(57)【要約】【課題】ドーパント濃度の均一性に優れた半導体素子を提供する。【解決手段】半導体素子は、支持基板と、ＩＩＩ族窒化物膜と、支持基板およびＩＩＩ族窒化物膜の間に介在する接合膜とを含む複合基板と、ＩＩＩ族窒化物膜上に設けられたエピタキシャル層と、を含み、エピタキシャル層は、１層以上の半導体層からなり、半導体層のうちの少なくとも１層は、その外周縁から直径の１０％に当たる距離内側までの外周領域を除去した中心領域において、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下であり、かつキャリア濃度のばらつきが±１０％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、ＩＩＩ族窒化物膜と、前記支持基板および前記ＩＩＩ族窒化物膜の間に介在する接合膜とを含む複合基板と、
前記ＩＩＩ族窒化物膜上に設けられたエピタキシャル層と、を含み、
前記エピタキシャル層は、１層以上の半導体層からなり、
前記半導体層のうちの少なくとも１層は、その外周縁から直径の１０％に当たる距離内側までの外周領域を除去した中心領域において、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下であり、かつ前記キャリア濃度のばらつきが±１０％以下である、半導体素子。
【請求項２】
前記半導体素子は、７５ｍｍ以上１５５ｍｍ以下の直径を有する、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記層は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有する、請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記接合膜は二酸化珪素を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子を用いた半導体デバイスであって、
複合基板として、前記半導体素子の前記中心領域を備える、半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子およびこれを用いた半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ族窒化物半導体は、優れた半導体特性を有していることから、半導体デバイスに好適に用いられている。たとえば、特開２００９−１２６７２２号公報（特許文献１）には、半導体デバイス用の基板として、ＧａＮ単結晶からなる自立ＧａＮ基板が開示される。しかし、このような自立ＧａＮ基板は製造コストが高く、また、割れ易いために口径の拡大化が困難な傾向にあった。
【０００３】
これに対し、特開２００８−０１０７６６号公報（特許文献２）は、半導体デバイス用の基板として、ＧａＮと化学組成の異なる異種基板にＧａＮ薄膜が強固に貼り合わされたＧａＮ薄膜貼り合わせ基板が開示される。ＧａＮ薄膜貼り合わせ基板のような複合基板によれば、割れ易さが改善されるとともに、ＧａＮ薄膜（ＧａＮ単結晶）の厚さを薄くできるため、製造コストの低減、口径の拡大化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２６７２２号公報
【特許文献２】特開２００８−０１０７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような複合基板上にエピタキシャル層を形成した場合、エピタキシャル層におけるキャリア濃度の面内均一性が低くなる場合があった。エピタキシャル層におけるキャリア濃度の面内均一性が低下すると、これを半導体素子として用いる際に、製造される半導体デバイスの生産歩留まりが低下するという問題がある。
【０００６】
上記課題に鑑み、面内のキャリア濃度の均一性に優れた半導体素子、およびこれを用いた半導体デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る半導体素子は、支持基板と、ＩＩＩ族窒化物膜と、支持基板およびＩＩＩ族窒化物膜の間に介在する接合膜とからなる複合基板と、ＩＩＩ族窒化物膜上に設けられたエピタキシャル層と、を含む。エピタキシャル層は、１層以上の半導体層からなり、半導体層のうちの少なくとも１層は、その外周縁から直径の１０％に当たる距離内側までの外周領域を除去した中心領域において、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下であり、かつ前記ドーパント濃度のばらつきが±１０％以下である。
【０００８】
本発明の一態様に係る半導体デバイスは、上記の半導体素子を用いた半導体デバイスであって、複合基板として、上記の半導体素子の中心領域を備える。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、キャリア濃度の均一性に優れた半導体素子およびこれを用いた半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る半導体素子の模式的な断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体素子の模式的な平面図である。
【図３】実施形態に係る半導体素子の製造装置の模式的な断面図である。
【図４】図３の製造装置が備えるサセプタの模式的な断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。
【図７】実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。
【図８】実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。
【図９】実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施形態に係る半導体素デバイスの模式的な断面図である。
【図１１】従来のサセプタの模式的な断面図である。
【図１２】実施例１の半導体素子におけるキャリア濃度のばらつきを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[本発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態を列挙して説明する。
【００１２】
本発明者らは、複合基板上にドーパントを含むエピタキシャル層を形成する際にそのキャリア濃度を低く設定すると、キャリア濃度の面内均一性が、他の基板、たとえば自立ＧａＮ基板上に形成されたエピタキシャル層中におけるそれと比して低くなる傾向にあることを確認した。本発明者らは、検討を重ねることにより、その原因が、エピタキシャル層を形成する工程中において複合基板が他の基板と比して特に大きく反ることにあることを突き止めた。
【００１３】
基板の反りが問題となる場合、基板の反りを低減させるというアプローチをとるのが一般的である。しかし、本発明者らは、複合基板の反りは、支持基板とＩＩＩ族窒化物膜との間の接合膜の熱伝導性の低さによるものであり、このような接合膜を用いる以上、反りを十分に低減させることは難しいと考えた。
【００１４】
そこで、本発明者らは発想を転換し、大きく反った複合基板上にキャリア濃度の均一性の高いエピタキシャル層を形成する手法を見出すべく、鋭意検討を重ねた。そして、鋭意検討の結果、大きく反った複合基板に対する好適なエピタキシャル層の形成方法を見出し、これにより、面内均一性に優れた半導体素子を完成させるに至った。
【００１５】
（１）本発明の一態様に係る半導体素子は、支持基板と、ＩＩＩ族窒化物膜と、支持基板およびＩＩＩ族窒化物膜の間に介在する接合膜とを含む複合基板と、ＩＩＩ族窒化物膜上に設けられたエピタキシャル層と、を含み、エピタキシャル層は、１層以上の半導体層からなり、半導体層のうちの少なくとも１層は、その外周縁から直径の１０％に当たる距離内側までの外周領域を除去した中心領域において、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下であり、かつキャリア濃度のばらつきが±１０％以下である。
【００１６】
上記半導体素子によれば、複合基板上に形成されたエピタキシャル層であるにも関わらず、エピタキシャル層を構成する半導体層のうちの少なくとも１層の中心領域において、キャリア濃度の平均値が比較的低く、かつその均一性に優れた層を有することができる。
【００１７】
（２）上記半導体素子は、好ましくは７５ｍｍ以上１５５ｍｍ以下の直径を有する。これにより、従来と比してさらにキャリア濃度の均一性に優れることができる。
【００１８】
（３）上記半導体素子において好ましくは、上記層は１μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有する。これにより、従来と比してさらにキャリア濃度の均一性に優れることができる。
【００１９】
（４）上記半導体素子において好ましくは、接合膜は二酸化珪素を含む。これにより、複合基板は高い接合強度を有することができる。
【００２０】
（５）本発明の一態様に係る半導体デバイスは、上記半導体素子を用いた半導体デバイスであって、複合基板として上記半導体素子の中心領域を備える。
【００２１】
上記半導体デバイスによれば、半導体素子として、キャリア濃度の均一性に優れた中心領域を有する複合基板を用いることができるため、特性に優れる半導体デバイスを低コストで製造することができる。
【００２２】
[本発明の実施形態の詳細]
以下、本実施形態について詳細に説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２３】
＜半導体素子＞
本実施形態に係る半導体素子の構成について、図１および図２を用いて説明する。図１を参照し、半導体素子１０は、支持基板１と、ＩＩＩ族窒化物膜としてのＧａＮ膜２と、支持基板１およびＧａＮ膜２の間に介在する接合膜３とを含む複合基板４と、ＧａＮ膜２上に設けられたエピタキシャル層５とを含む。本実施形態において、エピタキシャル層５は、ｎ+ＧａＮ層５ａと、ｎ-ＧａＮ層５ｂとを含む。
【００２４】
半導体素子１０の直径は、半導体素子１０からの半導体デバイスの取れ数を多くする観点から、５０ｍｍ以上であることが好ましく、７５ｍｍ以上であることがより好ましく、１００ｍｍ以上であることがさらに好ましく、１５５ｍｍ以上であることが特に好ましい。
【００２５】
複合基板４は、支持基板１とＧａＮ膜２とが接合膜３によって貼り合わされたものであり、自立型のＩＩＩ族窒化物からなる基板と比して、ＩＩＩ族窒化物の使用量を低減しつつ、基板としての強度を有することができる。
【００２６】
複合基板４において、接合膜３と支持基板１との間に他の膜が介在していてもよく、接合膜３とＧａＮ膜２との間に他の膜が介在していてもよい。この他の膜は、接合膜３と支持基板１との接合性、および接合膜３とＧａＮ膜２との接合性を高めるために設けられる膜であり、たとえばＳｉＮ膜が挙げられる。
【００２７】
支持基板１は、ＧａＮ膜２と化学組成の異なる異種基板である。支持基板１の材料としては、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ムライト、ジルコニアなどが挙げられる。また、支持基板１として、ｎ型の異種基板を好適に用いることができる。
【００２８】
支持基板１の厚さは、５０μｍ以上３ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下がより好ましい。支持基板１の厚さが５０μｍ未満の場合、複合基板４の強度が不十分となる傾向があり、３ｍｍを超える場合、ハンドリング性が低下したり、コストが増大する傾向がある。
【００２９】
ＧａＮ膜２としては、リン等がドーピングされたｎ型のＧａＮ膜を好適に用いることができる。ｎ型のＧａＮ膜のキャリア濃度は特に制限されず、たとえば１×１０18個／ｃｍ3以上５×１０18個／ｃｍ3以下とすることができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、ＩＩＩ族窒化物膜としてＧａＮ膜を用いて説明するが、ＩＩＩ族窒化物膜はＧａＮ膜に限られず、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのＩＩＩ族元素と窒素との化合物であるＩＩＩ族窒化物からなる膜であればよい。具体的には、上記ＧａＮの他、ＡｌＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）、ＩｎＮ、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）などが挙げられる。
【００３１】
ＧａＮ膜２の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以上１８０μｍ以下がより好ましい。ＧａＮ膜２の厚さが５０μｍ未満の場合、複合基板４の製造法上、その厚さが不均一になり易い傾向があり、３００μｍを超える場合、製造コストが増大する傾向がある。
【００３２】
接合膜３は、支持基板１とＧａＮ膜２とを接合する性能を有する膜である。接合膜３の材料としては、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などが挙げられ、接合性の高さから二酸化珪素が好ましい。接合膜３の厚さは特に制限されないが、上記の性能を発揮し得る限りその厚さは薄いことが好ましい。
【００３３】
エピタキシャル層５は、ＣＶＤ法によって複合基板４のＧａＮ膜２上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層である。本実施形態では、エピタキシャル層５はｎ+ＧａＮ層５ａとｎ-ＧａＮ層５ｂとからなるが、エピタキシャル層５の構成はこれに限られない。ただし、結晶の均一性の観点から、エピタキシャル層５を構成する半導体は、複合基板４のＩＩＩ族窒化物膜と同じ元素からなることが好ましい。
【００３４】
エピタキシャル層５の厚さは特に制限されないが、半導体デバイスとして高耐圧（高耐電圧）で低オン抵抗を有するパワーデバイスに用いる観点からは、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上２５μｍ以下がより好ましい。
【００３５】
ｎ+ＧａＮ層５ａのドーパント濃度は特に制限されず、たとえば１×１０18個／ｃｍ3以上５×１０18個／ｃｍ3以下とすることができる。また、ｎ+ＧａＮ層５ａの厚さは特に制限されず、たとえば０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。これにより、半導体素子１０をショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）として利用する場合に、ｎ+ＧａＮ層５ａをバッファ層として好適に機能させることができる。なお、ｎ+ＧａＮ層５ａおよびｎ-ＧａＮ層５ｂの各キャリア濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により評価することができる。
【００３６】
ｎ-ＧａＮ層５ｂのキャリア濃度は特に制限されず、たとえば２×１０15個／ｃｍ3以上５×１０16個／ｃｍ3以下とすることができる。また、ｎ-ＧａＮ層５ｂの厚さは特に制限されず、たとえば１μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。これにより、半導体素子１０をＳＢＤとして利用する場合に、ｎ-ＧａＮ層５ｂをドリフト層として好適に機能させることができる。ｎ-ＧａＮ層５ｂの厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３７】
さらに、本実施形態において、ｎ-ＧａＮ層５ｂは次の特徴を有する。すなわち、ｎ-ＧａＮ層５ｂの外周縁から、その直径Ｒ1の１０％に当たる距離Ｒ2内側までの外周領域（図２中、実線円および点線円に挟まれる領域）を除去した中心領域５ｂｂ（図２中、点線円で囲まれる領域）において、ｎ-ＧａＮ層５ｂのキャリア濃度の平均値は４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下であり、かつキャリア濃度のばらつきは±１０％以下である。
【００３８】
上記平均値とは、中心領域５ｂｂの任意の７点以上におけるキャリア濃度（個／ｃｍ3）の平均値である。任意の点のそれぞれは、ｎ-ＧａＮ層５ｂの同一面内であってかつその位置が異なる。上記ばらつきは、最大値から最小値を減じた値を、最大と最小値とを加えた値で除することにより求められる値（（最大値−最小値）／（最大値＋最小値））である。また「ばらつきが±１０％以下」とは、求められた値が、「平均値＋平均値の１０％」の値を超えることがなく、かつ「平均値−平均値の１０％の値」を下回ることがないことを意味する。
【００３９】
なお、図２において、半導体素子１０の中心軸は、半導体素子１０の外縁である実線円の中心点Ａと一致し、かつ仮想円である点線円の中心点Ａと一致する。図２中のＲ3の長さは、エピタキシャル層５の直径Ｒ1から、直径Ｒ1の１０％に当たる距離Ｒ2の２倍の長さを減じた長さである。
【００４０】
＜半導体素子の製造装置＞
上述の半導体素子１０の製造装置の一例について、図３および図４を用いて説明する。この製造装置は、ＭＯＣＶＤ装置であり、複合基板を配置させるためのサセプタの形状に特徴を有する。
【００４１】
図３を参照し、ＭＯＣＶＤ装置２０は、反応容器１４と、サセプタ１５と、ヒータ１２と、原料ガス供給部１１と、回転軸１３とを主に備えている。原料ガス供給部１１は図３中横方向に延びており、原料ガス供給部１１の内部にはサセプタ１５の載置面が面している。
【００４２】
サセプタ１５は反応容器１４の内部に配置されている（なお、サセプタ１５の形状については後述する）。そして、サセプタ１５は円盤形状を有するヒータ１２上に配置されている。サセプタ１５の下部には回転機構としての回転軸１３が取り付けられており、これにより、サセプタ１５は原料ガス供給部１１の内部に載置面が面した状態で回転可能となっている。つまりこの構成により、回転するサセプタ１５上に載置される複合基板４が、サセプタ１５を介してヒータ１２により加熱される。
【００４３】
原料ガス供給部１１は、反応容器１４に、複合基板４の表面に沿った方向から第１および第２原料ガスＧ１、Ｇ２およびキャリアガスとしてのガスＧ３を供給する。つまり原料ガス供給部１１は、複合基板４の表面４ａに第１および第２原料ガスＧ１、Ｇ２およびガスＧ３で構成される反応ガスを流すための通路である。本実施の形態の原料ガス供給部１１はサセプタ１５の上面に対して平行に延びており、原料ガスの流れ方向（図中Ｇ１〜Ｇ３の矢印で示す方向）に垂直な面できると矩形の断面形状を有している。また原料ガス供給部１１は横型三層流方式であり、上流側（図２中左側）に第１のガス供給部１１ａと、第２のガス供給部１１ｂと、第３のガス供給部１１ｃとを有している。
【００４４】
この第１のガス供給部１１ａは、複合基板４の表面４ａに垂直な方向Ｄにおいて表面に近い側に位置している。第２のガス供給部１１ｂは、複合基板４の表面４ａに垂直な方向Ｄにおいて第１のガス供給部１１ａより表面から遠い側に位置している。第３のガス供給部１１ｃは、複合基板４の表面４ａに垂直な方向Ｄにおいて第２のガス供給部１１ｂより表面４ａから遠い側に位置している。つまり、サセプタ１５の載置面と垂直な方向Ｄにおいて、第１のガス供給部１１ａ、第２のガス供給部１１ｂ、第３のガス供給部１１ｃの順に、サセプタ１５の載置面に近い。
【００４５】
なお、第１〜第３のガス供給部１１ａ〜１１ｃの第１および第２原料ガスＧ１、Ｇ２およびガスＧ３の出口の位置は、複合基板４の表面４ａに沿った方向、つまり第１および第２原料ガスＧ１、Ｇ２およびガスＧ３の流れ方向において図３に示すように異なっていてもよく、同じであってもよい。
【００４６】
またＭＯＣＶＤ装置２０において、第３のガス供給部１１ｃは省略されていてもよい。この場合に、反応容器１４において複合基板４の表面４ａと対向する面（図２において上壁）に原料ガスＧ１、Ｇ２が供給されることにより結晶が堆積することを抑制するためのパージ機構などの手段が設けられていることが好ましい。
【００４７】
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置２０では、サセプタ１５は反応容器の下方に配置されているフェースアップ方式であるが特にこれに限定されない。ＭＯＣＶＤ装置２０は、反応容器の上方にサセプタ１５が配置されているフェースダウン方式であってもよい。
【００４８】
上記サセプタ１５は、複合基板を配置するための部材である。サセプタ１５は、たとえばカーボンからなり、その外表面は炭化珪素（ＳｉＣ）やタンタルカーバイド（ＴａＣ）によりコーティングされていてもよい。
【００４９】
ここで、サセプタ１５は、従来のサセプタと比してその形状が大きく異なっている。具体的には、図４を参照し、サセプタ１５は、複合基板４を支持するための支持面１５ａと、支持面１５ａによって支持される複合基板４と向かい合う曲面１５ｂと、曲面１５ｂの外周と支持面１５ａとを接続するザグリ側面１５ｃとを有する。
【００５０】
曲面１５ｂは、サセプタ１５の厚さ方向に窪んだ椀状となっている。曲面１５ｂのうちの最も窪んだ中央部Ｐは、載置される複合基板４の中心軸方向から見た場合に、複合基板４の中心軸と一致する。曲面１５ｂの中央部Ｐと、支持面１５ａ上に載置された複合基板４の第１面４ａとの距離Ｄ1は、５０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以上７００μｍ以下であることがより好ましい。この距離は、エピタキシャル層５の形成中における複合基板４の反り幅（サセプタ１５側に大きく窪むように反る幅）を測定したことによって初めて設定されたものである。なお、距離Ｄ1は、中央部Ｐと第１面４ａとを直線で結んだ最短距離である。
【００５１】
また、ザグリ側面１５ｃの長さである距離Ｄ２は、たとえば５０μｍ以上４００μｍ以下とすることができる。これにより、エピタキシャル層５の形成中に、中央部分がサセプタ１５側に大きく窪むように反った複合基板４と曲面１５ｂとの接触を抑制することができ、サセプタ１５による複合基板４の加熱をより均一化することができる。サセプタ１５と複合基板４とが直接接触することによる複合基板４の加熱よりも、サセプタ１５の輻射熱による複合基板４の加熱のほうが複合基板４の反り量に対してある程度の許容範囲を持って均一に加熱することができ、これにより均一化され易いことが要因の一つとして考えられる。
【００５２】
＜半導体素子の製造方法＞
上述のＭＯＣＶＤ装置２０を用いた半導体素子１０の製造方法の一例について、図３〜図９を用いて説明する。
【００５３】
（準備工程）
まず、図５を参照し、主面に接合膜３ａが形成された支持基板１と、主面に接合膜３ｂが形成されたＧａＮ基板２ａとを準備する。ここで、接合膜３ａおよび接合膜３ｂは、互いに貼り合わされて接合膜３を構成するものであり、接合膜３と同じ材料からなる。また、ＧａＮ基板２ａはＧａＮのバルク結晶であり、公知の製造方法により得ることができる。
【００５４】
支持基板１の主面に接合膜３ａを形成する方法、およびＧａＮ基板２ａの主面に接合膜３ｂを形成する方法は特に制限されず、スパッタ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ体積法、分子線成長法、電子線蒸着法などを用いて行うことができる。接合膜３ａおよび接合膜３ｂの形成速度を高く維持しつつ均質な膜を成膜する観点からは、ＣＶＤ法が好ましい。
【００５５】
また、接合膜３ａ，３ｂの外部に露出する各主面は、鏡面とされていることが好ましく、接合膜３ａ，３ｂはアニールされていることが好ましい。各主面が研磨等によって鏡面とされている場合、接合膜同士の接合強度が高まり、もって、支持基板１とＧａＮ基板２ａとの接合強度を高めることができる。また、接合膜３ａ，３ｂをアニールすることにより、各接合膜３ａ，３ｂの脱ガスが可能となるため、各接合膜３ａ，３ｂが緻密化され、もって接合膜３の強度を高めることができる。
【００５６】
（貼りあわせ工程）
次に、図６を参照し、接合膜３ａおよび接合膜３ｂの露出する主面同士を貼り合わせることにより、接合膜３を形成する。これにより、支持基板１およびＧａＮ基板２ａが、接合膜３を介して貼り合わされた積層体が形成される。
【００５７】
主面同士を貼り合わせる貼り合わせ方法は特に制限されず、たとえば、主面同士を接触させた後、その全体を６００℃〜１２００℃程度に昇温して接合する直接接合法、主面同士をプラズマ、イオンなどで活性化処理した後に２５℃〜４００℃程度の低温雰囲気下で接合する表面活性化接合法が挙げられる。また、他の方法として、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度の高圧力環境下で接合する高圧接合法、１０-6Ｐａ〜１０-3Ｐａ程度の高真空雰囲気下で接合する高真空接合法が挙げられる。
【００５８】
上述のいずれの接合法においても、接合前に各主面を薬液および純水で洗浄して、各主面を清浄化することにより、各主面同士の接合強度をさらに高めることができる。また、接合後の積層体を６００℃〜１２００℃程度に昇温することによっても、接合強度をさらに高めることができる。
【００５９】
（切断工程）
次に、図７を参照し、ＧａＮ基板２ａに関し、所望の厚さを有するＧａＮ膜２が残存するように、接合膜３との界面から所望の距離に位置する面で切断する。これにより、支持基板１およびＧａＮ膜２が、接合膜３を介して貼り合わされた複合基板４が形成される。
【００６０】
ＧａＮ基板２ａを切断する方法は特に制限されず、たとえば、ワイヤーソー、ブレードソー、レーザ加工、放電加工、ウォータージェットなどを用いた機械的な切断方法が挙げられる。切断後のＧａＮ膜２の外部に露出する主面は、研磨されることが好ましい。これにより、切断に起因するＧａＮ膜２の主面のダメージ層を除去することができ、もってこの主面上に形成されるエピタキシャル層５の結晶品質を向上させることができる。
【００６１】
また、他の切断方法として、ＧａＮ基板２ａにおいて、接合膜３との界面から所望の距離に位置する面に水素イオン、ヘリウムイオン、または窒素イオンなどのイオンを注入して熱処理する切断方法が挙げられる。イオンが注入された面（注入面）は脆化するため、イオンを注入した後に熱処理することにより、注入面での切断が可能となる。
【００６２】
上述のイオンの注入は、たとえば公知のイオン注入装置を用いることにより実行することができる。また、上述の熱処理は、イオンの拡散を防ぐ観点から、３００℃〜６００℃程度とすることが好ましい。
【００６３】
（エピタキシャル層形成工程）
次に、複合基板４のＧａＮ膜２上にエピタキシャル層５を形成する。具体的には、まず、図３に示すように、ＭＯＣＶＤ装置２０のサセプタ１５上に複合基板４を配置する。このとき、ＧａＮ膜２がガスの流路に面するように配置される。次に、反応容器１４内の圧力を２７ｋＰａ付近に制御しながら水素（Ｈ2）およびアンモニア（ＮＨ3）を含むガスを供給した雰囲気中でＧａＮ膜２を熱処理する。この熱処理により、エピタキシャル成長のための前処理（サーマルクリーニング）がＧａＮ膜２に施される。前処理温度はたとえば１０００℃である。
【００６４】
次に、原料ガス供給部１１から反応容器１４内に反応ガスが供給される。反応ガスは少なくとも原料ガス、キャリアガスおよびドーパントガスを含む。原料ガスは、たとえばトリメチルガリウムガスおよびＮＨ3ガスを用いることができ、キャリアガスは、たとえば水素（Ｈ2）ガス、窒素（Ｎ2）ガスおよびこれらの混合ガスを用いることができ、ドーパントガスは、たとえばシランガスを用いることができる。
【００６５】
たとえば第１のガス供給部１１ａからＶ族元素を含む原料ガス（たとえばＮＨ3ガス）を供給し、第２のガス供給部１１ｂからＩＩＩ族元素を含む原料ガス（たとえばトリメチルガリウムガス）を供給し、第３のガス供給部１１ｃからキャリアガス（たとえば水素ガス）を供給する。また、ドーパントガスについてもいずれのガス供給部からも供給することができるが、たとえば第１のガス供給部１１ａおよび第２のガス供給部１１ｂの両方から供給してもよい。
【００６６】
反応ガスが加熱された複合基板４上に到達するとともに相互に反応し、これによりガスの流路（原料ガス供給部１１）に面するＧａＮ膜２上にエピタキシャル層５が形成される。本実施形態に係る半導体素子１０のエピタキシャル層５は、ｎ+ＧａＮ層５ａおよびｎ-ＧａＮ層５ｂとを有するが、これらは、各ガスの導入量を適宜調整することによって形成することができる。
【００６７】
たとえば、ｎ+ＧａＮ層５ａの成長条件として、成長温度を１０００℃とし、圧力を１００ｋＰａとする。このとき、ｎ+ＧａＮ層５ａ中のキャリア濃度が１×１０18個／ｃｍ3以上５×１０18個／ｃｍ3以下となるようにドーパントガスの流量を調整する。またｎ-ＧａＮ層５ｂの成長条件として、たとえば成長温度をｎ+ＧａＮ層５ａのときよりも低く１１００℃とし、圧力を１００ｋＰａ以上とする。このとき、ｎ-ＧａＮ層５ｂ中のキャリア濃度が２×１０15個／ｃｍ3以上５×１０16個／ｃｍ3以下となるようにドーパントガスの流量を調整する（つまりｎ+ＧａＮ層５ａを成長させるときよりもその流量を低減させる）。
【００６８】
ここで、本工程において、ガスの流路に面するＧａＮ膜２は、主にガスの流路の輻射熱によって加熱され、サセプタ１５に面する支持基板１は、主にサセプタ１５の輻射熱によって加熱される。複合基板４は、支持基板１とＧａＮ膜２との間に熱伝導性の低い接合膜３を有しているため、支持基板１とＧａＮ膜２との間での均熱化が起こり難い。ガスの流路の輻射熱とサセプタ１５の輻射熱とが一致することが理想ではあるが、ガスの流路内には反応ガスが高速で通過するため、実際には支持基板１の温度よりもＧａＮ膜２の温度が低くなる傾向にある。
【００６９】
上記のような温度環境下となることにより、エピタキシャル層５が形成される際の複合基板４において、ＧａＮ膜２の熱膨張の程度よりも支持基板１の熱膨張の程度のほうが大きくなる。これにより、複合基板４は、図８に示すように、サセプタ１５側に大きく窪むように反る。
【００７０】
従来のサセプタ（図１１参照）はサセプタ１５のような曲面を有する形状ではないため、複合基板４の大きな反りによって、複合基板４の中央部分のみがサセプタ１５と接触し、外周部分がサセプタ１５から大きく離れた状態となってしまう。この場合、支持基板１の中央部分のみがサセプタ１５からの熱伝導によって加熱され、支持基板１の外周部分はサセプタ１５からの輻射熱によって加熱されることとなり、支持基板１の温度の面内均一性が著しく低下する。このため、ＧａＮ膜２の温度の面内均一性も著しく低下することとなり、その上に形成されるエピタキシャル層５のドーパント濃度の面内均一性も著しく低下してしまう。これは、ＧａＮ膜中に導入されるキャリアの濃度が、成長中のＧａＮ膜の温度に大きく依存する傾向があるためと考えられる。
【００７１】
これに対し、ＭＯＣＶＤ装置２０が備えるサセプタ１５は、複合基板４の反りに沿うような曲面１５ｂを有する。特に、このサセプタ１５が複合基板４の反りに基づいて設定された距離Ｄ1および距離Ｄ２を満たすことにより、本工程中のサセプタ１５と複合基板４との配置状態は、図８に示すように、複合基板４の中央部分とその直下に位置するサセプタ１５との距離Ｄ3と、複合基板４の外周部分とその直下に位置するサセプタ１５との距離Ｄ4とが略一致することができる。つまり、複合基板４と曲面１５ｂとの距離を面内で一定に維持することができる。これにより、従来と比してＧａＮ膜２の温度の面内均一性が向上することとなり、その上に形成されるエピタキシャル層５のキャリア濃度の面内均一性もまた向上する。
【００７２】
そして、図９に示すように、所望のエピタキシャル層５が形成された後、加熱および反応ガスの導入を停止することにより、本工程を終了する。なお、本工程終了後に複合基板４の温度が低下することにより、複合基板４の反りは解消される。以上の工程を経ることにより、図１および図２に示す半導体素子１０が製造される。
【００７３】
＜半導体デバイス＞
上述の半導体素子１０の中心領域を備える半導体デバイスの一例について、図１０を用いて説明する。ここでは、ＳＢＤとしての半導体デバイスについて説明する。
【００７４】
図１０を参照し、半導体デバイス１００は、支持基板１０１およびＧａＮ膜１０２が接合膜１０３を介して貼り合わされた複合基板１０４と、複合基板１０４上に形成された、ｎ+ＧａＮ層１０５ａおよびｎ-ＧａＮ層１０５ｂとからなるエピタキシャル層１０５と、エピタキシャル層１０５の表面に形成された第１電極１０６と、支持基板１０１の表面に形成された第２電極１０７とを備える。
【００７５】
ｎ-ＧａＮ層１０５ｂは、中心領域５ｂｂに位置するｎ-ＧａＮ層５ｂに相当し、支持基板１０１、ＧａＮ膜１０２、接合膜１０３およびｎ+ＧａＮ層１０５ａのそれぞれは、中心領域５ｂｂに位置するｎ-ＧａＮ層５ｂと同位置に位置する支持基板１、ＧａＮ膜２、接合膜３およびｎ+ＧａＮ層５ａに相当する。ｎ+ＧａＮ層１０５ａはバッファ層として機能し、ｎ-ＧａＮ層５ｂはドリフト層として機能する。
【００７６】
第１電極１０６は、ｎ-ＧａＮ層１０５ｂとショットキー接触するショットキー電極である。第１電極１０６としては、従来公知のショットキー電極を用いることができ、たとえばＮｉ電極、Ａｕ電極、Ｐｄ電極、Ｒｄ電極、Ｐｔ電極を用いることができる。
【００７７】
第２電極１０７は、支持基板１とオーミック接触するオーミック電極である。第２電極１０７としては、従来公知のオーミック電極を用いることができ、たとえばＴｉ電極、Ａｌ電極、Ｔｉ／Ａｌ電極を用いることができる。
【００７８】
このような半導体デバイス１００は、たとえば、次のようにして製造することができる。まず、半導体素子１０の両面（ｎ-ＧａＮ層１０５ｂの表面および支持基板１０１の表面）に第１電極１０６および第２電極１０７を形成する。第１電極１０６および第２電極１０７の形成方法は特に制限されず、たとえば電子ビーム蒸着法を用いることができる。次に、形成された各電極を含むように、半導体素子１０を所望の大きさに切りだしてチップ化する。これにより、半導体デバイス１００を製造することができる。
【００７９】
＜作用効果＞
従来、複合基板上に形成されたエピタキシャル層のキャリア濃度を低く設定した場合、エピタキシャル層の外周縁から、エピタキシャル層の直径の１０％に当たる距離内側までの外周領域を除去した中心領域において、キャリア濃度の平均値のばらつきを±１０％以下とすることは難しい傾向があった。これはすなわち、所定の直径を有する半導体素子から複数のチップを作製する場合に、キャリア濃度が所定の低濃度を満たさない領域が多いために、所望の半導体特性を満たすチップ（半導体デバイス）を予定数得ることができないことを意味する。
【００８０】
これに対し、上述の複合基板４を含む半導体素子１０は、ｎ-ＧａＮ層５ｂの中心領域５ｂｂにおいて、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下という低い値であるにもかかわらず、キャリア濃度のばらつきは±１０％以下である。これは、上述の特徴的な形状を有するサセプタ１５を備えたＭＯＣＶＤ装置２０を用いて半導体素子１０が製造されるためであり、このサセプタ１５の形状は、エピタキシャル層形成工程中での複合基板４の反りをシミュレーション等で予測したり、予め測定しておくことにより設計されるものである。
【００８１】
このように、本実施形態に係る半導体素子１０は、キャリア濃度の平均値が低い値であるにも関わらず、従来と比してキャリア濃度の均一性に優れたｎ-ＧａＮ層５ｂを含むことができる。したがって、１つの半導体素子１０を用いてより多くの半導体デバイス１００を製造することができる。この半導体デバイス１００は、キャリア濃度の平均値が４×１０15個／ｃｍ3以上１．５×１０16個／ｃｍ3以下という低い値であるｎ-ＧａＮ層５ｂを有することができるため、たとえばＳＢＤに好適に利用することができる。
【００８２】
また、従来、上述のキャリア濃度のばらつきは、エピタキシャル層の直径が大きくなるほど増大する傾向があった。これは、直径の大きなエピタキシャル層を得るためには直径の大きな複合基板が必要となるが、直径の大きな複合基板はエピタキシャル層形成工程中の反りの程度がさらに大きくなるために、キャリア濃度のばらつきがさらに大きくなってしまうためである。
【００８３】
これに対し、本実施形態に係る半導体素子１０によれば、その直径が７５ｍｍ以上１５５ｍｍ以下の範囲であっても、上述のキャリア濃度の平均値およびばらつきの値を維持することができる。したがって、１つの半導体素子１０を用いてより多くの半導体デバイス１００を製造することができる。
【００８４】
また、従来、上述のキャリア濃度のばらつきは、エピタキシャル層の厚さが大きくなるほど増大する傾向があった。これに対し、本実施形態に係る半導体素子１０によれば、エピタキシャル層の厚さが１μｍ以上２０μｍ以下と比較的大きい場合であっても、上述のキャリア濃度の平均値およびばらつきの値を維持することができる。
【００８５】
また、二酸化珪素は支持基板１とＧａＮ膜２との接合性に優れるものの、熱伝導性が特に低い傾向にある。このため、二酸化珪素を含む接合膜を用いた場合、複合基板の反りはより大きくなると推測される。しかし、本実施形態に係る半導体素子１０によれば、接合膜３が二酸化珪素を含む場合であっても、上述のドーパント濃度の平均値およびばらつきの値を維持することができる。二酸化珪素を含む接合膜３を有する複合基板４は、高い接合強度を有することができる点で優れている。
【実施例】
【００８６】
＜実施例１＞
以下のようにして複合基板を作製した。まず、支持基板として、直径１００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのムライト基板を準備し、ＩＩＩ族窒化物膜として、直径１５５ｍｍのＧａＮの単結晶からなるＧａＮ基板を準備した。次に、ムライト基板の１つの主面、およびＧａＮ基板の１つの主面のそれぞれに対し、スパッタ法により二酸化珪素からなる接合膜を形成させた。そして、これらの接合膜を接触させた状態で、８００℃程度に昇温することにより、ムライト基板およびＧａＮ基板を貼りあわせた。そして、接合膜上に０．１ｍｍの厚さのＧａＮが残存するように、ワイヤーソーを用いてＧａＮ基板を切断した。
【００８７】
これにより、ムライト基板（支持基板）と、ＧａＮ膜（ＩＩＩ族窒化物膜）と、ムライト基板およびＧａＮ膜の間に介在するＳｉＯ2膜とからなる複合基板が製造された。なお、ＳｉＯ2膜の厚さは１μｍであった。
【００８８】
次に、図３に示すＣＶＤ装置２０のサセプタ１５上に複合基板を載置し、ＲＦコイル１２を発熱させることにより、サセプタ１５の温度を１０００℃にまで昇温させた。そして、反応ガスとして、トリメチルガリウムガス、ＮＨ3ガス、シランガスを導入して、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル形成工程を実施した。
【００８９】
ここで、図４を参照し、本実施例１において、サセプタ１５の曲面１５ｂの直径は１００ｍｍであり、その外周端の一部に突起状の支持面１５ａが位置していた。また、加熱前において、曲面１５ｂの中央部Ｐと、支持面１５ａ上に載置された複合基板の面との距離Ｄ1は６００μｍであり、ザグリ側面１５ｃの長さである距離Ｄ２は２００μｍであった。これらの距離は、予め同様の複合基板をエピタキシャル形成工程に供した際に、複合基板の反りの程度を観察することによって設定されたものであった。
【００９０】
本工程において、バッファ層としてのｎ+ＧａＮ層と、ドリフト層としてのｎ-ＧａＮ層が形成された。各形成条件に関しては、バッファ層のドーパントの濃度および厚さが１．０×１０18個／ｃｍ3および１μｍとなり、かつ、ドリフト層のドーパントの濃度および厚さが６．０×１０15個／ｃｍ3および７μｍとなるように設定した。
【００９１】
これにより、上記複合基板のＧａＮ膜上に、バッファ層とドリフト層とからなるエピタキシャル層が形成された、直径１００ｍｍの半導体素子が製造された。
【００９２】
＜比較例１＞
サセプタ１５の代わりに図１１に示す形状のサセプタ３０を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、半導体素子を製造した。このような形状のサセプタ３０は、従来より用いられているものであり、サセプタ３０上に配置された複合基板は、サセプタ３０の凹部内に収容されることとなる。
【００９３】
＜特性評価＞
製造された実施例１の半導体素子について、ドリフト層のキャリア濃度を測定し、その平均値およびばらつきを算出した。具体的には、ドリフト層の表面の同一面内のうち、１つの外周端、これと反対の位置にある外周端、およびこれら２つの外周端を結ぶ仮想の直線上に等間隔に位置する７つの点におけるドーパント濃度を、ＳＩＭＳにより測定した。その結果を図１２に示す。
【００９４】
図１２を参照し、実施例１の半導体素子が備えるドリフト層は、面内均一性が高いことが確認された。また、ドリフト層の中心領域に含まれる９点のキャリア濃度のばらつきは±１０％以下であった。一方、比較例１の半導体素子が備えるドリフト層についても同様の測定を行ったところ、９点のキャリア濃度のばらつきは±３６％であった。
【００９５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９６】
１，１０１  支持基板
２，１０２  ＧａＮ膜
３，１０３  接合膜
４，１０４  複合基板
５，１０５  エピタキシャル層
５ａ，１０５ａ  ｎ+ＧａＮ層
５ｂ，１０５ｂ  ｎ-ＧａＮ層
５ｂｂ  中心領域
１０  半導体素子
２０  ＭＯＣＶＤ装置
１１  原料ガス供給部
１１ａ  第１のガス供給部
１１ｂ  第２のガス供給部
１１ｃ  第３のガス供給部
１２  ヒータ
１３  回転軸
１４  反応容器
１５，３０  サセプタ
１５ａ  支持面
１５ｂ  曲面
１５ｃ  ザグリ側面
１００  半導体デバイス
１０６  第１電極
１０７  第２電極。
【図１】
2016031938.tif 000003
【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】
2016031938.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016031938.tif 000011
【図１０】
2016031938.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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