WO2014002577A1 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

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功 今岡
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株式会社豊田自動織機
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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • H01L21/2003—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate
    • H01L21/2007—Bonding of semiconductor wafers to insulating substrates or to semiconducting substrates using an intermediate insulating layer

Definitions

  • a so-called SOI (Silicon On Insulator) substrate in which an insulating layer is formed on a supporting substrate and a Si single crystal layer is formed on the insulating layer is known. Further, it has been studied to use various semiconductor layers such as a SiC single crystal layer in place of the Si single crystal layer. A related technique is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-37253.
  • the bonded substrate may be annealed at a high temperature of 1600 ° C. or higher after ion implantation into the SiC single crystal layer. Needed.
  • the insulating layer is required to have reflow properties and high-temperature resistance that can withstand high-temperature processes.
  • a method for manufacturing a semiconductor substrate includes a first layer forming step of forming a first layer having a melting point lower than that of the support substrate on the surface of the support substrate. There is provided a heating step of heating the support substrate on which the first layer is formed to a predetermined temperature not lower than the melting point of the first layer in an oxygen-free atmosphere. An oxidation step is provided in which the support substrate is exposed to an oxygen-containing atmosphere in a state where the support substrate is heated to the melting point of the first layer or higher. A bonding step of bonding the second layer formed of a semiconductor single crystal to the surface of the first layer after the oxidation step is performed is provided. The first layer after the oxidation step has a lower conductivity and a higher melting point than the first layer before the oxidation step.
  • the first layer can be reflowed in the heating step. Therefore, when a void exists in a support substrate, or when the surface roughness of a support substrate is large, it can planarize with the reflowed 1st layer.
  • the first layer In the oxidation step, the first layer can be oxidized. Therefore, the electrical conductivity of the first layer can be reduced and the first layer can function as an insulating layer.
  • the melting point of the first layer can be increased. As described above, since the melting point of the first layer can be lowered before the oxidation step, the first layer can function as a planarization film.
  • the first layer after the oxidation step, the first layer can be modified so as to increase the melting point of the first layer and decrease the conductivity, so that the first layer functions as an insulating layer having high temperature resistance. be able to.
  • a method for manufacturing a bonded substrate having high-temperature resistance can be provided.
  • FIG. 1 It is a figure which shows an insulating layer film-forming apparatus. It is a perspective view of a bonded substrate. It is the elements on larger scale of the surface of a support substrate. It is the elements on larger scale of the surface of a support substrate. It is the elements on larger scale of the surface of a support substrate. It is the elements on larger scale of the surface of a support substrate.
  • the melting point of the first layer after the oxidation step is performed is higher than the maximum temperature of various semiconductor manufacturing processes used when a semiconductor device is formed in the second layer. May be higher. Thereby, it becomes possible to produce various semiconductor devices in the second layer using the substrate in which the first layer and the second layer are bonded together.
  • the hydrogen concentration contained in the first layer after the oxidation step is performed is the same as the hydrogen concentration contained in the layer having the same composition formed by the CVD method. May be lower.
  • hydrogen gas or a gas containing hydrogen may be used as a source gas. In this case, hydrogen is contained in the formed film.
  • the hydrogen contained in the film may be degassed as a gas. The first layer and the second layer may peel off.
  • the concentration of hydrogen contained in the oxidized first layer is reduced as compared with the case of using the CVD method. Can be lowered. Thereby, it can be made difficult to peel the first layer and the second layer.
  • the first layer may be a layer containing aluminum.
  • the 1st layer after an oxidation process can be made into the layer of aluminum oxide. Since the melting point of aluminum oxide is as high as about 2073 ° C., high temperature resistance can be obtained.
  • the support substrate may be a sintered body of a ceramic material. Since the sintered body is a porous body, many voids appear on the surface of the support substrate.
  • the first layer can function as a planarizing film by reflowing the first layer in the heating step, the voids on the surface of the support substrate can be embedded and planarized. Thereby, since the contact area of a 1st layer and a 2nd layer can be increased, it becomes possible to stick both layers and to bond.
  • the second layer may be formed of a SiC single crystal.
  • the melting point of the first layer after the oxidation process may be higher than the maximum temperature of the annealing process performed after ions are implanted into the second layer.
  • an annealing process at a high temperature eg, 1600 ° C. or higher
  • the first layer can have high temperature resistance that can withstand the annealing step. Thereby, it becomes possible to produce various semiconductor devices in the second layer using the substrate in which the first layer and the second layer are bonded together.
  • the heating of the first layer may be performed by irradiating the surface of the first layer with laser scanning.
  • the vicinity of the surface of the first layer can be instantaneously heated and melted.
  • FIG. 1 shows an insulating layer film forming apparatus 100.
  • the insulating layer deposition apparatus 100 includes a chamber 110, a substrate holding unit 111, a heating unit 112, a target 113, a DC power supply unit 114, a gas supply line 120, an oxygen supply unit 121, an argon supply unit 122, an MFC (mass flow controller) 131, and 132 and the vacuum exhaust device 140.
  • a substrate holding unit 111 and a heating unit 112 are stored in the chamber 110.
  • the substrate holding part 111 is a part that holds the support substrate 11.
  • the substrate holding part 111 is provided with a clamp (not shown) for fixing the support substrate 11 at its peripheral edge so that the support substrate 11 does not move.
  • the heating unit 112 is disposed below the substrate holding unit 111.
  • the heating unit 112 is a device that heats the support substrate 11 to a desired temperature.
  • the target 113 is a part used for forming an aluminum layer on the support substrate 11 by sputtering.
  • the target 113 is made of aluminum.
  • the target 113 is disposed so as to face the substrate holding unit 111.
  • the DC power supply unit 114 is a part that applies a DC high voltage between the substrate holding unit 111 and the target 113.
  • the gas supply line 120 is a line for introducing oxygen gas and argon gas supplied from the oxygen supply unit 121 and the argon supply unit 122 into the chamber 110.
  • the oxygen gas supplied from the oxygen supply part 121 may contain components other than oxygen.
  • the MFC 31 is a controller that controls the supply amount of oxygen gas supplied from the oxygen supply unit 121.
  • the MFC 32 is a controller that controls the supply amount of argon gas supplied from the argon supply unit 122.
  • the vacuum exhaust device 140 is a device for bringing the inside of the chamber 110 into a desired vacuum state.
  • FIG. 2 is a perspective view of the bonded substrate 10 according to the present embodiment.
  • the bonded substrate 10 is formed in a substantially disk shape.
  • the bonded substrate 10 includes a support substrate 11 disposed on the lower side, an insulating layer 12 disposed on the upper surface of the support substrate 11, and a semiconductor layer 13 bonded to the upper surface of the insulating layer 12.
  • the semiconductor layer 13 may be formed of a single crystal of a compound semiconductor (eg, 6H—SiC, 4H—SiC, GaN, AlN), for example.
  • it may be formed of a single crystal of a single element semiconductor (eg, Si, C).
  • the support substrate 11 is a sintered body made of a mixed material of ceramic materials.
  • the ceramic material to be used may be various materials, for example, at least one of SiC, Si, AlN, Al 2 O 3 , GaN, SiN, SiO 2 , TaO, and the like.
  • the mixed powder material is subjected to CIP (cold isostatic pressing) to produce a molded body of the support substrate 11. And the produced molded object is baked in nitrogen atmosphere.
  • a discharge plasma sintering apparatus or a hot press apparatus may be used for firing the compact.
  • the support substrate 11 on which the insulating layer 12 is formed and the semiconductor layer 13 are separately manufactured. Then, by bonding the semiconductor layer 13 to the insulating layer 12 by room temperature bonding, plasma bonding, hydroxyl bonding, or the like, a bonded substrate 10 having a so-called SOI structure is formed.
  • the bonding surface of the insulating layer 12 may be bonded to the semiconductor layer 13 after being flattened by polishing or the like.
  • the thickness T11 of the support substrate 11 may be determined so as to obtain mechanical strength that can withstand post-processing. For example, when the diameter of the support substrate 11 is 100 mm, the thickness T11 may be about 100 ⁇ m.
  • the thickness T12 of the insulating layer 12 may be determined based on a required specification (eg, withstand voltage) of a device created in the semiconductor layer 13.
  • the thickness T13 of the semiconductor layer 13 may be about 5 ⁇ m, for example.
  • the support substrate 11 is formed by a sintered body of a powder material containing SiC powder.
  • the insulating layer 12 is made of aluminum oxide and the semiconductor layer 13 is made of SiC single crystal will be described.
  • the manufacturing method of the bonded substrate 10 includes an aluminum layer forming step, a heating step, an oxidation step, and a bonding step.
  • the aluminum layer forming step is a step of forming an aluminum layer on the surface of the support substrate 11.
  • the heating step is a step of heating the support substrate 11 on which the aluminum layer is formed in an oxygen-free atmosphere to reflow the aluminum layer.
  • the oxidation process is a process of modifying the aluminum layer to the insulating layer 12 by exposing the support substrate 11 on which the aluminum layer is formed in an atmosphere containing oxygen while the support substrate 11 is heated.
  • the bonding step is a step of bonding the semiconductor layer 13 formed of SiC single crystal to the surface of the insulating layer 12.
  • the aluminum layer forming step will be described.
  • the support substrate 11 is placed on the substrate holder 111 in the chamber 110 of the insulating layer deposition apparatus 100. And the peripheral part of the support substrate 11 is fixed with a clamp not shown.
  • the inside of the chamber 110 is put into a high vacuum state using the vacuum exhaust device 140.
  • the degree of vacuum may be, for example, about 1 ⁇ 10 ⁇ 9 Torr.
  • supply of argon gas from the argon supply unit 122 is started.
  • the flow rate of the argon gas is set so as to maintain a high vacuum state in the chamber 110.
  • a DC high voltage is applied between the substrate holding unit 111 and the target 113 by the DC power supply unit 114 to cause glow discharge, thereby generating argon gas plasma.
  • argon gas positively ionized by arc discharge to the negative electrode side (target 113)
  • argon ions collide with the target 113, and aluminum particles are sputtered.
  • the aluminum layer 12 a is formed on the surface of the support substrate 11. Since the support substrate 11 is a sintered body and a porous body, a large number of voids 14 are exposed on the surface of the support substrate.
  • the aluminum layer 12a is embedded in the void 14, the shape of the void is transferred to the surface of the aluminum layer 12a, and the recess 15 is formed.
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface of the aluminum layer 12a is often several ⁇ m or more before the heating step.
  • the process proceeds to the heating process.
  • the support substrate 11 is heated to a predetermined temperature using the heating unit 112 while the chamber 110 is maintained in a high vacuum state.
  • the predetermined temperature is a temperature equal to or higher than the melting point of the aluminum layer 12a. Thereby, it can be made to reflow by fuse
  • the predetermined temperature is, for example, in the range of 700 to 1000 ° C.
  • the aluminum layer forming step and the heating step are continuously performed in a high vacuum. Thereby, it is possible to prevent a film of aluminum oxide, which is a hard substance having a high melting point (about 2073 ° C.), from being formed on the surface of the aluminum layer 12a. Therefore, good reflow characteristics of the aluminum layer 12a can be obtained in the heating step.
  • ⁇ Oxidation process> When the heating process ends, the supply of oxygen gas from the oxygen supply unit 121 is started, and the process proceeds to the oxidation process.
  • An oxidation process is performed in the state which heated the support substrate 11 more than melting
  • the heating temperature in the oxidation step is, for example, in the range of 700 to 1000 ° C.
  • the aluminum layer 12a can be modified into the insulating layer 12 formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). That is, the aluminum layer 12a which is a conductor (the electrical resistivity is about 28.2 n ⁇ ⁇ m) is modified to the insulating layer 12 (aluminum oxide) which is an insulator. In addition, the melting point (about 660 ° C.) of the aluminum layer 12a is modified to the melting point (2073 ° C.) of the insulating layer 12 (aluminum oxide).
  • a bonding process will be described. As an example, a case where room temperature bonding is performed will be described.
  • the semiconductor layer 13 and the support substrate 11 are set in a chamber of a room temperature bonding apparatus (not shown). After the chamber is evacuated, the back surface of the semiconductor layer 13 and the bonding surface of the insulating layer 12 are irradiated with an ion beam. Accordingly, the oxide film and the adsorption layer on the surface of the material can be removed to expose the bond, so that the surface can be activated. Thereafter, the back surface of the semiconductor layer 13 and the bonding surface of the insulating layer 12 are brought into contact with each other, whereby both layers can be bonded.
  • the pressure at the time of joining may be in the range of 10 to 50 MPa.
  • an aluminum layer 12a having a melting point lower than that of the support substrate 11 is formed.
  • the surface of the support substrate 11 can be planarized by the reflowed aluminum layer 12a.
  • the aluminum layer 12a can be modified to an aluminum oxide layer. Since the aluminum oxide layer is an insulator, the aluminum oxide layer can function as the insulating layer 12. Further, by modifying the aluminum oxide layer, the melting point of the insulating layer 12 can be made higher than the melting point of the aluminum layer 12a. As described above, it is possible to provide an insulating layer having both reflow properties and high temperature resistance.
  • a large number of voids may appear on the surface of the support substrate 11.
  • the voids on the surface of the support substrate 11 can be embedded by reflowing the aluminum layer 12a in the heating step, so that the surface of the aluminum layer 12a can be planarized.
  • the contact area between the insulating layer 12 and the semiconductor layer 13 can be increased. Therefore, both layers can be bonded together.
  • a high temperature annealing step (eg, 1600 ° C. or higher) is required to remove crystal defects and the like.
  • the melting point (Al 2 O 3 : about 2073 ° C.) of the insulating layer 12 can be made higher than the annealing temperature (1600 ° C.) of the high temperature annealing step. Can be carried out. As a result, various semiconductor devices can be formed on the semiconductor layer 13 using the bonded substrate 10.
  • hydrogen gas or a gas containing hydrogen may be used as a source gas.
  • an aluminum oxide film by a CVD method can be formed based on a chemical formula of “2AlCl 3 + 3 / 2CO 2 + H 2 ⁇ Al 2 O 3 + 3CO + 6HCl”.
  • the source gas contains hydrogen
  • the aluminum oxide layer after film formation contains hydrogen.
  • the insulating layer 12 (aluminum oxide) is formed by oxidizing the aluminum layer 12a formed by the sputtering method in the oxidation step. Since hydrogen is not required as a raw material for forming the aluminum layer 12a, it can be prevented that the aluminum layer 12a after film formation contains hydrogen. Further, in the oxidation step, even when hydrogen is included in the gas used for oxidation, hydrogen hardly enters the layer to be oxidized. Thereby, it can prevent that hydrogen is contained in the aluminum oxide layer (insulating layer 12) after film-forming. As described above, the hydrogen concentration contained in the insulating layer 12 can be reduced as compared with the case where the CVD method is used. Therefore, since generation
  • the insulating layer film forming apparatus 100 of this embodiment can form the insulating layer 12 made of aluminum oxide without using the CVD method, the frequency of performing cleaning by dismantling the chamber can be reduced. . Therefore, since the operating rate of the insulating layer film forming apparatus 100 can be increased as compared with the CVD apparatus, it is possible to efficiently form the insulating layer of aluminum oxide.
  • the aluminum layer 12a may be heated by so-called laser annealing.
  • Laser annealing is a method in which a surface of a processed surface is scanned after a pulse laser beam such as an excimer laser is processed by an optical system so that the shape on the irradiated surface becomes a spot or a line of several cm square.
  • a pulse laser beam such as an excimer laser
  • the vicinity of the surface of the aluminum layer 12a can be instantaneously heated and melted, so that the aluminum layer 12a can be reflowed or oxidized. Since only the surface of the aluminum layer 12a can be annealed, it is possible to prevent a situation where the support substrate 11 is affected by heat. Moreover, since it is a local annealing process, processing time can be shortened compared with the case where the whole support substrate 11 is annealed.
  • the heating step is performed after the aluminum layer forming step, but is not limited to this form, and the aluminum layer forming step and the heating step may be performed simultaneously.
  • the aluminum layer 12a may be formed by sputtering while heating the support substrate 11 to a predetermined temperature.
  • the inside of the chamber 110 is maintained in a high vacuum state, but is not limited to this form.
  • the heating step can also be performed in an atmosphere of a non-oxidizing gas (eg, argon gas) that does not react with the aluminum layer 12a.
  • a non-oxidizing gas eg, argon gas
  • the aluminum layer 12a may be modified to aluminum nitride (AlN) (melting point: about 2200 ° C.).
  • AlN aluminum nitride
  • a nitriding process may be introduced instead of the oxidizing process.
  • a gas containing nitrogen may be introduced into the chamber 110 in a state where the support substrate 11 is heated to the melting point of the aluminum layer 12a or higher.
  • a hydrogen-containing gas is preferably used.
  • ammonia (NH 3 ) gas may be used.
  • the gas used in the oxidation step is not limited to oxygen gas, and various gases can be used.
  • water vapor (H 2 O) gas may be used.
  • a burner that burns hydrogen and generates water may be connected to the gas supply line 120.
  • hydrogen gas and oxygen gas may be supplied to the burner, and a gas containing water vapor in oxygen may be generated and supplied to the chamber 110.
  • oxygen gas and hydrogen gas may be mixed and supplied to the chamber 110.
  • the material used for the support substrate 11 is not limited to a sintered ceramic material. Any material may be used as long as it is resistant to various thermal processes applied to the semiconductor layer 13. For example, it is possible to use polycrystalline SiC. In addition, various polytypes of SiC crystals may be mixed in the polycrystalline SiC. Since polycrystalline SiC in which various polytypes are mixed can be manufactured without performing strict temperature control, the cost for manufacturing the support substrate can be reduced.
  • the layer formed on the surface of the support substrate 11 is not limited to the aluminum layer 12a.
  • a polycrystalline silicon layer can be formed.
  • the polycrystalline silicon layer (melting point: about 1410 ° C.) may be modified to a silicon oxide layer (melting point: about 1650 ° C.).
  • a nitriding process may be introduced instead of the oxidizing process, and the polycrystalline silicon layer may be modified to a silicon nitride layer (melting point: about 1900 ° C.).
  • An element that enhances fluidity may be added to the aluminum layer 12a.
  • at least one of elements such as Ge, Sn, Ga, Zn, Pb, In, and Sb may be added.
  • the aluminum layer 12a can be reflowed at a temperature of about 450 ° C.
  • the semiconductor layer 13 bonded to the insulating layer 12 is not limited to one type.
  • the bonding surface of the insulating layer 12 may be divided into a plurality of areas, and a different semiconductor layer 13 may be bonded to each area.

Abstract

　高温耐性を備えた貼り合わせ基板の製造方法を提供する。半導体基板の製造方法は、支持基板の表面に支持基板よりも低い融点を有するアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程を備える。アルミニウム層が形成された支持基板を無酸素雰囲気中でアルミニウム層の融点以上の所定温度に加熱する加熱工程を備える。支持基板をアルミニウム層の融点以上に加熱した状態で、支持基板を酸素を含む雰囲気中に晒す酸化工程を備える。ＳｉＣの単結晶で形成された半導体層を、酸化工程が行われた後の絶縁層の表面に貼り合わせる貼り合わせ工程を備える。酸化工程が行われた後の絶縁層は、酸化工程が行われる前のアルミニウム層に比して導電率が低く、融点が高い。

Description

半導体基板の製造方法
　本出願は、２０１２年６月２８日に出願された日本国特許出願第２０１２－１４５５６０号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。本明細書では、半導体層貼り合わせ用の支持基板を用いた、半導体基板の製造方法に関する技術を開示する。
　支持基板上に絶縁層を形成し、絶縁層上にＳｉ単結晶層を形成した、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が知られている。また、Ｓｉ単結晶層に代えて、ＳｉＣ単結晶層などの各種の半導体層を用いることが検討されている。また、関連する技術が特開２００３－３７２５３公報に開示されている。
　支持基板にボイドが存在する場合や、支持基板の表面粗さが大きい場合には、支持基板や形成した絶縁膜表面を研磨等により平坦化を行うことが好ましい場合がある。また絶縁層の上にＳｉＣ単結晶層が貼り合わされて貼り合わせ基板が形成される場合には、ＳｉＣ単結晶層へのイオン注入後に、貼り合わせ基板を１６００℃以上の高温でアニール処理することが必要とされる。以上より絶縁層には、リフロー性と、高温プロセスに耐える高温耐性が要求される。
　本明細書では、半導体基板の製造方法を開示する。この半導体基板の製造方法は、支持基板の表面に支持基板よりも低い融点を有する第１層を形成する第１層形成工程を備える。第１層が形成された支持基板を無酸素雰囲気中で第１層の融点以上の所定温度に加熱する加熱工程を備える。支持基板を第１層の融点以上に加熱した状態で、支持基板を酸素を含む雰囲気中に晒す酸化工程を備える。半導体の単結晶で形成された第２層を、酸化工程が行われた後の第１層の表面に貼り合わせる貼り合わせ工程を備える。酸化工程が行われた後の第１層は、酸化工程が行われる前の第１層に比して導電率が低く、融点が高い。
　上記方法では、加熱工程において、第１層をリフローさせることができる。よって、支持基板にボイドが存在する場合や、支持基板の表面粗さが大きい場合には、リフローした第１層によって平坦化を行うことができる。また酸化工程において、第１層を酸化することができる。よって、第１層の導電率を低下させ、第１層を絶縁層として機能させることができる。また、第１層の融点を上昇させることができる。以上より、酸化工程前においては、第１層の融点を低い状態にすることができるため、第１層を平坦化膜として機能させることができる。また、酸化工程後においては、第１層の融点を上昇させるとともに導電率を低下させるように、第１層を改質することができるため、高温耐性を有する絶縁層として第１層を機能させることができる。
　本明細書に開示の技術によれば、高温耐性を備えた貼り合わせ基板の製造方法を提供することができる。
絶縁層成膜装置を示す図である。 貼り合わせ基板の斜視図である。 支持基板の表面の部分拡大図である。 支持基板の表面の部分拡大図である。 支持基板の表面の部分拡大図である。
　以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）上記の半導体基板の製造方法では、酸化工程が行われた後の第１層の融点は、第２層に半導体デバイスを作成する際に用いられる各種の半導体製造プロセスの最高温度よりも高くてもよい。これにより、第１層と第２層とを貼り合わせた基板を用いて、第２層に各種の半導体デバイスを作成することが可能となる。
（特徴２）上記の半導体基板の製造方法では、酸化工程が行われた後の第１層に含まれている水素濃度は、ＣＶＤ法によって形成された同一組成の層に含まれている水素濃度よりも低くてもよい。ＣＶＤ法を用いて、酸化された第１層と同一組成の層を形成する場合には、水素ガスや水素を含んだガスを原料ガスとして使用する場合がある。この場合、形成後の膜に水素が含まれることになる。水素が含まれている膜の上に第２層を貼り合わせると、貼り合わせ後の基板をアニールした場合に、膜に含まれている水素がガスとなって脱気することがあるため、第１層と第２層とが剥離してしまうことがある。上記の方法では、未酸化の第１層を形成して酸化工程で第１層を酸化するため、ＣＶＤ法を用いる場合に比して、酸化された第１層に含まれている水素濃度を低くすることができる。これにより、第１層と第２層とを剥離しにくくすることができる。
（特徴３）上記の半導体基板の製造方法では、第１層は、アルミニウムを含んでいる層であってもよい。これにより、酸化工程が行われた後の第１層を、酸化アルミニウムの層とすることができる。酸化アルミニウムの融点は約２０７３℃と高いため、高温耐性を得ることが可能となる。
（特徴４）上記の半導体基板の製造方法では、支持基板は、セラミック材料の焼結体であってもよい。焼結体は多孔質体であるため、多数のボイドが支持基板の表面に表出する。上記の方法では、加熱工程において第１層をリフローさせることで、第１層を平坦化膜として機能させることができるため、支持基板表面のボイドを埋め込んで平坦化することができる。これにより、第１層と第２層との接触面積を増加させることができるため、両層を密着させて貼り合わせることが可能となる。
（特徴５）上記の半導体基板の製造方法では、第２層はＳｉＣ単結晶によって形成されていてもよい。酸化工程が行われた後の第１層の融点は、第２層にイオンを注入した後に行われるアニール工程の最高温度よりも高くてもよい。ＳｉＣ単結晶層にイオン注入を行った後には、結晶欠陥の除去などを行うために高温（例：１６００℃以上）でのアニール工程が必要とされる。上記の方法では、当該アニール工程に耐える高温耐性を、第１層に持たせることができる。これにより、第１層と第２層とを貼り合わせた基板を用いて、第２層に各種の半導体デバイスを作成することが可能となる。
（特徴６）上記の半導体基板の製造方法では、加熱工程および酸化工程において、第１層の加熱は、レーザーを第１層の表面に走査させて照射することで行われてもよい。レーザーを照射することで、第１層の表面近傍を瞬時に加熱し、融解させることができる。これにより、第１層の表面のみをアニールすることができるため、支持基板に熱の影響が及んでしまう事態を防止できる。また局所的なアニール処理であるため、支持基板の全体をアニールする場合に比して、処理時間を短縮化することができる。
＜絶縁層成膜装置の構造＞
　図１に、絶縁層成膜装置１００を示す。絶縁層成膜装置１００は、チャンバー１１０、基板保持部１１１、加熱部１１２、ターゲット１１３、直流電源部１１４、ガス供給ライン１２０、酸素供給部１２１、アルゴン供給部１２２、ＭＦＣ（マスフローコントローラー）１３１および１３２、真空排気装置１４０、を備えている。チャンバー１１０内には、基板保持部１１１および加熱部１１２が格納されている。基板保持部１１１は、支持基板１１を保持する部位である。基板保持部１１１には、支持基板１１が移動しないように、支持基板１１をその周縁部で固定するための不図示のクランプが備えられている。加熱部１１２は、基板保持部１１１の下側に配置されている。加熱部１１２は、支持基板１１を所望の温度に加熱する装置である。ターゲット１１３は、支持基板１１の上にアルミニウム層をスパッター法により成膜するために使用される部位である。ターゲット１１３は、アルミニウム製である。ターゲット１１３は、基板保持部１１１に対向するように配置されている。直流電源部１１４は、基板保持部１１１とターゲット１１３との間に直流高電圧を印加する部位である。ガス供給ライン１２０は、酸素供給部１２１およびアルゴン供給部１２２から供給される酸素ガスおよびアルゴンガスを、チャンバー１１０内に導入するためのラインである。酸素供給部１２１から供給される酸素ガスは、酸素以外の成分を含んでいてもよい。ＭＦＣ３１は、酸素供給部１２１から供給される酸素ガスの供給量を制御するコントローラーである。ＭＦＣ３２は、アルゴン供給部１２２から供給されるアルゴンガスの供給量を制御するコントローラーである。真空排気装置１４０は、チャンバー１１０内を所望の真空状態にするための装置である。
＜貼り合わせ基板の構成＞
　図２に、本実施例に係る貼り合わせ基板１０の斜視図を示す。貼り合わせ基板１０は略円盤状に形成されている。貼り合わせ基板１０は、下側に配置された支持基板１１と、支持基板１１の上面に配置された絶縁層１２と、絶縁層１２の上面に貼り合わされた半導体層１３とを備えている。半導体層１３は、例えば、化合物半導体（例：６Ｈ－ＳｉＣ、４Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ）の単結晶によって形成されていてもよい。また例えば、単元素半導体（例：Ｓｉ、Ｃ）の単結晶によって形成されていてもよい。
　支持基板１１は、セラミック材料の混合材料によって形成されている焼結体である。使用するセラミック材料は、各種の材料でよく、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＴａＯ、などのうちの少なくとも１種類の材料であってもよい。具体的には、混合粉末材料を、ＣＩＰ（冷間静水圧加圧成形）を行うことにより、支持基板１１の成形体を作製する。そして作製した成形体を、窒素雰囲気中で焼成する。成形体の焼成には、放電プラズマ焼結装置やホットプレス装置を用いても良い。
　絶縁層１２が形成された支持基板１１と、半導体層１３とは、別途に作製される。そして、常温接合、プラズマ接合、水酸基接合等によって半導体層１３を絶縁層１２に貼り合わせることによって、いわゆるＳＯＩ構造の貼り合わせ基板１０が形成される。絶縁層１２の接合面は、研磨等によって平坦化された上で、半導体層１３と貼り合わされるとしてもよい。支持基板１１の厚さＴ１１は、後工程加工に耐えることができる機械的強度が得られるように定めればよい。厚さＴ１１は、例えば、支持基板１１の直径が１００ｍｍである場合には、１００μｍ程度であってもよい。絶縁層１２の厚さＴ１２は、半導体層１３に作成されるデバイスの要求スペック（例：耐圧）に基づいて定めればよい。半導体層１３の厚さＴ１３は、例えば、５μｍ程度であってもよい。本実施例では、例として、支持基板１１がＳｉＣ粉末を含んだ粉末材料の焼結体によって形成されている場合を説明する。また、絶縁層１２が酸化アルミニウムによって形成されており、半導体層１３がＳｉＣ単結晶で形成されている場合を説明する。
＜貼り合わせ基板の製造方法＞
　本実施例に係る貼り合わせ基板１０の製造方法は、アルミニウム層形成工程と、加熱工程と、酸化工程と、貼り合わせ工程を備えている。アルミニウム層形成工程は、支持基板１１の表面にアルミニウム層を形成する工程である。加熱工程は、アルミニウム層が形成された支持基板１１を無酸素雰囲気中で加熱し、アルミニウム層をリフローさせる工程である。酸化工程は、支持基板１１を加熱した状態で、アルミニウム層が形成された支持基板１１を酸素を含む雰囲気中に晒すことで、アルミニウム層を絶縁層１２に改質する工程である。貼り合わせ工程は、ＳｉＣ単結晶で形成された半導体層１３を、絶縁層１２の表面に貼り合わせる工程である。
＜アルミニウム層形成工程＞
　アルミニウム層形成工程を説明する。絶縁層成膜装置１００のチャンバー１１０内の基板保持部１１１に、支持基板１１を載置する。そして支持基板１１の周縁部を不図示のクランプで固定する。真空排気装置１４０を用いて、チャンバー１１０内を高真空状態にする。真空度は、例えば１×１０－９Ｔｏｒｒ程度であってもよい。次に、アルゴン供給部１２２からアルゴンガスの供給が開始される。アルゴンガスの流量は、チャンバー１１０内の高真空状態が維持されるような流量とされる。
　直流電源部１１４によって、基板保持部１１１とターゲット１１３との間に直流高電圧を印加してグロー放電を起こさせ、アルゴンガスのプラズマを発生させる。アーク放電によってプラスイオン化したアルゴンガスを、マイナス電極側（ターゲット１１３）に引き付けることで、アルゴンイオンがターゲット１１３に衝突し、アルミニウム粒子がスパッターされる。これにより、図３の支持基板１１表面の部分拡大図に示すように、支持基板１１の表面にアルミニウム層１２ａが成膜される。なお、支持基板１１は焼結体であり多孔質体であるため、多数のボイド１４が支持基板の表面に表出している。よって、アルミニウム層１２ａがボイド１４に埋め込まれるため、ボイドの形状がアルミニウム層１２ａの表面へ転写され、窪み部１５が形成される。アルミニウム層１２ａの表面の算術平均粗さＲａは、加熱工程前においては、数μｍ以上である場合が多い。
＜加熱工程＞
　アルミニウム層形成工程が終了すると、加熱工程へ移行する。加熱工程では、チャンバー１１０内を高真空状態に維持したまま、加熱部１１２を用いて支持基板１１を所定温度に加熱する。所定温度は、アルミニウム層１２ａの融点以上の温度である。これにより、アルミニウム層１２ａを溶融させて流動性を与えることで、リフローさせることができる。よって図４の部分拡大図に示すように、窪み部１５を消去することができるため、アルミニウム層１２ａの表面を平坦化することができる。なお、所定の温度は、例えば、７００～１０００℃の範囲内とされる。
　本実施例の貼り合わせ基板１０の製造方法では、アルミニウム層形成工程と加熱工程とを、高真空中で連続して行っている。これにより、融点が高く（約２０７３℃）硬い物質である酸化アルミニウムの皮膜が、アルミニウム層１２ａの表面に形成されてしまうことを防止できる。よって加熱工程において、アルミニウム層１２ａの良好なリフロー特性を得ることが可能となる。
＜酸化工程＞
　加熱工程が終了すると、酸素供給部１２１からの酸素ガスの供給が開始され、酸化工程へ移行する。酸化工程は、支持基板１１をアルミニウム層１２ａの融点以上に加熱した状態で行われる。これにより、アルミニウム層１２ａが融解した状態でアルミニウム層１２ａを酸化することができるため、アルミニウム層１２ａの内部まで酸化させることが可能になる。酸化工程での加熱温度は、例えば、７００～１０００℃の範囲内とされる。
　酸化工程により、図５の部分拡大図に示すように、アルミニウム層１２ａを、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成された絶縁層１２に改質することができる。すなわち、導体であるアルミニウム層１２ａ（電気抵抗率は２８．２ｎΩ・ｍ程度）が、絶縁体である絶縁層１２（酸化アルミニウム）に改質される。また、アルミニウム層１２ａの融点（６６０℃程度）が、絶縁層１２（酸化アルミニウム）の融点（２０７３℃）に改質される。
＜貼り合わせ工程＞
　貼り合わせ工程を説明する。例として、常温接合を行う場合を説明する。半導体層１３と支持基板１１を、不図示の常温接合装置のチャンバーにセットする。チャンバー内を真空状態にした上で、半導体層１３の裏面および絶縁層１２の接合面に、イオンビームを照射する。これにより、材料表面の酸化膜や吸着層を除去して結合手を表出させることができるため、表面を活性化することができる。その後、半導体層１３の裏面と絶縁層１２の接合面とを接触させることで、両層を接合させることができる。接合時の圧力は、１０～５０ＭＰａの範囲内であってもよい。これにより、貼り合わせ基板１０が完成する。貼り合わせ基板１０は、通常の半導体装置でハンドリングするための厚みや強度を備えている。よって、貼り合わせ基板１０に対して、フォトリソグラフィやエッチング等の既知の各種の半導体プロセスを実施することができ、半導体層１３の表面に各種のデバイスを形成することができる。
＜効果＞
　アルミニウム層形成工程では、支持基板１１よりも低い融点を有するアルミニウム層１２ａが形成される。これにより、加熱工程において、アルミニウム層１２ａをリフローさせることができるため、リフローしたアルミニウム層１２ａによって支持基板１１の表面を平坦化することができる。また酸化工程において、アルミニウム層１２ａを酸化アルミニウム層に改質することができる。酸化アルミニウム層は絶縁体であるため、酸化アルミニウム層を絶縁層１２として機能させることができる。また、酸化アルミニウム層に改質することで、絶縁層１２の融点をアルミニウム層１２ａの融点よりも上昇させることができる。以上より、リフロー性と高温耐性を兼ね備えた絶縁層を提供することが可能となる。
　支持基板１１の表面に、多数のボイドが表出する場合がある。本実施例の半導体基板の製造方法では、加熱工程においてアルミニウム層１２ａをリフローさせることで、支持基板１１表面のボイドを埋め込むことができるため、アルミニウム層１２ａの表面を平坦化することができる。これにより、絶縁層１２の表面を平坦化することができるため、絶縁層１２と半導体層１３との接触面積を増加させることができる。よって、両層を密着させて貼り合わせることが可能となる。
　ＳｉＣ単結晶で形成された半導体層１３にイオン注入を行った後には、結晶欠陥の除去などを行うために、高温アニール工程（例：１６００℃以上）が必要とされる。本実施例の半導体基板の製造方法では、絶縁層１２の融点（Ａｌ２Ｏ３：約２０７３℃）を、高温アニール工程のアニール温度（１６００℃）よりも高くすることができるため、高温アニール工程を実施することが可能となる。これにより、貼り合わせ基板１０を用いて、各種の半導体デバイスを半導体層１３に作成することが可能となる。
　ＣＶＤ法を用いて、絶縁層１２と同一組成の層（すなわち酸化アルミニウム層）を形成するには、水素ガスや水素を含んだガスを原料ガスとして使用する場合がある。例えば、ＣＶＤ法による酸化アルミニウム膜は、「２ＡｌＣｌ３＋３／２ＣＯ２＋Ｈ２→Ａｌ２Ｏ３＋３ＣＯ＋６ＨＣｌ」という化学式に基づいて成膜することができる。この場合、原料ガスに水素が含まれているため、成膜後の酸化アルミニウム層に水素が含まれることになる。水素が含まれている酸化アルミニウム層の上に半導体層を貼り合わせると、貼り合わせ後の基板をアニールした場合に、酸化アルミニウム層に含まれている水素がガスとなって脱気する場合があるため、酸化アルミニウム層と半導体層とが剥離してしまうことがある。一方、本実施例の半導体基板の製造方法では、スパッター法で成膜したアルミニウム層１２ａを酸化工程で酸化することで、絶縁層１２（酸化アルミニウム）を形成する。アルミニウム層１２ａを成膜する原料に水素を必要としないため、成膜後のアルミニウム層１２ａに水素が含まれてしまうことを防止できる。また、酸化工程では、酸化に使用するガスに水素が含まれている場合においても、酸化させる対象の層に水素がほとんど入り込むことがない。これにより、成膜後の酸化アルミニウム層（絶縁層１２）に水素が含まれてしまうことを防止できる。以上より、ＣＶＤ法を用いる場合に比して、絶縁層１２に含まれている水素濃度を低くすることができる。よって、水素ガスの脱気の発生を抑えることができるため、絶縁層１２と半導体層１３とを剥離しにくくすることが可能となる。
　ＣＶＤ法を用いてウェハーに絶縁層を成膜する場合には、チャンバー内壁に付着した膜状堆積物を定期的にクリーニングする必要がある。例えば、クリーニングガスを導入してチャンバー内にプラズマを発生させることで膜状堆積物を除去する、プラズマクリーニングが行われている。しかし、酸化アルミニウムなどの融点が高く硬い絶縁層を成膜する場合に付着する膜状堆積物は、プラズマクリーニングでは除去が困難であるため、チャンバーを解体して、洗浄液等を使用して除去する必要がある。すると、ＣＶＤ装置の稼働率が低下してしまうため、効率よく絶縁層を成膜することが困難である。しかし、本実施例の絶縁層成膜装置１００では、ＣＶＤ法を用いることなく酸化アルミニウムの絶縁層１２を成膜することができるため、チャンバーを解体してクリーニングを行う頻度を低減させることができる。よって、絶縁層成膜装置１００の稼働率をＣＶＤ装置よりも高めることができるため、酸化アルミニウムの絶縁層を効率よく形成することが可能となる。
　以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
＜変形例＞
　加熱工程および酸化工程において、アルミニウム層１２ａの加熱は、いわゆるレーザーアニールによって行われてもよい。レーザーアニールは、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、照射面における形状が数ｃｍ角のスポットや線状になるように光学系にて加工した上で、加工面の表面を走査させる方法である。レーザーを照射することで、アルミニウム層１２ａの表面近傍を瞬時に加熱して融解させることができるため、アルミニウム層１２ａをリフローさせたり酸化させることが可能となる。そして、アルミニウム層１２ａの表面のみをアニールすることができるため、支持基板１１に熱の影響が及んでしまう事態を防止できる。また局所的なアニール処理であるため、支持基板１１の全体をアニールする場合に比して、処理時間を短縮化することができる。
　加熱工程は、アルミニウム層形成工程の後に実施されるとしたが、この形態に限られず、アルミニウム層形成工程と加熱工程とを同時に行っても良い。例えば、アルミニウム層形成において、支持基板１１を所定温度に加熱しながら、スパッター法によってアルミニウム層１２ａを成膜させてもよい。
　加熱工程において、チャンバー１１０内を高真空状態に維持するとしたが、この形態に限られない。アルミニウム層１２ａと反応しない非酸化性ガス（例：アルゴンガス）の雰囲気中で、加熱工程を実施することもできる。
　アルミニウム層１２ａを酸化アルミニウムに改質する形態を説明したが、この形態に限られない。例えば、アルミニウム層１２ａを窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（融点：約２２００℃）に改質してもよい。この場合、酸化工程に代えて窒化工程を導入すればよい。窒化工程では、支持基板１１をアルミニウム層１２ａの融点以上に加熱した状態で、窒素を含んだガスをチャンバー１１０内に導入すればよい。窒素を含んだガスには、水素含有ガスを用いることが好ましく、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いてもよい。
　酸化工程において使用するガスは酸素ガスに限られず、各種のガスを使用可能である。例えば、水蒸気（Ｈ２Ｏ）ガスを使用してもよい。この場合、ガス供給ライン１２０に、水素を燃焼させて水を生成するバーナーを接続すればよい。そして、バーナーに水素ガスと酸素ガスを供給し、酸素中に水蒸気を含むガスを生成してチャンバー１１０に供給すればよい。また、酸化工程において、酸素ガスと水素ガスとを混合してチャンバー１１０に供給してもよい。
　支持基板１１に使用される材料は、セラミック材料の焼結体に限られない。半導体層１３に適用される各種の熱プロセスに対する耐性を有する材料であれば、何れの材料であってもよい。例えば、多結晶ＳｉＣを用いることも可能である。また、多結晶ＳｉＣには、様々なポリタイプのＳｉＣ結晶が混在していても良い。様々なポリタイプが混在する多結晶ＳｉＣは、厳密な温度制御を行うことなく製造することができるため、支持基板を製造するコストを低減させることが可能となる。
　支持基板１１表面に成膜する層は、アルミニウム層１２ａに限られない。例えば、多結晶シリコン層を成膜することも可能である。この場合、酸化工程において、多結晶シリコン層（融点：約１４１０℃）を酸化シリコン層（融点：約１６５０℃）に改質すればよい。または、酸化工程に代えて窒化工程を導入し、多結晶シリコン層を窒化シリコン層（融点：約１９００℃）に改質すればよい。
　アルミニウム層１２ａには、流動性を高める元素を添加してもよい。例えば、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂなどの元素のうち、少なくとも一種類を添加してもよい。これにより、アルミニウム層１２ａを、４５０℃程度の温度でリフローさせることが可能となる。
　貼り合わせ工程において、絶縁層１２に貼り合わされる半導体層１３は、１種類に限られない。例えば、絶縁層１２の接合面を複数のエリアに分割し、各エリアに異なる半導体層１３を貼り合わせるとしてもよい。
　本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
　１０：貼り合わせ基板、１１：支持基板、１２：絶縁層、１２ａ：アルミニウム層、１３：半導体層、１００：絶縁層成膜装置、１１０：チャンバー

Claims (7)

  1. 　半導体基板の製造方法であって、
    　支持基板の表面に前記支持基板よりも低い融点を有する第１層を形成する第１層形成工程と、
    　前記第１層が形成された前記支持基板を無酸素雰囲気中で前記第１層の融点以上の所定温度に加熱する加熱工程と、
    　前記支持基板を前記第１層の融点以上に加熱した状態で、前記支持基板を酸素を含む雰囲気中に晒す酸化工程と、
    　半導体の単結晶で形成された第２層を、前記酸化工程が行われた後の前記第１層の表面に貼り合わせる貼り合わせ工程と、
    　を備え、
    　前記酸化工程が行われた後の前記第１層は、前記酸化工程が行われる前の前記第１層に比して導電率が低く、融点が高いことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  2. 　前記酸化工程が行われた後の前記第１層の融点は、前記第２層に半導体デバイスを作成する際に用いられる各種の半導体製造プロセスの最高温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
  3. 　前記酸化工程が行われた後の前記第１層に含まれている水素濃度は、ＣＶＤ法によって形成された同一組成の層に含まれている水素濃度よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の製造方法。
  4. 　前記第１層は、アルミニウムを含んでいる層であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
  5. 　前記支持基板は、セラミック材料の焼結体であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
  6. 　前記第２層はＳｉＣ単結晶によって形成されており、
    　前記酸化工程が行われた後の前記第１層の融点は、前記第２層にイオンを注入した後に行われるアニール工程の最高温度よりも高いことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
  7. 　前記加熱工程および前記酸化工程において、前記第１層の加熱は、レーザーを前記第１層の表面に走査させて照射することで行われることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
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