(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面を熱処理する熱処理方法であって、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上で、前記立ち上がり時間と前記パルス波形の前記最大強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間との比が２以上で、前記最大強度に対する半値幅が２５０ｎｓ以上のレーザパルスを走査しながら前記基板に繰り返し重複照射し、前記基板が非溶融で処理層が非溶解状態を維持し、または表層のみが溶融して前記表層を除く処理層が非溶解状態を維持するように該基板の熱処理を行うことを特徴とするレーザアニール方法。  
【請求項２】
前記レーザパルスは、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記レーザパルスは、長いパルスをカットして、前記立ち上がり時間が前記カット位置のパルス強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形としたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記熱処理が、基板に注入された深さ２μｍ以上に亘る不純物層の活性化であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーデバイスＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の裏面にイオン注入された不純物の活性化やウエハ表層内の結晶欠陥を取り除いて結晶を回復させる処理などに使用されるレーザアニール方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の裏面にイオン注入された不純物の活性化を行う熱処理では、半導体基板にレーザ光を照射して加熱し、その昇温によって熱処理を行う。
このような熱処理では、活性化が良好になされるように、基板のある程度の深さ位置まで効果的に加熱されるのが望ましい。しかし、従来用いられているレーザは、パルス幅（パルスの半値幅）が狭いため、加熱時間が短く、十分な活性化を行うことが難しい。そのため、複数のパルスを連続して照射し、見かけ上のパルス幅を広げて活性化する方法が提案されている。
【０００３】
例えば、２波長、すなわち短い波長と長い波長のＣＷ（連続発振）レーザで、浅いイオン注入層と深いイオン注入層の活性化を担わせる活性化技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術では、ＣＷ型ＬＤ（波長≦９００ｎｍ）とＣＷ型ＹＡＧレーザの高調波レーザ（波長≧３７０ｎｍ）を同じ基板面に同時照射し、各レーザビームの照射時間（ビーム走査速度とビームサイズで決まる）を制御することで深さ方向の温度分布を制御して３μｍレベルの深い活性化を実現している。不純物注入層の浅い部分は短い波長の固体レーザで活性化し、深い部分は半導体レーザで活性化する。裏面は融点以下に、表面は２００℃以下にした非溶融活性化である。
【０００４】
また、ダブルパルスレーザアニール装置を使って、浅い注入不純物層は溶融状態で、深い注入不純物層は非溶融状態で活性化する技術が提案されている（非特許文献１、２参照）。
この技術に係るダブルパルスレーザアニール装置は、深いｐｎ接合を活性化するために２台のグリーンパルスレーザを使って、１００ｎｓレベルの短いパルス幅を持つ２つのレーザパルスの間に遅延時間を設けて、擬似的にパルス幅を長くしてアニール時間を稼いでいる。その遅延時間を最適化することで、浅いボロンの注入層と深いリンの注入層を一括して活性化する。活性化深さは１．８μｍに達しており、高い活性化率が得られている。このｐｎ接合の活性化プロセスは、先ずは深いリン注入層が固相状態で結晶回復して、次に結晶回復したリン層が種結晶となり浅いボロン注入層が液相エピタキシャル成長して、固相から液相へと段階的に進められる。
【０００５】
また、２波長のレーザを組み合わせてイオン注入で形成したアモルファス層を溶融状態で活性化する技術が提案されている（非特許文献３参照）。
この技術は、赤外波長１０６０ｎｍ（パルス幅４０ｎｓ）とグリーン波長５３０ｎｍ（パルス幅３０ｎｓ）の２波長のレーザを同時に照射して、先ずグリーン波長のパルスレーザでＡｓイオン（３０ｋｅＶ、Ｅ＋１５／ｃｍ２）を注入したアモルファス層（４８ｎｍ）の表面を浅く溶融し、次に赤外波長の吸収を高めて、赤外波長のパルスレーザでアモルファス層全体を溶融する溶融活性化方法である。グリーンパルスレーザは赤外パルスレーザの光吸収のトリガー的な役割を担っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０１５３８８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Toshio Kudo and Naoki Wakabayashi、”PN Junction Formation for High-Performance Insulated Gate Bipolar Transistors(IGBT) Double-Pulsed Green Laser Annealing Technique"、Mater Res. Soc. Symp. Proc．、Material reserch Society、Ｖｏｌ９１２、２００６
【非特許文献２】工藤利雄著、”ダブルパルス制御方式の固体レーザアニール技術”、ハイパワートランジスターの裏面活性化プロセスへの応用、レーザ加工学会誌、ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、２００７年５月
【非特許文献３】D.H.Auston and J.A.Golovchenko、”Dual-wavelength laser annealing”、Appl.Phys.Lett.、３４、（１９７９）５５８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるように、波長の長いＣＷレーザを使うこと、且つ融点以下で活性化することで、長波長の光侵入長を有効に活用できる。しかしながら、例えば波長８０５ｎｍのレーザ照射では室温（３００°Ｋ）の光侵入長Ｌα＝１０．７μｍ、１０００°ＫでＬα＝２．１μｍとなり、融点近くでは更に光侵入長は短くなる。長波長レーザ照射でも急激な温度上昇が伴えば、目標とする深い領域まで活性化温度の確保が阻害される。
【０００９】
また、非特許文献１、２に示されるように、２つのパルスレーザに遅延時間を設けて擬似的にパルス幅を長くしても、基板表面温度の急峻な上昇に伴ってフォノンによる光吸収が急激に大きくなり、光侵入長が急減することが避けられない。例えば、波長５１５ｎｍのグリーンレーザの照射の場合、光侵入長は室温（３００°Ｋ）でＬα＝０．７９μｍ、１０００°ＫでＬα＝０．１６μｍとなり、室温から１０００°Ｋの温度上昇で光侵入長は約１／５に急減する。特に表面が溶融する場合、光侵入長は８ｎｍと極端に浅くなり、しかも表面が溶融することで反射率が３６％から７２％と急増するため、レーザ光は深いところへの侵入が阻止され、照射エネルギーの損失を招く。それゆえ、急激な温度上昇による短時間での融点への到達は、目標とする深い領域まで活性化温度を確保するのを阻害する。
【００１０】
さらに、非特許文献３に示されるように、照射レーザの波長を長くすることで光侵入長をのばすことができる。その一方で、例えば、波長８０５ｎｍのレーザ照射では室温（３００°Ｋ）の光侵入Ｌα＝１０．７μｍ、１０００°ＫでＬα＝２．１μｍとなり、グリーンレーザと同様に、基板表面温度の上昇に伴って光侵入長は約１／５に急減する。しかし、光侵入長の観点から長波長の方が短波長より深い領域を活性化する上では有利である。但し、溶融状態で活性化する場合、光侵入長が８ｎｍと極端に浅くなることと反射率の急増によって照射エネルギーが損失することから、急激に温度上昇させ融点までの到達時間が短くなれば、やはり深い領域までの活性化温度の確保には不利である。
【００１１】
パワーデバイスＩＧＢＴの裏面のｌｏｗ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｕｄｇｅｔ（低温）活性化には、目標とする活性化領域をカバーする光侵入長と熱拡散長の確保が重要である。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、光侵入長と熱拡散長を十分に確保して、不純物の活性化処理などの熱処理を効果的に行うことができるレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、本発明のレーザアニール方法は、基板表面を熱処理する熱処理方法であって、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上で、前記立ち上がり時間と前記パルス波形の前記最大強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間との比が２以上で、前記最大強度に対する半値幅が２５０ｎｓ以上のレーザパルスを走査しながら前記基板に繰り返し重複照射し、前記基板が非溶融で処理層が非溶解状態を維持し、または表層のみが溶融して前記表層を除く処理層が非溶解状態を維持するように該基板の熱処理を行うことを特徴とする。
【００１３】
前記レーザパルスは、従来の立ち上がりが急峻なレーザパルスに比べて立ち上がりが緩やかなものである。具体的には、例えば、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上であるパルス波形を有して前記基板に照射されるものが好適例として挙げられる。該立ち上がり時間は、１８０ｎｓ以上であるのがさらに望ましく、３００ｎｓ以上であるのが一層望ましい。
【００１４】
立ち上がりが緩やかなレーザパルスは、基板に照射された際に、照射初期の基板の温度の急激な上昇を抑え、該温度上昇に伴う光侵入長の急減を緩和できる。
本発明としては、立ち上がりが緩やかなレーザパルスを出力するレーザ光源が特定のものに限定されるものではないが、例えば、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するものを好適例として示すことができる。
【００１５】
本発明の他の形態のレーザアニール方法では、前記レーザパルスは、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有していることを特徴とする。
【００１６】
上記レーザパルスは、立ち上がり時間が緩やかだけでなく、パルス幅が長いのが望ましい。具体的には、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有して基板に照射されるものが好適であり、１０００ｎｓ以上であるのが一層望ましい。
パルスレーザのパルス幅をコントロールする（長くする）ことで、光侵入長に見合った熱拡散長を確保できlow thermal budgetプロセス（低温活性化処理）などを有効に実現できる。
【００１７】
本発明では、レーザ照射に際し、非溶融および表層のみが溶融どちらのプロセスでもより効果的な光侵入長を得て、深い活性化などに効果を発揮する。これら状態は、レーザパルスのエネルギ密度を減衰器などの調整手段によって調整することで得られる。該減衰器としては既知のものを用いることができる。
【００１８】
前記レーザパルスには、非常に長いパルスをカットしたものを利用することができる。この場合、前記立ち上がり時間が前記カット位置のパルス強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形を有している。すなわち、前記立ち上がり時間と前記立ち下がり時間との比は１より大きいことが望ましく、さらに２以上であるのが一層望ましい。
【００１９】
本発明で用いるレーザパルスは、立ち上がり時間が緩やかなパルス波形を有しているが、立ち下がり時間については限定されるものではない。ただし、パルスエネルギーの有効利用の観点からは、前記基板に照射されるレーザパルスは、前記立ち上がり時間が前記立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形を有しているのが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、
１）レーザパルスの立ち上がり時間を緩やかにすることで、照射するパルスレーザの時間平均の光侵入長を長くでき、従来問題となっていた照射初期の温度上昇に伴う光侵入長の急減を緩和できる。そのためパルスレーザの波長に起因する光侵入長を確保でき、目標とする深い領域（例えば２μｍ以上）まで活性化が可能となる。
２）溶融および非溶融の活性化プロセスを問わず何れのプロセスでも深い活性化に効果を発揮する。
３）如何なる波長のパルスレーザによる深い活性化にも効果を発揮する。
４）パルスレーザのパルス幅をコントロールすることで、光侵入長に見合った熱拡散長を確保できlow thermal budgetプロセスを実現できる。
５）イオン注入量が増大して光吸収が大きくなり、深い活性化が難しくなる場合にも本発明の効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に用いるレーザアニール装置を示す概略図である。
【図２】同じく、照射対象の一例であるパワーデバイスＩＧＢＴの一例を示す断面概略図である。
【図３】本発明と従来例の立ち上がりが対照的なレーザパルス波形の模式図である。
【図４】同じく、ＬＤ励起固体レーザのパルス波形を示す図である。
【図５】同じく、立ち上がりが急峻パルスレーザ照射と立ち上がりが緩慢なパルスレーザ照射による基板温度の時間変化を示す図である。
【図６】同じく、パルス波形における立ち上がり時間が平均光侵入長に及ぼす効果を示す図である。
【図７】同じく、実施例におけるキャリア濃度分布プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
レーザアニール装置１は、図１に示すように、処理室２を備えており、該処理室２内にＸ−Ｙ方向に移動可能な移動装置３を備え、その上部に基台４を備えている。基台４上には、被処理体配置台５が設けられている。レーザアニール処理時には、該被処理体配置台５上に半導体基板２０が設置される。なお、移動装置３は、図示しないモータなどによって駆動される。
【００２３】
処理室２外部には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するレーザ光源１０が設置されている。レーザ光源１０から出力されるレーザ光１５は、必要に応じて減衰器１１でエネルギ密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系１２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の半導体基板２０に照射される。
【００２４】
レーザ光源１０から出力されるパルス状のレーザ光１５は、立ち上がり時間の緩やかなパルス波形を有しており、好適には、立ち上がり時間（パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する時間）が１６０ｎｓ以上、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有している。該レーザ光は、半導体基板２０に照射された際に、不純物層が非溶融状態を維持でき、融点付近まで表層を高温にできるエネルギ密度または表層のみが溶融する状態が得られるエネルギ密度に調整されているのが望ましい。該レーザ光１５は、上記したように、光学系１２により例えばラインビーム形状に整形される。
表層のみが溶融する状態とは、活性化が必要な領域までが溶融するものではなく、レーザ光の照射時期後半に表層のみが部分的に溶融する状態であり、それまでに、レーザ光は基板に侵入して深さ領域まで効果的に加熱している。
【００２５】
図２（ａ）は、本発明で処理対象とすることができるＦＳ（フィールドストップ）型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示すものである。半導体基板２０の表面側にボロンが注入されたｐ型ベース領域２３が形成され、さらに、ｐ型ベース領域２３の表面側の一部にリンが注入されたｎ＋型エミッタ領域２４が形成されている。半導体基板２０の裏面側の表層にボロンが注入されたｐ＋型のコレクタ層２２が形成されている。コレクタ層２２よりも深い領域に、コレクタ層２２に接するようにリンが注入されたｎ＋型バッファ層２１が形成され、その内側にn-型基板２５が位置している。図中、２６はコレクタ電極、２７はエミッタ電極、２９はゲート酸化膜、２８はゲート電極である。
【００２６】
上記半導体不純物層へは、図２（ｂ）に示すように、コレクタ電極２６の形成前に、裏面側よりパルス状のレーザ光を繰り返し、重複して照射することで、２μｍ以上の厚さに亘って不純物層を活性化する。レーザ光の重複率（オーバーラップ率）は、必要に応じて適宜選定することができる。この際に、移動装置３による基台４の移動速度を制御することにより、半導体基板２０に対し、レーザ光１５を所定速度で走査することができる。
【００２７】
次に、本発明が如何にパルスレーザの波長に起源する光侵入長を効果的に活用して、目標とする深い領域の活性化を実現できるか、以下に説明する。
【００２８】
図３に従来と本発明のパルスレーザのパルス波形を模式的に表す。パルス波形の最大強度の１０％から９０％までの上昇時間を立ち上がり時間ｔＡ、最大強度の９０％から１０％までの下降時間を立下り時間ｔＢと定義する。従来のパルスレーザは、立ち上がり時間ｔＡ２が短く、立下り時間ｔＢ２が長い非対称なパルス波形をしている。これに反して、本発明のパルスレーザは立ち上がり時間ｔＡ１が長く、好適には立下り時間ｔＢ１が短く、従来とは逆の非対称なパルス波形をしている。立ち上がり時間を比較すると本発明の方が従来例に比べて非常に長いのが特徴である。
【００２９】
図４は、従来例および本発明におけるＬＤ励起固体レーザの第二高調波のパルス波形の具体例を示している。この例における本発明のパルスは、長いパルスをカットして得たものであり、カット位置に変曲点を有している。従来例として、Ｎｄ：ＹＬＦレーザとＮｄ：ＹＡＧの第二高調波がある。前者のパルスレーザとしては、図４に示すように、パルス幅８３ｎｓに対して立ち上がり時間４２ｎｓと立ち下がり時間１２０ｎｓを有するものが挙げられる。また、その他に、パルス幅１７１ｎｓに対して立ち上がり時間４８ｎｓと立ち下がり時間３６５ｎｓを有するものが例示される。後者のパルスレーザの例としては、パルス幅１０５ｎｓに対して立ち上がり時間は４５ｎｓと立ち下がり時間２００ｎｓを有するものが挙げられる。
本発明例として、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波があり、図４に示すように、パルス幅１２００ｎｓに対して立ち上がり時間３０８ｎｓと立ち下がり時間９２ｎｓを有するものが例示される。この他に、パルス幅３０１ｎｓに対して立ち上がり時間１８２ｎｓと立ち下がり時間８５ｎｓを有するものが例示され、さらに、パルス幅５０４ｎｓに対して立ち上がり時間２５０ｎｓと立ち下がり時間１００ｎｓを有するものが例示される。
従来のＬＤ励起固体レーザの第二高調波パルスレーザの立ち上がり時間は５０ｎｓより小さく、他方、本発明例の立ち上がり時間は１８０ｎｓより大きい。本発明例の立ち上がり時間は従来例に比べて最大で約１ケタ長い。
【００３０】
また、本発明では、パルス波形の非対称の程度として、パルス波形の対称度を立ち上がり時間を立下り時間で割った値を目安とすることができる。パルス波形の対称度が１より小さい場合は立ち上がりが急峻で立下りが緩慢であることを意味し、逆に１より大きい場合は立ち上がりが緩慢で立下りが急峻であることを意味する。従来例のＮｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧの第二高調波はパルス波形の対称度は１より非常に小さい。本発明のＹｂ：ＹＡＧの第二高調波のパルス波形の対称度は２より大きい。
【００３１】
上記レーザパルスを用いて、基板であるシリコンウエハに照射したときのウエハ表面温度の上昇経過の模式図を図５に示す。パルスレーザにおけるパルス波形の立ち上がり時間の目安として室温から溶融するまでの到達時間を導入することができる。従来のレーザパルスでは、基板温度が急激に上昇して早期に融点に達しており、一方、本願発明のレーザパルスでは、基板温度の上昇が遅く、融点に達するまでの時間も長くなっている。本願発明の熱処理では、基板表面が融点に達することなく処理がなされるようにしてもよく、処理中途で溶融が生じるものであってもよい。溶融が生じる場合でも、これに到達するまでの時間を長くすることができ、レーザ光の侵入長を十分に確保することができる。
【００３２】
次に、図６は従来および本発明のパルスレーザのシリコンウエハに対する光侵入長の温度変化の模式図である。光侵入長Ｌαは線吸収係数αの逆数として定義される。シリコンウエハの線吸収係数は温度に依存して式（１）で表される。但し、式中でα０、ＴＲは、実験データをフィッティングしたときに決まるパラメータである。
【００３３】
【数１】
0005534379.tif 000002
【００３４】
（１）式は温度領域３００Ｋ≦Ｔ≦１０００Ｋおよび波長範囲λ＜４１０ｎｍで実験結果と良く一致する。図中、Ｌα（ＴＲＭ）は室温の光侵入長、Ｌα（Ｔｍ）は融点での光侵入長を示している。
【００３５】
光侵入長のパルス波形の立ち上がり時間の影響を調べるため、光侵入長の時間平均を導入する。図６に対照的な立ち上がり時間を有する従来及び本発明のパルスレーザを照射したときの侵入長の時間平均Ｌα１とＬα２を示す。光侵入長の時間平均＊Ｌαは、Ｌα−ｔグラフを時間０〜ｔ１、０〜ｔ２まで積分して、図中に示すそれと同面積の長方形から算出できる。本発明のパルスレーザのように立ち上がり時間が長くなるとＬα−ｔグラフから計算された面積が大きくなり、立ち上がり時間の短い従来例に比べて、平均光侵入長は深くなる。したがって、パルスレーザのパルス波形の立ち上がり時間を長く取った方が、深い活性化を効果的にできる。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
以下に、本発明の実施例を説明する。
レーザパルスとして、ＬＤ励起固体レーザ第二高調波を用い、レーザ光源には、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦまたはＮｄ：ＹＡＧを用いた。各レーザ光源から出力されるレーザパルスのパルス幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間を表１に示すように調整し、照射した。Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波は元々パルス幅の長い（２０００ｎｓ以上）レーザパルスをＥＯスイッチで切り出して、立ち上がり時間が長く、立下り時間の短いパルスを形成した。Ｎｄ：ＹＥＦの第二高調波レーザに関しては発振周波数を高めるとパルス幅を長くできる。
該基板における活性化深さは、ＳＲＰの深さプロファイル、すなわちキャリアの深さ濃度分布から決定する。例えばリンを注入したフィールドストップ層の底がどこまで深く分布しているかで見極める。その結果を表１に示した。
【００３７】
【表１】
0005534379.tif 000003
【００３８】
表から明らかなように、本発明によって照射された基板では、１μｍを越え、３μｍに至る深さにまで効果的に活性化処理がなされていた。一方、本発明の条件を逸脱するものでは、活性化深さは１μｍに達せず、レーザ光の侵入長が十分に得られなかった。
【００３９】
（実施例２）
厚さ１５０μｍの基板に対するパルス幅１２００ｎｓ、立ち上がり時間３０８ｎｓ、立下り時間９２ｎｓの実照射結果を図７に示す。パルス幅１２００ｎｓ、エネルギー密度（４．７Ｊ／ｃｍ２）が最も深く高い活性化ができている。ボロン層、リン層の活性化率は８９％、６２％であり、活性化深さは２．７ｕｍまで達している。活性化率はＳＩＭＳとＳＲＰの深さプロファイルを積分してＳＲＰのキャリア数をＳＩＭＳの不純物量で割って％表示したものである。１２００ｎｓより短い他のパルス幅の実施例はないのでパルス幅の限定には問題あるが、イノバベントの論文のデータ、３２５ｎｓと６００ｎｓのパルス幅での溶融活性化を実施して活性化深さ〜１ｕｍを達成した。したがって、パルス幅は６００ｎｓより大きく取らざるを得ないため、パルス幅の範囲は好適には限定される。
【符号の説明】
【００４０】
１    レーザアニール装置
２    処理室
３    移動装置
４    基台
５    被処理体配置台
１０    レーザ光源
１１    減衰器
１２    光学系
１５    レーザ光
２０    半導体基板
【図１】
0005534379.tif 000004
【図２】
0005534379.tif 000005
【図３】
0005534379.tif 000006
【図４】
0005534379.tif 000007
【図５】
0005534379.tif 000008
【図６】
0005534379.tif 000009
【図７】
0005534379.tif 000010