WO2017138499A1 - Method for manufacturing semiconductor element, and semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

Provided are: a method for manufacturing a semiconductor element by which a thin, high-withstand-voltage semiconductor element is manufactured using a carbon substrate; and a semiconductor substrate. This method for manufacturing a semiconductor element is provided with: a first film-formation step for forming a film of a polycrystalline SiC layer 3 on at least one surface of a carbon substrate 1; a hydrogen layer forming step for forming a hydrogen implantation layer 25 on a single-crystal substrate 2 comprising a first semiconductor material; a bonding step for bonding the single-crystal substrate 2 and the surface of the polycrystalline SiC layer 3 formed on the carbon substrate 1; a separation step for leaving a first single crystal layer 21 on the polycrystalline SiC layer 3 by separating the single-crystal substrate 2 using the hydrogen implantation layer 25; a second film-formation step for obtaining a multi-layer substrate in which a second single crystal layer 4 comprising a second semiconductor material is formed by film-formation on the first single crystal layer 21; and an element formation step for forming a semiconductor element on the second single crystal layer 4.

Description

半導体素子の製造方法及び半導体基板Semiconductor device manufacturing method and semiconductor substrate
 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、カーボン基板を使用することにより厚さが薄く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を形成するための半導体基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element and a semiconductor substrate. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element having a thin thickness and a high breakdown voltage by using a carbon substrate, and a semiconductor substrate for forming the high breakdown voltage semiconductor element.
 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(以下、「SiC」ともいう。)半導体基板が着目されている。図15(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電極903との間で流れる。
 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。
A silicon carbide (hereinafter also referred to as “SiC”) semiconductor substrate having a large band gap is attracting attention as a substrate for a semiconductor element for high voltage applications. FIG. 15 (a) shows a cross-sectional structure of a general vertical structure 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 a guard ring and a Schottky electrode 913 are formed in the active layer 902 region. The current i flows between the Schottky electrode 913 and the electrode 903 formed on the bottom surface of the support substrate 901.
FIG. 2B shows the cross-sectional structure of a general vertical MOSFET (92) made of SiC. An active layer 902 is formed by epitaxial growth on a support substrate 901 made of a single crystal, and a source 921, a drain 922, and a gate 923 are formed in the region of the active layer 902. The conduction and interruption of the current between the source 921 and the drain 922 are controlled by the gate 923. The drain current i during conduction flows between the drain 922 and the electrode 903 formed on the bottom surface of the support substrate 901.
The support substrate 901 is a region where 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, the active layer 902 requires a high voltage withstand voltage, and therefore has a resistivity that is two to three orders of magnitude higher than that of the support substrate 901. Since a semiconductor element using SiC has a large band gap width, the thickness of the active layer 902 can be reduced to about 5 to 10 μm. Since the active layer 902 is formed on the support substrate 901 by epitaxial growth, the crystallinity of the active layer 902 depends on the base support substrate 901. For this reason, the SiC crystal quality of the support substrate 901 is important. The thickness of the support substrate 901 is required to be about 300 μm in the case of a 6-inch substrate in order to prevent cracking when handling the single crystal substrate. Then, after forming the element on the front surface side of the substrate, in order to reduce the resistance of the support substrate portion, the back surface is ground and the thickness is reduced to 100 μm or less.
 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15に示すような縦型構造の素子の場合には、電流を縦方向に流すために支持基板901は抵抗率を低くする必要があり、その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 are generated in the element substrate. In particular, since crystal defects are fatal in power device applications, various attempts have been made to reduce crystal defects, but the cost of the device substrate is therefore high. For this reason, it is an issue to achieve both reduction of crystal defects and cost reduction of the support substrate 901 which is the base of the active layer 902 to be epitaxially grown. Further, in the case of a device having a vertical structure as shown in FIG. 15, the support substrate 901 needs to have a low resistivity in order to flow a current in the vertical direction. It is considered a semiconductor. In addition, after the element is formed, the resistance of the support substrate layer is further reduced by processing the support substrate 901 thinly.
Thus, an expensive single crystal substrate is used as a substrate for a semiconductor element, and the thickness of the single crystal substrate is not increased for the active layer, but is increased for handling the substrate in the element formation process. Has been. Further, after the element is formed, the substrate is processed thinly, and a large part of the single crystal substrate is currently 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(非特許文献1、2を参照)。 Also, as the substrate of the semiconductor element made of SiC, only the surface active layer may be a single crystal. The supporting 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 joined, and integrated by direct bonding (see Patent Document 1). ). An example in which substrates are bonded by a surface activation method is also disclosed (see Non-Patent Documents 1 and 2).
特表2004-503942号Special table 2004-503942 特開2002-280531号Japanese Patent Laid-Open No. 2002-280531
 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、非特許文献1等に記載されているいずれの方法も、支持基板を安価にするための手法である。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, conventionally, in a substrate of a semiconductor element for high voltage use, a thin film layer made of a single crystal is formed as an active layer on a support substrate (support layer) having a certain 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. Any of the methods described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 are methods for reducing the cost of the support substrate. However, the bonding substrate made of different materials has a large amount of warpage due to a difference in thermal expansion coefficient and non-uniformity of crystals, and there are many problems in practical use.
 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基板を用いて、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可能とすることによって、高価な単結晶基板の廃棄部分を無くすことが可能となる。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。従来、このような曲がり易い薄い基板を使用したり、反りの大きな基板を使用したりして、素子を実用化した事例は報告されていない。 Conventionally, a thick single crystal SiC substrate of about 350 μm is used for handling during processing, and finally the thickness of the support layer is reduced to about 100 μm in order to obtain good device characteristics. However, this has a problem that an expensive single crystal substrate is not fully utilized. Considering that the support layer is thinned by grinding after element formation, it is possible to eliminate the waste part of the expensive single crystal substrate by making it possible to use a thin substrate as an element substrate. For example, in the case of a substrate for an SiC element, since the material has a large band gap width, the thickness of the substrate is sufficient for the thickness of the epitaxial layer portion of the surface layer even for a high voltage element. You can pay attention. However, there is a problem that a thin substrate is easy to bend and warpage increases. Conventionally, there have been no reports of practical use of elements by using such a thin substrate that is easily bent or a substrate having a large warp.
 本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、カーボン基板を使用することにより厚さが薄く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を形成するための半導体基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and a method for manufacturing a semiconductor element having a thin thickness and a high breakdown voltage by using a carbon substrate, and a method for forming a high breakdown voltage semiconductor element. An object is to provide a semiconductor substrate.
 本発明は、以下の通りである。
 1.カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC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単結晶基板の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、
 前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、
 前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、
 前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、
 前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、
 を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
 2.前記複層基板から前記カーボン基板を除去する除去工程を備える前記1.記載の半導体素子の製造方法。
 3.前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように成膜される前記1.又は2.に記載の半導体素子の製造方法。
 4.前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、
 前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板の両平面上に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得て、
 前記素子形成工程において、前記複層基板の両面に形成されている前記第2の単結晶層にそれぞれ半導体素子を形成する、
 前記3.記載の半導体素子の製造方法。
 5.前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる前記2.乃至4.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
 6.前記カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている前記1.乃至5.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
 7.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6.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
 8.前記第1の半導体材料はSiCである前記7.記載の半導体素子の製造方法。
 9.前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDにより成膜される前記1.乃至8.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
 10.多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、
 前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、
 前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、
 を備えることを特徴とする半導体基板。
 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10.記載の半導体基板。
 12.前記第1の半導体材料はSiCである前記11.記載の半導体基板。
The present invention is as follows.
1. A first film forming step of forming a polycrystalline SiC layer on at least one plane of the carbon substrate;
A hydrogen layer forming step of forming a hydrogen injection layer at a predetermined depth from one plane of a single crystal substrate made of a single crystal of a first semiconductor material;
A bonding step of bonding the surface of the polycrystalline SiC layer formed on the plane of the carbon substrate and the one plane of the single crystal substrate;
Separating the single crystal substrate with the hydrogen injection layer to leave the one plane side of the separated single crystal substrate on the polycrystalline SiC layer as a first single crystal layer;
By forming a second single crystal layer made of a second semiconductor material on the surface of the first single crystal layer, the polycrystalline SiC layer, the first single crystal layer and the carbon substrate are formed on the carbon substrate. A second film forming step of obtaining a multilayer substrate in which a second single crystal layer is sequentially laminated;
An element forming step of forming a semiconductor element on the second single crystal layer of the multilayer substrate;
The manufacturing method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned.
2. 1. the removing step of removing the carbon substrate from the multilayer substrate; The manufacturing method of the semiconductor element of description.
3. In the first film forming step, the polycrystalline SiC layer is formed so as to cover both flat surfaces and side surfaces of the carbon substrate. Or 2. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
4). In the bonding step, the surface of the polycrystalline SiC layer formed on each plane of the carbon substrate and the one plane of the two single crystal substrates are respectively bonded.
After performing the separation step, in the second film formation step, the second single crystal layers are formed on the surfaces of both the first single crystal layers, respectively. Obtaining a multilayer substrate in which the polycrystalline SiC layer, the first single crystal layer, and the second single crystal layer are sequentially laminated;
In the element formation step, a semiconductor element is formed on each of the second single crystal layers formed on both surfaces of the multilayer substrate.
3 above. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
5). The element forming step includes the first element forming step performed before the removing step and the second element forming step performed after the removing step. To 4. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.
6). The end of the surface of the carbon substrate on which the polycrystalline SiC layer is formed is chamfered. To 5. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.
7). The first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide;
The second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide. To 6. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.
8). 6. The first semiconductor material is SiC. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
9. In the second film formation step, the first single crystal layer is formed by epitaxial growth or MOCVD. To 8. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.
10. A polycrystalline SiC layer, or a carbon substrate having a polycrystalline SiC layer formed on the surface thereof;
A first single crystal layer made of a single crystal of a first semiconductor material formed on the polycrystalline SiC layer;
A second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material formed on the first single crystal layer;
A semiconductor substrate comprising:
11. The first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide;
10. The second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide. The semiconductor substrate as described.
12 10. The first semiconductor material is SiC. The semiconductor substrate as described.
 本発明の半導体素子の製造方法によれば、カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC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単結晶基板の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、前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、前記複層基板の前記第2の単結晶層に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備える。このため、カーボン基板が多結晶SiC成膜の土台となり、高温度に耐えることができ且つ反りが少ないカーボン基板によって複層基板の反りや曲がりが抑制される。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の単結晶層内に半導体素子を形成することができる。この半導体素子は、カーボン基板及び多結晶SiC層を支持基板(支持層)とし、その多結晶SiC層上に能動層となる第2の単結晶層が積層されて構成される。また、半導体素子の一部を形成した後、必要に応じてカーボン基板を除去することができ(除去工程)、必要な厚さだけの多結晶SiC層を支持基板とすることができる。多結晶SiC層は単結晶よりも強靭であるため、支持基板として好適である。
 前記素子形成工程では、カーボン基板を支持体とした複層基板に対して加工を行うことができる。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。本製造方法における複層基板は、カーボン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の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。
According to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, a first film forming step of forming a polycrystalline SiC layer on at least one plane of a carbon substrate, and a single crystal substrate made of a single crystal of a first semiconductor material. A hydrogen layer forming step of forming a hydrogen injection layer at a predetermined depth from one plane; a surface of the polycrystalline SiC layer formed on the plane of the carbon substrate; and the one plane of the single crystal substrate. By separating the single crystal substrate by the hydrogen injection layer, the one plane side of the separated single crystal substrate is left as the first single crystal layer on the polycrystalline SiC layer A separation step and forming a second single crystal layer made of a second semiconductor material on the surface of the first single crystal layer, thereby forming the polycrystalline SiC layer and the first single layer on the carbon substrate. A crystal layer and the second single crystal layer in order Comprising a second film forming step of obtaining a multilayer substrate which is a layer, and a device forming step for forming a semiconductor element on said second single crystal layer of the multilayer substrate. For this reason, the carbon substrate becomes the foundation of the polycrystalline SiC film formation, and the warp and the bending of the multilayer substrate are suppressed by the carbon substrate that can withstand a high temperature and has less warp. Thus, 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. This semiconductor element includes a carbon substrate and a polycrystalline SiC layer as a supporting substrate (supporting layer), and a second single crystal layer serving as an active layer is laminated on the polycrystalline SiC layer. Further, after forming a part of the semiconductor element, the carbon substrate can be removed if necessary (removal step), and a polycrystalline SiC layer having a required thickness can be used as the support substrate. Since the polycrystalline SiC layer is tougher than the single crystal, it is suitable as a support substrate.
In the element formation step, a multi-layer substrate using a carbon substrate as a support can be processed. In particular, since semiconductors such as SiC suitable for high power applications have a small impurity diffusion coefficient, doping by thermal diffusion is difficult for both N-type impurities and P-type impurities. Further, self-alignment processing by thermal diffusion as in the Si semiconductor manufacturing process is impossible. Therefore, in order to determine the addition position of the N-type impurity and the P-type impurity, a high-precision exposure machine such as a stepper is required, and it is required to suppress the warp or bend of the semiconductor substrate to about 20 μm or less. Since the multilayer substrate in this manufacturing method can be suppressed from being warped or bent by the carbon substrate, a semiconductor element including an impurity region or the like can be formed in the second single crystal layer using a stepper.
 また、本発明の半導体素子の製造方法によれば、第1の半導体材料(例えば、SiC)の単結晶からなる単結晶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薄膜(低濃度のN型層)が形成されている。そして、その単結晶SiC薄膜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、単結晶基板から分離される第1の単結晶層により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の単結晶層を、エピタキシャル成長或いはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)によって形成することができる。カーボン基板を除去しない形態においては、半導体素子の支持層となるのは多結晶SiC層とカーボン基板である。その場合、カーボン基板の抵抗値は極めて小さいため、支持層の抵抗値として多結晶SiC層の抵抗値が支配的となる。したがって多結晶SiC層を薄くすることにより抵抗値を小さくすることができる。また、半導体素子の一部形成後にカーボン基板を除去する形態においては、支持層の抵抗値は多結晶SiC層だけで決まり、多結晶SiC層を薄くすることにより抵抗値を小さくすることができる。この場合、その厚さは半導体素子の支持機能を果たすために必要な厚さ(100μm程度)とすることができる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, it is possible to minimize the usage amount of a single crystal substrate made of a single crystal of a first semiconductor material (for example, SiC). Conventionally, as a general semiconductor substrate for high power use, a single crystal SiC substrate having a high concentration of N-type and having a thickness of about 350 μm is used as a support layer, and a single crystal having a thickness of about 5 μm is formed thereon by epitaxial growth. A SiC thin film (low-concentration N-type layer) is formed. Then, after forming a semiconductor element on the single crystal SiC thin film, the substrate is polished and thinned to about 100 μm in order to reduce the resistance value of the support layer portion, and then the electrode is processed on the back surface of the substrate. . According to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, the N-type layer is constituted by the first single crystal layer separated from the single crystal substrate, and the thickness thereof can be reduced to about 0.5 μm. On top of that, a second single crystal layer having a necessary thickness and necessary impurity concentration is formed by epitaxial growth or MOCVD (Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition). Can do. In a form in which the carbon substrate is not removed, the polycrystalline SiC layer and the carbon substrate are the support layers of the semiconductor element. In that case, since the resistance value of the carbon substrate is extremely small, the resistance value of the polycrystalline SiC layer becomes dominant as the resistance value of the support layer. Therefore, the resistance value can be reduced by thinning the polycrystalline SiC layer. Further, in the embodiment in which the carbon substrate is removed after part of the semiconductor element is formed, the resistance value of the support layer is determined only by the polycrystalline SiC layer, and the resistance value can be reduced by making the polycrystalline SiC layer thin. In this case, the thickness can be set to a thickness (about 100 μm) necessary to fulfill the supporting function of the semiconductor element.
 前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように形成される場合には、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、前記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。
 前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を形成することにより、前記カーボン基板の両平面上にそれぞれ前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが積層された複層基板を得る場合には、1つのカーボン基板の両面にそれぞれ複層基板を形成することができ、効率的且つ低コストに半導体素子を製造することができる。
 前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる場合には、カーボン基板を除去する前にできるだけ多くの素子加工を行い、酸素を含有する成膜等はカーボン基板除去後に行うようにすることができる。
 カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている場合には、カーボン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多結晶SiC層を成膜することができ、その表面を研磨することなく単結晶基板と接合させることができる。
In the first film forming step, when the polycrystalline SiC layer is formed so as to cover both the flat surface and the side surface of the carbon substrate, it may protect carbon that is burnt in an environment where oxygen exists at high temperature. it can. This makes it possible to perform high-temperature heat treatment, film formation containing high-density oxygen, or the like in the element formation step. Further, even if the thickness of the carbon substrate is reduced, the stress on both sides can be balanced, so that a thin multilayer substrate with less warpage can be obtained.
In the bonding step, the surface of the polycrystalline SiC layer formed on each plane of the carbon substrate and the one plane of the two single crystal substrates are bonded to each other, and after performing the separation step, the first 2 In the film forming step, the second single crystal layer is formed on the surfaces of both the first single crystal layers, so that the polycrystalline SiC layer and the first single crystal layer are formed on both planes of the carbon substrate, respectively. In the case of obtaining a multilayer substrate in which one single crystal layer and the second single crystal layer are laminated, the multilayer substrate can be formed on both surfaces of one carbon substrate, which is efficient and low cost. In addition, a semiconductor element can be manufactured.
In the case where the element forming process includes a first element forming process performed before the removing process and a second element forming process performed after the removing process, as many elements as possible before removing the carbon substrate. Processing can be performed and film formation containing oxygen can be performed after removing the carbon substrate.
When the end of the surface of the carbon substrate on which the polycrystalline SiC layer is formed is chamfered, the polycrystalline SiC layer is formed so that the thickness is uniform up to the plate edge on the plane of the carbon substrate. A film can be formed and bonded to a single crystal substrate without polishing its surface.
 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、第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層上に、いずれも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の単結晶層を成膜することができるため、高耐圧が必要な用途に好適な半導体素子を製造することができる。また、第1の半導体材料がSiCである場合には、多結晶SiC層上に単結晶SiC層が積層されることになるため、より好適である。
 前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDで形成される場合には、半導体素子の能動層となる高品質な単結晶層を容易に必要な厚さだけ成長させることができる。
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, the first semiconductor material Since the second single crystal layer made of the second semiconductor material, which is a material having a large band gap, can be formed on the first single crystal layer made of the single crystal, a high breakdown voltage is required. A semiconductor element suitable for the application can be manufactured. In addition, when the first semiconductor material is SiC, a single crystal SiC layer is stacked on the polycrystalline SiC layer, which is more preferable.
In the second film-forming step, when the second single crystal layer is formed by epitaxial growth or MOCVD, a high-quality single crystal layer serving as an active layer of a semiconductor element is easily grown to a required thickness. be able to.
 本発明の半導体基板によれば、多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、を備える。第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板の使用量を必要最小限とすることができる。また、多結晶SiC層、又は表面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板を、半導体素子の支持基板とすることが可能である。支持基板が多結晶SiC層である場合には、単結晶SiC基板を支持基板として用いる従来の半導体基板に比べて安価にすることができる。また多結晶SiCは靭性に優れ、最適な厚さとすることができるため、薄肉化を省略することも可能である。また、単結晶基板に比べて不純物濃度を高くして、支持基板を低抵抗とすることができる。一方、支持基板が薄い多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板である場合には、支持基板の抵抗値を極めて低くすることができ、強靭で且つ反りのない半導体基板を提供することができる。
 上記半導体基板を用いることにより、厚さが薄く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、従来と同様の設備及び方法を用いて形成することができる。
According to the semiconductor substrate of the present invention, a polycrystalline SiC layer, or a carbon substrate on which a polycrystalline SiC layer is formed, and a single crystal of a first semiconductor material formed on the polycrystalline SiC layer. And a second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material formed on the first single crystal layer. The amount of single crystal substrate made of a single crystal of the first semiconductor material can be minimized. In addition, a polycrystalline SiC layer or a carbon substrate on which a polycrystalline SiC layer is formed can be used as a support substrate for a semiconductor element. When the support substrate is a polycrystalline SiC layer, the cost can be reduced compared to a conventional semiconductor substrate using a single crystal SiC substrate as the support substrate. Polycrystalline SiC is excellent in toughness and can have an optimum thickness, so that it is possible to omit thinning. In addition, the support substrate can have a low resistance by increasing the impurity concentration compared to a single crystal substrate. On the other hand, when the support substrate is a carbon substrate on which a thin polycrystalline SiC layer is formed, the resistance value of the support substrate can be made extremely low, and a tough and warp-free semiconductor substrate can be provided. .
By using the semiconductor substrate, a SiC element, a GaN element, a gallium oxide element and the like that are thin and suitable for high power use can be formed using the same equipment and method as in the past.
カーボン基板及び単結晶基板の模式的な上面図及び側面部Schematic top view and side part of carbon substrate and single crystal substrate カーボン基板除去前の複層基板の構成を表す模式的断面図Schematic sectional view showing the structure of the multilayer substrate before removing the carbon substrate 各種態様の複層基板を表す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing multilayer substrate of various aspects カーボン基板の片面に複層基板を形成する工程を示す模式的断面図Schematic sectional view showing the process of forming a multilayer substrate on one side of a carbon substrate カーボン基板の両面に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 the process of forming a multilayer substrate on both sides of a carbon substrate カーボン基板を多結晶SiC層で被覆する方法を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a method of coating a carbon substrate with a polycrystalline SiC layer 多結晶SiC層で被覆されたカーボン基板の端部の断面画像Cross-sectional image of the edge of a carbon substrate coated with a polycrystalline SiC layer 多結晶SiC層の構造を示す断面画像Cross-sectional image showing the structure of a polycrystalline SiC layer 基板の反りを説明するための模式的断面図Schematic cross-sectional view for explaining substrate warpage 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 sectional view showing the manufacturing process of Schottky diode 複層基板の裏面に電極膜を形成する工程を示す模式的断面図Typical sectional drawing which shows the process of forming an electrode film in the back of a multilayer substrate 半導体素子形成後にカーボン基板を除去する方法を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a method of removing a carbon substrate after forming a semiconductor element カーボン基板除去後の複層基板の裏面に電極膜を形成する工程を示す模式的断面図Typical sectional drawing which shows the process of forming an electrode film in the back surface of the multilayer substrate after carbon substrate removal MOSFETの製造工程を示す模式的断面図Schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of MOSFET 一般的な縦型構造の半導体素子(ショットキーダイオード、MOSFET)の構造を示す模式的断面図Schematic sectional view showing the structure of a general vertical semiconductor device (Schottky diode, MOSFET)
 本発明の半導体素子の製造方法は、カーボン基板を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。本発明の実施形態においては、そのカーボン基板を支持層とする半導体素子を形成し(以下、「第1形態」という。)、或いはカーボン基板が暫定的な土台として使用され、最終的にはカーボン基板が除去された半導体素子を形成する(以下、「第2形態」という。)。その一例として(図2参照)、先ず、カーボン基板(1)上に多結晶SiC層(3)、第1の半導体材料からなる第1の単結晶層(21)、及び第2の半導体材料からなる第2の単結晶層(4)を積層した複層基板(5)を形成する。そして、複層基板(5)の表層となる第2の単結晶層(4)に素子を形成する。その後、前記第1形態においては、カーボン基板(1)の裏面に電極膜等を形成する。前記第2形態においては、素子の一部を加工した後にカーボン基板(1)を除去し、多結晶SiC層(3)を半導体素子の支持層(支持基板)とする。この場合、多結晶SiC層(3)の裏面に電極膜等を形成する。このようにして、高電力用途に適した半導体素子を製造することができる。
 カーボン基板(1)は、その熱膨張係数を多結晶SiC層(3)及び第2の単結晶層(4)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(1)の厚さを数mmとすれば、剛性が高く、反りの無い複層基板(5)を得ることができる。更に、カーボン基板(1)の両面に同じ厚さの多結晶SiC層(3)を形成すれば、カーボン基板(1)の厚さが1mm以下であっても、反りの少ない複層基板(5)を得ることができる。これらの特性によって、カーボン基板(1)は、多結晶SiC層(3)の成膜から、第1の単結晶層(21)の接合、第2の単結晶層(4)の成膜、半導体素子の形成に至るまでの土台の役割を果たす。多結晶SiC層(3)は第2の単結晶層(4)と熱膨張係数が同等であり且つ熱伝導性に優れる。カーボン基板は、熱伝導性が多結晶SiCと同等であり、電気伝導度は桁違いに良いため、半導体素子の支持層としてそのまま使用することが可能である。その場合に、従前の構造では100μm程度まで支持層を薄くしていた加工を不要とすることもできる。多結晶SiC層(3)上に結晶性の良い単結晶からなる第1の単結晶層(21)が接合されているため、その第1の単結晶層(21)上に半導体素子の能動層となる高品質な第2の単結晶層(4)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できる。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is to manufacture a semiconductor device suitable for high power use by using a carbon substrate. The carbon substrate has a characteristic that it can withstand high temperatures with little warping. In the embodiment of the present invention, a semiconductor element having the carbon substrate as a supporting layer is formed (hereinafter referred to as “first form”), or the carbon substrate is used as a temporary base, and finally the carbon substrate is used. A semiconductor element from which the substrate has been removed is formed (hereinafter referred to as “second embodiment”). As an example thereof (see FIG. 2), first, a polycrystalline SiC layer (3) on a carbon substrate (1), a first single crystal layer (21) made of a first semiconductor material, and a second semiconductor material. A multilayer substrate (5) is formed by laminating the second single crystal layer (4). And an element is formed in the 2nd single crystal layer (4) used as the surface layer of a multilayer substrate (5). Thereafter, in the first embodiment, an electrode film or the like is formed on the back surface of the carbon substrate (1). In the second embodiment, the carbon substrate (1) is removed after a part of the device is processed, and the polycrystalline SiC layer (3) is used as a support layer (support substrate) of the semiconductor device. In this case, an electrode film or the like is formed on the back surface of the polycrystalline SiC layer (3). In this way, a semiconductor element suitable for high power use can be manufactured.
The carbon substrate (1) can have the thermal expansion coefficient substantially the same as that of the polycrystalline SiC layer (3) and the second single crystal layer (4). If the thickness of the carbon substrate (1) is several mm, a multilayer substrate (5) having high rigidity and no warpage can be obtained. Furthermore, if a polycrystalline SiC layer (3) having the same thickness is formed on both surfaces of the carbon substrate (1), even if the thickness of the carbon substrate (1) is 1 mm or less, a multilayer substrate (5 ) Can be obtained. Due to these characteristics, the carbon substrate (1) is formed from the formation of the polycrystalline SiC layer (3) to the bonding of the first single crystal layer (21), the formation of the second single crystal layer (4), and the semiconductor. It plays the role of the foundation until the formation of the element. The polycrystalline SiC layer (3) has the same thermal expansion coefficient as the second single crystal layer (4) and is excellent in thermal conductivity. Since the carbon substrate has the same thermal conductivity as that of polycrystalline SiC and has an electrical conductivity that is much better, it can be used as it is as a support layer of a semiconductor element. In that case, the processing of thinning the support layer to about 100 μm in the conventional structure can be eliminated. Since the first single crystal layer (21) made of a single crystal having good crystallinity is joined to the polycrystalline SiC layer (3), the active layer of the semiconductor element is formed on the first single crystal layer (21). A high-quality second single crystal layer (4) can be formed. Thus, by making use of the characteristics of each layer, the formation of the semiconductor element can be facilitated and the cost can be reduced.
 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。
 図1は、前記カーボン基板1、及び前記第1の単結晶層21の母材となる単結晶基板2の例を示す上面図及び側面図である。本図は、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が形成されており、単結晶基板2の下面201から所定の深さに水素注入層25が形成された状態を表している。カーボン基板1の一方の平面を上面101、他方の平面を下面102、その側面全体を側面103とする。
 カーボン基板1及び単結晶基板2の形状は問わないが、好ましくは、同図に示されるような円板状又は円柱状の基板である。また、カーボン基板1及び単結晶基板2のサイズも限定されないが、取扱性の上でカーボン基板1が単結晶基板2より一回り大きくされている。カーボン基板1の直径が、単結晶基板2の直径よりも1~10mm程度大きいことが好ましい。例えば、単結晶基板2が外径6インチ(約150mm)である場合には、カーボン基板1は外径160mm程度とすればよい。カーボン基板1の一つの平面(101又は102)上に設けられた多結晶SiC層3の表面と、単結晶基板2の下面201とが接合されることになる。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a top view and a side view showing an example of the carbon substrate 1 and a single crystal substrate 2 that is a base material of the first single crystal layer 21. This figure shows a state in which the polycrystalline SiC layer 3 is formed on the carbon substrate 1 and the hydrogen injection layer 25 is formed at a predetermined depth from the lower surface 201 of the single crystal substrate 2. One plane of the carbon substrate 1 is an upper surface 101, the other plane is a lower surface 102, and the entire side surface is a side surface 103.
The shape of the carbon substrate 1 and the single crystal substrate 2 is not limited, but is preferably a disc-shaped or columnar substrate as shown in FIG. Further, the sizes of the carbon substrate 1 and the single crystal substrate 2 are not limited, but the carbon substrate 1 is made larger than the single crystal substrate 2 in view of handling. The diameter of the carbon substrate 1 is preferably about 1 to 10 mm larger than the diameter of the single crystal substrate 2. For example, when the single crystal substrate 2 has an outer diameter of 6 inches (about 150 mm), the carbon substrate 1 may have an outer diameter of about 160 mm. The surface of polycrystalline SiC layer 3 provided on one plane (101 or 102) of carbon substrate 1 and lower surface 201 of single crystal substrate 2 are bonded.
 図2は、前記複層基板の例を示す模式的な断面図である。複層基板5は、カーボン基板1上に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。カーボン基板1の上面全体に多結晶SiC層3が成膜され、その上に第1の単結晶層21が接合される。単結晶基板2の径はカーボン基板1の径よりも小さいため、第1の単結晶層21の上面に第2の単結晶層4を成膜する際に、第1の単結晶層21の径(即ち単結晶基板2の径)を超える周縁部の多結晶SiC層3上には、第2の半導体材料の多結晶からなる第2の多結晶層41が形成されている。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the multilayer substrate. The multilayer substrate 5 is configured by laminating a polycrystalline SiC layer 3, a first single crystal layer 21, and a second single crystal layer 4 in this order on a carbon substrate 1. Polycrystalline SiC layer 3 is formed on the entire top surface of carbon substrate 1, and first single crystal layer 21 is bonded thereon. Since the diameter of the single crystal substrate 2 is smaller than the diameter of the carbon substrate 1, the diameter of the first single crystal layer 21 is formed when the second single crystal layer 4 is formed on the upper surface of the first single crystal layer 21. A second polycrystalline layer 41 made of a polycrystal of the second semiconductor material is formed on the polycrystalline SiC layer 3 in the peripheral portion exceeding (that is, the diameter of the single crystal substrate 2).
 図3に、複層基板5の種々の態様を示す。同図(a)に示す複層基板51は、本実施形態において最も基本的な構成であって、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の一方の平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。同図(b)に示す複層基板52は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。すなわち、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3によって被覆されている。そして、カーボン基板1の各平面上に形成された多結晶SiC層3の上に、それぞれ第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。同図(c)に示す複層基板53は、カーボン基板1の一方の平面101に多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の当該平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。 FIG. 3 shows various aspects of the multilayer substrate 5. A multilayer substrate 51 shown in FIG. 6A is the most basic configuration in the present embodiment, and the polycrystalline SiC layer 3 is formed on both the planes 101 and 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. Yes. The first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on one plane 101 of the carbon substrate 1. In the multilayer substrate 52 shown in FIG. 2B, the polycrystalline SiC layer 3 is formed on both the planes 101 and 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. That is, the entire surface of the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3. A first single crystal layer 21 and a second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on each plane of the carbon substrate 1. In the multilayer substrate 53 shown in FIG. 2C, the polycrystalline SiC layer 3 is formed on one plane 101 of the carbon substrate 1. The first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on the plane 101 of the carbon substrate 1.
 本実施形態においては、カーボン基板1の少なくとも1つの平面(101及び102の少なくも一方)上に多結晶SiC層3を形成する第1成膜工程と、第1の半導体材料の単結晶からなる単結晶基板2の一方の平面201から所定の深さに水素注入層25を形成する水素層形成工程と、カーボン基板1の平面上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の一方の平面201とを接合する接合工程と、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより、分離された単結晶基板2の一方の平面201側を第1の単結晶層21として多結晶SiC層3上に残す分離工程と、第1の単結晶層21の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を形成することにより複層基板5(51、52、53)を得る第2成膜工程と、複層基板5の表層をなす第2の単結晶層4に半導体素子を形成する素子形成工程と、を備える。その後、前記第2形態の半導体素子とする場合には、複層基板5(51、52、53)からカーボン基板1を除去する除去工程を備える。 In the present embodiment, the first film forming step of forming the polycrystalline SiC layer 3 on at least one plane (at least one of 101 and 102) of the carbon substrate 1 and the single crystal of the first semiconductor material are used. A hydrogen layer forming step of forming a hydrogen injection layer 25 at a predetermined depth from one plane 201 of single crystal substrate 2, the surface of polycrystalline SiC layer 3 formed on the plane of carbon substrate 1, and single crystal substrate 2 The bonding step of bonding one of the flat surfaces 201 and the single crystal substrate 2 by separating the single crystal substrate 2 with the hydrogen injection layer 25, the one flat surface 201 side of the separated single crystal substrate 2 is defined as the first single crystal layer 21. The separation step that remains on the polycrystalline SiC layer 3 and the formation of the second single crystal layer 4 made of the second semiconductor material on the surface of the first single crystal layer 21 results in the multilayer substrate 5 (51, 52 53) to obtain a second film forming step; Comprising an element forming step of forming a semiconductor element on a second single-crystal layer 4 constituting the surface layer of the layer substrate 5, a. Thereafter, when the semiconductor element of the second embodiment is used, a removal step of removing the carbon substrate 1 from the multilayer substrate 5 (51, 52, 53) is provided.
 (第1成膜工程)
 前記第1成膜工程は、カーボン基板1の表面に多結晶SiC層3を形成する工程である。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。カーボンは、不活性ガス中においてはそのような高温に耐える材料である。しかし、カーボンは、酸素の存在によって400℃以上では焼損する。このようなカーボンを保護するために、多結晶SiC層3でカーボン基板1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1の両平面(101及び102)及び側面103を覆うように多結晶SiC層3を成膜することが好ましい。このようにすれば、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3により被覆され、カーボン基板1が外部に露出しないので、酸素が存在する高温の工程を実施することができる。また、カーボン基板1の両面に同じ多結晶SiC層3が形成されるため、基板の反りを極めて小さくすることができる。このようにカーボン基板1の両平面に多結晶SiC層3を設けた後、カーボン基板1の両面の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の支持基板(支持層)として利用することも可能であるし(図3(b)参照)、一方の面の多結晶SiC層3だけを半導体素子の支持基板として利用することも可能である(図3(a)参照)。
(First film formation step)
The first film forming step is a step of forming the polycrystalline SiC layer 3 on the surface of the carbon substrate 1. In order to form a semiconductor element for high power use, a process of raising the temperature to about 1700 ° C. is necessary to activate impurities such as nitrogen, phosphorus, and aluminum. Carbon is a material that can withstand such high temperatures in an inert gas. However, carbon burns out at 400 ° C. or higher due to the presence of oxygen. In order to protect such carbon, a method of covering the entire surface of the carbon substrate 1 with the polycrystalline SiC layer 3 can be employed. Specifically, in the first film formation step, it is preferable to form the polycrystalline SiC layer 3 so as to cover both the flat surfaces (101 and 102) and the side surface 103 of the carbon substrate 1. In this way, the entire surface of the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3, and the carbon substrate 1 is not exposed to the outside, so that a high-temperature process in which oxygen is present can be performed. Moreover, since the same polycrystalline SiC layer 3 is formed on both surfaces of the carbon substrate 1, the warpage of the substrate can be made extremely small. After providing the polycrystalline SiC layers 3 on both planes of the carbon substrate 1 in this way, it is also possible to use the polycrystalline SiC layers 3 on both sides of the carbon substrate 1 as support substrates (support layers) for the semiconductor elements, respectively. However, it is also possible to use only the polycrystalline SiC layer 3 on one side as a support substrate of the semiconductor element (see FIG. 3A).
 また、カーボン基板1の1つの平面だけに多結晶SiC層3を形成する場合には、カーボン基板1を保護するため、400℃以上で酸素の存在する環境下において熱処理を行わないようにする工程を採用することができる。例えば、多結晶SiC層3をカーボン基板1の1つの平面(101又は102)上のみに形成した複層基板5(図3(c)参照)を形成し、その複層基板5からカーボン基板1を除去した後に酸素を含有する成膜等を行うようにすることができる。 In the case where the polycrystalline SiC layer 3 is formed only on one plane of the carbon substrate 1, a process of preventing heat treatment in an environment where oxygen is present at 400 ° C. or higher in order to protect the carbon substrate 1. Can be adopted. For example, a multilayer substrate 5 (see FIG. 3C) in which the polycrystalline SiC layer 3 is formed only on one plane (101 or 102) of the carbon substrate 1 is formed, and the multilayer substrate 5 to the carbon substrate 1 After removal of oxygen, film formation or the like containing oxygen can be performed.
 また、カーボン基板1を暫定的な土台として使用し、半導体素子の一部を形成した後にカーボン基板1を除去する前記第2形態の場合、多結晶SiC層3は、カーボン基板1が除去された後に行う素子形成の一部工程や実装工程等において、第2の単結晶層4の支持基板となる。更に、多結晶SiC層3は、第2の単結晶層4に形成される最終的な半導体素子の支持基板(支持層)としての役割を果たす。多結晶SiC層3は、後に形成される第2の単結晶層4と同程度の熱伝導率、熱膨張係数、電気伝導度を有するため、支持層として好適である。
 多結晶SiC層3の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、カーボン基板1を基台上に立てて、その両面側に多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の両平面及び側面に多結晶SiC層3を成膜することができる。また、カーボン基板1の一方の平面を上にして平面の台に置き、その上方から多結晶用CVDガスを供給することにより、カーボン基板1の一方の平面及び側面に多結晶SiC層3が形成される。その後同様にして、カーボン基板1の他方の平面に多結晶SiC層3を形成することが可能である。以上のような成膜方法を適宜採用することにより、図3(a)、(b)及び(c)に示した各態様における多結晶SiC層3を形成することができる。
 カーボン基板1の平面上に形成される多結晶SiC層3の厚さは、最終的な半導体素子の支持層としての役割を果たす限り問わない。前記第1形態においては、多結晶SiC層3の厚さは、その上に第1の単結晶層21を接合するのに必要な厚さだけでよい(例えば、1~10μm程度)。その場合には、カーボン基板1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必要な厚さ(例えば、250~1000μm程度)とすればよい。また、前記第2形態においては、多結晶SiC層3は、カーボン基板1の除去後に行う素子加工(裏面電極形成など)のための支持基板として必要な厚さ(例えば、100μm)よりやや厚く形成すればよい(例えば、100~200μm程度)。
In the case of the second embodiment in which the carbon substrate 1 is used as a temporary base and the carbon substrate 1 is removed after forming a part of the semiconductor element, the polycrystalline SiC layer 3 is removed from the carbon substrate 1. It becomes a support substrate for the second single crystal layer 4 in a part process or a mounting process of element formation to be performed later. Furthermore, the polycrystalline SiC layer 3 serves as a support substrate (support layer) for the final semiconductor element formed in the second single crystal layer 4. The polycrystalline SiC layer 3 is suitable as a support layer because it has a thermal conductivity, a thermal expansion coefficient, and an electrical conductivity comparable to those of the second single crystal layer 4 to be formed later.
A specific film forming method of the polycrystalline SiC layer 3 is not particularly limited. For example, the polycrystalline SiC layer 3 can be formed on both the flat surface and the side surface of the carbon substrate 1 by standing the carbon substrate 1 on the base and supplying the polycrystalline CVD gas to both sides thereof. Further, a polycrystalline SiC layer 3 is formed on one plane and side surface of the carbon substrate 1 by placing one plane of the carbon substrate 1 on a plane table and supplying a polycrystalline CVD gas from above. Is done. Thereafter, similarly, it is possible to form polycrystalline SiC layer 3 on the other plane of carbon substrate 1. By appropriately adopting the film forming method as described above, the polycrystalline SiC layer 3 in each aspect shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C can be formed.
The thickness of the polycrystalline SiC layer 3 formed on the plane of the carbon substrate 1 is not limited as long as it serves as a support layer for the final semiconductor element. In the first embodiment, the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 may be only a thickness necessary for bonding the first single crystal layer 21 thereon (for example, about 1 to 10 μm). In that case, the thickness of the carbon substrate 1 may be set to a thickness necessary for suppressing warpage and facilitating handling (for example, about 250 to 1000 μm). In the second embodiment, the polycrystalline SiC layer 3 is formed slightly thicker than a thickness (for example, 100 μm) required as a support substrate for element processing (such as back electrode formation) performed after removing the carbon substrate 1. (For example, about 100 to 200 μm).
 (水素層形成工程)
 単結晶基板2は、第1の半導体材料の単結晶からなる。第1の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つを採用することができる。後の接合工程において多結晶SiC層3と接合されるため、第1の半導体材料としてSiCを用いることが好適である。
 前記水素層形成工程は、単結晶基板2の一方の平面201から所定の深さに水素注入層25を形成する工程である。水素注入層25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 formation process)
The single crystal substrate 2 is made of a single crystal of the first semiconductor material. The first semiconductor material is not particularly limited, and for example, one of SiC, GaN, and gallium oxide can be employed. Since it is joined to the polycrystalline SiC layer 3 in a later joining step, it is preferable to use SiC as the first semiconductor material.
The hydrogen layer forming step is a step of forming the hydrogen injection layer 25 at a predetermined depth from one plane 201 of the single crystal substrate 2. The hydrogen implantation layer 25 can be formed by implanting hydrogen ions to the predetermined depth (for example, a depth of about 0.2 to 1.5 μm, preferably about 0.5 μm).
 (接合工程)
 前記接合工程は、カーボン基板1の平面上に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の前記一方の平面201とを接合する工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3が設けられており、両平面上の多結晶SiC層3をそれぞれ半導体素子の土台として利用する場合には(図3(b)参照)、カーボン基板1の各平面(101及び102)上に形成された多結晶SiC層3の表面と、2つの単結晶基板2の一方の平面201とをそれぞれ接合すればよい。多結晶SiC層3の表面と単結晶基板2の平面201との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。
(Joining process)
The bonding step is a step of bonding the surface of the polycrystalline SiC layer 3 formed on the plane of the carbon substrate 1 and the one plane 201 of the single crystal substrate 2. When the polycrystalline SiC layer 3 is provided on both planes (101 and 102) of the carbon substrate 1, and the polycrystalline SiC layer 3 on both planes is used as a base of a semiconductor element, respectively (FIG. 3B). )), The surface of the polycrystalline SiC layer 3 formed on each plane (101 and 102) of the carbon substrate 1 and one plane 201 of the two single crystal substrates 2 may be bonded to each other. The bonding method of the surface of the polycrystalline SiC layer 3 and the flat surface 201 of the single crystal substrate 2 is not particularly limited. For example, both surfaces can be activated and bonded with an argon beam or the like.
 (分離工程)
 前記分離工程は、単結晶基板2を水素注入層25で分離することにより、分離された単結晶基板2の前記一方の平面(201)側を第1の単結晶層21として、カーボン基板1上に形成されている多結晶SiC層3上に残す工程である。水素注入層25における分離は、単結晶基板2を高温とすることによって可能である。例えば、単結晶基板2が単結晶SiC基板である場合には、900~1000℃で水素注入層25にてブリスタが発生し、水素注入層25を境界として単結晶基板2が分離される。
(Separation process)
In the separation step, the single crystal substrate 2 is separated by the hydrogen injection layer 25, so that the one plane (201) side of the separated single crystal substrate 2 is used as the first single crystal layer 21 on the carbon substrate 1. This is a step of remaining on the polycrystalline SiC layer 3 formed in step (b). Separation in the hydrogen injection layer 25 is possible by setting the single crystal substrate 2 to a high temperature. For example, when the single crystal substrate 2 is a single crystal SiC substrate, blisters are generated in the hydrogen injection layer 25 at 900 to 1000 ° C., and the single crystal substrate 2 is separated with the hydrogen injection layer 25 as a boundary.
 (第2成膜工程)
 前記第2成膜工程は、単結晶である第1の単結晶層21の表面上に、第2の半導体材料からなる第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得る工程である。カーボン基板1の両平面(101及び102)上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その両方の第1の単結晶層21の表面上に第2の単結晶層4を形成することにより、カーボン基板1のそれぞれの平面上に多結晶SiC層3と第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが積層された複層基板5を得ることができる(図3(b)参照)。上記第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の1つを採用することができる。
 結晶性の良い第1の単結晶層21は、その上に形成される第2の単結晶層4の下地として好適である。第2の単結晶層4の具体的な成膜方法は特に限定されない。例えば、第1の単結晶層21上に、エピタキシャル成長により第2の単結晶層4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。カーボン基板1の両平面上に多結晶SiC層3及び第1の単結晶層21が設けられている場合には、その一方の平面側に第2の単結晶層4を成膜し、次いで他方の平面側に成膜すればよい(図3(b)参照)。
 第2の単結晶層4は、結晶性の良い第1の単結晶層21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の単結晶層4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、複層基板5(51、52、53)が形成される。
(Second film formation step)
In the second film-forming step, the second single crystal layer 4 made of the second semiconductor material is formed on the surface of the first single crystal layer 21 which is a single crystal, so that the polycrystalline structure is formed on the carbon substrate 1. This is a step of obtaining a multilayer substrate 5 in which the SiC layer 3, the first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4 are laminated. In the case where the polycrystalline SiC layer 3 and the first single crystal layer 21 are provided on both planes (101 and 102) of the carbon substrate 1, the first single crystal layer 21 is formed on the surface of both the first single crystal layers 21. By forming the single crystal layer 4, the multilayer substrate in which the polycrystalline SiC layer 3, the first single crystal layer 21, and the second single crystal layer 4 are stacked on each plane of the carbon substrate 1. 5 can be obtained (see FIG. 3B). The second semiconductor material is not particularly limited, and for example, one of SiC, GaN, gallium oxide, and the like can be employed.
The first single crystal layer 21 with good crystallinity is suitable as a base for the second single crystal layer 4 formed thereon. A specific film forming method of the second single crystal layer 4 is not particularly limited. For example, the second single crystal layer 4 can be formed on the first single crystal layer 21 by epitaxial growth. Depending on the type of the second semiconductor material, the film can be formed by the MOCVD method. When the polycrystalline SiC layer 3 and the first single crystal layer 21 are provided on both planes of the carbon substrate 1, the second single crystal layer 4 is formed on one plane side, and then the other The film may be formed on the flat surface side (see FIG. 3B).
Since the second single crystal layer 4 is formed on the first single crystal layer 21 having good crystallinity, the second single crystal layer 4 can be a high-quality single crystal layer and is suitable for forming a semiconductor element. The thickness of the second single crystal layer 4 only needs to be a thickness necessary for forming an active layer of a semiconductor element (about 5 to 10 μm when the second semiconductor material is SiC).
Through the above steps, the multilayer substrate 5 (51, 52, 53) is formed.
 (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5の表層である第2の単結晶層4に半導体素子を形成する工程である。半導体素子を形成するとは、ショットキーダイオード、MOSFET、JFET等、目的とする半導体素子を構成するために必要な不純物領域、絶縁物領域、導電領域等を形成することを意図している。複層基板5は、カーボン基板1によって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の形成をすることができる。
 第1成膜工程においてカーボン基板1の全ての表面を多結晶SiC層3で覆った場合には、複層基板5(51、52)の反りを極めて小さくすることができる。よって、素子形成工程では、従来の厚い単結晶支持基板上に第2の半導体材料を用いた単結晶膜が形成されている場合と同様の加工方法を使用することができる。
 また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3を形成した場合には、400℃以上で酸素の存在のしない条件下で加工を行う必要がある。例えば、この条件下で厚さ1μm以上のシリコン酸化膜を形成するには、低温度CVDによりシリコン酸化膜を形成し、不活性ガス中で高温にてアニールするようにすることができる。また、ゲート膜が必要な場合には、シリコン酸化膜ではなく、酸素が直接介在しなくても緻密な薄膜が形成できる膜質(例えば、窒化ケイ素、アルミナ等)を選ぶことも可能である。酸素が直接介在しなくてもよいゲート膜を成膜する場合には、カーボン基板1が存在してもMOSFETを形成することが可能である。
(Element formation process)
The element forming step is a step of forming a semiconductor element on the second single crystal layer 4 which is a surface layer of the multilayer substrate 5 obtained by the second film forming step. The formation of a semiconductor element is intended to form an impurity region, an insulator region, a conductive region, and the like necessary for constituting a target semiconductor device, such as a Schottky diode, MOSFET, JFET or the like. Since the multilayer substrate 5 is prevented from being bent or warped by the carbon substrate 1, a semiconductor element can be formed using a general-purpose photolithography apparatus.
When the entire surface of the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3 in the first film forming step, the warp of the multilayer substrate 5 (51, 52) can be made extremely small. Therefore, in the element formation step, a processing method similar to that in the case where a single crystal film using the second semiconductor material is formed on a conventional thick single crystal support substrate can be used.
Further, when the polycrystalline SiC layer 3 is formed only on one side of the carbon substrate 1, it is necessary to perform the processing under conditions where oxygen is not present at 400 ° C. or higher. For example, in order to form a silicon oxide film having a thickness of 1 μm or more under these conditions, a silicon oxide film can be formed by low-temperature CVD and annealed at a high temperature in an inert gas. In addition, when a gate film is required, it is possible to select a film quality (for example, silicon nitride, alumina, etc.) that can form a dense thin film without using oxygen directly, instead of a silicon oxide film. In the case of forming a gate film that does not require oxygen to intervene, a MOSFET can be formed even if the carbon substrate 1 exists.
 (除去工程)
 カーボン基板1を暫定的な土台としてのみ使用する前記第2形態においては、前記除去工程を行う。除去工程は、素子形成工程において半導体素子の全て又は一部を形成した後、複層基板5からカーボン基板1を除去する工程である。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。具体的な除去方法は特に問わない。例えば、カーボン基板1が多結晶SiC層3により覆われている場合、先ず、複層基板5の周縁部(少なくともカーボン基板1の側面103に形成されている多結晶SiC層3)を切断除去して、カーボン基板1の側面部を露出させる。その後、焼却等によりカーボン基板1を除去することができる(図12参照)。
(Removal process)
In the second embodiment in which the carbon substrate 1 is used only as a temporary base, the removing step is performed. The removing step is a step of removing the carbon substrate 1 from the multilayer substrate 5 after forming all or part of the semiconductor elements in the element forming step. Carbon can be easily incinerated by raising the temperature to about 500 ° C. A specific removal method is not particularly limited. For example, when the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3, first, the peripheral portion of the multilayer substrate 5 (at least the polycrystalline SiC layer 3 formed on the side surface 103 of the carbon substrate 1) is cut and removed. Then, the side surface portion of the carbon substrate 1 is exposed. Thereafter, the carbon substrate 1 can be removed by incineration or the like (see FIG. 12).
 (第2の素子形成工程)
 前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなるように構成することができる。第2の素子形成工程には、酸素を含有する成膜が含まれてもよい。前記第1形態の場合には、半導体素子を完成させるためにカーボン基板1を保持したまま第2の素子形成工程を行うことができる。前記第2形態の場合には、複層基板5からカーボン基板1を除去した後、半導体素子を完成させるために第2の素子形成工程を行う。また、カーボン基板1の片面だけに多結晶SiC層3が形成されている等、カーボン基板1の一部が露出している状態で酸素が介在するゲート膜が必要な場合には、ゲート膜を形成する前の工程は前記第1の素子形成工程において行い、前記除去工程によりカーボン基板1を除去した後に、酸素の介在するゲート酸化膜を形成することができる。カーボン基板1の除去によって反りが生じても、ゲート酸化膜は形成することができる。更に、ゲート酸化膜の形成後に、例えばサファイア基板等を仮設支持基板として接着することにより反りを減らすことができる。その状態において金属配線層などを形成し、配線を行うことが可能になる。その後、仮設支持基板を剥離し、半導体素子の裏面側の金属層を形成することもできる。この場合、カーボン基板1が除去された状態において、裏面にNi等のシリサイド用金属薄膜を形成し、予め表面の電極部にも同様な金属薄膜を形成し、同時に或いはそれぞれの成膜後に、高温処理によりシリサイド化することも可能である。これらの処理は反りが生じていても可能である。その後上述のように仮設支持基板を設けて反りを無くして金属配線層を形成することも可能である。
 また、カーボン基板1の両面に多結晶SiC層3を設けて第2の単結晶層4を形成した場合においても、表面にシリサイド用金属薄膜を形成した後、金属配線工程の前にカーボン基板1を除去し、その後に半導体素子の裏面側を研磨し、シリサイド用金属薄膜を裏面に形成した後に高温処理により両面同時にシリサイド化を行うことも可能である。その後に仮設支持基板を設けることにより反りを無くし、表面に金属配線層を形成することも可能である。
(Second element formation step)
The element forming step can be configured to include a first element forming step performed before the removing step and a second element forming step performed after the removing step. The second element formation step may include a film containing oxygen. In the case of the first embodiment, the second element forming step can be performed while holding the carbon substrate 1 in order to complete the semiconductor element. In the case of the second embodiment, after the carbon substrate 1 is removed from the multilayer substrate 5, a second element formation step is performed in order to complete the semiconductor element. In addition, when a gate film in which oxygen is present in a state where a part of the carbon substrate 1 is exposed, such as the case where the polycrystalline SiC layer 3 is formed only on one side of the carbon substrate 1, the gate film is A step before the formation is performed in the first element formation step, and after removing the carbon substrate 1 by the removal step, a gate oxide film intervening with oxygen can be formed. Even when the carbon substrate 1 is warped, the gate oxide film can be formed. Further, the warp can be reduced by bonding a sapphire substrate or the like as a temporary support substrate after the gate oxide film is formed. In this state, a metal wiring layer or the like can be formed and wiring can be performed. Thereafter, the temporary support substrate can be peeled off to form a metal layer on the back surface side of the semiconductor element. In this case, in a state where the carbon substrate 1 is removed, a metal thin film for silicide such as Ni is formed on the back surface, and a similar metal thin film is formed in advance on the electrode portion on the front surface. Silicidation is also possible by treatment. These processes are possible even when warping occurs. Thereafter, it is also possible to provide a temporary support substrate as described above to eliminate the warp and form the metal wiring layer.
Even when the polycrystalline single-crystal SiC layer 3 is provided on both surfaces of the carbon substrate 1 to form the second single crystal layer 4, the carbon substrate 1 is formed after the metal thin film for silicide is formed on the surface and before the metal wiring process. It is also possible to perform silicidation simultaneously on both sides by high-temperature treatment after removing the substrate, polishing the back surface of the semiconductor element, and forming a silicide metal thin film on the back surface. After that, by providing a temporary support substrate, it is possible to eliminate warpage and form a metal wiring layer on the surface.
 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。本例で用いるカーボン基板1の厚さは約0.5mmであり、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1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、本例において単結晶基板2は単結晶SiC基板とする。 Hereinafter, the manufacturing process of the semiconductor device according to this embodiment will be described in detail. The thickness of the carbon substrate 1 used in this example is about 0.5 mm, and its thermal expansion coefficient is adjusted to be approximately the same as that of polycrystalline SiC. The coefficient of thermal expansion of carbon can be adjusted by adjusting the density and firing temperature. Further, the carbon substrate 1 is a high-purity material having a metal density as an impurity as low as 10 10 / cm 3 or less. In this example, the single crystal substrate 2 is a single crystal SiC substrate.
 図4は、図3(a)で示した複層基板51の製造工程を示している。図4(a)に示すように、カーボン基板1の上面101、下面102及び側面103を覆うように、一定の厚さの多結晶SiC層3を熱CVD手法により成長させる。一方、同図(b)に示すように、単結晶基板2の一方の平面201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25を形成する。水素イオンの濃度は、1×1017/cm程度である。水素注入層25から平面201側が、単結晶SiCからなる第1の単結晶層21になる。
 次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、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2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1に多結晶SiC層3が形成され、その表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
 更に、同図(e)に示すように、複層基板に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(b)に示した複層基板51が完成する。
FIG. 4 shows a manufacturing process of the multilayer substrate 51 shown in FIG. As shown in FIG. 4A, a polycrystalline SiC layer 3 having a certain thickness is grown by a thermal CVD method so as to cover the upper surface 101, the lower surface 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. On the other hand, as shown in FIG. 5B, hydrogen implantation layer 25 is formed by implanting hydrogen ions from one plane 201 of single crystal substrate 2 to a depth of 0.5 μm. The concentration of hydrogen ions is about 1 × 10 17 / cm 3 . The plane 201 side from the hydrogen injection layer 25 becomes the first single crystal layer 21 made of single crystal SiC.
Next, as shown in FIG. 2C, the surface of the polycrystalline SiC layer 3 formed on the carbon substrate 1 and the flat surface 201 of the single crystal SiC substrate 2 are joined after activating each surface. Thereafter, the bonded substrate is heated to a high temperature of about 1000 ° C. to separate the single crystal SiC substrate 2 with the hydrogen injection layer 4 as a boundary (the base material side of the separated single crystal SiC substrate 2 is not shown). ). As a result, a polycrystalline SiC layer 3 is formed on the carbon substrate 1 and a multilayer substrate in which the first single crystal layer 21 is laminated on the surface is formed as shown in FIG.
Furthermore, as shown in FIG. 5E, a second single crystal layer 4 is formed by epitaxially growing a SiC single crystal on the surface of the first single crystal layer 21 formed on the multilayer substrate. The multilayer substrate 51 shown in FIG. 3B is completed.
 図5は、図3(b)で示した複層基板52の製造工程を示している。
 図5(a)に示すように、カーボン基板1の上面101、下面102及び側面103を覆うように、一定の厚さの多結晶SiC層3を熱CVD手法により成長させる。一方、同図(b)に示すように、単結晶基板2の一方の平面201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25を形成する。水素イオンの濃度は、1×1017/cm程度である。水素注入層25から平面201側が、単結晶SiCからなる第1の単結晶層21になる。
 次に、同図(c)に示すように、カーボン基板1の両面に形成された多結晶SiC層3の表面と単結晶SiC基板2の平面201とを、各表面を活性化した後に接合する。その後、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2は水素注入層4を境界として分離される(分離された単結晶SiC基板2の母材側は図示せず)。これによって、同図(d)に示すように、カーボン基板1の両面上に多結晶SiC層3が形成され、その各表面に第1の単結晶層21が積層された複層基板が形成される。
 更に、同図(e)に示すように、複層基板の両面に形成された第1の単結晶層21の表面上に、SiC単結晶をエピタキシャル成長させることによって第2の単結晶層4が形成され、図3(a)に示した複層基板55が完成する。
FIG. 5 shows a manufacturing process of the multilayer substrate 52 shown in FIG.
As shown in FIG. 5A, a polycrystalline SiC layer 3 having a certain thickness is grown by a thermal CVD method so as to cover the upper surface 101, the lower surface 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. On the other hand, as shown in FIG. 5B, hydrogen implantation layer 25 is formed by implanting hydrogen ions from one plane 201 of single crystal substrate 2 to a depth of 0.5 μm. The concentration of hydrogen ions is about 1 × 10 17 / cm 3 . The plane 201 side from the hydrogen injection layer 25 becomes the first single crystal layer 21 made of single crystal SiC.
Next, as shown in FIG. 2C, the surfaces of the polycrystalline SiC layer 3 formed on both surfaces of the carbon substrate 1 and the plane 201 of the single crystal SiC substrate 2 are joined after the respective surfaces are activated. . Thereafter, the bonded substrate is heated to a high temperature of about 1000 ° C. to separate the single crystal SiC substrate 2 with the hydrogen injection layer 4 as a boundary (the base material side of the separated single crystal SiC substrate 2 is not shown). ). As a result, a polycrystalline SiC layer 3 is formed on both surfaces of the carbon substrate 1 and a multilayer substrate in which the first single crystal layer 21 is laminated on each surface is formed as shown in FIG. The
Further, as shown in FIG. 5E, the second single crystal layer 4 is formed by epitaxially growing a SiC single crystal on the surface of the first single crystal layer 21 formed on both surfaces of the multilayer substrate. Thus, the multilayer substrate 55 shown in FIG. 3A is completed.
 上記複層基板51~53において、多結晶SiC層3の厚さは、前記第1形態の場合と前記第2形態の場合とでは、異なる厚さとすることができる。前記第1形態の場合には、支持層はカーボン基板1により強度が確保されるため、多結晶SiC層3の厚さは1μm程度でもよい。また、前記第2形態の場合には、多結晶SiC層3がその後の支持層となるため、100μm程度の厚さとなってもよい。
 複層基板51~53において、第2の単結晶層4の厚さは用途により異なり、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。また、エピタキシャル成長等により第1の単結晶層21の上に第2の単結晶層4が成膜されるが、第1の単結晶層21が無い部分すなわち多結晶SiC層3が露出している周縁部分では多結晶が成長し、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が成膜される。
In the multilayer substrates 51 to 53, the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 can be different between the case of the first form and the case of the second form. In the case of the first embodiment, since the strength of the support layer is ensured by the carbon substrate 1, the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 may be about 1 μm. Moreover, in the case of the said 2nd form, since the polycrystalline SiC layer 3 becomes a subsequent support layer, it may be about 100 micrometers thick.
In the multilayer substrates 51 to 53, the thickness of the second single crystal layer 4 varies depending on the application, and in the case of SiC, it is about 5 μm (withstand voltage of 600 V) to 10 μm (withstand voltage of 1500 V). Further, the second single crystal layer 4 is formed on the first single crystal layer 21 by epitaxial growth or the like, but the portion where the first single crystal layer 21 is not present, that is, the polycrystalline SiC layer 3 is exposed. Polycrystal grows at the peripheral portion, and a second polycrystalline layer 41 having the same thickness as the second single crystal layer 4 is formed.
 図6は、平面的な熱CVD装置を用いてカーボン基板1の表面を多結晶SiC層3で被覆する具体的な工程例を示している。同図(a)に示すように、先ずカーボン基板1の一方の平面101上に、約130μmの厚さの多結晶SiC層3を熱CVDにより成膜する。この過程において、カーボン基板1の側面103にも多結晶SiC層3が形成される。そして、カーボン基板1の他方の平面102を基準面として、平面101上の多結晶SiC層3の厚さが約110μmとなるように研磨して平坦化を図る。次いで、同図(b)に示すように、カーボン基板1の他方の平面102上に、約130μmの厚さの多結晶SiC層3を熱CVDにより成膜する。この過程においても、カーボン基板1の側面103側に多結晶SiC層3が形成される。そして、先に平坦化した多結晶SiC3の面を基準面として、平面102上の多結晶SiC層3の厚さが約110μmとなるように研磨して平坦化を図る。このような手法のメリットは、多結晶SiC層3の平坦化が容易な点にある。これにより、カーボン基板1の両平面に厚さ約110μmの多結晶SiC層3が形成され、その側面には約260μm(約130μm×2)の多結晶SiC層3が形成され、カーボン基板1を多結晶SiC層3によって覆うことができる。
 カーボン基板1を覆う多結晶SiC層3は、3次元で成膜可能な熱CVD装置を使用することによっても成膜することができる。このような熱CVD装置を使用すれば、保持された円板状のカーボン基板1を3次元的に回転させながら成膜が行われるので、カーボン基板1の両平面及び側面に、同時にほぼ同じ厚さの多結晶SiC層3を形成することが可能である。多結晶SiC層3を高濃度N型層とするためには高濃度の窒素雰囲気で成膜する必要があり、その成膜温度は1400~1500℃と高温である。この条件下では供給律速反応となるため、多結晶SiC層3の膜厚は部位によりばらつきが生じる。両平面の膜厚を均一にするには成膜後に研磨を行う。
FIG. 6 shows a specific process example in which the surface of the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3 using a planar thermal CVD apparatus. As shown in FIG. 1A, a polycrystalline SiC layer 3 having a thickness of about 130 μm is first formed on one plane 101 of the carbon substrate 1 by thermal CVD. In this process, the polycrystalline SiC layer 3 is also formed on the side surface 103 of the carbon substrate 1. Then, using the other flat surface 102 of the carbon substrate 1 as a reference surface, the polycrystalline SiC layer 3 on the flat surface 101 is polished and flattened so that the thickness thereof becomes about 110 μm. Next, as shown in FIG. 2B, a polycrystalline SiC layer 3 having a thickness of about 130 μm is formed on the other plane 102 of the carbon substrate 1 by thermal CVD. Also in this process, the polycrystalline SiC layer 3 is formed on the side surface 103 side of the carbon substrate 1. Then, using the surface of the polycrystalline SiC 3 planarized first as a reference plane, the polycrystalline SiC layer 3 on the plane 102 is polished and planarized so as to have a thickness of about 110 μm. The merit of such a method is that the polycrystalline SiC layer 3 can be easily flattened. As a result, a polycrystalline SiC layer 3 having a thickness of about 110 μm is formed on both planes of the carbon substrate 1, and a polycrystalline SiC layer 3 having a thickness of about 260 μm (about 130 μm × 2) is formed on the side surface of the carbon substrate 1. It can be covered by the polycrystalline SiC layer 3.
The polycrystalline SiC layer 3 covering the carbon substrate 1 can also be formed by using a thermal CVD apparatus capable of forming a film in three dimensions. If such a thermal CVD apparatus is used, film formation is performed while the held disk-shaped carbon substrate 1 is rotated three-dimensionally, so that both the plane and side surfaces of the carbon substrate 1 have substantially the same thickness at the same time. The polycrystalline SiC layer 3 can be formed. In order to make the polycrystalline SiC layer 3 a high-concentration N-type layer, it is necessary to form a film in a high-concentration nitrogen atmosphere, and the film-forming temperature is as high as 1400 to 1500 ° C. Under this condition, the supply rate-limiting reaction occurs, so that the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 varies depending on the part. In order to make the film thickness of both planes uniform, polishing is performed after film formation.
 図7は、カーボン基板1を多結晶SiC層3で被覆したときの基板端部の断面画像である。カーボン基板上に熱CVD装置を用いて多結晶SiC層を形成すると、カーボン基板の端部において成膜の不均一が発生し、多結晶SiCの膜厚が一定ではなくなる。同図(a)に表されているように、カーボン基板1の板端の角部は、欠け防止のため面取り処理(べベル処理)がされている。それでも、成膜はあらゆる表面に対して等方的に成長するため、板端の角部で成膜が進み、その角部で厚くなる。この場合、後の単結晶基板2との接合のために、カーボン基板1の平面上の多結晶SiC層3の厚さを均一とするように研磨を行うことが好ましい。
 より好ましくは、カーボン基板1の多結晶SiC層3が成膜される面の端部(即ちカーボン基板1の平面と側面とが接する角部)は、カーボン基板1の板端に至るまで多結晶SiC層3の厚さが均一となるように面取りをしておくことである。面取りの形状は問わず、端部を断面円弧状としてもよいし、平面に対して傾斜させるようにしてもよい。円弧の曲率や傾斜の角度は面取り部において一定である必要はなく、面取りの大きさも適宜決められればよい。例えば、同図(b)に表されているように、カーボン基板1の端部が断面円弧状となるように面取りを行っておくことにより、板端における成膜の厚さの不均一をなくすことができる。本例では、カーボン基板1の端部の断面が、カーボン基板1の厚さとほぼ等しい直径の半円状となるように面取りがされている。同図(b)は、このようなカーボン基板1に3次元的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。基板側面部の多結晶SiC層3は均一な厚さに成膜されており、基板上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一となることが分かる。同図(c)は、(b)と同様に端部の面取りがされたカーボン基板1の各平面に対して、平面的な前記熱CVD装置を用いて多結晶SiC層3を成膜した場合の、基板端部の断面画像である。本例では、先ず図の下方の面に多結晶SiC層3を成膜し、次に図の上方の面に成膜している。これにより、板端の側面部には2層の多結晶SiC層3が重なるように形成されているが、膜質は同じであるため連続的な多結晶となっている。このようにカーボン基板1の平面毎に多結晶SiC層3を成膜した場合も、カーボン基板1の上面及び下面の多結晶SiC層3の厚さは板端に至るまで均一であることが分かる。上記(b)、(c)のいずれの場合も、カーボン基板1の平面上の多結晶SiC層3の厚さを均一とするための研磨を省くことができる。
FIG. 7 is a cross-sectional image of the edge of the substrate when the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3. When a polycrystalline SiC layer is formed on a carbon substrate using a thermal CVD apparatus, film formation is nonuniform at the edge of the carbon substrate, and the film thickness of the polycrystalline SiC is not constant. As shown in FIG. 2A, the corners of the end of the carbon substrate 1 are chamfered (beveled) to prevent chipping. Nevertheless, since the film growth isotropically with respect to all surfaces, the film formation proceeds at the corner of the plate edge and becomes thicker at the corner. In this case, it is preferable to perform polishing so that the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 on the plane of the carbon substrate 1 is uniform for subsequent bonding to the single crystal substrate 2.
More preferably, the end portion of the surface of the carbon substrate 1 on which the polycrystalline SiC layer 3 is formed (that is, the corner portion where the plane and the side surface of the carbon substrate 1 are in contact with each other) reaches the plate end of the carbon substrate 1. Chamfering is performed so that the thickness of the SiC layer 3 is uniform. Regardless of the shape of the chamfer, the end may be arcuate in cross section or may be inclined with respect to the plane. The curvature of the arc and the angle of inclination need not be constant at the chamfered portion, and the size of the chamfer may be determined as appropriate. For example, as shown in FIG. 2B, by performing chamfering so that the end portion of the carbon substrate 1 has a circular arc shape, unevenness of the film thickness at the plate end is eliminated. be able to. In this example, the end of the carbon substrate 1 is chamfered so that the cross section of the carbon substrate 1 has a semicircular shape having a diameter substantially equal to the thickness of the carbon substrate 1. FIG. 4B is a cross-sectional image of the substrate edge when the polycrystalline SiC layer 3 is formed on the carbon substrate 1 using the three-dimensional thermal CVD apparatus. It can be seen that the polycrystalline SiC layer 3 on the side surface of the substrate is formed with a uniform thickness, and the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 on the upper and lower surfaces of the substrate is uniform up to the plate edge. FIG. 6C shows a case where the polycrystalline SiC layer 3 is formed on each plane of the carbon substrate 1 whose end portions are chamfered in the same manner as in FIG. It is a cross-sectional image of the board | substrate edge part. In this example, the polycrystalline SiC layer 3 is first formed on the lower surface of the figure, and then formed on the upper surface of the figure. As a result, the two polycrystalline SiC layers 3 are formed so as to overlap each other on the side surface portion of the plate edge, but are continuous polycrystals because the film quality is the same. As described above, even when the polycrystalline SiC layer 3 is formed for each plane of the carbon substrate 1, the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 on the upper surface and the lower surface of the carbon substrate 1 is uniform up to the plate edge. . In both cases (b) and (c), polishing for making the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 on the plane of the carbon substrate 1 uniform can be omitted.
 高電力用途の縦型素子を形成するための半導体基板として、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、多結晶SiC層3の電気伝導率、多結晶SiC層3と第1の単結晶層21との界面抵抗、及び第1の単結晶層21と第2の単結晶層4との界面抵抗が重要となる。多結晶SiC層3の電気伝導度については、N型不純物である窒素濃度を高めることにより低抵抗とすることができる。多結晶SiC層は単結晶SiC基板と異なり結晶性を問わずに窒素濃度を高めることができるので、単結晶SiC基板よりも低抵抗にすることが可能である。また、多結晶SiC層3と第1の単結晶層21との界面、及び第1の単結晶層21と第2の単結晶層4との界面においては、各層のバンドギャップ幅により電位障壁を発生し、対策をしなければ電位障壁の差により非等方的な電気特性を示す。この対策として、界面近傍の不純物濃度を高くし、トンネル現象を生じさせることにより電位障壁の影響を防ぐことが知られている(特許文献1、非特許文献1、2)。例えば、第1の単結晶層21としてSiCを用いる。そうすると、多結晶SiC層3がN型であるので、それとの界面となる第1の単結晶層21側もN型層とし、その窒素濃度は1021/cm程度の高濃度であることが望ましい。このため、接合工程を行う前に、多結晶SiC層3との接合面となる第1の単結晶層21の表面に、予め高濃度窒素層を形成しておくことが好ましい。第2の単結晶層4についても同様である。第2の単結晶層4が第1の単結晶層21と同じ材料、同じ結晶構造である場合(例えば、共に単結晶SiCである場合)には、電位障壁への配慮は不要である。第2の単結晶層4が第1の単結晶層21と異なる場合、例えば第2の単結晶層4がGaNからなる場合には、その界面の不純物濃度を高くする必要がある。このような高濃度窒素層は、窒素のイオン注入などにより可能である。 As a semiconductor substrate for forming a vertical element for high power applications, vertical electrical conductivity and thermal conductivity are important. In the present embodiment, regarding the electrical conductivity as the semiconductor substrate, the electrical conductivity of the polycrystalline SiC layer 3, the interface resistance between the polycrystalline SiC layer 3 and the first single crystal layer 21, and the first single crystal layer The interface resistance between 21 and the second single crystal layer 4 is important. The electrical conductivity of the polycrystalline SiC layer 3 can be reduced by increasing the concentration of nitrogen, which is an N-type impurity. Unlike the single crystal SiC substrate, the polycrystalline SiC layer can increase the nitrogen concentration regardless of crystallinity, and thus can have a lower resistance than the single crystal SiC substrate. Further, at the interface between the polycrystalline SiC layer 3 and the first single crystal layer 21 and the interface between the first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4, a potential barrier is formed by the band gap width of each layer. If it does not take countermeasures, it exhibits anisotropic electrical characteristics due to potential barrier differences. As a countermeasure, it is known to increase the impurity concentration in the vicinity of the interface and prevent the influence of the potential barrier by causing a tunnel phenomenon (Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). For example, SiC is used for the first single crystal layer 21. Then, since the polycrystalline SiC layer 3 is N-type, the first single crystal layer 21 side which is an interface with the polycrystalline SiC layer 3 is also an N-type layer, and the nitrogen concentration thereof is as high as about 10 21 / cm 3. desirable. For this reason, it is preferable to form a high-concentration nitrogen layer in advance on the surface of the first single crystal layer 21 to be a bonding surface with the polycrystalline SiC layer 3 before performing the bonding step. The same applies to the second single crystal layer 4. When the second single crystal layer 4 has the same material and the same crystal structure as the first single crystal layer 21 (for example, when both are single crystal SiC), consideration for the potential barrier is unnecessary. When the second single crystal layer 4 is different from the first single crystal layer 21, for example, when the second single crystal layer 4 is made of GaN, it is necessary to increase the impurity concentration at the interface. Such a high-concentration nitrogen layer can be formed by nitrogen ion implantation or the like.
 高電力用途の縦型素子を形成するための半導体基板として重要な熱伝導性については、多結晶SiC層3の熱伝導度が250~300W/(m・K)程度と極めて良い。このため、第2の半導体材料としてSiC、GaN、酸化ガリウムの何れを用いて第2の単結晶層4を形成する場合にも、多結晶SiC層3はその支持基板として好適である。 Regarding the thermal conductivity that is important as a semiconductor substrate for forming a vertical element for high power use, the thermal conductivity of the polycrystalline SiC layer 3 is as good as about 250 to 300 W / (m · K). For this reason, even when the second single crystal layer 4 is formed using any one of SiC, GaN, and gallium oxide as the second semiconductor material, the polycrystalline SiC layer 3 is suitable as the supporting substrate.
 図8は、多結晶SiC層3の構造を示す断面画像の一例であるである。この多結晶SiC層3は、カーボン基板1の表面L1上に熱CVDにより成膜されており、厚さは約110μmである。多結晶SiC層3の結晶粒はカーボン基板1との界面L1部分では細かく、厚さ方向Dに界面L1から離れるに伴って大きな結晶粒となって安定する。このように多結晶SiC層3の結晶構造は一様ではないため、カーボン基板1が無い状態では反りが発生する。
 図9は、カーボン基板1が存在する状態(a)と、カーボン基板1が除去された状態(b)の反りの大きさを説明する図である。例えば、カーボン基板1上に多結晶SiC層3が積層されている状態の反りS1は約20μmであり、カーボン基板1が除去された後の多結晶SiC層3の反りS2は約100μmとなる。カーボン基板1が無く、多結晶SiC層3のみが支持基板であって100μm程度の大きな反りがある状態には、そのままではフォトリソグラフィを適用することはできない。カーボン基板1が存在する状態では反りが20μm程度と小さいため、一般的な半導体のフォトリソグラフィ装置を用いることができる。
FIG. 8 is an example of a cross-sectional image showing the structure of the polycrystalline SiC layer 3. The polycrystalline SiC layer 3 is formed on the surface L1 of the carbon substrate 1 by thermal CVD and has a thickness of about 110 μm. The crystal grains of the polycrystalline SiC layer 3 are fine at the interface L1 portion with the carbon substrate 1, and become large crystal grains as they move away from the interface L1 in the thickness direction D and become stable. As described above, since the crystal structure of the polycrystalline SiC layer 3 is not uniform, warping occurs in the absence of the carbon substrate 1.
FIG. 9 is a diagram illustrating the amount of warpage between the state (a) where the carbon substrate 1 exists and the state (b) where the carbon substrate 1 is removed. For example, the warp S1 in the state where the polycrystalline SiC layer 3 is laminated on the carbon substrate 1 is about 20 μm, and the warp S2 of the polycrystalline SiC layer 3 after the carbon substrate 1 is removed is about 100 μm. In the state where there is no carbon substrate 1 and only the polycrystalline SiC layer 3 is a supporting substrate and there is a large warp of about 100 μm, photolithography cannot be applied as it is. Since the warpage is as small as about 20 μm in the state where the carbon substrate 1 exists, a general semiconductor photolithography apparatus can be used.
 以下、複層基板5の第2の単結晶層4に半導体素子を形成する素子形成工程の具体例を説明する。
 (ショットキーダイオード素子の形成)
 図10は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にショットキーダイオード素子(図15(a)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図10(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にショットキーダイオードを形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。図10(a)に示すA部は、複合基板51又は52において1つの素子に相当する領域である。以下の図(b)~(g)はそのA部の拡大図であり、1つの素子の形成工程を表している。
 先ず、図10(b)に示すように、N型とした第2の単結晶層4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、イオン注入後マスク701を除去する。これにより、同図(c)に示すように、第2の単結晶層4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の単結晶層4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、イオン注入後マスク702を除去する。これにより、同図(e)に示すように、第2の単結晶層4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の単結晶層4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の単結晶層4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の単結晶層4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を形成するための複層基板72が得られる。
Hereinafter, a specific example of an element formation process for forming a semiconductor element on the second single crystal layer 4 of the multilayer substrate 5 will be described.
(Formation of Schottky diode element)
FIG. 10 shows a step of forming a Schottky diode element (see FIG. 15A) on the second single crystal layer 4 formed on the surface layer of the composite substrate 5. The first single crystal is SiC. FIG. 10A is the multilayer substrate 51 or 52 shown in FIG. Here, for simplicity, the first single crystal layer 21 is not shown. Further, only one surface (upper surface 101) side of the carbon substrate 1 is displayed. In order to form Schottky diodes on both surfaces, each surface may be processed alternately. Part A shown in FIG. 10A is a region corresponding to one element in the composite substrate 51 or 52. The following figures (b) to (g) are enlarged views of the A part, showing a process of forming one element.
First, as shown in FIG. 10B, a SiO 2 film is formed on the surface of the N-type second single crystal layer 4, and a mask 701 is formed by opening necessary portions by photolithography. Then, P-type impurities are ion-implanted into the opening of the mask 701 while being heated to about 500 ° C., and the mask 701 is removed after the ion implantation. As a result, a P-type impurity region 711 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 4 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 4, and necessary portions are opened by photolithography to form a mask 702. Then, another concentration of P-type impurity is ion-implanted into the opening of the mask 702 while being heated to about 500 ° C., and the mask 702 is removed after the ion implantation. Thereby, another P-type impurity region 712 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 4 as shown in FIG. After the P-type impurity region 711 and another P-type impurity region 712 are formed, annealing is performed at a high temperature to activate these impurities. When the second single crystal layer 4 is SiC, an annealing process is performed at about 1700 ° C.
Thereafter, a SiO 2 film having a thickness of about 1 μm is formed on the surface of the second single crystal layer 4 by thermal CVD, and a portion to be an electrode is removed by etching and opened. As a result, an SiO 2 interlayer insulating film 713 is formed on the second single crystal layer 4 as shown in FIG.
And as shown in the figure (g), after depositing metals, such as nickel, the electrode film 714 is formed by patterning. In this state, a Schottky interface is formed by instantaneously raising the temperature to over 1000 ° C. by lamp annealing or the like. The electrode film 714 can be further increased using aluminum or the like. Through the above steps, a multilayer substrate 72 for forming a Schottky diode is obtained.
 図11は、カーボン基板1を支持基板とする前記第1形態において、裏面電極を形成する工程を示している。前図同様に1つの素子に相当する領域を示している。図11(a)は、上記のような素子形成工程を経た複層基板72を示しており、複層基板72の上面側にショットキーダイオードが形成されている。複層基板72は、カーボン基板1上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21(図示せず)及び第2の単結晶層4が積層されて構成されている。この後、図11に示すような工程により、複層基板72の裏面側、即ち第2の単結晶層4とは反対側を加工することができる。同図(a)に示すように、複層基板72の裏面側において複層基板72の裏面(多結晶SiC層3の裏面302)を必要に応じて研削や研磨により表面を整える。その後、同図(b)に示すように、裏面302にニッケル等を用いて裏面電極膜715を形成する。裏面電極膜715は、瞬間的な高温処理によりシリサイド化がなされてもよい。そして、同図(c)に示すように、裏面電極膜715上に銅等を用いて厚膜層716が形成されてもよい。以上によって、第1形態のショットキーダイオード素子を形成した複層基板73を得ることができる。 FIG. 11 shows a step of forming a back electrode in the first embodiment using the carbon substrate 1 as a support substrate. As in the previous figure, a region corresponding to one element is shown. FIG. 11A shows the multilayer substrate 72 that has undergone the element formation process as described above, and a Schottky diode is formed on the upper surface side of the multilayer substrate 72. The multilayer substrate 72 is configured by laminating a first single crystal layer 21 (not shown) and a second single crystal layer 4 on a polycrystalline SiC layer 3 formed on the carbon substrate 1. Yes. Thereafter, the back surface side of the multilayer substrate 72, that is, the side opposite to the second single crystal layer 4 can be processed by a process as shown in FIG. As shown in FIG. 5A, the surface of the back surface of the multilayer substrate 72 (the back surface 302 of the polycrystalline SiC layer 3) on the back surface side of the multilayer substrate 72 is adjusted by grinding or polishing as necessary. Thereafter, as shown in FIG. 4B, a back electrode film 715 is formed on the back surface 302 using nickel or the like. The back electrode film 715 may be silicided by an instantaneous high temperature treatment. Then, as shown in FIG. 5C, a thick film layer 716 may be formed on the back electrode film 715 using copper or the like. As described above, the multilayer substrate 73 on which the first-type Schottky diode element is formed can be obtained.
 図12は、カーボン基板1を暫定的な土台として使用する前記第2形態の場合に、カーボン基板1を除去する工程を示している。図12(a)に示す複層基板75は、図10で説明した素子形成工程を、複層基板52(図3(b))の両面に適用したものである。複層基板52の上面側及び下面側にそれぞれショットキーダイオード751が形成されている。ショットキーダイオード751は複層基板75の全面に形成されているが、本図においては模式的に各面1つだけ示している。この状態から、複層基板75を同心円状に切断することにより、図12(b)に示すように複層基板75の周縁部を除去する。これにより、少なくともカーボン基板1の側面103に形成された多結晶SiC層3が除去され、カーボン基板1の端部103’が露出される。この状態で、焼却等によりカーボン基板1を除去することができる。これにより複層基板75が上下2枚に分離される。同図(c)は、カーボン基板1が除去されて分離された一方の複層基板76を表している。複層基板76は、多結晶SiC層3を支持基板として、その上に第1の単結晶層21(図示せず)及び第2の単結晶層4が積層されて構成されている。 FIG. 12 shows a process of removing the carbon substrate 1 in the case of the second embodiment in which the carbon substrate 1 is used as a temporary base. A multilayer substrate 75 shown in FIG. 12A is obtained by applying the element forming process described in FIG. 10 to both surfaces of the multilayer substrate 52 (FIG. 3B). Schottky diodes 751 are formed on the upper surface side and the lower surface side of the multilayer substrate 52, respectively. Although the Schottky diode 751 is formed on the entire surface of the multilayer substrate 75, only one surface is schematically shown in the drawing. From this state, the multi-layer substrate 75 is cut concentrically, thereby removing the peripheral portion of the multi-layer substrate 75 as shown in FIG. As a result, at least the polycrystalline SiC layer 3 formed on the side surface 103 of the carbon substrate 1 is removed, and the end portion 103 ′ of the carbon substrate 1 is exposed. In this state, the carbon substrate 1 can be removed by incineration or the like. As a result, the multi-layer substrate 75 is separated into upper and lower two sheets. FIG. 3C shows one multilayer substrate 76 from which the carbon substrate 1 has been removed and separated. The multi-layer substrate 76 is formed by stacking the first single crystal layer 21 (not shown) and the second single crystal layer 4 on the polycrystalline SiC layer 3 as a support substrate.
 カーボン基板1が除去された後、図13に示すような工程により、複層基板76の裏面側即ち第2の単結晶層4とは反対側を加工することができる。同図(a)に示すように、複層基板76の裏面側において結晶性の乱れの多い表層部を除去するため、複層基板76の裏面(多結晶SiC層3の裏面302)を研削や研磨により一定の厚さ(例えば10μm程度)除去してもよい。その後、同図(b)に示すように、裏面302にニッケル等を用いて裏面電極膜715を形成する。裏面電極膜715は、瞬間的な高温処理によりシリサイド化がなされてもよい。そして、同図(c)に示すように、裏面電極膜715上に銅等を用いて厚膜層716を形成する。以上によって、第2形態のショットキーダイオード素子が形成された複層基板77を得る。 After the carbon substrate 1 is removed, the back surface side of the multilayer substrate 76, that is, the side opposite to the second single crystal layer 4 can be processed by a process as shown in FIG. As shown in FIG. 6A, in order to remove the surface layer portion having a lot of disorder of crystallinity on the back surface side of the multilayer substrate 76, the back surface of the multilayer substrate 76 (the back surface 302 of the polycrystalline SiC layer 3) is ground or removed. A certain thickness (for example, about 10 μm) may be removed by polishing. Thereafter, as shown in FIG. 4B, a back electrode film 715 is formed on the back surface 302 using nickel or the like. The back electrode film 715 may be silicided by an instantaneous high temperature treatment. Then, as shown in FIG. 3C, a thick film layer 716 is formed on the back electrode film 715 using copper or the like. As described above, the multilayer substrate 77 on which the second type Schottky diode element is formed is obtained.
 (MOSFET素子の形成)
 図14は、複合基板5の表層に形成されている第2の単結晶層4にMOSFET素子(図15(b)参照)を形成する工程を示している。第1の単結晶はSiCである。図14(a)は、図3に示した複層基板51又は52である。ここでは簡素化のため、第1の単結晶層21は図示していない。また、カーボン基板1の一方の面(上面101)側だけを表示している。両面にMOSFET素子を形成するためには、交互に各面の加工を行えばよい。本図は、複合基板51又は52上の1つの素子に相当する領域(図10(a)に示したA部)の拡大図であり、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の単結晶層4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、イオン注入後マスクを除去する。これにより、図14(b)に示すように、第2の単結晶層4の表層部にPウエル811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ウエル811、ソース部812、ドレイン部813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ウエル、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の単結晶層4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の単結晶層4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815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の単結晶層4上に層間絶縁膜814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816を形成する。ゲート酸化膜816は、カーボン基板1が多結晶SiC層3で完全に被覆されている場合には、酸素雰囲気で成膜できる。カーボン基板1の一方の面に多結晶SiC層3が形成されており、カーボン基板1の他方の面が露出している場合には、酸素雰囲気ではない状態で成膜可能なゲート酸化膜を選ぶ必要がある。同図(e)は、更に電極817、配線層818等を形成した構造を示している。以上によってMOSFETが形成された複層基板82を得る。
 引き続き、前記ショットキーダイオードの場合と同様にして、カーボン基板1を除去し、複層基板82の裏面側すなわち第2の単結晶層4とは反対側に裏面電極膜を形成することによって、第2形態のMOSFET素子を形成することができる。
(Formation of MOSFET elements)
FIG. 14 shows a step of forming a MOSFET element (see FIG. 15B) on the second single crystal layer 4 formed on the surface layer of the composite substrate 5. The first single crystal is SiC. FIG. 14A shows the multilayer substrate 51 or 52 shown in FIG. Here, for simplicity, the first single crystal layer 21 is not shown. Further, only one surface (upper surface 101) side of the carbon substrate 1 is displayed. In order to form MOSFET elements on both surfaces, each surface may be processed alternately. This figure is an enlarged view of a region (A portion shown in FIG. 10A) corresponding to one element on the composite substrate 51 or 52, and represents a process of forming one element.
First, a SiO 2 film is formed on the surface of the N-type second single crystal layer 4, and a necessary portion is opened by photolithography to form a mask. Then, P-type impurities are ion-implanted into the opening of the mask while being heated to about 500 ° C., and the mask is removed after the ion implantation. As a result, a P well 811 is formed in the surface layer portion of the second single crystal layer 4 as shown in FIG. Subsequently, an N + region can be formed by implanting impurities using the pattern of the SiO 2 film as a mask. Thereby, a source part, a drain part, etc. are formed. FIG. 6B shows a state in which a P well 811, a source portion 812, a drain portion 813, and the like are formed. After the P-well made of P-type impurities and the source and drain made of N + impurities are formed, an annealing process is performed at a high temperature to activate these impurities. When the second single crystal layer 4 is SiC, an annealing process is performed at about 1700 ° C.
Thereafter, a SiO 2 film having a thickness of about 1 μm is formed on the surface of the second single crystal layer 4 by thermal CVD, and a portion to be an electrode is removed by etching and opened. Subsequently, the insulating film is partially removed by etching around the gate portion 815. As a result, an interlayer insulating film 814 is formed on the second single crystal layer 4 as shown in FIG. The figure shows a state before the generation of the gate oxide film. Next, a gate oxide film 816 is formed as shown in FIG. Gate oxide film 816 can be formed in an oxygen atmosphere when carbon substrate 1 is completely covered with polycrystalline SiC layer 3. When the polycrystalline SiC layer 3 is formed on one surface of the carbon substrate 1 and the other surface of the carbon substrate 1 is exposed, a gate oxide film that can be formed without being in an oxygen atmosphere is selected. There is a need. FIG. 5E shows a structure in which an electrode 817, a wiring layer 818, and the like are further formed. Thus, the multilayer substrate 82 on which the MOSFET is formed is obtained.
Subsequently, in the same manner as in the case of the Schottky diode, the carbon substrate 1 is removed, and a back electrode film is formed on the back side of the multilayer substrate 82, that is, the side opposite to the second single crystal layer 4. Two types of MOSFET elements can be formed.
 図14により説明した工程において、カーボン基板1が露出しており且つゲート酸化膜816の生成に酸素が必要な場合には、ゲート酸化膜生成前にカーボン基板1を除去する。そして、多結晶SiC層3を支持基板としてゲート酸化膜を生成する。その後、サファイア基板等を仮設支持基板として接着することによって反りを軽減した上で、電極膜や配線層等の形成を行うことができる。これらの工程は高温の熱処理を要しないため、接着した仮設支持基板により反りを抑制することができる。
 なお、図14においてはプレーナ構造のMOSFETの構造例を参考に示したが、トレンチ構造のMOSFETの場合においても、以上に説明した素子形成工程及び第2の素子形成工程により、第2の単結晶層4に素子を形成することが可能である。
In the process described with reference to FIG. 14, when the carbon substrate 1 is exposed and oxygen is required to form the gate oxide film 816, the carbon substrate 1 is removed before the gate oxide film is formed. Then, a gate oxide film is generated using the polycrystalline SiC layer 3 as a supporting substrate. Thereafter, the electrode film, the wiring layer, and the like can be formed after reducing warping by bonding a sapphire substrate or the like as a temporary support substrate. Since these processes do not require high-temperature heat treatment, warpage can be suppressed by the temporary support substrate that is bonded.
In FIG. 14, the structure example of the planar structure MOSFET is shown for reference. However, even in the case of the trench structure MOSFET, the second single crystal is formed by the element formation process and the second element formation process described above. It is possible to form elements in the layer 4.
 以上のように、図3に示した複層基板51~53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。この半導体基板は、その面上に多結晶SiC層3が成膜されたカーボン基板1と、多結晶SiC層3上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層21と、第1の単結晶層21上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層4と、を備えることを特徴としている。
 多結晶SiC層3は、カーボン基板1の少なくとも1つの平面上に形成されている。更にカーボン基板1の側面にも形成されているように構成することがきる。例えば、最も基本的な構成である複層基板51(図3(a))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の一方の平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。また、複層基板52(図3(b))は、カーボン基板1の両方の平面101及び102と側面103とに多結晶SiC層3が形成されている。すなわち、カーボン基板1の全ての表面が多結晶SiC層3によって被覆されている。そして、カーボン基板1の各平面上に形成された多結晶SiC層3の上に、それぞれ第1の単結晶層21と第2の単結晶層4とが順に積層されて構成されている。また、複層基板53(図3(c))は、カーボン基板1の一方の平面101に多結晶SiC層3が形成されている。そして、カーボン基板1の当該平面101上に形成された多結晶SiC層3の上に、第1の単結晶層21及び第2の単結晶層4が順に積層されて構成されている。なお、多結晶SiC層3上において第1の単結晶層21が無い周縁部分には、第2の単結晶層4と同じ厚さの第2の多結晶層41が形成されている。
 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つとすることができる。また、第1の半導体材料としてSiCを選択することが好ましい。
 第1の単結晶層21の厚さは、0.1~1.5μm程度と薄くすることができる。また、第2の単結晶層4の厚さは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)の程度とされる。
As described above, the multilayer substrates 51 to 53 shown in FIG. 3 are suitable as semiconductor substrates for forming elements for high power applications. This semiconductor substrate includes a carbon substrate 1 having a polycrystalline SiC layer 3 formed on the surface thereof, and a first single crystal layer made of a single crystal of a first semiconductor material formed on the polycrystalline SiC layer 3. 21 and a second single crystal layer 4 made of a single crystal of the second semiconductor material formed on the first single crystal layer 21.
Polycrystalline SiC layer 3 is formed on at least one plane of carbon substrate 1. Furthermore, it can be configured to be formed also on the side surface of the carbon substrate 1. For example, in the multilayer substrate 51 (FIG. 3A) that is the most basic configuration, the polycrystalline SiC layer 3 is formed on both the planes 101 and 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. The first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on one plane 101 of the carbon substrate 1. In the multilayer substrate 52 (FIG. 3B), the polycrystalline SiC layer 3 is formed on both the planes 101 and 102 and the side surface 103 of the carbon substrate 1. That is, the entire surface of the carbon substrate 1 is covered with the polycrystalline SiC layer 3. A first single crystal layer 21 and a second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on each plane of the carbon substrate 1. In the multilayer substrate 53 (FIG. 3C), the polycrystalline SiC layer 3 is formed on one plane 101 of the carbon substrate 1. The first single crystal layer 21 and the second single crystal layer 4 are sequentially stacked on the polycrystalline SiC layer 3 formed on the plane 101 of the carbon substrate 1. A second polycrystalline layer 41 having the same thickness as that of the second single crystalline layer 4 is formed on the peripheral portion where the first single crystalline layer 21 is not present on the polycrystalline SiC layer 3.
The first semiconductor material may be one of SiC, GaN, and gallium oxide, and the second semiconductor material may be one of SiC, GaN, and gallium oxide. Moreover, it is preferable to select SiC as the first semiconductor material.
The thickness of the first single crystal layer 21 can be reduced to about 0.1 to 1.5 μm. The thickness of the second single crystal layer 4 varies depending on the material and application. In the case of SiC, the thickness is approximately 5 μm (withstand voltage of 600 V) to 10 μm (withstand voltage of 1500 V).
 本半導体基板は、カーボン基板1を支持層として半導体素子が形成されるように構成されてもよいし(第1形態)、カーボン基板1が除去されて半導体素子が形成されるように構成されてもよい(第2形態)。第2形態の場合、例えば図12に示したようにカーボン基板1が除去されて構成される。よって、第2形態の半導体基板は、多結晶SiC層3と、多結晶SiC層3上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層21と、第1の単結晶層21上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層4と、から構成されることとなる。すなわち、第1形態においてはカーボン基板1が支持基板となるのに対し、第2形態においては多結晶SiC層3が支持基板となる。
 このため、カーボン基板1及び多結晶SiC層3の厚さは、前記第1形態の場合と前記第2形態の場合とでは、異なる厚さで構成することができる。例えば、前記第1形態の場合には、カーボン基板1の厚さは250~1000μm程度、多結晶SiC層3の厚さは1~10μm程度とすることができる。また、前記第2形態の場合には、多結晶SiC層3の厚さは100~150μm程度とすることができる。
 前記第2形態の半導体基板は、カーボン基板1が除去されて構成される。したがって、半導体素子を形成する場合には、カーボン基板1が除去される前にできるだけ多くの素子加工を行うことが好ましい。
The semiconductor substrate may be configured such that a semiconductor element is formed using the carbon substrate 1 as a support layer (first form), or configured such that the semiconductor element is formed by removing the carbon substrate 1. It is also possible (second form). In the case of the second mode, for example, the carbon substrate 1 is removed as shown in FIG. Therefore, the semiconductor substrate of the second form includes the polycrystalline SiC layer 3, the first single crystal layer 21 made of a single crystal of the first semiconductor material formed on the polycrystalline SiC layer 3, and the first single crystal layer. The second single crystal layer 4 made of a single crystal of the second semiconductor material formed on the crystal layer 21 is formed. That is, in the first embodiment, the carbon substrate 1 is a support substrate, whereas in the second embodiment, the polycrystalline SiC layer 3 is a support substrate.
For this reason, the thickness of the carbon substrate 1 and the polycrystalline SiC layer 3 can be configured with different thicknesses in the case of the first form and the case of the second form. For example, in the case of the first embodiment, the thickness of the carbon substrate 1 can be about 250 to 1000 μm, and the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 can be about 1 to 10 μm. In the case of the second embodiment, the thickness of the polycrystalline SiC layer 3 can be about 100 to 150 μm.
The semiconductor substrate of the second form is configured by removing the carbon substrate 1. Therefore, when forming a semiconductor element, it is preferable to perform as many element processes as possible before the carbon substrate 1 is removed.
 以上の実施形態においては、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が、それらがGaN、酸化ガリウム、酸化ガリウム等であっても同様である。また、第1の半導体材料がSiCであり、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。 In the above embodiments, the case where the first semiconductor material and the second semiconductor material are SiC has been mainly described, but the same applies even if they are GaN, gallium oxide, gallium oxide, or the like. The same applies to the case where the first semiconductor material is SiC and the second semiconductor material is GaN, gallium oxide, gallium oxide, or the like.
 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。 Note that the present invention is not limited to the embodiments described in detail above, and various modifications or changes can be made 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SiC半導体素子を製造することが可能となる。 Power-based compound semiconductor elements using SiC and the like are becoming increasingly important with the spread of hybrid cars and electric cars in cars. In addition, the role of power-based compound semiconductor devices becomes important for home appliance control and energy management with the spread of smart grids at home. According to the present invention, the amount of SiC single crystal, which is an expensive material, can be greatly reduced, and an inexpensive SiC semiconductor element can be manufactured.
1;カーボン基板、101;カーボン基板の上面、102;カーボン基板の下面、103;カーボン基板の側面、2;単結晶基板、21;第1の単結晶層、25;水素注入層、3;多結晶SiC層、4;第2の単結晶層、41;第2の多結晶層、5、51、52、53;複層基板、711、712;P型不純物領域、713;層間絶縁膜、714;電極膜、715;裏面電極膜、72、73、75、76、77;ショットキーダイオード素子が形成された複層基板、751;ショットキーダイオード素子、811;Pウエル、812;ソース部、813;ドレイン部、814;層間絶縁膜、815;ゲート部、816;ゲート酸化膜、817;電極膜、818;配線層、82;MOSFET素子が形成された複層基板、91;ショットキーダイオード素子、92;MOSFET素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Carbon substrate, 101; Carbon substrate upper surface, 102; Carbon substrate lower surface, 103; Carbon substrate side surface, 2; Single crystal substrate, 21; First single crystal layer, 25; Hydrogen injection layer, 3; Crystal SiC layer, 4; second single crystal layer, 41; second polycrystalline layer, 5, 51, 52, 53; multilayer substrate, 711, 712; P-type impurity region, 713; interlayer insulating film, 714 Electrode film, 715; back electrode film, 72, 73, 75, 76, 77; multilayer substrate on which Schottky diode element is formed, 751; Schottky diode element, 811; P well, 812; source part, 813 ; Drain part, 814; interlayer insulating film, 815; gate part, 816; gate oxide film, 817; electrode film, 818; wiring layer, 82; multilayer substrate on which MOSFET element is formed, 91; Eau element, 92; MOSFET device.

Claims (12)

  1.  カーボン基板の少なくとも1つの平面上に多結晶SiC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単結晶基板の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、
     前記カーボン基板の平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と前記単結晶基板の前記一方の平面とを接合する接合工程と、
     前記単結晶基板を前記水素注入層で分離することにより、分離された前記単結晶基板の前記一方の平面側を第1の単結晶層として前記多結晶SiC層上に残す分離工程と、
     前記第1の単結晶層の表面上に第2の半導体材料からなる第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得る第2成膜工程と、
     前記複層基板の前記第2の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 polycrystalline SiC layer on at least one plane of the carbon substrate;
    A hydrogen layer forming step of forming a hydrogen injection layer at a predetermined depth from one plane of a single crystal substrate made of a single crystal of a first semiconductor material;
    A bonding step of bonding the surface of the polycrystalline SiC layer formed on the plane of the carbon substrate and the one plane of the single crystal substrate;
    Separating the single crystal substrate with the hydrogen injection layer to leave the one plane side of the separated single crystal substrate on the polycrystalline SiC layer as a first single crystal layer;
    By forming a second single crystal layer made of a second semiconductor material on the surface of the first single crystal layer, the polycrystalline SiC layer, the first single crystal layer and the carbon substrate are formed on the carbon substrate. A second film forming step of obtaining a multilayer substrate in which a second single crystal layer is sequentially laminated;
    An element forming step of forming a semiconductor element on the second single crystal layer of the multilayer substrate;
    The manufacturing method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned.
  2.  前記複層基板から前記カーボン基板を除去する除去工程を備える請求項1記載の半導体素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 1, further comprising a removing step of removing the carbon substrate from the multilayer substrate.
  3.  前記第1成膜工程において、前記多結晶SiC層は前記カーボン基板の両平面及び側面を覆うように成膜される請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein, in the first film forming step, the polycrystalline SiC layer is formed so as to cover both planes and side surfaces of the carbon substrate.
  4.  前記接合工程において、前記カーボン基板の各平面上に形成された前記多結晶SiC層の表面と2つの前記単結晶基板の前記一方の平面とがそれぞれ接合され、
     前記分離工程を行った後、前記第2成膜工程において、両方の前記第1の単結晶層の表面上にそれぞれ前記第2の単結晶層を成膜することにより、前記カーボン基板の両平面上に前記多結晶SiC層と前記第1の単結晶層と前記第2の単結晶層とが順に積層された複層基板を得て、
     前記素子形成工程において、前記複層基板の両面に形成されている前記第2の単結晶層にそれぞれ半導体素子を形成する、
     請求項3記載の半導体素子の製造方法。
    In the bonding step, the surface of the polycrystalline SiC layer formed on each plane of the carbon substrate and the one plane of the two single crystal substrates are respectively bonded.
    After performing the separation step, in the second film formation step, the second single crystal layers are formed on the surfaces of both the first single crystal layers, respectively. Obtaining a multilayer substrate in which the polycrystalline SiC layer, the first single crystal layer, and the second single crystal layer are sequentially laminated;
    In the element formation step, a semiconductor element is formed on each of the second single crystal layers formed on both surfaces of the multilayer substrate.
    A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3.
  5.  前記素子形成工程は、前記除去工程の前に行う第1の素子形成工程と前記除去工程の後に行う第2の素子形成工程とからなる請求項2乃至4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 5. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 2, wherein the element forming step includes a first element forming step performed before the removing step and a second element forming step performed after the removing step. Method.
  6.  前記カーボン基板の前記多結晶SiC層が成膜される面の端部は面取りがされている請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 6. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein an end of a surface of the carbon substrate on which the polycrystalline SiC layer is formed is chamfered.
  7.  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6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;
    The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein the second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide.
  8.  前記第1の半導体材料はSiCである請求項7記載の半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 7, wherein the first semiconductor material is SiC.
  9.  前記第2成膜工程において、前記第2の単結晶層はエピタキシャル成長又はMOCVDにより成膜される請求項1乃至8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 element according to claim 1, wherein in the second film formation step, the second single crystal layer is formed by epitaxial growth or MOCVD.
  10.  多結晶SiC層、又はその面上に多結晶SiC層が成膜されたカーボン基板と、
     前記多結晶SiC層上に形成された第1の半導体材料の単結晶からなる第1の単結晶層と、
     前記第1の単結晶層上に形成された第2の半導体材料の単結晶からなる第2の単結晶層と、
     を備えることを特徴とする半導体基板。
    A polycrystalline SiC layer, or a carbon substrate having a polycrystalline SiC layer formed on the surface thereof;
    A first single crystal layer made of a single crystal of a first semiconductor material formed on the polycrystalline SiC layer;
    A second single crystal layer made of a single crystal of a second semiconductor material formed on the first single crystal layer;
    A semiconductor substrate comprising:
  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つである請求項10記載の半導体基板。
    The first semiconductor material is one of SiC, GaN and gallium oxide;
    The semiconductor substrate according to claim 10, wherein the second semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide.
  12.  前記第1の半導体材料はSiCである請求項11記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to claim 11, wherein the first semiconductor material is SiC.
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FR3139410A1 (en) * 2022-09-07 2024-03-08 Soitec Method for thinning a composite structure carried by a polycrystalline SiC support substrate, with reduced warping

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2014154885A (en) * 2013-02-12 2014-08-25 Infineon Technologies Ag Composite material wafer and manufacturing method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012146694A (en) * 2011-01-06 2012-08-02 Denso Corp Silicon carbide semiconductor substrate, silicon carbide semiconductor device, method of manufacturing silicon carbide semiconductor substrate, and method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2014154885A (en) * 2013-02-12 2014-08-25 Infineon Technologies Ag Composite material wafer and manufacturing method thereof

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