JP5610471B2 - Crystal material reforming apparatus and crystal material reforming method - Google Patents
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Description
この発明は、シリコンウエハなどの結晶材料の改質を行う結晶材料改質装置および改質された結晶材料の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a crystal material reforming apparatus for modifying a crystal material such as a silicon wafer and a method for producing the modified crystal material.
シリコンウエハの電気特性、特にその酸化膜耐圧特性を向上させるには、デバイスが作製されるウエハの表層部（数μｍ）をほぼ無欠陥にすることが重要である。
通常、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されたシリコンウエハの表層部には、結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれるボイド型欠陥（グローイン（Ｇｒｏｗ−ｉｎ）欠陥ともいう）が、ほとんどの場合存在する。
このようなボイド型欠陥がシリコンウエハの表層部に存在すると、酸化膜耐圧特性を劣化させ、そこに形成される半導体デバイスの電気特性低下の一因となる。このため、特に近年、この欠陥が表層に存在しない無欠陥表層のウエハが強く求められ、ウエハ表面上にシリコンエピタキシャル成長膜が施されたエピタキシャルウエハ、及び水素ガスやアルゴンガス雰囲気で熱処理されるアニールウエハ等が用いられている。
しかし、このような高品質ウエハは、生産性が悪くコストが極めて高いという問題がある。
In order to improve the electrical characteristics of a silicon wafer, particularly the oxide film breakdown voltage characteristics, it is important to make the surface layer (several μm) of the wafer on which the device is fabricated substantially defect-free.
Usually, in a surface layer portion of a silicon wafer manufactured by the Czochralski method (CZ method), a void type defect (also referred to as a grow-in defect) called COP (Crystal Originated Particle) introduced at the time of crystal growth. However, it is almost always present.
When such a void type defect exists in the surface layer portion of the silicon wafer, the oxide film breakdown voltage characteristic is deteriorated, which causes a decrease in electrical characteristics of a semiconductor device formed there. For this reason, particularly in recent years, there has been a strong demand for a defect-free surface layer wafer in which this defect does not exist on the surface layer, an epitaxial wafer having a silicon epitaxial growth film on the wafer surface, and an annealed wafer that is heat-treated in a hydrogen gas or argon gas atmosphere. Etc. are used.
However, such a high quality wafer has a problem that productivity is poor and cost is extremely high.
そこで、シリコンウエハの酸化膜耐圧特性を改善すると共に、生産性を向上させるため、例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、急速加熱・急速冷却熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）と呼ばれる方法を用いてシリコンウエハを、水素、アルゴンガス雰囲気で熱処理することが提案されている。
ＣＺ法を用いて育成したシリコンウエハは、その表面及び内部に結晶成長時に導入される欠陥（グローイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥）が存在している。このグローイン欠陥は、結晶内部に存在する場合には正八面体構造を有しており、またウエハの状態に加工した後に表面に露出した場合には、四角錐形の凹状ピットとして観察され、その内壁には厚さ数ｎｍの酸化膜が形成されている。
特許文献１〜３にも記載されているように水素雰囲気であれば、シリコンウエハをＲＴＡ処理することで、ウエハ表面に露出しているグローイン欠陥の内壁酸化膜は除去可能である。
Therefore, in order to improve the oxide film breakdown voltage characteristics of the silicon wafer and improve the productivity, for example, Patent Document 1, Patent Document 2 and Patent Document 3 include rapid thermal annealing (RTA). It has been proposed that a silicon wafer be heat-treated in a hydrogen or argon gas atmosphere using a method called "."
A silicon wafer grown using the CZ method has defects (Grow-in defects) introduced on the surface and inside thereof during crystal growth. This glow-in defect has a regular octahedron structure when it is present inside the crystal, and when it is exposed to the surface after being processed into a wafer state, it is observed as a concave pyramid pit, and its inner wall Is formed with an oxide film having a thickness of several nm.
In a hydrogen atmosphere as described in Patent Documents 1 to 3, the inner wall oxide film of the glow-in defect exposed on the wafer surface can be removed by subjecting the silicon wafer to RTA treatment.
同時に、このようなＲＴＡ処理においてウエハを高温に加熱した場合、ウエハ内部に格子間シリコンおよび空孔の点欠陥が高濃度に発生する。
その後、ウエハを急冷することによりこれらの点欠陥が過剰になり、ウエハ表面に外方拡散して行く。この時、結晶拡散係数が大きく拡散が早い格子間シリコンが、外方拡散して行く過程で、ウエハ表面のグローイン欠陥に前記格子間シリコンが捕獲され、グローイン欠陥が埋められる。ＲＴＡの照射時間は１０秒以上であるため拡散距離が表面から１０μｍ深さまでのデバイス活性層を越えてしまうため、ウエハ表面に存在するグローイン欠陥を低減することができるが、ウエハ内部のグローイン欠陥を消滅させることができない。
そのために、特許文献４には、生産性コストを損なうことなく、ウエハ内部のグローイン欠陥を低減するレーザスパイクアニール方法が提案されている。照射時間を０．０１マイクロ秒以上０．８秒以下に短縮することで格子間シリコンの拡散距離を最大でも約５μｍ程度（１４００℃、１ｓｅｃ）とすることで、表面から１０μｍ深さまでのデバイス活性層を通過して表面まで拡散できないためウエハ内部のグローイン欠陥を埋めることができデバイス層の欠陥を低減できる。
At the same time, when the wafer is heated to a high temperature in such an RTA process, interstitial silicon and vacancy point defects are generated at a high concentration inside the wafer.
Thereafter, by rapidly cooling the wafer, these point defects become excessive and diffuse outwardly on the wafer surface. At this time, the interstitial silicon having a large crystal diffusion coefficient and a fast diffusion is diffused outward, and the interstitial silicon is captured by the glow-in defect on the wafer surface, and the glow-in defect is filled. Since the RTA irradiation time is 10 seconds or more and the diffusion distance exceeds the device active layer from the surface to a depth of 10 μm, the number of glow-in defects existing on the wafer surface can be reduced. It cannot be extinguished.
For this reason, Patent Document 4 proposes a laser spike annealing method for reducing the glow-in defects inside the wafer without impairing the productivity cost. By reducing the irradiation time from 0.01 microseconds to 0.8 seconds, the interstitial silicon diffusion distance is set to about 5 μm (1400 ° C., 1 sec) at the maximum, so that the device activity from the surface to a depth of 10 μm is achieved. Since it cannot diffuse to the surface through the layer, the glow-in defect inside the wafer can be filled, and the defect of the device layer can be reduced.
ところで、シリコンウエハのサイズが、例えば３００ｍｍから４５０ｍｍに移行すると、従来の固相でのエピタキシャル成長で無欠陥層を形成することが難しくなる。ウエハが大きくなると熱処理時の温度の不均一性による熱ストレスやウエハ重力による機械的ストレス等を誘発して結晶欠陥の発生が助長される。また、固相エピタキシャル成長では格子間シリコンの拡散距離はレーザの照射時間や深さ方向の温度分布によって制約されるためデバイス層全体を無欠陥にすることははなはだ難しい。 By the way, when the size of the silicon wafer shifts from, for example, 300 mm to 450 mm, it becomes difficult to form a defect-free layer by conventional epitaxial growth in a solid phase. When the wafer becomes larger, the generation of crystal defects is promoted by inducing thermal stress due to temperature non-uniformity during heat treatment, mechanical stress due to wafer gravity, and the like. In solid phase epitaxial growth, the diffusion distance of interstitial silicon is limited by the laser irradiation time and the temperature distribution in the depth direction, so it is difficult to make the entire device layer defect-free.
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、シリコンウェハなどの結晶材料のサイズに拘わらず、結晶材料表層部の改質を効果的に行うことができる結晶材料改質装置および表層部の欠陥除去などが行われた改質結晶材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and a crystal material reforming apparatus and a surface layer part capable of effectively modifying the crystal material surface layer part regardless of the size of the crystal material such as a silicon wafer. An object of the present invention is to provide a method for producing a modified crystal material from which defects have been removed.
すなわち、本発明の結晶材料改質装置は、単結晶からなる結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで溶融させて液相エピタキシャル成長によって前記結晶材料表層部の改質を行う結晶材料改質装置であって、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上のパルスレーザ光を発生させるパルス発振レーザ光源と、６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を発生する連続発振レーザ光源と、前記パルス発振レーザ光源で発生させ、半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形を有して前記結晶材料表面に照射される前記パルスレーザ光と連続発振レーザ光源で発生させた前記連続レーザ光を前記結晶材料表面に導いて複合照射する光学系と、前記パルスレーザ光および連続レーザ光を前記結晶材料表面に対し相対的に走査する走査装置とを備えることを特徴とする。 That is, the crystal material reforming apparatus of the present invention is a crystal material reforming apparatus that melts a crystal material surface layer portion made of a single crystal at a thickness of 2 μm or more and modifies the crystal material surface layer portion by liquid phase epitaxial growth. A pulsed laser light source that generates a pulse laser beam having a rise time of 160 ns or more that reaches 10% to 90% of the maximum intensity of the pulse waveform, and a continuous laser beam that generates a continuous laser beam having a wavelength of 650 to 1100 nm. An oscillation laser light source; and the continuous laser generated by the pulsed laser light source and generated by the continuous wave laser light source and the pulsed laser light irradiated on the crystal material surface with a pulse waveform having a half width of 300 ns or less. An optical system for directing light to the surface of the crystal material to irradiate the compound material; Characterized in that it comprises a scanning device for relative scanning.
本発明の改質結晶材料の製造方法は、単結晶からなる結晶材料表面に６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を相対的に走査しつつ照射してアシスト加熱するとともにパルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上で半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形のパルスレーザ光を相対的に走査しつつ繰り返し重複照射する複合照射によって、前記単結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで完全溶融させ、該単結晶材料の固相部分を種結晶として液相エピタキシャル成長させて前記結晶材料表層部の改質を行うことを特徴とする。 The method for producing a modified crystal material according to the present invention irradiates a continuous laser beam having a wavelength of 650 to 1100 nm on a surface of a crystal material made of a single crystal while relatively scanning and assists heating, and has the maximum intensity of a pulse waveform. The surface layer portion of the single crystal material is 2 μm by a composite irradiation in which a pulse laser beam having a pulse waveform with a rise time reaching from 10% to 90% of 160 ns or more and a half width of 300 ns or less is relatively scanned and repeatedly irradiated. The film is completely melted at the above thickness, and the solid phase portion of the single crystal material is subjected to liquid phase epitaxial growth using a seed crystal to modify the surface portion of the crystal material.
本発明によれば、厚さ数μｍ（例えば２μｍ以上）の結晶材料表層部を完全溶融することで該表層部内の結晶欠陥を完全に排除でき、液相でのエピタキシャル成長によって大きな固相・液相の界面速度を確保することで欠陥フリーの単結晶シリコンなどの改質された結晶材料を得ることができる。なお、上記改質に際しては、不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、または水素を含む混合ガス（Ａｒ＋Ｈ、Ｈｅ＋Ｈ）、等）雰囲気や真空雰囲気下で処理を行うのが望ましい。
数μｍの深い完全溶融を実現するため、パルスレーザ光照射が使用される。なお、レーザパワーには制約があるため最大温度を確保するにはパワーがとれるパルス幅が短いレーザ光が望ましく、半値幅６００ｎｓ以下（例えばグリーン波長）のパルス波形が望ましい。より望ましくは、半値幅３００ｎｓ以下である。
パルスレーザ光照射には、パルス発振レーザ光源から出力されたパルスレーザ光を用いる。パルス発振レーザ光源としては、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を用いるものが挙げられるが、本発明としては特定のパルス発振レーザ光源に限定されるものではない。
According to the present invention, a crystal material surface layer portion having a thickness of several μm (for example, 2 μm or more) can be completely melted to completely eliminate crystal defects in the surface layer portion, and a large solid phase / liquid phase can be obtained by epitaxial growth in the liquid phase. By ensuring the interface speed, it is possible to obtain a modified crystal material such as defect-free single crystal silicon. In the above reforming, it is desirable to perform the treatment in an inert gas (Ar, He, or a mixed gas containing hydrogen (Ar + H, He + H, etc.)) atmosphere or a vacuum atmosphere.
In order to achieve deep complete melting of several μm, pulsed laser beam irradiation is used. Since the laser power is limited, a laser beam with a short pulse width for obtaining the maximum temperature is desirable to ensure the maximum temperature, and a pulse waveform with a half-value width of 600 ns or less (for example, a green wavelength) is desirable. More desirably, the full width at half maximum is 300 ns or less.
For pulsed laser light irradiation, pulsed laser light output from a pulsed laser light source is used. Examples of the pulsed laser source include those using the second harmonic of an LD-pumped Yb: YAG laser, but the present invention is not limited to a specific pulsed laser source.
しかしながら、パルスグリーンレーザ光照射のみでは光侵入長に制約があり、また、パルス幅が短くなると急速冷却となるため、加熱後の冷却に際し結晶欠陥（点欠陥）が発生しやすくなる。したがって、深い領域までの溶融と冷却速度制御の観点から、結晶材料表層部を加熱するアシスト加熱が不可欠である。アシスト加熱は、パルスレーザ光に比べて結晶材料表層部を長い時間加熱することができ、パルスレーザ光照射と相俟って結晶材料の深い領域（例えば２μｍ以上）まで溶融でき、また、液相エピタキシャル成長後の冷却を緩やかにして欠陥の再発生を防止することができる。 However, only the pulse green laser light irradiation has a limitation on the light penetration length, and when the pulse width is shortened, rapid cooling occurs, so that crystal defects (point defects) are likely to occur during cooling after heating. Therefore, from the viewpoint of melting to a deep region and controlling the cooling rate, assist heating for heating the crystal material surface layer is indispensable. The assist heating can heat the surface layer of the crystal material for a longer time than the pulse laser beam, and can melt to a deep region (for example, 2 μm or more) of the crystal material in combination with the pulse laser beam irradiation. Regeneration of defects can be prevented by gradual cooling after epitaxial growth.
アシスト加熱は、連続レーザ光を利用して行う。連続レーザ光は、前記パルスレーザ光の走査に合わせて同時に照射するのが望ましい。
連続レーザ光を出力する連続発振レーザ光源には、グリーン波長より波長の長いＬＤレーザ（波長８０８ｎｍ）などの近赤外レーザ光を出力するものが望ましい。
近赤外レーザ光は、波長としては、６５０〜１１００ｎｍのものを例示することができる。好適には、６８０〜８２５ｎｍの波長を示すことができる。上記波長域では、一般的な結晶材料であるシリコンに対する光吸収がよく、上記パルスレーザ光よりも深い光侵入長が得られる。この結果、結晶材料表層部は、深い領域にまで加熱されてアシスト作用が効果的に得られる。
アシスト温度は、結晶材料表面上で材料融点を超えないようにするのが望ましい。該調整は、例えば、近赤外レーザのパワー密度と前記走査速度とを制御することによって行うことができる。
The assist heating is performed using continuous laser light. It is desirable to irradiate the continuous laser beam simultaneously with the scanning of the pulse laser beam.
The continuous wave laser light source that outputs continuous laser light preferably outputs near infrared laser light such as an LD laser (wavelength 808 nm) having a wavelength longer than the green wavelength.
The near-infrared laser beam can be exemplified as having a wavelength of 650 to 1100 nm. Suitably, the wavelength of 680-825 nm can be shown. In the above wavelength range, light absorption with respect to silicon which is a general crystal material is good, and a light penetration depth deeper than that of the pulse laser beam can be obtained. As a result, the crystal material surface layer is heated to a deep region, and an assist action is effectively obtained.
It is desirable that the assist temperature does not exceed the material melting point on the crystal material surface. The adjustment can be performed, for example, by controlling the power density of the near infrared laser and the scanning speed.
なお、本発明としては、パルスレーザ光照射の作用と連続レーザ光によるアシスト作用とが複合して得られるものであればよく、パルスレーザ光における照射位置と、近赤外レーザ光などの連続レーザ光の照射位置の関係が特定のものに限定されるものではない。したがって、連続レーザ光とパルスレーザ光の照射エリアとが、結晶材料表面上で、一部または全部で重なるように、もしくは前記各レーザ光がそれぞれ重なることなく位置がずれて照射されるものであってもよい。ただし、それらの照射が全く個別に行われると、複合照射による作用が得られないため、それぞれの照射による作用が影響し合うことは必要である。
なお、照射エリアは、結晶材料表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度や連続レーザ光のパワー密度が、例えばピーク値に対し５０％（ＦＷＨＭ）となるエリアとして示すことができる。
Note that the present invention only needs to be obtained by combining the action of pulsed laser light irradiation and the assisting action by continuous laser light. The irradiation position in pulsed laser light and continuous laser such as near infrared laser light can be used. The relationship of the light irradiation position is not limited to a specific one. Therefore, the irradiation areas of the continuous laser beam and the pulsed laser beam are irradiated so that the laser beam is partially or entirely overlapped on the surface of the crystal material, or the laser beams are not shifted in position. May be. However, if these irradiations are performed completely individually, the effects of the combined irradiation cannot be obtained, so that the effects of the respective irradiations need to influence each other.
Note that the irradiation area can be shown as an area where the energy density of the pulsed laser beam or the power density of the continuous laser beam is 50% (FWHM) with respect to the peak value on the surface of the crystal material.
ただし、アシスト作用を効果的に得るためには、近赤外レーザ光などの連続レーザ光の照射エリアが前記パルスレーザ光の照射エリアより大きいのが望ましく、さらに前記連続レーザ光の照射エリアが前記パルスレーザ光の照射エリアを覆うようにするのが一層望ましい。また、予備加熱としての作用を得るために、連続レーザ光の照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えて位置するのが望ましく、さらには、後加熱としての作用などを得るために、連続レーザ光の照射エリアが走査方向逆側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えているのがさらに一層望ましい。また、両レーザ光の照射エリアの位置関係は、走査方向と直交する方向に対し対称となっているのが望ましい。これにより走査方向を反転する際に、同じ位置関係が得られる。
すなわち、連続レーザ光の照射エリアは、パルスレーザ光の照射エリア全体を越える大きさを有しているのが望ましい。連続レーザ光の照射エリアをパルスレーザ光の照射エリアより広くとることで、結晶材料表層部における横方向の熱の逃げを緩和でき、結晶材料の深い領域まで加熱することができる。また、連続レーザ光とパルスレーザ光の光侵入長が異なることから深さ方向の熱の逃げも緩和でき、結晶材料の深い領域までの加熱を助長する。
However, in order to effectively obtain the assist action, it is desirable that the irradiation area of continuous laser light such as near infrared laser light is larger than the irradiation area of pulse laser light, and further, the irradiation area of continuous laser light is the above-mentioned It is more desirable to cover the irradiation area of the pulse laser beam. In order to obtain an effect as preheating, it is desirable that a part or the whole of the irradiation area of the continuous laser beam is positioned at least beyond the irradiation area of the pulse laser beam on the scanning direction side. In order to obtain an effect as heating, it is even more desirable that the irradiation area of the continuous laser beam exceeds the irradiation area of the pulse laser beam on the opposite side in the scanning direction. In addition, it is desirable that the positional relationship between the irradiation areas of both laser beams be symmetric with respect to the direction orthogonal to the scanning direction. Thus, the same positional relationship can be obtained when the scanning direction is reversed.
That is, it is desirable that the irradiation area of the continuous laser beam has a size exceeding the entire irradiation area of the pulse laser beam. By making the irradiation area of the continuous laser beam wider than the irradiation area of the pulse laser beam, the heat release in the lateral direction in the crystal material surface layer portion can be alleviated and the deep region of the crystal material can be heated. Further, since the light penetration lengths of the continuous laser light and the pulsed laser light are different, the escape of heat in the depth direction can be mitigated, and heating to a deep region of the crystal material is promoted.
連続レーザ光の照射エリアをパルスレーザ光の照射エリアより広くとる場合、連続レーザ光のビームサイズ（断面サイズ）をパルスレーザ光のビームサイズ（断面サイズ）より大きくしなければならない。この場合、連続レーザ光のビームサイズは、パルスレーザ光のビームサイズ＋熱拡散長が望ましい。連続レーザ光の最大ビームサイズは、パワー密度と基板の走査速度で決定されるアシスト温度が深い溶融に十分であるかどうかで決まる。但し、アシスト温度は、前記したように結晶材料表面の材料（例えば結晶シリコン）の融点より低くするのが望ましい。 When the irradiation area of the continuous laser light is larger than the irradiation area of the pulse laser light, the beam size (cross section size) of the continuous laser light must be larger than the beam size (cross section size) of the pulse laser light. In this case, the beam size of the continuous laser beam is preferably the beam size of the pulse laser beam + the thermal diffusion length. The maximum beam size of continuous laser light is determined by whether or not the assist temperature determined by the power density and the scanning speed of the substrate is sufficient for deep melting. However, the assist temperature is desirably lower than the melting point of the material on the surface of the crystal material (for example, crystal silicon) as described above.
また、上記パルスレーザ光の照射と連続レーザ光の照射とは結晶材料表面上において同時期になされるようにするのが望ましい。したがって、両レーザ光は結晶材料表面の所定位置に同時に照射されるものであってもよく、また、結晶材料表面の所定位置に時間差を有して両レーザ光が照射されるものであってもよい。時間差を有する場合、連続レーザ光のアシスト作用がパルスレーザ光の照射において効果的に得られるように時間の差を設定する。すなわち、時間差をあまりに大きくすると、連続レーザ光のアシストの作用がパルスレーザ光の照射において十分に得られなくなる。アシスト作用を維持した上で上記時間差を有する照射も上記同時期の照射に含まれるものである。 Further, it is desirable that the irradiation with the pulse laser beam and the irradiation with the continuous laser beam be performed simultaneously on the crystal material surface. Therefore, both laser beams may be irradiated simultaneously on a predetermined position on the surface of the crystal material, or both laser beams may be irradiated at a predetermined position on the surface of the crystal material with a time difference. Good. When there is a time difference, the time difference is set so that the assist action of the continuous laser light can be effectively obtained in the irradiation of the pulsed laser light. That is, if the time difference is too large, the continuous laser beam assist function cannot be sufficiently obtained in the irradiation with the pulsed laser beam. Irradiation having the time difference while maintaining the assist action is also included in the irradiation at the same time.
なお、上記したビームのサイズや照射位置の関係は、光学系によって調整することができる。光学系は、ホモジナイザー、レンズ、ミラーなどの光学材料などを備え、レーザ光の整形や偏向などを行うものである。
また、本発明では、温度傾斜を小さくして、結晶材料深部の加熱を効果的に行うことができ、急速な冷却に伴う深部での結晶欠陥の発生を防止できる。
The relationship between the beam size and the irradiation position described above can be adjusted by an optical system. The optical system includes optical materials such as a homogenizer, a lens, and a mirror, and performs shaping and deflection of laser light.
In the present invention, the temperature gradient can be reduced to effectively heat the deep portion of the crystal material, and the occurrence of crystal defects in the deep portion accompanying rapid cooling can be prevented.
以上説明したように、本発明によれば、
１）深さ数μｍの結晶材料を完全溶融することができ、液相エピタキシャルが可能であるため、結晶欠陥フリーのデバイス層を形成できる。
２）連続発振レーザ光の温度アシストによってパルスレーザ光の熱負荷を下げられるため、長い長尺ビームを形成できレーザビーム走査の折り返し回数を減らせるので高スループットを確保できる。
３）温度アシストによってパルスレーザの局所照射エリアの冷却速度を緩和できるため冷却時に発生し、特に急速冷却時に大きくなりやすい熱ストレスを緩和できる。
As explained above, according to the present invention,
1) A crystal material having a depth of several μm can be completely melted and liquid phase epitaxy is possible, so that a crystal defect-free device layer can be formed.
2) Since the thermal load of the pulsed laser beam can be lowered by the temperature assist of the continuous wave laser beam, a long long beam can be formed and the number of times of laser beam scanning can be reduced, so that a high throughput can be secured.
3) Since the cooling rate of the local irradiation area of the pulse laser can be reduced by temperature assist, it is possible to reduce thermal stress that occurs at the time of cooling, and tends to increase particularly during rapid cooling.
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
改質装置１は、図１に示すように、処理室２を備えており、該処理室２内にＸ−Ｙ方向に移動可能な走査装置３を備え、その上部に基台４を備えている。基台４上には、被処理体配置台５が設けられている。改質処理時には、該被処理体配置台５上に結晶材料である単結晶シリコンウェハ３０が設置される。なお、走査装置３は、図示しないモータなどによって駆動される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the reformer 1 includes a processing chamber 2, a scanning device 3 that can move in the XY direction, and a base 4 on the upper portion. Yes. On the base 4, a target object placement base 5 is provided. During the reforming process, a single crystal silicon wafer 30 that is a crystal material is placed on the target object placement table 5. The scanning device 3 is driven by a motor (not shown) or the like.
処理室２外部には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するパルスレーザ光源１０が設置されている。パルスレーザ光源１０でパルス発振されて出力されるパルスレーザ光１５は、必要に応じて減衰器１１でエネルギー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系１２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の単結晶シリコンウェハ３０に照射される。 A pulse laser light source 10 on which the second harmonic of an LD-pumped Yb: YAG laser is mounted is installed outside the processing chamber 2. The pulsed laser beam 15 that is output by being pulsated by the pulsed laser light source 10 is adjusted in energy density by an attenuator 11 as necessary, and is subjected to beam shaping or optical processing by an optical system 12 including a lens, a reflecting mirror, a homogenizer, and the like. Deflection is performed and the single crystal silicon wafer 30 in the processing chamber 2 is irradiated.
パルスレーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光１５は、半値幅が６００ｎｓ以下のパルス波形を有している。該レーザ光は、単結晶シリコンウェハ３０に照射された際に、単結晶シリコンウェハ３０の表層のみが溶融する状態が得られるエネルギー密度に調整されている。該パルスレーザ光１５は、上記したように、光学系１２により例えばスポット状、円形状、角形状、長尺状などに整形される。 The pulsed laser light 15 output from the pulsed laser light source 10 has a pulse waveform with a half width of 600 ns or less. When the single crystal silicon wafer 30 is irradiated with the laser light, the laser light is adjusted to an energy density at which only the surface layer of the single crystal silicon wafer 30 is melted. As described above, the pulse laser beam 15 is shaped into, for example, a spot shape, a circular shape, a square shape, or a long shape by the optical system 12.
また、処理室２外部には、近赤外レーザ光を発生するＬＤレーザ光源からなる連続発振レーザ光源２０が設置されている。連続発振レーザ光源２０から出力される近赤外レーザ光２５は、必要に応じて減衰器２１でパワー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系２２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の単結晶シリコンウェハ３０に照射される。該近赤外レーザ光２５は、単結晶シリコンウェハ３０に照射されて走査される際に、単結晶シリコンウェハ３０が融点に達しないパワー密度に調整されている。該近赤外レーザ光２５は、上記したように、光学系２２により例えば、スポット形状などに整形され、そのサイズは、前記パルスレーザ光１５のサイズよりも大きくなるように調整される。
上記パルスレーザ光と近赤外レーザ光における出力タイムチャートを図２に示す。
In addition, a continuous wave laser light source 20 including an LD laser light source that generates near-infrared laser light is installed outside the processing chamber 2. The near-infrared laser light 25 output from the continuous wave laser light source 20 is adjusted in power density by an attenuator 21 as necessary, and is shaped and deflected by an optical system 22 including a lens, a reflection mirror, a homogenizer, and the like. The single crystal silicon wafer 30 in the processing chamber 2 is irradiated. The near-infrared laser light 25 is adjusted to a power density that does not reach the melting point of the single crystal silicon wafer 30 when the single crystal silicon wafer 30 is irradiated and scanned. As described above, the near-infrared laser beam 25 is shaped into, for example, a spot shape by the optical system 22, and the size thereof is adjusted to be larger than the size of the pulse laser beam 15.
FIG. 2 shows an output time chart of the pulse laser beam and the near infrared laser beam.
図３（ａ）に示すように、近赤外レーザ光２５が単結晶シリコンウェハ３０に照射される際の照射エリア２５ａは、パルスレーザ光１５が単結晶シリコンウェハ３０に照射される際の照射エリア１５ａを覆い、かつ、そのエリア全体を越える大きさを有するように、前記光学系１２、２２により調整される。なお、Ｘ軸方向の矢印は、レーザ光の走査方向を示している。
上記例では、パルスレーザ光１５と近赤外レーザ光２５とは、単結晶シリコンウェハ３０上の同じエリアで、照射時期がずれることなく照射される。
ただし、本発明としては、各レーザ光の照射エリアの位置が上記に限定されるものではない。
As shown in FIG. 3A, the irradiation area 25a when the near-infrared laser beam 25 is irradiated onto the single crystal silicon wafer 30 is irradiated when the pulse laser beam 15 is irradiated onto the single crystal silicon wafer 30. It is adjusted by the optical systems 12 and 22 so as to cover the area 15a and to have a size exceeding the entire area. Note that the arrow in the X-axis direction indicates the scanning direction of the laser light.
In the above example, the pulse laser beam 15 and the near-infrared laser beam 25 are irradiated in the same area on the single crystal silicon wafer 30 without irradiating the irradiation time.
However, in the present invention, the position of the irradiation area of each laser beam is not limited to the above.
図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、照射エリア位置の変更例を示すものである。
図３（ｂ）は、長手方向および走査方向においてCW−LDレーザの照射エリア２５ａは、パルスグリーンレーザの照射エリア１５ａを超える大きさを有し、走査方向と逆の方向では、照射エリア１５ａ、２５ａが重なってエリア端が一致している。図３（ｃ）は、同照射エリア２５ａが同照射エリア１５ａを覆うことなく、両者の重なりがないものであり、照射エリア１５ａの走査方向側に照射エリア２５ａが位置して、隣接する照射エリアの端縁が互いに接している。図３（ｄ）は、同照射エリア２５ａが同照射エリア１５ａを覆うことなく、両者が重なることなく離反しているものである。ただし、両者は基板上で互いに近傍に照射される。また、図３（ｅ）は、本発明外の照射状態を示すものであり、単結晶シリコンウェハ３０に、パルスレーザ光１５のみが照射されて、照射エリア１５ａによって単結晶シリコンウェハ３０が処理される状態を示している。
FIGS. 3B, 3C, and 3D show examples of changing the irradiation area position.
FIG. 3B shows that the irradiation area 25a of the CW-LD laser in the longitudinal direction and the scanning direction has a size exceeding the irradiation area 15a of the pulse green laser, and in the direction opposite to the scanning direction, the irradiation area 15a, 25a overlaps and the area edges coincide. In FIG. 3C, the irradiation area 25a does not cover the irradiation area 15a and does not overlap with each other, and the irradiation area 25a is positioned on the scanning direction side of the irradiation area 15a and adjacent irradiation areas. The edges are in contact with each other. In FIG. 3D, the irradiation area 25a does not cover the irradiation area 15a and is separated without overlapping. However, both are irradiated near each other on the substrate. FIG. 3E shows an irradiation state outside the present invention. The single crystal silicon wafer 30 is irradiated with only the pulsed laser beam 15, and the single crystal silicon wafer 30 is processed by the irradiation area 15a. This shows the state.
近赤外レーザ光が照射された結晶材料表面では、照射直後から次第に温度上昇し、定常状態になる。一方、パルスレーザ光では、パルスに応じて極めて短時間に温度上昇し、また、パルスに応じて極めて短時間に温度降下する。パルスレーザ光の照射に際しては、近赤外レーザ光を照射し、結晶材料表面温度が定常状態になった後に、パルスレーザ光の照射を行うようにしてもよい。結晶材料表面における被照射タイミングは、例えば遅延時間を設定しておき、近赤外レーザ光の照射後、遅延時間にしたがって、パルスレーザ光を遅れて照射するようにしてもよく、或いは、照射エリアの位置をずらして複合レーザ光を走査することで被照射タイミングを変えることも可能である。上記図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）の例は、単結晶シリコンウェハ３０に対し、いずれもパルスレーザ光１５による照射が近赤外レーザ光２５の照射に遅れてなされる。 On the surface of the crystal material irradiated with the near-infrared laser light, the temperature gradually increases immediately after irradiation and becomes a steady state. On the other hand, with a pulse laser beam, the temperature rises in a very short time according to the pulse, and the temperature drops in a very short time according to the pulse. When irradiating the pulse laser beam, the near-infrared laser beam may be irradiated and the pulse laser beam may be irradiated after the surface temperature of the crystal material reaches a steady state. The irradiation timing on the crystal material surface may be set, for example, by setting a delay time, and after irradiation with the near infrared laser light, the pulse laser light may be applied with a delay according to the delay time, or the irradiation area It is also possible to change the irradiation timing by scanning the composite laser light while shifting the position. In the examples of FIGS. 3B, 3C, and 3D, the single crystal silicon wafer 30 is irradiated with the pulse laser beam 15 after the irradiation of the near infrared laser beam 25.
上記単結晶シリコンウェハ３０へは、パルスレーザ光１５を繰り返し重複して照射するとともに、近赤外レーザ光２５を複合照射することで、２μｍ以上の厚さに亘って溶融させる。パルスレーザ光１５の重複率（オーバーラップ率）は、必要に応じて適宜選定することができる。この際に、走査装置３による基台４の移動速度を制御することにより、単結晶シリコンウェハ３０に対し、パルスレーザ光１５および近赤外レーザ光２５を所定速度で走査することができる。 The single crystal silicon wafer 30 is repeatedly irradiated with the pulse laser beam 15 repeatedly, and combined with the near infrared laser beam 25 to be melted over a thickness of 2 μm or more. The overlapping rate (overlap rate) of the pulse laser beam 15 can be appropriately selected as necessary. At this time, by controlling the moving speed of the base 4 by the scanning device 3, the single crystal silicon wafer 30 can be scanned with the pulse laser beam 15 and the near infrared laser beam 25 at a predetermined speed.
上記パルスグリーンレーザ光と連続発振近赤外レーザ光を結晶材料表面に照射した際の深さ方向での熱拡散の模式図を図４（ａ）に示す。
単結晶シリコンウェハ３０には、上記パルスレーザ光よりも光侵入長が大きい近赤外レーザ光の照射によって、単結晶シリコンウェハ３０の深い位置にまで温度アシスト領域が形成される。例えば波長８０８ｎｍの近赤外レーザ光では、深さ方向に１０μｍ程度の光侵入長が得られる。この状態でパルスレーザ光を照射すると、深さ方向（Ｚ軸方向）に熱が拡散する。この際の深い温度アシスト領域がパルスグリーンレーザの浅い加熱領域の温度勾配を小さくし、その結果、熱の逃げが小さくなって結晶材料表面の深い位置まで効果的に加熱される。この際には、パルスレーザ光のエネルギー密度と近赤外レーザ光のパワー密度や走査速度の調整によって最適化を図り、結晶材料の深層側の加熱を効果的に行い表層部の改質を行う。
FIG. 4A shows a schematic diagram of thermal diffusion in the depth direction when the surface of the crystal material is irradiated with the pulsed green laser light and continuous wave near infrared laser light.
A temperature assist region is formed in the single crystal silicon wafer 30 at a deep position of the single crystal silicon wafer 30 by irradiation with near infrared laser light having a light penetration length larger than that of the pulse laser light. For example, with a near-infrared laser beam having a wavelength of 808 nm, a light penetration length of about 10 μm can be obtained in the depth direction. When pulse laser light is irradiated in this state, heat diffuses in the depth direction (Z-axis direction). The deep temperature assist region at this time reduces the temperature gradient of the shallow heating region of the pulse green laser, and as a result, the heat escape is reduced and the crystal material surface is effectively heated to a deep position. In this case, optimization is performed by adjusting the energy density of the pulsed laser beam, the power density of the near-infrared laser beam, and the scanning speed to effectively heat the deep layer side of the crystal material and modify the surface layer portion. .
なお、図４（ｂ）は、パルスグリーンレーザ光のみを単結晶シリコンウェハ３０に照射した状態を示している。この例では、面方向および深さ方向における温度勾配が大きく、熱の逃げが大きい。このため、深さ方向の加熱効果が抑制され、特に熱容量の大きな厚い結晶材料に対し、表層部を選択的に溶融することが困難になる。 FIG. 4B shows a state in which the single crystal silicon wafer 30 is irradiated with only the pulsed green laser light. In this example, the temperature gradient in the surface direction and the depth direction is large, and the heat escape is large. For this reason, the heating effect in the depth direction is suppressed, and it becomes difficult to selectively melt the surface layer portion particularly for a thick crystal material having a large heat capacity.
以下に、本発明の実施例を説明する。
グリーンパルスレーザとして、ＬＤ励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）第二高調波を用い、パルスレーザ光源には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧを用いた。該レーザ光源から出力されて半導体基板に照射されるパルスレーザ光（波長５１５ｎｍ）は、パルス幅３００ｎｓ、エネルギー密度１２Ｊ／ｃｍ２、パルス周波数１０ｋＨｚに設定し、単結晶シリコンウェハ表面に直上から繰り返し重複照射した。なお、この実施例では、パルスレーザ光には、立ち上がり時間が遅く、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上のものを用いた。
単結晶シリコンウェハは、チョクラルスキー法によって厚さ７２５μｍに作製されたものである。
Examples of the present invention will be described below.
An LD pumped solid state laser (DPSS) second harmonic was used as the green pulse laser, and LD pumped Yb: YAG was used as the pulse laser light source. The pulse laser beam (wavelength 515 nm) emitted from the laser light source and applied to the semiconductor substrate is set to a pulse width of 300 ns, an energy density of 12 J / cm 2 and a pulse frequency of 10 kHz, and repeatedly overlaps the single crystal silicon wafer surface from directly above. Irradiated. In this embodiment, the pulsed laser light having a slow rise time and a rise time for reaching from 90% to 90% of the maximum intensity of the pulse waveform is 160 ns or more .
The single crystal silicon wafer is manufactured to a thickness of 725 μm by the Czochralski method.
一方、連続発振レーザ光源で発生させた波長８０８ｎｍの近赤外レーザ光をパワー密度１１．３ｋＷ／ｃｍ２・秒にして４５度の角度で前記基板に連続照射した。連続発振近赤外レーザ光とパルスグリーンレーザ光は、それぞれの光学系によって楕円形に整形され、同時期に単結晶シリコンウェハ表面に照射される。近赤外レーザ光の楕円ビームのサイズ（短軸４００μｍ、長軸５６０μｍ）はパルスグリーンレーザ光のサイズ（短軸３６μｍ、長軸３００μｍ）より大きいものとした。図５は、上記パルスレーザ光１５と近赤外パルスレーザ２５の単結晶シリコンウェハ３０上における照射エリア１５ａ、２５ａを示すものである。照射エリア２５ａは、照射エリア１５ａ全体を覆ってこれを越える大きさを有している。 On the other hand, a near-infrared laser beam having a wavelength of 808 nm generated by a continuous wave laser light source was continuously irradiated onto the substrate at a power density of 11.3 kW / cm 2 · sec at an angle of 45 degrees. Continuous oscillation near-infrared laser light and pulsed green laser light are shaped into ellipses by the respective optical systems, and are irradiated onto the surface of the single crystal silicon wafer at the same time. The size of the elliptical beam of the near-infrared laser beam (short axis 400 μm, long axis 560 μm) was made larger than the size of the pulse green laser light (short axis 36 μm, long axis 300 μm). FIG. 5 shows irradiation areas 15a and 25a of the pulse laser beam 15 and the near-infrared pulse laser 25 on the single crystal silicon wafer 30. FIG. The irradiation area 25a covers the entire irradiation area 15a and has a size exceeding this.
なお、光学系には、長軸シリンドリカルレンズ、短軸シリンドリカルレンズ、球面レンズ、反射ミラーなどを備えており、シリンドリカルレンズの構成によって、ビームの短軸、長軸のサイズを設定することができる。
単結晶シリコンウェハは基台上の被処理体配置台に設置し、走査装置によって８０ｍｍ／秒の速度で走査するものとした。
The optical system includes a long-axis cylindrical lens, a short-axis cylindrical lens, a spherical lens, a reflection mirror, and the like, and the size of the short-axis and long-axis of the beam can be set depending on the configuration of the cylindrical lens.
The single crystal silicon wafer was placed on the processing object placement table on the base and scanned by the scanning device at a speed of 80 mm / second.
上記両レーザ光を照射して単結晶シリコンウェハ表面の改質を行い、その結晶性をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察した。その結果を図６に断面組織像と｛１１１｝回折パターンを示す。該写真から明らかなように、溶融した深さ、すなわち表面、深さ０．５μｍ、１μｍ、２μｍにおいてもウエハの固相部分を種結晶としてエピタキシャル成長をして欠陥のない良好な単結晶組織が得られている。 The both laser beams were irradiated to modify the surface of the single crystal silicon wafer, and the crystallinity was observed with a TEM (transmission electron microscope). The result is shown in FIG. 6 as a cross-sectional structure image and a {111} diffraction pattern. As is apparent from the photograph, a good single crystal structure free from defects can be obtained by epitaxial growth using the solid phase portion of the wafer as a seed crystal even at a melted depth, that is, at a surface depth of 0.5 μm, 1 μm, and 2 μm. It has been.
また、パルス幅を変えて、同一のエネルギー密度、ショット数でパルスグリーンレーザ光のみを単結晶シリコンウェハに照射した際の溶融深さを測定し、その結果を図７に示した。図から明らかなように、パルス幅が小さくなるほど溶融深さが深くなっており、６００ｎｓ以下では、単独でも０．６μｍ以上の溶融深さが得られている。
次に、パルス幅を３００ｎｓに固定して、パルスグリーンレーザ光のエネルギー密度を変えて、近赤外レーザ光とともに複合照射した際の溶融深さを測定し、その結果を図８に示した。図から明らかなように、エネルギー密度を増加させるにつれて溶融深さが深くなっているが、１２．５Ｊ／ｃｍ２以上では、溶融深さは略３μｍであり、エネルギー密度の増加に伴う溶融深さの増加は飽和しつつある。従って、溶融深さはパルス幅への依存性があると考えられる。溶融深さを略３μｍ確保するという観点で、パルス幅は３００ｎｓ以下が望ましいといえる。
Further, the melting depth when the pulse width was changed and the single crystal silicon wafer was irradiated with only the pulsed green laser beam with the same energy density and the number of shots was measured, and the result is shown in FIG. As is clear from the figure, the melting depth becomes deeper as the pulse width becomes smaller, and a melting depth of 0.6 μm or more can be obtained by itself at 600 ns or less.
Next, with the pulse width fixed at 300 ns , the energy density of the pulse green laser light was changed, and the melting depth when combined irradiation with near-infrared laser light was measured. The result is shown in FIG. . As is apparent from the figure, the melting depth becomes deeper as the energy density is increased, but at 12.5 J / cm 2 or more, the melting depth is approximately 3 μm, and the melting depth accompanying the increase in the energy density. The increase in is saturating. Therefore, it is considered that the melt depth depends on the pulse width. From the viewpoint of securing a melting depth of about 3 μm, it can be said that the pulse width is desirably 300 ns or less.
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更は可能である。 As described above, the present invention has been described based on the above-described embodiment and examples. However, the present invention is not limited to the contents of the above description, and appropriate modifications can be made without departing from the scope of the present invention. is there.
１ 改質装置
２ 処理室
３ 走査装置
４ 基台
５ 被処理体配置台
１０ パルスレーザ光源
１１ 減衰器
１２ 光学系
１５ パルスレーザ光
１５ａ 照射エリア
２０ 連続発振レーザ光源
２１ 減衰器
２２ 光学系
２５ 近赤外レーザ光
２５ａ 照射エリア
３０ 単結晶シリコンウェハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Processing chamber 3 Scanning device 4 Base 5 Processing object arrangement | positioning base 10 Pulse laser light source 11 Attenuator 12 Optical system 15 Pulse laser beam 15a Irradiation area 20 Continuous oscillation laser light source 21 Attenuator 22 Optical system 25 Near red Outside laser beam 25a Irradiation area 30 Single crystal silicon wafer
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