JP2015138826A

JP2015138826A - 炭化珪素基板

Info

Publication number: JP2015138826A
Application number: JP2014008647A
Authority: JP
Inventors: 望服部; Nozomi Hattori; 康成森; Yasunari Mori; 宮武　直正; Naomasa Miyatake; 直正宮武; 純央佐野; Sumihisa Sano
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Admap Inc
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Ferrotec Material Technologies Corp
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2015-07-30

Abstract

【課題】安価で絶縁性に優れた炭化珪素基板を提供する。【解決手段】炭化珪素基板は、ＣＶＤ法または焼結法により形成された炭化珪素からなる第１の層と、前記第１の層の表面に形成され、炭化珪素と異なる材料からなる第２の層と、を備える。前記第２の層は、前記第１の層よりも比抵抗が１?１０２Ωｃｍ以上大きい。前記炭化珪素基板は、全体の比抵抗が１?１０１０Ωｃｍ以上であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素基板に関する。

炭化珪素は、シリコンよりも熱伝導性に優れた材料として知られている。炭化珪素のうち、単結晶構造を有するＳｉＣ（単結晶ＳｉＣ）は、高価であるため、パワーデバイスや高周波デバイスの基板材料として普及させるのにコスト面の課題がある。一方、ＣＶＤ法等で作製された多結晶構造を有するＳｉＣ（多結晶ＳｉＣ）は、比較的安価でありながら単結晶ＳｉＣと同程度の熱伝導率を有する。パワーデバイス等の基板材料には単結晶構造は不要なため、多結晶ＳｉＣを基板材料として用いることで、放熱性に優れたデバイスを低コストで作ることができる。
しかし、多結晶ＳｉＣに直接デバイスを作製しても、結晶性の悪さから充分な特性が得られず、多結晶ＳｉＣを基材とした貼り合わせデバイスにおいてもデバイス特性が悪化する場合がある（特許文献１参照）。特に、多結晶ＳｉＣを高周波デバイスに用いた場合は、絶縁性の不足によってＲＦ損失が生じやすくなる。

特開２０１２−１８９６０号公報

本発明は、安価で絶縁性に優れた炭化珪素基板を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、炭化珪素基板であって、
ＣＶＤ法または焼結法により形成された炭化珪素からなる第１の層と、
炭化珪素と異なる材料からなり、前記第１の層の表面に形成された第２の層と、を備え、
前記第２の層は、前記第１の層よりも比抵抗が１×１０^２Ωｃｍ以上大きく、
全体の比抵抗が１×１０^１０Ωｃｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、安価で絶縁性に優れた炭化珪素基板を提供することができる。

本実施形態の炭化珪素基板の層構成を説明する断面図である。

以下、本発明のＳｉＣ基板を詳細に説明する。
図１に、本実施形態のＳｉＣ基板Ｓの層構成を示す。
ＳｉＣ基板Ｓは、ＣＶＤ法または焼結法により形成されたＳｉＣからなる第１の層１と、炭化珪素と異なる材料からなり、第１の層１の表面に形成された第２の層２と、を備える。第２の層２は、第１の層１よりも比抵抗が１×１０^２Ωｃｍ以上大きい。また、ＳｉＣ基板Ｓ全体の比抵抗は１×１０^１０Ωｃｍ以上である。

（第１の層）
第１の層１は、ＣＶＤ法により作製されたＳｉＣ（以降、ＣＶＤ−ＳｉＣという）、または、焼結法により作製されたＳｉＣ（以降、焼結ＳｉＣという）からなる。ＣＶＤ−ＳｉＣは、主として３Ｃ型（β型）の結晶多形を含み、焼結ＳｉＣは、主として３Ｃ型（β型）の結晶多形および６Ｈ型（α型）結晶多形を含む構造となっている。

第１の層１の比抵抗は、第２の層２によってＳｉＣ基板全体の絶縁性が高められているため、特に制限されないが、好ましくは１×１０^５Ωｃｍ以上である。これにより、第２の層２による、ＳｉＣ基板Ｓ全体の比抵抗を向上させる効果が得られる。例えば、第１の層１の比抵抗は、中抵抗率と呼ばれる７０〜２００Ωｃｍの範囲にあってもよい。第１の層１の上限値は、特に制限されない。ＳｉＣ基板Ｓが高周波デバイスに用いられる場合は、第１の層１の比抵抗が１×１０^５Ωｃｍ程度の比較的高い値であっても絶縁性が不足する場合があるが、本実施形態では、ＳｉＣと異なる材料からなり、比抵抗が第１の層１よりも１×１０^２Ωｃｍ以上大きい第２の層２が形成されていることによって、第１の層１だけでは得ることが困難な１×１０^１０Ωｃｍ以上の比抵抗を有するＳｉＣ基板を得ることができる。

第１の層１に含まれる不純物の量は、第１の層１の比抵抗に影響を及ぼすことから、少ないほど好ましいが、第１の層１の比抵抗の値が１Ωｃｍ以上となる範囲において不純物が含まれていてもよい。不純物の含有量の合計は、例えば１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。なお、本明細書において、不純物は、Ｓｉ、Ｃ以外の元素をいう。

第１の層１の厚さは、特に制限されず、ＳｉＣ基板Ｓの用途に応じて、その用途で要求される仕様を考慮して、適宜定めることができ、例えば１００〜１０００μｍである。

（第２の層）
第２の層２は、ＳｉＣと異なる材料からなり、第１の層１よりも比抵抗が１×１０^２Ωｃｍ以上大きい。多結晶ＳｉＣであるＣＶＤ−ＳｉＣまたは焼結ＳｉＣは、単結晶ＳｉＣと比べて不純物が混入しやすく、比抵抗が低くなりやすいが、本実施形態では、第２の層２が第１の層１と異なる材料からなり、第２の層２と第１の層１の比抵抗の差が１×１０^２Ωｃｍ以上であることによって、ＳｉＣ基板Ｓ全体として比抵抗が高くなり、具体的には、第１の層１単独では１×１０^５Ωｃｍ程度である比抵抗を１×１０^１０Ωｃｍ以上の高い値に大幅に向上させることができる。なお、比抵抗は、４端子法または４探針法などにより測定され、例えば、比抵抗が１×１０⁶Ωｃｍ程度より小さい領域では、４端子法が用いられ、ＪＩＳＣ２１４１に準じて２０℃で測定される。比抵抗が１×１０⁶Ωｃｍ程度以上の領域では、例えば、熱雑音を低減可能な機器を組み込んだ４探針法による測定装置などを用いて測定される。

第２の層２の材料は、好ましくは、第１３族または第１４族元素の窒化物、酸化物、または酸窒化物からなる。第１３族元素としては、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌが挙げられるが、中でも、熱伝導性に優れる点で、Ａｌが好ましい。第１４族元素としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂが挙げられるが、中でも、絶縁性が良好である点で、Ｓｉが好ましい。第１３族または第１４族元素の窒化物または酸化物としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を例示できる。これらの中では、熱伝導率が高く、放熱性に優れる点で、ＡｌＮが特に好ましく用いられるが、第２の層２の厚さが薄くてもよい場合は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４も好ましく用いられる。

第２の層２に含まれる不純物は、第２の層２と第１の層１の比抵抗の差が１×１０^２Ωｃｍ以上となる範囲において含まれていてもよいが、第２の層２が原子層堆積（ＡＬＤ）法により形成される場合は、特に制限されない。

第２の層２は、ＳｉＣとの熱伝導率の差が１００Ｗ／ｍＫ以下の材料からなることが好ましい。これにより、ＳｉＣ基板Ｓ全体としての熱伝導性を高くすることができる。例えば、第２の層２の熱伝導率は、第１の層１の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度である場合は、１００〜１５０Ｗ／ｍＫである。なお、ＳｉＣの熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ程度、ＡｌＮの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ程度、Ａｌ_２Ｏ_３の熱伝導率は１２〜３４Ｗ／ｍＫ程度、ＳｉＯ_２の熱伝導率は１．０〜１．４Ｗ／ｍＫ程度、Ｓｉ_３Ｎ_４の熱伝導率は２３〜５４Ｗ／ｍＫ程度である。なお、熱伝導率は、ＪＩＳＲ１６１１に準拠して測定され、本明細書において、２０℃における値で表される。
第２の層２は、ＳｉＣとの熱伝導率の差が１００Ｗ／ｍＫを超える材料から作製されてもよい。この場合は、第２の層２の厚さを薄くすることで、ＳｉＣ基板Ｓ全体の熱伝導率の低下を抑えられる。一方で、第２の層２として、熱伝導率は低いが比抵抗は高い材質を選ぶことができ、ＳｉＣ基板Ｓの用途に応じた材料選択の自由度が増す。

第２の層２の膜厚は、ＳｉＣ基板Ｓ全体の比抵抗および熱伝導性を考慮して、適宜定められる。例えば、ＳｉＣ基板Ｓの比抵抗を高くする観点からは、第２の層２の膜厚は１μｍ以上であることが好ましく、ＳｉＣ基板Ｓの熱伝導率を大きく低下させない観点からは、０．５μｍ以下の薄さにすることが好ましい。

第２の層２の表面の表面粗さＲａは、１０ｎｍ以下であることが好ましい。第２の層２の表面とは、第１の層１と接する側と反対側の面をいう。表面粗さは、算術平均粗さＲａである。第２の層２の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることにより、ＳｉＣ基板Ｓに貼り合わせられる後述する貼り合わせ材との密着性が高くなる。第２の層２のこのような表面粗さは、第２の層２の表面を研磨することによって得られるほか、第１の層１の表面（第２の層２が形成される側の表面）を研磨した後に、均一な膜厚の第２の層２を形成することによっても得られる。第１の層１および第２の層２の表面の研磨は、例えば、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨や、ＣＭＰ等の化学機械研磨により行われる。

第２の層２を研磨する場合は、研磨による取り代を確保するために、第２の層２の膜厚は２０μｍ以上であることが好ましい。この場合の第２の層２の形成は、速く成膜でき、かつ、コストを抑えられる点で、ＣＶＤ法、スパッタリング等の方法により行われることが好ましい。
一方、第１の層１を研磨し、その後、均一な膜厚の第２の層２を形成する場合は、第２の層２の表面を研磨する必要がないことから、第２の層２の形成は、高い段差被覆性を有する点で、ＡＬＤ法により好ましく行われる。これにより、第２の層２の表面粗さを上記範囲にし、貼り合わせ材等との密着性を高めることができる。
なお、第２の層２の膜厚を厚くしたい場合には、例えば、第１の層１の表面に、ＣＶＤ法、スパッタリング等により第２の層２の大半の部分を形成し、その後、ＡＬＤ法により第２の層２の残りの部分を形成する方法を用いることができる。なお、高速に成膜を行うために、ＡＬＤ法の中でも、公知のＳｐａｔｉａｌＡＬＤ法が用いられてもよい。

ＳｉＣ基板Ｓは、第２の層２の表面が上記範囲の表面粗さＲａを有していることに加え、反りが１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、第２の層の表面と貼り合わせ材等との密着性をより高めることができる。

なお、第２の層２は、第１の層１が熱処理等されることによって酸化されて形成されたＳｉＯ_２からなる層であってもよい。

本実施形態のＳｉＣ基板Ｓは、例えば、次のようにして作製される。ここでは、第２の層２として、ＡｌＮを作製する場合を例に説明する。
まず、減圧容器内に、シラン系ガスおよび炭化水素ガスを含む原料ガスを供給するとともに、窒素ガスを供給し、減圧容器内に配置された黒鉛基材を１１００〜１５００℃に加熱して、黒鉛基材上に多結晶ＳｉＣを堆積させて第１の層１を形成する。第１の層１を形成後、酸素雰囲気中で９００〜１４００℃で加熱することにより、黒鉛基材を燃焼させて除去する。このようにして形成された第１の層１の表面を、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨し、平滑にした後、別の減圧容器内で、窒素原子を含む窒化ガスおよびアルミニウムを含む原料ガスを交互に供給しながら、第１の層１を常温〜４００℃で加熱して、第１の層１の表面にＡｌＮからなる第２の層２を形成する。

本実施形態のＳｉＣ基板によれば、ＣＶＤ法または焼結法で作製された多結晶ＳｉＣの第１の層１の上に、ＳｉＣと異なる材料からなり、かつ、第１の層１との比抵抗の差が１×１０^２Ωｃｍ以上の高抵抗膜である第２の層２が形成されていることによって、安価で絶縁性に優れたＳｉＣ基板Ｓが得られる。このような絶縁性の高いＳｉＣ基板Ｓを用いて作製されたデバイスは、デバイス特性が良好であり、特に高周波デバイスに用いられた場合のＲＦ損失が生じにくくすることができる。なお、この効果は、ＳｉＣ基板の表面粗さが上記範囲内であることにも起因して得られる。このようなＳｉＣ基板Ｓは、例えば、０．７ＧＨｚ以上の高周波素子として好適に用いられ、２０ＧＨｚ以上の高周波素子としてより好適に用いられる。

多結晶ＳｉＣは、従来よりプラズマエッチング装置の治具等の用途に用いられているが、絶縁性が低いために、半導体基板に用いられていない。また、多結晶ＳｉＣは、上記したように高周波特性に劣るため、それのみで信頼性の高い高周波デバイスを得ることには限界がある。ここで、多結晶ＳｉＣの代わりに、ＳｉＣ基板よりも絶縁性が高く、高周波特性に優れた基板材料としてサファイア基板を用いることが考えられる。サファイア基板は、例えば、その上にシリコン層を成膜したシリコンサファイアとして用いられる。しかし、サファイア基板は、熱伝導率が低いため（４１Ｗ／ｍＫ程度）、デバイスに用いられた場合の放熱性が良好ではなく、デバイスの信頼性、安定した動作が損なわれるおそれがある。本実施形態のＳｉＣ基板Ｓでは、放熱性に優れたデバイスが得られるとともに、デバイスの信頼性、安定した動作が確保される。また、ＳｉＣは、シリコンと比べ熱伝導性が高く、放熱性に優れるため、例えば、発熱量の大きいデバイスにおける冷却を簡易に行え、製品を小型化できる。また、高温動作が可能となり、例えば、１００℃を超える環境で用いられる可能性のあるデバイスや、１０ｋＷ程度の大電力が供給されるデバイスとして用いられた場合に、デバイスにおける熱暴走を抑え、信頼性の高いデバイスを作ることができる。

（ＳｉＣ基板の用途）
本実施形態のＳｉＣ基板Ｓは、例えば、種々の特性を有する貼り合わせ材と貼り合わせることができ、貼り合わせ基板に用いることができる。貼り合わせ材としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の単結晶材料のウエハが挙げられるが、特にこれらに制限されない。
貼り合わせ基板は、単結晶ウエハの有する特性をそのまま有し、かつ、安価に作製されるＳｉＣによって厚さが確保されているため、種々の特性を有する基板を安価に作製できる。すなわち、高価な単結晶ウエハからなる貼り合わせ材の厚さを薄くして、コストを抑えることができる。なお、貼り合わせ基板の厚さを確保する理由は、デバイス作製のために貼り合わせ基板の表面に層の形成等を行う場合に必要とされるためである。

ＳｉＣ基板Ｓと貼り合わせ材を貼り合わせる方法は、例えば、公知のスマートカット（イオンカットともいう）を用いることができる。具体的には、貼り合わせ材である単結晶ウエハに、イオン注入法により水素原子を数μｍの深さに高濃度に導入して切れ目を入れ（水素脆化させ）、次いで、水素原子を導入した単結晶ウエハの表面をＳｉＣ基板の第２の層の表面にあてがい、必要に応じて熱処理を施すことで、単結晶ウエハの上記表面を含む部分が当該表面の全域にわたって、単結晶ウエハの他の部分から剥がされる。このとき単結晶ウエハのうち剥がれてＳｉＣ基板Ｓ上に残る部分の厚みは、数μｍの薄さである。なお、貼り合わせ基板は、スマートカットによって作製した後に、貼り合わせ材の表面にエピタキシャル成長によって単結晶薄膜が形成されてもよい。これにより、貼り合わせ材として比抵抗が十分に高くないものを用いた場合にも、貼り合わせ基板の表面の特性を良好にできるとともに、貼り合わせ材の全てをエピタキシャル成長により形成する場合と比べ、コストを大きく低減することができる。なお、貼り合わせは、スマートカットに限定されず、メートル法、ＳＵＦＴＬＡ（登録商標）等、他の方法により行われてもよい。

単結晶シリコンからなる貼り合わせ材とＳｉＣ基板Ｓとの貼り合わせ基板は、熱伝導性に優れかつ絶縁性が改善された上記ＳｉＣ基板を備えているため、単結晶シリコンからなる貼り合わせ材と多結晶シリコン基板とが貼り合わされてなる従来の貼り合わせ基板と比べ、多様な用途に用いることができる。例えば、携帯通信端末の受信機や、ＲＦスイッチ、デジタルステップ減衰器、ＰＬＬ周波数合成器、ミキサ、プリスケーラ、デジタル可変キャパシタ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等に用いられる。

また、単結晶ＳｉＣからなる貼り合わせ材とＳｉＣ基板Ｓとの貼り合わせ基板は、絶縁性の高い第２の層を備えていることで、高周波デバイスに用いられる場合に有用である。この場合に、例えば、貼り合わせ材とＳｉＣ基板とを貼り合わせた後に、貼り合わせ材の表面にエピタキシャル膜を形成することによって、単結晶ＳｉＣをチャネル層とするＦＥＴを作製することができる。
さらに、単結晶ＧａＮからなる貼り合わせ材とＳｉＣ基板Ｓとの貼り合わせ基板は、１０ｋＷ程度の大電力が供給される高周波デバイスに用いられた場合に、絶縁性の高い第２の層があることによって、ＲＦ損失が低減される。

以上、本発明の炭化珪素基板について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

Claims

ＣＶＤ法または焼結法により形成された炭化珪素からなる第１の層と、
炭化珪素と異なる材料からなり、前記第１の層の表面に形成された第２の層と、を備え、
前記第２の層は、前記第１の層よりも比抵抗が１×１０^２Ωｃｍ以上大きく、
全体の比抵抗が１×１０^１０Ωｃｍ以上であることを特徴とする炭化珪素基板。
前記第２の層は、第１３族または第１４族元素の窒化物、酸化物、または酸窒化物からなる、請求項１に記載の炭化珪素基板。
前記第２の層の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の炭化珪素基板。
０．７ＧＨｚ以上の高周波素子として用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板。