(57)【要約】【課題】  本発明は、２インチを越える半導体の基板上に、低濃度のドナーを加えたＮ型半導体層を積層した構成において、Ｎ型半導体層上の全面にわたってドナーの作用を均一にする。【解決手段】半導体装置１０は、半導体の基板１１０上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料を用いて第１のＮ型半導体層１２０を積層する。第１のＮ型半導体層１２０は、第１のＮ型半導体層１２０の領域の面上における複数の箇所の炭素（Ｃ）の濃度を求めたときに、炭素（Ｃ）の濃度の複数の値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の基板上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料を用いてＮ型半導体層を積層した半導体装置において、
上記Ｎ型半導体層は、
直径が２インチを越える基板上に形成され、
上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数の箇所の炭素（Ｃ）の濃度を求めたときに、炭素（Ｃ）の濃度の複数の測定値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、
該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満である、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記Ｎ型半導体層は、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有し、
上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数箇所のドナー濃度を求めたときに、ドナーの複数の測定値のうち、その中央値が１．４×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満である、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
上記基板およびＮ型半導体層にそれぞれ電極を接続した半導体装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
上記Ｎ型半導体層上に積層されたＰ型半導体層と、Ｐ型半導体層上に積層された他のＮ型半導体層とを備え、
上記基板にドレイン電極を接続し、上記他のＮ型半導体層にソース電極を接続し、Ｐ型半導体層上の絶縁膜にゲート電極を接続した半導体装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置を製造する方法において、
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料を用いた結晶成長によって上記Ｎ型半導体層を形成する工程を含み、III族原料とＶ族原料のＶ／IIIが２１００〜４０００である、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体の基板上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料を用いてＮ型半導体層を積層した半導体装置を製造する方法において、
直径が２インチを越える領域に、複数の上記基板を配置する第１工程と、
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料とを用いた結晶成長によって上記Ｎ型半導体層を形成する第２工程を含み、
上記第２工程は、III族原料とＶ族原料とのＶ／IIIが２１００〜４０００であり、上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数の箇所の炭素（Ｃ）の濃度を求めたときに、炭素（Ｃ）の濃度の複数の測定値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満とする、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
上記第２工程は、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有し、上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数箇所のドナー濃度を求めたときに、ドナー濃度の複数の値のうち、その中央値が１．４×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満とする工程である、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御に用いられる半導体装置（半導体デバイス、半導体素子）として、半導体基板上にＮ型半導体層を積層した窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体装置が知られている。Ｎ型半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になり、ケイ素（Ｓｉ）をドナー（ドーパント、不純物）として含有する。Ｎ型半導体層として、耐圧を高めることを主目的として、ｎ−−ＧａＮ層を１×１０１６ｃｍ−３程度の低いドナー濃度としたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
こうしたＮ型半導体層は、一般的に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって製造される。ＭＯＣＶＤでは、ガリウム（Ｇａ）の原料として、トリメチルガリウム（トリメチルガリウム［ＴＭＧａ：（ＣＨ３）３Ｇａ］）を用いている。窒素原料として、アンモニア（ＮＨ3）を用いている。キャリアガスとして、水素を用いている。ｎ型ドーパント原料として、シランを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３５０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｎ型半導体層を１×１０１６ｃｍ−３程度の低いドナー濃度とした場合に、Ｎ型半導体層は、他の不純物の影響を受け易く、不均一なドナー濃度分布になり、基板上で均一な電気的特性を得ることが難しい。こうした不均一なドナー濃度は、異なった半導体層および電極との界面における耐圧に影響を与える。特に、Ｎ型半導体層は、２インチ以上の大径の半導体基板上に気相成長させることにより形成された場合に、カーボンなどの不純物の影響を受け易い。このため、半導体ウエハから、複数のチップを切り出した場合に、各々のチップに製品上のバラツキを生じ易いという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、半導体の基板上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料を用いてＮ型半導体層を積層した半導体装置において、上記Ｎ型半導体層は、  直径が２インチを越える基板上に形成され、
上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数の箇所の炭素（Ｃ）の濃度を求めたときに、炭素（Ｃ）の濃度の複数の測定値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満である、半導体装置である。この形態における半導体装置は、基板が２インチを越える領域の面でＮ型半導体層が形成されている。
Ｎ型半導体層の炭素（Ｃ）は、Ｎ型半導体層のドナーを補償して減少させる作用がある。この形態における半導体装置によれば、炭素（Ｃ）の濃度が、炭素（Ｃ）の濃度の複数の値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満であるから、炭素（Ｃ）によって、Ｎ型半導体層の領域にて、ドナーが不均一に補償されることなく、ドナー濃度を均一にすることができる。よって、２インチを越える基板から複数のチップを切り分けて、半導体装置を形成する場合に、各々の半導体装置におけるドナーの機能につき安定かつ均一な性質を得ることができる。
【０００８】
（２）  他の形態にかかるＮ型半導体層は、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有し、
上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数箇所のドナー濃度を求めたときに、ドナーの複数の測定値のうち、その中央値が１．４×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満である、半導体装置である。本形態のようにドナー濃度が低い場合には、炭素（Ｃ）の濃度のバラツキの影響を受けやすい。本形態では、炭素（Ｃ）の濃度を低減したので、ドナーの作用の変動を低減できる。
【０００９】
（３）  他の形態は、上記基板およびＮ型半導体層にそれぞれ電極を接続した半導体装置である。
【００１０】
（４）  他の形態は、上記Ｎ型半導体層上に積層されたＰ型半導体層と、Ｐ型半導体層上に積層された他のＮ型半導体層とを備え、上記基板にドレイン電極を接続し、上記他のＮ型半導体層にソース電極を接続し、Ｐ型半導体層上の絶縁膜にゲート電極を接続した半導体装置である。半導体装置の態様としては、各種の構成をとることができる。
【００１１】
（５）  他の形態において、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料を用いた結晶成長によって上記Ｎ型半導体層を形成する工程を含み、III族原料とＶ族原料のＶ／IIIが２１００〜４０００である、半導体装置の製造方法である。この形態において、上記Ｎ型半導体層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料とを用いた結晶成長によって形成される。このようなＶ／IIIを用いることにより、炭素（Ｃ）の濃度を、上述した範囲とすることができる。なお、以下の説明において、Ｖ／IIIは、III族原料に対するＶ族原料のモル比を表わしている。
【００１２】
（６）  他の形態は、半導体の基板上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料を用いてＮ型半導体層を積層した半導体装置を製造する方法において、直径が２インチを越える領域に、複数の上記基板を配置する第１工程と、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料とを用いた結晶成長によって上記Ｎ型半導体層を形成する第２工程を含み、上記第２工程は、III族原料とＶ族原料とのＶ／IIIが２１００〜４０００であり、上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数の箇所の炭素（Ｃ）の濃度を求めたときに、炭素（Ｃ）の濃度の複数の測定値のうち、その中央値が１．０×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満とする、半導体装置の製造方法である。
【００１３】
（７）  他の形態において、上記第２工程は、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有し、上記Ｎ型半導体層の領域の面上における複数箇所のドナー濃度を求めたときに、ドナー濃度の複数の値のうち、その中央値が１．４×１０１６ｃｍ−３以下であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、５×１０１５ｃｍ−３未満とする工程である、半導体装置の製造方法である。上記基板は、上記２インチを越える領域に、複数配置されている状態にて、結晶成長によって、Ｎ型半導体層が形成されている、半導体装置の製造方法である。この形態により、２インチを越える領域において、複数の基板上にＮ型半導体層を同時に形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、２インチを越えるような大きな半導体基板上であっても、低濃度のドナーを加えたＮ型半導体層を積層した構成において、Ｎ型半導体層の面上の広範囲にわたってドナー濃度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図３】反応室に複数の基板を配置した状態を説明する説明図である。
【図４】第１のＮ型半導体層の面上の炭素（Ｃ）の濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフである。
【図５】炭素（Ｃ）の濃度の中央値と他の測定値との濃度差と、Ｖ／IIIとの関係を説明する説明図である。
【図６】第１のＮ型半導体層の面上におけるドナー濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフである。
【図７】ドナー濃度の中央値と他の測定値との濃度差と、Ｖ／IIIとの関係を説明する説明図である。
【図８】チャネル移動度μとＰ型半導体層の炭素（Ｃ）の濃度との関係を説明するグラフである。
【図９】炭素（Ｃ）の濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフである。
【図１０】他の実施例にかかる半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．実施形態：
（１）  半導体装置１０の概略構成
図１は半導体装置１０の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。なお、本発明でいう半導体装置は、実施例にかかる半導体ウエハおよびその周辺構成を含むものに相当する。また、図１は、半導体装置１０の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。本実施形態では、半導体装置１０は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれ、いわゆる縦型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。
【００１７】
半導体装置１０は、基板１１０と、第１のＮ型半導体層１２０と、Ｐ型半導体層１３０と、第２のＮ型半導体層１４０とを備えたＮＰＮ型の半導体装置であり、基板１１０上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を利用した結晶成長によって、第１のＮ型半導体層１２０、Ｐ型半導体層１３０および第２のＮ型半導体層１４０を順に積層した構造を有する。
【００１８】
図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、基板１１０に対して第１のＮ型半導体層１２０が積層する積層方向に沿った軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、基板１１０から第１のＮ型半導体層１２０に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向に対向する方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｚ軸に直交すると共に相互に直交する軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、図１の紙面左から紙面右に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向に対向する方向である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向のうち、＋Ｚ軸方向は、図１の紙面奥から紙面手前に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向に対向する方向である。
【００１９】
（２）  半導体装置１０の各部の構成
（２）−１  基板１１０
基板１１０は、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる板状をなす。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第１のＮ型半導体層１２０よりも高い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。本実施形態では、基板１１０の全域におけるケイ素（Ｓｉ）の平均濃度は、１．０×１０１８ｃｍ−３以上である。基板１１０は、半導体装置１０の各半導体層を定着および支持可能に構成された部位であればよく、他の実施形態では、例えば、ケイ素（Ｓｉ）から主に成る部位であってもよい。
【００２０】
基板１１０は、界面１１１と、界面１１２とを有する。基板１１０の界面１１１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。基板１１０の界面１１２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１１１に背向する。界面１１２は、第１のＮ型半導体層１２０に隣接する。
【００２１】
基板１１０の厚さは、界面１１１と界面１１２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、３２０μｍ（マイクロメートル）である。他の実施形態では、基板１１０の厚さは、１００μｍ〜１ｍｍ（ミリメートル）の範囲から選択される他の値であってもよい。
【００２２】
本実施形態では、基板１１０の界面１１１には、ドレイン電極とも呼ばれる電極２１０が形成されている。本実施形態では、電極２１０は、チタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した構造を有する電極である。他の実施形態では、電極２１０は、ＴｉおよびＡｌの他、白金（Ｐｔ）、Ｃｏ（コバルト）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の導電性材料の少なくとも１つから成る電極であってもよい。
【００２３】
（２）−２  第１のＮ型半導体層１２０
第１のＮ型半導体層１２０は、基板１１０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。第１のＮ型半導体層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第２のＮ型半導体層１４０よりも低い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。ケイ素（Ｓｉ）の濃度の範囲については、後述する。第１のＮ型半導体層１２０は、「ｎ−−ＧａＮ」とも呼ばれる。
【００２４】
第１のＮ型半導体層１２０は、界面１２１と、界面１２２とを有する。第１のＮ型半導体層１２０における界面１２１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１２１は、基板１１０に隣接する。第１のＮ型半導体層１２０における界面１２２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１２１に背向する。界面１２２は、Ｐ型半導体層１３０に隣接する。
【００２５】
第１のＮ型半導体層１２０の厚さは、界面１２１と界面１２２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、１０μｍである。他の実施形態では、第１のＮ型半導体層１２０の厚さは、５〜１５μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。
【００２６】
（２）−３  Ｐ型半導体層１３０
Ｐ型半導体層１３０は、第１のＮ型半導体層１２０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。Ｐ型半導体層１３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタとして含有する。本実施形態では、Ｐ型半導体層１３０の全域におけるＭｇの平均濃度は、１．０×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０２０ｃｍ−３以下である。Ｐ型半導体層１３０は、「ｐ−ＧａＮ」とも呼ばれる。
【００２７】
Ｐ型半導体層１３０は、界面１３１と、界面１３２とを有する。Ｐ型半導体層１３０の界面１３１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１３１は、第１のＮ型半導体層１２０に隣接する。Ｐ型半導体層１３０の界面１３２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１３１に背向する。界面１３２は、第２のＮ型半導体層１４０および電極２３０に隣接する。
【００２８】
Ｐ型半導体層１３０の厚さは、界面１３１と界面１３２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、１μｍである。他の実施形態では、Ｐ型半導体層１３０の厚さは、０．３〜２μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。
【００２９】
（２）−４  第２のＮ型半導体層１４０
第２のＮ型半導体層１４０は、Ｐ型半導体層１３０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。第２のＮ型半導体層１４０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第１のＮ型半導体層１２０よりも高い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。本実施形態では、第２のＮ型半導体層１４０の全域におけるＳｉの平均濃度は、１．０×１０１９ｃｍ−３以下である。第２のＮ型半導体層１４０は、「ｎ+−ＧａＮ」とも呼ばれる。
【００３０】
第２のＮ型半導体層１４０は、界面１４１と、界面１４２とを有する。第２のＮ型半導体層１４０における界面１４１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１４１は、Ｐ型半導体層１３０に隣接する。第２のＮ型半導体層１４０における界面１４２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１４１に背向する。界面１４２は、電極２４０に隣接する。
【００３１】
第２のＮ型半導体層１４０の厚さは、界面１４１と界面１４２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、０．２μｍである。他の実施形態では、第２のＮ型半導体層１４０の厚さは、０．１〜０．５μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。
【００３２】
（２）−５  電極、絶縁膜
上記基板および各層には、電極が形成されている。すなわち、Ｐ型半導体層１３０の界面１３２には、Ｐボディ電極とも呼ばれる電極２３０が形成されている。電極２３０は、Ｐ型半導体層１３０に発生する電子または正孔を減少させて耐圧を向上させている。第２のＮ型半導体層１４０の界面１４２には、ソース電極とも呼ばれる電極２４０が形成されている。第１のＮ型半導体層１２０の上面からＰ型半導体層１３０の側面（図示右側）に絶縁膜２６０が形成され、第１のＮ型半導体層１２０の上面からＰ型半導体層１３０の側面を介して第２のＮ型半導体層１４０の側面（図示左側）にかけて絶縁膜２７０が形成されている。絶縁膜２６０，２７０は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などからなる層である。絶縁膜２７０上には、ゲート電極とも呼ばれる電極２５０が形成されている。
【００３３】
（３）  半導体装置１０の製造方法
図２は半導体装置１０の製造方法を示す工程図である。半導体装置１０を製造する際には、製造者は、まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を実現するＭＯＣＶＤ装置を用意し、ＭＯＣＶＤ装置の反応室に複数の基板１１０を配置する（工程Ｐ１２２）。基板１１０は、直径が２インチを越える基板を用いることが好ましい。この工程にて、２インチ以下の基板１１０を複数枚（例えば、７枚）を用いて、細密充填に配置してもよい。基板１１０は、厚さ３００μｍから５００μｍであり、ケイ素（Ｓｉ）をドーピングしたものである。その濃度は、１．０×１０１８ｃｍ−３である。
【００３４】
続く工程Ｐ１２４にて、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、シランをドーパント原料として用いた結晶成長によって、基板１１０上に第１のＮ型半導体層１２０を形成する。III族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、Ｖ族原料であるアンモニア（ＮＨ3）と、ｎ型ドーパント原料としてのシランとを、水素（Ｈ2）をキャリアガスとして、ＭＯＣＶＤ装置の配管を通じて反応室に供給される。ここで、第１のＮ型半導体層１２０は、その厚さを、例えば、５〜１５μｍで形成する。なお、工程Ｐ１２４における原料のＶ／III、成長圧力、ケイ素（Ｓｉ）の濃度などについては、後述する。
【００３５】
続く工程Ｐ１２６にて、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、ＣＰ2 Ｍg （ビスシクロペンタディエニールマグネシウム）をドーパント原料として結晶成長によって、第１のＮ型半導体層１２０上にＰ型半導体層１３０を形成する。
【００３６】
続く工程Ｐ１２８にて、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、シランをドーパント原料として用いた結晶成長によって、Ｐ型半導体層１３０上に第２のＮ型半導体層１４０を形成する。第２のＮ型半導体層１４０におけるケイ素（Ｓｉ）の濃度は、第１のＮ型半導体層１２０よりも高い。工程Ｐ１２８の条件として、ケイ素（Ｓｉ）の濃度のほかは、工程Ｐ１２４と同様な、原料、圧力などの条件をとることができる。
【００３７】
続く工程Ｐ１３０にて、製造者は、半導体装置１０の中間製品をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、この中間製品に、電極２１０，２３０，２４０，２５０、および絶縁膜２６０，２７０をそれぞれ形成する。これにより、半導体装置１０が完成する。
【００３８】
（４）  実施例の作用・効果
（４）−１  第１のＮ型半導体層１２０の形成工程（Ｐ１２４）における炭素（Ｃ）の濃度およびドナー濃度について説明する。
図３は反応室に複数の基板１１０を配置した状態を説明する説明図である。図３において、基板１１０として、直径が２インチのものを用いて、７枚の基板１１０を細密充填の配置となるように、６インチの領域内に配置している。すなわち、１枚の基板１１０を中心に、他の６枚の基板で囲むように配置されている。これは、２インチ以上（例えば、６インチ）の基板を用いる代わりに、２インチのＧａＮ基板を７枚敷き詰めることにより、擬似的に６インチの基板を用いたと同様に扱うためである。そして、複数の基板１１０上に第１のＮ型半導体層１２０を積層成長させ、第１のＮ型半導体層１２０の面上の炭素（Ｃ）およびドナー濃度、およびそれらの分布を調べた。
【００３９】
図４は第１のＮ型半導体層１２０の面上の炭素（Ｃ）の濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフであり、基板１１０上に、Ｖ／IIIを変化させて成長させた第１のＮ型半導体層１２０の炭素（Ｃ）の濃度の変化を示している。すなわち、発明者は、図４のグラフを得るために、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。Ｖ／IIIは、１４７３（第１グループ）、２０００（第２グループ）、２５０６（第３グループ）の３種類とした。そして、２インチの基板上にＮ型半導体層を形成した複数（７枚）のサンプルを作製し、それらの炭素（Ｃ）の濃度を測定した。炭素（Ｃ）の濃度は、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）を用いて計測した。ここで、各測定値は、７枚の基板の面上の炭素（Ｃ）の濃度をサンプリングすることにより得られている。図５は炭素（Ｃ）の濃度の中央値と他の測定値との濃度差と、Ｖ／IIIとの関係を説明する説明図である。図５に示すように、それらの値の中央値と、中央値からの差の値とにより、炭素（Ｃ）の濃度を検討した。
【００４０】
図４および図５に示すように、第１のグループ（Ｖ／III：１４７３）において、炭素（Ｃ）の濃度の中央値が１．４×１０１６ｃｍ−３であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、９．３×１０１５ｃｍ−３である。第２のグループ（Ｖ／III：２０００）において、炭素（Ｃ）の濃度の中央値が８．７×１０１５ｃｍ−３であり、該中央値と他の値との差の最大値が、５．０×１０１５ｃｍ−３である。第３のグループ（Ｖ／III：２５０６）において、炭素（Ｃ）の濃度の中央値が７．４×１０１５ｃｍ−３であり、該中央値と他の値との差の最大値が、２．６×１０１５ｃｍ−３である。
したがって、第１ないし第３グループを比較すると、Ｖ／IIIが大きくなるに従って、炭素（Ｃ）の濃度の中央値が、１．４×１０１６ｃｍ−３から７．４×１０１５ｃｍ−３へと低くなり、しかも、中央値との差の最大値が９．３×１０１５ｃｍ−３から２．６×１０１５ｃｍ−３へと狭くなり、濃度のバラツキが小さくなることが分かった。
【００４１】
図６は第１のＮ型半導体層１２０の面上におけるドナー濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフである。図４に対応してＶ／III（第１ないし第３グループ）につきドナー濃度を、７枚の基板について計測した。ドナー濃度は、Ｃ−Ｖ測定により求めた。ここで、測定値は、図４の炭素（Ｃ）の濃度と同様に、７枚の基板の面上のドナー濃度をサンプリングした。図７はドナー濃度の中央値と他の測定値との濃度差と、Ｖ／IIIとの関係を説明する説明図である。図７に示すように、それらの値の中央値と、中央値からの差の値とにより、ドナー濃度を検討した。
【００４２】
図６および図７に示すように、第１のグループ（Ｖ／III：１４７３）において、ドナー濃度の中央値が３．０×１０１６ｃｍ−３であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、７．０×１０１５ｃｍ−３である。第２のグループ（Ｖ／III：２０００）において、ドナー濃度の中央値が２．０×１０１６ｃｍ−３であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、４．２×１０１5ｃｍ−３である。第３のグループ（Ｖ／III：２５０６）において、ドナー濃度の中央値が７．３×１０１５ｃｍ−３であり、該中央値と他の測定値との差の最大値が、２．６×１０１５ｃｍ−３である。第１ないし第３グループを比較すると、Ｖ／IIIが大きくなるに従って、ドナー濃度の中央値が、３．０×１０１６ｃｍ−３から７．３×１０１５ｃｍ−３へと低くなり、しかも、中央値との差の最大値が７．０×１０１５ｃｍ−３から２．６×１０１５ｃｍ−３へと狭くなった。このように、ドナー濃度は、炭素（Ｃ）の濃度と同じ傾向を示すことが分かる。ケイ素（Ｓｉ）の濃度は、炭素（Ｃ）の濃度と同じ傾向を示すことが分かる。このことから、両者は、以下に述べる関係を有すると考察される。
【００４３】
第１のＮ型半導体層１２０の炭素（Ｃ）は、第１のＮ型半導体層１２０のドナーを補償してドナーの作用を低減する。したがって、炭素（Ｃ）の濃度を低くし、しかも炭素（Ｃ）の濃度のバラツキを小さくすることにより、ドナー濃度のバラツキを低減することができる。ドナーの濃度のバラツキを低減することにより、２インチを越える基板１１０から複数のチップを切り分けて、半導体装置を形成する場合に、各々の半導体装置におけるドナーの作用を安定かつ均一にすることができた。
【００４４】
ドナー濃度のバラツキは、小さいほど好ましいが、製品上の影響の少ない範囲として、例えば、ドナー濃度の値が１．４×１０１６ｃｍ−３以下であって、中央値に対するバラツキが５．０×１０１5ｃｍ−３未満の仕様が求められている場合には、第１のＮ型半導体層１２０内の炭素（Ｃ）の濃度の調整範囲の限界から、以下に規制される。
【００４５】
第１のＮ型半導体層１２０は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含むIII族原料とアンモニア（ＮＨ３）を含むＶ族原料とによる結晶成長によって形成されている。したがって、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の炭素（Ｃ）が第１のＮ型半導体層１２０内に混入される。したがって、Ｖ／IIIを大きくすれば、Ｎ型半導体層の炭素（Ｃ）の濃度を小さくすることができるが、Ｖ／IIIが４０００を越えると、結晶成長速度が低下し、生産性が低くなる。一方、Ｖ／IIIが２１００以下となると、炭素（Ｃ）の濃度が上昇して、ドナーの濃度のバラツキが大きくなる。したがって、III族原料に対するＶ族原料のＶ／IIIが２１００〜４０００に調整したものを用いことが好ましい。
また、Ｖ／IIIのさらに好ましい範囲は、２５００〜３５００であり、さらに好ましい範囲は、２５００〜３０００である。このようなＶ／IIIを用いることにより、炭素（Ｃ）の濃度を低減し、ドナー濃度のバラツキを低減することができる。
【００４６】
（４）−２  Ｐ型半導体層１３０の形成工程（Ｐ１２６）における炭素（Ｃ）の濃度を、５．０×１０１６ｃｍ−３以上に設定した理由について説明する。
第１および第２のＮ型半導体層１２０，１４０の炭素（Ｃ）の濃度が、１．０×１０１６ｃｍ−３以下であると、半導体装置１０の電子移動度は、Ｐ型半導体層１３０が律速になる。したがって、半導体装置のオン抵抗などを改善するためには、Ｐ型半導体層１３０と絶縁膜２７０との間におけるチャネル移動度、つまりシート導電率σ［Ｓ］を高くすることが要請され、例えば、チャネルのシート導電率σ［Ｓ］が４０μＳ以上とすることが要請される。ここで、シート導電率σは、次式（１）で表わされる。
σ＝μ・ε・Ｅｍ／２    …（１）
μ：チャネル移動度［ｃｍ２／Ｖｓ］
ε：絶縁膜の誘電率［Ｆ／ｃｍ］
Ｅｍ：絶縁破壊電圧［Ｖ／ｃｍ］
εおよびＥｍは物性値で決まっていることから、例えば、ε＝３×１０−１３およびＥｍ＝５×１０６を代入すると、チャネル移動度μは、５０ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが必要となる。
【００４７】
図８はチャネル移動度μとＰ型半導体層の炭素（Ｃ）の濃度との関係を説明するグラフである。縦軸がチャネル移動度μを示し、横軸がＰ型半導体層の炭素（Ｃ）の濃度を示す。図８において、Ｐ型半導体層１３０内の炭素（Ｃ）濃度が増加するに伴いチャネルの電子移動度が増加していることがわかる。ここで、チャネル移動度μを、上述したように、５０ｃｍ２／Ｖｓ以上とする場合には、Ｐ型半導体層１３０内の炭素（Ｃ）濃度は、５．０×１０１６ｃｍ−３以上にすればよいことがわかる。
【００４８】
図９は炭素（Ｃ）の濃度とＶ／IIIとの関係を説明するグラフである。炭素（Ｃ）の濃度を、５．０×１０１６ｃｍ−３以上にするには、図２の工程Ｐ１２６において、以下の方法をとることができる。すなわち、発明者は、図９のグラフを得るために、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用い、ドーピングの原料としてマグネシウム（Ｍｇ）を１．０×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０２０ｃｍ−３）とした。Ｖ／IIIは、２５０〜２５００の間にて変更するとともに、圧力を７６０Ｔｏｒｒと２００Ｔｏｒｒの場合で調べた。Ｐ型半導体層を形成した複数のサンプルを作製し、それらの炭素（Ｃ）の濃度を測定した。炭素（Ｃ）の濃度は、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）を用いて計測した。
【００４９】
図９において、Ｐ型半導体層１３０の炭素（Ｃ）の濃度は、Ｖ／IIIを低下させると増加することが分かった。炭素（Ｃ）の濃度を、５．０×１０１６ｃｍ−３以上とするには、図９の斜線で示す範囲、つまりＶ／IIIを５００以下とすることにより実現できる。なお、Ｖ／IIIは、気相成長を得るために、１以上であることが必要である。
また、原料ガスを供給する圧力は、２００〜７６０Ｔｏｒｒの場合について調べているが、２００Ｔｏｒｒの場合に、炭素（Ｃ）を高めることができる。ここで、圧力は、好ましくは、３００〜５００Ｔｏｒｒ、特に好ましくは、４００〜４５０Ｔｏｒｒである。
このように炭素（Ｃ）の濃度は、Ｖ／IIIおよび原料ガスの供給圧力を調整することにより、容易に設定することができる。
【００５０】
Ｐ型半導体層１３０の炭素（Ｃ）の濃度は、５．０×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましいが、半導体装置１０の耐圧などの電気的特性な影響を考慮して、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。また、Ｐ型半導体層１３０の炭素（Ｃ）の濃度は、第１および第２のＮ型半導体層１２０，１４０の炭素（Ｃ）の濃度の５倍以上であることが好ましく、これにより電子移動度を高めることができる。特に好ましくは、７倍以上である。
【００５１】
Ｂ．他の実施形態：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００５２】
図１０は他の実施例にかかる半導体装置を示す断面図である。本実施例は、ショットキーバリアダイオードに適用した例である。半導体装置３００は、ＧａＮの基板３１０上に、Ｎ型半導体層３２０を配置し、基板３１０の外面にオーミック電極３３０を接続し、Ｎ型半導体層３２０の外面にショットキー電極３４０を接続することにより構成されている。このように、本発明の適用できる半導体装置としては、基板上にＮ型半導体層を形成した各種の構成に適用することができる。
【００５３】
本発明にかかる半導体装置は、半導体層の炭素（Ｃ）やドナー濃度の調整を施した半導体ウエハのほかに、半導体ウエハの周辺構成としての電極などの各種の構成を含むものである。例えば、本願発明は、上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器、上記形態の半導体装置を製造する製造装置などの形態で実現することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０…半導体装置
１１０…基板
１１１…界面
１１２…界面
１２０…第１のＮ型半導体層
１２１…界面
１２２…界面
１３０…Ｐ型半導体層
１３１…界面
１３２…界面
１４０…第２のＮ型半導体層
１４１…界面
１４２…界面
２１０，２３０，２４０，２５０…電極
２６０，２７０…絶縁膜
３００…半導体装置
３１０…基板
３３０…オーミック電極
３４０…ショットキー電極
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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