(57)【要約】【課題】ｎ層を形成するための加速器の使用時間を短くする。【解決手段】半導体装置の製造方法は、加速器を使用して粒子線を基板に照射する照射工程（Ｓ１０）と、基板にｎ層を形成するために、水素を含む雰囲気で基板の熱処理をするアニール工程（Ｓ１２）と、を備える。照射工程（Ｓ１０）は、ｎ層を形成するための水素必要量に達しないように水素イオンを含む粒子線を基板に照射すること、または、水素イオンを含まない粒子線を基板に照射することを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器を使用して粒子線を基板に照射する照射工程と、
前記基板にｎ層を形成するために、水素を含む雰囲気で前記基板の熱処理をするアニール工程と、を備え、
前記照射工程は、前記ｎ層を形成するための水素必要量に達しないように水素イオンを含む粒子線を前記基板に照射すること、または、水素イオンを含まない粒子線を前記基板に照射することを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記水素イオンを含まない粒子線は、水素イオンを除く軽イオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粒子線はヘリウムイオンビームであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記加速器は、円形加速器、線形加速器、または静電加速器であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記加速器は、サイクロトロンであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
粒子線を基板に照射するための加速器を備える粒子線照射装置と、
前記基板にｎ層を形成するために、水素を含む雰囲気で前記基板の熱処理をするアニール装置と、を備え、
前記粒子線照射装置は、前記ｎ層を形成するための水素必要量に達しないように水素イオンを含む粒子線を前記基板に照射し、または、水素イオンを含まない粒子線を前記基板に照射することを特徴とする基板処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法、及び基板処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板にプロトン（水素イオン）をイオン注入して熱処理し抵抗率を低下させチャンネルストップ層を形成することを含むシリコン半導体装置の製造方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６０６３９号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ある種の半導体装置においては、高濃度で厚いｎ層を設けることが望まれることがある。ＩＧＢＴはその代表的な例である。ｎ層を形成する処理には、加速器を使用して水素を基板に注入する工程が含まれる場合がある。目的とするｎ層が高濃度で厚いほど水素の注入量が多くなり、加速器を使用する時間は長くなる。加速器は運転コストが比較的高い。そのため、加速器の使用時間が長くなると、結果として得られるデバイスの製造コストも高くなる。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ｎ層を形成するための加速器の使用時間を短くすることができる半導体装置の製造方法、及び基板処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、加速器を使用して粒子線を基板に照射する照射工程と、前記基板にｎ層を形成するために、水素を含む雰囲気で前記基板の熱処理をするアニール工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。前記照射工程は、前記ｎ層を形成するための水素必要量に達しないように水素イオンを含む粒子線を前記基板に照射すること、または、水素イオンを含まない粒子線を前記基板に照射することを備える。
【０００７】
前記水素イオンを含まない粒子線は、水素イオンを除く軽イオンを含んでもよい。前記粒子線はヘリウムイオンビームであってもよい。
【０００８】
前記加速器は、円形加速器、線形加速器、または静電加速器であってもよい。前記加速器は、サイクロトロンであってもよい。
【０００９】
本発明のある態様によると、粒子線を基板に照射するための加速器を備える粒子線照射装置と、前記基板にｎ層を形成するために、水素を含む雰囲気で前記基板の熱処理をするアニール装置と、を備える基板処理システムが提供される。前記粒子線照射装置は、前記ｎ層を形成するための水素必要量に達しないように水素イオンを含む粒子線を前記基板に照射し、または、水素イオンを含まない粒子線を前記基板に照射する。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ｎ層を形成するための加速器の使用時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のある実施の形態に係る製造システムの概略構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明のある実施の形態に係る粒子線照射装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明のある実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明のある実施の形態に係る製造システム１の概略構成を模式的に示す図である。製造システム１は、半導体基板（以下では単に基板と呼ぶこともある）に水素を導入するために使用される基板処理システムである。製造システム１は、粒子線照射装置２とアニール装置３とを備える。製造システム１は、まず粒子線照射装置２で基板を処理し、次にその基板をアニール装置３で処理する。
【００１４】
製造システム１において処理される半導体基板は、最終的にいわゆる縦型の半導体デバイスが形成される基板（例えばウェハ）である。縦型のデバイスとは一般に、基板の一方の表面（以下、前面ともいう）と他方の表面（以下、背面ともいう）との間で縦方向に電流経路を有するデバイスであり、典型的には電力制御の用途で使用される。こうした縦型デバイスには例えばＩＧＢＴや電力制御用のダイオードなどがある。なお本実施形態に係る水素導入方法は任意の半導体基板に適用することが可能であり、上述の特定のデバイスの製造工程での使用には限られない。
【００１５】
製造システム１における水素導入処理に先立って、半導体基板の前面には通例、配線を含む素子構造が既に形成されている。製造システム１において基板を処理することにより、詳しくは後述するが、基板の背面側のある深さ範囲にｎ層が形成される。
【００１６】
図２は、本発明のある実施の形態に係る粒子線照射装置２の概略構成を模式的に示す図である。粒子線照射装置２は、加速器１０を使用して粒子線Ｂを基板Ｗに照射するよう構成されている。粒子線照射装置２は、粒子線源としての加速器１０と、粒子線Ｂの照射のために基板Ｗを保持し搬送する基板搬送装置１２と、加速器１０から出射された粒子線Ｂを基板搬送装置１２へと導くビーム輸送ダクト１４と、を備える。後述するように、粒子線Ｂはヘリウムイオンを含む。
【００１７】
加速器１０は、荷電粒子を加速し、荷電粒子線を出射する。本実施形態では加速器１０はサイクロトロンである。基板搬送装置１２は、搬送プレート１６に搭載されている基板Ｗに粒子線Ｂを照射するための照射チャンバ１８と、照射チャンバ１８において搬送プレート１６を移動する移動機構２０と、を備える。搬送プレート１６は、複数の基板Ｗを搭載する。移動機構２０は、一つの搬送プレート１６に搭載されている全ての基板Ｗに粒子線Ｂを順次照射するよう搬送プレート１６を移動する。移動機構２０は、照射処理済みの搬送プレート１６を照射チャンバ１８から搬出し、次の搬送プレート１６を照射チャンバ１８に搬入する。また、ビーム輸送ダクト１４の途中には、内部を真空に維持する真空ポンプやビームの方向を補正する電磁コイル等が設けられている。
【００１８】
上述のように、製造システム１はアニール装置３を備える。アニール装置３は、粒子線照射装置２による照射処理がなされた基板Ｗに熱処理をする。アニール装置３は、水素を含む雰囲気で基板Ｗの熱処理をするよう構成されている。後述のように、アニール装置３は、水素ガス含有雰囲気でのアニールによって基板Ｗに水素を導入するとともに、基板Ｗの水素導入層を電気的に活性化する。こうして基板Ｗにｎ層を形成することができる。なおアニール装置３としては公知の適切な任意のアニール装置を用いることができる。
【００１９】
ところで、水素を用いて半導体基板にｎ層を形成する典型的な手法は、基板への水素イオン注入とそれに続いて行われるアニール処理とからなる。この場合一般に、水素イオン注入の処理時間はアニール処理で所定のキャリア（例えば電子）濃度に達するように設定される。処理時間を長くするほどキャリア濃度が高くなる傾向がある。そのため、厚く濃度の高いｎ層を形成するためには、長い処理時間が必要になる。また、アニール処理は窒素などの不活性ガス雰囲気で通例行われる。
【００２０】
水素イオン源の１つとして上述のようにサイクロトロンがある。ところが、サイクロトロンは運転コストが比較的高い。したがって、厚く濃度の高いｎ層を形成する場合にはとりわけ、サイクロトロンの運転コストがデバイスの製造コストに大きく影響する。よって、ｎ層を形成するための製造工程において、サイクロトロンの運転時間を短くするか、またはサイクロトロンを使用しないことが望まれる。
【００２１】
水素を用いて半導体基板にｎ層を形成するためには、目的とする深さ範囲に水素と格子欠陥の両方を有することが必要であると考えられている。本発明者の知見によると、サイクロトロンを使用して水素イオンビームを基板に照射するとき、目的の深さ範囲に水素と格子欠陥とが導入される。水素イオン一個あたりに複数の格子欠陥が形成される。そのため、ある基準量に到達するまでの所要時間は、格子欠陥のほうが水素よりも短い。したがって、既存の水素イオン注入においては、ｎ層を形成するために必要量だけ水素が基板に導入される前に、必要な数の格子欠陥が基板に形成されていると考えられる。
【００２２】
そこで、本実施形態では、水素導入処理と欠陥形成処理とを切り分けている。すなわち、本実施形態では、格子欠陥の形成のためにサイクロトロンを使用し、その後、サイクロトロンを使用せずに水素を基板に導入する。このようにして、サイクロトロンの使用時間を短くすることができる。
【００２３】
図３は、本発明のある実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。この方法は、基板Ｗにｎ層を形成するための方法である。図３に示されるように、この方法は、照射工程（Ｓ１０）と、アニール工程（Ｓ１２）と、を含む。
【００２４】
照射工程（Ｓ１０）においては、粒子線照射装置２（図１及び図２参照）が使用される。粒子線照射装置２は、加速器１０を用いて粒子線Ｂを基板Ｗに照射し、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成する。本実施形態では、粒子線Ｂはヘリウムイオンビームである。したがって、加速器１０はヘリウムイオンを加速し、ヘリウムイオンビームを基板Ｗに照射する。このとき、基板Ｗの背面にヘリウムイオンビームが照射されるように基板Ｗは保持されている。
【００２５】
粒子線Ｂはヘリウムイオンビームであるから、水素イオンを含まない。よって、照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗに水素は注入されない。
【００２６】
サイクロトロンなどの加速器を使用してヘリウムイオンビームを基板Ｗに照射するとき、目的の深さ範囲に格子欠陥が形成される。ヘリウムイオンのほうが水素イオンよりも重いため、イオン一個あたりの欠陥生成率が大きくなり、欠陥形成処理の所要時間を短くすることができる。したがって、欠陥形成処理の所要時間を短くするために、粒子線Ｂは、水素イオンを含まないことが望ましい。
【００２７】
アニール工程（Ｓ１２）においては、アニール装置３（図１参照）が使用される。粒子線Ｂによって処理された基板Ｗが粒子線照射装置２からアニール装置３へと、作業者によって又は適切な搬送手段によって、搬送される。アニール装置３においては、基板Ｗはその背面を水素ガス含有雰囲気に露出させている。アニール装置３は、水素ガス含有雰囲気で基板Ｗの熱処理をする。熱処理によって、シリコン基板の格子欠陥に水素が入り込む。ｎ層を形成するための水素の必要量を満たすように基板Ｗの欠陥形成層に水素が導入され、そうして得られた水素導入層が活性化される。このようにして、基板Ｗの背面側に、比較的厚みのあるｎ層を形成することができる。例えば、基板Ｗの背面から最大深さ１μｍないし５０μｍの深さ範囲にｎ層が形成される。このｎ層は例えば、ＩＧＢＴのｎ＋層に適する。
【００２８】
アニール工程（Ｓ１２）において、水素ガス含有雰囲気の圧力を比較的高圧（例えば、大気圧またはそれより高圧）とすると、水素の基板Ｗへの入り込みが促進されるので好ましい。また、基板Ｗは、１５０℃から６００℃（好ましくは３００℃から５００℃、より好ましくは３５０℃から４５０℃）の範囲から選択される温度に加熱される。この温度範囲の下限は水素導入層の活性化をもたらすよう定められている。温度範囲の上限は基板Ｗの前面に既に形成されている素子構造への損傷防止を保証するように（例えば配線に使用される金属（例えばアルミニウム）の融点より低温に）定められている。
【００２９】
本実施形態によると、サイクロトロンの運転時間を例えば半減させることができる。一例として、上述の典型的な水素イオン注入においてサイクロトロンの運転時間がおよそ４分であった場合に、それと同様のｎ層を形成するために要する本方法の照射工程（Ｓ１０）の所要時間はおよそ２分で充分であると見積もられる。このようにして、本実施形態によると、厚く濃度の高いｎ層の形成におけるサイクロトロンの運転コストを半減させることができる。アニール工程（Ｓ１２）は既存の方法でも行われているから、コスト面での影響は軽微である。また、照射工程が枚葉処理であるのに対し、アニール処理はバッチ処理であるため、アニールによる水素導入は低コストである。よって、本実施形態によると、基板のｎ層形成処理を既存の方法に比べて低コストに行うことができる。
【００３０】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００３１】
上述の実施形態では、ｎ層を基板に新たに形成する処理について説明したが、本実施形態に係る方法は、既にｎ層が形成されている基板に適用することもできる。このようにすれば、既にｎ層が形成された基板のキャリアの濃度を増大させることも可能である。したがって、ある実施形態に係る半導体装置の製造方法は、既にｎ層が形成されている基板に加速器を使用して粒子線を照射する照射工程と、水素を含む雰囲気で前記基板の熱処理をするアニール工程と、を備えてもよい。
【００３２】
粒子線Ｂは、ヘリウムイオンビームには限られない。例えば、粒子線Ｂは、ネオンよりも軽い軽イオンを含む軽イオンビームであってもよい。ただし、粒子線Ｂは、水素イオンを含まない。これらのイオンは水素イオンよりも重いため、イオン一個あたりの欠陥生成率が大きくなり、欠陥形成処理の所要時間を短くすることができる。
【００３３】
ある実施形態においては、粒子線Ｂは、電子を含んでもよい。照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成するために、加速器１０を用いて電子線が基板Ｗに照射されてもよい。この場合、加速器１０を電子線照射装置と呼ぶこともできる。電子線は基板Ｗの（フィルムやプラスチックなどの）包装を開封することなく照射することができるので、基板Ｗの取り扱いが容易となり便利である。
【００３４】
ある実施形態においては、粒子線Ｂは、中性子を含んでもよい。照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成するために、加速器１０を用いて中性子線が基板Ｗに照射されてもよい。この場合、粒子線照射装置２は、加速器１０から出射された荷電粒子線を受けて中性子線を発生させるターゲットをビーム輸送ダクト１４の上流に備えてもよい。
【００３５】
上述の実施形態では、ヘリウムイオンを使用することにより欠陥形成処理と水素導入処理とを完全に分離しているが、水素イオンを含む粒子線Ｂを使用することにより基板Ｗの欠陥形成処理中にもいくらかの水素イオンを注入することも可能である。照射工程における水素の注入量は、ｎ層を形成するための水素の必要量に満たない量でよい。アニール処理で水素を補うことができるからである。この場合においても、既存の方法に比べて粒子線Ｂの照射時間を短くすることができる。
【００３６】
加速器１０はサイクロトロンには限られない。比較的運転コストの高いサイクロトロンを使用しないことにより、基板にｎ層を形成するコストをさらに低減することができる。加速器１０は、サイクロトロン以外の円形加速器（例えばシンクロトロン）であってもよい。あるいは、加速器１０は、加速粒子を直線上で加速するリニアックなどの線形加速器であってもよいし、バンデグラフやタンデムなどの静電加速器であってもよい。よって、粒子線照射装置２は、高エネルギーイオン注入装置であってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  製造システム、  ２  粒子線照射装置、  ３  アニール装置、  １０  加速器、  Ｂ  粒子線、  Ｗ  基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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