JP2754734B2 - 複合半導体基板 - Google Patents

複合半導体基板

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体基板の熱伝導性、機械的強度などを向
上させ、更に低価格化を可能にする複合半導体基板に関
するものである。
[従来の技術] 従来シリコン(Si)やガリウムひ素(GaAs)などの半
導体基板は単結晶インゴットからスライス、ラッピン
グ、ポリッシュ等の工程を経て単体の薄円板(ウエハ
ー)として半導体メーカーに提供されていた。
デバイスメーカーでは、これらの半導体基板をいわゆ
るウエハープロセスを経てトランジスタやIC、半導体レ
ーザー、発光ダイオード等に加工する。ウエハーの微細
加工を施すウエハープロセスでは、プロセス途中でウエ
ハーが破損し歩留を低下させる問題があった。特にGaAs
を代表とする化合物半導体は機械的強度が弱くへき開し
やすいため、大口径の基板では重大な問題となってい
る。また、電力用デバイスでは、微細加工を施した半導
体チップをパッケージングするときに熱抵抗を低減する
目的と、外囲器(パッケージ)の金属と半導体チップと
の熱膨張係数の差から誘起される歪を緩める目的で、熱
伝導度が大きく且つ熱膨張係数が半導体チップに近いセ
ラミックス材料がサブマウントとして使用される。また
半導体チップ自身についてもその熱抵抗を下げるため
に、パッケージにマウントする前にチップを薄くする工
程や、ヒートシンクとなる金属をプレーティングする構
造が取り入れられている。
また半導体デバイスの作製によく用いられるエピタキ
シャル成長法に於て、半導体基板ウエハーと熱膨張係数
の異なる半導体層を成長させることが少なくない。例え
ばGaAs基板上のAlAs/AlGaAs層やInGaAs層、InP上のInGa
As層などは格子常数を基板と整合させることができるが
熱膨張係数に10%〜20%の差異がある。従来はこの点に
対して特に考慮せず、対策もせずに結晶成長を行ってい
た。またSi基板上にGaAs層を成長させる試みもされてい
るが、従来は単体のSiウエハーを基板として使うので、
SiとGaAsとの熱膨張係数が約2倍の開きをもっているこ
とから、GaAs等の半導体層の成長後第7図に示すように
ウエハーに反りが生じ実用上成長可能な厚みに制限があ
った。
[発明が解決しようとする課題] 前述のように、従来技術では機械的強度が充分でない
半導体単結晶基板に微細加工を施していたので、プロセ
ス途中で破損し歩留を下げてしまう問題と、大口径化し
たウエハーでは更に割れ易くなり、従って機械的強度を
増加させるためにウエハーの厚みを大きくする必要があ
ったので基板材料費が増加する問題と、半導体電力素子
の作製工程に於ては熱抵抗を低減させるための付加的な
工程や部品が必要で、これが一因で電力用素子が小信号
素子に比べてコスト高になる問題と、基板と別種の半導
体材料の結晶成長の際に熱膨張係数の差異によって基板
および成長層に反りや欠陥を発生させる問題があった。
[課題を解決するための手段] 本発明は前述の問題点を解決するためになされたもの
であり、第1の発明として、半導体基板と、該半導体基
板の熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有し、該半導体
基板より機械的強度が大きく、該半導体基板より熱伝導
率が大きいセラミックス基板とを接合してなることを特
徴とする複合半導体基板を提供するものである。
第2の発明として、半導体基板と、該半導体基板の熱
膨張係数と略等しい熱膨張係数を有し、該半導体基板よ
り機械的強度が大きく、該半導体基板より熱伝導率が大
きいセラミックス基板と、該半導体基板とセラミックス
基板との間に形成された中間層とからなり、該中間層を
介して該半導体基板とセラミックス基板とを接合してな
ることを特徴とする複合半導体基板を提供するものであ
る。
第3の発明として、半導体基板の1表面にエピタキシ
ャル成長される半導体層と熱膨張係数が略等しく、かつ
該半導体基板より機械的強度、熱伝導率が大きいセラミ
ックス基板と該半導体基板とを接合してなることを特徴
とする複合半導体基板を提供するものである。
即ち、第3図に示す本発明による複合半導体基板の1
実施例は、セラミックス基板としてAlN基板4と半導体
基板としてSi基板6を接合し、更にSi基板の上に半導体
層としてGaAs層7の薄層を成長させたものの断面図であ
り、Si基板6の厚みはAlN基板4に比べて薄くしてあ
る。また、AlN基板の熱膨張係数をGaAs層7を高温で成
長して室温まで温度を下げても、基板全体としてはAlN
基板4の熱膨張係数に依存するので、GaAs層7は応力を
受けず欠陥の発生が少ない。また基板の反りも発生しな
い。さらに、AlN基板4の機械的強度は通常Si基板6よ
り遥かに強いので、ウエハープロセス中で破損すること
は殆ど無い。また、AlN基板4の主原料として熱伝導率
の大きい材料を前述した中で要求されている特性と矛盾
することなく選べるので、従来の半導体基板より熱抵抗
を低くでき、場合によっては数分の一に低減することが
できる。第1図も複合半導体基板の一例であり、セラミ
ックス基板1と半導体基板2とを直接接合した構造を示
しており、第3図と同様に機械的強度と熱特性を大幅に
向上させることができる。
第2図、第5図、第6図の実施例では、セラミックス
基板と半導体基板の間に中間層として、SiO2、SiNxの層
を形成している。これらの中間層は、セラミックス基板
と半導体基板を接合する目的で設けられるもので、熱伝
導率の関係上、即ち放熱効果の点から薄いほど良いが、
1000Å程度の厚みで設けられる。SiO2、SiNxの層は、セ
ラミックス基板もしくはSi,GaAs等の半導体基板の一面
に、スパッター法やCVD法で形成された後、エッチング
等の手段でその表面が活性化されて、その状態でセラミ
ックス基板と半導体基板を直接接合せしめるという作用
を有する。中間層の材料としては、SiO2,SiNxが用いら
れ、その他にはたとえばAlSi,GeSi、リンけい酸ガラス
や鉛ガラスの低融点ガラス等も用いることができる。
[作用] 本発明に於て半導体基板に接着されたセラミックス基
板は、熱膨張係数が目的の半導体に整合するように制御
されており、基板と別種の半導体層を結晶成長させる際
に昇温、降温で生じる応力を緩らげることができるの
で、高品質の結晶を得ることができる。また熱応力のた
め結晶成長できる厚みに限界があったが、それを広げる
ことができる。またAlNのように熱伝導率の優れている
材料を基板として選ぶことによって、熱特性の優れた電
力用の半導体素子基板を提供できる。従来機械的強度の
低さから大口径化が非常に困難であったGaAsなどの化合
物半導体基板ウエハーは、本発明の構造を取ることによ
り、単体のSi基板上に化合物半導体を結晶成長させる構
造よりも高品質に、しかも成長層をより厚く、より大口
径に実現されうる。
[実施例] 第1図〜第6図は本発明の実施例を示す複合半導体基
板の模式的側断面図である。
第1図においては、セラミックス基板1と半導体基板
2を接合した例であり、セラミックス基板1としてはAl
NあるいはSiCを用い、半導体基板2としてはSiあるいは
GaAsのどちらを用いても良く、AlNあるいはSiCの熱膨張
係数をSiあるいはGaAsに等しくなるよう調整してあり、
機械的強度と熱特性を大幅に向上させることができる。
第2図はAlN基板4とSi基板6とを中間層を介して接
合した構成を示している。この場合、AlN基板4の熱膨
張係数は、Si基板6に等しくなるよう調整されている
が、この複合半導体基板上にSiと異なる他の半導体層、
たとえばGaAs層をエピタキシャル成長させてLED,FET等
のデバイス用として供する場合は、AlN基板4の熱膨張
係数をGaAs層と等しくする。一方、前述のように接合さ
れたSi基板6上に直接半導体素子等を形成する場合はSi
に熱膨張係数を合わせ込む。この例ではSi基板6の代わ
りにGaAs基板を用いても良い。
AlNはセラミックス材料の中ではもともとSiやGaAsに
近い熱膨張係数を持っているが、さらに精密に熱膨張係
数を目的の値に合わせ込むことが可能である。
第1表に、熱膨張係数、熱伝導率、曲げ強度の値をS
i,GaAsの半導体単結晶とAlN,SiC、比較例としてBSB(Ba
Sn(BO3)のセラミックスについて示す。
例えばAlNは通常室温から500℃の温度範囲で約4.5×1
0-6/℃の熱膨張係数を持っているが、AlNより大きな熱
膨張係数を持っているAl2O3を原料中に17%の比率で混
合することにより、5×10-6/℃の熱膨張係数を得るこ
とができた。また熱膨張係数の小さいSiO2を原料中に25
%の比率で混合したら、3.5×10-6/℃の熱膨張係数を得
ることができた。
この様な手段で予め熱膨張係数を目的の値に整合させ
たAlN基板の接合される面を極めて平坦性良く研磨し鏡
面に仕上げた。仕上げ面の粗さは30Årms(2乗平均値
の平方根)以下で平坦度は5μm/(76mm径)以下であ
る。この様に仕上げたAlN基板表面にSiO2層5をスパッ
ター法やCVD法(化学的気相成長法)、ブラズマCVD法な
どの手段によって被着させた後、このSiO2付きAlN基板
と同様の面精度で仕上げられたSi基板6を境界面に隙間
が発生しないように圧力をかけて重ね合わせ、900℃の
酸化炉で熱処理した処Si基板6とAlN基板4上のSiO2
5の表面とに結合が生じ、AlN基板4とSi基板6とが強
固に接着された。
中間層にリンけい酸ガラスや鉛ガラスの低融点ガラス
を用いる場合は、AlN等のセラミックス基板の接合面を
上述の如き面粗度の鏡面に仕上げ、両基板の各々の接合
面に該低融点ガラスのフリットを薄く塗布し両基板を隙
間がないよう重ね合わせ、850℃程度の温度にて電気炉
等を用いて加熱し、冷却することにより両基板が強固に
接着される。
第1図の例においては、AlN等のセラミックス基板1
とSi等の半導体基板2の各々の接合面を上述の如き面精
度の鏡面に仕上げ、次にセラミックス基板1の接合面に
半導体基板2材料のSi等と同じ材料の層をスパッター法
やCVD法で薄く積層させ、セラミックス基板1と半導体
基板2の接合面を隙間が発生しないよう圧力をかけて重
ね合わせ、900℃の酸化炉で熱処理して両基板が強固に
接着された。
以上の工程でAlN基板4とSi基板6の複合半導体基板
が実現される。上述の中間層はSiO2層5に限るものでは
なく多成分系の硝子やSiでもよく、また別の材料でも目
的を達成できる。
第3図は、AlN基板4とSi基板6を接合し、さらにSi
基板6上に該Si基板6と異なる材料のGaAs層7をエピタ
キシャル成長させた例である。AlN基板4の熱膨張係数
はGaAs層7に等しくなるよう調整してある。
第4図は別の実施例であり、Si、GaAs等の半導体基板
10に直接AlN層4′をCVD法によって厚く堆積させ複合半
導体基板を得た例である。この例ではAlN層4′の熱膨
張係数を半導体基板10に合わせてある。
第5図も別の実施例である。第2図と同様に鏡面研磨
仕上げされたAlN基板4に、SiNx層8をスパッター法やC
VD法で被着させ、一方でGaAs基板9にも同様の方法でSi
Nx層8′を被着させた後、両基板を重ね合わせ、酸化炉
中で熱処理して接着させ複合半導体基板を得る。この例
ではAlN基板の熱膨張係数をGaAs基板9に合わせてあ
る。
第6図は第2図で説明した複合半導体基板の応用例で
ある。第2図の複合半導体基板のSi基板6を更に研磨し
て薄くした後鏡面仕上げを施し、GaAs層7を気相成長法
でエピタキシャル成長させた。この場合、AlN基板4の
熱膨張係数はGaAs層7と等しく調整されている。Si基板
6はGaAs結晶成長用のシードとして使用されている。
本発明においては、セラミックス基板としてAlNの他
にSiCを用いることもできる。
[発明の効果] 本発明は機械的強度が大きく熱伝導度の大きなセラミ
ックス基板と、その熱膨張係数を目的の半導体基板ある
いは半導体層に合わせて半導体基板と接合させ、複合半
導体基板を形成することにより、従来よりも大口径且つ
低価格の化合物半導体基板の提供を可能とし、プロセス
途中の破損事故を解消させ、また電力用半導体素子の熱
特性を向上させ且つプロセスステップを低減させると言
う効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第6図は本発明の実施例を示し、第1図はセラ
ミックス基板と半導体基板を接合してなる複合半導体基
板の模式的側断面図であり、第2図はSiO2の中間層を設
けた場合の模式的側断面図であり、第3図は半導体基板
の上に半導体層をエピタキシャル成長させた場合の模式
的側断面図であり、第4図は半導体基板にAlN層を形成
した場合の模式的側断面図であり、第5図は中間層にSi
Nxを用いた場合の模式的側断面図であり、第6図はSiO2
の中間層を設けSi基板上にGaAs層をエピタキシャル成長
させた場合の模式的側断面図であり、第7図は従来例の
模式的側断面図である。 1……セラミックス基板、2……半導体基板、 3……半導体層、4……AlN基板、 5……SiO2層、6……Si基板、 7……GaAs層

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、該半導体基板の熱膨張係数
    と略等しい熱膨張係数を有し、該半導体基板より機械的
    強度が大きく、該半導体基板より熱伝導率が大きいセラ
    ミックス基板とを接合してなることを特徴とする複合半
    導体基板。
  2. 【請求項2】半導体基板と、該半導体基板の熱膨張係数
    と略等しい熱膨張係数を有し、該半導体基板より機械的
    強度が大きく、該半導体基板より熱伝導率が大きいセラ
    ミックス基板と、該半導体基板とセラミックス基板との
    間に形成された中間層とからなり、該中間層を介して該
    半導体基板とセラミックス基板とを接合してなることを
    特徴とする複合半導体基板。
  3. 【請求項3】半導体基板の1表面にエピタキシャル成長
    される半導体層と熱膨張係数が略等しく、かつ該半導体
    基板より機械的強度、熱伝導率が大きいセラミックス基
    板と該半導体基板とを接合してなることを特徴とする複
    合半導体基板。
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