(57)【要約】      （修正有）【課題】ヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハにおける反りと刃状転位密度を低減させる。【解決手段】ヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板１上のＡｌＮ下地層２、このＡｌＮ下地層２上の段階的組成傾斜バッファ層構造３ａ、この段階的組成傾斜バッファ層構造３ａ上のＧａＮチャネル層４、およびこのＧａＮチャネル層４上の窒化物系半導体の電子供給層５を含み、段階的組成傾斜バッファ層構造３ａはＡｌ組成比が段階的に順次低減されるように積層された複数のＡｌＧａＮバッファ層を含み、ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、ＧａＮチャネル層とそれに接するＡｌｙＧａ１−ｙＮバッファ層とのＡｌ組成比差（ｙ−０）よりも大きく、すなわち（１−ｘ）＞ｙの関係を満たす。【選択図】図１
2013145782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ接合型電界効果トランジスタ用のエピタキシャルウエハであって、
Ｓｉ基板上のＡｌＮ下地層、
前記ＡｌＮ下地層上の段階的組成傾斜バッファ層構造、
前記段階的組成傾斜バッファ層構造上のＧａＮチャネル層、および
前記ＧａＮチャネル層上の窒化物系半導体の電子供給層を含み、
前記段階的組成傾斜バッファ層構造は、Ａｌ組成比が段階的に順次低減されるように積層された複数のＡｌＧａＮバッファ層を含み、前記ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、前記ＧａＮチャネル層とそれに接するＡｌｙＧａ１−ｙＮバッファ層とのＡｌ組成比差（ｙ−０）よりも大きく、すなわち（１−ｘ）＞ｙの関係を満たすことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記段階的組成傾斜バッファ層構造は２層から５層の範囲内の複数のＡｌＧａＮバッファ層を含むことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記ＡｌＮ下地層と前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）が０．２から０．４の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記段階的組成傾斜バッファ層構造に含まれる各ＡｌＧａＮバッファ層は１００ｎｍから４５０ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生じ得る複数の窒化物系半導体層を含むヘテロ接合型電界効果トランジスタを作製するためのエピタキシャルウエハに関し、特にそのウエハにおける反りと転位密度の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体からなる例えばＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層のヘテロ接合構造の形成においては、ＧａＮ基板が高価であることから、サファイア基板やＳｉ基板の上におけるそれらの層のエピタキシャル結晶成長が従来から行なわれている。
【０００３】
Ｓｉ基板上の窒化物系半導体層の結晶成長に関しては、Ｓｉ基板に対する窒化物系半導体層の結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪みを緩和するために、さまざまなバッファ層構造が検討されている。より具体的には、互いに組成の異なる複数の窒化物系半導体層を含むバッファ層構造（以下、多重バッファ層構造とも称す）に関する特許文献が多数存在している。
【０００４】
例えば特許文献１では、Ｓｉ基板上において半導体デバイスを形成し得る程度に良好な結晶性を有する窒化ガリウム系半導体層を得ることを目的として、Ｓｉ基板とＧａＮのような窒化ガリウム系半導体層との間に、組成の異なる高融点材料からなる複数の半導体層を含む多重バッファ層構造が設けられている。より具体的には、高融点材料からなる多重バッファ層構造として、ＡｌＮ層とＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を含む２層構造や、ＡｌＮ層、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、およびＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を含む５層構造が提案されている。そして、このような多重バッファ層構造を採用することによって、ＧａＮなどの窒化ガリウム系半導体層の結晶性および表面平坦性が向上すると述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２７７４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヘテロ接合を含む窒化ガリウム系エピタキシャルウエハは、主にパワーデバイスとしての電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を製造するために用いられる。そのようなＦＥＴを製造する場合、エピタキシャルウエハにおいては、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成したり、内部配線を形成したりするために、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程などを含む半導体デバイス製造プロセスが適用される。したがって、ウエハの反りが大きい場合には、ウエハ面内における配線幅のばらつきやエッチングのばらつきなどが良品率を大きく下げる問題となる。また、ウエハの反りが大きすぎる場合には、半導体デバイス製造装置にウエハを投入することすらできないという事態を引き起こし得る。
【０００７】
さらに、特にＳｉ基板上に形成した窒化物系半導体層においては、Ｓｉ基板に対する結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪みに起因して刃状転位を多く含むことになり、これら刃状転位の密度の低減も製造されるＦＥＴの良品率を上げるための重要な要素となる。
【０００８】
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、新規な多重バッファ層構造を導入することによって、ヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハにおける反りと刃状転位密度を低減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上のＡｌＮ下地層、このＡｌＮ下地層上の段階的組成傾斜バッファ層構造、この段階的組成傾斜バッファ層構造上のＧａＮチャネル層、およびこのＧａＮチャネル層上の窒化物系半導体の電子供給層を含み、段階的組成傾斜バッファ層構造はＡｌ組成比が段階的に順次低減されるように積層された複数のＡｌＧａＮバッファ層を含み、ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、ＧａＮチャネル層とそれに接するＡｌｙＧａ１−ｙＮバッファ層とのＡｌ組成比差（ｙ−０）よりも大きく、すなわち（１−ｘ）＞ｙの関係を満たすことを特徴としている。
【００１０】
なお、段階的組成傾斜バッファ層構造は、２層から５層の範囲内の複数のＡｌＧａＮバッファ層を含むことが好ましい。また、ＡｌＮ下地層とＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、０．２から０．４の範囲内に設定されていることが好ましい。さらに、段階的組成傾斜バッファ層構造に含まれる各ＡｌＧａＮバッファ層は、１００ｎｍから４５０ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上述のような本発明による多重バッファ層構造を用いることによって、窒化物系半導体エピタキシャルウエハの反りを大幅に低減させることができ、また刃状転位密度が大幅に低減された窒化物系半導体エピタキシャルウエハを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施例２による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施例３による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の実施例４による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図５】比較例１による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図６】比較例２による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の実施例１における段階的組成傾斜バッファ層構造中のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の厚さとウエハの反り量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者達は、ヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハにおける反りと刃状転位密度の低減を図るために望まれる多重バッファ層構造の条件を解明するために、以下に述べるような種々の実施例と比較例によるウエハにおける反りと刃状転位密度を測定し、その結果について考察して本発明を導き出した。
【００１４】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１によるヘテロ接合型ＦＥＴ用エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００１５】
この図１のウエハの作製においては、４インチ径で厚さ６２５μｍのＳｉ基板１が用いられた。窒化物系半導体層の結晶成長に先立って、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１の表面酸化膜を除去した後に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置内にその基板がセットされた。ＭＯＣＶＤ装置内では基板が１１００℃に加熱され、チャンバ内圧力１３．３ｋＰａの水素雰囲気にて基板表面のクリーニングが行なわれた。その後、基板温度とチャンバ内圧力を維持しつつ、アンモニアＮＨ３（１２．５ｓｌｍ）を流すことによって、Ｓｉ基板表面の窒化が行なわれた。
【００１６】
Ｓｉ基板表面の窒化に引き続いて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量＝１１７μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＡｌＮ下地層２が２００ｎｍの厚さに堆積された。
【００１７】
その後、基板温度を１１５０℃に上昇させ、下記条件下で段階的組成傾斜バッファ層構造３ａが形成された。すなわち、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１１が４００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１２が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝１３７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝１８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１３が４００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ａが形成された。
【００１８】
その後に基板温度が１１００℃に下げられ、ＴＭＧ流量＝２２４μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＧａＮチャネル層４が１５００ｎｍの厚さに堆積された。
【００１９】
なお、本実施例１では単一のＧａＮチャネル層４が堆積されたが、形成されるＦＥＴの耐電圧を向上させるために、相対的に低い反応ガス圧下で堆積される厚さ１．０μｍのＧａＮ層と相対的に高い反応ガス圧下で堆積される厚さ０．８μｍのＧａＮ層を含む２層構造のチャネル層が形成されてもよい。この場合に、反応ガス圧が低い場合にはＴＭＧに含まれる炭素がＧａＮチャネル層内にドープされやすく、逆に反応ガス圧が高い場合にはＧａＮチャネル層内に炭素がドープされにくい傾向を利用することによってＦＥＴの耐電圧の向上が図られる。
【００２０】
ＧａＮチャネル層４上には、ＴＭＧ流量＝４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、１３．３ｋＰａの圧力の下で、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）からなる電子供給層が堆積された。
【００２１】
なお、電子供給層としては、ＧａＮチャネル層４とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５との間に極めて薄いＡｌＮ特性改善層（１ｎｍ厚）を付加することによってＧａＮチャネル層中の２ＤＥＧ濃度を高める工夫をしてもよいし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５の表面を保護する目的でその上にＧａＮキャップ層（１ｎｍ厚）を設けることも好ましい。電子供給層に関するこれらの工夫は、以下の他の実施例においても同様に行うことができる。
【００２２】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２によるヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００２３】
図２のウエハの作製では、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｂに含まれる層以外の層は、実施例１の場合と同じ条件で堆積された。本実施例２の段階的組成傾斜バッファ層構造３ｂの形成においては、基板温度を１１５０℃に設定し、ＴＭＧ流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層２１が４００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層２２が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝１１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝３５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２３が４００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｂが形成された。
【００２４】
その後、実施例１の場合と同様に、ＧａＮチャネル層４（１５００ｎｍ厚）およびＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）の電子供給層が堆積された。
【００２５】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３によるヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００２６】
図３のウエハの作製では、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｃに含まれる層以外の層は、実施例１の場合と同じ条件で堆積された。本実施例３の段階的組成傾斜バッファ層構造３ｃの形成においては、基板温度を１１５０℃に設定し、ＴＭＧ流量＝６９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層３１が６００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝１１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝４５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層３２が６００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｃが形成された。ここで各バッファ層の厚さが６００ｎｍに増大されたのは、段階的組成傾斜バッファ層構造の全体の厚さを一定にすることによってエピタキシャルウエハ全体の厚さをも一定に維持し、ウエハ全体の厚さの変化がその反りおよび転位密度に与える影響を無くすためである。
【００２７】
その後、実施例１の場合と同様に、ＧａＮチャネル層４（１５００ｎｍ厚）およびＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）の電子供給層が堆積された。
【００２８】
（実施例４）
図４は、本発明の実施例４によるヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００２９】
図４のウエハの作製では、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｄに含まれる層以外の層は、実施例１の場合と同じ条件で堆積された。本実施例４の段階的組成傾斜バッファ層構造３ｄの形成においては、基板温度を１１５０℃に設定し、ＴＭＧ流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層４１が３００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝７７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝７７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層４２が３００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝１１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝４５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層４３が３００ｎｍの厚さに堆積され、さらに続いてＴＭＧ流量＝１３７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝１８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層４４が３００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｄが形成された。
【００３０】
その後、実施例１の場合と同様に、ＧａＮチャネル層４（１５００ｎｍ厚）およびＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）の電子供給層が堆積された。
【００３１】
（比較例１）
図５は、比較例１によるヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００３２】
図５のウエハの作製では、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｅに含まれる層以外の層は、実施例１の場合と同じ条件で堆積された。本比較例１の段階的組成傾斜バッファ層構造３ｅの形成においては、基板温度を１１５０℃に上昇させ、ＴＭＧ流量＝３９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝１１６μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層５１が３００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝６９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層５２が３００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層５３が３００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝１１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝３５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層５４が３００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｅが形成された。
【００３３】
その後、実施例１の場合と同様に、ＧａＮチャネル層４（１５００ｎｍ厚）およびＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）の電子供給層が堆積された。
【００３４】
（比較例２）
図６は、比較例２によるヘテロ接合型ＦＥＴ用のエピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【００３５】
図６のウエハの作製において、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｆに含まれる層以外の層は、実施例１の場合と同じ条件で堆積された。本比較例２の段階的組成傾斜バッファ層構造３ｆの形成においては、基板温度を１１５０℃に設定し、ＴＭＧ流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層６１が６００ｎｍの厚さに堆積された。続いて、ＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層６２が６００ｎｍの厚さに堆積された。こうして、段階的組成傾斜バッファ層構造３ｆが形成された。
【００３６】
その後、実施例１の場合と同様に、ＧａＮチャネル層４（１５００ｎｍ厚）およびＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層５（２０ｎｍ厚）の電子供給層が堆積された。
【００３７】
（評価および考察）
以上のような種々の実施例および比較例によるエピタキシャルウエハにおいて反りと刃状転位密度が評価され、それらの結果が表１にまとめられて示されている。
【００３８】
【表１】
2013145782.tif 000003
【００３９】
なお、４インチ径のウエハの反りは、下に凸の中央部の反り量をプラスとして測定されている。また、刃状転位密度は、ＧａＮチャネル層４中の転位密度として測定されている。より具体的には、刃状転位密度は、Ｘ線回折測定によるロッキングカーブの（１−１００）面回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を用いる下記の実験式（１）から見積もられている。
刃状転位密度＝（ＦＷＨＭ２／９．０）／３．１８９Å２    ・・・（１）
ここで、ＦＷＨＭと刃状転位密度とは、カソードルミネッセンス（ＣＬ）による観察によって関係付けられた。式（１）中の数値「９．０」は、ＦＷＨＭと刃状転位密度とをＣＬ観察に基づいて関係付けるフィティングパラメータであり、３．１８９ÅはＧａＮ結晶中の刃状転位のバーガスベクトルの長さである。
【００４０】
表１にまとめられた結果から、ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）が、ＧａＮチャネル層とそれに接するＡｌｙＧａ１−ｙＮバッファ層とのＡｌ組成比差（ｙ−０）よりも大きい場合に、すなわち（１−ｘ）＞ｙの関係を満たす場合に、ウエハにおける反りおよび刃状転位密度の両方が顕著に減少していることが分かる。
【００４１】
このように（１−ｘ）＞ｙの関係を満たすことによってウエハにおける反りおよび刃状転位密度の両方が減少する理由は、表２に示された材料の格子定数と熱膨張係数を考慮することによって、以下のように考察することができる。
【００４２】
【表２】
2013145782.tif 000004
【００４３】
まず、比較的大きな厚さを有するＧａＮチャネル層を直接Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させた場合、エピタキシャル成長時の高温状態から室温にウエハを冷却するときに、Ｓｉ基板に比べて大きな熱膨張係数を有するＧａＮ層はＳｉ基板より冷却収縮度が大きくなる。したがって、Ｓｉ基板の上面はＧａＮ層から圧縮力を受け（ＧａＮ層はＳｉ基板から引張り力を受け）、ウエハ全体が下に凸に反ることになる。
【００４４】
このような状況において、段階的組成傾斜バッファ層構造によって格子定数差による歪を利用してＧａＮ層に圧縮力を順次与えることによって、結果としてウエハ全体の下に凸の反りを軽減させることができる。なお、ＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ層およびＡｌＮ層に比べてそれらの中間の格子定数を有している。
【００４５】
ところで、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との格子定数差は、ＡｌＧａＮ層上のＧａＮ層内に刃状転位を導入させ易い傾向にある。この場合に、ＧａＮチャネル層とそれに接するＡｌｙＧａ１−ｙＮバッファ層とのＡｌ組成比差（ｙ−０）を小さくして格子定数差を小さくすることによって、ＧａＮチャネル層内の刃状転位密度が低減され得ると推察される。
【００４６】
他方、ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）を小さくすれば、相対的に大きな格子定数を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層がＡｌＮ下地層へ及ぼす引張り力が小さくなって、ウエハの反りの低減が十分にはできなくなるのではないかと推定される。
【００４７】
上述のように、Ｓｉ基板、段階的組成傾斜バッファ層構造に含まれる各ＡｌＧａＮ層、およびＧａＮチャネル層における格子定数および熱膨張率の相互関係を利用してウエハの反りと刃状転位密度の両方の低減させ得る効果は、連続的にＡｌ組成比を変化させたバッファ層構造では得ることができない。
【００４８】
次に、段階的組成傾斜バッファ層構造に含まれる各ＡｌＧａＮ層の厚さがウエハの反りに及ぼす影響について考察する。
【００４９】
図７は、実施例１における段階的組成傾斜バッファ層構造３ａに含まれるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１２の膜厚を１００ｎｍから７００ｎｍまで変化させた場合のウエハの反り量を示すグラフである。すなわち、このグラフの横軸はＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１２の膜厚（μｍ）を表し、縦軸はウエハの反り量（μｍ）を表している。半導体デバイス製造プロセスにウエハ適用するために望まれる反り量が４０μｍ以下であるとすれば、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１２の膜厚が１００ｎｍから４５０ｎｍの範囲内にあるべきことが図７から分かる。なお、段階的組成傾斜バッファ層構造３ａに含まれる他のＡｌＧａＮ層に関しても膜厚を変化させて調べたところ、同様の傾向が得られることが確認された。
【００５０】
段階的組成傾斜バッファ層構造に含まれる各ＡｌＧａＮ層に関して望ましい膜厚範囲が存在することの理由としては、膜厚が大きくなりすぎれば格子定数差による界面の反り緩和の力よりも熱膨張係数差による反りの力の方が大きくなってしまうからではないかと推察される。他方、膜厚が薄すぎる場合には、組成傾斜バッファ層構造内の各ＡｌＧａＮ層の膜質低下によって、上層に成長させるＧａＮチャネル層の結晶性が劣化し、刃状転位密度も増加することが確認された。したがって、各ＡｌＧａＮ層の膜厚は１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５１】
組成傾斜バッファ層に含まれる複数のＡｌＧａＮ層の数に関しては、２層から５層の範囲内、特に３層、４層または５層のいずれかであることが好ましい。この理由は、層数が少なすぎれば、Ｓｉ基板とＧａＮチャネル層との格子定数差を段階的に十分に緩和できないからである。他方、層数が多すぎれば、それらの層の界面での格子定数差が小さくなりすぎて、ウエハの反りの低減が十分にできなくなる。
【００５２】
ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、０．２から０．４の範囲内にあることが好ましい。Ａｌ組成比差（１−ｘ）に関しては既に考察されたが、（１−ｘ）が０．２から０．４の範囲内にあることが好ましい理由は、（１−ｘ）が大きくて格子定数差が大きくなりすぎれば、異種接合による歪が大きくなりすぎて、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性が悪化するからである。他方、（１−ｘ）が小さくて格子定数差が小さくなりすぎれば、ウエハの反りの低減効果が弱まってしまうことになる。さらに、ＦＥＴにおけるリーク電流を考慮すれば、ＡｌＮ下地層とそれに接するＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層とのＡｌ組成比差（１−ｘ）は、０．２５から０．３５の範囲内にあることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明による多重バッファ層構造を用いることによって、窒化物系半導体エピタキシャルウエハの反りを大幅に低減させることができ、また刃状転位密度が大幅に低減された窒化物系半導体エピタキシャルウエハを提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１  Ｓｉ基板、２  ＡｌＮ下地層、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ  段階的組成傾斜バッファ層構造、４  ＧａＮチャネル層、５  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層。
【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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