(57)【要約】  ＦＺ−Ｎ基板（１）の裏面（１ａ）にリンとボロンのイオン注入をそれぞれ行う。ついで、基板加熱装置（３１）でＦＺ−Ｎ基板（１）を１００℃以上５００℃以下の範囲で所定の温度に保ちながらＦＺ−Ｎ基板（１）の裏面（１ａ）にレーザー光（１４）を照射してレーザーアニールする。これにより、ＦＳ層（９）とｐ+コレクタ層（１０）が形成される。ＦＺ−Ｎ基板（１）を加熱しながらレーザーアニールすることで、イオン注入されたリンとボロンの活性化率を高めることができ、所望の拡散プロフィルを得ることができる。これにより、ＦＳ型ＩＧＢＴのおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、ＦＺ−Ｎ基板（１）の裏面（１ａ）にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができる。また、イオン注入による結晶欠陥を十分に回復させて、所望の拡散プロファイルを得ることができる。
2011096326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に不純物をイオン注入し、前記半導体基板を加熱しながらレーザーアニールして前記不純物を活性化することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
半導体基板の第１主面に半導体素子のおもて面構造を形成する工程と、
前記半導体基板の第２主面を研削し該半導体基板を薄板化する工程と、
薄板化された前記半導体基板の第２主面に不純物をイオン注入する工程と、
前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記半導体基板の加熱温度が、１００℃以上５００℃以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長が、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記レーザー光の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記レーザー光がＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とからなることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
半導体基板を支持する支持手段と、
前記半導体基板にレーザー光を照射する照射手段と、
前記半導体基板を加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造装置。
【請求項８】
前記支持手段と前記加熱手段が一体化され、前記半導体基板を固定するガイドを有し、前記半導体基板を加熱する基板加熱装置であることを特徴とする請求項７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】
この発明は、半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗等および電力用半導体素子で構成した電気回路を、１チップ上に集積して形成したパワーＩＣ（集積回路）が多用されている。【０００３】
ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）の高速スイッチングおよび電圧駆動特性とバイポーラトランジスタの低オン電圧特性とを兼ね備えた電力用半導体素子である。ＩＧＢＴの用途としては、汎用インバータ、ＡＣサーボや無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野への応用が拡大してきている。さらに次世代への開発も進んでおり、新しいチップ構造を用いた、より低オン電圧のものが開発され、応用装置の低損失化や高効率化が図られてきている。【０００４】
ＩＧＢＴの構造には、パンチスルー（Ｐｕｎｃｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈ、ＰＴ）型、ノンパンチスルー（Ｎｏｎ  Ｐｕｎｃｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈ、ＮＰＴ）型、そしてフィールドストップ（Ｆｉｅｌｄ  Ｓｔｏｐ、ＦＳ）型等がある。そして、現在量産されているＩＧＢＴは、一部のオーディオ・パワー・アンプ用のｐチャネル型ＩＧＢＴを除いて、ほぼすべて、ｎチャネル型の縦型二重拡散構造となっている。以下では、特に示した場合を除き、ＩＧＢＴとはｎチャネル型ＩＧＢＴをいうものとする。【０００５】
ＰＴ型ＩＧＢＴは、ｐ+エピタキシャル基板（ｐ+コレクタ層）とｎ-層（ｎ-活性層）の間にｎ+層（ｎ+バッファ層）を設け、ｎ-活性層中の空乏層がｎバッファ層に到達する構造であり、ＩＧＢＴで主流の基本構造となっている。しかし、例えば、耐圧６００Ｖ系のＩＧＢＴに対し、ｎ-活性層は厚さ７０μｍ程度で十分であるが、ｐ+エピタキシャル基板部分を含めると総厚さは２００μｍ〜３００μｍ程度と厚くなる。そこで、ｐ+エピタキシャル基板を用いずに、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）法を用いて形成されるＦＺ基板を用いて、低ドーズ量の浅いｐ+コレクタ層を形成して薄板化と低コスト化を図ったＮＰＴ型ＩＧＢＴやＦＳ型ＩＧＢＴが開発されている。【０００６】
図９は、従来の低ドーズ量の浅いｐ+コレクタ層を採用したＮＰＴ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。これは１／２セルの断面図である。低ドーズの浅いｐ+コレクタ層２２（低注入ｐ+コレクタ層）を採用したＮＰＴ型ＩＧＢＴは、支持基板も兼ねるｐ+エピタキシャル基板を使わないので、全体の厚さ（基板の総厚さ）はＰＴ型ＩＧＢＴよりも大幅に薄くなる。この構造では、正孔の注入効率を制御することができるので、ライフタイム制御を行わなくても高速スイッチングが可能であるが、ＰＴ型ＩＧＢＴに比べてｎ-活性層２１の厚みが厚く、ｐ+コレクタ層の注入効率が低いのでオン電圧は多少高い値になる。但し、前述のように高価なｐ+エピタキシャル基板を用いずに、安価なＦＺ基板を用いているため、チップの低コスト化が可能である。【０００７】
なお、図中の符号で、１はＦＺ−Ｎ基板、２はゲート酸化膜、３はゲート電極、４はｐ+ベース層、５はｎ+エミッタ層、６は層間絶縁膜、７はエミッタ電極および１１は裏面電極（コレクタ電極）である。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。【０００８】
図１０は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。基本構造は、ＰＴ型ＩＧＢＴと同じであるが、ＰＴ型ＩＧＢＴが厚いｐ+エピタキシャル基板を用いるのに対し、ＦＳ型ＩＧＢＴはｐ+エピタキシャル基板は用いずに、ＦＺ−Ｎ基板１を用いる。これにより、ＦＳ型ＩＧＢＴは、ＰＴ型ＩＧＢＴよりもさらに総厚さを１００μｍ〜２００μｍと薄くしている。ＰＴ型ＩＧＢＴと同じでｎ-活性層２１は６００Ｖ耐圧に応じて７０μｍ程度にしてあり、空乏化させる。そのため、ｎ-活性層２１下にはｎ+フィールドストップ層９を設ける。このｎ+フィールドストップ層９はＰＴ型ＩＧＢＴに形成されるｎ+バッファ層と同じ働きをする。コレクタ側は、低ドーズ量の浅いｐ+拡散層１０を低注入ｐ+コレクタ層として用いる。これにより、ＮＰＴ型ＩＧＢＴの場合と同様にライフタイム制御は不要である。さらにオン電圧を低減するために、図示しないがチップ表面に狭く深い溝（トレンチ）を形成し、その側面にＭＯＳゲート構造を形成したトレンチゲート構造のＦＳ型ＩＧＢＴもある。また、最近、設計の最適化を図る等により基板の総厚さはさらに薄くなっている。【０００９】
また、近年になって直流を介さずに直接交流−交流変換を行うマトリクスコンバータが脚光を浴びている。従来型インバータと違いコンデンサが不要であり、電源高調波が低減されるというメリットがある。しかしながら、入力が交流であるため、半導体スイッチには逆方向耐圧が要求される。従来型ＩＧＢＴを用いた場合は、逆阻止用のダイオードを直列に接続して使用素子を逆阻止化する必要があった。【００１０】
図１１は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。この逆阻止ＩＧＢＴは、従来型ＩＧＢＴの基本性能を有しつつ、逆耐圧を有するＩＧＢＴである。そのため、逆阻止能力を持たせるための分離層２４（ｐ+層）を形成する以外の基本構成はＮＰＴ型ＩＧＢＴと同じである。逆阻止ＩＧＢＴでは直列ダイオードが不要であるために導通損失を半減することができて、マトリクスコンバータの変換効率の向上に大きく寄与する。１００μｍ以上の深い接合の形成技術（分離層の形成技術）と、１００μｍ以下の極薄ウエハ生産技術（薄板化技術）を組み合わせて、高性能の逆阻止ＩＧＢＴの製造が可能になった。【００１１】
しかし、総厚さが７０μｍ程度の薄型ＩＧＢＴを実現するために、裏面のバックグラインド、裏面からのイオン注入、裏面熱処理および薄ウエハの反りなどプロセス上の問題を解決する必要がある。【００１２】
図１２〜１８は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴ２００の製造方法について示す断面図である。図１２〜１８では、製造工程途中における半導体素子の要部断面図を工程順に示す。基板へのＦＳ型ＩＧＢＴの形成は、大きくおもて面側プロセスと裏面側プロセスに分けられる。まず、おもて面側プロセスについて説明する。なお、図１５に示す素子のおもて面構造８は、ゲート酸化膜２、ゲート電極３、ｐ+ベース層４、ｎ+エミッタ層５、層間絶縁膜６およびエミッタ電極７などで構成される。【００１３】
まず、ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面側にＳｉＯ2およびポリシリコンを堆積し、フォトリソグラフィーで窓開け加工してゲート酸化膜２およびゲート電極３をそれぞれ形成する。これによりＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面側に、絶縁ゲート構造（ＭＯＳゲート構造）が形成される（図１２）。ここで、窓開け加工とは、ゲート酸化膜２およびゲート電極３を選択的に除去して、ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面を露出する処理である。【００１４】
次に、ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面側にｐ+ベース層４を形成し、このｐ+ベース層４内にｎ+エミッタ層５を形成する。ここでは、ゲート電極３をマスクとしたセルフアラインでｐ+ベース層４とｎ+エミッタ層５とが形成される。続いて、ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面側にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を堆積し、窓開け加工して層間絶縁膜６を形成する（図１３）。この窓開け加工によって、ｐ+ベース層４およびｎ+エミッタ層５が選択的に露出される。【００１５】
次に、ｎ+エミッタ層５に接するようにアルミ・シリコン膜を堆積し、エミッタ電極７となるおもて面電極を形成する。アルミ・シリコン膜は、安定した接合性および低抵抗配線を実現するために、その後の工程において４００℃〜５００℃程度の低温で熱処理される。さらに、図示しないが、ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面を覆うようにポリイミドなどを用いて絶縁保護膜が形成される（図１４）。ここまでの工程で、おもて面側プロセスが完了しておもて面構造８（図１５参照）が形成される。次に、裏面側プロセスに移行する。【００１６】
裏面側プロセスでは、まず、ＦＺ−Ｎ基板１ｂを裏面側から所望の厚さまでバックグラインドやエッチングなどの研削を行い、薄ウエハ化（薄板化）して薄いＦＺ−Ｎ基板１とする（図１５）。次に、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａ側にリン（Ｐ）のイオン注入１２およびボロン（Ｂ）のイオン注入１３を順に行い、ｎ+層９ａおよびｐ+層１０ａをそれぞれ形成する（図１６）。【００１７】
次に、図示しない電気炉で３５０℃〜５００℃の低温熱処理をするか、またはレーザー光１４を裏面１ａから照射してレーザーアニールする。これにより、リンを注入したｎ+層９ａおよびボロンを注入したｐ+層１０ａを活性化してＦＳ層９（ｎ+フィールドストップ層）およびｐ+コレクタ層１０をそれぞれ形成する。実際のレーザー光の照射はＦＺ−Ｎ基板１を静電チャックなどで固定し裏面１ａを上にして行う（図１７）。【００１８】
次に、ｐ+コレクタ層１０の表面に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層、金層などの金属膜を組み合わせた裏面電極１１を形成する（図１８）。最後に、図示しないが、チップ状にダイシングしてからおもて面電極であるエミッタ電極７にアルミワイヤを超音波ワイヤーボンディングにより固着する。裏面電極１１には、はんだ層を介して所定の固定部材を接続する。これにより、ＦＳ型ＩＧＢＴ２００が完成する。【００１９】
不純物層を活性化する方法として、基板を加熱した状態でのイオン注入、および基板を加熱した状態でのイオン注入とレーザーアニールの併用についての提案がなされている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に示す技術を用いる（併用する）場合に用いられる製造装置は、イオン注入装置、レーザー照射装置、光学系ミラーおよび基板加熱装置の４つの構成部を備える。一方、下記特許文献１に示す技術を用いない（併用しない）場合は、上記４つの構成部のうち、例えばイオン注入装置は他の構成部と別の構成になっており、例えば、図１２〜１８に示す従来のＦＳ型ＩＧＢＴ２００の製造方法と同様の製造方法である。【００２０】
また、別の方法として、波長の異なるレーザーアニール装置を２台用いてイオン注入層の活性化を図る方法が提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。【００２１】
また、ＦＳ−ＩＧＢＴの裏面濃度と活性化率について提案されている（例えば、下記特許文献３参照）。【００２２】
図１９は、通常のレーザーアニール装置の要部を示す構成図である。図１９に示すレーザーアニール装置は、静電チャック１７でＦＺ−Ｎ基板１を固定し、レーザー照射装置１５から出射したレーザー光１４を、光学系ミラー１６を経由させてＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａに照射する。このように、レーザーアニール装置は、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａ側をレーザーアニールして、裏面１ａ側に導入された不純物を活性化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００５−２６８４８７号公報
【特許文献２】特許第４０４３８６５号公報
【特許文献３】特許第４０８８０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
前記した内容から従来の製造方法での課題を列挙する。
（１）ＦＳ型ＩＧＢＴのＦＳ層９を所定の拡散プロファイルになるように活性化率を高めようとした場合に、電気炉による低温（３５０℃〜５００℃）の熱処理では達成することができない。
（２）ＦＺ−Ｎ基板１が室温状態にある場合、レーザーアニールではＦＳ層９の欠陥回復が不十分である。
（３）通常のレーザーアニール装置では、基板を加熱するための機構を備えていないため、（２）に示す欠陥回復を行うためには、低温（３５０℃〜５００℃）の熱処理を別途行う必要がある。ここで、熱処理を低温で行うのは、おもて面側にアルミ電極（エミッタ電極７）が形成されているためである。
（４）通常のレーザーアニール装置では、ＦＺ−Ｎ基板１は静電チャック１７に固定されており（図１９参照）、この静電チャック１７に加熱機構を付加することが困難である。このため、ＦＺ−Ｎ基板１を加熱した状態でレーザーアニールすることはできない。
（５）上記特許文献１に記載された方法で、基板を加熱しながらイオン注入とレーザーアニールとを同時に行う場合、イオン注入の時間とレーザー照射の時間とがほぼ同じになるように制御しないと、基板内に、イオン注入されているがレーザー照射されない領域が出てくる不都合が発生する。【００２５】
つまり、イオン注入時の時間と、レーザー照射の時間と、その時のチップの温度状況とがそれぞれ絡み合って、拡散プロファイルがチップによってばらつき、素子の良品率を低下させる。【００２６】
拡散プロファイルがチップによってばらつくことについて説明する。図２０は、拡散プロファイルが不安定になることを説明する説明図である。図２０の紙面上側には、イオン注入を行うと同時に、イオン注入を行った表面にレーザー光を照射したＦＺ−Ｎ基板１を示す。レーザーは、ＦＺ−Ｎ基板１の表面に平行な方向１０１に往復して、基板全体をスキャンしながら照射し続ける。図２０の紙面下側には、レーザー光を照射したＦＺ−Ｎ基板１の活性化状態を示す特性図を示す。図２０の特性図の横軸は、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａからの深さを示す。ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａには、裏面１ａから１μｍの深さまで、ｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９がこの順に形成されている。特性図中のｐおよびｎは、ｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９を示している。ＦＳ層９を形成するイオン注入では、ドーパントをボロン（Ｂ）とし、加速エネルギーを５０ｋｅＶ、ドーズ量を１．０×１０15ｃｍ-2とした。ｐ+コレクタ層１０を形成するイオン注入では、ドーパントをリン（Ｐ）とし、加速エネルギーを２４０ｋｅＶ、ドーズ量を１．０×１０13ｃｍ-2とした。イオン注入時におけるＦＺ−Ｎ基板１の温度は４００℃に保たれている。【００２７】
図２０の特性図に示すように、レーザー光が照射された領域（レーザーアニールされたチップ）１０２では、実線で示す曲線１１１のように活性化する。つまり、曲線１１１は、イオン注入とレーザー照射とを同時に行った場合の活性化状態を示している。レーザーアニールは、照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ2のＹＡＧ２ωレーザーを用いている。一方、レーザー光が照射されない領域（レーザーアニールされていないチップ）１０３では、点線で示す曲線１１２のようにｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９の活性化が不十分になる。これは、イオン注入とレーザー照射を同時に行う条件で、基板全面をイオン注入するのに要する時間がレーザー照射するのに要する時間より短い場合に生じる。また、イオン注入を室温で行った状態では（チップの平面形状は不図示）、一点鎖線で示す曲線１１３のように、ｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９は活性化されない。【００２８】
また、上記特許文献１に示す技術を用いる（併用する）場合は、製造装置がイオン注入装置、レーザー照射装置および基板加熱装置で構成されるため極めて大型になる。また、上記特許文献１に示す技術を用いない（併用しない）場合に、イオン注入した不純物の高活性化率を高めるためには、レーザー照射エネルギーを高くする必要があり、基板表面に損傷を与える虞がある。また、イオン注入による侵入深さが浅い不純物と深い不純物とを同時に活性化する場合、両方の不純物を効率よく活性化することが困難となる。【００２９】
（６）上記特許文献２および上記特許文献３では、イオン注入した後、基板を加熱した状態でレーザーアニールするという本発明にかかわることについては記載されていない。【００３０】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、素子のおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることを目的とする。また、イオン注入による結晶欠陥を充分に回復させて、所望の拡散プロファイルを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、半導体基板に不純物をイオン注入し、前記半導体基板を加熱しながらレーザーアニールして前記不純物を活性化することを特徴とする。【００３２】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、次の特徴を有する。まず、例えば、ＦＺ−Ｎ基板のような半導体基板の第１主面であるおもて面に、例えば、ＦＳ型ＩＧＢＴのような半導体素子のエミッタ層やゲート電極などのおもて面構造を形成する工程を行う。ついで、前記半導体基板の第２主面である裏面を研削し当該半導体基板を薄板化（薄膜化ともいう）する工程を行う。ついで、薄板化された前記半導体基板の第２主面である裏面に例えばリンやボロンなどの不純物をイオン注入する工程を行う。ついで、前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程を行う。【００３３】
この発明によれば、加熱しながらレーザーアニールすることで活性化率を高めることができる。【００３４】
また、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、上述した発明において、前記半導体基板の加熱温度が、１００℃以上５００℃以下であることを特徴とする。【００３５】
この発明によれば、上記温度範囲にすることで、基板おもて面に形成された半導体素子のおもて面構造に影響を及ぼすことなく、基板裏面にイオン注入した不純物を活性化することができる。【００３６】
また、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、上述した発明において、前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長が、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする。【００３７】
この発明によれば、上記波長範囲とすることで、１μｍ程度の深い拡散深さまでの不純物を効率よく活性化することができる。【００３８】
また、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、上述した発明において、前記レーザー光の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下であることを特徴とする。【００３９】
この発明によれば、照射エネルギー密度が上記範囲内にあることで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができる。照射エネルギー密度が上記範囲を外れると高活性化が困難になったり、おもて面構造に影響を与えたりする。【００４０】
また、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、上述した発明において、前記レーザー光がＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とからなることを特徴とする。【００４１】
この発明によれば、レーザー光を上記組み合わせにすることで、レーザー光の波長を広い範囲にすることができて、拡散深さの浅い拡散層（ｐ+コレクタ層など）と深い拡散層（ＦＳ層）を効率よく高い活性化率で活性化することができる。【００４２】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造装置は、半導体基板を支持する支持手段と、前記半導体基板にレーザー光を照射する照射手段と、前記半導体基板を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。【００４３】
この発明によれば、上記構成を備えた半導体素子の製造装置とすることで、加熱機構を有するレーザーアニール装置になる。【００４４】
また、この発明にかかる半導体素子の製造装置は、上述した発明において、前記支持手段と前記加熱手段が一体化され、前記半導体基板を固定するガイドを有し、前記半導体基板を加熱する例えば、熱板のような基板加熱装置であることを特徴とする。【００４５】
上述した発明によれば、イオン注入層の活性化時に基板を加熱しておくことにより、加熱の効果によりイオン注入層は活性化しやすい状態となる。そこにレーザー照射を行うことにより室温からのレーザーアニール時よりも熱による活性化の作用が大きくなり活性化が容易になる。特に、レーザー照射面より深い側の層に関しては、レーザー照射の熱が伝わりにくいので基板加熱の効果は大きい。ＦＳ層の活性化には有効である。また、イオン注入層の結晶欠陥を充分に回復させることができる。さらに、このレーザーアニールではおもて面構造の温度が５００℃以下に抑制されるので、エミッタ電極などに悪影響（酸化や溶融など）を及ぼさない。それによって、活性化率の高い良好な特性を有する半導体素子の製造方法を提供することができる。【００４６】
また、基板加熱装置を備えたレーザーアニール装置にすることにより、通常の電気炉を使用しなくても活性化を充分に行うことができる。このため、低コストで高活性化を図ることができる半導体素子の製造装置を提供することができる。なお、通常の電気炉（拡散炉など）は基板加熱装置（熱板）に比べて高価である。
【発明の効果】
【００４７】
本発明にかかる半導体装置によれば、素子のおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができるという効果を奏する。また、イオン注入による結晶欠陥を充分に回復させることで、所望の拡散プロファイルを小さなばらつきで得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
【図５】図５は、ＦＳ型ＩＧＢＴ１００の拡散プロファイルを示す特性図である。
【図６】図６は、照射エネルギー密度をパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。
【図７】図７は、レーザーの組み合わせをパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。
【図８】図８は、実施の形態２にかかる半導体素子の製造装置の要部を示す構成図である。
【図９】図９は、従来の低ドーズ量の浅いｐ+コレクタ層を採用したＮＰＴ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
【図１０】図１０は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
【図１１】図１１は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
【図１２】図１２は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１３】図１３は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１４】図１４は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１５】図１５は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１６】図１６は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１７】図１７は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１８】図１８は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
【図１９】図１９は、従来のレーザーアニール装置の要部を示す構成図である。
【図２０】図２０は、拡散プロファイルが不安定になることを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５０】
（実施の形態１）
図１〜４は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。図１〜４では、製造工程途中における半導体素子の要部断面図を工程順に示す。この半導体素子はＦＳ型ＩＧＢＴ１００（図４参照）を例に挙げた。また、製造工程において、おもて面側プロセスについては従来のおもて面側プロセスと同じであるので（図１２〜１４参照）、ここでは裏面側プロセスから説明する。なお、従来と同一の部位には同一の符号を付した。
【００５１】
ＦＺ−Ｎ基板１ｂのおもて面におもて面構造８を形成した後、図１４に示すように、ＦＺ−Ｎ基板１ｂの裏面側より、所望の厚さまでＦＺ−Ｎ基板１ｂをバックグラインドやエッチング等で研削して薄ウエハ化する。これにより、薄膜のＦＺ−Ｎ基板１となる。これは図１５に示すＦＺ−Ｎ基板１と同様である（図１）。
【００５２】
次に、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａよりリン（Ｐ）のイオン注入１２とボロン（Ｂ）のイオン注入１３とをこの順で行い、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａに、ｎ+層９ａおよびｐ+層１０ａをそれぞれ形成する。つまり、ｐ+層１０ａは、ｎ+層９ａの表面層に形成される。また、図示しないが、裏面電極とのオーミックを取るために、ｐ+コレクタ層１０にＢＦ2を注入してさらにｐ++層を形成してもよい（図２）。
【００５３】
次に、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａを上に向けて基板加熱装置３１（例えば熱板）にＦＺ−Ｎ基板１のおもて面側が接するようにして載置する。続いて、基板加熱装置３１の熱１８でＦＺ−Ｎ基板１の温度を１００℃以上５００℃以下の間で一定に保った状態（５分程度保持する）で、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面１ａからレーザー光１４照射によるレーザーアニールを行い、ｎ+層９ａとｐ+層１０ａ（図２参照）を活性化してＦＳ層９（ｎ+フィールドストップ層）とｐ+コレクタ層１０をそれぞれ形成する。このレーザーアニールの条件は、レーザー光１４の波長が２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の範囲で、レーザー光１４の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下の範囲であるのが好ましい。また、この熱処理工程は、ｐ+ベース層４やｎ+エミッタ層５の拡散プロファイルが変化したり、エミッタ電極７が酸化したり溶融したりしないように行う。つまり、レーザーアニールがおもて面構造に悪影響を及ぼさないようにする（図３）。
【００５４】
次に、ｐ+コレクタ層１０の表面に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層、金層などの金属膜を積層した裏面電極（コレクタ電極）１１を形成する（図４）。最後に、図示しないが、チップ状にダイシングしてからおもて面電極であるエミッタ電極７上にアルミワイヤを超音波によるワイヤーボンディングにより固着し、裏面電極１１にはんだ層を介して所定の固定部材（ケースの底部に固着する例えばＣｕベースなど）を接続する。これにより、図４に示すようにＦＳ型ＩＧＢＴ１００が完成する。
【００５５】
（実施例）
続いて、イオン注入およびレーザーアニールの好適な条件に付いて説明する。図５は、ＦＳ型ＩＧＢＴ１００の拡散プロファイルを示す特性図である。この拡散プロファイルはＳＲ（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）法で測定した濃度プロファイルである。実施の形態１に従い、作製時の基板温度を変えた２種類のＦＳ型ＩＧＢＴ１００を作製した。基板温度は、（ａ）室温（加熱なし：図５の点線）と（ｂ）３００℃（基板加熱あり：図５の実線）の２通りである。また、その他の条件は、次のとおりである。基板温度が所定の温度に到達してから５分間放置し、その後でレーザー光を基板の裏面に照射してレーザーアニールした。レーザーとしてはＹＡＧ２ωレーザーを用い、レーザー光の照射エネルギー密度は４Ｊ／ｃｍ2でそのパルス幅は１００ｎｓである。
【００５６】
また、イオン注入の条件は、ｐ+コレクタ層１０となるボロン層のイオン注入量は１×１０15ｃｍ-2、加速電圧は５０ｋｅＶで、ＦＳ層９となるリン層のイオン注入量は１×１０12ｃｍ-2、加速電圧は７００ｋｅＶである。いずれの場合もイオン注入時の傾斜角は７°とした。
【００５７】
図５に示す結果より、（ａ）室温（加熱なし）の場合よりも（ｂ）３００℃（基板加熱あり）の場合の方が、ＦＳ層９の活性化が図れることがわかる。また、上述したように、イオン注入とレーザーアニールが別々の工程で行われるため、所定の温度にあらかじめ保たれた熱板３１にＦＺ−Ｎ基板１を載せて、基板の温度分布が均一で一定になった状態でレーザーアニールを行うことができる。これにより、ＦＺ−Ｎ基板１に形成された各ＩＧＢＴは均一な温度になり、各ＩＧＢＴの特性はＦＺ−Ｎ基板１上の形成位置に依存することなく均一な特性になる。
【００５８】
図６は、照射エネルギー密度をパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。実施の形態１に従い、基板温度および照射エネルギー密度を種々変更して複数のＦＳ型ＩＧＢＴ１００を作製した。ここでは、イオン注入したＦＺ−Ｎ基板１を９００℃、３０ｍｉｎで電気炉アニールしたときのＦＳ層９の拡散深さ（図６中の直線３０）を１００％としている。イオン注入条件は、ｐ+コレクタ層１０となるｐ+層１０ａ（ボロン層）のイオン注入量が１×１０15ｃｍ-2、加速エネルギーが５０ｋｅＶである。ＦＳ層９となるｎ+層９ａ（リン層）のイオン注入量が１×１０12ｃｍ-2、加速電圧が７００ｋｅＶである。またイオン注入時の傾斜角は７°である。
【００５９】
パラメータとなる照射エネルギー密度は、１Ｊ／ｃｍ2、１．２Ｊ／ｃｍ2、２．６Ｊ／ｃｍ2、４Ｊ／ｃｍ2と４通りに変化させ、基板温度は、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃の５通りに変化させて、ＦＺ−Ｎ基板１に裏面１ａからレーザーアニールを行った。ＦＳ層９として機能をさせるためには、レーザーアニールでの拡散深さを電気炉アニールでの拡散深さの７０％にする必要があることが実験的に確かめられている。
【００６０】
図６に示す結果より、照射エネルギー密度が１Ｊ／ｃｍ2ではＦＳ層９の深さを７０％以上にするには（ＦＳ層９を十分に活性化するには）不足であり、照射エネルギー密度としては１．２Ｊ／ｃｍ2以上にする必要があることがわかる。一方、図示しないが照射エネルギー密度が４Ｊ／ｃｍ2を超えると、低い基板温度でもＦＳ層９の深さは７０％に達する。しかし、照射エネルギー密度が高くなり過ぎて、レーザー光１４の照射面が軟化したり溶融したりすることがある。したがって、照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下の範囲であるのがよい。
【００６１】
また、基板温度は、照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下の範囲では、２００℃以上とするのがよい。しかし、基板温度が５００℃を超えると、おもて面電極（エミッタ電極７）であるアルミ電極が酸化したり軟化することがある。そのため、基板温度は２００℃以上５００℃以下の範囲であるのが好ましい。
【００６２】
図７は、レーザーの組み合わせをパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。実施の形態１に従い、基板温度およびレーザーの種類を種々変更して複数のＦＳ型ＩＧＢＴ１００を作製した。ここでは、一定の照射エネルギー密度でレーザーアニールを行う。照射エネルギー密度は例えば４Ｊ／ｃｍ2とする。イオン注入条件は、図６の場合と同じである。基板温度は、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃の５通りである。また、パラメータとなるレーザーは、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）１台の場合（■の折れ線）と、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）２台で遅延時間を５００ｎｓとした場合（●の折れ線）と、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）と半導体レーザー（波長＝７９４ｎｍ）を組み合わせた場合（▲の折れ線）の３通りである。
【００６３】
図７に示す結果より、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）と半導体レーザー（波長７９４ｎｍ）を組み合わせた場合（▲の折れ線）が最もシリコン（Ｓｉ）へのレーザー光１４の吸収がよく、かつレーザー光１４の侵入長が大きく、最もＦＳ層を深く再現性よく安定して形成することができることがわかる。ここで使用した半導体レーザー（直流放射）は、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス放射）が照射している間、基板全体をスキャンしながら照射し続ける。図７からわかるように、ＹＡＧ２ωレーザーと半導体レーザーを組み合わせた場合は、基板温度が１００℃でＦＳ層９の深さが８０％となる。
【００６４】
また、ＹＡＧ２ωレーザー２台の場合（●の折れ線）は、基板温度が１００℃でＦＳ層９の深さが７０％となる。基板加熱をした状態でレーザー（本実施例では２台のレーザーで総エネルギー密度は４Ｊ／ｃｍ2である）の台数を増やして、遅延時間を０ｎｓ以上１０００ｎｓ以下の範囲（本実施例では５００ｎｓである）で照射しても、高い活性化率が得られることがわかる。
【００６５】
一方、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）１台の場合（■の折れ線）には、ＹＡＧ２ωレーザー（パルス幅１００ｎｓ）と半導体レーザー（波長７９４ｎｍ）を組み合わせた場合、およびＹＡＧ２ωレーザー２台の場合に比べて、ＦＳ層９の活性化率が低いことがわかる。
【００６６】
また、ＦＳ層９の深さが電気炉アニールの拡散深さ（１００％の深さ）に近づくにつれてＦＳ層９のイオン注入領域の結晶欠陥も回復されていくことがＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像で確認されている（不図示）。この結晶欠陥の回復は格子間欠陥として導入された不純物原子が格子を組んでいるＳｉ原子と置換されることで起こると推定される。また、結晶欠陥が回復程度をＴＥＭ像で調べ、不純物の活性化をＦＳ層９の深さの程度（１００％の深さからのずれ）から調べることで、両者が同時に進行していることがわかった。また、ＴＥＭ像で調査した結果、結晶欠陥の回復についても基板加熱が有効であることがわかった。
【００６７】
また、本実施例で用いたレーザーは、半導体レーザーと固体レーザーであるＹＡＧ２ω（波長５３２ｎｍ）レーザーの２種類である。固体レーザーとしてはＹＬＦ２ω（波長５２７ｎｍ）、ＹＶＯ４（２ω）（波長５３２ｎｍ）、ＹＡＧ３ω、ＹＬＦ３ω、ＹＶＯ４（３ω）等でもよい。また、これらの固体レーザーの代わりに、ＸｅＣＬ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ）等のエキシマレーザーを用いてもよい。
【００６８】
また、レーザーアニールに用いるレーザー光１４の波長としては２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の範囲がよい。この理由は、レーザー光１４の波長が２００ｎｍ未満では、レーザー光１４の侵入深さが浅く、アニール範囲は最表面層となり、拡散深さの深いＦＳ層９のアニールを行うには不十分であるからである。また、レーザー光１４の波長が９００ｎｍを超えるとレーザー光１４の吸収範囲がＦＳ層９より深くなり、ｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９の活性化率が大幅に低下するからである。
【００６９】
ここで、基板加熱の有効性について説明する。イオン注入層の活性化時にＦＺ−Ｎ基板１を加熱しておくことにより、イオン注入層は活性化しやすい状態となる。そこにレーザー照射を行うことにより、室温からのレーザーアニール時よりも熱による活性化の作用が大きくなり活性化が容易になる。特に、レーザー照射面より深い側の層に関しては、レーザー照射の熱が伝わりにくいので基板加熱による上記効果は大きい。このため、基板を加熱する処理は、ＦＳ層９を活性化する際に有効である。
【００７０】
また、本発明ではイオン注入とレーザーアニールが個別のプロセス工程になるために、レーザー照射する前から基板の温度を所定の温度で一定に保つことができる。このため、ＦＺ−Ｎ基板１に形成した各ＩＧＢＴの特性ばらつきを小さくすることができる。その結果、ＦＳ型ＩＧＢＴ１００の良品率の向上を図ることができる。
【００７１】
以上、実施の形態１および実施例の内容をまとめると、次のようになる。
（１）レーザーアニール条件としては、レーザー光１４の照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下で、基板温度は１００℃以上５００℃以下の範囲とするのがよい。
（２）半導体レーザーと組み合わせずに、ＹＡＧ２ωレーザーなどの固体レーザーのみでレーザーアニールを行う場合には、レーザー光１４の照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2範囲以下で基板温度は２００℃以上５００℃以下の範囲がよく、好ましくは、レーザー光の照射エネルギー密度は２．６Ｊ／ｃｍ2以上４Ｊ／ｃｍ2以下の範囲で、基板温度は３００℃以上５００℃以下の範囲とするのがよい（図６参照）。
（３）ＹＡＧ２ωレーザーなどの固体レーザーと半導体レーザーとを組み合わせる場合およびＹＡＧ２ωレーザーなどの固体レーザーを複数台用いる場合には、照射エネルギー密度が４Ｊ／ｃｍ2のときに、基板温度を１００℃〜５００℃の範囲とするのがよい。また、好ましくは、基板温度を２００℃〜５００℃の範囲とするのがよい（図７参照）。
（４）レーザー光の波長としては２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の範囲が好適である。
（５）（１）〜（４）を実施することで、所望の拡散プロファイルを得ることができる。
【００７２】
なお、本実施例はＦＳ型ＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、これに限るものではない。例えば、ＮＰＴ型ＩＧＢＴのｐ+コレクタ層や逆阻止型ＩＧＢＴのｐ+コレクタ層およびパワーＭＯＳＦＥＴのｎドレイン層の形成、さらにパワーＩＣの裏面拡散層（裏面電極とのオーミック性を確保するための高濃度拡散層）の形成などにも本発明は適用することができ、前記ＦＳ型ＩＧＢＴと同様の効果を得ることができる。
【００７３】
以上、説明したように、実施の形態１によれば、イオン注入層（ｐ+コレクタ層１０およびＦＳ層９）の活性化時に基板を加熱しておくことにより、加熱の効果によりイオン注入層は活性化しやすい状態となる。そこにレーザー照射を行うことにより室温からのレーザーアニール時よりも熱による活性化の作用が大きくなり活性化が容易になる。特に、レーザー照射面より深い側の層に関しては、レーザー照射の熱が伝わりにくいので基板加熱の効果は大きい。つまり、ＦＳ層９の活性化には有効である。また、イオン注入層の結晶欠陥を充分に回復させることができる。したがって、所望の拡散プロファイルを小さなばらつきで得ることができるという効果を奏する。さらに、このレーザーアニールではおもて面構造の温度が５００℃以下に抑制されるので、エミッタ電極などに悪影響（酸化や溶融など）を及ぼさない。したがって、素子のおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができる。
【００７４】
（実施の形態２）
図８は、実施の形態２にかかる半導体素子の製造装置の要部を示す構成図である。図８に示す製造装置は、イオン注入された不純物を活性化するためのレーザーアニールを行う装置であり、レーザー照射装置１５と、レーザー光１４をＦＺ−Ｎ基板１（ウエハ）に導く光学系ミラー１６と、ＦＺ−Ｎ基板１を加熱する基板加熱装置３１と、ＦＺ−Ｎ基板１を基板加熱装置３１に固定するガイド３２（爪）で構成されている。図８に示す製造装置は、例えば、実施の形態１にかかる半導体素子の製造に用いる。基板加熱装置３１にＦＺ−Ｎ基板１を固定するガイド３２を設置することで、ＦＺ−Ｎ基板１を支持する支持手段とＦＺ−Ｎ基板１を加熱する加熱手段の双方の機能を持たせることができる。
【００７５】
また、図８に示す製造装置は、基板加熱を行いながらレーザー照射してレーザーアニールを行うことができる。基板加熱装置３１は、温度を制御することができる熱板（ホットプレート）などであり、基板加熱装置３１にはＦＺ−Ｎ基板１を固定するガイド３２が付いている。基板加熱時に基板（ウエハ）の外周４ｍｍ以内をガイドで固定して、ＦＺ−Ｎ基板１が熱により反り上がらないようにするのが好ましい。
【００７６】
基板加熱装置は、上述した熱板の他に、基板に熱風を送る熱風送風器もしくは基板に遠赤外線などの熱線を照射して基板を加熱する遠赤外線放射器などでもよい。これら熱風送風器や遠赤外線放射器は基板の加熱手段であり、この場合の基板の支持手段としては通常のレーザーアニール装置で用いられている静電チャックや真空チャックなどである。
【００７７】
また、図８に示す製造装置は、基板を加熱する熱板を付加したレーザーアニール装置であり、上記特許文献１に示す製造装置のようにイオン注入装置を含まないので大幅に小型化を図ることができる。また、基板加熱装置を備えたレーザーアニール装置とすることにより、通常の電気炉を使用しなくても短時間で、基板裏面にイオン注入された不純物を十分に活性化させることができる。また、高価な電気炉（拡散炉）を必要としないため、製造コストの低減を図ることができる。
【００７８】
以上、説明したように、実施の形態２によれば、基板加熱装置３１を備えたレーザーアニール装置にすることにより、通常の電気炉を使用しなくても活性化を充分に行うことができる。このため、低コストで高活性化することができる半導体素子の製造装置を提供することができる。また、基板加熱装置（熱板）３１に比べて高価である通常の電気炉（拡散炉など）を用いる必要がないため、製造コストを低減することができる。
【００７９】
以上において本発明では、ＦＳ型ＩＧＢＴを例に説明したが、上述した実施の形態に限らず、パワーＩＣ（集積回路）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）にも適用可能である。また、ｎ型とｐ型をすべて逆転した構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明にかかる半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置は、パワーＩＣ、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴなどの半導体素子を製造するのに有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１  ＦＺ−Ｎ基板（薄板化後）
１ａ  裏面
１ｂ  ＦＺ−Ｎ基板（薄板化前）
２  ゲート酸化膜
３  ゲート電極
４  ｐ+ベース層
５  ｎ+エミッタ層
６  層間絶縁膜
７  エミッタ電極（おもて面電極）
８  おもて面構造
９  ＦＳ層（ｎ+フィールドストップ層）
１０  ｐ+コレクタ層
１１  裏面電極（コレクタ電極）
１２  リンのイオン注入
１３  ボロンのイオン注入
１４  レーザー光
１５  レーザー照射装置
１６  光学系ミラー
１８  熱
２１  ｎ-活性層
２２  ｐ+コレクタ層
３１  基板加熱装置
３２  ガイド
【図１】
2011096326.tif 000003
【図２】
2011096326.tif 000004
【図３】
2011096326.tif 000005
【図４】
2011096326.tif 000006
【図５】
2011096326.tif 000007
【図６】
2011096326.tif 000008
【図７】
2011096326.tif 000009
【図８】
2011096326.tif 000010
【図９】
2011096326.tif 000011
【図１０】
2011096326.tif 000012
【図１１】
2011096326.tif 000013
【図１２】
2011096326.tif 000014
【図１３】
2011096326.tif 000015
【図１４】
2011096326.tif 000016
【図１５】
2011096326.tif 000017
【図１６】
2011096326.tif 000018
【図１７】
2011096326.tif 000019
【図１８】
2011096326.tif 000020
【図１９】
2011096326.tif 000021
【図２０】
2011096326.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月29日(2011.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１主面に半導体素子のおもて面構造を形成する工程と、
前記半導体基板の第２主面を研削し当該半導体基板を１００μｍ以下に薄板化する工程と、
薄板化された前記半導体基板の第２主面に不純物をイオン注入する工程と、
前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程と、
を含み、
前記半導体基板の加熱温度が、１００℃以上５００℃以下であり、
前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長が、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、
前記レーザー光の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ２以上４Ｊ／ｃｍ２以下であり、
前記レーザー光がＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とからなり、ＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とが同時に照射されることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
半導体基板の第１主面に半導体素子のおもて面構造を形成する工程と、
前記半導体基板の第２主面を研削し当該半導体基板を１００μｍ以下に薄板化する工程と、
薄板化された前記半導体基板の第２主面に不純物をイオン注入する工程と、
前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程と、
を含み、
前記半導体基板の加熱温度が、１００℃以上５００℃以下であり、
前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長が、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、
前記レーザー光の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ２以上４Ｊ／ｃｍ２以下であり、
前記レーザー光が２つのＹＡＧ２ωレーザー光源から照射されるものであって、前記２つのレーザー光は１００ｎｓのパルスとして互いに５００ｎｓ間隔で照射されることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
この発明は、半導体素子の製造方法に関する。
背景技術
［０００２］
近年、コンピュータや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗等および電力用半導体素子で構成した電気回路を、１チップ上に集積して形成したパワーＩＣ（集積回路）が多用されている。
［０００３］
ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）の高速スイッチングおよび電圧駆動特性とバイポーラトランジスタの低オン電圧特性とを兼ね備えた電力用半導体素子である。ＩＧＢＴの用途としては、汎用インバータ、ＡＣサーボや無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野への応用が拡大してきている。さらに次世代への開発も進んでおり、新しいチップ構造を用いた、より低オン電圧のものが開発され、応用装置の低損失化や高効率化が図られてきている。
［０００４］
ＩＧＢＴの構造には、パンチスルー（Ｐｕｎｃｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈ、ＰＴ）型、ノンパンチスルー（Ｎｏｎ  Ｐｕｎｃｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈ、ＮＰＴ）型、そしてフィールドストップ（Ｆｉｅｌｄ  Ｓｔｏｐ、ＦＳ）型等がある。そして、現在量産されているＩＧＢＴは、一部のオーディオ・パワー・アンプ用のｐチャネル型ＩＧＢＴを除いて、ほぼすべて、ｎチャネル型の縦型二重拡散構造となっている。以下では、特に示した場合を除き、ＩＧＢＴとはｎチャネル型ＩＧＢＴをいうものとする。
［０００５］
ＰＴ型ＩＧＢＴは、ｐ＋エピタキシャル基板（ｐ＋コレクタ層）とｎ−層（ｎ−活性層）の間にｎ＋層（ｎ＋バッファ層）を設け、ｎ−活性層中の空乏層がｎバッファ層に到達する構造であり、ＩＧＢＴで主流の基本構造となっている。し
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
る。つまり、曲線１１１は、イオン注入とレーザー照射とを同時に行った場合の活性化状態を示している。レーザーアニールは、照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ２のＹＡＧ２ωレーザーを用いている。一方、レーザー光が照射されない領域（レーザーアニールされていないチップ）１０３では、点線で示す曲線１１２のようにｐ＋コレクタ層１０およびＦＳ層９の活性化が不十分になる。これは、イオン注入とレーザー照射を同時に行う条件で、基板全面をイオン注入するのに要する時間がレーザー照射するのに要する時間より短い場合に生じる。また、イオン注入を室温で行った状態では（チップの平面形状は不図示）、一点鎖線で示す曲線１１３のように、ｐ＋コレクタ層１０およびＦＳ層９は活性化されない。
［００２８］
また、上記特許文献１に示す技術を用いる（併用する）場合は、製造装置がイオン注入装置、レーザー照射装置および基板加熱装置で構成されるため極めて大型になる。また、上記特許文献１に示す技術を用いない（併用しない）場合に、イオン注入した不純物の高活性化率を高めるためには、レーザー照射エネルギーを高くする必要があり、基板表面に損傷を与える虞がある。また、イオン注入による侵入深さが浅い不純物と深い不純物とを同時に活性化する場合、両方の不純物を効率よく活性化することが困難となる。
［００２９］
（６）上記特許文献２および上記特許文献３では、イオン注入した後、基板を加熱した状態でレーザーアニールするという本発明にかかわることについては記載されていない。
［００３０］
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、素子のおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることを目的とする。また、イオン注入による結晶欠陥を充分に回復させて、所望の拡散プロファイルを得ることを目的とする。
課題を解決するための手段
［００３１］
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、次の特徴を有する。まず、例えば、ＦＺ−Ｎ基板のような半導体基板の第１主面であるおもて面に、例えば、ＦＳ型ＩＧＢＴのような半導体素子のエミッタ層やゲート電極などのおもて面構造を形成する工程を行う。つぎに、前記半導体基板の第２主面である裏面を研削し当該半導体基板を１００μｍ以下に薄板化（薄膜化ともいう）する工程を行う。つぎに、薄板化された前記半導体基板の第２主面である裏面に例えばリンやボロンなどの不純物をイオン注入する工程を行う。つぎに、前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程を行う。このレーザーアニール工程において、前記半導体基板の加熱温度は、１００℃以上５００℃以下である。前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長は、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である。前記レーザー光の照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ２以上４Ｊ／ｃｍ２以下である。そして、前記レーザー光はＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とからなり、ＹＡＧ２ωレーザー光と半導体レーザー光とが同時に照射される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
［００３２］
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、次の特徴を有する。まず、例えば、ＦＺ−Ｎ基板のような半導体基板の第１主面であるおもて面に、例えば、ＦＳ型ＩＧＢＴのような半導体素子のエミッタ層やゲート電極などのおもて面構造を形成する工程を行う。つぎに、前記半導体基板の第２主面である裏面を研削し当該半導体基板を１００μｍ以下に薄板化する工程を行う。つぎに、薄板化された前記半導体基板の第２主面である裏面に例えばリンやボロンなどの不純物をイオン注入する工程を行う。つぎに、前記薄板化された半導体基板を加熱した状態でレーザー光を前記第２主面に照射してレーザーアニールし前記不純物を活性化する工程を行う。このレーザーアニール工程において、前記半導体基板の加熱温度は、１００℃以上５００℃以下である。前記レーザーアニールで用いられるレーザー光の波長は、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である。前記レーザー光の照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ２以上４Ｊ／ｃｍ２以下である。また、前記レーザー光は２つのＹＡＧ２ωレーザー光源から照射されるものである。そして、前記２つのレーザー光は１００ｎｓのパルスとして互いに５００ｎｓ間隔で照射される。
［００３３］
上述した発明によれば、加熱しながらレーザーアニールすることで活性化率を高めることができる。また、上記温度範囲にすることで、基板おもて面に形成された半導体素子のおもて面構造に影響を及ぼすことなく、基板裏面にイオン注入した不純物を活性化することができる。そして、上記波長範囲とすることで、１μｍ程度の深い拡散深さまでの不純物を効率よく活性化することができる。さらに、照射エネルギー密度が上記範囲内にあることで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができる。照射エネルギー密度が上記範囲を外れると高活性化が困難になったり、おもて面構造に影響を与えたりする。また、レーザー光を上記組み合わせにすることで、レーザー光の波長を広い範囲にすることができて、拡散深さの浅い拡散層（ｐ＋コレクタ層など）と深い拡散層（ＦＳ層）を効率よく高い活性化率で活性化することができる。
［００３４］
また、上述した発明によれば、イオン注入層の活性化時に基板を加熱しておくことにより、加熱の効果によりイオン注入層は活性化しやすい状態となる。そこにレーザー照射を行うことにより室温からのレーザーアニール時よりも熱による活性化の作用が大きくなり活性化が容易になる。特に、レーザー照射面より深い側の層に関しては、レーザー照射の熱が伝わりにくいので基板加熱の効果は大きい。ＦＳ層の活性化には有効である。また、イオン注入層の結晶欠陥を充分に回復させることができる。さらに、このレーザーアニールではおもて面構造の温度が５００℃以下に抑制されるので、エミッタ電極などに悪影響（酸化や溶融など）を及ぼさない。それによって、活性化率の高い良好な特性を有する半導体素子の製造方法を提供することができる。
［００３５］
［００３６］
［００３７］
［００３８］
［００３９］
［００４０］
［００４１］
［００４２］
［００４３］
［００４４］
［００４５］
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
［００４６］
発明の効果
［００４７］
本発明にかかる半導体装置によれば、素子のおもて面構造に悪影響を及ぼさないで、裏面にイオン注入された不純物の活性化率を高めることができるという効果を奏する。また、イオン注入による結晶欠陥を充分に回復させることで、所望の拡散プロファイルを小さなばらつきで得ることができるという効果を奏する。
図面の簡単な説明
［００４８］
［図１］図１は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
［図２］図２は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
［図３］図３は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
［図４］図４は、実施の形態１にかかる半導体素子の製造方法について示す断面図である。
［図５］図５は、ＦＳ型ＩＧＢＴ１００の拡散プロファイルを示す特性図である。
［図６］図６は、照射エネルギー密度をパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。
［図７］図７は、レーザーの組み合わせをパラメータとした基板温度に対するＦＳ層の深さを示す特性図である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［図８］図８は、実施の形態２にかかる半導体素子の製造装置の要部を示す構成図である。
［図９］図９は、従来の低ドーズ量の浅いｐ＋コレクタ層を採用したＮＰＴ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
［図１０］図１０は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
［図１１］図１１は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの要部を示す断面図である。
［図１２］図１２は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１３］図１３は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１４］図１４は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１５］図１５は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１６］図１６は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１７］図１７は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法について示す断面図である。
［図１８］図１８は、従来のＦＳ型ＩＧＢＴの製造方法についで示す断面図である。
［図１９］図１９は、従来のレーザーアニール装置の要部を示す構成図である。
［図２０］図２０は、拡散プロファイルが不安定になることを説明する説明図である。
発明を実施するための形態
［００４９］
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
ができる。また、高価な電気炉（拡散炉）を必要としないため、製造コストの低減を図ることができる。
［００７８］
以上、説明したように、実施の形態２によれば、基板加熱装置３１を備えたレーザーアニール装置にすることにより、通常の電気炉を使用しなくても活性化を充分に行うことができる。このため、低コストで高活性化することができる半導体素子の製造装置を提供することができる。また、基板加熱装置（熱板）３１に比べて高価である通常の電気炉（拡散炉など）を用いる必要がないため、製造コストを低減することができる。
［００７９］
以上において本発明では、ＦＳ型ＩＧＢＴを例に説明したが、上述した実施の形態に限らず、パワーＩＣ（集積回路）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）にも適用可能である。また、ｎ型とｐ型をすべて逆転した構成とすることも可能である。
産業上の利用可能性
［００８０］
以上のように、本発明にかかる半導体素子の製造方法は、パワーＩＣ、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴなどの半導体素子を製造するのに有用である。
符号の説明
［００８１］
１  ＦＺ−Ｎ基板（薄板化後）
１ａ  裏面
１ｂ  ＦＺ−Ｎ基板（薄板化前）
２  ゲート酸化膜
３  ゲート電極
４  ｐ＋ベース層
５  ｎ＋エミッタ層
６  層間絶縁膜
７  エミッタ電極（おもて面電極）
８  おもて面構造
９  ＦＳＭ（ｎ＋フィールドストップ層）
【国際調査報告】
2011096326.tif 000023
2011096326.tif 000024
2011096326.tif 000025
2011096326.tif 000026
2011096326.tif 000027
2011096326.tif 000028