JP5365063B2 - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像素子などに用いて好適な半導体ウェーハ、特に、直径が３００ｍｍ以上の大口径半導体ウェーハにおいても白傷欠陥の原因となる重金属汚染を有効に抑制することができる半導体ウェーハの製造方法に関するものである。
近年、携帯電話、デジタルビデオカメラは半導体を用いた高性能固体撮像素子が搭載され、画素数などの性能も飛躍的に向上している。民生用の固体撮像素子に期待される性能としては、高画素でかつ動画の撮像を可能とする性能があり、さらに、小型化が要求されている。ここで、動画の撮像を実現するためには、高速演算素子およびメモリ素子との結合が必要となるため、System on Chip（SoC）が容易なCMOSイメージセンサが用いられ、CMOSイメージセンサの微細化が伸展している。
固体撮像素子の撮像特性を劣化させる因子として、フォトダイオードの暗時リーク電流が問題となっている。暗時リーク電流の原因は、ブロセス工程における重金属汚染である。重金属汚染を抑制するために、半導体ウェーハの内部あるいは裏面に重金属のゲッタリングシンクを形成することが行われてきた。
半導体ウェーハの内部にゲッタリングシンクを形成する手段としては、例えば、半導体ウェーハに熱処理を施し、ウェーハ内部に酸素析出部を形成する方法が挙げられる。しかしながら、この方法は、所定の酸素析出部を形成するのに長時間の熱処理を必要とし、製造コストの増加および熱処理工程での重金属汚染が懸念される。
また、半導体ウェーハの裏面にゲッタリングシンクを形成する手段としては、例えば、半導体ウェーハの裏面に多結晶シリコン膜を形成し、裏面をゲッタリングシンクとする方法が挙げられる。しかしながら、特に半導体ウェーハが３００ｍｍウェーハなどの大口径ウェーハである場合には、大口径ウェーハは通常、両面研磨ウェーハであるため、半導体ウェーハの裏面にゲッタリングシンクを形成することは困難である。
従って、直径が３００ｍｍ以上の大口径ウェーハのような両面研磨ウェーハにおいても、長時間の熱処理などを必要とせず、半導体ウェーハの内部にゲッタリングシンクを形成する方法が望まれていた。
本発明は、適性化を図った低出力レーザを用い、レーザビームの短時間の照射により半導体ウェーハの所定の深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分を形成して、ゲッタリングシンクとして活用する半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
発明者は、半導体ウェーハの内部に短時間でゲッタリングシンクを形成するため鋭意検討を行った結果、半導体ウェーハの表面から低出力のレーザビームを照射して半導体ウェーハの所定の深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分を形成し、この改質部分をゲッタリングシンクとして活用できることを見出した。
尚、特開２００７−２４５１７３号公報には、半導体ウェーハの内部にレーザビームの集光点を合わせて照射し、集光点近傍に割れ易い改質領域を形成して、その改質領域を起点として割ることにより半導体ウェーハを分割加工する方法が開示されている。
しかしながら、特開２００７−２４５１７３号公報の方法は、半導体ウェーハを分割加工する目的でＹＡＧレーザのような高出力レーザビームを照射して改質領域を形成しているため、集光点近傍以外の部位にもレーザビームのエネルギーの影響を受けた転位等が多数発生している。また、レーザ分割加工の場合には、高出力レーザを用いているため、半導体ウェーハの照射位置の深さ方向全体にわたって改質領域を生じるものとも考えられる。
本発明は、上記の知見に基づくもので、その要旨構成は次の通りである。
１．シリコンウェーハの両面のいずれか一方の面から、該シリコンウェーハの所定深さ位置に焦点位置を合わせて、ビーム波長1000〜1200ｎｍ、ビーム径0.5〜1.0μｍ、繰返し周波数1〜100MHz、パルス幅1.0×10 -15 〜1.0×10 -9 秒、出力1〜100ｍＪ/パルスの条件で超短パルスレーザからレーザビームを照射し、前記所定深さ位置にあるシリコンウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程を生じさせて、密度が1.0×10 5 〜1.0×10 6 個／cm 2 の酸素析出部を含みゲッタリングシンクとして作用する改質部分を形成することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
本発明によれば、レーザビームの短時間照射により半導体ウェーハの所定深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分が形成された半導体ウェーハを製造することができ、３００ｍｍ以上の大口径ウェーハにおいてもその改質部分をゲッタリングシンクとして活用することができる。
本発明の半導体ウェーハの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、半導体ウェーハにレーザビームの照射を開始した直後におけるレーザビームの焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。
レーザビーム１０は、集光用レンズ１１を用いて、半導体ウェーハ２０の所定深さ位置２１にレーザビーム１０の焦点位置を合わせて、半導体ウェーハ２０の両面のうち、いずれか一方から照射され、所定深さ位置２１にレーサビーム１０が集光されることにより多光子吸収過程を生じさせ、これによって改質部分２２が形成される。
この際、レーザビーム１０の通り道となる表面層２３において、表面層を改質することなく、レーザビームが確実に透過する条件でレーザ照射することが重要である。表１に、一例として、半導体材料全般とSi半導体に対し好適なレーザ照射条件を示す。
レーザ照射条件は、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、Si半導体の禁制帯は、1.1eVであることから入射波長が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。
Figure 0005365063
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、所定深さ位置だけではなく、それ以外の半導体ウェーハ部分にも熱エネルギーが伝達するため、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を用いることがより好適である。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りレーザ波長を好適範囲にすることができる。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、焦点近傍のみに光エネルギーを集光することができる。
多光子吸収過程を生じさせて形成した改質部分２２は、定かでないが、おそらくアモルファス状になっているものと推定される。このようにアモルファス状の構造を得るには、所定深さ位置２１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。集光位置（焦点位置）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、後述するレーザビームの走査によって集光位置（焦点位置）が移動すると、移動前の集光位置（焦点位置）における入熱量は急激に減少することとなり、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波長は1000ｎｍ以上であることから透過性が高く、表面層２３の結晶組織に影響を与えることなく、改質部分２２を形成することができるため、改質部分２２を半導体ウェーハのゲッタリングシンクとして活用するのに好適である。なお、波長が1200ｎｍを超える場合には、長波長領域であるがために光子エネルギー（レーザビームエネルギー）が低いためにレーザビームをレンズにて集光しても半導体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などの懸念があることから、1200ｎｍ以下とすることが好ましい。
改質部分２２の位置、すなわち半導体ウェーハ２０の表面から所定深さ位置２１までの距離ｄは、近赤外領域の透過性に優れる集光レンズ１１を用いてレーザビーム１０を集光し、半導体ウェーハ２０の位置を上下させて所定深さ位置２１に焦点を結像させることによって制御される。
なお、半導体ウェーハのゲッタリングシンクとしては、所定深さ位置２１は0.5μｍ程度、幅２４は100μｍ程度が好適である。
図２は、半導体ウェーハの表面に照射するレーザビームの走査方向を、レーザビームの照射側から示した説明図である。
尚、半導体ウェーハ２０の中に示した矢印は、レーザビームの走査方向を示しており、各矢印の間隔、すなわち走査のピッチは任意に設定することができ、レーザビームを半導体ウェーハの内部に、部分的または全面にわたって照射することができる。
図３は、レーザビームの走査が終了した後の図２に示すＩ−Ｉ線で切断したときの半導体ウェーハの断面図である。改質部分２２の間隔、すなわち改質部分２２の密度は、走査のピッチによって設定することができる。半導体ウェーハのゲッタリングシンクとして、改質部分２２の密度は1.0×105〜1.0×106個／cm2の範囲が好適である。ここで得られた改質部分の密度は、断面TEM（透過型電子顕微鏡）観察で得られた酸素析出物の個数である。
次に、本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系について説明する。
図４は、本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系の一例を示す模式図である。
レーザ光学系１００は、レーザビーム１０ｂが照射される半導体ウェーハ２０と、レーザビーム１０ａをパルス発振するレーザ発生装置１５と、レーザビームのパルス等を制御するパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６と、レーザビーム１０ａを反射してレーザビーム１０ａの進行方向を９０°変換するように配置されたビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａと、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａで反射されたレーザビーム１０ｂを集光する集光用レンズ１１と、集光されたレーザビーム１０ｂを半導体ウェーハの任意の位置で焦点を合わせるために鉛直方向および水平方向に移動可能なステージ４０と、ステージ４０の移動を制御するステージ制御回路４５とを備える。
レーザ発生装置１５およびパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６は、上記の表１に示した好適範囲のレーザビームを発生できるものであればよく、特に限定はされないが、半導体材料内部の任意の位置に改質部分を形成するためには透過性のレーザ波長であって、かつ短パルス周期での発振が可能であるチタンサファイヤレーザが好適である。
レーザ発生装置１５で発生したレーザビーム１０ａは、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａで反射され９０°方向を転換し、集光用レンズ１１により集光したレーザビーム１０ｂを半導体ウェーハ２０の所定深さ位置２１で焦点を結像するように、ステージ４０をコンピュータ制御で鉛直方向に可動する。集光用レンズ１１は、倍率：１０〜３００倍、Ｎ．Ａ．：0.3〜0.9およびレーザビームの波長に対する透過率：３０〜６０％の範囲がそれぞれ好適である。
例えば、表面から２μｍの位置に改質部分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し多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分を形成することができる。
レーザ光学系１００はさらに、可視光レーザ発生装置１９と、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂと、ＣＣＤカメラ３０と、ＣＣＤカメラ制御回路３５と、結像用レンズ１２と、中央制御回路５０と、表示手段５１とを備えている。
可視光レーザ発生装置１９で発生した可視光レーザビーム１８ａは、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂで反射されることにより９０°方向を転換し、半導体ウェーハ２０を照射し、半導体ウェーハ２０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１８ｂは、結像用レンズ１２を介して半導体ウェーハ２０表面上に結像されてＣＣＤカメラ３０で撮像データとしてＣＣＤカメラ制御回路に入力される。この入力されたデータを基にステージ制御回路４５から出力されるデータによってステージ４０は水平方向に移動されることにより、図２に示したようなレーザビームの走査が達成される。
上記したようなレーザビームの走査によって形成される改質部分のサイズは、層として薄いことが好ましく、１０〜１５０μｍの範囲とすることができる。
なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々変更を加えることができる。
（実施例）
ウェーハ径が３００ｍｍ、厚さが0.725ｍｍのシリコンウェーハに表２に示す条件のレーザビームを照射し、レーザビームを照射する側の表面から深さ２μｍの位置に、密度：10 6 個/cm2の改質部分を形成したシリコンウェーハを作製した。


Figure 0005365063
（比較例１）
改質部分のゲッタリング効果を確認するため、レーザビームを照射しないこと以外は実施例と同一のシリコンウェーハを準備した。
（比較例２）
長時間熱処理による酸素析出部を形成した場合のゲッタリング効果を確認するため、１０時間と２０時間の熱処理を施すこと以外は比較例１と同一のシリコンウェーハを準備した。
（評価方法）
上記した実施例および比較例１および２で作製した各サンプルについて、ゲッタリング効果を次に示す方法で評価した。
各サンプルを、アンモニア水と過酸化水素水の混合溶液および塩酸と過酸化水素水の混合溶液で洗浄した後、スピンコート汚染法によりニッケルで1.0×1012atoms／cm2程度表面汚染させた後、縦型熱処理炉において1000℃で１時間、窒素雰囲気中で拡散熱処理を施し、その後、Wright液（４８％ ＨＦ：３０ｍｌ、６９％ ＨＮＯ３：３０ｍｌ、ＣｒＯ３ １ｇ＋Ｈ２Ｏ ２ｍｌ、酢酸：６０ｍｌ）によりサンプル表面をエッチングし、表面のエッチピット（ニッケルシリサイドがエッチングされて形成されるピット）の個数を光学顕微鏡により観察してエッチピット密度（個／cm2）を測定することによりゲッタリング能力を評価した。なお、この方法におけるエッチピット密度の測定限界は1.0×103個／cm2である。ゲッタリング能力は、エッチピット密度が1.0×103個／cm2以下（測定限界以下）を良好、1.0×103個／cm2を超え1.0×105個／cm2未満を可、1.0×105個／cm2以上を不可とした。
比較例２については、ゲッタリングシンクとなる酸素析出部の形成に必要な時間を次のように評価した。
各サンプルを（１１０）方向でへき開してWright液でエッチングした後、へき開面（サンプル断面）を光学顕微鏡することにより酸素析出物の密度（個／cm2）を観察することで評価した。ゲッタリング能力評価は、実施例１と同様にニッケル元素での表面汚染によるゲッタリング能力評価を実施した。
評価の結果、比較例１ではエッチピット密度が1.0×105個／cm2でゲッタリング効果が認められなかった。
比較例２において、１０時間の熱処理を施したサンプルでは、酸素析出物の密度が1.0×104個／cm2で、エッチピット密度も1.0×105個／cm2とほとんどゲッタリング効果が認められず、２０時間の熱処理を施したサンプルでも、酸素析出物の密度が1.0×105個／cm2で、エッチピット密度は1.0×104個／cm2となり多少のゲッタリング効果が認められるにとどまった。
これに対し、実施例では、エッチピット密度が1.0×103個／cm2以下と十分なゲッタリング効果が認められた。
以上により、レーザビームを短時間照射してシリコンウェーハの所定深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせて形成した改質部分がゲッタリングシンクとして有効に機能することを確認できた。
本発明によれば、レーザビームの短時間照射により半導体ウェーハの所定深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分が形成された半導体ウェーハを製造することができ、３００ｍｍ以上の大口径ウェーハにおいてもその改質部分をゲッタリングシンクとして活用することができる。
半導体ウェーハにレーザビームの照射を開始した直後におけるレーザビームの焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。 半導体ウェーハに照射するレーザビームの走査方向を、レーザビームの照射側から示した説明図である。 レーザビームの走査が終了した後の図２に示す断面Ｉ−Ｉ線上の半導体ウェーハの断面図である。 本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系の一例を示す模式図である。
符号の説明
１０、１０ａ、１０ｂ レーザビーム
１１ 集光用レンズ
１２ 結像用レンズ
１５ レーザ発生装置
１７ａ、１７ｂ ビームスプリッタ（ハーフミラー）
１６ パルス制御回路（Ｑスイッチ）
１９ 可視光レーザ発生装置
２０ 半導体ウェーハ
２１ 所定深さ位置
２２ 改質部分
２３ 表面層
２４ 改質部分の幅
３０ ＣＣＤカメラ
３５ ＣＣＤカメラ制御回路
４０ ステージ
４５ ステージ制御回路
５０ 中央制御回路
５１ 表示手段

Claims (1)

  1. シリコンウェーハの両面のいずれか一方の面から、該シリコンウェーハの所定深さ位置に焦点位置を合わせて、ビーム波長1000〜1200ｎｍ、ビーム径0.5〜1.0μｍ、繰返し周波数1〜100MHz、パルス幅1.0×10 -15 〜1.0×10 -9 秒、出力1〜100ｍＪ/パルスの条件で超短パルスレーザからレーザビームを照射し、前記所定深さ位置にあるシリコンウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程を生じさせて、密度が1.0×10 5 〜1.0×10 6 個／cm 2 の酸素析出部を含みゲッタリングシンクとして作用する改質部分を形成することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
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