JPS5837983B2 - 半導体基板の処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板の処理方法に関し、特に、シリコン
半導体ウエハの表面近傍に発生する結晶欠陥の発生核や
不純物を除去するための処理方法に関するものである。

半導体装置を製造する過程において、シリコン半導体ウ
エハの表面近傍には転位、積層欠陥又は微小欠陥等の結
晶欠陥が発生しがちであるが、こうした結晶欠陥は、異
常拡散、不純物拡散の不均一化による電界集中を引起す
原因となる。

このために、ウエハの裏面近傍に敢えて結晶欠陥を高密
度に発生させ、この高密度の欠陥によって、製造工程中
にウエハ表面近傍の結晶欠陥の発生核を吸収除去するこ
とが、従来から一般に行なわれている。

例えば、ウエハの裏面をラソピングやサンドブラストに
より粗面化して格子損傷を導入し、次の熱処理（熱酸化
、不純物拡散等）において、その格子損傷による多数の
転位を結晶欠陥の吸収又は分解に用いるようにした方法
がある。

しかしながら、この方法では、砥粒等による残留汚染が
多く、加工速度も遅いという欠点がある。

また他の方法として、砥粒を用いたブラシによって格子
損傷を導入する方法等もあるが、格子損傷が不均一とな
り、熱処理時に熱応力が局部的に集中して、ウエハ裏面
近傍にのみ発生すべき転位がウエハ表面にまで達してし
まうので望ましくない。

更に別の方法としては、特開昭５０−２８７５３号に概
略的に開示されているように、ウエハの裏面にレーザー
ビームを黒射して、けがき傷を形成することも考えられ
る。

即ち、第１図に示すように、ウエハ１の表面２側にトラ
ンジスタ３等の素子を拡散形成する際に、裏面４に対し
高エネルギーのレーザービームを間欠的に照射してけが
き傷５を形成しておく。

けがき傷５は、第２図に拡大図示するように、レーザー
ビームの熱エネルギーにより照射位置の温度をシリコン
結晶の融解温度よりも十分に高くし、照射位置のシリコ
ンを局部的に飛ばすことによって形成され、融解急冷に
よって生じた無定形物質（非品質）からなる表面層６で
覆われている。

そしてこの層の内側には、急激な温度勾配によって大き
な熱応力が加わる中間層７が存在している。

けがき傷５部分では、融解、蒸発、凝固等の相変化が連
続して起こっているために、熱伝導に起因する中間層７
と結晶１との境界領域Ａでの歪、結晶１又は中間層７と
表面層６との境界領域Ｂでの相間に生じる歪、シリコン
の蒸発によって生じる不均一な形状領域Ｃに起因する歪
が複雑にからみ合ったものとなる。

ところが、けがき傷５によるウエハ１へのダメージが強
すぎ、特に領域Ｃにおいて応力が集中し易いために、次
の熱処理時に各けがき傷５から新たに発生する線状の転
位８がウエハ１の表面２にまで達してしまうという致命
的な欠陥がある。

本発明は上述の如き欠陥を是正すべく発明されたもので
あって、半導体基板の一方の主表面（例えば裏面）に対
してビームによるエネルギーを作用させ、このエネルギ
ーによって前記半導体基板の結晶に歪を発生させるよう
にした半導体基板の処理方法において、前記主表面が比
較的平坦な状態に維持される範囲内で、前記主表面に対
してビームによるエネルギーを作用させるようにしたこ
とを特徴とする半導体基板の処理方法に係るものである
。

この方法によって、汚染を生じることなく、取扱いが簡
便で、加工速度も向上すると共に、結晶欠陥のない特性
の良い基板を提供できる。

次に本発明をシリコン半導体ウエハに適用した実施例を
第４図〜第１０図に付き述べる。

第４図及び第５図は本発明の第１の実施例を示すもので
ある。

本実施例では、抵抗率３〜５Ωｍ、厚さ３００μで転位
のないＰ型の（１１１）シリコン半導体ウエハ１１を使
用する。

モしてウエハ１１を送りながら、このウエハの裏面１４
に対し、従来公知のレーザー（図示せず）により３０μ
径のレーザービーム１０を３０μのピッチで順次照射す
る。

従って、レーザ゛−ビーム１０はこの径と同一のピッチ
で照射されることから、ウエハ１１の裏面１４全体に亘
ってほゾ一様にレーザービーム１０によるエネルギーが
作用することになる。

この場合、レーザーの使用条件は、下記の通りである。

レーザー出力エネルギー： ４ ＫＷ（ ０． ６ ｍ
Ｊ ）／パルス パルス繰返し周波数： １ ０ ＫＨｚ パルス幅： １．５Ｘ １ ０ ”−７ｓｅｃこの条件
では、レーザービーム１０の照射位置の温度はシリコン
の融点（１４１０℃）よりもはるかに高くなるから、第
４図に示すように、レーザービーム１０の照射に従って
ウエハ１１の裏面１４に存在するシリコンは順次蒸発（
飛散）して欠除部１９が形成され、ついには第５図に示
すように、レーザービーム１０によって一様に裏面部分
が除去され、新たな裏面２４が露出することになる。

レーザービーム１０はシリコンを蒸発せしめる程に強力
なエネルギーで照射されるが、ウエハ１１の裏面１４に
対して一様に照射されるために、第２図に示したような
状態が連続的に生じていると考えられる。

従って新たな裏面２４には、薄い非品質からなる表面層
及びこの内側の中間層が場所的にほぼ一様な厚さでかつ
凹凸のない状態、即ちほぼ平担な状態で形成される。

そしてレーザービーム１０の照射領域においては、レー
ザービーム１０により与えられた熱エネルギーによる熱
応力でシリコンに歪又は転位１８かほマ一様かつ高密度
に発生する。

即ち、レーザービーム１０の照射領域とシリコンとの間
（即ち、ウエハ１１の深さ方向）には、急激な温度勾配
が形成され、これが原因となって照射後の冷却時に図示
のように転位１８が裏面２４とほゾ平行に形成される。

なおレーザービーム１０のエネルギーは、シリコン結晶
内部へ拡散するよりも、大部分は裏面で外部に拡散する
ので、熱伝導に起因する歪でさえ、加工表面の極めて薄
い層にのみ局在化させることができる。

次に、上述の転位１８を導入したウエハ１１を１２００
℃にて乾燥０２中で、１時間熱酸化（第１酸化）する。

しかる後に、表面に成長したＳｉＯ２膜を除去してから
、従来公知のジルトルエッチング液によって１分間エッ
チングし、酸化によって発生した欠陥を表面に露出させ
る。

そして、ウエハ１１の表面１２を光学顕微鏡で観察した
ところ、結晶欠陥は全く観察されなかった。

他方、上述のようにレーザービームで転位を導入しなか
ったウエハについて、同様に第１酸化，エッチングして
表面を観察したところ、表面には多くの微小欠陥が約３
×１０５／ｃｒｒＬ２の割合で観察された。

更にまた、第１酸化処理されたウエハ１１を引続いて１
１５０℃にて乾燥０２中で１時間酸化（第２酸化）する
。

そしてジルトルエッチング液によって１分間エッチング
し、光学顕微鏡で観察したところ、表面１２には結晶欠
陥は全く観察されなかった。

ところが、上述のようにレーザービームで転位を導入し
なかったウエハの表面には、第２酸化によって、第１酸
化後の微小欠陥が成長して形成される積層欠陥が約ｌ
Ｘ ｌ ０５ｃｒｎ３の割合で観察された。

以上のように、本実施例の方法によって、熱酸化後にウ
エハ内の結晶欠陥の発生又は成長を効果的に防止できる
ことが分るが、次にこのメカニズムを説明する。

熱酸化時には、転位１８はウエハ１１内を運動し、また
新たな転位が多数発生する。

一般に、転・位はその周辺に応力場をもっており、この
応力場は結晶内にある溶質原子と相互作用を有し、転位
の芯の付近に不純物原子を集める働きをする。

また運動している転位は空孔を放出するために、割込み
原子を吸収する働きをする。

従って、ウエハ１１の裏面２４近傍に多数の転位１８が
存在している場合には、結晶内の不純物原子又は割込み
原子は、熱酸化処理中に、ウエハ１１の表面１２近傍か
ら転位１８によって除去又はゲツタリングされることに
なる。

この場合、上述のウエハ１１の熱酸化によって、Ｓｉ
Ｓｉｎ２ 界面には通常多くの微小欠陥や積層欠陥が
発生し、これらの欠陥は結晶表面にある残留加工歪や結
晶成長時に導入された空孔一酸素クラスター等を核とし
、酸化時において不純物原子や割込み原子が集まって成
長すると考えられる。

しかしながら、上述のように裏面２４近傍に転位１８を
形成した状態で熱酸化することにより、不純物原子や割
込み原子を表面近傍から除去できるから、核は存在して
いても微小欠陥又は積層欠陥は成長せず、また核となる
加工歪やクラスターもアニーリングによって追出された
り、分解消滅するものと考えられる。

本実施例による方法の重要な点は、レーザービーム１０
を従来のように間欠的又は断続的に照射して裏面に傷を
つけるのではなく、裏面１４に一様に照射して、シリコ
ンを一様に蒸発させて除去し、第５図に示すように平坦
な裏面２４を得、転位１８をほゾ一様に発生させること
にある。

従って、裏面２４は不均一又は不連続な形状ではないか
ら、次の熱処理（熱酸化）においても従来のように応力
が集中することはなく、発生する転位がウエハ１１の表
面１２にまで達してしまうような事態が生じないのであ
る。

このため、本実施例による方法は、結晶欠陥の発生を防
止できると共に、裏面に発生させた転位に起因する欠陥
自体による影響をなくし、特性の良いウエハを提供でき
る。

また、レーザービーム１０を使用するのみでよいから、
従来のようにウエハの表面を汚染することはなく、加工
速度も速くなり、然も加工を乾燥系で行なえるために取
扱いが簡便となる。

次に本発明の第２の実施例を第６図及び第７図に付き述
べる。

本実施例においては、使用するレーザービームのエネル
ギーを前記第１の実施例のものより小さくすると共にそ
の照射時間を長くし、シリコンは蒸発（飛散）しないが
その融点近傍の温度にウエハの裏面を加熱する。

即ち、使用するレーザービーム２０は比較的小さなパワ
ーで、パルス幅もより短かいものである。

このレーザービームを（１１１）ウエハ２１の裏面１４
に前記第１の実施例と同様にほゾ一様に照射し、その表
面温度をシリコンの融点近傍に加熱する。

この結果、ウエハ２１の裏面１４近傍の領域はレーザー
ビーム２０の熱エネルギーによって融解し、冷却固化す
ることにより、第７図に示すようにほゾ均一な厚みで平
担な非晶質層２６が形成される。

そしてレーザービーム２０の熱エネルギーによる熱応力
で、非品質層２６下には歪又は転位２８がほゾ一様に発
生する。

この転位は、前記第１の実施例で述べたと同様の熱酸化
工程により、ウエハ２１内を運動し、表面１２近傍の結
晶欠陥を吸収除去するゲソターとして働く。

本実施例によれば、レーザービーム２０のエネルギーを
下げてシリコンが蒸発しないが融解するような条件で、
ビームによるエネルギーを裏面１４全体に付与している
から、非品質層２６が一様に形成され、従って熱処理時
にやはり応力が集中することがなく、裏面１４側の転位
が表面１２側へ達することがない。

前記第１の実施例と比べて、レーザービーム２０の照射
によってシリコンが蒸発しないが、照射領域とシリコン
との間にはは急激な温度勾配が形成され、従ってそれに
基いて転位２８を効果的に発生させることができる。

然もシリコンが蒸発しないから、非晶質層２６の面１１
は比較的平坦若しくは滑らかである。

次に本発明の第３の実施例を第８図〜第１０図に付き述
べる。

本実施例では、レーザービームのエネルギーを前記第２
の実施例と同程度にし、第８図に示すように、レーザー
ビーム３０をウエハ３１の裏面１４に対して、所定のピ
ッチで間欠的に照射する。

この結果、裏面１４側には非品質層３６が所定パターン
、例えばストライプ状に形成され、この非晶質層３６の
周囲には、第９図に拡大図示するように、レーザービー
ム３０の熱エネルギーによりストレスが加わる中間層３
７が形成される。

そして第８図では図示省略した中間層３７部分において
、非品質層３６の周囲に温度勾配に基ずく歪又は転位３
８が発生する。

この転位３８は、前記実施例と同様に、熱処理時にウエ
ハ３１の表面１２近傍の結晶欠陥のゲツターとして働く
。

またレーザービーム３０の照射後の裏面１４はやはりほ
ゾ平坦であるために、熱処理時の応力集中を防止でき、
転位が表面１２側へ到達することはない。

なおこの熱処理によって、転位３８及び新たに生じた転
位は、第３図で示したように、非品質層３６間では運動
して横方向へ延びる。

なお、本実施例による非品質層３６は間欠的に形成され
ているが、この間隔には一定の望ましい範囲がある。

即ち、第１０図に示すように、今仮に、非晶質層３６の
位置をＰ１及びＰ２とし、これらの間隔をｌ１ ウエハ
３１の厚みをｔとすれば、結晶欠陥が発生しない領域は
Ｐ１及びＰ２点からウエハ３１の表面１２側へ角度θ（
ほゾ４５度）に引いた２つのライン内の領域Ａであるこ
とが確かめられている。

逆に言えば、結晶欠陥の発生する領域は斜線で示した領
域Ｂである。

結晶欠陥の発生を抑制する目的から、領域Ｂが表面１２
に達しないことが上述の理由により重要であるので、Ｐ
１点とＰ２点との間隔ｌはウエハ３１の厚みｔの２倍未
満であること、即ち７＜２ｔの条件が必要である。

即ち、ｌがあまり太きすぎて２ｔ以上になると、第１０
図に示したことから結晶欠陥が表面１２へ出て、結晶欠
陥が発生しない（吸収される）？域Ａが必要な部分に形
成されないことになる。

但し、これは、表面１２の全面に亘って欠陥除去の効果
を出したい場合に必要なことであるので、部分的に効果
を出したい場合にはｌ≧２ｔでも差支えない。

次に本発明の第４の実施例を述べる。

本実施例では、前記第２又は第３の実施例と同様に、レ
ーザービームをほソ一様に又は間欠的に照射してよいが
、レーザービームのエネルギーを更に下げるようにして
いる。

即ち、レーザービームのパワーを落とし、ビーム径をミ
クロンオーダ、パルス幅を１０−７ｓｅｃとし、例えば
（００１）シリコン半導体ウエハの表面温度が、シリコ
ンの融点以下で８００℃以上（例えば１２００℃）とな
るように、レーザービームを照射する。

この結果、レーザービームの照射領域がシリコン結晶の
融解温度よりも低くても、結晶内の急激な温度勾配に起
因して熱応力を生じ、この熱応力によって格子歪又は転
位がやはり発生する。

この場合、照射領域の表面温度の下限を８００℃とした
のは、照射物質の初期温度が８００℃以上であれば熱応
力による転位の発生が理論的に確かめられたからである
。

また上述のレーザービームの照射によって、このように
転位が容易に発生すると共に、転位密度は数μの深さの
ところで最犬１０５ＣＩｒＬ′トなり、転位の総数は１
０５−１のオーダーとなることが確かめられた。

不純物原子や微小欠陥のゲソタリングは、１０２曙１程
度の転位密度で十分可能であるから、本実施例における
上述の転位密度は結晶欠陥の制御には十分な値である。

本実施例においても、レーザービームの黒射後のウエハ
裏面はほゾ平坦で滑らかであるから、上述の実施例と同
様の効果を得ることができる。

以上本発明を実施例に基いて説明したが、本発明はその
技術的思想に基いて更に変形が可能であることが理解さ
れよう。

例えば、前記第１及び第２の実施例において、レーザー
ビームの径を太きくし、ピッチを狭くすることによって
も、ビームを全体にほゾ一様に照射することができる。

例えばレーザービーム１０としてマルチモードのビーム
を使用する。

即ち、マルチモードビームの場合、第４図の段階で浅く
て幅の広いＵ字状の溝を連続的に形成でき、その下部に
生じる転位１８がウエハ表面にまで延びることがなく、
特性の良いデバイスとなる。

なおその溝が深くても、上記と同様に転位がウエハ表面
へ延びないことも分っている。

このようなマルチモードビームは、レーザー発生装置の
励起用クリプトンアークランプの出力を増大させること
により容易に得られる。

その出力がより太きいとビームスポット数の大きいマル
チモードが得られるが、スポット数が増える程ビーム径
が大きくて十分に集束できないから、上記のような幅広
で浅い溝を形成し易い。

これに対して第２図の従来例では、使用するレーザービ
ームはシングルモードであるから、形成される溝はＶ字
状のけかき傷となってしまい、望ましくない。

また熱処理工程は熱酸化に限らず、他の工程（例えば不
純物拡散）であってもよい。

またレーザービームは最も効果的であるが、これに代え
て、電子ビーム、イオンビーム、赤外光等を熱源として
使用してもよい。

このうち、電子ビームは軽粒子であるから、進路を曲げ
たりし易く、従って任意の箇所に任意に歪を与えるのに
好都合である。

なお半導体ウエハの種類、導電型等も勿論変更可能であ
る。

本発明は上述の如く、ビームによるエネルギーによって
半導体基板の結晶に歪を発生させるようにしたから、基
板の面が汚染されることがなく、また乾燥系で処理し得
て取扱いが簡便であるにも拘らず、歪を効果的に発生さ
せて基板内の結晶欠陥を十分にゲソタリングすることが
できる。

然もビームによってエネルギーを作用させるようにして
いるから、加工速度も速くなるという利点がある。

更に重要なことには、基板の一生表面が比較的平坦な状
態に維持される範囲内で、ビームによるエネルギーを作
用させるようにしているから、熱処理時に応力が局部的
に集中することを防止でき、結晶欠陥除去のために発生
させた歪に起因する欠陥が基板の他方の主表面側に達す
ることがなく、従って欠陥のない特性の良い半導体基板
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来例を示すものであって、第１図は
ウエハ裏面にけがき傷を形成して不純物拡散したときの
断面図、第２図は第１図に示すけがき傷部分の拡大断面
図、第３図は熱処理によって転位がウエハ表面にまで達
する状態を示す断面図である。 第４図〜第１０図は本発明の実施例を示すものであって
、第４図は第１図の実施例によるウエハの処理時の断面
図、第５図は第４図に示す処理によって裏面側全体に転
位をほゾ一様に発生させた状態の断面図、第６図は第２
の実施例によるウエハの処理時の断面図、第７図は第６
図に示す処理によって裏面側全体に形成された非晶質層
下に転位がほマ一様に発生している状態の断面図、第８
図は第３の実施例によるウ−［−／切処理時の断面図、
第９図は第８図に示す処理によって裏面側に間欠的に形
成された非品質層の１つを拡大して示す断面図、第１０
図は第８図に示す処理に際して各非品質層間の間隔とウ
エハの厚みとの関係を説明するための概略図である。 なお図面に用いられている符号において、１０，２０
．３０はレーザービーム、１１，２１，３１は半導体ウ
エハ、１８，２８，３８は転位、２６，３６は非晶質層
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板の一方の主表面に対してビームによるエ
   ネルギーを作用させ、このエネルギーによって前記半導
   体基板の結晶に歪を発生させるようにした半導体基板の
   処理方法において、前記主表面が比較的平坦な状態に維
   持される範囲内で、前記主表面に対してビームによるエ
   ネルギーを作用させるようにしたことを特徴とする半導
   体基板の処理方法。