JP2009146928A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一のウエハから厚みの異なる複数の素子を製造する。
【解決手段】 先ず、ウエハの少なくとも一部の範囲に不純物をイオン注入し、所定のエッチャントによるエッチングレートがウエハ材料よりも高い分離層を形成する。分離層には、ウエハに対して平行に広がる範囲と、ウエハの厚み方向に変位する変位部を設ける。ここで、分離層の変位部は、後のダイシング工程においてダイシングラインとなる位置に設けておく。次いで、前記した所定のエッチャントを用いて分離層を除去し、ウエハから裏面領域の少なくとも一部を分離する。その後、ウエハを複数の素子にダイシングする。それにより、製造できる素子数を減少させることなく、単一のウエハから厚みの異なる複数の素子を製造することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子の製造方法に関する。

半導体素子は、その厚みによって電気的特性が変化する。そのことから、半導体素子の厚みは、必要とされる電気的特性に応じて細かに定める必要がある。
半導体素子の厚みは、その基となるウエハの厚みによって決まる。従って、所望する厚みの半導体素子を得るためには、その基となるウエハをその厚みまで正確に加工する必要がある。ウエハを厚み方向に加工する手法としては、例えばウエハ表面（又は裏面）を研磨する技術がよく利用されている。
また、ウエハを厚み方向に加工する手法として、ウエハをその厚み方向に分離させる技術が開発されている（例えば特許文献１）。この種の技術では、シリコンウエハに酸素をイオン注入することで、シリコンウエハに酸化シリコンからなる分離層を形成する。あるいは、シリコンウエハに水素をイオン注入することで、シリコンウエハに多孔質化した分離層を形成する。酸化シリコンからなる分離層や多孔質化した分離層は、例えばフッ酸によるエッチングレートがシリコンよりも高くなる。従って、フッ酸を用いたエッチングを行うと、分離層のみが選択的に除去され、シリコンウエハが厚み方向に分離される。この技術によると、分離層を形成する位置を調整することによって、シリコンウエハを所望する厚みに加工することが可能となる。

特開２０００−３６５８３号公報

従来の半導体素子の製造方法では、シリコンウエハを均一の厚みに加工し、単一のウエハからは同一の厚みを有する半導体素子のみを製造している。この場合、シリコンウエハを所望する厚みに加工するために、上記したウエハを研磨する技術や分離する技術を有効に利用することができる。その一方において、単一のウエハから異なる厚みの半導体素子を製造するためには、それぞれの厚みに応じて、単一のウエハに厚みの異なる複数の範囲を形成する必要がある。しかしながら、従来の技術では、単一のウエハに厚みの異なる複数の範囲を形成することは困難とされている。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、単一のウエハから厚みの異なる複数の素子を製造するための技術を提供する。

本発明は、単一のシリコン系ウエハから厚みの異なる複数の素子を製造する製造方法に具現化される。この製造方法は、前記ウエハの少なくとも一部の範囲に不純物をイオン注入し、所定のエッチャントによるエッチングレートがウエハ材料よりも高い分離層を形成する分離層形成工程と、前記所定のエッチャントを用いて前記分離層を除去し、前記ウエハから裏面領域の少なくとも一部を分離するウエハ分離工程と、前記ウエハを複数の素子にダイシングするダイシング工程を備えている。ここで、前記分離層には、ウエハに対して平行に広がる範囲と、ウエハの厚み方向に変位する変位部を設ける。特に、その変位部は、ダイシング工程においてダイシングラインとなる位置に設ける。

分離層にウエハの厚み方向に変位する変位部を設けると、ウエハ分離工程後のウエハに厚みの異なる複数の範囲を形成することができる。ただし、分離層に変位部を設けた範囲ではウエハの厚みが大きく変化するため、変位部を設けた範囲には素子を形成することができなくなる。従って、変位部を設ける位置によっては、単一のウエハから製造できる素子数が減少してしまうことがある。このとき、変位部を設ける位置をダイシングラインとなる位置に一致させておくと、単一のウエハから製造できる素子数を維持することができる。
本発明に係る製造方法によると、製造できる素子数を減少させることなく、単一のウエハから厚みの異なる複数の素子を製造することができる。

上記した製造方法では、前記ウエハの第１範囲には前記分離層を第１深さでウエハに対して平行に形成し、前記ウエハの第２範囲には前記分離層を第２深さでウエハに対して平行に形成し、第１範囲と第２範囲の境界範囲には前記変位部を第１深さから第２深さへとウエハに対して角度を成すように形成することが好ましい。
この態様によると、ウエハの第１範囲から第１深さに対応する厚みの素子を製造でき、ウエハの第２範囲からは第２深さに対応する厚みの素子を製造することができる。

あるいは、上記した製造方法において、前記ウエハの第１範囲には前記分離層は第１深さでウエハに対して平行に形成し、前記ウエハの第２範囲には前記分離層を形成せず、第１範囲と第２範囲の境界範囲には前記変位部を第１深さからウエハ裏面へとウエハに対して角度を成すように形成することも好ましい。
この態様によると、ウエハの第１範囲から第１深さに対応する厚みの素子を製造でき、ウエハの第２範囲からはウエハと等しい厚みの素子を製造することができる。

上記した製造方法では、前記分離層に、ウエハ裏面まで延伸する延伸部を複数形成することが好ましい。
分離層の複数箇所がウエハ裏面まで延伸していると、エッチャントによる分離層の除去を複数箇所から同時に進行させることができる。それにより、分離層の除去をより短時間で行うことが可能となる。

本発明によると、単一のウエハから厚みの異なる複数の素子を製造することが可能となり、厚みが様々に異なる多品種の素子を小ロットで効率よく生産することが可能となる。

最初に、本発明の好適な実施形態を列記する。
（形態１） 本発明は、シリコンや炭化珪素といったシリコン系半導体のウエハを用いる半導体素子の製造に好適に用いることができる。
（形態２） 分離層の形成では、酸素、水素、炭素をイオン注入することが好ましい。ウエハに酸素をイオン注入すると、ウエハ内に酸化シリコンからなる分離層を形成することができる。また、水素や炭素をイオン注入すると、ウエハ内に微小気泡を含有する多孔質性の分離層を形成することができる。これらの分離層は、いずれも、例えばフッ酸に対してシリコン系ウエハ材料よりもエッチングレートが高いことから、フッ酸によるエッチングよって選択的に除去することができる。
（形態３） 分離層には、複数の変位部を設けることができる。この場合、例えばウエハの第１範囲には分離層を第１深さでウエハに対して平行に形成し、ウエハの第２範囲には分離層を第２深さでウエハに対して平行に形成し、第１範囲と第２範囲の境界範囲には第１の変位部を第１深さから第２深さへとウエハに対して角度を成すように形成する。さらに、ウエハの第２範囲に隣接する第３範囲には分離層を形成せず、第２範囲と第３範囲の境界範囲には第２の変位部を第２深さからウエハ裏面へとウエハに対して角度を成すように形成する。それにより、単一のウエハに厚みの異なる３つの範囲を形成することができ、単一のウエハから厚みの異なる３種の素子を製造することが可能となる。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１に示すフローチャートは、本発明の実施例である半導体素子の製造方法の流れを示している。この製造方法では、厚みが一定である単一のウエハから、厚みの異なる２種の縦型ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を製造する。以下、図１に示すフローチャートに沿って、本実施例の製造方法について詳細に説明する。
先ず、ステップＳ１０では、図２に示すように、シリコンウエハ１０を準備する。準備するシリコンウエハ１０の寸法や電気的特性は、製造する素子に応じて適宜定めることができる。ここでは、２００μｍの厚みを有するｎ⁻型のシリコンウエハ１０を準備する。

次に、ステップＳ２０では、図３に示すように、シリコンウエハ１０の裏面１０ｂから酸素のイオン注入を行う。それにより、シリコンウエハ１０に酸素を注入した分離層２０を形成する。分離層２０は、シリコンウエハ１０の面方向の全範囲に亘って形成してもよいし、シリコンウエハ１０の面方向の一部の範囲のみに形成してもよい。ここでは、シリコンウエハ１０の全範囲に亘って酸素のイオン注入を行い、シリコンウエハ１０の全範囲に亘る分離層２０を形成する。分離層２０によって、シリコンウエハ１０はその厚み方向に二分される。
図３に示すように、分離層２０には、シリコンウエハ１０の厚み方向に変位する変位部２１を設ける。それにより、シリコンウエハ１０の２つの範囲Ｒ１、Ｒ２の間で、分離層２０を形成する深さ位置を互いに相違させる。即ち、シリコンウエハ１０の第１範囲Ｒ１では、分離層２０を第１深さＤ１の位置でシリコンウエハ１０に対して平行に形成する。一方、シリコンウエハ１０の第２範囲Ｒ２では、分離層２０を第１深さＤ１と異なる第２深さＤ２でシリコンウエハ１０に対して平行に形成する。そして、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２との境界範囲Ｂ１では、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２の間で分離層２０が連続するように、分離層２０をシリコンウエハ１０に対して角度を成すように形成する。即ち、境界範囲Ｂ１の分離層２０には、第１深さＤ１から第２深さＤ２へと変位する変位部２１が形成される。

ここで、分離層２０を形成する深さ位置は、イオン注入時の加速電圧によって調整することができる。本実施例では、第１範囲Ｒ１では加速電圧を１５ＭｅＶ程度に設定し、分離層２０をシリコンウエハ１０の裏面１０ｂから約１０μｍの位置に形成する。即ち、第１範囲Ｒ１では、分離層２０の深さＤ１を約１９０μｍとする。一方、第２範囲Ｒ２では、加速電圧を７ＭｅＶ程度に設定し、分離層２０をシリコンウエハ１０の裏面１０ｂから約５μｍの位置に形成する。即ち、第２範囲Ｒ２では、分離層２０の深さ位置Ｄ２を約１９５μｍとする。そして、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２の境界領域Ｂ１では、第１範囲Ｒ１側から第２範囲Ｒ２側にかけて加速電圧を１５ＭｅＶから７ＭｅＶまで連続的に変化させ、分離層２０の深さ位置を１９０μｍから１９５μｍまで連続的に変化させる。分離層２０の厚みは１〜３μｍ程度でよく、酸素のドーズ量は１×１０^１８／ｃｍ^３以上とするとよい。

次に、ステップＳ３０では、シリコンウエハ１０をアニール処理し、酸素を注入した分離層２０の酸化を完了させる。このアニール処理は、例えば４００℃〜１０００℃の窒素雰囲気下で行うことができる。それにより、分離層２０を酸化シリコン（ＳｉＯ_２）へと変化させる。アニール処理後のシリコンウエハ１０では、その裏面１０ｂ側の領域が酸化シリコンからなる分離層２０によって隔絶されるようになる。
次に、ステップＳ４０では、図４に示すように、シリコンウエハ１０にフッ酸（フッ化水素酸）３０を用いたエッチング処理を実施する。分離層２０を構成する酸化シリコンは、シリコンウエハ１０を構成するシリコンと比較して、フッ酸によるエッチング時のエッチングレートが十分に高い。従って、シリコンウエハ１０に対してフッ酸３０を用いたエッチング処理を実施すると、シリコンウエハ１０から分離層２０のみを選択的に除去し、シリコンウエハ１０からその裏面１０ｂ側の領域から分離することができる。その結果、シリコンウエハ１０の第１範囲Ｒ１では、その厚みが第１の厚みＤ１（約１９０μｍ）となる。また、シリコンウエハ１０の第２範囲Ｒ２では、その厚みが第２の厚みＤ２（約１９５μｍ）となる。そして、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２の境界範囲Ｂ１では、その厚みが第１厚みＤ１から第２厚みＤ１へと変化する（図５の符号１０ｄ）。このように、ステップＳ３０までの工程を経たシリコンウエハ１０には、厚みの異なる二つの範囲Ｒ１、Ｒ２が形成されることになる。

次に、ステップＳ５０では、図５に示すように、シリコンウエハ１０の第１範囲Ｒ１及び第２範囲Ｒ２に、その表面１０ａ側から複数の素子構造５０を形成する。ここでは、縦型ＩＧＢＴを構成するために、ｐ型ボディ領域６２、ｎ^＋型エミッタ領域５８、トレンチ型絶縁ゲート６０、ｐ型周縁領域５４、エミッタ電極５６、配線回路（図示省略）、層間絶縁膜５２、電極パッド（図示省略）等を形成する。素子構造５０を形成する手段、手順については、公知の技術を用いて行うことができる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、ステップＳ６０では、図６に示すように、シリコンウエハ１０の新たな裏面（分離後の裏面）１０ｃ側から、素子構造５０の残余の部分を形成する。ここでは、ｎ^＋型バッファ層６４、ｐ型コレクタ層６６、コレクタ電極６８等を形成する。これらの各層やオーミック電極を形成する手段、手順については、公知の技術を用いて行うことができる。また、以上に説明した素子構造５０は一例であり、本実施例の製造方法は、他の構造を有する素子の製造にも適用することができる。
次に、ステップＳ７０では、図７に示すように、シリコンウエハ１０を回転刃７０によってダイシングし、複数の素子（縦型ＩＧＢＴ）に分割する。それにより、第１の厚みＤ１を有する素子５０ａと、第１の厚みＤ１を有する素子５０ｂを得る。ここで、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２の境界範囲Ｂ１は、隣接する素子構造５０の境界に一致しており、回転刃７０によるダイシングラインに一致する。従って、シリコンウエハ１０の厚みが変化する境界範囲Ｂ１は、このダイシングによって同時に除去することができる。特に、分離層２０に形成する変位部２１の幅を回転刃７０の幅以下にしておくと、シリコンウエハ１０の厚みが変化する部分はダイシングによって完全に除去されることになる。切り出した素子５０ａ、５０ｂに、厚みが変化するような部分が含まれることはない。
以上の工程により、単一のシリコンウエハ１０から、厚みの異なる複数の素子５０ａ、５０ｂを製造することができる。

以上のように、本実施例の製造方法では、エッチングによって除去可能な分離層２０をシリコンウエハ１０に形成し、シリコンウエハ１０を厚み方向に分離することによって、シリコンウエハ１０を素子に必要とされる厚みに加工する。このとき、分離層２０にはシリコンウエハ１０の厚み方向に変位する変位部２１を設けることによって、シリコンウエハ１０の厚みを第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２との間で相違させる。それにより、単一のシリコンウエハ１０から厚みの異なる複数の素子５０ａ、５０ｂを製造することができる。
さらに、本実施例の製造方法では、上記した分離層２０の変位部２１を、ダイシング工程においてダイシングラインとなる位置に設けている。特に、本実施例では、変位部２１の幅を、ダイシングに用いる回転刃７０の幅以下に収めている。それにより、製造できる素子数を減少させることなく、単一のシリコンウエハ１０から厚みの異なる複数の素子５０ａ、５０ｂを製造することができる。

上記した製造方法では、図８に示すように、シリコンウエハ１０に形成する分離層２０に、シリコンウエハ１０の裏面１０ｂまで延伸する延伸部２２を複数形成することも有効である。このような延伸部２２を形成しておくと、ステップＳ４０のエッチング処理によって分離層２０を除去する際に、それぞれの延伸部２２からも分離層２０の除去が進行する。それにより、分離層２０を比較的に短時間で除去し、シリコンウエハ１０の分離を速やかに完了させることが可能となる。

上記した製造方法では、図９に示すように、シリコンウエハ１０の一部の範囲のみに分離層２０を形成してもよい。この場合、例えばシリコンウエハ１０を予め第２の厚みＤ２に加工しておけば、シリコンウエハ１０の第１範囲Ｒ１及び境界範囲Ｂ１のみに分離層２０を形成すれば足りる。即ち、第１範囲Ｒ１には分離層２０を第１深さＤ１の位置でシリコンウエハ１０に対して平行に形成し、境界範囲Ｂ１には分離層２０を第１深さＤ１から裏面１０ｂへとシリコンウエハ１０に対して角度を成すように形成する。そして、第２範囲Ｒ２には分離層２０を形成しない。この場合でも、フッ酸等を用いて分離層２０を除去することにより、厚みの異なる２つの範囲、即ち、第１の厚みＤ１を有する第１範囲Ｒ１と、第２の厚みＤ１を有する第２範囲Ｒ２を形成することができる。従って、上記した製造方法と同様に、第１の厚みＤ１を有する素子５０ａと、第１の厚みＤ１を有する素子５０ｂを得ることができる。

上記した製造方法では、図１０に示すように、分離層２０に複数の変位部２１を設け、厚みの異なる３種以上の素子を製造することもできる。即ち、図１０に示すように、シリコンウエハ１０の第１範囲Ｒ１には、分離層２０を第１深さＤ１の位置でシリコンウエハ１０に対して平行に形成する。シリコンウエハ１０の第２範囲Ｒ２には、分離層２０を第２深さＤ２の位置でシリコンウエハ１０に対して平行に形成する。一方、シリコンウエハ１０の第３範囲Ｒ３には、分離層２０を形成しない。そして、第１範囲Ｒ１と第２範囲Ｒ２の間の境界範囲Ｂ１には、分離層２０を第１深さＤ１から第２深さＤ２へとシリコンウエハ１０に対して角度を成すように形成する（第１の変位部２１ａ）。また、第２範囲Ｒ２と第２範囲Ｒ３の間の境界範囲Ｂ２には、分離層２０を第２深さＤ２から裏面１０ｂへとシリコンウエハ１０に対して角度を成すように形成する（第２の変位部２１ｂ）。このとき、それぞれの変位部２１ａ、２１ｂを設ける位置は、ダイシング工程においてダイシングラインとなる位置に合わせておく。それにより、図１１に示すように、単一のシリコンウエハ１０から、第１の厚みＤ１を有する素子５０ａと、第２の厚みＤ２を有する素子５０ｂと、第３の厚みＤ３を有する素子５０ｃを製造することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記した製造方法の技術は、シリコンウエハを用いる製造方法のみならず、他のシリコン系ウエハを用いる製造方法にも採用することができる。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）ウエハを用いる半導体素子の製造でも、酸素をイオン注入することによって、酸化シリコンからなる分離層を形成することができる。酸化シリコンは、フッ酸によるエッチングレートが、炭化珪素よりも高い。従って、炭化珪素ウエハを用いる製造方法においても、酸素のイオン注入によって分離層２０を形成し、その分離層２０の位置で炭化珪素ウエハをその厚み方向に分割することができる。

上記した製造方法では、ステップＳ２０のイオン注入工程において、酸素の代わりに水素をイオン注入することもできる。水素が注入された分離層２０では、マイクロバブルと呼ばれる微小気泡が発生し、その材質が多孔質性の材質へと変化する。多孔質となった分離層２０は、酸化シリコンと同じように、フッ酸によるエッチングレートがシリコン結晶よりも高くなる。従って、水素を注入した分離層２０でも、ステップＳ４０のエッチング工程において、フッ酸により選択的に除去することができる。なお、多孔質化した分離層２０では、その後のステップＳ３０のアニール処理において微小気泡が膨張し、その内部に比較的に大きな応力が発生する。従って、多孔質の分離層２０を形成した場合は、ステップＳ３０のアニール処理によって、シリコンウエハ１０を分離させることができる。この場合、分離後のシリコンウエハ１０に残存する多孔質層は、その後のステップＳ４０のエッチング処理によって除去することができる。
あるいは、ステップＳ２０のイオン注入工程において、酸素の代わりに炭素をイオン注入することもできる。この場合、ステップＳ３０のアニール工程を、水素雰囲気下で行うことが好ましい。炭素が注入された分離層２０では、水素雰囲気下における熱処理によって炭素の還元が進み、シリコン結晶から多孔質材質への変質が生じる。多孔質となった分離層２０は、酸化シリコンと同じように、フッ酸によるエッチングレートがシリコン結晶よりも高くなる。従って、炭素を注入した分離層２０でも、ステップＳ４０のエッチング工程において、フッ酸により選択的に除去することができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

半導体素子の製造方法の流れを示すフローチャート。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ１０）。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ２０、Ｓ３０）。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ４０）。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ５０）。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ６０）。 半導体素子の製造方法の一過程を示す図（ステップＳ７０）。 延伸部を設けた分離層を例示する図。 ウエハの一部の範囲のみに分離層を形成した例を示す図。 複数の変位部を設けた分離層を例示する図。 厚みの異なる３種の素子を製造する例を示す図。

符号の説明

１０：シリコンウエハ
１０ａ：シリコンウエハの表面
１０ｂ：シリコンウエハの裏面
１０ｃ：裏面
２０：分離層
２１：変位部
２２：延伸部
３０：フッ酸
５０：素子構造
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ：素子
５４：ｐ型周縁領域
５６：エミッタ電極
５８：ｎ^＋型エミッタ領域
６０：トレンチ型絶縁ゲート
６２：ｐ型ボディ領域
６４：ｎ^＋型バッファ層
６６：ｐ型コレクタ層
６８：コレクタ電極
７０：回転刃

Claims (4)

1. 単一のシリコン系ウエハから厚みの異なる複数の素子を製造する製造方法であって、
   前記ウエハの少なくとも一部の範囲に不純物をイオン注入し、所定のエッチャントによるエッチングレートがウエハ材料よりも高い分離層を形成する分離層形成工程と、
   前記所定のエッチャントを用いて前記分離層を除去し、前記ウエハから裏面領域の少なくとも一部を分離するウエハ分離工程と、
   前記ウエハを複数の素子にダイシングするダイシング工程を備え、
   前記分離層には、ウエハに対して平行に広がる範囲と、ウエハの厚み方向に変位する変位部を設け、
   前記分離層の変位部を、ダイシング工程においてダイシングラインとなる位置に設けることを特徴とする製造方法。
2. 前記ウエハの第１範囲には前記分離層を第１深さでウエハに対して平行に形成し、前記ウエハの第２範囲には前記分離層を第２深さでウエハに対して平行に形成し、第１範囲と第２範囲の境界範囲には前記変位部を第１深さから第２深さへとウエハに対して角度を成すように形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記ウエハの第１範囲には前記分離層は第１深さでウエハに対して平行に形成し、前記ウエハの第２範囲には前記分離層を形成せず、第１範囲と第２範囲の境界範囲には前記変位部を第１深さからウエハ裏面へとウエハに対して角度を成すように形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
4. 前記分離層に、ウエハ裏面まで延伸する延伸部を複数形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。

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