特開 2024-7226 半導体装置及び半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007226

(43)【公開日】2024-01-18

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/301 20060101AFI20240111BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20240111BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240111BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20240111BHJP

【ＦＩ】

H01L21/78 L

H01L21/20

H01L29/78 301B

H01L29/78 301Q

H01L21/78 Q

H01L21/304 611Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022108558

(22)【出願日】2022-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 聖也

(72)【発明者】

【氏名】牛島 隆志

(72)【発明者】

【氏名】石田 崇

(72)【発明者】

【氏名】恩田 正一

(72)【発明者】

【氏名】笹岡 千秋

(72)【発明者】

【氏名】小島 淳

【テーマコード（参考）】

5F057

5F063

5F140

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F057AA01

5F057BA16

5F057BB06

5F057BB12

5F057BC09

5F057CA14

5F057CA31

5F057DA19

5F057DA22

5F057DA31

5F057FA22

5F063AA02

5F063BA07

5F063BA13

5F063BA31

5F063BA43

5F063BA47

5F063CB02

5F063CB03

5F063CB06

5F063CB13

5F063CB17

5F063CB28

5F063CC05

5F063CC49

5F063DD27

5F063DD78

5F063EE81

5F140AA08

5F140AA34

5F140BA06

5F140BA20

5F140BC12

5F152LN05

5F152NN13

5F152NQ09

(57)【要約】

【課題】 窒化ガリウム基板を用いた半導体装置や、窒化ガリウム基板の加工において、窒化ガリウム基板の反りを抑制する。
【解決手段】 半導体装置は、窒化ガリウム基板と、前記窒化ガリウム基板の表面に設けられたパターン膜と、を備える。前記窒化ガリウム基板は、前記表面に沿う第１方向のヤング率が、前記表面に沿うとともに前記第１方向に直交する前記第２方向のヤング率よりも大きい。前記窒化ガリウム基板の前記第１方向の寸法を前記窒化ガリウム基板の前記第２方向の寸法で除算した第１比率Ｒ１と前記パターン膜の前記第１方向の寸法を前記パターン膜の前記第２方向の寸法で除算した第２比率Ｒ２が、Ｒ１＜Ｒ２を満たす。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置（１０、１００）であって、
窒化ガリウム基板（１２、５２）と、
前記窒化ガリウム基板の表面（１２ａ、５２ａ）に設けられたパターン膜（４０、１４０）と、
を備え、
前記窒化ガリウム基板は、前記表面に沿う第１方向のヤング率が、前記表面に沿うとともに前記第１方向に直交する前記第２方向のヤング率よりも大きく、
前記窒化ガリウム基板の前記第１方向の寸法を前記窒化ガリウム基板の前記第２方向の寸法で除算した第１比率Ｒ１と、前記パターン膜の前記第１方向の寸法を前記パターン膜の前記第２方向の寸法で除算した第２比率Ｒ２が、Ｒ１＜Ｒ２を満たす、
半導体装置。

【請求項2】

前記第１比率Ｒ１が１より大きく、
前記第２比率Ｒ２が１より大きい、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記表面がｍ面であり、前記第１方向が（０００１）方向であり、前記第２方向が（１１－２０）方向である、請求項１又は２に記載の半導体装置。

【請求項4】

１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．２５Ｒ２を満たす、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．０５Ｒ２を満たす、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項6】

半導体装置の製造方法であって、
窒化ガリウム基板（１１２、２１２）の表面（１１２ａ、２１２ａ）に溝部（１１４、２１４）を形成することによって、前記窒化ガリウム基板の前記表面を複数の領域（１２０、２２０）に区画する工程と、
前記窒化ガリウム基板にレーザ（１３２）を照射することによって、前記窒化ガリウム基板の内部であって前記溝部の深さ範囲に、前記表面に沿って延びる改質層（１１６）を形成する工程と、
前記改質層に沿って前記窒化ガリウム基板を分割する工程、
を備え、
前記窒化ガリウム基板は、前記表面に沿う第１方向のヤング率が、前記表面に沿うとともに前記第１方向に直交する第２方向のヤング率よりも大きく、
前記溝部を形成する工程では、前記第１方向と前記第２方向に沿って前記溝部を形成することによって、前記各領域の前記第１方向の寸法が前記各領域の前記第２方向の寸法よりも大きくなるように前記表面を前記複数の領域に区画する、
製造方法。

【請求項7】

前記表面がｍ面であり、前記第１方向が（０００１）方向であり、前記第２方向が（１１－２０）方向である、請求項６に記載の製造方法。

【請求項8】

前記各領域の前記第１方向の寸法を前記各領域の前記第２方向の寸法で除算した比率Ｓが、１．０１≦Ｓ≦１．２５を満たす、請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記各領域の前記第１方向の寸法を前記各領域の前記第２方向の寸法で除算した比率Ｓが、１．０１≦Ｓ≦１．０５を満たす、請求項７に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

【0002】

特許文献１には、窒化ガリウムにより構成された基板に対してレーザを照射することにより基板の内部に改質層を形成し、改質層に沿って分割することで、基板を薄板化する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１２６８４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

窒化ガリウムは、複数の結晶面を有しており、各結晶面に沿う方向によってヤング率が異なる。ヤング率が小さい面方向は、ヤング率が大きい面方向に比べて、応力に対する歪み量が大きいため、窒化ガリウム基板は、特定の方向に反り易い性質を有する。窒化ガリウム基板が反った状態では、所望の面に平行にレーザを照射することが難しく、窒化ガリウム基板を所望の面に沿って精度良く分割することが難しい。また、窒化ガリウム基板が特定の方向に反る可能性があるため、例えば、窒化ガリウム基板を用いて製造された半導体装置は、特性が安定し難いという問題がある。本明細書では、窒化ガリウム基板を用いた半導体装置や、窒化ガリウム基板の加工において、窒化ガリウム基板の反りを抑制する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体装置（１０、１００）は、窒化ガリウム基板（１２、５２）と、前記窒化ガリウム基板の表面（１２ａ、５２ａ）に設けられたパターン膜（４０、１４０）と、を備える。前記窒化ガリウム基板は、前記表面に沿う第１方向のヤング率が、前記表面に沿うとともに前記第１方向に直交する前記第２方向のヤング率よりも大きい。前記窒化ガリウム基板の前記第１方向の寸法を前記窒化ガリウム基板の前記第２方向の寸法で除算した第１比率Ｒ１と前記パターン膜の前記第１方向の寸法を前記パターン膜の前記第２方向の寸法で除算した第２比率Ｒ２が、Ｒ１＜Ｒ２を満たす。

【0006】

特定方向における窒化ガリウム基板の歪み量は、窒化ガリウム基板の当該特定方向に加わる応力に比例するとともに、窒化ガリウム基板の当該特定方向のヤング率に反比例する。また、窒化ガリウム基板の特定方向に加わる応力は、窒化ガリウム基板の当該特定方向の寸法に比例する。一方、窒化ガリウム基板の表面に設けられるパターン膜は、形成時及び形成後の温度変化や、半導体装置の動作時の発熱サイクルにより、膨張及び収縮する。このため、窒化ガリウム基板には、その表面に設けられたパターン膜の膨張及び収縮に起因する引張応力及び圧縮応力が印加される。パターン膜から窒化ガリウム基板の特定方向に印加される応力は、当該特定方向のパターン膜の寸法に比例する。この半導体装置では、比率Ｒ１が比率Ｒ２よりも小さい。すなわち、パターン膜は、窒化ガリウム基板よりも、第１方向に対する第２方向の寸法が小さくなっている。このため、窒化ガリウム基板の第１方向のヤング率と第２方向のヤング率の差に起因する歪み量が、パターン膜から窒化ガリウム基板に印加される応力により緩和され、第１方向と第２方向との間で歪み量の差が低減する。したがって、上記の半導体装置では、窒化ガリウム基板が反り難く、半導体装置の特性を安定させることができる。

【0007】

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム基板（１１２、２１２）の表面（１１２ａ、２１２ａ）に溝部（１１４、２１４）を形成することによって、前記窒化ガリウム基板の前記表面を複数の領域（１２０、２２０）に区画する工程と、前記窒化ガリウム基板にレーザ（１３２）を照射することによって、前記窒化ガリウム基板の内部であって前記溝部の深さ範囲に、前記表面に沿って延びる改質層（１１６）を形成する工程と、前記改質層に沿って前記窒化ガリウム基板を分割する工程、を備える。前記窒化ガリウム基板は、前記表面に沿う第１方向のヤング率が、前記表面に沿うとともに前記第１方向に直交する第２方向のヤング率よりも大きい。前記溝部を形成する工程では、前記第１方向と前記第２方向に沿って前記溝部を形成することによって、前記各領域の前記第１方向の寸法が前記各領域の前記第２方向の寸法よりも大きくなるように前記表面を前記複数の領域に区画する。

【0008】

特定方向における窒化ガリウム基板の歪み量は、窒化ガリウム基板の当該特定方向に加わる応力に比例するとともに、窒化ガリウム基板の当該特定方向のヤング率に反比例する。また、窒化ガリウム基板の特定方向に加わる応力は、窒化ガリウム基板の当該特定方向の寸法に比例する。上記の製造方法では、ヤング率が大きい第１方向の寸法が、ヤング率が小さい第２方向の寸法よりも大きくなるように溝部が形成される。すなわち、溝部により区画される各領域は、第１方向の寸法が第２方向の寸法よりも大きい。各領域では、ヤング率が大きい（すなわち、歪み難い）第１方向の寸法が、ヤング率が小さい（すなわち、歪み易い）第２方向の寸法よりも大きいので、溝部が形成された深さ範囲では、第１方向と第２方向の間の歪み量の差が低減し、各領域において反りが抑制される。反りが抑制された窒化ガリウム基板に対してレーザを照射して改質層を形成するので、表面に沿って（すなわち、所望の面に沿って）改質層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１の半導体装置の要部断面図。

【図2】実施例１の半導体装置の平面図。

【図3】窒化ガリウムの面方向とヤング率の関係を示す図。

【図4】実施例２の半導体装置の要部断面図。

【図5】実施例２の半導体装置の平面図。

【図6】サファイヤ基板上に成長させた窒化ガリウムの面方向とヤング率の関係を示す図。

【図7】実施例３の製造方法における窒化ガリウム基板の平面図。

【図8】実施例３の溝部形成工程を説明するための図。

【図9】実施例３の溝部形成工程を説明するための図。

【図10】実施例３の溝部形成工程を説明するための図。

【図11】実施例３の改質層形成工程を説明するための図。

【図12】実施例３の基板分割工程を説明するための図。

【図13】実施例４の製造方法におけるサファイヤ基板の平面図。

【図14】実施例４の窒化ガリウム成長工程を説明するための図。

【図15】実施例４の溝部形成工程を説明するための図。

【図16】実施例４の溝部形成工程を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書が開示する一例の半導体装置では、前記第１比率Ｒ１が１より大きく、前記第２比率Ｒ２が１より大きくてもよい。窒化ガリウム基板の第１方向のヤング率は第２方向のヤング率よりも大きい。このような構成では、窒化ガリウム基板の第１方向の寸法が第２方向の寸法よりも大きいので、各方向のヤング率の差に起因する反りを低減することができる。

【0011】

本明細書が開示する一例の半導体装置では、前記表面がｍ面であり、前記第１方向が（０００１）方向であり、前記第２方向が（１１－２０）方向であってもよい。このような構成では、第１方向及び第２方向を、窒化ガリウムの結晶面に垂直な方向とすることで、各方向におけるヤング率のばらつきが小さくなり、窒化ガリウム基板の反りを安定して低減させることができる。

【0012】

本明細書が開示する一例の半導体装置では、１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．２５Ｒ２を満たしてもよい。このような構成では、窒化ガリウム基板の第１方向と第２方向の歪み量を均一化することができる。

【0013】

本明細書が開示する一例の半導体装置では、１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．０５Ｒ２を満たしてもよい。このような構成では、窒化ガリウム基板の第１方向と第２方向の歪み量をより均一化することができる。

【0014】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記表面がｍ面であり、前記第１方向が（０００１）方向であり、前記第２方向が（１１－２０）方向であってもよい。このような構成では、改質層をｍ面に沿って形成する。ｍ面は劈開し易い面であるため、改質層に沿って容易に分割することができる。また、ｍ面は加工性が良く、後の工程において窒化ガリウム基板の内部に半導体構造を容易に形成することができる。

【0015】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記各領域の前記第１方向の寸法を前記各領域の前記第２方向の寸法で除算した比率Ｓが、１．０１≦Ｓ≦１．２５を満たしてもよい。このような構成では、分割後の窒化ガリウム基板の第１方向と第２方向の歪み量を均一化することができる。

【0016】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記各領域の前記第１方向の寸法を前記各領域の前記第２方向の寸法で除算した比率Ｓが、１．０１≦Ｓ≦１．０５を満たしてもよい。このような構成では、分割後の窒化ガリウム基板の第１方向と第２方向の歪み量をより均一化することができる。

【0017】

（実施例１）
図面を参照して、実施例１の半導体装置１０について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、横型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。半導体装置１０は、窒化ガリウム基板１２、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ゲート電極３６、及び絶縁膜４０を備えている。

【0018】

窒化ガリウム基板１２は、窒化ガリウムの単結晶により構成されている。図２に示すように、本実施例では、窒化ガリウム基板１２は、上から見たときに、２つの平行な端面１２ｂと、端面１２ｂに直交する２つの平行な端面１２ｃとにより画定される略正方形状を有している。窒化ガリウム基板１２は、六方晶の結晶構造を有している。表面１２ａがｍ面であり、端面１２ｂがａ面であり、端面１２ｃがｃ面である。ｍ面に直交する方向は（１０－１０）方向であり、ａ面に直交する方向は（１１－２０）方向であり、ｃ面に直交する方向は（０００１）方向である。

【0019】

図１に示すように、窒化ガリウム基板１２の内部には、複数のドレイン領域２２、複数のソース領域２４、及びボディ領域２６が設けられている。

【0020】

ドレイン領域２２は、ｎ型領域である。ドレイン領域２２は、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａに露出する位置に設けられている。ソース領域２４は、ｎ型領域である。ソース領域２４は、ドレイン領域２２から間隔を空けて配置されており、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａに露出する位置に設けられている。ボディ領域２６は、ｐ型領域である。ボディ領域２６は、ドレイン領域２２とソース領域２４の間の範囲で、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａに露出している。ボディ領域２６は、ドレイン領域２２とソース領域２４の間の範囲から、ドレイン領域２２の下側及びソース領域２４下側まで延びている。ボディ領域２６により、ドレイン領域２２とソース領域２４が互いから分離されている。

【0021】

絶縁膜４０は、１つのドレイン領域２２から１つのソース領域２４に跨る範囲において、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａを覆っている。絶縁膜４０は、ドレイン領域２２の上部に貫通孔４０ａを有している。また、絶縁膜４０は、ソース領域２４の上部に貫通孔４０ｂを有している。

【0022】

ドレイン電極３２は、絶縁膜４０の貫通孔４０ａを介してドレイン領域２２にオーミック接触している。ソース電極３４は、絶縁膜４０の貫通孔４０ｂを介してソース領域２４にオーミック接触している。ゲート電極３６は、絶縁膜４０の上面に設けられている。ゲート電極３６は、ドレイン領域２２とソース領域２４の間に位置するボディ領域２６に対向するように範囲に設けられている。ゲート電極３６は、絶縁膜４０によって、窒化ガリウム基板１２から絶縁されている。

【0023】

図２に示すように、本実施例では、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａ上に９つの絶縁膜４０が設けられている。なお、図２では、ドレイン電極３２、ソース電極３４、及びゲート電極３６の図示を省略している。各絶縁膜４０は、上から見たときに矩形状を有している。各絶縁膜４０は、その各辺が端面１２ｂ及び端面１２ｃと平行になるように配置されている。図２に示すように、窒化ガリウム基板１２の（１１－２０）方向の寸法をＬ１、（０００１）方向の寸法をＬ２、各絶縁膜４０の（１１－２０）方向の寸法をｌ１、（０００１）方向の寸法をｌ２としたときに、Ｌ１とＬ２の比率Ｌ１／Ｌ２＝Ｒ１と、ｌ１とｌ２の比率ｌ１／ｌ２＝Ｒ２が、１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．０５Ｒ１の関係を満たしている。

【0024】

半導体装置１０の使用時には、ゲート電極３６にオン電圧を印加する。すると、絶縁膜４０に対向する範囲（すなわち、ドレイン領域２２とソース領域２４の間の範囲）のボディ領域２６に反転層が形成される。これにより、ドレイン電極３２に接続されるドレイン領域２２と、ソース電極３４に接続されるソース領域２４が、反転層を介して接続され、ドレイン電極３２とソース電極３４が導通する。これにより、半導体装置１０がオンする。ゲート電極３６の電圧をオフ電圧まで引き下げると、ボディ領域２６に形成されていた反転層が消失し、半導体装置１０がオフする。

【0025】

半導体装置１０は、使用中に発熱する。半導体装置１０の温度変化によって、窒化ガリウム基板１２に応力が加わる。特定方向における窒化ガリウム基板１２の歪み量は、窒化ガリウム基板１２の当該特定方向に加わる応力に比例するとともに、窒化ガリウム基板１２の当該特定方向のヤング率に反比例する。図３は、単結晶窒化ガリウムにおける各面方向のヤング率の文献値（Huang et al., Nanoscale Research Letters, 7(150), 2012、Cheng et al., basis solid state physics, 255(5), 2018)と、各文献値における（１１－２０）方向に対する（０００１）方向の比率を示している。図３に示すように、単結晶窒化ガリウムは、（１０－１０）方向、（１１－２０）方向、及び（０００１）方向で、それぞれ異なるヤング率を有している。具体的には、単結晶窒化ガリウムでは、（１１－２０）方向のヤング率に対して、（０００１）方向のヤング率が１．０１～１．０５倍である。すなわち、窒化ガリウム基板１２の（１１－２０）方向のヤング率は（０００１）方向のヤング率よりも小さい。また、特定方向において窒化ガリウム基板１２中に生じる応力は、当該特定方向の寸法が大きいほど大きくなる。本実施例では、窒化ガリウム基板１２が上から見たときに略正方形状を有しており、（１１－２０）方向における寸法Ｌ１と（０００１）方向における寸法Ｌ２が等しい。このように、（１１－２０）方向における寸法Ｌ１と（０００１）方向における寸法Ｌ２が等しく、（１１－２０）方向のヤング率が（０００１）方向のヤング率よりも小さいので、窒化ガリウム基板１２は（１１－２０）方向で（０００１）方向よりも歪み易い。しかしながら、本実施例では、窒化ガリウム基板１２の表面１２ａに絶縁膜４０が設けられている。絶縁膜４０は、形成時及び形成後の温度変化や、半導体装置１０の動作時の発熱サイクルにより、膨張及び収縮する。このため、窒化ガリウム基板１２には、その表面１２ａに設けられた絶縁膜４０の膨張及び収縮に起因する引張応力及び圧縮応力が印加される。絶縁膜４０から窒化ガリウム基板１２の特定方向に印加される応力は、当該特定方向の絶縁膜４０の寸法に比例する。本実施例では、上述したように、比率Ｒ１と比率Ｒ２とが、１．０１Ｒ１≦Ｒ２≦１．０５Ｒ１を満たしている。比率Ｒ１が比率Ｒ２よりも大きいので、絶縁膜４０が窒化ガリウム基板１２よりも（１１－２０）方向の長さの比率が大きい形状を有している。このため、絶縁膜４０から窒化ガリウム基板１２に加わる応力が（１１－２０）方向で（０００１）方向よりも大きい。したがって、（１１－２０）方向と（０００１）方向との間で歪み量の差が低減する。特に、Ｒ２がＲ１に対して１．０１～１．０５倍であり、図３に示す窒化ガリウム基板１２の（１１－２０）方向のヤング率と（０００１）方向のヤング率の比率と略等しい値に設定されている。したがって、絶縁膜４０から加わる応力によって、窒化ガリウム基板１２の（１１－２０）方向と（０００１）方向の歪み量が均一化される。このため、窒化ガリウム基板１２が反り難く、半導体装置１０は安定した特性を有する。

【0026】

（対応関係）
絶縁膜４０が「パターン膜」の一例である。（１１－２０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」の一例である。

【0027】

（実施例２）
実施例２の半導体装置１００では、図４に示すように、サファイヤ基板５０の表面に窒化ガリウム基板５２が設けられている。窒化ガリウム基板５２は、サファイヤ基板５０の表面にエピタキシャル成長によって形成された層である。図５に示すように、窒化ガリウム基板５２は、上から見たときに、２つの平行な端面５２ｂと、端面５２ｂに直交する２つの平行な端面５２ｃとにより画定される略正方形状を有している。本実施例では、窒化ガリウム基板５２の表面５２ａがａ面であり、端面５２ｂがｍ面であり、端面５２ｃがｃ面である。窒化ガリウム基板５２の内部の構造（ドレイン領域２２、ソース領域２４、ボディ領域２６）は、実施例１と同様である。

【0028】

図５に示すように、窒化ガリウム基板５２の表面５２ａには、９つの絶縁膜１４０が設けられている。各絶縁膜１４０は、上から見たときに矩形状を有している。各絶縁膜１４０は、その各辺が端面５２ｂ及び端面５２ｃと平行になるように配置されている。
図５に示すように、窒化ガリウム基板５２の（１０－１０）方向の寸法をＬ１、（０００１）方向の寸法をＬ２、各絶縁膜１４０の（１０－１０）方向の寸法をｌ３、（０００１）方向の寸法をｌ４としたときに、Ｌ１とＬ２の比率Ｌ１／Ｌ２＝Ｒ１と、ｌ３とｌ４の比率ｌ３／ｌ４＝Ｒ３が、１．０１Ｒ１≦Ｒ３≦１．２５Ｒ１の関係を満たしている。

【0029】

実施例２では、サファイヤ基板５０の表面にエピタキシャル成長によって窒化ガリウム基板５２が形成される。窒化ガリウム基板５２は、サファイヤと窒化ガリウムとの格子定数が異なるため、歪みを生じながらサファイヤ基板５０上に成長する。図６は、サファイヤ基板上に窒化ガリウムを成長させたときの、窒化ガリウムの各面方向のヤング率の文献値（Roder et al., Journal of Applied Physics, 100(103511), 2006）と、当該文献値における（１１－２０）方向に対する（０００１）方向の比率を示している。図６に示すように、窒化ガリウムの単結晶と比較して、窒化ガリウム基板５２の（１０－１０）方向のヤング率に対する（０００１）方向のヤング率が大きくなる場合がある。このため、サファイヤ基板５０上に形成された窒化ガリウム基板５２は（１０－１０）方向で（０００１）方向よりも大きく歪み易い。しかしながら、本実施例では、比率Ｒ１と比率Ｒ３とが、１．０１Ｒ１≦Ｒ３≦１．２５Ｒ１の関係を満たしている。このため、絶縁膜１４０から窒化ガリウム基板５２に加わる応力が（１０－１０）方向で（０００１）方向よりも大きい。このように、絶縁膜１４０を寸法決めすることにより、窒化ガリウム基板５２の（１０－１０）方向と（０００１）方向と間で歪み量が低減される。特に、Ｒ３がＲ１に対して１．０１～１．２５倍であり、図６に示す窒化ガリウム基板５２の（１０－１０）方向のヤング率と（０００１）方向のヤング率の比率と略等しい値に設定されている。したがって、絶縁膜１４０から加わる応力によって、窒化ガリウム基板５２の歪み量が均一化される。

【0030】

（対応関係）
絶縁膜１４０が「パターン膜」の一例である。（１０－１０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」の一例である。

【0031】

（実施例３）
次に、図面を参照して、実施例３の製造方法について説明する。実施例３の製造方法では、窒化ガリウム基板１１２から半導体装置を製造する。図７は、加工対象の窒化ガリウム基板１１２を示している。窒化ガリウム基板１１２は、窒化ガリウムの単結晶により構成されている。窒化ガリウム基板１１２の外周縁の一部には、オリエンテーションフラット１１２ｆが設けられている。窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａがｍ面であり、窒化ガリウム基板１１２のオリエンテーションフラット１１２ｆに平行な面がｃ面であり、ｍ面及びｃ面に直交する面がａ面である。以下では、ｍ面に直交する方向を（１０－１０）といい、ｃ面に直交する方向を（０００１）方向といい、ａ面に直交する方向を（１１－２０）方向という。

【0032】

（溝部形成工程）
窒化ガリウム基板１１２から半導体装置を製造する際には、まず、溝部形成工程を実施する。図８に示すように、溝部形成工程では、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａに溝部１１４を形成する。ここでは、図８に示すように、窒化ガリウム基板１１２の裏面１１２ｂからレーザ１３０を照射する。レーザ１３０は、窒化ガリウム基板１１２内で焦点Ｆ１を形成するように照射される。レーザ１３０が照射された位置に、溝部１１４が形成される。レーザ１３０の照射位置を移動させることによって、図９に示すように、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａを複数の領域１２０に区画する。ここでは、（１１－２０）方向に沿って延びる溝１１５ａと、（０００１）方向に沿って延びる溝１１５ｂとを形成する。これにより、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａを、溝１１５ａと溝１１５ｂによって画定される複数の矩形状の領域１２０に区画する。

【0033】

また、この工程では、図１０に示すように、各領域１２０の（０００１）方向の寸法Ｓ２が（１１－２０）方向の寸法Ｓ１よりも大きくなるように、溝部１１４を形成する。具体的には、本実施例では、各領域１２０において、Ｓ１／Ｓ２が、１．０１以上１．０５以下となるように、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａに溝部１１４を形成する。なお、溝部形成工程では、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａ側から窒化ガリウム基板１１２にレーザ１３０を照射して、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａに溝部１１４を形成してもよい。また、溝１１５ａ及び溝１１５ｂは、窒化ガリウム基板１１２の端面（外周縁）まで延びるように形成されてもよい。

【0034】

（改質層形成工程）
次に、窒化ガリウム基板１１２の内部に改質層１１６を形成する改質層形成工程を実施する。改質層形成工程では、図１１に示すように、裏面１１２ｂ側から窒化ガリウム基板１１２にレーザ１３２を照射する。レーザ１３２は、窒化ガリウム基板１１２の内部で焦点Ｆ２を形成するように照射される。焦点Ｆ２の位置では、窒化ガリウム（ＧａＮ）が加熱されて分解される。その結果、焦点Ｆ２の位置に、ガリウムの析出層等によって構成された改質層１１６が形成される。改質層１１６の強度は、元の窒化ガリウム単結晶よりも低い。ここでは、レーザ１３２の照射位置を窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａ及び裏面１１２ｂと平行な方向に移動させることで、表面１１２ａ及び裏面１１２ｂに沿って延びる改質層１１６を形成する。また、ここでは、改質層１１６と溝部１１４とが深さ範囲において重複するように改質層１１６を形成する。言い換えると、窒化ガリウム基板１１２の厚み方向における改質層１１６の範囲１１６ａと、窒化ガリウム基板１１２の厚み方向における溝部１１４の範囲１１４ａとが重複するように、改質層１１６を形成する。また、ここでは、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａ及び裏面１１２ｂと平行な方向の全体に改質層１１６を形成する。以下では、窒化ガリウム基板１１２のうち、改質層１１６よりも表面１１２ａ側の部分を第１部分１６０といい、改質層１１６よりも裏面１１２ｂ側の部分を第２部分１６１という。

【0035】

（基板分割工程）
次に、基板分割工程を実施する。基板分割工程では、図１２に示すように、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａに支持部材１８０を貼り付ける。支持部材１８０は、硬い板材であってもよいし、柔軟性を有するシート状の部材であってもよい。その後、第２部分１６１に対して第１部分１６０から離れる方向に力を加えることで、改質層１１６に沿って窒化ガリウム基板１１２を分割する。すなわち、第２部分１６１を第１部分１６０から分離させる。上述したように、改質層１１６の強度は窒化ガリウム単結晶の強度よりも低いので、改質層１１６に沿って窒化ガリウム基板１１２を分割することができる。なお、第１部分１６０には、表面１１２ａから改質層１１６まで達する溝部が形成されているので、第１部分１６０は、複数のチップ１７０に分割された状態となる。その後、分割されたチップ１７０を利用して、従来公知の方法により半導体装置を製造する。

【0036】

特定方向における窒化ガリウム基板１１２の歪み量は、窒化ガリウム基板１１２の当該特定方向のヤング率に反比例する。具体的には、図３に示すように、（１１－２０）方向のヤング率が（０００１）方向のヤング率よりも小さいので、（１１－２０）方向に歪み易い。また、特定方向における窒化ガリウム基板１１２の歪み量は、窒化ガリウム基板１１２の当該特定方向に加わる応力、すなわち、窒化ガリウム基板１１２の当該特定方向の寸法に比例する。本実施例の製造方法では、窒化ガリウム基板１１２の表面１１２ａに溝部１１４を形成するときに、溝部１１４により区画される各領域１２０の（０００１）方向と（１１－２０）方向の寸法比Ｓ１／Ｓ２が、１．０１以上１．０５以下となるように、溝部１１４が形成される。寸法Ｓ１が寸法Ｓ２よりも大きいので、各領域１２０では、（０００１）方向に加わる応力が（１１－２０）方向に加わる応力よりも大きい。したがって、（０００１）方向と（１１－２０）との間で歪み量の差が低減する。特に、Ｓ１／Ｓ２が、１．０１～１．０５であり、図３に示す単結晶窒化ガリウムの（１１－２０）方向のヤング率と（０００１）方向のヤング率の比率と略等しい値に設定されている。したがって、溝部１１４が形成された深さ範囲では、（０００１）方向と（１１－２０）方向の間の歪み量が均一化され、各領域１２０において反りが抑制される。各領域１２０内では、反りが抑制されているので、レーザ１３２を表面１１２ａ（すなわち、ｍ面）に平行に照射することができる。したがって、ｍ面に沿って改質層１１６を形成することができる。また、改質層１１６に沿って分割したチップ１７０は、反りが生じ難い寸法比を有しているので、チップ１７０を用いて製造された半導体装置は、安定した特性を有する。

【0037】

なお、窒化ガリウム基板１１２は、溝部１１４よりも裏面１１２ｂ側の部分（図１１の部分１６１）は区画されていない。このため、部分１６１においては窒化ガリウム基板１１２に反りが生じ得る。しかしながら、改質層１１６は、溝部１１４と深さ範囲で重複する位置に形成される。溝部１１４が形成されている深さ範囲では、反りが抑制されている。反りが抑制されている範囲でレーザ１３２を移動させるので、レーザ１３２をｍ面に対して略平行に移動させることができる。

【0038】

また、本実施例では、改質層１１６を、ｍ面に沿って形成する。ｍ面は他の面と比較して劈開し易い面であるため、改質層１１６に沿って容易に分割することができる。また、ｍ面は他の面と比較して加工性が良い。このため、分割面がｍ面となることにより、後の工程において、半導体構造を容易に形成することができる。

【0039】

（対応関係）
（１１－２０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」の一例である。

【0040】

（実施例４）
実施例４では、図１３に示すサファイヤ基板２００を利用して半導体装置を製造する。まず、図１４に示すように、サファイヤ基板２００の表面に、エピタキシャル成長によって窒化ガリウム層２１２を形成する。ここでは、窒化ガリウム層２１２の表面２１２ａがａ面となるように、サファイヤ基板２００の表面に窒化ガリウムを結晶成長させる。

【0041】

次に、溝部形成工程を実施する。図１５に示すように、窒化ガリウム層２１２の表面２１２ａに溝部２１４を形成する。ここでは、実施例３の図８と同様に、窒化ガリウム層２１２に対してレーザを照射することにより、溝部２１４を形成する。レーザの照射位置を移動させることによって、図１６に示すように、窒化ガリウム層２１２の表面２１２ａを複数の領域２２０に区画する。ここでは、ｍ面に直交する（１０－１０）方向に沿って延びる溝２１５ａと、ｃ面に直交する（０００１）方向に沿って延びる溝２１５ｂとを形成することにより、窒化ガリウム層２１２の表面２１２ａを、溝２１５ａと溝２１５ｂによって画定される複数の矩形状の領域２２０に区画する。

【0042】

実施例４では、実施例３と異なり、図１６に示すように、各領域２２０において、（０００１）方向の寸法Ｓ４と、（１０－１０）方向の寸法Ｓ３との比Ｓ３／Ｓ４が、１．０１以上１．２５以下となるように、窒化ガリウム層２１２の表面２１２ａに溝部２１４を形成する。その後、実施例３と同様に、窒化ガリウム層２１２の内部の溝部２１４と重複する範囲に改質層を形成し、形成した改質層に沿って窒化ガリウム層２１２を分割する。

【0043】

本実施例では、サファイヤ基板２００の表面にエピタキシャル成長によって窒化ガリウム層２１２が形成される。窒化ガリウム層２１２は、サファイヤと窒化ガリウムとの格子定数が異なるため、歪みを生じながらサファイヤ基板２００上に成長する。このため、実施例２において説明したように、単結晶窒化ガリウムと比較して、窒化ガリウム層２１２の（１０－１０）方向のヤング率に対する（０００１）方向のヤング率が大きくなる場合がある（図６参照）。本実施例では、Ｓ３／Ｓ４が１．０１以上１．２５以下の範囲を満たしている。このため、各領域２２０では、（０００１）方向に加わる応力が（１０－１０）方向に加わる応力よりも大きい。特に、Ｓ３／Ｓ４が、１．０１～１．２５であり、図６に示す窒化ガリウムの（１０－１０）方向のヤング率と（０００１）方向のヤング率の比率と略等しい値に設定されている。したがって、溝部２１４が形成された深さ範囲では、（０００１）方向と（１０－１０）方向の間の歪み量が均一化され、各領域２２０において反りが抑制される。

【0044】

（対応関係）
（１０－１０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」の一例である。

【0045】

上述した実施例１及び３では、（１１－２０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」である例について説明し、実施例２及び４では、（１０－１０）方向、（０００１）方向が、それぞれ「第１方向」、「第２方向」である例について説明した。しかしながら、第１方向及び第２方向は上記に限定されず、各方向のヤング率の差に応じて、窒化ガリウム基板とパターン膜の寸法や、窒化ガリウム基板に形成する溝部の寸法を調節すればよい。したがって、例えば、第１方向が（０００１）方向であり、第２方向が（１１－２０）方向であってもよいし、第１方向が（０００１）方向であり、第２方向が（１０－１０）方向であってもよい。また例えば、第１方向が（１０－１０）方向であり、第２方向が（１１－２０）方向であってもよいし、第１方向が（１１－２０）方向であり、第２方向が（１０－１０）方向であってもよい。換言すると、窒化ガリウム基板の表面が、ｃ面であってもよいし、ａ面であってもよいし、ｍ面であってもよい。

【0046】

また、上述した実施例１及び２では、絶縁膜４０、１４０が、上から見たときに矩形状を有していたが、これに限られない。例えば、六角形状や他の多角形状であってもよいし、円状であってもよい。例えば、実施例１においては、絶縁膜４０の（１１－２０）方向の最大寸法を（０００１）方向の最大寸法で除算した比率をＲ２とし、実施例２においては、絶縁膜１４０の（１０－１０）方向の最大寸法を（０００１）方向の最大寸法で除算した比率をＲ２とすればよい。

【0047】

また、上述した実施例１及び２では、窒化ガリウム基板１２、５２が、上から見たときに略正方形状である場合について説明したが、Ｌ１とＬ２の比率は特に限定されない。

【0048】

また、上述した実施例１及び２では、窒化ガリウム基板１２、５２の表面１２ａ、５２ａ上に設けられるパターン膜として、絶縁膜を例に挙げて説明したが、表面１２ａ、５２ａ上に設けられるパターン膜の種類は特に限定されず、例えば、金属膜等であってもよい。

【0049】

また、実施例１及び２では、半導体装置１０、１００として横型ＭＯＳＥＦＴを例に挙げて説明したが、縦型の半導体装置であってもよい。

【0050】

なお、窒化ガリウム基板の表面に形成したトレンチの内面を水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）により処理した場合のａ面及びｍ面について、ａ面の方がｍ面よりもチャネル移動度が高くなることが論文（Bahat Treidel et al., Journal of the Electron Devices Society, 9, 215-228, 2021）にて報告されている。したがって、半導体装置の製造過程においてＴＭＡＨによる処理を行う場合には、例えば、ａ面方向に沿ってチャネルが形成されるように処理を行うことにより、チャネル移動度が高い（すなわち、オン抵抗が低い）半導体装置を得ることができる。

【0051】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0052】

１２：窒化ガリウム基板
４０：絶縁膜
１１４：溝部
１１６：改質層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】