as HCl, HF, HBr, H2 , or Cl2 . Among reducing gases, HCl is particularly preferred because it has low reactivity with quartz and is easy to handle.
Gallium halide and oxygen source react easily to produce gallium oxide. The Ga halide preferably contains GaCl and/or GaCl 3. These halides (i.e., GaCl and/or GaCl 3 ) have excellent reactivity and promote the growth of gallium oxide.
These gases (i.e., the gallium compound gas 1004 and the etching gas 1009) may be supplied together with a carrier gas that is an inert gas, such as nitrogen (N 2 ) gas, helium (He) gas, neon (Ne) gas, argon (Ar) gas, and krypton (Kr) gas.

なお、フィン部のβ-Ga結晶に4価の価数のドーパントを導入したいときは、4価の価数を有する元素を含有する原料を供給すればよい。4価の価数を有する元素を含有する原料がガスである場合は、ガリウム原料供給源1002から混合して流してもよいし、別途原料供給源を設けてもよい。4価の価数を有する元素を含有する原料が固体あるいは液体である場合は、ガリウム金属1003のようにガリウム原料供給源1002に載置してもよい。 If a tetravalent dopant is to be introduced into the β-Ga 2 O 3 crystal of the fin portion, a source material containing an element having a tetravalent valence may be supplied. If the source material containing an element having a tetravalent valence is a gas, it may be mixed and flowed from the gallium source supply source 1002, or a separate source material may be provided. If the source material containing an element having a tetravalent valence is a solid or liquid, it may be placed on the gallium source supply source 1002, like gallium metal 1003.

ガリウム化合物化ガス1004、酸素原料ガス1007およびエッチング性ガス1009を基板ホルダー1010上に載置された試料に、700℃以上1300℃以下、好ましくは800℃以上1200℃以下、より好ましくは950℃以上1100℃以下の温度環境で供給して、β-Ga結晶を成長させる。 A gallium compound gas 1004, an oxygen source gas 1007, and an etching gas 1009 are supplied to a sample placed on a substrate holder 1010 in a temperature environment of 700°C or higher and 1300°C or lower, preferably 800°C or higher and 1200°C or lower, and more preferably 950°C or higher and 1100°C or lower, to grow a β-Ga 2 O 3 crystal.

上述のHVPE法により、β-Ga結晶からなる(010)面を基板面とする基板または(001)面を基板面とする基板上に形成されたβ-Ga結晶は、β-Ga結晶が露出した面(13)上にのみ成長し、マスク12上には成長しない選択的な成長となる。
さらに、当該成長によって形成されたβ-Ga結晶の側面は、結晶のファセットを反映していて未結合手密度が少なく、結晶欠陥や結晶表面の界面準位密度が低いものとなる。
By the above-mentioned HVPE method, the β-Ga 2 O 3 crystal formed on the substrate having the (010) plane as the substrate surface or the substrate having the (001) plane as the substrate surface made of β-Ga 2 O 3 crystal grows only on the surface (13) where the β-Ga 2 O 3 crystal is exposed, and does not grow on the mask 12, resulting in selective growth.
Furthermore, the side surfaces of the β-Ga 2 O 3 crystal formed by this growth reflect the facets of the crystal, and have a low density of dangling bonds, resulting in a low density of crystal defects and interface states on the crystal surface.

参考までに、ドライエッチングを用いた従来法によるβ-Gaフィン構造体301の製造方法を、図3を参照しながら説明する。
まず、β-Ga結晶からなる基板(半導体基板)11を準備する(図3(a))。
次に、基板11上にβ-Ga結晶膜(31a)をエピタキシャル成長させる(図3(b))。
その後、β-Ga結晶膜(31a)上にレジストパターン32を形成し(図3(c))、ドライエッチングによりβ-Ga結晶膜(31a)をエッチングしてフィン(線状突起)(見方を変え、凹パターンであるトレンチ(溝)部に着目すれば、トレンチ(溝))が形成されたβ-Ga結晶31を形成する(図3(d))。
最後に、レジストパターン32を剥離してβ-Ga結晶のフィン構造体301が半導体装置として製造される(図3(e))。当該半導体装置(フィン構造体301)は、凹パターンであるトレンチ(溝)部に着目すれば、トレンチ構造体101であるとみなすこともできる。
For reference, a method for manufacturing a β-Ga 2 O 3 fin structure 301 by a conventional method using dry etching will be described with reference to FIG.
First, a substrate (semiconductor substrate) 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal is prepared (FIG. 3(a)).
Next, a β-Ga 2 O 3 crystal film (31a) is epitaxially grown on the substrate 11 (FIG. 3(b)).
Thereafter, a resist pattern 32 is formed on the β-Ga 2 O 3 crystal film (31 a) (FIG. 3(c)), and the β-Ga 2 O 3 crystal film (31 a) is etched by dry etching to form β-Ga 2 O 3 crystals 31 with fins (linear protrusions) (or, if you look at it from a different perspective, trenches, which are concave patterns) (FIG. 3(d)).
Finally, the resist pattern 32 is peeled off, and the β-Ga 2 O 3 crystal fin structure 301 is manufactured as a semiconductor device (FIG. 3(e)). The semiconductor device (fin structure 301) can also be regarded as the trench structure 101 when focusing on the trench (groove) portion, which is a concave pattern.

このドライエッチングを用いた従来法によるβ-Ga結晶のフィン構造体301の製造方法では、既述したとおり、下記の問題が発生する。
(1)形成されるトレンチやフィンの側壁表面(側面)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。ここで、ウェットエッチングを施してもダメージが回復しきれないことがある。
(2)ドライエッチング加工で形成された側壁表面(側面)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。
(3)ドライエッチングによる加工では、デバイス応用上望ましい幅が狭く深いトレンチや、完全に垂直な側壁表面(側面)の作製が困難である。そのような制限のある加工形状は、デバイス設計の制約となる。
As already mentioned, the conventional method of manufacturing the β-Ga 2 O 3 crystal fin structure 301 using dry etching has the following problems.
(1) The sidewall surfaces (side faces) of the trenches and fins that are formed are damaged during processing. Therefore, after dry etching, it is necessary to remove the damage using a wet process using alkali or acid. However, even with wet etching, the damage may not be completely repaired.
(2) The sidewall surface (side surface) formed by dry etching does not reflect the crystal facets, and therefore has a high density of dangling bonds, which leads to an increase in the density of states on the crystal surface and at the junction interface, degrading device characteristics.
(3) Dry etching is difficult to fabricate narrow, deep trenches and perfectly vertical sidewalls, which are desirable for device applications. Such limited processing shapes place constraints on device design.

(実施の形態2)
実施の形態2では、パワーデバイスとしての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。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a trench metal oxide semiconductor Schottky barrier diode (MOSSBD) 201, which is one of the semiconductor devices suitable for use as a power device, will be described, along with its manufacturing method.

Trench MOSSBD(201)の製造方法を、図5から図6を参照して、説明する。
最初に、実施の形態1に従って、β-Ga結晶からなる基板51、SiOマスク52、マスク開口部に成長形成させたβ-Ga結晶パターン(β-Ga結晶半導体層)53を有する試料(図5(a))を準備する。β-Ga結晶からなる基板51としては、Si、Snなどが1017cm-3以上1019cm-3以下の量でドープされたものを好んで用いることができる。
ここで、実施の形態1では、図2および図4を用いた上記説明に見られるとおり、β-Ga結晶パターン53を、凸パターン、すなわちフィン(線状突起)に着目して表現してきたが、実施の形態2では、β-Ga結晶パターン53の間に形成された溝に着目して凹パターン、すなわちトレンチ(溝)として捉えて表現する。
A method for manufacturing the Trench MOSSBD (201) will be described with reference to FIGS.
First, a sample (FIG. 5(a ) ) is prepared according to embodiment 1, which includes a substrate 51 made of β- Ga2O3 crystal , an SiO2 mask 52, and a β- Ga2O3 crystal pattern (β- Ga2O3 crystal semiconductor layer) 53 grown in the opening of the mask. The substrate 51 made of β- Ga2O3 crystal is preferably doped with Si, Sn , or the like at a concentration of 1017 cm -3 or more and 1019 cm -3 or less.
In the first embodiment, as explained above using Figures 2 and 4, the β-Ga 2 O 3 crystal patterns 53 are expressed as convex patterns, i.e., fins (linear protrusions), whereas in the second embodiment, the β-Ga 2 O 3 crystal patterns 53 are expressed as concave patterns, i.e., trenches, focusing on the grooves formed between the β-Ga 2 O 3 crystal patterns 53.

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、HfO、Al、SiO、Ta、HfSiO、Si、SiONからなる群より選ばれる1つ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。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。 Next, as shown in FIG. 5B, an insulating film 54a is conformally formed. The insulating film 54a is preferably one having few levels and defects and excellent withstand voltage, and examples thereof include one or more selected from the group consisting of HfO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , Ta 2 O 5 , HfSiO 2 , Si 3 N 4 , and SiON. A single-layer film or a multilayer film selected from these films may be used. The film formation method is not particularly limited, and examples thereof include CVD, sputtering, and ALD (Atomic Layer Deposition). The thickness of the insulating film 54a is not particularly limited, but may be 10 nm or more and 100 nm or less.

続いて、図5(c)に示すように、少なくともβ-Ga結晶パターン53の上面部分55が露出する(すなわち、β-Ga結晶露出部55が現れる)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。 5(c), the upper surface portion of the insulating film 54a is removed so as to expose at least the upper surface portion 55 of the β-Ga 2 O 3 crystal pattern 53 (i.e., the β-Ga 2 O 3 crystal exposed portion 55 appears), resulting in the first insulating film 54. Examples of this processing method include CMP (Chemical Mechanical Polishing), etch-back, and a combination thereof.

しかる後、絶縁膜56aを堆積させ(図5(d))、続いて、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5(e))。ここで、絶縁膜56aとしては、例えば、SiO、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(a))、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(例えば、SiO)を形成する(図6(b))。
Thereafter, an insulating film 56a is deposited (FIG. 5(d)), followed by forming a resist pattern 57 having openings exposing desired regions where trenches are to be formed (FIG. 5(e)). Examples of the insulating film 56a include SiO2 , SiON, SOG (Spin on Glass), and polyimide. Examples of methods for forming the insulating film include CVD, sputtering, and coating.
Thereafter, the insulating film 56a is etched (FIG. 6(a)), and then the resist pattern 57 is removed by oxygen gas ashing, ozone treatment, and a stripping solution, etc., to form a second insulating film 56 (e.g., SiO2 ) on at least a part of the field portion other than the trench region (FIG. 6(b)).

次に、β-Ga結晶が露出したβ-Ga結晶パターン53の上面部分(すなわち、β-Ga結晶露出部)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-Ga結晶パターン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6(c))。
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-Ga結晶からなる基板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-Ga結晶からなる基板51のドーピングを制御し、また、導電性膜59を積層膜とすることも好ましい。
Next, after thoroughly cleaning the upper surface portion 55 of the β-Ga 2 O 3 crystal pattern 53 where the β-Ga 2 O 3 crystals are exposed (i.e., the exposed β-Ga 2 O 3 crystal portion) and the exposed surface of the first insulating film 54, a conductive film 58a that will serve as an anode is formed on the surface (upper surface) on the β-Ga 2 O 3 crystal pattern 53 side, and a conductive film 59 that will serve as a cathode is formed on the back surface (Figure 6(c)).
Examples of the conductive film 58a include Pt, Au, Ni, Ag, Ru, Rh, Pd, W, Mo, Ta, and Cu. Examples of the method for forming the conductive film 58a include vapor deposition, sputtering, and MOCVD.
Examples of the conductive film 59 include at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Au, Pt, and ITO, and alloys containing at least one selected from these groups. Examples of methods for forming the conductive film 59 include vapor deposition, sputtering, and MOCVD. It is preferable that the conductive film 59 be in ohmic contact with the substrate 51 made of β-Ga 2 O 3 crystal. Taking this into consideration, it is also preferable to control the doping of the substrate 51 made of β-Ga 2 O 3 crystal and form the conductive film 59 as a laminated film.

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。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。
アノード電極58は、β-Ga結晶が露出したβ-Ga結晶パターン(β-Ga結晶半導体層)53の上面部分(β-Ga結晶露出部)55とショットキー接続をした構造を備えることになるので、当該上面部分(β-Ga結晶露出部)55は、ショットキー接続部ともいえる。
図6(d)に記載されているとおり、Trench MOSSBD(201)では、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造は、β-Ga結晶パターン53の間に形成された溝に着目すると、トレンチ(溝)の形状を有し、当該トレンチ(溝)の側壁表面(側面)と当該トレンチ(溝)の底面に配置された絶縁膜54を介して(ここで、当該絶縁膜54は、当該トレンチ(溝)の側壁表面(側面)の少なくとも一部に配置されていればよい。)、アノード電極58が、前記立体構造のトレンチ(溝)を覆うように形成されており(ここで、当該アノード電極58は、当該トレンチ(溝)の少なくとも一部を覆っていればよい。)、また、アノード電極58は、前記立体構造(すなわち、トレンチ(溝))の一部において、β-Ga結晶からなる前記半導体層とショットキー接触をした構造を備えている。
Finally, the conductive film 58a is processed by lithography and etching to produce a trench MOSSBD (201) having the desired anode electrode 58 and cathode electrode (conductive film) 59. The anode electrode 58 may be formed by a lift-off method instead of the formation method using film deposition, lithography, and etching.
The anode electrode 58 has a structure in which it is Schottky-connected to the upper surface portion (β- Ga2O3 crystal exposed portion) 55 of the β- Ga2O3 crystal pattern (β- Ga2O3 crystal semiconductor layer) 53 where the β- Ga2O3 crystal is exposed, and therefore the upper surface portion (β- Ga2O3 crystal exposed portion) 55 can also be said to be a Schottky-connected portion.
As shown in FIG. 6( d ), in the Trench MOSSBD (201), when focusing on the grooves formed between the β-Ga 2 O 3 crystal patterns 53, the three-dimensional structure of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystals has a trench (groove) shape, and an anode electrode 58 is formed so as to cover the trench (groove) of the three-dimensional structure (here, it is sufficient that the anode electrode 58 covers at least a part of the trench (groove)) via an insulating film 54 arranged on the sidewall surface (side surface) of the trench (groove) and the bottom surface of the trench (here, it is sufficient that the insulating film 54 is arranged on at least a part of the sidewall surface (side surface) of the trench (groove)). Also, the anode electrode 58 has a structure in which it is in Schottky contact with the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal in a part of the three-dimensional structure (i.e., the trench (groove)).

製造されたTrench MOSSBD(201)は、β-Ga結晶からなる半導体層(すなわち、β-Ga結晶半導体層)53がアノード電極58とショットキー接触し、溝部のβ-Ga結晶半導体層53の側壁表面(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半導体装置となる。このような高品質のβ-Ga結晶半導体層53と、このような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、パワーデバイス用途に特に好適なリーク電流特性に優れた半導体装置である高耐圧ダイオードとなる。 In the manufactured Trench MOSSBD (201), the semiconductor layer (i.e., the β- Ga2O3 crystal semiconductor layer) 53 made of β- Ga2O3 crystals is in Schottky contact with the anode electrode 58, and the sidewall surfaces (side surfaces) of the β - Ga2O3 crystal semiconductor layer 53 in the grooves reflect the crystal facets , resulting in a low density of dangling bonds, resulting in a semiconductor device with low crystal defects and low interface state density on the crystal surface. The combination of this high-quality β- Ga2O3 crystal semiconductor layer 53 and the Trench MOSSBD structure that can bring out such high breakdown voltage characteristics allows the manufactured Trench MOSSBD (201) to be a high-voltage diode, which is a semiconductor device with excellent leakage current characteristics that is particularly suitable for power device applications.

(実施の形態3)
実施の形態3では、図7に示すように、実施の形態1のβ-Ga結晶を用いるフィン構造体101を(横型)FinFET(202)に適用した。実施の形態3について、図7を参照しながら、以下に説明する。なお、本願では、前記(横型)FinFET(202)の構造を「Fin型MOSFET構造」と称する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, as shown in Fig. 7, the fin structure 101 using the β-Ga 2 O 3 crystal of the first embodiment is applied to a (lateral) FinFET (202). The third embodiment will be described below with reference to Fig. 7. In this application, the structure of the (lateral) FinFET (202) is referred to as a "Fin-type MOSFET structure."

図7中の(a)と(b)に示すとおり、横型FinFET(202)は、β-Ga結晶からなる絶縁性の基板61、β-Ga結晶半導体からなるフィン62、薄膜のSiOなどからなるマスク63、SiOなどの絶縁膜64、ゲート絶縁膜65、ゲート電極66からなり、ゲート電極66を挟んでフィン62の片端にはソース67、もう一方の片端にはドレイン68が接続された構造になっている。この構造では、フィン62の上面に加え、その側面の少なくとも一部がチャネルとなり、FET電気特性は良好なものとなる。ここで、上記のように基板61が絶縁性である場合は絶縁膜64を省くことができる。 As shown in (a) and (b) of Figure 7, the lateral FinFET (202) is composed of an insulating substrate 61 made of β- Ga2O3 crystal , a fin 62 made of a β- Ga2O3 crystal semiconductor, a mask 63 made of thin SiO2 or the like, an insulating film 64 made of SiO2 or the like, a gate insulating film 65, and a gate electrode 66. A source 67 is connected to one end of the fin 62, and a drain 68 is connected to the other end, sandwiching the gate electrode 66. In this structure, in addition to the top surface of the fin 62, at least a portion of its side surface serves as a channel, resulting in good FET electrical characteristics. Here, if the substrate 61 is insulating as described above, the insulating film 64 can be omitted.

横型FinFET(202)では、実施の形態1で説明した方法により基板61上に形成されたマスク63の開口部に形成されたフィン62をもつフィン構造体を準備し、次に、CVDやスパッタリング法などによって絶縁膜64を形成し、その上にゲート絶縁膜65を形成し、フィン62の片側の側壁表面(第1側面)、上面および第1側面に向かい合うもう片方の側壁表面(第2側面)、すなわちフィン立体構造の上面と両側壁表面(両側面)の少なくとも一部に覆いかぶさるようにゲート電極66を形成し、その上で、ゲート電極66を挟んでフィン62の片端にはソース67、もう一方の片端にはドレイン68を接続形成して製造することができる。
ここで、ゲート絶縁膜65としては、SiOの他、HfO、HfSiO、AlおよびSiなどのいわゆるHigh-k膜を用いることが好ましい。
図7に示すように、当該FinFET(202)では、ゲート電極66が、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造(具体的には、フィン62)の少なくとも一側壁表面(側面)、または、当該立体構造の上面と側面(すなわち、当該立体構造の全面)を覆うように配置(形成)されている構造を備えることになる。
In the lateral FinFET (202), a fin structure having fins 62 formed in openings in a mask 63 formed on a substrate 61 by the method described in embodiment 1 is prepared, then an insulating film 64 is formed by CVD, sputtering, or the like, and a gate insulating film 65 is formed thereon. A gate electrode 66 is then formed so as to cover at least a portion of one sidewall surface (first side surface), the top surface, and the other sidewall surface (second side surface) facing the first side surface of the fin 62, i.e., the top surface and both sidewall surfaces (both side surfaces) of the fin three-dimensional structure. Then, a source 67 is connected to one end of the fin 62 and a drain 68 is connected to the other end of the fin 62, sandwiching the gate electrode 66 therebetween.
Here, as the gate insulating film 65, it is preferable to use a so-called high-k film such as HfO 2 , HfSiO 2 , Al 2 O 3 and Si 3 N 4 in addition to SiO 2 .
As shown in FIG. 7, the FinFET (202) has a structure in which the gate electrode 66 is arranged (formed) so as to cover at least one sidewall surface (side surface) of the three - dimensional structure (specifically, the fin 62) of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal, or the top surface and side surface of the three-dimensional structure (i.e., the entire surface of the three-dimensional structure).

横型FinFET(202)は、チャネルとなるβ-Ga結晶半導体からなるフィン62の側壁表面(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半導体装置となる。当該FinFET(202)は、このような高品質のβ-Ga結晶半導体からなるフィン62と、優れた電気特性を引き出せるFinFET構造が相まって、優れた電流特性を有するFET(Field Effect Transistor)になる。つまり、当該横型FinFET(202)は、パワーデバイスになる。 The lateral FinFET (202) is a semiconductor device with low crystal defects and low interface state density on the crystal surface because the sidewall surfaces (side surfaces) of the fins 62, which form the channel and are made of β-Ga 2 O 3 crystalline semiconductor, reflect the crystal facets and have a low density of dangling bonds. The FinFET (202) is a FET (Field Effect Transistor) with excellent current characteristics, due to the combination of the fins 62 made of such high-quality β-Ga 2 O 3 crystalline semiconductor and a FinFET structure that can extract excellent electrical characteristics. In other words, the lateral FinFET (202) is a power device.

(実施の形態4)
実施の形態4では、図8に示すように、実施の形態1のβ-Ga結晶からなるフィン構造体101を(縦型)FinFET(203)に適用した。実施の形態4について、図8を参照しながら、以下に説明する。なお、本願では、前記FinFET(203)の構造を、(横型)FinFET(202)の構造と同様、「Fin型MOSFET構造」と称する。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, as shown in Fig. 8, the fin structure 101 made of the β-Ga 2 O 3 crystal of the first embodiment is applied to a (vertical) FinFET (203). The fourth embodiment will be described below with reference to Fig. 8. In this application, the structure of the FinFET (203) is referred to as a "Fin-type MOSFET structure" in the same manner as the structure of the (lateral) FinFET (202).

縦型FinFET(203)は、β-Ga結晶からなる基板71、エピタキシャルβ-Ga結晶形成層72、β-Ga結晶からなるフィン73、フィン73を形成するときのテンプレートとなるSiOなどからなるマスク74、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を備える。
図8に示すように、当該FinFET(203)では、ゲート電極76が、β-Ga結晶からなる半導体層の立体構造(具体的には、フィン73)の少なくとも一側壁表面(側面)を覆うように配置(形成)されている構造を備えることになる。
The vertical FinFET (203) includes a substrate 71 made of β-Ga 2 O 3 crystal, an epitaxial β-Ga 2 O 3 crystal formation layer 72, a fin 73 made of β-Ga 2 O 3 crystal, a mask 74 made of SiO 2 or the like that serves as a template when forming the fin 73, an insulating film 75 that functions as a gate insulating film, a gate electrode 76, an insulating layer 77 that serves to electrically isolate the gate electrode from the source electrode, etc., an n + layer 78 that provides ohmic contact between the fin 73 and the source electrode 79 and has the function of reducing the contact resistance, and a drain electrode 80.
As shown in FIG. 8, the FinFET (203) has a structure in which the gate electrode 76 is arranged (formed) so as to cover at least one sidewall surface (side surface) of the three - dimensional structure (specifically, the fin 73) of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal.

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以下の量でドープされたものを用いることが好ましい。エピタキシャルβ-Ga結晶形成層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以下であるβ-Ga結晶であり、その厚さは1μm以上50μm以下であることが好ましい。
フィン73は、マスク74を用いてエピタキシャルβ-Ga結晶形成層72上に実施の形態1と同様にして形成される。ここで、フィン73のドーピング量は1015cm-3以上1017cm-3以下としておくことが好ましい。フィン73の側壁表面(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、SiOの他、HfO、HfSiO、AlおよびSiなどのいわゆるHigh-k膜を用いることが好ましい。その厚さは、10nm以上100nm以下であることが好ましい。
In terms of electrical resistance, it is preferable to use a substrate 71 doped with Si, Sn, or the like at a concentration of 10 cm −3 or more and 10 cm −3 or less. The epitaxial β-Ga 2 O 3 crystal formation layer 72 is a β-Ga 2 O 3 crystal formed by a HVPE method or the like and having a dopant concentration of 10 cm −3 or more and 10 cm −3 or less, and its thickness is preferably 1 μm or more and 50 μm or less.
The fin 73 is formed on the epitaxial β-Ga 2 O 3 crystal formation layer 72 using a mask 74 in the same manner as in the first embodiment. Here, the doping amount of the fin 73 is preferably set to 10 15 cm −3 or more and 10 17 cm −3 or less. The surface layer of the sidewall surface (side surface) of the fin 73 functions as a channel layer.
As the insulating film (gate insulating film) 75, it is preferable to use a so-called high-k film such as HfO 2 , HfSiO 2 , Al 2 O 3 or Si 3 N 4 in addition to SiO 2. The thickness thereof is preferably 10 nm or more and 100 nm or less.

ゲート電極76としては、Pt、Cr、Au、Ni、Ag、Ru、Rh、Pd、W、Mo、Ta、PolySi(ポリシリコン)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(酸化インジウムスズ)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80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、SiO、SiON、SOG(Spin on Glass)、ポリイミドを挙げることができる。
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以下の範囲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、容易な作製という観点から、フィン73のドーピング量によっては、省略してもよい。
Pt, Cr, Au, Ni, Ag, Ru, Rh, Pd, W, Mo, Ta, PolySi (polysilicon), and Cu are preferably used for the gate electrode 76, and at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Au, Pt, and ITO (indium tin oxide), or an alloy containing at least one selected from these groups, are preferably used for the source electrode 79 and the drain electrode 80. Considering adhesion, which is important in microfabrication, for example, the source electrode 79 is preferably a laminated film in which Ti, Al, and Pt are laminated in this order from the bottom up, and the drain electrode 80 is preferably a two-layered film in which Ti and Au are laminated in this order from the bottom up.
The insulating layer 77 may be made of, for example, SiO 2 , SiON, SOG (Spin on Glass), or polyimide.
The n + layer 78 can be formed by ion implantation. The dopant can be Si or Sn, and the dopant amount can be in the range of 10 18 cm −3 to 10 20 cm −3 . The thickness can be 50 nm to 500 nm. From the viewpoint of ease of fabrication, the n + layer 78 may be omitted depending on the doping amount of the fin 73.

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-Ga結晶形成層72上に形成されたマスク74の開口部に形成されたフィン73を備える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の側壁表面(側面)の一部を少なくとも含む領域に、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。 The vertical FinFET (203) is manufactured by preparing a fin structure having fins 73 formed in openings of a mask 74 formed on an epitaxial β- Ga2O3 crystal formation layer 72 by the method described in the first embodiment, forming an insulating film (gate insulating film) 75 by a CVD method, a sputtering method, or the like, forming a gate electrode 76 in an area including at least a part of the sidewall surface (side surface) of the fin 73 by a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a MOCVD method, or the like, forming an insulator layer 77 by a sputtering method, a CVD method, or a coating method, and forming a source electrode 79 and a drain electrode 80 thereon.

縦型FinFET(203)は、チャネル層となるβ-Ga結晶の半導体からなるフィン73の側壁表面(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半導体装置となる。当該FinFET(203)は、このような高品質のβ-Ga結晶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。
さらに、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、電流がより効率的に稼げるので望ましい。縦型FinFET(203)の構造においては、微細加工で単位面積あたりのフィン73を多数形成することにより、そのチャネル層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用途に好適な、電気特性の優れたものとなる。つまり、当該縦型FinFET(203)は、パワーデバイスになる。
The vertical FinFET (203) is a semiconductor device with low crystal defects and low interface state density on the crystal surface because the sidewall surfaces (side surfaces) of the fins 73, which form the channel layer and are made of a β- Ga2O3 crystalline semiconductor, reflect the crystal facets and have a low density of dangling bonds. The FinFET (203) is an FET with excellent current characteristics, due to the combination of the fins 73 made of such high-quality β- Ga2O3 crystalline semiconductor and the vertical FinFET structure, which can bring out excellent electrical characteristics.
Furthermore, it is desirable for the channel layer in the vertical FinFET (203) to have as large an area as possible, since current can be generated more efficiently. In the structure of the vertical FinFET (203), the surface area of the channel layer can be increased by forming a large number of fins 73 per unit area through microfabrication. According to the present invention, it is possible to form fins 73 with high packing density, fineness, and a high aspect ratio. Therefore, the vertical FinFET (203) according to the fourth embodiment has excellent electrical characteristics, making it particularly suitable for use in power devices. In other words, the vertical FinFET (203) serves as a power device.

(実施例1)
実施例1では、(001)面および(010)面を基板面とするβ-Ga結晶からなる基板を用いて試料を作製し、評価した。その結果を、試料の作製方法とともに以下に述べる。
Example 1
In Example 1, samples were prepared and evaluated using substrates made of β-Ga 2 O 3 crystals with the (001) and (010) planes as the substrate surfaces. The results are described below together with the sample preparation method.

<試料の作製>
図2(a)に示すように、β-Ga結晶からなる基板11を準備し、その基板11上にアモルファス状のSiOである薄膜12aを形成した(図2(b))。
ここで、β-Ga結晶からなる基板11には、ノベルクリスタルテクノロジーが市販している(001)、(010)面を基板面とする基板を用いた。
アモルファス状のSiOである薄膜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成長法により形成し、その膜厚は100nmとした。
<Sample preparation>
As shown in FIG. 2(a), a substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal was prepared, and a thin film 12a made of amorphous SiO 2 was formed on the substrate 11 (FIG. 2(b)).
Here, the substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 crystal was a commercially available substrate from Novel Crystal Technology with the (001) and (010) planes as the substrate surface.
The amorphous SiO 2 thin film 12a was formed by plasma enhanced chemical vapor deposition using tetraethoxysilane (TEOS) as a precursor, and had a thickness of 100 nm.

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2(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2(d))、続いて、レジストパターン15を剥離して溝状の開口部13を有するSiO(12)からなるマスク12を形成した(図2(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-Ga結晶からなる基板の露出部(β-Ga結晶基板露出部)13aの脱脂を行った。。
マスク12の開口部13は、(001)面を基板面とする基板11では[010]方向に、(010)面を基板面とする基板11では[001]方向に平行になるように形成した。その開口部13は、幅1.2μm、長さ100μmである。
Thereafter, a resist pattern 15 having a groove-shaped opening pattern was formed (FIG. 2(c)). After that, wet etching was performed using a hydrofluoric acid buffer solution (FIG. 2(d)). Subsequently, the resist pattern 15 was stripped to form a mask 12 made of SiO 2 (12) having groove-shaped openings 13 (FIG. 2(e)). Here, the resist was stripped using acetone and oxygen plasma ashing, and the exposed portion of the substrate made of β-Ga 2 O 3 crystal (exposed portion of the β-Ga 2 O 3 crystal substrate) 13a was degreased.
The opening 13 in the mask 12 was formed so as to be parallel to the [010] direction in the substrate 11 whose substrate surface was the (001) plane, and parallel to the [001] direction in the substrate 11 whose substrate surface was the (010) plane. The opening 13 was 1.2 μm wide and 100 μm long.

その後、図2(f)に示すように、ハライド気相成長法により、β-Ga結晶の選択成長を行ってマスク開口部13にβ-Ga結晶からなる半導体層14を形成した。その詳細を下記に示す。
ハライド気相成長に用いた装置は独自に作製したものを用いた。β-Ga結晶の成長用のガスとしては、O(純度>99.99999%)(酸素原料ガス)とGaCl前駆体(ガリウム化合物化ガス)を用い、1040℃に加熱された石英反応器の生成反応領域の基板上に、それぞれ1.25および0.125kPaの分圧で別々に供給した。ここで、GaCl前駆体は、820℃でGa金属(純度>99.99999%)とHClガス(純度>99.999%)(ガリウム化合物化ガス)とを化学反応させて、前記石英反応器の上流で合成されたものを使用した。
また、エッチング性ガスとしてHClガスを0.25kPaの分圧で前記生成反応領域に直接供給した。HClガスはGa結晶をエッチングする性質を有する。このガスの導入は、寄生気相反応を回避し、さらにマスク12上にGa結晶の核が形成されるのをより効果的に防止するためである。
なお、キャリアガスとしては、精製されたNガス(露点<-110℃)を使用した。その流量は7870sccmとした。成膜時間(成長時間)は15分とし、(001)面と(010)面のどちらの面を基板面とする基板11に対しても同じ条件で成膜を行った。
なお、比較例として、前記マスク12上核形成防止用のエッチング性ガスであるHClガス供給を行わない条件での成膜も行った。
以上の工程により、線状マスク開口上に(100)ファセット面が側壁表面(側面)となる凹凸構造を形成した。
2(f), selective growth of β-Ga 2 O 3 crystal was performed by halide vapor phase epitaxy to form a semiconductor layer 14 made of β-Ga 2 O 3 crystal in the mask opening 13. The details are given below.
The halide vapor phase epitaxy was performed using a custom-built device. The gases used for growing the β- Ga2O3 crystal were O2 (purity >99.99999%) (oxygen source gas) and GaCl precursor (gallium compound gas), which were supplied separately to the substrate in the production reaction zone of a quartz reactor heated to 1040°C at partial pressures of 1.25 and 0.125 kPa, respectively. The GaCl precursor was synthesized upstream of the quartz reactor by chemically reacting Ga metal (purity >99.99999%) with HCl gas (purity >99.999%) (gallium compound gas) at 820°C.
In addition, HCl gas was supplied directly to the reaction zone as an etching gas at a partial pressure of 0.25 kPa. HCl gas has the property of etching Ga2O3 crystals . The introduction of this gas was intended to avoid parasitic gas-phase reactions and more effectively prevent the formation of Ga2O3 crystal nuclei on the mask 12.
Purified N gas (dew point <-110°C) was used as the carrier gas. The flow rate was 7870 sccm. The film formation time (growth time) was 15 minutes, and film formation was performed under the same conditions on both the (001) and (010) surfaces of the substrate 11.
As a comparative example, film formation was also performed under conditions where HCl gas, which is an etching gas for preventing nucleation on the mask 12, was not supplied.
Through the above steps, a concave-convex structure was formed on the linear mask opening, with the (100) facet plane serving as the sidewall surface (side surface).

<評価>
最初に、HClガスを導入することにより、マスク12上のβ-Ga結晶生成を防止できることを確認した。
図9は、HClガスを導入した場合(図9(a))と、導入しない場合(図9(b))を上面からSEM観察して比較した例である。ここで、SEMとしてはSU8230(日立ハイテク製)を用いた。
HClガスを導入した場合は、図9(a)から、マスク開口部13に対応する場所にβ-Ga結晶の線状パターンが形成され、マスク12が形成された領域はさらの状態(何も形成されていないそのままの状態)であることがわかる。
一方、HClガスの導入がない場合は、図9(b)に示すように、マスク12上にもGa結晶由来の堆積物が形成された。
以上から、HClガスを導入することにより、マスク開口部13にβ-Ga結晶を選択的に成長させることができることが確認された。
<Evaluation>
First, it was confirmed that the introduction of HCl gas could prevent the formation of β-Ga 2 O 3 crystals on the mask 12 .
Figure 9 shows an example of a comparison of the results of SEM observation from above when HCl gas was introduced (Figure 9(a)) and when it was not introduced (Figure 9(b)). The SEM used here was an SU8230 (manufactured by Hitachi High-Technologies).
When HCl gas is introduced, it can be seen from FIG. 9(a) that a linear pattern of β-Ga 2 O 3 crystals is formed in the location corresponding to the mask opening 13, while the area where the mask 12 is formed remains bare (as it is, with nothing formed).
On the other hand, when HCl gas was not introduced, deposits derived from Ga 2 O 3 crystals were also formed on the mask 12, as shown in FIG. 9(b).
From the above, it was confirmed that β-Ga 2 O 3 crystals can be selectively grown in the mask openings 13 by introducing HCl gas.

なお、マスク開口部13から100μm以上離れたマスク12上には堆積物が確認されている。このような堆積物が半導体装置を製造する上で問題にならないようにするには、β-Ga結晶を成膜後、マスク開口部13から100μm以上離れたフィールド部分に開口をもつレジストパターンを形成し、続いて、ウェットエッチングなどで不要な堆積物であるGa結晶を削除するか、マスク開口部13から100μm以上離れたフィールド部分に予めダミーの開口を形成してダミーのβ-Ga結晶パターンを形成しておくことが好ましい。または、導入するHClガス量を増加させるか、成長前駆体供給量(例えば、GaCl前駆体の供給量)を低減させて脱離反応を促進させることも効果的である。 Deposits were confirmed on the mask 12 at a distance of 100 μm or more from the mask opening 13. To prevent such deposits from becoming a problem in manufacturing a semiconductor device, it is preferable to form a resist pattern having an opening in a field portion at a distance of 100 μm or more from the mask opening 13 after forming the β-Ga 2 O 3 crystal, and then remove the unnecessary Ga 2 O 3 crystal deposits by wet etching or the like, or to form a dummy β-Ga 2 O 3 crystal pattern by forming a dummy opening in advance in the field portion at a distance of 100 μm or more from the mask opening 13. Alternatively, it is also effective to promote the desorption reaction by increasing the amount of HCl gas introduced or by reducing the supply amount of growth precursor (e.g., the supply amount of GaCl precursor).

次に、基板結晶面に対して形成されるβ-Ga結晶パターンの面内方位依存性について、放射状にマスク開口部13が形成された試料を用いて調べた。その結果(SEM像)を図10に示す。ここで、同図の(a)は(001)面を基板面とする基板を用いた場合で、(b)は(010)面を基板面とする基板を用いた場合である。
線の方向が[010]方向または[001]方向から僅かに外れると、[010]方向および[001]方向に平行な階段状の側壁表面(側面)が観測された。
(001)面を基板面とする基板を用いた場合で、線の方向が[010]方向から大きく外れると、ランダムな配向の多結晶粒子が現れ、(010)面を基板面とする基板を用いた場合で、線の方向が[001]方向から大きく外れると、マイクロステップの密度が増して(100)ファセット面の領域が極大化するためにジグザグ状の側壁表面(側面)になった。
以上から、滑らかな(100)ファセットの側壁表面(側面)をもつβ-Ga結晶パターンを得るためには、線状のマスク開口部の方向(すなわち、基板上に形成された溝(トレンチ)または線状突起(フィン)の長手方向に対応する)が(100)面と基板表面(つまり、基板の基板面)の交線に平行であることが必要であることが確認された。ここで、(001)面および(010)面を基板面とする基板の場合、その方向はそれぞれ[010]方向および[001]方向に対応する。
Next, the in-plane orientation dependency of the β-Ga 2 O 3 crystal pattern formed on the substrate crystal plane was investigated using a sample with radial mask openings 13. The results (SEM images) are shown in Figure 10. Here, (a) in the figure shows the case where a substrate with a (001) plane as the substrate surface was used, and (b) shows the case where a substrate with a (010) plane as the substrate surface was used.
When the line direction deviated slightly from the [010] or [001] direction, step-like sidewall surfaces (side faces) parallel to the [010] and [001] directions were observed.
When a substrate having a (001) plane as its substrate surface is used and the line direction deviates significantly from the [010] direction, randomly oriented polycrystalline grains appear. When a substrate having a (010) plane as its substrate surface is used and the line direction deviates significantly from the [001] direction, the density of the microsteps increases and the area of the (100) facet plane is maximized, resulting in a zigzag sidewall surface (side surface).
From the above, it was confirmed that in order to obtain a β- Ga2O3 crystal pattern with a smooth (100) facet sidewall surface (side surface), the direction of the linear mask opening (i.e., corresponding to the longitudinal direction of the groove (trench) or linear protrusion (fin) formed on the substrate) must be parallel to the intersection of the (100) plane and the substrate surface (i.e., the substrate surface of the substrate). Here, for substrates with (001) and (010) planes as the substrate surface, this direction corresponds to the [010] and [001] directions, respectively.

次に、(001)面を基板面とする基板でマスク開口部13の長手方向が[010]方向としてβ-Ga結晶パターンを形成した例を図11(a)、および(010)面を基板面とする基板で長手方向が[001]方向としてβ-Ga結晶パターンを形成した例を図11(b)に示す。滑らかな側壁表面(側面)をもつ良好なストライプパターンが形成されていることがわかる。 Next, Fig. 11(a) shows an example of a β-Ga 2 O 3 crystal pattern formed on a substrate with a (001) plane as the substrate surface, with the longitudinal direction of the mask opening 13 set in the [010] direction, and Fig. 11(b) shows an example of a β-Ga 2 O 3 crystal pattern formed on a substrate with a (010) plane as the substrate surface, with the longitudinal direction set in the [001] direction. It can be seen that a good stripe pattern with smooth sidewall surfaces (side faces) is formed.

詳細に評価するために、(001)面を基板面とする基板で長手方向を[010]方向としたβ-Ga結晶パターンの断面をGa集束イオンミリングにより削り出し、SEM観察した。なお、この観察にあたって、表面には、カーボンからなる保護膜が被覆されている。
その結果を図12(a)に示すが、面直方向から13.7°傾いた(100)面のファセットを側壁表面(側面)とする凹凸構造が得られたことがわかる。
この凸部に注目すればフィン(線状突起)とみなすことができ、この凹部に注目すればトレンチ(溝)とみなすことができる。実際には、縦方向の成長に対する横方向成長成分も一定割合あり得るため、当該割合を完全に無視することはできないが、全体としては主にマスク開口幅と開口周期により所望のトレンチ(溝)やフィン(線状突起)構造が得られることになる。なお、上記ファセットの13.7°傾斜は、その傾斜を相殺する面方位基板である(-102)面を基板面とする基板の利用により解消することができる。
For detailed evaluation, a cross section of a β-Ga 2 O 3 crystal pattern was cut out by Ga focused ion milling with the (001) plane as the substrate surface and the longitudinal direction as the [010] direction, and observed using an SEM. Note that for this observation, the surface was covered with a protective film made of carbon.
The result is shown in FIG. 12(a), which shows that a concave-convex structure was obtained in which the sidewall surfaces (side faces) were (100) facets inclined at 13.7° from the perpendicular direction to the surface.
If we focus on these convex portions, we can consider them as fins (linear protrusions), and if we focus on these concave portions, we can consider them as trenches (grooves). In reality, there may be a certain percentage of lateral growth relative to vertical growth, so this percentage cannot be completely ignored. However, overall, the desired trench (groove) or fin (linear protrusion) structure can be obtained mainly by the mask opening width and opening period. The 13.7° tilt of the facets can be eliminated by using a substrate with a (-102) plane as the substrate surface, which is a substrate with a surface orientation that offsets this tilt.

(010)面を基板面とする基板では、図12(b)に示すように、(001)面を基板面とする基板よりも高アスペクトの凹凸構造が得られた。
これは、[010]方向への成長速度が大きいため、縦方向成長成分が横方向成長成分より十分に大きいことが反映されている。なお、(100)面のファセット側壁表面(側面)は基板面に対して垂直である。この特性に着目すると、選択成長技術を用いた場合、(010)面は、(001)面よりもトレンチ(溝)やフィン(線状突起)形成に適している。
なお、わかりやすいように、β-Ga結晶パターン(具体的には、SAG(Selective area growth:選択領域成長) island)の傾き角度と、形成される当該β-Ga結晶パターンの高さの断面模式図を図13に示す。
(010)面を基板面とする基板と(010)面を基板面とする基板の何れの場合についても、(001)面のファセットを側壁表面(側面)としたトレンチ(溝)やフィン(線状突起)構造を選択成長技術で形成できることが本実施例により実証された。
As shown in FIG. 12(b), the substrate having the (010) plane as its substrate surface provided a textured structure with a higher aspect ratio than the substrate having the (001) plane as its substrate surface.
This reflects the fact that the growth rate in the [010] direction is high, resulting in a much larger vertical growth component than the lateral growth component. The facet sidewall surfaces (side faces) of the (100) plane are perpendicular to the substrate surface. This characteristic suggests that the (010) plane is more suitable than the (001) plane for forming trenches and fins (linear protrusions) when using selective growth techniques.
For ease of understanding, a cross-sectional schematic diagram of the inclination angle of the β-Ga 2 O 3 crystal pattern (specifically, SAG (Selective Area Growth) island) and the height of the formed β-Ga 2 O 3 crystal pattern is shown in FIG. 13.
This example demonstrates that, for both substrates with a (010) plane as the substrate surface and substrates with a (010) plane as the substrate surface, trench (groove) and fin (linear protrusion) structures with the (001) plane facet as the sidewall surface (side surface) can be formed by selective growth technology.

(実施例2)
実施例2では、(-102)面を基板面とするβ-Ga結晶からなる基板を用いて試料を作製し、評価した。その結果を、試料の作製方法とともに以下に述べる。(-102)面の基板は、(-102)面と(100)面のフィン(線状突起)側壁表面(側面)とが垂直の関係にあるため、デバイス応用上の有用性が高いフィン(線状突起)の形成が期待できる。実施例2では、その実証を行った。
Example 2
In Example 2, samples were prepared and evaluated using substrates made of β-Ga 2 O 3 crystals with the (-102) plane as the substrate surface. The results are described below along with the sample preparation method. The (-102) plane substrate is expected to form fins (linear protrusions) that are highly useful in device applications because the (-102) plane and the (100) plane fin (linear protrusion) sidewall surfaces (side faces) are perpendicular to each other. This was demonstrated in Example 2.

<試料の作製>
試料は(-102)面を基板面とする基板を用いた以外は実施例1と同様の工程で試料(図1に従えば、半導体装置101)を作製した。ここで、(-102)面を基板面とするβ-Ga結晶からなる基板は、株式会社ノベルクリスタルテクノロジーで製造されたものであり、試料の大きさは10×15mm、厚さは0.65mmである。ドーパントも実施例1と同様にSnで、キャリア濃度は4.9×1018cm-3である。なお、その基板が(-102)面を基板面とする基板であることは、X線回折測定により確認した。
<Sample preparation>
A sample (semiconductor device 101 according to FIG. 1) was fabricated using the same process as in Example 1, except that a substrate with a (-102) plane as the substrate surface was used. Here, the substrate made of β-Ga 2 O 3 crystal with a (-102) plane as the substrate surface was manufactured by Novel Crystal Technology Co., Ltd., and the sample size was 10 × 15 mm 2 and the thickness was 0.65 mm. The dopant was Sn, as in Example 1, and the carrier concentration was 4.9 × 10 18 cm -3 . The fact that the substrate had a (-102) plane as the substrate surface was confirmed by X-ray diffraction measurement.

<評価>
最初に、放射状の窓パターンに対して上面からSEM観察した。その結果を図15に示す。窓が[010]近傍の方位で半導体層(フィン)(図1に従えば、半導体層(フィン)14)の成長が認められた。一方、窓が[201]近傍の方位では、前記半導体層(フィン)の成長は認められなかった。これは、エッチング容易な(010)面が側壁表面(側面)を形成できないためと考えられる。
<Evaluation>
First, the radial window pattern was observed from above using an SEM. The results are shown in Figure 15. Growth of a semiconductor layer (fin) (semiconductor layer (fin) 14 according to Figure 1) was observed when the window was oriented near the [010] direction. On the other hand, growth of the semiconductor layer (fin) was not observed when the window was oriented near the [201] direction. This is thought to be because the (010) plane, which is easy to etch, cannot form a sidewall surface (side surface).

次に、作製された窓方位が[010]のフィン(窓幅が1.4μm、マスク幅が2.6μm)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当該フィンの構造が形成されていることがわかる。Next, the fabricated fin with a window orientation of [010] (window width: 1.4 μm, mask width: 2.6 μm) was observed using an SEM. The results are shown in Figure 16, and show that the fin structure is formed with an orderly facet shape.

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)はその結果である。また、図17(b)はそのSEM観察形状をトレースして断面形状を模式図化したものである。
フィン(線状突起)の側壁表面(側面)は基板の主表面に対して垂直な(100)ファセット面になっている。(-102)面を基板面とする基板を用いることにより、側壁表面(側面)が垂直かつ(100)ファセット面であるフィン(線状突起)を形成できることが実証された。
なお、フィン(線状突起)の上面は(―201)ファセット面を主体としている。この傾斜をもった上面形状で半導体装置を作製しにくいときは、フィン(線状突起)を選択成長させた後に、CMPやエッチバックなどの方法により加工して、水平な上面を得ることもできる。
Furthermore, cross sections of these structures were cut out using a focused ion beam system (FIB) and observed using a scanning electron microscope (SEM). The inclination angle was 54°, and a protective film made of carbon was formed on the surface to prevent surface deformation.
Figure 17(a) shows the results, and Figure 17(b) is a schematic diagram of the cross-sectional shape obtained by tracing the SEM observation shape.
The sidewall surfaces (side faces) of the fins (linear protrusions) are (100) facets perpendicular to the main surface of the substrate. It has been demonstrated that by using a substrate whose substrate surface is the (-102) plane, it is possible to form fins (linear protrusions) whose sidewall surfaces (side faces) are vertical and have (100) facets.
The upper surface of the fin (linear protrusion) is mainly a (-201) facet. If it is difficult to fabricate a semiconductor device with this inclined upper surface shape, a horizontal upper surface can be obtained by processing the fin (linear protrusion) by a method such as CMP or etch-back after selective growth.

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―Ga結晶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(溝)あるいはフィン(線状突起)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―Ga結晶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。
The present invention provides a semiconductor device using a β- Ga2O3 crystalline semiconductor that is suitable for microfabrication and that can achieve good device characteristics by suppressing the generation of interface states, etc. Here, this semiconductor device has a trench (groove) or fin (linear protrusion) structure, and brings out the characteristics of the β- Ga2O3 crystalline semiconductor that has high breakdown voltage and a wide band gap, making it particularly suitable as a high-performance power device.
Power devices are used in a variety of fields, including powertrains for electric and hybrid vehicles, power supplies for servers, renewable energy equipment, industrial equipment, and railroad cars, and are considered essential devices for realizing a smart society. For this reason, we believe that this invention will have a significant impact on society and have a significant influence on industry.

11 基板(β-Ga結晶)
12 マスク、マスキングパターン(例えば、SiO
12a 薄膜(SiO
13 開口部
13a β-Ga結晶露出開口部
14 半導体層、β-Ga結晶、フィン
15 レジストパターン
31 β-Ga結晶
31a β-Ga結晶膜
32 レジストパターン
51 基板(β-Ga結晶)
52 マスク(SiO
53 β-Ga結晶パターン、β-Ga結晶半導体層
54 第1の絶縁膜
54a 絶縁膜
55 β-Ga結晶露出部(ショットキー接続部)
56 第2の絶縁膜(例えば、SiO
56a 絶縁膜(例えば、SiO
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)
61 絶縁性基板(β-Ga結晶)
62 フィン(β-Ga結晶)
63 マスク(例えば、SiO
64 絶縁膜(例えば、SiO
65 ゲート絶縁膜(例えば、SiO
66 ゲート電極
67 ソース
68 ドレイン
71 基板(β-Ga結晶)
72 エピタキシャルβ-Ga結晶の形成層
73 フィン(β-Ga結晶)
74 マスク(例えば、SiO
75 絶縁膜(ゲート絶縁膜)
76 ゲート電極
77 絶縁体層
78 n
79 ソース電極
80 ドレイン電極
101 半導体装置、フィン構造体、トレンチ構造体
201 Trench MOSSBD
202 (横型)FinFET
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(ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガス)
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 気相成長装置
11 Substrate (β-Ga 2 O 3 crystal)
12 Mask, masking pattern (e.g., SiO 2 )
12a Thin film (SiO 2 )
13 Opening 13a β-Ga 2 O 3 crystal exposing opening 14 Semiconductor layer, β-Ga 2 O 3 crystal, fin 15 Resist pattern 31 β-Ga 2 O 3 crystal 31a β-Ga 2 O 3 crystal film 32 Resist pattern 51 Substrate (β-Ga 2 O 3 crystal)
52 Mask (SiO 2 )
53 β-Ga 2 O 3 crystal pattern, β-Ga 2 O 3 crystal semiconductor layer 54 First insulating film 54a Insulating film 55 β-Ga 2 O 3 crystal exposed portion (Schottky junction portion)
56 Second insulating film (e.g., SiO 2 )
56a insulating film (e.g., SiO 2 )
57 resist pattern 58 electrode (anode electrode)
58a Conductive film 59 Conductive film (cathode electrode)
61 Insulating substrate (β-Ga 2 O 3 crystal)
62 Fin (β-Ga 2 O 3 crystal)
63 Mask (e.g., SiO 2 )
64 insulating film (e.g., SiO 2 )
65 Gate insulating film (e.g., SiO 2 )
66 Gate electrode 67 Source 68 Drain 71 Substrate (β-Ga 2 O 3 crystal)
72 Epitaxial β-Ga 2 O 3 crystal formation layer 73 Fin (β-Ga 2 O 3 crystal)
74 Mask (e.g., SiO 2 )
75 Insulating film (gate insulating film)
76 Gate electrode 77 Insulator layer 78 n + layer 79 Source electrode 80 Drain electrode 101 Semiconductor device, fin structure, trench structure 201 Trench MOSSBD
202 (Horizontal) FinFET
203 (Vertical) FinFET
301 semiconductor device, fin structure, trench structure 1001 reactor 1002 gallium raw material supply source 1003 gallium metal 1004 gallium compound gas (halogen gas or hydrogen halide gas)
1005 Gallium source gas supply pipe 1006 Oxygen source supply pipe 1007 Oxygen source gas 1008 Etching gas supply pipe 1009 Etching gas (reducing gas)
1010: Substrate holder 1011: Exhaust pipe 1012: Heater 2001: Vapor phase growth apparatus

Claims (13)

β-Ga結晶からなる半導体層を有し、
前記半導体層は第1主表面に線状突起または溝の立体構造を有し、
前記立体構造の側面が(100)ファセット面である、半導体装置。
It has a semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 crystal,
the semiconductor layer has a three-dimensional structure of linear protrusions or grooves on a first main surface;
The semiconductor device, wherein the side surface of the three-dimensional structure is a (100) facet.
前記側面は、前記半導体装置の基板面に対し垂直である、請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the side surface is perpendicular to the substrate surface of the semiconductor device. 基板上に形成された線状突起または溝からなる立体構造を有する半導体層を備え、
前記半導体層はβ-Ga結晶からなり、
前記線状突起または溝の長手方向は、前記基板の基板面と(100)面の交線に平行な方向である、半導体装置。
a semiconductor layer having a three-dimensional structure consisting of linear protrusions or grooves formed on a substrate;
The semiconductor layer is made of β-Ga 2 O 3 crystal,
A semiconductor device, wherein the longitudinal direction of the linear protrusion or groove is parallel to the intersection line between the substrate surface and the (100) plane of the substrate.
前記線状突起または溝の側面は、前記基板面に対し垂直である、請求項3記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 3, wherein the side surfaces of the linear protrusions or grooves are perpendicular to the substrate surface. 前記基板面は(010)面であり、前記長手方向は[001]方向である、請求項3または4記載の半導体装置。 A semiconductor device according to claim 3 or 4, wherein the substrate surface is a (010) plane and the longitudinal direction is a [001] direction. 前記基板面は(001)面であり、前記長手方向は[010]方向である、請求項3記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 3, wherein the substrate surface is a (001) plane and the longitudinal direction is a [010] direction. 前記基板面は(-102)面であり、前記長手方向は[010]方向である、請求項3または4記載の半導体装置。 A semiconductor device according to claim 3 or 4, wherein the substrate surface is the (-102) plane and the longitudinal direction is the [010] direction. 前記線状突起または溝の少なくとも一方の側面の少なくとも一部がチャネルである、請求項1または3に記載の半導体装置。 The semiconductor device described in claim 1 or 3, wherein at least a portion of at least one side surface of the linear protrusion or groove is a channel. 前記立体構造の少なくとも一側面、または立体面全面を覆うようにゲート電極が配置されたFin型MOSFET構造を備える、請求項1または3に記載の半導体装置。 The semiconductor device described in claim 1 or 3, comprising a Fin-type MOSFET structure in which a gate electrode is arranged to cover at least one side surface of the three-dimensional structure or the entire three-dimensional surface. 前記立体構造の形状は溝であり、
前記溝の側面の少なくとも一部と底面に配置された絶縁膜を介して、アノード電極が、前記立体構造の少なくとも一部を覆うように形成されており、
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Trench型MOSSBD構造を備える、請求項1または3に記載半導体装置。
the three-dimensional structure has a groove shape;
an anode electrode is formed so as to cover at least a portion of the three-dimensional structure via an insulating film disposed on at least a portion of a side surface and a bottom surface of the groove;
4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a trench-type MOSSBD structure in which the anode electrode is in Schottky contact with the semiconductor layer at a part of the three-dimensional structure.
請求項1または3に記載の半導体装置を有する、パワーデバイス。 A power device comprising the semiconductor device according to claim 1 or 3. β-Ga結晶からなる半導体基板を準備することと、
前記半導体基板の基板面と(100)面の交線に平行な方向に長手方向を備えた線状またはストライプ状のマスキングパターンを形成することと、
気相を利用した堆積法で、前記β-Ga結晶が露出した前記マスキングパターンの開口部にβ-Ga結晶を選択成長させること、を含む半導体装置の製造方法。
Preparing a semiconductor substrate made of β-Ga 2 O 3 crystal;
forming a linear or stripe-shaped masking pattern having a longitudinal direction parallel to an intersection line between the substrate surface and a (100) plane of the semiconductor substrate ;
and selectively growing β-Ga 2 O 3 crystals in the openings of the masking pattern where the β-Ga 2 O 3 crystals are exposed by a deposition method using a vapor phase.
前記堆積法は、気相成長法である、請求項12記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the deposition method is a vapor phase growth method.
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