JP3087070B1 - 半導体デバイス製作用単結晶SiC複合素材及びその製造方法 - Google Patents

半導体デバイス製作用単結晶SiC複合素材及びその製造方法

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Abstract

【要約】 【課題】 半導体デバイス製作加工時に要求される厚さ
及び強度を確保できるとともに、格子欠陥やマイクロパ
イプ欠陥等の発生も非常に少なく、高品質、高精度な半
導体デバイスを製作することができるようにする。 【解決手段】 Si原子及びC原子により構成された多
結晶板3の表面に、膜状のSiO2 層4を介して、Si
基板上にヘテロエピタキシャル法により作製された後、
Si基板の除去により得られた単結晶SiC膜2を密着
状態に積層し接合した後、その複合体6を熱処理するこ
とにより多結晶板3上に単結晶SiC膜2の単結晶と同
方位に結晶変態された単結晶SiCを一体に成長させて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス製
作用単結晶SiC複合素材及びその製造方法に関するも
ので、詳しくは、発光ダイオードやX線光学素子、スイ
ッチング素子、増幅素子、光センサー等の高温・高周波
デバイスや耐放射線デバイスなどの製作に用いられる半
導体デバイス製作用単結晶SiC複合素材及びその製造
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】SiC(炭化珪素)は、耐熱性および機
械的強度に優れているだけでなく、放射線にも強く、さ
らに不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御が容
易である上、広い禁制帯幅を持つ(因みに、6H型のS
iC単結晶で約3.0eV、4H型のSiC単結晶で
3.26eV)ために、Si(シリコン)やGaAs
(ガリウムヒ素)などの既存の半導体材料では実現する
ことができない高温、高周波、耐電圧、耐放射線特性を
実現することが可能で、次世代の半導体デバイス製作用
材料として期待され、実用化に向けての研究が盛んに行
なわれている。
【0003】SiCの有する上記のような優れた特性を
半導体デバイス製作用材料に有効に活用する手段とし
て、従来、単結晶シリコンを半導体デハイス用基板とし
て使用し、この単結晶シリコン基板上に化学気相成長法
(ヘテロエピタキシャル法)により立方晶のSiC単結
晶(β−SiC)をエピタキシャル成長させて単結晶S
iC素材を得る方法が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、単結晶
シリコンを基材とし、その表面にヘテロエピタキシャル
によりSiC単結晶を成長させて製造された単結晶Si
C素材は、昇華再結晶法や改良型昇華再結晶法などの従
来から知られている他の手段により製造されるもの比べ
て、面積的に大型の単結晶SiC素材を多量にかつ安価
に得る手段として合理的である反面、この単結晶SiC
素材の基材として用いた単結晶シリコン基板の融点が1
400℃と低いために、例えばP,N型不純物ドープに
際しての高温アニール等のように、1500℃以上の高
温下で行なわれる半導体デバイスの実装加工時等にシリ
コン基板が消失したり、消失しないまでもその厚さが異
常に薄くなるなど基材が安定しないために、半導体デバ
イス製作用素材として使用し取り扱う上で要求される厚
み及び強度を確保することができず、その結果、製作さ
れた半導体デバイスに反りや変形などを発生しやすいと
いう不都合がある。
【0005】また、ヘテロエピタキシャル法によりシリ
コン基板上に成長されたSiC単結晶膜はその厚さが数
μmまでの薄膜状のものがほとんどであり、このような
SiC単結晶膜は半導体デバイスの製作にそのまま使用
できる厚さを有していない。したがって、半導体デバイ
スの製作に使用するためには、シリコン基板上に成長さ
れた薄いSiC単結晶膜をシリコン基板から切離し、そ
の切離した薄いSiC単結晶膜を別の耐熱性が高く、か
つ、厚さ及び強度の安定した基板に移し変える必要があ
るが、数μmまでの薄いSiC単結晶をシリコン基板か
ら切離させることは実際問題として不可能である。
【0006】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、半導体デバイス製作加工時に際して要求される厚さ
及び強度を確保できるとともに、不純物の混入による格
子欠陥やマイクロパイプ欠陥等の発生も非常に少なく、
高品質、高精度な半導体デバイスを製作することができ
る半導体デバイス用単結晶SiC複合素材及びそれを非
常に効率よく製造することができる半導体デバイス用単
結晶SiC複合素材の製造方法を提供することを目的と
している。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明に係る半導体デバイス用単結
晶SiC複合素材は、Si原子及びC原子により構成さ
れた多結晶板の表面に、膜状のSiO2 層を介して単結
晶SiC膜を密着状態に積層し接合してなり、その複合
体の熱処理により多結晶板上に単結晶SiCが成長され
ていることを特徴とするものであり、また、請求項4に
記載の発明に係る半導体デバイス用単結晶SiC複合素
材の製造方法は、Si原子及びC原子により構成された
多結晶板の表面に、膜状のSiO2 層を介して単結晶S
iC膜を密着状態に積層し接合した後、その複合体を熱
処理することにより多結晶板上に単結晶SiC膜の単結
晶と同方位に結晶変態された単結晶SiCを一体に成長
させることを特徴とするものである。
【0008】上記のような構成要件を有する請求項1及
び請求項4に記載の発明によれば、Si原子及びC原子
により構成され、単結晶SiCと同等の耐熱性を有する
多結晶板と、厚さの薄い単結晶SiC膜との中間に熱伝
導率が小さいSiO2 層を介在させて両者を密着状態に
積層し接合した上で熱処理することにより、熱処理時は
もとより、高温アニール等のような高温下で行なわれる
半導体デバイスの製作加工時に基板となる多結晶板が消
失したり、その厚さが薄くなったりすることがなくな
り、半導体デバイス用素材として要求される厚さ及び強
度を安定よく確保することが可能である。それでいて、
熱処理時には周囲雰囲気から接合界面への不純物の混入
を防止しつつ、熱処理に伴って中間のSiO2 層はSi
とO2 に熱分解され、その熱分解されたO2 が中間層域
を浮遊拡散しながら外方へ抜け出る一方、熱分解された
Si原子及び多結晶板の表面側から昇華したSi原子及
びC原子が低温に保たれている単結晶SiC膜側に拡散
移動し、その単結晶SiC膜の単結晶方位に倣って再配
列されるといった固相成長により多結晶板上に高品質で
厚さの大きい単結晶SiCを一体に成長させることが可
能である。
【0009】上記請求項1に記載の発明に係る半導体デ
バイス用単結晶SiC複合素材及び請求項4に記載の発
明に係る半導体デバイス用単結晶SiC複合素材の製造
方法において、上記複合体として、請求項2及び請求項
5に記載のように、Si基板上にヘテロエピタキシャル
法により作製された単結晶SiC膜を多結晶板の表面に
SiO2 層を介して密着状態に積層し、かつ、その積層
体の熱処理により単結晶SiC膜を多結晶板に接合し、
その接合状態でフッ酸、硝酸の少なくとも一方でSi基
板を除去することにより作製されたものを用いることに
よって、各種大きさの半導体デバイスの製作に適用可能
な複合素材を得たいことから面積的に大型化が望まれる
単結晶SiC膜自体を多量かつ安価に作製しやすく、こ
れによって、最終的な半導体デバイス用単結晶SiC複
合素材の大型化、低コスト化を図ることができる。
【0010】また、請求項1に記載の発明に係る半導体
デバイス用単結晶SiC複合素材及び請求項4に記載の
発明に係る半導体デバイス用単結晶SiC複合素材の製
造方法において、上記多結晶板としては、請求項3及び
請求項6に記載のように、その製作過程での不純物の混
入が最も少ない熱化学的蒸着法(以下、熱CVD法と称
する)により板状に製作されたるSiC多結晶板の使用
が好ましいが、これ以外に、複合体の熱処理時(185
0〜2000℃の温度範囲)や半導体デバイスの加工製
作時等に消失したり、厚さが薄くなったりしないように
単結晶SiCと同等の耐熱性を有するSiC焼結体を使
用してもよい。
【0011】さらに、請求項4に記載の発明に係る半導
体デバイス用単結晶SiC複合素材の製造方法におい
て、上記SiO2 層としては、請求項7に記載のよう
に、SiO2 粉体もしくはシリコンオイル、シリコンレ
ジン、シリコングリースを含むシリコン化合物の塗布あ
るいは単結晶SiC膜及び/又は多結晶板の表面を熱酸
化して膜状に形成されたもののいずれであってもよい
が、製造工程を少なく、かつ作業を簡単にする上から、
粉体等の塗布手段の採用が好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。図1〜図4は本発明に係る半導
体デバイス製作用単結晶SiC複合素材の製造方法を工
程順に示す説明図であり、図1に示す第1工程では、単
結晶で厚さt1が0.5cm程度のSi基板1上にヘテ
ロエピタキシャル法により、厚さt2が1μm程度の単
結晶SiC膜2を作製する。
【0013】次に、図2に示す第2工程において、上記
Si基板1上に作製された単結晶SiC膜2を、熱CV
D法により厚さt3が0.7cm程度の平板状に作製さ
れている多結晶板3の鏡面状に研磨された表面3aに、
膜状のSiO2 層4を介して密着状態に積層する。ここ
で、SiO2 層4は、SiO2 粉体もしくはシリコンオ
イル、シリコンレジン、シリコングリースを含むシリコ
ン化合物を1000オングストローム以上の厚さに塗布
して形成されたもの、あるいは、多結晶板3の鏡面状表
面3aを熱酸化して膜状に形成されたもののいずれであ
ってもよい。
【0014】続いて、第3工程として、上記積層体5を
例えば抵抗発熱炉(図示省略する)内に挿入載置して1
100〜1500℃の温度で一定時間に亘り加熱保持す
ることにより、多結晶板3と単結晶SiC膜2とを接合
させる。なお、この接合のための熱処理に伴いSi基板
1の一部は既に消失されている。
【0015】次に、第4工程として、フッ酸(HF)及
び硝酸(HNO3 )の混合酸を用いて上記積層体5にお
ける残留Si基板1を溶かして完全に除去することによ
り、図3に示すように、多結晶板3の表面3a上にSi
2 層4を介して単結晶SiC膜2のみが接合された複
合体6が得られる。
【0016】このようにして得られた複合体6を抵抗発
熱炉内に挿入し、Arなどの不活性ガスを炉内に注入す
るとともに、炉内平均温度が1850〜2000℃程度
に達する間で昇温させ、かつ、その炉内平均温度を1〜
2時間程度保持させるといったように、不活性ガス雰囲
気下で、かつ、SiC飽和蒸気圧下での熱処理(第5工
程)を行なうことによって、図4に示すように、SiO
2 層4が熱分解されて拡散消失し、多結晶板3上に単結
晶SiC膜2の単結晶と同方位に結晶変態された単結晶
SiC7が一体に成長された半導体デバイス製作用単結
晶SiC複合素材8を製造する。
【0017】上記製造工程のうち、図4に示す熱処理工
程に供される複合体6の基材は耐熱性(融点)の高い多
結晶板3であるから、1850〜2000℃の温度範囲
での熱処理時はもとより、製造後の単結晶SiC複合素
材8を用いて半導体デバイスを製作加工する時、例えば
P,N型不純物ドープに際しての高温アニールのよう
に、1500℃以上の高温下で行なわれる半導体デバイ
スの製作加工時にデバイス基板となる多結晶板3が消失
したり、その厚さが薄くなったりすることが全くなく、
半導体デバイス用素材として要求される厚さ及び強度を
安定よく確保した半導体デバイス製作用単結晶SiC複
合素材8を得ることが可能である。
【0018】それでいて、複合体6を構成する多結晶板
3の表面3aと単結晶SiC膜2の表面とがSiO2
4を介して密着しているので、熱処理時に周囲雰囲気か
ら多結晶板3と単結晶SiO膜2の接合界面9に不純物
が混入することを防止しつつ、熱処理に伴って中間のS
iO2 層4はSiとO2 に熱分解され、その熱分解され
たO2 が中間層域を浮遊拡散しながら外方へ抜け出る一
方、熱分解されたSi原子及び多結晶板3の表面側から
昇華したSi原子及びC原子が低温に保たれている単結
晶SiC膜2側に速やかに拡散移動し、多結晶板3の接
合界面9から約200μmの厚さt4の部分が単結晶S
iC膜2の単結晶方位に倣って再配列されるといった固
相成長により多結晶板3上に高品質で、かつ、厚さの大
きい単結晶SiC部分10が一体に成長された半導体デ
バイス製作用単結晶SiC複合素材8を得ることが可能
である。
【0019】なお、上記実施の形態では、Si原子とC
原子により構成される多結晶板3として、熱CVD法に
より板状に作製されたものを用いたが、これ以外に、例
えば高純度焼結体、さらにはSiCアモルファスやα−
SiC多結晶板を用いてもよい。
【0020】
【発明の効果】以上のように、請求項1及び請求項4に
記載の発明によれば、単結晶SiCと同等の耐熱性を有
する多結晶板の表面に、厚さの薄い単結晶SiC膜を熱
伝導率の小さいSiO2 層を介して密着状態に積層し接
合した複合体の熱処理により半導体デバイス製作用単結
晶SiC複合素材を構成しているので、熱処理時はもと
より、高温アニール等のような高温下で行なわれる半導
体デバイスの製作加工時にデバイス基板となる多結晶板
が消失したり、その厚さが薄くなったりすることを防止
し、半導体デバイス製作用材料として要求される厚さ及
び強度を安定よく確保することができ、これらよって、
反りや変形などのない高精度な半導体デバイスの製作に
供することができる。しかも、多結晶板と薄い単結晶S
iC膜との密着性を高めて熱処理時に周囲雰囲気から接
合界面への不純物の混入防止の機能を発揮する中間のS
iO2 層を熱処理に伴いSiとO2 に熱分解させて、そ
の熱分解されたO2 を浮遊拡散させながら外方へ抜け出
させる一方、熱分解されたSi原子及び多結晶板の表面
側から昇華したSi原子及びC原子を低温に保たれてい
る単結晶SiC膜側に速やかに拡散移動させて単結晶S
iC膜の単結晶方位に倣って再配列されるといった固相
成長により多結晶板上に厚さの大きい単結晶SiCを一
体に成長させて高品質の半導体デバイス製作用単結晶S
iC複合素材を非常に効率よく製造することができ、こ
れによって、半導体デバイスの品質の向上にも資するこ
とができるという効果を奏する。
【0021】特に、単結晶SiC膜として、Si基板上
にヘテロエピタキシャル法により作製され、多結晶板へ
の接合後の熱処理及び酸処理によるSi基板の除去によ
り作製されたものを用いることによって、各種大きさの
半導体デバイスの製作に適用可能な複合素材を得たいこ
とから面積的に大型化が望まれる単結晶SiC膜自体を
多量かつ安価に作製しやすく、これによって、最終的な
半導体デバイス用単結晶SiC複合素材の大型化、低コ
スト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体デバイス製作用単結晶Si
C複合素材の製造工程のうちの第1工程を説明する断面
模式図である。
【図2】同第2工程を説明する断面模式図である。
【図3】同第3工程及び第4工程を経て得られた複合体
の断面模式図である。
【図4】同第5工程で得られた半導体デバイス製作用単
結晶SiC複合素材の断面模式図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 単結晶SiC膜 3 多結晶板 4 SiO2 層 5 積層体 6 複合体 7 単結晶SiC 8 半導体デバイス製作用単結晶SiC複合素材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−72598(JP,A) 特開2000−53500(JP,A) 特開2000−34197(JP,A) 特許2884085(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si原子及びC原子により構成された多
    結晶板の表面に、膜状のSiO2 層を介して単結晶Si
    C膜を密着状態に積層し接合してなり、 その複合体の熱処理により多結晶板上に単結晶SiCが
    成長されていることを特徴とする半導体デバイス製作用
    単結晶SiC複合素材。
  2. 【請求項2】 上記複合体が、Si基板上にヘテロエピ
    タキシャル法により作製された単結晶SiC膜を多結晶
    板の表面にSiO2 層を介して密着状態に積層し、か
    つ、その積層体の熱処理により単結晶SiC膜を多結晶
    板に接合し、その接合状態でフッ酸、硝酸の少なくとも
    一方でSi基板を除去することにより作製されたもので
    ある請求項1に記載の半導体デバイス製作用単結晶Si
    C複合素材。
  3. 【請求項3】 上記多結晶板が、熱化学的蒸着法により
    板状に製作されたSiC多結晶板またはSiC焼結体で
    ある請求項1または2に記載の半導体デバイス製作用単
    結晶SiC複合素材。
  4. 【請求項4】 Si原子及びC原子により構成された多
    結晶板の表面に、膜状のSiO2 層を介して単結晶Si
    C膜を密着状態に積層し接合した後、 その複合体を熱処理することにより多結晶板上に単結晶
    SiC膜の単結晶と同方位に結晶変態された単結晶Si
    Cを一体に成長させることを特徴とする半導体デバイス
    製作用単結晶SiC複合素材の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記複合体は、Si基板上にヘテロエピ
    タキシャル法により作製した単結晶SiC膜を多結晶板
    の表面にSiO2 層を介して密着状態に積層し、かつ、
    その積層体を1100〜1500℃の温度で熱処理する
    ことにより多結晶板に接合させ、その接合後、フッ酸、
    硝酸の少なくとも一方でSi基板を除去することにより
    作製されたものである請求項4に記載の半導体デバイス
    製作用単結晶SiC複合素材の製造方法。
  6. 【請求項6】 上記多結晶板は、熱化学的蒸着法により
    板状に製作されたSiC多結晶板またはSiC焼結体で
    ある請求項4または5に記載の半導体デバイス製作用単
    結晶SiC複合素材の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記SiO2 層が、SiO2 粉体もしく
    はシリコン化合物の塗布あるいは単結晶SiC膜及び/
    又は多結晶板の表面を熱酸化して膜状に形成されたもの
    である請求項4ないし6のいずれかに記載の半導体デバ
    イス製作用単結晶SiC複合素材の製造方法。
  8. 【請求項8】 上記複合体の熱処理温度は、1850〜
    2000℃の範囲に設定されている請求項4ないし7の
    いずれかに記載の半導体デバイス製作用単結晶SiC複
    合素材の製造方法。
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