JPS5946090B2 - 半導体ウエ−ハの処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体デバイスの製造、特にゾーン・メルティ
ングの期間中、半導体物質内に所望の温度勾配を形成し
且つ保持する熱勾配ゾーン・メルティング技術に関する
。

発明の背景 半導体デバイスの製造において、半導体本体の選択され
た領域に伝導性を変更させる不純物原子をドーピングす
ることにより該領域の伝導性を変化させることが通常必
要とされる。

このドーピングは、当業者にあつては周知の種々の技法
を用いて実行される。その１つの技法として、熱勾配ゾ
ーン・メルティング（ＴＧＺＭ）がある。この技法は、
比較的短時間で半導体本体中に特別な形状と高いドーピ
ング密度を有する極めて急峻な接合を形成することがで
きる。初期のＴＧＺＭならびにその応用に関して１１ζ
ダブリユ一・ジ一・フアンの米国特許第２８１３０４８
号ならびに彼の著書１７ゾーン・メルテイング―ジヨン
・ワイレイ・アンド・サンズ・インコーポレーテツド発
行に述べられている。熱勾配ゾーン・メルテイングは、
少量のドーパント物質（通常金属）が半導体ウエ一・・
すなわちインゴツトのごとき半導体物質の選択された表
面に被着され、次（・で半導体本体は高温状態で温度勾
配に晒すことより成るプロセスである。

プロセスを実行する全体としての温度は、線、小滴また
はシート（どのようなゾーンが形成されるかは被着され
た金属ドーパント物質の初期の形状、即ちパターンに依
存する）の形をした金層に富む液体ゾーンを形成するた
めに充分に高い必要がある。この液体ゾーンは半導体物
質中を冷めたい表面から熱い表面に向けて移動され、そ
の通過経路には金属の可溶性限界によつて決定される濃
度を有する半導体物質内の金属と固体の溶解物を含む半
導 Ｓ体物質の再結晶領域が残される。温度勾配は、ウ
エーハの入口表面上に被着されたドーパント物質のパタ
ーンが半導体ウエーバ全体を通してウエ一・・の反対側
表面に結晶ドーパント・ゾーン即ち領域として忠実に再
生されるため 二には、一様でかつ単一方向性を有して
いなければならな（・。

ＴＧＺＭを使用する場合に最も困難な問題の一つはウエ
ーハ全体を通してドーバント・パターンを一様に再生す
るように薄く、もろい半導体ウエ こ一・・の厚さ方向
に大きな一様温度勾配を発生させることができないこと
であつた。

熱勾配の歪は熱損失の大きなウエーー・の縁の近傍で特
に生じやすい傾向がある。米国特許第４００１０４７号
に示されているＴＧＴＭの一つの技法においては、半導
体ウエーハに熱勾配を生じさせるのに赤外線照射が使用
されて℃・る。

しかし、この熱勾配はウエーハのほとんどの所で一様で
あるが、ウエーハの本体と比べてウエーハの縁の所にお
ける付加的な熱損失のた ４めに、熱勾配の本来の単一
方向性が歪むことになる。この歪はウエーハの線のまわ
りの領域におけるドーパントの熱移動パターンを歪ませ
、この領域はデバイスの製造に不適当なものとなる。例
えば５センチメートルの直径を有するｎ型の１０〜２０
オーム／センチメートルの（１１１）シリコン・ウエー
ハ（厚さ０．０２５センチメートル）においては、赤外
線照射により生じる歪んだ熱勾配はウエーハの中心に向
つて０．６３センチメートルも延び、この領域における
液体ゾーンのわき道移動を生じさせ、ウエーハの使用し
得る領域を４４％に減少させる。半導体本体全体を通し
て一様な熱勾配を得るための他の手法として、米国特許
第３８９５９６７号は薄い半導体ウエーハとは反対に厚
い半導体インゴツトの縁のまわりで熱勾配歪を最小化す
る方法を示している。

この方法は半導体インゴツトの周辺の縁のまわりに間を
隔てて被着された半導体インゴツトと同じ厚さを有する
半導体物質の保護リングを使用している。この方法で要
求されるただ一つのことは保護リングと半導体インゴツ
トの間の間隔、即ちギヤツプが半導体インゴツトの厚さ
の以下であることである。このギャツプが保持されない
と、保護リングの効果は減少し、半導体インゴツトの周
辺エツジ部分に熱歪の問題が尚発生することになる。薄
い半導体ウエーハの場合、保護リングとウエーハの間の
間隔がウエーハの厚さの以下であること、および半導体
ウエーハと保護リングが共平面を成すという要求は保護
リングの使用を多数の理由から商業的に使用不可能なも
のとする。米国特許第４０３５１９９号に述べられてい
る他の方法においては、熱勾配歪の問題は、ウエーハの
表面の選択された領域にＫ波長の吸収物質を被着させ、
ウエーハの縁により多くの熱を供給し、縁の周りにおけ
る熱損失を補償し、それによつてウエーハの縁における
わき道移動を減少させることにより解消を図つている。

しかし、この方法は皆波長の吸収物質の被着に際して厚
さを正確に制御する必要があり、このような物質を被着
させるには別個の付加的な処理ステツプを必要とする。
更に、熱を吸収する層はウエーハの表面上にのみあり、
ウエーハの深さ方向には影響を与えない。従つてこのプ
ロセスは実現するのが比較的高価となり、制御すること
が困難であり、ウエーハの厚さ方向に関する熱損失の一
様な制御はできない要約すると、薄い半導体ウエ一・・
の熱勾配ソーン・メルテイング処理の従米の方法では半
導体ウエーハの大きな部分が無駄となり、プロセスの実
現に費用もかかるし制御も困難である。

その結果、ウエーハの処理に付加的なステツプを必要と
せず、制御も容易なウエーハの周辺の縁の部分の周囲に
おける熱勾配歪の問題を減少させる方法が切に望まれて
いる。発明の要約 本発明に従う熱勾配ゾーン・メルテイングによる半導体
ウエ一・・の処理方法は、処理すべき適当な半導体ウエ
ーハを選択し、半導体本体を通して熱移動を行なわせる
のに適した金属を所望のパターンで半導体ウエーー・の
第１の表面上に沈積形成させることを含む。

ウエーハの第１の表面上の金属パターンはウエーハの縁
の近傍のウエーハの第１の表面の周辺の金属のリングを
含んでいる。熱源は半導体ウエーハを熱し、金属パター
ンを溶かし、半導体ウエーハ内に熱勾配を生じさせ、そ
れによつて溶けた金属を半導体ウエーハを通してウエー
ハの第２の表面の方向に移動させるようになつている。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はその上にドーパント金属の格子構造を有する
従来技術に従う半導体ウエーハの第１の表面の立面図、
第１Ｂ図は熱移動の後で反対側の表面から第１Ａ図のウ
エ一・・を見た立面図であつて、ウエ一・・の外側部分
の周辺に熱的に移動したパターンの典型的な歪を示して
おり、第２Ａ図は本発明に従いその一方の表面上にドー
パント金属の格子構造とドーパント金属の周辺リングと
を有するウエーハの立面図、第２Ｂ図は第２Ａ図に示す
ウエーハを熱移動の後反対側表面から見た立面図、第３
図は比較のため第１の表面の一方の端はその周辺に沿つ
てドーパント金属を有し、他方の端はその周辺に沿うド
ーパント金属を有していない場合に処理をした半導体ウ
エーハの第２の表面の一部分の顕微鏡写真である。 詳細な説明 本発明に従い、熱勾配ゾーン・メルテイングによる半導
体ウエーハを処理する改善された方法が提供される。 第１図を参照すると、その上にウエーハ１０を通して熱
的に移動させられるべきドーパント金属１４が被着され
ている第１の主表面１２を有するノ半導体物質のウエ一
・・１０が示されている。 ドーパント金属は（ここでは格子構造の形で示されてい
るが）所望のパターンで第１の表面１２上で存在する。
第１Ａ図の半導体ウエ一・・１０はその外側の縁の周囲
に金属ドーパントの周辺リングを有さない典型的な従来
技術に従う半導体ウエ一・・を示す。第１Ｂ図は熱移動
の後に第１Ａ図のウエ一・・１０を前記第１の主表面と
は反対の表面から見た図である。第１Ｂ図によると、ウ
エーハの外側部分の周辺に沿う熱移動パターンの典型的
歪が容易に観測される。格子線がウエーー・の外側の縁
まで延びていない歪んだ状態により５センチメートルの
半導体ウエ一・・の場合、最大４４％もの損失が生じ得
ることとなる。第２Ａ図を参照すると、第１Ａ図に示し
たウエーハと類似した半導体ウエーハ２０が示されてい
るが、このウエーハには同じドーパント金属の正規格子
構造２４と共にドーパント金属の環状周辺リングも設け
られている点が異なる。第２Ｂ図は格子パターンの熱移
動後の第２Ａ図のウエ一・・の反対側表面を示している
。これからウエーハ上に周辺リングを設けた場合、第１
の表面上の格子パターンは、該格子パターンの熱移動の
後、第２の表面上にほとんど歪なく再生されることが解
る。比較のため、第１の表面の一方の端にはその周辺に
沿つてドーパント金属を有し、他方の端はその周辺にド
ーパント金属を有さない半導体シリコン・ウエ一・・を
熱移動によつて処理した場合の第２の表面の一部分を示
す。 この顕微鏡写真から、第１にその周辺にドーパント金属
を有していない縁に沿う半導体ウエ一・・の端には格子
パターンが延びておらず、ドーパント金属をその周辺に
沿つて有する場合には格子パターンが端の方向に延びて
いること、第２にドーパント物質を含む縁に平行な線に
関しては格子パターンの横方向の歪がなく、その周辺に
沿うドーパント金属が無い場合、線に平行な線に関して
横方向の歪が観測されることがわかる。ドーパント金属
の周辺リングを用いた場合に歪が生じないのはウエーー
゛の縁における熱損失が補償されるためであると信じら
れている。この補償は格子パターンの移動と同時にウエ
一・・の縁に沿う連続な線の形でウエーハを通して液体
ゾーンが移動することから生じるものと信じられている
。液体ゾーンと固体半導体物質とで熱伝導特性および熱
吸収特性が異なるため、液体ゾーンは半導体物質よりも
より大きなエンタルピーを有している。このようにして
、ウエーハの縁における移動液体ゾーンは、熱をウエー
ハに供給し、ウエーハの縁からの熱損失を補償する熱エ
ネルギーの貯蔵庫として使用することができる。これに
よつてウエーハの縁におけるわき道への移動は防止され
るかまたは軽減される。この手法は適用が容易であると
いう利点を有しており、縁線、即ち周辺リングは金属パ
ターンを形成するのと同じステツプで被着されるので付
加的な処理ステツプは必要としない。 この改善されたプロセスは適当な結晶構造、伝導の型お
よび抵抗率を有する半導体物質のウエーハを選択するこ
とを含んでいる。 ウエーハはそれぞれ上部表面および下部表面と呼ばれる
２つの相対する主表面を有している。少くとも一方の主
表面は好ましい平面結晶方位を有している。典型的な場
合には、半導体物質は単結晶シリコンであり、結晶方位
は（１００）、（１１０）および（１１１）から成るグ
ループより選択される。ウエーハはウエーハの本体の物
質の第１の結晶軸と実質的に整列した垂直軸を有してい
る。ウエーハの結晶方位は（１１１）であることが好ま
しい。他の方位が使用されると、金属層は安定な結晶方
位に基づいたセツト・パターンに従う必要がある。これ
に関しては線の安定性の結晶方位への依存性について述
べている米国特許第４０３５１９９号を参照されたい。
半導体ウエーハに予め定められた型の伝導性と予め定め
られたレベルの抵抗率を与える少くとも一つの適当なド
ーパント物質を含む金属層が予め定められたパターンで
ウエーハの下部表面に被着される。 このパターンはウエーハの周辺に沿う金属のリングを含
んでいる。ｎ型シリコンに対する適当なドーパント物質
はアルミニウムであり、使用される典型的なパターンは
格子構造のパターンである。シリコン・ウエーハは主表
面が（１１１）結晶平面内にあるよう配向していること
が好ましい。 これらの条件の下で下部表面上に被着されたアルミニウ
ム金属はウエーハ０吻質の（１１１）軸に沿つて溶融状
態で移動する。アルミニウムは最初にウエーー・の下部
表面に合金化されていることが好ましい。この合金化ス
テツプはシリコンとアルミニウムの間の一様な湿潤を保
証し、それによつて最良の結果が得られる。次に下部表
面上に金属パターンを有するウエーハが熱移動装置中に
置かれる。 この場合上部表面は赤外線ランプの如き放射エネルギー
源と相対している。下部表面は通常冷めたい胴体を有す
る熱シンクと相対している。放射熱源が励起されウエー
ハがアルミニウムを溶かすのに充分な温度にまで熱せら
れたとき熱移動が開始される。まずアルミニウムを多量
に含むシリコンの溶融物が初期のパターンを保持する下
部表面上に形成される。この溶融物はその最も熱い側の
シリコンを溶かし、それと同時にアルミニウムをドープ
されたシリコンは、溶融物が熱い表面の方向にウエーハ
の固体物質中を通つて移動するとき、その最も冷めたい
側において再結晶を開始する。移動する溶融物質の背後
において、移動が行なわれているときの温度によつて決
定されるシリコンの固体溶解限界までアルミニウムがド
ープされた再結晶シリコン半導体物質の領域が被着され
る。ウエ一・・の厚さ、温度、温度勾配等に応じて充分
長い時間（典型例では２〜１５分）このプロセスが継続
されると、溶融物はウエーハの熱い方の表面に出現し、
再結晶領域はウエーハ全体を通過する。 以上では本発明を溶融物の一部あるいは全部としてアル
ミニウムを用いる場合について述べたが、他の適当な物
質を用いてｎ型伝導性、ｐ型伝導性および真性伝導性の
いずれをも実現することが可能である。 また周辺リングの金属として半導体ウエーハを通して移
動するパターン化された構造で使用される金属と同じも
のを用いることが現実的ではあるが、パターンで使用さ
れた金属以外の金属を周辺リングに使用することも可能
である。例として０．０２５センチメートルの厚さを有
するｎ型の１０〜２０オーム・センチメートルのシリコ
ンを通してアルミニウムを熱移動させた。０．０１５セ
ンチメートルの線の幅を有する０．１×０．１センチメ
ートルの格子パターンが従来の写真蝕刻と選択的エツチ
ング法を用いてウエーハの第１の表面上に形成された。 熱移動は推定温度勾配が約５０〜１０『Ｃ／センチメー
トルの下で１２２０℃の温度で行なわれた。格子パター
ンは半導体ウエーハの縁の近傍の第１の表面の外周の周
りにアルミニウムの環状リングを有している。熱移動は
格子パターンがウエーハを通してウエーハの反対側に完
全に移動するまで継続された。その結果得られたウエー
ハは格子パターンの歪を有さず、すべての格子線はウエ
ーハの縁にまで延びていた。縁の効果による歪の除去ま
たは軽減の度合は周辺金属層の幅および厚さに依存する
ことがわかつている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱勾配ゾーン・メルティングによつて半導体ウエー
   ハを処理する方法であつて、処理すべき適当な半導体ウ
   ェーハを選択する工程と、該半導体ウエーハの第１の表
   面上に、所望のパターンで、該半導体ウェーハを通して
   熱移動させるのに適した金属を被着させ、該半導体ウエ
   ーハを熱して前記パターンの金属を溶かし、該半導体ウ
   ェーハの第２の表面の方向に該半導体ウエーハを通して
   熱勾配移動させる工程とを含み、該方法は、 前記金属パターン（例えば２４）が該半導体ウエーハの
   該第１の表面の外周の回りに、該半導体ウエーハの縁に
   隣接する金属層（例えば２２）を含むことを特徴とする
   半導体ウエーハの処理方法。 ２ 請求の範囲第１項記載の方法において、前記半導体
   ウエーハは単結晶シリコンであることを特徴とする半導
   体ウエーハの処理方法。 ３ 請求の範囲第１項または第２項記載の方法において
   、前記ウエーハの表面は〔１１１〕結晶方向にあること
   を特徴とする半導体ウェーハの処理方法。 ４ 請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の方法にお
   いて、前記金属はアルミニウムであることを特徴とする
   半導体ウェーハの処理方法。 ５ 請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法にお
   いて、前記周辺金属層の厚さは約８〜１０ミクロンであ
   り、その幅は約０．０５〜０．１０センチメートルであ
   ることを特徴とする半導体ウェーハの処理方法。