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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024001751
(43)【公開日】2024-01-10
(54)【発明の名称】窒化物半導体ウェーハ、及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/20 20060101AFI20231227BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20231227BHJP
【ＦＩ】
H01L21/20
H01L29/80 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022100615
(22)【出願日】2022-06-22
(71)【出願人】
【識別番号】000190149
【氏名又は名称】信越半導体株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102532
【弁理士】
【氏名又は名称】好宮 幹夫
(74)【代理人】
【識別番号】100194881
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 俊弘
(74)【代理人】
【識別番号】100215142
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 徹
(72)【発明者】
【氏名】萩本 和徳
(72)【発明者】
【氏名】久保埜 一平
【テーマコード（参考）】
5F102
5F152
【Ｆターム（参考）】
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD01
5F102GJ03
5F102GK04
5F102GK08
5F102GL04
5F102GM04
5F102GQ01
5F102HC01
5F152LL05
5F152LM08
5F152LN05
5F152LN12
5F152LN14
5F152LN19
5F152MM18
5F152NN03
5F152NP09
5F152NQ09
(57)【要約】
【課題】、反りを抑制した窒化物半導体ウェーハを提供することを目的とする。
【解決手段】シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【選択図】図１
【解決手段】シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、
前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項2】
前記シリコン系基板は、シリコン単結晶基板、又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項3】
前記バッファ層は、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層と、からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項4】
窒化物半導体ウェーハを製造する方法であって、
（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び
（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程
を含み、かつ、
前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることを特徴とする窒化物半導体ウェーハの製造方法。
（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び
（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程
を含み、かつ、
前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることを特徴とする窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項5】
前記工程（１）において、前記シリコン系基板を、シリコン単結晶基板、又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板とすることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項6】
前記工程（１）において、前記バッファ層を、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層と、からなるものとすることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化物半導体ウェーハに関し、特に反りが抑制された窒化物半導体ウェーハに関する。
【背景技術】
【0002】
シリコン単結晶基板上に初期ＡｌＮ層、バッファ層、及びＧａＮ－ＨＥＭＴ構造エピタキシャル層をこの順で積層した窒化物半導体ウェーハは、パワーデバイス用、ＲＦデバイス用エピタキシャル基板として用いられている。
【0003】
また、ＳＯＩ基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長したウェーハも用いられるが、ＳＯＩ基板上にエピタキシャル成長した場合、ウェーハの反りがシリコン単結晶基板に比べて大きくなる。反りを抑制するために、バッファ層を工夫し、且つ、ｉｎ－ｓｉｔｕの反りデータを見ながら反りを低減する必要がある（特許文献１）。
【0004】
シリコン単結晶基板は比較的反りを小さくできるが、ＳＯＩ基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合、反りの抑制が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６４７３０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、反りを抑制した窒化物半導体ウェーハ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】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明では、
シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、
前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である窒化物半導体ウェーハを提供する。
シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、
前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である窒化物半導体ウェーハを提供する。
【0008】
このような濃度分布でＦｅがドープされていることで、窒化物半導体ウェーハの構造を変えることなく反りを抑制することができる。バッファ層内のＦｅの最も高い濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば反りを顕著に抑制することができる。また、６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることでバッファ層上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが可能となる。バッファ層上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であれば、Ｆｅのメモリー効果によりデバイス表面のＦｅ濃度が高くなってしまいデバイスの特性を悪化させてしまうことを防止できる。
【0009】
また、前記シリコン系基板は、シリコン単結晶基板、又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板であることが好ましい。
【0010】
本発明では、このようなシリコン系基板を用いることができるが、中でもＳＯＩ基板を用いた場合は反りが大きいので本発明が特に有効となる。
【0011】
また、前記バッファ層は、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層と、からなることが好ましい。
【0012】
このような構造とすることでより反りの抑制に有効である。
【0013】
また本発明では、窒化物半導体ウェーハを製造する方法であって、
（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び
（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程
を含み、かつ、
前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び
（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程
を含み、かつ、
前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、
前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
【0014】
本発明の反りを抑制した窒化物半導体ウェーハはこのようにして製造することができる。
【0015】
また、前記工程（１）において、前記シリコン系基板を、シリコン単結晶基板、又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板とすることが好ましい。
【0016】
本発明では、このようなシリコン系基板を用いることができるが、中でもＳＯＩ基板を用いた場合は反りが大きいので本発明が特に有効となる。
【0017】
また、前記工程（１）において、前記バッファ層を、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層と、からなるものとすることが好ましい。
【0018】
このような構造とすることでより反りの抑制に有効である。
【発明の効果】
【0019】
以上のように、本発明であれば、シリコン単結晶基板またはＳＯＩ基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた窒化物半導体ウェーハであって、バッファ層等の構造を変えることなく反りを抑制した窒化物半導体ウェーハ、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の窒化物半導体ウェーハの一例を示す概略図である。
【図2】実施例１、２で製造した窒化物半導体ウェーハ（シリコン系基板：シリコン単結晶基板）の積層方向のＦｅ濃度分布をＳＩＭＳで測定した結果である。
【図3】実施例１、２で製造した窒化物半導体ウェーハ（シリコン系基板：ＳＯＩ基板）の積層方向のＦｅ濃度分布をＳＩＭＳで測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
上述のように、反りを抑制した窒化物半導体ウェーハの開発が求められていた。
【0022】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、窒化物半導体ウェーハのバッファ層中のＦｅ濃度分布を適切に制御することによって、窒化物半導体ウェーハの反りを抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
【0023】
即ち、本発明は、シリコン系基板と、該シリコン系基板上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層とを備えたものである窒化物半導体ウェーハであって、前記バッファ層にＦｅがドープされており、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である窒化物半導体ウェーハである。
【0024】
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0025】
【0026】
図１に示す窒化物半導体ウェーハ１０は、シリコン系基板１と、シリコン系基板１上に積層された窒化物半導体からなるバッファ層３と、バッファ層３上に積層された少なくともＧａＮ層を含む機能層４を有している。機能層４は、例えば、ＧａＮからなるチャネル層（Ｃ－ＧａＮ）とチャネル層とバンドギャップの異なるＡｌＧａＮからなるバリア層（不図示）で構成される。また、バッファ層３とチャネル層の間に高抵抗ＧａＮ層（耐圧層：Ｒ－ＧａＮ）を形成することが好ましい。
【0027】
ここで、シリコン系基板１は特に限定されないが、シリコン単結晶基板、又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板とすることが好ましく、例えば、１５０ｍｍφ、６７５μｍ、（１１１）のＳｉ基板または１５０ｍｍφ、６７５μｍ、（１１１）のＳＯＩ基板である。
【0028】
シリコン系基板１と、バッファ層３の間に厚さ１００～２００ｎｍのＡｌＮからなる初期層２を設けてもよい。
【0029】
バッファ層３は特に限定されないが、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層とからなることが好ましく、例えば、厚さ１００～２００ｎｍのＡｌＧａＮ層上に厚さ５～３０ｎｍのＧａＮ層と厚さ３～１０ｎｍのＡｌＮ層とが交互に例えば２３ペア積層された超格子層（ＳＬｓ）からなるものとすることができる。
【0030】
ここで本発明の窒化物半導体ウェーハは、バッファ層３にＦｅがドープされており、バッファ層３における積層方向のＦｅ濃度分布は、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から機能層４に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布であり、Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、バッファ層３の機能層４側の上面のＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。なお本発明において、Ｆｅ濃度分布はＳＩＭＳの測定結果から求めることができる。
【0031】
バッファ層中におけるＦｅ濃度分布を、後述の実施例の結果を示す図２、３を参照してより具体的に説明する。図２にシリコン単結晶基板上にエピタキシャル成長させた窒化物半導体ウェーハのＳＩＭＳによるＦｅ濃度分布を示す。また、図３にはＳＯＩ基板上に同様な条件でエピタキシャル成長させた場合のＦｅ濃度分布を示す。図２、３のいずれにおいても、バッファ層中においてＦｅ濃度が最大となる点（図中横軸の深さ１．２μｍの付近）を有しており、この点からＦｅ濃度は機能層側に向かって減少（漸減）し、バッファ層の機能層側の上面（図中横軸の深さ０．５５μｍの付近）においてＦｅ濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる。このようにＦｅ濃度はバッファ層でピークとなり、デバイス層に向けて減少（漸減）しているのが分かる。
【0032】
Ｆｅ濃度の最高値が２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より低い場合は、反りに対して顕著な抑制効果が見られず、また、６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えるとバッファ層上面の濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とするのが難しくなる。バッファ層上面の濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、Ｆｅのメモリー効果によりデバイス表面のＦｅ濃度が高くなってしまいデバイスの特性を悪化させてしまう。
【0033】
このようなＦｅ濃度分布とするには、ＭＯＣＶＤ装置で、例えば超格子層の下部約１／３及びその下のＡｌＧａＮ層のエピタキシャル成長時にＣｐ２Ｆｅ（ビスクロペンタジエニル鉄）等のドーピングガスを流し、その流量を調整することで所望の濃度のＦｅをドープすることができる。このようにＦｅをドープすることでＳＯＩ基板を用いた場合に限らず、シリコン単結晶基板を用いた場合にもバッファ層の構造を変えることなく反りを抑制することができるが、ＳＯＩ基板を用いた場合により顕著な効果が得られる。
【0034】
機能層４として、バッファ層３上には厚さ３００～９００ｎｍの高抵抗ＧａＮ層（耐圧層）を設けることが好ましい。このような高抵抗層をデバイス層とバッファ層との間に設けることで、電流コラプス現象の悪化と高温時の横方向リーク電流をより確実に抑制することができるとともに、チャネル層へのＦｅの混入をより確実に抑制できるので、移動度の低下等の順方向特性の劣化を防止することができる。高抵抗ＧａＮ層の上には、デバイス層となるＧａＮ層からなるチャネル層が形成されている。図１には示されていないが、ＧａＮ層からなるチャネル層上にＡｌＧａＮ層からなるバリア層を形成し、ソース電極、ドレイン電極、及び、ゲート電極を設けることで、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。
【0035】
［窒化物半導体ウェーハの製造方法］
また本発明は、窒化物半導体ウェーハを製造する方法であって、（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程を含み、かつ、前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする窒化物半導体ウェーハの製造方法である。
また本発明は、窒化物半導体ウェーハを製造する方法であって、（１）シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程、及び（２）前記バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程を含み、かつ、前記工程（１）において、Ｆｅをドープするためのドーピングガスを流し、該ドーピングガスの流量を調整することによって、前記バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から前記機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、前記Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、前記バッファ層の前記機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする窒化物半導体ウェーハの製造方法である。
【0036】
本発明の窒化物半導体ウェーハは、このようにして製造することができる。以下、本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法について詳細に説明する。
【0037】
［工程（１）］
工程（１）は、シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程である。
工程（１）は、シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を積層する工程である。
【0038】
本工程では、まず、シリコン単結晶基板やＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板等のシリコン系基板を準備する。次に、ＭＯＣＶＤ装置内にて、シリコン系基板上に窒化物半導体からなるバッファ層をエピタキシャル成長させればよい。もしくは、シリコン系基板上にＡｌＮからなる初期層をエピタキシャル成長させ、その上に窒化物半導体からなるバッファ層をエピタキシャル成長させてもよい。バッファ層としては、上述のようにＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に積層された超格子層とからなるものとすることが好ましい。
【0039】
エピタキシャル成長の際、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｇａ源としてＴＭＧａ、Ｎ源としてＮＨ３を用いることができ、これらに限定されない。また、キャリアガスはＮ２およびＨ２、またはそのいずれかとすることができ、プロセス温度は例えば９００～１２００℃程度とすることが好ましい。
【0040】
本発明では、バッファ層における積層方向のＦｅ濃度分布を、Ｆｅ濃度が最大となる点を有し、該Ｆｅ濃度が最大となる点から機能層に向かってＦｅ濃度が減少するような濃度分布とし、Ｆｅ濃度が最大となる点におけるＦｅ濃度を２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、かつ、バッファ層の機能層側の上面のＦｅ濃度を４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0041】
このようなＦｅ濃度分布とするには、ＭＯＣＶＤ装置で、例えば超格子層の下部約１／３及びその下のＡｌＧａＮ層のエピタキシャル成長時にＣｐ２Ｆｅ（ビスクロペンタジエニル鉄）等のドーピングガスを流し、その流量を調整することで所望の濃度のＦｅをドープすることができる。
【0042】
［工程（２）］
工程（２）は、バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程である。
工程（２）は、バッファ層上に少なくともＧａＮ層を含む機能層を積層して窒化物半導体ウェーハを製造する工程である。
【0043】
本工程では、窒化物半導体ウェーハの用途に応じて、適切な機能層をエピタキシャル成長により積層すればよい。例えば、ＭＯＣＶＤ装置内にて、上述のような高抵抗ＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、その上にデバイス層となるＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、さらにその上に、ＡｌＧａＮ層からなるバリア層をエピタキシャル成長させることができる。その上にソース電極、ドレイン電極、及び、ゲート電極を設けることで、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。
【0044】
このようにして製造された窒化物半導体ウェーハは、バッファ層内のＦｅ濃度分布が適切に制御されることによって、反りの抑制されたものとなる。
【実施例0045】
以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0046】
（実施例１）
シリコン系基板として、以下のシリコン単結晶基板及びＳＯＩ基板を準備した。
（１）シリコン単結晶基板
１５０ｍｍφ ｐ－Ｔｙｐｅ（１１１） ６７５μｍ Ｏｉ：２５．６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９ ５０００Ωｃｍ
（２）ＳＯＩ基板
１５０ｍｍφ ＳＯＩ層：１００ｎｍ／Ｂｏｘ層：２００ｎｍ／Ｓｉ基板：６７５μｍ
ＳＯＩ層：（１１１） ＣＺ １ｋΩｃｍ Ｎ（窒素）：５ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ Ｏｉ：２５．６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９
Ｓｉ基板：（１００） ８ｍΩｃｍ Ｏｉ：１６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９
シリコン系基板として、以下のシリコン単結晶基板及びＳＯＩ基板を準備した。
（１）シリコン単結晶基板
１５０ｍｍφ ｐ－Ｔｙｐｅ（１１１） ６７５μｍ Ｏｉ：２５．６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９ ５０００Ωｃｍ
（２）ＳＯＩ基板
１５０ｍｍφ ＳＯＩ層：１００ｎｍ／Ｂｏｘ層：２００ｎｍ／Ｓｉ基板：６７５μｍ
ＳＯＩ層：（１１１） ＣＺ １ｋΩｃｍ Ｎ（窒素）：５ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ Ｏｉ：２５．６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９
Ｓｉ基板：（１００） ８ｍΩｃｍ Ｏｉ：１６ｐｐｍａＡＳＴＭ７９
【0047】
次に、これらの２枚のウェーハをＭＯＣＶＤ装置で同一のバッチでエピタキシャル成長を行い、以下の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。
【0048】
最初に厚さ１５０ｎｍのＡｌＮからなる初期層を形成し、次に厚さ１６０ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長させた。このときＣｐ２Ｆｅを５０ｓｃｃｍの流量で流すことでＦｅドープを開始した。次に厚さ２５ｎｍのＧａＮ層と厚さ４．２ｎｍのＡｌＮ層を交互に成長させた。ＧａＮ層とＡｌＮ層のペアを８ペア成長した時点で、Ｃｐ２Ｆｅの供給を止めた。その後もＧａＮ層とＡｌＮ層を交互に成長させ全部で２３ペアの超格子層（ＳＬｓ）を形成し、ＡｌＧａＮ層と超格子層からなるバッファ層を形成した。次に高抵抗ＧａＮ層を６７０ｎｍ成長させ、次にチャネル層となるＧａＮ層を２００ｎｍ成長させた。
【0049】
その後、２枚のウェーハを取り出し、反り量を測定した。その結果を表１に示す。また、ＳＩＭＳにより深さ方向のＦｅ濃度を測定した。シリコン単結晶基板を用いたウェーハのＦｅ濃度分布を図２に、ＳＯＩ基板を用いたウェーハのＦｅ濃度分布を図３に示す。いずれのウェーハもバッファ層中のＦｅの最大濃度は６．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３でバッファ層上面のＦｅ濃度は４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。表１から明らかなように、実施例１はいずれのウェーハも後述する比較例１、２に比べ反り量が抑制されていることが判る。
【0050】
なお本発明において、反り量は３点支持ステージに基準となるフラットなシリコン単結晶基板を載せ、水平面を出し、その平面との差異によって測定した。
【0051】
（実施例２）
Ｃｐ２Ｆｅを２０ｓｃｃｍの流量としたことを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。図２、３に示すように、いずれのウェーハもバッファ層中のＦｅの最大濃度は２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３でバッファ層上面のＦｅ濃度は２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。表１に示す通り、実施例２ではいずれのウェーハも実施例１ほどではないものの比較例１，２に比べて反りが抑制されているのが判る。
Ｃｐ２Ｆｅを２０ｓｃｃｍの流量としたことを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。図２、３に示すように、いずれのウェーハもバッファ層中のＦｅの最大濃度は２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３でバッファ層上面のＦｅ濃度は２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。表１に示す通り、実施例２ではいずれのウェーハも実施例１ほどではないものの比較例１，２に比べて反りが抑制されているのが判る。
【0052】
（比較例１）
Ｃｐ２Ｆｅの流量をさらに低くして、バッファ層中の最大Ｆｅ濃度を２．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたことを除き実施例１と同様な方法で窒化物半導体ウェーハを製造した。表１に示す通り、比較例１はいずれのウェーハも比較例２よりは反りが改善しているものの、実施例１，２ほどの顕著な効果は見られなかった。
Ｃｐ２Ｆｅの流量をさらに低くして、バッファ層中の最大Ｆｅ濃度を２．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたことを除き実施例１と同様な方法で窒化物半導体ウェーハを製造した。表１に示す通り、比較例１はいずれのウェーハも比較例２よりは反りが改善しているものの、実施例１，２ほどの顕著な効果は見られなかった。
【0053】
（比較例２）
Ｃｐ２Ｆｅを流さなかったことを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。表１に示す通り、比較例２はいずれのウェーハも実施例１，２に比べて反りが大きいことが判る。
Ｃｐ２Ｆｅを流さなかったことを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。表１に示す通り、比較例２はいずれのウェーハも実施例１，２に比べて反りが大きいことが判る。
【0054】
【表1】
【0055】
以上のように、本発明であれば、シリコン単結晶基板またはＳＯＩ基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた窒化物半導体ウェーハであって、バッファ層等の構造を変えることなく反りを抑制した窒化物半導体ウェーハ、及びその製造方法を提供することができることが明らかになった。
【0056】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【0057】
１…シリコン系基板、 ２…初期層、 ３…バッファ層、 ４…機能層、
１０…窒化物半導体ウェーハ。
１０…窒化物半導体ウェーハ。
【図1】
【図2】
【図3】
