(57)【要約】【課題】電流コラプスを抑制できる窒化物半導体を作製できる窒化物半導体成長装置を提供する。【解決手段】この窒化物半導体成長装置によれば、窒素を含む原料ガスの流れに関して反応部１０２から上流側の反応部１０２を含む領域において原料ガスが接する部分(ガス導入部１１２,電流導入部１４５,ビューポート部１６０等)が非銅系材料(つまり銅を含有していない材料)で作製されている。これにより、上記原料ガスが銅で汚染されることを防止できる。よって、上記窒化物半導体が銅で汚染されることを防止できて、上記窒化物半導体に電子や正孔がトラップされることを回避できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を含む反応性ガスが原料ガスとして導入されるチャンバーと、
上記チャンバー内に設置されると共に上記原料ガスを反応させて窒化物半導体を成長させる反応部と
を備え、
上記原料ガスの流れに関して上記反応部から上流側であると共に上記反応部を含む領域において上記原料ガスが接する部分が非銅系材料で作製されていることを特徴とする窒化物半導体成長装置。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体成長装置において、
上記チャンバー内の真空を保持するため、もしくは、上記チャンバー内に上記原料ガスを閉じ込めるためのシーリング部を備え、
上記シーリング部は、
非銅系材料で作製されたシーリング部材を有することを特徴とする窒化物半導体成長装置。
【請求項３】
請求項２に記載の窒化物半導体成長装置において、
上記シーリング部材は、
フッ素系のゴムで作製されたＯリング、ＰＴＦＥ系のパッキン、インジウムで作製されたワイヤのうちの少なくとも１つであることを特徴とする窒化物半導体成長装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の窒化物半導体成長装置において、
上記窒素を含む反応性ガスが、アンモニアであることを特徴とする窒化物半導体成長装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の窒化物半導体成長装置によって成長させたことを特徴とする窒化物半導体パワーデバイス用エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体を成長させる半導体成長装置に関し、例えば、電流コラプス特性に優れた窒化物半導体エピタキシャルウェハの成長に適した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体成長装置としては、特許文献１(特開２００７−１８４３７９号公報)に記載されているように、III族窒化物半導体結晶に遷移金属原子としてＣｕを添加することで、III族原子空孔がＣｕ原子で埋められ、III族原子空孔密度が低下し、III族窒化物半導体結晶の抵抗値を高めるものが記載されている。
【０００３】
また、上記特許文献１では、上記抵抗値を高めたIII族窒化物半導体結晶を基板とし、この基板上にＧａＮチャネル層や、ＡｌＧａＮ電子供給層を形成し、トランジスタを構成することで、ＧａＮチャネル層に多くの正孔が移動せず、ＧａＮチャネル層の機能が正孔の移動により阻害されることを防止できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８４３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、本発明者らは、特許文献１の記載とは逆に、窒化物半導体の成長過程で窒化物半導体が銅(Ｃｕ)で汚染されると電流コラプスの誘因となることを初めて発見した。
【０００６】
窒化物半導体を用いた電子デバイスでは、低電圧動作でのオン抵抗に比べて高電圧動作でのオン抵抗が増加してしまう電流コラプスが重要な課題となっている。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、電流コラプスを抑制できる窒化物半導体を作製できる窒化物半導体成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、様々なウェハの汚染を分析する中で、銅の汚染を必ず検出することを発見した。
【０００９】
そして、本発明者らは、特許文献１の記載に反して、窒化物半導体の成長過程で窒化物半導体が銅(Ｃｕ)で汚染されると電流コラプスの誘因となることを初めて発見した。本発明者らは、この銅(Ｃｕ)が窒化物半導体のバンドギャップの中に深い準位を形成し、この準位に電子や正孔がトラップされることによって電流コラプスが発生すると考察した。本発明は、このような本発明者らの発見と考察に基づいて、創出されたものである。
【００１０】
すなわち、この発明の窒化物半導体成長装置は、窒素を含む反応性ガスが原料ガスとして導入されるチャンバーと、
上記チャンバー内に設置されると共に上記原料ガスを反応させて窒化物半導体を成長させる反応部と
を備え、
上記原料ガスの流れに関して上記反応部から上流側であると共に上記反応部を含む領域において上記原料ガスが接する部分が非銅系材料で作製されていることを特徴としている。
【００１１】
この発明の窒化物半導体成長装置によれば、上記原料ガスの流れに関して上記反応部から上流側の上記反応部を含む領域において上記原料ガスが接する部分が非銅系材料(つまり銅を含有していない材料)で作製されているので、上記原料ガスが銅で汚染されることを防止できる。これにより、上記窒化物半導体が銅で汚染されることを防止でき、上記窒化物半導体のバンドギャップの中に深い準位が形成されることを防止できる。よって、上記窒化物半導体に電子や正孔がトラップされることを回避でき、上記窒化物半導体を備えた電子デバイスによれば、電流コラプスの発生を抑制できる。
【００１２】
また、一実施形態では、上記チャンバー内の真空を保持するため、もしくは、上記チャンバー内に上記原料ガスを閉じ込めるためのシーリング部を備え、
上記シーリング部は、
非銅系材料で作製されたシーリング部材を有する。
【００１３】
この実施形態によれば、上記シーリング部のシーリング部材を非銅系材料で作製したので、シーリング部に起因する原料ガスの銅汚染を防止でき、窒化物半導体の銅汚染を防止できる。よって、上記窒化物半導体を備えたパワーデバイスの電流コラプスを抑制できる。
【００１４】
また、一実施形態では、上記シーリング部材は、
フッ素系のゴムで作製されたＯリング、ＰＴＦＥ系のパッキン、インジウムで作製されたワイヤのうちの少なくとも１つである。
【００１５】
この実施形態によれば、上記シーリング部材は、フッ素系のゴムで作製されたＯリング、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)系のパッキン、インジウムで作製されたワイヤのうちの少なくとも１つで構成されているので、上記窒化物半導体の銅汚染を防止でき、電流コラプスを抑制できるパワーデバイスの窒化物半導体を作製できる。
【００１６】
また、一実施形態では、上記窒素を含む反応性ガスが、アンモニアである。
【００１７】
この実施形態によれば、窒素源がアンモニアであるので、窒素源をヒドラジンやジメチルヒドラジンとする場合と異なり、爆発の危険性を回避できる。
【００１８】
また、この発明の窒化物半導体パワーデバイス用エピタキシャルウェハは、上記窒化物半導体成長装置によって成長させた。
【００１９】
この発明の窒化物半導体パワーデバイス用エピタキシャルウェハによれば、上記窒化物半導体成長装置によって成長させたことで、銅汚染が回避され、パワーデバイスの電流コラプスを抑制できる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の窒化物半導体成長装置によれば、原料ガスの流れに関して反応部から上流側の上記反応部を含む領域において上記原料ガスが接する部分が非銅系材料で作製されているので、上記原料ガスが銅で汚染されることを防止できる。したがって、上記窒化物半導体が銅で汚染されることを防止でき、上記窒化物半導体のバンドギャップの中に深い準位が形成されることを防止できる。よって、上記窒化物半導体に電子や正孔がトラップされることを回避でき、上記窒化物半導体を備えた電子デバイスによれば、電流コラプスの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の窒化物半導体成長装置の実施形態であるＭＯＣＶＤ装置の構成を模式的に示す図である。
【図２Ａ】上記ＭＯＣＶＤ装置のガス導入部のフランジにＯリングが挟まれている様子を示す断面図である。
【図２Ｂ】上記ＭＯＣＶＤ装置の電流導入部のフランジにテフロン系の材料で作製されたパッキンが挟まれている様子を示す断面図である。
【図２Ｃ】上記ＭＯＣＶＤ装置のビューポート部のフランジにインジウムワイヤが挟まれている様子を示す断面図である。
【図２Ｄ】上記ＭＯＣＶＤ装置の排気部のフランジに銅ガスケットが挟まれている様子を示す断面図である。
【図３】上記実施形態のＭＯＣＶＤ装置を用いて製造した窒化物半導体装置の断面図である。
【図４】上記窒化物半導体装置のＡｌＧａＮ障壁層の表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)とコラプス値との関係を示す特性図である。
【図５Ａ】窒化物半導体装置において、チャネルＧａＮ層とＡｌＧａＮ障壁層との界面に沿って電子が走行する様子を示す模式的な断面図である。
【図５Ｂ】従来の窒化物半導体装置において、チャネルＧａＮ層とＡｌＧａＮ障壁層との界面に沿って走行する電子がＣｕにトラップされる様子を示す模式的な断面図である。
【図５Ｃ】上記実施形態のＭＯＣＶＤ装置を用いて作製した窒化物半導体装置において、電子がＣｕにトラップされずにチャネルＧａＮ層とＡｌＧａＮ障壁層との界面に沿って走行する様子を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２３】
図１は、この発明の窒化物半導体成長装置の実施形態の構成を模式的に示す図である。この実施形態の窒化物半導体成長装置は、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置である。このＭＯＣＶＤ装置は、チャンバー１０１とチャンバー１０１内に設置された反応部１０２を備える。上記チャンバー１０１と反応部１０２は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の銅を含有していない非銅系材料で作製されている。上記非銅系材料とは、銅を含有していない材料である。
【００２４】
上記チャンバー１０１は、上記反応部１０２よりも下流側に排気部１１１を有している。また、上記チャンバー１０１は、上記反応部１０２よりも上流側にガス導入部１１２を有している。
【００２５】
上記排気部１１１は、チャンバー１０１に連通している排気管１１３と排気配管１１４を有し、この排気管１１３のフランジ１１３Ａと、上記排気配管１１４のフランジ１１４Ａとは、ボルト等の締結部材(図示せず)によって締結されている。
【００２６】
また、上記ガス導入部１１２は、上記チャンバー１０１に連通しているガス導入筒１１７と、このガス導入筒１１７のフランジ１１７Ａに締結される蓋部材１１８を有する。上記ガス導入筒１１７のフランジ１１７Ａと蓋部材１１８とは、ボルト等の締結部材(図示せず)によって締結されている。また、上記ガス導入筒１１７および蓋部材１１８は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。
【００２７】
図２Ａに示すように、上記ガス導入部１１２のフランジ１１７Ａと蓋部材１１８との間には、シーリング部材としてのＯリング１２０が挟まれている。このＯリング１２０は、上記フランジ１１７Ａの端面に形成された環状溝１１９に配置されている。また、上記Ｏリング１２０は、バイトン(商品名)等のフッ素系のゴムで作製されている。尚、図２Ａでは、上記締結部材(ボルト等)を省略しているが、この締結部材は、上記Ｏリング１２０よりも径方向外側で蓋部材１１８とフランジ１１７Ａとを締結している。
【００２８】
上記フランジ１１７Ａと蓋部材１１８と上記Ｏリング１２０と上記締結部材(図示せず)がシーリング部を構成している。このシーリング部は、上記チャンバー１０１内の真空を保持するため、もしくは、上記チャンバー１０１内に上記原料ガスを閉じ込めるためのものである。尚、シーリング部材として上記Ｏリング１２０に替えて、後述するＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)系材料で作製されたパッキンやインジウムで作製されたインジウムワイヤを用いてもよい。上記インジウムワイヤは、チャンバー１０１内を高真空に排気する場合のシーリング部材として有効であるが、高真空が必要でない場合は、上記ＯリングやＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)等のテフロン(商品名)系の材料で作製されパッキンを用いることができる。
【００２９】
図１に示すように、上記蓋部材１１８には、原料ガス導入配管１２５と原料ガス導入配管１２６とが貫通している。上記原料ガス導入配管１２５,１２６は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。また、この原料ガス導入配管１２５および原料ガス導入配管１２６は、溶接によって上記蓋部材１１８との間の気密が維持されている。この原料ガス導入配管１２５,１２６の先端部１２５Ａ,１２６Ａは、上記反応部１０２の上流側開口部１０２Ａに位置している。また、上記原料ガス導入配管１２５は、管継手(図示せず)やパイプ１５３,流量調節バルブ１２９を経由してＮＨ３供給源１３３に接続されている。また、上記原料ガス導入配管１２６は、管継手(図示せず)やパイプ１５１,流量調節バルブ１２７を経由してＴＭＧ(トリメチルガリウム)供給源１３１に接続されている。また、上記原料ガス導入配管１２６は、管継手(図示せず)やパイプ１５２,流量調節流量調節バルブ１２８を経由してＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)供給源１３２に接続されている。尚、上記各管継手とパイプ１５１,１５２,１５３および流量調節流量調節バルブ１２７,１２８,１２９は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。
【００３０】
一方、図２Ｄに示すように、上記排気部１１１の排気管１１３のフランジ１１３Ａと排気配管１１４のフランジ１１４Ａとの間には、シーリング部材としての銅ガスケット１１５が挟まれている。この銅ガスケット１１５は、例えば、ＩＣＦあるいはＣＦといった規格を有する銅のリングである。上記銅ガスケット１１５は、上記フランジ１１３Ａの端面に形成された環状突起１７５とフランジ１１４Ａの裏面に形成された環状突起１７６との間に挟まれている。この銅ガスケット１１５は、チャンバー１０１内を高真空に排気する場合のシーリング部材として有効である。また、上記フランジ１１３Ａとフランジ１１４Ａとは、ボルト等の締結部材(図示せず)によって締結されている。上記フランジ１１３Ａ,１１４Ａと銅ガスケット１１５と上記締結部材(図示せず)とがシーリング部を構成している。上記排気部１１１の排気配管１１４に排気ポンプ(図示せず)が接続され、この排気ポンプによって、上記チャンバー１０１内が排気されて減圧される。この実施形態では、上記排気部１１１の排気管１１３と排気配管１１４を、例えばステンレス鋼等の銅を含んでいない非銅系材料で作製したが、銅を含んだ銅系材料で作製してもよい。
【００３１】
また、上記反応部１０２内には、載置プレート１２２が設けられ、この載置プレート１２２に基板１３０が載置される。この反応部１０２の上流側開口部１０２Ａには、原料ガス導入配管１２５,１２６の先端部１２５Ａ,１２６Ａが配置されている。この原料ガス導入配管１２５,１２６は、ガス導入筒１１７を貫通している。上記反応部１０２および載置プレート１２２は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。
【００３２】
また、上記反応部１０２には、上記載置プレート１２２を加熱するヒータ１３５が取り付けられ、このヒータ１３５は、電流供給配線１３６,１３８で電流導入端子１３７,１３９に接続されている。上記電流供給配線１３６,１３８および電流導入端子１３７,１３９は、非銅系材料としてのニッケルで作製した。
【００３３】
上記電流導入端子１３７,１３９は、上記チャンバー１０１に連通している端子挿入管１４０内に挿入されている。この端子挿入管１４０は、フランジ１４０Ａを有し、このフランジ１４０Ａは、ボルト等の締結部材(図示せず)によって密封蓋１４１に締結されている。上記端子挿入管１４０と密封蓋１４１は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。上記電流供給配線１３６,１３８と電流導入端子１３７,１３９と端子挿入管１４０と密封蓋１４１とが電流導入部１４５を構成している。
【００３４】
図２Ｂに示すように、上記フランジ１４０Ａと密封蓋１４１との間には、シーリング部材としての環状のパッキン１５０が挟まれている。このパッキン１５０は、例えば、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)等のテフロン(商品名)系の材料で作製されている。上記パッキン１５０は、上記フランジ１４０Ａの端面に形成された環状突起１５５と密封蓋１４１の裏面に形成された環状突起１５６との間に挟まれている。また、上記フランジ１４０Ａと密封蓋１４１とは、上記パッキン１５０よりも径方向外側でボルト等の締結部材(図示せず)によって締結されている。また、上記電流導入端子１３７,１３９は、絶縁セラミック１４７に挿入されて銀ロウ付け等で密封蓋１４１に固定され気密に嵌合されている。上記絶縁セラミック１４７は、高い気密封止性と高い電気絶縁性を有する。上記フランジ１４０Ａと密封蓋１４１と上記パッキン１５０と上記締結部材(図示せず)がシーリング部を構成している。このシーリング部は、上記チャンバー１０１内の真空を保持するため、もしくは、上記チャンバー１０１内に上記原料ガスを閉じ込めるためのものである。尚、図２Ｂに示すパッキン１５０を用いたシーリング部に替えて、図２Ａに示すＯリングを用いたシーリング部や図２Ｃに示すインジウムリングを用いたシーリング部を採用してもよい。
【００３５】
また、図１に示すように、上記チャンバー１０１には、上記反応部１０２の上方に位置しているビューポート部１６０が設けられている。このビューポート部１６０は、チャンバー１０１に連通している筒部１６１とこの筒部１６１のフランジ１６１Ａに締結される窓部１６２とを有する。上記筒部１６１は、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。
【００３６】
図２Ｃに示すように、上記筒部１６１のフランジ１６１Ａと窓部１６２の窓枠部１６２Ａとの間には、シーリング部材としてのインジウムで作製されたインジウムワイヤ１６３が挟まれている。上記窓枠部１６２Ａには、石英ガラス等の耐熱性ガラス１６２Ｂが嵌め込まれている。上記耐熱性ガラス１６２Ｂは非銅系材料で作製された接着剤で上記窓部１６２に固定されている。上記窓枠部１６２Ａは、少なくとも原料ガスに接触する部分が、例えばステンレス鋼等の非銅系材料で作製されている。上記非銅系材料は銅を含有していない材料である。
【００３７】
上記フランジ１６１Ａと窓部１６２とは、ボルト等の締結部材(図示せず)によって締結されている。また、上記フランジ１６１Ａと窓部１６２と上記インジウムワイヤ１６３と上記締結部材(図示せず)がシーリング部を構成している。このシーリング部は、上記チャンバー１０１内の真空を保持するため、もしくは、上記チャンバー１０１内に上記原料ガスを閉じ込めるためのものである。尚、図２Ｃに示すインジウムワイヤ１６３を用いたシーリング部に替えて、図２Ａに示すＯリングを用いたシーリング部や図２Ｂに示すテフロン系材料で作製されたパッキンを用いたシーリング部を採用してもよい。
【００３８】
このように、上記ＭＯＣＶＤ装置は、原料ガスの流れに関して、一点鎖線Ｙで示される反応部１０２の下流端１０２Ｂから矢印Ｂで示される上流側の領域において、上記原料ガスが接する部分が、銅を含有していない非銅系材料で作製されている。
【００３９】
なお、上記ＭＯＣＶＤ装置では、一点鎖線Ｙで示される反応部１０２の下流端１０２Ｂから矢印Ａで示される下流側の領域において、排気部１１１のシーリング部材として銅ガスケット１１５を使用したが、ガス導入部１１２,電流導入部１４５,ビューポート部１６０と同様に、シーリング部材として、フッ素系のゴムで作製されたＯリング,ＰＴＦＥ製のパッキン,インジウムリングを採用してもよい。もっとも、上記反応部１０２よりも下流側で銅ガスケット１１５を使用して原料ガスと銅が反応しても、ウェハに銅が取込まれることなく排気されるので、銅ガスケット１１５を使用しても問題とはならない。また、上記フッ素系のゴムで作製されたＯリング,ＰＴＦＥ製のパッキン,インジウムリングによるシーリング部材は、銅ガスケットに比べて熱耐性が低いので、これらＯリング,パッキン,インジウムリングを装着したシーリング部(フランジ,蓋部材等)に図示しない冷却ジャケット等を取り付けて上記冷却ジャケット内に冷却媒体(冷却水等)を流通させてシーリング部を冷却することが望ましい。
【００４０】
次に、上記実施形態のＭＯＣＶＤ装置を用いて、図３に示す窒化物半導体装置を製造する工程を説明する。
【００４１】
まず、Ｓｉ基板１を１０％ＨＦ(フッ酸)溶液で洗浄した後、上記ＭＯＣＶＤ(有機金属気相成長)装置に導入する。
【００４２】
上記Ｓｉ基板１は、流量が１０ｓｌｍ(Standard Liter per Minute：Ｌ／分)の水素雰囲気中で基板温度１１００℃に加熱されて表面のクリーニングが行われる。より厳密には、水素は、有機金属,アンモニアのガスライン以外の図１に記載されていないガスラインを通じてチャンバー１へ導入される。
【００４３】
そして、上記Ｓｉ基板１の上に、バッファ層２０とチャネルＧａＮ層５とＡｌＧａＮ障壁層６を順に積層する。
【００４４】
このとき、ＡｌＮシード層２は、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、ＡｌＮシード層２であるＡｌＮの原料として、流量を１００μｍｏｌ／分としたＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)と、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ３(アンモニア)とを供給した。上記ＴＭＡは、ＴＭＡ供給源１３２からガス導入部１１２を通してチャンバー１内へ導入され、上記ＮＨ３は、ＮＨ３供給源１３３から、ガス導入部１１２を通してチャンバー１内へ導入される。また、上記基板温度は、上記ヒータ１３５の出力を制御することで制御される。
【００４５】
また、超格子層３は、ＡｌＮシード層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。超格子層３を形成するときは、供給する原料を交互に切り替えて、ＡｌＮとＡｌ０.１Ｇａ０.９Ｎとを積層する。一例として、層厚３ｎｍのＡｌＮと層厚２０ｎｍのＡｌ０.１Ｇａ０.９Ｎからなる超格子層を１２０回繰り返し積層して上記超格子層３を形成する。Ａｌ０.１Ｇａ０.９Ｎの原料として、流量を８０μｍｏｌ／分としたＴＭＡと、流量を７２０μｍｏｌ／分としたＴＭＧ(トリメチルガリウム)と、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ３とを供給する。尚、超格子層３のＡｌＮの原料は、ＡｌＮシード層２と同様にして供給した。
【００４６】
また、カーボンドープＧａＮ層４は、ＡｌＮシード層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、カーボンドープ層４であるＧａＮの原料として、流量を７２０μｍｏｌ／分としたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ３とを供給する。
【００４７】
また、チャネルＧａＮ層５は、成長圧力を１００ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、チャネルＧａＮ層５であるＧａＮの原料として、流量を１００μｍｏｌ／分としたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ３とを供給する。上記チャネルＧａＮ層５の層厚は、一例として、１μｍとした。上記ＴＭＧは、ＴＭＧ供給源１３１からガス導入部１１２を通してチャンバー１０１内へ導入される。
【００４８】
また、ＡｌＧａＮ障壁層６は、ＡｌＮシード層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜する。ここで、ＡｌＧａＮ障壁層６であるＡｌ０.１７Ｇａ０.８３Ｎの原料として、流量を８μｍｏｌ／分としたＴＭＡと、流量を５０μｍｏｌ／分としたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ３とを供給する。
【００４９】
次に、このようにして作製したエピタキシャルウェハを用い、上記ＡｌＧａＮ障壁層６上にソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９を形成する。このソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９の製造方法は、特に限定されず、例えば蒸着等の公知の方法を使用する。上記エピタキシャルウェハは、窒化物半導体パワーデバイス用エピタキシャルウェハとなる。
【００５０】
例えば、ソース／ドレイン領域をパターニングしてオーミック電極を堆積し、リフトオフの後、熱処理によってオーミック化を図り、ソース電極７とドレイン電極８を形成する。この熱処理の条件は、金属の膜厚によっても異なるが、本実施形態では、窒素雰囲気中で、８００℃で１分間とした。この熱処理によって、ＡｌＧａＮ障壁層６とソース電極７とのオーミック接触およびＡｌＧａＮ障壁層６とドレイン電極８とのオーミック接触が得られる。また、上記ソース電極７とドレイン電極８との間隔は、電界効果トランジスタの所望する性能に応じて調整する。
【００５１】
次に、ゲート電極９を堆積する領域をパターニングしてゲート電極９を形成する。ゲート電極９としては、Ｐｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，ＷＮなどを用いることができるが、本実施形態ではＷＮを用いた。その後、ＡｌＧａＮ障壁層６上に、プラズマＣＶＤ等の公知の方法でＳｉＮからなる絶縁膜１０を形成する。
【００５２】
尚、ソース電極７、ドレイン電極８、ゲート電極９および絶縁膜１０を形成する順番は、特に限定されず、絶縁膜１０を先に形成してもよい。また、オーミック電極金属としては、Ｈｆ／Ａｌ／Ｈｆ／ＡｕやＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕを用いることができる。
【００５３】
図４は、上記窒化物半導体装置の上記ＡｌＧａＮ障壁層６の表面からの深さが１０ｎｍ以下の表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)と、コラプス値との関係を示している。図４の横軸のＥ＋０９,Ｅ＋１０は、それぞれ、１０９,１０１０を表している。
【００５４】
上記コラプス値は、ソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加したときのオン抵抗Ｒ１と、ゲート電極９に負電圧が加えられたオフ状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に５００Ｖの電圧を印加した後、ゲート電極９の電圧をゼロとしてオン状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加した状態において、オフ状態からオン状態に切り替わってから５マイクロ秒後のオン抵抗Ｒ２との比(Ｒ２/Ｒ１)で表される値である。なお、オン抵抗は、素子のサイズ(例えば、ソース電極７とドレイン電極８との間の距離、電極の面積)によって規定される。
【００５５】
前述の図１を参照して説明したＭＯＣＶＤ装置を用いて作製したIII族窒化物半導体積層基板１００の一例では、上記ＡｌＧａＮ障壁層６の上記表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)は、〇印のプロットで示されるように、１.０×１０１０(原子数/ｃｍ２)以下の６.１×１０９(原子数/ｃｍ２)であった。また、上記ＭＯＣＶＤ装置を用いて上述と同様の工程で作製したもう１つのIII族窒化物半導体積層基板では、上記ＡｌＧａＮ障壁層６の上記表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)は、ＴＸＲＦ法(Ｔotal ｒeflection Ｘ-Ｒay Ｆluorescence Ｍethod：全反射蛍光Ｘ線分析法)による検出限界である３×１０９(原子数/ｃｍ２)以下であった。
【００５６】
上記ＴＸＲＦ法は、ＸＲＦ法(Ｘ-ray Ｆluorescence Ｍethod)に比べて、低角度(例えば０.１°)で励起Ｘ線をＡｌＧａＮ障壁層６の表面に照射することによって、基板側から発生する蛍光Ｘ線および検出器に入射する散乱線を低減し、基板表面に存在する金属汚染物からの蛍光Ｘ線を効率よく検出できる。
【００５７】
一方、前述の図１を参照して説明したＭＯＣＶＤ装置とは異なり、上記ガス導入部,電流導入部,ビューポート部のシーリング部材および電流導入端子等の部分に銅(ＩＣＦ規格の銅ガスケット等)が使用された従来からあるＭＯＣＶＤ装置を用いて作製された比較例の窒化物半導体積層基板では、ＡｌＧａＮ障壁層の上記表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)は、図４において、△印のプロットで示されるように、１.４４×１０１０(原子数/ｃｍ２)、もしくは、２.１８×１０１０(原子数/ｃｍ２)，２.７４×１０１０(原子数/ｃｍ２)，３.１３×１０１０(原子数/ｃｍ２)であり、いずれも、１.０×１０１０(原子数/ｃｍ２)を越えていた。
【００５８】
図４から分かるように、これらの表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)が、１.０×１０１０(原子数/ｃｍ２)を越えたＡｌＧａＮ障壁層を有する比較例によるＧａＮ系ＨＦＥＴでは、コラプス値が１.４４〜１.５４となり、いずれもコラプス値が１.３を越えていた。
【００５９】
これに対して、上記実施形態のIII族窒化物半導体積層基板１００を備えた窒化物半導体装置(ＧａＮ系ＨＦＥＴ)の一例によれば、コラプス値１.１８を達成できた。また、上記Ｃｕ濃度(原子数/ｃｍ２)がＴＸＲＦ法による検出限界以下であった他の一例では、コラプス値１.１０を達成できた。
【００６０】
窒化物半導体装置(ＧａＮ系ＨＦＥＴ)では、コラプス値を１.３以下にすることが、商業的に商品として成立するためには、重要になる。すなわち、このコラプス値が１.３以下であるＧａＮ系ＨＦＥＴは、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。
【００６１】
図５Ａに模式的に示すように、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとの間にドレインＤが高電位となる電圧を印加し、ゲート電極Ｇの電圧を零とすると、ＡｌＧａＮ障壁層とチャネルＧａＮ層との間に形成される２ＤＥＧ(２次元電子ガス)層を電子がソースからドレインに向かって走行する。ここで、図５Ｂに模式的に示すように、ＡｌＧａＮ障壁層にＣｕ(銅)が含有されているとＣｕの深い準位に電子がトラップされて、ドレイン電流が減少し、オン抵抗が増加してコラプス値が増加すると考えられる。これに対し、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置で作製したIII族窒化物半導体積層基板１００によれば、上記ＡｌＧａＮ障壁層６の表層領域でのＣｕ濃度(原子数/ｃｍ２)を、１.０×１０１０(原子数/ｃｍ２)以下に低減したことで、Ｃｕにトラップされる電子を減少させて、図５Ｃに模式的に示すように、ドレイン電流が増加し、オン抵抗が低下し、コラプス値を抑制できると考えられる。
【００６２】
尚、上記実施形態のＭＯＣＶＤ装置では、Ｓｉ基板を用いたIII族窒化物半導体積層基板を作製する場合について説明したが、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いて、このサファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成しなくてもよい。
【００６３】
また、本発明の窒化物半導体成長装置は、ＭＯＣＶＤ装置に限らず、他の熱ＣＶＤ装置にも適用できるが、本発明は、プラズマを用いず、熱反応を用いる非プラズマ型熱反応装置に適用される。原料ガスをアンモニア(ＮＨ３)として、プラズマを使用すると、ヒドラジンが生成され、このヒドラジンは爆発性を有し危険を伴うので、本発明では、プラズマを使用しない。
【００６４】
また、上記実施形態のＭＯＣＶＤ装置では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴを作製する場合について説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置の作製する窒化物半導体成長装置に本発明を適用してもよい。また、本発明の窒化物半導体成長装置は、ゲート電極がショットキー電極の窒化物半導体装置を作製する場合に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタを作製するのに、本発明の窒化物半導体成長装置を用いてもよい。
【００６５】
また、この発明の窒化物半導体成長装置を用いて作製されるIII族窒化物半導体積層基板の窒化物半導体は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。
【００６６】
また、この発明の窒化物半導体成長装置を用いて作製される窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
【００６７】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  Ｓｉ基板
２  ＡｌＮシード層
３  超格子層
４  カーボンドープＧａＮ層
５  チャネルＧａＮ層
６  ＡｌＧａＮ障壁層
７  ソース電極
８  ドレイン電極
９  ゲート電極
１０  絶縁膜
２０  バッファ層
３０  ヘテロ改善層
４０  キャップ層
１００  III族窒化物半導体積層基板
１０１  チャンバー
１０２  反応部
１０２Ａ  上流側開口部
１１１  排気部
１１２  ガス導入部
１１３  排気管
１１３Ａ,１１４Ａ,１１７Ａ,１１８Ａ,１４０Ａ,１６１Ａ  フランジ
１１４  排気配管
１１５  銅ガスケット
１１７  ガス導入管
１１８  ガス配管
１２０  Ｏリング
１２２  載置プレート
１２５  原料ガス導入配管
１２７,１２８,１２９  流量調節バルブ
１３０  基板
１３１  ＴＭＧ供給源
１３２  ＴＭＡ供給源
１３３  ＮＨ３供給源
１３５  ヒータ
１３６,１３８  電流供給配線
１３７,１３９  電流導入端子
１４０  端子挿入管
１４１  密封蓋
１５０  パッキン
１５１,１５２,１５３  配管
１６０  ビューポート部
１６１  筒部
１６２  窓部
１６３  インジウムワイヤ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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