JP5424445B2 - Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor substrate - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板の製造方法および半導体基板に関し、特に、炭化シリコン基板上に直接シリコン層を形成した半導体基板の製造方法および半導体基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate manufacturing method and a semiconductor substrate, and more particularly to a semiconductor substrate manufacturing method and a semiconductor substrate in which a silicon layer is formed directly on a silicon carbide substrate.
トランジスタの高速動作を可能とするために、シリコン基板上に絶縁層を介してシリコン層を設けたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板や、炭化シリコン基板上に絶縁層を介して窒化ガリウム層を設けた基板が用いられている。このような基板を用いることにより、トランジスタの寄生容量が低減でき、トランジスタの高速動作が可能となる。
しかしながら、ＳＯＩ基板は放熱性が悪いため、エネルギー密度の高い電力用トランジスタ等には適用できないという問題があった。また、化合物半導体である窒化ガリウム層を用いた場合、結晶欠陥が多かったり、シリコントランジスタの製造プロセスをそのまま適用できない等の問題があった。
In order to enable high-speed operation of the transistor, an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which a silicon layer is provided on a silicon substrate via an insulating layer, or a gallium nitride layer is provided on a silicon carbide substrate via an insulating layer. A substrate is used. By using such a substrate, the parasitic capacitance of the transistor can be reduced, and the transistor can be operated at high speed.
However, since the SOI substrate has poor heat dissipation, there is a problem that it cannot be applied to a power transistor having a high energy density. In addition, when a gallium nitride layer, which is a compound semiconductor, is used, there are problems such as a large number of crystal defects and the inability to apply the silicon transistor manufacturing process as it is.
これに対して、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）技術を用いて、表面に酸化シリコン層を備えたシリコン層（ドナー基板）と、炭化シリコン基板（ハンドル基板）とを貼り合わせて作製したＳＯＩ基板が提案されている。かかるＳＯＩ基板では、炭化シリコン基板を用いるために放熱特性が良好であり、トランジスタの作製にシリコンプロセスが適用できる等の利点もあった（例えば、特許文献１〜４参照）。
しかしながら、パワーＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体デバイスを作製する場合、ＳＯＩ基板では縦型トランジスタの作製が不可能であり、パワー半導体デバイスのエネルギー密度に限界があるという問題があった。
また、ハンドル基板に多結晶の炭化シリコンを用いた場合、炭化シリコン基板には欠陥や不純物が多く、これがデバイスを作製するシリコン層に悪影響を与えるという問題もあった。
However, when a power semiconductor device such as a power FET or IGBT is manufactured, a vertical transistor cannot be manufactured on an SOI substrate, and there is a problem that the energy density of the power semiconductor device is limited.
In addition, when polycrystalline silicon carbide is used for the handle substrate, the silicon carbide substrate has many defects and impurities, which has a problem of adversely affecting the silicon layer for manufacturing the device.
そこで、本発明は、エネルギー密度の高いパワー半導体デバイスに適用可能な半導体基板の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate applicable to a power semiconductor device having a high energy density.
本発明は、炭化シリコン基板上にシリコン層を直接形成した半導体基板の製造方法であって、炭化シリコン基板とシリコン基板とを準備する工程と、炭化シリコン基板とシリコン基板とを、それぞれの接合面の間に有機溶媒を挟んで貼り合わせる貼り合わせ工程と、貼り合わせた炭化シリコン基板とシリコン基板とを、接合面に向かって加圧しながら加熱し、それぞれの接合面どうしを接合してシリコン基板からなるシリコン層を炭化シリコン基板上に形成する接合工程とを含むことを特徴とする半導体基板の製造方法である。 The present invention is a method of manufacturing a semiconductor substrate in which a silicon layer is directly formed on a silicon carbide substrate, the step of preparing the silicon carbide substrate and the silicon substrate, and the bonding surfaces of the silicon carbide substrate and the silicon substrate, respectively. A bonding process in which an organic solvent is sandwiched between them, and the bonded silicon carbide substrate and the silicon substrate are heated while being pressed toward the bonding surface, and the bonding surfaces are bonded to each other from the silicon substrate. And a bonding step of forming a silicon layer on the silicon carbide substrate.
また、本発明は、炭化シリコン基板と、炭化シリコン基板上に積層されたシリコン層とを含む半導体基板であって、炭化シリコン基板の上にシリコン層が直接接合されていることを特徴とする半導体基板でもある。
ここで、直接接合されているとは、例えば接着剤のような他の接合材料を用いない接合状態をいい、より具体的には、シリコン基板と炭化シリコン基板とが、実質的に直接接触して接合された状態、あるいはシリコンおよび／または炭素を主成分とする薄層を介して接合された状態をいう。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate including a silicon carbide substrate and a silicon layer stacked on the silicon carbide substrate, wherein the silicon layer is directly bonded to the silicon carbide substrate. It is also a substrate.
Here, the term “directly bonded” refers to a bonded state in which no other bonding material such as an adhesive is used. More specifically, the silicon substrate and the silicon carbide substrate are substantially in direct contact with each other. Or bonded through a thin layer mainly composed of silicon and / or carbon.
本発明にかかる製造方法によれば、炭化シリコン基板上にシリコン層を直接形成した半導体基板を容易に提供できる。 According to the manufacturing method of the present invention, a semiconductor substrate in which a silicon layer is directly formed on a silicon carbide substrate can be easily provided.
また、本発明にかかる半導体基板では、良好な放熱特性を実現することができる。 Moreover, in the semiconductor substrate according to the present invention, good heat dissipation characteristics can be realized.
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」、「裏」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, “top”, “bottom”, “left”, “right”, “front”, “back” and names including these terms are used as appropriate, but these directions refer to the drawings. The present invention is used for facilitating the understanding of the present invention, and a mode in which the embodiment is inverted upside down or rotated in an arbitrary direction is naturally included in the technical scope of the present invention.
本発明は、炭化シリコン基板と、その上に直接形成されたシリコン層を備えた半導体基板に関するものである。図１は、かかる半導体基板の製造工程を表す断面図であり、本発明の製造工程は、以下の工程１〜４を含む。 The present invention relates to a semiconductor substrate including a silicon carbide substrate and a silicon layer directly formed thereon. FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of such a semiconductor substrate, and the manufacturing process of the present invention includes the following processes 1 to 4.
工程１：図１（ａ）に示すように、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板１０とシリコン（Ｓｉ）基板２０とを準備する。炭化シリコン基板１０は、例えばノンドープの単結晶基板からなり、表面は（０００１）面であり、厚みは約３００μｍである。ここで、炭化シリコン基板１０の＜０００１＞方向は熱伝導性に優れている。
一方、シリコン基板２０は、例えばノンドープの単結晶基板からなり、表面は（１００）面であり、厚みは約３００μｍである。基板の直径は、それぞれ２インチとする。
ここでは、炭化シリコン基板１０、シリコン基板２０として単結晶基板を用いる場合について述べるが、多結晶基板を用いることも可能である。
また、ここでは、炭化シリコン基板１０、シリコン基板２０にジャスト基板を用いる場合について述べるが、オフ基板を用いることも可能である。例えば、炭化シリコン基板１０では、結晶欠陥を低減するためにオフ角が８°程度のオフ基板を用いることができる。
Step 1: As shown in FIG. 1A, a silicon carbide (SiC) substrate 10 and a silicon (Si) substrate 20 are prepared. Silicon carbide substrate 10 is made of, for example, a non-doped single crystal substrate, and has a (0001) surface and a thickness of about 300 μm. Here, the <0001> direction of the silicon carbide substrate 10 is excellent in thermal conductivity.
On the other hand, the silicon substrate 20 is made of, for example, a non-doped single crystal substrate, and has a (100) surface and a thickness of about 300 μm. Each substrate has a diameter of 2 inches.
Although the case where single crystal substrates are used as the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 is described here, a polycrystalline substrate can also be used.
Although a case where a just substrate is used as the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 is described here, an off substrate can be used. For example, in the silicon carbide substrate 10, an off substrate having an off angle of about 8 ° can be used to reduce crystal defects.
工程２：炭化シリコン基板１０の表面、およびシリコン基板２０の裏面に形成された、主に酸化シリコンからなる自然酸化膜を除去する。除去工程には、例えばフッ化水素酸による表面エッチングが用いられる。なお、自然酸化膜を除去する工程は省略する場合もある。 Step 2: The natural oxide film mainly made of silicon oxide formed on the front surface of the silicon carbide substrate 10 and the back surface of the silicon substrate 20 is removed. For the removal step, for example, surface etching with hydrofluoric acid is used. Note that the step of removing the natural oxide film may be omitted.
工程３：図１（ｂ）に示すように、炭化シリコン基板１０の表面に有機溶媒を塗布した後、その上にシリコン基板２０の裏面を重ねる。これにより、炭化シリコン基板１０の表面と、シリコン基板２０の裏面とが、有機溶媒を介して貼り合わされる。有機溶媒としては、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピールアルコール等のアルコールや他の有機溶媒が用いられる。 Process 3: As shown in FIG.1 (b), after apply | coating an organic solvent to the surface of the silicon carbide substrate 10, the back surface of the silicon substrate 20 is piled up on it. Thereby, the surface of silicon carbide substrate 10 and the back surface of silicon substrate 20 are pasted together via an organic solvent. As the organic solvent, alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, and other organic solvents are used.
図２Ａは、炭化シリコン基板１０の上に有機溶媒を介してシリコン基板２０を貼り合わせた状態の上面写真である。炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とが有機溶媒を挟んで貼り合わされているが、有機溶媒中に部分的に気泡が見られる。
なお、有機溶剤を塗布した後に、例えば室内に放置し乾燥させた後に貼り合わせても構わない。
FIG. 2A is a top view photograph of a state in which the silicon substrate 20 is bonded to the silicon carbide substrate 10 via an organic solvent. The silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 are bonded to each other with an organic solvent interposed therebetween, but bubbles are partially observed in the organic solvent.
In addition, after apply | coating an organic solvent, after leaving it to stand indoors and making it dry, you may bond together.
工程４：例えば１組のモリブデン等の金属平板を準備し、その間に、貼り合わされた状態の炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とを挟み、加圧した状態で固定する。固定は、例えば固定具で金属平板を挟んで行い、この状態で例えばアニール炉で熱処理する。熱処理は、例えば５５０℃で３０分間保持した後、１０００℃まで昇温してこの温度で３０分間保持して行う。熱処理の雰囲気には、例えばアルゴン雰囲気が用いられる。
かかる熱処理により、炭化シリコン基板１０の表面上にシリコン基板２０が接合され、炭化シリコン基板１０上にシリコン基板２０からなるシリコン層が直接形成された半導体基板１００となる。
ここでは、炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とを貼り合わせた状態で加圧して固定するが、接合面が接した状態で固定できれば必ずしも加圧しなくても良い。
Step 4: For example, a set of metal flat plates such as molybdenum is prepared, and the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 bonded together are sandwiched therebetween and fixed in a pressurized state. Fixing is performed, for example, by sandwiching a metal flat plate with a fixture, and in this state, heat treatment is performed, for example, in an annealing furnace. The heat treatment is performed, for example, by holding at 550 ° C. for 30 minutes, then raising the temperature to 1000 ° C. and holding at this temperature for 30 minutes. For example, an argon atmosphere is used as the heat treatment atmosphere.
By this heat treatment, the silicon substrate 20 is bonded onto the surface of the silicon carbide substrate 10, and the semiconductor substrate 100 in which the silicon layer made of the silicon substrate 20 is directly formed on the silicon carbide substrate 10 is obtained.
Here, the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 are pressed and fixed in a state where the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 are bonded together, but it is not always necessary to pressurize as long as the bonding surface can be fixed.
図２Ｂは、熱処理後の半導体基板１００の上面写真である。熱処理により有機溶媒は蒸発し、炭化シリコン基板１０上に直接シリコン層２０が接合されている。 FIG. 2B is a top view of the semiconductor substrate 100 after the heat treatment. The organic solvent is evaporated by the heat treatment, and the silicon layer 20 is bonded directly on the silicon carbide substrate 10.
工程５：図１（ｃ）に示すように、例えばＣＭＰ法を用いてシリコン層２０を表面から研磨して所定の膜厚とする。シリコン層２０の膜厚は、例えば２０μｍ程度であるが、適当な膜厚にすることができる。
以上の工程で、炭化シリコン基板上に、所望の膜厚のシリコン層が直接接合された半導体基板１００が完成する。即ち、接着剤のような他の接合材料を用いず、シリコン基板と炭化シリコン基板が、シリコンおよび／または炭素を主成分とする薄層を介して直接接合された半導体基板１００を得ることができる。
Step 5: As shown in FIG. 1C, the silicon layer 20 is polished from the surface to have a predetermined film thickness by using, for example, a CMP method. The film thickness of the silicon layer 20 is, for example, about 20 μm, but can be set to an appropriate film thickness.
Through the above steps, the semiconductor substrate 100 in which the silicon layer having a desired film thickness is directly bonded onto the silicon carbide substrate is completed. That is, the semiconductor substrate 100 in which the silicon substrate and the silicon carbide substrate are directly bonded via a thin layer mainly composed of silicon and / or carbon can be obtained without using another bonding material such as an adhesive. .
図２Ｃは、研磨工程が完了し、完成した半導体基板１００の上面写真である。 FIG. 2C is a top view photograph of the completed semiconductor substrate 100 after the polishing process is completed.
次に、本実施の形態にかかる半導体基板１００の放熱特性について述べる。
図３Ａ、図３Ｂは、本実施の形態にかかる半導体基板１００とシリコン基板との、放熱特性のシミュレーション結果である。図３Ａ、３Ｂ中の温度は、図３Ａ中に示した凡例に対応している（単位は℃）。図３Ａは、本実施の形態にかかる半導体基板１００を用いた場合、図３Ｂは、シリコン基板を用いた場合である。半導体基板１００とシリコン基板の膜厚は等しく、基板裏面の温度は３０℃一定する。上面中央にトランジスタのチャネルが形成されていると仮定し、この部分から１４．３Ｗの熱を供給した。
Next, heat dissipation characteristics of the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment will be described.
3A and 3B are simulation results of heat dissipation characteristics of the semiconductor substrate 100 and the silicon substrate according to the present embodiment. The temperature in FIGS. 3A and 3B corresponds to the legend shown in FIG. 3A (the unit is ° C.). 3A shows a case where the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment is used, and FIG. 3B shows a case where a silicon substrate is used. The film thicknesses of the semiconductor substrate 100 and the silicon substrate are equal, and the temperature of the back surface of the substrate is constant at 30 ° C. Assuming that the channel of the transistor is formed at the center of the upper surface, 14.3 W of heat was supplied from this portion.
この結果、図３Ａに示す本実施の形態にかかる半導体装置１００では、チャネルの温度は１４５℃となった。一方、図３Ｂのシリコン基板では、チャネル温度は２２５℃となった。 As a result, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment shown in FIG. 3A, the channel temperature was 145 ° C. On the other hand, in the silicon substrate of FIG. 3B, the channel temperature was 225 ° C.
このように、本実施の形態にかかる半導体基板１００を用いることにより、シリコン基板を用いるよりも放熱特性が向上し、エネルギー密度の高い半導体デバイスの形成が可能となる。 Thus, by using the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment, the heat dissipation characteristics are improved as compared with the case of using a silicon substrate, and a semiconductor device having a high energy density can be formed.
ここで、熱伝導率を比較すると、Ｓｉは１．３（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）であるが、６Ｈ−ＳｉＣは４．９（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）であり、Ｃｕの４．０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と同程度の高い熱伝導率を有する。このため、本実施の形態にかかる半導体基板１００のように炭化シリコン基板を用いることにより、シリコン基板に比較して放熱特性を大幅に向上させることが可能となる。 Here, when the thermal conductivity is compared, Si is 1.3 (W / cm · K), but 6H—SiC is 4.9 (W / cm · K), and Cu 4.0 (W / cm · K). / Cm · K) and a high thermal conductivity. For this reason, by using a silicon carbide substrate like the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment, it is possible to significantly improve the heat dissipation characteristics as compared with the silicon substrate.
次に、本実施の形態にかかる半導体基板１００を用いて作製したｎチャネルＭＯＳＦＥＴの特性について述べる。図４は、半導体基板１００を用いて作製したＭＯＳＦＥＴを含む半導体チップの上面写真である。半導体チップの１辺は１ｍｍであり、ゲート長ＬＧは２０μｍである。 Next, characteristics of an n-channel MOSFET manufactured using the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a top view photograph of a semiconductor chip including a MOSFET manufactured using the semiconductor substrate 100. One side of the semiconductor chip is 1 mm, the gate length L G is 20 [mu] m.
図５Ａは、ＭＯＳＦＥＴのＩ−Ｖ特性であり、横軸がドレイン電圧ＶＤ、縦軸がドレイン電流ＩＤを示す。ゲート電圧ＶＧは、０Ｖから１０Ｖまで１Ｖ間隔で変化させた。図５Ａより、良好なＩ−Ｖ（電流電圧）特性が得られていることがわかる。 FIG. 5A shows the IV characteristics of the MOSFET, where the horizontal axis represents the drain voltage V D and the vertical axis represents the drain current ID . Gate voltage V G was varied 1V interval from 0V to 10V. FIG. 5A shows that good IV (current voltage) characteristics are obtained.
また、図５Ｂは、ゲート電圧ＶＧを変化させた場合のドレイン電流ＩＤであり、横軸がゲート電圧ＶＧ、縦軸がドレイン電流ＩＤを示す。図５Ｂより、良好なトランジスタのスイッチング動作が得られていることがわかる。 Further, Figure 5B is a drain current I D in the case of changing the gate voltage V G, the horizontal axis indicates the gate voltage V G, the vertical axis represents the drain current I D. FIG. 5B shows that a favorable transistor switching operation is obtained.
なお、半導体基板１００に含まれるシリコン層２０中での電子移動度は、５５０ｃｍ２／Ｖ・ｓ程度と、良好な値となっている。 Note that the electron mobility in the silicon layer 20 included in the semiconductor substrate 100 is a favorable value of about 550 cm 2 / V · s.
このようにＭＯＳＦＥＴが良好なトランジスタ特性を示すことから、本実施の形態にかかる半導体基板１００は、一般的な製造プロセス（熱拡散等の熱処理工程やエッチング工程等）に対しても十分に耐えうることがわかる。特に炭化シリコンとシリコンとは熱膨張係数が近いため、高温プロセスにも耐えることができる。 Thus, since the MOSFET exhibits good transistor characteristics, the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment can sufficiently withstand a general manufacturing process (a heat treatment process such as thermal diffusion or an etching process). I understand that. In particular, since silicon carbide and silicon have similar thermal expansion coefficients, they can withstand high temperature processes.
以上のように、本実施の形態にかかる製造方法では、炭化シリコン基板上にシリコン層を直接形成した半導体基板を容易に提供できる。特に、従来のＳＯＳ基板やＳＩＭＯＸ等の埋め込みＳＯＩ基板に比較して、シリコン層の結晶性が良好となる。 As described above, the manufacturing method according to the present embodiment can easily provide a semiconductor substrate in which a silicon layer is directly formed on a silicon carbide substrate. In particular, the crystallinity of the silicon layer is better than a conventional SOS substrate or a buried SOI substrate such as SIMOX.
また、炭化シリコン基板に欠陥が含まれていても、シリコン基板を貼り付けてシリコン層を作製するため、炭化シリコン基板の結晶性はシリコン層に影響を与えず、結晶性の良好なシリコン層が得られる。 In addition, even if the silicon carbide substrate contains defects, the silicon layer is formed by attaching the silicon substrate, so the crystallinity of the silicon carbide substrate does not affect the silicon layer, and a silicon layer with good crystallinity can get.
また、本発明にかかる半導体基板では、良好な放熱特性を有する基板の提供が可能となる。また、容易に素子分離層を形成できる。 In addition, the semiconductor substrate according to the present invention can provide a substrate having good heat dissipation characteristics. Further, the element isolation layer can be easily formed.
また、化合物半導体を用いる場合に比べて、ウエハ口径の大きな半導体基板を得ることができる。 In addition, a semiconductor substrate having a large wafer diameter can be obtained as compared with the case where a compound semiconductor is used.
また、炭化シリコン基板とシリコン層との間に絶縁層を含まないため、縦型の半導体デバイスの作製にも適用でき、エネルギー密度の高い半導体デバイスの提供が可能となる。 In addition, since an insulating layer is not included between the silicon carbide substrate and the silicon layer, it can be applied to the manufacture of a vertical semiconductor device, and a semiconductor device with high energy density can be provided.
特に、単結晶の炭化シリコン基板は高純度化が可能であるため、かかる半導体基板を用いてＭＯＳＦＥＴの製造プロセスを行った場合、高温プロセス等によっても不純物拡散が発生せず、ＭＯＳＦＥＴの特性劣化が発生しない。 In particular, since a single-crystal silicon carbide substrate can be highly purified, when a MOSFET manufacturing process is performed using such a semiconductor substrate, impurity diffusion does not occur even in a high-temperature process, and the characteristics of the MOSFET are deteriorated. Does not occur.
更に、炭化シリコン基板は透明であり、ＭＯＳＦＥＴの製造プロセスにおいて、基板裏面からの位置合わせが容易に行える。 Furthermore, the silicon carbide substrate is transparent, and alignment from the back surface of the substrate can be easily performed in the MOSFET manufacturing process.
Ｓｉ／ＳｉＣ界面の評価
次に、炭化シリコン基板とシリコン基板の接合界面について評価を示す。評価は、１）ＥＳＣＡ分析、２）ＲＡＭＡＮ分光分析、３）ＴＥＭ観察で行った。
Evaluation of Si / SiC Interface Next, evaluation of the bonding interface between the silicon carbide substrate and the silicon substrate will be described. Evaluation was performed by 1) ESCA analysis, 2) RAMAN spectroscopic analysis, and 3) TEM observation.
１）ＥＳＣＡ分析
図６は、炭化シリコン基板１０の表面上にシリコン基板２０が接合された半導体基板１００のＥＳＣＡ分析結果であり、横軸がシリコン基板の表面からの深さ、横軸が組成を示す。表面から２０００ｎｍの深さまではＳｉが略１００％（シリコン基板）であり、その後、Ｃの濃度が増え、略２２００ｎｍからはＳｉとＣが略５０％ずつ（炭化シリコン基板）となっている。
1) ESCA analysis FIG. 6 is a result of ESCA analysis of the semiconductor substrate 100 in which the silicon substrate 20 is bonded to the surface of the silicon carbide substrate 10, the horizontal axis is the depth from the surface of the silicon substrate, and the horizontal axis is the composition. Show. At a depth of 2000 nm from the surface, Si is approximately 100% (silicon substrate), and thereafter the concentration of C increases. From approximately 2200 nm, Si and C are approximately 50% (silicon carbide substrate).
２）ＲＡＭＡＮ分光分析
図７Ａは、シリコン基板の表面に垂直方向における、半導体基板１００のＲＡＭＡＮ分光分析結果であり、基準となるシリコンウエハの分析結果と、半導体基板（Si on SiC）１００の分析結果を示す。
シリコンウエハのピーク位置は５２０．００±０．０４ｃｍ−１で、ＦＷＨＭは２．７２±０．０１ｃｍ−１である。一方、半導体基板１００に含まれるシリコン層のピーク位置は５２０．３０±０．０８ｃｍ−１で、ＦＷＨＭは３．０７±０．１１ｃｍ−１である。
このように、ピーク位置が高波数側にシフトしていることから、半導体基板１００において、炭化シリコン基板上のシリコンには圧縮応力が働いていることがわかる。
2) RAMAN spectroscopic analysis FIG. 7A shows the results of RAMAN spectroscopic analysis of the semiconductor substrate 100 in the direction perpendicular to the surface of the silicon substrate. The analysis result of the reference silicon wafer and the analysis result of the semiconductor substrate (Si on SiC) 100 Indicates.
Peak position of the silicon wafer at 520.00 ± 0.04cm -1, FWHM is 2.72 ± 0.01 cm -1. On the other hand, the peak position of the silicon layer included in the semiconductor substrate 100 is 520.30 ± 0.08 cm -1, FWHM is 3.07 ± 0.11 cm -1.
Thus, since the peak position is shifted to the high wave number side, it can be seen that in the semiconductor substrate 100, compressive stress is acting on the silicon on the silicon carbide substrate.
図７Ｂは、シリコン基板の表面に平行な方向における、半導体基板（Si on SiC）１００のＲＡＭＡＮ分光分析結果であり、横軸にＳｉ／ＳｉＣ界面からＳｉ基板側への距離、縦軸にラマンシフトを示す。
Ｓｉ／ＳｉＣ界面からＳｉ基板側に３０〜６０μｍの領域でラマンシフトが約５２０．３となり、Ｓｉ基板に圧縮応力が存在することがわかる。
FIG. 7B is a RAMAN spectroscopic analysis result of the semiconductor substrate (Si on SiC) 100 in a direction parallel to the surface of the silicon substrate. The horizontal axis represents the distance from the Si / SiC interface to the Si substrate side, and the vertical axis represents the Raman shift. Indicates.
The Raman shift is about 520.3 in the region of 30 to 60 μm from the Si / SiC interface to the Si substrate side, and it can be seen that compressive stress exists in the Si substrate.
３）ＴＥＭ観察
図８Ａ、８Ｂは、半導体基板１００の断面方向のＴＥＭ像（ＨＲ−ＴＥＭ像）であり、図８Ａは晶帯軸が［１１−２０］の方向、図８Ｂは晶帯軸が［１−１００］の方向を示す。図８Ａ、８Ｂにおいて、上方がＳｉ層、下側が６Ｈ−ＳｉＣ層であり、その界面にこれらの層とは結晶状態の異なる層が見られる。
3) TEM observation FIGS. 8A and 8B are TEM images (HR-TEM images) in the cross-sectional direction of the semiconductor substrate 100, FIG. 8A shows the direction of the crystal zone axis [11-20], and FIG. 8B shows the crystal zone axis. The direction of [1-100] is shown. 8A and 8B, the upper side is a Si layer and the lower side is a 6H—SiC layer, and a layer having a crystal state different from these layers is seen at the interface.
図９（ａ）は、図８Ｂの界面近傍の拡大写真であり、図９（ｂ）は、界面における結晶モデルである。図９（ｂ）において、上側はＳｉ層（単結晶シリコン基板）であり、下側は遷移層となっている。図９（ａ）からわかるように、実際の界面では、遷移層の下側がアモルファス層となり、その下側がＳｉＣ基板となっている。このように、Ｓｉ基板と６Ｈ−ＳｉＣ基板の界面は、アモルファス層や遷移層を介したボイドフリーな界面となっていると考えられる。 FIG. 9A is an enlarged photograph of the vicinity of the interface in FIG. 8B, and FIG. 9B is a crystal model at the interface. In FIG. 9B, the upper side is a Si layer (single crystal silicon substrate), and the lower side is a transition layer. As can be seen from FIG. 9A, at the actual interface, the lower side of the transition layer is an amorphous layer and the lower side is an SiC substrate. Thus, it is considered that the interface between the Si substrate and the 6H—SiC substrate is a void-free interface via an amorphous layer or a transition layer.
図９（ｃ）は、半導体基板１００の断面構造を模式的に示したもので、６Ｈ−ＳｉＣ基板の上に、略１．５ｎｍのアモルファス層、略０．５ｎｍの遷移層を介してＳｉ基板が直接接合されている。アモルファス層および遷移層は、シリコンおよび／または炭素を主成分とした薄と考えられる。アモルファス層と遷移層からなる層の膜厚は、数ｎｍ以下、好適には５ｎｍ以下と考えられる。 FIG. 9C schematically shows a cross-sectional structure of the semiconductor substrate 100. The Si substrate is formed on the 6H-SiC substrate via an amorphous layer of about 1.5 nm and a transition layer of about 0.5 nm. Are directly joined. The amorphous layer and the transition layer are considered to be thin with silicon and / or carbon as the main component. The film thickness of the layer composed of the amorphous layer and the transition layer is considered to be several nm or less, preferably 5 nm or less.
イソプロピルアルコール塗布によるＳｉＣ表面層の形成
次に、本発明の実施の形態にかかる製造方法の工程３（図１（ｂ））において、炭化シリコン基板１０の表面に有機溶媒を塗布した状態における、炭化シリコン基板１０の表面の評価を行った。評価には、以下の実験１、２を用いた。
Formation of SiC Surface Layer by Application of Isopropyl Alcohol Next, in step 3 (FIG. 1 (b)) of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, carbonization in a state where an organic solvent is applied to the surface of silicon carbide substrate 10. The surface of the silicon substrate 10 was evaluated. The following experiments 1 and 2 were used for the evaluation.
実験１：次の３条件でＳｉＣ基板の表面をＸ線光電子分光法（略称：ＸＰＳまたはＥＳＣＡ）にて測定した。測定はすべて同一試料で順次行なった。
（ａ）イソプロピルアルコールで処理していないＳｉＣ基板の表面のＸＰＳ測定。
（ｂ）イソプロピルアルコールを塗布し室温で数分間放置し自然乾燥。その後、速やかにＸＰＳ装置に装填し、ＸＰＳ測定。
（ｃ）（ｂ）の測定の後ＸＰＳ装置内（真空度１ｅ−６Ｐａ程度）に約１２時間放置した後、再びＸＰＳ測定。
Experiment 1: The surface of the SiC substrate was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (abbreviation: XPS or ESCA) under the following three conditions. All measurements were performed sequentially on the same sample.
(A) XPS measurement of the surface of a SiC substrate not treated with isopropyl alcohol.
(B) Apply isopropyl alcohol, let stand at room temperature for several minutes, and air dry. After that, it is quickly loaded into the XPS device and measured for XPS.
(C) After the measurement in (b), the sample was left in the XPS apparatus (degree of vacuum: about 1e-6 Pa) for about 12 hours, and then again measured for XPS.
図１０Ａは、イソプロピルアルコール処理前後のＳｉＣ基板のＸＰＳ信号であり、図１０Ａ中、（ａ）は処理前、（ｂ）は処理直後、（ｃ）は処理後、真空中にて１２時間経過後の信号を表す。図１０Ａより、イソプロピルアルコール処理前はＳｉＣに起因するＳｉピーク１とＳｉＣに起因するＣピーク５が観測される。ピーク２とピーク６はＳｉＣ表面の自然酸化膜に起因するピークである。 10A is an XPS signal of the SiC substrate before and after the isopropyl alcohol treatment. In FIG. 10A, (a) is before treatment, (b) is immediately after treatment, (c) is after treatment, and after 12 hours in vacuum. Represents the signal. From FIG. 10A, before treatment with isopropyl alcohol, Si peak 1 caused by SiC and C peak 5 caused by SiC are observed. Peaks 2 and 6 are peaks caused by the natural oxide film on the SiC surface.
イソプロピルアルコールを塗布後、自然乾燥した試料では、ＳｉＣに起因するピークに加えて、新たなＳｉピーク３およびＣピーク７が観測される。ＳｉＣに起因するピークより高エネルギー側に見られることから、Ｓｉ原子とＣ原子が酸素などの電気陰性度の大きい元素と化学結合を形成している。 In the sample which is naturally dried after applying isopropyl alcohol, in addition to the peak due to SiC, new Si peak 3 and C peak 7 are observed. Since it is seen on the higher energy side from the peak due to SiC, the Si atom and the C atom form a chemical bond with an element having a high electronegativity such as oxygen.
イソプロピルアルコールを大気中で塗布し、それ以外の化学物質を用いていないことから、「イソプロピルアルコール」、または「イソプロピルアルコールの分解生成物」、または「イソプロピルアルコールと酸素の反応生成物」がＳｉＣと反応し表面層を形成していると考えられる。 Since isopropyl alcohol is applied in the air and no other chemicals are used, “isopropyl alcohol” or “decomposition product of isopropyl alcohol” or “reaction product of isopropyl alcohol and oxygen” is SiC and It is considered that a surface layer is formed by reaction.
ＳｉＣに起因するピークと、表面層に起因するピークの両方が観測されることから、表面層の厚みは光電子の脱出深さ程度（２ｎｍ程度）といえる。 Since both the peak due to SiC and the peak due to the surface layer are observed, it can be said that the thickness of the surface layer is about the photoelectron escape depth (about 2 nm).
真空中で１２時間放置した後も、ピーク４および８のように、ピーク３および７と変わらない表面層起因のピークが見られる。このことから、図１０Ａの結果は、イソプロピルアルコールが揮発する途中の様子を観測したのではなく、ＳｉＣに強固に吸着した表面層を観測していると結論できる。 Even after standing in vacuum for 12 hours, there are peaks due to the surface layer that are not different from peaks 3 and 7, such as peaks 4 and 8. From this, it can be concluded that the result of FIG. 10A is not observing the state where isopropyl alcohol is volatilized but observing the surface layer firmly adsorbed on SiC.
実験２：ＳｉＣ基板をイソプロピルアルコールにて処理した後、ＸＰＳ測定を行った。その後、試料を一旦、大気中に取り出し超純水で洗浄し、再びＸＰＳ装置に装填しＸＰＳ測定を行った。超純水洗浄前後でＸＰＳスペクトルを比較した。 Experiment 2: After the SiC substrate was treated with isopropyl alcohol, XPS measurement was performed. Thereafter, the sample was once taken out into the atmosphere, washed with ultrapure water, loaded again into the XPS apparatus, and XPS measurement was performed. The XPS spectra were compared before and after washing with ultrapure water.
図１０Ｂは、イソプロピルアルコール処理したＳｉＣ基板の超純水洗浄前後のＸＰＳ信号であり、（ａ）は超純水洗浄前、（ｂ）は超純水洗浄後の信号を示す。 FIG. 10B is an XPS signal before and after the ultrapure water cleaning of the SiC substrate treated with isopropyl alcohol, (a) shows the signal before the ultrapure water cleaning, and (b) shows the signal after the ultrapure water cleaning.
イソプロピルアルコール処理による表面層の形成がピーク１と３で確認できる。これらのピークは超純水で洗浄した後も、ピーク２と４に示すように変化しない。イソプロピルアルコールは水に溶けることから、表面層は単なるイソプロピルアルコールではない。 Formation of a surface layer by isopropyl alcohol treatment can be confirmed by peaks 1 and 3. These peaks do not change as shown by peaks 2 and 4 even after washing with ultrapure water. Since isopropyl alcohol is soluble in water, the surface layer is not just isopropyl alcohol.
この結果、ＳｉＣ基板にイソプロピルアルコールを塗布し自然乾燥させることで、イソプロピルアルコールに起因する表面層（厚さ２ｎｍ程度）が形成されることがわかる。表面層は、真空中に放置しても容易に揮発せず、水に対しても不溶である。 As a result, it can be seen that a surface layer (thickness of about 2 nm) resulting from isopropyl alcohol is formed by applying isopropyl alcohol to the SiC substrate and naturally drying. The surface layer does not evaporate easily even when left in a vacuum, and is insoluble in water.
［比較例］
比較例として、上述の半導体装置の製造方法の工程３において、炭化シリコン基板１０の表面に有機溶媒を塗布せずに、直接シリコン基板２０の裏面を重ねて半導体基板を作製した。他の製造工程は、上述の本実施の形態にかかる製造方法と同様である。
[Comparative example]
As a comparative example, in Step 3 of the method for manufacturing a semiconductor device described above, a semiconductor substrate was fabricated by directly overlapping the back surface of the silicon substrate 20 without applying an organic solvent to the surface of the silicon carbide substrate 10. Other manufacturing steps are the same as the manufacturing method according to the above-described embodiment.
このように、有機溶剤の塗布工程を含まない製造方法では、加圧熱処理工程（工程４）を行っても炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とが接合せず、炭化シリコン基板上にシリコン層を設けた半導体基板は得られなかった。 Thus, in the manufacturing method that does not include the organic solvent coating step, the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 are not bonded even if the pressure heat treatment step (step 4) is performed, and the silicon layer is formed on the silicon carbide substrate. The provided semiconductor substrate was not obtained.
以上の比較例から明らかなように、本発明にかかる半導体基板の製造方法では、工程３において炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０との間に有機溶剤を塗布することより、炭化シリコン基板１０上にシリコン基板２０を直接接合できることがわかる。 As is clear from the comparative example described above, in the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention, an organic solvent is applied between the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 in Step 3 to thereby form the semiconductor substrate 10 on the silicon carbide substrate 10. It can be seen that the silicon substrate 20 can be directly bonded.
なお、本実施の形態では、炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とが、シリコンおよび／または炭素を主成分とした薄層（アモルファス層および遷移層）を介して接合される場合について述べたが、工程４の熱処理条件（加熱温度、加熱時間等）を変えることにより、このような薄層が更に薄くなり、炭化シリコン基板１０とシリコン基板２０とが実質的に直接接触した状態で接合される場合もある。 In the present embodiment, the case where silicon carbide substrate 10 and silicon substrate 20 are bonded via a thin layer (amorphous layer and transition layer) mainly composed of silicon and / or carbon has been described. When such a thin layer becomes thinner by changing the heat treatment conditions (heating temperature, heating time, etc.) in step 4, and the silicon carbide substrate 10 and the silicon substrate 20 are bonded in a substantially direct contact state. There is also.
１０ 炭化シリコン基板、２０ シリコン基板（シリコン層）、１００ 半導体基板。 10 silicon carbide substrate, 20 silicon substrate (silicon layer), 100 semiconductor substrate.
Claims (11)
炭化シリコン基板とシリコン基板とを準備する工程と、
該炭化シリコン基板と該シリコン基板とを、それぞれの接合面の間に有機溶媒を挟んで貼り合わせる貼り合わせ工程と、
貼り合わせた該炭化シリコン基板と該シリコン基板とを、該接合面に向かって加圧しながら加熱し、それぞれの接合面どうしを接合して該シリコン基板からなるシリコン層を該炭化シリコン基板上に形成する接合工程とを含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor substrate in which a silicon layer is directly formed on a silicon carbide substrate,
Preparing a silicon carbide substrate and a silicon substrate;
A bonding step in which the silicon carbide substrate and the silicon substrate are bonded to each other with an organic solvent interposed between the bonding surfaces;
The bonded silicon carbide substrate and the silicon substrate are heated while being pressed toward the bonding surface, and each bonding surface is bonded to form a silicon layer made of the silicon substrate on the silicon carbide substrate. A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: a bonding step for performing a process.
炭化シリコン基板とシリコン基板とを準備する工程と、
該炭化シリコン基板と該シリコン基板とを、それぞれの接合面の間に有機溶媒を挟んで貼り合わせる貼り合わせ工程と、
貼り合わせた該炭化シリコン基板と該シリコン基板とを加熱し、それぞれの接合面どうしを接合して該シリコン基板からなるシリコン層を該炭化シリコン基板上に形成する接合工程とを含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor substrate in which a silicon layer is directly formed on a silicon carbide substrate,
Preparing a silicon carbide substrate and a silicon substrate;
A bonding step in which the silicon carbide substrate and the silicon substrate are bonded to each other with an organic solvent interposed between the bonding surfaces;
A bonding step of heating the bonded silicon carbide substrate and the silicon substrate and bonding the bonding surfaces to form a silicon layer made of the silicon substrate on the silicon carbide substrate. A method for manufacturing a semiconductor substrate.
それぞれの接合面の間に乾燥させた該イソプロピールアルコールを挟んで貼り合わせる工程であることを特徴とする請求項４に記載の半導体基板の製造方法。 In the bonding step, after the applied isopropyl alcohol is dried,
5. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 4, wherein the method is a step of bonding the dried isopropyl alcohol between the bonding surfaces.
該炭化シリコン基板上に積層されたシリコン層とを含む半導体基板であって、
該炭化シリコン基板とシリコン基板を、有機溶媒介して貼り合わせた状態で加圧しながら加熱することにより、該炭化シリコン基板に該シリコン基板からなる該シリコン層を、アモルファス層および／または遷移層を介して接合させたことを特徴とする半導体基板。 A silicon carbide substrate;
A semiconductor substrate including a silicon layer laminated on the silicon carbide substrate,
The carbon silicon substrate and divorced substrate by heating under pressure in a state where the bonded via an organic solvent, the silicon layer made of the silicon substrate to the carbon of the silicon substrate, the amorphous layer and / or transition layers A semiconductor substrate characterized by being bonded via .
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