特許 7220647 窒化物半導体基板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-02

(45)【発行日】2023-02-10

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20230203BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20230203BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20230203BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230203BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L21/205

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019227167

(22)【出願日】2019-12-17

(65)【公開番号】P2021097127

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】507182807

【氏名又は名称】クアーズテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】江里口 健一

(72)【発明者】

【氏名】阿部 芳久

(72)【発明者】

【氏名】小宮山 純

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／２２１５３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１６６０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５４６１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５９７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７６６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３４６１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多結晶無機材料上に単結晶シード層を備えた基板と、前記基板上の１３族窒化物半導体からなるバッファー層と、前記バッファー層上の１３族窒化物半導体からなる動作層とを備え、前記バッファー層と前記動作層を合算した層厚が１０～２０μｍであり、前記バッファー層は、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＳｉ元素濃度プロファイルと、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＣ元素濃度プロファイルと、かつ、前記２つのピークの間隔が０～５０ｎｍとなるピーク対を少なくとも１つ備えること、さらに、前記基板と前記バッファー層の界面から最も近いピークの頂点までの距離、前記バッファー層と前記動作層の界面から最も近いピークの頂点までの距離、および、ピークが複数存在する場合における隣接するピークの頂点の間隔のいずれもが３μｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に、シリコン（Ｓｉ）元素と炭素（Ｃ）元素が共にドープされたバッファー層を有する窒化物半導体基板、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶またはＳｉ単結晶等からなる基板上に、各種の窒化物半導体からなるバッファー層を介して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む動作層を備える窒化物半導体基板を用いて作製される。

【0003】

上記したバッファー層は、反りや転位の低減、耐圧の向上等を目的として、層構造やドーパントの濃度分布に様々な工夫がされている。その中の一つに、Ｓｉ元素を用いた技術が多数知られている。

【0004】

例えば、特許文献１には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層の上面に接しＳｉＮを含む第１Ｓｉ含有層と、前記第１Ｓｉ含有層の上に設けられ前記上面に対して傾斜した斜面を有する凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層の上に設けられＳｉを含有する第２Ｓｉ含有層と、前記第２Ｓｉ含有層の上に設けられた第２ＧａＮ層と、を含む積層体と、前記積層体の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、を備えた窒化物半導体素子が記載されている。

【0005】

また特許文献２には、ＳｉＣ単結晶基板４１の（０００１）面上に形成されており、前記ＳｉＣ基板４１上に例えば０．３μｍの膜厚でエピタキシャルに形成された非ドープＡｌＮ下地層４２と、前記下地層４２上に例えば３μｍの膜厚でエピタキシャルに形成された非ドープＧａＮバッファー層４３と、前記バッファー層４３上に５～５０ｎｍ、例えば２０ｎｍの膜厚で形成され、Ｓｉを１×１０¹⁷～５×１０¹⁸ｃｍ^-3、例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドープされたｎ⁺型ＧａＮバンド制御層４４と、前記バンド制御層４４上に、５～５０ｎｍ、好ましくは２０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成された非ドープＡｌＧａＮバリア層４５と、前記バリア層４５上に例えば５０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成された非ドープＧａＮ電子走行層４６と、前記電子走行層４６上に、例えば厚さが５ｎｍでエピタキシャルに形成された非ドープＡｌＧａＮスペーサ層４７を介して例えば２０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成され、Ｓｉを例えば４×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドープされた電子供給層４８と、前記電子供給層上に、例えば７ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成され、Ｓｉを例えば５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でエピタキシャルにドープされたｎ型ＧａＮキャップ層４９と、を積層した積層構造を有しており、前記電子走行層４６中には、その上のスペーサ層４７との界面に沿って二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されているＧａＮ－ＨＥＭＴ４０が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１４－１０３３７７号公報

【文献】特開２００９－５９９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の発明は、第１Ｓｉ含有層５１ｓを設けることで転位８０の密度が減少していることから、第１Ｓｉ含有層５１ｓは転位８０を遮蔽する効果を有し、第１Ｓｉ含有層５１ｓと第２Ｓｉ含有層５２ｓとにより転位８０の遮蔽効果が増強される、とするものといえる。

【0008】

特許文献２に記載の発明では、ＧａＮ－ＨＥＭＴ４０では、前記電子走行層４６の下に形成された非ドープＡｌＧａＮバリア層４５がポテンシャルバリアを形成し、前記二次元電子ガス中の電子が加速されて基板４１の側へ抜けようとするのが阻止される。その際、本実施形態では、前記バリア層４５の下のバンド制御層４４が高濃度にＳｉドープされたｎ型層であるため、その下の非ドープＧａＮバッファー層４３あるいは非ドープＡｌＮ下地層４２などの電気的影響が遮蔽され、前記ＧａＮ－ＨＥＭＴ４０の高出力動作の際、加速された高エネルギーのキャリアが何らかの原因で、前記ＧａＮバッファー層４３あるいはその下のＡｌＮ下地層４２、さらにはＳｉＣ基板４１との界面にまで到達し捕獲されたような場合であっても、前記バリア層４５が形成するポテンシャルの電気的な変動が抑制され、前記バリア層４５は安定したポテンシャルバリアを形成する、としている。

【0009】

上記の通り、Ｓｉドープ層を、電子走行層等の動作層あるいは機能層より下部の適切な領域に、厚さ方向に対して比較的狭い範囲で設けることで、窒化物半導体の各種特性が改善されることが知られている。

【0010】

ところで近年、さらなる高耐圧化に対応するため、窒化物半導体層の層厚を例えば１０μｍ以上とする、いわゆる厚膜化が検討されている。厚膜化において、上記特許文献１，２に記載の発明に準じて、Ｓｉドープの技術を組み合わせることも可能ではあるが、未だ十分な効果が見いだせているとは言えない。

【0011】

本発明は、上記に鑑み、特にＳｉとＣがドープされたバッファー層を用いた場合において、さらなる高耐圧化に対応できる窒化物半導体基板の提供を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上の１３族窒化物半導体からなるバッファー層と、前記バッファー層上の１３族窒化物半導体からなる動作層とを備え、前記バッファー層は、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＳｉ元素濃度プロファイルと、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＣ元素濃度プロファイルと、前記２つのピークの間隔が０～５０ｎｍとなるピーク対を少なくとも１つ備えることを特徴とする。

【0013】

かかる構成を有することで、Ｓｉ元素およびＣ元素をドープしたバッファー層による、高耐圧化がなされた窒化物半導体基板の提供を可能とする。

【0014】

本発明を実現する好適な製造方法の一態様として、気相成長装置を用いて前記バッファー層を製膜する工程において、気相成長装置の反応炉内で前記製膜を開始するステップと、前記製膜を中断するステップと、前記中断後に前記気相成長装置の反応炉内をクリーニングするステップと、前記クリーニングの完了後に前記製膜を再開するステップと、を含む窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、特に、高耐圧化を目指して窒化物半導体層を厚膜化しようとする技術において、Ｓｉ元素およびＣ元素をドープしたバッファー層を適切に用いることで、高耐圧化を効果的に実現する窒化物半導体基板とその製造方法の提供を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一態様に係る、窒化物半導体基板の層構造を示す断面概略図

【図2】本発明の一態様に係る、バッファー層中のＳｉ元素の濃度プロファイルとＣ元素の濃度プロファイル、および、これらで形成されるピークとピーク対を示す模式図

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面も参照しながら、本発明を詳細に説明する。本発明の窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上の１３族窒化物半導体からなるバッファー層と、前記バッファー層上の１３族窒化物半導体からなる動作層とを備え、前記バッファー層は、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＳｉ元素濃度プロファイルと、前記バッファー層の厚さ方向に対して１のピークを持つＣ元素濃度プロファイルと、前記２つのピークの間隔が０～５０ｎｍとなるピーク対を少なくとも１つ備える。

【0018】

図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体の層構造を示す断面概略図である。なお、本発明で示す図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。

【0019】

基板Ｗを構成する材料は、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣやサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）あるいはＧａＮからなる単結晶が例示される。また、単一材料で構成されたもの、複数の異種材料で構成されたもの、などのその他公知の技術も適用できる。さらに、面方位やドーパント濃度、オフ角等の構成も任意に設定できる。

【0020】

しかしながら、本発明の好適な基板Ｗは、多結晶無機材料上に単結晶シード層を備えたものである。これの詳細については後述する。

【0021】

基板Ｗ上には、１３族窒化物半導体からなるバッファー層Ｂを備える。バッファー層Ｂは、窒化物半導体が複数積層された構造であり、その構造は、用途や目的に応じて公知の手法を広く適用できる。１３族窒化物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくともいずれかを含む窒化物が好適である。

【0022】

そして、バッファー層Ｂ上に１３族窒化物半導体からなる動作層Ｇを備える。動作層Ｇは、ＨＥＭＴに代表される電子走行層と電子供給層を備えた構造が例示されるが、格別これに限定されるものではなく、必要に応じて、適時最適な構造で設計される。

【0023】

バッファー層ＢはＳｉ元素とＣ元素を含み、基板Ｗとバッファー層Ｂの界面１１からバッファー層Ｂと動作層Ｇの界面１２までの、厚さ方向に対するＳｉ元素の濃度プロファイルおよびＣ元素の濃度プロファイルは、それぞれ少なくとも１つのピークを有している。

【0024】

図２に、バッファー層Ｂ中のＳｉ元素の濃度プロファイル２０とこれで形成されるＳｉ元素の濃度プロファイルのピーク２１、Ｃ元素の濃度プロファイル３０とこれで形成されるＣ元素の濃度プロファイルのピーク３１、そして、ピーク２１とピーク３１からなるピーク対４０を示す模式図を示す。図２では、縦軸に基板Ｗから基板上方に向う窒化物半導体基板の厚さ、横軸にＳｉ元素およびＣ元素の濃度を取り、Ｓｉ元素の濃度プロファイル２０とＣ元素の濃度プロファイル３０が示されている。

【0025】

Ｓｉ元素の濃度プロファイル２０は、ピーク２１と、界面１１から界面１２までの間でベースライン２２を有する。同様に、Ｃ元素についても、Ｃ元素の濃度プロファイル３０は、ピーク３１と、界面１１から界面１２までの間でベースライン３２を有する。本発明では、ピーク３１はピーク２１と対を成すものとし、これをピーク対４０としている。

【0026】

本発明における、各ピークの高さや各ベースラインの濃度は、格別限定されるものではないが、後述するように、好ましい範囲はある。なお、ベースラインの濃度に対してピークの濃度は１０倍以上であればよい。

【0027】

Ｓｉ元素とＣ元素の各濃度プロファイルは、窒化物半導体基板の厚さ方向に対して、ＳＩＭＳを用いて取得される。そして、本発明では、ＳＩＭＳで得られた濃度プロファイルの形状からピークを特定する。ただし、濃度プロファイルが取得でき、ピークを特定できるのであれば、ＳＩＭＳ以外の手法を用いても差しつかえない。

【0028】

本発明において、ピーク対４０は、Ｓｉ元素およびＣ元素のそれぞれのピークが近接して存在している形態を指す。そして、この近接の度合いとして、ピークの間隔を０～５０ｎｍと設定する。このようなピーク対４０を少なくとも１つ備えることで、耐圧が向上する。

【0029】

ここで、ピークの間隔５０は、図２に示すように、Ｓｉ元素のピーク２１とＣ元素のピーク３１の、それぞれのピークの頂点同士の間隔を計測することで得られる。また、このピークの間隔５０がゼロも場合も本発明の範囲に含むが、これは、図２において、Ｓｉ元素のピーク２１とＣ元素のピーク３１の、それぞれの厚さ方向における位置（一の界面からの深さ）が同じ場合に相当する。

【0030】

一般的に、ＧａＮ等の窒化物半導体層にＣ元素が高濃度でドープされると、耐圧が向上するが、転位の多発、電流コラプスの悪化が顕著になる。そのため、むやみにＣ元素を高くすること、特に、バッファー層全体に亘り高濃度でＣ元素を存在させることは、適切ではない。

【0031】

また、Ｃ元素が高濃度でドープされたＧａＮ等の窒化物半導体層に対して、Ｓｉ元素をドープすると、高濃度のＣ元素に起因して発生する欠陥を電気的に補償し、この欠陥が多数存在することによって顕在化する電流コラプスが抑制される、という技術も公知である。

【0032】

上記の通り、Ｓｉ元素およびＣ元素を両方とも高濃度で含む窒化物半導体層は、高耐圧化と電流コラプス低減を両立するものであるが、近年要求のある窒化物半導体層の厚膜化、特に８μｍ以上という水準の厚さでは、この手法と厚膜化による高耐圧化の効果と併せても、目標とする耐圧特性を得ることが困難であった。

【0033】

本発明は、厚い窒化物半導体層の一部に、濃度が突出して高い領域を設けることで、窒化物半導体層の大部分をＳｉ元素およびＣ元素で高濃度化することで発生する不具合（転位多発、電流コラプス悪化、低結晶性）を回避しつつ、より高い耐圧を得るものである。

【0034】

窒化物半導体層中を流れるリーク電流は、Ｃ元素のピーク３１が障壁となって遮られる。すなわち、窒化物半導体層中のＣ元素が同量の場合、Ｃ元素の濃度プロファイル３０は、ブロード形状になっている形態よりも、局所的にピークとなっている形態である本発明の形状の方が、相対的に耐圧向上効果が高いといえる。

【0035】

ただし、上記したピークである形態では、窒化物半導体層中に存在するＣ元素の絶対的な量が少ないので、この形態のみでは、まだ十分な耐圧向上効果が得られていない。

【0036】

ここで、Ｓｉ元素およびＣ元素が、両方とも濃度のピークを持ち、かつ、両者が近接して存在すると、Ｓｉ元素のピーク２１がＣ元素のピーク３１に干渉して、窒化物半導体層内でのリーク電流の挙動に影響を与える。

【0037】

リーク電流が、窒化物半導体層（バッファー層Ｂ及び動作層Ｇ）の厚さ方向へ流れると耐圧が低下するが、ピーク対４０があると、Ｃ元素のピーク３１で厚さ方向への、リーク電流の電子の移動が妨げられるのと同時に、Ｓｉ元素のピーク２１の作用により、ピーク対４０の界面方向（厚さ方向と垂直方向）に移動しやすくなり、結果として、リーク電流は低下する。

【0038】

言い換えると、リーク電流の電子移動にとって、Ｃ元素のピーク３０は厚さ方向の「壁」であり、この壁が厚さ方向の電子移動をある程度抑制するが、Ｓｉ元素のピーク２１は、厚さ方向に対して移動しようとする電子を、厚さ方向と垂直な方向に拡散することで、厚さ方向に対するリーク電流をトータルで抑制している。そして、ピークの間隔５０が５０ｎｍを超えると、このような効果が十分発揮されないので好ましくない。

【0039】

上記の通り、本発明のピーク対４０は、バッファー層Ｂと動作層Ｇ全体におけるＳｉ元素濃度、Ｃ元素濃度の総量は低く抑えつつ、厚さ方向のリーク電流を効果的に低減することのできるものといえる。

【0040】

以下、本発明のより好ましい態様について説明する。

【0041】

Ｓｉ元素の濃度は、ピーク２１の頂点が６Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以上１Ｅ＋２１ケ／ｃｍ³以下、ベースライン２２は１Ｅ＋１７ケ／ｃｍ³以下が好ましい。

【0042】

耐圧向上効果を発現するには、最低でも６Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以上は必要であるが、１Ｅ＋２１ケ／ｃｍ³を超えると、結晶品質の低下が懸念される。かつ、ベースラインでは１Ｅ＋１７ケ／ｃｍ³以下として、ベースライン２２とピーク２１とのＳｉ元素の濃度差を大きくすることで、耐圧特性を大きく向上させることができる。

【0043】

Ｓｉ元素の濃度プロファイル２０における半値幅法で得られたピーク２１の幅は、５～２０ｎｍであると好ましい。本発明は、Ｓｉ元素の濃度プロファイルが急峻な領域（ピーク）を有することに特徴がある。このピーク２１は、厚さ方向に対しては、ごく狭い領域にあると、耐圧向上効果がより顕著である。

【0044】

半値幅法で得られたピーク２１の幅が５ｎｍ未満では、Ｃ元素ピーク３１との干渉効果が不十分となり、好ましくない。一方、半値幅法で得られたピーク２１の幅が２０ｎｍを超えると、いわゆるブロードな形状となり、前述の通り、ピークとしての効果が得られにくく、これも好ましくない。

【0045】

Ｃ元素の濃度は、ピーク３１の頂点が５Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以上８Ｅ＋２０ケ／ｃｍ³以下、ベースライン３２が１Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以下が好ましい。

【0046】

耐圧向上効果を発現するには、最低でも５Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以上は必要であるが、８Ｅ＋２０ケ／ｃｍ³を超えると、結晶品質の低下が懸念される。かつ、ベースラインでは１Ｅ＋１８ケ／ｃｍ³以下とすることで、Ｃ元素が多すぎることによる影響を抑制できる。

【0047】

Ｃ元素の濃度プロファイル３０における半値幅法で得られたピーク３１の幅は、５～２０ｎｍであると好ましい。半値幅法で得られたピーク３１の幅が５ｎｍ未満では、いわゆる「壁」の厚さが薄すぎるので、Ｃ元素濃度が高いことでバッファー層Ｂが高抵抗化されていても、まだ電子の遮断効果が十分得られない。一方、半値幅法で得られたピーク３１の幅が２０ｎｍを超えると、いわゆるブロードな丘のような形状となり、これも「壁」としての作用が発現されにくい。

【0048】

さらに、本発明では、基板Ｗとバッファー層Ｂの界面１１から最も近いピークの頂点までの距離、バッファー層Ｂと動作層Ｇの界面１２から最も近いピークの頂点までの距離、および、ピークが複数存在する場合における隣接するピークの頂点の間隔のいずれもが３μｍ以上であると、より好ましい。

【0049】

特許文献１に記載されるように、複数のピークが隣接すると、複数のピーク全体が幅の広いブロードな層と似たような形態になる。このような形態では、前述したＣ元素またはＳｉ元素の濃度が高いことによるデメリットが残っており、この影響で本発明の効果が十分に得られない。

【0050】

また、本発明のピーク対４０は、ドーパントとしてのＳｉ元素やＣ元素が局所的に高濃度で存在する特異的な層でもあるので、異なる層で発生する歪、電気的特性の影響を考慮すると、界面１１および界面１２とも、あまり接近させるべきものではない。こちらも同様に、３μｍ以上離すことが好ましい。

【0051】

しかしながら、ピーク対４０に対して、界面１１、界面１２のいずれかがあまり離れすぎると、本発明の効果が頭打ちになり、特異的な層を挿入することによるコストや結晶品質の低下が懸念されるので、本発明では、ピーク対４０から界面１１、界面１２のいずれかまでの間隔は、５μｍ以下が好ましいといえる。

【0052】

本発明は、ピーク対４０が２つ以上であり、バッファー層Ｂと動作層Ｇを合算した層厚が１０～２０μｍであり、基板Ｗが多結晶無機材料上に単結晶シード層を備えたものであると、より好ましいものである。

【0053】

上記した通り、本発明のピーク対４０は、各界面からあまり間隔をあけるべきものではないので、バッファー層Ｂの厚さを厚くした場合は、ピーク対４０を２つ以上形成することが耐圧向上の効果を維持するのに好ましい。

【0054】

ここでも、一のピーク対４０に対して、隣接する他のピーク対４０があまり離れていると、上記した通りの理由で好ましいものではないことから、一のピーク対４０から隣接する他のピーク対４０までの間隔（ピーク２１とピーク３１の中間点同士の距離）は、５μｍ以下としている。

【0055】

なお、バッファー層Ｂがあまりに厚すぎると、本発明をもってしても、窒化物半導体基板全体の反りを制御することが困難となる。本発明では、バッファー層Ｂの全体の厚さは１０μｍ以上２０μｍ、好適には１１μｍ以上１５μｍ以下とする。

【0056】

ところで、バッファー層Ｂの厚さが１０μｍを超えてくると、単一材料の基板Ｗでは、もはや反りや転位の制御は追いつかない。このような状況では、本発明をそのまま適用しても、高性能な窒化物半導体基板とすることは難しい。そこで、本発明では、バッファー層Ｂと動作層Ｇを合算した層厚が１０～２０μｍの場合は、基板Ｗが多結晶無機材料上に単結晶シード層を備えたものとすることで、厚膜化に対して好適に対応することができる。

【0057】

本発明は、バッファー層Ｂと動作層Ｇの合計厚さを１０μｍ以上とする窒化物半導体基板で、その効果をよりよく発揮できるものである。その場合、基板Ｗとしてより好適な態様は、基板Ｗが第一基板１としてＡｌＮセラミックス、第二基板２としてＳｉ単結晶が積層した構造である。

【0058】

基板Ｗが、多結晶無機材料上に単結晶シード層を備えたものとしては、例えば、特開２０１７－７６６８７号公報に記載の発明が例示される。すなわち、具体的には、多結晶無機材料はＡｌＮを主体としたセラミックス基板、単結晶シード層はＳｉ単結晶である。

【0059】

従って、ピーク対４０が２つ以上であり、バッファー層Ｂと動作層Ｇを合算した層厚が１０～２０μｍであり、基板Ｗが多結晶無機材料（例えばＡｌＮセラミックス）上に単結晶シード層（例えばＳｉ単結晶）を備えたものは、バッファー層Ｂの厚膜化による耐圧向上効果と本発明のピーク対４０による耐圧向上効果が相乗的に発揮される。

【0060】

そのため、単にバッファー層Ｂを１０μｍ以上、より好適には１５μｍ以上に厚膜化すると、反りや転位が大幅に増加する、という従来技術に対して、層厚をむやみに増大することなく、反りを抑制しつつ、耐圧特性はより向上させることが可能となる。

【0061】

本発明を実施するための好適な一製造方法は、気相成長装置を用いてバッファー層Ｂを製膜する工程において、気相成長装置の反応炉内で製膜を開始するステップと、製膜を中断するステップと、中断後に気相成長装置の反応炉内をクリーニングするステップと、クリーニングの完了後に製膜を再開するステップと、を含むものである。

【0062】

窒化物半導体基板は、好適には有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて製造される。本発明においても、このＭＯＣＶＤ装置を用いる。ただし、その他の気相成長方法、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いても差し支えない。

【0063】

ＭＯＣＶＤ装置で窒化物半導体層を積層していくと、反応装置内にも窒化物半導体の膜が堆積していく。そして、この膜の存在が、基板上に順次積層される窒化物半導体層にも何らかの影響を与えることが、最近明らかになってきた。

【0064】

そして、本発明の発明者らは、本発明の窒化物半導体基板を製造する一態様として、ＭＯＣＶＤ装置に対してクリーニング工程を行って、反応装置内に累積した窒化物半導体膜を除去してから、窒化物半導体基板に途中まで形成された窒化物半導体層上に、新たに窒化物半導体層を形成する、という方法を見出した。

【0065】

上記のような工程を行うと、再成長を開始する窒化物半導体層の面上に、原料ガスや基板として用いるＳｉ単結晶に由来するＳｉ元素とＣ元素が偏析する。これを、本発明のピーク対４０として用いるが、これは、面内に均一かつ狭い幅で、Ｓｉ元素およびＣ元素のピーク４０を容易に形成することができ、極めて好適である。

【0066】

上記のクリーニングは、ＭＯＣＶＤ装置で適用されている公知の方法が用いられる。一例としてドライクリーニングが挙げられる。処理温度、処理時間、使用するガスの種類についても特に制限はないが、反応装置内の付着物がほぼ除去される程度が好適である。

【0067】

以上の通り、本発明の窒化物半導体基板は、高耐圧化を目的として窒化物半導体層を厚膜化する際に、単に層厚を大きくするのではなく、反り、転位、その他の特性を十分確保しつつ、より高い耐圧特性を得ることができる。特に、窒化物半導体層の層厚を２０μｍ以上とすることで達成できる同レベルの耐圧特性を、薄い層厚で実現できる点で、他に類を見ないものといえる。

【実施例】

【0068】

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
（実施例１）
特開２０１７－７６６８７号公報に記載の試料１の製造方法に準じて、窒化物半導体基板を作製した。

【0069】

［基板Ｗの形成］
（下地基板の準備）
直径６インチ、厚さ１０００μｍのＡｌＮ焼結体から成る基板を準備し、これを下地基板とした。この下地基板の両面を算術平均粗さＲａ＝５０ｎｍ以下で鏡面加工した。

【0070】

（シード層の製造準備）
直径６インチ、厚さ６７５μｍ、面方位（１１１）、比抵抗０．００２Ω・ｃｍのＳｉ単結晶基板を準備し、この片面を算術平均粗さＲａ＝５０ｎｍ以下に鏡面加工し、続いてこれを、半導体用熱処理炉を用いて、酸素１００％雰囲気下１０００℃で２時間の酸化処理を行ったものをシード層の元とした。

【0071】

（下地基板とシード層の元との接合および加工）
上記のように作製した下地基板とシード層の元の各鏡面同士を、公知の方法で熱圧着して接合した後、シード層の元の表面を厚さが０．５μｍになるまで研削加工し、最後に算術平均粗さＲａ＝５０ｎｍ以下で鏡面加工してシード層とし、下地基板とシード層の接合体を得た。

【0072】

［窒化物半導体層の形成］
（初期層の形成）
前記の接合体を公知の基板洗浄方法で清浄化した後、ＭＯＣＶＤ装置内にセットして、昇温とガス置換後に、１０００℃×１５分、水素１００％雰囲気で熱処理を行った。続いて、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、厚さ１５０ｎｍのＡｌＮ単結晶からなる第１初期層を、１０００℃で気相成長させた。これ以降のガリウム系窒化物半導体層の形成は全て、成長温度の基準を１０００℃とし、これに１～１５℃の範囲で微調整を加えた。前記初期層の上に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡ、ＮＨ₃を用い、厚さ２５０ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ単結晶層からなる第２初期層を成長させた。

【0073】

（バッファー層Ｂの形成）
次いで、１回目のバッファー層Ｂの積層を行った。すなわち、厚さ５ｎｍのＡｌＮ層と厚さ２２ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層をそれぞれ２０回繰り返し積層した多層構造と、その上にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を３０００ｎｍ積層した。成長温度は１０００℃とした。

【0074】

ここで、一旦、窒化物半導体基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、清浄な雰囲気下で保管した。その後、ＭＯＣＶＤ装置内を、当該基板の無い状態で、ドライクリーニング処理を行った。この処理は、塩素系反応ガスを用いた公知の手法である。

【0075】

前記ドライクリーニング処理が完了したら、ＭＯＣＶＤ装置に、再び当該基板をセットして、２回目のバッファー層Ｂの積層を行った。すなわち、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を２５０ｎｍ、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層を３２５０ｎｍ、ＧａＮ層を４５００ｎｍとしてこの順で積層した。
（動作層Ｇの形成）

【0076】

最後に動作層Ｇとして、電子走行層としてＧａＮ１００ｎｍ、電子供給層としてＡｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎ２０ｎｍとして、各層をこの順で積層した。この窒化物半導体基板を実施例１の評価サンプルとした。

【0077】

（比較例１）
ドライクリーニング処理を行わず、連続してバッファー層Ｂを製膜した以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体を製造し、これを比較例１の評価サンプルとした。

【0078】

［評価１～反り］
半導体基板の形状測定で一般的に用いられている、汎用の反り測定装置を用いて、各評価サンプルのＢＯＷを測定した。そして、ＢＯＷ値が－５０μｍ以上＋２０μｍ以下を合格（〇）とした。

【0079】

［評価２～耐圧］
各評価サンプルから、基板主面の中央部から基板端部にかけて幅２０ｍｍの短冊状の試験片をそれぞれ劈開して切り出した。次に、この試験片の電子供給層および電子走行層の一部を、ドライエッチングにより除去した。この状態で、ドライエッチングで露出した面に１０ｍｍ^２のＡｕ電極を真空蒸着してショットキー電極として形成し、市販のカーブトレーサを用いて、Ｓｉ単結晶基板側と通電してＩ－Ｖ特性を測定して、６００Ｖでの電流値を比較した。そして、１×１０^-8（Ａ）以下を合格（〇）とした。

【0080】

その結果、反りは、実施例１が－２０μｍ、比較例１が－５０μｍとなり、実施例１の方が良好ではあるが、一応どちらも合格といえる。しかしながら、耐圧は、実施例１が０．８×１０^-8（Ａ）となり合格であるのに対して、比較例１が２．１×１０^-8（Ａ）となり不合格である。

【0081】

なお、実施例１の窒化物半導体基板における、ピーク対４０の直上に形成された窒化物半導体層の結晶性（半値幅で評価）は、ピーク２１およびピーク３１を形成せずに（すなわちクリーニング中断を入れず連続して製膜）形成された同一箇所のそれと比較して、良好である。これは、ドライクリーニングにより、ＭＯＣＶＤ装置内の残留物の影響が払拭されたためといえる。

【符号の説明】

【0082】

Ｗ 基板
Ｂ バッファー層
Ｅ 電極
Ｇ 動作層
１ 第一基板（ＡｌＮセラミックス）
２ 第二基板（Ｓｉ単結晶）
１１ 基板Ｗとバッファー層Ｂの界面
１２ バッファー層Ｂと動作層Ｇの界面
２０ Ｓｉ元素の濃度プロファイル
２１ Ｓｉ元素の濃度プロファイルのピーク
２２ Ｓｉ元素の濃度プロファイルのベースライン
３０ Ｃ元素の濃度プロファイル
３１ Ｃ元素の濃度プロファイルのピーク
３２ Ｃ元素の濃度プロファイルのベースライン
４０ Ｓｉ元素とＣ元素のピーク対
５０ Ｓｉ元素とＣ元素のピーク間距離

【図1】

【図2】