JPH06232245A - 誘電体分離基板の製造方法 - Google Patents

誘電体分離基板の製造方法

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JPH06232245A
JPH06232245A JP1993593A JP1993593A JPH06232245A JP H06232245 A JPH06232245 A JP H06232245A JP 1993593 A JP1993593 A JP 1993593A JP 1993593 A JP1993593 A JP 1993593A JP H06232245 A JPH06232245 A JP H06232245A
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JP
Japan
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substrate
semiconductor substrate
recess
groove
oxide film
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Withdrawn
Application number
JP1993593A
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English (en)
Inventor
Masaki Matsui
正樹 松井
Keimei Himi
啓明 氷見
Seiji Fujino
誠二 藤野
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Denso Corp
Original Assignee
NipponDenso Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜SOI層をその膜厚において制御性よく
形成する。 【構成】 単結晶シリコン基板1の鏡面1aに、凹部2
と、この凹部2と基板端部とを連通する溝3を構成し、
熱酸化膜5を予め形成した他のシリコン基板4と直接接
合して内部に空洞を有する接合基板を得る。そして、溝
3を介して内部空洞を酸化して、凹凸状の酸化膜5,6
aにて内部空洞を埋設する。そして、基板1の他主面1
bより溝3が露出するまで研磨を行い、溝壁面の酸化膜
6bを除去する。その後、凹部2にあたる領域に形成さ
れた酸化膜6aをエッチングストッパーとして選択ポリ
ッシングすることにより、凹部2の形成領域以外の領域
において薄膜SOI層7′が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体分離基板の製造方
法に関し、特に基板の貼り合わせ技術を利用した薄膜S
OI(Silicon On Insulator)基板の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来より誘電体分離基板の製造方法とし
て2枚のシリコン基板を誘電体層(例えば酸化シリコン
層)を介して貼り合わせ、一方の基板側を所定の厚さに
研磨してSOI層とする方法が知られている。
【0003】しかし、この従来技術の延長で例えば1μ
m以下の薄いSOI層を形成しようとするとき、研磨精
度の制約からSOI層の厚さのバラツキが大きく所望の
半導体素子を形成できないという問題があった。
【0004】そこで、このような薄いSOI層を厚さ精
度よく形成する方法として、誘電体層に凹凸を形成して
貼り合わせ、研磨のときにその凹凸をストッパーとして
選択ポリッシュするという方法が提案されている(特開
平1−175235号公報,特開平1−302837号
公報参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
特開平1−175235号公報にて提案された方法の如
く、単に表面に凹凸を形成しただけの基板を貼り合わせ
た場合、基板内部の誘電体層に空洞が残り、強度的にと
ても選択ポリッシュに耐えることができないという問題
がある。一方、特開平1−302837号公報にて提案
された方法のように、表面に形成した凹凸部に多結晶シ
リコンなどを堆積させて平坦化し、その後基板を貼り合
わせて選択ポリッシュすれば、該多結晶シリコン層にて
強度的な問題は解決されるが、上述のように多結晶シリ
コン層を鏡面研磨する必要が生じ、工程数の増加を招く
ことになる。
【0006】本発明は以上のような種々の問題点に着目
し、凹凸のある誘電体層を貼り合わせ基板内部に空洞を
残すことなく形成し、この貼り合わせ基板内部の凹凸誘
電体層をストッパーとして選択ポリッシュすることによ
り均一な厚さの薄いSOI層を形成できる製造方法を提
供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
凹凸のある誘電体層を貼り合わせ基板内部に空洞を残す
ことなく形成する方法として、貼り合わせ基板内部に空
洞を形成し、これを熱酸化膜にて埋設させる方法を応用
することを着想した。
【0008】すなわち、本発明による誘電体分離基板の
製造方法は、第1半導体基板の一方の主面において、所
定の深さを有する凹部と、この凹部に連通するとともに
該第1半導体基板の端部に開口し、かつその幅,深さが
前記凹部の所定の深さより大なる溝とを、形成する第1
の工程と、この第1半導体基板の前記一方の主面か、あ
るいは第2半導体基板の一方の主面の少なくとも一方
に、絶縁膜を形成する第2の工程と、これら第1半導体
基板および第2半導体基板とを、前記絶縁膜を介して、
各々前記一方の主面同士を貼り合わせ、その内部に前記
溝と前記凹部とによって形成される空洞部を有する複合
半導体基板を形成する第3の工程と、該接合半導体基板
を酸化雰囲気に曝し、前記溝を介して熱酸化することに
より基板内部の前記空洞部に酸化膜を成長させて前記凹
部を該酸化膜で埋設し、前記酸化膜および前記絶縁膜と
により構成された凹凸誘電体層をその内部に有する複合
半導体基板を得る第4の工程と、この複合半導体基板に
おいて前記第1半導体基板の他方の主面側を研磨して前
記溝を露出させ、該溝の側壁に位置する前記酸化膜およ
び前記絶縁膜を除去する第5の工程と、前記第1半導体
基板の前記他方の主面側から前記複合半導体基板を研磨
して、前記凹部に相当する領域の前記凹凸誘電体層を露
出させ、前記凹部の前記所定の深さに関連した膜厚の誘
電体分離領域を形成する第6の工程とを有することを特
徴としている。
【0009】
【実施例】以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説
明する。図1(a)〜(h)は本発明第1実施例を適用
して製造する誘電体分離基板の製造工程順における基板
の要部断面構造を示している。本実施例を製造工程順に
説明する。
【0010】まず、図1(a)に示すように、少なくと
も一方の面を鏡面研磨した第1の単結晶シリコン基板1
の鏡面1aの一部を化学エッチングあるいは反応性イオ
ンエッチング(以下、RIEという)により選択的にエ
ッチングし、深さ0.05〜2μm程度の凹部2を形成
する。
【0011】次に図1(b)に示すように、凹部2と前
記鏡面1aとの境界近傍に沿って、凹部2に連通すると
ともに基板端部に開口する溝3をダイシング,化学エッ
チングあるいはRIEによって形成する。ここで、溝3
の形状は凹部2の形状,基板のサイズ等によって決定さ
れるものであるが、少なくともその幅および深さは凹部
2の深さよりも大きくする必要がある。さらに必要に応
じ、この第1のシリコン基板を熱酸化した後、この熱酸
化によって形成された酸化シリコン膜を例えばふっ化水
素水溶液により完全に除去し、RIEなどによる前記エ
ッチング工程において基板表面に生じた結晶のダメ−ジ
を除去するようにしてもよい。また、図1(a),
(b)に示す工程において上述の説明は凹部2から先に
形成するものであったが、これに限らず例えば最初に基
板1の鏡面1aに深い溝3を形成するようにしてもよ
い。その場合、上述の位置関係にて凹部2を形成すると
きに、LOCOS法による酸化膜形成及び該酸化膜除去
による凹部形成方法を採用すれば、上述のダメ−ジ除去
を兼ねることができる。
【0012】次に、図1(c)に示すように、少なくと
も一方の面を鏡面研磨した第2の単結晶シリコン基板4
を、例えばドライO2 ,ウェットO2 あるいはH2 /O
2 混合燃焼気体中等の酸化性雰囲気で800℃以上、3
0分以上の熱処理を施し、その鏡面に熱酸化シリコン膜
5を形成する。
【0013】そして、該第1の単結晶シリコン基板1
と、鏡面研磨面に熱酸化シリコン膜5を形成した第2の
単結晶シリコン基板4とを例えばトリクレン煮沸、アセ
トン超音波洗浄、NH4 OH:H2 2 :H2 O=1:
1:4の混合液による有機物の除去、HCl:H
2 2 :H2 O=1:1:4の混合液による金属汚染の
除去および純水洗浄を順次施すことにより、充分洗浄す
る。その後、第1の単結晶シリコン基板1表面に成長し
た自然酸化膜を例えばHF:H2 O=1:50の混合液
により除去した後、例えばH2 SO4 :H2 2 =3:
1の混合液等の酸性溶液中への浸漬あるいは熱酸化ある
いは酸素プラズマ照射等によって基板表面に1〜100
nm程度の酸化層を形成して親水性を持たせ、純水にて
洗浄する。一方、第2の単結晶シリコン基板4において
も、H2 SO4 :H2 2 =3:1の混合液等の酸性溶
液中への浸漬を行い、純水洗浄を施すようにしておいて
もよい。
【0014】次に乾燥窒素あるいはスピン等による乾燥
を行い、基板表面に吸着する水分量を制御した後、図1
(d)に示すように、これら2枚の基板1,4の鏡面同
士、すなわち鏡面1aと熱酸化膜5側の面とを密着させ
る。これにより2枚の基板1,4は表面に形成されたシ
ラノール基および表面に吸着した水分子の水素結合によ
り接着される。さらにこの接着した基板1および4を例
えば10Torr以下の真空中にて乾燥させる。このと
き基板1および4の反りを補償するため、30g重/cm
2 以上の荷重を加えるようにしてもよい。この後、基板
1,4に例えば窒素,アルゴン等の不活性ガス雰囲気中
で1100℃以上,1時間以上の熱処理を施すことによ
り、接着面において脱水縮合反応が起き、2枚の基板
1,4は直接接合されて一体化し、接合基板が形成され
る。ただし、このとき凹部2および溝3は接合しておら
ず空洞となっている。
【0015】次に、図1(e)に示すように、この接合
基板を例えばドライO2 ,ウエットO2 あるいはH2
2 混合燃焼気体中等の酸化性雰囲気で900℃以上,
1時間以上の熱処理を施し、溝3を通して接合基板内部
の空洞部表面を酸化し、凹部2による空洞内に酸化シリ
コン層6aを形成する。ただし、この図1(e)に示す
酸化工程は、前記凹部2の表面と第2のシリコン基板表
面の熱酸化シリコン膜5とで形成される空洞部が、これ
らの表面から成長形成される熱酸化シリコンによって完
全に埋設,充填されるように酸化時間が設定されてい
る。尚、この酸化工程において、溝3によって設定され
た空洞内にも酸化シリコン層6bが成長する。
【0016】以上の工程を経て基板内部に凹凸誘電体層
5および6aが埋込まれた半導体基板が形成される。こ
こで基板接合前に予め形成された酸化膜層5が、将来S
OI層を基板4から絶縁分離する誘電体層となる。
【0017】そしてこの後、図1(f)に示すように、
基板1をその表面1b側から溝3が開口するまで研削,
研磨またはエッチングを行う。これにより、各SOI領
域7が基板4上に酸化膜層5を介して配列される。
【0018】次に、図1(g)に示すように、例えばH
F:H2 0=1:4の混合溶液により溝3表面に形成さ
れている酸化シリコン層6bを除去する。そして、図1
(h)に示すように、凹部2の領域に形成された酸化シ
リコン層6aが基板1の表面1b側に露出するまで選択
ポリッシングを行う。この選択ポリッシングは、例えば
アミン系研磨液(ピペラジン)とポリエステル製の平板
パッドを使い、凹部2の領域に形成された酸化シリコン
層6aをエッチングストッパーとして機能させて各SO
I領域7を薄肉化するもので、これにより基板1,4の
直接接合に寄与した領域に均一な厚さに制御された薄膜
SOI層7′が形成される。なお、溝3の部分にはSO
I層7′の膜厚に応じた段差が残るが、通常は1μm程
度であるため特に埋める必要はない。ただし、段差が大
きく、後の素子形成工程に支障がある場合には酸化シリ
コンなどの誘電体や多結晶シリコンなどの半導体材料で
埋めて平坦化してもよい。
【0019】このように上記第1実施例に従って誘電体
分離基板を製造すれば、表面に凹凸のある基板でも貼り
合わせ面の平坦化工程なしに貼り合わせられ、しかも選
択ポリッシングの際には凹凸誘電体層内に空洞部のない
基板を容易に提供できることとなるために強度は容易に
確保できる。そして、この凹凸誘電体層を該選択ポリッ
シングのときのストッパーとすることにより、凹部の深
さに応じて均一な厚さに制御された薄膜SOI層が制御
性よく形成できる。また、SOI層下部のSOI層と基
板とを絶縁分離する酸化膜は、基板接合前より予め形成
されているものであるため、SOI層領域がたとえ広面
積であったとしてもその均一性、信頼性は充分高いもの
とすることができる。
【0020】次に、本発明第2実施例を図2に従って説
明する。なお、図2(a)〜(h)は、本発明第2実施
例を適用して製造する誘電体分離基板の製造工程順にお
ける基板の要部断面構造を示している。
【0021】まず、図2(a)に示すように、少なくと
も一方の面を鏡面研磨した第1の単結晶シリコン基板1
1の鏡面11aの一部を化学エッチングあるいはRIE
により選択的にエッチングし、上述の図1(a)に示す
工程と同様に深さ0.05〜2μm程度の凹部12を形
成する。
【0022】次に、図2(b)に示すように、凹部12
と前記鏡面11aとの境界近傍に沿って、凹部12に連
通するとともに基板端部に開口する溝13を、上述の図
1(b)の工程と同様に、ダイシングあるいは化学エッ
チングあるいはRIEによって形成する。さらに必要に
応じ、この第1のシリコン基板11を熱酸化した後、こ
の熱酸化によって形成された酸化シリコン膜を例えばふ
っ化水素水溶液により完全に除去し、RIEなどによる
前記エッチング工程において基板表面に生じた結晶のダ
メージを除去するようにしてもよい。
【0023】次に、図2(c)に示すように、この第1
のシリコン基板を熱酸化して、その凹部2,溝3形成面
側に酸化シリコン層15を形成する。そして、この酸化
シリコン層15を形成した第1の単結晶シリコン基板1
1と少なくとも一方の面が鏡面研磨された第2の単結晶
シリコン基板14とを、上記第1実施例の図1(d)に
示す工程と同様の方法によって、図2(d)に示す如く
貼り合わせ、接合基板を形成する。ただし、このとき凹
部12および溝13は接合しておらず空洞となってい
る。
【0024】次に、図2(e)の如く、この接合基板に
上記第1実施例の図1(e)に示す工程と同様の熱処理
を施し、溝13を介して基板内部の空洞部表面を酸化
し、凹部12に相当する位置に酸化シリコン層16aを
形成する。また、この際、溝13に相当する位置にも酸
化シリコン層16bが形成される。
【0025】以上の工程を経て基板内部に凹凸誘電体層
15,16aが埋込まれた半導体基板が形成される。
尚、ここで誘電体層15がSOI領域を基板から絶縁分
離する誘電体層となり、誘電体層16aが選択ポリッシ
ング時のエッチングストッパー用の誘電体層となる。
【0026】この後、図2(f)に示すように、基板1
1の表面11b側に溝13が開口するまで研削,研磨ま
たはエッチングを行い、図2(g)に示すように、例え
ばHF:H2 0=1:4の混合溶液により溝13の表面
に形成されている酸化シリコン16bを除去する。
【0027】さらに、図2(h)に示す如く、凹部12
にあたる領域に形成された酸化シリコン16aが基板1
1側表面11bに露出するまで、上記第1実施例の図1
(h)に示す工程と同様の方法で選択ポリッシングを行
う。このとき凹部12にあたる領域に形成された酸化シ
リコンがエッチングストッパーとして機能し、各SOI
領域17が凹部12により定められた厚さに制御されて
薄肉化され、薄膜SOI層17′が形成される。
【0028】本第2実施例においては、上記第1実施例
とは異なり、SOI領域(第1の単結晶シリコン基板)
と基板(第2の単結晶シリコン基板)とを分離する酸化
シリコン膜15を第1の単結晶シリコン基板側に形成す
るようにしておく例であるが、本実施例においても上記
第1実施例と同様の効果が期待できる。
【0029】また、上記第1実施例と第2実施例とを組
み合わせ、両基板の接合面に各々酸化シリコン膜25
a,25bを形成しておき、両者により基板−SOI層
間絶縁用の酸化シリコン膜25を形成するようにしても
勿論よい。その例を第3実施例として図3(a)〜
(h)に示す。尚、図3(a)〜(h)には、上述の図
1,図2と同一の構成には対応する符号が付してある。
【0030】次に、本発明第4実施例を図4に従って説
明する。まず図4(a)に示すように少なくとも一方の
面を鏡面研磨した第1の単結晶シリコン基板31の鏡面
31aの一部を化学エッチングあるいはRIEにより選
択的にエッチングし、深さ0.05〜2.0μmの凹部
32a(深さd1 )を形成する。次に凹部32aの形成
されていない前記鏡面31aに前記凹部32aよりも深
い、深さ0.05〜2.1μmの凹部32b(深さ
2 )を形成する。なお、先に深い凹部32bを形成し
た後、浅い凹部32aを形成してもよい。
【0031】次に、図4(b)に示すように、凹部32
a,32bと前記鏡面31aとの境界に沿い、凹部32
a,32bに連通するとともに基板端部に開口する溝3
3を、化学エッチング、RIEあるいはダイシングソー
によって形成する。この溝33の形状については、凹部
32aおよび凹部32bの形状,基板サイズ等を考慮し
て決めるべきものであるが少なくともその幅及び深さは
凹部32bの深さよりも大きくする必要がある。さらに
必要に応じ、この第1のシリコン基板31を熱酸化した
後、この熱酸化によって形成された酸化シリコン膜を例
えばふっ化水素水溶液により完全に除去し、RIE等に
よる前記エッチング工程において基板表面に生じた結晶
のダメージを除去するようにしてもよい。
【0032】次に、上記第1〜第3実施例と同様に、該
第1の単結晶シリコン基板31あるいは少なくとも一方
の面を鏡面研磨した第2の単結晶シリコン基板34を、
例えばドライO2 ,ウエットO2 あるいはH2 /O2
合燃焼気体中等の酸化性雰囲気で、800℃以上、30
分以上の熱処理を施し、熱酸化シリコン膜35を形成す
る。図4には第2のシリコン基板34にのみ、熱酸化シ
リコン膜35を形成した場合を示す。そして、該第1の
シリコン基板31と該第2のシリコン基板34とを、上
述の図1(d)に示す工程で詳述したように、親水性化
処理を加えた後、熱酸化シリコン膜35を介して密着さ
せる。これにより2枚の基板31,34は表面に形成さ
れたシラノール基および表面に吸着した水分子の水素結
合により接着される。そして、さらにこの接着した基板
31および34を例えば10Torr以下の真空中にて
乾燥させた後、例えば窒素,アルゴン等の不活性雰囲気
中で1100℃以上,1時間以上の熱処理を施し、直接
接合する。このとき凹部32a,32bおよび溝部33
は接合しておらず空洞となっている。
【0033】次に、図4(d)に示すように、この接合
基板に例えばドライO2 ,ウエットO2 あるいはH2
2 混合燃焼気体等の酸化性雰囲気で900℃以上,1
時間以上の熱処理を施し、溝33を通して接合基板内部
の空洞部表面を酸化して、酸化シリコン層36を形成す
る。以上の工程を経て基板内部に誘電体層36が埋め込
まれた半導体基板が形成される。
【0034】そしてこの後、図4(e)に示すように、
基板31をその表面31b側から溝33が表面に露出す
るまで研削、研磨あるいはエッチングを行い、図4
(f)に示すように、例えばHF:H2 O=1:4の混
合溶液により溝33表面に形成されている酸化シリコン
を除去する。そして、図4(g)に示すように、凹部3
2bに対応する領域に形成された酸化シリコン36が基
板31b側表面に露出するまで選択ポリッシングを行
い、凹部32bの領域に形成された酸化シリコンをエッ
チングストッパーとして機能させることで、凹部32a
に対応する領域に凹部32a,32bの段差(d2 −d
1 )に関連して均一な厚さに制御された薄膜SOI層3
8′が、また凹部を形成した以外の領域に対応して前記
薄膜SOI層38′より厚い厚みの均一な厚さに制御さ
れた薄膜SOI層37′が形成される。
【0035】このように上記第4実施例に従って誘電体
分離基板を形成すれば、上記第1実施例と同様に貼り合
わせ基板内部に凹凸を有する誘電体層35,36を空洞
を残すことなく形成することができると同時に、これを
ストッパーとして選択ポリッシュすることにより厚みの
異なる均一な厚さの薄いSOI層を同一基板上に同時に
形成することができる。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
複合半導体基板(貼り合わせ基板)内部に凹凸等の段差
を有した誘電体層を空洞を残すことなく形成することが
でき、これをストッパーとして選択研磨することにより
均一な厚さの薄い誘電体分離領域(SOI層)をもつ半
導体基板を形成することができる。また、SOI層下部
に位置して該SOI層と下部基板とを絶縁分離する絶縁
層は、基板接合前に予め熱酸化等により形成された絶縁
膜を含むものであり、任意の膜厚とすることができ、ま
たその膜厚均一性、膜質信頼性を高いものとすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図(a)〜(h)は本発明第1実施例を適用し
て製造する誘電体分離基板の製造工程順における基板の
要部断面構造を示す断面図である。
【図2】図(a)〜(h)は本発明第2実施例を適用し
て製造する誘電体分離基板の製造工程順における基板の
要部断面構造を示す断面図である。
【図3】図(a)〜(h)は本発明第3実施例を適用し
て製造する誘電体分離基板の製造工程順における基板の
要部断面構造を示す断面図である。
【図4】図(a)〜(g)は本発明第4実施例を適用し
て製造する誘電体分離基板の製造工程順における基板の
要部断面構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 第1の単結晶シリコン基板 2 凹部 3 溝 4 第2の単結晶シリコン基板 5 熱酸化シリコン膜 6a,6b 酸化シリコン層 7 SOI領域 7′ 薄膜SOI層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1半導体基板の一方の主面において、
    所定の深さを有する凹部と、この凹部に連通するととも
    に該第1半導体基板の端部に開口し、かつその幅,深さ
    が前記凹部の所定の深さより大なる溝とを、形成する第
    1の工程と、 この第1半導体基板の前記一方の主面か、あるいは第2
    半導体基板の一方の主面の少なくとも一方に、絶縁膜を
    形成する第2の工程と、 これら第1半導体基板および第2半導体基板とを、前記
    絶縁膜を介して、各々前記一方の主面同士を貼り合わ
    せ、その内部に前記溝と前記凹部とによって形成される
    空洞部を有する複合半導体基板を形成する第3の工程
    と、 該接合半導体基板を酸化雰囲気に曝し、前記溝を介して
    熱酸化することにより基板内部の前記空洞部に酸化膜を
    成長させて前記凹部を該酸化膜で埋設し、前記酸化膜お
    よび前記絶縁膜とにより構成された凹凸誘電体層をその
    内部に有する複合半導体基板を得る第4の工程と、 この複合半導体基板において前記第1半導体基板の他方
    の主面側を研磨して前記溝を露出させ、該溝の側壁に位
    置する前記酸化膜および前記絶縁膜を除去する第5の工
    程と、 前記第1半導体基板の前記他方の主面側から前記複合半
    導体基板を研磨して、前記凹部に相当する領域の前記凹
    凸誘電体層を露出させ、前記凹部の前記所定の深さに関
    連した膜厚の誘電体分離領域を形成する第6の工程とを
    有することを特徴とする誘電体分離基板の製造方法。
JP1993593A 1993-02-08 1993-02-08 誘電体分離基板の製造方法 Withdrawn JPH06232245A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5681775A (en) * 1995-11-15 1997-10-28 International Business Machines Corporation Soi fabrication process

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US5681775A (en) * 1995-11-15 1997-10-28 International Business Machines Corporation Soi fabrication process

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