JP2021019009A - 半導体ウエハー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉを主成分とする基板上に窒化物半導体層が形成された半導体ウエハーであって、電流コラプス特性に優れた半導体ウエハー、及びその製造方法を提供する。【解決手段】一実施の形態として、Ｓｉを主成分とする基板１０上に、第１のＡｌＮ層１１ａを形成する工程と、Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ３ガスに第１のＡｌＮ層１１ａの表面を曝す工程と、Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ３ガスに第１のＡｌＮ層１１ａの表面を曝した後、第１のＡｌＮ層１１ａ上に第２のＡｌＮ層１１ｂを形成する工程と、第２のＡｌＮ層１１ｂ上にＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層１２を形成する工程と、を含む、半導体ウエハー１の製造方法を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハー及びその製造方法に関する。

Ｓｉ基板上にＧａを含む窒化物半導体層を有する半導体ウエハーを製造する際、Ｓｉ基板上に直接窒化物半導体層を成長させると、ＳｉとＧａが反応して混晶を形成し、窒化物半導体層の表面の平滑性が低下する。このため、Ｓｉ基板の表面をＡｌＮ層で覆い、その上に窒化物半導体層を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７７４４１号公報

いわゆるパワー半導体デバイス、特に、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）について解決すべき課題として、電流コラプスと呼ばれるオン抵抗が増加する現象がある。電流コラプスが発生すると、オン損失の増加、スイッチング不良等が生じ、パワー半導体デバイスの特性劣化を引き起こす場合がある。このため、パワー半導体デバイスにおいては、電流コラプスの抑制が求められるが、特許文献１の技術のみでは達成できないと考えられる。

本発明の目的は、Ｓｉを主成分とする基板上に窒化物半導体層が形成された半導体ウエハーであって、電流コラプス特性に優れた半導体ウエハー、及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の［１］〜［３］の半導体ウエハーの製造方法、及び［４］〜［６］の半導体ウエハーを提供する。

［１］Ｓｉを主成分とする基板上に、第１のＡｌＮ層を形成する工程と、Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝す工程と、前記Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝した後、前記第１のＡｌＮ層上に第２のＡｌＮ層を形成する工程と、前記第２のＡｌＮ層上にＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、半導体ウエハーの製造方法。

［２］Ａｌ含有金属有機物ガスとＮＨ_３ガスを前記第１のＡｌＮ層の形成に用いて、前記Ａｌ含有金属有機物ガスと前記ＮＨ_３ガスの一方を先に流し始める、上記［１］に記載の半導体ウエハーの製造方法。

［３］前記Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝す工程において、前記第１のＡｌＮ層の上にＩｎＮ層を形成しない、上記［１］又は［２］に記載の半導体ウエハーの製造方法。

［４］Ｓｉを主成分とする基板と、前記基板上に形成された第１のＡｌＮ層と、前記第１のＡｌＮ層上に形成された第２のＡｌＮ層と、前記第２のＡｌＮ層上に形成された、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層と、を備え、前記第１のＡｌＮ層と前記第２のＡｌＮ層との界面近傍にＩｎ又はＩｎＮが含まれる、半導体ウエハー。

［５］前記Ｉｎ又は前記ＩｎＮが、前記第１のＡｌＮ層の上面に開口する孔状の欠陥の一部又は全てを塞いでいる、上記［４］に記載の半導体ウエハー。

［６］Ｓｉを主成分とする基板と、前記基板上に形成され、Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに表面が曝された第１のＡｌＮ層と、前記第１のＡｌＮ層上に形成された第２のＡｌＮ層と、前記第２のＡｌＮ層上に形成された、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層と、を備えた、半導体ウエハー。

本発明によれば、Ｓｉを主成分とする基板上に窒化物半導体層が形成された半導体ウエハーであって、電流コラプス特性に優れた半導体ウエハー、及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る半導体ウエハーの垂直断面図である。 図２は、実施の形態に係る半導体ウエハーの製造工程を示すフローチャートである。 図３（ａ）は、バッファコラプス測定の測定方法を示す模式図であり、図３（ｂ）は、測定により得られるバッファコラプスの一例を示すグラフである。 図４（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＮ層の成長圧力を１３ｋＰａ、成長温度を６３２℃としたときのＳｉ基板及びＡｌＮ層の、ＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）像とＥＤＳ測定データである。 図５（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＮ層の成長圧力を１３ｋＰａ、成長温度を９２０℃としたときのＳｉ基板及びＡｌＮ層の、ＳＴＥＭ像とＥＤＳ測定データである。 図６（ａ）は、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝さずに形成した第２のＡｌＮ層１１ｂの表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像である。図６（ｂ）は、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝して形成した第２のＡｌＮ層１１ｂの表面のＡＦＭ像である。

（半導体ウエハーの構成）
図１は、実施の形態に係る半導体ウエハー１の垂直断面図である。半導体ウエハー１は、Ｓｉを主成分とする基板１０と、基板１０上に形成された、ＡｌＮ層（第１のＡｌＮ層１１ａ及び第２のＡｌＮ層１１ｂ）を最下層とするバッファ層１１と、バッファ層１１上に形成された、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層１２とを備える。

基板１０は、Ｓｉを主成分とする基板であり、典型的にはＳｉ基板である。Ｓｉ基板は、大口径のものを低コストで用意することができる。

第１のＡｌＮ層１１ａ及びその上の第２のＡｌＮ層１１ｂは、基板１０の表面を覆う、Ｇａを含まない膜であり、基板１０に含まれるＳｉと、基板１０の上方に形成される層に含まれるＧａが反応することを防ぐ。例えば、第１のＡｌＮ層１１ａは、低温（例えば８５０〜１０００℃）で形成される低温成長層であり、その上の第２のＡｌＮ層１１ｂは、高温（例えば９５０〜１１５０℃）で形成される高温成長層である。

第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍には、Ｉｎ又はＩｎＮが含まれる。半導体ウエハー１は、第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍にＩｎ又はＩｎＮを含むことにより、含まない場合と比較して、電流コラプス特性が改善される。

電流コラプス特性が改善されるメカニズムについては明らかではないが、電流コラプス特性が悪化する原因の一つとして、第１のＡｌＮ層１１ａの上面に開口する孔状の欠陥の存在が考えられる。このことから、第１のＡｌＮ層１１ａの上面に開口する孔状の欠陥の開口部の一部又は全てをＩｎ又はＩｎＮが塞ぐことにより電流コラプスが改善している可能性が考えられる。

第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮは、ＩｎＮ層（ＩｎＮ膜）の形態、又は膜状ではなく複数の箇所に点在する粒状のＩｎ又はＩｎＮの形態で存在する。

第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮを形成する際、成長温度や成長圧力をＩｎＮが安定に存在できる大きさ、例えば成長圧力を１３ｋＰａとして成長温度を７００℃以下とする場合、ＩｎＮ層が形成される。この場合、ＩｎＮ層と第１のＡｌＮ層１１ａ又は第２のＡｌＮ層１１ｂとの格子定数差により、粒状のＩｎ又はＩｎＮが形成される場合と比較して、半導体ウエハー１の表面粗さが大きくなることがある。

一方、第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮを形成する際、成長温度や成長圧力をＩｎＮが安定に存在できずに分解される大きさ、例えば成長圧力を１３ｋＰａとして成長温度を８００℃以上とする場合、粒状のＩｎ又はＩｎＮが形成される。ただし、粒状のＩｎ又はＩｎＮはＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）測定で検出できないほどの極微量であり、電流コラプス特性の測定結果からその存在を推測するものである。

すなわち、第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮが粒状のＩｎ又はＩｎＮである場合、半導体ウエハー１が粒状のＩｎ又はＩｎＮを含むことを構造により直接特定することはできない。また、半導体ウエハー１が粒状のＩｎ又はＩｎＮを含むことにより、電流コラプス特性が改善されるという効果はあるものの、電流コラプス特性の評価値は一義的に定まるものではないため、電流コラプス特性から半導体ウエハー１が粒状のＩｎ又はＩｎＮを含むことを直接特定することはできない。

なお、粒状のＩｎ又はＩｎＮは、その多くがＩｎである可能性が高い。これは、上述のように、粒状のＩｎ又はＩｎＮをＩｎＮが安定に存在できない条件下で成長させるためである。また、欠陥は不純物を引き寄せるポテンシャルを有するため、第１のＡｌＮ層１１ａの上面に開口する孔状の欠陥の近くに粒状のＩｎ又はＩｎＮが集中している可能性もある。

バッファ層１１は、第２のＡｌＮ層１１ｂの上に上層１１ｃを含んでもよい。上層１１ｃは、窒化物半導体（III族元素とＮを含む２〜４元系の化合物半導体）から構成され、例えば、窒化物半導体層１２がＧａＮからなる場合は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から構成される。上層１１ｃは、超格子構造や、傾斜組成構造等の多層構造を有してもよい。

超格子構造は、例えば、Ａｌ組成ｘが大きい（格子定数が小さい）Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ膜とＡｌ組成ｘが０又は小さい（格子定数が大きい）Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ膜とが交互に積まれた構造である。傾斜組成バッファ構造は、例えば、下層から上層に向かってＡｌ組成ｘが小さくなるように、Ａｌ組成ｘの異なる複数のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ膜が積層された構造である。

超格子バッファ構造を採用する場合、Ｓｉを主成分とする基板１０と窒化物半導体層１２との熱膨張係数差により生じる半導体ウエハー１の下側（基板１０側）に凸となる反りを抑えることができる。

下側に凸となるように反った半導体ウエハー１においては、窒化物半導体層１２中に引張応力が生じており、窒化物半導体層１２は非常にクラックが生じやすい状態にある。超格子バッファ構造を用いることにより、窒化物半導体層１２中の引張応力をキャンセルすることができるため、半導体ウエハー１の反りを抑えることができる。

窒化物半導体層１２は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体からなり、多層構造を有していてもよい。図１に示される例では、窒化物半導体層１２は、ヘテロ接合を形成する下層１２ａと上層１２ｂからなり、半導体ウエハー１をＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）に適用することができる。その場合、下層１２ａの上面（下層１２ａと上層１２ｂの界面）近傍に生じる二次元電子ガスがチャネルとなる。典型的には、下層１２ａがＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮからなり、上層１２ｂがＡｌＧａＮやＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮからなる。

（半導体ウエハーの製造方法）
以下に、半導体ウエハー１の製造方法の一例を示す。

図２は、実施の形態に係る半導体ウエハー１の製造工程を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って説明を行う。

まず、基板１０にＨ_２クリーニングを施した後、ＭＯＣＶＤ等により基板１０上にＡｌＮを成長させ、第１のＡｌＮ層１１ａを形成する（ステップＳ１）。

例えば、厚さ約４０〜６０ｎｍの第１のＡｌＮ層１１ａを形成する場合は、８５０℃〜１０００℃の温度で、アンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を流量４〜８ｌ／ｍ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量４００〜６００ｃｃ／ｍで２００〜３００ｓ流してＡｌＮを成長させる。

第１のＡｌＮ層１１ａの原料ガスとして、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス等のＡｌ含有金属有機物ガスとＮＨ_３ガスを用いる。このとき、Ａｌ含有金属有機物ガスとＮＨ_３ガスを同時に流し始めるのではなく、一方を先に流し始めることが好ましい。これによって、第１のＡｌＮ層１１ａの結晶性を高めることができる。そして、第１のＡｌＮ層１１ａの結晶性を高めることにより、第１のＡｌＮ層１１ａ上に成長する層の結晶品質を高めることができる。

次に、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等のＩｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスを流し、これらのガスに第１のＡｌＮ層１１ａの表面を曝す（ステップＳ２）。これにより、第１のＡｌＮ層１１ａの表面近傍に、Ｉｎ又はＩｎＮが粒状のＩｎ又はＩｎＮの形で付着させる。

Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスを流すときの雰囲気温度は、ＴＭＩｎからＩｎがすぐに外れる温度であることが好ましく、例えばＴＭＩｎを用いる場合は８００℃以上であることが好ましい。

次に、ＭＯＣＶＤ等により第１のＡｌＮ層１１ａ上にＡｌＮを成長させ、第２のＡｌＮ層１１ｂを形成する（ステップＳ３）。第２のＡｌＮ層１１ｂの原料ガスとして、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス等のＡｌ含有金属有機物ガスとＮＨ_３ガスを用いる。

例えば、厚さ約１４０〜１６０ｎｍの第２のＡｌＮ層１１ｂを形成する場合は、９５０℃〜１１５０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量４〜８ｌ／ｍ、ＴＭＡガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量５００〜７００ｃｃ／ｍで３００〜５００ｓ流してＡｌＮを成長させる。

次に、ＭＯＣＶＤ等により第２のＡｌＮ層１１ｂ上に窒化物半導体からなる上層１１ｃを形成し、バッファ層１１を得る（ステップＳ４）。

例えば、厚さ約２００〜５００ｎｍのＡｌＧａＮ膜と、その上の厚さ約３．０〜４．０μｍのＡｌＧａＮとＡｌＮの交互積層膜からなる上層１２ｂを形成する場合は、まず、９５０〜９９０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量２０〜１００ｌ／ｍ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスなどのＧａ含有金属有機物ガスを流量７０〜１００ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量３００〜５５０ｃｃ／ｍで４００〜１１００ｓ流し、ＡｌＧａＮ膜を形成する。次に、ＡｌＧａＮ膜とＡｌＮ膜を交互に８０〜１２０回積層して、厚さ約３．０〜４．０μｍの交互積層膜を形成する。交互積層膜のＡｌＧａＮ膜を形成するためには、９５０〜９９０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量２０〜１００ｌ／ｍ、ＴＭＧガスなどのＧａ含有金属有機物ガスを流量３９０〜４９０ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量１２０〜２２０ｃｃ／ｍで２０〜３０ｓ流す。また、交互積層膜のＡｌＮ膜を形成するためには、９５０〜９９０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量２０〜１００ｌ／ｍ、ＴＭＡガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量５００〜７００ｃｃ／ｍで１２〜２２ｓ流す。

次に、ＭＯＣＶＤ等によりバッファ層１１上にＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層１２を形成する（ステップＳ５）。

例えば、厚さ約０．７〜１．７μｍのＧａＮ膜からなる下層１２ａと、その上の厚さ約２０〜４０ｎｍのＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ膜からなる上層１２ｂから構成される窒化物半導体層１２を形成する場合は、まず、９２０〜９７０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量２０〜１００ｌ／ｍ、ＴＭＧガスなどのＧａ含有金属有機物ガスを流量２０〜６００ｃｃ／ｍで２０００〜６０００ｓ流して、下層１２ａを形成する。次に、９７０〜１０３０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量４０〜１００ｌ／ｍ、ＴＭＧガスなどのＧａ含有金属有機物ガスを流量４０〜６０ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスなどのＡｌ含有金属有機物ガスを流量４０〜６０ｃｃ／ｍで２００〜４００ｓ流して、上層１２ｂを形成する。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、Ｓｉを主成分とする基板上に窒化物半導体層が形成された半導体ウエハーであって、電流コラプス特性に優れた半導体ウエハー、及びその製造方法を提供することができる。また、上記実施の形態に係る半導体ウエハーを用いて、電気的特性に優れるＨＥＭＴ等の半導体素子を製造することができる。

上記実施の形態に係る半導体ウエハー１の実施例である３種の実施例１〜３及びその比較例である比較例１、２の電流コラプス特性の評価を実施した。以下、その詳細について述べる。

実施例１〜３及び比較例１、２の構成を以下の表１に示す。実施例１〜３及び比較例１、２は、マトリクス状に区切られた複数の素子領域を有する。

実施例１〜３及び比較例１、２において、第１のＡｌＮ層１１ａ及び第２のＡｌＮ層１１ｂの原料ガスとして、ＴＭＡガス及びＮＨ_３ガスを用いた。第１のＡｌＮ層１１ａは、ＮＨ_３ガスを流量６．０ｌ／ｍ、ＴＭＡガスを流量５００ｃｃ／ｍで２５０ｓ流すことにより形成した。第２のＡｌＮ層１１ｂは、ＮＨ_３ガスを流量１．０ｌ／ｍ、ＴＭＡガスを流量５８０ｃｃ／ｍで３７０ｓ流すことにより形成した。

実施例１〜３において、第１のＡｌＮ層１１ａの表面上にＮＨ_３ガスとともに流すＩｎ含有金属有機物ガス（第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮの原料ガス）として、ＴＭＩｎガスを用いた。このＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスの流量を、それぞれ７５０ｃｃ／ｍ、６．０ｌ／ｍとした。また、ＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスを流すときの圧力（第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂとの界面近傍のＩｎ又はＩｎＮの成長圧力）を１３ｋＰａとした。

比較例１、２は、第１のＡｌＮ層１１ａの表面上にＴＭＩｎガスを流さない点において、実施例１〜３と異なる。

次の表２は、実施例１〜３及び比較例１、２のと第２のＡｌＮ層１１ｂの形成までの工程における温度条件を示す。

表２における「Ｉｎ成長」は、第１のＡｌＮ層１１ａ上にＩｎ又はＩｎＮを成長させる工程であり、その温度は第１のＡｌＮ層１１ａと同じ成長温度である（実施例１）。実施例２、３においては、第１のＡｌＮ層１１ａの成長温度よりも低い温度でＩｎＮ層を成長させるため、第１のＡｌＮ層１１ａの成長温度からＩｎＮ層の成長温度まで温度を下げながらＩｎＮ層を成長させる工程「ＩｎＮ成長（１）」と、ＩｎＮ層の成長温度に達してからＩｎＮ層の成長を続ける工程「ＩｎＮ成長（２）」が含まれる。

また、表２における「ＮＨ_３フロー」は、第１のＡｌＮ層１１ａの原料ガスのうち、ＮＨ_３ガスを先に流し始めて基板１０の表面を窒化する工程である。

実施例１〜３においては、第１のＡｌＮ層１１ａ上のＩｎ又はＩｎＮの成長圧力、成長温度から、Ｉｎ又はＩｎＮはＩｎＮ層としては形成されず、第１のＡｌＮ層１１ａ上に点在する粒上のＩｎ又はＩｎＮとして形成されているものと考えられる。

実施例１〜３及び比較例１、２の上層１１ｃのＡｌＧａＮ膜は、９７０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量５０ｌ／ｍ、ＴＭＧガスを流量８０ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスを流量３４０ｃｃ／ｍで９９０ｓ流すことにより形成した。上層１１ｃのＡｌＧａＮとＡｌＮの交互積層膜は、ＡｌＧａＮ膜とＡｌＮ膜を交互に１０３回積層することにより形成した。交互積層膜のＡｌＧａＮ膜は、９６０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量５０ｌ／ｍ、ＴＭＧガスを流量４４０ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスを流量１７０ｃｃ／ｍで２５ｓ流すことにより形成した。交互積層膜のＡｌＮ膜は、９６０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量５０ｌ／ｍ、ＴＭＡガスを流量６００ｃｃ／ｍで１７ｓ流すことにより形成した。

実施例１〜３及び比較例１、２の下層１２ａは、まず９４０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量５０ｌ／ｍ、ＴＭＧガスを流量３３０ｃｃ／ｍで１０８０ｓ流すことにより形成した。次いで、９７０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量９２ｌ／ｍ、ＴＭＧガスを流量１００ｃｃ／ｍで２８００ｓ流すことにより形成した。

実施例１〜３及び比較例１、２の上層１２ｂは、９８０℃の温度で、ＮＨ_３ガスを流量６８ｌ／ｍ、ＴＭＧガスを流量４５ｃｃ／ｍ、ＴＭＡガスを流量４５ｃｃ／ｍで２８０ｓ流すことにより形成した。

次の表３は、実施例１〜３及び比較例１、２に対して実施した電流コラプス測定の結果を示す。表２の「電圧条件」は、基板１０の裏面に印加したストレス電圧を意味し、「１０ｍｍ」、「４０ｍｍ」、「７０ｍｍ」は、それぞれウエハーの中心から１０ｍｍ、４０ｍｍ、７０ｍｍの位置にある素子領域における電流コラプスの評価値を意味し、「平均」は、「１０ｍｍ」、「４０ｍｍ」、「７０ｍｍ」の平均値を意味する。

図３（ａ）は、バッファコラプス測定の測定方法を示す模式図であり、図３（ｂ）は、測定により得られるバッファコラプスの一例を示すグラフである。

バッファコラプス測定は、図３（ａ）に示されるように、実施例１〜３及び比較例１、２の複数の素子領域の窒化物半導体層１２上にソース電極２０、及びドレイン電極２１を形成し、ソース電極２０とドレイン電極２１の間の上層１２ｂをエッチングで除去した疑似的ＨＥＭＴ構造において、基板１０の裏面にストレス電圧を印加する前後で、ソース電極２０とドレイン電極２１の間に流れる電流値を計測し、ソース電極２０とドレイン電極２１の間の電気抵抗値（ソース・ドレイン間抵抗値）を算出して行った。ソース電極２０とドレイン電極２１との間隔は２０μｍとし、ソース電極２０とドレイン電極２１との間には１Ｖの電圧を印加した。表３に示されるバッファコラプスの評価値は、ストレス電圧印加前のソース・ドレイン間抵抗値に対するストレス電圧印加後のソース・ドレイン間抵抗値の比の値である。

バッファコラプス測定においては、図３（ｂ）に示されるように、測定開始から３０ｓの時点で−２００Ｖのストレス電圧の印加を開始し、６０ｓまで−２００Ｖのストレス電圧を印加し続け、６０ｓの時点でストレス電圧の印加を止めた。そして、ストレス電圧印加前のソース・ドレイン間抵抗値として、測定開始から約０．０００１秒後のソース・ドレイン間抵抗値を用い、ストレス電圧印加後のソース・ドレイン間抵抗値として、測定開始から約６０．１秒後のソース・ドレイン間抵抗値を用いた。図３（ｂ）の縦軸は、ソース電極２０とドレイン電極２１の間に流れる電流値を示している。

表３は、実施例１〜３が、比較例１、２と比べて優れた電流コラプス特性を有することを示している。この優れた電流コラプス特性の主な原因の１つとして、第１のＡｌＮ層１１ａと第２のＡｌＮ層１１ｂの間のＩｎ又はＩｎＮの存在があると考えられる。

次に、ＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスを流すときの温度によってＩｎがウエハー内に取り込まれる量が変化することを実験により確かめた。本実験においては、Ｓｉ基板上にＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスを流してＡｌＮ層を成長させ、ＡｌＮ層の成長初期にＴＭＩｎガスを流した。

図４（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＮ層の成長圧力を１３ｋＰａ、成長温度を６３２℃としたときのＳｉ基板及びＡｌＮ層の、ＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）像とＥＤＳ測定データである。

図４（ｂ）によれば、６３２℃で成長したＡｌＮ層のＳｉ基板側の１２ｎｍ程度の厚さの領域にＩｎが存在し、ＡｌＩｎＮ層が形成されている。これは、成長圧力が１３ｋＰａ、成長温度が６３２℃である条件下ではＡｌＩｎＮが比較的安定に存在できることによると考えられる。

図５（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＮ層の成長圧力を１３ｋＰａ、成長温度を８６０℃としたときのＳｉ基板及びＡｌＮ層の、ＳＴＥＭ像とＥＤＳ測定データである。

図５（ｂ）によれば、ＡｌＮ層中のＩｎの存在が検出されていない。これは、成長圧力が１３ｋＰａ、成長温度が８６０℃である条件下ではＡｌＩｎＮが安定に存在することができず、Ｉｎの量がＥＤＳ測定で検出できないほど少なくなっていることによると考えられる。

次に、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝すことによる、第２のＡｌＮ層１１ｂの状態の変化を実験により調べた。

図６（ａ）は、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝さずに形成した第２のＡｌＮ層１１ｂの表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像である。この場合の第２のＡｌＮ層１１ｂの表面の算術平均粗さＲａ、二乗平均平方根粗さＲＭＳは、それぞれ０．９０３ｎｍ、１．４９３ｎｍであった。

図６（ｂ）は、圧力が１３ｋＰａ、温度が６３２℃である条件下で第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝して形成した第２のＡｌＮ層１１ｂの表面のＡＦＭ像である。この場合の第２のＡｌＮ層１１ｂの表面の算術平均粗さＲａ、二乗平均平方根粗さＲＭＳは、それぞれ０．１６５ｎｍ、０．２３０ｎｍであった。

図６（ａ）と図６（ｂ）の第２のＡｌＮ層１１ｂの表面の状態を比較すると、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝すことにより、第２のＡｌＮ層１１ｂの表面の孔状の欠陥が減少し、表面の平滑度が向上することがわかる。

このことから、第２のＡｌＮ層１１ｂの表面の平滑性が向上して、その上に成長する上層１１ｃや窒化物半導体層１２の結晶品質が向上することが、第１のＡｌＮ層１１ａの表面をＴＭＩｎガスとＮＨ_３ガスに曝して、Ｉｎ又はＩｎＮを成長させることにより、電流コラプス特性が改善される理由の１つであると推測される。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 半導体ウエハー
１０ 基板
１１ バッファ層
１１ａ ＡｌＮ層
１１ｂ ＡｌＮ層
１１ｃ 上層
１２ 窒化物半導体層
１２ａ 下層
１２ｂ 上層

Claims (6)

1. Ｓｉを主成分とする基板上に、第１のＡｌＮ層を形成する工程と、
   Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝す工程と、
   前記Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝した後、前記第１のＡｌＮ層上に第２のＡｌＮ層を形成する工程と、
   前記第２のＡｌＮ層上にＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層を形成する工程と、
   を含む、
   半導体ウエハーの製造方法。
2. Ａｌ含有金属有機物ガスとＮＨ_３ガスを前記第１のＡｌＮ層の形成に用いて、
   前記Ａｌ含有金属有機物ガスと前記ＮＨ_３ガスの一方を先に流し始める、
   請求項１に記載の半導体ウエハーの製造方法。
3. 前記Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに前記第１のＡｌＮ層の表面を曝す工程において、前記第１のＡｌＮ層の上にＩｎＮ層を形成しない、
   請求項１又は２に記載の半導体ウエハーの製造方法。
4. Ｓｉを主成分とする基板と、
   前記基板上に形成された第１のＡｌＮ層と、
   前記第１のＡｌＮ層上に形成された第２のＡｌＮ層と、
   前記第２のＡｌＮ層上に形成された、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層と、
   を備え、
   前記第１のＡｌＮ層と前記第２のＡｌＮ層との界面近傍にＩｎ又はＩｎＮが含まれる、
   半導体ウエハー。
5. 前記Ｉｎ又は前記ＩｎＮが、前記第１のＡｌＮ層の上面に開口する孔状の欠陥の一部又は全てを塞いでいる、
   請求項４に記載の半導体ウエハー。
6. Ｓｉを主成分とする基板と、
   前記基板上に形成され、Ｉｎ含有金属有機物ガス及びＮＨ_３ガスに表面が曝された第１のＡｌＮ層と、
   前記第１のＡｌＮ層上に形成された第２のＡｌＮ層と、
   前記第２のＡｌＮ層上に形成された、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層と、
   を備えた、
   半導体ウエハー。