JP6156252B2 - Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor substrate - Google Patents

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Description

本明細書では、非晶質層を形成するために基板内に打ち込まれた特定原子の分布プロファイルを適切に制御することが可能な半導体基板の製造方法に関する技術を開示する。   The present specification discloses a technique related to a method for manufacturing a semiconductor substrate capable of appropriately controlling the distribution profile of specific atoms implanted in the substrate to form an amorphous layer.

ウエハの接合方法として、被接合材間を常温、無加圧で接合する技術が知られている。当該技術では、被接合材の接合面のそれぞれに対し、いずれも希ガス等のイオンビームを照射して接合面における酸化物や有機物等を除去することで、接合面表面の原子を、化学的結合を形成し易い活性な状態に活性化する。そして、活性化された接合面同士を重ね合わせることにより、接着剤等を使用することなしに常温での接合が可能となる。なお、関連する技術として特許文献1の技術が知られている。   As a wafer bonding method, a technique for bonding materials to be bonded to each other at normal temperature and no pressure is known. In this technique, each of the bonding surfaces of the materials to be bonded is irradiated with an ion beam such as a rare gas to remove oxides and organic substances on the bonding surface, thereby chemically changing the atoms on the bonding surface. It is activated to an active state where a bond is easily formed. Then, by joining the activated bonding surfaces together, bonding at room temperature is possible without using an adhesive or the like. In addition, the technique of patent document 1 is known as a related technique.

特開2012−223792号公報JP 2012-223792 A

上記の接合方法では、表面活性化処理時に、被接合材の表面近傍に希ガス等の原子が打ち込まれてしまう。そして、接合後の加熱処理において、打ち込まれた原子が移動し、接合界面部分などの特定の部分に凝集してしまう場合がある。すると、打ち込まれた原子が凝集している領域が存在することに起因して、接合基板を用いて製造した半導体デバイスの電気特性が劣化してしまう場合がある。   In the above bonding method, atoms such as rare gas are implanted near the surface of the material to be bonded during the surface activation treatment. In the heat treatment after bonding, the implanted atoms may move and agglomerate in a specific portion such as a bonding interface portion. Then, due to the presence of a region where the implanted atoms are aggregated, the electrical characteristics of the semiconductor device manufactured using the bonded substrate may be deteriorated.

本明細書では、第1元素と第2元素によって構成される化合物半導体の多結晶の支持基板と、化合物半導体の単結晶層と、を備える半導体基板の製造方法を開示する。この半導体基板の製造方法は、支持基板の表面および単結晶層の表面の少なくとも一方に、第1元素および第2元素の少なくとも一方によって構成される半導体の多結晶層を形成する多結晶層形成工程を備える。多結晶層形成工程の後に、支持基板の表面に真空中で1種類以上の特定原子を照射することで特定原子を含む第1の非晶質層を形成するとともに、単結晶層の表面に真空中で1種類以上の特定原子を照射することで特定原子を含む第2の非晶質層を形成する非晶質層形成工程を備える。非晶質層形成工程が行われた真空中において、第1の非晶質層と第2の非晶質層とを接触させ、接合界面を有する接合基板を生成する接触工程を備える。接合基板を熱処理する熱処理工程を備える。特定原子は、化合物半導体、第1元素の多結晶、第2元素の多結晶の何れとも結晶化することのない不活性な原子である。多結晶層形成工程で形成される多結晶層の平均結晶粒径は、支持基板の平均結晶粒径よりも小さい。   The present specification discloses a method for manufacturing a semiconductor substrate comprising a compound semiconductor polycrystalline support substrate composed of a first element and a second element, and a compound semiconductor single crystal layer. This method for manufacturing a semiconductor substrate includes forming a polycrystalline layer of a semiconductor composed of at least one of a first element and a second element on at least one of a surface of a support substrate and a surface of a single crystal layer. Is provided. After the polycrystalline layer forming step, the surface of the support substrate is irradiated with one or more types of specific atoms in vacuum to form a first amorphous layer containing the specific atoms, and the surface of the single crystal layer is vacuumed An amorphous layer forming step of forming a second amorphous layer containing the specific atoms by irradiating one or more types of specific atoms. In the vacuum in which the amorphous layer forming step is performed, the first amorphous layer and the second amorphous layer are brought into contact with each other to form a bonded substrate having a bonded interface. A heat treatment step for heat-treating the bonding substrate is provided. The specific atom is an inert atom that does not crystallize with any of the compound semiconductor, the first element polycrystal, and the second element polycrystal. The average crystal grain size of the polycrystalline layer formed in the polycrystalline layer forming step is smaller than the average crystal grain size of the support substrate.

上記方法では、非晶質層形成工程により、支持基板の表面に第1の非晶質層を形成するとともに、単結晶層の表面に第2の非晶質層を形成することができる。非晶質層は、原子が結晶構造のような規則性を持たない状態となっている層である。第1の非晶質層と第2の非晶質層とが接触している状態で熱処理工程を行うことにより、第1の非晶質層および第2の非晶質層を再結晶化させることができる。第1の非晶質層と第2の非晶質層とが一体となって再結晶化するため、支持基板と単結晶層とを、共有結合によって強固に接合させることができる。   In the above method, the first amorphous layer can be formed on the surface of the supporting substrate and the second amorphous layer can be formed on the surface of the single crystal layer by the amorphous layer forming step. An amorphous layer is a layer in which atoms do not have regularity like a crystal structure. The first amorphous layer and the second amorphous layer are recrystallized by performing a heat treatment process in a state where the first amorphous layer and the second amorphous layer are in contact with each other. be able to. Since the first amorphous layer and the second amorphous layer are integrally recrystallized, the support substrate and the single crystal layer can be firmly bonded to each other by a covalent bond.

また、第1の非晶質層および第2の非晶質層には、1種類以上の特定原子が注入された状態となっている。第1および第2の非晶質層は、化合物半導体の単結晶または多結晶、第1元素の多結晶、第2元素の多結晶、の何れかを元として形成される層である。そして特定原子は、化合物半導体、第1元素の多結晶、第2元素の多結晶の何れとも結晶化することのない不活性な原子である。従って、第1および第2の非晶質層が再結晶化するときに、特定原子は、結晶粒の内部に存在することができないため、結晶粒界に移動することになる。すなわち、結晶粒界は、特定原子を捕捉して固定化する役割を果たす。   In addition, one or more kinds of specific atoms are implanted into the first amorphous layer and the second amorphous layer. The first and second amorphous layers are layers formed on the basis of one of compound semiconductor single crystal or polycrystal, first element polycrystal, and second element polycrystal. The specific atom is an inert atom that does not crystallize with any of the compound semiconductor, the first element polycrystal, and the second element polycrystal. Accordingly, when the first and second amorphous layers are recrystallized, the specific atoms cannot be present inside the crystal grains, and thus move to the crystal grain boundaries. That is, the crystal grain boundary plays a role of capturing and fixing specific atoms.

第1の非晶質層の形成元の層および第2の非晶質層の形成元の層の少なくとも一方は、多結晶層を元として形成された非晶質層である。そして、多結晶層を元として形成された非晶質層の再結晶化は、多結晶層の結晶構造に倣った原子配列となるように行われる。したがって、多結晶層を元として形成された非晶質層が多結晶層に再結晶化すると、当該再結晶化後の多結晶層の平均結晶粒径は、支持基板の平均結晶粒径よりも小さくなる。すなわち、再結晶化後の多結晶層における結晶粒界の存在密度を、支持基板における結晶粒界の存在密度よりも高くすることができる。前述したように、第1および第2の非晶質層が再結晶化するときに、特定原子は結晶粒界に捕捉され固定化されるため、結晶粒界の存在密度が高くなるほど、特定原子の移動量が少なくなる。したがって、多結晶層を元として形成された非晶質層では、再結晶化時における特定原子の移動を抑制することが可能となる。よって特定原子の分布プロファイルを、熱処理工程前の分布プロファイルと同様の状態に維持できるため、特定原子の分布プロファイルが熱処理工程によって不均一に変化してしまうことを防止できる。その結果、接合基板を用いて各種のデバイスを製造したときに、不均一な特定原子の分布プロファイルに起因してデバイスの特性にバラつきが発生してしまうという事態の発生を防止することが可能となる。   At least one of the formation source layer of the first amorphous layer and the formation source layer of the second amorphous layer is an amorphous layer formed based on the polycrystalline layer. Then, the recrystallization of the amorphous layer formed based on the polycrystalline layer is performed so that the atomic arrangement follows the crystal structure of the polycrystalline layer. Therefore, when the amorphous layer formed based on the polycrystalline layer is recrystallized into the polycrystalline layer, the average crystal grain size of the polycrystalline layer after the recrystallization is larger than the average crystal grain size of the supporting substrate. Get smaller. That is, the existing density of crystal grain boundaries in the polycrystalline layer after recrystallization can be made higher than the existing density of crystal grain boundaries in the support substrate. As described above, when the first and second amorphous layers are recrystallized, the specific atoms are trapped and fixed at the crystal grain boundaries. Therefore, the higher the density of crystal grain boundaries, the higher the specific atoms. Less travel. Therefore, in the amorphous layer formed based on the polycrystalline layer, it is possible to suppress the movement of specific atoms during recrystallization. Therefore, since the distribution profile of the specific atom can be maintained in the same state as the distribution profile before the heat treatment step, it is possible to prevent the distribution profile of the specific atom from being changed unevenly by the heat treatment step. As a result, it is possible to prevent the occurrence of a situation in which variations in device characteristics occur due to nonuniform distribution profiles of specific atoms when various devices are manufactured using a bonded substrate. Become.

本明細書に開示されている技術によれば、非晶質層を形成するために基板内に打ち込まれた特定原子の分布プロファイルを適切に制御することが可能な半導体基板の製造方法を提供することができる。   According to the technique disclosed in the present specification, a method for manufacturing a semiconductor substrate capable of appropriately controlling a distribution profile of specific atoms implanted in the substrate to form an amorphous layer is provided. be able to.

接合基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of a bonded substrate. 接合基板の斜視図である。It is a perspective view of a bonded substrate. 支持基板の断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a support substrate. 接合基板の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of a joining board | substrate. 接合基板の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of a joining board | substrate. 接合基板の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of a joining board | substrate. 接合基板100の熱処理工程前における接合界面近傍の部分拡大図である。3 is a partially enlarged view of the vicinity of a bonding interface before a heat treatment step of the bonding substrate 100. FIG. VIII−VIII部分の断面図である。It is sectional drawing of a VIII-VIII part. 接合基板100の熱処理工程後における接合界面近傍の部分拡大図である。2 is a partially enlarged view of the vicinity of a bonding interface after a heat treatment step of the bonding substrate 100. FIG. X−X部分の断面図である。It is sectional drawing of a XX part. 接合基板10の熱処理工程前における接合界面近傍の部分拡大図である。4 is a partially enlarged view of the vicinity of a bonding interface before a heat treatment step of the bonding substrate 10. FIG. 接合基板10の熱処理工程後における接合界面近傍の部分拡大図である。2 is a partially enlarged view of the vicinity of a bonding interface after a heat treatment step of the bonding substrate 10. FIG.

以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。   Hereinafter, some technical features of the embodiments disclosed in this specification will be described. The items described below have technical usefulness independently.

(特徴1)多結晶層の平均結晶粒径は、支持基板の平均結晶粒径の1/100以下であってもよい。これにより、多結晶層を元として形成された非晶質層を再結晶化するときに、当該非晶質層内における特定原子の移動を抑制することが可能となる。 (Feature 1) The average crystal grain size of the polycrystalline layer may be 1/100 or less of the average crystal grain size of the support substrate. Thereby, when recrystallizing the amorphous layer formed based on the polycrystalline layer, it is possible to suppress the movement of specific atoms in the amorphous layer.

(特徴2)多結晶層形成工程において、多結晶層の単結晶層側の表面近傍部分における平均結晶粒径が、多結晶層の支持基板側のバルク部における平均結晶粒径に比して小さくなるように、多結晶層の形成条件を多結晶層の形成中に変化させてもよい。これにより、特定原子が注入される部分である、多結晶層の単結晶層側の表面近傍部分において、結晶粒界の存在密度を高めることができる。また、多結晶層の支持基板側のバルク部を、平均結晶粒径の大小に関わらず、高いレートで形成することが可能となる。 (Feature 2) In the polycrystalline layer forming step, the average crystal grain size in the vicinity of the surface of the polycrystalline layer on the single crystal layer side is smaller than the average crystal grain size in the bulk part on the support substrate side of the polycrystalline layer. Thus, the formation conditions of the polycrystalline layer may be changed during the formation of the polycrystalline layer. Thereby, the existence density of the crystal grain boundary can be increased in the portion near the surface on the single crystal layer side of the polycrystalline layer where the specific atoms are implanted. In addition, the bulk portion of the polycrystalline layer on the support substrate side can be formed at a high rate regardless of the average crystal grain size.

(特徴3)多結晶層形成工程において、多結晶層は、物理気相成長法(PVD)によって形成されてもよい。 (Feature 3) In the polycrystalline layer forming step, the polycrystalline layer may be formed by physical vapor deposition (PVD).

(特徴4)多結晶層形成工程において、支持基板の表面に多結晶層を形成する場合には、支持基板と多結晶層の原料となるターゲットとを対向させ、支持基板とターゲットとの間に多結晶層の形成が進むにつれて交流成分が大きくなるような特定電圧を印加してもよい。また、多結晶層形成工程において、単結晶層の表面に多結晶層を形成する場合には、単結晶層とターゲットとを対向させ、単結晶層とターゲットとの間に特定電圧を印加してもよい。交流成分が大きくなるにつれて、多結晶層をエッチングする逆スパッタリングが行われることになる。従って、多結晶層の形成が進むにつれて、多結晶層を構成する結晶粒の平均結晶粒径を小さくすることが可能となる。 (Feature 4) In the step of forming a polycrystalline layer, in the case of forming a polycrystalline layer on the surface of the support substrate, the support substrate and a target that is a raw material for the polycrystalline layer are opposed to each other, and A specific voltage that increases the AC component as the formation of the polycrystalline layer proceeds may be applied. In the polycrystalline layer forming step, when a polycrystalline layer is formed on the surface of the single crystal layer, the single crystal layer and the target are opposed to each other, and a specific voltage is applied between the single crystal layer and the target. Also good. As the alternating current component increases, reverse sputtering for etching the polycrystalline layer is performed. Accordingly, as the formation of the polycrystalline layer proceeds, the average crystal grain size of the crystal grains constituting the polycrystalline layer can be reduced.

(特徴5)第1元素はSiであり、第2元素はCであり、多結晶層はSiCで構成されていてもよい。これにより、化合物半導体の単結晶層は単結晶SiCとなる。また支持基板は、多結晶SiCとなる。多結晶SiCは単結晶SiCに比して安価であるため、単結晶SiCのみで形成された基板に比して製造コストが低減されたSiC基板を製造することが可能となる。 (Feature 5) The first element may be Si, the second element may be C, and the polycrystalline layer may be composed of SiC. Thereby, the single crystal layer of the compound semiconductor becomes single crystal SiC. The support substrate is polycrystalline SiC. Since polycrystalline SiC is less expensive than single crystal SiC, it is possible to manufacture a SiC substrate with a lower manufacturing cost than a substrate formed of only single crystal SiC.

(特徴6)第1元素はSiであり、第2元素はCであり、多結晶層はCで構成されていてもよい。 (Feature 6) The first element may be Si, the second element may be C, and the polycrystalline layer may be composed of C.

(特徴7)上記の半導体基板の製造方法では、1種類以上の特定原子はアルゴンを含んでいてもよい。 (Feature 7) In the semiconductor substrate manufacturing method, one or more kinds of specific atoms may contain argon.

(特徴8)多結晶層形成工程では、支持基板の表面に多結晶層が形成されてもよい。支持基板の表面に形成された多結晶層の表面を、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)によって平坦化する平坦化工程をさらに備えていてもよい。平坦化工程は非晶質層形成工程の前に行われてもよい。化学的機械研磨では、エッチング速度が面方位に応じて変化するため、様々な面方位が表出している多結晶を研磨する場合には、平坦度が低下してしまう。しかし上記の半導体基板の製造方法では、支持基板の表面よりも小さい平均結晶粒径を有する多結晶層の表面に化学的機械研磨を行うことができるため、平坦度の低下を抑制することができる。 (Feature 8) In the polycrystalline layer forming step, a polycrystalline layer may be formed on the surface of the support substrate. You may further provide the planarization process of planarizing the surface of the polycrystalline layer formed in the surface of a support substrate by chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polishing). The planarization process may be performed before the amorphous layer forming process. In chemical mechanical polishing, the etching rate changes in accordance with the plane orientation, so that when the polycrystal having various plane orientations is polished, the flatness is lowered. However, in the above method for manufacturing a semiconductor substrate, chemical mechanical polishing can be performed on the surface of the polycrystalline layer having an average crystal grain size smaller than the surface of the support substrate, so that a decrease in flatness can be suppressed. .

<接合基板の構成>
図2に、本実施例に係る接合基板10の斜視図を示す。接合基板10は略円盤状に形成されている。接合基板10は、下側に配置された支持基板12と、支持基板12の上面に貼り合わされた単結晶基板14とを備えている。単結晶基板14は、例えば、化合物半導体(例:6H−SiC、4H−SiC、GaN、AlN)の単結晶によって形成されていてもよい。また例えば、単元素半導体(例:Si、C)の単結晶によって形成されていてもよい。
<Composition of bonded substrate>
FIG. 2 is a perspective view of the bonding substrate 10 according to the present embodiment. The bonding substrate 10 is formed in a substantially disk shape. The bonding substrate 10 includes a support substrate 12 disposed on the lower side, and a single crystal substrate 14 bonded to the upper surface of the support substrate 12. The single crystal substrate 14 may be formed of, for example, a single crystal of a compound semiconductor (example: 6H—SiC, 4H—SiC, GaN, AlN). For example, it may be formed of a single crystal of a single element semiconductor (eg, Si, C).

支持基板12には、各種の材料を用いることができる。支持基板12は、単結晶基板14に適用される各種の熱プロセスに対する耐性を有することが好ましい。また支持基板12は、単結晶基板14との熱膨張率の差が小さい材料であることが好ましい。例えば、単結晶基板14にSiCを用いる場合には、支持基板12には、単結晶SiC、多結晶SiC、単結晶Si、多結晶Si、サファイア、GaN、カーボンなどを用いることが可能である。多結晶SiCには、様々なポリタイプのSiC結晶が混在していても良い。様々なポリタイプが混在する多結晶SiCは、厳密な温度制御を行うことなく製造することができるため、支持基板12を製造するコストを低減させることが可能となる。支持基板12の厚さTT1は、後工程加工に耐えることができる機械的強度が得られるように定めればよい。厚さTT1は、例えば、支持基板12の直径が100(mm)である場合には、100(μm)程度であってもよい。   Various materials can be used for the support substrate 12. The support substrate 12 preferably has resistance to various thermal processes applied to the single crystal substrate 14. The support substrate 12 is preferably made of a material having a small difference in thermal expansion coefficient from the single crystal substrate 14. For example, when SiC is used for the single crystal substrate 14, the support substrate 12 can be made of single crystal SiC, polycrystalline SiC, single crystal Si, polycrystalline Si, sapphire, GaN, carbon, or the like. Polycrystalline SiC may contain various polytype SiC crystals. Since polycrystalline SiC in which various polytypes are mixed can be manufactured without performing strict temperature control, the cost for manufacturing the support substrate 12 can be reduced. The thickness TT1 of the support substrate 12 may be determined so as to obtain mechanical strength that can withstand post-processing. For example, when the diameter of the support substrate 12 is 100 (mm), the thickness TT1 may be about 100 (μm).

<接合基板の製造方法>
本実施例に係る接合基板10の製造方法を、図1のフローと、図3〜図6の模式図を用いて説明する。なお、図3〜図6は断面図を含んでいるが、見易さのためにハッチングを省略している。本実施例では、例として、支持基板12が多結晶SiCであり、単結晶基板14が単結晶4H−SiCである場合を説明する。
<Method for manufacturing bonded substrate>
A method for manufacturing the bonded substrate 10 according to the present embodiment will be described with reference to the flow of FIG. 1 and schematic diagrams of FIGS. 3 to 6 include cross-sectional views, but hatching is omitted for easy viewing. In the present embodiment, as an example, a case where the support substrate 12 is polycrystalline SiC and the single crystal substrate 14 is single crystal 4H—SiC will be described.

まず、支持基板12、および、単結晶基板14を準備する。ステップS1において、多結晶層形成工程が行われる。多結晶層形成工程は、支持基板12の表面にSiCの多結晶層11を形成するとともに、単結晶基板14の表面にSiCの多結晶層13を形成する工程である。   First, the support substrate 12 and the single crystal substrate 14 are prepared. In step S1, a polycrystalline layer forming step is performed. The polycrystalline layer forming step is a step of forming the SiC polycrystalline layer 11 on the surface of the support substrate 12 and forming the SiC polycrystalline layer 13 on the surface of the single crystal substrate 14.

多結晶層11および13は、PVD(物理気相成長)法によって形成される。PVD法の具体例としては、スパッタリング法やイオンプレーティング法などが挙げられる。これらの方法では、ターゲットとなるSiCを真空中でイオンビーム、アーク放電及びグロー放電等に晒し、飛び散ったSiCの微結晶を支持基板12や単結晶基板14の表面に付着させることが行われる。なお、PVD法によるさらなる具体的な形成方法については、周知の技術であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   The polycrystalline layers 11 and 13 are formed by a PVD (physical vapor deposition) method. Specific examples of the PVD method include a sputtering method and an ion plating method. In these methods, SiC as a target is exposed to an ion beam, arc discharge, glow discharge, or the like in a vacuum, and scattered SiC microcrystals are attached to the surface of the support substrate 12 or the single crystal substrate 14. In addition, since the more specific formation method by PVD method is a well-known technique, detailed description is abbreviate | omitted here.

図3に、多結晶層11が形成された支持基板12の断面概略図を示す。支持基板12の平均結晶粒径は、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルである。一方、多結晶層11の平均結晶粒径は、数十マイクロメートル以下である。すなわち、多結晶層11の平均結晶粒径は、支持基板12の平均結晶粒径よりも小さくされている。多結晶層11の平均結晶粒径は、支持基板12の平均結晶粒径の1/50から1/100程度であることが好ましい。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the support substrate 12 on which the polycrystalline layer 11 is formed. The average crystal grain size of the support substrate 12 is several tens of micrometers to several hundreds of micrometers. On the other hand, the average crystal grain size of the polycrystalline layer 11 is several tens of micrometers or less. That is, the average crystal grain size of the polycrystalline layer 11 is made smaller than the average crystal grain size of the support substrate 12. The average crystal grain size of the polycrystalline layer 11 is preferably about 1/50 to 1/100 of the average crystal grain size of the support substrate 12.

また、多結晶層11の表面近傍部分(図3、領域A1参照)における平均結晶粒径が、多結晶層11の支持基板12側のバルク部(図3、領域A2参照)における平均結晶粒径に比して小さくされてもよい。このような構造は、多結晶層11の形成条件を、多結晶層11の形成中に変化させることで実現することができる。例えば、上述したPVD法を用いる場合には、支持基板12と、多結晶層11の原料となるターゲットと、を対向させる。そして、支持基板12とターゲットとの間に、多結晶層11の形成が進むにつれて交流成分が大きくなるような特定電圧を印加してもよい。交流成分が大きくなるにつれて、多結晶層11をエッチングする逆スパッタリングが行われる比率が大きくなる。従って、多結晶層11の形成が進むにつれて、多結晶層11を構成する結晶粒の平均結晶粒径が小さくなるように制御することが可能となる。なお、単結晶基板14上に形成された多結晶層13の構造も、前述した多結晶層11の構造と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Further, the average crystal grain size in the vicinity of the surface of the polycrystalline layer 11 (see FIG. 3, region A1) is the average crystal grain size in the bulk portion (see FIG. 3, region A2) of the polycrystalline layer 11 on the support substrate 12 side. It may be made smaller than Such a structure can be realized by changing the formation conditions of the polycrystalline layer 11 during the formation of the polycrystalline layer 11. For example, when the PVD method described above is used, the support substrate 12 and a target that is a raw material of the polycrystalline layer 11 are opposed to each other. Then, a specific voltage may be applied between the support substrate 12 and the target so that the alternating current component increases as the formation of the polycrystalline layer 11 proceeds. As the alternating current component increases, the ratio at which reverse sputtering for etching the polycrystalline layer 11 is performed increases. Therefore, as the formation of the polycrystalline layer 11 proceeds, it is possible to control so that the average crystal grain size of the crystal grains constituting the polycrystalline layer 11 becomes smaller. Note that the structure of the polycrystalline layer 13 formed on the single crystal substrate 14 is the same as the structure of the polycrystalline layer 11 described above, and thus the description thereof is omitted here.

多結晶層11および13の膜厚は、後述する非晶質層形成工程(ステップS3)において、多結晶層11および13の表面の結晶構造を表面から一定の深さで破壊する場合の破壊深さよりも大きくするように定めればよい。具体的には、多結晶層11および13の膜厚は、1ナノメートル以上であることが好ましい。また多結晶層11および13の膜厚は、1マイクロメートル以下であることが好ましい。   The film thicknesses of the polycrystalline layers 11 and 13 are the depth of breakdown when the crystal structure of the surface of the polycrystalline layers 11 and 13 is destroyed at a certain depth from the surface in the amorphous layer forming step (step S3) described later. What is necessary is just to set so that it may become larger than this. Specifically, the film thicknesses of the polycrystalline layers 11 and 13 are preferably 1 nanometer or more. The film thicknesses of the polycrystalline layers 11 and 13 are preferably 1 micrometer or less.

ステップS2において、平坦化工程が行われる。平坦化工程では、支持基板12上に形成された多結晶層11の表面、および、単結晶基板14上に形成された多結晶層13の表面が、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)によって平坦化される。なお、化学的機械研磨は周知の技術であるため、化学的機械研磨の具体的内容の説明は省略する。   In step S2, a planarization process is performed. In the planarization step, the surface of the polycrystalline layer 11 formed on the support substrate 12 and the surface of the polycrystalline layer 13 formed on the single crystal substrate 14 are planarized by chemical mechanical polishing. It becomes. In addition, since chemical mechanical polishing is a well-known technique, description of the specific content of chemical mechanical polishing is abbreviate | omitted.

ステップS3において、非晶質層形成工程が行われる。非晶質層形成工程は、支持基板12上に形成された多結晶層11の表面を改質して非晶質層11bを形成するとともに、単結晶基板14上に形成された多結晶層13の表面を改質して非晶質層13bを形成する工程である。非晶質層とは、原子が結晶構造のような規則性を持たない状態となっている層のことをさす。   In step S3, an amorphous layer forming process is performed. In the amorphous layer forming step, the surface of the polycrystalline layer 11 formed on the support substrate 12 is modified to form the amorphous layer 11b, and the polycrystalline layer 13 formed on the single crystal substrate 14 is formed. This is a step of forming the amorphous layer 13b by modifying the surface. An amorphous layer refers to a layer in which atoms have no regularity such as a crystal structure.

具体的に説明する。図4に示すように、多結晶層13が形成された単結晶基板14と、多結晶層11が形成された支持基板12を、チャンバー101内にセットする。次に、単結晶基板14と支持基板12との相対位置の位置合わせを行う。位置合わせは、後述する接触工程で両基板が正しい位置関係で接触できるように行われる。次に、チャンバー101内を真空状態にする。チャンバー101内の真空度は、例えば、1×10−4〜1×10−6(Pa)程度であってもよい。   This will be specifically described. As shown in FIG. 4, the single crystal substrate 14 on which the polycrystalline layer 13 is formed and the support substrate 12 on which the polycrystalline layer 11 is formed are set in a chamber 101. Next, the relative positions of the single crystal substrate 14 and the support substrate 12 are aligned. The alignment is performed so that both substrates can be brought into contact with each other in a correct positional relationship in a contact process described later. Next, the chamber 101 is evacuated. The degree of vacuum in the chamber 101 may be, for example, about 1 × 10 −4 to 1 × 10 −6 (Pa).

図5に示すように、多結晶層11の表面11aおよび多結晶層13の表面13aにFABガン(高速原子ビーム:Fast Atom Beam)102を用いて、アルゴンの中性原子ビームを照射する。アルゴンの中性原子ビームは、表面11aの全面および表面13aの全面に均一に照射される。例えば、アルゴンの中性原子ビームを、オーバーラップ部分を有するように走査させながら、表面11aおよび表面13aの全面に照射してもよい。これにより、表面11aおよび13aの結晶構造を、表面から一定の深さで破壊することができる。その結果、基板表面に、SiとCを含んでいる非晶質層11bおよび13bを形成することができる。また、非晶質層11bおよび13bには、アルゴン原子が打ち込まれている状態となる。また、SiとCの含有比率が1:1となるように、非晶質層11bおよび13bを形成することができる。これにより、非晶質層11bおよび13bを再結晶化させる場合に、SiC結晶を形成させることが可能となる。   As shown in FIG. 5, the surface 11 a of the polycrystalline layer 11 and the surface 13 a of the polycrystalline layer 13 are irradiated with a neutral atom beam of argon using a FAB gun (Fast Atom Beam) 102. The neutral atom beam of argon is uniformly applied to the entire surface 11a and the entire surface 13a. For example, the entire surface 11a and the surface 13a may be irradiated while scanning with a neutral atom beam of argon so as to have an overlapping portion. Thereby, the crystal structure of the surfaces 11a and 13a can be destroyed at a certain depth from the surface. As a result, amorphous layers 11b and 13b containing Si and C can be formed on the substrate surface. In addition, argon atoms are implanted into the amorphous layers 11b and 13b. Further, the amorphous layers 11b and 13b can be formed so that the content ratio of Si and C is 1: 1. This makes it possible to form SiC crystals when recrystallizing the amorphous layers 11b and 13b.

図5では、非晶質層11bおよび13bを、グレーの塗りつぶしで擬似的に示している。非晶質層11bの厚さT11、および非晶質層13bの厚さT13は、FABガン102から照射されるアルゴン原子のエネルギーにより制御できる。アルゴンの照射量(atoms/cm2)は、形成する非晶質層の厚さとスパッタレートを用いて算出するとしてもよい。また入射エネルギーは、例えば1.5(keV)程度であってもよい。   In FIG. 5, the amorphous layers 11 b and 13 b are shown in a pseudo manner by gray filling. The thickness T11 of the amorphous layer 11b and the thickness T13 of the amorphous layer 13b can be controlled by the energy of argon atoms irradiated from the FAB gun 102. The argon irradiation amount (atoms / cm 2) may be calculated using the thickness of the amorphous layer to be formed and the sputtering rate. The incident energy may be about 1.5 (keV), for example.

また、非晶質層形成工程では、表面11aおよび13aの酸化膜や吸着層を除去して結合手を表出させることができるため、表面11aおよび13aを活性化することができる。また非晶質層形成工程は真空中での処理であるため、表面11aおよび13aは、酸化等されず活性状態を保持することができる。   In the amorphous layer forming step, the oxide film and the adsorption layer on the surfaces 11a and 13a can be removed to expose the bonds, so that the surfaces 11a and 13a can be activated. Further, since the amorphous layer forming step is a treatment in a vacuum, the surfaces 11a and 13a can be kept active without being oxidized.

ステップS4において、接触工程が行われる。接触工程では、図6に示すように、支持基板12の表面に形成されている非晶質層11bと、単結晶基板14の表面に形成されている非晶質層13bとを、チャンバー101内で、真空中で接触させる。また、接触後に支持基板12と単結晶基板14とが離反しないように、不図示のジグ等を用いて固定してもよい。   In step S4, a contact process is performed. In the contact step, as shown in FIG. 6, the amorphous layer 11 b formed on the surface of the support substrate 12 and the amorphous layer 13 b formed on the surface of the single crystal substrate 14 are placed in the chamber 101. And contact in vacuum. Alternatively, the support substrate 12 and the single crystal substrate 14 may be fixed using a jig (not shown) or the like so as not to separate after contact.

ステップS5において、熱処理工程が行われる。熱処理工程では、非晶質層11bと13bとが接触している状態で、支持基板12および単結晶基板14を熱処理する。熱処理工程は、チャンバー101内で減圧下で行われても良いし、チャンバー101以外の他の炉内で行われても良い。   In step S5, a heat treatment process is performed. In the heat treatment step, the support substrate 12 and the single crystal substrate 14 are heat treated while the amorphous layers 11b and 13b are in contact with each other. The heat treatment process may be performed in the chamber 101 under reduced pressure, or may be performed in a furnace other than the chamber 101.

熱処理工程では、支持基板12および単結晶基板14が、所定温度(例えば1000℃程度)に加熱される。これにより、非晶質層11bおよび13bに、流動性を持たせることができる。非晶質層11bと13bとの接触面には、空間が形成される場合がある。形成される空間の体積は、非晶質層11bや13bの表面粗さが大きくなるほど大きくなる。そこで熱処理工程を行なうことにより、非晶質層11bおよび13bを形成している原子を流動させることができるため、非晶質層11bと13bとの接触面に形成されている空間を埋めることができる。   In the heat treatment step, the support substrate 12 and the single crystal substrate 14 are heated to a predetermined temperature (for example, about 1000 ° C.). Thereby, the amorphous layers 11b and 13b can be made fluid. A space may be formed on the contact surface between the amorphous layers 11b and 13b. The volume of the space to be formed increases as the surface roughness of the amorphous layers 11b and 13b increases. Therefore, by performing the heat treatment step, the atoms forming the amorphous layers 11b and 13b can be made to flow, so that the space formed at the contact surface between the amorphous layers 11b and 13b can be filled. it can.

また熱処理工程により、非晶質層11bおよび13bを、原子配列に規則性がない状態から、原子配列に規則性を有する状態へ再結晶化させることができる。再結晶化が完了すると、非晶質層11bおよび13bが消滅し、多結晶層13と11とが直接に接合している接合基板10が形成される。   Further, by the heat treatment step, the amorphous layers 11b and 13b can be recrystallized from a state where the atomic arrangement is not regular to a state where the atomic arrangement is regular. When the recrystallization is completed, the amorphous layers 11b and 13b disappear, and the bonded substrate 10 in which the polycrystalline layers 13 and 11 are directly bonded is formed.

<比較例>
比較例を、図7〜図10を用いて説明する。比較例では、ステップS1の多結晶層形成工程を行わずに接合基板100を作成する場合を説明する。図7は、熱処理工程(ステップS5)前における、接合基板100の接合界面近傍の部分拡大図である。図8は、図7のVIII−VIII部分の断面図である。すなわち図8は、非晶質層112bの表面を接合基板100に垂直な方向から観察した図である。図9は、熱処理工程後における、図7と同一部分の部分拡大図である。図10は、熱処理工程後における、図8と同一部分の断面図である。なお、図7〜図10では、アルゴン原子を白抜きの丸印で擬似的に示している。また図7および図9では、SiC多結晶の結晶粒界を、模擬的に網の目状に記載している。
<Comparative example>
A comparative example will be described with reference to FIGS. In the comparative example, a case where the bonded substrate 100 is formed without performing the polycrystalline layer forming process of step S1 will be described. FIG. 7 is a partially enlarged view of the vicinity of the bonding interface of the bonding substrate 100 before the heat treatment step (step S5). 8 is a cross-sectional view of the VIII-VIII portion of FIG. That is, FIG. 8 is a view of the surface of the amorphous layer 112 b observed from a direction perpendicular to the bonding substrate 100. FIG. 9 is a partially enlarged view of the same portion as FIG. 7 after the heat treatment step. FIG. 10 is a cross-sectional view of the same portion as FIG. 8 after the heat treatment step. In FIGS. 7 to 10, the argon atoms are shown in a pseudo manner by white circles. 7 and 9, the crystal grain boundaries of the SiC polycrystal are described in a net-like pattern.

図7に示すように、接合基板100では、支持基板112の表面を破壊して形成された非晶質層112bと、単結晶基板114の表面を破壊して形成された非晶質層114bとが、接触している。図7に示すように、非晶質層112bおよび114b内には、ステップS3の非晶質層形成工程によって、アルゴン原子が注入されている。熱処理工程前においては、アルゴン原子の深さ方向(すなわち図7の上下方向)の分布プロファイルは、ガウス分布に従った状態である。したがって、非晶質層112bおよび114bでは、その深さ方向の全体に、アルゴン原子が分散している状態である。また図8に示すように、熱処理工程前においては、非晶質層112bの表面を観察したときのアルゴン原子の面内分布プロファイルは均一である。換言すると、熱処理工程前においては、アルゴン原子の面内密度は一定である。これは、ステップS3において、支持基板112の表面および単結晶基板114の表面1に、アルゴンの中性原子ビームを均一に照射しているためである。   As shown in FIG. 7, in the bonding substrate 100, an amorphous layer 112b formed by destroying the surface of the support substrate 112, and an amorphous layer 114b formed by destroying the surface of the single crystal substrate 114, Is in contact. As shown in FIG. 7, argon atoms are implanted into the amorphous layers 112b and 114b by the amorphous layer forming step of step S3. Before the heat treatment step, the distribution profile of argon atoms in the depth direction (that is, the vertical direction in FIG. 7) is in a state according to a Gaussian distribution. Therefore, in the amorphous layers 112b and 114b, argon atoms are dispersed throughout the depth direction. As shown in FIG. 8, before the heat treatment step, the in-plane distribution profile of argon atoms when the surface of the amorphous layer 112b is observed is uniform. In other words, the in-plane density of argon atoms is constant before the heat treatment step. This is because in step S3, the surface of the support substrate 112 and the surface 1 of the single crystal substrate 114 are uniformly irradiated with a neutral atom beam of argon.

熱処理工程(ステップS5)では、ファーネスを用いた熱処理によって、接合基板100の全体が加熱される。また支持基板112や単結晶基板114を構成しているSiCは、Si等に比べて熱伝導率が高いため、非晶質層112bおよび114bの温度を上昇させにくいという特性を有する。従って、ファーネスを用いた熱処理では、レーザアニールなどの高速熱処理に比して、非晶質層112bおよび114bの温度上昇傾きが小さくなる。例えば、非晶質層112bや114bを、最大で数十度/秒の温度上昇傾きでしか加熱することができない。   In the heat treatment step (step S5), the entire bonded substrate 100 is heated by the heat treatment using the furnace. Further, SiC constituting the support substrate 112 and the single crystal substrate 114 has a characteristic that the temperature of the amorphous layers 112b and 114b is difficult to increase because it has higher thermal conductivity than Si and the like. Therefore, in the heat treatment using the furnace, the temperature rise inclination of the amorphous layers 112b and 114b is smaller than that in the high-speed heat treatment such as laser annealing. For example, the amorphous layers 112b and 114b can only be heated at a maximum temperature increase gradient of several tens of degrees / second.

このような比較的小さい温度上昇傾きで非晶質層112bおよび114bを熱処理する場合には、非晶質層112bおよび114bを、原子配列に規則性がない状態から、原子配列に規則性を有する状態へ再結晶化させることができる。非晶質層114bの再結晶化は、非晶質層114bと単結晶基板114との界面F1(図7参照)から非晶質層114bの内部側(すなわち図7の下側。矢印Y1参照)へ向かって、単結晶基板114の結晶構造(単結晶SiC)に倣った原子配列となるように行われる。また非晶質層112bの再結晶化は、非晶質層112bと支持基板112との界面F2(図7参照)から非晶質層112bの内部側(すなわち図7の上側。矢印Y2参照)へ向かって、支持基板112の結晶構造(多結晶SiC)に倣った原子配列となるように行われる。従って再結晶化が完了すると、図9に示すように、非晶質層112bおよび114bが消滅し、単結晶基板114と支持基板112とが直接に接合している接合基板100が形成される。非晶質層112bと114bとが一体となって再結晶化するため、単結晶基板114と支持基板112とを共有結合によって強固に接合させることができる。   When the amorphous layers 112b and 114b are heat-treated with such a relatively small temperature rise inclination, the amorphous layers 112b and 114b have regularity in the atomic arrangement from a state in which the atomic arrangement is not regular. It can be recrystallized to the state. The recrystallization of the amorphous layer 114b is performed from the interface F1 (see FIG. 7) between the amorphous layer 114b and the single crystal substrate 114 to the inside of the amorphous layer 114b (that is, the lower side of FIG. 7, see arrow Y1). ) Toward the crystal structure of the single crystal substrate 114 (single crystal SiC). Further, the recrystallization of the amorphous layer 112b is performed from the interface F2 (see FIG. 7) between the amorphous layer 112b and the support substrate 112 to the inside of the amorphous layer 112b (that is, the upper side in FIG. 7, see arrow Y2). Toward the support substrate 112, the atomic arrangement follows the crystal structure (polycrystalline SiC). Therefore, when the recrystallization is completed, as shown in FIG. 9, the amorphous layers 112b and 114b disappear, and the bonded substrate 100 in which the single crystal substrate 114 and the support substrate 112 are directly bonded is formed. Since the amorphous layers 112b and 114b are integrally recrystallized, the single crystal substrate 114 and the support substrate 112 can be firmly bonded to each other by a covalent bond.

また、アルゴンは、SiCと結晶化することのない不活性な原子である。すると、非晶質層112bおよび114bの再結晶化時において、アルゴンは結晶粒の内部に取り込まれることがないため、結晶粒界に移動することになる。すなわち結晶粒界は、アルゴンを捕捉して固定化する、ゲッターとして機能することになる。そして、非晶質層114b内のアルゴン原子は、非晶質層114bの再結晶化が進むにつれて、再結晶化が行われていない領域に移動する。すなわち、図7の矢印Y1方向へ移動する。そして、アルゴン原子が結晶粒界に到達すると、結晶粒界に捕捉されて固定化される。同様に、非晶質層112b内のアルゴン原子は、非晶質層112bの再結晶化が進むにつれて、再結晶化が行われていない領域に移動する。すなわち、図7の矢印Y2方向へ移動する。そして、アルゴン原子が結晶粒界に到達すると、結晶粒界に捕捉されて固定化される。その結果、非晶質層112bおよび114bの再結晶化が完了すると、図9に示すように、支持基板112と単結晶基板114との接合界面115の近傍、および、支持基板112内の結晶粒界にアルゴン原子が凝集することになる。   Argon is an inert atom that does not crystallize with SiC. Then, at the time of recrystallization of the amorphous layers 112b and 114b, argon is not taken into the crystal grains and moves to the crystal grain boundaries. That is, the crystal grain boundary functions as a getter that captures and fixes argon. Then, the argon atoms in the amorphous layer 114b move to a region where recrystallization is not performed as the recrystallization of the amorphous layer 114b proceeds. That is, it moves in the direction of arrow Y1 in FIG. And when an argon atom reaches | attains a crystal grain boundary, it will be trapped by the crystal grain boundary and will be fixed. Similarly, the argon atoms in the amorphous layer 112b move to a region where recrystallization is not performed as the recrystallization of the amorphous layer 112b proceeds. That is, it moves in the direction of arrow Y2 in FIG. And when an argon atom reaches | attains a crystal grain boundary, it will be trapped by the crystal grain boundary and will be fixed. As a result, when the recrystallization of the amorphous layers 112b and 114b is completed, the crystal grains in the vicinity of the bonding interface 115 between the support substrate 112 and the single crystal substrate 114 and in the support substrate 112 are obtained as shown in FIG. Argon atoms aggregate in the field.

また図10に示すように、熱処理工程後において、アルゴン原子が面内方向に移動して部分的に凝集することで、凝集部分が島状や線状に点在する場合がある。この場合に、アルゴン原子の面内分布プロファイルは不均一となる。換言すると、熱処理工程後において、アルゴン原子の面内密度に面内バラつきが発生する場合がある。   Further, as shown in FIG. 10, after the heat treatment step, argon atoms may move in the in-plane direction and partially agglomerate, whereby agglomerated portions may be scattered in islands or lines. In this case, the in-plane distribution profile of argon atoms is not uniform. In other words, in-plane variation may occur in the in-plane density of argon atoms after the heat treatment step.

以上より、比較例では、アルゴン原子の面内の分布プロファイルが、熱処理工程によって不均一な状態に変化する場合がある。すると、接合基板100を用いて各種のデバイスを作成したときに、デバイス特性の面内バラつきが発生する原因となる場合があるため、好ましくない。また比較例では、アルゴン原子の深さ方向の分布プロファイルにおいて、接合界面115の近傍にアルゴン原子が凝集する場合がある。すると、接合界面115を横切るように電流経路が形成される縦型のデバイスを作成した場合に、I−V特性が変化してしまう原因となる場合があるため、好ましくない。   As described above, in the comparative example, the in-plane distribution profile of argon atoms may change to a non-uniform state by the heat treatment process. Then, when various devices are produced using the bonding substrate 100, in-plane variation of device characteristics may occur, which is not preferable. In the comparative example, argon atoms may aggregate near the bonding interface 115 in the distribution profile of the argon atoms in the depth direction. Then, when a vertical device in which a current path is formed so as to cross the bonding interface 115 is created, it may cause a change in IV characteristics, which is not preferable.

<効果>
本明細書の開示技術の効果を、図11および図12を用いて説明する。図11は、熱処理工程(ステップS5)前における、接合基板10の接合界面近傍の部分拡大図である。図12は、熱処理工程後における、図11と同一部分の部分拡大図である。なお、図11および図12では、アルゴン原子を白抜きの丸印で擬似的に示すとともに、SiC多結晶の結晶粒界を模擬的に網の目状に記載している。
<Effect>
The effects of the disclosed technique of this specification will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a partially enlarged view of the vicinity of the bonding interface of the bonding substrate 10 before the heat treatment step (step S5). FIG. 12 is a partially enlarged view of the same portion as FIG. 11 after the heat treatment step. In FIG. 11 and FIG. 12, the argon atoms are shown in a pseudo manner with white circles, and the crystal grain boundaries of the SiC polycrystal are shown in a mesh shape.

図11に示すように、接合基板10では、支持基板12上の多結晶層11の表面を破壊して形成された非晶質層11bと、単結晶基板14上の多結晶層13の表面を破壊して形成された非晶質層13bとが、接触している。前述したように、非晶質層11bおよび13bでは、その深さ方向の全体に、アルゴン原子がガウス分布に従って分散している。また、アルゴン原子の面内分布プロファイルは均一である。   As shown in FIG. 11, in the bonding substrate 10, the amorphous layer 11 b formed by destroying the surface of the polycrystalline layer 11 on the support substrate 12 and the surface of the polycrystalline layer 13 on the single crystal substrate 14 are formed. The amorphous layer 13b formed by destruction is in contact. As described above, in the amorphous layers 11b and 13b, argon atoms are dispersed in the entire depth direction according to the Gaussian distribution. In addition, the in-plane distribution profile of argon atoms is uniform.

熱処理工程(ステップS5)では、ファーネスを用いた熱処理によって、接合基板10の全体が加熱される。これにより、非晶質層11bおよび13bを、原子配列に規則性がない状態から、原子配列に規則性を有する状態へ再結晶化させることができる。非晶質層13bの再結晶化は、非晶質層13bと多結晶層13との界面F11(図11参照)から非晶質層13bの内部側(すなわち図11の下側。矢印Y11参照)へ向かって、多結晶層13の結晶構造(多結晶SiC)に倣った原子配列となるように行われる。また非晶質層11bの再結晶化は、非晶質層11bと多結晶層11との界面F12(図11参照)から非晶質層11bの内部側(すなわち図11の上側。矢印Y12参照)へ向かって、多結晶層11の結晶構造(多結晶SiC)に倣った原子配列となるように行われる。従って再結晶化が完了すると、図12に示すように、非晶質層11bおよび13bが消滅し、多結晶層11と13とが直接に接合している接合基板10が形成される。非晶質層11bと13bとが一体となって再結晶化するため、単結晶基板14と支持基板12とを共有結合によって強固に接合させることができる。   In the heat treatment step (step S5), the entire bonded substrate 10 is heated by the heat treatment using the furnace. Thereby, the amorphous layers 11b and 13b can be recrystallized from a state where the atomic arrangement is not regular to a state where the atomic arrangement is regular. The recrystallization of the amorphous layer 13b is performed from the interface F11 (see FIG. 11) between the amorphous layer 13b and the polycrystalline layer 13 to the inside of the amorphous layer 13b (that is, the lower side of FIG. 11, see arrow Y11). ), The atomic arrangement follows the crystal structure (polycrystalline SiC) of the polycrystalline layer 13. Further, the recrystallization of the amorphous layer 11b is performed from the interface F12 (see FIG. 11) between the amorphous layer 11b and the polycrystalline layer 11 to the inside of the amorphous layer 11b (that is, the upper side in FIG. 11, see arrow Y12). ) Toward the crystal structure of the polycrystalline layer 11 (polycrystalline SiC). Therefore, when the recrystallization is completed, as shown in FIG. 12, the amorphous layers 11b and 13b disappear, and the bonded substrate 10 in which the polycrystalline layers 11 and 13 are directly bonded is formed. Since the amorphous layers 11b and 13b are integrally recrystallized, the single crystal substrate 14 and the support substrate 12 can be firmly bonded to each other by a covalent bond.

前述したように、非晶質層13b内のアルゴン原子は、非晶質層13bの再結晶化が進むにつれて図11の矢印Y11方向へ移動し、結晶粒界に捕捉されて固定化される。同様に、非晶質層11b内のアルゴン原子は、非晶質層11bの再結晶化が進むにつれて図11の矢印Y12方向へ移動し、結晶粒界に捕捉されて固定化される。その結果、非晶質層11bおよび13bの再結晶化が完了すると、図12に示すように、多結晶層11および13の接合界面15の近傍部分において、結晶粒界にアルゴン原子が固定化されている構造が完成する。   As described above, the argon atoms in the amorphous layer 13b move in the direction of the arrow Y11 in FIG. 11 as the recrystallization of the amorphous layer 13b proceeds, and are trapped and fixed at the crystal grain boundaries. Similarly, the argon atoms in the amorphous layer 11b move in the direction of the arrow Y12 in FIG. 11 as the recrystallization of the amorphous layer 11b proceeds, and are trapped and fixed at the crystal grain boundaries. As a result, when the recrystallization of the amorphous layers 11b and 13b is completed, as shown in FIG. 12, argon atoms are fixed to the crystal grain boundaries in the vicinity of the junction interface 15 of the polycrystalline layers 11 and 13. The structure is completed.

そして、再結晶化後の多結晶層11および13の平均結晶粒径は、支持基板12の平均結晶粒径よりも小さくなる。すなわち、再結晶化後の多結晶層11および13における結晶粒界の存在密度を、支持基板12における結晶粒界の存在密度よりも高くすることができる。前述したように、アルゴンは結晶粒界に捕捉され固定化されるため、結晶粒界の存在密度が高くなるほど、アルゴンの移動量を少なくすることができる。したがって、多結晶層11および13を元として形成された非晶質層11bおよび13bでは、再結晶化時におけるアルゴンの移動を抑制することが可能となる。   The average crystal grain size of the polycrystalline layers 11 and 13 after recrystallization is smaller than the average crystal grain size of the support substrate 12. That is, the existing density of crystal grain boundaries in the polycrystalline layers 11 and 13 after recrystallization can be made higher than the existing density of crystal grain boundaries in the support substrate 12. As described above, since argon is trapped and fixed at the crystal grain boundary, the moving amount of argon can be reduced as the density of the crystal grain boundary increases. Therefore, in amorphous layers 11b and 13b formed based on polycrystalline layers 11 and 13, it is possible to suppress the movement of argon during recrystallization.

その結果、非晶質層11bおよび13bの再結晶化が完了した場合のアルゴン原子の深さ方向の分布プロファイル(図12参照)を、熱処理工程前の分布プロファイル(図11参照)と同様に、ガウス分布に従った状態に維持することができる。また、非晶質層11bおよび13bの再結晶化が完了した場合のアルゴン原子の面内分布プロファイルを、熱処理工程前の分布プロファイル(図8参照)と同様に、均一な状態に維持することができる。   As a result, the distribution profile in the depth direction of argon atoms (see FIG. 12) when recrystallization of the amorphous layers 11b and 13b is completed is similar to the distribution profile before the heat treatment step (see FIG. 11). It is possible to maintain a state according to a Gaussian distribution. Further, the in-plane distribution profile of argon atoms when the recrystallization of the amorphous layers 11b and 13b is completed can be maintained in a uniform state, similar to the distribution profile before the heat treatment step (see FIG. 8). it can.

以上より、本明細書の開示技術では、アルゴン原子の面内の分布プロファイルが、熱処理工程によって不均一な状態に変化してしまうことを防止することができる。接合基板10を用いて各種のデバイスを作成したときに、デバイス特性の面内バラつきが発生してしまう事態や、I−V特性が変化してしまう事態を抑制することができる。   As described above, in the disclosed technique of the present specification, it is possible to prevent the in-plane distribution profile of argon atoms from being changed to a non-uniform state by the heat treatment process. When various devices are created using the bonding substrate 10, it is possible to suppress a situation in which in-plane variation in device characteristics occurs and a situation in which the IV characteristics change.

<その他の効果>
多結晶層11の表面近傍部分(図3、領域A1参照)における平均結晶粒径が、多結晶層11の支持基板12側のバルク部(図3、領域A2参照)における平均結晶粒径に比して小さくされている。これにより、アルゴンが注入される部分である、多結晶層11の表面近傍部分において、結晶粒界の存在密度を高めることができるため、再結晶化時におけるアルゴンの移動を効果的に抑制することが可能となる。また、多結晶層11のバルク部は、アルゴンが注入されないため、結晶粒界の存在密度が低くてもよい。したがって、多結晶層11の形成レートが高くなる条件(例:平均結晶粒径が大きくなるような条件)を使用して、バルク部を形成することができる。
<Other effects>
The average crystal grain size in the vicinity of the surface of the polycrystalline layer 11 (see FIG. 3, region A1) is larger than the average crystal grain size in the bulk portion (see FIG. 3, region A2) of the polycrystalline layer 11 on the support substrate 12 side. Have been made smaller. Thereby, since the existence density of the crystal grain boundary can be increased in the portion near the surface of the polycrystalline layer 11 where argon is implanted, the movement of argon during recrystallization is effectively suppressed. Is possible. Further, since the bulk portion of the polycrystalline layer 11 is not implanted with argon, the density of crystal grain boundaries may be low. Therefore, the bulk portion can be formed using conditions that increase the formation rate of the polycrystalline layer 11 (for example, conditions that increase the average crystal grain size).

支持基板12は多結晶SiCであるが、多結晶SiCはCMPによる平坦化が困難である。これは、多結晶SiCでは様々な面方位が表面に表出しているためである。CMPを行う場合、エッチング速度が面方位に応じて変化するため結晶粒の影響を大きく受けてしまい、平坦度が低下してしまう。しかし本明細書に記載の方法では、支持基板12上に多結晶層11を形成し、多結晶層11の表面をCMPで平坦化する。多結晶層11の平均結晶粒径は支持基板12の平均結晶粒径よりも小さいため、支持基板12の表面をCMPする場合に比して、CMP後の表面の平坦度に与える影響を抑えることができる。すなわち、多結晶層11を、平坦な表面を得るための中間層として流用することができる。   The support substrate 12 is polycrystalline SiC, but it is difficult to planarize the polycrystalline SiC by CMP. This is because various surface orientations are exposed on the surface of polycrystalline SiC. When CMP is performed, the etching rate changes depending on the plane orientation, so that it is greatly affected by crystal grains and the flatness is lowered. However, in the method described in this specification, the polycrystalline layer 11 is formed on the support substrate 12, and the surface of the polycrystalline layer 11 is planarized by CMP. Since the average crystal grain size of the polycrystalline layer 11 is smaller than the average crystal grain size of the support substrate 12, the influence on the flatness of the surface after CMP is suppressed as compared with the case where the surface of the support substrate 12 is CMPed. Can do. That is, the polycrystalline layer 11 can be used as an intermediate layer for obtaining a flat surface.

接触工程(ステップS4)では、非晶質層形成工程(ステップS3)で酸化膜や吸着層が除去された表面11aと表面13aとを、真空中において接触させるため、清浄な面同士を接合させることができる。これにより、多結晶層同士が原子レベルで直接に接合している構造を形成することができる。従って、接合基板10を用いて縦型デバイスを作成する場合に、支持基板12と単結晶基板14との界面を横切るように電流経路上が形成される場合においても、当該界面の存在によってデバイスの性能が低下(例:オン抵抗の増加)してしまうことを防止することができる。本明細書に記載されている接合方法では、縦型デバイスの製造に適した接合基板10を製造することが可能となる。   In the contact step (step S4), the surfaces 11a from which the oxide film and the adsorption layer have been removed in the amorphous layer formation step (step S3) are brought into contact with each other in a vacuum, so that clean surfaces are joined together. be able to. As a result, it is possible to form a structure in which the polycrystalline layers are directly joined at the atomic level. Therefore, when a vertical device is formed using the bonding substrate 10, even when the current path is formed so as to cross the interface between the support substrate 12 and the single crystal substrate 14, the presence of the interface causes the presence of the device. It is possible to prevent performance from degrading (eg, increase in on-resistance). With the bonding method described in the present specification, it is possible to manufacture a bonded substrate 10 suitable for manufacturing a vertical device.

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

<変形例>
多結晶層形成工程(ステップS1)では、支持基板12および単結晶基板14の少なくとも一方の表面に、多結晶層を形成すればよい。例えば、支持基板12の表面のみに多結晶層11を形成してもよい。この場合、非晶質層形成工程(ステップS3)では、単結晶基板14の表面を破壊して非晶質層を形成すればよい。
<Modification>
In the polycrystalline layer forming step (step S1), a polycrystalline layer may be formed on at least one surface of the support substrate 12 and the single crystal substrate. For example, the polycrystalline layer 11 may be formed only on the surface of the support substrate 12. In this case, in the amorphous layer forming step (step S3), the surface of the single crystal substrate 14 may be destroyed to form an amorphous layer.

多結晶層形成工程(ステップS1)で形成される多結晶層は、表面近傍部分とバルク部とで、平均結晶粒径が同一であってもよい。このような構造は、多結晶層11の形成条件を、多結晶層11の形成中に一定に維持することで実現することができる。   The polycrystalline layer formed in the polycrystalline layer forming step (step S1) may have the same average grain size in the vicinity of the surface and the bulk portion. Such a structure can be realized by maintaining the formation conditions of the polycrystalline layer 11 constant during the formation of the polycrystalline layer 11.

多結晶層形成工程(ステップS1)で形成される多結晶層は、SiCの多結晶に限られない。多結晶層は、支持基板12や単結晶基板14を構成するSiCに含まれる元素によって形成されてもよい。例えば、多結晶層はSiの多結晶であってもよいし、Cの多結晶であってもよい。   The polycrystalline layer formed in the polycrystalline layer forming step (step S1) is not limited to SiC polycrystalline. The polycrystalline layer may be formed of an element contained in SiC constituting the support substrate 12 or the single crystal substrate 14. For example, the polycrystalline layer may be Si polycrystalline or C polycrystalline.

多結晶層形成工程(ステップS1)で多結晶層を形成する方法は、PVD法に限られない。例えば、CVD(化学気相成長)法によって多結晶層を形成してもよい。また、多結晶層形成工程(ステップS1)には、各種の種類のPVD法を用いることができる。例えば、SiCの粉体を原料として用いる、熱プラズマPVDを用いてもよい。   The method for forming the polycrystalline layer in the polycrystalline layer forming step (step S1) is not limited to the PVD method. For example, the polycrystalline layer may be formed by a CVD (chemical vapor deposition) method. Various types of PVD methods can be used for the polycrystalline layer forming step (step S1). For example, thermal plasma PVD using SiC powder as a raw material may be used.

非晶質層形成工程(ステップS3)において、非晶質層を形成する方法は、アルゴンの中性原子ビーム照射に限られない。例えば、He、水素、Ar、Si、Cなどの、原子または分子またはイオンなどを注入する方法であってもよい。   In the amorphous layer forming step (step S3), the method for forming the amorphous layer is not limited to the neutral atom beam irradiation of argon. For example, a method of implanting atoms, molecules, ions, or the like such as He, hydrogen, Ar, Si, or C may be used.

単結晶基板14は、4H−SiCの単結晶に限られない。3C−SiCや6H−SiCなど、様々なポリタイプの単結晶SiCを単結晶基板14として用いることができる。   The single crystal substrate 14 is not limited to 4H—SiC single crystal. Various polytype single crystal SiC such as 3C—SiC and 6H—SiC can be used as the single crystal substrate 14.

単結晶基板14を形成するために、水素原子のアブレーションによる剥離技術(スマートカット(登録商標)とも呼ばれる)を用いてもよい。   In order to form the single crystal substrate 14, a separation technique (also referred to as Smart Cut (registered trademark)) by ablation of hydrogen atoms may be used.

支持基板12に使用される材料は、多結晶SiCに限られない。単結晶基板14に適用される各種の熱プロセスに対する耐性を有する材料であれば、何れの材料であってもよい。例えば、セラミック材料の混合材料によって形成されている焼結体であってもよい。使用するセラミック材料は、各種の材料でよく、例えば、SiC、Si、AlN、Al2O3、GaN、Si3N4、SiO2、Ta2O5、などのうちの少なくとも1種類の材料であってもよい。   The material used for the support substrate 12 is not limited to polycrystalline SiC. Any material may be used as long as it is resistant to various thermal processes applied to the single crystal substrate 14. For example, it may be a sintered body formed of a mixed material of ceramic materials. The ceramic material to be used may be various materials, and may be, for example, at least one of SiC, Si, AlN, Al2O3, GaN, Si3N4, SiO2, and Ta2O5.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

10:接合基板、11および13:多結晶層、11bおよび13b:非晶質層、12:支持基板、14:単結晶基板、101:チャンバー、102:FABガン   10: bonding substrate, 11 and 13: polycrystalline layer, 11b and 13b: amorphous layer, 12: support substrate, 14: single crystal substrate, 101: chamber, 102: FAB gun

Claims (15)

第1元素と第2元素によって構成される化合物半導体の多結晶の支持基板と、前記化合物半導体の単結晶層と、を備える半導体基板の製造方法であって、
前記支持基板の表面および前記単結晶層の表面の少なくとも一方に、前記第1元素および前記第2元素の少なくとも一方によって構成される半導体の多結晶層を形成する多結晶層形成工程と、
前記多結晶層形成工程の後に、前記支持基板の表面に真空中で1種類以上の特定原子を照射することで前記特定原子を含む第1の非晶質層を形成するとともに、前記単結晶層の表面に真空中で前記1種類以上の特定原子を照射することで前記特定原子を含む第2の非晶質層を形成する非晶質層形成工程と、
前記非晶質層形成工程が行われた真空中において、前記第1の非晶質層と前記第2の非晶質層とを接触させ、接合界面を有する接合基板を生成する接触工程と、
前記接合基板を熱処理する熱処理工程と、
を備え、
前記特定原子は、前記化合物半導体、前記第1元素の多結晶、前記第2元素の多結晶の何れとも結晶化することのない不活性な原子であり、
前記多結晶層形成工程で形成される前記多結晶層の平均結晶粒径は、前記支持基板の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とする半導体基板の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor substrate comprising a polycrystalline support substrate of a compound semiconductor composed of a first element and a second element, and a single crystal layer of the compound semiconductor,
Forming a polycrystalline layer of a semiconductor composed of at least one of the first element and the second element on at least one of the surface of the support substrate and the surface of the single crystal layer; and
After the polycrystalline layer forming step, the surface of the support substrate is irradiated with one or more types of specific atoms in a vacuum to form a first amorphous layer containing the specific atoms, and the single crystal layer An amorphous layer forming step of forming a second amorphous layer containing the specific atom by irradiating the surface of
A contact step in which the first amorphous layer and the second amorphous layer are brought into contact with each other in a vacuum in which the amorphous layer forming step is performed, and a bonded substrate having a bonded interface is generated;
A heat treatment step for heat-treating the bonding substrate;
With
The specific atom is an inert atom that does not crystallize with any of the compound semiconductor, the polycrystal of the first element, and the polycrystal of the second element,
An average crystal grain size of the polycrystalline layer formed in the polycrystalline layer forming step is smaller than an average crystal grain size of the support substrate.
前記多結晶層の平均結晶粒径は、前記支持基板の平均結晶粒径の1/100以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein an average crystal grain size of the polycrystalline layer is 1/100 or less of an average crystal grain size of the support substrate. 前記多結晶層形成工程において、前記多結晶層の表面近傍部分における平均結晶粒径が、前記多結晶層の前記支持基板側のバルク部における平均結晶粒径に比して小さくなるように、前記多結晶層の形成条件を前記多結晶層の形成中に変化させることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法。   In the polycrystalline layer forming step, the average crystal grain size in the vicinity of the surface of the polycrystalline layer is smaller than the average crystal grain size in the bulk part on the support substrate side of the polycrystalline layer. The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein a formation condition of the polycrystalline layer is changed during the formation of the polycrystalline layer. 前記多結晶層形成工程において、前記多結晶層は、物理気相成長法(PVD)によって形成されることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体基板の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein, in the polycrystalline layer forming step, the polycrystalline layer is formed by physical vapor deposition (PVD). 5. 前記多結晶層形成工程において、
前記支持基板の表面に前記多結晶層を形成する場合には、前記支持基板と前記多結晶層の原料となるターゲットとを対向させ、前記支持基板と前記ターゲットとの間に前記多結晶層の形成が進むにつれて交流成分が大きくなるような特定電圧を印加し、
前記単結晶層の表面に前記多結晶層を形成する場合には、前記単結晶層と前記ターゲットとを対向させ、前記単結晶層と前記ターゲットとの間に前記特定電圧を印加することを特徴とする請求項3または4に記載の半導体基板の製造方法。
In the polycrystalline layer forming step,
When forming the polycrystalline layer on the surface of the support substrate, the support substrate and a target that is a raw material of the polycrystalline layer are opposed to each other, and the polycrystalline layer is formed between the support substrate and the target. Apply a specific voltage that increases the AC component as the formation progresses,
When forming the polycrystalline layer on the surface of the single crystal layer, the single crystal layer and the target are opposed to each other, and the specific voltage is applied between the single crystal layer and the target. A method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 3 or 4.
前記第1元素はSiであり、
前記第2元素はCであり、
前記多結晶層はSiCで構成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体基板の製造方法。
The first element is Si;
The second element is C;
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the polycrystalline layer is made of SiC.
前記第1元素はSiであり、
前記第2元素はCであり、
前記多結晶層はCで構成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体基板の製造方法。
The first element is Si;
The second element is C;
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the polycrystalline layer is made of C. 6.
前記1種類以上の特定原子はアルゴンを含むことを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体基板の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the one or more types of specific atoms include argon. 前記多結晶層形成工程では、前記支持基板の表面に前記多結晶層が形成され、
前記支持基板の表面に形成された前記多結晶層の表面を、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)によって平坦化する平坦化工程をさらに備え、
前記平坦化工程は前記非晶質層形成工程の前に行われることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体基板の製造方法。
In the polycrystalline layer forming step, the polycrystalline layer is formed on the surface of the support substrate,
Further comprising a planarization step of planarizing the surface of the polycrystalline layer formed on the surface of the support substrate by chemical mechanical polishing.
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the planarization step is performed before the amorphous layer forming step.
第1元素と第2元素によって構成される化合物半導体の多結晶の支持基板と、
前記支持基板上に配置されている、前記第1元素および前記第2元素の少なくとも一方によって構成される半導体の多結晶層と、
前記多結晶層上に配置されている、前記化合物半導体の単結晶層と、
を備え、
前記多結晶層の平均結晶粒径は、前記支持基板の平均結晶粒径よりも小さく、
前記多結晶層の前記単結晶層側の表面近傍部分の結晶粒界に、1種類以上の特定原子が複数存在しており、
前記特定原子は、前記化合物半導体、前記第1元素の多結晶、前記第2元素の多結晶の何れとも結晶化することのない不活性な原子であることを特徴とする半導体基板。
A polycrystalline support substrate of a compound semiconductor composed of a first element and a second element;
A semiconductor polycrystalline layer composed of at least one of the first element and the second element, disposed on the support substrate;
A single-crystal layer of the compound semiconductor disposed on the polycrystalline layer;
With
The average crystal grain size of the polycrystalline layer is smaller than the average crystal grain size of the support substrate,
There are a plurality of one or more types of specific atoms at a grain boundary near the surface of the polycrystalline layer on the single crystal layer side,
The semiconductor substrate, wherein the specific atom is an inert atom that does not crystallize with any of the compound semiconductor, the first element polycrystal, and the second element polycrystal.
前記多結晶層の平均結晶粒径は、前記支持基板の平均結晶粒径の1/100以下であることを特徴とする請求項10に記載の半導体基板。   The semiconductor substrate according to claim 10, wherein an average crystal grain size of the polycrystalline layer is 1/100 or less of an average crystal grain size of the support substrate. 前記多結晶層の前記単結晶層側の表面近傍部分における平均結晶粒径は、前記多結晶層の前記支持基板側のバルク部における平均結晶粒径に比して小さいことを特徴とする請求項10または11に記載の半導体基板。   The average crystal grain size in the vicinity of the surface on the single crystal layer side of the polycrystalline layer is smaller than the average crystal grain size in the bulk part on the support substrate side of the polycrystalline layer. The semiconductor substrate according to 10 or 11. 前記第1元素はSiであり、
前記第2元素はCであり、
前記多結晶層はSiCで構成されていることを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の半導体基板。
The first element is Si;
The second element is C;
The semiconductor substrate according to claim 10, wherein the polycrystalline layer is made of SiC.
前記第1元素はSiであり、
前記第2元素はCであり、
前記多結晶層はCで構成されていることを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の半導体基板。
The first element is Si;
The second element is C;
The semiconductor substrate according to claim 10, wherein the polycrystalline layer is made of C.
前記1種類以上の特定原子はアルゴンを含むことを特徴とする請求項10〜14の何れか1項に記載の半導体基板。   The semiconductor substrate according to claim 10, wherein the one or more types of specific atoms include argon.
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