(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面近傍に存在し、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であり、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上となる高炭素領域が、前記第２層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である、窒化物半導体基板。
【請求項２】
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面にまたがって存在し、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上となる高炭素領域が、前記第２層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である、窒化物半導体基板。
【請求項３】
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面にまたがって存在し、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であり、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上となる高炭素領域が、前記第２層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である、窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記第１層の平均炭素濃度は、２×１０１９ｃｍ−３以上８×１０１９ｃｍ−３以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
前記第２層の平均水素濃度は、前記第１層の平均水素濃度の１５％以上１００％以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
【請求項６】
前記第２層の平均酸素濃度は、１×１０１６ｃｍ−３未満である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
【請求項７】
前記第２層の前記下層部分の平均炭素濃度は、前記第１層の平均炭素濃度より低い請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
【請求項８】
前記低炭素領域の厚さが、前記第２層の厚さの２％以上５０％以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板として、下地基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板がある。窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ半導体であり、優れた絶縁破壊強度を有している。そのため、窒化物半導体を、高い耐圧が要求される半導体デバイスへ適用することが検討されている。例えば、特許文献１には、下地基板としてシリコン基板を用い、シリコン基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−８８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における結晶性を向上させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低い、窒化物半導体基板が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における結晶性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体基板１００の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体基板１００の不純物濃度プロファイルと、アルミニウム（Ａｌ）組成プロファイルとの一例である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体基板１００の製造方法に用いられる結晶成長装置３００の概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体基板１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る応力発生層形成工程Ｓ１０４、表面改質工程Ｓ１０５および高抵抗層形成工程Ｓ１０６における成長条件の制御の一例を概念的に示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜発明者の得た知見＞
まず、発明者が得た知見について説明する。
【０００９】
パワーデバイス等に用いられる窒化物半導体基板としては、高耐圧であることが求められる。シリコン基板上に窒化物半導体を、例えば、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長させる場合、有機金属原料中の炭素を取り込んでアクセプタとすることで、高耐圧化を実現している。
【００１０】
しかしながら、窒化物半導体結晶中の炭素濃度が高くなると、結晶性が悪化する可能性がある。結晶性の悪化は、半導体デバイスの性能や寿命を低下させるため、耐圧を確保しつつ、結晶性を向上させる技術が望まれている。
【００１１】
本願発明者は、上述のような事象に対して鋭意研究を行った。その結果、耐圧を確保するための高抵抗層を形成する前に、窒化物半導体結晶の表面を改質する工程を行うことで、耐圧を確保しつつ、結晶性を向上できることを見出した。
【００１２】
［本発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の一実施形態を、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およ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。
【００１３】
＜本発明の第１実施形態＞
（１）窒化物半導体基板１００の構成
まず、本実施形態の窒化物半導体基板１００の構成について説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の窒化物半導体基板１００の概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体基板１００は、例えば、シリコン基板１１０と、シリコン基板１１０上に積層された窒化物半導体層１２０と、を有している。
【００１５】
シリコン基板１１０は、窒化物半導体層１２０をヘテロエピタキシャル成長させるための下地基板である。シリコン基板１１０としては、例えば、直径が１５０ｍｍ以上の大口径のものを使用することができる。また、シリコン基板１１０としては、例えば、ホウ素がドープされたｐ型のものを用いることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の反りを制御しやすくなる。なお、シリコン基板１１０の厚さは、窒化物半導体基板１００の用途に応じて任意に設計することができる。また、シリコン基板１１０の比抵抗は、例えば、０．０２Ω・ｃｍ以上２００Ω・ｃｍ以下である。
【００１６】
窒化物半導体層１２０は、例えば、図１に示すように、シリコン基板１１０側から順に、反応抑制層１３０と、中間層１４０と、第１層としての応力発生層１５０と、第２層としての高抵抗層１６０と、第３層としての低抵抗層１７０と、バリア層１８０と、を備えている。
【００１７】
反応抑制層１３０は、例えば、シリコン基板１１０上に形成され、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含む層（好ましくはＡｌＮで構成される層）である。反応抑制層１３０は、シリコン基板１１０と中間層１４０との間に介在することで、シリコン基板１１０に含まれるシリコン（Ｓｉ）と中間層１４０に含まれるガリウム（Ｇａ）との反応（合金化）を抑制する。なお、反応抑制層１３０を構成する材料として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）を用いてもよい。また、反応抑制層１３０とシリコン基板１１０との間にＳｉＮｙ（１≦ｙ≦２）からなる層を挟んでもよい。反応抑制層１３０は、反応抑制層１３０よりも上方に成長される窒化物半導体層１２０の初期核を形成する働きも有する。反応抑制層１３０の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００１８】
中間層１４０は、例えば、反応抑制層１３０上に形成され、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）を含む層（ＩＩＩ族元素としてＡｌおよびＧａを含むＡｌＧａＮで構成された層）である。中間層１４０は、反応抑制層１３０に形成された初期核を拡大し、反応抑制層１３０の上面よりも平坦な上面を有することで、中間層１４０の上方に成長される応力発生層１５０の下地面を構成する。中間層１４０のＡｌ組成は、反応抑制層１３０のＡｌ組成よりも小さい値に選択される。中間層１４０の厚さは、例えば、４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。中間層１４０は、反応抑制層１３０に対しコヒーレントに成長していることが好ましいが、反応抑制層１３０に対し完全にコヒーレント成長していることが必須ではなく、格子緩和が生じていてもよい。
【００１９】
応力発生層１５０は、組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される。応力発生層１５０は、例えば、中間層１４０上に形成され、窒化物半導体基板１００全体の反りを低減するための圧縮応力を発生させる層である。ＡｌＧａＮ組成の異なる窒化物半導体結晶層が繰り返し積層されることにより、応力発生層１５０において上方に形成される層に圧縮応力を発生させることができ、窒化物半導体基板１００全体での反りを低減させることができる。
【００２０】
応力発生層１５０は、例えば、図１に示すように、ＡｌＧａＮ組成の異なる第１の窒化物半導体結晶層１５１および第２の窒化物半導体結晶層１５２が交互に積層された多重結晶層１５３が繰り返し積層された歪超格子（Ｓｔｒａｉｎｅｄ−Ｌａｙｅｒ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ、ＳＬＳ）構造を有する。第１の窒化物半導体結晶層１５１は、例えば、バルク結晶における格子定数がａ１であるＩＩＩ族窒化物結晶から形成される。第２の窒化物半導体結晶層１５２は、例えば、バルク結晶における格子定数が第１の窒化物半導体結晶層１５１の格子定数ａ１よりも大きなａ２（ａ１＜ａ２）であるＩＩＩ族窒化物結晶から形成される。第１の窒化物半導体結晶層１５１および第２の窒化物半導体結晶層１５２のそれぞれのＡｌＧａＮ組成は、格子定数の関係がａ１＜ａ２となれば特に限定されない。例えば、第１の窒化物半導体結晶層１５１のＡｌＧａＮ組成は、ＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０．９≦ｐ≦１）であることが好ましい。また、第２の窒化物半導体結晶層１５２は、格子定数ａ２を第１の窒化物半導体結晶層１５１の格子定数ａ１よりも大きくする観点からは第１の窒化物半導体結晶層１５１よりもＧａの比率が高いことが好ましく、例えば、そのＡｌＧａＮ組成は、ＡｌｑＧａ１−ｑＮ（０≦ｑ≦０．３）であることが好ましい。
【００２１】
応力発生層１５０において、第１の窒化物半導体結晶層１５１および第２の窒化物半導体結晶層１５２の各厚さと、多重結晶層１５３の繰り返し数とは、特に限定されず、窒化物半導体基板１００の用途に応じて適宜変更するとよい。例えば、第１の窒化物半導体結晶層１５１の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましく、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第２の窒化物半導体結晶層１５２の厚さは、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることがより好ましい。多重結晶層１５３の積層数は、例えば、２以上５００以下である。なお、応力発生層１５０の最上層は、第１の窒化物半導体結晶層１５１であることが好ましい。これにより、応力発生層１５０の最上層の表面荒れを抑制することができる。
【００２２】
また例えば、応力発生層１５０は、第１の窒化物半導体結晶層１５１および第２の窒化物半導体結晶層１５２に加え、バルク結晶における格子定数がａ３（ａ２＜ａ３）である第３の窒化物半導体結晶層との３層の積層構造としてもよい。また例えば、応力発生層１５０は、バルク結晶における格子定数が、シリコン基板１１０から遠ざかるに従い（上方に行くに従い）連続的またはステップ的に大きくなるグレーディッド結晶層で構成されてもよい。
【００２３】
高抵抗層１６０は、例えば、応力発生層１５０上に形成され、炭素を含むことで主に耐圧を確保するための層であり、その比抵抗は低抵抗層１７０の比抵抗より高い。高抵抗層１６０は、例えば、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）層であり、好ましくはＧａＮ層である。その厚さは、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下（好ましくは、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）である。なお、本明細書において、耐圧とは、特に断りのない限りは窒化物半導体基板１００の厚さ方向の耐圧を意味する。
【００２４】
低抵抗層１７０は、例えば、高抵抗層１６０上に形成され、電子が走行するためのキャリア層であり、その比抵抗は高抵抗層１６０の比抵抗より低い。低抵抗層１７０は、例えば、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）層であり、好ましくはＧａＮ層である。その厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下（好ましくは、５００ｎｍ以下）である。
【００２５】
バリア層１８０は、例えば、低抵抗層１７０上に形成され、低抵抗層１７０に電子を供給するための層である。バリア層１８０は、例えば、ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ≦１、ｂ＜ｃ）層であり、好ましくはＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０．１＜ｃ≦０．３）層である。その厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２６】
（不純物濃度プロファイル）
図２は、本実施形態の窒化物半導体基板１００の炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）および酸素（Ｏ）の不純物濃度プロファイルと、アルミニウム（Ａｌ）組成プロファイルとの一例である。具体的には、図２は、応力発生層１５０の一部と、高抵抗層１６０と、低抵抗層１７０の一部とにおける、深さ方向のＣ、ＨおよびＯの不純物濃度プロファイルと、Ａｌ組成プロファイルとの一例である。本実施形態の不純物濃度プロファイルおよびＡｌ組成プロファイルは、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により測定した。図２において、Ｃ、ＨおよびＯの不純物濃度については、左側の軸（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（Ａｔｏｍｓ／ｃｍ３））の表示により、各不純物濃度を示す。Ａｌ組成については、右側の軸（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｉｏｎ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ））の表示により、Ａｌ組成を、Ａｌ組成に対応するＳＩＭＳのカウント数として示す。なお、図２は、ノイズ的な細かい凹凸を均したプロファイルを示す。ＳＩＭＳの測定条件は、以下の通りである。
イオン源：セシウムイオン（Ｃｓ＋）
イオンエネルギ：１４．５ｋｅＶ
深さ方向分解能：１０〜２０ｎｍ
測定部面積：３０μｍφ
【００２７】
本明細書において、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との界面２００と、高抵抗層１６０と低抵抗層１７０との界面２１０は、ＳＩＭＳの測定値を用いて、それぞれ以下のように定義される。界面２００は、応力発生層１５０の上部２０１における、厚さ方向の平均Ａｌ組成に対して、Ａｌ組成が５０％に減少する位置（すなわち、ＳＩＭＳのカウント数が５０％に減少する位置）とする。界面２１０は、高抵抗層１６０から低抵抗層１７０にかけて、炭素濃度が１×１０１８ｃｍ−３に減少する位置とする。なお、応力発生層１５０の上部２０１とは、界面２００から応力発生層１５０側に、高抵抗層１６０の厚さの１０％から５０％までの範囲を示す。また、本明細書において、界面２００から上下それぞれに、高抵抗層１６０の厚さの１０％分の厚さ以内の領域を、界面近傍２０２と定義する。
【００２８】
図２は、高抵抗層１６０および低抵抗層１７０がＧａＮ層である場合について、不純物濃度プロファイルおよびＡｌ組成プロファイルを示している。なお、高抵抗層１６０および低抵抗層１７０がＧａＮ層であるとは、これらの各層１６０、１７０におけるＡｌ組成が０．００１未満であることを意味する。
【００２９】
高抵抗層１６０中の炭素濃度プロファイルを制御しやすくするために、高抵抗層１６０中のＡｌ組成は一定とすることが好ましい。高抵抗層１６０中のＡｌ組成が一定であるとは、例えば、高抵抗層１６０の厚さ方向の中心に位置し、高抵抗層１６０の厚さの５０％分の厚さを有する部分（中心から上下それぞれに２５％分の厚さの部分、以下、高抵抗層１６０の中央部ともいう）において、Ａｌ組成の変動量が０．００１未満であることを意味する。
【００３０】
（炭素濃度）
図２からわかるように、本実施形態の炭素濃度プロファイルにおいて、界面近傍２０２に特徴的な凹みが観察される。本実施形態の窒化物半導体基板１００は、このような炭素濃度プロファイルを有するため、耐圧を確保しつつ、その結晶性を向上させることができる。以下、本実施形態の炭素濃度プロファイルの詳細について説明する。
【００３１】
応力発生層１５０の平均炭素濃度は、例えば、２×１０１９ｃｍ−３以上８×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させることができる。なお、応力発生層１５０の平均炭素濃度は、応力発生層１５０の上部２０１における、厚さ方向に平均された炭素濃度で規定される。つまり、応力発生層１５０の平均炭素濃度は、応力発生層１５０の上部２０１における平均炭素濃度と言い換えることもできる。
【００３２】
高抵抗層１６０の平均炭素濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させることができる。なお、高抵抗層１６０の平均炭素濃度は、高抵抗層１６０の中央部における、厚さ方向に平均された炭素濃度で規定される。
【００３３】
低抵抗層１７０は、炭素を実質的に含まないことが好ましく、その平均炭素濃度は、高抵抗層１６０の平均炭素濃度より低い。具体的には、低抵抗層１７０の平均炭素濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３未満（より好ましくは、１×１０１７ｃｍ−３未満、さらに好ましくは２×１０１６ｃｍ−３未満）であることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の電気特性を向上させることができる。なお、低抵抗層１７０の平均炭素濃度は、低抵抗層１７０の厚さ方向の中心に位置し、低抵抗層１７０の厚さの５０％分の厚さを有する部分（中心から上下それぞれに２５％分の厚さの部分、以下、低抵抗層１７０の中央部ともいう）における、厚さ方向に平均された炭素濃度で規定される。
【００３４】
高抵抗層１６０の下層部分２２０の平均炭素濃度は、高抵抗層１６０の上層部分２３０の平均炭素濃度より低い。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。なお、高抵抗層１６０の下層部分２２０は、例えば、高抵抗層１６０をその半分の厚さで上下に２分割した際の下側であり、高抵抗層１６０の上層部分２３０は、その上側である。また、下層部分２２０の平均炭素濃度および上層部分２３０の平均炭素濃度は、それぞれの部分の厚さ方向の中心に位置し、それぞれの部分の厚さの５０％分の厚さを有する部分（中心から上下それぞれに２５％分の厚さの部分）における、厚さ方向に平均された炭素濃度で規定される。
【００３５】
高抵抗層１６０の下層部分２２０の平均炭素濃度は、応力発生層１５０の平均炭素濃度より低い。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００３６】
本実施形態の窒化物半導体基板１００において、炭素濃度が応力発生層１５０の平均炭素濃度の７０％以下（好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下）となる低炭素領域２４０が、界面近傍２０２に存在する。これにより、窒化物半導体基板１００の結晶性を向上させることができる。なお、図２のＡ−Ａ線は、応力発生層１５０の平均炭素濃度の７０％を示す線である。
【００３７】
低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値は、例えば、３×１０１８ｃｍ−３以上（より好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、さらに好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）３×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値が３×１０１８ｃｍ−３未満では、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０において充分に炭素濃度を高くすることが困難となり、窒化物半導体基板１００の耐圧が低下する可能性がある。これに対し、低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値を３×１０１８ｃｍ−３以上（より好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、さらに好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）とすることで、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０において充分に炭素濃度を高くすることが可能となり、窒化物半導体基板１００の耐圧の低下を抑制することができる。一方、低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値が３×１０１９ｃｍ−３を超えると、結晶性を向上させる効果が得られ難い。これに対し、低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値を３×１０１９ｃｍ−３以下とすることで、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００３８】
低炭素領域２４０の厚さは、例えば、高抵抗層１６０の厚さの２％以上５０％以下であることが好ましい。低炭素領域２４０の厚さが高抵抗層１６０の厚さの２％未満では、結晶性を向上させる効果が得られ難い。これに対し、低炭素領域２４０の厚さを高抵抗層１６０の厚さの２％以上とすることで、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。一方、低炭素領域２４０の厚さが高抵抗層１６０の厚さの５０％を超えると、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０において充分に炭素濃度を高くすることが困難となり、窒化物半導体基板１００の耐圧が低下する可能性がある。これに対し、低炭素領域２４０の厚さを高抵抗層１６０の厚さの５０％以下とすることで、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０において充分に炭素濃度を高くすることが可能となり、窒化物半導体基板１００の耐圧の低下を抑制することができる。
【００３９】
低炭素領域２４０は、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との界面２００にまたがって存在することが好ましい。すなわち、界面２００が低炭素領域２４０内に存在することが好ましい。これにより、高抵抗層１６０の成長開始時から、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
【００４０】
本実施形態の窒化物半導体基板１００において、炭素濃度が応力発生層１５０の平均炭素濃度の７０％以上（好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上）となる高炭素領域２５０が、高抵抗層１６０の上層部分２３０に存在する。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させることができる。
【００４１】
高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値は、応力発生層１５０の平均炭素濃度と同程度であることが好ましい。具体的には、高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値は、例えば、応力発生層１５０の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下であることが好ましい。高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値が応力発生層１５０の平均炭素濃度の９５％未満では、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させる効果が得られ難い。これに対し、高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値を応力発生層１５０の平均炭素濃度の９５％以上とすることで、窒化物半導体基板１００の耐圧をさらに向上させることができる。一方、高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値が応力発生層１５０の平均炭素濃度の１２０％を超えると、高抵抗層１６０と応力発生層１５０とのキャリア密度差が大きくなるため、窒化物半導体基板１００の電気特性が低下する可能性がある。これに対し、高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値を応力発生層１５０の平均炭素濃度の１２０％以下とすることで、高抵抗層１６０と応力発生層１５０とのキャリア密度差が小さくなるため、窒化物半導体基板１００の電気特性を安定化することができる。
【００４２】
（水素濃度）
図２からわかるように、本実施形態の高抵抗層１６０の不純物濃度プロファイルにおいて、炭素濃度はその値が大きく変化しているのに対して、水素濃度はその変動量が小さい。本実施形態の窒化物半導体基板１００は、このような水素濃度プロファイルを有するため、トラップとして働く欠陥の密度変動を抑制することができる。以下、本実施形態の水素濃度プロファイルの詳細について説明する。
【００４３】
高抵抗層１６０の平均水素濃度は、例えば、応力発生層１５０の平均水素濃度の１５％以上１００％以下である。なお、高抵抗層１６０の平均水素濃度は、高抵抗層１６０の中央部における、厚さ方向に平均された水素濃度で規定される。また、応力発生層１５０の平均水素濃度は、応力発生層１５０の上部２０１における、厚さ方向に平均された水素濃度で規定される。高抵抗層１６０の平均水素濃度が、応力発生層１５０の平均水素濃度の１５％未満では、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との間における、トラップとして働く欠陥の密度変動が大きくなり、窒化物半導体基板１００の電気特性が低下する可能性がある。これに対し、高抵抗層１６０の平均水素濃度を、応力発生層１５０の平均水素濃度の１５％以上とすることで、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との間における、トラップとして働く欠陥の密度変動を抑制することができる。一方、高抵抗層１６０の平均水素濃度が、応力発生層１５０の平均水素濃度の１００％を超えると、例えば、高抵抗層１６０より水素濃度が低い低抵抗層１７０に水素が拡散することで、窒化物半導体基板１００の電気特性が低下する可能性がある。これに対し、高抵抗層１６０の平均水素濃度を、応力発生層１５０の平均水素濃度の１００％以下とすることで、水素の拡散を低減し、窒化物半導体基板１００の電気特性を安定化することができる。
【００４４】
応力発生層１５０の平均水素濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上６×１０１８ｃｍ−３であり、高抵抗層１６０の平均水素濃度を上述の範囲（応力発生層１５０の平均水素濃度の１５％以上１００％以下）とする観点からは、高抵抗層１６０の平均水素濃度は、例えば、４×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００４５】
本実施形態の窒化物半導体基板１００は、高抵抗層１６０の水素濃度がほぼ一定の値となっている。具体的には、高抵抗層１６０の水素濃度の変動量は、例えば、±２０％以下である。本明細書において、高抵抗層１６０の水素濃度の変動量とは、高抵抗層１６０の中央部における、高抵抗層１６０の平均水素濃度に対する水素濃度の変動の割合を意味する。高抵抗層１６０中の厚さ方向における水素濃度の変動量を小さくすることで、トラップとして働く欠陥の厚さ方向における密度変動を抑制することができる。このような窒化物半導体基板１００を用いて半導体デバイスを製造した場合、その寿命および性能を向上させることができる。
【００４６】
（酸素濃度）
図２からわかるように、本実施形態の高抵抗層１６０の不純物濃度プロファイルにおいて、炭素濃度はその値が大きく変化しているのに対して、酸素濃度はその変動量が小さい。本実施形態の窒化物半導体基板１００は、このような酸素濃度プロファイルを有するため、電気特性を安定化することができる。以下、本実施形態の水素濃度プロファイルの詳細について説明する。
【００４７】
高抵抗層１６０の平均酸素濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ−３未満である。なお、高抵抗層１６０の平均酸素濃度は、例えば、高抵抗層１６０の中央部における、厚さ方向に平均された酸素濃度で規定される。高抵抗層１６０中で酸素はドナーとして働くため、高抵抗層１６０の平均酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上では、窒化物半導体基板１００の耐圧が低下する可能性がある。これに対し、高抵抗層１６０の平均酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３未満とすることで、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させることができる。なお、高抵抗層１６０の平均酸素濃度の下限は、特に限定されないが、１×１０１５ｃｍ−３以上であることが例示される。
【００４８】
本実施形態の窒化物半導体基板１００は、高抵抗層１６０の酸素濃度がほぼ一定の値となっている。具体的には、高抵抗層１６０の酸素濃度の変動量は、例えば、±５０％以下である。本明細書において、高抵抗層１６０の酸素濃度の変動量とは、高抵抗層１６０の中央部における、高抵抗層１６０の平均酸素濃度に対する酸素濃度の変動の割合を意味する。高抵抗層１６０中の厚さ方向における酸素濃度の変動量を小さくすることで、窒化物半導体基板１００の電気特性を安定化することができる。
【００４９】
（２）窒化物半導体基板１００の製造方法
次に、本実施形態の窒化物半導体基板１００の製造方法について説明する。
【００５０】
（結晶成長装置３００）
図３は、窒化物半導体基板１００の製造方法に用いられる結晶成長装置３００の概略構成図である。図３に示すように、結晶成長装置３００は、反応炉３１０と、制御部３７０とを備えている。反応炉３１０内には、シリコン基板１１０を載置するためのサセプタ３２０が配置されている。サセプタ３２０の上方には、サセプタ３２０の上面と相互に間隔をあけて対向するように、石英（酸化シリコン）からなる天板３４２が支持固定されている。
【００５１】
サセプタ３２０と天板３４２との間に区画形成される空間３５０は、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１、Ｖ族原料ガスＧａ２およびキャリアガスＧｂ１が供給される流路となる。ＩＩＩ族原料ガスＧａ１とともに供給されるキャリアガスと、Ｖ族原料ガスＧａ２とともに供給されるキャリアガスと、をまとめて、キャリアガスＧｂ１と表す。天板３４２のサセプタ３２０と反対側に配置される、天板３４２と反応炉３１０の内壁との間の空間３５１は、天板３４２を冷却する冷却ガスＧｂ２が供給される流路となる。ガスＧａ１、Ｇａ２、Ｇｂ１およびＧｂ２のそれぞれの流量および組成は、制御部３７０に制御される流量調整機構（図示せず）により調整される。図３では、紙面の左から右へガスＧａ１、Ｇａ２、Ｇｂ１およびＧｂ２が流れる。
【００５２】
サセプタ３２０上に石英からなるサセプタカバー３４１が載置される。サセプタカバー３４１は、サセプタ３２０が原料ガスにより汚染されないようにサセプタ３２０を被覆保護する機能等を有する。サセプタカバー３４１には、開口部３３１が設けられており、開口部３３１内に、シリコン基板１１０が載置される。図３は、シリコン基板１１０が、回転機構３３０を介して載置される態様を例示する。回転機構３３０により、シリコン基板１１０を回転させながら、シリコン基板１１０上に、窒化物半導体層１２０を構成する各層を成長させることができる。
【００５３】
サセプタ３２０には、外周側ヒータ３６１と内周側ヒータ３６２とが設けられている。外周側ヒータ３６１により、サセプタ３２０上に載置されたサセプタカバー３４１を加熱することができる。内周側ヒータ３６２により、サセプタ３２０上に回転機構３３０を介して載置されたシリコン基板１１０を加熱することができる。外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２のそれぞれは、所定のタイミングで所定の成長温度となるように、制御部３７０により制御される。
【００５４】
図４は、本実施形態の窒化物半導体基板１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態の窒化物半導体基板１００の製造方法は、例えば、基板準備工程Ｓ１０１と、反応抑制層形成工程Ｓ１０２と、中間層形成工程Ｓ１０３と、応力発生層形成工程Ｓ１０４と、表面改質工程Ｓ１０５と、高抵抗層形成工程Ｓ１０６と、低抵抗層形成工程Ｓ１０７と、バリア層形成工程Ｓ１０８と、を有する。
【００５５】
（基板準備工程Ｓ１０１）
まず、基板準備工程Ｓ１０１では、シリコン基板１１０を準備する。シリコン基板１１０は、反応炉３１０内（開口部３３１内）に載置する。
【００５６】
（反応抑制層形成工程Ｓ１０２）
シリコン基板１１０を反応炉３１０内に載置したら、シリコン基板１１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮ（好ましくはＡｌＮ）を成長させることで反応抑制層１３０を形成する。ＩＩＩ族原料ガスＧａ１のうちＧａ原料ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３、ＴＭＧ）ガスおよびトリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３、ＴＥＧ）ガスの少なくとも一方を用いることができる。ＩＩＩ族原料ガスＧａ１のうちＡｌ原料ガスとしては、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３、ＴＭＡ）ガスを用いることができる。Ｖ族原料ガスＧａ２である窒素（Ｎ）原料ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。キャリアガスＧｂ１としては、例えば、窒素（Ｎ２）ガスおよび水素（Ｈ２）ガスの少なくとも一方を用いることができる。冷却ガスＧｂ２としては、例えば、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスの少なくとも一方を用いることができる。なお、以降の工程においても、ガスＧａ１、Ｇａ２、Ｇｂ１およびＧｂ２としては、上述した各種ガスを用いることができる。
【００５７】
反応抑制層形成工程Ｓ１０２における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１に対するＶ族原料ガスＧａ２の流量比であるＶ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上１００００以下の範囲で選択可能である。
【００５８】
（中間層形成工程Ｓ１０３）
反応抑制層１３０を形成したら、反応抑制層１３０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮを成長させることで中間層１４０を形成する。
【００５９】
中間層形成工程Ｓ１０３における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上１００００以下の範囲で選択可能である。
【００６０】
（応力発生層形成工程Ｓ１０４）
中間層１４０を形成したら、中間層１４０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、第１の窒化物半導体結晶層１５１としてのＡｌＮと、第２の窒化物半導体結晶層１５２としてのＡｌＧａＮを交互に積層させることで応力発生層１５０を形成する。第１の窒化物半導体結晶層１５１を形成する際は、例えば、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１としてＴＭＡガスを空間３５０に供給し、第２の窒化物半導体結晶層１５２を形成する際は、例えば、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１としてＴＭＡガスおよびＴＭＧガスを空間３５０に供給する。
【００６１】
応力発生層形成工程Ｓ１０４における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上１００００以下の範囲で選択可能である。
【００６２】
図５は、応力発生層形成工程Ｓ１０４、表面改質工程Ｓ１０５および高抵抗層形成工程Ｓ１０６における成長条件の制御の一例を概念的に示すタイミングチャートである。図５の上のタイミングチャートは、各工程におけるＩＩＩ族原料ガスＧａ１（ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＴＥＧガス）、Ｖ族原料ガスＧａ２（ＮＨ３ガス）およびキャリアガスＧｂ１（Ｈ２ガス、Ｎ２ガス）の供給量の増減を示す。図５の下のタイミングチャートは、各工程における外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度を示す。なお、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度は、応力発生層形成工程Ｓ１０４および高抵抗層形成工程Ｓ１０６においては、成長温度と言い換えることもできる。
【００６３】
図５に示すように、応力発生層形成工程Ｓ１０４では、例えば、ＴＭＧガスの供給量を増加させるタイミング、すなわち、第２の窒化物半導体結晶層１５２を形成するタイミングで、Ｖ族原料ガスＧａ２（ＮＨ３ガス）の供給量を増加させることが好ましい。これにより、第２の窒化物半導体結晶層１５２の結晶性を向上させることができる。第２の窒化物半導体結晶層１５２の結晶性を向上させることで、トラップとして働く欠陥が低減されるため、応力発生層１５０の水素濃度を低くすることができる。その結果、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との水素濃度差が小さくなり、トラップとして働く欠陥の層間における密度変動を抑制することができる。
【００６４】
図５に示すように、応力発生層形成工程Ｓ１０４では、応力発生層１５０の最上層（例えば、第１の窒化物半導体結晶層１５１）を形成するタイミングで、Ｖ族原料ガスＧａ２（ＮＨ３ガス）の供給量を増加させることが好ましい。これにより、界面近傍２０２（特に、応力発生層１５０側）の炭素濃度を低くすることができる。また、低炭素領域２４０を、界面２００にまたがって存在させることができる。その結果、高抵抗層１６０の成長開始時から、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
【００６５】
（表面改質工程Ｓ１０５）
応力発生層１５０を形成したら、シリコン基板１１０と、表面改質工程Ｓ１０５を行う前（応力発生層形成工程Ｓ１０４を行った後）までに形成された窒化物半導体層１２０とを、ＮＨ３ガス雰囲気中で一定時間保持することで応力発生層１５０の表面を改質する。これにより、応力発生層１５０の表面が再配置され、表面を平坦化することができる。また、応力発生層１５０の表面から炭素を脱離させ、界面近傍２０２の炭素濃度を低くすることができる。すなわち、低炭素領域２４０を界面近傍２０２に存在させることが可能となる。その結果、後述する高抵抗層形成工程Ｓ１０６において、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
【００６６】
図５に示すように、表面改質工程Ｓ１０５では、応力発生層形成工程Ｓ１０４において、応力発生層１５０の最上層を形成した際のＶ族原料ガスＧａ２（ＮＨ３ガス）の供給量を保つことが好ましい。すなわち、ＮＨ３ガスの供給量を増加させたまま表面改質工程Ｓ１０５を行うことが好ましい。これにより、応力発生層１５０の表面の改質を速やかに行うことができる。なお、表面改質工程Ｓ１０５では、ＮＨ３ガスの供給量をさらに増加させてもよい。
【００６７】
図５に示すように、表面改質工程Ｓ１０５では、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度を、応力発生層形成工程Ｓ１０４における成長温度より高くすることが好ましい。具体的には、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度は、例えば、１０００℃以上１３００℃以下とすることが好ましい。外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度が１０００℃未満では、応力発生層１５０の表面の改質が進み難い可能性がある。これに対し、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度を１０００℃以上とすることで、応力発生層１５０の表面の改質を速やかに行うことができる。一方、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度が１３００℃を超えると、応力発生層１５０の表面のエッチングが進行し、応力発生層１５０が分解されてしまう可能性がある。これに対し、外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度を１３００℃以下とすることで、応力発生層１５０の分解を抑制することができる。
【００６８】
表面改質工程Ｓ１０５を行う時間は、例えば、１分以上１０分以下とすることが好ましい。表面改質工程Ｓ１０５を行う時間が１分未満では、応力発生層１５０の表面の改質が充分に行われない可能性がある。これに対し、表面改質工程Ｓ１０５を行う時間を１分以上とすることで、応力発生層１５０の表面の改質を充分に行うことができる。一方、表面改質工程Ｓ１０５を行う時間が１０分を超えると、応力発生層１５０の表面のエッチングが進行し、応力発生層１５０が分解されてしまう可能性がある。これに対し、表面改質工程Ｓ１０５を行う時間を１０分以下とすることで、応力発生層１５０の分解を抑制することができる。また、シリコン基板１１０へのダメージを抑制することができる。
【００６９】
（高抵抗層形成工程Ｓ１０６）
応力発生層１５０の表面を改質したら、応力発生層１５０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮ（好ましくはＧａＮ）を成長させることで高抵抗層１６０を形成する。表面改質工程Ｓ１０５にて応力発生層１５０の表面を改質しているため、高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
【００７０】
高抵抗層形成工程Ｓ１０６における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上１００００以下の範囲で選択可能である。
【００７１】
図５に示すように、高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、Ｖ族原料ガスＧａ２（ＮＨ３ガス）の供給量を、表面改質工程Ｓ１０５におけるＮＨ３ガスの供給量よりも減少させる。好ましくは、高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、ＮＨ３ガスの供給量を、応力発生層形成工程Ｓ１０４におけるＮＨ３ガスの供給量よりも減少させる。ＮＨ３ガスの供給量を減少させることで、結晶の表面が次第に荒れて炭素の取り込み量が増加するため、表面改質工程Ｓ１０５にて一度低くした炭素濃度を、結晶成長に伴って再び高くすることができる。つまり、本実施形態では、表面モフォロジーの制御によって、炭素の取り込み量を増加させ、炭素濃度を高くすることができる。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧を確保しつつ、その結晶性を向上させることができる。
【００７２】
図５に示すように、高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、成長温度を、表面改質工程Ｓ１０５における外周側ヒータ３６１および内周側ヒータ３６２の制御温度より低くすることが好ましく、応力発生層形成工程Ｓ１０４における成長温度と同程度にすることがより好ましい。これにより、結晶成長に伴って炭素濃度を高くすることができる。その結果、高炭素領域２５０を高抵抗層１６０の上層部分２３０に存在させることが可能となる。なお、本明細書において、成長温度が同程度とは、例えば、温度差が±２０℃以下（好ましくは±１０℃以下、より好ましくは±５℃以下）であることを意味する。
【００７３】
図５に示すように、高抵抗層形成工程Ｓ１０６の開始時（高抵抗層１６０の成長開始時）では、Ｇａ原料ガスとしてＴＥＧガスを用い、結晶成長に伴ってＴＥＧガスの供給量を次第に減少させ、ＴＭＧガスの供給量を次第に増加させることが好ましい。なお、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１の供給量全体としては、一定とすることができる。温度、圧力等の成長条件にもよるが、多くの場合ＴＥＧガスは、ＴＭＧガスに比べて原料ガス中の炭素が結晶中に取り込まれ難い。したがって、高抵抗層１６０の成長開始時にＴＥＧガスを用いることで、界面近傍２０２の炭素濃度を低くすることができる。また、その後にＴＥＧガスの供給量を減少させ、ＴＭＧガスの供給量を増加させることで、結晶成長に伴って炭素濃度を高くすることができる。その結果、高炭素領域２５０の炭素濃度の極大値を、応力発生層１５０の平均炭素濃度と同程度にすることが可能となる。
【００７４】
高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、キャリアガスＧｂ１としてのＨ２ガスの供給量を制御することで、高抵抗層１６０の水素濃度を選択的に制御してもよい。具体的には、図５に示すように、高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、キャリアガスＧｂ１として、Ｈ２ガスの供給量を増加させ、Ｎ２ガスの供給量を減少させることが好ましい。これにより、結晶成長装置３００内の全圧を保ちつつ、高抵抗層１６０の水素濃度を選択的に高くすることができる。通常、高抵抗層１６０は、応力発生層１５０に比べて水素濃度が低くなりやすいため、高抵抗層１６０の水素濃度を選択的に高くすることで、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との水素濃度差が小さくなり、トラップとして働く欠陥の層間における密度変動を抑制することができる。
【００７５】
高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１の供給量全体を増加させてもよい。これにより、結晶成長レートが大きくなるため、水素濃度および酸素濃度をそれぞれ低くすることができる。また、本実施形態では、上述のように表面モフォロジーの制御によって炭素濃度を高くしているため、炭素濃度を高くしつつ、水素濃度および酸素濃度をそれぞれ低くすることができる。
【００７６】
高抵抗層形成工程Ｓ１０６では、高抵抗層１６０の成長中は、Ｖ／ＩＩＩ比を一定とすることが好ましい。すなわち、本工程では、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１の供給量全体を一定とし、かつ、Ｖ族原料ガスＧａ２の供給量を一定とすることが好ましい。これにより、高抵抗層形成工程Ｓ１０６における結晶成長レートが一定となるため、高抵抗層１６０中の水素濃度および酸素濃度をほぼ一定に保つことができる。
【００７７】
（低抵抗層形成工程Ｓ１０７）
高抵抗層１６０を形成したら、高抵抗層１６０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮ（好ましくはＧａＮ）を成長させることで低抵抗層１７０を形成する。低抵抗層形成工程Ｓ１０７では、低抵抗層１７０の炭素濃度が、高抵抗層１６０の炭素濃度より低くなるような成長条件に制御する。これにより、窒化物半導体基板１００の電気特性を向上させることができる。
【００７８】
低抵抗層形成工程Ｓ１０７における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上１００００以下の範囲で選択可能である。
【００７９】
（バリア層形成工程Ｓ１０８）
低抵抗層１７０を形成したら、低抵抗層１７０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮを成長させることでバリア層１８０を形成する。
【００８０】
バリア層形成工程Ｓ１０８における成長温度は、例えば、９００℃以上１２６０℃以下の範囲で選択可能であり、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、１０以上２００００以下の範囲で選択可能である。
【００８１】
以上の工程により、図２に示したような不純物プロファイルを有する窒化物半導体基板１００が得られる。
【００８２】
（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。
【００８３】
（ａ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、高抵抗層１６０の下層部分２２０の平均炭素濃度は、高抵抗層１６０の上層部分２３０の平均炭素濃度より低い。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００８４】
（ｂ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、高抵抗層１６０の下層部分２２０の平均炭素濃度は、応力発生層１５０の平均炭素濃度より低い。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００８５】
（ｃ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、炭素濃度が応力発生層１５０の平均炭素濃度の７０％以下（好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下）となる低炭素領域２４０が、界面近傍２０２に存在する。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００８６】
（ｄ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、低炭素領域２４０における炭素濃度の極小値は、例えば、３×１０１８ｃｍ−３以上（より好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、さらに好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）３×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧の低下を抑制することができる。また、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。
【００８７】
（ｅ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、低炭素領域２４０の厚さは、例えば、高抵抗層１６０の厚さの２％以上５０％以下であることが好ましい。これにより、例えば、高抵抗層１６０の上層部分２３０と、低抵抗層１７０と、バリア層１８０との結晶性を向上させることができる。また、窒化物半導体基板１００の耐圧の低下を抑制することができる。
【００８８】
（ｆ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、低炭素領域２４０は、応力発生層１５０と高抵抗層１６０との界面２００にまたがって存在することが好ましい。これにより、高抵抗層１６０の成長開始時から、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
【００８９】
（ｇ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、炭素濃度が応力発生層１５０の平均炭素濃度の７０％以上（好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上）となる高炭素領域２５０が、高抵抗層１６０の上層部分２３０に存在する。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧を向上させることができる。
【００９０】
（ｈ）本実施形態の窒化物半導体基板１００において、高炭素領域２５０における炭素濃度の極大値は、例えば、応力発生層１５０の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下であることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板１００の耐圧をさらに向上させることができる。また、高抵抗層１６０と応力発生層１５０とのキャリア密度差が小さくなるため、窒化物半導体基板１００の電気特性を安定化することができる。
【００９１】
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００９２】
上述の実施形態では、窒化物半導体層１２０は、シリコン基板１１０側から順に、反応抑制層１３０と、中間層１４０と、第１層としての応力発生層１５０と、第２層としての高抵抗層１６０と、第３層としての低抵抗層１７０と、バリア層１８０と、を備えている場合について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体層１２０を構成する各層の間に本発明の効果に悪影響を及ぼさない程度の遷移層等を挿入してもよい。
【００９３】
また、バリア層１８０の上に、例えば、ＧａＮからなるキャップ層を設けることもできる。キャップ層には、ｐ型電気伝導を得るためにマグネシウムを添加してもよい。このようなキャップ層を設けることで、閾値電圧を正側にでき、ノーマリオフ動作が容易となる。
【００９４】
また、本発明は、窒化物半導体基板１００を材料として形成された半導体装置の態様であってもよい。より具体的には、例えば、窒化物半導体層１２０上に、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極等が設けられた高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＥＭＴ）の態様であってもよい。
【００９５】
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様を付記する。
【００９６】
（付記１）
本発明の一態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低い、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第１層は、第１の窒化物半導体結晶層と、前記第１の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第２の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第２層上に形成され、平均炭素濃度が前記第２層の平均炭素濃度より低い第３層をさらに備える。
【００９７】
（付記２）
付記１に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の前記下層部分の平均炭素濃度は、前記第１層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第１層の平均炭素濃度は、２×１０１９ｃｍ−３以上８×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００９８】
（付記３）
付記１または付記２に記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下（好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下）となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面近傍に存在する。
【００９９】
（付記４）
付記３に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、３×１０１８ｃｍ−３以上（好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）３×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０１００】
（付記５）
付記３または付記４に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第２層の厚さの２％以上５０％以下である。
【０１０１】
（付記６）
付記３から付記５のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面にまたがって存在する。
【０１０２】
（付記７）
付記１から付記６のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上（好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上）となる高炭素領域が、前記第２層の前記上層部分に存在する。
【０１０３】
（付記８）
付記７に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である。
【０１０４】
（付記９）
本発明の他の態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の平均水素濃度は、前記第１層の平均水素濃度の１５％以上１００％以下である、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第１層は、第１の窒化物半導体結晶層と、前記第１の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第２の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第２層上に形成され、平均炭素濃度が前記第２層の平均炭素濃度より低い第３層をさらに備える。
好ましくは、前記第２層の平均水素濃度は、４×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下である。
【０１０５】
（付記１０）
付記９に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の水素濃度の変動量は、±２０％以下である。
【０１０６】
（付記１１）
付記９または付記１０に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低い。
【０１０７】
（付記１２）
付記９から付記１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第１層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第１層の平均炭素濃度は、２×１０１９ｃｍ−３以上８×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０１０８】
（付記１３）
付記９から付記１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下（好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下）となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面近傍に存在する。
【０１０９】
（付記１４）
付記１３に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、３×１０１８ｃｍ−３以上（好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）３×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０１１０】
（付記１５）
付記１３または付記１４に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第２層の厚さの２％以上５０％以下である。
【０１１１】
（付記１６）
付記１３から付記１５のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面にまたがって存在する。
【０１１２】
（付記１７）
付記９から付記１６のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上（好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上）となる高炭素領域が、前記第２層の上層部分に存在する。
【０１１３】
（付記１８）
付記１７に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である。
【０１１４】
（付記１９）
本発明の他の態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、
前記第２層の平均酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３未満である、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第１層は、第１の窒化物半導体結晶層と、前記第１の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第２の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第２層上に形成され、平均炭素濃度が前記第２層の平均炭素濃度より低い第３層をさらに備える。
好ましくは、前記第２層の平均酸素濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以上である。
【０１１５】
（付記２０）
付記１９に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の酸素濃度の変動量は、±５０％以下である。
【０１１６】
（付記２１）
付記１９または付記２０に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第２層の上層部分の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第２層の平均炭素濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下である。
【０１１７】
（付記２２）
付記１９から付記２１のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記第２層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第１層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第１層の平均炭素濃度は、２×１０１９ｃｍ−３以上８×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０１１８】
（付記２３）
付記１９から付記２２のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以下（好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下）となる低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面近傍に存在する。
【０１１９】
（付記２４）
付記２３に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、３×１０１８ｃｍ−３以上（好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上）３×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０１２０】
（付記２５）
付記２３または付記２４に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第２層の厚さの２％以上５０％以下である。
【０１２１】
（付記２６）
付記２３から付記２５のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第１層と前記第２層との界面にまたがって存在する。
【０１２２】
（付記２７）
付記１９から付記２６のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第１層の平均炭素濃度の７０％以上（好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上）となる高炭素領域が、前記第２層の上層部分に存在する。
【０１２３】
（付記２８）
付記２７に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第１層の平均炭素濃度の９５％以上１２０％以下である。
【符号の説明】
【０１２４】
１００  窒化物半導体基板
１１０  シリコン基板
１２０  窒化物半導体層
１３０  反応抑制層
１４０  中間層
１５０  応力発生層
１５１  第１の窒化物半導体結晶層
１５２  第２の窒化物半導体結晶層
１５３  多重結晶層
１６０  高抵抗層
１７０  低抵抗層
１８０  バリア層
２００  界面
２０１  上部
２０２  界面近傍
２１０  界面
２２０  下層部分
２３０  上層部分
２４０  低炭素領域
２５０  高炭素領域
３００  結晶成長装置
３１０  反応炉
３２０  サセプタ
３３０  回転機構
３３１  開口部
３４１  サセプタカバー
３４２  天板
３５０  空間
３５１  空間
３６１  外周側ヒータ
３６２  内周側ヒータ
３７０  制御部
Ｓ１０１  基板準備工程
Ｓ１０２  反応抑制層形成工程
Ｓ１０３  中間層形成工程
Ｓ１０４  応力発生層形成工程
Ｓ１０５  表面改質工程
Ｓ１０６  高抵抗層形成工程
Ｓ１０７  低抵抗層形成工程
Ｓ１０８  バリア層形成工程
【要約】
【課題】シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における結晶性を向上させる技術を提供する。
【解決手段】シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、窒化物半導体層は、組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第１層と、第１層上に形成され、炭素を含む第２層と、を備え、第２層の下層部分の平均炭素濃度は、第２層の上層部分の平均炭素濃度より低い、窒化物半導体基板。
【選択図】図２【図１】
0006784861.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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