(57)【要約】【課題】インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することができるエピタキシャル基板の製造方法及び気相成長装置を提供することを目的とする。【解決手段】障壁層１１０を形成した後に、パーティクル抑制処理を行う（ステップＳ１０６）。パーティクル抑制処理は、原料の供給を停止した後に、窒素ガスの供給を継続することにより行う。【選択図】図３
2011003882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともインジウムを含有し組成が一般式ＩｎxＡｌyＧａzＮであらわされる第１のIII族窒化物の膜を含むエピタキシャル基板の製造方法であって、
(a) リアクタの内部に収容された基板を加熱しながら、III族元素を含有する原料、窒素と水素とを含有する原料及び水素を含有しないキャリアガスを前記リアクタの内部に供給し、前記第１のIII族窒化物の膜を前記基板の表面にエピタキシャル成長させる工程と、
(b) 前記工程(a)の後に、前記III族元素を含有する原料及び前記窒素と水素とを含有する原料の供給を停止する工程と、
(c) 前記工程(b)の後に、前記水素を含有しないキャリアガスの供給を継続する工程と、
を備えるエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記工程(c)は、
前記第１のIII族窒化物の膜をエピタキシャル成長させたときの前記基板の温度を維持したまま、前記水素を含有しないキャリアガスの供給を継続する、
エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
(d) 前記工程(a)の前に、少なくともガリウムを含有し組成が一般式ＩｎpＡｌqＧａrＮであらわされｐ，ｑ，ｒがｐ＋ｑ＋ｒ＝１，ｐ＝０，０≦ｑ≦０．３であらわされる範囲から選択されるチャネル層として機能する第２のIII族窒化物の膜を前記基板の表面にエピタキシャル成長させる工程、
をさらに備え、
前記工程(a)は、アルミニウムをさらに含有しｘ，ｙ，ｚがｘ＋ｙ＋ｚ＝１，｛ｙ−（０．４５＋ｑ）｝／４．５６≦ｘ≦｛ｙ−（０．２７＋０．５１ｑ）｝／１．７８，０≦ｚ≦０．４であらわされる範囲から選択される障壁層として機能する前記第１のIII族窒化物の膜をエピタキシャル成長させる、
エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかのエピタキシャル基板の製造方法において、
前記工程(c)を行う時間が５分以上２０分以下である、
エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジウムを含有するIII族窒化物の膜を含むエピタキシャル基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、飽和電子速度が高く絶縁破壊電界が高いことから、高周波・大電力用の半導体装置を構成する半導体材料として注目されている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）の膜をチャネル層、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎxＡｌ1-xＮ）の膜（以下では、「ＩｎＡｌＮ膜」という）を障壁層とした半導体積層構造を半導体装置に採用した場合、例えば、ｘ〜０．１８では、チャネル層と障壁層との格子不整合を大きくすることなく高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ；2 Dimensional Electron Gas）を生成することができるので、半導体装置が取り扱うことができる電力を大きくすることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ＩｎＡｌＮ膜を形成する方法としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が知られている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。ＭＯＣＶＤ法によるIII族窒化物の膜の形成は、リアクタの内部に収容された基板を加熱しながらIII族窒化物を構成する元素を含有する原料をキャリアガスとともにリアクタの内部に供給し、III族窒化物の膜を基板の表面にエピタキシャル成長させることにより行うのが一般的である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング  ２００６  テクニカル・ダイジェスト（International Electron Devices Meeting 2006 Technical Digest）、（米国）、２００６年、p.672-676
【非特許文献２】「アプライド・フィジックス・レター（Applied Physics Letter）」、（米国）、２００３年７月２８日、第８３巻、第４号、p.668-670
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＭＯＣＶＤ法によりインジウムを含有するIII族窒化物の膜を形成すると、その表面に多数のパーティクルが付着する場合がある。このようなパーティクルは、III族窒化物の膜と電極との間のショットキー障壁の形成を妨げてリーク電流を増加させる等の不具合を生じるため、好ましくない。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面にパーティクルが付着することを抑制することができるエピタキシャル基板の製造方法及び気相成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１の発明のエピタキシャル基板の製造方法は、少なくともインジウムを含有し組成が一般式ＩｎxＡｌyＧａzＮであらわされる第１のIII族窒化物の膜を含むエピタキシャル基板の製造方法であって、(a) リアクタの内部に収容された基板を加熱しながら、III族元素を含有する原料、窒素と水素とを含有する原料及び水素を含有しないキャリアガスを前記リアクタの内部に供給し、前記第１のIII族窒化物の膜を前記基板の表面にエピタキシャル成長させる工程と、(b) 前記工程(a)の後に、前記III族元素を含有する原料及び前記窒素と水素とを含有する原料の供給を停止する工程と、(c) 前記工程(b)の後に、前記水素を含有しないキャリアガスの供給を継続する工程と、を備える。
【０００８】
請求項２の発明のエピタキシャル基板の製造方法は、請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記工程(c)は、前記第１のIII族窒化物の膜をエピタキシャル成長させたときの前記基板の温度を維持したまま、前記水素を含有しないキャリアガスの供給を継続する。
【０００９】
請求項３の発明のエピタキシャル基板の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、(d) 前記工程(a)の前に、少なくともガリウムを含有し組成が一般式ＩｎpＡｌqＧａrＮであらわされｐ，ｑ，ｒがｐ＋ｑ＋ｒ＝１，ｐ＝０，０≦ｑ≦０．３であらわされる範囲から選択されるチャネル層として機能する第２のIII族窒化物の膜を前記基板の表面にエピタキシャル成長させる工程、をさらに備え、前記工程(a)は、アルミニウムをさらに含有しｘ，ｙ，ｚがｘ＋ｙ＋ｚ＝１，｛ｙ−（０．４５＋ｑ）｝／４．５６≦ｘ≦｛ｙ−（０．２７＋０．５１ｑ）｝／１．７８，０≦ｚ≦０．４であらわされる範囲から選択される障壁層として機能する前記第１のIII族窒化物の膜をエピタキシャル成長させる。
【００１０】
請求項４のエピタキシャル基板の製造方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかのエピタキシャル基板の製造方法において、前記工程(c)を行う時間が５分以上２０分以下である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、インジウムを含有する原料が水素を含有しないキャリアガスによって希薄化又は分解されるので、インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することができる。また、インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面平坦性を劣化させる水素ガス又は分解により水素ガスを生成するガスがインジウムを含有するIII族窒化物の膜のエピタキシャル成長の後に供給されないので、III族窒化物の膜の表面平坦性が劣化しない。
【００１２】
請求項２の発明によれば、インジウムを含有する原料がさらに分解又は希薄化されやすくなるので、インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面平坦性を保ちつつ、インジウムを含有するIII族窒化物の膜の表面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制するための処理に要する時間が短くなる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、２次元電子ガスの濃度を高くし、障壁層とチャネル層との格子不整合を小さくすることができるとともに、障壁層の上面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することができ、さらに高耐圧の半導体素子を作製可能なエピタキシャル基板が実現できる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、インジウムを含有するパーティクルが特に減少し、表面平坦性が良好な状態に維持されることにより、良好なデバイス特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】望ましい実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】気相成長装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】エピタキシャル基板の製造方法を説明するフローチャートである。
【図４】望ましい実施形態に係るパーティクル抑制処理を説明するタイムチャートである。
【図５】エピタキシャル基板の評価結果を示す図である。
【図６】エピタキシャル基板の上面を原子間力顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図７】エピタキシャル基板の上面を原子間力顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図８】ＩｎＡｌＮ膜及びその表面に付着したパーティクルの断面を透過電子顕微鏡で観察することにより得られた像を示す図である。
【図９】ＩｎＡｌＮ膜の表面に付着したパーティクルを組成分析することにより得られたエネルギースペクトルを示す図である。
【図１０】チャネル層及び障壁層の組成を変更して実施例のパーティクル抑制処理を実行した場合のインジウムを含有するパーティクルの密度を測定した結果を示す図である。
【図１１】チャネル層及び障壁層の組成を変更して比較例のようにパーティクル抑制処理を行わなかった場合のインジウムを含有するパーティクルの密度を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜１  インジウムを含有するパーティクルの発生原因＞
図８は、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させたＩｎＡｌＮ膜及びその表面に付着したパーティクルの断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）で観察することにより得られた像を示す図である。図８に示すように、ＩｎＡｌＮ膜の表面に付着したパーティクルは、略半球形状を有している。また、表面へのパーティクルの付着にもかかわらず、ＩｎＡｌＮ膜は略均一であってその表面も略平坦であり、ＩｎＡｌＮ膜に顕著な窪み等は見られない。
【００１７】
図９は、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ；Energy Dispersive X-ray Spectrometer）でパーティクルを組成分析することにより得られたエネルギースペクトルを示す図である。組成分析を行った場所は、図８に示す像の中の「×」の部分である。図９には、エネルギースペクトルにあらわれたピークの起源となる元素も示されている。図９に示すように、エネルギースペクトルには、インジウム（Ｉｎ）を起源とするピークが強くあらわれている。
【００１８】
上述した機器分析の結果を総合的に考察すると、パーティクルは、インジウムを主成分とし、ＩｎＡｌＮ膜を形成した後に付着したものであると考えられる。
【００１９】
本願発明者は、これらの事実から、ＭＯＣＶＤ装置の配管等にインジウムを含有する原料が残存し、ＩｎＡｌＮ膜をエピタキシャル成長させた後に当該原料又は当該原料に由来する物質がリアクタの内部に移動し、基板の温度を下げたときに当該原料又は当該原料に由来する物質が凝集してＩｎＡｌＮ膜の表面に付着することが、パーティクルの発生原因であると考え、下述するインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制する処理（以下では、「パーティクル抑制処理」という）に想到するに至った。
【００２０】
＜２−１  半導体装置１００の構成＞
図１は、本発明の望ましい実施形態に係る半導体装置１００の概略構成を示す模式図である。図１は、半導体装置１００の断面図となっている。半導体装置１００は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）である。なお、下述する半導体装置１００の構成、気相成長装置１３０の構成及びエピタキシャル基板１０１の製造方法を高電子移動度トランジスタ以外の半導体装置において採用してもよい。
【００２１】
図１に示すように、半導体装置１００は、III族窒化物の膜で構成されるバッファ層１０４、チャネル層１０６、スペーサ層１０８及び障壁層１１０を基板１０２の表面にこの順序で積層した半導体積層構造を有する。障壁層１１０の上面には、ゲート電極１１２、ドレイン電極１１４及びソース電極１１６が形成されている。
【００２２】
｛基板１０２｝
基板１０２を構成する材料並びに基板１０２の方位及び極性は、III族窒化物の膜をエピタキシャル成長させることができるものから選択する。例えば、基板１０２を構成する材料は、炭化シリコン（ＳｉＣ）・サファイア（Ａｌ2Ｏ3）・シリコン（Ｓｉ）・スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）・ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）・フェライト（ＭｎＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ2Ｏ3）等の単結晶から選択する。中でも、基板１０２を構成する材料として６Ｈ−ＳｉＣ又はサファイアの単結晶を選択し、III族窒化物の膜を（０００１）面にエピタキシャル成長させれば、結晶品質が良好なIII族窒化物の膜を得ることができる。
【００２３】
基板１０２の板厚、平面形状及び平面寸法も制限されないが、例えば、直径又は一辺が１〜５インチ程度、板厚が０．１〜１ｍｍ程度の円形基板又は正方形基板を基板１０２として採用することが望ましい。
【００２４】
｛バッファ層１０４｝
バッファ層１０４は、基板１０２とチャネル層１０６との格子不整合によるチャネル層１０６の結晶品質の低下を抑制する。バッファ層１０４は、結晶性が低いIII族窒化物の膜であることが望ましい。バッファ層１０４を構成するIII族窒化物は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等から選択する。
【００２５】
バッファ層１０４の膜厚は、１０〜１０００ｎｍであることが望ましい。
【００２６】
｛チャネル層１０６｝
チャネル層１０６の内部のスペーサ層１０８との界面１１８の近傍には、界面１１８と略平行に広がる２次元電子ガス１２０が生成している。これにより、チャネル層１０６は、電子が移動するチャネルとなる。
【００２７】
チャネル層１０６を構成するIII族窒化物は、一般式Ａｌy1Ｇａz1Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｙ１≦０．３）であらわされる組成を有することが望ましい。アルミニウム量ｙ１を０≦ｙ１≦０．３としたのは、この範囲を上回るとIII族窒化物の膜の表面の平坦性が悪化する傾向があるからである。ただし、このことは、この範囲外の組成を選択することを妨げない。
【００２８】
｛障壁層１１０｝
障壁層１１０としてＩｎＡｌＮ膜を用いた場合、障壁層１１０は、主として自発分極効果により、チャネル層１０６の内部に２次元電子ガス１２０を生成させる。
【００２９】
障壁層１１０の膜厚は、１〜３５ｎｍであることが望ましい。この範囲を下回ると２次元電子ガス１２０が生成しにくくなる傾向があり、この範囲を上回ると半導体装置１００の製造が困難になる傾向があるからである。
【００３０】
障壁層１１０を構成するIII族窒化物は、チャネル層１０６の内部に生成する２次元電子ガス１２０の濃度が高くなり、チャネル層１０６との格子不整合が小さくなるように選択することが望ましい。これらの観点から、障壁層１１０を構成するIII族窒化物は、少なくともインジウム及びアルミニウムを含有し、一般式Ｉｎx2Ａｌy2Ｇａz2Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，｛ｙ２−（０．４５＋ｙ１）｝／４．５６≦ｘ２≦｛ｙ２−（０．２７＋０．５１ｙ１）｝／１．７８，０≦ｚ２≦０．４）であらわされる組成を有することが望ましい。ただし、このことは、この範囲外の組成を選択することを妨げない。
【００３１】
｛スペーサ層１０８｝
スペーサ層１０８は、チャネル層１０６の内部のスペーサ層１０８との界面１１８の近傍に２次元電子ガス１２０を閉じ込めることにより、２次元電子ガス１２０の濃度及びチャネル層１０６における移動度を向上する。ただし、スペーサ層１０８は必ずしも必須ではなく、省略してもよい。
【００３２】
スペーサ層１０８を設ける場合、その膜厚は、０．５〜１．５ｎｍであることが望ましい。この範囲を下回ると２次元電子ガス１２０を閉じ込める効果が低下する傾向があり、この範囲を上回ると内部応力によりスペーサ層１０８の結晶品質が低下する傾向があるからである。
【００３３】
スペーサ層１０８を構成するIII族窒化物は、スペーサ層１０８のバンドギャップエネルギーＥｇ３が障壁層１１０のバンドギャップエネルギーＥｇ２よりも大きくなる（Ｅｇ３＞Ｅｇ２）ように選択することが望ましい。この観点から、スペーサ層１０８を構成するIII族窒化物は、一般式Ｉｎx3Ａｌy3Ｇａz3Ｎ（ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１，０≦ｚ３≦０．０５）であらわされる組成を有することが望ましい。
【００３４】
｛ゲート電極１１２、ドレイン電極１１４及びソース電極１１６｝
ゲート電極１１２を構成する材料は、障壁層１１０とショットキー接合する金属から選択する。例えば、パラジウム（Ｐｄ）及び金（Ａｕ）の膜を積層したPd/Au電極をゲート電極１１２として好適に使用することができる。
【００３５】
ドレイン電極１１４及びソース電極１１６は、障壁層１１０とオーミック接合する金属から選択する。例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）の膜を積層したTi/Al/Ni/Au電極をドレイン電極１１４及びソース電極１１６として好適に使用することができる。
【００３６】
＜２−２  気相成長装置１３０＞
図２は、上述した半導体積層構造を有するエピタキシャル基板１０１の製造に使用する気相成長装置１３０の概略構成を示す模式図である。気相成長装置１３０は、ＭＯＣＶＤ法によりIII族窒化物の膜を基板の表面にエピタキシャル成長させるＭＯＣＶＤ装置である。
【００３７】
図２に示すように、気相成長装置１３０は、リアクタ１３２、原料供給部１３４及び制御部１３６を備える。
【００３８】
リアクタ１３２は、III族窒化物の膜をエピタキシャル成長させる基板１９８を収容する。リアクタ１３２の内部には、サセプタ１３８及びヒータ１４０が設けられている。サセプタ１３８は、基板１９８を保持する。ヒータ１４０は、サセプタ１３８を加熱することにより、サセプタ１３８が保持している基板１９８を加熱する。
【００３９】
以下では、文字通り、発熱したヒータ１４０から基板１９８に熱を加えることを意味する語として「加熱」を使用する。したがって、基板１９８の「加熱」は、基板１９８の温度を上げる場合だけでなく、基板１９８の温度を一定に保つ場合、自然放冷を行う場合よりも遅い速度で基板１９８の温度を下げる場合にも行われる。すなわち、以下では、「加熱」と「昇温」とを概念的に使い分けている。
【００４０】
原料供給部１３４は、III族窒化物を構成するIII族元素を含有する有機金属化合物原料、すなわち、インジウム（Ｉｎ）を含有するトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）3；以下では、「ＴＭＩ」という）、アルミニウム（Ａｌ）を含有するトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3；以下では、「ＴＭＡ」という）及びＧａを含有するトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3；以下では、「ＴＭＧ」という）の全部又は一部の蒸気をキャリアガスとともにリアクタ１３２の内部に供給するとともに、III族窒化物を構成する窒素（Ｎ）を含有する原料、すなわち、アンモニア（ＮＨ3）ガスをリアクタ１３２の内部に供給する。もちろんIII族元素を含有する原料として他の種類の有機金属化合物を選択してもよいし、窒素を含有する原料として他の種類の窒素化合物を選択してもよい。また、原料供給部１３４が、さらにドナー元素やアクセプタ元素の原料をリアクタ１３２の内部に供給するようにしてもよい。
【００４１】
図２に示すように、原料供給部１３４は、リアクタ１３２の内部に各々独立して原料ガスを供給する原料供給系統１４２，１４４，１４６を備える。
【００４２】
原料供給系統１４２は、ＴＭＩを窒素ガスでバブリングするバブリング部１４８、ＴＭＡを窒素ガスでバブリングするバブリング部１５０及びＴＭＧを窒素ガスでバブリングするバブリング部１５２を窒素ガスの供給源１５４からリアクタ１３２の内部に至る配管１５６に設けて構成されている。バブリング部１４８，１５０，１５２は、各々、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＴＭＧの供給源となり、これらの原料の蒸気をキャリアガスである窒素ガスに混合する。配管１５６は、バブリング部１４８，１５０，１５２を経由せずに窒素ガスの供給源１５４からリアクタ１３２の内部に至る１５６１と、配管１５６１から分岐してバブリング部１４８，１５０，１５２を経由して配管１５６１へ戻る配管１５６２とを備える。
【００４３】
原料供給系統１４４は、ＴＭＩを水素ガスでバブリングするバブリング部１５８、ＴＭＡを水素ガスでバブリングするバブリング部１６０及びＴＭＧを水素ガスでバブリングするバブリング部１６２を水素ガスの供給源１６４からリアクタ１３２の内部に至る配管１６６に設けて構成されている。バブリング部１５８，１６０，１６２は、各々、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＴＭＧの供給源となり、これらの原料の蒸気をキャリアガスである水素ガスに混合する。配管１６６は、バブリング部１５８，１６０，１６２を経由せずに窒素ガスの供給源１６４からリアクタ１３２の内部に至る１６６１と、配管１６６１から分岐してバブリング部１５８，１６０，１６２を経由して配管１６６１へ戻る配管１６６２とを備える。
【００４４】
原料供給系統１４６は、アンモニアガスの供給源１６６からリアクタ１３２の内部に至る配管１６８により構成される。
【００４５】
原料供給系統１４２，１４４のいずれにおいても、バブリング部１４８，１５０，１５２，１５８，１６０，１６２において実際にバブリングを行うか否かは、バルブにより切り替えることができる。
【００４６】
なお、バッファ層１０４、チャネル層１０６、スペーサ層１０８及び障壁層１１０を構成するIII族窒化物の組成やこれらの層を形成するときに使用するキャリアガスによっては、バブリング部１５０，１５２，１５８，１６０，１６２の中に不要なものが出てくる場合があるが、そのような場合は不要なバブリング部を設けることを省略してもよい。
【００４７】
制御部１３６は、サセプタ１３８による基板１９８の加熱、供給源１５４からの窒素ガスの供給流量、供給源１６４からの水素ガスの供給流量、供給源１６６からのアンモニアガスの供給流量、バブリング部１４８，１５０，１５２，１５８，１６０，１６２におけるバブリングガス流量等を制御する。
【００４８】
＜２−３  エピタキシャル基板１０１の製造方法＞
図３は、上述した半導体積層構造を有するエピタキシャル基板１０１の製造方法を説明するフローチャートである。また、図４は、望ましい実施形態に係るパーティクル抑制処理を説明するタイムチャートである。図４は、障壁層１１０を形成し（タイミングｔ１〜ｔ２）、パーティクル抑制処理を行う（タイミングｔ２〜ｔ３）ときの気相成長装置１３０の状態、すなわち、制御部１３６の制御により行われる、窒素ガスの供給の有無（図４（ａ））、窒素ガスによりバブリングしたIII族元素を含有する原料の供給の有無（図４（ｂ））、アンモニアガスの供給の有無（図４（ｃ））、水素ガスの供給の有無（図４（ｄ））及び基板の温度（図４（ｅ））を示している。
【００４９】
｛基板１０２のサーマルクリーニング｝
エピタキシャル基板１０１の製造にあたっては、まず、図３に示すように、リアクタ１３２の内部に基板１０２を収容し、基板１０２の表面をサーマルクリーニングする（ステップＳ１０１）。サーマルクリーニングは、サセプタ１３８に基板１０２を保持させ、リアクタ１３２の内部に水素ガスを供給してリアクタ１３２の内部を水素雰囲気にするとともに、基板１０２の温度を１０００〜１３００℃まで上げて５〜３０分維持することにより行う。なお、入手した基板１０２の表面が十分に清浄かつ平坦であれば、サーマルクリーニングを省略してもよい。また、サーマルクリーニングと他のクリーニング方法とを併用してもよいし、サーマルクリーニングに代えて他のクリーニング方法を採用してもよい。
【００５０】
｛バッファ層１０４の形成｝
続いて、バッファ層１０４を形成する（ステップＳ１０２）。バッファ層１０４の形成は、基板１０２の温度を５００〜７００℃まで下げて、必要なIII族元素の原料を水素ガスでバブリングしてから当該水素ガスをリアクタ１３２の内部に供給するとともに、水素ガス及びアンモニアガスをリアクタ１３２の内部に供給することにより行う。これにより、バッファ層１０４を構成するIII族窒化物を構成する全ての元素の原料が水素ガスとともにリアクタ１３２の内部に供給され、リアクタ１３２の内部に供給された原料が反応して基板１０２の表面にIII族窒化物の膜がエピタキシャル成長する。
【００５１】
｛チャネル層１０６の形成｝
さらに続いて、チャネル層１０６を形成する（ステップＳ１０３）。チャネル層１０６の形成は、基板１０２の温度を１０５０〜１１５０℃まで上げて、必要なIII族元素の原料を水素ガスでバブリングしてから当該水素ガスをリアクタ１３２の内部に供給するとともに、窒素ガス、水素ガス及びアンモニアガスをリアクタ１３２の内部に供給することにより行う。これにより、チャネル層１０６を構成するIII族窒化物を構成する全ての元素の原料が窒素ガス及び水素ガスとともにリアクタ１３２の内部に供給され、リアクタ１３２の内部に供給された原料が反応してバッファ層１０４の表面にIII族窒化物の膜がエピタキシャル成長する。
【００５２】
｛スペーサ層１０８の形成｝
次に、スペーサ層１０８を形成する（ステップＳ１０４）。スペーサ層１０８の形成は、基板１０２の温度を維持したまま、必要なIII族元素の原料を水素ガスでバブリングしてから当該水素ガスをリアクタ１３２の内部に供給するとともに、水素ガス及びアンモニアガスをリアクタ１３２の内部に供給することにより行う。これにより、スペーサ層１０８を構成するIII族窒化物を構成する全ての元素の原料が水素ガスとともにリアクタ１３２の内部に供給され、リアクタ１３２の内部に供給された原料が反応してチャネル層１０６の表面にIII族窒化物の膜がエピタキシャル成長する。
【００５３】
｛障壁層１１０の形成｝
続いて、インジウムを含有する障壁層１１０を形成する（ステップＳ１０５）。障壁層１１０の形成にあたっては、まず、水素ガスの供給を停止し、窒素ガスの供給を開始し、アンモニアガスの供給を継続しながら、基板１０２の温度を６００〜９００℃まで下げる。しかる後に、窒素ガス及びアンモニアガスの供給を継続しながら、必要なIII族元素の原料（ＴＭＩ及びＴＭＩ以外のIII族元素の原料）を窒素ガスでバブリングしてから当該窒素ガスをリアクタ１３２の内部に供給する。これにより、障壁層１１０を構成するIII族窒化物を構成する全ての元素の原料が窒素ガスとともにリアクタ１３２の内部に供給され、リアクタ１３２の内部に供給された原料が反応してスペーサ層１０８の表面にIII族窒化物の膜がエピタキシャル成長する。
【００５４】
このように、障壁層１１０を形成するときに使用するキャリアガスを窒素ガスのみとし水素を含有しないようにすれば、障壁層１１０を構成するIII族窒化物のダングリングボンドを窒素終端とすることができるので、III族窒化物の理想的な電子構造を維持することができ、２次元電子ガス１２０の濃度を高くすることができる。
【００５５】
上述した気相成長装置１３０は、障壁層１１０を形成するときに使用する窒素ガスを供給源１５４からリアクタ１３２の内部へ導く配管１５６に障壁層１１０を形成するときに使用するバブリング部１４８，１５０，１５２を設け、それとは独立して、スペーサ層１０８を形成するときに使用する水素ガスを供給源１４４からリアクタ１３２の内部へ導く配管１６６にスペーサ層１０８を形成するときに使用するバブリング部１５８，１６０，１６２を設けている。このため、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスへ短時間で切り替えることができ、障壁層１１０を形成するときの雰囲気に水素ガスが混入することを抑制することができる。
【００５６】
ただし、これらのことは、図２に示す気相成長装置１３０とは異なる構成を有する気相成長装置を用いてエピタキシャル基板１０１を製造することを妨げない。
【００５７】
｛パーティクル抑制処理｝
障壁層１１０を形成した後に、パーティクル抑制処理を行う（ステップＳ１０６）。パーティクル抑制処理は、図４（ｂ）、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、原料、すなわち、窒素ガスによりバブリングしたIII族元素を含有する原料並びにアンモニアガスの供給をタイミングｔ２で停止する一方で、図４（ａ）に示すように、窒素ガスをタイミングｔ２の後も継続することにより行う。すなわち、パーティクル抑制処理は、原料の供給を停止した後に、窒素ガスの供給を継続することにより行う。これにより、ＴＭＩがキャリアガスによって希薄化されるので、障壁層１１０の表面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することができる。また、アンモニアガスの供給を停止することは、アンモニアガスが基板１０２で加熱され、そのときに熱分解により水素が生成されることにより、障壁層１１０の表面に欠陥が発生することを抑制し、障壁層１１０の表面の平坦性を損なわないようにすることにも寄与している。
【００５８】
パーティクル抑制処理を行う時間は、５分以上２０分以下であることが望ましい。この範囲を下回ると、インジウムを含有するパーティクルの除去が不十分になる傾向があるからである。また、この範囲を上回ると、障壁層１１０の表面からの窒素原子の脱離により、表面平坦性が劣化するからである。
【００５９】
パーティクル抑制処理では、障壁層１１０の形成及びパーティクル抑制処理を行う間、図４（ｄ）に示すように、水素ガスの供給は行わず、図４（ｅ）に示すように、基板１０２の加熱を継続して、障壁層１１０を形成したときの基板１０２の温度を維持する。これにより、基板１０２を自然放冷した場合よりもＴＭＩが分解又は希薄化しやすくなるので、インジウムを含有するパーティクルの付着をより効果的に抑制することができる。ただし、インジウムを含有するパーティクルの除去を妨げない範囲内で基板１０２の温度を変更することやパーティクル抑制処理の間に基板１０２の加熱を停止して自然放冷を開始することも許される。なお、障壁層１１０の形成及びパーティクル抑制処理を行う間、窒素ガスの流量を一定にしておけば、流量の変化に起因する温度の変化やリアクタ１３２の内壁からのインジウムを含有するパーティクルの離脱を防ぐことができる。ただし、このことは、パーティクル抑制処理を行うときに窒素ガスの流量を変更することを妨げない。
【００６０】
パーティクル抑制処理の終了後は、基板１０２の加熱を中止した後で、基板１０２の温度を室温の近傍まで下げ、得られたエピタキシャル基板１０１をリアクタ１３２の内部から回収する。
【実施例】
【００６１】
以下では、望ましい実施形態に係るパーティクル抑制処理を経て製造したエピタキシャル基板１０１に関する実施例とパーティクル抑制処理を経ないで製造したエピタキシャル基板に関する比較例について説明する。
【００６２】
｛実施例｝
実施例では、基板１０２として直径２インチのサファイア基板を用い、１１５０℃で１０分かけてサーマルクリーニングし、バッファ層１０４として膜厚が２０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）の膜を５００℃でエピタキシャル成長させ、チャネル層１０６として膜厚が２．０μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）の膜を１１００℃でエピタキシャル成長させた。
【００６３】
続いて、スペーサ層１０８として膜厚が１ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の膜を１１００℃でエピタキシャル成長させた。
【００６４】
さらに続いて、障壁層１１０として膜厚が１５ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ0.18Ａｌ0.82Ｎ）の膜を７３０℃でエピタキシャル成長させた。このときのアンモニアガスの流量は１５００ｓｃｃｍ、ＴＭＩをバブリングする窒素ガスの流量は１００ｓｃｃｍ、ＴＭＡをバブリングする窒素ガスの流量は１０ｓｃｃｍとした。
【００６５】
最後に、１〜３０分かけてパーティクル抑制処理を行った。
【００６６】
｛比較例｝
実施例の場合と同様に窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ0.18Ａｌ0.82Ｎ）の膜のエピタキシャル成長までを行った。パーティクル抑制処理は行わなかった。
【００６７】
｛エピタキシャル基板１０１の評価｝
図５は、実施例及び比較例のエピタキシャル基板１０１の評価結果を示す図である。図５には、実施例及び比較例のエピタキシャル基板１０１の各々について、シートキャリア濃度、移動度、シート抵抗、２次元電子ガスの有無、２次元電子ガスの深さ、構成元素、結晶種、表面粗さ、ゲートリーク電流及びインジウムを含有するパーティクルの密度が示されている。これらのうち、シートキャリア濃度、移動度及びシート抵抗は、ホール測定により測定した。２次元電子ガスの有無及び２次元電子ガスの深さは、Ｃ−Ｖ測定により測定した。構成元素は、エピタキシャル基板１０１の表面をＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ；X-ray Photoelectron Spectrometer）で分析することにより特定し、結晶種は、エピタキシャル基板１０１の上面をＸ線回折装置（ＸＲＤ；X-Ray Diffractometer）で２θ−ω走査して分析することにより特定し、インジウムを含有するパーティクルの密度は、障壁層の上面を原子間力顕微鏡で観察することにより特定した。ゲートリーク電流は、エピタキシャル基板１０１を加工して作製したゲート幅１ｍｍ、ゲート−ソース間隔０．５μｍ、ゲート−ドレイン間隔７．５μｍ、ゲート長１．５μｍのトランジスタ素子にソース−ドレイン間電圧１００Ｖ、ゲートバイアス−１０Ｖを印加した状態での測定値である。
【００６８】
トランジスタ素子の作製にあたっては、まず、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）を用いて各トランジスタ素子の境界部を４００ｎｍの深さまで除去した。続いて、エピタキシャル基板１０１の表面に膜厚が１０ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ2）の膜を形成し、フォトリソグラフィを用いてソース電極及びドレイン電極が設けられる領域に形成された二酸化シリコンの膜を除去した。さらに続いて、真空蒸着とフォトリソグラフィにより、Ti/Al/Ni/Au（膜厚25/75/15/100nm）電極をドレイン電極及びソース電極として形成し、ドレイン電極及びソース電極のオーミック性を向上するために、窒素雰囲気中で８５０℃の熱処理を３０秒間行った。次に、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを用いてゲート電極が設けられる領域に形成された二酸化シリコンの膜を除去した。続いて、真空蒸着とフォトリソグラフィにより、Pd/Au（膜厚30/100nm）電極をゲート電極として形成した。最後に、化学気相成長（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）及びフォトリソグラフィにより、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）のパッシベーション膜を形成し、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極の部分にコンタクトホールを形成し、ワイヤボンディングを行った。
【００６９】
図６及び図７は、それぞれ、実施例及び比較例のエピタキシャル基板１０１の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope）で観察した結果を示す図である。図６及び図７（ａ）は、パーティクル抑制処理を行う時間が１５分である場合について、エピタキシャル基板１０１の上面を正面視した場合の５μｍ四方の領域の像を示しており、図７（ｂ）は、１μｍ四方の領域の凹凸を示している。
【００７０】
図６に示すように、実施例のエピタキシャル基板１０１の上面には、ステップフロー成長が観察され、インジウムを含有するパーティクルを発見することはできなかった。一方、図７に示すように、比較例のエピタキシャル基板１０１の上面には、概ね１．９×１０8個／ｃｍ2のインジウムを含有するパーティクルが散在していた。
【００７１】
実施例と比較例との対比から明らかなように、上述したパーティクル抑制処理を行うことにより、障壁層の表面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することができる。また、各実施例から明らかなように、パーティクル抑制処理を行う時間を５分以上とすることにより、インジウムを含有するパーティクルが発見することができないほど減少し、パーティクル抑制処理を行う時間を５分以上２０分以下とすることにより、表面粗さも良好な状態に維持される。また、半導体素子のゲートリーク電流は０．０５μＡ／ｍｍ以下が得られる。
【００７２】
図１０は、チャネル層及び障壁層の組成を変更して実施例のパーティクル抑制処理を行った場合のインジウムを含有するパーティクルの密度を測定した結果を示す図である。図１０は、パーティクル抑制処理を行う時間が１５分である場合の結果を示す。また、図１１は、チャネル層及び障壁層の組成を変更して比較例のようにパーティクル抑制処理を行わなかった場合のインジウムを含有するパーティクルの密度を測定した結果を示す図である。図１０に示すように、チャネル層の組成を一般式Ａｌy1Ｇａz1Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｙ１≦０．３）であらわされる範囲内で変更し、障壁層の組成を一般式Ｉｎx2Ａｌy2Ｇａz2Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，｛ｙ２−（０．４５＋ｙ１）｝／４．５６≦ｘ２≦｛ｙ２−（０．２７＋０．５１ｙ１）｝／１．７８，０≦ｚ２≦０．４）であらわされる範囲内で変更しても、実施例と同様のパーティクル抑制処理を行えば、障壁層の上面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することは可能である。しかし、図１１に示すように、パーティクル抑制処理を行わない場合は、障壁層の上面にインジウムを含有するパーティクルが付着することを抑制することはできず、０．８×１０8〜３．５×１０8個／ｃｍ2のインジウムを含有するパーティクルが障壁層の上面に散在していた。
【００７３】
この発明は詳細に説明されたが、上述した説明は、全ての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。特に、インジウムを含有するIII族窒化物の膜がエピタキシャル基板１０１の最上層にない場合に上述したパーティクル抑制処理を行うことは当然に予定されている。
【符号の説明】
【００７４】
１００  半導体装置
１０１  エピタキシャル基板
１０２  基板
１０４  バッファ層
１０６  チャネル層
１０８  スペーサ層
１１０  障壁層
１１２  ゲート電極
１１４  ドレイン電極
１１６  ソース電極
１２０  ２次元電子ガス
１３０  気相成長装置
１３２  リアクタ
１４０  ヒータ
１５４，１６４，１６６  供給源
１５６，１６６，１６８  配管
１４８，１５０，１５２，１５８，１６０，１６２  バブリング部
１９８  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
2011003882.tif 000009
【図１１】
2011003882.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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