JPH0574926A

JPH0574926A - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JPH0574926A
Application number: JP26265891A
Authority: JP
Inventors: Masaki Matsui; 正樹松井; Mitsutaka Katada; 満孝堅田; Kazuhiro Tsuruta; 和弘鶴田; Seiji Fujino; 誠二藤野
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1993-03-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】半導体基板内に素子分離層を形成する際の熱
酸化シリコンの埋設、充填を良好に行なう。【構成】第１半導体基板１の鏡面１ａに凹部３を形成
し、該凹部に連通する凹部より深い酸素導入溝４を形成
する工程と、これと接合される第２半導体基板２の鏡面
２ａ周縁部を所定幅、深さにエッチングして段差を形成
しテラス構造とする工程と、第１半導体基板１の上記鏡
面１ａと第２半導体基板２の上記鏡面２ａとを密着し、
熱処理することによって接合する工程と、この接合基板
の、第１半導体基板の上記凹部と第２半導体基板とで形
成される空洞５内に、上記酸素導入溝より酸化性雰囲気
ガスを導き、熱処理することによって空洞内に熱酸化シ
リコン６を充填、埋設する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の製造方法
に関し、特に基板内部に選択的に誘電体埋め込み層を形
成した半導体基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路における素子分離法とし
て誘電体分離法が注目されており、その一例として、シ
リコン基板の直接接合技術と熱酸化による酸化膜成長を
用い、基板内部に誘電体埋め込み層として熱酸化シリコ
ンを充填、埋設する方法が提案されている（例えば特開
昭６１−４２１５４号公報）。

【０００３】この方法は、図７に示すように、表面に酸
素導入用の溝４および上記溝４と連通する浅い凹部３を
形成した第１半導体基板１と（図７（ａ））、第２半導
体基板２（図７（ｂ））を直接接合した後（図７
（ｃ））、酸化性ガス雰囲気中で加熱処理し、上記溝４
に沿って凹部３内にガスを供給することにより、熱酸化
シリコンを埋め込む方法であり、熱酸化シリコンで電気
的に絶縁分離された領域を選択的に形成することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方法におい
て、第１半導体基板１表面の凹部３および溝４を形成す
る方法としては、溝４の外径が比較的大きいため化学的
エッチングは不適当であり、反応性イオンエッチングあ
るいはプラズマエッチング等のドライエッチングによっ
て形成することになる。しかしながら、この場合、基板
は外周部を包むように背面より電極で保持する必要があ
り（チャック）、このため基板端部のエッチングが困難
で、基板外周縁まで溝４が形成できないおそれがある。

【０００５】この状態で、半導体基板１、２を接合する
と、溝４は図７（ｃ）に示すように接合基板内に埋没し
てしまい、外気に開口しない。従って溝４は酸素の導入
路として機能せず、接合基板内の凹部３へ酸素が十分供
給されないため、熱酸化シリコンの成長が不十分で、基
板内に完全に充填することができないという問題があ
る。

【０００６】しかして、本発明は、ウエハのチャック
等、装置の制約により酸素導入溝を基板端面に開口する
ことができない場合でも、基板内部へ十分な酸素を供給
することができ、熱酸化シリコンの埋設、充填を良好に
行なうことが可能な半導体基板の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、少なくとも一方が鏡面研磨された第１
半導体基板の鏡面に凹部を形成し、該凹部に連通する凹
部より深い酸素導入溝を形成する工程と、これと接合さ
れる少なくとも一方が鏡面研磨された第２半導体基板、
あるいは上記第１半導体基板の鏡面周縁部を所定幅、深
さにエッチングして段差を形成し、テラス構造とする工
程と、第１半導体基板の上記鏡面と第２半導体基板の上
記鏡面とを密着し、熱処理することによって接合する工
程と、この接合基板の第１半導体基板の上記凹部と第２
半導体基板とで形成される空洞内に、上記酸素導入溝を
介して酸化性雰囲気ガスを導き、熱処理することによっ
て空洞内に熱酸化シリコンを充填、埋設する工程によっ
て、選択的に絶縁分離された領域を有する半導体基板を
製造する。

【０００８】あるいは、少なくとも一方が鏡面研磨さ
れ、かつ第１半導体基板より小径の第２半導体基板を用
い、これと凹部および酸素導入溝を形成した上記第１半
導体基板を接合することにより、上記接合基板を作製し
てもよい。

【０００９】

【作用】周縁部に所定幅、深さの段差を形成した第２半
導体基板の鏡面は、これと接合される第１半導体基板の
鏡面より一回り小さく、この状態で両者を接合すると、
第１半導体基板の外周部は接合されないことになる。従
って、酸素導入溝が第１半導体基板の端縁に開口してい
ない場合でも、酸素導入溝は接合基板内に埋没すること
なく、外気に開口する。

【００１０】これは、第２半導体基板に代えて、酸素導
入溝および凹部を形成した第１半導体基板の周縁部をエ
ッチングして、テラス構造とした場合も同様であり、所
定幅、深さにエッチングすることにより酸素導入溝は段
差部の端縁に開口し、しかも接合によって閉鎖されるこ
とがない。あるいは第１半導体基板の鏡面より一回り小
さい径を有する第２半導体基板を使用した場合も同様で
あり、酸素導入溝は外気との連通を確保できる。

【００１１】このような状態で熱処理を施せば、外気に
開口している酸素導入溝を介して接合基板内部に十分な
酸化性ガスを導くことができ、酸化反応が良好に進行し
て、空洞内に熱酸化シリコンを完全に埋設、充填するこ
とができる。

【００１２】

【実施例１】以下、本発明の一実施例を図面を参照して
説明する。図１（ａ）〜（ｃ），図２（ｄ），（ｅ），
図３（ｆ）〜（ｊ），図４（ｋ），（ｌ）は半導体基板
の製造工程を示す断面図、図１（ａ’）〜（ｃ’），図
２（ｄ’），（ｅ’），図３（ｈ’），（ｉ’）、図４
（ｌ’）は平面図である。

【００１３】まず、図１（ａ），（ａ’）の如く、少な
くとも一方の面を鏡面研磨した第１半導体基板１の鏡面
１ａの一部を反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥと称
する）あるいは化学的エッチング等により選択的にエッ
チングし、深さ０．２〜２μｍの凹部３を形成する。

【００１４】次に図１（ｂ），（ｂ’）に示すように、
凹部３の周縁に沿ってあるいは凹部３と交差するように
延びる酸素導入溝４を、ＲＩＥあるいはプラズマエッチ
ング等により形成する。ここで、酸素導入溝４の形状
は、上記凹部３の形状、基板サイズ等を考慮して適宜決
められる。また酸素導入溝４の幅、および深さは上記凹
部３の深さより大きい値とする。なお、上記凹部３およ
び酸素導入溝４は、前述した装置の制約等から基板端縁
に開口するように形成されていなくてもよい。

【００１５】次に図１（ｃ）に示すように、少なくとも
一方の面を鏡面研磨した第２半導体基板２の鏡面２ａに
マスキングテープ、レジスト等により選択エッチングの
ためのマスク２１を形成する。このマスク２１は
（ｃ’）の如く、基板２の径よりやや小径としてあり、
前記した第１半導体基板１の酸素導入溝４が、接合後に
外気に開口できるような大きさ、形状であればよい。

【００１６】続いて、図２（ｄ），（ｄ’）において、
基板２の周縁部を化学的エッチングあるいはＲＩＥによ
り選択的にエッチングし、周縁部に段差２２を形成しテ
ラス構造とする。この段差２２は、上記酸素導入溝４の
深さに等しいかあるいはそれ以上の深さを有することが
望ましい。

【００１７】その後、これら基板１，２を、それぞれ、
例えばトリクレン煮沸、アセトン超音波洗浄、ＮＨ₄Ｏ
Ｈ：Ｈ₂０₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：４の混合液による有機
物の除去、ＨＣｌ：Ｈ₂０₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：４の混
合液による金属汚染の除去、および純水洗浄を順次施す
ことにより、充分洗浄する。

【００１８】さらに、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：５０の混合液
等を用いて表面の自然酸化膜を除去した後、例えばＨ₂
ＳＯ₄：Ｈ₂０₂＝３：１の混合液により、あるいは熱
酸化、酸素プラズマ照射等によって基板表面に１０〜３
０Å程度の酸化層を形成し、親水性を持たせて純水にて
洗浄する。次に、乾燥窒素等による乾燥を行ない、基板
表面に吸着する水分量を制御した後、２枚の基板１，２
の鏡面１ａ，２ａを対向させて密着させる。これによ
り、２枚の基板１，２は表面に形成されたシラノール基
および表面に吸着した水分子の水素結合により強固に接
着する。さらに、この接着した基板１，２を１０Torr以
下の真空中で乾燥させる。この時基板１，２の反りを補
償するため、３０ｇ重／cm²以下の荷重を印加してもよ
い。

【００１９】この後、基板１，２を例えば窒素、アルゴ
ン等の不活性ガス雰囲気中であるいは酸化性雰囲気中
で、８００℃以上、１時間以上の熱処理を施すことによ
り、接着面において脱水縮合反応が起きてシリコン（Ｓ
ｉ）と酸素（Ｏ）の結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）ができ、さ
らに酸素が基板に拡散してＳｉ原子団どうしの結合がで
きて（Ｓｉ−Ｓｉ）、図２（ｅ）に示すように、２枚の
基板１，２が直接接合された接合基板が形成される。な
お図２（ｅ）には（ｅ’）のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断
面をそれぞれ示す。

【００２０】ただし、このとき上記凹部３は接合されて
おらず、凹部３と第２半導体基板２の鏡面２ａとで空洞
５が形成される（Ａ−Ａ’断面）。また酸素導入溝４
は、基板１の端縁に達していなくても、第２半導体基板
２の周縁部に形成された段差２２により外気に開口する
（Ｂ−Ｂ’断面）。

【００２１】次に図３（ｆ）の如く、この一体化した接
合基板を、例えばドライＯ₂、ウエットＯ₂，Ｈ₂，Ｏ
₂混合燃焼気体等の酸化性雰囲気中で、９００℃以上、
１時間以上の熱処理を施す。これにより、外部に開口し
ている酸素導入溝４を介して接合基板内部の空洞５に酸
化性ガスが導入され、空洞表面が酸化して熱酸化シリコ
ン６が成長する。ただしこの酸化工程は上記凹部３と第
２半導体基板２の表面とで形成される空洞５が、両者の
表面からの熱酸化シリコン６の成長によって完全に埋
設、充填されるまで最低時間行なう必要がある。以上の
工程により、接合基板内に誘電体埋め込み層として熱酸
化シリコン６を完全に埋設、充填することができる。

【００２２】次に、図３（ｇ）の工程において、第２半
導体基板２の接合してない面から、所望の絶縁分離層の
厚みが得られるまでラッピングおよびポリッシングを行
ない、さらにその研磨面２ｂ上に、第１半導体基板１の
周縁部を選択的にエッチングするためのマスク２３を、
マスキングテープ、レジスト等により形成する（図３
（ｈ））。このマスク２３は、図３（ｈ’）に示すよう
に、第２半導体基板２の鏡面２ａに段差２２を形成する
ために用いたマスク２１（図１（ｃ）参照）と等しいか
あるいはそれ以下の大きさにする。その後、図３
（ｉ）、（ｉ’）の工程で、第２半導体基板２の周縁部
２４を化学的エッチングあるいはＲＩＥによって選択的
にエッチングして除去する。これにより基板２周縁部２
４の欠け、剥がれを防止できる。

【００２３】なお、この選択エッチング工程は、（ｇ）
のラッピング工程後の第２半導体基板２の厚みが、前記
図２（ｄ）のテラス構造形成工程における周縁部選択エ
ッチングのエッチング深さよりも小さい値であれば、す
なわちラッピングにより基板２の上記周縁部２４が除去
されている場合には行なわなくてよい。

【００２４】次に、図３（ｊ）において、素子分離領域
を形成するため、第２半導体基板２に、０．３μｍ以上
の幅で熱酸化シリコン６に達する深さの素子分離用の溝
２５を化学的エッチング、ＲＩＥあるいはダイシングに
よって形成する。ここで、上記溝２５を形成する際の位
置合わせは、第１半導体基板１に形成した酸素導入溝４
の端部が、外気に開口しているため（図３（ｉ’））、
これを基準にして精度よく行なうことができる。

【００２５】しかる後、溝２５の側面に絶縁層を形成す
るため、例えばドライＯ₂、ウエットＯ₂，Ｈ₂，Ｏ₂
混合燃焼気体等の酸化性雰囲気中で、９００℃以上、１
時間以上の熱処理を施し、厚さ０．３μｍ以上の熱酸化
シリコン層２６を形成する。

【００２６】さらに、図４（ｋ）に示すように、例えば
ＣＶＤ法により多結晶シリコン２７を堆積させ、溝２５
を埋める。ただしこの際の充填物質は、多結晶シリコン
の代わりに酸化物や窒化ケイ素物等の絶縁物でもよく、
充填方法もスパッタ、蒸着、ＳＯＧ等でもよい。また溝
２５は、表面の開口部が閉じられれば必ずしも完全に多
結晶シリコン２７で埋められていなくてもよく、空洞部
が残っていてもよい。その後、例えばラップポリッシュ
あるいはエッチングバック等により、表面の多結晶シリ
コン２７および熱酸化シリコン層２６の表面層２６ａを
除去し、平坦化する（図４（ｌ），（ｌ’））。

【００２７】以上の工程により、本実施例によれば、酸
素導入溝４と外気との連通を確保できるので、図４
（ｌ）に示すように、基板内に埋め込まれた熱酸化シリ
コン６と、側面の熱酸化シリコン層２６および多結晶シ
リコン２７とで、他の領域と完全に絶縁分離された領域
７を有する半導体基板を得ることができる。

【００２８】ところで、前記図７に示した従来の方法で
は、熱酸化後、第１半導体基板１を溝４が露出する位置
（図８（ａ）に一点鎖線で示す）まで研磨して、その表
面に素子を形成するが、第１半導体基板１には、凹部３
および溝４を形成する際の加工による損傷、歪みが存在
し、これらが核となって、熱酸化シリコン６埋め込み時
の熱酸化により酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）等の結晶欠
陥８が、第１半導体基板１側に集中して発生する（図８
（ｂ））。つまり、素子形成面に多数の欠陥８が存在す
ることになり、ライフタイムの劣化、接合リーク電流の
増加等、素子特性の低下を招くおそれがある。これに対
し、本実施例では、接合前に加工歪みがない第２半導体
基板２を素子形成面としているので、素子形成面の結晶
欠陥を大幅に低減でき、素子特性が向上する。

【００２９】なお、従来の方法において、図９に示すよ
うに、溝４が露出するまで研磨せず、溝４が内包された
状態で素子形成する場合、熱酸化シリコン６の埋め込み
領域と直接接合領域の境界が分からず、素子分離用の溝
１４を形成する際のフォトリソグラフィ工程でマスク合
わせが困難となるが、本実施例では、基板周縁部を選択
的にエッチングしたテラス構造とし、酸素導入溝４が露
出しているので、位置合わせが容易にできる。また、通
常ウエハは周縁部が面取り（ベベリング）されているた
め、図１０に示すように、基板１を接合面１５近傍まで
研磨するとウエハ端部に欠けや剥がれ１６が生じやすい
が、本実施例では、テラス構造形成時に接合面側の基板
周縁部をエッチングにより除去しているので、接合面近
傍まで研磨しても欠けや剥がれを生じることはない。

【００３０】

【実施例２】図５は本発明の他の実施例である。前記実
施例１では、第２半導体基板２のウエハ周縁部を、選択
的にエッチングすることでテラス構造としたが、本実施
例では図５（ａ）に示すように、凹部３および酸素導入
溝４を形成した第１半導体基板１表面をマスク１１を形
成した後、その周縁部を選択的にエッチングして段差１
２を形成し、テラス構造とする（図５（ｂ））。この段
差１２により、酸素導入溝４が端縁まで形成されていな
くても、酸素導入溝４は外気に開口する（図５（ｂ
´））。そして、未加工の第２半導体基板２と接合した
後（図５（ｃ））、熱酸化処理により空洞５内を熱酸化
シリコン６で埋設、充填する。

【００３１】続いて図５（ｄ）の工程で、第１半導体基
板１側から研磨して所望の厚みとし、酸素導入溝４を表
面に露出させる。この後、基板端部の剥がれ、欠けを防
止するため第１半導体基板１の周縁部を選択エッチング
してもよい。次に図５（ｅ）に示すように露出した酸素
導入溝４を多結晶シリコン１３で埋め、絶縁分離領域７
を形成する。

【００３２】本実施例によっても熱酸化シリコン６の埋
設を良好に行なうことができる。また、酸素導入溝４を
露出させるため、素子分離用の溝を改めて形成する必要
がない。

【００３３】

【実施例３】図６は本発明のさらに他の実施例である。
上記実施例１、２では、基板の周縁部を選択的にエッチ
ングしてテラス構造を形成することで酸素導入溝を外気
に開口させたが、本実施例では図６（ａ）に示すよう
に、第２半導体基板２を、第１半導体基板１の直径より
も小さく形成する。この第２半導体基板２を、凹部３と
酸素導入溝４を形成した第１半導体基板１と直接接合す
ると（図６（ｂ））、第１半導体基板１の外周部が露出
するので、図６（ｂ´）の如く、酸素導入溝４は外気に
開口する。

【００３４】以下、上記第１実施例と同様にして、熱酸
化処理により空洞５内に熱酸化シリコン６を埋設、充填
し（図６（ｃ））、第２半導体基板２側から研磨して所
望の厚みとした後、第２半導体基板２の研磨面上に、基
板端部の欠け、剥がれを防止するためのマスク２３を形
成して（図６（ｄ））、基板周縁部を選択エッチングす
る（図６（ｅ））。続いて、素子分離用の溝２５を形成
した後、溝側面に熱酸化シリコン層２６を形成し、多結
晶シリコン２７で溝２５を埋める（図６（ｆ））。

【００３５】本実施例の方法によっても、酸素導入溝を
外気に開口させることができ、熱酸化シリコン６の埋設
を良好に行なうことができる。また、素子分離のための
溝の形成時の位置合わせも第１実施例と同様に精度良く
行なうことができる。

【００３６】

【発明の効果】このように、本発明の方法を採用すれ
ば、ウエハのチャックなど、装置の制約により、基板の
端部にまで酸素導入溝が形成できない場合でも、半導体
基板の接合時に、酸素導入溝が埋没することがなく、酸
素の導入路として良好に機能するので、基板内部へ十分
な酸素を供給することができる。従って、基板内部の空
洞内を熱酸化シリコンで完全に埋め込むことができ、素
子の絶縁分離が良好になされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図２】本発明の一実施例の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図３】本発明の一実施例の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図４】本発明の一実施例の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図５】本発明の他の実施例の製造工程を示す断面図お
よび平面図である。

【図６】本発明のさらに他の実施例の製造工程を示す断
面図および平面図である。

【図７】従来の半導体基板の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図８】従来の半導体基板の製造工程を示す断面図であ
る。

【図９】従来の半導体基板の製造工程を示す断面図およ
び平面図である。

【図１０】従来の半導体基板の製造工程を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１第１半導体基板１２段差１ａ鏡面２第２半導体基板２２段差２ａ鏡面３凹部４酸素導入溝５空洞６熱酸化シリコン

フロントページの続き (72)発明者藤野誠二愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が鏡面研磨された第１半
導体基板の鏡面に凹部を形成し、該凹部に連通する凹部
より深い酸素導入溝を形成する工程と、これと接合され
る少なくとも一方が鏡面研磨された第２半導体基板、あ
るいは上記第１半導体基板の鏡面周縁部を所定幅、深さ
にエッチングして段差を形成しテラス構造とする工程
と、第１半導体基板の上記鏡面と第２半導体基板の上記
鏡面とを密着し、熱処理することによって接合する工程
と、この接合基板の、第１半導体基板の上記凹部と第２
半導体基板とで形成される空洞内に、上記酸素導入溝よ
り酸化性雰囲気ガスを導き、熱処理することによって空
洞内に熱酸化シリコンを充填、埋設する工程とを有する
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】少なくとも一方が鏡面研磨された第１半
導体基板の鏡面に凹部を形成し、該凹部に連通する凹部
より深い酸素導入溝を形成する工程と、この第１半導体
基板の上記鏡面と、少なくとも一方が鏡面研磨され、か
つ第１半導体基板より小径の第２半導体基板の鏡面とを
密着し、熱処理することによって接合する工程と、この
接合基板の、第１半導体基板の上記凹部と第２半導体基
板とで形成される空洞内に、上記酸素導入溝より酸化性
雰囲気ガスを導き、熱処理することによって空洞内に熱
酸化シリコンを充填、埋設する工程とを有することを特
徴とする半導体基板の製造方法。