(57)【要約】窒化物半導体層を含む半導体装置は、シリコン基板１の上にＡｌＮから成る第１の層８とｐ型ＧａＮから成る第３の層１０とＣａＮから成る第２の層９とを交互に複数積層した構造のバッファ層２を有する。バッファ層２の上にＨＥＭＴを形成するための窒化物半導体層を含む主半導体領域３を有する。第３の層１０の厚みは０．５〜５０ｎｍである。第３の層１０は２次元電子ガスの発生を抑制する効果を有する。これにより、バッファ層２の低抵抗化が防止される。
2004066393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン又はシリコン化合物から成る基板（１）と、前記基板（１）の一方の主面上に配置されたバッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）と、半導体素子を形成するために前記バッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）の上に配置された少なくとも１つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域（３又は３ａ）とを備えた半導体装置であって、
前記バッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）が、
Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）と、
Ａｌを含まない窒化物半導体又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合でＡｌを含む窒化物半導体から成る第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）と、
前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）と前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）との間に配置され且つ２次元電子ガスの発生を抑制することができる材料からなる第３の層（１０又は１０ａ）と
を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バッファ層の前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）は、
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成り、
前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）は、
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロ
ン）とから選択された少なくとも１種の
元素、
前記ａ及びｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料から成り、
前記第３の層（１０又は１０ａ）は０．５〜５０ｎｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項３】
前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）は、
化学式  ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
ここで、前記ｘは、０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示される材料から成り、
前記第２の層は、
化学式  ＡｌａＧａ１−ａＮ
ここで、前記ａは、０≦ａ＜１、
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される材料から成ることを特徴とする請求項２に従う半導体装置。
【請求項４】
前記第１の層（８ａ）は、
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記ｘ及びｙは、０＜ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成り、
前記第２の層（９ａ）は、
化学式  ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ａ及びｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料から成り、
前記第１及び第２の層（８ａ、９ａ）の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）が含まれていることを特徴とする請求項２に従う半導体装置。
【請求項５】
前記第１の層（８ｂ）は、
化学式  ＡｌｘＢｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記ｘ及びｙは、０＜ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成り、
前記第２の層（９ｂ）は、
化学式  ＡｌａＢｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ａ及びｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料から成り、
前記第１及び第２の層（８ｂ、９ｂ）の少なくとも一方にＢ（ボロン）が含まれていることを特徴とする請求項２に従う半導体装置。
【請求項６】
前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）の格子定数は、第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項７】
前記第３の層（１０又は１０ａ）の厚みは、前記第１及び第２の層（８又は８ａ又は８ｂ、９又は９ａ又は９ｂ）の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項８】
前記第３の層（１０）は、前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）と同一の半導体材料から成り、導電型決定不純物としてｐ型不純物を含むことを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項９】
前記第３の層（１０ａ）は、０．５〜５ｎｍの厚さの絶縁層から成ることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁層（１０ａ）は、ＳｉＮ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｔｉ２Ｏ３，ＺｒＯ２及びＴａ２Ｏ５から選択された少なくとも１つからなることを特徴とする請求項９に従う半導体装置。
【請求項１１】
前記バッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）は、前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）及び前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）をそれぞれ複数有し、前記第３の層（１０又は１０ａ）を少なくとも１つ有し、複数の前記第１及び第２の層が交互に積層され、複数の前記第１及び第２の層の相互間の内の少なくとも１つに前記第３の層（１０又は１０ａ）が配置されていることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１２】
前記第３の層（１０又は１０ａ）は、前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）の前記主半導体領域（３又は３ａ）側の主面と前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）との間に配置され、前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）の前記基板（１）側の主面と前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）との間に配置されていないことを特徴とする請求項１１に従う半導体装置。
【請求項１３】
前記バッファ層における前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）の厚みが０．５ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）の厚みが０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１４】
前記基板（１）の前記バッファ層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面であることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１５】
前記主半導体領域（３又は３ａ）の前記窒化物半導体層は、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウムアルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）層、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）層から選択されたものであることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１６】
更に、前記主半導体領域（３又は３ａ）の表面上に配置された第１の主電極（４）と、前記主半導体領域（３又は３ａ）の表面上に配置された第２の主電極（５）と、前記主半導体領域（３又は３ａ）の表面上に配置された制御電極（６）とを備えていることを特徴とする請求項１に従う半導体装置。
【請求項１７】
前記主半導体領域（３又は３ａ）は、電界効果トランジスタを形成するための複数の半導体層から成り、前記第１の主電極（４）はソース電極であり、前記第２の主電極（５）はドレイン電極であり、前記制御電極（６）はゲート電極であることを特徴とする請求項１５に従う半導体装置。
【請求項１８】
前記主半導体領域（３）は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成するための複数の半導体層（１２，１３）から成ることを特徴とする請求項１５に従う半導体装置。
【請求項１９】
前記主半導体領域（３ａ）は、メタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を形成するための半導体層から成ることを特徴とする請求項１５に従う半導体装置。
【請求項２０】
窒化物半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、
シリコン又はシリコン化合物から成る基板（１）を用意する工程と、
前記基板（１）の上に、気相成長法によって、Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）と、Ａｌを含まない窒化物半導体又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合でＡｌを含む窒化物半導体から成る第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）と、前記第１の層（８又は８ａ又は８ｂ）と前記第２の層（９又は９ａ又は９ｂ）との間に配置され且つ２次元電子ガスの発生を抑制することができる材料からなる第３の層（１０又は１０ａ）とを含むバッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）を形成する工程と、
前記バッファ層（２又は２ａ又は２ｂ又は２ｃ又は２ｄ）の上に、少なくとも１つの窒化物半導体層を含む主半導体領域（３又は３ａ）を気相成長法によって形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴ等の半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】  窒化ガリウム系化合物半導体を用いたメタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ即ちＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｌｅｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や高電子移動度トランジスタ即ちＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体デバイスは公知である。
従来の典型的な窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体デバイスにおいては、サファイアから成る絶縁性基板の上に、５００〜６００℃程度の比較的低温の基板温度で形成されたＧａＮまたはＡｌＮから成る低温バッファ層（以下、単に低温バッファ層と言う。）を介して化合物半導体が形成される。
即ち、ＭＥＳＦＥＴを形成する場合には、サファイアから成る絶縁性基板の上にＧａＮまたはＡｌＮから成る低温バッファ層を介してＳｉをドープしたｎ形ＧａＮ層から成る動作層即ちチャネル層が形成され、動作層の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が形成される。
また、ＨＥＭＴを形成する場合には、サファイアから成る絶縁性基板の上にＧａＮまたはＡｌＮから成る低温バッファ層を介して非ドープのＧａＮから成る電子走行層即ちチャネル層とｎ形ＡｌＧａＮから成る電子供給層が形成され、電子供給層の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が形成される。
ところで、サファイアから成る絶縁性基板は硬度が高いため、このダイシング等を生産性良く行うことが困難であった。また、サファイアは高価であるため、半導体デバイスのコストが高くなった。
また、サファイア基板の熱伝導率は、０．１２６Ｗ／ｃｍ・Ｋと小さい為、デバイスの動作中に発生する熱を十分に放出することができず、デバイスの耐圧や利得などの諸特性の低下を招いた。
更に、一般的なＨＥＭＴは、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とから成るヘテロ接合構造を有している。このヘテロ接合構造においては、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間の格子不整によりＡｌＧａＮ層に引っ張り歪が内在する。このため、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との界面にピエゾ分極、即ち圧電効果に基づく電気分極が発生し、このピエゾ分極と自発分極とに基づいてＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間のヘテロ接合界面に数ＭＶ／ｃｍという電界が発生する。この電界によりチャネル層中には１０１３ｃｍ−２オーダの２次元電子ガス即ち２ＤＥＧが形成され、チャネル層のシート抵抗が低下する。これにより、ドレイン電流を増加させることができる。この２次元電子ガスの形成によるチャネル層のシート抵抗の低下は、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を有するＨＥＭＴの利点である。
しかしながら、サファイア基板は窒化物半導体よりも熱膨張係数が大きい為、熱不整によってエピタキシャル層に圧縮歪を発生させる。この圧縮歪は、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間の格子不整に起因したＡｌＧａＮ中の引っ張り歪をキャンセルする方向に働く為、ピエゾ分極を減少させてしまう。このため、チャネル層における２次元電子ガスの電子濃度が低下し、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を有するＨＥＭＴの利点が十分に発揮されない。
上記のような問題点を解決するために、サファイア基板の代りにシリコン基板を使用することが、日本の特開２００１−２７４３７６号公報（以下、特許文献１と言う。）及び日本の特願２００１−２４８７３５号公報（以下、特許文献２と言う。）に開示されている。更に、前記特許文献２に、シリコン基板の上にバッファ層を介して良好な結晶性を有する窒化物半導体領域を形成するために、バッファ層を、
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成る第１の層と、
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の元
素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料から成る第２の層と
の積層体で構成することが開示されている。
前記特許文献２の技術に従って、第１及び第２の層の積層構造のバッファ層を介在させてシリコン基板上に窒化物半導体領域を形成すると、Ａｌ元素の混合比が相対的に高い第１の層の格子定数が、シリコンの格子定数と窒化物半導体の格子定数との間の値を有するため、シリコン基板の結晶方位を良好に引き継いだバッファ層が得られる。また、このバッファ層の結晶方位を良好に引き継いだ窒化物半導体領域をバッファ層の上面に形成することができる。
しかしながら、第１の層としての例えばＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層と第２の層としての例えばＧａＮ層とが交互に積層されたバッファ層における、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層が生成される。この２次元電子ガス層は比較的低抵抗な層である。この結果、第１及び第２の層から成るバッファ層を有するＨＥＭＴにおいては、本来のドレイン電流通路となるチャネル層を通る電流通路の他に、バッファ層を介した電流通路も形成される。このバッファ層を通る電流通路は、ＨＥＭＴのゲート電極をオフ制御している時のソース電極とドレイン電極との間の漏れ電流の通路となり、漏れ電流の増大を招く。漏れ電流は半導体デバイスにおいて不要なものである。また、通常、半導体デバイスの耐圧は漏れ電流の大きさで決定される。従って、漏れ電流の大きい半導体デバイスは耐圧の低い半導体デバイスとみなされる。もし、ノンドープＧａＮ層から成る電子走行層の結晶欠陥が少ないと、漏れ電流が低減する。しかし、現在のところ、電子走行層の結晶欠陥を減少させる具体的な方策がない。また、漏れ電流を低減するために、電子走行層を厚く形成することや、ｎライク（ｌｉｋｅ）状態、即ち不純物を添加（ドープ）されていないにも拘らずｎ型と同様の導電型を有しているＧａＮ層から成る電子走行層にｐ型不純物を添加（ドープ）して電子走行層を高抵抗化させる方法が考えられる。しかし、これらの方法を採用すると、窒化ガリウム系化合物半導体に働く歪によって窒化ガリウム系化合物半導体にクラックが発生し、半導体デバイスの特性が劣化する。
上記の漏れ電流の問題は、ＨＥＭＴ以外の半導体デバイスにおいてもある。
【発明の開示】
そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、前記基板の一方の主面上に配置されたバッファ層と、半導体素子を形成するために前記バッファ層の上に配置された少なくとも１つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域とを備えている。前記バッファ層は、Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る第１の層と、Ａｌを含まない窒化物半導体又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合でＡｌを含む窒化物半導体から成る第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され且つ２次元電子ガスの発生を抑制することができる材料からなる第３の層とを備えている。なお、本発明において、半導体装置は完成した半導体素子のみでなく、電極を有さない半導体素子又は半導体ウエハ等も意味する。
前記バッファ層の前記第１の層は、
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ａｌはアルミニウム、
前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の
元素、
前記Ｇａはガリウム、
前記Ｎは窒素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成ることが望ましい。前記第１の層の格子定数はシリコンとＧａＮとの間の値を有するので、基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ層の一方の主面に、半導体素子形成用の主半導体領域を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、主半導体領域の平坦性が良くなり、半導体装置の電気的特性も良くなる。もし、シリコンから成る基板の一方の主面に、ＧａＮ半導体のみによって低温でバッファ層を形成した場合、シリコンとＧａＮとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に平坦性に優れた主半導体領域を形成することができない。
また、前記バッファ層の前記第２の層は、
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記Ａｌはアルミニウム、
前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも
１種の元素、
前記Ｇａはガリウム、
前記Ｎは窒素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料から成ることが望ましい。
また、前記第３の層は０．５〜５０ｎｍの厚さを有しているが望ましい。第３の層の厚みが０．５〜５０ｎｍの範囲に限定されていると、半導体素子形成用の主半導体領域に働く歪みによるクラックの発生が低減し、半導体装置の電気的特性が良好になる。
また、前記第１の層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ、前記第２の層を、ＡｌａＧａ１−ａＮとすることができる。
また、前記第１の層をＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮとし、前記第２の層を、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮとし、前記第１及び第２の層の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）を含めることができる。バッファ層を構成する第１の層と第２の層の内の少なくとも一方の層にインジウムが含まれていれば、基板とバッファ層との間の応力緩和効果が更に良好に得られる。即ち、第１及び第２の層の少なくとも一方を構成する窒化インジウム系化合物半導体、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等はＩｎを構成元素として含まない他の窒化物半導体、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等に比較して、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と熱膨張係数がより近似する。このため、バッファ層を構成する第１の層と第２の層のうち少なくとも一方の層にインジウムを含めることによって、基板とバッファ層との間の熱膨張係数の差に起因するバッファ層の歪を良好に防止できる。
また、前記第１の層を、ＡｌｘＢｙＧａ１−ｘ−ｙＮとし、前記第２の層を、ＡｌａＢｂＧａ１−ａ−ｂＮとし、前記第１及び第２の層の少なくとも一方にＢ（ボロン）を含めることができる。第１の層と第２の層の内の少なくとも一方の層にＢ（ボロン）が含まれているバッファ層は、Ｂ（ボロン）を含まないバッファ層よりもシリコン又はシリコン化合物から成る基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する。このため、Ｂ（ボロン）を含むバッファ層によれば、シリコン又はシリコン化合物から成る基板とバッファ層との間の熱膨張係数差に起因するバッファ層の歪を良好に防止できる。
また、前記第１の層の格子定数は、第２の層の格子定数よりも小さいことが望ましい。
また、前記第３の層の厚みは、前記第１の層の厚みよりも小さいことが望ましい。
また、前記第３の層は、第２の層と同一の半導体材料から成り、導電型決定不純物としてｐ型不純物を含むことが望ましい。ｐ型不純物を含む第３の層は、第２の層に代わって第１の層に接触する。従って、第３の層が２次元電子ガスの発生箇所になる。しかし、第３の層に含まれているｐ型不純物が第３の層に発生した電子を補償する。この結果、第３の層におけるキャリア濃度即ち電子濃度が低くなる。なお、もし、第３の層を第１の層と同一の半導体材料にｐ型不純物を添加したもので形成すると、２次元電子ガス発生の抑制効果が得られない。
また、前記第３の層を、０．５〜５ｎｍ、より好ましくは０．５〜２ｎｍの厚さの絶縁層とすることができる。
また、前記絶縁層は、ＳｉＮ（窒化シリコン），ＳｉＯ２（酸化シリコン），Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム），Ｔｉ２Ｏ３（酸化チタン），ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）及びＴａ２Ｏ５（酸化タンタル）から選択された少なくとも１つとすることができる。これらの絶縁膜は第２の層の歪を緩和して、２次元電子ガスの発生を抑制する。
また、前記バッファ層は、前記第１及び第２の層をそれぞれ複数有し、前記第３の層を少なくとも１つ有し、複数の前記第１及び第２の層が交互に積層され、複数の前記第１及び第２の層の相互間の内の少なくとも１つに前記第３の層が配置されていることが望ましい。このように複数の第１の層と複数の第２の層とを交互に積層してバッファ層を構成すると、複数の薄い第１の層が分散配置される。この結果、バッファ層全体として良好なバッファ機能を得ることができ、バッファ層の上に形成される主半導体領域の結晶性が良くなる。
また、前記第３の層が前記第２の層この上の前記第１の層との間に配置され、前記第２の層とこの下の前記第１の層との間に配置されないように前記バッファ層を構成することができる。
また、前記バッファ層における前記第１の層の厚みが０．５ｎｍ〜５０ｎｍ及び前記第２の層の厚みが０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることが望ましい。バッファ層をこのように構成すると、バッファ層のバッファ機能が向上し、主半導体領域の平坦性を良くすることができる。
また、前記基板の前記バッファ層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面であることが望ましい。このように基板を構成すると、基板の上にバッファ層及び半導体領域を良好に形成することができる。即ち、基板の主面の面方位を（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層及び半導体領域の結晶表面の原子ステップ即ち原子レベルでのステップを無くすこと又は少なくすることができる。もし、（１１１）ジャスト面からのオフ角度の大きい主面上にバッファ層及び主半導体領域を形成すると、これ等に原子レベルの大きさで見て比較的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならないが、厚みの薄い層を有する半導体装置の場合には、特性の低下を招く恐れがある。これに対して、基板の主面を（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップが小さくなり、バッファ層及び主半導体領域が良好に形成される。
また、前記主半導体領域の前記窒化物半導体層は、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）層、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）層から選択されたものであることが望ましい。
また、前記主半導体領域の上に第１の主電極と第２の主電極と制御電極とを設けることが望ましい。
また、前記主半導体領域は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、及びメタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）等の電界効果トランジスタを形成するための領域であることが望ましい。この場合、前記第１の主電極はソース電極であり、前記第２の主電極はドレイン電極であり、前記制御電極はゲート電極である。
また、窒化物半導体層を有する半導体装置の製造方法は、
シリコン又はシリコン化合物から成る基板を用意する工程と、
前記基板の上に、気相成長法によって、Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る第１の層と、Ａｌを含まない窒化物半導体又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合でＡｌを含む窒化物半導体から成る第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され且つ２次元電子ガスの発生を抑制することができる材料からなる第３の層とを含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上に、少なくとも１つの窒化物半導体層を含む主半導体領域を気相成長法によって形成する工程と、
を有することが望ましい。この方法により、特性の良い半導体装置を安価且つ容易に形成することができる。
本発明に従うバッファ層は第１の層と第２の層との間に２次元電子ガスの発生を抑制する第３の層を有するので、第１及び第２の層を直接に接触させた従来に比べて２次元電子ガスの発生量が少なくなるか又は零になり、バッファ層の低抵抗化が防止される。この結果、バッファ層を介して流れる漏れ電流が低減又は零になり、半導体装置の高耐圧化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の第１の実施形態に従うＨＥＭＴを概略的示す中央縦断面図である。
図２は図１のＨＥＭＴの平面図である。
図３は図１のＨＥＭＴの構造を製造工程順に拡大して示す断面図である。
図４は第２の実施形態に従うＭＥＳＦＥＴを示す断面図である。
図５は第３の実施形態に従う基板とバッファ層との一部を示す断面図である。
図６は第４の実施形態に従う基板とバッファ層との一部を示す断面図である。
図７は第５の実施形態に従う基板とバッファ層との一部を示す断面図である。
図８は第６の実施形態に従う基板とバッファ層との一部を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  第１の実施形態
次に、図１〜図３を参照して本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ、即ち高電子移動度トランジスタを説明する。
図１に示す本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴは、シリコンから成るサブストレート即ち基板１と、バッファ層２と、ＨＥＭＴの主要部を形成するための主半導体領域３と、第１の電極としてのソース電極４と、第２の電極としてのドレイン電極５と、制御電極としてのゲート電極６と、絶縁膜７とから成る。
基板１は、導電形決定不純物としてＢ（ボロン）等の３族元素を含むｐ形シリコン単結晶から成る。この基板１のバッファ層２が配置されている側の主面１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。この基板１の不純物濃度は、基板１を通るリーク電流を低減させるために比較的低い値、例えば１×１０１２ｃｍ−３〜１×１０１４ｃｍ−３程度であり、この基板１の抵抗率は比較的高い値、例えば１００Ω・ｃｍ〜１００００Ω・ｃｍ程度である。基板１は、比較的厚い約５００μｍの厚みを有し、半導体領域３及びバッファ層２の支持体として機能する。
基板１の一方の主面全体を被覆するように配置されたバッファ層２は、バッファ領域と呼ぶこともできるものであって、複数の第１の層８と複数の第２の層９とこれらの相互間の第３の層１０とが積層された複合層から成る。図１では、図示の都合上、バッファ層２の一部のみが示されているが、実際には、バッファ層２は、２０個の第１の層８と２０個の第２の層９と３９個の第３の層１０を有する。なお、第１及び第２の層８、９の数は、好ましくは２〜２００個、より好ましくは２０〜８０個の範囲に決定される。
第１の層８は、
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料で形成される。即ち、第１の層８は、Ａｌ（アルミニウム）を含む窒化物であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム、アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）、ＡｌＢＮ（窒化ボロン  アルミニウム）、ＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム  ボロン  アルミニウム）及びＡｌＢＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  ボロン  アルミニウム）から選択された材料で形成される。
第１の層８の格子定数及び熱膨張係数は第２の層９よりもシリコン基板１に近い。なお、第１の層８の格子定数が第２の層９の格子定数よりも小さいことが望ましい。
バッファ層２の第１の層８の好ましい厚みは、０．５ｎｍ〜５０ｎｍ即ち５〜５００オングストロームである。第１の層８の厚みが０．５ｎｍ未満の場合にはバッファ層２の上面に形成される主半導体領域３の平坦性が良好に保てなくなる。第１の層８の厚みが５０ｎｍを超えると、第１の層８と第２の層９との格子不整差、及び第１の層８と基板１との熱膨張係数差に起因して第１の層８内に発生する引っ張り歪みにより、第１の層８内にクラックが発生する恐れがある。
第１の層８は、好ましくは、上記化学式よりも限定された
化学式  ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、
で示す材料で形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層８に使用されている。
第２の層９は、導電型決定不純物がドープされていない
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボ
ロン）とから選択された少なくとも１種の元
素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料で形成される。即ち、第２の層９は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム、アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）、ＡｌＢＮ（窒化ボロン  アルミニウム）、ＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム  ボロン  アルミニウム）及びＡｌＢＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  ボロン  アルミニウム）から選択された材料で形成される。
第２の層９は、好ましくは、ＧａＮ（窒化ガリウム）、又は
化学式  ＡｌａＧａ１−ａＮ
ここで、ａは、０≦ａ＜１
ａ＜ｘ、
を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。
第２の層９としてＡｌａＧａ１−ａＮを使用する場合には、Ａｌ（アルミニウム）の増大により発生する恐れのあるクラックを防ぐためにＡｌの割合を示す値ａが０＜ａ＜０．８を満足する値、即ち０よりも大きく且つ０．８よりも小さくい値であることが望ましい。また、第２の層９のＡｌの割合は、第１の層８のＡｌの割合よりも小さいことが望ましい。なお、この第１の実施形態の第２の層９は、上記化学式におけるａ＝０に相当するＧａＮから成る。
第２の層９の好ましい厚みは、０．５ｎｍ〜２００ｎｍ即ち５〜２０００オングストロームである。第２の層９の厚みが０．５ｎｍ未満の場合には、第１の層８、及びバッファ層２上に成長される主半導体領域３を平坦に成長させることが困難になる。また、第２の層９の厚みが２００ｎｍを超えると、第２の層９と第１の層８との組合せによる応力緩和効果が損なわれ、クラックが発生するおそれがある。
更に好ましくは、第２の層９の厚みを第１の層８の厚みより大きくするのがよい。このようにすれば、第１の層８と第２の層９との格子不整差及び第１の層８と基板１との熱膨張係数差に起因して第１の層８に発生する歪の大きさを第１の層９にクラックが発生しない程度に抑えること、及び電子走行層１１の電子濃度を高濃度に保つことにおいて有利になる。
第３の層１０は、２次元電子ガスの発生を抑制するための層であって、複数の第１及び第２の層８，９の相互間にそれぞれ配置されている。この第３の層１０は、第２の層９と同一の半導体材料、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）にｐ型不純物、例えばＭｇを添加したものからなることが望ましい。また、第３の層１０は、好ましい範囲の０．５〜５０ｎｍから選択された１〜５ｎｍの厚さを有することが望ましい。もし、第３の層１０が設けられていない時には、第１の層８と第２の層９とのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層が形成され、バッファ層２の抵抗が低下し、漏れ電流が増大する。これに対して、ｐ型不純物を含む第３の層１０は、第２の層９に代わって第１の層８に接触する。従って、第３の層１０が２次元電子ガスの発生箇所になる。しかし、第３の層１０に含まれているｐ型不純物が第３の層１０に発生した電子を補償する。この結果、第３の層１０におけるキャリア濃度即ち電子濃度が低くなり、バッファ層２の抵抗が高くなる。この第３の層１０の厚みは、第１及び第２の層８，９の厚みよりも小さいことが望ましい。
なお、図１では複数の第１及び第２の層８，９の相互間の全てに第３の層１０が配置されている。しかし、この代わりに、複数の第１及び第２の層８，９の相互間の内の一部又は１つのみに配置することができる。
ＨＥＭＴの主要部を形成するための主半導体領域３は、例えば不純物非ドープのＧａＮから成る電子走行層１１と、例えば不純物非ドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成るスペーサ層１２と、例えばｎ形不純物としてＳｉ（シリコン）がドープされているｎ形Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成る電子供給層１３とを有している。主半導体領域３の各層１１、１２、１３は窒素とガリウムをベースとした窒化物半導体から成る。バッファ層２の上に配置された電子走行層１１はチャネル層とも呼ぶことができるものであり、例えば、５００ｎｍの厚みを有する。電子走行層１１の上に配置されたスペーサ層１２は例えば７ｎｍの厚みを有し、電子供給層１３のｎ形不純物としてのシリコンが電子走行層１１に拡散することを抑制する。なお、このスペーサ層１２を省いた構成にすることもできる。スペーサ層１２の上に配置された電子供給層１３はドナー不純物（ｎ型不純物）から発生した電子を電子走行層１１に供給するものであって、例えば３０ｎｍの厚みを有する。
ソース電極４及びドレイン電極５は電子供給層１３にそれぞれオーミック接触し、ゲート電極６は電子供給層１３にシヨットキー接触している。なお、ソース電極４及びドレイン電極５と電子供給層１３との間にｎ形不純物濃度の高いコンタクト用半導体層を設けることができる。ＳｉＯ２から成る絶縁膜７は主半導体領域３の表面を覆っている。
電子供給層１３及びスペーサ層１２は極く薄い膜であるので、横方向には絶縁物として機能し、縦方向には導電体として機能する。従って、ＨＥＭＴのオン動作時には、ソース電極４、電子供給層１３、スペーサ層１２、電子走行層１１、スペーサ層１２、電子供給層１３、及びドレイン電極５の経路で電子が流れる。この電子の流れ即ち電流の流れはゲート電極６に印加される制御電圧で調整される。
次に、バッファ層２における第１の層８がＡＩＮ、第２の層９がＧａＮ、第３の層１０がｐ型不純物を含むＧａＮとされたＨＥＭＴの製造方法を説明する。
まず、図３の（Ａ）に示すｐ形不純物が導入されたｐ型シリコン単結晶半導体から成る基板１を用意する。バッファ層２を形成する側のシリコン基板１の一方の主面１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面、即ち正確な（１１１）面である。しかし、図３において０で示す（１１１）ジャスト面に対して−θ〜＋θで示す範囲で基板１の主面１ａを傾斜させることができる。−θ〜＋θの範囲は−４°〜＋４°であり、好ましくは−３°〜＋３°であり、より好ましくは−２°〜＋２°である。
シリコン基板１の主面１ａの結晶方位を、（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層２及び主半導体領域３をエピタキシャル成長させる際の原子レベルの大きさのステップを無くすこと又はステップを小さくすることができる。
次に、図３（Ｂ）に示すように基板１の主面１ａ上に、エピタキシャル成長法の一種である周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）即ち有機金属化学気相成長法によってＡｌＮから成る第１の層８とｐ型ＧａＮから成る第３の層１０とＧａＮから成る第２の層９とを繰返して積層することによってバッファ層２を形成する。即ち、ＨＦ系エッチャントで前処理したｐ形シリコン基板１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず、１１００℃で約１０分間のサーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスを約３０秒間供給して、基板１の一方の主面に厚さ約５ｎｍのＡｌＮ層から成る第１の層８を形成する。本実施例では基板１の加熱温度を１１００℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、ＴＭＡガスの供給を止めてから、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスとビスシクロペンタジエニルマグネシウムガス即ちＣｐ２Ｍｇガスを供給してｐ型不純物としてＭｇを含むＧａＮから成る第３の層１０を厚さ３〜６ｎｍの範囲に形成する。ｐ型不純物はＭｇに限定されるものでなく、Ｍｇ以外の２族の元素、例えばＺｎ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｂｅ，Ｂａ，Ｃｄ，Ｒａ等から選択することができる。
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を停止して、反応室内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスとを約３０秒間供給して、第３の層１０の上面に、厚さ約２０ｎｍのｎ形のＧａＮから成る第２の層９を形成する。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約７０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスを供給して再び第３の層１０を形成する。
次に、第３の層１０の上に再び第１の層８を形成する。
本実施形態では、ＡｌＮから成る第１の層８とＧａＮから成る第２の層９とのそれぞれを２０回繰り返して形成し、ｐ型ＧａＮから成る第３の層を３９回繰り返して形成した。勿論、第１、第２及び第３の層８、９，１０をそれぞれ任意の数に変えることもできる。
次に、バッファ層２の上面に周知のＭＯＣＶＤ法によってＨＥＭＴの主要部のための主半導体領域３を形成する。
即ち、上面にバッファ層２が形成された基板１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチルガリウムガス即ちＴＭＧガス及びＮＨ３（アンモニア）ガスを１０分間供給してバッファ層２の上面に約５００ｎｍの厚みの非ドープＧａＮ即ち導電形決定不純物を含まないＧａＮから成る電子走行層１１を形成する。本実施形態ではＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約７０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、反応室内ＴＭＡガスとＴＭＧガスとアンモニアガスを３２秒間供給して電子走行層１０の上面に非ドープ即ち導電形決定不純物を含まないＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成るスペーサ層１２を７ｎｍの厚みに形成する。本実施形態では、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約５．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を約１７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、約１５秒間結晶成長を中断した後、反応室内にＴＭＡガスとＴＭＧガスとアンモニアガスとＳｉＨ４（シラン）ガスを約１３８秒間供給してスペーサ層１２の上面にＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成る電子供給層１３を約３０ｎｍの厚みに形成する。本実施例では、この時のＴＭＡガスの流量を約５．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を約１７μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ４ガスの流量を約２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。
以上の工程で、シリコン基板１とバッファ層２と主半導体領域３とから成る複数の半導体素子部分を含む板状半導体基体即ち半導体ウエハが得られる。
その後、即ち主半導体領域３及びバッファ層２の形成されたシリコン基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知のプラズマＣＶＤによって主半導体領域３の全面にシリコン酸化膜から成る絶縁膜７を形成する。絶縁膜７の厚みは、約２５０ｎｍとする。
図１には１個のＨＥＭＴが示されているが、実際には、１枚の半導体ウエハ即ち基板１を使用して多数のＨＥＭＴを同時に作る。このため、フォトリソグラフィーにより、塩素（Ｃｌ２）と塩素系混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、主半導体領域３及びバッファ層２の素子分離部分をシリコン基板１までエッチングし、ＨＥＭＴの素子分離を行う。このように素子分離すると、各素子領域の電気的特性等を他の素子の影響を受けることなしに良好に検査することができる。
次に、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを使用して、絶縁膜７にソース電極及びドレイン電極形成用の開口を形成した後、電子ビーム蒸着等を用いてＴｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）を順次積層形成し、蒸着層の不要部分をリフトオフ（ｌｉｆｔ  ｏｆｆ）した後、窒素雰囲気中で例えば６５０度℃、１０分間のアニールを施してオーミック電極として機能するソース電極４、ドレイン電極５を形成する。ゲート電極を形成する時も、同様な手順で絶縁膜７に開口を形成し、電子ビーム蒸着によって例えばＮｉ（ニッケル）及びＡｕ（金）、又はＰｄ，Ｔｉ及びＡｕを蒸着し、蒸着層の不要部分をリフトオフしてシヨットキバリア電極としての機能を有するゲート電極６を形成する。
その後、周知のダイシング工程等により、エピタキシャルウエハを素子分離部分で切断分離して個別化した半導体装置（ＨＥＭＴチップ）を完成させる。
本実施形態のＨＥＭＴによれば、次の効果が得られる。
（１）  バッファ層２の第１の層８と第２の層９との間に２次元電子ガスの発生を抑制する第３の層１０を配置したので、第１及び第２の層８，９を直接に接触させた従来に比べて２次元電子ガスの発生量が少なくなり、バッファ層２の低抵抗化が防止される。この結果、バッファ層２を介して流れる漏れ電流が低減又は零になり、高耐圧のＨＥＭＴを得ることができる。
（２）  第３の層１０の厚みが０．５〜５０ｎｍの範囲に限定されているので、主半導体領域３に働く歪みによる主半導体領域３のクラックの発生が低減し、良好な電気的特性が得られる。
（３）  格子定数がシリコンとＧａＮとの間の値を有するＡｌＮから成る第１の層８を含むバッファ層２は、シリコン基板１の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ層２の一方の主面に、ＧａＮ系半導体からなる主半導体領域３を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、主半導体領域３の平坦性が良くなり、ＨＥＭＴの電気的特性も良くなる。もし、シリコンから成る基板１の一方の主面に、ＧａＮ半導体のみによって低温でバッファ層を形成した場合、シリコンとＧａＮとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に平坦性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成することはできない。
（４）  ＡｌＮから成る第１の層８とＧａＮから成る第２の層９とを含むバッファ層２は、従来のＧａＮやＡｌＮの単一層から構成される低温バッファ層に比較して高温で結晶成長させることができる。このため、窒素源となるアンモニアを良好に分解させることができ、バッファ層２はアモルファス層とならない。このため、バッファ層２の上に形成されるエピタキシャル成長層即ち主半導体領域３の結晶欠陥の密度を十分に小さくすることができ、リーク電流を抑制することができる。この結果、ピンチオフ（ｐｉｎｃｈ  ｏｆｆ）特性の良好なＨＥＭＴを提供することができる。
第２の実施形態
次に、図４を参照して第２の実施形態に従うＭＥＳＦＥＴ即ちメタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタを説明する。但し、図４において、図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図４のＭＥＳＦＥＴは、図１のＨＥＭＴの主半導体領域３を、ｎ形不純物としてＳｉがドープされたＧａＮ化合物半導体層から成るｎ形半導体領域３ａに変形し、この他は図１と同一に形成したものである。即ち、図４のＭＥＳＦＥＴにおいて、シリコン基板１、バッファ層２、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極６、絶縁膜７は図１で同一符号で示すものと同様に形成されている。ＭＥＳＦＥＴの主半導体領域としてのｎ形半導体領域３ａはチャネル層又は活性層とも呼ぶことができるものであり、バッファ層２の上に配置されている。ソース電極４及びドレイン電極５はｎ形半導体領域３ａにオーミック接触し、ゲート電極６はｎ形半導体領域３ａにショットキバリア接触している。
図４のＭＥＳＦＥＴのＧａＮから成るｎ形半導体領域３ａ以外の製造方法は、第１の実施形態と同一である。ＧａＮから成るｎ形半導体領域３ａを形成する時には、バッファ層２の形成時に使用した反応室内にＴＭＧガスとＮＨ３ガスとＳｉＨ４（シラン）ガスを約５分間供給して、基板１の一方の主面に形成されたバッファ層２の上面に、厚さ約２５０ｎｍのｎ形半導体領域３ａを形成する。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量、即ちＧａの供給量を約７０μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ３ガスの流量、即ちＮＨ３の供給量を０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎ，ＳｉＨ４ガスの流量、即ちＳｉの供給量を２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。
図４のＭＥＳＦＥＴは、図１のＨＥＭＴの効果の説明の欄で述べた（１）（２）（３）と同様な効果を有する。即ち、バッファ層２の低抵抗化を防ぐこと、ｎ形半導体領域３ａの平坦性及び結晶性を良くすること、ＭＥＳＦＥＴの特性を良くすることが可能になる。
第３の実施形態
図５に第１及び第２の実施形態のバッファ層２を変形した第３の実施形態に従うバッファ層２ａの一部が示されている。図５のバッファ層２ａは、ＨＥＭＴ及びＭＥＳＦＥＴ等のあらゆる半導体素子に使用可能である。この図５のバッファ層２ａは、複数の第１の層８ａと複数の第２の層９ａとを、第１の実施形態と同一の２次元電子ガス抑制用のｐ型ＧａＮから成る第３の層１０を介して交互に積層したものから成る。
第１の層８ａは、導電型決定不純物がドープされていない
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層８ａは、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、及びＡｌＧａＩｎＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択されたもので形成される。図５の実施形態では、前記式のｘが０．５、ｙが０．０１とされた材料に相当するＡｌ０．５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．４９Ｎが第１の層８ａに使用されている。アルミニウムを含む第１の層８ａの格子定数及び熱膨張係数はシリコン基板１の格子定数及び熱膨張係数と半導体領域３ａの格子定数及び熱膨張係数との間の値を有する。
第２の層９ａは導電型決定不純物がドープされていない
化学式  ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。即ち、第２の層９ａは例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ及びＡｌＩｎＧａＮから選択されたもので形成される。図５の実施形態では、前記式のａが０．０５、ｂが０．３５とされた材料に相当するＡｌ０．０５Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６Ｎが第２の層９ａに使用されている。第２の層９ａの価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャップが第１の層８ａのバンドギャップよりも大きい。なお、第１及び第２の層８ａ、９ｂの両方にＩｎを含める代わりに、第１及び第２の層８ａ、９ｂの内の少なくとも一方にＩｎを含めることができる。
次に、第１の層８ａがＡｌ０．５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．４９Ｎ、第２の層９ａがＡｌ０．０５Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６Ｎ、第３の層１０がｐ型ＧａＮとされたバッファ層２ａの製造方法を説明する。
バッファ層２ａは第１の実施形態と同様な基板１の主面１ａ上に形成される。このバッファ層２ａは、周知のＭＯＣＶＤ即ち有機金属化学気相成長法によってＡｌ０．５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．４９Ｎから成る第１の層８ａとｐ型ＧａＮから成る第３の層１０とＡｌ０．０５Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６Ｎから成る第２の層９ａとを繰返して積層することによって形成する。即ち、シリコン単結晶基板１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。  次に、反応室内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスを約２４秒間供給して、基板１の一方の主面に厚さＴ１が約５ｎｍ即ち約５０オングストロームのＡｌ０．５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．４９Ｎから成る第１の層８ａを形成する。本実施形態では基板１の加熱温度を８００℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を４７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、第１の実施形態と同一の２次元電子ガスを抑制するためのｐ型ＧａＮから成る第３の層１０を形成する。
次に、基板１の加熱温度を７５０℃まで下げ、しかる後、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩｎガス、及びＮＨ３（アンモニア）ガスを約８３秒間供給して、第３の層１０の上面に、厚さＴ２が３０ｎｍ即ち３００オングストロームのＡｌ０．０５Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６Ｎから成る第２の層９ａを形成する。なお、ＳｉＨ４ガスを同時に供給して第２の層９ａに不純物としてのＳｉを導入することもできる。本実施形態では、ＴＭＡガスの流量を２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を５９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、第２の層９ａの上に再び第３の層１０を形成する。
本実施形態では、第１及び第２の層８ａ，９ａをそれぞれ２０層、第３の層１０を３９層とした。  勿論、第１、第２及び第３の層８ａ，１０，９ａの数をそれぞれ任意に変えることもできる。また、第３の層１０を第１及び第２の層８ａ，９ａの相互間の全てに配置しないで一部の相互間のみに配置しても良い。
図５の第３の実施形態のバッファ層２ａは図１の第１の実施形態のバッファ層２と同一の効果を有し、更に、バッファ層２ａにインジウムが含まれているので、バッファ層２ａにインジウムを含めない場合よりもバッファ層２ａの熱膨張係数をシリコン基板１に近似させることができるという効果を有する。
第４の実施形態
図６に示す第４の実施形態のバッファ層２ｂは、図１及び図４のバッファ層２を変形したものであり、第１の実施形態と同一の２次元電子ガスを抑制するためのｐ型ＧａＮから成る第３の層１０を介した第１及び第２の層８ｂ、９ｂの交互積層体から成る。
第１の層８ｂは、導電型決定不純物がドープされていない
化学式  ＡｌｘＢｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。  即ち、第１の層８ｂは、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＡｌＢＮ（窒化ボロン  アルミニウム）、及びＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム  ボロン  アルミニウム）から選択されたもので形成される。図６の実施形態では、前記式のｘが０．５、ｙが０とされた材料に相当するＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎが第１の層８ｂに使用されている。第１の層８ｂの格子定数及び熱膨張係数は第２の層９ｂよりもシリコン基板１に近い。
第２の層９ｂは、導電型決定不純物がドープされていない
化学式  ＡｌａＢｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。即ち、第２の層９ｂはＡｌ（アルミニウム）、Ｂ（ボロン）及びＧａ（ガリウム）から選択された少なくとも１つの元素とＮ（窒素）とを含む層であり、例えばＧａＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＢＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＢＮ及びＡｌＢＧａＮから選択されたもので形成される。図６の実施形態では、前記式のａが０、ｂが０．３とされた材料に相当するＢ０．３Ｇａ０．７Ｎが第２の層９ｂに使用されている。第２の層９ｂの価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャップが第１の層８ｂのバンドギャップよりも大きい。なお、第１及び第２の層８ａ、９ｂの両方にＢ（ボロン）を含める代わりに、第１及び第２の層８ａ、９ｂの内の少なくとも一方にＢ（ボロン）を含めることができる。
基板１の（１１１）ジャスト面を有する主面１ａ上に周知のＭＯＣＶＤ即ち有機金属化学気相成長法によってＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎから成る第１の層８ｂとＢ０．３Ｇａ０．７Ｎから成る第２の層９ｂとを第３の層１０を介して繰返して積層することによってバッファ層２ｂを形成する。即ち、シリコン単結晶から成る基板１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＮＨ３（アンモニア）ガスを約２７秒間供給して、基板１の一方の主面に厚さＴ１が約５ｎｍ即ち約５０オングストロームのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎから成る第１の層８ｂを形成する。  本実施例では基板１の加熱温度を１０８０℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、第１の実施形態と同一の方法で、２次元電子ガスを抑制するためのｐ型ＧａＮから成る第３の層１０を形成する。
次に、ＴＥＢ（トリエチルボロン）ガス、ＴＭＧガス、及びＮＨ３（アンモニア）ガスを約８５秒間供給して、第３の層１０の上面に、厚さＴ２が３０ｎｍ即ち３００オングストロームのｎ形のＢ０．３Ｇａ０．７Ｎから成る第２の層９ｂを形成する。  なお、同時にＳｉＨ４ガスを供給して第２の層９ｂの中に不純物としてのＳｉを導入することもできる。本実施例では、ＴＥＢガスの流量即ちボロンの供給量を７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量即ちガリウムの供給量を１６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスの流量即ちＮＨ３の供給量を約０．１１ｍｏｌ／ｍｉｎとした。
次に、第２の層９ｂの上に再び第３の層１０を形成する。
本実施形態では、第１の層８ｂと第２の層９ｂとを５０層、第３の層１０を９９層とした。勿論、第１の層８ｂと第２の層９ｂと第３の層１０とのそれぞれの数を任意に変えることもできる。
図６のバッファ層２ｂは図１のバッファ層２と同様な効果を有し、更に、第２の層９ｂにボロンが含まれているので、第２の層９ｂがボロンを含まない場合に比べて堅牢になり、クラックの発生を防いで第２の層９ｂを比較的厚く形成することができるという効果を有する。
第５の実施形態
図７は第５の実施形態に従うバッファ層２ｃを示す。図７のバッファ層２ｃは、図１のｐ型ＧａＮから成る第３の層１０の代りに絶縁層から成る第３の層１０ａを設け、この他は第１の実施形態と同一に構成したものである。絶縁層から成る第３の層１０ａを第１及び第２の層８，９間に介在させると、第１の層８における歪の発生を防止することができ、第１の実施形態と同様に第２の層９における２次元電子ガス層の生成が抑制される。第１の層８の歪みを防止するための第３の層１０ａの絶縁材料としてＳｉＮ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｔｉ２Ｏ３，ＺｒＯ２，Ｔａ２Ｏ５等を使用することができる。バッファ層２ｃ及び主半導体領域３の結晶性の劣化を抑えるために絶縁層から成る第３の層１０ａの厚みを好ましくは０．５〜５ｎｍ、より好ましくは０．５〜２ｎｍとする。なお、図４、図５及び図６の第２、第３及び第４の実施形態の第３の層１０の代りに、図７と同様に絶縁層から成る第３の層１０ａを設けることができる。
この第５の実施形態によっても第１〜第４の実施形態と同様な効果が得られる。
第６の実施形態
図８は第６の実施形態に従うバッファ層２ｄを示す。図８のバッファ層２ｄは、図１のｐ型ＧａＮから成る第３の層１０の個数を少なくし、この他は第１の実施形態と同一に構成したものである。
即ち、図８では、第２の層９とこの上の第１の層８との間のみに第３の層１０が配置され、第２の層９とこの下の第１の層８との間には第３の層１０が配置されていない。換言すれば、第３の層１０は、第２の層９の主半導体領域３側の主面と第１の層８との間に配置され、第２の層９の基板１側の主面と第１の層８との間に配置されていない。もし、バッファ層２ｄの中に第３の層１０が全く設けられていない場合には、第１及び第２の層８，９間の応力の関係によって、第２の層９とこの上の第１の層８との間の接合界面の近傍に２次元電子ガスが発生し易く、第２の層９とこの下の第１の層８との間の接合界面近傍に発生し難い。従って、図８に示すように第２の層９とこの下の第１の層８との間に第３の層１０を有さないバッファ層２ｄであっても、図１の第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
なお、図５のバッファ層２ａにおいて、第２の層９ａとこの下の第１の層８ａとの間に配置されている第３の層１０を省くことができる。
また、図６のバッファ層２ｂにおいて、第２の層９ｂとこの下の第１の層８ｂとの間に配置されている第３の層１０を省くことができる。
また、図７のバッファ層２ｃにおいて、第２の層９とこの下の第１の層８との間に配置されている第３の層１０ａを省くことができる。
変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）  基板１を単結晶シリコン以外の多結晶シリコン又はＳｉＣ等のシリコン化合物とすることができる。
（２）  主半導体領域３、３ａの各層の導電型を各実施形態と逆にすることができる。
（３）  主半導体領域３、３ａの各層を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半導体とすることができる。
（４）  図１のＨＥＭＴにおいて、活性層即ち電子走行層１１とバッファ層２との間に電子供給層１３と同様な電子供給層を設けることができる。
（５）  本発明に従ってＨＥＭＴ及びＭＥＳＦＥＴの代りに絶縁ゲート型電界効果トランジスタ又は別な半導体素子を設けることができる。
（６）  バッファ層２、２ａ、２ｂの第１の層８、８ａ、８ｂの数を第２の層９、９ａ、９ｂよりも１層多くしてバッファ層２、２ａ、２ｂの最上層を第１の層８、８ａ、８ｂとすることができる。また、逆に第２の層９、９ａ、９ｂの数を第１の層８、８ａ、８ｂの数よりも１層多くすることもできる。
（７）  第１の層８、８ａ、８ｂ及び第２の層９、９ａ、９ｂは、これらの機能を阻害しない範囲で不純物を含むものであってもよい。
【産業上の利用可能性】  本発明は、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ等の半導体素子に利用することができる。
【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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【国際調査報告】
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