JPH02206118A

JPH02206118A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH02206118A
Application number: JP2580189A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sugimoto; 博幸杉本; Tadashi Muranaka; 廉村中; Yasushi Sato; 康司佐藤; Kenichi Gomi; 五味　憲一; Yasuhiro Mochizuki; 康弘望月
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1989-02-06
Publication date: 1990-08-15

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、シリコン半導体素子に係り、特に、Ｓ　ＯＩ
　（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　１ｎｓｕｌａｔｏｒ）構造
をもつ半導体素子に関する。

〔従来の技術〕

絶縁体上に厚さ数μｍのシリコン回路層を形成した、い
わゆる、Ｓ○工素子は、通常の厚いシリコン層をもつ素
子と比べて、高速動作性、及び、耐放射線性に優れ、ま
た、ラッチアップが起こりにくいという特徴をもつこと
が、ｒＩＣの主役をねらうＳＯＳデバイスｊ　（平野著
、「日経エレクトロニクスＪ　１９７４年１２月１６日
号５０ページ）などに示されている。

通常、この素子は、シリコン基板上にＳｉ○２酸化皮膜
を形成し、この上にシリコン層をＣＶＤなどの気相成長
法によりエピタキシャル成長させ、さらに、このエピタ
キシャルシリコン層上に回路を形成する。しかし、この
場合、エピタキシャルシリコン層の結晶性が悪く、これ
がＳＯＩ素子開発上の最大のネックとなっていた。

このような中で、近年、シリコン同士、あるいは、５ｉ
Ｏｚ同士を、直接、接合する技術が注目されている。こ
れは、極めて清浄で、かつ、平面度の高いシリコン、あ
るいは、５ｉＯｚ同士を、表面に親水処理などを施した
後、重ねあわせて加熱するか、あるいは、さらに高電圧
を印加するなどの方法により接合するものである。そし
て現在、この直接接合法を用いてＳｏＩの開発が進めら
れていることが、例えば、［シリコン　オン　インスレ
ータ　バイ　ボンディング　アンド　エッチ−バック」
ラスキー他、アイ　イーイーイー　インターナショナル
　エレクトロン　デバイス　ミーティング　テクニカル
　ダイジェスト　第６８４頁、１９８５年１２月（“５
ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒｂｙ　Ｂｏｎ
ｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｔｃｈ−Ｂａｃｋ”Ｌａ５ｋｙ　
ｅｔ　ａｌ、ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｍｅｅｔｉｎｉｇ
Ｔｅｃｈｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　　ｐ、　　６８４．
　Ｄｅｃ、　　１９８５）、あるいは、「ウェーハー張
りあわせ技術」　（日経マイクロエレクトロニクス、１
９８８年３月号、８２ページ）などに示されている。

すなわち、二枚のシリコン基板表面に５ｉＯｚよりなる
酸化皮膜を形成し、これを上記の方法で接合する。その
後、一方の基板を、シリコンの厚さが数μｍの厚さにな
る迄、研磨し、この上にプレーナ技術により、回路を形
成する。この方法では、バルクと同質の高品質のシリコ
ン単結晶層を回路形成に利用できるので、微細な回路で
も良好に作動する。既にこの方法によりメモリー回路を
形成した例が報告されている。

しかし、このような方法により製造した素子は、Ｓｉよ
りなる絶縁体層の熱伝導性がシリコンのみよりなる素子
に比べて劣るため、高度の集積化や、多くの電流を必要
とする素子への応用に難点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来技術では、絶縁体層として熱伝導性の悪いＳ
ｉＯ２を用いているため素子の放熱性が悪いという問題
点があった。

本発明の目的は、ＳＯＩ構造を保ちつつ、放熱性の低下
を防ぐことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、絶縁体層である５ｉＯｚの代りに、絶縁
性で、かつ、熱伝導性の良好な物質を用いることにより
解決される。

発明者らは、絶縁体層として、５ｉＯｚの代りにダイヤ
モンドを用い、ＳＯＩ構造の素子の放熱性を大幅に向上
させることを考案した。

一般に、絶縁体は金属に比べて熱伝導率が大幅に劣るが
、この中で、ダイヤモンドは例外的に極めて大きな熱伝
導率をもつ。とくに、室温領域では全ての材料中で最も
熱伝導率が高いことが知られている。

従来、ダイヤモンドは高温、超高圧下でのみ合成可能で
あったが、近年、気相成長法により、低圧で合成できる
ことが明らかになった。例えば、メタンと水素との混合
ガスをマイクロ波プラズマにより電離し、このガスを加
熱したシリコン板上にあてることにより、基板上にダイ
ヤモンドが生成することが、Ｍ、Ｋａｍｏ　ｅｔ　ａｌ
著、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｒｙｓｔａｌ　ｇｒｏｔ
ｚｔｈ、　ｖｏｌ、、６２．　ｐ、３４１　、１９８５
に示されている。

ダイヤモンドは熱伝導率が高いため、従来より放熱性の
高いことを要求される半導体レーザなどの保持体として
用いられており、また、薄膜のダイヤモンドが得られる
ようになったことで、さらに、広い範囲で、例えば、マ
イクロ波の増幅器など放熱基板として用いうろことが、
１半導体素子搭載基板」　（特開昭６２−２４６４７号
公報）に示されている。しかし、これらは単に半導体素
子の放熱基板として用いられているに過ぎない。一方、
ダイヤモンド自体の半導体的性質を利用して放熱性が良
く、かつ、高温で作動する素子を作る試みもあるが、ダ
イヤモンドの半導体化技術や加工技術が十分には完成し
ておらず、現時点での実用化は難しい。

これに対して、ダイヤモンドをＳＯＩの絶縁体層として
用いる場合には、単に、熱伝導性の向上を図るのではな
く、シリコン半導体素子の高速化や耐放射線性を目的と
するものであり、前述のものとは異なる。

次に、ダイヤモンドを絶縁体層とするＳＯＩ構造の素子
の作成方法を示す。

（１）基板へのダイヤモンド膜の形成（２）ダイヤモンド層の研磨（３）ダイヤモンド層上への気相成長法によるシリコン
薄膜の形成（４）シリコン単結晶板の張り合わせ（５）シリコン単結晶層の研磨（６）電子回路の形成また、この変形例として、次に示す方法も可能である。

（Ｘ′）基板へのダイヤモンド膜の形成（２′）ダイヤ
モンド層上への気相成長法によるシリコン層の形成（３′）気相成長させたシリコン層の研磨（４′）シリ
コン単結晶板の張りあわせ（５′）シリコン単結晶層の
研磨（６′）電子回路の形成基板としてダイヤモンドが形成可能で、かつ、この後の
熱処理などに耐えるものであれば、とくに、制限は無い
。しかし、回路層のシリコンとの熱膨張率の整合性を考
えると、シリコンが、また、放熱性に重点を置くとニッ
ケルや銅などの金属が好ましい。

ダイヤモンド層の形成には、マイクロ波プラズマＣｖＤ
法、ＤＣプラスＶＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法などがあり、い
ずれを用いてもよい。

気相成長法を用いてダイヤモンドの合成を行なった場合
、その条件の違いにより生成物の組成や形態が異なるこ
とが知られており、ある場合にはダイヤモンド状炭素と
よばれる水素を含んだ炭素化合物が得られる。熱伝導率
の点から、結晶性の良いダイヤモンドがより好ましいが
、実用上はダイヤモンド状炭素であってもよい。

一般に、上記の方法で合成したダイヤモンドの表面は平
滑ではないため、これを、直接、シリコンと張りあわせ
るためには、その表面を平滑化する必要がある。

極めて清浄で、かつ、研磨されたダイヤモンドはシリコ
ンと張り合わせることが可能であり、上記（３）に示し
た過程は省略することができる。しかし、より強い張り
合わせ強度を得るためには、（３）の過程を用いること
がより好ましい。すなわち、ダイヤモンド上にシリコン
薄膜を、蒸着、スパッタリング、あるいは、ＣＶＤなど
の方法により形成し、これとシリコン単結晶とを張り合
わせることにより、より強い接着強度を得ることができ
る。この過程では、まず、ダイヤモンドを研磨し、これ
に平滑にシリコン層を気相成長法で形成しても良いし、
あるいは、変形例で述べたように、ダイヤモンド層の研
磨を行なわず、この上に、直接、シリコン層を気相成長
法で形成し、その後に平滑化のための研磨を行なっても
良い。また、（２′）と（３′）で示した過程の間、あ
るいは、（３′）と（４′）とで示した過程の間に熱処
理を行ない、気相成長法により形成したシリコン層を結
晶化を図ることも、張りあわせ強度を向上させるのに有
効である。シリコン単結晶を張り合わせた後、熱処理や
、電圧の印加を行なうことにより。

接着がさらに強固になることは前述の文献に述べられて
いる通りである。

こののち張り合わせたシリコン単結晶層を、例えば、５
μｍ程度の適当な厚さに研磨し、この上に通常のプレー
ナ技術により電子回路を形成する。

〔作用〕

ＳｉＯｘとダイヤモンドとの熱伝導率を比べると、前者
が０．ＩＪ／ＱＩＩＫＳ　　であるのに比べ後者は２３
　Ｊ　／　ａｎ　Ｋ　ｓであり、ダイヤモンドの方が二
百倍以上も大きい。これが素子の放熱性に、直接、寄与
する。さらに、この効果は、ダイヤモンド成長の基板と
してニッケルなどの金属を用いた場合、さらに大きい。

〔実施例〕

〈実施例１〉本発明の素子の一例を、第１図に示す。本素子は、シリ
コンよりなる基板１．その上に形成されたダイヤモンド
の絶縁層２、および、これに張り合わせられた電子回路
をもつシリコン層３よりなる。以下に、本発明の素子の
製造方法の一例を示す。

大きさ２ｃｍ角、厚さ約ｌｌ１１１１の、表面を鏡面研
磨したシリコン板をダイヤモンド層形成の基板とした。

このシリコン板の表面を粒径１μｍのダイヤモンドペー
ストを用いてさらに研磨した。

この基板を反応管中に置き、圧力５　ｔｏｒｒ下で、メ
タン、水素を０．５　：　９９．５の割合で混合したガ
スを流した。基板を８００℃に加熱しつつ、マイクロ波
によりガスを電離させ、これにより形成させたプラズマ
を基板に当てることにより、基板上にダイヤモンド層を
形成した。プラズマの照射時間は１０時間とし、これに
より、厚さ約５μｍのダイヤモンドが成長した。

つぎに、ダイヤモンドを成長させたシリコン板を取り出
し、これを純鉄性の研磨板を基体とし、水素プラズマ中
で研磨し、その表面を平滑化した。

このようにして作成したダイヤモンド層を形成したシリ
コン板を、表面を鏡面研磨し、かつ、親水化処理を施し
たシリコン単結晶板と重ねあわせ、加重をかけつつ不活
性雰囲気下で８００℃で加熱処理を行ない両者を張り合
わせた。

その後、張り合わせたシリコン単結晶板を５μｍの厚さ
に研磨し、この上に、通常のプレーナ技術により回路を
形成した。

〈実施例２〉基板としてニッケル板を用い、これに実施例１と同様の
方法でダイヤモンド層を形成し、さらに、シリコン単結
晶板を接合して、その上に電子回路を形成した。

〈実施例３〉実施例１の方法でシリコン上にダイヤモンドを形成し、
その表面を研磨後、ＣＶＤ法により厚さ約１１００ｎの
シリコン層を形成し、これをシリコン単結晶板と張り合
わせた。その後、実施例１と同様の方法により電子回路
を形成した。

〈実施例４〉実施例１と同様の方法でシリコン基板上にダイヤモンド
層を形成し、この上にＣＶＤ法により、厚さ２μｍのポ
リシリコン層を形成した。次に、ポリシリコン層を鏡面
研磨し、これをシリコン単結晶板と張り合わせた。その
後、実施例１と同様に、シリコン単結晶層と研磨し、こ
の上に回路を形成した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、放熱性の良好なＳＯＩ構造の半導体素
子を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体素子の斜視図である
。１・・・シリコン基板、２・・・ダイヤモンド絶縁体層
、３・・・シリコン回路層。

Claims

【特許請求の範囲】

１．ＳＯＩ構造をもつ半導体素子において、絶縁体層が
ダイヤモンドよりなることを特徴とする半導体素子。２、前記ダイヤモンド絶縁体層が、シリコン上に、気相
成長法により形成されたものであることを特徴とする特
許請求項１の半導体素子。３、前記ダイヤモンド絶縁体層が、その上にダイヤモン
ドの形成可能な金属、もしくは、合金上に、気相成長法
により形成されたものであることを特徴とする特許請求
項１の半導体素子。４、回路を形成するシリコン層が、ダイヤモンドよりな
る絶縁体層に張り合わされたシリコン単結晶層であるこ
とを特徴とする特許請求項１、２または３の半導体素子
。５、回路を形成するシリコン層が、ダイヤモンド絶縁体
層上に気相成長法により形成されたシリコン層と、シリ
コン単結晶との張り合わせにより形成されたものである
ことを特徴とする特許請求項１、２または３の半導体素
子。６、基体上に気相成長法によりダイヤモンド絶縁体層を
形成し、これを平滑に研磨した後、この上にシリコン単
結晶を張り合わせ、前記シリコン単結晶上に電子回路を
形成することを特徴とする特許請求項１、２または３の
半導体素子の製造方法。７、基体上に気相成長法によりダイヤモンド絶縁体層を
形成し、これを平滑に研磨した後、その上に気相成長法
によりシリコン層を形成し、この上にシリコン単結晶を
張り合わせ、さらに、前記シリコン単結晶上に電子回路
を形成することを特徴とする特許請求項１の半導体素子
の製造方法。８、基体上に気相成長法によりダイヤモンド絶縁体層を
形成し、その上に気相成長法によりシリコン層を形成し
た後、この表面を平滑に研磨し、この上にシリコン単結
晶を張り合わせ、さらに、前記シリコン単結晶上に電子
回路を形成することを特徴とする特許請求項１の半導体
素子の製造方法。９、半導体素子が記憶素子であることを特徴とする特許
請求項１、２または３の半導体素子。