JP2019125748A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To suppress a decrease in contact resistance strength of a semiconductor wafer in a laser irradiation step.SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor device includes a first step and a second step of irradiating the surface of a semiconductor wafer with a laser. In the first step, the irradiation with the laser is performed to move the laser spot in the first direction at an energy density at which the semiconductor wafer is melted. In the second step, the irradiation with the laser is performed such that the laser spot moves along an area irradiated with the laser at the outer peripheral portion of the laser spot in the first step at an energy density at which the semiconductor wafer is not melted.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。   The technology disclosed herein relates to a method of manufacturing a semiconductor device.

特許文献１には、半導体装置の製造方法が開示されている。この製造方法は、半導体ウエハの表面にレーザを照射する工程を有している。この工程では、半導体ウエハの表面においてレーザスポットを移動させることで、半導体ウエハの表面全体にレーザを照射する。レーザを照射することで、半導体ウエハの表面電極が半導体層に対してオーミック接触する。   Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a semiconductor device. This manufacturing method includes the step of irradiating the surface of the semiconductor wafer with a laser. In this process, the laser is irradiated on the entire surface of the semiconductor wafer by moving the laser spot on the surface of the semiconductor wafer. By irradiating the laser, the surface electrode of the semiconductor wafer makes ohmic contact with the semiconductor layer.

特開２０１６−１２７１５７号公報JP, 2016-127157, A

半導体ウエハの薄板化に伴って、半導体ウエハの抗接強度の問題が顕在化している。半導体ウエハの抗折強度が低いと、半導体装置の製造工程において、半導体ウエハの割れが発生する。本明細書では、レーザ照射工程において、半導体ウエハの抗接強度の低下を抑制する技術を提供する。   With the thinning of semiconductor wafers, the problem of the contact strength of the semiconductor wafers has become apparent. When the semiconductor wafer has low bending strength, cracking of the semiconductor wafer occurs in the manufacturing process of the semiconductor device. The present specification provides a technique for suppressing the decrease in contact resistance strength of a semiconductor wafer in a laser irradiation step.

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体ウエハの表面にレーザを照射する第１工程と第２工程を有する。前記第１工程では、半導体ウエハが溶融するエネルギー密度で、第１方向に沿ってレーザスポットが移動するようにレーザを照射する。前記第２工程では、半導体ウエハが溶融しないエネルギー密度で、前記第１工程のレーザスポットの外周部でレーザを照射された領域に沿ってレーザスポットが移動するように、レーザを照射する。   A method of manufacturing a semiconductor device disclosed in the present specification includes first and second steps of irradiating a surface of a semiconductor wafer with a laser. In the first step, the laser is irradiated to move the laser spot along the first direction at an energy density at which the semiconductor wafer is melted. In the second step, the laser is irradiated such that the laser spot moves along the area irradiated with the laser at the outer peripheral portion of the laser spot in the first step at an energy density at which the semiconductor wafer is not melted.

なお、上記の「第１工程のレーザスポットの外周部」は、第１工程のレーザスポットのうちの半導体ウエハが溶融するエネルギー密度よりも低いエネルギー密度を有する部分を意味する。すなわち、第１工程のレーザスポットのうちの半導体ウエハが溶融するエネルギー密度を有する部分が主要部であり、その周囲の部分が外周部である。   The “peripheral portion of the laser spot in the first step” means a portion having an energy density lower than the energy density at which the semiconductor wafer is melted in the laser spot in the first step. That is, the portion having the energy density at which the semiconductor wafer melts in the laser spot of the first step is the main portion, and the portion around it is the outer peripheral portion.

第１工程では、半導体ウエハの表面で第１方向に沿ってレーザスポットが移動するようにレーザが半導体ウエハに照射される。ここで、レーザスポット内の温度分布は、レーザスポットの主要部で高温となり、レーザスポットの外周部で低温となる。また、レーザスポットの外周部では、外周側ほど温度が低くなるように温度が分布し、位置による温度差が大きくなる。このため、レーザスポットの外周部でレーザが照射された領域では、高い熱応力が生じ、半導体ウエハの内部に結晶欠陥が多く形成される。このため、第１工程を実施することで、半導体ウエハの抗接強度が低下する。第２工程で、第１工程においてレーザスポットの外周部でレーザを照射された領域（結晶欠陥が多く形成された領域）に沿って、半導体ウエハが溶融しないエネルギー密度でレーザを照射する。このため、結晶欠陥が多い領域が比較的低い温度に加熱され、結晶欠陥の多くが消滅する。これによって、半導体ウエハの抗接強度が回復する。したがって、この製造方法によれば、半導体ウエハの抗接強度の低下を抑制しながら、レーザ照射工程を実施することができる。   In the first step, the semiconductor wafer is irradiated with the laser so that the laser spot moves along the first direction on the surface of the semiconductor wafer. Here, the temperature distribution in the laser spot is high at the main part of the laser spot and low at the outer peripheral part of the laser spot. Further, in the outer peripheral portion of the laser spot, the temperature is distributed so that the temperature becomes lower toward the outer peripheral side, and the temperature difference depending on the position becomes larger. Therefore, high thermal stress is generated in the area irradiated with the laser at the outer peripheral portion of the laser spot, and many crystal defects are formed inside the semiconductor wafer. Therefore, the contact resistance of the semiconductor wafer is reduced by performing the first step. In the second step, the laser is irradiated at an energy density which does not melt the semiconductor wafer along the region (region where many crystal defects are formed) irradiated with the laser at the outer peripheral portion of the laser spot in the first step. For this reason, the region with many crystal defects is heated to a relatively low temperature, and many of the crystal defects disappear. This recovers the contact strength of the semiconductor wafer. Therefore, according to this manufacturing method, it is possible to carry out the laser irradiation step while suppressing the decrease in the contact resistance strength of the semiconductor wafer.

レーザの照射経路を示す平面図。The top view which shows the irradiation path of a laser. 半導体ウエハの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer. 第１工程のレーザスポット内のエネルギー分布を示す図。The figure which shows energy distribution in the laser spot of 1st process. 第１工程のレーザスポットの軌跡を示す図。The figure which shows the locus | trajectory of the laser spot of 1st process. 第２工程のレーザスポット内のエネルギー分布を示す図。The figure which shows the energy distribution in the laser spot of a 2nd process. 第２工程のレーザスポットの軌跡を示す図。The figure which shows the locus | trajectory of the laser spot of a 2nd process.

図１、２に示す半導体ウエハ１２は、半導体基板１４と、半導体基板１４の上面を覆う上部電極１６と、半導体基板１４の下面を覆う下部電極１８を有する。半導体基板１４は、ＳｉＣにより構成されている。下部電極１８は、ニッケルにより構成されている。半導体ウエハ１２の内部には、スイッチング素子等が形成されている。半導体ウエハ１２は、後に複数の半導体チップに分割されることで、半導体装置となる。以下に、半導体ウエハ１２の下面（すなわち、下部電極１８の表面）にレーザを照射することによって、下部電極１８を半導体基板１４に対してオーミック接触させるレーザ照射工程について説明する。   The semiconductor wafer 12 shown in FIGS. 1 and 2 has a semiconductor substrate 14, an upper electrode 16 covering the upper surface of the semiconductor substrate 14, and a lower electrode 18 covering the lower surface of the semiconductor substrate 14. The semiconductor substrate 14 is made of SiC. The lower electrode 18 is made of nickel. Switching elements and the like are formed inside the semiconductor wafer 12. The semiconductor wafer 12 later becomes a semiconductor device by being divided into a plurality of semiconductor chips. Hereinafter, a laser irradiation step of bringing the lower electrode 18 into ohmic contact with the semiconductor substrate 14 by irradiating the lower surface of the semiconductor wafer 12 (that is, the surface of the lower electrode 18) with a laser will be described.

レーザ照射工程は、第１工程と第２工程を有している。図１、２の矢印１００は、第１工程において半導体ウエハ１２の下面をレーザスポット２０が移動する軌跡を示している。図１に示すように、半導体ウエハ１２の下面においてレーザスポット２０がｙ方向に往復移動しながらｘ方向に移動する。これによって、半導体ウエハ１２の下面全域に、レーザが照射される。   The laser irradiation process has a first process and a second process. An arrow 100 in FIGS. 1 and 2 indicates a locus along which the laser spot 20 moves on the lower surface of the semiconductor wafer 12 in the first step. As shown in FIG. 1, the laser spot 20 moves in the x direction while reciprocating in the y direction on the lower surface of the semiconductor wafer 12. Thus, the laser is irradiated on the entire lower surface of the semiconductor wafer 12.

図３は、第１工程において半導体ウエハ１２の下面に照射されるレーザスポット２０と、レーザのエネルギー密度分布を示している。図３において、エネルギー密度Ｅ１は、半導体基板１４の半導体層を溶融させるのに必要なエネルギー密度であり、エネルギー密度Ｅ２はレーザ照射範囲内のエネルギー密度の最大値の半分のエネルギー密度である。図３において、エネルギー密度Ｅ２よりも低いエネルギー密度の部分は、半導体ウエハ１２を加熱する能力が極めて低い。したがって、本実施形態では、エネルギー密度Ｅ２よりも高いエネルギー密度を有する部分を、レーザスポット２０という。また、レーザスポット２０のうちのエネルギー密度Ｅ１よりも高いエネルギー密度を有する部分を主要部２０ａという。また、レーザスポット２０のうち、エネルギー密度Ｅ１よりも低いエネルギー密度を有する部分を、外周部２０ｂという。主要部２０ａはレーザスポット２０の中央に位置し、外周部２０ｂは主要部２０ａの周囲に位置する。図３に示すように、主要部２０ａ内では、エネルギー密度が高い値で略均一に分布している。外周部２０ｂ内では、エネルギー密度が、レーザスポット２０の外周側に向かうほど低下している。外周部２０ｂ内では、半径方向の位置によってエネルギー密度に大きな差が生じている。   FIG. 3 shows the laser spot 20 irradiated to the lower surface of the semiconductor wafer 12 in the first step and the energy density distribution of the laser. In FIG. 3, the energy density E1 is the energy density necessary to melt the semiconductor layer of the semiconductor substrate 14, and the energy density E2 is the energy density which is half the maximum value of the energy density in the laser irradiation range. In FIG. 3, the portion of the energy density lower than the energy density E2 has a very low ability to heat the semiconductor wafer 12. Therefore, in the present embodiment, a portion having an energy density higher than the energy density E2 is referred to as a laser spot 20. Further, a portion of the laser spot 20 having an energy density higher than the energy density E1 is referred to as a main portion 20a. Further, a portion of the laser spot 20 having an energy density lower than the energy density E1 is referred to as an outer peripheral portion 20b. The main portion 20a is located at the center of the laser spot 20, and the outer peripheral portion 20b is located around the main portion 20a. As shown in FIG. 3, in the main portion 20a, the energy density is distributed substantially uniformly at a high value. In the outer peripheral portion 20 b, the energy density decreases toward the outer peripheral side of the laser spot 20. In the outer peripheral portion 20b, a large difference occurs in the energy density depending on the position in the radial direction.

図４は、第１工程において、レーザスポット２０がｙ方向に移動する様子を示している。第１工程では、レーザの照射位置をｙ方向に移動させながら、レーザをパルス照射する。すなわち、レーザを、極めて短い周期で間欠的に照射する。このため、レーザスポット２０が図４に示すような軌跡を描く。図４において、グレーハッチングされた領域２２は、レーザスポット２０の外周部２０ｂが通過する領域である。すなわち、領域２２は、主要部２０ａで加熱されることなく、外周部２０ｂによって加熱された領域である。また、図４において、２つの領域２２に挟まれた範囲は、レーザスポット２０の主要部２０ａが通過する領域である。   FIG. 4 shows how the laser spot 20 moves in the y direction in the first step. In the first step, the laser is pulsed while moving the laser irradiation position in the y direction. That is, the laser is intermittently irradiated in a very short cycle. For this reason, the laser spot 20 draws a locus as shown in FIG. In FIG. 4, the gray hatched area 22 is an area through which the outer peripheral portion 20 b of the laser spot 20 passes. That is, the region 22 is a region heated by the outer peripheral portion 20 b without being heated by the main portion 20 a. Further, in FIG. 4, the area sandwiched between the two areas 22 is an area through which the main portion 20 a of the laser spot 20 passes.

主要部２０ａが通過する領域では、半導体基板１４の下面近傍で半導体層が瞬間的に溶融し、その後すぐに凝固する。その結果、半導体層（すなわち、ＳｉＣ）と下部電極１８（ニッケル）が合金化し、下部電極１８がニッケルシリサイドに変化する。これによって、下部電極１８が半導体基板１４に対してオーミック接触する。   In the region through which the main portion 20a passes, the semiconductor layer instantaneously melts in the vicinity of the lower surface of the semiconductor substrate 14 and solidifies immediately thereafter. As a result, the semiconductor layer (i.e., SiC) and the lower electrode 18 (nickel) are alloyed, and the lower electrode 18 is changed to nickel silicide. By this, the lower electrode 18 makes ohmic contact with the semiconductor substrate 14.

他方、外周部２０ｂが通過する領域２２では、エネルギー密度が低いので、半導体基板１４の半導体層は溶融しない。また、図３に示すように、外周部２０ｂでは、エネルギー密度が外周側ほど低下するように分布している。このため、レーザ照射時に、領域２２では、レーザスポット２０の外周側ほど低温となるように温度が分布する。すなわち、領域２２の内部で、大きい温度差が生じる。このため、領域２２内の半導体層で、高い熱応力が生じる。その結果、領域２２内の半導体層に、図２に示すように、多数の結晶欠陥９０が生成される。特に、領域２２は半導体層が溶融する領域（主要部２０ａが通過する領域）と半導体層が溶融しない領域の境界に位置するので、領域２２に多くの結晶欠陥が生成される。このように、領域２２に多くの結晶欠陥が生成されることによって、半導体ウエハ１２の抗接強度が低下する。   On the other hand, in the region 22 where the outer peripheral portion 20b passes, the energy density is low, so the semiconductor layer of the semiconductor substrate 14 is not melted. Further, as shown in FIG. 3, in the outer peripheral portion 20 b, the energy density is distributed so as to decrease toward the outer peripheral side. For this reason, at the time of laser irradiation, in the area | region 22, temperature distributes so that it may become low temperature so that the outer peripheral side of the laser spot 20 may be. That is, a large temperature difference occurs within region 22. Therefore, high thermal stress occurs in the semiconductor layer in the region 22. As a result, as shown in FIG. 2, a large number of crystal defects 90 are generated in the semiconductor layer in the region 22. In particular, since the region 22 is located at the boundary between the region where the semiconductor layer melts (the region where the main portion 20a passes) and the region where the semiconductor layer does not melt, many crystal defects are generated in the region 22. Thus, the generation of a large number of crystal defects in the region 22 reduces the contact strength of the semiconductor wafer 12.

第１工程の実施後に、第２工程を実施する。第２工程では、第１工程よりも低いエネルギー密度で、半導体ウエハ１２の下面（すなわち、下部電極１８の表面）にレーザを照射する。第２工程では、半導体基板１４の半導体層が溶融しないエネルギー密度で、レーザを照射する。図５は、第２工程において半導体ウエハ１２の下面に照射されるレーザのエネルギー密度分布を示している。図５において、エネルギー密度Ｅ３はレーザ照射範囲内のエネルギー密度の最大値の９０％のエネルギー密度であり、エネルギー密度Ｅ４はレーザ照射範囲内のエネルギー密度の最大値の半分のエネルギー密度である。第２工程においては、エネルギー密度Ｅ４よりも高いエネルギー密度を有する部分を、レーザスポット３０という。また、レーザスポット３０のうちのエネルギー密度Ｅ３よりも高いエネルギー密度を有する部分を主要部３０ａという。また、レーザスポット３０のうち、エネルギー密度Ｅ３よりも低いエネルギー密度を有する部分を、外周部３０ｂという。また、図５において、エネルギー密度Ｅ１は、図３のエネルギー密度Ｅ１と同じ値（半導体基板１４を溶融させるのに必要なエネルギー密度）を示している。図５に示すように、レーザスポット３０の全体において、エネルギー密度がエネルギー密度Ｅ１よりも低い。主要部３０ａはレーザスポット３０の中央部に位置し、外周部３０ｂは主要部３０ａの周囲に位置する。   After the implementation of the first step, the second step is performed. In the second step, the lower surface of the semiconductor wafer 12 (that is, the surface of the lower electrode 18) is irradiated with a laser at an energy density lower than that of the first step. In the second step, the laser is irradiated at an energy density at which the semiconductor layer of the semiconductor substrate 14 is not melted. FIG. 5 shows the energy density distribution of the laser irradiated to the lower surface of the semiconductor wafer 12 in the second step. In FIG. 5, the energy density E3 is an energy density of 90% of the maximum value of the energy density in the laser irradiation range, and the energy density E4 is an energy density of half the maximum value of the energy density in the laser irradiation range. In the second step, a portion having an energy density higher than the energy density E4 is referred to as a laser spot 30. Further, a portion of the laser spot 30 having an energy density higher than the energy density E3 is referred to as a main portion 30a. Further, a portion of the laser spot 30 having an energy density lower than the energy density E3 is referred to as an outer peripheral portion 30b. Further, in FIG. 5, the energy density E1 indicates the same value as the energy density E1 of FIG. 3 (energy density required to melt the semiconductor substrate 14). As shown in FIG. 5, the energy density is lower than the energy density E1 throughout the laser spot 30. The main portion 30a is located at the central portion of the laser spot 30, and the outer peripheral portion 30b is located around the main portion 30a.

第２工程では、図６に示すように、領域２２（第１工程で結晶欠陥が生成された領域）上をレーザスポット３０の主要部３０ａが通るように、レーザスポット３０を移動させる。なお、図６では、図の見易さのため、主要部３０ａ及び外周部３０ｂを図示していない。レーザスポット３０の主要部３０ａでは、エネルギー密度がエネルギー密度Ｅ１よりも低いので、半導体層が溶けない程度の温度に半導体層が加熱される。すると、領域２２内の半導体層中の結晶欠陥の多くが消滅し、結晶欠陥の数が減少する。また、図６のようにレーザスポット３０を移動させると、レーザスポット３０の外周部３０ｂ（図５参照）において、温度が外周側ほど低温となるように分布する。しかしながら、図５に示すように、外周部３０ｂでは、第１工程におけるレーザスポット２０の外周部２０ｂ（図３参照）よりもエネルギー密度が変化する勾配が小さい。このため、外周部３０ｂ内の半導体層で生じる温度勾配は小さい。したがって、外周部３０ｂ内の半導体層にそれほど高い熱応力は生じず、外周部３０ｂ内の半導体層に結晶欠陥が生成され難い。特に、第２工程では、レーザスポット３０の全体で半導体層が溶融しないので、外周部３０ｂは溶融した領域と溶融しなかった領域の境界とはならない。これによって、外周部３０ｂで結晶欠陥がより生じ難くなっている。このため、第２工程では、外周部３０ｂの通過領域に結晶欠陥がほとんど生じない。   In the second step, as shown in FIG. 6, the laser spot 30 is moved so that the main portion 30a of the laser spot 30 passes over the region 22 (the region in which the crystal defect is generated in the first step). In addition, in FIG. 6, the main part 30a and the outer peripheral part 30b are not shown in figure for the viewability of a figure. In the main portion 30a of the laser spot 30, the energy density is lower than the energy density E1, so the semiconductor layer is heated to a temperature at which the semiconductor layer does not melt. Then, most of the crystal defects in the semiconductor layer in the region 22 disappear and the number of crystal defects decreases. Further, when the laser spot 30 is moved as shown in FIG. 6, the temperature is distributed in the outer peripheral portion 30b (see FIG. 5) of the laser spot 30 so that the temperature becomes lower toward the outer peripheral side. However, as shown in FIG. 5, in the outer peripheral portion 30b, the gradient in which the energy density changes is smaller than that of the outer peripheral portion 20b (see FIG. 3) of the laser spot 20 in the first step. Therefore, the temperature gradient generated in the semiconductor layer in the outer peripheral portion 30b is small. Therefore, high thermal stress does not occur in the semiconductor layer in the outer peripheral portion 30b, and crystal defects are not easily generated in the semiconductor layer in the outer peripheral portion 30b. In particular, in the second step, the semiconductor layer does not melt in the entire laser spot 30, so the outer peripheral portion 30b does not become a boundary between the melted region and the unmelted region. As a result, crystal defects are less likely to occur in the outer peripheral portion 30b. For this reason, in the second step, almost no crystal defects occur in the passage region of the outer peripheral portion 30b.

第２工程の実施後に、半導体ウエハ１２を複数に分割することで、半導体装置が製造される。   A semiconductor device is manufactured by dividing | segmenting semiconductor wafer 12 into plurality after implementation of a 2nd process.

以上に説明したように、第２工程では、新たな結晶欠陥をほとんど生じさせることなく、第１工程で生じた結晶欠陥を減少させることができる。その結果、第２工程において、半導体ウエハ１２の抗接強度が回復する。このように、この製造方法によれば、半導体ウエハ１２の抗接強度の低下を抑制しながら、レーザ照射工程を実施することができる。   As described above, in the second step, the crystal defects generated in the first step can be reduced with almost no new crystal defects. As a result, in the second step, the contact strength of the semiconductor wafer 12 is recovered. Thus, according to this manufacturing method, it is possible to carry out the laser irradiation process while suppressing the decrease in the contact resistance strength of the semiconductor wafer 12.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。   As mentioned above, although embodiment was described in detail, these are only examples and do not limit the range of a claim. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of application. In addition, the techniques illustrated in the present specification or the drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of the purposes itself has technical utility.

１２ ：半導体ウエハ
１４ ：半導体基板
１６ ：上部電極
１８ ：下部電極
２０ ：レーザスポット
２０ａ ：主要部
２０ｂ ：外周部
２２ ：領域
３０ ：レーザスポット
３０ａ ：主要部
３０ｂ ：外周部 12: semiconductor wafer 14: semiconductor substrate 16: upper electrode 18: lower electrode 20: laser spot 20a: main portion 20b: outer peripheral portion 22: region 30: laser spot 30a: main portion 30b: outer peripheral portion

Claims (1)

半導体装置の製造方法であって、
半導体ウエハの表面にレーザを照射する第１工程と第２工程を有し、
前記第１工程では、半導体ウエハが溶融するエネルギー密度で、第１方向に沿ってレーザスポットが移動するようにレーザを照射し、
前記第２工程では、半導体ウエハが溶融しないエネルギー密度で、前記第１工程のレーザスポットの外周部でレーザを照射された領域に沿ってレーザスポットが移動するように、レーザを照射する、
製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device;
It has a first step and a second step of irradiating the surface of the semiconductor wafer with a laser,
In the first step, the laser is irradiated such that the laser spot moves along the first direction at an energy density at which the semiconductor wafer melts.
In the second step, the laser is irradiated such that the laser spot moves along the area irradiated with the laser at the outer peripheral portion of the laser spot in the first step at an energy density at which the semiconductor wafer is not melted.
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