JP5632900B2 - 炭化珪素基板、半導体装置及び配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、当該炭化珪素基板を含む半導体装置、及び配線基板に関する。

一般に、炭化珪素基板は、酸やアルカリ等の薬品に対する耐食性に優れているため、例えば、特許文献１に示されているように、ＣＭＰ（化学機械研磨）に用いられる研磨パッドを処理、調整するのに使用されている。

一方、炭化珪素基板は、特許文献２に示されているように、シリコン基板等に比較して割れ難く、且つ、熱伝導が高いため、ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）用基板として用いることが企図されている。この場合、ＳＯＩ基板の基体材料として炭化珪素を用い、当該炭化珪素基体上に絶縁膜を介してシリコン基板が形成される場合がある。即ち、ＳＯＩ基板では、支持部材として炭化珪素を用い、半導体素子を形成する素子形成領域としてシリコンが使用されることが多い。

また、特許文献３のように、炭化珪素を含むセラミックスによって、低損失の高周波用配線基板を形成することも提案されている。

特開２００６−９５６３７号公報 特願２００７−１８４８９６号 特開２０００−２２８４６１号公報

特許文献２及び３に記載されたように、炭化珪素基板を支持基板、配線基板として使用するだけでなく、最近では炭化珪素基板に、半導体装置等、各種の電子素子を搭載すること、或いは、炭化珪素基板内に電子素子を形成することも考慮されている。このように、炭化珪素基板に対して直接、電子素子が取り付けられるようになると、今迄提案されてきた炭化珪素基板をそのまま使用することは出来ない。

例えば、ＧＨｚ帯域のように高周波帯域で使用される電子素子に用いられる炭化珪素基板では、高周波における損失が小さいものが要求される。しかしながら、従来提案されている炭化珪素基板は、高周波損失が大きい等、電気的特性が不十分であるため、電子素子を実際に実装した炭化珪素基板の例について提案されていないのが実情である。

本発明の目的は、高周波損失の小さい炭化珪素基板を提供することである。

本発明の他の目的は、高周波損失の小さい炭化珪素基板を含む半導体装置、配線基板等を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、周波数２０ＧＨｚにおける損失が２ｄＢ／ｍｍ以下であることを特徴とする炭化珪素基板が得られる。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、多結晶炭化珪素によって形成されていることを特徴とする炭化珪素基板が得られる。

本発明の第３の態様によれば、周波数２０ＧＨｚにおける損失が２ｄＢ／ｍｍ以下の多結晶炭化珪素によって形成された基板を含むことを特徴とする半導体装置が得られる。

本発明の第４の態様によれば、周波数２０ＧＨｚにおける損失が２ｄＢ／ｍｍ以下の多結晶炭化珪素によって形成された炭化珪素基板を含むことを特徴とする配線基板が得られる。

本発明によれば、２０ＧＨｚにおける高周波損失を２ｄＢ／ｍｍ以下まで低減した炭化珪素基板が得られる。更に、通常の製法によって得られた炭化珪素基板を２０００℃以上に加熱することにより、高周波損失を２ｄＢ／ｍｍ以下まで低下させることができた。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は本発明に係るＳｉＣ基板を作製するのに用いられる予備ＳｉＣ基板の製造方法を説明する工程図である。 本発明に係るＳｉＣ基板を製造する際に使用される熱処理炉を説明する図である。 図２に示された熱処理炉における熱処理工程を示す図である。 図２及び図３に示された熱処理工程で得られたＳｉＣ基板の高周波損失特性を示すグラフである。 図２及び図３に示された熱処理工程で得られた他のＳｉＣ基板の高周波損失特性を示すグラフである。 ＳｉＣ基板の高周波損失特性を測定する測定方法を説明する図である。

以下、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１を参照して、本発明に係る炭化珪素（ＳｉＣ）基板を製造する際に用いられる前処理段階の炭化珪素基板（予備炭化珪素基板と呼ぶ）の製造方法について説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、黒鉛基材１０を用意する。ここでは、作製するＳｉＣ基板の寸法に合わせた高純度黒鉛からなる所定寸法の円板状黒鉛基材を用意した。その後、当該円板状黒鉛基材１０をＣＶＤ装置に導入し、図１（ｂ）のように、ＣＶＤにより黒鉛基材１０の上面、下面、及び周面に炭化珪素１２を所定の厚さ成長させる。成長した炭化珪素１２は３Ｃ−ＳｉＣ結晶構造を有していた。具体的に説明すると、ＣＶＤ装置として、反応部とヒーター部を備えたＣＶＤ炉を使用し、ヒーター部にガス（例えば、窒素ガス）を流せるものを使用した。円板状黒鉛基材１０は上記ＣＶＤ装置内で、水素雰囲気で所定の温度（例えば、１０００〜１６００℃）で加熱、保持することによって炭化珪素１２を成長させた。

尚、ＣＶＤ装置内の圧力は、例えば、１．３ｋＰａであった。この状態で、キャリアガスである水素ガス（Ｈ₂）とともに、ＳｉＣの原料となるSiCl₄、C₃H₈などを体積％で５〜２０％供給する。ＳｉＣの原料の組み合わせとしてはSiH₄/CH₄, SiH₄/C₂H₄, SiH₄/C₃H₈, SiCl₄/CCl₄, SiCl₄/CH₄, CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂でもよい。これらのガスを供給することにより、黒鉛基材１０の表面にＳｉＣの層である３Ｃ−ＳｉＣ結晶体１２が所望の厚さ（例えば、０.５〜１ｍｍ）だけ成膜された。

ここでは、ヒーターの消耗を防ぐために流していた窒素を流さないで製作したＳｉＣ基板と、窒素を流した状態で製作したＳｉＣ基板の２種類のＳｉＣ基板を作製した。

次に、３Ｃ−ＳｉＣ結晶を成長させた黒鉛基材１０を機械研磨して、図１（ｃ）に示すように、周面のＳｉＣを研削して除去した。機械研磨は、例えばダイヤモンド砥粒を用いて行った。

続いて、上面及び下面を３Ｃ−ＳｉＣで覆われた黒鉛基材１０を酸素雰囲気で９００〜１４００℃で加熱することにより、黒鉛基材１０を燃焼させて脱離することにより除去し、これによって、２枚の３Ｃ−ＳｉＣ基板１４を得た（図１（ｄ））。

以下、３Ｃ−ＳｉＣ基板１４を機械研磨し、最後にウエハエッジ部分の面取り加工、洗浄を行なった後に所定の検査を行なって、高純度のＳｉＣ基板を作製した。このようにして得られた３Ｃ−ＳｉＣ基板は、ＳｉＣ結晶のポリタイプの１つである３Ｃ−ＳｉＣ結晶（多結晶ＳｉＣ）によって形成されていた。なお、本例では、３Ｃ−ＳｉＣのＳｉＣ基板の例について説明したが、本発明の高周波用途のＳｉＣ基板のポリタイプは、例えば４Ｈ−ＳｉＣであってもよく、炭化珪素（ＳｉＣ）の多結晶構造には特に限定されない。ここでは、ＣＶＤ等により作製されたＳｉＣ基板を予備炭化珪素（ＳｉＣ）基板と呼ぶものとする。

図２を参照して、図１（ｄ）によって得られた炭化珪素基板（予備炭化珪素（ＳｉＣ）基板）１４の高周波損失改善の方法について説明する。予備炭化珪素基板１４の高周波損失の改善は、図２に示された熱処理炉内で熱処理することによって可能であることが判明した。

図２に示された熱処理炉は、ステンレス製の炉体２０を有し、炉内は、熱処理部（反応部）２１とヒーター部２２とを備え、熱処理部２１とヒーター部２２とは黒鉛部材あるいは炭化珪素もしくはこれらを含む材料によって覆われた隔壁２４によって区分されている。また、炉内の熱処理部２１内には、アルゴンやヘリウム等の希ガスと窒素を選択的に流すことができ、真空ポンプにより炉内を真空に引くことができる。

熱処理方法としては、まず、予備ＳｉＣ基板１４（黒鉛基材を除去していない黒鉛基材付きＳｉＣ１２でも良い）を準備し、炉２０内の反応部２１にセットする。セットする際、黒鉛製の治具を用いてセットすることが望ましいが、予備ＳｉＣ基板１４を直接積み重ねてセットしてもよい。ＳｉＣ基板１４をセットした後、図３に示す熱処理が行われる。この例では、ＣＶＤ装置でＳｉＣを成長する際に、ヒーター部に窒素を流さないで製作した予備ＳｉＣ基板（Ａ基板と呼ぶ）と窒素を流した状態で製作した予備ＳｉＣ基板（Ｂ基板と呼ぶ）とを用意し、両者に、図２に示した熱処理炉を用いた熱処理を施した。

図３に示すように、まず、予備ＳｉＣ基板１４をセットした後、炉内を−９０ｋＰａまで減圧して、その後、炉内雰囲気を窒素に置換する。これを２回繰り返す。この工程は炉内の空気を窒素に置換するためである。この置換工程は２回以上行っても良い。また、窒素の他にアルゴンやヘリウム等の希ガスを用いてもよい。炉内の空気を窒素に置換した後、８００℃まで窒素雰囲気にて昇温する。８００℃に達すると、炉内の雰囲気を窒素雰囲気からアルゴン雰囲気に置換する。この置換には約３０分程度要する。８００℃までは熱電対を用いて温度の測定を行う。

続いて、アルゴン雰囲気で、８００℃から処理温度（２０００℃〜２３００℃）まで昇温し、この熱処理温度に約１時間保持する。８００℃から処理温度（２０００℃〜２３００℃）までについては、１７００℃以上の温度を熱電対で測定できないため、放射温度計を用いて温度測定を行う。本熱処理炉では熱電対と放射温度計を用いたが、他に測定できる測定装置があればそれを用いてもよい。尚、実験によれば、熱処理温度は２３００℃のように、高い熱処理温度が好ましいことが判明した。実験では処理時間を１時間としたが、処理時間については高周波損失が小さくなるように時間を調整すればよい。

熱処理後、２０時間程度で室温まで降温する。熱処理後のＳｉＣ基板の表面を研磨、洗浄し、本発明に係る炭化珪素（ＳｉＣ）基板が得られる。

図４を参照すると、Ａ基板を熱処理することによって得られたＳｉＣ基板の高周波損失特性が示されている。図４では、横軸にＧＨｚ帯域の周波数、縦軸に高周波損失（ＲＦ−ｌｏｓｓ（ｄＢ／ｍｍ））が示されている。図４の曲線Ｃ１からも明らかな通り、熱処理をしない未熱処理基板でも、ＣＶＤ装置内で窒素ガスを流さなかったＳｉＣ基板（即ち、Ａ基板）は２０ＧＨｚにおける高周波損失が１．４ｄＢ／ｍｍと極めて低いことが判る。

本発明者等の知見によれば、２０ＧＨｚにおいて２．０ｄＢ／ｍｍ以下の高周波損失を示すＳｉＣ基板は、電子素子を実装するのに実用上問題がないことが判明した。したがって、窒素ガスを流さないで製作されたＳｉＣ基板は、十分な高周波損失特性を有していることが判る。

更に、上記した未熱処理Ａ基板に対して、２０００℃、２１５０℃、及び２３００℃で図３の熱処理を施したＳｉＣ基板の高周波損失特性がそれぞれ曲線Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４で示されている。曲線２〜Ｃ４を比較しても明らかな通り、熱処理を施すことによって未熱処理ＳｉＣ基板よりも高周波損失を低下させることができ、且つ、熱処理温度が高い程、高周波損失は低下することが判る。

実際、２３００℃で熱処理したＳｉＣ基板は２０ＧＨｚにおける高周波損失が１ｄＢ／ｍｍよりも低いのに対し、２０００℃及び２１５０℃で熱処理したＳｉＣ基板の２０ＧＨｚにおける高周波損失は約１ｄＢ／ｍｍ程度である。更に、２０００℃及び２１５０℃で熱処理したＳｉＣ基板の４０ＧＨｚにおける高周波損失は約２ｄＢ／ｍｍ程度であり、他方、２３００℃で熱処理したＳｉＣ基板は４０ＧＨｚにおける高周波損失が１．５ｄＢ／ｍｍ程度である。

上記したように、２０００℃以上の熱処理を受けたＳｉＣ基板は４０ＧＨｚにおける高周波損失の点でも十分使用に耐えることが分かる。

図５を参照すると、Ｂ基板を熱処理した場合の高周波損失特性が示されている。図５からも明らかな通り、未熱処理状態のＢ基板の高周波損失特性、２０００℃の熱処理を受けたＳｉＣ基板の高周波損失特性、及び、２３００℃の熱処理を受けたＳｉＣ基板の高周波損失特性がそれぞれ曲線Ｃ５、Ｃ６、及びＣ７で示されている。

曲線Ｃ５からも明らかな通り、未熱処理のＢ基板は、２０ＧＨｚにおいて約２．５ｄＢ／ｍｍの高周波損失を示していることから、電子素子等の実装には不十分である。しかしながら、Ｂ基板を２０００℃及び２３００℃で熱処理して得られたＳｉＣ基板は、曲線Ｃ６及び曲線Ｃ７に示すように、２０ＧＨｚにおける高周波損失が２．０ｄＢ／ｍｍ以下であるから、電子素子実装用の基板として使用できる。

次に、図４及び図５に示された高周波損失（ｄＢ／ｍｍ）の測定方法について説明しておく。

図６を参照すると、高周波損失測定用の配線図が示されている。図示されているように、ＳｉＣ基板１４の表面中央部に、線幅Ｓの信号導体線３０が配置されており、当該信号導体線３０の両側に、間隔Ｗを置いてグランド導体線３２が配置されている。ここでは、信号導体線３０とグランド導体線３２との間の間隔Ｗ及び信号導体線幅Ｓを変化させることにより、特性インピーダンス５０Ωとなるように調整されている。この場合、信号導体線３０の長さは１ｍｍとしている。

信号導体線３０、グランド導体線３２は、ＳｉＣ基板１４上に蒸着法によりＡｌを１μｍ程度蒸着し、フォトレジストにて信号導体線３０とグランド導体線３２からなるコプレナー線路パターンを形成している。この例では、信号導体線３０とグランド導体線３２はいずれも蒸着法により形成されたものであるが、蒸着法以外にスパッタリング法、ＣＶＤ法やメッキ法等を使用して導体線３０、３２を形成してもよい。更に、図示された例では、導体線３０、３２として、Ａｌを用いたが、Ｃｕ、Ａｕ等の金属を用いてもよい。

導体線３０、３２の一方の端子から信号を入射して、他方の端子に透過してきた信号を、ネットワークアナライザーを用いて測定した。この場合、信号周波数が１０ＭＨｚから５０ＧＨｚまでの伝送特性を測定した。

図４及び図５に示された測定結果には、１、５、１０、２０、３０、４０ＧＨｚの信号における信号通過特性の動作伝送行列（Ｓ₂₁）の値がｄＢ／ｍｍとして示されている。

以上説明した実施形態では、電子素子を搭載、実装するＳｉＣ基板について説明したが、本発明に係るＳｉＣ基板は、これに限定されることなく、配線基板用、研磨パッド調整用、或いはＳＯＩの支持基板としても使用できる。電子素子を搭載、実装するＳｉＣ基板としては、例えばＳｉＣ基板の上にＳｉ層やその他の半導体層を形成し、この半導体層を電子素子の少なくとも一部としたものがある。あるいは、別に作成した電子素子をＳｉＣ基板上に搭載したものがある。またＳＯＩの支持基板としては、例えば、ＳｉＣ基板の上に絶縁物層を設けその上にＳｉ等の半導体層を設けたＳＯＩ構成がある。配線基板としては、ＳｉＣ基板の表面上に直接または他の絶縁物層を介して所定パターンの配線層を設けた構造のものが例示される。

１０ 黒鉛基材
１２ ＳｉＣ
１４ ＳｉＣ基板
２０ 熱処理炉の炉体
２２ ヒーター
２４ 黒鉛部材

Claims (4)

1. ＣＶＤ法によって予備炭化珪素を形成した後、前記予備炭化珪素を熱処理することによって得られた多結晶炭化珪素によって構成され、信号通過特性の動作伝送行列（Ｓ２１）で表される周波数２０ＧＨｚにおける伝送損失が２ｄＢ／ｍｍ以下であることを特徴とする炭化珪素基板。
2. ＣＶＤ法によって予備炭化珪素を形成した後、前記予備炭化珪素を熱処理することによって得られた多結晶炭化珪素によって構成され、信号通過特性の動作伝送行列（Ｓ２１）で表される周波数２０ＧＨｚにおける伝送損失が２ｄＢ／ｍｍ以下である基板と、当該基板上に形成された半導体層又は電子素子を含むことを特徴とする半導体装置。
3. ＣＶＤ法によって予備炭化珪素を形成した後、前記予備炭化珪素を熱処理することによって得られた多結晶炭化珪素によって構成され、信号通過特性の動作伝送行列（Ｓ２１）で表される周波数２０ＧＨｚにおける伝送損失が２ｄＢ／ｍｍ以下である基板と、当該基板上に形成された絶縁物層と、当該絶縁物層上に設けられた半導体層又は電子素子を含むことを特徴とする半導体装置。
4. ＣＶＤ法によって予備炭化珪素を形成した後、前記予備炭化珪素を熱処理することによって得られた多結晶炭化珪素によって構成され、信号通過特性の動作伝送行列（Ｓ２１）で表される周波数２０ＧＨｚにおける伝送損失が２ｄＢ／ｍｍ以下である炭化珪素基板を含んでいることを特徴とする配線基板。

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