(57)【要約】  窒化物半導体デバイスの製造方法は、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、第１温度よりも高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３が供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、ＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程と、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ３を原料として、第１温度よりも低い第３温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える。
2020137667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、
前記第１温度よりも高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３が供給される前記ＭＯＣＶＤ炉内に、前記ＧａＮチャネル層が成長された前記ＳｉＣ基板を保持する工程と、
Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ３を原料として、前記第１温度よりも低い第３温度に設定された前記ＭＯＣＶＤ炉を用いて前記ＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程では、Ｈ２、ＮＨ３及びＴＭＩが前記ＭＯＣＶＤ炉内に供給される、請求項１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記第２温度は、前記第１温度よりも２０℃以上高い、請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程後であって、前記ＩｎＡｌＮ層を成長する前記工程前に、Ｈ２もしくはＮ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ及びＮＨ３を原料として、前記第１温度よりも低い第４温度に設定された前記ＭＯＣＶＤ炉を用いて前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＮ層を成長する工程をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記第４温度が、前記第３温度と前記第２温度との間で前記第３温度に近い場合にはキャリアガスをＮ２とし、前記第２温度に近い場合にはキャリアガスをＨ２とする、請求項４に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記ＭＯＣＶＤ炉は、前記ＳｉＣ基板を支持する支持部と、前記ＳｉＣ基板の厚さ方向において前記支持部に対向する原料供給部と、を有し、
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程では、前記ＳｉＣ基板と前記原料供給部との間隔を第１間隔に設定し、
前記ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、前記ＳｉＣ基板と前記原料供給部との間隔を、前記第１間隔よりも広い第２間隔に設定する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記第１間隔は、６ｍｍ以下であり、
前記第２間隔は、１５ｍｍ以上である、請求項６に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記ＭＯＣＶＤ炉は、原料供給部を有し、
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程では、前記原料供給部の温度を第１装置温度に設定し、
前記ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、前記原料供給部の温度を前記第１装置温度よりも低い第２装置温度に設定する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記第１装置温度は、６０℃以上であり、
前記第２装置温度は、３０℃以下である、請求項８に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、
Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３、およびＴＭＧに代えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）が供給される前記ＭＯＣＶＤ炉内に、１０００℃以上であって前記第１温度以下の第２温度で前記ＧａＮチャネル層が成長された前記ＳｉＣ基板を保持する工程と、
Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ３を原料として、前記第２温度よりも低い第３温度に設定された前記ＭＯＣＶＤ炉を用いて前記ＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程の後であって前記ＩｎＡｌＮ層を成長する前記工程の前に、Ｈ２もしくはＮ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ、ＮＨ３を原料とし、前記ＭＯＣＶＤ炉の温度を前記第２温度よりも低く前記第３温度よりも高い第４温度にて前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＮ層を成長する工程を備える、請求項１０に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第４温度が、前記第１温度と前記第３温度との間で前記第１温度に近い場合にはキャリアガスをＮ２とし、前記第３温度に近い場合にはキャリアガスをＨ２とする、請求項１１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記ＭＯＣＶＤ炉は、前記ＳｉＣ基板を支持する支持部と、前記ＳｉＣ基板の厚さ方向において前記支持部に対向する原料供給部と、を有し、
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程では、前記支持部と前記原料供給部との間隔を第１間隔に設定し、
前記ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、前記支持部と前記原料供給部との間隔を、前記第１間隔よりも広い第２間隔に設定する、請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記第１間隔は、６ｍｍ以下であり、
前記第２間隔は、１５ｍｍ以上である、請求項１３に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記ＭＯＣＶＤ炉は、原料供給部を有し、
前記ＳｉＣ基板を保持する前記工程では、前記原料供給部の温度を第１装置温度に設定し、
前記ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、前記原料供給部の温度を前記第１装置温度よりも低い第２装置温度に設定する、請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記第１装置温度は、６０℃以上であり、
前記第２装置温度は、３０℃以下である、請求項１５に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体デバイスの製造方法に関する。
本出願は、２０１８年１２月２７日出願の日本出願第２０１８−２４５２１３号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体は、半導体基板上にエピタキシャル成長することによって形成される。このような窒化物半導体は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって形成される。下記特許文献１，２には、いわゆる横フロー方式を利用した結晶成長方法が開示される。下記特許文献１では、基板よりも上流側における原料の熱分解及び中間反応を抑制するための結晶成長装置の構成が開示されている。下記特許文献２では、反応室の内壁への堆積物をＨＣｌによって除去した後、結晶成長を実施することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開第２００８−２８２７０号公報
【特許文献２】特開第２０１４−５５１０３号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の一側面に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、第１温度よりも高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３が供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、ＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程と、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度よりも低い第３温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスに用いられる半導体基板を示す断面図である。
【図２】図２は、半導体基板が設置される半導体成長装置を示す模式断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、期間Ｄ３後における炉内の状態を示す模式断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、期間Ｄ４後における炉内の状態を示す模式断面図である。
【図７】図７は、従来の窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。
【図８Ａ】図８Ａは、従来の製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、第１実施形態に係る製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【図９】図９は、変形例に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、変形例に係る製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、従来、第１実施形態、及び変形例のＩｎ組成を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、従来、第１実施形態、及び変形例のＧａ組成を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第２実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第２実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、第２実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第３実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第３実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、第３実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。
【図１３】図１３は、従来、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態のＧａ組成を示す図である。
【図１４】図１４は、吹き出しヘッドの表面に堆積するＧａＮ量の推移を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
［本開示が解決しようとする課題］
【０００７】
上述したＭＯＣＶＤ法によって成長したＧａＮ層をチャネル層とした高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）においては、高周波特性のさらなる改善が求められている。ＨＥＭＴの高周波特性を改善する手法として、例えば、バリア層の薄化、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）の高濃度化等が挙げられる。ＡｌＧａＮ結晶からなるバリア層を薄化する場合、当該バリア層のシートキャリア密度の減少が大きくなる傾向にある。このバリア層のシートキャリア密度を確保するためには、チャネル層に対する当該バリア層のひずみを大きくすることが挙げられる。当該ひずみを大きくする手段の一つとして、例えば、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成を高めることが挙げられる。理論上、ＡｌＧａＮ結晶では、その両端の組成であるＧａＮからＡｌＮまで、相分離することなく混晶を作ることが可能である。しかしながら、実際には、Ａｌ組成が０．３を超えるＡｌＧａＮ結晶は、ＧａＮ層上には成長できない。よって、ひずみを利用したＡｌＧａＮバリア層のシートキャリア密度の調整には、限界がある。
【０００８】
ここで、バリア層の抵抗低減の観点から、バリア層にインジウム（Ｉｎ）を含ませることが注目されている。例えば、Ｉｎ組成が０．１７であるＩｎＡｌＮ（すなわち、Ｉｎ０．１７Ａｌ０．８３Ｎ）は、ＧａＮと格子整合する。このＩｎＡｌＮ結晶をバリア層としたとき、２次元電子ガスはピエゾ電荷よりも自発分極による電荷が支配的になる。このため、ＩｎＡｌＮバリア層を薄化した場合であっても、高電子密度が得られる。なお、ＩｎＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮ系化合物ともＩｎＡｌＮ系化合物とも分類され得るが、以下ではＩｎＡｌＮ系化合物とする。
【０００９】
また、Ｉｎ０．１７Ａｌ０．８３Ｎバリア層と、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎバリア層とのシートキャリア密度が同一である場合、前者のバリア層の厚さは、後者のバリア層の厚さの半分以下に設定できる。例えば、バリア層に要求されるシートキャリア密度が１．４×１０１３ｃｍ−２である場合、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎバリア層の厚さは１８ｎｍ程度まで設定する必要がある。一方、バリア層がＩｎ０．１７Ａｌ０．８３Ｎバリア層である場合、４ｎｍの厚さにて上記シートキャリア密度が得られる。加えて、バリア層の厚さが薄いほど、ＨＥＭＴの増幅特性が高まる傾向にある。これらの事項に鑑みれば、ＩｎＡｌＮバリア層は有用である。
【００１０】
しかしながら、ＧａＮ層上にＩｎＡｌＮ結晶を成長するとき、多量のＧａがＩｎＡｌＮ結晶内に混入してしまう傾向にある。この場合、バリア層の格子定数が意図した値にならず、膜中に内在する歪量が大きくなってしまう。このような課題に鑑みた本開示の目的は、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる窒化物半導体デバイスの製造方法を提供することである。
【００１１】
［本開示の効果］
本開示によれば、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる窒化物半導体デバイスの製造方法の製造方法を提供できる。
【００１２】
［本開示の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。本開示の一実施形態は、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、第１温度よりも高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３が供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、ＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程と、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度よりも低い第３温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える窒化物半導体デバイスの製造方法である。
【００１３】
この製造方法では、第１温度よりも高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３が供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、ＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程が実施されている。これにより、ＩｎＡｌＮ層を成長する前に、ＭＯＣＶＤ炉内のＧａを含む堆積物を良好に除去できる。よって、ＩｎＡｌＮ層内におけるＧａの組成を従来よりも低減できる。換言すると、ＩｎＡｌＮ層内におけるＩｎの組成を従来よりも高くできる。このため、ＩｎＡｌＮ層内における各原子の組成比を安定化できるので、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる。
【００１４】
ＳｉＣ基板を保持する工程では、Ｈ２、ＮＨ３及びＴＭＩがＭＯＣＶＤ炉内に供給されてもよい。この場合、ＳｉＣ基板を保持する工程において、ＭＯＣＶＤ炉内のＧａを含む堆積物をより良好に除去できる。
【００１５】
第２温度は、第１温度よりも２０℃以上高くてもよい。この場合、ＳｉＣ基板を保持する工程において、ＭＯＣＶＤ炉内のＧａを含む堆積物をより良好に除去できる。
【００１６】
上記製造方法は、ＳｉＣ基板を保持する工程後であって、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程前に、Ｈ２もしくはＮ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ及びＮＨ３を原料として、第１温度よりも低い第４温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてＧａＮチャネル層上にＡｌＮ層を成長する工程をさらに備えてもよい。この場合、ＩｎＡｌＮ層のキャリア密度低下を抑制できる。
【００１７】
第４温度が、第３温度と第２温度との間で第３温度に近い場合にはキャリアガスをＮ２とし、第２温度に近い場合にはキャリアガスをＨ２としてもよい。
【００１８】
ＭＯＣＶＤ炉は、ＳｉＣ基板を支持する支持部と、ＳｉＣ基板の厚さ方向において支持部に対向する原料供給部と、を有し、ＳｉＣ基板を保持する工程では、ＳｉＣ基板と原料供給部との間隔を第１間隔に設定し、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、ＳｉＣ基板と原料供給部との間隔を、第１間隔よりも広い第２間隔に設定してもよい。加えて、第１間隔は、６ｍｍ以下であり、第２間隔は、１５ｍｍ以上でもよい。これらの場合、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、堆積物に含まれるＧａがＩｎＡｌＮ層まで到達しにくくなる。このため、より良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる。
【００１９】
ＭＯＣＶＤ炉は、原料供給部を有し、ＳｉＣ基板を保持する工程では、原料供給部の温度を第１装置温度に設定し、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、原料供給部の温度を第１装置温度よりも低い第２装置温度に設定してもよい。加えて、第１装置温度は、６０℃以上であり、第２装置温度は、３０℃以下でもよい。これらの場合、ＳｉＣ基板を保持する工程にて、Ｇａを含む堆積物が良好に除去される。
【００２０】
本開示の別の一実施形態は、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、第１温度に設定された縦型のＭＯＣＶＤ炉を用いてＳｉＣ基板上にＧａＮチャネル層を成長する工程と、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３、およびＴＭＧに代えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）が供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、１０００℃以上であって第１温度以下の第２温度でＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程と、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＩ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ３を原料として、第２温度よりも低い第３温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてＧａＮチャネル層上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、を備える窒化物半導体デバイスの製造方法である。
【００２１】
この製造方法では、１０００℃以上であって第１温度以下の高い第２温度に設定し、Ｈ２をキャリアガスとし、ＮＨ３及びＴＭＩが供給されるＭＯＣＶＤ炉内に、ＧａＮチャネル層が成長されたＳｉＣ基板を保持する工程が実施されている。これにより、ＩｎＡｌＮ層を成長する前に、ＭＯＣＶＤ炉内の堆積物に含まれるＧａが、Ｉｎに置換される。そして、置換されたＩｎが昇華されることによって、ＭＯＣＶＤ炉内の堆積物を良好に除去できる。よって、ＩｎＡｌＮ層内におけるＧａの組成を従来よりも低減できる。換言すると、ＩｎＡｌＮ層内におけるＩｎの組成を従来よりも高くできる。このため、ＩｎＡｌＮ層内における各原子の組成比を安定化できるので、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる。
【００２２】
上記製造方法は、ＳｉＣ基板を保持する工程の後であってＩｎＡｌＮ層を成長する工程の前に、Ｈ２もしくはＮ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ、ＮＨ３を原料とし、ＭＯＣＶＤ炉の温度を第２温度よりも低く第３温度よりも高い第４温度にてＧａＮチャネル層上にＡｌＮ層を成長する工程を備えてもよい。この場合、ＩｎＡｌＮ層のキャリア密度低下を抑制できる。
【００２３】
第４温度が、第１温度と第３温度との間で第１温度に近い場合にはキャリアガスをＮ２とし、第３温度に近い場合にはキャリアガスをＨ２としてもよい。
【００２４】
ＭＯＣＶＤ炉は、ＳｉＣ基板を支持する支持部と、ＳｉＣ基板の厚さ方向において支持部に対向する原料供給部と、を有し、ＳｉＣ基板を保持する工程では、ＳｉＣ基板と原料供給部との間隔を第１間隔に設定し、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、ＳｉＣ基板と原料供給部との間隔を、第１間隔よりも広い第２間隔に設定してもよい。加えて、第１間隔は、６ｍｍ以下であり、第２間隔は、１５ｍｍ以上でもよい。これらの場合、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、堆積物に含まれるＧａがＩｎＡｌＮ層まで到達しにくくなる。このため、より良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる。
【００２５】
ＭＯＣＶＤ炉は、原料供給部を有し、ＳｉＣ基板を保持する工程では、原料供給部の温度を第１装置温度に設定し、ＩｎＡｌＮ層を成長する工程では、原料供給部の温度を第１装置温度よりも低い第２装置温度に設定してもよい。加えて、第１装置温度は、６０℃以上であり、第２装置温度は、３０℃以下でもよい。これらの場合、ＳｉＣ基板を保持する工程にて、Ｇａを含む堆積物が良好に除去される。
【００２６】
［本開示の実施形態の説明］
本開示の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。以下、添付図面を参照して、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスに用いられる半導体基板を示す断面図である。図１に示すように、窒化物半導体デバイスの一例である高電子移動度トランジスタ（以下、「ＨＥＭＴ」とする）に用いられる半導体基板１は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、スペーサ層１６、バリア層１８、及びキャップ層２０を備えている。半導体基板１においては、基板１０上に窒化物半導体層であるバッファ層１２、チャネル層１４、スペーサ層１６、バリア層１８、及びキャップ層２０が、この順に積層されている。バッファ層１２、チャネル層１４、スペーサ層１６、バリア層１８、及びキャップ層２０のそれぞれは、例えばＭＯＣＶＤ法によって成長する。
【００２８】
基板１０は、半絶縁性のＳｉＣ基板（炭化ケイ素基板）である。バッファ層１２は、チャネル層１４に対するバッファ層及びシード層として機能し、基板１０上にエピタキシャル成長したＡｌＮ層である。バッファ層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【００２９】
チャネル層１４は、キャリア走行層として機能し、バッファ層１２上にエピタキシャル成長したｉ型ＧａＮ層（ＧａＮチャネル層）である。ＧａＮは、ＳｉＣに対する濡れ性に起因して、基板１０上に直接成長できない。このため、チャネル層１４は、バッファ層１２のＡｌＮを介して成長している。チャネル層１４の厚さは、例えば３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
【００３０】
スペーサ層１６は、チャネル層１４とバリア層１８との間に位置する層であり、チャネル層１４上にエピタキシャル成長したＡｌＮ層である。スペーサ層１６の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。
【００３１】
バリア層１８は、キャリア生成層として機能し、スペーサ層１６上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層である。バリア層１８は、例えばＩｎ（インジウム）を含む窒化物半導体層である。バリア層１８は、例えばＩｎＡｌＮ系化合物を含む。第１実施形態では、バリア層１８はＩｎＡｌＮ層である。このＩｎＡｌＮ層に含まれるガリウム（Ｇａ）は、少ない方が望ましい。バリア層１８の厚さは、例えば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。チャネル層１４とバリア層１８との間には、自発分極が発生する。これにより、チャネル層１４とスペーサ層１６との界面であってチャネル層１４側に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じ、チャネル層１４内にチャネル領域が形成される。
【００３２】
キャップ層２０は、バリア層１８上にエピタキシャル成長したＧａＮ層である。キャップ層２０の厚さは、例えば０ｎｍ以上５ｎｍ以下である。すなわち、キャップ層２０は、必ずしも設けられなくてもよい。キャップ層２０は、ｎ型化していてもよい。
【００３３】
半導体基板１上には、保護膜が設けられてもよい。保護膜は、例えばＳｉＮ膜等の絶縁膜である。保護膜は、例えば減圧ＣＶＤ法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition；ＬＰＣＶＤ）、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶＤ法等によって形成される。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、半導体基板１を成長した装置にて保護膜を形成してもよい。この場合、半導体基板１を空気等に曝すことなく保護膜を形成できる。
【００３４】
次に、図２、図３、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｃ、及び図６Ａ，６Ｂを用いながら、半導体基板１の製造方法について説明する。図２は、半導体基板が設置される半導体成長装置を示す模式断面図である。図３は、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。図４Ａ〜図４Ｃ及び図５Ａ〜図５Ｃは、第１実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。図６Ａは、後述する期間Ｄ３後における炉内の状態を示す模式断面図であり、図６Ｂは、後述する期間Ｄ４後における炉内の状態を示す模式断面図である。なお、図３において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。また、図６Ａ，６Ｂにおいて、基板１０上に成長した半導体は省略されている。
【００３５】
まず、図２に示すように、基板１０を半導体成長装置３０の炉３１内に収容する。第１実施形態では、半導体成長装置３０はいわゆる縦フロー方式のＭＯＣＶＤ装置である。よって炉３１は、縦型のＭＯＣＶＤ炉である。このため、炉３１内に収容された基板１０上には、ＭＯＣＶＤ法にて半導体層が成長する。炉３１は、基板１０を載置（支持）するサセプタ３２（支持部）と、原料を炉３１内に噴出する吹き出しヘッド３３（原料供給部）とを備える。サセプタ３２において吹き出しヘッド３３に対向する領域には、基板１０が載置される凹部３２ａが設けられる。吹き出しヘッド３３は、例えば複数の噴出穴３３ａを有するシャワーヘッドである。噴出穴３３ａの出口は、基板１０の厚さ方向においてサセプタ３２に対向している。サセプタ３２と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓは、例えば８ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。
【００３６】
次に、図３に示される期間Ｄ１において、基板１０がサセプタ３２に載置された状態にて炉３１内を加熱する。これにより、基板１０の表面及び炉３１内のクリーニングを実施する。期間Ｄ１の工程では、例えば、水素（Ｈ２）を炉３１内に供給して水素雰囲気に設定する。また、例えば、炉３１内の圧力を減圧し、且つ、１１００℃以上に設定した状態にて、炉３１内を数十分加熱する。炉３１内の温度は、後に実施される半導体層の成長温度よりも高い温度に設定される。第１実施形態では、期間Ｄ１における炉３１内の温度は１１００℃であり、炉３１内の圧力は１００Ｔｏｒｒであり、Ｈ２の流量は２０Ｌ／ｍｉｎである。
【００３７】
次に、図３に示される期間Ｄ２にて、図４Ａに示すように基板１０上にバッファ層１２を成長する。期間Ｄ２の工程では、まず、炉３１内の温度を期間Ｄ１よりも低い温度に設定する。そして、キャリアガスとしてＨ２を炉３１内に引き続き供給すると共に、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ３）を炉３１内に供給する。これにより、基板１０上にバッファ層１２として機能するＡｌＮ層を成長する。期間Ｄ２における炉３１内の温度は、例えば１０００℃以上１１００℃以下である。第１実施形態では、期間Ｄ２における炉３１内の温度は１０８０℃であり、炉３１内の圧力は１００Ｔｏｒｒであり、ＴＭＡの流量は２５ｃｃ／ｍｉｎであり、ＮＨ３の流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。これにより、厚さ２０ｎｍのバッファ層１２を成長する。
【００３８】
次に、図３に示される期間Ｄ３にて、図４Ｂに示すようにバッファ層１２上にチャネル層１４を成長する。期間Ｄ３の工程では、まず、炉３１内の温度を期間Ｄ２よりも低い温度（第１温度）に設定する。そして、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ３を原料として、これらを炉３１内に供給する。これにより、基板１０上にチャネル層１４として機能するＧａＮ層を成長する。期間Ｄ３における炉３１内の温度は、例えば１０００℃以上１１００℃以下である。第１実施形態では、期間Ｄ３における炉３１内の温度は１０１０℃であり、炉３１内の圧力は１００Ｔｏｒｒであり、ＴＭＧの流量は３０ｃｃ／ｍｉｎであり、ＮＨ３の流量は２０Ｌ／ｍｉｎである。これにより、厚さ１μｍのチャネル層１４を成長する。
【００３９】
上述したように、炉３１内におけるサセプタ３２と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓが狭いので、期間Ｄ３中に噴出穴３３ａの出口等にＧａ原子が付着する傾向にある。これにより図６Ａに示すように、吹き出しヘッド３３の表面にＧａ原子、Ｇａクラスタ、ＧａＮ多結晶等の堆積物４１が形成されることがある。堆積物４１が形成される場合、チャネル層１４上に成長する半導体層（例えば、スペーサ層１６及びバリア層１８）にＧａが混入してしまう。この場合、当該半導体層の膜質が低下してしまう。このような問題を防ぐため、図３に示される期間Ｄ４にて、期間Ｄ３よりも高い温度（第２温度）に炉３１内を所定期間保持する。これにより、図６Ｂに示すように、堆積物４１を炉３１内から除去する。期間Ｄ４では、まず、ＴＭＧの供給を停止した後、炉３１内の温度を上昇させる。期間Ｄ４における炉３１の温度は、期間Ｄ３における炉３１の温度よりも２０℃以上高く設定される。そして、例えば１０分間、炉３１内にＨ２及びＮＨ３を供給した状態にて、炉３１内にチャネル層１４が成長された基板１０を保持する。第１実施形態では、期間Ｄ４における炉３１内の温度は１０３０℃であり、炉３１内の圧力は２００Ｔｏｒｒであり、ＮＨ３の流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。
【００４０】
期間Ｄ４においては、炉３１内に供給されるＨ２によって堆積物４１がエッチングされる。このとき、チャネル層１４の一部もまたエッチングされる（図４Ｃを参照）。よって、期間Ｄ３においては、設定された厚さよりも大きいチャネル層１４を予め成長することが好ましい。なお、期間Ｄ４においてＮＨ３は、チャネル層１４の窒素抜けを抑制するために炉３１内に供給される。
【００４１】
次に、図３に示される期間Ｄ５にて、図５Ａに示すようにチャネル層１４上にスペーサ層１６を成長する。期間Ｄ５の工程では、まず、炉３１内の温度を期間Ｄ４よりも低い温度（第４温度）に設定する。そして、Ｈ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ及びＮＨ３を原料として、これらを炉３１内に供給する。これにより、チャネル層１４上にスペーサ層１６として機能するＡｌＮ層を成長する。期間Ｄ５における炉３１内の温度は、例えば９００℃以上１０５０℃以下である。第１実施形態では、期間Ｄ５における炉３１内の温度は９８０℃であり、炉３１内の圧力は５０Ｔｏｒｒであり、ＴＭＡの流量は４０ｃｃ／ｍｉｎであり、ＮＨ３の流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。これにより、厚さ１ｎｍのスペーサ層１６を成長する。
【００４２】
次に、図３に示される期間Ｄ６にて、図５Ｂに示すようにスペーサ層１６上にバリア層１８を成長する。期間Ｄ６の工程では、まず、スペーサ層１６上に堆積するＩｎが除去されることを防ぐために、キャリアガスをＨ２から窒素（Ｎ２）に切り換える。また、炉３１内の温度を期間Ｄ５よりも低い温度（第３温度）に設定する。そして、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びＮＨ３を原料として、これらを炉３１内に供給する。これにより、スペーサ層１６上にバリア層１８として機能するＩｎＡｌＮ層を成長する。このＩｎＡｌＮ層には、堆積物４１等に起因したＧａは、期間Ｄ４を設けない従来の工程に比較して半分から１５％程度しか含まれない。期間Ｄ６における炉３１内の温度は、例えば６００℃以上８００℃以下である。第１実施形態では、期間Ｄ６における炉３１内の温度は７００℃であり、炉３１内の圧力は５０Ｔｏｒｒであり、ＴＭＡの流量は５ｃｃ／ｍｉｎであり、ＴＭＩの流量は５０ｃｃ／ｍｉｎであり、ＮＨ３の流量は４Ｌ／ｍｉｎである。これにより、厚さ８ｎｍのバリア層１８を成長する。
【００４３】
次に、図３に示される期間Ｄ７にて、図５Ｃに示すようにバリア層１８上にキャップ層２０を成長する。期間Ｄ７の工程では、まず、炉３１内の温度を期間Ｄ６よりも高い温度に設定する。そして、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＧ及びＮＨ３を原料として、これらを炉３１内に供給する。これにより、バリア層１８上にキャップ層２０として機能するＧａＮ層を成長する。期間Ｄ７における炉３１内の温度は、例えば７００℃以上９００℃以下である。第１実施形態では、期間Ｄ７における炉３１内の温度は８００℃であり、炉３１内の圧力は５０Ｔｏｒｒであり、ＴＭＧの流量は１０ｃｃ／ｍｉｎであり、ＮＨ３の流量は４Ｌ／ｍｉｎである。これにより、厚さ３ｎｍのキャップ層２０を成長する。
【００４４】
以上の期間Ｄ１〜Ｄ７を経ることによって、基板１０上に半導体基板１が形成される。この半導体基板１を用いて、窒化物半導体デバイスであるＨＥＭＴ等を形成できる。
【００４５】
以上に説明した窒化物半導体デバイスの製造方法によって得られる作用効果について、図７及び図８Ａ，８Ｂを参照しながら説明する。図７は、従来の窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。図８Ａは、従来の製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図であり、図８Ｂは、第１実施形態に係る製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。図８Ａ，８Ｂにおいて、横軸はバリア層表面からの距離を示し、縦軸は構成元素の組成を示す。また、プロット５１，６１はＡｌの測定結果を示し、プロット５２，６２はＧａの測定結果を示し、プロット５３，６３はＩｎの測定結果を示す。なお、図８Ａ，８Ｂでは、縦軸はリニアスケールにて示されており、ＡｌとＧａとＩｎとの組成の合計を１としている。
【００４６】
図７に示されるように、従来においては、期間Ｄ４の工程が実施されていない。このため従来では、期間Ｄ３にて吹き出しヘッド３３に堆積物４１が形成された状態にて、スペーサ層、バリア層及びキャップ層が成長される。この場合、ＴＭＩに含まれるＩｎ原子が、堆積物４１中のＧａ原子と置換する傾向にある。よって、期間Ｄ３後にバリア層として機能するＩｎＡｌＮ層を成長する場合、Ｉｎを含むＡｌＧａＮ層（すなわち、多量のＧａを含むＩｎＡｌＮ系結晶）が成長してしまう。実際、図８Ａに示されるように、バリア層内におけるＧａの組成はＩｎの組成よりも明らかに高い。なお、Ｉｎ原子とＧａ原子との置換は、炉３１内にて吹き出しヘッド３３及び堆積物４１が加熱されることによって促進されると推察される。
【００４７】
半導体成長装置３０内にＧａＮ基板を収容し、当該ＧａＮ基板上に直接ＩｎＡｌＮ層を成長した場合、実質的にＧａを含まないＩｎＡｌＮ層が成長する。このことからも、堆積物４１の存在によって、バリア層等に多量のＧａが混入することがわかる。加えて、堆積物４１は、単にＨ２の供給だけでは完全に除去されないこともわかる。
【００４８】
これに対して第１実施形態に係る製造方法では、期間Ｄ４の工程が実施されている。これにより、スペーサ層１６及びバリア層１８の成長前に、堆積物４１を良好に除去できる。実際、図８Ｂに示されるように、バリア層１８内のＧａの組成は従来よりも低くなっており、且つ、バリア層１８内のＩｎの組成は従来よりも明らかに高くなっている。また、半導体基板１の厚さ方向に沿ったバリア層１８内における各原子の組成比が安定化する。したがって第１実施形態によれば、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層１８を成長できる。
【００４９】
一般に、ＩｎＡｌＮ系結晶においてＧａ濃度が高まるほど、当該結晶のａ軸がＧａＮから乖離する傾向にある。この場合、Ｇａを含むＩｎＡｌＮ系結晶中の歪みが大きくなる。当該歪みが大きくなると、ＩｎＡｌＮ系結晶中におけるクラックの発生、並びに、表面ピットの増加に繋がる傾向にある。このようなＩｎＡｌＮ系結晶を用いて窒化物半導体デバイス（ＨＥＭＴ、ＦＥＴ）を製造した場合、当該デバイスのリーク電流が大きくなる傾向にある。このため、ＩｎＡｌＮ系結晶にＧａが含まれるほど、窒化物半導体デバイスの性能及び信頼性が低下する傾向にある。したがって、第１実施形態に係る製造方法を適用することによって、良質なＩｎＡｌＮ系化合物をふくむバリア層１８を成長することは有用であると言える。
【００５０】
期間Ｄ４では、Ｈ２がチャネル層１４の一部をエッチングする。しかしながら、エッチングされたチャネル層１４のシート抵抗は、エッチング前のチャネル層１４のシート抵抗と実質的に同一である。加えて、半導体基板１の表面モフォロジには、大きな欠陥が見られない傾向にある。さらには、上記特許文献２に記載されるようにＨＣｌガスを供給する場合よりも、チャネル層１４にダメージが加わりにくい。
【００５１】
第１実施形態のように、期間Ｄ４において設定される第２温度は、期間Ｄ３において設定される第１温度よりも２０℃以上高くてもよい。この場合、堆積物４１を良好に除去できる。
【００５２】
第１実施形態のように、期間Ｄ４の工程後であって期間Ｄ６の工程前に、Ｎ２をキャリアガスとし、ＴＭＡ及びＮＨ３を原料として、上記第１温度よりも低い温度に設定されたＭＯＣＶＤ炉を用いてチャネル層１４上にＡｌＮ層を成長してもよい。この場合、チャネル層１４とバリア層１８との界面における合金散乱の発生を防止できる。これにより、半導体基板１を用いたＨＥＭＴの移動度低下を抑制できる。また、バリア層１８のキャリア密度低下も抑制できる。
【００５３】
第１実施形態のように、炉３１は、基板１０を載置するサセプタ３２と、原料を噴出する吹き出しヘッド３３とを備え、サセプタ３２と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓは、８ｍｍ以上１２ｍｍ以下でもよい。この場合、原料の熱分解等の発生前に原料が基板１０に到達できるので、基板１０上に半導体層を効率よくエピタキシャル成長できる。一方、間隔Ｓを上記範囲に設定する場合、Ｇａが吹き出しヘッド３３等に付着しやすくなる。すなわち、間隔Ｓを上記範囲に設定する場合、堆積物４１が形成されやすくなる。しかしながら第１実施形態によれば、期間Ｄ４にて堆積物４１が良好に除去されるので、バリア層１８の膜質劣化を抑制しつつ、半導体層を効率よくエピタキシャル成長できる。
【００５４】
以下では、図９及び図１０Ａ〜図１０Ｃを参照しながら、第１実施形態の変形例について説明する。なお、以下の変形例において、第１実施形態と重複する箇所の説明は省略する。したがって以下では、第１実施形態と異なる箇所を主に説明する。
【００５５】
図９は、変形例に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明するためのタイムチャートである。図９に示されるように、変形例のタイムチャートは、第１実施形態の期間Ｄ４とは異なる期間Ｄ１４を示す。期間Ｄ１４は、期間Ｄ３，Ｄ５の間に位置しており、期間Ｄ４と同様の温度に設定される。また、期間Ｄ１４では、Ｈ２、ＮＨ３及びＴＭＩが炉３１内に供給される。ＴＭＩの流量は、例えば５００ｃｃである。
【００５６】
この変形例では、ＴＭＩが炉３１に供給されることによって、堆積物４１（図６Ａを参照）のＧａがＩｎに置換される。これにより、Ｇａが除去されやすくなる。加えて、炉３１内の温度は１０００℃を超えており、且つ、炉３１内にはＨ２が供給されている。よって、置換されたＩｎは昇華し、且つ、チャネル層１４上にＩｎが堆積しない。このため、期間Ｄ１４においては、堆積物４１がより良好に除去される。したがって、変形例によれば、より良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層１８を成長できる。但し、炉３１の温度はこれに限定されない。ＴＭＩとＨ２を同時に供給することにより、炉３１の温度を、例えば、１０００℃以上であって、直前のＧａＮ層を成長する期間Ｄ３における温度以下としても、堆積物４１を良好に除去することができる。
【００５７】
図１０Ａは、上記変形例に係る製造方法によって成長したバリア層及びスペーサ層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。図１０Ａにおいて、プロット７１はＡｌの測定結果を示し、プロット７２はＧａの測定結果を示し、プロット７３はＩｎの測定結果を示す。図１０Ａに示されるように、上記変形例におけるバリア層１８内のＧａの組成は、第１実施形態よりもさらに小さくなっている。具体的には、上記変形例におけるバリア層１８内のＧａの組成は、０．０４以下になっている。
【００５８】
図１０Ｂは、従来、第１実施形態、及び上記変形例のＩｎ組成を示す図である。図１０Ｂにおいて、符号８１は従来のバリア層におけるＩｎ組成を示し、符号８２は第１実施形態のバリア層におけるＩｎ組成を示し、符号８３は上記変形例のバリア層におけるＩｎ組成を示す。図１０Ｂに示されるように、上記変形例におけるバリア層のＩｎ組成が最も高く、従来のバリア層のＩｎ組成が最も低い。
【００５９】
図１０Ｃは、従来、第１実施形態、及び上記変形例のＧａ組成を示す図である。図１０Ｃにおいて、符号９１は従来のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号９２は第１実施形態のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号９３は上記変形例のバリア層におけるＧａ組成を示す。図１０Ｃに示されるように、従来のバリア層のＧａ組成（約２７％）が最も高く、上記変形例におけるバリア層のＧａ組成が最も低い。これらの結果からも、第１実施形態及び上記変形例のいずれにおいても、従来よりもバリア層の膜質を向上できる。
【００６０】
第１実施形態、及び上記変形例では、スペーサ層１６を９８０℃、キャリアガスとしてＨ２を採用する場合を示したが、スペーサ層１６の成長条件はこの例に限定されない。例えば、キャリアガスをＮ２とすることも可能である。スペーサ層１６の成長温度がチャネル層１４の成長温度に近い場合には、キャリアガスとして窒素（Ｎ２）を用いることも可能であり、また、バリア層１８の成長温度に近い場合にはＨ２とすることも可能である。
【００６１】
（第２実施形態）
以下では、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照しながら、第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と重複する箇所の説明は省略する。したがって以下では、第１実施形態と異なる箇所を主に説明する。
【００６２】
図１１Ａ〜図１１Ｃは、第２実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。図１１Ａは、第２実施形態における期間Ｄ３後における炉内の状態を示す模式断面図であり、図１１Ｂは、第２実施形態における期間Ｄ４における炉内の状態を示す模式断面図であり、図１１Ｃは、第２実施形態における期間Ｄ６における炉内の状態を示す模式断面図である。図１１Ａに示されるように、第２実施形態では、サセプタ３２において吹き出しヘッド３３に対向する表面３２ｂと、基板１０において吹き出しヘッド３３に対向する表面１０ａとは、同一平面とみなされる。このため、基板１０の厚さ方向において、サセプタ３２と吹き出しヘッド３３との間隔は、基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔に相当する。期間Ｄ３後において、基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓ１は、例えば８ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。第２実施形態の期間Ｄ３では、例えば第１実施形態と同様の条件にて、厚さ１μｍのＧａＮ層を成長する。
【００６３】
図１１Ｂに示されるように、期間Ｄ４における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓ２（第１間隔）は、間隔Ｓ１よりも狭まっている。すなわち、期間Ｄ４では、基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、間隔Ｓ１よりも狭い間隔Ｓ２に設定される。例えばアクチュエータ等を用いて吹き出しヘッド３３がサセプタ３２側に移動することによって、期間Ｄ４においてサセプタ３２と吹き出しヘッド３３とが近接する。吹き出しヘッド３３の移動は、例えば期間Ｄ４中に実施される。吹き出しヘッド３３は、炉３１内を昇温中に移動してもよいし、昇温する前に移動してもよいし、昇温後に移動してもよい。間隔Ｓ２は、例えば２ｍｍ以上６ｍｍ以下である。間隔Ｓ２が６ｍｍ以下である場合、吹き出しヘッド３３の表面温度が高くなりやすく、このため堆積物４１が除去されやすくなる。第２実施形態の期間Ｄ４では、間隔Ｓ２以外は第１実施形態と同様の条件にて、堆積物４１が除去される。
【００６４】
図１１Ｃに示されるように、期間Ｄ６における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔Ｓ３（第２間隔）は、間隔Ｓ１よりも広がっている。すなわち、期間Ｄ６では、基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、間隔Ｓ１よりも広い間隔Ｓ３に設定される。例えばアクチュエータ等を用いて吹き出しヘッド３３がサセプタ３２から遠ざかるように移動することによって、期間Ｄ６において吹き出しヘッド３３がサセプタ３２に対して離れる。吹き出しヘッド３３の移動は、例えば期間Ｄ６中に実施される。吹き出しヘッド３３は、炉３１内を降温中に移動してもよいし、降温する前に移動してもよいし、降温後に移動してもよい。また、吹き出しヘッド３３は、ＴＭＩが炉３１内に供給される前に移動してもよいし、炉３１内にＴＭＩを供給中に移動してもよい。間隔Ｓ３は、例えば１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。間隔Ｓ３が１５ｍｍ以上である場合、吹き出しヘッド３３に残存したＧａがサセプタ３２まで到達しにくいので、ＩｎＡｌＮ層にＧａが含まれにくくなる。また、間隔Ｓ３が２０ｍｍ以下である場合、ＩｎＡｌＮ層の成長速度の顕著な低下を防止できる。第２実施形態の期間Ｄ６では、間隔Ｓ３以外は第１実施形態と同様の条件にて、厚さ８ｎｍのＩｎＡｌＮ層を成長する。
【００６５】
以上に説明した第２実施形態に係る製造方法においても、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。加えて、期間Ｄ４にて基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔を狭くすることによって、堆積物４１が除去されやすくなる。例えば、期間Ｄ４にて基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔を６ｍｍ以下にすることによって、堆積物４１が良好に除去されやすくなる。さらには、期間Ｄ６にて基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔を広くすることによって、吹き出しヘッド３３上に残存する堆積物４１に含まれるＧａがＩｎＡｌＮ層まで到達しにくくなる。このため、ＩｎＡｌＮ層にはＧａがより含まれにくくなる。例えば、期間Ｄ６にて基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔を１５ｍｍ以上にすることによって、ＩｎＡｌＮ層にはＧａがより含まれにくくなる。
【００６６】
第２実施形態では、期間Ｄ５における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、間隔Ｓ２に設定されるが、これに限られない。例えば、期間Ｄ５における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、間隔Ｓ２よりも広くてもよい。この場合、期間Ｄ５における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、間隔Ｓ１に再設定されてもよいし、間隔Ｓ３に設定されてもよい。例えば、期間Ｄ５における基板１０と吹き出しヘッド３３との間隔は、１５ｍｍに設定されてもよい。
【００６７】
（第３実施形態）
以下では、図１２Ａ〜１２Ｃを参照しながら、第３実施形態について説明する。第３実施形態において、第１及び第２実施形態と重複する箇所の説明は省略する。したがって以下では、第１及び第２実施形態と異なる箇所を主に説明する。
【００６８】
図１２Ａ〜１２Ｃは、第３実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する模式図である。図１２Ａは、第３実施形態における期間Ｄ１における炉内の状態を示す模式断面図であり、図１２Ｂは、第３実施形態における期間Ｄ４における炉内の状態を示す模式断面図であり、図１２Ｃは、第３実施形態における期間Ｄ６における炉内の状態を示す模式断面図である。図１２Ａ〜１２Ｃに示されるように、第３実施形態では、半導体成長装置３０Ａの炉３１Ａは、サセプタ３２と、複数の噴出穴３３ａ及び複数の冷却通路３４が設けられる吹き出しヘッド３３Ａとを有する。冷却通路３４は、冷媒が通過する空洞であり、噴出穴３３ａよりも基端側（噴出穴３３ａを介してサセプタ３２の反対側）に設けられる。冷媒は、吹き出しヘッド３３Ａの温度を所定範囲に維持するために用いられ、例えば気体もしくは液体である。冷媒の温度は、可変である。第３実施形態では、冷媒として水が用いられるがこれに限られない。
【００６９】
第３実施形態では、吹き出しヘッド３３Ａの表面温度は、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度に相当するが、これに限られない。例えば、冷却通路３４に供給される冷媒の温度を吹き出しヘッド３３Ａの表面温度（装置温度）とみなしてもよい。この場合、冷却通路３４に供給される冷媒の温度が５０℃である場合、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度は５０℃とみなされる。冷却通路３４に供給される冷媒は、冷却通路３４に導入される直前の冷媒の温度に相当する。
【００７０】
図１２Ａにおいては、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度が温度Ｔ１になるように、冷却通路３４には冷媒が供給される。温度Ｔ１は、例えば４０℃以上６０℃以下である。第３実施形態では、温度Ｔ１は５０℃に設定される。このため、温度Ｔ１を５０℃に設定可能な温度の冷媒が冷却通路３４に供給される。当該冷媒は、例えば期間Ｄ１から期間Ｄ３まで供給される。
【００７１】
図１２Ｂにおいては、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度が温度Ｔ２になるように、冷却通路３４には冷媒が供給される。温度Ｔ２は、温度Ｔ１よりも高く、例えば６０℃以上９０℃以下である。この場合、吹き出しヘッド３３Ａ上に位置する堆積物４１が除去されやすくなる。すなわち、堆積物４１に含まれるＧａが脱離する傾向にある。第３実施形態では、期間Ｄ４における吹き出しヘッド３３Ａの装置温度（第１装置温度）である温度Ｔ２は、７０℃に設定される。このため、温度Ｔ２が７０℃に設定可能な温度の冷媒が冷却通路３４に供給される。当該冷媒は、例えば期間Ｄ４から期間Ｄ５まで供給される。
【００７２】
図１２Ｃにおいては、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度が温度Ｔ３になるように、冷却通路３４には冷媒が供給される。温度Ｔ３は、温度Ｔ２よりも低く、例えば２０℃以上４０℃以下である。この場合、吹き出しヘッド３３Ａ上に残存する堆積物４１が除去されにくくなる。すなわち、堆積物４１に含まれるＧａが脱離しない傾向にある。期間Ｄ６における吹き出しヘッド３３Ａの装置温度（第２装置温度）である温度Ｔ３は、温度Ｔ１よりも低くてもよい。第３実施形態では、温度Ｔ３は３０℃に設定される。このため、温度Ｔ３が３０℃に設定可能な温度の冷媒が冷却通路３４に供給される。当該冷媒は、例えば期間Ｄ６から期間Ｄ７まで供給される。
【００７３】
以上に説明した第３実施形態に係る製造方法においても、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。加えて、堆積物４１におけるＧａの脱離量は、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度と比例関係にある。このため、期間Ｄ４にて吹き出しヘッド３３Ａの装置温度を高くすることによって、堆積物４１が除去されやすくなる。例えば、期間Ｄ４にて吹き出しヘッド３３Ａの装置温度を６０℃以上にすることによって、堆積物４１が良好に除去されやすくなる。さらには、期間Ｄ６にて吹き出しヘッド３３Ａの装置温度を低くすることによって、吹き出しヘッド３３Ａ上に残存する堆積物４１に含まれるＧａがＩｎＡｌＮ層まで到達しにくくなる。このため、ＩｎＡｌＮ層にはＧａがより含まれにくくなる。例えば、期間Ｄ６にて吹き出しヘッド３３Ａの装置温度を３０℃以下にすることによって、ＩｎＡｌＮ層にはＧａがより含まれにくくなる。
【００７４】
第３実施形態では、期間Ｄ５における吹き出しヘッド３３Ａの装置温度は温度Ｔ２に設定されるが、これに限られない。例えば、期間Ｄ５における吹き出しヘッド３３Ａの装置温度は、温度Ｔ２よりも低くてもよい。この場合、期間Ｄ５における吹き出しヘッド３３Ａの装置温度は、温度Ｔ１に再設定されてもよいし、温度Ｔ３に設定されてもよい。
【００７５】
（第４実施形態）
以下では、第４実施形態について説明する。第４実施形態において、第１〜第３実施形態と重複する箇所の説明は省略する。したがって以下では、第１〜第３実施形態と異なる箇所を主に説明する。
【００７６】
第４実施形態は、上記第２実施形態と上記第３実施形態とを組み合わせた実施形態である。このため期間Ｄ４においては、吹き出しヘッド３３Ａと基板１０との間隔が間隔Ｓ２に設定され、且つ、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度が温度Ｔ２に設定される。また、期間Ｄ６においては、吹き出しヘッド３３Ａと基板１０との間隔が間隔Ｓ３に設定され、且つ、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度が温度Ｔ３に設定される。
【００７７】
以上に説明した第４実施形態に係る製造方法においても、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。加えて、ＩｎＡｌＮ層にはＧａがより良好に含まれにくくなる。
【００７８】
図１３は、従来、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態のＧａ組成を示す図である。図１３において、符号１０１は従来のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号１０２は第１実施形態のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号１０３は第２実施形態のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号１０４は第３実施形態のバリア層におけるＧａ組成を示し、符号１０５は第４実施形態のバリア層におけるＧａ組成を示す。図１３に示されるように、第２実施形態におけるバリア層のＧａ組成（約９％）と、第３実施形態におけるバリア層のＧａ組成（約８％）とは、いずれも第１実施形態におけるバリア層のＧａ組成（約１５％）よりも低い。加えて、第４実施形態におけるバリア層のＧａ組成は、約３％である。このため、吹き出しヘッドとサセプタとの間隔調整と、吹き出しヘッドの温度調整との少なくとも一方を実施することによって、バリア層の膜質をより向上できる。また、上記調整の両方を実施することによって、バリア層の膜質をより良好に向上できる。
【００７９】
図１４は、吹き出しヘッドの表面に堆積するＧａＮ量の推移を示す表である。図１４において、横軸は時間を示し、縦軸は吹き出しヘッドの表面に堆積するＧａＮ量を示す。また、符号１１１は期間Ｄ４，Ｄ５における第１実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示し、符号１１２は期間Ｄ４，Ｄ５における第２実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示し、符号１１３は期間Ｄ４，Ｄ５における第４実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示す。また、符号１２１は期間Ｄ６における第１実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示し、符号１２２は期間Ｄ６における第２実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示し、符号１２３は期間Ｄ６における第４実施形態の堆積物のＧａＮ量の推移を示す。図１４に示されるように、期間Ｄ４，Ｄ５において、第２実施形態及び第４実施形態の堆積物のＧａＮ量は、いずれも第１実施形態よりも低減する傾向にある。このことからも、吹き出しヘッドとサセプタとの間隔調整と、吹き出しヘッドの温度調整とが、吹き出しヘッド上に堆積するＧａＮの除去に有効であることがわかる。
【００８０】
本開示による窒化物半導体デバイスの製造方法は、上述した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば上記実施形態及び変形例における半導体基板は、バッファ層、チャネル層、スペーサ層、バリア層、及びキャップ層以外の層を含んでもよい。もしくは、半導体基板は、スペーサ層を備えなくてもよい。
【００８１】
図６Ａに示される堆積物４１は層形状を呈しているが、これに限られない。吹き出しヘッドに付着する堆積物は、局所的に設けられることがある。例えば、堆積物は、噴出穴の出口及びその周辺にのみ設けられることがある。また、堆積物は、炉の内壁にも設けられることがある。
【符号の説明】
【００８２】
１…半導体基板、１０…基板、１０ａ…表面、１２…バッファ層、１４…チャネル層、１６…スペーサ層、１８…バリア層、２０…キャップ層、３０，３０Ａ…半導体成長装置、３１，３１Ａ…炉（ＭＯＣＶＤ炉）、３２…サセプタ（支持部）、３２ａ…凹部、３２ｂ…表面、３３，３３Ａ…吹き出しヘッド（原料供給部）、３３ａ…噴出穴、３４…冷却通路、４１…堆積物、Ｓ，Ｓ１…間隔、Ｓ２…間隔（第１間隔）、Ｓ３…間隔（第２間隔）。
【図１】
2020137667.tif 000003
【図２】
2020137667.tif 000004
【図３】
2020137667.tif 000005
【図４Ａ】
2020137667.tif 000006
【図４Ｂ】
2020137667.tif 000007
【図４Ｃ】
2020137667.tif 000008
【図５Ａ】
2020137667.tif 000009
【図５Ｂ】
2020137667.tif 000010
【図５Ｃ】
2020137667.tif 000011
【図６Ａ】
2020137667.tif 000012
【図６Ｂ】
2020137667.tif 000013
【図７】
2020137667.tif 000014
【図８Ａ】
2020137667.tif 000015
【図８Ｂ】
2020137667.tif 000016
【図９】
2020137667.tif 000017
【図１０Ａ】
2020137667.tif 000018
【図１０Ｂ】
2020137667.tif 000019
【図１０Ｃ】
2020137667.tif 000020
【図１１Ａ】
2020137667.tif 000021
【図１１Ｂ】
2020137667.tif 000022
【図１１Ｃ】
2020137667.tif 000023
【図１２Ａ】
2020137667.tif 000024
【図１２Ｂ】
2020137667.tif 000025
【図１２Ｃ】
2020137667.tif 000026
【図１３】
2020137667.tif 000027
【図１４】
2020137667.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】令和3年4月15日(2021.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体は、半導体基板上にエピタキシャル成長することによって形成される。このような窒化物半導体は、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって形成される。下記特許文献１，２には、いわゆる横フロー方式を利用した結晶成長方法が開示される。下記特許文献１では、基板よりも上流側における原料の熱分解及び中間反応を抑制するための結晶成長装置の構成が開示されている。下記特許文献２では、反応室の内壁への堆積物をＨＣｌによって除去した後、結晶成長を実施することが開示されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
［本開示の効果］
本開示によれば、良質なＩｎＡｌＮ系化合物を含むバリア層を成長できる窒化物半導体デバイスの製造方法を提供できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
第３実施形態では、吹き出しヘッド３３Ａの表面温度は、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度に相当するが、これに限られない。例えば、冷却通路３４に供給される冷媒の温度を吹き出しヘッド３３Ａの表面温度（装置温度）とみなしてもよい。この場合、冷却通路３４に供給される冷媒の温度が５０℃である場合、吹き出しヘッド３３Ａの装置温度は５０℃とみなされる。冷却通路３４に供給される冷媒の温度は、冷却通路３４に導入される直前の冷媒の温度に相当する。
【国際調査報告】
2020137667.tif 000029
2020137667.tif 000030
2020137667.tif 000031
2020137667.tif 000032