(57)【要約】【課題】  製造時の応力を緩和して結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびパワーデバイスを提供することである。【解決手段】  この製造方法においては、自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１面１１０ａを有する基板１１０を用いる。窒素ガスをプラズマ化して基板１１０に供給するとともにＩｎを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給することにより、基板１１０の第１面１１０ａの上にＩｎＮ層Ａ１を形成する。ＩｎＮ層Ａ１の上に第１バッファ層１２０を成長させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１面を有する基板を用い、
窒素ガスをプラズマ化して前記基板に供給するとともにＩｎを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記基板に供給することにより、前記基板の前記第１面の上にＩｎＮ層を形成し、
前記ＩｎＮ層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記ＩｎＮ層を０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下の膜厚で成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
０℃以上１００℃以下の基板温度で前記ＩｎＮ層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記ＩｎＮ層の上に３００℃以上５００℃以下の基板温度で第１のIII 族窒化物半導体層を形成し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に６００℃以上９００℃以下の基板温度で第２のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
第１面を有する基板と、
前記基板の前記第１面の上の第１のIII 族窒化物半導体層と、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上の第２のIII 族窒化物半導体層と、
を有するパワーデバイスにおいて、
前記基板の前記第１面の自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層はＩｎを含有しており、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の膜厚が５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であること
を特徴とするパワーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体素子の製造方法およびパワーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、その組成を変化させることにより、バンドギャップが０．６ｅＶから６ｅＶまで変化する。そのため、III 族窒化物半導体は、近赤外から深紫外までの広い範囲の波長に相当する発光素子や、レーザーダイオード、受光素子等に応用されている。
【０００３】
また、III 族窒化物半導体では、破壊電界強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
【０００４】
III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。ＭＯＣＶＤ法では、大量のアンモニアガスを用いる。そのため、ＭＯＣＶＤ炉にアンモニアを除外する除害装置を設ける必要がある。また、アンモニアのランニングコストも高い。そして、有機金属ガスとアンモニアとの反応により半導体層を形成する。この反応を起こすために、基板温度を高温にする必要がある。基板温度が高いと、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を高品質に成長させることは難しい。また、成長基板と半導体層との熱膨張差の違いにより、そりが発生しやすい。
【０００５】
また、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が挙げられる。ＭＢＥ法では、低い成長温度でIII 族窒化物半導体を成長させることができる。しかし、ラジカルソースを用いるＲＦ−ＭＢＥ法では、成長速度が遅い。すなわち、ＲＦ−ＭＢＥ法は、量産に向かない。アンモニアガスを用いるＭＢＥ法では、大量のアンモニアガスを使用するため、製造コストが高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０９９８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明者らは、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を開発した（特許文献１参照）。ＡｌやＧａを主成分とするIII 族窒化物半導体層を成膜する際には、比較的高い温度で成膜を実施する。そのため、基板と半導体層との熱膨張係数差に起因する応力が発生する。このようにIII 族窒化物半導体層は製造時において基板からの応力を受けるため、高品質な結晶を成長させることは容易ではない。
【０００８】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、製造時の応力を緩和して結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびパワーデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１面を有する基板を用いる。窒素ガスをプラズマ化して基板に供給するとともにＩｎを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板に供給することにより、基板の第１面の上にＩｎＮ層を形成する。ＩｎＮ層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる。
【００１０】
このIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、島状に成長しやすいＩｎＮ層が成長基板の上に好適に成長する。そのため、ＩｎＮ層の上に成長させるIII 族窒化物半導体層の結晶性は優れている。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書では、製造時の応力を緩和して結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびパワーデバイスが提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態におけるＭＩＳ型半導体素子の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置の概略構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】Ｓｉ（１１１）基板上のＧａＮ層のＸ線回折の強度を示すグラフ（３次元表示）である。
【図５】Ｓｉ（１１１）基板上のＧａＮ層のＸ線回折の強度を示すグラフ（２次元表示）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体素子の製造方法およびパワーデバイスを例に挙げて図を参照しつつ説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
１．ＭＩＳ型半導体素子
図１は、第１の実施形態のパワーデバイス１００の概略構成図である。パワーデバイス１００はＭＩＳ型半導体素子である。図１に示すように、パワーデバイス１００は、基板１１０と、第１バッファ層１２０と、第２バッファ層１３０と、ＧａＮ層１４０と、ＡｌＧａＮ層１５０と、絶縁膜１６０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有する。
【００１５】
基板１１０は、Ｓｉ（１１１）基板である。基板１１０は、第１面１１０ａを有する。第１面１１０ａは、半導体層を成長させるための主面である。基板１１０の第１面１１０ａの自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は、ＪＩＳの表面粗さＲｑに相当する。第１バッファ層１２０の膜厚は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００１６】
後述するように、基板１１０の第１面１１０ａが比較的粗い。そのため、結晶性に優れたＧａＮ層等を成長させることができる。
【００１７】
第１バッファ層１２０は、第１のIII 族窒化物半導体層である。第１バッファ層１２０は例えば、わずかにＩｎを含むＩｎＧａＮ層である。第１バッファ層１２０は、Ｉｎを含有している。製造時においてわずかにＩｎが第１バッファ層１２０に混入するためである。第１バッファ層１２０は、基板１１０の第１面１１０ａの上に形成されている。
【００１８】
第２バッファ層１３０は、第２のIII 族窒化物半導体層である。第２バッファ層１３０は例えばＧａＮ層である。第２バッファ層１３０は、第１バッファ層１２０の上に形成されている。
【００１９】
ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層１５０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層１５０の溝１５１との間には、絶縁膜１６０がある。
【００２０】
２．III 族窒化物半導体素子の製造装置
図２は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、少なくとも窒素ガスを含むガスをプラズマ化してプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
【００２１】
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
【００２２】
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
【００２３】
サセプター１２００は、基板１１０を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板１１０は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
【００２４】
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板１１０に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
【００２５】
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板１１０に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給する。第２のガスは窒素ガスのみであってもよい。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
【００２６】
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている基板１１０に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚をずらして配置されている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。
【００２７】
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
【００２８】
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
【００２９】
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。
【００３０】
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板１１０に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板１１０に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００３１】
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、基板１１０に到達しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板１１０に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００３２】
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板１１０を加熱するためのものである。
【００３３】
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
【００３４】
３．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、０℃以上１０００℃以下の範囲内である。また、基板温度は、室温以上であってもよい。製造装置１０００の内圧は、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内である。
【００３５】
［表１］
ＲＦパワー        １００Ｗ以上      １０００Ｗ以下
周波数          ３０ＭＨｚ以上    ３００ＭＨｚ以下
基板温度              ０℃以上      １０００℃以下
内圧              １０Ｐａ以上    １０００Ｐａ以下
【００３６】
４．半導体素子の製造方法
本実施形態の半導体素子の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。ＲＥＭＯＣＶＤ法とは、III 族金属を含有する第１のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給し、少なくとも窒素ガスを含む第２のガスをプラズマ化して成長基板に供給し、半導体層を成長させる方法である。
【００３７】
４−１．基板準備工程
自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１面１１０ａを有する基板１１０を準備する。基板１１０として、例えば、Ｓｉ（１１１）基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。粗面化された基板１１０を用いるために、例えば、基板１１０の最終仕上げの段階において基板１１０の第１面１１０ａの研磨を途中で停止すればよい。または、研磨した後に、エッチング等により凹凸を形成してもよい。
【００３８】
４−２．基板のクリーニング
基板１１０を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板１１０の表面を還元するとともに、基板１１０の表面をクリーニングする。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。なお、基板１１０を製造装置１０００の内部に配置する前に、アセトン、イソプロピルアルコール、純水、ＨＦ等により基板１１０を洗浄してもよい。
【００３９】
４−３．半導体層形成工程
次に、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
【００４０】
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板１１０に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板１１０までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板１１０まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板１１０に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。通常のアンモニアに比べて、これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物の反応性は高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
【００４１】
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。これらのガスは、基板１１０に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板１１０に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板１１０に供給される。
【００４２】
４−３−１．ＩｎＮ層形成工程
基板温度を０℃以上１００℃以下の範囲内にする。例えば、室温であってもよい。第１のガス供給管１３００のリング部１３１０からＴＭＩ（トリメチルインジウム）を流す。一方、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスを流すとともに窒素ガスをプラズマ化する。なお、水素ガスについては流さない。これにより、基板１１０の第１面１１０ａの上にＩｎＮ層Ａ１が形成される（図３参照）。ＩｎＮ層Ａ１の膜厚は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下である。つまり、数原子層である。
【００４３】
４−３−２．第１バッファ層形成工程（第１のIII 族窒化物半導体層形成工程）
図３に示すように、ＩｎＮ層Ａ１を分解することなくＩｎＮ層Ａ１の上に第１バッファ層１２０を形成する。第１バッファ層１２０は、例えばＩｎをわずかに含むＩｎＧａＮ層である。基板温度は３００℃以上５００℃以下である。第１のガス供給管１３００のリング部１３１０からＴＭＧ（トリメチルガリウム）を流す。一方、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスを流すとともに窒素ガスをプラズマ化する。これにより、ＩｎＮ層Ａ１の上に第１バッファ層１２０が形成される（図３参照）。第１バッファ層１２０は、基板１１０の第１面１１０ａの凹凸をほぼ埋める。第１バッファ層１２０の膜厚は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００４４】
４−３−３．第２バッファ層形成工程（第２のIII 族窒化物半導体層形成工程）
次に、第１バッファ層１２０の上に第２バッファ層１３０を形成する。第２バッファ層１３０は、例えばＧａＮ層である。基板温度は６００℃以上９００℃以下である。そのために、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０からＴＭＧ（トリメチルガリウム）を流す。一方、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。この工程における基板温度が高いため、第２バッファ層１３０を成長させる間にＩｎＮ層Ａ１は分解し、蒸発する。これにより、基板１１０の上に第１バッファ層１２０が形成され、第１バッファ層１２０の上に第２バッファ層１３０が形成される。また、ＩｎＮ層Ａ１が分解した後には、Ｉｎが第１バッファ層１２０に混入すると考えられる。
【００４５】
４−３−４．ＧａＮ層形成工程
第２バッファ層１３０の上にＧａＮ層１４０を成長させる。基板温度は６００℃以上９００℃以下である。そのために、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０からＴＭＧ（トリメチルガリウム）を流す。一方、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。
【００４６】
４−３−５．ＡｌＧａＮ層形成工程
ＧａＮ層１４０の上にＡｌＧａＮ層１５０を成長させる。基板温度は６００℃以上９００℃以下である。そのために、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０からＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を流す。一方、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。
【００４７】
４−４．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層１５０に溝１５１を形成する。
【００４８】
４−５．絶縁膜形成工程
次に、溝１５１に、絶縁膜１６０を形成する。絶縁膜１６０は例えばＳｉＯ2 である。もちろん、これ以外の材質であってもよい。
【００４９】
４−６．電極形成工程
次に、ＡｌＧａＮ層１５０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、溝１５１の箇所に、絶縁膜１６０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜１６０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子１００が製造される。
【００５０】
５．本実施形態の技術的意義
本実施形態では、基板とそれより上層のＧａＮ層との間の応力を緩和させるために、基板とＧａＮ層との間に数原子層のＩｎＮ層を形成する。この原子層は、製造途中で分解される。ＩｎＮ層は高温条件下で分解されやすい。そのため、ＩｎＮ層を成膜する際の基板温度は０℃以上１００℃以下である。この温度はＧａＮ層の成膜温度に比べて十分に低い。そのため、ＩｎＮ層を成膜する際のＩｎが有する運動エネルギーは、ＧａＮ層を成膜する際のＧａが有する運動エネルギーに比べて小さい。
【００５１】
ＧａＮ層を成膜する際には、Ｇａ粒子が基板の表面を好適に動き回る。これはＧａ粒子が比較的高い運動エネルギーをもって基板に衝突するためであると考えられる。一方、Ｉｎ粒子は比較的低い運動エネルギーをもって基板に衝突する。そのため、Ｉｎ粒子は基板の上をあまり動き回らないと考えられる。実際、ＩｎＮ層は基板の表面に島状に成長する。
【００５２】
本実施形態では、Ｉｎが偶然付着した点からＩｎＮ層が島状に成長する起点を増やすため、基板の表面を荒らしている。これにより、基板の表面積が有効に増え、原子間力も強くなると考えられる。したがって、非常に薄いＩｎＮ層を比較的均一に成膜できると考えられる。
【００５３】
また、Ｓｉ（１１１）基板とＧａＮとの間の格子定数のミスマッチを薄いＩｎＮ層が緩和していることも考えられる。そのため、ＩｎＮ層が分解された後であっても、Ｓｉ（１１１）基板とＧａＮとの間で応力がそれほど発生しない。
【００５４】
６．変形例
６−１．デバイスの種類
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＭＩＳ型のパワーデバイス１００に限らず適用することができる。また、パワーデバイス以外のその他の半導体素子を製造する際に適用することができる。
【００５５】
６−２．リング部の貫通孔
本実施形態では、第１のガス供給管１３００は、リング部１３１０の内側に貫通孔を有することとした。しかし、この貫通孔の位置を、リングの内側でかつ下向きにしてもよい。リング部１３１０を含む面と、貫通孔の開口部の方向とのなす角の角度は、例えば４５°である。この角の角度は、例えば、０°以上６０°以下の範囲内で変えてもよい。この角度は、もちろん、リング部１３１０の径や、リング部１３１０とサセプター１２００との間の距離にも依存する。また、貫通孔の数は、１以上であればよい。もちろん、リング部１３１０に、等間隔で貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００５６】
７．本実施形態のまとめ
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、数原子層に相当するＩｎＮ層Ａ１を成膜し、その上にＧａＮ層を成膜する。ＩｎＮ層Ａ１は島状に形成されやすい。そのため、基板１１０の第１面１１０ａは、従来の基板の表面に比べて荒れている。基板１１０の第１面１１０ａの自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。したがって、ＩｎＮ層Ａ１は、基板１１０の第１面１１０ａの表面に薄い膜厚で一様に形成される。
【実施例】
【００５７】
１．サンプルの作製
６種類のＳｉ（１１１）基板を準備した。そして、それぞれのＳｉ（１１１）基板の上に数原子層のＩｎＮ層を形成し、その上に第１バッファ層１２０（ＧａＮ層）を形成し、その上に第２バッファ層１３０（ＧａＮ層）を形成した。基板の表面粗さ以外の条件は、全てのサンプルに共通である。サンプルを表２にまとめる。ここで、オフアングル基板においては、表面が（１１１）面から１°程度傾斜している。
【００５８】
［表２］
サンプル    基板の種類          表面粗さ
実施例１    Ｓｉ（１１１）      ２．５ｎｍ
実施例２    Ｓｉ（１１１）      ３．５ｎｍ
実施例３    Ｓｉ（１１１）          ５ｎｍ
実施例４    Ｓｉ（１１１）        １０ｎｍ
比較例１    Ｓｉ（１１１）      オフアングル
比較例２    Ｓｉ（１１１）      ノーオフアングル
【００５９】
２．結果
サンプルについてＸ線回折を実施した。図４はＳｉ（１１１）基板上のＧａＮ層のＸ線回折の強度を示すグラフ（３次元表示）である。図５はＳｉ（１１１）基板上のＧａＮ層のＸ線回折の強度を示すグラフ（２次元表示）である。図４および図５の横軸は２θ／θ（ｄｅｇｒｅｅ）である。図４および図５の縦軸は強度（ｃｐｓ）である。
【００６０】
図４および図５には、実施例１−３、比較例１、２がプロットされている。実施例１−３においては、強度が４００ｃｐｓ以上である。比較例１、２においては、強度が１５０ｃｐｓ以下である。また、図４および図５にプロットされていないが、実施例４の強度は２５０ｃｐｓ程度である。そのため、基板１１０の第１面１１０ａの自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるとよい。
【００６１】
このように、表面の粗い基板の上に数原子層のＩｎＮ層を積層することにより、上層のＧａＮを結晶性よく積層することができる。なお、図４および図５において、ＩｎＮ層のピークは観測されなかった。ＩｎＮ層を成膜の途中で分解しているため、基板からの応力がIII 族窒化物半導体に伝わりにくい。第１バッファ層１２０と基板１１０との間で応力が十分に緩和される。
【００６２】
Ａ．付記
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１面を有する基板を用いる。窒素ガスをプラズマ化して基板に供給するとともにＩｎを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板に供給することにより、基板の第１面の上にＩｎＮ層を形成する。ＩｎＮ層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる。
【００６３】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、ＩｎＮ層を０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下の膜厚で成長させる。
【００６４】
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、０℃以上１００℃以下の基板温度でＩｎＮ層を成長させる。
【００６５】
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、ＩｎＮ層の上に３００℃以上５００℃以下の基板温度で第１のIII 族窒化物半導体層を形成する。第１のIII 族窒化物半導体層の上に６００℃以上９００℃以下の基板温度で第２のIII 族窒化物半導体層を形成する。
【００６６】
第５の態様におけるパワーデバイスは、第１面を有する基板と、基板の第１面の上の第１のIII 族窒化物半導体層と、第１のIII 族窒化物半導体層の上の第２のIII 族窒化物半導体層と、を有する。基板の第１面の自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１のIII 族窒化物半導体層はＩｎを含有している。第１のIII 族窒化物半導体層の膜厚が５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【符号の説明】
【００６７】
１００…パワーデバイス
１１０…基板
１１０ａ…第１面
１２０…第１バッファ層
１３０…第２バッファ層
１４０…ＧａＮ層
１５０…ＡｌＧａＮ層
１６０…絶縁膜
Ｓ１…ソース電極
Ｇ１…ゲート電極
Ｄ１…ドレイン電極
Ａ１…ＩｎＮ層
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス
【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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