JP2017143115A - 半導体素子の製造方法及び半導体基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボン基板を使用することにより厚さが薄く高耐圧の半導体素子を製造する半導体素子の製造方法、及び半導体基板を提供する。【解決手段】半導体素子の製造方法は、カーボン基板1の少なくとも1面上に多結晶SiC層3を成膜する第1成膜工程と、第1の半導体材料からなる単結晶基板2に水素注入層25を形成する水素層形成工程と、カーボン基板1上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2とを接合する接合工程と、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより第1の単結晶層21を多結晶SiC層3上に残す分離工程と、第1の単結晶層21上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を成膜した複層基板を得る第2成膜工程と、第2の単結晶層4に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備える。【選択図】図4
Description
本発明は、半導体素子の製造方法及び半導体基板に関する。詳しくは、カーボン基板を使用することにより厚さが薄く高耐圧の半導体素子を製造する半導体素子の製造方法、及び高耐圧半導体素子を形成するための半導体基板に関する。
高電圧用途の半導体素子の基板として、バンドギャップ幅が大きい炭化ケイ素(以下、「SiC」ともいう。)半導体基板が着目されている。図15(a)は、SiCからなる一般的な縦型構造のショットキーダイオード(91)の断面構造を示している。単結晶からなる支持基板901上に能動層902がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層902の領域にガードリングとなるP型不純物層911、912、及びショットキー電極913が形成されている。電流iは、ショットキー電極913と支持基板901の底面に形成されている電極903との間で流れる。
また、同図(b)は、SiCからなる一般的な縦型構造のMOSFET(92)の断面構造を示している。単結晶からなる支持基板901上に能動層902がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層902の領域にソース921、ドレイン922及びゲート923が形成されている。ソース921、ドレイン922間の電流の導通と遮断はゲート923により制御される。導通時のドレイン電流iは、ドレイン922と支持基板901の底面に形成されている電極903との間で流れる。
上記支持基板901は、電流が縦方向(図の上下方向)に流れる領域であり、20mΩ・cm以下の低い抵抗率とされる。一方、上記能動層902は、高電圧の耐圧が必要であるため、支持基板901と比べて2〜3桁高い抵抗率とされている。SiCを用いる半導体素子はバンドギャップ幅が大きいため、能動層902の厚さを5〜10μm程度と薄くできることが特徴である。能動層902は、支持基板901の上にエピタキシャル成長によって形成されるため、その結晶性は下地となる支持基板901に依存する。このため、支持基板901のSiCの結晶品質が重要となる。支持基板901の厚さは、単結晶基板の取り扱い時の割れ防止等のため、6インチサイズの基板の場合、300μm程度が必要とされる。そして、基板の表面側に素子形成後、支持基板部の抵抗を低くするために、裏面を研削して厚さは100μm以下まで薄くされる。
また、同図(b)は、SiCからなる一般的な縦型構造のMOSFET(92)の断面構造を示している。単結晶からなる支持基板901上に能動層902がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層902の領域にソース921、ドレイン922及びゲート923が形成されている。ソース921、ドレイン922間の電流の導通と遮断はゲート923により制御される。導通時のドレイン電流iは、ドレイン922と支持基板901の底面に形成されている電極903との間で流れる。
上記支持基板901は、電流が縦方向(図の上下方向)に流れる領域であり、20mΩ・cm以下の低い抵抗率とされる。一方、上記能動層902は、高電圧の耐圧が必要であるため、支持基板901と比べて2〜3桁高い抵抗率とされている。SiCを用いる半導体素子はバンドギャップ幅が大きいため、能動層902の厚さを5〜10μm程度と薄くできることが特徴である。能動層902は、支持基板901の上にエピタキシャル成長によって形成されるため、その結晶性は下地となる支持基板901に依存する。このため、支持基板901のSiCの結晶品質が重要となる。支持基板901の厚さは、単結晶基板の取り扱い時の割れ防止等のため、6インチサイズの基板の場合、300μm程度が必要とされる。そして、基板の表面側に素子形成後、支持基板部の抵抗を低くするために、裏面を研削して厚さは100μm以下まで薄くされる。
SiCは格子定数の異なる炭素とシリコンとからなる化合物であるので、素子基板には結晶欠陥が多く発生する。特にパワー素子用途では結晶欠陥は致命的となるため、結晶欠陥の低減に種々の工夫がなされているが、そのため素子基板のコストが高くなっている。このため、エピタキシャル成長される能動層902の下地である支持基板901の結晶欠陥の低減とコストの低減とを両立させることが課題となっている。また、図15に示すような縦型構造の素子の場合には、電流を縦方向に流すために支持基板901は抵抗率を低くする必要があり、そのため高濃度の窒素が添加されてN型半導体とされている。その上で、素子形成後には、支持基板901を薄く加工することによって支持基板層の抵抗の更なる低減を図っている。
このように、半導体素子の基板として高価格な単結晶基板が使用され、その単結晶基板の厚さは、能動層のために厚くされるのではなく、素子形成工程における基板の取り扱いのために厚くされている。さらに、素子形成後には基板は薄く加工され、単結晶基板の多くの部分は、研削により除去されているのが現状である。
このように、半導体素子の基板として高価格な単結晶基板が使用され、その単結晶基板の厚さは、能動層のために厚くされるのではなく、素子形成工程における基板の取り扱いのために厚くされている。さらに、素子形成後には基板は薄く加工され、単結晶基板の多くの部分は、研削により除去されているのが現状である。
また、SiCからなる半導体素子の基板としては、表層の能動層だけが単結晶であればよい。支持基板層は結晶性を問わず、単結晶でも多結晶でも非晶質でもよい。従来、単結晶の能動層と単結晶ではない支持基板層とを接合する基板製造方法がある。例えば、非晶質シリコンを多結晶SiC支持体上に蒸着し、その多結晶SiC支持体と単結晶SiC基板とを接合し、直接ボンディングにより一体化する基板製造方法がある(特許文献1を参照)。また、表面活性化手法により基板の貼り合せを行う例も開示されている(非特許文献1、2を参照)。
S.Essig 他、Fast atom beam-activated n-Si/n-GaAs wafer bonding with high interfacial transparency and electrical conductivity、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 113、203512 (2013)
J.Suda 他、Characterization of 4H-SiC Homoepitaxial Layers Grown on 100-mm-Diameter 4H-SiC/Poly-SiC Bonded Substrates、ICSCRM 2013 by Suda Kyoto University、Author corrected paper:Th-P-62
前記のとおり、従来、高電圧用途の半導体素子の基板は、一定の厚さの支持基板(支持層)上に、単結晶からなる薄膜層が能動層として形成されている。能動層はエピタキシャル成長させることにより製造されている。この支持基板は単結晶でもよいし多結晶でもよいので、薄い単結晶層と安価な多結晶半導体基板とを接合技術により貼り合せする手法も提案されてきた。特許文献1、2、非特許文献1等に記載されているいずれの方法も、支持基板を安価にするための手法である。しかし、異種の材料からなる接合基板は熱膨張係数の違いや結晶の不均一さにより反りが大きくなってしまい、実用上は課題が多い。
また、従来、加工時の取り扱いのため350μm程度の厚い単結晶SiC基板を用いて、最終的には良好な素子特性を得るために支持層の厚さを100μm程度まで薄くしている。しかし、これでは高価な単結晶基板がフルに利用されないという問題がある。素子形成後に支持層を研削して薄くしていることを考慮すれば、素子基板としてそもそも薄い基板を使用可能とすることによって、高価な単結晶基板の廃棄部分を無くすことが可能となる。例えば、SiC素子用基板の場合には、バンドギャップ幅が大きい材料であるため、高電圧素子とするにも、基板の厚さは表層のエピタキシャル層の部分の厚さだけで十分であることに注目することができる。しかし、薄い基板は曲がり易く、反りも大きくなるという問題がある。従来、このような曲がり易い薄い基板を使用したり、反りの大きな基板を使用したりして、素子を実用化した事例は報告されていない。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、カーボン基板を使用することにより厚さが薄く高耐圧の半導体素子を製造する半導体素子の製造方法、及び高耐圧半導体素子を形成するための半導体基板を提供することを目的とする。
本発明は、以下の通りである。
1.カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC層を成膜する第1成膜工程と、
第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程と、
前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、
前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、
前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、
前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
2.前記複層基板から前記カーボン基板を除去する除去工程を備える前記1.記載の半導体素子の製造方法。
3.前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように成膜される前記1.又は2.に記載の半導体素子の製造方法。
4.前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、
前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板の両平面上に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得て、
前記素子形成工程において、前記複層基板の両面に形成されている前記第2の単結晶層にそれぞれ半導体素子を形成する、
前記3.記載の半導体素子の製造方法。
5.前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる前記2.乃至4.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
6.前記カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている前記1.乃至5.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
7.前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記1.乃至6.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
8.前記第1の半導体材料はSiCである前記7.記載の半導体素子の製造方法。
9.前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDにより成膜される前記1.乃至8.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
10.多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、
前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、
前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、
を備えることを特徴とする半導体基板。
11.前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記10.記載の半導体基板。
12.前記第1の半導体材料はSiCである前記11.記載の半導体基板。
1.カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC層を成膜する第1成膜工程と、
第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程と、
前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、
前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、
前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、
前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
2.前記複層基板から前記カーボン基板を除去する除去工程を備える前記1.記載の半導体素子の製造方法。
3.前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように成膜される前記1.又は2.に記載の半導体素子の製造方法。
4.前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、
前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板の両平面上に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得て、
前記素子形成工程において、前記複層基板の両面に形成されている前記第2の単結晶層にそれぞれ半導体素子を形成する、
前記3.記載の半導体素子の製造方法。
5.前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる前記2.乃至4.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
6.前記カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている前記1.乃至5.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
7.前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記1.乃至6.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
8.前記第1の半導体材料はSiCである前記7.記載の半導体素子の製造方法。
9.前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDにより成膜される前記1.乃至8.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
10.多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、
前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、
前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、
を備えることを特徴とする半導体基板。
11.前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記10.記載の半導体基板。
12.前記第1の半導体材料はSiCである前記11.記載の半導体基板。
本発明の半導体素子の製造方法によれば、カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC層を成膜する第1成膜工程と、第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程と、前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備える。このため、カーボン基板が多結晶SiC成膜の土台となり、高温度に耐えることができ且つ反りが少ないカーボン基板によって複層基板の反りや曲がりが抑制される。これにより、素子形成工程では、汎用のフォトリソグラフィ装置等を用いて、第2の単結晶層内に半導体素子を形成することができる。この半導体素子は、カーボン基板及び多結晶SiC層を支持基板(支持層)とし、その多結晶SiC層上に能動層となる第2の単結晶層が積層されて構成される。また、半導体素子の一部を形成した後、必要に応じてカーボン基板を除去することができ(除去工程)、必要な厚さだけの多結晶SiC層を支持基板とすることができる。多結晶SiC層は単結晶よりも強靭であるため、支持基板として好適である。
前記素子形成工程では、カーボン基板を支持体とした複層基板に対して加工を行うことができる。特に、高電力用途に向いたSiC等の半導体は不純物拡散係数が小さいため、N型不純物、P型不純物共に熱拡散によるドーピングが困難である。また、Si半導体の製造プロセスのような熱拡散によるセルフアライメント処理が不可能である。そのため、N型不純物、P型不純物の添加位置を決めるにはステッパのように高精度の露光機が必要とされ、半導体基板の反りや曲がりは20μm程度以下に抑えることが求められる。本製造方法における複層基板は、カーボン基板により反りや曲がりが小さく抑えられるため、ステッパを用いて第2の単結晶層内に不純物領域等からなる半導体素子を形成することができる。
前記素子形成工程では、カーボン基板を支持体とした複層基板に対して加工を行うことができる。特に、高電力用途に向いたSiC等の半導体は不純物拡散係数が小さいため、N型不純物、P型不純物共に熱拡散によるドーピングが困難である。また、Si半導体の製造プロセスのような熱拡散によるセルフアライメント処理が不可能である。そのため、N型不純物、P型不純物の添加位置を決めるにはステッパのように高精度の露光機が必要とされ、半導体基板の反りや曲がりは20μm程度以下に抑えることが求められる。本製造方法における複層基板は、カーボン基板により反りや曲がりが小さく抑えられるため、ステッパを用いて第2の単結晶層内に不純物領域等からなる半導体素子を形成することができる。
また、本発明の半導体素子の製造方法によれば、第1の半導体材料(例えば、SiC)の単結晶からなる単結晶基板の使用量を必要最小限とすることが可能となる。従来、一般的な高電力用途の半導体基板として、高濃度N型とされた厚さ350μm程度の単結晶SiC基板が支持層として用いられており、その上にエピタキシャル成長により厚さ5μm程度の単結晶SiC薄膜(低濃度のN型層)が形成されている。そして、その単結晶SiC薄膜に半導体素子を形成した後、支持層部分の抵抗値を小さくするために基板を研磨して厚さ100μm程度まで薄肉化した上で基板裏面に電極加工をしている。本発明の半導体素子の製造方法によれば、単結晶基板から分離される第1の単結晶層によりN型層が構成され、その厚さを0.5μm程度と薄くすることができる。その上に、半導体素子の耐圧の面から必要な厚さ及び必要な不純物濃度の第2の単結晶層を、エピタキシャル成長或いはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)によって形成することができる。カーボン基板を除去しない形態においては、半導体素子の支持層となるのは多結晶SiC層とカーボン基板である。その場合、カーボン基板の抵抗値は極めて小さいため、支持層の抵抗値として多結晶SiC層の抵抗値が支配的となる。したがって多結晶SiC層を薄くすることにより抵抗値を小さくすることができる。また、半導体素子の一部形成後にカーボン基板を除去する形態においては、支持層の抵抗値は多結晶SiC層だけで決まり、多結晶SiC層を薄くすることにより抵抗値を小さくすることができる。この場合、その厚さは半導体素子の支持機能を果たすために必要な厚さ(100μm程度)とすることができる。
前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように形成される場合には、高温で酸素が存在する環境において焼損が生じるカーボンを保護することができる。これにより、前記素子形成工程において高温の熱処理や高密度の酸素を含有する成膜等が可能になる。また、カーボン基板の厚さを薄くしても両面での応力のバランスがとれるため、反りが少ない薄い複層基板とすることができる。
前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を形成することにより、前記カーボン基板の両平面上にそれぞれ前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが積層された複層基板を得る場合には、1つのカーボン基板の両面にそれぞれ複層基板を形成することができ、効率的且つ低コストに半導体素子を製造することができる。
前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる場合には、カーボン基板を除去する前にできるだけ多くの素子加工を行い、酸素を含有する成膜等はカーボン基板除去後に行うようにすることができる。
カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている場合には、カーボン基板の平面上において厚さが板端まで均一となるように多結晶SiC層を成膜することができ、その表面を研磨することなく単結晶基板と接合させることができる。
前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を形成することにより、前記カーボン基板の両平面上にそれぞれ前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが積層された複層基板を得る場合には、1つのカーボン基板の両面にそれぞれ複層基板を形成することができ、効率的且つ低コストに半導体素子を製造することができる。
前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる場合には、カーボン基板を除去する前にできるだけ多くの素子加工を行い、酸素を含有する成膜等はカーボン基板除去後に行うようにすることができる。
カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている場合には、カーボン基板の平面上において厚さが板端まで均一となるように多結晶SiC層を成膜することができ、その表面を研磨することなく単結晶基板と接合させることができる。
前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである場合には、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層上に、いずれもバンドギャップの大きい材料である第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することができるため、高耐圧が必要な用途に好適な半導体素子を製造することができる。また、第1の半導体材料がSiCである場合には、多結晶SiC層上に単結晶SiC層が積層されることになるため、より好適である。
前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDで形成される場合には、半導体素子の能動層となる高品質な単結晶層を容易に必要な厚さだけ成長させることができる。
前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDで形成される場合には、半導体素子の能動層となる高品質な単結晶層を容易に必要な厚さだけ成長させることができる。
本発明の半導体基板によれば、多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、を備える。第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の使用量を必要最小限とすることができる。また、多結晶SiC層、又は表面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板を、半導体素子の支持基板とすることが可能である。支持基板が多結晶SiC層である場合には、単結晶SiC基板を支持基板として用いる従来の半導体基板に比べて安価にすることができる。また多結晶SiCは靭性に優れ、最適な厚さとすることができるため、薄肉化を省略することも可能である。また、単結晶基板に比べて不純物濃度を高くして、支持基板を低抵抗とすることができる。一方、支持基板が薄い多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板である場合には、支持基板の抵抗値を極めて低くすることができ、強靭で且つ反りのない半導体基板を提供することができる。
上記半導体基板を用いることにより、厚さが薄く高電力用途に適したSiC素子、GaN素子、酸化ガリウム素子等を、従来と同様の設備及び方法を用いて形成することができる。
上記半導体基板を用いることにより、厚さが薄く高電力用途に適したSiC素子、GaN素子、酸化ガリウム素子等を、従来と同様の設備及び方法を用いて形成することができる。
本発明の半導体素子の製造方法は、カーボン基板を使用することによって高電力用途に適した半導体素子を製造するものである。カーボン基板は、反りが少なく高温まで耐えられるという特徴がある。本発明の実施形態においては、そのカーボン基板を支持層とする半導体素子を形成し(以下、「第1形態」という。)、或いはカーボン基板が暫定的な土台として使用され、最終的にはカーボン基板が除去された半導体素子を形成する(以下、「第2形態」という。)。その一例として(図2参照)、先ず、カーボン基板(1)上に多結晶SiC層(3)、第1の半導体材料からなる第1の単結晶層(21)、及び第2の半導体材料からなる第2の単結晶層(4)を積層した複層基板(5)を形成する。そして、複層基板(5)の表層となる第2の単結晶層(4)に素子を形成する。その後、前記第1形態においては、カーボン基板(1)の裏面に電極膜等を形成する。前記第2形態においては、素子の一部を加工した後にカーボン基板(1)を除去し、多結晶SiC層(3)を半導体素子の支持層(支持基板)とする。この場合、多結晶SiC層(3)の裏面に電極膜等を形成する。このようにして、高電力用途に適した半導体素子を製造することができる。
カーボン基板(1)は、その熱膨張係数を多結晶SiC層(3)及び第2の単結晶層(4)の熱膨張係数とほぼ同じにすることができる。また、カーボン基板(1)の厚さを数mmとすれば、剛性が高く、反りの無い複層基板(5)を得ることができる。更に、カーボン基板(1)の両面に同じ厚さの多結晶SiC層(3)を形成すれば、カーボン基板(1)の厚さが1mm以下であっても、反りの少ない複層基板(5)を得ることができる。これらの特性によって、カーボン基板(1)は、多結晶SiC層(3)の成膜から、第1の単結晶層(21)の接合、第2の単結晶層(4)の成膜、半導体素子の形成に至るまでの土台の役割を果たす。多結晶SiC層(3)は第2の単結晶層(4)と熱膨張係数が同等であり且つ熱伝導性に優れる。カーボン基板は、熱伝導性が多結晶SiCと同等であり、電気伝導度は桁違いに良いため、半導体素子の支持層としてそのまま使用することが可能である。その場合に、従前の構造では100μm程度まで支持層を薄くしていた加工を不要とすることもできる。多結晶SiC層(3)上に結晶性の良い単結晶からなる第1の単結晶層(21)が接合されているため、その第1の単結晶層(21)上に半導体素子の能動層となる高品質な第2の単結晶層(4)を成膜することができる。このように各層の特徴を活かすことによって、半導体素子の形成を容易にすると共にコスト低減を図ることができる。
カーボン基板(1)は、その熱膨張係数を多結晶SiC層(3)及び第2の単結晶層(4)の熱膨張係数とほぼ同じにすることができる。また、カーボン基板(1)の厚さを数mmとすれば、剛性が高く、反りの無い複層基板(5)を得ることができる。更に、カーボン基板(1)の両面に同じ厚さの多結晶SiC層(3)を形成すれば、カーボン基板(1)の厚さが1mm以下であっても、反りの少ない複層基板(5)を得ることができる。これらの特性によって、カーボン基板(1)は、多結晶SiC層(3)の成膜から、第1の単結晶層(21)の接合、第2の単結晶層(4)の成膜、半導体素子の形成に至るまでの土台の役割を果たす。多結晶SiC層(3)は第2の単結晶層(4)と熱膨張係数が同等であり且つ熱伝導性に優れる。カーボン基板は、熱伝導性が多結晶SiCと同等であり、電気伝導度は桁違いに良いため、半導体素子の支持層としてそのまま使用することが可能である。その場合に、従前の構造では100μm程度まで支持層を薄くしていた加工を不要とすることもできる。多結晶SiC層(3)上に結晶性の良い単結晶からなる第1の単結晶層(21)が接合されているため、その第1の単結晶層(21)上に半導体素子の能動層となる高品質な第2の単結晶層(4)を成膜することができる。このように各層の特徴を活かすことによって、半導体素子の形成を容易にすると共にコスト低減を図ることができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明する。
図1は、前記カーボン基板1、及び前記第1の単結晶層21の母材となる単結晶基板2の例を示す上面図及び側面図である。本図は、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が形成されており、単結晶基板2の下面201から所定の深さに水素注入層25が形成された状態を表している。カーボン基板1の一方の平面を上面101、他方の平面を下面102、その側面全体を側面103とする。
カーボン基板1及び単結晶基板2の形状は問わないが、好ましくは、同図に示されるような円板状又は円柱状の基板である。また、カーボン基板1及び単結晶基板2のサイズも限定されないが、取扱性の上でカーボン基板1が単結晶基板2より一回り大きくされている。カーボン基板1の直径が、単結晶基板2の直径よりも1〜10mm程度大きいことが好ましい。例えば、単結晶基板2が外径6インチ(約150mm)である場合には、カーボン基板1は外径160mm程度とすればよい。カーボン基板1の一つの平面(101又は102)上に設けられた多結晶SiC層3の表面と、単結晶基板2の下面201とが接合されることになる。
図1は、前記カーボン基板1、及び前記第1の単結晶層21の母材となる単結晶基板2の例を示す上面図及び側面図である。本図は、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が形成されており、単結晶基板2の下面201から所定の深さに水素注入層25が形成された状態を表している。カーボン基板1の一方の平面を上面101、他方の平面を下面102、その側面全体を側面103とする。
カーボン基板1及び単結晶基板2の形状は問わないが、好ましくは、同図に示されるような円板状又は円柱状の基板である。また、カーボン基板1及び単結晶基板2のサイズも限定されないが、取扱性の上でカーボン基板1が単結晶基板2より一回り大きくされている。カーボン基板1の直径が、単結晶基板2の直径よりも1〜10mm程度大きいことが好ましい。例えば、単結晶基板2が外径6インチ(約150mm)である場合には、カーボン基板1は外径160mm程度とすればよい。カーボン基板1の一つの平面(101又は102)上に設けられた多結晶SiC層3の表面と、単結晶基板2の下面201とが接合されることになる。
図2は、前記複層基板の例を示す模式的な断面図である。複層基板5は、カーボン基板1上に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。カーボン基板1の上面全体に多結晶SiC層3が成膜され、その上に第1の単結晶層21が接合される。単結晶基板2の径はカーボン基板1の径よりも小さいため、第1の単結晶層21の上面に第2の単結晶層4を成膜する際に、第1の単結晶層21の径(即ち単結晶基板2の径)を超える周縁部の多結晶SiC層3上には、第2の半導体材料の多結晶からなる第2の多結晶層41が形成されている。
図3に、複層基板5の種々の態様を示す。同図(a)に示す複層基板51は、本実施形態において最も基本的な構成であって、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の一方の平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。同図(b)に示す複層基板52は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。すなわち、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3によって被覆されている。そして、カーボン基板1の各平面上に形成された多結晶SiC層3の上に、それぞれ第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。同図(c)に示す複層基板53は、カーボン基板1の一方の平面101に多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の当該平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。
本実施形態においては、カーボン基板1の少なくとも1つの平面(101及び102の少なくも一方)上に多結晶SiC層3を形成する第1成膜工程と、第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板2の一方の平面201から所定の深さに水素注入層25を形成する水素層形成工程と、カーボン基板1の平面上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の一方の平面201とを接合する接合工程と、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより、分離された単結晶基板2の一方の平面201側を第1の単結晶層21として多結晶SiC層3上に残す分離工程と、第1の単結晶層21の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を形成することにより複層基板5(51、52、53)を得る第2成膜工程と、複層基板5の表層をなす第2の単結晶層4に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備える。その後、前記第2形態の半導体素子とする場合には、複層基板5(51、52、53)からカーボン基板1を除去する除去工程を備える。
(第1成膜工程)
前記第1成膜工程は、カーボン基板1の表面に多結晶SiC層3を形成する工程である。高電力用途の半導体素子を形成するには、窒素、リン、アルミニウム等の不純物の活性化のために1700℃程度の高温とする工程が必要である。カーボンは、不活性ガス中においてはそのような高温に耐える材料である。しかし、カーボンは、酸素の存在によって400℃以上では焼損する。このようなカーボンを保護するために、多結晶SiC層3でカーボン基板1の全表面を被覆する方法を採用することができる。具体的には、第1成膜工程において、カーボン基板1の両平面(101及び102)及び側面103を覆うように多結晶SiC層3を成膜することが好ましい。このようにすれば、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3により被覆され、カーボン基板1が外部に露出しないので、酸素が存在する高温の工程を実施することができる。また、カーボン基板1の両面に同じ多結晶SiC層3が形成されるため、基板の反りを極めて小さくすることができる。このようにカーボン基板1の両平面に多結晶SiC層3を設けた後、カーボン基板1の両面の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の支持基板(支持層)として利用することも可能であるし(図3(b)参照)、一方の面の多結晶SiC層3だけを半導体素子の支持基板として利用することも可能である(図3(a)参照)。
前記第1成膜工程は、カーボン基板1の表面に多結晶SiC層3を形成する工程である。高電力用途の半導体素子を形成するには、窒素、リン、アルミニウム等の不純物の活性化のために1700℃程度の高温とする工程が必要である。カーボンは、不活性ガス中においてはそのような高温に耐える材料である。しかし、カーボンは、酸素の存在によって400℃以上では焼損する。このようなカーボンを保護するために、多結晶SiC層3でカーボン基板1の全表面を被覆する方法を採用することができる。具体的には、第1成膜工程において、カーボン基板1の両平面(101及び102)及び側面103を覆うように多結晶SiC層3を成膜することが好ましい。このようにすれば、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3により被覆され、カーボン基板1が外部に露出しないので、酸素が存在する高温の工程を実施することができる。また、カーボン基板1の両面に同じ多結晶SiC層3が形成されるため、基板の反りを極めて小さくすることができる。このようにカーボン基板1の両平面に多結晶SiC層3を設けた後、カーボン基板1の両面の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の支持基板(支持層)として利用することも可能であるし(図3(b)参照)、一方の面の多結晶SiC層3だけを半導体素子の支持基板として利用することも可能である(図3(a)参照)。
また、カーボン基板1の1つの平面だけに多結晶SiC層3を形成する場合には、カーボン基板1を保護するため、400℃以上で酸素の存在する環境下において熱処理を行わないようにする工程を採用することができる。例えば、多結晶SiC層3をカーボン基板1の1つの平面(101又は102)上のみに形成した複層基板5(図3(c)参照)を形成し、その複層基板5からカーボン基板1を除去した後に酸素を含有する成膜等を行うようにすることができる。
また、カーボン基板1を暫定的な土台として使用し、半導体素子の一部を形成した後にカーボン基板1を除去する前記第2形態の場合、多結晶SiC層3は、カーボン基板1が除去された後に行う素子形成の一部工程や実装工程等において、第2の単結晶層4の支持基板となる。更に、多結晶SiC層3は、第2の単結晶層4に形成される最終的な半導体素子の支持基板(支持層)としての役割を果たす。多結晶SiC層3は、後に形成される第2の単結晶層4と同程度の熱伝導率、熱膨張係数、電気伝導度を有するため、支持層として好適である。
多結晶SiC層3の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、カーボン基板1を基台上に立てて、その両面側に多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の両平面及び側面に多結晶SiC層3を成膜することができる。また、カーボン基板1の一方の平面を上にして平面の台に置き、その上方から多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の一方の平面及び側面に多結晶SiC層3が形成される。その後同様にして、カーボン基板1の他方の平面に多結晶SiC層3を形成することが可能である。以上のような成膜方法を適宜採用することにより、図3(a)、(b)及び(c)に示した各態様における多結晶SiC層3を形成することができる。
カーボン基板1の平面上に形成される多結晶SiC層3の厚さは、最終的な半導体素子の支持層としての役割を果たす限り問わない。前記第1形態においては、多結晶SiC層3の厚さは、その上に第1の単結晶層21を接合するのに必要な厚さだけでよい(例えば、1〜10μm程度)。その場合には、カーボン基板1の厚さは、反りを抑制しハンドリングを容易にするために必要な厚さ(例えば、250〜1000μm程度)とすればよい。また、前記第2形態においては、多結晶SiC層3は、カーボン基板1の除去後に行う素子加工(裏面電極形成など)のための支持基板として必要な厚さ(例えば、100μm)よりやや厚く形成すればよい(例えば、100〜200μm程度)。
多結晶SiC層3の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、カーボン基板1を基台上に立てて、その両面側に多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の両平面及び側面に多結晶SiC層3を成膜することができる。また、カーボン基板1の一方の平面を上にして平面の台に置き、その上方から多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の一方の平面及び側面に多結晶SiC層3が形成される。その後同様にして、カーボン基板1の他方の平面に多結晶SiC層3を形成することが可能である。以上のような成膜方法を適宜採用することにより、図3(a)、(b)及び(c)に示した各態様における多結晶SiC層3を形成することができる。
カーボン基板1の平面上に形成される多結晶SiC層3の厚さは、最終的な半導体素子の支持層としての役割を果たす限り問わない。前記第1形態においては、多結晶SiC層3の厚さは、その上に第1の単結晶層21を接合するのに必要な厚さだけでよい(例えば、1〜10μm程度)。その場合には、カーボン基板1の厚さは、反りを抑制しハンドリングを容易にするために必要な厚さ(例えば、250〜1000μm程度)とすればよい。また、前記第2形態においては、多結晶SiC層3は、カーボン基板1の除去後に行う素子加工(裏面電極形成など)のための支持基板として必要な厚さ(例えば、100μm)よりやや厚く形成すればよい(例えば、100〜200μm程度)。
(水素層形成工程)
単結晶基板2は、第1の半導体材料の単結晶からなる。第1の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つを採用することができる。後の接合工程において多結晶SiC層3と接合されるため、第1の半導体材料としてSiCを用いることが好適である。
前記水素層形成工程は、単結晶基板2の一方の平面201から所定の深さに水素注入層25を形成する工程である。水素注入層25は、上記所定の深さ(例えば、0.2〜1.5μm、好ましくは0.5μm程度の深さ)に水素イオンを注入することにより形成することができる。
単結晶基板2は、第1の半導体材料の単結晶からなる。第1の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つを採用することができる。後の接合工程において多結晶SiC層3と接合されるため、第1の半導体材料としてSiCを用いることが好適である。
前記水素層形成工程は、単結晶基板2の一方の平面201から所定の深さに水素注入層25を形成する工程である。水素注入層25は、上記所定の深さ(例えば、0.2〜1.5μm、好ましくは0.5μm程度の深さ)に水素イオンを注入することにより形成することができる。
(接合工程)
前記接合工程は、カーボン基板1の平面上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の前記一方の平面201とを接合する工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3が設けられており、両平面上の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の土台として利用する場合には(図3(b)参照)、カーボン基板1の各平面(101及び102)上に形成された多結晶SiC層3の表面と、2つの単結晶基板2の一方の平面201とをそれぞれ接合すればよい。多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の平面201との接合方法は特に問わず、例えば、両表面をアルゴンビーム等で活性化して接合することが可能である。
前記接合工程は、カーボン基板1の平面上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の前記一方の平面201とを接合する工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3が設けられており、両平面上の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の土台として利用する場合には(図3(b)参照)、カーボン基板1の各平面(101及び102)上に形成された多結晶SiC層3の表面と、2つの単結晶基板2の一方の平面201とをそれぞれ接合すればよい。多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の平面201との接合方法は特に問わず、例えば、両表面をアルゴンビーム等で活性化して接合することが可能である。
(分離工程)
前記分離工程は、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより、分離された単結晶基板2の前記一方の平面(201)側を第1の単結晶層21として、カーボン基板1上に形成されている多結晶SiC層3上に残す工程である。水素注入層25における分離は、単結晶基板2を高温とすることによって可能である。例えば、単結晶基板2が単結晶SiC基板である場合には、900〜1000℃で水素注入層25にてブリスタが発生し、水素注入層25を境界として単結晶基板2が分離される。
前記分離工程は、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより、分離された単結晶基板2の前記一方の平面(201)側を第1の単結晶層21として、カーボン基板1上に形成されている多結晶SiC層3上に残す工程である。水素注入層25における分離は、単結晶基板2を高温とすることによって可能である。例えば、単結晶基板2が単結晶SiC基板である場合には、900〜1000℃で水素注入層25にてブリスタが発生し、水素注入層25を境界として単結晶基板2が分離される。
(第2成膜工程)
前記第2成膜工程は、単結晶である第1の単結晶層21の表面上に、第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得る工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その両方の第1の単結晶層21の表面上に第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1のそれぞれの平面上に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得ることができる(図3(b)参照)。上記第2の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等のうちの1つを採用することができる。
結晶性の良い第1の単結晶層21は、その上に形成される第2の単結晶層4の下地として好適である。第2の単結晶層4の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、第1の単結晶層21上に、エピタキシャル成長により第2の単結晶層4を成膜することができる。第2の半導体材料の種類によっては、MOCVD手法により成膜することも可能である。カーボン基板1の両平面上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その一方の平面側に第2の単結晶層4を成膜し、次いで他方の平面側に成膜すればよい(図3(b)参照)。
第2の単結晶層4は、結晶性の良い第1の単結晶層21上に成膜されるため高品質な単結晶層とすることができ、半導体素子を形成するために好適である。第2の単結晶層4の厚さは、半導体素子の能動層とするために必要な厚さ(第2の半導体材料がSiCである場合、5〜10μm程度)だけがあればよい。
以上の工程によって、複層基板5(51、52、53)が形成される。
前記第2成膜工程は、単結晶である第1の単結晶層21の表面上に、第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得る工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その両方の第1の単結晶層21の表面上に第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1のそれぞれの平面上に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得ることができる(図3(b)参照)。上記第2の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等のうちの1つを採用することができる。
結晶性の良い第1の単結晶層21は、その上に形成される第2の単結晶層4の下地として好適である。第2の単結晶層4の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、第1の単結晶層21上に、エピタキシャル成長により第2の単結晶層4を成膜することができる。第2の半導体材料の種類によっては、MOCVD手法により成膜することも可能である。カーボン基板1の両平面上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その一方の平面側に第2の単結晶層4を成膜し、次いで他方の平面側に成膜すればよい(図3(b)参照)。
第2の単結晶層4は、結晶性の良い第1の単結晶層21上に成膜されるため高品質な単結晶層とすることができ、半導体素子を形成するために好適である。第2の単結晶層4の厚さは、半導体素子の能動層とするために必要な厚さ(第2の半導体材料がSiCである場合、5〜10μm程度)だけがあればよい。
以上の工程によって、複層基板5(51、52、53)が形成される。
(素子形成工程)
前記素子形成工程は、第2成膜工程によって得られた複層基板5の表層である第2の単結晶層4に半導体素子を形成する工程である。半導体素子を形成するとは、ショットキーダイオード、MOSFET、JFET等、目的とする半導体素子を構成するために必要な不純物領域、絶縁物領域、導電領域等を形成することを意図している。複層基板5は、カーボン基板1によって曲がりや反りが抑制されるため、汎用のフォトリソグラフィ装置を使用して半導体素子の形成をすることができる。
第1成膜工程においてカーボン基板1の全ての表面を多結晶SiC層3で覆った場合には、複層基板5(51、52)の反りを極めて小さくすることができる。よって、素子形成工程では、従来の厚い単結晶支持基板上に第2の半導体材料を用いた単結晶膜が形成されている場合と同様の加工方法を使用することができる。
また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3を形成した場合には、400℃以上で酸素の存在のしない条件下で加工を行う必要がある。例えば、この条件下で厚さ1μm以上のシリコン酸化膜を形成するには、低温度CVDによりシリコン酸化膜を形成し、不活性ガス中で高温にてアニールするようにすることができる。また、ゲート膜が必要な場合には、シリコン酸化膜ではなく、酸素が直接介在しなくても緻密な薄膜が形成できる膜質(例えば、窒化ケイ素、アルミナ等)を選ぶことも可能である。酸素が直接介在しなくてもよいゲート膜を成膜する場合には、カーボン基板1が存在してもMOSFETを形成することが可能である。
前記素子形成工程は、第2成膜工程によって得られた複層基板5の表層である第2の単結晶層4に半導体素子を形成する工程である。半導体素子を形成するとは、ショットキーダイオード、MOSFET、JFET等、目的とする半導体素子を構成するために必要な不純物領域、絶縁物領域、導電領域等を形成することを意図している。複層基板5は、カーボン基板1によって曲がりや反りが抑制されるため、汎用のフォトリソグラフィ装置を使用して半導体素子の形成をすることができる。
第1成膜工程においてカーボン基板1の全ての表面を多結晶SiC層3で覆った場合には、複層基板5(51、52)の反りを極めて小さくすることができる。よって、素子形成工程では、従来の厚い単結晶支持基板上に第2の半導体材料を用いた単結晶膜が形成されている場合と同様の加工方法を使用することができる。
また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3を形成した場合には、400℃以上で酸素の存在のしない条件下で加工を行う必要がある。例えば、この条件下で厚さ1μm以上のシリコン酸化膜を形成するには、低温度CVDによりシリコン酸化膜を形成し、不活性ガス中で高温にてアニールするようにすることができる。また、ゲート膜が必要な場合には、シリコン酸化膜ではなく、酸素が直接介在しなくても緻密な薄膜が形成できる膜質(例えば、窒化ケイ素、アルミナ等)を選ぶことも可能である。酸素が直接介在しなくてもよいゲート膜を成膜する場合には、カーボン基板1が存在してもMOSFETを形成することが可能である。
(除去工程)
カーボン基板1を暫定的な土台としてのみ使用する前記第2形態においては、前記除去工程を行う。除去工程は、素子形成工程において半導体素子の全て又は一部を形成した後、複層基板5からカーボン基板1を除去する工程である。カーボンは、500℃程度の高温とすることによって容易に焼却することができる。具体的な除去方法は特に問わない。例えば、カーボン基板1が多結晶SiC層3により覆われている場合、先ず、複層基板5の周縁部(少なくともカーボン基板1の側面103に形成されている多結晶SiC層3)を切断除去して、カーボン基板1の側面部を露出させる。その後、焼却等によりカーボン基板1を除去することができる(図12参照)。
カーボン基板1を暫定的な土台としてのみ使用する前記第2形態においては、前記除去工程を行う。除去工程は、素子形成工程において半導体素子の全て又は一部を形成した後、複層基板5からカーボン基板1を除去する工程である。カーボンは、500℃程度の高温とすることによって容易に焼却することができる。具体的な除去方法は特に問わない。例えば、カーボン基板1が多結晶SiC層3により覆われている場合、先ず、複層基板5の周縁部(少なくともカーボン基板1の側面103に形成されている多結晶SiC層3)を切断除去して、カーボン基板1の側面部を露出させる。その後、焼却等によりカーボン基板1を除去することができる(図12参照)。
(第2の素子形成工程)
前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなるように構成することができる。第2の素子形成工程には、酸素を含有する成膜が含まれてもよい。前記第1形態の場合には、半導体素子を完成させるためにカーボン基板1を保持したまま第2の素子形成工程を行うことができる。前記第2形態の場合には、複層基板5からカーボン基板1を除去した後、半導体素子を完成させるために第2の素子形成工程を行う。また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3が形成されている等、カーボン基板1の一部が露出している状態で酸素が介在するゲート膜が必要な場合には、ゲート膜を形成する前の工程は前記第1の素子形成工程において行い、前記除去工程によりカーボン基板1を除去した後に、酸素の介在するゲート酸化膜を形成することができる。カーボン基板1の除去によって反りが生じても、ゲート酸化膜は形成することができる。更に、ゲート酸化膜の形成後に、例えばサファイア基板等を仮設支持基板として接着することにより反りを減らすことができる。その状態において金属配線層などを形成し、配線を行うことが可能になる。その後、仮設支持基板を剥離し、半導体素子の裏面側の金属層を形成することもできる。この場合、カーボン基板1が除去された状態において、裏面にNi等のシリサイド用金属薄膜を形成し、予め表面の電極部にも同様な金属薄膜を形成し、同時に或いはそれぞれの成膜後に、高温処理によりシリサイド化することも可能である。これらの処理は反りが生じていても可能である。その後上述のように仮設支持基板を設けて反りを無くして金属配線層を形成することも可能である。
また、カーボン基板1の両面に多結晶SiC層3を設けて第2の単結晶層4を形成した場合においても、表面にシリサイド用金属薄膜を形成した後、金属配線工程の前にカーボン基板1を除去し、その後に半導体素子の裏面側を研磨し、シリサイド用金属薄膜を裏面に形成した後に高温処理により両面同時にシリサイド化を行うことも可能である。その後に仮設支持基板を設けることにより反りを無くし、表面に金属配線層を形成することも可能である。
前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなるように構成することができる。第2の素子形成工程には、酸素を含有する成膜が含まれてもよい。前記第1形態の場合には、半導体素子を完成させるためにカーボン基板1を保持したまま第2の素子形成工程を行うことができる。前記第2形態の場合には、複層基板5からカーボン基板1を除去した後、半導体素子を完成させるために第2の素子形成工程を行う。また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3が形成されている等、カーボン基板1の一部が露出している状態で酸素が介在するゲート膜が必要な場合には、ゲート膜を形成する前の工程は前記第1の素子形成工程において行い、前記除去工程によりカーボン基板1を除去した後に、酸素の介在するゲート酸化膜を形成することができる。カーボン基板1の除去によって反りが生じても、ゲート酸化膜は形成することができる。更に、ゲート酸化膜の形成後に、例えばサファイア基板等を仮設支持基板として接着することにより反りを減らすことができる。その状態において金属配線層などを形成し、配線を行うことが可能になる。その後、仮設支持基板を剥離し、半導体素子の裏面側の金属層を形成することもできる。この場合、カーボン基板1が除去された状態において、裏面にNi等のシリサイド用金属薄膜を形成し、予め表面の電極部にも同様な金属薄膜を形成し、同時に或いはそれぞれの成膜後に、高温処理によりシリサイド化することも可能である。これらの処理は反りが生じていても可能である。その後上述のように仮設支持基板を設けて反りを無くして金属配線層を形成することも可能である。
また、カーボン基板1の両面に多結晶SiC層3を設けて第2の単結晶層4を形成した場合においても、表面にシリサイド用金属薄膜を形成した後、金属配線工程の前にカーボン基板1を除去し、その後に半導体素子の裏面側を研磨し、シリサイド用金属薄膜を裏面に形成した後に高温処理により両面同時にシリサイド化を行うことも可能である。その後に仮設支持基板を設けることにより反りを無くし、表面に金属配線層を形成することも可能である。
以下、本実施形態に係る半導体素子の製造工程を具体的に説明する。本例で用いるカーボン基板1の厚さは約0.5mmであり、その熱膨張係数は多結晶SiCの熱膨張係数と同程度となるように合わせてある。カーボンは、その密度、焼成温度を調整することにより熱膨張係数を調整することが可能である。また、カーボン基板1は、不純物となる金属の密度が1010/cm3以下と少なく、純度の高い素材である。また、本例において単結晶基板2は単結晶SiC基板とする。
図4は、図3(a)で示した複層基板51の製造工程を示している。図4(a)に示すように、カーボン基板1の上面101、下面102及び側面103を覆うように、一定の厚さの多結晶SiC層3を熱CVD手法により成長させる。一方、同図(b)に示すように、単結晶基板2の一方の平面201から0.5μmの深さに水素イオンを注入することによって水素注入層25を形成する。水素イオンの濃度は、1×1017/cm3程度である。水素注入層25から平面201側が、単結晶SiCからなる第1の単結晶層21になる。
次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、接合された基板を約1000℃の高温にすることにより、単結晶SiC基板2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1に多結晶SiC層3が形成され、その表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
更に、同図(e)に示すように、複層基板に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(b)に示した複層基板51が完成する。
次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、接合された基板を約1000℃の高温にすることにより、単結晶SiC基板2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1に多結晶SiC層3が形成され、その表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
更に、同図(e)に示すように、複層基板に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(b)に示した複層基板51が完成する。
図5は、図3(b)で示した複層基板52の製造工程を示している。
図5(a)に示すように、カーボン基板1の上面101、下面102及び側面103を覆うように、一定の厚さの多結晶SiC層3を熱CVD手法により成長させる。一方、同図(b)に示すように、単結晶基板2の一方の平面201から0.5μmの深さに水素イオンを注入することによって水素注入層25を形成する。水素イオンの濃度は、1×1017/cm3程度である。水素注入層25から平面201側が、単結晶SiCからなる第1の単結晶層21になる。
次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1の両面に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、接合された基板を約1000℃の高温にすることにより、単結晶SiC基板2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1の両面上に多結晶SiC層3が形成され、その各表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
更に、同図(e)に示すように、複層基板の両面に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(a)に示した複層基板55が完成する。
図5(a)に示すように、カーボン基板1の上面101、下面102及び側面103を覆うように、一定の厚さの多結晶SiC層3を熱CVD手法により成長させる。一方、同図(b)に示すように、単結晶基板2の一方の平面201から0.5μmの深さに水素イオンを注入することによって水素注入層25を形成する。水素イオンの濃度は、1×1017/cm3程度である。水素注入層25から平面201側が、単結晶SiCからなる第1の単結晶層21になる。
次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1の両面に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、接合された基板を約1000℃の高温にすることにより、単結晶SiC基板2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1の両面上に多結晶SiC層3が形成され、その各表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
更に、同図(e)に示すように、複層基板の両面に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(a)に示した複層基板55が完成する。
上記複層基板51〜53において、多結晶SiC層3の厚さは、前記第1形態の場合と前記第2形態の場合とでは、異なる厚さとすることができる。前記第1形態の場合には、支持層はカーボン基板1により強度が確保されるため、多結晶SiC層3の厚さは1μm程度でもよい。また、前記第2形態の場合には、多結晶SiC層3がその後の支持層となるため、100μm程度の厚さとなってもよい。
複層基板51〜53において、第2の単結晶層4の厚さは用途により異なり、SiCの場合には概ね5μm(耐圧600Vの場合)から10μm(耐圧1500Vの場合)の程度である。また、エピタキシャル成長等により第1の単結晶層21の上に第2の単結晶層4が成膜されるが、第1の単結晶層21が無い部分すなわち多結晶SiC層3が露出している周縁部分では多結晶が成長し、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が成膜される。
複層基板51〜53において、第2の単結晶層4の厚さは用途により異なり、SiCの場合には概ね5μm(耐圧600Vの場合)から10μm(耐圧1500Vの場合)の程度である。また、エピタキシャル成長等により第1の単結晶層21の上に第2の単結晶層4が成膜されるが、第1の単結晶層21が無い部分すなわち多結晶SiC層3が露出している周縁部分では多結晶が成長し、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が成膜される。
図6は、平面的な熱CVD装置を用いてカーボン基板1の表面を多結晶SiC層3で被覆する具体的な工程例を示している。同図(a)に示すように、先ずカーボン基板1の一方の平面101上に、約130μmの厚さの多結晶SiC層3を熱CVDにより成膜する。この過程において、カーボン基板1の側面103にも多結晶SiC層3が形成される。そして、カーボン基板1の他方の平面102を基準面として、平面101上の多結晶SiC層3の厚さが約110μmとなるように研磨して平坦化を図る。次いで、同図(b)に示すように、カーボン基板1の他方の平面102上に、約130μmの厚さの多結晶SiC層3を熱CVDにより成膜する。この過程においても、カーボン基板1の側面103側に多結晶SiC層3が形成される。そして、先に平坦化した多結晶SiC3の面を基準面として、平面102上の多結晶SiC層3の厚さが約110μmとなるように研磨して平坦化を図る。このような手法のメリットは、多結晶SiC層3の平坦化が容易な点にある。これにより、カーボン基板1の両平面に厚さ約110μmの多結晶SiC層3が形成され、その側面には約260μm(約130μm×2)の多結晶SiC層3が形成され、カーボン基板1を多結晶SiC層3によって覆うことができる。
カーボン基板1を覆う多結晶SiC層3は、3次元で成膜可能な熱CVD装置を使用することによっても成膜することができる。このような熱CVD装置を使用すれば、保持された円板状のカーボン基板1を3次元的に回転させながら成膜が行われるので、カーボン基板1の両平面及び側面に、同時にほぼ同じ厚さの多結晶SiC層3を形成することが可能である。多結晶SiC層3を高濃度N型層とするためには高濃度の窒素雰囲気で成膜する必要があり、その成膜温度は1400〜1500℃と高温である。この条件下では供給律速反応となるため、多結晶SiC層3の膜厚は部位によりばらつきが生じる。両平面の膜厚を均一にするには成膜後に研磨を行う。
カーボン基板1を覆う多結晶SiC層3は、3次元で成膜可能な熱CVD装置を使用することによっても成膜することができる。このような熱CVD装置を使用すれば、保持された円板状のカーボン基板1を3次元的に回転させながら成膜が行われるので、カーボン基板1の両平面及び側面に、同時にほぼ同じ厚さの多結晶SiC層3を形成することが可能である。多結晶SiC層3を高濃度N型層とするためには高濃度の窒素雰囲気で成膜する必要があり、その成膜温度は1400〜1500℃と高温である。この条件下では供給律速反応となるため、多結晶SiC層3の膜厚は部位によりばらつきが生じる。両平面の膜厚を均一にするには成膜後に研磨を行う。
図7は、カーボン基板1を多結晶SiC層3で被覆したときの基板端部の断面画像である。カーボン基板上に熱CVD装置を用いて多結晶SiC層を形成すると、カーボン基板の端部において成膜の不均一が発生し、多結晶SiCの膜厚が一定ではなくなる。同図(a)に表されているように、カーボン基板1の板端の角部は、欠け防止のため面取り処理(べベル処理)がされている。それでも、成膜はあらゆる表面に対して等方的に成長するため、板端の角部で成膜が進み、その角部で厚くなる。この場合、後の単結晶基板2との接合のために、カーボン基板1の平面上の多結晶SiC層3の厚さを均一とするように研磨を行うことが好ましい。
より好ましくは、カーボン基板1の多結晶SiC層3が成膜される面の端部(即ちカーボン基板1の平面と側面とが接する角部)は、カーボン基板1の板端に至るまで多結晶SiC層3の厚さが均一となるように面取りをしておくことである。面取りの形状は問わず、端部を断面円弧状としてもよいし、平面に対して傾斜させるようにしてもよい。円弧の曲率や傾斜の角度は面取り部において一定である必要はなく、面取りの大きさも適宜決められればよい。例えば、同図(b)に表されているように、カーボン基板1の端部が断面円弧状となるように面取りを行っておくことにより、板端における成膜の厚さの不均一をなくすことができる。本例では、カーボン基板1の端部の断面が、カーボン基板1の厚さとほぼ等しい直径の半円状となるように面取りがされている。同図(b)は、このようなカーボン基板1に3次元的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。基板側面部の多結晶SiC層3は均一な厚さに成膜されており、基板上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一となることが分かる。同図(c)は、(b)と同様に端部の面取りがされたカーボン基板1の各平面に対して、平面的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。本例では、先ず図の下方の面に多結晶SiC層3を成膜し、次に図の上方の面に成膜している。これにより、板端の側面部には2層の多結晶SiC層3が重なるように形成されているが、膜質は同じであるため連続的な多結晶となっている。このようにカーボン基板1の平面毎に多結晶SiC層3を成膜した場合も、カーボン基板1の上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一であることが分かる。上記(b)、(c)のいずれの場合も、カーボン基板1の平面上の多結晶SiC層3の厚さを均一とするための研磨を省くことができる。
より好ましくは、カーボン基板1の多結晶SiC層3が成膜される面の端部(即ちカーボン基板1の平面と側面とが接する角部)は、カーボン基板1の板端に至るまで多結晶SiC層3の厚さが均一となるように面取りをしておくことである。面取りの形状は問わず、端部を断面円弧状としてもよいし、平面に対して傾斜させるようにしてもよい。円弧の曲率や傾斜の角度は面取り部において一定である必要はなく、面取りの大きさも適宜決められればよい。例えば、同図(b)に表されているように、カーボン基板1の端部が断面円弧状となるように面取りを行っておくことにより、板端における成膜の厚さの不均一をなくすことができる。本例では、カーボン基板1の端部の断面が、カーボン基板1の厚さとほぼ等しい直径の半円状となるように面取りがされている。同図(b)は、このようなカーボン基板1に3次元的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。基板側面部の多結晶SiC層3は均一な厚さに成膜されており、基板上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一となることが分かる。同図(c)は、(b)と同様に端部の面取りがされたカーボン基板1の各平面に対して、平面的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。本例では、先ず図の下方の面に多結晶SiC層3を成膜し、次に図の上方の面に成膜している。これにより、板端の側面部には2層の多結晶SiC層3が重なるように形成されているが、膜質は同じであるため連続的な多結晶となっている。このようにカーボン基板1の平面毎に多結晶SiC層3を成膜した場合も、カーボン基板1の上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一であることが分かる。上記(b)、(c)のいずれの場合も、カーボン基板1の平面上の多結晶SiC層3の厚さを均一とするための研磨を省くことができる。
高電力用途の縦型素子を形成するための半導体基板として、縦方向の電気伝導性と熱伝導性が重要である。本実施形態において、半導体基板としての電気伝導性については、多結晶SiC層3の電気伝導率、多結晶SiC層3と第1の単結晶層21との界面抵抗、及び第1の単結晶層21と第2の単結晶層4との界面抵抗が重要となる。多結晶SiC層3の電気伝導度については、N型不純物である窒素濃度を高めることにより低抵抗とすることができる。多結晶SiC層は単結晶SiC基板と異なり結晶性を問わずに窒素濃度を高めることができるので、単結晶SiC基板よりも低抵抗にすることが可能である。また、多結晶SiC層3と第1の単結晶層21との界面、及び第1の単結晶層21と第2の単結晶層4との界面においては、各層のバンドギャップ幅により電位障壁を発生し、対策をしなければ電位障壁の差により非等方的な電気特性を示す。この対策として、界面近傍の不純物濃度を高くし、トンネル現象を生じさせることにより電位障壁の影響を防ぐことが知られている(特許文献1、非特許文献1、2)。例えば、第1の単結晶層21としてSiCを用いる。そうすると、多結晶SiC層3がN型であるので、それとの界面となる第1の単結晶層21側もN型層とし、その窒素濃度は1021/cm3程度の高濃度であることが望ましい。このため、接合工程を行う前に、多結晶SiC層3との接合面となる第1の単結晶層21の表面に、予め高濃度窒素層を形成しておくことが好ましい。第2の単結晶層4についても同様である。第2の単結晶層4が第1の単結晶層21と同じ材料、同じ結晶構造である場合(例えば、共に単結晶SiCである場合)には、電位障壁への配慮は不要である。第2の単結晶層4が第1の単結晶層21と異なる場合、例えば第2の単結晶層4がGaNからなる場合には、その界面の不純物濃度を高くする必要がある。このような高濃度窒素層は、窒素のイオン注入などにより可能である。
高電力用途の縦型素子を形成するための半導体基板として重要な熱伝導性については、多結晶SiC層3の熱伝導度が250〜300W/(m・K)程度と極めて良い。このため、第2の半導体材料としてSiC、GaN、酸化ガリウムの何れを用いて第2の単結晶層4を形成する場合にも、多結晶SiC層3はその支持基板として好適である。
図8は、多結晶SiC層3の構造を示す断面画像の一例であるである。この多結晶SiC層3は、カーボン基板1の表面L1上に熱CVDにより成膜されており、厚さは約110μmである。多結晶SiC層3の結晶粒はカーボン基板1との界面L1部分では細かく、厚さ方向Dに界面L1から離れるに伴って大きな結晶粒となって安定する。このように多結晶SiC層3の結晶構造は一様ではないため、カーボン基板1が無い状態では反りが発生する。
図9は、カーボン基板1が存在する状態(a)と、カーボン基板1が除去された状態(b)の反りの大きさを説明する図である。例えば、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が積層されている状態の反りS1は約20μmであり、カーボン基板1が除去された後の多結晶SiC層3の反りS2は約100μmとなる。カーボン基板1が無く、多結晶SiC層3のみが支持基板であって100μm程度の大きな反りがある状態には、そのままではフォトリソグラフィを適用することはできない。カーボン基板1が存在する状態では反りが20μm程度と小さいため、一般的な半導体のフォトリソグラフィ装置を用いることができる。
図9は、カーボン基板1が存在する状態(a)と、カーボン基板1が除去された状態(b)の反りの大きさを説明する図である。例えば、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が積層されている状態の反りS1は約20μmであり、カーボン基板1が除去された後の多結晶SiC層3の反りS2は約100μmとなる。カーボン基板1が無く、多結晶SiC層3のみが支持基板であって100μm程度の大きな反りがある状態には、そのままではフォトリソグラフィを適用することはできない。カーボン基板1が存在する状態では反りが20μm程度と小さいため、一般的な半導体のフォトリソグラフィ装置を用いることができる。
以下、複層基板5の第2の単結晶層4に半導体素子を形成する素子形成工程の具体例を説明する。
(ショットキーダイオード素子の形成)
図10は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にショットキーダイオード素子(図15(a)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図10(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にショットキーダイオードを形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。図10(a)に示すA部は、複合基板51又は52において1つの素子に相当する領域である。以下の図(b)〜(g)はそのA部の拡大図であり、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、図10(b)に示すように、N型とした第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク701を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク701の開口部にP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスク701を除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2の単結晶層4の表層部にP型不純物領域711が形成される。
次に、同図(d)に示すように、第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク702を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク702の開口部に別の濃度のP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスク702を除去する。これにより、同図(e)に示すように、第2の単結晶層4の表層部に別のP型不純物領域712が形成される。P型不純物領域711及び別のP型不純物領域712が形成された後に、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2の単結晶層4がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2の単結晶層4の表面上に厚さ1μm程度のSiO2膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。これにより、同図(f)に示すように、第2の単結晶層4上にSiO2の層間絶縁膜713が形成される。
そして、同図(g)に示すように、ニッケルなどの金属を蒸着した後、パターニングすることによって電極膜714を形成する。この状態でランプアニール等により瞬間的に1000℃を越える高温とすることによって、ショットキー界面が形成される。電極膜714は、更にアルミニウム等を用いて増膜することも可能である。以上の工程によって、ショットキーダイオードを形成するための複層基板72が得られる。
(ショットキーダイオード素子の形成)
図10は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にショットキーダイオード素子(図15(a)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図10(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にショットキーダイオードを形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。図10(a)に示すA部は、複合基板51又は52において1つの素子に相当する領域である。以下の図(b)〜(g)はそのA部の拡大図であり、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、図10(b)に示すように、N型とした第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク701を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク701の開口部にP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスク701を除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2の単結晶層4の表層部にP型不純物領域711が形成される。
次に、同図(d)に示すように、第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク702を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク702の開口部に別の濃度のP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスク702を除去する。これにより、同図(e)に示すように、第2の単結晶層4の表層部に別のP型不純物領域712が形成される。P型不純物領域711及び別のP型不純物領域712が形成された後に、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2の単結晶層4がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2の単結晶層4の表面上に厚さ1μm程度のSiO2膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。これにより、同図(f)に示すように、第2の単結晶層4上にSiO2の層間絶縁膜713が形成される。
そして、同図(g)に示すように、ニッケルなどの金属を蒸着した後、パターニングすることによって電極膜714を形成する。この状態でランプアニール等により瞬間的に1000℃を越える高温とすることによって、ショットキー界面が形成される。電極膜714は、更にアルミニウム等を用いて増膜することも可能である。以上の工程によって、ショットキーダイオードを形成するための複層基板72が得られる。
図11は、カーボン基板1を支持基板とする前記第1形態において、裏面電極を形成する工程を示している。前図同様に1つの素子に相当する領域を示している。図11(a)は、上記のような素子形成工程を経た複層基板72を示しており、複層基板72の上面側にショットキーダイオードが形成されている。複層基板72は、カーボン基板1上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21(図示せず)及び第2の単結晶層4が積層されて構成されている。この後、図11に示すような工程により、複層基板72の裏面側、即ち第2の単結晶層4とは反対側を加工することができる。同図(a)に示すように、複層基板72の裏面側において複層基板72の裏面(多結晶SiC層3の裏面302)を必要に応じて研削や研磨により表面を整える。その後、同図(b)に示すように、裏面302にニッケル等を用いて裏面電極膜715を形成する。裏面電極膜715は、瞬間的な高温処理によりシリサイド化がなされてもよい。そして、同図(c)に示すように、裏面電極膜715上に銅等を用いて厚膜層716が形成されてもよい。以上によって、第1形態のショットキーダイオード素子を形成した複層基板73を得ることができる。
図12は、カーボン基板1を暫定的な土台として使用する前記第2形態の場合に、カーボン基板1を除去する工程を示している。図12(a)に示す複層基板75は、図10で説明した素子形成工程を、複層基板52(図3(b))の両面に適用したものである。複層基板52の上面側及び下面側にそれぞれショットキーダイオード751が形成されている。ショットキーダイオード751は複層基板75の全面に形成されているが、本図においては模式的に各面1つだけ示している。この状態から、複層基板75を同心円状に切断することにより、図12(b)に示すように複層基板75の周縁部を除去する。これにより、少なくともカーボン基板1の側面103に形成された多結晶SiC層3が除去され、カーボン基板1の端部103’が露出される。この状態で、焼却等によりカーボン基板1を除去することができる。これにより複層基板75が上下2枚に分離される。同図(c)は、カーボン基板1が除去されて分離された一方の複層基板76を表している。複層基板76は、多結晶SiC層3を支持基板として、その上に第1の単結晶層21(図示せず)及び第2の単結晶層4が積層されて構成されている。
カーボン基板1が除去された後、図13に示すような工程により、複層基板76の裏面側即ち第2の単結晶層4とは反対側を加工することができる。同図(a)に示すように、複層基板76の裏面側において結晶性の乱れの多い表層部を除去するため、複層基板76の裏面(多結晶SiC層3の裏面302)を研削や研磨により一定の厚さ(例えば10μm程度)除去してもよい。その後、同図(b)に示すように、裏面302にニッケル等を用いて裏面電極膜715を形成する。裏面電極膜715は、瞬間的な高温処理によりシリサイド化がなされてもよい。そして、同図(c)に示すように、裏面電極膜715上に銅等を用いて厚膜層716を形成する。以上によって、第2形態のショットキーダイオード素子が形成された複層基板77を得る。
(MOSFET素子の形成)
図14は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にMOSFET素子(図15(b)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図14(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にMOSFET素子を形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。本図は、複合基板51又は52上の1つの素子に相当する領域(図10(a)に示したA部)の拡大図であり、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、N型とした第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスクを形成する。そして、約500℃に加熱をした状態で前記マスクの開口部にP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスクを除去する。これにより、図14(b)に示すように、第2の単結晶層4の表層部にPウエル811が形成される。続いて、同様にSiO2膜のパターンをマスクとして不純物を注入することにより、N+領域を形成することができる。これによって、ソース部、ドレイン部等が形成される。同図(b)は、Pウエル811、ソース部812、ドレイン部813等が形成された状態を示している。P型不純物からなるPウエル、N+不純物からなるソース、ドレインが形成された後に、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2の単結晶層4がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2の単結晶層4の表面に厚さ1μm程度のSiO2膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。続いて、ゲート部815を中心として部分的に絶縁膜をエッチングにより除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2の単結晶層4上に層間絶縁膜814が形成される。図はゲート酸化膜生成前の状態を示している。次に、同図(d)に示すように、ゲート酸化膜816を形成する。ゲート酸化膜816は、カーボン基板1が多結晶SiC層3で完全に被覆されている場合には、酸素雰囲気で成膜できる。カーボン基板1の一方の面に多結晶SiC層3が形成されており、カーボン基板1の他方の面が露出している場合には、酸素雰囲気ではない状態で成膜可能なゲート酸化膜を選ぶ必要がある。同図(e)は、更に電極817、配線層818等を形成した構造を示している。以上によってMOSFETが形成された複層基板82を得る。
引き続き、前記ショットキーダイオードの場合と同様にして、カーボン基板1を除去し、複層基板82の裏面側すなわち第2の単結晶層4とは反対側に裏面電極膜を形成することによって、第2形態のMOSFET素子を形成することができる。
図14は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にMOSFET素子(図15(b)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図14(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にMOSFET素子を形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。本図は、複合基板51又は52上の1つの素子に相当する領域(図10(a)に示したA部)の拡大図であり、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、N型とした第2の単結晶層4の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスクを形成する。そして、約500℃に加熱をした状態で前記マスクの開口部にP型不純物をイオン注入し、イオン注入後マスクを除去する。これにより、図14(b)に示すように、第2の単結晶層4の表層部にPウエル811が形成される。続いて、同様にSiO2膜のパターンをマスクとして不純物を注入することにより、N+領域を形成することができる。これによって、ソース部、ドレイン部等が形成される。同図(b)は、Pウエル811、ソース部812、ドレイン部813等が形成された状態を示している。P型不純物からなるPウエル、N+不純物からなるソース、ドレインが形成された後に、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2の単結晶層4がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2の単結晶層4の表面に厚さ1μm程度のSiO2膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。続いて、ゲート部815を中心として部分的に絶縁膜をエッチングにより除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2の単結晶層4上に層間絶縁膜814が形成される。図はゲート酸化膜生成前の状態を示している。次に、同図(d)に示すように、ゲート酸化膜816を形成する。ゲート酸化膜816は、カーボン基板1が多結晶SiC層3で完全に被覆されている場合には、酸素雰囲気で成膜できる。カーボン基板1の一方の面に多結晶SiC層3が形成されており、カーボン基板1の他方の面が露出している場合には、酸素雰囲気ではない状態で成膜可能なゲート酸化膜を選ぶ必要がある。同図(e)は、更に電極817、配線層818等を形成した構造を示している。以上によってMOSFETが形成された複層基板82を得る。
引き続き、前記ショットキーダイオードの場合と同様にして、カーボン基板1を除去し、複層基板82の裏面側すなわち第2の単結晶層4とは反対側に裏面電極膜を形成することによって、第2形態のMOSFET素子を形成することができる。
図14により説明した工程において、カーボン基板1が露出しており且つゲート酸化膜816の生成に酸素が必要な場合には、ゲート酸化膜生成前にカーボン基板1を除去する。そして、多結晶SiC層3を支持基板としてゲート酸化膜を生成する。その後、サファイア基板等を仮設支持基板として接着することによって反りを軽減した上で、電極膜や配線層等の形成を行うことができる。これらの工程は高温の熱処理を要しないため、接着した仮設支持基板により反りを抑制することができる。
なお、図14においてはプレーナ構造のMOSFETの構造例を参考に示したが、トレンチ構造のMOSFETの場合においても、以上に説明した素子形成工程及び第2の素子形成工程により、第2の単結晶層4に素子を形成することが可能である。
なお、図14においてはプレーナ構造のMOSFETの構造例を参考に示したが、トレンチ構造のMOSFETの場合においても、以上に説明した素子形成工程及び第2の素子形成工程により、第2の単結晶層4に素子を形成することが可能である。
以上のように、図3に示した複層基板51〜53は、高電力用途の素子を形成するための半導体基板として好適である。この半導体基板は、その面上に多結晶SiC層3が成膜されたカーボン基板1と、多結晶SiC層3上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層21と、第1の単結晶層21上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層4と、を備えることを特徴としている。
多結晶SiC層3は、カーボン基板1の少なくとも1つの平面上に形成されている。更にカーボン基板1の側面にも形成されているように構成することがきる。例えば、最も基本的な構成である複層基板51(図3(a))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の一方の平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。また、複層基板52(図3(b))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。すなわち、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3によって被覆されている。そして、カーボン基板1の各平面上に形成された多結晶SiC層3の上に、それぞれ第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。また、複層基板53(図3(c))は、カーボン基板1の一方の平面101に多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の当該平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。なお、多結晶SiC層3上において第1の単結晶層21が無い周縁部分には、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が形成されている。
前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つとすることができる。また、第1の半導体材料としてSiCを選択することが好ましい。
第1の単結晶層21の厚さは、0.1〜1.5μm程度と薄くすることができる。また、第2の単結晶層4の厚さは材料及び用途により異なり、SiCの場合には、概ね5μm(耐圧600Vの場合)から10μm(耐圧1500Vの場合)の程度とされる。
多結晶SiC層3は、カーボン基板1の少なくとも1つの平面上に形成されている。更にカーボン基板1の側面にも形成されているように構成することがきる。例えば、最も基本的な構成である複層基板51(図3(a))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の一方の平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。また、複層基板52(図3(b))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。すなわち、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3によって被覆されている。そして、カーボン基板1の各平面上に形成された多結晶SiC層3の上に、それぞれ第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。また、複層基板53(図3(c))は、カーボン基板1の一方の平面101に多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の当該平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。なお、多結晶SiC層3上において第1の単結晶層21が無い周縁部分には、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が形成されている。
前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つとすることができる。また、第1の半導体材料としてSiCを選択することが好ましい。
第1の単結晶層21の厚さは、0.1〜1.5μm程度と薄くすることができる。また、第2の単結晶層4の厚さは材料及び用途により異なり、SiCの場合には、概ね5μm(耐圧600Vの場合)から10μm(耐圧1500Vの場合)の程度とされる。
本半導体基板は、カーボン基板1を支持層として半導体素子が形成されるように構成されてもよいし(第1形態)、カーボン基板1が除去されて半導体素子が形成されるように構成されてもよい(第2形態)。第2形態の場合、例えば図12に示したようにカーボン基板1が除去されて構成される。よって、第2形態の半導体基板は、多結晶SiC層3と、多結晶SiC層3上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層21と、第1の単結晶層21上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層4と、から構成されることとなる。すなわち、第1形態においてはカーボン基板1が支持基板となるのに対し、第2形態においては多結晶SiC層3が支持基板となる。
このため、カーボン基板1及び多結晶SiC層3の厚さは、前記第1形態の場合と前記第2形態の場合とでは、異なる厚さで構成することができる。例えば、前記第1形態の場合には、カーボン基板1の厚さは250〜1000μm程度、多結晶SiC層3の厚さは1〜10μm程度とすることができる。また、前記第2形態の場合には、多結晶SiC層3の厚さは100〜150μm程度とすることができる。
前記第2形態の半導体基板は、カーボン基板1が除去されて構成される。したがって、半導体素子を形成する場合には、カーボン基板1が除去される前にできるだけ多くの素子加工を行うことが好ましい。
このため、カーボン基板1及び多結晶SiC層3の厚さは、前記第1形態の場合と前記第2形態の場合とでは、異なる厚さで構成することができる。例えば、前記第1形態の場合には、カーボン基板1の厚さは250〜1000μm程度、多結晶SiC層3の厚さは1〜10μm程度とすることができる。また、前記第2形態の場合には、多結晶SiC層3の厚さは100〜150μm程度とすることができる。
前記第2形態の半導体基板は、カーボン基板1が除去されて構成される。したがって、半導体素子を形成する場合には、カーボン基板1が除去される前にできるだけ多くの素子加工を行うことが好ましい。
以上の実施形態においては、第1の半導体材料及び第2の半導体材料がSiCである場合を主として説明したが、それらがGaN、酸化ガリウム、酸化ガリウム等であっても同様である。また、第1の半導体材料がSiCであり、第2の半導体材料がGaN、酸化ガリウム、酸化ガリウム等であっても同様である。
尚、本発明は以上で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。
SiC等を用いたパワー系化合物半導体素子は、車においてはハイブリッド車、電気自動車等の普及に伴ってますます重要度が増している。また、家庭においてはスマートグリッドの普及に伴って家電製品の制御やエネルギー管理のためにパワー系化合物半導体装置の役割が重要になってくる。本発明により、高価な材料であるSiC単結晶の使用量を大幅に減らすことができ、安価なSiC半導体素子を製造することが可能となる。
1;カーボン基板、101;カーボン基板の上面、102;カーボン基板の下面、103;カーボン基板の側面、2;単結晶基板、21;第1の単結晶層、25;水素注入層、3;多結晶SiC層、4;第2の単結晶層、41;第2の多結晶層、5、51、52、53;複層基板、711、712;P型不純物領域、713;層間絶縁膜、714;電極膜、715;裏面電極膜、72、73、75、76、77;ショットキーダイオード素子が形成された複層基板、751;ショットキーダイオード素子、811;Pウエル、812;ソース部、813;ドレイン部、814;層間絶縁膜、815;ゲート部、816;ゲート酸化膜、817;電極膜、818;配線層、82;MOSFET素子が形成された複層基板、91;ショットキーダイオード素子、92;MOSFET素子。
Claims (12)
- カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC層を成膜する第1成膜工程と、
第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程と、
前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、
前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、
前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、
前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記複層基板から前記カーボン基板を除去する除去工程を備える請求項1記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように成膜される請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、
前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板の両平面上に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得て、
前記素子形成工程において、前記複層基板の両面に形成されている前記第2の単結晶層にそれぞれ半導体素子を形成する、
請求項3記載の半導体素子の製造方法。 - 前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる請求項2乃至4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 - 前記第1の半導体材料はSiCである請求項7記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDにより成膜される請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、
前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、
前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、
を備えることを特徴とする半導体基板。 - 前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである請求項10記載の半導体基板。 - 前記第1の半導体材料はSiCである請求項11記載の半導体基板。
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