(57)【要約】【課題】放熱性能を適切に向上させた半導体デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、互いに対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板を用意するステップと、互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板を用意するステップと、前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を表面活性化接合法により接合するステップと、を備える。【選択図】図１
2019201090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板を用意するステップと、
互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板を用意するステップと、
前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を表面活性化接合法により接合するステップと、
を備える、
半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
表面活性化接合法により、前記ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクを接合するステップを更に備える、
請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記ヒートシンクは、アルミニウム又は銅により形成されている、
請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後、前記シリコン基板の第１面側に半導体素子を形成するステップを更に備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後、前記シリコン基板及び前記ダイヤモンド基板を熱処理するステップを更に備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板と、
互いに対向する第１面及び第２面を有する炭化ケイ素層であって、当該炭化ケイ素層の第２面が前記ダイヤモンド基板の第１面に直接的に接合した炭化ケイ素層と、
互いに対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板であって、当該シリコン基板の第２面が前記炭化ケイ素層の第１面に直接的に接合したシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１面側に形成された半導体素子と、
を備える、
半導体デバイス。
【請求項８】
前記ダイヤモンド基板の第２面に直接的に接合したヒートシンクを更に備える、
請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されている、
請求項７又は８に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、半導体素子を含む集積回路パッケージと窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を基材としたアルミニウム基板とをはんだを用いて接合し、アルミニウム基板とヒートシンクとをロウ付けによって直接接合することで構成されたモジュール構造が提案されている。また、非特許文献２には、パワー素子の炭化ケイ素基板と単結晶ダイヤモンドとを薄い金属膜からなる中間層により接合し、単結晶ダイヤモンドとヒートシンクとをロウ付けによって接合することで構成されたモジュール構造が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“自動車用ＬＥＤヘッドライト向けヒートシンク一体型基板モジュールを開発”、［online］、平成２９年１１月１４日、［平成３０年４月２５日検索］、インターネット〈URL：https://www.mmc.co.jp/corporate/ja/news/press/2017/17-1114.html〉
【非特許文献２】“世界初、単結晶ダイヤモンドと炭化シリコンを常温で接合する技術を開発”、［online］、平成２９年１２月７日、［平成３０年４月２５日検索］、インターネット〈URL：http://pr.fujitsu.com/jp/news/2017/12/7.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイヤモンドの熱伝導率は比較的に高いため、半導体素子にダイヤモンドを接合することで、半導体デバイスの放熱性能を向上させることができる。しかしながら、本件発明者らは、上記のような半導体デバイスのモジュール構造には、次のような問題点があることを見出した。すなわち、従来のモジュール構造では、半導体素子とダイヤモンドとの間、及びダイヤモンドとヒートシンクとの間にそれぞれ、はんだ、ロウ、金属膜等により形成された中間層が設けられる。これらの材料は、ダイヤモンドに比べて非常に低い熱伝導率を有しているため、それぞれの間に設けられた中間層は熱障壁になり得る。そのため、この中間層が熱拡散の妨げとなり、半導体デバイスの放熱性能を適切に向上させることができない可能性があるという問題点があることを本件発明者らは見出した。
【０００５】
本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイス及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
【０００７】
すなわち、本発明の一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、互いに対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板を用意するステップと、互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板を用意するステップと、前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を表面活性化接合法により接合するステップと、を備える。
【０００８】
上記製造方法では、表面活性化接合法によって、シリコン基板の第２面とダイヤモンド基板の第１面とが直接的に接合される。このシリコン基板の第１面側には半導体素子が形成されてよい。よって、上記製造方法によれば、熱障壁になり得る中間層を設けることなく、半導体素子とダイヤモンド基板とを接合することができる。そのため、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。
【０００９】
なお、シリコン基板は、シリコンにより形成された基板である。この基板のシリコンには、チョクラルスキー法(Czochralski法)、フローティングゾーン法（Floating Zone法）等により作製されたシリコン等が用いられてよい。ダイヤモンド基板は、ダイヤモンドにより形成された基板である。この基板のダイヤモンドには、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等が用いられてよい。単結晶ダイヤモンドは、高温高圧合成法及びマイクロ波プラズマ化学気相法により作製されてよい。また、多結晶ダイヤモンドは、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、プラズマ化学気相法等により成長させてよい。また、表面活性化接合法は、接合する２つの対象物それぞれの表面に、ビーム（例えば、アルゴンビーム）又はプラズマを照射して、各表面を洗浄化及び活性化した後、圧力を付与して表面同士を接合する接合方法である。
【００１０】
上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、表面活性化接合法により、前記ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクを接合するステップを更に備えてもよい。当該製造方法では、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクが直接的に接合される。したがって、当該製造方法によれば、熱障壁になり得る中間層を設けることなく、ダイヤモンド基板とヒートシンクとを接合することができるため、放熱性能を更に適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。
【００１１】
上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法において、前記ヒートシンクは、アルミニウム又は銅により形成されてよい。当該製造方法によれば、放熱性能を更に適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。
【００１２】
上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後、前記シリコン基板の第１面側に半導体素子を形成するステップを更に備えてもよい。当該製造方法によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。
【００１３】
上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、前記シリコン基板の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後、前記シリコン基板及び前記ダイヤモンド基板を熱処理するステップを更に備えてもよい。後述するとおり、表面活性化接合法により、シリコン基板とダイヤモンド基板とを接合した後、両基板を含む構造体を熱処理すると、両基板の接合界面に炭化ケイ素層が形成される。この炭化ケイ素層によって、比較的に温度の高い雰囲気中でも、シリコン基板とダイヤモンド基板との間にクラックを発生させることなく、両基板の接合を維持することができる。そのため、当該製造方法によれば、熱耐性に優れた半導体デバイスを得ることができる。
【００１４】
上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法において、前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。当該製造方法によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。
【００１５】
本発明の一側面に係る半導体デバイスは、互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板と、互いに対向する第１面及び第２面を有する炭化ケイ素層であって、当該炭化ケイ素層の第２面が前記ダイヤモンド基板の第１面に直接的に接合した炭化ケイ素層と、互いに対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板であって、当該シリコン基板の第２面が前記炭化ケイ素層の第１面に直接的に接合したシリコン基板と、前記シリコン基板の第１面側に形成された半導体素子と、を備える。当該構成によれば、熱障壁となり得る中間層を設けることなく、炭化ケイ素層とダイヤモンド基板とを直接的に接合しているため、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを提供することができる。
【００１６】
上記一側面に係る半導体デバイスは、前記ダイヤモンド基板の第２面に直接的に接合したヒートシンクを更に備えてもよい。当該構成によれば、熱障壁となり得る中間層を設けることなく、ダイヤモンド基板とヒートシンクとを直接的に接合しているため、放熱性能を更に適切に向上させた半導体デバイスを提供することができる。
【００１７】
上記一側面に係る半導体デバイスにおいて、前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。当該構成によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイス及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施の形態に係る半導体デバイスの構成を模式的に例示する。
【図２】図２は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。
【図４】図４は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。
【図５】図５は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。
【図６】図６は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。
【図７】図７は、表面活性化接合法によりシリコン基板とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体を熱処理する前に、当該構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像を示す。
【図８】図８は、表面活性化接合法によりダイヤモンド基板とヒートシンクとを接合することで得られた構造体の接合界面の断面を観察することにより得られたＴＥＭ像を示す。
【図９】図９は、表面活性化接合法によりシリコン基板とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体を熱処理した後、当該構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ像を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、表面活性化接合法によりシリコン基板とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体を熱処理した後、当該構造体の接合界面に形成された層をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光分析）により観察した結果を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、表面活性化接合法によりシリコン基板とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体を熱処理した後、当該構造体の接合界面に形成された層をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光分析）により観察した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、以下の説明では、説明の便宜のため、図面内の向きを基準として説明を行う。
【００２１】
§１  構成例
図１を用いて、本実施形態に係る半導体デバイス１の構成の一例を説明する。図１は、本実施形態に係る半導体デバイス１の構成の一例を模式的に例示する。本実施形態に係る半導体デバイス１は、下側から順に、ヒートシンク３、ダイヤモンド基板１０、炭化ケイ素層１２、シリコン基板１１、及び半導体素子２を備えている。
【００２２】
ダイヤモンド基板１０は、ダイヤモンドにより形成された基板であり、互いに対向する第１面１０１及び第２面１０２を有する。このダイヤモンド基板１０の材料には、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等が用いられてよい。単結晶ダイヤモンドは、高温高圧合成法及びマイクロ波プラズマ化学気相法により作製されてよい。また、多結晶ダイヤモンドは、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、プラズマ化学気相法等により作製されてよい。単結晶ダイヤモンドは固体物質中最も高い熱伝導率を有しているため、放熱性能を高める観点からは、ダイヤモンド基板１０は、単結晶ダイヤモンドにより形成されているのが好ましい。ダイヤモンド基板１０の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
【００２３】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）層１２は、炭化ケイ素により形成されており、互いに対向する第１面１２１及び第２面１２２を有している。この炭化ケイ素層１２の第２面１２２がダイヤモンド基板１０の第１面１０１に直接的に接合している。炭化ケイ素層１２の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
【００２４】
シリコン（Ｓｉ）基板１１は、シリコンにより形成された基板であり、互いに対向する第１面１１１及び第２面１１２を有している。このシリコン基板１１の材料には、チョクラルスキー法、フローティングゾーン法等により作製されたシリコン等が用いられてよい。シリコン基板１１の第２面１１２が炭化ケイ素層１２の第１面１２１に直接的に接合している。シリコン基板１１の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
【００２５】
半導体素子２は、シリコン基板１１の第１面１１１側に形成されている。この半導体素子２の構成、寸法、及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。本実施形態では、半導体素子２は、シリコン基板１１の第１面１１１上に積層されており、下側から順に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層２１、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）層２２を備えている。
【００２６】
ヒートシンク３は、ダイヤモンド基板１０の第２面１０２に直接的に接合している。ヒートシンク３の寸法、形状、及び材料は、放熱又は吸熱が可能であれば、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。ヒートシンク３は、アルミニウム又は銅により形成されてよい。
【００２７】
§２  製造方法
次に、図２〜図６を用いて、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造方法を説明する。図２は、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造方法を示すフローチャートである。図３〜図６は、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造過程の一状態を模式的に例示する。
【００２８】
なお、以下で説明する製造方法は、本発明の「半導体デバイスの製造方法」の一例である。ただし、以下で説明する方法は一例に過ぎず、各ステップは可能な限り変更されてもよい。また、以下で説明する方法について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が行われてもよい。
【００２９】
（ステップＳ１０１及びＳ１０２）
まず、ステップＳ１０１では、第１面１１１及び第２面１１２を有するシリコン基板１１を用意する。また、ステップＳ１０２では、第１面１０１及び第２面１０２を有するダイヤモンド基板１０を用意する。ステップＳ１０１及びＳ１０２の順序は、このような例に限定されなくてもよく、入れ替わってもよい。また、ステップＳ１０１及びＳ１０２は同時に実施されてもよい。ダイヤモンド基板１０及びシリコン基板１１の用意が完了すると、次のステップＳ１０３に作業を進める。
【００３０】
（ステップＳ１０３）
図３に示されるとおり、ステップＳ１０３では、シリコン基板１１の第２面１１２とダイヤモンド基板１０の第１面１０１とを表面活性化接合法により接合する。表面活性化接合法は、接合する２つの対象物それぞれの表面に、ビーム（例えば、アルゴンビーム）又はプラズマを照射して、各表面を洗浄化及び活性化した後、圧力を付与して表面同士を接合する接合方法である。この表面活性化接合法には、公知の接合装置が用いられてよい。
【００３１】
例えば、真空雰囲気中において、ダイヤモンド基板１０の第１面１０１及びシリコン基板１１の第２面１１２それぞれにアルゴン（Ａｒ）中性ビームを照射する。その後、室温〜２００℃の雰囲気中において、1.0×102 MPa 〜 2.0×103 MPaの圧力でそれぞれを接合するように加圧する。これにより、シリコン基板１１の第２面１１２とダイヤモンド基板１０の第１面１０１とを接合することができる。このダイヤモンド基板１０とシリコン基板１１とを表面活性化接合法により接合することができるという知見は、後述する実施例から得ることができた。
【００３２】
この接合の過程において、図４に示されるとおり、ビームの照射により、ダイヤモンド基板１０の第１面１０１側の一領域には、アモルファスダイヤモンド層１０５が形成される。同様に、シリコン基板１１の第２面１１２側の一領域には、アモルファスシリコン層１１５が形成される。熱処理が行われる前の段階では、このアモルファスダイヤモンド層１０５及びアモルファスシリコン層１１５を介して、ダイヤモンド基板１０及びシリコン基板１１は接合した状態になる。表面活性化接合法による接合が完了すると、次のステップＳ１０４に作業を進める。
【００３３】
（ステップＳ１０４）
シリコン基板１１の第２面１１２及びダイヤモンド基板１０の第１面１０１を接合した後、ステップＳ１０４では、シリコン基板１１及びダイヤモンド基板１０を熱処理する。熱処理には、公知の装置が用いられてよい。例えば、窒素雰囲気中において、互いに接合したシリコン基板１１及びダイヤモンド基板１０を３分〜１２０分の間に４００℃〜１０００℃で熱処理を行ってよい。
【００３４】
図５に示されるとおり、熱処理を行うと、アモルファスダイヤモンド層１０５及びアモルファスシリコン層１１５は、再結晶化により炭化ケイ素層１２に変化する。このアモルファスダイヤモンド層１０５及びアモルファスシリコン層１１５が熱処理により炭化ケイ素層１２に変化するとの知見は、後述する実施例から得ることができた。これにより、ダイヤモンド基板１０、炭化ケイ素層１２、及びシリコン基板１１が順に積層した構造体であって、ダイヤモンド基板１０の第１面１０１と炭化ケイ素層１２の第２面１２２とが接合し、炭化ケイ素層１２の第１面１２１とシリコン基板１１の第２面１１２とが接合した構造体を得ることができる。熱処理が完了すると、次のステップＳ１０５に作業を進める。
【００３５】
なお、再結晶化による炭化ケイ素層１２の形成は、ダイヤモンド基板１０及びシリコン基板１１に熱が加えられることで進行する。そのため、熱処理を実施しなくても、ダイヤモンド基板１０及びシリコン基板１１が比較的に高温の雰囲気中に配置された段階で、再結晶化による炭化ケイ素層１２の形成は進行する。よって、このステップＳ１０４は、省略されてもよい。
【００３６】
（ステップＳ１０５）
図６に示されるとおり、シリコン基板１１の第２面１１２及びダイヤモンド基板１０の第１面１０１を接合した後、ステップＳ１０５では、シリコン基板１１の第１面１１１側に半導体素子２を形成する。半導体素子２の形成には、結晶成長、エッチング等の公知の半導体製造プロセスが適用されてよい。また、この半導体製造プロセスには、公知の製造装置が用いられてよい。
【００３７】
例えば、結晶成長により、シリコン基板１１の第１面１１１上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層２１、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）層２２を順に形成する。これにより、窒化アルミニウム層２１及び窒化ガリウム層２２により構成された半導体素子２を、シリコン基板１１の第１面１１１側に形成することができる。半導体素子２を形成すると、次のステップＳ１０６に処理を進める。
【００３８】
なお、半導体素子２を形成するタイミングは、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。例えば、ステップＳ１０３によりシリコン基板１１とダイヤモンド基板１０とを接合する前に、半導体素子２が形成されてもよい。この場合、ステップＳ１０１では、第１面１１１側に半導体素子２が形成されたシリコン基板１１が用意されてもよい。つまり、ステップＳ１０５は、ステップＳ１０１の前に実行されてよい。また、ステップＳ１０１により用意したシリコン基板１１に半導体素子２を形成した後に、ステップＳ１０３によりシリコン基板１１とダイヤモンド基板１０とを接合してもよい。
【００３９】
（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０５では、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板１０の第２面１０２にヒートシンク３を接合する。この表面活性化接合法の条件は、上記ステップＳ１０３と同様であってよい。このダイヤモンド基板１０とヒートシンク３とを表面活性化接合法により接合することができるという知見は、後述する実施例から得ることができた。これにより、本実施形態に係る製造作業が完了し、図１に例示される構成を有する半導体デバイス１を得ることができる。なお、このステップＳ１０６を実施するタイミングは、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
【００４０】
［特徴］
以上のように、本実施形態に係る製造方法では、上記ステップＳ１０３において、表面活性化接合法によって、シリコン基板１１の第２面１１２とダイヤモンド基板１０の第１面１０１とを接合する。また、上記ステップＳ１０６において、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板１０の第２面１０２にヒートシンクを接合する。これにより、半導体素子２からヒートシンク３までの間に熱障壁になり得る中間層を設けることなく、各構成要素を接合することができる。そのため、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイス１を得ることができる。
【００４１】
§３  変形例
以上、本発明の一実施形態について説明したが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
【００４２】
＜３．１＞
上記実施形態に係る半導体デバイス１では、半導体素子２は、窒化アルミニウム層２１及び窒化ガリウム層２２により構成されている。しかしながら、半導体素子２の構成は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。半導体素子２には、高出力（１Ｗ以上）、高周波数（１０ｋＨｚ以上）、及び高集積化（１０００以上の素子を内蔵）のパワー素子が採用されてもよい。
【００４３】
＜３．２＞
上記実施形態に係る半導体デバイス１では、ダイヤモンド基板１０の第２面１０２にヒートシンク３が直接的に接合している。しかしながら、このヒートシンク３は省略されてもよい。この場合、上記ステップＳ１０６は省略されてよい。また、ヒートシンク３は、その他の方法（例えば、従来の方法）により、ダイヤモンド基板１０の第２面１０２に接合されてもよい。
【００４４】
§４  実施例
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定される訳ではない。
【００４５】
シリコン基板及びダイヤモンド基板を用意し、接合装置内において、表面活性化接合法により、シリコン基板とダイヤモンド基板とを接合した。また、ヒートシンクを更に用意し、接合装置内において、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板とヒートシンクとを接合した。これにより、実施例に係る半導体デバイスを得た。各構成要素及び表面活性化接合法の条件は以下のとおりである。
【００４６】
＜実施例の条件＞
・シリコン基板：n-Si(100)(22mm×15mm×0.56mm)
・ダイヤモンド基板：単結晶ダイヤモンド(4mm×4mm×0.57mm)
・ヒートシンク：アルミニウム製板(22mm×15mm×0.5mm)
・接合装置：ムサシノエンジニアリング株式会社製常温接合装置
・シリコン基板とダイヤモンド基板との接合条件：真空雰囲気中でアルゴン中性ビームを照射し、室温〜２００℃中において1.0×102 MPa 〜 2.0×103 MPaの圧力で加圧した
・ダイヤモンド基板とヒートシンクとの接合条件：上記シリコン基板とダイヤモンド基板との接合条件と同じ
【００４７】
以上により作製した実施例のシリコン基板とダイヤモンド基板との接合界面の断面を熱処理する前に電子顕微鏡（日本電子社製、型番：JEM-2200FS）により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。同様に、実施例のダイヤモンド基板とヒートシンクとの接合界面の断面を電子顕微鏡により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。
【００４８】
図７は、シリコン基板とダイヤモンド基板との接合界面の断面を熱処理する前に観察することで得られたＴＥＭ像を示す。図８は、ダイヤモンド基板とヒートシンクとの接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ像を示す。図７及び図８に示されるとおり、それぞれの接合界面は比較的に安定的であった。そのため、表面活性化接合法により、シリコン基板及びダイヤモンド基板、並びにダイヤモンド基板及びヒートシンクを安定的に接合することができることが分かった。
【００４９】
シリコンの熱膨張率とダイヤモンドの熱膨張率とは大きく異なるため、比較的に高温の雰囲気中に両基板を配置すると、シリコン基板とダイヤモンド基板とが分離してしまう可能性があると推測された。そのため、シリコン基板とダイヤモンド基板との接合界面の耐熱性を確認するために、窒素雰囲気中において、実施例に係る半導体デバイスを１０００度で熱処理（５分）を行った。そして、シリコン基板とダイヤモンド基板との接合界面の断面を電子顕微鏡により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。
【００５０】
図９は、シリコン基板とダイヤモンド基板との接合界面の断面を熱処理後に観察することで得られたＴＥＭ像を示す。図９に示されるとおり、熱処理を行った後でも、接合界面にクラック等が発生することなく、領域Ａの層が形成され、シリコン基板とダイヤモンド基板とを安定的に接合することができることが分かった。更に、この領域Ａの層の組成を確認するため、シリコン基板を除去し、光電子分光装置（島津製作所社製、型番：ESCA-3400HSE）を利用して、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）を行った。
【００５１】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、シリコン基板及びダイヤモンド基板の接合界面において熱処理後に得られた領域ＡをＸＰＳにより観察した結果を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるとおり、ＸＰＳにより得られたスペクトルは、炭化ケイ素に対応する位置にピークを有していた。そのため、領域Ａの層は、炭化ケイ素層であることが分かった。これにより、表面活性化接合法によりシリコン基板とダイヤモンド基板とを接合した後、接合した両基板を高温の雰囲気中に配置しても、接合界面に炭化ケイ素層が形成されることで、この接合界面にクラック等が発生せずに、両基板の接合を維持することができることが分かった。したがって、シリコン基板及びダイヤモンド基板を接合した構造体は半導体素子の高温の製造プロセスに耐えられること、及び熱耐性に優れた半導体デバイスを製造することができることが分かった。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体デバイス、
１０…ダイヤモンド基板、１０１…第１面、１０２…第２面、
１０５…アモルファスダイヤモンド層、
１１…シリコン基板、１１１…第１面、１１２…第２面、
１１５…アモルファスシリコン層、
１２…炭化ケイ素層、１２１…第１面、１２２…第２面、
２…半導体素子、２１…窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、
２２…窒化ガリウム（ＧａＮ）層、
３…ヒートシンク
【図１】
2019201090.tif 000003
【図２】
2019201090.tif 000004
【図３】
2019201090.tif 000005
【図４】
2019201090.tif 000006
【図５】
2019201090.tif 000007
【図６】
2019201090.tif 000008
【図７】
2019201090.tif 000009
【図８】
2019201090.tif 000010
【図９】
2019201090.tif 000011
【図１０Ａ】
2019201090.tif 000012
【図１０Ｂ】
2019201090.tif 000013