JP7558666B2 - Method for surface modification of silicon wafers after etching treatment - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復に係り、特に、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハの表面改質及び表面の平坦化を行うシリコンウエハの表面改質方法に関する。 The present invention relates to the repair of surface defects, which are layers that have been altered due to processing on the surface of a silicon wafer, and in particular to a method for modifying the surface of a silicon wafer by using laser heat treatment to modify the surface and flatten the surface.
半導体デバイス等の作製に使用されるシリコンウエハ等の半導体ウエハは、切削・研削・ラッピング・ポッリシングなどの機械加工プロセスによって表面加工が行われている。しかし、その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック（微小亀裂）が含まれる。この内部クラック等の除去は、主にエッチングや化学機械研磨（ＣＭＰ）等の化学的・機械的方法により行われている。 Semiconductor wafers such as silicon wafers used in the manufacture of semiconductor devices are surface-treated using mechanical processes such as cutting, grinding, lapping, and polishing. However, a process-induced deterioration layer is formed on the surface and inside of the wafer, and some of the process-induced deterioration layers contain microcracks. These internal cracks are mainly removed by chemical and mechanical methods such as etching and chemical mechanical polishing (CMP).
例えば、特許文献１は、半導体ウエハをワークとしてこれの外周部の研磨品質を向上させるため、研磨具の表面の各部位における端面に対する押し付け力が均一として、端面を高品質に研磨加工することを記載している。 For example, Patent Document 1 describes how, in order to improve the quality of polishing the outer periphery of a semiconductor wafer as a workpiece, the pressing force applied to the edge face at each point on the surface of the polishing tool is made uniform, thereby polishing the edge face to a high quality.
また、特許文献２は、レーザ照射を使用することで、シリコンウエハの酸素排除処理及び結晶性の向上が可能であること、単結晶ウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザを照射することを記載している。 Patent Document 2 also describes that the use of laser irradiation makes it possible to remove oxygen from silicon wafers and improve their crystallinity, and describes a method for repairing surface defects, which are layers that have been altered by processing on the surface of a single crystal wafer, by irradiating the single crystal surface with a pulsed laser.
上記従来技術において、特許文献１及び２に記載のものでは、特に、エッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ）は、シリコンウエハ表面に凹部（ファセット）が生じ、エッチング後のウエハ表面に凹凸が残る。ウエハ表面の凹凸が大きい（表面粗度が大きい）ことは、デバイス製造工程でパーティクル発生の原因となり、生産性の低下を招く。 In the above-mentioned conventional techniques described in Patent Documents 1 and 2, in particular etching and chemical mechanical polishing (CMP) create recesses (facets) on the silicon wafer surface, leaving unevenness on the wafer surface after etching. Large unevenness on the wafer surface (large surface roughness) causes particles to be generated during the device manufacturing process, leading to reduced productivity.
また、ＭＯＳデバイスの微細化・高集積化に伴い、ウエハの表面状態は最終製品であるデバイスの性能に大きく影響する。特に、スイッチング特性や耐電圧などは、界面の原子オーダーの凹凸によってデバイス特性が強く影響される。 In addition, as MOS devices become smaller and more highly integrated, the surface condition of the wafer has a significant impact on the performance of the final device product. In particular, device characteristics such as switching characteristics and voltage resistance are strongly affected by atomic-order unevenness at the interface.
さらに、エッチング後の化学機械研磨（ＣＭＰ）は、元の形状（設計値）からの変化を伴い品質管理が困難であり、前工程でウエハ表面の平坦度を良くしても、低下させてしまう可能性がある。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）は、砥粒、研磨糸、洗浄液等の消耗材を使用するので、コストが掛かり環境負荷も大きい。 Furthermore, chemical mechanical polishing (CMP) after etching involves changes from the original shape (design value), making quality control difficult, and there is a possibility that the flatness of the wafer surface, which was improved in the previous process, will be reduced. Furthermore, chemical mechanical polishing (CMP) uses consumable materials such as abrasive grains, polishing thread, and cleaning liquid, which is costly and has a large environmental impact.
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、エッチング処理後のシリコンウエハ表面にレーザを用いた好適な熱処理を行うことで、表面を平坦化する。そして、デバイスの高性能化と共に、後工程における歩留りを向上させることにある。 The object of the present invention is to solve the problems of the conventional technology and to flatten the surface of a silicon wafer after etching by performing suitable heat treatment using a laser. This will improve the performance of the device and the yield in subsequent processes.
上記目的を達成するため、本発明は、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハの表面改質方法であって、前記シリコンウエハのエッチング後、シリコンウエハ表面にＣＷレーザ（連続レーザ）、又はフェムト秒レーザを照射し、その後、ナノ秒パルスレーザを照射するものである。 To achieve the above object, the present invention provides a method for modifying the surface of a silicon wafer using laser heat treatment, in which after etching the silicon wafer, the silicon wafer surface is irradiated with a CW laser (continuous wave laser) or a femtosecond laser, and then irradiated with a nanosecond pulsed laser.
また、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）に対して、吸収率が高い波長とすることが望ましい。 In addition, in the above, it is desirable that the nanosecond pulse laser has a wavelength that is highly absorbed by c-Si (silicon carbide).
さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable to select one of the following wavelengths for the nanosecond pulse laser: 355, 532, or 785 nm.
さらに、上記において、前記シリコンウエハ表面に、前記ＣＷレーザ（連続レーザ）を照射するものであり、前記ＣＷレーザ（連続レーザ）の波長が１０８０ｎｍとされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the CW laser (continuous wave laser) is irradiated onto the silicon wafer surface, and that the wavelength of the CW laser (continuous wave laser) is 1080 nm.
さらに、上記において、前記シリコンウエハ表面に、フェムト秒レーザを照射するものであり、前記シリコンウエハ表面をａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化させることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the silicon wafer surface is irradiated with a femtosecond laser and the silicon wafer surface is converted into a-Si (amorphous silicon).
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、波長がλ＝８００ｎｍとされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the wavelength of the femtosecond laser is λ=800 nm.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、シングルショットとされること
ことが望ましい。
Furthermore, in the above, it is desirable that the femtosecond laser be a single shot laser.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the femtosecond laser has a low intensity below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the femtosecond laser has a low intensity below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザのフルーエンス(単位面積当たりのエネルギ)は、シリコンウエハの表面にアブレーションが発生する前記フルーエンスよりも低くされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the fluence (energy per unit area) of the femtosecond laser is lower than the fluence at which ablation occurs on the surface of the silicon wafer.
さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、スキャニング光学系とし、前記シリコンウエハ表面の形状に対応して入射角が略垂直となるように照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is preferable that the nanosecond pulse laser is a scanning optical system and is irradiated so that the angle of incidence is approximately perpendicular to the shape of the silicon wafer surface.
さらに、上記において、前記ＣＷレーザ（連続レーザ）、ナノ秒パルスレーザ、フェムト秒レーザは、前記シリコンウエハ表面の形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the CW laser (continuous wave laser), nanosecond pulse laser, or femtosecond laser is irradiated by changing at least one of the incidence angle, energy density, scan pitch, and scan speed in response to the shape of the silicon wafer surface.
本発明によれば、シリコンウエハのエッチング後、シリコンウエハ表面にＣＷレーザ（連続レーザ）、又はフェムト秒レーザで照射し、その後、ナノ秒パルスレーザを照射するので、エッチング処理後のシリコンウエハ表面にレーザを用いた好適な熱処理を行うことで、表面を平坦化することができる。したがって、デバイスの微細化・高集積化が進展しても、最終製品である性能を損なうことがない。 According to the present invention, after etching the silicon wafer, the silicon wafer surface is irradiated with a CW laser (continuous wave laser) or a femtosecond laser, and then irradiated with a nanosecond pulsed laser. Therefore, the surface of the silicon wafer after the etching process can be flattened by performing a suitable heat treatment using the laser. Therefore, even if the miniaturization and high integration of devices progresses, the performance of the final product is not impaired.
通常、シリコンウエハのエッチング処理は、表面変質層のうち、最も表面に近い破砕層を除去する。そして、エッチング処理は、シリコンウエハ表面に残存するマイクロクラックの溝幅が所定の範囲内に入ると終了する。その結果、エッチング処理は、残留応力層を除去できず、半導体ウエハとしての品位を向上するうえで、十分とは言い難かった。 Normally, the etching process for silicon wafers removes the fractured layer that is closest to the surface of the surface alteration layers. The etching process ends when the groove width of the microcracks remaining on the silicon wafer surface falls within a specified range. As a result, the etching process cannot remove the residual stress layer, and is not sufficient to improve the quality of the semiconductor wafer.
また、エッチング処理を施した表面は、表面近傍がＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）で構成されており、この加工変質層は極めて薄いものであるが、機械的・電気的・光学的性能に大きな影響を及ぼす。例えば、ＭＯＳデバイスの微細化・高集積化は、ゲート酸化膜の薄膜化として進展し、その膜厚は２ｎｍ以下にまで到達している。 In addition, the surface that has been etched is composed of SiO2 (silicon oxide film) near the surface, and although this process-induced alteration layer is extremely thin, it has a significant effect on mechanical, electrical, and optical performance. For example, the miniaturization and high integration of MOS devices has progressed by thinning the gate oxide film, and the film thickness has reached 2 nm or less.
したがって、シリコンウエハの表面状態は、最終製品であるデバイスの性能に大きく影響する。特に、シリコンウエハの表面の凹凸は、デバイスのスイッチング特性や耐電圧などの特性に大きく影響する。これらの問題は、より平坦なシリコンウエハ表面を作製することが不可欠である。 Therefore, the surface condition of the silicon wafer has a significant impact on the performance of the final device product. In particular, the unevenness of the silicon wafer surface has a significant impact on the switching characteristics, voltage resistance, and other characteristics of the device. To address these issues, it is essential to create a flatter silicon wafer surface.
表面近傍がＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）で構成されているので、本発明の第１実施形態は、レーザ熱処理として、ＳｉＯ２対して吸収率が高い波長である１０８０ｎｍのＣＷレーザ（連続レーザ）を照射する。そして、第１実施形態は、照射された部分を熱し、下層のｃ－Ｓｉ（炭化ケイ素）部分に伝熱させる。その後、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）に対して、吸収率が高い波長である３５５、５３２、７８５ｎｍのナノ秒パルスレーザのいずれか一つを選択してエッチング後の表面形状（粗さ）に応じて照射する。 Since the surface vicinity is composed of SiO 2 (silicon oxide film), the first embodiment of the present invention performs laser heat treatment by irradiating a CW laser (continuous wave laser) of 1080 nm, which is a wavelength with high absorption rate for SiO 2. Then, in the first embodiment, the irradiated portion is heated and the heat is transferred to the underlying c-Si (silicon carbide) portion. After that, one of the nanosecond pulse lasers of 355, 532, or 785 nm, which are wavelengths with high absorption rate for c-Si (silicon carbide), is selected and irradiated according to the surface shape (roughness) after etching.
また、第２実施形態は、レーザ熱処理として、シリコンウエハ表面を一度フェムト秒レーザで照射してａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化させる。フェムト秒レーザは、時間単位を「フェムト」（千兆分の一）単位で扱い、数フェムト秒から数百フェムト秒の間だけ発光する光レーザである。そして、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化部分に、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）に対して吸収率の高い波長である３５５、５３２、７８５ｎｍのパルスレーザを選択して照射し、溶融させエピタキシャル成長させて結晶方位が揃った単結晶とする。 In the second embodiment, the surface of the silicon wafer is irradiated with a femtosecond laser once as a laser heat treatment to turn it into a-Si (amorphous silicon). A femtosecond laser is an optical laser that measures time in "femto" (one quadrillionth) units and emits light for only a few to a few hundred femtoseconds. Then, the a-Si (amorphous silicon) part is irradiated with a pulsed laser of 355, 532, or 785 nm, which are wavelengths with high absorption rate for a-Si (amorphous silicon), to melt it and grow it epitaxially to become a single crystal with a uniform crystal orientation.
なお、第１実施形態、第２実施形態は、エッチング後、シリコンウエハ表面にＣＷレーザ（連続レーザ）、又はフェムト秒レーザで照射し、その後、ナノ秒パルスレーザを照射することで共通する。特に、ナノ秒パルスレーザは、波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つを選択して照射することが特徴である。 The first and second embodiments have in common that after etching, the silicon wafer surface is irradiated with a CW laser (continuous wave laser) or a femtosecond laser, and then irradiated with a nanosecond pulsed laser. In particular, the nanosecond pulsed laser is characterized by being irradiated with a wavelength of 355, 532, or 785 nm.
図１は、第１実施形態によるシリコンウエハ表面へのレーザ照射方法を示す説明図、図２は、装置構成を示すブロック図である。エッチング処理を施した表面は、図１（１）に示すように、表面近傍がＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）、その下層のｃ－Ｓｉ（炭化ケイ素）で構成されている。 Figure 1 is an explanatory diagram showing a method of irradiating a silicon wafer surface with a laser according to the first embodiment, and Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the device. As shown in Figure 1 (1), the surface that has been etched is composed of SiO2 (a silicon oxide film) near the surface and c-Si (silicon carbide) below that.
そこで、レーザの照射は、（１）として、励起を連続して行うＣＷレーザ（連続レーザ）、波長λ＝１０８０ｎｍで行う。これにより、表面のＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）は、加熱され、伝熱によりｃ－Ｓｉ（炭化ケイ素）も加熱される。 Therefore, the laser irradiation is performed as (1) using a CW laser (continuous wave laser) that performs continuous excitation, with a wavelength λ of 1080 nm, whereby the SiO 2 (silicon oxide film) on the surface is heated, and the c-Si (silicon carbide) is also heated by heat transfer.
次に、図１（２）に示すように、レーザの照射は、ＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）の厚さ、表面粗さ及び表面形状に応じて波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのナノ秒パルスレーザのいずれか一つを選択して行う。波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍは、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）に対して、吸収率が高い波長である。 Next, as shown in Figure 1 (2), the laser is irradiated by selecting one of the nanosecond pulse lasers with wavelengths λ = 355, 532, or 785 nm depending on the thickness, surface roughness, and surface shape of the SiO2 (silicon oxide film). The wavelengths λ = 355, 532, and 785 nm are wavelengths that have a high absorption rate for c-Si (silicon carbide).
パルスレーザ条件は、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内が良い。そして、パルス幅１パルス当たりのエネルギは、０．５μジュールから３０μジュール、エネルギ密度が０．１２５Ｊ／ｃｍ２から７．５Ｊ／ｃｍ２であることが良いとされている。 The pulse laser conditions are preferably a wavelength of 532 nm, a pulse irradiation time within the range of 3 nanoseconds to 4 nanoseconds, a pulse width of 0.5 μJ to 30 μJ per pulse, and an energy density of 0.125 J/ cm2 to 7.5 J/ cm2 .
ナノ秒パルスレーザの照射は、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）を図１（３）に示すように溶融固化し、平坦化を促進する。 Irradiation with a nanosecond pulsed laser melts and solidifies the c-Si (silicon carbide) as shown in Figure 1 (3), promoting flattening.
図２において、シリコンウエハは時計方向に回転している。そして、ＣＷレーザ発振器１は、波長λ＝１０８０ｎｍであり、プリズム系１０、集光光学系１１を介してシリコンウエハの表面ａ点を加熱する。パルスレーザ発振器２は、波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか、例えば、波長λ＝５３２ｎｍとされる。 In FIG. 2, the silicon wafer is rotating clockwise. The CW laser oscillator 1 has a wavelength λ=1080 nm, and heats point a on the surface of the silicon wafer via a prism system 10 and a focusing optical system 11. The pulsed laser oscillator 2 has a wavelength λ=355, 532, or 785 nm, for example, a wavelength λ=532 nm.
パルスレーザ発振器２は、プリズム系２０、集光光学系２１を介してｂ点にナノ秒パルスレーザを照射する。シリコンウエハの回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハの外周表面は、ａ点で加熱され、その後、ｂ点でｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）が溶融して固化される。 The pulsed laser oscillator 2 irradiates point b with a nanosecond pulsed laser via a prism system 20 and a focusing optical system 21. If the rotation direction of the silicon wafer is clockwise, the outer peripheral surface of the silicon wafer is heated at point a, and then the c-Si (silicon carbide) melts and solidifies at point b.
図３は、ＣＷレーザとナノ秒パルスレーザ照射のタイミングを示すグラフである。横軸は、時間ｔである。シリコンウエハの外周表面は、先にＣＷレーザ発振器１で波長λ＝１０８０ｎｍのＣＷレーザ（連続レーザ）が照射され、ａ点とｂ点の距離及びシリコンウエハの回転数で定まる時間後、ナノ秒パルスレーザが１ショットされる。 Figure 3 is a graph showing the timing of CW laser and nanosecond pulse laser irradiation. The horizontal axis is time t. The outer peripheral surface of the silicon wafer is first irradiated with a CW laser (continuous laser) with a wavelength λ = 1080 nm from CW laser oscillator 1, and after a time determined by the distance between points a and b and the rotation speed of the silicon wafer, one shot of nanosecond pulse laser is applied.
図４は、第２実施形態による表面へのレーザ照射方法を示す説明図、図５は、装置構成を示すブロック図である。エッチング処理を施した表面のｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層は、フェムト秒レーザでａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化させる。フェムト秒レーザは、時間単位を「フェムト」（千兆分の一）単位で扱い、数フェムト秒から数百フェムト秒の間だけ発光する光レーザである。 Figure 4 is an explanatory diagram showing a method of irradiating a laser on a surface according to the second embodiment, and Figure 5 is a block diagram showing the device configuration. The c-Si (silicon carbide) layer on the surface that has been etched is converted to a-Si (amorphous silicon) using a femtosecond laser. A femtosecond laser is an optical laser that measures time in "femto" (one quadrillionth) units and emits light for only a few to a few hundred femtoseconds.
図４（１）に示すように、照射するフェムト秒レーザは、波長がλ＝８００ｎｍのシングルショットとして、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とする。フェムト秒レーザのフルーエンス(単位面積当たりのエネルギ)は、シリコンウエハの表面にアブレーションが発生するフルーエンスよりも低くする。 As shown in Figure 4 (1), the femtosecond laser used is a single shot with a wavelength of λ = 800 nm, and its intensity is set to a low level below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer. The fluence (energy per unit area) of the femtosecond laser is set to be lower than the fluence at which ablation occurs on the surface of the silicon wafer.
ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層は、固有の加工閾値があり、パルス幅が十分に短いフェムト秒であれば、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、シリコンウエハの外周表面は、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化される。 The c-Si (silicon carbide) layer has a unique processing threshold, and if the pulse width is sufficiently short, such as femtoseconds, special absorption that differs from normal absorption characteristics occurs, and the outer surface of the silicon wafer is converted to a-Si (amorphous silicon).
なお、通常、アブレーションが起こるレーザーフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、レーザ光の偏光と垂直方向にナノ周期構造が自己組織的に形成される。また、ナノ周期構造の周期は、入射レーザのフルーエンス、波長、入射パルス数によって変化する。一方、アブレーション閾値よりも低いフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、上記とは異なる機構で縞状のナノ構造が形成されることが知られている。 Incidentally, femtosecond laser irradiation with a laser fluence sufficient for ablation usually results in the self-organization of nano-periodic structures in a direction perpendicular to the polarization of the laser light. The period of the nano-periodic structure varies depending on the fluence, wavelength, and number of incident pulses of the incident laser. On the other hand, femtosecond laser irradiation with a fluence lower than the ablation threshold is known to form striped nanostructures through a mechanism different from that described above.
次に、図４（２）に示すように、レーザの照射は、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化部分に、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）に対して吸収率の高い波長である３５５、５３２、７８５ｎｍのパルスレーザを選択して照射する。この時は、ＳｉＯ２（ケイ素の酸化膜）の厚さ、表面粗さ及び表面形状に応じて波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのナノ秒パルスレーザのいずれか一つを選択して行う。 Next, as shown in Figure 4 (2), the a-Si (amorphous silicon) portion is irradiated with a pulsed laser of 355, 532, or 785 nm, which are wavelengths with high absorption rates for a-Si (amorphous silicon). At this time, one of the nanosecond pulsed lasers with wavelengths λ = 355, 532, or 785 nm is selected depending on the thickness, surface roughness, and surface shape of the SiO2 (silicon oxide film).
ナノ秒パルスレーザ照射は、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化されたｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）を図１（３）に示すように溶融固化し、平坦化を促進する。パルスレーザ条件は、第１実施形態と同様であり、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内が良い。 Nanosecond pulsed laser irradiation melts and solidifies the c-Si (silicon carbide) that has been converted into a-Si (amorphous silicon) as shown in Figure 1 (3), promoting flattening. The pulsed laser conditions are the same as in the first embodiment, with a wavelength of 532 nm and a pulse irradiation time in the range of 3 to 4 nanoseconds.
図５において、フェムト秒レーザ発振器３は、波長λ＝８００ｎｍであり、プリズム系３０、集光光学系３１を介してシリコンウエハの表面ａ点に照射される。照射されるフェムト秒レーザは、シングルショットとして、ｃ-Ｓｉ（炭化ケイ素）層の加工閾値以下の低強度とする。 In FIG. 5, the femtosecond laser oscillator 3 has a wavelength λ=800 nm, and is irradiated to point a on the surface of the silicon wafer via a prism system 30 and a focusing optical system 31. The femtosecond laser is irradiated as a single shot with a low intensity below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer.
また、プリズム系３０は、走査方向に偏向が平行となるようにλ／２波長板等の偏光子も使用される。シリコンウエハの表面ａ点は、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化される。 The prism system 30 also uses a polarizer such as a λ/2 wave plate so that the polarization is parallel to the scanning direction. Point a on the surface of the silicon wafer experiences special absorption that differs from normal absorption characteristics, and is converted into a-Si (amorphous silicon).
パルスレーザ発振器４は、プリズム系４０、集光光学系４１を介してｂ点にナノ秒パルスレーザを照射する。ナノ秒パルスレーザは、波長λ＝３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか、例えば、波長λ＝５３２ｎｍとされる。シリコンウエハの回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハの外周表面は、ａ点でａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）化され、ｂ点で溶融してエピタキシャル成長し、固化される。 The pulsed laser oscillator 4 irradiates point b with a nanosecond pulsed laser via a prism system 40 and a focusing optical system 41. The nanosecond pulsed laser has a wavelength λ of 355, 532, or 785 nm, for example, λ = 532 nm. If the silicon wafer rotates clockwise, the outer peripheral surface of the silicon wafer is turned into a-Si (amorphous silicon) at point a, and melts and epitaxially grows at point b, then solidifies.
図６は、フェムト秒レーザとナノ秒パルスレーザ照射のタイミングを示すグラフである。横軸は、時間ｔである。シリコンウエハの外周表面は、先にフェムト秒レーザ発振器３で数フェムト秒から数百フェムト秒の間だけ照射され、ａ点とｂ点の距離及びシリコンウエハの回転数で定まる時間後、ナノ秒パルスレーザが１ショットされる。 Figure 6 is a graph showing the timing of femtosecond laser and nanosecond pulsed laser irradiation. The horizontal axis is time t. The outer peripheral surface of the silicon wafer is first irradiated with a femtosecond laser oscillator 3 for a few femtoseconds to a few hundred femtoseconds, and after a time determined by the distance between points a and b and the rotation speed of the silicon wafer, one shot of nanosecond pulsed laser is emitted.
第１実施形態、第２実施形態のいずれにおいても、ノッチ部のようにシリコンウエハ表面が複雑な形状の場合、ＣＷレーザ（連続レーザ）、ナノ秒パルスレーザ、フェムト秒レーザは、シリコンウエハ表面の形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射されることが望ましい。これにより、デバイスの微細化・高集積化が進展しても、最終製品である性能を損なうことがない。 In both the first and second embodiments, when the silicon wafer surface has a complex shape, such as a notch, it is desirable to irradiate the CW laser (continuous wave laser), nanosecond pulse laser, or femtosecond laser by changing at least one of the incidence angle, energy density, scan pitch, and scan speed in accordance with the shape of the silicon wafer surface. This ensures that the performance of the final product is not impaired even as the miniaturization and high integration of devices progresses.
ＣＷレーザ（連続レーザ）、ナノ秒パルスレーザは、照射方向が可変できるスキャニング光学系として構成することが容易である。したがって、ＣＷレーザ（連続レーザ）、ナノ秒パルスレーザは、スキャニング光学系とし、表面形状に対応して入射角が略垂直となるように照射することが、材料に有効にエネルギが供給できる点で好ましい。 CW lasers (continuous wave lasers) and nanosecond pulsed lasers can be easily configured as scanning optical systems that can change the direction of irradiation. Therefore, it is preferable to configure CW lasers (continuous wave lasers) and nanosecond pulsed lasers as scanning optical systems and irradiate them so that the angle of incidence is approximately perpendicular to the surface shape, as this allows energy to be supplied to the material effectively.
ただし、入射角が１０～１５°以下は、実質的な差は小さく、入射角が１０～１５°以下になるようにすれば良い。したがって、構成の容易さからは、ナノ秒パルスレーザをスキャニング光学系とし、表面形状に対応して略垂直、具体的には入射角が１０～１５°以下となるように照射することが好ましい。 However, when the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less, the substantial difference is small, and it is sufficient to ensure that the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less. Therefore, from the perspective of ease of configuration, it is preferable to use a nanosecond pulse laser as a scanning optical system and irradiate the surface approximately perpendicularly in accordance with the surface shape, specifically at an angle of incidence of 10 to 15 degrees or less.
また、フェムト秒レーザの照射の場合は、アモルファス化する目的で偏光子を使用するので、照射方向を一定にし、表面形状に対応した入射角の変化に合わせて、偏光子によってｓ偏光、ｐ偏光の成分を調整しても良い。 In addition, when irradiating with a femtosecond laser, a polarizer is used for the purpose of amorphization, so the irradiation direction can be kept constant and the s-polarized and p-polarized components can be adjusted by the polarizer in accordance with changes in the angle of incidence corresponding to the surface shape.
１…ＣＷレーザ発振器（ＣＷレーザ）
２、４…パルスレーザ発振器（ナノ秒パルスレーザ）
３…フェムト秒レーザ発振器（フェムト秒レーザ）
１０、２０、３０、４０…プリズム系
１１、２１、３１、４１…集光光学系
1...CW laser oscillator (CW laser)
2, 4...Pulse laser oscillator (nanosecond pulse laser)
3...Femtosecond laser oscillator (femtosecond laser)
10, 20, 30, 40... prism system 11, 21, 31, 41... focusing optical system
Claims (5)
前記シリコンウエハのエッチング後、シリコンウエハ表面のＳｉＯ２に対してＣＷレーザを照射して、加熱された前記ＳｉＯ２の熱を前記ＳｉＯ２より下層部分に伝熱させ、
その後、ナノ秒パルスレーザを照射し、
前記ナノ秒パルスレーザの照射は、エッチング処理を施した前記シリコンウエハ表面の前記ＳｉＯ２の膜の厚さ、表面粗さに応じて波長が３５５、５３２、７８５ｎｍのいずれか一つから選択され、前記シリコンウエハ表面の形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射されることを特徴とするシリコンウエハの表面改質方法。 A method for modifying a surface of a silicon wafer using laser heat treatment, comprising the steps of:
After etching the silicon wafer, a CW laser is irradiated onto the SiO 2 on the surface of the silicon wafer, and heat from the heated SiO 2 is transferred to a portion below the SiO 2 ;
Then, a nanosecond pulse laser is irradiated.
The nanosecond pulse laser irradiation has a wavelength selected from 355, 532, and 785 nm depending on the thickness and surface roughness of the SiO2 film on the silicon wafer surface that has been subjected to etching treatment, and is performed by changing at least one of the incident angle, energy density, scan pitch, and scan speed depending on the shape of the silicon wafer surface.
前記シリコンウエハのエッチング後、シリコンウエハ表面のＳｉＯ２に対してＣＷレーザを照射して、加熱された前記ＳｉＯ２の熱を前記ＳｉＯ２より下層部分に伝熱させ、
その後、ナノ秒パルスレーザを照射し、
前記ナノ秒パルスレーザは、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内、パルス幅１パルス当たりのエネルギは、０．５μジュールから３０μジュール、エネルギ密度が０．１２５Ｊ／ｃｍ２から７．５Ｊ／ｃｍ２で、前記シリコンウエハ表面の形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射されることを特徴とするシリコンウエハの表面改質方法。 A method for modifying a surface of a silicon wafer using laser heat treatment, comprising the steps of:
After etching the silicon wafer, a CW laser is irradiated onto the SiO 2 on the surface of the silicon wafer, and heat from the heated SiO 2 is transferred to a portion below the SiO 2 ;
Then, a nanosecond pulse laser is irradiated.
The nanosecond pulse laser has a wavelength of 532 nm, a pulse irradiation time within a range of 3 nanoseconds to 4 nanoseconds, a pulse width of energy per pulse of 0.5 μJ to 30 μJ, and an energy density of 0.125 J/ cm2 to 7.5 J/ cm2 , and is irradiated while changing at least one of an incident angle, an energy density, a scan pitch, and a scan speed in accordance with the shape of the silicon wafer surface.
前記ナノ秒パルスレーザは、スキャニング光学系とし、前記シリコンウエハ表面の形状に対応して入射角が１５°以下となるようにして照射されることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウエハの表面改質方法。
The wavelength of the CW laser (continuous wave laser) is 1080 nm,
3. The method for modifying a silicon wafer surface according to claim 1, wherein the nanosecond pulse laser is a scanning optical system and is irradiated so that the angle of incidence is 15 ° or less in accordance with the shape of the silicon wafer surface.
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