JPH06338604A

JPH06338604A - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JPH06338604A
Application number: JP12960593A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Furukawa; 川和由古; Kiyoshi Fukuda; 田潔福
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】エピタキシャル成長工程を使用せずに、薄い
ＳＯＩ層を持つ半導体基板の製造方法を提供する。【構成】ウェーハの表面部に１０¹⁹／cm³以上の濃度
のボロンを含む高濃度Ｐ型層を形成する工程と、このウ
ェーハを、ボロンの拡散を防止する膜を介在させて支持
基板と接合して一体化する工程と、支持基板と一体化さ
れたウェーハのうち、高濃度Ｐ型層以外の部位を除去す
る工程と、高濃度Ｐ型層が残された支持基板を熱処理
し、高濃度Ｐ型層のボロンを支持基板の表面から外へ、
または、支持基板との間にある膜の中へ拡散させ、ボロ
ンの濃度を低減させる工程とを含むものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の製造方法
に係り、特に、ＳＯＩ（Silicon On Insulating Substr
ate ）構造の半導体基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＯＩ構造とは、素子が形成されるシリ
コン（Si）層、すなわち、ＳＯＩ層を、これを支持する
基板と絶縁体で分離した構造である。ＳＯＩ構造は、Ｓ
ＯＩ層に作られた素子と基板との電気的分離が完全であ
り、分離耐圧、寄生容量の低減、耐放射線性等で優れて
いる。ＳＯＩ構造はその利点が古くから注目されてお
り、サファイヤ基板上にシリコン層を成長させてＳＯＳ
（Silicon On Sapphire ）とする方法の他、酸化膜を設
けた基板表面にアモルファスシリコンやポリシリコンを
堆積させ、これをヒータや電子線ビーム等で加熱して溶
解再結晶させる再結晶法、シリコン基板内に酸素を打ち
込み基板内部に酸化シリコン層を形成するＳＩＭＯＸ
（Separation by Implanted Oxygen）法等が研究されて
いる。しかし、これらの方法では完全な結晶性を持つＳ
ＯＩ層を作ることができなかった。

【０００３】バルクウェーハと同様な結晶品質を持つＳ
ＯＩ構造を得る他の方法として、絶縁膜を介して２枚の
ウェーハを張り合わせる方法がある。このうち、現在実
用化されているのは接着材料を一切使わずに表面を酸化
させたウェーハを接合一体化するウェーハ直接接着技術
と呼ばれる方法と、電圧をかけながら温度を上げて酸化
させたウェーハを接合一体化する陽極接合と呼ばれる方
法とがある。これらの方法によってウェーハを接合した
後、ＳＯＩ層となるウェーハを研磨やエッチング等によ
り所望の厚さに調整してＳＯＩ構造のウェーハを得てい
る。

【０００４】２枚のウェーハの張り合わせによるＳＯＩ
構造は結晶品質の高いＳＯＩ層が得られる反面、ＳＯＩ
層の厚さ制御に課題がある。すなわち、従来の研磨やエ
ッチングでは、残されたＳＯＩ層の厚さ精度はせいぜい
±数ミクロンである。一方、ＳＯＩ層に要求される厚さ
は、ＳＯＩ層に作られる素子により決まる。すなわち、
高耐圧素子を作る場合の数十ミクロンあるいはそれ以上
から、ＬＳＩで要求される数ミクロンあるいはサブミク
ロン程度であり、その厚さ精度は絶対厚±１０％程度で
ある。このため、特に薄いＳＯＩ層を得るために選択エ
ッチングと呼ばれる方法が研究されている。選択エッチ
ングによる薄膜ＳＯＩの製造方法を図２を参照して説明
する。

【０００５】先ず、図２(a) に示すように、シリコンウ
ェーハ２１の表面にイオン打込みや拡散により高濃度の
ボロンを含む高濃度Ｐ型層２４を形成し、その上に所望
の厚さのエピタキシャル成長層（以下、エピ成長層とい
う）２６を設ける。続いて、図２(b) に示すように、エ
ピ成長層２６の表面を酸化させて酸化膜２３を形成す
る。次に、図２(c) に示すように、酸化膜２３を介し
て、支持基板２２と接着、一体化する。続いて、図２
(d) に示すように、高濃度Ｐ型層２４を残し、シリコン
ウェーハ２１を除去する。このシリコンウェーハ２１を
除去する工程の全部または最後において、エチレンジア
ミンや水酸化カリウム（ＫＯＨ）等を用いてアルカリエ
ッチングを行なう。アルカリエッチングではボロン濃度
が１０¹⁹／cm³を超える高濃度Ｐ型層のエッチング速度
は小さくなり、さらに、ボロン濃度が１０²⁰／cm³を超
えるエッチング速度は極端に小さくなるため、エッチン
グを選択的に高濃度Ｐ型層２４上で止めることができ
る。最後に、図２(e) に示すように、高濃度Ｐ型層２４
を除去し、始めに設けたエピ成長層２６を残す。なお、
図２(e) は天地を逆にして示している。高濃度Ｐ型層２
４の除去には、例えば、弗酸／硝酸／酢酸を１：３：８
の割合で混合したエッチング液を用いれば、高不純物濃
度層だけのエッチングが可能である。かくして、ＳＯＩ
層として始めに設けたエピ成長層２６が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のＳＯＩ
構造の半導体基板の製造方法では、エピタキシャル成長
に高温を必要とするため、予め設けた高濃度Ｐ型層２２
のボロンが拡散し、その結果、高濃度Ｐ型層の濃度が下
がるため、この拡散分を見込んで予め多量のボロンを拡
散しておく必要があった。

【０００７】また、ウェーハの張り合わせ、特に、直接
接着では張り合わせる面に平滑さが必要であるが、清浄
なエピタキシャル装置を用いても、エピタキシャル表面
へのパーティクルの付着や、マウンドの発生を完全に防
ぐことは難しく、これら面荒れの部分が、未接着部の発
生原因となることがあった。

【０００８】また、エピタキシャル成長工程は専用の装
置を必要とし、手間と費用がかかるものであった。

【０００９】本発明は、エピタキシャル成長工程を使用
せずに、薄いＳＯＩ層を持つ半導体基板の製造方法を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ウェーハの表
面部に１０¹⁹／cm³以上の濃度のボロンを含む高濃度Ｐ
型層を形成する工程と、このウェーハを、ボロンの拡散
を防止する膜を介在させて支持基板と接合して一体化す
る工程と、支持基板と一体化されたウェーハのうち、高
濃度Ｐ型層以外の部位を除去する工程と、高濃度Ｐ型層
が残された支持基板を熱処理し、高濃度Ｐ型層のボロン
を支持基板の表面から外へ、または、支持基板との間に
ある膜の中へ拡散させ、ボロンの濃度を低減させる工程
とを含むものである。

【００１１】好ましくは、熱処理の雰囲気として水素、
窒素、不活性気体のいずれか一つの気体、または、いず
れか二つ以上の混合気体を用いる。

【００１２】また、ボロンの濃度を低減するために、高
濃度Ｐ型層の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を通し
てボロンを外部に拡散させるようにする。

【００１３】一方、ウェーハと支持基板とを一体化する
とき、熱処理温度を、ボロンの濃度を低減させる熱処理
温度より低くし、例えば、ウェーハと支持基板とを一体
化する熱処理温度を１０００℃未満とし、ボロンの濃度
を低減させる熱処理温度を１０００℃以上とする。

【００１４】さらに、Ｐ型層の厚みを減らすために、ボ
ロンを含むＰ型層の表面を熱酸化し、続いて、その酸化
膜を除去するようにする。

【００１５】

【作用】請求項１の方法は、ウェーハと支持基板との接
合、一体化の工程を含んでいる。この接合、一体化に
は、接着剤を一切使わずに２枚のウェーハを接着する直
接接着、電圧を印加して２枚のウェーハを接合する静電
接着、低融点ガラスによるウェーハ張合わせ等がある。

【００１６】このうち、最も望ましい技術とされている
直接接着について、以下にその原理と併せて工程を説明
する。

【００１７】鏡面に研磨されたシリコン等の基板を洗
浄、活性化し、鏡面どうしを室温で接触させると両者は
自からの力で密着する。さらに、この密着した基板を熱
処理することにより、接合強度は増加し、強固な接合体
が得られる。室温での密着は基板表面に形成された水酸
基（−ＯＨ）の相互作用によるもので、また、熱処理に
よる強度の増加は脱水縮合反応等で、水酸基どうしの結
合がＳi −Ｏ−Ｓi 結合からＳi −Ｓi 結合に変わるた
めと考えられている。

【００１８】この直接接着の具体的な工程例を説明す
る。先ず、接着する基板（シリコン基板の場合、表面が
Ｓi でも、その酸化膜でもよい）をＨ₂ＳＯ₄−Ｈ₂Ｏ
₂の混合液、コリン−Ｈ₂Ｏ₂の混合液、王水等で洗浄
した後、１０分程度水洗し、スピンナー等で脱水乾燥す
る。これらの処理を終えた基板を、清浄な雰囲気下でそ
の鏡面どうしを密着させる。この操作により２枚の基板
はある程度の強度をもって接着する。さらに、この接着
基板を拡散炉等で熱処理することにより、接着強度が上
がり、２枚の基板は完全に一体化される。接着強度の向
上は約２００℃以上の熱処理で観察される。熱処理の温
度を９００〜１０００℃とすれば、接着強度はシリコン
本体に匹敵するようになる。一般には１０００〜１１０
０℃の熱処理が適当であるが、これよりも低い温度でも
接合は可能である。例えば６００℃で熱処理をすれば、
本発明に使われるグラインダによる研削やエツチングに
は充分に耐えられる。また、これよりもはるかに高い温
度、例えば、１２００〜１３００℃以上にすると、接着
した基板に結晶欠陥が発生する可能性が大きい。これら
の熱処理は、例えば、酸素、水素、窒素、不活性ガス、
水蒸気のいずれか一つの気体、あるいは、いずれか二つ
以上の混合気体の雰囲気中で行なうことができる。

【００１９】また、請求項１の方法は、高濃度Ｐ型層を
形成したウェーハに、ボロンの拡散を防止する膜を介し
て支持基板を接合、一体化しているが、この膜がボロン
濃度を低減する工程で重要な作用をすることになる。以
下、このことを説明する。

【００２０】ボロンを外部に拡散させる方法として外方
拡散熱処理がある。この外方拡散処理の雰囲気には水
素、窒素、アルゴン等の不活性気体が好適で、このう
ち、水素雰囲気のボロン除去の効果は特に大きい。ボロ
ンは酸化膜中への偏析係数が大きいので、酸化性雰囲気
を使って表面を酸化させ、この中にボロンを取込むこと
もできる。また、表面に酸化膜を設け、その後、水素雰
囲気中で熱処理をすれば、酸化膜を通してボロンが外部
へ拡散する。この方法は単に酸化するよりも効果は大き
い。

【００２１】しかし、この外方拡散熱処理によりエッチ
ングの停止に必要な１０¹⁹〜１０²⁰／ｃｍ³程度のボロ
ン濃度を、ＳＯＩ層に作られる素子の設計上で必要な１
０¹⁶／ｃｍ³程度あるいはそれ以下にするのは通常では
困難である。

【００２２】そこで、高濃度Ｐ型層の下側に予めボロン
の拡散を防止する膜を設け、基板本体からのボロンの拡
散を阻止し、また高濃度Ｐ型層からボロンが一旦基板へ
拡散し、後の工程等で再び逆に拡散してくることを防止
することにより、外方拡散によるボロン濃度を素子の設
計に必要な濃度にすることを可能にしている。この拡散
防止膜には酸化膜、窒化膜などが使用できる。

【００２３】請求項２の方法は、その雰囲気として水
素、窒素、不活性気体またはその混合気体を用いてお
り、これによってボロンを好適に外方拡散させることが
できる。

【００２４】請求項３の方法は、ボロンの酸化膜中への
偏析係数が大きいことを利用してボロンの外方拡散効果
をさらに高めることができる。

【００２５】請求項４の方法は、ウェーハ接着の温度を
外方拡散の温度より低くしている。この理由を以下に説
明する。

【００２６】ウェーハと支持基板との接合において、熱
処理温度が高くなるにつれて、ウェーハの接着強度は増
加する。十分な接着強度を得るためには、通常の接着熱
処理は１０００℃以上、例えば、１１００℃で行なわれ
る。しかし、この熱処理により、高濃度Ｐ型層のボロン
が拡散し、その結果、高濃度Ｐ型層の濃度が下がってし
まう。

【００２７】そこで、接着熱処理をボロンの拡散の遅い
低温で行ない、高濃度Ｐ型層を残す選択エッチング工程
を済ませた後、高温で外方拡散を行なう。このように、
接着熱処理を低温で行ない、外方拡散を高温で行なうこ
とにより、ボロン濃度の制御を容易にすることができ、
さらに、高温での外方拡散が接着強度を高める効果もあ
る。

【００２８】この場合、それぞれの温度は、低温が１０
００℃未満、望ましくはボロンの拡散が無視できる９０
０℃以下、高温が十分な接着強度が得られる１０００℃
以上、望ましくは１１００℃±５０℃である。

【００２９】請求項５の方法は、接着の熱処理を１００
０℃未満で行ない、ボロンの拡散処理を１０００℃以上
として、ボロン濃度の正確な制御と、基板に対する接着
の確実化を図っている。

【００３０】また、請求項６の方法は、ＳＯＩ層の厚さ
を０．０１μｍレベルでの制御を可能にするもので、以
下にその理由を説明する。

【００３１】選択エッチングでは、１００倍程度の選択
比が取れ、また、ボロンの拡散もウェーハ面内均一性が
高いため、選択エッチング後のＳＯＩ層厚の面内均一性
は高い。しかし、拡散は拡散工程自体だけでなく、接着
工程でも熱処理を受けること、また、イオン打込みやボ
ロン含有ガラスの塗布等拡散ソースの形成に誤差がある
ことから、濃度プロファイルをウェーハ間あるいはロッ
ト間で均一にするのが難しい。また、選択エッチングの
速度も液温の影響を受け易い。これら、拡散とエッチン
グの誤差からＳＯＩ層の厚さを、例えば、０．０１μｍ
レベルで制御することは難しい。これに対して熱酸化
は、その厚さが高精度で制御でき、面内の均一性も高
い。これを利用して選択エッチングでやや厚めのＳＯＩ
層を残しておき、熱酸化と酸化膜エッチングとにより厚
さを減らすようにして、高度な厚さ制御をすることがで
きる。この方法はＳＯＩ層の厚さをボロンの拡散深さよ
りも薄くしたい場合に特に有効である。また、厚さ制御
のための酸化と前述のボロン除去に使われる酸化とを兼
ねることができる。

【００３２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例について
説明する。図１はこの実施例の工程図である。ここで
は、燐をドーピングして比抵抗が５〜１０Ω・ｃｍ、厚
さが６２５μｍで、直径が１５０ｍｍのＮ型のシリコン
ウェーハ１１を用意する。このシリコンウェーハ１１の
鏡面に、図１(a) に示すように、ボロンを１×１０¹⁶／
ｃｍ³の濃度でイオン打込みをする。また、ボロンがド
ーピングされた比抵抗２〜８Ω・ｃｍのＰ型シリコンウ
ェーハを支持基板１２として用い、表面に水素燃焼酸化
により厚さ０．８μｍの酸化膜１３を設け、図１(b) に
示すように、シリコンウェーハ１１のボロン打込み面と
直接接着する。

【００３３】直接接着の方法は前述したとおりで、接着
前処理はＨ₂ＳＯ₄−Ｈ₂Ｏ₂混合液と、ＨＣｌ−Ｈ₂
Ｏ₂混合液で、熱処理は３％の酸素を含む窒素雰囲気中
で、１０００℃にて６０分行なった。この接着熱処理に
より、打込みされたボロンが活性化し、ピーク濃度が約
２×１０²⁰／ｃｍ³を持つ高濃度Ｐ型層１４が酸化膜１
３上に形成される接着後、図１(c) に示すように、平面
研削盤を用いてシリコンウェーハ１１が約１０μｍ残る
ように粗削りを行なう。

【００３４】次に、ＥＤＰｔｙｐｅＳと一般に呼ば
れる、エチレンジアミン７５ｍｌ、ピロカテコール１２
ｇ、ピラジン０．４５ｇ、水１０ｍｌの組成からなるエ
ッチング液で、１１５℃にて１５分のエッチングを行な
い、図１(d) に示すように、高濃度Ｐ型層１４を残し
て、その上のＮ型シリコンを全て除去する。この選択エ
ツチング磨後の高濃度Ｐ型層１４の厚さは０．２８μｍ
で、シート抵抗は５０．６Ω／□であった。この基板を
ドライ酸素中で１０００℃で７５分酸化させ、これによ
り、図１(e) に示すように、高濃度Ｐ型層１４の表面に
厚さが０．０６μｍの酸化膜１５が形成される。最後に
この基板を、水素中で１１００℃にて６０分の熱処理を
行なってボロンを外方拡散させ、表面の酸化膜１５を取
除き、図１(f) に示すような薄膜ＳＯＩ基板を得た。

【００３５】この場合、ＳＯＩの厚さは０．２５μｍ、
シート抵抗は高くて測定できなかった。また、これを濃
度分析装置（ＳＩＭＳ）で分析した結果、ＳＯＩ層のボ
ロン濃度は１０¹⁶／ｃｍ³以下であった。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、本
発明によれば、エピタキシャル成長工程を使用せずに、
薄いＳＯＩ層を持つ半導体基板を製造することができ
る。

【００３７】また、エピタキシャル成長工程を使用しな
いので、予め多量のボロンを拡散させる必要性をなく
し、未接着部の発生原因を除去し、さらに、装置に対す
る投資も減らし得るという効果が得られている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための工程図。

【図２】従来の半導体基板の製造方法を説明するための
工程図。

【符号の説明】

１１シリコンウェーハ１２支持基板１３酸化膜１４高濃度Ｐ型層１５酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳＯＩ構造の半導体基板の製造方法におい
て、ウェーハの表面部に１０¹⁹／cm³以上の濃度のボロンを
含む高濃度Ｐ型層を形成する工程と、前記ウェーハを、ボロンの拡散を防止する膜を介在させ
て支持基板と接合して一体化する工程と、前記支持基板と一体化された前記ウェーハのうち、高濃
度Ｐ型層以外の部位を除去する工程と、前記高濃度Ｐ型層が残された前記支持基板を熱処理し、
前記高濃度Ｐ型層のボロンを前記支持基板の表面から外
へ、または、前記支持基板との間にある前記膜の中へ拡
散させ、ボロンの濃度を低減させる工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】熱処理の雰囲気が水素、窒素、不活性気体
のいずれか一つの気体、または、いずれか二つ以上の混
合気体である請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】前記ボロンの濃度を低減する工程は、前記
高濃度Ｐ型層の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を通
してボロンを外部に拡散させる請求項１記載の半導体基
板の製造方法。
【請求項４】前記ウェーハと前記支持基板とを一体化す
る工程に熱処理を用い、かつ、この熱処理温度をボロン
の濃度を低減させる熱処理温度より低くした請求項１記
載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】前記ウェーハと前記支持基板とを一体化す
る熱処理温度を１０００℃未満とし、ボロンの濃度を低
減させる熱処理温度を１０００℃以上とする請求項４記
載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】高濃度Ｐ型層以外の部位を除去した後、こ
のボロンを含むＰ型層の表面を熱酸化し、続いて、その
酸化膜を除去してＰ型層の厚みを減らす請求項１記載の
半導体基板の製造方法。