JPH0246722A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、
特に基板の接合の方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば耐圧が１００ＯＶというような高耐圧半導
体素子をシリコン基板に形成するには、基板にＮ型を有
する濃度Ｉ　Ｘ　１０　ｌＳ／ｃｄ以下、厚さ１２０μ
ｍ程度の低濃度層と、Ｎ型を有した表面濃度Ｉ　Ｘ　１
０１１１／ｃａ以上の高濃度層という構造としている。

このような構造を有する基板の製造方法として従来では
、例えば片面が鏡面研磨され１×１０１Ｓ／　ｃ＋ＩＴ
以下の濃度を有するＮ型の低濃度基板と片面が鏡面研磨
され１×１０１８／ｃＴａ以上の濃度を有するＮ型の高
濃度基板の鏡面研摩面同士を接合することにより、低濃
度層と高濃度層を有する一枚の基板を形成し、この低濃
度基板により形成される低濃度層を研磨することにより
所定の厚さにし、高耐圧素子を得る方法がある。

この方法は任意の濃度、厚さの基板同士の接合が可能で
あるため、拡散法やエピタキシャル法では得られないよ
うな濃度分布を有する基板を得ることができる。

また、この基板の接合機構としてはシリコン表面上にシ
ラノール基を形成し、そのシラノール基に存在する水酸
基による水素結合が接着力の起因となると准定されてい
る。

しかしながら、従来の製造方法においては、基板表面は
鏡面に研磨したとしても、５０人程度の面粗さが存在す
るため、基板面積が大きくなるほど全面を均一に接合す
ることは基板表面の粗さにより困難であり、単に基板同
士を接合するだけでは水素結合による均一な接着力を得
ることができない。また、接着方法が不適当になりやす
く、接合界面での抵抗値が大きくなるという問題を有し
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、本発明は接合界面抵抗が小さく、しかも接合均
一性の良好な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〕

そこで本発明では、２枚の半導体基板の研磨された各接
合面を親水性とする第１工程と、接合面の面粗度と同程
度の厚さの水分子を付着させる第２工程と、 ２枚の半導体基板の接合面同士を接合し、真空乾燥にて
水分子を除去する第３工程と、接合された基板に熱処理
を施す第４工程からなる半導体基板の製造方法とする。

着される。

そのため接合面同士を接合すると水分子を介して接合さ
れることになり、そのため基板の接合面の面粗度が水分
子によって補償され、各接合面に形成されるシラノール
基同士を水分子を介して確実に接合させることができる
。

その後、この水分子を真空乾燥にて除去するので、水分
子を接合面周辺から徐々にかつ一定の条件にて除去させ
ることができ、２枚の半導体基板の接合面同士を未接合
部分のない接合均一性の良好な半導体装置を得ることが
できる。

また、２枚の半導体基板の接合時には、各接合面に異な
った負荷が与えられ接合を容易としている。

〔作用〕

第１工程により半導体基板の各接合面を親水性とするこ
とにより、この接合面の最表面にはシラノール基が形成
され、さらに第２工程によりシラノール基の一端には水
素結合によって水分子が付〔実施例〕 第１図は第１実施例の基板の接合の様子を示す模式図で
ある。

はじめに、第１工程として一方の面が鏡面研磨し接合面
１３が形成されたｎ型で濃度ｌＸｌ０”／ｃ司以下の低
濃度基板１１と一方の面が鏡面研磨し、接合面１４が形
成されたｎ型で濃度ｌＸｌ０”／　ｃ＋ｌＩ以上の高濃
度基板１２を、トリクレンによる煮沸等の有機洗浄を行
ない、アセトンによる超音波洗浄を行う。しかる後、Ｎ
Ｈ，：Ｈ２０□　：Ｈｚ。

＝１　：　１　：４，８０〜９０℃の混合液中に約１０
分浸漬し、低濃度基板１１と高濃度基板Ｉ２の表面の有
機物を洗浄除去する。

次に、純水中にて洗浄した後、Ｈ（１：ＨｚＯ□：　Ｈ
，Ｏ＝１　：　１　：　４，８０〜９０°Ｃ混合液中に
約１０分間浸漬し、基板表面の金属イオン等の汚染を除
去する。

この後に純水にて水洗し、例えばＨＦ：ＨｚＯの容積比
１：５０のＩＦ溶液中に浸漬し基板表面上に存在する自
然酸化膜を完全に除去し、酸化膜とともに酸化膜表面に
存在する不純物を完全に除去する。

更に、Ｈｚ　Ｓｏ、：　Ｈｚ　Ｏ□＝３：１液温８０〜
９０゛Ｃの混合液に１分程度浸漬する。これにより各基
板１１．１２の接合面１３．１４の表面上に１５Å以下
の膜厚が制御された酸化膜を形成する。この酸化膜の形
成により接合面１３．１４の最表面に第１図（ａ）の如
くシラノール１（Ｓｔ−ＯＨ）を形成し、接合面１３．
１４を親水性とした。

そして、接合面１３．１４に残留するイオンを除去する
ため純水による浸漬流水洗浄を行なうとともに、基板１
１．１２の接合面１３．１４上に形成した薄い酸化Ｈり
上に電荷を蓄えるため１５ＭΩ以上の比抵抗を持つ純水
を基板１１．１２の接合面１３．１４上に噴射しながら
、接合面１３上と接合面１４と対向する面とをスポンジ
等の絶縁性材料で摩擦することにより接合面１３．１４
上に異なる電荷を蓄える。

さらに第２工程として水の比抵抗が１部７ＭΩ以上に達
するまで、純水による浸漬流水洗浄によって基板１１．
１２の接合面１３．１４の不純物イオンを除去する脱イ
オン化を行なう。

その後、約１００°Ｃの乾燥窒素による吹き付けを行な
うスピン乾燥を１分以上６分以下で行う。

これにより、基板１１．１２の接合面１３．１４に付着
する水分子量を制御し、接合面１３．１４の面粗度であ
る約５０人と同程度の水分子の厚さとした。

ここで基板１１．１２のスピン乾燥を約１００°Ｃにお
いて１分以上６分以下としたのは第２図に示すように、
乾燥時間１分以下では接合面１３゜１４に残留する水分
が多く熱処理後も接合面にＳｉｎｇとして多く残留し界
面抵抗が大きなものとなる一方、乾燥時間を６分以上に
すると熱処理後の界面抵抗のばらつきには大きな変化は
ないが、水分子の厚さが薄すぎるため基板の接合率が低
下してしまう。

次に第３工程として、低濃度基板１１の接合面１３と高
濃度基板１２の接合面１３同士を接合させ基板２０とす
る。この接合により、第１図（ｂ）の如く互いの接合面
１３．１４に存在するシラノール基が水分子１５を介し
て接合し、接合面１３゜１４の粗さを補償することがで
きる。さらに、基板１１．１２には第１工程によって異
なる電荷が蓄えられているので、基板１１．１２の接合
を容易に、かつ確実にするこ止ができる。

そして、この接合した基板２０を約１０Ｔｏｒｒ以下の
真空雰囲気中に静置させることにより乾燥させる。この
とき、そりを補償するため全体に１０ｇ重／　ｃｉ以上
の荷重を加えてもよい。

この基板２０の真空乾燥を行なうことによって、基板１
１．１２の接合面１３．１４に介在する水分子１５を、
接合面１３．１４の周辺から真空雰囲気によって水分子
１５の沸点の低下により、確実に蒸発させることができ
る。

この真空雰囲気の乾燥によって、シラノール基に介在し
た水分子１５を除去し、接合面１３．１４のシラノール
基を直接接合させる。

この後、第４工程として接合し一枚とした基板２０を例
えば窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気、１１００°
Ｃ以上の温度で１時間以上の熱処理を施すことにより、
接合界面のシラノール基の１部である酸素を基板２０中
に拡散させ第１図（Ｃ）の如（Ｓ　ｉ　−Ｓ　ｉの結合
を形成する。熱処理温度としては第３図から明らかなよ
うに１１００°Ｃ以上必要である。

以上のような半導体基板の製造工程を採用することによ
り、基板１１．１２の接合面に存在する５０人程度の面
粗さも第２工程として基板１１゜１２の水分子量を接合
面１３．１４の面粗度と同程度の厚さになるように制御
することによって、５０人程度の面粗さに対する補償が
可能なためシリコン同士の水素結合が基板全面に形成で
き接合均一性を向上させることが可能となる。

さらに第３工程において、基板１１．１２の界面に存在
する水分子を真空中にて乾燥させるので、加熱による基
板の乾燥時にみられるような基板の鏡面からの過剰な水
分子の蒸発による未接着部の発生、さらに乾燥雰囲気中
での基板の乾燥時にみられるような外気温等の影響によ
る湿度制御の困難性等がない良好な基板１１．１２の接
合を行なうことができる。

更に、接合面１３．１４の薄い酸化膜上に静電気により
異なる電荷を蓄えることにより基板１１゜１２同士に静
電力が発生し、密着性が向上し接合均一性を向上させる
ことが可能となる。

さらに、前記実施例による半導体基板の接合界面の抵抗
値は、非常に低いものであり、熱処理によって接合界面
が高濃度層の一部とすることによって、高濃度層自体の
もつ抵抗より接合界面の抵抗の方が低く、素子特性に与
える接合界面の影響を非常に小さくすることができる。

第４図は本発明の第２実施例を示す工程図である。

はじめに、第４図（ａ）の如く接合する低濃度基板４１
の鏡面研磨された接合面４２にダイシングまたはエツチ
ング等により周辺部まで到達した？ｔＲ４３を形成する
。このとき、本実施例では溝４３の間隔Ｌ１は半導体装
置の１単位である半導体素子に切り出す単位の整数倍と
することにより、基板の接合後の素子形成を容易とし、
さらには基板表面に付着した水分子の抜けを良好にする
ため最大３０胴とした。

その後、第４図ら）の如く第１実施例と同様な第１工程
乃至第２工程を施した後、溝４３を形成した接合面４２
と高濃度基板４４の接合面４５とを接合し、第１実施例
の第３工程および第４工程を行なう。

これにより低濃度基板４１と高濃度基板４４とを同時に
有し、かつ内部に溝４９を有する半導体基板４８が形成
される。

このように接合面４２．４５に基板４１．４４の周辺部
まで到達した溝４９を形成すると、第３工程の真空乾燥
において、基板４１．４４の界面に存在する水分子は外
部へ抜けやすくなるため従来の基板の接合時に発生する
基板の未接着部の発生の可能性を大幅に低減させること
ができる。

その後、ラップ・ポリッシュにより第、４図（ｄ）の如
く低濃度基板４１を素子製作に必要な厚さにする。

その後、第４図（ｅ）の如く不純物をドープする等の通
常の素子製作工程に従って例えばバイポーラ素子５０を
製作する。

最後に、第４図（ｆ）の如く基板を溝４９に沿ってダイ
シングし個々の半導体素子５２とする。

このような製造法により半導体素子５２を製造すれば、
基板４１．４４の接着時に発生する水分子は溝４９を通
って外部へ放出しやすくなるため基板接合面の中央部で
の熱処理時の水分子離脱による未接着部の発生する確率
をさらに小さくさせることができる。

また、溝４３の間隔り、は半導体素子５２にダイシング
する間隔の整数倍にしであるため、半導体素子５２の状
態では溝４３はなくなり素子特性に影響を及ぼさない。

第５図は本発明の第３実施例を示す。第３実施例では、
はじめに、接合する基板のうち低濃度基板５５の鏡面研
磨面５６にダイシングまたは工・ンチング等により溝６
１を形成する。このとき、溝６１の間隔Ｌ＋は第２実施
例と同様に必要な半導体素子の長さの整数倍とする。ま
た、溝６１の、深さＤは半導体素子の低濃度層の必要と
する厚さ以上とする。

その後、第５図［有］）乃至（Ｃ）の如く第１実施例ま
たは第２実施例と同様に、第１工程乃至第４工程を行な
い、各基板５５．５７を接合させ、半導体基Ｆｉ６５を
得る。

次に第５図（ｄ）の如く基板６５をラップ・鏡面研磨し
、低濃度基板５５の低濃度層を半導体素子設計に必要な
厚さにする。このとき、溝６１は基板表面に露出する。

そこで、第５図（ｅ）の如＜　ＣＶＤ法、スパッタ、蒸
着、ＳＯＧ等を採用し、溝６１をＳ　ｉ　、　　Ｓ　ｉ
　０２．　Ｓ　ｉ　３　Ｎａ等の堆積物６２によって埋
め、その後ラップポリッシュ、エッチバック等により平
坦化する。

次に、さらに、第５図（ｆ）の如く通常の工程である不
純物のドープ等により半導体素子６８を形成する。

最後に第５図（□□□の如くダイシング等により各々の
チップを切り出すことによって個々に分離した半導体素
子７０を得ることができる。

第６図（ａ）、　（ｂ）は第２．第３実施例において形
成する溝４３．６１の形状を示したものである。第６図
（ａ）は縞状に形成したもの、第６図（ｂ）は格子状に
形成している。格子間隔Ｌ＋及びり、は前述のごとく得
られる半導体素子のピッチの整数倍とする。

第３実施例を採用することにより、接合均一性の良好な
基板を得ることができるばかりでなく、溝６１を基板表
面に露出させ、かつラップポリッシュおよびエッチバッ
ク等によって平坦化させたので、溝６１の位置を明確に
することができ、半導体素子７０の形成時の位置決めを
容易とすることができる。

前記実施例においては、Ｎ型により説明を行なったが、
低濃度基板、高濃度基板としてＮ型のみならずＰ型でも
構わない。また、接合する基板の組合せは低濃度Ｎ型基
板と高濃度Ｐ型基板又は低濃度Ｐ型基板と高濃度Ｎ型基
板でもよい。

また、前記実施例では半導体素子としてバイポーラ素子
を製作したがバイポーラ素子のみならず、高耐圧の絶縁
ゲート型素子、あるいはサイリスク等どのような半導体
素子でもよい。

前記第３実施例において、第４工程を行なった後、半導
体基板６５を酸化性雰囲気中に静置させ溝６１の表面を
酸化させることにより、溝６１の表面に保護膜を形成さ
せてもよい。

〔発明の効果］ 本発明を採用することにより、基板間の接着が確実にす
ることができるので、接合界面抵抗が小さく、接合状態
の良７好な基板を得ることができる。

（ａ）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の工程図、第２図は基板の
乾燥時間と界面抵抗との関係を示す特性図、第３図は熱
処理温度と界面抵抗との関係を示す特性図、第４図は本
発明の第２実施例の工程図、第５図は本発明の第３実施
例の工程図、第６図は第２実施例および第３実施例にお
いて形成する溝の形状を示す正面図である。 １１・・・低濃度基板、１２・・・高濃度基板、１５・
・・水分子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２枚の半導体基板の研磨された接合面を親水性と
   する第１工程と、 この接合面の面粗度と同程度の厚さの水分子を付着させ
   る第２工程と、 ２枚の半導体基板の接合面同士を接合し、真空乾燥にて
   水分子を除去する第３工程と、 この接合された基板に熱処理を施す第４工程とからなる
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）２枚の半導体基板の研磨された接合面を親水性と
   し、２枚の半導体基板の接合面に互いに異なる電荷を与
   える第１工程と、 電荷が与えられた接合面に、この接合面の面粗度と同程
   度の厚さの水分子を付着させる第２工程と、 ２枚の半導体基板の接合面同士を接合し、水分子を除去
   する第３工程と、 この接合された基板に熱処理を施す第４工程とからなる
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. （３）２枚の半導体基板の研磨された各接合面を洗浄し
   、酸化膜を形成することにより、前記接合面にシラノー
   ル基を設け、この接合面に異なった電荷を与える第１工
   程と、 接合面に設けられたシラノール基に、接合面の面粗度と
   同程度の厚さの水分子を水素結合にて結合させる第２工
   程と、 この２枚の半導体基板の接合面同士を接合し、真空乾燥
   によって前記水分子を蒸発させる第３工程と、 この接合された半導体基板に熱処理を施す第４工程 とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。