JPH0555100A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は接合によって半導体基板を製造する
方法に係るものであり、特にその接合界面において低抵
抗化が確実に実現できるようにした半導体基板の製造方
法を提供することを目的とする。 【構成】第１および第２のシリコンウエハ11、12の少な
くとも接合する面を鏡面研磨し、第２のシリコンウエハ
12の研磨面にリンドーピンク層13を形成する。この第１
および第２のシリコンウエハ11、12は洗浄工程30で洗浄
し、さらに親水化処理工程31で親水化してその表面に薄
い酸化膜14、15を形成する。そして、この酸化膜14、15
の面が対設されるようにして第１および第２のシリコン
ウエハ11、12を密着させて接合基板16を形成し、真空乾
燥、熱処理を行い、リンとシリコンが接合界面を介して
相互拡散され、この接合界面に酸化物が残留されないよ
うにする。そして、この接合基板16を研削研磨して半導
体基板17が完成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特にパワー素子、そ
の他の半導体回路を形成する、２枚のシリコン結晶体に
よる半導体ウエハを接合して構成される半導体基板の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高耐圧用半導体装置を構成するために使
用される半導体基板は、シリコン基板の一方の面を低濃
度層とし、もう一方の面に高濃度層を形成して構成され
る。そして、この半導体基板の低濃度層上に活性動作領
域を形成し、また高濃度層を電極として利用するように
構成するのが一般的である。

【０００３】この様な半導体装置を構成するための接合
構造の半導体基板を製造する手段としては、従来より種
々の製法が試みられている。例えば、ウエハ直接接合法
が知られているもので、この方法は鏡面研磨した２つの
シリコンウエハの鏡面を親水化処理した後に密着し、熱
処理によって接合するもので、例えば特開昭６０−５１
７００号公報に開示されている。

【０００４】しかしこの製造方法では、鏡面研磨面に親
水性を持たせるために形成した薄い酸化膜が、熱処理後
においても接合界面に残留する。したがって、例えばこ
の接合界面を通して電流を流すようになる縦型のパワー
トランジスタを構成する場合には、この接合面の抵抗が
オン抵抗の増加等の素子特性の劣化につながり、またこ
の接合界面に密度の高い電流が流れた場合には、その接
合界面に発熱が集中して、極端な場合には結晶破壊に至
ることがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、鏡面研磨された面に親水性
を持たせるために形成された酸化膜が、２枚のシリコン
結晶体を接合し熱処理した後において残留されることが
なく、接合界面における低抵抗化が図れて、良好な界面
特性が設定されるようにした半導体基板の製造方法を提
供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体基
板の製造方法は、接合すべき第１および第２のシリコン
結晶体等の半導体ウエハの接合面をそれぞれ鏡面研磨
し、その一方の鏡面研磨面に不純物の高濃度層を形成
し、その後前記両研磨面を親水化処理して相互に密着さ
せ、熱処理して相互に接合されるようにする。

【０００７】

【作用】この様な半導体基板の製造方法にあっては、第
１および第２の鏡面研磨面の一方に、例えばリンをドー
プすることによって高濃度不純物層とし、例えば６００
℃で熱処理を施すと、接合界面の酸素を不純物であるリ
ンとシリコンの相互拡散で同時にシリコン結晶体内に拡
散されるようになり、第１および第２のシリコン結晶体
の接合界面に酸化物が局在しなくなる。したがって、こ
の接合界面は低抵抗とされ、例えば縦型のパワートラン
ジスタ等も効果的に構成できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１は第１の実施例に係る製造工程を示すも
ので、接合すべき第１および第２の半導体ウエハとされ
る第１および第２のシリコンウエハ11および12が用意さ
れる。この場合、特に図示されていないが、少なくとも
一方の面（図上で上側の面で接合面とされる面）が鏡面
研磨されている。

【０００９】一方の第２のシリコンウエハ12は、砒素が
ドーパントとして添加されている高濃度基板（１×１０
¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度）で構成され、その鏡面研磨
面にはリンをイオン注入あるいは気相拡散、ドープドオ
キサイド法等によってドーピングし、リンドーピング領
域13が形成されるようにする。

【００１０】このときのイオン注入条件は、例えば加速
電圧８０ＫｅＶ以上で、ドーズ量は３．０×１０¹⁵ｃｍ
^-2以上であり、またリンデポの条件は例えばＰＯＣl ₃
の雰囲気中で９００℃以上で１０分以上デポする。この
様にリンをイオン注入法で導入する場合、第２のシリコ
ンウエハ12の鏡面研磨面の表面には、非晶質層が形成さ
れるようになるが、この実施例においては接着工程前に
この非晶質層の結晶性を回復させるための特別な熱処理
は行わない。

【００１１】ここで、第１のシリコンウエハ11は、少な
くとも一方の面が鏡面研磨されて、リンあるいはアンチ
モンあるいは砒素がドーパントとして添加された不純物
濃度（１×１０¹⁴〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3）の低濃度基板に
よって構成される。

【００１２】この様に構成された第１および第２のシリ
コンウエハ11および12は、基板洗浄工程30において脱脂
および汚染の洗浄が行われる。この基板洗浄工程30は、
例えばＨ₂ Ｏ₂ とＮＨ₄ ＯＨとＨ₂ Ｏとの混合液、Ｈ₂
Ｏ₂ とＨＣl とＨ₂ Ｏとの混合液、およびＨＦの順にシ
リコンウエハ11、12を浸漬する工程とする。

【００１３】次に、この様に処理された第１および第２
のシリコンウエハ11、12は、親水処理工程31において、
例えばＨ₂ Ｏ₂ とＨ₂ ＳＯ₄ の約９０℃の液温の混合液
中に１０分以下の時間範囲で浸漬し、シリコンウエハ11
および12の表面に、それぞれ薄い酸化膜14および15を形
成し、この表面を活性化する。そして、乾燥工程32にお
いてスピンナ乾燥を行う。

【００１４】この乾燥工程32で乾燥された第１および第
２のシリコンウエハ11および12は、第１のシリコンウエ
ハ11の鏡面研磨面と第２のシリコンウエハ12のリンドー
ピング面13とが対向されるようにして密着させ、接着基
板16を形成させる。この様な密着手段によって、２つの
シリコンウエハ11および12は水素結合による親和力によ
り接着される。

【００１５】この様に形成された接合基板16は、１×１
０^-4Ｔorr 以下の真空中で３０分以上乾燥すると共に、
その後６００℃以上の正常な雰囲気中で１時間以上の熱
処理を行う。この熱処理によってリンドーピング層13の
リンとシリコンが接合面を介して相互に拡散するもので
あり、この時同時に親水性を持たせるために形成した酸
化膜14および15の酸素も、接合界面からシリコンウエハ
11、12内に拡散されるようになる。

【００１６】すなわち、熱処理後の接合基板16の接合界
面には、高抵抗の酸化シリコンによる酸化膜は残留する
ことがなく、しかもこの接合界面はリンの高濃度領域と
されるものであるため、高い導電性を有するようにな
る。

【００１７】この様にして接合基板16が完成されたなら
ば、不純物の低濃度層が所望の厚さとなるまで、第１の
シリコンウエハ11の側の面から研削研磨することによっ
て、接合界面において酸化物の残留のない、この接合界
面が高い導電性を有する半導体基板17が形成されるよう
になる。

【００１８】図２はリンをドーピングすることにより接
合界面の酸素が拡散していることを示す実験結果を示
す。この実験は、高濃度基板の鏡面研磨面にリンを窒素
および酸素とＰＯＣl ₃ の雰囲気で９５０℃、２０分間
のプリデポを行う。その後、フッ化水素酸でＰＳＧ膜を
除去し、これを低濃度基板に貼り合わせて接合基板を形
成するもので、熱処理は１１５０℃で７時間行った。

【００１９】この実験は比較のために上記のようにリン
をどーピンクした例と、リンをドーピンクしない例とを
行い、リンのドーピングの有無以外は全て同じ条件で行
っているもので、（Ａ）図はリンをどーピンクした例
を、（Ｂ）図はリンをドーピンクしない例を示してい
る。

【００２０】ここで、この接合基板16の接合界面の観察
は、図３で示すように接合界面近傍（接合面から約５μ
ｍ）まで研磨した後、その側面を接合面が露出するまで
斜め研磨を行う。そして、広がり抵抗法によって抵抗の
変化を計測し、さらにフッ化水素酸に浸漬することより
接合界面の変化を観察した。

【００２１】図２の（Ａ）および（Ｂ）の実験結果の対
比により、リンをドーピンクしないと接合界面で抵抗が
増大する。さらに、接合面を顕微鏡写真等によって確認
すると、リンをドーピンクしない例においては、接合界
面に酸化物が凝縮していることが確認され、これが抵抗
増大の原因となっていることが確認できる。これに対し
て、リンをドーピンクした試料にあっては、フッ化水素
酸に浸漬した後も接合界面には変化が観察されず、この
接合界面に局在していた酸素は熱処理によってシリコン
ウエハ内に拡散されたことが理解できる。

【００２２】図４は第２の実施例を説明するためのもの
で、第１の実施例においては第２のシリコンウエハ12の
表面にリンをドーピングしたが、この実施例においては
低濃度基板である第１のシリコンウエハ11の鏡面研磨面
に、リンをドーピングしてリンドーピング層20を形成す
る。その後の工程は第１の実施例と同様に基板洗浄工程
30を行い、さらに図では省略したが親水性処理、密着熱
処理を行って接合基板が完成されるようにする。

【００２３】図５は第３の実施例を示す。第１の実施例
においては第２のシリコンウエハ12に対して、イオン注
入によってリンの高濃度層を形成した後、この第２のシ
リコンウエハ12の表面は非晶質状態のままで第１のシリ
コンウエハ11と密着させた。しかし、この第３の実施例
においては第２のシリコンウエハ12の鏡面研磨面にリン
をイオン注入してリンの導入された非晶質領域21を形成
した後、基板洗浄を行ってシリコンウエハ12の表面の結
晶性を回復させるための熱処理を行う。

【００２４】この熱処理は、例えば窒素雰囲気中で８０
０℃以上、３０分以上の条件で行うもので、この熱処理
によって非晶質領域21が固相成長によりエピタキシャル
成長し、単結晶層211 を形成するようになる。その後
は、第１の実施例と同じに基板洗浄工程30を行い、さら
に図示しないが親水性処理、密着処理、熱処理、さらに
研削研磨処理を行って、接合半導体基板が完成される。

【００２５】図６はさらに第４の実施例を示す。第１実
施例では第１のシリコンウエハ11をＮ型でドーパントし
てリンあるいはアンチモンあるいは砒素が１×１０¹⁴ｃ
ｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3添加された低濃度基板で構成
し、第２のシリコンウエハ12をＮ型で砒素が１×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上添加された高濃度基板で構成し、第２のシリ
コンウエハ12の表面に、例えばイオン注入法あるいは気
相拡散法等を用いて、リンが１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上添加
された高濃度層となるリンドーピンク層13を形成した後
接合した。

【００２６】これに対してこの実施例にあっては、第２
のシリコンウエハ12の表面にリンを１×１０¹⁸ｃｍ^-3以
上の高濃度に添加して第１の領域22を形成すると共に、
さらにリンとは異なる導電型のホウ素を、その濃度がリ
ン濃度未満である関係を保つ状態で添加して第２の領域
23を形成する。その後は基板洗浄工程30を行い、第１の
実施例と同様の処理が行われる。

【００２７】この実施例において添加されたホウ素は、
シリコン中における拡散定数がリンとほぼ等しいもので
あるため、接合時におけるほぼ１１５０℃の熱処理、お
よびその後のウエル形成等のデバイス形成工程で受ける
高温長時間の熱処理により、接合面に添加したリンがデ
バイス形成領域に拡散して、キャリア濃度が変化するこ
とを補償することが可能となる。

【００２８】この第４の実施例においては、第１のシリ
コンウエハ11をＮ⁻、第２のシリコンウエハ12をＮ^＋と
して示したが、これとは異なって第１のシリコンウエハ
11をＰ⁻、第２のシリコンウエハ12をＰ^＋として構成し
てもよい。この場合、接合面は予め１×１０¹⁸ｃｍ^-3以
上の濃度のリンと、それとほぼ等しいがそれより若干多
目のホウ素を添加して、接合面の近傍に特性上望ましく
ない不要なＮ⁻が形成されないようにする。

【００２９】あるいは、第１のシリコンウエハ11を
Ｎ⁻、第２のシリコンウエハ12をＰ^＋として、第４の実
施例と全く同じ製造工程を採用するようにしてもよい。
また、第１のシリコンウエハ11をＰ⁻、第２のシリコン
ウエハ12をＮ^＋としてもよい。この場合は、接合面には
予め等量のリンとホウ素を添加させるようにする。

【００３０】図７は第５の実施例を示す。第１の実施例
においては、第１のシリコンウエハ11をＮ型の低濃度基
板、第２のシリコンウエハ12をＮ型の高濃度基板によっ
て構成するようにしたが、この実施例にあっては第１の
シリコンウエハ11をホウ素がドーパントとして添加され
ている低濃度基板（１×１０¹⁴〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の不
純物濃度が設定されている）、第２のシリコンウエハ12
はホウ素がドーパントとして添加されている高濃度基板
（１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度が設定されてい
る）によって構成する。

【００３１】この様な第１および第２のシリコンウエハ
11および12の、少なくとも接合すべき面は鏡面研磨され
ているもので、第２のシリコンウエハ12の鏡面研磨面に
は、ホウ素をイオン注入若しくは気相拡散、ドープドオ
キサイド法によってドーピンクし、ホウ素ドーピング領
域25を形成する。このホウ素のドーピングは第１のシリ
コンウエハ11に対して行ってもよい。

【００３２】その後は第１の実施例と同様に基板洗浄を
行い、親水性処理を行って第１および第２のシリコンウ
エハ11および12の表面に薄い酸化膜14および15を形成
し、この酸化膜14および15の面を対向して第１および第
２のシリコンウエハ11および12を密着する。

【００３３】ホウ素はイオン注入によって導入した場
合、シリコンウエハ12の鏡面研磨面の表面は非晶質とな
るが、この非晶質の状態で密着してもよい。しかし、さ
らに熱処理によって結晶性を回復させた後にその結晶の
状態で密着するようにしても、その後の熱処理によって
ホウ素とシリコンが接合界面を介して相互拡散し、この
時同時に接合界面の酸素もウエハ内に拡散されるように
なる。

【００３４】この様にして構成された接合基板を研磨し
て半導体基板17が完成された状態では、その接合界面に
酸化物の残留はなく、充分に高い導電性を有する接合界
面が設定された接合基板による半導体基板17が得られる
ものである。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る半導体基板
の製造方法によれば、接合界面において酸化物が残留あ
るいは凝縮しないものであり、この接合界面における導
電性が充分に確保される。したがって、この様な接合に
よって構成された半導体基板によって、充分に特性の安
定して設定された半導体回路素子が構成されるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る半導体基板の製造工
程を説明するための図。

【図２】上記実施例で製造された半導体基板および従来
の同種の半導体基板の接合界面における抵抗分布状態を
対比して示す図。

【図３】接合によって構成された半導体基板を観察する
ときの加工工程を説明する図。

【図４】この発明の第２の実施例を説明する図。

【図５】この発明の第３の実施例を説明する図。

【図６】この発明の第４の実施例を説明する図。

【図７】この発明の第５の実施例を説明する図。

【符号の説明】

11…第１のシリコンウエハ（第１の半導体ウエハ）、12
…第２のシリコンウエハ（第２の半導体ウエハ）、13…
リンドーピング層、14、15…酸化膜、16…接合基板、17
…半導体基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】接合すべき第１および第２の半導体ウエハ
   のそれぞれ接合面を鏡面研磨する鏡面研磨工程と、 前記第１および第２の半導体ウエハの少なくとも一方の
   前記鏡面研磨された接合面に、不純物高濃度層を形成す
   る高濃度層形成工程と、 前記第１および第２の半導体ウエハのそれぞれ鏡面研磨
   された接合面を親水化する親水化処理工程とを具備し、 この親水化処理された前記鏡面研磨された接合面の相互
   を、直接的に密着させるようにしたことを特徴とする半
   導体基板の製造方法。