JP2010283193A - 半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、半導体デバイス向け半導体基板の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲッタリングサイトを短時間かつ容易に形成できるとともに、ゲッタリングサイトの形成に伴う内部応力による転位欠陥の発生の懸念が少ない半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ステージ加熱装置４８によって、単結晶ウェーハ２を所定の温度範囲、例えば４００℃以上、１０００℃以下に予め加熱しておくことによって、レーザビームＱ２の入射時における集光点近傍の最高到達温度と、単結晶ウェーハ２全体の温度との温度差を小さく保つことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、および半導体デバイスの製造方法に係り、詳しくは、任意の形状のゲッタリングサイトを短時間で容易に形成することが可能な技術に関する。

近年、携帯電話、デジタルビデオカメラ等の大幅な薄型化に伴って、これらの機器へ内蔵する半導体デバイス、例えば半導体メモリの薄型化が進んでいる。こうした半導体メモリは、例えばシリコン単結晶からなるシリコン基板（シリコンウェーハ）の一面にデバイスを形成することにより製造される。半導体メモリを薄型化するためには、シリコン基板の表面側にデバイスを形成した後、シリコン基板の裏面側を削って、例えば５０μｍ程度まで厚みを薄厚化する。

このような、半導体デバイスの薄厚化工程において、シリコン基板への重金属の混入が懸念されている。シリコン基板に重金属などの不純物が混入すると、リーク電流などにより、デバイス特性が著しく劣化する。このため、シリコン基板の薄厚化工程後におけるデバイス形成領域の重金属の分散を抑制することが重要になっている。

シリコン基板から重金属を除去する方法として、従来から、ゲッタリング法が一般的に知られている。これは、シリコン基板にゲッタリングサイトと呼ばれる重金属の捕捉領域を形成し、アニール処理などによってこのゲッタリングサイトに重金属を集めることによって、素子形成領域の重金属を低減させるものである。

こうしたゲッタリングサイトをシリコン基板に形成する方法として、例えば、シリコン基板に酸素析出物を形成するＩＧ（イントリンシックゲッタリング）法（例えば、特許文献１）、シリコン基板の裏面側にバックサイドダメージなどのゲッタリングサイトを形成するＥＧ（エキシントリックゲッタリング）法（例えば、特許文献２）などが知られている。

上述したような、従来から行われていたＩＧ法は、シリコン基板にデバイスを形成する前工程で用いられるものであり、シリコン基板に拡散した重金属を除去するために、６００℃以上の熱処理温度が必要である。しかしながら、シリコン基板にデバイスを形成した後に行われる熱処理温度は４００℃以下が殆どであり、デバイス形成後の薄厚化工程において混入した重金属を充分に捕捉できないという課題があった。

また、近年の半導体デバイスの薄厚化の進行によって、その厚みが５０〜４０μｍ以下、更には３０μｍ程度が要求される。このようなレベルの厚みでは、薄厚化工程において、シリコン基板に形成したゲッタリングシンクの大部分が削り取られてしまうため、充分なゲッタリング能力が得られないという課題があった。

一方、シリコン基板の裏面側にバックサイドダメージなどのゲッタリングサイトを形成するＥＧ法では、近年主流となりつつある３００ｍｍウェーハなどの大口径基板の場合、両面研磨されているために、裏面側にゲッタリングシンクを形成すること自体が困難である。

このため、例えば、特定の波長とパルス幅を有するレーザービームを、シリコン基板の厚み方向の特定位置に集光させ、この集光位置におけるシリコン単結晶の性質を改質することによって、ゲッタリングシンクを形成する方法が考えられている。

特開平６−３３８５０７号公報 特開２００６−３１３９２２号公報

上述したような、レーザービームを用いたゲッタリングシンクの形成は、レーザーパワーおよびレーザースポット径などのレーザー照射条件に強く依存する。例えば、１ｍｍ以下に集光されたレーザー光は、シリコン単結晶を溶融するための十分なエネルギーを持つため、瞬時に加工変質層、即ちゲッタリングシンクの形成が可能である。

しかしながら、こうしたレーザービームによるゲッタリングシンクの形成は、レーザービームの集光点近傍でシリコン単結晶が瞬時に高温に達する。このため、集光点近傍に熱衝撃波が生じ、内部応力が局所的に生じる。こうした内部応力は、後工程であるデバイス形成工程などの熱プロセスによって緩和され、形成したゲッタリングシンクから転位が伸展しデバイス特性が劣化する懸念がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ゲッタリングサイトを短時間かつ容易に形成できるとともに、ゲッタリングサイトの形成に伴う内部応力による転位欠陥の発生の懸念が少ない半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を提供する。

また、ゲッタリングサイトを短時間かつ容易に形成できるとともに、内部応力による転位の発生を抑制できる半導体デバイス向け半導体基板の製造装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は次のような半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、および半導体デバイス向け半導体基板の製造装置を提供する。
即ち、本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法は、半導体基板を４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲まで加熱する基板加熱工程と、該基板加熱工程により加熱された半導体基板の一面にレーザビームを入射させ、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、前記微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、前記微小領域の結晶構造を変化させたゲッタリングシンクを形成するゲッタリングシンク形成工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記レーザビームは、パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームであるのが好ましい。
前記超短パルスレーザビームは、前記微小領域において、ピーク出力密度が１．０×１０^６〜１．０×１０^１１秒Ｗ／ｃｍ^２、ビーム径が１μｍ〜１０ｍｍの範囲となるように制御されることが好ましい。

前記ゲッタリングシンク形成工程は、窒素、アルゴン、水素のうち、少なくとも何れか１種を含む非酸化性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
前記半導体基板の一面に、エピタキシャル結晶層を形成するエピタキシャル成長工程を更に備えていてもよい。

本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造装置は、パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームを、半導体基板に向けて照射するレーザ照射体と、前記半導体基板を載置するステージと、前記半導体基板を４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲まで加熱する基板加熱手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記基板加熱手段は、前記ステージを加熱するステージ加熱装置であればよい。

本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法によれば、基板加熱工程において半導体基板を所定の温度範囲、例えば４００℃以上、１０００℃以下に加熱することによって、集光されたレーザビームによる半導体基板の局所的な温度の急上昇、急降下といった過大な温度変化を抑制する。

即ち、レーザビームの集光点付近では、シリコン単結晶が瞬時に高温に達するため、半導体基板が例えば常温の状態でレーザビームを入射させると、集光点近傍に熱衝撃波が生じ、内部応力が局所的に生じる。こうした内部応力は、後工程であるデバイス形成工程などの熱プロセスによって緩和され、形成したゲッタリングシンクから転位が伸展しデバイス特性が劣化する原因となる。

しかし、基板加熱工程によって半導体基板を所定の温度範囲、例えば４００℃以上、１０００℃以下に予め加熱しておくことによって、レーザビームの入射時における集光点近傍の最高到達温度と、半導体基板全体の温度との温度差を小さく保つことができる。これによって、レーザービームを用いたゲッタリングサイトの形成に伴う、急激な温度変化を防止し、内部応力の発生を抑制できる。そして、転位欠陥の発生の懸念が少ない半導体デバイス向け半導体基板を形成することが可能になる。

また、本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造装置によれば、半導体基板を４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲まで加熱する基板加熱手段を設けることによって、レーザビームの入射時における集光点近傍の最高到達温度と、半導体基板全体の温度との温度差を小さく保つことができる。これによって、レーザービームを用いたゲッタリングサイトの形成に伴う、急激な温度変化を防止し、内部応力の発生を抑制できる。

半導体デバイス向け半導体基板の一例を示す断面図である。 半導体デバイスの一例を示す断面図である。 本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造装置の一例を示す説明図である。 ゲッタリングシンクの形成工程を示す拡大断面図である。 ゲッタリングシンクの形成例を示す斜視図である。

以下、本発明に係る半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、および半導体デバイスの製造装置の実施形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために、一例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

まず最初に、半導体デバイス向け半導体基板の構成例を説明する。図１は、半導体デバイス向け半導体基板を示す拡大断面図である。半導体デバイス向け半導体基板（以下、単に半導体基板と称する）１は、単結晶ウェーハ２と、この単結晶ウェーハ２の一面２ａに形成されたエピタキシャル層３とを備える。そして、単結晶ウェーハ２の一面２ａ近傍付近には、半導体基板１の重金属を捕捉するゲッタリングシンク４，４・・が形成されている。

このような半導体基板１は、半導体デバイス向け基板、例えば固体撮像素子製造用基板として好適に用いることができる。単結晶ウェーハ２は、例えば、シリコン単結晶ウェーハであればよい。エピタキシャル層３は、単結晶ウェーハ２の一面２ａから成長させたシリコンのエピタキシャル成長膜であればよい。

ゲッタリングシンク４は、シリコン単結晶の一部をアモルファス化させた（アモルファスライク）構造であればよい。ゲッタリングシンク４は、その結晶構造中に僅かな歪みが存在するだけで重金属を捕捉する能力があり、ごく一部をアモルファス化するだけでゲッタリングシンクとしての役割を果たすことができる。こうしたゲッタリングシンク４は、レーザビームの集光により、単結晶ウェーハ２の一部に多光子吸収過程を生じさせて結晶構造を改質する事によって形成される。

ゲッタリングシンク４は、この半導体基板１を用いて固体撮像素子を形成する際に、少なくともそれぞれの半導体素子、例えば固体撮像素子の形成領域Ｓと重なる位置に形成されていればよい。例えば、１つのゲッタリングシンク４は、直径Ｒが５０〜１５０μｍ、厚みＴが１０〜１５０μｍの大きさの円盤状に形成されていればよい。また、ゲッタリングシンク４の形成深さＤは、単結晶ウェーハ２の一面２ａから０．５〜２μｍ程度が好ましい。
なお、こうしたゲッタリングシンク４は、単結晶ウェーハ２の上層に成膜したエピタキシャル層３に形成しても良い。

次に、半導体デバイス向け半導体基板を用いた半導体デバイスの構成例について説明する。なお、以下の実施形態では、半導体デバイスの一例として、固体撮像素子を挙げる。
図２は、本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板を用いて作成した固体撮像素子（半導体デバイス）の一例を示す断面図である。固体撮像素子６０は、ｐ^＋型の半導体基板（シリコン基板）２の上にｐ型のエピタキシャル層３を形成し、更に、単結晶ウェーハ２にゲッタリングシンク４を形成した半導体基板（半導体デバイス向け半導体基板）１を用いる。

エピタキシャル層２の所定位置には、第１のｎ型ウエル領域６１が形成される。この第１のｎ型ウエル領域６１の内部に、垂直転送レジスタを構成するｐ型の転送チャネル領域６３、ｎ型のチャネルストップ領域６４および第２のｎ型ウエル領域６５がそれぞれ形成されている。

更に、ゲート絶縁膜６２の所定位置には転送電極６６が形成されている。また、ｐ型の転送チャネル領域６３と第２のｎ型ウエル領域６５との間に、ｎ型の正電荷蓄積領域６７とｐ型の不純物拡散領域６８とを積層させたフォトダイオード（半導体素子）６９が形成される。そして、これらを覆う層間絶縁膜７１、およびフォトダイオード６９の直上方を除いた表面を覆う遮光膜７２を備えている。

このような構成の固体撮像素子６０は、単結晶ウェーハ２に形成されたゲッタリングシンク４によって、半導体基板１に含まれる重金属が確実に捕捉されているため、固体撮像素子６０の撮像特性を低下させる要因であるフォトダイオード（半導体素子）６９の暗時リーク電流を抑制することができる。

よって、本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を適用した半導体基板１を用いて、固体撮像素子６０を形成することによって、暗時リーク電流の少ない、優れた撮像特性を持つ固体撮像素子６０を実現することができる。

次に、本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、および半導体デバイス向け半導体基板の製造装置について説明する。図３は、半導体デバイスの一例である固体撮像素子の製造方法を段階的に示した断面図である。
半導体デバイス向け半導体基板（以下、単に半導体基板と称する）を製造するにあたっては、ます、単結晶ウェーハ２を用意する（図３（ａ）参照）。単結晶ウェーハ２は、例えば、シリコン単結晶インゴットをスライスして製造されたシリコン単結晶ウェーハであればよい。

次に、この単結晶ウェーハ２の一面２ａに、例えば、エピタキシャル層３を形成するのが好ましい（図３（ｂ）参照：エピタキシャル成長工程）。エピタキシャル層３の形成にあたっては、例えば、エピタキシャル成長装置を用いて、単結晶ウェーハ２を所定温度まで加熱しつつ原料ガスを導入し、一面２ａにシリコン単結晶からなるエピタキシャル層３を成長させれば良い。

次に、図３（ｃ）に示すように、エピタキシャル層３を形成した単結晶ウェーハ２をレーザ照射装置２０のチャンバー４６内に形成されたステージ４０に載置する。そして、ステージ４０に形成されているステージ加熱装置（基板加熱手段）４８を作動させ、ステージ４０を介して単結晶ウェーハ２を所定の温度まで加熱する（基板加熱工程）。

この時の単結晶ウェーハ２の加熱温度は４００℃以上、１０００℃以下、好ましくは４００℃以上、６００℃以下であれば良い。即ち、単結晶ウェーハ２の加熱温度は、後述するゲッタリングシンク形成工程における、レーザビーム照射時の単結晶ウェーハ２の局所的な昇温温度に対して、４００℃以上、６００℃以下の温度差となるように昇温させればよい。

そして、図３（ｄ）に示すように、ステージ加熱装置（基板加熱手段）４８によって所定の温度まで加熱した単結晶ウェーハ２を移動させつつレーザビームを照射する（ゲッタリングシンク形成工程）。この時、レーザ発生装置１５から出射されたレーザビームは、集光用レンズ（集光手段）１１によって集光点（焦点）が単結晶ウェーハ２の一面２ａから、例えば数十μｍ程度深い位置になるように集光される。これにより、単結晶ウェーハ２の結晶構造が改質され、ゲッタリングシンク４，４・・が形成される。なお、このゲッタリングシンク４の形成工程は後ほど詳述する。

なお、このゲッタリングシンク形成工程において、単結晶ウェーハ２を収容するチャンバー４６内に、窒素、アルゴン、水素、またはこれらのガスを混合した混合ガスを満たし、チャンバー４６内を非酸化性ガス雰囲気にするのが好ましい。これによって、レーザビームを照射した際に生じた熱によって、空気中の酸素と単結晶ウェーハとが化合してシリコン酸化膜が生じることを防止できる。

以上の工程によって得られた半導体基板（半導体デバイス向け半導体基板）１は、例えば、固体撮像素子の製造に好適に用いることができる。
図４（ａ）に示すように、半導体基板１のエピタキシャル層３に重ねて半導体デバイス、例えば、多数のフォトダイオード（半導体素子）６９を形成する（素子形成工程）。この時、それぞれのフォトダイオード６９は、個々のゲッタリングシンク４に重なる位置に形成するのが特に好ましい。

そして、このフォトダイオード６９を形成した半導体基板１をアニール装置８０に導入し、所定の温度まで加熱する（図４（ｂ）参照：ゲッタリング工程）。これにより、単結晶ウェーハ２内に拡散している重金属、特にフォトダイオード（半導体素子）６９の形成領域に存在する重金属がゲッタリングシンク４に集められる。よって、重金属によるリーク電流の少ない、優れた特性を持つ固体撮像素子（半導体デバイス）を得ることができる。

なお、この実施形態ではゲッタリング工程を半導体素子の形成後に行っているが、もちろん半導体素子の形成前に予めアニールを行い、重金属をゲッタリングシンク４に集めておくようにしてもよい。

図５は、単結晶ウェーハにゲッタリングシンクを形成するためのレーザー照射装置の一例を示す模式図である。レーザー照射装置２０は、レーザビームＱ１をパルス発振するレーザ発生装置１５、レーザビームＱ１のパルス等を制御するパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６、レーザビームＱ１を反射してレーザビームＱ１の進行方向を単結晶ウェーハ２に向けて９０°変換させるビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａ、ビームスプリッタ１７ａで反射されたレーザビームＱ１を集光する集光用レンズ（集光手段）１１を備えている。

また、エピタキシャル層３を形成した単結晶ウェーハ２を載置するステージ４０を備える。このステージ４０は、集光されたレーザビームＱ２を単結晶ウェーハ２の任意の位置で集光させて焦点を合わせるために、ステージ移動制御回路４５によって、鉛直方向Ｙおよび水平方向Ｘに移動可能に制御される。

また、ステージ４０には、ステージ４０に載置された単結晶ウェーハ２を加熱するためのステージ加熱装置（基板加熱手段）４８が設けられている。このステージ加熱装置４８は、ステージ加熱制御回路４５によって温度が制御される。そして、ステージ加熱装置４８は、レーザビームＱ２の照射時に、単結晶ウェーハ２が所定の温度範囲になるように、単結晶ウェーハ２を加熱する。レーザビームＱ２の照射時における、単結晶ウェーハ２の好ましい加熱温度範囲は、４００℃以上、１０００℃以下、好ましくは４００℃以上、６００℃以下であれば良い。

レーザ発生装置１５およびパルス制御回路１６は、特に限定はされないが、単結晶ウェーハの内部における任意の位置の結晶構造を改質してゲッタリングシンクを形成できるレーザビームを照射できれば良く、半導体ウェーハを透過可能な波長域で、かつ短パルス周期での発振が可能なチタンサファイヤレーザが好適である。なお、表１に、一般的な半導体ウェーハ、およびシリコンウェーハのそれぞれにおいて、好適なレーザ照射条件の具体例を示す。

レーザ発生装置１５で発生させたレーザビームＱ１は、集光用レンズ１１により光路幅を収束され、この収束されたレーザビームＱ２が単結晶ウェーハ２０の任意の深さ位置Ｇで焦点を結像する（集光される）ように、ステージ４０が鉛直方向Ｙで制御される。集光用レンズ１１は、例えば倍率が１０〜３００倍、Ｎ．Ａが０．３〜０．９、レーザビームの波長に対する透過率が３０〜６０％の範囲が好ましい。

レーザー照射装置２０は、さらに可視光レーザ発生装置１９、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂ、ＣＣＤカメラ３０、ＣＣＤカメラ制御回路３５、結像用レンズ１２、中央制御回路５０、および表示手段５１とを備えている。

可視光レーザ発生装置１９で発生させた可視光レーザビームＱ３は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂで反射されて９０°方向を転換し、単結晶ウェーハ２のエピタキシャル層３に達する。そして、エピタキシャル層３の表面で反射され、集光用レンズ１１およびビームスプリッタ１７ａおよび１７ｂを透過して結像用レンズ１２に到達する。結像用レンズ１２に到達した可視光レーザＱ３は、単結晶ウェーハ２の表面画像としてＣＣＤカメラ３０で撮像され、撮像データがＣＣＤカメラ制御回路３５に入力される。入力された撮像データに基づいて、ステージ移動制御回路４５はステージ４０の水平方向Ｘの移動量を制御する。

次に、エピタキシャル層３を形成した単結晶ウェーハ２にゲッタリングシンクを形成する方法を詳述する。図６は、レーザビームによって半導体ウェーハにゲッタリングシンクを形成する様子を示した模式図である。単結晶ウェーハ２にゲッタリングシンクを形成する際には、レーザ発生装置１５から出射されたレーザビームＱ１を集光用レンズ（集光手段）１１によって収束させる。収束されたレーザビームＱ２は、シリコンに対して透過可能な波長域であるため、エピタキシャル層３の表面に達した後、反射せずにそのまま入射する。

一方、エピタキシャル層３を形成した単結晶ウェーハ２は、レーザビームＱ２の集光点（焦点）が単結晶ウェーハ２の一面２ａから所定の深さＤになるように位置決めされる。これにより、レーザビームＱ２の集光点（焦点）だけ、単結晶ウェーハ２は多光子吸収過程が生じる。

多光子吸収過程は、周知のように、ごく短時間に多量の光子が特定の部位（照射領域）に照射することによって、照射領域だけに選択的に多量のエネルギーが吸収され、これにより、照射領域の結晶結合が変化するなどの反応を引き起こすものである。本発明においては、単結晶ウェーハ２の内部の任意の領域にレーザビームを集光させることによって、この集光点（焦点）において、単結晶構造の半導体ウェーハを改質し、部分的にアモルファスライクな結晶構造を生じさせる。こうした結晶構造の改質は、重金属の捕捉作用が生じる程度、即ち、結晶構造に僅かな歪を生じさせる程度で良い。

そして、こうしたレーザビームＱ２による多光子吸収過程において、ステージ加熱装置４８によって、単結晶ウェーハ２が所定の温度範囲、例えば４００℃以上、１０００℃以下、好ましくは４００℃以上、６００℃以下に加熱されることによって、集光されたレーザビームＱ２による、単結晶ウェーハ２の局所的な温度の急上昇、急降下といった過大な温度変化を抑制する。

即ち、レーザビームＱ２の集光点付近では、シリコン単結晶が瞬時に高温に達する。このため、単結晶ウェーハ２が例えば常温の状態でレーザビームＱ２を入射させると、集光点近傍に熱衝撃波が生じ、内部応力が局所的に生じる。こうした内部応力は、後工程であるデバイス形成工程などの熱プロセスによって緩和され、形成したゲッタリングシンクから転位が伸展しデバイス特性が劣化する原因となる。

しかし、ステージ加熱装置４８によって、単結晶ウェーハ２を所定の温度範囲、例えば４００℃以上、１０００℃以下、好ましくは４００℃以上、６００℃以下に予め加熱しておくことによって、レーザビームＱ２の入射時における集光点近傍の最高到達温度と、単結晶ウェーハ２全体の温度との温度差を小さく保つことができる。これによって、レーザービームを用いたゲッタリングサイトの形成に伴う、急激な温度変化を防止し、内部応力の発生を抑制できる。そして、転位欠陥の発生の懸念が少ない半導体デバイス向け半導体基板を形成することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、基板加熱手段としてステージ加熱装置４８を例示したが、もちろんこれに限定されるものではなく、単結晶ウェーハ２を所定の温度範囲に加熱可能な構成であれば、どのようなものであってもよい。例えば、単結晶ウェーハ２を直接加熱するランプ式加熱装置、電熱線加熱装置など、ステージ以外の箇所に基板加熱手段を形成しても良い。

以上のように、単結晶ウェーハ２の内部の任意の微小領域にレーザビームＱ１を収束させたレーザビームＱ２の集光点（焦点）を設定し、この微小領域の結晶構造を改質することによって、単結晶ウェーハ２の任意の微小領域にゲッタリングシンク４を形成することができる。

ゲッタリングシンク４を形成するためのレーザビームは、レーザビームが集光点（焦点）に至るよりも前の光路においては、エピタキシャル層３や単結晶ウェーハ２の結晶構造を改質することなく、レーザビームが確実に透過可能な条件とすることが重要である。こうしたレーザビームの照射条件は、半導体材料の基礎物性値である禁制帯（エネルギーバンドギャップ）により決定される。例えば、シリコン半導体の禁制帯は、１．１ｅＶであるため入射波長が１０００ｎｍ以上の場合、透過性が顕著となる。このようにしてレーザビームの波長は、半導体材料の禁制帯を考慮して決定することができる。

レーザビームの発生装置としては、ＹＡＧレーザのような高出力レーザでは、所定の深さ位置だけではなく、その周辺領域にも熱エネルギーが伝達する虞があるため、低出力レーザを用いることが好ましい。低出力レーザとしては、例えば、フェムト秒レーザのような超短パルスレーザが好適である。

この超短パルスレーザは、半導体レーザなどを用いてチタンサファイヤ結晶（固体レーザ結晶）を励起することによって、レーザビームの波長を任意の範囲に設定することができる。超短パルスレーザは、励起レーザビームのパルス幅を１．０×１０^−１５フェムト秒以下にすることができるため、その他のレーザと比較して励起によって生じる熱エネルギーの拡散を抑制でき、レーザビームの集光点（焦点）のみに光エネルギーを集中させることができる。

多光子吸収過程により結晶構造を改質して形成したゲッタリングシンク４は、おそらくアモルファスライクな結晶構造になっているものと推定される。このようなアモルファスライクの結晶構造を得るには、レーザビームが集光点（焦点）Ｇを局部的に急速加熱・急速冷却する必要がある。表１に示したような特性を持つ超短パルスレーザは、エネルギー量の小さいレーザであるが、集光用レンズ１１を用い集光することによって、半導体基板２０を局部的に急速加熱するのに十分なエネルギーとなる。

レーザビームが集光点（焦点）Ｇの温度は９９００〜１００００Ｋの高温に達する。また、集光されているために入熱範囲が大変狭く、単結晶ウェーハ２を載置したステージの移動、あるいはレーザビームの走査によって集光点（焦点）が移動すると、移動前の集光点（焦点）における入熱量は急激に減少し、急速冷却効果が得られる。

また、表１に示した超短パルスレーザのように、波長を１０００ｎｍとすることによって、エピタキシャル層３や単結晶ウェーハ２に対する透過性が高められ、エピタキシャル層３などの結晶組織に影響を与えることなく、レーザビームの集光点（焦点）である微小領域だけを改質することができる。この結晶構造の改質部分が半導体基板２のゲッタリングシンク４として好適に利用できる。

なお、レーザビームの波長が１２００ｎｍを超えると、長波長領域であるために光子エネルギー（レーザビームエネルギー）が低くくなる。このため、レーザビームを集光させても半導体基板内部の改質に十分な光子エネルギーを得ることができない虞があり、レーザビームの波長は１２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

レーザビームの集光点（焦点）Ｇの位置、すなわち単結晶ウェーハ２にゲッタリングシンク４を形成する位置は、ステージを上下動させることによって制御できる。なお、ステージを上下動以外にも、集光手段（集光用レンズの）位置を制御することでもレーザビームの集光点（焦点）Ｇの位置を制御できる。

一例として、半導体基板の表面から２μｍの位置を改質してゲッタリングシンク４を形成する場合には、レーザビームの波長を１０８０ｎｍに設定し、透過率が６０％の集光用レンズ（倍率５０倍)を用いて表面から２μｍの位置にレーザビームを結像（集光）させ、多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分（ゲッタリングシンク）を形成することができる。

ゲッタリングシンク４の配列、形状は、レーザビームを単結晶ウェーハ２の一面に沿って走査させたり、ステージを左右に微動させたりすることで制御できる。図７は、半導体基板におけるゲッタリングシンクの形成の様子を示した模式図である。ゲッタリングシンク４は、半導体基板における素子形成領域の下部に形成されればよい。例えば、レーザビームＱがデバイスを形成した単結晶ウェーハ２の他面（裏面）の全域に渡って走査されるように、周縁部でＹ方向にずらしつつＸ方向に沿って走査させ、レーザビームＱを所定の条件で照射していけば、単結晶ウェーハ２の全体にゲッタリングシンク４，４・・を形成することができる。

こうしたゲッタリングシンク４の形成密度は、レーザビームＱの走査ピッチＢによって設定することができる。ゲッタリングシンク４の形成密度は、例えば、１．０×１０^５〜１．０×１０^６個／ｃｍ^２の範囲が好適である。こうしたゲッタリングシンク４の形成密度は、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による観察で得られた酸素析出物の個数によって検証できる。

なお、上述した実施形態では、レーザビームの照射方法として、単一の光軸のレーザビームを用いて、単結晶ウェーハ２を移動させつつゲッタリングシンク４を形成しているが、これ以外ににも、例えば、複数の光軸のレーザビームを同時に（一時に）照射する構成であっても良い。このような構成に用いるレーザビーム光源としては、例えば、多数のレーザーダイオードを複眼状に配列し、一回の照射で多数のゲッタリングシンクを同時に形成するものが挙げられる。

１…半導体基板（半導体デバイス向け半導体基板）
２…単結晶ウェーハ
３…エピタキシャル層
４…ゲッタリングシンク
２０…レーザー照射装置（半導体デバイスの製造装置）
２１…レーザ照射体
２１ａ…照射面
９２…ゲッタリングシンク
９６…ゲッタリングシンク

Claims (7)

1. 半導体基板を４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲まで加熱する基板加熱工程と、 該基板加熱工程により加熱された半導体基板の一面にレーザビームを入射させ、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、前記微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、前記微小領域の結晶構造を変化させたゲッタリングシンクを形成するゲッタリングシンク形成工程と、
   を少なくとも備えたことを特徴とする半導体デバイス向け半導体基板の製造方法。
2. 前記レーザビームは、パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームであることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法。
3. 前記超短パルスレーザビームは、前記微小領域において、ピーク出力密度が１．０×１０^６〜１．０×１０^１１秒Ｗ／ｃｍ^２、ビーム径が１μｍ〜１０ｍｍの範囲となるように制御されることを特徴とする請求項２記載の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法。
4. 前記ゲッタリングシンク形成工程は、窒素、アルゴン、水素のうち、少なくとも何れか１種を含む非酸化性ガス雰囲気で行うことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法。
5. 前記半導体基板の一面に、エピタキシャル結晶層を形成するエピタキシャル成長工程を更に備えたことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法。
6. パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームを、半導体基板に向けて照射するレーザ照射体と、
   前記半導体基板を載置するステージと、
   前記半導体基板を４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲まで加熱する基板加熱手段と、
   を少なくとも備えたことを特徴とする半導体デバイス向け半導体基板の製造装置。
7. 前記基板加熱手段は、前記ステージを加熱するステージ加熱装置であることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイス向け半導体基板の製造装置

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