(57)【要約】【課題】高周波損失が少なく且つ優れた放熱性を示す炭化珪素基板を提供する。【解決手段】炭化珪素基板Ｓは、多結晶炭化珪素からなる第１の炭化珪素層１と、第１の炭化珪素層の表面上に形成された多結晶炭化珪素からなる第２の炭化珪素層２とを備え、第２の炭化珪素層２は、第１の炭化珪素層１より小さな高周波損失を有し、第１の炭化珪素層１は、第２の炭化珪素層２より大きな熱伝導率を有し、第２の炭化珪素層２の表面側における周波数２０ＧＨｚでの高周波損失が２ｄＢ／ｍｍ以下であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶炭化珪素からなる第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された多結晶炭化珪素からなる第２の層と
を備え、
前記第２の層は、前記第１の層より小さな高周波損失を有し、前記第１の層は、前記第２の層より大きな熱伝導率を有することを特徴とする炭化珪素基板。
【請求項２】
前記第２の層の表面側における周波数２０ＧＨｚでの高周波損失が２ｄＢ／ｍｍ以下であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である請求項１に記載の炭化珪素基板。
【請求項３】
前記第２の層は、前記炭化珪素基板の全厚の２０％以下で且つ１０μｍ以上の厚さを有する請求項１または２に記載の炭化珪素基板。
【請求項４】
多結晶炭化珪素からなる第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された多結晶炭化珪素からなる第２の層と
を備え、
前記第２の層は、前記第１の層より大きな比抵抗を有し、前記第１の層は、前記第２の層より大きな熱伝導率を有することを特徴とする炭化珪素基板。
【請求項５】
前記第２の層の表面側における比抵抗が１０４Ωｃｍ以上であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である請求項４に記載の炭化珪素基板。
【請求項６】
前記第１の層は、窒素を含有する雰囲気中でＣＶＤ法により形成され、前記第２の層は、窒素を含有しない雰囲気中でＣＶＤ法により形成された請求項１〜５のいずれか一項に記載の炭化珪素基板。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の前記第２の層の表面上に接合された半導体素子と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の前記第２の層の表面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の表面上に形成されたシリコン層と
を備えたことを特徴とするＳＯＩウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素基板、半導体装置およびＳＯＩウエハに係り、特に高周波領域で作動する半導体素子を搭載するための炭化珪素基板およびそれを用いた半導体装置とＳＯＩウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話および各種通信機器等の電子デバイスには、高周波領域で作動する半導体素子が用いられており、このような半導体素子を実装するための基板材料として各種の誘電体セラミックスが提案されている。
これらの誘電体セラミックスのうち、特に、高い機械的強度と安定した化学的特性を兼ね備えたものとして、炭化珪素が知られているが、従来の機械部品等に用いられていた炭化珪素は、高周波領域における損失が大きいため、高周波用の半導体素子を搭載する基板の材料には適していなかった。
そこで、例えば、特許文献１には、熱処理を加える等により、高周波領域における損失を低減させた多結晶炭化珪素からなる炭化珪素基板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６０１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような炭化珪素基板を用いれば、炭化珪素基板の表面上に半導体素子を搭載することにより、あるいは、炭化珪素基板の上に絶縁膜を介してシリコン層を形成した後、このシリコン層を利用して素子を形成することにより、高周波損失の少ない半導体装置を製作することができる。
しかしながら、特許文献１に開示された炭化珪素基板は、熱伝導率が高いものではないため、発熱量の大きな半導体素子を搭載すると、十分に放熱を行うことができないおそれがあった。
また、特許文献１に開示された炭化珪素基板は、高い絶縁性を有することがわかっているが、上述したように、熱伝導率が高いものではないため、絶縁性と熱伝導性の双方において優れた特性が要求される場合には、適していなかった。
【０００５】
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、高周波損失が少なく且つ優れた放熱性を示す炭化珪素基板を提供することを目的とする。
また、この発明は、優れた絶縁性と放熱性を示す炭化珪素基板を提供することも目的とする。
さらに、この発明は、このような炭化珪素基板を用いた半導体装置並びにＳＯＩウエハを提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る第１の炭化珪素基板は、多結晶炭化珪素からなる第１の層と、第１の層の表面上に形成された多結晶炭化珪素からなる第２の層とを備え、第２の層は、第１の層より小さな高周波損失を有し、第１の層は、第２の層より大きな熱伝導率を有するものである。
好ましくは、第２の層の表面側における周波数２０ＧＨｚでの高周波損失が２ｄＢ／ｍｍ以下であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である。
また、第２の層は、炭化珪素基板の全厚の２０％以下で且つ１０μｍ以上の厚さを有することが好ましい。
この発明に係る第２の炭化珪素基板は、多結晶炭化珪素からなる第１の層と、第１の層の表面上に形成された多結晶炭化珪素からなる第２の層とを備え、第２の層は、第１の層より大きな比抵抗を有し、第１の層は、第２の層より大きな熱伝導率を有するものである。
好ましくは、第２の層の表面側における比抵抗が１０４Ωｃｍ以上であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である。
これら第１の炭化珪素基板および第２の炭化珪素基板において、第１の層は、窒素を含有する雰囲気中でＣＶＤ法により形成され、第２の層は、窒素を含有しない雰囲気中でＣＶＤ法により形成されることができる。
【０００７】
この発明に係る半導体装置は、上述した炭化珪素基板と、炭化珪素基板の第２の層の表面上に接合された半導体素子とを備えたものである。
また、この発明に係るＳＯＩウエハは、上述した炭化珪素基板と、炭化珪素基板の第２の層の表面上に形成された絶縁層と、絶縁層の表面上に形成されたシリコン層とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、それぞれ多結晶炭化珪素からなる第１の層および第２の層を備え、第２の層は、第１の層より小さな高周波損失を有し、第１の層は、第２の層より大きな熱伝導率を有するので、高周波損失が少なく且つ優れた放熱性を示す炭化珪素基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板を示す断面図である。
【図２】第２の炭化珪素層の厚さと炭化珪素基板全体の高周波損失との関係を示すグラフである。
【図３】第２の炭化珪素層の厚さと炭化珪素基板全体の熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図４】実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
【図５】実施の形態３に係るＳＯＩウエハを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、実施の形態１に係る炭化珪素基板Ｓを示す。炭化珪素基板Ｓは、厚さＤ１の第１の炭化珪素層１と、第１の炭化珪素層１の表面上に形成された厚さＤ２の第２の炭化珪素層２からなる２層構造を有している。これら第１の炭化珪素層１および第２の炭化珪素層２は、いずれも多結晶炭化珪素からなり、第２の炭化珪素層２は、第１の炭化珪素層１より小さな高周波損失を有し、第１の炭化珪素層１は、厚さ方向に第２の炭化珪素層２より大きな熱伝導率を有している。
【００１１】
例えば、第１の炭化珪素層１の熱伝導率は約２６０Ｗ／ｍＫであるのに対し、第２の炭化珪素層２の熱伝導率は約１００Ｗ／ｍＫである。
また、周波数２０ＧＨｚにおける高周波損失は、第１の炭化珪素層１が約５０ｄＢ／ｍｍもの大きな値を有するのに対して、第２の炭化珪素層２は１．４〜１．５ｄＢ／ｍｍ程度の極めて小さな値を有している。
さらに、第２の炭化珪素層２は、１０４Ωｃｍ以上の比抵抗を有している。
これら第１の炭化珪素層１と第２の炭化珪素層２からなる２層構造を形成することにより、炭化珪素基板Ｓは、第２の炭化珪素層２の表面側における周波数２０ＧＨｚでの高周波損失として２ｄＢ／ｍｍ以下の値を有し、厚さ方向に２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有している。また、炭化珪素基板Ｓは、第２の炭化珪素層２の表面側における比抵抗として１０４Ωｃｍ以上の値を有している。
【００１２】
このような炭化珪素基板Ｓは、次のようにして製作することができる。
まず、黒鉛基材をＣＶＤ装置内に保持させ、ＣＶＤ装置内の圧力を例えば１．３ｋＰａとして、ＣＶＤ装置内にキャリアガスである水素ガスと共に炭化珪素の原料ガスとなるＳｉＣｌ４、Ｃ３Ｈ８等を体積比で５〜２０％供給し、さらに、これら原料ガスに対する体積比０．５〜２．５％の窒素ガスを供給し、例えば１０００〜１６００℃の温度に加熱することにより、黒鉛基材の上面、下面および側面に炭化珪素を所定の厚さだけ成長させる。この炭化珪素が、第１の炭化珪素層１を形成することとなる。
【００１３】
次に、ＣＶＤ装置内を一旦排気した後、ＣＶＤ装置内に窒素ガスを供給しない他は、上述した第１の炭化珪素層１の形成方法と同様にして、第１の炭化珪素層１の表面上に炭化珪素を成長させて、第２の炭化珪素層２を形成する。
【００１４】
このようにして形成された第２の炭化珪素層２の表面を、例えばダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨した後、黒鉛基材の側面上に形成された炭化珪素を研削して除去することにより、黒鉛基材の上面および下面にそれぞれ第１の炭化珪素層１と第２の炭化珪素層２の２層構造が残り、黒鉛基材の側面は露出した状態となる。
その後、黒鉛基材を酸素雰囲気で温度９００〜１４００℃で加熱することにより、黒鉛基材を燃焼させて除去する。これにより、２枚の炭化珪素基板Ｓが得られる。
【００１５】
なお、炭化珪素の原料ガスとしては、ＳｉＨ４／ＣＨ４、ＳｉＨ４／Ｃ２Ｈ４、ＳｉＨ４／Ｃ３Ｈ８、ＳｉＣｌ４／ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４／ＣＨ４、ＣＨ３ＳｉＣｌ３、（ＣＨ３）２ＳｉＣｌ２を用いることもできる。
また、上述した方法では、窒素ガスを供給して第１の炭化珪素層１を形成した後に、窒素ガスを供給しないで第１の炭化珪素層１の表面上に第２の炭化珪素層２を形成したが、これとは逆に、まず、窒素ガスを供給しない条件で第２の炭化珪素層２を形成し、その後、窒素ガスを供給して第２の炭化珪素層２の表面上に第１の炭化珪素層１を形成することもできる。
これら第１の炭化珪素層１の形成と第２の炭化珪素層２の形成は、窒素ガス供給に関する条件を変更して連続的に行ってもよく、あるいは、それぞれ独立した別工程で行うこともできる。
【００１６】
ここで、第１の炭化珪素層１と第２の炭化珪素層２の２層構造からなる炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔを５００μｍとする反面、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２を種々変化させた複数の炭化珪素基板Ｓを製作し、それぞれの炭化珪素基板Ｓに対して第２の炭化珪素層２の表面側における周波数２０ＧＨｚでの高周波損失を測定した結果を図２に示す。
第２の炭化珪素層２の厚さＤ２が、１０μｍ程度より小さい場合には、この厚さＤ２が０に近づくほど、第２の炭化珪素層２の表面側における高周波損失の値は急激に増加することがわかる。これは、第２の炭化珪素層２が薄いために、高周波の影響が、表面層である第２の炭化珪素層２だけでなく、第２の炭化珪素層２の下側に位置する第１の炭化珪素層１にまで及ぶことに起因すると思われる。
【００１７】
これに対して、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２が１０μｍ以上になると、第２の炭化珪素層２の表面側における高周波損失は、２ｄＢ／ｍｍ以下と小さな値を示し、この厚さＤ２が５００μｍに近づくほど大きくなっても、第２の炭化珪素層２の表面側における高周波損失は、１．４〜１．５ｄＢ／ｍｍで安定している。
本発明者等の知見によれば、周波数２０ＧＨｚにおいて２．０ｄＢ／ｍｍ以下の高周波損失を示す基板であれば、高周波領域で作動する半導体素子を実装するのに実用上問題がない。したがって、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２は、１０μｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
また、例えば、第１の炭化珪素層１の熱伝導率を２６４Ｗ／ｍＫ、第２の炭化珪素層２の熱伝導率を約１０５Ｗ／ｍＫとし、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔを１６５０μｍとした場合の、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２と厚さ方向における炭化珪素基板Ｓ全体の熱伝導率の関係を図３に示す。
第２の炭化珪素層２の厚さＤ２が小さくなるほど、炭化珪素基板Ｓ全体の熱伝導率は増加する。
本発明者等は、基板の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であれば、高周波領域で作動する半導体素子を実装しても、十分な放熱作用を発揮し得ると知見している。
【００１９】
そこで、図３のグラフから、熱伝導率２００Ｗ／ｍＫに対応する第２の炭化珪素層２の厚さＤ２を求めると、約３５０μｍとなり、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２が約３５０μｍ以下であれば、炭化珪素基板Ｓの熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上の値を有することとなる。ただし、この厚さＤ２＝約３５０μｍは、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔ＝１６５０μｍに対して求められた値であり、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔが変われば、熱伝導率２００Ｗ／ｍＫに対応する第２の炭化珪素層２の厚さＤ２も変化する。第１の炭化珪素層１と第２の炭化珪素層２の熱伝導率がそれぞれ決まれば、炭化珪素基板Ｓの熱伝導率は、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔに対する第２の炭化珪素層２の厚さＤ２の比率によって決定されると思われる。全厚Ｄｔ＝１６５０μｍに対する厚さＤ２＝３５０μｍの比率は、約２０％である。
【００２０】
したがって、炭化珪素基板Ｓが、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するためには、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２は、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔの２０％以下であることが好ましい。
すなわち、高周波損失および放熱性の双方を考慮すると、第２の炭化珪素層２の厚さＤ２を、炭化珪素基板Ｓの全厚Ｄｔの２０％以下で且つ１０μｍ以上に設定することが好適である。
【００２１】
実施の形態２
図４に、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す。この半導体装置は、実施の形態１に示した炭化珪素基板Ｓの第２の炭化珪素層２の表面上に半導体素子３が接合されたものである。半導体素子３は、ろう付け等により第２の炭化珪素層２の表面上に接合される。また、第２の炭化珪素層２の表面上に所定の導電パターンを形成し、導電パターンの上にハンダを用いて半導体素子３を接合することもできる。
このような構成の半導体装置によれば、炭化珪素基板Ｓが、半導体素子３の実装面である第２の炭化珪素層２の表面側において周波数２０ＧＨｚで２ｄＢ／ｍｍ以下の小さな高周波損失と、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するので、半導体素子３が高周波領域で作動する素子であっても、信頼性の高い、安定した動作を行うことが可能となる。
また、炭化珪素基板Ｓが、第２の炭化珪素層２の表面側において１０４Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有しているので、半導体素子３を用いて優れた絶縁性が要求される回路を構成しても、安定した動作が確保される。
【００２２】
実施の形態３
図５に、実施の形態３に係るＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハの構成を示す。ＳＯＩウエハは、実施の形態１に示した炭化珪素基板Ｓの第２の炭化珪素層２の表面上にＳｉＯ２等の絶縁層４が形成されると共に、絶縁層４の表面上にシリコン層５が形成されたものである。シリコン層５を利用して回路素子が形成される。
このＳＯＩウエハにおいても、炭化珪素基板Ｓが、第２の炭化珪素層２の表面側において周波数２０ＧＨｚで２ｄＢ／ｍｍ以下の小さな高周波損失と、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するので、シリコン層５を利用して高周波領域で作動する素子が形成されても、信頼性の高い、安定した動作を行う装置が実現される。
また、炭化珪素基板Ｓが、第２の炭化珪素層２の表面側において１０４Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有するので、シリコン層５を利用して優れた絶縁性が要求される回路を構成しても、信頼性の高い、安定した動作が可能となる。
【００２３】
この他、実施の形態１に示した炭化珪素基板Ｓに高周波伝送線路を形成して、マイクロ波、ミリ波等の信号を取り扱うための高周波用配線基板を製作することもできる。炭化珪素基板Ｓの存在により、高周波信号の伝送損失を小さくした高周波用配線基板が得られる。
【符号の説明】
【００２４】
１  第１の炭化珪素層、２  第２の炭化珪素層、３  半導体素子、４  絶縁層、５  シリコン層、Ｓ  炭化珪素基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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