(57)【要約】【課題】リーク電流が流れることを防止しながら、III族窒化物半導体層の表面が平滑な半導体ウエハを実現する。【解決手段】半導体ウエハ１は、基板２上にバッファ層８を介してIII族窒化物半導体層１０が設けられている。バッファ層８は、III族窒化物半導体層１０より格子定数が小さい。III族窒化物半導体層１０は、炭素を含んでいる。III族窒化物半導体層１０の炭素濃度のピークは、III族窒化物半導体層１０の表面と裏面の双方から離れた位置にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にバッファ層を介してIII族窒化物半導体層が設けられている半導体ウエハであって、
前記バッファ層は、前記III族窒化物半導体層より格子定数が小さく、
前記III族窒化物半導体層は、炭素を含んでおり、
前記III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが、前記III族窒化物半導体層の表面と裏面の双方から離れた位置にある半導体ウエハ。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体層の表面の炭素濃度が、前記裏面の炭素濃度より低い請求項１に記載の半導体ウエハ。
【請求項３】
前記III族窒化物半導体層は、前記バッファ層側から順に、第１層、第２層、第３層を備えており、
前記第２層の炭素濃度の平均値が、前記第１層の炭素濃度の平均値及び前記第３層の炭素濃度の平均値の双方より高い請求項１又は２に記載の半導体ウエハ。
【請求項４】
前記第３層の炭素濃度の平均値が、前記第１層の炭素濃度の平均値より低い請求項３に記載の半導体ウエハ。
【請求項５】
前記第１層の材料が、窒化ガリウムである請求項３または４に記載の半導体ウエハ。
【請求項６】
前記III族窒化物半導体層のｃ軸が、成長面の垂線に対して傾斜している請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
【請求項７】
前記基板の材料が、シリコンである請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
【請求項８】
基板上にバッファ層を介してIII族窒化物半導体層が設けられており、そのIII族窒化物半導体層の表面側に半導体素子が形成されている半導体装置であって、
前記バッファ層は、前記III族窒化物半導体層より格子定数が小さく、
前記III族窒化物半導体層は、炭素を含んでおり、
前記III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが、前記III族窒化物半導体層の表面と裏面の双方から離れた位置にある半導体装置。
【請求項９】
基板上にIII族窒化物半導体層が設けられた半導体ウエハの製造方法であり、
前記基板上に、前記III族窒化物半導体層より格子定数が小さいバッファ層を気相成長するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層上に、前記III族窒化物半導体層を気相成長するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を備えており、
前記III族窒化物半導体形成工程の途中で前記III族窒化物半導体層の成長圧力を最小にする半導体ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、半導体ウエハ、半導体装置及び半導体ウエハの製造方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
基板上にIII族窒化物半導体層を気相成長させて半導体ウエハを製造する技術の研究が行われている。特許文献１には、シリコン基板上にバッファ層を成長させ、バッファ層上にIII族窒化物半導体層（主機能層）を成長する技術が開示されている。また、特許文献１は、バッファ層、及び／又は、III族窒化物半導体層のバッファ層側に高濃度（１×１０１８ｃｍ−３）の炭素を導入する。炭素を導入した半導体ウエハを用いて半導体装置を製造すると、半導体装置をオフしているときにリーク電流が流れることを防止することができる。なお、III族窒化物半導体層を成長させる基板としてIII族窒化物半導体より熱膨張係数が小さい材料を用いると、III族窒化物半導体が高温（気相成長中）から低温（典型的に室温）に冷却されるときに、III族窒化物半導体に引張歪みが生じることが知られている。特許文献１は、圧縮歪みを有するバッファ層上にIII族窒化物半導体層を成長することによって、III族窒化物半導体層に生じる引張歪みを相殺している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８７８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バッファ層、及び／又は、III族窒化物半導体層（主機能層）のバッファ層側に高濃度の炭素を導入すると、III族窒化物半導体層は、圧縮歪みを内在したまま成長する。その結果、III族窒化物半導体層に歪み誘因ステップバンチングが発生しやすくなり、III族窒化物半導体層の表面を平滑にすることができない。本明細書では、リーク電流が流れることを防止することができるとともに、III族窒化物半導体層の表面が平滑な半導体ウエハを実現する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する半導体ウエハは、基板上にバッファ層を介してIII族窒化物半導体層が設けられている。バッファ層は、III族窒化物半導体層より格子定数が小さい。III族窒化物半導体層は、炭素を含んでいる。本明細書が開示する半導体ウエハでは、III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが、III族窒化物半導体層の表面と裏面の双方から離れた位置にある。
【０００６】
上記半導体ウエハでは、III族窒化物半導体層が炭素を含んでいることにより、上記半導体ウエハを用いて製造した半導体装置のリーク電流を防止することができる。また、III族窒化物半導体層の中間部分（表面と裏面の双方から離れた位置）の炭素濃度を最も高くすることにより、リーク電流を防止するために必要な炭素濃度をIII族窒化物半導体層内に導入しつつ、バッファ層側（III族窒化物半導体層の裏面）においてはIII族窒化物半導体層の炭素濃度を低くすることができる。バッファ層側の炭素濃度を低く抑えることにより、III族窒化物半導体層に歪み誘因ステップバンチングが発生することを抑制することができる。上記の半導体ウエハは、リーク電流が流れることを防止しながら、III族窒化物半導体層の表面を平滑にすることができる。
【０００７】
なお、本明細書でいう「バッファ層」とは、基板とIII族窒化物半導体層の間の格子定数差を緩和するための所謂「低温バッファ層」を意味するものではなく、III族窒化物半導体層に面方向の力を加え、III族窒化物半導体層が成膜後に高温から低温に変化するときにIII族窒化物半導体層に生じる熱歪みを緩和するためのものである。また、「歪み誘因ステップバンチング」とは、Ｔｅｒｓｏｆｆらが発見し、提唱したステップバンチング発生のメカニズムであり、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  ７５  ２７３０（１９９５）」に開示されている。そのメカニズムは、周期的なステップ・テラスで形成される半導体表面に歪みが発生すると、歪みの２乗に比例し、ステップ間の距離に反比例したステップ間引力が働くというものである。ステップ間引力がステップの束（ステップバンチング）を次々と形成し、半導体ウエハの表面に段差が形成され、半導体ウエハの表面平滑性が低下する。そのため、半導体表面の歪みを小さくすることにより、ステップバンチングの発生を抑制することができる。
【０００８】
また、歪み誘因ステップバンチングは、成長面の垂線に対して主軸が微傾斜したウエハ（所謂オフ角を有するウエハ）において、より顕著となる。例えばIII族窒化物半導体の場合、一般的にｃ軸が主軸となる。そのため、III族窒化物半導体場合、ｃ軸が成長面の垂線に対して傾斜している状態がオフ角を有するといえる。典型的に、オフ角を設けることにより、成長表面をステップ・テラスが規則的に繰り返す周期構造となり、ウエハ表面の平坦性を向上させることができる。また、オフ角を設けることにより、急峻なヘテロ接合を実現したり、ウエハ上に形成する半導体素子の界面特性が向上するといった利点も得られる。しかしながら、歪み誘因ステップ間引力が働く状況下では、オフ角を有するウエハ表面のステップ間距離が小さい。ステップ間引力が無視できない働きをするので、歪み誘因ステップ間引力が働く状況下では、ステップバンチングが発生しやすい。
【０００９】
また、窒化物半導体層における歪み誘因ステップバンチングは、III族元素としてガリウムを主成分とするIII族窒化物半導体でより顕著である。ステップバンチングは、テラス上のIII族原子種が表面拡散してステップ端に取り込まれる過程で起こる。そのため、ステップバンチングは、「ステップ間平均距離×（１/２）≦III族原子種の表面拡散長」の条件を満足する環境下で起こりやすい。III族原子種において、ガリウムは、アルミニウムやインジウムと比較して表面拡散長が長いことが知られている。そのため、歪み誘因ステップバンチングは、ガリウムを主成分とするIII族窒化物半導体、特に窒化ガリウムで発生しやすい。なお、本明細書でいう「窒化ガリウム」には、１％未満の不純物（Ａｌ，Ｉｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，Ｆｅ等）を含有している窒化ガリウムも含まれる。
【００１０】
また、「バッファ層は、III族窒化物半導体層より格子定数が小さい」とは、バッファ層の全体とIII族窒化物半導体層の全体を比較したときに、バッファ層の格子定数（平均格子定数）が、III族窒化物半導体層の格子定数（平均格子定数）より小さいことを意味する。そのため、バッファ層の一部分とIII族窒化物半導体層の一部分とを比較したときに、バッファ層の一部分の格子定数が、III族窒化物半導体層の一部分の格子定数より大きくなることもある。
【００１１】
本明細書で開示する半導体装置は、基板上にバッファ層を介してIII族窒化物半導体層が設けられており、そのIII族窒化物半導体層の表面側に半導体素子が形成されている。この半導体装置では、バッファ層の格子定数（平均格子定数）は、III族窒化物半導体層の格子定数（平均格子定数）より小さい。III族窒化物半導体層は、炭素を含んでいる。III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークは、III族窒化物半導体層の表面と裏面の双方から離れた位置にある。
【００１２】
本明細書では、基板上にIII族窒化物半導体層が設けられた半導体ウエハの製造方法も開示する。その製造方法は、バッファ層形成工程と、III族窒化物半導体層形成工程を備えている。バッファ層形成工程では、基板上に、III族窒化物半導体層より格子定数が小さいバッファ層を気相成長する。III族窒化物半導体層形成工程では、バッファ層上に、III族窒化物半導体層を気相成長する。本明細書で開示する製造方法では、III族窒化物半導体層形成工程の途中でIII族窒化物半導体層の成長圧力を最小にする。
【００１３】
III族窒化物半導体層の成長圧力を小さくすると、III族窒化物半導体層に導入される炭素濃度が高くなる。そのため、上記の製造方法によると、III族窒化物半導体層の中間部分において炭素濃度が最も高くなる半導体ウエハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の半導体ウエハの断面図を模式的に示す。
【図２】III族窒化物半導体層内の位置と炭素濃度の関係を示す。
【図３】実施例１の半導体ウエハの表面写真を示す。
【図４】比較例１の半導体ウエハの表面写真を示す。
【図５】III族窒化物半導体層内の位置と炭素濃度の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１６】
半導体ウエハは、基板と、基板上に設けられているバッファ層と、バッファ層上に設けられているIII族窒化物半導体層を備えている。基板は、III族窒化物半導体層より熱膨張係数が小さい。具体的には、基板は、３００〜１３００Ｋの線膨張係数の温度積分値が、III族窒化物半導体層を構成する材料のａ軸方向の３００〜１３００Ｋの線膨張係数の温度積分値より小さい。より具体的には、基板の材料は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）である。基板の厚みは０．１〜２ｍｍである。好ましくは、基板とバッファ層の間に、界面層、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を設ける。界面層の材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。界面層を設けることにより、バッファ層，III族窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。なお、界面層は省略することもできる。窒化アルミニウム層の厚みは１０〜５００ｎｍである。なお、基板がシリコンの場合、窒化アルミニウム層の厚みは５０〜５００ｎｍであることが好ましい。基板がシリコンカーバイドの場合、窒化アルミニウム層の厚みは１０〜１００ｎｍであることが好ましい。窒化アルミニウムは、III族窒化物半導体の中で最も格子定数が小さい。そのため、窒化アルミニウム層を設けることにより、バッファ層に必要な量の圧縮歪みを与えることができる。なお、上記したように、界面層，窒化アルミニウム層を省略し、基板の表面に直接バッファ層を形成することもできる。
【００１７】
バッファ層は、III族窒化物半導体層より格子定数が小さい。具体的には、バッファ層の全体とIII族窒化物半導体層の全体を比較したときに、バッファ層の格子定数（平均格子定数）が、III族窒化物半導体層の格子定数（平均格子定数）より小さい。バッファ層は、圧縮歪みを有している。好ましくは、バッファ層の材料は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）である。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を材料とするバッファ層は、「ｘ」の値が異なる多層構造を用いることができる。また、好ましくは、「ｘ」の値は、表面（III族窒化物半導体層側）に向かうに従って小さくなる。すなわち、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を材料とするバッファ層は、表面に向かうに従ってＡｌ組成が小さくなることが好ましい。バッファ層は、異なる材料を繰り返し積層した多層構造を用いることができる。例えば、バッファ層は、ＡｌＮとＧａＮの積層構造が繰り返し設けられていることがある。あるいは、バッファ層は、ＡｌＮとＡｌＧａＮの積層構造が繰り返し設けられていることがある。バッファ層の厚みは０．５〜１０μｍにすることができる。バッファ層を設けることにより、III族窒化物半導体層の温度が成長温度（高温）から室温（低温）に変化するときに、III族窒化物半導体層に生じる引張歪みを相殺することができる。
【００１８】
III族窒化物半導体層は、炭素を含んでいる。III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークは、III族窒化物半導体層の表面と裏面（バッファ層と接する面）の双方から離れた位置にある。また、III族窒化物半導体層の表面の炭素濃度は、裏面の炭素濃度より低いことが好ましい。具体的には、III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが存在する部分を中間部とし、中間部分より表面側を表面部とし、中間部分より裏面側を裏面部としたときに、炭素濃度は、中間部＞裏面部＞表面部の関係を満足していることが好ましい。例えば、表面部には、電流が流れる機能層が作りこまれることがある。III族窒化物半導体層の表面（表面部）の炭素濃度を低くすると、機能層の炭素濃度を低く抑えることができ、損失（抵抗）の小さい半導体素子を得ることができる。なお、機能層に炭素が多く含まれていると、炭素の存在により電流の流れが阻害されることがある。
【００１９】
III族窒化物半導体層は、含まれる炭素の濃度が異なる複数の層を備えることが好ましい。具体的には、窒化物半導体層は、バッファ層側から第１層、第２層、第３層の順に積層された積層構造を備え、炭素濃度の平均値が第２層＞第１層の関係を満足することが好ましい。各層の炭素濃度の平均値は、第２層＞第１層＞第３層の関係を満足することが特に好ましい。なお、少なくとも第１層及び第２層は、バッファ層より格子定数が大きいことが好ましい。
【００２０】
第１層及び第２層の材料は、ガリウム（Ｇａ）を主体とするIII族窒化物半導体であることが好ましい。なお、「ガリウムを主体とするIII族窒化物半導体」とは、典型的には窒化ガリウム（ＧａＮ）を意味し、不純物としてＧａＮに対して１％未満の原子％のオーダーでＢ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｂ等の元素を含むものも「ガリウムを主体とするIII族窒化物半導体」である。第１層の材料としてガリウムを主体とするIII族窒化物半導体を用いることにより、薄い第１層を用いて、バッファ層と第２層の間で効率的に歪み緩和を起こすことができる。例えば第１層を構成するIII族窒化物半導体がアルミニウムを多く含む場合、バッファ層と第１層の格子定数の差が小さくなり、薄い第１層ではバッファ層と第２層の間で十分な歪み緩和が起こりにくくなる。また、第２層の材料としてガリウムを主体とするIII族窒化物半導体を用いることにより、第１層と第２層の間で新たな歪みが生じることを抑制することができる。すなわち、第１層の格子定数に近い材料が第２層として積層されるので、第１層と第２層の間で新たな歪みが生じにくい。
【００２１】
第１層の厚みは、０．０５〜０．５μｍであることが好ましい。第１層の厚みが０．０５μｍより薄い場合、歪み緩和が十分に起こりにくくなる。また、第１層の厚みが０．５μｍより厚い場合、リーク電流の抑制効果が十分に得られない。リーク電流を抑制するという観点より、より好ましくは、第１層の厚みは、０．０５〜０．２μｍ未満である。なお、第１層が第２層より十分に膜厚が薄ければ、リーク電流の抑制効果が低下することを防止できる。第１層の炭素濃度は、１×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３であることが好ましい。より好ましくは、第１層の炭素濃度は、１×１０１６〜５×１０１７ｃｍ−３である。第１層の炭素濃度を第２層より低くすることにより、バッファ層が内在する圧縮歪みを緩和することができる。
【００２２】
第２層の厚みは、０．２〜３．０μｍであることが好ましい。第２層の炭素濃度は、５×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。リーク電流を抑制するという観点より、より好ましくは、第２層の炭素濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である。第２層の厚みが第１層より十分に厚ければ、リーク電流の抑制効果を十分に発揮することができる。第３層の材料として、窒化ガリウムを用いることができる。また、第３層は、機能層（半導体素子を構成する層）として利用することができる。第３層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３未満であることが好ましい。より好ましくは、第３層は実質的に炭素を含んでいないことである。第３層の厚みは、目的とする半導体装置に応じて適宜調整することができる。なお、第３層の表面にさらに複数の層（第４層、第５層等）を設けることもできる。例えば、窒化ガリウム層（第３層）の表面にＡｌＧａＮ層（第４層）を形成し、ヘテロ接合を備えるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を製造することもできる。
【実施例】
【００２３】
（第１実施例）
図１及び図２を参照し、半導体ウエハ１について説明する。半導体ウエハ１は、シリコン基板２と、シリコン基板２上に形成された界面層４と、界面層４上に形成されたＡｌＮ層６と、ＡｌＮ層６上に形成されたバッファ層８と、バッファ層８上に形成されたIII族窒化物半導体層１０を備えている。シリコン基板２の厚みＴ２は６７５μｍである。界面層４の材料は酸化アルミニウムである。界面層４の厚みＴ４は３ｎｍ未満に調整されている。ＡｌＮ層６の厚みＴ６は０．３μｍに調整されている。バッファ層８の材料はＡｌｘＧａ１−ｘＮである。バッファ層８の厚みＴ８は２．５μｍに調整されている。バッファ層８は多層構造であり、ＡｌＮ層６側に向かうに従って「ｘ」の値が大きな層が形成されている。
【００２４】
III族窒化物半導体層１０は、第１ＧａＮ層１０ａ、第２ＧａＮ層１０ｂ、第３ＧａＮ層１０ｃを備えている。III族窒化物半導体層１０の材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１ＧａＮ層１０ａは、炭素を２×１０１６ｃｍ−３含んでいる。第２ＧａＮ層１０ｂは、炭素を４×１０１８ｃｍ−３含んでいる。第３ＧａＮ層１０ｃは、実質的に炭素を含んでいない（不可避の炭素を含んでいることはある）。III族窒化物半導体層１０は、有機金属気相成長法を用いて形成されている。第１ＧａＮ層１０ａの厚みＴ１０ａは０．１μｍに調整されており、第２ＧａＮ層１０ｂの厚みＴ１０ｂは０．５μｍに調整されており、第３ＧａＮ層１０ｃの厚みＴ１０ｃは０．４μｍに調整されている。なお、第３ＧａＮ層１０ｃの表面に、さらに他の窒化物半導体層を形成することもある。また、第３ＧａＮ層１０ｃの内部にｎ型不純物（Ｓｉ等），ｐ型不純物（Ｍｇ等）が含まれていることもある。第１ＧａＮ層１０ａ，第２ＧａＮ層１０ｂ，第３ＧａＮ層１０ｃは、各々第１層，第２層，第３層の一例である。
【００２５】
一例として、III族窒化物半導体層１０の表面（第３ＧａＮ層１０ｃの表面）に、ヘテロ接合を有する窒化物積層体（典型的にＡｌＧａＮ）が形成される。それにより、ヘテロ接合の２次元電子ガスとチャネルとして動作するＨＥＭＴ構造を備える半導体装置を製造することができる。
【００２６】
半導体ウエハ１の製造方法を説明する。まず、原子層堆積法（ＡＬＤ法）を用いて、シリコン基板２上に、界面層４を形成する。その後、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、界面層４上に、ＡｌＮ層６，バッファ層８をこの順に形成する（バッファ層形成工程）。バッファ層形成工程では、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム、Ｎ原料としてアンモニアを用いる。また、成長温度はおよそ１０００℃である。
【００２７】
次に、バッファ層８上に、第１ＧａＮ層１０ａを成長圧力３００Ｔｏｒｒで形成する。その後、第１ＧａＮ層１０ａ上に、第２ＧａＮ層１０ｂを成長圧力５０Ｔｏｒｒで形成する。これにより、第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度（４×１０１８ｃｍ−３）が、第１ＧａＮ層１０ａの炭素濃度（２×１０１６ｃｍ−３）より高くなる。次に、第２ＧａＮ層１０ｂ上に、第３ＧａＮ層１０ｃを成長圧力３００Ｔｏｒｒで形成する。第３ＧａＮ層１０ｃの炭素濃度（実質的に炭素が含まれていない）は、成長圧力以外のパラメータを用いて第１ＧａＮ層１０ａ及び第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度より低く調整される。
【００２８】
上記したように、バッファ層８の格子定数（ａ面方向の格子定数）は、III族窒化物半導体層（ＧａＮのａ面方向の格子定数）１０の格子定数より小さい。そのため、バッファ層８は、III族窒化物半導体層１０に圧縮歪みを加える。III族窒化物半導体層１０には、成長後、降温の過程で引張歪みが生じようとする。バッファ層８は、III族窒化物半導体層１０に生じる引張歪みを相殺し、III族窒化物半導体層１０に反り、クラック等が発生することを抑制する。
【００２９】
半導体ウエハ１の利点を説明する。図２は、III族窒化物半導体層１０の炭素濃度を示している。グラフの横軸は炭素濃度（ｃｍ−３）を示し、縦軸は各層（第１ＧａＮ層１０ａ〜第３ＧａＮ層１０ｃ）を示している。なお、図２に示している炭素濃度は、各層の平均値を示している。上記したように、第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度は４×１０１８ｃｍ−３である。ＧａＮ層に含まれる炭素濃度を１×１０１８ｃｍ−３より濃くすると、リーク電流を抑制することができる。そのため、半導体ウエハ１を用いて半導体装置を作製したときに、III族窒化物半導体層１０とシリコン基板２間にリーク電流が流れることを抑制できる。また、上記したように、第１ＧａＮ層１０ａの厚みＴ１０ａは、第２ＧａＮ層１０ｂの厚みＴ１０ｂより薄い。厚みＴ１０ａが厚くなると、リーク電流の抑制効果が低下することがある。厚みＴ１０ａを厚みＴ１０ｂより薄くすることにより、リーク電流の抑制効果を向上させることができる。
【００３０】
図２に示しているように、第１ＧａＮ層１０ａの炭素濃度（２×１０１６ｃｍ−３）は、第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度（４×１０１８ｃｍ−３）より低い。すなわち、第１ＧａＮ層１０ａは、リーク電流を抑制するのに十分な濃度の炭素を含んでいない。炭素濃度が低い第１ＧａＮ層１０ａをバッファ層８上に形成すると、効果的な歪み緩和が起こる。なお、仮に第１ＧａＮ層１０ａの炭素濃度が高い（例えば、リーク電流の抑制に効果を奏する１×１０１８ｃｍ−３以上）場合、バッファ層８の圧縮歪みを内在したままIII族窒化物半導体層１０が成長する。その結果、歪み誘因ステップバンチングが発生し、半導体ウエハ１の表面を平滑にすることができない。表面平滑性が悪い半導体ウエハを用いて半導体装置を製造すると、半導体装置の特性が低下することがある。
【００３１】
半導体ウエハ１は、第１ＧａＮ層１０ａの炭素濃度を第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度より低くすることにより、第１ＧａＮ層１０ａにおいてバッファ層８の圧縮歪みが緩和される。第１ＧａＮ層１０ａにおいてバッファ層８の圧縮歪みを緩和することにより、第２ＧａＮ層１０ｂに高濃度の炭素が含まれていても、歪み誘因ステップバンチングが発生することを抑制することができる。半導体ウエハ１の表面を平滑にすることができ、良好な特性を示す半導体装置を製造することができる。
【００３２】
なお、上記したように、III族窒化物半導体層１０の炭素の濃度は、III族窒化物半導体層の成長圧力で制御することができる。他の成長条件が同じ場合、成長圧力が低くなるに従ってIII族窒化物半導体層の炭素濃度は高くなる。第１ＧａＮ層１０ａを結晶成長させた後に成長圧力を低く調整することにより、第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度を高くすることができる。
【００３３】
例えば、バッファ層８上に、第１ＧａＮ層１０ａを形成することなく第２ＧａＮ層１０ｂを厚く結晶成長させても、第２ＧａＮ層１０ｂの厚みが増加するに従い、バッファ層８の圧縮歪みを緩和することができる。しかしながら、半導体ウエハの反りは、III族窒化物半導体層１０「歪み」と「膜厚」の積に応じて変化する。すなわち、バッファ層８上に直接第２ＧａＮ層１０ｂを形成すると、「歪み」が大きいので、僅かな「膜厚」の変化によって半導体ウエハの反り量が大きく変化する。そのため、高濃度の炭素を含む第２ＧａＮ層１０ｂを厚く形成する方法では、半導体ウエハの反り量を制御することが困難になる。上記したように、半導体ウエハ１では、第１ＧａＮ層１０ａでバッファ層８の圧縮歪みを緩和した後に、高濃度の炭素を含む第２ＧａＮ層１０ｂを結晶成長させる。そのため、III族窒化物半導体層１０の膜厚に誤差が生じても、バッチ間の反り量のばらつきを抑制することができる。半導体ウエハ１は、反り量の制御のロバスト性を向上させることもできる。
【００３４】
（実験例）
図３は、シリコン基板上に、界面層、ＡｌＮ層、バッファ層、第１ＧａＮ層、第２ＧａＮ層をこの順に成長させた半導体ウエハの表面の光学顕微鏡写真である（実験例１）。第１ＧａＮ層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３（成長圧力３００Ｔｏｒｒ）であり、第２ＧａＮ層の炭素濃度は４×１０１８ｃｍ−３（成長圧力５０Ｔｏｒｒ）である。炭素濃度を第１ＧａＮ層＜第２ＧａＮ層にすることにより、ステップフロー成長が確認され、表面が平滑な半導体ウエハが得られることが確認された。なお、Ｘ線逆格子マップ測定の結果、ＧａＮ層のａ軸方向の残留歪みは、０．１１％であった。また、第１ＧａＮ層１０ａのｃ軸は、成長面の垂線に対してｍ軸方向に０．２６度傾斜していた。
【００３５】
図４は、シリコン基板上に、界面層、ＡｌＮ層、バッファ層、第２ＧａＮ層、第１ＧａＮ層をこの順に成長させた半導体ウエハの表面の光学顕微鏡写真である（実験例２）。実験例１の半導体ウエハとは、第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層を成長する順序が反対である。すなわち、実験例２の半導体ウエハは、バッファ層の表面に、高濃度の炭素を含む第２ＧａＮ層を成長させている。図４から明らかなように、第２ＧａＮ層、第１ＧａＮ層の順に成長させると、表面に縞状の模様が形成されており、ステップの束（ステップバンチング）が形成されていることが確認できる。１００μｍ視野角の原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定した結果、ステップの束の段差は、最大で８０ｎｍであった。Ｘ線逆格子マップ測定によるＧａＮ層のａ軸方向の残留歪みは、０．４２％であった。また、第１ＧａＮ層１０ａのｃ軸は、成長面の垂線に対してｍ軸方向に０．２６度傾斜していた。
【００３６】
上記実験例１，２の結果より、炭素を含むＧａＮ層を備える半導体ウエハにおいて、ＧａＮ層の炭素濃度をバッファ層の接する部分で低くすることにより、ＧａＮ層の歪みを抑制し、半導体ウエハの表面に歪み誘因ステップバンチングが形成されることを抑制できることが確認された。
【００３７】
上記実施例ではIII族窒化物半導体層が第１ＧａＮ層１０ａ，第２ＧａＮ層１０ｂ，第３ＧａＮ層１０ｃを備えている例について説明した。しかしながら、本明細書で開示する技術は、第３ＧａＮ層１０ｃの表面に、さらに別の窒化物半導体層が形成されている半導体ウエハにも適用することができる。また、第１ＧａＮ層１０ａ，第２ＧａＮ層１０ｂ，第３ＧａＮ層１０ｃはIII族窒化物半導体層の一例であり、第１ＧａＮ層１０ａ，第２ＧａＮ層１０ｂ，第３ＧａＮ層１０ｃはＧａＮを主体とするIII族窒化物半導体で構成することもできる。
【００３８】
また、図５に示すように、III族窒化物半導体層は、炭素濃度が裏面（バッファ層側）から表面に向けて連続的に変化する構造も取り得る。この場合、III族窒化物半導体層は、明確な層構造を形成していない場合もあり得る。このような場合であっても、III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークがIII族窒化物半導体層の表面と裏面の双方から離れた位置にあることにより、リーク電流を抑制しつつ、半導体ウエハの表面を平滑にすることができる。
【００３９】
上記実施例では、III族窒化物半導体層１０の炭素濃度が、第２ＧａＮ層１０ｂ＞第１ＧａＮ層１０ａ＞第３ＧａＮ層１０ｃである半導体ウエハ１について説明した。しかしながら、本明細書で開示する技術は、III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが、表面と裏面の双方から離れた位置にあれば効果を奏する。すなわち、第２ＧａＮ層１０ｂの炭素濃度がIII族窒化物半導体層１０の中で最も高いという条件を満たしていれば、炭素濃度は、第２ＧａＮ層１０ｂ＞第３ＧａＮ層１０ｃ＞第１ＧａＮ層１０ａであっても効果を奏する。III族窒化物半導体層の炭素濃度のピークが表面と裏面の双方から離れた位置にあれば、リーク電流を抑制しつつ、歪み誘因ステップバンチングを抑制することができる。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４１】
１：半導体ウエハ
２：基板
８：バッファ層
１０：III族窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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