(57)【要約】【課題】基材基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）など窒化物半導体膜を成長させて得られる窒化物半導体基板及びその製造方法を提供する。【解決手段】基材基板上に窒化物半導体膜を成長させる際に加えられる応力が基板の周辺部に行くほど大きいという点を考慮し、基材基板の裏面に複数のトレンチを、該応力の吸収軽減に適するように形成する。すなわち、基材基板の裏面に形成される複数のトレンチ間のピッチを基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に狭くするか、トレンチの幅を基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に広くするか、トレンチの深さを基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に深く形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材基板と、前記基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜と、を含み、
前記基材基板の裏面には、第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、
前記複数の第１トレンチ間のピッチが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に狭くなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記基材基板の裏面には、前記第１方向と交差する第２方向に平行に形成された複数の第２トレンチがさらに形成され、
前記複数の第２トレンチ間のピッチが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に狭くなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
基材基板と、前記基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜と、を含み、
前記基材基板の裏面には、第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、
前記複数の第１トレンチの幅が、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に広くなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記基材基板の裏面には前記第１方向と交差する第２方向に平行に形成された複数の第２トレンチがさらに形成され、
前記複数の第２トレンチの幅が前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に広くなることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
基材基板と、前記基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜と、を含み、
前記基材基板の裏面には、第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、
前記複数の第１トレンチの深さが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に深くなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項６】
前記基材基板の裏面には、前記第１方向と交差する第２方向に平行に形成された複数の第２トレンチがさらに形成され、
前記複数の第２トレンチの深さが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に深くなることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体基板。
【請求項７】
前記第１方向と第２方向は互いに垂直で交差することを特徴とする、請求項２、請求項４または請求項６に記載の窒化物半導体基板。
【請求項８】
前記基材基板はシリコンからなることを特徴とする、請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の窒化物半導体基板。
【請求項９】
基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、
前記基材基板の前記第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップと、を含み、
前記複数の第１トレンチ間のピッチが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に狭くなることを特徴とする、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記基材基板の一面に、前記第１方向と交差する第２方向に平行な複数の第２トレンチを形成するステップをさらに含み、
前記複数の第２トレンチ間のピッチが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に狭くなることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、
前記基材基板の前記第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップと、を含み、
前記複数の第１トレンチの幅が、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に広くなることを特徴とする、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記基材基板の一面に、前記第１方向と交差する第２方向に平行な複数の第２トレンチを形成するステップをさらに含み、
前記複数の第２トレンチの幅が前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に広くなることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、
前記基材基板の前記第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップと、を含み、
前記複数の第１トレンチの深さが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に深くなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基材基板の一面に、前記第１方向と交差する第２方向に平行な複数の第２トレンチを形成するステップをさらに含み、
前記複数の第２トレンチの深さが、前記基材基板の中心部から周辺部に行くほど徐々に深くなることを特徴とする、請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記第１方向と第２方向は、互いに垂直で交差することを特徴とする、請求項１０、請求項１２または請求項１４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記第１トレンチは、ソーイングホイール（ｓａｗｉｎｇ  ｗｈｅｅｌ）を用いて形成されることを特徴とする、請求項９、請求項１１または請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
前記第１トレンチは、フォトリソグラフィー法を用いて形成されることを特徴とする、請求項９、請求項１１または請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１８】
前記窒化物半導体膜は、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法で形成されることを特徴とする、請求項９、請求項１１または請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１９】
前記基材基板はシリコンからなることを特徴とする、請求項９、請求項１１または請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２０】
前記窒化物半導体膜を形成した後、前記基材基板を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９、請求項１１または請求項１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２１】
前記基材基板はシリコンからなり、前記基材基板はウェットエッチング法で除去されることを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２トレンチは、ソーイングホイールを用いて形成されることを特徴とする、請求項１０、請求項１２または請求項１４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２トレンチは、フォトリソグラフィー法を用いて形成されることを特徴とする、請求項１０、請求項１２または請求項１４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２４】
前記窒化物半導体膜は、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法で形成されることを特徴とする請求項１０、請求項１２または請求項１４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２５】
前記窒化物半導体膜を形成した後、前記基材基板を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０、請求項１２または請求項１４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２６】
前記基材基板はシリコンからなり、前記基材基板はウェットエッチング法で除去されることを特徴とする、請求項２５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体膜を成長させて得られ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】
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）構造を有する窒化物半導体であり、常温で、可視光線の青色波長帯に当たる３．４ｅＶの直接遷移型バンドギャップを有するだけでなく、ＩｎＮ及びＡｌＮと全率固溶体をなして禁止帯幅の調整が可能であり、全率固溶体の全ての組成範囲内で直接遷移型半導体の特性を示すため、青色表示及び発光素子の材料として最も脚光を浴びている。
【０００３】
ＧａＮ膜は、通常、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはシリコン（Ｓｉ）からなる基材基板上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などで形成される。ところが、この場合、基材基板とＧａＮ膜とは互いに格子定数及び熱膨張係数が異なるため、格子不整合などによって基材基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させることが非常に難しい。ＧａＮだけでなく、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ及びＧａＡｌＩｎＮなどの窒化物系半導体の全てが同様である。
【０００４】
これを克服するための方法として、格子ひずみ（ｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒａｉｎ）を緩和させるために、まず類似の格子定数を有する緩衝層を、基材基板上に比較的低温で形成させた後、緩衝層上にＧａＮ膜を成長させる方法などが提案された。
【０００５】
しかし、このような方法は、高価な基材基板を用いなければならなく、緩衝層の形成時にさらに他の成長装置を用いなければいけないので、煩雑であるだけでなく、ＧａＮ膜のエピタキシャル成長が可能ではあるものの、ＧａＮ膜内の転位密度が依然として高く、レーザーダイオードや発光ダイオードなどへの応用に制限がある。
【０００６】
サファイア基材基板を用いてＧａＮ膜を形成する場合、現在の技術水準では、サファイア基材基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させることは容易であるが、ＧａＮ膜をさらに他の素子の基板として使うためには、ＧａＮ膜が成長された基板からサファイア基材基板を分離しなければならない。すなわち、サファイア基材基板上にＧａＮ厚膜を成長させた後、ＧａＮ厚膜とサファイア基材基板とを分離するために、サファイア基材基板にレーザーを照射して熱分解を起こして、ＧａＮ膜を分離する。それには長時間を必要とし、分離歩留まりが低下するという問題点がある。
【０００７】
これを克服するために、安価なシリコン基材基板上にＧａＮ厚膜を成長させ、これを分離してＧａＮ基板を得ようと、数多くの努力がなされたが、未だにシリコン基材基板上にＧａＮ膜を成長させることそのものが容易ではなく、シリコン基材基板がエッチングされるなどの問題点がある。その上、シリコン基材基板上にＧａＮ膜を成長させても、熱膨張係数及び格子定数の差によって基板の反りや亀裂などの問題点が生じる場合が多い。
【０００８】
一方、韓国特許第５１９３２６号明細書は、サファイア基材基板の裏面に所定の結晶方向に複数個の溝を均一間隔で形成してから、サファイア基材基板の前面にＧａＮ層を形成することにより、バルク窒化ガリウムを成長させた後にサファイア基材基板を除去するときに必要な最小限の応力を軽減させることが記載され、それによりバルク窒化ガリウムに生成される微細クラックを減らして、バルク窒化ガリウムの結晶性を向上させる技術を提案している。しかし、上記特許は、ＧａＮを成長させるための基材基板としてサファイア基板を使っており、サファイア基材基板の分離に相変らず長期間を必要とし、分離歩留まりが低いという問題がある。また、上記特許ではサファイア基材基板の裏面に溝を形成することで、基材基板を分離するときの応力を軽減しているが、均一間隔で形成された溝は、特にＧａＮ膜の成長時の熱膨張係数差による基板の反りや亀裂の防止にはあまり効果的ではないという点が、本発明の発明者等によって確認された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述したような問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、基材基板上に反りや亀裂なく窒化物半導体膜を成長することができる窒化物半導体基板の製造方法、及びこれによって製造された窒化物半導体基板を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、基材基板の分離のために長時間を必要とせず、分離歩留まりが高い窒化物半導体基板の製造方法、及びこれによって製造された窒化物半導体基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した技術的課題を達成するため、本発明においては、基材基板上に窒化物半導体膜を成長させる際に加えられる応力が、基板の周辺部にいくほど大きいという点を考慮し、基材基板の裏面に複数のトレンチを、該応力の吸収軽減に適するように形成する。すなわち、基材基板の裏面に形成される複数のトレンチ間のピッチを基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に狭くするか、トレンチの幅を基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に広くするか、またはトレンチの深さを基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に深くして形成する。
【００１２】
本発明の一側面による窒化物半導体基板は、基材基板と、基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜とを含み、基材基板の裏面には第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、複数の第１トレンチ間のピッチが前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に狭くなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の実施例による窒化物半導体基板は、基材基板と、基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜とを含み、基材基板の裏面には第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、複数の第１トレンチの幅が前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に広くなることを特徴とする。
【００１４】
本発明のさらに他の例による窒化物半導体基板は、基材基板と、基材基板の表面上に成長された窒化物半導体膜とを含み、基材基板の裏面には第１方向に平行に形成された複数の第１トレンチが形成され、複数の第１トレンチの深さが前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に深くなることを特徴とする。
【００１５】
また、上記各例による窒化物半導体基板において、前記基材基板の裏面には、複数の第１トレンチの他に、前記第１方向と交差する第２方向に平行に形成された複数の第２トレンチがさらに形成され、複数の第２トレンチ間のピッチ、第２トレンチの幅または深さが、それぞれ前記第１トレンチ間のピッチ、第１トレンチの幅または深さと同様に、それぞれ徐々に狭くなるか、広くなるか、または深くなることが好ましい。
【００１６】
また、前記基材基板はシリコンからなることが望ましい。
【００１７】
本発明の一側面による窒化物半導体基板の製造方法は、基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、基材基板の第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップとを含み、複数の第１トレンチ間のピッチが前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に狭くなることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の例による窒化物半導体基板の製造方法は、基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、基材基板の第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップとを含み、複数の第１トレンチの幅が前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に広くなることを特徴とする。
【００１９】
本発明のさらに他の例による窒化物半導体基板の製造方法は、基材基板の一面に、第１方向に平行な複数の第１トレンチを形成するステップと、基材基板の第１トレンチが形成された面とは反対の面上に、窒化物半導体膜を形成するステップとを含み、複数の第１トレンチの深さが前記基材基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に深くなることを特徴とする。
【００２０】
また、上記の各例による窒化物半導体基板の製造方法は、前記基材基板の一面には複数の第１トレンチの他に、前記第１方向と交差する第２方向に平行な複数の第２トレンチを形成するステップをさらに含むことができ、ここで複数の第２トレンチ間のピッチ、第２トレンチの幅または深さが、それぞれ前記第１トレンチ間のピッチ、第１トレンチの幅または深さと同様に、それぞれ徐々に狭くなるか、広くなるか、または深くなることが望ましい。
【００２１】
ここで、前記第１及び／又は第２トレンチは、ソーイングホイール（ｓａｗｉｎｇ ｗｈｅｅｌ）を用いて形成することができ、フォトリソグラフィー法を用いて形成することもできる。
【００２２】
また、前記窒化物半導体膜は、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法で形成することができる。
【００２３】
さらに、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、前述したように窒化物半導体膜を形成した後、前記基材基板を除去するステップをさらに含むことができ、このとき、基材基板がシリコンである場合、ウェットエッチング法によって除去することができる。
【００２４】
このように本発明においては、基材基板の裏面に複数のトレンチを形成するが、そのピッチ、幅または深さを基材基板の中心部から周辺部にいくほど、それぞれ狭く、広く、または深くして、大きい応力が加えられる基板の周辺部で応力を十分に吸収軽減できるようにする。それにより、一般的に、窒化物半導体膜を形成するのが困難であるといわれるシリコン基材基板を用いても、反りや亀裂のない高品質の窒化物半導体基板を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、窒化物半導体膜を成長させる前に、基材基板の裏面に複数のトレンチを形成するが、基板の中心部から周辺部にいくほどそのピッチを減少させるか、トレンチの幅を増加させるか、またはトレンチの深さを増加させることで、窒化物半導体膜の成長時に発生する熱的変形による基板の反りや窒化物半導体膜の亀裂の発生を防止することができる。
【００２６】
したがって、通常、窒化物半導体膜を形成することが困難であるといわれるシリコン基材基板を用いても、反りや亀裂のない高品質の窒化物半導体基板を得ることができる。
【００２７】
また、基材基板としてシリコン基板を用いる場合には、ウェットエッチングのような化学的手法によって簡単に基材基板を除去することができ、短時間かつ低コストで高い歩留まりの窒化物半導体基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は、通常の辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らが発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して、本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明の最も望ましい例の一つに過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではない。そのため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
【００２９】
それぞれ本発明の一例に従って製造された窒化ガリウム（ＧａＮ）基板の断面図及びその底面図である図１及び図２に示されるように、本実施例のＧａＮ基板は、基材基板１０と、その上に形成されたＧａＮ膜２０を備える。
【００３０】
本実施例において、基材基板１０は単結晶シリコンウェハーを用いる。しかし、本発明は必ずこれに限定されることなく、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を基材基板として用いることができる。但し、単結晶シリコンウェハーを用いることが簡便であり、基材基板を除去する場合、ウェットエッチングによって簡単に除去できて便利である。
【００３１】
基材基板１０のＧａＮ膜２０が形成された表面の反対側の面には、複数のトレンチ１１および１２が形成されている。ここで、トレンチ１１および１２は、図２に示されたように、互いに垂直に交差する第１トレンチ１１及び第２トレンチ１２からなる。また、第１及び第２トレンチのピッチＰは、基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に狭くなるように形成されている。すなわち、基板の周辺部にいくほどトレンチが密に形成されている。これは、後述するように、ＧａＮ膜２０の成長時に基板の周辺部にいくほど応力が大きく働き、基板の反りやＧａＮ膜の亀裂が生じ易くなるので、この周辺部の大きい応力を吸収させるためである。
【００３２】
具体的に、第１及び第２トレンチ１１および１２のピッチＰは、０．０１ｃｍから１．０ｃｍの範囲で変化させることができる。すなわち、基板の中心部に形成されたトレンチ間のピッチを１．０ｃｍにし、縁部に形成されたトレンチ間のピッチを０．０１ｃｍにすることができる。また、該ピッチは幾つかのトレンチをグループにして、各グループ内では同一ピッチにし、グループ毎に段階的に変化させてもよいし、一つずつのトレンチ間のピッチを断続的に変化させてもよい。
【００３３】
また、各トレンチ１１および１２の幅は、１μｍから１ｍｍの範囲内で適切に調節することができる。また、各トレンチ１１および１２の深さｄは、基材基板１０の厚さに応じて異なるが、基材基板１０の厚さを５０μｍから１ｍｍにしたとき、５μｍ〜９００μｍの範囲内で適切に調節することができる。
【００３４】
一方、以上例示したトレンチのピッチ、幅、深さの具体的な数値は、あくまでも例示的なものである。すなわち、後述するＧａＮ膜２０の形成方法、その工程条件、または厚さ、さらには基材基板に使われる材料の種類及び大きさによって、基板中央部及び周辺部に加えられる応力の大きさ及びその差の範囲は異なる。したがって、トレンチのピッチ、幅、深さは、基板の各部分に加えられる応力及び応力差の吸収軽減に適する範囲で調節することができ、前述した範囲から逸脱する場合もある。
【００３５】
また、本実施例においては、トレンチ１１および１２間のピッチを変化させる一方、トレンチの幅及び深さは一定に固定したが、後述する他の実施例のように、トレンチ間のピッチを固定してトレンチの幅または深さを変化させることもでき、ピッチ、幅、深さの任意の組合せを変化させることもできる。
【００３６】
さらに、図１及び図２に示された構造において、基材基板１０の裏面に形成されたトレンチ１１と１２は、互いに垂直で交差する第１トレンチ１１及び第２トレンチ１２からなるが、必ずしも垂直で交差する構成に限定されることはない。また、基材基板１０の裏面には、図３に示されるような、多様な形態のトレンチを形成してもよい。すなわち、図３の（ａ）に示されたように、本実施例のトレンチは一方向のみをストライプ状に形成し、そのピッチを中心部から周辺部にいくほど徐々に狭くする形態で形成することができる。また、図３の（ｃ）に示されたように、互いに交差する３つの方向で形成することもできる。
【００３７】
基材基板１０のトレンチ１１および１２が形成された裏面とは反対の面である表面には、ＧａＮ膜２０が形成されている。前記ＧａＮ膜は、後述する適切な形成方法に従って形成され、ＧａＮ基板の用途に応じて適切な厚さ、例えば１０μｍから５００μｍの厚さとされる。また、前記ＧａＮ膜の厚さの変化に合わせて、基板基板のトレンチの幅及び間隔が変化することができる。ＧａＮ膜の厚さの変化によって応力が変わるため、これに応じてトレンチ幅、間隔、そしてピッチも調節して変えなければならない。
【００３８】
一方、本発明の原理は、純粋なＧａＮのみに適用されるものではなく、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、及びＧａＡｌＩｎＮなどの窒化物系半導体にも同様に適用することができる。よって、本実施例のＧａＮ膜２０は、このような窒化物半導体膜に代替でき、さらには窒化物半導体膜を含む複数の膜が積層された構造にもなり得る。
【００３９】
図４は、本発明の他の実施例によるＧａＮ基板の構造を示した断面図である。図４を参照して、本実施例のＧａＮ基板を、前述した実施例のＧａＮ基板と異なる点を中心に説明する。
【００４０】
本実施例のＧａＮ基板が、前述した実施例のＧａＮ基板と異なる点は、トレンチの構造である。すなわち本実施例において、基材基板１０ａの裏面に形成されたトレンチ１１ａは、トレンチ間のピッチＰおよびトレンチの深さｄが一定である一方、トレンチ１１ａの幅Ｗが基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に広くなる構造を有する。このようにトレンチを、基板の周辺部にいくほどその幅が広い構造にすることで、基板の周辺部にいくほど大きくなる応力を吸収軽減でき、基板の反りや亀裂の発生を防止することができる。具体的に、トレンチ１１ａの幅Ｗは１μｍ〜１ｍｍの範囲内で調節して変化させることができる。この数値範囲はあくまでも例示的な数値であり、前述したように、ＧａＮ膜２０の形成方法、その工程条件または厚さ、基材基板の種類や大きさなどによって任意に変更可能である。
【００４１】
図５は、本発明のさらに他の実施例によるＧａＮ基板の構造を示した断面図である。図５を参照して、本実施例のＧａＮ基板を、前述した実施例のＧａＮ基板と異なる点を中心に説明する。
【００４２】
本実施例のＧａＮ基板が前述した実施例のＧａＮ基板と異なる点は、トレンチの構造である。すなわち、本実施例において、基材基板１０ｂの裏面に形成されたトレンチ１１ｂは、トレンチ間のピッチＰおよびトレンチの幅Ｗは一定である一方、トレンチ１１ｂの深さｄが基板の中心部から周辺部にいくほど徐々に深くなる構造を有する。このようにトレンチを、基板の周辺部にいくほど深さが深い構造にすることで、基板の周辺部にいくほど大きくなる応力を吸収軽減でき、基板の反りや亀裂の発生を防止することができる。具体的に、トレンチ１１ａの深さｄは、基材基板１０ｂの厚さによって異なるが、基材基板１０ｂの厚さを５０μｍ〜ｍｍ１の範囲にしたとき、５μｍ〜９００μｍの範囲内で調節して変化させることができる。但しこの数値範囲は、あくまでも例示的な数値であり、前述したように、ＧａＮ膜２０の形成方法、その工程条件または厚さ、基材基板であるシリコンウェハーの大きさなどによって任意に変更可能である。
【００４３】
また、図４及び図５に示された実施例においても、図１に示された実施例と同様に、図３に示されたような多様なトレンチの形態を有することができ、さらに、図１、図４及び図５に示された形態の任意の組合せを取ることもできる。要するに、本発明の窒化物半導体基板は、基材基板の裏面に形成されるトレンチを、そのピッチ、幅、または深さを調節して、基板の周辺部に加えられるより大きい応力を吸収軽減できるようにしたものである。
【００４４】
以下、本発明の窒化物半導体基板の製造方法について詳しく説明する。ここでも、基材基板１０として単結晶シリコンウェハーを用いて、窒化物半導体膜としてＧａＮ膜２０を形成する場合を説明するが、本発明が必ずしもこれに限定されないことは前述した通りである。
【００４５】
まず、基材基板として基板表面が（１１１）の面方位を有するシリコンウェハーを用意する。基材基板１０の裏面に、前述したような構造及び形態のトレンチ１１および１２、１１ａ、ならびに１１ｂを形成する。トレンチは、ウェハーの切断に使われるソーイングホイール（ｓａｗｉｎｇ ｗｈｅｅｌ）を用いるか、または半導体製造工程で使われるフォトリソグラフィー法で形成することができる。ソーイングホイールを使う場合、ソーイングホイールの厚さがトレンチの幅を規定するが、０．０１ｍｍ〜１ｍｍの厚さを有するソーイングホイールを選択して使うことで、トレンチの幅を調節することができる。また、トレンチの深さ及びピッチは、ソーイングホイールの切断深さ、及びソーイングホイールと基材基板との相対的な位置を制御することで調節することができる。一方、フォトリソグラフィー法を用いてトレンチを形成する場合には、基材基板１０の裏面に、所望の構造及び形態のトレンチを形成するためのエッチングマスク（フォトレジストパターンまたは別のシリコン酸化膜パターン）を形成し、適切なエッチングガスまたはエッチング液を用いて、基材基板をエッチングすればよい。このとき、トレンチのピッチや幅は、エッチングマストのパターンによって容易に調節でき、現在の半導体製造技術によれば、ソーイングホイールよりもさらに精密なパターンを形成することができる。但し、図５に示されたようなトレンチの深さが変化するトレンチ構造は、複数回のフォト工程またはエッチング工程を行わなければならず、コストがさらに増加する。
【００４６】
次いで、所望のトレンチ構造が形成された基材基板１０の表面に、ＧａＮ膜２０を形成する。ＧａＮ膜は、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法などの公知の方法で、所望の厚さまで形成できる。例えば１０００℃〜１１００℃の反応器内に、ＧａソースガスとＮソースガスとを同時に流して、ＧａＮ膜を成長させることができ、例えばＨＶＰＥ法によって、ＧａＮ膜を１０μｍ〜５００μｍの厚さに成長させることができる。ここで、ＧａソースガスとしてＧａＣｌ３ガスを使ったり、またはＧａメタルにキャリアガスとしてＨＣｌガスを流し、かつ前記ＮソースガスとしてＮＨ３ガスを使ったりすることができる。すると、基板の中心部から周辺部にいくほど大きくなる応力の吸収軽減に適するように形成されたトレンチがあるため、成長されるＧａＮ膜２０は亀裂や剥離などの不良が発生せず、また基板も反らず、高品質のＧａＮ膜を得ることができる。
【００４７】
また、ＧａＮ膜２０を形成する前に、適切な緩衝層を先に形成してもよく、さらに必要に応じて、ＧａＮ膜上に他の膜を形成してもよい。
【００４８】
このようにして、本発明のＧａＮ基板が得られるが、該ＧａＮ基板を他の素子の基板として使うためには、基材基板１０を分離または除去しなければならない場合がある。本実施例においては、シリコンからなる基材基板を用いたので、基材基板１０をウェットエッチングによって簡単に除去することができる。すなわち、シリコン基材基板１０は、例えば、窒酸（ＨＮＯ３、７０％）溶液とフッ酸（ＨＦ、５０％）溶液とを、混合率０．１〜１０の範囲で適切に混合することでエッチング液を用意し、このエッチング液に、図１、図４または図５に示されたＧａＮ基板を浸漬すると、１から１００μｍ／ｍｉｎのエッチング率で除去される。次いで、このエッチング液に、酢酸溶液を１０％以下で添加して残留シリコンを除去する。
【００４９】
一方、基材基板としてサファイア基板や炭化ケイ素基板を用いた場合には、レーザーを用いた熱分解や、ダイヤモンド研磨などのような、他の公知の方法で基材基板を除去することができる。
【００５０】
次いで、具体的な実験例を挙げて本発明の効果を確認する。
図６は、本発明の実施例及び比較例にしたがって、基材基板の裏面にそれぞれ異なる形態のトレンチを形成した後に、基材基板の表面にＧａＮ膜を形成し、ＧａＮ膜の亀裂などの不良や基板の反りが生じたか否かを観察した写真である。図６の（ａ）〜（ｄ）に示された各試片は、６インチシリコンウェハー（厚さ６７０μｍ）の６つの四角形領域のそれぞれに、同一構造のトレンチを形成してから、その６つの領域を切り取り、トレンチ構造が形成された面とは反対側の面にＧａＮ膜（厚さ６０μｍ）を成長させて得た。各試片において、トレンチの深さは１５０μｍで一定であり、トレンチの幅も５００μｍで一定である。
【００５１】
図６の（ａ）は、基材基板の裏面に、一方向のみに均一なピッチ（１ｍｍ）のトレンチを形成した場合である、写真に示されたように、基板が反ってＧａＮ膜の亀裂及びそれに伴う剥離現象が現われていることを目視で確認することができた。
【００５２】
図６の（ｂ）は、基材基板の裏面に，互いに垂直である２つの方向に，それぞれ同一ピッチのトレンチを形成したが、横と縦のピッチを異ならせた場合（横ピッチ０．５ｍｍ、縦ピッチ１ｍｍ）である。相変らず基板が反って、ＧａＮ膜の亀裂が確認された。
【００５３】
図６の（ｃ）は、基材基板の裏面に、互いに垂直である２つの方向に、同一ピッチのトレンチを形成したが、横と縦のピッチを同一にした場合（ピッチ０．５ｍｍ）である。（ｂ）に比べて反りが大きく改善されたものの、縁部に反りが確認され、ＧａＮ膜の亀裂が生じたことを確認することができた。
【００５４】
図６の（ｄ）は、基材基板の裏面に、互いに垂直である２つの方向に、トレンチを形成したが、本発明に従って中心部から周辺部にいくほど、ピッチを１０ｍｍ、４ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍと、４段階にわたって狭くした。写真から確認できるように、基板の反りはなく、ＧａＮ膜の亀裂も発生しなかった。
【００５５】
以上のように、本発明を限定された実施例及び図面によって説明したが、本発明は、これに限定されるものでなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者によって本発明の技術思想及び特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例に従って製造された窒化ガリウム基板の断面図である。
【図２】図１に示された窒化ガリウム基板の底面図である。
【図３】本発明によって基材基板の裏面に形成されるトレンチの例を示した図面である。
【図４】本発明の他の実施例に従って製造された窒化ガリウム基板の断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例に従って製造された窒化ガリウム基板の断面図である。
【図６】本発明の実施例及び比較例に従って基材基板の裏面にそれぞれ異なる形態のトレンチを形成して基材基板の表面に窒化ガリウム膜を形成した後、窒化ガリウム膜の亀裂及び基板の反りが生じたか否かを観察した写真である。
【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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