JP5600948B2

JP5600948B2 - シリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法

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Publication number: JP5600948B2
Application number: JP2010018469A
Authority: JP
Inventors: 一成栗田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP2011159700A

Description

本発明は、シリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法、特に、所定のレーザー光線を照射することで、ゲッタリングサイトを容易かつ短時間に形成でき、さらに、内部応力に起因した転位の発生を有効に抑制できるシリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。

近年、携帯電話、デジタルビデオカメラは半導体を用いた高性能固体撮像素子が搭載され、画素数などの性能も飛躍的に向上している。民生用の固体撮像素子に期待される性能としては、高画素でかつ動画の撮像を可能とする性能があり、さらに、小型化が要求されている。ここで、動画の撮像を実現するためには、高速演算素子およびメモリ素子との結合が必要となるため、System on Chip（SoC）が容易なCMOSイメージセンサが用いられ、CMOSイメージセンサの微細化が伸展している。

固体撮像素子の撮像特性を劣化させる因子として、フォトダイオードの暗時リーク電流が問題となっている。この暗時リーク電流の原因は、主にブロセス工程における重金属汚染である。そのため、重金属汚染を抑制すべく、半導体ウェーハの内部あるいは裏面に重金属のゲッタリングサイトを形成することが一般的である。

半導体ウェーハの内部にゲッタリングサイトを形成する手段としては、例えば非特許文献１に開示されているように、半導体ウェーハに熱処理を施し、ウェーハ内部に酸素析出部を形成する方法（ＩＧ法）が挙げられる。しかしながら、この方法は、所定の酸素析出部を形成するのに長時間の熱処理を必要とし、製造コストの増加および熱処理工程での重金属汚染が懸念される。

また、半導体ウェーハの裏面にゲッタリングサイトを形成する手段としては、例えば非特許文献１に開示されているように、半導体ウェーハの裏面に多結晶シリコン膜を形成し、裏面をゲッタリングサイトとする方法（ＰＢＳ法）が挙げられる。しかしながら、特に半導体ウェーハが３００ｍｍウェーハなどの大口径ウェーハである場合には、大口径ウェーハは通常、両面研磨ウェーハであるため、半導体ウェーハの裏面にゲッタリングサイトを形成することは困難である。

また近年、直径が３００ｍｍ以上の大口径ウェーハのような両面研磨ウェーハにおいても、長時間の熱処理などを必要とせず、半導体ウェーハの内部にゲッタリングサイトを形成する方法として、例えば特許文献１に開示されているように、半導体ウェーハの表面から低出力のレーザー光線をシリコンウェーハの内部に照射して、該ウェーハの所定の深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより加工変質層を形成し、この加工変質層をゲッタリングサイトとして活用する方法が開発されている。

特開２０００−０８６３９３号公報ＵＣＳ半導体基盤技術研究会編集、「シリコンの科学」、株式会社リアライズ社、1996年6月28日、p585−590

しかしながら、特許文献１の方法によって、ゲッタリングを形成した場合、前記レーザー光線を照射した箇所が瞬時に高温に達するため、その近傍に熱衝撃波が生じ、内部応力が局在することとなり、これらの内部応力が、デバイス工程などの熱プロセスにより緩和される結果、加工変質層から転位が伸展し、デバイスの特性劣化を引き起こすという問題があった。

本発明の課題は、シリコンウェーハに対して所定のレーザー光線を照射することで、ゲッタリングサイトを容易かつ短時間に形成でき、さらに、内部応力に起因した転位の発生を有効に抑制できるシリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置に対して、長波長である第１レーザー光線及び短波長である第２レーザー光線を照射する工程を具え、前記第１レーザー光線は、前記ウェーハの所定の深さ位置に集光し、重金属を捕獲するための加工変質層を形成し、前記第２レーザー光線は、前記ウェーハの表面近傍に集光し、該集光部分を溶融させた後、再結晶化させることで、ゲッタリングサイトを容易かつ短時間に形成できることに加えて、内部応力に起因した転位の発生を有効に抑制できることを見出した。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置に対して、長波長である第１レーザー光線及び短波長である第２レーザー光線を照射する工程を具え、
前記第１レーザー光線の照射は、前記第２レーザー光線の照射より前に行われるか、又は、前記第２レーザー光線の照射と同時に行われ、
前記第１レーザー光線は、前記ウェーハ表面から1〜1000μmの深さ範囲のウェーハ内部に集光し、多光子吸収過程を生じさせることで重金属を捕獲するための加工変質層を形成し、
前記第２レーザー光線は、前記第１レーザー光線の集光位置よりも上側にある、前記ウェーハの表面近傍に集光し、該集光部分を溶融させた後に再結晶化させ、
前記第１レーザー光線の集光位置と、前記第２レーザー光線の集光位置とが離れており、
前記第１レーザー光線の、波長が600〜1200nmの範囲、エネルギー密度が1×10 ⁻⁶ 〜1×10 ⁻³ J／pulseの範囲であり、前記第２レーザー光線の、波長が100〜500nmの範囲、エネルギー密度が1×10 ⁻³ 〜1×10 ⁻² J／pulseの範囲であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。

（２）前記第１レーザーは、超短パルスレーザーであり、前記第２レーザーは、ＹＬＦ又はＹＡＧレーザーであることを特徴とする上記（１）に記載のシリコンウェーハの製造方法。

（３）前記第１レーザー光線及び第２レーザー光線の照射は、窒素、アルゴン、水素又はこれらの混合ガス雰囲気で行われることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のシリコンウェーハの製造方法。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の製造方法によって製造されたシリコンウェーハを基板として使用し、該基板上にエピタキシャル膜を形成してなることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。

この発明によれば、ゲッタリングサイトを容易かつ短時間に形成でき、さらに、内部応力に起因した転位の発生を有効に抑制できるシリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することが可能となった。

本発明に従うシリコンウェーハの製造方法によって、(ａ)レーザー光線が照射されているシリコンウェーハの状態、(ｂ)レーザー光線照射後のシリコンウェーハの状態、を模式的に示した断面図である。シリコンウェーハに照射するレーザー光線の走査方向を、レーザー光線の照射側から示した図である。従来のシリコンウェーハの製造方法によって、レーザー光線が照射された後のシリコンウェーハの状態を模式的に示した断面図である。

本発明に従うシリコンウェーハの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１(ａ)及び(ｂ)は、本発明に従うシリコンウェーハの製造方法によって、レーザー光線を照射した前後のシリコンウェーハの状態を模式的に示したものである。

本発明のシリコンウェーハの製造方法は、図１(ａ)に示すように、シリコンウェーハ１０の表面１０ａから所定の深さ位置に対して、長波長である第１レーザー光線２０及び短波長である第２レーザー光線３０を照射する工程を具え、前記第１レーザー光線２０は、前記ウェーハ１０の所定の深さ位置Ａに集光し、重金属を捕獲するための加工変質層１１を形成し、前記第２レーザー光線は、前記ウェーハの表面１０ａ近傍（表層部分１０ｂ）に集光し、該集光部分を溶融させた後、再結晶化させることを特徴とする。

上記構成を採用することによって、第１レーザー光線２０によって、ゲッタリングサイトである加工変質層１１を容易かつ短時間に形成できることに加えて、第２レーザー光線３０の照射によって、溶融・再結晶化した領域１２（図１(ｂ)）については、第１レーザー光線２０の照射による内部応力の発生に起因した転位１３を有効に抑制することができ、高品質のデバイス領域を得ることができる。

従来のレーザー光線の照射によって加工変質層１１の形成を行った場合、図３に示すように、前記加工変質層１１の形成による内部応力の発生に起因した転位１３がシリコンウェーハ表面１０ａやその近傍にまで達する結果、デバイスの特性劣化を引き起こすこととなる。

なお、前記加工変質層１１とは、前記シリコンウェーハ１０の一部に前記第１レーザー光線２０を照射することによって、多光子吸収過程を生じ、前記第1レーザー光線２０の焦点近傍領域が溶融・再結晶化した結果生じる変質層のことであり、重金属を捕獲するゲッタリングシンクとして作用する。

前記第１レーザー光線２０とは、前記第２レーザー光線３０に比べて長い波長を有するレーザー光線のことである。長波長のレーザーを用いることで、前記シリコンウェーハ１０の所定の深さ位置Ａに集光し、多光子吸収過程を生じさせることで、加工変質層１１を形成することができる。ここで、前記長波長とは、1000μm以下の厚みのシリコン単結晶を透過可能なレーザー光線の波長のことをいい、具体的には、600〜1200nmの範囲である。600nm未満の場合、波長が短すぎるため、所定の深さ位置Ａまでレーザー光線が到達しない恐れや、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂに影響を与える恐れがあり、一方、1200nmを超えると、波長が長すぎるため、レーザーの照射によって前記加工変質層１１を形成することができない恐れがあるからである。

また、具体的には、前記第１レーザーは、超短パルスレーザーであることが好ましい。超短パルスレーザーは、その波長が1000ｎｍ以上であることから透過性が高く、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂの結晶組織に影響を与えることなく、加工変質層１１を形成することができるためである。さらにまた、低電力で動作可能であり、光学系によりシリコン単結晶又はシリコンウェーハの任意の位置にレーザー光線を集光可能であることも理由である。

さらに、前記第１レーザー光線２０は、前記シリコンウェーハ１０の所定の深さ位置に集光できるように、必要に応じて、集光レンズ（図示せず）等の集光手段を用いることができる。この集光手段を調整することによって、同じレーザー光線２０であっても、所望の深さ位置Ａに集光するように調整を図ることが可能となる。

また、前記第１レーザー光線２０が集光する所定の深さ位置Ａとは、前記ウェーハ表面１０ａから1〜1000μmの深さ範囲である。1μm未満の場合、前記シリコンウェーハの表面１０ａに近すぎるため、レーザー照射にともなう表面ダメージ形成の恐れがあるからであり、一方、1000μmを超えると、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂから離れすぎているため、ゲッタリングの効果が低下する恐れがあるからである。

さらに、前記第１レーザー光線２０のエネルギー密度が、1×10⁻⁶〜1×10⁻³ J／pulseの範囲である。エネルギー密度が1×10⁻⁶ J／pulse未満の場合、エネルギーが小さすぎるため、前記加工変質層１１を十分に形成することができない恐れがあるからであり、一方、エネルギー密度が1×10⁻³ J／pulseを超えると、エネルギーが大きすぎるため、前記ウェーハの表面近傍での光吸収が大きくなり、所定の深さ位置Ａまでレーザー光線２０が到達しない恐れがあるからである。

なお、前記第１レーザー光線２０の照射時間については、レーザー２０の波長やエネルギー密度の大きさによって種々の値をとることができるが、1×10⁻¹²〜1×10⁻⁶秒の範囲であることが好ましい。1×10⁻¹²秒未満の場合、照射時間が短いため、加工変質層１１を十分に形成することができない恐れがあるからであり、一方、1×10⁻⁶秒を超えると、照射時間が長すぎるため、シリコン単結晶に過剰なダメージを形成し転位発生の恐れがあるからである。

前記第２レーザー光線３０とは、前記第１レーザー光線２０に比べて短い波長を有するレーザー光線のことである。短波長のレーザーを用いることで、前記シリコンウェーハ１０の表面近傍（表層部分１０ｂ）に集光し、該集光部分を溶融し、再結晶化させることができる。ここで、前記短波長とは、本発明では500nm以下の波長のことをいい、より詳細には、100〜500nmの範囲である。100nm未満の場合、波長が短すぎるため、シリコンウェーハ１０の最表面層での光エネルギーの吸収が強く、前記表層部分１０ｂに過剰なダメージを形成する恐れがあり、一方、500nmを超えると、波長が長すぎるため、レーザーの照射によって前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂを溶融し、再結晶化させることができない恐れがあるからである。

なお、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂとは、デバイス層として必要なシリコンウェーハ１０の表面１０ａから一定の深さ位置までのウェーハの部分をいい、前記シリコンウェーハ１０の表面１０ａから、およそ0.2〜2μmの範囲の深さ位置までのウェーハ部分であることが好ましい。0.2μm未満では、表層部分が薄すぎるため、所望のデバイス層が得られない恐れがあり、一方、2μmを超えると、表層部分１０ｂを溶融するために必要なエネルギーが大きくウェーハ表面１０ａにダメージが発生する恐れがあるからである。

また、前記第２レーザーは、上述の寸法又は形状を満たしていれば、特に限定されることはなく、その種類については、例えば、エキシマレーザー等のパルスレーザーを用いることが可能であるが、ＹＬＦ又はＹＡＧレーザーを用いることがより好ましい。ＹＬＦ及びＹＡＧレーザーは、いずれも光ポンピング可能な半導体レーザーであり、さらに、レーザー装置本体を小型化でき経済的あるためである。

さらに、前記第２レーザー光線は、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂに集光できるように、必要に応じて、集光レンズ（図示せず）等の集光手段を用いることができる。この集光手段を調整することによって、同じレーザー光線を用いたであっても、所望の深さ位置に集光するように調整を図ることが可能となる。

さらに、前記第２レーザー光線３０のエネルギー密度が、1×10⁻³〜1×10⁻² J／pulseの範囲である。エネルギー密度が1×10⁻³ J／pulse未満の場合、エネルギーが小さすぎるため、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂを十分に溶融させることができない恐れがあるからであり、一方、エネルギー密度が1×10⁻² J／pulseを超えると、エネルギーが大きすぎるため過剰なダメージが形成され、前記シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂに転位が多く発生する恐れがあるからである。

また、前記第１レーザー光線２０の照射は、前記第２レーザー光線３０の照射より前に行われるか、又は、前記第２レーザー光線３０の照射と同時に行われる。前記第２レーザー光線３０によるシリコンウェーハ表層部分１０ｂの溶融・再結晶化によって、前記加工変質層１１の形成による内部応力に起因した転位が表層部分１０ｂに及ぶことを抑制できる。そのため、前記第２レーザー光線３０の照射が先に行われた場合、その後の前記第１レーザー光線２０の照射によって、シリコンウェーハ１０の内部で発生した転位１３が再結晶化した領域１２まで進展する恐れがあるからである。

なお、前記第２レーザー光線３０の照射時間については、レーザー３０の波長やエネルギー密度の大きさによって種々の値をとることができるが、1×10⁻⁹〜1×10⁻⁶秒の範囲であることが好ましい。1×10⁻⁹秒未満の場合、照射時間が短いため、十分に前記表層部分１０ｂを溶融し、再結晶化させることができないからであり、一方、1×10⁻⁶秒を超えると、照射時間が長すぎるため、シリコンウェーハ表層部分１０ｂにダメージを与える恐れがあるからである。

また、前記第１レーザー光線２０及び前記第２レーザー光線３０の照射する方法については、上述の条件を満たせば特に限定はしないが、図２に示すように、レーザー光線２０、３０を走査しながら照射することができる。技術上、前記レーザー光線２０、３０の照射領域は小さいため、レーザー光線２０、３０を走査させることで多くのデバイスを得ることができるためである。
なお、シリコンウェーハ１０の中に示した矢印は、レーザー光線２０、３０の走査方向を示しており、各矢印の間隔、すなわち走査のピッチは任意に設定することができ、レーザー光線２０、３０をシリコンウェーハの内部に、部分的または全面にわたって照射することができる。

また、前記第１及び第２レーザー光線２０、３０の発生装置については、有効に前記レーザー光線２０、３０を発生できるものであれば、特に限定はせず、従来用いられている装置を使用することができる。

さらに、前記第１レーザー光線２０及び第２レーザー光線３０の照射は、窒素、アルゴン、水素又はこれらの混合ガス雰囲気で行われることが好ましい。前記第１レーザー光線２０及び第２レーザー光線３０の照射が上記の雰囲気で行われる場合、レーザー照射装置内で生じたパーティクルなどが、前記シリコンウェーハ１０の表面１０ａに吸着するのを抑制することができるためである。

また、本発明に係る製造によって製造されたシリコンウェーハ１０を基板として使用し、該基板上にエピタキシャル膜を形成することで、エピタキシャル膜の直下にゲッタリング層を形成したエピタキシャルウェーハを製造することも可能である。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例１）
実施例１は、ウェーハ径が200mm、厚さが725μmのシリコンウェーハに対して、図１(ａ)に示すように、重金属を捕獲するための加工変質層１１を形成するための、長波長である第１レーザー光線２０を照射し、シリコンウェーハ１０の表層部分１０ｂを溶融させた後、再結晶化させるための、短波長である第２レーザー光線３０を照射する工程を行うことで、サンプルとなるシリコンウェーハ１０を作製した。
なお、第１レーザー光線２０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、第２レーザー光線３０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、並びに、レーザー光線が照射されたときのガス雰囲気、の条件については表１に示す。

（実施例２）
実施例２は、前記第１レーザー光線２０と前記第２レーザー光線３０とを同時に照射したこと以外は、実施例１と同様の条件で、サンプルとなるシリコンウェーハを作製した。
なお、第１レーザー光線２０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、第２レーザー光線３０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、並びに、レーザー光線が照射されたときのガス雰囲気、の条件については表１に示す。

（実施例３）
実施例３は、上述の実施例１で得られたシリコンウェーハを基板として用い、該基板上にエピタキシャル膜（膜厚：4μm）を形成することによって、サンプルとなるエピタキシャルウェーハを作製した。
なお、第１レーザー光線２０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、第２レーザー光線３０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、並びに、レーザー光線が照射されたときのガス雰囲気、の条件については表１に示す。

（比較例１）
比較例１は、前記第２レーザー光線３０を照射しないこと以外は、実施例１と同様の条件でサンプルとなるシリコンウェーハを作製した。
なお、第１レーザー光線２０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、並びに、レーザー光線が照射されたときのガス雰囲気、の条件については表１に示す。

（比較例２）
比較例２は、前記第１レーザー光線２０を照射しないこと以外は、実施例１と同様の条件でサンプルとなるシリコンウェーハを作製した。
なお、第２レーザー光線３０の波長（nm）、エネルギー密度（J／pulse）及び集光する深さ位置（μm）、並びに、レーザー光線が照射されたときのガス雰囲気、の条件については表１に示す。

（評価方法）
各実施例及び比較例で得られたシリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハについて、以下の評価項目（１）、（２）に従って評価を行った。

（１）転位密度
各実施例及び各比較例のサンプルについて、ＴＥＭを用いて、シリコンウェーハ中の任意の20箇所における、シリコンウェーハの表面から1μmまでに存在する転位密度（個／cm³）を計測した。観察結果については、以下の基準に従って評価を行い、評価結果を表１に示す。
○：転位密度が1000個／cm³以下
×：転位密度が1000個／cm³超え

（２）ゲッタリング能力
各実施例及び各比較例のサンプルについてアンモニア水と過酸化水素水の混合溶液および塩酸と過酸化水素水の混合溶液で洗浄した後、スピンコート汚染法によりニッケルで1.0×10¹²atoms／cm²程度表面汚染させた後、縦型熱処理炉において1000℃で１時間、窒素雰囲気中で拡散熱処理を施し、その後、Wright液（48％ HF：３０ｍｌ、69％ HNO₃：30ml、CrO₃ 1g＋H₂O 2ml、酢酸：60ml）によりサンプル表面をエッチングし、表面のエッチピット（ニッケルシリサイドがエッチングされて形成されるピット）の個数を光学顕微鏡により観察してエッチピット密度（個／cm²）を測定した。なお、この方法におけるエッチピット密度の測定限界は1.0×10³個／cm²である。評価については、以下の基準に従って行い、評価結果を表１に示す。
◎：エッチピット密度が、1.0×10³個／cm²以下（測定限界以下）
○：エッチピット密度が、1.0×10³個／cm²超え、1.0×10⁵個／cm²未満
×：エッチピット密度が、1.0×10⁵個／cm²以上

表１の結果から、実施例１及び２のシリコンウェーハ並びに実施例３のエピタキシャルウェーハは、いずれも、加工変質層を形成した効果によって、高いゲッタリング能力を有し、さらに、転位密度が小さく、第１レーザー光線の照射に伴った転位の発生が抑制できていることがわかった。一方、比較例１のサンプルは、高いゲッタリング能力を有するものの、加工変質層の形成に起因してシリコンウェーハの表層部分に転位が発生していることがわかった。また、比較例２のサンプルは、加工変質層を形成していないため、ゲッタリング能力が低いことがわかった。

この発明によれば、ゲッタリングサイトを容易かつ短時間に形成でき、さらに、内部応力に起因した転位の発生を有効に抑制できるシリコンウェーハ及びエピタキシャルウェーハの製造方法の提供が可能になった。

１０シリコンウェーハ
１１加工変質層
１２再結晶化した領域
１３転位
２０第１レーザー光線
３０第２レーザー光線

Claims

シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置に対して、長波長である第１レーザー光線及び短波長である第２レーザー光線を照射する工程を具え、
前記第１レーザー光線の照射は、前記第２レーザー光線の照射より前に行われるか、又は、前記第２レーザー光線の照射と同時に行われ、
前記第１レーザー光線は、前記ウェーハ表面から1〜1000μmの深さ範囲のウェーハ内部に集光し、多光子吸収過程を生じさせることで重金属を捕獲するための加工変質層を形成し、
前記第２レーザー光線は、前記第１レーザー光線の集光位置よりも上側にある、前記ウェーハの表面近傍に集光し、該集光部分を溶融させた後に再結晶化させ、
前記第１レーザー光線の集光位置と、前記第２レーザー光線の集光位置とが離れており、
前記第１レーザー光線の、波長が600〜1200nmの範囲、エネルギー密度が1×10 ⁻⁶ 〜1×10 ⁻³ J／pulseの範囲であり、前記第２レーザー光線の、波長が100〜500nmの範囲、エネルギー密度が1×10 ⁻³ 〜1×10 ⁻² J／pulseの範囲であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
前記第１レーザーは、超短パルスレーザーであり、前記第２レーザーは、ＹＬＦ又はＹＡＧレーザーであることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法。
前記第１レーザー光線及び第２レーザー光線の照射は、窒素、アルゴン、水素又はこれらの混合ガス雰囲気で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法によって製造されたシリコンウェーハを基板として使用し、該基板上にエピタキシャル膜を形成してなることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。