JPS6325933A - シリコン基板の歪付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体基板の裏面歪材は方法に関し、特に半導
体基板裏面に歪場を導入することによって、基板内部の
重金属等の不純物を基板裏面に集中して捕獲しようとす
る技術に関する。

（従来の技術） 従来、この種の半導体基板の歪付けは、基板製造過程に
おいて、裏面のアルミナまたはシリカ等の細粒を打ちつ
け、基板裏面を機械的に損傷させることによって歪を導
入する方法と、半導体回路素子製造過程において、基板
裏面にリン等を過剰に拡散あるいはイオン打込みし、結
晶格子をひずませる方法が多く用いられている。この他
に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用いた歪付は方法もあるが
、実用化には至っていない。（早藤ら（Ｙ、Ｈａｙａｆ
ｕｊｉ　ｅＬａｌ、）、ジャーナル・オン・エレクトロ
ケミカル・ソサエテ４　（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ
、Ｓｏｃ、）、　１２８．１９７５（１９８１））。

また、基板裏面に歪付けを施す池に、基板中に固溶して
いる酸素を利用する方法〈イントリンシックゲッタリン
グ法）もある。このとき、必要とされる酸素を所望の濃
度で一様に固溶させるために、引き上げ速度や回転速度
を精密に制御する方法が用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） 基板裏面に歪を与える方法のうち、細粒を用いる方法は
それが汚染源となり、デバイスの良品率を低下させるこ
とがある。不純物を拡散させる方法は高温熱処理工程を
必要とする。また、イオン打込みを用いる方法は、大き
なイオン電流が得られないので量産性に欠ける。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いる歪付は方法では、必要なエ
ネルギー密度を得るためにレーザービームを集光するの
で、ビーム径が小さくなり、基板全面を歪付けするのに
長い時間を必要とする。また、有効なゲッタリング効果
を実現するために、高いエネルギー密度のパルス光を照
射すると、レーザーグループができて、基板が反ってし
まうことがある。

結晶格子中に固溶している酸素を利用して欠陥を発生さ
せ、ゲッタリングサイトとする方法では、シリコンイン
ゴットを製造する際に、引上げ速度や回転速度を制御し
て固溶酸素濃度を一定にしなければならず、コストダウ
ンに限界がある。

更に、デヌーデッドゾーンの形成やゲッタリングサイド
の形成が必要で、このこともコストアップの一因となっ
ている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の方法は、エキシマレーザ−光を照射することに
よって、シリコン基板表面層をアモルファス化するもの
である。エキシマレーザ−光に対するシリコンの吸収係
数は、約１０６と非常に大きい。故に、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザー光のような吸収係数の小さな光を照射した場合と
全く異なる熱分布および時間変化がシリコン表面層で起
きる。その結果、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザー光より、遥
かに低エネルギー密度で、局所的に歪付けを行うことが
できる。

本発明の方法は、線状のレーザービームを用いて生産性
を高めるものである。Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザーのよう
な直径４０μｍのスポットビームを用いると、４インチ
基板全面に歪付けをするのに約１分生かかる。エキシマ
レーザ−による線状ビームを用いると、繰り返し１００
Ｈｚで、幅５ｃｍのビームを用いたとして、４インチ基
板全面に歪付けをするのに僅か１秒程度でできる。

本発明の方法は、ラップ研磨仕上面にレーザー光を照射
するものである。ラップ研磨仕上面は鏡面仕上面よりも
反射率が小さい。ラップ研磨仕上面をミクロに見ると、
鋭い凹凸になっており、レーザー光は多重乱反射され、
実効的に吸収係数が増すからである。このことは、シリ
コン表面層をアモルファス化するのに必要な急峻な熱プ
ロファイルの形成に有利である。

さらに本願第２の発明の方法は、酸素雰囲気あるいは酸
素を含む雰囲気中でエキシマレーザ−光を照射するもの
である。酸素はエキシマレーザ−光でオゾン化される。

オゾンは溶融したシリコンに取込まれやすく、固化した
ときの固溶酸素濃度を高める。酸素が基板中に取込まれ
るとそこで欠陥が生成されゲッタリングサイトとなる。

このゲッタリングサイトと前記のアモルファス化によっ
て生じる歪とがほぼ同じ領域内に存在するのでアモルフ
ァス化による歪だけの場合に比べてより有効である。

（作用） エキシマレーザ−光をシリコン基板に照射したときの温
度変化を説明するために、下記の一次元熱伝導方程式（
１）を解く。

孔手刀−，２（Ｄヤリ＝Ｐ（ｘｌｔ）　　　　ｆｉｌＸ
：深さ方向の座標 Ｔ（ｘｔｔ）：温度（座標Ｘ１時刻しにおける）Ｐ（ｘ
ｌｔ）：熱発生項 一次元熱伝導方程式を、（２１式に示すように差分方程
式に書き直して解析する。シリコン基板を微小領域に分
割し、一つの領域に隣接する池の微小領域からの熱の流
入および流出を考える。微小領域化は、表面から深さ方
向への一次元で行う。微小領域の大きさは、表面では細
かく、内部では粗く取る。レーザーパルス時間を、その
時間より十分短い時間Δｔに分割し、各Δし時間内に外
部より流入する熱量が瞬時に各ΔＬの最初に与えられる
と近似する。レーザーパルスに対応する時間ではΔしを
細かく収り、それ以外では粗く取る。熱発生項は、レー
ザー光の侵入深さに対応する微小領域でのみ零でない値
を持つとする。

Ｔ？＋＋ｓ：時刻し。、セルｉ＋ｍの温度Δ　１＝１゜
−１，−。

、に１＋、：セルｉとｉ＋ｊ７１の間の熱伝導度ＣＩ：
セルｉの熱容量 ｐ？、時刻１．、セルｉの熱発生項 （２１式を境界条件 の下で解く。

その他の使用した物性定数を表１に示す。

表１　計算に用いた定数の値 比熱＜Ｊｕｇに）　　　　　　Ｃ＝０．９２−１．０密
度（に／ｃ＋ａ３）　　　　　　ρ・２．３１反射率　
　　　　　　Ｒ・０．６ 光強度（ＭＷ／ａｍ”）　　　　　Ｑ・ｌ　　ａｔ　１
９３　ｎｍ＝２．６　ａｔ　２４８　ｎｍ 吸収係数（ｃｉｗ−’）　　　　ａ（９００℃）＝２．
Ｏｘ　１ｇ６熱拡散係数（ａｍ”／ｓ）　　　　Ｄ（９
００℃）＝０．９４／（１４０，（１０７２Ｘ　Ｔ）基
板温度を０℃とし、パルス幅１２ｎｓｅｃの矩形のＫｒ
Ｆレーザー光、光強度２．６Ｍｗ／ａｍ”で照射したと
きの、表面温度の時間変化を計算した結果を第１図に示
す、最高温度は１４５０℃に達した。しかし、レーザー
光照射後の冷却速度は速く、ｌμｓｅｃでは基板表面温
度は１０℃に下がり、１０口μｓｅｃでは基板表面温度
は０℃であった。これは、シリコン基板中の熱の拡散が
非常に早いためで、加熱効果は瞬間的であるといえる。

これに対し、赤外光であるＮｄ：ＹＡＧレーザー光を照
射したときの熱分布は、吸収係数が小さいために、深く
かつ長時間になる。従って、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光を
用いた場合、レーザーグループができず、かつ表面層を
アモルファス化する条件は非常に厳しく、制御が難しい
。

また、酸素雰囲気中を、エフシマレーザー光を通過させ
るとオゾンが発生する。オゾンの分子構造は二等辺三角
形で結合角（頂角）は１１６．８°である。結合距離は
頂角をはさむ辺は１．２７０λ、底辺は２．１８八であ
る。

エキシマレーザ−光照射によって溶融したシリコンは、
およそ５００〜１０００個のシリコン原子のクラスタが
激しく運動している構造をとっている。

クラスタ中は結晶シリコンとほぼ同じ構造をしている。

シリコン表面の化学吸着サイトはホロウサイトのブリッ
ジであり、ここに酸素原子１個が吸着され、そして内部
拡散していくのが酸化の初期過程である。エキシマレー
ザ−光で発生したオゾンが酸素分子に戻る時に放出され
る頂点にある酸素は、このブリッジサイトに吸着されて
５ｉ−０−３ｉ結合をつくる。この酸素はクラスタの運
動で溶融時間内にも内部に持込まれる。故に、エキシマ
レーザ−光で形成されたメルト構造と、エキシマレーザ
−で形成したオゾンにさらすと高濃度の酸素濃度を実現
できるのである。

（実施例） （実施例１） エキシマレーザ−として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキ
シマレーザ−を用いた。パルス幅（ＦＷＩＩＭ）は１２
ｎｓｅｃ、繰り返し９０　Ｉｔ　ｚであった６時間平均
光強度は６０−１すなわち１パルス当たりのエネルギー
は約０，７Ｊであった。このレーザーパルスをシリンド
リカルレンズで線状に集光した。ビームサイズは５Ｘ０
．０１ｃｍであった。エネルギー密度は１４　Ｊ　／　
ｃ　ｍ２であった。このエネルギー密度はＮｄ：ＹＡＧ
レーザーを用いた場合に比べて、約２桁小さいが、吸収
係数が５桁以上も大きいので、このような小さな値でも
十分である。しかも、エネルギー密度が小さくてよいこ
とが、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザーよりも、エキシマレー
ザ−のほうがはるかに制御性が良い理由である。

用いたシリコン基板は、比抵抗１０Ω・儂のｎ型（１０
０）基板で、酸素濃度は２　ｘ　ｔｏ”個／ｃＩＩ１３
であった。片面をラップ研磨仕上し、片面を鏡面研磨仕
上した。ラップ研磨仕上げした面に、上述のＫｒＦエキ
シマレーザ−光を照射しな。照射中に、レーザービーム
の長さ方向と垂直に基板を移動し、レーザー照射による
溶融痕を１龍ピツチで形成した。

溶融痕は、表面のアモルファス層と内部の溶融再結晶領
域とからなっている。主たる歪はこのアモルファス層と
溶融再結晶領域の界面付近に集中している。その大きさ
は、レーザー照射時の温度勾配で決る。エキシマレーザ
−では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーよりもはるかに大きな温
度勾配を実現できるので、レーザーグループができない
ような低いエネルギー密度でも、ゲッタリングサイトと
なる結晶欠陥を十分に作ることができるのである。実際
、この歪を利用して、１１００℃で２時間の熱処理を行
うと、アモルファス層が多結晶化していき１０５〜１０
７　個／　ｃ　ｍ２の表面欠陥を作ることができた。更
に、この基板を６４にビットスタティックランダムアク
セスメモリー素子製造工程に投入した。従来は前記のよ
うな細粒を用いて歪付けする方法とイントリンシックゲ
ッタリング法との併用が行なわれていたが本発明の方法
を用いれば併用した場合と同等の良品率が得られた。

（実施例２） 実施例１と同様の条件で、雰囲気を酸素として、レーザ
ー照射を行った。このとき、シリコン中に固溶する酸素
量は酸素分圧に依存する。その関係を第２図に示す、バ
ッファーガスはアルゴンを用いた。　ＡｒＦエキシマレ
ーザ−を用いると、オゾンの発生効率が高まり、ＫｒＦ
エキシマレーザ−よりも低い酸素分圧で同程度の酸素が
固溶する。

にｒＦエキシマレーザ−を用いて、レーザーパワーと固
溶酸素濃度との関係を調べた結果を第３図に示す、レー
ザーパワーが大きいほど酸素がよく固溶するのは、オゾ
ンの発生量が多いのと、パワーが大きいほど溶融シリコ
ンの温度が高く、クラスタサイズが小さくなり、激しく
運動して酸素をよく取込むからである。

（発明の効果） 以上述べたように、エキシマレーザ−を用いた本発明の
イントリンシックゲッタリング法は、次のような効果を
もっている。１）クリーンである。２）従来の技術の項
で述べたような不純物を拡散させる方法は高温の熱処理
が必要であるが本発明は室温でできる。３）基板表面し
か高温にならないのでデバイスプロセスの後でも行うこ
とができる。４）基板の伝導型や酸素濃度に依存しない
。５）反りがないソフトな方法である。従って、将来の
大口径基板のシリコン基板等に対して、有効な裏面歪材
は方法であるといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図はｋｒＦエキシマレーザ−光を照射したときの表
面温度の時間変化を示す図である。第２図はＫｒＦエキ
シマレーザ−光を照射したときの酸素分圧と固溶酸素濃
度との関係を示す図である。第３図はＫｒＦエキシマレ
ーザ−のエネルギー密度と第１図 時間（ｎ５ｅｃ　） 第２図 酸素分圧（％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン基板のラップ研磨仕上した面に、エキシマ
   レーザー光を照射することによって、表面に急冷アモル
   ファスシリコン層を形成したことを特徴とするシリコン
   基板の歪付け方法。 ２、エキシマレーザー光を照射することによって、シリ
   コン基板のラップ研磨仕上した裏面を瞬間的に溶融する
   際に、酸素雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気中で溶融さ
   せ、シリコン中に酸素を固溶したことを特徴とするシリ
   コン基板の歪付け方法。