JP5928481B2 - 複合基板 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性の高い窒化珪素のような無機絶縁性焼結体の表面にシリコン薄膜等の単結晶半導体膜を形成した半導体デバイス製造用の複合基板に関するものである。

近年、シリコン系半導体デバイスでは、デザインルールの微細化に伴い、益々その性能が向上している。そのため個々のトランジスタや、トランジスタ間を接続する金属配線からの放熱が問題となっている。この問題に対応するために、デバイスの作製後にシリコンの裏面を百〜数百μｍ程度まで薄化し、巨大なファンをチップ上に取り付け、放熱を促すものや、水冷チューブをめぐらせたものも出現している。

しかし、実際にシリコンを薄化しても、デバイスが作られる領域は表面から数μｍ程度であり、これ以外の領域は熱溜まりとして作用するので、放熱という観点からは効率が悪くなっている。また近年、高性能プロセッサーなどに用いられるＳＯＩウェハなどは、デバイス活性層の直下にＳｉＯ₂からなる絶縁層を介した構造を有しているが、ＳｉＯ₂の熱伝導率は１．３８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、放熱という観点から極めて問題があった。更に、シリコン基板は誘電特性の関係から高周波領域での損失が大きく、その使用には限界があった。

熱伝導性がよく、かつ高周波領域での損失が小さいことより、サファイア基板を使用したシリコン・オン・サファイアが注目されているが、以下の問題がある。即ち、サファイア基板は可視光領域で透明であることより、デバイス製造プロセス中で基板の有無確認やウェハの位置決めに使用する光センサーに反応しない問題がある。またサファイア基板はコストが高いという問題がある。

可視光に不透明で熱伝導性がよく、かつ安価な基板として、窒化珪素や窒化アルミニウムなどのセラミックス焼結体を挙げることができる。しかし、これらは窒化珪素や窒化アルミニウムの粉体を焼結助剤で固めたものであるため、粉体中に含まれるＦｅやＡｌなどの金属不純物、あるいはアルミナなど焼結助剤そのものがデバイス製造プロセス中の汚染原因となり、その使用が困難であるという問題があった。

なお、特許文献１（特開平４−８２２５６号公報）には、絶縁及び汚染防止の目的でＣＶＤ法で形成されたＳｉＯ₂膜が積層された基板などが開示されているが、体積抵抗率という観点は検討されていない。

特開平４−８２２５６号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、可視光に不透明で熱伝導性がよく、更に高周波領域での損失が小さく、かつ安価な無機絶縁性焼結体基板上に単結晶半導体の薄膜を設けた複合基板であって、焼結体からの金属不純物汚染を抑制した複合基板の提供を目的としている。

本発明者らは、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍ以上の無機絶縁性焼結体基板と単結晶半導体膜、又は前記無機絶縁性焼結体基板と単結晶半導体膜とこれらの間に酸化物、窒化物、酸窒化物から選ばれた薄層を介在させた複合基板を用いることにより、上記目的が効果的に達成されることを知見した。

即ち、本発明は、下記の複合基板を提供する。
〔１〕
窒化珪素からなり熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍ以上の無機絶縁性焼結体基板と、単結晶シリコン膜と、前記無機絶縁性焼結体基板と前記単結晶シリコン膜の間に単独で介在し、該無機絶縁性焼結体基板の全体を覆っている窒化珪素からなる化学気相成長膜とを備え、該窒化珪素からなる化学気相成長膜は、当該複合基板を用いた半導体デバイス製造プロセスにおいて前記無機絶縁性焼結体基板中に含まれるＡｌ及び／又はＦｅの溶出又は拡散を防止する薄膜であることを特徴とする複合基板。
〔２〕
前記窒化珪素からなる化学気相成長膜中におけるＡｌの濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、Ｆｅの濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることを特徴とする〔１〕記載の複合基板。
〔３〕
前記複合基板の少なくとも裏面に多結晶又はアモルファスのシリコン層が設けられていることを特徴とする〔１〕又は〔２〕記載の複合基板。

本発明によれば、可視光に不透明で熱伝導性がよく、更に高周波領域での損失が小さく、安価な無機絶縁性焼結体を用いて、金属不純物汚染が抑制された安価な複合基板を提供できる。

本発明の実施形態を示す複合基板の構成図である。

本発明において、基板として使用する無機絶縁性焼結体としては、その熱伝導率はＳｉＯ₂の熱伝導率１．５Ｗ／ｍ・Ｋより高いことが好ましく、より好ましくは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、更に好ましくは１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。その上限は特に制限されないが、通常２，５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に２，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

また、誘電特性による電力ロスを抑えるため、基板の体積抵抗率ができるだけ高いことが望まれ、１×１０⁸Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１×１０¹⁰Ω・ｃｍ以上である。その上限は特に制限されないが、通常１×１０¹⁸Ω・ｃｍ以下、特に１×１０¹⁶Ω・ｃｍ以下である。これらの条件を満たす無機絶縁性焼結体としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン（ＳＩＡＬＯＮ：Ｓｉ₃Ｎ₄・Ａｌ₂Ｏ₃）などの焼結体を挙げることができる。
その中でも、デバイス製造プロセス中に使用される薬液耐性が高いこと、また基板コストが安いことより、窒化珪素が最も好ましい。

なお、上記基板の厚さは１００〜２，０００μｍ、特に２００〜１，０００μｍとすることが好ましい。

上記焼結体にはＦｅ、Ａｌなどの金属元素、特にＡｌが多く含まれる場合があり、それらがデバイス製造プロセスにおいて溶出あるいは拡散などによって悪影響を及ぼすおそれがある。
この場合、基板中の不純物濃度をＩＣＰ−ＭＳ法で評価した場合、Ｆｅが１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、Ａｌが１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合は、基板表面に直接単結晶半導体膜を形成することができるが、Ｆｅが上記濃度を超え１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、Ａｌが上記濃度を超え１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合は、これらの不純物の溶出を防止するため、基板全体を酸化物、窒化物あるいは酸窒化物の薄膜で覆うことが好ましい。もちろん、Ｆｅが１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、Ａｌが１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合も、上記薄膜を形成することは推奨される。上記薄膜を介して、素子を形成する単結晶半導体膜、具体的には単結晶シリコン膜を設けることにより、所望の複合基板を得ることができる。なお、上記薄膜は基板全体を覆って形成することが好ましい。

上記酸化物、窒化物あるいは酸窒化物の薄膜は、基板中の金属不純物の溶出あるいは拡散防止が目的であり、これらの膜は高純度である必要がある。それを実現するため、これらの膜を設ける手段として、スパッタリング、電子ビーム蒸着又は化学気相成長法を用いることが好ましい。こうした手段を用いることにより、膜中のＡｌやＦｅの濃度を焼結体中の濃度以下、典型的には１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、好ましくは１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、より好ましくは１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下にすることができ、基板からの金属不純物汚染を抑えることができる。上記薄膜の体積抵抗率は１×１０⁸〜１×１０¹⁸Ω・ｃｍ、特に１×１０¹⁰〜１×１０¹⁶Ω・ｃｍであることが好ましく、熱伝導率は２〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ、特に５〜５０Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。膜種としては、上記手段によって高純度で形成されるＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_y（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜１．３）などの絶縁膜を挙げることができるが、基板の高い熱伝導率を維持することを考慮すると、特に窒化珪素であることが好ましい。

なお上記薄膜の厚さは０．０１〜５０μｍ、特に０．１〜２０μｍとすることが好ましい。
また、上記基板表面に直接又は上記薄膜を介して形成される単結晶半導体膜としては、単結晶シリコン膜とすることができ、通常０．０１〜１００μｍ、特に０．０５〜１μｍの厚さに形成することが好ましい。この場合、単結晶半導体の形成方法としては、スマートカット法のような水素や希ガスイオンをインプラした基板を貼り合わせたのち、インプラした層から剥離して転写する方法、ＳｉやＳＯＩなどの半導体層を接合したのち、機械的及び／又は化学的手段で薄化する方法などが挙げられる。

また、デバイス製造プロセスにおいては、一般的に基板を静電チャックで保持するが、窒化珪素自体は絶縁体であるため静電チャックで保持することが難しい。そのため基板の裏面側は導電性又は半導電性の状態にすることが必要である。これは静電チャックの保持が可能であり、デバイス製造ラインの汚染の懸念のない、シリコン膜が好ましく、その形態は単結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜、あるいはアモルファスシリコン膜のいずれでも可能である。なお、その厚さは０．０１〜１００μｍ、特に０．０５〜１０μｍであることが好ましい。

本発明の複合基板は、主として発熱の大きいパワーデバイスや高周波を用いるＲＦデバイスなどに用いられる。

以下、実施例、比較例及び参考例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１］
本発明の実施形態を図１に示す。焼結体基板として外径２００ｍｍ、厚さ７２５μｍのＳｉ₃Ｎ₄焼結体１１を作製した。この基板の体積抵抗率を４探針法で測定したところ、１×１０¹⁴Ω・ｃｍであった。また熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定したところ、１５Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、この基板と同じ体積抵抗率及び熱伝導率である基板Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体基板を作製した。この基板をＨＦ水溶液に溶解し、ＩＣＰ−ＭＳ法で金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。
この基板全面に窒化珪素膜１２をＬＰ−ＣＶＤ法で１μｍ形成した。形成した窒化珪素膜の体積抵抗率及び熱伝導率を評価したところ、１×１０¹⁴Ω・ｃｍ、１３Ｗ／ｍ・Ｋであり、焼結体とほぼ同じ物性であった。また、膜中に含まれる金属不純物濃度は、膜をＨＦ水溶液に溶解し、ＩＣＰ−ＭＳ法で分析することにより行った。その結果、膜中の金属不純物はＦｅが最も多く、１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。次に多い金属不純物はＡｌであり、その濃度は１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。その他の金属不純物は検出限界以下であり、デバイス製造プロセスで問題の無い濃度であった。
その基板の一方の面に厚さ０．３μｍの単結晶シリコン薄膜１３を貼り合わせることによって、熱伝導率が高く安価な焼結体基板を用いて、金属汚染の懸念が少ない複合基板を作製することができた。
上記で作製した基板の裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて厚さ１μｍのアモルファスシリコン薄膜１４を成膜した。アモルファスシリコン表面の金属不純物濃度を、ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したが、検出限界以下であり、裏面への金属汚染は見られなかった。

［参考例１］
焼結体基板として、実施例１と同様のＳｉ₃Ｎ₄焼結体を準備した。
この基板全面にＳｉＯ₂膜をＬＰ−ＣＶＤ法で１μｍ形成した。形成したＳｉＯ₂膜の体積抵抗率及び熱伝導率を評価したところ、１×１０¹⁴Ω・ｃｍ、１．５Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、膜中に含まれる金属不純物濃度は、実施例１と同様な手順で評価したところ、Ｆｅ及びＡｌ共に１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。その他の金属不純物は検出限界以下であり、デバイス製造には問題の無い濃度であった。
実施例１と同様に、基板の片面に厚さ０．３μｍの単結晶シリコン薄膜を貼り合わせることによって、熱伝導率が高い絶縁性基板を用い、金属汚染の懸念の無い複合基板を作製することができた。
上記で作製した基板の裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて厚さ１μｍのポリシリコン薄膜を成膜した。ポリシリコン表面の金属不純物濃度を、ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したが、検出限界以下であり、裏面への金属汚染は見られなかった。

［参考例２］
焼結体基板として、外径２００ｍｍ、厚さ７２５μｍのＡｌＮ焼結体を作製した。この基板の体積抵抗率を４端針法で測定したところ、１×１０¹³Ω・ｃｍであった。またレーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ・Ｋであった。実施例１と同様に、基板中の金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。
この基板全面に、実施例１と同様に、窒化珪素薄膜をＬＰ−ＣＶＤ法で１μｍ形成した。形成した膜の体積抵抗率、熱伝導率及び金属不純物濃度は実施例１と同等であった。
実施例１と同様に、基板の片面に厚さ０．３μｍの単結晶シリコン薄膜を貼り合わせることによって、熱伝導率が高い絶縁性基板を用い、金属汚染の懸念の無い複合基板を作製することができた。
上記で作製した基板の裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて厚さ１μｍのアモルファスシリコン薄膜を成膜した。アモルファスシリコン表面の金属不純物濃度を、ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したが、検出限界以下であり、裏面への金属汚染は見られなかった。

［参考例３］
焼結体基板として、外径２００ｍｍ、厚さ７２５μｍのＳＩＡＬＯＮ（Ｓｉ₃Ｎ₄・Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体を作製した。この基板の体積抵抗率を４端針法で測定したところ、１×１０¹⁴Ω・ｃｍであった。またレーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率は４５Ｗ／ｍ・Ｋであった。実施例１と同様に、基板中の金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。
この基板全面に、実施例１と同様に、窒化珪素薄膜をＬＰ−ＣＶＤ法で２μｍ形成した。形成した膜の体積抵抗率、熱伝導率及び金属不純物濃度は実施例１と同等であった。
実施例１と同様に、基板の片面に厚さ０．３μｍの単結晶シリコン薄膜を貼り合わせることによって、熱伝導率が高い絶縁性基板を用い、金属汚染の懸念の無い複合基板を作製することができた。
上記で作製した基板の裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて厚さ１μｍのアモルファスシリコン薄膜を成膜した。アモルファスシリコン表面の金属不純物濃度を、ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したが、検出限界以下であり、裏面への金属汚染は見られなかった。

［比較例１］
実施例１と同じ体積抵抗率及び熱伝導率である基板Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体基板を作製した。この基板をＨＦ水溶液に溶解し、ＩＣＰ−ＭＳ法で金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、実施例１の窒化珪素膜中の濃度に比べ著しく高かった。体積抵抗率や熱伝導率は問題ないが、デバイス製造プロセスで用いるには製造ラインの汚染が問題になる濃度レベルであり、そのままの形態では使用できなかった。

［比較例２］
参考例２と同じ体積抵抗率及び熱伝導率である基板ＡｌＮ焼結体基板を作製した。この基板をＨＦ水溶液に溶解し、ＩＣＰ−ＭＳ法で金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、参考例２の窒化珪素膜中の濃度に比べ著しく高かった。体積抵抗率や熱伝導率は問題ないが、デバイス製造プロセスで用いるには製造ラインの汚染が問題になる濃度レベルであり、そのままの形態では使用できなかった。

［比較例３］
参考例３と同じ体積抵抗率及び熱伝導率である基板ＳＩＡＬＯＮ焼結体基板を作製した。この基板をＨＦ水溶液に溶解し、ＩＣＰ−ＭＳ法で金属不純物濃度を評価したところ、Ｆｅが２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、Ａｌが１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、参考例３の窒化珪素膜中の濃度に比べ著しく高かった。体積抵抗率や熱伝導率は問題ないが、デバイス製造プロセスで用いるには製造ラインの汚染が問題になる濃度レベルであり、そのままの形態では使用できなかった。

実施例１、比較例１〜３、参考例１〜３で作製したウェハについて静電チャックで保持できるかを確認するため、３００ｍｍφサイズの電極を設けた基板に複合基板を搭載し、±３００Ｖの電圧をかけたときの吸着力を、電圧印加の状態で基板を引っ張り、テーブルから基板が外れた時の力をロードセルによって測定し、それを吸着力として評価した。その結果を表１に示す。
表１には、実施例１、比較例１〜３、参考例１〜３で作製した複合基板の吸着力測定値と、同サイズのシリコンウェハについて測定した値を示す。その結果、アモルファスシリコン又はポリシリコンを成膜していない比較例１〜３に示す複合基板は、ほとんど静電チャックされないのに対し、実施例１、参考例１〜３のアモルファスシリコン又はポリシリコンを成膜した複合基板では、シリコンウェハと同程度の吸着力であった。

Claims (3)

1. 窒化珪素からなり熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍ以上の無機絶縁性焼結体基板と、単結晶シリコン膜と、前記無機絶縁性焼結体基板と前記単結晶シリコン膜の間に単独で介在し、該無機絶縁性焼結体基板の全体を覆っている窒化珪素からなる化学気相成長膜とを備え、該窒化珪素からなる化学気相成長膜は、当該複合基板を用いた半導体デバイス製造プロセスにおいて前記無機絶縁性焼結体基板中に含まれるＡｌ及び／又はＦｅの溶出又は拡散を防止する薄膜であることを特徴とする複合基板。
2. 前記窒化珪素からなる化学気相成長膜中におけるＡｌの濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、Ｆｅの濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
3. 前記複合基板の少なくとも裏面に多結晶又はアモルファスのシリコン層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の複合基板。

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