JPH0936220A

JPH0936220A - 複合半導体基板

Info

Publication number: JPH0936220A
Application number: JP7181790A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Abu; 俊彦阿武; Michimasa Shimizu; 道正清水; Kazuhiro Fujii; 一宏藤井
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】大ウェハ径の場合にも反りが小さい複合半導
体基板を提供するものである。【解決手段】１または相互に分離された複数個の半導
体単結晶領域１１と、これを支持する支持基板とが、ガ
ラス物質１３によって接合された複合半導体基板におい
て、前記半導体単結晶領域１１の底面および側面は絶縁
膜１２によって覆われており、前記支持基板はガラス物
質１５により貼り合わされた２枚の基板１４，１６から
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板に関する
ものであり、特に高機能あるいは高性能な半導体デバイ
スを作り込むのに適した半導体装置用誘電体分離基板を
含む複合半導体基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶領域を相互に分離する方法
として知られている誘電体分離技術は、標準的な接合分
離基板に比べてデバイス間の分離技術が極めて良好であ
り、適用回路の制限が少ないことから、高耐圧や大電流
のパワーＩＣに適している。典型的な誘電体分離方式と
しては、ＥＰＩＣ（Epitaxial Passivated IntegratedC
ircuit ）方式が知られているが、大ウェハ径への対応
や、製造コスト等の問題から他の方法についても種々検
討されている。複数の半導体基板を貼り合わせて基板を
製造するＳＯＩ（Silicon On Insulator）技術もその一
つである。中でも基板の貼り合わせについての優れた方
法として、例えば、特開昭６１−２４２０３３号公報に
開示された方法がある。

【０００３】前記公報には、四塩化珪素を主成分とする
原料を酸水素炎で燃焼して得られるすす状物質を半導体
基板表面に堆積し、支持基板を重ね合わせた後、ヘリウ
ムガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理しすす状物質
を焼結して半導体基板を接合する方法が開示されてい
る。この方法は、結晶欠陥の少ない、大ウェハ径の複合
半導体基板を比較的低コストで製造できる点で優れた方
法である。従来の、この種の貼り合わせ方法によって製
造された複数個の半導体単結晶領域を有する基板は、図
１に示すように、通常はＳｉＯ₂等の絶縁膜１２で覆わ
れた半導体単結晶島１１がガラス物質層１３によって支
持基板１４に接合されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近、
さらに大きなウェハ径を有する半導体基板が求められる
ようになり、従来の上記公報の方法によって接合された
半導体基板の中には、ガラス物質層、絶縁層、支持基板
およびそれらの界面に内部応力が残っており、大型ウェ
ハ化に伴う反り（外周部と中央部との高低の差）が大き
くなり、その結果、半導体基板に各種デバイスを作り込
む生産ラインにおいて搬送が困難になったり、微細なフ
ォトリソグラフィ精度を高めることが難しいという問題
点が生じている。

【０００５】この反りを低減するために、種々の方法が
考えられる。例えば、支持基板側の露出面に逆の反りを
与える膜を被着させる方法などは、最も効果的と考えら
れる。しかしながら、多くの場合、前記逆の反りを与え
る膜は、デバイスプロセス工程中に除去され、その結果
結局基板の反りが大きくなってしまい、生産ライン途中
でストップするなど、トラブルの原因となることがあ
る。

【０００６】本発明の目的は、上記の従来の複合半導体
基板における問題点を解消し、反りが小さい大ウェハ径
の複合半導体基板を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、１または相互
に分離された複数個の半導体単結晶領域と、これを支持
する支持基板とが、ガラス物質によって接合された複合
半導体基板において、前記半導体単結晶領域の底面およ
び側面は絶縁膜によって覆われており、前記支持基板は
ガラス物質により貼り合わされた２枚の基板からなるこ
とを特徴とする複合半導体基板に関する。

【０００８】本発明の特長は、ガラス物質によって貼り
合わされた構造の誘電体分離基板の反りを、ガラスの厚
さや組成にかかわらず、根本的に解消することができる
構造にある。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の複合半導体基板の構成に
ついて図２を参照しながら説明する。複数個の半導体単
結晶領域１１は相互に分離されており、互いに電気的に
絶縁されている。図中に示されているように、半導体単
結晶領域１１の周囲は絶縁膜１２によって覆われてい
る。該半導体単結晶領域１１はガラス物質層１３を介し
て支持基板に接合されている。本発明における支持基板
は、基板１４と基板１６とをガラス物質層１５により接
合した構成となっている。本発明によると、従来技術に
おいて課題となっていた半導体単結晶領域１１、ガラス
物質層１３および支持基板１４との熱膨張係数の差によ
り発生する基板の反りを、ガラス物質層１５と基板１６
とによりバランスさせ、反りを解消させるように自在に
設計することができる。さらに基板１６はガラス物質層
１５の表面を被覆し、デバイスプロセス途中に除去され
ることを防止する効果も併せ持っている。

【００１０】半導体単結晶領域１１の材質としてはシリ
コンが代表的であるが、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、Ｉｎ
Ｐ、ＳｉＣ等の各種化合物半導体やＧｅ等の単元素半導
体であっても良い。

【００１１】絶縁膜１２としては特に制限されないが、
ＳｉＯ₂膜が好適に使用される。絶縁膜の厚さとして
は、通常０．５〜２．０μｍである。

【００１２】ガラス物質層１３および１５はシリコン、
ホウ素および酸素を主成分とするものが好ましい。ガラ
ス物質層の厚さは薄すぎると完全に接合されない場合が
あり、また、厚すぎると接合強度が低下するので０．５
〜５００μｍ、好ましくは０．５〜１００μｍである。
なお、ガラス物質層の焼結温度を低くするためにリン化
合物やゲルマニウム化合物を添加することもできる。

【００１３】支持基板を構成する基板１４および基板１
６としては、半導体単結晶領域１１と同じ材質が好まし
いが、必ずしも同じ材質である必要はなく、ガラス物質
との接合性がよく、接合プロセス中に変質や変形が発生
せず、接合後の接合面に歪みが生じにくい材料を選択す
ることもできる。

【００１４】本発明においては、特に支持基板１４，１
６として、従来技術において熱膨張係数の差によって基
板に大きな反りを与える材料やデバイスプロセス中に変
質しやすい材料も利用できることも大きな特長である。
利用できる材料としては例えば、支持基板１４としては
石英ガラス、サファイア、アルミナ、炭化珪素焼結体、
マグネシア、窒化珪素、耐熱性ガラスなどが挙げられ、
また、支持基板１６としてはサファイア、アルミナ、炭
化珪素焼結体、窒化珪素などが挙げられる。

【００１５】以上の説明における半導体単結晶領域１１
の大きさ又は層の厚さは、半導体単結晶領域相互間で互
いに異なっていてもよい。また、一部の半導体単結晶領
域１１が支持基板１４と直接接合されていたり、支持基
板１４の一部分がデバイス表面に現れた構造であっても
よい。

【００１６】なお、図２において半導体単結晶領域１１
は相互に分離されているが、該半導体単結晶領域１１が
１個であって、絶縁層１２およびガラス物質層１３を介
して支持基板１４と接合されていても良い。

【００１７】次に本発明の複合半導体基板の製造方法の
一例を図３に従って説明する。まず、半導体単結晶領域
１１となる半導体基板１０の表面に分離溝を形成する。
図３ではＶ字溝となっているが、トレンチ等の形状でも
よく、目的とするデバイスや製造コストを考慮して選ぶ
ことができる。Ｖ字溝は、ＫＯＨを用いた湿式の異方性
エッチングやＳＦ₆ガスを用いたドライエッチング等の
通常普通に用いられている方法により製造することがで
きる。溝の深さは、半導体単結晶領域１１の厚さよりも
少し深い程度にするのが良く、通常０．１〜３００μｍ
程度である。ここで半導体基板１０は最終的に半導体単
結晶領域１１となるので、材料としては半導体単結晶領
域と同一の半導体である。

【００１８】次に半導体基板１０の表面に絶縁膜１２を
形成する。絶縁膜としてはＳｉＯ₂膜が好適に使用され
る。ＳｉＯ₂膜はＣＶＤ法等によって形成されるが、半
導体基板１０がシリコンである場合は表面を熱酸化して
得られるＳｉＯ₂が好適に使用される。

【００１９】次にすす状物質層３を形成した後、支持基
板１４を重ね合わせ、さらにすす状物質層４を支持基板
１４の上に形成した後、支持基板１６をさらに重ね合わ
せた後、加熱処理することによりすす状物質層３，４は
焼結してガラス物質層１３，１５となり、半導体基板１
０と支持基板１４および１６とが貼り合わされる。ガラ
ス物質層１３および１５はシリコン、ホウ素および酸素
を主成分とし、これに所望によりリン化合物やゲルマニ
ウム化合物を含有させることができる。ガラス物質層１
３および１５の組成や製造方法はそれぞれ異なっていて
もよいが、同一であることが製造設備および工程上好ま
しい。該ガラス物質層はスート堆積法、ＣＶＤ、スピン
コート法等によって製造することができる。中でもスー
ト堆積法は溝のすみずみまでガラス物質で充填されるの
で特に好ましい。

【００２０】スート堆積法は、例えばＳｉＣｌ₄の如き
ケイ素化合物およびＢＣｌ₃の如きホウ素化合物を主成
分とする原料を酸水素炎中で燃焼させることで得られる
ＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃を主成分とするすす状物質３
を、半導体基板１０の表面に堆積させ、支持基板１４と
重ね合わせた後、さらに前記すす状物質４を堆積させ、
支持基板１６と重ね合わせた後、加熱処理し焼結するこ
とによって半導体基板１０と支持基板１４および１６と
を貼り合わせる方法である。すす状物質の焼結は、同時
に行う必要はなく、半導体基板１０上にすす状物質３を
堆積させ、あらかじめ支持基板１４または１６上に堆積
させたすす状物質４を焼結することで貼り合わせた支持
基板を前記すす状物質３上に載置した後、すす状物質３
を焼結することで貼り合わせることもできる。また、あ
らかじめ半導体基板１０上にすす状物質３を堆積させ、
支持基板１４を重ね合わせた後、焼結することで貼り合
わせた後、さらに支持基板１４の露出面にすす状物質４
を堆積し、支持基板１６を載置してすす状物質４を焼結
することで貼り合わせることもできる。

【００２１】スート堆積法による複合半導体基板を製造
する際に使用されるケイ素化合物としては、酸水素炎中
で燃焼させることによりＳｉＯ₂を生成する化合物であ
ればよく、一般式ＳｉＲ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴で表される化合
物（置換基Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およびＲ⁴は互いに同一で
も異なっていてもよく、ハロゲン、水素、アルキル基、
アルキルオキシ基から選ばれる置換基である。）；ジシ
ロキサン、ポリシロキサン等のケイ素原子を２個以上含
有するシロキサン類；ジシラン、ポリシラン等のケイ素
原子を２個以上含有するシラン類等を挙げることができ
る。この中でも、得られるＳｉＯ₂の質および粒度等の
観点から好ましいのは、一般式ＳｉＲ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴で
表される化合物であって、置換基Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およ
びＲ⁴（Ｒ¹〜Ｒ⁴は互いに同一でも異なっていてもよ
い。）が、塩素、水素、炭素数１〜３のアルキル基、炭
素数１〜３のアルキルオキシ基から選ばれる置換基の場
合である。この中でも特に好ましいのは、上記の置換基
Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³およびＲ ⁴（Ｒ¹〜Ｒ⁴は互いに同一
でも異なっていてもよい。）が、塩素または水素の場合
である。これらケイ素化合物の具体例として、ＳｉＣｌ
₄、ＳｉＨ₄、Ｓｉ ₂Ｈ₆、ＳｉＨＣｌ₃、Ｓｉ（ＯＥ
ｔ）₄およびＳｉ（ＯＭｅ）₄等を挙げることができ
る。

【００２２】ホウ素化合物としては、三塩化ホウ素、ボ
ラン類（ＢＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆）、ＢＨＣｌ₂、Ｂ（ＯＥ
ｔ）₃およびＢ（ＯＭｅ）₃等を挙げることができ、こ
の中でも供給が容易であることから三塩化ホウ素が好ま
しい。

【００２３】なお、すす状物質の焼結温度を低くするた
めに所望により添加されるリン化合物およびゲルマニウ
ム化合物としては、酸水素炎中で燃焼させることにより
リンおよびゲルマニウムの酸化物を生成するような化合
物であれば良く、リン化合物としては、五塩化リン、オ
キシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等
を挙げることができ、また、ゲルマニウム化合物として
は、四塩化ゲルマニウム、ゲルマン（ＧｅＨ₄）等を挙
げることができる。これらの中でも、供給が容易である
ことから好ましいのは五塩化リン、オキシ塩化リン（Ｐ
ＯＣｌ₃）および四塩化ゲルマニウムである。

【００２４】上記原料の酸水素炎中への供給は、上記原
料が気体であればバルブ等で流量を調整しながら、直接
酸水素炎中に、または水素若しくは酸素に混合して酸水
素炎中に供給して行う。上記原料が液体であれば、噴霧
装置によって供給するか、あるいは水素ガス、酸素ガス
またはアルゴンガス若しくは窒素ガス等の不活性ガスを
キャリアとして、原料の蒸気を同伴させることにより、
あるいは原料を加熱することにより原料そのものの蒸気
圧により圧送するなどの方法により供給することができ
る。

【００２５】酸水素炎中に供給された上記原料は火炎加
水分解され、ＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ ₃を主成分とするす
す状物質を生成する。このすす状物質はガラスの超微粒
子であって、粒径は０．０５〜０．２μｍ程度である。
なお、酸水素炎とは、酸素と水素を同時に供給すること
によって得られる燃焼炎である。

【００２６】生成するすす状物質は、貼り合わせを行う
半導体基板１０の表面、および支持基板１４の表面に直
ちに堆積させられる。堆積は、酸水素炎を半導体基板１
０、および支持基板１４に直接吹き付けることによって
行うことが好ましい。

【００２７】次いで、前記すす状物質を加熱処理するこ
とによって焼結させる。焼結は、半導体基板１０に設け
られた溝の谷間の部分に空孔が出来るだけ生じないない
ようにするために、実質的に酸素ガス中において行うの
が良い。即ち、酸素ガスが９０％以上且つヘリウムガス
が２％以下が好ましく、その他のガスとしては半導体基
板等に対し反応性がないものが使用される。特に酸素ガ
スが９５％以上、さらに好ましくは９９％以上である。
焼結時の熱処理温度は８００〜１４００℃である。すす
状物質は焼結されるとガラス化し、半導体基板１０と支
持基板１４および１６とが貼り合わされる。

【００２８】この後、支持基板１６および半導体基板１
０を、貼り合わせ面の反対側から図３におけるＡおよび
Ｂのラインまで研削しさらに研磨することにより、複合
半導体基板が製造される。貼り合わせに用いる半導体基
板がＶ字状の溝、トレンチ溝等の溝付き基板であれば、
研削・研磨工程を経て、島状に分離された半導体単結晶
領域１１が得られる。

【００２９】

【実施例】本発明について、さらに具体的に以下に示す
が、本発明はこれに限定されるものではない。実施例１図２に示す複合半導体基板を以下のようにして作製し
た。Ｖ字状に加工した凹部を有する基板を次のようにし
て製作した。まず、図３に示すように、面方位（１０
０）面を有する６インチ径、厚さ６２５μｍのシリコン
基板１０の表面に、フォトリソグラフィおよび異方性エ
ッチングにより５０μｍの深さにＶ溝を形成した。Ｖ溝
の形成は、フォトエッチングによりＳｉＯ₂のマスクを
作製し、Ｓｉが露出した領域をＫＯＨの２０％水溶液９
０重量部、イソプロピルアルコール５重量部およびｎ−
ブチルアルコール５重量部からなる、いわゆる異方性エ
ッチング液を用いて温度８０℃でエッチングすることに
より作製した。

【００３０】引き続き熱酸化によってＶ溝の表面に絶縁
膜１２としてＳｉＯ₂を１．５μｍの厚さに形成した。

【００３１】次いで、ガラス物質のシリコンとホウ素の
原子比（Ｓｉ／Ｂ）ａが２．５となるようにガス状のＳ
ｉＣｌ₄（供給量２５０ｍｌ／ｍｉｎ）およびガス状の
ＢＣｌ₃（供給量１００ｍｌ／ｍｉｎ）を水素（供給量
８５０ｍｌ／ｍｉｎ）と酸素（供給量５０００ｍｌ／ｍ
ｉｎ）からなる燃焼炎中に供給し、分解して得られるす
す状物質３をＶ溝が形成された半導体基板１０の表面に
堆積させた。すす状物質３の堆積量はこれを焼結させた
時に２０μｍとなるように調節した。別に用意した面方
位（１００）面を有する６インチ径、厚さ４８０μｍの
シリコン基板１４をすす状物質３の堆積の上に重ね合わ
せ、続いて該シリコン基板１４の上に再度前記と同様な
方法によりすす状物質４を堆積した。また、すす状物質
４の堆積量はこれを焼結させた時に２２μｍとなるよう
に調節した。さらに、別に用意した面方位（１００）面
を有する６インチ径、厚さ６２５μｍのシリコン基板１
６をすす状物質４の堆積の上に重ね合わせたものを、加
熱炉内において酸素雰囲気中で１２８０℃に昇温し４８
時間加熱したところ、すす状物質３および４はそれぞれ
厚さ２０μｍおよび２２μｍまで体積収縮すると同時に
ガラス化し、３枚のシリコン基板同士が均一に貼り合わ
された。

【００３２】このようにして接合された基板を、超音波
画像探査装置（オリンパス社製ＵＨＰｕｌｓｅ２０
０）で溝充填状態を調べたところ、空孔が全く存在しな
いことが確認された。さらに、この基板のへき開面を走
査型電子顕微鏡で観察したところ、Ｖ字状の溝の隅々ま
でガラスが充填されていた。ガラス物質の組成比を求め
るために同一条件で作製した試料を用い、ガラス物質を
フッ化水素系の水溶液で溶解し、ＩＣＰにより定量分析
を行ったところ、Ｓｉ／Ｂの原子比ａは２．５であっ
た。

【００３３】次に、支持基板１６を仕上がりの厚さを考
慮し、５０μｍの厚さとなるように、研削、研磨を行っ
た。続いて、シリコン基板１０の貼り合わせの反対面か
ら研磨加工を施し、所定の厚みに加工後、さらにメカノ
ケミカル研磨法を用いて研磨加工し、互いに絶縁分離さ
れた島状の半導体領域１１を形成した。このときの反り
は、半導体単結晶領域を上にして平面上に載置したとき
に、周囲より中央部が４０μｍだけ上に対して凸状であ
る程度であった。このため、搬送時のトラブルもなく、
フォトリソグラフィ工程における歩留りもよかった。

【００３４】この基板を５ｍｍ角のチップに切り出した
試料１について、走査型電子顕微鏡を用いてチップ断面
の焼結状態を観察したところ、試料１の半導体基板と支
持基板とは均一に接合されており、貼り合わせ状態は良
好であった。また、溝の充填状態を観察したところ、微
小な空孔の生成がなく、えぐれ等の損傷もみられなかっ
た。

【００３５】実施例２支持基板１４を厚さ４８０μｍの石英ガラスとした以外
は、実施例１と同様の方法で、基板を作製した。このと
きの反りは、半導体単結晶領域を上にして平面上に載置
したときに、周囲より中央部が３８μｍだけ上に対して
凸状である程度であった。このため、搬送時のトラブル
もなく、フォトリソグラフィ工程における歩留りもよか
った。

【００３６】実施例３支持基板１４を厚さ４８０μｍのサファイアとした以外
は、実施例１と同様の方法で、基板を作製した。このと
きの反りは、半導体単結晶領域を上にして平面上に載置
したときに、周囲より中央部が４５μｍだけ上に対して
凸状である程度であった。このため、搬送時のトラブル
もなく、フォトリソグラフィ工程における歩留りもよか
った。

【００３７】実施例４支持基板１４を厚さ４８０μｍのアルミナ焼結体とした
以外は、実施例１と同様の方法で、基板を作製した。こ
のときの反りは、半導体単結晶領域を上にして平面上に
載置したときに、周囲より中央部が４２μｍだけ上に対
して凸状である程度であった。このため、搬送時のトラ
ブルもなく、フォトリソグラフィ工程における歩留りも
よかった。

【００３８】実施例５支持基板１４を厚さ４８０μｍの炭化珪素焼結体とした
以外は、実施例１と同様の方法で、基板を作製した。こ
のときの反りは、半導体単結晶領域を上にして平面上に
載置したときに、周囲より中央部が３８μｍだけ上に対
して凸状である程度であった。このため、搬送時のトラ
ブルもなく、フォトリソグラフィ工程における歩留りも
よかった。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の複
合半導体基板は大型ウェハ径を有する場合にも反りが小
さく、厳格な規格が要求されるデバイス製造ラインに投
入可能であり、また、フォトリソグラフィの精度を上
げ、歩留りを向上させることができ、実用上有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の誘電体分離技術によって製造された複合
半導体基板を示す縦断面図である。

【図２】本発明の複合半導体基板の１つの実施態様を示
す縦断面図である。

【図３】本発明の複合半導体基板の製造工程を示す図で
ある。

【符号の説明】

３すす状物質層４すす状物質層１０半導体基板１１半導体単結晶領域１２絶縁膜１３ガラス物質層１４支持基板１５ガラス物質層１６支持基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１または相互に分離された複数個の半導
体単結晶領域と、これを支持する支持基板とが、ガラス
物質によって接合された複合半導体基板において、前記
半導体単結晶領域の底面および側面は絶縁膜によって覆
われており、前記支持基板はガラス物質により貼り合わ
された２枚の基板からなることを特徴とする複合半導体
基板。