JP2019169725A - SiC複合基板 - Google Patents
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Abstract
Description
・”Reduction of Bowing in GaN−on−Sapphire and GaN−on−Silicon Substrates by Stress Implantation by Internally Focused Laser Processing” Japan Journal of Applied Physics Vol.51(2012)016504(非特許文献1)
〔1〕 多結晶SiC基板上に単結晶SiC層を有するSiC複合基板において、上記多結晶SiC基板と単結晶SiC層とが当接する界面の全面又は一部が格子整合していない不整合界面であり、上記単結晶SiC層は平滑な表面を有すると共に多結晶SiC基板との界面側にこの表面よりも凹凸がある面を有しており、上記多結晶SiC基板における多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムに配向していることを特徴とするSiC複合基板。
〔2〕 上記単結晶SiC層が多結晶SiC基板との界面側に有する凹凸面はその凹凸を構成する傾斜面が該単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムな方向に向いているものであることを特徴とする〔1〕記載のSiC複合基板。
〔3〕 上記多結晶SiC基板は化学気相成長膜であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕記載のSiC複合基板。
〔4〕 上記多結晶SiC基板の多結晶SiCは立方晶であり、その最密面が{111}面であることを特徴とする〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のSiC複合基板。
また、本発明のSiC複合基板の製造方法によれば、機械的加工による粗面化によって保持基板側の表面よりも凹凸があり、かつ該凹凸を構成する傾斜面が保持基板側表面の法線方向を基準としてランダムな方向に向いている凹凸面となった単結晶SiC層とし、その凹凸面に化学気相成長法により多結晶SiCを堆積して該多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の保持基板側表面の法線方向を基準としてランダムに配向している多結晶SiC基板を形成するので、本発明のSiC複合基板を簡便に製造することができる。
以下に、本発明に係るSiC複合基板について説明する。
本発明に係るSiC複合基板は、多結晶SiC基板上に単結晶SiC層を有するSiC複合基板において、上記多結晶SiC基板と単結晶SiC層とが当接する界面の全面又は一部が格子整合していない不整合界面であり、上記単結晶SiC層は平滑な表面を有すると共に多結晶SiC基板との界面側にこの表面よりも凹凸がある面を有しており、上記多結晶SiC基板における多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムに配向していることを特徴とするものである。
図1に示すように、本発明に係るSiC複合基板10は、多結晶SiC基板11と、多結晶SiC基板11上に設けられた単結晶SiC層12とを有する。
なお、多結晶SiC基板11に不純物を導入して抵抗率を調整してもよい。これにより縦型パワー半導体デバイスの基板として好適に使用することが可能となる。
上述した本発明に係るSiC複合基板10を製造する上で、単結晶SiCを多結晶基板上にエピタキシャル成長することは不可能であることから、特許文献1(特許第5051962号公報)に示されているように、単結晶SiC層上に多結晶SiCをハンドル基板として堆積する方法を採用することが好ましい。ただし、単結晶SiC層の多結晶SiC基板との界面となる表面に多結晶SiCを堆積させ、その格子面の配向方位を単結晶SiC層の多結晶SiCを堆積する面とは反対面であるおもて面の法線方向を基準としてランダムにするには(即ち、界面の法線軸を回転中心とした方位に均等に分散させるには)、単結晶SiC層の多結晶SiC堆積側表面においてランダムな方位に配向した核形成をもたらす必要があり、そのためには多結晶SiC基板の形成条件が限定されてしまう。実際のところ、単結晶SiC層の多結晶SiC堆積側表面において多結晶SiCが特定方位に配向しない結晶成長条件を探索し、その条件の最適化(配向方位の分散と均一化)を図ったり、準安定な非晶質化条件を探索したりする必要が有るため、本発明のSiC複合基板10の構造を実現するのは容易なことではない。なぜならば、結晶成長にあたってはエネルギーの最も低い面が優先的に表面に露出する特性があるためであり、特定の面方位が表面の法線軸方位に配向(優先配向)してしまう傾向があるためである。
本発明の実施形態1について図4を参照しながら説明する。
(工程1−1)
始めに、保持基板21に貼り合わせをする単結晶SiC基板12sを用意する。ここで、単結晶SiC基板12sは、結晶構造が4H−SiC、6H−SiC、3C−SiCのものから選択をすることが好ましい。単結晶SiC基板12s及び後述する保持基板21の大きさは、半導体素子の製造や窒化ガリウム、ダイヤモンド、ナノカーボン膜の成長に必要な大きさやコスト等から設定をする。また、単結晶SiC基板12sの厚さは、SEMI規格又はJEIDA規格の基板厚さ近傍のものがハンドリングの面から好ましい。なお、単結晶SiC基板12sとして、市販のもの、例えばパワーデバイス向けに市販されている単結晶SiCウエハを用いればよく、その表面がCMP(Chemical Mechanical Polishing(or Planarization))処理で仕上げ研磨された、表面が平坦かつ平滑なものを用いることが好ましい。ここでは、単結晶SiC基板12sとして、例えば4H−SiC(000−1)C面において[11−20]方位に2度偏向した単結晶SiCウエハを用いる。
次に、保持基板21を用意する。本発明で用いる保持基板21として、耐熱温度1100℃以上の耐熱材料(ただし、単結晶SiCを除く)からなるものが好ましく、多結晶又は単結晶シリコンからなる基板がより好ましい。ここでは、例えば保持基板21として、面方位(111)面の単結晶Si基板を用いる。
次に、単結晶SiC基板12sの薄膜22a形成面に水素イオン等を注入してイオン注入領域12iを形成する(図4(c))。
続いて、単結晶SiC基板12sの薄膜22a形成面と保持基板21の薄膜22a形成面とを表面活性化処理を施して貼り合わせる。表面活性化処理としてはプラズマ活性化処理、真空イオンビーム処理又はオゾン水への浸漬処理を行うとよい。
貼り合わせ基板13について、イオン注入した部分に熱的エネルギー又は機械的エネルギーを付与して、イオン注入領域12iで単結晶SiC基板12sを剥離させ、保持基板21上に単結晶SiC薄膜12aを転写して単結晶SiC薄膜担持体14を得る(図4(e))。
次に、単結晶SiC薄膜担持体14の単結晶SiC薄膜12aについてその表面を機械的加工により粗面化し、更にこの機械的加工に起因する欠陥を除去して単結晶SiC層12とする(図4(f))。
次に、得られた単結晶SiC層担持体15を用いて、化学気相成長法により単結晶SiC層12上に多結晶SiCを堆積して多結晶SiC基板11を形成する(図4(g))。
このとき、多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の保持基板21側表面の法線方向を基準としてランダムに配向するように形成される。
次に、工程1−7で得られた積層体における保持基板21を物理的及び/又は化学的に除去して、SiC複合基板10を得る(図4(h))。このとき、保持基板21がシリコンからなる場合には、例えばフッ硝酸溶液により容易に選択的にエッチング除去することが可能である。
必要に応じて、SiC複合基板10の単結晶SiC層12上にSiCエピタキシャル層12’を形成するとよい(図4(i))。これにより、単結晶SiC層12の厚さが0.1μmと薄く、パワー半導体デバイスの活性層として用いるには薄すぎるところ、SiH2Cl2(流量200sccm)とC2H2(流量50sccm)を原料とする1550℃の1時間の気相成長(ホモエピタキシャル成長)により厚さ8μmのSiCエピタキシャル層12’を形成してパワー半導体の製造に適応したSiC複合基板を得ることが可能となる。
本発明の実施形態2について図5を参照しながら説明する。
(工程2−1)
始めに、実施形態1と同様にして工程1−6までを行い、単結晶SiC層担持体15を2組用意する(図5(a))。
次に、2組の単結晶SiC層担持体15の保持基板21同士を接着層23を介して貼り合わせて(接合して)接着貼り合わせ体16を得る(図5(b))。接着貼り合わせ体16は、その表裏面に単結晶SiC層12が露出した両面基板となる。このとき、この後で行う化学気相成長に対して耐熱性を有する接着剤を用いるとよい。
次に、接着貼り合わせ体16の表裏面の単結晶SiC層12の凹凸面それぞれに実施形態1と同様の化学気相成長法により多結晶SiCを堆積して多結晶SiC基板11を形成する(図5(c))。ここで、保持基板21と多結晶SiC基板11との間に熱膨張係数の差に起因する応力が発生したとしても、2枚の保持基板21が貼り合わされたものの表裏面に作用する応力の向きは互いに反対方向となり、その大きさは等しくなるため、積層体に反りが発生することがないようにすることができ、その結果、反りのないSiC複合基板を2組得ることができる。
次いで、工程2−3で得られた積層体について、保持基板21のうら面同士の接合部分(接着層23)で分離し、同時に(又はその後に)それぞれの保持基板21を物理的及び/又は化学的に除去して、2組のSiC複合基板10を得る(図5(d))。このとき、保持基板21がシリコンからなる場合には、例えばフッ硝酸溶液により容易に接着層23及び保持基板21を選択的にエッチング除去することが可能である。
その後、必要に応じて実施形態1と同様に、SiC複合基板10の単結晶SiC層12上にSiCエピタキシャル層12’を形成するとよい(図5(e))。
本発明の実施形態3について図6を参照しながら説明する。
(工程3−1)
始めに、保持基板21上にSiCをヘテロエピタキシャル成長させて単結晶SiC薄膜12eを設けて単結晶SiC薄膜担持体14’を2枚用意する(図6(a))。例えば、2枚の(001)表面を有する単結晶Siウエハを保持基板21とし、その上層に(001)面を主面方位とする3C−SiC層をヘテロエピタキシャル成長するとよい。詳しくは、このヘテロエピタキシャル成長に先んじ、保持基板(単結晶Siウエハ)21を20PaのC2H2雰囲気に暴露しつつ、500℃から1,340℃まで昇温し、その表層に単結晶の3C−SiC膜を厚さ15nm成長させた後、基板温度を保ちつつ、流量200sccmのSiH2Cl2と流量50sccmのC2H2を導入し、圧力を15Paとすることにより厚さ20μmの(001)面を主面方位とする単結晶3C−SiC層12をエピタキシャル成長するとよい。
次に、単結晶SiC薄膜担持体14’の単結晶SiC薄膜12eについて、実施形態1の工程1−6と同様にしてその表面を機械的加工により粗面化し、更にこの機械的加工に起因する欠陥を除去して単結晶SiC層12とする(図6(b))。
次に、2枚の単結晶SiC層担持体15’の保持基板21同士を接着層23を介して貼り合わせて(接合して)一組の接着貼り合わせ体16’を得る(図6(c))。接着貼り合わせ体16’は、その表裏面に単結晶SiC層12が露出した両面基板となる。このとき、この後で行う化学気相成長に対して耐熱性を有する接着剤を用いるとよい。
次に、接着貼り合わせ体16’の表裏面の単結晶SiC層12の凹凸面それぞれに実施形態1と同様の化学気相成長法により多結晶SiCを堆積して多結晶SiC基板11を形成する(図6(d))。ここで、保持基板21と多結晶SiC基板11との間に熱膨張係数の差に起因する応力が発生したとしても、2枚の保持基板21が貼り合わされたものの表裏面に作用する応力の向きは互いに反対方向となり、その大きさは等しくなるため、積層体に反りが発生することがないようにすることができ、その結果、反りのないSiC複合基板を2枚得ることができる。
次いで、工程3−4で得られた積層体について、保持基板21のうら面同士の接合部分(接着層23)で分離し、同時に(又はその後に)それぞれの保持基板21を物理的及び/又は化学的に除去して、2組のSiC複合基板10を得る(図6(e))。このとき、保持基板21がシリコンからなる場合には、例えばフッ硝酸溶液により容易に接着層23及び保持基板21を選択的にエッチング除去することが可能である。
本発明の実施形態4について図7を参照しながら説明する。
(工程4−1)
始めに、保持基板21の両面にSiCをヘテロエピタキシャル成長させて単結晶SiC薄膜12eを設けて単結晶SiC薄膜担持体14''を用意する(図7(a))。例えば、両面を鏡面研磨した(111)表面を有する単結晶Siウエハを保持基板21とし、その両面に3C−SiC層をヘテロエピタキシャル成長するとよい。詳しくは、このヘテロエピタキシャル成長に先んじ、保持基板(単結晶Siウエハ)21を20PaのC2H2雰囲気に暴露しつつ、500℃から1,340℃まで昇温し、その表層に単結晶の3C−SiC膜を厚さ15nm成長させた後、基板温度を保ちつつ、流量200sccmのSiH2Cl2と流量50sccmのC2H2を導入し、圧力を3.2Paとすることにより(111)面を主面方位とする単結晶3C−SiC層12をエピタキシャル成長するとよい。
次に、単結晶SiC薄膜担持体14''の単結晶SiC薄膜12eについて、実施形態1の工程1−6と同様にしてその表面を機械的加工により粗面化し、更にこの機械的加工に起因する欠陥を除去して単結晶SiC層12とする(図7(b))。
次に、単結晶SiC層担持体15''の表裏面の単結晶SiC層12の凹凸面それぞれに実施形態1と同様の化学気相成長法により多結晶SiCを堆積して多結晶SiC基板11を形成する(図7(c))。ここで、保持基板21と多結晶SiC基板11との間に熱膨張係数の差に起因する応力が発生したとしても、保持基板21の表裏面に作用する応力の向きは互いに反対方向となり、その大きさは等しくなるため、積層体に反りが発生することがないようにすることができ、その結果、反りのないSiC複合基板を2組得ることができる。
次いで、工程4−3で得られた積層体について、保持基板21を物理的及び/又は化学的に除去して、2組のSiC複合基板10を得る(図7(d))。このとき、保持基板21がシリコンからなる場合には、例えばフッ硝酸溶液により容易に保持基板21を選択的にエッチング除去することが可能である。
本発明のSiC複合基板の製造方法における実施形態1に基づき以下の手順で本発明のSiC複合基板10を作製した。
始めに、単結晶SiC基板12sとして(000−1)C面を[11−20]方位に2度傾斜させた単結晶4H−SiCウエハを用意し、これを大気圧の乾燥酸素雰囲気中で90分間、1,100℃の熱酸化処理を施すことにより表面に薄膜22aとして厚さ0.2μmの熱酸化膜を形成した(図4(a))。
(工程2)
次に、保持基板21として(001)表面を有する単結晶Siウエハを用意し、これを大気圧の乾燥酸素雰囲気中で90分間、1,100℃の熱酸化処理を施すことにより表面に薄膜22aとして厚さ0.6μmの熱酸化膜を形成した(図4(b))。
(工程3)
次に、工程1の単結晶4H−SiCウエハの熱酸化膜形成面に、水素イオンを150keVのエネルギーで1×1017atoms/cm2照射し、イオン注入領域12iを形成した(図4(c))。
(工程4)
続いて、単結晶4H−SiCウエハの薄膜22a形成面と単結晶Siウエハの薄膜22a形成面とをプラズマ活性化処理を施して貼り合わせて貼り合わせ基板13を得た(図4(d))。
(工程5)
次に、貼り合わせ基板13について、イオン注入した部分に機械的エネルギーを付与して、イオン注入領域12iで単結晶4H−SiC基板ウエハを剥離させ、単結晶Siウエハ上に厚さ0.2μmの単結晶SiC薄膜12aを転写して表面に4H−SiC(0001)Si面が露出する単結晶SiC薄膜担持体14を得た(図4(e))。
次に、単結晶SiC薄膜担持体14の表面に露出した4H−SiC(0001)Si面を10μmの粒度のダイヤモンドスラリーを塗布した研磨布に100g/cm2の圧力で押し付け、ランダムな方向に反復運動させた。これを10分間反復運動した後、単結晶SiC薄膜12a表面のダイヤモンドスラリーを純水で洗い流し、過酸化水素水と硫酸の混合溶液で洗浄した。次に、大気圧の乾燥酸素雰囲気中で60分間、1,100℃の熱酸化処理を施すことにより単結晶SiC薄膜12aの研磨面に厚さ0.1μmの熱酸化膜を形成する。この熱酸化処理によりダイヤモンドスラリーを用いた研磨により欠陥が導入された単結晶SiC薄膜12a表面がシリコン酸化膜に変換される。その後、その表面を5vol%のHF溶液に5分間浸漬して、清浄な単結晶4H−SiC表面を露出させて単結晶SiC層12とした(図4(f))。この処理後の単結晶SiC層12の表面凹凸の算術平均粗さRaは3nmであり、その表面凹凸を構成する傾斜面の最大斜度が3度であって該傾斜面が単結晶Siウエハ(保持基板21)側表面の法線方向を基準としてランダムな方向に向いている凹凸面となった。
次に、単結晶SiC層12の凹凸面に、熱CVD法によりSiCl4(流量200sccm)とC3H8(流量50sccm)を原料として、加熱温度1,320℃で多結晶の3C−SiCを堆積した。このときの圧力を15Paとし、8時間の堆積処理により単結晶SiCウエハ(保持基板21)の表裏面、即ち単結晶SiC層12表面と単結晶Siウエハ裏面にそれぞれ厚さ840μmの多結晶SiC基板11,11’を形成した(図4(g))。
次に、工程7で得られた積層体をHFとHNO3の混合溶液に120時間浸漬したところ、保持基板21である単結晶Siウエハが選択的にエッチング除去され、これと同時に裏面側の多結晶SiC基板11’が剥離し、単結晶SiC層12(4H−SiC(0001)Si面)/多結晶SiC基板11(立方晶SiC(840μm厚))の積層構造の本発明のSiC複合基板10が得られた(図4(h))。
11、11’ 多結晶SiC基板
11b 結晶粒界
11p、12p 格子面
12 単結晶SiC層
12a 単結晶SiC薄膜
12e 単結晶SiC薄膜(ヘテロエピタキシャル成長膜)
12i イオン注入領域
12s 単結晶SiC基板
12’ SiCエピタキシャル層
13 貼り合わせ基板
14、14’、14'' 単結晶SiC薄膜担持体
15、15’、15'' 単結晶SiC層担持体
16、16’ 接着貼り合わせ体
21 保持基板
22 介在層
22a 薄膜
23 接着層
I12/11 不整合界面
〔1〕 厚さ100μm以上650μm以下の多結晶SiC基板上に厚さ100nm以上1μm以下の単結晶SiC層を有するSiC複合基板において、上記多結晶SiC基板と単結晶SiC層とが当接する界面の全面又は一部が格子整合していない不整合界面であり、上記単結晶SiC層は平滑な表面を有すると共に多結晶SiC基板との界面側にこの表面よりも凹凸がある面を有し、この凹凸面は凹凸を構成する傾斜面が該単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムな方向に向いているものであり、上記多結晶SiC基板における多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムに配向していることを特徴とするSiC複合基板。
〔2〕 上記多結晶SiC基板は化学気相成長膜であることを特徴とする〔1〕記載のSiC複合基板。
〔3〕 上記多結晶SiC基板の多結晶SiCは立方晶であり、その最密面が{111}面であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕記載のSiC複合基板。
〔4〕 X線ロッキングカーブ法により得られる単結晶SiC層表面の法線軸を基準(ω=0度)とする多結晶SiC基板を構成するSiC結晶の(111)面のロッキングカーブにおいて、ω≦−2度又は2度≦ωとなる結晶粒の割合が多結晶SiC基板を構成する全結晶粒の65%以上である〔3〕記載のSiC複合基板。
Claims (4)
- 多結晶SiC基板上に単結晶SiC層を有するSiC複合基板において、上記多結晶SiC基板と単結晶SiC層とが当接する界面の全面又は一部が格子整合していない不整合界面であり、上記単結晶SiC層は平滑な表面を有すると共に多結晶SiC基板との界面側にこの表面よりも凹凸がある面を有しており、上記多結晶SiC基板における多結晶SiCの結晶の最密面が単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムに配向していることを特徴とするSiC複合基板。
- 上記単結晶SiC層が多結晶SiC基板との界面側に有する凹凸面はその凹凸を構成する傾斜面が該単結晶SiC層の表面の法線方向を基準としてランダムな方向に向いているものであることを特徴とする請求項1記載のSiC複合基板。
- 上記多結晶SiC基板は化学気相成長膜であることを特徴とする請求項1又は2記載のSiC複合基板。
- 上記多結晶SiC基板の多結晶SiCは立方晶であり、その最密面が{111}面であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のSiC複合基板。
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