JPH0472608A

JPH0472608A - 化合物半導体ウェハの製造方法および製造装置

Info

Publication number: JPH0472608A
Application number: JP34040190A
Authority: JP
Inventors: Koji Usuda; 宏治臼田; Takashi Fujii; 高志藤井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-03-06

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、複数枚の化合物半導体基板を直接接着して１
枚の化合物半導体ウェハを製造する方法および製造装置
に関する。

（従来の技術）半導体単結晶基板を直接接着する技術は、シリコン単結
晶基板について実用化され、特にパワ−素子等に応用さ
れてその有効性か確認されている。この方法は、鏡面研
磨された２枚のシリコン単結晶基板を表面清浄化処理を
施した後にその研磨面同士を張合わせ、その後所定の温
度で熱処理することにより強固に一体化されたウエノ＼
を得る。

しかしこの直接接着技術は、化合物半導体基板について
はシリコンの場合のように容易ではない。

その理由は、化合物半導体の場合にはシリコンの場合の
直接接着のモデルがそのまま当てはまらないためである
。シリコンの場合、表面に化学結合した水酸基の脱水縮
合、シリコン表面の原子のダングリングボンドを介した
シリコン同志の結合という過程を経て接着が行われると
されている。ところが化合物半導体の場合には、水酸基
との結合エネルギーその他の表面状態がシリコンとは異
なる。例えば化合物半導体基板の鏡面はシリコン等の単
元素半導体基板の鏡面に比べて活性であり、酸素等の気
体か物理吸着しやすく、また化学吸着がされている度合
いも高い。ＧａＡｓの場合を例にとると、その清浄な表
面は大気に晒されて薄い自然酸化膜Ｑａ２０３　、ＡＳ
２０３か形成される。これらの酸化に要する標準生成エ
ネルギーは、Ｇ　ａ　２０３の方がＡｓ２Ｏ３より大き
く、Ｇａ２Ｏ，が優先的に形成される。Ｈ２Ｏの生成エ
ネルギーはこれらより低く、したかってシリコンの場合
のように水酸基を基板表面に供給するのは容易ではない
。この結果、基板同志の直接接着に必要なＯＨ基を介し
てのＧａとＧａの結合、ＡｓとＡｓの結合、さらにＧａ
とＡｓの結合等が生じにくい。したがってシリコン接着
の場合のモデルか化合物半導体にはそのまま適用できな
い。

また、直接接着によって強固な一体化つエバを得るため
には通常、張合わせた後に熱処理を必要とするため、異
種材料の単結晶基板の接着には適さない。異種材料の半
導体基板は一般に熱膨張係数が異なるため、熱処理によ
って剥がれや割れ等を生じるからである。したがって化
合物半導体基板とシリコン基板の直接接着や異種材料の
化合物基板同士の直接接着は難しい。

（発明か解決しようとする課題）以上のように、従来の半導体基板の直接接着技術では、
化合物半導体基板の直接接着か難しいという問題かあっ
た。

本発明はこの様な点に鑑み、複数枚の化合物半導体基板
を直接接着して一体化する半導体ウェハの製造方法およ
び製造装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の製造方法は、鏡面研磨された少くとも２枚の化
合物半導体基板を直接接着するに際して、予めその少な
くとも一つの接着すべき面に、所定の原子層を成長させ
ることを特徴とする。

本発明の製造装置は、原料ガス供給口および排気口を有
し、内部に２枚の化合物半導体基板を支持する支持手段
を有し、これら支持手段に支持された２枚の化合物半導
体基板の少くとも一枚の表面に所定の原子層を成長させ
る反応チャンバと、この反応チャンバ内で２枚の化合物
半導体基板を原子層か形成された而を直接接着して一体
化する手段とを偏えたことを特徴とする。

（作　用）本発明によれば、化合物半導体基板の接着すべき表面へ
の原子層成長によって、その表面状態をシリコンの場合
と同様に、接着に必要な多数のダングリングボンドが分
布した状態とすることができる。そしてこの状態で接着
すれば、強固に一体化された化合物半導体ウェハを得る
ことかできる。

本発明の方法は、シリコン基板の直接接着におけるよう
にＯＨ基の脱水縮合を積極的に利用するものではないか
ら、貼り合わせ後の熱処理は格別必要ではなく、したが
って熱膨張係数の異なる異種化合物半導体基板の一体化
も簡単にできる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、ｐ型Ｚｎ５ｅ基板とｎ型Ｚｎ５ｅ基板を直接接着
する実施例を説明する。ｐ型Ｚｎ５ｅ基板とｎ型Ｚｎ５
ｅ基板は、垂直ブリッジマン法により育成されたもので
あり、それぞれ直径１０ｍ５．　　（１００）面方位を
もって切り出されて、＜１１Ｑ＞方向にオリエンテーシ
ョンフラットが形成される。またこれらのＺｎ５ｅ基板
は平面機械研磨および機械化学研磨によりそれぞれ鏡面
基板に仕上げられる。鏡面仕上げされたＺｎ５ｅ基板は
、適当な酸またはアルカリ等により表面が清浄化される
。ここまでか予備段階である。

第１図（ａ）は、この様な予備段階を経た２枚のＺｎ５
ｅ基板２．３をＣＶＤ用チャンバ１内に収容した状態を
示す。以後接着までの一連の処理はこのチャンバ１内で
行われる。まずチャンバ１に収容したＺｎ５ｅ基板２，
３は、チャンバ１内を真空状態とした後に加熱処理する
。これにより、Ｚｎ５ｅ基板２，３の表面に形成されて
いた自然酸化膜は除去されて、清浄な表面が得られる。

次に、第１図（ｂ）に示すように、一方のｐ型Ｚｎ５ｅ
基板２の表面にＳｅ原子層４を成長させる。このＳｅ原
子層４は、ある程度以上の密度をもってＳｅ原子が分布
する状態であればよく、例えば１／１００原子層程度以
上であればよい。次に第１図（Ｃ）に示すように、他方
のｎ型Ｚｎ５ｅ基板３の表面にはＺｎ原子層５を成長さ
せる。このＺｎ原子層５も１／１００原子層以上あれば
よい。

この様に一つのチャンバ１内で二つのＺｎ５ｅ基板２，
３に順次膜成長を行うには、図では示していないが、幾
つかの方法がある。例えば原料ガス供給管を上部に配置
し、基板２，３を図面に垂直な市内で回転可能に支持し
て、それぞれガス供給管のガス出口にもっていけるよう
にする。そして基板２，３の回転操作と、原料ガスの切
替えを利用して、原料ガスのダウンフローにより選択的
に各基板２．３上で必要な膜形成を行えばよい。

或いはまた、チャンバ１内の２枚の基板配置領域間に仕
切り板を設け、実質的に独立した二つの成長室を構成す
れば、同時に２枚の基板２，３上に必要な原子層成長を
行う事も可能である。

この様にしてそれぞれＳｅ原子層４．Ｚｎ原子層５が形
成されたＺｎ５ｅ基板２，３を、チャンバ１内を真空に
保ったまま、第１図（ｄ）に示すように一方を図の面内
で回転させて他方の面に重ね、互いに貼り合わせる。こ
の状態で降温して、一体化されたＺｎ５ｅウエハを取り
出す。

第２図はこの実施例により一体化された、ｐｎ接合を有
するＺｎ５ｅウエハを拡大して示す。

この実施例によれば、２枚のＺｎ５ｅ基板２゜３の表面
の酸化膜除去、それぞれに接着に必要なダングリングボ
ンドの分布した状態の形成、そして接着という一連の処
理が真空中で行われ、強固な一体化つエバが得られる。

得られたウェハの両面に電極を形成して発光ダイオード
を構成したところ、高効率の青色発光が認められた。

第３図は、上記実施例とほぼ同様の工程で、ｐ型１ｎＡ
ｓ基板１１とｎ型ＧａＡｓ基板１２を接着した実施例で
ある。Ｉ　ｎＡｓ基板１１の表面には予めＡｓ原子層１
３を成長させ、ＧａＡｓ基板１２の表面にはＧａおよび
Ｉｎ原子層１４を成長させている。先の実施例と異なる
点は、各基板の原子層成長前の加熱処理を、アルシン雰
囲気中で行うこと、および原子層成長にＭＯＣＶＤ法を
用いることである。

この実施例によるウェハの接着界面を電圧電流特性によ
り評価したところ、良好なｐｎ接合が得られていること
か確認された。

上記実施例に説明したような方法を実施するための製造
装置を少し詳しく説明する。

第４図（、ｌ）　（ｂ）は、第１図の実施例に用いた装
置であって、反応チャンバ１にはこの実施例では、上部
に２本の原料ガス供給管２１．．２２が設けられ、下部
に排気口２３が設けられている。反応チャンバ１内には
、二つの基板支持台２５Ｉ。

２５２が設けられている。これら基板支持台２５１．２
５２にはそれぞれ基板加熱用ヒータ２４１．２４２が内
蔵されている。これら二つの基板支持台２５１，２５２
は、図の２軸回りに同時に回転可能に保持されている。

また二つの基板支持台２５１，２５２の少なくとも一方
は回転駆動機構２６によって、紙面に垂直なｙ軸回りに
ついて回転できるようになっている。

この装置を用いて、例えば第１図で説明したと同様に、
２枚の基板２，３に所定の原子層４５を形成した後、第
４図（ｂ）に示すように回転駆動機構２６によってそれ
らの基板を接着させる事ができる。

第５図は別の実施例の装置である。この実施例では、反
応チャンバｌ内を仕切り板２７により実質的に独立した
二つの成長室に分けられるようになっている。そしてそ
れぞれの成長室に独立に原料ガス供給管２１１，２２１
および２１２゜２２２が設けられている。仕切り板２７
は上下動可能になっている。

仕切り板２７を図のように下ろした状態で二つの基板支
持台２５１，２５２上の基板２．３にそれぞれ必要な原
子層を成長する。その後、仕切り板２７を引き上げて、
先の実施例と同様に基板を回転させることにより接着を
行うことができる。

第６図（ａ）　（ｂ）は更に別の実施例の装置の基板支
持部の構造である。反応チャンバ内の基板支持台２５１
，２５２はそれぞれ支持棒２８１２８２の先端に取り付
けられている。支持棒２８１．２８２にはそれぞれ回転
駆動機構２９１゜２９２が設けられている。基板支持台
２５１゜２５２か共に上を向いた６第６図（ａ）の状態
で先の実施例と同様にして各支持台２５１，２５２に支
持した基板２，３に原子層を成長させる。その後回転駆
動機構２９１，２９２により、第６図（ｂ）に示すよう
に基板２，３を対向させて、基板接着を行う。

第７図（ａ）　（ｂ）は更に別の実施例の装置の基板支
持部の構造である。この実施例では、二つの基板支持台
２５１，２５２は最初から第７図（ａ）に示すように垂
直面を持って対向して配置された状態にある。この状態
で各基板支持台２５１゜２５２上の基板２．３にそれぞ
れ必要な原子層成長を行う。その後支持棒２８１，２８
２を駆動して、第７図（ｂ）に示すように２枚の基板を
貼り合わせる。このとき支持棒２８１，２８２は同時に
両方を駆動してもよいし、いずれか一方のみを駆動して
もよい。

本発明は、上記実施例に限られるものではない。

実施例では原子層成長前の基板表面処理を加熱処理とし
たが、例えばＨＣｆＪガスの吹き付けによる表面処理等
を利用することもできる。また基板張り合わせは、必ず
しも真空中である必要はなく、要は表面処理後の基板を
大気に晒さなければよいのであって、例えばＮ２．Ａｒ
、Ｈｅ等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。一体化
する基板も実施例の他、各種のＩＩ−Ｖｌ族化合物半導
体基板、■−ｖ族化合物半導体基板を用い得る。結晶成
長させる原子層は単一組成の結晶であることは必要ない
。例えば格子定数のことなる異種基板同志を貼り合わせ
る場合には、格子不整合による接着面における格子欠陥
の発生が予想される。この様な場合には、それぞれの基
板に成長させた原子層の格子定数が基板の格子定数の中
間になるように組成制御を行う事によって、格子欠陥の
発生を効果的に抑制することができる。この場合成長層
の組成は、基板上で連続的に変化するようにしてもよい
。たとえば、基板の構成元素による結晶成長から出発し
て、順次対向する基板側の原子層の組成に近付くように
、組成制御を行うことにより、大きな効果か得られる。

結晶組成を変化させるには、導入する原料ガスの濃度を
変化させる方法、原料ガスの分圧を変化させる方法等が
ある。また、ＡＬＥ　（＾ｔｏ１ｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｐ
ｉｔａｘｙ）を用いて超格子を作成することにより組成
を変化させてもよい。

さらに各基板に成長させる原子層は、必ずしも基板の構
成元素であることは必要ではなく、基板特性に悪影響を
与えることなく、必要なダングリングボンドを分布させ
ることができるものであればよい。また基板張合わせは
、基板上に結晶成長を行った後直ちに行ってもよいし、
基板温度をある点まで落としてから接着を行ってもよい
。たとえば格子定数の異なる基板同志の場合には、基板
温度を降温した後に接着することにより、熱膨張係数の
相違による基板の反り等を抑制する事ができる。また原
子層の成長は、少なくとも一方の基板の接着すべき面に
形成すればよい。原子層の成長方法としては、ＣＶＤ法
、ＭＯＣＶＤ法のほかに、ＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＭＯＭ
ＢＥ法、ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉ
ｔａｘｙ　）法、ＭＯＣＢＥ法、ＲＢ　Ｅ　（Ｒａｄｉ
ｃａｌ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＶＣＥ（Ｖａ
ｃｕｕｍ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｅｐｊｔａｘｙ　）法等
を用いることができる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、化合物半導体基板を
直接接着した半導体ウェハを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例のＺｎ５ｅ基
板接着工程を説明するための図、第２図は得られたＺｎ
５ｅ接着ウェハを示す図、第３図は他の実施例によるＧ
　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓ接着ウェハを示す図
、第４図（ａ）　（ｂ）は本発明の一実施例の装置構成を
示す図、第５図は他の装置構成例を示す図、第６図（ａ）　（ｂ）はさらに他の装置構成例を示す図
、第７図（ａ）　（ｂ）はさらに他の装置構成例を示す図
である。１・・・ＣＶＤ用チャンバ、２・ｐ型Ｚｎ５ｅ基板、３
−　ｎ型Ｚｎ５ｅ基板、４・・・Ｓｅ原子層、５・・・Ｚｎ原子層、１１・・・
ｐ型１ｎＡｓ基板、１２　・ｎ型ＧａＡｓ基板・１３・
・・Ａｓ原子層、１４・・・ＧａおよびＩｎ原子層、２
１．２２・・・原料ガス供給管、２３・・排気口、２４
１．２４２・・・基板支持台、２５１，２５２・・・ヒ
ータ、２６・・・回転駆動機構、２７・・・仕切り板、
２８１．２８２・・・支持棒、２９１．２９２・・・回
転駆動機構。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦ｌ１ｍ第　１ｍ第２ｍ第５図＠６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鏡面研磨された少くとも２枚の化合物半導体基板
の研磨面同士を間に異物の介在しない状態で直接接着し
て一体化されたウェハを製造する際に、前記化合物半導
体基板の少なくとも一つの接着すべき面に、接着に先立
って所定の原子層を成長させることを特徴とする化合物
半導体ウェハの製造方法。
（２）前記原子層の成長に先立つ基板表面清浄化処理、
その後の原子層成長、およびその後の基板接着の一連の
工程を、基板を大気に晒すことなく行うことを特徴とす
る請求項１記載の化合物半導体ウェハの製造方法。
（３）前記原子層は、これを成長させる半導体基板の構
成元素の一種であって１／１００原子層以上であること
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体ウェハの製造
方法。
（４）原料ガス供給口および排気口を有し、内部に２枚
の化合物半導体基板を支持する支持手段を有し、これら
支持手段に支持された２枚の化合物半導体基板の少なく
とも一枚の表面に所定の原子層を成長させる反応チャン
バと、前記反応チャンバ内で前記２枚の化合物半導体基板を前
記原子層が形成された面を直接接着して一体化する手段
と、を備えたことを特徴とする化合物半導体ウェハの製造装
置。