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JP2017112335A - Semiconductor element manufacturing method - Google Patents

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JP2017112335A
JP2017112335A JP2015247911A JP2015247911A JP2017112335A JP 2017112335 A JP2017112335 A JP 2017112335A JP 2015247911 A JP2015247911 A JP 2015247911A JP 2015247911 A JP2015247911 A JP 2015247911A JP 2017112335 A JP2017112335 A JP 2017112335A
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semiconductor
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光治 加藤
Mitsuharu Kato
光治 加藤
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Sintex Co Ltd
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Sintex Co Ltd
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Abstract

【課題】厚さの薄い半導体基板を用いて高耐圧の半導体素子を製造する方法を提供する。【解決手段】本半導体素子の製造方法は、少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板1と第1基板1の反りを抑制するための第2基板2とを接合する接合工程(a)と、接合された第1基板1の表面を加工する第1工程(b)と、接合された第1基板1と第2基板2とを分離する分離工程(c)と、分離された第1基板1を加工する第2工程(d)と、から一つのユニット工程が構成されており、ユニット工程を複数回行うことにより第1基板1に半導体素子を形成することを特徴とする。【選択図】図3[Problem] To provide a method for manufacturing a high-voltage semiconductor element using a thin semiconductor substrate. [Solution] This method for manufacturing a semiconductor element is characterized in that one unit process is composed of a bonding step (a) for bonding a first substrate 1, at least the surface layer of which is made of a single crystal of a first semiconductor material, to a second substrate 2 for suppressing warping of the first substrate 1, a first step (b) for processing the surface of the bonded first substrate 1, a separation step (c) for separating the bonded first substrate 1 and second substrate 2, and a second step (d) for processing the separated first substrate 1, and the unit process is performed multiple times to form a semiconductor element on the first substrate 1. [Selected Figure] Figure 3

Description

本発明は、半導体素子の製造方法に関する。詳しくは、厚さの薄い半導体基板を用いて高耐圧半導体素子を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element. Specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a high voltage semiconductor element using a thin semiconductor substrate.

高電圧用途の半導体素子の基板として、バンドギャップ幅が大きい炭化ケイ素(以下、「SiC」ともいう。)半導体基板が着目されている。図11は、SiCからなる一般的な縦型構造のMOSFET(200)の断面構造を示している。支持基板210上に能動層220がエピタキシャル成長により形成されており、その能動層220の領域にソース201、ドレイン202及びゲート203が形成されている。ソース201、ドレイン202間の電流の導通と遮断はゲート203により制御される。導通時のドレイン電流iは、ドレイン202と支持基板210の底面に形成されているドレイン電極204との間で流れる。
支持基板210は、電流が縦方向(図の上下方向)に流れる領域であり、20mΩ・cm以下の低い抵抗率とされる。一方、能動層220は、高電圧の耐圧が必要であるため、支持基板210と比べて2〜3桁高い抵抗率とされている。SiCを用いる半導体素子はバンドギャップ幅が大きいため、能動層220の厚さを5〜10μm程度と薄くできることが特徴である。能動層220は、支持基板210の上にエピタキシャル成長によって形成されるため、その結晶性は下地となる支持基板210に依存する。このため、支持基板210のSiCの結晶品質が重要となる。支持基板210の厚さは、単結晶基板の取り扱い時の割れ防止等のため、6インチサイズの基板の場合、300μm程度が必要とされる。そして、基板の表面側に素子形成後、裏面を研削して厚さは100μm以下まで薄くされる。
A silicon carbide (hereinafter also referred to as “SiC”) semiconductor substrate having a large band gap is attracting attention as a substrate for a semiconductor element for high voltage applications. FIG. 11 shows a cross-sectional structure of a general vertical structure MOSFET (200) made of SiC. An active layer 220 is formed on the support substrate 210 by epitaxial growth, and a source 201, a drain 202, and a gate 203 are formed in the region of the active layer 220. The gate 203 controls the conduction and interruption of the current between the source 201 and the drain 202. The drain current i during conduction flows between the drain 202 and the drain electrode 204 formed on the bottom surface of the support substrate 210.
The support substrate 210 is a region where current flows in the vertical direction (vertical direction in the figure), and has a low resistivity of 20 mΩ · cm or less. On the other hand, the active layer 220 requires a high voltage withstand voltage, and therefore has a resistivity that is two to three orders of magnitude higher than that of the support substrate 210. Since the semiconductor element using SiC has a large band gap width, the thickness of the active layer 220 can be reduced to about 5 to 10 μm. Since the active layer 220 is formed on the support substrate 210 by epitaxial growth, the crystallinity of the active layer 220 depends on the support substrate 210 as a base. For this reason, the SiC crystal quality of the support substrate 210 is important. The thickness of the support substrate 210 is required to be about 300 μm in the case of a 6-inch substrate in order to prevent cracking when handling the single crystal substrate. Then, after the element is formed on the front surface side of the substrate, the back surface is ground to reduce the thickness to 100 μm or less.

SiCは格子定数の異なる炭素とシリコンとからなる化合物であるので、素子基板には結晶欠陥が多く発生する。特にパワー素子用途では結晶欠陥は致命的となるため、結晶欠陥の低減に種々の工夫がなされているが、そのため素子基板のコストが高くなっている。このため、エピタキシャル成長される能動層220の下地である支持基板210の結晶欠陥の低減とコストの低減とを両立させることが課題となっている。また、図11に示したような縦型構造の場合には、電流を縦方向に流すために支持基板210は抵抗率を低くする必要があり、そのため高濃度の窒素が添加されてN型半導体とされている。その上で、素子形成後には、支持基板210を薄く加工することによって支持基板層の抵抗の更なる低減を図っている。
このように、半導体素子の基板として高価格な単結晶基板が使用され、その単結晶基板の厚さは、能動層のために厚くされるのではなく、素子形成工程における基板の取り扱いのために厚くされている。さらに、素子形成後には基板は薄く加工され、単結晶基板の多くの部分は、研削により除去されているのが現状である。
Since SiC is a compound composed of carbon and silicon having different lattice constants, many crystal defects are generated in the element substrate. In particular, since crystal defects are fatal in power device applications, various attempts have been made to reduce crystal defects, but the cost of the device substrate is therefore high. For this reason, it is an issue to achieve both reduction of crystal defects and cost reduction of the support substrate 210 which is the base of the active layer 220 to be epitaxially grown. Further, in the case of the vertical structure as shown in FIG. 11, the support substrate 210 needs to have a low resistivity in order to pass a current in the vertical direction. Therefore, a high concentration of nitrogen is added to the N-type semiconductor. It is said that. In addition, after the element is formed, the resistance of the support substrate layer is further reduced by thinly processing the support substrate 210.
Thus, an expensive single crystal substrate is used as a substrate for a semiconductor element, and the thickness of the single crystal substrate is not increased for the active layer, but is increased for handling the substrate in the element formation process. Has been. Further, after the element is formed, the substrate is processed thinly, and a large part of the single crystal substrate is currently removed by grinding.

また、SiCからなる半導体素子の基板としては、表層の能動層だけが単結晶であればよい。支持基板層は結晶性を問わず、単結晶でも多結晶でも非晶質でもよい。従来、単結晶の能動層と単結晶ではない支持基板層とを接合する基板製造方法がある。例えば、非晶質シリコンを多結晶SiC支持体上に蒸着し、その多結晶SiC支持体と単結晶SiC基板とを接合し、直接ボンディングにより一体化する基板製造方法がある(特許文献1を参照)。また、表面活性化手法により基板の貼り合せを行う例も開示されている(非特許文献1、2を参照)。   Moreover, as a substrate of a semiconductor element made of SiC, only the surface active layer may be a single crystal. The supporting substrate layer may be monocrystalline, polycrystalline, or amorphous regardless of crystallinity. Conventionally, there is a substrate manufacturing method in which a single crystal active layer and a non-single crystal support substrate layer are bonded. For example, there is a substrate manufacturing method in which amorphous silicon is deposited on a polycrystalline SiC support, the polycrystalline SiC support and a single crystal SiC substrate are joined, and integrated by direct bonding (see Patent Document 1). ). An example in which substrates are bonded by a surface activation method is also disclosed (see Non-Patent Documents 1 and 2).

特表2004−503942号Special table 2004-503942 特開2002−280531号Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-280531

S.Essig 他、Fast atom beam-activated n-Si/n-GaAs wafer bonding with high interfacial transparency and electrical conductivity、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 113、203512 (2013)S. Essig et al., Fast atom beam-activated n-Si / n-GaAs wafer bonding with high interfacial transparency and electrical conductivity, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 113, 203512 (2013) J.Suda 他、Characterization of 4H-SiC Homoepitaxial Layers Grown on 100-mm-Diameter 4H-SiC/Poly-SiC Bonded Substrates、ICSCRM 2013 by Suda Kyoto University、Author corrected paper:Th-P-62J.Suda et al., Characterization of 4H-SiC Homoepitaxial Layers Grown on 100-mm-Diameter 4H-SiC / Poly-SiC Bonded Substrates, ICSCRM 2013 by Suda Kyoto University, Author corrected paper: Th-P-62

前記のとおり、従来、高電圧用途の半導体素子の基板は、一定の厚さの支持基板(支持層)上に、単結晶からなる薄膜層が能動層として形成されている。能動層はエピタキシャル成長させることにより製造されている。この支持基板は単結晶でもよいし多結晶でもよいので、薄い単結晶層と安価な多結晶半導体基板とを接合技術により貼り合せする手法も提案されてきた。特許文献1、2、非特許文献1等に記載されているいずれの方法も、支持基板を安価にするための手法である。しかし、更なる課題は、支持基板が薄くても表層の能動層に素子を形成可能とすることによって、半導体基板の格段のコストダウンを可能にすることである。   As described above, conventionally, in a substrate of a semiconductor device for high voltage use, a thin film layer made of a single crystal is formed as an active layer on a support substrate (support layer) having a certain thickness. The active layer is manufactured by epitaxial growth. Since this support substrate may be a single crystal or a polycrystal, a method of bonding a thin single crystal layer and an inexpensive polycrystalline semiconductor substrate by a bonding technique has been proposed. Any of the methods described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 are methods for reducing the cost of the support substrate. However, a further problem is that it is possible to significantly reduce the cost of the semiconductor substrate by making it possible to form elements in the active layer on the surface layer even if the supporting substrate is thin.

また、従来、加工時の取り扱いのため厚い単結晶SiC基板を用いて、最終的には良好な素子特性を得るために支持層の厚さを薄くしている。しかし、これでは高価な単結晶基板がフルに利用されないという問題がある。素子形成後に支持層を研削して薄くしていることを考慮すれば、素子基板としてそもそも薄い基板を使用可能とすることによって、高価な単結晶基板の廃棄部分を無くすことが可能となる。例えば、SiC素子用基板の場合には、バンドギャップ幅が大きい材料であるため、高電圧素子とするにも、基板の厚さは表層のエピタキシャル層の部分の厚さだけで十分であることに注目すべきである。しかし、薄い基板は曲がり易く、反りも大きくなるという問題がある。従来、このような曲がり易い薄い基板を使用したり、反りの大きな基板を使用したりして、素子を実用化した事例は報告されていない。   Conventionally, a thick single crystal SiC substrate is used for handling during processing, and the thickness of the support layer is reduced in order to finally obtain good device characteristics. However, this has a problem that an expensive single crystal substrate is not fully utilized. Considering that the support layer is thinned by grinding after element formation, it is possible to eliminate the waste part of the expensive single crystal substrate by making it possible to use a thin substrate as an element substrate. For example, in the case of a substrate for an SiC element, since the material has a large band gap width, the thickness of the substrate is sufficient for the thickness of the epitaxial layer portion of the surface layer even for a high voltage element. It should be noted. However, there is a problem that a thin substrate is easy to bend and warpage increases. Conventionally, there have been no reports of practical use of elements by using such a thin substrate that is easily bent or a substrate having a large warp.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、厚さの薄い半導体基板を用いて高耐圧な半導体素子を製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a high withstand voltage using a thin semiconductor substrate.

本発明は、以下の通りである。
1.少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板と前記第1基板の反りを抑制するための第2基板とを接合する接合工程と、前記接合された前記第1基板の表面を加工する第1工程と、前記接合された前記第1基板と前記第2基板とを分離する分離工程と、前記分離された前記第1基板を加工する第2工程と、から一つのユニット工程が構成されており、前記ユニット工程を複数回行うことにより前記第1基板に半導体素子を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
2.第1の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の所定の領域に半導体不純物材料をイオン注入し、前記第2工程では前記第1基板を第1の温度にて熱処理し、第2の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に絶縁膜の所定のパターンを形成し、前記第2工程では前記第1基板を前記第1の温度以下の第2の温度にて熱処理し、第3の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により所定のパターンを形成する、前記1.記載の半導体素子の製造方法。
3.前記第3のユニット工程は、前記第1工程において前記第1基板の表面に金属により電極を形成し、前記第2工程において前記電極部のアニール処理を行い、第4の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、前記2.記載の半導体素子の製造方法。
4.前記第3のユニット工程は、前記第1工程において前記第1基板の表面に金属により電極を形成すると共に前記電極部のシリサイド化処理を行い、前記第2工程において前記電極部のアニール処理を行い、第4の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、前記2.記載の半導体素子の製造方法。
5.第1の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の所定の領域に半導体不純物材料をイオン注入し、前記第2工程では前記第1基板を第1の温度にて熱処理し、第2の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に絶縁膜の所定のパターンを形成した後に金属により電極を形成し、前記第2工程では前記第1基板を前記第1の温度以下の第2の温度にて熱処理し、第4の前記ユニット工程において、前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、前記1.記載の半導体素子の製造方法。
6.各前記ユニット工程の後に、第5の前記ユニット工程において、前記接合工程では第1基板の素子配線が形成されている上面と前記第2基板とを接合し、前記第1工程では前記第1基板の前記上面とは反対側の底面に第1の金属からなる電極薄膜を形成し、前記第2工程では前記電極薄膜部のシリサイド化処理を行う、前記3.乃至5.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
7.更に、第6の前記ユニット工程において、前記接合工程では第1基板の素子配線が形成されている上面と前記第2基板とを接合し、前記第1工程では前記第1基板の前記上面とは反対側の底面に第2の金属からなる電極厚膜を形成し、前記第2工程では前記電極厚膜のアニール処理を行う、前記6.記載の半導体素子の製造方法。
8.前記第1の半導体材料は、SiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである前記1.乃至7.のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
The present invention is as follows.
1. A bonding step of bonding a first substrate having at least a surface layer made of a single crystal of a first semiconductor material and a second substrate for suppressing warpage of the first substrate; and a surface of the bonded first substrate One unit process from a first process for processing the first substrate, a separation process for separating the bonded first substrate and the second substrate, and a second process for processing the separated first substrate. Is formed, and the semiconductor element is formed on the first substrate by performing the unit process a plurality of times.
2. In the first unit process, in the first process, a semiconductor impurity material is ion-implanted into a predetermined region of the first substrate, and in the second process, the first substrate is heat-treated at a first temperature, In the second unit process, in the first process, a predetermined pattern of an insulating film is formed on the surface of the first substrate, and in the second process, the first substrate is moved to a second temperature lower than the first temperature. In the third unit process, a predetermined pattern is formed on the surface of the first substrate with a metal in the third unit process. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
3. In the third unit step, an electrode is formed from a metal on the surface of the first substrate in the first step, the electrode portion is annealed in the second step, and in the fourth unit step, the electrode is annealed. In the first step, element wiring is formed of metal on the surface of the first substrate. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
4). In the third unit step, an electrode is formed on the surface of the first substrate with a metal in the first step, and silicidation processing of the electrode portion is performed. In the second step, annealing treatment of the electrode portion is performed. In the fourth unit process, in the first process, element wiring is formed of metal on the surface of the first substrate. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
5). In the first unit process, in the first process, a semiconductor impurity material is ion-implanted into a predetermined region of the first substrate, and in the second process, the first substrate is heat-treated at a first temperature, In the unit process of 2, in the first process, an electrode is formed with a metal after a predetermined pattern of an insulating film is formed on the surface of the first substrate, and in the second process, the first substrate is replaced with the first substrate. Heat treatment at a second temperature equal to or lower than the temperature, and in the fourth unit process, in the first process, an element wiring is formed on the surface of the first substrate with a metal. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
6). After each of the unit processes, in the fifth unit process, the upper surface on which the element wiring of the first substrate is formed and the second substrate are bonded in the bonding process, and the first substrate is bonded in the first process. An electrode thin film made of a first metal is formed on the bottom surface opposite to the upper surface of the substrate, and the electrode thin film portion is silicided in the second step. To 5. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.
7). Further, in the sixth unit process, the upper surface on which the element wiring of the first substrate is formed and the second substrate are bonded in the bonding process, and the upper surface of the first substrate is bonded in the first process. 5. An electrode thick film made of a second metal is formed on the bottom surface on the opposite side, and the electrode thick film is annealed in the second step. The manufacturing method of the semiconductor element of description.
8). The first semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide. To 7. The manufacturing method of the semiconductor element in any one of.

本発明の半導体素子の製造方法によれば、少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板の厚さが薄くて反りや曲がりが生じても、接合工程において第2基板と接合されることによって反りや曲がりが抑制され、平坦化される。それによって、第1工程では、汎用のフォトリソグラフィ装置等を用いて、第1基板の表面加工を行うことができる。すなわち、第2基板と第1基板とが接合された接合基板は、反りや曲がりのない半導体基板と同様の半導体製造プロセスによって加工することができる。
特に、高電力用途に向いたSiC等の半導体は不純物拡散係数が小さいため、N型不純物、P型不純物共に熱拡散によるドーピングが困難である。また、Si半導体の製造プロセスのような熱拡散によるセルフアライメント処理が不可能である。そのため、N型不純物、P型不純物の添加位置を決めるにはステッパのように高精度の露光機が必要とされ、半導体基板の反りや曲がりは20μm程度以下に抑えることが求められる。本発明においては、接合基板により反りや曲がりを小さくすることができるため、第1基板の厚さは、それ自身の反りや曲がりの大きさに制約されず必要最小限でよい。これによって、高価な単結晶からなる又は単結晶層を含む第1基板を薄くして、高耐圧半導体素子のコストを低減することが可能になる。
According to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, even if at least the surface layer of the first substrate made of a single crystal of the first semiconductor material is thin and warps or bends, By being joined, warping and bending are suppressed and flattened. Thereby, in the first step, the surface processing of the first substrate can be performed using a general-purpose photolithography apparatus or the like. That is, the bonded substrate obtained by bonding the second substrate and the first substrate can be processed by a semiconductor manufacturing process similar to that of a semiconductor substrate having no warping or bending.
In particular, since semiconductors such as SiC suitable for high power applications have a small impurity diffusion coefficient, doping by thermal diffusion is difficult for both N-type impurities and P-type impurities. Further, self-alignment processing by thermal diffusion as in the Si semiconductor manufacturing process is impossible. Therefore, in order to determine the addition position of the N-type impurity and the P-type impurity, a high-precision exposure machine such as a stepper is required, and it is required to suppress the warp or bend of the semiconductor substrate to about 20 μm or less. In the present invention, since the warping and bending can be reduced by the bonded substrate, the thickness of the first substrate is not limited by the size of the warping or bending itself, and may be the minimum necessary. This makes it possible to reduce the cost of the high voltage semiconductor element by thinning the first substrate made of expensive single crystal or including the single crystal layer.

また、第1基板は、少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる基板であればよい。したがって、第1基板として、薄い単結晶基板を用いるだけでなく、単結晶の薄い層を多結晶基板や非晶質基板に搭載した基板も用いることが可能になる。これらの多結晶基板や非晶質基板を薄い基板とすることにより、低価格な支持基板とすることも可能である。例えば、高電力用途の半導体基板として、従来は厚さ350μm程度のSiC基板が用いられており、半導体素子を形成した後に研磨して100μm程度まで薄肉化し、その後基板裏面に電極加工をしている。本発明により、厚さ100μm程度の薄い第1基板に半導体素子を形成することが可能になるため、半導体基板の低価格化が可能になるのみならず、半導体素子形成後の薄肉化処理も不要となる。   Moreover, the 1st board | substrate should just be a board | substrate which the surface layer consists of a single crystal of the 1st semiconductor material. Therefore, not only a thin single crystal substrate but also a substrate in which a single crystal thin layer is mounted on a polycrystalline substrate or an amorphous substrate can be used as the first substrate. By using such a polycrystalline substrate or an amorphous substrate as a thin substrate, a low-cost support substrate can be obtained. For example, a SiC substrate having a thickness of about 350 μm is conventionally used as a semiconductor substrate for high power applications, and after forming a semiconductor element, it is polished to a thickness of about 100 μm, and then an electrode is processed on the back surface of the substrate. . According to the present invention, a semiconductor element can be formed on a thin first substrate having a thickness of about 100 μm, so that not only the cost of the semiconductor substrate can be reduced, but also a thinning process after the formation of the semiconductor element is unnecessary. It becomes.

第1基板と第2基板との接合及び分離は、公知の手法により容易に行うことができる。例えば、第2基板としてサファイア基板のように光を透過する基板を使用すれば、接合材料として紫外線硬化樹脂や紫外線剥離可能な接着剤を用いて、紫外線、熱等により容易に接合及び分離が可能であり、サファイア基板は繰り返し使用することが可能になる。   Bonding and separation of the first substrate and the second substrate can be easily performed by a known method. For example, if a substrate that transmits light, such as a sapphire substrate, is used as the second substrate, it can be easily bonded and separated by ultraviolet rays, heat, etc., using an ultraviolet curable resin or an ultraviolet peelable adhesive as the bonding material. Thus, the sapphire substrate can be used repeatedly.

第2工程は第1基板1と第2基板2とが分離された後に行われるため、第1基板1には反りや曲がりが生じ、基板の平坦さが要求されるフォトリソグラフィ等の加工を行うことは困難である。しかし、第2工程においては、接合材料に制約されない高温度での熱処理や薬液処理等を行うことができ、不純物の活性化処理、酸化膜や金属のアニール処理等が可能になる。   Since the second step is performed after the first substrate 1 and the second substrate 2 are separated, the first substrate 1 is warped or bent, and processing such as photolithography that requires flatness of the substrate is performed. It is difficult. However, in the second step, heat treatment or chemical treatment at a high temperature that is not restricted by the bonding material can be performed, and impurity activation treatment, oxide film or metal annealing treatment, and the like are possible.

以上のように、単結晶層を含む薄い第1基板と、第2基板との接合及び分離が簡素な工程で成立するため、接合状態と分離状態において、それぞれ第1基板に対して最適な加工を行うことができる。したがって、基板の接合及び分離という付加的な工程を行うにも関わらず、従来よりも大幅に低いコストで、薄い半導体基板を用いた高耐圧な半導体素子を製造することが可能になる。   As described above, since bonding and separation between the thin first substrate including the single crystal layer and the second substrate are established in a simple process, optimum processing is performed on the first substrate in the bonded state and the separated state, respectively. It can be performed. Therefore, despite the additional steps of bonding and separation of the substrates, it is possible to manufacture a high breakdown voltage semiconductor element using a thin semiconductor substrate at a significantly lower cost than before.

第1基板、第2基板の例を表す模式的な側面図及び上面図Schematic side view and top view showing examples of first substrate and second substrate 第1基板の構成例を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a configuration example of the first substrate 一つのユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic cross-sectional view for explaining one unit process 第1及び第2のユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining the first and second unit steps 第3のユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining the third unit process 第4のユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining the fourth unit process 第5のユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining the fifth unit process 第6のユニット工程を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining the sixth unit process 第5のユニット工程の変形例を説明するための模式的断面図Schematic sectional view for explaining a modification of the fifth unit process 第4のユニット工程の変形例を説明するための模式的断面図Typical sectional drawing for demonstrating the modification of a 4th unit process 縦型構造の半導体素子(MOSFET)を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a vertical semiconductor device (MOSFET)

本発明の半導体素子の製造方法は、複数の小工程から構成される1つのユニット工程を複数回行うことにより、少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板に半導体素子(図11参照)を形成することを特徴としている。前記複数の小工程は、第1基板と第1基板の反りを抑制するための第2基板とを接合する接合工程、接合された第1基板の表面を加工する第1工程、接合された第1基板と第2基板とを分離する分離工程、及び分離された第1基板を加工する第2工程から構成されている。
1つのユニット工程においては、接合工程、第1工程、分離工程、第2工程の順に行われる。各ユニット工程の目的により、第1工程及び第2工程において行う加工の内容は任意であり、いずれかの小工程(例えば、第2工程)を省く場合も含むものとする。
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a single unit process composed of a plurality of small processes is performed a plurality of times, so that a semiconductor element ( (See FIG. 11). The plurality of small steps include a bonding step of bonding the first substrate and the second substrate for suppressing warpage of the first substrate, a first step of processing a surface of the bonded first substrate, and a bonded first step. It comprises a separation step for separating the first substrate and the second substrate, and a second step for processing the separated first substrate.
In one unit process, the joining process, the first process, the separation process, and the second process are performed in this order. Depending on the purpose of each unit process, the content of the processing performed in the first process and the second process is arbitrary, and includes the case where any small process (for example, the second process) is omitted.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明する。図1は、第1基板1及び第2基板2の例を示す模式的な側面図及び上面図である。また、図2は、未加工状態の第1基板1の構成を説明するための断面図である。
第1基板1は、少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる基板であればよい。第1基板1として、第1の半導体材料からなる薄い単結晶基板を用いることができる。また、第1基板1として、第1の半導体材料からなる単結晶の薄い層を、多結晶基板や非晶質基板に搭載した基板を用いることができる。例えば、図2に示されるように、第1基板1は、結晶性を問わない支持層110上に、能動層となる単結晶の薄膜層120が形成されている。支持層110は単結晶からなる基板であってもよいし、多結晶や非晶質からなる基板であってもよい。支持層110とする多結晶基板や非晶質基板は、必要なだけの厚さの薄い基板とすることにより、低価格な支持基板として用いることができる。
前記第1の半導体材料は特に限定されず、例えば、SiC、GaN、酸化ガリウム等が挙げられる。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic side view and top view showing examples of the first substrate 1 and the second substrate 2. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the first substrate 1 in an unprocessed state.
The first substrate 1 may be a substrate whose surface layer is made of a single crystal of the first semiconductor material. As the first substrate 1, a thin single crystal substrate made of the first semiconductor material can be used. Further, as the first substrate 1, a substrate in which a single crystal thin layer made of the first semiconductor material is mounted on a polycrystalline substrate or an amorphous substrate can be used. For example, as shown in FIG. 2, in the first substrate 1, a single crystal thin film layer 120 serving as an active layer is formed on a support layer 110 regardless of crystallinity. The support layer 110 may be a single crystal substrate, or may be a polycrystalline or amorphous substrate. The polycrystalline substrate or the amorphous substrate used as the support layer 110 can be used as a low-cost support substrate by making the substrate as thin as necessary.
The first semiconductor material is not particularly limited, and examples thereof include SiC, GaN, and gallium oxide.

第1基板1は、好ましくは、図1に示されるような円板状又は円柱状の基板である。そのサイズは限定されず、例えば外径6インチ(約150mm)の基板を用いることができる。第1基板1において、表層の薄い単結晶層120は、少なくとも半導体素子の能動層とするために必要な厚さ(SiCの場合、5〜10μm程度)があればよい。第1基板1全体の厚さは限定されず、最終的な半導体素子に必要な厚さとすればよい(例えば、100μm程度)。このような薄い基板は、曲がり易く反りも大きくなるという問題がある。しかし、本発明の製造方法により、第1基板1の表面の加工は第2基板2と接合された状態で行うことができるため、第1基板1自身の曲がりや反りは問題とはならない。   The first substrate 1 is preferably a disk-shaped or columnar substrate as shown in FIG. The size is not limited, and for example, a substrate having an outer diameter of 6 inches (about 150 mm) can be used. In the first substrate 1, the single crystal layer 120 having a thin surface layer only needs to have a thickness (about 5 to 10 μm in the case of SiC) necessary for at least an active layer of a semiconductor element. The thickness of the entire first substrate 1 is not limited and may be a thickness necessary for the final semiconductor element (for example, about 100 μm). Such a thin substrate has a problem that it is easy to bend and warpage is increased. However, since the processing of the surface of the first substrate 1 can be performed in a state of being bonded to the second substrate 2 by the manufacturing method of the present invention, the bending and warping of the first substrate 1 itself does not cause a problem.

第2基板2は、第1基板1と接合することにより、薄い第1基板1の曲がりや反りを抑制するための基板である。第2基板2の材料は特に限定されない。第1基板1との接合及び分離が容易であること、繰り返して使用することが可能であることから、第2基板2として光を透過するサファイア基板等を用いることが好ましい。
第2基板2もまた、図1に示されるように円板状又は円柱状であることが好ましい。また、第1基板1との接合及び分離の際のハンドリングを容易とするために、第2基板2の外径は第1基板1の外径よりもやや大きくすることが好ましい。第2基板2は、第1基板1と接合された接合基板の状態で、汎用のフォトリソグラフィ装置を使用して第1基板1の表面加工ができる程度に、曲がりや反りを抑制可能であればよい(例えば、反りを20μm以下に抑制することができればよい。)。
The second substrate 2 is a substrate for suppressing bending and warping of the thin first substrate 1 by bonding to the first substrate 1. The material of the second substrate 2 is not particularly limited. It is preferable to use a sapphire substrate or the like that transmits light as the second substrate 2 because it can be easily joined to and separated from the first substrate 1 and can be used repeatedly.
The second substrate 2 is also preferably disk-shaped or cylindrical as shown in FIG. Further, it is preferable that the outer diameter of the second substrate 2 is slightly larger than the outer diameter of the first substrate 1 in order to facilitate handling during bonding and separation with the first substrate 1. If the second substrate 2 is in the state of a bonded substrate bonded to the first substrate 1, it can suppress bending and warping to the extent that the surface processing of the first substrate 1 can be performed using a general-purpose photolithography apparatus. Good (for example, it is sufficient if the warpage can be suppressed to 20 μm or less).

本半導体素子の製造方法は、前記複数の小工程(以下、単に「工程」という。)から構成される1つのユニット工程を複数回行うことにより、第1基板1に半導体素子を形成する。
図3は、1つのユニット工程を説明するための断面図である。本実施形態においては、第1基板1はSiCからなり、SiCの多結晶からなる支持層110上に薄膜の単結晶層120が形成されている場合を例として説明する(図2参照)。また、第2基板2として、サファイア基板を用いる場合を例として説明する。第1基板1及び第2基板2は共に円板状又は円柱状であり、第2基板2の外径は第1基板1よりやや大きくされている。例えば、第1基板1は外径6インチ(約150mm)で厚さ100μm程度、第2基板2は外径180mm程度で厚さ500μm程度とすることができる。
In the method for manufacturing a semiconductor element, a semiconductor element is formed on the first substrate 1 by performing one unit process including the plurality of small processes (hereinafter simply referred to as “process”) a plurality of times.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining one unit process. In the present embodiment, the case where the first substrate 1 is made of SiC and a thin single crystal layer 120 is formed on a support layer 110 made of SiC polycrystal will be described as an example (see FIG. 2). The case where a sapphire substrate is used as the second substrate 2 will be described as an example. The first substrate 1 and the second substrate 2 are both disk-shaped or cylindrical, and the outer diameter of the second substrate 2 is slightly larger than that of the first substrate 1. For example, the first substrate 1 can have an outer diameter of 6 inches (about 150 mm) and a thickness of about 100 μm, and the second substrate 2 can have an outer diameter of about 180 mm and a thickness of about 500 μm.

(接合工程)
前記接合工程において、接合材料を用いて第1基板1と第2基板2とが接合される。
図3(a)は、接合工程によって接合された基板(接合基板)を表している。第1基板1と第2基板2とは、公知の手法により接合することができる。第2基板2がサファイア基板である場合、接合材料として紫外線硬化樹脂を使用し、接合面に紫外線を照射することにより接合することが可能である。また、接合材料として紫外線により剥離可能な接着剤を使用し、加熱することによって接合することも可能である。接合された基板は、サイファイア基板によって支持されているため、曲がりは無く反りも少ない。
具体的には、接合工程において、サファイア基板2上に均一な厚さに紫外線硬化樹脂膜を形成し、半乾燥の状態で第1基板1を貼り合わせる。その後、サイファイア基板2側から紫外線を照射することにより、硬化が進行して両基板を接合させることができる。また、紫外線により剥離可能な接着剤を使用し、第1基板1を貼り合わせた後にサファイア基板2全体を100℃に加熱することにより硬化させることができる。接着剤を使用するため、次の第1工程において400℃以上となる処理を行うことはできない。
(Joining process)
In the bonding step, the first substrate 1 and the second substrate 2 are bonded using a bonding material.
FIG. 3A shows a substrate (bonded substrate) bonded by the bonding process. The first substrate 1 and the second substrate 2 can be bonded by a known method. When the 2nd board | substrate 2 is a sapphire board | substrate, it is possible to join by using an ultraviolet curable resin as a joining material and irradiating a joining surface with an ultraviolet-ray. It is also possible to use an adhesive that can be peeled off by ultraviolet rays as the bonding material, and to perform bonding by heating. Since the bonded substrates are supported by the cypher substrate, there is no bending and little warping.
Specifically, in the bonding step, an ultraviolet curable resin film is formed on the sapphire substrate 2 with a uniform thickness, and the first substrate 1 is bonded in a semi-dry state. Thereafter, by irradiating ultraviolet rays from the cypher substrate 2 side, curing proceeds and both substrates can be joined. Moreover, it can be hardened by using the adhesive agent which can be peeled with an ultraviolet-ray, heating the sapphire substrate 2 whole to 100 degreeC, after bonding the 1st board | substrate 1 together. Since an adhesive is used, the process which becomes 400 degreeC or more in the following 1st process cannot be performed.

(第1工程)
次に、前記第1工程において、第2基板2と接合された第1基板1の表面加工が行われる。ここで行う表面加工は、第1基板1と第2基板2との接合が維持可能である限り、その種類や回数は問わない。第1工程における表面加工は、基板の接合に影響を及ぼさない温度範囲において行う必要がある。このため、第1工程では、比較的低温(例えば、400℃以下)において行うことができる加工を、ユニット工程の目的に応じて適宜行うようにすることができる。比較的低温において可能な加工として、例えば、金属膜や酸化膜の生成、フォトリソグラフィ、エッチング、不純物のイオン注入、トレンチ形成等が挙げられる。第1工程において、これらのうちの複数種類の加工を行ってもよいし、1種類の加工を複数回行ってもよい。
図3(b)は、第1工程を経た接合基板の例を表している。本例では、第1工程において、N型の第1基板1の表層にP型層を形成するために1種類以上の半導体不純物材料がイオン注入され、MOSFET素子のソース領域31及びドレイン領域32が形成されている。SiCのようにバンドギャップの広い素子では、熱拡散による不純物プロファイルの形成は困難である。このため、本例のように、イオン注入により不純物プロファイルを作る必要がある。トレンチによる分離構造の素子を形成する場合には、上記イオン注入の前後においてトレンチの加工を行うことができる。
(First step)
Next, in the first step, surface processing of the first substrate 1 bonded to the second substrate 2 is performed. As long as the surface processing performed here can maintain the bonding between the first substrate 1 and the second substrate 2, the type and number of times are not limited. The surface processing in the first step needs to be performed in a temperature range that does not affect the bonding of the substrates. For this reason, in the first step, processing that can be performed at a relatively low temperature (for example, 400 ° C. or lower) can be appropriately performed according to the purpose of the unit step. Examples of processing that can be performed at a relatively low temperature include generation of a metal film and an oxide film, photolithography, etching, impurity ion implantation, and trench formation. In the first step, a plurality of types of processing may be performed, or one type of processing may be performed a plurality of times.
FIG. 3B illustrates an example of the bonded substrate that has undergone the first step. In this example, in the first step, one or more kinds of semiconductor impurity materials are ion-implanted in order to form a P-type layer in the surface layer of the N-type first substrate 1, and the source region 31 and the drain region 32 of the MOSFET element are formed. Is formed. In an element having a wide band gap such as SiC, it is difficult to form an impurity profile by thermal diffusion. For this reason, it is necessary to create an impurity profile by ion implantation as in this example. In the case of forming an isolation structure element using a trench, the trench can be processed before and after the ion implantation.

(分離工程)
前記分離工程においては、接合された第1基板1と第2基板2とが分離される。両基板は、公知の手法により分離することができる。第2基板2がサファイア基板であり、接合材料として紫外線硬化樹脂が使用されている場合には、400℃程度に加熱することによって両基板を分離することが可能である。また、接合材料として紫外線により剥離可能な接着剤が使用されている場合には、接合面に紫外線を照射することによって分離することが可能である。いずれの場合も、分離されたサファイア基板2は、洗浄等して繰り返し使用することができる。
図3(c)は、分離工程において分離された第1基板1及び第2基板2を表している。
(Separation process)
In the separation step, the bonded first substrate 1 and second substrate 2 are separated. Both substrates can be separated by a known method. When the second substrate 2 is a sapphire substrate and an ultraviolet curable resin is used as a bonding material, the two substrates can be separated by heating to about 400 ° C. In addition, when an adhesive that can be peeled off by ultraviolet rays is used as a bonding material, it can be separated by irradiating the bonding surfaces with ultraviolet rays. In either case, the separated sapphire substrate 2 can be repeatedly used after being washed.
FIG. 3C shows the first substrate 1 and the second substrate 2 separated in the separation step.

(第2工程)
前記第2工程においては、分離された第1基板1に対する加工が行われる。第1基板1は第2基板2と分離されているため反りや曲がりが生じ、基板の平坦さが要求されるフォトリソグラフィ等を利用した加工を行うことは困難である。一方、第2工程においては、接合材料に制約されない高温での熱処理や薬液処理等を行うことができる。このような加工として、例えば、1700℃程度で行う不純物の活性化処理、CVD酸化膜のアニール処理、ゲート酸化膜の熱酸化処理、金属膜のアニール処理等が挙げられる。
図3(d)は、第2工程を経た第1基板1の例を表している。本例では、第2工程において、不純物の活性化のために、1700℃の熱処理が行われている。第2工程では、第1基板1は治具に搭載された状態等で高温の熱処理が行われるため、第1基板1の反りや曲がりは許容される。
(Second step)
In the second step, the separated first substrate 1 is processed. Since the first substrate 1 is separated from the second substrate 2, warping and bending occur, and it is difficult to perform processing using photolithography or the like that requires flatness of the substrate. On the other hand, in the second step, heat treatment or chemical treatment at a high temperature that is not limited by the bonding material can be performed. Examples of such processing include an impurity activation process performed at about 1700 ° C., a CVD oxide film annealing process, a gate oxide film thermal oxidation process, and a metal film annealing process.
FIG. 3D shows an example of the first substrate 1 that has undergone the second step. In this example, in the second step, heat treatment at 1700 ° C. is performed to activate the impurities. In the second step, the first substrate 1 is subjected to high-temperature heat treatment in a state where it is mounted on a jig or the like, and thus warpage or bending of the first substrate 1 is allowed.

本実施形態に係る半導体素子の製造方法は、以上に説明した接合工程、第1工程、分離工程及び第2工程を1つの単位(ユニット工程)として、そのユニット工程を繰り返して行うことによって、第1基板に半導体素子を形成する。各ユニット工程において行われる加工(第1工程、第2工程)の内容は、そのユニット工程の目的に応じて選択される。
それぞれのユニット工程を、第1のユニット工程、第2のユニット工程、第3のユニット工程等という。以下では、小工程を(a)接合工程、(b)第1工程、(c)分離工程及び(d)第2工程とし、図面において、ユニット工程の番号と小工程の符号を用いて各工程を表す。例えば、図(2b)は第2のユニット工程の第1工程を、図(3d)は第3のユニット工程の第2工程を表している。
The manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment includes the bonding process, the first process, the separation process, and the second process described above as one unit (unit process), and the unit process is repeatedly performed. A semiconductor element is formed on one substrate. The contents of the processing (first process, second process) performed in each unit process are selected according to the purpose of the unit process.
Each unit process is referred to as a first unit process, a second unit process, a third unit process, or the like. In the following, the small steps are (a) joining step, (b) first step, (c) separation step, and (d) second step, and in the drawings, each step is denoted by the unit step number and the small step number. Represents. For example, FIG. 2B shows the first process of the second unit process, and FIG. 3D shows the second process of the third unit process.

(第1のユニット工程)
図4は、図2に示した第1基板1の表層にソース領域31及びドレイン領域32を形成する第1のユニット工程と、その後酸化膜を形成する第2のユニット工程の例を説明するための断面図である。第1のユニット工程は、図3に例示した工程と同じであり、接合工程及び分離工程は図を省略している。
同図(1b)に示す第1工程において、第1基板1の所定の領域に半導体不純物材料をイオン注入し、Pウエル、N型層及びP型層等を形成する。先ず、フォトリソグラフィ(すなわち、フォトレジストの塗布、乾燥、マスクを使用した露光)によりPウエルのパターンを形成する。そして、不純物をイオン注入することによりPウエル層を形成する。N型層、P型層も同様にイオン注入を行う。トレンチ型素子を形成する場合には、これら不純物層形成の前又は途中に、トレンチエッチングのパターンを形成して加工を行うことができる。本例では、第1基板1の表層にMOSFET素子のソース領域31及びドレイン領域32が形成されている。
同図(1d)に示す第2工程において、高温(第1の温度)にて熱処理を行うことにより、注入された不純物層が活性化される。不純物層の活性化を一括して行うことができるため、イオン注入毎に熱処理が必要ではなく、工程を簡素にすることができる。例えば、第2工程では、第2基板と分離された第1基板を、治工具を用いて縦型炉内に水平に並べ、1700℃の高温にて30分間のアニール処理を行う。これによって、Pウエル、P型層、N型層等の活性化を同時に行うことができる。以上の第1のユニット工程で加工された第1基板を、第1基板11と表す。
(First unit process)
FIG. 4 illustrates an example of a first unit process for forming the source region 31 and the drain region 32 on the surface layer of the first substrate 1 shown in FIG. 2, and a second unit process for forming an oxide film thereafter. FIG. The first unit process is the same as the process illustrated in FIG. 3, and the joining process and the separation process are omitted.
In the first step shown in FIG. 1B, a semiconductor impurity material is ion-implanted into a predetermined region of the first substrate 1 to form a P well, an N-type layer, a P-type layer, and the like. First, a P-well pattern is formed by photolithography (that is, application of a photoresist, drying, and exposure using a mask). Then, a P well layer is formed by ion implantation of impurities. Similarly, ion implantation is performed for the N-type layer and the P-type layer. In the case of forming a trench type element, a trench etching pattern can be formed and processed before or during the formation of these impurity layers. In this example, the source region 31 and the drain region 32 of the MOSFET element are formed on the surface layer of the first substrate 1.
In the second step shown in FIG. 1D, the implanted impurity layer is activated by performing heat treatment at a high temperature (first temperature). Since the impurity layer can be activated in a lump, heat treatment is not required for each ion implantation, and the process can be simplified. For example, in the second step, the first substrate separated from the second substrate is horizontally arranged in a vertical furnace using a jig and tool and annealed at a high temperature of 1700 ° C. for 30 minutes. As a result, activation of the P-well, the P-type layer, the N-type layer, etc. can be performed simultaneously. The first substrate processed in the first unit process is referred to as the first substrate 11.

(第2のユニット工程)
図4(2a)は第2のユニット工程における接合工程を表しており、第1のユニット工程を経た第1基板11と第2基板2とが再び接合される。この第2基板2は、第1のユニット工程において使用した第2基板2と同一物である必要はない(以下においても同様である。)。
同図(2b)は第2のユニット工程における第1工程を表している。先ず、第1基板11の表面に、低温で行う化学的気相成長(CVD)等により、必要な厚さの酸化膜(シリコン酸化膜)を形成する。そして、フォトリソグラフィ及びエッチング処理によりその形状を加工した後、フォトレジストを除去する。これによって、ドレインとソースとの間のゲート33部の酸化膜が除去され、フィールド酸化膜41が形成される。更に、ゲート酸化膜部42の形成を行う。その後、分離工程において第1基板11は第2基板2と分離される。
同図(2d)は第2のユニット工程における第2工程を表している。本工程では、高温(前記第1の温度以下である第2の温度)において、第1基板11上の酸化膜の熱処理を行う。本例では、加熱によってフィールド酸化膜41をアニールすると共に、高温下でのCVDにより、ゲート酸化膜部42が形成されている部位に熱酸化膜を成長させ、ゲート33部にゲート酸化膜43が形成されている。フィールド酸化膜41のアニーリングとゲート酸化膜43の生成を兼ねて、熱処理は1000℃で30分間行う。これにより、厚さ50nmのゲート酸化膜43を形成することができる。半導体素子においてゲート酸化膜の品質は極めて重要であり、高温において緻密な成膜を行う必要がある。以上の第2のユニット工程によって加工された第1基板を、第1基板12と表す。
(Second unit process)
FIG. 4 (2a) shows the joining process in the second unit process, and the first substrate 11 and the second substrate 2 that have undergone the first unit process are joined again. The second substrate 2 does not have to be the same as the second substrate 2 used in the first unit process (the same applies to the following).
FIG. 2B shows the first step in the second unit step. First, an oxide film (silicon oxide film) having a required thickness is formed on the surface of the first substrate 11 by chemical vapor deposition (CVD) performed at a low temperature. Then, after processing the shape by photolithography and etching, the photoresist is removed. As a result, the oxide film in the gate 33 portion between the drain and the source is removed, and the field oxide film 41 is formed. Further, the gate oxide film portion 42 is formed. Thereafter, the first substrate 11 is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 2D shows the second step in the second unit step. In this step, the oxide film on the first substrate 11 is heat-treated at a high temperature (second temperature that is equal to or lower than the first temperature). In this example, the field oxide film 41 is annealed by heating, and a thermal oxide film is grown on the portion where the gate oxide film portion 42 is formed by CVD under high temperature, and the gate oxide film 43 is formed on the gate 33 portion. Is formed. The heat treatment is performed at 1000 ° C. for 30 minutes to double the annealing of the field oxide film 41 and the generation of the gate oxide film 43. Thereby, the gate oxide film 43 having a thickness of 50 nm can be formed. In semiconductor devices, the quality of the gate oxide film is extremely important, and it is necessary to form a dense film at a high temperature. The first substrate processed by the above second unit process is referred to as a first substrate 12.

(第3のユニット工程)
図5は、前記第2のユニット工程の後、第1基板12の表面に金属により所定のパターンを形成する第3のユニット工程の例を説明するための断面図である。
同図(3a)は第3のユニット工程における接合工程を表しており、前記第2のユニット工程を経た第1基板12と第2基板2とが接合される。
同図(3b)は第3のユニット工程における第1工程を表している。第1基板12の表面の素子コントクト部がフォトリソグラフィ及びエッチングにより開孔し、バリアメタルとなる第1の金属(例えば、ニッケル)を全面に蒸着する。そして、フォトリソグラフィ及びエッチングにより所定のパターンに加工し、素子電極部だけに電極51を形成することができる。この状態で、基板接合部の温度が上昇しない程度のごく短時間の加熱により、コントクト部のシリサイド化処理を行うことも可能である。その後、分離工程において第1基板12は第2基板2と分離される。
同図(3d)は第3のユニット工程における第2工程を表している。本例では、ランプアニール炉にて短時間高温(前記第2の温度以下である第3の温度)とすることにより、電極51のメタライズ処理を行っている。ニッケルのメタライズ処理は、数秒間といえども1000℃の高温における処理となる。以上の第3のユニット工程によって加工された第1基板を、第1基板13と表す。
(Third unit process)
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining an example of a third unit process for forming a predetermined pattern with metal on the surface of the first substrate 12 after the second unit process.
FIG. 3A shows a joining process in the third unit process, and the first substrate 12 and the second substrate 2 that have undergone the second unit process are joined together.
FIG. 3B shows the first step in the third unit step. The element control portion on the surface of the first substrate 12 is opened by photolithography and etching, and a first metal (for example, nickel) serving as a barrier metal is deposited on the entire surface. Then, the electrode 51 can be formed only in the element electrode portion by processing into a predetermined pattern by photolithography and etching. In this state, it is also possible to perform the silicidation process of the contract part by heating in such a short time that the temperature of the substrate bonding part does not rise. Thereafter, the first substrate 12 is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 3D shows the second step in the third unit step. In this example, the electrode 51 is metalized by raising the temperature in a lamp annealing furnace for a short time (third temperature which is equal to or lower than the second temperature). The nickel metallization process is performed at a high temperature of 1000 ° C. for several seconds. The first substrate processed by the above third unit process is referred to as a first substrate 13.

前記第3のユニット工程における第2工程では、第1基板12の熱処理として、短時間のランプアニール等により電極51の熱処理を行った。この熱処理温度が、前記第2のユニット工程における第2工程(図4(2d)参照)の熱処理の温度と同程度であれば、第3のユニット工程の一連の内容を第2のユニット工程において行うことが可能である。すなわち、第2のユニット工程の第1工程において、フィールド酸化膜41を形成し、更に素子コントクト部が開孔された状態でバリアメタルとなる第1の金属(例えば、ニッケル)を蒸着し、その後、フォトエッチングにより素子電極部だけに電極51を形成するようにすることができる。そして、第2工程において、電極51のメタライズ処理を行うことができる。このようにすれば、第3のユニット工程の目的は、第2のユニット工程により達成される。したがって、第2のユニット工程における熱処理と第3のユニット工程における熱処理とを同じ温度(前記第2の温度)で行う場合には、第3のユニット工程の内容は第2のユニット工程に併合し、第3のユニット工程を省略することができる。   In the second step of the third unit step, the electrode 51 was heat-treated by short-time lamp annealing or the like as the heat treatment of the first substrate 12. If this heat treatment temperature is approximately the same as the temperature of the heat treatment in the second step (see FIG. 4 (2d)) in the second unit step, the series of contents of the third unit step is changed in the second unit step. Is possible. That is, in the first step of the second unit step, the field oxide film 41 is formed, and further, a first metal (for example, nickel) serving as a barrier metal is vapor-deposited in a state where the element control portion is opened. The electrode 51 can be formed only on the element electrode portion by photoetching. In the second step, the electrode 51 can be metalized. If it does in this way, the objective of the 3rd unit process will be achieved by the 2nd unit process. Therefore, when the heat treatment in the second unit process and the heat treatment in the third unit process are performed at the same temperature (the second temperature), the contents of the third unit process are merged with the second unit process. The third unit process can be omitted.

(第4のユニット工程)
図6は、前記第3のユニット工程の後、所定のパターンの素子配線を形成する第4のユニット工程の例を説明するための断面図である。第4のユニット工程における接合工程においては、前記第3のユニット工程を経た第1基板13と第2基板2とが接合される。
同図(4b)は第4のユニット工程における第1工程を表している。この工程では、先ず、電極部の開孔を確実にするためエッチングにより自然酸化膜を除去する。そして、第1基板13の表面に第2の金属(例えば、アルミニウム)膜を蒸着し、その形状加工を行って素子配線52が形成される。その上にPIQなどの保護膜を形成し、更にフォトリソグラフィ処理により、ボンディング用の金属面となるボンディング部を開孔する。その後、分離工程において第1基板13は第2基板2と分離される。
同図(4d)は第4のユニット工程における第2工程を表している。この工程では、素子配線52を形成する第2の金属のアニール処理(前記第2の温度以下である第4の温度)を行うことができる。その処理を要しない場合には、第2工程において特に加工を行うことなく、次のユニット工程へ移行させればよい。以上のような第4のユニット工程によって加工された第1基板を、第1基板14と表す。
(4th unit process)
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining an example of a fourth unit process for forming an element wiring having a predetermined pattern after the third unit process. In the joining step in the fourth unit step, the first substrate 13 and the second substrate 2 that have undergone the third unit step are joined.
FIG. 4B shows the first step in the fourth unit step. In this step, first, the natural oxide film is removed by etching to ensure the opening of the electrode portion. Then, a second metal (for example, aluminum) film is vapor-deposited on the surface of the first substrate 13, and the element wiring 52 is formed by performing shape processing. A protective film such as PIQ is formed thereon, and a bonding portion that becomes a metal surface for bonding is opened by photolithography. Thereafter, the first substrate 13 is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 4D shows the second step in the fourth unit step. In this step, annealing of the second metal for forming the element wiring 52 (fourth temperature that is equal to or lower than the second temperature) can be performed. When the process is not required, the process may be shifted to the next unit process without performing any particular processing in the second process. The first substrate processed by the fourth unit process as described above is referred to as a first substrate 14.

前記第4のユニット工程までで、目的とする半導体素子の能動層側表面(上面)の加工は完了している。以下の第5及び第6のユニット工程においては、半導体素子の底面(能動層と反対面)側の表面加工を行う。
(第5のユニット工程)
図7は、半導体素子の底面側に電極薄膜を形成する第5のユニット工程の例を説明するための断面図である。
図7(5a)は第5のユニット工程における接合工程を表しており、前記第4のユニット工程を経た第1基板14の能動層側表面(上面)と第2基板2とが接合される。
同図(5b)は第5のユニット工程における第1工程を表している。この工程では、第1基板14の底面側を5μm程度研磨した上、金属(例えば前記第1の金属)を蒸着することにより、電極薄膜61を形成する。その後、分離工程において第1基板14は第2基板2と分離される。
同図(5d)は第5のユニット工程における第2工程を表している。能動層側は完成されているので温度には制約がある。このため、比較的低温(前記第4の温度以下である第5の温度。例えば400℃程度。)で電極薄膜61のアニール処理を行う。以上の第5のユニット工程によって加工された第1基板を、第1基板15と表す。
Up to the fourth unit process, the processing of the active layer side surface (upper surface) of the target semiconductor element is completed. In the following fifth and sixth unit processes, surface processing on the bottom surface (opposite surface to the active layer) side of the semiconductor element is performed.
(5th unit process)
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining an example of a fifth unit process for forming an electrode thin film on the bottom surface side of the semiconductor element.
FIG. 7 (5 a) shows a bonding process in the fifth unit process. The active layer side surface (upper surface) of the first substrate 14 and the second substrate 2 that have undergone the fourth unit process are bonded to each other.
FIG. 5B shows the first step in the fifth unit step. In this step, the electrode thin film 61 is formed by polishing the bottom surface side of the first substrate 14 by about 5 μm and then depositing a metal (for example, the first metal). Thereafter, the first substrate 14 is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 5D shows the second step in the fifth unit step. Since the active layer side is completed, the temperature is limited. For this reason, the electrode thin film 61 is annealed at a relatively low temperature (fifth temperature lower than the fourth temperature, eg, about 400 ° C.). The first substrate processed by the above fifth unit process is referred to as a first substrate 15.

(第6のユニット工程)
図8は、半導体素子の底面側に更に電極厚膜を形成する第6のユニット工程を説明するための断面図である。
図8(6a)は第6のユニット工程における接合工程を表しており、前記第5のユニット工程を経た第1基板15の能動層側表面と第2基板2とが接合される。
同図(6b)は第6のユニット工程における第1工程を表している。この工程では、第1基板15の底面側の電極薄膜61上に、ニッケルや銅等の電極厚膜62を形成する。電極厚膜62は、無電解メッキにより厚さ30μm程度とすることができる。その後、分離工程において第1基板15は第2基板2と分離される。分離された第1基板15の曲がりや反りは、電極厚膜62により軽減される。
同図(6d)は第6のユニット工程における第2工程を表している。この工程では、400℃程度の温度で電極厚膜62のアニール処理を行うことができる。以上に説明した第1乃至第6のユニット工程によって、目的とする半導体素子16が完成される。
(Sixth unit process)
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a sixth unit process for further forming an electrode thick film on the bottom surface side of the semiconductor element.
FIG. 8 (6 a) shows a bonding process in the sixth unit process. The active layer side surface of the first substrate 15 and the second substrate 2 that have undergone the fifth unit process are bonded to each other.
FIG. 6B shows the first step in the sixth unit step. In this step, an electrode thick film 62 such as nickel or copper is formed on the electrode thin film 61 on the bottom surface side of the first substrate 15. The electrode thick film 62 can be about 30 μm thick by electroless plating. Thereafter, the first substrate 15 is separated from the second substrate 2 in the separation step. Bending and warping of the separated first substrate 15 are reduced by the electrode thick film 62.
FIG. 6D shows the second step in the sixth unit step. In this step, the electrode thick film 62 can be annealed at a temperature of about 400 ° C. The target semiconductor element 16 is completed by the first to sixth unit processes described above.

第1基板1の底面側を加工する工程において、電極薄膜61部の更なる低抵抗化を図るためには、より高温でアニール処理を行うことが好ましい。また、ユニット工程の内容を組み替えれば、第1基板1の上面側の電極51部のシリサイド化(図5(3d))と同時に、底面側の電極薄膜61部のシリサイド化を行うことも可能である。その例を以下に説明する。   In the step of processing the bottom surface side of the first substrate 1, it is preferable to perform annealing at a higher temperature in order to further reduce the resistance of the electrode thin film 61 part. Further, if the contents of the unit process are rearranged, silicidation of the electrode thin film 61 part on the bottom surface side can be performed simultaneously with silicidation of the electrode 51 part on the upper surface side of the first substrate 1 (FIG. 5 (3d)). It is. An example of this will be described below.

図9は、図7に示した第5のユニット工程における底面側の電極薄膜61の形成を、前記第3のユニット工程における上面側の電極51の形成直後に行うことによって、上面側及び底面側の電極部のシリサイド化を同時に行う場合を説明する図である。このユニット工程の番号を5’とする。
同図(5’a)に示す第1基板12’は、第3のユニット工程における第1工程で上面側の電極51を形成した後、分離工程において第2基板2と分離された基板である。すなわち、第1基板12’は、まだ熱処理によるシリサイド化がされていない状態である。同図に示すように、その状態の第1基板12’の上面側と第2基板2とが接合される。
同図(5’b)はユニット工程5’における第1工程を表している。この工程では、第1基板12’の底面に、前記第1の金属により電極薄膜61が形成される。その後、分離工程において第1基板12’は第2基板2と分離される。
同図(5’d)はユニット工程5’における第2工程を表している。この工程では、例えば前記第3の温度(約1000℃)で、電極51部及び底面側の電極薄膜61部のアニール処理がなされる。この熱処理は、ランプアニールなどにより短時間に行われる。以上のユニット工程5’によって加工された第1基板を、第1基板15’と表す。
FIG. 9 shows the formation of the electrode thin film 61 on the bottom surface side in the fifth unit process shown in FIG. 7 immediately after the formation of the electrode 51 on the upper surface side in the third unit process. It is a figure explaining the case where silicidation of the electrode part of is performed simultaneously. The unit process number is 5 ′.
The first substrate 12 ′ shown in FIG. 5 (a) is a substrate separated from the second substrate 2 in the separation step after the upper electrode 51 is formed in the first step in the third unit step. . That is, the first substrate 12 ′ is not yet silicided by heat treatment. As shown in the figure, the upper surface side of the first substrate 12 ′ in that state and the second substrate 2 are bonded.
FIG. 5 (b) shows the first step in the unit step 5 ′. In this step, the electrode thin film 61 is formed of the first metal on the bottom surface of the first substrate 12 ′. Thereafter, the first substrate 12 ′ is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 5 (d) shows the second step in the unit step 5 ′. In this step, for example, the electrode 51 and the electrode thin film 61 on the bottom side are annealed at the third temperature (about 1000 ° C.). This heat treatment is performed in a short time by lamp annealing or the like. The first substrate processed by the above unit process 5 ′ is represented as a first substrate 15 ′.

続いて、第1基板15’の上面に配線用金属を形成する。このユニット工程の番号を4’とする。このため、本ユニット工程の接合工程においては、前記第1基板15’の底面と第2基板2とが接合される。
図10(4’b)はユニット工程4’における第1工程を表している。この工程では、第1基板15’の表面に金属膜を形成し、その形状加工を行うことにより素子配線52が形成される。その後、分離工程において第1基板15’は第2基板2と分離される。
同図(4’d)はユニット工程4’における第2工程を表している。この工程では、例えば前記第4の温度で、素子配線52を形成する金属のアニール処理が行われる。以上のユニット工程4’によって加工された第1基板を、第1基板15’’と表す。
その後、第1基板15’’の底面側に金属厚膜62を形成することができる。その工程は、前記第6のユニット工程と同様である(図8(6a)−(6d)参照)。以上によって、目的とする半導体素子16が完成される。
Subsequently, a wiring metal is formed on the upper surface of the first substrate 15 ′. The unit process number is 4 ′. For this reason, in the joining step of this unit step, the bottom surface of the first substrate 15 ′ and the second substrate 2 are joined.
FIG. 10 (4′b) represents the first step in the unit step 4 ′. In this step, the element wiring 52 is formed by forming a metal film on the surface of the first substrate 15 ′ and performing shape processing. Thereafter, the first substrate 15 ′ is separated from the second substrate 2 in the separation step.
FIG. 4 (d) shows the second step in the unit step 4 ′. In this step, for example, a metal annealing process for forming the element wiring 52 is performed at the fourth temperature. The first substrate processed by the above unit process 4 ′ is referred to as a first substrate 15 ″.
Thereafter, a thick metal film 62 can be formed on the bottom surface side of the first substrate 15 ''. The process is the same as the sixth unit process (see FIGS. 8 (6a)-(6d)). Thus, the target semiconductor element 16 is completed.

以上の実施形態においては、第1の半導体材料がSiCである場合を説明したが、第1の半導体材料がGaN、酸化ガリウム、酸化ガリウム等であっても同様である。   Although the case where the first semiconductor material is SiC has been described in the above embodiment, the same applies to the case where the first semiconductor material is GaN, gallium oxide, gallium oxide, or the like.

尚、本発明は以上で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described in detail above, and various modifications or changes can be made within the scope of the claims of the present invention.

SiC等を用いたパワー系化合物半導体素子は、車においてはハイブリッド車、電気自動車等の普及に伴ってますます重要度が増している。また、家庭においてはスマートグリッドの普及に伴って家電製品の制御やエネルギー管理のためにパワー系化合物半導体装置の役割が重要になってくる。本発明により、高価な材料であるSiC単結晶の使用量を大幅に減らすことができ、安価なSiC半導体素子を製造することが可能となる。   Power-based compound semiconductor elements using SiC and the like are becoming increasingly important in vehicles with the spread of hybrid cars and electric cars. In addition, the role of power-based compound semiconductor devices becomes important for home appliance control and energy management with the spread of smart grids at home. According to the present invention, the amount of SiC single crystal, which is an expensive material, can be greatly reduced, and an inexpensive SiC semiconductor element can be manufactured.

1、11、12、12’、13、14、15、15’、16;第1基板(SiC基板)、2;第2基板(サファイア基板)、31;ソース、32;ドレイン、33;ゲート、41;フィールド酸化膜、42;ゲート酸化膜部、43;ゲート酸化膜、51;電極、52;素子配線、61;底面側の電極薄膜、62;底面側の電極厚膜、110、210;支持層、120、220;能動層(単結晶層)。 1, 11, 12, 12 ′, 13, 14, 15, 15 ′, 16; first substrate (SiC substrate), 2; second substrate (sapphire substrate), 31; source, 32; drain, 33; gate, 41; Field oxide film, 42; Gate oxide film portion, 43; Gate oxide film, 51; Electrode, 52; Element wiring, 61; Electrode thin film on the bottom surface side, 62; Electrode thick film on the bottom surface side, 110, 210; Layers, 120, 220; active layers (single crystal layers).

Claims (8)

少なくともその表層が第1の半導体材料の単結晶からなる第1基板と前記第1基板の反りを抑制するための第2基板とを接合する接合工程と、
前記接合された前記第1基板の表面を加工する第1工程と、
前記接合された前記第1基板と前記第2基板とを分離する分離工程と、
前記分離された前記第1基板を加工する第2工程と、
から一つのユニット工程が構成されており、
前記ユニット工程を複数回行うことにより前記第1基板に半導体素子を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
A bonding step of bonding a first substrate having at least a surface layer made of a single crystal of a first semiconductor material and a second substrate for suppressing warpage of the first substrate;
A first step of processing a surface of the bonded first substrate;
A separation step of separating the bonded first substrate and the second substrate;
A second step of processing the separated first substrate;
One unit process consists of
A method of manufacturing a semiconductor element, wherein a semiconductor element is formed on the first substrate by performing the unit process a plurality of times.
第1の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の所定の領域に半導体不純物材料をイオン注入し、
前記第2工程では前記第1基板を第1の温度にて熱処理し、
第2の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に絶縁膜の所定のパターンを形成し、
前記第2工程では前記第1基板を前記第1の温度以下の第2の温度にて熱処理し、
第3の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により所定のパターンを形成する、
請求項1記載の半導体素子の製造方法。
In the first unit process,
In the first step, a semiconductor impurity material is ion-implanted into a predetermined region of the first substrate,
In the second step, the first substrate is heat-treated at a first temperature,
In the second unit process,
In the first step, a predetermined pattern of an insulating film is formed on the surface of the first substrate,
In the second step, the first substrate is heat-treated at a second temperature lower than the first temperature,
In the third unit process,
In the first step, a predetermined pattern is formed of metal on the surface of the first substrate.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記第3のユニット工程は、
前記第1工程において前記第1基板の表面に金属により電極を形成し、
前記第2工程において前記電極部のアニール処理を行い、
第4の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、
請求項2記載の半導体素子の製造方法。
The third unit process includes
Forming an electrode with a metal on the surface of the first substrate in the first step;
In the second step, the electrode part is annealed,
In the fourth unit process,
In the first step, element wiring is formed of metal on the surface of the first substrate.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
前記第3のユニット工程は、
前記第1工程において前記第1基板の表面に金属により電極を形成すると共に前記電極部のシリサイド化処理を行い、
前記第2工程において前記電極部のアニール処理を行い、
第4の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、
請求項2記載の半導体素子の製造方法。
The third unit process includes
In the first step, an electrode is formed from a metal on the surface of the first substrate and silicidation of the electrode portion is performed.
In the second step, the electrode part is annealed,
In the fourth unit process,
In the first step, element wiring is formed of metal on the surface of the first substrate.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
第1の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の所定の領域に半導体不純物材料をイオン注入し、
前記第2工程では前記第1基板を第1の温度にて熱処理し、
第2の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に絶縁膜の所定のパターンを形成した後に金属により電極を形成し、
前記第2工程では前記第1基板を前記第1の温度以下の第2の温度にて熱処理し、
第4の前記ユニット工程において、
前記第1工程では前記第1基板の表面に金属により素子配線を形成する、
請求項1記載の半導体素子の製造方法。
In the first unit process,
In the first step, a semiconductor impurity material is ion-implanted into a predetermined region of the first substrate,
In the second step, the first substrate is heat-treated at a first temperature,
In the second unit process,
In the first step, an electrode is formed of metal after a predetermined pattern of an insulating film is formed on the surface of the first substrate,
In the second step, the first substrate is heat-treated at a second temperature lower than the first temperature,
In the fourth unit process,
In the first step, element wiring is formed of metal on the surface of the first substrate.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
各前記ユニット工程の後に、第5の前記ユニット工程において、
前記接合工程では第1基板の素子配線が形成されている上面と前記第2基板とを接合し、
前記第1工程では前記第1基板の前記上面とは反対側の底面に第1の金属からなる電極薄膜を形成し、
前記第2工程では前記電極薄膜部のシリサイド化処理を行う、
請求項3乃至5のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
After each unit process, in the fifth unit process,
In the bonding step, the upper surface on which the element wiring of the first substrate is formed and the second substrate are bonded,
In the first step, an electrode thin film made of a first metal is formed on the bottom surface of the first substrate opposite to the top surface;
In the second step, silicidation of the electrode thin film portion is performed.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3.
更に、第6の前記ユニット工程において、
前記接合工程では第1基板の素子配線が形成されている上面と前記第2基板とを接合し、
前記第1工程では前記第1基板の前記上面とは反対側の底面に第2の金属からなる電極厚膜を形成し、
前記第2工程では前記電極厚膜のアニール処理を行う、
請求項6記載の半導体素子の製造方法。
Furthermore, in the sixth unit process,
In the bonding step, the upper surface on which the element wiring of the first substrate is formed and the second substrate are bonded,
In the first step, an electrode thick film made of a second metal is formed on the bottom surface of the first substrate opposite to the top surface;
In the second step, the electrode thick film is annealed.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
前記第1の半導体材料は、SiC、GaN及び酸化ガリウムのうちの1つである請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein the first semiconductor material is one of SiC, GaN, and gallium oxide.
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