JP5976999B2

JP5976999B2 - 複合基板

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Publication number: JP5976999B2
Application number: JP2011120005A
Authority: JP
Inventors: 哲広大崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: JP2012248719A

Description

本発明は、半導体素子に用いられる、半導体層を含む複合基板に関する。

近年、半導体素子の性能向上を図るべく、放熱性を高めたり、素子の寄生容量を抑えたりする技術の開発が進められている。このような技術の一つとして、ＳＯＳ（Silicon On
Sapphire）構造がある。このＳＯＳ構造を形成する方法として、例えば特許文献１に記
載された技術がある。特許文献１に記載された技術は、平板サファイア基板の全面にシリコン層をエピタキシャル成長させた複合基板を提供するものである。

特開平１０−１２５４７号公報

しかし、特許文献１に記載されたＳＯＳ構造の複合基板は、取扱いの際に破損しやすく、シリコン層に損傷が及び、生産性が低くなる恐れがあった。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、生産性の高い複合基板を提供することを目的とする。

本発明の複合基板は、絶縁性材料からなり、中央に位置する主部および周縁に位置する周縁部を有する支持基板と、前記主部の上面に位置する半導体層とを含み、前記周縁部の上面の算術平均粗さは、前記主部の上面の算術平均粗さに比べて大きいものである。

本発明によれば、外部衝撃からの半導体層の損傷を抑制することのできる、生産性の高い複合基板を提供することができる。

（ａ）は本発明に係る複合基板の１つの実施形態の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＩｂ−Ｉｂ線に沿った断面図である。（ａ）は本発明に係る複合基板の１つの実施形態の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。（ａ）は本発明に係る複合基板の１つの実施形態の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面図である。（ａ）は本発明に係る複合基板の１つの実施形態の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。図１に示す複合基板１の変形例の概略構成を示す平面図である。

＜複合基板の第１の実施形態＞
本発明の複合基板の実施形態の一例である複合基板１について図面を参照しつつ、説明する。図１に示した複合基板１は、支持基板１０と、半導体層２０とを含んで構成されている。

支持基板１０は、絶縁性材料からなり、半導体層２０の支持部材となるものである。本実施形態では、酸化アルミニウム単結晶（以下、「サファイア」とする）によって形成されている。

支持基板１０は、中央に位置する主部１１とその周縁に位置する周縁部１２とを有する。そして、本実施形態において、周縁部１２は主部１１の周囲を囲むように配置されている。ここで、「中央」とは、主部１１と周縁部１２との相対的な位置関係を示すものであり、支持基板１全体に対する絶対的な位置関係を示すものではない。すなわち、支持基板１の「中心」と主部１１の「中心」は必ずしも一致する必要はない。支持基板１０を平面視したときに、周縁部１２が主部１１の周縁（外縁）に位置すればよい。

なお、図１（ｂ）において、主部１１と周縁部１２との境界を明確にするために、両者の境界部に破線を付した。以下の図面においても、同様の目的で破線を付すことある。

ここで、周縁部１２の上面１２ａの算術平均粗さは、主部１１の上面１１ａの算術平均粗さに比べて大きくしている。

主部１１の上面１１ａは、支持基板１０と後述する半導体層２０とを接合する観点からもその算術平均粗さは小さいことが好ましく、例えば、算術平均粗さを１０ｎｍ未満とすることが好ましい。これに対して、周縁部１２の上面１２ａは、その算術平均粗さを主部１１の上面１１ａに比べ大きくすればよい。具体的には、例えば、主部１１の上面１１ａの算術平均粗さを１ｎｍとしたときに、周縁部１２の上面１２ａの算術平均粗さを５ｎｍ以上とすればよい。

このように主部１１と周縁部１２とで上面（１１ａ，１２ａ）の算術平均粗さを変えるためには、例えば、周縁部１２の上面１２ａにおいてスパッタリング等の物理的手法を用いて加工したり、ウェットエッチング等の化学的手法を用いて上面１２ａを荒らすように加工したり、ブラスト加工のように機械的な手法を用いて加工を加えたりすればよい。

この支持基板１０の主部１１の上面１１ａには、半導体層２０が支持されて、貼り合わされている。この例では、半導体層２０は、主部１１の上面１１ａ全面を被覆するように配置されている。この半導体層２０の厚みとしては、例えば５０〜３００〔ｎｍ〕の範囲が挙げられる。

半導体層２０は、半導体素子として機能する素子機能部を一部に形成するものである。本例では、半導体層２０としてシリコン単結晶を採用している。

そして、支持基板１０と半導体層２０とを貼り合わせることで、支持基板１０上に半導体層２０を配置させる。支持基板１０と半導体層２０とを貼り合わせる方法としては、貼り合わせる面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法が挙げられる。表面を活性化する方法としては、例えば真空中でイオンビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。この接合は常温で行うことが好ましい。この接合に際しては、樹脂系などの接着剤を使用しない方法が採用され、原子間力などを利用した固相接合（Solid State Bonding）によって接合される。

ここで、支持基板１０および半導体層２０は、接合する面の面粗さが小さいことが好ましく、例えば算術平均粗さＲａが１０ｎｍ未満の範囲が挙げられる。平均面粗さを小さくすることによって、互いに接合する際に加える圧力を小さくすることができる。特に、Ｒａを１ｎｍ以下とすることによって、極めて小さい加圧で接合することができる。

なお、この貼り合せ工程は、主部１１と周縁部１２とを有する支持基板１０を半導体層２０に貼り合せてもよいし、支持基板１０となる平板状の支持基体と半導体層２０とを貼り合わせた後に、半導体層２０と接合されている側の主面（上面）の周縁において算術平均粗さを大きくするように表面を荒らすことで、支持基体を主部１１と周縁部１２とを有する支持基板１０に加工してもよい。

このように、支持基板１０と半導体層２０とを貼り合わせることにより、支持基板１０と半導体層２０との間において不純物の介在を抑制することができ、高品質な複合基板１とすることができる。また、半導体層２０に熱伝導率の高いサファイアからなる支持基板１０が直接接合されていることにより、放熱性の高い複合基板１とすることができる。さらに、半導体層２０として高い結晶性を有するシリコン単結晶を用いることができるので、支持基板１０上に格子定数の異なる半導体層を成長させる場合に比べ、半導体層２０Ａの品質を高めることができる。また、半導体層２０の直下に位置する支持基板１０が絶縁性を有しており、半導体層２０の厚みに対して少なくとも同等以上の厚みを有していることから、半導体層２０に半導体素子を作りこんだときに絶縁性を確保することができるので寄生容量を抑制することができる。

支持基体に周縁部１２を形成する方法としては、マスクを利用して所望の部分をエッチングしたり、機械的に荒らしたりする方法が挙げられる。エッチングとしては、化学的な方法、およびイオンビームなどの物理的な方法が挙げられる。また、マスクとしては、例えばメタルマスクおよびフォトマスクなどがあり、エッチングの方法に応じて適宜選択される。

このようにして、支持基板１０の主部１１の上面１１ａ上に半導体層２０が被覆する複合基板１を製造することができる。

上述の複合基板１は、半導体素子として機能する素子機能部が形成される半導体層２０が配置されている主部１１に比べ、周縁部１２の上面１２ａの算術平均粗さが大きくなっている。このような構成により、複合基板１に外部から衝撃が加えられたとしても、周縁部１２が衝撃を緩和し、半導体層２０へ衝撃による応力が加わることを抑制することができ、その結果、生産性の高いものとすることができる。言い換えると、半導体層２０が配置されている主部１１に比べ、敢えて強度の低い半導体層２０が配置されていない周縁部１２を設けることにより、例え外部からの衝撃により周縁部１２が破損したとしても、半導体素子が形成される半導体層２０を外部衝撃によるダメージから守ることができる。

また、複合基板１は、周縁部１２が主部１１の周囲を全て囲うように配置されているので、支持基板１０の厚み方向を除く全ての方向からの衝撃に対応できる。

さらに、支持基板１０の両主面のうち、半導体層２０が配置されている側の主面（上側の面）において、周縁部１２の上面１２ａの算術平均粗さを大きくしている。これにより、複合基板１に周囲から衝撃が加わったときに主部１１の上面１１ａに比べ周縁部１２の上面１２ａに破壊起点を集めることができる。周縁部１２の上面１２ａを破壊起点とすることにより、破壊を周縁部１２の下面１２ｂ側に進行させるよう制御することができ、周縁部１２より平面視で内側にある半導体層２０へのダメージを抑制することができる。

なお、支持基板１０の主部１１の上面１１ａと半導体層２０とは直接接合されている。この場合には、支持基板１０と半導体層２０の間に緩衝層が存在しないため、特に外部からの衝撃による応力から半導体層２０だけでなく支持基板１０をも保護する必要性が高まる。このような事情により、周縁部１２が重要となる。

また、本例において、支持基板１０は親水性材料であるサファイアからなり、半導体層２０は撥水性材料（疎水性材料）であるシリコンからなる。疎水性材料からなる半導体層２０を、例えば純水や水溶液で洗浄したり、エッチング等の目的により水溶液を接触させたりすることは困難である。これに対して、本実施形態の構成によれば、このような半導体層２０の周囲に半導体層２０に比べ濡れ性の高い周縁部１２を配置することにより、半導体層２０がはじいた純粋や水溶液を周縁部１２において保持し、半導体層２０の周囲に純水等の「壁」を形成することができる。この壁により半導体層２０に純水等を接触させることができる。

＜複合基板の第２の実施形態＞
本発明の複合基板の他の実施形態である複合基板１Ａについて図２を用いて説明する。

図２に示す複合基板１Ａは、支持基板１０Ａと半導体層２０Ａとを有する。図１に示す複合基板１の支持基板１０が平板状であるのに対して、複合基板１Ａの支持基板１０Ａは、周縁部１２Ａにおける厚みが主部１１Ａにおける厚みに比べ薄くなっており、周縁部１２Ａの上面１２Ａａが主部１１Ａの上面１１Ａａよりも下側に位置している点で異なる。

周縁部１２Ａは、その上面１２Ａａが主部１１Ａの上面１１Ａａに比べて下側に位置している。この例では、主部１１Ａの下面１１Ａｂと周縁部１２Ａの下面１２Ａｂとは揃えて配置され、同一平面に位置している。また、周縁部１２Ａにおける支持基板１０Ａの厚みｄ２は、主部１１Ａにおける厚みｄ１に比べて薄くなっている。主部１１Ａにおける厚みｄ１は、上部に位置する半導体層２０Ａを支持できれば特に限定はされないが、例えば６００μｍ〜６５０μｍ程度とすればよい。周縁部１２Ａにおける厚みｄ２は、例えばｄ１−ｄ２＞１０μｍ程度とすればよい。なお、支持基板１０Ａは欠けを防ぐために外周部が面取りされていることがある。その場合には、周縁部１２Ａの厚みｄ２としては、互いに平行な上面１２Ａａと下面１２Ａｂとの間で測定するものとする。

この支持基板１０Ａの主部１１Ａの上面１１Ａａには、半導体層２０Ａが支持されて、貼り合わされている。この例では、半導体層２０Ａは、主部１１Ａの上面１１Ａａ全面を被覆するように配置されている。言い換えると、主部１１Ａの側面と半導体層２０Ａの側面とは揃えて配置され、段差のない同一平面に位置している。

このような周縁部１２Ａにおける厚みを調整するには、例えば、支持基板１０Ａとなる平板状の支持基体の周縁において、物理的，化学的，または機械的手法により、上面側の一部を除去して形成すればよい。このような、周縁部１２Ａにおける厚みを調整する工程は、支持基板１０Ａと半導体層２０Ａとの接続前後のどちらにおいて設けてもよい。また、周縁部１２Ａにおいて上面１２Ａａの算術平均粗さを大きくするときと同時に、エッチング条件等を適宜調整して、周縁部１２Ａにおける厚みを調整してもよい。

上述の複合基板１Ａは、半導体素子として機能する素子機能部が形成される半導体層２０が配置されている主部１１Ａに比べ、周縁部１２Ａの厚みを薄くしている。このような構成により、複合基板１よりもさらに周縁部１２Ａと主部１１Ａとの強度の差を大きくすることができる。したがって、複合基板１Ａに外部から衝撃が加えられたとしても、確実に周縁部１２Ａが衝撃を緩和し、半導体層２０Ａへ衝撃による応力が加わることを抑制することができ、その結果、生産性の高いものとすることができる。

特に、周縁部１２Ａの上面１２Ａａが主部１１Ａの上面１１Ａａよりも下側に位置することから、外部からの衝撃により周縁部１２Ａの上面１２Ａａが破壊起点となりが破損したとしても、破壊は上面１２Ａａ側から下面１２Ａｂ側に進行するため、周縁部１２の上
面１２ａよりも上側に位置する半導体層２０を外部衝撃によるダメージから守ることができる。

さらに、複合基板１Ａは、主部１１Ａと周縁部１２Ａとの下面（１１Ａｂ，１２Ａｂ）が段差なく同一面に配置されているので、通常のウエハと同等の取り扱いが可能となり、ハンドリングの容易なものとすることができる。

＜複合基板の第３の実施形態＞
本発明の複合基板の実施形態の他の例である複合基板１Ｂについて、図３を用いて説明する。複合基板１Ｂは、主部１１Ｂおよび周縁部１２Ｂを有する支持基板１０Ｂと半導体層２０Ｂとを備える。支持基板１０Ｂの主部１１Ｂの上面１１Ｂａは、半導体層２０Ｂが位置している被覆領域１１Ｂｘと、半導体層２０Ｂから露出する露出領域１１Ｂｙとを有する。なお、この例では、周縁部１２Ｂは、平面視で主部１１Ｂの周囲を囲むように配置されており、主部１１Ｂの露出領域１１Ｂｙは被覆領域１１Ｂｘの周囲を囲むように配置されている。

露出領域１１Ｂｙは、例えば、支持基板１０Ｂ上に半導体層２０Ｂを配置した後に、半導体層２０Ｂの外周部を除去して形成してもよいし、予め主部１１Ｂに比べ小さい半導体層２０Ｂを用意して主部１１Ｂ上の中央付近に配置することで形成してもよい。

なお、主部１１Ｂの露出領域１１Ｂｙは、主部１１Ｂの上面１１Ｂａの一領域であるため、周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａの算術平均粗さは、主部１１Ｂの露出領域１１Ｂｙの算術平均粗さに比べて大きくなっている。

このような構成とすることで、破壊起点となる可能性のある周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａと主部１１Ｂの被覆領域１１Ｂｘとを、露出領域１１Ｂｙにより隔てることができる。これにより、周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａに集中する応力の影響を半導体層２０Ｂへ及ぶことを抑制することができる。

また、本実施形態の例では、支持基板１１Ｂは親水性材料からなり、半導体層２０Ｂは疎水性材料からなる。そして、支持基板１１Ｂの上面の中でも、周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａの算術平均粗さは、主部１１Ｂの露出領域１１Ｂｙの算術平均粗さに比べて大きいため、上面１２Ｂａの濡れ性は露出領域１１Ｂｙの濡れ性に比べ高くなっている。すなわち、支持基板１１Ｂを上面から平面視したときに、半導体層２０Ｂが位置する領域から外周側（外側）に離れるに従い、支持基板１０Ｂの表面の濡れ性が高いものとなっている。

このような構成により、複合基板１Ｂを形成する様々な工程や複合基板１Ｂを用いて半導体素子を形成する様々な工程において水溶液を用いる場合に、水溶液が支持基板１０Ｂの外周側（周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａ）に移動しやすくしている。このため、水溶液を用いる工程において発生する残渣や水滴等を半導体層２０Ｂに留めることなく、速やかに周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａに移動させることができる。また、一度周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａに移動した残渣や水滴が半導体層２０Ｂに戻ることを抑制することができる。これにより、高品質な半導体層２０を有する複合基板１Ｂとすることができる。なお、水溶液を用いる工程としては、例えば洗浄、ウェットエッチング等が例示できる。ここで、水溶液を用いる工程において、半導体層２０Ｂを水溶液に接触させた後、支持基板１０Ｂごとスピンさせることで、より確実に残渣や水滴を半導体層２０Ｂから周縁部１２Ｂの上面１２Ｂａに移動させることができる。

さらに、複合基板１Ｂを形成する様々な工程で半導体層２０Ｂの周縁領域（外周部）はダメージを受ける恐れがある。そこで、半導体層２０Ｂの外周部を除去することで露出領
域１１Ｂｙを形成すれば、ダメージを受けた恐れのある領域を除去することができるので、半導体層２０Ｂの品質を高めることとなる。

＜複合基板の第４の実施形態＞
本発明の複合基板の実施形態の一例である複合基板１Ｃについて、図４を用いて説明する。複合基板１Ｃは、主部１１Ｃおよび周縁部１２Ｃを有する支持基板１０Ｃと半導体層２０Ｃとを備える。支持基板１０Ｃの主部１１Ｃの上面１１Ｃａは、半導体層２０Ｃが位置している被覆領域１１Ｃｘと、半導体層２０Ｃから露出する露出領域１１Ｃｙとを有する。そして、半導体層２０Ｃの側面は傾斜面となっている。

このような構成とすることにより、半導体層２０Ｃの上面周縁部は他の物体と接触しにくくなるとともに、接触した場合であっても鈍角となっているため、欠けが生じにくい構成とすることができる。

この例では、半導体層２０Ｃの側面と主部１１Ｃの上面１１Ｃａとが成す角度は鋭角となっている。このような構成により、複合基板１Ｂを用いて半導体素子を製造する際に、半導体層２０Ｃ上にレジスト等を形成する工程において、レジスト膜の厚みが周縁（端部）において厚くなることを抑制し、均一とすることができる。これにより正確な加工を容易に行なうことのできる、生産性に優れた複合基板１Ｃを提供することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

例えば、図１〜４に示す複合基板（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、主部（１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）と周縁部（１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）の下面が揃っており、段差のない状態となっているが、下面が揃っていなくてもよい。例えば、主部１１Ａの厚み方向における中心と、周縁部１２Ａの厚み方向における中心とを揃えるように配置されていてもよい。

また、図１〜４に示す複合基板（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、周縁部（１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）は、主部（１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）を囲うように配置されているが、図５に示す複合基板１１Ｄのように、主部１１Ｄの周縁領域の一部分に配置されていてもよい。

同様に、露出領域１１Ｂｙは被覆領域１１Ｂｘを囲うように配置されているが、被覆領域１１Ｂｘの周縁領域の一部分に配置されていてもよい。

また、複合基板１Ａの支持基板１１Ｂに代えて、支持基板１１Ｃを用いたり、複合基板１Ａ，１Ｂの半導体層２０Ａ，２０Ｂに代えて、半導体層２０Ｃを用いたりしてもよい。

なお、上述の例では、支持基板（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）に直接半導体層（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）を貼り合わせた例について説明したが、酸化物層等を介して接合してもよいし、支持基板（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）上に半導体層（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）をエピタキシャル成長させてもよい。

また、支持基板（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）に直接半導体基板を貼り合わせ、半導体基板を所望の厚さになるように薄く加工することで半導体層（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）としてもよい。薄く加工する方法としては、砥粒研磨、化学エッチング、イオンビームエッチングなど種々のものが採用でき、複数の方法を組み合わせてもよい。

この薄く加工するのと併せて、精密エッチングによって、半導体基板の表面を平らにする加工を採用してもよい。この精密エッチングに用いるエッチング手段としては、例えばドライエッチングが挙げられる。このドライエッチングには、化学的な反応によるものと、物理的な衝突によるものとが含まれる。化学的な反応を利用するものとしては、反応性の気体（ガス）、イオンおよびイオンビーム、ならびにラジカルを利用するものなどが挙げられる。この反応性イオンに使われるエッチングガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）などが挙げられる。また、物理的な衝突によるものとしては、イオンビームを利用するものが挙げられる。このイオンビームを利用するものには、ガス・クラスタ・イオンビーム（Gas Cluster Ion Beam；ＧＣＩＢ）を用いた方法が含まれている。これらのエッチング手段を用いて狭い領域をエッチングしながら、可動ステージで半導体基板を走査することで、大面積の素材基板であっても良好に精密エッチングをすることができる。さらにウェットエッチングや機械的研磨，メカノケミカル研磨を行なってもよい。

１，１Ａ〜Ｄ・・・複合基板
１０，１０Ａ〜１０Ｄ・・・支持基板
１０ａ・・・上面
１１，１１Ａ〜１１Ｄ・・・主部
１１Ｃｘ・・・露出領域
１１Ｃｙ・・・被覆領域
１２，１２Ａ〜１２Ｄ・・・周縁部
２０，２０Ａ〜Ｄ・・・半導体層

Claims

絶縁性材料からなり、中央に位置する主部および周縁に位置する周縁部を有する支持基板と、
前記主部の上面に位置する半導体層とを含み、
前記周縁部の上面と前記主部の上面とは同一面となっており、
前記周縁部の上面の算術平均粗さは、前記主部の上面の算術平均粗さに比べて大きく、
前記主部の上面は、前記半導体層が位置している被覆領域と、前記被覆領域の周縁に位置するとともに前記半導体層から露出している露出領域とを有する複合基板。
前記支持基板は、親水性の材料からなり、前記半導体層は疎水性の材料からなる、請求項１記載の複合基板。
前記周縁部は、前記主部の周囲の全体を囲むように位置している請求項１または２に記載の複合基板。
前記支持基板はサファイアからなり、前記半導体層はシリコンからなる請求項１乃至３のいずれかに記載の複合基板。
前記半導体層の側面は傾斜面となっている請求項１乃至４のいずれかに記載の複合基板。