(57)【要約】【課題】  半導体基板の表面に光を照射して不純物を活性化させるときに、半導体基板の裏面の温度上昇を抑制する方法を提供する。【解決手段】  光吸収層形成工程では、表面と裏面を有する半導体基板の表面上または内部に、隣接する半導体層よりも光吸収率が高い光吸収層を形成する。ここでは、光吸収層が裏面よりも表面に近い範囲に分布するように光吸収層を形成する。高濃度層形成工程では、半導体基板に不純物を注入することによって、不純物濃度が上昇した高濃度層を形成する。加熱工程では、高濃度層を加熱することによって、高濃度層内の不純物を活性化させる。光吸収層形成工程と高濃度層形成工程が、光吸収層と高濃度層が少なくとも部分的に重複するように実施される。高濃度層を加熱する工程では、表面側から高濃度層に向かって光を照射することによって高濃度層を加熱する。【選択図】図５
2018107190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法であって、
表面と裏面を有する半導体基板の前記表面上または内部に、隣接する半導体層よりも光吸収率が高い光吸収層を形成する工程であって、前記光吸収層を形成した後の前記半導体基板において前記光吸収層が前記裏面よりも前記表面に近い範囲に分布するように前記光吸収層を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物を注入することによって、不純物濃度が上昇した高濃度層を形成する工程と、
前記高濃度層を加熱することによって、前記高濃度層内の不純物を活性化させる工程、
を有し、
前記光吸収層を形成する工程と前記高濃度層を形成する工程が、前記光吸収層と前記高濃度層が少なくとも部分的に重複するように実施され、
前記高濃度層を加熱する工程では、前記表面側から前記高濃度層に向かって光を照射することによって前記高濃度層を加熱する、
製造方法。
【請求項２】
前記高濃度層が、前記高濃度層の不純物濃度上昇量のピーク値の１０％以上の不純物濃度上昇量を有する主要層を有しており、
前記光吸収層を形成する工程と前記高濃度層を形成する工程が、前記光吸収層と前記主要層が少なくとも部分的に重複するように実施される請求項１の製造方法。
【請求項３】
前記光吸収層を形成する工程と前記高濃度層を形成する工程が、前記光吸収層の全体が前記主要層内に位置するように実施される請求項２の製造方法。
【請求項４】
前記光吸収層を形成する工程と前記高濃度層を形成する工程が、前記高濃度層の不純物濃度上昇量のピーク値の位置と前記光吸収層とが重複するように実施される請求項１〜３のいずれか一項の製造方法。
【請求項５】
前記光吸収層が、前記半導体基板に不活性イオンを注入することによって結晶欠陥密度を上昇させた領域である請求項１〜４のいずれか一項の製造方法。
【請求項６】
前記光吸収層が、前記光吸収層を形成する前の前記半導体基板の表面上に成長させたアモルファス層である請求項１〜４のいずれか一項の製造方法。
【請求項７】
前記高濃度層を加熱する工程において、前記光吸収層を結晶化させる請求項５または６の製造方法。
【請求項８】
前記半導体基板が、シリコン基板であり、
前記光吸収層が、アモルファスシリコン層である、
請求項１〜７のいずれか一項の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
特許文献１には、半導体基板の表面に不純物を注入し、その後、その表面にレーザを照射することで、半導体基板に注入された不純物を活性化させる技術が開示されている。また、この技術では、パルス幅の異なる２種類のレーザを半導体基板の表面に照射することで、半導体基板の裏面（光が照射された半導体基板の表面とは反対側の面）の温度上昇を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０３６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、半導体基板がますます薄板化している。このため、光の照射によって半導体基板内の不純物を活性化させるときに、裏面の温度が上昇し易くなっている。したがって、本明細書では、半導体基板の表面に光を照射して不純物を活性化させるときに、半導体基板の裏面の温度上昇を好適に抑制することが可能な別の技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、光吸収層形成工程、高濃度層形成工程、及び、加熱工程を有している。前記光吸収層形成工程では、表面と裏面を有する半導体基板の前記表面上または内部に、隣接する半導体層よりも光吸収率が高い光吸収層を形成する。ここでは、前記光吸収層を形成した後の前記半導体基板において前記光吸収層が前記裏面よりも前記表面に近い範囲に分布するように前記光吸収層を形成する。前記高濃度層形成工程では、前記半導体基板に不純物を注入することによって、不純物濃度が上昇した高濃度層を形成する。前記加熱工程では、前記高濃度層を加熱することによって、前記高濃度層内の不純物を活性化させる。前記光吸収層形成工程と前記高濃度層形成工程が、前記光吸収層と前記高濃度層が少なくとも部分的に重複するように実施される。前記高濃度層を加熱する工程では、前記表面側から前記高濃度層に向かって光を照射することによって前記高濃度層を加熱する。
【０００６】
なお、光吸収層は、元の半導体基板（光吸収層を形成する前の半導体基板）の表面上に形成されてもよいし、元の半導体基板の内部に形成されてもよい。元の半導体基板の表面上に光吸収層が形成される場合には、光吸収層と元の半導体基板との全体を光吸収層形成後の半導体基板という。すなわち、光吸収層形成後の半導体基板は、光吸収層を含む。
【０００７】
また、光吸収層形成工程と高濃度層形成工程は、いずれを先に実施してもよい。光吸収層形成工程後に高濃度層形成工程を実施する場合には、高濃度層は、光吸収層と少なくとも部分的に重複する範囲であればどの範囲に形成されてもよい。例えば、高濃度層が光吸収層の内部のみに形成されてもよいし、高濃度層が光吸収層の内部と外部に跨って形成されてもよい。また、高濃度層形成工程後に光吸収層形成工程を実施する場合には、光吸収層は、高濃度層と少なくとも部分的に重複する範囲であればどの範囲に形成されてもよい。例えば、光吸収層が高濃度層の内部のみに形成されてもよいし、光吸収層が高濃度層の内部と外部に跨って形成されてもよい。
【０００８】
この製造方法では、加熱工程において、半導体基板の表面側から高濃度層に向かって光が照射される。照射された光は、光吸収層で効率的に吸収され、光吸収層が効率的に加熱される。光吸収層と高濃度層が少なくとも部分的に重複しているので、高濃度層も効率的に加熱される。このように、高濃度層が効率的に加熱されて、高濃度層内の不純物が活性化される。また、光吸収層での光の吸収率が高いので、光吸収層よりも裏面側まで到達する光が少ない。このため、光吸収層よりも裏面側では温度上昇が抑制される。したがって、半導体基板の裏面の温度上昇が抑制される。したがって、この製造方法によれば、裏面の温度上昇を抑制しながら、高濃度層内の不純物を活性化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】半導体装置の断面図。
【図２】上面側の構造を形成した後の半導体基板の断面図。
【図３】高濃度層形成工程の説明図（下面近傍の拡大断面図。）。
【図４】高濃度層内のｎ型不純物濃度分布を示すグラフ。
【図５】アモルファス層形成工程の説明図（下面近傍の拡大断面図。）。
【図６】アモルファス層形成工程の説明図（下面近傍の拡大断面図。）。
【図７】高濃度層形成工程の説明図（下面近傍の拡大断面図。）。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１０】
図１は、後述する実施例１、２の製造方法により製造される半導体装置１０を示している。半導体装置１０は、半導体基板１２と、上部電極１４と、下部電極１６を有している。半導体基板１２は、シリコン単結晶により構成されている。上部電極１４は、半導体基板１２の上面１２ａに接している。下部電極１６は、半導体基板１２の下面１２ｂに接している。半導体基板１２は、ＩＧＢＴとして動作するＩＧＢＴ領域２０と、ダイオードとして動作するダイオード領域４０を有している。ＩＧＢＴ領域２０内のＩＧＢＴが動作する場合には、上部電極１４がエミッタ電極として機能し、下部電極１６がコレクタ電極として機能する。ダイオード領域４０内のダイオードが動作する場合には、上部電極１４がアノード電極として機能し、下部電極１６がカソード電極として機能する。ＩＧＢＴ領域２０の内部の上面１２ａ側の範囲には、ｎ型のソース領域、ｐ型のボディ領域、トレンチゲート電極等が設けられている。ダイオード領域４０の内部の上面１２ａ側の範囲には、ｐ型のアノード領域等が設けられている。ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０の上面１２ａ側の構造については、従来公知であるので、詳細な説明を省略する。
【００１１】
半導体基板１２の内部の下面１２ｂ側の範囲には、ドリフト層２７、バッファ層２８、コレクタ層３０及びカソード層４４が設けられている。ドリフト層２７は、ｎ型不純物濃度が低いｎ型層である。ドリフト層２７は、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０に跨って分布している。バッファ層２８は、ドリフト層２７よりもｎ型不純物濃度が高いｎ型層である。バッファ層２８は、ドリフト層２７の下側に配置されている。バッファ層２８は、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０に跨って分布している。コレクタ層３０は、ｐ型層である。コレクタ層３０は、ＩＧＢＴ領域２０内のバッファ層２８の下側に配置されている。コレクタ層３０は、下面１２ｂにおいて下部電極１６にオーミック接触している。カソード層４４は、バッファ層２８よりもｎ型不純物濃度が高いｎ型層である。カソード層４４は、ダイオード領域４０内のバッファ層２８の下側に配置されている。カソード層４４は、下面１２ｂにおいて下部電極１６にオーミック接触している。
【実施例１】
【００１２】
次に、実施例１の製造方法について説明する。まず、ｎ型のシリコン単結晶により構成されている半導体基板１２を準備する。次に、図２に示すように、従来公知の方法によって半導体装置１０の上面１２ａ側の構造を形成する。次に、上部電極１４の表面に保護テープ６０を貼り付ける。次に、半導体基板１２の下面１２ｂを研磨することで、半導体基板１２を薄板化する。この段階で、半導体基板１２の厚みが、１４０μｍ以下となる。また、この段階では、半導体基板１２の下面１２ｂに、ドリフト層２７が露出している。
【００１３】
次に、図３に示すように、下面１２ｂから半導体基板１２の内部にｎ型不純物（本実施形態では、リン）をイオン注入する。ここでは、ｎ型不純物の平均停止位置が、下面１２ｂから約２μｍの深さとなるようにｎ型不純物を注入する。これによって、半導体基板１２の内部に、ｎ型不純物濃度が注入前に比べて上昇した高濃度層７０が形成される。図４は、高濃度層７０の内部とその周辺のｎ型不純物濃度分布を示している。図４の縦軸に示すｎ型不純物濃度は、ｎ型不純物注入によって上昇したｎ型不純物の上昇量と略等しい。図４に示すように、深さ約２μｍの位置を中心に、深さ約１μｍから深さ約３μｍの範囲に、高濃度層７０が形成される。また、深さ約２μｍの位置に、高濃度層７０のｎ型不純物濃度のピーク値Ｐ１が形成される。以下では、高濃度層７０のうち、ピーク値Ｐ１の１０分の１以上のｎ型不純物濃度を有する層を、主要層７２という。
【００１４】
次に、図５に示すように、下面１２ｂから半導体基板１２の内部に不活性イオン（本実施例では、シリコン）を注入する。ここでは、注入される不活性イオンの平均停止位置が、下面１２ｂから約２μｍの深さとなるように不活性イオンを注入する。不活性イオンの停止位置に、結晶欠陥が形成される。ここでは、８×１０１４ｃｍ−２以上のドーズ量で不活性イオンを注入する。このように高いドーズ量で不活性イオンを注入すると、その平均停止位置周辺において半導体基板（すなわち、単結晶シリコン）の結晶性が破壊され、アモルファス層７６（すなわち、アモルファスシリコン）が形成される。アモルファス層７６は、アモルファス層７６に隣接する半導体層（結晶性を有する半導体層）よりも高い光吸収率を有する。また、アモルファス層７６は、アモルファス層７６に隣接する半導体層（結晶性を有する半導体層）よりも低い熱伝導率を有する。図４、５に示すように、アモルファス層７６は、ｎ型不純物濃度のピーク値Ｐ１の深さと重複するように形成される。また、アモルファス層７６は、その全体が高濃度層７０の主要層７２に含まれるように形成される。
【００１５】
次に、カソード層４４に相当する範囲にｎ型不純物（本実施例では、ボロン）を注入し、コレクタ層３０に相当する範囲にｐ型不純物（本実施例では、リン）を注入する。
【００１６】
次に、半導体基板１２の下面１２ｂに、ＩＲレーザ（赤外線レーザ）を照射する。ＩＲレーザは、波長が約８０８ｎｍのレーザである。室温におけるＩＲレーザの単結晶シリコンに対する侵入長は、約１０．７μｍである。なお、侵入長とは、表面におけるレーザのエネルギーを１としたときに、レーザのエネルギーが１／ｅ（ｅ≒２．７１８）まで減衰する深さである。ＩＲレーザの侵入長がアモルファス層７６の深さ（約２μｍ）よりも長いので、下面１２ｂに照射されたレーザはアモルファス層７６まで到達する。
【００１７】
上述したように、アモルファス層７６の光吸収率は高い。このため、アモルファス層７６でレーザが効率的に吸収され、アモルファス層７６が効率的に加熱される。このため、アモルファス層７６と重複する範囲の高濃度層７０が効率的に加熱される。また、アモルファス層７６に隣接する範囲の高濃度層７０も、アモルファス層７６からの熱伝導やレーザの吸収によって加熱される。このため、高濃度層７０全体が高温まで加熱される。
【００１８】
また、アモルファス層７６内でレーザが吸収されるので、アモルファス層７６内でレーザが急激に減衰する。したがって、アモルファス層７６よりも上面１２ａ側には、ほとんどレーザが届かない。また、アモルファス層７６の熱伝導率が低いので、アモルファス層７６よりも上面１２ａ側には熱が伝わり難い。このため、上面１２ａの温度上昇が抑制される。
【００１９】
このように、アモルファス層７６を設けることで、上面１２ａの温度上昇を抑制することができるとともに、アモルファス層７６及び高濃度層７０を効率的に加熱することができる。上面１２ａの温度上昇が抑制されることで、保護テープ６０や上部電極１４の劣化が抑制される。また、上面１２ａの温度上昇が抑制されることで、上面１２ａ側の範囲の半導体層内の不純物の拡散が抑制され、安定した特性で半導体装置１０を製造することが可能となる。また、アモルファス層７６が加熱されると、アモルファス層７６が結晶化する。アモルファス層７６の略全体が、ＩＲレーザの照射中に結晶化する。また、高濃度層７０内では、加熱によってｎ型不純物が電気的に活性化する。これによって、ｎ型のバッファ層２８が形成される。
【００２０】
次に、半導体基板１２の下面１２ｂに、緑色レーザを照射することで、半導体基板１２の下面１２ｂ近傍の範囲を加熱する。緑色レーザは、波長が約５３２ｎｍのレーザである。室温における緑色レーザの単結晶シリコンに対する侵入長は、約０．９６μｍである。緑色レーザの単結晶シリコンに対する侵入長は短いので、下面１２ｂ近傍の表層部が効率的に加熱される。これによって、この表層部に注入されたｐ型不純物とｎ型不純部物が活性化する。これによって、コレクタ層３０とカソード層４４が形成される。
【００２１】
その後、下面１２ｂを覆うように下部電極１６を形成し、保護テープ６０を除去することで、図１の半導体装置１０が完成する。保護テープ６０が高温に曝されていないので、保護テープ６０が変質していない。このため、保護テープ６０を好適に除去することができる。
【００２２】
なお、上述した実施例１では、ｎ型不純物濃度のピーク値Ｐ１の位置とアモルファス層７６の位置が重なり、アモルファス層７６が高濃度層７０の主要層７２に含まれるようにアモルファス層７６を形成した。しかしながら、アモルファス層７６の少なくとも一部が高濃度層７０の少なくとも一部と重複するように形成されていれば、アモルファス層７６を形成する範囲は適宜変更することができる。アモルファス層７６の少なくとも一部が高濃度層７０の少なくとも一部と重複するように形成されていれば、高濃度層７０を効率的に加熱することができるとともに、上面１２ａの温度上昇を抑制することができる。例えば、アモルファス層７６が主要層７２の外部の高濃度層７０の内部に設けられてもよい。また、例えば、アモルファス層７６が、高濃度層７０の内部から高濃度層７０の外部まで跨るように設けられてもよい。但し、実施例１のように、ｎ型不純物濃度のピーク値Ｐ１の位置とアモルファス層７６の位置が重なり、アモルファス層７６が高濃度層７０の主要層７２に含まれるようにアモルファス層７６が形成されていると、高濃度層７０をより効率的に加熱することができる。このため、少ないエネルギーで高濃度層７０を加熱することが可能であり、半導体基板１２に与える熱量が少なくて済むので、上面１２ａの温度上昇をより抑制することができる。
【００２３】
また、上述した実施例１では、高濃度層７０を形成した後にアモルファス層７６を形成したが、アモルファス層７６を形成した後に高濃度層７０を形成してもよい。
【実施例２】
【００２４】
次に、実施例２の製造方法について説明する。実施例２の製造方法では、実施例１の製造方法と同様にして、図２の構造を得る。次に、図６に示すように、半導体基板１２の下面１２ｂ上に、アモルファスシリコンによって構成されているアモルファス層７６を成長させる。例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）、プラズマＣＶＤ、または、光ＣＶＤ等によって、アモルファス層７６を成長させることができる。ここでは、３μｍ以下の厚みのアモルファス層７６を形成する。なお、以下では、アモルファス層７６形成前の半導体基板１２とアモルファス層７６とをまとめて半導体基板１２と呼ぶ。したがって、アモルファス層７６の表面を、半導体基板１２の下面１２ｂと呼ぶ。
【００２５】
次に、図７に示すように、下面１２ｂからアモルファス層７６の内部にｎ型不純物（本実施形態では、リン）を注入する。ここでは、ｎ型不純物の平均停止位置が、下面１２ｂから約２μｍの深さとなるようにｎ型不純物を注入する。これによって、アモルファス層７６の内部に、ｎ型不純物濃度が注入前に比べて上昇した高濃度層７０が形成される。図７に示すように、高濃度層７０の全体が、アモルファス層７６に含まれる。
【００２６】
次に、アモルファス層７６の表層部のカソード層４４に相当する範囲にｎ型不純物（本実施例では、ボロン）を注入し、アモルファス層７６の表層部のコレクタ層３０に相当する範囲にｐ型不純物（本実施例では、リン）を注入する。
【００２７】
次に、半導体基板１２の下面１２ｂに、ＩＲレーザ（赤外線レーザ）を照射する。実施例２では、アモルファス層７６が下面１２ｂに露出しているので、ＩＲレーザがアモルファス層７６に照射される。アモルファス層７６の光吸収率が高いので、アモルファス層７６でレーザが効率的に吸収され、アモルファス層７６が効率的に加熱される。このため、アモルファス層７６と重複する高濃度層７０全体が効率的に加熱される。
【００２８】
また、アモルファス層７６内でレーザが吸収されるので、アモルファス層７６内でレーザが急激に減衰する。したがって、アモルファス層７６よりも上面１２ａ側には、ほとんどレーザが届かない。また、アモルファス層７６の熱伝導率が低いので、アモルファス層７６よりも上面１２ａ側には熱が伝わり難い。このため、上面１２ａの温度上昇が抑制される。
【００２９】
このように、アモルファス層７６を設けることで、上面１２ａの温度上昇を抑制することができるとともに、アモルファス層７６及び高濃度層７０を効率的に加熱することができる。アモルファス層７６が加熱されると、アモルファス層７６が結晶化する。また、高濃度層７０内では、加熱によってｎ型不純物が活性化する。これによって、ｎ型のバッファ層２８が形成される。
【００３０】
次に、半導体基板１２の下面１２ｂに、緑色レーザを照射することで、半導体基板１２の下面１２ｂ近傍の範囲を加熱する。緑色レーザの単結晶シリコンに対する侵入長は短いので、下面１２ｂ近傍の表層部が効率的に加熱される。これによって、この表層部に注入されたｐ型不純物とｎ型不純部物が活性化する。これによって、コレクタ層３０とカソード層４４が形成される。
【００３１】
その後、下面１２ｂを覆うように下部電極１６を形成し、保護テープ６０を除去することで、図１の半導体装置１０が完成する。保護テープ６０が高温に曝されていないので、保護テープ６０が変質していない。このため、保護テープ６０を好適に除去することができる。
【００３２】
なお、上述した実施例２では、高濃度層７０の全体がアモルファス層７６の内部に含まれていたが、高濃度層７０がアモルファス層７０の内部から外部に跨って分布していてもよい。
【００３３】
また、上述した実施例１、２では、レーザによって高濃度層７０を加熱したが、レーザ以外の光によって高濃度層７０を加熱してもよい。
【００３４】
実施例の構成要素と請求項の構成要素との関係について説明する。実施例の半導体基板１２の下面１２ｂは、請求項の半導体基板の表面の一例である。実施例の半導体基板１２の上面１２ａは、請求項の半導体基板の裏面の一例である。実施例のアモルファス層７６は、請求項の光吸収層の一例である。
【００３５】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００３６】
本明細書が開示する一例の製造方法では、高濃度層が、高濃度層の不純物濃度上昇量のピーク値の１０％以上の不純物濃度上昇量を有する主要層を有している。ここで、光吸収層を形成する工程と高濃度層を形成する工程が、光吸収層と主要層が少なくとも部分的に重複するように実施されてもよい。
【００３７】
この構成によれば、高濃度層の主要層を効率的に加熱することができる。
【００３８】
本明細書が開示する一例の製造方法では、光吸収層を形成する工程と高濃度層を形成する工程が、光吸収層の全体が主要層内に位置するように実施されてもよい。
【００３９】
この構成によれば、高濃度層の主要層をさらに効率的に加熱することができる。
【００４０】
本明細書が開示する一例の製造方法では、光吸収層を形成する工程と高濃度層を形成する工程が、高濃度層の不純物濃度上昇量のピーク値の位置と光吸収層とが重複するように実施されてもよい。
【００４１】
この構成によれば、高濃度層の前記ピーク値の位置を効率的に加熱することができる。
【００４２】
本明細書が開示する一例の製造方法では、光吸収層が、半導体基板に不活性イオンを注入することによって結晶欠陥密度を上昇させた領域であってもよい。
【００４３】
なお、不活性イオンとしては、例えば、シリコン、ヘリウム、ネオン、アルゴン等を用いることができる。
【００４４】
本明細書が開示する一例の製造方法では、高濃度層を加熱する工程において、光吸収層を結晶化させてもよい。
【００４５】
この構成によれば、より良い特性を有する半導体装置を製造することができる。
【００４６】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０    ：半導体装置
１２    ：半導体基板
１４    ：上部電極
１６    ：下部電極
２０    ：ＩＧＢＴ領域
２７    ：ドリフト層
２８    ：バッファ層
３０    ：コレクタ層
４０    ：ダイオード領域
４４    ：カソード層
６０    ：保護テープ
７０    ：高濃度層
７２    ：主要層
７６    ：アモルファス層
【図１】
2018107190.tif 000003
【図２】
2018107190.tif 000004
【図３】
2018107190.tif 000005
【図４】
2018107190.tif 000006
【図５】
2018107190.tif 000007
【図６】
2018107190.tif 000008
【図７】
2018107190.tif 000009