JP2013157586A - Compound semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー系化合物半導体、とりわけSiC基板やGaN基板を用いる半導体装置の基板構造と素子構造に関するものである。 The present invention relates to a substrate structure and an element structure of a semiconductor device using a power compound semiconductor, particularly a SiC substrate or a GaN substrate.
図1において、従来から公表されている単結晶SiC基板に形成する縦構造のMOSFETを示す。図1−aはSiC基板1を示す。図1−bはその基板に形成した縦構造のMOSFETの断面図を示す。表面にソース部11、ドレイン部12、ゲート部13、Pウエル14とを設けて、ドレイン部は縦方向に電流方向を設けドレイン電極19から電流をとる公知の構造である。NチャンネルMOSFETの事例ではSiC基板は全体がN−層、ソース部11とドレイン部12はN+層、チャンネル部がP層15から構成される。図1−cはMOSFETがオフの時、すなわちドレインに逆バイアス電圧が印加される場合のP層の空乏層の拡がりを表している。事例では、空乏層到達点18は10μmの深さとなっている。SiC基板の厚さは、作業性を考慮して400μmとなっている。FIG. 1 shows a vertically structured MOSFET formed on a single crystal SiC substrate that has been publicly disclosed. FIG. 1A shows the
この構造の素子の課題は、SiC基板のコストが高いことである。4H構造のSiC基板においては昇華法と呼ばれる方式で基板を作るために小さな基板口径となっているのが現実で、大口径化するためには結晶欠陥を減らすために各種の工夫を要しコストはさらに高くなってしまう。また、3C構造のSiC基板においてはSi基板にSiCを成長させ、そのSiCを基板として利用するものである。しかし、SiとSiCとの格子定数の違いにより結晶欠陥が多く、それを減らすために様々な工夫が必要なためコスト高になっている。このように4H構造の基板、3C構造の基板共に各種工夫により結晶欠陥が低減され、その基板にMOSFETやショットキーダイオードを形成しても実用上問題ないレベルには到達してきた。しかし、結晶欠陥を減らすために製造工程は複雑になりコスト高となっている。課題はコスト低減ができる基板の作り方にある。The subject of the element of this structure is that the cost of the SiC substrate is high. In the SiC substrate of 4H structure, it is actually a small substrate diameter to make the substrate by a method called a sublimation method, and in order to increase the diameter, various devices are required to reduce crystal defects and cost. Will be even higher. In the SiC substrate having the 3C structure, SiC is grown on the Si substrate, and the SiC is used as the substrate. However, there are many crystal defects due to the difference in lattice constant between Si and SiC, and the cost is high because various devices are required to reduce them. As described above, the crystal defects are reduced by various devices in both the 4H structure substrate and the 3C structure substrate, and even if a MOSFET or a Schottky diode is formed on the substrate, the level has reached a level where there is no practical problem. However, the manufacturing process is complicated and costly in order to reduce crystal defects. The problem is how to make a substrate that can reduce costs.
図1−bにおいてMOSFETと基板の関係をコスト低減の観点から着眼すると、SiC基板の厚さ400μmに対して、MOSFETとして必要なのは表層の10μm程度であることに着目することができる。When focusing on the relationship between the MOSFET and the substrate in FIG. 1B from the viewpoint of cost reduction, it can be noted that the surface layer requires about 10 μm for the thickness of the SiC substrate of 400 μm.
より具体的には、図1−cにおいてMOSFETが逆バイアスの時に空乏層が縦方向に広がり降伏電圧印加時に到達する空乏層の深さは約10μmである。従って、図1−cの破線で示す空乏層到達点18より深い方向のSiC層は結晶欠陥の少ないSiC層である必要はないことに着目することができる。More specifically, in FIG. 1-c, when the MOSFET is reverse-biased, the depletion layer extends in the vertical direction, and the depth of the depletion layer reached when the breakdown voltage is applied is about 10 μm. Accordingly, it can be noted that the SiC layer deeper than the depletion
但し、SiCに形成するMOSFETのソース、ドレイン、Pウエルなどの不純物拡散層の不純物を活性化するために1600℃以上の高温度熱処理が必要であるため、この破線以下の層は、高温度に耐えうる半導体、或いは導体であることが要件である。However, a high temperature heat treatment of 1600 ° C. or higher is required to activate impurities in the impurity diffusion layer such as the source, drain, and P well of the MOSFET formed in SiC. The requirement is to be a semiconductor or conductor that can withstand.
図1の事例では縦構造のMOSFETの事例を示しているが、SiC基板に縦構造のショットキーダイオードを形成する場合においても同様である。すなわちMOSFETの場合もショットキーダイオードの場合もSiC基板の表層の10μm程度だけが用いられているのが実情である。The case of FIG. 1 shows an example of a vertical MOSFET, but the same applies to the case where a vertical Schottky diode is formed on a SiC substrate. That is, in the case of MOSFET and Schottky diode, only about 10 μm of the surface layer of the SiC substrate is actually used.
この様な考察に基づいたMOSFETやショットキーダイオードを形成するための基板はこれまで開示されていない。また、それに必要な基板の作成方法は開示されていない。A substrate for forming a MOSFET or a Schottky diode based on such consideration has not been disclosed so far. Further, a method for producing a substrate necessary for this is not disclosed.
高電圧駆動素子の用途が拡大するにつれてそれらの素子のコストダウン、より性能の高い素子の実用化が重要な課題となってきている。SiC基板やGaN基板上に形成するMOSFETやジャンクションゲートFETやショットキーダイオードはこのニーズに合ったものである。以下の事例では、SiC基板を例に発明内容を開示するがGaN基板、その他の化合物半導体基板においても同様である。As the use of high voltage driving elements expands, the cost reduction of those elements and the practical application of higher performance elements have become important issues. MOSFETs, junction gate FETs, and Schottky diodes formed on SiC substrates and GaN substrates meet this need. In the following cases, the contents of the invention will be disclosed by taking a SiC substrate as an example, but the same applies to a GaN substrate and other compound semiconductor substrates.
本発明が解決しようとする課題は、高価格になりがちの化合物半導体の基板を素子に必要な部分だけに高価な化合物半導体を用いて、それ以外の基板となるところを安価な材料で構成することにある。より具体的には、素子を形成する層には単結晶のSiC層を用いて、基板となるところは安価なポリSiC層を用いることである。そして、その2層構造の素子の作り易い手段を実用化することにある。The problem to be solved by the present invention is to use a compound semiconductor substrate, which tends to be expensive, in an expensive compound semiconductor only for the part necessary for the device, and to configure the other substrate with an inexpensive material. There is. More specifically, a single crystal SiC layer is used as a layer for forming an element, and an inexpensive poly SiC layer is used as a substrate. Then, it is to put into practical use a means that makes it easy to produce an element having the two-layer structure.
本発明の構成は、図1の考察に基づく安価なポリSiC基板上に薄い単結晶SiC層に形成し、そこにMOSFETやショットキーダイオードを形成するものである。In the configuration of the present invention, a thin single crystal SiC layer is formed on an inexpensive poly SiC substrate based on the consideration of FIG. 1, and a MOSFET and a Schottky diode are formed there.
ポリSiC基板に単結晶SiCを形成する手法としては、単結晶の種結晶基板の表層の1μm程度に水素を注入して、ポリSiC基板と貼り合わせた後にスマートカット技術により水素層にて劈開せしめるという近年実用化が進んでいるスマートカット手法にて行うことができる。劈開後の種結晶基板は、表面を1μm程度研磨して再利用することができる。これにより、当初400μmの基板はスマートカットと研磨で2μmずつ減少するが、200μm厚まで使用するとすれば、100回のSiC層の移植に利用することができる。また、劈開後のポリSiC上の単結晶SiC層は研磨して表層の欠陥を除去した後に、公知のホモエピタキシャル成長技術により必要な厚さ、例えば、10μmの厚さまで、単結晶SiCを成長させることができる。As a method for forming single crystal SiC on a poly SiC substrate, hydrogen is injected into the surface layer of the single crystal seed crystal substrate at about 1 μm, and after bonding to the poly SiC substrate, the silicon layer is cleaved with a smart cut technique. It can be performed by the smart cut method that has been practically used in recent years. The seed crystal substrate after cleavage can be reused by polishing the surface by about 1 μm. As a result, the initial 400 μm substrate is reduced by 2 μm by smart cutting and polishing, but if it is used up to a thickness of 200 μm, it can be used for transplanting 100 SiC layers. In addition, the single crystal SiC layer on the poly-SiC after cleavage is polished to remove surface layer defects, and then single crystal SiC is grown to a necessary thickness, for example, 10 μm by a known homoepitaxial growth technique. Can do.
このスマートカット層形成後の貼り合わせ基板の作成における課題は、ポリSiC基板とスマートカット層を形成した単結晶SiCの貼り合わせである。貼り合わせ工程に高圧、高温度を印加すれば貼り合わせは可能であるが、スマートカット面がその途中で劈開してしまい好ましくない。A problem in creating a bonded substrate after the formation of the smart cut layer is bonding of a single-crystal SiC having a poly SiC substrate and a smart cut layer formed thereon. Bonding is possible if high pressure and high temperature are applied to the bonding step, but the smart cut surface is cleaved in the middle, which is not preferable.
本発明においては、ポリSiCの基板表面に極めて薄いシリコン膜を形成し、スマートカット層形成後の単結晶SiC基板の表面には極薄いシリコン酸化膜を形成して、両方の基板のシリコン膜面とシリコン酸化膜面を貼り合わせる手法を提供するものである。このシリコン膜とシリコン酸化膜は必ずしもこの組み合わせである必要はなく、シリコン酸化膜面同士でも、シリコン膜同士の面の貼り合せ、或いは一方にシリコン酸化膜だけを設けた面での貼り合わせでも良い。シリコン基板で既に実績があるシリコン酸化膜面同士の貼り合せ、或いはシリコン酸化膜が一方に基板に存在してシリコン酸化膜を介して貼り合わせることは室温で可能であることは知られている。この知見をSiCに適用するものである。このシリコン酸化膜は絶縁物であるが、シリコン酸化膜が極薄いために、その後のSiC膜のエピタキシャル成長中や不純物の高温度熱処理中に酸素が吸収されて絶縁物では無くなる、シリコンはポリSiCに溶融して、絶縁物であるシリコン酸化膜層が消失するというのが本発明の要点である。In the present invention, an extremely thin silicon film is formed on the surface of the poly SiC substrate, and an extremely thin silicon oxide film is formed on the surface of the single crystal SiC substrate after the smart cut layer is formed. And a method of bonding the silicon oxide film surfaces together. The silicon film and the silicon oxide film do not necessarily need to be a combination of these, and the silicon oxide film surfaces may be bonded to each other, or the surfaces of the silicon films may be bonded to each other, or may be bonded to the surface on which only the silicon oxide film is provided. . It is known that it is possible at room temperature to bond silicon oxide film surfaces that have already been proven in silicon substrates, or to bond silicon oxide films on one substrate via a silicon oxide film. This knowledge is applied to SiC. Although this silicon oxide film is an insulator, since the silicon oxide film is extremely thin, oxygen is absorbed during the subsequent epitaxial growth of the SiC film or during high-temperature heat treatment of impurities, and the silicon oxide is no longer an insulator. The main point of the present invention is that the silicon oxide film layer which is an insulator disappears when melted.
この基板にMOSFETやショットキーダイオードを公知の構造にて形成することができる。N型半導体のSiC層に形成するpウエル層の不純物として公知のアルミをイオン注入し、ソース、ドレインのN+層の不純物としてはリンをイオン注入して、その後に、約1600℃以上にて活性化することにより形成することができる。MOSFETs and Schottky diodes can be formed on this substrate with a known structure. Known aluminum is ion-implanted as an impurity of the p-well layer formed in the SiC layer of the N-type semiconductor, and phosphorus is ion-implanted as an impurity of the N + layer of the source and drain, and then at about 1600 ° C. It can be formed by activation.
この様に本発明が目的としている素子基板は、シリコン酸化膜を介して低温度、低印加圧力で行う基板の貼合わせ技術、実用化が始まっているスマートカット技術をSiCへ転用をすることと、本発明の特徴である極薄のシリコン酸化膜を消失させる手法により可能である。In this way, the element substrate targeted by the present invention is to divert the substrate bonding technology performed at a low temperature and a low applied pressure through the silicon oxide film to the SiC and the smart cut technology which has been put into practical use. This is possible by the technique of eliminating the ultrathin silicon oxide film, which is a feature of the present invention.
高電圧駆動に適したSiC基板の実用化の期待は大きいが、これまで基板の高価格が制約となってその用途の拡大が制限されている。ポリSiCの基板への採用、スマートカット層形成、極薄シリコン酸化膜を介する貼合わせ、極薄シリコン酸化膜の消失という一連を手段により種基板の再利用を可能にならしめ、SiC基板の低コスト化を提供する構造は画期的である。Although there are great expectations for the practical use of SiC substrates suitable for high-voltage driving, the expansion of applications has been limited so far due to the high price of the substrates. The use of poly-SiC for substrate, smart cut layer formation, bonding through ultra-thin silicon oxide film, and disappearance of ultra-thin silicon oxide film make it possible to reuse the seed substrate, making the SiC substrate low The structure that provides cost savings is groundbreaking.
図2に本発明の実施例としてポリSiC基板20の上に極薄シリコン膜21を形成したシリコン酸化膜面とスマートカット層3を形成し極薄シリコン酸化膜4を形成した単結晶種結晶2の極薄シリコン酸化膜面とを貼り合わせて、その後、極薄シリコン酸化膜4が消失する工程の手順を示す。図2−aはSiC種結晶2に1μmの深さにスマートカット層3を形成し、表面に1nm程度の極薄シリコン酸化膜4を形成した状態を示す。
スマートカット層の表層側の薄いSiC層5がスマートカットでポリSiC側へ移されるSiC層である。図2−bは厚さ400μmのポリSiC基板20に極薄シリコン膜21を形成した状態を示す。ポリSiC20は単結晶である必要はないので高速成長で作成した結晶欠陥密度を問わない低コストな基板である。図2−c1は、図2−a、図2−bの基板を貼り合わせた状態を示す。シリコン酸化膜面での貼り合せであるために高圧をかけることなく、室温で貼り合わせができる。図2−c2はポリSiC基板20も、種結晶SiC基板2も結晶欠陥のために反りがある場合に適用する手法である。図においてポリSiC基板20も種単結晶SiC基板2も平坦化ステージ30、32で反りを矯正されている。平坦化ステージ30、32は真空引きで吸引孔31、33により基板を吸着して平坦度を出している。これにより平坦化された状態で室温近傍の温度で貼り合わせを行うことができる。図2−dはその後、1000℃程度でスマートカット層を劈開させ、表面を研磨で結晶性を良くした状態を示す。欠陥層の除去はCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング)などで研磨することにより可能である。図2−eはその後、スマートカットでポリSiC基板に移したSiC層5にエピタキシャル成長で10μmまで成長させたSiC膜6の状態を示す。SiC層5にエピタキシャル成長する1600℃から1700℃においてシリコン酸化膜はその融点を越える高温下で、ポリSiC基板20あるいは、SiC層5に溶解する。この状態でシリコン膜と絶縁物である極薄シリコン酸化膜は消失している。2 shows a single
The
以上の様にして形成したポリSiC基板20の上の単結晶SiC膜5,6に図1−cで示した縦型のMOSFETを作成することができる。空乏層の拡がり領域17に相当することころが単結晶5、6内に存在する。従って、MOSFETはこの領域内にて構成され、それ以外の基板領域は安価なポリSiCで構成することができる。種結晶2は結晶欠陥を減らした高価な基板であるが、この様にして本来必要な厚さだけを有効に使用することにより大幅なコストダウンが可能になる。以上の事例においては、ポリSiCに形成した極薄のシリコン膜面とスマートカット層を設けた単結晶SiCに形成した極薄のシリコン酸化膜面とを貼り合せた事例であるが、ポリSiCに形成した極薄のシリコン酸化膜面とスマートカット層を設けた単結晶SiCに形成した極薄のシリコン膜面との貼り合せもまったく同様な効果を生み出すことができる。The vertical MOSFET shown in FIG. 1-c can be formed on the single
以上の図の事例では極薄のシリコンと極薄のシリコン酸化膜の界面を介してポリSiC基板と単結晶積層SiC膜の貼り合せの事例を説明したが、極薄のシリコン酸化膜同士の貼り合せ、極薄のシリコン同士の貼り合せでも、また一方の面をシリコン酸化膜とするだけでも貼り合せは可能であり、効果は同様である。また、ポリSiC基板とスマートカットを形成した単結晶SiC基板との間に介在して貼り合わせを容易にするものは必ずしも半導体或いはその酸化物である必要はなく、面同士が貼り合せし易い白金の様な金属でも良い。また、本事例では単結晶化合物半導体としてSiCを事例に説明したがGaNなど他の化合物半導体においても同様である。また基板としてはSiCの他に化合物半導体に近い材料の使用も可能である。In the case of the above figure, the example of bonding the poly SiC substrate and the single crystal laminated SiC film through the interface between ultrathin silicon and ultrathin silicon oxide film has been explained. In addition, bonding can be performed by bonding ultra-thin silicon to each other or only by using one surface as a silicon oxide film, and the effect is the same. In addition, it is not always necessary to use a semiconductor or its oxide to interpose between a poly SiC substrate and a single crystal SiC substrate on which a smart cut is formed. A metal like In this example, SiC is described as an example of a single crystal compound semiconductor, but the same applies to other compound semiconductors such as GaN. In addition to SiC, a material close to a compound semiconductor can be used as the substrate.
SiC基板やGaN基板などを用いた高電圧駆動素子は、車においてはハイブリッド車普及、電気自動車の普及に伴ってますます重要度が増してくる。また、家庭においてはスマートグリッド化の普及に伴って家電製品の電動化やエネルギー管理のために高電圧素子の役割が重要になってくる。本発明によりポリSiC基板上に単結晶SiC膜を形成し、安価な基板をできる基板構造を実用化することができ大きな効果を創出し、当該分野の素子の普及に大きく貢献するものとなる。GaNなどの他の化合物半導体においても同様な期待がある。 High-voltage drive elements using SiC substrates, GaN substrates, and the like are becoming increasingly important with the spread of hybrid vehicles and electric vehicles. In addition, with the spread of smart grids in homes, the role of high voltage elements becomes important for the electrification and energy management of home appliances. According to the present invention, a single crystal SiC film can be formed on a poly SiC substrate, and a substrate structure capable of forming an inexpensive substrate can be put into practical use, creating a great effect and greatly contributing to the spread of devices in this field. There are similar expectations for other compound semiconductors such as GaN.
1・・・SiC基板(N−層) 2・・・SiC種結晶基板(N−層)
3・・・スマートカット層 4・・・極薄シリコン酸化膜
5・・・スマートカットで移されるSiC層 6・・・10μmに成長させたSiC膜
11・・・ソース(N+層) 12・・・ドレイン(N+層) 13・・・ゲート電極
14・・・ゲート酸化膜 15・・・Pウエル 16・・・電流方向
17・・・空乏層の拡がり 18・・・空乏層到達点 19・・・ドレイン電極
20・・・ポリSiC基板(N+層) 21・・・極薄シリコン膜
30・・・平坦化ステージ 31・・・吸引孔
32・・・平坦化ステージ 33・・・吸引孔1 ... SiC substrate (N - layer) 2 ... SiC seed crystal substrate (N - layer)
3 ...
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Cited By (1)
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KR20190047083A (en) * | 2016-10-13 | 2019-05-07 | 소이텍 | Method for melting buried oxide in a silicon-on-insulator wafer |
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