WO2017056389A1 - 半導体基体、半導体装置、半導体基体の製造方法、並びに、半導体装置の製造方法 - Google Patents

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洋志 鹿内
憲 佐藤
勝 篠宮
慶太郎 土屋
和徳 萩本
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サンケン電気株式会社
信越半導体株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor substrate, a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor substrate, and a method for manufacturing a semiconductor device.
  • the nitride semiconductor layer is generally formed on an inexpensive silicon substrate or sapphire substrate.
  • the lattice constants of these substrates and the nitride semiconductor layers are greatly different, and the thermal expansion coefficients are also different. Therefore, large strain energy is generated in the nitride semiconductor layer formed by epitaxial growth on the substrate. As a result, the nitride semiconductor layer is likely to generate cracks and crystal quality.
  • Patent Document 1 discloses that the buffer layer contains boron in order to reduce the pit density (that is, the defect density).
  • the longitudinal breakdown voltage is improved by doping the buffer layer with iron.
  • the vertical breakdown voltage of the buffer layer is increased by doping iron.
  • the inventors have found that the above prior art has the following problems. That is, even if boron is contained in the buffer layer to reduce the pit density, if the buffer layer is doped with an acceptor element such as a transition metal in order to improve the vertical breakdown voltage of the device, the pits caused by boron As a result, the suppression effect is lowered, resulting in deterioration of device characteristics.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate capable of obtaining a high pit suppression effect while maintaining a high vertical breakdown voltage, and a semiconductor device using the same.
  • the present invention comprises a substrate, a buffer layer made of a nitride semiconductor and provided on the substrate, and a channel layer made of a nitride semiconductor and provided on the buffer layer,
  • the buffer layer is provided on the substrate side, is provided on the first region with a boron concentration higher than the acceptor element concentration, and has a boron concentration lower than that of the first region.
  • a second region having a higher acceptor element concentration than the first region.
  • the buffer layer has the first region provided on the substrate side and having a boron concentration higher than the acceptor element concentration, and is provided on the first region and has a lower boron concentration than the first region.
  • the buffer layer includes a decrease region in which the boron concentration decreases from the substrate side toward the channel layer side, and the buffer layer is closer to the channel layer side than the boron concentration decrease start position of the decrease region.
  • the acceptor element includes an increasing region in which the acceptor element increases from the substrate side toward the channel layer side.
  • the buffer layer may include an initial layer made of AlN on the substrate side, and the initial layer may not include an acceptor element.
  • the buffer layer includes an initial layer made of AlN on the substrate side, and the acceptor element concentration of the initial layer can be made lower than the boron concentration of the initial layer.
  • the acceptor element is any one of a transition metal, carbon, and magnesium.
  • Such an element can be suitably used as an acceptor element to be introduced into the buffer layer.
  • the present invention also provides a semiconductor device comprising the semiconductor substrate described above and an electrode provided on the channel layer.
  • Such a semiconductor device can be a semiconductor device capable of obtaining a high pit suppression effect while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • the present invention is a method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: a step of forming a buffer layer made of a nitride semiconductor on a substrate; and a step of forming a channel layer made of a nitride semiconductor on the buffer layer,
  • the buffer layer includes an initial layer made of AlN on the substrate side, and the step of forming the buffer layer is such that the boron concentration of the buffer layer gradually decreases from the substrate side toward the channel layer side.
  • a step of introducing boron into the buffer layer wherein in the step of forming the buffer layer, doping of the acceptor element is started after the initial layer is formed. .
  • the step of introducing boron into the buffer layer includes a step of diffusing boron from the substrate doped with boron by thermal diffusion into the buffer layer. Can do.
  • boron is diffused from the substrate doped with boron by thermal diffusion into the buffer layer and boron is introduced into the buffer layer, so that the boron concentration of the buffer layer is more efficiently directed from the substrate side to the channel layer side. Can be gradually reduced.
  • the step of introducing boron into the buffer layer may include a step of doping boron from the vapor phase by introducing a boron-containing dopant gas when the buffer layer is formed by vapor deposition.
  • the buffer layer has sufficient boron to obtain a pit suppression effect. Can be contained.
  • transition metal any of transition metal, carbon, and magnesium as the acceptor element.
  • Such an element can be suitably used as an acceptor element to be introduced into the buffer layer.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of preparing a semiconductor substrate manufactured by the above-described method of manufacturing a semiconductor substrate, and forming an electrode on the channel layer. To do.
  • Such a method for manufacturing a semiconductor device can manufacture a semiconductor device capable of obtaining a high pit suppression effect while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • the semiconductor substrate of the present invention can be a semiconductor substrate capable of obtaining a high pit suppression effect while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • the semiconductor device of the present invention can be a semiconductor device in which the generation of pits is suppressed while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • a semiconductor substrate capable of obtaining a high pit suppression effect while maintaining a high vertical breakdown voltage can be manufactured.
  • FIG. 6 is a diagram showing impurity profiles of semiconductor substrates in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. It is a figure which shows the pit density evaluation result by the microscope dark field image analysis of the semiconductor substrate of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
  • FIG. 3 is a diagram showing a boron concentration profile of a semiconductor substrate of Example 1. It is a figure which shows the impurity profile of a semiconductor substrate at the time of changing iron concentration by the AlN layer and GaN layer in the laminated body of a buffer layer.
  • the buffer layer may be formed to improve the vertical breakdown voltage of the device.
  • an acceptor element such as a transition metal is doped, there is a problem that the pit suppression effect due to boron is lowered and the device characteristics are deteriorated.
  • the present inventors have made extensive studies on a semiconductor substrate capable of obtaining a high pit suppressing effect while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • a first region provided on the substrate side and having a boron concentration higher than the acceptor element concentration and the first region provided on the first region and having a lower boron concentration than the first region.
  • the second region having a higher acceptor element concentration it is found that a high pit suppression effect can be obtained by the first region, and a high vertical breakdown voltage can be maintained by the second region, It came to make this invention.
  • the semiconductor substrate 10 includes a substrate 12, a buffer layer 25 made of a nitride semiconductor provided on the substrate 12, and a buffer layer 25.
  • a channel layer 26 made of a nitride semiconductor is provided.
  • the substrate 12 can be a silicon-based substrate such as a silicon substrate or a SiC substrate, and the channel layer 26 can be a GaN layer, for example.
  • the buffer layer 25 is provided on the substrate 12, has a boron concentration higher than the acceptor element concentration, and is provided on the first region 23 on the opposite side of the substrate 12, and has a boron concentration higher than that of the first region 23.
  • a second region 24 that is lower and has a higher acceptor element concentration than the first region 23 is included.
  • the boron concentration in the first region 23 is preferably 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 21 atoms / cm 3
  • the acceptor element concentration in the first region 23 is 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 15 atoms / cm 3. It is preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 .
  • the boron concentration in the second region 24 is preferably 1 ⁇ 10 13 to 1 ⁇ 10 15 atoms / cm 3
  • the acceptor concentration in the second region 24 is 5 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 20. It is desirable to be atoms / cm 3 .
  • the semiconductor substrate 10 can further include a barrier layer 27 on the channel layer 26, and the operation layer 29 can be formed by the channel layer 26 and the barrier layer 27.
  • the barrier layer 27 can be an AlGaN layer, for example.
  • the buffer layer 25 is provided on the substrate 12 side and has the first region 23 whose boron concentration is higher than the acceptor element concentration, a high pit suppressing effect can be obtained, and the nitride semiconductor layer on the first region 23 can be obtained. Pit can be suppressed satisfactorily. Further, the buffer layer 25 has a second region 24 provided on the first region 23 and having a boron concentration lower than that of the first region 23 and higher than that of the first region 23. High vertical pressure resistance can be maintained.
  • the semiconductor substrate 10 includes a decreasing region in which the boron concentration of the buffer layer 25 decreases from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side, and the buffer layer 25 accepts closer to the channel layer 26 than the boron concentration decrease start position in the decreasing region. It is preferable to include an increasing region where the element increases from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side. By adopting such a configuration, the acceptor element concentration on the substrate 12 side of the buffer layer 25 can be lowered more reliably, so that a higher pit suppressing effect can be achieved more effectively for the reduced region and the nitride semiconductor layer thereon. Obtainable.
  • the increasing rate of the acceptor element concentration in the increasing region in the buffer layer is larger than the decreasing rate in the decreasing region for lowering the acceptor element concentration above the channel region above the increasing region (that is, the slope is steep). Preferably).
  • the buffer layer 25 is provided on the substrate 12 side with an initial layer 13 made of AlN and on the initial layer 13. It can be set as the structure containing the laminated body 14 provided.
  • the stacked body 14 can be a stacked body in which a first layer 15 made of a nitride semiconductor and a second layer 16 having a composition different from that of the first layer 15 are repeatedly stacked.
  • the first layer 15 is made of, for example, AlyGa1-yN
  • the second layer 16 is made of, for example, AlxGa1-xN (0 ⁇ x ⁇ y ⁇ 1).
  • the first layer 15 can be an AlN layer
  • the second layer 16 can be a GaN layer.
  • the initial layer 13 can be made not to contain an acceptor element.
  • an initial layer in the buffer layer 25 By providing such an initial layer in the buffer layer 25, a higher pit suppressing effect can be obtained more effectively for the nitride semiconductor layer on the initial layer, and the elements in the buffer layer 25 and the substrate 12 can be obtained. Can be prevented from reacting.
  • the acceptor element concentration in the initial layer 13 can be made lower than the boron concentration in the initial layer 13.
  • the acceptor element introduced into the buffer layer 25 is any of transition metal, carbon, and magnesium. Such an element can be suitably used as the acceptor element, but iron is particularly preferable.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention.
  • electrodes for example, the first electrode 30, the second electrode 31, and the control electrode 32
  • the concentration be lower than the channel layer 26 side concentration.
  • the first electrode 30 and the second electrode 31 are configured such that current flows from the first electrode 30 to the second electrode 31 via the two-dimensional electron gas 28 formed in the channel layer 26. Can be arranged. The current flowing between the first electrode 30 and the second electrode 31 can be controlled by the potential applied to the control electrode 32.
  • Such a semiconductor device can be a high-quality semiconductor device in which generation of pits is suppressed while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • the substrate 12 is prepared (see FIG. 4A).
  • the substrate 12 can be, for example, a silicon substrate or a SiC substrate.
  • an initial layer 13 made of AlN provided on the substrate 12 side of the buffer layer 25 is formed on the substrate 12 (see FIG. 4B).
  • the initial layer 13 can be grown to a thickness of 10 to 300 nm, for example, at a temperature of 800 ° C. to 1200 ° C., for example, by MOVPE (metal organic chemical vapor deposition).
  • a stacked body 14 made of a nitride semiconductor provided on the channel layer 26 side of the buffer layer 25 is formed on the initial layer 13 (see FIG. 4C).
  • the first layer 15 made of AlN (see FIG. 2) and the second layer 16 made of GaN (see FIG. 2) are heated to a temperature of, for example, 800 ° C. to 1200 ° C. by the MOVPE method. Can be grown alternately.
  • the film thickness of the first layer 15 is, for example, 3 to 30 nm
  • the film thickness of the second layer 16 is, for example, 2 to 7 nm.
  • the step of forming the buffer layer 25 is a step of introducing boron into the buffer layer so that the boron concentration of the buffer layer 25 gradually decreases from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side. Is included.
  • boron as the substrate 12 is 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 to 1 ⁇ 10 21 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 to 5 ⁇ 10.
  • boron can be diffused from the substrate 12 doped with boron into the buffer layer 25 by thermal diffusion.
  • boron is diffused from the substrate doped with boron by thermal diffusion into the buffer layer 25, and boron is introduced into the buffer layer 25, so that the boron concentration of the buffer layer 25 can be more efficiently increased from the substrate 12 side. It can be gradually decreased toward the channel layer 26 side.
  • the step of introducing boron into the buffer layer 25 may be a step of doping boron from the vapor phase by introducing a boron-containing dopant gas when the buffer layer 25 is formed by vapor phase growth.
  • boron is doped from the vapor phase by introducing boron-containing dopant gas during the vapor phase growth, and boron is introduced into the buffer layer 25, so that sufficient pit suppression effect can be obtained. Can be contained in the buffer layer 25.
  • the acceptor element has a maximum value of 5 ⁇ 10 17 to 5 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 after the initial layer 13 is formed.
  • Start doping Specifically, when the formation of the stacked body 14 by the MOCVD method is started, the addition of a doping gas of an acceptor element such as Cp 2 Fe (bisclopentadienyl iron) can be started. As described above, by starting the doping of the acceptor element after the initial layer is formed in the step of forming the buffer layer 25, a high pit suppression effect can be obtained while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • a channel layer 26 made of a nitride semiconductor is formed on the buffer layer 25 (see FIG. 4D).
  • the channel layer 26 made of GaN can be formed on the buffer layer 25 by MOVPE, for example, at a temperature of 800 ° C. to 1200 ° C. to 500 to 4000 nm.
  • a barrier layer 27 made of a nitride semiconductor can be formed on the channel layer 26 (see FIG. 4E).
  • the barrier layer 27 made of AlGaN can be formed on the channel layer 26 by MOVPE, for example, at a temperature of 800 ° C. to 1200 ° C. for 10 to 50 nm.
  • the channel layer 26 and the barrier layer 27 can form the operation layer 29.
  • acceptor element introduced into the buffer layer 25 it is preferable to use any of transition metals, carbon, and magnesium. Such an element can be suitably used as the acceptor element, and iron is particularly preferable.
  • the semiconductor substrate 10 can be manufactured as described above. If it is the manufacturing method of the semiconductor base demonstrated above, the semiconductor base
  • a semiconductor substrate 10 manufactured using the manufacturing method described above with reference to FIG. 4 is prepared (see FIG. 5A).
  • electrodes for example, the first electrode 30, the second electrode 31, and the control electrode 32
  • the first electrode 30 and the second electrode 31 can be formed of, for example, a laminated film of Ti / Al
  • the control electrode 32 is a lower layer film made of a metal oxide or metal nitride such as SiO or SiN.
  • an upper film made of a metal such as Ni, Au, Mo, and Pt.
  • the semiconductor device 11 can be manufactured as described above. With the above-described semiconductor device manufacturing method, it is possible to manufacture a high-quality semiconductor device in which generation of pits is suppressed while maintaining a high vertical breakdown voltage.
  • Example 1 A semiconductor substrate 10 as shown in FIG. 1 having a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. 6B was produced. That is, in the buffer layer of Example 1 including an initial layer made of AlN on a substrate 12 made of silicon, and a buffer layer made of a laminated body in which GaN layers and AlN layers are alternately laminated, A decreasing region where the boron concentration gradually decreases from 3 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side, and an iron concentration provided on the decreasing region increases from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side.
  • An electrode was formed on the channel layer 26 of the manufactured semiconductor substrate 10 through the barrier layer 27, and the semiconductor device 11 as shown in FIG. 3 was manufactured.
  • the device breakdown voltage (longitudinal breakdown voltage) when the semiconductor device 11 was turned off was measured using a measurement method as shown in FIG. 9. The measurement results are shown in FIG.
  • Example 2 A semiconductor substrate 10 as shown in FIG. 1 having a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. That is, in the buffer layer of Example 2 including an initial layer made of AlN on a substrate 12 made of silicon and a buffer layer made of a laminate in which GaN layers and AlN layers are alternately laminated, A decreasing region where the boron concentration gradually decreases from 3 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side, and an iron concentration provided on the channel layer 26 side from the boron concentration decreasing start position There is an increasing region that increases from the side toward the channel layer 26 toward 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , and the boron concentration decreasing region partially overlaps the iron concentration increasing region, and the boron concentration decreases, The iron concentration is gradually increasing.
  • the increasing rate of the acceptor element concentration in the increasing region in the buffer layer is larger than the decreasing rate in the decreasing region for lowering the acceptor element concentration above the channel region above the increasing region (that is, the slope is steep). is there).
  • the produced semiconductor substrate 10 was subjected to light spot density evaluation (that is, pit density evaluation) in the same manner as in Example 1. The evaluation results were almost the same as those in Example 1. Moreover, about the produced semiconductor base
  • An electrode was formed on the channel layer 26 of the manufactured semiconductor substrate 10 through the barrier layer 27, and the semiconductor device 11 as shown in FIG. 3 was manufactured.
  • the device breakdown voltage longitudinal breakdown voltage
  • the total number of iron atoms in the buffer layer is larger than that in Example 1, and thus the measurement result is better than that in Example 1. It became a result.
  • Example 3 A semiconductor substrate 10 as shown in FIG. 1 provided with a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. That is, in the buffer layer of Example 3 including an initial layer made of AlN on a substrate 12 made of silicon and a buffer layer made of a laminate in which GaN layers and AlN layers are alternately laminated, A decreasing region where the boron concentration gradually decreases from 3 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 from the substrate 12 side toward the channel layer 26 side, and an iron concentration provided on the channel layer 26 side from the boron concentration decreasing start position There is an increasing region that increases from the side toward the channel layer 26 toward 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , and the boron concentration decreasing region does not overlap with the iron concentration increasing region (that is, after the boron concentration decreases) , The iron concentration is increasing).
  • the increasing rate of the acceptor element concentration in the increasing region in the buffer layer is larger than the decreasing rate in the decreasing region for lowering the acceptor element concentration above the channel region above the increasing region (that is, the slope is steep). is there).
  • the produced semiconductor substrate 10 was subjected to light spot density evaluation (that is, pit density evaluation) in the same manner as in Example 1. The evaluation result was better than that of Example 1. Moreover, about the produced semiconductor base
  • An electrode was formed on the channel layer 26 of the manufactured semiconductor substrate 10 through the barrier layer 27, and the semiconductor device 11 as shown in FIG. 3 was manufactured.
  • the device breakdown voltage longitudinal breakdown voltage
  • the total number of iron atoms in the buffer layer was smaller than in Example 1, and thus the measurement result was slightly more than in Example 1. The result was inferior.
  • Comparative Example 1 A semiconductor substrate provided with a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. That is, the buffer layer of Comparative Example 1 was not subjected to iron doping or boron doping.
  • the produced semiconductor substrate was subjected to light spot density evaluation (that is, pit density evaluation) in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in FIG. Moreover, the length of the crack from a board
  • Comparative Example 2 A semiconductor substrate provided with a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. That is, in the buffer layer of Comparative Example 2, boron doping was performed as in Example 1, but iron doping was not performed.
  • the produced semiconductor substrate was subjected to light spot density evaluation (that is, pit density evaluation) in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in FIG. Moreover, the length of the crack from a board
  • An electrode was formed on the channel layer of the manufactured semiconductor substrate via a barrier layer to manufacture a semiconductor device.
  • the produced semiconductor device it carried out similarly to Example 1, and measured device breakdown voltage (longitudinal breakdown voltage). The measurement results are shown in FIG.
  • Example 3 A semiconductor substrate provided with a buffer layer having an iron concentration profile and a boron concentration profile shown in FIG. That is, in the buffer layer of Comparative Example 3, boron doping was performed in the same manner as in Example 1, but iron doping was performed on the entire buffer layer (ie, from the initial layer of the buffer layer).
  • the produced semiconductor substrate was subjected to light spot density evaluation (that is, pit density evaluation) in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in FIG. Moreover, the length of the crack from a board
  • An electrode was formed on the channel layer of the manufactured semiconductor substrate via a barrier layer to manufacture a semiconductor device.
  • the device breakdown voltage (longitudinal breakdown voltage) was measured in the same manner as in Example 1 in the region where the pits of the manufactured semiconductor device were not observed. The measurement results are shown in FIG.
  • Example 1 which performed iron doping from the laminated body, there was no influence of iron doping and the pit suppression effect equivalent to the comparative example 2 which did not perform iron doping was acquired.
  • Example 2 where the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer and the iron concentration increased, the same pit suppression effect as in Example 1 was obtained.
  • Example 3 in which the iron concentration increased after the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer, a better pit suppression effect than in Example 1 was obtained.
  • Example 1 in Comparative Example 3 in which iron doping is performed from the AlN initial layer (that is, iron doping is performed on the entire buffer layer), the crack extends longer while AlN doped with boron.
  • Example 1 in which the initial layer was not doped with iron but was doped with iron from a laminate with a reduced boron concentration, the crack length was the same as in Comparative Example 2 where no iron was doped. This is considered to be an effect by not doping the boron-doped layer with iron.
  • Example 2 where the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer and the iron concentration increased, the crack length was the same as in Example 1.
  • Example 3 in which the iron concentration increased after the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer, the crack length was the same as that in Example 1.
  • Example 1 which performed iron doping from the laminated body also has the effect (namely, improvement of a vertical direction pressure
  • the longitudinal breakdown voltage equivalent to that of Comparative Example 3 was obtained because the layer of the buffer layer doped with boron (that is, the layer not doped with iron) is shown in FIG.
  • Example 2 in which the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer and the iron concentration increased, a better vertical breakdown voltage than in Example 1 was obtained. Further, in Example 3 in which the iron concentration increased after the boron concentration decreased on the substrate side of the buffer layer, a longitudinal breakdown voltage better than that in Comparative Example 2 was obtained although it was slightly inferior to Example 1.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
  • the semiconductor substrate 10 ′ of FIG. 2 only the first layer 15 (for example, AlN layer) of the stacked body 14 includes the acceptor element, and the second layer 16 (for example, GaN layer) does not include the acceptor element. Or you may make it reduce. In this case, as shown in FIG.
  • the impurity profile in Example 1 is such that the iron concentration increases at the location of the AlN layer of the stack, and the iron concentration decreases at the location of the GaN layer of the stack. It will be a thing.
  • the impurity profile in Example 2 shows that the iron concentration increases in the initial layer and the AlN layer of the stack, and the iron concentration decreases in the GaN layer of the stack. It will be like that. Even in the above case, the same effect can be obtained. Further, the expression “above” includes a case where there are different layers between them.

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Abstract

本発明は、基板と、窒化物半導体からなり、前記基板上に設けられるバッファ層と、窒化物半導体からなり、前記バッファ層上に設けられるチャネル層とを備え、前記バッファ層は、前記基板側に設けられ、ボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域と、前記第１の領域上に設けられ、前記第１の領域よりボロン濃度が低く、前記第１の領域よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域とを含むことを特徴とする半導体基体である。これにより、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体が提供される。

Description

半導体基体、半導体装置、半導体基体の製造方法、並びに、半導体装置の製造方法
　本発明は、半導体基体、半導体装置、半導体基体の製造方法、並びに、半導体装置の製造方法に関する。
　窒化物半導体層は安価なシリコン基板上やサファイア基板上に形成されるのが一般的である。しかし、これらの基板の格子定数と窒化物半導体層の格子定数は大きく異なり、また、熱膨張係数も異なる。このため、基板上にエピタキシャル成長によって形成された窒化物半導体層に、大きな歪みエネルギーが発生する。その結果、窒化物半導体層にクラックの発生や結晶品質の低下が生じやすい。
　上記問題を解決するために、基板と窒化物半導体からなる機能層との間に組成の異なる窒化物半導体層を積層したバッファ層を配置することが従来行われていた。
　また、窒化物半導体層の特性を改善するために、バッファ層について様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、ピット密度（すなわち、欠陥密度）を低減させるために、バッファ層にボロンを含有させることが開示されている。
　一方、バッファ層に鉄をドープすることにより、縦方向耐圧を向上させることが知られている。例えば、特許文献２に開示されている半導体基体では、鉄をドープすることによりバッファ層の縦方向耐圧を高めている。
特開２０１４－２３６０５０号公報 特開２０１０－１２３７２５号公報
　しかしながら、発明者らは、上記従来技術には、以下の問題点があることを見出した。
　すなわち、ピット密度を低減させるために、バッファ層にボロンを含有させた場合であっても、デバイスの縦方向耐圧を向上させるためにバッファ層に遷移金属等のアクセプタ元素をドーピングすると、ボロンによるピット抑制効果が低下してしまい、デバイスの特性劣化を生じさせてしまう。
　本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体及びこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、基板と、窒化物半導体からなり、前記基板上に設けられるバッファ層と、窒化物半導体からなり、前記バッファ層上に設けられるチャネル層とを備え、前記バッファ層は、前記基板側に設けられ、ボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域と、前記第１の領域上に設けられ、前記第１の領域よりボロン濃度が低く、前記第１の領域よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域とを含むことを特徴とする半導体基体を提供する。
　このように、バッファ層が、基板側に設けられボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域を有し、第１の領域上に設けられ第１の領域よりボロン濃度が低く第１の領域よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域を有することで、高いピット抑制効果を得ながら、高い縦方向耐圧を維持することができる。
　このとき、前記バッファ層が、ボロン濃度が前記基板側から前記チャネル層側に向かって減少する減少領域を含み、前記バッファ層が、前記減少領域のボロン濃度減少開始位置よりも前記チャネル層側に、アクセプタ元素が前記基板側から前記チャネル層側に向かって増加する増加領域を含むことが好ましい。
　このような構成にすることで、より効果的に高いピット抑制効果を得ることができる。
　このとき、前記バッファ層が前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、前記初期層はアクセプタ元素を含まないようにすることができる。
　バッファ層内にこのような初期層を設けることで、より効果的に高いピット抑制効果を得ることができるとともに、バッファ層中の元素と基板が反応することを防止することができる。
　このとき、前記バッファ層が前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、前記初期層のアクセプタ元素濃度は、前記初期層のボロン濃度よりも低くすることができる。
　バッファ層内にこのような初期層を設けることで、高いピット抑制効果を得ることができるとともに、バッファ層中の元素と基板が反応することを防止することができる。
　このとき、前記アクセプタ元素が、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかであることが好ましい。
　バッファ層に導入するアクセプタ元素として、このような元素を好適に用いることができる。
　また、本発明は、上記の半導体基体と、前記チャネル層上に設けられた電極とを備えることを特徴とする半導体装置を提供する。
　このような半導体装置であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体装置とすることができる。
　さらに、本発明は、基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する工程とを有する半導体基体の製造方法であって、前記バッファ層は、前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、前記バッファ層を形成する工程は、前記バッファ層のボロン濃度が前記基板側から前記チャネル層側に向かって徐々に減少するように、前記バッファ層にボロンを導入する段階を含み、前記バッファ層を形成する工程において、前記初期層が形成された後にアクセプタ元素のドーピングを開始することを特徴とする半導体基体の製造方法を提供する。
　このように、バッファ層を形成する工程において初期層が形成された後にアクセプタ元素のドーピングを開始することで、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる。
　ここで、前記基板として、ボロンがドープされた基板を用い、前記バッファ層にボロンを導入する段階は、熱拡散によってボロンがドープされた前記基板から前記バッファ層にボロンを拡散させる段階を含むことができる。
　このように、熱拡散によってボロンがドープされた基板からバッファ層にボロンを拡散させてバッファ層にボロンを導入することで、より効率よくバッファ層のボロン濃度を、基板側からチャネル層側に向かって徐々に減少させることができる。
　また、前記バッファ層にボロンを導入する段階は、前記バッファ層を気相成長によって形成する際に、ボロン含有のドーパントガスを導入することによって気相からボロンをドーピングする段階を含むことができる。
　このように、気相成長中にボロン含有のドーパントガスを導入することによって気相からボロンをドーピングしてバッファ層にボロンを導入することで、ピット抑制効果を得るのに十分なボロンをバッファ層に含有させることができる。
　このとき、前記アクセプタ元素として、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかを用いることが好ましい。
　バッファ層に導入するアクセプタ元素として、このような元素を好適に用いることができる。
　また、本発明は、上記の半導体基体の製造方法によって製造された半導体基体を準備する工程と、前記チャネル層上に電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
　このような半導体装置の製造方法であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体装置を製造することができる。
　以上のように、本発明の半導体基体であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体とすることができる。また、本発明の半導体装置であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、ピットの発生が抑制された半導体装置とすることができる。さらに、本発明の半導体基体の製造方法であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体を製造することができる。また、本発明の半導体装置の製造方法であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、ピットの発生が抑制された半導体装置を製造することができる。
半導体基体の実施態様の概略断面図である。 半導体基体の実施形態の一例を示す概略断面図である。 半導体装置の実施形態の一例を示す概略断面図である。 半導体基体の製造方法の実施形態の一例を示す工程断面図である。 半導体装置の製造方法の実施形態の一例を示す工程断面図である。 実施例１～３、比較例１～３における半導体基体の不純物プロファイルを示す図である。 実施例１、比較例１～３の半導体基体の顕微鏡暗視野画像解析によるピット密度評価結果を示す図である。 実施例１、比較例２～３の半導体装置のデバイス耐圧（縦方向耐圧）測定結果を示す図である。 デバイス耐圧（縦方向耐圧）の測定方法を示す図である。 実施例１の半導体基体のボロン濃度プロファイルを示す図である。 バッファ層の積層体中のＡｌＮ層とＧａＮ層で鉄濃度を変えた場合の半導体基体の不純物プロファイルを示す図である。
　前述のように、ピット密度を低減させるために、バッファ層にボロンドープを行う必要があるが、バッファ層にボロンドープを行った場合であっても、デバイスの縦方向耐圧を向上させるためにバッファ層に遷移金属等のアクセプタ元素をドーピングすると、ボロンによるピット抑制効果が低下してしまい、デバイスの特性劣化を生じさせてしまうという問題点があった。
　そこで、本発明者らは、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体について鋭意検討を重ねた。
　その結果、バッファ層中に、基板側に設けられボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域と、第１の領域上に設けられ第１の領域よりボロン濃度が低く前記第１の領域よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域とを設けることで、第１の領域によって高いピット抑制効果を得ることができるとともに、第２の領域によって高い縦方向耐圧を維持することができることを見出し、本発明をなすに至った。
　以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　まず、図１、２を参照しながら、本実施態様の半導体基体について説明する。
　本実施態様の半導体基体１０の概略断面図である図１に示すように、半導体基体１０は、基板１２と、基板１２上に設けられ窒化物半導体からなるバッファ層２５と、バッファ層２５上に設けられ窒化物半導体からなるチャネル層２６を備えている。基板１２は、例えば、シリコン基板又はＳｉＣ基板等のシリコン系基板とすることができ、チャネル層２６は、例えば、ＧａＮ層とすることができる。
　バッファ層２５は、基板１２上に設けられボロン濃度がアクセプタ元素濃度より高い第１の領域２３と、基板１２と反対側の第１の領域２３上に設けられ第１の領域２３よりボロン濃度が低く第１の領域２３よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域２４を含んでいる。ここで、第１の領域２３内のボロン濃度は、１×１０１７～１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが好ましく、第１の領域２３内のアクセプタ元素濃度は、１×１０１５～５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが好ましい。また、第２の領域２４内のボロン濃度は１×１０１３～１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが望ましく、第２の領域２４内のアクセプタ濃度は５×１０１７～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが望ましい。
　なお、半導体基体１０は、さらに、チャネル層２６上にバリア層２７を含むことができ、チャネル層２６とバリア層２７とで、動作層２９を形成することができる。このバリア層２７は、例えば、ＡｌＧａＮ層とすることができる。
　バッファ層２５が、基板１２側に設けられボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域２３を有することで、高いピット抑制効果を得られ、第１の領域２３上の窒化物半導体層のピットを良好に抑制することができる。また、第１の領域２３上に設けられ、第１の領域２３よりボロン濃度を低くして、第１の領域２３よりアクセプタ元素濃度を高くした第２の領域２４をバッファ層２５が有することで、高い縦方向耐圧を維持することができる。
　半導体基体１０において、バッファ層２５のボロン濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって減少する減少領域を含み、バッファ層２５が減少領域のボロン濃度減少開始位置よりもチャネル層２６側にアクセプタ元素が基板１２側からチャネル層２６側に向かって増加する増加領域を含むことが好ましい。このような構成にすることで、バッファ層２５の基板１２側のアクセプタ元素濃度をより確実に低くできるので、減少領域及びその上の窒化物半導体層に対してより効果的に高いピット抑制効果を得ることができる。ここで、バッファ層における増加領域のアクセプタ元素濃度の増加割合は、増加領域よりも上方のチャネル層上部でアクセプタ元素濃度を低くするための減少領域の減少割合よりも大きい（すなわち、傾きが急である）ことが好ましい。
　また、バッファ層２５は、本発明の半導体基体の実施形態の一例を示す概略断面図である図２に示すように、基板１２側に設けられＡｌＮからなる初期層１３と、初期層１３上に設けられた積層体１４とを含む構成とすることができる。積層体１４は、窒化物半導体からなる第１の層１５と、第１の層１５と組成の異なる第２の層１６とが繰り返し積層された積層体とすることができる。第１の層１５は、例えば、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、第２の層１６は、例えば、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦ｙ≦１）からなる。
　具体的には、第１の層１５はＡｌＮ層とすることができ、第２の層１６はＧａＮ層とすることができる。
　図２の半導体基体１０’において、初期層１３はアクセプタ元素を含まないようにすることができる。バッファ層２５内にこのような初期層を設けることで、初期層上の窒化物半導体層に対してより効果的に高いピット抑制効果を得ることができるとともに、バッファ層２５中の元素と基板１２が反応することを防止することができる。
　図２の半導体基体１０’において、初期層１３のアクセプタ元素濃度を、初期層１３のボロン濃度よりも低くすることもできる。バッファ層２５内にこのような初期層を設けることで、高いピット抑制効果を得ることができるとともに、バッファ層２５中の元素と基板１２が反応することを防止することができる。
　バッファ層２５に導入するアクセプタ元素が、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかであることが好ましい。アクセプタ元素として、このような元素を好適に用いることができるが、特に鉄を用いるのが好ましい。
　次に、図３を参照しながら、本発明の実施形態の半導体装置の一例について説明する。
　図３は、本発明の半導体装置の実施形態の一例を示す概略断面図である。
　図３に示す半導体装置１１は、図１の半導体基体１０のチャネル層２６上に、例えば、バリア層２７を介して電極（例えば、第１電極３０、第２電極３１、制御電極３２）が設けられたものである。なお、チャネル層の上部はキャリアをトラップさせる準位が形成されると不純物散乱による移動度の低下や電流コラプス現象が生じる要因となるため、チャネル層２６の上部のアクセプタ元素濃度をバッファ層２５のチャネル層２６側濃度より低くすることが望ましい。
　半導体装置１１において、例えば、第１電極３０、第２電極３１は、第１電極３０からチャネル層２６内に形成された２次元電子ガス２８を介して、第２電極３１に電流が流れるように配置することができる。
　第１電極３０と第２電極３１との間に流れる電流は、制御電極３２に印加される電位によってコントロールすることができる。
　このような半導体装置であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、ピットの発生が抑制された高品質の半導体装置とすることができる。
　次に、図４を参照しながら、本発明の実施形態の半導体基体の一例の製造方法について説明する。
　まず、基板１２を準備する（図４（ａ）参照）。基板１２は、例えば、シリコン基板、又はＳｉＣ基板とすることができる。
　次に基板１２上に、バッファ層２５の基板１２側に設けられるＡｌＮからなる初期層１３を形成する（図４（ｂ）参照）。具体的には、例えば、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法によって、初期層１３を例えば、８００℃～１２００℃の温度で１０～３００ｎｍ成長させることができる。
　次に、初期層１３上に、バッファ層２５のチャネル層２６側に設けられる窒化物半導体からなる積層体１４を形成する（図４（ｃ）参照）。具体的には、例えば、ＭＯＶＰＥ法によって、ＡｌＮからなる第１の層１５（図２参照）と、ＧａＮからなる第２の層１６（図２参照）とを例えば、８００℃～１２００℃の温度で交互に成長させることができる。第１の層１５の膜厚は例えば、３～３０ｎｍであり、第２の層１６の膜厚は例えば、２～７ｎｍである。
　半導体基体の製造方法においては、バッファ層２５を形成する工程は、バッファ層２５のボロン濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって徐々に減少するように、バッファ層にボロンを導入する段階を含んでいる。
　バッファ層２５にボロンを導入する段階は、例えば、基板１２としてボロンが１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度でドープされた基板を用い、熱拡散によってボロンがドープされた基板１２からバッファ層２５にボロンを拡散させる段階とすることができる。
　このように、熱拡散によってボロンがドープされた基板からバッファ層２５にボロンを拡散させて、バッファ層２５にボロンを導入することで、より効率よくバッファ層２５のボロン濃度を、基板１２側からチャネル層２６側に向かって徐々に減少させることができる。
　また、バッファ層２５にボロンを導入する段階は、バッファ層２５を気相成長によって形成する際に、ボロン含有のドーパントガスを導入することによって気相からボロンをドーピングする段階とすることもできる。
　このように、気相成長中にボロン含有のドーパントガスを導入することによって気相からボロンをドーピングして、バッファ層２５にボロンを導入することで、ピット抑制効果が得られるのに十分なボロンをバッファ層２５に含有させることができる。
　半導体基体の製造方法においては、バッファ層２５を形成する工程において、初期層１３が形成された後にアクセプタ元素の最大値が５×１０１７～５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようにアクセプタ元素のドーピングを開始する。具体的には、積層体１４のＭＯＣＶＤ法による形成を開始する際に、Ｃｐ２Ｆｅ（ビスクロペンタジエニル鉄）等のアクセプタ元素のドーピングガスの添加を開始することができる。
　このように、バッファ層２５を形成する工程において初期層が形成された後にアクセプタ元素のドーピングを開始することで、高い縦方向耐圧を維持しつつ、高いピット抑制効果を得ることができる。
　次に、バッファ層２５上に窒化物半導体からなるチャネル層２６を形成する（図４（ｄ）参照）。具体的には、バッファ層２５上に、ＭＯＶＰＥ法によって、ＧａＮからなるチャネル層２６を、例えば、８００℃～１２００℃の温度で５００～４０００ｎｍ形成することができる。
　また、チャネル層２６上に窒化物半導体からなるバリア層２７を形成することができる（図４（ｅ）参照）。具体的には、チャネル層２６上に、ＭＯＶＰＥ法によって、ＡｌＧａＮからなるバリア層２７を、例えば、８００℃～１２００℃の温度で１０～５０ｎｍ形成することができる。ここで、チャネル層２６とバリア層２７は、動作層２９を形成することができる。
　バッファ層２５に導入するアクセプタ元素として、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかを用いることが好ましい。アクセプタ元素として、このような元素を好適に用いることができ、特に鉄が好ましい。
　以上のようにして、半導体基体１０を製造することができる。上記で説明した半導体基体の製造方法であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、確実に高いピット抑制効果を得ることができる半導体基体を製造することができる。
　次に、図５を参照しながら、半導体装置の製造方法について説明する。
　まず、上記で図４を参照しながら説明した製造方法を用いて製造した半導体基体１０を準備する（図５（ａ）を参照）。
　次に、チャネル層２６上にバリア層２７を介して電極（例えば、第１電極３０、第２電極３１、制御電極３２）を形成する（図５（ｂ）参照）。ここで、第１電極３０及び第２電極３１は例えば、Ｔｉ／Ａｌの積層膜で形成することができ、制御電極３２は例えば、ＳｉＯ、ＳｉＮ等の金属酸化物や金属窒化物からなる下層膜と、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｐｔ等の金属からなる上層膜の積層膜で形成することができる。
　以上のようにして、半導体装置１１を製造することができる。前述の半導体装置の製造方法であれば、高い縦方向耐圧を維持しつつ、ピットの発生が抑制された高品質の半導体装置を製造することができる。
　以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
　図６（ｂ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた図１に示すような半導体基体１０を作製した。すなわち、シリコンからなる基板１２上にＡｌＮからなる初期層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層が交互に積層された積層体とからなるバッファ層を備える実施例１のバッファ層においては、基板１２上に、ボロン濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から徐々に減少する減少領域と、減少領域上に設けられた鉄濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３へと増加する増加領域があり、ボロン濃度が十分減少した後に鉄濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３へと一気に増加している。ここで、バッファ層における増加領域のアクセプタ元素濃度の増加割合は、増加領域よりも上方のチャネル層上部で低くするためのアクセプタ元素濃度の減少領域の減少割合よりも大きい（すなわち、傾きが急である）。
　作製した半導体基体１０について、顕微鏡暗視野画像解析により光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果を図７（ｄ）に示す。
　また、作製した半導体基体１０について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　作製した半導体基体１０のチャネル層２６上にバリア層２７を介して電極を形成し、図３に示すような半導体装置１１を作製した。
　作製した半導体装置１１について、図９に示すような測定方法を用いて、半導体装置１１がオフの時のデバイス耐圧（縦方向耐圧）を測定した。測定結果を図８（ａ）に示す。
（実施例２）
　図６（ｃ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた図１に示すような半導体基体１０を作製した。すなわち、シリコンからなる基板１２上にＡｌＮからなる初期層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層が交互に積層された積層体とからなるバッファ層を備える実施例２のバッファ層においては、基板１２上に、ボロン濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から徐々に減少する減少領域と、ボロン濃度減少開始位置よりチャネル層２６側に設けられた鉄濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３へと増加する増加領域があり、ボロン濃度減少領域は、鉄濃度増加領域と一部重なっており、ボロン濃度が減少するとともに、鉄濃度が徐々に増加している。ここで、バッファ層における増加領域のアクセプタ元素濃度の増加割合は、増加領域よりも上方のチャネル層上部でアクセプタ元素濃度を低くするための減少領域の減少割合よりも大きい（すなわち、傾きが急である）。
　作製した半導体基体１０について、実施例１と同様にして、光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果は実施例１とほぼ同様な結果となった。
　また、作製した半導体基体１０について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　作製した半導体基体１０のチャネル層２６上にバリア層２７を介して電極を形成し、図３に示すような半導体装置１１を作製した。
　作製した半導体装置１１について、実施例１と同様にして、デバイス耐圧（縦方向耐圧）を測定すると、バッファ層における鉄原子の総数が実施例１より多いので、測定結果は実施例１よりも良好な結果となった。
（実施例３）
　図６（ｆ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた図１に示すような半導体基体１０を作製した。すなわち、シリコンからなる基板１２上にＡｌＮからなる初期層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層が交互に積層された積層体とからなるバッファ層を備える実施例３のバッファ層においては、基板１２上に、ボロン濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から徐々に減少する減少領域と、ボロン濃度減少開始位置よりチャネル層２６側に設けられた鉄濃度が基板１２側からチャネル層２６側に向かって５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３へと増加する増加領域があり、ボロン濃度減少領域は、鉄濃度増加領域とは重なっていない（すなわち、ボロン濃度が減少した後に、鉄濃度が増加している）。ここで、バッファ層における増加領域のアクセプタ元素濃度の増加割合は、増加領域よりも上方のチャネル層上部でアクセプタ元素濃度を低くするための減少領域の減少割合よりも大きい（すなわち、傾きが急である）。
　作製した半導体基体１０について、実施例１と同様にして、光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果は実施例１より良好な結果となった。
　また、作製した半導体基体１０について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　作製した半導体基体１０のチャネル層２６上にバリア層２７を介して電極を形成し、図３に示すような半導体装置１１を作製した。
　作製した半導体装置１１について、実施例１と同様にして、デバイス耐圧（縦方向耐圧）を測定すると、バッファ層における鉄原子の総数が実施例１より少ないので、測定結果は実施例１よりも若干劣る結果となった。
（比較例１）
　図６（ｅ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた半導体基体を作製した。すなわち、比較例１のバッファ層においては、鉄ドープ及びボロンドープを行わなかった。
　作製した半導体基体について、実施例１と同様にして、光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果を図７（ａ）に示す。
　また、作製した半導体基体について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　なお、比較例１の半導体基体については、非常に多くのピットが発生したために、半導体装置の作製、及びデバイス耐圧（縦方向耐圧）の測定は行えなかった。
（比較例２）
　図６（ｄ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた半導体基体を作製した。すなわち、比較例２のバッファ層においては、実施例１と同様にボロンドープを行なったが、鉄ドープは行わなかった。
　作製した半導体基体について、実施例１と同様にして、光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果を図７（ｂ）に示す。
　また、作製した半導体基体について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　作製した半導体基体のチャネル層上にバリア層を介して電極を形成し、半導体装置を作製した。
　作製した半導体装置について、実施例１と同様にして、デバイス耐圧（縦方向耐圧）を測定した。測定結果を図８（ｂ）に示す。
（比較例３）
　図６（ａ）に示す鉄濃度プロファイル、及びボロン濃度プロファイルを有するバッファ層を備えた半導体基体を作製した。すなわち、比較例３のバッファ層においては、実施例１と同様にボロンドープを行なったが、鉄ドープはバッファ層全体に対して行った（すなわち、バッファ層の初期層から行った）。
　作製した半導体基体について、実施例１と同様にして、光点密度評価（すなわち、ピット密度評価）を行った。評価結果を図７（ｃ）に示す。
　また、作製した半導体基体について、基板エッジからのクラックの長さを確認した。確認されたクラック長を表１に示す。
　作製した半導体基体のチャネル層上にバリア層を介して電極を形成し、半導体装置を作製した。
　作製した半導体装置のピットが観察されない領域において、実施例１と同様にして、デバイス耐圧（縦方向耐圧）を測定した。測定結果を図８（ｃ）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７からわかるように、比較例３のようにバッファ層の初期層から鉄ドープを行うとボロンドープによるピット抑制効果が低下する（すなわち、ピット密度の観点から、効果が消失する）。これは、ピット抑制効果のあるサイトにボロンでなく鉄が入り込む影響と推測される。また、積層体から鉄ドープを行った実施例１では、鉄ドープの影響はなく、鉄ドープを行わなかった比較例２と同等のピット抑制効果が得られた。なお、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少するとともに、鉄濃度が増加している実施例２においても、実施例１と同等のピット抑制効果が得られた。また、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少した後に、鉄濃度が増加している実施例３においては、実施例１より良好なピット抑制効果が得られた。
　また、表１からわかるように、ＡｌＮ初期層から鉄ドープを行う（すなわち、バッファ層の全層で鉄ドープを行う）比較例３ではクラックがより長く伸長する一方で、ボロンがドープされたＡｌＮ初期層では鉄ドープを行わずに、ボロン濃度が減少した積層体から鉄ドープを行った実施例１では、鉄ドープを行わなかった比較例２と同等のクラック長さとなった。これは、ボロンドープされている層に鉄ドープしないことによる効果と考えられる。なお、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少するとともに、鉄濃度が増加している実施例２においても、実施例１と同等のクラック長さとなった。また、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少した後に、鉄濃度が増加している実施例３においても、実施例１と同等のクラック長さとなった。
　さらに、図８からわかるように、鉄ドープを行わなかった比較例２に対して、バッファ層の初期層から鉄ドープを行う比較例３では、鉄ドープすることにより縦方向の耐圧が向上している。しかしながら、比較例３では上述したようにピット抑制効果は低下している（図７（ｃ）参照）。また、積層体から鉄ドープを行った実施例１も比較例２に対し、鉄ドープの効果（すなわち、縦方向耐圧の向上）が得られている。実施例１において、比較例３と同等の縦方向耐圧が得られたのは、バッファ層の積層体においてボロンがドープされている層（すなわち、鉄がドープされていない層）が、図１０に示すように２００ｎｍ程度と薄いためである。なお、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少するとともに、鉄濃度が増加している実施例２においても、実施例１よりも良好な縦方向耐圧が得られた。また、バッファ層の基板側においてボロン濃度が減少した後に、鉄濃度が増加している実施例３においては、実施例１より若干劣るが比較例２より良好な縦方向耐圧が得られた。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
　例えば、図２の半導体基体１０’において、積層体１４の第１の層１５（例えば、ＡｌＮ層）のみアクセプタ元素を含み、第２の層１６（例えば、ＧａＮ層）にアクセプタ元素を含まない、又は少なくするようにしてもよい。この場合、実施例１における不純物プロファイルは、図１１（ａ）に示すように、積層体のＡｌＮ層の箇所で鉄濃度が増加し、積層体のＧａＮ層の箇所で鉄濃度が減少するようなものとなる。また、実施例２における不純物プロファイルは、図１１（ｂ）に示すように、初期層、及び積層体のＡｌＮ層の箇所で鉄濃度が増加し、積層体のＧａＮ層の箇所で鉄濃度が減少するようなものとなる。上記のような場合においても、同様の効果が得られる。
　また、「上」という表現は、間に異なる層がある場合も含まれるものとする。

Claims (11)

  1. 　基板と、
    　窒化物半導体からなり、前記基板上に設けられるバッファ層と、
    　窒化物半導体からなり、前記バッファ層上に設けられるチャネル層と
    を備え、
    　前記バッファ層は、
    　前記基板側に設けられ、ボロン濃度がアクセプタ元素濃度よりも高い第１の領域と、
    　前記第１の領域上に設けられ、前記第１の領域よりボロン濃度が低く、前記第１の領域よりアクセプタ元素濃度が高い第２の領域と
    を含むことを特徴とする半導体基体。
  2. 　前記バッファ層が、ボロン濃度が前記基板側から前記チャネル層側に向かって減少する減少領域を含み、
    　前記バッファ層が、前記減少領域のボロン濃度減少開始位置よりも前記チャネル層側に、アクセプタ元素が前記基板側から前記チャネル層側に向かって増加する増加領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基体。
  3. 　前記バッファ層が前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、
    　前記初期層はアクセプタ元素を含まないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基体。
  4. 　前記バッファ層が前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、
    　前記初期層のアクセプタ元素濃度は、前記初期層のボロン濃度よりも低いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基体。
  5. 　前記アクセプタ元素が、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体基体。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体基体と、
    　前記チャネル層上に設けられた電極と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  7. 　基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する工程とを有する半導体基体の製造方法であって、
    　前記バッファ層は、前記基板側にＡｌＮからなる初期層を含み、
    　前記バッファ層を形成する工程は、前記バッファ層のボロン濃度が前記基板側から前記チャネル層側に向かって徐々に減少するように、前記バッファ層にボロンを導入する段階を含み、
    　前記バッファ層を形成する工程において、前記初期層が形成された後にアクセプタ元素のドーピングを開始することを特徴とする半導体基体の製造方法。
  8. 　前記基板として、ボロンがドープされた基板を用い、
    　前記バッファ層にボロンを導入する段階は、熱拡散によってボロンがドープされた前記基板から前記バッファ層にボロンを拡散させる段階を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体基体の製造方法。
  9. 　前記バッファ層にボロンを導入する段階は、前記バッファ層を気相成長によって形成する際に、ボロン含有のドーパントガスを導入することによって気相からボロンをドーピングする段階を含むことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の半導体基体の製造方法。
  10. 　前記アクセプタ元素として、遷移金属、炭素、マグネシウムのいずれかを用いることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の半導体基体の製造方法。
  11. 　請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体基体の製造方法によって製造された半導体基体を準備する工程と、
    　前記チャネル層上に電極を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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