JP7113554B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor substrate - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の製造方法及び半導体基板に関する。詳しくは、暫定的な基板を使用することにより厚さが薄く且つ高耐圧の半導体素子を製造する半導体素子の製造方法、及び高耐圧半導体素子が形成された半導体基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor substrate. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device having a thin thickness and a high withstand voltage by using a temporary substrate, and a semiconductor substrate on which a high withstand voltage semiconductor device is formed.

高電圧用途の半導体素子の基板として、バンドギャップ幅が大きい炭化ケイ素(SiC)半導体基板が着目されている。図16(a)は、SiCからなる一般的な縦型構造のショットキーダイオード(91)の断面構造を示している。単結晶からなる支持基板901上に能動層902がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層902の領域にガードリングとなるP型不純物層911、912、及びショットキー電極913が形成されている。電流iは、ショットキー電極913と支持基板901の底面に形成されている裏面電極903との間で流れる。
また、同図(b)は、SiCからなる一般的な縦型構造のMOSFET(92)の断面構造を示している。単結晶からなる支持基板901上に能動層902がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層902の領域にソース921、ドレイン922及びゲート923が形成されている。ソース921、ドレイン922間の電流の導通と遮断はゲート923により制御される。導通時のドレイン電流iは、ドレイン922と支持基板901の底面に形成されている裏面電極903との間で流れる。
また、同図(c)は、エピタキシャル成長により能動層902を成膜する初期に、高い窒素濃度の単結晶バッファ層904を設けたMOSFET(94)の断面構造を示している。単結晶バッファ層904は、エピタキシャル層の結晶欠陥密度を支持基板901の結晶欠陥密度と比べて低くするために形成される。
上記支持基板901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、上記能動層902は、高電圧の耐圧が必要であるため、支持基板901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902の厚さを5~10μm程度と薄くできることが特徴である。能動層902は、支持基板901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支持基板901に依存する。このため、支持基板901のSiCの結晶品質が重要となる。支持基板901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インチサイズの基板の場合、300μm程度が必要とされる。そして、基板の表面側に素子形成後、支持基板部の抵抗を低くするために、裏面を研削して厚さは100μm以下まで薄くされる。
Silicon carbide (SiC) semiconductor substrates with a wide bandgap width have attracted attention as substrates for semiconductor devices for high-voltage applications. FIG. 16(a) shows a cross-sectional structure of a general vertical Schottky diode (91) made of SiC. An active layer 902 is formed by epitaxial growth on a support substrate 901 made of a single crystal, and P-type impurity layers 911 and 912 serving as guard rings and a Schottky electrode 913 are formed in the region of the active layer 902 . A current i flows between the Schottky electrode 913 and the back electrode 903 formed on the bottom surface of the support substrate 901 .
In addition, FIG. 4(b) shows a cross-sectional structure of a general vertical structure MOSFET (92) made of SiC. An active layer 902 is formed by epitaxial growth on a supporting substrate 901 made of a single crystal, and a source 921, a drain 922 and a gate 923 are formed in the active layer 902 region. A gate 923 controls the conduction and interruption of current between the source 921 and the drain 922 . A drain current i during conduction flows between the drain 922 and the back surface electrode 903 formed on the bottom surface of the support substrate 901 .
Further, FIG. 9(c) shows a cross-sectional structure of a MOSFET (94) in which a single-crystal buffer layer 904 with a high nitrogen concentration is provided at the initial stage of forming an active layer 902 by epitaxial growth. The single crystal buffer layer 904 is formed to make the crystal defect density of the epitaxial layer lower than that of the support substrate 901 .
The support substrate 901 is a region in which current flows in the vertical direction (vertical direction in the drawing), and has a low resistivity of 20 mΩ·cm or less. On the other hand, since the active layer 902 needs to withstand a high voltage, it has a resistivity higher than that of the supporting substrate 901 by two to three orders of magnitude. Since a semiconductor element using SiC has a large bandgap width, it is characterized in that the thickness of the active layer 902 can be made as thin as about 5 to 10 μm. Since the active layer 902 is formed by epitaxial growth on the supporting substrate 901, its crystallinity depends on the underlying supporting substrate 901. FIG. Therefore, the SiC crystal quality of the support substrate 901 is important. The thickness of the supporting substrate 901 is required to be approximately 300 μm for a 6-inch substrate in order to prevent cracking during handling of the single crystal substrate. After elements are formed on the front surface of the substrate, the back surface is ground to reduce the thickness to 100 μm or less in order to reduce the resistance of the support substrate.

SiCは格子定数の異なる炭素とシリコンとからなる化合物であるので、素子基板には結晶欠陥が多く発生する。特にパワー素子用途では結晶欠陥は致命的となるため、結晶欠陥の低減に種々の工夫がなされているが、そのため素子基板のコストが高くなっている。このため、エピタキシャル成長される能動層902の下地である支持基板901の結晶欠陥の低減とコストの低減とを両立させることが課題となっている。また、図16に示すような縦型構造の素子の場合には、支持基板901は抵抗率を低くするため高濃度の窒素が添加されてN型半導体とされている。その上で、素子形成後には、支持基板901を薄く加工することによって支持基板層の抵抗の更なる低減を図っている。
このように、半導体素子の基板として高価格な単結晶基板が使用され、その単結晶基板の厚さは、能動層のために厚くされるのではなく、素子形成工程における基板の取り扱いのために厚くされている。さらに、素子形成後には基板は薄く加工され、単結晶基板の多くの部分は、研削により除去されているのが現状である。
Since SiC is a compound composed of carbon and silicon having different lattice constants, many crystal defects occur in the element substrate. In particular, crystal defects are fatal in power device applications, and various measures have been taken to reduce crystal defects, but this increases the cost of device substrates. Therefore, it is a problem to reduce the crystal defects of the support substrate 901 which is the base of the epitaxially grown active layer 902 and to reduce the cost. Further, in the case of a device having a vertical structure as shown in FIG. 16, the support substrate 901 is made of an N-type semiconductor by adding high-concentration nitrogen to lower the resistivity. In addition, the resistance of the supporting substrate layer is further reduced by thinning the supporting substrate 901 after element formation.
In this way, an expensive single crystal substrate is used as the substrate of the semiconductor device, and the thickness of the single crystal substrate is not thickened for the active layer, but for the handling of the substrate in the device formation process. It is Furthermore, the current situation is that the substrate is thinned after the device is formed, and most of the single crystal substrate is removed by grinding.

また、SiCからなる半導体素子の基板としては、表層の能動層だけが単結晶であればよい。支持基板層は結晶性を問わず、単結晶でも多結晶でも非晶質でもよい。従来、単結晶の能動層と単結晶ではない支持基板層とを接合する基板製造方法がある。例えば、非晶質シリコンを多結晶SiC支持体上に蒸着し、その多結晶SiC支持体と単結晶SiC基板とを接合し、直接ボンディングにより一体化する基板製造方法がある(特許文献1を参照)。また、表面活性化手法により基板の貼り合せを行う例も開示されている(特許文献3を参照)。 As for the substrate of the semiconductor element made of SiC, only the active layer on the surface layer should be a single crystal. The support substrate layer may be monocrystalline, polycrystalline, or amorphous regardless of crystallinity. Conventionally, there is a substrate manufacturing method in which a single-crystal active layer and a non-single-crystal support substrate layer are bonded. For example, there is a substrate manufacturing method in which amorphous silicon is deposited on a polycrystalline SiC support, the polycrystalline SiC support and a single crystal SiC substrate are bonded, and integrated by direct bonding (see Patent Document 1). ). An example of bonding substrates by a surface activation method is also disclosed (see Patent Document 3).

特表2004-503942号Special Table No. 2004-503942 特開2002-280531号Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-280531 特開2015-15401号JP 2015-15401

前記のとおり、従来、高電圧用途の半導体素子の基板は、一定の厚さの支持基板(支持層)上に、単結晶からなる薄膜層が能動層として形成されている。能動層はエピタキシャル成長させることにより製造されている。この支持基板は単結晶でもよいし多結晶でもよいので、薄い単結晶層と安価な多結晶半導体基板とを接合技術により貼り合せする手法も提案されてきた(特許文献1、2、3等)。しかし、異種の材料からなる接合基板は熱膨張係数の違いや結晶の不均一さにより反りが大きくなってしまい、実用上は課題が多い。 As described above, conventional substrates for semiconductor devices for high voltage applications have a thin film layer made of a single crystal formed as an active layer on a support substrate (support layer) having a constant thickness. The active layer is manufactured by epitaxial growth. Since this support substrate may be a single crystal or a polycrystal, a method of bonding a thin single crystal layer and an inexpensive polycrystalline semiconductor substrate by a bonding technique has been proposed (Patent Documents 1, 2, 3, etc.). . However, bonding substrates made of dissimilar materials tend to warp significantly due to differences in thermal expansion coefficients and non-uniformity of crystals, which poses many practical problems.

また、従来、加工時の取り扱いのため350μm程度の厚い単結晶SiC基板を使用し、最終的には良好な素子特性を得るために支持層の厚さを100μm程度まで薄くしている。しかし、これでは高価な単結晶基板がフルに利用されないという問題がある。素子形成後に支持層を研削して薄くしていることを考慮すれば、素子基板としてそもそも薄い基板を使用することが考えられる。例えば、SiC素子用基板の場合には、バンドギャップ幅が大きい材料であるため、高電圧素子とするにも、基板の厚さは表層のエピタキシャル層の部分の厚さだけで十分であることに注目することができる。しかし、薄い基板は曲がり易く、反りも大きくなるという問題がある。 Also, conventionally, a thick single crystal SiC substrate of about 350 μm is used for handling during processing, and the thickness of the supporting layer is reduced to about 100 μm in order to finally obtain good device characteristics. However, this poses a problem that the expensive single crystal substrate is not fully utilized. Considering that the support layer is ground to be thin after the element is formed, it is conceivable to use a thin substrate as the element substrate in the first place. For example, in the case of SiC device substrates, since the material has a wide bandgap width, the thickness of the substrate is sufficient for the epitaxial layer portion of the surface layer even for high-voltage devices. can be noticed. However, there is a problem that a thin substrate is easily bent and warped greatly.

また、図16(c)のように単結晶バッファ層904を設けてエピタキシャル層902の結晶欠陥を低減しても、MOSFET素子動作中に少数キャリアの影響で結晶欠陥が増加するという現象が知られている。このため、素子形成後に単結晶バッファ層904を除去することが好ましいが、MOSFET素子が形成されたエピタキシャル層902の下地である単結晶バッファ層904を除去することは、一般的な構造では不可能である。 Further, it is known that even if the crystal defects in the epitaxial layer 902 are reduced by providing a single-crystal buffer layer 904 as shown in FIG. ing. For this reason, it is preferable to remove the single-crystal buffer layer 904 after the device is formed, but removing the single-crystal buffer layer 904 underlying the epitaxial layer 902 on which the MOSFET device is formed is impossible with a general structure. is.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、暫定的な基板を使用することにより厚さが薄く且つ高耐圧の半導体素子を製造する半導体素子の製造方法、及び高耐圧半導体素子が形成された半導体基板を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned current situation, and provides a method for manufacturing a semiconductor device that is thin and has a high breakdown voltage by using a provisional substrate, and a semiconductor device that has a high breakdown voltage. It is an object of the present invention to provide a semiconductor substrate with a

本発明は、以下の通りである。
1.その少なくとも一方の平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層が成膜された第2の基板と、前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面に接合された所定の厚さの第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層と、前記第1単結晶層上に成膜された第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層と、前記第2単結晶層に形成された半導体素子と、前記表面薄膜層として、前記第2の基板の前記一方の平面側に更に形成された半導体材料からなるバッファ層と、を備えることを特徴とする半導体基板。
2.前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む半導体膜が成膜されている前記1.記載の半導体基板。
3.前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料である前記1.又は2に記載の半導体基板。
4.前記第2の基板はサファイア又はSiCからなる基板である前記1.乃至3.のいずれかに記載の半導体基板。
5.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1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記1.乃至4.のいずれかに記載の半導体基板。
6.第2の基板の少なくとも一方の平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層を成膜する第1成膜工程と、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板の一方の平面と前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面とを接合する接合工程と、前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さにおいて前記第1の基板を分離することにより、前記第1の基板の前記一方の平面側を第1単結晶層として前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層上に残す分離工程と、前記第1単結晶層上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層を成膜する第2成膜工程と、前記第2単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、を含み、前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面側に更に半導体材料からなるバッファ層を成膜することを特徴とする半導体素子の製造方法。
7.前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程を含み、前記分離工程において、前記第1の基板を前記水素注入層で分離することにより、前記第1単結晶層を前記第2の基板に形成された前記表面薄膜層上に残し、前記第2成膜工程により、前記第2の基板上に前記表面薄膜層と前記第1単結晶層と前記第2単結晶層とが順に積層された複層基板が形成される前記6.記載の半導体素子の製造方法。
8.前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む半導体膜を成膜する前記6.又は7.に記載の半導体素子の製造方法。
9.前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料である前記6.乃至8.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
10.前記第2の基板はサファイア又はSiCからなる基板である前記6.乃至9.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
11.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1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記6.乃至10.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
参考として、本開示の半導体素子の製造方法は以下のように構成することができる。
仮支持基板とするための第2の基板の少なくとも一方の平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層を成膜する第1成膜工程と、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板の一方の平面と前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面とを接合する接合工程と、前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さにおいて前記第1の基板を分離することにより、前記第1の基板の前記一方の平面側を第1単結晶層として前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層上に残す分離工程と、前記第1単結晶層上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層を成膜する第2成膜工程と、前記第2単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、前記半導体素子が形成された前記第2単結晶層上に第3の基板を接合する第2接合工程と、前記第3の基板を接合した後に前記第2の基板を除去する基板除去工程と、を含み、前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面側に更に半導体材料からなるバッファ層を成膜することを特徴とする半導体素子の製造方法。
前記基板除去工程において更に前記表面薄膜層を除去し、前記第1単結晶層を更に除去する前記記載の半導体素子の製造方法。
前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程を含み、前記分離工程において、前記第1の基板を前記水素注入層で分離することにより、前記第1単結晶層を前記第2の基板に形成された前記表面薄膜層上に残し、前記第2成膜工程により、前記第2の基板上に前記表面薄膜層と前記第1単結晶層と前記第2単結晶層とが順に積層された複層基板が形成される前記又はに記載の半導体素子の製造方法。
前記第2成膜工程において、前記第2の半導体材料の単結晶からなる単結晶バッファ層を形成した後に前記第2単結晶層を成膜し、前記基板除去工程において、前記単結晶バッファ層を更に除去する前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
前記第1の基板の前記一方の平面上にシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程を含む前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む化合物半導体膜を成膜する前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の他方の平面にSiCの多結晶からなる多結晶SiC膜を成膜する前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料であり、前記基板除去工程において、前記第2の基板側からレーザ光を照射してGaを析出させることによって前記第2の基板を除去する前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
前記第2の基板はサファイア又はSiCからなる基板である前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
10前記第2の基板はカーボンからなる基板であり、前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層は前記第2の基板の側面側を覆うように成膜される前記乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
11前記第3の基板は金属基板である前記乃至10のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
12前記第3の基板は、無アルカリガラス、サファイア及びSiのうちの1つからなる基板である前記乃至10のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
13前記基板除去工程により露出された面上に、前記半導体素子の裏面電極層を形成する裏面電極形成工程を備える前記乃至12のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
14前記第2接合工程又は前記基板除去工程の後、前記第3の基板に前記半導体素子の電極部となる貫通孔を形成する開孔工程を備える前記12又は13に記載の半導体素子の製造方法。
15前記開孔工程において、前記貫通孔は前記第3の基板の表面側に向けて拡がるテーパ状に形成される前記14記載の半導体素子の製造方法。
16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1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記乃至15のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
The present invention is as follows.
1. A second substrate having a surface thin film layer made of one or more thin films of an insulating material or a semiconductor material formed on at least one plane thereof, and a surface of the surface thin film layer formed on the second substrate. a first single-crystal layer made of a single crystal of a first semiconductor material and having a predetermined thickness bonded to the first single-crystal layer; and a second single-crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material formed on the first single-crystal layer. a single crystal layer, a semiconductor element formed on the second single crystal layer, and a buffer layer made of a semiconductor material further formed on the one plane side of the second substrate as the surface thin film layer. A semiconductor substrate comprising:
2. 1. A silicon oxide film or a semiconductor film containing Ga is formed on the one plane of the second substrate as the surface thin film layer. A semiconductor substrate as described.
3. 1. The second substrate is a substrate that transmits light, and the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga. 3. The semiconductor substrate according to 2.
4. 1. The second substrate is a substrate made of sapphire or SiC. to 3. The semiconductor substrate according to any one of 1.
5. 1. wherein said first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide, and said second semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide; to 4. The semiconductor substrate according to any one of 1.
6. a first deposition step of depositing a surface thin film layer comprising one or more thin films of an insulating material or a semiconductor material on at least one plane of a second substrate; a bonding step of bonding one plane of the substrate and the surface of the surface thin film layer formed on the second substrate; and the first substrate at a predetermined depth from the one plane of the first substrate. a separating step of leaving the one plane side of the first substrate as a first single crystal layer on the surface thin film layer formed on the second substrate by separating the substrate of the first substrate; A second film forming step of forming a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material on the single crystal layer; and an element forming step of forming a semiconductor element in the second single crystal layer. 1. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein in said first film forming step, a buffer layer made of a semiconductor material is further formed as said surface thin film layer on said one plane side of said second substrate.
7. a hydrogen layer forming step of forming a hydrogen-implanted layer at a predetermined depth from the one plane of the first substrate; leaving the first single crystal layer on the surface thin film layer formed on the second substrate, and forming the surface thin film layer and the first single crystal layer on the second substrate by the second film forming step; and the second single crystal layer are laminated in order to form a multi-layer substrate. A method of manufacturing the semiconductor device described.
8. 6. forming a silicon oxide film or a semiconductor film containing Ga on the one plane of the second substrate as the surface thin film layer; or 7. 3. A method for manufacturing the semiconductor device according to 1.
9. 6. The second substrate is a substrate that transmits light, and the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga. to 8. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
10. 6. The second substrate is a substrate made of sapphire or SiC. to 9. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
11. 6. Said first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide, and said second semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide. to 10. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
For reference, the method for manufacturing a semiconductor device of the present disclosure can be configured as follows.
( 1 ) a first film forming step of forming a surface thin film layer comprising one or more thin films of an insulating material or a semiconductor material on at least one plane of a second substrate to be used as a temporary supporting substrate; a bonding step of bonding one plane of a first substrate made of a single crystal of a semiconductor material and a surface of the surface thin film layer formed on the second substrate; The surface thin film layer formed on the second substrate by separating the first substrate at a predetermined depth from the plane so that the one plane side of the first substrate serves as a first single crystal layer. a second film forming step of forming a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material on the first single crystal layer; and a semiconductor element on the second single crystal layer. a second bonding step of bonding a third substrate onto the second single crystal layer on which the semiconductor element is formed; and after bonding the third substrate, the second substrate and a substrate removing step of removing the first film forming step, further forming a buffer layer made of a semiconductor material on the one plane side of the second substrate as the surface thin film layer. A method of manufacturing a semiconductor device to
( 2 ) The method of manufacturing a semiconductor device according to ( 1 ) , wherein in the substrate removing step, the surface thin film layer is further removed and the first single crystal layer is further removed.
( 3 ) including a hydrogen layer forming step of forming a hydrogen-implanted layer to a predetermined depth from the one plane of the first substrate, and separating the first substrate by the hydrogen-implanted layer in the separating step; Thus, the first single crystal layer is left on the surface thin film layer formed on the second substrate, and the second film formation step forms the surface thin film layer and the first single crystal layer on the second substrate. The method for manufacturing a semiconductor device according to ( 1 ) or ( 2 ) above, wherein a multilayer substrate is formed in which a single crystal layer and the second single crystal layer are laminated in order.
( 4 ) In the second film forming step, the second single crystal layer is formed after forming a single crystal buffer layer made of a single crystal of the second semiconductor material, and in the substrate removing step, the single crystal The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 3 ) , wherein the buffer layer is further removed.
( 5 ) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 4 ) , including a silicide layer forming step of forming a silicide layer on the one plane of the first substrate.
( 6 ) In the first film forming step, a silicon oxide film or a compound semiconductor film containing Ga is formed as the surface thin film layer on the one plane of the second substrate according to ( 1 ) to ( 5 ) . A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
( 7 ) Any one of ( 1 ) to ( 6 ) , wherein in the first film forming step, a polycrystalline SiC film made of polycrystalline SiC is formed on the other plane of the second substrate as the surface thin film layer. 2. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
( 8 ) The second substrate is a substrate that transmits light, the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga, and in the substrate removal step, a laser beam is irradiated from the second substrate side to form Ga. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 7 ) , wherein the second substrate is removed by depositing .
( 9 ) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 8 ) , wherein the second substrate is a substrate made of sapphire or SiC.
( 10 ) The second substrate is a substrate made of carbon, and in the first film forming step, the surface thin film layer is formed so as to cover the side surface of the second substrate ( 1 ) to ( 7 ) A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of (7).
( 11 ) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 10 ) , wherein the third substrate is a metal substrate.
( 12 ) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 10 ) , wherein the third substrate is made of one of alkali-free glass, sapphire and Si.
( 13 ) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of ( 1 ) to ( 12 ) , comprising a back electrode forming step of forming a back electrode layer of the semiconductor device on the surface exposed by the substrate removing step. .
( 14 ) The method according to ( 12 ) or ( 13 ) , further comprising, after the second bonding step or the substrate removing step, forming a through-hole in the third substrate to form an electrode portion of the semiconductor element. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
( 15 ) The method of manufacturing a semiconductor element according to ( 14 ) , wherein in the opening step, the through hole is formed in a tapered shape expanding toward the surface side of the third substrate.
( 16 ) The first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide, and the second semiconductor material is one of SiC , GaN and gallium oxide. 15 ) A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 15).

本発明の半導体素子の製造方法は、仮支持基板とするための第2の基板上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層を成膜する第2成膜工程と、前記第2単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備えている。このため、第2の基板を土台として第2単結晶層が成膜された複層基板が得られ、高温に耐えることができ且つ反りが少ない素子形成用の基板となすことができる。これにより、素子形成工程では、汎用のフォトリソグラフィ装置等を用いて、第2単結晶層内に半導体素子を形成することができる。特に、高電力用途に向いたSiC等の半導体は不純物拡散係数が小さいため、N型不純物、P型不純物共に熱拡散によるドーピングが困難である。また、Si半導体の製造プロセスのような熱拡散によるセルフアライメント処理が不可能である。そのため、N型不純物、P型不純物の添加位置を決めるにはステッパのように高精度の露光機が必要とされ、半導体基板の反りや曲がりは20μm程度以下に抑えることが求められる。前記複層基板は、第2の基板により反りや曲がりが小さく抑えられるため、ステッパを用いて第2単結晶層内に不純物領域等からなる半導体素子を形成することができる。
参考として、本半導体素子の製造方法は、半導体素子が形成された前記第2単結晶層上に第3の基板を接合する第2接合工程と、前記第2の基板を除去する基板除去工程と、を備えることができる。このため、半導体素子の最終的な支持基板となる第3の基板を接合した後、半導体素子を形成するために使用した第2の基板を除去することができる。これによって露出した裏面上に半導体素子の裏面電極を設けることが可能になる。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises a second film forming step of forming a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material on a second substrate to be used as a temporary support substrate; and an element forming step of forming a semiconductor element in the second single crystal layer. Therefore, a multi-layer substrate having the second single crystal layer formed on the second substrate as a base can be obtained, and the substrate can withstand high temperatures and has little warpage. As a result, in the element formation step, a semiconductor element can be formed in the second single crystal layer using a general-purpose photolithography apparatus or the like. In particular, since a semiconductor such as SiC suitable for high power applications has a small impurity diffusion coefficient, it is difficult to dope both N-type and P-type impurities by thermal diffusion. In addition, self-alignment processing by thermal diffusion as in the Si semiconductor manufacturing process is impossible. Therefore, a high-precision exposure machine such as a stepper is required to determine the doping positions of the N-type and P-type impurities, and the warpage and bending of the semiconductor substrate must be suppressed to about 20 μm or less. Since warping and bending of the multilayer substrate can be suppressed to a small extent by the second substrate, it is possible to use a stepper to form a semiconductor element composed of an impurity region or the like in the second single crystal layer.
For reference , this method of manufacturing a semiconductor device includes a second bonding step of bonding a third substrate onto the second single crystal layer on which the semiconductor device is formed, and a substrate removing step of removing the second substrate. , can be provided . Therefore, the second substrate used for forming the semiconductor element can be removed after bonding the third substrate, which is the final support substrate for the semiconductor element. This makes it possible to provide the back electrode of the semiconductor element on the exposed back surface.

第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板の一方の平面と前記第2の基板とを接合する接合工程と、前記第2の基板との接合面から所定の深さにおいて前記第1の基板を分離することにより、前記第1の基板の前記一方の平面側を第1単結晶層として前記第2の基板上に残す分離工程と、を含み、前記第2成膜工程において、前記第2単結晶層は前記第2の基板上に形成された前記第1単結晶層上に成膜される場合には、第2の基板を土台として薄い第1単結晶層及び第2単結晶層が積層された複層基板が得られ、第1の半導体材料(例えば、SiC)の単結晶からなる第1の基板の使用量を必要最小限とすることが可能となる。従来、一般的な高電力用途の半導体基板として、高濃度N型とされた厚さ350μm程度の単結晶SiC基板が支持層として用いられており、その上にエピタキシャル成長により厚さ5μm程度の単結晶SiC層(低濃度のN型層)が形成されている。そして、その単結晶SiC層に半導体素子を形成した後、支持層部分の抵抗値を小さくするために基板を研磨して厚さ100μm程度まで薄肉化した上で基板裏面に電極加工をしている。本発明の半導体素子の製造方法によれば、第1単結晶層によりN型層が構成され、その厚さを0.5μm程度と薄くすることができる。その上に、半導体素子の耐圧の面から必要な厚さ及び必要な不純物濃度の第2単結晶層を、エピタキシャル成長或いはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって形成することができる。
前記基板除去工程において、前記第1単結晶層を更に除去する場合には、露出した前記第2単結晶層の表面上に半導体素子の裏面電極を設けることができる。
a bonding step of bonding one plane of a first substrate made of a single crystal of a first semiconductor material to the second substrate; a separating step of leaving the one plane side of the first substrate as a first single crystal layer on the second substrate by separating the substrates of the When the second single crystal layer is formed on the first single crystal layer formed on the second substrate, the thin first single crystal layer and the thin second single crystal layer are formed on the second substrate as a base. A multilayer substrate in which layers are laminated is obtained, and the amount of the first substrate made of a single crystal of the first semiconductor material (eg, SiC) can be minimized. Conventionally, as a semiconductor substrate for general high-power applications, a single-crystal SiC substrate having a thickness of about 350 μm and having a high concentration of N-type is used as a support layer, and a single crystal having a thickness of about 5 μm is grown epitaxially thereon. A SiC layer (low-concentration N-type layer) is formed. Then, after semiconductor elements are formed on the single-crystal SiC layer, the substrate is polished to a thickness of about 100 μm in order to reduce the resistance value of the support layer portion, and then electrodes are processed on the rear surface of the substrate. . According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first single crystal layer constitutes the N-type layer, and the thickness thereof can be reduced to about 0.5 μm. On top of this, a second single crystal layer having a necessary thickness and a necessary impurity concentration can be formed by epitaxial growth or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) from the standpoint of withstand voltage of the semiconductor element.
In the substrate removing step, when the first single crystal layer is further removed, a back electrode of the semiconductor element can be provided on the exposed surface of the second single crystal layer.

前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程と、前記第2の基板の少なくとも1つの平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層を成膜する第1成膜工程と、を含み、前記接合工程において、前記第1の基板の前記一方の平面と前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面とを接合し、前記分離工程において、前記第1の基板を前記水素注入層で分離することにより、前記第1単結晶層を前記第2の基板に形成された前記表面薄膜層上に残し、前記第2成膜工程により、前記第2の基板上に前記表面薄膜層と前記第1単結晶層と前記第2単結晶層とが順に積層された複層基板が形成される場合には、第1の基板を表面薄膜層が形成された第2の基板に容易に接合することができる。また、水素注入層において第1の基板を容易に分離することができ、厚さの薄い第1単結晶層を第2の基板上に残すことができる。参考として、基板除去工程において表面薄膜層は除去することができ、それによって露出した第1単結晶層の表面上に半導体素子の裏面電極を設けることができる。 a hydrogen layer forming step of forming a hydrogen-implanted layer to a predetermined depth from the one plane of the first substrate; and one or more layers of an insulating material or a semiconductor material on at least one plane of the second substrate. and a first film forming step of forming a surface thin film layer composed of a thin film, wherein the surface thin film layer formed on the one plane of the first substrate and the second substrate in the bonding step. and, in the separating step, separating the first substrate by the hydrogen-implanted layer, so that the first single crystal layer is formed on the surface thin film layer formed on the second substrate. However, in the case where the surface thin film layer, the first single crystal layer, and the second single crystal layer are laminated in order on the second substrate by the second film formation step, a multi-layer substrate is formed . can easily bond the first substrate to the second substrate on which the surface thin film layer is formed. In addition, the first substrate can be easily separated at the hydrogen-implanted layer, and the thin first single crystal layer can be left on the second substrate. For reference, the surface thin film layer can be removed in the substrate removing step, and the back electrode of the semiconductor device can be provided on the surface of the first single crystal layer exposed thereby.

参考として、前記第2成膜工程において、前記第2の半導体材料の単結晶からなる単結晶バッファ層を形成した後に前記第2単結晶層を成膜し、前記基板除去工程において、前記単結晶バッファ層を更に除去する場合には、単結晶バッファ層上に形成される第2単結晶層の結晶欠陥密度を低くすることができる。そして、半導体素子の支持基板となる第3の基板を接合した後、半導体素子を形成するために使用した第2の基板が除去され、単結晶バッファ層も除去されるため、半導体素子の動作時にPN接合部に順方向電流が流れても、少数キャリアの再結合により欠陥が増加することを抑制することができる。 For reference, in the second film formation step, the second single crystal layer is formed after forming a single crystal buffer layer made of a single crystal of the second semiconductor material, and in the substrate removal step, the single crystal buffer layer is formed. If the buffer layer is further removed, the crystal defect density of the second single crystal layer formed on the single crystal buffer layer can be reduced. After the third substrate, which serves as a support substrate for the semiconductor element, is bonded, the second substrate used for forming the semiconductor element is removed, and the single-crystal buffer layer is also removed. Even if a forward current flows through the PN junction, it is possible to suppress an increase in defects due to recombination of minority carriers.

参考として、前記第1の基板の前記一方の平面上にシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程を含む場合には、後に金属により半導体素子の裏面電極層を形成する際のシリサイド化処理を不要とすることができ、裏面電極形成時の熱処理を簡素化することができる。 For reference, when the silicide layer forming step of forming a silicide layer on the one plane of the first substrate is included, the silicidation treatment is not required when forming the back electrode layer of the semiconductor element with metal later. It is possible to simplify the heat treatment at the time of forming the back electrode.

前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む化合物半導体膜を成膜する場合には、前記接合工程における第1の基板との接合、基板除去工程における第2の基板の除去、及び第2の基板除去後の表面薄膜層の除去を容易にすることができる。また、表面薄膜層とその上に積層される第2単結晶層とを合わせて、複層基板として高温度に耐えることができ且つ反りが少ない素子用の基板となすことができる。 In the first film forming step, when a silicon oxide film or a compound semiconductor film containing Ga is formed as the surface thin film layer on one plane of the second substrate, the first substrate in the bonding step and bonding, removal of the second substrate in the substrate removal step, and removal of the surface thin film layer after removal of the second substrate can be facilitated. In addition, by combining the surface thin film layer and the second single crystal layer laminated thereon, it is possible to form a substrate for an element which can withstand high temperatures as a multi-layer substrate and has little warpage.

前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面側に更に半導体材料からなるバッファ層成膜されるため、シリコン酸化膜又はGaを含む半導体膜を第1層とし、バッファ層を第2層とする2層からなる表面薄膜層を形成することができる。 In the first film forming step, a buffer layer made of a semiconductor material is further formed as the surface thin film layer on the one plane side of the second substrate. It is possible to form a surface thin film layer consisting of two layers, one layer and a buffer layer as a second layer.

参考として、前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の他方の平面にSiCの多結晶からなる多結晶SiC膜を成膜する場合には、表面薄膜層により第2の基板の表面を全て覆うことが可能になり、半導体素子形成時の高温処理等から第2の基板を保護することができる。また、多結晶SiC層の膜厚を調整することによって、第2の基板の厚さを薄くしてもその両面での応力のバランスがとれるため、反りが少なく薄い複層基板とすることができる。
以上のような第1成膜工程において、第2の基板の端部の面取りをしておけば、第2の基板の平面上において厚さが板端まで均一となるように表面薄膜層を成膜することができ、その表面を研磨することなく前記第1の基板と接合させることができる。
For reference, when a polycrystalline SiC film made of polycrystals of SiC is formed on the other plane of the second substrate as the surface thin film layer in the first film forming step, the surface thin film layer forms the second surface thin film layer. The entire surface of the second substrate can be covered, and the second substrate can be protected from high-temperature processing or the like during the formation of semiconductor elements. In addition, by adjusting the film thickness of the polycrystalline SiC layer, even if the thickness of the second substrate is reduced, the stress on both surfaces can be balanced, so that a thin multi-layer substrate with little warpage can be obtained. .
In the first film formation step as described above, if the edge of the second substrate is chamfered, a surface thin film layer is formed on the plane of the second substrate so that the thickness is uniform to the edge of the plate. It can be formed into a film and can be bonded to the first substrate without polishing its surface.

前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料である場合には、前記基板除去工程において、前記第2の基板側からレーザ光を照射してGaを析出させることによって容易に第2の基板を除去することができる。除去された第2の基板は、Gaを含む材料の残渣を除去した後に再利用することが可能である。 When the second substrate is a substrate that transmits light, and the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga, in the substrate removal step, laser light is irradiated from the second substrate side. The second substrate can be easily removed by depositing Ga. The removed second substrate can be reused after removing the Ga-containing material residue.

前記第2の基板がサファイア又はSiCからなる基板である場合には、前記複層基板の土台として、高温に耐えることができ且つ反りが少ない素子形成用の基板となすことができる。
参考として、前記第2の基板はカーボンからなる基板であり、前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層は前記第2の基板の側面側を覆うように成膜される場合には、カーボン基板の全表面が表面薄膜層により覆われるため、高温で酸素が存在する環境において焼損が生じるカーボンを保護することができる。これにより、素子形成工程において高温の熱処理や高密度の酸素を含有する成膜等が可能になる。また、カーボン基板の厚さを薄くしても両面での応力のバランスがとれるため、反りが少ない薄い複層基板とすることができる。
When the second substrate is a substrate made of sapphire or SiC, it can be used as a base of the multilayer substrate for element formation, which can withstand high temperatures and has little warpage.
For reference, when the second substrate is a substrate made of carbon and the surface thin film layer is formed so as to cover the side surface of the second substrate in the first film forming step, carbon Since the entire surface of the substrate is covered with the surface thin film layer, it is possible to protect the carbon from being burnt out in an environment of high temperature and oxygen. As a result, high-temperature heat treatment, high-density oxygen-containing film formation, and the like can be performed in the device formation process. Also, even if the thickness of the carbon substrate is reduced, the stresses on both sides can be balanced, so that a thin multilayer substrate with little warpage can be obtained.

参考として、前記第3の基板が金属基板である場合には、半導体素子の支持基板となる金属基板をそのまま外部接続用の電極端子とすることができる。例えば、半導体素子がショットキーダイオードである場合には、金属基板をアノ-ド電極とし、第2の基板を除去した面にカソード電極を形成することができる。また、半導体素子がMOSFETである場合には、金属基板をそのままソース電極とすることができる。これらの場合、素子分割後に金属基板を実装基板に搭載することが容易となる。 For reference, when the third substrate is a metal substrate, the metal substrate that serves as the support substrate for the semiconductor element can be used as it is as an electrode terminal for external connection. For example, when the semiconductor element is a Schottky diode, the metal substrate can be used as the anode electrode, and the cathode electrode can be formed on the surface from which the second substrate has been removed. Moreover, when the semiconductor element is a MOSFET, the metal substrate can be used as the source electrode as it is. In these cases, it becomes easy to mount the metal substrate on the mounting substrate after element division.

参考として、前記第3の基板は無アルカリガラス、サファイア及びSiのうちの1つからなる基板である場合には、接合が容易であると共に、半導体素子の支持基板として好適である。
また、前記基板除去工程により露出された面上に、前記半導体素子の裏面電極層を形成する裏面電極形成工程を備える場合には、第2の基板を除去した後に露出した面(第1単結晶層、バッファ層又は第2単結晶層)上に裏面電極層を設けることができる。
For reference, when the third substrate is made of one of non-alkali glass, sapphire, and Si, it is easy to bond and suitable as a support substrate for semiconductor devices.
Further, in the case of providing the back electrode forming step of forming the back electrode layer of the semiconductor element on the surface exposed by the substrate removing step, the surface exposed after removing the second substrate (first single crystal layer, buffer layer or second monocrystalline layer) can be provided with a back electrode layer.

参考として、前記第2接合工程又は前記基板除去工程の後、前記第3の基板に前記半導体素子の電極部となる貫通孔を形成する開孔工程を備える場合には、半導体素子を実装する際の電極配線を容易にすることができる。
また、前記開孔工程において、前記貫通孔は前記第3の基板の表面側に向けて拡がるテーパ状に形成される場合には、斜面となった貫通孔の壁面にアルミ等の配線を形成することができ、第3の基板の表面に電気配線を形成することが可能になる。
For reference, in the case of providing a hole opening step of forming a through-hole to be an electrode portion of the semiconductor element in the third substrate after the second bonding step or the substrate removing step, when mounting the semiconductor element electrode wiring can be facilitated.
Further , in the opening step, when the through-hole is formed in a tapered shape expanding toward the surface side of the third substrate, a wiring made of aluminum or the like is formed on the wall surface of the through-hole which is inclined. It is possible to form electrical wiring on the surface of the third substrate.

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1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである場合には、バンドギャップの大きい第1単結晶層上に、バンドギャップの大きい材料である第2の半導体材料からなる第2単結晶層が成膜されるため、高電力用途に適したSiC素子、GaN素子、酸化ガリウム素子等を製造することができる。例えば、第1の半導体材料及び第2の半導体材料がSiCであれば、単結晶SiC層が積層されることになるため、より好適である。 When the first semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide, and the second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide, a first semiconductor material having a large bandgap is used. Since a second single crystal layer made of a second semiconductor material having a large bandgap is deposited on one single crystal layer, SiC devices, GaN devices, gallium oxide devices, etc. suitable for high power applications can be used. can be manufactured. For example, if the first semiconductor material and the second semiconductor material are SiC, single-crystal SiC layers are stacked, which is more preferable.

参考として、本発明の半導体基板によれば、絶縁材料、半導体材料及び金属のうちの1つからなる支持基板と、前記支持基板上に接合層を挟んで積層された第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層を備え、前記第2単結晶層に半導体素子が形成されており、前記第2単結晶層の上に前記半導体素子の裏面電極層を備えることができる。半導体素子の裏面電極層が第2単結晶層上に直接形成されているため、導電性に優れる。また、高窒素濃度を含む多結晶層によりバッファ層が形成されていれば、一層低いオーミックコンタクトを得ることができる。 For reference, according to the semiconductor substrate of the present invention, a supporting substrate made of one of an insulating material, a semiconductor material, and a metal, and a second semiconductor material layered on the supporting substrate with a bonding layer interposed therebetween. A second single crystal layer made of crystals may be provided, a semiconductor element may be formed on the second single crystal layer, and a back electrode layer of the semiconductor element may be provided on the second single crystal layer. Since the back electrode layer of the semiconductor element is formed directly on the second single crystal layer, it has excellent conductivity. Moreover, if the buffer layer is formed of a polycrystalline layer containing a high nitrogen concentration, a lower ohmic contact can be obtained.

本発明の半導体基板によれば、前記第2単結晶層上に第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層を備えるため、第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層の厚さを必要最小限とし、低コストの半導体基板とすることができる。また、半導体素子の耐圧の面から必要な厚さ及び必要な不純物濃度の第2単結晶層が形成されており、半導体基板の恒久的な支持層である支持基板は任意の厚さとすることができる。そして、前記裏面電極層は、第1単結晶層の上に、又は第1単結晶層上に設けられた半導体材料からなるバッファ層の上に備えることができるため、縦方向の電気伝導性及び熱伝導性に優れ、高電力用途の半導体素子に好適である。
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1つであり、前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである場合には、バンドギャップの大きい第1単結晶層上に、バンドギャップの大きい材料である第2の半導体材料からなる第2単結晶層が成膜されているため、高電力用途に適したSiC素子、GaN素子、酸化ガリウム素子等が形成された半導体基板となる。
According to the semiconductor substrate of the present invention, since the first single crystal layer made of the single crystal of the first semiconductor material is provided on the second single crystal layer, the first single crystal made of the single crystal of the first semiconductor material is provided. A low-cost semiconductor substrate can be obtained by minimizing the thickness of the layers. In addition, the second single-crystal layer is formed with a necessary thickness and a necessary impurity concentration in terms of the breakdown voltage of the semiconductor element, and the supporting substrate, which is a permanent supporting layer of the semiconductor substrate, can have an arbitrary thickness. can. Further, since the back electrode layer can be provided on the first single crystal layer or on a buffer layer made of a semiconductor material provided on the first single crystal layer, the electrical conductivity in the vertical direction is reduced . It has excellent thermal conductivity and is suitable for semiconductor devices for high power applications.
When the first semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide, and the second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide, a first semiconductor material having a large bandgap is used. Since a second single crystal layer made of a second semiconductor material having a large bandgap is deposited on one single crystal layer, SiC devices, GaN devices, gallium oxide devices, etc. suitable for high power applications are possible. is formed on the semiconductor substrate.

第1の基板及び第2の基板を示す模式的な上面図及び側面図Schematic top view and side view showing a first substrate and a second substrate 素子形成用の複層基板の構成を表す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing the configuration of a multilayer substrate for element formation 表面薄膜層で被覆された第2の基板(カーボン基板)の端部の断面画像Cross-sectional image of the edge of the second substrate (carbon substrate) coated with the surface thin film layer 両面に表面薄膜層が形成された第2の基板を土台として複層基板を形成する工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a step of forming a multilayer substrate using a second substrate having surface thin film layers formed on both sides as a base. 複層基板を構成する第2単結晶層に形成された半導体素子を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a semiconductor element formed in a second single crystal layer constituting a multilayer substrate. 半導体素子形成後に第3の基板を接合し、貫通孔を形成する工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a step of bonding a third substrate and forming a through-hole after forming a semiconductor element; 複層基板を構成する第2単結晶層に形成された別の半導体素子を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing another semiconductor element formed in a second single crystal layer constituting a multilayer substrate 別の半導体素子形成後に第3の基板を接合し、テーパ形状の貫通孔を形成する工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a step of forming a tapered through-hole by bonding a third substrate after forming another semiconductor element. 第3の基板を接合した複層基板から第2の基板を除去し、裏面電極となる裏面電極層を形成する工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a step of removing the second substrate from the multilayer substrate to which the third substrate is bonded and forming a back electrode layer to be a back electrode. 第3の基板を接合した複層基板から第2の基板及び表面薄膜層の第1層を除去し、バッファ層上に裏面電極層を形成する工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a step of removing the second substrate and the first layer of the surface thin film layer from the multilayer substrate to which the third substrate is bonded, and forming the back electrode layer on the buffer layer. ショットキーダイオードの製造工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of a Schottky diode MOSFETの製造工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of a MOSFET 金属の支持基板を用いる半導体基板(MOSFET素子)の製造工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor substrate (MOSFET element) using a metal supporting substrate 半導体基板の基本構造を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing the basic structure of a semiconductor substrate 半導体基板の構造を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor substrate 一般的な縦型構造の半導体素子の構造を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing the structure of a general vertical semiconductor device

本実施形態に係る半導体素子の製造方法は、例えば、カーボン基板、SiC基板等を暫定的な支持基板(第2の基板(2))として使用することによって、高電力用途に適した半導体素子を製造するものである。カーボン基板やSiC基板は、反りが少なく高温まで耐えられるという特徴がある。本実施形態においては、そのカーボン基板(2)等を暫定的な支持層として、その一方の表面にシリコン酸化膜等(41)を介してSiC等の単結晶層(第1単結晶層(11))を接合し、更に半導体素子を形成するためのSiC等の単結晶からなる薄膜層(第2単結晶層(5))を形成する(図2(a)、(b)参照)。また、カーボン基板(2)の他方の面には、SiC等からなる多結晶膜(多結晶SiC膜(42))を形成することができる。このようにカーボン基板(2)等を土台として形成される複層基板(6)を用いて、第2単結晶層(5)に半導体素子を形成することができる。そして、半導体素子形成後に、最終的な支持層となる基板(第3の基板(3))を接合し、暫定的な基板であったカーボン基板(2)等が除去される。これによって、上記第3の基板(3)を恒久的な支持層とし、それに積層された第2単結晶層(5)に半導体素子が形成された半導体基板を製造することができる。更に、この半導体素子の裏面(カーボン基板等が除去され、更にシリコン酸化膜が除去された面)には、半導体素子の裏面電極となる裏面電極層を形成することができる。これによって、高電力用途に適した半導体素子及び半導体基板を製造することが可能になる。
カーボン基板(2)は、その熱膨張係数をSiCからなる上記第2単結晶層(5)及びSiCからなる上記多結晶SiC膜(42)の熱膨張係数とほぼ同じにすることができる。また、カーボン基板(2)の厚さを数mmとすれば、剛性が高く、反りの無い複層基板(6)を得ることができる。更に、カーボン基板(2)の一方の面に積層するSiCからなる第2単結晶層(5)の厚さと、他方の面に形成する多結晶SiC膜(42)の厚さとをほぼ同じにすれば、カーボン基板(2)の厚さが1mm以下であっても、反りの少ない複層基板(6)を得ることができる。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, for example, a carbon substrate, a SiC substrate, or the like is used as a provisional support substrate (second substrate (2)) to manufacture a semiconductor device suitable for high-power applications. It is manufactured. Carbon substrates and SiC substrates are characterized in that they have little warpage and can withstand high temperatures. In the present embodiment, the carbon substrate (2) or the like is used as a temporary support layer, and a single crystal layer such as SiC (first single crystal layer (11 )), and then form a thin film layer (second single crystal layer (5)) made of single crystal such as SiC for forming a semiconductor element (see FIGS. 2A and 2B). A polycrystalline film (polycrystalline SiC film (42)) made of SiC or the like can be formed on the other surface of the carbon substrate (2). A semiconductor element can be formed on the second single crystal layer (5) by using the multi-layer substrate (6) formed on the basis of the carbon substrate (2) or the like in this way. After the formation of the semiconductor element, a substrate (third substrate (3)) that will be the final supporting layer is bonded, and the temporary substrate such as the carbon substrate (2) is removed. This makes it possible to manufacture a semiconductor substrate in which the third substrate (3) is used as a permanent support layer and semiconductor elements are formed on the second single crystal layer (5) laminated thereon. Further, on the back surface of the semiconductor element (the surface from which the carbon substrate or the like has been removed and the silicon oxide film has been removed), a back electrode layer that serves as the back electrode of the semiconductor element can be formed. This allows the fabrication of semiconductor devices and semiconductor substrates suitable for high power applications.
The carbon substrate (2) can have a coefficient of thermal expansion substantially equal to that of the second single crystal layer (5) made of SiC and the polycrystalline SiC film (42) made of SiC. Also, if the thickness of the carbon substrate (2) is set to several millimeters, it is possible to obtain a multi-layer substrate (6) with high rigidity and no warp. Furthermore, if the thickness of the second single crystal layer (5) made of SiC laminated on one surface of the carbon substrate (2) and the thickness of the polycrystalline SiC film (42) formed on the other surface are approximately the same. For example, even if the thickness of the carbon substrate (2) is 1 mm or less, a multilayer substrate (6) with little warpage can be obtained.

カーボン基板(2)は、シリコン酸化膜等(41)の成膜、多結晶SiC膜(42)の成膜から、第1単結晶層(11)の接合、第2単結晶層(5)の成膜、上記半導体素子の形成に至るまでの土台の役割を果たす。そして、複層基板(6)に第3の基板(3)を張り合わせた後には、カーボン基板(2)及びシリコン酸化膜等(41)を除去することにより、複層基板(6)の裏面には第1単結晶層(11)が露出し、半導体素子の裏面電極を形成することができる。これ以降、土台である支持基板の役割は第3の基板(3)が担うこととなる。従来の構造(図16参照)においては、単結晶からなる厚い支持基板上に半導体素子を形成するための単結晶層が設けられ、更に支持基板の厚さを薄くする加工が施されていた。本発明の製造方法によれば、従来の支持基板を無くすことができ、薄肉化工程も不要とすることができる。また、結晶性の良い単結晶からなる第1単結晶層(11)上に、半導体素子の能動層となる高品質な第2単結晶層(5)を成膜することができる。このように各層の特徴を活かすことによって、半導体素子の形成を容易にすると共に、コスト低減を図ることが可能になる。 The carbon substrate (2) is formed by forming a silicon oxide film (41), forming a polycrystalline SiC film (42), bonding a first single crystal layer (11), and forming a second single crystal layer (5). It plays a role of a base from film formation to formation of the above semiconductor element. After bonding the third substrate (3) to the multi-layered substrate (6), the carbon substrate (2) and the silicon oxide film (41) are removed to form the back surface of the multi-layered substrate (6). , the first single crystal layer (11) is exposed and can form the back electrode of the semiconductor device. After that, the third substrate (3) plays the role of the supporting substrate, which is the base. In the conventional structure (see FIG. 16), a single crystal layer for forming a semiconductor element is provided on a thick support substrate made of single crystal, and the support substrate is further processed to be thin. According to the manufacturing method of the present invention, the conventional support substrate can be eliminated, and the thinning process can be eliminated. In addition, a high-quality second single crystal layer (5) can be formed as an active layer of a semiconductor element on the first single crystal layer (11) made of a single crystal with good crystallinity. By taking advantage of the characteristics of each layer in this way, it is possible to facilitate the formation of semiconductor elements and reduce the cost.

カーボン基板(2)等を土台として形成された第1単結晶層(11)上に、高濃度窒素を含む単結晶の単結晶バッファ層(52)を形成し、その後に第2単結晶層(5)を形成してもよい。単結晶バッファ層(52)により、第2単結晶層(5)内の結晶欠陥を第1単結晶層(11)内の結晶欠陥より低減することができる。このように形成された複層基板(6)に第3の基板(3)を張り合わせた後には、カーボン基板(2)及びシリコン酸化膜等(41)等を除去し、更に第1単結晶層(11)及び単結晶バッファ層(52)を除去することにより、複層基板(6)の裏面には第2単結晶(5)が露出し、その裏面上に半導体素子の裏面電極を形成することができる。 A single-crystal single-crystal buffer layer (52) containing high-concentration nitrogen is formed on a first single-crystal layer (11) formed on a carbon substrate (2) or the like as a base, and then a second single-crystal layer ( 5) may be formed. The single crystal buffer layer (52) can reduce crystal defects in the second single crystal layer (5) from crystal defects in the first single crystal layer (11). After bonding the third substrate (3) to the multi-layer substrate (6) thus formed, the carbon substrate (2) and the silicon oxide film (41) are removed, and further the first single crystal layer is formed. By removing (11) and the single crystal buffer layer (52), the second single crystal (5) is exposed on the back surface of the multilayer substrate (6), and a back electrode of the semiconductor element is formed on the back surface. be able to.

半導体素子形成後に、半導体素子の最終的な支持層となる第3の基板(3)が接合され、暫定的な基板であった第2の基板(2)が除去される。第3の基板(3)が金属基板である場合には、第3の基板(3)を半導体素子の外部接続用の電極端子とすることができる。例えば、半導体素子がショットキーダイオードである場合には、そのアノ-ド電極とすることができる。また、MOSFETである場合には、そのソース電極とすることができる。 After forming the semiconductor device, the third substrate (3), which will be the final supporting layer of the semiconductor device, is bonded, and the second substrate (2), which was a provisional substrate, is removed. When the third substrate (3) is a metal substrate, the third substrate (3) can be used as electrode terminals for external connection of the semiconductor element. For example, if the semiconductor element is a Schottky diode, it can be its anode electrode. Moreover, in the case of a MOSFET, it can be used as its source electrode.

第2の基板(2)として、例えば、SiC基板(25)やサファイア基板(26)のように、レーザ光を透過する基板を用いることができる。その場合、Gaを含む半導体材料で表面薄膜層(例えば、GaN膜(413))を形成することが好ましい。そのようにすれば、レーザ光を照射することによりGaを析出させ、容易に第2基板(2)を除去することができる。SiC基板やサファイア基板は、Ga系薄膜を除去した後に、繰り返し第2の基板(2)として利用することができる。 As the second substrate (2), a substrate that transmits laser light, such as a SiC substrate (25) or a sapphire substrate (26), can be used. In that case, it is preferable to form a surface thin film layer (for example, a GaN film (413)) with a semiconductor material containing Ga. By doing so, Ga can be precipitated by irradiating laser light, and the second substrate (2) can be easily removed. A SiC substrate or a sapphire substrate can be repeatedly used as the second substrate (2) after removing the Ga-based thin film.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明する。
本実施形態に係る半導体素子の製造方法は、図1、2、4、6等に示すように、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板1の一方の平面101から所定の深さに水素注入層15を形成する水素層形成工程と、第2の基板2の少なくとも1つの平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層4を成膜する第1成膜工程と、第1の基板1の一方の平面101と第2の基板2上に形成された表面薄膜層4の表面とを接合する接合工程と、第1の基板1を水素注入層15で分離することにより、分離された第1の基板1の一方の平面101側を第1単結晶層11として第2の基板2に形成された表面薄膜層4上に残す分離工程と、を備えている。そして、第1単結晶層11の表面上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層5を成膜することにより、第2の基板2上に表面薄膜層4と第1単結晶層11と第2単結晶層5とが順に積層された複層基板6を得る第2成膜工程と、複層基板6の第2単結晶層5に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備えている。更に、前記半導体素子が形成された複層基板6の表面に第3の基板3を接合する第2接合工程と、第2の基板2を除去する基板除去工程と、を備えている。
前記第1成膜工程においては、第2の基板2の一方の平面201に表面薄膜層41を成膜するようにすることができる。また、第2の基板2の他方の平面202に、表面薄膜層42を成膜するようにすることができる。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1, 2, 4, 6, etc., the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is a first substrate 1 made of a single crystal of a first semiconductor material. a hydrogen layer forming step of forming a hydrogen-implanted layer 15 on the second substrate 2; a film formation step, a bonding step of bonding one plane 101 of the first substrate 1 and the surface of the surface thin film layer 4 formed on the second substrate 2 , and a hydrogen-implanted layer 15 on the first substrate 1 . a separation step of leaving one plane 101 side of the separated first substrate 1 as the first single crystal layer 11 on the surface thin film layer 4 formed on the second substrate 2 by separating in ing. Then, a second single-crystal layer 5 made of a single crystal of a second semiconductor material is formed on the surface of the first single-crystal layer 11 , so that the surface thin film layer 4 and the first single crystal layer 4 are formed on the second substrate 2 . A second film formation step of obtaining a multilayer substrate 6 in which a crystal layer 11 and a second single crystal layer 5 are laminated in order, and an element formation step of forming a semiconductor element in the second single crystal layer 5 of the multilayer substrate 6. , is equipped with Furthermore, a second bonding step of bonding the third substrate 3 to the surface of the multilayer substrate 6 on which the semiconductor elements are formed, and a substrate removing step of removing the second substrate 2 are provided.
In the first film forming step, the surface thin film layer 41 can be formed on one plane 201 of the second substrate 2 . Also, the surface thin film layer 42 can be formed on the other plane 202 of the second substrate 2 .

前記第2成膜工程は、第1単結晶層11の表面上に第2の半導体材料の単結晶からなる単結晶バッファ層52を形成した後に第2単結晶層5を成膜し、前記基板除去工程は、第2の基板2を除去した後に単結晶バッファ層52を除去するようにすることができる。単結晶バッファ層52は、例えば、窒素を高濃度に含む第2の半導体材料の単結晶により形成することができる。 In the second film formation step, a single crystal buffer layer 52 made of a single crystal of a second semiconductor material is formed on the surface of the first single crystal layer 11, and then the second single crystal layer 5 is formed. The removal step can be such that the monocrystalline buffer layer 52 is removed after the second substrate 2 is removed. The single crystal buffer layer 52 can be formed, for example, from a single crystal of a second semiconductor material containing nitrogen at a high concentration.

以下では、第1の半導体材料及び第2の半導体材料として、SiCを例として説明する。すなわち、第1の基板1は単結晶SiC基板とする。また、第2の基板2としてカーボン基板を使用し、その一方の面201に成膜する表面薄膜層41はシリコン酸化膜(SiO)とする。また、他方の面202に成膜する表面薄膜層42の材料は第2の半導体材料と同じであることが好ましく、その結晶性は問わない。以下では、表面薄膜層42は、SiCの多結晶からなる多結晶SiC膜であるとする。
図1(a)は、カーボン基板2、シリコン酸化膜41、多結晶SiC膜42及び第1単結晶層11の母材となる単結晶SiC基板1の例を示す上面図及び側面図である。カーボン基板2の一方の平面を上面201、他方の平面を下面(又は裏面)202、その側面全体を側面203とする。本図では、シリコン酸化膜41がカーボン基板2の上面201と側面203に形成され(側面203部は図示せず)、多結晶SiC膜42がカーボン基板1の下面202と側面203に形成されており(側面203部は図示せず)、単結晶SiC基板1の下面101から所定の深さに水素注入層15が形成された状態を表している。カーボン基板2及び単結晶SiC基板1の形状は問わないが、好ましくは円板状又は円柱状の基板である。また、カーボン基板2及び単結晶SiC基板1のサイズも限定されないが、取扱性の上でカーボン基板2が単結晶SiC基板1より一回り大きくされている。カーボン基板2の直径が、単結晶SiC基板1の直径よりも1~10mm程度大きいことが好ましい。例えば、単結晶SiC基板1が外径6インチ(約150mm)である場合には、カーボン基板2は外径160mm程度とすればよい。
前記接合工程において、カーボン基板2の表面201上に設けられたシリコン酸化膜41の表面と、単結晶SiC基板1の下面101とが接合される。
SiC will be described below as an example of the first semiconductor material and the second semiconductor material. That is, the first substrate 1 is assumed to be a single crystal SiC substrate. A carbon substrate is used as the second substrate 2, and the surface thin film layer 41 formed on one surface 201 thereof is a silicon oxide film (SiO 2 ). Moreover, the material of the surface thin film layer 42 formed on the other surface 202 is preferably the same as the second semiconductor material, and its crystallinity is not critical. Below, the surface thin film layer 42 is assumed to be a polycrystalline SiC film made of polycrystalline SiC.
1A is a top view and a side view showing an example of a carbon substrate 2, a silicon oxide film 41, a polycrystalline SiC film 42, and a single-crystal SiC substrate 1 serving as a base material for the first single-crystal layer 11. FIG. One plane of the carbon substrate 2 is a top surface 201 , the other plane is a bottom surface (or back surface) 202 , and the entire side surface is a side surface 203 . In this figure, a silicon oxide film 41 is formed on the upper surface 201 and the side surface 203 of the carbon substrate 2 (the side surface 203 is not shown), and a polycrystalline SiC film 42 is formed on the lower surface 202 and the side surface 203 of the carbon substrate 1. (the side surface 203 is not shown), showing a state in which a hydrogen-implanted layer 15 is formed at a predetermined depth from the lower surface 101 of the single-crystal SiC substrate 1 . The carbon substrate 2 and the single-crystal SiC substrate 1 may be of any shape, but they are preferably disc-shaped or columnar substrates. Also, the sizes of the carbon substrate 2 and the single-crystal SiC substrate 1 are not limited, but the carbon substrate 2 is one size larger than the single-crystal SiC substrate 1 in terms of handleability. It is preferable that the diameter of carbon substrate 2 is larger than the diameter of single crystal SiC substrate 1 by about 1 to 10 mm. For example, if the single crystal SiC substrate 1 has an outer diameter of 6 inches (about 150 mm), the carbon substrate 2 may have an outer diameter of about 160 mm.
In the bonding step, the surface of the silicon oxide film 41 provided on the surface 201 of the carbon substrate 2 and the lower surface 101 of the single crystal SiC substrate 1 are bonded.

図1(b)は、第2の基板としてSiC基板(又はサファイア基板)25を使用し、その一方の面201に表面薄膜層としてGaN膜413を成膜する例を示している。SiCは、酸素等の雰囲気において安定であるため、下面202に表面薄膜層を形成する必要はない。前記接合工程において、SiC基板25上に形成されたGaN膜413の表面と単結晶SiC基板1の下面101とが接合されることとなる。SiC基板25の直径は、単結晶SiC基板1の直径よりも1mm程度大きいことが好ましい。 FIG. 1(b) shows an example in which a SiC substrate (or sapphire substrate) 25 is used as the second substrate, and a GaN film 413 is formed as a surface thin film layer on one surface 201 thereof. Since SiC is stable in an atmosphere such as oxygen, it is not necessary to form a surface thin film layer on the lower surface 202 . In the bonding step, the surface of the GaN film 413 formed on the SiC substrate 25 and the bottom surface 101 of the single crystal SiC substrate 1 are bonded. The diameter of SiC substrate 25 is preferably larger than the diameter of single crystal SiC substrate 1 by about 1 mm.

図2(a)及び(b)は、カーボン基板2の一方の面201上に表面薄膜層41と第1単結晶層(単結晶SiC層)11と第2単結晶層(単結晶SiC層)5とが順に積層された複層基板6を表す模式的な断面図である。図2(a)に示す複層基板6(6a)は、カーボン基板2の上面201上に、表面薄膜層としてシリコン酸化膜41と、第1単結晶層11と第2単結晶層5とが順に形成され、カーボン基板2の他方の面(下面)202に多結晶SiC膜42が形成されて構成されている。この複層基板6の製造工程においては、先ずカーボン基板2の上面201及び側面203にシリコン酸化膜41が成膜され、次にカーボン基板2の下面202及び側面203に多結晶SiC膜42が成膜される。そして、シリコン酸化膜41を介してカーボン基板2と第1単結晶層11(単結晶SiC基板1)とが接合され、更にカーボン基板2の上面201側及び側面203側を覆うようにSiC層(5、51)が成膜されて、複層基板6aが構成される。SiCからなる第2単結晶層5を成膜する際に、第1の基板1の径はカーボン基板2の径よりも小さいため、第1単結晶層11の上面には単結晶からなる第2単結晶層5が成膜されるが、第1単結晶層11の径(即ち第1の基板1の径)を超える外周部及びカーボン基板2の側面203側には、多結晶からなる層(第2多結晶層)51が形成される。 2A and 2B show a surface thin film layer 41, a first single crystal layer (single crystal SiC layer) 11 and a second single crystal layer (single crystal SiC layer) on one surface 201 of the carbon substrate 2. FIGS. 5 is a schematic cross-sectional view showing a multilayer substrate 6 in which 5 are laminated in order. The multi-layer substrate 6 (6a) shown in FIG. 2(a) has a silicon oxide film 41 as a surface thin film layer, a first single crystal layer 11 and a second single crystal layer 5 on an upper surface 201 of a carbon substrate 2. A polycrystalline SiC film 42 is formed on the other surface (lower surface) 202 of the carbon substrate 2 . In the manufacturing process of this multilayer substrate 6, first, a silicon oxide film 41 is formed on the upper surface 201 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2, and then a polycrystalline SiC film 42 is formed on the lower surface 202 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2. filmed. Then, the carbon substrate 2 and the first single crystal layer 11 (single crystal SiC substrate 1) are bonded via the silicon oxide film 41, and the SiC layer ( 5, 51) are deposited to form a multilayer substrate 6a. Since the diameter of the first substrate 1 is smaller than the diameter of the carbon substrate 2 when forming the second single-crystal layer 5 made of SiC, the second single-crystal layer 11 is formed on the upper surface of the first single-crystal layer 11 . Although the single crystal layer 5 is formed, a layer made of polycrystal ( A second polycrystalline layer) 51 is formed.

第2の基板2の一方の面201上に成膜する表面薄膜層は、2層の薄膜により構成することができる。図2(b)に示す複層基板6(6b)は、カーボン基板2の上面201上に形成する表面薄膜層が2層からなる点で、同図(a)に示した複層基板6aと異なる。複層基板6bは、カーボン基板2の上面201上に第1層としてシリコン酸化膜41が成膜され、その上に第2層(半導体材料からなるバッファ層)としてSiC層が成膜されている。このSiC層は多結晶からなる。バッファ層を設けた複層基板6bは、カーボン基板2の上面201上に、表面薄膜層としてシリコン酸化膜41及びSiC多結晶からなるバッファ層412と、第1単結晶層11と第2単結晶層5とが順に形成され、カーボン基板2の他方の面(下面)202に多結晶SiC膜42が形成されて構成されている。カーボン基板2の側面203側は、シリコン酸化膜41、SiC多結晶からなるバッファ層412及び多結晶SiC膜42により覆われる。 The surface thin film layer formed on one surface 201 of the second substrate 2 can be composed of two layers of thin films. The multilayer substrate 6 (6b) shown in FIG. 2(b) is different from the multilayer substrate 6a shown in FIG. different. In the multilayer substrate 6b, a silicon oxide film 41 is formed as a first layer on the upper surface 201 of the carbon substrate 2, and a SiC layer is formed thereon as a second layer (a buffer layer made of a semiconductor material). . This SiC layer is made of polycrystal. The multi-layered substrate 6b provided with a buffer layer includes, on the upper surface 201 of the carbon substrate 2, a silicon oxide film 41 as a surface thin film layer, a buffer layer 412 made of SiC polycrystal, a first single crystal layer 11 and a second single crystal. layer 5 are formed in this order, and a polycrystalline SiC film 42 is formed on the other surface (lower surface) 202 of the carbon substrate 2 . The side surface 203 side of the carbon substrate 2 is covered with a silicon oxide film 41 , a buffer layer 412 made of SiC polycrystal, and a polycrystalline SiC film 42 .

バッファ層412は、高窒素濃度の多結晶SiC層であってもよい。高窒素濃度の多結晶SiC層とすることにより、後の裏面電極形成時にオーミックコントクト性を良くすることができる。尚、高窒素濃度の多結晶SiC層と第1単結晶層11との間では、バンド幅の違いにより電位障壁が生じてオーミック接続の障害となる可能性がある。その場合には、接合前に第1単結晶層11の極く薄い表層を高窒素濃度にしておいてもよい。 The buffer layer 412 may be a nitrogen-rich polycrystalline SiC layer. By forming a polycrystalline SiC layer with a high nitrogen concentration, it is possible to improve the ohmic contact when forming the rear surface electrode later. Between the high-nitrogen concentration polycrystalline SiC layer and the first single crystal layer 11, there is a possibility that an ohmic connection may be hindered due to a potential barrier caused by a difference in band width. In that case, the extremely thin surface layer of the first single crystal layer 11 may be made to have a high nitrogen concentration before bonding.

図2(c)は、第2の基板としてSiC基板(又はサファイア基板)25を使用し、その一方の面201に表面薄膜層としてGaN膜413を成膜した場合の複層基板6(6c)を示している。複層基板6cは、SiC基板25の上面201上に、GaN膜413と第1単結晶層11と第2単結晶層5とが順に形成されて構成されている。図示されていないが、第2単結晶層5を成膜する際に周縁部には第2多結晶層51が形成される。
上記複層基板6(6a、6b、6c)において、SiCからなる第2単結晶層5を成膜する前に、窒素を高濃度に含むSiCの単結晶からなる単結晶バッファ層52が形成されてもよい。図2(d)は、第1単結晶層11の表面上に第2の半導体材料の単結晶からなる単結晶バッファ層52が形成され、その後に第2単結晶層5が成膜された複層基板6(6d)を示している。
図2(e)は、SiC基板25の上面201上に、GaN膜413と、バッファ層として高窒素濃度の多結晶SiC層53と、第1単結晶層11と、第2単結晶層5とが順に形成されて構成された複層基板6(6e)を示している。高窒素濃度の多結晶SiC層53を形成することにより、後の裏面電極形成時にオーミックコントクト性を良くすることができる。尚、高窒素濃度の多結晶SiC層53と第1単結晶層11との間では、バンド幅の違いにより電位障壁が生じてオーミック接続の障害となる可能性がある。その場合には、接合前に第1単結晶層11の極く薄い表層を高窒素濃度にしておいてもよい。
FIG. 2(c) shows a multi-layer substrate 6 (6c) in which a SiC substrate (or sapphire substrate) 25 is used as the second substrate, and a GaN film 413 is formed as a surface thin film layer on one surface 201 thereof. is shown. The multi-layer substrate 6c is constructed by sequentially forming a GaN film 413, a first single crystal layer 11, and a second single crystal layer 5 on an upper surface 201 of a SiC substrate 25. As shown in FIG. Although not shown, a second polycrystalline layer 51 is formed on the peripheral portion when the second single crystal layer 5 is formed.
In the multilayer substrate 6 (6a, 6b, 6c), before forming the second single crystal layer 5 made of SiC, a single crystal buffer layer 52 made of a single crystal of SiC containing a high concentration of nitrogen is formed. may FIG. 2D shows a composite structure in which a single-crystal buffer layer 52 made of a single crystal of a second semiconductor material is formed on the surface of the first single-crystal layer 11, and then a second single-crystal layer 5 is formed. Layer substrate 6 (6d) is shown.
FIG. 2( e ) shows a GaN film 413 , a polycrystalline SiC layer 53 with a high nitrogen concentration as a buffer layer, a first single crystal layer 11 and a second single crystal layer 5 on the upper surface 201 of the SiC substrate 25 . are formed in order to form a multilayer substrate 6 (6e). By forming the polycrystalline SiC layer 53 with a high nitrogen concentration, it is possible to improve the ohmic contact when forming the rear surface electrode later. Between the polycrystalline SiC layer 53 with a high nitrogen concentration and the first single crystal layer 11, there is a possibility that a potential barrier is generated due to a difference in band width, which hinders the ohmic connection. In that case, the extremely thin surface layer of the first single crystal layer 11 may be made to have a high nitrogen concentration before bonding.

(水素層形成工程)
第1の基板1は、第1の半導体材料の単結晶からなる。第1の半導体材料はSiCに限定されず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等を採用することができる。後の工程において、第1の基板1から分離された第1単結晶層11上に第2単結晶層5が形成されるため、第1の半導体材料は、第2単結晶層5の材料である第2の半導体材料と同じか又はSiCとすることが好ましい。
前記水素層形成工程は、第1の基板1の下面101から所定の深さに水素注入層15を形成する工程である。水素注入層15は、上記所定の深さ(例えば、0.2~1.5μm、好ましくは0.5μm程度の深さ)に水素イオンを注入することにより形成することができる。
(Hydrogen layer forming step)
The first substrate 1 consists of a single crystal of a first semiconductor material. The first semiconductor material is not limited to SiC, and may be SiC, GaN, gallium oxide, or the like, for example. Since the second single crystal layer 5 is formed on the first single crystal layer 11 separated from the first substrate 1 in a later step, the first semiconductor material is the material of the second single crystal layer 5. It is preferably the same as some second semiconductor material or SiC.
The hydrogen layer forming step is a step of forming the hydrogen-implanted layer 15 from the lower surface 101 of the first substrate 1 to a predetermined depth. The hydrogen-implanted layer 15 can be formed by implanting hydrogen ions to the predetermined depth (for example, 0.2 to 1.5 μm, preferably about 0.5 μm).

(シリサイド層形成工程)
図2に示した複層基板6(6a、6b、6c、6d、6e)において、第2の基板側となる第1単結晶層11の表面に予めシリサイド層を形成しておくことができる。例えば、第2の基板と接合する前に、第1の基板1の下面101にシリサイド層を形成する。このようにすれば、後に第2の基板を除去して半導体素子の裏面電極層を形成する際のシリサイド化処理を省略することができる。
(Silicide layer forming step)
In the multi-layer substrate 6 (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) shown in FIG. 2, a silicide layer can be formed in advance on the surface of the first single crystal layer 11 on the second substrate side. For example, a silicide layer is formed on the lower surface 101 of the first substrate 1 before bonding with the second substrate. By doing so, it is possible to omit the silicidation process when the second substrate is removed later to form the back electrode layer of the semiconductor element.

(第1成膜工程)
前記第1成膜工程は、第2の基板2の少なくとも1つの平面上に絶縁材料又は半導体材料の薄膜からなる表面薄膜層4を成膜する工程である。使用する絶縁材料又は半導体材料は、第1の基板1との接合性や第2の基板2の保護の必要性等に応じて適宜選択されればよく、例えば、シリコン酸化物(SiO)、SiC、GaN等を挙げることができる。
第2の基板2にカーボン基板を用いる場合には、表面薄膜層4として、カーボン基板2の一方の平面201に、シリコン酸化膜41、又はシリコン酸化膜41及びSiCからなるバッファ層412を成膜するようにすることができる。また、それに加えて、カーボン基板2の他方の平面202に多結晶SiC膜(42)を成膜するようにすることができる。表面薄膜層41、412及び42の成膜は、いずれを先に行ってもよい。表面薄膜層(41、412、42)を成膜する際には、第2の基板2の側面203側にも同じ薄膜層(41、412、41)が形成される。
第2の基板2にサファイア基板を用いる場合には、表面薄膜層4として、一方の平面201にGaN膜又はシリコン酸化膜を成膜するようにすることができる。サファイア基板は素子形成工程の熱処理から保護する必要はないため、他方の平面202及び側面203には、表面薄膜層4を形成する必要はない。
(First film formation step)
The first film forming step is a step of forming a surface thin film layer 4 made of a thin film of an insulating material or a semiconductor material on at least one plane of the second substrate 2 . The insulating material or semiconductor material to be used may be appropriately selected according to the bondability with the first substrate 1, the need to protect the second substrate 2, etc. Examples include silicon oxide (SiO 2 ), SiC, GaN, etc. can be mentioned.
When a carbon substrate is used as the second substrate 2, a silicon oxide film 41 or a buffer layer 412 made of silicon oxide film 41 and SiC is formed on one plane 201 of the carbon substrate 2 as the surface thin film layer 4. can be made to In addition, a polycrystalline SiC film ( 42 ) can be formed on the other plane 202 of the carbon substrate 2 . Any of the surface thin film layers 41, 412 and 42 may be formed first. When forming the surface thin film layers (41, 412, 42), the same thin film layers (41, 412, 41) are formed on the side surface 203 of the second substrate 2 as well.
When a sapphire substrate is used as the second substrate 2 , a GaN film or a silicon oxide film can be formed on one plane 201 as the surface thin film layer 4 . Since the sapphire substrate does not need to be protected from heat treatment during the device formation process, it is not necessary to form the surface thin film layer 4 on the other flat surface 202 and side surface 203 .

第2の基板2として光透過性のあるSiC基板25を用いる場合も同様である。SiC基板25の一方の平面201に表面薄膜層4としてGaを含む半導体層(例えば、GaN膜、酸化Ga膜)を成膜することができる。SiC基板25もまた素子形成工程の熱処理から保護する必要はないため、他方の平面202及び側面203に表面薄膜層4を形成する必要はない。また、サファイア基板やSiC基板は剛性があり、反りも抑制される。 The same is true when a SiC substrate 25 having optical transparency is used as the second substrate 2 . A semiconductor layer containing Ga (for example, a GaN film, a Ga oxide film) can be formed as the surface thin film layer 4 on one plane 201 of the SiC substrate 25 . Since the SiC substrate 25 also does not need to be protected from the heat treatment in the element formation process, it is not necessary to form the surface thin film layer 4 on the other flat surface 202 and side surface 203 . Moreover, the sapphire substrate and the SiC substrate have rigidity, and warp is also suppressed.

高電力用途の半導体素子を形成するには、窒素、リン、アルミニウム等の不純物の活性化のために1700℃程度の高温とする工程が必要である。その半導体素子を形成する土台となる第2の基板2として、カーボン基板を使用することができる。カーボンは、不活性ガス中においては上記のような高温に耐える材料である。しかし、カーボンは、酸素が存在する場合には400℃以上で焼損する。このようなカーボンを保護するために、カーボン基板2の全表面を被覆する方法を採用することができる。具体的には、第1成膜工程において、カーボン基板2の上面201及び側面203をシリコン酸化膜41で覆い、カーボン基板2の下面202及び側面203側を覆うように多結晶SiC膜42を成膜することが好ましい。更に、後の工程において、カーボン基板2の上面201側及び側面203側は、第2の半導体材料からなる薄膜層(第2単結晶層5及び第2多結晶層51)により覆われる。このようにすれば、カーボン基板2の全ての表面が多結晶SiC膜42、第2単結晶層5、第2多結晶層51等により被覆され、カーボン基板2が外部に露出しないので、酸素が存在する高温での加工を行うことができる。また、カーボン基板2の両面に形成されるこれら各薄膜の厚さのバランスをとることにより、カーボン基板2の反りを極めて小さくすることができる。カーボン基板2の裏面202に形成される多結晶SiC膜42の厚さは、カーボン基板2を覆うこと及び複層基板6の反りを減らすことを目的として、カーボン基板2の上面201側に形成されるシリコン酸化膜41等、第1単結晶層11及び第2単結晶層5の各厚さに対応して、反りが生じないようバランスさせるのに必要な厚さ(例えば、1~10μm程度)とすることが可能である。その場合、カーボン基板2の厚さは、反りを抑制しハンドリングを容易にするために最低限必要な厚さ(例えば、250~1000μm程度)とすることが可能である。 In order to form a semiconductor device for high power applications, a high temperature process of about 1700° C. is required to activate impurities such as nitrogen, phosphorus, and aluminum. A carbon substrate can be used as the second substrate 2 serving as a base for forming the semiconductor element. Carbon is a material that can withstand such high temperatures in inert gas. However, carbon burns out above 400° C. in the presence of oxygen. In order to protect such carbon, a method of covering the entire surface of the carbon substrate 2 can be adopted. Specifically, in the first film forming step, the silicon oxide film 41 covers the upper surface 201 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2, and the polycrystalline SiC film 42 is formed so as to cover the lower surface 202 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2. A film is preferred. Furthermore, in a later process, the top surface 201 side and side surface 203 side of the carbon substrate 2 are covered with thin film layers (the second single crystal layer 5 and the second polycrystal layer 51) made of a second semiconductor material. In this way, the entire surface of the carbon substrate 2 is covered with the polycrystalline SiC film 42, the second single crystal layer 5, the second polycrystalline layer 51, etc., and the carbon substrate 2 is not exposed to the outside, so that oxygen is not released. Processing can be carried out at the high temperatures that exist. Further, by balancing the thickness of each of these thin films formed on both surfaces of the carbon substrate 2, the warping of the carbon substrate 2 can be made extremely small. The thickness of the polycrystalline SiC film 42 formed on the rear surface 202 of the carbon substrate 2 is formed on the upper surface 201 side of the carbon substrate 2 for the purpose of covering the carbon substrate 2 and reducing warping of the multilayer substrate 6. The thickness of the silicon oxide film 41, etc., which corresponds to the respective thicknesses of the first single crystal layer 11 and the second single crystal layer 5 and is necessary to balance the thicknesses so as not to cause warpage (for example, about 1 to 10 μm). It is possible to In that case, the thickness of the carbon substrate 2 can be set to the minimum necessary thickness (for example, about 250 to 1000 μm) for suppressing warpage and facilitating handling.

図3は、カーボン基板2をシリコン酸化膜41及び多結晶SiC膜42で被覆したときの基板端部の断面画像である。カーボン基板2の上面201に熱CVD装置を用いてシリコン酸化膜41を形成すると、カーボン基板2の側面203側にもシリコン酸化膜41が成膜される。その後、シリコン酸化膜41面を下にして、上方からカーボン基板2の下面202に多結晶SiC膜42を成膜すると、カーボン基板2の側面203側にも多結晶SiC膜42が形成される。図3において、多結晶SiC膜42とシリコン酸化膜41の境界部43を破線にて示している。このように、カーボン基板2の端部においては不均一が発生し、膜厚が一定とはならないため、カーボン基板2の板端の角部は、面取り処理(べベル処理)がされている。面取りの形状や大きさを適宜定めることにより、カーボン基板2の板端に至るまでシリコン酸化膜41及び多結晶SiC膜42の厚さが均一となるようにすることが好ましい。 FIG. 3 is a cross-sectional image of the substrate edge when the carbon substrate 2 is covered with the silicon oxide film 41 and the polycrystalline SiC film 42 . When the silicon oxide film 41 is formed on the upper surface 201 of the carbon substrate 2 using a thermal CVD apparatus, the silicon oxide film 41 is also formed on the side surface 203 side of the carbon substrate 2 . After that, when the polycrystalline SiC film 42 is formed on the lower surface 202 of the carbon substrate 2 from above with the silicon oxide film 41 facing downward, the polycrystalline SiC film 42 is also formed on the side surface 203 side of the carbon substrate 2 . In FIG. 3, a boundary portion 43 between the polycrystalline SiC film 42 and the silicon oxide film 41 is indicated by a broken line. As described above, unevenness occurs at the edges of the carbon substrate 2 and the film thickness is not constant. It is preferable to make the thickness of the silicon oxide film 41 and the polycrystalline SiC film 42 uniform up to the edge of the carbon substrate 2 by appropriately determining the shape and size of the chamfer.

(接合工程)
前記接合工程は、第1の基板(単結晶SiC基板)1の下面101と第2の基板(カーボン基板)2上に形成された表面薄膜層4(シリコン酸化膜41)の表面とを接合する工程である。接合方法は特に問わず、例えば、両表面をアルゴンビーム等で活性化して接合することが可能である。カーボン基板2上に2層からなる表面薄膜層4(シリコン酸化膜41及びSiCからなるバッファ層412)が形成されている場合も、同様に接合することができる。
(Joining process)
In the bonding step, the lower surface 101 of the first substrate (single crystal SiC substrate) 1 and the surface of the surface thin film layer 4 (silicon oxide film 41) formed on the second substrate (carbon substrate) 2 are bonded. It is a process. The bonding method is not particularly limited. For example, bonding can be performed by activating both surfaces with an argon beam or the like. When the surface thin film layer 4 (the silicon oxide film 41 and the buffer layer 412 made of SiC) is formed on the carbon substrate 2, the bonding can be performed in the same manner.

第2の基板がSiC基板25(又はサファイア基板)であり、表面薄膜層4としてGaN膜413が形成されている場合には、接合工程において、第1の基板1の下面101とSiC基板25上に形成されたGaN膜413の表面とが接合される。接合方法は特に問わず、例えば、両表面をアルゴンビーム等で活性化して接合することが可能である。 When the second substrate is the SiC substrate 25 (or a sapphire substrate) and the GaN film 413 is formed as the surface thin film layer 4, the lower surface 101 of the first substrate 1 and the SiC substrate 25 are bonded together in the bonding step. is bonded to the surface of the GaN film 413 formed on . The bonding method is not particularly limited. For example, bonding can be performed by activating both surfaces with an argon beam or the like.

(分離工程)
前記分離工程は、第2の基板との接合面、即ち第1の基板の下面101から所定の深さにおいて第1の基板を分離することにより、第1の基板の下面側を第1単結晶層として第2の基板上に残す工程である。すなわち、第2の基板上に、前記所定の深さに相当する厚さの第1単結晶層が残される。
例えば、第1の基板(単結晶SiC基板)1を水素注入層15で分離することができる。これにより、第2の基板(カーボン基板)2に形成された表面薄膜層4(シリコン酸化膜41)上に、分離された第1の基板1の下面101側を第1単結晶層11として残すことができる。水素注入層15における分離は、接合された基板を高温とすることによって可能である。例えば、第1の基板1が単結晶SiC基板である場合には、900~1000℃で水素注入層15にてブリスタが発生し、水素注入層15を境界として単結晶SiC基板1が分離される。
第2の基板がSiC基板25(又はサファイア基板)であり、表面薄膜層4としてGaN膜413が形成されている場合も同様である。
(Separation process)
In the separating step, the first substrate is separated from the bonding surface with the second substrate, that is, the lower surface 101 of the first substrate at a predetermined depth, thereby separating the lower surface side of the first substrate from the first single crystal. It is the step of leaving it on the second substrate as a layer. That is, the first single crystal layer having a thickness corresponding to the predetermined depth is left on the second substrate.
For example, the first substrate (single crystal SiC substrate) 1 can be separated by the hydrogen-implanted layer 15 . As a result, the lower surface 101 side of the separated first substrate 1 is left as the first single crystal layer 11 on the surface thin film layer 4 (silicon oxide film 41) formed on the second substrate (carbon substrate) 2. be able to. Separation at the hydrogen-implanted layer 15 is possible by heating the bonded substrates to a high temperature. For example, when the first substrate 1 is a single-crystal SiC substrate, blisters are generated in the hydrogen-implanted layer 15 at 900 to 1000° C., and the single-crystal SiC substrate 1 is separated with the hydrogen-implanted layer 15 as a boundary. .
The same applies when the second substrate is the SiC substrate 25 (or sapphire substrate) and the GaN film 413 is formed as the surface thin film layer 4 .

(第2成膜工程)
前記第2成膜工程は、仮支持基板である第2の基板上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層5を成膜する工程である。具体的には、第2の基板2(25)上に形成された第1単結晶層11の表面上に、第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層5を成膜することができる。第2の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等のうち1つを採用することができる。第2成膜工程により、例えば、カーボン基板(第2の基板)2上にシリコン酸化膜41と単結晶SiC層(第1単結晶層)11と成膜された単結晶SiC層(第2単結晶層)5とが順に積層された複層基板6を得ることができる。第2成膜工程においては、第1単結晶層11上には第2の半導体材料の単結晶層5が成膜され、第1単結晶層11が存在しない部分(即ち、第2の基板2の上面201側において第1単結晶層11が無い外周部分、及び第2の基板2の側面203側)には、第2の半導体材料の多結晶層51が形成される。
結晶性の良い第1単結晶層11は、その上に形成される第2単結晶層5の下地として好適である。第2単結晶層5の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、第1単結晶層11上に、エピタキシャル成長により第2単結晶層5を成膜することができる。第2の半導体材料の種類によっては、MOCVD手法により成膜することも可能である。第2単結晶層5は、結晶性の良い第1単結晶層11上に成膜されるため高品質な単結晶層とすることができ、半導体素子を形成するために好適である。第2単結晶層5の厚さは、半導体素子の能動層とするために必要な厚さ(第2の半導体材料がSiCである場合、5~10μm程度)だけがあればよい。
以上の工程によって、図2に示した複層基板6が形成される。
(Second film formation step)
The second film formation step is a step of forming a second single crystal layer 5 made of a single crystal of a second semiconductor material on a second substrate, which is a temporary support substrate. Specifically, the second single crystal layer 5 made of a single crystal of the second semiconductor material is formed on the surface of the first single crystal layer 11 formed on the second substrate 2 (25). can be done. The second semiconductor material is not particularly limited, and one of SiC, GaN, gallium oxide, and the like can be adopted, for example. In the second film formation step, for example, a silicon oxide film 41 and a single crystal SiC layer (first single crystal layer) 11 are formed on a carbon substrate (second substrate) 2 (second single crystal layer). A multi-layer substrate 6 in which the crystal layer 5 is laminated in order can be obtained. In the second film formation step, the single crystal layer 5 of the second semiconductor material is formed on the first single crystal layer 11, and the portion where the first single crystal layer 11 does not exist (that is, the second substrate 2) is formed. A polycrystalline layer 51 of a second semiconductor material is formed on the outer peripheral portion where the first single crystal layer 11 is absent on the upper surface 201 side of the second substrate 2 and on the side surface 203 side of the second substrate 2 .
The first single crystal layer 11 with good crystallinity is suitable as a base for the second single crystal layer 5 formed thereon. A specific method for forming the second single crystal layer 5 is not particularly limited. For example, the second single crystal layer 5 can be formed on the first single crystal layer 11 by epitaxial growth. Depending on the type of second semiconductor material, it is also possible to deposit the film by the MOCVD method. Since the second single-crystal layer 5 is formed on the first single-crystal layer 11 with good crystallinity, it can be a high-quality single-crystal layer, which is suitable for forming a semiconductor element. The thickness of the second single-crystal layer 5 may be as large as the thickness necessary for the active layer of the semiconductor element (about 5 to 10 μm when the second semiconductor material is SiC).
Through the steps described above, the multilayer substrate 6 shown in FIG. 2 is formed.

第2成膜工程においては、第1単結晶層11上に窒素を高濃度に含む単結晶の単結晶バッファ層52を形成して、その後に窒素濃度の低い第2単結晶層5をエピタキシャル成長させることもできる。 In the second film formation step, a single-crystal buffer layer 52 containing nitrogen at a high concentration is formed on the first single-crystal layer 11, and then the second single-crystal layer 5 with a low nitrogen concentration is epitaxially grown. can also

(素子形成工程)
前記素子形成工程は、第2成膜工程によって得られた複層基板6の表層である第2単結晶層5に半導体素子7を形成する工程である。半導体素子を形成する工程は、ショットキーダイオード、MOSFET、JFET等、目的とする半導体素子7を構成するために必要な不純物領域、絶縁物領域、表面の電気的配線領域等を形成する工程である(図11、12参照)。複層基板6は、カーボン基板2の厚みやその両面に形成された薄膜のバランスにより曲がりや反りが抑制されるため、汎用のフォトリソグラフィ装置を使用して半導体素子7を形成することができる。
第2の基板がSiC基板又はサファイア基板である場合には、SiC基板又はサファイア基板自体の剛性により複層基板6の曲がりや反りが抑制される。
(Element formation process)
The device forming step is a step of forming the semiconductor device 7 on the second single crystal layer 5 which is the surface layer of the multilayer substrate 6 obtained by the second film forming step. The step of forming a semiconductor element is a step of forming an impurity region, an insulator region, a surface electrical wiring region, etc. necessary for forming a desired semiconductor device 7 such as a Schottky diode, MOSFET, or JFET. (See Figures 11 and 12). Since bending and warping of the multilayer substrate 6 are suppressed by the thickness of the carbon substrate 2 and the balance of the thin films formed on both sides thereof, the semiconductor element 7 can be formed using a general-purpose photolithography apparatus.
When the second substrate is a SiC substrate or a sapphire substrate, bending or warping of the multilayer substrate 6 is suppressed by the rigidity of the SiC substrate or the sapphire substrate itself.

(第2接合工程)
前記第2接合工程は、素子形成工程により半導体素子7が形成された複層基板6の第2単結晶層5側表面に第3の基板3を接合する工程である。第3の基板3の接合方法は特に問わず、例えば、第3の基板3と、半導体素子7が形成された第2単結晶層5の表面とを、適宜選択される接着層34等を介して接合することができる(図6、8参照)。
第3の基板3としては、無アルカリガラスやサファイアのように絶縁材料からなる基板(31)を用いることができる。また、第3の基板3として、Si基板(32)等のような半導体材料を用いた基板を用いることもできる。無アルカリガラス、サファイア等の非半導体材料を用いる場合には、例えば、素子形成工程が完了した第2単結晶層5の表面に光硬化型接着剤をコートした接着層34を設け、その上に第3の基板31を貼り合せ、紫外線硬化により接合することが可能である。Si基板等を用いる場合には、例えば、素子形成工程が完了した第2単結晶層5の表面上にTEOS酸化膜(Tetra Ethyl Ortho Silicate酸化膜)を形成し、平坦化した後にSi基板32と接合することができる。接合はプラズマ活性化等により可能である。
(Second bonding step)
The second bonding step is a step of bonding the third substrate 3 to the second single crystal layer 5 side surface of the multilayer substrate 6 on which the semiconductor element 7 is formed by the element forming process. The bonding method of the third substrate 3 is not particularly limited. can be joined together (see FIGS. 6 and 8).
As the third substrate 3, a substrate (31) made of an insulating material such as alkali-free glass or sapphire can be used. Also, as the third substrate 3, a substrate using a semiconductor material such as a Si substrate (32) can be used. When using a non-semiconductor material such as non-alkaline glass or sapphire, for example, an adhesive layer 34 coated with a photocurable adhesive is provided on the surface of the second single crystal layer 5 for which the device formation process has been completed, and the adhesive layer 34 is coated thereon. A third substrate 31 can be attached and bonded by ultraviolet curing. When a Si substrate or the like is used, for example, a TEOS oxide film (Tetra Ethyl Ortho Silicate oxide film) is formed on the surface of the second single crystal layer 5 for which the element forming process is completed, and after planarization, the Si substrate 32 and the silicon substrate 32 are formed. can be spliced. Bonding is possible by plasma activation or the like.

第3の基板3として金属基板33を用いる場合には、半導体素子7が形成された第2単結晶層5の表面に接合層34、金属接合層38を設け、その上に金属基板33を接合することができる(図6(c)、図8(c)参照)。金属接合層38は、Ni等の金属をスパッタで形成した上に厚膜のメッキ層を形成し、厚膜のメッキ層を平坦化した後に金属基板33と金属間接合をしてもよい。金属基板33を用いる場合には、下記開孔工程は不要である。 When a metal substrate 33 is used as the third substrate 3, a bonding layer 34 and a metal bonding layer 38 are provided on the surface of the second single crystal layer 5 on which the semiconductor element 7 is formed, and the metal substrate 33 is bonded thereon. (See FIGS. 6(c) and 8(c)). The metal bonding layer 38 may be formed by forming a thick plated layer on a metal such as Ni by sputtering, and after flattening the thick plated layer, metal-to-metal bonding may be performed with the metal substrate 33 . When the metal substrate 33 is used, the hole opening process described below is not necessary.

(開孔工程)
前記第2接合工程の後、又は基板除去工程の後、第3の基板3に半導体素子7の電極部となる貫通孔を形成する開孔工程を備えることができる。開孔工程は、第2接合工程により複層基板6と第3の基板3(31、32)とを接合した後に、第3の基板3に貫通孔(36、37)を形成する工程である(図6、8参照)。第3の基板3が無アルカリガラス、サファイア等の場合には、フォトリソグラフィにより電極部として必要な部分に貫通孔を設けることができる。また、第3の基板3がSi等の半導体材料の場合にも、フォトリソグラフィにより貫通孔を設けることができる。その場合、Siの面方位を100面とし、エッチングをKOH液で行うことにより、54度の角度を持つテーパを形成することができる。このテーパを利用し、後にSi基板の表面に電極を形成すれば、半導体素子の電極をSi基板表面に導くことが可能となる。この開孔工程は、複層基板6から第2の基板2を除去した後に行うようにすることもできる。
(Opening process)
After the second bonding step or after the substrate removing step, a hole opening step of forming through holes to be electrode portions of the semiconductor element 7 in the third substrate 3 can be provided. The hole opening step is a step of forming through holes (36, 37) in the third substrate 3 after bonding the multilayer substrate 6 and the third substrate 3 (31, 32) in the second bonding step. (See Figures 6 and 8). When the third substrate 3 is made of non-alkali glass, sapphire, or the like, through holes can be provided at portions required as electrode portions by photolithography. Further, even when the third substrate 3 is made of a semiconductor material such as Si, through holes can be provided by photolithography. In this case, a taper having an angle of 54 degrees can be formed by setting the plane orientation of Si to 100 and performing etching with a KOH solution. By using this taper to form an electrode on the surface of the Si substrate later, it becomes possible to lead the electrode of the semiconductor element to the surface of the Si substrate. This perforation step can also be performed after removing the second substrate 2 from the multilayer substrate 6 .

(基板除去工程)
前記基板除去工程は、第3の基板3と接合された複層基板6から第2の基板(カーボン基板)2を除去する工程である(図9、10参照)。具体的な基板の除去方法は特に問わない。例えば、カーボン基板2の下面202が多結晶SiC膜42により覆われている場合、先ず、複層基板6の周縁部(少なくともカーボン基板2の側面203側に形成されている第2多結晶層51、シリコン酸化膜41及び多結晶SiC膜42)を切断除去して、カーボン基板2の側面部203’を露出させる。その後、焼却等によりカーボン基板2を除去する。カーボンは、500℃程度の高温とすることによって容易に焼却することができる。カーボン基板2を除去した後、残存する表面薄膜層(シリコン酸化膜)41は、酸により又はドライエッチング等により、除去することができる。
(Substrate removal step)
The substrate removing step is a step of removing the second substrate (carbon substrate) 2 from the multilayer substrate 6 bonded to the third substrate 3 (see FIGS. 9 and 10). A specific method for removing the substrate is not particularly limited. For example, when the lower surface 202 of the carbon substrate 2 is covered with the polycrystalline SiC film 42, first, the peripheral portion of the multilayer substrate 6 (at least the second polycrystalline layer 51 formed on the side surface 203 side of the carbon substrate 2) , the silicon oxide film 41 and the polycrystalline SiC film 42) are cut away to expose the side portion 203' of the carbon substrate 2. As shown in FIG. After that, the carbon substrate 2 is removed by incineration or the like. Carbon can be easily incinerated at a high temperature of about 500°C. After removing the carbon substrate 2, the remaining surface thin film layer (silicon oxide film) 41 can be removed by acid, dry etching, or the like.

基板除去工程においては、第2の基板2がサファイア基板又はSiC基板25であり、表面薄膜層がGaN膜413である場合には、第2の基板2側からレーザ光を照射することによりGaN膜413からGaを析出させ、第2の基板2を容易に除去することができる。除去された第2の基板2は、表面薄膜層をエッチング等により除去した後に第2の基板2として再利用が可能である。
また、基板除去工程においては、第2の基板2(カーボン基板、SiC基板等)の除去後に残存する表面薄膜層4を除去し、更に第1単結晶層11を除去してもよい。
また、第2単結晶層5を成膜する前に単結晶バッファ層52が形成されている場合(図2(d)参照)には、第2の基板2及び表面薄膜層41が除去されると、半導体素子7の裏面側には第1単結晶層11が露出する。この場合、第1単結晶層11と単結晶バッファ層52を除去してもよい。具体的な除去方法は特に問わず、例えばCMP等研磨により除去することができる。
In the substrate removing step, when the second substrate 2 is the sapphire substrate or the SiC substrate 25 and the surface thin film layer is the GaN film 413, the GaN film is removed by irradiating laser light from the second substrate 2 side. Ga can be deposited from 413 and the second substrate 2 can be easily removed. The removed second substrate 2 can be reused as the second substrate 2 after removing the surface thin film layer by etching or the like.
In the substrate removing step, the surface thin film layer 4 remaining after removing the second substrate 2 (carbon substrate, SiC substrate, etc.) may be removed, and further the first single crystal layer 11 may be removed.
Further, when the single-crystal buffer layer 52 is formed before forming the second single-crystal layer 5 (see FIG. 2(d)), the second substrate 2 and the surface thin film layer 41 are removed. Then, the first single crystal layer 11 is exposed on the back surface side of the semiconductor element 7 . In this case, the first single crystal layer 11 and the single crystal buffer layer 52 may be removed. A specific removal method is not particularly limited, and the removal can be performed, for example, by polishing such as CMP.

(裏面電極形成工程)
裏面電極形成工程は、半導体素子7の裏面、即ち第2の基板2及び表面薄膜層41が除去された面に、裏面電極層8(81、82)を形成する工程である(図9参照)。基板除去工程により第2の基板2及び表面薄膜層41が除去されると、半導体素子7の裏面側には第1単結晶層11が露出することとなる。裏面電極形成工程においては、この半導体素子7の裏面にNi等のシリサイド用金属薄膜を形成し、その後、高温で第1単結晶層11とNi等の金属との界面にシリサイド化処理を行うことにより、シリサイド層81を形成することができる。シリサイド化処理は、レーザアニールのように表層だけを高温度にする手法を用いることが望ましい。その上で銅メッキや銀メッキにより金属層82を形成することが可能である。シリサイド層81の形成や金属層82の形成は、基板に反りが生じていても可能である。なお、第2の基板2の表面薄膜層にバッファ層412を設けた場合(図2(b)参照)、基板除去工程により第2の基板2及び表面薄膜層41が除去されると、半導体素子7の裏面側にはバッファ層412が露出することとなる。この場合の裏面電極層8の形成については後述する。
(Rear electrode formation process)
The back electrode forming step is a step of forming the back electrode layer 8 (81, 82) on the back surface of the semiconductor element 7, that is, the surface from which the second substrate 2 and the surface thin film layer 41 have been removed (see FIG. 9). . When the second substrate 2 and the surface thin film layer 41 are removed by the substrate removing step, the first single crystal layer 11 is exposed on the back side of the semiconductor element 7 . In the back surface electrode forming step, a metal thin film for silicidation such as Ni is formed on the back surface of the semiconductor element 7, and then the interface between the first single crystal layer 11 and the metal such as Ni is subjected to a silicidation treatment at a high temperature. Thus, a silicide layer 81 can be formed. For silicidation, it is desirable to use a technique such as laser annealing in which only the surface layer is heated to a high temperature. A metal layer 82 can be formed thereon by copper plating or silver plating. Formation of the silicide layer 81 and formation of the metal layer 82 are possible even if the substrate is warped. In addition, when the buffer layer 412 is provided on the surface thin film layer of the second substrate 2 (see FIG. 2(b)), when the second substrate 2 and the surface thin film layer 41 are removed by the substrate removing process, the semiconductor element Buffer layer 412 is exposed on the back surface side of 7 . The formation of the back electrode layer 8 in this case will be described later.

シリサイド化処理は、素子形成工程の前に行うようにすることも可能である(前記シリサイド層形成工程)。即ち、第2の基板2と接合する前に、第1の基板1の一方の表面101上に極薄のNi薄膜を形成する。そして熱処理をして第1の基板1の一方の表面101にシリサイド層を形成し、その後Ni薄膜層を除去する。その後、表面がシリサイド化された第1の基板1の一方の表面101と第2の基板2とが接合される。その後の工程を経て、第3の基板3の接合後に第2の基板2及び表面薄膜層41が除去された状態で、第1の基板1の一方の表面101のシリサイド層が露出する。露出したシリサイド層上に、裏面電極形成工程において銅メッキや銀メッキにより金属層82を成膜することができる。 The silicidation process can also be performed before the element formation process (the silicide layer formation process). That is, a very thin Ni thin film is formed on one surface 101 of the first substrate 1 before bonding to the second substrate 2 . Then, heat treatment is performed to form a silicide layer on one surface 101 of the first substrate 1, and then the Ni thin film layer is removed. After that, one surface 101 of the first substrate 1 whose surface is silicided and the second substrate 2 are bonded. Through subsequent processes, the silicide layer on one surface 101 of the first substrate 1 is exposed in a state where the second substrate 2 and the surface thin film layer 41 are removed after bonding the third substrate 3 . A metal layer 82 can be formed on the exposed silicide layer by copper plating or silver plating in the back electrode forming process.

前記基板除去工程において、第1単結晶層11及び単結晶バッファ層52が除去されている場合には、裏面電極層8は、単結晶バッファ層52が除去されて露出した第2単結晶層5の面に形成される。 If the first single-crystal layer 11 and the single-crystal buffer layer 52 have been removed in the substrate removing step, the back electrode layer 8 is the second single-crystal layer 5 exposed by removing the single-crystal buffer layer 52 . is formed on the surface of

以下、本実施形態に係る半導体素子の製造工程を具体的に説明する。本例では第2の基板として厚さ約0.5mmのカーボン基板2を使用し、その熱膨張係数は多結晶SiCの熱膨張係数と同程度となるように合わせてある。カーボンは、その密度、焼成温度を調整することにより熱膨張係数を調整することが可能である。また、カーボン基板2は、不純物となる金属の密度が1010/cm以下と少なく、純度の高い素材である。また、本例において第1の基板は単結晶SiC基板1とする。 Hereinafter, the manufacturing process of the semiconductor device according to this embodiment will be specifically described. In this example, a carbon substrate 2 having a thickness of about 0.5 mm is used as the second substrate, and its coefficient of thermal expansion is adjusted to be approximately the same as that of polycrystalline SiC. The thermal expansion coefficient of carbon can be adjusted by adjusting its density and firing temperature. In addition, the carbon substrate 2 is a high-purity material with a low metal impurity density of 10 10 /cm 3 or less. Also, in this example, the first substrate is the single crystal SiC substrate 1 .

(複層基板6の製造工程)
図4は、図2で示した複層基板6の製造工程を示している。第1の基板1は単結晶SiCからなり、第2単結晶層5もSiCからなる。
図4(a)は、シリコン酸化膜41がカーボン基板2の上面201及び側面203に形成され、多結晶SiC膜42がカーボン基板2の下面202及び側面203側に形成されている基板61を表している。同図(b)は、単結晶SiC基板1の下面101から0.5μmの深さに水素イオンを注入することによって水素注入層15が形成された状態を表している。水素イオンの量は、1×1017/cm程度であり、水素注入層15の水素密度は1×1022/cm程度の高濃度となる。水素注入層15から平面101側が、単結晶SiCからなる第1単結晶層11になる。
同図(c)は、上記基板61と上記単結晶SiC基板1とを接合した状態を表している。カーボン基板2の表面に形成されたシリコン酸化膜41の表面と単結晶SiC基板1の平面101とを、両表面を活性化した後に接合する。
同図(d)は、上記接合された基板を約1000℃の高温にすることにより、単結晶SiC基板1が水素注入層15を境界として分離された状態を表している(分離された単結晶SiC基板1の母材側は図示せず)。カーボン基板2に形成されたシリコン酸化膜41の表面上に第1単結晶層11が積層されて、基板62が構成されている。
同図(e)に示す複層基板6は、上記基板62の第1単結晶層11の表面上に単結晶SiCをエピタキシャル成長させることによって、第2単結晶層5が形成されている。第2単結晶層5の成膜と同時に、第1単結晶層11が存在しないシリコン酸化膜41上の周縁部やカーボン基板2の側面側(多結晶SiC膜42上)には多結晶が成長し、第2単結晶層5と同じ厚さの第2多結晶層51が成膜される。複層基板6において、第2単結晶層5の厚さはその材料及び用途により異なり、SiCの場合には概ね5μm(耐圧600Vの場合)から10μm(耐圧1500Vの場合)の程度である。
同図(d)に示した基板62を形成した後、第2単結晶5をエピタキシャル成長させる前に、単結晶バッファ層52が形成されてもよい(図2(d)参照)。
(Manufacturing process of multilayer substrate 6)
FIG. 4 shows the manufacturing process of the multi-layer substrate 6 shown in FIG. The first substrate 1 is made of single crystal SiC, and the second single crystal layer 5 is also made of SiC.
4A shows a substrate 61 in which a silicon oxide film 41 is formed on the upper surface 201 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2, and a polycrystalline SiC film 42 is formed on the lower surface 202 and side surfaces 203 of the carbon substrate 2. FIG. ing. FIG. 4(b) shows a state in which a hydrogen-implanted layer 15 is formed by implanting hydrogen ions to a depth of 0.5 μm from the lower surface 101 of the single-crystal SiC substrate 1. FIG. The amount of hydrogen ions is about 1×10 17 /cm 2 , and the hydrogen density of the hydrogen-implanted layer 15 is as high as about 1×10 22 /cm 3 . The plane 101 side from the hydrogen-implanted layer 15 becomes the first single-crystal layer 11 made of single-crystal SiC.
FIG. 1(c) shows a state in which the substrate 61 and the single crystal SiC substrate 1 are bonded. The surface of the silicon oxide film 41 formed on the surface of the carbon substrate 2 and the flat surface 101 of the single-crystal SiC substrate 1 are bonded after activating both surfaces.
FIG. 4(d) shows a state in which the single crystal SiC substrate 1 is separated with the hydrogen-implanted layer 15 as a boundary by heating the bonded substrates to a high temperature of about 1000° C. (separated single crystal The base material side of the SiC substrate 1 is not shown). A substrate 62 is formed by stacking the first single crystal layer 11 on the surface of the silicon oxide film 41 formed on the carbon substrate 2 .
In the multi-layer substrate 6 shown in FIG. 4E, the second single crystal layer 5 is formed by epitaxially growing single crystal SiC on the surface of the first single crystal layer 11 of the substrate 62 . Simultaneously with the formation of the second single-crystal layer 5, polycrystals grow on the peripheral portion of the silicon oxide film 41 where the first single-crystal layer 11 does not exist and on the side surface of the carbon substrate 2 (on the polycrystalline SiC film 42). Then, a second polycrystalline layer 51 having the same thickness as the second single crystal layer 5 is formed. In the multi-layer substrate 6, the thickness of the second single crystal layer 5 varies depending on its material and application, and in the case of SiC, it is approximately 5 μm (for a withstand voltage of 600 V) to 10 μm (for a withstand voltage of 1500 V).
A single crystal buffer layer 52 may be formed after forming the substrate 62 shown in FIG. 2D and before epitaxially growing the second single crystal 5 (see FIG. 2D).

(半導体素子の形成工程)
複層基板6に成膜された第2単結晶層5には、図5及び7に示すように、目的とする半導体素子7を形成することができる。
図5は、第2単結晶層5に半導体素子7としてショットキーダイオード71を形成した例を示している。同図(a)は、複層基板6に形成された1つの素子部(A部)のみを示しており、同図(b)はその1つの素子部を拡大して描いた図である。
また、図7は、第2単結晶層5に半導体素子7としてMOSFET75を形成した例を示している。同図(a)は、複層基板6に形成された1つの素子部(A部)のみを示しており、同図(b)はその1つの素子部を拡大して描いた図である。
なお、図5及び7では素子部の詳細構造は省略している。
(Process of forming semiconductor element)
A desired semiconductor element 7 can be formed on the second single crystal layer 5 formed on the multilayer substrate 6, as shown in FIGS.
FIG. 5 shows an example in which a Schottky diode 71 is formed as the semiconductor element 7 in the second single crystal layer 5 . 1A shows only one element portion (A portion) formed on the multilayer substrate 6, and FIG. 1B is an enlarged view of the one element portion.
7 shows an example in which a MOSFET 75 is formed as the semiconductor element 7 in the second single crystal layer 5. As shown in FIG. 1A shows only one element portion (A portion) formed on the multilayer substrate 6, and FIG. 1B is an enlarged view of the one element portion.
5 and 7 omit the detailed structure of the element portion.

図5(a)、(b)は、第2の基板としてカーボン基板2を使用し、表面薄膜層41、42が形成されている例を表している。図5(c)は、第2の基板としてSiC基板25を使用し、表面薄膜層をGaN膜413としてショットキーダイオード71を形成した例を示している。
図7(a)、(b)は、第2の基板としてカーボン基板2を使用し、表面薄膜層41、42が形成されている例を表している。図7(c)は、第2の基板としてSiC基板25を使用し、表面薄膜層をGaN膜413としてMOSFET75を形成した例を示している。図示されている貫通電極85については後述する。
5(a) and 5(b) show an example in which a carbon substrate 2 is used as the second substrate and surface thin film layers 41 and 42 are formed. FIG. 5(c) shows an example in which the SiC substrate 25 is used as the second substrate and the Schottky diode 71 is formed using the GaN film 413 as the surface thin layer.
7A and 7B show an example in which a carbon substrate 2 is used as the second substrate and surface thin film layers 41 and 42 are formed. FIG. 7(c) shows an example in which the SiC substrate 25 is used as the second substrate and the MOSFET 75 is formed using the GaN film 413 as the surface thin film layer. The illustrated through electrode 85 will be described later.

(第3の基板の接合工程)
半導体素子7の形成後、第2接合工程において、複層基板6の第2単結晶層5側の表面に、半導体素子7の恒久的な支持基板となる第3の基板3が接合される。第3の基板3の材料として、無アルカリガラスやサファイア等の絶縁材料、Si等の半導体材料を用いることができる。この第3の基板3の接合後、第3の基板3に半導体素子7の電極部を形成するための貫通孔を形成する開孔工程を行うことができる。
図6は、第3の基板3として無アルカリガラス基板31を用いる場合の第2接合工程と開孔工程を示している。同図(a)は、A部にショットキーダイオード71を形成した複層基板6(図5参照)の第2単結晶層5側の表面に、接合層として光硬化型接着層34をコートし、その接合層を介して無アルカリガラス基板31を接着した状態を示す。光硬化型接着層34は、紫外光の照射により硬化がなされる。
同図(b)は、無アルカリガラス基板31に半導体素子の電極部を形成するための貫通孔36を設けた状態を表している。貫通孔36は、フォトリソグラフィにより形成することができる。半導体素子の実装時に、この貫通孔36を通して、ワイアボンディング等によりショットキーダイオード71の表面電極を外部のパッケージに電気的に接続することができる。
(Step of Bonding Third Substrate)
After forming the semiconductor element 7, the third substrate 3, which is a permanent support substrate for the semiconductor element 7, is bonded to the surface of the multilayer substrate 6 on the second single crystal layer 5 side in a second bonding step. As a material for the third substrate 3, an insulating material such as alkali-free glass or sapphire, or a semiconductor material such as Si can be used. After the bonding of the third substrate 3, a hole opening step for forming through holes for forming electrode portions of the semiconductor element 7 in the third substrate 3 can be performed.
FIG. 6 shows a second bonding step and a hole opening step when using a non-alkali glass substrate 31 as the third substrate 3 . In FIG. 4(a), a photocurable adhesive layer 34 is coated as a bonding layer on the surface of the multilayer substrate 6 (see FIG. 5) on which a Schottky diode 71 is formed in the portion A on the second single crystal layer 5 side. , shows a state in which the non-alkali glass substrate 31 is adhered via the bonding layer. The photocurable adhesive layer 34 is cured by irradiation with ultraviolet light.
FIG. 3(b) shows the non-alkali glass substrate 31 having through holes 36 for forming the electrodes of the semiconductor element. The through holes 36 can be formed by photolithography. When mounting the semiconductor element, the surface electrode of the Schottky diode 71 can be electrically connected to an external package through the through hole 36 by wire bonding or the like.

また、図6(c)に示すように、第3の基板3として金属基板33を用いることができる。本図は、第2の基板としてSiC基板25(又はサファイア基板)を使用し、表面薄膜層をGaN膜413とした例を示しているが、カーボン基板2を使用し、表面薄膜層41、42が形成されていてもよい。ショットキーダイオード71の素子表面をシリコン酸化膜により保護し、フォトリソグラフィによりアノ-ド電極部を開孔して、全面にニッケル薄膜を形成し、必要に応じてメッキで増膜して金属接合層38を形成する。その金属接合層38に金属基板33を直接接合することにより、金属基板33を外部接続用のアノ-ド電極とすることができる。 Also, as shown in FIG. 6C, a metal substrate 33 can be used as the third substrate 3 . This figure shows an example in which a SiC substrate 25 (or a sapphire substrate) is used as the second substrate and a GaN film 413 is used as the surface thin film layer. may be formed. The element surface of the Schottky diode 71 is protected with a silicon oxide film, the anode electrode portion is opened by photolithography, a nickel thin film is formed on the entire surface, and if necessary, the film is increased by plating to form a metal bonding layer. 38 is formed. By directly bonding the metal substrate 33 to the metal bonding layer 38, the metal substrate 33 can be used as an anode electrode for external connection.

図8は、第3の基板3としてSi基板32を用いる場合の第2接合工程と開孔工程を示している。同図(a)は、A部にMOSFET75を形成した複層基板6(図7参照)の第2単結晶層5側の表面に、接合層としてTEOS酸化膜35を成膜し、その上にSi基板32を接合した状態を示す。TEOS酸化膜35とSi基板32とは、接合する両面を平坦化し、プラズマ照射により活性化した後に接合することができる。
同図(b)は、Si基板32に半導体素子の電極部を形成するための貫通孔37を設けた状態を表している。貫通孔37は、フォトリソグラフィにより形成することができる。本例においては、貫通孔37は54度のテーパ角をつけて形成されている。面方位(100)のSi基板32を用いてテーパエッチングすることにより、貫通孔37の壁面は54度の傾斜角でなだらかな斜面とすることができる。この斜面にアルミ配線を形成することにより、Si基板32の表面に電極を形成することが可能である。また、Si基板32の上面にヒートシンクを設けることも可能である。
FIG. 8 shows the second bonding step and the opening step when using the Si substrate 32 as the third substrate 3 . 7A, a TEOS oxide film 35 is formed as a bonding layer on the second single crystal layer 5 side surface of the multi-layer substrate 6 (see FIG. 7) on which the MOSFET 75 is formed in the portion A, and the The state where the Si substrate 32 is bonded is shown. The TEOS oxide film 35 and the Si substrate 32 can be bonded after both surfaces to be bonded are planarized and activated by plasma irradiation.
FIG. 4(b) shows a state in which through holes 37 for forming electrodes of a semiconductor element are provided in the Si substrate 32. FIG. The through holes 37 can be formed by photolithography. In this example, the through hole 37 is formed with a taper angle of 54 degrees. By performing taper etching using the Si substrate 32 with a plane orientation of (100), the wall surface of the through hole 37 can be formed as a gentle slope with an inclination angle of 54 degrees. An electrode can be formed on the surface of the Si substrate 32 by forming an aluminum wiring on this slope. It is also possible to provide a heat sink on the upper surface of the Si substrate 32 .

また、図8(c)に示すように、第3の基板3として金属基板33を用いることができる。本図は、第2の基板としてSiC基板(又はサファイア基板)25を使用し、表面薄膜層をGaN膜413とした例を示しているが、図8(a)、(b)に表されているように、カーボン基板2を使用し、表面薄膜層41、42が形成されていてもよい。MOSFET75の素子表面上に必要な電気配線を行う相互配線層36が形成されている。相互配線層36は接合層34を兼ねている。相互配線層36の表面にはMOSFET75のソースと電気的に接続された金属接合層38が形成されている。この金属接合層38に金属基板33を直接接合することにより、金属基板33を外部接続用のソース電極とすることができる。 Also, as shown in FIG. 8(c), a metal substrate 33 can be used as the third substrate 3. FIG. This figure shows an example in which a SiC substrate (or sapphire substrate) 25 is used as the second substrate and a GaN film 413 is used as the surface thin film layer. As shown, the carbon substrate 2 may be used and the surface thin film layers 41 and 42 may be formed. An interconnection layer 36 is formed on the element surface of the MOSFET 75 to perform necessary electrical wiring. The interconnection layer 36 also serves as the bonding layer 34 . A metal junction layer 38 electrically connected to the source of the MOSFET 75 is formed on the surface of the interconnection layer 36 . By directly bonding the metal substrate 33 to the metal bonding layer 38, the metal substrate 33 can be used as a source electrode for external connection.

(裏面電極の形成)
図9は、複層基板6に半導体素子7を形成し、第3の基板3を接合した後に、半導体素子7の裏面電極となる裏面電極層8(81、82)を形成する工程を示している。図9(a)は、図6(b)と同じ図であり、A部は1つの半導体素子に当たる部分を示す。図9(a)において、上面視で円形の単結晶層11及び5の外周を境界z1-z1’及びz2-z2’で表わしており、この境界に沿ってサークルカットをすることによって、境界を超える基板の外周部を除去する。図9(b)は、上記境界に沿ってサークルカットすることにより外周部を除去した状態を示す。この状態で、切断されたカーボン基板2の側面203’が露出する。カーボン基板2を酸素雰囲気中で焼却により除去し、シリコン酸化膜41をエッチングにより除去すれば、第1単結晶層(単結晶SiC層)11の裏面が露出する。そこで、同図(c)に示すように、単結晶SiC層11の露出した面にNiを極薄に成膜し、レーザアニールによりNiと単結晶SiC層との界面をシリサイド化することによってシリサイド層81を形成する。そして、シリサイド層81上にメッキにより裏面電極となる金属層82を成膜することができる。また、予め第2の基板2側の第1単結晶層11の表面にシリサイド層81が形成されている場合には、直接メッキにより裏面電極となる金属層82を成膜することができる。
(Formation of back electrode)
FIG. 9 shows a process of forming the semiconductor element 7 on the multi-layer substrate 6, bonding the third substrate 3, and then forming the back electrode layer 8 (81, 82) that will be the back electrode of the semiconductor element 7. there is FIG. 9(a) is the same view as FIG. 6(b), and part A shows a portion corresponding to one semiconductor element. In FIG. 9(a), the outer peripheries of the single crystal layers 11 and 5, which are circular in top view, are represented by boundaries z1-z1' and z2-z2'. Remove the outer peripheral portion of the substrate that exceeds. FIG. 9(b) shows a state in which the outer peripheral portion is removed by performing a circle cut along the boundary. In this state, the side surface 203' of the cut carbon substrate 2 is exposed. When the carbon substrate 2 is removed by burning in an oxygen atmosphere and the silicon oxide film 41 is removed by etching, the rear surface of the first single crystal layer (single crystal SiC layer) 11 is exposed. Therefore, as shown in FIG. 1(c), an extremely thin Ni film is formed on the exposed surface of the single-crystal SiC layer 11, and the interface between the Ni and the single-crystal SiC layer is silicided by laser annealing. A layer 81 is formed. Then, a metal layer 82 that becomes a back electrode can be formed on the silicide layer 81 by plating. Further, when the silicide layer 81 is formed in advance on the surface of the first single crystal layer 11 on the side of the second substrate 2, the metal layer 82 to be the back electrode can be formed by direct plating.

図10は、図2(b)に示した複層基板6(6b)から第2の基板2及び表面薄膜層の第1層41を除去し、バッファ層412上に裏面電極層8(81,82)を形成する工程を示す。本例においては、カーボン2の上面に表面薄膜層としてシリコン酸化膜41及びSiCからなるバッファ層412が形成されている。図10(a)は、複層基板6(6b)に半導体素子7を形成し、第3の基板3を接合した後に、前図同様に外周を境界z1-z1’及びz2-z2’に沿ってサークルカットをすることによって、境界を超える基板の外周部を除去した状態を示している。A部は1つの半導体素子に当たる部分である。この状態で、切断されたカーボン基板2の側面203’が露出する。そして、カーボン基板2を酸素雰囲気中で焼却により除去し、シリコン酸化膜41をエッチングにより除去すれば、SiC多結晶からなるバッファ層412が露出する。そこで、同図(b)に示すように、露出したバッファ層412上にNiを極薄に成膜し、レーザアニールによりNiと単結晶SiC層11との間をシリサイド化することによってシリサイド層81を形成する。そして、シリサイド層81の上にメッキにより裏面電極となる金属層82を成膜することができる。表面薄膜層として形成したSiC多結晶からなるバッファ層412は、レーザアニールで電極界面が高温度になる場合に、半導体素子7のアルミ電極への熱的なバッファ層となる。 10 removes the second substrate 2 and the first layer 41 of the surface thin film layer from the multilayer substrate 6 (6b) shown in FIG. 82) is shown. In this example, a silicon oxide film 41 and a buffer layer 412 made of SiC are formed as surface thin layers on the upper surface of the carbon 2 . In FIG. 10(a), after forming the semiconductor element 7 on the multilayer substrate 6 (6b) and bonding the third substrate 3, It shows a state in which the outer peripheral portion of the substrate exceeding the boundary is removed by performing a circle cut with the substrate. A portion corresponds to one semiconductor element. In this state, the side surface 203' of the cut carbon substrate 2 is exposed. Then, the carbon substrate 2 is removed by burning in an oxygen atmosphere, and the silicon oxide film 41 is removed by etching to expose the buffer layer 412 made of SiC polycrystal. Therefore, as shown in FIG. 4B, a very thin Ni film is formed on the exposed buffer layer 412, and the space between the Ni and the single-crystal SiC layer 11 is silicided by laser annealing, thereby forming a silicide layer 81. to form Then, on the silicide layer 81, a metal layer 82 can be formed as a back electrode by plating. The buffer layer 412 made of SiC polycrystal formed as a surface thin film layer serves as a thermal buffer layer to the aluminum electrode of the semiconductor element 7 when the temperature of the electrode interface becomes high due to laser annealing.

以上において、単結晶SiC層11上に単結晶バッファ層52が形成されている場合には、それらを除去した後に露出する第2単結晶層5の面にNiを極薄に成膜し、Niと第2単結晶層5との界面をシリサイド化することによってシリサイド層81を形成することができる。
以上のように、複層基板6の構成(図2(a)~(e))に関わらず、シリサイド層81及び裏面電極となる金属層82を形成することができる。また、第3の基板3として金属基板33を使用する場合(例えば図6(c)参照)も、同様にシリサイド層81及び裏面電極となる金属層82を形成することができる。シリサイド化する単結晶SiC層11の表面には、その直前に高窒素濃度とするためのイオン注入をしてもよい。または、予め表層に極く薄い高窒素濃度層を設けておいてもよい。例えば、接合工程において第2の基板2と接合する前に、第1の基板1の下面101に極く薄い高窒素濃度層を形成しておくことができる。
In the above, when the single-crystal buffer layer 52 is formed on the single-crystal SiC layer 11, a very thin Ni film is formed on the surface of the second single-crystal layer 5 exposed after removing them. The silicide layer 81 can be formed by siliciding the interface between the second single crystal layer 5 and the second single crystal layer 5 .
As described above, the silicide layer 81 and the metal layer 82 serving as the back electrode can be formed regardless of the structure of the multilayer substrate 6 (FIGS. 2A to 2E). Also, when a metal substrate 33 is used as the third substrate 3 (see, for example, FIG. 6C), a silicide layer 81 and a metal layer 82 serving as a back electrode can be similarly formed. Immediately before the surface of the single-crystal SiC layer 11 to be silicidized, ions may be implanted to increase the nitrogen concentration. Alternatively, a very thin high nitrogen concentration layer may be provided in advance on the surface layer. For example, a very thin high nitrogen concentration layer can be formed on the lower surface 101 of the first substrate 1 before bonding to the second substrate 2 in the bonding step.

高電力用途の縦型素子を形成するための半導体基板においては、縦方向の電気伝導性と熱伝導性が重要である。本実施形態において、半導体基板としての電気伝導性については、第1単結晶層11と裏面電極となる金属層82との間の抵抗が重要になるが、この抵抗はシリサイド化により解消されている。また、支持層の電気抵抗は、カーボン基板2が除去されているので、実質的には極小化されている。熱伝導性についても同様であり、カーボン基板2が除去されて金属層82だけとされているため、熱伝導を妨げない。 Vertical electrical and thermal conductivity is important in semiconductor substrates for forming vertical devices for high power applications. In the present embodiment, the electrical conductivity of the semiconductor substrate depends on the resistance between the first single crystal layer 11 and the metal layer 82 that serves as the back electrode, but this resistance is eliminated by silicidation. . Also, the electrical resistance of the support layer is substantially minimized because the carbon substrate 2 is removed. The same applies to thermal conductivity, and since the carbon substrate 2 is removed to leave only the metal layer 82, the thermal conductivity is not hindered.

(ショットキーダイオード素子の形成)
図11は、複層基板6の表層に形成されている第2単結晶層5にショットキーダイオード素子71を形成する工程を示している。第1の基板1は単結晶SiCである。図11(a)は、図2に示した複層基板6を簡略化して表しており、第1単結晶層11及び多結晶SiC層51は図示していない。図中のA部は、複層基板6において1つの半導体素子に相当する領域である。以下の図(b)~(g)においては、そのA部を拡大して図示しており、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、図(b)に示すように、N型とした第2単結晶層5の表面にSiO膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク701を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク701の開口部にP型不純物をイオン注入し、その後マスク701を除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2単結晶層5の表層部にP型不純物領域711が形成される。
次に、同図(d)に示すように、第2単結晶層5の表面にSiO膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスク702を形成する。そして、約500℃に加熱をした状態でマスク702の開口部に別の濃度のP型不純物をイオン注入し、その後マスク702を除去する。これにより、同図(e)に示すように、第2単結晶層5の表層部に別のP型不純物領域712が形成される。P型不純物領域711及び別のP型不純物領域712が形成された後、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2単結晶層5がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2単結晶層5の表面上に厚さ1μm程度のSiO膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。これにより、同図(f)に示すように、第2単結晶層5上にSiOの層間絶縁膜713が形成される。
そして、同図(g)に示すように、ニッケルなどの金属を蒸着した後、パターニングすることによって電極膜714を形成する。この状態でランプアニール等により瞬間的に1000℃を越える高温とすることによって、ショットキー界面が形成される。電極膜714は、更にアルミニウム等を用いて増膜することも可能である。以上の工程によって、ショットキーダイオード71の主要部を形成した複層基板が得られる。
引き続き、第3の基板を接合した後、図9に示した例と同様にして、カーボン基板2及びシリコン酸化膜41を除去することによって露出される第1単結晶層11の面に、裏面電極層8を形成することによって、縦型構造のショットキーダイオード71を形成することができる。
(Formation of Schottky diode element)
FIG. 11 shows a step of forming a Schottky diode element 71 on the second single crystal layer 5 formed on the surface layer of the multilayer substrate 6. As shown in FIG. The first substrate 1 is single crystal SiC. FIG. 11(a) shows the multilayer substrate 6 shown in FIG. 2 in a simplified manner, and the first single crystal layer 11 and the polycrystalline SiC layer 51 are not shown. A portion in the figure is a region corresponding to one semiconductor element in the multilayer substrate 6 . In the following figures (b) to (g), the A portion is enlarged to show the formation process of one element.
First, as shown in FIG. 7B, a SiO 2 film is formed on the surface of the N-type second single crystal layer 5, and a necessary portion is opened by photolithography to form a mask 701. Next, as shown in FIG. Then, while being heated to about 500° C., P-type impurity ions are implanted into the openings of the mask 701, and then the mask 701 is removed. As a result, a P-type impurity region 711 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 5, as shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 4D, a SiO 2 film is formed on the surface of the second single crystal layer 5, and a necessary portion is opened by photolithography to form a mask 702. Next, as shown in FIG. Then, while being heated to about 500° C., P-type impurity ions of a different concentration are implanted into the openings of the mask 702, and then the mask 702 is removed. As a result, another P-type impurity region 712 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 5, as shown in FIG. After the P-type impurity region 711 and another P-type impurity region 712 are formed, a high temperature annealing process is performed to activate these impurities. When the second single crystal layer 5 is SiC, it is annealed at about 1700.degree.
After that, a SiO 2 film having a thickness of about 1 μm is formed on the surface of the second single crystal layer 5 by thermal CVD, and the portions to be electrodes are removed by etching to form openings. As a result, an interlayer insulating film 713 of SiO 2 is formed on the second single crystal layer 5, as shown in FIG.
Then, as shown in FIG. 7G, an electrode film 714 is formed by patterning after depositing a metal such as nickel. In this state, a Schottky interface is formed by instantaneously increasing the temperature to over 1000° C. by lamp annealing or the like. The electrode film 714 can also be thickened using aluminum or the like. Through the above steps, a multi-layer substrate having the main portion of the Schottky diode 71 formed thereon is obtained.
Subsequently, after joining a third substrate, a rear surface electrode is formed on the surface of the first single crystal layer 11 exposed by removing the carbon substrate 2 and the silicon oxide film 41 in the same manner as in the example shown in FIG. By forming layer 8, a Schottky diode 71 of vertical structure can be formed.

また、第3の基板3として金属基板33を用いる場合には、図6(c)に示したように、半導体素子71が形成された第2単結晶層5の表面に接合層34、金属接合層38を設け、その上に金属基板33を接合することができる。金属接合層38は、Ni等の金属をスパッタで形成した上に厚膜のメッキ層を形成し、そのメッキ層の表面を平坦化して形成することができる。金属接合層38と金属基板33とは、金属間接合により直接に接合することができる。 Further, when a metal substrate 33 is used as the third substrate 3, as shown in FIG. A layer 38 is provided on which the metal substrate 33 can be bonded. The metal bonding layer 38 can be formed by forming a thick plated layer on a metal such as Ni formed by sputtering, and planarizing the surface of the plated layer. The metal bonding layer 38 and the metal substrate 33 can be directly bonded by metal-to-metal bonding.

(MOSFET素子の形成)
図12は、複層基板6の表層に形成されている第2単結晶層5にMOSFET素子75を形成する工程を示している。第1の基板1は単結晶SiCである。図12(a)は、図2に示した複層基板6を簡略化して表しており、第1単結晶層11及び多結晶SiC層51は図示していない。図中のA部は、複層基板6において1つの半導体素子に相当する領域である。以下の図(b)~(e)においては、そのA部を拡大して図示しており、1つの素子の形成工程を表している。
先ず、N型とした第2単結晶層5の表面にSiO膜を形成し、フォトリソグラフィにより必要な部分を開口させてマスクを形成する。そして、約500℃に加熱をした状態で前記マスクの開口部にP型不純物をイオン注入し、その後マスクを除去する。これにより、同図(b)に示すように、第2単結晶層5の表層部にPウェル751が形成される。続いて、同様にSiO膜のパターンをマスクとして不純物を注入することにより、N+領域を形成することができる。これによって、ソース部、ドレイン部等が形成される。同図(b)は、Pウェル751、ソース部752、ドレイン部753等が形成された状態を示している。P型不純物からなるPウェル、N+不純物からなるソース、ドレインが形成された後に、これらの不純物の活性化のために高温にてアニール処理がされる。第2単結晶層5がSiCである場合には、約1700℃にてアニール処理がされる。
その後、熱CVDにより第2単結晶層5の表面に厚さ1μm程度のSiO膜を形成し、電極となる部分をエッチングにより除去して開口させる。続いて、ゲート部755を中心として部分的に絶縁膜をエッチングにより除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2単結晶層5上に層間絶縁膜754が形成される。図はゲート酸化膜生成前の状態を示している。次に、同図(d)に示すように、ゲート酸化膜756を形成する。ゲート酸化膜756は、カーボン基板2が多結晶SiC層42及び51で完全に被覆されているため、酸素雰囲気で成膜できる。ゲート酸化膜756を形成した後に、コンタクト部が開口される。尚、ソース部752とドレイン部753の間のゲート酸化膜756上がゲート部755となる領域で、ゲート金属が形成されている(図示せず)。
同図(e)は、更に電極膜758、配線層759等を形成した構造を示している。以上によってMOSFET75の主要部を形成した複層基板が得られる。引き続き、図9に示した例と同様にして、カーボン基板2及びシリコン酸化膜41を除去することによって露出される第1単結晶層11の面に、裏面電極層8を形成することによって、縦型構造のMOSFET75を形成することができる。
なお、図12においてはプレーナ構造のMOSFETの構造例を示したが、トレンチ構造のMOSFETも、以上に説明した素子形成工程を変形することにより形成することが可能である。
(Formation of MOSFET element)
FIG. 12 shows a step of forming a MOSFET element 75 in the second single crystal layer 5 formed on the surface layer of the multilayer substrate 6. As shown in FIG. The first substrate 1 is single crystal SiC. FIG. 12(a) simply shows the multilayer substrate 6 shown in FIG. 2, and the first single crystal layer 11 and the polycrystalline SiC layer 51 are not shown. A portion in the figure is a region corresponding to one semiconductor element in the multilayer substrate 6 . In the following figures (b) to (e), the A portion is enlarged to show the formation process of one element.
First, a SiO 2 film is formed on the surface of the N-type second single crystal layer 5, and a necessary portion is opened by photolithography to form a mask. Then, while being heated to about 500° C., P-type impurity ions are implanted into the openings of the mask, and then the mask is removed. As a result, a P-well 751 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 5, as shown in FIG. Subsequently, an N+ region can be formed by similarly implanting an impurity using the pattern of the SiO 2 film as a mask. As a result, a source portion, a drain portion, and the like are formed. FIG. 7(b) shows a state in which a P-well 751, a source portion 752, a drain portion 753, etc. are formed. After the P-well made of P-type impurities and the source and drain made of N+ impurities are formed, high-temperature annealing is performed to activate these impurities. When the second single crystal layer 5 is SiC, it is annealed at about 1700.degree.
After that, a SiO 2 film having a thickness of about 1 μm is formed on the surface of the second single crystal layer 5 by thermal CVD, and the portions to be electrodes are removed by etching to form openings. Subsequently, the insulating film is partially removed by etching around the gate portion 755 . As a result, an interlayer insulating film 754 is formed on the second single crystal layer 5, as shown in FIG. The figure shows the state before the formation of the gate oxide film. Next, as shown in FIG. 4D, a gate oxide film 756 is formed. Since the carbon substrate 2 is completely covered with the polycrystalline SiC layers 42 and 51, the gate oxide film 756 can be formed in an oxygen atmosphere. After forming the gate oxide 756, the contacts are opened. A gate metal is formed on the gate oxide film 756 between the source portion 752 and the drain portion 753 in a region to be the gate portion 755 (not shown).
FIG. 4(e) shows a structure in which an electrode film 758, a wiring layer 759 and the like are further formed. A multi-layer substrate on which the main part of the MOSFET 75 is formed is obtained by the above steps. Subsequently, in the same manner as the example shown in FIG. 9, a back surface electrode layer 8 is formed on the surface of the first single crystal layer 11 exposed by removing the carbon substrate 2 and the silicon oxide film 41, thereby vertically A type structure MOSFET 75 can be formed.
Although FIG. 12 shows an example of the structure of a MOSFET having a planar structure, a MOSFET having a trench structure can also be formed by modifying the element formation process described above.

図13は、複層基板6の表層に形成されている第2単結晶層5にMOSFET素子76を形成する工程を示している。同図(e)に示す半導体基板66(MOSFET素子76)は、第3の基板(支持基板)3として金属基板33を使用し、金属基板33上に順に積層された第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層5と、を備え、第2単結晶層5に半導体素子が形成されており、第2単結晶層5の上側に裏面電極層82を備えている(図13は、金属基板33を上側、裏面電極層82を下側にして描いてある。)。裏面電極層82は、第2単結晶層5上に設けられた第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層11上に形成されていてもよいし、更に、第1単結晶層11上に設けられた半導体材料からなるバッファ層の上に形成されていてもよい。すなわち、MOSFET素子76を形成する複層基板6の構成は、図2に示した複層基板6a、6b、6c、6d、6eのいずれであってもよい。
図13においては、第2の基板2としてSiC基板25を使用し、第2の半導体材料(及び第1の半導体材料)はSiCである例を示している。図13の各図は、1つの半導体素子に相当する領域を表しており、単結晶バッファ層52、第1単結晶層11、バッファ層(41、412、413)等は省略している。
同図(a)は、図12に示したMOSFET素子75の場合と同様の工程によって、第2単結晶層5にPウェル751、ソース部752、ドレイン部753、層間絶縁膜754、ゲート酸化膜756、電極膜758、配線層759等が形成された状態を表している。SiC基板25は多結晶SiC層42等によって被覆される必要はない。尚、ソース部752とドレイン部753の間のゲート酸化膜756上がゲート部755となる領域で、ゲート金属が形成されている(図示せず)。
図13(b)は、第2単結晶層5を貫通する貫通孔851を形成した状態を表す。貫通孔851はトレンチ構造により形成することができる。そして、同図(c)に示すように、貫通孔851の内壁面を絶縁膜852で覆い、金属を蒸着する等して貫通電極85を形成する。金属層の接続性を高めるために貫通孔851をテーパ状とすることもできる。
同図(d)は、素子上に相互配線層36及び金属接合層38を設け、金属接合層38の上に支持基板として金属基板33を接合した状態を表している。相互配線層36において、ゲート酸化膜上の金属膜部であるゲート部755と貫通電極85とが電気的に接続される。また、相互配線層36により金属接合層38はソース部752と電気的に接続されており、金属基板33は外部接続用のソース電極Sとなる。金属接合層38は、Ni等の金属をスパッタで形成した上に厚膜のメッキ層を形成し、そのメッキ層の表面を平坦化して形成することができる。金属接合層38と金属基板33とは、金属間接合により直接に接合することができる。
そして、第2単結晶層5の下面側に接合されていたSiC基板25を除去する。前記のとおり、SiC基板25の表面にGaN膜413が形成されている場合には、レーザ光を照射することによりSiC基板25を除去することができる。また、前記のとおり、第1単結晶層11や単結晶バッファ層52等は、研磨等により除去することができる。
同図(e)は、SiC基板25等を除去して露出された第2単結晶層5の面に、選択的に裏面絶縁層83を形成し、更に、選択的に裏面電極層82を形成した状態を示している。これにより、第2単結晶層5の下面側(裏面ドレイン部)に接する裏面電極層82部は外部接続用のドレイン電極Dとなり、貫通電極85と接する裏面電極層82部は外部接続用のゲート電極Gとなる。以上のような工程により、MOSFET素子76が形成されている半導体基板66を得ることができる。
FIG. 13 shows a step of forming a MOSFET element 76 in the second single crystal layer 5 formed on the surface layer of the multilayer substrate 6. As shown in FIG. The semiconductor substrate 66 (MOSFET element 76) shown in FIG. 8(e) uses the metal substrate 33 as the third substrate (support substrate) 3, and the second semiconductor material is laminated on the metal substrate 33 in order. A semiconductor element is formed on the second single crystal layer 5, and a back electrode layer 82 is provided on the upper side of the second single crystal layer 5 (FIG. 13 shows , the metal substrate 33 is on the upper side, and the back electrode layer 82 is on the lower side.). The back surface electrode layer 82 may be formed on the first single crystal layer 11 made of single crystals of the first semiconductor material provided on the second single crystal layer 5, or may be formed on the first single crystal layer. It may be formed on a buffer layer made of a semiconductor material provided on 11 . That is, the configuration of the multilayer substrate 6 forming the MOSFET element 76 may be any of the multilayer substrates 6a, 6b, 6c, 6d, and 6e shown in FIG.
FIG. 13 shows an example in which a SiC substrate 25 is used as the second substrate 2 and the second semiconductor material (and the first semiconductor material) is SiC. Each figure in FIG. 13 shows a region corresponding to one semiconductor element, and the single crystal buffer layer 52, the first single crystal layer 11, the buffer layers (41, 412, 413) and the like are omitted.
12(a), a P-well 751, a source portion 752, a drain portion 753, an interlayer insulating film 754, and a gate oxide film are formed in the second single crystal layer 5 by the same steps as in the case of the MOSFET element 75 shown in FIG. 756, an electrode film 758, a wiring layer 759, and the like are formed. The SiC substrate 25 need not be covered with a polycrystalline SiC layer 42 or the like. A gate metal is formed on the gate oxide film 756 between the source portion 752 and the drain portion 753 in a region to be the gate portion 755 (not shown).
FIG. 13(b) shows a state in which through holes 851 penetrating through the second single crystal layer 5 are formed. The through hole 851 can be formed with a trench structure. Then, as shown in FIG. 8C, the inner wall surface of the through hole 851 is covered with an insulating film 852, and the through electrode 85 is formed by, for example, vapor-depositing metal. Through-holes 851 can also be tapered to improve connectivity of the metal layers.
FIG. 4D shows a state in which an interconnection layer 36 and a metal bonding layer 38 are provided on the device, and a metal substrate 33 is bonded onto the metal bonding layer 38 as a support substrate. In the interconnection layer 36, the gate portion 755, which is the metal film portion on the gate oxide film, and the through electrode 85 are electrically connected. Also, the metal bonding layer 38 is electrically connected to the source portion 752 by the interconnection layer 36, and the metal substrate 33 becomes the source electrode S for external connection. The metal bonding layer 38 can be formed by forming a thick plated layer on a metal such as Ni formed by sputtering, and planarizing the surface of the plated layer. The metal bonding layer 38 and the metal substrate 33 can be directly bonded by metal-to-metal bonding.
Then, the SiC substrate 25 bonded to the lower surface side of the second single crystal layer 5 is removed. As described above, when the GaN film 413 is formed on the surface of the SiC substrate 25, the SiC substrate 25 can be removed by irradiating laser light. Further, as described above, the first single crystal layer 11, the single crystal buffer layer 52, and the like can be removed by polishing or the like.
In FIG. 4(e), a back insulating layer 83 is selectively formed on the surface of the second single crystal layer 5 exposed by removing the SiC substrate 25 and the like, and a back electrode layer 82 is further selectively formed. It shows the state of As a result, the back electrode layer 82 portion in contact with the lower surface side (back drain portion) of the second single crystal layer 5 becomes the drain electrode D for external connection, and the back electrode layer 82 portion in contact with the through electrode 85 is the gate for external connection. It becomes the electrode G. Through the steps described above, the semiconductor substrate 66 on which the MOSFET element 76 is formed can be obtained.

上記構造において、素子の発熱が生じるチャンネル部であるソース部752とドレイン部753部の間の表面部は、熱伝導のために金属基板33に近いことが好ましい。そのため相互配線層36の厚さは薄いことが好ましい。相互配線層36の厚さを薄くするために、相互配線層36内のゲート配線部の下の第2単結晶層5の領域は、ゲート電位に近いソース又はPウェルの電位となるように配置することが好ましい。また、チャンネル部から金属基板33に至る熱伝導を良くするために、ソース部、Pウェル部が存在する第2単結晶層5の表面から金属基板33へ至る長さが短く、配線面積を大きくすることが好ましい。そのため、ゲート配線部をできるだけ小さくすることが好ましい。
なお、本例においては、金属基板33を接合する前に貫通電極85を形成しているが、金属基板33の接合後に、裏面側からトレンチ加工を行うことにより貫通電極85を形成することも可能である。また、本例のMOSFETの製造工程は、素子形成工程を変形することによりトレンチ構造のMOSFETに適用することができる。
In the above structure, the surface portion between the source portion 752 and the drain portion 753, which is the channel portion where heat is generated in the element, is preferably close to the metal substrate 33 for heat conduction. Therefore, it is preferable that the thickness of the interconnection layer 36 is thin. In order to reduce the thickness of the interconnection layer 36, the region of the second single crystal layer 5 under the gate interconnection portion in the interconnection layer 36 is arranged to have the source or P-well potential close to the gate potential. preferably. In order to improve heat conduction from the channel portion to the metal substrate 33, the length from the surface of the second single crystal layer 5 where the source portion and the P-well portion are present to the metal substrate 33 is short and the wiring area is large. preferably. Therefore, it is preferable to make the gate wiring portion as small as possible.
In this example, the through electrode 85 is formed before joining the metal substrate 33, but it is also possible to form the through electrode 85 by performing trench processing from the back side after joining the metal substrate 33. is. Further, the manufacturing process of the MOSFET of this example can be applied to a MOSFET having a trench structure by modifying the element forming process.

以上の実施形態においては、第2の基板2がカーボン基板であり、第1の半導体材料及び第2の半導体材料がSiCである場合を主として説明した。第2の基板2がカーボンである場合には、その密度や結晶粒の大きさなどにより熱膨張係数を調整することができる。それにより、第1の半導体材料及び第2の半導体材料の熱膨張係数に応じて、カーボン基板の熱膨張係数を合わせることができる。これにより、第1単結晶層11上に成膜する第2単結晶層5の結晶欠陥の低減を図ることができる。第2の半導体材料がGaN、酸化ガリウム、酸化ガリウム等であっても同様である。
第2の基板2の材料がサファイア又はSiCである場合には、表面薄膜層4として、Gaを含む化合物半導体膜を成膜することが好ましい。Gaを含む化合物半導体膜としては、GaN、酸化ガリウム、GaAs等が挙げられる。GaN膜を成膜した場合には、第3の基板3を接合後に第2の基板2の面よりレーザ光を照射することによってGaNからGaを析出させ、GaN膜で第2の基板2を分離すること(所謂レーザリフトオフ)も容易である。
In the above embodiments, the case where the second substrate 2 is a carbon substrate and the first semiconductor material and the second semiconductor material are SiC has been mainly described. When the second substrate 2 is made of carbon, the coefficient of thermal expansion can be adjusted by the density and the size of crystal grains. Thereby, the thermal expansion coefficient of the carbon substrate can be matched according to the thermal expansion coefficients of the first semiconductor material and the second semiconductor material. As a result, crystal defects in the second single crystal layer 5 formed on the first single crystal layer 11 can be reduced. The same applies when the second semiconductor material is GaN, gallium oxide, gallium oxide, or the like.
When the material of the second substrate 2 is sapphire or SiC, it is preferable to form a compound semiconductor film containing Ga as the surface thin film layer 4 . Examples of Ga-containing compound semiconductor films include GaN, gallium oxide, and GaAs. When the GaN film is formed, after bonding the third substrate 3, laser light is irradiated from the surface of the second substrate 2 to precipitate Ga from GaN, and the second substrate 2 is separated by the GaN film. (so-called laser lift-off) is also easy.

以上の実施形態において、第1の半導体材料及び第2の半導体材料がGaN、酸化ガリウム等である場合も同様である。また、第1の半導体材料及び第2の半導体材料がSiCであり、縦型構造の半導体素子を形成する場合を説明したが、GaN等を用いて横型構造の半導体素子を形成する場合においても、同様に製造することができる。具体的には、第2の基板2にシリコン酸化膜41を形成し、その上に第1の基板1を接合し、第2単結晶層5としてGaN層を成膜して横型の素子を形成し、第3の基板3を接合した後に第2の基板2を除去することができる。この場合、圧電性の材料であるGaN層を成膜するために、下地となる第2の基板2であるカーボン基板の熱膨張係数をGaNに合わせることにより、GaN層の内部応力を極小化することが可能である。カーボン基板は、その密度や結晶粒の大きさなどにより熱膨張係数を調整することができるからである。 In the above embodiments, the same applies when the first semiconductor material and the second semiconductor material are GaN, gallium oxide, or the like. Also, the case where the first semiconductor material and the second semiconductor material are SiC and the vertical structure semiconductor element is formed has been described. It can be manufactured similarly. Specifically, a silicon oxide film 41 is formed on the second substrate 2, the first substrate 1 is bonded thereon, and a GaN layer is formed as the second single crystal layer 5 to form a horizontal element. However, after bonding the third substrate 3, the second substrate 2 can be removed. In this case, in order to form the GaN layer, which is a piezoelectric material, the thermal expansion coefficient of the carbon substrate, which is the second substrate 2 serving as a base, is matched to that of GaN, thereby minimizing the internal stress of the GaN layer. It is possible. This is because the thermal expansion coefficient of the carbon substrate can be adjusted by adjusting the density and the size of the crystal grains.

図2に示した複層基板6(6a、6b、6c、6d、6e)は、高電力用途の素子を形成するための半導体基板として好適である。以上のような半導体素子の製造方法を適用すれば、複層基板6を基にして、半導体素子が形成された半導体基板を構成することができる。図14及び15は、複層基板6を使用し、支持基板3(前記第3の基板3)として、絶縁材料、半導体材料及び金属のうちの1つからなる基板を使用した半導体基板65を表している。半導体基板65には、半導体素子7が形成されている。(図14及び15は、支持基板3を下側、裏面電極層8を上側にして描いてある。)
図14に示す半導体基板65は、絶縁材料、半導体材料及び金属のうちの1つからなる支持基板3(31、32又は33)と、支持基板3上に接合層34(35、36)を挟んで積層された第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層5を備えている。そして、第2単結晶層5に半導体素子7が形成されており、第2単結晶層5の上に半導体素子7の裏面電極層8(81、82)を備えている。半導体素子7の種類は問わず、例えば、前述のショットキーダイオード71、MOSFET75、76等を挙げることができる。
The multilayer substrate 6 (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) shown in FIG. 2 is suitable as a semiconductor substrate for forming elements for high power applications. By applying the method for manufacturing a semiconductor element as described above, a semiconductor substrate having semiconductor elements formed thereon can be configured based on the multilayer substrate 6 . Figures 14 and 15 represent a semiconductor substrate 65 using a multi-layer substrate 6 and using a substrate made of one of insulating material, semiconductor material and metal as support substrate 3 (said third substrate 3). ing. A semiconductor element 7 is formed on the semiconductor substrate 65 . (FIGS. 14 and 15 are drawn with the support substrate 3 on the bottom and the back electrode layer 8 on the top.)
A semiconductor substrate 65 shown in FIG. 14 includes a support substrate 3 (31, 32 or 33) made of one of an insulating material, a semiconductor material, and a metal, and a bonding layer 34 (35, 36) sandwiched on the support substrate 3. and a second single crystal layer 5 made of single crystals of a second semiconductor material stacked in a stack. A semiconductor element 7 is formed on the second single crystal layer 5 , and a back electrode layer 8 ( 81 , 82 ) of the semiconductor element 7 is provided on the second single crystal layer 5 . The semiconductor element 7 may be of any type, and may be, for example, the aforementioned Schottky diode 71, MOSFETs 75, 76, or the like.

図15は、半導体基板65の別の形態(65a、65b、65c)を表している。半導体基板(65a、65b、65c)においては、第2単結晶層5上に第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層11を備え、裏面電極層8(81、82)は、第1単結晶層11の上に、又は第1単結晶層11上に設けられた半導体材料からなるバッファ層412の上に備えている。すなわち、支持基板3(31、32又は33)上に接合層34(35、36)を挟んで第2単結晶層5及び第1単結晶層11が備えられており、第2単結晶層5に半導体素子7が形成されている。
同図(a)は、第1単結晶層11の上に半導体素子7の裏面電極層8を備える半導体基板65aの例を示している。裏面電極層8は、同図(b)に示すように、第1単結晶層11上に、半導体材料からなるバッファ層412を介して設けられていてもよい。支持基板3としては、無アルカリガラス、サファイア、Si等からなる基板を用いることができる。また、支持基板3には半導体素子7の電極部となる貫通孔3(36,37)が形成されていてもよい。
同図(c)は、支持基板3として金属基板33を、金属接合層38を介して接合した半導体基板65cを表している。金属基板33を使用すれば、熱伝導性に優れたパワー半導体とすることができる。
上記半導体基板に使用する第1の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つとし、第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つとすることが好ましい。
半導体基板(65a、65b、65c)は、第1単結晶層11の厚さが薄くてよい(0.5~1μm程度)ため、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板1の使用量はわずかで済む。また、第2の基板2がサファイア基板又はSiC基板25であり、レーザリフトオフにより除去すれば、第2の基板2として繰り返し使用することができる。このように製造工程においても消耗する部材が極めて少ないため、本形態の半導体基板65は極めて低コストとすることが可能である。
FIG. 15 shows another form of semiconductor substrate 65 (65a, 65b, 65c). In the semiconductor substrates (65a, 65b, 65c), the first single crystal layer 11 made of a single crystal of the first semiconductor material is provided on the second single crystal layer 5, and the back electrode layer 8 (81, 82) is: It is provided on the first single crystal layer 11 or on the buffer layer 412 made of a semiconductor material provided on the first single crystal layer 11 . That is, the second single crystal layer 5 and the first single crystal layer 11 are provided on the support substrate 3 (31, 32 or 33) with the bonding layer 34 (35, 36) interposed therebetween. A semiconductor element 7 is formed on the .
4A shows an example of a semiconductor substrate 65a having a back electrode layer 8 of the semiconductor element 7 on the first single crystal layer 11. FIG. The back electrode layer 8 may be provided on the first single crystal layer 11 with a buffer layer 412 made of a semiconductor material interposed therebetween, as shown in FIG. As the support substrate 3, a substrate made of non-alkali glass, sapphire, Si, or the like can be used. Further, through holes 3 ( 36 , 37 ) serving as electrode portions of the semiconductor element 7 may be formed in the support substrate 3 .
FIG. 6(c) shows a semiconductor substrate 65c in which the metal substrate 33 as the support substrate 3 is bonded via the metal bonding layer 38. FIG. By using the metal substrate 33, a power semiconductor with excellent thermal conductivity can be obtained.
Preferably, the first semiconductor material used for the semiconductor substrate is one of SiC, GaN and gallium oxide, and the second semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide.
In the semiconductor substrates (65a, 65b, 65c), the thickness of the first single crystal layer 11 may be thin (about 0.5 to 1 μm), so the first substrate 1 made of single crystal of the first semiconductor material may be used. Only a small amount is used. Further, the second substrate 2 is a sapphire substrate or SiC substrate 25, which can be used repeatedly as the second substrate 2 by removing it by laser lift-off. As described above, since the number of members to be consumed in the manufacturing process is extremely small, the semiconductor substrate 65 of this embodiment can be manufactured at extremely low cost.

尚、本発明は以上で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described in detail above, and various modifications and changes are possible within the scope of the claims of the present invention.

SiC等を用いたパワー系化合物半導体素子は、車においてはハイブリッド車、電気自動車等の普及に伴ってますます重要度が増している。また、家庭においてはスマートグリッドの普及に伴って家電製品の制御やエネルギー管理のためにパワー系化合物半導体装置の役割が重要になってくる。本発明により、高価な材料であるSiC単結晶の使用量を大幅に減らすことができ、安価なパワー半導体素子を製造することが可能となる。 Power compound semiconductor elements using SiC or the like are becoming more and more important in vehicles as hybrid vehicles, electric vehicles, and the like become popular. In addition, with the spread of smart grids in homes, the role of power compound semiconductor devices is becoming more important for the control of home appliances and energy management. According to the present invention, it is possible to significantly reduce the amount of SiC single crystal, which is an expensive material, and to manufacture inexpensive power semiconductor devices.

1;第1の基板、11;第1単結晶層、15;水素注入層、101;第1の基板の下面、2;第2の基板(カーボン基板)、201;第2の基板の上面、202;第2の基板の下面、203;第2の基板の側面、25;第2の基板(SiC基板)、3;第3の基板、31;無アルカリガラス基板、32:Si基板、33;金属基板、34、35;接合層、36;相互配線層、37;貫通孔、38;金属接合層、4;表面薄膜層、41;シリコン酸化膜、412;バッファ層(多結晶SiC層)、413;GaN膜、42;多結晶SiC膜、5;第2単結晶層、51;第2多結晶層、52;単結晶バッファ層、53;高窒素濃度の多結晶SiC層、6、6a、6b、6c、6d、6e;複層基板、65、65a、65b、65c、65d;半導体基板、7;半導体素子、71;ショットキーダイオード、701、702;マスク、711、712;P型不純物領域、713;層間絶縁膜、714;電極膜、75、76;MOSFET、751;Pウエル、752;ソース部、753;ドレイン部、754;層間絶縁膜、755;ゲート部、756;ゲート酸化膜、757;コンタクト、758;電極膜、759;配線層、8;裏面電極層、81;シリサイド層、82;金属層、83;裏面絶縁層、85;貫通電極、91;ショットキーダイオード、92;MOSFET。 1; first substrate 11; first single crystal layer 15; hydrogen-implanted layer 101; bottom surface of first substrate 2; second substrate (carbon substrate) 201; 202; bottom surface of second substrate 203; side surface of second substrate 25; second substrate (SiC substrate) 3; third substrate 31; alkali-free glass substrate 32: Si substrate 33; metal substrate 34, 35; bonding layer 36; interconnection layer 37; through hole 38; metal bonding layer 4; surface thin film layer 41; silicon oxide film 412; 413; GaN film, 42; polycrystalline SiC film, 5; second single crystal layer, 51; second polycrystalline layer, 52; single crystal buffer layer, 53; 6b, 6c, 6d, 6e; multilayer substrates 65, 65a, 65b, 65c, 65d; semiconductor substrates, 7; semiconductor elements, 71; Schottky diodes, 701, 702; , 713; inter-layer insulating film, 714; electrode films, 75, 76; MOSFET, 751; 757; contact, 758; electrode film, 759; wiring layer, 8; back electrode layer, 81; silicide layer, 82; metal layer, 83; .

Claims (11)

その少なくとも一方の平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層が成膜された第2の基板と、
前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面に接合された所定の厚さの第1の半導体材料の単結晶からなる第1単結晶層と、
前記第1単結晶層上に成膜された第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層と、
前記第2単結晶層に形成された半導体素子と、
前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面側に更に形成された半導体材料からなるバッファ層と、
を備えることを特徴とする半導体基板
a second substrate having a surface thin film layer formed of one or more thin films of an insulating material or a semiconductor material formed on at least one plane thereof ;
a first single crystal layer made of a single crystal of a first semiconductor material with a predetermined thickness bonded to the surface of the surface thin film layer formed on the second substrate;
a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material deposited on the first single crystal layer;
a semiconductor element formed on the second single crystal layer;
a buffer layer made of a semiconductor material further formed on the one plane side of the second substrate as the surface thin film layer ;
A semiconductor substrate comprising :
前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む半導体膜成膜されている請求項1記載の半導体基板2. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein a silicon oxide film or a semiconductor film containing Ga is formed on said one plane of said second substrate as said surface thin film layer. 前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料であ請求項1又は2に記載の半導体基板3. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second substrate is a substrate that transmits light, and the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga. 前記第2の基板はサファイア又はSiCからなる基板である請求項1乃至のいずれかに記載の半導体基板4. The semiconductor substrate according to claim 1 , wherein said second substrate is a substrate made of sapphire or SiC. 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1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである請求項1乃至のいずれかに記載の半導体基板
the first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide;
5. A semiconductor substrate as claimed in any preceding claim, wherein the second semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide.
第2の基板の少なくとも一方の平面上に絶縁材料又は半導体材料の1層以上の薄膜からなる表面薄膜層を成膜する第1成膜工程と、
第1の半導体材料の単結晶からなる第1の基板の一方の平面と前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層の表面とを接合する接合工程と、
前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さにおいて前記第1の基板を分離することにより、前記第1の基板の前記一方の平面側を第1単結晶層として前記第2の基板上に形成された前記表面薄膜層上に残す分離工程と、
前記第1単結晶層上に第2の半導体材料の単結晶からなる第2単結晶層を成膜する第2成膜工程と、
前記第2単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、
を含み、
前記第1成膜工程において、前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面側に更に半導体材料からなるバッファ層を成膜することを特徴とする半導体素子の製造方法。
a first film forming step of forming a surface thin film layer comprising one or more thin films of an insulating material or a semiconductor material on at least one plane of a second substrate;
a bonding step of bonding one plane of a first substrate made of a single crystal of a first semiconductor material and the surface of the surface thin film layer formed on the second substrate;
By separating the first substrate at a predetermined depth from the one plane of the first substrate, the one plane side of the first substrate is used as a first single crystal layer to form the second substrate. a separating step leaving on said surface film layer formed thereon;
a second film forming step of forming a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material on the first single crystal layer;
an element forming step of forming a semiconductor element in the second single crystal layer;
including
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the first film forming step, a buffer layer made of a semiconductor material is further formed as the surface thin film layer on the one plane side of the second substrate.
前記第1の基板の前記一方の平面から所定の深さに水素注入層を形成する水素層形成工程を含み、
前記分離工程において、前記第1の基板を前記水素注入層で分離することにより、前記第1単結晶層を前記第2の基板に形成された前記表面薄膜層上に残し、
前記第2成膜工程により、前記第2の基板上に前記表面薄膜層と前記第1単結晶層と前記第2単結晶層とが順に積層された複層基板が形成される請求項記載の半導体素子の製造方法。
a hydrogen layer forming step of forming a hydrogen-implanted layer to a predetermined depth from the one plane of the first substrate;
In the separating step, the first single crystal layer is left on the surface thin film layer formed on the second substrate by separating the first substrate at the hydrogen-implanted layer;
7. The multi-layer substrate according to claim 6 , wherein the surface thin film layer, the first single crystal layer and the second single crystal layer are sequentially laminated on the second substrate by the second film forming step. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記表面薄膜層として前記第2の基板の前記一方の平面にシリコン酸化膜又はGaを含む半導体膜を成膜する請求項6又は7に記載の半導体素子の製造方法。 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , wherein a silicon oxide film or a semiconductor film containing Ga is formed on said one plane of said second substrate as said surface thin film layer. 前記第2の基板は光を透過する基板であり、前記表面薄膜層はGaを含む半導体材料であ請求項乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , wherein the second substrate is a substrate that transmits light, and the surface thin film layer is a semiconductor material containing Ga. 前記第2の基板はサファイア又はSiCからなる基板である請求項乃至のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , wherein said second substrate is a substrate made of sapphire or SiC. 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1つであり、
前記第2の半導体材料はSiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである請求項乃至10のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
the first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide;
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , wherein said second semiconductor material is one of SiC , GaN and gallium oxide.
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