JP5424445B2 - 半導体基板の製造方法および半導体基板 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
Claims (11)
- 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、
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。 - 上記接合工程が、貼り合わせた上記炭化シリコン基板と上記シリコン基板とを、対向する金属平板の間に挟んで加圧しながら加熱する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
- 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、
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。 - 上記貼り合わせ工程は、上記炭化シリコン基板と上記シリコン基板との少なくとも一方の表面にイソプロピールアルコールを塗布し、それぞれの接合面の間に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3に記載の半導体基板の製造方法。
- 上記貼り合わせ工程は、塗布した上記イソプロピールアルコールを乾燥させた後に、
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。 - 上記炭化シリコン基板と上記シリコン基板とが、共に単結晶基板からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。
- 上記貼り合わせ工程の前に、上記それぞれの接合面上の自然酸化膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。
- 上記接合工程の後に、上記シリコン層の表面を研磨して該シリコン層の膜厚を減じる工程を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。
- 炭化シリコン基板と、
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。 - 上記アモルファス層および/または遷移層の膜厚は、5nm以下であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 上記炭化シリコン基板が単結晶基板であり、上記シリコン層が単結晶層であることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体基板。
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