特開 2023-122671 高周波デバイス用基板、及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023122671

(43)【公開日】2023-09-05

(54)【発明の名称】高周波デバイス用基板、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20230829BHJP

   H01L 21/02 20060101ALI20230829BHJP

   H01L 29/16 20060101ALI20230829BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L21/02 C

H01L27/12 E

H01L29/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022026305

(22)【出願日】2022-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】000190149

【氏名又は名称】信越半導体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102532

【弁理士】

【氏名又は名称】好宮 幹夫

(74)【代理人】

【識別番号】100194881

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 俊弘

(74)【代理人】

【識別番号】100215142

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 徹

(72)【発明者】

【氏名】松原 寿樹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 克佳

(72)【発明者】

【氏名】田中 佑宜

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 温

(72)【発明者】

【氏名】阿部 達夫

(72)【発明者】

【氏名】大槻 剛

【テーマコード（参考）】

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F152LL03

5F152MM01

5F152NN03

5F152NQ01

(57)【要約】

【課題】高周波特性に優れたダイヤモンドを利用した高周波デバイス用基板および、高周波特性に優れたダイヤモンドを利用した高周波デバイス用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】高周波デバイス用基板であって、表面に凹凸を有する支持基板と、前記支持基板の前記表面上のダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上のシリコン酸化膜層とを有するものであることを特徴とする高周波デバイス用基板。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波デバイス用基板であって、表面に凹凸を有する支持基板と、前記支持基板の前記表面上のダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上のシリコン酸化膜層とを有するものであることを特徴とする高周波デバイス用基板。

【請求項2】

前記支持基板の前記表面は、ＡＦＭで測定した表面の粗さ（Ｓａ）が１ｎｍ以上のものであることを特徴とする請求項１に記載の高周波デバイス用基板。

【請求項3】

前記表面に凹凸を有する支持基板は、抵抗率が５００Ω・ｃｍ以上のものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波デバイス用基板。

【請求項4】

高周波デバイス用基板の製造方法であって、
支持基板を準備する工程と、
前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程と、
前記支持基板の前記表面上にダイヤモンド層を形成する工程と、
前記ダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を形成する工程と
を有することを特徴とする高周波デバイス用基板の製造方法。

【請求項5】

前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程は、ＡＦＭで測定した前記支持基板表面の粗さ（Ｓａ）が１ｎｍ以上となるように粗さを形成する工程であることを特徴とする請求項４に記載の高周波デバイス用基板の製造方法。

【請求項6】

前記支持基板の抵抗率を５００Ω・ｃｍ以上とすることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の高周波デバイス用基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波デバイス用基板、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

５Ｇを迎え、端末は幅広い周波数帯域に対応することが必要となりフィルター等、数多くの高周波部品が必要となってきている。特に高周波数領域で使用する半導体装置、すなわち高周波（ＲＦ）用途の半導体装置は、その高性能化が求められている。

【0003】

従来からＳＯＩ構造のシリコン基板を使用した高周波フィルター等は、ＣＭＯＳプロセスとの相性の良さや、大量生産が可能な観点から注目されている。そして、クロストークの防止の観点から、高調波特性が重要視され、これの改善のために基板の高抵抗率化や電荷蓄積層の導入など、種々の対策が取られてきた。

【0004】

具体的な解決策として、まずは支持基板の高抵抗率化がある。具体的な抵抗率の値としては、例えば特許文献１には、典型的には５００Ω・ｃｍよりも高く、好ましくは１０００Ω・ｃｍよりも高く、さらに好ましくは３０００Ω・ｃｍよりも高い電気抵抗率を有していなければならない、とされている。

【0005】

さらに、特許文献２には、ＳＯＩ構造の支持基板と、支持基板と埋め込み酸化物層（ＢＯＸ層）との間に新たにＰｏｌｙ－Ｓｉのような中間半導体層（電荷トラップ層ないしは、トラップリッチ：ＴＲ層）を備えている高周波用ＳＯＩ基板（ＴＲ－ＳＯＩ基板）の製造方法が記載されている。

【0006】

このような高周波デバイス用基板の高周波特性として、ＴＲ－ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を除去してＢＯＸ層にＡｌ電極で図３に示すようなＣｏ－Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（ＣＰＷ５）を形成して測定する２次高調波（２ＨＤ）特性がある。ＣＰＷ５は図３および４に示す一例のように、金属電極６０ａを隙間を開けて並列に並べて、その隙間の中央にこれら金属電極６０ａと並列に線状の中央金属電極６０ｂを形成した構造を持ち、中央金属電極６０ｂから図４における左右両側の金属電極６０ａおよび測定対象基板３０内部に向かう方向の電界６０ｃと、測定対象基板３０の内部において中央金属電極６０ｂを囲む方向の磁界６０ｄによって電磁波を電送する構造の素子６をいう。

【0007】

また、高調波とは、元となる周波数の整数倍の高次の周波数成分のことで、元の周波数を基本波、２倍の周波数（２分の１の波長）を持つものが２ＨＤと定義されている。高周波回路では高調波による混信を避けるために高調波の小さい基板が必要とされ、この目的のために前述のようにＴＲ－ＳＯＩではベース基板にＴＲ層を形成しさらに支持基板を高抵抗率化して２ＨＤ特性を改善している。

【0008】

このような高周波デバイス用基板としてシリコン系の材料以外を利用した基板が、特許文献３に記載されている。特許文献３には、基材（実施例でシリコン）上にダイヤモンドを成長しさらに圧電材料を成膜するもので、例としてはＺｎＯを成膜した構造であり、圧電材料の電気抵抗率を１０^１４Ω・ｃｍ以下に規定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特表２０１５－５０３８５３号公報

【特許文献2】特開２０１９－１２９１９５号公報

【特許文献3】特開２００４－３３６６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

前記の高周波デバイス用基板のさらなる高性能化が求められている。

【0011】

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、高周波特性に優れたダイヤモンドを利用した高周波デバイス用基板および、高周波特性に優れたダイヤモンドを利用した高周波デバイス用基板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】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明では、高周波デバイス用基板であって、表面に凹凸を有する支持基板と、前記支持基板の前記表面上のダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上のシリコン酸化膜層とを有するものである高周波デバイス用基板を提供する。

【0013】

ダイヤモンドを用いることで、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や、物質中最高の音速を有する特性による、高周波特性の向上が期待できる。また、前記ダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を設けることで、絶縁性をさらに持った高周波デバイス用基板となる。

【0014】

また、本発明では、前記支持基板の前記表面は、ＡＦＭで測定した表面の粗さ（Ｓａ）が１ｎｍ以上のものであることが好ましい。

【0015】

このような高周波デバイス用基板であれば、支持基板中のキャリア移動度が低下するため好ましい。

【0016】

また、本発明では、前記表面に凹凸を有する支持基板は、抵抗率が５００Ω・ｃｍ以上のものであることが好ましい。

【0017】

このような高抵抗率を有する支持基板を用いることで、より優れた高周波特性を有する高周波デバイス用基板を得ることが可能になる。

【0018】

また本発明は、高周波デバイス用基板の製造方法であって、
支持基板を準備する工程と、
前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程と、
前記支持基板の前記表面上にダイヤモンド層を形成する工程と、
前記ダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を形成する工程と
を有する高周波デバイス用基板の製造方法を提供する。

【0019】

ダイヤモンドを用いることで、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や、物質中最高の音速を有する特性をもつ材料を使用することで、高周波特性の向上した高周波デバイス用基板の製造が期待できる。さらに、前記ダイヤモンド層上に、シリコン酸化膜層を形成することで絶縁特性が期待される。

【0020】

また、本発明では、前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程は、ＡＦＭで測定した前記支持基板表面の粗さ（Ｓａ）が１ｎｍ以上となるように粗さを形成する工程であることが好ましい。

【0021】

このような高周波デバイス用基板であれば、支持基板中のキャリア移動度が低下するため好ましい。

【0022】

また、本発明では、前記支持基板の抵抗率を５００Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。

【0023】

このような高抵抗率を有する支持基板を用いることで、より優れた高周波特性を有する高周波デバイス用基板を製造することができる。

【発明の効果】

【0024】

以上のように本発明の高周波デバイス用基板であれば、ダイヤモンドを用いることで、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や物質中最高の音速を有する特性、かつ絶縁性の高いシリコン酸化膜を有することで、高周波特性の向上が可能になる。

【0025】

また本発明による高周波デバイス用基板の製造方法であれば、ダイヤモンドを用いることで、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や、物質中最高の音速を有する特性、かつ絶縁性の高いシリコン酸化膜を有することで、高周波特性の向上した高周波デバイス用基板の製造が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の高周波デバイス用基板の一例を示す概略図である

【図2】本発明の高周波デバイス用基板の製造方法の一例を示す概略フロー図である。

【図3】２次高調波特性を評価するためのＣｏ－Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（ＣＰＷ）の一例の概略平面図である。

【図4】図３のＣＰＷの線分Ｘ－Ｘに沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

上述のように、高周波特性に優れた高周波デバイス用基板、およびこのような高周波デバイス用基板を製造する製造方法の開発が求められている。

【0028】

そこで、発明者らは、上記課題について検討を重ねた結果として、高周波デバイス用基板として、表面に凹凸を有する支持基板と、表面の上に積層されたダイヤモンド層と、さらにダイヤモンド層上にシリコン酸化膜を積層した高周波デバイス用基板を用いることで、高周波特性の改善が可能になることを見出した。

【0029】

即ち、本発明は、高周波デバイス用基板であって、表面に凹凸を有する支持基板と、前記支持基板の前記表面上のダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上のシリコン酸化膜層とを有するものである高周波デバイス用基板である。

【0030】

また、本発明は、高周波デバイス用基板の製造方法であって、
支持基板を準備する工程と、
前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程と、
前記支持基板の前記表面上にダイヤモンド層を形成する工程と、
前記ダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を形成する工程と
を有する高周波デバイス用基板の製造方法である。

【0031】

なお、特許文献３には、シリコン基板上に成長したダイヤモンドに圧電膜（実施例としてはＺｎＯ膜）を成膜した構造が公開されているが、シリコン基板の抵抗率については特に規定されておらず、またシリコン基板表面には凹凸もなく、さらにダイヤモンドの上に積層される圧電層の電気抵抗率が１０^１４Ω・ｃｍ以下とシリコン酸化膜の電気抵抗率（１０^１５Ω・ｃｍ以上、例えば１０^１７Ω・ｃｍ）よりも小さな値となっている。本発明とは構造・構成が異なるものとなっている。

【0032】

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0033】

〔高周波デバイス用基板〕
本発明の高周波デバイス用基板は、表面に凹凸を有する支持基板と、その表面上に積層されたダイヤモンド層と、さらにダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を積層したものであることを特徴とする。

【0034】

本発明は言い換えると、ダイヤモンドを用いることで、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や、物質中最高の音速を有する特性、かつ絶縁特性に優れたシリコン酸化膜を積層することで、高周波特性を向上させることを特徴とする高周波デバイス用基板である。

【0035】

支持基板の表面には、支持基板中のキャリア移動度の低下のために凹凸を設け、この凹凸はＡＦＭでの測定でＳａ＝１ｎｍ以上とすることが好ましい。

【0036】

前記支持基板の抵抗率は５００Ω・ｃｍ以上のものであることが望ましい。このような高抵抗率を有する支持基板とすることで、より優れた高周波特性を有する高周波デバイス用基板を得ることが可能になる。

【0037】

次に、図１を参照しながら本発明の高周波デバイス用基板の一例を具体的に説明する。

【0038】

図１に本発明の高周波デバイス用基板１０の断面図を示す。高周波デバイス用基板１０は、支持基板１と、ダイヤモンド層３と、シリコン酸化膜層４とを含んでいる。

【0039】

凹凸２は、支持基板１の表面に形成され、支持基板１とダイヤモンド層３の間に形成された電荷が高周波の印加によって移動しないように保持する役割を持たせている。

【0040】

シリコン酸化膜層４を積層することで、ＳＯＩ構造に類似した構造となり、このシリコン酸化膜層４の高い絶縁性と、ダイヤモンド層３および凹凸が界面のキャリアトラップとして働くことで、支持基板１を通じて流れる高周波信号をブロックし、高周波信号の歪を低減することが可能となる。

【0041】

高周波デバイス用基板１０は、表面に凹凸を有する支持基板１と、ダイヤモンド層３と、シリコン酸化膜層４が、この順で積層された構造を有するともいうことができる。

【0042】

〔高周波デバイス用基板の製造方法〕
本発明の高周波デバイス用基板の製造方法は、支持基板を準備する工程と、前記支持基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記支持基板の前記表面上にダイヤモンド層を形成する工程と、前記ダイヤモンド層上にシリコン酸化膜層を形成する工程とを有する高周波デバイス用基板の製造方法である。

【0043】

本発明は言い換えると、ダイヤモンドを用いた、ダイヤモンドのもつ高い熱伝導性を利用した放熱特性の向上や、物質中最高の音速を有する特性、さらに高い絶縁特性を持つシリコン酸化膜層を用いた、高周波特性を向上させることを特徴とする高周波デバイス用基板の製造方法である。

【0044】

ダイヤモンド層は、各種の合成法が知られているが、半導体基板用途では、マイクロ波プラズマやホットフィラメントなどのＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。この中でも大直径基板への適用が可能なホットフィラメント法が好ましいといえる。

【0045】

ホットフィラメント法とは、減圧した反応容器中に基板を入れて、ガスとしてメタンと水素を導入した状態で、基板上方に設置したタングステンフィラメントに電流を印加して高熱にすることで、ガスを分解・活性化してダイヤモンドを成長させる方法である。

【0046】

支持基板の表面に、支持基板中のキャリア移動度の低下のために凹凸を設ける時に、この凹凸はＡＦＭでの測定でＳａ＝１ｎｍ以上とすることが好ましい。

【0047】

凹凸の形成方法は時に限定されないが、例えば支持基板表面を研削することで形成することができる。

【0048】

このときの凹凸は、前記のキャリア移動度低下の機能以外に、ダイヤモンド成長時の核として機能する役割もある。

【0049】

ダイヤモンド層の上に形成するシリコン酸化膜の形成には、通常の熱酸化が使えない（ダイヤモンドが酸化されてしまうため）ので、プラズマＣＶＤやＡＬＤのような低温成膜が好ましい。

【0050】

また、前記支持基板の抵抗率は５００Ω・ｃｍ以上のものであることが望ましく、このような高抵抗率を有する支持基板を用いて製造することで、より優れた高周波特性を持った高周波デバイス用基板を製造することができる。

【0051】

次に、図２を参照しながら本発明の高周波デバイス用基板の製造方法の一例を具体的に説明する。

【0052】

まず支持基板１を準備する。次いで、この支持基板１の表面に凹凸２を形成する。

【0053】

次に支持基板１の表面の凹凸２の上に、ダイヤモンド層３を形成する。

【0054】

次に、ダイヤモンド層３の上にさらにシリコン酸化膜層４を積層することで、高周波デバイス用基板１０を得ることができる。

【0055】

以上のようにして、図１および２に示す、表面に凹凸２を有する支持基板１と、ダイヤモンド層３と、シリコン酸化膜層４からなる高周波デバイス用基板１０を得ることができる。

【実施例0056】

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0057】

［実施例］
直径３００ｍｍボロンドープの高抵抗率シリコン単結晶基板（８０００Ω・ｃｍ）を準備し、この表面を＃８０００の砥石を用いて表面研削を行い、表面粗さがＳａ＝１ｎｍの基板を作製した。次に、メタン（ＣＨ_４）と水素（Ｈ_２）を原料として、ホットフィラメントＣＶＤ装置に入れ、フィラメント温度：２２００℃、Ｈ_２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ_４濃度：３％、基板温度：８５０℃、５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）の条件で４時間の成長を行ってダイヤモンド層を形成した。そののち、プラズマＣＶＤ装置を使用して、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原料にして、ＴＥＯＳを４０ｓｃｃｍ、基板温度：３５０℃、１００Ｔｏｒｒ（１３３３２Ｐａ）の条件で１０分間の成長を行ってシリコン酸化膜を４００ｎｍ形成した。

【0058】

このようにして作製したシリコン酸化膜、ダイヤモンド層、及びシリコン単結晶基板を有する基板上に、アルミ電極でＣＰＷ（路線長：２２００μｍ）を形成した素子を作製した。その後、２次高調波特性（２ＨＤ特性）（周波数：１ＧＨｚ、入力出力：１５ｄＢｍ）を測定した。その結果、２ＨＤ特性は－１１３ｄＢｍと後述の比較例よりも改善がみられた。

【0059】

［比較例］
支持基板として、直径３００ｍｍボロンドープの高抵抗率シリコン単結晶基板（８０００Ω・ｃｍ）を準備し、この高抵抗率シリコン単結晶基板に１０５０℃でポリシリコン層を１．８μｍ成長させた。つぎに４００ｎｍの熱酸化膜を持つシリコン単結晶基板を準備し、先ほどのポリシリコン層を形成した高抵抗率シリコン単結晶基板に貼り合わせた後、シリコン単結晶基板の一部を除去して、４００ｎｍの熱酸化膜を支持基板に転写し、高抵抗率シリコン単結晶基板に中間層（トラップリッチ層）としてポリシリコン層、絶縁膜として熱酸化膜を持ったＴＲ－ＳＯＩ基板を作製した。

【0060】

このＴＲ－ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をＮａＯＨでエッチング後、露出した絶縁膜上に、アルミ電極でＣＰＷ（路線長：２２００μｍ）を形成した素子を作製した。その後、２次高調波特性（２ＨＤ特性）（周波数：１ＧＨｚ、入力出力：１５ｄＢｍ）を測定した。その結果、比較例の基板の２ＨＤは－９３ｄＢｍであった。

【0061】

以上に示した結果より、支持基板表面に凹凸を持ち、ダイヤモンドとＣＶＤによるシリコン酸化膜を形成した高周波デバイス用基板は良好な高周波特性を示すことができた。

【0062】

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【符号の説明】

【0063】

１…支持基板、 ２…凹凸、 ３…ダイヤモンド層、
４…シリコン酸化膜層、 ５…ＣＰＷ、 ６…素子、
１０…高周波デバイス用基板、 ３０…測定対象基板、 ６０ａ…金属電極、
６０ｂ…中央金属電極、 ６０ｃ…電界、 ６０ｄ…磁界。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】