JP2012212800A - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、レーザによりシリコンウェーハの表層を溶融して、結晶欠陥を消滅させた領域を確保しつつ、且つ不純物を除去したシリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明のシリコンウェーハの製造方法は、シリコン単結晶インゴットをウェーハ加工し、これにより得られたシリコンウェーハの表層を、パルス発振レーザを照射することにより溶融し、固化して、シリコンウェーハ表層内の結晶欠陥を消滅させる、シリコンウェーハの製造方法において、結晶欠陥の消滅深さがシリコンウェーハ表層に混入する不純物の拡散深さより深くなるようにパルス発振レーザを照射し、その後シリコンウェーハの表面から、不純物の拡散深さと結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、シリコンウェーハ表層を除去して不純物を取り除く。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェーハの製造方法に関し、特に、レーザによりシリコンウェーハの表層を溶融して、結晶欠陥を消滅させた無欠陥領域を確保しつつ、且つ酸素、窒素、炭素などの不純物を除去したシリコンウェーハの製造方法に関する。

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの引き上げ時には、空孔、格子間酸素などがこのインゴットに導入され、空孔が凝集することによりボイド欠陥が生成されて、格子間酸素が析出することにより酸素析出物が生成されることが知られている。
このような結晶欠陥がシリコンウェーハの表層に存在すると、デバイス形成時の歩留低下を招くため、この結晶欠陥を消滅させることが望まれている。

これに対し、特許文献１には、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをウェーハ加工することで得られたシリコンウェーハの表層のみを、高エネルギー光の照射により溶融させ、結晶引上げに起因したＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させるシリコンウェーハの製造方法が開示されている。
この技術によれば、レーザにより溶融されたウェーハ表層の結晶欠陥が消滅し、この無欠陥領域をデバイス領域として用いることができる。

特開２０１０−８７３７５号公報

しかし、特許文献１に記載の方法によると、レーザ照射の際に、レーザにより溶融し、固化するウェーハ表層に、大気中の酸素、窒素、炭素などの不純物が混入し、ウェーハの品質を低下させてしまうという問題があった。
また、この不純物を取り除くためにエッチング等によりシリコンウェーハの表層を除去すると、レーザ照射により欠陥を消滅させた無欠陥領域までも除去され、上述したデバイス形成時の歩留低下の問題が解消されないおそれがあった。

本発明は、上記の問題を解決するものであり、その目的は、レーザによりシリコンウェーハの表層を溶融して、結晶欠陥を消滅させた領域を確保しつつ、且つ不純物を除去したシリコンウェーハの製造方法を提供することにある。

発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、上記レーザによる結晶欠陥の消滅深さが上記シリコンウェーハ表層に混入する不純物の拡散深さより深くなるように制御して、パルス発振レーザを照射することが重要であることの知見を得た。これにより、その後、ウェーハ表面から、結晶欠陥の消滅深さと不純物の拡散深さとの間の深さまで、ウェーハ表層を除去することによって、デバイスを形成するための無欠陥領域を残存させつつ、不純物を取り除くことができることを見出したものである。
発明者らは、さらに、上記結晶欠陥の消滅深さをパルス発振レーザのエネルギー密度の選定により制御し、且つ上記不純物の拡散深さをパルス発振レーザのパルス数の選定によって制御することが有効であることを、その具体的な条件と共に見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は、以下の通りである。
（１）シリコン単結晶インゴットをウェーハ加工し、これにより得られたシリコンウェーハの表層を、パルス発振レーザを照射することにより溶融し、固化して、該シリコンウェーハ表層内の結晶欠陥を消滅させる、シリコンウェーハの製造方法において、
前記結晶欠陥の消滅深さが前記シリコンウェーハ表層に混入する不純物の拡散深さより深くなるように前記パルス発振レーザを照射し、
前記シリコンウェーハの表面から、前記不純物の拡散深さと前記結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、前記シリコンウェーハ表層を除去して前記不純物を取り除くことを特徴とする、シリコンウェーハの製造方法。

（２）前記パルス発振レーザのエネルギー密度により前記結晶欠陥の消滅深さを制御し、且つ前記パルス発振レーザのパルス数により前記不純物の拡散深さを制御する、上記（１）に記載のシリコンウェーハの製造方法。

（３）前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、４（Ｊ/ｃｍ^２）以上６（Ｊ/ｃｍ^２）未満であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１であるか、あるいは、
前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、６（Ｊ/ｃｍ^２）以上１１（Ｊ/ｃｍ^２）未満であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１〜２であるか、あるいは、
前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、１１（Ｊ/ｃｍ^２）以上２０（Ｊ/ｃｍ^２）以下であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１〜３である、上記（２）に記載のシリコンウェーハの製造方法。

（４）前記不純物を取り除いたシリコンウェーハの表面を研磨する、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載のシリコンウェーハの製造方法。

本発明によれば、結晶欠陥が消滅され、不純物も除去された、高品質のシリコンウェーハを提供することができる。

本発明のシリコンウェーハの製造方法について説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）レーザビームのスキャン方法を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明について具体的に説明する。
本発明のシリコンウェーハの製造方法は、シリコン単結晶インゴットをウェーハ加工し、図１（ａ）に示すように、得られたシリコンウェーハ１の表層にある結晶欠陥２を消滅させるために、シリコンウェーハ１の表面にパルス発振レーザを照射する。
パルス発振レーザが照射されたシリコンウェーハ１は、ウェーハ表面から溶融し、内部から固化する。このため、ウェーハ内部では溶融時間が短くなり結晶欠陥２が残存するものの、溶融時間の長いウェーハ表層の結晶欠陥２を消滅させることができる。
このとき、図１（ｂ）に模式的に示すように、固化したシリコンウェーハ１の表層には、大気中の酸素、窒素、炭素などの不純物３が混入する。

ここで、図１（ｂ）に示すように、本発明のシリコンウェーハの製造方法にあっては、結晶欠陥２を消滅させる深さｈ１が、シリコンウェーハ１の表層に混入する不純物３の拡散深さｈ２より深くなるようにパルス発振レーザを制御して照射することが肝要である。
上記のように制御することにより、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、シリコンウェーハ１の表面から、消滅深さｈ１と拡散深さｈ２との間の深さｈまで、シリコンウェーハ１の表層を除去して、結晶欠陥が消滅した無欠陥領域４を残しつつ、シリコンウェーハ１から不純物３を取り除くことができる。
これにより、デバイスを形成するための無欠陥領域を有し、且つ、レーザ照射により混入した酸素、窒素、炭素などの不純物が除去された、高品質のシリコンウェーハを得ることができる。

また、デバイス領域を形成するためには、無欠陥領域４の厚さは０．１μｍ以上とすることが好ましい。
従って、上記消滅深さｈ１は上記拡散深さｈ２より０．１μｍ以上深いことがより好ましく、上記したウェーハ表層の除去は、無欠陥領域の厚さが０．１μｍ以上となるように行うことが好ましい。

ここで、上記パルス発振レーザの照射により、結晶欠陥の消滅深さｈ１が不純物の拡散深さｈ２より深くなるようにするためのより具体的な手法について説明する。
まず、発明者らは、結晶欠陥の消滅深さを不純物の拡散深さより深くするためには、パルス発振レーザのエネルギー密度を高くすることが有効であること、つまり、結晶欠陥の消滅深さは、パルス発振レーザのエネルギー密度により制御できることを見出した。
すなわち、パルス発振レーザのエネルギー密度が高いほど、シリコンウェーハの表層の溶融時間が長くなるため、結晶欠陥の消滅深さが、パルス発振レーザのエネルギー密度にほぼ比例して深くなる。
一方で、パルス発振レーザのエネルギー密度を高くして溶融時間が長くなっても、不純物の拡散深さは溶融時間の２分の１乗にほぼ比例するため、不純物の拡散深さは、結晶欠陥の消滅深さほど深くならない。
従って、パルス発振レーザのエネルギー密度を高くすることにより、不純物の拡散深さをさほど深くすることなく、結晶欠陥の消滅深さを深くすることができるのである。

また、発明者らは、不純物の拡散深さを浅くするためには、パルス発振レーザのパルス数を少なくすることが有効であることを見出した。
すなわち、パルス発振レーザのパルス数を少なくすることにより、不純物の実効的な拡散時間を低減させることができ、これにより、不純物の拡散深さを浅くすることができるのである。
また、パルス発振レーザの照射によりシリコンウェーハの表層を溶融させた後、次のパルス発振レーザの照射までの間にシリコンウェーハの表層が固化するため、パルス発振レーザのパルス数は、結晶欠陥の消滅深さにはほとんど影響を与えない。
従って、パルス発振レーザのパルス数を少なくすることにより、結晶欠陥の消滅深さにほぼ影響を与えずに、不純物の拡散深さを浅くすることができる。

以上のことから、パルス発振レーザのエネルギー密度の選定により結晶欠陥の消滅深さを制御し、且つパルス発振レーザのパルス数の選定により不純物の拡散深さを制御して、結晶欠陥の消滅深さが不純物の拡散深さより深くなるようにレーザ照射を行うことが好ましい。
そして、シリコンウェーハの表面から、不純物の拡散深さと結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、シリコンウェーハ表層を除去して不純物を取り除くことにより、所期した目的を達成することができる。

ここで、パルス発振レーザのエネルギー密度は、４〜２０（Ｊ/ｃｍ^２）とし、且つパルス発振レーザのパルス数は、１〜３とすることが好ましい。
なぜなら、パルス発振レーザのエネルギー密度を４（Ｊ/ｃｍ^２）以上とすることにより、より確実に結晶欠陥の消滅深さが不純物の拡散深さより深くなるようにすることができ、一方で、２０（Ｊ/ｃｍ^２）以下とすることにより、アブレーションを防止することができるからである。
また、パルス発振レーザのパルス数を３以下とすることにより、不純物の拡散深さを浅くして、より確実に結晶欠陥の消滅深さが不純物の拡散深さより深くなるようにすることができるからである。
より具体的には、パルス発振レーザのエネルギー密度が４（Ｊ/ｃｍ^２）以上６（Ｊ/ｃｍ^２）未満である場合には、パルス発振レーザのパルス数を１とし、パルス発振レーザのエネルギー密度が６（Ｊ/ｃｍ^２）以上１１（Ｊ/ｃｍ^２）未満である場合には、パルス発振レーザのパルス数を１〜２とし、パルス発振レーザのエネルギー密度が１１（Ｊ/ｃｍ^２）以上２０（Ｊ/ｃｍ^２）以下である場合には、パルス発振レーザのパルス数を１〜３とすることが好ましい。

上記のように、不純物の拡散深さを浅くするためには、パルス発振レーザのパルス数は少ないほど好ましく、図２（ａ）に示すように、レーザビームの縦方向及び横方向のいずれもウェーハ径より大きい場合には、パルス発振レーザを、４〜２０（Ｊ/ｃｍ^２）のエネルギー密度で、１パルス照射すれば、不純物の拡散深さを結晶欠陥の消滅深さより浅くすることができる。
しかし、レーザビームの縦方向及び横方向のいずれかがウェーハ径より小さい場合は、レーザをオーバーラップさせてスキャンしながらレーザ照射する必要がある。例えば、図２（ｂ）に示すように、ビームの縦方向（長軸）がウェーハ径より大きく、ビームの横方向（短軸）のみがウェーハ径より小さい場合は、ビームの短軸のみをオーバーラップさせて、６〜２０（Ｊ/ｃｍ^２）のエネルギー密度で、１〜２パルス照射することにより、ウェーハ全面にわたって、不純物の拡散深さを結晶欠陥の消滅深さより浅くすることができる。
また、図２（ｃ）に示すように、ビームの縦方向（長軸）、横方向（短軸）ともにウェーハ径より小さい場合は、ビームの長軸、短軸ともにオーバーラップさせて、１１〜２０（Ｊ/ｃｍ^２）のエネルギー密度で、１〜３パルス照射することにより、ウェーハ全面にわたって、不純物の拡散深さを結晶欠陥の消滅深さより浅くすることができる。

ここで、ウェーハ全面にわたって、１〜３パルス照射するためには、ビームのオーバーラップ率を５０％以下とする必要があるが、例えば、ビームのプロファイルがガウシアン形状の場合は、エネルギー密度が中心で高く周辺で低いので、オーバーラップ率が小さすぎると、ウェーハ表層の結晶欠陥の消滅深さがばらつくおそれがあるため、ビームのプロファイルを測定して、結晶欠陥の消滅深さのばらつきが小さくなるようにビームのオーバーラップ率を設定するのが好ましい。
なお、パルス発振レーザの１回のレーザ照射時間であるパルス幅は、５０〜１０００ｎｓｅｃとすることが好ましい。なぜなら、パルス幅を１０００ｎｓｅｃ以下とすることにより、シリコンウェーハ表層の溶融深さを深くすることができ、一方で、パルス幅を５０ｎｓｅｃ以上にすることにより、シリコンウェーハ表層の溶融時間を長くすることができるからである。

なお、結晶欠陥の消滅深さを深くするためには、パルス発振レーザのエネルギー密度を高くするとともに、パルス発振レーザの波長を長くすることが好ましい。
パルス発振レーザの波長を長くすることにより、シリコンウェーハを深く溶融して、結晶欠陥を深い位置まで消滅させることができるからである。
具体的には、紫外線（波長１０〜３１５ｎｍ）より、可視光線（波長３１５〜７８０ｎｍ）が好ましい。一方、赤外線（波長７８０ｎｍ〜１００μｍ）はシリコンウェーハを透過するので好ましくない。例えば、波長３０８ｎｍの紫外線のシリコンに対する進入深さは約０．０１μｍであり、この侵入深さでも、熱伝導によりウェーハ表層の０．１μｍ以上を溶融させることができるが、波長５３２ｎｍの可視光線のシリコンに対する進入深さは約１μｍであり、ウェーハ表層の１μｍ以上を溶融させることができる。

また、結晶欠陥の消滅深さを深くするためには、シリコンウェーハ表層の溶融時間を長くすれば良いため、例えば、パルス発振レーザによるシリコンウェーハ表層の溶融と同時に、シリコンウェーハを予備加熱したり、マイクロ波を照射したりすることが好ましい。
予備加熱は、例えば、シリコンウェーハを溶融するためのパルス発振レーザとは別の、加熱用の連続発振レーザをシリコンウェーハの表層に照射したり、あるいは、加熱したガスをシリコンウェーハに噴きつけたりすることにより行うことができる。

ところで、シリコンウェーハの表面から、不純物の拡散深さと結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、シリコンウェーハ表層を除去する深さを決定するのは、上記パルス発振レーザのエネルギー密度、パルス数、パルス幅、波長などのパルス発振レーザの特性から上記不純物の拡散深さや結晶欠陥の消滅深さを事前に予測して行ってもよいし、上記不純物の拡散深さや結晶欠陥の消滅深さを逐一測定して行ってもよい。
なお、結晶欠陥の消滅深さは、例えば、光散乱トモグラフ法により測定することができる。また、不純物の拡散深さは、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することができる。

ここで、シリコンウェーハの表面から、不純物の拡散深さと結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、シリコンウェーハ表層を除去するのは、化学的又は機械的なウェーハ表面処理により行うことができる。
化学的な表面処理としては、例えば、シリコンのエッチングに一般的に用いられる、ＨＦとＨＮＯ_３の混酸をＨ_２ＯあるいはＣＨ_３ＣＯＨで希釈した酸エッチング液を使用した処理を行うことができる。また、ＫＯＨあるいはＮａＯＨなどのアルカリエッチング液を使用した処理を行うこともできる。
また、機械的な表面処理は、例えば、大きな粒径の砥粒を添加した高能率の研磨剤を用いた粗研磨による処理を行うことができる。
また、上記のウェットエッチングや粗研磨による処理より、ウェーハ表層を均一に除去する方法として、例えば、ＰＡＣＥ（ＰｌａｓｍａＡｓｓｉｓｔｅｄ ＣｈｅｍｉｃａｌＥｔｃｈｉｎｇ）やＤＣＰ（Ｄｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）などのドライエッチングによる処理を行うことができる。

さらに、本発明の方法においては、上記ウェーハ表層の除去の後、ウェーハの表面を平坦化するための仕上げ研磨を行うことができる。
この仕上げ研磨は、例えば、不織布の基布の上にウレタン樹脂などを発泡させたスエード状の研磨布を用い、研磨液として、ウェーハ表面上のくもりを抑制するための添加剤を加えた研磨剤などを用いるなどして行うことができる。なお、仕上げ研磨は、上記ウェーハ表層の除去の後に、ウェーハ表面をさらに、０．００５〜０．１μｍ研磨することが好ましい。

直径３００ｍｍ、抵抗率１０Ω・ｃｍ、ｐ型、結晶方位（１００）のシリコン単結晶インゴットをウェーハ加工し、これにより得られたシリコンウェーハの表層に、パルス発振レーザのエネルギー密度及びパルス数を変えて、パルス発振レーザの照射を行い、該シリコンウェーハの表層を溶融し、固化してシリコンウェーハを製造し、そのシリコンウェーハの結晶欠陥の消滅深さ及び不純物の深さプロファイルを評価する試験を行ったので、以下詳細に説明する。

上記試験は、まず、シリコン単結晶インゴットをウェーハ加工して得られたシリコンウェーハの表面に可視光レーザ（波長５３２ｎｍ）を所定のエネルギー密度Ｅ（Ｊ/ｃｍ^２）、パルス幅２００ｎｓｅｃでパルス数Ｎ回の条件で照射して、シリコンウェーハ表層を所望の深さまで溶融し、固化（再結晶化）した。このようにして製造したシリコンウェーハに対し、シリコンウェーハの表面近傍を電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察して、再結晶化に伴う欠陥の発生の有無を評価し、無欠陥での再結晶化ができていることを確認した後、以下の評価を行った。
＜評価１＞
光散乱トモグラフ法により、シリコンウェーハ表層の結晶欠陥（ボイド欠陥、酸素析出物など）の消滅深さを評価した。無欠陥層（ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ：ＤＺ）の評価は、ウェーハ表面から３個目の欠陥までの距離を計測するのが一般的であり、本試験でも、ウェーハ表面から３個目の欠陥までの距離を結晶欠陥の消滅深さとした。
＜評価２＞
ＳＩＭＳにより、シリコンウェーハ表層の不純物（酸素、窒素、炭素）の深さのプロファイルを評価した。窒素は、ウェーハ表層で１×１０^１６〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３検出されたが、ウェーハ内部では検出下限（約１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であった。また、炭素は、ウェーハ表層で１×１０^１７〜１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３検出されたが、ウェーハ内部では検出下限（約１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であった。一方、酸素はウェーハ表層で約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３検出され、ウェーハ内部でもシリコン単結晶インゴットの引き上げ時に導入された酸素が約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３検出された。そこで、本試験では、ウェーハ表面から、ウェーハ表層の酸素濃度がウェーハ内部の酸素濃度と同じ濃度まで低下した深さまでを不純物の拡散深さとした。
以下、表１に、パルス発振レーザのエネルギー密度及びパルス数を変化させたときの上記の評価結果等を示す。なお、エネルギー密度を２１（Ｊ/ｃｍ^２）にすると、アブレーションが発生した。

表１に示すように、パルス発振レーザのエネルギー密度を４（Ｊ/ｃｍ^２）以上６（Ｊ/ｃｍ^２）未満とし、且つパルス発振レーザのパルス数を１とするか、あるいは、パルス発振レーザのエネルギー密度を６（Ｊ/ｃｍ^２）以上１１（Ｊ/ｃｍ^２）未満とし、且つパルス発振レーザのパルス数を１〜２とするか、あるいは、パルス発振レーザのエネルギー密度を１１（Ｊ/ｃｍ^２）以上２０（Ｊ/ｃｍ^２）以下とし、且つパルス発振レーザのパルス数を１〜３とすることにより、不純物を除去しつつ、デバイス層の形成に必要な無欠陥領域を確保することができることがわかる。
なお、不純物の拡散深さが、結晶欠陥の消滅深さより深い場合は、無欠陥領域を残存させると、拡散した不純物も残存してしまうことになる。

１ シリコンウェーハ
２ 結晶欠陥
３ 不純物
４ 無欠陥領域

Claims (4)

1. シリコン単結晶インゴットをウェーハ加工し、これにより得られたシリコンウェーハの表層を、パルス発振レーザを照射することにより溶融し、固化して、該シリコンウェーハ表層内の結晶欠陥を消滅させる、シリコンウェーハの製造方法において、
   前記結晶欠陥の消滅深さが前記シリコンウェーハ表層に混入する不純物の拡散深さより深くなるように前記パルス発振レーザを照射し、
   前記シリコンウェーハの表面から、前記不純物の拡散深さと前記結晶欠陥の消滅深さの間の深さまで、前記シリコンウェーハ表層を除去して前記不純物を取り除くことを特徴とする、シリコンウェーハの製造方法。
2. 前記パルス発振レーザのエネルギー密度により前記結晶欠陥の消滅深さを制御し、且つ前記パルス発振レーザのパルス数により前記不純物の拡散深さを制御する、請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法。
3. 前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、４（Ｊ/ｃｍ^２）以上６（Ｊ/ｃｍ^２）未満であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１であるか、あるいは、
   前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、６（Ｊ/ｃｍ^２）以上１１（Ｊ/ｃｍ^２）未満であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１〜２であるか、あるいは、
   前記パルス発振レーザのエネルギー密度は、１１（Ｊ/ｃｍ^２）以上２０（Ｊ/ｃｍ^２）以下であり、且つ前記パルス発振レーザのパルス数は、１〜３である、請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
4. 前記不純物を取り除いたシリコンウェーハの表面を研磨する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。

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