JPH02298073A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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、高耐圧および基板の大口径化を可能にする半
導体装置およびその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図に示すブレーナ型半導体装置において、そのＰＮ
接合に逆方向電圧を印加すると、その平坦部より湾曲部
に電界集中が起こる。従って、湾曲部におけるアバラン
シェ降伏電圧の方が低くなるため、６００■以上の高耐
圧を必要とする素子には、従来、メサ構造（第５図（ａ
）、　（ｂ）参照）、あるいはガードリング構造（第６
図参照）といった耐圧構造が採用されている。

第５図に示すメサ構造は、素子側面を斜めに機械的研磨
あるいはエツチングし、ＰＮ接合面を平坦にするため、
上述のような局部的な電界集中が起こらず、高耐圧が得
られる。しかしながら、ＰＮ接合端部の電界という点を
考慮すれば、第５図（ｂ）のように逆メサ構造の方が優
れている。すなわち、この第５図（１））に示すものに
よれば、ＰＮ接合端部の電界は弱められ、さらに高耐圧
が得られやすくなる。

従来、第５図（ｂ）に示す逆メサ構造の場合において、
その素子側面を斜めに形成する工程は後工程であり、構
造上基板を厚くすれはメサエッチング量が増加すること
になる。従って、素子の集積度を高めるために、基板を
大口径化しようとする場合、基板を厚くする必要があり
、その結果、基板の大口径化を図ることが困難になると
いう問題がある。

一方、第６図に示すガードリング構造の場合、ＰＮ接合
端部は表面を酸化膜で保護されており、工程も簡単であ
るという利点がある。しかしながら、高耐圧を要求する
ほど、ＰＮ接合の湾曲部の電界緩和のためにガードリン
グの本数を増加する必要があり、空乏層を水平方向に長
く伸ばす必要が生じる。従って、それに要する面積が増
大し、素子寸法が大きくなるという問題がある。さらに
湾曲部を無くすことはできないため、耐圧は平坦接合よ
りも低くなってしまうという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記種々の問題点に鑑みてなされたもので、
高耐圧を得るとともに、基板の大口径化を図ることが容
易な半導体装置およびその製造方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、請求項１による半導体装置
の発明においては、一方の面および他方の面を有し、こ
の他方の面側に所定濃度の半導体層を有して内部にＰＮ
接合面を形成する第１半導体基板と、 この第１半導体基板の他方の面に接合され、前記第１半
導体基板の他方の面側に存在する半導体層の濃度よりも
高い濃度を有する第２半導体基板と、 前記第１半導体基板と前記第２半導体基板の接合により
前記半導体層と前記第２半導体基板の濃度差にて前記第
１半導体基板内に形成される形成接合層とを具備し、 前記第１半導体基板において、その周縁に沿って前記Ｐ
Ｎ接合面を貫通して所定の傾斜角面が形成され、 前記所定の傾斜側面は、前記ＰＮ接合面の周縁部分にお
いて、前記第１半導体基板の一方の面方向へ近づくにし
たがってその基板の厚さが薄くなるように傾斜づけられ
ていることを特徴とする。

さらに、上記構成に加えて、請求項３による半導体装置
の発明においては前記所定の傾斜側面を熱酸化膜からな
る絶縁物層によって被覆するという技術的手段を採用す
る。

また、請求項５による半導体装置の製造方法の発明にお
いては、鏡面研磨された第１半導体基板の鏡面側に開口
する所定の傾斜側面を有するメサ溝を配設する第１の工
程と、 鏡面研磨された第２半導体基板の鏡面と、前記第１半導
体基板の前記鏡面とを直接接合して接合基板を形成する
第２の工程と、 この接合基板に形成される前記第１半導体基板の前記メ
サ溝と前記第２半導体基板の前記鏡面とによって形成さ
れる空間の内面を絶縁物層によって被覆する第３の工程
と、 前記接合基板における前記第１の半導体基板において、
前記傾斜側面に周縁部を有するＰＮ接合面を形成する第
４の工程と、 を含んで半導体装置を製造することを特徴とする。

〔作用および効果〕

請求項１による発明においては、第１半導体基板に形成
されるＰＮ接合面は、所定の傾斜側面により、その周縁
部において湾曲した部分がなくなり平坦にされ、かつ逆
メサ構造を構成するため、高耐圧を得るとともに、小面
積の半導体装置が提供できるという優れた効果がある。

請求項３による発明においては、上記傾斜側面を熱酸化
膜からなる絶縁物層によって被覆するようにしているか
ら、前記ＰＮ接合面°の周縁部は熱酸化膜で保護される
ことになり、経時変化が少なく安定した高耐圧を得るこ
とができる半導体装置が提供できるという優れた効果が
ある。

請求項５による本発明においては、所定の半導体装置を
得るのに必要な半導体基板を、所定の傾斜側面を有する
メサ溝を第１の工程で配設させた第１半導体基板の鏡面
と、第２半導体基板の鏡面とを第２の工程で直接接合さ
せて接合基板を形成し、さらに第３の工程において、こ
のメサ溝と第２半導体基板の鏡面とによって構成される
空間内面を絶縁物層で被覆するようにして構成し、第４
の工程で絶縁物層で被覆された傾斜側面に周縁部をもつ
ＰＮ接合面を形成するようにして、半導体装置を製造し
ているから、本発明の製造方法によって得られる半導体
装置は耐圧を決定するＰＮ接合面周縁部が絶縁物層で保
護された傾斜側面を持つ逆メサ型耐圧構造となり、経時
変化の少ない安定した高耐圧で、かつ小面積の半導体装
置が提供できるという優れた効果がある。また、高濃度
領域となる第２の半導体基板の厚みを増加させても、逆
メサ構造を形成するメサ溝の深さは変化しないので、基
板の大口径化が容易であるという優れた効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す半導体装置の製造工程
を示す断面図である。第２図に示すＮＰＮ型高耐圧バイ
ポーラトランジスタを例にとってその製造工程を説明す
る。

まず、第１図（ａ）のように高抵抗のＮ−型の第１半導
体基板１の鏡面１ａに、機械研磨あるいは化学エツチン
グにより、傾斜側面３ａを有し基板端部に開口するメサ
溝３を十字方向（第１図（ａ）では一方向のみ図示）に
形成する。この第１半導体基板１と低抵抗のＮ゛型の第
２°半導体基板２を充分洗浄し、表面の自然酸化膜を除
去する。例えば、Ｈ！ＳＯｓ：　ＨｔＯｚ−３：　１の
溶液にてこれらの基板表面に１５Å以下の薄い酸化膜を
形成し、親水性を持たせ、純水にて洗浄する。次に、こ
れらの基板を乾燥窒素ブローあるいはスピン乾燥により
表面に吸着した水分量を制御し、２枚の基板の鏡面間±
ｌａ、２ａを第１図さ）のように密着させる。

これにより、２枚の基板１，２は表面に形成されたシラ
ノール基板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。さらに接着面４に残っている過剰な水分
を除去するため、真空中にて乾燥させる。このとき、先
に形成したメサ溝３は接着面４の過剰水分の抜は道とし
ても働き、接着の均一性は向上する。また、このとき、
基板の密着を向上させるため、３０ｇ重／ｃｄ以上の荷
重を印加するようにしてもよい。この後、接着基板ｌ。

２を例えば窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で１
１００°Ｃ以上、１時間以上の熱処理を施す。

それによって、接着面４において脱水縮合反応が起き、
シリコン（Ｓｔ）と酸素（０）の接合（Ｓ−Ｏ−３ｉ）
ができ、さらに酸素が基板中に拡散し、シリコン同士の
結合（Ｓｉ−３ｔ）ができ、２枚の基板１．２は直接接
合され、完全に一体化する（この一体化した基板の符号
を新たに５とする）。ただし、メサ溝３は空洞となって
おり、形成接合層４ａが第１半導体基板１の直接接合面
４近傍に形成されている。次に、第１図（Ｃ）のように
この一体化した基板５を、例えばドライ０２．　　ウェ
ッ）Ｏｔ、Ｈｚ、　　０２混合燃焼気体中等の酸化性雰
囲気中で９００　”Ｃ以上、１時間以上の熱処理を施し
、基板５内部のメサ溝３の傾斜側面３ａを酸化する。こ
れにより、メサ溝３の傾斜側面３ａは、酸化膜６により
保護されるが、さらに傾斜側面３ａの保護を完全にする
ため、例えば減圧ＣＶＤ法により表面を窒化膜、シリケ
ートガラス等の絶縁物で被覆するようにしてもよい。次
に、第１図（ｄ）のように、後述する第１図（ｅ）の工
程でＰ層を形成する側の基板表面１ｂをラップポリッシ
ュする。なお、このラップポリッシュにより、次の第１
図（ｅ）において素子の耐圧を決定するＰＮ接合面７が
メサ溝傾斜側面３ａに達するように、かつメサ溝３が基
板表面１ｂに露出しない程度の厚さにする。さらに、第
１図（ｅ）に示す次の工程ではこの基板５にＰＮ接合面
７を形成する。第１図（ｅ）では、ボロンなどのアクセ
プタ不純物を拡散する二七によりＰ層を形成している。

そして、所定領域にエミッタ領域を形成するためにマス
クを施し、リンなどのドナー不純物を拡散してＮ゛層を
形成し、さらに、素子表面の所定位置にアルミ配線を施
す（第１図（ｆ）参照）、そして、第１図（９）に示す
ように、メサ溝３の位置でダイシングすることにより、
第２図に示すＮＰＮ型高耐圧バイポーラトランジスタを
製造している。

なお、上記実施例では、第１図（Ｃ）で示す１中耕側面
３ａの酸化膜、および絶縁膜形成工程を第１図（ｄ）の
ラッピング処理の前に行っているが、ラッピング後の素
子部形成時、すなわち第１図［ｅ）に示す工程時に行う
ようにしてもよい。

上記一実施例にて製造された第２図に示すＮＰＮ型高耐
圧バイポーラトランジスタは、酸化膜６で保護された傾
斜側面３ａを有する逆メサ構造である。第２図において
、ベースＢ１コレクタＣのＰＮ接合！ｊ７は平坦であり
、かつ、逆メサ構造であるために傾斜側面３ａによりＰ
Ｎ接合面７の端部の電界は弱められ、基板濃度に対応し
た理論的に予想される高耐圧化が可能である。また、第
５図（ｂ）に示した従来の逆メサ構造において、前記の
ように傾斜側面を形成する工程が後工程、すなわち電掻
付けが完成し、ダイシングする工程時であるために、こ
の傾斜側面を酸化膜で被覆するために熱処理することが
できず、側面にＰＮ接合端部が露出した状態になり、側
面保護対策にガラス等の保護膜に使用がされているもの
の、保護膜の密着性の問題から耐圧が不安定になりやす
いという問題があった。しかしながら、第２図に示す本
発明における半導体装置の第１実施例のものは、最終工
程ではなく素子形成の前に傾斜側面に保護膜を形成する
工程を設けることができるため、その保護膜を酸化膜に
て形成することができ、従って、吸湿等が原因となる表
面漏れ電流が少なく、経時変化も少ない安定した耐圧を
得ることができる。

さらに、ＰＮ接合面７に湾曲部がないため、従来のガー
ドリング構造のように水平方向に空乏層を広げて電界を
緩和する必要がなく、ベース・エミッタ領域以外に耐圧
を向上させるために要する構造の領域で不要であり、そ
のため素子の小面積化が可能である。例えば、１５００
Ｖ耐圧の素子ではガードリング領域幅は約５００μｍと
なるが、本実施例ではエツチング領域が約２００μｍで
ある。なお、逆メサ構造のため、メサ溝端部が素子内部
に入り込み、面積が小さくなる部分が存在するが、オン
電流は主にエミッタ領域で流れるので、少なくともエミ
ッタ領域の外側にメサ溝端部があれば、電流供給能力の
低下はない。また、メサ溝の深さは耐圧を決めるＮ−コ
１／クタ層８の厚さだけで決定されるため、基板の大口
径化によって基板が厚くなっても、従来の逆メサ構造の
ようにメサ溝深さ、すなわちメサエッチング量が増加す
ることはない。

なお、上記一実施例としてＮＰＮ型バイポーラトランジ
スタの製造工程を示したが、導電型がＰ。

Ｎ逆でもよく、素子構造もダイオード、ＭＯＳトランジ
スタ、サイリスタ等にも本発明は実施できる。

次に、第３図に本発明によって製造された導電変調型Ｍ
Ｏ３ＦＥＴの断面図を示す。

第３図において、ＰＮ接合面１７に湾曲部が存在するが
、通常は隣り合う湾曲部との間隔を、オフ時の空乏層が
つながって平坦接合に近い耐圧が得られる距離にすると
同時に、第３図を見てもわかるように、素子周辺部のＰ
Ｎ接合の端部に湾曲部を持っていないので、第１図に示
すＮＰＮ型高耐圧バイポーラＩ−ランジスタと同様に高
耐圧が実現できる。

なお、上述の第２図、第３図に示した半導体装置におい
て、所定の傾斜側面を有するメサ溝はＶ字溝によって構
成されているが、これは第１半導体基板の一方の面（第
２図、第３図では上側）に形成されるＰＮ接合の周縁部
において、第１半導体基板によって低濃度層から前記一
方の面のＰＮ接合を介しである高濃度層へ向かうに従っ
て、半導体装置の厚みが薄くなるように傾斜づけられて
いるものなら何でもよく、例えば所定の曲率半径をもつ
（中耕であってもよい。

また、逆メサ構造においてＰＮ接合面の周縁部における
電界緩和は前述の如く、第５図（ｂ）においてベース、
コレクタ間に対応するＰＮ−接合部の電界がもっとも高
くなるものの、その周縁部である傾斜側面部については
コレクタからベースに向かって半導体装置の横方向断面
積が増大しているため、半導体装置内部のＰＮ−接合部
より電界集中が起こりにくくなり、その結果、必然的に
電界が緩和されるのである。しかしながら、コレクタ側
の断面積が小さくなることによって高抵抗コレクタと低
抵抗コレクタとの界面、すなわちＮ−−Ｎ゛界面電界が
集中する。従って、逆メサの角度によっては半導体装置
内部より先にＮ−−Ｎ”界面においてブレークダウンし
てしまうことになる。

そこで本発明者らは、降伏電圧の傾斜側面角度依存性に
ついて考慮するために、第７図に示すＡ。

Ｂ、Ｃの各部位の電界強度をシミュレーションによって
計算した。そのシミュレーション結果を第８図に示す。

第８図において、曲線Ａ、Ｂ、Ｃは各々部位Ａ、Ｂ、Ｃ
における降伏電圧の角度依存特性である。部位Ａは半導
体装置内部におけるＰＮ−接合部であり、部位Ａでの降
伏電圧の角度依存特性は第８図曲線Ａに示すように、逆
メサ角度θによらず一定の値をとる。これに対して、Ｐ
Ｎ−接合端部の部位Ｂでは、第８図曲線Ｂに示すように
逆メサ角度が一側（つまりメサ構造）においては部位Ａ
より電界が高くなり、この部分が部位Ａより先にブレー
クダウンすることを示している。

また、逆メサ角度が＋側においては角度が増す程、電界
が小さくなる。さらに、部位Ｃについては逆メサ角度が
＋側において大きくなる程電界が増大し、逆メサ角度が
４５ｄｅｇ以上になると部位Ａより高（なり、部位Ａよ
り先にブレークダウンすることを示している。従って、
最適な逆メサ角度は、０〜４５ｄｅｇである。

逆メサ角度をＯ〜４５ｄｅｇとすることで、第７図にお
いて部位Ｂおよび部位Ｃが部位Ａより先にブレークダウ
ンすることが、Ｎ−１５の不純物濃度、厚さを特別に調
整しなくても阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における製造方法の一実施例を示す各製
造工程の工程図、第２図は第１図に示す工程によって製
造されるＮＰＮ型高耐圧バイポーラトランジスタの断面
図、第３図は本発明における半導体装置の第２実施例を
示す導電変調型ＭＯ３ＦＥＴの断面図、第４図はプレー
ナ型半導体装１の断面構造図、第５図（ａｔ　（ｂ）は
従来のメサ型半導体装置の断面図、第６図はガードリン
グ型半導体装置の断面図第７図はシミュレーション部位
を示す逆メサ型半導体装置の断面図、第８図はシミュレ
ーションによる電界強度の角度依存特性図である。 １・・・第１半導体基板１２・・・第２半導体基板、１
ａ、２ａ・・・鏡面、３・・・メサ溝、３ａ・・・傾斜
側面。 ４・・・直接接合面、４ａ・・・形成接合層、５・・・
接合基板、６・・・酸化膜、７・・・ＰＮ接合面、８・
・・高抵抗コレクタ層、１３ａ・・・傾斜側面、１４・
・・直接接合面。 １４ａ・・・形成接合層、１６・・・酸化膜、１７・・
・ＰＮ接合面。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ほか１名） 第１図 第４図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第５図 第６図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の面および他方の面を有し、この他方の面側
   に所定濃度の半導体層を有して内部にＰＮ接合面を形成
   する第１半導体基板と、 この第１半導体基板の他方の面に接合され、前記第１半
   導体基板の他方の面側に存在する半導体層の濃度よりも
   高い濃度を有する第２半導体基板と、 前記第１半導体基板と前記第２半導体基板の接合により
   前記半導体層と前記第２半導体基板の濃度差にて前記第
   １半導体基板内に形成される形成接合層とを具備し、 前記第１半導体基板において、その周縁に沿って前記Ｐ
   Ｎ接合面を貫通して所定の傾斜角面が形成され、 前記所定の傾斜側面は、前記ＰＮ接合面の周縁部分にお
   いて、前記第１半導体基板の一方の面方向へ近づくにし
   たがってその基板の厚さが薄くなるように傾斜づけられ
   ていることを特徴とする半導体装置。
2. （２）前記所定の傾斜側面が絶縁物層によって被覆され
   ていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. （３）前記傾斜側面を被覆する絶縁物層が熱酸化膜であ
   ることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. （４）前記傾斜側面を被覆する絶縁物層が熱酸化膜およ
   びその他の絶縁物との多層膜であることを特徴とする請
   求項２記載の半導体装置。
5. （５）鏡面研磨された第１半導体基板の鏡面側に開口す
   る所定の傾斜側面を有するメサ溝を配設する第１の工程
   と、 鏡面研磨された第２半導体基板の鏡面と、前記第１半導
   体基板の前記鏡面とを直接接合して接合基板を形成する
   第２の工程と、 この接合基板に形成される前記第１半導体基板の前記メ
   サ溝と前記第２半導体基板の前記鏡面とによって形成さ
   れる空間の内面を絶縁物層によって被覆する第３の工程
   と、 前記接合基板における前記第１の半導体基板において、
   前記傾斜側面に周縁部を有するＰＮ接合面を形成する第
   ４の工程と、 を含んで半導体装置を製造することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
6. （６）前記第３の工程は、前記接合基板を熱処理するこ
   とによって前記接合基板に形成される空間の内面を熱酸
   化膜で被覆する工程であることを特徴とする請求項５記
   載の半導体装置の製造方法。
7. （７）前記第４の工程の後に、前記メサ溝に沿って前記
   接合基板をダイシングしてチップに分割分離する第５の
   工程を有することを特徴とする請求項５または６に記載
   の半導体装置の製造方法。