JP2016092122A

JP2016092122A - 炭化珪素基板

Info

Publication number: JP2016092122A
Application number: JP2014223048A
Authority: JP
Inventors: 望服部; Nozomi Hattori; 康成森; Yasunari Mori
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】安価で高周波伝送損失の少ない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の層の誘電正接が０．０１未満である。【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を基材として他の誘電体層を貼りあわせてなる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、高周波領域における伝送損失（以降、高周波伝送損失ともいう）、特に誘電損が生じやすくなる。

特開２０１２−１８９６０号公報

本発明は、安価で高周波伝送損失の少ない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の層の誘電正接が０．０１未満であることを特徴とする。

本発明によれば、安価で高周波伝送損失の少ない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。第２の層の誘電正接の大きさと炭化珪素基板の高周波伝送損失（減衰率）との関係を示すグラフである。

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の誘電正接（ｔａｎδ）は０．０１未満である。本明細書において、誘電正接は、５ＧＨｚにおける常温での誘電正接をいう。

（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は、多結晶ＳｉＣであるＣＶＤ−ＳｉＣまたは焼結ＳｉＣからなり、誘電正接は０．１程度の高さを有しているが、後述するように、第２の層２の誘電正接が０．０１未満であることによって、高周波伝送損失は少なくなっている。本明細書において、高周波伝送損失が少ないとは、第２の層２の表面側における高周波伝送損失が、例えば、周波数５ＧＨｚにおいて、０〜−０．０５ｄＢ／ｍｍの範囲内であることをいう。

第１の層１の比抵抗は、ＳｉＣ基板Ｓの絶縁性を高める観点から、１×１０^５Ωｃｍ以上であることが好ましいが、この範囲に制限されず、例えば、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に含まれる窒素の量（窒素濃度）は、第１の層１の絶縁性を過度に低下させないようにする観点から、少ないほど好ましく、例えば１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。また、第１の層１に含まれるＳｉ及びＣ以外の金属元素の量は、基板ＳｉＣの絶縁性を高める観点から、１ｐｐｍ以下であることが好ましい。

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、誘電正接が０．０１未満である。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、誘電正接が大きくなりやすいが、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の誘電正接が０．０１未満であることによって、高周波伝送損失が少なくなっている。第２の層２には、具体的に、ＣＶＤ、ＡＬＤ、スパッタ蒸着、熱酸化等の方法によって成膜された絶縁体が用いられる。なお、誘電正接は、ＬＣＲメータで直接、あるいはブリッジ回路を用いて測定される。誘電正接の下限値は、特に限定されるものではないが、例えば０を超える大きさである。

ここで、誘電正接（ｔａｎδ）を種々変化させた複数のＳｉＣ基板を作製して、それぞれのＳｉＣ基板の第２の層の表面側における周波数５ＧＨｚでの高周波伝送損失（減衰率）を測定した結果を、図２に示す。ＳｉＣ基板は、ｔａｎδが０．１である多結晶ＳｉＣの第１の層の上に、第２の層として膜厚１μｍのＡｌ_２Ｏ_３の膜を形成し、さらに、第２の層の表面にコプレーナ線路を形成することにより作製した。コプレーナ線路の線路間距離（ギャップ）は１μｍとし、線幅は５μｍとした。高周波伝送損失は、ネットワークアナライザを用いて測定した。
図２から分かるように、第２の層２のｔａｎδが０．０１以上である場合は、その値が大きくなるほど、高周波伝送損失が増加する（高周波伝送損失の値が０から遠ざかる）ことが分かる。これに対し、第２の層２のｔａｎδが０．０１未満である場合は、高周波伝送損失は、−０．０５ｄＢ／ｍｍより大きい、０に近い値で安定している。本発明者等の知見によれば、周波数５ＧＨｚにおいて−０．０５ｄＢ／ｍｍ以上の高周波伝送損失を示す基板であれば、高周波領域で作動する半導体素子を実装するのに実用上問題がない。したがって、第２の層２のｔａｎδは０．０１未満である。
また、上記実験と合わせて、作製したＳｉＣ基板のそれぞれに関して、ＳｉＣ基板全体、ならびに第１の層および第２の層の各層の比抵抗を測定したところ、第２の層２のｔａｎδが０．０１未満であるＳｉＣ基板Ｓはいずれも、第２の層２の比抵抗は第１の層１よりも比抵抗が１×１０^２Ωｃｍ以上大きく、かつ、ＳｉＣ基板Ｓ全体の比抵抗は１×１０^１０Ωｃｍ以上であることが分かった。なお、比抵抗は、比抵抗が１×１０⁶Ωｃｍ程度より小さい領域では、４端子法を用いて、ＪＩＳＣ２１４１に準じて２０℃で測定した。また、比抵抗が１×１０⁶Ωｃｍ程度以上の領域では、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を用いて測定した。

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、第２の層２の熱伝導性が優れたものになる点で、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、第２の層２の絶縁性が良好になる点で、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、熱伝導率が高く、放熱性に優れる第２の層２が得られやすい点で、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には、上記した第１３族または第１４族元素の窒化物、酸化物、または酸窒化物に該当しない、不純物等の成分が含まれていてもよい。そのような成分は、第２の層２の誘電正接が０．０１未満となる範囲において含まれていてもよい。

第２の層２は、ＳｉＣとの熱伝導率の差が例えば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良好なものにすることができる。例えば、第１の層１の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度である場合、第２の層２の熱伝導率は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。
一方で、第２の層２は、厚みが薄い場合（例えば１０μｍ以下である場合）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。第２の層２の厚さが薄い場合には、このような熱伝導率の差があっても、ＳｉＣ基板Ｓ全体の熱伝導率の低下を抑えられる。また、第２の層２の材質として、熱伝導率は低いが誘電正接は小さいもの用いることができ、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、第１の層１が剥がれにくくなり、安価に形成できる観点から、１０μｍ以下であることが好ましい。また、第２の層２の膜厚が１０μｍ以下であることにより、ＳｉＣ基板Ｓの放熱性を良好なものにすることができる。さらに、第２の層２の表面に、導電パターンとしてギャップが十分に狭いコプレーナ線路が形成された場合は、電場の入り込み深さが小さいことから、第２の層２の膜厚がこのように比較的薄くても、高周波伝送損失を低減する効果が有効に発揮される。第２の層２の膜厚は、誘電正接が小さいことによる高周波伝送損失の低減効果を確実に得る観点から、０．１μｍ以上であることが好ましい。

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良好になる。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。なお、第２の層２が形成される側の第１の層１の表面は、予め研磨されることが好ましい。この場合、第１の層１の表面は、例えば、表面粗さＲａが３ｎｍ以下に調整される。

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。ＳｐａｔｉａｌＡＬＤ法は、薄膜を構成する元素を主成分とする２種類の前駆体をそれぞれ含んだガスを空間的に分離して供給することを行う成膜方法である。

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を熱処理等によって酸化して形成した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。

本実施形態によれば、ＳｉＣと異なる材料からなり、誘電正接が０．０１未満である第２の層２を有していることによって、高周波伝送損失が少なくなっているとともに、第２の層２が、ＣＶＤ法または焼結法で作製された多結晶ＳｉＣの第１の層１の上に形成されていることで、安価でかつ放熱性に優れたＳｉＣ基板Ｓが得られる。このような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高周波伝送損失を少な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。また、ＳｉＣ基板Ｓは、第２の層２の誘電正接が０．０１未満であることで、高い絶縁性（比抵抗１０^−１０Ωｃｍ以上）を有している。

本実施形態のＳｉＣ基板Ｓは、少なくとも第２の層２の表面に、導電パターンが形成されていてもよい。導電パターンの種類は、特に制限されず、コプレーナ線路、マイクロストリップ線路等を形成することができる。コプレーナ線路は、例えば、ギャップ１〜１００μｍ、線幅１〜５００μｍとすることができる。

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を用いれば、放熱性に優れたデバイスを作製できるとともに、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る。このため、集積密度を高くし、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、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ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誘電正接が十分に小さ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。

単結晶シリコンの貼り合わせ材とＳｉＣ基板Ｓとの貼り合わせ基板は、熱伝導性に優れかつ高周波伝送損失の少ない上記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の貼り合わせ材とＳｉＣ基板Ｓとの貼り合わせ基板は、誘電正接の小さい第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またはＡｌＧａＮの貼り合わせ材と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、誘電正接の小さい第２の層があることによって、高周波伝送損失が低減される。この貼り合わせ基板は、複数の貼り合わせ材を有していてもよく、例えば、単結晶ＧａＮの貼り合わせ材の表面に、単結晶ＡｌＧａＮの貼り合わせ材をさらに貼り合わせて、高周波デバイスを作製することができる。
単結晶ＡｌＮの貼り合わせ材とＳｉＣ基板との貼り合わせ基板は、ワイドギャップを有するとともに高い絶縁性を有していることで、より高い周波数およびより高い電力のデバイスに用いることができる。
単結晶ＧａＡｓの貼り合わせ材とＳｉＣ基板との貼り合わせ基板は、単結晶シリコンよりも高い周波数特性を有している一方で、第１の層１による放熱性に優れた高周波デバイスが得られる。
なお、貼り合わせ基板の貼り合わせ材の表面には、上記した導電パターンが形成されていてもよい。例えば、貼り合わせ材として、単結晶シリコンのウエハを、そのまま、あるいは、熱処理を施して表面にＳｉＯ_２の誘電体層を形成したものを、ＳｉＣ基板Ｓの第２の層２の表面に貼り合わせ、貼り合わせ基板の表面をなす単結晶シリコン層に、導電パターンを形成することができる。特に、単結晶シリコンのウエハをそのままＳｉＣ基板Ｓに貼り合わせて作製した貼り合わせ基板の表面にコプレーナ線路を形成した場合、単結晶シリコン層の膜厚を５００ｎｍ以下とし、コプレーナ線路の線路間距離（ギャップ）をＳ、第２の層２の膜厚をＤとしたとき、Ｓ／Ｄ≦１０となるよう、ＳおよびＤを調整することで、高周波伝送損失の低減効果が特に大きくなる。

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。

ＳＳｉＣ基板
１第１の層
２第２の層

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の層の誘電正接が０．０１未満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。
前記第２の層の表面側における周波数５ＧＨｚでの高周波伝送損失が０〜−０．０５ｄＢ／ｍｍの範囲内にある、請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板。
第２の層の表面に導電パターンが形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化珪素基板。