JP2502135B2

JP2502135B2 - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP2502135B2
Application number: JP28390788A
Authority: JP
Inventors: 誠内山; 秀智野尻
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-11-11
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH02130911A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕この発明は、導電型若しくは不純物濃度の異なる厚い
半導体層が積層された半導体基板を製造する方法に関す
るものである。

〔従来技術〕半導体基板に導電型や不純物濃度の異なる部分を精度
良くしかも信頼性高く形成することは、半導体装置を製
造するためには不可欠で最も基本的な技術である。その
ためには従来から拡散、イオン注入、エピタキシャル成
長などの方法が用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の不純物導入技術にお
いては、例えば数100μｍといった厚い層を形成する場
合には通常のイオン注入技術や拡散技術では不可能であ
り、またエピタキシャル法によると極めて長時間を要
し、経済的でないという問題があった。

また、シリコンを材料とした圧力センサ等において
は、ダイアフラムと基板との接合には、従来、例えば低
融点ガラスを用いる方法等が用いられているが、その接
合強度が弱いことや熱膨張係数がシリコンとガラスとで
大きく異なることから、加熱時に熱応力によって接合部
が破壊しやすいという問題があった。

また、通常の高分子接着剤等を用いて不純物濃度の異
なる半導体基板を接合する方法も考えられるが、この方
法においては、オーミックに接合できないうえに、基板
へ多量の異物の混入をまねくという問題があった。

また、公開特許公報昭和60年第51700号に記載されて
いるごとく、二つのシリコン結晶体の接合面を鏡面研磨
し、親水性処理して乾燥したのち、両者を接合する方法
もあるが、この方法においては、二つの結晶体を合わ
せると直ちに固着してしまうため、一度合わせると位置
を移動することが出来ないので、位置合わせが困難であ
る、接合面が露出しているので、キズがつきやすく、
また表面を清浄に保つのが困難である、接合面に空気
が残ると、1000℃程度の高温加熱操作によっても空気中
の窒素分子や酸素分子は容易に拡散しないため、接合面
にそれらの影響が生じるので、真空下で作業を行なう必
要がある、等の問題があった。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するた
めになされたものであり、導電型若しくは不純物濃度の
異なる厚い半導体層が積層された半導体基板を容易かつ
安価に製造する方法を提供することを目的とするもので
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては、導電
型若しくは不純物濃度が相互に異なった２枚の半導体ウ
ェハの各接合面をそれぞれ鏡面研磨し、固相の析出に寄
与する溶質を含まない液体の薄膜を介して密着させ、熱
処理を加えることによって、上記２枚の半導体ウェハを
相互に接合することにより、導電型若しくは不純物濃度
の異なる厚い半導体層が積層された半導体基板を製造す
るように構成している。なお、上記の熱処理は、半導体
基板の融点よりかなり低い温度で行なう。

上記のように構成したことにより、本発明において
は、２枚の半導体ウェハをバルクの強度と同様の強度を
有する接合界面をもって一体化することが出来るので、
接合する半導体ウェハの厚さと同じ厚さの、異なった導
電型又は不純物濃度を有する半導体層を持った半導体基
板を得ることが出来る。

また、液体の薄膜を介して接合するため、合わせた後
に相互の位置を容易に移動させることができるので、ウ
ェハ同志の位置合わせが両ウェハの研磨面を傷つけるこ
となく極めて容易に行なうことが出来る。また、表面が
液体の薄膜に覆われているので、表面を清浄に保ちやす
く、真空下で作業を行なう必要もない。また、非圧縮性
であるためウェハ間に均一厚みで薄膜を形成することが
容易であり、大量生産に適している。また、ウェハ接合
表面に対する事前の処置は接合表面が鏡面研磨されてい
れば良く、市販のウェハに何ら手を加える必要がないの
で、極めて簡便で、安価に製造することが出来る。

〔発明の実施例〕

（Ａ）製造方法の実施例第１図は、本発明の製造方法で製造した半導体基板の
一実施例の断面図である。

この実施例は、半導体ウェハとして単結晶Siウエハを
用い、Ｐ型ウェハとＮ型ウェハとを接合して、厚いＰ層
とＮ層とが積層された半導体基板を製造するものであ
る。

通常の半導体装置製造において用いられる市販の半導
体ウェハは、素子形成を行なう主面に鏡面研磨が施され
ている。

本実施例においては、上記のごとき鏡面研磨を施され
た市販の３インチのシリコンウェハを用いた。

まず、0.3μｍ粒子でクラス1000設定（1000個／ft³）
のクリーンルーム内で、低濃度のＰ型ウェハ（８〜12Ω
・cm）と低濃度のＮ型ウェハ（８〜12Ω・cm）との２枚
のシリコンウェハ鏡面に水（H₂O）またはメチルアルコ
ール（MeOH）を滴下し、全体を濡らした。ちなみに、水
によって良く濡れない撥水性の鏡面であってもメチルア
ルコールを主とするアルコール類、酢酸、ギ酸、アンモ
ニアを含む溶液を用いれば良く濡らすことが出来た。

なお、この際に用いる液体としては、固相の析出に寄
与する溶質を含まないもの、すなわち乾燥したとき固体
が析出することのない液体を用いる必要がある。

次に、上記の液体によって濡れたままの表面、すなわ
ち水またはメチルアルコールの薄膜が形成された表面同
志を気泡の混入がないように密着させ、50〜70℃に保温
したホットプレート上に水平に50〜150時間空気中で放
置した。この際、始めは上側のウェハが可動であった
が、数時間を経過すると、オリエンテーションフラット
が自然に一致しながら、二つのウェハは密着一体化す
る。なお、液体としてメチルアルコールを用いた方が水
を用いた場合より密着体形成までの時間が多少短くな
る。

なお、上記のようにホットプレートを用いて加熱する
代わりに、何度か相互にスライドさせてから数100g/cm³
以下の加圧下にて一定時間静置するだけでも両ウェハは
強固に一体化する。また、相互スライドをくり返すと、
加圧放置しなくとも密着一体化する。

上記の密着状態はかなり強固であり、密着し一体化し
たものの境界面とみられるところに、先端の鋭いステン
レス性ピンセットの先をねじり込んでも容易に引きはが
すことはできず、引きはがすことに成功しても、シリコ
ン基板そのものがピンセットによって傷つく場合が多か
った。

また、液体としてメチルアルコールを用いた場合は、
上記のようにして引きはがしたウェハ鏡面にメチルアル
コールの干渉縞が観察された。また、秤量法によればメ
チルアルコール薄膜の厚さは数μｍ以下であった。

第１図（ａ）は上記のように形成した密着体の断面図
である。

次に、上記のようにして密着一体化した２枚のウェハ
を、N₂のアニールガス通気の加熱炉を用いて、約1000℃
で約16時間加熱した。

こうして得られた接合体界面は、充分強固であり、ダ
イシングソーによって一辺3mmの正方形に切り出したも
のに対して圧縮せん断破壊テストを行ったところ、破壊
強度として70〜90kg/cm²が得られた。なお、破壊された
破片を観察したところ、接合面から二つに剥離すること
は殆どなく、多くの破片になった。このことから両ウェ
ハはほぼ一体化していることが判る。

なお、加熱温度を変化して試みたところ、500℃程度
以上であれば接合強度は1000℃で得られたものの強度と
ほぼ一致していることが明らかとなった。

第１図（ｂ）は、上記のようにした形成した接合体
（半導体基板）の断面図である。

上記のように本実施例においては、Ｐ型のSiウエハと
Ｎ型のSiウェハとを接合することによって、単体のウェ
ハと同じ厚さ（例えば300μｍ）のＰ層とＮ層とが積層
された半導体基板を容易に製造することが可能である。

また、上記と全く同様の方法で、P⁺ウェハとP^-ウェ
ハ、N⁺ウェハとN^-ウェハとを接合することにより、不純
物濃度の異なる厚い半導体層の積層された半導体基板を
容易に製造することが出来る。

また、上記の説明においては、２枚のウエハを接合す
る場合を説明したが、同じ方法によって３枚以上のウェ
ハを接合し、３層以上が積層された半導体基板を製造す
ることも同様に可能である。

（Ｂ）作用従来、研磨面同志を液体薄膜を介して接触させると両
者が密着する現象はしばしば観察されることであり、研
磨状態が良好であれば液体膜を介さずともかなりの密着
性を持つことも良く観察されるところである。特に、シ
リコンウエハの研磨面同志がかなりの密着性を有するこ
とも良く観察されることである。これらは鏡面効果とし
て古くから知られている。市販のシリコンウェハの研磨
面は、その平坦性が数100Å以内であるといわれてお
り、そのことがこの鏡面効果を増す作用をしていること
は確実であると考えられる。

しかし、負圧による毛管現象による鏡面効果だけによ
って２枚のシリコンウェハが密着しているとは考えにく
い。即ち、自然環境下においてはシリコンの表面は自然
酸化膜におおわれていることは定説となっている。ただ
し、通常その膜厚は、単層の膜に近い吸着層と考えられ
る。本発明者の実測によっても20Å以上の厚みの酸化膜
の形成はみられなかった。この酸化膜は表面のシリコン
原子のダングリングボンドに水酸基を結合したシラノー
ル基が形成されているということは定説となっている。
シラノール基は空気中の水分と容易に結合し、水素結合
していることもまた定説である。これらの水素結合水と
会合性を有する液体は、通常の分子間の1.5〜2.0倍の水
素結合エネルギーと分子間力との作用によって結合する
ことが推測される。しかも会合性液体が固体間で薄膜状
をなす場合は、固体界面との相互作用が液体バルクの構
造性による液体分子同志の相互作用よりも強く、しか
も、その情報を液薄膜は受け取り易く、そのために加熱
によってもその構造性からの変態は通常の液体−ガス化
膨張という形態（この形態をとれば二枚のウェハは分離
又は破壊されることになる）を経ず、あたかも界面の相
互作用によって液体固体の区別がなくなり、液体から急
激に固体中へ拡散するというルートをとることが推測さ
れる。そのため負圧が生じて界面が更に緻密化される。

会合性を有する液体の中で水はその構造性が最も強い
と言われているが、メチルアルコールの替りに水を用い
てシリコンウェハ接合を行なうと、密着ウェハを数100
℃にすると破壊する場合が時々生じた。これは、水の構
造性が強すぎるため、密着時に充分薄い膜とならないの
で、通常の変態に従って水が変化膨張したためか、ある
いは構造性が強すぎるため、その変化が臨界点に集中さ
れる、いわゆる突沸現象が生じたためと考えられる。こ
れは加熱時にシリコン表面と水との相互作用よりも水分
子同志の相互作用の方が強く、水の膜バルク内での活性
化分子が界面の構造性をふり切ってしまい、界面依存性
の弱い水バルク内での急激な膨張を引き起こすためと推
測される。このことは、水よりは構造性の弱い酢酸やア
ンモニア水をメチルアルコールのかわりに用いると、メ
チルアルコールの場合と同様に良好な２枚のシリコン結
合体が得られたことから推測される。

また、加熱によってSi表面の状態は変化を来たし、シ
リカ表面で知られるごとく激しくシラノール基が振動
し、OH基２個から水１分子が生成するアルコールの分解
脱水反応を生じ、良く知られるMeOH＋SiOH→Me−Ｏ−Si
＋H₂Oのエステル化反応が生じ、更に分解して単分子に
分解された各元素はSiバルク中を拡散し、ウェハ両表面
のシリコンはSi−Ｏ−Siで結合し、最終的にSi-Siで結
合されることが推測される。また、このとき、界面のミ
クロのキャビティ構造を平坦化する作用を液膜が果す可
能性が想像される。

さらに高温の液膜は通常の液体と異なることが予想さ
れ、Si原子がその中へ溶解拡散する機構も想像され得
る。

また、シリコン半導体表面で撥水性となっていても、
液体を介して負圧によって密着し、そし密着性がある程
度高ければ、その加熱途中において構造性液体と相互作
用を増すことが考えられ、密着体は加熱途中に接合体に
なることが推測される。このことはフッ酸処理をした撥
水性ウェハ同志も上記方法によって接合体とすることが
できることが確認されていることと矛盾しない。ただ
し、この場合、介在液体が水の場合は成功の歩留まりは
余り良くなかった。

シリコンウェハ接合は、メチルアルコールのかわりに
酢酸、ギ酸、エチルアルコール、アンモニア水、水等の
会合性を有し、構造性の大きな液体を含む液体を用いた
場合にも行なえることが確認された。

（Ｃ）従来技術との性能比較液体を用いないで単に半導体ウェハを重ねて接合する
従来技術と、前記（Ａ）に示した本発明の実施例との比
較を行うため、後記第１表に示すごとき条件で、前記第
１図（ｂ）に示す接合体の半導体基板を形成し、その半
導体基板を用いて、第１図（ｄ）に示すごとき多数のメ
サ型ダイオードを形成し、その機械的強度と電気的特性
を測定した。

接合体の半導体基板を製造する手順は、前記（Ａ）と
同じである。ただし、従来技術の場合は液体を用いず、
鏡面研磨した２枚のウェハをそのまま重ねて接合してい
る。

上記のようにして、、、、の４種の接合体の
半導体基板を形成する。

次ぎに、第１図（ｃ）に示すごとく、接合体の半導体
基板の上下両表面に、Ｎ型層１にはリンを５×10¹⁵／cm
²をドープし、Ｐ型層２にはボロンを５×10¹⁵／cm²をド
ープして、それぞれ高濃度不純物領域のN⁺層３とP⁺層４
とを形成する。

次ぎに、上記のN⁺層３とP⁺層４とをコンタクト領域と
して、その上にPVD法によってAl電極５、６を形成す
る。

次ぎに、第１図（ｄ）に示すように、等間隔の複数の
溝７を設けて、３×3mmの467個（３インチウェハの場
合）のメサ型ダイオードに分離する。

上記の溝７は、Al電極５の上面からＰ型層２の一部に
達するまで形成する。例えば、Ｎ型層１とＰ型層２とが
共に300μｍの厚さの場合には、Ｐ型層２の上面から100
μｍ程度の深さまで形成する。したがって溝の深さは40
0μｍ以上になる。

この分離方法は、まず、ダイアモンドブレードでダイ
シングを行って溝を形成し、次ぎに、HF:HNO₃：CH₃COOH
＝1:7:2のエッチング液で30℃で３分30秒間、さらに1:
2:7の比率で30℃で６分間エッチングすることによって
溝面を平滑化し、次ぎにトリクロロエチレンで約１時間
煮沸した。

なお、エッチングのみで溝を形成することも出来る
が、この場合のように、深さ400μｍ以上の深い溝をエ
ッチングのみで精密に形成するのは困難である。

上記のようにして形成した467個のメサ型ダイオード
について、メサ分離後に接合面が剥がれた個数の比率を
下記第２表に示す。

上記第２表から判るように、本発明のの実施例（液
体としてH₂Oを用いたもの）が格段に正常な個数の比率
が高く、接合が強固であり、続いて本発明のの実施例
（液体としてMeOHを用いたもの）が強固であり、機械的
な強度において従来例とは明確な差異が見られる。

次ぎに、上記の各メサ型ダイオードについて、逆バイ
アス時のブレークダウン電圧（100μＡリーク時の電
圧）を測定した。

第２図は上記のブレークダウン電圧のヒストグラムで
あり、（ａ）は本発明の特性、（ｂ）は本発明の特
性、（ｃ）は従来例の特性、（ｄ）は従来例の特性
を示す。

第２図から判るように、最高耐圧のダイオードは、本
発明では300V、本発明では360Vであるのに対し、従
来例では160V、従来例では80Vであり、かつ全体の
傾向も本発明の方が従来例よりも耐圧が高い方に偏って
おり、電気的な特性においても本発明の方が優れてい
る。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく、本発明においては、導電型若し
くは不純物濃度の異なる２枚の半導体ウェハをバルクの
強度と同様の強度を有する接合界面をもって一体化する
ことが出来るので、導電型若しくは不純物濃度の異なる
厚い半導体層が積層された半導体基板を容易かつ安価に
製造することが出来る。そして形成された半導体基板は
機械的強度および電気的特性が優れている。また、液体
の薄膜を介して接合するため、合わせたのちに相互の位
置を容易に移動させることが出来るので、ウェハ同志の
位置合わせが両ウェハの研磨面を傷つけることなく極め
て容易に行なうことが出来る。また、ウェハ接合前に前
処理洗浄を行ってもその後の乾燥行程においてゴミ等で
汚染されやすいが、本発明では最も汚染されやすい乾燥
行程が不要なので、表面を清浄に保ちやすい。また、加
熱処理によっても容易に拡散しない空気等をウエハ密着
時にウェハ間に入り込ませないようにするために真空下
で密着作業を行なわなければならないという必要もな
い。また、密着に用いるものが液体であって非圧縮性で
あるためウエハ間に均一厚みで薄膜を形成することが容
易であり、大量生産に適している。また、ウェハ接合表
面に対する事前の処置は接合表面が鏡面研磨されていれ
ば良く、市販のウェハに何ら手を加える必要がなく極め
て簡便である、等の多くの優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法で製造した半導体基板の一実施例
の断面図、第２図は本発明の方法で製造したダイオード
と従来例の方法で製造したダイオードとのブレークダウ
ン電圧の分布を示すヒストグラムである。〈符号の説明〉１……Ｎ型Siウェハ２……Ｐ型Siウェハ３……N⁺層４……P⁺層５、６……Al電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電型若しくは不純物濃度が相互に異なっ
た２枚の半導体ウェハの各接合面をそれぞれ鏡面研磨
し、固相の析出に寄与する溶質を含まない液体の薄膜を
介して密着させ、熱処理を加えることによって、上記２
枚の半導体ウェハを相互に接合することにより、導電型
若しくは不純物濃度の異なる厚い半導体層が積層された
半導体基板を製造することを特徴とする半導体基板の製
造方法。