特許 6352502 膜厚測定方法、窒化物半導体積層物の製造方法および窒化物半導体積層物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6352502

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】膜厚測定方法、窒化物半導体積層物の製造方法および窒化物半導体積層物

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20180625BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 P

   G01B11/06 G

【請求項の数】5

【全頁数】39

(21)【出願番号】特願2017-124943(P2017-124943)

(22)【出願日】2017年6月27日

【審査請求日】2018年1月23日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、環境省、未来のあるべき社会・ライフスタイルを創造する技術イノベーション事業「高品質ＧａＮ基板を用いた超高効率ＧａＮパワー・光デバイスの技術開発とその実証」に係る委託業務、産業技術強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】515131378

【氏名又は名称】株式会社サイオクス

(73)【特許権者】

【識別番号】000002093

【氏名又は名称】住友化学株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145872

【弁理士】

【氏名又は名称】福岡 昌浩

(74)【代理人】

【識別番号】100187632

【弁理士】

【氏名又は名称】橘高 英郎

(72)【発明者】

【氏名】堀切 文正

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１３９０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１６０１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８４２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０５９６７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０６５７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 BOZDOG, C. et al.，FTIR Measurements of Thickness and Free Carrier Concentration in GaN-Based Films，PHYSICA STATUS SOLIDI C:Conferences，２００２年，Issue.1，pp.443-447

【文献】 HORIKIRI, Fumimasa et al.，Nondestructive measurement of homoepitaxially grown GaN film thickness with Fourier transform infrared spectroscopy，JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，２０１７年１０月２７日，Vol.56，pp.120301

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｇ０１Ｂ １１／０６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０−２０５

Ｃ３０Ｂ ２９／３８

Ｃ２３Ｃ １６／３４

Ｇ０１Ｎ ２１／２７

Ｇ０１Ｎ ２１／３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物における前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記基板として、当該基板の主面における転位密度が５×１０^６個／ｃｍ^２以下であり、当該基板中の酸素の濃度が１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満であり、当該基板中のｎ型不純物以外の不純物の濃度が１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満であるものを用い、
前記薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する
膜厚測定方法。

【請求項2】

前記基板は、
波長をλ（μｍ）、２７℃における前記基板の吸収係数をα（ｃｍ^−１）、前記基板中のキャリア濃度をＮ_ｅ（ｃｍ^−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における前記吸収係数αが、最小二乗法で以下の式（１）により近似され、
波長２μｍにおいて、前記式（１）から求められる前記吸収係数αに対する、実測される前記吸収係数の誤差は、±０．１α以内である
請求項１に記載の膜厚測定方法。
α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ ・・・（１）
（ただし、２．０×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９、ａ＝３）

【請求項3】

前記式（１）を満足する前記基板についての誘電関数モデルを特定した上で、特定した誘電関数モデルに基づき前記基板が単体のときの反射スペクトルを演算処理により求め、
求めた前記反射スペクトルを前記フーリエ変換赤外分光法または前記赤外分光エリプソメトリ法により膜厚測定を行う際のリファレンスとして用いる
請求項２に記載の膜厚測定方法。

【請求項4】

前記ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶が窒化ガリウムの結晶である
請求項１から３のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。

【請求項5】

ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物の製造方法であって、
前記基板として、当該基板の主面における転位密度が５×１０^６個／ｃｍ^２以下であり、当該基板中の酸素の濃度が１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満であり、当該基板中のｎ型不純物以外の不純物の濃度が１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満であるものを用い、当該基板上に前記薄膜をホモエピタキシャル成長させる成長工程と、
前記基板上に形成された前記薄膜の膜厚を測定する測定工程と、
を備え、
前記測定工程では、前記薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する
窒化物半導体積層物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜厚測定方法、窒化物半導体積層物の製造方法および窒化物半導体積層物に関する。

【背景技術】

【0002】

基板上にホモエピタキシャル成長されてなる半導体結晶の薄膜について、非接触および非破壊で膜厚測定を行える手法として、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ法）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平４−１２０４０４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、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶については、これまで転位散乱による影響が大きく、特に１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度における赤外域（ＩＲ）の吸収係数の差が無かったため、基板と同一組成の結晶からなるホモエピタキシャル膜の場合、原理的に膜厚測定が困難である。

【0005】

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のホモエピタキシャル膜について、例えば１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度の場合であっても、ＦＴ−ＩＲ法等を利用した膜厚測定を行うことを可能にする膜厚測定方法、窒化物半導体積層物の製造方法および窒化物半導体積層物を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様によれば、
ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物における前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記基板として、当該基板におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものを用い、
前記薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する
膜厚測定方法が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のホモエピタキシャル膜について、例えば１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度の場合であっても、キャリア濃度に依存してＩＲの吸収係数に違いが生じるようになり、ＦＴ−ＩＲ法等を利用した膜厚測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体積層物１の概略構成例を模式的に示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体積層物における基板１０の構成例を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。

【図3】ウィーンの変位則を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における室温（２７℃）で測定した吸収係数の、自由電子濃度依存性を示す図である。

【図5】ＧａＮ結晶の温度に対する、真性キャリア濃度を示す図である。

【図6】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を示す図であり、（ｂ）は、自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を比較する図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体積層物１の製造方法の概略手順を示すフロー図である。

【図8】気相成長装置２００の概略構成図である。

【図9】（ａ）は、種結晶基板５上にＧａＮ結晶膜６を厚く成長させた様子を示す図であり、（ｂ）は、厚く成長させたＧａＮ結晶膜６をスライスすることで複数の窒化物結晶基板１０を取得した様子を示す図である。

【図10】（ａ）は、窒化物結晶基板１０または半導体積層物１が載置される保持部材３００を示す概略上面図であり、（ｂ）は、窒化物結晶基板１０または半導体積層物１が載置される保持部材３００を示す概略正面図である。

【図11】本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法の手順の一例を示すフロー図である。

【図12】（ａ）は、多層膜の光学モデルの一例を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）を簡略化した光学モデルの一例を示す模式図である。

【図13】ドルーデモデルによる屈折率ｎおよび消衰係数ｋについての演算結果の一具体例を示す説明図であり、（ａ）はエピ層についての演算結果を示す図、（ｂ）は基板についての演算結果を示す図である。

【図14】ローレンツ−ドルーデモデルによる屈折率ｎおよび消衰係数ｋについての演算結果の一具体例を示す説明図であり、（ａ）はエピ層についての演算結果を示す図、（ｂ）は基板についての演算結果を示す図である。

【図15】垂直入射（θｉ＝０°）の場合の反射スペクトルについての演算結果の一具体例を示す説明図であり、（ａ）はドルーデモデルに関する反射スペクトルを示す図、（ｂ）はローレンツ−ドルーデモデルに関する反射スペクトルを示す図である。

【図16】非垂直入射（θｉ＝３０°）の場合の反射スペクトルについての演算結果の一具体例を示す説明図であり、（ａ）はドルーデモデルに関する反射スペクトルを示す図、（ｂ）はローレンツ−ドルーデモデルに関する反射スペクトルを示す図である。

【図17】ＦＴ−ＩＲ測定装置５０の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0010】

（１）窒化物半導体積層物１の構成
先ず、本実施形態に係る窒化物半導体積層物１の構成例を説明する。

【0011】

本実施形態で例に挙げて説明する窒化物半導体積層物１は、例えば、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）としての半導体装置を製造する際に基体として用いられる基板状の構造体である。半導体装置の基体として用いられることから、以下、窒化物半導体積層物１のことを「中間体」または「中間前駆体」ということもある。

【0012】

図１に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体積層物（中間体）１は、少なくとも、基板１０と、その基板１０上に形成された薄膜である半導体層２０と、を備えて構成されている。

【0013】

（１−ｉ）基板１０の詳細構成
続いて、窒化物半導体積層物（中間体）１を構成する基板１０について詳しく説明する。なお、以下において、基板等の主面は、主に基板等の上側主面のことをいい、基板等の表面ということもある。また、基板等の裏面は、基板等の下側主面のことをいう。

【0014】

図２に示すように、基板１０は、円板状に形成されており、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶、具体的には例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶からなるものである。

【0015】

基板１０の主面の面方位は、例えば、（０００１）面（＋ｃ面、Ｇａ極性面）である。ただし、例えば、０００−１面（−ｃ面、Ｎ極性面）であっても良い。
なお、基板１０を構成するＧａＮ結晶は、基板１０の主面に対して所定のオフ角を有していても良い。オフ角とは、基板１０の主面の法線方向と、基板１０を構成するＧａＮ結晶の主軸（ｃ軸）とのなす角度のことをいう。具体的には、基板１０のオフ角は、例えば、０°以上１．２°以下である。また、これよりも大きく、２°以上４°以下とすることも考えられる。さらには、例えば、ａ方向およびｍ方向のそれぞれにオフ角を有する、いわゆるダブルオフであっても良い。

【0016】

また、基板１０の主面における転位密度は、例えば、５×１０^６個／ｃｍ^２以下である。基板１０の主面における転位密度が５×１０^６個／ｃｍ^２超であると、基板１０上に形成される後述の半導体層２０において局所的な耐圧を低下させてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態のように、基板１０の主面における転位密度を５×１０^６個／ｃｍ^２以下とすることにより、基板１０上に形成される半導体層２０において局所的な耐圧の低下を抑制することができる。

【0017】

なお、基板１０の主面は、エピレディ面であり、基板１０の主面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、例えば、１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。

【0018】

また、基板１０の直径Ｄは、特に制限されるものではないが、例えば、２５ｍｍ以上である。基板１０の直径Ｄが２５ｍｍ未満であると、その基板１０を用いて半導体装置を製造する際の生産性が低下しやすくなる。このため、基板１０の直径Ｄは、２５ｍｍ以上であることが好ましい。また、基板１０の厚さＴは、例えば、１５０μｍ以上２ｍｍ以下である。基板１０の厚さＴが１５０μｍ未満であると、基板１０の機械的強度が低下し自立状態の維持が困難となる可能性がある。このため、基板１０の厚さＴは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。ここでは、例えば、基板１０の直径Ｄが２インチとし、基板１０の厚さＴを４００μｍとする。

【0019】

また、基板１０は、例えば、ｎ型不純物（ドナー）を含んでいる。基板１０中に含まれるｎ型不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）が挙げられる。また、ｎ型不純物としては、ＳｉおよびＧｅの他に、例えば、酸素（Ｏ）、ＯおよびＳｉ、ＯおよびＧｅ、Ｏ並びにＳｉおよびＧｅ等が挙げられる。基板１０中にｎ型不純物がドーピングされていることにより、基板１０中には、所定濃度の自由電子が生成されている。

【0020】

（吸収係数等について）
本実施形態において、基板１０は、赤外域の吸収係数について所定の要件を満たしている。これにより、基板１０は、詳細を後述するように、基板１０におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなる。
以下、詳細を説明する。

【0021】

窒化物半導体積層物１を製造する際やその窒化物半導体積層物１を用いて半導体装置を製造する際等には、例えば、後述のように、基板１０上に半導体層２０をエピタキシャル成長させる工程や、該半導体層２０中の不純物を活性化させる工程などのように、該基板１０を加熱する工程が行われることがある。例えば、基板１０に対して赤外線を照射して基板１０を加熱する場合には、基板１０の吸収係数に基づいて加熱条件を設定することが重要となる。

【0022】

ここで、図３は、ウィーンの変位則を示す図である。図３において、横軸は黒体温度（℃）を示し、縦軸は黒体輻射のピーク波長（μｍ）を示している。図３に示すウィーンの変位則によれば、黒体温度に対して黒体輻射のピーク波長が反比例する。ピーク波長をλ（μｍ）、温度をＴ（℃）としたとき、λ＝２８９６／（Ｔ＋２７３）との関係を有する。基板１０を加熱する工程における所定の加熱源からの輻射が黒体輻射であると仮定すると、加熱温度に対応するピーク波長を有する赤外線が、加熱源から基板１０に対して照射されることとなる。例えば、温度が約１２００℃のときに、赤外線のピーク波長λは２μｍとなり、温度が約６００℃のときに、赤外線のピーク波長λは３．３μｍとなる。

【0023】

このような波長を有する赤外線を基板１０に照射すると、基板１０では、自由電子による吸収（自由キャリア吸収）が生じ、これにより、基板１０が加熱されることとなる。

【0024】

そこで、本実施形態では、基板１０の自由キャリア吸収に基づいて、基板１０における赤外域の吸収係数が、以下の所定の要件を満たしている。

【0025】

図４は、本実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における室温（２７℃）で測定した吸収係数の、自由電子濃度依存性を示す図である。なお、図４は、後述の製造方法によってＳｉをドープして製造されるＧａＮ結晶からなる基板の測定結果を示している。図４において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸はＧａＮ結晶の吸収係数α（ｃｍ^−１）を示している。また、ＧａＮ結晶中の自由電子濃度をＮ_ｅとし、所定の自由電子濃度Ｎ_ｅごとにＧａＮ結晶の吸収係数αをプロットしている。図４に示すように、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、自由キャリア吸収に起因して、長波長に行くにしたがってＧａＮ結晶における吸収係数αが大きくなる（単調に増加する）傾向を示す。また、ＧａＮ結晶中の自由電子濃度Ｎ_ｅが高くなるにしたがって、ＧａＮ結晶における自由キャリア吸収が大きくなる傾向を示す。

【0026】

本実施形態の基板１０は、後述の製造方法によって製造されたＧａＮ結晶からなっているため、結晶歪みが小さく、また、酸素（Ｏ）やｎ型不純物以外の不純物（例えば、ｎ型不純物を補償する不純物等）をほとんど含んでいない状態となっている。これにより、上記図４のような吸収係数の自由電子濃度依存性を示す。その結果、本実施形態の基板１０では、以下のように、赤外域の吸収係数を自由キャリア濃度および波長の関数として近似することができる。

【0027】

具体的には、波長をλ（μｍ）、２７℃における基板１０の吸収係数をα（ｃｍ^−１）、基板１０中の自由電子濃度をＮ_ｅ（ｃｍ^−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下（好ましくは１μｍ以上２．５μｍ以下）の波長範囲における吸収係数αが、以下の式（１）により近似される。
α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ ・・・（１）
（ただし、１．５×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９、ａ＝３）

【0028】

なお、「吸収係数αが式（１）により近似される」とは、吸収係数αが最小二乗法で式（１）により近似されることを意味する。つまり、上記規定は、吸収係数が式（１）と完全に一致する（式（１）を満たす）場合だけでなく、所定の誤差の範囲内で式（１）を満たす場合も含んでいる。なお、所定の誤差は、例えば、波長２μｍにおいて±０．１α以内、好ましくは±０．０１α以内である。

【0029】

なお、上記波長範囲における吸収係数αは、以下の式（１）’を満たすと考えてもよい。
１．５×１０^−１９Ｎ_ｅλ^３≦α≦６．０×１０^−１９Ｎ_ｅλ^３ ・・・（１）’

【0030】

また、上記規定を満たす基板１０のなかでも特に結晶歪みが極めて小さく非常に高純度（すなわち低不純物濃度）の基板では、上記波長範囲における吸収係数αは、以下の式（１）’’により近似される（式（１）’’を満たす）。
α＝２．２×１０^−１９Ｎ_ｅλ^３ ・・・（１）’’

【0031】

なお、「吸収係数αが式（１）’により近似される」との規定は、上述の規定と同様に、吸収係数が式（１）’と完全に一致する（式（１）’を満たす）場合だけでなく、所定の誤差の範囲内で式（１）’を満たす場合も含んでいる。なお、所定の誤差は、例えば、波長２μｍにおいて±０．１α以内、好ましくは±０．０１α以内である。

【0032】

上述の図４では、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値を細線で示している。具体的には、自由電子濃度Ｎ_ｅが１．０×１０^１７ｃｍ^−３のときの吸収係数αの実測値を細い実線で示し、自由電子濃度Ｎ_ｅが１．２×１０^１８ｃｍ^−３のときの吸収係数αの実測値を細い点線で示し、自由電子濃度Ｎ_ｅが２．０×１０^１８ｃｍ^−３のときの吸収係数αの実測値を細い一点鎖線で示している。一方で、上述の図４では、上記式（１）の関数を太線で示している。具体的には、自由電子濃度Ｎ_ｅが１．０×１０^１７ｃｍ^−３のときの式（１）の関数を太い実線で示し、自由電子濃度Ｎ_ｅが１．２×１０^１８ｃｍ^−３のときの式（１）の関数を太い点線で示し、自由電子濃度Ｎ_ｅが２．０×１０^１８ｃｍ^−３のときの式（１）の関数を太い一点鎖線で示している。図４に示すように、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値は、式（１）の関数によって精度良くフィッティングすることができる。なお、図４の場合（Ｓｉドープの場合）では、Ｋ＝２．２×１０^−１９としたときに、吸収係数αが式（１）に精度良く近似される。

【0033】

このように、基板１０の吸収係数が式（１）により近似されることにより、基板１０の吸収係数を、基板１０中の自由電子の濃度Ｎ_ｅに基づいて精度良く設計することができる。

【0034】

また、本実施形態では、例えば、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、基板１０の吸収係数αは、以下の式（２）を満たす。
０．１５λ^３≦α≦６λ^３ ・・・（２）

【0035】

α＜０．１５λ^３であると、基板１０に対して赤外線を充分に吸収させることができず、基板１０の加熱が不安定となる可能性がある。これに対し、０．１５λ^３≦αとすることにより、基板１０に対して赤外線を充分に吸収させることができ、基板１０を安定的に加熱することができる。一方で、６λ^３＜αであると、後述のように基板１０中のｎ型不純物の濃度が所定値超（１×１０^１９ａｔ・ｃｍ^−３超）であることに相当し、基板１０の結晶性が低下する可能性がある。これに対し、α≦６λ^３とすることにより、基板１０中のｎ型不純物の濃度が所定値以下であることに相当し、基板１０の良好な結晶性を確保することができる。

【0036】

なお、基板１０の吸収係数αは、以下の式（２）’または（２）’’を満たすことが好ましい。
０．１５λ^３≦α≦３λ^３ ・・・（２）’
０．１５λ^３≦α≦１．２λ^３ ・・・（２）’’
これにより、基板１０を安定的に加熱可能としつつ、基板１０のより良好な結晶性を確保することができる。

【0037】

また、本実施形態では、例えば、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、基板１０の主面内での吸収係数αの最大値と最小値との差（最大値から最小値を引いた差。以下、「基板１０の面内吸収係数差」ともいう）をΔαとしたとき、Δα（ｃｍ^−１）は、式（３）を満たす。
Δα≦１．０ ・・・（３）
Δα＞１．０であると、赤外線の照射による加熱効率が基板１０の主面内で不均一となる可能性がある。これに対し、Δα≦１．０とすることにより、赤外線の照射による加熱効率を基板１０の主面内で均一にすることができる。

【0038】

なお、Δαは、式（３）’を満たすことが好ましい。
Δα≦０．５ ・・・（３）’
Δα≦０．５とすることにより、赤外線の照射による加熱効率を基板１０の主面内で安定的に均一にすることができる。

【0039】

上記吸収係数αおよびΔαに関する式（２）および（３）の規定は、例えば、波長２μｍにおける規定に置き換えることができる。

【0040】

すなわち、本実施形態では、例えば、基板１０における波長２μｍでの吸収係数は、１．２ｃｍ^−１以上４８ｃｍ^−１以下である。なお、基板１０における波長２μｍでの吸収係数は、１．２ｃｍ^−１以上２４ｃｍ^−１以下であることが好ましく、１．２ｃｍ^−１以上９．６ｃｍ^−１以下であることがより好ましい。

【0041】

また、本実施形態では、例えば、基板１０の主面内における、波長２μｍでの吸収係数の最大値と最小値との差は、１．０ｃｍ^−１以内、好ましくは０．５ｃｍ^−１以内である。

【0042】

なお、基板１０の面内吸収係数差の上限値について記載したが、基板１０の面内吸収係数差の下限値は、小さければ小さいほどよいため、ゼロであることが好ましい。なお、基板１０の面内吸収係数差が０．０１ｃｍ^−１であっても、本実施形態の効果を充分に得ることができる。

【0043】

ここでは、温度が約１２００℃であるときの赤外線のピーク波長に相当する波長２μｍにおいて、基板１０の吸収係数の要件を規定した。しかしながら、基板１０の吸収係数について上記要件を満たすことによる効果は、温度が約１２００℃であるときに限定されるものではない。というのも、加熱源から照射される赤外線のスペクトルは、ステファン−ボルツマンの法則に従って所定の波長幅を有し、温度が１２００℃以外であったとしても波長２μｍの成分を有している。このため、温度が１２００℃に相当する波長２μｍにおいて基板１０の吸収係数が上記要件を満たせば、温度が１２００℃以外に相当する波長においても、基板１０の吸収係数や、基板１０の主面内における吸収係数の最大値と最小値との差は、所定の範囲内となる。これにより、温度が１２００℃以外であったとしても、基板１０を安定的に加熱するとともに、基板１０に対する加熱効率を主面内で均一にすることができる。

【0044】

ところで、上述の図４は、ＧａＮ結晶の吸収係数を室温（２７℃）で測定した結果である。このため、基板１０を加熱する工程での所定の温度条件下における基板１０の吸収係数を考える場合には、所定の温度条件下におけるＧａＮ結晶の自由キャリア吸収が、室温の温度条件下におけるＧａＮ結晶の自由キャリア吸収に対してどのように変化するのかを考慮する必要がある。

【0045】

図５は、ＧａＮ結晶の温度に対する、真性キャリア濃度を示す図である。図５に示すように、基板１０を構成するＧａＮ結晶では、温度が高くなるにつれて、バンド間（価電子帯と伝導帯との間）で熱励起される真性キャリア濃度Ｎ_ｉの濃度が高くなる。しかしながら、たとえＧａＮ結晶の温度が１３００℃付近となったとしても、ＧａＮ結晶のバンド間で熱励起される真性キャリア濃度Ｎ_ｉの濃度は、７×１０^１５ｃｍ^−３未満であり、ｎ型不純物のドーピングによってＧａＮ結晶中に生成される自由キャリアの濃度（例えば１×１０^１７ｃｍ^−３）よりも充分に低い。すなわち、ＧａＮ結晶の自由キャリア濃度は、ＧａＮ結晶の温度が１３００℃未満の温度条件下で、ｎ型不純物のドーピングによって自由キャリア濃度が定まる、いわゆる外因性領域内となっていると言える。

【0046】

つまり、本実施形態では、少なくとも後述の半導体積層物１および半導体装置２の製造工程での温度条件下（室温（２７℃）以上１２５０℃以下の温度条件下）において基板１０のバンド間で熱励起される真性キャリアの濃度が、室温の温度条件下においてｎ型不純物のドーピングによって基板１０中に生じる自由電子の濃度よりも低い（例えば１／１０倍以下）。これにより、基板１０を加熱する工程での所定の温度条件下での基板１０の自由キャリア濃度が、室温の温度条件下での基板１０の自由キャリア濃度とほぼ等しいと考えることができ、所定の温度条件下での自由キャリア吸収が、室温での自由キャリア吸収とほぼ等しいと考えることができる。つまり、上述したように、室温において、基板１０における赤外域の吸収係数が上記所定の要件を満たす場合、所定の温度条件下においても、基板１０における赤外域の吸収係数が上記所定の要件をほぼ維持していると考えることができる。

【0047】

また、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における吸収係数αが式（１）により近似されることから、所定の波長λでは、基板１０の吸収係数αは、自由電子濃度Ｎ_ｅに対してほぼ比例する関係を有している。

【0048】

図６（ａ）は、本実施形態に係るに係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を示す図である。図６（ａ）において、下側の実線（α＝１．２×１０^−１８ｎ）は、Ｋ＝１．５×１０^−１９およびλ＝２．０を式（１）に代入した関数であり、上側の実線（α＝４．８×１０^−１８ｎ）は、Ｋ＝６．０×１０^−１９およびλ＝２．０を式（１）に代入した関数である。また、図６（ａ）では、ＳｉをドープしたＧａＮ結晶だけでなく、ＧｅをドープしたＧａＮ結晶も示している。また、透過測定により吸収係数を測定した結果と、分光エリプソメトリ法により吸収係数を測定した結果とを示している。図６（ａ）に示すように、波長λを２．０μｍとしたとき、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αは、自由電子濃度Ｎ_ｅに対してほぼ比例する関係を有している。また、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値は、１．５×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９の範囲内で、式（１）の関数によって精度良くフィッティングすることができる。なお、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶は高純度（すなわち低不純物濃度）で、かつ、熱物性および電気特性が良好であるため、吸収係数αの実測値は、Ｋ＝２．２×１０^−１９としたときの式（１）の関数、すなわち、α＝１．８×１０^−１８ｎによって精度よくフィッティングすることができる場合が多い。

【0049】

本実施形態では、上記した基板１０の吸収係数αが自由電子濃度Ｎ_ｅに対して比例することに基づいて、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅが、以下の所定の要件を満たしている。

【0050】

本実施形態では、例えば、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅは、１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ｃｍ^−３以下である。これにより、式（１）より、基板１０における波長２μｍでの吸収係数を１．２ｃｍ^−１以上４８ｃｍ^−１以下とすることができる。なお、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅは、１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましく、１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^１８ｃｍ^−３以下であることがより好ましい。これにより、基板１０における波長２μｍでの吸収係数を、好ましくは１．２ｃｍ^−１以上２４ｃｍ^−１以下とし、より好ましくは１．２ｃｍ^−１以上９．６ｃｍ^−１以下とすることができる。

【0051】

また、上述のように基板１０の主面内における吸収係数αの最大値と最小値との差をΔαとし、基板１０の主面内における自由電子濃度Ｎ_ｅの最大値と最小値との差をΔＮ_ｅとし、波長λを２．０μｍしたとき、式（１）を微分することにより、以下の式（４）が求められる。
Δα＝８ＫΔＮ_ｅ ・・・（４）

【0052】

本実施形態では、例えば、基板１０の主面内における自由電子濃度Ｎ_ｅの最大値と最小値との差ΔＮ_ｅは、８．３×１０^１７ｃｍ^−３以内、好ましくは４．２×１０^１７ｃｍ^−３以内である。これにより、式（４）より、波長２μｍでの吸収係数の最大値と最小値との差Δαを、１．０ｃｍ^−１以内、好ましくは０．５ｃｍ^−１以内とすることができる。

【0053】

なお、ΔＮ_ｅの上限値について記載したが、ΔＮ_ｅの下限値は、小さければ小さいほどよいため、ゼロであることが好ましい。なお、ΔＮ_ｅが８．３×１０^１５ｃｍ^−３であっても、本実施形態の効果を充分に得ることができる。

【0054】

本実施形態では、基板１０中の自由電子濃度Ｎ_ｅは、基板１０中のｎ型不純物の濃度と等しくなっており、基板１０中のｎ型不純物の濃度が、以下の所定の要件を満たしている。

【0055】

本実施形態では、例えば、基板１０中におけるｎ型不純物の濃度は、１．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ａｔ・ｃｍ^−３以下である。これにより、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅを、１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ｃｍ^−３以下とすることができる。なお、基板１０中におけるｎ型不純物の濃度は、１．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以上５．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以下であることが好ましく、１．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以上２．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以下であることがより好ましい。これにより、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅを、好ましくは１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１０^１８ｃｍ^−３以下とし、より好ましくは１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^１８ｃｍ^−３以下とすることができる。

【0056】

また、本実施形態では、例えば、基板１０の主面内におけるｎ型不純物の濃度の最大値と最小値との差（以下、ｎ型不純物の面内濃度差ともいう）は、８．３×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３以内、好ましくは４．２×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３以内である。これにより、基板１０の主面内における自由電子濃度Ｎ_ｅの最大値と最小値との差ΔＮ_ｅを、ｎ型不純物の面内濃度差と等しく、８．３×１０^１７ｃｍ^−３以内、好ましくは４．２×１０^１７ｃｍ^−３以内とすることができる。

【0057】

なお、ｎ型不純物の面内濃度差の上限値について記載したが、ｎ型不純物の面内濃度差の下限値は、小さければ小さいほどよいため、ゼロであることが好ましい。なお、ｎ型不純物の面内濃度差が８．３×１０^１５ａｔ・ｃｍ^−３であっても、本実施形態の効果を充分に得ることができる。

【0058】

さらに、本実施形態では、基板１０中の各元素の濃度が、以下の所定の要件を満たしている。

【0059】

本実施形態では、ｎ型不純物として用いられるＳｉ、ＧｅおよびＯのうち、添加量の制御が比較的難しいＯの濃度が極限まで低くなっており、基板１０中のｎ型不純物の濃度は、添加量の制御が比較的容易であるＳｉおよびＧｅの合計濃度によって決定されている。

【0060】

すなわち、基板１０中のＯの濃度は、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度に対して無視できるほど低く、例えば、１／１０以下である。具体的には、例えば、基板中１０のＯの濃度は１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満であり、一方で、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度は１×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ａｔ・ｃｍ^−３以下である。これにより、基板１０中のｎ型不純物の濃度を、添加量の制御が比較的容易であるＳｉおよびＧｅの合計濃度によって制御することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎ_ｅを、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができ、基板１０の主面内における自由電子の濃度の最大値と最小値との差ΔＮ_ｅを、所定の要件を満たすよう精度良く制御することができる。

【0061】

また、本実施形態では、基板１０中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は、基板１０中のｎ型不純物の濃度（すなわちＳｉおよびＧｅの合計の濃度）に対して無視できるほど低く、例えば、１／１０以下である。具体的には、例えば、基板中１０のｎ型不純物以外の不純物の濃度は１×１０^１７ａｔ・ｃｍ^−３未満である。これにより、ｎ型不純物からの自由電子の生成に対する阻害要因を低減することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎ_ｅを、基板１０中のｎ型不純物の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができ、基板１０の主面内における自由電子の濃度の最大値と最小値との差ΔＮ_ｅを、所定の要件を満たすよう精度良く制御することができる。

【0062】

なお、本発明者等は、後述の製造方法を採用することにより、基板１０中の各元素の濃度を、上記要件を満たすよう安定的に制御することができることを確認している。

【0063】

後述の製造方法によれば、基板１０中のＯおよび炭素（Ｃ）の各濃度を５×１０^１５ａｔ・ｃｍ^−３未満まで低減させることができ、さらには、基板１０中の鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ボロン（Ｂ）等の各濃度を１×１０^１５ａｔ・ｃｍ^−３未満まで低減させることが可能であることが分かっている。また、この方法によれば、これら以外の元素についても、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による測定における検出下限値未満の濃度にまで低減させることが可能であることが分かっている。

【0064】

さらに、本実施形態において後述の製造方法によって製造される基板１０では、自由キャリア吸収による吸収係数が従来の基板の吸収係数よりも小さいことから、本実施形態の基板１０では、従来の基板よりも、移動度（μ）が高くなっていると推定される。これにより、本実施形態の基板１０中の自由電子濃度が従来の基板中の自由電子濃度と等しい場合であっても、本実施形態の基板１０の抵抗率（ρ＝１／ｅＮ_ｅμ）は、従来の基板の抵抗率よりも低くなっている。具体的には、基板１０中における自由電子濃度Ｎ_ｅが１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ｃｍ^−３以下であるとき、基板１０の抵抗率は、例えば、２．２ｍΩ・ｃｍ以上１７．４ｍΩ・ｃｍ以下である。

【0065】

（１−ii）半導体層２０の詳細構成
次に、窒化物半導体積層物（中間体）１を構成する半導体層２０について詳しく説明する。

【0066】

半導体層２０は、基板１０の主面上にエピタキシャル成長させることにより形成されたものである。半導体層２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶、具体的には基板１０と同様に例えばＧａＮの単結晶からなるものである。また、半導体層２０は、基板１０上にエピタキシャル成長されるものなので、その面方位が、基板１０と同様に、例えば、（０００１）面（＋ｃ面、Ｇａ極性面）、または、０００−１面（−ｃ面、Ｎ極性面）となる。半導体層２０を構成するＧａＮ結晶のオフ角についても、基板１０の場合と同様である。

【0067】

本実施形態では、半導体層２０の表面（主面）は、赤外域の反射率について所定の要件を満たしている。具体的には、半導体層２０の表面の反射率は、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、５％以上３０％以下である。これにより、基板１０（半導体積層物１）を加熱する工程において、基板１０に赤外線を充分に行き届かせることができる。その結果、基板１０を安定的に加熱することができる。

【0068】

なお、半導体層２０の表面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。これにより、半導体層２０の表面の反射率を、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、５％以上３０％以下とすることができる。

【0069】

次に、本実施形態の半導体層２０の具体的な構成について説明する。

【0070】

図１に示すように、半導体層２０は、例えば、下地ｎ型半導体層２１と、ドリフト層２２と、を有して構成されている。

【0071】

（下地ｎ型半導体層）
下地ｎ型半導体層２１は、基板１０の結晶性を引き継いでドリフト層２２を安定的にエピタキシャル成長させるバッファ層として、基板１０の主面に接するよう設けられている。また、下地ｎ型半導体層１２は、ｎ型不純物を含むｎ型ＧａＮ層として構成されている。下地ｎ型半導体層１２中に含まれるｎ型不純物としては、基板１０と同様に、例えば、ＳｉおよびＧｅが挙げられる。下地ｎ型半導体層１２中のｎ型不純物の濃度は、基板１０とほぼ等しく、例えば、１．０×１０^１８ａｔ・ｃｍ^−３以上１．０×１０^１９ａｔ・ｃｍ^−３以下である。

【0072】

下地ｎ型半導体層２１の厚さは、ドリフト層２２の厚さよりも薄く、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下である。

【0073】

（ドリフト層）
ドリフト層２２は、下地ｎ型半導体層２１上に設けられ、低濃度のｎ型不純物を含むｎ型ＧａＮ層として構成されている。ドリフト層２２中のｎ型不純物としては、下地ｎ型半導体層２１中のｎ型不純物と同様に、例えば、ＳｉおよびＧｅが挙げられる。

【0074】

ドリフト層２２中のｎ型不純物濃度は、基板１０および下地ｎ型半導体層２１のそれぞれのｎ型不純物濃度よりも低く、例えば、１．０×１０^１５ａｔ・ｃｍ^−３以上５．０×１０^１６ａｔ・ｃｍ^−３以下である。ドリフト層２２のｎ型不純物濃度を１．０×１０^１５ａｔ・ｃｍ^−３以上とすることにより、半導体装置のオン抵抗を低減することができる。一方で、ドリフト層２２のｎ型不純物濃度を５．０×１０^１６ａｔ・ｃｍ^−３以下とすることにより、半導体装置の所定の耐圧を確保することができる。

【0075】

ドリフト層２２は、半導体装置の耐圧を向上させるため、例えば、下地ｎ型半導体層２１よりも厚く設けられている。具体的には、ドリフト層２２の厚さは、例えば、３μｍ以上４０μｍ以下である。ドリフト層２２の厚さを３μｍ以上とすることにより、半導体装置の所定の耐圧を確保することができる。一方で、ドリフト層２２の厚さを４０μｍ以下とすることにより、半導体装置のオン抵抗を低減することができる。

【0076】

（１−iii）窒化物半導体積層物１の構成上の特徴
次に、基板１０上に半導体層２０が形成されてなる窒化物半導体積層物１について、その構成上の特徴を説明する。

【0077】

既に説明したように、窒化物半導体積層物１を構成する基板１０および半導体層２０は、いずれも、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶（具体的には、例えばＧａＮ単結晶）からなるものである。つまり、基板１０上には、その基板１と同一組成の結晶からなる薄膜である半導体層２０がエピタキシャル成長によって形成されている。したがって、窒化物半導体積層物１は、基板１０上に半導体層２０がホモエピタキシャル成長されてなるものに相当する。

【0078】

また、窒化物半導体積層物１を構成する基板１０は、赤外域の吸収係数について所定の要件を満たしており、これにより基板１０における自由電子濃度（キャリア濃度）と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなっている。ここでいう依存性を有するとは、二つまたはそれ以上の事象の間に特別な相関関係（必然性）があることであり、例えば、ある事象が起こると、それに依存して、特定の事象が必ず出現することである。
具体的には、既に説明したように、赤外域の吸収係数を自由キャリア濃度および波長の関数として近似することができるようになっている。さらに詳しくは、基板１０における依存性は、波長をλ（μｍ）、２７℃における基板１０の吸収係数をα（ｃｍ^−１）、基板１０中の自由電子濃度（キャリア濃度）をＮ_ｅ（ｃｍ^−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における吸収係数αが、既述の式（１）により近似される。式（１）は、再掲すると、以下のとおりである。
α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ ・・・（１）
（ただし、１．５×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９、ａ＝３）

【0079】

なお、基板１０における依存性は、上述した例に限定されることはなく、例えばキャリア濃度の減少に依存して吸収係数が減少するといった一定の相関関係がある場合を含み得る。

【0080】

ところで、基板１０上に半導体層２０が形成されてなる窒化物半導体積層物１については、ホモエピタキシャル成長されてなる半導体層２０の膜厚管理が非常に重要である。そのためには、半導体層２０について、非接触および非破壊で膜厚測定を行える手法が必要となる。ホモエピタキシャル成長されてなる薄膜を非接触および非破壊で測定する手法としては、例えば、ＦＴ−ＩＲ法が知られている。

【0081】

ただし、本実施形態における窒化物半導体積層物１は、ＧａＮ結晶からなる基板１０上に、同じくＧａＮ結晶からなる半導体層２０がホモエピタキシャル成長されてなる、いわゆるＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板である。ＧａＮ結晶に代表されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶については、これまで転位散乱による影響が大きく、特に１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度における赤外域の吸収係数の差が無い。そのため、基板１０と半導体層２０が同一組成のＧａＮ結晶からなるＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板の場合、原理的にＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定が困難というのが従来の技術常識である。さらに詳しくは、例えば、波数５００ｃｍ^−１以下の遠赤外域の光を用いた測定が試みられていても、波数１０００ｃｍ^−１以上（特に、波数１５００ｃｍ^−１以上）の赤外域の光については、吸収の量が非常に小さく、吸収係数の差が顕在化し難いため、このような赤外域の光を用いた膜厚測定が困難である、というのが今までの技術常識である。

【0082】

ところが、本実施形態においては、既に説明したように、窒化物半導体積層物１を構成する基板１０の主面における転位密度が、例えば、５×１０^６個／ｃｍ^２以下といったように、低転位なものとなっている。しかも、窒化物半導体積層物１を構成する基板１０は、赤外域の吸収係数について所定の要件を満たしており、これにより基板１０におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなっている。そして、本実施形態では、このような基板１０を用い、その基板１０の上に半導体層２０をホモエピタキシャル成長させて、窒化物半導体積層物１を構成している。ホモエピタキシャル成長させることで、半導体層２０を構成するＧａＮ結晶は、その基になった基板１０を構成するＧａＮ結晶に準じたものとなる。つまり、半導体層２０は、基板１０との間でキャリア濃度の違いがあるとしても、その基板１０と同様に、低転位で、かつ、キャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなる。

【0083】

したがって、本実施形態の窒化物半導体積層物１であれば、例えば１×１０^１７ｃｍ^−３以下の低キャリア濃度であっても、基板１０と半導体層２０との間でのキャリア濃度の差に依存して赤外域の吸収係数に違いが生じるようになり、その結果としてＦＴ−ＩＲ法を利用した波数１０００ｃｍ^−１以上（特に、波数１５００ｃｍ^−１以上）の赤外域の光による膜厚測定を行うことが可能となる。つまり、窒化物半導体積層物１がＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板である場合であっても、上述した従来の技術常識を覆して、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定を可能にするのである。

【0084】

より具体的には、本実施形態における窒化物半導体積層物１では、基板１０が式（１）により近似される関係を満足するので、その基板１０の上にホモエピタキシャル成長される半導体層２０においても、キャリア濃度Ｎ_ｅと吸収係数αとの関係性が成り立つことになる。したがって、例えば１×１０^１７ｃｍ^−３以下の低キャリア濃度であっても、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲（すなわち、波数３０３０ｃｍ^−１以上１００００以下の範囲）においては、確実にキャリア濃度Ｎ_ｅに依存して吸収係数αに違いが生じるようになり、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行う上で非常に好適なものとなる。

【0085】

以上のように、ＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板である窒化物半導体積層物１について、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定が可能であることは、換言すると、その窒化物半導体積層物１が、以下に述べるように構成されていることを意味する。

【0086】

詳細を後述するように、ＦＴ−ＩＲ法では、被解析物に赤外光を照射して反射スペクトルを得る。ここでいう反射スペクトルは、赤外光を照射したときに反射した光量を波長（波数）に対してプロットしたものである。そして、ＦＴ−ＩＲ法では、得られた反射スペクトル中のフリンジパターンを分析することで、被解析物についての膜厚測定を行う。ここでいうフリンジパターンは、光の干渉によって光量の大きい箇所と小さい箇所が交互に生じるフリンジ（干渉縞）の存在を表すパターンのことであり、反射スペクトルを得る際の光路長の可変に応じて生じるパターンのことである。

【0087】

したがって、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定が可能である窒化物半導体積層物１は、基板１０上の半導体層２０に対して赤外光を照射して得られるＦＴ−ＩＲ法による反射スペクトル中にフリンジパターンを有していることになる。反射スペクトル中にフリンジパターンを有していれば、そのフリンジパターンを分析することで、半導体層２０についての膜厚測定を行うこと、すなわちＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが可能となる。

【0088】

（２）窒化物半導体積層物１の製造方法
次に、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定を含む、上述した構成の窒化物半導体積層物１を製造する際の手順、すなわち本実施形態に係る窒化物半導体積層物１の製造方法を説明する。

【0089】

図７に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体積層物１の製造方法は、少なくとも、基板作成工程（ステップ１１０、以下ステップを「Ｓ」と略す。）と、半導体層成長工程（Ｓ１２０）と、膜厚測定工程（Ｓ１３０）と、を備える。

【0090】

（２−ｉ）基板作成工程
基板作成工程（Ｓ１１０）では、基板１０の作製を行う。基板１０の作製は、以下に示すハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）２００を用いて行う。

【0091】

（ＨＶＰＥ装置の構成）
ここで、基板１０の製造に用いるＨＶＰＥ装置２００の構成について、図８を参照しながら詳しく説明する。

【0092】

ＨＶＰＥ装置２００は、成膜室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成膜室２０１内には、インナーカバー２０４が設けられているとともに、そのインナーカバー２０４に囲われる位置に、種結晶基板（以下、「種基板」ともいう）５が配置される基台としてのサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、その回転機構２１６の駆動に合わせて回転可能に構成されている。

【0093】

気密容器２０３の一端には、ガス生成器２３３ａ内へ塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するガス供給管２３２ａ、インナーカバー２０４内へアンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、インナーカバー２０４内へ後述するドーピングガスを供給するガス供給管２３２ｃ、インナーカバー２０４内へパージガスとして窒素（Ｎ_２）ガスおよび水素（Ｈ_２）ガスの混合ガス（Ｎ_２／Ｈ_２ガス）を供給するガス供給管２３２ｄ、および、成膜室２０１内へパージガスとしてのＮ_２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｅには、上流側から順に、流量制御器２４１ａ〜２４１ｅ、バルブ２４３ａ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａの下流には、原料としてのＧａ融液を収容するガス生成器２３３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、ＨＣｌガスとＧａ融液との反応により生成された塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを、サセプタ２０８上に配置された種基板５等に向けて供給するノズル２４９ａが設けられている。ガス供給管２３２ｂ，２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に配置された種基板５等に向けて供給するノズル２４９ｂ，２４９ｃがそれぞれ接続されている。ノズル２４９ａ〜２４９ｃは、サセプタ２０８の表面に対して交差する方向にガスを流すよう配置されている。ノズル２４９ｃから供給されるドーピングガスは、ドーピング原料ガスとＮ_２／Ｈ_２ガス等のキャリアガスとの混合ガスである。ドーピングガスについては、ドーピング原料のハロゲン化物ガスの熱分解を抑える目的でＨＣｌガスを一緒に流してもよい。ドーピングガスを構成するドーピング原料ガスとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）ドープの場合であればジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスまたはシラン（ＳｉＨ_４）ガス、ゲルマニウム（Ｇｅ）ドープの場合であればジクロロゲルマン（ＧｅＣｌ_４）ガスまたはゲルマン（ＧｅＨ_４）ガスを、それぞれ用いることが考えられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。

【0094】

気密容器２０３の他端には、成膜室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０には、ポンプ（あるいはブロワ）２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、ガス生成器２３３ａ内やサセプタ２０８上の種基板５等を領域別に所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７ａ，２０７ｂが設けられている。また、気密容器２０３内には成膜室２０１内の温度を測定する温度センサ（ただし不図示）が設けられている。

【0095】

上述したＨＶＰＥ装置２００の構成部材、特に各種ガスの流れを形成するための各部材については、後述するような低不純物濃度の結晶成長を行うことを可能にすべく、例えば、以下に述べるように構成されている。

【0096】

具体的には、図８中においてハッチング種類により識別可能に示しているように、気密容器２０３のうち、ゾーンヒータ２０７ａ，２０７ｂの輻射を受けて結晶成長温度（例えば１０００℃以上）に加熱される領域であって、種基板５に供給するガスが接触する領域である高温領域を構成する部材として、石英非含有およびホウ素非含有の材料からなる部材を用いることが好ましい。具体的には、高温領域を構成する部材として、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）コートグラファイトからなる部材を用いることが好ましい。その一方で、比較的低温領域では、高純度石英を用いて部材を構成することが好ましい。つまり、比較的高温になりＨＣｌガス等と接触する高温領域では、高純度石英を用いず、ＳｉＣコートグラファイトを用いて各部材を構成する。詳しくは、インナーカバー２０４、サセプタ２０８、回転軸２１５、ガス生成器２３３ａ、各ノズル２４９ａ〜２４９ｃ等を、ＳｉＣコートグラファイトで構成する。なお、気密容器２０３を構成する炉心管は石英とするしかないので、成膜室２０１内には、サセプタ２０８やガス生成器２３３ａ等を囲うインナーカバー２０４が設けられているのである。気密容器２０３の両端の壁部や排気管２３０等については、ステンレス等の金属材料を用いて構成すればよい。

【0097】

例えば、「Ｐｏｌｙａｋｏｖ ｅｔ ａｌ. Ｊ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. １１５, １８３７０６ （２０１４）」によれば、９５０℃で成長することにより、低不純物濃度のＧａＮ結晶の成長が実現可能なことが開示されている。ところが、このような低温成長では、得られる結晶品質の低下を招き、熱物性、電気特性等において良好なものが得られない。

【0098】

これに対し、本実施形態の上述したＨＶＰＥ装置２００によれば、比較的高温になりＨＣｌガス等と接触する高温領域では、ＳｉＣコートグラファイトを用いて各部材を構成している。これにより、例えば、１０５０℃以上というＧａＮ結晶の成長に適した温度域においても、石英やステンレス等に起因するＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等の不純物が結晶成長部へ供給されることを遮断することができる。その結果、高純度で、かつ、熱物性および電気特性においても良好な特性を示すＧａＮ結晶を成長させることが実現可能である。

【0099】

なお、ＨＶＰＥ装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。

【0100】

（基板作製手順）
続いて、上述のＨＶＰＥ装置２００を用いて種基板５上にＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させ、その後、成長させた結晶をスライスして基板１０を取得するまでの一連の処理について、図８を参照しながら詳しく説明する。以下の説明において、ＨＶＰＥ装置２００を構成する各部の動作はコントローラ２８０により制御される。

【0101】

ＨＶＰＥ装置２００を用いて行う基板１０の作製手順は、搬入ステップと、結晶成長ステップと、搬出ステップと、スライスステップと、を有している。

【0102】

（搬入ステップ）
具体的には、先ず、反応容器２０３の炉口を開放し、サセプタ２０８上に種基板５を載置する。サセプタ２０８上に載置する種基板５は、基板１０を製造するための基（種）となるもので、窒化物半導体の一例であるＧａＮの単結晶からなる板状のものである。

【0103】

サセプタ２０８上への種基板５の載置にあたっては、サセプタ２０８上に載置された状態の種基板５の表面、すなわちノズル２４９ａ〜２４９ｃに対向する側の主面（結晶成長面、下地面）が、ＧａＮ結晶の（０００１）面、すなわち＋Ｃ面（Ｇａ極性面）となるようにする。

【0104】

（結晶成長ステップ）
本ステップでは、反応室２０１内への種基板５の搬入が完了した後に、炉口を閉じ、反応室２０１内の加熱および排気を実施しながら、反応室２０１内へのＨ_２ガス、或いは、Ｈ_２ガスおよびＮ_２ガスの供給を開始する。そして、反応室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、反応室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂからのＨＣｌガス、ＮＨ_３ガスの供給を開始し、種基板５の表面に対してＧａＣｌガスおよびＮＨ_３ガスをそれぞれ供給する。

【0105】

これにより、図９（ａ）に断面図を示すように、種基板５の表面上にｃ軸方向にＧａＮ結晶がエピタキシャル成長し、ＧａＮ結晶６が形成される。このとき、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスを供給することで、ＧａＮ結晶６中に、ｎ型不純物としてのＳｉを添加することが可能となる。

【0106】

なお、本ステップでは、種基板５を構成するＧａＮ結晶の熱分解を防止するため、種基板５の温度が５００℃に到達した時点、或いはそれ以前から、反応室２０１内へのＮＨ_３ガスの供給を開始するのが好ましい。また、ＧａＮ結晶６の面内膜厚均一性等を向上させるため、本ステップは、サセプタ２０８を回転させた状態で実施するのが好ましい。

【0107】

本ステップでは、ゾーンヒータ２０７ａ，２０７ｂの温度は、ガス生成器２３３ａを含む反応室２０１内の上流側の部分を加熱するヒータ２０７ａでは例えば７００〜９００℃の温度に設定し、サセプタ２０８を含む反応室２０１内の下流側の部分を加熱するヒータ２０７ｂでは例えば１０００〜１２００℃の温度に設定するのが好ましい。これにより、サセプタ２０８は１０００〜１２００℃の所定の温度に調整される。本ステップでは、内部ヒータ（ただし不図示）はオフの状態で使用してもよいが、サセプタ２０８の温度が上述の１０００〜１２００℃の範囲である限りにおいては、内部ヒータを用いた温度制御を実施しても構わない。

【0108】

本ステップのその他の処理条件としては、以下が例示される。
処理圧力：０．５〜２気圧
ＧａＣｌガスの分圧：０．１〜２０ｋＰａ
ＮＨ_３ガスの分圧／ＧａＣｌガスの分圧：１〜１００
Ｈ_２ガスの分圧／ＧａＣｌガスの分圧：０〜１００
ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスの分圧：２．５×１０^−５〜１．３×１０^−３ｋＰａ

【0109】

また、種基板５の表面に対してＧａＣｌガスおよびＮＨ_３ガスを供給する際は、ガス供給管２３２ａ〜２３２ｂのそれぞれから、キャリアガスとしてのＮ_２ガスを添加してもよい。Ｎ_２ガスを添加してノズル２４９ａ〜２４９ｂから供給されるガスの吹き出し流速を調整することで、種基板５の表面における原料ガスの供給量等の分布を適切に制御し、面内全域にわたり均一な成長速度分布を実現することができる。なお、Ｎ_２ガスの代わりにＡｒガスやＨｅガス等の希ガスを添加するようにしてもよい。

【0110】

（搬出ステップ）
種基板５上に所望の厚さのＧａＮ結晶６を成長させたら、反応室２０１内へＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガスを供給しつつ、また、反応室２０１内を排気した状態で、ガス生成器２３３ａへのＨＣｌガスの供給、反応室２０１内へＨ_２ガスの供給、ゾーンヒータ２０７ａ、２０７ｂによる加熱をそれぞれ停止する。そして、反応室２０１内の温度が５００℃以下に降温したらＮＨ_３ガスの供給を停止し、反応室２０１内の雰囲気をＮ_２ガスへ置換して大気圧に復帰させる。そして、反応室２０１内を、例えば２００℃以下の温度、すなわち、反応容器２０３内からのＧａＮの結晶インゴット（主面上にＧａＮ結晶６が形成された種基板５）の搬出が可能となる温度へと降温させる。その後、結晶インゴットを反応室２０１内から外部へ搬出する。

【0111】

（スライスステップ）
その後、搬出した結晶インゴットを例えばＧａＮ結晶６の成長面と平行な方向にスライスすることにより、図９（ｂ）に示すように、１枚以上の基板１０を得ることができる。基板１０の各種組成や各種物性等は、上述した通りであるので説明を割愛する。このスライス加工は、例えばワイヤソーや放電加工機等を用いて行うことが可能である。基板１０の厚さは２５０μｍ以上、例えば４００μｍ程度の厚さとする。その後、基板１０の表面（＋ｃ面）に対して所定の研磨加工を施すことで、この面をエピレディなミラー面とする。なお、基板１０の裏面（−ｃ面）はラップ面あるいはミラー面とする。

【0112】

以上により、図２に示すように構成された本実施形態の基板１０、すなわちキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有する基板１０が作製される。

【0113】

（２−ii）半導体層成長工程
基板作成工程（Ｓ１１０）で基板１０を作製した後は、次いで、半導体層成長工程（Ｓ１２０）を行う。半導体層成長工程（Ｓ１２０）では、基板１０上にＧａＮ結晶をホモエピタキシャル成長させて半導体層２０を形成する。

【0114】

半導体層２０の形成は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により行う。なお、半導体層２０の形成に用いるＭＯＶＰＥ装置については、公知のものであればよく、ここではその詳細な説明を省略する。

【0115】

半導体層２０の形成にあたっては、例えば、ＭＯＶＰＥ法により、基板１０に対して少なくとも赤外線を照射し、基板１０上に半導体層２０を構成するＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる。
このとき、基板１０が赤外域の吸収係数について上記要件を満たすことで、基板１０への赤外線の照射によって基板１０を安定的に加熱し、基板１０の温度を精度よく制御することができる。また、赤外線の照射による加熱効率を該基板１０の主面内で均一にすることができる。その結果、半導体層２０を構成するＧａＮ結晶の結晶性、厚さ、各種不純物濃度等を精度良く制御し、基板１０の主面内で均一にすることができる。

【0116】

具体的には、例えば、以下の手順により、本実施形態の半導体層２０を形成する。

【0117】

まず、ＭＯＶＰＥ装置（不図示）の処理室内に基板１０を搬入する。

【0118】

このとき、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、保持部材３００上に基板１０を載置する。保持部材３００は、例えば、３つの凸部３００ｐを有し、当該３つの凸部３００ｐによって基板１０を保持するよう構成されている。これにより、基板１０を加熱する際、保持部材３００から基板１０への熱伝達ではなく、主に、基板１０に対して赤外線を照射することにより、基板１０の加熱を行うことができる。ここで、基板１０の加熱を板状の保持部材からの熱伝達によって行う場合（或いは熱伝達を組み合わせて行う場合）、基板１０の裏面状態や保持部材の表面状態によっては、基板１０をその面内全域にわたって均一に加熱することが困難となる。また、基板１０の加熱に伴って基板１０に反りが生じ、基板１０と保持部材との接触具合が徐々に変化する可能性がある。このため、基板１０の加熱条件がその面内全域にわたって不均一になる場合もある。これに対し、本実施形態では、上記のような保持部材３００を用い、基板１０の加熱を、主に基板１０に対して赤外線を照射することによって行うことにより、このような課題を解消することができ、基板１０を主面内で安定的に均一に加熱することができる。

【0119】

なお、熱伝達による影響を低減するため、凸部３００ｐと基板１０との間の接触面積が、基板１０の被支持面の５％以下、好ましくは３％以下の大きさとなるように、凸部３００ｐの形状や寸法を適正に選択することが好ましい。

【0120】

基板１０を保持部材３００上に載置したら、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内に、水素ガスおよびＮＨ_３ガス（さらにＮ_２ガス）を供給し、所定の加熱源（例えばランプヒータ）から基板１０に対して赤外線を照射し、基板１０を加熱する。基板１０の温度が所定の成長温度（例えば１０００℃以上１１００℃以下）となったら、例えば、ＩＩＩ族有機金属原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、Ｖ族原料としてＮＨ_３ガスとを、基板１０に対して供給する。これと同時に、例えば、ｎ型不純物原料としてＳｉＨ_４ガスを基板１０に対して供給する。これにより、基板１０上に、ｎ型ＧａＮ層としての下地ｎ型半導体層２１をエピタキシャル成長させる。

【0121】

次に、下地ｎ型半導体層２１上に、下地ｎ型半導体層２１よりも低濃度のｎ型不純物を含むｎ型ＧａＮ層としてのドリフト層２２をエピタキシャル成長させる。

【0122】

ドリフト層２２の成長が完了したら、ＩＩＩ族有機金属原料の供給と、基板１０の加熱とを停止する。そして、基板１０の温度が５００℃以下となったら、Ｖ族原料の供給を停止する。その後、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内の雰囲気をＮ_２ガスへ置換して大気圧に復帰させるとともに、処理室内を基板搬出可能な温度にまで低下させた後、成長後の基板１０を処理室内から搬出する。

【0123】

これにより、図１に示すように構成された本実施形態の窒化物半導体積層物１が製造される。

【0124】

なお、ここでは、窒化物半導体積層物１の製造にあたり、基板作成工程（Ｓ１１０）と半導体層成長工程（Ｓ１２０）を経る場合を例に挙げたが、これらの各工程に加えて、例えば、アニール工程を経るようにしても構わない。

【0125】

アニール工程では、例えば、所定の加熱処理装置（不図示）により、不活性ガスの雰囲気下で、基板１０に対して少なくとも赤外線を照射し、窒化物半導体積層物１をアニールする。これにより、例えば、窒化物半導体積層物１を構成する半導体層２０の活性化や結晶ダメージの回復等を行うことができる。

【0126】

このとき、基板１０が赤外域の吸収係数について上記要件を満たすことで、基板１０への赤外線の照射によって基板１０を安定的に加熱し、基板１０の温度を精度よく制御することができる。また、赤外線の照射による加熱効率を該基板１０の主面内で均一にすることができる。その結果、半導体層２０中の不純物の活性化具合（活性化率、自由正孔濃度）を精度良く制御し、基板１０の主面内で均一にすることができる。

【0127】

また、このとき、図１０（ａ）および（ｂ）に示す保持部材３００を用い、基板１０を加熱すれば、保持部材３００から基板１０への熱伝達ではなく、主に、基板１０に対して赤外線を照射することにより、基板１０の加熱を行うことができる。その結果、基板１０を主面内で安定的に均一に加熱することができる。

【0128】

（２−iii）膜厚測定工程
基板作成工程（Ｓ１１０）および半導体層成長工程（Ｓ１２０）を経て窒化物半導体積層物１を製造した後は、次いで、膜厚測定工程（Ｓ１３０）を行う。膜厚測定工程（Ｓ１３０）では、窒化物半導体積層物１を構成する半導体層２０の形成膜厚を測定する。

【0129】

膜厚測定工程（Ｓ１３０）において半導体層２０の膜厚を測定すれば、その半導体層２０についての膜厚管理を厳密に行い得るようになる。具体的には、例えば、半導体層２０の膜厚を測定して所定の基準値と比較することで、製造した窒化物半導体積層物１の良否を判定することができる。また、例えば、膜厚測定工程（Ｓ１３０）で得た測定値に基づいて、窒化物半導体積層物１を製造する際の各種処理条件の適否を判断するといったことも考えられる。

【0130】

本実施形態における膜厚測定工程（Ｓ１３０）では、半導体層２０の膜厚を、非接触および非破壊で膜厚測定を行える手法であるＦＴ−ＩＲ法を利用して測定する。
以下に、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定方法の詳細を説明する。

【0131】

（３）ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定方法
図１１に示すように、本実施形態に係る膜厚測定方法は、少なくとも、前処理工程（Ｓ２１０）と、測定工程（Ｓ２２０）と、スペクトル分析工程（Ｓ２３０）と、分析結果に基づく膜厚値の特定および出力工程（Ｓ２４０）と、を備える。前処理工程（Ｓ２１０）は、基板に関する各種データの特定工程（Ｓ２１１）と、演算によるベースラインの特定工程（Ｓ２１２）と、リファレンスとして登録工程（Ｓ２１３）と、を有する。また、測定工程（Ｓ２２０）は、測定対象のセット工程（Ｓ２２１）と、赤外光の照射工程（Ｓ２２２）と、反射スペクトルの取得工程（Ｓ２２３）と、を有する。以下、これらの各工程について順に説明する。

【0132】

（３−ｉ）前処理工程
前処理工程（Ｓ２１０）では、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定のために予め行っておくことが必要である処理を、測定工程（Ｓ２２０）に先立つ前処理として行う。

【0133】

（誘電関数のモデル化）
ここで、先ず、前処理工程（Ｓ２１０）の前提となる、測定対象物（試料）の誘電関数のモデル化について説明する。データ解析には試料の誘電関数が必要となるが、試料の誘電関数が未知の場合、誘電関数のモデル化が必要になる。

【0134】

測定対象物は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を構成する中間体１であり、、具体的には基板１０上に半導体層２０が形成されてなる窒化物半導体積層物１である。
窒化物半導体積層物１は、半導体層２０が下地ｎ型半導体層２１とドリフト層２２の二層構造となっている。このような積層構造の窒化物半導体積層物１について、光の反射と透過の関係は、図１２（a）に示す光学モデルのようになる。
ただし、かかる積層構造の窒化物半導体積層物１においては、例えば、屈折率が高い材料から低い材料へ光が入射した場合に、各層の界面で殆ど反射が起こらない。そのため、測定対象物となる窒化物半導体積層物１は、図１２（a）に示す光学モデルではなく、図１２（ｂ）に示す光学モデルのように簡略化することができる。
以下、測定対象物となる窒化物半導体積層物１については、図１２（ｂ）に示すように、媒質Ｎ_０／エピ層Ｎ_１／基板Ｎ_２からなる光学モデルに近似して考える。

【0135】

かかる光学モデルにおいて、試料の振幅反射係数は、エピ層Ｎ_１での多重反射を考慮したｒ_０１２となる。この振幅反射係数ｒ_０１２は、フレネル方程式を用いた以下の式（５）によって求めることができる。

【0136】

【数1】

【0137】

式（５）における位相変化βは、以下の式（６）によって求めることができる。なお、式（６）において、θ_１およびθ_０は、いずれも光の入射角である（図１２参照）。また、Ｎ_１は、エピ層の複素屈折率である。

【0138】

【数2】

【0139】

このように、測定対象物となる窒化物半導体積層物１については、図１２（ｂ）に示すように簡略化した光学モデルを考え、最上層の誘電関数だけを考慮する仮想基板近似を用いることで、比較的容易に解析を行うことができる。
なお、ここでは詳細な説明を省略するが、解析にあたっては、エピ層Ｎ_１の表面からの一次反射係数ｒ_０１およびエピ層Ｎ_１がない場合の基板Ｎ_２からの一次反射係数ｒ_０２についても、公知の演算式を利用して、計算を行うものとする。

【0140】

ところで、光の反射は、物質の複素誘電率または複素屈折率によって決められる。また、光は、試料に入射する光の電場方向によってｐ偏光とｓ偏光に区別され、それぞれ異なる反射を示す。

【0141】

ｐ偏光成分の振幅反射係数ｒ_ｐについてのフレネル方程式は、以下の式（７）のようになる。

【0142】

【数3】

【0143】

また、ｓ偏光成分の振幅反射係数ｒ_ｓについてのフレネル方程式は、以下の式（８）のようになる。

【0144】

【数4】

【0145】

ただし、式（７）および（８）において、θ_ｉは、媒質iからの光の入射角である。また、Ｎ_ｔｉは、媒質ｉから媒質ｔに入射する光の複素屈折率で、以下の式（９）で定義される。なお、式（９）において、ｎは複素屈折率の実数部、ｋは消衰係数であり、ｋ＞０である。

【0146】

【数5】

【0147】

また、物質の誘電率と屈折率の間には密接な関係があり、複素誘電率εは、以下の式（１０）で定義される。

【0148】

【数6】

【0149】

以上のようなフレネル方程式から得られた振幅反射率ｒの２乗が強度反射率Ｒとなる。
具体的には、例えば、垂直入射（θｉ＝０°）の場合は、媒質Ｎ_０が真空（Ｎ＝１−ｉ０）であれば、誘電体（Ｎ＝ｎ−ｉｋ）との界面反射率Ｒが、以下の式（１１）のようになる。

【0150】

【数7】

【0151】

一方、例えば、非垂直入射（θｉ≠０°）の場合は、ｐ偏光成分およびｓ偏光成分について振幅反射係数ｒ_０１，ｐ，ｒ_０１，S，ｒ_{０１２，p}，ｒ_{０１２，S}をそれぞれ計算した上で、誘電体（Ｎ＝ｎ−ｉｋ）との界面反射率Ｒが、以下の式（１２）のようになる。

【0152】

【数8】

【0153】

ところで、複素誘電率εは、上記の式（１０）の他に、以下の式（１３）によっても定義される。

【0154】

【数9】

【0155】

そして、上記の式（９）および（１３）の２式より、以下の式（１４）および（１５）が成り立つことがわかる。

【0156】

【数10】

【0157】

【数11】

【0158】

これらの各式に基づけば、複素屈折率Ｎについては、複素誘電率の値を用いると、以下の式（１６）および（１７）によって与えられる。

【0159】

【数12】

【0160】

【数13】

【0161】

以上に説明した各式によって規定される関係を踏まえた上で、光学モデルの解析に適用すべき誘電関数モデルを検討すると、自由キャリア吸収があることから、ドルーデ（Ｄｒｕｄｅ）モデルまたはローレンツ−ドルーデ（Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｄｒｕｄｅ）モデルを適用することが考えられる。

【0162】

ドルーデモデルは、自由キャリア吸収だけを考えたモデルであり、誘電率εを以下の式（１８）によって求めることができる。

【0163】

【数14】

【0164】

一方、ローレンツ−ドルーデモデルは、自由キャリア吸収のみならず、ＬＯフォノンとのカップリングをも考えたモデルであり、誘電率εを以下の式（１９）によって求めることができる。

【0165】

【数15】

【0166】

なお、上記の式（１８）または（１９）において、ε_∞は、高周波誘電率である。ω_ｐ、ω_ＬＯ、ω_ＴＯは、それぞれ、プラズマ周波数、ＬＯフォノン周波数、ＴＯフォノン周波数である。γおよびΓは、いずれも、減衰定数である。なお、式（１９）では、ＬＯフォノンとＴＯフォノンの減衰定数は、Γ＝Γ_ＬＯ＝Γ_ＴＯと仮定している。また、プラズマ周波数ω_ｐについては以下の式（２０）で、減衰定数γについては以下の式（２１）で、それぞれ与えられる。

【0167】

【数16】

【0168】

【数17】

【0169】

なお、上記の式（２０）または（２１）において、ｍ^*は、試料の有効質量を表す。また、式（２１）において、μはドリフト移動度である。

【0170】

以上のように、本実施形態においては、測定対象物（試料）を図１２（ｂ）に示す光学モデルのように簡略化した上で、誘電関数モデルとしてドルーデモデルまたはローレンツ−ドルーデモデルの少なくとも一方を適用することを決定する。そして、ドルーデモデルまたはローレンツ−ドルーデモデルの少なくとも一方を用いて、以下に述べる各ステップの処理を行う。なお、ドルーデモデルとローレンツ−ドルーデモデルとのどちらを適用するか、またはこれらの両方を適用するかについては、特に限定されることはなく、適宜決定すればよい。

【0171】

（Ｓ２１１：基板に関する各種データの特定工程）
上述のように誘電関数モデルを特定した後は、先ず、その誘電関数モデルを用いた演算処理を行うために必要となる各種データの特定を行う。具体的には、上記の式（１８）または（１９）を用いた演算処理に必要となる各種データを特定する。

【0172】

ここで特定すべき各種データは、例えば、図１２（ｂ）に示す光学モデルを構成する基板Ｎ_２およびエピ層Ｎ_１のそれぞれに関する物性値（特性値）に相当する。ただし、基板Ｎ_２およびエピ層Ｎ_１は、窒化物半導体積層物１における基板１０およびドリフト層２２をモデル化したものである。そのため、特定すべき各種データは、基板１０およびドリフト層２２に関する物性値（特性値）に基づいて特定することが可能である。

【0173】

このとき、基板１０は、既に説明したように、転位密度が低転位なものとなっており、しかも赤外域の吸収係数について所定の要件を満たすものとなっている。つまり、基板１０は、自由キャリア濃度の制御性が高く構成されており、これにより各種の物性値（特性値）についての信頼性が高いものとなっている。このことは、基板１０の上にエピタキシャル成長されるドリフト層２２についても、同様のことがいえる。したがって、基板１０およびドリフト層２２に関する物性値（特性値）に基づいて、誘電関数モデルを用いた演算処理に必要な各種データを特定すれば、その各種データは、現実の物（すなわち、製造された窒化物半導体積層物１）に則したものとなり、非常に信頼性の高いものとなる。

【0174】

ここで特定する各種データとしては、例えば、基板１０および半導体層２０がＧａＮ結晶からなる場合であれば、以下のような具体例が挙げられる。
具体的には、例えば、ドルーデモデルを適用する場合であれば、ε_∞＝５．３５、ｍ_ｅ＝０．２２、ω_{ｐ_ｓｕｂ}＝３９０．４ｃｍ^−１（μ＝３２０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）、ω_{ｐ_ｅｐｉ}＝２３．１ｃｍ^−１（μ＝１２００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）、γ_ｓｕｂ＝１３２．６ｃｍ^−１、γ_ｅｐｉ＝３５．４ｃｍ^−１といったものがある。
また、例えば、ローレンツ−ドルーデモデルを適用する場合であれば、ε_∞＝５．３５、ｍ_ｅ＝０．２２、ω_ＬＯ＝７４６ｃｍ^−１、ω_ＴＯ＝５６０ｃｍ^−１、ω_{ｐ_ｓｕｂ}＝３９０．４ｃｍ^−１（μ＝３２０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）、ω_{ｐ_ｅｐｉ}＝２３．１ｃｍ^−１（μ＝１２００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）、Γ＝Γ_ＬＯ＝Γ_ＴＯ＝１．２７ｃｍ^−１、γ_ｓｕｂ＝１３２．６ｃｍ^−１、γ_ｅｐｉ＝３５．４ｃｍ^−１といったものがある。
ここで具体例として挙げた各種データは、ＧａＮに固有の物性値、または、その物性値を基に上述の各式を用いた演算により算出した値に相当する。すなわち、いずれのデータも、ＧａＮ結晶であれば一義的に定まる値である。
なお、本実施形態では、演算によるデータ算出を行う場合に、予めＣ−Ｖ測定によりエピタキシャル層のキャリア濃度を求めておき、その値を一定の(固定的な)のフィッティングパラメータとして使用している。その場合であっても、例えば、基板１０の自由キャリア濃度が１．０〜１．５×１０^１８ｃｍ^−３程度、ホモエピタキシャル層である半導体層２０の自由キャリア濃度が２．０×１０^１８ｃｍ^−３程度といったように、それぞれが非常に高く制御されていることを考慮すると、データ算出で得られた各種データは、非常に信頼性の高いものとなる。
このように、本実施形態では、想定されるキャリア濃度を求めた上で、各種データの特定を行い、その後に、後述するようなＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定を行う。このことは、例えば、将来的にＦＴ−ＩＲ測定自体の精度が向上した場合に、キャリア濃度と膜厚との二つを、それぞれ測定によって得られる可能性があることを示唆するものである。

【0175】

（Ｓ２１２：演算によるベースラインの特定工程）
上述のように各種データを特定した後は、続いて、特定した各種データを用いて、誘電関数モデルによる演算処理を行う。

【0176】

誘電関数モデルによる演算処理にあたっては、先ず、基板Ｎ_２およびエピ層Ｎ_１についての屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求める。

【0177】

具体的には、例えば、ドルーデモデルを適用する場合であれば、上述のように特定した各種データを用いて、上記の式（１８）による演算処理を行い、誘電率εを求める。そして、その演算結果と上記の式（１３）〜（１７）とを用いて、基板Ｎ_２およびエピ層Ｎ_１のそれぞれについて、屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求める。その演算結果は、例えば、図１３（ａ）および（ｂ）に示すようなものとなる。

【0178】

また、例えば、ローレンツ−ドルーデモデルを適用する場合であれば、上述のように特定した各種データを用いて、上記の式（１９）による演算処理を行い、誘電率εを求める。そして、その演算結果と上記の式（１３）〜（１７）とを用いて、基板Ｎ_２およびエピ層Ｎ_１のそれぞれについて、屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求める。その演算結果は、例えば、図１４（ａ）および（ｂ）に示すようなものとなる。

【0179】

屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求めたら、次いで、その演算結果と上記の式（１１）または（１２）とを用いて反射率Ｒを演算し、その演算結果から特定される反射スペクトルを求める。
反射スペクトルは、例えば、垂直入射（θｉ＝０°）の場合であれば、ドルーデモデルに関しては図１５（ａ）に示すようなものとなり、またローレンツ−ドルーデモデルに関しては図１５（ｂ）に示すようなものとなる。
また、反射スペクトルは、例えば、非垂直入射（θｉ≠０）の場合、さらに具体的にはθｉ＝３０°の場合であれば、ドルーデモデルに関しては図１６（ａ）に示すようなものとなり、またローレンツ−ドルーデモデルに関しては図１６（ｂ）に示すようなものとなる。

【0180】

以上のような反射スペクトルは、反射係数ｒ_０１２に基づく媒質Ｎ_０／エピ層Ｎ_１／基板Ｎ_２からなる光学モデルについてのもの（図１５中および図１６中の実線参照）と、反射係数ｒ_０１に基づく媒質Ｎ_０とエピ層Ｎ_１との界面についてのもの（図１５中および図１６中の破線参照）と、エピ層Ｎ_１がない場合の反射係数ｒ_０２に基づく媒質Ｎ_０と基板Ｎ_２との界面についてのもの（図１５中および図１６中の点線参照）と、のそれぞれについて求めることが可能である。これらのうち、反射係数ｒ_０２に基づく基板Ｎ_２の界面についてのものが、ＦＴ−ＩＲ法により反射スペクトルを解析する際の基準となるベースラインに相当することになる。

【0181】

つまり、本実施形態においては、基板Ｎ_２が単体の場合の反射スペクトルをシミュレーション等の演算処理により求め、その反射スペクトルをＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定に用いるベースラインとして特定する。

【0182】

このようなベースラインの特定は、既に説明したように、基板１０に関する物性値（特性値）を基にして行う。そして、その基板１０は、自由キャリア濃度の制御性が高く構成されており、これにより各種の物性値（特性値）についての信頼性が高いものとなっている。このように、ベースラインを特定するために用いる各種データが信頼性の高いものであることから、本実施形態では、ベースラインをシミュレーション等の演算処理を利用して確実に特定することができるのである。

【0183】

なお、図１６中には、解析対象の光学モデルを同等の構成の積層物について、実際にＦＴ−ＩＲ法による測定を行って得られた反射スペクトルについても、併せて掲載している（図中における矢印「ＦＴ−ＩＲ」参照）。その反射スペクトルを、媒質Ｎ_０／エピ層Ｎ_１／基板Ｎ_２からなる光学モデルについての反射スペクトル（図中の実線参照）と比較すると、それぞれが近似していることがわかる（特に、図１６（ｂ）に示すローレンツ−ドルーデモデルの場合）。このことからも、本実施形態において演算処理で得られる反射スペクトルは、非常に信頼性が高いものであることがわかる。

【0184】

ところで、以上に説明した反射スペクトルについては、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定で行われているように、これをフーリエ変換することで、エピ層Ｎ_１の膜厚の算出に供することが可能である。具体的に、図１５または図１６の例について、エピ層Ｎ_１の膜厚を算出すると、ドルーデモデルの場合は膜厚ｄ_ｅｐｉ＝１３．６μｍとなり、ローレンツ−ドルーデモデルの場合は膜厚ｄ_ｅｐｉ＝１２．８７μｍとなる。このように、各モデルで算出結果に差が生じるのは、ドルーデモデルではＬＯフォノンの項がないので、ローレンツ−ドルーデモデルに比べて屈折率ｎが大きくなり、膜厚が厚く計算されるためと推察される。また、実用上の留意点を挙げれば、図１６（ａ）から明らかなように、ドルーデモデルの場合には、膜厚算出に使用する波数範囲によって値が変動する。このような傾向を踏まえた上で、ドルーデモデルとローレンツ−ドルーデモデルとのどちらを適用するか、またはこれらの両方を適用するかについて、決定するようにしても構わない。

【0185】

（Ｓ２１３：リファレンスとして登録工程）
上述のようにベースラインを特定した後は、次いで、特定したベースラインに関するデータをＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定で用いるリファレンスデータ（基準データ）とし、そのリファレンスデータの登録を行う。

【0186】

リファレンスデータの登録は、後述するＦＴ−ＩＲ測定装置が備えるメモリ部にリファレンスデータを記憶させるか、またはＦＴ−ＩＲ測定装置がアクセス可能な外部記憶装置にリファレンスデータを記憶させることで行えばよい。

【0187】

リファレンスデータの登録が完了したら、前処理工程（Ｓ２１０）を終了する。

【0188】

（３−ii）測定工程
前処理工程（Ｓ２１０）を終了したら、その後、測定工程（Ｓ２２０）を行うことが可能となる。測定工程（Ｓ２２０）では、測定対象物である窒化物半導体積層物１について、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定のために必要となる反射スペクトルの取得処理を行う。反射スペクトルの取得処理は、ＦＴ−ＩＲ測定装置を用いて行う。

【0189】

（ＦＴ−ＩＲ測定装置の概要）
ここで、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０の概要について簡単に説明する。
図１７に示すように、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０は、赤外域（ＩＲ）の光を出射する光源５１と、ハーフミラー５２と、固定配置された固定ミラー５３と、移動可能に配置された移動ミラー５４と、反射ミラー５５と、光を受光して検出するディテクタ５６と、ディテクタ５６に接続するコンピュータ装置等からなる解析制御部５７と、を備えて構成されている。

【0190】

このような構成のＦＴ−ＩＲ測定装置５０では、光源５１からの光がハーフミラー５２に斜め入射して、透過光と反射光の二つの光束に分割される。二つの光束は、固定ミラー５３と移動ミラー５４とのそれぞれで反射されハーフミラー５２に戻り、再び合成されて、干渉波（インターフェログラム）を発生させる。このとき、移動ミラー５４の位置（光路差）によって、異なる干渉波が得られることになる。得られた干渉波は、反射ミラー５５によって光路が変えられて、測定対象物（具体的には窒化物半導体積層物１）に照射される。そして、干渉波の照射に応じて測定対象物で発生した反射光（または透過光）が、再び反射ミラー５５によって光路が変えられた後に、ディテクタ５６によって受光されて検出される。その後、ディテクタ５６での検出結果が解析制御部５７で解析される。具体的には、詳細を後述するように、解析制御部５７において、フーリエ変換を用いたスペクトル解析が行われる。

【0191】

以下、このような構成のＦＴ−ＩＲ測定装置５０を用いて行う測定工程（Ｓ２２０）について具体的に説明する。

【0192】

（Ｓ２２１：測定対象のセット工程）
測定工程（Ｓ２２０）に際しては、先ず、測定対象物となる窒化物半導体積層物１を、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０における干渉波の被照射箇所にセットする。窒化物半導体積層物１の被照射箇所へのセットは、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０の仕様に応じたものであれば、その手法が特に限定されるものではない。つまり、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０における試料載置台（ただし不図示）の仕様や構成等に応じて、測定対象物である窒化物半導体積層物１のセットを行えばよい。

【0193】

（Ｓ２２２：赤外光の照射工程）
窒化物半導体積層物１をセットした後は、続いて、光源５１から赤外域（ＩＲ）の光を出射するとともに、移動ミラー５４を適宜移動させて、干渉波（インターフェログラム）を発生させ、その干渉波を窒化物半導体積層物１に対して照射する。これにより、窒化物半導体積層物１からは、干渉波に応じた反射光が発せられることになる。

【0194】

（Ｓ２２３：反射スペクトルの取得工程）
その後は、窒化物半導体積層物１から発せられた反射光をディテクタ５６で受光して検出する。つまり、ディテクタ５６での受光および検出により、窒化物半導体積層物１からの反射光の干渉波形（インターフェログラム）を空間または時間の関数として観測することで、ＦＴ−ＩＲ法による膜厚測定のために必要となる反射スペクトルを、当該窒化物半導体積層物１から取得するのである。ここでいう反射スペクトルは、窒化物半導体積層物１に対して干渉波を照射したときに反射した光量を波長（波数）に対してプロットしたものである。

【0195】

ところで、測定対象物である窒化物半導体積層物１は、既に説明したように、基板１０が低転位で、かつ、キャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなっている。また、基板１０上にホモエピタキシャル成長されてなる半導体層２０についても同様である。

【0196】

したがって、本実施形態の窒化物半導体積層物１であれば、干渉波を照射して取得される反射スペクトルは、その干渉波の影響が反映されたものとなる。具体的には、反射スペクトルは、光の干渉によって光量の大きい箇所と小さい箇所が交互に生じるフリンジ（干渉縞）の存在を表すパターンであるフリンジパターンを有したものとなる。

【0197】

取得される反射スペクトルがフリンジパターンを有していれば、そのフリンジパターンを分析することで、測定対象物である窒化物半導体積層物１についての膜厚測定を行うこと、すなわちＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが可能となる。

【0198】

このように、測定対象物である窒化物半導体積層物１からフリンジパターンを有する反射スペクトルを取得したら、測定工程（Ｓ２２０）を終了する。

【0199】

（３−iii）スペクトル分析工程
測定工程（Ｓ２２０）の終了後は、次いで、スペクトル分析工程（Ｓ２３０）を行う。スペクトル分析工程（Ｓ２３０）では、測定工程（Ｓ２２０）で取得した反射スペクトルについて、前処理工程（Ｓ２１０）で登録済みのリファレンスデータを用いつつ、フーリエ変換を行って波長（波数）成分に数学的に分離する分析（解析）処理を行う。

【0200】

具体的には、スペクトル分析工程（Ｓ２３０）では、以下のような分析処理を行う。先ず、窒化物半導体積層物１から取得した反射スペクトルをサンプルスペクトルとし、リファレンスデータによって特定されるベースライン（反射スペクトル）をバックグランドスペクトルとする。そして、サンプルスペクトルおよびバックグランドスペクトルのそれぞれに対してフーリエ変換を施して、それぞれのシングルビームスペクトル（ＳＢ）を得た上で、例えば以下の式（２２）に基づき、サンプルスペクトルの強度をバックグランドスペクトルの強度で除することで、反射干渉パターンを算出する。

【0201】

（サンプルのＳＢ）／（バックグランドのＳＢ）×１００＝反射干渉パターン ・・・（２２）

【0202】

このようにして算出される反射干渉パターンを基にすれば、その反射干渉パターンの近赤外領域でのフリンジ間隔から、窒化物半導体積層物１における半導体層２０（具体的には、例えば半導体層２０を構成するドリフト層２２）の膜厚を推定することが可能となる。

【0203】

（３−iv）分析結果に基づく膜厚値の特定および出力工程
スペクトル分析工程（Ｓ２２０）の終了後は、次いで、分析結果に基づく膜厚値の特定および出力工程（Ｓ２４０）を行う。

【0204】

分析結果に基づく膜厚値の特定および出力工程（Ｓ２４０）では、先ず、スペクトル分析工程（Ｓ２２０）での分析結果として得た反射干渉パターンに基づき、窒化物半導体積層物１における半導体層２０（例えば、ドリフト層２２）の膜厚値を特定する。具体的には、スペクトル分析工程（Ｓ２２０）で算出した反射干渉パターンには、光が干渉により強め合うことで現れるバーストが存在しており、バースト間の距離が各反射光成分の光路差に対応していることから、そのバースト間の距離を半導体層２０の屈折率の値で除することにより、半導体層２０（例えば、ドリフト層２２）の膜厚値を特定する。

【0205】

そして、半導体層２０の膜厚値を特定したら、その後は、特定した膜厚値の出力を行う。膜厚値の出力は、例えば、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０が備える図示せぬディスプレイ部や、ＦＴ−ＩＲ測定装置５０と接続する図示せぬプリンタ装置等を利用して行えばよい。

【0206】

このように膜厚値の出力を行うことで、その出力結果を参照したＦＴ−ＩＲ測定装置５０の利用者は、窒化物半導体積層物１における半導体層２０の膜厚の測定結果を認識することができる。つまり、窒化物半導体積層物１の半導体層２０について、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことができるようになる。

【0207】

（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

【0208】

（ａ）本実施形態では、基板１０としてキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものを用い、その基板１０上に半導体層２０をホモエピタキシャル成長させて、窒化物半導体積層物１を構成している。そのため、その窒化物半導体積層物１については、基板１０と半導体層２０との間でのキャリア濃度の差に依存して赤外域の吸収係数に違いが生じるようになり、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが可能となる。

【0209】

さらに詳しくは、本実施形態においては、基板１０の転位密度が例えば５×１０^６個／ｃｍ^２以下といったように低転位であり、しかも基板１０が赤外域の吸収係数について所定の要件を満たしており、これにより基板１０におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなっている。また、半導体層２０についても、基板１０上にホモエピタキシャル成長させることで、その半導体層２０を構成するＧａＮ結晶が基板１０を構成するＧａＮ結晶に準じたものとなる。つまり、半導体層２０は、基板１０との間でキャリア濃度の違いがあるとしても、その基板１０と同様に、低転位で、かつ、キャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものとなる。
したがって、本実施形態の窒化物半導体積層物１であれば、例えば１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度であっても、基板１０と半導体層２０との間でのキャリア濃度の差に依存して赤外域の吸収係数に違いが生じるようになり、その結果としてＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが可能となる。

【0210】

以上のように、本実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のホモエピタキシャル膜である半導体層２０について、例えば１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度の場合であっても、キャリア濃度に依存してＩＲの吸収係数に違いが生じるようになり、ＦＴ−ＩＲ法を利用して非接触および非破壊で膜厚測定を行うことができる。したがって、半導体層２０の膜厚管理を行う上で非常に有用であり、その膜厚管理を通じて、窒化物半導体積層物１を用いて構成される半導体装置の特性向上や信頼性向上等に寄与することが実現可能となる。

【0211】

（ｂ）特に、本実施形態で説明したように、基板１０が上記式（１）により近似される関係を満足するもの、すなわち基板１０における依存性が上記式（１）によって規定されるものであれば、その基板１０の上にホモエピタキシャル成長される半導体層２０においても、キャリア濃度Ｎ_ｅと吸収係数αとの関係性が確実に成り立つことになる。したがって、例えば１×１０^１７ｃｍ^‐３以下の低キャリア濃度であっても、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲においては、確実にキャリア濃度Ｎ_ｅに依存して吸収係数αに違いが生じるようになり、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行う上で非常に好適なものとなる。

【0212】

基板１０が上記式（１）により近似される関係を満足するのは、その基板１０において、結晶歪みが小さく、また、Ｏやｎ型不純物以外の不純物（例えば、ｎ型不純物を補償する不純物等）をほとんど含んでいない状態となっているからである。これにより、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における吸収係数αを所定の定数Ｋおよび定数ａを用いて式（１）（α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ）により近似することができる。

【0213】

なお、参考までに、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、吸収係数αを、上記式（１）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難である。

【0214】

ここで、図６（ｂ）は、自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を比較する図である。図６（ｂ）において、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数だけでなく、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載されたＧａＮ結晶の吸収係数も示している。
論文（Ａ）：Ａ．Ｓ． Ｂａｒｋｅｒ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ７ （１９７３） ｐ７４３ Ｆｉｇ．８
論文（Ｂ）：Ｐ． Ｐｅｒｌｉｎ， Ｐｈｙｓｉｃｓｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒ ７５ （１９９５） ｐ２９６ Ｆｉｇ。１ ０．３ＧＰａの曲線から推定。
論文（Ｃ）：Ｇ． Ｂｅｎｔｏｕｍｉ， Ｍａｔｅｒｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ５０ （１９９７） ｐ１４２−１４７ Ｆｉｇ．１
論文（Ｄ）：Ｓ． Ｐｏｒｏｗｓｋｉ， Ｊ． Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １８９−１９０ （１９９８） ｐ．１５３−１５８ Ｆｉｇ．３ ただし、Ｔ＝１２Ｋ

【0215】

図６（ｂ）に示すように、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載の従来のＧａＮ結晶における吸収係数αは、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αよりも大きかった。また、従来のＧａＮ結晶における吸収係数αの傾きは、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αの傾きと異なっていた。なお、論文（Ａ）および（Ｃ）では、吸収係数αの傾きが、自由電子濃度Ｎ_ｅが大きくなるにしたがって変化しているようにも見受けられた。このため、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載の従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αを、上記式（１）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難であった。具体的には、例えば、定数Ｋが上記規定の範囲よりも高くなっていたり、定数ａが３以外の値となっていたりする可能性があった。

【0216】

これは、以下の理由によるものと考えられる。従来のＧａＮ結晶中には、その製造方法に起因して、大きな結晶歪みが生じていたと考えられる。ＧａＮ結晶中に結晶歪みが生じていると、ＧａＮ結晶中に転位が多くなる。このため、従来のＧａＮ結晶では、転位散乱が生じ、転位散乱に起因して、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。または、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、意図せずに混入するＯの濃度が高くなっていたと考えられる。ＧａＮ結晶中にＯが高濃度に混入すると、ＧａＮ結晶の格子定数ａおよびｃが大きくなる（参考：Ｃｈｒｉｓ Ｇ． Ｖａｎ ｄｅ Ｗａｌｌｅ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ｖｏｌ．６８， １６５２０９ （２００３））。このため、従来のＧａＮ結晶では、Ｏによって汚染された部分と、比較的純度の高い部分との間で、局所的な格子不整合が生じ、ＧａＮ結晶中に結晶歪みが生じていたと考えられる。その結果、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。または、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、ｎ型不純物を補償するp型の補償不純物が意図せずに混入し、補償不純物の濃度が高くなっていたと考えられる。補償不純物の濃度が高いと、所定の自由電子濃度を得るために、高濃度のｎ型不純物が必要となる。このため、従来のＧａＮ結晶では、補償不純物およびｎ型不純物を含む合計の不純物濃度が高くなり、結晶歪みが大きくなっていたと考えられる。その結果、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。なお、実際にＯを含み格子が歪んだＧａＮ自立基板では、同じ自由電子濃度を有する本実施形態の基板１０と比較して、（移動度が低く）吸収係数αが高いことを確認している。

【0217】

このような理由により、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αを、上記式（１）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難であった。つまり、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数を自由電子の濃度Ｎ_ｅに基づいて精度良く設計することは困難であった。このため、従来のＧａＮ結晶からなる基板では、基板に対して少なくとも赤外線を照射し基板を加熱する工程において、基板によって加熱効率がばらつき易く、基板の温度を制御することが困難となっていた。その結果、基板ごとの温度の再現性が低くなる可能性があった。

【0218】

これに対し、本実施形態の製造方法により製造される基板１０は、結晶歪みが小さく、また、Ｏやｎ型不純物以外の不純物をほとんど含んでいない状態となっている。本実施形態の基板１０の吸収係数は、結晶歪み起因の散乱（転位散乱）による影響が小さく、主にイオン化不純物散乱に依存している。これにより、基板１０の吸収係数αのばらつきを小さくすことができ、基板１０の吸収係数αを所定の定数Ｋおよび定数ａを用いて上記式（１）により近似することができる。基板１０の吸収係数αが上記式（１）により近似可能であることで、基板１０の吸収係数を、基板１０中へのｎ型不純物のドーピングによって生じる自由電子の濃度Ｎ_ｅに基づいて精度良く設計することができる。基板１０の吸収係数を自由電子の濃度Ｎ_ｅに基づいて精度良く設計することで、基板１０に対して少なくとも赤外線を照射し基板１０を加熱する工程において、加熱条件を容易に設定することができ、基板１０の温度を精度良く制御することができる。その結果、基板１０ごとの温度の再現性を向上させることができる。このようにして、本実施形態では、基板１０を精度良くかつ再現性良く加熱することが可能となる。

【0219】

（ｃ）本実施形態では、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定にあたり、上記式（１）を満足する基板１０についての誘電関数モデルを特定した上で、特定した誘電関数モデルに基づき基板１０が単体のときの反射スペクトル（ベースライン）を演算処理により求め、求めた反射スペクトルをリファレンスデータ（基準データ）として用いるようになっている。つまり、基板１０が低転位で高品質なものであり、その基板１０におけるキャリア濃度Ｎ_ｅと吸収係数αとの関係の制御性が高い（すなわち、キャリア濃度Ｎ_ｅに関する信頼性が高い）ことから、ベースラインとなる反射スペクトルを演算処理（シミュレーション）により求めることができる。したがって、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定にあたり、誘電関数モデルとキャリア濃度から反射スペクトルを求めてその計算値をリファレンスとしているので、例えば基板単体からのリファレンスとなる反射スペクトルの実測が不要となり、その膜厚測定の効率向上を実現することが可能となる。

【0220】

（ｄ）本実施形態では、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶がＧａＮ結晶であり、いわゆるＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板について、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行う。つまり、本実施形態によれば、従来は原理的に膜厚測定が困難であると考えられていたＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板であっても、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが実現可能となる。

【0221】

（ｅ）本実施形態における窒化物半導体積層物１は、基板１０上の半導体層２０に対して赤外光を照射して得られるＦＴ−ＩＲ法による反射スペクトル中にフリンジパターンを有している。このように、反射スペクトル中にフリンジパターンを有していれば、そのフリンジパターンを分析することで、半導体層２０についての膜厚測定を行うこと、すなわちＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことが可能となる。したがって、本実施形態における窒化物半導体積層物１は、ＦＴ−ＩＲ法を利用して非接触および非破壊で膜厚測定を行うことが可能であり、その測定結果に基づく膜厚管理を通じて、窒化物半導体積層物１を用いて構成される半導体装置の特性向上や信頼性向上等に寄与することが実現可能となる。

【0222】

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【0223】

上述の実施形態では、主として、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行う場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態で説明した基板１０を用いて窒化物半導体積層物１を構成した場合、ＴＯフォノン（５６０ｃｍ^−１）より低波数側では消衰係数ｋが自由キャリア吸収のために比較的大きくなるので、ＦＴ−ＩＲ法のみならず、赤外分光エリプソメトリ法によっても、膜厚測定を行うことが可能である。なお、赤外分光エリプソメトリ法は、光学測定手法の一つであり、試料での光反射による偏光状態の変化を測定することで、膜厚測定等を行う技術である。

【0224】

上述の実施形態では、基板１０および半導体層２０がそれぞれＧａＮからなっている場合について説明したが、基板１０および半導体層２０は、ＧａＮに限らず、他のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなるものであってもよい。他のＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、窒化インジウム（ＩｎＮ）や窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等が挙げられる。さらには、ＡｌＮ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等がであってもよい。このように、ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるものを含む。つまり、本発明は、ＧａＮ−ｏｎ−ＧａＮ基板のみならず、例えば、ＡｌＮ基板上にＡｌＮ層がホモエピタキシャル成長されてなるＡｌＮ−ｏｎ−ＡｌＮ基板についても、また他のＩＩＩ族窒化物半導体によるホモエピタキシャル成長基板についても、全く同様に適用することが可能である。なお、Ａｌ組成を含むものについては、分光エリプソメトリ法によっても膜厚測定を行うことが考えられる。

【0225】

上述の実施形態では、基板作成工程（Ｓ１１０）において、ＧａＮ単結晶からなる種基板５を用いて基板１０を作製する場合について説明したが、基板１０を以下の方法により作製してもよい。例えば、サファイヤ基板等の異種基板上に設けられたＧａＮ層を下地層として用い、ナノマスク等を介してＧａＮ層を厚く成長させた結晶インゴットを異種基板から剥離させ、この結晶インゴットから複数の基板１０を切り出してもよい。

【0226】

上述の実施形態では、半導体層成長工程（Ｓ１２０）において、ＭＯＶＰＥ法により半導体層２０を形成する場合について説明したが、ＨＶＰＥ法などの他の気相成長法や、フラックス法やアモノサーマル法などの液相成長法により半導体層２０を形成してもよい。

【0227】

上述の実施形態では、窒化物半導体積層物１を用いて構成する半導体装置がＳＢＤである場合について説明したが、半導体装置は、ｎ型不純物を含む基板１０を用いていれば、他のデバイスとして構成されていてもよい。例えば、半導体装置は、発光ダイオード、レーザダイオード、ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）、バイポーラトランジスタ等であってもよい。

【0228】

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

【0229】

（付記１）
本発明の一態様によれば、
ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物における前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記基板として、当該基板におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものを用い、
前記薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する
膜厚測定方法が提供される。

【0230】

（付記２）
付記１に記載の膜厚測定方法において、好ましくは、
前記基板における前記依存性は、波長をλ（μｍ）、２７℃における前記基板の吸収係数をα（ｃｍ^−１）、前記基板中のキャリア濃度をＮ_ｅ（ｃｍ^−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における前記吸収係数αが、以下の式（１）により近似される。
α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ ・・・（１）
（ただし、２．０×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９、ａ＝３）

【0231】

（付記３）
付記２に記載の膜厚測定方法において、好ましくは、
前記式（１）を満足する前記基板についての誘電関数モデルを特定した上で、特定した誘電関数モデルに基づき前記基板が単体のときの反射スペクトルを演算処理により求め、
求めた前記反射スペクトルを前記フーリエ変換赤外分光法または前記赤外分光エリプソメトリ法により膜厚測定を行う際のリファレンスとして用いる。

【0232】

（付記４）
付記１から３のいずれか１つに記載の膜厚測定方法において、好ましくは、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶が窒化ガリウムの結晶である。

【0233】

（付記５）
本発明の他の態様によれば、
ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物の製造方法であって、
前記基板として、当該基板におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものを用い、当該基板上に前記薄膜をホモエピタキシャル成長させる成長工程と、
前記基板上に形成された前記薄膜の膜厚を測定する測定工程と、
を備え、
前記測定工程では、前記薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する
窒化物半導体積層物の製造方法が提供される。

【0234】

（付記６）
本発明のさらに他の態様によれば、
ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板と、
前記基板上にホモエピタキシャル成長されてなる薄膜と、
を備え、
前記基板上の前記薄膜に対して赤外光を照射して得られるフーリエ変換赤外分光法による反射スペクトル中にフリンジパターンを有する
窒化物半導体積層物が提供される。

【0235】

（付記７）
付記６に記載の窒化物半導体積層物において、好ましくは、
前記基板は、当該基板におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有する。

【0236】

（付記８）
付記７に記載の窒化物半導体積層物において、好ましくは、
前記基板における前記依存性は、波長をλ（μｍ）、２７℃における前記基板の吸収係数をα（ｃｍ^−１）、前記基板中のキャリア濃度をＮ_ｅ（ｃｍ^−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における前記吸収係数αが、以下の式（１）により近似される。
α＝Ｎ_ｅＫλ^ａ ・・・（１）
（ただし、２．０×１０^−１９≦Ｋ≦６．０×１０^−１９、ａ＝３）

【0237】

（付記９）
付記６から８のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層物において、好ましくは、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶が窒化ガリウムの結晶である。

【符号の説明】

【0238】

１…窒化物半導体積層物（中間体）、１０…基板、２０…半導体層、２１…下地ｎ型半導体層、２２…ドリフト層

【要約】

【課題】ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のホモエピタキシャル膜について、ＦＴ−ＩＲ法を利用した膜厚測定を行うことを可能にする。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる基板上に薄膜がホモエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体積層物における薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、基板として、当該基板におけるキャリア濃度と赤外域の吸収係数との間に依存性を有するものを用い、薄膜の膜厚を、フーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法を利用して測定する。
【選択図】図１１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】