(57)【要約】【課題】パーティクル起因の欠陥を低減可能な、窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体膜１３の成長における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であり、その成長温度は摂氏１０５０度以上であり、その成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上である。この条件の範囲でパワー系電子デバイスに有用なIII族窒化物半導体膜１３を成長するとき、この成膜条件において（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量）＋（キャリアガスの流量））が０．５以上である。この比率のキャリアガスにより反応炉１０内の原料ガスを希釈できる。この希釈により、成膜中の成長炉において、基板１１と異なる場所における望まれない原料消費による堆積物の生成を低減できる。また、キャリアガスが水素を含むとき、堆積物の分解が行われる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体膜を成長する方法であって、
ガリウム化合物を含むIII族原料、窒素原料、及びキャリアガスを成長炉に供給して、III族窒化物半導体膜を有機金属気相成長法で基板上に成長する工程を備え、
（前記キャリアガスの流量）／（（前記III族原料の流量）＋（前記窒素原料の流量）＋(前記キャリアガスの流量)）が０．５以上である、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウム、及びアルゴンの少なくともいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記キャリアガスは水素を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体膜はＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなり、
前記III族窒化物半導体膜の成長における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であり、
前記III族窒化物半導体膜の成長における成長温度は摂氏１０５０度以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体膜の成長における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上である、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記III族窒化物半導体膜はキャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記III族窒化物半導体膜は、炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなる、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
【請求項８】
前記窒素原料は、アンモニア、ヒドラジン系窒素原料、及びアミン系窒素原料の少なくともいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記成長炉は、前記基板を支持する基板支持部を有するサセプタと、前記サセプタの前記基板支持部に対向するシャワーヘッドとを含み、
前記基板の主面はIII族窒化物半導体領域からなり、
前記III族原料、窒素原料、及びキャリアガスは前記シャワーヘッドを通して前記基板上に供給される、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法であって、
ガリウムを含むIII族原料、窒素原料、及びキャリアガスを成長炉に有機金属気相成長法で供給して、III族窒化物半導体膜を基板上に成長する工程を備え、
（前記キャリアガスの流量）／（（前記III族原料の流量）＋（前記窒素原料の流量）＋(前記キャリアガスの流量)）が０．５以上である、ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウム、及びアルゴンの少なくともいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載された方法。
【請求項１２】
前記III族窒化物半導体膜はＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなり、
前記III族窒化物半導体膜の成長における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であり、また１００００以下であり、
前記III族窒化物半導体膜の成長における成長温度は摂氏１０５０度以上であり、また摂氏１１００度以下であり、
前記III族窒化物半導体膜の成長における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であり、３００Ｔｏｒｒ以下である、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載された方法。
【請求項１３】
前記III族窒化物半導体膜は窒化ガリウム半導体からなり、
前記窒化ガリウム半導体は１×１０１６ｃｍ−３以下の炭素濃度及び１×１０１６ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有する、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１４】
前記III族窒化物半導体膜の厚みは３マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１５】
前記III族窒化物半導体膜上にショットキ電極を形成する工程を更に備え、
前記基板は、導電性を有するIII族窒化物基板である、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記III族窒化物半導体膜は第１導電型を有しており、
当該方法は、前記III族窒化物半導体膜上に第２導電型III族窒化物半導体膜を前記成長炉で成長する工程と、
前記第２導電型III族窒化物半導体膜上にオーミック電極を形成する工程と
を更に備え、
前記第２導電型III族窒化物半導体膜は前記III族窒化物半導体膜とｐｎ接合を成し、
前記基板は、導電性を有するIII族窒化物基板である、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
前記成長炉は、前記基板を支持する基板支持部を有するサセプタと、前記サセプタの前記基板支持部に対向するシャワーヘッドとを含み、
前記基板の主面はIII族窒化物半導体領域からなり、
前記III族原料、窒素原料、及びキャリアガスは前記シャワーヘッドを通して前記基板上に供給される、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、及びIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、窒化ガリウムの成長条件が窒化ガリウム中の炭素及びシリコンに対して与える影響について記載されている。窒化ガリウム膜中の炭素不純物濃度と成長温度と関係が記載されている。また、窒化ガリウム膜中の炭素不純物濃度とアンモニア流量との関係が記載されている。さらに、窒化ガリウム膜中の炭素不純物濃度と水素キャリアガス流量との関係が記載されている。
【０００３】
非特許文献２では、シリコン濃度を超える炭素濃度を有する窒化ガリウム膜中において、カソードルミネッセンススペクトルにおいて波長415ｎｍ近傍にピークが現れる。
またイエローバンド発光と呼ばれる波長550nmの幅広いピークにおいてバンド端発光に対する相対的な強度の増加が見られる。
【０００４】
非特許文献３では、理論的な研究に基づき、キャリア補償が増大するにつれて電子移動度が低下することを示している。
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth, 242, (2002) p55-69
【非特許文献２】Journal of Applied Physics, Vol. 92, No. 11, (2002) p6553-6559
【非特許文献３】Journal of Applied Physics, 90, (2001) p6130-6134
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パワー系の窒化物半導体電子デバイスは、所望の絶縁耐圧を得るための厚いドリフト層を含む。このドリフト層のためのエピタキシャル膜は、III族有機金属原料に由来する不純物として炭素不純物を含む。この炭素不純物は、電気特性の低下要因となる。炭素不純物の濃度は、III族窒化物エピタキシャル膜を成長する際の成長条件を調整することによって低減される。このための成長条件として、高温における成長及び／又はＶ族原料の増加がある。これらの成長条件の調整により、III族窒化物エピタキシャル膜に取り込まれる炭素から炭化水素を形成して、成長中のIII族窒化物から離脱させることができる。
【０００６】
発明者らの知見によれば、この成長条件の採用により、成膜原料の過剰反応が誘起されて、III族窒化物エピタキシャル膜を成長するために準備された基板への成長だけでなく、例えば成長炉の原料ガス供給口付近にも反応生成物が堆積する。成長炉における反応生成物は、パーティクルとしてエピタキシャルウエハに混入されることがあり、この混入により、基板のエピタキシャル成長面にパーティクル起因の欠陥を生成する。結果的に、この欠陥は、デバイス形成後の歩留まりを低下させる。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、パーティクル起因の欠陥を低減可能な、窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法を提供することを目的とし、また、この方法により成長された窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法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】
【０００８】
本発明の一側面は、III族窒化物半導体膜を成長する方法である。この方法は、ガリウム化合物を含むIII族原料、窒素原料、及びキャリアガスを成長炉に供給して、III族窒化物半導体膜を有機金属気相成長法で基板上に成長する工程を備える。（前記キャリアガスの流量）／（（前記III族原料の流量）＋（前記窒素原料の流量）+(前記キャリアガスの流量））が０．５以上である。
【０００９】
この方法によれば、III族窒化物半導体膜において（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋(キャリアガスの流量））が０．５以上であるので、この比率のキャリアガスにより反応炉内の原料ガスを希釈できる。この希釈により、成長炉において、基板と異なる場所における望まれない原料消費による堆積物が生成されることを低減できる。堆積物の低減により、成長炉においてパーティクルが生成されにくくなる。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１０】
本発明の一側面に係る方法では、前記キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウム、及びアルゴンの少なくともいずれか一つを含むことができる。これらのガスを用いることによって、有機金属原料の希釈を行うことができる。
【００１１】
本発明の一側面に係る方法では、前記キャリアガスは水素を含むことができる。この方法によれば、望まれない原料消費による堆積物が水素の働きにより分解される。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１２】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜はＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなり、前記III族窒化物半導体膜における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であり、前記III族窒化物半導体膜における成長温度は摂氏１０５０度以上であることができる。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１３】
このレシピは、原料過飽和度の高い成長条件の一例であり、この方法によれば、原料過飽和度の高い成長条件を用いて、低キャリア濃度及び低炭素濃度のIII族窒化物半導体膜を成長できる一方で、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１４】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる。この方法は、III族窒化物半導体膜の炭素濃度を低くするために有用である。
【００１５】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜はキャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなることができる。この方法によれば、低キャリア濃度の窒化ガリウム半導体が提供される一方で、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１６】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜は、炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなることができる。この方法によれば、低炭素濃度の窒化ガリウム半導体が提供される一方で、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００１７】
本発明の一側面に係る方法では、前記窒素原料は、アンモニア、ヒドラジン系窒素原料、及びアミン系窒素原料の少なくともいずれか一つを含むことができる。これらの化合物は、III族窒化物半導体膜を成長するための窒素源として有用である。また、本発明の一側面に係る方法では、前記III族原料は、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、及びトリメチルインジウムの少なくともいずれか一つを含むことができる。
【００１８】
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法である。この方法は、ガリウムを含むIII族原料、窒素原料、及びキャリアガスを成長炉に有機金属気相成長法で供給して、III族窒化物半導体膜を基板上に成長する工程を備えることができる。（前記キャリアガスの流量）／（（前記III族原料の流量）＋（前記窒素原料の流量）+(前記キャリアガスの流量)）が０．５以上である。
【００１９】
この方法によれば、III族窒化物半導体膜において（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）+(キャリアガスの流量)）が０．５以上であるので、この比率のキャリアガスにより反応炉内の原料ガスを希釈できる。この希釈により、成長炉において、望まれない原料消費による堆積物が基板と異なる場所に生成されることを低減できる。堆積物の低減により、成長炉においてパーティクルが生成されにくくなる。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。したがって、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。
【００２０】
本発明の別の側面に係る方法では、前記キャリアガスは水素を含むことができる。この方法によれば、水素の働きにより、望まれない原料消費による堆積物が分解される。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。したがって、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。
【００２１】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜は窒化ガリウム半導体からなり、前記窒化ガリウム半導体は１×１０１６ｃｍ−３以下の炭素濃度及び１×１０１６ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有する。
【００２２】
これらの炭素濃度及びキャリア濃度のIII族窒化物半導体膜はパワー系電子デバイスに有用であり、このIII族窒化物半導体膜は、原料過飽和度の高い成長条件を用いて成膜される。本発明の方法によれば、低キャリア濃度及び低炭素濃度のIII族窒化物半導体膜において、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。
【００２３】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜は３マイクロメートル以上であることができる。この厚さのIII族窒化物半導体膜はパワー系電子デバイスに有用であり、この厚さを得るために、ある程度の成膜時間が必要である。成膜時間に応じてパーティクルの付着頻度が高まるけれども、本発明の方法によれば、上記膜厚のIII族窒化物半導体膜において、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。
【００２４】
本発明の別の側面に係る方法は、前記III族窒化物半導体膜上にショットキ電極を形成する工程を更に備えることができる。前記基板は、導電性を有するIII族窒化物基板である。この方法によれば、ショットキ電極を含む電子デバイスにおいて、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。
【００２５】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜は第１導電型を有する。当該方法は、前記III族窒化物半導体膜上に第２導電型III族窒化物半導体膜を前記成長炉で成長する工程と、前記第２導電型III族窒化物半導体膜上にオーミック電極を形成する工程とを更に備えることができる。前記第２導電型III族窒化物半導体膜は前記III族窒化物半導体膜とｐｎ接合を成す。前記基板は、導電性を有するIII族窒化物基板である。この方法によれば、ｐｎ接合を含む電子デバイスにおいて、パーティクル起因の表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。これらの電子デバイスにおいて、前記III族窒化物半導体膜がＧａＮからなることが有用である。
【００２６】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体膜はＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなることができる。前記III族窒化物半導体膜の成長における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であることができ。また、この比は１００００以下であることができる。前記III族窒化物半導体膜の成長における成長温度は摂氏１０５０度以上であることができる。また、この成長温度は摂氏１１００度以下であることができる。前記III族窒化物半導体膜の成長における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる。また、成長圧力は３００Ｔｏｒｒ以下であることができる。これらの条件の範囲で、パワー系電子デバイスに有用なIII族窒化物半導体膜が成長される。
【００２７】
本発明の一側面及び別の側面に係る方法では、前記成長炉は、前記基板を支持する基板支持部を有するサセプタと、前記サセプタの前記基板支持部に対向するシャワーヘッドとを含むことができる。前記基板の主面はIII族窒化物半導体領域からなり、前記III族原料、窒素原料、及びキャリアガスは前記シャワーヘッドを通して前記基板上に供給される。この方法によれば、シャワーヘッド上の堆積物に起因するパーティクルの生成を抑制できる。
【００２８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、パーティクル起因の欠陥を低減可能な、窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、パーティクル起因の欠陥を低減可能な、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の知見は、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。
【００３１】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法、III族窒化物半導体電子デバイス、及びエピタキシャル基板に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャル基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図２は、これらの製造方法における主要な工程を概略的に示す図面である。
【００３３】
工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体電子デバイスのための基板１１を準備する。基板１１は、例えば窒化ガリウム系半導体等からなることができる。窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。或いは、基板１１は、窒化ガリウム系半導体と異なる支持体上に窒化ガリウム系半導体を成長して作製された、ＧａＮテンプレートといったテンプレートであることができる。この支持体として、例えばサファイア基板を用いることができる。図２（ａ）に示されるように、基板１１は、主面１１ａ及び裏面１１ｂを有する。主面１１ａのエッジ１１ｃ上における２点間の最大距離Ｄｉａは、例えば５０ミリメートル以上であることができ、これは、例えば２インチサイズの基板に相当する。
【００３４】
工程Ｓ１０２では、基板１１を成長炉１０内に配置する。図２（ｂ）に示されるように、この後に、基板主面１１ａへの成膜に先立って、前処理を行う。基板１１がＧａＮ基板を含むとき、前処理は、水素及びアンモニアを含むプロセスガスＧ０を成長炉１０に供給した雰囲気中における熱処理であり、その熱処理温度は、例えば摂氏１０５０度程度である。
【００３５】
工程Ｓ１０３では、図２（ｃ）に示されるように、原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、III族窒化物半導体膜１３を基板１１の主面１１ａ上に成長する。基板１１はIII族窒化物半導体領域からなる。成長炉１０は、例えば縦型成長装置または横型成長装置であることができる。成膜ガスＧ１は、原料ガス及びキャリアガスを含み、より具体的には、III族原料、Ｖ族原料、及びキャリアガスを含む。この成長は、有機金属気相成長法で行われ、III族原料は、ガリウム化合物を含む有機Ｇａ原料を含む。また、必要な場合には、III族原料は、インジウム化合物を含む有機Ｉｎ原料及び／又はアルミニウム化合物を含む有機Ａｌ原料を含むことができる。Ｖ族原料は窒素原料であり、例えばアンモニア、ヒドラジン系窒素原料、及びアミン系窒素原料の少なくともいずれか一つを含むことができる。キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウム、及びアルゴンの少なくともいずれか一つを含むことができる。これらのガスを用いることによって、有機金属原料の希釈を行うことができる。成膜ガスＧ１の供給において、（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量））ＲＡＴＩＯが０．５以上である。
【００３６】
III族窒化物半導体膜１３は、ＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなることができ、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等であることができる。有用な実施例では、ＧａＮ表面を有する基板上にＧａＮ膜を成長する。
【００３７】
この方法によれば、III族窒化物半導体膜１３において（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量））の比率ＲＡＴＩＯが０．５以上であるので、この比率のキャリアガスにより反応炉１０内の原料ガスを希釈できる。この希釈により、成長炉１０において、基板１１と異なる場所における望まれない原料消費による堆積物の生成を低減できる。堆積物の低減により、成長炉においてパーティクルが生成されにくくなる。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。
【００３８】
また、キャリアガスは水素を含むことができる。水素の働きにより、基板と異なる場所に堆積した反応生成物が分解される。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥の生成がIII族窒化物半導体膜において抑制される。
【００３９】
図３は、有機金属気相成長法を用いた成膜を提供できる縦型成膜装置を概略的に示す図面である。縦型成膜装置１０ａは、チャンバ３１、サセプタ３３、シャワーヘッド３５、排気装置３７及び原料供給装置３９を含む。サセプタ３３及びシャワーヘッド３５はチャンバ３１内に配置されている。サセプタ３３は、一又は複数の基板を搭載するための基板支持部３３ａを含む。サセプタ３３は、回転軸Ｏｘの周りに回転される。原料供給装置３９は、キャリアガス供給系３９ａ、III族原料ガス供給系３９ｂ及びＶ族原料ガス供給系３９ｃを含む。成膜ガスは、シャワーヘッド３５を通してチャンバ３１内に供給される。成膜ガスの一部は成膜に消費されて、残りのガス及び反応生成物は排気装置３７によって排気される。シャワーヘッド３５は、供給系３９ａ、３９ｂ、３９ｃを介して供給された成膜ガスを混合する。混合された成膜ガスは、シャワーヘッド３５の供給面３５ａに配列された複数の供給孔３５ｂを介してサセプタ３３の上面に均一に供給される。シャワーヘッド３５は、サセプタ３３の基板支持部３３ａに対向する。シャワーヘッド３５を通してIII族原料、窒素原料、及びキャリアガスはサセプタ３３上の基板１１ａの主面１１ａに供給される。III族原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用いることができる。
【００４０】
引き続く説明では、説明を容易にするために、この成長炉１０の一例として縦型成膜装置を用いると共に、Ｖ族原料の一例としてアンモニアを用いる。有機ガリウム原料、アンモニア原料及びキャリアガスはシャワーヘッド３５を通してサセプタ３３上の基板１１ａの主面１１ａに供給される。III族窒化物半導体膜１３におけるＶ／IIIモル比、例えば（アンモニアの供給モル量）／（有機ガリウム原料の供給モル量）は１２５０以上であることができる。III族窒化物半導体膜１３における成長温度は摂氏１０５０度以上であることができる。このレシピは、原料過飽和度の高い成長条件の一例であり、この条件を用いて原料過飽和度の高い成長条件を用いて、低キャリア濃度及び低炭素濃度のIII族窒化物半導体膜１３を成長できる。一方、図４に示されるように、成膜中にシャワーヘッド３３等に堆積物Ｄが付着する。この堆積物Ｄは望まれないものであるけれども、原料過飽和度の高い成長条件では、堆積物Ｄの生成が不可避である。シャワーヘッド３３上の堆積物は、パーティクルＰを生じさせる。パーティクルＰのサイズは、例えば５０μｍ以上であり、パーティクルＰが、基板１１のエピタキシャル成長中に基板１１に付着するとき、エピタキシャル膜に表面欠陥を引き起こす。
【００４１】
比率ＲＡＴＩＯの条件によれば、シャワーヘッド３３上の堆積物に起因するパーティクルを低減できる。III族窒化物半導体膜１３はキャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなることができる。故に、原料過飽和度の高い成長条件を用いて、低キャリア濃度の窒化ガリウム半導体が提供される。
【００４２】
また、III族窒化物半導体膜１３における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる（１Ｔｏｒｒは、１３３．３２２Ｐａ（パスカル）で換算される）。この条件は、III族窒化物半導体膜１３の炭素濃度を低くするために有用である。炭素の低減は、キャリア補償の低減に有効である。III族窒化物半導体膜１３は、炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなることができる。この条件を用いて、低炭素濃度の窒化ガリウム半導体が提供される。
【００４３】
本実施例においては、工程Ｓ１０４では、III族窒化物半導体膜１３の成長が終了した後に、エピタキシャルウエハＥ１を成長炉１０から取り出す。エピタキシャルウエハＥ１は基板１１及びIII族窒化物半導体膜１３を含む。既に説明した有用な例では、III族窒化物半導体膜１３はキャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３以下及び炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の窒化ガリウム半導体からなる。このIII族窒化物半導体膜１３はパワー系の電子デバイスに有用である。窒化ガリウム半導体のキャリア濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であるので、高耐圧が可能になる。また、窒化ガリウム半導体の炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３以下であるので、高い電子移動度が可能になる。III族窒化物半導体膜１３はアンドープであることができる。しかしながら、キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３以下の範囲において、ｎ型ドーパントをIII族窒化物半導体膜１３に添加することができる。
【００４４】
III族窒化物半導体膜１３をパワー系電子デバイスに適用するために、III族窒化物半導体膜１３は３マイクロメートル以上であることができる。この厚さのIII族窒化物半導体膜１３を成長するためには、ある程度の成膜時間が必要である。成膜時間に応じてパーティクルの付着頻度が高まるけれども、本実施の形態に係る方法によれば、上記膜厚のIII族窒化物半導体膜１３において、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。デバイス耐圧の観点から、III族窒化物半導体膜１３は３マイクロメートル以上であることが良い。また、III族窒化物半導体膜１３は、20マイクロメートル以下であることができる。
【００４５】
工程Ｓ１０５では、エピタキシャルウエハＥ１上に、電子デバイスのための電極を形成する。必要な場合には、III族窒化物半導体膜１３上の一又は複数の別のIII族窒化物半導体膜を成長することができる。
【００４６】
図５は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャル基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。この工程フローでは工程Ｓ１０３の後に、工程Ｓ１０６において、図６（ａ）に示されるように、原料ガスＧ２を成長炉１０に供給して、III族窒化物半導体膜１３上に別のIII族窒化物半導体膜１５を成長する。成膜ガスＧ２は、原料ガス及びキャリアガスを含む。具体的には、成膜ガスＧ２は、III族原料、Ｖ族原料、及びキャリアガスを含む。III族原料は、ガリウム化合物を含む有機Ｇａ原料を含む。また、必要な場合には、III族原料は、インジウム化合物を含む有機Ｉｎ原料及び／又はアルミニウム化合物を含む有機Ａｌ原料を含むことができる。成膜ガスＧ２の供給においても、（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量））が０．５以上であることができる。
【００４７】
工程Ｓ１０７では、III族窒化物半導体膜１５の成長が終了した後に、図６（ｂ）に示されるように、エピタキシャルウエハＥ２を成長炉１０から取り出す。エピタキシャルウエハＥ２は、基板１１、III族窒化物半導体膜１３及びIII族窒化物半導体膜１５を含む。
【００４８】
工程Ｓ１０８では、エピタキシャルウエハＥ２上に電子デバイスのための電極を形成する。必要な場合には、III族窒化物半導体膜１３上の一又は複数の別のIII族窒化物半導体膜を成長することができる。
【００４９】
図７は、図１及び図５に示された工程フローによって作製可能なエピタキシャルウエハ及びパワー系電子デバイスの有用な実施例を示す図面である。図７（ａ）を参照すると、エピタキシャルウエハＥ１の有用な実施例では、基板１１がｎ型ＧａＮからなり、III族窒化物半導体膜１３がアンドープＧａＮからなることができる。エピタキシャルウエハＥ１は、基板１１とIII族窒化物半導体膜１３との接合ＪＥ１１を含む。接合ＪＥ１１はホモ接合であり、またｎｎ接合である。III族窒化物半導体膜１３の主面１３ａ上には第１の電極１７が形成されると共に、基板１１の裏面には第２の電極１９が形成される。第１の電極１７は、III族窒化物半導体膜１３にショットキ接合ＪＳを成す。第２の電極１９は、基板１１にオーミック接合ＪＨ１を成す。このパワー系電子デバイスは、ショットキ接合及びショットキ電極を有する。パワー系電子デバイスは例えばショットキダイオードを含む。
【００５０】
図７（ｂ）を参照すると、エピタキシャルウエハＥ２の有用な実施例では、基板１１がｎ型ＧａＮからなり、III族窒化物半導体膜１３がアンドープＧａＮからなり、別のIII族窒化物半導体膜１５がｐ型ＧａＮからなることができる。エピタキシャルウエハＥ２は、基板１１とIII族窒化物半導体膜１３との接合ＪＥ２１、及びIII族窒化物半導体膜１３と別のIII族窒化物半導体膜１５との接合ＪＥ２２を含む。接合ＪＥ２１はホモ接合であり、またｎｎ接合である。接合ＪＥ１２はホモ接合であり、またｐｎ接合である。III族窒化物半導体膜１５の主面１５ａ上には第１の電極２１が形成されると共に、基板１１の裏面には第２の電極１９が形成される。第１の電極２１は、III族窒化物半導体膜１３にオーミック接合ＪＨ２を成す。第２の電極１９は、基板１１にオーミック接合ＪＨ１を成す。このパワー系電子デバイスは、ｐｎ接合とこのｐｎ接合の両端に設けられたオーミック電極とを有する。パワー系電子デバイスは例えばｐｎ接合ダイオードを含む。
【００５１】
（実験例１）
窒化ガリウム膜をＭＯＣＶＤ法により成膜した。有機ガリウム原料として、ＴＭＧを用いた。基板には直径２インチのサファイア基板を準備した。窒素原料としては、高純度アンモニアを用いた。キャリアガスとしては、純化した水素及び窒素を用いた。高純度アンモニアの純度は９９．９９９％以上であり、純化水素及び純化窒素の純度は９９．９９９９９５％以上であった。まず、サファイア基板を成長炉に配置した後に、摂氏１０００度の基板温度及び１００Ｔｏｒｒの炉内圧力で成長炉に水素を供給して、基板のクリーニングを行った。その後に、摂氏５００度の基板温度、５００Ｔｏｒｒの炉内圧力及び１６００のモル比Ｖ／IIIで、３０ｎｍの窒化ガリウム膜を成長した。基板温度を摂氏１０７０度に昇温した後に、摂氏１０７０度の基板温度、２００Ｔｏｒｒの炉内圧力及び５００のモル比Ｖ／IIIで、３μｍの窒化ガリウム膜を成長した。これらの工程により、３枚の窒化ガリウム系半導体成長用テンプレートを製作した。
【００５２】
その後に、１枚のテンプレートを成長炉のサセプタに配置した。摂氏１０５０度の基板温度及び１００Ｔｏｒｒの炉内圧力の条件で、水素（H２）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給しながら、この混合ガスの雰囲気中でテンプレート表面の熱クリーニングを行った。次いで、厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をテンプレート表面にＭＯＣＶＤ法で成膜した。この窒化ガリウム膜はドリフト層として用いることができる。この窒化ガリウム膜の成長条件は以下のものを用いた：
ＴＭＧ流量：５６ｓｃｃｍ（３２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
ＮＨ３流量：９ｓｌｍ（０．４ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
水素ガス：１１ｓｌｍ（0.5ｍｏｌ／ｍｉｎ．）：
成長温度：摂氏１０５０度； 
炉内圧力：２００Ｔｏｒｒ；
ＲＡＴＩＯ：１１／（１１＋９）。
【００５３】
成膜の後に、エピタキシャル基板を成長炉から取り出した。エピタキシャル基板の表面を観察して顕微鏡像マッピングを作成した。マッピングの作成により、ウエハ面内のパーティクル起因欠陥をカウントした。パーティクル起因欠陥は、成長中に表面に付着したパーティクルによって生じる表面欠陥であり、パーティクルは窒化ガリウム膜成長中に基板から離れた場所で生成された堆積物または堆積物の破片である。パーティクル起因の表面欠陥は、エピタキシャル膜の表面モフォロジのラフネスに対応しており、表面欠陥のサイズは、図８（ａ）に示されるように、直径数１００μｍ程度、例えば50μｍ〜300μｍである。
【００５４】
欠陥数のカウント後に、ドリフト層のためのエピタキシャル膜のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを測定した。励起光として波長３２５ｎｍのＨｅ−Cdレーザ光を用いた。図８（ｂ）を参照すると、ＰＬスペクトルＰＬ０には、３．４ｅＶにＧａＮのバンド端発光のピークが観測された。励起光の強度は5Ｗ/cm2を用いた。また、イエローバンド発光の２．３ｅＶ付近に幅広いピークが観測された。イエローバンド発光は、固有・不純物欠陥により形成される、エネルギバンド中の深い準位の寄与による。発明者らの知見によれば、高純度のＧａＮ膜では、二次イオン質量分析法を用いる不純物量の定量分析により、炭素及び酸素等の不純物量を特定できない。これ故に、結晶性の指標としてバンド端発光強度（「ＢＥ」と記す）に対するイエローバンド発光強度（「ＹＬ」と記す）の強度比（「ＹＬ／ＢＥ」と記す）を用いた。
ＰＬスペクトルにおける（ＹＬ／ＢＥ）：０．０５；
パーティクル欠陥数：２０個／ウエハ。
【００５５】
図９は、エピタキシャル基板の表面の一部を示すスケッチの図面である。図９を参照すると、エピタキシャル基板Ｅ０には、１．５ｍｍ角サイズの電子デバイスがアレイ状に配置されている。２インチウエハに成長されたＧａＮエピタキシャル膜上に、約８００個の電子デバイスチップのための区画が配列される。このスケッチには、４つの半導体チップのための区画ＳＥ１〜ＳＥ４と、これらに隣接する区画ＳＥ５〜ＳＥ１６の一部とが示されている。区画ＳＥ４にパーティクル起因欠陥Ｐ０が形成されている。区画ＳＥ１〜ＳＥ４の各々にはショットキ電極ＳＨが描かれている。
【００５６】
パーティクル起因欠陥の多くは、微視的な多数の結晶欠陥を含むので、その周囲では、電気伝導を担うキャリアが枯渇した状態となり、その結果、高抵抗化する。これ故に、パーティクル起因欠陥により高抵抗化した領域はＰＬマッピングにおいて暗部として観測される。発明者らの実験によれば、キャリア枯渇領域のサイズは、破線で示される直径１．６〜１．８ｍｍの範囲である。図９に示された４区画では、区画ＳＥ４ではリーク電流の増加が観測される。また、区画ＳＥ１〜ＳＥ３では、キャリア枯渇によるオン抵抗の増加が観測される。パーティクル起因欠陥を引き起こすパーティクルのサイズにも依存するが、パーティクル起因欠陥周囲の３〜４個の区画がデバイスとして使用できなくなる。欠陥数が２０個／ウエハであるとき、デバイス歩留まりは９２％程度と見積もられる。
【００５７】
（実験例２）
窒化物ガリウム膜の結晶品質とＰＬスペクトルにおける（ＹＬ／ＢＥ）比との相関を以下に示す。ｎ型窒化ガリウム単結晶基板を準備した。この窒化ガリウム基板を成長炉のサセプタに配置した。成長炉に水素及びアンモニアを供給しながら、摂氏１０５０度の基板温度及び１００Ｔｏｒｒの炉内圧力で、ＧａＮ基板表面の熱クリーニングを行った。その後に、ＧａＮ基板上に厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をＭＯＣＶＤ法で成長した。成長条件は以下のものを用いた：
ＴＭＧ流量：５６ｓｃｃｍ（３２０μｍｏｌ／ｍｉｍ．）
ＮＨ３流量：９ｓｌｍ（０．４ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
水素ガス：１１ｓｌｍ（0.5ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
成長温度：摂氏１０５０度； 
炉内圧力：２００Ｔｏｒｒ；
ＲＡＴＩＯ：１１／（１１＋９）。
【００５８】
この窒化ガリウム膜にｎ導電型を付与するために、成膜中にｎ型ドーパントしてシリコンを供給して、窒化ガリウム膜にシリコンを添加した。この工程を適用してエピタキシャル基板Ａを作製した。また、摂氏１０５０度の成長温度に替えて、摂氏１０００度の基板温度を用いて、ＧａＮ基板上に厚さ２μｍの窒化ガリウム膜をＭＯＣＶＤ法で成長した。この工程を適用してエピタキシャル基板Ｂを作製した。これらのエピタキシャル基板Ａ、Ｂを作製した後に、パワー系電子デバイスのドリフト層として作製したＧａＮエピタキシャル膜のＰＬスペクトルＰＬＡ、ＰＬＢを測定した。
【００５９】
図１０を参照すると、バンド端発光のピーク（ＢＥ：３．４ｅＶ）が、イエローバンド発光の幅広いピーク（ＹＬ：中心２．３ｅＶ）がＰＬスペクトルＰＬＡ、ＰＬＢに観測される。上記のスペクトルＰＬＡ、ＰＬＢの各々においては、エピタキシャル基板Ａ、Ｂにおけるイエローバンド発光のピークＹＥＡ、ＹＥＢをバンド端発光のピークＢＥＡ、ＢＥＢで規格化した。エピタキシャル基板Ａ、Ｂの各々における強度比（ＹＬ／ＢＥ）は以下の値であった：
エピタキシャル基板Ａ：０．０５
エピタキシャル基板Ｂ：０．７。
【００６０】
エピタキシャル基板Ａの強度比（ＹＬ／ＢＥ）を比較すると、エピタキシャル基板Ｂのイエローバンド強度が強く、これは、エピタキシャル基板Ｂの窒化ガリウムドリフト層がより多くの不純物を取り込んでいることを示している。イエローバンド発光に寄与する不純物としては炭素、酸素等が報告されている。これらは、それ自身或いは結晶中のガリウム空孔と複合欠陥を形成し、イエローバンド発光に寄与する深い準位を生成する。また、深い準位は電子トラップとして働く。逆バイアス時の空乏層においては、深い準位はキャリアの発生源となり、リーク電流を増大させることがある。さらに、エピタキシャル膜中においてイオン性不純物は、電流を担うキャリアを散乱するので、電子移動度を低下させ、オン抵抗を上昇させる。エピタキシャル基板Ａでは、上記の特性を改善できる。
【００６１】
エピタキシャル基板Ａ、Ｂを利用してショットキーバリアダイオードＤＳＡ、ＤＳＢを作製した。エピタキシャル膜に接触を成すショットキ電極はＮｉ／Ａｕからなり、窒化ガリウム基板の裏面に接触を成すオーミック電極はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕをエピタキシャル基板Ａ、Ｂに同時に形成した。図１１は、ショットキーバリアダイオードＤＳＡ、ＤＳＢの電流−電圧特性を示す。特性オン抵抗は、図１１（ａ）に示された順方向特性において電流密度５００Ａ／ｃｍ２における微分抵抗を電極面積で規格化した値として規定される。耐圧は、図１１（ｂ）に示された逆方向特性においてリーク電流密度１ｍＡ／ｃｍ２における印加電圧として定義される。ショットキーバリアダイオードＤＳＡ、ＤＳＢの耐圧とオン抵抗は以下に示す。
耐圧              特性オン抵抗
ダイオードＤＳＡ：２００Ｖ以上      １．１ｍΩｃｍ２；
ダイオードＤＳＢ：１８０Ｖ以上      １．５ｍΩｃｍ２。
【００６２】
上記の電圧-電流特性より、ダイオードＤＳＡの逆バイアス時のリークがより小さいことが示された。この特性の違いは、ＰＬスペクトルがダイオードＤＳＡのドリフト層はダイオードＤＳＢより高純度であることに関連している。窒化ガリウムエピタキシャル層のイエローバンド発光が低減されて窒化ガリウムエピタキシャル層が高純度であるとき、ショットキーバリアダイオードといった電子デバイスをより高性能を提供できる。
【００６３】
（実験例３）
実験例１で製作したテンプレートをサセプタに配置した。摂氏１０５０度の基板温度及び１００Ｔｏｒｒの炉内圧力で水素（H２）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給しながら、この混合ガスの雰囲気中でテンプレート表面の熱クリーニングを行った。次いで、厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をテンプレート表面にＭＯＣＶＤ法で成膜した。この窒化ガリウム膜はドリフト層として用いることができる。
その直後に、ＧａＮ基板上に厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をＭＯＣＶＤ法で成長した。成長条件は以下のものを用いた：
ＴＭＧ流量：５６ｓｃｃｍ（３２０μｍｏｌ／ｍｉｍ．）
ＮＨ３流量：１１ｓｌｍ（０．５ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
水素ガス：９ｓｌｍ（0.4ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
成長温度：摂氏１０６０度； 
炉内圧力：２００Ｔｏｒｒ；
ＲＡＴＩＯ：９／（１１＋９）。
【００６４】
実験例１の条件と異なり、成長温度を上げると共にアンモニア流量を増加している。この条件により、エピタキシャル成長表面からの炭素不純物の脱離を誘起でき、これ故にエピタキシャル層の純度を向上できる。エピタキシャル基板を成長炉から取り出した。実験例１と同様に顕微鏡像マッピングを行って、エピタキシャル基板面内のパーティクル起因欠陥のカウントを行った：
パーティクル欠陥数：６０個／ウエハ。
また、欠陥数の計上の後に、図１２に示されるように、ＧａＮドリフト層のＰＬスペクトルＰＬＣを測定した：
ＰＬスペクトルＰＬＣにおけるＹＬ／ＢＥ：０．０３。
【００６５】
実験例１と比較して、強度比ＹＬ／ＢＥが小さいので、より高純度のドリフト層が得られた。しかしながら、原料流量の増加と成長温度の上昇とにより、サセプタ上の基板から離れた位置において原料の過剰な反応が誘起される。その結果、窒化物の堆積物の生成が促進されて、これがパーティクルとしてエピタキシャル層に混入することになった。これ故に、パーティクル起因欠陥による表面モフォロジ荒れが生じた。例えば、パーティクル起因欠陥がショットキバリアダイオードの電極領域に含まれるとき、逆方向バイアス時のリーク電流を顕著に増大させる。このため、ウエハ面内に形成された素子の歩留まりを低下させる。実験例１において説明したように１．５ｍｍ角の半導体チップの配置においてデバイス歩留まりを見積るとき、その値は７３％程度となった。
【００６６】
（実験例４）
実験例１で製作したテンプレートをサセプタに配置した。摂氏１０５０度の基板温度及び１００Ｔｏｒｒの炉内圧力で水素（H２）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給しながら、この混合ガスの雰囲気中でテンプレート表面の熱クリーニングを行った。次いで、厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をテンプレート表面にＭＯＣＶＤ法で成膜した。この窒化ガリウム膜はドリフト層として用いることができる。
その直後に、ＧａＮ基板上に厚さ３μｍの窒化ガリウム膜をＭＯＣＶＤ法で成長した。成長条件は以下のものを用いた：
ＴＭＧ流量：５６ｓｃｃｍ（３２０μｍｏｌ／ｍｉｍ．）
ＮＨ３流量：１５ｓｌｍ（０．６７ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
水素ガス：１７ｓｌｍ（0.76ｍｏｌ／ｍｉｎ．）；
成長温度：摂氏１０６０度； 
炉内圧力：２００Ｔｏｒｒ；
ＲＡＴＩＯ：17／（１5＋17）。
【００６７】
実験例１、３と比較してV族原料のアンモニア流量を増加すると共に、キャリアガス（水素）流量を増加した。水素キャリアガス流量の増加させたとき、炭素不純物の取り込みが多くなる。しかしながら、さらに、成長温度を上昇させると共に、アンモニア流量を増加した。これらの上昇により、エピタキシャル成長表面からの炭素不純物の脱離を促進できる。加えて、キャリアガス（水素）流量を増加させることにより、反応炉内の原料濃度を低減できる。このため、基板より離れた位置における原料の過剰な反応を抑制できると共に窒化ガリウム系の堆積物を水素により分解を促進できる。故に、パーティクルの生成を低減できる。したがって、ＧａＮエピタキシャル膜のパーティクル起因欠陥を低減できる。エピタキシャル基板を取り出した後に、このエピタキシャル基板に顕微鏡像マッピングを行い、ウエハ面内のパーティクル起因欠陥のカウントを行った：
パーティクル欠陥数：１６個／ウエハ。
【００６８】
また、欠陥数の計上の後に、図１３に示されるようにＧａＮドリフト層のＰＬスペクトルＰＬDを測定した：
ＰＬスペクトルＰＬDにおけるＹＬ／ＢＥ：０．０２。
実験例１と比較して、強度比ＹＬ／ＢＥが小さいので、より高純度のドリフト層が得られた。実験例1において説明したように１．５ｍｍ角の半導体チップの配置においてデバイス歩留まりを見積るとき、その値は９３％程度となった。
【００６９】
以上の実験例の説明から理解されるように、原料の過剰反応を誘起する高純度エピタキシャル層のための成長条件においても、キャリアガスの流量を増加することにより、窒化ガリウム系半導体膜の結晶品質を向上できる。キャリアガス流量の増加によって、キャリアガスによる反応炉内の原料を希釈でき、さらに水素キャリアガスを用いることによってパーティクルの分解を促進できる。これによって、ウエハ面内のパーティクル起因欠陥を低減できる。総流量に対してキャリアガスを５０％以上の割合で供給することによって、原料の過剰反応を抑制でき、パーティクル起因欠陥の抑制が可能である（図１５）。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態に係る方法では、図１に示されるように、III族窒化物半導体膜１１はＧａＸＩｎＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＜１）からなることができる。III族窒化物半導体膜１３における（窒素原料の供給モル量）／（III族原料の供給モル量）は１２５０以上であることができ、また、この比は１００００以下であることができる。III族窒化物半導体膜１３における成長温度は摂氏１０５０度以上であることができる。また、この成長温度は摂氏１１００度以下であることができる。III族窒化物半導体膜１３における成長圧力は２００Ｔｏｒｒ以上であることができる。また、この成長圧力は３００Ｔｏｒｒ以下であることができる。
【００７１】
上記の成膜条件を用いる成膜では、（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量））が０．５未満であるとき、成長炉のシャワーヘッドに付着する堆積物が増加する。図１４（ａ）は、堆積物が付着したシャワーヘッドの全体を示す図面である。図１４（ｂ）は、堆積物が付着したシャワーヘッドを示す部分拡大図である。この付着物は、シャワーヘッド上の堆積物から分離されてパーティクルを生成する。
【００７２】
上記の成膜条件の範囲で、パワー系電子デバイスに有用なIII族窒化物半導体膜１３が成長される。この成膜条件において、（キャリアガスの流量）／（（III族原料の流量）＋（窒素原料の流量）＋（キャリアガスの流量））が０．５以上であるとき、この比率のキャリアガスにより反応炉内の原料ガスを希釈できる。この希釈により、成長炉において、望まれない原料消費による堆積物が生成されることを低減できる。堆積物の低減により、成長炉においてパーティクルが生成されにくくなる。これ故に、パーティクルに起因する表面欠陥がIII族窒化物半導体膜に生成されることを低減できる。したがって、表面欠陥によるデバイス歩留まりの低下を避けることができる。また、パワー系電子デバイスとしてショットキバリアダイオード及びｐｎ接合ダイオードを説明しているけれども、本発明は、実施例として説明された特定のデバイス構造に限定されるものではない。
【００７３】
上記の説明では、縦型成長炉を参照しながら本発明の実施の形態を説明したけれども、本実施の形態は横型成長炉にも適用可能である。横型成長炉は例えば以下の構造を有することができる。成長炉は、基板を搭載するための支持部を有するサセプタと、前記サセプタを収容するフォローチャネルとを含むことができる。このフォローチャネルは原料供給孔及び排気孔を有する。III族原料、窒素原料、及びキャリアガスはフォローチャネルの原料供給孔を通して供給される。
【００７４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
電子デバイス用のドリフト層のための窒化物半導体エピタキシャル膜をより高純度化して成長する場合、原料ガスの流量を増加すること又はより高温での成長を行うことが必要である。この成膜条件は、原料ガスの過剰な反応を誘起し、パーティクルを生じさせる。パーティクルがエピタキシャル表面に取り込まれるとき、エピタキシャル基板にパーティクル起因の欠陥を引き起こす。
【００７６】
窒化物半導体ドリフト層のためのエピタキシャル膜には、例えば炭素不純物が不可避的に含まれる。この不純物は、電気特性の劣化要因となり、またIII族原料の有機金属原料から供給される。炭素不純物はドリフト層のためのエピタキシャル膜の成長の際に、より高温での成膜又はV族原料を増加させた成膜により成長中のエピタキシャル膜内の炭素不純物から炭化水素を形成して、成長中のエピタキシャル膜から脱離させることができる。しかしながら、この成膜条件は原料の過剰反応を誘起する。主に原料ガス供給口付近といった成長炉内部に反応生成物が付着する。これがパーティクルとしてエピタキシャル基板に混入するとき、エピタキシャル基板にパーティクル起因欠陥が生成される。これらの欠陥は、デバイス歩留まりを低下させる。
【００７７】
パワー系電子デバイスでは、パーティクル起因欠陥は、逆バイアス印加時においてリーク電流を引き起こす。また、パーティクル起因欠陥は、パーティクル起因欠陥周囲に多数の微視的な結晶欠陥を生成するので、これらの微視的な結晶欠陥はキャリア補償して、ドリフト層のためのエピタキシャル膜に高抵抗にする。この結果、単なる外観上の欠陥としてだけでなく、より広い範囲においてデバイス特性を改変してしまい、大幅にデバイス歩留まりを低下させる。
【００７８】
一方、反応炉内の原料ガスを希釈することにより基板より離れた場所における原料の過剰反応を抑制できる。過剰反応の制御により、エピタキシャル基板にパーティクル起因の表面欠陥の発生を低減できる。
【００７９】
キャリアガスとして水素を用いるとき、反応炉内の原料ガスを希釈すると共に原料の過剰反応によって生じたパーティクルを分解できる。これ故に、パーティクル起因の表面欠陥がエピタキシャル基板に生成されることを低減できる。この知見によれば、ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体を堆積する際に、デバイス特性低下を招く表面欠陥の少なくかつより高純度なエピタキシャル基板を提供できると共に良好な表面モフォロジを提供できる。また、より高純度の窒化物半導体膜を得るための原料過飽和度の高い成長条件を用いるとき、キャリアガス流量を上記の比率に保つことにより、パーティクル起因の欠陥導入を低減できる。
【００８０】
したがって、この成長条件を満たすことにより、より高純度でかつパーティクル起因の表面欠陥の少ないエピタキシャル基板を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャル基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図２】図２は、これらの製造方法における主要な工程を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、有機金属気相成長法を用いた成膜を提供できる縦型成膜装置を概略的に示す図面である。
【図４】図４は、成膜中にシャワーヘッド等に付着する堆積物を概略的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体膜を成長する方法、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャル基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図６】図６は、これらの製造方法における主要な工程を概略的に示す図面である。
【図７】図７は、図１及び図５に示された工程フローによって作製可能なエピタキシャルウエハ及びパワー系電子デバイスの有用な実施例を示す図面である。
【図８】図８は、実施例１におけるエピタキシャル膜の特性を示す図面である。
【図９】図９は、エピタキシャル基板の表面の一部のスケッチを示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例２におけるエピタキシャル膜の特性を示す図面である。
【図１１】図１１は、実施例２におけるエピタキシャル膜を用いたダイオードの特性を示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例３におけるエピタキシャル膜の特性を示す図面である。
【図１３】図１３は、実施例４におけるエピタキシャル膜の特性を示す図面である。
【図１４】図１４は、堆積物が付着したシャワーヘッドを示す図面である。
【図１５】図１５は、キャリアガス流量比とパーティクル起因欠陥数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１０…成長炉、１０ａ…縦型成膜装置、１１…基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…基板裏面、Ｇ０…プロセスガス、Ｇ１…成膜ガス、Ｇ２…原料ガス、１３…III族窒化物半導体膜、１５…別のIII族窒化物半導体膜、１７…第１の電極、１９…第２の電極、３１…チャンバ、３３…サセプタ、３３ａ…基板支持部、３５…シャワーヘッド、３５ａ…シャワーヘッド供給面、３５ｂ…供給孔、３７…排気装置、３９…原料供給装置、３９ａ…キャリアガス供給系、３９ｂ…III族原料ガス供給系、３９ｃ…Ｖ族原料ガス供給系、Ｅ１…エピタキシャルウエハ、Ｅ２…エピタキシャルウエハ、ＪＳ…ショットキ接合、ＪＥ１１、ＪＨ１、ＪＥ２１、ＪＥ２２…接合  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図８】
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【図１４】
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