複合基板およびその製造方法
【課題】複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素と異なる材料から作られた支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有するベース部３０が準備され、前記ベース部３０の炭化珪素層３２上に第１および第２の炭化珪素単結晶１１、１２の各々が接合される。前記接合する工程は、前記炭化珪素層３２に前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２の各々を対向させる工程と、前記炭化珪素層１１，１２のうち前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２に対向する部分のそれぞれを、前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２上に昇華および再結晶させることによって、前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２の各々に前記炭化珪素層３２を接合する工程とを含む複合基板の製造方法。
【解決手段】炭化珪素と異なる材料から作られた支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有するベース部３０が準備され、前記ベース部３０の炭化珪素層３２上に第１および第２の炭化珪素単結晶１１、１２の各々が接合される。前記接合する工程は、前記炭化珪素層３２に前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２の各々を対向させる工程と、前記炭化珪素層１１，１２のうち前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２に対向する部分のそれぞれを、前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２上に昇華および再結晶させることによって、前記第１および第２の炭化珪素単結晶１１，１２の各々に前記炭化珪素層３２を接合する工程とを含む複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合基板およびその製造方法に関し、特に複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造に用いられる半導体基板として炭化珪素基板の採用が進められつつある。炭化珪素は、より一般的に用いられているシリコンに比べて大きなバンドギャップを有する。そのため炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の低下が小さい、といった利点を有する。
【０００３】
半導体装置を効率的に製造するためには、ある程度以上の基板の大きさが求められる。特許文献１によれば、７６ｍｍ（３インチ）以上の炭化珪素基板を製造することができるとされている。しかしながら、炭化珪素基板の大きさは工業的には１００ｍｍ（４インチ）程度にとどまっており、特に基板が六方晶系における（０００１）面以外の面方位を有する場合、必要な大きさを確保することがより難しくなる。なぜならば炭化珪素のインゴットは、通常、積層欠陥の発生を抑えるために（０００１）面成長によって形成されるからである。
【０００４】
そこで、特許文献２によれば、１つの大きな炭化珪素単結晶に代わるものとして、支持部と、この支持基板上に接合された複数の炭化珪素単結晶とを有する複合基板が提案されている。この構造は、たとえば、グラファイトからなる支持部の上に炭化珪素単結晶がグラファイト接着剤によって接着されることによって得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３１４５２０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１８７７６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような炭化珪素単結晶とグラファイト基板との接合は、異種材料間の接着となってしまう。また仮に支持部の材料も炭化珪素とすると、接着を同種材料間のものとすることができるものの、支持部の形成に長時間を要してしまう。なぜならば、ハンドリングに必要な剛性を確保する上で支持部の厚さがある程度以上必要である一方で、炭化珪素は、通常、成長速度の遅い気相法によって成長させられるからである。このような事情から従来の方法では複合基板の製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板を低コストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合基板の製造方法は、以下の工程を有する。炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部が準備される。ベース部の炭化珪素層上に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々が接合される。
【０００９】
本製造方法によれば、炭化珪素単結晶と、それを支持するベース部との接合を、同種材料同士の接合とすることができる。また炭化珪素単結晶を支持するベース部が炭化珪素層に加えて支持層を有するので、複合基板のハンドリングに必要な剛性を確保しつつ、ベース部のうち成長速度の遅い炭化珪素からなる炭化珪素層を薄くすることができる。よってベース部をより短時間で形成することができるので、複合基板の製造コストを低くすることができる。
【００１０】
好ましくは、接合する工程は、以下の工程を有する。炭化珪素層に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々が対向させられる。炭化珪素層のうち第１および第２の炭化珪素単結晶に対向する部分のそれぞれを、第１および第２の炭化珪素単結晶上に昇華および再結晶させることによって、第１および第２の炭化珪素単結晶の各々に炭化珪素層が接合される。これにより接合を強固に行うことができる。
【００１１】
より好ましくは、対向させる工程は、平面視において互いに異なる位置に配置された第１および第２の炭化珪素単結晶を有する単結晶群と、ベース部とを積み重ねることによって行われる。これにより対向させる工程を容易に行うことができる。
【００１２】
支持層はグラファイトから作られた層を含んでもよい。また支持層は、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属から作られた層を含んでもよい。これにより支持層の高温安定性を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、炭化珪素層と、第１の炭化珪素単結晶と、第２の炭化珪素単結晶との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する。これにより複合基板の反りまたは割れを防止することができる。
【００１４】
本発明の複合基板は、ベース部と、第１および第２の炭化珪素単結晶とを有する。ベース部は支持層および炭化珪素層を有する。支持層は炭化珪素と異なる材料から作られている。炭化珪素層は支持層上に形成されている。第１および第２の炭化珪素単結晶の各々は炭化珪素層上に接合されている。炭化珪素層は、支持層に面する第１の領域と、第１の領域に埋め込まれ、かつ第１および第２の炭化珪素単結晶の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域とを有する。
【００１５】
本複合基板によれば、第１の炭化珪素単結晶と、その上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域との界面が、第１の炭化珪素単結晶とベース部との界面となる。よって第１の炭化珪素単結晶とベース部との接合が強固なものとなる。同様の理由で、第２の炭化珪素単結晶とベース部との接合も強固なものとなる。
【００１６】
好ましくは、炭化珪素層は第１および第２の領域の間にボイドを有する。これにより第１および第２の領域の境界における応力を緩和することができる。
【００１７】
なお上記において第１および第２の炭化珪素単結晶について言及しているが、このことは第１および第２の炭化珪素単結晶に加えてさらに１つ以上の炭化珪素単結晶を有する形態を除外することを意味するものではない。
【発明の効果】
【００１８】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における複合基板の構成を概略的に示す平面図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。
【図３】図２の一部拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。
【図６】図５の一部拡大図である。
【図７】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図であり、かつ炭化珪素が移動する様子を示す図である。
【図８】図７と同じ工程を概略的に示す部分断面図であり、かつ空隙が移動する様子を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１０】比較例の複合基板を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の概略的なフロー図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第５工程を概略的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
はじめに本実施の形態の複合基板の構成を概略的に説明する。
【００２１】
図１および図２に示すように、本実施の形態の複合基板８１は、単結晶基板１１〜１９（炭化珪素単結晶）を有する単結晶群１０と、ベース部３０とを含む。単結晶基板１１〜１９の各々は、板状の炭化珪素の単結晶である。ベース部３０は支持層３１および炭化珪素層３２を有する。ベース部３０は、たとえば図１に示す四角形状、または円形形状を有する。ベース部３０が円形形状を有する場合、その直径は好ましくは２０ｃｍ以上である。好ましくは、複合基板８１のハンドリングを容易とするために、複合基板８１の厚さ（図２における縦方向の寸法）は３００μｍ以上とされる。
【００２２】
ベース部３０は単結晶基板１１〜１９の各々の裏面（図１に示される面と反対の面）に接合されており、これにより単結晶基板１１〜１９は互いに固定されている。単結晶基板１１〜１９のそれぞれは同一平面上において露出した表面を有し、たとえば単結晶基板１１（第１の炭化珪素単結晶）および１２（第２の炭化珪素単結晶）のそれぞれは、表面Ｆ１およびＦ２（図２）を有する。これにより複合基板８１は、単結晶基板１１〜１９の各々に比して大きな表面を有する。よって単結晶基板１１〜１９の各々を単独で用いる場合に比して、複合基板８１を用いる場合の方が、半導体装置をより効率よく製造することができる。
【００２３】
次に複合基板８１の構成を詳細に説明する。
ベース部３０は、支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有する。またベース部３０は、炭化珪素層３２側である主面Ｐ１（第１の主面）と、支持層３１側であってかつ主面Ｐ１と対向する主面Ｐ２（第２の主面）とを有する。
【００２４】
支持層３１は、炭化珪素と異なる材料から作られている。支持層３１の材料は、たとえばグラファイト、または、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属である。これにより支持層３１の導電性および高温安定性が高くなる。このような金属としては、たとえば、タンタル、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、およびハフニウムがある。支持層３１の構造は、単数層からなる構造および複数層からなる構造のいずれであってもよい。支持層３１が複数層からなる場合、複数層の材料は互いに同一である必要はない。支持層３１の厚さは、たとえば約３００μｍである。
【００２５】
炭化珪素層３２の厚さは、たとえば約２０μｍである。炭化珪素層３２の結晶構造は、多結晶構造、単結晶構造、およびアモルファス構造のいずれであってもよく、たとえばポリタイプ３Ｃ型の多結晶構造である。炭化珪素層３２の電気抵抗率は小さいことが好ましい。具体的には、この電気抵抗率は、好ましくは５０ｍΩ・ｃｍ未満とされ、より好ましくは１０ｍΩ・ｃｍ未満とされる。電気抵抗率の低減のために炭化珪素層３２は不純物を有してもよく、たとえばｎ型不純物濃度５×１０19ｃｍ-3を有する。
【００２６】
単結晶群１０の各々は、炭化珪素から作られており、好ましくは単結晶群１０の各々の結晶構造は共通である。また好ましくは単結晶群１０の結晶構造は六方晶系であり、より好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。また単結晶群１０は、炭化珪素層３２の欠陥密度に比して低い欠陥密度を有し、たとえば、マイクロパイプ密度０．２ｃｍ-2と、１ｃｍ-1未満の積層欠陥密度とを有する。また単結晶群１０は不純物を有してもよく、たとえばｎ型不純物濃度１×１０19ｃｍ-3を有する。
【００２７】
また単結晶群１０の各々は、互いに対向する裏面および表面と、この裏面および表面をつなぐ側面とを有する。たとえば、単結晶基板１１（第１の炭化珪素単結晶）は、互いに対向する裏面Ｂ１および表面Ｆ１と、裏面Ｂ１および表面Ｆ１をつなぐ側面Ｓ１とを有し、単結晶基板１２（第２の炭化珪素単結晶）は、互いに対向する裏面Ｂ２および表面Ｆ２と、裏面Ｂ２および表面Ｆ２をつなぐ側面Ｓ２とを有する。単結晶群１０の各々は、たとえば、３５ｍｍ×３５ｍｍの正方形の平面形状と、厚さ３００μｍとを有する。
【００２８】
単結晶群１０の各々の裏面は、ベース部３０の主面Ｐ１上、すなわち炭化珪素層３２上に接合されている。また単結晶基板１１〜１９のうち隣り合うものの間には隙間ＧＰが形成されている。よって、たとえば側面Ｓ１およびＳ２は、隙間ＧＰを介して互いに対向している。なお隙間ＧＰが単結晶基板１１〜１９の間を完全に分離する必要はなく、たとえば側面Ｓ１の一部と側面Ｓ２の一部とが互いに接触していてもよい。
【００２９】
図３に示すように、炭化珪素層３２は、支持層３１に面する第１の領域３２ｐと、第１の領域３２ｐに埋め込まれ、かつ単結晶基板１１〜１９（図３においては単結晶基板１２のみ示す）の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域３２ｅとを有する。第１の領域３２ｐの結晶構造は、多結晶構造、アモルファス構造、および単結晶構造のいずれであってもよい。
【００３０】
また炭化珪素層３２は第１および第２の領域の間にボイドＶＤを有する。これにより第１および第２の領域３２ｐ、３２ｅの境界における応力を緩和することができる。
【００３１】
次に複合基板８１の製造方法について説明する。なお、以下において説明を簡略化するために単結晶基板１１〜１９のうち単結晶基板１１および１２に関してのみ言及する場合があるが、単結晶基板１３〜１９も単結晶基板１１および１２と同様に扱われる。
【００３２】
図４を参照して、支持層３１が準備される。次に支持層３１上に炭化珪素層３２が形成される。形成方法は、たとえばＣＶＤ法である。これにより、支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有するベース部３０が準備される。ベース部３０の厚さの面内ばらつきは小さい方が好ましく、たとえば１０μｍ未満とされる。
【００３３】
図５および図６を参照して、ベース部３０と、単結晶基板１１〜１９すなわち単結晶群１０と、加熱装置とが準備される。
【００３４】
単結晶群１０の各々は、たとえば、六方晶系における（０００１）面で成長したＳｉＣインゴットを（０３−３８）面に沿って切断することによって準備される。この場合、好ましくは、（０３−３８）面側が裏面として用いられ、（０−３３−８）面側が表面として用いられる。また単結晶群１０の各々の厚さの面内ばらつきは小さい方が好ましく、たとえば１０μｍ未満とされる。
【００３５】
加熱装置は、第１および第２の加熱体９１、９２と、断熱容器４０と、ヒータ５０と、ヒータ電源１５０とを有する。断熱容器４０は、断熱性の高い材料から形成されている。ヒータ５０は、たとえば電気抵抗ヒータである。第１および第２の加熱体９１、９２は、ヒータ５０からの放射熱を吸収して得た熱を再放射することによって、ベース部３０および単結晶群１０を加熱する機能を有する。第１および第２の加熱体９１、９２は、たとえば、空隙率の小さいグラファイトから形成されている。
【００３６】
次に、第１の加熱体９１、単結晶群１０、ベース部３０、および第２の加熱体９２が、この順に積み重なるように配置される。具体的には、まず第１の加熱体９１上において単結晶基板１１〜１９が平面視において互いに異なる位置に配置される。この配置は、たとえばマトリクス状である。単結晶基板１１および１２は、側面Ｓ１およびＳ２が隙間ＧＰを介して対向するように、第１の加熱体９１上に載置される。次に単結晶群１０の各々とベース部３０の炭化珪素層３２とが対向するように、単結晶群１０とベース部３０とが積み重ねられる。次にベース部３０上に第２の加熱体９２が載置される。次に、積層された、第１の加熱体、単結晶群１０、ベース部３０、および第２の加熱体が、ヒータ５０が設けられた断熱容器４０内に収められる。
【００３７】
次に断熱容器４０内の雰囲気が、大気雰囲気の減圧によって得られた雰囲気、または不活性ガス雰囲気とされる。不活性ガスとしては、たとえば、Ｈｅ、Ａｒなどの希ガス、窒素ガス、または希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることができる。たとえば上記雰囲気は、断熱容器４０内に窒素ガスを１００ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeters per Minute）で導入することによって形成される窒素雰囲気である。また断熱容器４０内の圧力は、好ましくは５０ｋＰａ以下とされ、より好ましくは１０ｋＰａ以下とされ、たとえば１００Ｐａとされる。
【００３８】
次にヒータ５０によって、第１および第２の加熱体９１、９２のそれぞれを介して、単結晶群１０とベース部３０とが、昇華再結晶反応が生じる程度の温度に加熱される。この温度は、通常１８００℃以上２５００℃以下であり、たとえば約２０００℃である。この加熱は、ベース部３０の温度が単結晶群１０の温度よりも高くなるような温度差が形成されるように行われる。このような温度差は、断熱容器４０内に温度勾配を設けることによって得ることができ、この温度勾配は、１℃／ｃｍ以上２００℃／ｃｍ以下が好ましく、１０℃／ｃｍ以上５０℃／ｃｍ以下がより好ましい。
【００３９】
上記の加熱が開始される段階では、ベース部３０は単結晶基板１１および１２の各々の上に載置されているだけであって、接合はされていない。このため図７に示すように、単結晶基板１１および１２の裏面の各々と、ベース部３０の主面Ｐ１との間には、ミクロ的には空隙ＧＱが存在する。空隙ＧＱの平均高さ（図７における縦方向の寸法）は、たとえば数十μｍである。
【００４０】
上述した温度勾配によって、単結晶基板１１および１２の各々の温度に比してベース部３０の温度が高くされると、この温度差に起因して、昇華および再結晶による炭化珪素の物質移動が生じる。具体的には、炭化珪素層３２のうち単結晶基板１１および１２に対向する部分のそれぞれから炭化珪素の昇華ガスが形成され、このガスが単結晶基板１１および１２の上で再結晶する。つまり空隙ＧＱにおいて図中矢印Ｍｃに示すようにベース部３０から単結晶基板１１および１２の各々への物質移動が生じる。
【００４１】
さらに図８を参照して、矢印Ｍｃ（図７）で示す物質移動は、逆に言えば、空隙ＧＱの、矢印Ｈ１ｃ（図８）に示す移動に対応する。ここで空隙ＧＱの高さ（図中の縦方向の寸法）には大きな面内ばらつきがあり、このばらつきに起因して、空隙ＧＱの移動（図中矢印Ｈ１ｃ）の速度に大きな面内ばらつきが生じる。
【００４２】
さらに図９を参照して、上記ばらつきのために空隙ＧＱ（図８）に対応する空洞は、その形状を保ちつつ移動することができず、代わりに複数のボイドＶＤ（図９）を生成する。ボイドＶＤは、上記温度差に起因して矢印Ｈｃ（図９）に示すように移動する。このボイドの移動は、炭化珪素層３２の一部が、単結晶基板１１および１２の裏面Ｂ１およびＢ２上におけるエピタキシャル成長によって第２の領域３２ｅに変化することに対応する。ボイドＶＤは、第２の領域３２ｅと、炭化珪素層３２のうち第２の領域３２ｅへと変化していない部分である第１の領域３２ｐとの境界に位置する。
【００４３】
以上のようにして、ベース部３０の炭化珪素層３２上に単結晶基板１１および１２の各々が接合される。これにより複合基板８１（図１〜図３）が得られる。
【００４４】
次に比較例の複合基板（図１０）の製造方法について説明する。この比較例においては、ベース部３０ｚおよび単結晶基板１２が接着剤２９によって互いに接着されている。単結晶基板１２およびベース部３０ｚの各々と、接着剤２９との界面は平坦であり、このためいずれかの界面において容易に剥離が生じやすい。また単結晶基板１２の材料と接着剤２９の材料とが異なることから、両者の間での熱膨張係数の差異によって、単結晶基板１２および接着剤２９の間で剥離が生じやすい。またベース部３０ｚが炭化珪素から作られる場合、ベース部３０ｚの作製に時間を要する。またベース部３０ｚが炭化珪素以外の材料から作られる場合、接着剤２９が、炭化珪素からなる単結晶基板１２と炭化珪素以外からなるベース部３０ｚとの接着、すなわち異種材料間の接着を行うことになり、接着強度が不足しやすくなる。
【００４５】
これに対して本実施の形態によれば、単結晶基板１１〜１９の各々とベース部３０との接合が炭化珪素同士の接合として行われるので、上記比較例のように異種材料同士の接合が行われる場合に比して、強固な接合をより容易に行うことができる。
【００４６】
また炭化珪素層３２が支持層３１によって支持されているので、炭化珪素層３２が薄くても、複合基板８１のハンドリングに必要な剛性を確保することができる。よって厚い炭化珪素層３２を作る必要がないので、ベース部３０を短時間で作製することができ、よって複合基板８１の製造コストを低くすることができる。
【００４７】
また単結晶基板１１と、その上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域３２ｅとの界面、すなわち結晶構造がほぼ連続的につながっている界面が、単結晶基板１１とベース部３０との接合面となる。よってこの接合は強固なものとなる。同様の理由で、単結晶基板１２〜１９の各々とベース部３０との接合も強固なものとなる。
【００４８】
好ましくは、炭化珪素層３２と単結晶群１０との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する。これにより両者の間での熱膨張係数の差異が小さくなるので、複合基板８１の反りまたは割れを防止することができる。
【００４９】
好ましくは、炭化珪素層３２の不純物濃度は、単結晶基板１１〜１９の各々の不純物濃度よりも高くされる。すなわち相対的に、炭化珪素層３２の不純物濃度は高く、また単結晶基板１１〜１９の不純物濃度は低くされる。ベース部３０の炭化珪素層３２の不純物濃度が高いことによってベース部３０の平均的な抵抗率を小さくすることができるので、複合基板８１を流れる電流に対する抵抗が低減される。また単結晶基板１１〜１９の不純物濃度が低いことによって、その結晶欠陥をより容易に低減することができる。なお不純物としては、たとえば、窒素、リン、ボロン、またはアルミニウムを用いることができる。
【００５０】
好ましくは、単結晶基板１１の表面Ｆ１の（０００−１）面に対するオフ角は５０°以上６５°以下である。より好ましくは、表面Ｆ１のオフ方位と単結晶基板１１の＜１−１００＞方向とのなす角は５°以下である。さらに好ましくは、単結晶基板１１の＜１−１００＞方向における（０−３３−８）面に対する表面Ｆ１のオフ角は−３°以上５°以下である。さらに好ましくは表面Ｆ１は（０−３３−８）面の面方位を有する。このような結晶構造が用いられることによって、単結晶基板１１を用いた半導体装置のチャネル移動度を高くすることができる。なお「＜１−１００＞方向における（０−３３−８）面に対する表面Ｆ１のオフ角」とは、＜１−１００＞方向および＜０００１＞方向の張る射影面への表面Ｆ１の法線の正射影と、（０−３３−８）面の法線とのなす角度であり、その符号は、上記正射影が＜１−１００＞方向に対して平行に近づく場合が正であり、上記正射影が＜０００１＞方向に対して平行に近づく場合が負である。また表面Ｆ１の好ましいオフ方位として、上記以外に、単結晶基板１１の＜１１−２０＞方向とのなす角が５°以下となるようなオフ方位を用いることもできる。また上記において単結晶基板１１の炭化珪素の結晶構造の好ましい例について説明したが、他の単結晶基板１２〜１９についても同様である。
【００５１】
なお本実施の形態における加熱装置の方式は、ヒータ５０（図５）を用いる抵抗加熱法であるが、他の方式が用いられてもよく、たとえば、高周波誘導加熱法またはランプアニール法が用いられてもよい。
【００５２】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、複合基板８１（図１および図２）を用いた半導体装置の製造について説明する。なお説明を簡単にするために複合基板８１が有する単結晶基板１１〜１９のうち単結晶基板１１にのみ言及する場合があるが、他の単結晶基板１２〜１９の各々もほぼ同様に扱われる。
【００５３】
図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴ(Double Implanted Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であって、ベース部３０、単結晶基板１１、バッファ層１２１、耐圧保持層１２２、ｐ領域１２３、ｎ+領域１２４、ｐ+領域１２５、酸化膜１２６、ソース電極１１１、上部ソース電極１２７、ゲート電極１１０、およびドレイン電極１１２を有する。半導体装置１００の平面形状（図１１の上方向から見た形状）は、たとえば、２ｍｍ以上の長さの辺からなる長方形または正方形である。
【００５４】
ドレイン電極１１２はベース部３０上に設けられ、またバッファ層１２１は単結晶基板１１上に設けられている。この配置により、ゲート電極１１０によってキャリアの流れが制御される領域は、ベース部３０ではなく単結晶基板１１の上に配置されている。
【００５５】
ベース部３０の炭化珪素層３２（図２）、単結晶基板１１、およびバッファ層１２１は、ｎ型の導電型を有する。バッファ層１２１におけるｎ型の導電性不純物の濃度は、たとえば５×１０17ｃｍ-3である。またバッファ層１２１の厚さは、たとえば０．５μｍである。
【００５６】
耐圧保持層１２２は、バッファ層１２１上に形成されており、また導電型がｎ型のＳｉＣからなる。たとえば、耐圧保持層１２２の厚さは１０μｍであり、そのｎ型の導電性不純物の濃度は５×１０15ｃｍ-3である。
【００５７】
この耐圧保持層１２２の表面には、導電型がｐ型である複数のｐ領域１２３が互いに間隔を隔てて形成されている。ｐ領域１２３の内部において、ｐ領域１２３の表面層にｎ+領域１２４が形成されている。また、このｎ+領域１２４に隣接する位置には、ｐ+領域１２５が形成されている。複数のｐ領域１２３の間から露出する耐圧保持層１２２上には酸化膜１２６が形成されている。具体的には、酸化膜１２６は、一方のｐ領域１２３におけるｎ+領域１２４上から、ｐ領域１２３、２つのｐ領域１２３の間において露出する耐圧保持層１２２、他方のｐ領域１２３および当該他方のｐ領域１２３におけるｎ+領域１２４上にまで延在するように形成されている。酸化膜１２６上にはゲート電極１１０が形成されている。また、ｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５上にはソース電極１１１が形成されている。このソース電極１１１上には上部ソース電極１２７が形成されている。
【００５８】
酸化膜１２６と、半導体層としてのｎ+領域１２４、ｐ+領域１２５、ｐ領域１２３および耐圧保持層１２２との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値は１×１０21ｃｍ-3以上となっている。これにより、特に酸化膜１２６下のチャネル領域（酸化膜１２６に接する部分であって、ｎ+領域１２４と耐圧保持層１２２との間のｐ領域１２３の部分）の移動度を向上させることができる。
【００５９】
次に半導体装置１００の製造方法について説明する。まず基板準備工程（ステップＳ１１０：図１２）にて、複合基板８１（図１および図２）が準備される。
【００６０】
図１３を参照して、エピタキシャル層形成工程（ステップＳ１２０：図１２）により、バッファ層１２１および耐圧保持層１２２が、以下のように形成される。
【００６１】
単結晶群１０の表面上にバッファ層１２１が形成される。バッファ層１２１は、導電型がｎ型のＳｉＣからなり、たとえば厚さ０．５μｍのエピタキシャル層である。またバッファ層１２１における導電型不純物の濃度は、たとえば５×１０17ｃｍ-3とされる。
【００６２】
次にバッファ層１２１上に耐圧保持層１２２が形成される。具体的には、導電型がｎ型のＳｉＣからなる層が、エピタキシャル成長法によって形成される。耐圧保持層１２２の厚さは、たとえば１０μｍとされる。また耐圧保持層１２２におけるｎ型の導電性不純物の濃度は、たとえば５×１０15ｃｍ-3である。
【００６３】
図１４を参照して、注入工程（ステップＳ１３０：図１２）により、ｐ領域１２３と、ｎ+領域１２４と、ｐ+領域１２５とが、以下のように形成される。
【００６４】
まずｐ型の導電性不純物が耐圧保持層１２２の一部に選択的に注入されることで、ｐ領域１２３が形成される。次に、ｎ型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってｎ+領域１２４が形成され、またｐ型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってｐ+領域１２５が形成される。なお不純物の選択的な注入は、たとえば酸化膜からなるマスクを用いて行われる。
【００６５】
このような注入工程の後、活性化アニール処理が行われる。たとえば、アルゴン雰囲気中、加熱温度１７００℃で３０分間のアニールが行われる。
【００６６】
図１５を参照して、ゲート絶縁膜形成工程（ステップＳ１４０：図１２）が行われる。具体的には、耐圧保持層１２２と、ｐ領域１２３と、ｎ+領域１２４と、ｐ+領域１２５との上を覆うように、酸化膜１２６が形成される。この形成はドライ酸化（熱酸化）により行われてもよい。ドライ酸化の条件は、たとえば、加熱温度が１２００℃であり、また加熱時間が３０分である。
【００６７】
その後、窒化処理工程（ステップＳ１５０）が行われる。具体的には、一酸化窒素（ＮＯ）雰囲気中でのアニール処理が行われる。この処理の条件は、たとえば加熱温度が１１００℃であり、加熱時間が１２０分である。この結果、耐圧保持層１２２、ｐ領域１２３、ｎ+領域１２４、およびｐ+領域１２５の各々と、酸化膜１２６との界面近傍に、窒素原子が導入される。
【００６８】
なおこの一酸化窒素を用いたアニール工程の後、さらに不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたアニール処理が行われてもよい。この処理の条件は、たとえば、加熱温度が１１００℃であり、加熱時間が６０分である。
【００６９】
次に、電極形成工程（ステップＳ１６０：図１２）により、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２が、以下のように形成される。
【００７０】
図１６を参照して、酸化膜１２６上に、フォトリソグラフィ法を用いて、パターンを有するレジスト膜が形成される。このレジスト膜をマスクとして用いて、酸化膜１２６のうちｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５上に位置する部分がエッチングにより除去される。これにより酸化膜１２６に開口部が形成される。次に、この開口部においてｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５の各々と接触するように導体膜が形成される。次にレジスト膜を除去することにより、上記導体膜のうちレジスト膜上に位置していた部分の除去（リフトオフ）が行われる。この導体膜は、金属膜であってもよく、たとえばニッケル（Ｎｉ）からなる。このリフトオフの結果、ソース電極１１１が形成される。
【００７１】
なお、ここでアロイ化のための熱処理が行なわれることが好ましい。たとえば、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスの雰囲気中、加熱温度９５０℃で２分の熱処理が行なわれる。
【００７２】
図１７を参照して、ソース電極１１１上に上部ソース電極１２７が形成される。また、酸化膜１２６上にゲート電極１１０が形成される。また、複合基板８１の裏面上にドレイン電極１１２が形成される。
【００７３】
次に、ダイシング工程（ステップＳ１７０：図１２）により、破線ＤＣに示すようにダイシングが行われる。これにより複数の半導体装置１００（図１１）が切り出される。
【００７４】
本実施の形態の半導体装置１００の製造方法によれば、従来のものに比してより低価格の複合基板８１が用いられるので、半導体装置１００の製造コストを低くすることができる。
【００７５】
なお上記の各実施の形態において、導電型が入れ替えられた構成、すなわちｐ型とｎ型とが入れ替えられた構成を用いることもできる。また縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴを例示したが、本発明の半導体基板を用いて他の半導体装置が製造されてもよく、たとえばＲＥＳＵＲＦ−ＪＦＥＴ(Reduced Surface Field-Junction Field Effect Transistor)またはショットキーダイオードが製造されてもよい。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 単結晶群、１１ 単結晶基板（第１の炭化珪素単結晶）、１２ 単結晶基板（第２の炭化珪素単結晶）、１３〜１９ 単結晶基板（炭化珪素単結晶）、３０ ベース部、３１ 支持層、３２ 炭化珪素層、３２ｅ 第２の領域、３２ｐ 第１の領域、８１ 複合基板、１００ 半導体装置、Ｐ１ 主面（第１の主面）、Ｐ２ 主面（第２の主面）、ＶＤ ボイド。
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合基板およびその製造方法に関し、特に複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造に用いられる半導体基板として炭化珪素基板の採用が進められつつある。炭化珪素は、より一般的に用いられているシリコンに比べて大きなバンドギャップを有する。そのため炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の低下が小さい、といった利点を有する。
【０００３】
半導体装置を効率的に製造するためには、ある程度以上の基板の大きさが求められる。特許文献１によれば、７６ｍｍ（３インチ）以上の炭化珪素基板を製造することができるとされている。しかしながら、炭化珪素基板の大きさは工業的には１００ｍｍ（４インチ）程度にとどまっており、特に基板が六方晶系における（０００１）面以外の面方位を有する場合、必要な大きさを確保することがより難しくなる。なぜならば炭化珪素のインゴットは、通常、積層欠陥の発生を抑えるために（０００１）面成長によって形成されるからである。
【０００４】
そこで、特許文献２によれば、１つの大きな炭化珪素単結晶に代わるものとして、支持部と、この支持基板上に接合された複数の炭化珪素単結晶とを有する複合基板が提案されている。この構造は、たとえば、グラファイトからなる支持部の上に炭化珪素単結晶がグラファイト接着剤によって接着されることによって得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３１４５２０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１８７７６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような炭化珪素単結晶とグラファイト基板との接合は、異種材料間の接着となってしまう。また仮に支持部の材料も炭化珪素とすると、接着を同種材料間のものとすることができるものの、支持部の形成に長時間を要してしまう。なぜならば、ハンドリングに必要な剛性を確保する上で支持部の厚さがある程度以上必要である一方で、炭化珪素は、通常、成長速度の遅い気相法によって成長させられるからである。このような事情から従来の方法では複合基板の製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板を低コストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合基板の製造方法は、以下の工程を有する。炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部が準備される。ベース部の炭化珪素層上に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々が接合される。
【０００９】
本製造方法によれば、炭化珪素単結晶と、それを支持するベース部との接合を、同種材料同士の接合とすることができる。また炭化珪素単結晶を支持するベース部が炭化珪素層に加えて支持層を有するので、複合基板のハンドリングに必要な剛性を確保しつつ、ベース部のうち成長速度の遅い炭化珪素からなる炭化珪素層を薄くすることができる。よってベース部をより短時間で形成することができるので、複合基板の製造コストを低くすることができる。
【００１０】
好ましくは、接合する工程は、以下の工程を有する。炭化珪素層に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々が対向させられる。炭化珪素層のうち第１および第２の炭化珪素単結晶に対向する部分のそれぞれを、第１および第２の炭化珪素単結晶上に昇華および再結晶させることによって、第１および第２の炭化珪素単結晶の各々に炭化珪素層が接合される。これにより接合を強固に行うことができる。
【００１１】
より好ましくは、対向させる工程は、平面視において互いに異なる位置に配置された第１および第２の炭化珪素単結晶を有する単結晶群と、ベース部とを積み重ねることによって行われる。これにより対向させる工程を容易に行うことができる。
【００１２】
支持層はグラファイトから作られた層を含んでもよい。また支持層は、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属から作られた層を含んでもよい。これにより支持層の高温安定性を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、炭化珪素層と、第１の炭化珪素単結晶と、第２の炭化珪素単結晶との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する。これにより複合基板の反りまたは割れを防止することができる。
【００１４】
本発明の複合基板は、ベース部と、第１および第２の炭化珪素単結晶とを有する。ベース部は支持層および炭化珪素層を有する。支持層は炭化珪素と異なる材料から作られている。炭化珪素層は支持層上に形成されている。第１および第２の炭化珪素単結晶の各々は炭化珪素層上に接合されている。炭化珪素層は、支持層に面する第１の領域と、第１の領域に埋め込まれ、かつ第１および第２の炭化珪素単結晶の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域とを有する。
【００１５】
本複合基板によれば、第１の炭化珪素単結晶と、その上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域との界面が、第１の炭化珪素単結晶とベース部との界面となる。よって第１の炭化珪素単結晶とベース部との接合が強固なものとなる。同様の理由で、第２の炭化珪素単結晶とベース部との接合も強固なものとなる。
【００１６】
好ましくは、炭化珪素層は第１および第２の領域の間にボイドを有する。これにより第１および第２の領域の境界における応力を緩和することができる。
【００１７】
なお上記において第１および第２の炭化珪素単結晶について言及しているが、このことは第１および第２の炭化珪素単結晶に加えてさらに１つ以上の炭化珪素単結晶を有する形態を除外することを意味するものではない。
【発明の効果】
【００１８】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の炭化珪素単結晶を有する複合基板を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における複合基板の構成を概略的に示す平面図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。
【図３】図２の一部拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。
【図６】図５の一部拡大図である。
【図７】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図であり、かつ炭化珪素が移動する様子を示す図である。
【図８】図７と同じ工程を概略的に示す部分断面図であり、かつ空隙が移動する様子を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１における複合基板の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１０】比較例の複合基板を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の概略的なフロー図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第５工程を概略的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
はじめに本実施の形態の複合基板の構成を概略的に説明する。
【００２１】
図１および図２に示すように、本実施の形態の複合基板８１は、単結晶基板１１〜１９（炭化珪素単結晶）を有する単結晶群１０と、ベース部３０とを含む。単結晶基板１１〜１９の各々は、板状の炭化珪素の単結晶である。ベース部３０は支持層３１および炭化珪素層３２を有する。ベース部３０は、たとえば図１に示す四角形状、または円形形状を有する。ベース部３０が円形形状を有する場合、その直径は好ましくは２０ｃｍ以上である。好ましくは、複合基板８１のハンドリングを容易とするために、複合基板８１の厚さ（図２における縦方向の寸法）は３００μｍ以上とされる。
【００２２】
ベース部３０は単結晶基板１１〜１９の各々の裏面（図１に示される面と反対の面）に接合されており、これにより単結晶基板１１〜１９は互いに固定されている。単結晶基板１１〜１９のそれぞれは同一平面上において露出した表面を有し、たとえば単結晶基板１１（第１の炭化珪素単結晶）および１２（第２の炭化珪素単結晶）のそれぞれは、表面Ｆ１およびＦ２（図２）を有する。これにより複合基板８１は、単結晶基板１１〜１９の各々に比して大きな表面を有する。よって単結晶基板１１〜１９の各々を単独で用いる場合に比して、複合基板８１を用いる場合の方が、半導体装置をより効率よく製造することができる。
【００２３】
次に複合基板８１の構成を詳細に説明する。
ベース部３０は、支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有する。またベース部３０は、炭化珪素層３２側である主面Ｐ１（第１の主面）と、支持層３１側であってかつ主面Ｐ１と対向する主面Ｐ２（第２の主面）とを有する。
【００２４】
支持層３１は、炭化珪素と異なる材料から作られている。支持層３１の材料は、たとえばグラファイト、または、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属である。これにより支持層３１の導電性および高温安定性が高くなる。このような金属としては、たとえば、タンタル、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、およびハフニウムがある。支持層３１の構造は、単数層からなる構造および複数層からなる構造のいずれであってもよい。支持層３１が複数層からなる場合、複数層の材料は互いに同一である必要はない。支持層３１の厚さは、たとえば約３００μｍである。
【００２５】
炭化珪素層３２の厚さは、たとえば約２０μｍである。炭化珪素層３２の結晶構造は、多結晶構造、単結晶構造、およびアモルファス構造のいずれであってもよく、たとえばポリタイプ３Ｃ型の多結晶構造である。炭化珪素層３２の電気抵抗率は小さいことが好ましい。具体的には、この電気抵抗率は、好ましくは５０ｍΩ・ｃｍ未満とされ、より好ましくは１０ｍΩ・ｃｍ未満とされる。電気抵抗率の低減のために炭化珪素層３２は不純物を有してもよく、たとえばｎ型不純物濃度５×１０19ｃｍ-3を有する。
【００２６】
単結晶群１０の各々は、炭化珪素から作られており、好ましくは単結晶群１０の各々の結晶構造は共通である。また好ましくは単結晶群１０の結晶構造は六方晶系であり、より好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。また単結晶群１０は、炭化珪素層３２の欠陥密度に比して低い欠陥密度を有し、たとえば、マイクロパイプ密度０．２ｃｍ-2と、１ｃｍ-1未満の積層欠陥密度とを有する。また単結晶群１０は不純物を有してもよく、たとえばｎ型不純物濃度１×１０19ｃｍ-3を有する。
【００２７】
また単結晶群１０の各々は、互いに対向する裏面および表面と、この裏面および表面をつなぐ側面とを有する。たとえば、単結晶基板１１（第１の炭化珪素単結晶）は、互いに対向する裏面Ｂ１および表面Ｆ１と、裏面Ｂ１および表面Ｆ１をつなぐ側面Ｓ１とを有し、単結晶基板１２（第２の炭化珪素単結晶）は、互いに対向する裏面Ｂ２および表面Ｆ２と、裏面Ｂ２および表面Ｆ２をつなぐ側面Ｓ２とを有する。単結晶群１０の各々は、たとえば、３５ｍｍ×３５ｍｍの正方形の平面形状と、厚さ３００μｍとを有する。
【００２８】
単結晶群１０の各々の裏面は、ベース部３０の主面Ｐ１上、すなわち炭化珪素層３２上に接合されている。また単結晶基板１１〜１９のうち隣り合うものの間には隙間ＧＰが形成されている。よって、たとえば側面Ｓ１およびＳ２は、隙間ＧＰを介して互いに対向している。なお隙間ＧＰが単結晶基板１１〜１９の間を完全に分離する必要はなく、たとえば側面Ｓ１の一部と側面Ｓ２の一部とが互いに接触していてもよい。
【００２９】
図３に示すように、炭化珪素層３２は、支持層３１に面する第１の領域３２ｐと、第１の領域３２ｐに埋め込まれ、かつ単結晶基板１１〜１９（図３においては単結晶基板１２のみ示す）の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域３２ｅとを有する。第１の領域３２ｐの結晶構造は、多結晶構造、アモルファス構造、および単結晶構造のいずれであってもよい。
【００３０】
また炭化珪素層３２は第１および第２の領域の間にボイドＶＤを有する。これにより第１および第２の領域３２ｐ、３２ｅの境界における応力を緩和することができる。
【００３１】
次に複合基板８１の製造方法について説明する。なお、以下において説明を簡略化するために単結晶基板１１〜１９のうち単結晶基板１１および１２に関してのみ言及する場合があるが、単結晶基板１３〜１９も単結晶基板１１および１２と同様に扱われる。
【００３２】
図４を参照して、支持層３１が準備される。次に支持層３１上に炭化珪素層３２が形成される。形成方法は、たとえばＣＶＤ法である。これにより、支持層３１と、支持層３１上に形成された炭化珪素層３２とを有するベース部３０が準備される。ベース部３０の厚さの面内ばらつきは小さい方が好ましく、たとえば１０μｍ未満とされる。
【００３３】
図５および図６を参照して、ベース部３０と、単結晶基板１１〜１９すなわち単結晶群１０と、加熱装置とが準備される。
【００３４】
単結晶群１０の各々は、たとえば、六方晶系における（０００１）面で成長したＳｉＣインゴットを（０３−３８）面に沿って切断することによって準備される。この場合、好ましくは、（０３−３８）面側が裏面として用いられ、（０−３３−８）面側が表面として用いられる。また単結晶群１０の各々の厚さの面内ばらつきは小さい方が好ましく、たとえば１０μｍ未満とされる。
【００３５】
加熱装置は、第１および第２の加熱体９１、９２と、断熱容器４０と、ヒータ５０と、ヒータ電源１５０とを有する。断熱容器４０は、断熱性の高い材料から形成されている。ヒータ５０は、たとえば電気抵抗ヒータである。第１および第２の加熱体９１、９２は、ヒータ５０からの放射熱を吸収して得た熱を再放射することによって、ベース部３０および単結晶群１０を加熱する機能を有する。第１および第２の加熱体９１、９２は、たとえば、空隙率の小さいグラファイトから形成されている。
【００３６】
次に、第１の加熱体９１、単結晶群１０、ベース部３０、および第２の加熱体９２が、この順に積み重なるように配置される。具体的には、まず第１の加熱体９１上において単結晶基板１１〜１９が平面視において互いに異なる位置に配置される。この配置は、たとえばマトリクス状である。単結晶基板１１および１２は、側面Ｓ１およびＳ２が隙間ＧＰを介して対向するように、第１の加熱体９１上に載置される。次に単結晶群１０の各々とベース部３０の炭化珪素層３２とが対向するように、単結晶群１０とベース部３０とが積み重ねられる。次にベース部３０上に第２の加熱体９２が載置される。次に、積層された、第１の加熱体、単結晶群１０、ベース部３０、および第２の加熱体が、ヒータ５０が設けられた断熱容器４０内に収められる。
【００３７】
次に断熱容器４０内の雰囲気が、大気雰囲気の減圧によって得られた雰囲気、または不活性ガス雰囲気とされる。不活性ガスとしては、たとえば、Ｈｅ、Ａｒなどの希ガス、窒素ガス、または希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることができる。たとえば上記雰囲気は、断熱容器４０内に窒素ガスを１００ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeters per Minute）で導入することによって形成される窒素雰囲気である。また断熱容器４０内の圧力は、好ましくは５０ｋＰａ以下とされ、より好ましくは１０ｋＰａ以下とされ、たとえば１００Ｐａとされる。
【００３８】
次にヒータ５０によって、第１および第２の加熱体９１、９２のそれぞれを介して、単結晶群１０とベース部３０とが、昇華再結晶反応が生じる程度の温度に加熱される。この温度は、通常１８００℃以上２５００℃以下であり、たとえば約２０００℃である。この加熱は、ベース部３０の温度が単結晶群１０の温度よりも高くなるような温度差が形成されるように行われる。このような温度差は、断熱容器４０内に温度勾配を設けることによって得ることができ、この温度勾配は、１℃／ｃｍ以上２００℃／ｃｍ以下が好ましく、１０℃／ｃｍ以上５０℃／ｃｍ以下がより好ましい。
【００３９】
上記の加熱が開始される段階では、ベース部３０は単結晶基板１１および１２の各々の上に載置されているだけであって、接合はされていない。このため図７に示すように、単結晶基板１１および１２の裏面の各々と、ベース部３０の主面Ｐ１との間には、ミクロ的には空隙ＧＱが存在する。空隙ＧＱの平均高さ（図７における縦方向の寸法）は、たとえば数十μｍである。
【００４０】
上述した温度勾配によって、単結晶基板１１および１２の各々の温度に比してベース部３０の温度が高くされると、この温度差に起因して、昇華および再結晶による炭化珪素の物質移動が生じる。具体的には、炭化珪素層３２のうち単結晶基板１１および１２に対向する部分のそれぞれから炭化珪素の昇華ガスが形成され、このガスが単結晶基板１１および１２の上で再結晶する。つまり空隙ＧＱにおいて図中矢印Ｍｃに示すようにベース部３０から単結晶基板１１および１２の各々への物質移動が生じる。
【００４１】
さらに図８を参照して、矢印Ｍｃ（図７）で示す物質移動は、逆に言えば、空隙ＧＱの、矢印Ｈ１ｃ（図８）に示す移動に対応する。ここで空隙ＧＱの高さ（図中の縦方向の寸法）には大きな面内ばらつきがあり、このばらつきに起因して、空隙ＧＱの移動（図中矢印Ｈ１ｃ）の速度に大きな面内ばらつきが生じる。
【００４２】
さらに図９を参照して、上記ばらつきのために空隙ＧＱ（図８）に対応する空洞は、その形状を保ちつつ移動することができず、代わりに複数のボイドＶＤ（図９）を生成する。ボイドＶＤは、上記温度差に起因して矢印Ｈｃ（図９）に示すように移動する。このボイドの移動は、炭化珪素層３２の一部が、単結晶基板１１および１２の裏面Ｂ１およびＢ２上におけるエピタキシャル成長によって第２の領域３２ｅに変化することに対応する。ボイドＶＤは、第２の領域３２ｅと、炭化珪素層３２のうち第２の領域３２ｅへと変化していない部分である第１の領域３２ｐとの境界に位置する。
【００４３】
以上のようにして、ベース部３０の炭化珪素層３２上に単結晶基板１１および１２の各々が接合される。これにより複合基板８１（図１〜図３）が得られる。
【００４４】
次に比較例の複合基板（図１０）の製造方法について説明する。この比較例においては、ベース部３０ｚおよび単結晶基板１２が接着剤２９によって互いに接着されている。単結晶基板１２およびベース部３０ｚの各々と、接着剤２９との界面は平坦であり、このためいずれかの界面において容易に剥離が生じやすい。また単結晶基板１２の材料と接着剤２９の材料とが異なることから、両者の間での熱膨張係数の差異によって、単結晶基板１２および接着剤２９の間で剥離が生じやすい。またベース部３０ｚが炭化珪素から作られる場合、ベース部３０ｚの作製に時間を要する。またベース部３０ｚが炭化珪素以外の材料から作られる場合、接着剤２９が、炭化珪素からなる単結晶基板１２と炭化珪素以外からなるベース部３０ｚとの接着、すなわち異種材料間の接着を行うことになり、接着強度が不足しやすくなる。
【００４５】
これに対して本実施の形態によれば、単結晶基板１１〜１９の各々とベース部３０との接合が炭化珪素同士の接合として行われるので、上記比較例のように異種材料同士の接合が行われる場合に比して、強固な接合をより容易に行うことができる。
【００４６】
また炭化珪素層３２が支持層３１によって支持されているので、炭化珪素層３２が薄くても、複合基板８１のハンドリングに必要な剛性を確保することができる。よって厚い炭化珪素層３２を作る必要がないので、ベース部３０を短時間で作製することができ、よって複合基板８１の製造コストを低くすることができる。
【００４７】
また単結晶基板１１と、その上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域３２ｅとの界面、すなわち結晶構造がほぼ連続的につながっている界面が、単結晶基板１１とベース部３０との接合面となる。よってこの接合は強固なものとなる。同様の理由で、単結晶基板１２〜１９の各々とベース部３０との接合も強固なものとなる。
【００４８】
好ましくは、炭化珪素層３２と単結晶群１０との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する。これにより両者の間での熱膨張係数の差異が小さくなるので、複合基板８１の反りまたは割れを防止することができる。
【００４９】
好ましくは、炭化珪素層３２の不純物濃度は、単結晶基板１１〜１９の各々の不純物濃度よりも高くされる。すなわち相対的に、炭化珪素層３２の不純物濃度は高く、また単結晶基板１１〜１９の不純物濃度は低くされる。ベース部３０の炭化珪素層３２の不純物濃度が高いことによってベース部３０の平均的な抵抗率を小さくすることができるので、複合基板８１を流れる電流に対する抵抗が低減される。また単結晶基板１１〜１９の不純物濃度が低いことによって、その結晶欠陥をより容易に低減することができる。なお不純物としては、たとえば、窒素、リン、ボロン、またはアルミニウムを用いることができる。
【００５０】
好ましくは、単結晶基板１１の表面Ｆ１の（０００−１）面に対するオフ角は５０°以上６５°以下である。より好ましくは、表面Ｆ１のオフ方位と単結晶基板１１の＜１−１００＞方向とのなす角は５°以下である。さらに好ましくは、単結晶基板１１の＜１−１００＞方向における（０−３３−８）面に対する表面Ｆ１のオフ角は−３°以上５°以下である。さらに好ましくは表面Ｆ１は（０−３３−８）面の面方位を有する。このような結晶構造が用いられることによって、単結晶基板１１を用いた半導体装置のチャネル移動度を高くすることができる。なお「＜１−１００＞方向における（０−３３−８）面に対する表面Ｆ１のオフ角」とは、＜１−１００＞方向および＜０００１＞方向の張る射影面への表面Ｆ１の法線の正射影と、（０−３３−８）面の法線とのなす角度であり、その符号は、上記正射影が＜１−１００＞方向に対して平行に近づく場合が正であり、上記正射影が＜０００１＞方向に対して平行に近づく場合が負である。また表面Ｆ１の好ましいオフ方位として、上記以外に、単結晶基板１１の＜１１−２０＞方向とのなす角が５°以下となるようなオフ方位を用いることもできる。また上記において単結晶基板１１の炭化珪素の結晶構造の好ましい例について説明したが、他の単結晶基板１２〜１９についても同様である。
【００５１】
なお本実施の形態における加熱装置の方式は、ヒータ５０（図５）を用いる抵抗加熱法であるが、他の方式が用いられてもよく、たとえば、高周波誘導加熱法またはランプアニール法が用いられてもよい。
【００５２】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、複合基板８１（図１および図２）を用いた半導体装置の製造について説明する。なお説明を簡単にするために複合基板８１が有する単結晶基板１１〜１９のうち単結晶基板１１にのみ言及する場合があるが、他の単結晶基板１２〜１９の各々もほぼ同様に扱われる。
【００５３】
図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴ(Double Implanted Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であって、ベース部３０、単結晶基板１１、バッファ層１２１、耐圧保持層１２２、ｐ領域１２３、ｎ+領域１２４、ｐ+領域１２５、酸化膜１２６、ソース電極１１１、上部ソース電極１２７、ゲート電極１１０、およびドレイン電極１１２を有する。半導体装置１００の平面形状（図１１の上方向から見た形状）は、たとえば、２ｍｍ以上の長さの辺からなる長方形または正方形である。
【００５４】
ドレイン電極１１２はベース部３０上に設けられ、またバッファ層１２１は単結晶基板１１上に設けられている。この配置により、ゲート電極１１０によってキャリアの流れが制御される領域は、ベース部３０ではなく単結晶基板１１の上に配置されている。
【００５５】
ベース部３０の炭化珪素層３２（図２）、単結晶基板１１、およびバッファ層１２１は、ｎ型の導電型を有する。バッファ層１２１におけるｎ型の導電性不純物の濃度は、たとえば５×１０17ｃｍ-3である。またバッファ層１２１の厚さは、たとえば０．５μｍである。
【００５６】
耐圧保持層１２２は、バッファ層１２１上に形成されており、また導電型がｎ型のＳｉＣからなる。たとえば、耐圧保持層１２２の厚さは１０μｍであり、そのｎ型の導電性不純物の濃度は５×１０15ｃｍ-3である。
【００５７】
この耐圧保持層１２２の表面には、導電型がｐ型である複数のｐ領域１２３が互いに間隔を隔てて形成されている。ｐ領域１２３の内部において、ｐ領域１２３の表面層にｎ+領域１２４が形成されている。また、このｎ+領域１２４に隣接する位置には、ｐ+領域１２５が形成されている。複数のｐ領域１２３の間から露出する耐圧保持層１２２上には酸化膜１２６が形成されている。具体的には、酸化膜１２６は、一方のｐ領域１２３におけるｎ+領域１２４上から、ｐ領域１２３、２つのｐ領域１２３の間において露出する耐圧保持層１２２、他方のｐ領域１２３および当該他方のｐ領域１２３におけるｎ+領域１２４上にまで延在するように形成されている。酸化膜１２６上にはゲート電極１１０が形成されている。また、ｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５上にはソース電極１１１が形成されている。このソース電極１１１上には上部ソース電極１２７が形成されている。
【００５８】
酸化膜１２６と、半導体層としてのｎ+領域１２４、ｐ+領域１２５、ｐ領域１２３および耐圧保持層１２２との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値は１×１０21ｃｍ-3以上となっている。これにより、特に酸化膜１２６下のチャネル領域（酸化膜１２６に接する部分であって、ｎ+領域１２４と耐圧保持層１２２との間のｐ領域１２３の部分）の移動度を向上させることができる。
【００５９】
次に半導体装置１００の製造方法について説明する。まず基板準備工程（ステップＳ１１０：図１２）にて、複合基板８１（図１および図２）が準備される。
【００６０】
図１３を参照して、エピタキシャル層形成工程（ステップＳ１２０：図１２）により、バッファ層１２１および耐圧保持層１２２が、以下のように形成される。
【００６１】
単結晶群１０の表面上にバッファ層１２１が形成される。バッファ層１２１は、導電型がｎ型のＳｉＣからなり、たとえば厚さ０．５μｍのエピタキシャル層である。またバッファ層１２１における導電型不純物の濃度は、たとえば５×１０17ｃｍ-3とされる。
【００６２】
次にバッファ層１２１上に耐圧保持層１２２が形成される。具体的には、導電型がｎ型のＳｉＣからなる層が、エピタキシャル成長法によって形成される。耐圧保持層１２２の厚さは、たとえば１０μｍとされる。また耐圧保持層１２２におけるｎ型の導電性不純物の濃度は、たとえば５×１０15ｃｍ-3である。
【００６３】
図１４を参照して、注入工程（ステップＳ１３０：図１２）により、ｐ領域１２３と、ｎ+領域１２４と、ｐ+領域１２５とが、以下のように形成される。
【００６４】
まずｐ型の導電性不純物が耐圧保持層１２２の一部に選択的に注入されることで、ｐ領域１２３が形成される。次に、ｎ型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってｎ+領域１２４が形成され、またｐ型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってｐ+領域１２５が形成される。なお不純物の選択的な注入は、たとえば酸化膜からなるマスクを用いて行われる。
【００６５】
このような注入工程の後、活性化アニール処理が行われる。たとえば、アルゴン雰囲気中、加熱温度１７００℃で３０分間のアニールが行われる。
【００６６】
図１５を参照して、ゲート絶縁膜形成工程（ステップＳ１４０：図１２）が行われる。具体的には、耐圧保持層１２２と、ｐ領域１２３と、ｎ+領域１２４と、ｐ+領域１２５との上を覆うように、酸化膜１２６が形成される。この形成はドライ酸化（熱酸化）により行われてもよい。ドライ酸化の条件は、たとえば、加熱温度が１２００℃であり、また加熱時間が３０分である。
【００６７】
その後、窒化処理工程（ステップＳ１５０）が行われる。具体的には、一酸化窒素（ＮＯ）雰囲気中でのアニール処理が行われる。この処理の条件は、たとえば加熱温度が１１００℃であり、加熱時間が１２０分である。この結果、耐圧保持層１２２、ｐ領域１２３、ｎ+領域１２４、およびｐ+領域１２５の各々と、酸化膜１２６との界面近傍に、窒素原子が導入される。
【００６８】
なおこの一酸化窒素を用いたアニール工程の後、さらに不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたアニール処理が行われてもよい。この処理の条件は、たとえば、加熱温度が１１００℃であり、加熱時間が６０分である。
【００６９】
次に、電極形成工程（ステップＳ１６０：図１２）により、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２が、以下のように形成される。
【００７０】
図１６を参照して、酸化膜１２６上に、フォトリソグラフィ法を用いて、パターンを有するレジスト膜が形成される。このレジスト膜をマスクとして用いて、酸化膜１２６のうちｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５上に位置する部分がエッチングにより除去される。これにより酸化膜１２６に開口部が形成される。次に、この開口部においてｎ+領域１２４およびｐ+領域１２５の各々と接触するように導体膜が形成される。次にレジスト膜を除去することにより、上記導体膜のうちレジスト膜上に位置していた部分の除去（リフトオフ）が行われる。この導体膜は、金属膜であってもよく、たとえばニッケル（Ｎｉ）からなる。このリフトオフの結果、ソース電極１１１が形成される。
【００７１】
なお、ここでアロイ化のための熱処理が行なわれることが好ましい。たとえば、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスの雰囲気中、加熱温度９５０℃で２分の熱処理が行なわれる。
【００７２】
図１７を参照して、ソース電極１１１上に上部ソース電極１２７が形成される。また、酸化膜１２６上にゲート電極１１０が形成される。また、複合基板８１の裏面上にドレイン電極１１２が形成される。
【００７３】
次に、ダイシング工程（ステップＳ１７０：図１２）により、破線ＤＣに示すようにダイシングが行われる。これにより複数の半導体装置１００（図１１）が切り出される。
【００７４】
本実施の形態の半導体装置１００の製造方法によれば、従来のものに比してより低価格の複合基板８１が用いられるので、半導体装置１００の製造コストを低くすることができる。
【００７５】
なお上記の各実施の形態において、導電型が入れ替えられた構成、すなわちｐ型とｎ型とが入れ替えられた構成を用いることもできる。また縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴを例示したが、本発明の半導体基板を用いて他の半導体装置が製造されてもよく、たとえばＲＥＳＵＲＦ−ＪＦＥＴ(Reduced Surface Field-Junction Field Effect Transistor)またはショットキーダイオードが製造されてもよい。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 単結晶群、１１ 単結晶基板（第１の炭化珪素単結晶）、１２ 単結晶基板（第２の炭化珪素単結晶）、１３〜１９ 単結晶基板（炭化珪素単結晶）、３０ ベース部、３１ 支持層、３２ 炭化珪素層、３２ｅ 第２の領域、３２ｐ 第１の領域、８１ 複合基板、１００ 半導体装置、Ｐ１ 主面（第１の主面）、Ｐ２ 主面（第２の主面）、ＶＤ ボイド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、前記支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部を準備する工程と、
前記ベース部の前記炭化珪素層上に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々を接合する工程とを備える、複合基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合する工程は、
前記炭化珪素層に前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々を対向させる工程と、
前記炭化珪素層のうち前記第１および第２の炭化珪素単結晶に対向する部分のそれぞれを、前記第１および第２の炭化珪素単結晶上に昇華および再結晶させることによって、前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々に前記炭化珪素層を接合する工程とを含む、請求項１に記載の複合基板の製造方法。
【請求項３】
前記対向させる工程は、平面視において互いに異なる位置に配置された前記第１および第２の炭化珪素単結晶を有する単結晶群と、前記ベース部とを積み重ねることによって行われる、請求項２に記載の複合基板の製造方法。
【請求項４】
前記支持層はグラファイトから作られた層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項５】
前記支持層は、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属から作られた層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項６】
前記炭化珪素層と、前記第１の炭化珪素単結晶と、前記第２の炭化珪素単結晶との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項７】
炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、前記支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部と、
前記ベース部の前記炭化珪素層上に各々が接合された第１および第２の炭化珪素単結晶とを備え、
前記炭化珪素層は、前記支持層に面する第１の領域と、前記第１の領域に埋め込まれ、かつ前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域とを有する、複合基板。
【請求項８】
前記炭化珪素層は前記第１および第２の領域の間にボイドを有する、請求項７に記載の複合基板。
【請求項１】
炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、前記支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部を準備する工程と、
前記ベース部の前記炭化珪素層上に第１および第２の炭化珪素単結晶の各々を接合する工程とを備える、複合基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合する工程は、
前記炭化珪素層に前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々を対向させる工程と、
前記炭化珪素層のうち前記第１および第２の炭化珪素単結晶に対向する部分のそれぞれを、前記第１および第２の炭化珪素単結晶上に昇華および再結晶させることによって、前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々に前記炭化珪素層を接合する工程とを含む、請求項１に記載の複合基板の製造方法。
【請求項３】
前記対向させる工程は、平面視において互いに異なる位置に配置された前記第１および第２の炭化珪素単結晶を有する単結晶群と、前記ベース部とを積み重ねることによって行われる、請求項２に記載の複合基板の製造方法。
【請求項４】
前記支持層はグラファイトから作られた層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項５】
前記支持層は、炭化珪素が昇華し得る温度よりも高い融点を有する金属から作られた層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項６】
前記炭化珪素層と、前記第１の炭化珪素単結晶と、前記第２の炭化珪素単結晶との各々の結晶構造は、同一のポリタイプを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基板の製造方法。
【請求項７】
炭化珪素と異なる材料から作られた支持層と、前記支持層上に形成された炭化珪素層とを有するベース部と、
前記ベース部の前記炭化珪素層上に各々が接合された第１および第２の炭化珪素単結晶とを備え、
前記炭化珪素層は、前記支持層に面する第１の領域と、前記第１の領域に埋め込まれ、かつ前記第１および第２の炭化珪素単結晶の各々の上にエピタキシャルに成長させられた第２の領域とを有する、複合基板。
【請求項８】
前記炭化珪素層は前記第１および第２の領域の間にボイドを有する、請求項７に記載の複合基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−２５６０５３（Ｐ２０１１−２５６０５３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２９０９９（Ｐ２０１０−１２９０９９）
【出願日】平成２２年６月４日（２０１０．６．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月４日（２０１０．６．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]