JPH09246131A - 複合半導体基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高耐電圧デバイス製造に好適な反りが小さい
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、ガラス物質によって接合された複合半導体基板にお
いて、前記半導体単結晶領域１１の底面および側面は絶
縁膜１２によって覆われており、前記絶縁膜に接して第
１のガラス物質層１３が設けられ、更に第１のガラス物
質層１３に接して第２のガラス物質層１５が設けられて
いる複合半導体基板である。

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およびそ
の製造方法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、標準的な接合分
離基板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 IntegratedC
ircuit ）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、図
１に示すように、通常はＳｉＯ₂ 等の絶縁膜１２で覆わ
れた半導体単結晶島１１がガラス物質層１３によって支
持基板１４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、素
子の耐電圧特性の向上など、電気的特性の高いＩＣが要
求されるようになり、従来以上のさらに厚い半導体単結
晶領域を有する半導体基板が求められるようになったき
た。従来の上記公報の方法によって半導体基板を接合す
る場合には、厚い半導体単結晶領域を得るために、あら
かじめ領域分離のために深い溝を形成しておく必要があ
る。この深い溝をガラス物質で充填するためには、溝の
深さに見合うだけ、すす状物質を厚く堆積する必要があ
るが、その結果ガラス物質層の厚さが厚くなるため、得
られた基板は反りが大きく、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
いう課題が生じている。

【０００５】また、特公昭５８−４５１８２号公報にみ
られるように、絶縁層とガラス物質層との間に半導体多
結晶層を設け、すす状物質の堆積の前に溝をあらかじめ
充填し、実効的に溝容積を小さくする方法も考えられる
が、半導体多結晶層を厚く堆積するのはコストが高いと
いう大きな欠点がある。また、半導体多結晶層の堆積に
より、逆に溝の開口部を狭めて溝深さが増したり、反り
が大きくなったりする場合がある。

【０００６】本発明の目的は、上記の従来の複合半導体
基板における課題を解消し、分離島の厚みが厚い場合に
もボイドがなく、反りが小さい高耐電圧デバイス製造に
好適な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、前記半導体単結晶領域の底面およ
び側面は絶縁膜によって覆われており、前記絶縁膜に接
して第１のガラス物質層が設けられ、更に第１のガラス
物質層に接して第２のガラス物質層が設けられているこ
とを特徴とする複合半導体基板に関する。

【０００８】また本発明は、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、前記半導体単結晶領域の底面および側面は絶縁
膜によって覆われており、前記絶縁膜に接して第１のガ
ラス物質層が設けられ、更に第１のガラス物質層に接し
て第２のガラス物質層が設けられていることを特徴とす
る複合半導体基板の製造方法に関する。

【０００９】本発明における前記ガラス物質としは、Ｓ
ｉＣｌ₄ 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 を主成分とするすす状物質を焼
結することにより得られるものが好ましい。

【００１０】本発明の特長は、半導体多結晶層の堆積な
しに、ガラス物質によって貼り合わせた構造の複合半導
体基板であって、その半導体単結晶領域（島）層が厚い
ことにある。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の複合半導体基板の構成に
ついて図２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の周囲は絶縁膜１２によって覆われてい
る。また、半導体単結晶領域および絶縁膜１２は、ガラ
ス物質層１３によって隔てられ、ガラス物質層１５を介
して支持基板１４に接合されている。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】ガラス物質層１３および１５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
〜５００μｍ、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。

【００１５】支持基板１４としては、半導体単結晶領域
１１と同じ材質が好ましいが、必ずしも同じ材質である
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
生じにくい材料を選択することもできる。

【００１６】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。

【００１７】なお、図２において半導体単結晶領域１１
は相互に分離されているが、該半導体単結晶領域１１が
１個であって、絶縁層１２とガラス物質層１３，１５と
を介して支持基板１４と接合されていても良い。

【００１８】次に本発明の複合半導体基板の製造方法の
一例を図３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３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。Ｖ字溝は、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り製造することがで
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。

【００１９】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。

【００２０】次いで絶縁膜１２の上にすす状物質層３を
堆積した後、加熱処理することによりガラス物質層１３
を形成する。この工程により形成されるガラス物質層１
３の断面形状を図３に模式的に示すが、半導体多結晶の
場合に比べて、溝の深い部分に厚い層が形成される特徴
を有し、溝を浅くする効果が高いことがわかった。

【００２１】次にガラス物質層１３の上にスート堆積法
によりすす状物質層４を形成した後、支持基板１４を重
ね合わせ、加熱処理によりすす状物質層４を焼結させる
ことにより半導体基板１０と支持基板１４とがガラス物
質層１５を介して貼り合わせられる。

【００２２】ガラス物質層１３および１５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および１５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。

【００２３】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Ｂ₂ Ｏ₃ 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。

【００２４】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ＳｉＲ¹ Ｒ² Ｒ³ Ｒ⁴ 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ＳｉＲ¹Ｒ² Ｒ³ Ｒ⁴ 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 ₂ Ｈ₆ 、ＳｉＨＣｌ₃ 、Ｓｉ（ＯＥ
ｔ）₄ およびＳｉ（ＯＭｅ）₄ 等を挙げることができ
る。

【００２５】ホウ素化合物としては、三塩化ホウ素、ボ
ラン類（ＢＨ₃ 、Ｂ₂ Ｈ₆ ）、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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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Ｂ₂ Ｏ 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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】この後、半導体基板１０を、貼り合わせ面
の反対側から図３におけるＡのラインまで研削しさらに
研磨することにより、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。

【００３２】

【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２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３に示すように、面方位（１０
０）面を有する４インチ径、厚さ５２５μｍ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７０μｍ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。

【００３３】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。

【００３４】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３をＶ溝が形成された半導体基板１０の表面に
堆積させた。続いて、前記基板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は焼結して厚さ３０μｍまで体積収縮
すると同時にガラス化し、ガラス物質層１３が形成され
た、続いて該ガラス物質層１３の上に再度前記と同様な
方法によりすす状物質４を堆積し、別に用意した面方位
（１００）面を有する４インチ径、厚さ４６０μｍのシ
リコン基板１４をすす状物質４の堆積の上に重ね合わ
せ、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４は焼結して厚
さ１５μｍ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ガラス物質層１３および１５を介
して均一に貼り合わされた。

【００３５】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 ＵＨ Ｐｕｌｓｅ２０
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。

【００３６】続いて、シリコン基板１０の貼り合わせの
反対面から研磨加工を施し、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、絶縁酸化
膜１２または多結晶シリコン層１７が表面に現れるまで
不要部分を除去し、互いに絶縁分離された島状の半導体
領域１１を形成した。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４０μｍほど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】この基板を５ｍｍ角のチップに切り出した
試料１について、走査型電子顕微鏡を用いてチップ断面
の焼結状態を観察したところ、試料１の半導体基板と支
持基板とは均一に接合されており、貼り合わせ状態は良
好であった。また、溝の充填状態を観察したところ、微
小な空孔の生成がなく、えぐれ等の損傷もみられなかっ
た。

【００３８】比較例１ すす状物質層の堆積を１回のみとし、その堆積量を前記
実施例１の全ガラス物質層の厚さと同じ３５μｍになる
ようにした以外は、実施例１と同様な方法により基板を
作製した。しかしながら貼り合わせ段階で、すでにＶ溝
部分にボイドが多数発生しており、実用基板とはならな
かった。

【００３９】比較例２ すす状物質層の堆積を１回のみとし、その堆積量を前記
実施例１の全ガラス物質層の厚さ（３５μｍ）より厚く
なるように、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍの３種類の
条件に設定した以外は、実施例１と同様な方法により基
板を作製した。その結果、ガラス物質層の厚さが４０μ
ｍの場合には、ボイドが多数存在しており、４５μｍの
ものは若干ボイドが残っており、実用基板とはならなか
った。５０μｍのものではボイドは消滅していたが、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１２０μｍほど上に対して凸状であり、
搬送時にトラブルが発生し、この場合も実用基板とはな
らなかった。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の複
合半導体基板はボイドがなく、反りが小さく、分離溝が
深い高耐電圧デバイス製造に好適な複合半導体基板を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の誘電体分離技術によって製造された複合
半導体基板を示す縦断面図である。

【図２】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３】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 ４ 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 ガラス物質層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大草 隆浩 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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
   半導体単結晶領域の底面および側面は絶縁膜によって覆
   われており、前記絶縁膜に接して第１のガラス物質層が
   設けられ、更に第１のガラス物質層に接して第２のガラ
   ス物質層が設けられていることを特徴とする複合半導体
   基板。
2. 【請求項２】 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
   半導体単結晶領域の底面および側面は絶縁膜によって覆
   われており、前記絶縁膜に接して第１のガラス物質層が
   設けられ、更に第１のガラス物質層に接して第２のガラ
   ス物質層が設けられていることを特徴とする複合半導体
   基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記ガラス物質が、ＳｉＣｌ₄ 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Ｓ
   ｉＯ₂ を主成分とするすす状物質を焼結することにより
   得られることを特徴とする請求項２記載の複合半導体基
   板の製造方法。