(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層が露出した表面を有する材料を準備し、
下地基板上に第１多結晶ダイヤモンド層をＣＶＤ法で形成し、
前記第１多結晶ダイヤモンド層から前記下地基板を除去し、
前記第１多結晶ダイヤモンド層の前記下地基板があった側の表面である中間面上に第２多結晶ダイヤモンド層をＣＶＤ法で形成し、
前記中間面における平均粒径を、前記第１多結晶ダイヤモンド層の前記第２多結晶ダイヤモンド層とは逆側の主面である第１主面での平均粒径と、前記第２多結晶ダイヤモンド層の前記第１多結晶ダイヤモンド層とは逆側の主面である第２主面での平均粒径と、に比べ小さいようにし、
前記第２多結晶ダイヤモンド層を形成する前に、前記材料の前記半導体層が露出した前記表面を前記第１主面に接合する、
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第２多結晶ダイヤモンド層の前記形成において、前記第１多結晶ダイヤモンド層の応力に応じて前記第２多結晶ダイヤモンド層の応力を調整する、
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第２多結晶ダイヤモンド層を形成した後の前記第２多結晶ダイヤモンド層および前記第１多結晶ダイヤモンド層の曲率半径が、前記第１多結晶ダイヤモンド層から前記下地基板を除去した後であって前記第２多結晶ダイヤモンド層を形成する前の前記第１多結晶ダイヤモンド層の曲率半径と比べ、大きい、
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１多結晶ダイヤモンド層と前記第２多結晶ダイヤモンド層を同一の条件のＣＶＤ法で形成する、
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１多結晶ダイヤモンド層の前記形成における前記第１多結晶ダイヤモンド層の合成速度と比べ、前記第２多結晶ダイヤモンド層の前記形成における前記第２多結晶ダイヤモンド層の合成速度の方が速い、
半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記材料は半導体素子である、
半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１多結晶ダイヤモンド層の前記下地基板があった側の表面を研磨して成長初期層を除去し、前記第１多結晶ダイヤモンド層の前記下地基板があった側の表面であって前記研磨により前記成長初期層が除去された表面である前記中間面上に前記第２多結晶ダイヤモンド層をＣＶＤ法で形成する、
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは固体材料の中で最も高い熱伝導率を持つことから高出力電子デバイスのヒートスプレッダとして好適に用いられる。特に多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドよりも大面積で作製可能であり、コストの面で優れている。【０００３】
化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）で下地基板上に多結晶ダイヤモンドを合成する場合、反りが発生する。下地基板を除去し、自立基板とした場合、反りはより顕著になる。【０００４】
多結晶ダイヤモンド基板をヒートスプレッダとして用いる場合、半導体デバイスと多結晶ダイヤモンド基板は接合プロセスで接合される。多結晶ダイヤモンド基板の反りが大きい場合、例えば反りの曲率半径が１ｍ以下と小さい場合、接合部の密着性が悪くなり、接合できない、もしくは、接合強度が著しく低くなる。【０００５】
特許文献１に開示される半導体積層構造体は、第１主面および第２主面を有する多結晶ダイヤモンド基板と、多結晶ダイヤモンド基板の第１主面側に配置された少なくとも１層の半導体層と、を含み、多結晶ダイヤモンド基板の第１主面と第２主面との平均粒径の大小比が１０以下であることで反りを低減させている。第１主面と第２主面との平均粒径の大小比を１０以下にするためにドライエッチングまたは研磨を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−０４９８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示される半導体積層構造体では、第１主面と第２主面との平均粒径の大小比を１０以下にするためのドライエッチングまたは研磨において、除去量が多く、除去に時間を要し、多結晶ダイヤモンド基板の反りを抑制するためのコストが大きくなる。【０００８】
本開示は、このような問題を解決するためのものであり、反りを抑制するためのコストを低くできる多結晶ダイヤモンド基板、当該多結晶ダイヤモンド基板を用いた半導体装置、反りを抑制するためのコストを低くできる多結晶ダイヤモンド基板の製造方法、および、当該多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を利用した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の多結晶ダイヤモンド基板は、第１主面および第２主面を有する多結晶ダイヤモンド基板であって、第１主面および第２主面の平均粒径と比べ平均粒径が小さい面が、第１主面と第２主面との間にあり、平均粒径が小さい面の第１主面側に、成長初期層がない、多結晶ダイヤモンド基板、である。
【００１０】
本開示の半導体装置は、本開示の多結晶ダイヤモンド基板と、半導体素子と、を備え、半導体素子の半導体層の表面が、第１主面または第２主面に接合されている、半導体装置、である。【００１１】
本開示の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法は、下地基板上に第１多結晶ダイヤモンド層をＣＶＤ法で形成し、第１多結晶ダイヤモンド層から下地基板を除去し、第１多結晶ダイヤモンド層の下地基板があった側の表面を研磨して成長初期層を除去し、第１多結晶ダイヤモンド層の下地基板があった側の表面であって研磨により成長初期層が除去された表面である中間面上に第２多結晶ダイヤモンド層をＣＶＤ法で形成し、中間面における平均粒径を、第１多結晶ダイヤモンド層の第２多結晶ダイヤモンド層とは逆側の主面である第１主面での平均粒径と、第２多結晶ダイヤモンド層の第１多結晶ダイヤモンド層とは逆側の主面である第２主面での平均粒径と、に比べ小さいようにする、多結晶ダイヤモンド基板の製造方法、である。
【００１２】
本開示の半導体装置の製造方法は、半導体層が露出した表面を有する材料を準備し、本開示の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を行い、材料の半導体層が露出した表面を第１主面または第２主面に接合する、半導体装置の製造方法、である。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の多結晶ダイヤモンド基板は、反りを抑制するためのコストを低くできる。【００１４】
本開示の半導体装置は、反りを抑制するためのコストを低くできる多結晶ダイヤモンド基板を用いた半導体装置である。【００１５】
本開示の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法では、反りを抑制するためのコストを低くできる。【００１６】
本開示の半導体装置の製造方法は、本開示の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を利用した半導体装置の製造方法である。【００１７】
また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板の断面模式図である。
【図２】実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板の製造途中の状態を示す断面模式図である。
【図３】多結晶ダイヤモンド層の応力を示す断面模式図である。
【図４】実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板の製造途中の状態を示す断面模式図である。
【図５】実施の形態２の多結晶ダイヤモンド基板の断面模式図である。
【図６】実施の形態３の半導体装置の断面模式図である。
【図７】実施の形態３の半導体装置の断面模式図である。
【図８】実施の形態４の半導体装置の製造途中の状態を示す断面模式図である。
【図９】実施の形態４の半導体装置の製造途中の状態を示す断面模式図である。
【図１０】実施の形態４の半導体装置の断面模式図である。
【図１１】曲率半径の求め方を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３の断面図である。多結晶ダイヤモンド基板３は第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２を備える。第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とは、中間面３０で接続されている。第１多結晶ダイヤモンド層１の第２多結晶ダイヤモンド層２とは逆側の面が第１主面１０であり、第２多結晶ダイヤモンド層２の第１多結晶ダイヤモンド層１とは逆側の面が第２主面２０である。第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とは、それぞれ、ダイヤモンド多結晶でありダイヤモンド結晶粒４を複数備えている。
【００２０】
ＣＶＤ法により作製される多結晶ダイヤモンドは柱状の結晶構造であり、成長初期層から成長面に向かって粒径が大きくなることが知られている。本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３では中間面３０での粒径と比べ、第１主面１０、及び、第２主面２０での粒径の方が大きい。つまり、第１主面１０および第２主面２０の平均粒径と比べ平均粒径が小さい面が、第１主面１０と第２主面２０との間にある。また、中間面３０から第１主面１０、及び、第２主面２０に向かって粒径が大きくなっている。つまり、第１主面１０、及び、第２主面２０は多結晶ダイヤモンドの成長面である。多結晶ダイヤモンド基板３に対して、中間面３０は、厚さ方向において平均粒径が最も小さい面として特定できる。また、中間面３０と多結晶ダイヤモンド基板３の一方の主面である第１主面１０の間の領域が第１多結晶ダイヤモンド層１であり、中間面３０と多結晶ダイヤモンド基板３の他方の主面である第２主面２０の間の領域が第２多結晶ダイヤモンド層２である。
【００２１】
ある面における平均粒径は、図１に示されるような断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察し、面内方向の線分を引き、各粒子を線分が横切る長さの平均として求める。その際、線分の端点は粒子の境界と合わせ、線分の長さは、線分上に粒子が２０個以上現れるようなものとする。
【００２２】
＜Ａ−２．製造方法＞
図２から図４を用いて、多結晶ダイヤモンド基板３を製造する方法である、本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法について説明する。
【００２３】
まず、下地基板５を準備した。
【００２４】
下地基板５の素材には珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、モリブデン及びタングステンなどを用いることができる。なお、多結晶ダイヤモンドを形成する場合には、多結晶ダイヤモンドを形成するための起点となる初期核形成を促進させるための処理をしておくことが望ましい。初期核形成を促進させるための処理とは、ブラスト処理により成長用基板の表面に凹凸を形成すること、ダイヤモンド微粒子を下地基板５の表面に分散塗布すること等である。本実施の形態では珪素を下地基板５として用い、粒径が２〜５ｎｍのナノダイヤモンド分散液中で下地基板５を超音波処理することで、下地基板５の表面にダイヤモンド微粒子を分散塗布した。
【００２５】
次に、図２のように、下地基板５上に、第１多結晶ダイヤモンド層１を形成した。
【００２６】
第１多結晶ダイヤモンド層１の形成にはＣＶＤ法が用いられる。成膜速度が速く、長時間の放電安定性が良いことから、マイクロ波ＣＶＤ法が好適に用いられる。原料ガスは、メタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）を含む混合ガスである。第１多結晶ダイヤモンド層１の半導体としての導電型をｐ型に制御する場合には、ホウ素化合物であるジボラン（Ｂ２Ｈ６）が原料ガスに添加される。第１多結晶ダイヤモンド層１の半導体としての導電型をｎ型に制御する場合には、リン化合物であるホスフィン（ＰＨ３）が原料ガスに添加される。なお、結晶品質の向上及び結晶形成速度の向上のために、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスが原料ガスに添加されてもよい。
【００２７】
本実施の形態では表１の条件のＣＶＤ法で第１多結晶ダイヤモンド層１の形成を行った。
【００２８】
【表１】
0006935037.tif 000002
【００２９】
その後、第１多結晶ダイヤモンド層１から下地基板５を除去した。下地基板５の除去にはウェットエッチング、研削加工、レーザー加工、ドライエッチング等を用いることができる。本実施の形態ではフッ酸と硝酸の混合溶液でウェットエッチングを行った。以上により、図４に示すように、第１多結晶ダイヤモンド層１が自立基板として得られた。
【００３０】
第１多結晶ダイヤモンド層１の厚さは１００μｍであり、合成速度は２μｍ／ｈであった。第１多結晶ダイヤモンド層１の反りを形状測定装置で測定したところ、曲率半径１ｍであった。第１多結晶ダイヤモンド層１の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したところ、下地基板５が存在した面の平均粒径は０．０５μｍであり、成長面側は２０μｍであった。
【００３１】
第１多結晶ダイヤモンド層１または第２多結晶ダイヤモンド層２の曲率半径は、それぞれ、第１主面１０または第２主面２０の表面形状に基づいて算出する。平面視において第１主面１０または第２主面２０の中心を通る直線上で第１主面１０または第２主面２０の形状を測定する。第１多結晶ダイヤモンド層１または第２多結晶ダイヤモンド層２の当該直線上での曲率半径をＤ、半径をｄ、測定した表面形状の高低差をΔｚとすると、曲率半径Ｄは、（ｄ２＋Δｚ２）／（２Δｚ）で算出される（図１１）。第１主面１０または第２主面２０の表面形状の曲率半径は、上記のような直線上での曲率半径の測定を、面内で４５°ずつ回転した４本の直線に対して行い、当該４本の直線上での曲率半径の最小値として求める。多結晶ダイヤモンド基板３の曲率半径は、第１主面１０または第２主面２０の曲率半径のうち大きい方とする。第１主面１０または第２主面２０の表面形状は、触針式の形状測定器または光学的な表面形状測定器を用いて測定できる。また、平面視において第１主面１０または第２主面２０の中心を通る直線上での形状は、等間隔に１００点以上で計測する。
【００３２】
次に、第１多結晶ダイヤモンド層１の第１主面１０の裏面上、つまり、下地基板５があった側の表面上に、ＣＶＤ法により第２多結晶ダイヤモンド層２を形成した。なお、第２多結晶ダイヤモンド層２を形成した第１主面１０の裏面は、中間面３０に相当する。
【００３３】
以上により、図１に示すように、本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３が得られた。多結晶ダイヤモンド基板３の厚さは２００μｍであった。多結晶ダイヤモンド基板３の反りを測定したところ、曲率半径５ｍであった。
【００３４】
比較のため、多結晶ダイヤモンド層を、成長時間以外は表１の条件を用い、板厚２００μｍとなるように成長時間を調整して下地基板５上に作製し、下地基板５を取り除いた後に当該多結晶ダイヤモンド層の反りを測定したところ、曲率半径は０．７ｍであった。
【００３５】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３の断面をＳＥＭで観察したところ、中間面３０における平均粒径が０．０５μｍであり、第１主面１０の平均粒径が２０μｍであり、第２主面２０の平均粒径が１９μｍであった。このように、本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法により、中間面３０における平均粒径が、第１主面１０での平均粒径と、第２主面２０での平均粒径と、に比べ小さい多結晶ダイヤモンド基板３が得られる。本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法では、多結晶ダイヤモンド基板３は、第１主面１０および第２主面２０の平均粒径と比べ平均粒径が１／１０以下の面が、第１主面１０と第２主面２０との間にあっても、つまり、ドライエッチングまたは研磨等により第１主面１０の裏面を削ったりせずとも、反りが抑制されている。
【００３６】
なお、本実施の形態において、第１主面１０の平均粒径（Ｄ１）と第２主面２０の平均粒径（Ｄ２）とは、好ましくは小さい方が大きい方の０．７倍以上であり、より好ましくは小さい方が大きい方の０．９倍以上である。Ｄ１／Ｄ２が１に近い場合、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで、多結晶ダイヤモンドの結晶組織の構造に依存する反りと応力の関係を近いものにできる。そのため、本実施の形態において、Ｄ１／Ｄ２を１に近くすることで、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りと応力の関係を近いものとすることができ、反りを効果的に抑制することが可能となり、例えば多結晶ダイヤモンド基板３の曲率半径を１ｍ以上にすることが可能となる。
【００３７】
第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りと応力の関係は、それぞれ、非ダイヤモンド成分の割合に依存する。非ダイヤモンド成分の割合は、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２のラマン分光測定により１３３０ｃｍ−１付近のダイヤモンド成分のピーク強度と１５３０ｃｍ−１付近の非ダイヤモンド成分のピーク強度をそれぞれ測定し、ダイヤモンド成分のピーク強度と非ダイヤモンド成分のピーク強度の比を求めることで確かめられる。本実施の形態のように第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りと応力の関係を近いものとして多結晶ダイヤモンド基板３の反りを抑制するためには、第１多結晶ダイヤモンド層１のダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ１と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ１の比Ｒ１＝Ｇ１／Ｆ１と、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂのダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ２と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ２の比Ｒ２＝Ｇ２／Ｆ２と、は、近いことが好ましい。例えば、好ましいＲ１とＲ２のうち小さい方が大きい方の０．７倍以上であり、より好ましくはＲ１とＲ２のうち小さい方が大きい方の０．９倍以上である。
【００３８】
以上のように、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２を同一の条件のＣＶＤ法で形成することで、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りと応力の関係は近いものとなる。そのため、多結晶ダイヤモンド基板３の反りを抑制するためのＣＶＤ法の条件設定が容易となる。但し、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２を形成する際のＣＶＤ法の条件は、例えば表１に記載されている条件のずれがそれぞれ１％以下であれば、同一の条件とみなしてよい。
【００３９】
第２多結晶ダイヤモンド層２を第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面、つまり中間面から成長させることで、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２にはそれぞれ逆方向の同等の応力が生じ、応力の効果が相殺される。つまり、第１多結晶ダイヤモンド層１は、第１多結晶ダイヤモンド層１を第１主面１０側に反らせようとする応力を有し、第２多結晶ダイヤモンド層２は、第２多結晶ダイヤモンド層２を第２主面２０側に反らせようとする応力を有するが、第１多結晶ダイヤモンド層１の応力が第１多結晶ダイヤモンド層１を第１主面１０側に反らせようとする効果と、第２多結晶ダイヤモンド層２の応力が第２多結晶ダイヤモンド層２を第２主面２０側に反らせようとする効果とが、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とが接続されていることにより相殺されている。以下このような状況を、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２の反りが相殺している、または、第１多結晶ダイヤモンド層１の反りと第２多結晶ダイヤモンド層２の反りが相殺していると称する。
【００４０】
第１多結晶ダイヤモンド層１の反りと第２多結晶ダイヤモンド層２の反りが相殺されている結果、反りが抑制されている多結晶ダイヤモンド基板３が得られた。特に、第２多結晶ダイヤモンド層２形成後の第２多結晶ダイヤモンド層２および第１多結晶ダイヤモンド層１の曲率半径は、第１多結晶ダイヤモンド層１から下地基板５を除去した後であって第２多結晶ダイヤモンド層２を形成する前の第１多結晶ダイヤモンド層１の曲率半径と比べ、大きい。
【００４１】
多結晶ダイヤモンド基板３は反りが抑制されているので、半導体デバイスと接合することが可能であり、この基板を片面、もしくは、両面機械研磨することで、ヒートスプレッダ用基板として用いることができる。
【００４２】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３では第１多結晶ダイヤモンド層１の反りと第２多結晶ダイヤモンド層２の反りが相殺されており、研磨せずとも多結晶ダイヤモンド基板３の反りが抑制されている。そのため、さらに反りを改善するために研磨を行う場合でも研磨量が少なくて済むので、研磨時間の短縮が可能となり、量産に適用することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施の形態では第１多結晶ダイヤモンド層１を自立基板として単独で取り扱い、第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面に第２多結晶ダイヤモンド層２を形成する例を示したが、第１多結晶ダイヤモンド層１の板厚が薄い場合、第１多結晶ダイヤモンド層１の第１主面１０を別の基板に貼付けて取り扱い、第２多結晶ダイヤモンド層２を形成しても良い。
【００４４】
また、本実施の形態では第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面、つまり第１多結晶ダイヤモンド層１の下地基板５があった側の面、にそのまま第２多結晶ダイヤモンド層２を形成したが、第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面を数μｍ研磨してダイヤモンド初期層を除去してから、裏面に第２多結晶ダイヤモンド層２を形成しても良い。こうすることで、多結晶ダイヤモンド基板３の熱伝導率を向上させることができる。
【００４５】
第１多結晶ダイヤモンド層１の応力に応じて第２多結晶ダイヤモンド層２を形成する際のＣＶＤ法の条件を変えて第２多結晶ダイヤモンド層２の応力を調整し、多結晶ダイヤモンド基板３の反りをより抑制することも可能である。
【００４６】
＜Ａ−３．効果＞
多結晶ダイヤモンド基板３は、第１主面１０および第２主面２０を有する多結晶ダイヤモンド基板であって、第１主面１０および第２主面２０の平均粒径と比べ平均粒径が小さい面が、第１主面１０と第２主面２０との間にある。これにより、多結晶ダイヤモンド基板３は反りを抑制するためのコストを低くできる。
【００４７】
第１多結晶ダイヤモンド層１は第１多結晶ダイヤモンド層１を第１主面１０側に反らせようとする応力を有し、第２多結晶ダイヤモンド層２は第２多結晶ダイヤモンド層２を第２主面２０側に反らせようとする応力を有する。これにより、第１多結晶ダイヤモンド層１の反りと第２多結晶ダイヤモンド層２の反りが相殺され、多結晶ダイヤモンド基板３は反りを抑制するためのコストを低くできる。
【００４８】
多結晶ダイヤモンド基板３は、好ましくは、第１主面１０の平均粒径Ｄ１と第２主面２０の平均粒径Ｄ２とのうち、小さい方が大きい方の０．７倍以上である。これにより、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りと応力の関係を近くでき、多結晶ダイヤモンド基板３の反りをより良く抑制できる。
【００４９】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法では、下地基板５上に第１多結晶ダイヤモンド層１をＣＶＤ法で形成し、第１多結晶ダイヤモンド層１から下地基板５を除去し、第１多結晶ダイヤモンド層１の下地基板５があった側の表面である中間面３０上に第２多結晶ダイヤモンド層２をＣＶＤ法で形成し、中間面３０における平均粒径を、第１主面１０での平均粒径と、第２主面２０での平均粒径と、に比べ小さいようにする。これにより、本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法では、多結晶ダイヤモンド基板３の反りを抑制するためのコストを低くできる。
【００５０】
第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２を同一の条件のＣＶＤ法で形成することで、多結晶ダイヤモンド基板３の反りを抑制するためのＣＶＤ法の条件設定が容易となる。
【００５１】
＜Ｂ．実施の形態２＞
図５に示すように、本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板３ｂは、実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板３と比べ、第２多結晶ダイヤモンド層２の代わりに第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを備える。
【００５２】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂの構成は、＜Ａ−１．構成＞で説明された範囲では、当該説明の第２多結晶ダイヤモンド層２を第２多結晶ダイヤモンド層２ｂと読み替えれば、実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板３と同様である。
【００５３】
＜Ｂ−１．製造方法＞
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法は、下地基板５上に第１多結晶ダイヤモンド層１をＣＶＤ法で形成し、第１多結晶ダイヤモンド層から下地基板５を除去し、第１多結晶ダイヤモンド層１の下地基板５があった側の表面である中間面３０上に第２多結晶ダイヤモンド層２ｂをＣＶＤ法で形成し、中間面３０における平均粒径を、第１多結晶ダイヤモンド層１の第２多結晶ダイヤモンド層２ｂとは逆側の主面である第１主面１０での平均粒径と、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの第１多結晶ダイヤモンド層１とは逆側の主面である第２主面２０での平均粒径と、に比べ小さいようにする、という点は、実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法と同様である。
【００５４】
実施の形態１では第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２を同一の条件のＣＶＤ法で形成したが、本実施の形態では第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを第１多結晶ダイヤモンド層１と異なる条件で形成した。
【００５５】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法において、図２のように下地基板５の上に第１多結晶ダイヤモンド層１を形成し、その後下地基板５を除去して図４に示される第１多結晶ダイヤモンド層１を得るところまでは実施の形態１と同様に行った。
【００５６】
次に、表２に示される条件のＣＶＤ法で、第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面に第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを形成した。表２に示される条件では、表１に示される条件と比べ、ＣＨ４ガスの濃度が大きくなっている。
【００５７】
【表２】
0006935037.tif 000003
【００５８】
比較のため、表２に示される条件で下地基板５の上に多結晶ダイヤモンド層を成長させ、その後に下地基板５を取り除き自立基板としたところ、当該自立基板の板厚は５０μｍ、多結晶ダイヤモンドの合成速度は５μｍ／ｈ、当該自立基板の反りは曲率半径０．７ｍであった。
【００５９】
表２に示される条件で第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを形成し得られた多結晶ダイヤモンド基板３ｂを図５に示す。
【００６０】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂの第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２ｂのラマン分光測定を行い、１３３０ｃｍ−１付近のダイヤモンド成分のピーク強度と１５３０ｃｍ−１付近の非ダイヤモンド成分のピーク強度を測定した。第１多結晶ダイヤモンド層１のダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ１と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ１の比Ｒ１＝Ｇ１／Ｆ１は０．０３であり、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂのダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ２と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ２の比Ｒ２＝Ｇ２／Ｆ２は０．２０であった。
【００６１】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂの反りを測定したところ、反りは曲率半径３ｍであった。このように、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの作製条件が第１多結晶ダイヤモンド層１の作成条件と異なる本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法においても、第１多結晶ダイヤモンド層１の反りと第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの反りが相殺されており、反りが抑制されている多結晶ダイヤモンド基板３ｂが得られた。本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法においても、反りを抑制するための研磨は不要か、反りを抑制するための研磨を行う場合でも研磨量を減らすことができ、反りを抑制するためのコストを低くできる。
【００６２】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法により得られた多結晶ダイヤモンド基板３ｂの断面をＳＥＭで観察したところ、中間面３０における平均粒径が０．０５μｍであり、第１主面１０の平均粒径が２０μｍであり、第２主面の平均粒径が１０μｍであった。多結晶ダイヤモンド基板３ｂは、第１主面１０および第２主面２０の平均粒径と比べ平均粒径が１／１０以下の面が、第１主面１０と第２主面２０との間にあっても、つまり、ドライエッチングまたは研磨等により第１主面１０の裏面を削ったりせずとも、反りが抑制されている。
【００６３】
本実施の形態ではＣＨ４濃度を大きくした条件で第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを作製したが、ＣＨ４の濃度を大きくすると合成速度が速くなる。また、ＣＨ４の濃度を大きくすると、非ダイヤモンド成分が導入されることで、変形量に対し応力の変化が大きくなる。
【００６４】
第１多結晶ダイヤモンド層１の形成における第１多結晶ダイヤモンド層１の合成速度と比べ、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの形成における第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの合成速度の方が速いことで、多結晶ダイヤモンド基板３ｂ全体の合成時間を減少させることができる。
【００６５】
一方で、ＣＶＤ法におけるＣＨ４の濃度が小さい方が、形成される多結晶ダイヤモンドの熱伝導率が高くなる。そのため、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの形成時にのみＣＨ４の濃度が大きい条件を用いることで、多結晶ダイヤモンド基板３ｂ全体の合成時間を減少させつつ、多結晶ダイヤモンド基板３ｂの熱伝導率の低下を抑制できる。
【００６６】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂ全体の合成時間を減少させるために、ＣＨ４濃度以外の条件を変更してもよい。また、予め合成条件と応力の関係を調べておき、第１多結晶ダイヤモンド層１の応力に応じて第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの応力を調整してもよい。
【００６７】
なお、本実施の形態において、反りを抑制する効果を大きくするためには、第１多結晶ダイヤモンド層１より第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの方がラマン分光測定におけるダイヤモンド成分のピーク強度と非ダイヤモンド成分のピーク強度の比が大きい、つまりＲ１＜Ｒ２であり、また、第１主面１０の平均粒径Ｄ１と第２主面２０の平均粒径Ｄ２の比(Ｄ１／Ｄ２)は１より大きく１０以下であることが好ましい。Ｒ１＜Ｒ２かつＤ１＞Ｄ２であれば、Ｒ２が大きいことで多結晶ダイヤモンド基板３ｂが第２多結晶ダイヤモンド層２ｂ側に反りやすくなる効果と、Ｄ２が小さいことで多結晶ダイヤモンド基板３ｂが第１多結晶ダイヤモンド層１側に反りやすくなる効果とが相殺され、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの反りがより良く相殺され、多結晶ダイヤモンド基板３ｂの反りを効果的に小さくできる。また、Ｄ１／Ｄ２が１０以下であることで、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂによって第１多結晶ダイヤモンド層１の反りを相殺する効果が小さくなりすぎることがない。また、Ｒ１／Ｒ２が０．１以上であれば、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの熱伝導率が悪くなりすぎることがない。
【００６８】
＜Ｂ−２．効果＞
多結晶ダイヤモンド基板３ｂにおいて、第１主面１０の平均粒径Ｄ１は第２主面２０の平均粒径Ｄ２より大きい。これにより、反りの変化量に対して応力の変化量が大きい条件、つまり製膜速度が速い条件を第２多結晶ダイヤモンド層２ｂに適用することができ、作製時間を短縮できる。
【００６９】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂにおいて、第１主面１０の平均粒径Ｄ１と第２主面２０の平均粒径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２は好ましくは１０以下である。これにより、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂによって第１多結晶ダイヤモンド層１の反りを相殺する効果が小さくなりすぎることがない。
【００７０】
多結晶ダイヤモンド基板３ｂにおいて、第１多結晶ダイヤモンド層１のラマン分光測定でのダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ１と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ１の比Ｒ１＝Ｇ１／Ｆ１は、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂのラマン分光測定でのダイヤモンド成分のピーク強度Ｆ２と非ダイヤモンド成分のピーク強度Ｇ２の比Ｒ２＝Ｇ２／Ｆ２と比べ、小さい。これにより、反りの変化量に対して応力の変化量が大きい条件、つまり製膜速度が速い条件を第２多結晶ダイヤモンド層２ｂに適用することができ、作製時間を短縮できる。また、Ｒ１／Ｒ２が、０．１以上であれば、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの熱伝導率が悪くなりすぎることがない。
【００７１】
Ｒ１＜Ｒ２かつＤ１＞Ｄ２であれば、多結晶ダイヤモンド基板３ｂの反りを効果的に小さくできる。
【００７２】
本実施の形態の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法において、第１多結晶ダイヤモンド層１の形成における第１多結晶ダイヤモンド層１の合成速度と比べ、第２多結晶ダイヤモンド層２の形成における第２多結晶ダイヤモンド層２の合成速度の方が速いことで、多結晶ダイヤモンド基板３ｂ全体の合成時間を減少させることができる。
【００７３】
＜Ｃ．実施の形態３＞
本実施の形態では、実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板３または実施の形態２の多結晶ダイヤモンド基板３ｂを用いた半導体装置５０について説明する。以下では半導体装置５０は多結晶ダイヤモンド基板３を備えるとして説明するが、多結晶ダイヤモンド基板３を多結晶ダイヤモンド基板３ｂと置き換えてもよい。
【００７４】
＜Ｃ−１．構成＞
図６に半導体装置５０の断面図を示す。
【００７５】
半導体装置５０は、多結晶ダイヤモンド基板３と、半導体層７と、を備える。
【００７６】
半導体装置５０において、半導体層７の表面は、多結晶ダイヤモンド基板３の第１主面１０または第２主面２０に、接合されている。以下では、例として、半導体層７の表面が第１主面１０に接合されている場合について説明する。
【００７７】
半導体層７の具体的な構成に制限はないが、半導体層７が例えば高出力デバイスに適した窒化ガリウム（ＧａＮ）、または、ＧａＮとＡｌＧａＮやＡｌＮとの積層構造である場合に、半導体層７と多結晶ダイヤモンド基板３が接合されていることが効果的である。
【００７８】
半導体装置５０は、例えば、図７のように、多結晶ダイヤモンド基板３と、半導体素子７０と、を備えるものでもよい。その場合、半導体素子７０は半導体層７を備え、半導体素子７０の半導体層７が、多結晶ダイヤモンド基板３の第１主面１０、または、第２主面２０に、接合されている。半導体層７は例えばＧａＮを含む半導体積層構造である。半導体層７は、例えば多結晶ダイヤモンド基板３に近い側から順にバッファー層７ｃ（例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ）、チャネル層７ｂ（例えば、ＧａＮ）、バリア層７ａ（例えば、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮ）を備え、バッファー層７ｃの表面、つまり半導体層７の表面が第１主面１０に接合されている。半導体素子７０において、半導体層７上にはゲート電極、ソース電極などの電極８が形成されている。
【００７９】
＜Ｃ−２．製造方法＞
本実施の形態の半導体装置の製造方法では、半導体装置５０を製造するために、半導体層７が露出した表面を有する材料を準備し、実施の形態１で説明した多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を行って多結晶ダイヤモンド基板３を準備し、半導体層７の表面と多結晶ダイヤモンド基板３とを接合する。
【００８０】
まず、実施の形態１で説明した多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を行い、多結晶ダイヤモンド基板３を製造する。また、半導体層７が露出した表面を有する材料を用意する。半導体層７が露出した表面を有する材料は、例えば、半導体素子７０である。また、半導体層７が露出した表面を有する材料は、半導体層７自体であってもよい。
【００８１】
次に、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７の表面とを接合する。これにより、半導体装置５０が得られる。
【００８２】
多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７の表面とを接合する方法は、表面活性化接合法や原子拡散接合法が好ましい。多結晶ダイヤモンド基板３をヒートスプレッダとして用いる場合、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７の間には接合材料等がないことが望ましいが、接合材料の厚さが数１０ｎｍ程度であれば接合材料があっても問題ない。より好ましくは、接合材料の厚さは１０ｎｍ以下である。
【００８３】
また、本実施の形態の半導体装置５０は多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７を接合して作製されるので、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７とを接合する前の、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７それぞれの接合面は、表面の算術平均粗さＲａ５ｎｍ未満に研磨されて用いられることが好ましい。
【００８４】
本実施の形態で用いる多結晶ダイヤモンド基板３は、実施の形態１で説明したように、第１多結晶ダイヤモンド層１と第２多結晶ダイヤモンド層２とで反りが相殺されて平坦であるため、半導体層７と接合することが可能となる。この構造にすることにより、多結晶ダイヤモンド基板３を半導体層７のヒートスプレッダとして使用することが可能となる。また多結晶ダイヤモンド基板３は平坦であるため、半導体装置５０を歩留まり良く作製することが可能となる。
【００８５】
また、上述のように、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、実施の形態１の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を利用している。本実施の形態の半導体装置の製造方法では、多結晶ダイヤモンド基板３の反りを抑制するためのコストを低くでき、半導体装置５０の製造コストを低くすることができる。
【００８６】
＜Ｄ．実施の形態４＞
本実施の形態では、実施の形態３で説明した半導体装置５０について、実施の形態３とは異なる製造方法について説明する。
【００８７】
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、半導体層７が露出した表面を有する材料を準備し、実施の形態１または２の多結晶ダイヤモンド基板の製造方法を行うという点は、実施の形態３の半導体装置の製造方法と同様である。しかし、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、第２多結晶ダイヤモンド層２または第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを形成する前に、半導体層７が露出した表面を有する材料の半導体層７が露出した当該表面を第１多結晶ダイヤモンド層１の第１主面に接合する。以下、詳しく説明する。
【００８８】
まず、実施の形態１と同様に、図４のように第１多結晶ダイヤモンド層１を形成した。
【００８９】
次に、第１多結晶ダイヤモンド層１の第１主面１０(多結晶ダイヤモンド成長面)を機械研磨して表面の算術平均粗さをＲａ５ｎｍ未満とし、機械研磨された第１主面１０を半導体層７に接合した（図８）。
【００９０】
半導体層７が薄い場合には半導体層７を自立化することが困難であるため、支持基板を用いることが好ましい。本実施の形態では、半導体層７に接着層１１を介して支持基板９を貼り付けて用いた。本実施の形態では支持基板９として珪素基板を用いたが、支持基板９は石英、炭化ケイ素、サファイア等の素材の基板でも良く、ダイヤモンドの合成温度である８００〜１０００℃に耐える基板であれば良い。また、接着層１１にはＣＶＤで作製したテトラエトキシシラン（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：ＴＥＯＳ）を用いた。
【００９１】
次に、マイクロ波ＣＶＤにより、第１多結晶ダイヤモンド層１の裏面上に、多結晶ダイヤモンドを合成し、第２多結晶ダイヤモンド層２を形成した（図９）。ここでは、第１多結晶ダイヤモンド層１と合成時間以外は同じ条件で作製した。第２多結晶ダイヤモンド層２の合成時間については、後述する。
【００９２】
次に、支持基板９及び接着層１１を除去した。用いる方法は、支持基板９及び接着層１１の除去に適したものであれば特に制限はなく、研削、研磨などの物理的な方法や、ウェットエッチングやドライエッチングなどの化学的な方法を適宜組み合わせれば良い。
【００９３】
以上の工程を経て、多結晶ダイヤモンド基板３が完成し、また、多結晶ダイヤモンド基板３および半導体層７を備える半導体装置５０が完成する（図１０）。
【００９４】
本実施の形態の半導体装置の製造方法によっても、第２基板を形成した後には、第１多結晶ダイヤモンド層１が第１多結晶ダイヤモンド層１の応力で反ろうとする効果は第２多結晶ダイヤモンド層２が第２多結晶ダイヤモンド層２の応力で反ろうとする効果で相殺されるため、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７との接合部の密着性が良くなり、多結晶ダイヤモンド基板３と半導体層７の接合強度が強くなる。そのため、多結晶ダイヤモンド基板３をヒートスプレッダとして利用することが可能となる。
【００９５】
また、接合プロセスにより半導体層７に反りが導入され半導体層７の特性が悪化する場合があった。本実施の形態の半導体装置の製造方法によると、接合で半導体層７に導入される反りについても第２多結晶ダイヤモンド層２の形成により低減して、反りの抑制された半導体装置５０を得ることができ、半導体層７の特性の悪化を抑制できる。この場合、第１多結晶ダイヤモンド層１と半導体層７の接合後の反りを評価しておき、第２多結晶ダイヤモンド層２でその反りを相殺できるように、第２多結晶ダイヤモンド層２の合成時間を調整すればよい。また、第１多結晶ダイヤモンド層１と半導体層７の接合前後の反りをそれぞれ評価し、第２多結晶ダイヤモンド層２の合成時間を調整しても良い。
【００９６】
また、第１多結晶ダイヤモンド層１を介してＣＶＤ法により第２多結晶ダイヤモンド層２を形成するため、第２多結晶ダイヤモンド層２の形成時にも半導体層７がプラズマに曝されることがない。そのため、半導体層７へのダメージを抑制しながら、ヒートスプレッダとしての多結晶ダイヤモンド基板３を形成できる。
【００９７】
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１  第１多結晶ダイヤモンド層、２，２ｂ  第２多結晶ダイヤモンド層、３，３ｂ  多結晶ダイヤモンド基板、４  ダイヤモンド結晶粒、５  下地基板、７  半導体層、７ａ  バリア層、７ｂ  チャネル層、７ｃ  バッファー層、８  電極、９  支持基板、１０  第１主面、１１  接着層、２０  第２主面、３０  中間面、５０  半導体装置、７０  半導体素子。
【要約】
反りを抑制するためのコストを低くできる多結晶ダイヤモンド基板を提供する。そのために、多結晶ダイヤモンド基板は、第１主面および第２主面を有する多結晶ダイヤモンド基板であって、第１主面および第２主面の平均粒径と比べ平均粒径が小さい面が、第１主面と第２主面との間にある。【図１】
0006935037.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0006935037.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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