JP2022136730A - シリコンウエハのエッジ品質向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いた熱処理によるシリコンウエハの表面欠陥の修復に対して、粗さの除去とうねりの除去を両立する。【解決手段】レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ１のエッジ品質向上方法であって、シリコンウエハ１の面取り工程（Ｓ1）後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射（Ｓ２）し、その後、シリコンウエハ１をエッチング処理（Ｓ３）し、エッチング処理（Ｓ３）後、再び研削面にナノ秒パルスレーザを照射（Ｓ４）する。なお、ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することが望ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復に係り、特に、レーザ熱処理を用いてエッジ（外周部、ノッチ部、オリフラ部）の品質向上を行うシリコンウエハの品質向上方法に関する。

半導体デバイス等の作製に使用されるシリコンウエハ等の半導体ウエハは、切削・研削・ラッピング・ポッリシングなどの機械加工プロセスによって表面加工が行われている。この表面加工により、その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック（微小亀裂）が含まれる。この内部クラック等の除去は、主にエッチングや化学機械研磨（ＣＭＰ）等の化学的・機械的方法により行われている。

そして、レーザ照射を使用することで、シリコンウエハの酸素排除処理及び結晶性の向上が可能であることが知られ、例えば、特許文献１は、単結晶ウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザを照射することを記載している。

また、特許文献２は、面取り等の研削加工を行った後、シリコンウエハ表面の加工変質層の修復と粗さの平坦化を行うため、研削後の表面状態をレーザ照射前に調べ、それに応じた条件でレーザ照射を行うことを記載している。

特開２００８－１４７６３９号公報 特開２０２０－１３１２１８号公報

上記従来技術において、特許文献１に記載のものは、レーザ照射による表面改質として単純な平面に対するものであり、複雑な形状や、研削後のさまざまな表面状態に応じた条件で照射するものではない。そのため、特許文献１に記載のものでは、シリコンウエハのエッジ（外周部、ノッチ部、オリフラ部）の品質向上、例えば、面取り工程のダメージで発生する大きい凹凸の除去を効果的に行うことは困難であった。

また、特許文献２に記載のものでは、研削加工による研削痕等のダメージの修復、平坦化処理を行うことが可能となる。しかし、特許文献２に記載のものは、研削後の表面状態に応じた条件でレーザ照射することに限界があり、照射条件や装置構成が複雑化するばかりでなく、内部クラック、表面粗度（特に、異方性により生じる粗さ）等に対する表面改質の品質向上に限界がある。
また、エッチング工程後にレーザ照射しただけでは、粗さは除去できても面取工程のダメージで発生した大きい凹凸、うねりを両立して除去することが困難である。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、レーザを用いた熱処理によるシリコンウエハの表面欠陥の修復に対して、照射する面の状態に係らず、粗さの除去とうねりの除去を両立することにある。そして、デバイスの高性能化と共に、後工程における歩留まりの改善、エッチング工程後に行われるエッジポリッシュ工程加工時間の低減、形状崩れを抑制する。

上記目的を達成するため、本発明は、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハのエッジ品質向上方法であって、前記シリコンウエハの面取り工程後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、その後、前記シリコンウエハをエッチング処理し、前記エッチング処理後、再び前記研削面に前記ナノ秒パルスレーザを照射する。

また、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することが望ましい。

さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にＣＷレーザ（連続レーザ）を照射することが望ましい。

また、上記において、前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にフェムト秒レーザを照射することが望ましい。

さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、波長がλ＝８００ｎｍとされることが望ましい。

さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、シングルショットとされることが望ましい。

さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することが望ましい。

さらに、上記において、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、前記入射角が１０～１５°以下になるように前記ナノ秒パルスレーザを照射することが望ましい。

本発明によれば、シリコンウエハの面取り工程後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、その後、シリコンウエハをエッチング処理し、エッチング処理後、再びナノ秒パルスレーザを照射するので、シリコンウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復に対して照射する面の状態に係らず、粗さの除去とうねりの除去を両立することができる。

本発明の一実施形態に係るエッジ品質向上方法を示すフローチャート 本発明の一実施形態に係る概略の工程図 ノッチ部の形状を示す平面図 ノッチ部の形状を示す側面図 本発明の第１実施形態に係る装置構成を示すブロック図 本発明の第２実施形態における装置構成を示すブロック図 本発明の第３実施形態における装置構成を示すブロック図

図１は、一実施形態によるエッジ品質向上方法を示すフローチャートであり、図２は、概略の工程図、図３はシリコンウエハ１の一部に設けられたノッチ部５０の形状を示す平面図、図４は側面図を示している。まず、面取り工程（Ｓ１）として研削加工が行われる。シリコンウエハ１等の半導体ウエハは、研削加工を終えた状態で、特に、面取り工程後におけるノッチ部５０の面取り斜面５２を含む研削面は、細かい研削痕（擦過痕ないし条痕）が形成されており、それにより粗い表面状態となっている。また、研削痕はノッチ部５０だけでなく、シリコンウエハ１の外周の端面５４及び外周の面取り斜面５２にも同様に形成されている。

そして、研削加工によるダメージは、顕微鏡で観察できる表面だけではなく、表面から所定の深さの領域がアモルファス層や転位層に変化した加工変質層となって内部まで及んでいる。つまり、研削加工されたシリコンウエハ１の表面は、本来の単結晶層の表面領域は加工変質層となって、うねりや内部ダメージを有する粗い面となる。

特に、ノッチ部５０は、外周部５３と比較して複雑な形状をしており、研削加工によって表面加工されている。その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック（微小亀裂）が含まれる。通常、ノッチ部５０の平面形状（図３）は、切欠きとして円弧状の底部５１が形成され、約４５°で外周部５３へ向かう面取り斜面５２、続いて丸味を持って外周部５３へ繋がり、左右対称となる形状とされている。特に、底部５１は、研削加工による加工負荷の影響が大きく、表面欠陥が多く含まれる。外周部５３は、側面形状（図４）において、端面５４に対して、丸味を持った斜面として面取り部５６が設けられ、上面５５へ繋がり、上下対象となっている。

レーザ照射（Ｓ２）は、面取り工程後、その研削面であるシリコンウエハ１のエッジ部に行う。レーザ照射されたエッジ部は、表面領域が融解し、表面張力によって平坦面となると共に、その表面近傍領域は再び単結晶化して修復される。つまり、シリコンウエハ１の研削部分は、その加工部分の表面近傍層が機械加工によって結晶欠陥を生じ、アモルファス層や転位層のような加工変質層となっている。

図５は、第１実施形態の装置構成を示すブロック図である。図５において、シリコンウエハ１は時計方向に回転している。第１実施形態は、レーザ照射（Ｓ２、Ｓ４）として、パルスレーザ発振器２からプリズム系２０、集光光学系２１を介してシリコンウエハ表面にナノ秒パルスレーザを照射する。シリコンウエハ１の面取り工程後は、加工変質層の表面改質及び平坦化するため、ノッチ部５０及び外周部５３、あるいはシリコンウエハ１の上下平面をパルスレーザ（ナノ秒）の照射によりレーザ熱処理が行われる。

加工変質層部分のレーザ吸収率は、単結晶領域より著しく高いため、レーザ（ナノ秒パルスレーザー）の照射により加工変質層が溶融し、熱伝導によって溶融領域が拡大すると共に、溶融領域の表面は、表面張力で平坦化する。そこで、第１実施形態において、シリコンウエハ１の面取り工程後は、加工変質層の表面改質及び平坦化するため、ノッチ部５０及び外周部５３、あるいはシリコンウエハ１の上下平面をパルスレーザ（ナノ秒）を照射してレーザ熱処理を行う。

パルスレーザ（ナノ秒）照射は、加工変質層のアモルファス層をナノ秒速で溶融する。そして、パルスレーザ（ナノ秒）照射による溶融は、結晶方位が揃った再結晶化（エピタキシャル成長）を進展させ、機械加工で生じた結晶欠陥を無くすことができる。また、アモルファスシリコン層は、波長５３２ｎｍの光に強い吸収がある。

そこで、パルスレーザ条件は、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内が良い。そして、パルス幅１パルス当たりのエネルギは、０．５μジュールから３０μジュール、エネルギ密度が０．１２５Ｊ／ｃｍ^２から７．５Ｊ／ｃｍ^２であることが良いとされている。

レーザ照射を停止すると、単結晶領域を種（ｓｅｅｄ）として液相エピタキシャル結晶が成長し、これにより、研削加工の際に生じた結晶の格子欠陥はなくなり、レーザ照射を受けた部分は元の単結晶に修復される。

ただし、物体への入射光（放射束）は、巨視的に捉えた「反射」、「吸収」、「透過」という三つの行先に分かれ、入射角によって変化する。そして、シリコンウエハ１の表面溶融は、反射を少なくして吸収率が高いほど加工に貢献する。

したがって、ノッチ部５０のように複雑な形状の場合は、その表面形状に対応して、パルスレーザ条件として、少なくとも入射角、エネルギ密度、単位面積当たりの照射回数（スキャンピッチ、走査速度）のいずれか一つを変化させることが望ましい。特に、ナノ秒パルスレーザは、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することが良い。

また、加工変質層の修復は、境界面に対して鉛直線とパルスレーザ照射方向のなす角度である入射角を小さくすれば、材料に有効にエネルギが供給できる。ただし、入射角が１０～１５°以下は、実質的な差は小さい。

入射角は、照射方向が入射面に対して鉛直線と照射方向のなす角度である。したがって、図３、４において、矢印方向からパルスレーザを照射した場合、（１）は、入射角が１０～１５°以下となる領域であり、（２）は入射角が１０～１５°以上となる領域である。そこで、レーザ照射は、シリコンウエハ１の表面形状である領域（１）、領域（２）に対応してシリコンウエハ１の表面、照射面にパルスレーザの入射角が垂直になるように連続的に変化させることが好ましい。

面取り工程（Ｓ１）、レーザ照射（Ｓ２）により、研削加工による研削痕等のダメージの修復、平坦化処理が行われる。そして、うねりや粗さ、内部ダメージを可能な限り除去する。しかし、研削後の表面状態に応じた条件でレーザ照射することは、限界がある。したがって、面取り工程（Ｓ１）後、レーザ照射（Ｓ２）するだけでは、異方性が強くなり、表面粗度（特に、異方性により生じる粗さ）等に対する表面改質の品質向上に限界がある。

そこで、面取り工程（Ｓ１）、レーザ照射（Ｓ２）に続いて、エッチング処理（Ｓ３）を行う。通常、シリコンウエハ１のエッチング処理は、表面変質層のうち、最も表面に近い破砕層を除去する。エッチング処理を施した表面は、表面近傍がＳｉＯ_２（ケイ素の酸化膜）で構成されており、この加工変質層は極めて薄いものであるが、機械的・電気的・光学的性能に大きな影響を及ぼす。例えば、ＭＯＳデバイスの微細化・高集積化は、ゲート酸化膜の薄膜化として進展し、その膜厚は２ｎｍ以下にまで到達している。

さらに、エッチング処理（Ｓ３）の後に、再びレーザ照射（Ｓ４）を行う。レーザ照射（Ｓ４）は、レーザ熱処理として、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのナノ秒パルスレーザを選択して照射し、溶融させエピタキシャル成長させて結晶方位が揃った単結晶とする。そして、面取り工程（Ｓ１）、レーザ照射（Ｓ２）に続いて、エッチング処理（Ｓ３）を行い、その後に、再びレーザ照射（Ｓ４）を行うことで、粗さの除去とうねりの除去を両立することができる。

図６は、第２実施形態の装置構成を示すブロック図である。第１実施形態との違いは、ナノ秒パルスレーザを照射する前にＳｉＯ_２対して吸収率が高い波長である１０８０ｎｍのＣＷレーザ（連続レーザ）を照射する点にある。図６において、シリコンウエハ１は時計方向に回転している。そして、ＣＷレーザ発振器５は、波長λ＝１０８０ｎｍであり、プリズム系１０、集光光学系１１を介してシリコンウエハ１の表面ａ点を加熱する。パルスレーザ発振器２は、波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか、例えば、波長λ＝５３２ｎｍとされる。

パルスレーザ発振器２は、プリズム系２０、集光光学系２１を介してｂ点にナノ秒パルスレーザを照射する。シリコンウエハ１の回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハ１の外周表面は、ａ点で加熱され、その後、ｂ点でｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）が溶融して固化される。そして、第２実施形態は、照射された部分を熱し、下層のｃ－Ｓｉ（炭化ケイ素）部分に伝熱させる。

その後、ｃ-Ｓｉに対して、吸収率が高い波長である３５５、５３２、７８５ｎｍのナノ秒パルスレーザのいずれか一つを選択してエッチング後の表面形状（粗さ）に応じて照射する。ナノ秒パルスレーザの照射は、表面のＳｉＯ_２を加熱し、伝熱によりｃ－Ｓｉも加熱する。そして、ｃ-Ｓｉは、溶融固化され、平坦化が促進される。

パルスレーザ条件は、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内が良い。そして、パルス幅１パルス当たりのエネルギは、０．５μジュールから３０μジュール、エネルギ密度が０．１２５Ｊ／ｃｍ^２から７．５Ｊ／ｃｍ^２であることが良い。

図７は、第３実施形態の装置構成を示すブロック図である。第２実施形態との違いは、のＣＷレーザ（連続レーザ）の照射に代えてフェムト秒レーザで照射する点にある。図７において、フェムト秒レーザ発振器３は、波長λ＝８００ｎｍであり、プリズム系３０、集光光学系３１を介してシリコンウエハ１の表面ａ点に照射される。照射されるフェムト秒レーザは、シングルショットとして、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とする。

また、プリズム系３０は、走査方向に偏向が平行となるようにλ／２波長板等の偏光子も使用される。シリコンウエハ１の表面ａ点は、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化される。

パルスレーザ発振器４は、プリズム系４０、集光光学系４１を介してｂ点にナノ秒パルスレーザを照射する。ナノ秒パルスレーザは、波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか、例えば、波長λ＝５３２ｎｍとされる。シリコンウエハ１の回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハ１の外周表面は、ａ点でａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化され、ｂ点で溶融してエピタキシャル成長し、固化される。

フェムト秒レーザは、時間単位を「フェムト」（千兆分の一）単位で扱い、数フェムト秒から数百フェムト秒の間だけ発光する光レーザである。そして、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化部分に、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）に対して吸収率の高い波長である３５５、５３２、７８５ｎｍのパルスレーザを選択して照射し、溶融させエピタキシャル成長させて結晶方位が揃った単結晶とする。

照射するフェムト秒レーザは、波長がλ＝８００ｎｍのシングルショットとして、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とする。フェムト秒レーザのフルーエンス(単位面積当たりのエネルギ)は、シリコンウエハ１の表面にアブレーションが発生するフルーエンスよりも低くする。

ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層は、固有の加工閾値があり、パルス幅が十分に短いフェムト秒であれば、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、シリコンウエハ１の外周表面は、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化される。

なお、通常、アブレーションが起こるレーザーフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、レーザ光の偏光と垂直方向にナノ周期構造が自己組織的に形成される。また、ナノ周期構造の周期は、入射レーザのフルーエンス、波長、入射パルス数によって変化する。一方、アブレーション閾値よりも低いフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、上記とは異なる機構で縞状のナノ構造が形成されることが知られている。

ナノ秒パルスレーザ照射は、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化されたｃ-Ｓｉを溶融固化し、平坦化を促進する。パルスレーザ条件は、第１実施形態、第２実施形態と同様であり、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内が良い。

なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態は、ナノ秒パルスレーザを照射することで共通する。特に、ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することが特徴である。

第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態のいずれにおいても、ノッチ部５０のように表面形状が複雑な場合、ナノ秒パルスレーザは、表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射されることが望ましい。これにより、デバイスの微細化・高集積化が進展しても、最終製品である性能を損なうことがない。

ナノ秒パルスレーザは、照射方向が可変できるスキャニング光学系として構成することが容易である。したがって、ナノ秒パルスレーザは、スキャニング光学系とし、表面形状に対応して入射角が略垂直となるように照射することが、材料に有効にエネルギが供給できる点で好ましい。

ただし、入射角が１０～１５°以下は、実質的な差は小さく、入射角が１０～１５°以下になるようにすれば良い。したがって、構成の容易さからは、ナノ秒パルスレーザをスキャニング光学系とし、表面形状に対応して略垂直、具体的には入射角が１０～１５°以下となるように照射することが好ましい。

また、フェムト秒レーザの照射の場合は、アモルファス化する目的で偏光子を使用するので、照射方向を一定にし、表面形状に対応した入射角の変化に合わせて、偏光子によってｓ偏光、ｐ偏光の成分を調整しても良い。

なお、シリコンウエハ１の回転方向は時計方向である場合について説明したが、シリコンウエハ１の回転方向は反時計方向でも良い。この場合、第２実施形態、第３実施形態における装置構成を示すブロック図である図５、図６において、パルスレーザ発振器２及び４の照射位置であるｂ点はＣＷレーザ発振器５及びフェムト秒レーザ発振器３の照射位置であるａ点を挟んで逆の配置となる。

１…シリコンウエハ
５０…ノッチ部
５１…底部
５２…面取り斜面
５３…外周部
５４…端面
５５…上面
５６…面取り部
２、４…パルスレーザ発振器（ナノ秒パルスレーザ）
５…ＣＷレーザ発振器
３…フェムト秒レーザ発振器（フェムト秒レーザ）
１０、２０、３０、４０…プリズム系
１１、２１、３１、４１…集光光学系

Claims (8)

1. レーザ熱処理を用いたシリコンウエハのエッジ品質向上方法であって、
   前記シリコンウエハの面取り工程後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、
   その後、前記シリコンウエハをエッチング処理し、
   前記エッチング処理後、再び前記研削面に前記ナノ秒パルスレーザを照射することを特徴とするシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
2. 前記ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することを特徴とする請求項１に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
3. 前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にＣＷレーザ（連続レーザ）を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
4. 前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にフェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
5. 前記フェムト秒レーザは、波長がλ＝８００ｎｍとされることを特徴とする請求項４に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
6. 前記フェムト秒レーザは、シングルショットとされることを特徴とする請求項４又は５に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
7. 前記ナノ秒パルスレーザは、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。
8. 前記シリコンウエハの表面形状に対応して、前記入射角が１０～１５°以下になるように前記ナノ秒パルスレーザを照射することを特徴とする請求項７に記載のシリコンウエハのエッジ品質向上方法。

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