JP5532754B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に係わり、特には直径8インチ以上の大口径のFZ型半導体基板(以降ウエハ)を用いる場合に効果の大きい絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以降IGBT)の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) which is highly effective when a large-diameter FZ type semiconductor substrate (hereinafter referred to as wafer) having a diameter of 8 inches or more is used. .
電気自動車、ソーラー発電、風力発電などの技術分野の進展に伴い、近い将来、IGBTの需要が大幅に増加する可能性の高いことが想定される。そこで、製造ラインの効率化やウエハ当たりの取れチップ数増によるコストダウンの目的で、シリコン基板(シリコンウエハ)の大口径化(6インチ径から8インチ径へ)が進められている。 With the development of technical fields such as electric vehicles, solar power generation, and wind power generation, it is assumed that the demand for IGBTs is likely to increase significantly in the near future. Therefore, the silicon substrate (silicon wafer) has been increased in diameter (from 6 inch diameter to 8 inch diameter) for the purpose of cost reduction by increasing the efficiency of the production line and increasing the number of chips per wafer.
パワー半導体装置を製造する際には、シリコンウエハの原材料として、CZ(チョクラルスキー)法に比べて高価であるが、高純度、高抵抗率が得られ易く、高耐圧特性が高良品率で得られるFZ(フローティングゾーン)法により結晶成長させたシリコン単結晶インゴットが使用される。しかし、FZ法によるシリコン結晶成長は、大口径化とともに生産効率が悪くなる方法であるので、現在多く用いられている6インチ径に比べ8インチ径のFZシリコン単結晶はコスト面からも、かなり高価になる。 When manufacturing power semiconductor devices, it is more expensive as a raw material for silicon wafers than the CZ (Czochralski) method, but it is easy to obtain high purity and high resistivity, and high breakdown voltage characteristics are high. A silicon single crystal ingot crystal-grown by the obtained FZ (floating zone) method is used. However, since the silicon crystal growth by the FZ method is a method in which the production efficiency becomes worse as the diameter is increased, the FZ silicon single crystal having an 8-inch diameter is considerably larger than the 6-inch diameter, which is currently widely used. It becomes expensive.
一方、前記FZ法による単結晶インゴットからスライスされたFZ−ウエハを用いてIGBTを製造する従来の製造方法により、よく知られたFS(フィールドストップ)−IGBTを製造する場合、最終的な仕上げのウエハに必要な厚さは、耐圧1800Vで180μm、耐圧1200Vで120μm、耐圧600Vで60μm程度である。しかし、製造工程でのウエハ割れや欠けを防ぐには、半導体装置を製造するウエハ工程に投入する当初のウエハの厚さは6インチ径の場合で600μm以上を必要とし、実際には625μm程度の厚さが好ましいとされている。 On the other hand, when the well-known FS (Field Stop) -IGBT is manufactured by the conventional manufacturing method of manufacturing the IGBT using the FZ-wafer sliced from the single crystal ingot by the FZ method, the final finishing is performed. The required thickness of the wafer is about 180 μm at a withstand voltage of 1800 V, about 120 μm at a withstand voltage of 1200 V, and about 60 μm at a withstand voltage of 600 V. However, in order to prevent wafer cracking and chipping in the manufacturing process, the initial thickness of the wafer to be introduced into the wafer process for manufacturing the semiconductor device requires 600 μm or more in the case of a 6-inch diameter, and is actually about 625 μm. Thickness is preferred.
また8インチ径の場合、少なくとも700μm以上を必要とし、一般的には725μm程度の厚さが好ましいとされる。すなわち、前述の投入ウエハの厚さと仕上げのウエハ厚さの差の大部分は研削による切り屑、研磨やラッピングによるロスやエッチングによる溶解により捨てられているのである。もちろん、6インチ径のウエハを用いた場合も同様に投入ウエハの厚さと仕上げのウエハの厚さでは差があり大部分は捨てられている。 In the case of an 8-inch diameter, at least 700 μm or more is required, and generally a thickness of about 725 μm is preferable. That is, most of the difference between the thickness of the input wafer and the thickness of the finished wafer is discarded due to grinding chips, loss due to polishing and lapping, and dissolution due to etching. Of course, when a 6-inch diameter wafer is used, there is a difference between the thickness of the input wafer and the thickness of the finished wafer, and most of them are discarded.
前記FS−IGBTの構造的な特徴は、特にn-ドリフト層の裏面側に、不純物濃度および幅の制御されたn型FS層およびp型コレクタ層を備えることである。このような構造により得られる、FS−IGBTの特性面での特長は、必要な耐圧を得るための高抵抗n-ドリフト層の厚さを薄くすることができるので、オン電圧が低減することである。また、FS−IGBTでは、そのデバイス特性がコレクタ側からのキャリア注入効率で決まるように、p型コレクタ層およびn型FS層の不純物濃度や厚さを調整している。よって、ライフタイムキラーを導入してターンオフタイム(またはスイッチング損失)をさらに小さくする必要が特にない特徴を有している。一方、低抵抗p型半導体基板上にエピタキシャル成長により、n+層と高抵抗n-ドリフト層を堆積させて製造されるPT(パンチスルー)型IGBTでは、オン電圧は小さいが、ライフタイムキラーの導入によりターンオフタイムを小さくすることが求められることが通常である。また、注入効率をコントロールされたpコレクタ層とオフ電圧時に延びる最大空乏層幅より厚いn-ドリフト層を必要とするNPT−IGBTでは、ライフタイムキラーを導入する必要は前記FS−IGBTと同様に無いけれど、n-ドリフト層が厚いため、オン電圧が大きくなり易い特徴がある。すなわち、FS−IGBTはPT−IGBTとNPT−IGBTの両者の長所を取り入れたIGBTと言える。 The structural feature of the FS-IGBT is that an n-type FS layer and a p-type collector layer whose impurity concentration and width are controlled are provided particularly on the back surface side of the n − drift layer. The characteristic feature of the FS-IGBT obtained by such a structure is that the thickness of the high resistance n − drift layer for obtaining the required breakdown voltage can be reduced, and the on-voltage is reduced. is there. In the FS-IGBT, the impurity concentration and thickness of the p-type collector layer and the n-type FS layer are adjusted so that the device characteristics are determined by the carrier injection efficiency from the collector side. Therefore, there is a feature that it is not particularly necessary to further reduce the turn-off time (or switching loss) by introducing a lifetime killer. On the other hand, a PT (punch-through) IGBT manufactured by depositing an n + layer and a high resistance n − drift layer by epitaxial growth on a low-resistance p-type semiconductor substrate has a low on-voltage but introduces a lifetime killer. Usually, it is required to reduce the turn-off time. In addition, in an NPT-IGBT that requires a p collector layer whose injection efficiency is controlled and an n − drift layer that is thicker than the maximum depletion layer width that extends at the off voltage, it is necessary to introduce a lifetime killer as in the case of the FS-IGBT. Although it is not necessary, since the n − drift layer is thick, the on-voltage tends to increase. That is, it can be said that FS-IGBT is an IGBT incorporating the advantages of both PT-IGBT and NPT-IGBT.
一方、高耐圧素子を一体にして設ける半導体集積回路素子を形成するために厚さ600μmの6インチ径CZシリコン基板に、熱酸化膜を挟んで、低不純物濃度のFZシリコン基板を貼り合わせて一体化し、FZシリコン基板を研磨して薄くしてSOI基板とし、FZシリコン基板に半導体領域を形成する半導体装置の製造方法に係わる記述がある(特許文献1)。 On the other hand, in order to form a semiconductor integrated circuit element provided with a high breakdown voltage element integrally, a low impurity concentration FZ silicon substrate is bonded to a 6 inch diameter CZ silicon substrate having a thickness of 600 μm with a thermal oxide film interposed therebetween. There is a description relating to a method of manufacturing a semiconductor device in which an FZ silicon substrate is polished and thinned to form an SOI substrate, and a semiconductor region is formed on the FZ silicon substrate (Patent Document 1).
また、高耐圧化のために厚い高抵抗率層を必要とするIGBTの半導体基板を、エピタキシャル法あるいは熱拡散法のようにIGBT構造の表面部に欠陥が生じ易い方法を用いない製造方法とする。具体的には、半導体基板の貼り合わせ技術を用いる。たとえば、n+エピタキシャル層を成長させたp+シリコンウエハのn+層上にn-シリコンウエハを貼り合わせた半導体基板を用いて高耐圧IGBTを製造する方法についての記述がある(特許文献2)。 In addition, an IGBT semiconductor substrate that requires a thick high resistivity layer for high withstand voltage is made a manufacturing method that does not use a method in which defects easily occur on the surface portion of the IGBT structure, such as an epitaxial method or a thermal diffusion method. . Specifically, a semiconductor substrate bonding technique is used. For example, there is a description of a method for manufacturing a high voltage IGBT using a semiconductor substrate in which an n − silicon wafer is bonded onto an n + layer of a p + silicon wafer on which an n + epitaxial layer is grown (Patent Document 2). .
シリコンウエハの裏面に、FS層形成用イオン注入を施した後、裏面に絶縁性の支持基板を貼り付ける工程、表面側に半導体装置の表面構造を作製した後、前記支持基板を取り除く工程、基板を取り除いた面にp型コレクタ層を形成する工程を有する半導体装置の製造方法とすることにより、ウエハ割れを低減し、良品率を高くすることに関する記載がある(特許文献3、4)。 After performing ion implantation for forming the FS layer on the back surface of the silicon wafer, attaching an insulating support substrate to the back surface, forming the surface structure of the semiconductor device on the front surface side, and then removing the support substrate, substrate There is a description relating to reducing the wafer cracking and increasing the yield rate by using a method for manufacturing a semiconductor device having a step of forming a p-type collector layer on the surface from which P is removed (Patent Documents 3 and 4).
半導体基板の表面に不純物拡散層を形成後、裏面を削って薄くする工程を有し、裏面側に少なくとも700℃〜950℃の範囲の熱処理を必要とする拡散層の形成工程を施す前に、表面側からの廻りこみ拡散による不純物が貫通しない厚さの酸化膜を前記半導体基板の両面に形成することに関する記述がある(特許文献5)。 After forming the impurity diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate, it has a step of thinning the back surface, and before performing the diffusion layer forming step requiring heat treatment in the range of at least 700 ° C. to 950 ° C. on the back surface side, There is a description relating to the formation of oxide films on both surfaces of the semiconductor substrate having a thickness that does not allow impurities to penetrate due to wrap-around diffusion from the surface side (Patent Document 5).
しかしながら、前述のように、FS−IGBTの耐圧に必要な厚さの薄いシリコンウエハを、ウエハ工程への投入当初のウエハ厚にすると、ウエハの割れ、欠けが多発し、良品率が極端に低下する。そのため、実際の製造ラインに投入されるウエハの厚さは、割れ欠けを防止するために6インチ径ウエハで厚さ600μm以上、8インチ径ウエハでは厚さ700μm以上が必要とされる。しかも、結晶インゴットからのスライスによりウエハを切り出す際には、たとえば、厚さ725μmのウエハを切り出すためには、図6に示すように、研磨、研削、エッチングなどで失われるスライスロス分は併せて330μmもある。前述のように、耐圧1200VのIGBTに必要な最終的なウエハ厚さは120μmであるので、725μmと120μmの差605μmがロスとなる。従って、1200V用IGBTのウエハ厚120μmの場合、当初からの厚さのロス分を合計すると、ロス分は、前記330μmと前記605μmの和から935μmにもなる。 However, as described above, if a thin silicon wafer required for the withstand voltage of the FS-IGBT is used as the initial wafer thickness in the wafer process, the wafer is frequently cracked and chipped, resulting in an extremely low yield rate. To do. Therefore, the thickness of a wafer to be put into an actual production line is required to be 600 μm or more for a 6-inch diameter wafer and 700 μm or more for an 8-inch diameter wafer to prevent cracking. Moreover, when cutting a wafer by slicing from a crystal ingot, for example, in order to cut a wafer having a thickness of 725 μm, as shown in FIG. There is also 330 μm. As described above, since the final wafer thickness required for the IGBT having a withstand voltage of 1200 V is 120 μm, a difference of 605 μm between 725 μm and 120 μm is a loss. Therefore, when the wafer thickness of the 1200V IGBT is 120 μm, the total thickness loss is 935 μm from the sum of 330 μm and 605 μm.
本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、FZウエハを用いる製造ラインで、投入するウエハのうちFZウエハの厚さを従来のものより薄くしても、ウエハの割れ欠けの頻度を従来と同様の程度に抑えることのできる半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to reduce the thickness of an FZ wafer out of the conventional wafers to be used in a production line using an FZ wafer. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of suppressing the frequency of cracking and chipping of a wafer to the same level as in the past.
本発明によれば、フローテイングゾーン法により形成されるシリコン結晶インゴットから、半導体装置の設計耐圧に必要な厚さ以上のFZウエハを切り出すFZウエハ切り出し工程と、チョクラルスキー法により形成されるシリコン結晶インゴットから、CZウエハを切り出すCZウエハ切り出し工程と、前記切り出されたFZウエハおよびCZウエハのそれぞれの一方の主面および他方の主面の両面をラッピングするラッピング工程と、前記ラッピング工程の後、前記CZウエハの前記一方の主面および他方の主面の両面に前記ラッピングによるダメージを除去するためのエッチングを行うエッチング工程と、前記ラッピング工程の後、前記ラッピングによるダメージを除去するための前記エッチング工程を行わずに前記FZウエハの前記一方の主面を研磨により鏡面とする第1の鏡面化工程と、前記ラッピングによるダメージを除去するための前記エッチング工程の後、前記CZウエハの前記一方の主面を研磨して鏡面とする第2の鏡面化工程と、前記FZウエハの鏡面とされた前記一方の主面と前記CZウエハの鏡面とされた前記一方の主面とを相互に貼り合わせて貼り合わせウエハとする貼り合せ工程と、前記貼り合わせウエハの前記FZウエハの前記他方の面を所定の厚さに研削して鏡面加工する第3の鏡面工程と、前記第3の鏡面工程で鏡面化された前記FZウエハの前記他方の面に所要の半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、前記CZウエハを前記他方の面から削り落とし、前記FZウエハの前記一方の主面を露出させて所定の厚さに研削する研削工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法とする。
According to the present invention, an FZ wafer cutting step of cutting an FZ wafer having a thickness greater than the required thickness for the design withstand voltage of a semiconductor device from a silicon crystal ingot formed by a floating zone method, and silicon formed by a Czochralski method After a CZ wafer cutting step for cutting a CZ wafer from a crystal ingot, a wrapping step for wrapping both the main surface and the other main surface of each of the cut FZ wafer and CZ wafer, and after the wrapping step, Etching process for removing damage due to lapping on both of the one main surface and the other main surface of the CZ wafer, and the etching for removing damage due to the lapping after the lapping process The FZ wafer is formed without performing a process. After the first mirror-finishing step, in which the main surface of the CZ wafer is mirror-finished by polishing, and the etching step for removing damage caused by the lapping, the one main surface of the CZ wafer is polished to become a mirror-surface. And a bonding step in which the one main surface that is the mirror surface of the FZ wafer and the one main surface that is the mirror surface of the CZ wafer are bonded together to form a bonded wafer. , A third mirror surface process in which the other surface of the FZ wafer of the bonded wafer is ground to a predetermined thickness and mirror processed, and the other of the FZ wafer mirrored in the third mirror surface process A semiconductor region forming step for forming a required semiconductor region on the surface, and a grinding step for grinding the CZ wafer from the other surface and exposing the one main surface of the FZ wafer to a predetermined thickness When, A method of manufacturing a semiconductor device, which comprises.
前記所要の半導体領域をMOS表面構造とすることが好ましい。
前記CZウエハを他方の面から削り落とす工程の後に、露出するFZウエハ面にイオン注入によりコレクタ層を形成する工程を追加することが望ましい。
The required semiconductor region is preferably a MOS surface structure.
It is desirable to add a step of forming a collector layer by ion implantation on the exposed FZ wafer surface after the step of scraping off the CZ wafer from the other surface.
前記追加工程を、露出するFZウエハ面にイオン注入によりフィールドストップ層とコレクタ層を形成する工程とすることもより好ましい。
More preferably, the additional step is a step of forming a field stop layer and a collector layer on the exposed FZ wafer surface by ion implantation .
本発明によれば、FZウエハを用いる製造ラインで、投入するウエハのうちFZウエハの厚さを従来のものより薄くしても、ウエハの割れ欠けの頻度を従来と同様の程度に抑えることのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, even if the thickness of the FZ wafer among the wafers to be input is made thinner than the conventional one in the production line using the FZ wafer, the frequency of cracking of the wafer can be suppressed to the same level as the conventional one. A method of manufacturing a semiconductor device that can be provided can be provided.
以下、本発明の半導体装置の製造方法の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。 Embodiments of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the description of the examples described below unless it exceeds the gist.
シリコン半導体装置に使用されるシリコン半導体基板(以降単にウエハ)の材料となるシリコン単結晶には、ルツボ内のシリコン溶融液にシリコン種結晶を浸し、種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長させるCZ(チョクラルスキー)法と、丸棒状のシリコン多結晶体の周囲に設けた高周波コイルにより多結晶体を円板状に加熱溶融させながら順次下に移動させることにより、単結晶化させるFZ(フローティングゾーン)法が知られている。 In a silicon single crystal used as a material for a silicon semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as a wafer) used in a silicon semiconductor device, a silicon seed crystal is immersed in a silicon melt in a crucible, and the seed crystal is gradually pulled to grow the single crystal. The CZ (Czochralski) method and a high-frequency coil provided around a round bar-shaped silicon polycrystal are sequentially moved downward while heating and melting the polycrystal into a disk shape, thereby forming a single crystal FZ ( The floating zone method is known.
400Ωcm以下の高抵抗率の8インチ径ウエハ用に結晶成長させて形成された前述のFZ法によるシリコン単結晶インゴットを、その端部を切り落とし、丸棒ブロック100に切り出し(図1(a))、それぞれ、導電型、抵抗率などを測定する。丸棒ブロック100の円周部分を研削して8インチ径に整形し、結晶の方向性を明視可にするためにノッチ101またはオリエンテーションフラットを形成する(図1(b))。 The silicon single crystal ingot by the above-mentioned FZ method formed by crystal growth for an 8-inch wafer having a high resistivity of 400 Ωcm or less is cut off at its end and cut into a round bar block 100 (FIG. 1 (a)). Measure the conductivity type, resistivity, etc., respectively. The circumferential portion of the round bar block 100 is ground and shaped into an 8-inch diameter, and a notch 101 or an orientation flat is formed in order to make the crystal orientation clear (FIG. 1 (b)).
ワイヤソー102またはIDブレードソー等でスライスする。たとえば、図6に示すように、スライス後の厚さは280+100で380μmのFZウエハとする(図1(c))。8インチウエハの場合、ラッピング後の厚さが300μmより薄くなるウエハは、加工途中テンプレートから飛び出して破損する危険がある。よって、ラッピングで両面から40μmづつ削って300μmの厚さとした。例えば、このラッピング工程の段階で、1800V耐圧のFS−IGBTの場合必要な180μmのような薄い厚さに、いきなり加工することはできない。 Slice with a wire saw 102 or ID blade saw. For example, as shown in FIG. 6, the sliced thickness is 280 + 100, and the FZ wafer is 380 μm (FIG. 1C). In the case of an 8-inch wafer, a wafer whose thickness after lapping is less than 300 μm has a risk of jumping out of the template during processing and being damaged. Therefore, the thickness was reduced to 300 μm by lapping each side by 40 μm by lapping. For example, at the stage of this lapping process, it cannot be suddenly processed to a thin thickness as 180 μm necessary for an FS-IGBT with a 1800 V breakdown voltage.
従来の方法では、このスライス後の段階のウエハ厚さは725+160で885μmとしている。
スライスして切り出したFZウエハ103の円周部分の面取りをする(図2(d))。ウエハをラッピング盤104に載せて両面をラッピングし、前述のように、両面からそれぞれ40μmの厚さを減厚する(図2(e))。FZウエハ103の一方の面を機械化学的研磨装置105により、20μm研磨し鏡面とすると、FZウエハ103の厚さはスライス後の前記380μmからラッピングと機械化学的研磨により合わせて100μm薄くなって280μmとなる((図3(f))。
In the conventional method, the wafer thickness after this slicing is 725 + 160, which is 885 μm.
The circumferential portion of the sliced FZ wafer 103 is chamfered (FIG. 2D). The wafer is placed on the lapping board 104 and both sides are lapped, and as described above, the thickness of each side is reduced by 40 μm (FIG. 2E). When one surface of the FZ wafer 103 is polished to 20 [mu] m by the mechanical chemical polishing apparatus 105 to be a mirror surface, the thickness of the FZ wafer 103 is reduced by 100 [mu] m by wrapping and mechanical chemical polishing from the above-mentioned 380 [mu] m after slicing, to 280 [mu] m. ((FIG. 3 (f)).
図6に示すように、従来の方法では、ラッピング工程以降、機械化学的研磨された725μmのFZウエハとするまでに、ラッピングによるダメージの除去を目的とするエッチング工程が含まれているが、本発明にかかる方法では、削除してもよい。その理由は、従来の方法では、ラッピング工程後に、半導体領域としてMOS構造を形成する側は、研削、研磨を行い鏡面にする工程があるが、裏面は、ラッピング工程の後は、エッチングを行うのみである。ここでのエッチングは、混酸系の場合とアルカリ系の場合とが有る。混酸系のエッチャントでは、一般に弗酸、硝酸、酢酸の混液が利用される。また、アルカリ系のエッチャントでは、水酸化カリウム水溶液が利用される。いずれの場合も50℃から60℃程度に加熱して用いられる事が多い。混酸系のエッチャントを用いる場合、表面に局所的なラップ痕が有る場合でも、概ね一様にエッチングされ痕跡が残り難い。アルカリ系のエッチャントを用いる場合、平坦度は概して良好に仕上がるが、ラップ痕などの局所的な欠陥は選択的にエッチングされ易い。その為、アルカリ系のエッチャントを使用する場合、続けて研削が適用される事が多い。混酸系とアルカリ系のエッチャントは、適宜必要な平坦度に応じて選択すれば良い。 As shown in FIG. 6, the conventional method includes an etching process for removing damage due to lapping after the lapping process until a mechanically polished 725 μm FZ wafer is obtained. In the method according to the invention, it may be deleted. The reason is that in the conventional method, after the lapping process, the side where the MOS structure is formed as a semiconductor region has a process of polishing and polishing to make a mirror surface, but the back surface is only etched after the lapping process. It is. Etching here may be mixed acid or alkaline. In a mixed acid etchant, a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid is generally used. In addition, in an alkaline etchant, an aqueous potassium hydroxide solution is used. In either case, it is often used by heating to about 50 to 60 ° C. When a mixed acid etchant is used, even if there is a local lapping mark on the surface, the etching is generally uniform and it is difficult to leave a mark. When an alkaline etchant is used, the flatness is generally good, but local defects such as lap marks are likely to be selectively etched. Therefore, when using an alkaline etchant, grinding is often applied subsequently. What is necessary is just to select a mixed acid type and an alkaline type etchant according to required flatness suitably.
エッチングを行わない場合、ラッピングされた表面が露出されており、素子形成工程において、加工面に形成されるダメージ層に研磨砥粒が残り易く、工程途中で脱離し汚染の原因となったり、加工ダメージ層自体が脱落し汚染源となる等の問題がある。 When etching is not performed, the lapped surface is exposed, and in the element formation process, abrasive grains are likely to remain in the damaged layer formed on the processed surface, and may be detached during the process, causing contamination, or processing. There is a problem that the damaged layer itself falls off and becomes a pollution source.
一方、本発明にかかる方法では厚さ280μmのウエハの裏面にCZウエハを貼り付けるので、機械化学的研磨による鏡面化は必要であるが、ラッピングにより形成されたダメージが残っていても前述の問題は発生しない。表面側はCZウエハの貼り付け後に研削、機械化学的研磨工程を加えてウエハの厚さを調整してからMOS表面構造を形成するので、CZウエハの貼り付け工程の前ではラップされたままでもよく、従来のように、研削、機械化学的研磨工程をする必要が無い。また、CZウエハと貼り合わせた後280μmの厚さから減厚されることになるので、その分、従来の方法より、シリコン単結晶インゴットからのスライスウエハの厚さを薄くできるのである。 On the other hand, in the method according to the present invention, since the CZ wafer is attached to the back surface of the wafer having a thickness of 280 μm, it is necessary to make a mirror surface by mechanical chemical polishing, but the above-mentioned problem is caused even if damage formed by lapping remains. Does not occur. Since the MOS surface structure is formed after the wafer side is ground and the thickness of the wafer is adjusted by applying a mechanical and chemical polishing process after the CZ wafer is attached, even if it is wrapped before the CZ wafer attachment process Well, there is no need for grinding and mechanochemical polishing processes as in the prior art. In addition, since the thickness is reduced from 280 μm after being bonded to the CZ wafer, the thickness of the slice wafer from the silicon single crystal ingot can be reduced by that amount.
次に、スライス、ラッピング、ラッピングによるダメージ除去のためのエッチングを行い、その後、一方の面を必要に応じて研削を行い、一方の面を機械化学的研磨により鏡面化した厚さ505μmの8インチ径のCZウエハ106を用意する。このCZウエハは、FZウエハより安価でまた入手が容易である。前述した厚さ280μmのFZウエハと厚さ505μmのCZウエハに対して、それぞれ親水性の清浄な表面にするために、よく知られたSC−1、SC−2洗浄処理をする(図3(g))。 Next, etching for removing damage by slicing, lapping, and lapping is performed, and then one surface is ground as necessary, and one surface is mirror-polished by mechanical chemical polishing to a thickness of 505 μm and 8 inches. A CZ wafer 106 having a diameter is prepared. This CZ wafer is cheaper and easier to obtain than FZ wafers. The well-known SC-1 and SC-2 cleaning processes are performed on the above-described FZ wafer having a thickness of 280 μm and CZ wafer having a thickness of 505 μm in order to obtain hydrophilic and clean surfaces (FIG. 3 ( g)).
SC−1、SC−2処理とは、パーティクル除去を目的とするアンモニア水と過酸化水素からなるSC−1(Standard Clean−1)と金属不純物の除去を目的とする塩酸と過酸化水素からなるSC−2(Standard Clean−2)とを組み合わせた洗浄方法である。ここで、さらに図7、図8に示すように、CZウエハに膜厚4μm程度の酸化膜107を形成することにより、FZウエハとCZウエハとの貼り付け、接着をより容易に、確実にすることも好ましい。この場合は、本発明ではSOI基板の作成を目的とするものではないので、表面側にMOS構造を形成後、CZウエハとFZウエハの界面に挟まれている厚い酸化膜およびCZウエハをすべて削り落とし、確実にFZウエハの裏面を露出させてから、コレクタ層およびFS層を形成することが望ましい。 SC-1 and SC-2 treatments consist of SC-1 (Standard Clean-1) consisting of ammonia water and hydrogen peroxide for the purpose of particle removal, and hydrochloric acid and hydrogen peroxide for the purpose of removing metal impurities. This is a cleaning method in combination with SC-2 (Standard Clean-2). Here, as shown in FIGS. 7 and 8, an oxide film 107 having a film thickness of about 4 μm is formed on the CZ wafer, so that the FZ wafer and the CZ wafer can be bonded and bonded more easily and reliably. It is also preferable. In this case, since the present invention is not intended to produce an SOI substrate, after the MOS structure is formed on the surface side, the thick oxide film and the CZ wafer sandwiched between the interfaces of the CZ wafer and the FZ wafer are all removed. It is desirable to form the collector layer and the FS layer after dropping and reliably exposing the back surface of the FZ wafer.
洗浄後、FZウエハとCZウエハのそれぞれの鏡面を対向させるようにして貼り合わせる。O2雰囲気で1100℃、2時間程度の熱処理およびアニール処理を加え、貼り合わせの接合界面のシロキサン結合を促進させて前記FZとCZの2ウエハを一体化する(図3(h))。貼り合わせたウエハの厚さは785μmとなる。貼り合わせウエハのうち、FZウエハ103の支持体となるCZウエハ106の直径を減じないように、FZウエハ103のみの円周部分をメサ状(台形状に)に面取りを施す。面取りの切り込み幅は0.5mm〜5mm程度が好ましい(図3(i))。続いて、ウエハ全面を水酸化カリウム水溶液やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液)等により約10μmエッチングして歪を除去する(図4(j))。
After the cleaning, the FZ wafer and the CZ wafer are bonded together so that the mirror surfaces thereof face each other. Heat treatment and annealing treatment at 1100 ° C. for about 2 hours are added in an O 2 atmosphere to promote the siloxane bond at the bonding interface of the bonding, thereby integrating the two wafers of FZ and CZ (FIG. 3 (h)). The thickness of the bonded wafer is 785 μm. Among the bonded wafers, the circumferential portion of only the FZ wafer 103 is chamfered in a mesa shape (in a trapezoidal shape) so as not to reduce the diameter of the CZ wafer 106 serving as a support for the FZ wafer 103. The cut width of the chamfer is preferably about 0.5 mm to 5 mm (FIG. 3 (i)). Subsequently, the entire surface of the wafer is etched by about 10 μm with a potassium hydroxide aqueous solution, TMAH (tetramethylammonium hydroxide aqueous solution) or the like to remove the strain (FIG. 4 (j)).
FZウエハ103の露出面側を、30μm研削し、その後機械化学的研磨により20μm研磨し、鏡面化することにより725μmの貼り合わせウエハを得る(図4(k))。ここで、研削は必要に応じて行えばよく行わなくてもよい場合もある。研削を行わない場合は、その分CZウエハの厚さを厚く形成しておけばよい。貼り合わせウエハの厚さは、8インチ径のウエハの場合は、700μm以上で725μm程度までとすることが望ましい。5インチ径または6インチ径のウエハの場合は、600μm以上で625μm程度までとすることが望ましい。 The exposed surface side of the FZ wafer 103 is ground by 30 μm, then polished by 20 μm by mechanical chemical polishing, and mirror-finished to obtain a bonded wafer of 725 μm (FIG. 4 (k)). Here, grinding may be performed as necessary, and may not be performed. When grinding is not performed, the thickness of the CZ wafer may be increased accordingly. The thickness of the bonded wafer is desirably 700 μm or more and about 725 μm in the case of an 8-inch diameter wafer. In the case of a wafer having a diameter of 5 inches or 6 inches, it is desirable that the wafer be 600 μm or more and about 625 μm.
次に、貼り合わせウエハをウエハ工程に投入し、鏡面化したFZウエハ103面に、よく知られたIGBTの表面側MOS構造(図4には図示せず)を形成する(図4(l))。IGBTの構造については、図4では明示することは難しいので、省略したが、図5にIGBTの要部断面図を示す。図5ではIGBTの前記表面側MOS構造を、p型ベース層2、n型エミッタ領域3、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5、トレンチ6、層間絶縁膜7、エミッタ電極10により示す。次に、貼り付けウエハの裏面側のCZウエハ106を研削および研磨、エッチングを適宜行うことにより削り落としてFZウエハ103の裏面を露出させる(図4(m))。ここでの研削、研磨およびエッチングは、半導体装置の設計耐圧に必要なウエハ厚になるように薄くする。FZウエハ103として最終的に必要な厚さは耐圧1200Vで厚さ120μm、600Vで厚さ60μm程度である。 Next, the bonded wafer is put into a wafer process, and a well-known IGBT surface side MOS structure (not shown in FIG. 4) is formed on the mirror-finished FZ wafer 103 (FIG. 4L). ). The IGBT structure is omitted because it is difficult to clarify in FIG. 4, but FIG. 5 shows a cross-sectional view of the main part of the IGBT. In FIG. 5, the surface side MOS structure of the IGBT is shown by a p-type base layer 2, an n-type emitter region 3, a gate insulating film 4, a gate electrode 5, a trench 6, an interlayer insulating film 7, and an emitter electrode 10. Next, the CZ wafer 106 on the back side of the bonded wafer is appropriately ground, polished, and etched away to expose the back side of the FZ wafer 103 (FIG. 4 (m)). The grinding, polishing, and etching here are thinned to a wafer thickness necessary for the design withstand voltage of the semiconductor device. The final required thickness of the FZ wafer 103 is about 120 μm with a withstand voltage of 1200 V and about 60 μm with a thickness of 600 V.
n型の不純物としてリンを用い、p型不純物としてボロンを用い、FZウエハ103の裏面からイオン注入と必要に応じて熱拡散させて深さ5μm程度のFS層(図5のFS層8)と、このFS層の表面に深さ0.5μm程度のp型コレクタ層(図5のp型コレクタ層9))を形成する。さらに、このp型コレクタ層の表面にアルミニウム、チタン、ニッケル、金の順に4層構造の周知のコレクタ電極(図5のコレクタ電極11)をスパッタ法などの通常の方法により形成すると、FS−IGBTのウエハが完成する(図4(n))。 An FS layer (FS layer 8 in FIG. 5) having a depth of about 5 μm is obtained by using phosphorus as an n-type impurity and boron as a p-type impurity, ion implantation from the back surface of the FZ wafer 103, and thermal diffusion as necessary. A p-type collector layer (p-type collector layer 9 in FIG. 5) having a depth of about 0.5 μm is formed on the surface of the FS layer. Furthermore, when a well-known collector electrode (collector electrode 11 in FIG. 5) having a four-layer structure is formed on the surface of this p-type collector layer in the order of aluminum, titanium, nickel, and gold by an ordinary method such as sputtering, the FS-IGBT The wafer is completed (FIG. 4 (n)).
以上の説明ではFS−IGBTを用いたが、裏面側にFS層の無いNPT−IGBTとすることもできる。その場合、FZウエハの厚さを、少なくとも設計耐圧時に空乏層が主接合から延びる最大幅以上のドリフト層厚さを含む厚さにする必要がある。また、p型コレクタ層については前述と同様に裏面側のCZウエハを削り落してから、イオン注入により形成することもできるが、p型CZウエハを用い、前述のようにCZウエハを削り落とす際に、すべて削り落とさないで、0.5μm程度薄く残してp型コレクタ層とすることもできる。この場合、表面側MOS構造を形成する前に、設計耐圧に必要なウエハの厚さに削っておく必要がある。 In the above description, the FS-IGBT is used, but an NPT-IGBT having no FS layer on the back surface side may be used. In that case, the thickness of the FZ wafer needs to be a thickness including a drift layer thickness of at least the maximum width in which the depletion layer extends from the main junction at the time of design withstand voltage. Also, the p-type collector layer can be formed by ion implantation after the CZ wafer on the back side is scraped off as described above, but when the p-type CZ wafer is used and the CZ wafer is scraped off as described above. In addition, the p-type collector layer may be formed by leaving it as thin as about 0.5 μm without being scraped off. In this case, before forming the surface side MOS structure, it is necessary to cut the wafer thickness to a required design breakdown voltage.
以上、説明した実施例で、FS−IGBTを製造するために、8インチ径のFZウエハを用いて製造するウエハ工程では、ウエハ工程に投入する当初のFZウエハの厚さを、割れ、欠けを防ぐために通常必要とされる725μmより薄い280μmの厚さにしても、FZウエハに安価なCZウエハを貼り付けることにより、ウエハの割れ欠けの頻度を従来と同様の程度に抑えることができる。 As described above, in the embodiment described above, in order to manufacture the FS-IGBT, in the wafer process manufactured using the 8-inch FZ wafer, the initial thickness of the FZ wafer to be put into the wafer process is cracked and chipped. Even if the thickness is 280 μm, which is thinner than 725 μm, which is usually required to prevent it, the frequency of wafer cracking can be suppressed to the same level as before by attaching an inexpensive CZ wafer to the FZ wafer.
また、FZ結晶からのウエハの取れ数を増やすことが可能となる。 In addition, the number of wafers taken from the FZ crystal can be increased.
2 p型ベース層
3 n型エミッタ領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 トレンチ
7 層間絶縁膜
8 FS層
9 p型コレクタ層
10 エミッタ電極
11 コレクタ電極
100 丸棒ブロック
101 ノッチ
102 ワイヤソー
103 FZウエハ
104 ラッピング盤
105 機械化学的研磨装置
106 CZウエハ
107 酸化膜
2 p-type base layer 3 n-type emitter region 4 gate insulating film 5 gate electrode 6 trench 7 interlayer insulating film 8 FS layer 9 p-type collector layer 10 emitter electrode 11 collector electrode 100 round bar block 101 notch 102 wire saw 103 FZ wafer 104 wrapping Panel 105 Mechanical chemical polishing device 106 CZ wafer 107 Oxide film
Claims (4)
チョクラルスキー法により形成されるシリコン結晶インゴットから、CZウエハを切り出すCZウエハ切り出し工程と、前記切り出されたFZウエハおよびCZウエハのそれぞれの一方の主面および他方の主面の両面をラッピングするラッピング工程と、A CZ wafer cutting step for cutting a CZ wafer from a silicon crystal ingot formed by the Czochralski method, and wrapping for wrapping both one main surface and the other main surface of the cut FZ wafer and CZ wafer. Process,
前記ラッピング工程の後、前記CZウエハの前記一方の主面および他方の主面の両面に前記ラッピングによるダメージを除去するためのエッチングを行うエッチング工程と、After the lapping step, an etching step of performing etching for removing damage due to the lapping on both the one main surface and the other main surface of the CZ wafer;
前記ラッピング工程の後、前記ラッピングによるダメージを除去するための前記エッチング工程を行わずに前記FZウエハの前記一方の主面を研磨により鏡面とする第1の鏡面化工程と、After the lapping step, a first mirroring step in which the one main surface of the FZ wafer is made into a mirror surface by polishing without performing the etching step for removing damage due to the lapping;
前記ラッピングによるダメージを除去するための前記エッチング工程の後、前記CZウエハの前記一方の主面を研磨して鏡面とする第2の鏡面化工程と、After the etching step for removing damage due to the lapping, a second mirroring step for polishing the one main surface of the CZ wafer to be a mirror surface;
前記FZウエハの鏡面とされた前記一方の主面と前記CZウエハの鏡面とされた前記一方の主面とを相互に貼り合わせて貼り合わせウエハとする貼り合せ工程と、A bonding step in which the one main surface that is the mirror surface of the FZ wafer and the one main surface that is the mirror surface of the CZ wafer are bonded together to form a bonded wafer;
前記貼り合わせウエハの前記FZウエハの前記他方の面を所定の厚さに研削して鏡面加工する第3の鏡面工程と、A third mirror surface step of mirror-grinding the other surface of the FZ wafer of the bonded wafer to a predetermined thickness;
前記第3の鏡面工程で鏡面化された前記FZウエハの前記他方の面に所要の半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、A semiconductor region forming step of forming a required semiconductor region on the other surface of the FZ wafer mirror-finished in the third mirror surface step;
前記CZウエハを前記他方の面から削り落とし、前記FZウエハの前記一方の主面を露出させて所定の厚さに研削する研削工程と、Grinding the CZ wafer from the other surface and exposing the one main surface of the FZ wafer to a predetermined thickness;
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Wherein in the grinding step, the exposed the FZ method according to claim 2, wherein said one surface of the wafer, characterized in that it comprises a step of forming a field stop layer and the collector layer by ion implantation.
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