JP2023039951A - 半導体基板の製造方法、半導体基板、複合半導体基板の製造方法、複合半導体基板、および半導体接合基板 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の実施形態に係る半導体基板の製造方法および半導体基板の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
<半導体基板の製造方法>
図1(A)~図1(E)は、本発明の実施形態に係る半導体基板の製造方法を模式的に示す図である。図2は、本発明の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。
はじめに、図1(A)を参照して、半導体材料を含む種基板1を準備する。
次に、図1(B)を参照して、前記種基板1にイオン注入(図中、下方向矢印)を行うことにより、前記種基板1の主面の表面から一定深さに、イオン注入層2を形成する。イオン注入では、種基板1に種基板を形成する半導体原子と異なる原子を導入したり、欠陥を導入したり、半導体原子同士の結合を緩めたりする。イオン注入では、異なる原子や欠陥が種基板1の内部に侵入するため、種基板1の表面は半導体の結晶構造を維持している。したがって、イオン注入による層を形成した後に、種基板1上に半導体層を形成することができる。
Ta=It/I0 式(1)
さらに、多重反射を考慮した反射率Raと単反射Rは、それぞれ以下の式(2)、(3)によって表される。
Ra=Ir/I0 式(2)
R=(n0-nf)2/(n0+nf)2 式(3)
(式(1)中、I0は入射光の強度、Itは媒質を通過した後の出射光の強度、Irは媒質を挿入した後の反射光の強度、n0は空気の屈折率、nfはダイヤの屈折率を示す。)
ただし、照射光のエネルギーが半導体のバンドギャップよりも大きい場合は、このような差は生じない。半導体自身の吸収が大きいので、この差が分からないほど小さいということである。また、イオン注入層に光を照射する場合に、半導体基板中を通過して届ける必要があるが、この場合、半導体基板中で光が吸収されない方がよい。従って、本実施の形態では、半導体のバンドギャップよりも小さなエネルギーの光を用いることが一般的で、効果がある。
μ=(loge((It/I0)/((Ir/I0)/R-1)))/x 式(4)
(式(4)中、μは平均の光吸収係数、I0は入射光の強度、Itは媒質を通過した後の出射光の強度、Irは媒質を挿入した後の反射光の強度、Rは式(3)で表される単反射R、xは媒質の厚さ(イオン注入層2の実効的な厚さ)を示す。)
光源として混合波長を含む光源を用いる場合は、光源が含む波長および波長域において、最大の吸収エネルギーを示す波長の光透過率および吸収係数を意味するものとする。
次に、図1(C)を参照して、前記種基板1の主面上に気相合成法により、半導体層3を成長させる。半導体層3はヘテロエピタキシャル成長層や、ホモエピタキシャル成長層となることがより好ましい。
気相合成法は特に限定されず、PVD法、CVD法、MOCVD法、VPE法、分子線エピタクシー法、昇華法などを用いることができる。具体的には、たとえば、ダイヤモンドのマイクロ波プラズマCVDの合成方法において、種基板1を真空チャンバ内に設置し、真空チャンバ内の圧力を2.66kPa~53.2kPa、チャンバ内の基板温度を800℃~1200℃に加熱した上で、メタンなどの炭化水素ガス、水素ガス、および、不活性ガス、窒素などの添加ガスを導入し、種基板1の主面上にダイヤモンドからなる半導体層3をエピタキシャル成長させる。添加ガスは、必要に応じて添加するが、添加しなくともよい。半導体層3の成長方向は図1(C)中、上方向である。半導体層3の上面は、種基板1の主面の面方位を引き継いでいる。
種基板1(典型的には(0001)面を主面として利用するが、0.05~10°の範囲でオフしている。)を炉内に設置し、炉内の基板温度を1400℃~1600℃に高周波で加熱した上で、モノシランガスなどのシリコン水素系ガス、プロパンガスなどの炭化水素系ガス、および、水素などのキャリアガスを導入し、種基板1の主面上に炭化シリコンからなる半導体層3をエピタキシャル成長させる。炉は、常圧横型コールドウォールCVD装置などである。原料ガス中のシリコン系と炭素系ガスとの混合比は、1.5:1などがよい。半導体層3の成長方向は図1(C)中、上方向である。半導体層3の上面は、種基板1の主面の面方位を引き継いでいる。気相合成法は、前記の方法に限定されず、一般的に知られる他の気相合成法を利用することもできる。
次に、図1(D-1)および図1(D-2)を参照して、前記半導体層3および前記種基板1の少なくともいずれかの主面の表面から光4を照射する。そして、図1(E)を参照して、前記イオン注入層2あるいはその近傍に光4を吸収させて、光のエネルギーにより、イオン注入層に存在するイオンを気化膨張させて、半導体間の結合が弱いイオン注入層の部分を膨張圧で押し広げ、半導体層3および種基板の一部(種基板1a)を含む半導体基板5を、種基板の大部分(種基板1b)から分離させる。
本発明の実施形態に係る半導体基板は、実施の形態1の半導体基板の製造方法によって得られた半導体基板5である。前記半導体基板5は、種基板1bからの分離時間が短縮されているため、製造コストが低減されている。
<複合半導体基板の製造方法>
図3(A)~図3(F)は、本発明の実施形態に係る複合半導体基板の製造方法を模式的に示す図である。図4は、本発明の実施形態に係る複合半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。
図3(D)に示されるように、半導体層23の上に第1の基板25を貼り合わせる。これによると、半導体層23を自立しないほど薄く形成した場合でも、半導体層23および第1の基板25を含む複合半導体基板26は自立することができ、ハンドリング性が良好である。すなわち、実施の形態3では、実施の形態1よりも、高価な半導体層23を薄くできるため、複合半導体基板26の製造コストが低減される。
<複合半導体基板の製造方法>
図5(A)~図5(E)は、本発明の実施形態に係る複合半導体基板の製造方法を模式的に示す図である。図6は、本発明の実施形態に係る複合半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。
本発明の実施形態に係る複合半導体基板は、実施の形態3または実施の形態4の複合半導体基板の製造方法によって得られた複合半導体基板26,36である。前記複合半導体基板26,36は、種基板21bまたは31bからの分離時間が短縮されているため、製造コストが低減されている。また、高価な半導体層23を薄くしたり、半導体層を作製せずに、複合半導体基板26,36を得ることができるため、製造コストが低減されている。
本発明の実施の形態6の半導体接合基板は以下のようにして作製することができる。実施の形態1で用いた製法の「種基板を準備する工程」と「イオン注入層を形成する工程」と「半導体層を成長させる工程」まで同様にして行う。次に、半導体基板の分離を行わず、成長面を平坦に研磨する。平坦性はRaが100nm以下が好ましく、10nm以下がより好ましく、1nm以下がさらに好ましい。この平坦性は、接合時に、直接接合あるいはSOGを非常に薄く塗布した後に貼り合わせることができる平坦性である。また、その研磨表面はイオン注入層との平行度が1°以下が好ましく、0.1°以下がより好ましく、0.03°以下がさらに好ましい。平行度が高いほど、後に分離した時の半導体層の厚さ分布に影響するからである。半導体層の厚さが薄いほど大きな影響になるからである。厚さ分布が均一である方が半導体としての特性が良好となる。このように半導体接合基板はイオン注入層で種基板から半導体層の分離を行わない状態のものであるが、後に室温あるいは500℃以下の低温で分離して利用することができることが特徴である。イオン注入条件は、実施の形態1でも説明してる通りのものである。さらに、それに加えて、本半導体接合基板ではイオンのドーズ量が1×1015cm-2以上3×1016cm-2未満のものがよい。透明を確保して、かつ照射光のエネルギーで分離できる範囲であるからである。
半導体接合基板は、加熱処理することができない基板や回路に対しても、接合させて、その後、種基板を分離することができる。例えば、室温でこの接合基板を電子回路が形成されている回路基板にはんだを用いて接合し、その後、光を照射して種基板を分離し、薄い半導体層を回路基板に貼り付けた状態にすることができる。半導体層が、ダイヤモンド層の場合は、その上に、ベアのGaNチップ(レーザーダイオードチップ)を接合し、レーザーダイオードのヒートシンクを構成することができる。半導体層が、GaN層の場合は、内部に発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)を組み込んだものをマウントし、ハイブリッドデバイスを構成することができる。
<半導体基板の製造方法>
図7(A)~図7(D)は、本発明の実施形態に係る半導体基板の製造方法を模式的に示す図である。図8は、本発明の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。
[試料1-1、1-2]
(種基板の準備)
はじめに、サイズ6mm×6mmで厚さが1mmの高温高圧合成IIa型単結晶ダイヤモンド基板からなる種基板1を準備した。前記種基板1の表面を機械研磨した後、反応性イオンエッチングによって、種基板1の表面を1μm~2μmの厚さでエッチングした。
次に、前記種基板1の主面から水素イオンを注入して、イオン注入層2を形成した。注入エネルギーは200keV、ドーズ量は1×1015個/cm2(試料1-1)および1×1016個/cm2(試料1-2)であった。イオン注入層2の種基板1の主面の表面からの深さは約0.34μmであり、厚さは約0.06μmであった。
次に、イオン注入層2を形成した種基板1を、イオン注入を行った面が露出するようにマイクロ波プラズマCVD装置の真空チャンバ内に配置した。そして、種基板1を800℃の温度に加熱し、真空チャンバ内の圧力を13.3kPaとした後、真空チャンバ内に水素ガス、メタンガス、窒素ガスを導入してマイクロ波プラズマCVD法を行い、種基板1上に500μmの厚みの単結晶ダイヤモンド層からなる半導体層3を形成した。この時の各ガスの配合割合(体積%)は水素ガス:メタンガス:窒素ガス=92:8:0.005とした。
次に、ダイヤモンド層(半導体層3)の主面の表面から、波長1.06μmのYAGレーザー光を照射した。レーザー光はパルス間隔40μsec、パルス幅10nsec、主面表面で直径30μmになるように集光して照射した。この時、レーザー光の焦点は、イオン注入層内部に位置していた。レーザー光の走査速度は25mm/秒とした。レーザー光のパルスエネルギー(A)を0.01mJ以上10mJ以下の範囲で選択した。ダイヤモンド層(半導体層3)の主面表面におけるパルス当たりの照射フルエンスは1410mJ/mm2であった。レーザー光の照射は、室温空気中(25℃)、冷却空気中(-5℃)、純水中(25℃)、市販のエンジンオイル中(25℃)のいずれかを選択した。この結果、種基板1bと、ダイヤモンド層(半導体層3)および種基板1aを含む半導体基板5とが分離した。室温空気中での分離に要した時間は、試料1-1は11分、試料1-2は7分であった。
得られた種基板1bならびに、種基板1aおよびダイヤモンド層(半導体層3)を含む半導体基板5について、以下の基準で評価を行った。
レーザー照射を室温空気中で行ったものはB判定、冷却空気中、純水中およびオイル中で行ったものはA判定であった。結果をまとめて表2に示す。
試料2~試料35では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、レーザー光照射条件を表1および表2に示す条件とした以外は、試料1-1と同様の方法を用いて半導体基板5と種基板1bとを分離した。なお、試料11、25、32は、レーザー光照射をダイヤモンド層(半導体層3)の主面側からではなく、種基板1の主面側から行った。室温空気中での分離に要した時間を表1に示す。
[試料36]
(種基板の準備、イオン注入層の形成、ダイヤモンド層の形成)
試料1-1と同様の種基板1を準備し、試料1-1と同様の方法でイオン注入層2およびダイヤモンド層(半導体層3)を形成した。試料36のサンプルにおいて、種基板1の光透過率(T1)、イオン注入層2の光透過率(T2)およびダイヤモンド層(半導体層3)の光透過率(T3)を一般的な紫外可視近赤外領域の分光光度計で測定した。波長800nmの光の基板の光透過率(T1)とイオン注入層の光透過率(T2)との比(T2/T1)は99%以上であった。波長800nmの光のイオン注入層の光透過率(T2)およびダイヤモンド層の光透過率(T3)との比(T2/T3)は99%以上であった。
次に、ダイヤモンド層(半導体層3)の主面の表面から、フラッシュランプ光を照射した。フラッシュランプ光は、キセノンのフラッシュランプ5mm径に集光して用い、波長500nm未満および1.25μmを超える光をカットして、波長500nm以上1.25μm以下の光を選択的に用いた。フラッシュランプ光はパルス間隔8msec、パルス幅1μsec、主面表面で直径1mmになるように物理的にカットし、さらに0.1mmに集光して照射した。この時、フラッシュランプ光の焦点は、イオン注入層2内部に位置していた。フラッシュランプ光の走査速度(実際はサンプルが移動)は10mm/秒とした。フラッシュランプ光のパルス出力(A)を3mJより大きく30mJ未満の範囲で変化させた。すなわち、ダイヤモンド層(半導体層3)の主面表面におけるパルス幅1msec当たりの放射フルエンスは1900mJ/mm2であった。フラッシュランプ光の照射は、室温空気中(25℃)、冷却空気中(-5℃)、純水中(25℃)、市販のエンジンオイル中(25℃)のいずれかを選択した。種基板1bと、ダイヤモンド層(半導体層3)および種基板1aを含む半導体基板5とが分離した。室温空気中での分離に要した時間は、14分であった。
得られた種基板1bならびに、種基板1aおよびダイヤモンド層(半導体層3)を含む半導体基板5について、実施例1と同様の基準で評価した。
フラッシュランプ光照射を室温空気中で行ったものはB判定、冷却空気中、純水中およびオイル中で行ったものはA判定であった。結果を表4に示す。
(試料の作製)
試料37~試料49では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、フラッシュランプ光照射条件を表3に示す条件とした以外は、試料36と同様の方法を用いて半導体基板5と種基板1bとを分離した。室温空気中での分離に要した時間を表3に示す。
得られた基板およびダイヤモンド層について、実施例1と同様の基準で評価した。結果を表4にまとめて示す。
フラッシュランプ光照射を室温空気中で行ったものはB判定またはC判定であり、冷却空気中および純水中で行ったものは、A判定またはB判定であり、オイル中で行ったものはA判定であった。
[試料101-1、101-2、201-1、201-2、301-1、301-2、401-1、401-2]
(種基板の準備)
はじめに、サイズ20mm×20mmで厚さが2mmの窒化ガリウム基板(試料101-1、101-2)、窒化アルミニウム基板(試料201-1、201-2)、セレン化亜鉛基板(試料301-1、301-2)、炭化シリコン基板(試料401-1、401-2)の各半導体基板からなる種基板1を準備した。前記種基板1の表面を機械研磨した後、それぞれの種基板1に合った熱もしくはプラズマもしくは化学処理によって、種基板1の表面を3~5μmの厚さでエッチングした。
次に、前記種基板1の主面から水素イオンを注入して、イオン注入層2を形成した。注入エネルギーは200keV、ドーズ量は7×1015個/cm2(試料101-1,201-1,301-1,401-1)または7×1016個/cm2[試料101-2,201-2,301-2,401-2)であった。イオン注入層2の基板の主面の表面からの深さは、ほぼ正確にシミュレーション可能であり、それぞれ1μm以下であり、厚さは0.5μm以下であった。
次に、イオン注入層2を形成した種基板1のイオン注入を行った面上に半導体層3を成長させた。半導体層3の形成について、半導体層3の種類ごと以下に記述する。
次に、半導体層3の主面の表面から、波長1.06μmのYAGレーザー光を照射した。レーザー光はパルス間隔40μsec、パルス幅10nsec、主面表面で直径30μmになるように集光して照射した。この時、レーザー光の焦点は、光吸収層内部に位置していた。レーザー光の走査速度は25mm/秒とした。レーザー光のパルスエネルギー(A)を0.01mJ以上10mJ以下の範囲で選択した。すなわち、半導体層の主面表面におけるパルス当たりの照射フルエンスは1410mJ/mm2であった。レーザー光の照射は、室温空気中(25℃)、冷却空気中(-5℃)、純水中(25℃)、市販のエンジンオイル中(25℃)のいずれかを選択した。この結果、基板と半導体層とが分離した。
得られた種基板1bならびに、種基板1aおよび半導体層3を含む半導体基板5について、実施例1と同様の基準で評価を行った。
半導体層3が窒化ガリウムである試料101-1および101-2は、レーザー照射を室温空気中で行ったものはB判定、冷却空気中、純水中およびオイル中で行ったものはA判定であった。
試料102~試料120では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、レーザー光照射条件を表5に示す条件とした以外は、試料101-1と同様の方法を用いて基板と半導体層とを分離した。なお、試料111は、レーザー光照射を半導体層の主面側からではなく、基板の主面側から行った。
(試料の作製)
試料202~試料220では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、レーザー光照射条件を表6に示す条件とした以外は、試料201-1と同様の方法を用いて基板と半導体層とを分離した。なお、試料211は、レーザー光照射を半導体層の主面側からではなく、基板の主面側から行った。
試料302~試料320では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、レーザー光照射条件を表7に示す条件とした以外は、試料301-1と同様の方法を用いて基板と半導体層とを分離した。なお、試料311は、レーザー光照射を半導体層の主面側からではなく、基板の主面側から行った。
試料402~試料420では、イオン注入の注入イオンの種類、イオン注入層のドーズ量、レーザー光照射条件を表8に示す条件とした以外は、試料401-1と同様の方法を用いて基板と半導体層とを分離した。なお、試料411は、レーザー光照射を半導体層の主面側からではなく、基板の主面側から行った。
得られた種基板1bならびに、種基板1aおよび半導体層3を含む半導体基板5について、実施例1と同様の基準で評価を行った。
半導体層3が窒化ガリウムである試料102~120は、レーザー照射を室温空気中または冷却空気中で行ったものはA判定またはB判定、純水中およびオイル中で行ったものはA判定であった。
Claims (4)
- 半導体層を含む半導体基板であって、
前記半導体基板は第1の主面および第2の主面を含み、
前記第1の主面は、前記半導体基板を構成する主元素とは種類または結合状態が異なる第1元素を含み、
前記第1元素は、水素、酸素、窒素、炭素、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含み、
前記第1元素は、前記第1の主面において、複数の略円形の模様をなすように存在し、
前記第1の主面のJIS B 0601-2013に規定される表面粗さRaは、10μm未満であり、
前記半導体層は、ダイヤモンド、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、セレン化亜鉛または炭化シリコンからなる、
半導体基板。 - 前記半導体基板は、前記半導体層上に設けられた半導体材料からなる種基板を含み、
前記第1の主面は、前記種基板の外部に露出した主面である、請求項1に記載の半導体基板。 - 第1の基板と、前記第1の基板の主面上に積層された半導体層とを含む複合半導体基板であって、
前記複合半導体基板は、前記半導体層側の主面が、前記半導体層を構成する主元素とは種類または結合状態が異なる第1元素を含み、
前記第1元素は、水素、酸素、窒素、炭素、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含み、
前記第1元素は、前記半導体層側の主面において、複数の略円形の模様をなすように存在し、
前記複合半導体基板は、前記半導体層側の主面のJIS B 0601-2013に規定される表面粗さRaが、10μm未満であり、
前記半導体層は、厚みが0.1μm以上50μm以下であり、
前記半導体層は、ダイヤモンド、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、セレン化亜鉛または炭化シリコンからなる、
複合半導体基板。 - 半導体材料からなる種基板と、前記種基板の主面上に前記種基板の主面に接して配置された半導体層とを含み、
前記種基板は、前記半導体材料を構成する主元素とは種類または結合状態が異なる第1元素を含むイオン注入層を有し、
前記第1元素は、水素、酸素、窒素、炭素、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含み、
前記イオン注入層は、厚さが50nm以上10μm以下であり、かつ、イオンのドーズ量が1×1014cm-2以上2×1018cm-2以下であり、
前記半導体層の前記種基板側の主面と反対側の主面は、前記種基板の面方位を引き継いでいる、
半導体接合基板。
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