JP2019004118A - 窒化物半導体エピタキシャル基板および半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体エピタキシャル基板を用いて高電子移動度トランジスタを構成した際の二次元電子ガスについての経時的な変化を抑制する。【解決手段】基板１１と、二次元電子ガスが存在する電子走行層としての第一窒化物半導体層１３と、電子供給層としての第二窒化物半導体層１４と、を備える窒化物半導体エピタキシャル基板において、第二窒化物半導体層１４は、第一窒化物半導体層１３よりも水素濃度が高濃度で、かつ、第一窒化物半導体層１３との水素濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体エピタキシャル基板および半導体装置に関する。
例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：ＨＩＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＯＢＩＬＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）に用いられる窒化物半導体エピタキシャル基板として、炭化ケイ素（ＳＩＣ）基板上に形成されて電子走行層として機能する窒化ガリウム（ＧＡＮ）層と、そのＧＡＮ層上に形成されて電子供給層として機能する窒化アルミニウムガリウム（ＡＬＧＡＮ）層とを備え、ＧＡＮ層のＡＬＧＡＮ層側に二次元電子ガスが存在するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３−１７５６９６号公報
窒化物半導体エピタキシャル基板においては、ＧＡＮ層に存在する二次元電子ガスについて、例えばその濃度が減少してしまうといった経時的な変化が生じることがあり得る。このような経時的な変化は、ＨＥＭＴを構成した際のデバイス特性の変動を招くため、その発生を抑制すべきである。
本発明は、二次元電子ガスについての経時的な変化を抑制することができる窒化物半導体エピタキシャル基板および半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成された、二次元電子ガスが存在する電子走行層としての第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層上に形成された電子供給層としての第二窒化物半導体層と、を備え、
前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層よりも水素濃度が高濃度で、かつ、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含む
窒化物半導体エピタキシャル基板が提供される。
本発明によれば、二次元電子ガスについての経時的な変化を抑制することができる。
本発明に係る窒化物半導体テンプレートおよび半導体装置の概略構成例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体テンプレートにおける第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との水素濃度差と半導体装置を構成した際のピンチオフ電圧の変化量との関係の一例を示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体テンプレートにおける第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との水素濃度差と半導体装置を構成した際の電子移動度との関係の一例を示す説明図である。
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（１）窒化物半導体エピタキシャル基板の基本構成
先ず、本実施形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の基本的な構成例を説明する。
窒化物半導体エピタキシャル基板は、後述するＨＥＭＴ等の半導体装置を製造する際に基体として用いられる基板状の構造体である。半導体装置の基体として用いられることから、以下、窒化物半導体エピタキシャル基板のことを「中間体」または「中間前駆体」ということもある。
図１に示すように、本実施形態に係る中間体１０は、少なくとも、基板１１と、基板１１上に形成された核生成層１２と、核生成層１２上に形成された第一窒化物半導体層１３と、第一窒化物半導体層１３上に形成された第二窒化物半導体層１４と、を備えて構成されている。
（基板）
基板１１は、核生成層１２や第一窒化物半導体層１３等を成長させる下地基板として構成されたもので、例えばＳＩＣ基板を用いて構成されている。具体的には、基板１１として、例えば、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳＩＣ基板が用いられる。４Ｈ、６Ｈの数字はＣ軸方向の繰返し周期を示し、Ｈは六方晶を示す。また、ここでいう「半絶縁性」とは、例えば、比抵抗が１０５Ω・ＣＭ以上である状態をいう。基板１１が半絶縁性を有していれば、後述する半導体装置２０を構成した際に、第一窒化物半導体層１３の側から基板１１への自由電子の拡散を抑制して、リーク電流を抑えることができる。なお、基板１１は、半絶縁性ＳＩＣ基板を用いることが好ましいが、導電性ＳＩＣ基板、サファイア基板、シリコン基板、ＧＡＮ基板等であってもよい。
（核生成層）
核生成層１２は、例えばＩＩＩ族窒化物半導体であるＡＬＮを主成分として形成されている。核生成層１２は、一部領域（例えば基板１１の側に位置する領域）が主に基板１１と第一窒化物半導体層１３との格子定数差を緩衝する緩衝層（バッファ層）として機能するとともに、他部領域（例えば第一窒化物半導体層１３の側に位置する領域）が主に第一窒化物半導体層１３の結晶成長のための核を形成する核生成層として機能するようになっている。以下、核生成層１２のことを「ＡＬＮ層」または「ＡＬＮバッファ層」ということもある。
（第一窒化物半導体層）
第一窒化物半導体層１３は、例えばＩＩＩ族窒化物半導体であるＧＡＮを主成分として形成されている。第一窒化物半導体層１３は、一部領域（例えばＡＬＮバッファ層１２の側に位置する領域）が主にＡＬＮバッファ層１２と第一窒化物半導体層１３との格子定数差を緩衝する緩衝層（バッファ層）として機能するとともに、他部領域（例えば第二窒化物半導体層１４の側に位置する領域）が主に電子を走行させるための電子走行層（チャネル層）として機能するようになっている。電子走行層として機能する領域には、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１４との格子定数差に起因した第二窒化物半導体層１４内のピエゾ効果（結晶が歪むことで電界が生じる効果）によって誘起された二次元電子ガス（２ＤＥＧ：ＴＷＯ ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＧＡＳ）１５が存在することになる。また、電子走行層として機能する領域の表面（第一窒化物半導体層１３の上面）は、ＩＩＩ族原子極性面（＋Ｃ面）となっている。以下、第一窒化物半導体層１３のことを「ＧＡＮ層」または「ＧＡＮチャネル／バッファ層」ということもある。
（第二窒化物半導体層）
第二窒化物半導体層１４は、ＧＡＮチャネル／バッファ層１３を構成するＩＩＩ族窒化物半導体よりも広いバンドギャップと、ＧＡＮチャネル／バッファ層１３を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の格子定数よりも小さい格子定数とを有するＩＩＩ族窒化物半導体からなり、例えばＡＬＸＧＡ１−ＸＮ（ただし、０＜Ｘ＜１）を主成分として構成されている。第二窒化物半導体層１４は、ＧＡＮチャネル／バッファ層１３の電子走行層に電子を供給する電子供給層として機能するとともに、２ＤＥＧ１５を空間的に閉じ込める障壁層（バリア層）として機能するようになっている。第二窒化物半導体層１４の表面（上面）は、ＩＩＩ族原子極性面（＋Ｃ面）となっている。このような構成により、第二窒化物半導体層１４には、自発分極とピエゾ分極とが生じる。その分極作用により、ＧＡＮチャネル／バッファ層１３内のヘテロ接合界面付近に高濃度の２ＤＥＧ１５が誘起されることとなる。以下、第二窒化物半導体層１４のことを「ＡＬＧＡＮ層」または「ＡＬＧＡＮバリア層」ということもある。
（２）半導体装置の基本構成
続いて、上述した構成の中間体１０を用いて構成される半導体装置２０、すなわち本実施形態に係る半導体装置２０の基本的な構成例を説明する。ここでは、半導体装置２０として、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）の一つであるＨＥＭＴを例に挙げる。
図１に示すように、本実施形態に係るＨＥＭＴ２０は、上述した構成の中間体１０と、中間体１０におけるＡＬＧＡＮバリア層１４上に形成された第三窒化物半導体層２１と、第三窒化物半導体層２１上に形成されたゲート電極２２、ソース電極２３およびドレイン電極２４と、を備えて構成されている。
（第三窒化物半導体層）
第三窒化物半導体層２１は、例えばＩＩＩ族窒化物半導体であるＧＡＮを主成分として形成されている。第三窒化物半導体層２１は、例えばＨＥＭＴ２０を構成した際のデバイス特性（閾値電圧の制御性等）を向上させるためにＡＬＧＡＮバリア層１４とゲート電極２２との間に介在するものであるが、必ずしも必須構成要素ではなく、これを省いてＨＥＭＴ２０を構成してもよい。以下、第三窒化物半導体層２１のことを「ＧＡＮキャップ層」ということもある。
（電極）
ゲート電極２２は、例えばニッケル（ＮＩ）と金（ＡＵ）との複層構造（ＮＩ／ＡＵ）からなる。なお、本明細書においてＸ／Ｙの複層構造と記載した場合には、Ｘ、Ｙの順で積層したことを示しているものとする。
ソース電極２３は、ゲート電極２２から所定距離離れた位置に配置され、例えばチタン（ＴＩ）とアルミニウム（ＡＬ）との複層構造（ＴＩ／ＡＬ）からなる。
ドレイン電極２４は、ゲート電極２２を挟んでソース電極２３と反対側にゲート電極２２から所定距離離れた位置に配置され、ソース電極２３と同様に、例えばＴＩとＡＬとの複層構造（ＴＩ／ＡＬ）からなる。
なお、ソース電極２３およびドレイン電極２４は、ＴＩ／ＡＬの複層構造上にＮＩ／ＡＵの複層構造が積層されていてもよい。
（３）発明者が得た知見
上述した構成のＨＥＭＴ２０において、第二窒化物半導体層であるＡＬＧＡＮ層１４には、第一窒化物半導体層であるＧＡＮ層１３の側が＋極性となり第三窒化物半導体層であるＧＡＮキャップ層２１の側が−極性となるような分極が生じる。その分極作用により、ＧＡＮ層１３内のヘテロ接合界面付近には、高濃度の２ＤＥＧ１５が誘起される。
また、不純物との結合力が強いＡＬＧＡＮ層１４には、ＧＡＮ層１３よりも高濃度で、不純物の一例である水素（Ｈ）のプロトン（陽イオン）１６が存在している。その場合には、過剰なＨプロトン１６によってＡＬＧＡＮ層１４の側に引き寄せられたＧＡＮ層１３内の電子も、ＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５を構成することになる。
ところで、ＡＬＧＡＮ層１４に存在するＨプロトン１６は、非常に小さく動きやすいものであることから、例えばＨＥＭＴ２０が加熱された状態で動作させるといった使用態様では、Ｈプロトン１６がＡＬＧＡＮ層１４から抜け出してしまうことが考えられる。Ｈプロトン１６が抜け出してしまうと、これに伴って、Ｈプロトン１６に引き寄せられたＧＡＮ層１３内の電子も、ＧＡＮ層１３から抜け出してしまうおそれがある。このことは、ＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５について、例えばＧＡＮ層１３から抜けてしまうといった経時的な変化が生じることに繋がる。このような２ＤＥＧ１５の経時的な変化は、ＨＥＭＴ２０を構成した際のデバイス特性の変動を招くため、その発生を抑制すべきである。
本願の発明者は、２ＤＥＧ１５の経時的な変化が発生する要因の一つが、ＧＡＮ層１３からと較べてより多くのＨプロトン１６がＡＬＧＡＮ層１４から抜け出してしまうことであることに着目した。そして、ＡＬＧＡＮ層１４におけるＨ濃度と、２ＤＥＧ１５が形成されるＧＡＮ層１３におけるＨ濃度とについて、互いの濃度差が小さく抑えられていれば、ＡＬＧＡＮ層１４からＨプロトン１６が抜け出した場合であっても、これに伴ってＧＡＮ層１３からも同程度のＨプロトン１６が抜け出すので、そのＧＡＮ層１３内から２ＤＥＧ１５を構成する電子が抜け出してしまうのを抑制できるのではないか、という着想を得るに至った。
本発明は、本願の発明者が新規に見い出した上述の知見に基づくものである。
（４）本実施形態の特徴的な構成
次に、本実施形態に係るＨＥＭＴ２０、および、そのＨＥＭＴ２０を構成する本実施形態に係る中間体１０について、その特徴的な構成を具体的に説明する。ＨＥＭＴ２０および中間体１０は、いずれも、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差に大きな特徴がある。
（Ｈ濃度差の上限）
具体的には、ＡＬＧＡＮ層１４は、ＧＡＮ層１３よりもＨ濃度が高濃度で、かつ、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含んで構成されている。Ｈ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分は、ＡＬＧＡＮ層１４の全域に及んでいることが好ましいが、ＡＬＧＡＮ層１４の一部分のみに存在していてもよい。
より好ましくは、ＡＬＧＡＮ層１４は、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下である部分を含んで構成されている。Ｈ濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下である部分についても同様に、ＡＬＧＡＮ層１４の全域に及んでいることが好ましいが、ＡＬＧＡＮ層１４の一部分のみに存在していてもよい。
このように、ＡＬＧＡＮ層１４は、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下、好ましくは８×１０１７ＣＭ−３以下といったように、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差の上限が規定され、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が小さく抑えられている。したがって、例えば、ＡＬＧＡＮ層１４からＨプロトン１６が抜け出してしまった場合であっても、これに伴ってＧＡＮ層１３からも同様にＨプロトン１６が抜けることになる。つまり、Ｈ濃度のバランス状態が保たれるので、ＡＬＧＡＮ層１４内のＨプロトン１６に引き寄せられたＧＡＮ層１３内の電子がそのＧＡＮ層１３から抜け出してしまうこと、すなわちＡＬＧＡＮ層１４からＨプロトン１６が抜けることに誘発されてＧＡＮ層１３内の２ＤＥＧ１５に経時的な変化が生じてしまうことが抑制される。
このことは、図２に示す測定結果からも明らかである。図２は、ＡＬＧＡＮ層１４とＧＡＮ層１３のＨ濃度差とＨＥＭＴを構成した際のピンチオフ電圧の変化量との関係の一例を示している。
例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下であれば、ＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５の経時的な変化が抑制されるので、これよりもＨ濃度差が大きい場合（例えば３×１０１８ＣＭ−３である場合）に比べると、ＨＥＭＴ２０を構成した際のピンチオフ電圧の変化量を減少させることができる（図中矢印Ａ参照）。具体的には、例えば、Ｈ濃度差が３×１０１８ＣＭ−３である場合のピンチオフ電圧の変化量が１．１０Ｖを超えるのに対して、Ｈ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下であれば、ピンチオフ電圧の変化量を０．８０Ｖ程度以下に減少させることができる。通常のＨＥＭＴはピンチオフ電圧が３Ｖ程度（２Ｖ〜４Ｖなど構造仕様に依存）が一般的であるが、その１割程度に相当する０．３Ｖ以下に変化量を減少することができれば、実用上大きなメリットとなる。
また、例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下であれば、より一層ＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５の経時的な変化が抑制されるので、ＨＥＭＴ２０を構成した際のピンチオフ電圧の変化量を極小（例えば０．２０Ｖ以下）にすることができる（図中矢印Ｂ参照）。
ピンチオフ電圧の変化量を小さく抑えることができれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の閾値電圧ＶTHの変動を小さく抑えることが可能となる。したがって、ＨＥＭＴ２０の信頼性や電気特性等を良好なものとすることができる。
以上のように、ＡＬＧＡＮ層１４は、少なくとも一部分、好ましくはその全域にわたり、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下、好ましくは８×１０１７ＣＭ−３以下といったように、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が小さく抑えられているものとする。
（Ｈ濃度差の下限）
ところで、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度については、その差を小さく抑え過ぎると、後述する製法にて窒化物半導体エピタキシャル基板１１を製造する際に、Ｈ濃度を抑える製法の採用が界面劣化を招いてしまい、その結果としてＧＡＮ層１３における電子移動度が悪化してしまう傾向にある。つまり、Ｈ濃度差を小さく抑え過ぎると、成膜時の成長条件との関係で、ＧＡＮ層１３における電子移動度に悪影響が及んでしまうおそれがある。
このことから、ＡＬＧＡＮ層１４は、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である部分を含んで構成されている。Ｈ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である部分は、ＡＬＧＡＮ層１４の全域に及んでいてもよいが、必ずしもその必要はなく、好ましくはＡＬＧＡＮ層１４の一部分のみ、具体的には後述するように少なくともＧＡＮ層１３との界面近傍領域１７に存在していればよい。
このように、ＡＬＧＡＮ層１４については、少なくともＧＡＮ層１３との界面近傍領域１７において、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差の下限が規定されている。したがって、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電子移動度を十分に確保することができ、ＨＥＭＴ２０の電気特性を良好なものとすることができる。
このことは、図３に示す測定結果からも明らかである。図３は、ＡＬＧＡＮ層１４とＧＡＮ層１３のＨ濃度差とＨＥＭＴを構成した際の電子移動度との関係の一例を示している。
例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上であれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電子移動度を例えば１７００ＣＭ２／ＶＳ以上とすることが可能となり、十分な電子移動度を確保できるようになる（図中矢印Ｃ参照）。具体的には、例えば、Ｈ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上であれば電子移動度を１７００ＣＭ２／ＶＳ以上とすることができるが、Ｈ濃度差が２×１０１７ＣＭ−３程度である場合には電子移動度が１３００ＣＭ２／ＶＳ程度まで下がってしまい、電流値が２割以上も減少してしまうことになる。同一構造仕様での比較であれば、１割程度の電流減少で不都合が生じると考えられるが、このような事態を未然に回避すべく、十分な電子移動度を確保できるようになれば、実用上大きなメリットとなる。
十分な電子移動度を確保できれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電気特性等を良好なものとすることができる。
以上のように、ＡＬＧＡＮ層１４は、少なくとも一部分、具体的にはＧＡＮ層１３との界面近傍領域１７において、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上といったように、Ｈ濃度差の下限が規定されているものとする。
（Ｈ濃度差の下限規定部分の配置）
上述したように、ＡＬＧＡＮ層１４は、少なくともＧＡＮ層１３との界面近傍領域１７において、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上となっている。つまり、ＡＬＧＡＮ層１４は、界面近傍領域１７に高水素濃度である領域を有する。このようにＨ濃度差が規定される高水素濃度領域としての界面近傍領域１７は、少なくともＧＡＮ層１３との界面から１ＮＭ厚の部分であるものとする。少なくとも１ＮＭ厚の部分であるから、ＧＡＮ層１３との界面から１ＮＭ厚を超える部分、すなわち非界面近傍領域１８については、ＧＡＮ層１３とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３未満であってもよいし、３×１０１７ＣＭ−３以上であってもよい。
このように、少なくともＧＡＮ層１３との界面から１ＮＭ厚の部分である界面近傍領域１７について、Ｈ濃度差を３×１０１７ＣＭ−３以上とすれば、かかる部分については、必要以上にＨ濃度差を小さく抑えることを要さず、その結果としてＧＡＮ層１３との界面の状態が劣化してしまうのを抑制することができる。つまり、界面近傍領域１７として少なくとも１ＮＭ厚を確保すれば、界面劣化の抑制に十分なものとなる。したがって、かかる部分を界面近傍領域１７として確保すれば、界面劣化がＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５に悪影響を及ぼして電子移動度が悪化してしまうのを抑制する上で、非常に好適なものとなる。
（Ｈ濃度の値）
ＧＡＮ層１３におけるＨ濃度とＡＬＧＡＮ層１４におけるＨ濃度については、それぞれの濃度差が上述したように構成されていればよく、それぞれの濃度値（絶対値）の大きさが特に限定されるものではない。つまり、上述したＨ濃度差を満足していれば、それぞれのＨ濃度値は、適宜設定されたものでも構わない。
ただし、上述したＨ濃度差を満足させるためには、詳細を後述するように、ＧＡＮ層１３およびＡＬＧＡＮ層１４のそれぞれのＨ濃度値（特に、ＡＬＧＡＮ層１４のＨ濃度値）を小さく抑えることが好ましい。それぞれのＨ濃度値を小さく抑えることで、相対的にＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差を小さく抑えることが容易に実現可能となるからである。
具体的には、上述したＨ濃度差を満足させるために、例えば、ＧＡＮ層１３のＨ濃度値を１×１０１６〜１×１０１８ＣＭ−３、さらに好ましくは５×１０１６〜５×１０１７ＣＭ−３、ＡＬＧＡＮ層１４のＨ濃度値を１×１０１７〜３×１０１８ＣＭ−３、さらに好ましくは３×１０１７〜２×１０１８ＣＭ−３とすることが考えられる。また、特にＡＬＧＡＮ層１４については、界面近傍領域１７のＨ濃度値を８×１０１７〜３×１０１８ＣＭ−３、非界面近傍領域１８のＨ濃度値を１×１０１７〜２×１０１８ＣＭ−３とすることが考えられる。
（５）窒化物半導体エピタキシャル基板および半導体装置の製造方法
次に、上述した構成の中間体（すなわち、本実施形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板）１０の製造方法およびＨＥＭＴ（すなわち、本実施形態に係る半導体装置）２０の製造方法ついて説明する。
（窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法）
先ず、窒化物半導体エピタキシャル基板の一例である中間体１０を製造する場合について説明する。
本実施形態では、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：ＭＥＴＡＬ ＯＲＧＡＮＩＣ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）装置を用い、以下の手順により、中間体１０を製造する。
（Ｓ１１０：基板用意工程）
中間体１０の製造にあたっては、先ず、基板１１として、例えば、ポリタイプ４Ｈの半絶縁性ＳＩＣ基板を用意する。
（Ｓ１２０：ＧＡＮ層形成工程）
基板１１を用意したら、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内に、用意した基板１１を搬入する。そして、処理室内にキャリアガス（希釈ガス）として水素（Ｈ２）ガス（または、Ｈ２ガスおよび窒素（Ｎ２）ガスの混合ガス）を供給し、基板１１の温度を核生成層の所定の成長温度（例えば１１５０℃以上１２５０℃以下）まで上昇させる。基板１１の温度が所定の成長温度となったら、例えば、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスと、Ｖ族原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスとを、それぞれ基板１１に対して供給する。これにより、基板１１上にＡＬＮからなるＡＬＮ層１２を成長させる。所定の厚さのＡＬＮ層１２の成長が完了したら、ＴＭＡガスの供給を停止する。なお、このとき、ＮＨ３ガスの供給を継続する。
次に、基板１１の温度をＧＡＮ層１３の所定の成長温度（例えば１０００℃以上１１００℃以下）に調整する。そして、基板１１の温度が所定の成長温度となったら、ＮＨ３ガスの供給を継続した状態で、例えば、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを供給する。これにより、ＡＬＮ層１２上に単結晶のＧＡＮからなるＧＡＮ層１３をエピタキシャル成長させる。
このとき、処理室内にキャリアガス（希釈ガス）を供給しているが、そのキャリアガスをＮ２ガスのみとするか、またＨ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスにおけるＮ２ガスの濃度を高くする（例えば、Ｎ２ガスの分圧／Ｈ２ガスの分圧：１．０〜３．０）。これにより、ＧＡＮ層１３へのＨ混入が抑制される。
また、このとき、基板１１の温度を、所定の成長温度の範囲内で高温側（例えば１０４０℃以上１１００℃以下）に調整する。また、処理室内圧力を高め（例えば１３．３ＫＰＡ以上６６．７ＫＰＡ以下）に調整する。このように、成長温度と処理室内圧力を高めに調整することで、ＧＡＮ層１３へのＨ混入が抑制される。
このような成長条件とすることで、ＧＡＮ層１３は、例えば、Ｈ濃度値が１×１０１６〜１×１０１８ＣＭ−３を満足するものとなる。
そして、所定の厚さのＧＡＮ層１３の成長が完了したら、ＴＭＧガスの供給を停止する。なお、このとき、ＮＨ３ガスの供給を継続する。
（Ｓ１３０：ＡＬＧＡＮ層形成工程）
次に、例えば、基板１１の温度をＡＬＧＡＮ層１４の所定の成長温度（例えば９００℃以上１１００℃以下）に調整する。そして、基板１１の温度が所定の成長温度となったら、ＮＨ３ガスの供給を継続した状態で、例えば、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧガスおよびＴＭＡガスを供給する。これにより、電子走行層１４０上に単結晶のＡＬＧＡＮからなるＡＬＧＡＮ層１４をエピタキシャル成長させる。
このとき、ＡＬＧＡＮ層１４のエピタキシャル成長は、先ず、界面近傍領域１７について行われ、次いで、非界面近傍領域１８について行われる。
界面近傍領域１７についてのエピタキシャル成長は、ＧＡＮ層１３との界面の状態の劣化を抑制し得る成長条件にて行う。具体的には、処理室内にキャリアガス（希釈ガス）としてＨ２ガス、またはＨ２ガスとＮ２ガスとの混合ガス（例えば、Ｎ２ガスの分圧／Ｈ２ガスの分圧：０．５〜１．０）を供給し、基板１１の温度を所定の成長温度（例えば９００℃以上１０８０℃以下）に調整する。また、処理室内圧力を低め（例えば６．７ＫＰＡ以上１３．２ＫＰＡ以下）に調整する。これにより、界面近傍領域１７の部分については、ＧＡＮ層１３との界面の状態が劣化してしまうのが抑制されることになる。
界面近傍領域１７の厚さについては、例えば、０．５〜２．０ＮＭとすることが考えられる。界面近傍領域１７が厚くなり過ぎると、相対的に非界面近傍領域１８が薄くなり、その結果として、Ｈ濃度が高い部分の割合が増え、Ｈ濃度が低い部分の割合が減ることになり、後述する経時的変化の抑制効果が損なわれることが懸念されるからである。
そして、例えば０．５〜２．０ＮＭの厚さ、好ましくは界面状態の劣化抑制に十分な少なくとも１．０ＮＭ程度の厚さとなるように、界面近傍領域１７の成長が完了したら、続いて、非界面近傍領域１８についてのエピタキシャル成長を、ＡＬＧＡＮ層１４へのＨ混入を抑制し得る成長条件にて行う。
具体的には、処理室内に供給するキャリアガス（希釈ガス）を、Ｎ２ガスのみとするか、またＨ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスにおけるＮ２ガスの濃度を高くする（例えば、Ｎ２ガスの分圧／Ｈ２ガスの分圧：１．０〜３．０）。これにより、ＡＬＧＡＮ層１４へのＨ混入が抑制される。
また、このとき、基板１１の温度を、所定の成長温度の範囲内で高温側（例えば１０４０℃以上１１００℃以下）に調整する。同時に処理室内圧力を高め（例えば１３．３ＫＰＡ以上４０．０ＫＰＡ以下）に調整する。このように、成長温度と処理室内圧力を高めに調整することで、ＡＬＧＡＮ層１４へのＨ混入が抑制される。
このような成長条件とすることで、ＡＬＧＡＮ層１４は、例えば、Ｈ濃度値が１×１０１７〜３×１０１８ＣＭ−３を満足するものとなる。
以上の各工程を経て得られるＧＡＮ層１３およびＡＬＧＡＮ層１４は、それぞれのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下（好ましくは８×１０１７ＣＭ−３以下）を満足するものとなる。また、少なくとも界面近傍領域１７の部分については、それぞれのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上を満足するものとなる。
なお、このようなＨ濃度差を満足するためには、ＧＡＮ層１３およびＡＬＧＡＮ層１４のそれぞれのＨ濃度値を小さく抑えることが好ましい。それぞれのＨ濃度値を小さく抑えることで、相対的にＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差を小さく抑えることが容易に実現可能となるからである。
そして、所定の厚さのＡＬＧＡＮ層１４の成長が完了したら、ＴＭＧガスおよびＴＭＡガスの供給を停止し、基板１１の温度をＡＬＧＡＮ層１４の成長温度から低下させる。なお、このとき、通常は、キャリアガスを停止し、パージガスとしてＮ２ガスを供給するとともに、ＮＨ３ガスの供給を継続する。そして、窒化物半導体エピタキシャル基板１１の温度が５００℃以下となったら、ＮＨ３ガスの供給を停止し、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内の雰囲気をＮ２ガスのみへ置換して大気圧に復帰させる。
その後、ＧＡＮ層１３およびＡＬＧＡＮ層１４を含む中間体１０が搬出可能な温度にまで低下したら、その中間体１０を処理室内から搬出する。
以上により、図１に示す中間体１０（すなわち、窒化物半導体エピタキシャル基板の一例）が製造される。
（半導体装置の製造方法）
続いて、中間体１０を用いて、半導体装置の一例であるＨＥＭＴ２０を製造する場合について説明する。
（Ｓ１４０：ＧＡＮ層形成工程）
ＨＥＭＴ２０の製造にあたっては、先ず、中間体１０を用意し、その中間体１０をＭＯＶＰＥ装置の処理室内に搬入する。そして、上述したＧＡＮ層形成工程（Ｓ１２０）の場合と同様の処理を行って、中間体１０におけるＡＬＧＡＮ層１４の上に単結晶のＧＡＮからなるＧＡＮキャップ層２１をエピタキシャル成長させる。その後、所定の厚さのＧＡＮキャップ層２１の成長が完了したら、ＧＡＮキャップ層２１が形成された中間体１０を処理室内から搬出する。なお、このＧＡＮキャップ層２１の成長は、上述したＡＬＧＡＮ層形成工程（Ｓ１３０）の後に高温状態のまま引き続いて実施してもよい。
（Ｓ１５０：電極形成工程）
次いで、ＧＡＮキャップ層２１上にレジスト膜を形成し、平面視でソース電極２３およびドレイン電極２４が形成されることとなる領域が開口となるようにレジスト膜をパターニングする。そして、例えば、電子ビーム蒸着法により、ＧＡＮキャップ層２１およびレジスト膜を覆うようにＴＩ／ＡＬの複層構造（またはＴＩ／ＡＬ／ＮＩ／ＡＵの複層構造）を形成する。その後、所定の溶媒を用い、リフトオフによりレジスト膜を除去することで、上記所定領域にソース電極２３およびドレイン電極２４を形成し、その全体をＮ２雰囲気中において所定の温度で所定時間アニール処理する（例えば、６５０℃３分間）。これにより、ソース電極２３およびドレイン電極２４のそれぞれをＧＡＮキャップ層２１に対してオーミック接合させることができる。
次に、ＧＡＮキャップ層２１、ソース電極２３およびドレイン電極２４を覆うようにレジスト膜を形成し、平面視でゲート電極２２が形成されることとなる領域が開口となるようにレジスト膜をパターニングする。そして、例えば電子ビーム蒸着法により、ＧＡＮキャップ層２１およびレジスト膜を覆うようにＮＩ／ＡＵの複層構造を形成する。その後、所定の溶媒を用い、リフトオフによりレジスト膜を除去することで、上記所定領域にゲート電極２２を形成し、その全体をＮ２雰囲気中において所定の温度で所定時間アニール処理する（例えば、４５０℃１０分間）。
以上により、図１に示すＨＥＭＴ２０（すなわち、半導体装置の一例）が製造される。
（６）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
（Ａ）本実施形態によれば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含んで構成され、それぞれのＨ濃度差が小さく抑えられている。したがって、ＧＡＮ層１３内の２ＤＥＧ１５に経時的な変化が生じてしまうことを抑制することができる。また、２ＤＥＧ１５の経時的な変化を抑制できれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際のデバイス特性の変動についても抑制することができる。
具体的には、例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下であれば、これよりもＨ濃度差が大きい場合（例えば３×１０１８ＣＭ−３である場合）に比べて、ＨＥＭＴ２０を構成した際のピンチオフ電圧の変化量を減少（例えば半減以下）させることができる。ピンチオフ電圧の変化量を小さく抑えることができれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の閾値電圧ＶTHの変動を小さく抑えることが可能となり、ＨＥＭＴ２０の信頼性や電気特性等を良好なものとすることができる。
つまり、本実施形態によれば、２ＤＥＧ１５についての経時的な変化を抑制することができ、ＨＥＭＴ２０を構成した際の信頼性や電気特性等を良好なものとすることができる。
（Ｂ）特に、本実施形態で説明したように、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下である部分を含んで構成されていれば、ＧＡＮ層１３内の２ＤＥＧ１５の経時的な変化を抑制する上で非常に好ましいものとなる。
具体的には、例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下であれば、より一層ＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５の経時的な変化が抑制されるので、ＨＥＭＴ２０を構成した際のピンチオフ電圧の変化量を極小（例えば０．２０Ｖ以下）にすることができる。つまり、ＨＥＭＴ２０を構成した際の信頼性や電気特性等を良好にする上で非常に好ましいものとなる。
（Ｃ）また、本実施形態によれば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である部分を含んで構成されているので、成膜時の成長条件との関係でＧＡＮ層１３における電子移動度に悪影響が及んでしまうのを抑制することができる。
具体的には、例えば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上であれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電子移動度を例えば１７００ＣＭ２／ＶＳ以上とすることが可能となり、十分な電子移動度を確保できる。
つまり、本実施形態によれば、ＧＡＮ層１３とＡＬＧＡＮ層１４とのＨ濃度差を小さく抑える場合であっても、下限を規定してＨ濃度差を小さく抑え過ぎないようにすることで、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電子移動度を十分に確保することができる。このように、十分な電子移動度を確保できれば、ＨＥＭＴ２０を構成した際の電気特性等を良好なものとすることができる。
（Ｄ）特に、本実施形態で説明したように、ＡＬＧＡＮ層１４におけるＧＡＮ層１３との界面近傍領域１７にＨ濃度差の下限が規定された高水素濃度領域を有していれば、かかる部分については、必要以上にＨ濃度差を小さく抑えることを要さず、その結果としてＧＡＮ層１３との界面の状態が劣化してしまうのを抑制することができる。したがって、かかる部分を高水素濃度領域としての界面近傍領域１７として確保すれば、界面劣化がＧＡＮ層１３における２ＤＥＧ１５に悪影響を及ぼして電子移動度が悪化してしまうのを抑制する上で、非常に好適なものとなる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述した実施形態では、中間体（窒化物半導体エピタキシャル基板）１０が基板１１、ＡＬＮ層（核生成層）１２、ＧＡＮ層（第一窒化物半導体層）１３およびＡＬＧＡＮ層（第二窒化物半導体層）１４が積層されてなる場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されるものではない。本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、少なくとも基板上に電子走行層としての第一窒化物半導体層と電子供給層としての第二窒化物半導体層とを備えたものであれば、ＡＬＮ層（核生成層）１２を有していなくてもよいし、上述の実施形態では説明しない他の層を有したものであってもよい。
また、上述した実施形態では、電子走行層としての第一窒化物半導体層がＧＡＮ層１３であり、電子供給層としての第二窒化物半導体層がＡＬＧＡＮ層１４である場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されるものではない。すなわち、第一窒化物半導体層および第二窒化物半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶からなるものであれば、ＧＡＮ結晶またはＡＬＧＡＮ結晶に限らず、例えば、窒化アルミニウム（ＡＬＮ）、窒化インジウム（ＩＮＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩＮＧＡＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡＬＩＮＧＡＮ）等の窒化物結晶、すなわち、ＡＬＸＩＮＹＧＡ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の組成式で表される窒化物結晶からなるものであってもよい。
また、上述の実施形態では、中間体（窒化物半導体エピタキシャル基板）１０を用いて製造される半導体装置として、ＦＥＴの一つであるＨＥＭＴ２０を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはなく、他の半導体デバイスについても全く同様に適用することが可能である。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
［付記１］
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成された、二次元電子ガスが存在する電子走行層としての第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層上に形成された電子供給層としての第二窒化物半導体層と、を備え、
前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層よりも水素濃度が高濃度で、かつ、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含む
窒化物半導体エピタキシャル基板が提供される。
［付記２］
付記１に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板において、好ましくは、
前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下である部分を含む。
［付記３］
付記１または２に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板において、好ましくは、
前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である部分を含む。
［付記４］
付記１から３のいずれか１つに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板において、好ましくは、
前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との界面近傍に高水素濃度領域を有する。
［付記５］
付記４に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板において、好ましくは、
前記高水素濃度領域は、前記第一窒化物半導体層との界面から少なくとも１ＮＭ厚に形成され、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である。
［付記６］
付記１から５のいずれか１つに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板において、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層の水素濃度値が１×１０１６〜１×１０１８ＣＭ−３、さらに好ましくは５×１０１６〜５×１０１７ＣＭ−３であり、
前記第二窒化物半導体層の水素濃度値が１×１０１７〜３×１０１８ＣＭ−３、さらに好ましくは３×１０１７〜２×１０１８ＣＭ−３である。
［付記７］
本発明の他の一態様によれば、
付記１から６のいずれか１つに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板と、
前記窒化物半導体エピタキシャル基板の上方側に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
を備える半導体装置が提供される。
１０…窒化物半導体エピタキシャル基板（中間体）、１１…基板、１３…第一窒化物半導体層（ＧＡＮ層、ＧＡＮチャネル／バッファ層）、１４…第二窒化物半導体層（ＡＬＧＡＮ層、ＡＬＧＡＮバリア層）、１５…二次元電子ガス（２ＤＥＧ）、１７…界面近傍領域、２０…半導体装置（ＨＥＭＴ）、２１…第三窒化物半導体層（ＧＡＮ層、ＧＡＮキャップ層）、２２…ゲート電極、２３…ソース電極、２４…ドレイン電極

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された、二次元電子ガスが存在する電子走行層としての第一窒化物半導体層と、
    前記第一窒化物半導体層上に形成された電子供給層としての第二窒化物半導体層と、を備え、
    前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層よりも水素濃度が高濃度で、かつ、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が２×１０１８ＣＭ−３以下である部分を含む
    窒化物半導体エピタキシャル基板。
  2. 前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が８×１０１７ＣＭ−３以下である部分を含む
    請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
  3. 前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である部分を含む
    請求項１または２に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
  4. 前記第二窒化物半導体層は、前記第一窒化物半導体層との界面近傍に高水素濃度領域を有する
    請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
  5. 前記高水素濃度領域は、前記第一窒化物半導体層との界面から少なくとも１ＮＭ厚に形成され、前記第一窒化物半導体層との水素濃度差が３×１０１７ＣＭ−３以上である
    請求項４に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板と、
    前記窒化物半導体エピタキシャル基板の上方側に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
    を備える半導体装置。
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