(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う工程と、
前記クリーニングを行った後の前記成膜装置内に基板を搬入する工程と、
前記基板の上にＩｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を形成する工程と
を少なくとも備え、
Ｇａを含む窒化物半導体からなる半導体層の形成では、供給するＧａの総供給量を、前記成膜装置内の前記基板が載置される領域の平面方向の面積に対して１μｍｏｌ／ｃｍ2以下とする
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記第１半導体層を形成する前に前記基板の上にＩｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程を備えることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記第１半導体層を形成した後で、引き続き前記第１半導体層の上にＩｎを含む窒化物半導体からなる半導体層とＩｎを含まない窒化物半導体からなる半導体層とを交互に形成する工程を備えることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記基板の上には、予め窒化物半導体からなる下地半導体層が形成されていることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記下地半導体層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，およびＡｌＩｎＮの単層もしくは複数層から構成されていることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法において、
Ｉｎを含む窒化物半導体は、ＡｌＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮのいずれかであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法において、
Ｉｎを含まない窒化物半導体層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮのいずれかであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を有機金属気相成長法で成長して薄膜を形成する半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、０．８〜６．２ ｅＶと幅広いバンドギャップを有するものとされ、赤外から深紫外までの幅広い波長域での発光デバイスおよび受光デバイスなどへの応用が可能とされている。加えて、窒化物半導体は、高い絶縁破壊電圧、高い飽和電子速度を有しているため高耐圧・高出力の電子デバイスへの応用が可能である。このように、窒化物半導体の幅広いバンドギャップを活用することで、様々な分野での応用が期待されている。
【０００３】
幅広いバンドギャップの窒化物半導体を用いた素子の作製のためには、形成する窒化物半導体薄膜における組成制御が求められる。例えば、ワイドギャップ窒化物半導体薄膜の作製には、Ａｌ組成を高くする製造技術が求められる。一方、ナローギャップ窒化物半導体薄膜の作製には、Ｉｎ組成を高くする製造技術が求められる。
【０００４】
また、Ｇａを含まないＡｌＩｎＮ薄膜あるいは４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ薄膜は、ヘテロ接合において、格子不整合とバンドギャップオフセットのバランスを変化させることが可能となり、バンドエンジニアリングの自由度を向上させることが可能となる。このため、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎの組成を制御する極めて高い製造技術が、窒化物半導体を用いた素子を製造する上で非常に重要となる。
【０００５】
例えば、ＡｌＩｎＮは、Ｉｎ組成０．１７とすることで、ＧａＮ薄膜に格子整合した状態で、ＧａＮとは伝導帯オフセット，分極電荷量差，屈折率差が極めて大きい状態となる。ＡｌＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造では、これらのヘテロ界面に、高い濃度の２次元電子ガスが誘起されるため、高速，高出力電界効果トランジスタ応用が期待されている（非特許文献１参照）。ＡｌＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いることで、２００ＧＨｚ以上の高周波の電界効果トランジスタの作製が報告されている。また、ＧａＮとＡｌＩｎＮの超格子は、高い屈折率差と厚膜化が可能であるため、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザーのミラーとして応用が期待されている。
【０００６】
また、ＩｎＮもしくは高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮは、高電子移動度，高飽和速度であることから高速電子デバイスへの適用が期待される（非特許文献２参照）。また、ＩｎＮもしくは高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮは、吸収波長体が赤外域に及ぶことから、太陽電池への応用も期待されている。
【０００７】
以上のように、窒化物半導体薄膜の作製における組成制御技術が向上すれば、幅広い範囲での応用が可能となる。とりわけ、従来は、ＧａＮを中心とした半導体製造技術の開発が進められてきたが、今後はＡｌＩｎＮ，ＩｎＮあるいは高Ｉｎ組成ＩｎＧａＮ等のＧａを含まない、もしくは低Ｇａ組成の窒化物半導体薄膜の製造技術向上の必要性が高まってくると考えられる。
【０００８】
これらの窒化物半導体薄膜の作製には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法が用いられている。特に、ＭＯＣＶＤ法は大面積基板への窒化物作製技術が確立されつつあり、かつ運用コストがＭＢＥ法と比べて低いという利点があることから、窒化物半導体薄膜の製造に主に用いられる方法となっている。ＭＯＣＶＤ法においては、金属の有機化合物が原料として用いられており、窒化物半導体層を作製するためには、ＩＩＩ族金属（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）の有機金属化合物が、原料として用いられる。例えば、Ｉｎの原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）あるいはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）が用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Jan Kuzmik, "Power Electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a Record Performance", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, vol.22, no.11, pp.510-512, 2001.
【非特許文献２】S. O'Leary et al. , "Electron transport in wurtzite indium nitride", J. Appl. Phys. , vol.83, pp.826-829, 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ装置により、Ｇａ組成が低いもしくは含まない状態で、Ｉｎを含む窒化物半導体層を作製すると、所望とする値以上にＧａが半導体層に混入し、所望とする組成に制御できないことが報告されている。Ｉｎを含む窒化物半導体層を成長させる場合、ＴＭＩｎあるいはＴＥＩｎなどのＩｎの原料を、ＭＯＣＶＤの反応炉（成膜室）に供給することになる。このとき、導入した上記原料のガスが、反応炉の側壁あるいは上面に付着しているＧａを含む付着物と接触すると、原料ガスにおけるＩｎがＧａに置換され、Ｇａが基板まで運搬され成長層に取り込まれてしまうことが、上記の問題の原因となる。
【００１１】
とりわけ、縦型ＭＯＣＶＤ装置では、この問題が顕著である。縦型ＭＯＣＶＤ装置では基板の成長面に対向する面から原料ガス（有機金属およびアンモニア）を供給し、基板に吹きつける。基板は加熱されており、吹きつけられた原料ガスが分解して基板表面に原料が供給されて結晶成長が進行する。
【００１２】
窒化物半導体層の作製においては、特にアンモニアの分解効率が低いこと、および、ＧａＮあるいはＡｌＧａＮなどのワイドギャップな窒化物半導体では成長表面での原子の拡散長が短いことが知られている。このために、これらの窒化物半導体層の成長では、１０００℃以上と高温での基板加熱が必要である。
【００１３】
ところが、上述したように基板が高温であると、熱対流が生じて原料ガスが成膜室の側壁あるいは基板の対向面に到達し、到達した箇所で分解し、原料金属あるいは多結晶の窒化物半導体となって付着する。縦型ＭＯＣＶＤでは、Ｇａ金属あるいは多結晶ＧａＮが原料ガスの吹きつけ口付近に付着するため、ＴＭＩｎを供給した場合にこれらの付着物との接触が避けられない。このため、前述したＧａの混入が顕著となってしまうという問題がある。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、意図しないＧａの混入が抑制された状態で、所望とする組成比にＩｎを含む窒化物半導体の層が形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う工程と、クリーニングを行った後の成膜装置内に基板を搬入する工程と、基板の上にＩｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を形成する工程とを少なくとも備える。
【００１６】
上記半導体薄膜の製造方法において、第１半導体層を形成する前に基板の上にＩｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程を備えるようにしてもよい。また、第１半導体層を形成した後で、引き続き第１半導体層の上にＩｎを含む窒化物半導体からなる半導体層とＩｎを含まない窒化物半導体からなる半導体層とを交互に形成する工程を備えるようにしてもよい。
【００１７】
上記半導体薄膜の製造方法において、Ｇａを含む窒化物半導体からなる半導体層の形成では、供給するＧａの総供給量を、成膜装置内の基板が載置される領域の平面方向の面積に対して１μｍｏｌ／ｃｍ2以下とする。
【００１８】
上記半導体薄膜の製造方法において、基板の上には、予め窒化物半導体からなる下地半導体層が形成されていてもよい。また、下地半導体層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，およびＡｌＩｎＮの単層もしくは複数層から構成されてればよい。また、Ｉｎを含む窒化物半導体は、ＡｌＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮのいずれかであればよい。また、Ｉｎを含まない窒化物半導体層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮのいずれかであればよい。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したことにより、本発明によれば、意図しないＧａの混入が抑制された状態で、所望とする組成比にＩｎを含む窒化物半導体の層が形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、有機金属気相成長装置の構成例を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、先に形成してあるＧａを含む層の形成時におけるＧａ原料の供給量と、後に形成するＩｎを含む層へのＧａ混入量との関係とを示す特性図である。
【図７】図７は、図３を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタ、および図５を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタの、ゲートストレス前後での伝達特性を示す特性図である。
【図８】図８は、実施の形態１におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造のＸ線回折像および実施の形態２におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造のＸ線回折像を示す特性図である。
【図９】図９は、実施の形態２の半導体薄膜、およびクリーニングの工程をすることなく作製した半導体薄膜をＳＩＭＳ法で測定したＩＩＩ族（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の組成の深さプロファイルを示す特性図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態５における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態５における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２２】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造方法について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００２３】
この半導体薄膜の製造方法は、まず、工程Ｓ１０１で、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う。成膜装置は、例えば、有機金属気相成長装置である。また、Ｇａを含む付着物は、Ｇａ金属，多結晶のＧａＮなどである。これらの除去を行うクリーニングには、ウェットエッチングおよびドライエッチングなどの様々な手法を用いることができる。
【００２４】
例えば、成膜装置において成長が行われる成膜室や内部の配置されている各部品を取り外し、これらを酸が含まれる溶液に浸漬することで、各部品に付着しているＧａを含む付着物を除去すればよい。また、成膜室を分解することなく、成膜室内の基板加熱用のヒーターを動作させ、塩酸などのエッチング効果を有するガスを成膜室内に導入することで、内部に付着しているＧａを含む付着物を除去してもよい。
【００２５】
次に、工程Ｓ１０２で、クリーニングを行った後の成膜装置（成膜室）内に基板を搬入する。基板は、例えば、サファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶基板である。基板は、ＳｉＣ，Ｓｉなどから構成されていてもよい。また、基板の上には、予めＧａＮからなるバッファ層などが形成されていてもよい。
【００２６】
次に、工程Ｓ１０３で、成膜装置の中に搬入した基板の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を成長する。例えば、基板を１０００℃程度に加熱し、この状態で、基板の上にＴＭＩｎおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のガスを供給することで、ＩｎＡｌ層を形成すればよい。この後、工程Ｓ１０４で、基板を成膜装置より搬出する。
【００２７】
ここで、上述した窒化物半導体層の製造に用いる成膜装置について図２を用いて簡単に説明する。図２は、成膜装置として有機金属気相成長装置の構成例を示す構成図である。図２では、装置断面を模式的に示している。
【００２８】
有機金属気相成長装置は、成膜室２０１，基板載置台２０２，ヒーター２０３，シャワーヘッド２０４，原料ガス導入部２０５，排気部２０６を備える。成膜室２０１は、密閉可能な容器であり、図示しない基板搬出搬入部を備え、基板載置台２０２の上に、基板Ｗを搬入し、また搬出することを可能にしている。基板載置台２０２の上には、シャワーヘッド２０４が配置され、基板Ｗの上に原料ガスを供給可能としている。原料ガスは、原料ガス導入部２０５より導入され、基板Ｗの表面に対向するシャワーヘッド２０４の対向面２０７に設けられた複数の吐出口２０８より突出し、基板Ｗの上に供給される。原料ガス導入部２０５には、図示しない原料供給部が接続され、必要な原料ガスが供給可能とされている。
【００２９】
また、基板載置台２０２の上に載置される基板Ｗは、ヒーター２０３により加熱可能とされている。ヒーター２０３の動作により加熱された基板Ｗの表面に、シャワーヘッド２０４より供給された原料ガスが到達すると、到達した原料ガスは、熱により分解され、金属成分が基板Ｗの表面に残り、有機成分が気化する。この結果、有機金属からなる原料ガスを構成している金属が、基板Ｗの上に堆積することになる。なお、成膜室２０１の排気部２０６には、図示しない排気機構が接続し、成膜室２０１内部に残留するガスを成膜室２０１の外部に排気可能としている。
【００３０】
上述した構成の有機金属気相成長装置において、窒化物半導体薄膜を形成する場合は、基板温度は７００〜１１００℃と高温になる。このため、成膜室２０１の内部には、熱の対流が生じ、供給された原料ガスの一部は基板Ｗおよび基板載置台２０２に到達せずに巻き上がり、基板Ｗに対向する対向面２０７の成膜室２０１内部の側壁２０９に原料金属や多結晶窒化物として付着する。トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）などのＧａ原料を供給した場合は、Ｇａ金属および他結晶ＧａＮなどのＧａを含む付着物が、対向面２０７や側壁２０９に付着する。
【００３１】
上述したように、Ｇａを含む付着物が付着している状態で、Ｉｎを含む窒化物半導体の作製のために、ＴＭＩｎなどの有機Ｉｎ原料を供給すると、吐出口２０８を吐出した後で対向面２０７に付着しているＧａを含む付着物と接触し、ＩｎとＧａとの置換反応が生じる。この結果、基板Ｗの上には、置換したＧａが原料として到達し、成長層に取り込まれることになる。このため、Ｉｎを含む窒化物半導体の組成制御が困難になる。特に、Ｇａを含まず、Ｉｎを含む窒化物半導体層の製造は極めて困難である。この問題は、上述したいわゆる縦型の装置に限るものではなく、横型の装置においても同様に発生する。また、ＡｓＨ3，ＰＨ3のような水素化物を原料に用いるハイドライド気相成長装置においても同様である。
【００３２】
上述した問題に対し、実施の形態１によれば、シャワーヘッド２０４の対向面２０７や吐出口２０８の出口部、また、側壁２０９などの装置を構成する各部品に付着しているＧａを含む付着物を、クリーニングして除去しておくようにした。このため、Ｉｎを含む窒化物半導体の作製のために、ＴＭＩｎなどの有機Ｉｎ原料を供給しても、供給した有機Ｉｎ原料にＧａが接触することがなく、基板Ｗの表面にＧａが原料として到達することがない。
【００３３】
実施の形態１により製造される半導体薄膜の１例について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。図３では、薄膜の積層構造の断面を模式的に示している。まず、予め、サファイアからなる基板３０１の上にＧａＮを成長してバッファ層３０２を形成し、加えて、バッファ層３０２の上にＡｌＮを成長して中間層３０３を形成しておく。中間層３０３は、例えば、層厚１ｎｍ程度である。この基板３０１を、クリーニングによりＧａを含む付着物を除去してある成膜室に搬入する。
【００３４】
次に、基板３０１を所定温度に加熱し、加えて、基板３０１の上にＴＭＡｌ，ＴＭＩｎ，およびアンモニアを供給し、中間層３０３の上に、ＡｌＩｎＮからなる層厚１０ｎｍの障壁層３０４を形成する。これらのことにより、バッファ層３０２および中間層３０３が形成されている基板３０１の上に、所望とする組成比にＩｎを含む状態で、ＡｌＩｎＮからなる障壁層３０４が形成できる。なお、上述した各層の構成は、これらの化合物半導体層を用いて作製しようとする電界効果トランジスタの構造に基づくものである。従って、上記構成に限るものではなく、作製しようとする素子に適合させ、各層は層厚を含め適宜に構成すればよい。
【００３５】
例えば、中間層３０３の上に、ＡｌＩｎＮからなる単層の障壁層３０４を形成したが、組成の異なるＡｌＩｎＮの多層構造、あるいは障壁層３０４の上にＩｎＧａＮ層を作製するなど、Ｉｎを含む窒化物半導体層の多層構造を作製する場合においても同様である。また、ＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮなどのＩｎを含む他の窒化物半導体層を作製する場合においても同様であり、組成制御性を向上させることができる。また、窒化物半導体のみならず、他のＩｎを含む材料の結晶成長においても、効果の多少はあるものの、組成制御性の向上が実現できる。
【００３６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における半導体薄膜の製造方法について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００３７】
この半導体薄膜の製造方法は、まず、工程Ｓ４０１で、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う。成膜装置は、例えば、有機金属気相成長装置である。また、Ｇａを含む付着物は、Ｇａ金属，多結晶のＧａＮなどである。このクリーニングの工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００３８】
次に、工程Ｓ４０２で、クリーニングを行った後の成膜装置（成膜室）内に基板を搬入する。基板は、例えば、サファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶基板である。基板は、ＳｉＣ，Ｓｉなどから構成されていてもよい。また、基板の上には、予めＧａＮからなるバッファ層が形成されている。
【００３９】
次に、工程Ｓ４０３で、成膜装置の中に搬入した基板の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を成長する。例えば、所定の温度に加熱した状態で、基板の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することで、ＧａＮ層を形成する。
【００４０】
次いで、工程Ｓ４０４で、成膜装置の中に搬入されている基板の上記第２半導体層の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を成長する。例えば、基板加熱（１０００℃程度）を継続した状態で、基板の上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ），ＴＭＩｎ，およびアンモニアのガスを供給することで、ＡｌＩｎＮ層を形成する。この後、ステップＳ４０５で、基板を成膜装置より搬出する。
【００４１】
次に、実施の形態２により製造される半導体薄膜の１例について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態２における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。図５では、薄膜の積層構造の断面を模式的に示している。まず、予め、サファイアからなる基板５０１の上にＧａＮを成長してバッファ層５０２を形成しておく。この基板５０１を、クリーニングによりＧａを含む付着物を除去してある成膜室に搬入する。
【００４２】
次に、基板５０１を所定温度に加熱し、加えて、基板５０１の上にＴＭＧａおよびアンモニアを供給し、バッファ層５０２の上にＧａＮからなる層厚３０ｎｍのチャネル層５０３を形成する。引き続いて、アンモニアおよびＴＭＡｌを供給し、チャネル層５０３の上に、ＡｌＮからなる層厚１ｎｍの中間層５０４を形成する。この例では、チャネル層５０３および中間層５０４が、前述した第２半導体層に相当する。
【００４３】
引き続いて、基板５０１の加熱状態を継続し、基板５０１の上にアンモニア，ＴＭＩｎ，およびＴＭＡｌを供給し、中間層５０４の上に、ＡｌＩｎＮからなる層厚１０ｎｍの障壁層５０５を形成する。障壁層５０５が、第１半導体層に対応する。これらのことにより、バッファ層５０２が形成されている基板５０１の上に、所望とする組成比にＩｎを含む状態で、ＡｌＩｎＮからなる障壁層５０５が形成できる。
【００４４】
上述した各窒化物半導体層の積層構造は、障壁層とのヘテロ界面に生成される２次元電子ガスをチャネルとする素子を構成するために用いる。この場合、最初に形成される半導体層との再成長界面における自然酸化膜の存在や既に形成されている層の熱履歴などが、界面準位の発生や電子移動度の劣化の要因となりやすい。
【００４５】
これに対し、上述した構成では、クリーニングを行った後の成膜装置で、最初に窒化物半導体層が形成される下地が、ＧａＮであり、Ａｌを含まない層となっており、自然酸化膜の発生が抑制されている。また、最初に成長される窒化物半導体層（チャネル層５０３）の成長界面が、ヘテロ界面より離れた状態となっている。このため、ヘテロ界面における急峻性が向上し、電子移動度の劣化が抑制できる状態となっている。実際に、予め、中間層までが形成されている基板の上に、障壁層を形成した場合に比較して、電子の移動度が向上する。
【００４６】
ただし、上述した構成では、ＡｌＩｎＮからなる障壁層５０５を形成する前に、ＧａＮからなるチャネル層５０３を形成しており、Ｇａを含む付着物の形成が発生する可能性がある。例えば、チャネル層５０３を厚く形成することで大量のＧａ原料が供給されると、Ｇａを含む付着物の形成が発生し、ＡｌＩｎＮの層にＧａが混入することになり、問題となる。このため、Ｉｎを含む窒化物半導体層（第１半導体層）を形成する前に、Ｇａを含む窒化物半導体層を形成する場合には、Ｇａ供給量を限定する必要がある。
【００４７】
ここで、先に形成してあるＧａを含む層の形成時におけるＧａ原料の供給量と、後に形成するＩｎを含む層へのＧａ混入量との関係を調査した結果について図６を用いて説明する。ここでは、窒化物半導体層の形成を行った成膜装置の基板が載置される領域（成膜室）の平面方向の面積に対するＧａ供給量とＧａ混入量との関係を調査した。なお、成膜を行う前には、前述同様に、クリーニングを行っておく。
【００４８】
図６から分かるように、Ｇａ供給量を１μｍｏｌ／ｃｍ2以下に限定すれば、ＡｌＩｎＮ層への不要なＧａ混入量をＧａ組成５％以下に抑制できることが分かる。従って、Ｇａを含む窒化物半導体からなる半導体層の形成では、供給するＧａの総供給量を、成膜装置内の基板が載置される領域の平面方向の面積に対して１μｍｏｌ／ｃｍ2以下とすればよい。
【００４９】
次に、図３を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタ、および図５を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタの、ゲートストレス前後での伝達特性について調査した結果について図７を用いて説明する。ゲートストレスを印加すると、電界効果トランジスタのゲート端に高電界が印加されるため、表面あるいは界面にトラップが存在すると、当該トラップが荷電し、ゲートストレスの後でドレイン電流が減少する。ドレイン電流の減少の度合いは、ヘテロ構造内の表面準位、界面準位密度を反映することになる。
【００５０】
図７の（ａ）は、図３を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタの結果を示す。また、図７の（ｂ）は、図５を用いて説明した半導体薄膜の積層構造を用いて作製した電界効果トランジスタの結果を示す。（ａ）では、ゲートストレスの後でドレイン電流が減少している。これに対し、（ｂ）では、ゲートストレスの後でも、ドレイン電流はほとんど変化していない。
【００５１】
このことから、クリーニングした後の成膜装置において、上述したようにＧａ原料の供給量を制限した状態で、Ｉｎを含まずにＧａを含む窒化物半導体からなる半導体層（第２半導体層）を形成し、この後で、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を形成することで、再成長界面における界面準位の発生の抑制に有効であることが分かる。
【００５２】
なお、上述では、クリーニングした後の成膜装置において、ＡｌＮ／ＧａＮ構造を作製したが、これらは作製しようとする電界効果トランジスタの構造に基づくものであり、これに限るものではない。他のデバイス構造の作製を目的とする場合、この目的に適合させ、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ等からなるＩｎを含まない窒化物半導体層構造を作製するようにしても、上述した実施の形態２と同様である。
【００５３】
次に、上述した各実施の形態における成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングの効果について説明する。以下では、上記クリーニングの工程をすることなく作製した比較例のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造と、実施の形態１および実施の形態２におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造とを比較する。
【００５４】
まず、各構造について、Ｘ線回折法により分析した結果を図８に示す。図８において、（ａ）は、実施の形態１におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造のＸ線回折像、（ｂ）は、実施の形態２におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造のＸ線回折像、（ｃ）は、比較例におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造のＸ線回折像である。
【００５５】
図８の（ａ）に示す結果では、Ｇａの混入は生じていない。シミュレーションソフトのフィッティングにより見積もった障壁層のピークは、３５．２°に位置しており、Ｉｎ組成約０．１７のＡｌＩｎＮが作製されていることが分かる。成膜室のクリーニングなしで作製した比較例では、図８の（ｃ）に示すように、Ｇａの混入により障壁層がＡｌＧａＩｎＮとなっており、回折ピークが（ａ）と比べ低角度側にシフトしている。さらに、（ａ）の結果よりもフリンジの間隔が狭い。これは、Ｇａの混入により成長速度が大きくなったことで、実施の形態１の場合よりも障壁層が厚くなっていることを示している。
【００５６】
実施の形態２の場合では、クリーニングした後の成膜装置において、Ｇａの原料を供給してＧａＮ層を形成する工程を行っているが、図８の（ｂ）に示すように、回折ピークは（ａ）とほぼ同じである。このことから、実施の形態２の場合においても、Ｇａの混入が抑制されてＩｎ組成約０．１７のＡｌＩｎＮが作製されていることが分かる。
【００５７】
次に、上記クリーニングの工程をすることなく作製した比較例のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造と、実施の形態２におけるＡｌＩｎＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造とについて、２時イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により、ＩＩＩ族（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の組成の深さプロファイルを測定した結果について図９を用いて説明する。図９は、実施の形態２の場合（ａ）と、比較例（ｂ）におけるＳＩＭＳ法で測定したＩＩＩ族（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の組成の深さプロファイルを示す特性図である。
【００５８】
図９の（ａ）に示すように、実施の形態２の場合、Ｉｎを含む窒化物半導体の層である障壁層でのＧａの組成は、１％未満であった。一方、比較例におけるＩｎを含む窒化物半導体の層である障壁層でのＧａの組成は、３０％であった。比較例においては、各層の成長時にＧａを供給していないにもかかわらず、多量のＧａが混入していることが分かる。これらの結果より、実施の形態１，２によれば、Ｉｎを含む窒化物半導体層の成長において、Ｇａの混入を抑制できる効果を有することが分かる。また、Ｇａの混入が抑制できるので、所望とする組成比にＩｎを含む窒化物半導体の層が形成できることが分かる。
【００５９】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の製造方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００６０】
この半導体薄膜の製造方法は、まず、工程Ｓ１００１で、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う。成膜装置は、例えば、有機金属気相成長装置である。また、Ｇａを含む付着物は、Ｇａ金属，多結晶のＧａＮなどである。このクリーニングの工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００６１】
次に、工程Ｓ１００２で、クリーニングを行った後の成膜装置（成膜室）内に基板を搬入する。基板は、例えば、サファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶基板である。基板は、ＳｉＣ，Ｓｉなどから構成されていてもよい。なお、基板の上には、予めＧａＮからなるバッファ層が形成されている。
【００６２】
次に、工程Ｓ１００３で、成膜装置の中に搬入した基板の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を成長する。例えば、所定の温度に加熱した状態で、基板の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することで、ＧａＮ層を形成する。
【００６３】
引き続いて、工程Ｓ１００４で、成膜装置の中に搬入されている基板の上記第２半導体層の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を成長する。例えば、基板加熱（例えば１０００℃）を継続した状態で、基板の上にＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスを供給することで、ＩｎＧａＮ層を形成する。
【００６４】
引き続いて、工程Ｓ１００５で、上記第１半導体層の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第３半導体層を成長する。例えば、基板加熱を継続した状態で、ＴＭＡｌ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスを供給することで、ＡｌＧａＮ層を形成する。この後、工程Ｓ１００６で、基板を成膜装置より搬出する。
【００６５】
次に、実施の形態３により製造される半導体薄膜の１例について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態３における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。図１１では、薄膜の積層構造の断面を模式的に示している。まず、予め、サファイアからなる基板１１０１の上にＧａＮを成長してバッファ層１１０２を形成しておく。この基板１１０１を、クリーニングによりＧａを含む付着物を除去してある成膜室に搬入する。
【００６６】
次に、基板１１０１を所定温度に加熱し、加えて、基板１１０１の上にＴＭＧａおよびアンモニアを供給し、バッファ層１１０２の上にＧａＮからなる層厚３０ｎｍの再成長層１１０３を形成する。再成長層１１０３が、第２半導体層に対応する。引き続いて、ＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアを供給し、再成長層１１０３の上に、ＩｎＧａＮからなる層厚１０ｎｍのチャネル層１１０４を形成する。チャネル層１１０４が、第１半導体層に対応する。
【００６７】
引き続いて、基板１１０１の加熱状態を継続し、基板１１０１の上にＴＭＡｌ，ＴＭＧａ，およびアンモニアを供給し、チャネル層１１０４の上に、ＡｌＧａＮからなる層厚２０ｎｍの障壁層１１０５を形成する。障壁層１１０５が、第３半導体層に対応する。これらのことにより、バッファ層１１０２が形成されている基板１１０１の上に、所望とする組成比にＩｎを含む状態で、ＩｎＧａＮからなるチャネル層１１０４が形成できる。
【００６８】
上述した構成では、クリーニングを行った後の成膜装置で、最初に窒化物半導体層が形成される下地が、ＧａＮであり、Ａｌを含まない層となっており、自然酸化膜の発生が抑制されている。また、最初に成長される窒化物半導体層（再成長層１１０３）の成長界面が、ヘテロ界面より離れた状態となっている。このため、ヘテロ界面における急峻性が向上し、電子移動度の劣化が抑制できる状態となっている。
【００６９】
ただし、上述した構成では、ＩｎＧａＮからなるチャネル層１１０４を形成する前に、ＧａＮからなる再成長層１１０３を形成しており、Ｇａを含む付着物の形成が発生する可能性がある。例えば、再成長層１１０３を厚く形成することで大量のＧａ原料が供給されると、Ｇａを含む付着物の形成が発生し、ＩｎＧａＮの層に余計にＧａが混入することになり、問題となる。このため、Ｉｎを含む窒化物半導体層（第１半導体層）を形成する前に、Ｇａを含む窒化物半導体層を形成する場合には、実施の形態２と同様に、Ｇａ供給量を限定する必要がある。なお、第１半導体層との界面急峻性を要求しない場合においては、再成長層１１０３の形成は必要ではない。
【００７０】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法について、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の実施の形態４における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００７１】
この半導体薄膜の製造方法は、まず、工程Ｓ１２０１で、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う。成膜装置は、例えば、有機金属気相成長装置である。また、Ｇａを含む付着物は、Ｇａ金属，多結晶のＧａＮなどである。このクリーニングの工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００７２】
次に、工程Ｓ１２０２で、クリーニングを行った後の成膜装置（成膜室）内に基板を搬入する。基板は、例えば、サファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶基板である。基板は、ＳｉＣ，Ｓｉなどから構成されていてもよい。また、基板の上には、予めＧａＮからなるバッファ層が形成されている。
【００７３】
次に、工程Ｓ１２０３で、成膜装置の中に搬入した基板の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を成長する。例えば、所定の温度に加熱した状態で、基板の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することで、ＧａＮ層を形成する。
【００７４】
引き続いて、工程Ｓ１２０４で、成膜装置の中に搬入されている基板の上記第２半導体層の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を成長する。例えば、基板加熱（例えば１０００℃）を継続した状態で、基板の上にＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスを供給することで、ＩｎＧａＮ層を形成する。
【００７５】
引き続いて、工程Ｓ１２０５で、上記第１半導体層の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第３半導体層とＩｎを含む窒化物半導体からなる第４半導体層とを交互に成長する。例えば、基板加熱を継続した状態で、ＴＭＡｌおよびアンモニアのガスを供給することでＡｌＮ層を形成し、ＴＭＡｌ，ＴＭＩｎ，およびアンモニアのガスを供給することでＡｌＩｎＮ層を形成する。この後、工程Ｓ１２０６で、基板を成膜装置より搬出する。
【００７６】
次に、実施の形態４により製造される半導体薄膜の１例について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の実施の形態４における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。図１３では、薄膜の積層構造の断面を模式的に示している。まず、予め、サファイアからなる基板１３０１の上にＧａＮを成長してバッファ層１３０２を形成しておく。この基板１３０１を、クリーニングによりＧａを含む付着物を除去してある成膜室に搬入する。
【００７７】
次に、基板１３０１を所定温度に加熱し、加えて、基板１３０１の上にＴＭＧａおよびアンモニアを供給し、バッファ層１３０２の上にＧａＮからなる層厚３０ｎｍの再成長層１３０３を形成する。再成長層１３０３が、第２半導体層に対応する。引き続いて、ＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアを供給し、再成長層１３０３の上に、ＩｎＧａＮからなる層厚１０ｎｍのチャネル層１３０４を形成する。チャネル層１３０４が、第１半導体層に対応する。
【００７８】
引き続いて、基板１３０１の加熱状態を継続し、基板１３０１の上にＴＭＡｌおよびアンモニアのガスを供給し、チャネル層１３０４の上にＡｌＮからなる中間層１３０５を形成し、続いて、ＴＭＡｌ，ＴＭＩｎ，およびアンモニアのガスを供給し、ＡｌＩｎＮからなる障壁層１３０６を形成する。中間層１３０５が第３半導体層に対応し、障壁層１３０６が、第４半導体層に対応する。これらのことにより、バッファ層１３０２が形成されている基板１３０１の上に、所望とする組成比にＩｎを含む状態で、ＩｎＧａＮからなるチャネル層１３０４が形成できる。ただし、前述した実施の形態２〜３と同様に、Ｉｎを含む層への不要なＧａ混入量をＧａ組成５％以下に抑制するためには、Ｇａを含む層作製時のＧａ原料供給量を１μｍｏｌ／ｃｍ2以下に限定することが重要である。なお、第１半導体層との界面急峻性を要求しない場合においては、再成長層１３０３の形成は必要ではない。
【００７９】
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５における半導体薄膜の製造方法について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の実施の形態５における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００８０】
この半導体薄膜の製造方法は、まず、工程Ｓ１４０１で、窒化物半導体を構成する元素の化合物を原料とする気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを行う。成膜装置は、例えば、有機金属気相成長装置である。また、Ｇａを含む付着物は、Ｇａ金属，多結晶のＧａＮなどである。このクリーニングの工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００８１】
次に、工程Ｓ１４０２で、クリーニングを行った後の成膜装置（成膜室）内に基板を搬入する。基板は、例えば、サファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶基板である。基板は、ＳｉＣ，Ｓｉなどから構成されていてもよい。なお、基板の上には、予めＧａＮからなるバッファ層が形成されている。
【００８２】
次に、工程Ｓ１４０３で、成膜装置の中に搬入した基板の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第２半導体層を成長する。例えば、所定の温度に加熱した状態で、基板の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することで、ＧａＮ層を形成する。
【００８３】
引き続いて、工程Ｓ１４０４で、成膜装置の中に搬入されている基板の上記第２半導体層の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を成長する。例えば、基板加熱（例えば１０００℃）を継続した状態で、基板の上にＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスを供給することで、ＩｎＧａＮ層を形成する。
【００８４】
引き続いて、工程Ｓ１４０５で、上記第１半導体層の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第３半導体層とＩｎを含む窒化物半導体からなる第４半導体層とを交互に成長する。例えば、基板加熱を継続した状態で、ＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することでＧａＮ層を形成し、ＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスを供給することでＩｎＧａＮ層を形成し、これらを所望の回数、繰り返す。
【００８５】
引き続いて、工程Ｓ１４０６で、上述した第３半導体層と第４半導体層とが交互に積層された積層構造の上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第５半導体層を成長する。例えば、所定の温度に加熱した状態で、基板の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給することで、ＧａＮ層を形成する。この後、工程Ｓ１４０７で、基板を成膜装置より搬出する。
【００８６】
次に、実施の形態５により製造される半導体薄膜の１例について、図１５を用いて説明する。図１５は、本発明の実施の形態５における製造方法で製造した半導体薄膜の構成を示す構成図である。図１５では、薄膜の積層構造の断面を模式的に示している。まず、予め、サファイアからなる基板１５０１の上にＧａＮを成長してバッファ層１５０２を形成しておく。この基板１５０１を、クリーニングによりＧａを含む付着物を除去してある成膜室に搬入する。
【００８７】
次に、基板１５０１を所定温度に加熱し、加えて、基板１５０１の上にＴＭＧａおよびアンモニアを供給し、バッファ層１５０２の上にＧａＮからなる層厚３０ｎｍの再成長層１５０３を形成する。再成長層１５０３が、第２半導体層に対応する。引き続いて、ＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアを供給し、再成長層１５０３の上に、ＩｎＧａＮからなる井戸層１５０４を形成する。井戸層１５０４が、第１半導体層に対応する。
【００８８】
引き続いて、基板１５０１の加熱状態を継続し、基板１５０１の上に対し、ＴＭＧａおよびアンモニアのガスの供給と、ＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，およびアンモニアのガスの供給とを交互に繰り返し、ＧａＮからなる障壁層１５０５ａとＩｎＧａＮからなる井戸層１５０５ｂとを交互に積層する。障壁層１５０５ａが、第３半導体層に対応し、井戸層１５０５ｂが、第４半導体層に対応する。
【００８９】
この後、障壁層１５０５ａと井戸層１５０５ｂとによる積層構造の上に、基板１５０１の上にＴＭＧａおよびアンモニアのガスを供給し、ＧａＮ層１５０６を形成する。上述した多重量子井戸構造の積層構造は、発光素子や受光素子などの光デバイスヘの応用が可能である。
【００９０】
これらのことにより、バッファ層１５０２が形成されている基板１５０１の上に、所望とする組成比にＩｎを含む状態で、ＩｎＧａＮからなる井戸層１５０４，井戸層１５０５ｂが形成できる。ただし、前述した実施の形態２〜４と同様に、Ｉｎを含む層への不要なＧａ混入量をＧａ組成５％以下に抑制するためには、Ｇａを含む層作製時のＧａ原料供給量を１μｍｏｌ／ｃｍ2以下に限定することが重要である。なお、第１半導体層との界面急峻性を要求しない場合においては、再成長層１５０３の形成は必要ではない。
【００９１】
以上に説明したように、本発明では、有機金属気相成長法やハイドライド気相成長法などの気相成長法により窒化物半導体の成長を行う成膜装置の内部に付着しているＧａを含む付着物を除去するクリーニングを実施してから、上記成膜装置で、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を形成するようにした。この結果、本発明によれば、意図しないＧａの混入が抑制された状態で、所望とする組成比にＩｎを含む窒化物半導体の層が形成できるようになる。
【００９２】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、主にサファイア基板を用いた例を用いて説明したが、これに限るものではなく、ＧａＮ基板を用いてもよい。この場合、バッファ層や中間層などを予め形成しておく必要はない。また、基板の上に予め形成しておく下地半導体層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，およびＡｌＩｎＮの単層もしくは複数層から構成したものであればよい。
【符号の説明】
【００９３】
２０１…成膜室、２０２…基板載置台、２０３…ヒーター、２０４…シャワーヘッド、２０５…原料ガス導入部、２０６…排気部、２０７…対向面、２０８…吐出口、２０９…側壁、３０１…基板、３０２…バッファ層、３０３…中間層、３０４…障壁層。
【図１】
0005551730.tif 000002
【図２】
0005551730.tif 000003
【図３】
0005551730.tif 000004
【図４】
0005551730.tif 000005
【図５】
0005551730.tif 000006
【図６】
0005551730.tif 000007
【図７】
0005551730.tif 000008
【図８】
0005551730.tif 000009
【図９】
0005551730.tif 000010
【図１０】
0005551730.tif 000011
【図１１】
0005551730.tif 000012
【図１２】
0005551730.tif 000013
【図１３】
0005551730.tif 000014
【図１４】
0005551730.tif 000015
【図１５】
0005551730.tif 000016