(57)【要約】【課題】  レーザ光源の出力パワーを高くすることなく、ビームスポットの面積を大きくし、アニール時間の短縮を図ることが可能な半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板の表層部にドーパントのイオンを注入する。ドーパントのイオンを注入した後、半導体基板の表層部に、半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入することにより、半導体基板の表層部の結晶欠陥の密度を高める。結晶欠陥の密度を高めた後、半導体基板の表面にレーザビームを入射することにより、ドーパントを活性化する。【選択図】  図１−２
2014195004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表層部にドーパントのイオンを注入する工程と、
前記ドーパントのイオンを注入した後、前記半導体基板の表層部に、前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入することにより、前記半導体基板の表層部の結晶欠陥の密度を高める工程と、
結晶欠陥の密度を高めた後、前記半導体基板の表面にレーザビームを入射することにより、前記ドーパントを活性化する工程と
を有する半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記結晶欠陥の密度を高める工程における注入の深さが、前記ドーパントのイオンを注入する工程における注入の深さより浅い請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
半導体基板に、前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入する第１のイオン注入装置と、
前記半導体基板にレーザビームを入射してアニールを行うレーザアニール装置と、
前記第１のイオン注入装置から前記レーザアニール装置に前記半導体基板を移送する移送装置と、
前記第１のイオン注入装置、前記レーザアニール装置、及び前記移送装置を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記第１のイオン注入装置、前記レーザアニール装置、及び前記移送装置を制御して、
半導体基板の表層部の結晶欠陥密度が高くなる条件で、前記第１のイオン注入装置に搬入された半導体基板の表層部に前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入する工程と、
その後、前記半導体基板を前記第１のイオン注入装置から前記レーザアニール装置に移送する工程と、
その後、前記半導体基板にレーザビームを入射して、レーザアニールを行う工程と
を実行する半導体素子の製造装置。
【請求項４】
さらに、前記半導体基板にドーパントのイオンを注入する第２のイオン注入装置を有し、
前記移送装置は、さらに、前記第２のイオン注入装置から前記第１のイオン注入装置へ前記半導体基板を移送し、
前記制御装置は、前記第１のイオン注入装置、前記第２のイオン注入装置、前記レーザアニール装置、及び前記移送装置を制御して、
前記第１のイオン注入装置で前記半導体基板にイオンを注入する前に、前記第２のイオン注入装置に搬入された前記半導体基板にドーパントのイオンを注入する工程と、
その後、前記半導体基板を前記第２のイオン注入装置から前記第１のイオン注入装置に移送する工程と
を実行する請求項３に記載の半導体素子の製造装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記第１のイオン注入装置及び前記第２のイオン注入装置を制御して、前記第１のイオン注入装置によるイオンの注入の深さを、前記第２のイオン注入装置によるイオンの注入の深さより浅くする請求項４に記載の半導体素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザアニールを行う半導体素子の製造方法、及びレーザアニールを行う半導体素子の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板、例えばシリコンウエハの熱処理に、一般的に、電気炉を用いた加熱、及びラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）等が適用される。ＲＴＡを適用する場合の加熱時間は、ミリ秒のオーダである。近年、ＲＴＡよりも加熱時間の短いレーザアニールの適用が進んでいる（特許文献１、特許文献２）。レーザアニール用のレーザ光源として、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザが用いられる。
【０００３】
パルス幅１μｓ〜１００μｓのパルスレーザビームを用いてアニールを行う技術が公知である（特許文献３）。この方法では、レーザ光源として半導体レーザ（レーザダイオード）が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０６０８６８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９２９７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１３４２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体基板に注入されたドーパントの活性化アニールを行う場合、活性化を行うために十分なパルスエネルギ密度を確保するために、レーザ光源の出力パワー、及び半導体基板の表面におけるビームスポットの寸法が決定される。パルスレーザビームで半導体基板の表面を走査することにより、半導体基板の全域のアニール処理が行われる。ビームスポットの面積を大きくすることにより、アニール時間を短縮することができる。ところが、ビームスポットを大きくすると、十分なパルスエネルギ密度を確保するためにレーザ光源の出力パワーを高くしなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、レーザ光源の出力パワーを高くすることなく、ビームスポットの面積を大きくし、アニール時間の短縮を図ることが可能な半導体素子の製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、このレーザアニール方法を適用して半導体装置を製造する半導体素子の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
半導体基板の表層部にドーパントのイオンを注入する工程と、
前記ドーパントのイオンを注入した後、前記半導体基板の表層部に、前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入することにより、前記半導体基板の表層部の結晶欠陥の密度を高める工程と、
結晶欠陥の密度を高めた後、前記半導体基板の表面にレーザビームを入射することにより、前記ドーパントを活性化する工程と
を有する半導体素子の製造方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
半導体基板に、前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入する第１のイオン注入装置と、
前記半導体基板にレーザビームを入射してアニールを行うレーザアニール装置と、
前記第１のイオン注入装置から前記レーザアニール装置に前記半導体基板を移送する移送装置と、
前記第１のイオン注入装置、前記レーザアニール装置、及び前記移送装置を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記第１のイオン注入装置、前記レーザアニール装置、及び前記移送装置を制御して、
半導体基板の表層部の結晶欠陥密度が高くなる条件で、前記第１のイオン注入装置に搬入された半導体基板の表層部に前記半導体基板の構成元素と同一の元素のイオンを注入する工程と、
その後、前記半導体基板を前記第１のイオン注入装置から前記レーザアニール装置に移送する工程と、
その後、前記半導体基板にレーザビームを入射して、レーザアニールを行う工程と
を実行する半導体素子の製造装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
レーザアニールを行う前に、結晶欠陥の密度を高くしておくと、レーザビームの吸収率が高くなる。このため、所望のアニール効果を得るためのパルスエネルギ密度を低くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１−１】図１Ａ〜図１Ｃは、実施例による半導体素子の製造方法の製造途中段階における半導体素子の断面図である。
【図１−２】図１Ｄ〜図１Ｅは、実施例による半導体素子の製造方法の製造途中段階における半導体素子の断面図である。
【図１−３】図１Ｆ〜図１Ｇは、実施例による半導体素子の製造方法の製造途中段階における半導体素子の断面図である。
【図２】図２は、実施例による半導体素子の製造装置の概略図である。
【図３】図３は、実施例による半導体素子の製造装置に用いられるレーザアニール装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａ〜図１Ｇを参照して、実施例による半導体素子の製造方法について説明する。以下、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造を例に挙げて説明する。
【００１２】
図１Ａに示すように、ｎ型のシリコンからなる半導体基板３１の一方の面（以下、第１の面という）に、ｐ型のベース領域３３、ｎ型のエミッタ領域３４、ゲート電極３５、ゲート絶縁膜３６、及びエミッタ電極３７を形成する。これらは、一般的な半導体製造プロセスにより形成される。
【００１３】
図１Ｂに示すように、半導体基板３１の他方の面（以下、第２の面という。）を研削することにより、半導体基板３１を薄くする。第１の面に素子構造を形成する段階で半導体基板３１を薄くしておくと、半導体基板３１のハンドリングに不便である。また、ＩＧＢＴの素子抵抗を低減させるために、半導体基板３１を薄くすることが好ましい。第１の面に素子構造を形成する段階でのハンドリングを容易にし、かつ素子抵抗を低減させるために、第１の面に素子構造を形成した後、第２の面の加工を行う前に、半導体基板３１の研削が行われる。研削後の工程では、半導体基板３１の第２の面に対して処理が行われる。
【００１４】
図１Ｃに示すように、半導体基板３１の表層部にリン（Ｐ）イオンを注入する。これにより、ｎ型のバッファ層３９が形成される。図１Ｄに示すように、半導体基板３１の表層部にボロン（Ｂ）イオンを注入する。これにより、ｐ型のコレクタ層３８が形成される。ボロンイオンの注入深さは、図１Ｃに示したイオン注入工程におけるリンイオンの注入深さより浅い。このため、ｐ型のコレクタ層３８より深い領域に、ｎ型のバッファ層３９が残る。
【００１５】
図１Ｅに示すように、半導体基板３１の表層部にシリコン（Ｓｉ）イオンを注入する。シリコンイオンの注入は、半導体基板３１の表層部の結晶欠陥４１を増加させる条件で行う。結晶欠陥４１を増加させるために注入する元素は、半導体基板３１の構成元素と同一とすることが好ましい。実施例においては、半導体基板３１がシリコン基板であるため、注入元素としてシリコンが用いられる。半導体基板３１がＳｉＣ基板の場合には、注入元素として、シリコン及びカーボン（Ｃ）が用いられる。注入元素を半導体基板３１の構成元素と同一にすることにより、半導体基板３１の表層部のドーパントの濃度に影響を与えることなく、結晶欠陥４１を増加させることができる。
【００１６】
図１Ｆに示すように、半導体基板３１の第２の面、すなわちバッファ層３９及びコレクタ層３８が形成されている面に、レーザビーム４５を入射させ、活性化アニールを行う。例えば、レーザビーム４５として、パルスレーザビームが用いられ、その波長は６９０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲内であり、パルス幅は１０μｓ〜１００μｓの範囲内であり、半導体基板３１の表面におけるパルスエネルギ密度は２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の範囲内である。このようなパルスレーザビームの光源として、例えばレーザダイオードアレイを用いることができる。このレーザアニールにより、バッファ層３９及びコレクタ層３８内のリン及びボロンが活性化されると同時に、結晶欠陥４１（図１Ｅ）が回復する。レーザアニール後、図１Ｇに示すように、コレクタ層３８の上にコレクタ電極４０を形成する。
【００１７】
上記実施例では、図１Ｆに示したレーザアニールを行う前に、図１Ｅに示したシリコンのイオン注入工程で、半導体基板３１の表層部の結晶欠陥４１を増加させている。結晶欠陥密度が高くなると、レーザ光の吸収率が高くなる。このため、パルスエネルギ密度を低くしても、十分なアニール効果を得ることが可能になる。
【００１８】
活性化アニールに必要なパルスエネルギ密度が低くてもよいため、レーザパワーが不変という条件の下で、ビームスポットを大きくすることができる。ビームスポットが大きくなると、アニール時間を短縮することができる。ビームスポットの大きさが不変という条件の下では、レーザパワーを低下させることができる。レーザパワーを低くすると、レーザ光源の劣化を抑制し、長寿命化を図ることが可能になる。
【００１９】
レーザを用いた活性化アニールは、半導体基板３１の表面が溶融する条件で行ってもよいし、溶融しない条件で行ってもよい。溶融条件で活性化アニールを行う場合、深さ方向に関するドーパントの濃度分布を維持するために、溶融する深さは、コレクタ層３８の深さより浅くすることが好ましい。溶融した領域においては、再結晶化するときにドーパントが活性化する。溶融しない領域においては、固相拡散によりドーパントが活性化する。溶融しない条件で活性化アニールを行う場合には、全域で固相拡散によってドーパントが活性化する。
【００２０】
結晶欠陥密度を高めるためのシリコンイオンの注入（図１Ｅ）において、過度に深い領域まで結晶欠陥を生じさせると、欠陥を回復させることが困難になる。シリコンイオンの注入により生じた結晶欠陥を十分回復させるために、シリコンイオンの注入の深さを、図
１Ｄに示したイオン注入工程で注入されたボロンの注入の深さよりも浅くすることが好ましい。
【００２１】
図２に、実施例による半導体素子の製造装置の概略平面図を示す。実施例による半導体素子の製造装置は、リン注入装置５１、ボロン注入装置５２、シリコン注入装置５３、レーザアニール装置５４、移送装置５５、及びこれらの装置を制御する制御装置５０を含む。リン注入装置５１は、搬入された半導体基板３１にリンイオンを注入（図１Ｃ）する。ボロン注入装置５２は、搬入された半導体基板３１にボロンイオンを注入（図１Ｄ）する。シリコン注入装置５３は、搬入された半導体基板３１にシリコンイオンを注入（図１Ｅ）することにより、結晶欠陥を増加させる。
【００２２】
移送装置５５は、ウエハキャリア６０から半導体基板３１を受け取り、リン注入装置５１に搬入する。さらに、半導体基板３１を、リン注入装置５１からボロン注入装置５２へ、ボロン注入装置５２からシリコン注入装置５３へ、シリコン注入装置５３からレーザアニール装置５４へ移送する。さらに、レーザアニール装置５４から半導体基板３１を搬出し、ウエハキャリア６０に戻す。
【００２３】
図３に、レーザアニール装置５４（図２）の概略図を示す。レーザ光源１０が、ドライバ１１及びレーザ発振器１２を含む。レーザ光源１０は、制御装置５０からトリガ信号が入力されると、トリガ信号で規定されるパルス幅に応じたレーザパルスを出射する。レーザ発振器１２には、例えば発振波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザダイオードが用いられる。
【００２４】
レーザ発振器１２は、一列に配列した複数の発光点を有する。発光点の各々は、配列方向に長い形状を有し、長軸方向と短軸方向との寸法の比は、例えば１００：１である。発光点の長軸方向の寸法と、相互に隣り合う２つの発光点の間隔とは、ほぼ等しい。言い換えると、発光点と非発光領域とが、交互に等間隔で並んでいる。
【００２５】
ドライバ１１は、キャパシタ及びパルス波形整形回路を含む。パルス波形整形回路は、キャパシタからの放電電流が、例えばトップフラットのパルス電流になるように電流波形を整形する。トップフラットのパルス電流がレーザ発振器１２に供給される。パルス波形整形回路は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子と制御回路を用いて構成することができる。レーザ発振器１２は、ドライバ１１からパルス電流が供給されることにより、レーザ発振し、レーザパルスを出射する。
【００２６】
レーザ光源１０から出射したパルスレーザビームが、シャッタ１３、半波長板１５、ビームホモジナイザ１６、ビームスプリッタ１７、１／４波長板２０、及び集光レンズ２１を経由して、加工対象物３０に入射する。加工対象物３０は、例えば、ドーパントが注入されたシリコンウエハであり、ステージ２２に保持されている。
【００２７】
シャッタ１３の開閉は、制御装置５０により制御される。半波長板１５は、その遅相軸の向きを変化させることにより、パルスレーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板１５の遅相軸の向きの変化は、制御装置５０により制御される。
【００２８】
ビームスプリッタ１７は、入射したパルスレーザビームの一部の成分をビームダンパ１８に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ１７を直進する成分の比率は、半波長板１５の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。このため、半波長板１５の遅相軸の向きを変化させることにより、加工対象物３０に到達するパルスレーザビームを減衰させることができる。
【００２９】
ビームスプリッタ１７を直進したパルスレーザビームが、１／４波長板２０及び集光レンズ２１を透過して、加工対象物３０に入射する。ビームホモジナイザ１６と集光レンズ２１とにより、加工対象物３０の表面におけるビーム断面が、一方向に長い長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向（幅方向）に関する光強度が均一化される（空間プロファイルがトップフラットにされる。）。ビームホモジナイザ１６には、例えばカレイドスコープ、光ファイバ、アレイレンズ、フライアイレンズ等を用いることができる。ステージ２２は、制御装置５０により制御されて、加工対象物３０を、パルスレーザビームの光軸に垂直な２方向、具体的にはビーム断面の長軸方向と幅方向とに移動させる。
【００３０】
加工対象物３０の表面で反射した反射光が、集光レンズ２１及び１／４波長板２０を透過して、ビームスプリッタ１７に入射する。往路と復路とで１／４波長板２０を２回透過することにより、偏光方向が９０°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ１７で反射され、ビームダンパ１９に入射する。
【００３１】
以下、制御装置５０（図２）の制御について説明する。まず、制御装置５０が移送装置５５を制御し、処理すべき半導体基板３１（図１Ａ）をウエハキャリア６０（図２）から取り出し、リン注入装置５１に搬入する。この段階で、ウエハキャリア６０に保管されている半導体基板３１は、図１Ｂに示した研削後のものである。半導体基板３１をリン注入装置５１に搬入した後、制御装置５０がリン注入装置５１を制御して、半導体基板３１にリンイオンの注入を行う（図１Ｃ）。
【００３２】
リンを注入した後、制御装置５０の制御により、以下の手順が実行される。まず、移送装置５５が半導体基板３１をリン注入装置５１からボロン注入装置５２に移送する。ボロン注入装置５２が、半導体基板３１にボロンイオンを注入する（図１Ｄ）。移送装置５５が、ボロンイオンが注入された半導体基板３１を、ボロン注入装置５２からシリコン注入装置５３に移送する。シリコン注入装置５３が、半導体基板３１にシリコンイオンを注入する（図１Ｅ）。これにより、半導体基板３１の表層部の結晶欠陥を増加させる。移送装置５５が、シリコンイオンが注入された半導体基板３１を、シリコン注入装置５３からレーザアニール装置５４に移送する。レーザアニール装置５４がレーザアニールを行うことにより、ボロン及びリンの活性化、及び結晶欠陥の回復を行う（図１Ｆ）。
【００３３】
図２及び図３に示した半導体素子の製造装置により、図１Ａから図１Ｇまでのイオン注入及び活性化アニールを、効率的に行うことができる。
【００３４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００３５】
１０  レーザ光源
１１  ドライバ
１２  レーザ発振器
１３  シャッタ
１５  半波長板
１６  ビームホモジナイザ
１７  ビームスプリッタ
１８、１９  ビームダンパ
２０  １／４波長板
２１  集光レンズ
２２  ステージ
３０  半導体基板
３１  半導体基板
３３  ｐ型のベース領域
３４  ｎ型のエミッタ領域
３５  ゲート電極
３６  ゲート絶縁膜
３７  エミッタ電極３７
３８  ｎ型のバッファ層
３９  ｐ型のコレクタ層
４０  コレクタ電極
４１  結晶欠陥
４５  レーザビーム
５０  制御装置
５１  リン注入装置
５２  ボロン注入装置
５３  シリコン注入装置
５４  レーザアニール装置
５５  移送装置
６０  ウエハキャリア
【図１−１】
2014195004.tif 000003
【図１−２】
2014195004.tif 000004
【図１−３】
2014195004.tif 000005
【図２】
2014195004.tif 000006
【図３】
2014195004.tif 000007