JPH09148427A

JPH09148427A - 複合半導体基板

Info

Publication number: JPH09148427A
Application number: JP7302962A
Authority: JP
Inventors: Michimasa Shimizu; 道正清水; Kazuhiro Fujii; 一宏藤井; Shingo Taruya; 新悟樽屋
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】大ウェハ径の場合にも反りが小さい複合半導
体基板を提供するものである。【解決手段】１または相互に分離された複数個の半導
体単結晶領域１１と、これを支持する支持基板１４と
が、ガラス物質１３によって接合された複合半導体基板
において、前記複合半導体基板を構成する両主面のうち
支持基板１４側の主面部に加工歪み層１５を有する複合
半導体基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板に関する
ものであり、特に高機能あるいは高性能な半導体デバイ
スを作り込むのに適した半導体装置用誘電体分離基板を
含む複合半導体基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶領域を相互に分離する方法
として知られている誘電体分離技術は、標準的なＰ／Ｎ
接合分離技術に比べてデバイス間の分離技術が極めて良
好であり、適用回路の制限が少ないことから、高耐圧や
大電流のパワーＩＣに適している。典型的な誘電体分離
方式としては、ＥＰＩＣ（Epitaxial Passivated Integ
rated Circuit ）方式が知られているが、大ウェハ径へ
の対応や、製造コスト等の問題から他の方法についても
種々検討されている。複数の半導体基板を貼り合わせて
基板を製造するＳＯＩ（Silicon On Insulator）技術も
その一つである。中でも基板の貼り合わせについての優
れた方法として、例えば、特開昭６１−２４２０３３号
公報に開示された方法がある。

【０００３】前記公報には、四塩化珪素を主成分とする
原料を酸水素炎で燃焼して得られるすす状物質を半導体
基板表面に堆積し、支持基板を重ね合わせた後、ヘリウ
ムガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理しすす状物質
を焼結して半導体基板を接合する方法が開示されてい
る。この方法は、結晶欠陥の少ない、大ウェハ径の複合
半導体基板を比較的低コストで製造できる点で優れた方
法である。従来の、この種の貼り合わせ方法によって製
造された複数個の半導体単結晶領域を有する基板は、通
常はＳｉＯ₂等の絶縁膜で覆われた半導体単結晶島がガ
ラス物質層によって支持基板に接合されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近、
さらに大きなウェハ径を有する半導体基板が求められる
ようになり、従来の上記公報の方法によって接合された
半導体基板の中には、ガラス物質層、絶縁層、支持基板
およびそれらの界面に内部応力が残っており、大型ウェ
ハ化に伴う反り（外周部と中央部との高低の差）が大き
くなり、その結果、半導体基板に各種デバイスを作り込
む生産ラインにおいて搬送が困難になったり、微細なフ
ォトリソグラフィ精度を高めることが難しいという問題
点が生じている。

【０００５】この反りを低減するために、種々の方法が
考えられる。例えば、支持基板側の露出面に逆の反りを
与える膜を被着させる方法などは、最も効果的と考えら
れる。しかしながら、多くの場合、前記逆の反りを与え
る膜は、デバイスプロセス工程中に除去され、その結果
結局基板の反りが大きくなってしまい、生産ライン途中
でストップするなど、トラブルの原因となることがあ
る。

【０００６】本発明の目的は、上記の従来の複合半導体
基板における問題点を解消し、反りが小さい大ウェハ径
の複合半導体基板を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、１または相互
に分離された複数個の半導体単結晶領域と、これを支持
する支持基板とが、ガラス物質によって接合された複合
半導体基板において、前記複合半導体基板を構成する両
主面のうち支持基板側の主面部に加工歪み層を有するこ
とを特徴とする複合半導体基板に関する。

【０００８】本発明の特長は、ガラス物質によって貼り
合わされた構造の誘電体分離基板の反りを低減すること
ができる構造にある。

【０００９】本発明の複合半導体基板の構成について図
１を参照しながら説明する。複数個の半導体単結晶領域
１１は相互に分離されており、互いに電気的に絶縁され
ている。図中に示されているように、半導体単結晶領域
１１の周囲は通常絶縁膜１２によって覆われている。該
半導体単結晶領域１１はガラス物質層１３を介して支持
基板１４に接合されている。本発明によると、従来の技
術で問題となっていた半導体単結晶領域１１、ガラス物
質層１３および支持基板１４との熱膨張係数の差などに
より発生する基板の反りを、支持基板１４裏面の表層部
に加工歪み層１５を設けることによりバランスさせ、反
りを解消させるように自在に設計することができる。な
お、図中の加工歪み層１５は拡大して示されている。

【００１０】半導体単結晶領域１１の材質としてはシリ
コンが代表的であるが、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、Ｉｎ
Ｐ、ＳｉＣ等の各種化合物半導体やＧｅ等の単元素半導
体であっても良い。

【００１１】通常形成される絶縁膜１２としては特に制
限されないが、ＳｉＯ₂膜が好適に使用される。絶縁膜
の厚さとしては、通常０．５〜２．０μｍである。

【００１２】ガラス物質層１３はシリコン、ホウ素およ
び酸素を主成分とするものが好ましい。ガラス物質層の
厚さは薄すぎると完全に接合されない場合があり、ま
た、厚すぎると接合強度が低下するので０．５〜５００
μｍ、好ましくは０．５〜１００μｍである。なお、ガ
ラス物質層の焼結温度を低くするためにリン化合物やゲ
ルマニウム化合物を添加することもできる。

【００１３】支持基板を構成する基板１４としては、半
導体単結晶領域１１と同じ材質が好適であることは言う
までもないが、支持基板１４としては、半導体単結晶領
域１１と同じ材質である必要はなく、ガラス物質との接
合性がよく、接合プロセス中に変質や変形が発生せず、
接合後の接合面に歪みが生じにくい材料が選ばれる。

【００１４】本発明においては、特に支持基板１４とし
て、従来の技術において熱膨張係数の差によって基板に
大きな反りを与える材料やデバイスプロセス中に変質し
やすい材料も利用できることも大きな特長である。利用
できる材料としては例えば、石英ガラス、サファイア、
アルミナ、炭化珪素焼結体、マグネシア、窒化珪素、耐
熱性ガラスなどが挙げられる。

【００１５】以上の説明における半導体単結晶領域１１
の大きさ又は層の厚さは、半導体単結晶領域相互間で互
いに異なっていてもよい。また、一部の半導体単結晶領
域１１が支持基板１４と直接接合されていたり、支持基
板１４の一部分がデバイス表面に現れた構造であっても
よい。

【００１６】上記の説明では半導体単結晶領域は相互に
分離されているが、図１において該半導体単結晶領域１
１が１個であって、絶縁層１２およびガラス物質層１３
を介して支持基板１４と接合されていても良い。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明の複合半導体基板の製
造方法の一例を図２に従って説明する。まず、半導体単
結晶領域１１となる半導体基板１０の表面に分離溝を形
成する。図２ではＶ字溝となっているが、トレンチ等の
形状でもよく、目的とするデバイスや製造コストを考慮
して選ぶことができる。製造方法としては、ＫＯＨを用
いた湿式の異方性エッチングやＳＦ₆ガスを用いたドラ
イエッチング等の通常普通に用いられている方法によっ
て製造することができる。溝の深さは、半導体単結晶領
域１１の厚さよりも少し深い程度にするのが良く、通常
０．１〜３００μｍ程度である。ここで半導体基板１０
は最終的に半導体単結晶領域１１となるので、材料とし
ては半導体単結晶領域と同一の半導体である。

【００１８】次に半導体基板１０の表面に絶縁膜１２を
形成する。絶縁膜としてはＳｉＯ₂膜が好適に使用され
る。ＳｉＯ₂膜はＣＶＤ法等によって形成されるが、半
導体基板１０がシリコンである場合は表面を熱酸化して
得られるＳｉＯ₂が好適に使用される。

【００１９】次にすす状物質層３を形成した後、支持基
板１４を重ね合わせた後、加熱処理することにより半導
体基板１０と支持基板１４とを貼り合わせる。ガラス物
質層１３はシリコン、ホウ素および酸素を主成分とし、
これに所望によりリン化合物やゲルマニウム化合物を含
有させることができる。ガラス物質層１３の組成や製造
方法はそれぞれ異なっていてもよいが、同一であること
が製造設備および工程上好ましい。該ガラス物質層はス
ート堆積法、ＣＶＤ、スピンコート法等によって製造す
ることができる。中でもスート堆積法は溝のすみずみま
でガラス物質で充填されるので特に好ましい。

【００２０】スート堆積法は、例えばＳｉＣｌ₄の如き
ケイ素化合物およびＢＣｌ₃の如きホウ素化合物を主成
分とする原料を、酸水素炎中で燃焼させることで得られ
るＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃を主成分とするすす状物質
を、半導体基板１０の表面に堆積させ、支持基板１４と
重ね合わせた後、加熱処理し焼結することによって半導
体基板１０と支持基板１４とを貼り合わせる方法であ
る。

【００２１】スート堆積法による複合半導体基板を製造
する際に使用されるケイ素化合物としては、酸水素炎中
で燃焼させることによりＳｉＯ₂を生成する化合物であ
ればよく、一般式ＳｉＲ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴で表される化合
物（置換基Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およびＲ⁴は互いに同一で
も異なっていてもよく、ハロゲン、水素、アルキル基、
アルキルオキシ基から選ばれる置換基である。）；ジシ
ロキサン、ポリシロキサン等のケイ素原子を２個以上含
有するシロキサン類；ジシラン、ポリシラン等のケイ素
原子を２個以上含有するシラン類等を挙げることができ
る。この中でも、得られるＳｉＯ₂の質および粒度等の
観点から好ましいのは、一般式ＳｉＲ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴で
表される化合物であって、置換基Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およ
びＲ⁴（Ｒ¹〜Ｒ⁴は互いに同一でも異なっていてもよ
い。）が、塩素、水素、炭素数１〜３のアルキル基、炭
素数１〜３のアルキルオキシ基から選ばれる置換基の場
合である。この中でも特に好ましいのは、上記の置換基
Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およびＲ ⁴（Ｒ¹〜Ｒ⁴は互いに同一
でも異なっていてもよい。）が、塩素または水素の場合
である。これらケイ素化合物の具体例として、ＳｉＣｌ
₄、ＳｉＨ₄、Ｓｉ ₂Ｈ₆、ＳｉＨＣｌ₃、Ｓｉ（ＯＥ
ｔ）₄およびＳｉ（ＯＭｅ）₄等を挙げることができ
る。

【００２２】ホウ素化合物としては、三塩化ホウ素、ボ
ラン類（ＢＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆）、ＢＨＣｌ₂、Ｂ（ＯＥ
ｔ）₃およびＢ（ＯＭｅ）₃等を挙げることができ、こ
の中でも供給が容易であることから三塩化ホウ素が好ま
しい。

【００２３】なお、すす状物質の焼結温度を低くするた
めに所望により添加されるリン化合物およびゲルマニウ
ム化合物としては、酸水素炎中で燃焼させることにより
リンおよびゲルマニウムの酸化物を生成するような化合
物であれば良く、リン化合物としては、五塩化リン、オ
キシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等
を挙げることができ、また、ゲルマニウム化合物として
は、四塩化ゲルマニウム、ゲルマン（ＧｅＨ₄）等を挙
げることができる。これらの中でも、供給が容易である
ことから好ましいのは五塩化リン、オキシ塩化リン（Ｐ
ＯＣｌ₃）および四塩化ゲルマニウムである。

【００２４】上記原料の酸水素炎中への供給は、上記原
料が気体であればバルブ等で流量を調整しながら、直接
酸水素炎中に、または水素若しくは酸素に混合して酸水
素炎中に供給して行う。上記原料が液体であれば、噴霧
装置によって供給するか、あるいは水素ガス、酸素ガス
またはアルゴンガス若しくは窒素ガス等の不活性ガスを
キャリアとして、原料の蒸気を同伴させることにより、
あるいは原料を加熱することにより原料そのものの蒸気
圧により圧送するなどの方法により供給することができ
る。

【００２５】酸水素炎中に供給された上記原料は火炎加
水分解され、ＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ ₃を主成分とするす
す状物質を生成する。このすす状物質はガラスの超微粒
子であって、粒径は０．０５〜０．２μｍ程度である。
なお、酸水素炎とは、酸素と水素を同時に供給すること
によって得られる燃焼炎である。

【００２６】生成するすす状物質は、貼り合わせを行う
半導体基板１０の表面に直ちに堆積させられる。堆積
は、酸水素炎を半導体基板１０に直接吹き付けることに
よって行うことが好ましい。

【００２７】次いで、前記すす状物質を加熱処理するこ
とによって焼結させる。焼結は、半導体基板１０に設け
られた溝の谷間の部分に空孔が出来るだけ生じないよう
にするために、実質的に酸素ガス中において行うのが良
い。即ち、酸素ガスが９０％以上且つヘリウムガスが２
％以下が好ましく、その他のガスとしては半導体基板等
に対し反応性がないものが使用される。特に酸素ガスが
９５％以上、さらに好ましくは９９％以上である。焼結
時の熱処理温度は８００〜１４００℃である。すす状物
質は焼結されるとガラス化し、半導体基板１０と支持基
板１４とが貼り合わされる。

【００２８】この後、支持基板１４を貼り合わせ面の反
対側から図２におけるＡのラインまで機械研削し、通常
行われるメカノケミカル研磨等の研磨工程を行わずに研
削表面層近傍に加工歪み層１５を残す。次いで、半導体
基板１０を貼り合わせ面の反対側から図２におけるＢの
ラインまで研削しさらにメカノケミカル研磨等の研磨を
行うことにより、複合半導体基板が製造される。貼り合
わせに用いる半導体基板がＶ字状の溝、トレンチ溝等の
溝付き基板であれば、研削・研磨工程を経て、島状に分
離された半導体単結晶領域１１が得られる。

【００２９】支持基板１４の裏面に加工歪み層１５を設
ける方法としては、特に限定されないが、機械研削によ
る方法、イオン打ち込み、プラズマ照射およびイオンビ
ーム等の加工方法が好適である。機械研削の方法として
は、例えば粒度の細かい砥石や粒度の細かい砥粒を付着
させた定盤を使用して研削する。使用される砥石もしく
は砥粒の粒度は２００〜２０００番のものが好ましい。
加工歪み層１５の厚みは特に限定されないが、半導体単
結晶領域１１の厚みが０．１〜３００μｍ程度でガラス
物質層の厚みが０．５〜１００μｍ程度の場合には、該
加工歪み層１５の厚みは１０μｍ以下、好ましくは１〜
５μｍ程度が良い。機械研削の方法としては、例えばカ
ップ砥石定寸切り込み方式によるロータリー平面研削機
による方法が挙げられる。

【００３０】半導体基板１０のＢのラインまでの研削、
研磨は、上記支持基板１４の場合と同様な方法により機
械研削を行った後、メカノケミカル研磨によりＶ字溝の
先端部が表面に露出し、所定の幅になるところを終点と
するようにする。

【００３１】

【実施例】本発明について、さらに具体的に以下に示す
が、本発明はこれに限定されるものではない。実施例１図１に示す複合半導体基板を以下のようにして作製し
た。Ｖ字状に加工した凹部を有する基板を次のようにし
て製作した。まず、図２に示すように、面方位（１０
０）面を有する６インチ径、厚さ６２５μｍのシリコン
基板１０の表面に、フォトリソグラフィおよび異方性エ
ッチングにより５０μｍの深さにＶ溝を形成した。Ｖ溝
の形成は、フォトエッチングによりＳｉＯ₂のマスクを
作製し、Ｓｉが露出した領域をＫＯＨの２０％水溶液９
０重量部、イソプロピルアルコール５重量部およびｎ−
ブチルアルコール５重量部からなる、いわゆる異方性エ
ッチング液を用いて温度８０℃でエッチングすることに
より作製した。

【００３２】引き続き熱酸化によってＶ溝の表面に絶縁
膜１２としてＳｉＯ₂を１．５μｍの厚さに形成した。

【００３３】次いで、ガラス物質のシリコンとホウ素の
原子比（Ｓｉ／Ｂ）ａが２．５となるようにガス状のＳ
ｉＣｌ₄（供給量２５０ｍｌ／ｍｉｎ）およびガス状の
ＢＣｌ₃（供給量１００ｍｌ／ｍｉｎ）を水素（供給量
８５０ｍｌ／ｍｉｎ）と酸素（供給量５０００ｍｌ／ｍ
ｉｎ）からなる燃焼炎中に供給し、分解して得られるす
す状物質をＶ溝が形成された半導体基板１０の表面に堆
積させた。すす状物質３の堆積量はこれを焼結させた時
に２０μｍとなるように調節した。別に用意した面方位
（１００）面を有する６インチ径、厚さ６２５μｍのシ
リコン基板１４をすす状物質３の堆積の上に重ね合わせ
たものを、加熱炉内において酸素雰囲気中で１２８０℃
に昇温し４８時間加熱したところ、すす状物質３は厚さ
２０μｍまで体積収縮すると同時にガラス化し、２枚の
シリコン基板同士が均一に貼り合わされた。

【００３４】このようにして接合された基板を、超音波
画像探査装置（オリンパス社製ＵＨＰｕｌｓｅ２０
０）で溝充填状態を調べたところ、空孔が全く存在しな
いことが確認された。さらに、この基板のへき開面を走
査型電子顕微鏡で観察したところ、Ｖ字状の溝の隅々ま
でガラスが充填されていた。ガラス物質の組成比を求め
るために同一条件で作製した試料を用い、ガラス物質を
フッ化水素系の水溶液で溶解し、ＩＣＰにより定量分析
を行ったところ、Ｓｉ／Ｂの原子比ａは２．５であっ
た。

【００３５】次に、支持基板１４を仕上がりの厚さを考
慮し、５６０μｍの厚さとなるように、１２００番のカ
ップ砥石を用いて機械研削を行った。続いて、シリコン
基板１０の貼り合わせの反対面から１２００番のカップ
砥石を用いて機械研削を行って所定の厚みに加工後、さ
らにメカノケミカル研磨法を用いて研磨加工し、互いに
絶縁分離された島状の半導体領域１１を形成した。支持
基板１４の研削面の加工歪み層１５をフッ硝酸溶液によ
るエッチング速度の測定値から求めたところ、加工歪み
層１５は深さ方向に１．５μｍであり、このときの反り
は、半導体単結晶領域を上にして平面上に載置したとき
に、周囲より中央部が８１μｍだけ上に対して凸状であ
る程度であった。このため、搬送時のトラブルもなく、
フォトリソグラフィ工程における歩留りもよかった。

【００３６】実施例２支持基板１４の裏面の機械研削を１２００番のラップ定
盤を用いてラップ加工としたほかは、実施例１と同様の
方法で複合半導体基板を作製した。このときの反りは、
半導体単結晶領域を上にして平面上に載置したときに、
周囲より中央部が６７μｍだけ上に対して凸状である程
度であった。このため、搬送時のトラブルもなく、フォ
トリソグラフィ工程における歩留りもよかった。

【００３７】比較例１支持基板１４の裏面の機械研削を１２００番の研磨布を
使用して行った後、メカノケミカル研磨法により鏡面研
磨して加工歪み層１５を除去した以外は実施例１と同様
にして複合半導体基板を作製した。支持基板１４の研削
面の加工歪み層１５を測定したところ、加工歪み層１５
は深さ方向にほぼゼロであり、このときの反りは、半導
体単結晶領域を上にして平面上に載置したときに、周囲
より中央部が１４７μｍだけ上に対して凸状である程度
であった。このため、搬送時のトラブルもなく、フォト
リソグラフィ工程における歩留りもよかった。

【００３８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の複
合半導体基板は大型ウェハ径を有する場合にも反りが小
さく、厳格な規格が要求されるデバイス製造ラインに投
入可能であり、また、フォトリソグラフィの精度を上
げ、歩留りを向上させることができ、実用上有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合半導体基板の１つの実施態様を示
す縦断面図である。

【図２】本発明の複合半導体基板の製造工程を示す図で
ある。

【符号の説明】

３すす状物質層１０半導体基板１１半導体単結晶領域１２絶縁膜１３ガラス物質層１４支持基板１５加工歪み層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１または相互に分離された複数個の半導
体単結晶領域と、これを支持する支持基板とが、ガラス
物質によって接合された複合半導体基板において、前記
複合半導体基板を構成する両主面のうち支持基板側の主
面部に加工歪み層を有することを特徴とする複合半導体
基板。