JP5918160B2 - ゲッタリング半導体ウエハおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハに金属不純物の汚染防止用ゲッタリング層を低温プロセスで形成するゲッタリング半導体ウエハの製造方法に関するものである。

半導体ウエハにゲッタリング効果をもたらすゲッタリング技術（非特許文献１参照）は、イントリンシック・ゲッタリング（以下ＩＧという）技術とエクストリンシック・ゲッタリング（以下ＥＧという）技術に分類される。前者は元々シリコンウエハに含まれている酸素を高温熱処理によって凝集析出させ、シリコンウエハ中に欠陥を作りその周辺に歪み場を形成させることでゲッタリング効果を持たせている。後者はシリコンウエハの外部から歪場や化学作用を与えてゲッタリング効果を持たせるものである。
ＥＧ技術の中にはレーザー照射法があり、レーザー誘起欠陥をゲッタリング源として利用するものである。例えば、超短パルスレーザー（特許文献１参照）や近赤外レーザー（特許文献２参照）やＫｒＦエキシマレーザー（非特許文献１参照）やＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー（非特許文献２，３参照）を光源として破砕層（結晶欠陥）をＳｉウエハの表層付近に誘起させ、金属不純物の捕捉（ゲッタリング）、除去することが試みられている。
具体的には、特許文献１では、超短パルスレーザー（パルス幅：１．０Ｅ−１５〜１．０Ｅ−８ｓｅｃ；波長３００〜１２００ｎｍ）を照射して、数十μｍ程度の深さにゲッタリング層（アモルファス層を含む）を作るレーザーゲッタリング技術が提案されている。
特許文献２では、近赤外レーザーを照射して、厚さ１００μｍ未満のシリコンウエハのある深さに厚さ１μｍ未満の破砕層を作るレーザーゲッタリング技術が提案されている。
エクストリンシック・ゲッタリング（ＥＧ）技術について、非特許文献１ではＫｒＦエキシマレーザーによるゲッタリング技術が紹介されており、非特許文献２と非特許文献３ではＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるゲッタリング技術が紹介されている。

三次元構造ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ａ Ｐａｃｋａｇｅ）の技術ロードマップ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｏｆ Ｊａｐａｎ：ＳＴＲＪ）によれば、近年にはシリコンウエハの厚さが１０μｍレベルになることが予想され、極薄Ｓｉウエハの表層にあるデバイス構造に熱ダメージを与えないようにその裏面にゲッタリング層を新たに形成する必要がある。そのためゲッタリング技術としては低温プロセスが可能なＥＧ法が既に主流となっている。

特開２０１０−２８３２２０号公報 特開２００７−１６５７０６号公報

（１）Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗｏｒｌｄ １９８７年１月号ｐ８８〜９５，「超ＬＳＩウエーハの結晶欠陥とゲッタリング技術」 （２）Ｙ．Ｈａｙａｆｕｊｉ、Ｔ．Ｙａｎａｄａ、ａｎｄ Ｙ．Ａｏｋｉ ：ＪＯＵＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ １２８（１９８１）ｐ．１９７５，「Ｌａｓｅｒ Ｄａｍａｇｅ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｌｉｆｅｔｉｍｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ」 （３）Ｃ．Ｗ．Ｐｅａｒｃｅ ａｎｄ Ｖ．Ｊ．Ｚａｌｅｃｋａｓ：ＪＯＵＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ １２６、Ｎｏ．８（１９７９）ｐ．１４３６，「Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｌａｔｔｉｃｅ Ｄａｍａｇｅ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ」

三次元構造ＳｉＰのゲッタリング層形成技術において、低温プロセスが可能なＥＧ法においては、表面側をデバイス構造を設ける面として、裏面側を研削して薄化した後、レーザー光の照射を行っている。しかし、シリコンウエハの厚さが１０μｍレベルと極薄くなると、研削時に付与されたダメージにより割れやすいという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ゲッタリング処理に際し半導体ウエハ表面のデバイス構造への熱ダメージを与えることなく効果的なゲッタリング層をウエハ裏面に形成することができ、半導体ウエハの薄化がなされる場合にも割れなどが生じ難い半導体ウエハおよびその製造方法を提供することを目的の一つとする。

すなわち、本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法のうち、第１の本発明は、一面側表面に酸化物層を有する半導体ウエハの前記表面に、パルスレーザー光と熱的アシストを行う連続レーザー光とを照射して前記半導体ウエハの１〜５μｍの深さの内層まで溶融させ、前記半導体ウエハにおける高速昇温・冷却プロセスの中で、その溶融過程で溶融領域に前記酸化物層から酸素を拡散させ、固化過程で、１〜４μｍの深さで前記内層に固溶限界濃度を越える酸素の高濃度領域を形成し、前記高濃度領域に起因する結晶欠陥によって前記半導体ウエハ中の金属を捕捉するゲッタリング層を形成することを特徴とする。

第２の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１の本発明において、前記パルスレーザー光が波長５１０〜５４０ｎｍのグリーンパルスレーザー光であり、前記連続レーザー光が、波長７８０〜８３０ｎｍのダイオードレーザー光であることを特徴とする。

第３の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１または第２の本発明において、前記パルスレーザー光のパルス幅が５００ｎｓ以下であることを特徴とする。

第４の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記連続レーザー光のアシスト温度が２００℃以下であることを特徴とする。

第５の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザー光は、パルスレーザ強度が１０％〜９０％に到達する立上がり時間が１６０ｎｓ以上であり、パルス強度が９０％〜１０％に到達する立下がり時間が１００ｎｓ以下であることを特徴とする。

第６の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記半導体ウエハがシリコンウエハからなり、前記酸化物層がＳｉＯ_２膜またはＳｉＯＮ膜の一方または両方からなることを特徴とする。

第７の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記酸化物層の光学的厚みが、前記照射時において前記パルスレーザー光の波長の１／４以下であることを特徴とする。

第８の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記溶融の領域に拡散した全酸素量は、１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えることを特徴とする。

第９の本発明のゲッタリング半導体ウエハの製造方法は、前記第１〜第８の本発明のいずれかにおいて、他面側にデバイス構造を有することを特徴とする。

第１０の本発明のゲッタリング半導体ウエハは、一面側に１〜４μｍの深さで固溶限界濃度を越える酸素の高濃度領域を有すると共に、液相／固相界面付近で酸素が減少する濃度勾配領域を介して他面側に至る前記固溶限界濃度以下の酸素の低濃度領域を有し、前記高濃度領域から前記濃度勾配領域に至る領域に結晶欠陥が存在し、該結晶欠陥が存在する領域に半導体ウエハ中の金属が捕捉されるゲッタリング層が設けられていることを特徴とする。

第１１の本発明のゲッタリング半導体ウエハは、前記第１０の本発明において、前記溶融の領域に拡散した全酸素量が、１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えられていることを特徴とする。

第１２の本発明のゲッタリング半導体ウエハは、前記第１０または第１１の本発明において、厚さが３０μｍ以下であることを特徴とする。

第１３の本発明のゲッタリング半導体ウエハは、前記第１０〜第１２の本発明のいずれかにおいて、他面側にデバイス構造を有することを特徴とする。

以下に、本発明における作用と限定理由について説明する。
本願発明では、連続レーザー光によるアシスト加熱を受けつつパルスレーザー光が半導体ウエハに照射されることで、半導体ウエハに損傷を与えることなく半導体ウエハを十分な深さまで溶融させて酸化物層にある酸素を高速拡散させることができる。そして、パルスレーザー光特有の急速冷却により半導体ウエハ中に固溶限界（例えば２．７Ｅ＋１８個／ｃｍ^３）を超える酸素を固溶させることができ、しかも液相／固相界面付近に酸素濃度が急減して酸素濃度が固溶限界以下である低濃度領域に至る酸素濃度勾配を作ることができる。過飽和の酸素固溶によって酸素析出物が生成され、酸素析出物に起因する結晶欠陥によって歪み場が生成される。なお、溶融領域に固溶する全酸素量は、例えば１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えることで、歪みによって半導体ウエハでクラックが発生するのを防止することができる。溶融領域に固溶する全酸素量は酸素濃度プロファイルをＳｉウエハ表面から溶融深さまで積分した量で示すことができる。表層の酸化物層の酸素は除いてある。
上記歪み場によって半導体ウエハ中に含まれる不純物金属が捕捉されてゲッタリング層が効果的に形成される。

半導体ウエハ
本発明としては半導体ウエハの種別が特に限定されるものではないが、好適には半導体ウエハとしてシリコンウエハを示すことができる。半導体ウエハの厚さは特に限定されるものではないが、本発明としては、特に３０μｍ以下の厚さの半導体ウエハにおいて顕著な効果が得られる。

酸化物層
半導体ウエハ表面のうち、少なくともレーザー光を照射する側には酸化物層を有している。酸化物層は意図的に形成したものでも、自然生成されたもののいずれであってもよく、また、これらは複合したものであってもよい。酸化物層は、半導体ウエハと同材料の成分を主成分とするのが望ましい。例えば、半導体ウエハがシリコンウエハである場合、酸化物層としては例えばＳｉ系酸化物層を挙げることができ、好適にはＳｉＯ_２膜またはＳｉＯＮ膜を示すことができる。
また、酸化物層厚ｄ×屈折率ｎで定義される酸化物層の光学的厚みは、前記パルスレーザー光の波長の１／４以下であるのが望ましい。これは反射強度を最小にして吸収を高めて効果的に溶融するためである。例えば、ＳｉＯ_２膜の屈折率は１．４６で示すことができ、パルスレーザー光の波長が例えば５１５ｎｍであれば、ＳｉＯ_２膜の厚さは、８８ｎｍ以下が望ましい。

パルスレーザー光
１．波長
本発明としては、パルスレーザー光の波長が特定のものに限定されるものではないが、例えば５１０〜５４０ｎｍのグリーン域の波長を用いることができる。
これにより、スループットを考慮して高出力が得られる。

２．パルス幅
パルスレーザー光のパルス幅（半値幅）は、本発明としては特に限定されるものではないが、高速加熱・高速冷却の現象が確実に得られるように、パルス幅は５００ｎｓ以下とするのが望ましく、さらに、同様の理由で３００ｎｓ以下とするのが一層望ましい。
パルス幅が大きいと、冷却速度が小さくなり、半導体ウエハ中に酸素を過飽和に固溶させることが難しくなる。

３．繰り返し周波数
パルス光のレーザー光の繰り返し周波数としては、特に限定されるものではないが、例えば１０〜３０ｋＨｚを示すことができる。

連続レーザー光波長
本発明としては、連続レーザー光の波長が特定のものに限定されるものではないが、例えば７８０〜８３０ｎｍの波長を用いることができる。上記波長域では、一般的な半導体材料であるシリコンに対する光吸収がよく、上記パルスレーザー光よりも深い光侵入長が得られる。この結果、半導体表層部は、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。また、上記波長域で高出力を容易に得ることができる。さらに、連続レーザー光は、通常、パルスレーザー光よりも長い波長とすることで、深いところまで予備過熱されるので深い溶融が可能となる。
なお、上記したアシスト加熱による温度の調整は、連続レーザー光のパワー密度と走査速度などを制御することによって行うことができる。アシスト温度としては、２００℃以下が望ましい。アシスト温度が高いとパルスレーザー光の照射による急速冷却の作用が十分に得られなくなり、半導体ウエハ中に酸素を過飽和に固溶させることが難しくなる。

なお、本発明では、パルスレーザー光と連続レーザー光とは連続レーザー光のアシスト加熱を受けた状態でパルスレーザー光が照射されるが、パルスレーザー光照射の作用と連続レーザー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、同一時点では、パルスレーザー光における照射位置と近赤外レーザー光などの連続レーザー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、連続レーザー光の照射領域とパルスレーザー光の照射領域とが、同一の時点では、半導体ウエハ表面上で、一部または全部で重なるように、もしくは前記各レーザー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ように照射されることは必要である。
なお、照射領域は、半導体表面においてパルスレーザー光のエネルギー密度や連続レーザー光のパワー密度が、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。

ただし、アシスト作用を効果的に得る、すなわち溶融深さを確保するためには、連続レーザー光の照射領域が前記パルスレーザー光の照射領域より大きいのが望ましく、更に前記連続レーザー光の照射領域が前記パルスレーザー光の照射領域を覆うようにするのが一層望ましい。また、アシスト加熱としての作用を十分に得るために、連続レーザー光の照射領域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ー光の照射領域を越えて位置するようにしてもよく、さらには、後加熱としての作用などを得るために、連続レーザー光の照射領域が走査方向逆側において前記パルスレーザー光の照射領域を越えているようにしてもよい。また、両レーザー光の照射領域の位置関係は、走査方向および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。

また、上記パルスレーザー光の照射と連続レーザー光の照射とは半導体ウエハ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、両レーザー光は半導体ウエハ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、半導体ウエハ表面の所定位置に時間差を有して両レーザー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、連続レーザー光のアシスト作用がパルスレーザー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、連続レーザー光のアシストの作用がパルスレーザー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。
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、レーザー光の整形や偏向などを行うものである。

上記連続レーザー光とパルスレーザー光の複合照射によって、半導体の表層を深くまで溶融させることができる。ただし、あまりに深く溶融させると、デバイス構造側に影響を与え、トランジスタ特性を損なうおそれがあるため、溶融深さは、レーザー光照射側から５μｍ以下とするのが望ましい。
また、ゲッタリング層の厚さと効果を考慮すれば、溶融深さは１μｍ以上が望ましい。
また、半導体ウエハの厚さに対し、溶融深さが相対的に厚くなると半導体ウエハの機械的強度（抗折強度）を損なうので、溶融深さは半導体ウエハの厚さの１０％以下であるのが望ましい。溶融深さは、連続レーザー光のパワー密度とパルスレーザー光のパルスエネルギー密度とレーザー光の走査速度とを設定することで決定することができる。連続レーザー光のパワー密度、パルスレーザー光のパルスエネルギー密度は、レーザー光源の出力調整及び／又は減衰器の減衰率の調整によって行うことができる。

上記により得られるゲッタリング層の厚さは、シリコンウエハ表面を基点として１μｍ以上４μｍ以下が望ましい。ゲッタリング層の厚さを４μｍを超えるものとすると、溶融領域の全酸素濃度が高くなり、半導体ウエハの強度が損なわれるおそれがある。なお、同様の理由でゲッタリング層の厚さは、３．５μｍ以下が望ましく、３．０μｍ以下が一層望ましい。

上記パルスレーザー光と連続レーザー光の照射により、半導体ウエハには固溶限度を超えた濃度で酸素を拡散させることができる。例えば、酸素のＳｉウエハ中の固溶限度としては、２．７Ｅ＋１８個／ｃｍ^３が示される。ゲッタリング作用を十分に得るためには、２．７Ｅ＋１８個／ｃｍ^３以上で酸素を含む領域を有しているのが望ましい。ただし、半導体ウエハに含まされる酸素濃度が高くなりすぎると、半導体ウエハの曲げ強度（抗折強度）が十分に確保できなくなるため、溶融領域における全酸素量は、１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２よりも低く抑えるのが望ましい。

なお、半導体ウエハは、レーザー光が照射される側と反対の面側にデバイス構造が設けられる。デバイス構造は、上記レーザー光の照射前に設けられている。

以上説明したように本発明によれば、半導体ウエハにダメージを与えることなく効果的なゲッタリング層を形成することができ、該ゲッタリング層を有する半導体ウエハは、曲げ強度が良好で金属不純物が捕捉されて特性に優れた半導体デバイスとすることができる。

本発明の一実施形態に用いるレーザーアニール装置の構成を示す図である。 同じく、パルスレーザー光と連続レーザー光のタイムチャートを示す図である。 同じく、半導体上におけるパルスレーザー光と連続レーザー光の照射領域と、半導体の断面におけるレーザー光照射による加熱領域を示す図である。 同じく、半導体上におけるパルスレーザー光と連続レーザー光の照射領域の変更例を示す図である。 同じく、三次元構造ＳｉＰの製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施例におけるレーザーアニール処理後の酸素濃度分布（ＳＩＭＳ深さプロファイル）を示す図である。 同じく、ｎ型キャリア（電子）濃度分布および比抵抗分布（ＳＲ深さプロファイル）を示す図である。

図１は、レーザー処理装置１の構成の概略を示すものであり、以下に説明する。
レーザー処理装置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。レーザー光照射時には、該被処理体配置台５上に処理対象である半導体ウエハ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。

処理室２外部には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を搭載するパルスレーザー光源１０が設置されている。パルスレーザー光源１０でパルス発振されて出力されるパルスレーザー光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内の半導体ウエハ３０に照射される。
パルスレーザー光源１０から出力されるパルスレーザー光１５は、半値幅が５００ｎｓ以下で波長５１５ｎｍ、繰り返し周波数１０ｋＨｚのパルス波形を有している。該パルスレーザー光１５は、半導体ウエハ３０に照射された際に、半導体ウエハ３０表層が溶融するエネルギー密度に調整されている。該パルスレーザー光１５は、光学系１２により例えばスポット状、円形状、角形状、長尺状などの適宜形状に整形される。なお、好適には、スループットを考慮すれば長尺形状が望ましい。

また、処理室２外部には、レーザー光を発生するＬＤレーザー光源からなる連続発振レーザー光源２０が設置されている。連続発振レーザー光源２０から出力される連続レーザー光２５は、波長８０８ｎｍを有している。連続レーザー光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内の半導体ウエハ３０に照射される。連続レーザー光２５は、半導体ウエハ３０に照射されて走査される際に、半導体ウエハ３０が融点に達しないパワー密度に調整されている。連続レーザー光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、前記パルスレーザー光１５のサイズよりも大きくなるように調整される。

レーザー処理装置は、該レーザー処理装置全体を制御する制御部６を有している。該制御部６は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主として構成することができる。制御部６は、前記パルスレーザー光源１０を駆動する電源７ａ、連続発振レーザー光源２０を駆動する電源７ｂにそれぞれ制御可能に接続され、それぞれのレーザー光源の出力を設定することができる。また、制御部６は、減衰器１１、減衰器２１に制御可能に接続され、それぞれの減衰率を設定することができる。また、制御部６は、走査装置３に駆動信号を出力するＸＹステージ駆動回路８に制御可能に接続されており、走査装置３における移動速度を設定することができる。

上記レーザーアニール装置では、図２に示すように、パルスレーザー光１５と連続レーザー光２５とが出力され、半導体ウエハ３０上で複合照射される。この際のパルスレーザー光の照射面でのエネルギー密度と、連続レーザー光２５の照射面でのパワー密度と、被処理体配置台５の走査速度とを所定値に設定することで、半導体ウエハ３０の表層で、所定の深さまで溶融させることができる。

上記半導体ウエハ３０へは、パルスレーザー光１５を繰り返し重複して照射するとともに、連続レーザー光２５を複合照射することで、半導体ウエハ３０の表層部が１μｍ以上の厚さに亘って溶融する。ただし、溶融深さが５μｍを越えないように設定するのが望ましい。
なお、半導体ウエハ３０としては、厚さ３０μｍ以下のものを好適に用いることができ、レーザー光照射面の反対の表面側にはデバイス構造が設けられている。
パルスレーザー光１５の短軸方向および長軸方向の重複率（オーバーラップ率）は、必要に応じて適宜選定（例えば短軸方向５０〜９０％、例えば長軸方向１０％〜５０％）することができ、本発明としては特に限定されるものではない。この際に、走査装置３による被処理体配置台５の移動速度を制御することにより、半導体ウエハ３０に対し、パルスレーザー光１５および連続レーザー光２５を所定速度で走査することができる。レーザービームの短軸方向の移動速度としては、例えば３０〜１５０ｍｍ／秒を示すことができるが、本発明としては特に限定されるものではない。
なお、連続レーザー光は、常時、一定のパワー密度を有する他、一部に不連続部を有していてもよい。これによって、連続レーザー光２５におけるアシスト加熱を調整して、半導体ウエハ３０表層での溶融深さの調整や熱負荷の調整を行うことができる。

この実施形態では、図３（ａ）に示すように、連続レーザー光２５が半導体ウエハ３０に照射される際の照射領域２５ａは、パルスレーザー光１５が半導体ウエハ３０に照射される際の照射領域１５ａを覆い、かつ、その照射領域１５ａ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、図中Ｘ軸方向の矢印はレーザー光の走査方向を示している。この例では、パルスレーザー光１５と連続レーザー光２５とは、半導体ウエハ３０上の同じ領域で、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、各レーザー光の照射領域の位置が上記に限定されるものではない。

上記パルスレーザー光と連続レーザー光を半導体表面に照射した際の深さ方向での熱拡散の模式図を図３（ｂ）に示す。
半導体ウエハ３０には、上記パルスレーザー光よりも光侵入長が大きい連続レーザー光の照射によって、半導体ウエハ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のレーザー光では、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ー光を照射すると、主に深さ方向（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レーザー光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半導体表面の深い位置まで効果的に加熱される。この際には、パルスレーザー光のエネルギー密度と連続レーザー光のパワー密度、走査速度の調整によって最適化を図り、半導体表層の加熱を効果的に行う。
なお、パルスレーザー光のみを半導体ウエハ３０に照射した場合、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半導体ウエハに対し、表層部を選択的に深く溶融することが困難になる。

次に、図４（ａ）〜（ｅ）は、パルスレーザー光と連続レーザー光の照射領域位置の変更例を示すものである。
図４（ａ）は、前記図３の照射位置において、パルスの断面形状を矩形状にしたものを示しており、照射領域２５ａが照射領域１５ａを完全に覆っている。図４（ｂ）は長軸方向（Ｙ軸方向）および走査方向（Ｘ軸方向）において連続レーザー光の照射領域２５ａは、パルスレーザー光の照射領域１５ａを超える大きさを有し、走査方向と逆の方向では、照射領域１５ａ、２５ａが重なってエリア端が一致している。図４（ｃ）は、同照射領域２５ａが同照射領域１５ａを覆うことなく、両者の重なりがないものであり、照射領域１５ａの走査方向側に照射領域２５ａが位置して、隣接する照射領域の端縁が互いに接している。図４（ｄ）は、同照射領域２５ａが同照射領域１５ａを覆うことなく、かつ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４（ｅ）は、本発明外の照射状態を示すものであり、半導体３０に、パルスレーザー光１５のみが照射されて、照射領域１５ａによって半導体３０が処理される状態を示している。

連続レーザー光が照射された半導体表面では、照射直後から次第に温度上昇し、定常状態になる。一方、パルスレーザー光では、パルスの立上がり時間（パルスレーザー強度が１０％から９０％に到達する時間）に応じて極めて短時間に温度上昇し、また、パルスの立下り時間（パルスレーザー強度が９０％から１０％に到達する時間）に応じて極めて短時間に温度降下する。前記立ち上がり時間としては例えば１６０ｎｓ以上が望ましく、立ち下がり時間としては、例えば１００ｎｓ以下が望ましい。パルスレーザー光の照射に際しては、連続レーザー光を照射し、半導体表面温度が定常状態になった後に、パルスレーザー光の照射を行うようにしてもよい。半導体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、連続レーザー光の照射後、遅延時間にしたがって、パルスレーザー光を遅れて照射するようにしてもよく、或いは、照射領域の位置をずらして複合レーザー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４（ｂ）（ｃ）（ｄ）の例は、半導体３０に対し、いずれもパルスレーザー光１５による照射が連続レーザー光２５の照射に遅れてなされる。

次に、上記レーザー光照射工程を含む半導体ウエハの製造工程の一例について図５に基づいて説明する。
先ず、最終厚さよりも厚い半導体ウエハ３０を用意し、半導体ウエハ３０の一面にデバイス層３００を設け、該デバイス層に電極埋め込みとバンプ３０１の形成を行う（図５（ａ））。次いで、半導体ウエハ３０の裏面側を研削して、例えば、１０μｍ厚程度に薄型化する（図５（ｂ））。その後、研削した面側に酸化物を塗布して酸化物層３１０を形成する。なお、酸化物層３１０は、自然酸化により生成されたものであってもよく、また、意図的に形成したものであってもよい。意図的な形成としては、酸化物層は塗布法やスパッタリング法などにより行うことができる。酸化物層３１０の光学的厚さ（屈折率ｎ×膜厚ｄ）はパルスレーザー波長の４分の１以下とするのが望ましい。

その後、空気中で酸化物層３１０を有する面側から上記で説明したパルスレーザー光１５と連続レーザー光２５とを複合照射し、半導体ウエハ３０の表層部を溶融させて溶融層３０ａを生成する（図５（ｃ））。溶融層３０ａは、裏面側表面から１〜５μｍの深さとする。この溶融により溶融した液相領域（溶融層３０ａ）内に表面の酸化物層３１０から酸素が拡散して高濃度の酸素領域が形成される。そしてパルスレーザー光１５のパルスオフにより急冷によって液相／固相界面付近に急減する酸素濃度勾配を作り、酸素析出物に起因する結晶欠陥を生成し、それに伴う歪み場からなるゲッタリング層３０ｂが形成される。
次いで、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）成形工程に移行し、先ずＴＳＶ成形として裏面側にオーバーコート３２０を形成するとともに裏面側にビアを開口し（図５（ｄ））、次いで、該ビアにＣｕを埋め込んで電極３０２を形成し（図５（ｅ））、さらに裏面側のオーバーコート３２０を研削した後、電極３０２に接続された裏バンブ３０３を形成し（図５（ｆ））、チップを切り出す。これによりゲッタリング層３０ｂを裏面側に有するゲッタリング半導体ウエハ（例えば３０μｍ厚以下）が得られる。

本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）短パルス主体のレーザーアニール装置を使用することで、Ｓｉ系酸化物層を塗布したＳｉウエハを空気中で溶融し高速冷却することで酸素濃度を固溶限界以上に高めることができ、しかも深さ方向に急峻な酸素濃度勾配ができ、その周辺に重金属を捕捉、除外できる結晶欠陥による歪み場を生じさせることができる。
（２）レーザー照射条件（パルスエネルギー密度や照射回数）をコントロールすることで、酸素拡散領域を溶融エリアの極表層に限定でき、しかも溶融領域の全酸素量を割れが発生する閾値１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えることで極薄Ｓｉウエハの曲げ強度（抗折強度）を確保できる。
（３）短パルスレーザーを主体とするレーザーアニール装置を使用することで、極薄Ｓｉウエハのレーザー照射と反対側に熱ダメージを与えない低温（低熱負荷：Ｌｏｗ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｕｄｇｅｔ）でのゲッタリングプロセスが可能となる。
（４）レーザー照射面に特定の厚さの酸化物層を塗布することで、酸素の供給と溶融による表面荒れ抑制を実現でき、しかも反射ロスを減らすことでパルスレーザーのエネルギー密度も低く抑えることができる。

実施形態１におけるレーザー処理装置１において、立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上、立ち下がり時間が１００ｎｓ以下のパルスレーザー光である固体グリーンレーザー（波長５１５ｎｍ）を連続レーザー光である近赤外ＬＤ光（波長８０８ｎｍ）を使用して、試験用に用意した厚さ５００μｍのシリコンウエハに１〜５μｍ深さの溶融層を形成した。
なおシリコンウエハは、レーザーの照射面側に厚さ４〜５ｎｍの酸化膜が形成されていた。この酸化膜は、本発明の酸化物層に相当する。酸化膜は、シリコンの自然酸化によって形成されたＳｉＯ_２層であった。なお、酸化物層は、前述したように意図的に形成するものであってもよい。
近赤外ＬＤのパワーを一定（４０ｗ）にしてパルスグリーンレーザーのエネルギー密度を、１４Ｊ／ｃｍ^２（Ａ）、１８Ｊ／ｃｍ^２（Ｂ）、２０Ｊ／ｃｍ^２（Ｃ）に変えたときのシリコンウエハにおける深さ方向の拡散酸素濃度分布を図６に示した。拡散酸素濃度分布は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析によって測定された。

各パルスグリーンレーザーのエネルギー密度に対する溶融エリアの酸素濃度分布は、何れも極表層（２〜３μｍまでの深さ）に固溶限界（２．７Ｅ＋１８個／ｃｍ^３）を超える高濃度エリアが存在し、液相／固相界面付近で急減する酸素濃度勾配を生じた。拡散酸素量とクッラク発生の相関を調べて見ると（光学顕微鏡で調べた）、溶融領域の全固溶酸素量（ＳＩＭＳ酸素濃度プロファイルをＳｉ表面（自然酸化膜は除外する）から溶融深さまで積分した量）が１．０Ｅ＋１５個（ａｔｏｍｓ）／ｃｍ^２より大きいとシリコンウエハにクラックが発生するため、パルスエネルギー密度や照射回数を減らすことで固溶酸素濃度を割れが発生する閾値以下にコントロールした。なお、表面は酸化物層の存在により酸素濃度が高くなっているが、後工程で研削により削除される。

上記実施例のうち、パルスグリーンレーザーのエネルギー密度を１８Ｊ／ｃｍ^２にしてレーザー処理をしたシリコンウエハをＳＲ（Ｓｐｒｅａｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）分析した。その結果から得られた深さ方向のｎ型キャリア（電子）濃度分布および比抵抗分布を図７に示した。図６の急峻な酸素濃度勾配が生じる液相／固相界面付近の深さでキャリア（電子）数が約４ケタ激減しており、同時に比抵抗も急激に増大している。これはキャリア（電子）が結晶欠陥に起因する歪み場にトラップ（捕獲）されていることを示しており、効果的なゲッタリング層が十分な深さにおいて得られていた。
従来のイントリンシック・ゲッタリング（ＩＧ）技術は高温プロセスでしか対応できなかったが、パルスタイプの固体グリーンレーザー（波長５１５ｎｍ）主体とするＣＷタイプの近赤外ＬＤ（波長８０８ｎｍ）との複合型レーザーアニール装置を使うレーザーアニール技術は、低温プロセスのゲッタリング技術を必要とする三次元積層ＳｉＰへの応用が期待できる。

以上、本発明について前記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は上記の説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲が逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

１ レーザー処理装置
２ 処理室
３ 走査装置
４ 基台
５ 被処理体配置台
６ 制御部
８ ＸＹステージ駆動回路
１０ パルスレーザー光源
１１ 減衰器
１２ 光学系
１５ パルスレーザー光
１５ａ 照射領域
２０ 連続発振レーザー光源
２１ 減衰器
２２ 光学系
２５ 連続レーザー光
２５ａ 照射領域
３０ 半導体ウエハ
３０ａ 溶融層
３０ｂ ゲッタリング層
３００ デバイス
３０１ 表バンプ
３０２ 銅電極
３０３ 裏バンプ
３１０ 酸化物層
３２０ オーバーコート

Claims (13)

1. 一面側表面に酸化物層を有する半導体ウエハの前記表面に、パルスレーザー光と熱的アシストを行う連続レーザー光とを照射して前記半導体ウエハの１〜５μｍの深さの内層まで溶融させ、前記半導体ウエハにおける高速昇温・冷却プロセスの中で、その溶融過程で溶融領域に前記酸化物層から酸素を拡散させ、固化過程で、１〜４μｍの深さで前記内層に固溶限界濃度を越える酸素の高濃度領域を形成し、前記高濃度領域に起因する結晶欠陥によって前記半導体ウエハ中の金属を捕捉するゲッタリング層を形成することを特徴とするゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
2. 前記パルスレーザー光が波長５１０〜５４０ｎｍのグリーンパルスレーザー光であり、前記連続レーザー光が、波長７８０〜８３０ｎｍのダイオードレーザー光であることを特徴とする請求項１記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
3. 前記パルスレーザー光のパルス幅が５００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
   
4. 前記連続レーザー光のアシスト温度が２００℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
5. 前記パルスレーザー光は、パルスレーザ強度が１０％〜９０％に到達する立上がり時間が１６０ｎｓ以上であり、パルス強度が９０％〜１０％に到達する立下がり時間が１００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
6. 前記半導体ウエハがシリコンウエハからなり、前記酸化物層がＳｉＯ_２膜またはＳｉＯＮ膜の一方または両方からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
7. 前記酸化物層の光学的厚みが、前記照射時において前記パルスレーザー光の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
8. 前記溶融の領域に拡散した全酸素量は、１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
9. 他面側にデバイス構造を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のゲッタリング半導体ウエハの製造方法。
10. 一面側に１〜４μｍの深さで固溶限界濃度を越える酸素の高濃度領域を有すると共に、液相／固相界面付近で酸素が減少する濃度勾配領域を介して他面側に至る前記固溶限界濃度以下の酸素の低濃度領域を有し、前記高濃度領域から前記濃度勾配領域に至る領域に結晶欠陥が存在し、該結晶欠陥が存在する領域に半導体ウエハ中の金属が捕捉されるゲッタリング層が設けられていることを特徴とするゲッタリング半導体ウエハ。
11. 前記溶融の領域に拡散した全酸素量が、１．０Ｅ＋１５個／ｃｍ^２より低く抑えられていることを特徴とする請求項１０記載のゲッタリング半導体ウエハ。
12. 厚さが３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のゲッタリング半導体ウエハ。
13. 他面側にデバイス構造を有することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のゲッタリング半導体ウエハ。

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