JP2010283219A - Method for manufacturing semiconductor substrate dedicated to semiconductor device, and method and apparatus for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイス向け半導体基板の製造方法、半導体デバイスの製造方法、半導体デバイスの製造装置に係り、詳しくは、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。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, and a manufacturing apparatus for a semiconductor device, and more particularly to a technique capable of easily forming a gettering site in a short time.
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。 In recent years, with the drastic thinning of cellular phones, digital video cameras and the like, semiconductor devices built into these devices, such as semiconductor memories, have been thinned. Such a semiconductor memory is manufactured, for example, by forming a device on one surface of a silicon substrate (silicon wafer) made of a silicon single crystal. In order to reduce the thickness of the semiconductor memory, after forming a device on the front surface side of the silicon substrate, the back surface side of the silicon substrate is shaved to reduce the thickness to about 50 μm, for example.
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。 In such a semiconductor device thinning process, there is a concern that heavy metals may be mixed into the silicon substrate. When impurities such as heavy metals are mixed in the silicon substrate, the device characteristics are remarkably deteriorated due to leakage current or the like. For this reason, it is important to suppress the dispersion of heavy metals in the device formation region after the thinning process of the silicon substrate.
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。 Conventionally, a gettering method is generally known as a method for removing heavy metals from a silicon substrate. In this method, a heavy metal capturing region called a gettering site is formed on a silicon substrate, and the heavy metal is collected at the gettering site by annealing or the like, thereby reducing the heavy metal in the element formation region.
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。 As a method for forming such a gettering site on a silicon substrate, for example, an IG (intrinsic gettering) method for forming an oxygen precipitate on the silicon substrate (for example, Patent Document 1), backside damage on the back side of the silicon substrate, etc. An EG (exotic trickling) method (for example, Patent Document 2) that forms a gettering site is known.
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。 The conventional IG method is used in a previous step of forming a device on a silicon substrate, and requires a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher in order to remove heavy metals diffused in the silicon substrate. However, the heat treatment temperature performed after the device is formed on the silicon substrate is almost 400 ° C. or less, and there is a problem that the heavy metal mixed in the thinning process after the device formation cannot be sufficiently captured.
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。 Moreover, with the progress of thinning of semiconductor devices in recent years, the thickness is required to be 50 to 40 μm or less, and further about 30 μm. At such a level of thickness, most of the gettering sink formed on the silicon substrate is scraped off in the thinning process, and there is a problem that sufficient gettering capability cannot be obtained.
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。 On the other hand, in the EG method for forming a gettering site such as backside damage on the back side of a silicon substrate, a large-diameter substrate such as a 300 mm wafer, which has become mainstream in recent years, is polished on both sides, so that the getter is formed on the back side. It is difficult to form a ring sink itself.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、重金属を捕捉する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半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device that can easily form a gettering site for capturing heavy metals in a short time. .
また、本発明は、半導体素子の形成後に汚染された重金属を簡便かつ確実に素子形成領域から除去可能な半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can easily and reliably remove heavy metals contaminated after the formation of a semiconductor element from the element formation region.
更に、本発明は、重金属を捕捉する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半導体デバイスの製造装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing apparatus capable of easily forming a gettering site for capturing heavy metals in a short time.
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、半導体デバイスの製造方法、半導体デバイスの製造装置を提供する。
すなわち、本発明の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法は、照射面から互いに平行な複数の光軸でレーザビームを照射可能なレーザ照射装置を用いて、半導体基板の一面の少なくとも2箇所以上同時にレーザビームを入射させ、前記半導体基板の複数の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、それぞれの微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造を変化させた複数の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を少なくとも備えたことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides the following method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device manufacturing apparatus.
That is, the method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device according to the present invention uses a laser irradiation apparatus capable of irradiating a laser beam with a plurality of optical axes parallel to each other from the irradiation surface, and simultaneously lasers at least two places on one surface of the semiconductor substrate. A plurality of getters in which a multi-photon absorption process is caused in each minute region by changing the crystal structure of the minute region by making a beam incident and condensing the laser beam on the minute regions of the semiconductor substrate. It is characterized by comprising at least a gettering sink forming step for forming a ring sink.
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が好ましい。
また、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1.0×106〜1.0×1011秒W/cm2、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。
The laser beam is preferably an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −8 seconds and a wavelength of 300 to 1200 nm.
In addition, the ultrashort pulse laser beam has a peak power density of 1.0 × 10 6 to 1.0 × 10 11 seconds W / cm 2 and a beam diameter of 1 μm to 10 mm in the minute region. Preferably it is controlled.
前記半導体基板は単結晶シリコンからなり、前記ゲッタリングシンクはアモルファス構造のシリコンを少なくとも含むことが好ましい。
また、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。
The semiconductor substrate is preferably made of single crystal silicon, and the gettering sink preferably includes at least amorphous silicon.
The gettering sink formation step is preferably performed in a non-oxidizing gas atmosphere containing at least one of nitrogen, argon, and hydrogen.
An epitaxial growth step of forming an epitaxial crystal layer on one surface of the semiconductor substrate may be further provided.
本発明の半導体デバイスの製造方法は、前記各項の半導体デバイス向け半導体基板の製造方法によって得られた半導体デバイス向け半導体基板のそれぞれのゲッタリングシンクに重なる位置に半導体素子を形成する素子形成工程と、前記導体デバイス向け半導体基板を所定の温度でアニールし、前記ゲッタリングシンクに重金属を捕獲させるゲッタリング工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention includes an element formation step of forming a semiconductor element at a position overlapping each gettering sink of the semiconductor substrate for a semiconductor device obtained by the method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device of the above-mentioned items. And a gettering step of annealing the semiconductor substrate for conductor devices at a predetermined temperature and capturing the heavy metal in the gettering sink.
本発明の半導体デバイスの製造装置は、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、照射面から互いに平行な複数の光軸で半導体基板に向けて照射するレーザ照射体を備えたことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention has a plurality of ultrashort pulse laser beams having a pulse width of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −8 seconds and a wavelength of 300 to 1200 nm that are parallel to each other from the irradiation surface. And a laser irradiation body for irradiating the semiconductor substrate with the optical axis.
前記レーザ照射体は、少なくとも1つのレーザ光源と、該レーザ光源から発する超短パルスレーザビームを前記照射面から複数の光軸で出射されるように導光する複数の導光部材とを備えていればよい。
また、前記レーザ照射体は、複数のレーザ光源を前記照射面に配列したものであってもよい。
The laser irradiator includes at least one laser light source and a plurality of light guide members for guiding an ultrashort pulse laser beam emitted from the laser light source so as to be emitted from the irradiation surface with a plurality of optical axes. Just do it.
Further, the laser irradiator may be one in which a plurality of laser light sources are arranged on the irradiation surface.
本発明の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、半導体基板の内部における任意の微小領域にレーザビームを集光させることによって、半導体基板の内部の微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造だけを変化させたゲッタリングシンクを容易に形成することが可能になる。 According to the method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device of the present invention, a multiphoton absorption process is performed on a minute region inside the semiconductor substrate by condensing the laser beam on an arbitrary minute region inside the semiconductor substrate. As a result, it is possible to easily form a gettering sink in which only the crystal structure of the minute region is changed.
そして、こうしたゲッタリングシンクの形成工程において、照射面から互いに平行な複数の光軸に沿って、複数本のレーザビームを同時に(一時に)照射することによって、例えば、1本のレーザビームを走査させたり、半導体基板を移動させつつレーザビームを照射する方法と比較して、大幅に短時間で多数のゲッタリングシンクを同時に形成することができる。また、大口径の単結晶ウェーハであっても、照射面に沿って形成するレーザ光源の数を増加させれば、ゲッタリングシンクの形成時間を全く増加させずに多数のゲッタリングシンクを一括して形成可能となる。 In such a gettering sink formation process, for example, a single laser beam is scanned by simultaneously (at one time) irradiating a plurality of laser beams along a plurality of optical axes parallel to each other from the irradiation surface. Compared with a method of irradiating a laser beam while moving a semiconductor substrate, a large number of gettering sinks can be formed simultaneously in a considerably short time. Also, even for large-diameter single crystal wafers, if the number of laser light sources formed along the irradiation surface is increased, a large number of gettering sinks can be integrated at once without increasing the formation time of gettering sinks at all. Can be formed.
また、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、ゲッタリングシンクの形成工程において、照射面から互いに平行な複数の光軸に沿って、複数本のレーザビームを同時に(一時に)照射することによって、多数のゲッタリングシンクを短時間で形成できるので、重金属が確実に捕捉された高性能な半導体デバイスを容易に、かつ短時間で製造することが可能になる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step of forming a gettering sink, a plurality of laser beams are irradiated simultaneously (at a time) along a plurality of optical axes parallel to each other from the irradiation surface. Thus, since a large number of gettering sinks can be formed in a short time, it is possible to easily and quickly manufacture a high-performance semiconductor device in which heavy metals are reliably captured.
また、本発明の半導体デバイスの製造装置によれば、照射面に互いに平行な複数の光軸で半導体基板に向けて照射するレーザ照射体を形成することで、複数本のレーザビームを同時に(一時に)照射でき、短時間で多数のゲッタリングシンクを同時に形成することが可能になる。 In addition, according to the semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, a laser irradiation body that irradiates a semiconductor substrate with a plurality of optical axes parallel to each other on an irradiation surface is formed, so that a plurality of laser beams can be simultaneously (one). A large number of gettering sinks can be formed simultaneously in a short time.
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、半導体デバイスの製造方法、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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a semiconductor device manufacturing method, a semiconductor device manufacturing method, and a semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that this embodiment is described by way of example in order to better understand the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
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、本発明の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。
First, a configuration example of a semiconductor substrate for a semiconductor device will be described. FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a semiconductor substrate for a semiconductor device of the present invention. A semiconductor substrate for semiconductor devices (hereinafter simply referred to as a semiconductor substrate) 1 includes a
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。
Such a
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。
The
なお、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。このようなゲッタリングシンク4の形成方法は、後ほど半導体デバイス向け半導体基板の製造方法にて詳述する。
The
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の上層に形成したエピタキシャル層3に形成しても良い。
The
Such a
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、固体撮像素子を取り挙げる。
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。
Next, a configuration example of a semiconductor device using a semiconductor substrate for a semiconductor device will be described. In the following embodiments, a solid-state image sensor is taken as an example of a semiconductor device.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a solid-state imaging device created using the epitaxial substrate for a solid-state imaging device of the present invention. The solid-
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。
A first n-
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。
Further, a
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。
In the solid-
よって、本発明の半導体基板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。
Therefore, by forming the solid-
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、およびこれを用いた半導体デバイスの製造方法について説明する。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。
固体撮像素子(半導体デバイス)の製造にあたっては、まず単結晶ウェーハ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。
Next, the manufacturing method of the semiconductor substrate for semiconductor devices of this invention and the manufacturing method of a semiconductor device using the same are demonstrated. FIG. 3 is a cross-sectional view showing stepwise a method for manufacturing a solid-state imaging device which is an example of a semiconductor device.
In manufacturing a solid-state imaging device (semiconductor device), first, a
次に、この単結晶ウェーハ2の一面2aにエピタキシャル層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、単結晶ウェーハ2の一面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。
Next, it is preferable to form the
次に、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にセットし、単結晶ウェーハ2の一面2aに向けてレーザビームを照射する(図3(c)参照)。この時、図4に示すように、レーザ照射装置20を構成するレーザ照射体21の照射面21aからは、互いに平行な複数の光軸Cに沿って、複数本のレーザビームRが同時に単結晶ウェーハ2の一面2aに向けて照射される。
Next, the
レーザ照射体21の照射面21aから同時に出射された複数本のレーザビームRは、予め集光用レンズなどの集光手段(図示略)によって、集光点(焦点)が単結晶ウェーハ2の一面2aから数十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、複数のゲッタリングシンク4が一回の照射で同時に形成される(ゲッタリングシンク形成工程)。
A plurality of laser beams R simultaneously emitted from the
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43内に、窒素、アルゴン、水素、またはこれらのガスを混合したガスGを満たし、チャンバー43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R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2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。
In this gettering sink formation step, the
以上の工程によって、本発明の半導体デバイス向け半導体基板が得られる。このようなエピタキシャル層3とゲッタリングシンク4が形成された単結晶ウェーハ2からなる半導体基板1を用いて、半導体デバイスを製造する。
The semiconductor substrate for a semiconductor device of the present invention is obtained by the above steps. A semiconductor device is manufactured using the
図3(d)に示すように、半導体基板1のエピタキシャル層3の一面3aに、複数の半導体素子、例えばフォトダイオード(半導体素子)69を多数配列形成する(素子形成工程)。フォトダイオード(半導体素子)69は、先に説明した図2示すような構成であればよい。この時、個々のフォトダイオード(半導体素子)69は、それぞれゲッタリングシンク4に重なる位置に形成すればよい。
As shown in FIG. 3D, a plurality of semiconductor elements, for example, photodiodes (semiconductor elements) 69 are arrayed on one
そして、図3(e)に示すように、多数のフォトダイオード(半導体素子)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(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がゲッタリングシンク4に集められ、素子形成部分、即ちフォトダイオード(半導体素子)69の形成領域に重金属が極めて少ない固体撮像素子(半導体デバイス)60が得られる。
Then, as shown in FIG. 3E, the
図5は、本発明の半導体デバイスの製造装置、即ち半導体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(半導体デバイスの製造装置)20は、照射面21aから互いに平行な複数の光軸Rで半導体基板1に向けてレーザビームを照射するレーザ照射体21を備える。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, that is, a laser irradiation apparatus for forming a gettering sink on a semiconductor wafer. The laser irradiation apparatus (semiconductor device manufacturing apparatus) 20 includes a
レーザ照射体21は、例えば、単結晶ウェーハ2と同じかそれよりも大きい略円形に形成される。そして、単結晶ウェーハ2に対面する照射面21aに沿って、多数のレーザ発生源、例えばレーザーダイオード15,15・・・が形成されている。
図6に示すように、レーザーダイオード15,15・・・は、略円形の照射面21aに広がるように、規則的に配列されている。それぞれのレーザーダイオード15の形成位置は、例えば、半導体基板1に形成される半導体素子の形成位置にそれぞれ合致する(重なる)位置に設定されれば良い。
The
As shown in FIG. 6, the
再び図5を参照して、レーザー照射装置20には、単結晶ウェーハ2を載置するステージ40、およびこのステージ40やレーザ照射体21を気密に収容するチャンバー43が形成されている。また、レーザ照射体21から照射されるレーザビームの発振を制御するパルス制御部16を備えている。
Referring again to FIG. 5, the
更に、ステージ40を上下動させることで、単結晶ウェーハ2とレーザ照射体21の照射面21aとの距離を制御して、ゲッタリングシンク4の形成位置(深さ)を制御するステージ制御部45、およびパルス制御部16やステージ制御部45を含むレーザー照射装置20を制御するCPU50等を備えている。
Further, by moving the
レーザーダイオード15,15・・・は、特に限定はされないが、単結晶ウェーハ2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波長域のレーザビームを照射できれば良い。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。
The
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4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、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のステージ40に載置する。そして、レーザ照射体21の照射面21aに沿って多数配列されたレーザーダイオード15,15・・・から、複数本のレーザビームRを同時に単結晶ウェーハ2の一面2aに向けて照射する。
Next, a method for forming a gettering sink on the
When forming a gettering sink on the
それぞれのレーザビームRは、例えばパルス幅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ればよい。このようなレーザビームR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。
Each laser beam R may be an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −8 seconds and a wavelength of 300 to 1200 nm, for example. Since such a laser beam R has a wavelength range that can be transmitted with respect to silicon, it reaches the surface of the
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R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、ステージ40の高さ制御によって位置決めされる。これにより、レーザビームR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。なお、このレーザビームRの集光点、即ちゲッタリングシンク4の形成位置では、レーザビームRのピーク出力密度が1.0×106〜1.0×1011秒W/cm2の範囲になるように制御されるのが好ましい。
On the other hand, the
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。 As is well known, the multiphoton absorption process irradiates a specific part (irradiation region) with a large amount of photons in a very short time, so that a large amount of energy is selectively absorbed only in the irradiation region. It causes a reaction such as a change in the crystal bond in the region.
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。
In the present invention, a laser beam is focused on an arbitrary region inside the
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R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、多数のゲッタリングシンク4を形成することができる。
As described above, the condensing point (focal point) of the laser beam R is set in an arbitrary minute region inside the
また、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43(図5参照)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43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。
Further, in this gettering sink formation step, the chamber 43 (see FIG. 5) that accommodates the
ゲッタリングシンク4を形成するためのレーザビームRは、レーザビームR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。
The laser beam R for forming the
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。 Such laser beam irradiation conditions are determined by a forbidden band (energy band gap) which is a basic physical property value of a semiconductor material. For example, since the forbidden band of a silicon semiconductor is 1.1 eV, the transmittance becomes remarkable when the incident wavelength is 1000 nm or more. In this way, the wavelength of the laser beam can be determined in consideration of the forbidden band of the semiconductor material.
レーザビームRは、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、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。 The laser beam R is preferably an ultrashort pulse laser such as a femtosecond laser. Since this ultrashort pulse laser can reduce the pulse width of the excitation laser beam to 1.0 × 10 −15 femtoseconds or less, it can suppress the diffusion of thermal energy generated by excitation compared to other lasers. Light energy can be concentrated only at the focal point of the beam.
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、集光手段等を用い集光することによって、単結晶ウェーハ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。
It is presumed that the
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、短時間照射後に照射を停止すると集光点(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。 The temperature of the focal point G of the laser beam reaches a high temperature of 9900 to 10000K. In addition, since the light is collected, the heat input range is very narrow, and when irradiation is stopped after irradiation for a short time, the amount of heat input at the condensing point (focal point) is drastically reduced, and a rapid cooling effect is obtained.
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単結晶ウェーハ2のゲッタリングシンク4として好適に利用できる。
Further, as in the ultrashort pulse laser shown in Table 1, by setting the wavelength to 1000 nm, the transparency to the
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。 When the wavelength of the laser beam exceeds 1200 nm, the photon energy (laser beam energy) becomes low because of the long wavelength region. For this reason, even if the laser beam is condensed, there is a possibility that sufficient photon energy for modifying the inside of the semiconductor substrate cannot be obtained, and the wavelength of the laser beam is preferably set to 1200 nm or less.
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(図示せず)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。
The position of the condensing point (focal point) G of the laser beam, that is, the position where the
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。
As an example, when the
このように、単結晶ウェーハ2の微小領域の結晶構造を改質して得られるゲッタリングシンク4は、例えば、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。
In this way, the
それぞれのゲッタリングシンク4は、半導体基板1に固体撮像素子の形成領域Sと重なる位置に少なくとも形成されていればよい。ゲッタリングシンク4は、例えば、形成ピッチpが0.1μm〜10mmの間隔で形成されればよい。
Each
半導体基板1の全体おけるゲッタリングシンク4の形成密度は、レーザー照射装置20を構成するレーザ照射体21の照射面21aに多数配列されたレーザーダイオード15,15・・・の形成密度(形成間隔)によって決まる。
The formation density (getting interval) of the
例えば、より小さなレーザーダイオードを密に配列することによって、ゲッタリングシンク4の形成密度を高めることができる。また、一回のレーザー照射後に、単結晶ウェーハ2をレーザーダイオード15,15の形成ピッチよりも小さい範囲で微動させ、再度レーザー照射を行うことでゲッタリングシンク4の形成密度を高めることも可能である。
For example, the formation density of the
こうしたゲッタリングシンク4の形成密度は、例えば、1.0×105〜1.0×107個/cm2の範囲が好適である。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。
The formation density of such gettering sinks 4 is preferably in the range of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 7 pieces / cm 2 , for example. The formation density of the
以上のように、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、半導体基板の内部における任意の微小領域にレーザビームを集光させることによって、半導体基板の内部の微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造だけを変化させたゲッタリングシンクを容易に形成することが可能になる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device of the present invention, the multi-photon absorption is performed in a minute region inside the semiconductor substrate by condensing the laser beam on an arbitrary minute region inside the semiconductor substrate. It is possible to easily form a gettering sink in which only the crystal structure of the minute region is changed by generating a process.
そして、こうしたゲッタリングシンクの形成工程において、照射面から互いに平行な複数の光軸に沿って、複数本のレーザビームを同時に(一時に)照射することによって、例えば、1本のレーザビームを走査させたり、半導体基板を移動させつつレーザビームを照射する方法と比較して、大幅に短時間で多数のゲッタリングシンクを同時に形成することができる。また、300mmウェーハや、450mmウェーハなど大口径の単結晶ウェーハであっても、照射面に沿って形成するレーザ光源の数を増加させれば、ゲッタリングシンクの形成時間を全く増加させずに多数のゲッタリングシンクを一括して形成可能となる。 In such a gettering sink formation process, for example, a single laser beam is scanned by simultaneously (at one time) irradiating a plurality of laser beams along a plurality of optical axes parallel to each other from the irradiation surface. Compared with a method of irradiating a laser beam while moving a semiconductor substrate, a large number of gettering sinks can be formed simultaneously in a considerably short time. Even for large-diameter single crystal wafers such as 300 mm wafers and 450 mm wafers, increasing the number of laser light sources formed along the irradiated surface increases the number of gettering sinks without increasing the formation time at all. These gettering sinks can be formed in a lump.
そして、こうした半導体デバイス向け半導体基板の製造方法を半導体デバイスの製造方法に適用することによって、多数のゲッタリングシンクを短時間で形成できるので、重金属が確実に捕捉された高性能な半導体デバイスを容易に、かつ短時間で製造することが可能になる。 In addition, by applying the semiconductor substrate manufacturing method for semiconductor devices to the semiconductor device manufacturing method, a large number of gettering sinks can be formed in a short time, making it easy to perform high-performance semiconductor devices in which heavy metals are reliably captured. In addition, it can be manufactured in a short time.
図7は、本発明の半導体デバイスの製造装置、即ち半導体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別な一例を示す模式図である。なお、図5に示すレーザー照射装置と同様の構成には同一の符号を附し、詳細な説明を略す。
このレーザー照射装置(半導体デバイスの製造装置)90は、照射面91aから互いに平行な複数の光軸Rで半導体基板1に向けてレーザビームを照射するレーザ照射体91を備える。
FIG. 7 is a schematic diagram showing another example of a semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, that is, a laser irradiation apparatus for forming a gettering sink on a semiconductor wafer. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to the laser irradiation apparatus shown in FIG. 5, and detailed description is abbreviate | omitted.
This laser irradiation apparatus (semiconductor device manufacturing apparatus) 90 includes a
レーザ照射体91は、レーザ発生源、例えばフェムト秒レーザ等のパルスレーザ装置93と、このパルスレーザ装置93から照射面91aに向けて延びる多数本の導光部材(光ファイバ)94,94・・・とを備えている。それぞれの導光部材94は、その一端がパルスレーザ装置93に臨み、他端が照射面91aに配列される。
The
このような構成によって、1つのパルスレーザ装置93から出射されたレーザビームは、多数本の導光部材(光ファイバ)94,94・・・のそれぞれを介して照射面91aに達する。そして、照射面91aから互いに平行な複数の光軸に沿って、多数本のレーザビームRとして半導体基板2に照射され、多数のゲッタリングシンク4が同時に形成される
With such a configuration, the laser beam emitted from one
このような構成のレーザー照射装置(半導体デバイスの製造装置)90によれば、1つのパルスレーザ装置(レーザー光源)から照射されたレーザビームを、導光部材によって分割して照射面91aから多数本のレーザビームRとして照射できるので、ローコストでかつ制御の容易なレーザー照射装置とすることができる。
また、ゲッタリングシンク4の形成密度を変更する際に、導光部材を増減させるだけでよいので、単結晶ウェーハの大口径化にもローコストに対応することができる。
According to the laser irradiation apparatus (semiconductor device manufacturing apparatus) 90 having such a configuration, a laser beam irradiated from one pulse laser apparatus (laser light source) is divided by a light guide member, and a large number of laser beams are irradiated from the
Further, when the formation density of the
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
1 ... Semiconductor substrate (semiconductor substrate for semiconductor devices)
2 ...
21 ...
Claims (10)
前記導体デバイス向け半導体基板を所定の温度でアニールし、前記ゲッタリングシンクに重金属を捕獲させるゲッタリング工程と、
を少なくとも備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 An element forming step of forming a semiconductor element at a position overlapping each gettering sink of the semiconductor substrate for a semiconductor device obtained by the method for manufacturing a semiconductor substrate for a semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
Gettering step of annealing the semiconductor substrate for the conductor device at a predetermined temperature and capturing the heavy metal in the gettering sink;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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