TWI420580B - 專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置、半導體元件的製造方法及半導體元件的製造裝置 - Google Patents

專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置、半導體元件的製造方法及半導體元件的製造裝置 Download PDF

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Description

專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置、半導體元件的製造方法及半導體元件的製造裝置
本發明是有關於一種專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置、半導體元件的製造方法及半導體元件的製造裝置。詳細而言，是有關於一種可於短時間內容易地形成任意形狀的去疵部位(gettering site)的技術。
本案對於2009年6月2日申請的日本專利申請案第2009-133180號、2009年6月5日申請的日本專利申請案第2009-136024號、及2009年6月5日申請的日本專利申請案第2009-136362號主張優先權，並將其內容引用於此。
近年來，隨著行動電話、數位攝影機(digital video camera)等的大幅薄型化，內置於該些設備中的半導體元件、例如半導體記憶體正在向薄型化發展。上述半導體記憶體是藉由例如在包含矽單晶的矽基板(矽晶圓)的一面上形成元件而製造。為了使半導體記憶體薄型化，在矽基板的表面側形成元件後對矽基板的背面側進行研磨而薄膜化，例如使其厚度為50 μm。
於上述的半導體元件的厚度薄化步驟中，有重金屬向矽基板中混入之虞。若矽基板中混入有重金屬等雜質，則元件特性會因洩漏電流等而顯著劣化。因此，重要的是對矽基板的厚度薄化步驟之後的元件形成區域的重金屬的分散進行抑制。
作為自矽基板中去除重金屬的方法，一直以來，一般為人所知的是去疵法。該方法是於矽基板上形成被稱為去疵部位的重金屬捕捉區域，藉由退火處理等而使重金屬聚集於該去疵部位，以此減少元件形成區域的重金屬。
作為上述的於矽基板上形成去疵部位的方法，已知例如：於矽基板上形成氧析出物的內部去疵(Intrinsic Gettering，IG)法(例如，日本專利特開平6-338507號公報)、於矽基板的背面側形成背側損傷(back side damage)等去疵部位的外部去疵(Extrinsic Gettering，EG)法(例如，日本專利特開2006-313922號公報)等。
一直以來實施的IG法是在矽基板上形成元件的前工程中所使用，為了將擴散至矽基板的重金屬去除，需要600℃以上的熱處理溫度。然而於矽基板上形成元件後所進行的熱處理的溫度大體上為400℃以下，故存在如下問題：無法充分地捕捉於元件形成後的厚度薄化步驟中所混入的重金屬。
另外，隨著近年來的半導體元件的厚度薄化的推進，要求矽基板的厚度為50～40 μm以下，進而為30 μm左右。此種厚度級別的矽基板在厚度薄化步驟中，形成於矽基板上的大部分去疵域(gettering sink)會被削掉，故存在如下問題：無法取得充分的去疵能力。
另一方面，在已成為近年來主流的300 mm晶圓等大口徑基板的情況下，是進行雙面研磨。因此，於矽基板的背面側形成背側損傷等去疵部位的EG法本身難以於背面側形成去疵域。
本發明是鑒於上述情況而完成，其目的在於提供一種可於短時間內容易地形成能捕捉重金屬的去疵部位的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法。
另外，本發明的目的在於提供一種可簡便且確實地將半導體元件形成後受到污染的重金屬自元件形成區域去除的半導體元件的製造方法。
根據本發明者等人的研究，考慮到如下方法：例如使具有特定波長與脈衝寬度(pulse width)的雷射光束(laser beam)聚光於矽基板的厚度方向的特定位置，對該聚光位置的矽單晶的性質進行改質，藉此形成去疵域。
如上所述的使用雷射光束而形成去疵域的方法強烈地依賴於雷射功率(laser power)及雷射點(laser pot)直徑等的雷射照射條件。例如，由於聚光於1 mm以下的雷射光具有足以使矽單晶熔融的能量，因此可瞬間形成加工變質層，亦即，形成去疵域。
然而，上述的藉由雷射光束而形成去疵域時，於雷射光束的聚光點附近，矽單晶會瞬間達到高溫。因此，於聚光點附近產生熱衝擊波，局部地產生內部應力。可判明：如此之內部應力會藉由作為後工程的元件形成步驟等的熱製程而得以緩和，錯位自所形成的去疵域擴展，從而有元件特性劣化之虞。
因此，本發明的其他目的在於提供一種可於短時間內容易地形成去疵部位，並且藉由去疵部位的形成所伴有的內部應力而產生錯位缺陷之虞較少的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法。
進而，本發明的其他目的在於提供一種可於短時間內容易地形成能捕捉重金屬的去疵部位的半導體元件的製造裝置。更進一步，本發明的目的亦在於，於該半導體基板的製造裝置中，抑制藉由內部應力而導致錯位的產生。
＜第1態樣＞
為了解決上述問題，本發明的第1態樣提供如下的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、及半導體元件的製造方法。
[A1]　本發明第1態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，包括：多光子吸收過程，使用雷射照射裝置將雷射光束入射至半導體基板的一面，使該雷射光束聚光於上述半導體基板的任意微小區域；以及去疵域形成步驟，藉由上述多光子吸收過程而形成使上述微小區域的結晶結構發生變化的去疵域，並且將上述去疵域形成為相對於上述半導體基板的一面平行地擴展、且於上述半導體基板的厚度方向上延伸的任意的三維形狀。
[A2]　如[A1]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中將上述去疵域形成為立方體形狀、長方體形狀或圓柱體形狀。
[A3]　如[A1]或[A2]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中沿著上述半導體基板的厚度方向，於相互疊合的位置上形成多個上述去疵域。
[A4]　如[A1]至[A3]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述雷射光束是脈衝寬度為1.0×10-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束(pulse laser beam)。
[A5]　如[A4]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中將上述超短脈衝雷射光束於上述微小區域控制為如下範圍：峰值輸出密度為1.0×106 ～1.0×1011 秒W/cma，光束直徑為1 μm～10 mm。
[A6]　如[A1]至[A5]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中使用包含單晶矽的半導體基板作為上述半導體基板，於上述去疵域中至少形成非晶結構(amorphous structure)的矽。
[A7]　如[A1]至[A6]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述去疵域形成步驟是在含有氮、氬、氫中的至少任一種的非氧化性氣體環境中進行。
[A8]　如[A1]至[A7]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，更包括於上述半導體基板的一面形成磊晶層的步驟。
[A9]　本發明第1態樣的半導體元件的製造方法至少包括：半導體元件形成步驟，於藉由如[A1]至[A8]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法所獲得的半導體基板中，在與各個去疵域疊合的位置上形成半導體元件；以及去疵步驟，將上述半導體基板以規定的溫度進行退火，於上述去疵域中捕獲重金屬。
＜第2態樣＞
為了解決上述問題，本發明的第2態樣提供如下的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、及專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置。
[B1]　本發明第2態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法至少包括：基板加熱步驟，將半導體基板加熱至400℃以上、1000℃以下的溫度範圍；多光子吸收過程，將雷射光束入射至藉由上述基板加熱步驟所加熱的半導體基板的一面，使該雷射光束聚光於上述半導體基板的任意微小區域；以及去疵域形成步驟，藉由上述多光子吸收過程而形成使上述微小區域的結晶結構發生變化的去疵域。
[B2]　如[B1]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述雷射光束是脈衝寬度為1.0×1-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束。
[B3]　如[B2]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中將上述超短脈衝雷射光束於上述微小區域控制為如下範圍：峰值輸出密度為1.0×106 ～1.0×1011 秒W/cm2 ，光束直徑為1 μm～10 mm。
[B4]　如[B1]至[B3]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述去疵域形成步驟是在含有氮、氬、氫中的至少任一種的非氧化性氣體環境中進行。
[B5]　如[B1]至[B4]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，更包括於上述半導體基板的一面形成磊晶層的步驟。
[B6]　本發明第2態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置包括：雷射照射體，向半導體基板照射脈衝寬度為1.0×10-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束；平台，載置上述半導體基板；以及基板加熱機構，將上述半導體基板加熱至400℃以上、1000℃以下的溫度範圍。
[B7]　如[B6]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置，其中上述基板加熱機構是對上述平台進行加熱的平台加熱裝置。
＜第3態樣＞
為了解決上述問題，本發明的第3態樣提供如下的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、半導體元件的製造方法、及半導體元件的製造裝置。
[C1]　本發明第3態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法包括：多光子吸收過程，使用可自照射面以相互平行的多個光軸來照射雷射光束的雷射照射裝置，將雷射光束同時入射至半導體基板的一面中的至少兩個以上的部位，使該雷射光束聚光於上述半導體基板的多個微小區域的每一個；以及多個去疵域形成步驟，藉由上述多光子吸收過程而形成使該微小區域的結晶結構發生變化的多個去疵域。
[C2]　如[C1]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述雷射光束是脈衝寬度為1.0×10-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束。
[C3]　如[C2]所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中將上述超短脈衝雷射光束於上述微小區域控制為如下範圍：峰值輸出密度為1.0×106 ～1.0×1011 秒W/cm2 ，光束直徑為1 μm～10 mm。
[C4]　如[C1]至[C3]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中使用包含單晶矽的半導體基板作為上述半導體基板，於上述去疵域中至少形成非晶結構的矽。
[C5]　如[C1]至[C4]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述去疵域形成步驟是在含有氮、氬、氫中的至少任一種的非氧化性氣體環境中進行。
[C6]　如[C1]至[C5]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，更包括於上述半導體基板的一面形成磊晶層的步驟。
[C7]　本發明第3態樣的半導體元件的製造方法至少包括：半導體元件形成步驟，於藉由如上述[C1]至[C5]中任一項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法所獲得的半導體基板中，在與各個去疵域疊合的位置上形成半導體元件；以及去疵步驟，將上述半導體基板以規定的溫度進行退火，於上述去疵域中捕獲重金屬。
[C8]　本發明第3態樣的半導體元件的製造裝置包括：雷射照射體，將脈衝寬度為1.0×10-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束自照射面以相互平行的多個光軸而向半導體基板進行雷射照射。
[C9]　如[C8]所述之半導體元件的製造裝置，其中上述雷射照射體包括至少一個雷射光源與多個導光構件，該多個導光構件是以將從該雷射光源發出的超短脈衝雷射光束自上述照射面以多個光軸進行出射的方式而導光。
[C10]　如[C8]所述之半導體元件的製造裝置，其中上述雷射照射體是將多個雷射光源排列於上述照射面上而形成。
[發明之效果]
根據本發明第1～第3態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，藉由使雷射光束聚光於半導體基板內部的任意微小區域而使半導體基板內部的微小區域產生多光子吸收過程，可容易地形成僅使該微小區域的結晶結構發生變化的去疵域。
尤其是第1態樣中，於去疵域形成步驟中，將去疵域的形狀形成為相對於半導體基板的一面平行地擴展、且於半導體基板的厚度方向上延伸的任意的三維形狀。因此，可抑制由雷射光束的聚光所引起的結晶錯位的產生、增長，從而形成錯位缺陷少的去疵域。
另外，根據本發明第1態樣的半導體元件的製造方法，可容易地且於短時間內製造出能確實捕捉到重金屬的高性能半導體元件。
於本發明第2態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法中，於基板加熱步驟中將半導體基板加熱至規定的溫度範圍，例如加熱至400℃以上、1000℃以下。因此，可抑制由聚光後的雷射光束引起的半導體基板的局部性的溫度驟升、驟降等過大的溫度變化。
於雷射光束的聚光點附近，矽單晶會瞬間達到高溫，因此，例如使雷射光束於常溫狀態下入射至半導體基板後，在聚光點附近會產生熱衝擊波，局部地產生內部應力。如此之內部應力會藉由作為後工程的元件形成步驟等的熱製程而得以緩和，錯位自所形成的去疵域擴展，從而成為元件特性劣化的原因。
然而，如本發明第2態樣所示，在將半導體基板藉由基板加熱步驟而預先加熱至規定的溫度範圍，例如加熱至400℃以上、1000℃以下後，可將雷射光束入射時的聚光點附近的最高到達溫度、與半導體基板整體溫度的溫度差保持為較小。因此，可防止在使用雷射光束形成去疵部位時所伴有的急遽的溫度變化，抑制內部應力的產生。並且，可形成錯位缺陷的產生之虞較少的專用於半導體元件的半導體基板。
另外，於本發明第2態樣的專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置中，藉由設置將半導體基板加熱至400℃以上、1000℃以下的溫度範圍的基板加熱機構，可將雷射光束入射時的聚光點附近的最高到達溫度、與半導體基板整體溫度的溫度差保持為較小。因此，可防止在使用雷射光束形成去疵部位時所伴有的急遽的溫度變化，抑制內部應力的產生。
第3態樣中，於去疵域的形成步驟中，自照射面沿著相互平行的多個光軸而同時(一併)照射多條雷射光束。因此，例如與使1條雷射光束進行掃描的方法相比，或者與一邊使半導體基板移動一邊對其照射雷射光束的方法相比，可於大幅縮短的時間內同時形成多個去疵域。另外，即便為大口徑的單晶晶圓，只要增加沿著照射面形成的雷射光源的數量，則完全不用增加去疵域的形成時間而可總括地形成多個去疵域。
另外，根據本發明第3態樣的半導體元件的製造方法，於去疵域的形成步驟中，自照射面沿著相互平行的多個光軸而同時(一併)照射多條雷射光束，由此可於短時間內形成多個去疵域。因此，可容易地且於短時間內製造出能確實捕捉到重金屬的高性能半導體元件。
另外，根據本發明第3態樣的半導體元件的製造裝置，於照射面上具備以相互平行的多個光軸而向半導體基板進行雷射照射的雷射照射體，故可同時(一併)照射多條雷射光束，從而可於短時間內同時形成多個去疵域。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下，根據附圖，對本發明的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置、半導體元件的製造方法及半導體元件的製造裝置的第1實施例～第3實施例進行說明。
再者，第1實施例～第3實施例是為了更好地理解發明的主旨而舉出一例進行說明，只要無特別指定，則並不限定本發明。另外，為了使本發明的特徵易於理解，為方便起見，在以下說明所使用的附圖中，有時會放大表示成為要部的部分，各構成要素的尺寸比率等與實際情況並不一定相同。
首先，最初對專用於半導體元件的半導體基板的構成例加以說明。圖1是表示本發明的專用於半導體元件的半導體基板的放大剖面圖。專用於半導體元件的半導體基板(以下，簡稱為半導體基板)1具備單晶晶圓2、與形成於該單晶晶圓2的一面2a上的磊晶層3。並且，於單晶晶圓2的一面2a的附近，形成有對半導體基板1的重金屬進行捕捉的多個去疵域4。
上述半導體基板1可較佳地用作專用於半導體元件的基板，例如用作固體攝像元件製造用基板。單晶晶圓2例如可以是矽單晶晶圓。磊晶層3可以是自單晶晶圓2的一面2a所成長的矽的磊晶成長膜。
去疵域4可以是使一部分矽單晶非晶化(似非晶，Amorphous-like)的結構。去疵域4具有只要其結晶結構中僅存在稍許的應變便可捕捉重金屬的能力，只要僅使極少的一部分非晶化便可發揮作為去疵域的作用。
再者，上述去疵域4是藉由雷射光束的聚光而使一部分單晶晶圓2產生多光子吸收過程從而對結晶結構進行改質所形成。
去疵域4可以在使用該半導體基板1而形成固體攝像元件時的至少與各個半導體元件(例如固體攝像元件)的形成區域S疊合的位置上形成。例如，1個去疵域4可以形成為直徑R為50～150 μm、厚度T為10～150 μm之大小的圓盤狀。另外，去疵域4的形成深度D較佳為自單晶晶圓2的一面2a起算0.5～2 μm左右。
再者，上述去疵域4可形成於在單晶晶圓2的上層所成膜的磊晶層3中。於磊晶層3中形成去疵域4的情況下，去疵域4較佳為以在元件形成側的面上不露出的方式形成於磊晶層內部。
其次，對使用有專用於半導體元件的半導體基板1的半導體元件的構成例進行說明。再者，於以下的第1實施例～第3實施例中，舉出固體攝像元件作為半導體元件的一例。
圖2是表示使用本發明的用於固體攝像元件的磊晶基板所製成的固體攝像元件之一例的剖面圖。固體攝像元件60是使用半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)1，該半導體基板1於p+ 型半導體基板(矽基板)2之上方形成有p型磊晶層3，進而於單晶晶圓2中形成有去疵域4。
於磊晶層3的規定位置上，形成有第一n型井區61。於該第一n型井區61的內部，分別形成有構成垂直移位寄存器(vertical transfer register)的p型轉移通道(transfer channel)區域63、n型通道阻絕(channel stop)區域64及第二n型井區65。
進而，於閘極絕緣膜62的規定位置上形成有轉移電極66。而且，向p型轉移通道區域63與第二n型井區65內選擇性地注入p型及n型的雜質，藉此形成使n型正電荷蓄積區域67與p型雜質擴散區域68積層而成的光電二極體(photodiode)(半導體元件)69。並且具備覆蓋該些的層間絕緣膜71、及覆蓋除光電二極體69的正上方以外的表面的遮光膜72。
於上述構成的固體攝像元件60中，藉由形成於單晶晶圓2中的去疵域4而能確實捕捉到半導體基板1中含有的重金屬。因此，可抑制作為使固體攝像元件60的攝像特性下降之要因的光電二極體(半導體元件)69的暗時洩漏電流(暗電流時的洩漏電流)。
亦即，使用藉由以下的第1實施例～第3實施例所示的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法所獲得的半導體基板1來形成固體攝像元件60，藉此可實現暗時洩漏電流少、且具有優異之攝像特性的固體攝像元件60。
＜第1實施例＞
其次，對本發明第1實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、及使用其之半導體元件的製造方法進行說明。圖3A～圖3D是階段性地表示作為半導體元件之一例的固體攝像元件的製造方法的剖面圖。
於製造專用於半導體元件的半導體基板(以下，簡稱為半導體基板)時，首先準備單晶晶圓2(參照圖3A)。單晶晶圓2例如可以是將矽單晶錠切片而製造的矽單晶晶圓。
其次，於該單晶晶圓2的一面2a上，形成例如磊晶層3(參照圖3B：磊晶成長步驟)。在形成磊晶層3時，例如可以使用磊晶成長裝置，一邊將單晶晶圓2加熱至規定溫度一邊導入原料氣體，使包含矽單晶的磊晶層3於一面2a上成長。
接著，將形成有磊晶層3的單晶晶圓2載置於雷射照射裝置120上，根據電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)相機130的攝像資料，一邊使單晶晶圓2移動一邊對其照射雷射光束(參照圖3C)。此時，自雷射產生裝置115(除參照圖3C的圖示外，亦參照圖4)出射的雷射光束是藉由聚光用透鏡(聚光機構)111而以聚光點(焦點)位於自單晶晶圓2的一面2a起算的例如數十μm左右深度的方式被聚光。由此，對單結晶晶圓2的結晶結構進行改質而形成去疵域4(去疵域形成步驟)。再者，該去疵域4的形成步驟將於以下詳細敍述。
形成有磊晶層3與去疵域4的單晶晶圓2藉由退火裝置180而被進一步加熱至規定的溫度(參照圖3D：去疵步驟)。由此，單晶晶圓2內擴散的重金屬聚集於去疵域4中，從而獲得於元件形成部分含有極少重金屬的半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)1。
此後，與該半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)1的磊晶層3疊合而形成半導體元件，例如形成光電二極體(半導體元件)(元件形成步驟)，藉此可獲得由重金屬導致的洩漏電流少、具有優異特性的固體攝像元件(半導體元件)。
再者，第1實施例是在半導體元件形成前預先進行去疵步驟，當然亦可在半導體元件形成後進行退火，將重金屬聚集於去疵域4中。
圖4是表示第1實施例的用於在單晶晶圓中形成去疵域的雷射照射裝置之一例的示意圖。雷射照射裝置120具備：雷射產生裝置115，使雷射光束Q1產生脈衝振盪；脈衝控制電路(Q開關)116，對雷射光束Q1的脈衝等進行控制；分光器(beam splitter)(半反射鏡(half mirror))117a，使雷射光束Q1反射且使雷射光束Q1的行進方向朝單晶晶圓2轉換90°；及聚光用透鏡(聚光機構)111，使經分光器117a反射的雷射光束Q1聚光。
而且具備平台140，載置已形成有磊晶層3的單晶晶圓2。為了使聚光後的雷射光束Q2於單晶晶圓2的任意位置聚光並對準焦點，該平台140藉由平台控制電路145而以可於垂直方向Z及水平方向X進行移動的方式受到控制。
雷射產生裝置115及脈衝控制電路116並無特別限定，只要可照射能對單晶晶圓內部的任意位置的結晶結構進行改質而形成去疵域的雷射光束即可。尤其以使用可穿透半導體晶圓的波段、且可進行短脈衝週期的振盪的摻鈦藍寶石雷射(titanium sapphire laser)為佳。再者，表1中示出一般的半導體晶圓及矽晶圓各自所適合的雷射照射條件的具體例。
※雷射光束Q1及雷射光束Q2的雷射照射條件(可穿透矽的雷射照射條件)
雷射光束Q1及雷射光束Q2的脈衝寬度較佳為1.0×10-14 ～1.0×10-9 秒，更佳為1.0×10-10 ～1.0×10-9 秒。雷射光束Q1及雷射光束Q2的波長較佳為1010～1090 nm，更佳為1030～1060 nm。
雷射產生裝置115所產生的雷射光束Q1是藉由聚光用透鏡111而將光程寬度收斂(converge)。為了使該收斂後的雷射光束Q2在位於單晶晶圓2的任意深度D的焦點G處成像(聚光)，平台140於垂直方向Z上受到控制。聚光用透鏡111較佳為如下範圍：例如倍率為10～300倍，N.A(數值孔徑)為0.3～0.9，相對於雷射光束的波長的透射率為30～60%。
雷射照射裝置120更具備：可見光雷射產生裝置119、分光器(半反射鏡)117b、CCD相機130、CCD相機控制電路135、成像用透鏡112、中央控制電路150、及顯示機構151。
可見光雷射產生裝置119所產生的可見光雷射光束Q3經分光器(半反射鏡)117b反射後方向轉換90°而到達單晶晶圓2的磊晶層3。然後，經磊晶層3的表面反射後穿透聚光用透鏡111及分光器117a與117b而到達成像用透鏡112。到達成像用透鏡112的可見光雷射Q3被CCD相機130拍攝作為單晶晶圓2的表面圖像，將所獲得的攝像資料輸入至CCD相機控制電路135。平台控制電路145根據所輸入的攝像資料來控制平台140於水平方向X的移動量。
接下來，對在形成有磊晶層3的單晶晶圓2中形成去疵域4的方法進行詳細敍述。圖5是表示藉由雷射光束而於半導體晶圓中形成去疵域的狀況的示意圖。於單晶晶圓2中形成去疵域4時，藉由聚光用透鏡(聚光機構)111而將自雷射產生裝置115出射的雷射光束Q1收斂。收斂後的雷射光束Q2是處於可穿透矽的波段，故在到達磊晶層3的表面之後並不反射，而是維持原樣地直接入射。
另一方面，形成有磊晶層3的單晶晶圓2是以如下方式被定位：使雷射光束Q2的聚光點(焦點)G位於自單晶晶圓2的一面2a起算的規定的深度D處。因此，單晶晶圓2中僅在對準雷射光束Q2的聚光點(焦點)G的部位產生多光子吸收。
於多光子吸收過程中，如所周知，在極短時間內對特定之部位(照射區域)照射大量的光子，藉此，僅於照射區域選擇性地吸收大量的能量。因此，會引起照射區域的結晶結合產生變化等的反應。於第1實施例中，使雷射光束聚光於單晶晶圓2內部的任意區域，藉此於該聚光點(焦點)對單晶結構的半導體晶圓進行改質，局部地產生似非晶的結晶結構。此種結晶結構的改質的程度較佳為能產生重金屬的捕捉作用，亦即，能使結晶結構中產生稍許的應變。
如上所述，於本發明的第1實施例中，在單晶晶圓2內部的任意微小區域設定使雷射光束Q1收斂的雷射光束Q2的聚光點(焦點)G的照射位置。並且，對該微小區域的結晶結構進行改質，藉此可於單晶晶圓2的任意微小區域形成去疵域4。
重要的是，用以形成去疵域4的雷射光束的條件為：在雷射光束到達聚光點(焦點)之前的光程中，並不對磊晶層3或單晶晶圓2的結晶結構進行改質，雷射光束可確實地穿透。如此之雷射光束的照射條件是由作為半導體材料的基礎物性值的禁帶(能帶隙(energy band gap))所決定。例如，矽半導體的禁帶為1.1 eV，故在入射波長為1000 nm以上時穿透性變得顯著。由此，雷射光束的波長可考慮半導體材料的禁帶而決定。
作為雷射光束的產生裝置，若為釔鋁石榴石(Yttrium-Aluminum-Garnet，YAG)雷射之類的高輸出雷射，則熱能不僅會傳達至規定的深度位置，還有會傳達至其周邊區域之虞，因此使用低輸出雷射為佳。作為低輸出雷射，例如較佳為飛(femto)秒雷射之類的超短脈衝雷射。
該超短脈衝雷射可藉由使用半導體雷射等來激發摻鈦藍寶石結晶(固體雷射結晶)而將雷射光束的波長設定於任意範圍。超短脈衝雷射可將激發雷射光束的脈衝寬度設為1.0×10-15 飛秒以下，因此與其他雷射相比，可抑制因激發所產生的熱能的擴散，從而可使光能僅集中於雷射光束的聚光點(焦點)。
可推測：藉由多光子吸收過程而對結晶結構進行改質所形成的去疵域4可能會成為似非晶的結晶結構。
為了獲得上述似非晶的結晶結構，必須在對準雷射光束的聚光點(焦點)G的部位進行局部地急速加熱、急速冷卻。具有如表1所示之特性的超短脈衝雷射是能量較小的雷射，但藉由使用上述聚光用透鏡111進行聚光而使能量達到足以對單晶晶圓2進行局部地急速加熱。雷射光束的聚光點(焦點)G的溫度達到9900～10000 K(9627～9727℃)的高溫。另外，由於雷射光束是在聚光點(焦點)G處聚光，故單晶晶圓2中的雷射光束的熱輸入範圍極其狹窄。因此，若聚光點(焦點)G藉由載置有單晶晶圓2的平台140的移動或者藉由雷射光束的掃描而移動，則移動前的聚光點(焦點)的熱輸入量會急遽減少，從而可獲得急速冷卻效果。
另外，將波長設為如表1所示之超短脈衝雷射的1000 nm，以此提高對磊晶層3或單晶晶圓2的穿透性，從而可以不影響磊晶層3等之結晶組織地僅對作為雷射光束的聚光點(焦點)的微小區域進行改質。該結晶結構的改質部分可適宜用作半導體基板2的去疵域4。
再者，若雷射光束的波長超過1200nm，則成為長波長區域，故光子能量(雷射光束能量)變低。因此，即便使雷射光束聚光，亦有無法獲得足以對半導體基板內部進行改質的光子能量之虞，故雷射光束的波長較佳為1200nm以下。
於第1實施例中，穿透半導體晶圓的雷射光束Q2是在聚光點(焦點)G處聚光。因此，於聚光點(焦點)G處會引起多光子吸收。
聚光點(焦點)G處的雷射光束直徑較佳為1μm以上且10mm以下，更佳為1μm以上且1mm以下，峰值輸出密度較佳為1.0×106 秒W/cm2 以上且1.0×1011 秒W/cm2 以下，更佳為1.0×107 秒W/cm2 以上且1.0×1010 秒W/cm2 以下。若聚光點(焦點)G處的光束直徑、峰值輸出密度滿足上述條件，則可發揮多光子吸收的效果。
雷射光束的聚光點(焦點)G的位置、亦即於單晶晶圓2中形成去疵域4的位置是可藉由使平台140進行上下移動或水平移動而受到控制。再者，除使平台140進行上下移動、水平移動外，藉由控制聚光機構(聚光用透鏡)111的位置亦可對雷射光束的聚光點(焦點)G的位置加以控制。去疵域4的形成密度可根據上述的雷射光束的聚光點(焦點)G的移動、亦即根據掃描間距P而設定。
舉一例而言，在對自半導體基板的表面起算的2μm的位置進行改質而形成去疵域4時，可將雷射光束的波長設定為1080nm，使用透射率為60%的聚光用透鏡(倍率 50倍)而使雷射光束在距表面2μm的位置成像(聚光)，並且藉由使單晶晶圓內部產生多光子吸收而形成改質部分(去疵域)。
另一方面，去疵域4的形狀是可藉由使雷射光束沿著單晶晶圓2的一面進行掃描、或者使平台進行左右微動而控制。去疵域4的形狀可形成為相對於單晶晶圓2的一面平行地擴展、且於單晶晶圓2的厚度方向上延伸的任意的三維形狀。作為去疵域4的具體形狀，可舉出例如立方體形狀、長方體形狀、圓柱體形狀等。
圖6A~圖6B是表示去疵域的形成形狀例的斷裂立體圖。於圖6A所示的半導體基板191中，去疵域192形成為三維圓柱體形狀，相對於半導體基板191的一面191a而成圓形，且於半導體基板191的厚度方向U延伸。該圓柱體形狀的去疵域192可以形成為例如直徑為50~150μm、厚度為10~150μm之大小的圓柱體形狀。
另一方面，於圖6B所示的半導體基板195中，去疵域196形成為三維長方體形狀，相對於半導體基板195的一面195a而成矩形，且於半導體基板195的厚度方向U延伸。該長方體形狀的去疵域196可以形成為例如沿著一面195a擴展的矩形的一邊長為50~150μm、厚度為10~150μm之大小的長方體形狀。
此外，可將去疵域形成為例如立方體形狀、橢圓體形狀、球形等任意的三維形狀。而且，較佳為沿著半導體基板的厚度方向U而在相互疊合的位置上形成多個上述三維形狀的去疵域。由此，可進一步提高重金屬的去疵能力。於此情況下，可藉由將雷射光束的焦點位置沿著半導體基板的厚度方向U設定於多個部位而形成。
＜第2實施例＞
接著，對本發明第2實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、及專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置進行說明。圖7A～圖7D是階段性地表示作為半導體元件之一例的固體攝像元件的製造方法的剖面圖。
於製造專用於半導體元件的半導體基板(以下，簡稱為半導體基板)時，首先準備單晶晶圓2(參照圖7A)。單晶晶圓2例如可以是將矽單晶錠切片而製造的矽單晶晶圓。
其次，宜於該單晶晶圓2的一面2a上形成例如磊晶層3(參照圖7B：磊晶成長步驟)。在形成磊晶層3時，例如可以使用磊晶成長裝置，一邊將單晶晶圓2加熱至規定溫度一邊導入原料氣體，使包含矽單晶的磊晶層3於一面2a上成長。
接著，如圖7C所示，將形成有磊晶層3的單晶晶圓2載置於在雷射照射裝置220的腔室(chamber)246內所形成的平台240上。並且，使設置於平台240上的平台加熱裝置(基板加熱機構)248運轉，將單晶晶圓2經由平台240而加熱至規定的溫度(基板加熱步驟)。
此時，單晶晶圓2的加熱溫度為400℃以上、1000℃以上，較佳為400℃以上、600℃以下。
並且，如圖7D所示，根據CCD相機230的攝像資料，一邊使經平台加熱裝置(基板加熱機構)248而加熱至規定溫度的單晶晶圓2移動，一邊對該單晶晶圓2照射雷射光束(去疵域形成步驟)。此時，自雷射產生裝置215(除參照圖7D的圖示外，亦參照圖9)出射的雷射光束是藉由聚光用透鏡(聚光機構)211而以聚光點(焦點)位於自單晶晶圓2的一面2a起算的例如數十μm左右深度的方式被聚光。由此，對單晶晶圓2的結晶結構進行改質而形成多個去疵域4。再者，該去疵域4的形成步驟將於以下詳細敍述。
另外，於該去疵域形成步驟中，較佳為使收容有單晶晶圓2的腔室246內充滿氮、氬、氫、或者由該些氣體混合而成的混合氣體，使腔室246內成為非氧化性氣體環境。藉此，可防止因照射雷射光束時產生的熱而導致空氣中的氧與單晶晶圓化合而生成矽氧化膜。
經以上步驟所獲得的半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)1例如可專用於固體攝像元件的製造。
如圖8A所示，與半導體基板1的磊晶層3疊合而形成半導體元件，例如形成多個光電二極體(半導體元件)69(元件形成步驟)。此時，特佳為各個光電二極體69形成於與各個去疵域4疊合的位置。
然後，將形成有該光電二極體69的半導體基板1導入退火裝置280中，並加熱至規定的溫度(參照圖8B：去疵步驟)。由此，單晶晶圓2內擴散的重金屬、尤其是光電二極體(半導體元件)69的形成區域中存在的重金屬聚集於去疵域4中。藉此可獲得由重金屬導致的洩漏電流少、具有優異特性的固體攝像元件(半導體元件)。
再者，本實施形態中是在半導體元件形成後進行去疵步驟，當然亦可在半導體元件形成前預先進行退火，使重金屬聚集於去疵域4。
圖9是表示第2實施例的用於在單晶晶圓中形成去疵域的雷射照射裝置之一例的示意圖。雷射照射裝置220具備：雷射產生裝置215，使雷射光束Q1產生脈衝振盪；脈衝控制電路(Q開關)216，對雷射光束Q1的脈衝等進行控制；分光器(半反射鏡)217a，使雷射光束Q1反射且使雷射光束Q1的行進方向朝單晶晶圓2變換90°；及聚光用透鏡(聚光機構)211，使經分光器217a反射的雷射光束Q1聚光。
而且具備平台240，載置已形成有磊晶層3的單晶晶圓2。為了使聚光後的雷射光束Q2於單晶晶圓2的任意位置聚光並對準焦點，該平台240藉由平台控制電路245而以可於垂直方向Z及水平方向X進行移動的方式受到控制。
另外，於平台240上，設置有用以對載置於平台240上的單晶晶圓2進行加熱的平台加熱裝置(基板加熱機構)248。該平台加熱裝置248是藉由平台加熱控制電路247而控制溫度。並且，於照射雷射光束Q2時，平台加熱裝置248對單晶晶圓2進行加熱，以使單晶晶圓2達到規定的溫度範圍。照射雷射光束Q2時，單晶晶圓2的加熱溫度範圍宜為400℃以上、1000℃以下，較佳為400℃以上、600℃以下。
雷射產生裝置215及脈衝控制電路216並無特別限定，只要可照射能對單晶晶圓內部的任意位置的結晶結構進行改質而形成去疵域的雷射光束即可。尤其以使用可穿透半導體晶圓的波段、且可進行短脈衝週期的振盪的摻鈦藍寶石雷射為佳。再者，作為較佳的雷射照射條件，可舉出第1實施例的表1中列舉的雷射照射條件。
另外，於表1所示的條件中，尤其是雷射光束Q1及雷射光束Q2的脈衝寬度較佳為1.0×10-14 ～1.0×10-9 秒，更佳為1.0×10-10 ～1.0×10-9 秒。雷射光束Q1及雷射光束Q2的波長較佳為1010～1090 nm，更佳為1030～1060 nm。
只要滿足以上的雷射照射條件，則雷射光束Q1及Q2可穿透半導體基板。
雷射產生裝置215所產生的雷射光束Q1是藉由聚光用透鏡211而將光程寬度收斂。為了使該收斂後的雷射光束Q2在位於單晶晶圓2的任意深度D的焦點G處成像(聚光)，平台240於垂直方向Z上受到控制。聚光用透鏡211較佳為如下範圍：例如倍率為10～300倍，N.A(數值孔徑)為0.3～0.9，相對於雷射光束的波長的透射率為30～60%。
雷射照射裝置220更具備：可見光雷射產生裝置219、分光器(半反射鏡)217b、CCD相機230、CCD相機控制電路235、成像用透鏡212、中央控制電路250、及顯示機構251。
可見光雷射產生裝置219所產生的可見光雷射光束Q3經分光器(半反射鏡)217b反射後方向轉換90°而到達單晶晶圓2的磊晶層3。然後，經磊晶層3的表面反射後穿透聚光用透鏡211及分光器217a與217b而到達成像用透鏡212。到達成像用透鏡212的可見光雷射Q3被CCD相機230拍攝作為單晶晶圓2的表面圖像，且將所獲得的攝像資料輸入至CCD相機控制電路235。平台移動控制電路245根據所輸入的攝像資料來控制平台240於水平方向X的移動量。
接下來，對在形成有磊晶層3的單晶晶圓2中形成去疵域的方法進行詳細敍述。圖10是表示藉由雷射光束而於半導體晶圓中形成去疵域4的狀況的示意圖。於單晶晶圓2中形成去疵域4時，藉由聚光用透鏡(聚光機構)211而將自雷射產生裝置215出射的雷射光束Q1收斂。收斂後的雷射光束Q2是處於可穿透矽的波段，故在到達磊晶層3的表面之後並不反射，而是維持原樣地直接入射。
另一方面，形成有磊晶層3的單晶晶圓2是以如下方式被定位：使雷射光束Q2的聚光點(焦點)G位於自單晶晶圓2的一面2a起算的規定的深度D處。因此，單晶晶圓2中僅在對準雷射光束Q2的聚光點(焦點)G的部位產生多光子吸收。
於多光子吸收過程中，如所周知，在極短時間內對特定之部位(照射區域)照射大量的光子，藉此，僅於照射區域選擇性地吸收大量的能量。因此，會引起照射區域的結晶結合產生變化等的反應。於第2實施例中，使雷射光束聚光於單晶晶圓2內部的任意區域，藉此於該聚光點(焦點)對單晶結構的半導體晶圓進行改質，局部地產生似非晶的結晶結構。此種結晶結構的改質的程度較佳為能產生重金屬的捕捉作用，亦即，能使結晶結構中產生稍許的應變。
並且，於上述的由雷射光束Q2引起的多光子吸收過程中，藉由平台加熱裝置248而將單晶晶圓2加熱至規定的溫度範圍，例如加熱至400℃以上、1000℃以下，較佳為400℃以上、600℃以下。因此，可抑制由聚光後的雷射光束Q2引起的單晶晶圓2的局部性的溫度驟升、驟降等過大的溫度變化。
於雷射光束Q2的聚光點G附近，矽單晶會瞬間達到高溫。因此，在使雷射光束Q2於常溫狀態下入射至單晶晶圓2後，在聚光點附近會產生熱衝擊波，局部地產生內部應力。如此之內部應力會藉由作為後工程的元件形成步驟等的熱製程而得以緩和，錯位自所形成的去疵域擴展，從而成為元件特性劣化的原因。
然而，本發明第2實施例中，是將單晶晶圓2藉由平台加熱裝置248而預先加熱至規定的溫度範圍，例如加熱至400℃以上、1000℃以下，較佳為400℃、600℃以下。因此，可將雷射光束Q2入射時的聚光點附近的最高到達溫度、與單晶晶圓2整體溫度的溫度差保持為較小。藉此，可防止在使用雷射光束形成去疵部位時所伴有的急遽的溫度變化，抑制內部應力的產生。並且，可形成錯位缺陷的產生之虞較少的專用於半導體元件的半導體基板。
再者，於上述實施形態中，例示出平台加熱裝置248作為基板加熱機構，當然並不限定於此，只要是能將單晶晶圓2加熱至規定的溫度範圍的構成，則可為任意。例如，亦可於平台以外的部位設置對單晶晶圓2進行直接加的燈式加熱裝置、電熱線加熱裝置等的基板加熱機構。
如上所述，於本發明第2實施例中，在單晶晶圓2內部的任意微小區域設定有雷射光束Q1收斂後的雷射光束Q2的聚光點(焦點)G的照射位置。並且，藉由對該微小區域的結晶結構進行改質而可於單晶晶圓2的任意微小區域形成去疵域4。
重要的是，用以形成去疵域4的雷射光束的條件為：在雷射光束到達聚光點(焦點)之前的光程中，並不對磊晶層3或單晶晶圓2的結晶結構進行改質，雷射光束可確實地穿透。如此之雷射光束的照射條件是由作為半導體材料的基礎物性值的禁帶(能帶隙)所決定。例如，矽半導體的禁帶為1.1 eV，故在入射波長為1000 nm以上時穿透性變得顯著。由此，雷射光束的波長可考慮半導體材料的禁帶而決定。
作為雷射光束的產生裝置，若為YAG雷射之類的高輸出雷射，則熱能不僅會傳達至規定的深度位置，還有會傳達至其周邊區域之虞，因此使用低輸出雷射為佳。作為低輸出雷射，例如較佳為飛秒雷射之類的超短脈衝雷射。
該超短脈衝雷射可藉由使用半導體雷射等來激發摻鈦藍寶石結晶(固體雷射結晶)而將雷射光束的波長設定於任意範圍。超短脈衝雷射可將激發雷射光束的脈衝寬度設為1.0×10-15 飛秒以下，因此與其他雷射相比，可抑制因激發所產生的熱能的擴散，從而可使光能僅集中於雷射光束的聚光點(焦點)。
可推測：藉由多光子吸收過程而對結晶結構進行改質所形成的去疵域4可能會成為似非晶的結晶結構。為了獲得上述似非晶的結晶結構，必須在對準雷射光束的聚光點(焦點)G的部位進行局部地急速加熱、急速冷卻。具有如表1所示之特性的超短脈衝雷射是能量較小的雷射，但藉由使用聚光用透鏡211進行聚光而使能量達到足以對單晶晶圓2進行局部地急速加熱。
雷射光束的聚光點(焦點)G的溫度達到9900～10000 K(9627～9727℃)的高溫。另外，由於雷射光束是在聚光點(焦點)G處聚光，故單晶晶圓2中的雷射光束的熱輸入範圍極其狹窄。因此，若聚光點(焦點)G藉由載置有單晶晶圓2的平台140的移動或者藉由雷射光束的掃描而移動，則移動前的聚光點(焦點)的熱輸入量會急遽減少，從而可獲得急速冷卻效果。
另外，將波長設為如表1所示之超短脈衝雷射的1000 nm，以此提高對磊晶層3或單晶晶圓2的穿透性，從而可以不影響磊晶層3等之結晶組織地僅對作為雷射光束的聚光點(焦點)的微小區域進行改質。該結晶結構的改質部分可適宜用作半導體基板2的去疵域4。
再者，若雷射光束的波長超過1200nm，則成為長波長區域，故光子能量(雷射光束能量)變低。因此，即便使雷射光束聚光，亦有無法獲得足以對半導體基板內部進行改質的光子能量之虞，故雷射光束的波長較佳為1200nm以下。
於第2實施例中，穿透半導體晶圓的雷射光束Q2是在聚光點(焦點)G處聚光。因此，於聚光點(焦點)G處會引起多光子吸收。
聚光點(焦點)G處的雷射光束直徑較佳為1μm以上且10mm以下，更佳為1μm以上且1mm以下，峰值輸出密度較佳為1.0×106 秒W/cm2 以下且1.0×1011 秒W/cm2 以下，更佳為1.0×107 秒W/cm2 以上且1.0×1010 秒W/cm2 以下。若聚光點(焦點)G處的光束直徑、峰值輸出密度滿足上述條件，則可發揮多光子吸收的效果。
雷射光束的聚光點(焦點)G的位置、亦即於單晶晶圓2中形成去疵域4的位置是可藉由使平台240進行上下移動或水平移動而受到控制。再者，除使平台240進行上下移動、水平移動外，藉由控制聚光機構(聚光用透鏡)211的位置亦可對雷射光束的聚光點(焦點)G的位置加以控制。
舉一例而言，在對自半導體基板的表面起算的2μm 的位置進行改質而形成去疵域4時，可將雷射光束的波長設定為1080nm，使用透射率為60%的聚光用透鏡(倍率50倍)而使雷射光束在距表面2μm的位置成像(聚光)，並且藉由產生多光子吸收而形成改質部分(去疵域)。
去疵域4的排列、形狀是可藉由使雷射光束沿著單晶晶圓2的一面進行掃描、或者使平台進行左右微動而控制。圖11是表示半導體基板中的去疵域的形成狀況的示意圖。去疵域4可形成於半導體基板的元件形成區域的下部。例如，利用雷射光束Q而遍及形成有元件的單晶晶圓2的另一面(背面)之全部區域來進行掃描。具體而言，使雷射光束Q於水平方向X上進行掃描，與此同時，於單晶晶圓2的周邊部，使雷射掃描位置朝與單晶晶圓2的面平且且與水平方向X正交的Y方向移動來掃描單晶晶圓2的整個面。若在規定的條件下照射雷射光束Q，則可於整個單晶晶圓2中形成多個去疵域4。
上述去疵域4的形成密度可根據雷射光束Q的掃描間距P而設定。去疵域4的形成密度較佳為例如為1.0×105 ~1.0×106 個/cm2 的範圍。如此之去疵域4的形成密度是可根據由剖面TEM(穿透式電子顯微鏡)觀察所得的氧析出物的個數而驗證。
再者，於上述實施形態中，作為雷射光束的照射方法，是使用單一光軸的雷射光束，一邊使單晶晶圓2移動一邊形成去疵域4，但亦可以是例如同時(一併)照射多個光軸的雷射光束的構成。作為該構成中所使用的雷射光束光源，可舉出如下：例如將多個雷射二極體排列成複眼狀，經一次照射而可同時形成多個去疵域。
＜第3實施例＞
接下來，對本發明第3實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法、及使用其之半導體元件的製造方法進行說明。圖12A～圖12E是階段性地表示作為半導體元件之一例的固體攝像元件的製造方法的剖面圖。
於製造固體攝像元件(半導體元件)時，首先準備單晶晶圓2(參照圖12A)。單晶晶圓2例如可以是將矽單晶錠切片而製造的矽單晶晶圓。
其次，宜於該單晶晶圓2的一面2a上形成磊晶層3(參照圖12B：磊晶成長步驟)。在形成磊晶層3時，例如可以使用磊晶成長裝置，一邊將單晶晶圓2加熱至規定溫度一邊導入原料氣體，使包含矽單晶的磊晶層3於單晶晶圓2的一面2a上成長。
接著，將形成有磊晶層3的單晶晶圓2載置於雷射照射裝置320上，向單晶晶圓2的一面2a照射雷射光束(參照圖12C)。此時，如圖13所示，自構成雷射照射裝置320的雷射照射體321的照射面321a起，沿著相互平行的多個光軸C而同時向單晶晶圓2的一面2a照射多條雷射光束Q。
自雷射照射體321的照射面321a同時出射的多條雷射光束Q是預先藉由聚光用透鏡等的聚光機構(省略圖示)而以聚光點(焦點)位於自單晶晶圓2的一面2a起算的數十μm左右深度的方式被聚光。藉此，對單晶晶圓2的結晶結構進行改質，經一次照射而可同時形成多個去疵域4(去疵域形成步驟)。
再者，於該去疵域形成步驟中，較佳為使收容有單晶晶圓2的腔室343內充滿氮、氬、氫、或者由該些氣體混合而成的混合氣體，使腔室343內成為非氧化性氣體環境。藉此，可防止因照射雷射光束時產生的熱而導致空氣中的氧與單晶晶圓2化合而生成矽氧化膜。
藉由以上步驟而獲得本發明的專用於半導體元件的半導體基板1。使用如此之包含形成有磊晶層3與去疵域4的單晶晶圓2的半導體基板1來製造半導體元件。
如圖12D所示，於半導體基板1的磊晶層3的一面3a上排列有多個半導體元件，例如排列有多個光電二極體(半導體元件)69(元件形成步驟)。光電二極體(半導體元件)69可以是之前所說明的如圖2示所示的構成。此時，各個光電二極體(半導體元件)69可分別形成於與去疵域4疊合的位置。
然後，如圖12E所示，將形成有多個光電二極體(半導體元件)69的半導體基板1導入退火裝置380中，並加熱至規定的溫度(去疵步驟)。由此，單晶晶圓2內擴散的重金屬聚集於去疵域4中，從而可獲得於元件形成部分、亦即於光電二極體(半導體元件)69的形成區域含有極少重金屬的固體攝像元件(半導體元件)60。
圖14是表示第3實施例的用於在本發明的半導體元件的製造裝置、亦即在半導體晶圓中形成去疵域的雷射照射裝置之一例的示意圖。雷射照射裝置(半導體元件的製造裝置)320具備雷射照射體321，自照射面321a以相互平行的多個光軸C而向半導體基板1照射雷射光束。
雷射照射體321例如形成為具有與單晶晶圓2相同的或者較大的大致圓形底面的大致圓盤狀。並且，沿著與單晶晶圓2相對面的照射面321a而設置有多個雷射產生源、例如設置有雷射二極體315。
如圖15所示，雷射二極體315是以於大致圓形的照射面321a上擴展的方式規則地排列著。各個雷射二極體315的形成位置可以設定為例如與形成於半導體基板1上的半導體元件的形成位置分別一致(疊合)的位置。
再次參照圖14，於雷射照射裝置320中，設置有載置單晶晶圓2的平台340、及氣密地收容該平台340及雷射照射體321的腔室343。另外具備脈衝控制部316，對自雷射照射體321所照射的雷射光束的振盪加以控制。
進而，雷射照射裝置320具備平台控制部345，藉由使平台340進行上下移動而對單晶晶圓2與雷射照射體321的照射面321a間的距離加以控制，從而控制去疵域4的形成位置(深度)。進而，雷射照射裝置320具備中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)350等，對包含脈衝控制部316及平台控制部345的雷射照射裝置320加以控制。
多個雷射二極體315並無特別限定，只要可照射能對單晶晶圓2內部的任意位置的結晶結構進行改質而形成去疵域的波段的雷射光束即可。
再者，作為較佳的雷射照射條件，可舉出第1實施例的表1中所列舉的雷射照射條件。
另外，於表1所示的條件中，尤其是雷射光束Q1及雷射光束Q2的脈衝寬度較佳為1.0×10-14 ～1.0×10-9 秒，更佳為1.0×10-10 ～1.0×10-9 秒。雷射光束Q1及雷射光束Q2的波長較佳為1010～1090 nm，更佳為1030～1060 nm。
只要滿足以上的雷射照射條件，則雷射光束Q1及Q2可穿透半導體基板。
接下來，對在形成有磊晶層3的單晶晶圓2中形成去疵域4的方法進行詳細敍述。圖13及圖14是表示藉由雷射光束而於半導體晶圓中形成去疵域4的狀況的示意圖。
於單晶晶圓2中形成去疵域4時，將形成有磊晶層3的單晶晶圓2載置於雷射照射裝置320的平台340上。然後，自沿著雷射照射體321的照射面321a而排列的多個雷射二極體315同時向單晶晶圓2的一面2a照射多條雷射光束Q。
對於各雷射光束Q而言，例如可以是脈衝寬度為1.0×10-15 ～1.0×10-8 秒、波長為300～1200 nm的範圍的超短脈衝雷射光束。上述雷射光束Q是處於可穿透矽的波段，故在到達磊晶層3的表面之後並不反射，而是維持原樣地直接入射。
另一方面，形成有磊晶層3的單晶晶圓2的位置是藉由對平台340的高度加以控制而決定，以使雷射光束Q的聚光點(焦點)位於自單晶晶圓2的一面2a起算的規定的深度D處。因此，單晶晶圓2中僅在對準雷射光束Q的聚光點(焦點)G的部位產生多光子吸收。再者，於該雷射光束Q的聚光點、亦即於去疵域4的形成位置，宜將雷射光束Q的峰值輸出密度控制為1.0×106 ～1.0×1011 秒W/cm2 的範圍。
於多光子吸收過程中，如所周知，在極短時間內對特定之部位(照射區域)照射大量的光子，藉此，僅於照射區域中選擇性地吸收大量的能量。因此，會引起照射區域的結晶結合產生變化等的反應。
於第3實施例中，使雷射光束聚光於單晶晶圓2內部的任意區域，藉此於該聚光點(焦點)對單晶結構的半導體晶圓進行改質，局部地產生似非晶的結晶結構。此種結晶結構的改質的程度較佳為能產生重金屬的捕捉作用度，亦即，能使結晶結構產生稍許的應變。
如上所述，於單晶晶圓2的內部的任意微小區域設定雷射光束Q的聚光點(焦點)，對該微小區域的結晶結構進行改質，藉此可於單晶晶圓2的任意微小區域形成多個去疵域4。
另外，於該去疵域形成步驟中，較佳為使收容有單晶晶圓2的腔室343(參照圖14)內充滿氮、氬、氫、或者由該些氣體混合而成的混合氣體，使腔室343內成為非氧化性氣體環境。藉此，可防止因照射雷射光束時產生的熱而導致空氣中的氧與單晶晶圓化合而生成矽氧化膜。
重要的是，用以形成去疵域4的雷射光束Q的條件為：在雷射光束Q到達聚光點(焦點)之前的光程中，並不對磊晶層3或單晶晶圓2的結晶結構進行改質，雷射光束可確實地穿透。
如此之雷射光束的照射條件是由作為半導體材料的基礎物性值的禁帶(能帶隙)所決定。例如，矽半導體的禁帶為1.1 eV，故在入射波長為1000 nm以上時穿透性變得顯著。由此，雷射光束的波長可考慮半導體材料的禁帶而決定。
雷射光束Q較佳為飛秒雷射之類的超短脈衝雷射。該超短脈衝雷射可將激發雷射光束的脈衝寬度設為1.0×10-15 飛秒以下，因此與其他雷射相比，可抑制因激發所產生的熱能的擴散，從而可使光能僅集中於雷射光束的聚光點(焦點)。
可推測：藉由多光子吸收過程而對結晶結構進行改質所形成的去疵域4可能會成為似非晶的結晶結構。為了獲得上述似非晶的結晶結構，必須在對準雷射光束的聚光點(焦點)G的部位進行局部地急速加熱、急速冷卻。具有如表1所示之特性的超短脈衝雷射藉由使用聚光機構等進行聚光而使能量達到足以對單晶晶圓2進行局部地急速加熱。
雷射光束的聚光點(焦點)G的溫度達到9900～10000 K(9627～9727℃)的高溫。另外，由於雷射光束是在聚光點(焦點)G處聚光，故單晶晶圓2中的雷射光束的熱輸入範圍極其狹窄。因此，若在短時間照射後停止照射，則聚光點(焦點)G處的熱輸入量會急遽減少，從而可獲得急速冷卻效果。
另外，將波長設為如表1所示之超短脈衝雷射的1000nm，以此提高對磊晶層3或單晶晶圓2的穿透性，從而可以不影響磊晶層3等之結晶組織地僅對作為雷射光束的聚光點(焦點)的微小區域進行改質。該結晶結構的改質部分可適宜用作半導體基板2的去疵域4。
再者，若雷射光束的波長超過1200nm，則成為長波長區域，故光子能量(雷射光束能量)變低。因此，即便使雷射光束聚光，亦有無法獲得足以對半導體基板內部進行改質的光子能量之虞，故雷射光束的波長較佳為1200nm以下。
於第3實施例中，穿透半導體晶圓的雷射光束Q2是在聚光點(焦點)G處聚光。因此，於聚光點(焦點)G處會引起多光子吸收。
聚光點(焦點)G處的雷射光束直徑較佳為1μm以上且10mm以下，更佳為1μm以上且1mm以下，峰值輸出密度較佳為1.0×106 秒W/cm2 以上且1.0×1011 秒W/cm2 以下，更佳為1.0×107 秒W/cm2 以上且1.0×1010 秒W/cm2 以下。若聚光點(焦點)G處的光束直徑、峰值輸出密度滿足上述條件，則可發揮多光子吸收的效果。
雷射光束的聚光點(焦點)G的位置、亦即於單晶晶 圓2中形成去疵域4的位置是可藉由使平台340進行上下移動而受到控制。再者，除使平台140進行上下移動外，藉由控制聚光機構(未圖示)的位置亦可對雷射光束的聚光點(焦點)G的位置加以控制。
舉一例而言，在對自半導體基板的表面起算的2μm的位置進行改質而形成去疵域4時，可將雷射光束的波長設定為1080nm，使用透射率為60%的聚光用透鏡(倍率50倍)而使雷射光束在距表面2μm的位置成像(聚光)，並且藉由產生多光子吸收過程而形成改質部分(去疵域)。
如此一來，對單晶晶圓2的微小區域的結晶結構進行改質而獲得的去疵域4可以形成為例如直徑R為50~150μm、厚度T為10~150μm之大小的圓盤狀。另外，去疵域4的形成深度D較佳為自單晶晶圓2的一面2a起算0.5~2μm左右。
各個去疵域4於半導體基板1中可至少形成與固體攝像元件的形成區域疊合的位置。去疵域4例如可以按形成間距P為0.1μm~10mm的間隔而形成。
整個半導體基板1中的去疵域4的形成密度是根據在構成雷射照射裝置320的雷射照射體321的照射面321a上所排列的多個雷射二極體315的形成密度(形成間隔)而決定。
例如，藉由將更小的雷射二極體緊密地排列而可提高去疵域4的形成密度。另外，於一次雷射照射後，亦可藉由使單晶晶圓2在比雷射二極體315的形成間距P小的範圍內進行微動並再次進行雷射照射而提高去疵域4的形成密度。
上述去疵域4的形成密度較佳為例如1.0×105 ～1.0×107 個/cm2 的範圍。去疵域4的形成密度是可根據由剖面TEM(穿透式電子顯微鏡)觀察所得的氧析出物的個數而驗證。
如上所述，根據本發明的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，藉由使雷射光束聚光於半導體基板內部的任意微小區域而可使半導體基板內部的微小區域產生多光子吸收，從而容易地形成僅使該微小區域的結晶結構發生變化的去疵域。
於第3實施例的去疵域的形成步驟中，自照射面沿著相互平行的多個光軸而同時(一併)照射多條雷射光束。因此，例如與使1條雷射光束進行掃描的方法相比，或者與一邊使半導體基板移動一邊對其照射雷射光束的方法相比，可於大幅縮短的時間內同時形成多個去疵域。另外，即便為300 mm晶圓或450 mm晶圓等大口徑的單晶晶圓，只要增加沿著照射面形成的雷射光源的數量，則完全不用增加去疵域的形成時間而可總括地形成多個去疵域。
並且，將第3實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法應用於半導體元件的製造方法，由此可於短時間內形成多個去疵域。亦即，可容易地且於短時間內製造出能確實捕捉到重金屬的高性能半導體元件。
圖16是表示用於在本發明的半導體元件的製造裝置、亦即在半導體晶圓中形成去疵域的雷射照射裝置之另一例的示意圖。再者，對於與圖14所示之雷射照射裝置相同的構成，標註有相同的符號，省略詳細說明。
該雷射照射裝置(半導體元件的製造裝置)390具備雷射照射體391，自照射面391a以相互平行的多個光軸C而向半導體基板1照射雷射光束。
雷射照射體391具備：雷射產生源、例如飛秒雷射等脈衝雷射裝置393；以及自該脈衝雷射裝置393向照射面391a延伸的多根導光構件(光纖)394。各導光構件394的一端是與脈衝雷射裝置393相對，另一端是排列於照射面391a上。
根據上述構成，自1個脈衝雷射裝置393出射的雷射光束會經由多根導光構件(光纖)394的每一根而到達照射面391a。並且，自照射面391a沿著相互平行的多個光軸而對半導體基板2照射多條雷射光束Q，從而可同時形成多個去疵域4。
根據上述構成的雷射照射裝置(半導體元件的製造裝置)390，藉由導光構件將自1個脈衝雷射裝置(雷射光源)所照射的雷射光束進行分割，從而可自照射面391a照射多條雷射光束Q。因此，可製造出低成本且容易控制的雷射照射裝置。
另外，在變更去疵域4的形成密度時，僅藉由增減導光構件即可，故即便於單晶晶圓大口徑化的情況下，亦可對應低成本。
以上，對本發明的較佳實施例進行了說明，但本發明並不限定於該些實施例。於不脫離本發明的主旨的範圍內，可進行構成的增加、省略、置換及其他變更。本發明並不受前文所述之說明的限定，而僅由隨附的申請專利範圍而限定。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)
2．．．單晶晶圓
2a．．．單晶晶圓2的一面
3．．．磊晶層
4．．．去疵域
60．．．固體攝像元件(半導體元件)
61．．．第一n型井區
62‧‧‧閘極絕緣膜
63‧‧‧p型轉移通道區域
64‧‧‧n型通道阻絕區域
65‧‧‧第二n型井區
66‧‧‧轉移電極
67‧‧‧n型正電荷蓄積區域
68‧‧‧p型雜質擴散區域
69‧‧‧光電二極體(半導體元件)
71‧‧‧層間絕緣膜
72‧‧‧遮光膜
111、211‧‧‧聚光用透鏡(聚光機構)
112、212‧‧‧成像用透鏡
115、215‧‧‧雷射產生裝置
116、216、316‧‧‧脈衝控制電路(Q開關)
117a、117b、217a、217b‧‧‧分光器(半反射鏡)
119、219‧‧‧可見光雷射產生裝置
120、220、320、390‧‧‧雷射照射裝置(半導體元件的製造裝置)
321、391‧‧‧雷射照射體
321a、391a‧‧‧照射面
130、230‧‧‧CCD相機
135、235‧‧‧CCD相機控制電路
140、240、340‧‧‧平台
145、245‧‧‧平台控制電路
150、250‧‧‧中央控制電路
151、251‧‧‧顯示機構
180、280、380‧‧‧退火裝置
191、195‧‧‧半導體基板
191a‧‧‧半導體基板191的一面
192、196‧‧‧去疵域
195a‧‧‧半導體基板195的一面
246、343‧‧‧腔室
247‧‧‧平台加熱控制電路
248‧‧‧平台加熱裝置(基板加熱機構)
315‧‧‧雷射二極體
345‧‧‧平台控制部
393‧‧‧脈衝雷射裝置
394‧‧‧導光構件(光纖)
D‧‧‧深度
G‧‧‧聚光點(焦點)
P‧‧‧掃描間距
Q、Q1、Q2、Q3‧‧‧雷射光束
R‧‧‧直徑
S‧‧‧半導體元件的形成區域
T‧‧‧厚度
U‧‧‧厚度方向
X‧‧‧水平方向
Y‧‧‧與水平方向X正交的方向
圖1是表示專用於半導體元件的半導體基板之一例的剖面圖。
圖2是表示半導體元件之一例的剖面圖。
圖3A～圖3D是表示本發明第1實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法的剖面圖。
圖4是表示第1實施例的半導體元件的製造裝置之一例的說明圖。
圖5是表示第1實施例的去疵域的形成步驟的放大剖面圖。
圖6A～圖6B是表示第1實施例的去疵域的形狀例的斷裂立體圖。
圖7A～圖7D是表示本發明第2實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法的剖面圖。
圖8A～圖8B是表示本發明第2實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法的剖面圖。
圖9是表示本發明第2實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置之一例的說明圖。
圖10是表示第2實施例的去疵域的形成步驟的放大剖面圖。
圖11是表示第2實施例的去疵域的形成例的立體圖。
圖12A～圖12E是表示本發明第3實施例的專用於半導體元件的半導體基板的製造方法的剖面圖。
圖13是表示第3實施例的去疵域的形成步驟的放大剖面圖。
圖14是表示本發明第3實施例的半導體元件的製造裝置之一例的說明圖。
圖15是表示第3實施例的雷射照射體之一例的立體圖。
圖16是表示本發明第3實施例的半導體元件的製造裝置的另一例的說明圖。
1．．．半導體基板(專用於半導體元件的半導體基板)
2．．．單晶晶圓
2a．．．單晶晶圓2的一面
3．．．磊晶層
4．．．去疵域
D．．．深度
R．．．直徑
S．．．半導體元件的形成區域
T．．．厚度

Claims (10)

  1. 一種專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，至少包括：基板加熱步驟，將半導體基板加熱至400℃以上、1000℃以下的溫度範圍；多光子吸收過程，將雷射光束入射至藉由上述基板加熱步驟所加熱成400℃以上、1000℃以下的半導體基板的一面，使該雷射光束聚光於上述半導體基板的任意微小區域；以及去疵域形成步驟，藉由上述多光子吸收過程而形成使上述微小區域的結晶結構發生變化的去疵域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述雷射光束是脈衝寬度為1.0×10-15 ~1.0×10-8 秒、波長為300~1200nm的範圍的超短脈衝雷射光束。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中將上述超短脈衝雷射光束於上述微小區域控制為如下範圍：峰值輸出密度為1.0×106 ~1.0×1011 秒W/cm2 ，光束直徑為1μm~10mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造方法，其中上述去疵域形成步驟是在含有氮、氬、氫中的至少任一種的非氧化性氣體環境中進行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之專用於半導體元件 的半導體基板的製造方法，更包括於上述半導體基板的一面形成磊晶層的步驟。
  6. 一種專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置，包括：雷射照射體，向半導體基板照射脈衝寬度為1.0×10-15 ~1.0×10-8 秒、波長為300~1200nm的範圍的超短脈衝雷射光束；平台，載置上述半導體基板；以及基板加熱機構，將上述半導體基板加熱至400℃以上、1000℃以下的溫度範圍。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之專用於半導體元件的半導體基板的製造裝置，其中上述基板加熱機構是對上述平台進行加熱的平台加熱裝置。
  8. 一種半導體元件的製造裝置，包括雷射照射體，將脈衝寬度為1.0×10-15 ~1.0×10-8 秒、波長為300~1200nm的範圍的超短脈衝雷射光束自照射面以相互平行的多個光軸而向半導體基板進行雷射照射。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製造裝置，其中上述雷射照射體包括至少一個雷射光源與多個導光構件，該多個導光構件是以將從該雷射光源發出的超短脈衝雷射光束自上述照射面以多個光軸進行出射的方式而導光。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製造裝置，其中上述雷射照射體是將多個雷射光源排列於上述照射面上而形成。
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