(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の裏面から不純物を導入して半導体領域を形成する工程、前記不純物の導入工程の後、静電チャック方式を用いて前記半導体基板の表面側を支持基板に固定して前記半導体基板を２５０℃以上に加熱する工程、前記加熱工程の後に、３μｍ以上の波長のレーザーを１０００マイクロ秒以下の照射時間で照射して前記半導体領域に導入された前記不純物を活性化する工程、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記レーザーは波長１０．６μｍを有するＣＯ２レーザーであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体領域を形成する工程が前記半導体基板の前記裏面から１μｍよりも深い位置に第１導電型の不純物を導入してフィールドストップ領域を形成する工程と、前記半導体基板の前記裏面から１μｍよりも浅い位置に第２導電型の不純物を導入してコレクタ領域を形成する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体基板は３００μｍ以下に薄膜化した半導体Ｓｉ基板を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記不純物を活性化する工程では、前記半導体基板の前記裏面から１μｍよりも深い位置の温度が９５０℃以上シリコンの溶融温度１４１２℃以下となる条件で前記レーザーを照射することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記コレクタ領域は、前記半導体基板の前記裏面から１μｍよりも浅い位置に向けて前記不純物の濃度がイオン注入時のままの形状を維持した領域を備えていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザーは、前記半導体基板の前記裏面側から照射することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記半導体装置は、ＩＧＢＴであり、前記ＩＧＢＴは、ドリフト層と、前記ドリフト層上に形成されたボディ層と、前記ボディ層内に形成されたソース領域と、前記ボディ層にゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極と、前記ドリフト層の下に形成されたフィールドストッパ層と、前記フィールドストッパ層の下に形成されたコレクタ層と、を有し、
前記半導体領域を形成する工程により、前記フィールドストッパ層を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体領域を形成する工程において、前記裏面から１μｍほどの位置に不純物濃度ピークをもつように前記不純物を導入することを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ソース領域は、前記半導体基板の前記表面側に位置し、前記コレクタ層は前記半導体基板の前記裏面側に位置することを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ドリフト層、前記ソース領域および前記フィールドストッパ層はｎ型を有し、前記ボディ層と前記コレクタ層はｐ型を有することを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板内に導入された不純物を活性化させる際に用いられるレーザーアニール技術に係り、その不純物活性化方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉの厚みを１００μｍ程度にまで薄くした極薄ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が知られている。極薄ＩＧＢＴは、ｎ＋型のフィールドストップ層及びｐ＋型のコレクタ層を半導体基板の裏面部分に備えている。一般的には、フィールドストップ層及びコレクタ層は積層して形成されている。フィールドストップ層とコレクタ層は、半導体基板の裏面からｎ型不純物であるリンイオンを深い位置に導入し、ｐ型不純物であるボロンイオンを浅い位置に導入した後に、活性化のための熱処理を実施することによって得られる。【０００３】
この熱処理方法としてレーザーアニールが利用されている。レーザーアニールには、エキシマレーザー、ＹＡＧ第２高調波レーザー、又はＹＬＦ第２高調波レーザー等が利用されている。これらのパルスレーザーは、Ｓｉ半導体基板における吸収係数も大きいことから、半導体基板の裏面部分のみを選択的に加熱することができる。このため、半導体基板の表面に形成されているアルミ電極及びポリイミド層が損傷してしまうことを回避できる。この種のレーザーアニールを利用する方法は、下記の特許文献１〜４に開示されている。【０００４】
極薄ＩＧＢＴのｎ＋型のフィールドストップ層は、半導体基板の裏面から１μｍほどの深い位置に不純物濃度のピークが形成され、その形成範囲が半導体基板の裏面から２μｍほどの深い位置にまで至ることが多い。このため、ｎ型不純物であるリンイオンも半導体基板の裏面から深い位置に導入されている。このリンイオンを高活性化させるためには、深い位置まで９５０℃以上にまで加熱しなければならない。しかしながら、特許文献１〜４に示されたレーザーアニールでは、半導体基板の裏面から深い位置に導入された不純物を高活性化させることが難しい。エキシマレーザー、ＹＡＧ第２高調波レーザ、又はＹＬＦ第２高調波レーザ等のパルスレーザは、波長が短いレーザーである。このため、これらのパルスレーザは半導体基板の裏面から浅い位置（深さ数10〜100ｎｍ）で吸収され、深い位置を加熱することができないためである。【０００５】
下記の特許文献５には、ＹＡＧ第２高調波レーザと回転円盤式レーザーアニール装置を用いているが、この方式でも半導体基板の裏面から深い位置に導入された不純物を高活性化させることが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−４１２４４号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９０４２号公報
【特許文献３】米国特許５，９０８，３０７号公報
【特許文献４】特開２００４−３６３１６８号公報
【特許文献５】特開２００６−５２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１〜４に示される短波長のレーザーを利用する場合は、バンド間キャリア励起吸収をその加熱起源とするためレーザーアニールがアニール温度をコントロールできず、必ずＳｉ基板を融点以上の温度に上昇させ溶解再結晶化させてしまう。このため結晶欠陥が多く電流リークパスが起こり易く、不純物プロファイルの形を制御できない（ｐｎ接合を裏面に作っても全部混合してしまう）という欠点がある。極薄ＩＧＢＴのフィールドストップ層を効率的に活性化させるために、深い領域の不純物活性化を結晶欠陥数を減少させながら実現するレーザーアニールの技術が望まれている。【０００８】
半導体基板の裏面から１μｍよりも深い位置に形成されているフィールドストップ領域を備えている場合、特許文献１〜４に示されるレーザーアニールでは十分に活性化させることができなかった。また、これらのレーザーアニール技術によって深い位置のフィールドストップ領域を活性化させようとすると、レーザーの強度が強くなりすぎ浅い位置のコレクタ領域において昇華（アブレーション）が発生し、コレクタ領域が欠落するという事態が発生していた。【０００９】
上述の特許文献５に示される回転円盤式レーザーアニール装置を利用しても、深さ１μｍの領域の活性化は十分できない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、半導体基板内に導入された不純物を、その深さに依存せずレーザーアニールで活性化させる方法を見出したことに基づくものである。半導体基板の主材料にＳｉ（シリコン）が用いられる場合、本発明の不純物の活性化工程では、長波長の光がＳｉに吸収される様にＳｉ基板を２５０℃以上の温度にあげた後に、従来用いられたエキシマ、ＹＡＧレーザー等とは異なり自由電子吸収をその加熱起源とする長波長のレーザーを用いて、レーザーパワーを制御することで半導体基板の表面の温度がシリコンの溶融温度以下となる条件でレーザーを照射する。これにより、半導体基板の表面部分を結晶欠陥の少ない状態にすることができる。【００１１】
具体的には、レーザーアニールの実施前に静電チャック機構で吸着する支持基板に、デバイス表面側が対向するように、ウエハ裏面が外側に出るように極薄デバイスウエハ（半導体基板）を吸着させる。１００μｍ程度の厚みの極薄Ｓｉ基板の場合、その基板自体を例えば本発明のように２５０℃以上に加熱すると下側（表面側）に凸にそりあがってしまうためである。この加熱のために、接着剤や固定テープ等で固定することはできず、本発明のような静電チャック機構で吸着する支持基板が必要となる。【００１２】
本発明の第１の特徴は、（１）半導体基板の表面から不純物を導入して半導体領域を形成する工程、静電チャック方式を用いて前記半導体基板を支持基板に固定して前記半導体基板全体を２５０℃以上に加熱する工程、３μｍ以上の波長のレーザーを１０００マイクロ秒以下の照射時間で照射して前記半導体基板の表面を加熱して前記半導体基板内に導入された前記不純物を活性化する工程とを有する半導体装置の製造方法にある。【００１３】
（２）（１）において、前記レーザーは波長１０．６μｍを有するＣＯ２レーザーであることが好ましい。自由電子をより励起しやすくする長波長のレーザーであり、かつ機械工作等で既に産業界で広く用いられている、安定稼動可能なレーザーであるためである。【００１４】
（３）（１）において、前記半導体領域を形成する工程が前記半導体基板の裏面から１μｍよりも深い位置に第１導電型の不純物を導入してフィールドストップ領域を形成する工程と、前記半導体基板の裏面から１μｍよりも浅い位置に第２導電型の不純物を導入してコレクタ領域を形成する工程とを有することが好ましい。【００１５】
（４）（１）において、前記半導体基板は３００μｍ以下に薄膜化した半導体Ｓｉ基板を用いることが好ましい。表裏面間に流れるキャリアの流動距離を短くし、極薄ＩＧＢＴの性能をより向上させるためである。 【００１６】
（５）（１）において、前記不純物を活性化する工程では、前記半導体Ｓｉ基板の裏面から前記半導体基板の裏面から１μｍよりも深い位置の温度が９５０℃以上シリコンの溶融温度１４１２℃以下となる条件で前記レーザーを照射することが好ましい。フィールドストップ領域を十分活性化させるためである。【００１７】
（６）（３）において、前記コレクタ領域は、前記半導体基板の裏面から１μｍよりも浅い位置に向けて前記不純物の濃度がイオン注入時のままの形状を維持した領域を備えていることが好ましい。裏面側最表面の活性な不純物濃度をより濃くし、金属電極との接触抵抗をさげ極薄ＩＧＢＴの性能を向上させるためである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、深さの異なるフィールドストップ領域とコレクタ領域の不純物を共に充分活性化することが可能であり、フィールドストップ領域の活性化時にコレクタ領域を溶融させることもなく、結晶欠陥の少ない半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＩＧＢＴの製造過程を示す（１）。
【図２】ＩＧＢＴの製造過程を示す（２）。
【図３】ＩＧＢＴの製造過程を示す（３）。
【図４】半導体基板の裏面部分に導入されたリンイオン及びボロンイオンの分布を示す。
【図５】静電チャック方式支持基板への極薄ウエハの支持過程を示す。
【図６】極薄デバイスウエハを高温加熱した場合のウエハ形状を示す。
【図７】ボロンイオンを同一レーザー照射強度でＣＯ２レーザーアニールしたサンプルのシート抵抗、到達アニール温度の基板加熱温度依存性を示す。
【図８】半導体基板の裏面部分の活性化リンの分布を示す。
【図９】半導体基板の裏面部分の活性化ボロンの分布を示す。
【図１０】半導体基板の裏面部分に（ａ）導入されたボロン（ｂ）活性化ボロンの分布を示す。
【図１１】ＩＧＢＴの製造過程を示す（４）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
【実施例１】
【００２１】
以下、図面を参照して実施例１を詳細に説明する。 【００２２】
（ＩＧＢＴの製造方法）
図１〜図１０を参照して、ＩＧＢＴの製造方法を説明する。とりわけ、フィールドストップ層及びコレクタ層を形成する方法を中心に説明する。【００２３】
図１に、ＩＧＢＴ１００の製造過程の要部断面図を模式的に示す。ＩＧＢＴ１００は、ｎ型のシリコン単結晶のウェハ（ＣＺ、ＭＣＺ、ＦＺ）を利用して形成されている。ＩＧＢＴ１００は、ｎ−型のドリフト層１上に形成されているｐ型のボディ層２と、そのボディ層２の表面部分に形成されているｎ＋型のソース領域３を備えている。ボディ層２及びソース領域３は、ドリフト層１の表面部分にイオン注入技術を利用して形成することができる。【００２４】
次に、図２に示すように、ＩＧＢＴ１００には、トレンチゲート電極４が形成される。トレンチゲート電極４は、ソース領域３とドリフト層１を隔てているボディ層２にゲート絶縁膜５を介して対向している。ゲート絶縁膜５は、ボディ層２の表面からトレンチを形成した後に、そのトレンチの内壁を熱酸化することによって形成することができる。トレンチゲート電極４は、ゲート絶縁膜５によって被覆されたトレンチ内にポリシリコンを充填することによって形成することができる。トレンチゲート電極４のポリシリコンには不純物が高濃度に導入されており、実質的に導体である。【００２５】
半導体基板の表面には、ソース領域３に電気的に接続するソース電極６が形成されている。ソース電極６とトレンチゲート電極４は、層間絶縁膜７によって電気的に分離されている。ボディ層２の表面にはさらに、ポリイミド層８が形成されている。ポリイミド層８はソース電極６を覆っており、ソース電極６等のパッシベーション（保護膜）用に設けられている。【００２６】
次に、図３に示すように、ＩＧＢＴ１００のドリフト層１は裏面側から研磨され、半導体基板は１００μｍ程度の厚みに調整される。【００２７】
次に、ドリフト層１の裏面から、フィールドストッパ層として寄与するｎ型不純物であるリンイオン９ａを深い位置に導入し、さらにコレクタ層として寄与するｐ型不純物であるボロンイオン９ｂを浅い位置に導入する。リンイオン９ａの注入条件は、注入エネルギーが５００〜７００KeVであり、ドーズ量が１×１０１３cm−２である。ボロンイオン９ｂの注入条件は、注入エネルギーが１０〜２０KeVであり、ドーズ量が５×１０１３〜１×１０１４cm−２である。図４に示すように、リンイオンの導入濃度分布は、半導体基板の裏面から１μｍほどの深い位置に不純物濃度のピークが形成され、その形成範囲が半導体基板の裏面から２μｍほどの深い位置にまで至っている。【００２８】
次に、図５に示すように、静電チャック機構で吸着する支持基板に、デバイス表面側が対向するように、ウエハ裏面が外側に出るように吸着させる。１００μｍ程度の厚みの極薄Ｓｉ基板（極薄サンプル、極薄膜サンプル、Thin Wafer）の場合、その基板自体を例えば本発明のように２５０℃以上に加熱すると図６のように下側（表面側）に凸にそりあがってしまうためである。この加熱のために、接着剤や固定テープ等で固定することはできず、本発明のような静電チャック機構で吸着する支持基板が必要となる。【００２９】
次に、半導体基板（極薄サンプル、極薄膜サンプル、Thin Wafer）の裏面に向けてレーザーアニールを実施する。レーザーアニール条件は、例えば裏面温度１２００℃、アニール時間６００マイクロ秒、基板加熱温度は２５０℃である。図７にボロンイオンを同一レーザー照射強度でＣＯ２レーザーアニールしたサンプルのシート抵抗、到達アニール温度の基板加熱温度依存性を示す。イオン注入層を十分活性化するためには（すなわち１１００℃以上に活性化するためには）、基板自体を２５０℃以上に加熱する必要があることが分かる。【００３０】
図８に、リン、ボロンイオンの導入濃度分布と活性化された濃度分布を示す。導入濃度分布は二次イオン質量分析システム（ＳＩＭＳ）を用いて算出した。活性化されたリンの濃度分布は拡がり抵抗（ＳＲ）を用いて算出した。 本実施例の活性化されたリンの濃度分布は、リンイオンの導入濃度分布に沿って深い位置までほぼ１００％活性化されていることが分かる。 本実施例では、半導体基板の浅い位置に導入されたボロンイオンの活性化においても従来技術で形成されたものとは異なる特徴を有している。図９に、半導体基板の裏面から深さ方向に沿った活性化ボロンの不純物濃度分布を示す。本実施例では、半導体基板の裏面部分がシリコンの溶融温度である１４１２℃以下の範囲で加熱されている。溶融再結晶化の現象は起きておらず、裏面部分の結晶欠陥の少ない状態であり、ほぼ１００％活性化されている。【００３１】
本実施例のレーザーアニールによると、コレクタ層の不純物濃度が、アニール後もほぼイオン注入時の濃度分布のまま形成されるという利点も有している。図１０に示すように、ＹＡＧレーザー等の従来技術を用いると、コレクタ層の不純物濃度の分布は、溶解したシリコンの深さまで一様濃度分布している。半導体基板の表面部分の不純物濃度が低下している。この表面部分の低下は、ピークの値に対して１／１０ほどに低下する。一方、本実施例のコレクタ層は、イオン注入条件を制御することによりコレクタ層最表面の濃度を従来技術によるものよりも濃くすることができる。これにより、コレクタ電極に対するコンタクト性の向上、及び正孔の注入効率の向上が得られ、オン電圧の小さいＩＧＢＴを得ることができる。【００３２】
次に、図１１に示すように、コレクタ層の裏面にアルミニウムを蒸着してコレクタ電極１０を形成して、ＩＧＢＴ１００を得ることができる。【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。【００３４】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１…ドリフト層、２…ｐ型のボディ層、３…ソース領域、４…トレンチゲート電極、５…ゲート絶縁膜、６…ソース電極、７…層間絶縁膜、８…ポリイミド層、９ａ…リンイオン、９ｂ…ボロンイオン、１０…コレクタ電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005557848.tif 000009
【図９】
0005557848.tif 000010
【図１０】
0005557848.tif 000011
【図１１】
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