(57)【要約】【課題】  レーザアニールにおいて、パルスレーザの単位面積当たりの強度を昇華（アブレーション）が起きない大きさに維持しながら、半導体基板の裏面から深い位置を９５０℃以上にまで加温すること。【解決手段】  半導体基板４４内に導入された不純物を活性化させる方法であり、半導体基板４４の表面から不純物を導入して半導体領域を形成する工程と、半導体基板４４の表面の局所領域に複数のレーザ発振器１２、１６を用いて複数のパルスレーザ２２、２４を照射する工程を備えている。照射工程では、第１レーザ発振器１２が発振する第１パルスレーザ２２が前記局所領域に照射するタイミングと第２レーザ発振器１６が発振する第２パルスレーザ２４が前記局所領域に照射するタイミングの間に差が形成されている。その差は７００ナノ秒以下に調整されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に導入された不純物を活性化させる方法であり、
半導体基板の表面から不純物を導入する工程と、
半導体基板の表面の局所領域に複数のレーザ発振器を用いて複数のパルスレーザを照射する工程を備えており、
前記照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差が設定されていることを特徴とする活性化方法。
【請求項２】
前記照射工程では、前記時間差が７００ナノ秒以下であるという条件で、半値幅が１０〜２００ナノ秒のパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１の活性化方法。
【請求項３】
前記照射工程では、前記時間差がパルスレーザの半値幅以上であるという条件でパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１又は２の活性化方法。
【請求項４】
前記照射工程では、複数のレーザ発振器が同一周波数のパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの活性化方法。
【請求項５】
前記照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部と、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部が重なるようにして照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの活性化方法。
【請求項６】
前記照射工程では、パルスレーザの合計の強度が０．５J/cm２〜２．５J/cm２に調整されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの活性化方法。
【請求項７】
半導体基板の主材料にはシリコンが用いられており、
前記照射工程では、半導体基板の表面の温度がシリコンの溶融温度以上であり、且つシリコンの昇華温度以下に昇温する条件でパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれかの活性化方法。
【請求項８】
半導体基板内に導入された不純物を活性化させる際に用いられるレーザアニール装置であり、
第１レーザ発振器と、
第２レーザ発振器と、
第１レーザ発振器が発振するパルスレーザの光軸と第２レーザ発振器が発振するパルスレーザの光軸を被照射基板表面の局所領域において一致させる光軸調整手段と、
第１レーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、第２レーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差を形成するタイミング調整手段を備えていることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
タイミング調整手段は、第１レーザ発振器がパルスレーザを発振するタイミングと、第２レーザ発振器がパルスレーザを発振するタイミングの間に時間差を形成する手段であることを特徴とする請求項８のレーザアニール装置。
【請求項１０】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の製造方法であり、
半導体基板の裏面から深い位置に第１導電型の不純物を導入してフィールドストップ領域を形成する工程と、
半導体基板の裏面から浅い位置に第２導電型の不純物を導入してコレクタ領域を形成する工程と、
半導体基板の裏面の局所領域に複数のレーザ発振器を用いて複数のパルスレーザを照射する工程を備えており、
前記照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差が設定されていることを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
前記照射工程では、前記時間差が７００ナノ秒以下であるという条件で、半値幅が１０〜２００ナノ秒のパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１０の製造方法。
【請求項１２】
前記照射工程では、前記時間差がパルスレーザの半値幅以上であるという条件でパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１０又は１１の製造方法。
【請求項１３】
前記照射工程では、複数のレーザ発振器が同一周波数のパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかの製造方法。
【請求項１４】
前記照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部と、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部が重なるようして照射することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかの製造方法。
【請求項１５】
前記照射工程では、パルスレーザの合計の強度が０．５J/cm２〜２．５J/cm２に調整されていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかの製造方法。
【請求項１６】
半導体基板の主材料にはシリコンが用いられており、
前記照射工程では、半導体基板の裏面の温度がシリコンの溶融温度以上であり、且つシリコンの昇華温度以下に昇温する条件でパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかの製造方法。
【請求項１７】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、
半導体基板の裏面から深い位置に形成されている第１導電型のフィールドストップ領域と、
半導体基板の裏面から浅い位置に形成されている第２導電型のコレクタ領域を備えており、
フィールドストップ領域の少なくとも一部は、半導体基板の裏面から０．５μｍよりも深い位置に形成されており、
コレクタ領域は、半導体基板の裏面から深部に向けて不純物濃度が一様に分布している領域を備えていることを特徴とするＩＧＢＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板内に導入された不純物を活性化させる方法及びその方法を実施する際に用いられるレーザアニール装置に関する。本発明はまた、その不純物活性化方法を利用して得られる半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の各種特性を改善するために、半導体装置の厚みが１００μｍ程度にまで薄く調整された半導体装置の開発が進められている。その一例に、薄板ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が知られている。薄板ＩＧＢＴは、ｎ＋型のフィールドストップ層及びｐ＋型のコレクタ層を半導体基板の裏面部分に備えている。一般的には、フィールドストップ層及びコレクタ層は積層して形成されていることが多い。なお、フィールドストップ層が分散配置され、コレクタ層とドリフト層が部分的に短絡したコレクタショートタイプも知られている。本明細書では積層したタイプを中心に説明するが、本明細書で開示する技術は、コレクタショートタイプにも有用である。フィールドストップ層とコレクタ層は、半導体基板の裏面からｎ型不純物であるリンイオンを深い位置に導入し、ｐ型不純物であるボロンイオンを浅い位置に導入した後に、活性化のための熱処理を実施することによって形成することができる。
【０００３】
この種の熱処理方法としてレーザアニールを利用する技術の開発が進められている。レーザアニールには、パルス波形の発振モードを利用することが多い。パルスレーザは単位面積当たりの強度を高くすることができる。このため、パルスレーザを利用することによって半導体基板の裏面部分を高温に加温することが可能になる。この種のパルスレーザには、エキシマレーザ、ＹＡＧ第２高調波レーザ、又はＹＬＦ第２高調波レーザ等を利用することが多い。これらのパルスレーザは、半導体基板における吸収係数も大きいことから、一般的によく用いられている。
レーザアニールを利用すると、半導体基板の裏面部分のみを選択的に加温することができる。このため、半導体基板の表面に形成されているアルミ電極及びポリイミド層が損傷してしまうことを回避できる。この種のレーザアニールを利用する方法は、下記の特許文献に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−４１２４４号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９０４２号公報
【特許文献３】特開２００１−５０９３１６号公報
【特許文献４】特開２００４−３６３１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、薄板ＩＧＢＴのｎ＋型のフィールドストップ層は、半導体基板の裏面から０．５μｍほどの深い位置に不純物濃度のピークが形成され、その形成範囲が半導体基板の裏面から１μｍほどの深い位置にまで至ることが多い。このため、ｎ型不純物であるリンイオンも半導体基板の裏面から深い位置に導入されている。このリンイオンを高活性化させるためには、深い位置まで９５０℃以上にまで加温しなければならない。しかしながら、現状のレーザアニールでは、半導体基板の裏面から深い位置に導入された不純物を高活性化させることが難しい。
エキシマレーザ、ＹＡＧ第２高調波レーザ、又はＹＬＦ第２高調波レーザ等のパルスレーザは、波長が比較的に短いレーザである。このため、これらのパルスレーザは半導体基板の裏面から深い位置まで到達しないことが知られている。これらのパルスレーザを利用すると、多くのエネルギーが浅い位置（概ね数十nmの深さ）で吸収され、深い位置を加温することができない。
なお、これらのパルスレーザであっても、照射パワーを大きく（単位面積当たりの強度を高くする）すれば、熱伝導によって深い位置まで加温することが可能である。しかしながら、照射パワーを大きくすると、浅い位置の温度が過度に上昇し、半導体基板の裏面部分で昇華（アブレーション）を起こして欠落するという問題が発生する。また、パルスレーザのパルス幅を長くして照射量を確保しようとすると、パルスレーザの単位面積当たりの強度が小さくなり、半導体基板の裏面部分を高温に加温することができなくなる。
【０００５】
即ち、エキシマレーザ、ＹＡＧ第２高調波レーザ、又はＹＬＦ第２高調波レーザ等のパルスレーザを利用する場合は、（１）パルスレーザの単位面積当たりの強度を昇華（アブレーション）が起きない大きさに維持しながら、（２）半導体基板の裏面から深い位置までを９５０℃以上に加温するのに必要な照射量を確保すること、の両者を同時に達成することが困難である。このため、薄板ＩＧＢＴのフィールドストップ層を効率的に活性化させるために、両者を同時に実現するレーザアニールの技術が望まれている。
なお、この種の課題は薄板ＩＧＢＴに限らず、深い位置に高活性な半導体領域を形成したい半導体装置において共通して存在している。これらの半導体装置に対しても有用な活性化方法の開発が望まれている。
本発明は、上記の課題を解決する不純物の活性化方法、及びその活性化方法を実施する際に用いられるレーザアニール装置を提供することを目的としている。さらに、本発明は、その活性化方法によって得られる半導体装置とその製造方法を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数のレーザ発振器を利用してレーザアニールを実施することを特徴としている。個々のレーザ発振器から発振されるパルスレーザの単位面積当たりの強度は、半導体基板の表面が昇華（アブレーション）を起こさない大きさに維持されている。さらに、個々のレーザ発振器が発振するパルスレーザが半導体基板表面の局所領域を照射するタイミングの間に時間差が形成されている。これにより、パルスレーザの強度を所定の大きさよりも小さく維持しながら、実質的な照射時間を長く確保することができる。実質的な照射時間が長く確保できるので、レーザアニールの照射量を大きく確保でき、熱伝導によって深い位置まで加温することができる。本発明によると、半導体基板の表面の昇華（アブレーション）を回避しながらも、深い位置まで加温するのに必要な照射量を確保することができる。
なお、ここでいう「タイミングの間の時間差」とは、パルスレーザのパルス波形の特徴的な時点を基準として比較したときの両者の間に生じている時間差のことをいう。例えば、パルス波形の立ち上がる時点（開始時点）を基準として比較したときの両者の時間差でもよく、又はパルス波形のピーク値の時点を基準としたときの両者の時間差で比較してもよい。
【０００７】
本発明は、半導体基板内に導入された不純物を活性化させる方法に具現化することができる。本発明の活性化方法は、半導体基板の表面から不純物を導入する工程と、半導体基板の表面の局所領域に複数のレーザ発振器を用いて複数のパルスレーザを照射する工程を備えている。本発明の照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差が設定されていることを特徴としている。
上記の活性化方法によると、個々のレーザ発振器から発振されるパルスレーザの単位面積当たりの強度を、半導体基板の表面が昇華（アブレーション）を起こさない大きさに維持することができる。さらに、個々のレーザ発振器が発振するパルスレーザが半導体基板表面の局所領域を照射するタイミングの間に時間差が形成されている。このため、パルスレーザの強度を半導体基板の表面が昇華を起こさない大きさに維持しながらも、個々のパルスレーザの合計の照射時間を長くすることができる。
本発明の活性化方法によると、半導体基板の表面の昇華（アブレーション）を回避しながらも、深い位置まで加温するのに必要な照射量を確保することができる。
【０００８】
本発明の照射工程では、レーザ発振器からのパルスレーザが局所領域を照射するタイミングの間に設定されている時間差が７００ナノ秒以下に調整されていることが好ましい。この条件の下で、レーザ発振器が半値幅が１０〜２００ナノ秒のパルスレーザを照射することが好ましい。半値幅が１０〜２００ナノ秒のパルスレーザは、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧ第２高調波レーザ、又はＹＬＦ第２高調波レーザ等を用いて発振させることができる。
上記の方法で照射工程を実施すると、それぞれのパルスレーザが半導体基板の表面を照射するタイミングを近接させることができる。このため、一方のパルスレーザによる加温効果が消失するよりも先に、他のパルスレーザを照射させることができるので、実質的な照射時間を長く確保することができる。なお、パルスレーザを照射するタイミングの間に形成されている時間差が７００ナノ秒を超えると、それぞれのパルスレーザが照射するタイミングが離れるので、パルスレーザを近接させることによる相乗効果を得ることができない。
【０００９】
本発明の照射工程では、レーザ発振器からのパルスレーザが局所領域を照射するタイミングの間に設定されている時間差がパルスレーザの半値幅以上に調整されていることが好ましい。この条件の下で、レーザ発振器がパルスレーザを照射することが好ましい。
一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザが照射するタイミングと、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザが照射するタイミングの間に半値幅以上の時間差が形成されていると、合計の強度が所定の値よりも小さく維持しながらも、合計の照射時間を長くするという効果を得ることができる。
【００１０】
本発明の照射工程では、複数のレーザ発振器が同一周波数のパルスレーザを照射してもよく、複数のレーザ発振器が異なる周波数のパルスレーザを照射してもよい。
同一周波数のパルスレーザを用いると、パルスレーザが照射するタイミングの時間差がパルス毎に一定に保たれるので、制御が容易になり良好な結果を得ることができる。
【００１１】
本発明の照射工程では、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部と、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザのパルス波形の一部が重なるようにして照射するのが好ましい。パルスレーザのパルス波形の一部が重なるように調整されていると、一つのパルスレーザの加温効果と他のパルスレーザの加温効果が相乗的に得られ、合計の照射時間が長くなるという効果を優位に得ることができる。
【００１２】
本発明の照射工程では、パルスレーザの合計の強度が０．５J/cm２以上であり、且つ２．５J/cm２以下に調整されていることが好ましい。パルスレーザの合計の強度が０．５J/cm２以上に調整されていると、熱伝導によって半導体基板の表面から深い位置までを９５０℃以上に加温することが可能になる。さらに、パルスレーザの合計の強度が２．５J/cm２以下に調整されていると、半導体基板の表面で昇華（アブレーション）する現象を回避することができる。
【００１３】
半導体基板の主材料にシリコンが用いられている場合、本発明の照射工程では、半導体基板の表面の温度がシリコンの溶融温度以上であり、且つシリコンの昇華温度以下に昇温する条件でパルスレーザを照射することが好ましい。
これにより、半導体基板の表面部分を溶融状態にした後に再結晶化させることができる。このため、半導体基板の表面部分を結晶欠陥の少ない状態にすることができる。
【００１４】
本発明で創作されたレーザアニール装置は、第１発振器と、第２発振器と、第１発振器が発振するパルスレーザの光軸と第２発振器が発振するパルスレーザの光軸を被照射基板表面の局所領域において一致させる光軸調整手段を備えている。本発明のレーザアニール装置はさらに、第１発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、第２発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差を形成するタイミング調整手段を備えている。
タイミング調整手段は、予めプログラムされた指令に基づいてレーザ発振器が発振するタイミングを調整するものでもよく、あるいは個々のレーザ発振器からのパルスレーザの光軸経路に距離差を設けることによって調整するものであってもよい。
【００１５】
タイミング調整手段は、第１レーザ発振器がパルスレーザを発振するタイミングと、第２レーザ発振器がパルスレーザを発振するタイミングの間に時間差を形成する手段としてもよい。
この場合、第１レーザ発振器からのパルスレーザの光軸経路と、第２レーザ発振器からのパルスレーザの光軸経路の距離を略同一に設計することができる。個々のレーザ発振器がパルスレーザを発振するタイミングが調整されている。
【００１６】
本発明で創作された活性化方法は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の製造方法に利用すると有用である。
この場合の製造方法は、半導体基板の裏面から深い位置に第１導電型の不純物を導入してフィールドストップ領域を形成する工程と、半導体基板の裏面から浅い位置に第２導電型の不純物を導入してコレクタ領域を形成する工程と、半導体基板の裏面の局所領域に複数のレーザ発振器を用いて複数のパルスレーザを照射する工程を備えている。本発明の製造方法は、一つのレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングと、他のレーザ発振器が発振するパルスレーザが前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差が設定されていることを特徴としている。
ＩＧＢＴのフィールドストップ領域は半導体基板の裏面から深い位置に形成されており、フィールドストップ領域を効率的に活性化させる技術の開発が望まれていた。本発明の活性化方法を利用すると、よく活性化されたフィールドストップ領域を形成することができるので、ＩＧＢＴの特性を顕著に向上させることができる。
【００１７】
本発明で創作された活性化方法を利用すると、新規で斬新なＩＧＢＴを得ることができる。本発明で創作されたＩＧＢＴは、半導体基板の裏面から深い位置に形成されている第１導電型のフィールドストップ領域と、半導体基板の裏面から浅い位置に形成されている第２導電型のコレクタ領域を備えている。フィールドストップ領域は、半導体基板の裏面から０．５μｍよりも深い位置に形成されている。コレクタ領域は、半導体基板の裏面から深部に向けて不純物濃度が一様な領域を備えている。
半導体基板の裏面から０．５μｍよりも深い位置に形成されているフィールドストップ領域を備えている場合、従来技術のレーザアニールでは十分に活性化させることができなかった。また、従来技術によって深い位置のフィールドストップ領域を活性化させようとすると、浅い位置のコレクタ領域において昇華（アブレーション）が発生し、コレクタ領域が欠落するという事態が発生していた。
本発明で創作された活性化方法を利用して得られるＩＧＢＴは、熱伝導によってフィールドストップ領域をよく活性化させること実現し、さらにコレクタ領域を溶融状態にして再結晶化させることも実現する。このため、コレクタ領域には、半導体基板の裏面から深部に向けて不純物濃度が一様に分布している領域が形成されている。即ち、０．５μｍよりも深い位置に形成されているフィールドストップ領域と、半導体基板の裏面から深部に向けて不純物濃度が一様に分布している領域を備えているコレクタ領域の組合せは、本発明によって創作された新規で斬新な構造である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の不純物の活性化方法を利用すると、レーザパルスの実質的な照射時間が長く確保できるので、レーザアニールの照射量を大きく確保できる。このため、熱伝導によって半導体基板の表面あるいは裏面から深い位置まで加温することができる。本発明によると、半導体基板の表面が昇華（アブレーション）する現象を回避しながらも、深い位置まで加温するのに必要な照射量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の特徴を列記する。
（第１形態）  レーザ発振器には、エキシマレーザ、ＹＡＧ第２高調波レーザ、ＹＬＦ第２高調波レーザ等を利用することができる。
（第２形態）  実質的な照射時間は、５０ナノ秒以上であることが望ましい。
（第３形態）  本発明の「複数のレーザ発振器」とは、２個のレーザ発振器を利用する場合に限定されない。「複数のレーザ発振器」とは、３個以上のレーザ発振器を利用する場合も含む。
（第４形態）  レーザ発振器には、波長の短いレーザ発振器と、波長の長いレーザ発振器を利用することもできる。波長の短いレーザ発振器によって半導体基板の浅い位置を加温し、波長の長いレーザ発振器によって半導体基板の深い位置を加温する。両者の特徴を組合せることによって、半導体基板の表面が過度に加温されるのを抑えながら、半導体基板の深い位置を効率的に加温することが可能となる。
【実施例】
【００２０】
以下、図面を参照して実施例を詳細に説明する。まず、図１〜図４を参照して、本実施例の基本的な特徴を概略的に説明する。
図１に、レーザアニール装置１０の構成を示す。なお、ここで説明するレーザアニール装置１０の構成及び操作条件は、後述するＩＧＢＴの製造方法においても適用される。
レーザアニール装置１０は、第１発振器１２と、第２発振器１６と、光軸調整手段３０と、タイミング調整手段１４を備えている。
第１発振器１２及び第２発振器１６はいずれもＹＡＧ第２高調波を発振するタイプが用いられている。第１発振器１２は第１パルスレーザ２２を発振する。第２発振器１６は第２パルスレーザ２４を発振する。第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４の半値幅は約１００ナノ秒（nsec）であり、周波数は１ｋＨｚに調整されている。
光軸調整手段３０は、第１レンズ３２及び第２レンズ３４を備えている。第１レンズ３２は、第１パルスレーザ２２の光軸を調整している。第２レンズ３４は、第２パルスレーザ２４の光軸を調整している。光軸調整手段３０は、第１パルスレーザ２２の光軸と第２パルスレーザ２４の光軸を半導体基板４４（半導体ウェハ）の表面の局所領域において一致させている。半導体基板４４は、ＸＹステージ４２上に載置されている。
タイミング調整手段１４は、第１信号線１３を介して第１レーザ発振器１２に制御信号を入力している。さらに、タイミング調整手段１４は、第２信号線１５を介して第２レーザ発振器１６に制御信号を入力している。タイミング調整手段１４は、第１パルスレーザ２２が半導体基板４４の表面の局所領域を照射するタイミングと、第２パルスレーザ２４が前記局所領域を照射するタイミングの間に時間差を形成する。レーザアニール装置１０では、第１パルスレーザ２２の光軸距離と第２パルスレーザ２４の光軸距離の間の距離差は実質的に無視できる。したがって、第１パルスレーザ２２と第２パルスレーザ２４が半導体基板４４の表面の局所領域を照射するタイミングの時間差は、第１レーザ発振器１２が第１パルスレーザ２２を発振するタイミングと、第２レーザ発振器１６が第２パルスレーザ２４を発振するタイミングの間の時間差に基づいて形成されている。即ち、タイミング調整手段１４は、第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４の半値幅及び周波数に基づいて、両者の発振するタイミングを異ならせている。タイミング調整手段１４は、第２レーザ発振器１６が第２パルスレーザ２４を発振するタイミングが、第１レーザ発振器１２が第１パルスレーザ２２を発振するタイミングよりも遅延して発振するように調整している。タイミング調整手段１４は、第１信号線１３及び第２信号線１５を介して制御信号を出力し、第１レーザ発振器１２及び第２レーザ発振器１６が発振するタイミングを調整している。
【００２１】
図２に、第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４が半導体基板４４の表面を走査していく様子を示す。半導体基板４４には、複数のチップパターン４６が作り込まれている。第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４は、複数のチップパターン４６を横断しながら、蛇行して連続照射を行っている。第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４の照射位置は固定されており、ＸＹステージ４２が移動することによってパルスレーザの走査が行われている。
ＸＹステージ４２が移動する速度（走査速度）は、所定のオーバーラップ率に基づいて決定されている。本実施例のオーバーラップ率は６７％である。したがって、後述するように、第１レーザパルス２２及び第２レーザパルス２４が複合したダブルパルスが同一箇所に３回照射されることになる。５０％以上のオーバーラップ率を確保することで、半導体基板４４の表面に形成される半導体領域のムラが抑えられる。
【００２２】
図３に、第１パルスレーザ２２のパルス波形及び第２パルスレーザ２４のパルス波形の経時的な変化を示す。
第２パルスレーザ２４は、第１パルスレーザ２２に対して半値幅Ｔ１０と略等しい時間だけ遅延して発振している。このため、第１パルスレーザ２２のパルス波形の一部と第２パルスレーザ２４のパルス波形の一部が重なっている。このため、第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４が複合したダブルパルスレーザが形成されている。第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４のパルス波形の一部が重なっていると、実質的な照射時間Ｔ２０（本明細書では、半値幅と半値幅の合計を照射時間という）が長くなる。このため、第１パルスレーザ２２による半導体基板４４に対する加温効果が維持されている間に、第２パルスレーザ２４による半導体基板４４に対する加温効果を加えることができる。なお、第１パルスレーザ２２の加温効果と第２パルスレーザ２４の加温効果の相乗的な加温効果を得るためには、第２パルスレーザ２４の遅延時間が７００ナノ秒以下に調整するのが望ましい。これにより、第１パルスレーザ２２と第２パルスレーザ２４が照射するタイミングを近接させることができる。このため、第１パルスレーザ２２による加温効果が消失するよりも先に、第２パルスレーザ２４が照射されるので、実質的な照射時間Ｔ２０を長く確保することができる。また、半値幅Ｔ１０以上の遅延が確保されていると、第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４の強度が合計されたとしても、その合計強度がそれぞれのパルスレーザ２２、２４のピークの強度を超えることがない。
したがって、第１パルスレーザ２２と第２パルスレーザ２４の間に設けられている時間差が半値幅Ｔ１０以上であり、７００ナノ秒以下に調整されていると、合計の強度を所定の値よりも小さく維持しながら、合計の照射時間Ｔ２０を長くするという効果を得ることができる。
【００２３】
図４に、レーザアニール装置１０を用いた場合の半導体基板４４の深さ方向に沿った温度分布を示す。なお、符号９４は、第１レーザ発振器１２のみを用いて半導体基板を照射した比較例である。
符号９４に示すように、第１レーザ発振器１２のみを用いて照射した場合は、多くのエネルギーが浅い位置（概ね数十nmの深さ）で吸収され、温度分布が深さ方向に沿って急峻に変化する。このため、第１レーザ発振器１２のみを用いて照射した場合は、深い位置（例えば１μｍ）を活性化に必要な９５０℃を達成しようとすると、浅い位置の温度が過度に上昇し、半導体基板４４の表面の温度がアブレーション点よりも高くなるという問題がある。
一方、符号４４に示すように、第１レーザ発振器１２及び第２レーザ発振器１４を併用した場合は、温度分布が深さ方向に沿って緩やかになる。このため、半導体基板４４の表面の温度を抑えながらも、深い位置の温度を上昇させることができる。これは、第１パルスレーザ２２及び第２パルスレーザ２４の単位面積当たりの強度は小さく維持しながらも、実質的な照射時間Ｔ２０を長く確保したことによって、レーザアニールの照射量を大きく確保できたからである。レーザアニールの照射量を大きく確保できたので、熱伝導によって深い位置の温度を上昇させることができるのである。
したがって、照射パワーを適宜に調整してやると、半導体基板４４の表面から１μｍの深い位置を９５０℃以上にまで高温に加温することができる。この場合でも、半導体基板４４の表面の温度はアブレーション点（約２０００℃）よりも低く維持されている。さらに、符号４４の場合は、半導体基板４４の表面の温度がシリコンの溶融温度である１４２０℃を超えている。したがって、半導体基板４４の表面部分は、レーザアニールによって溶融状態を経た後に、冷却されると再結晶化が起こる。このため、半導体基板４４の表面部分に、結晶欠陥の少ない状態が得られる。半導体基板４４の表面から１μｍの深い位置を９５０℃以上にまで高温に加温しながら、半導体基板４４の表面の温度を１４２０℃からアブレーション点の範囲内に調整するには、実質的な照射時間Ｔ２０（本明細書では、半値幅と半値幅の合計を照射時間という）を５０ナノ秒以上に調整するのが望ましい。
【００２４】
（ＩＧＢＴの製造方法）
次に、図５〜図１２を参照して、ＩＧＢＴの製造方法を説明する。とりわけ、フィールドストップ層及びコレクタ層を形成する方法を中心に説明する。
図５に、ＩＧＢＴ１００の製造過程の要部断面図を模式的に示す。ＩＧＢＴ１００は、ｎ型のシリコン単結晶のウェハ（ＣＺ、ＭＣＺ、ＦＺ）を利用して形成されている。ＩＧＢＴ１００は、ｎ−型のドリフト層５２上に形成されているｐ型のボディ層５４と、そのボディ層５４の表面部分に形成されているｎ＋型のソース領域６２を備えている。ボディ層５４及びソース領域６２は、ドリフト層５２の表面部分にイオン注入技術を利用して形成することができる。ドリフト層５２及びボディ層５４を合せて半導体基板５０という。
ＩＧＢＴ１００は、トレンチゲート電極５８を備えている。トレンチゲート電極５８は、ソース領域６２とドリフト層５２を隔てているボディ層５４にゲート絶縁膜５６を介して対向している。ゲート絶縁膜５６は、ボディ層５４の表面からトレンチを形成した後に、そのトレンチの内壁を熱酸化することによって形成することができる。トレンチゲート電極５８は、ゲート絶縁膜５６によって被覆されたトレンチ内にポリシリコンを充填することによって形成することができる。トレンチゲート電極５８のポリシリコンには不純物が高濃度に導入されており、実質的に導体である。
半導体基板５０の表面には、ソース領域６２に電気的に接続するソース電極６６が形成されている。ソース電極６６とトレンチゲート電極５８は、層間絶縁膜６４によって電気的に分離されている。ボディ層５４の表面にはさらに、ポリイミド層６８が形成されている。ポリイミド層６８はソース電極６６を覆っており、ソース電極６６等のパッシベーション（保護膜）用に設けられている。
【００２５】
次に、図６に示すように、ＩＧＢＴ１００のドリフト層５２は裏面側から研磨され、半導体基板５０は１００〜１５０μｍ程度の厚みに調整される。
次に、図７に示すように、ドリフト層５２の裏面からｎ型不純物であるリンイオン７６ａを深い位置に導入し、ｐ型不純物であるボロンイオン７４ａを浅い位置に導入する。リンイオン７６ａの注入条件は、注入エネルギーが４００KeVであり、ドーズ量が１×１０１３cm−２に調整されている。ボロンイオン７４ａの注入条件は、注入エネルギーが１０〜２０KeVであり、ドーズ量が５×１０１３〜１×１０１４cm−２に調整されている。図１０に示すように、リンイオンの導入濃度分布７６ａは、半導体基板５０の裏面から０．５μｍほどの深い位置に不純物濃度のピークが形成され、その形成範囲が半導体基板５０の裏面から１μｍほどの深い位置にまで至っている。
【００２６】
次に、半導体基板５０の裏面に向けてレーザアニールを実施する。このレーザアニールは、前記したレーザアニール装置１０を利用して実施する。レーザアニール装置１０の構成及び操作条件は、前記したものと同一である。
図１１に、リンイオンの導入濃度分布７６ａと活性化された活性化されたリンの濃度分布７６を示す。リンイオンの導入濃度分布７６ａは二次イオン質量分析システム（ＳＩＭＳ）を用いて算出した。活性化されたリンの濃度分布７６は拡がり抵抗（ＳＲ）を用いて算出した。なお、符号９４は、第１レーザ発振器１２のみを用いた場合の比較例であり、活性化されたリンの濃度分布を示す。
本実施例の活性化されたリンの濃度分布７６は、リンイオンの導入濃度分布７６ａに沿って深い位置までほぼ活性化されていることが分かる。活性化率（＝ＳＲ積分値÷ＳＩＭＳ積分値×１００）を算出してみると、深さ１．０μｍまでの本実施例の活性化率は７０％であり、符号９４の比較例は２％であった。本実施例の活性化率は、比較例のそれに比して顕著に向上していることが確認された。
【００２７】
さらに、本実施例では、半導体基板５０の浅い位置に導入されたボロンイオン７４ａの活性化においても特異な特徴を有している。
図１２に、半導体基板５０の裏面から深さ方向に沿った活性化ボロン７４の不純物濃度分布を模式的に示す。
本実施例では、半導体基板５０の裏面部分がシリコンの溶融温度である１４２０℃以上に加温されている。ただし、昇華（アブレーション）が発生するほどの高温にまで加温されていない。このため、半導体基板５０の裏面部分は、昇華によって欠落することなく、溶融状態を経た後に再結晶化が起きている。したがって、半導体基板５０の裏面部分の結晶欠陥は回復し、結晶欠陥の少ない状態が得られる。
さらに、本実施例のレーザアニールによると、コレクタ層７４の不純物濃度が一様に形成されるという利点も有している。図１２の符号８０に示すように、ランプアニール等の従来技術を用いると、コレクタ層の不純物濃度の分布は、深さ方向に沿って変動しており、半導体基板の表面部分の不純物濃度が大きく低下している（図中８０参照）。この表面部分の低下は、ピークの値に対して２／３ほど低下する。一方、本実施例のコレクタ層７４は、溶融状態を経験したことによって、半導体基板５０の裏面から深部に向けて不純物濃度が一様な領域を備えることができる。これにより、コレクタ電極に対するコンタクト性の向上、及び正孔の注入効率の向上が得られ、オン電圧の小さいＩＧＢＴを得ることができる。
次に、図９に示すように、コレクタ層７４の裏面にアルミニウムを蒸着してコレクタ電極７２を形成して、ＩＧＢＴ１００を得ることができる。
【００２８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】レーザアニール装置の構成を示す。
【図２】パルスレーザが半導体基板を走査する様子を示す。
【図３】第１レーザパルスの波形と第２レーザパルスの波形を示す。
【図４】半導体基板の裏面部分の温度分布を示す。
【図５】ＩＧＢＴの製造過程を示す（１）。
【図６】ＩＧＢＴの製造過程を示す（２）。
【図７】ＩＧＢＴの製造過程を示す（３）。
【図８】ＩＧＢＴの製造過程を示す（４）。
【図９】ＩＧＢＴの製造過程を示す（５）。
【図１０】半導体基板の裏面部分に導入されたリンイオン及びボロンイオンの分布を示す。
【図１１】半導体基板の裏面部分の活性化リンの分布を示す。
【図１２】半導体基板の裏面部分の活性化ボロンの分布を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１０：レーザアニール装置
１２：第１レーザ発振器
１３：第１信号線
１４：タイミング制御手段
１５：第２信号線
１６：第２レーザ発振器
２２：第１レーザパルス
２４：第２レーザパルス
３０：光軸調整手段
３２：第１レンズ
３４：第２レンズ
４２：ＸＹステージ
４４：半導体基板
【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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【図１１】
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【図１２】
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