(57)【要約】【課題】ピンチオフリーク電流を抑制しつつ最大ドレイン電流を増大することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】この半導体装置の製造方法は、窒化物半導体装置の製造方法であって、基板上にＧａＮバッファ層を成長させる工程と、ＧａＮバッファ層上にＡｌＧａＮバリア層を成長させる工程と、ＡｌＧａＮバリア層上にＧａＮキャップ層を成長させる工程と、を備える。ＡｌＧａＮバリア層の成長温度は、成長開始時点において第１の温度であり、成長終了時点において第１の温度よりも低い第２の温度であり、ＡｌＧａＮバリア層の成長途中において第１の温度から第２の温度まで単調に減少する。【選択図】図４
2019012726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体装置の製造方法であって、
基板上にＧａＮバッファ層を成長させる工程と、
前記ＧａＮバッファ層上にＡｌＧａＮバリア層を成長させる工程と、
前記ＡｌＧａＮバリア層上にＧａＮキャップ層を成長させる工程と、
を備え、
前記ＡｌＧａＮバリア層の成長温度は、成長開始時点において第１の温度であり、成長終了時点において前記第１の温度よりも低い第２の温度であり、前記ＡｌＧａＮバリア層の成長途中において前記第１の温度から前記第２の温度まで単調に減少する、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ＧａＮバッファ層の成長温度を前記第１の温度で一定とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ＧａＮバッファ層を成長させる工程は、前記ＧａＮバッファ層の成長温度を前記第１の温度よりも高い第３の温度で一定とする期間と、該期間ののち、前記ＧａＮバッファ層の成長温度を前記第３の温度から前記第１の温度まで単調に減少させる期間とを含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の温度と前記第２の温度との差は１０℃以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１の温度と前記第２の温度との差は５℃以下である、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ＡｌＧａＮバリア層の成長途中における降温率が一定である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成を２０％以上２２％以下とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３には、ＧａＮなどの窒化物半導体材料を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１９９６号公報
【特許文献２】特開２０１７−０５４４７１号公報
【特許文献３】特開２０１６−１２７１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、ＧａＮなどの窒化物半導体材料を用いた電子デバイスが実用化されている。特に、ＨＥＭＴにおいては、窒化物半導体材料を用いることによって高速・高耐圧を実現することができる。ＨＥＭＴのバッファ層（チャネル層）としては、例えばＧａＮ層が用いられる。また、バリア層としては、例えばＡｌＧａＮ層が用いられる。
【０００５】
このようなＨＥＭＴに対しては、特に電力増幅器（パワーアンプ）などの用途において高出力化の要望が強く、最大ドレイン電流をより大きくすることが求められている。ＡｌＧａＮバリア層を備えるＨＥＭＴの場合、ＡｌＧａＮバリア層中のＡｌ組成を大きくすることによって最大ドレイン電流を大きくすることができる。Ａｌ組成が大きくなると、ＡｌＧａＮ結晶とＧａＮ結晶との格子定数の差が大きくなり、ＡｌＧａＮバリア層とＧａＮバッファ層との界面におけるピエゾ電荷の量が増大するからである。
【０００６】
しかしながら、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成が大きくなると、ＧａＮバッファ層とＡｌＧａＮバリア層との間の格子定数の差が大きくなり、ＧａＮ層深部まで格子歪が生じピンチオフリーク電流の増大につながる。本発明は、ピンチオフリーク電流を抑制しつつ最大ドレイン電流を増大することができる半導体装置の製造方法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】
一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、窒化物半導体装置の製造方法であって、基板上にＧａＮバッファ層を成長させる工程と、ＧａＮバッファ層上にＡｌＧａＮバリア層を成長させる工程と、ＡｌＧａＮバリア層上にＧａＮキャップ層を成長させる工程と、を備え、ＡｌＧａＮバリア層の成長温度は、成長開始時点において第１の温度であり、成長終了時点において第１の温度よりも低い第２の温度であり、ＡｌＧａＮバリア層の成長途中において第１の温度から第２の温度まで単調に減少する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による半導体装置の製造方法によれば、ピンチオフリーク電流を抑制しつつ最大ドレイン電流を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置としてのエピタキシャルウエハの断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るＨＥＭＴの断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ及びＨＥＭＴの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、基板温度の時間変化を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、一実施形態により作製されたＨＥＭＴにおける、第２の温度と第１の温度との温度差と、ピンチオフリーク電流との関係をプロットした例を示すグラフである。図５（ｂ）は、一実施形態により作製されたＨＥＭＴにおける、第２の温度と第１の温度との温度差と、従来のＨＥＭＴに対する最大ドレイン電流の相対値との関係をプロットした例を示すグラフである。
【図６】図６は、一変形例に係る基板温度の時間変化を示すグラフである。
【図７】図７は、従来の製造方法における基板温度の時間変化を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は、ＡｌＧａＮバリア層の成長温度を一定として作製された従来のＨＥＭＴにおける、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成と最大ドレイン電流との関係をプロットした例を示すグラフである。図８（ｂ）は、従来のＨＥＭＴにおける、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成とピンチオフリーク電流との関係をプロットした例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置としてのエピタキシャルウエハ１Ａの断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る高電子移動度トランジスタ（以下、「ＨＥＭＴ」とする）２Ａの断面図である。図１に示すエピタキシャルウエハ１Ａは、窒化物半導体装置であって、ＳｉＣ基板１０、ＡｌＮ核生成層１１、ＧａＮバッファ層１２、ＡｌＧａＮバリア層１３、及びＧａＮキャップ層１４を備えている。エピタキシャルウエハ１Ａは、ＳｉＣ基板１０上に、ＡｌＮ核生成層１１、ＧａＮバッファ層１２、ＡｌＧａＮバリア層１３、及びＧａＮキャップ層１４をこの順に有している。また、図１に示すＨＥＭＴ２Ａは、図１のエピタキシャルウエハ１Ａを用いて製造されるＨＥＭＴであって、エピタキシャルウエハ１Ａの構成に加え、ゲート電極２１、ソース電極２２、及びドレイン電極２３を備えている。
【００１２】
ＳｉＣ基板１０は、半絶縁性である。ＡｌＮ核生成層１１は、ＳｉＣ基板１０の表面１０ａからエピタキシャル成長した層であって、ＧａＮバッファ層１２に対するシード層として機能する。ＡｌＮ核生成層１１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、一実施例では１５ｎｍである。ＧａＮバッファ層１２は、ＡｌＮ核生成層１１上にエピタキシャル成長した層である。ＧａＮバッファ層１２は、濡れ性の問題があり、ＳｉＣ基板１０上に直接成長できない。このため、ＧａＮバッファ層１２は、ＡｌＮ核生成層１１を介して成長している。ＧａＮバッファ層１２の厚さは、例えば０．３μｍ以上２．０μｍ以下であり、一実施例では０．７５μｍである。
【００１３】
ＡｌＧａＮバリア層１３は、ＧａＮバッファ層１２上にエピタキシャル成長した層であって、バリア層（電子供給層）として機能する。ＧａＮバッファ層１２とＡｌＧａＮバリア層１３との間にはその格子定数の相違から歪が生じ、この歪が両者の界面にピエゾ電荷を誘起する。これにより、ＧａＮバッファ層１２とＡｌＧａＮバリア層１３との界面であってＧａＮバッファ層１２側に二次元電子ガスが生じ、チャネル領域１２ａが形成される。ＡｌＧａＮバリア層１３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、一実施例では２４ｎｍである。また、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成は例えば２０％以上２２％以下であり、一実施例では２１％である。
【００１４】
ＧａＮキャップ層１４は、ＡｌＧａＮバリア層１３上にエピタキシャル成長した層である。ＧａＮキャップ層１４は、ＡｌＧａＮバリア層１３のアルミニウム原子（Ａｌ）の酸化を抑制する。ＧａＮキャップ層１４の厚さは、例えば２．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、一実施例では５ｎｍである。
【００１５】
図２に示すように、ソース電極２２及びドレイン電極２３のそれぞれは、ＡｌＧａＮバリア層１３上に設けられ、ＡｌＧａＮバリア層１３に接している。ソース電極２２及びドレイン電極２３のそれぞれは、オーミック電極であり、例えばチタン（Ｔｉ）層とアルミニウム（Ａｌ）層との積層構造を有する。この場合、チタン層が、ＡｌＧａＮバリア層１３に接触する。ゲート電極２１は、ＡｌＧａＮバリア層１３上においてソース電極２２とドレイン電極２３との間に設けられている。本実施形態では、ゲート電極２１はＧａＮキャップ層１４上に設けられている。ゲート電極２１は、例えばニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層との積層構造を有する。
【００１６】
なお、ＨＥＭＴ２Ａは、ＧａＮキャップ層１４上に絶縁膜を更に備えてもよい。この絶縁膜は、ＧａＮキャップ層１４、ＡｌＧａＮバリア層１３及びＧａＮバッファ層１２を含む半導体積層構造を保護する。このような絶縁膜としては、例えばＳｉＮ膜が用いられる。
【００１７】
ここで、図３を参照しつつ、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１Ａ及びＨＥＭＴ２Ａの製造方法について説明する。図３は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１Ａ及びＨＥＭＴ２Ａの製造方法を示すフローチャートである。図４は、基板温度の時間変化を示すグラフである。図４において、横軸は時間を表し、縦軸は基板温度を表す。
【００１８】
まず、ＳｉＣ基板１０の表面処理を行う（工程Ｓ１、図４の期間Ｐ１）。この工程Ｓ１では、ＳｉＣ基板１０を成長炉内のサセプタに設置し、成長炉内の圧力を所定の圧力（例えば１００Ｔｏｒｒ（１３．３ｋＰａ））に設定する。そして、ＳｉＣ基板１０の温度（以下、基板温度という）を所定の温度（例えば１１４０℃）まで上昇させる。この所定の温度は、後述する各半導体層の成長温度よりも高い温度である。更に、水素ガスを供給しながらその基板温度を所定時間（例えば２０分間）維持する。なお、基板温度は、成長炉内の温度と略等しい。その後、基板温度をＡｌＮ核生成層１１の成長温度まで下降させる。
【００１９】
次に、ＡｌＮ核生成層１１をＳｉＣ基板１０上に成長する（工程Ｓ２、図４の期間Ｐ２）。ＡｌＮ核生成層１１の成長温度は、例えば１０９０℃以上１１００℃以下であり、一実施例では１１００℃といった高温である。これにより、結晶品質のよいＡｌＮ核生成層１１を形成できる。ＡｌＮ核生成層１１の成長温度は、ＡｌＮ核生成層１１の成長期間Ｐ２の開始から終了まで一定とされる。ＡｌＮ核生成層１１は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて成長することができる。ＡｌＮ核生成層１１の原料は、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ3）である。一実施例では、ＴＭＡ流量を１３０ｓｃｃｍとし、ＮＨ3流量を１５ｓｌｍとし、炉内圧力を１００Ｔｏｒｒとする。
【００２０】
続いて、基板温度をＧａＮバッファ層１２の成長温度まで下降させる（図４の期間Ｐ３）。そして、例えばＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮ核生成層１１上にＧａＮバッファ層１２を成長させる（工程Ｓ３、図４の期間Ｐ４）。ＧａＮバッファ層１２の成長温度は、例えば１０５５℃以上１０６５℃以下であり、一実施例では１０６０℃といった高温である。これにより、結晶品質のよいＧａＮバッファ層１２を形成し、表面ピットの発生を抑制できる。ＧａＮバッファ層１２の成長温度は、ＧａＮバッファ層１２の成長期間Ｐ４の開始から終了まで一定とされる。ＧａＮバッファ層１２の原料は、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びＮＨ3である。一実施例では、ＴＭＧ流量を５４ｓｃｃｍとし、ＮＨ3流量を２０ｓｌｍとし、炉内圧力を１００Ｔｏｒｒとする。
【００２１】
続いて、例えばＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＮバッファ層１２上にＡｌＧａＮバリア層１３を成長する（工程Ｓ４、図４の期間Ｐ５）。ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度は、成長開始時点において第１の温度Ｔ１であり、成長終了時点において第１の温度Ｔ１よりも低い第２の温度Ｔ２である。第１の温度Ｔ１は、例えばＧａＮバッファ層１２の成長温度を引き継いでおり、１０５５℃以上１０６５℃以下である。一実施例では１０６０℃である。また、第２の温度Ｔ２は、例えばＧａＮキャップ層１４の成長温度に引き継がれ、１０５０℃以上１０６０℃以下である。一実施例では１０５５℃である。第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差は、例えば５℃以上である。また、温度差は例えば１５℃以下であり、好ましくは５℃以下である。図４に示された例では、温度差は５℃である。ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度は、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長途中において、第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２まで単調に減少する（徐々に低下する）。図４に示された例では、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長途中における単位時間あたりの降温率（温度勾配）は一定である。
【００２２】
ＡｌＧａＮバリア層１３の原料は、例えばＴＭＡ、ＴＭＧ、及びＮＨ3である。この工程では、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成が２０％以上２２％以下となるように、ＴＭＡ、ＴＭＧ、及びＮＨ3の各流量を調整する。一実施例では、ＴＭＡ流量を１４０ｓｃｃｍとし、ＴＭＧ流量を５０ｓｃｃｍとし、ＮＨ3流量を２０ｓｌｍとし、炉内圧力を１００Ｔｏｒｒとする。
【００２３】
続いて、基板温度を第２の温度Ｔ２に維持した状態で、例えばＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＧａＮバリア層１３上にＧａＮキャップ層１４を成長する（工程Ｓ５、図４の期間Ｐ６）。ＧａＮキャップ層１４の成長温度は、例えば第２の温度Ｔ２であり、一実施例では１０５５℃である。ＧａＮキャップ層１４の成長温度は、ＧａＮキャップ層１４の成長期間Ｐ６の開始から終了まで一定とされる。ＧａＮキャップ層１４の原料は、例えばＴＭＧ及びＮＨ3である。一実施例では、ＴＭＧ流量を６０ｓｃｃｍとし、ＮＨ3流量を２０ｓｌｍとし、炉内圧力を１００Ｔｏｒｒとする。以上の工程により、エピタキシャルウエハ１Ａが作製される。その後、基板温度を室温まで降温させて（期間Ｐ７）、エピタキシャルウエハ１Ａを成長炉から取り出す。
【００２４】
ＨＥＭＴ２Ａを製造する場合には、続いて、エッチングによりＧａＮキャップ層１４の一部を除去したのち、ＡｌＧａＮバリア層１３上にソース電極２２及びドレイン電極２３を形成する。その後、ＧａＮキャップ層１４上にゲート電極２１を形成する（工程Ｓ６）。本工程では、ソース電極２２、ドレイン電極２３及びゲート電極２１を、例えば通常のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術によって形成することができる。
【００２５】
なお、ＧａＮキャップ層１４上に絶縁膜（例えばＳｉＮ）を形成する場合には、この絶縁膜の成長温度は、例えば８００℃以上とする。また、この絶縁膜を、ＧａＮキャップ層１４の上に成長炉内で連続して形成してもよい。これにより、ウエハを成長炉外へ取り出してから絶縁膜を形成する場合と比較して、ウエハ表面の酸化や不純物の付着を防ぎ、ＨＥＭＴ２Ａの安定動作及び信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】
以上に説明した、本実施形態による製造方法によって得られる作用効果について、従来の課題とともに説明する。前述したように、ＨＥＭＴに対しては、最大ドレイン電流をより大きくすることが求められている。ＡｌＧａＮバリア層１３を備えるＨＥＭＴ２Ａの場合、ＡｌＧａＮバリア層１３中のＡｌ組成を大きくすることによって最大ドレイン電流を大きくすることができる。Ａｌ組成が大きくなると、ＡｌＧａＮ結晶とＧａＮ結晶との格子定数の差が大きくなり、ＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮバッファ層１２との界面におけるピエゾ電荷の量が増大するからである。
【００２７】
ここで、図７は、従来の製造方法における基板温度の時間変化を示すグラフである。図７において、横軸は時間を表し、縦軸は基板温度を表す。図７に示されるように、従来の製造方法においては、ＡｌＧａＮバリア層１３を成長するときの基板温度が一定とされる。この例では、ＡｌＧａＮバリア層１３成長時の基板温度が、ＧａＮバッファ層１２成長時の基板温度（１０６０℃）と同じとされている。
【００２８】
図８（ａ）は、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度を一定として作製された従来のＨＥＭＴにおける、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成と最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘとの関係をプロットした例を示すグラフである。図８（ａ）において、縦軸は最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘ（単位：ｍＡ／ｍｍ）を表し、横軸はＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成（単位：％）を表す。図８（ａ）を参照すると、ＡｌＧａＮバリア層１３中のＡｌ組成が大きいほど、最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘが大きくなっていることがわかる。
【００２９】
しかしながら、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成が大きくなると、ＡｌＧａＮバリア層１３とその上のＧａＮキャップ層１４との間のピエゾ電荷の量も増大し、また、ＧａＮバッファ層との間の格子不整も大きくなり、ピンチオフリーク電流が増大してしまうという問題がある。図８（ｂ）は、従来のＨＥＭＴにおける、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成とピンチオフリーク電流との関係をプロットした例を示すグラフである。図８（ｂ）において、縦軸はピンチオフリーク電流（単位：Ａ）を表し、横軸はＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成（単位：％）を表す。図８（ｂ）を参照すると、ＡｌＧａＮバリア層１３中のＡｌ組成が大きいほど、ピンチオフリーク電流が大きくなっていることがわかる。
【００３０】
なお、ＡｌＮ核生成層１１からＧａＮバッファ層１２までの厚さを薄くする（例えば１μｍ以下）ことによりピンチオフリーク電流を低減することもできるが、その場合のピンチオフリーク電流低減効果はＡｌ組成が比較的小さい場合に限られる。従って、最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘを十分に大きくすることができない。また、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度をＧａＮバッファ層１２の成長温度よりも低くすることも考えられる。ＧａＮバッファ層１２の成長温度が低くなることから、ＧａＮバッファ層１２における不純物、特にアクセプタとして働く炭素の取り込み量が増えるので、ピンチオフリーク電流を低減できる。しかしながら、ＧａＮバッファ層１２の成長温度が低くなると結晶性が低下し、表面ピット密度が増大するので、ＨＥＭＴの動作特性が劣化してしまう。
【００３１】
上述した課題に対し、本発明者は、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長終了時点の第２の温度Ｔ２を成長開始時点の第１の温度Ｔ１よりも低くし、成長途中において第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２まで単調に減少させることにより、ピンチオフリークを抑制しつつ最大ドレイン電流を増大させ得ることを実験的に見出した。
【００３２】
図５（ａ）は、本実施形態により作製されたＨＥＭＴ２Ａ（ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成：０．２１％）における、第２の温度Ｔ２と第１の温度Ｔ１との温度差（Ｔ２−Ｔ１）と、ピンチオフリーク電流との関係をプロットした例を示すグラフである。図５（ａ）において、縦軸はピンチオフリーク電流（単位：Ａ）を表し、横軸は温度Ｔ２と温度Ｔ１との温度差（単位：℃）を表す。図５（ａ）を参照すると、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が大きいほど、ピンチオフリーク電流が減少していることがわかる。具体的には、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が８℃である場合、ピンチオフリーク電流が一桁減少している。
【００３３】
一方、図５（ｂ）は、本実施形態により作製されたＨＥＭＴ２Ａ（ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成：２１％）における、温度差（Ｔ２−Ｔ１）と、従来のＨＥＭＴに対する最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの相対値との関係をプロットした例を示すグラフである。最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの相対値は、従来のＨＥＭＴの最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘを１００％として算出している。図５（ｂ）において、縦軸は最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの相対値（単位：％）を表し、横軸は温度Ｔ２と温度Ｔ１との温度差（単位：℃）を表す。図５（ｂ）を参照すると、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が大きくなっても、最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの低下は僅かであることがわかる。特に、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が８℃以下であれば、最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの低下は約２％と極めて小さい。
【００３４】
本発明者は、このような現象を次の理由によると推測する。すなわち、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度を成長途中において徐々に低下させると、ＧａＮの成長レートがＡｌＮの成長レートに対して相対的に増加するので、ＧａＮバッファ層１２とＡｌＧａＮバリア層１３との界面からＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮキャップ層１４との界面に向けて、ＡｌＧａＮバリア層１３中のＡｌ組成が小さくなっていると考えられる。そのため、ＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮキャップ層１４との界面における格子定数の違いに起因する界面近傍の応力が緩和され、結果としてＧａＮバッファ層に生ずる格子歪も減少し、ピンチオフリーク電流が抑制されたと考えられる。
【００３５】
本実施形態のように、工程Ｓ３において、ＧａＮバッファ層１２の成長温度を第１の温度Ｔ１で一定としてもよい。これにより、ＧａＮバッファ層１２を安定して成長させることができる。
【００３６】
本実施形態のように、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との差は１０℃以下であってもよく、５℃以下であってもよい。このように小さな温度差であっても、上述した本実施形態の効果を得ることができる。従って、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度を高温に保ち、ＡｌＧａＮの結晶品質を良好にすることができる。また、温度差が１０℃以下であることにより、図５（ｂ）に示されたように、最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘの低下割合を５％以下といった小さな値に抑えることができる。
【００３７】
本実施形態のように、工程Ｓ４において、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長途中における降温率は一定でもよい。これにより、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長温度を容易に制御することができる。
【００３８】
本実施形態のように、工程Ｓ４において、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成を２０％以上２２％以下としてもよい。ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成を２２％以下とすることにより、ＧａＮバッファ層１２上にＡｌＧａＮバリア層１３を結晶性良くエピタキシャル成長できる。また、ＡｌＧａＮバリア層１３のＡｌ組成を２０％以上とすることにより、十分な最大ドレイン電流Ｉｆｍａｘを得ることができる。
【００３９】
（変形例）
図６は、上記実施形態の一変形例に係る基板温度の時間変化を示すグラフである。図６において、横軸は時間を表し、縦軸は基板温度を表す。この変形例では、ＧａＮバッファ層１２を成長する際の基板温度の変化が上記実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態のＧａＮバッファ層１２の成長工程Ｓ３は、期間Ｐ４１と、期間Ｐ４１の後の期間Ｐ４２とを含む。期間Ｐ４１では、ＧａＮバッファ層１２の成長温度を第１の温度Ｔ１（例えば１０５９℃）よりも高い第３の温度Ｔ３（例えば１０６０℃）で一定とする。期間Ｐ４２では、ＧａＮバッファ層１２の成長温度を第３の温度Ｔ３から第１の温度Ｔ１まで単調に減少させる。期間Ｐ４２において成長するＧａＮバッファ層１２の厚さの割合は、例えばＧａＮバッファ層１２全体の５％〜２５％である。期間Ｐ４２における降温率（温度勾配）は、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長工程Ｓ４における降温率と等しくてもよい。また、期間Ｐ４２における降温率は一定であってもよい。
【００４０】
本変形例においても、ＡｌＧａＮバリア層１３の成長終了時点の第２の温度Ｔ２を、成長開始時点の第１の温度Ｔ１よりも低くし、成長途中において第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２まで単調に減少させている。従って、ピンチオフリークを抑制しつつ最大ドレイン電流を増大させることができる。また、ＧａＮバッファ層１２の成長途中から高温を開始することで、徐々に結晶性を維持しながらＧａＮ中に取り込まれる炭素量を増やすことができる。炭素はＧａＮ中ではアクセプタとして働くため、余分な電子を捕獲することにより、よりリーク電流を抑制する効果が得られる。
【００４１】
本発明による半導体装置の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では半導体装置としてエピタキシャルウエハ及びＨＥＭＴを例示しているが、本発明の半導体装置はこれに限られず、ＧａＮバッファ層、ＡｌＧａＮバリア層、及びＧａＮキャップ層を備える様々な窒化物系半導体デバイスにも適用可能である。また、上記実施形態では基板としてＳｉＣ基板を用いているが、ＧａＮバッファ層、ＡｌＧａＮバリア層、及びＧａＮキャップ層をエピタキシャル成長可能なものであれば他の種類の基板を用いてもよい。また、上記実施形態及び変形例では、第１の温度を１０６０℃（或いは１０５９℃）とし、第２の温度を１０５５℃とする場合を例示しているが、これらの温度はあくまで一例に過ぎず、Ｔ１＞Ｔ２を満たす任意の温度を選択することができる。また、上記実施形態及び変形例ではＡｌＧａＮバリア層を成長する際の降温率を一定としているが、降温率は成長途中において変化してもよい。
【００４２】
また、上記実施形態ではＡｌＮ核生成層とＧａＮバッファ層とが互いに接しているが、ＡｌＮ核生成層とＧａＮバッファ層との間に別の層が設けられてもよい。また、上記実施形態ではＧａＮバッファ層とＡｌＧａＮバリア層とが互いに接しているが、ＧａＮバッファ層とＡｌＧａＮバリア層との間に別の層が設けられてもよい。その場合、ＡｌＧａＮバリア層の成長開始温度である第１の温度は、当該別の層の成長温度と等しくてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ…エピタキシャルウエハ、２Ａ…ＨＥＭＴ、１０…ＳｉＣ基板、１０ａ…表面、１１…ＡｌＮ核生成層、１２…ＧａＮバッファ層、１２ａ…チャネル領域、１３…ＡｌＧａＮバリア層、１４…ＧａＮキャップ層、２１…ゲート電極、２２…ソース電極、２３…ドレイン電極。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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