JP6298926B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
素子用支持基板110は、電流が縦方向(図の上下方向)に流れる領域であり、20mΩ・cm以下の低い抵抗率とされる。一方、能動層120は、高電圧の耐圧が必要であるため、素子用支持基板110と比べて2〜3桁高い抵抗率とされている。SiCを用いる半導体素子はバンドギャップ幅が大きいため、能動層120の厚さが5〜10μm程度と薄くできることが特徴である。素子用支持基板110の厚さは、単結晶基板の取り扱い時の割れ防止等のため、6インチ基板の場合、300μm程度とされる。能動層120は、素子用支持基板110の上にエピタキシャル成長によって形成されるため、その結晶性は下地となる素子用支持基板110に依存する。このため、素子用支持基板110のSiCの結晶品質が重要となる。
これらの知見から、結晶性を問わない安価な多結晶基板と結晶性の良い単結晶基板とを接合することにより、安価且つ結晶性の良い基板を形成することも考えられる。
この問題を解決するため、結晶性を問わない安価な厚い基板と結晶性の良い基板の薄膜層とを貼り合わせることにより、安価で且つ結晶性の良い素子基板を形成する種々の手法が提案されてきた。しかし、多結晶基板と単結晶基板とを接合する従来の製造手法では、完成された半導体基板に接合界面が存在するため、高品質な半導体基板を得ることが困難である。これに対して、特許文献2には、最終的には接合界面が存しない半導体基板を貼り合わせによって製造する方法が開示されている。
特許文献2に記載された製造方法では、泥弱層を形成した単結晶SiC基板にベース基板を貼り付けた後、熱処理をして泥弱層で単結晶SiC基板を剥離させることによって、ベース基板上に単結晶SiC層が積層された堆積用基板が形成される。そして、その単結晶SiC層上に支持体を堆積させた後、ベース基板が除去される。これによって、素子の活性領域となる単結晶SiC層の上に支持体が堆積された半導体基板が得られるとされている。しかし、通常、薄い単結晶SiC層の上に厚い支持体層を形成すれば、特にその周縁部分の結晶性の不均一性のために内部応力の不均一が発生する。そのため、上記ベース基板のような仮設固定手段を除去した後に反りが発生してしまうという大きな問題があった。特にSiCの場合には、1200〜1600℃という高温度の下で気層成長させることになり、ウェーハ周縁部分に応力の不均一が発生し易い。
したがって、結晶性を問わない安価な基板と結晶性の良い基板の薄膜層とを貼り合わせ、最終的にその接合界面が存しない高品質な半導体基板を実用化するためには、上記支持体層を設ける構造及び工程を改善し、半導体基板に生じる内部応力の不均一を取り除くことが必要である。
1.第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板の表面から所定の深さに水素イオンを注入して水素層を形成する水素層形成工程と、前記第1基板の前記表面と仮基板とを接合する接合工程と、前記仮基板と接合された前記第1基板を、前記水素層を境界として分離させ、前記第1基板の分離された前記表面側を第1薄膜層として前記仮基板上に残す第1分離工程と、前記第1薄膜層が残された前記仮基板上に第2の半導体材料からなる支持層を形成する支持層形成工程と、前記仮基板を除去することにより、前記支持層上に前記第1薄膜層が積層された第2基板を得る第2分離工程と、前記第2基板の外周から所定範囲の周縁部を切除する切除工程と、を備え、前記第1基板は円板状又は円柱状であり、前記仮基板の前記第1基板と接合する面の外形は前記第1基板の径以上であり、前記切除工程は、少なくとも前記第1薄膜層の径を超える部分を前記周縁部として除去することを特徴とする半導体基板の製造方法。
2.前記第1基板と接合される前記仮基板の表面上には接合層が形成されており、前記第2分離工程は前記接合層を残して前記仮基板を除去することにより、前記第2基板には前記接合層が積層されており、前記第2基板から前記接合層を除去する接合層除去工程を備える前記1.記載の半導体基板の製造方法。
3.前記仮基板はカーボン基板であり、前記接合層はSiC多結晶からなる前記2.記載の半導体基板の製造方法。
4.前記仮基板はSiC基板であり、前記接合層はSiO2からなる前記2.記載の半導体基板の製造方法。
5.前記第1基板の前記表面には第1接合層が形成されており、前記第1基板と接合される前記仮基板の表面上には第2接合層が形成されており、前記接合工程において、前記第1接合層が形成された前記第1基板の表面と前記第2接合層が形成された前記仮基板の表面とが接合され、前記第1接合層はSiO2及びSiのうちの一方からなり、前記第2接合層はその他方からなる前記1.記載の半導体基板の製造方法。
6.前記仮基板はカーボン基板であり、前記第1接合層はSiからなり、前記第2接合層はSiO2からなる前記5.記載の半導体基板の製造方法。
7.前記第1基板の前記表面にはSiO2からなる第1接合層が形成されており、前記仮基板はSi基板であり、前記接合工程において、前記第1接合層が形成された前記第1基板の表面と前記Si基板の表面とが接合される前記1.記載の半導体基板の製造方法。
8.前記第1の半導体材料及び前記第2の半導体材料はSiCであり、前記支持層は単結晶又は多結晶からなる前記1.乃至7.のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
9.前記第1の半導体材料はGaN又は酸化ガリウムであり、前記第2の半導体材料はSiCであり、前記支持層は単結晶又は多結晶からなる前記1.乃至7.のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
10.前記第1薄膜層の表層部、及び前記支持層の前記第1薄膜層側の界面部、のうちの少なくとも1つに高濃度の不純物を導入する不純物導入工程を備える前記1.乃至9.のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
11.前記第1分離工程により前記第1薄膜層が残された側の前記仮基板の上に、第3の半導体材料からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程を備え、前記支持層形成工程は、前記バッファ層上に前記支持層を形成し、前記第2基板は、前記支持層上に前記バッファ層及び前記第1薄膜層が積層されている前記1.乃至10.のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
12.前記第3の半導体材料はSiCであり、前記バッファ層は多結晶又は非晶質である前記11.記載の半導体基板の製造方法。
参考として、上記半導体基板の製造方法により製造される半導体基板は、第1の半導体材料の単結晶からなる第1薄膜層と、前記第1薄膜層上に成膜されたSiC多結晶からなる支持層と、前記第1薄膜層の前記支持層とは反対側の表面上に成膜された単結晶からなる素子形成用単結晶層と、を備え、前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちのいずれかであり、前記素子形成用単結晶層はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちのいずれかからなる。
また、上記半導体基板の製造方法により製造される別の半導体基板は、第1の半導体材料の単結晶からなる第1薄膜層と、前記第1薄膜層上に成膜された多結晶SiC又は非晶質SiCからなるバッファ層と、前記バッファ層上に成膜されたSiC多結晶からなる支持層と、前記第1薄膜層の前記支持層とは反対側の表面上に成膜された単結晶からなる素子形成用単結晶層と、を備え、前記第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちのいずれかであり、前記素子形成用単結晶層はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちのいずれかからなる。
また、最終的な半導体基板には、第1基板と仮基板との接合界面が存しないので、接合界面で発生する各種の金属の存在や、接合時に混入する各種パーティクルによる接合欠陥を排除することができる。また、第1基板と仮基板との接合面は必ずしも完全でなくともよいため、接合のために行う各基板表面の平坦化処理を簡素化することも可能である。
そして、第2基板の周縁部が除去されるので、高速な支持層の成膜により特に周縁部で発生する内部応力の不均一な部分が切断分離され、反りが少ない実用的な半導体基板を形成することができる。
以上により、半導体素子の能動層となる単結晶をエピタキシャル成長させるために必要である高品質な薄い単結晶層が低コストの支持層上に形成されており、且つ反りの小さな半導体基板が安価に実現できる。
また、前記仮基板はSiC基板であり、前記接合層はSiO2からなる場合には、水酸化基の効果により室温にて水を介在させて容易に接合可能であり、仮基板4の分離は、弗酸等によりSiO2層を除去することにより可能になる。
前記仮基板はカーボン基板であり、前記第1接合層はSiからなり、前記第2接合層はSiO2からなる場合には、水酸化基どうしの界面により第1基板とカーボン基板との接合が容易となり、カーボン基板は焼却等により容易に除去することができる。
前記第1基板の前記表面にはSiO2からなる第1接合層が形成されており、前記仮基板はSi基板であり、前記接合工程において、前記第1接合層が形成された前記第1基板の表面と前記Si基板の表面とが接合される場合には、水酸化基を利用して第1基板とSi基板とを容易に接合することができ、Si基板は研削やエッチング等により容易に除去することができる。
また、支持層の結晶性は問わないため、300μm程度の厚さが必要とされる支持層を結晶欠陥の密度に配慮することなく高速に成長させ、SiC半導体基板を低コストで製造することができる。また、結晶性を問わないSiC支持層は、窒素等を高濃度に添加することにより低抵抗とすることができる。従来、単結晶SiCでは窒素濃度を高めると結晶欠陥が増えるという背反事象のために窒素濃度には限度があり、抵抗率を20mΩ・cm程度とすることが限界であった。例えば、図18に示した素子用支持基板110は単結晶SiCからなり、能動層120をエピタキシャル成長させるための下地となると共に、支持基板としての機能を有している。素子用支持基板110の抵抗率を低く(20mΩ・cm程度)するために窒素濃度が極めて高い状態であり、結晶欠陥の増加を招いている。これに対して、本発明における第1薄膜層は、支持基板としての機能が不要であるため、窒素濃度を低くして結晶欠陥を低減することができる。一方、結晶性を問わないSiC支持層は、窒素濃度を大幅に増やすことにより、抵抗率を10mΩ・cm以下と低くすることが可能である。更に、SiCに他の半導体材料を混ぜることにより抵抗率を低くすることも可能である。このように単結晶SiCを大幅に下回る低抵抗化が可能であることは、基板の縦方向に電流を流す半導体素子の用途では大きなメリットとなる。また、結晶性を問わないSiC層は単結晶SiCと比較して強靭にすることができるため、支持層の厚さを300μmより薄くすることが可能となり、SiC半導体基板の更なる低コスト化を図ることができる。
また、SiCからなる支持層の結晶性は問わないため、300μm程度の厚さが必要とされる支持層を結晶欠陥の密度に配慮することなく高速に成長させ、半導体基板を低コストで製造することができる。
また、本発明の半導体基板の製造方法により製造される別の半導体基板は、多結晶SiC又は非晶質SiCからなるバッファ層を備えるため、より均一性の高い支持層を高速に成膜することが可能であり、より反りが小さく低コストの半導体基板とすることができる。
図1(a)〜(f)に示すように、本製造工程は、第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板2の一方の表面から所定の深さに水素イオンを注入して水素層3を形成する水素層形成工程(a)と、第1基板2の前記表面と仮基板4とを接合する接合工程(b)と、仮基板4と接合された第1基板2を、水素層3を境界として分離させ、第1基板2の分離された前記表面側を第1薄膜層22として仮基板4上に残す第1分離工程(c)と、第1薄膜層22が残された仮基板4上に第2の半導体材料からなる支持層6を形成する支持層形成工程(d)と、仮基板4を除去することにより、支持層6上に第1薄膜層22が積層された第2基板7を得る第2分離工程(e)と、第2基板7の外周から所定範囲の周縁部72を切除する切除工程(f)と、を備えている。
第1基板2は、第1の半導体材料の単結晶からなっており、結晶性の良い基板である。第1の半導体材料の種類は特に問わず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等が挙げられる。図1(a)に示すように、水素層形成工程においては、第1基板22の一方の表面(図の下面側)から所定の深さ(例えば、0.5μmの深さ)に水素イオンを注入することにより、水素層3が形成される。水素層3によって区分される第1基板2の前記表面側を薄膜部22、その反対側を基体部24と呼ぶ。
図1(b)に示すように、接合工程においては、水素層3が形成された第1基板2の前記表面すなわち薄膜部22の表面と、仮基板4とが接合される。仮基板4の材料は特に問わず、半導体(例えば、多結晶SiC)、炭素及び金属のうちの少なくとも1つを用いることができる。また、仮基板4の接合及び後の分離を容易にするために、仮基板4の第1基板2との接合面の表層部に、所定の厚さの接合層(44)を設けておくことができる(図5参照)。第1基板2と仮基板4との接合方法は特に問わず、種々の手法を適用して両者を貼り合わせることが可能である(後述)。
次に、第1分離工程において、前記接合工程によって仮基板4と接合された第1基板2を、高温度状態にて、水素層3を境界として分離させる。これによって、図1(c)に示すように、第1基板2の分離された薄膜部22(以下、第1薄膜層22という。)が、仮基板4上に残される。第1基板2の分離された基体部24は、再び第1基板2として利用可能である。
第1分離工程の後、図1(d)に示す支持層形成工程において、第1薄膜層22が残された仮基板4の面の全体に、第2の半導体材料からなる支持層6が形成される。第2の半導体材料の種類は特に問わず、例えば、SiC、GaN等が挙げられる。また、形成される支持層6の結晶性は問わず、単結晶でも多結晶でもよい。よって、数百μmの厚さの支持層6を高速に成長させることも可能である。
前記支持層形成工程の後、図1(e)に示すように、第2分離工程において仮基板4を除去することにより、支持層6上に第1薄膜層22が積層されている第2基板7を得ることができる。本工程により、単結晶の第1薄膜層22を支持する基板の役割は、支持層6が担うことになる。図1(e)では仮基板4の全体が除去されているが、仮基板4はその表層部を残して分離されてもよい。すなわち、第2分離工程では、前記接合層(44)を残して仮基板4が除去されてもよい(図5参照)。その場合、第2基板7の第1薄膜層22に接して接合層(44)が残存することとなる。この接合層(44)は、後に行う接合層除去工程によって除去することが可能である。
切除工程においては、第2基板7の外周から所定範囲の周縁部72を切除する。これによって、半導体基板を完成させることができる。周縁部72として切除する範囲は、仮基板4を除去した後に生じる半導体基板の反りとの関係で、適宜設定することができる(後述)。図1(f)は、第1薄膜層22の外周(すなわち、母材となった第1基板2の外周)を超える部分が、周縁部72として切断除去された状態を表している。
以上の工程によって、支持層6上に第1薄膜層22を備え、第2基板7の外周から所定範囲の周縁部72が切除されて形成されている半導体基板10を得ることができる。
第1薄膜層22の表面を平坦にするため、本半導体基板の製造方法は、接合層除去工程を備えることができる。接合層除去工程においては、第1薄膜層22が必要な表面粗さとなるように研磨等される。研磨の方法は問わず、例えば化学機械研磨(CMP)を行うことができる。
前記切除工程と、接合層除去工程とは、どちらを先に行ってもよい。すなわち、第2基板7の第1薄膜層22表面を研磨した後に周縁部72を除去してもよいし、周縁部72を除去した後に第1薄膜層22表面を研磨してもよい。
また、前記のとおり、前記第2分離工程において接合層(44)を残して仮基板4を除去した場合、第2基板7の第1薄膜層22上には接合層(44)が積層されていることになる(図5(d)参照)。この接合層(44)は、接合層除去工程によって除去することができる。これによって、前記接合工程において接合された第1薄膜層22と仮基板4との接合界面層が完全に除去され、結晶性の良い第1薄膜層22の面が表面に現れる。
(バッファ層形成工程)
図4(a)は、前記第1分離工程により第1薄膜層22が残された側の仮基板4の上に、第3の半導体材料からなるバッファ層5を形成するバッファ層形成工程を示している。第3の半導体材料の種類は特に限定されず、例えばSiCとすることができる。バッファ層5の結晶性は問わず、多結晶又は非晶質として形成することができる。
また、仮基板4上で第1薄膜層22が存在する領域は、バッファ層5がほぼ第1薄膜層22の厚さ分盛り上がる。そのまま次工程に移行してもよいが、必要な場合には、CMP等によりバッファ層5の表面を平坦化させてもよい。
なお、バッファ層5を形成するに際しては、第1薄膜層22及びその周辺の仮基板4の表面を粗研磨して、バッファ層5となる半導体層(例えばSiC多結晶)が成長し易い表面とすることも可能である。
第2分離工程において仮基板4が除去された後の第2基板7は、図4(c)に示すように、支持層6上に、バッファ層5及び第1薄膜層22が順に積層された構造となる。
図4(d)は、切除工程により、第2基板7の外周から所定範囲の周縁部72が切除された状態を示している。更に、結晶性の良い第1薄膜層22の表面を平坦化する接合層除去工程を備えることができる。
以上の工程によって、支持層6上にバッファ層5及び第1薄膜層22を備え、第2基板7の外周から所定範囲の周縁部72が除去されて形成されている半導体基板12を得ることができる。
(不純物導入工程)
例えば、第1薄膜層22をSiC単結晶とし、支持層6をSiC多結晶とする場合には、図1(d)に示した支持層形成工程において、第1薄膜層22と支持層6との界面に高濃度N型層を形成すればよい。また、図4(b)に示した支持層形成工程において、支持層6を形成する前に、第1薄膜層22の表層に窒素をイオン注入することにより高濃度N型層を形成すればよい。高濃度N型層は、支持層6の形成前に、窒素雰囲気中において表層に窒素を取り込ませることによっても可能である。その他、高濃度N型層は、支持層6を形成した後(図1(e)又は図4(c))に第1薄膜層22側の表面をCMP等により平坦化し、その後に、単結晶の第1薄膜層22と支持層6との界面にイオン注入により窒素を添加することによって形成することも可能である。
上記のように高濃度N型層を形成するために用いる元素は窒素に限らず、リン等、N型になる元素であれば広く用いることができる。
このため、図5(a)に示すように、仮基板4の第1基板2と接合される表面に、接合層44を形成しておくことができる。仮基板4は、本体部42と接合層44とから構成されている。そして、接合工程においては、同図(b)に示すように、接合層44の表面と第1基板2(第1薄膜層22)とが接合される。続く第1分離工程により、接合層44上に第1薄膜層22を残して第1基板2の基体部24が分離される。そして、支持層形成工程により、第1薄膜層22上に支持層6が形成される(同図(c))。第1薄膜層22上にバッファ層5を設け、その上に支持層6が形成されてもよい。その後、第2分離工程において、接合層44を残して仮基板4の本体部42を除去するようにすることができる(同図(d))。これにより第2基板7には接合層44が残存するが、最終的に接合層44は接合層除去工程により除去することができる(同図(e))。
透明基板423として、第1薄膜層22と熱膨張係数が等しいSiC基板を用いることも可能である。SiC基板は透過性があるのでレーザ光によりリフトオフが可能である。
図7は、予め第1基板2の表面に水酸化基薄膜を形成し、第1基板2と接合される仮基板4の表面上に水酸化基薄膜を形成し、前記接合工程において、水酸化基薄膜が形成された第1基板2の表面と、水酸化基薄膜が形成された仮基板4の表面とを接合して半導体基板を製造する工程を示している。
同図(a)に示すように、第1の半導体材料(例えばSiC)の単結晶からなる第1基板2の一方の表面(図の下面側)には、水酸化基薄膜としてSi薄膜25が形成されている。また、前記水素層形成工程において、第1基板2の上記一方の表面から所定の深さ(例えば、0.5μmの深さ)に水素イオンを注入することにより、水素層3が形成されている。水素層3によって区分される第1基板2の前記表面側を薄膜部22、その反対側を基体部24と呼ぶ。また、表層に形成されたSi薄膜25を含めた全体を第1基板2と呼ぶ。
一方、同図(b)に示すように、カーボンからなる仮基板4の第1基板2と接合される表面に、水酸化基薄膜としてSiO2薄膜45が形成されている。すなわち、本例において仮基板4は、カーボン基板42とSiO2薄膜45とから構成されている。そして、接合工程においては、同図(c)に示すように、仮基板4の表層のSiO2薄膜45と、第1基板2の表層のSi薄膜25とが接合される。
続く第1分離工程により、仮基板4上にSi薄膜25を介して接合された薄膜部(第1薄膜層)22を残し、第1基板2の基体部24が分離される(同図(d))。次に、支持層形成工程により、第1薄膜層22上に支持層6が形成される(同図(e))。支持層6として、例えば熱CVDによりSiC層(結晶性を問わない)を形成することができる。支持層6は、第1薄膜層22の径よりも大きい仮基板4上に形成されるため、第1薄膜層22の上面だけでなく側面部を覆うように形成されている。なお、第1薄膜層22上にバッファ層5を設け、その上に支持層6が形成されてもよい。その後、第2分離工程において、仮基板4を除去することができる(同図(f))。仮基板4を構成していたカーボン基板42は焼却により、SiO2薄膜45はエッチングにより、除去することができる。
以上により、Si薄膜25、第1薄膜層22及び支持層6が積層された第2基板7が得られる。同図(g)は、切除工程により、第2基板7の外周から第1薄膜層22の径を超える周縁部72を切除し、また残存するSi薄膜25をエッチングにより除去した状態を示している。更に、必要に応じて、第1薄膜層22表面をCMP(化学機械研磨)により平坦化すれば、その第1薄膜層22上に半導体素子を形成するための高品質な単結晶層(例えば、SiC単結晶層)をエピタキシャル成長等させることができる。なお、同図(a)に示した状態において、Si薄膜25を形成する前に薄膜部(第1薄膜層)22の表面がCMPにより研磨されていれば、Si薄膜25の除去後に研磨することなく、そのまま単結晶層をエピタキシャル成長させることができる。
同図(a)に示すように、第1の半導体材料(例えばSiC)の単結晶からなる第1基板2の一方の表面(図の下面側)には、水酸化基薄膜としてSiO2薄膜26が形成されている。また、前記水素層形成工程において、第1基板2の上記一方の表面から所定の深さ(例えば、0.5μmの深さ)に水素イオンを注入することにより、水素層3が形成されている。水素層3によって区分される第1基板2の前記表面側を薄膜部22、その反対側を基体部24と呼ぶ。また、表層に形成されたSiO2薄膜26を含めた全体を第1基板2と呼ぶ。
一方、同図(b)に示す仮基板4は、Si基板である。そして、接合工程においては、同図(c)に示すように、仮基板4と、第1基板2の表層のSiO2薄膜26とが接合される。この接合は、SiO2とSiの界面の水酸基により行われる。具体的には、Si薄膜25及びSiO2薄膜層45の表面の平坦度がRa0.1nm程度であれば、水の介在で容易に接合可能である。
続く第1分離工程により、仮基板4上にSiO2薄膜26を介して接合された薄膜部(第1薄膜層)22を残し、第1基板2の基体部24が分離される(同図(d))。次に、支持層形成工程により、第1薄膜層22上に支持層6が形成される(同図(e))。支持層6として、例えば熱CVDによりSiC層(結晶性を問わない)を形成することができる。支持層6は、第1薄膜層22の径よりも大きい仮基板4上に形成されるため、第1薄膜層22の上面だけでなく側面部を覆うように形成されている。なお、第1薄膜層22上にバッファ層5を設け、その上に支持層6が形成されてもよい。その後、第2分離工程において、仮基板4を除去することができる(同図(f))。仮基板4はSi基板であるため、例えば、研磨により薄肉化し、その後エッチングにより除去することができる。
以上により、SiO2薄膜26、第1薄膜層22及び支持層6が積層された第2基板7が得られる。同図(g)は、切除工程により、第2基板7の外周から第1薄膜層22の径を超える周縁部72を切除し、また残存するSiO2薄膜26をエッチングにより除去した状態を示している。この後、必要に応じて第1薄膜層22表面をCMPにより研磨すれば、その第1薄膜層22上に半導体素子を形成するための高品質な単結晶層(例えば、SiC単結晶層)をエピタキシャル成長等させることができる。
続く第1分離工程により、仮基板4の両面上にそれぞれSi薄膜25を介して接合された薄膜部(第1薄膜層)22を残し、2つの第1基板2の基体部24が分離される(同図(d))。次に、支持層形成工程により、仮基板4の両面上にそれぞれ残された第1薄膜層22上に、支持層6が形成される(同図(e))。その後、第2分離工程において、仮基板4が除去される。同図(f)は、仮基板4が除去された1面側の基板を表している。 この製造方法により、仮基板4の各面からそれぞれ、同図(g)に示すように第1薄膜層22及び支持層6が積層された第2基板7を得ることができる。
続く第1分離工程により、仮基板4の両面上にそれぞれSiO2薄膜26を介して接合された薄膜部(第1薄膜層)22を残し、2つの第1基板2の基体部24が分離される(同図(d))。次に、支持層形成工程により、仮基板4の両面上にそれぞれ残された第1薄膜層22上に、支持層6が形成される(同図(e))。その後、第2分離工程において、仮基板4が除去される。仮基板(Si基板)4は、例えば、上記両面と平行に中央を切断し、それぞれ薄肉化した上でエッチングすることにより除去することができる。同図(f)は、仮基板4が除去された1面側の基板を表している。
この製造方法により、仮基板4の各面からそれぞれ、同図(g)に示すように第1薄膜層22及び支持層6が積層された第2基板7を得ることができる。
図7及び9に示した製造方法において、Si薄膜25とSiO2薄膜45とを入れ替え、SiO2薄膜25及びSi薄膜45とすることも可能である。ただし、カーボン基板上にSi薄膜45が形成されており、Siの融点を越える高温においてSiCからなる支持層6を形成する場合には、Si薄膜45の厚さを薄くすることが好ましい。
以上のような製造方法により製造された半導体基板(10、12、14、15、16、17、18)が、半導体素子用の支持基板(例えば、図14に示した素子用支持基板110)となる。半導体基板(10、12等)上に必要な厚さ(5〜10μm)と必要なN型濃度を持つ単結晶層を形成することにより、パワー素子を形成するための基板とすることができる。
そのためには、半導体基板(10、12等)を基に、半導体素子の能動層となる単結晶層(素子形成用単結晶層)(8)を形成する。単結晶層形成工程は、半導体基板(10、12等)の支持層6上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1薄膜層22の上に、第1の半導体材料からなる単結晶層(8)をエピタキシャル成長により形成する工程である。支持層6と第1薄膜層22との間にバッファ層5が設けられていてもよい。
図11(c)は、厚いSiC単結晶基板28の上に、能動層となるSiC単結晶層82をエピタキシャル成長により形成する従来の構造例を示している。このSiC単結晶層82の結晶性は、下地であるSiC単結晶基板28の結晶品質を継承するものとなるが、SiC単結晶基板28は、その径が6インチの場合、厚さ300μm程度とするのが一般的である。本発明の製造方法において使用するSiC単結晶層(第1薄膜層22)の厚さは0.5〜1μm程度であり、従来のSiC単結晶基板28に比べてはるかに薄くて済む。
本例において、単結晶の第1基板2は4H−SiCであり、外径6インチで厚さ500μmである。水素層形成工程(図1(a)参照)において、第1基板2の表面から0.5μmの深さに1020/cm2程度の水素イオンを注入することによって、水素層3が形成される。水素層3を境界として、第1基板2の前記表面側が第1薄膜層22となる。
また、仮基板4は、外径8インチで厚さ10mmのカーボン基板421上に、接合層として厚さ1μmのSiC多結晶層441が形成されている。カーボン基板421の厚さは2mm程度であってもよい。
上記により分離された第1基板2の基体部24は、再び第1基板2として利用可能である。第1基板2の厚さは特に限定されず、例えば、最初に厚さ1mmであった場合、1度の水素層3の形成で0.5μm程度減少するだけなので、数百回以上の再利用が可能となる。
そして、接合層除去工程において第1薄膜層22側の表面を研磨することによって、接合層441が除去されると共に、第1薄膜層22と接合層441とが接合された界面は除去される。これによって、平坦度の良いSiC単結晶からなる第1薄膜層22の面が半導体基板の表面に現れる。
図15は、前図に示したSiC多結晶からなる支持層6の沿面領域のSEM画像である。図15(a)は、上記「A」部すなわち基板面中央部におけるEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)であり、同図(b)は、上記「B」部すなわち基板面周縁部におけるEBSDである。本図で明らかなように、SiC多結晶の表層部には結晶の乱れが生じている。そして、基板面周縁部においては多結晶層に不連続性があり、結晶性が大きく乱れていることが分かる。
図17は、除去する周縁部72の範囲すなわち切断線の第2基板7の外周からの距離L(横軸)と、周縁部72除去後の基板の反り量D(縦軸)の計測結果の例を表すグラフである。本例においては、周縁部72を除去しない場合(L=0mm)には、基板には大きな反り(D=約200μm)が生じる。この反り量Dは、切断線の外周からの距離Lを大きくする程小さくなる。一般的には、半導体基板の反り量Dは50μm以下である必要がある。本例では、外周からの距離Lを約20mm以上として周縁部を切除すれば、反り量Dは50μmよりも大幅に小さくなり、半導体基板に求められる要件を満たすことができるといえる。
Claims (12)
- 第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板の表面から所定の深さに水素イオンを注入して水素層を形成する水素層形成工程と、
前記第1基板の前記表面と仮基板とを接合する接合工程と、
前記仮基板と接合された前記第1基板を、前記水素層を境界として分離させ、前記第1基板の分離された前記表面側を第1薄膜層として前記仮基板上に残す第1分離工程と、
前記第1薄膜層が残された前記仮基板上に第2の半導体材料からなる支持層を形成する支持層形成工程と、
前記仮基板を除去することにより、前記支持層上に前記第1薄膜層が積層された第2基板を得る第2分離工程と、
前記第2基板の外周から所定範囲の周縁部を切除する切除工程と、
を備え、
前記第1基板は円板状又は円柱状であり、前記仮基板の前記第1基板と接合する面の外形は前記第1基板の径以上であり、前記切除工程は、少なくとも前記第1薄膜層の径を超える部分を前記所定範囲の周縁部として除去することを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記第1基板と接合される前記仮基板の表面上には接合層が形成されており、
前記第2分離工程は前記接合層を残して前記仮基板を除去することにより、前記第2基板には前記接合層が積層されており、
前記第2基板から前記接合層を除去する接合層除去工程を備える請求項1記載の半導体基板の製造方法。 - 前記仮基板はカーボン基板であり、前記接合層はSiC多結晶からなる請求項2記載の半導体基板の製造方法。
- 前記仮基板はSiC基板であり、前記接合層はSiO2からなる請求項2記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1基板の前記表面には第1接合層が形成されており、
前記第1基板と接合される前記仮基板の表面上には第2接合層が形成されており、
前記接合工程において、前記第1接合層が形成された前記第1基板の表面と前記第2接合層が形成された前記仮基板の表面とが接合され、
前記第1接合層はSiO2及びSiのうちの一方からなり、前記第2接合層はその他方からなる請求項1記載の半導体基板の製造方法。 - 前記仮基板はカーボン基板であり、前記第1接合層はSiからなり、前記第2接合層はSiO2からなる請求項5記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1基板の前記表面にはSiO2からなる第1接合層が形成されており、
前記仮基板はSi基板であり、
前記接合工程において、前記第1接合層が形成された前記第1基板の表面と前記Si基板の表面とが接合される請求項1記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第1の半導体材料及び前記第2の半導体材料はSiCであり、前記支持層は単結晶又は多結晶からなる請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1の半導体材料はGaN又は酸化ガリウムであり、前記第2の半導体材料はSiCであり、前記支持層は単結晶又は多結晶からなる請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1薄膜層の表層部、及び前記支持層の前記第1薄膜層側の界面部、のうちの少なくとも1つに高濃度の不純物を導入する不純物導入工程を備える請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1分離工程により前記第1薄膜層が残された側の前記仮基板の上に、第3の半導体材料からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程を備え、
前記支持層形成工程は、前記バッファ層上に前記支持層を形成し、前記第2基板は、前記支持層上に前記バッファ層及び前記第1薄膜層が積層されている請求項1乃至10のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第3の半導体材料はSiCであり、前記バッファ層は多結晶又は非晶質である請求項11記載の半導体基板の製造方法。
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