(57)【要約】【課題】窒化物半導体層内に予定しない不純物が混入することを抑制する。【解決手段】窒化物半導体の製造装置は、サセプタと、ヒータと、リフレクタを備えている。サセプタは、原料ガスが供給されるチャンバー内空間に露出しており、基板を支持する基板支持部が設けられている。ヒータは、サセプタに対して、チャンバー内空間と反対側に配置されている。リフレクタは、ヒータを囲っており、ヒータの輻射熱を反射する。この製造装置では、リフレクタの端部が、基板支持部の内周面の外側に位置するとともに、サセプタの外縁より内側に位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体の製造装置であり、
原料ガスが供給されるチャンバー内空間に露出しており、基板を支持する基板支持部が設けられているサセプタと、
前記サセプタに対して、前記チャンバー内空間と反対側に配置されているヒータと、
前記ヒータを囲っており、前記ヒータの輻射熱を反射するリフレクタと、
を備えており、
前記リフレクタの端部が、前記基板支持部より外側に位置するとともに、前記サセプタの外縁より内側に位置する、窒化物半導体の製造装置。
【請求項２】
前記サセプタの外側に、前記サセプタより熱伝導率が低い断熱部が設けられている請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記サセプタが、周方向に複数個並んで配置されている請求項１又は２に記載の製造装置。
【請求項４】
前記基板に対して前記原料ガスを横方向から供給する原料ガス供給部を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載された製造装置を用いて、生成物の堆積速度が最も高い最大堆積位置が、基板支持部の外側になるように原料ガスを供給する、窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記最大堆積位置が、前記基板支持部より下流になるように前記原料ガスを供給する請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
ｐ型半導体層を備えている窒化物半導体装置であり、
前記ｐ型半導体層の深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数が１０％未満である、窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体装置は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであり、
前記ｐ型半導体層が、ｎ型ソース領域を囲むボディ領域を構成しており、前記ｐ型不純物の平均濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下である請求項７に記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、窒化物半導体の製造装置、窒化物半導体の製造方法及び窒化物半導体装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体装置で用いられる窒化物半導体層を作製するために、サセプタで基板を支持し、ヒータで基板を加熱しながら基板上に窒化物半導体を気相成長させる製造装置が知られている。非特許文献１は、サセプタに対してチャンバー内の空間と反対側にヒータを配置する製造装置が開示されている。非特許文献１では、サセプタより大径のヒータを用いて基板を加熱している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“Control of Thickness and Composition Variation of AlGaN / GaN of 6- and 8-in. Substrates Using Multiwafer High-Growth-Rate Metal Organic Chemical Vapor Deposition Tool”, Japanese Journal of Applied Physics 52 (2013) 08JB06
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１の製造装置は、サセプタより大径のヒータを用いているので、基板全体を加熱することができる。基板全体を加熱することにより、均一な厚みの窒化物半導体層を成長させることができる。しかしながら、チャンバー内に供給された原料ガスは、基板以外の部分にも生成物として付着し、その生成物が加熱されて再脱離することがある。特に、不純物を含む生成物が再脱離すると、再脱離した不純物が基板上の窒化物半導体層に混入し、窒化物半導体層内の不純物濃度が設計値からずれることがある。不純物濃度が設計値からずれると、所望する性能の半導体装置が得られない。特に、窒化物半導体層内に含まれる不純物濃度が低いときに、不純物濃度の設計値からのずれが、半導体装置の性能に大きな影響を及ぼす。本明細書は、窒化物半導体層内に予定していない不純物が混入することを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する技術は、チャンバー内に付着した生成物が再脱離することを抑制する。本明細書で開示する窒化物半導体の製造装置は、サセプタと、ヒータと、リフレクタを備えている。サセプタは、原料ガスが供給されるチャンバー内空間に露出しており、基板を支持する基板支持部が設けられている。ヒータは、サセプタに対して、チャンバー内空間と反対側に配置されている。リフレクタは、ヒータを囲っており、ヒータの輻射熱を反射する。この製造装置では、リフレクタの端部が、基板支持部より外側に位置するとともに、サセプタの外縁より内側に位置する。
【０００６】
上記製造装置では、リフレクタの端部がサセプタの基板支持部より外側に位置するので、ヒータのサイズを基板のサイズより大きくすることなく、基板全体を加熱することができる。また、リフレクタの端部がサセプタの外縁より内側に位置するので、サセプタの外側に配置されている部品の温度が上昇することが抑制され、サセプタの外側の部品に付着した生成物が再脱離することが抑制される。窒化物半導体層内に、予定しない不純物の混入が抑制され、窒化物半導体層内の不純物が設計値からずれることを抑制することができる。例えば、ｐ型不純物の再脱離を防止することにより、ｐ型不純物の深さ方向における濃度分布が抑制された窒化物半導体層を得ることができる。なお、「リフレクタの端部」とは、ヒータの側方を囲むリフレクタの側壁において、ヒータと対向する面のことを意味している。すなわち、「リフレクタの端部」とは、リフレクタの側壁の内周面のことを意味する。
【０００７】
本明細書で開示する窒化物半導体の製造方法は、上記した製造装置において、基板に対して原料を横方向から供給する原料ガス供給部を備えている製造装置で実施される。その製造方法は、原料の堆積速度が最も高い最大堆積位置が、基板支持部の外側になるように原料を供給する。
【０００８】
最大堆積位置には、チャンバー内に供給された原料ガスから生成した副生成物が堆積する。最大堆積位置を基板支持部の外側に調整することにより、副生成物が堆積する位置を基板上からずらすことができる。この製造方法で用いられる製造装置は、基板（基板支持部）の外側の温度上昇が抑制されている。そのため、最大堆積位置に堆積した副生成物の再脱離が抑制され、副生成物中の不純物が窒化物半導体層に混入することを抑制できる。
【０００９】
本明細書で開示する窒化物半導体装置は、ｐ型半導体層を備えている。そのｐ型半導体層では、深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数が１０％未満である。なお、窒化物半導体装置は、二層以上のｐ型半導体層を備えていることもある。その場合、少なくとも一層のｐ型半導体層において、深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数が１０％未満に調整されている。このような窒化物半導体装置は、窒化物半導体層を形成する際に、基板以外の場所（基板の外側）に堆積した副生成物中のｐ型不純物が再脱離し、窒化物半導体装置を構成するｐ型半導体層内への混入が抑制されていたことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施例の窒化物半導体の製造装置の概略図を示す。
【図２】サセプタ，リフレクタ及びヒータの断面図を示す。
【図３】窒化物半導体を気相成長するときの温度と堆積速度の関係を示す。
【図４】第２実施例の窒化物半導体の製造装置の概略図を示す。
【図５】第２実施例のサセプタの平面図を示す。
【図６】第１実験例の窒化物半導体層の模式図を示す。
【図７】第１実験例の窒化物半導体層の深さ方向におけるＭｇ濃度を示す。
【図８】第２実験例の窒化物半導体層の模式図を示す。
【図９】第２実験例の窒化物半導体層を用いて作製した窒化物半導体装置を示す。
【図１０】第２実験例の窒化物半導体層の深さ方向におけるＭｇ濃度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１２】
本明細書で開示する窒化物半導体の製造装置（以下、製造装置と称する）は、サセプタと、ヒータと、リフレクタを備えている。サセプタは、原料ガスが供給されるチャンバー内空間に露出している。具体的には、サセプタの表面がチャンバー内空間に露出しており、裏面はチャンバー内空間に露出していない。サセプタは、チャンバー内空間を画定する壁面の一部であってよい。
【００１３】
サセプタは、円板状であってよい。また、サセプタは、基板を支持する基板支持部を備えていてよい。基板支持部は、サセプタの表面側に形成された溝であってよい。基板上に窒化物半導体を成長させることによって、窒化物半導体層が形成される。サセプタは、テーブルに支持されていてよい。サセプタは、固定テーブルに対して自転してもよい。窒化物半導体層の面内厚みを均一にすることができる。また、サセプタと固定テーブルの間に、断熱性を有する断熱部が設けられていてもよい。断熱部は、サセプタより熱伝導率が低い材料で形成されていてよい。サセプタの熱が、外部に放出されることを抑制することができる。なお、サセプタは、サセプタ支持部に支持されていてよい。この場合、サセプタ支持部が、固定テーブルに対して自転してもよい。また、サセプタ支持部が、断熱性を有する断熱部であってもよい。
【００１４】
製造装置は、１個のサセプタを備えていてもよいし、複数のサセプタを備えていてもよい。製造装置が１個のサセプタを備えている場合、サセプタは、サセプタ支持部の中央に配置されていてよい。また、製造装置が複数のサセプタを備えている場合、各サセプタは、サセプタ支持部の中心からオフセットした位置で、周方向に並んで配置されていてよい。各サセプタは、サセプタ支持部の中心からオフセットした位置で、各々サセプタ支持部に対して自転してもよい。また、サセプタ支持部は、固定テーブルに対して自転してもよい。この場合、各サセプタは、自転しながら、サセプタ支持部の中心軸（回転軸）の周りを公転することができる。
【００１５】
ヒータは、サセプタに対して、チャンバー内空間と反対側に配置されている。すなわち、ヒータは、サセプタの裏面側に配置されており、チャンバー内空間に露出していない。ヒータには、原料ガス及び反応生成物は付着しない。ヒータのサイズは、基板支持部のサイズより小さくてよい。すなわち、基板支持部の一部は、ヒータに対向していなくてよい。平面視したときに、ヒータは、基板支持部内に配置されていてよい。すなわち、ヒータの全面が、基板支持部に対向していてよい。なお、複数のサセプタが周方向に並んで配置されている場合、サセプタ毎にヒータが設けられる。
【００１６】
リフレクタは、ヒータを囲っている。リフレクタは、ヒータの輻射熱を反射し、ヒータの輻射熱がリフレクタ外部に移動することを防止する。換言すると、ヒータの輻射熱は、リフレクタで囲まれた範囲の全体に届く。リフレクタは、ヒータの裏面（基板支持部に対向する面と反対側の面）に対向する底部と、ヒータの側部を囲う側壁を備えていてよい。リフレクタは、ヒータの輻射熱が基板に加わるように、上部が開口していてよい。なお、複数のサセプタが周方向に並んで配置されている場合、サセプタ毎にリフレクタが設けられる。
【００１７】
リフレクタの端部（ヒータの側部に対向する側壁の内面）は、基板支持部より外側に位置するとともに、サセプタの外縁より内側に位置していてよい。ヒータの輻射熱はリフレクタで囲まれた範囲全体に届くので、リフレクタの端部が基板支持部より外側に位置していれば、基板全体を加熱することができる。また、リフレクタの端部がサセプタの外縁より内側に位置していれば、サセプタの外側に存在する部品の温度上昇を抑制することができる。サセプタの外側の部品に付着した生成物の温度上昇を抑制することができ、生成物に含まれる不純物の再脱離を抑制することができる。リフレクタの底部の形状は、基板支持部の形状に対応した円板状であってよい。
【００１８】
製造装置は、原料ガスを基板表面に対して横方向から供給する原料ガス供給部を備えていてよい。具体的には、原料ガスは、基板表面に対して、０度（１８０度）±４５度の角度で移動するように、原料ガス供給部から供給されてよい。原料ガス供給部は、サセプタ表面に直交する方向から観察したときに、サセプタの外側に配置されていてよい。また、複数のサセプタが周方向に並んで配置されている場合、原料ガス供給部は、サセプタで囲まれた位置に配置されていてよい。この場合、原料ガス供給部から各サセプタ（基板支持部）までの距離を等しくすることができる。なお、サセプタで囲まれた位置（サセプタ保持部の中央）に原料ガス供給部を配置する場合、原料ガスは、サセプタの裏面側（チャンバー外）からサセプタの表面側（チャンバー内空間）に向けて供給されてよい。サセプタで囲まれた位置からチャンバー内空間に供給された原料ガスは、各サセプタに支持されている基板表面に沿って、サセプタ保持部の中央から端部に移動する。すなわち、原料ガスは、各基板に対して、横方向に移動する。
【００１９】
製造装置は、サブフローガスを供給するサブフローガス供給部を備えていてもよい。サブフローガスによって、原料ガスの流れ（方向、速度）を調整することができる。サブフローガス供給部は、サセプタの上方に配置されていてよい。サセプタの上方からサセプタに向けてサブフローガスを供給することにより、原料ガスの流路、流速等を調整することができる。また、サセプタの上方からサブフローガスを供給することにより、サセプタ上で原料ガスが舞い上がることを防止することもできる。原料ガスの舞い上がりを防止するという観点より、サブフローガスは、窒化物半導体の原料として用いられるアンモニア（ＮＨ３）よりも分子量が大きくてよい。なお、サブフローガスが混合ガスの場合、サブフローガスの平均分子量がアンモニアよりも大きくてよい。サブフローガスの一例として、窒素（Ｎ２），アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス、水素ガス（Ｈ２）、又は、これらの混合ガスが挙げられる。
【００２０】
基板上に窒化物半導体層を成長させるときに、生成物（副生成物も含む）の堆積速度が最も高い最大堆積位置が、基板支持部の外側になるように原料ガスを供給してよい。すなわち、生成物の最大堆積位置を、窒化物半導体層を成長させる位置（基板支持部）から敢えてずらしてよい。最大堆積位置には、不純物を含有した副生成物が多く堆積する。最大堆積位置が基板支持部の外側になるように原料ガスを供給することにより、不純物を含有した副生成物の温度上昇が抑制され、副生成物から不純物が再脱離することを抑制することができる。窒化物半導体層に予定していない不純物が混入することが抑制され、所望する不純物濃度の窒化物半導体層が得られる。ｐ型半導体層を備える窒化物半導体装置において、ｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物の濃度を、ｐ型不純物層の深さ方向（厚み方向）において均一にすることができる。
【００２１】
また、生成物の最大堆積位置が、基板支持部より下流になるように原料ガスを供給してもよい。副生成物から不純物が再脱離しても、不純物が基板上に移動することを防止でき、窒化物半導体層に不純物（再脱離した不純物）が混入することを抑制することができる。
【００２２】
基板上に成長させる窒化物半導体層は、下記一般式（１）で示される材料で構成されていてよい。
Inx１Aly１Ga1−x１−y１N(0≦x１≦1、0≦y１≦1、0≦x１+y１≦1)      （１）
【００２３】
本明細書で開示する窒化物半導体装置は、ｐ型半導体層を備えていてよい。このｐ型半導体層は、深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数が１０％未満に抑制されたものであってよい。また、窒化物半導体装置は、上記ｐ型半導体層（ｐ型不純物の変動係数が１０％未満）のみで構成されていてもよいし、上記ｐ型半導体層に加え、上記ｐ型半導体層とは不純物の種類や濃度が異なる半導体層を備えていてもよい。具体的には、窒化物半導体装置は、ｐ型不純物の変動係数が１０％未満のｐ型半導体層の他に、ｎ型半導体層，ｉ型半導体層，不純物濃度が異なる第２のｐ型半導体層を備えていてよい。ｐ型不純物の変動係数が１０％未満のｐ型半導体層は、ｎ型半導体層，ｉ型半導体層，第２のｐ型半導体層の何れかと接触していてよい。なお、第２のｐ型半導体層は、ｐ型不純物の変動係数が１０％未満に抑制されていなくてもよい。ｐ型半導体層及び第２のｐ型半導体層に含まれる不純物は、マグネシウム（Ｍｇ）であってよい。なお、ｐ型不純物の変動係数は、ｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物の濃度を深さ方向の関数として測定し、ｐ型不純物濃度の標準偏差を、ｐ型不純物濃度の平均で除する（標準偏差／濃度平均値）ことにより算出することができる。
【００２４】
ｐ型不純物の変動係数は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）で測定することができる。変動係数１０％未満という数値は、ＳＩＭＳにおける測定点ばらつきと同程度の値である。すなわち、ｐ型不純物の変動係数が１０％未満に抑制されているという結果は、実質的に、ｐ型半導体層の深さ方向に濃度分布が存在しないことを意味する。なお、ｐ型半導体層の深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数を測定するときに、見かけ上の濃度分布が生じることを避けるため、ｐ型半導体層の表裏面から０．１μｍの範囲の測定結果は、変動係数の計算から除外する。ｐ型半導体層の表裏面とは、ｐ型半導体層の深さ方向の端面のことであり、例えば、ｐ型半導体層と他の半導体層（例えば、上記したｎ型半導体層，ｉ型半導体層，第２のｐ型半導体層）との界面、ｐ型半導体層と電極との界面、ｐ型半導体層と保護膜との界面等のことを意味する。
【００２５】
本明細書で開示する窒化物半導体装置の種類は、上記ｐ型半導体層を備えるものであれば、特に限定されない。例えば、窒化物半導体装置は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）であってよい。その場合、上記ｐ型半導体層（変動係数が１０％未満）は、ｎ型のソース領域を囲むボディ領域であってよい。ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴでは、ボディ領域が反転チャネル層として機能する。すなわち、ボディ領域に含まれる不純物濃度によって、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が決定される。ボディ領域のｐ型不純物の変動係数が１０％未満に抑制されているＭＯＳＦＥＴは、閾値電圧が安定し、また、ボディ領域内に局所的な電界集中が生じることが抑制され、高い安定性を有する。なお、ボディ領域の深さ方向の濃度分布が大きくなると、深さ方向に閾値電圧の異なるＭＯＳＦＥＴが直列に接続されている状態となり、ＭＯＳＦＥＴの動作が不安定になることがある。
【００２６】
上記ｐ型半導体層がＭＯＳＦＥＴのボディ領域として機能する場合、ｐ型半導体層のｐ型不純物の不純物濃度（平均濃度）は、１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であってよい。不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であれば、閾値電圧を電力変換回路に一般的に求められる値（３〜１０Ｖ）に設定することができる。ボディ領域の深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数を１０％未満とし、ｐ型不純物の平均濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、閾値電圧が安定したパワーＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【実施例】
【００２７】
図１及び図２を参照し、窒化物半導体製造装置１００（以下、製造装置１００と称する）について説明する。製造装置１００は、チャンバー１０と、テーブル６と、サセプタ８と、ヒータ２２と、リフレクタ２４を備えている。テーブル６及びサセプタ８は、各々表面がチャンバー内空間１０ａに露出している。なお、テーブル６及びサセプタ８の間には、断熱部９が設けられている。断熱部９によって、サセプタ８の熱がテーブル６に伝達することが抑制される。すなわち、テーブル６の温度上昇が抑制される。サセプタ８は、断熱部９及びテーブル６に回転可能に支持されている。サセプタ８は、回転軸８ｃの周りを回転することができる。サセプタ８には、基板支持部３０が形成されている（図２を参照）。基板支持部３０は、サセプタ８の表面側に形成された窪みである。基板支持部３０は円形である。基板支持部３０には、図１に示す基板１８が配置され、基板１８上に窒化物半導体層が気相成長される。なお、サセプタ８はカーボン製である。断熱部９は石英（ＳｉＯ２）製である。テーブル６は金属（例えば、ステンレススチール）製である。断熱部９は、サセプタ８より熱伝導率が低い。なお、基板支持部３０は、オリエンテーションフラットを有する基板（ウエハ）の形状に合わせた形状、すなわち、円形の一部に弦を備えた形状であってもよい。
【００２８】
ヒータ２２及びリフレクタ２４は、サセプタ８の裏面側に配置されている。ヒータ２２及びリフレクタ２４は、チャンバー内空間１０ａに露出していない。リフレクタ２４は、側壁２４ａと底部２４ｂを備えている。側壁２４ａは円筒状である。底部２４ｂは、側壁２４ａの一端に設けられている。底部２４ｂには、貫通口２４ｃが設けられている。側壁２４ａの他端は開口している。リフレクタ２４の内側に、ヒータ２２が配置されている。ヒータ２２は、側面と裏面をリフレクタ２４で囲われている。具体的には、ヒータ２２の裏面がリフレクタ２４の底部２４ｂに対向しており、ヒータ２２の側面が側壁２４ａに対向している。ヒータ２２には、電極２２ａが接続されている。電極２２ａによって、ヒータ２２に電力が供給される。電極２２ａは、貫通口２４ｃを通過している。ヒータ２２の表面はサセプタ８に対向している。ヒータ２２によって、サセプタ８（サセプタ８に支持された基板１８）が加熱される。なお、図示は省略しているが、リフレクタ２４の底部２４ｂには、サセプタ８の温度を測定するための熱電対が通過するための貫通口も設けられている。
【００２９】
図２に示すように、ヒータ２２のサイズ（幅Ｗ２２）は基板支持部３０のサイズ（直径Ｒ３０）より小さく、基板支持部３０のサイズはリフレクタ２４のサイズ（側壁２４ａの内周面の直径Ｒ２４）より小さい。リフレクタ２４のヒータ２２を囲っている範囲（側壁２４ａ内）は、基板支持部３０の全面に対向している。また、側壁２４ａの内面は、サセプタ８の外縁８ａより内側に位置している。よって、基板支持部３０の全体がヒータ２２によって加熱されるとともに、サセプタ８の周囲の部品の温度上昇が抑制される。
【００３０】
図１に示すように、製造装置１００は、原料ガス供給部２０と、サブフローガス供給部１２と、原料ガス排出部２を備えている。原料ガス供給部２０は、チャンバー１０の側面に取り付けられている。原料ガス供給部２０は、複数のフローチャネルを備えている。図１には、複数フローチャネルのうち、III族原料フローチャネル２０ａと、Ｖ族原料フローチャネル２０ｂを示している。III族原料フローチャネル２０ａは、チャンバー内空間１０ａに窒化物半導体を構成するIII族原料（例えば、トリメチルガリウム：ＴＭＧａ）を供給する。Ｖ族原料フローチャネル２０ｂは、チャンバー内空間１０ａに窒化物半導体を構成するＶ族原料（例えば、アンモニア）を供給する。チャンバー内空間１０ａに導入された原料ガスは、テーブル６の表面に沿って、矢印１６，４に示すように移動し、原料ガス排出部２から排出される。原料ガスは、基板１８に対して、基板１８の横方向から供給される。原料ガスは、基板１８の表面で加熱されて反応し、基板１８表面に窒化物半導体層が成長する。
【００３１】
なお、原料ガス供給部２０は、フローチャネル２０ａ，２０ｂ以外のフローチャネル、例えば、不純物原料フローチャネルを備えていてもよい。不純物原料フローチャネルは、窒化物半導体の導電型を決定する不純物ガスを供給する。窒化物半導体の導電型を決定するｎ型不純物ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４），モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ３）が挙げられ、ｐ型不純物ガスとしてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（ｂｉｓ―Ｃｐ２Ｍｇ）が挙げられる。
【００３２】
サブフローガス供給部１２は、テーブル６（サセプタ８）の上方に配置されている。サブフローガス供給部１２は、サセプタ８に向けて窒素と水素の混合ガスを矢印１４方向に供給する。すなわち、サブフローガス供給部１２は、斜め下方にサブフローガスを供給する。サブフローガスを供給することにより、原料ガスの速度、移動方向が調整される。具体的には、サブフローガスによって、生成物の最大堆積位置が調整され、また、原料ガスが上方に舞い上がることが抑制される。
【００３３】
ここで、図３を参照し、窒化物半導体の製造方法について説明する。なお、図３では、リフレクタ２４について、ヒータ２２と対向する面（内面）のみを示している。図３の曲線３２は原料ガス供給部２０からの距離と生成物（副生成物も含む）の堆積速度の関係を示し、曲線４４は原料ガス供給部２０からの距離と各部品（サセプタ８，断熱部９，テーブル６）の温度の関係を示している。
【００３４】
図３に示すように、生成物の堆積速度は、サセプタ８の外側（サセプタ８の下流）で最大となる。すなわち、生成物の堆積速度がサセプタ８の外側（下流）で最大になるように、原料ガス及びサブフローガスの供給速度を調整する。曲線３２に示すように、生成物の堆積速度は、サセプタ８より下流で最大となる。そのため、生成物が最も多く堆積する位置（最大堆積位置）に堆積した生成物が再脱離しても、再脱離した原料（不純物を含む）が半導体層内に混入することが抑制される。また、サセプタ８とテーブル６の間に断熱部９が設けられていることにより、サセプタ８の外側の温度は、サセプタ８の温度より低くなる。そのため、サセプタ８の外側に堆積した生成物（不純物）の再脱離を抑制することができる。
【００３５】
なお、曲線４４に示すように、サセプタ８（基板支持部３０）の温度はほぼ均一である。ヒータ２２をリフレクタ２４で囲うことにより、リフレクタ２４と対向する範囲の基板支持部３０の温度を均一に保つことができる。リフレクタ２４は、ヒータ２２の輻射熱を、リフレクタ２４の内側に向けて反射する。そのため、リフレクタ２４の外側と対向する部品（断熱部９，テーブル６）は、ヒータ２２によって加熱されない。また、ヒータ２２の輻射熱はリフレクタ２４の内側に反射されるので、リフレクタ２４の外側は、リフレクタ２４の内側より低温である。よって、サセプタ８の外側の部品（断熱部９，テーブル６）は、サセプタ８と比較して、十分に低い温度に維持される。また、サセプタ８が自転するので、基板上に成長する窒化物半導体層の厚みを均一にすることができる。
【００３６】
上記の製造方法では、生成物の最大堆積位置が基板支持部３０よりも下流になるように原料ガスを供給する。チャンバー内空間１０ａに導入された原料ガスから生成された副生成物は、基板支持部３０より下流の温度が低い部分により多く堆積する。上記したように、サセプタ８の外側の部品は、サセプタ８より低温に維持される。そのため、最大堆積位置をサセプタ８の外側（サセプタ８の下流）に設定することによって、副生成物の再脱離が抑制され、予定しない原料（不純物）が窒化物半導体層内に混入することが抑制される。例えば、原料ガスにＭｇ等のｐ型不純物が含まれている場合、窒化物半導体層の深さ方向において、ｐ型不純物の濃度が設計値からずれることを抑制することができる。
【００３７】
なお、上記した製造方法によると、ｐ型不純物濃度が低濃度（１×１０１８ｃｍ−３以下）の場合であっても、窒化物半導体層の深さ方向においてｐ型不純物の変動係数を１０％未満に抑制することができる。従来のように、窒化物半導体層の厚みを均一にするために、例えば、ヒータで基板支持部の外側まで加熱すると、サセプタの外側の温度が上昇し、堆積した副生成物（ｐ型不純物）の再脱離が起こり易くなる。その結果、副生成物に含まれていたＭｇ等のｐ型不純物が窒化物半導体層に混入し、窒化物半導体層の深さ方向における不純物濃度が設定値からずれ易くなる。特に、低濃度（１×１０１８ｃｍ−３以下）のｐ型半導体層を形成する場合に再脱離したｐ型不純物が窒化物半導体層内に混入すると、半導体装置の特性に大きな影響を及ぼす。サセプタの外側に堆積した副生成物の再脱離を抑制し、さらに、再脱離した副生成物が窒化物半導体層内に混入することを抑制することにより、不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３以下の窒化物半導体層において、深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数を１０％未満に抑制することができる。
【００３８】
（第２実施例）
図４及び図５を参照し、窒化物半導体製造装置２００（以下、製造装置２００と称する）について説明する。製造装置２００は、製造装置１００の変形例である。よって、製造装置２００について、製造装置１００と共通する特徴については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略することがある。
【００３９】
製造装置２００では、６個のサセプタ８を備えたサセプタ支持部１９が、テーブル６に固定されている。すなわち、製造装置２００では、６個の基板１８上に、同時に窒化物半導体層を気相成長させることができる。サセプタ支持部１９は、石英製であり、断熱性を有している。各々のサセプタ８は、サセプタ支持部１９に対して自転することができる。また、各サセプタ８毎に、原料ガス供給部２０が設けられている。製造装置２００では、チャンバー１０の中央に、チャンバー１０の上下方向に延びる筒状部２１か設けられている。筒状部２１は、サセプタ支持部１９の中央に設けられた貫通口１９ａを通過している。筒状部２１内は、チャンバー内空間１０ａから分離されている。筒状部２１内には、ガス管２１ａ及び２１ｂが配設されている。ガス管２１ａは原料ガス供給部２０のIII族原料フローチャネル２０ａに接続されており、ガス管２１ｂは原料ガス供給部２０のＶ族原料フローチャネル２０ｂに接続されている。原料ガス供給部２０からチャンバー内空間１０ａに導入された原料ガスは、テーブル６の表面に沿って、矢印１６，４に示すように移動し、原料ガス排出部２から排出される。すなわち、原料ガスは、サセプタ支持部１９の中央（貫通口１９ａ側）からサセプタ支持部１９の外縁（径方向外側）に向かって移動する。製造装置２００でも、原料ガスは、基板１８の横方向から供給される。
【００４０】
製造装置２００では、サブフローガス供給部１２は、各サセプタ８に対してサブフローガスを斜め下方に供給する。そのため、原料ガスの流れ（流速、流量）は、全てのサセプタ８においてほぼ均一となる。また、各原料ガス供給部２０から各サセプタ８までの距離は等しい。そのため、原料ガスは、全てのサセプタ８に対して均等に供給される。
【００４１】
なお、ヒータ２２及びリフレクタ２４は、各サセプタ８毎に配置されている。すなわち、製造装置２００は、６個のヒータ２２と６個のリフレクタ２４を備えている。ヒータ２２，リフレクタ２４及びサセプタ８の位置関係は、製造装置１００と同一のため説明を省略する（図２を参照）。また、製造装置２００においても、生成物の最大堆積位置がサセプタ８の下流（サセプタ８に対して、原料ガス供給口１９ａの反対側）になるように、原料ガス，サブフローガスの供給速度を調整する（図３を参照）。そのため、製造装置２００においても、不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３以下のｐ型窒化物半導体層において、深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数を１０％未満に抑制することができる。
【００４２】
なお、サセプタ８の数は、５個以下、あるいは、７個以上であってもよい。複数のサセプタを設ける場合、原料供給口１９ａを囲むようにサセプタ８が配置されており、原料供給口１９ａから各サセプタ８までの距離が等しく、各サセプタ８毎にヒータ２２及びリフレクタ２４が設けられていればよい。
【００４３】
（第１実験例）
製造装置１００を用いて、図６に示す窒化物半導体層８０を作製した。なお、窒化物半導体層８０は、製造装置２００で製造することもできる。窒化物半導体層８０は、複数窒化物半導体層が積層した積層体であり、ｎ＋型の窒化ガリウム（ＧａＮ）基板７０と、ｎ−型窒化ガリウム層７２と、ｐ型窒化ガリウム層７４と、ｉ型窒化ガリウム層７６と、ｐ＋型窒化ガリウム層７８を備えている。
【００４４】
まず、窒化物半導体層８０を作製したときの製造装置１００のサイズ等について具体的に説明する。サセプタとして、２インチ用のサセプタ８を用いた。具体的には、サセプタ８の直径（外径）は５８ｍｍであり、基板支持部３０の直径は５１．２ｍｍである。サセプタ８は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）でコーティングしたカーボン製のものを用いた。
【００４５】
ヒータ２２は、外径５０ｍｍであり、平面視したときに、基板支持部３０の内周より内側に配置した。ヒータ２２として、ＰＢＮ（パイロリティック  ボロン  ナイトライド）でコーティングしたカーボンヒータを用いた。リフレクタ２４は、直径（側壁２４ａの内径）５４ｍｍであり、平面視したときに、側壁２４ａの内面が基板支持部３０の外側であるとともにサセプタ８の外縁の内側になるように配置した。なお、断熱部９として、不透明の石英を用いた。
【００４６】
窒化ガリウム基板７０を９８０℃に加熱した状態で、原料ガス供給部２０から原料ガスを供給速度１７．２ｓｌｍで供給した。原料ガスを１７．２ｓｌｍで供給することにより、サセプタ８より下流において、生成物の堆積速度が最も高くなった。Ｇａ（III族原料），Ｎ（Ｖ族原料），Ｍｇ（ｐ型不純物），Ｓｉ（ｎ型不純物）の原料ガスとして、各々トリメチルガリウム（ＴＭＧ），アンモニア（ＮＨ３），ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（ｂｉｓ―Ｃｐ２Ｍｇ），モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ３）を用いた。
【００４７】
窒化ガリウム基板７０上に、ｎ−型窒化ガリウム層７２（不純物濃度：３×１０１６ｃｍ−３），ｐ型窒化ガリウム層７４（不純物濃度：２×１０１７ｃｍ−３），ｉ型窒化ガリウム層７６，ｐ+型窒化ガリウム層７６（不純物濃度：５×１０１９ｃｍ−３）が、この順に成長するように、原料ガスの流量及びサブフローガスの流量を調整した。また、比較例として、他の条件は同一で、原料ガスの供給速度を１０ｓｌｍとした窒化物半導体層（積層体）も製造した。なお、原料ガスの供給速度を１０ｓｌｍとすると、生成物の最大堆積位置は、窒化ガリウム基板７０上（基板支持部３０上）となった。
【００４８】
図７は、窒化物半導体層８０の各層に含まれるＭｇ濃度を示している。図７の横軸は、窒化物半導体層８０の表面からの深さを示し、縦軸はＭｇ濃度（ｃｍ−３）を示している。表面から０．５７μｍ〜２．２８μｍの範囲（範囲９３）が、ｐ型窒化ガリウム層７４に相当する。曲線９０は供給速度１７．２ｓｌｍで作製した結果（本実験例）を示し、曲線９１は供給速度１０ｓｌｍで諾成した結果（比較例）を示している。なお、Ｍｇ濃度は、ＳＩＭＳで測定した。
【００４９】
図７に示すように、本実験例で作製した窒化物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム層７４のＭｇ濃度が、深さ方向においておよそ２．０×１０１７ｃｍ−３で均一であった。具体的には、ｐ型窒化ガリウム層７４のＭｇ濃度の平均値は２．０×１０１７ｃｍ−３であり、深さ方向（界面から０．１μｍを除く範囲９２）におけるＭｇ濃度の変動係数が８．７％であった。それに対して、比較例の窒化物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム層の濃度が、深さ方向で不均一であり、１×１０１８ｃｍ−３を超えている部分も存在した。また、比較例の窒化物半導体層は、深さ方向におけるＭｇ濃度の変動係数が４１％であった。生成物の最大堆積位置を窒化ガリウム基板（基板支持部３０）より下流にすることにより、再脱離したＭｇが半導体層内に混入することが抑制され、低濃度でありながら深さ方向における不純物濃度が均一なｐ型窒化ガリウム層７４が得られることが確認された。なお、図示は省略するが、本実施例の窒化物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム層７４内に、Ｓｉ，Ｏ等の不純物が含まれていなかった（ＳＩＭＳの検出限界であった）。これは、断熱部９の温度上昇が抑制されているため、断熱部９からの不純物も窒化物半導体層に混入しなかったことを示している。
【００５０】
（第２実験例）
製造装置１００を用いて、図８に示す窒化物半導体層４０を作製した。なお、窒化物半導体層４０は、製造装置２００で製造することもできる。また、窒化物半導体層４０を用いて、図９に示す窒化物半導体装置３００を製造した。
【００５１】
窒化物半導体層４０は、複数の窒化物半導体層が積層した積層体であり、ｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）基板４２と、ｎ−型窒化ガリウム層４４と、ｐ型窒化ガリウム層４６と、ｐ＋型窒化ガリウム層４８を備えている。窒化物半導体層４０では、ｎ型不純物としてシリコンが用いられており、ｐ型不純物としてマグネシウムが用いられている。ｎ＋型窒化ガリウム基板４２の不純物濃度は１．０×１０１８ｃｍ−３に調整されており、ｎ−型窒化ガリウム層４４の不純物濃度は６．５×１０１６ｃｍ−３に調整されており、ｐ型窒化ガリウム層４６の不純物濃度は５．０×１０１７ｃｍ−３に調整されており、ｐ＋型窒化ガリウム層４８の不純物濃度は７．０×１０１９ｃｍ−３に調整されている。なお、ｐ型窒化ガリウム層４６の厚みは０．６８μｍであり、ｐ＋型窒化ガリウム層４８の厚みは０．０７μｍである。
【００５２】
窒化物半導体装置３００について説明する。窒化物半導体装置３００は、窒化物半導体層４０を用いて製造されたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。窒化物半導体装置３００は、ドレイン電極５０と、ドレイン領域（ｎ＋型窒化ガリウム基板）４２と、ドリフト領域（ｎ−型窒化ガリウム層）４４と、ボディ領域（ｐ型窒化ガリウム層）４６と、ソース領域５４と、ボディコンタクト領域（ｐ＋型窒化ガリウム層）４８と、ソース電極５２と、ゲート部６４と、ゲートパッド５８と、パッシベーション膜５６を備えている。
【００５３】
ドレイン電極５０は、ドレイン領域４２の裏面に接続されている。ドレイン電極５０の材料はチタンとアルミニウムの積層体である。ソース領域５４は、窒化物半導体層４０の表面の一部に設けられている。ソース領域５４には、不純物としてシリコンが導入されており、不純物濃度は６．５×１０１６ｃｍ−３に調整されている。なお、ソース領域５４は、窒化物半導体層４０の表面の一部にシリコンをイオン注入することによって形成されている。ソース領域５４に、ソース電極５２が接続されている。ソース電極５２の材料はアルミニウムである。なお、ソース電極５２は、ボディコンタクト領域４８にも接続されている。
【００５４】
ゲート部６４は、ゲート絶縁膜６２とゲート電極６０を備えている。ゲート絶縁膜６２の材料はアルミナと酸化ケイ素の混合膜である。ゲート電極６０の材料はポリシリコンである。ゲート部６４は、窒化物半導体層４０の表面から、ソース領域５４及びボディ領域４６を貫通して、ドリフト領域４４に達している。ゲート電極６０は、ゲート絶縁膜６２を介して、ボディ領域４６に対向している。ゲートパッド５８は、ゲート電極６０に接続している。ゲートパッド５８の材料はアルミニウムである。ゲートパッド５８とソース電極５２は、パッシベーション膜によって絶縁されている。
【００５５】
ここで、図１０を参照し、窒化物半導体層４０の表面から１μｍまでのＭｇ濃度の測定結果について説明する。Ｍｇ濃度は、ＳＩＭＳを用いて測定した。図１０の横軸は窒化物半導体層４０の表面からの深さを示し、左側縦軸はＭｇ濃度を示し、右側縦軸はＭｇ濃度を深さで微分した値の絶対値を示している。曲線９８はＭｇ濃度を示し、曲線９９は微分の絶対値を示している。なお、図１０は、窒化物半導体層４０の表面（ｐ＋型窒化ガリウム層４８）からｎ−型窒化ガリウム層４４の一部までの結果を示している。
【００５６】
図１０に示すように、ｐ＋型窒化ガリウム層４８とｐ型窒化ガリウム層４６の界面（矢印９４：表面から０．０７μｍ）の位置、及び、ｐ型窒化ガリウム層４６とｎ−型窒化ガリウム層４４の界面（矢印９５：表面から０．７５μｍ）の位置において、微分の絶対値が極大値をとることが確認された。すなわち、窒化物半導体層４０の表面から０．０７〜０．７５μｍの範囲９６にｐ型窒化ガリウム層４６が形成されていることが確認された。換言すると、Ｍｇ濃度の微分値の結果より、表面から０．０７μｍの位置にｐ＋型窒化ガリウム層４８とｐ型窒化ガリウム層４６の界面が存在し、表面から０．７５μｍの位置にｐ型窒化ガリウム層４６とｎ−型窒化ガリウム層４４の界面が存在することが確認された。ｐ型窒化ガリウム層４６について、界面から０．１μｍの範囲を除いて（範囲９７：表面から０．１７〜０．６５μｍについて）Ｍｇの平均濃度、標準偏差、変動係数を計算した結果、平均濃度５．０×１０１７ｃｍ−３，標準偏差４．８×１０１６ｃｍ−３，変動係数９．５％であった。
【００５７】
上記したように、窒化物半導体装置３００は、窒化物半導体層４０を用いて作製されている。そのため、窒化物半導体装置３００のボディ領域４６のＭｇの平均濃度は５．０×１０１７ｃｍ−３であり、変動係数は９．５％である。ボディ領域４６とゲート絶縁膜６２の界面には、窒化物半導体装置３００がオン状態のとき（ゲートパッド５８にオン電圧を印加しているとき）に反転層（ｎ型チャネル）が形成される。窒化物半導体装置３００は、変動係数が１０％未満に抑制されているので、閾値電圧が不安定になることが抑制されている。また、窒化物半導体装置３００は、ボディ領域４６の不純物（Ｍｇ）の平均濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３なので、閾値電圧（オン電圧）を３―１０Ｖの範囲内に設定することができ、ＭＯＳＦＥＴとして実用的な閾値電圧を選択することができる。なお、閾値電圧を３―１０Ｖにするためには、ボディ領域４６のＭｇの平均濃度を１×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３に調整することが必要である。
【００５８】
上記実験例において、ｐ＋型窒化ガリウム層は、ｐ型窒化ガリウム層の表面にイオン注入を行うことによって形成してもよい。重要なことは、サセプタの裏面に配置するリフレクタの端部がサセプタの基板支持部より外側に位置するとともにサセプタの外縁より内側に位置している製造装置において、ｐ型窒化ガリウム層を形成するときに生成物の最大堆積位置が基板支持部の外側になるように原料ガスを供給して窒化物半導体層を製造することである。また、重要なことは、そのようにして製造された窒化物半導体層を用いて窒化物半導体装置を作製することにより、閾値電圧が安定したＭＯＳＦＥＴを得ることができる。
【００５９】
また、上記第２実験例では、トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴについて説明した。しかしながら、本明細書で開示される技術は、プレーナゲート型のＭＯＳＦＥＴに適用することもできる。この場合、ｐ型不純物の平均濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であり、深さ方向における変動係数が１０％未満の窒化物半導体層（第２実験例のｐ型窒化ガリウム層４６に相当）をボディ領域（反転層が形成される領域）として用いることができる。また、本明細書で開示される技術は、ＭＯＳＦＥＴを作製するための窒化物半導体層（積層体）、及びその窒化物半導体層の製造方法に限定されるものではなく、例えば、ｐｎダイオードを作製するための窒化物半導体層（積層体）及びその製造方法に適用することもできる。この場合も、ｐｎダイオードのｐ型半導体層の深さ方向におけるｐ型不純物の変動係数が１０％未満に抑制されているので、素子終端部の電界集中を回避することができる。
【００６０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００６１】
８：サセプタ
１０：チャンバー
１０ａ：チャンバー内空間
２２：ヒータ
２４：リフレクタ
３０：基板支持部
４０：窒化物半導体層
８０：窒化物半導体層
１００：窒化物半導体製造装置
３００：窒化物半導体装置
【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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