JP6268229B2 - 窒化物半導体積層物、窒化物半導体積層物の製造方法、半導体積層物の製造方法、および半導体積層物の検査方法 - Google Patents

窒化物半導体積層物、窒化物半導体積層物の製造方法、半導体積層物の製造方法、および半導体積層物の検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体積層物、窒化物半導体積層物の製造方法、半導体積層物の製造方法、および半導体積層物の検査方法に関する。
窒化ガリウムなどのＩＩＩ族窒化物半導体は、シリコンよりも高い飽和自由電子速度や高い絶縁破壊耐圧を有している。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体は、高周波・高耐圧用途の半導体装置への応用が期待されている（例えば非特許文献１〜３参照）。
Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｏｈｔａ ｅｔ ａｌ．： ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒ ３６， ｐ１１８０−１１８２ （２０１５） Ｋｅｎｙａ Ｎｉｓｈｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．： Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ５３， ０７０３０１ （２０１４） 広瀬真由美 他：電子デバイス研究会資料ＥＤＤ−１６−０４５ ｐ４９−５３ （２０１６）
本発明の目的は、半導体装置の長期的な信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層と、
を有し、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である窒化物半導体積層物が提供される。
本発明の他の態様によれば、
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
を有し、
前記電子供給層を形成する工程では、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるような、前記電子供給層を形成する窒化物半導体積層物の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の表面を改質する工程と、
を有し、
前記電子供給層の表面を改質する工程では、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるように、前記電子供給層の表面を改質する窒化物半導体積層物の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に電子走行層および電子供給層を順に形成することで、前記電子走行層および前記電子供給層を有する半導体積層物を形成する工程と、
所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
前記電子供給層の表面力に基づいて前記半導体積層物を選別する工程と、
を有する半導体積層物の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に電子走行層および電子供給層が順に設けられる半導体積層物を検査する半導体積層物の検査方法であって、
所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
前記電子供給層の表面力に基づいて、前記半導体積層物を選別する工程と、
を有する半導体積層物の検査方法が提供される。
本発明によれば、半導体装置の長期的な信頼性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体積層物を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 表面力測定装置を示す概略構成図である。 表面力測定工程を示す図である。 （ａ）は、表面力測定結果を示す図であり、（ｂ）は、半導体装置の駆動試験の結果を示す図である。 表面力の差の絶対値に対するドレイン電流比率を示す図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る窒化物半導体積層物を示す断面図である。
＜発明者の得た知見＞
ＩＩＩ族窒化物半導体系の半導体装置として、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。ＨＥＭＴは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる電子走行層と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる電子供給層と、を有する。ＨＥＭＴでは、電子供給層の分極作用によって、電子走行層内のヘテロ接合界面付近に高濃度の２次元電子ガスが誘起される。２次元電子ガスは、散乱要因となる導電性不純物が添加されない電子走行層に誘起されることから、高い電子移動度を示す。これにより、ＨＥＭＴを大電力で高速に駆動させることが可能となる。
しかしながら、発明者の鋭意検討により、ＨＥＭＴを大電力で駆動し続けたときに、ドレイン電流が経時的に徐々に低下してしまう場合があることが分かった。さらに、発明者は、電子供給層の表面物性がドレイン電流の経時的低下などの長期的信頼性に影響していることを見出した。本発明は、本発明者が見出した上記知見に基づくものである。
＜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）窒化物半導体積層物
まず、図１を用い、本実施形態に係る窒化物半導体積層物について説明する。図１は、本実施形態に係る窒化物半導体積層物を示す断面図である。本実施形態の窒化物半導体積層物１０は、例えば、ＨＥＭＴを製造する際の前駆体として構成され、基板１００と、電子走行層（バッファ層、チャネル層）１４０と、電子供給層（バリア層）１６０と、を有している。
（基板）
基板１００は、電子走行層１４０および電子供給層１６０をエピタキシャル成長させる下地基板として構成され、本実施形態では、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板として構成されている。具体的には、基板１００として、例えば、ポリタイプ４Ｈ又はポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板が用いられる。なお、基板１００の表面は、（０００１）面（ｃ面）とする。また、４Ｈ、６Ｈの数字はｃ軸方向の繰返し周期を示し、Ｈは六方晶を示している。
また、基板１００は、例えば、半絶縁性を有している。なお、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。これにより、電子走行層１４０から基板１００への自由電子の拡散を抑制し、リーク電流を抑制することができる。
なお、基板１００の上には、例えば、核生成層（不図示）が設けられている。例えば、核生成層のうちの基板１００側に位置する領域が主に基板１００と電子走行層１４０との格子定数差を緩衝する緩衝層として機能するとともに、核生成層のうちの電子走行層１４０側に位置する領域が主に電子走行層１４０を結晶成長させる結晶核を形成するよう構成されている。核生成層は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、本実施形態では、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として構成されている。
（電子走行層）
電子走行層１４０は、基板１００上に設けられ、例えば、電子走行層１４０のうちの核生成層の側に位置する領域が主に核生成層と電子供給層１６０との格子定数差を緩衝する緩衝層として機能するように構成され、電子走行層１４０のうちの電子供給層１６０側に位置する領域が後述する半導体装置２０を駆動させたときに電子を走行させるよう構成されている。電子走行層１４０は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、本実施形態では、例えば、ＧａＮを主成分として構成されている。また、電子走行層１４０の表面（上面）は、ＩＩＩ族原子極性面（＋ｃ面）となっている。
電子走行層１４０の厚さは、例えば、５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下とする。電子走行層１４０の厚さが５００ｎｍ未満であると、電子走行層１４０の品質が低下し、その電子移動度が低下する可能性がある。これに対し、電子走行層１４０の厚さを５００ｎｍ以上とすることで、電子走行層１４０の品質を向上させ、その電子移動度を所定値以上とすることができる。一方で、電子走行層１４０の厚さが２５００ｎｍ超であっても、電子走行層１４０の品質があまり向上せず、成長コストのみが増加してしまう。これに対し、電子走行層１４０の厚さを２５００ｎｍ以下とすることにより、電子走行層１４０の良好な品質を確保しつつ、成長コストの増加を抑制することができる。
（電子供給層）
電子供給層１６０は、電子走行層１４０上に設けられ、電子走行層１４０内に２次元電子ガスを生成させるとともに、電子走行層１４０内に２次元電子ガスを空間的に閉じ込めるよう構成されている。具体的には、電子供給層１６０は、電子走行層１４０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、電子走行層１４０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、本実施形態では、例えば、ＡｌＧａＮを主成分として構成されている。また、電子供給層１６０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、電子供給層１６０には、自発分極とピエゾ分極とが生じる。そして、その分極作用により、電子走行層１４０内のヘテロ接合界面付近に高濃度の２次元電子ガスが誘起されることとなる。
ここで、本発明者は、電子供給層１６０の表面（上面）における表面力が、半導体装置２０の長期的信頼性に大きく影響することを見出した。ここでいう「表面力」とは、互いに接近または接触する２つの物体間に働く引力または斥力のことを意味し、静電気力、イオン間相互作用、水素結合、ファンデルワールス力、およびメニスカス力などのうちの少なくともいずれか一つを起源としている。被測定物となる膜の表面力は、例えば、所定の測定子を用いて、該測定子と膜との間に作用する力（本実施形態では主に引力）を測定することで求められる。なお、表面力の測定方法については、詳細を後述する。
ここで、所定膜の表面力は、サンプル種や測定環境が異なる場合に誤差を生じうる。このため、リファレンスとしてプラチナ（Ｐｔ）の表面力を所定膜の表面力と同じ条件で測定し、所定膜の表面力をＰｔの表面力に対する相対的関係として規定することで、サンプル種や測定環境が異なる場合であっても所定膜の表面力を精度よく比較することができる。なお、ここでいうＰｔの表面力とは、詳細には、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成されたＰｔ膜の表面力のことである。
本実施形態では、例えば、クロム（Ｃｒ）により被覆されたガラス球（ガラス球材質ＢＫ７、直径１ｍｍ、表面粗さＲａ２ｎｍ、Ｒｚ１１ｎｍ）からなる測定子（プローブ）を用いて真空中で測定したときの、該測定子と電子供給層１６０の表面とを引き寄せる引力として働く電子供給層１６０の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強い。なお、ここでの「引力として働く表面力」とは、実測ではマイナスの値として検出される。このため、「電子供給層１６０の表面力ＡがＰｔの表面力Ｂよりも強い」とは、電子供給層１６０の表面力の実測値がＰｔの表面力の実測値よりも小さい（マイナス側に大きい）ことを意味し、「電子供給層１６０の表面力Ａの絶対値がＰｔの表面力の絶対値よりも大きい」と言い換えることができる。
また、上記条件で測定したときの、電子供給層１６０の表面力ＡとＰｔの表面力Ｂとの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜は、例えば、３０μＮ以上とする。表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ未満であると、後述するＨＥＭＴとしての半導体装置２０において、ドレイン電流が経時的に低下する可能性がある。これに対し、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を３０μＮ以上とすることにより、ドレイン電流の経時的な低下を抑制することができる。また、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜は、例えば、４５μＮ以上とすることがより好ましい。これにより、ドレイン電流の経時的な低下をより確実に抑制することができる。なお、電子供給層１６０の表面力Ａが強ければ強いほど（実測値として小さければ小さいほど）、ドレイン電流の経時的な低下が抑制されることが分かっている。このため、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜の上限値については特に限定されるものではないが、所定の表面力を得ることが可能な製造条件によっては製造装置に負荷がかかり、結果的に製造装置のメンテナンスコストが上昇してしまう可能性がある。したがって、例えば、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜は、１２０μＮ以下とすることが好ましい。
なお、「電子供給層１６０の表面力ＡとＰｔの表面力Ｂとの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を３０μＮ以上とし、好ましくは４５μＮ以上とする」とは、「電子供給層１６０の表面力ＡをＰｔの表面力Ｂを基準として−３０μＮ以下とし、好ましくは−４５μＮ以下とする」、または「電子供給層１６０の引力としての表面力ＡをＰｔの引力としての表面力Ｂを基準として３０μＮ以上強くし、好ましくは４５μＮ以上強くする」と言い換えることができる。
電子供給層１６０の厚さは、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。電子供給層１６０の厚さが５ｎｍ未満であると、ゲートリークが大きくなり、半導体装置２０の信頼性が低下する可能性がある。これに対し、電子供給層１６０の厚さを５ｎｍ以上とすることにより、ゲートリークを抑制し、半導体装置２０の信頼性を確保することができる。一方で、電子供給層１６０の厚さが５０ｎｍ超であると、閾値電圧が大きくなり、スイッチング特性が悪くなる可能性がある。これに対し、電子供給層１６０の厚さを５０ｎｍ以下とすることにより、閾値電圧を所定値以下とし、スイッチング特性を向上させることができる。なお、上記傾向を考慮して、電子供給層１６０の厚さは、例えば、１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
（２）半導体装置
次に、図２を用い、本実施形態の半導体装置について説明する。図２は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
図２に示すように、本実施形態の半導体装置２０は、例えば、上記した窒化物半導体積層物１０を用いて製造されるものであり、ＨＥＭＴとして構成されている。具体的には、半導体装置２０は、例えば、基板１００と、電子走行層１４０と、電子供給層１６０と、ゲート電極２１０と、ソース電極２２０と、ドレイン電極２３０と、保護膜３００と、を有している。
（電極）
ゲート電極２１０は、電子供給層１６０上に設けられている。ゲート電極２１０は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との複層構造（Ｎｉ／Ａｕ）からなっている。なお、本命最初においてＸ／Ｙの複層構造と記載した場合、Ｘ、Ｙの順で積層したことを示している。
ソース電極２２０は、電子供給層１６０上に設けられ、ゲート電極２１０から所定距離離れた位置に配置されている。ソース電極２２０は、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との複層構造からなっている。
ドレイン電極２３０は、電子供給層１６０上に設けられ、ゲート電極２１０を挟んでソース電極２２０と反対側にゲート電極２１０から所定距離離れた位置に配置されている。ドレイン電極２３０は、ソース電極２２０と同様に、例えば、ＴｉとＡｌとの複層構造からなっている。なお、ソース電極２２０およびドレイン電極２３０では、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。
（保護膜）
保護膜３００は、電子供給層１６０等の表面を保護し、電子供給層１６０等の劣化を抑制するよう構成されている。具体的には、保護膜３００は、少なくとも、ゲート電極２１０およびソース電極２２０の間と、ゲート電極２１０およびドレイン電極２３０の間と、ソース電極２２０またはドレイン電極２３０の外側とにおける電子供給層１６０の表面を覆うように設けられている。保護膜３００は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなっている。
なお、電子走行層１４０内に、平面視でソース電極２２０、ゲート電極２１０およびドレイン電極２３０を含むデバイス領域の周囲を囲むように、窒素（Ｎ）イオンがイオン注入されていてもよい。これにより、デバイス領域の外側の二次元電子ガスを不活性化して、隣接するデバイス領域間の絶縁性を確保することができる。
また、電子走行層１４０および電子供給層１６０内に、平面視でソース電極２２０およびドレイン電極２３０のそれぞれに重なる領域に、シリコン（Ｓｉ）イオンがイオン注入されていてもよい。これにより、ソース電極２２０およびドレイン電極２３０のそれぞれのコンタクト抵抗を低減することができる。なお、この場合、Ｓｉイオンは、例えば、電子供給層１６０の表面から深さ５０ｎｍ程度にピークが位置するようなプロファイルを有していることが好ましい。
上述のように、電子供給層１６０の表面力Ａが所定の特性を満たしていることにより、半導体装置２０を駆動したときにドレイン電流の経時的な低下を抑制することができる。具体的には、（保護膜３００が設けられていない半導体装置２０において）温度を２００℃とし、ソース電極２２０とドレイン電極２３０との間の電圧Ｖｄｓを５０Ｖとし、ゲート電極２１０とソース電極２２０との間の電圧Ｖｇｓを−２Ｖとした条件下で半導体装置２０を駆動させたときの、初期のドレイン電流Ｉｄｓ０に対する１０００時間後のドレイン電流Ｉｄｓの比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０を０．７０以上とし、好ましくは、０．９０以上とすることができる。
（３）窒化物半導体積層物の製造方法および半導体装置の製造方法
次に、図３を用い、本実施形態の窒化物半導体積層物の製造方法および半導体装置の製造方法について説明する。図３は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。なお、ステップをＳと略している。
まず、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、窒化物半導体積層物１０を形成する。
（Ｓ１１０：電子走行層形成工程）
まず、基板１００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。そして、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内に、基板１００を搬入する。そして、処理室内に水素（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１００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１００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、基板１００に対して供給する。これにより、基板１００上にＡｌＮからなる核生成層を成長させる。所定の厚さの核生成層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１００の温度を電子走行層１４０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１００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、核生成層上に単結晶のＧａＮからなる電子走行層１４０をエピタキシャル成長させる。所定の厚さの電子走行層１４０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。
（Ｓ１２０：電子供給層形成工程）
次に、例えば、基板１００の温度を電子供給層１６０の所定の成長温度（例えば１０００℃以上１１００℃以下）とする。そして、基板１００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からなる電子供給層１６０をエピタキシャル成長させる。所定の厚さの電子走行層１４０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１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させる。なお、このとき、通常は、Ｈ２ガスを停止し、Ｎ２ガスを供給するとともに、ＮＨ３ガスの供給を継続する（電子走行層１４０および電子供給層１６０の成長中にＨ２ガスとともにＮ２ガスが供給されていた場合は、Ｈ２ガスを停止し、Ｎ２ガスおよびＮＨ３ガスの供給を継続する）。そして、窒化物半導体積層物１０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。
このとき、本実施形態では、Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて真空中で測定したときの、該測定子と電子供給層１６０の表面とを引き寄せる引力として働く電子供給層１６０の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるような、電子供給層１６０を形成する。発明者の鋭意検討により、基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却条件等を調整することで、電子供給層１６０の表面力Ａが上記所定の特性を満たすような電子供給層１６０を形成することができることが分かっている。
具体的には、基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却速度を、例えば、１．０℃／ｓ以上とする。冷却速度が１．０℃／ｓ未満であると、電子供給層１６０において充分な表面力が得られない可能性がある。これに対し、冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることにより、電子供給層１６０の表面力を向上させることができる。また、冷却速度を１．５℃／ｓ以上とすることがより好ましい。これにより、電子供給層１６０の表面力をより確実に向上させることができる。なお、使用したＭＯＶＰＥ装置の構成にも依存するが、基板１００を加熱するヒータの電源をＯＦＦした際の自然冷却速は、例えば、およそ３℃／ｓとなる。後述するように電子供給層１６０の表面に対して冷却ガスとしてＨ２ガス又はＨｅガスを供給する場合、ヒータの電源をＯＦＦした際の自然冷却速度は、例えば、およそ４℃／ｓとなる。
また、基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときに、電子供給層１６０の表面に対して冷却ガスとしてＨ２ガス又はヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給してもよい。つまり、本実施形態では、Ｎ２ガスおよびＮＨ３ガスに加えてＨ２ガス又はＨｅガスを供給してもよい。Ｈ２ガスの比熱（約１４０００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））や、Ｈｅガスの比熱（約５０００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））は、Ｎ２ガスの比熱（約１０００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））やＮＨ３ガスの比熱（約２０００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））よりも大きい。したがって、比熱の大きいＨ２ガス又はＨｅガスを電子供給層１６０の表面に対して供給することで、電子供給層１６０の表面の冷却効率を向上させることができる。これにより、上記のように基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却速度を所定値以上とした場合と同様に、電子供給層１６０の表面力を向上させることができる。
その後、窒化物半導体積層物１０が搬出可能な温度にまで低下したら、窒化物半導体積層物１０を処理室内から搬出する。
以上により、図１に示す本実施形態の窒化物半導体積層物１０が製造される。
（Ｓ１３０：検査工程）
次に、電子供給層１６０の表面力に基づいて窒化物半導体積層物１０を検査する検査工程Ｓ１３０を行う。本実施形態の検査工程Ｓ１３０は、例えば、表面力測定工程Ｓ１３２と、選別工程Ｓ１３４と、を有している。
（Ｓ１３２：表面力測定工程）
まず、リファレンスとしてのＰｔの表面力と、上記のように製造された窒化物半導体積層物１０の電子供給層１６０の表面力と、を測定する。表面力の測定には、例えば、エリオニクス社製の表面力測定装置（ＥＳＦ−５０００）を好適に用いることができる。
ここで、図４は、表面力測定装置を示す概略構成図である。
図４に示すように、表面力測定装置４００は、例えば、真空チャンバ４１０と、真空ポンプ４２０と、固定フレーム４３０と、ステージ４４０と、測定子４５０と、支持棒４５２と、ばね機構４６０と、電磁力発生器４７０と、変位計４８０と、を有している。真空チャンバ４１０は、固定フレーム４３０等の各部材を収容しており、その内部の雰囲気を真空ポンプ４２０によって真空に排気可能に構成されている。固定フレーム４３０は、真空チャンバ４１０内に収容された各部材を固定し支持するよう構成されている。ステージ４４０は、固定フレーム４３０の底部に設けられ、その上に被測定物（例えば窒化物半導体積層物１０）が載置されるようになっている。また、ステージ４４０は、被測定物を水平方向および鉛直方向に移動させる粗動ステージ（不図示）と、被測定物の鉛直方向の微細な位置決めを行う微動ステージ（不図示）と、を有している。測定子４５０は、表面力を測定するプローブとして機能するよう構成されている。支持棒４５２は、ステージ４４０の鉛直上側に測定子４５０を支持している。ばね機構４６０は、支持棒４５２と固定フレーム４３０の上部との間に介在し、支持棒４５２を弾性的に保持しつつ、支持棒４５２に鉛直方向のみの移動を許容するよう構成されている。電磁力発生器４７０は、電磁力により支持棒４５２に鉛直方向の荷重を加えるよう構成されている。変位計４８０は、支持棒４５２の鉛直方向の変位、すなわち測定子４５０の鉛直方向の変位を検出するよう構成されている。変位計４８０としては、非接触式（例えば光学式）の変位センサが好適に用いられる。
被測定物と測定子４５０との間に作用する表面力（本実施形態では引力）は、被測定物に接触している状態の測定子４５０を被測定物から引き離すために必要な力を測定することで決定される。具体的には、以下のような手順で測定が行われる。
図５は、表面力測定工程を示す図である。図５において、横軸は時間であり、縦軸は測定子４５０の（鉛直方向の）変位である。
まず、ステージ４４０上に被測定物を載置し、真空チャンバ４１０内の雰囲気を真空に排気する。真空チャンバ４１０内が所定の圧力に到達したら、ステージ４４０を鉛直上方向に徐々に移動させ、被測定物を測定子４５０に近づける（ｔ０→ｔ１）。そして、被測定物が測定子４５０に近づくにつれて、被測定物と測定子４５０との間に表面力が作用する。これにより、測定子４５０は、被測定物の表面力によって被測定物に引き寄せられ、ばね機構４６０の弾性力に逆らって下降し、被測定物に接触する（ｔ１→ｔ２）。ここで、ばね機構４６０の弾性力が測定子４５０に作用した状態で、測定子４５０を被測定物から離して表面力を測定すると、誤差を生じる可能性があるため、ステージ４４０を上昇させ、測定子４５０を初期位置に戻し、ばね機構４６０に生じた弾性力をゼロにする（ｔ２→ｔ３）。そして、ばね機構４６０が静止状態となるまで所定時間待機する（ｔ３→ｔ４）。そして、電磁力発生器４７０による電磁力により、支持棒４５２を鉛直上方向に徐々に移動させることで、測定子４５０を被測定物から引き離す力を印加する（ｔ４→ｔ５）。そして、測定子４５０を被測定物から引き離す力が被測定物の表面力を超えたとき、測定子４５０は被測定物から離れる（ｔ５）。このとき、測定子４５０が被測定物から離れた時点を、変位計４８０によって検知する。そして、測定子４５０が被測定物から離れた瞬間に電磁力発生器４７０に流れている電流値を取得し、該電流値に基づいて被測定物の表面力を決定する。
本実施形態では、上記の表面力測定装置４００において、予め、Ｃｒにより被覆されたガラス球（ガラス球材質ＢＫ７、直径１ｍｍ、表面粗さＲａ２ｎｍ、Ｒｚ１１ｎｍ）からなる測定子４５０を用いて、Ｐｔと測定子４５０とを引き寄せる引力として働くＰｔの表面力Ｂを真空中で測定しておく。そして、同じ条件で、上記のように製造された窒化物半導体積層物１０の電子供給層１６０の表面と測定子４５０とを引き寄せる引力として働く電子供給層１６０の表面力Ａを測定する。
（Ｓ１３４：選別工程）
次に、表面力測定工程Ｓ１３２で測定された電子供給層１６０の表面力に基づいて、窒化物半導体積層物１０を選別する。具体的には、電子供給層１６０の表面力ＡがＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上であるとする第１選別条件を満たさない窒化物半導体積層物１０を不良品として排除し、一方で、該第１選別条件を満たす窒化物半導体積層物１０を良品として選別する。これにより、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流が経時的に低下してしまうような窒化物半導体積層物１０を排除するとともに、ドレイン電流の経時的な低下を抑制可能な窒化物半導体積層物１０を半導体装置２０の製造前に非破壊で選別することができる。
また、電子供給層１６０の表面力ＡがＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が４５μＮ以上であるとする第２選別条件を満たす窒化物半導体積層物１０を最良品として選別してもよい。これにより、ドレイン電流の経時的な低下をより確実に抑制可能な窒化物半導体積層物１０を選別することができる。
（Ｓ１４０：素子分離工程）
次に、上記の良品または最良品として選別された窒化物半導体積層物１０上にレジスト膜を形成し、平面視でソース電極２２０、ゲート電極２１０およびドレイン電極２３０が形成されることとなるデバイス領域の周囲を囲む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、該レジスト膜をマスクとして用い、電子走行層１４０内に平面視でデバイス領域の周囲を囲む領域にＮイオンをイオン注入する。これにより、デバイス領域の外側の二次元電子ガスを不活性化して、隣接するデバイス領域間の絶縁性を確保することができる。
（Ｓ１５０：コンタクト抵抗低減工程）
次に、窒化物半導体積層物１０上にレジスト膜を形成し、平面視でソース電極２２０およびドレイン電極２３０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、該レジスト膜をマスクとして用い、電子走行層１４０および電子供給層１６０内に平面視でソース電極２２０およびドレイン電極２３０のそれぞれが形成されることとなる領域にＳｉイオンをイオン注入する。そして、例えばプラズマ化学気相成長（Ｐ−ＣＶＤ）法により、窒化物半導体積層物１０上にキャップ層としてＳｉＮ膜を形成する。これにより、窒化物半導体積層物１０を構成するＩＩＩ族窒化物半導体からの窒素抜けを抑制することができる。そして、ＳｉＮ膜で覆われた窒化物半導体積層物１０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、１２００℃１分間）。これにより、電子走行層１４０および電子供給層１６０内に注入されたＳｉイオンを活性化し、後工程で形成されるソース電極２２０およびドレイン電極２３０のそれぞれのコンタクト抵抗を低減することができる。そして、所定の溶媒（例えばバッファードフッ酸）により、窒化物半導体積層物１０上のＳｉＮ膜を除去する。
（Ｓ１６０：電極形成工程）
次に、電子供給層１６０上にレジスト膜を形成し、平面視でソース電極２２０およびドレイン電極２３０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、電子供給層１６０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。そして、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２２０およびドレイン電極２３０を形成する。そして、窒化物半導体積層物１０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２２０およびドレイン電極２３０のそれぞれを電子供給層１６０に対してオーミック接合させることができる。
次に、電子供給層１６０、ソース電極２２０およびドレイン電極２３０を覆うようにレジスト膜を形成し、平面視でゲート電極２１０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、電子供給層１６０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。そして、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２１０を形成する。そして、窒化物半導体積層物１０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）。
（Ｓ１７０：保護膜形成工程）
次に、例えば、Ｐ−ＣＶＤ法により、電子供給層１６０および各電極を覆うように、ＳｉＮからなる保護膜３００を形成する。そして、各電極の上面の一部のみが露出するように、保護膜３００をパターニングする。これにより、ゲート電極２１０およびソース電極２２０の間と、ゲート電極２１０およびドレイン電極２３０の間と、ソース電極２２０またはドレイン電極２３０の外側とにおける電子供給層１６０の表面を覆うように保護膜３００が形成される。
以上により、図２に示す本実施形態の半導体装置２０が製造される。
（４）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）本実施形態では、Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と電子供給層１６０の表面とを引き寄せる引力として働く電子供給層１６０の表面力Ａを、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強くし、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を３０μＮ以上としている。これにより、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流の経時的な低下を抑制することが可能となり、半導体装置２０の長期的な信頼性を向上させることが可能となる。これは、例えば、以下のような作用効果によるものと考えられる。電子供給層１６０の表面力Ａが所定の特性を満たしていることにより、電子供給層１６０の表面付近における負電荷の経時的な蓄積を抑制することができ、実効的なゲート長（チャネル長）の増加を抑制することができる。また、電子供給層１６０の表面付近における負電荷の経時的な蓄積を抑制することで、電子供給層１６０の表面付近のバンド傾斜やポテンシャル上昇を抑制することができ、電子走行層１４０内の二次元電子ガスの濃度を所定濃度に維持することができる。これらの結果、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流の経時的な低下を抑制することが可能となると考えられる。
なお、非特許文献２には、電子供給層１６０の表面付近における負電荷の蓄積によって、電子走行層１４０内の二次元電子ガスの濃度が低下し、その結果、ドレイン電流が低下することが記載されている。したがって、本実施形態において、電子供給層１６０の表面付近における負電荷の経時的な蓄積を抑制することによる上記の作用効果は、非特許文献２に記載されている内容と矛盾しないと考えられる。
（ｂ）電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすことで、電子供給層１６０上に形成される保護膜３００の密着性を向上させることができ、窒化物半導体積層物１０のうちの特に電子走行層１４０および電子供給層１６０の経時的な劣化を抑制することができる。その結果、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流の経時的な低下を抑制することが可能となる。
なお、非特許文献３には、電気伝導率の低い（すなわち、絶縁性の高い）窒化膜で覆われたＨＥＭＴでは、ドレイン電流の低下を抑制することができることが記載されている。したがって、保護膜３００の密着性が保護膜３００の実質的な絶縁性に相関があると考えれば、本実施形態において、電子供給層１６０上に形成される保護膜３００の密着性を向上させることによる上記の作用効果は、非特許文献３に記載されている内容と矛盾しないと考えられる。
（ｃ）電子供給層形成工程Ｓ１２０では、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすような電子供給層１６０を形成する。これにより、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流の経時的な低下を抑制可能な窒化物半導体積層物１０を安定的に製造することができる。
（ｄ）電子供給層形成工程Ｓ１２０では、基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却速度を１．０℃／ｓ以上とする。これにより、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすような電子供給層１６０を形成することが可能となる。これは、上記冷却速度を所定値超とすることで、例えば、電子供給層１６０の表面状態（ダングリングボンドや表面電荷等）が影響を受けるためと考えられる。
（ｅ）基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときに、電子供給層１６０の表面に対して冷却ガスとしてＨ２ガス又はＨｅガスを供給してもよい。比熱の大きいＨ２ガス又はＨｅガスを電子供給層１６０の表面に対して供給することで、電子供給層１６０の表面の冷却効率を向上させることができる。これにより、上記のように基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却速度を所定値超とした場合と同様に、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすような電子供給層１６０を形成することが可能となる。
（ｆ）窒化物半導体積層物１０を検査する検査工程Ｓ１３０として、所定の測定子４５０を用い、該測定子４５０と電子供給層１６０の表面との間に作用する電子供給層１６０の表面力Ａを測定する表面力測定工程Ｓ１３２と、電子供給層１６０の表面力Ａに基づいて窒化物半導体積層物１０を選別する選別工程Ｓ１３４と、を行う。これにより、半導体装置２０を駆動したときのドレイン電流が経時的に低下してしまうような窒化物半導体積層物１０を排除するとともに、ドレイン電流の経時的な低下を抑制可能な窒化物半導体積層物１０を半導体装置２０の製造前に非破壊で選別することができる。このように、半導体装置２０の長期的信頼性を窒化物半導体積層物１０の製造段階で予測して、窒化物半導体積層物１０の品質を管理することが可能となる。
＜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。
上述の実施形態では、基板１００がＳｉＣ基板として構成されている場合について説明したが、基板１００は、ＧａＮ基板（ＧａＮ自立基板）、サファイア基板、またはダイヤモンド基板として構成されていてもよい。
上述の実施形態では、基板１００が半絶縁性を有している場合について説明したが、基板は導電性を有していてもよい。この場合、窒化物半導体積層物は、以下の変形例のような構成を有していることが好ましい。
ここで、図８は、本実施形態の変形例に係る窒化物半導体積層物を示す断面図である。
図８に示す窒化物半導体積層物１２では、基板１０２は、導電性を有している。基板１０２は、例えば、ｎ型のＧａＮ自立基板として構成されている。基板１０２の上には、半絶縁層１２２が設けられている。半絶縁層１２２の比抵抗は、例えば、１０５Ω・ｃｍ以上である。半絶縁層１２２は、例えば、半絶縁性を有するＩＩＩ族窒化物半導体を主成分として構成され、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属を含んでいる。これにより、半絶縁層１２２において、上記した所定の比抵抗を実現することができる。半絶縁層１２２の上には、上述の実施形態と同様の電子走行層１４０および電子供給層１６０が順に設けられている。
変形例によれば、基板１０２が導電性を有していても、基板１０２と電子走行層１４０との間に半絶縁層１２２を設けることで、電子走行層１４０から基板１０２への自由電子の拡散を抑制し、リーク電流を抑制することができる。
上述の実施形態では、核生成層がＡｌＮからなっている場合について説明したが、核生成層は、ＡｌＮ以外のＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよく、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよい。
上述の実施形態では、電子走行層１４０がＧａＮからなっている場合について説明したが、電子走行層１４０は、ＧａＮ以外のＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよく、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよい。
上述の実施形態では、電子供給層１６０がＡｌＧａＮからなっている場合について説明したが、電子供給層１６０は、電子走行層１４０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、電子走行層１４０の格子定数よりも小さい格子定数とを有していれば、ＡｌＧａＮ以外のＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよい。具体的には、電子供給層１６０は、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよい。
上述の実施形態では、ＭＯＶＰＥ装置を用いて窒化物半導体積層物１０を製造する場合について説明したが、ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）を用いて窒化物半導体積層物１０を製造してもよい。
上述の実施形態では、電子供給層形成工程Ｓ１２０において、基板１００の温度を電子供給層１６０の成長温度から低下させるときの冷却条件等を調整することで、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすような電子供給層１６０を形成する場合について説明したが、以下のように、電子供給層１６０を形成した後に、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすように電子供給層１６０の表面を改質してもよい。
具体的には、例えば、電子供給層形成工程Ｓ１２０の後に、電子供給層１６０の表面に対して所定のプラズマ処理を施してもよい。プラズマ処理の方法としては、例えば、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法が挙げられる。ＩＣＰ−ＲＩＥ法を用いた場合では、例えば、アンテナ電力１００Ｗ、バイアス電力５Ｗ、アルゴン（Ａｒ）流量２０ｓｃｃｍ、０．８Ｐａ、１分間とした条件下で行うことができる。これにより、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすように電子供給層１６０の表面を改質することができる。
また、例えば、電子供給層形成工程Ｓ１２０の後に、電子供給層１６０の表面に対してＵＶオゾン処理を施してもよい。この場合、例えば、３０分間行うことができる。この場合であっても、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすように電子供給層１６０の表面を改質することができる。
また、例えば、電子供給層形成工程Ｓ１２０の後に、電子供給層１６０の表面に対して水素イオン（Ｈ＋）のイオン注入を施してもよい。この場合、例えば、加速電圧１ＭｅＶ、ドーズ量１０１３ｉｏｎ／ｃｍ２とした条件下で行うことができる。この条件により、電子供給層１６０の最表面のみに水素イオンが注入されることとなる。この場合であっても、電子供給層１６０の表面力Ａが上記した所定の特性を満たすように電子供給層１６０の表面を改質することができる。
上述の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物半導体により構成される窒化物半導体積層物１０に対して、表面力測定工程Ｓ１３２と、選別工程Ｓ１３４と、を有する検査工程Ｓ１３０を実施する場合について説明したが、ＨＥＭＴの構成を有する半導体積層物であれば、ＩＩＩ族窒化物半導体以外の半導体（例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）等）により構成される半導体積層物であっても、上記検査工程を実施することができる。つまり、ＩＩＩ族窒化物半導体以外の半導体により構成される半導体積層物であっても、半導体装置の長期的信頼性を半導体積層物の製造段階で予測して半導体積層物の品質を管理することができる。
以下、本発明の効果を裏付ける各種実験結果について説明する。
（１）半導体装置の製造
以下のように、比較例１〜２、実施例１〜２の半導体装置を製造した。
比較例１では、基板として、ポリタイプ４Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用いた。まず、基板１００上に、厚さ２００ｎｍのＡｌＮからなる核生成層を形成した。そして、核生成層上に、厚さ１２００ｎｍのＧａＮからなる電子走行層を形成した。そして、電子走行層上に、厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎからなる電子供給層を形成した。このとき、電子供給層の成長温度を１０５０℃とした。また、基板の温度を電子供給層の成長温度から低下させるときの冷却速度を０．９℃／ｓとした。また、基板の温度を電子供給層の成長温度から低下させるときに、電子供給層の表面に対してＮＨ３ガスのみを供給した。そして、電子供給層上に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（２０／５０／２０／２００ｎｍ）の複層構造からなるソース電極およびドレイン電極を形成した。また、電子供給層上に、Ｎｉ／Ａｕ（２０／２００ｎｍ）の複層構造からなるゲート電極を形成した。なお、ゲート長を２μｍ、ゲート幅を１００μｍ、ソース電極−ゲート電極間距離を２．５μｍ、ゲート電極−ドレイン電極間距離を７．５μｍとした。なお、後述するドレイン電流の経時的変化を加速させるため、電子供給層上に保護膜を形成しなかった。
比較例２では、電子供給層の成長温度を１０００℃とした点を除いて比較例１と同様に半導体装置を製造した。
実施例１では、電子供給層形成工程における冷却速度を比較例１の約２倍とした（具体的には冷却速度を２．２℃／ｓとした）点を除いて比較例１と同様に半導体装置を製造した。
実施例２では、電子供給層形成工程において基板の温度を電子供給層の成長温度から低下させるときにＮＨ３ガスに加えＨ２ガスを供給した点を除いて比較例１と同様に半導体装置を製造した。
（２）評価
（表面力測定）
比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれの電子供給層形成工程後に、エリオニクス社製の表面力測定装置（ＥＳＦ−５０００）を用いて、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力Ａを測定した。具体的には、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおいて、Ｃｒにより被覆されたガラス球（ガラス球材質ＢＫ７、直径１ｍｍ、表面粗さＲａ２ｎｍ、Ｒｚ１１ｎｍ）からなる測定子を用いて、電子供給層の表面と測定子とを引き寄せる引力として働く電子供給層の表面力Ａを真空中で測定した。なお、同じ条件で、予めＰｔの表面力Ｂを測定しておき、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力ＡとＰｔの表面力Ｂとの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を求めた。
（駆動試験）
温度を２００℃とし、ソース電極とドレイン電極との間の電圧Ｖｄｓを５０Ｖとし、ゲート電極とソース電極との間の電圧Ｖｇｓを−２Ｖとした条件下で、比較例１〜２、実施例１〜２のぞれぞれの半導体装置を駆動させ、ドレイン電流Ｉｄｓの経時的な変化を測定した。そして、比較例１〜２、実施例１〜２のぞれぞれの半導体装置において、初期のドレイン電流Ｉｄｓ０に対する所定時間経過後のドレイン電流Ｉｄｓの比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０を比較した。
（３）結果
図６（ａ）は、表面力測定結果を示す図である。図６（ａ）では、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力Ａの実測値を示している。なお、電子供給層の表面力Ａの実測値は、上述したように引力であるため、マイナスの値となっている。そのため、表面力Ａの値が小さいほど、表面力Ａが強いことを示している。また、図６（ａ）中の破線は、Ｐｔの表面力Ｂを示している。
図６（ａ）に示すように、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力Ａは、Ｐｔの表面力Ｂよりも強かった（小さかった）。実施例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力Ａは、比較例１〜２のそれぞれにおける電子供給層の表面力Ａよりも強かった（小さかった）。このことから、実施例１〜２のように電子供給層形成工程において基板の温度を電子供給層の成長温度から低下させるときの冷却条件を調整することで、電子供給層の表面力Ａを向上させることができることを確認した。
図６（ｂ）は、、半導体装置の駆動試験の結果を示す図である。図６（ｂ）において、横軸は時間であり、縦軸は初期のドレイン電流Ｉｄｓ０に対する所定時間経過後のドレイン電流Ｉｄｓの比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０である。
図６（ｂ）に示すように、比較例１〜２のそれぞれの半導体装置では、ドレイン電流Ｉｄｓが経時的に大きく低下していた。これに対して、実施例１〜２のそれぞれの半導体装置では、ドレイン電流Ｉｄｓの経時的な低下が抑制されることを確認した。これは、実施例１〜２では、電子供給層の表面力Ａを向上させることにより、電子供給層の表面付近における負電荷の経時的な蓄積を抑制することができ、電子走行層内の二次元電子ガスの濃度を所定濃度に維持することができたためと考えられる。
ここで、比較例１〜２、実施例１〜２のそれぞれにおける、電子供給層の表面力ＡとＰｔの表面力Ｂとの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜と、初期のドレイン電流Ｉｄｓ０に対する１０００時間経過後のドレイン電流Ｉｄｓの比率（以下、単に「ドレイン電流比率」ともいう）Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０と、を表１に示す。
また、図７は、表面力の差の絶対値に対するドレイン電流比率を示す図である（表１をプロットした図である）。
図７に示すように、電子供給層の表面力ＡとＰｔの表面力Ｂとの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が大きくなるにつれて（電子供給層の表面力Ａが強くなるにつれて）、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０が単調増加することを確認した。また、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を３０μＮ以上とすることにより、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０を０．７０以上とすることができることを確認した。
また、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が４５μＮ未満である領域では、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜に対するドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０の傾きが大きく、一方で、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が４５μＮ以上である領域では、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０の傾きがなだらかとなり、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０が１に近い値を維持することを確認した。つまり、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を４５μＮ以上とすることにより、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０を顕著に向上させることができることを確認した。具体的には、表面力の差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜を４５μＮ以上とすることにより、ドレイン電流比率Ｉｄｓ／Ｉｄｓ０を０．９０以上とすることができることを確認した。
以上のように、実施例１〜２によれば、半導体装置の長期的な信頼性を向上させることができることを確認した。
＜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）
基板と、
前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層と、
を有し、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である窒化物半導体積層物。
（付記２）
前記電子供給層の表面力と前記Ｐｔの表面力との差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜は、４５μＮ以上である付記１に記載の窒化物半導体積層物。
（付記３）
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
を有し、
前記電子供給層を形成する工程では、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるような、前記電子供給層を形成する窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記４）
前記電子供給層を形成する工程では、
前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときの冷却速度を１．０℃／ｓ以上とする付記３に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記５）
前記電子供給層を形成する工程では、
前記冷却速度を１．５℃／ｓ以上とする付記４に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記６）
前記電子供給層を形成する工程では、
前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときに、前記電子供給層の表面に対して水素ガス又はヘリウムガスを供給する付記３〜５のいずれかに記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記７）
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の表面を改質する工程と、
を有し、
前記電子供給層の表面を改質する工程では、
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるように、前記電子供給層の表面を改質する窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記８）
前記電子供給層の表面を改質する工程では、
前記電子供給層の表面に対して所定のプラズマ処理、ＵＶオゾン処理、または水素イオンのイオン注入を施す付記７に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記９）
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
を有し、
前記電子供給層を形成する工程では、
前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときの冷却速度を１．０℃／ｓ以上とする窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記１０）
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
を有し、
前記電子供給層を形成する工程では、
前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときに、前記電子供給層の表面に対して水素ガス又はヘリウムガスを供給する窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記１１）
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の表面を改質する工程と、
を有し、
前記電子供給層の表面を改質する工程では、
前記電子供給層の表面に対して所定のプラズマ処理、ＵＶオゾン処理、または水素イオンのイオン注入を施す窒化物半導体積層物の製造方法。
（付記１２）
基板上に電子走行層および電子供給層を順に形成することで、前記電子走行層および前記電子供給層を有する半導体積層物を形成する工程と、
所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
前記電子供給層の表面力に基づいて前記半導体積層物を選別する工程と、
を有する半導体積層物の製造方法。
（付記１３）
前記半導体積層物を形成する工程では、
前記電子走行層および前記電子供給層をそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体により構成し、
前記電子供給層の表面力を測定する工程では、
前記測定子としてＣｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球を用い、前記測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａを測定し、
前記半導体積層物を選別する工程では、
前記電子供給層の表面力Ａが同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である前記半導体積層物を選別する付記１２に記載の半導体積層物の製造方法。
（付記１４）
基板上に電子走行層および電子供給層が順に設けられる半導体積層物を検査する半導体積層物の検査方法であって、
所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
前記電子供給層の表面力に基づいて、前記半導体積層物を選別する工程と、
を有する半導体積層物の検査方法。
（付記１５）
基板と、
前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、
を有し
温度を２００℃とし、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧を５０Ｖとし、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電圧を−２Ｖとした条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する１０００時間後のドレイン電流の比率は、０．７０以上である半導体装置。
（付記１６）
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である付記１５に記載の半導体装置。
（付記１７）
前記ドレイン電流の比率は、０．９０以上である付記１５に記載の半導体装置。
（付記１８）
Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が４５μＮ以上である付記１７に記載の半導体装置。
１０ 窒化物半導体積層物
２０ 半導体装置
１００ 基板
１４０ 電子走行層
１６０ 電子供給層
２１０ ゲート電極
２２０ ソース電極
２３０ ドレイン電極
３００ 保護膜

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層と、
    前記電子走行層上に設けられ、前記電子走行層よりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層と、
    を有し、
    Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａは、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上であり、
    前記電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成し、前記ゲート電極の長さを２μｍとし、前記ゲート電極の幅を１００μｍとし、前記ソース電極と前記ゲート電極との間の距離を２．５μｍとし、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の距離を７．５μｍとした半導体装置を作製した場合に、温度を２００℃とし、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧を５０Ｖとし、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電圧を−２Ｖとした条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する１０００時間後のドレイン電流の比率は、０．７０以上である窒化物半導体積層物。
  2. 前記電子供給層の表面力と前記Ｐｔの表面力との差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜は、４５μＮ以上であり、
    前記ドレイン電流の比率は、０．９０以上である請求項１に記載の窒化物半導体積層物。
  3. 前記電子供給層は、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １−ｘ−ｙ Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる請求項１又は２に記載の窒化物半導体積層物。
  4. 基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
    前記電子走行層上に前記電子走行層よりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
    を有し、
    前記電子供給層を形成する工程では、前記電子供給層を形成した後に、
    Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるように、前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させる窒化物半導体積層物の製造方法。
  5. 前記電子供給層を形成する工程では、前記電子供給層を形成した後に、
    前記電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成し、前記ゲート電極の長さを２μｍとし、前記ゲート電極の幅を１００μｍとし、前記ソース電極と前記ゲート電極との間の距離を２．５μｍとし、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の距離を７．５μｍとした半導体装置を作製した場合に、温度を２００℃とし、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧を５０Ｖとし、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電圧を−２Ｖとした条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する１０００時間後のドレイン電流の比率が、０．７０以上となるように、前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させる請求項４に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
  6. 前記電子供給層を形成する工程では、
    前記電子供給層を、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １−ｘ−ｙ Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物半導体により構成し、
    前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときの冷却速度を１．０℃／ｓ以上とする請求項４又は５に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
  7. 前記電子供給層を形成する工程では、
    前記冷却速度を１．５℃／ｓ以上とする請求項６に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
  8. 前記電子供給層を形成する工程では、
    前記基板の温度を前記電子供給層の成長温度から低下させるときに、前記電子供給層の表面に対して水素ガス又はヘリウムガスを供給する請求項４〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
  9. 基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
    前記電子走行層上に前記電子走行層よりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
    前記電子供給層の表面を改質する工程と、
    を有し、
    前記電子供給層の表面を改質する工程では、前記電子供給層を形成した後に、
    Ｃｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球からなる測定子を用いて測定したときの、該測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａが、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上となるように、前記電子供給層の表面に対して、所定のプラズマ処理、ＵＶオゾン処理、または水素イオンの注入のうちいずれかの処理を行う窒化物半導体積層物の製造方法。
  10. 前記電子供給層を形成する工程では、前記電子供給層を形成した後に、
    前記電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成し、前記ゲート電極の長さを２μｍとし、前記ゲート電極の幅を１００μｍとし、前記ソース電極と前記ゲート電極との間の距離を２．５μｍとし、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の距離を７．５μｍとした半導体装置を作製した場合に、温度を２００℃とし、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧を５０Ｖとし、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電圧を−２Ｖとした条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する１０００時間後のドレイン電流の比率が、０．７０以上となるように、前記電子供給層の表面に対して前記処理を行う請求項９に記載の窒化物半導体積層物の製造方法。
  11. 基板上に電子走行層および電子供給層を順に形成することで、前記電子走行層および前記電子供給層を有する半導体積層物を形成する工程と、
    所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
    前記電子供給層の表面力に基づいて前記半導体積層物を選別する工程と、
    を有する半導体積層物の製造方法。
  12. 前記半導体積層物を選別する工程では、
    前記電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成した半導体装置を作製した場合に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間、前記ゲート電極と前記ソース電極との間にそれぞれ所定電圧を印加した条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する所定時間後のドレイン電流の比率が所定値以上となる前記半導体積層物を、前記電子供給層の表面力に基づいて選別する請求項１１に記載の半導体積層物の製造方法。
  13. 前記半導体積層物を形成する工程では、
    前記電子走行層および前記電子供給層をそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体により構成し、
    前記電子供給層の表面力を測定する工程では、
    前記測定子としてＣｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球を用い、前記測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａを測定し、
    前記半導体積層物を選別する工程では、
    前記電子供給層の表面力Ａが、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である前記半導体積層物を選別する請求項１１又は１２に記載の半導体積層物の製造方法。
  14. 基板上に電子走行層および電子供給層が順に設けられる半導体積層物を検査する半導体積層物の検査方法であって、
    所定の測定子を用い、該測定子と前記電子供給層の表面との間に作用する前記電子供給層の表面力を測定する工程と、
    前記電子供給層の表面力に基づいて、前記半導体積層物を選別する工程と、
    を有する半導体積層物の検査方法。
  15. 前記半導体積層物を選別する工程では、
    前記電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成した半導体装置を作製した場合に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間、前記ゲート電極と前記ソース電極との間にそれぞれ所定電圧を印加した条件下で駆動させたときの、初期のドレイン電流に対する所定時間後のドレイン電流の比率が所定値以上となる前記半導体積層物を、前記電子供給層の表面力に基づいて選別する請求項１４に記載の半導体積層物の製造方法。
  16. 前記電子走行層および前記電子供給層は、それぞれＩＩＩ族窒化物半導体からなり、
    前記電子供給層の表面力を測定する工程では、
    前記測定子としてＣｒにより被覆された直径１ｍｍのガラス球を用い、前記測定子と前記電子供給層の表面とを引き寄せる引力として働く前記電子供給層の表面力Ａを測定し、
    前記半導体積層物を選別する工程では、
    前記電子供給層の表面力Ａが、同じ条件で測定したときのＰｔの表面力Ｂよりも強く、それらの差の絶対値｜Ａ−Ｂ｜が３０μＮ以上である前記半導体積層物を選別する請求項１４又は１５に記載の半導体積層物の検査方法。
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