(57)【要約】【課題】半導体装置の素子構造及び半導体基板を損傷させることなく、不純物元素を半導体基板に深く導入できる。【解決手段】不純物導入方法は、固体材料からなる対象物の表面上に、不純物元素を含む不純物源膜を堆積するステップと、予備照射期間ｔ１において、不純物元素の導入開始温度より低い温度で表面を予備加熱するように、光パルスを予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅで不純物源膜に向けて照射するステップと、予備照射期間ｔ１に連続する本照射期間ｔ２において、予備加熱された表面を導入開始温度以上の温度で本加熱するように、光パルスを予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅからピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに連続的に変化させ、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋで不純物源膜に向けて照射するステップと、を含み、本照射期間ｔ２において対象物の内部に不純物元素を導入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料からなる対象物の表面上に、不純物元素を含む不純物源膜を堆積するステップと、
予備照射期間において、前記不純物元素の導入開始温度より低い温度で前記表面を予備加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射するステップと、
前記予備照射期間に連続する本照射期間において、予備加熱された前記表面を前記導入開始温度以上の温度で本加熱するように、前記光パルスを前記第１のエネルギー密度から第２のエネルギー密度に連続的に変化させ、前記第２のエネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射するステップと、
を含み、前記本照射期間において前記対象物の内部に前記不純物元素を導入することを特徴とする不純物導入方法。
【請求項２】
前記固体材料は、ワイドバンドギャップ半導体材料であることを特徴とする請求項１に記載の不純物導入方法。
【請求項３】
前記光パルスの波長は、前記固体材料の禁制帯幅より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の不純物導入方法。
【請求項４】
前記予備照射期間は、１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の不純物導入方法。
【請求項５】
前記予備照射期間に、前記第１のエネルギー密度を一定値で照射する処理を含むように行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の不純物導入方法。
【請求項６】
前記本照射期間に、前記第２のエネルギー密度を一定値で照射する処理を含むように行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の不純物導入方法。
【請求項７】
前記第１のエネルギー密度の大きさは、前記第２のエネルギー密度の５０％以下であることを特徴とする請求項６に記載の不純物導入方法。
【請求項８】
前記本照射期間に連続する事後照射期間において、前記導入開始温度以上の前記表面の降温速度を緩和するように、前記光パルスを前記第２のエネルギー密度から前記第２のエネルギー密度より低い第３のエネルギー密度に連続的に変化させ、前記第３のエネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の不純物導入方法。
【請求項９】
前記事後照射期間に、前記第３のエネルギー密度を一定値で照射する処理を含むように行うことを特徴とする請求項８に記載の不純物導入方法。
【請求項１０】
前記第３のエネルギー密度の大きさは、前記第２のエネルギー密度の５０％以下であることを特徴とする請求項９に記載の不純物導入方法。
【請求項１１】
前記不純物源膜を堆積するステップの前に、前記対象物の表面上に、窓部を有する導入マスクを形成するステップを更に含み、
前記窓部を介して、前記不純物元素を前記対象物の内部に選択的に導入することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の不純物導入方法。
【請求項１２】
第１導電型の第１の半導体領域の表面上に、第２導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜を堆積する工程と、
予備照射期間において、前記不純物元素の導入開始温度より低い温度で前記表面を予備加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射する工程と、
前記予備照射期間に連続する本照射期間において、予備加熱された前記表面を前記導入開始温度以上の温度で本加熱するように、前記光パルスを前記第１のエネルギー密度から第２のエネルギー密度に連続的に変化させ、前記第２のエネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射する工程と、
を含み、前記本照射期間において、前記第１の半導体領域の内部に前記不純物元素を導入して第２導電型の第２の半導体領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物導入方法及びこの不純物導入方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体として炭化ケイ素（シリコンカーバイド，ＳｉＣ）、特に４Ｈのシリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体や絶縁体は、不純物元素の拡散係数が小さい。例えば半導体基板が４Ｈ−ＳｉＣの場合、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面（（０００−１）面）に対して、例えば１０１５／ｃｍ２程度以上の高ドーズのイオン注入を行う場合がある。この際には、不純物元素の活性化を４Ｈ−ＳｉＣの再結晶化と共に促進するため、半導体基板を事前に３００〜８００℃程度に昇温させて加熱すると共に、イオン注入後、１６００〜１８００℃程度の高温のアニールを行う必要がある。不純物導入層の形成にイオン注入と高温アニールを用いた場合、基板全体が高温に晒されるため、材料の変質や劣化、プロセス順序に大きな制約を与えてしまうという問題がある。
【０００３】
この問題に対し、例えば、連続レーザー光でアシスト加熱しつつパルスレーザーを重複照射して半導体基板の表層を溶融させることによって、イオン注入で浅く注入した不純物元素を深く拡散させる技術が開示されている（特許文献１参照。）。またイオン注入を用いず、ＳｉＣ半導体基板の表面上にアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成後、レーザー照射することによって、ｐ型の不純物元素が導入されたＳｉＣ半導体領域を形成する技術も開示されている（特許文献２参照。）。また不純物を含有する電極にレーザーを照射して、金属原子と不純物を同時に拡散させると同時に、金属原子とＳｉＣの反応層をコンタクト層として生成する技術も開示されている（特許文献３参照。）。
【０００４】
また特許文献４では、ＳｉＣ半導体基板上に形成したＡｌ薄膜の厚みと、このＡｌ薄膜に照射するレーザーの１回あたりのエネルギー密度が所定の条件を満たすように制御して光パルスを照射し、Ａｌを半導体基板の内部に導入する技術が開示されている。特許文献４では、例えば、ｎ型のＳｉＣ半導体基板の表面上にＡｌは２４０ｎｍ程度の厚みで蒸着して成膜され、光パルスは室温の大気雰囲気で、約４．０Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度で照射される。光パルスの光源としては波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーが用いられ、光パルスは照射時間５０ｎｓで照射される。この照射により不純物元素としてのＡｌは、半導体基板の最表面では４Ｈ−ＳｉＣの固溶濃度を超える、６×１０２１ｃｍ−３程度以上の不純物濃度で導入される。また同時にＡｌは、半導体基板の表面から５０ｎｍ程度の深さ位置では、４Ｈ−ＳｉＣの固溶濃度に近いレベルである、１×１０２０ｃｍ−３程度の不純物濃度で導入される。
【０００５】
しかし特許文献１の場合、パルスレーザーの照射装置の他にアシスト加熱するレーザー光の照射装置を別途設ける必要が生じるため、装置全体が大掛かりになり、設置スペースが増えコストが嵩むという問題も生じる。また特許文献２の場合、導入自体は可能であるが導入の深度が浅いため、高耐圧、大電流が求められるパワー半導体装置への実用化は困難である。また特許文献３の場合、明細書の詳細な記載中の実施例について各種条件等に関する具体的な記載が必ずしも十分でないため、実際には再現が難しい。また金属原子と不純物の同時拡散は、それぞれの拡散係数が同等の組み合わせの場合しか成立しないという問題もある。また特許文献４の技術を用いる場合であっても実現される導入深さは１００〜２００ｎｍ程度に留まるため、パワー半導体装置においては決して十分な深さとはいえない。
【０００６】
また上記したようなレーザー照射を用いて不純物元素を導入する技術の場合、レーザーを照射した領域は、局部的に、かつ、急激に温度が上昇し、レーザーの照射が終了すると直ちに温度が低下する。このため、照射開始直後は基板温度が低くなり、たとえレーザー光のエネルギー密度がピーク強度に到達しても、その時点では、照射領域がいまだ不純物元素のドーピング開始温度（導入開始温度）に到達していない場合がある。その場合、レーザー光の照射時間のうち、不純物元素の注入及び拡散に実効的に寄与できる時間が非常に短くなってしまう。この現象は、レーザー照射を用いて不純物元素を導入する際に、不純物元素を含む薄膜を介して行う場合、或いは不純物元素を含む液体を介して行う場合のいずれの場合にも同様に生じる。
【０００７】
そのため、不純物元素を含む薄膜或いは液体を介したレーザードーピング（不純物導入）において、不純物元素を基板深くまで導入するためには、過剰なエネルギーを投入する必要が生じてしまう。しかしエネルギー密度を大きく、かつ、照射時間を長くすると、絶縁膜等の素子を構成するデバイス構造が破損するという問題がある。また照射領域と照射領域外の温度勾配が大きくなることでサーマルストレス（熱応力）が発生し、結晶歪み、さらには基板割れが発生するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５３０７０９３号公報
【特許文献２】特開平０８−２６４４６８号公報
【特許文献３】特開２０１３−２１４６５７号公報
【特許文献４】特開２０１６−１５７９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、半導体装置の素子構造及び半導体基板を損傷させることなく、不純物元素を半導体基板に深く導入できる不純物導入方法及びこの不純物導入方法を用いた半導体装置の製造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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る不純物導入方法のある態様は、（ａ）固体材料からなる対象物の表面上に、不純物元素を含む不純物源膜を堆積するステップと、（ｂ）予備照射期間において、不純物元素の導入開始温度より低い温度で表面を予備加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度で不純物源膜に向けて照射するステップと、（ｃ）予備照射期間に連続する本照射期間において、予備加熱された表面を導入開始温度以上の温度で本加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度から第２のエネルギー密度に連続的に変化させ、第２のエネルギー密度で不純物源膜に向けて照射するステップと、を含み、本照射期間において対象物の内部に不純物元素を導入することを要旨とする。
【００１１】
また本発明に係る半導体装置の製造方法のある態様は、（ａ）第１導電型の第１の半導体領域の表面上に、第２導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜を堆積する工程と、（ｂ）予備照射期間において、不純物元素の導入開始温度より低い温度で表面を予備加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度で不純物源膜に向けて照射する工程と、（ｃ）予備照射期間に連続する本照射期間において、予備加熱された表面を導入開始温度以上の温度で本加熱するように、光パルスを第１のエネルギー密度から第２のエネルギー密度に連続的に変化させ、第２のエネルギー密度で不純物源膜に向けて照射する工程と、を含み、本照射期間において、第１の半導体領域の内部に不純物元素を導入して第２導電型の第２の半導体領域を形成することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
従って本発明によれば、半導体装置の素子構造及び半導体基板を損傷させることなく、不純物元素を半導体基板に深く導入できる不純物導入方法及びこの不純物導入方法を用いた半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る不純物導入方法に用いる不純物導入装置の構成の概略を模式的に説明する断面図を含むブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態に係る不純物導入方法におけるレーザー光の光パルスに係り、図２（ａ）は光パルスのイメージを模式的に示す図であり、図２（ｂ）は光パルスのエネルギー密度の経時変化を模式的に示す図であり、図２（ｃ）は光パルスが照射される半導体領域の結晶表面近傍の不純物源膜の温度の経時変化を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を、図３（ａ）→図３（ｂ）→図３（ｃ）の順に模式的に説明する断面図である。
【図４】図４は比較例に係る不純物導入方法におけるレーザー光の光パルスに係り、図４（ａ）は光パルスのイメージを模式的に示す図であり、図４（ｂ）は光パルスのエネルギー密度の経時変化を模式的に示す図であり、図４（ｃ）は光パルスが照射される半導体領域の結晶表面近傍の不純物源膜の温度の経時変化を模式的に示す図である。
【図５】比較例に係る不純物導入方法を、図５（ａ）→図５（ｂ）→図５（ｃ）の順に模式的に説明する断面図である。
【図６】本発明の実施例及び比較例において、レーザー光の光パルスのピークエネルギー密度及びパルス長が同じであるときの、ドーパント濃度（不純物濃度）又はキャリア濃度と侵入深さ（導入深さ）とのそれぞれの関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の変形例におけるレーザー光の光パルスのイメージを模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図８（ａ）→図８（ｂ）の順に模式的に説明する図であり、図８（ａ）は工程断面図、図８（ｂ）は工程上面図である（その１）。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図９（ａ）→図９（ｂ）→図９（ｃ）→図９（ｄ）の順に模式的に説明する工程断面図であり、図９（ａ）は図８（ｂ）中のＢ−Ｂ方向から見た工程断面図である（その２）。
【図１０】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図１０（ａ）→図１０（ｂ）→図１０（ｃ）→図１０（ｄ）の順に模式的に説明する工程断面図である（その３）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１５】
また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。また本明細書及び添付図面においては、ｎ又はｐを冠した領域や層では、それぞれ電子又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＋や−は、＋及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。
【００１６】
（不純物導入装置）
本発明の実施の形態に係る不純物導入方法に用いる不純物導入装置は、図１に示すように、成膜装置１０、光照射装置２０並びに成膜装置１０及び光照射装置２０に接続された演算制御装置３０を備える。
【００１７】
成膜装置１０は、固体材料からなる対象物１の表面に不純物元素を含む不純物源膜４を成膜する。成膜装置１０は、例えばスパッタ装置、電子ビーム蒸着装置、プラズマＣＶＤ装置等が採用可能である。本発明の実施の形態に係る成膜装置１０としては、図１に示すように、真空排気可能なチャンバ１１と、チャンバ１１内に設けられ対象物１を載置する下部電極１２と、を備えるスパッタ装置の場合を例示している。チャンバ１１内では、チャンバ上板１３側に、下部電極１２に対向して不純物元素を含むターゲット１４が配置される。
【００１８】
成膜装置１０は、更に下部電極１２とターゲット１４との間に接続された電源１５と、チャンバ１１に接続されチャンバ１１内にアルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガスを導入するガス導入バルブ１６と、を備える。成膜装置１０は、チャンバ１１に接続されチャンバ１１内を真空状態にするロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ或いはクライオポンプ等で構成される真空ポンプ１７を更に備える。
【００１９】
電源１５、ガス導入バルブ１６及び真空ポンプ１７には、成膜される不純物源膜４の膜厚を制御する膜厚制御部３１が接続されている。また膜厚制御部３１は成膜装置１０に装備された図示を省略した膜厚計からの信号をインシツ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）モニタして帰還制御することができる。電源１５、ガス導入バルブ１６及び真空ポンプ１７は、膜厚制御部３１を介して演算制御装置３０に接続されている。
【００２０】
図１のＤＣスパッタ装置の場合で説明すれば、下部電極１２とターゲット１４との間に電源１５によって直流電圧を印加して、導入した希ガスをイオン化してターゲット１４に衝突させる。そして衝突によりターゲット１４からはじき飛ばされた不純物元素の粒子を対象物１の表面に衝突、付着させて成膜する。成膜装置１０は、ＤＣスパッタ装置以外にＲＦスパッタ装置、マグネトロンスパッタ装置、イオンビームスパッタ装置等で構成してもよい。成膜される不純物源膜４の膜厚は、成膜時の処理時間を調整することで制御できる。
【００２１】
光照射装置２０は、不純物源膜４を介して平坦な表面を有する対象物１にレーザー光Ｌ等の照射フルエンス（エネルギー密度）の大きな光パルスを照射して不純物元素を導入する。光照射装置２０は、対象物１の表面に不純物源膜４を介して光パルスを一定寸法の照射領域でスキャン照射するビーム調整系３３を備える。また光照射装置２０は、支持台２４を介して対象物１を対象物１の主面に平行な面内に定義されるＸ−Ｙ方向に自在に移動させるＸ−Ｙ移動ステージ２３を備える。光照射装置２０は、不純物源膜４を介して対象物１の上面にレーザー光Ｌの光パルスをスキャン照射して、レーザー光Ｌで与えたエネルギー効果によって対象物１の内部の一部に不純物元素を導入する。エネルギー効果には熱エネルギーの効果も含まれる。
【００２２】
不純物導入装置の対象物１としては、例えば図８に示すように、（０００１）面（（０００−１）面）を有する４Ｈ−ＳｉＣのｎ＋型の半導体基板１ａの上に、ｎ−型の４Ｈ−ＳｉＣのエピタキシャル成長層２を設けた２層構造を採用できる。エピタキシャル成長層２は、例えば１×１０１３〜１×１０１６／ｃｍ３程度の不純物濃度で５〜２０μｍ程度の厚みを有する。尚、対象物１としては、エピタキシャル成長層２が成長した構造物を用いる場合に限定されず、ＳｉＣ基板そのものを対象物１として用いてもよい。
【００２３】
対象物１は、エピタキシャル成長層２側の面を表面としてビーム調整系３３側に向けて配置されている。対象物１の表面上には図示を省略するが位置合わせのための基準マークが設けられていてもよい。尚、対象物１の材料としてはＳｉＣに限定されず、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、ダイヤモンド等、他のワイドバンドギャップ半導体材料であっても本発明を適用できる。また対象物１の材料としては、ワイドバンドギャップ半導体材料に限定されず、例えば禁制帯幅が２．２ｅＶ以下の半導体材料や絶縁体材料等の他の材料であってもよい。
【００２４】
不純物源膜４は、対象物１にドーピングして添加する不純物元素を不純物導入源として含む膜であり、例えばｐ型の不純物元素としてＡｌを選択した場合は、Ａｌ薄膜が使用できる。また不純物源膜４は、不純物元素そのものの単一元素膜に限定されることなく、他の元素との化合物、例えば窒化物等の化合物や混合物からなる薄膜であってもよいし、或いはこれらを積層した多層の複合膜等であってもよい。また、不純物元素はＡｌに限定されるものではなく、導電型の選択、或いは母相の元素の置換位置又は格子間位置に対応して、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等の他の不純物元素が適宜用いられてよい。
【００２５】
不純物導入装置のビーム調整系３３は、図１に示すように、レーザー光Ｌ等のエネルギー密度の大きな光パルスを出射する光源３４と、図示を省略するが、出射されたレーザー光Ｌを集光するレンズ系や所定の形状に成形する可変スリット等を備える。ビーム調整系３３には、照射されるレーザー光Ｌの照射条件を制御する光源制御部３２が接続されている。光源制御部３２は演算制御装置３０に接続されている。ビーム調整系３３の光源３４は、光源制御部３２を介して演算制御装置３０に制御されている。
【００２６】
光源制御部３２は、レーザー光Ｌのエネルギー密度がピークエネルギー密度に到達する前及び到達した後に、一定時間、ピークエネルギー密度より低い一定のエネルギー密度でレーザー光Ｌを照射するように光源３４を制御する。すなわち１回のショットの中で、光パルスの照射フルエンスは所望の値をとるように、増大及び減少のいずれの方向にも連続的に変化可能である。
【００２７】
またビーム調整系３３は、レーザー光Ｌを掃引する場合、必要であれば、成形されたレーザー光Ｌを反射して図示を省略するレンズ等の集光装置に導く、不図示の反射ミラーやプリズム等の他の光学系を備えるようにしてもよい。成形されたレーザー光Ｌ等のエネルギー密度の大きな光パルスは、対象物１の上面と不純物源膜４との界面領域に向けて照射される。成形されるレーザー光Ｌの形状は、矩形状が好適に用いられるが、矩形に限定されることなく他の形状であってもよい。また対象物１に対する光パルスの照射位置を制御するに際し、図示を省略するが、対象物１の基準マークを撮像するＣＣＤカメラ等の撮像装置、照明光を照射する照明光照射装置、照明光を反射及び透過させるミラー及びアライメント機構等を別途設けてもよい。
【００２８】
エネルギー密度の大きな光パルスとしては、不純物源膜４を介して十分な反応エネルギーが生じるように、光エネルギーを不純物元素及び対象物１の格子振動に与えることが可能な波長を有するレーザー光Ｌのパルスが好ましい。例えば、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）、３５１ｎｍ（ＸｅＦ）等の発振波長を有するエキシマレーザーを採用できる。また２６６ｎｍ（ＹＡＧ第４高調波）、３５５ｎｍ（ＹＡＧ第３高調波）、５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）レーザー等を用できる。対象物１の禁制帯幅が狭い場合や、不純物添加の状態によっては、１．０６４μｍ（ＹＡＧ基本波）、１０．６μｍ（炭酸（ＣＯ２）ガス）レーザー等を採用してもよい。
【００２９】
また水銀（Ｈｇ）ランプやキセノン（Ｘｅ）ランプ等の高出力の連続光を分光器やフィルターで波長選択してもエネルギー密度の大きな光パルスを得ることが可能であるので、光パルスとしては必ずしもレーザーに限定されるものではない。またエキシマレーザーのように、多くの半導体材料の禁制帯幅よりも大きなエネルギーとなり、表面反応の化学ポテンシャルを超える、紫外線領域の波長のレーザー光Ｌを用いてもよい。紫外線領域の波長のレーザー光Ｌを用いて照射すれば、紫外線領域の光エネルギーによる光触媒作用や表面マイグレーション等の表面反応を光励起させることができる。
【００３０】
更に、単なる表面マイグレーション等による表面における分子の移動等の素反応（素過程）の励起を超えた反応の励起も可能である。例えば不純物元素の導入対象となる固体表面から内部に向かったバルクの格子振動を励起することも可能である。これによりレーザー光Ｌの浸透深さの範囲において、不純物元素を目的とする固体材料の格子間位置や置換位置等の導入位置に移動させる格子間反応を含めた表面反応等も光励起することができる。ただし、ＡｒＦ（＝１９３ｎｍ）レーザー等よりも短波長、すなわち真空紫外光の範囲に含まれる短波長の光は、大気中の酸素分子に吸収され伝播が阻害される。そのため大気中でのレーザードーピングを実施する環境においては、１９０ｎｍ程度以上の波長を有するレーザー光Ｌであることが好ましい。
【００３１】
Ｘ−Ｙ移動ステージ２３は、支持台２４を下方から水平に支持するとともに、図示を省略する移動ステージ駆動装置に接続されている。移動ステージ駆動装置を演算制御装置３０によって制御することにより支持台２４は水平面内の方向（Ｘ−Ｙ方向）にそれぞれ自在に移動し、対象物１を光パルスの照射位置に対し自在に移動できる。例えば光パルスの照射位置に対する対象物１の相対的な位置を自在に移動することにより、直接描画の手法が可能になる。更に、支持台２４とＸ−Ｙ移動ステージ２３との間に、支持台２４をＸ−Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動させるＺ移動ステージを設けることで、Ｘ−Ｙ方向に加えＺ方向にも移動可能に支持台２４を構成して焦点等の調整ができるようにしてもよい。
【００３２】
演算制御装置３０は、不純物源膜４の膜厚等の成膜条件及びレーザー光Ｌのエネルギー密度や対象物１に対する光パルスの相対的な光照射位置等の光照射条件を制御する。演算制御装置３０には入力装置４１及びデータ記憶装置４２が接続されており、演算制御装置３０は、データ記憶装置４２の内部に格納されたデータにアクセス可能に構成されている。データ記憶装置４２には、入力装置４１を介して、不純物元素の種類（物性値）、１パルス（１ショット）のパルス長（照射時間）及びレーザー光Ｌのエネルギー密度等が入力される。また演算制御装置３０には、図示を省略するが、表示装置や出力装置等が接続されている。
【００３３】
膜厚制御部３１は、設定された膜厚で不純物源膜４が対象物１上に成膜されるように、成膜装置１０の電源１５の電圧、ガス導入バルブ１６及び真空ポンプ１７の動作を制御する。光源制御部３２は、設定されたエネルギー密度、パルス数及びパルス長で光パルスのスキャン照射が行われるようにビーム調整系３３の動作を制御する。
【００３４】
−不純物導入方法−
本発明の実施の形態に係る不純物導入方法では、まず例えば、ｎ−型のＳｉＣ半導体層が表面（最上面）層として形成された対象物１を用意する。そして、対象物１の表面を熱処理等により酸化させ、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の絶縁膜を、選択導入用のマスク材として対象物１の表面に成膜する。そしてフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等によって、絶縁膜上の特定の位置に所望の選択導入用の窓部を形成して導入マスクのマスクパターンを形成する。
【００３５】
次に図１中の成膜装置１０の内部に２点鎖線で示したように、導入マスクが形成された対象物１の上面をターゲット１４側に向けて、対象物１を下部電極１２の上に載置し固定する。次に成膜装置１０の膜厚制御部３１により、下部電極１２とターゲット１４間の電圧、ガス導入バルブ１６及び真空ポンプ１７の動作を制御して、対象物１の上面上に絶縁膜を介して、設定された膜厚で、Ａｌの薄膜からなる不純物源膜４を成膜する。不純物源膜４は、絶縁膜の上面及び絶縁膜のマスクパターンの窓部に露出する半導体層の表面上に成膜される。
【００３６】
次に、不純物源膜４が成膜された対象物１を成膜装置１０から取り出して光照射装置２０へ搬送し、不純物源膜４の上面をビーム調整系３３側に向けて、支持台２４上に載置し固定する。光照射装置２０は、室温状態の大気の雰囲気中に配置されている。次に、光照射装置２０により対象物１の上面に不純物源膜４を介してレーザー光Ｌの光パルスを照射する。レーザー光Ｌは、例えば２４８ｎｍ（ＫｒＦ）エキシマレーザーを用いる。またビームを成形して、照射領域を、例えば平面パターンで約３５０μｍ角の正方形状に形成する。
【００３７】
このとき光照射装置２０の光源制御部３２は、１ショット中のエネルギー密度が、一定の予備加熱エネルギー密度、ピークエネルギー密度及び降温緩和エネルギー密度と連続的に３段階に変化するように、光源３４を制御する。具体的には、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、一定のパルス長ｔｗを有する１ショットの光パルスが、最初の予備照射期間ｔ１、この予備照射期間ｔ１に続く本照射期間ｔ２、及びこの本照射期間ｔ２に続く事後照射期間ｔ３の３つの連続する照射期間に分割される。
【００３８】
光パルスのパルス長ｔｗは、表面反応に必要な時間と、サーマルストレスの緩和とを十分に両立できるように考慮して、例えば１００ｎｓ程度以上、３００ｎｓ程度以下の範囲内で設定することができる。パルス長ｔｗが１００ｎｓ未満の場合、不純物元素の十分な導入が難しくなる。またパルス長ｔｗが３００ｎｓを超える場合、照射エネルギーが過剰になり、対象物１の表面荒れ等が生じ易くなる。
【００３９】
図２（ａ）のパルスイメージ図で示すように、本照射期間ｔ２のパルス高さは、予備照射期間ｔ１のパルス高さ及び事後照射期間ｔ３のパルス高さより高い。図２（ｂ）に示すように、予備照射期間ｔ１では、光パルスのエネルギー密度は、照射開始直後に急激に上昇して一定の予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅの値に到達した後、本照射期間ｔ２開始までの間、同じ値が維持される。予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅは、本発明の「第１のエネルギー密度」に相当する。
【００４０】
予備照射期間ｔ１の長さは１０ｎｓ程度以上、１００ｎｓ程度以下の範囲内で設定されることが望ましい。予備照射期間ｔ１の長さが１０ｎｓ未満の場合、導入のために予備加熱を十分に行うことが難しくなる。また予備照射期間ｔ１の長さが１００ｎｓを超える場合、導入は可能であるが、素子構造や基板の損傷が大きくなる。
【００４１】
また予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅの大きさは、本照射期間ｔ２の光パルスのピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋより大きく、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの２０％程度以上、５０％程度以下の範囲内で設定されることが望ましい。予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅの大きさがピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの２０％未満の場合、導入のための予備加熱を十分に行うことが難しくなる。また予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅの大きさがピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの５０％を超える場合、素子構造や基板の損傷が大きくなると共に、導入プロセスに用いるエネルギーのロスが大きくなる。
【００４２】
すなわち図２（ｃ）に示すように、予備照射期間ｔ１は、光パルスの照射開始時点から、半導体基板の不純物源膜４との接合界面における結晶表面近傍の温度が、ドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに至る時点までの間に定義される期間である。図２（ｃ）中の破線囲み中のＡ部分で示したように、予備照射期間ｔ１では、ドーピングに先立ち、事前に比較的弱いエネルギー密度の光パルスにより、半導体の結晶表面近傍の不純物源膜４の温度を上昇させる。不純物源膜４の温度上昇により、図３（ａ）に示すように、破線ａ１で囲まれた位置における不純物源膜４の半導体基板との界面領域、及び破線ａ２，ａ３で囲まれた位置における不純物源膜４の絶縁膜３との界面領域は、比較的弱いエネルギー密度の光パルスにより、緩やかに二次的に加熱される。
【００４３】
一方、図３（ａ）中の破線ｂ１で囲まれた位置における半導体基板の不純物源膜４の直下領域でも、半導体基板の表面側より遅れて、破線ａ１で囲まれた位置における不純物源膜４の温度の上昇と同様に、緩やかに二次的に加熱される。この加熱により、破線ａ１で囲まれた位置における半導体基板の不純物源膜４の直下領域の格子振動に、熱エネルギーが蓄積される。更に、この直下領域から周辺の領域に向かって熱エネルギーの熱拡散が開始される。その結果、半導体基板の不純物源膜４の直下領域は、図２（ｃ）に示すように、緩やかに昇温し、室温からドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅへの温度変化の急激な増大が緩和され、直下領域と周辺領域とのサーマルストレスが緩和される。
【００４４】
次に図２（ｂ）に示すように、本照射期間ｔ２では、光パルスのエネルギー密度は、本照射期間ｔ２開始直後に急激に上昇してピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの値に到達し、その後一定時間、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの値が維持される。これにより、対象物１をなす半導体基板の不純物源膜４の直下領域と周辺領域とのサーマルストレスを緩和しつつ、表面マイグレーションや直下領域の格子振動が励起される。その後、光パルスのエネルギー密度は、本照射期間ｔ２開始時の値とほぼ同じ値に向かって急激に下降する。
【００４５】
ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋは、本発明の「第２のエネルギー密度」に相当する。本照射期間ｔ２におけるピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの光パルスの照射により不純物源膜４は溶融し、図３（ｂ）に示すように、破線ａ１，ａ２，ａ３で囲まれた位置における界面領域は急速に加熱される。破線ａ２，ａ３で囲まれた位置における半導体基板の絶縁膜３との界面領域には、選択導入用のマスクパターンが存在するため、対象物１に不純物元素は導入されない。
【００４６】
一方、半導体基板の不純物源膜４の直下領域は、予備照射期間ｔ１の光パルスの照射による予備加熱が施されているため、本照射期間ｔ２のうち大部分の時間に亘って、不純物源膜４の溶融と、表面マイグレーションや格子振動が励起される。そのため図２（ｃ）に示すように、不純物元素の選択導入が実行され、不純物導入領域４ａが形成される。
【００４７】
次に図２（ｂ）に示すように、事後照射期間ｔ３では、光パルスのエネルギー密度は、事後照射期間ｔ３開始後から照射終了までの間、予備照射期間ｔ１でのエネルギー密度とほぼ同じ一定の値をなす降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄが維持される。事後照射期間ｔ３では、不純物源膜４の凝固もしくは固化状態への遷移が開始され、Ａｌの残渣等が形成される。また表面マイグレーションや格子振動が抑制又は停止する。降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄは、本発明の「第３のエネルギー密度」に相当する。
【００４８】
降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄの大きさは、予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅの場合と同様に、本照射期間ｔ２の光パルスのピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの２０％程度以上、５０％程度以下の範囲内で設定されることが望ましい。降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄの大きさがピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの２０％未満の場合、降温速度（降温レート）を十分に低減できず、急激な温度低下による素子構造や基板の損傷が大きくなる。また降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄの大きさがピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの大きさの５０％を超える場合、凝固もしくは固化状態への遷移が不十分となり、降温レート緩和プロセスに用いるエネルギーのロスが大きくなる。
【００４９】
降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄの光パルスの照射により、図３（ｃ）に示すように、対象物１である半導体基板の上部の不純物導入領域４ａには、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋより小さい一定のエネルギーが供給され、室温への降温レートが低減する。事後照射期間ｔ３では、不純物導入領域４ａで、図２（ｃ）に示すように、緩やかに降温し、ドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅから室温への温度変化の急激な減少が緩和される。
【００５０】
不純物導入領域４ａの形成後、対象物１が更に室温まで降温することにより、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法が終了する。尚、不純物導入領域４ａの形成後、不純物源膜４がＡｌの場合は、例えば熱リン酸（Ｈ３ＰＯ４）等を用いて対象物１の表面上に残留したＡｌの残渣を除去すればよい。
【００５１】
（比較例）
一方、比較例に係る不純物導入方法で用いられる光パルスのエネルギー密度は、図４（ａ）に示すように、従来多用されるパルスパターンの光パルスである。すなわちエネルギー密度が、一定の予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅ及び予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅより大きなピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに段階的に変化しない。尚、比較例に係る不純物導入方法の、光パルスのエネルギー密度以外の構成については、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の場合と同様である。
【００５２】
すなわち図４（ｂ）に示すように、比較例で用いられる光パルスのエネルギー密度は、照射開始直後から、非常に大きな傾きで急激に上昇して増大し、極めて短い第１の期間ｔ１ａ内にピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに到達する。その後、光パルスのエネルギー密度は、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに到達後すぐに下降に転じ、第１の期間ｔ１ａに後続する、第１の期間ｔ１ａとほぼ同じ時間長の第２の期間ｔ２ａ内に、一気に下降する。
【００５３】
図４（ｂ）中には、第２の期間ｔ２ａ終了時にエネルギー密度が、ピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋの５分の１程度に下降した状態が例示されている。比較例に係る不純物導入方法で用いられる光パルスの場合、第２の期間ｔ２ａ終了後の第３の期間ｔ３ａにテール部分が存在する。
【００５４】
また図４（ｃ）に示すように、対象物１である半導体基板の不純物源膜４との界面の領域の温度は、第１の期間ｔ１ａ及び第２の期間ｔ２ａの境界位置でドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに到達し、第２の期間ｔ２ａの終了前にはドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅを下回る。そのため比較例の場合、不純物導入領域４ａがドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅ以上の温度となる時間は、図２（ｃ）に示した本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の場合と比べ、非常に短い。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、第１の期間ｔ１ａ中、破線ａ１で囲まれた位置における不純物源膜４の半導体基板との界面領域、及び破線ａ２，ａ３で囲まれた位置における不純物源膜４の絶縁膜３との界面領域は、非常に強いエネルギー密度の光パルスにより、急速に加熱される。一方、破線ｂ１で囲まれた位置における半導体基板の不純物源膜４の直下領域は、半導体基板の表面側より遅れて緩やかに加熱され、不純物元素が緩やかに導入される。
【００５６】
比較例に係る不純物導入方法では、第１の期間ｔ１ａ中に光パルスがピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに到達するが、この時点では、対象物１である半導体基板の不純物源膜４の直下領域はドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに到達していない。そのため格子振動が十分に励起されておらず、直ちにドーピングが始まらない。すなわち光パルスのエネルギー密度がピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋに到達しても、光パルスのエネルギーが不純物源膜４の溶融及び対象物１の表面温度をドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに到達させるためのエネルギーに使用される状態が継続する。
【００５７】
次に図５（ｂ）に示すように、第２の期間ｔ２ａ中、破線ａ１，ａ２，ａ３で囲まれた位置における界面領域は、非常に強いエネルギー密度の光パルスにより、高温状態で不純物源膜４が溶融する。一方、破線ｂ１で囲まれた位置における半導体基板の不純物源膜４の直下領域は、第２の期間ｔ２ａの開始に伴い、ドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅにようやく到達する。そして不純物源膜４の溶融による不純物元素の対象物１の局所的な表面における結晶格子との反応が始まり、格子振動の励起による対象物１の深さ方向への導入が加速される。
【００５８】
しかし図４（ｃ）に示したように、第２の期間ｔ２ａの途中で、不純物導入領域４ａの温度がドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅを下回るので、格子振動の励起が不十分となり、不純物元素の実質的な導入は速やかに終了してしまう。そして図５（ｃ）に示す第３の期間ｔ３ａでは、図４（ｃ）に示したテール部分となる非常に小さいエネルギー密度の光パルスが照射される。第３の期間ｔ３ａでは、照射される光パルスのエネルギー密度は非常に小さいため、図４（ｃ）に示したように、Ａｌが高濃度に導入された局所的な不純物導入領域４ａも急速に降温する。そして不純物源膜４の凝固もしくは固化状態への遷移が開始し、Ａｌの残渣等が形成される。そして対象物１にサーマルストレスによるクラックや歪み等の損傷が生じることになる。
【００５９】
尚、説明の便宜のため、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の光パルスを説明する図２中の１ショットのパルス長ｔｗは、比較例に係る不純物導入方法の光パルスを説明する図４中の１ショットのパルス長ｔｗより長く表されている。しかし両者の光パルスのパルス長ｔｗを同じ長さとしても、上記した本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の特徴は実現される。
【００６０】
このように比較例で示した光パルスは、対象物１を急速に加熱し、かつ、急速に冷却するため、反応生成物を作る時間も、不純物元素を対象物１の内部に導入する時間も十分に確保することができない。こうした光パルスは、「パルス状」と称することは可能であるが、図４（ｃ）に示したように、レーザードーピングに用いる光パルスとしては、不純物元素が現実に導入されている実効的な時間は決して長くない。
【００６１】
一方、本発明の実施の形態で示した光パルスは、経時的なエネルギー密度のプロファイルを、比較例の光パルスのような従来型のものと比べて大きく変化させる。この変化としてまず、予備照射期間ｔ１を設けることにより、反応生成物を作る時間を十分に確保すると共に、対象物１の不純物導入予定領域を全体として緩やかに加熱して、対象物１である半導体基板の結晶温度を上昇させる。そのため予備照射期間ｔ１に後続する本照射期間ｔ２で、不純物元素を対象物１の内部に導入する時間も十分に確保することが可能になる。
【００６２】
すなわち不純物導入予定領域の温度がドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに到達するまでの温度上昇の遅れ幅を短く抑えてドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅに速やかに到達し、ドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅを超える時間を従来より長くすることが可能になる。この結果、本照射期間ｔ２開始後に不純物導入予定領域が本照射期間ｔ２中の受け取る照射エネルギーを、不純物元素の選択導入に必要な格子振動の励起に効率的に使用することが可能になる。
【００６３】
このように本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、１ショットの光パルスの照射における実効的なドーピング時間（不純物導入時間）を従来より長く確保することが可能になり、不純物元素の拡散深さの拡大に寄与できる。また実効的なドーピング時間を長く確保することにより、拡散した不純物元素が対象物１である半導体基板の結晶中の活性位置に入り込むことが促進されるので、活性化率を更に向上できる。
【００６４】
図６中には、比較例に係る光パルスと同じ大きさのピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋ及びパルス長ｔｗの光パルスを用いて、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を実施した場合のドーパント濃度及びキャリア濃度のそれぞれの侵入深さが例示されている。実施例に係る不純物導入方法を用いることにより、ドーパント濃度及びキャリア濃度はいずれも比較例の場合より高く導入されると共に、導入深さも比較例の場合より深くなる。
【００６５】
また図２（ｃ）及び図４（ｃ）のそれぞれの軌跡の角度を比較して分かるように、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、１ショットのパルス長ｔｗ中における、対象物１の温度の時間変化率（ｄＴ／ｄｔ）が、全体的に小さく抑えられる。そのため高いピークエネルギー密度を有する光パルスを照射しても、１ショットにおける不純物元素の導入前及び導入中の期間に、対象物１である半導体基板に付加される熱膨張によるサーマルストレスが緩和される。よって素子構造及び半導体基板を損傷させることなく、不純物元素の拡散深さ及び活性化率を向上させることができる。
【００６６】
また本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、本照射期間ｔ２の後の１ショットのパルス長ｔｗの後段に事後照射期間ｔ３を設けることにより、対象物１を急速冷却しない。そのためサーマルストレスを緩和させて、対象物１の歪み等の発生を防止した状態で、不純物導入プロセスを終了することが可能になる。
【００６７】
また本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、予備照射期間ｔ１に連続させて本照射期間ｔ２を設け、本照射期間ｔ２中に効率的に格子振動が励起されるように
予備照射エネルギー密度Ｆｐｒｅで光パルスを照射する。そのため対象物１全体の熱エネルギーを底上げする作用が得られ、１ショット中の光パルスのピークエネルギー密度Ｆｐｅａｋを、従来よりも小さく抑えることが可能になる。
【００６８】
（本発明の実施の形態の変形例）
また図７に示すように、３個の光パルスを極めて短い時間間隔で照射することにより、図２（ａ）に示したパルスパターンと等価と見做せるようなパルスパターンを形成し、この光パルスを用いて不純物導入方法を実行してもよい。図７中に例示した光パルスの場合、左側の第１パルスの照射期間ｔ１ｂが、図２で示した予備照射期間ｔ１に相当し、中央の第２パルスの照射期間ｔ２ｂが、図２で示した、予備照射期間に実質的に連続する本照射期間ｔ２に相当する。また右側の第３パルスの照射期間ｔ３ｂが、図２で示した、本照射期間に実質的に連続する事後照射期間ｔ３に相当する。
【００６９】
第１パルスの照射期間ｔ１ｂ、第２パルスの照射期間ｔ２ｂ及び第３パルスの照射期間ｔ３ｂ並びにそれぞれのパルス間のナノ秒レベルの僅かな休止期間によって、変形例に係る不純物導入方法に用いる光パルスのパルス長ｔｗｂが構成されている。僅かな時間長の休止期間が存在しても、対象物１、絶縁膜３及び不純物源膜４からなる構造体の熱容量があるので、実質的に連続したパルスをなし、図２に示したパルス波形と等価に機能させることが可能である。
【００７０】
すなわち第１パルスにより不純物導入予定領域を予備加熱した後、予備加熱の効果が得られる間に、本加熱するためのエネルギー密度を有する後続の第２パルスを照射することにより、エネルギー密度を実質的に連続的に変化させる。そして第２パルスにより不純物元素を導入した後、サーマルストレスを緩和できるように、降温レートを緩和するように設定されたエネルギー密度を有する後続の第３パルスを照射することにより、エネルギー密度を実質的に連続的に変化させる。そして第３パルスにより対象物１の、ドーピング開始温度Ｔｄｏｐｅ付近から室温に至る間の降温レートを緩和する。このように本発明の実施の形態の変形例に係る不純物導入方法によっても、図２に示した光パルスを用いる不純物導入方法と等価な構成を実現し、同様の効果を奏することができる。
【００７１】
−半導体装置の製造方法−
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、まず対象物の前駆体としてｎ＋型のＳｉＣの半導体基板１ａを用意する。そして図８（ａ）に示すように、上側に、ｎ−型のエピタキシャル成長層２をエピタキシャル成長させた構造物を対象物として用いる。エピタキシャル成長層２は、例えば１×１０１６ｃｍ−３程度の濃度であり、厚みは１０μｍ程度で構成できる。
【００７２】
その後、エピタキシャル成長層２の上面に、例えばプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）等により、ＳｉＯ２からなる導入マスク用薄膜を成膜する。そして導入マスク用薄膜の上にフォトレジスト膜を塗布し、塗布したフォトレジスト膜をフォトリソグラフィ技術でパターニングする。このパターニングされたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして導入マスク用薄膜をエッチングして図８（ｂ）に示すパターンを有する導入マスクを形成する。導入マスク用薄膜がＳｉＯ２膜の場合、例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）及びフッ化水素酸（ＨＦ）を含む水溶液である緩衝フッ酸（ＢＨＦ）を用いて、導入マスク用薄膜の選択エッチングを行うことができる。
【００７３】
導入マスクは、図８（ｂ）に示すように、不純物元素の導入を選択的に阻止する導入障壁層をなす、リング状の第１導入阻止パターン３ａ、リング状の第２導入阻止パターン３ｂ及び、第２導入阻止パターン３ｂを囲む第３導入阻止パターン３ｃを有する。図８（ｂ）に示すように、第１導入阻止パターン３ａは主面の中央に配置されている。第２導入阻止パターン３ｂと第１導入阻止パターン３ａとは同心円状に形成されている。第３導入阻止パターン３ｃの内縁側の側壁も第２導入阻止パターン３ｂ及び第１導入阻止パターン３ａと同心円状である。尚、導入マスクとしては、図８（ｂ）に例示したトポロジーに限定されず、他のトポロジーが採用されてよい。
【００７４】
第１導入阻止パターン３ａと第２導入阻止パターン３ｂの隙間及び第２導入阻止パターン３ｂと第３導入阻止パターン３ｃの隙間は所定の間隔を有し、それぞれ不純物元素の選択的な導入用の窓部をなしている。窓部は、図９（ａ）に示すように、エピタキシャル成長層２の上面の一部がそれぞれの隙間に露出している。尚、図８（ｂ）及び図９（ａ）中に例示した窓部をなす隙間の幅は略等幅であるが、この幅は、エピタキシャル成長層２と第２の半導体領域４ａ〜４ｃのｐｎ接合から生じる空乏層の延伸状態を考慮して設定される。そのため隙間の幅は実際には例示したものに限定されず、適宜変更され得る。
【００７５】
次に、図９（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長層２の上に、第２導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜４を、設定された膜厚で、第１導入阻止パターン３ａ、第２導入阻止パターン３ｂ及び第３導入阻止パターン３ｃを介して成膜する。不純物元素がＡｌの場合、膜厚は例えば２４０ｎｍ程度である。尚、図９（ｂ）中では説明の便宜のため、エピタキシャル成長層２の厚み及び不純物源膜４の厚みは略同程度に描かれている。
【００７６】
次に、図９（ｃ）に示すように、大気雰囲気中で、不純物源膜４を介してレーザー光ＬとしてＫｒＦエキシマレーザーの光パルスを照射する。光パルスの照射は、例えば１回の照射範囲に、第３導入阻止パターン３ｃの枠の内側の領域が漏れなくすべて含まれるようにビームを成形して行う。図９（ｃ）中では、第１導入阻止パターン３ａ、第２導入阻止パターン３ｂ及び第３導入阻止パターン３ｃのすべての表面に対して光パルスが照射された状態が例示されている。
【００７７】
光パルスの照射により、第１導入阻止パターン３ａと第２導入阻止パターン３ｂの隙間に露出したエピタキシャル成長層２の上部の一部に、堆積した不純物源膜４を介してｐ型の不純物元素が選択的に導入される。また第２導入阻止パターン３ｂと第３導入阻止パターン３ｃの隙間に露出したエピタキシャル成長層２の上部の一部にも、堆積した不純物源膜４を介してｐ型の不純物元素が選択的に導入され、エピタキシャル成長層２との間でｐｎ接合が形成される。
【００７８】
その結果、エピタキシャル成長層２の上部には、平面パターンで、ｐ型の不純物元素が高濃度に選択的に導入されたｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃの上面と、導入されないエピタキシャル成長層２の上面とが等間隔で交互に同心円状のパターンとして表れる。すなわちエピタキシャル成長層２の上部にｎ型の半導体領域とｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃとが、主面に平行な面内に繰り返し形成された表面パターンが構成される。尚、ｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃの幅及びｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃ間の隙間の幅は、適宜変更できる。
【００７９】
次に、図９（ｄ）に示すように、第１導入阻止パターン３ａ、第２導入阻止パターン３ｂ及び第３導入阻止パターン３ｃの表面上に残渣として残留した不純物源膜４の一部を、所定のエッチング液で除去する。不純物源膜４がＡｌの場合は、例えば７５℃程度のＨ３ＰＯ４等をエッチング液として使用可能である他、リン酸／硝酸／酢酸混合液や王水等の種々の酸も使用可能である。
【００８０】
次に、図示を省略するが、エピタキシャル成長層２の上面と、第１導入阻止パターン３ａ、第２導入阻止パターン３ｂ及び第３導入阻止パターン３ｃの上面とにフォトレジスト膜を塗布して、フォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜をパターニングする。フォトレジスト膜は、第３導入阻止パターン３ｃを被覆するようにパターニングされる。そしてパターニングされたフォトレジスト膜をエッチングマスクとし、ＢＨＦ等を用いたエッチングにより、エピタキシャル成長層２の上面の第１導入阻止パターン３ａ及び第２導入阻止パターン３ｂのみを選択的に除去する。
【００８１】
その後、フォトレジスト膜を除去すると、図１０（ａ）に例示するように、第３導入阻止パターン３ｃのみが残留したパターンが形成され、平面パターンで円形状の窓部が形成される。この窓部には、エピタキシャル成長層２の上部のｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃが同心円状の局所的な領域として形成された領域の上面が露出している。
【００８２】
次に図１０（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長層２のｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃが同心円状に形成された領域を覆うように、例えばＴｉ等の金属膜をスパッタリング、真空蒸着又はＣＶＤ法等で成膜する。そして、半導体基板１ａに所定の温度で所定の時間アニールを施し、アノード電極膜６を形成する。第３導入阻止パターン３ｃの上面上の内縁側の一部の領域にも、金属膜がアノード電極膜６の周縁部をなすように積層されている。このアニールにより、エピタキシャル成長層２とアノード電極膜６との界面がショットキー接合をなし、ｐ＋＋型の半導体領域４ａ〜４ｃとアノード電極膜６との界面がオーミック接合をなす。
【００８３】
次にショットキー界面上のアノード電極膜６の上面に、Ａｌ又はＡｌ合金等の金属膜をスパッタリング、真空蒸着又はＣＶＤ法等で成膜する。この金属膜の上にフォトレジスト膜を塗布して、フォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をエッチングマスクとし、ＢＨＦ等を用いた選択エッチングにより、図１０（ｃ）に示すように、電極パッド７を形成する。その後、半導体基板１ａのエピタキシャル成長層２と反対側の表面上に、例えばＮｉ等の金属膜を成膜した上で、半導体基板１ａに所定のアニールを施し、コンタクト電極膜として半導体装置の裏面側のカソード電極膜５を形成する。
【００８４】
次に、エピタキシャル成長層２側の全面にポリイミド膜等を堆積させてパッシベーション膜を形成する。尚、エピタキシャル成長層２の表面上に残存させた第３導入阻止パターン３ｃは層間絶縁膜として用いるが、ＣＶＤ法等により別途ＳｉＯ２膜を追加して積層させることにより、層間絶縁膜として必要な厚みを適宜形成してもよい。
【００８５】
次に、図１０（ｄ）に示すように、電極パッド７上のパッシベーション膜８の一部を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により開口させ、その後、半導体基板１ａを複数のチップ状にダイシングして半導体チップを得る。尚、感光性ポリイミド膜を用いれば、フォトレジスト膜の塗布の工程は省略できる。そして半導体チップをパッケージに搭載（マウント）し、半導体チップ上の電極パッド７に配線ワイヤー等をワイヤーボンディング等の手法で接続すれば、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程が終了する。
【００８６】
尚、図示を省略するが、先にカソード電極膜５を形成した後で、図１０（ｂ）に示したようなアノード電極膜６を形成し、以下、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）で説明したようなプロセスを行ってもよい。カソード電極膜５、アノード電極膜６の順に形成することで、アノード電極膜６の堆積後のアニール温度をカソード電極膜５より低くすることができる。例えばカソード電極膜５のアニール温度を９００℃とし、アノード電極膜６のアニール温度を５００℃とする。アノード電極膜６の堆積後のアニール温度をカソード電極膜５より低くすることにより、エピタキシャル成長層２とアノード電極膜６とのショットキー接合の特性及び半導体基板１ａとカソード電極膜５とのオーミックコンタクト特性をそれぞれ改善できる。
【００８７】
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ショットキー接合とオーミック接合の両方を備える高品質のｐｎ接合半導体装置を、素子構造及び半導体基板を損傷させることなく、実現できる。
【００８８】
また本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ＳｉＣの半導体基板を用いた上記の例のように、固体材料である対象物１としてワイドバンドギャップ半導体材料を採用可能である。そのため、ワイドバンドギャップ半導体材料に高濃度の不純物元素を導入し、高耐圧で薄い優れたパワー半導体装置を実現することができる。
【００８９】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば、本発明の実施の形態では、不純物元素をｐ型とし、半導体基板をｎ型として説明したが、これに限定されず導電型を逆にしてもよい。すなわち任意の導電型の不純物導入層を、任意の導電型の半導体基板に形成できる。
【００９０】
また図２に例示した光パルスのパルスイメージでは、予備照射期間ｔ１のパルス高さ及び事後照射期間ｔ３のパルス高さはほぼ同じであったが、これに限定されず、予備照射期間ｔ１及び事後照射期間ｔ３のそれぞれの場合のパルス高さが異なってもよい。すなわち予備加熱エネルギー密度Ｆｐｒｅ及び降温緩和エネルギー密度Ｆｍｏｄは、互いに異なる値を採用できる。
【００９１】
また例えばホットプレート等の加熱装置を用いて、本発明の実施の形態で説明したような、ドーパントの導入に用いる予備加熱処理を行うことは可能である。しかし本発明の実施の形態に係る不純物導入方法のように、レーザー光のエネルギー密度を連続的に変化させて１ショットの光パルスを照射する方が、照射領域及び照射領域の周囲のみを限局して予備加熱できるので、エネルギー効率の点から有利である。また光源制御部３２を介して光パルスのエネルギー密度を制御すれば済むので、光照射装置２０に別途、加熱装置等を取り付ける必要がなく、光照射装置２０全体をコンパクトに構成できる。
【００９２】
また本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、ｐｎ接合ダイオードを半導体装置の代表例として説明したが、半導体装置としてはｐｎ接合ダイオードに限定されるものではない。例えばｐｉｎ型ダイオード、ｐｎｐ型ダイオード、ｐｉｐ型ダイオード、ｎｐｎ型ダイオード、ｎｉｎ型ダイオード等でも構わない。また例えば、対象物１としてｎ−型の半導体基板を用意し、上面と下面に本発明の不純物導入方法でｐ型不純物を導入すれば、ｐｎ−ｐ型ダイオード、やｐｎｐ型ダイオードが実現できる。
【００９３】
また本発明はＦＥＴ、ＢＪＴ，ＩＧＢＴ、ＳＩＴ、ＧＴＯ、ＳＩサイリスタ等のディスクリートデバイス（個別半導体装置）等でも構わない。例えば、上記したように対象物１としてｎ−型の半導体基板を用意し、上面及び下面に本発明の不純物導入方法でｐ型不純物を導入すれば、ｐｎ−ｐ型ダイオードの構造が実現できるので、上面のｐ型半導体領域をｐベース領域として、この中にエミッタ領域を構成し、下面のｐ型半導体領域をコレクタ領域とすれば、ＢＪＴ，ＩＧＢＴ等の基本構造が完成する。
【００９４】
また本発明は、これらのディスクリートデバイスをモノリシックに集積化した半導体集積回路や光半導体装置等の各種の半導体装置に適用することができる。更に、パワー半導体ジュールやハイブリッド集積回路の要素となる半導体装置に適用することができる。以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００９５】
１    対象物
１ａ  半導体基板
２    エピタキシャル成長層
３    絶縁膜
３ａ  第１導入阻止パターン（第１導入障壁層）
３ｂ  第２導入阻止パターン（第２導入障壁層）
３ｃ  第３導入阻止パターン（第３導入障壁層）
４    不純物源膜
４ａ〜４ｃ  不純物導入領域（半導体領域）
５    カソード電極膜（コンタクト電極膜）
６    アノード電極膜（ショットキー電極膜）
７    電極パッド
８    パッシベーション膜
１０  成膜装置
１１  チャンバ
１２  下部電極
１３  チャンバ上板
１４  ターゲット
１５  電源
１６  ガス導入バルブ
１７  真空ポンプ
２０  光照射装置
２３  Ｘ−Ｙ移動ステージ
２４  支持台
３０  演算制御装置
３１  膜厚制御部
３２  光源制御部
３３  ビーム調整系
３４  光源
４１  入力装置
４２  データ記憶装置
Ｆｐｅａｋ  ピークエネルギー密度
Ｆｐｒｅ  予備加熱エネルギー密度
Ｆｍｏｄ  降温緩和エネルギー密度
Ｌ    レーザー光
Ｔｄｏｐｅ  ドーピング開始温度
ｔ１  予備照射期間
ｔ２  本照射期間
ｔ３  事後照射期間
ｔ１ａ〜ｔ３ａ  第１の期間〜第３の期間
ｔ１ｂ〜ｔ３ｂ  第１パルスの照射期間〜第３パルスの照射期間
ｔｗ，ｔｗｂ  パルス長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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