CN109075042A - 激光退火方法及激光退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光退火方法及激光退火装置。准备在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片。向硅晶片的注入有元素的表面即激光照射面照射690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束从而使元素激活。在使元素激活时，向硅晶片照射脉冲宽度及脉冲能量密度满足激光照射面不会被熔融且从表面至深度40μm为止的范围中的至少一部分区域的元素被激活的条件的脉冲激光束。

Description

激光退火方法及激光退火装置

技术领域

本发明涉及一种对注入有与晶体内部的晶格缺陷组合而作为施主发挥作用的元素的硅晶片进行退火从而激活所注入的元素的激光退火方法及激光退火装置。

背景技术

已知有向硅晶片注入质子而产生晶格缺陷，然后进行退火从而使n型载流子密度上升的技术。在该情况下，质子作为施主发挥作用。质子的施主化认为是由质子与空孔的复合缺陷所引起的。注入到硅晶片中的质子的施主化也被称作质子的激活。例如，通过使用电炉在500℃下进行30分钟的退火，能够激活质子(专利文献1)。

通过激光退火来激活注入到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的与元件面相反一侧的表面的质子的技术是公知的(专利文献2)。在专利文献2中公开的方法中，向硅晶片同时照射波长为808nm的激光和波长为500nm左右的激光。波长为808nm的激光的光源使用半导体激光器，波长为500nm左右的激光的光源使用YAG2ω激光器。波长为808nm的激光向硅晶片的穿透深度长于波长500nm的激光向硅晶片的穿透深度。利用穿透深度更长的激光对相对较深的区域进行加热，利用穿透深度更短的激光对相对较浅的区域进行加热。

在专利文献2中所记载的方法中，在激光退火中从温度上升至下降为止的时间为1μs，其极为短暂，因此，为了激活质子，需要使硅处于熔融状态或接近熔融的状态。在专利文献2中所记载的方法中，使硅晶片熔融至例如约30μm左右的深度从而进行质子的激活。通过使用穿透深度不同的两种波长的激光，能够使硅晶片熔融至更深的区域。

已知：在注入质子时，从硅晶片的表面至相当于质子的投影射程Rp的深度为止的质子的通过区域的施主浓度显著低于原本就掺杂于硅晶片的掺杂剂的初期施主浓度(专利文献3)。这是因为，通过质子照射会产生成为载流子迁移率的降低或漏电流的原因的晶体状态严重扰乱的缺陷。这种缺陷被称作无序(disorder)。

通过改变着加速能量而进行三次质子照射并且每次照射质子后进行为了激活的炉退火，从而能够形成不存在无序的场截止层(专利文献3)。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-99705号公报

专利文献2：日本特开2009-176892号公报

专利文献3：国际公开第2013/147275号

发明内容

发明要解决的技术课题

如上所述，基于质子的n型载流子的产生是由复合缺陷引起的。若退火温度过高，则作为施主而发挥作用的复合缺陷恢复而被消灭，因此存在用于激活质子的退火温度的优选范围的上限值。在使用电炉进行退火时，无法将退火温度设为高于该上限值。因此，难以通过退火来消灭通过离子注入而在射程末端(End-of-Rang)区域中产生的射程末端(EOR)缺陷。在此，射程末端区域是指：从注入的掺杂剂的浓度显示峰值的位置(峰值深度)至掺杂剂到达的最深位置(尾部深度)为止的区域。在残留有EOR缺陷的区域中，有时n型载流子的密度低于n型硅晶片的初期的施主浓度。

在使硅晶片的表层部熔融从而激活质子的方法(专利文献2中所记载的方法)中，为了使硅熔融，必须提高硅晶片表面上的能量密度。作为一例，对使硅晶片熔融至深度30μm的情况进行了考察。硅的焓为1780J/g，因此将面积为1cm²的区域熔融至深度30μm需要的潜热为12.4J/cm²。仅为了使硅熔融，就得消耗相当于12.4J/cm²的能量密度的激光能量。在进行激光退火时，除了需要相当于潜热的能量以外，还需要用于将硅晶片加热至熔点的能量。因此，为了使硅晶片熔融至深度30μm，需要高于12.4J/cm²的能量密度。

在使波长为808nm的半导体激光连续振荡时，为了提高能量密度，必须提高激光振荡器的输出或者减慢硅晶片表面上的光束点(beam spot)的移动速度。为了提高波长为500nm左右且脉冲振荡的YAG2ω激光的能量密度，必须提高每一个脉冲的能量或者减小光束点尺寸。在上述情况中，均会导致激光振荡器的高成本化或生产率的下降。

并且，在专利文献2中所记载的方法中，使用穿透深度较长的激光对相对较深的区域进行加热。然而，向硅晶片的光的穿透深度依赖于硅晶片的温度。若硅晶片的温度上升，则能带隙变小，其结果，光的穿透深度变短。若因激光的入射而硅晶片的温度变高，则穿透深度变短，因此激光持续入射时的穿透深度变得短于激光入射初期的穿透深度。

在IGBT的制造工序中，在通过炉退火激活质子的时刻，硅晶片中已经形成有IGBT的元件结构。该元件结构中例如包含铝等。因此，在质子的激活退火过程中，不能加热至由铝和硅形成硅化物的温度以上。在专利文献3中公开的方法中，在420℃、400℃及380℃下进行三次炉退火。这种温度下且通过炉退火是难以有效地消灭无序。

本发明的目的在于提供一种能够减少EOR缺陷且不需要使激光振荡器的使硅晶片熔融的程度的高输出化的激光退火方法。本发明的另一目的在于提供一种注入质子等之后能够减少无序的激光退火方法。本发明的又一目的在于提供一种能够适用于这些激光退火方法的激光退火装置。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一个观点，提供一种激光退火方法，其具有如下工序：

准备在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片的工序；及

向所述硅晶片的注入有所述元素的表面即激光照射面照射690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束从而使所述元素激活的工序，

在是所述元素激活的工序中，向所述硅晶片照射脉冲宽度及脉冲能量密度满足所述激光照射面不会被熔融且从表面至深度40μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活的条件的所述脉冲激光束。

根据本发明的另一个观点，提供一种激光退火装置，其具有：

激光光源，输出690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束；

载物台，保持在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片；

传播光学系统，使从所述激光光源输出的脉冲激光束传输至保持于所述载物台上的硅晶片；及

控制装置，控制所述激光光源，

所述传播光学系统将所述硅晶片的表面上的脉冲激光束的光束截面整形为宽度为200μm以上的沿一个方向较长的形状，

所述控制装置控制所述激光光源以使所述激光光源所输出的脉冲激光束的脉冲宽度成为70μs以上且100μs以下或140μs以上，且其功率成为满足使所述硅晶片的激光照射面的最高达到温度成为低于1414℃的条件的功率。

根据本发明的又一个观点，提供一种激光退火方法，其中，

准备在厚度方向上的整个区域中添加有施主并且在一个表面的表层部还注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片；

向所述硅晶片的注入有所述元素的表面即激光照射面照射690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束从而使所述元素激活，

将所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度设定为如下条件后向所述硅晶片照射所述脉冲激光束，所述条件如下：消灭注入所述元素时所述元素所通过的区域即通过区域中产生的无序及在射程末端区域中产生的射程末端缺陷中的至少一方，从而使该区域的载流子密度至少恢复到注入所述元素之前的所述硅晶片的初期施主浓度。

根据本发明的又一个观点，提供一种激光退火装置，其具有：

激光光源，输出690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束；

传播光学系统，使从所述激光光源输出的脉冲激光束传输至退火对象的晶片；

存储装置，存储有第1规范及第2规范，所述第1规范规定在退火对象的晶片为在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素且进行了用于激活所述元素的炉退火之后的晶片时所适用的脉冲激光束的输出条件，第2规范规定在退火对象的晶片为在一个表面的表层部注入有所述元素且未实施炉退火的晶片时所适用的脉冲激光束的输出条件；及

控制装置，控制所述激光光源，

所述控制装置选择从所述第1规范及所述第2规范中适用哪个规范，并且根据所选择的规范控制所述激光光源。

发明效果

通过电炉退火难以消灭EOR缺陷，但是，通过使用脉冲激光的退火，与使用电炉退火的情况相比，能够大幅减少EOR缺陷。而且，由于适用不让硅晶片的激光照射面熔融的条件，因此能够使用与使表面熔融的情况相比输出更小的激光振荡器。

通过消灭无序，能够实现元件特性的改善。

附图说明

图1中(A)是利用基于实施例的激光退火方法而制造出的IGBT的剖视图，(B)是进行激光退火的阶段中的硅晶片的剖视图。

图2中(A)是表示硅的温度与能带隙之间的关系的图表，(B)是表示硅的温度与光穿透深度之间的关系的图表。

图3是表示以使表面的最高达到温度成为硅的熔点(1414℃)的条件照射激光束时的深度与最高达到温度之间的关系的模拟试验结果的图表。

图4中(A)是作为退火对象的硅晶片的剖视图，(B)是激光退火后的硅晶片的剖视图，(C)是表示激光退火后的硅晶片的厚度方向上的载流子密度分布的图表。

图5中(A)是另一实施例的激光退火方法中的注入质子后的硅晶片的剖视图，(B)是炉退火后的硅晶片的剖视图，(C)是激光退火后的硅晶片的剖视图。

图6中(A)是评价实验中所使用的硅晶片的剖视图，(B)是激光退火后的硅晶片的剖视图。

图7是表示激光退火后的硅晶片的载流子密度在深度方向上的分布的测定结果的图表。

图8是表示以上述条件进行了激光退火后的试样的深度方向上的载流子密度分布的测定结果的图表。

图9是表示以使硅晶片的表面的最高达到温度几乎达到硅的熔点的条件进行激光退火时的深度方向上的最高达到温度的分布的模拟试验结果的图表。

图10是表示硅晶片的厚度、脉冲宽度及非照射面的最高达到温度之间的关系的模拟试验结果的图表。

图11中(A)至(E)是用于说明IGBT的制造方法的硅晶片的剖视图。

图12是表示硅晶片10的激光照射面10B的表层部的载流子密度分布的测定结果的图表。

图13中(A)至(E)是用于说明IGBT的另一制造方法的硅晶片的剖视图。

图14是基于实施例的激光退火装置的示意图。

图15是表示硅晶片的厚度与满足使非照射面的最高达到温度成为400℃以下的条件的脉冲宽度的上限值之间的关系(第1关系)的图表。

图16中(A)及(B)是表示入射的脉冲激光束的脉冲宽度与注入到硅晶片中的质子被激活的深度范围之间的关系(第2关系)的图表。

图17是控制装置的功能框图。

图18是表示在另一评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。

图19是表示在又一评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。

图20是表示在又一评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。

图21是表示在又一评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。

具体实施方式

下面，参考图1中(A)及(B)对利用基于实施例的激光退火方法而制作出的半导体元件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结构进行简单说明。

图1中(A)是利用基于实施例的激光退火方法而制造出的IGBT的剖视图。在n型的硅晶片10的一个表面(以下称为“非照射面”)10A形成有发射极、栅极等元件结构，在另一个表面(以下称为“激光照射面”)10B形成有集电极。

例如，如图1中(A)所示，在硅晶片10的非照射面10A的表层部配置有p型的基极区域11、n型的发射极区域12、栅极电极13、栅极绝缘膜14及发射极电极15。利用栅极-发射极之间的电压能够进行电流的开关控制。发射极电极15例如使用铝。

在硅晶片10的激光照射面10B的表层部形成有p型的集电极层17及低密度的n型的缓冲层(场截止层)16。缓冲层16配置于比集电极层17更深的区域。集电极层17通过离子注入p型的掺杂剂(例如，硼(B))后进行激活而形成。n型的缓冲层16通过注入n型的掺杂剂(例如，磷(P)及质子)后进行激活而形成。在缓冲层16的相对较浅的区域注入有磷，相对深的区域注入有质子。集电极18形成于集电极层17的表面。

从激光照射面10B至集电极层17与缓冲层16之间的界面为止的深度例如在约0.2μm至约0.5μm的范围内。从激光照射面10B至缓冲层16的最深位置为止的深度例如在5μm至40μm的范围内。将磷注入到比5μm更深的区域的比较困难的。因此，比5μm更深的区域主要通过质子的激活而形成为n型区域。

图1中(B)是进行激光退火的阶段中的硅晶片10的剖视图。在硅晶片10的激光照射面10B的表层部的第1层17a中注入有硼。在比第1层17a更深的第2层16a中注入有磷，在比其更深的第3层16b中注入有质子。在该阶段中，这些掺杂剂并未被激活。硼的剂量多于磷的剂量。

[IGBT的制造工序]

接着，对IGBT的制造工序进行说明。首先，在硅晶片的非照射面10A形成包括基极区域11、发射极区域12、栅极电极13、栅极绝缘膜14及发射极电极15(图1中(A))的元件结构。非照射面10A的元件结构可以通过公知的半导体制造工艺来形成。

在非照射面10A上形成元件结构之后，通过从激光照射面10B磨削硅晶片10来使硅晶片10变薄。作为一例，将硅晶片10磨削至50μm～200μm范围的厚度。接着，从变薄的硅晶片10的激光照射面10B注入硼、磷及质子来形成第1层17a、第2层16a及第3层16b(图1中(B))。这些掺杂剂的注入例如使用离子注入法。

在注入了掺杂剂之后，对硅晶片10的激光照射面10B照射激光束来进行激光退火。通过该激光退火，硼、磷及质子被激活，从而形成p型的集电极层17及n型的缓冲层16(图1中(A))。

[使质子激活的优选条件]

接着，对利用激光退火来激活注入于第3层16b(图1中(B))的质子的优选条件进行说明。

在进行激光退火之前，在硅晶片10(图1中(A))的非照射面10A已形成有IGBT的元件结构。若在进行激光退火时非照射面10A的温度变得过高，则元件结构会受损。具体而言，在发射极电极15使用铝等熔点较低的金属材料时，会产生该金属材料与硅晶片10的硅化物反应等。为了抑制元件结构受损，要求将激光退火时的非照射面10A的最高达到温度设为铝产生硅化物反应的温度(约450℃)以下。优选将非照射面10A的最高达到温度设为400℃以下。

有时在硅晶片的极浅区域中添加有质子以外的掺杂剂。若在使质子激活时硅晶片的表层部熔融，则除了质子以外的掺杂剂在深度方向上的密度分布(profile)会被扰乱。为了抑制极浅区域的掺杂剂的分布被扰乱，优选以不让激光照射面10B的最高达到温度超过硅的熔点(1414℃)的方式选择脉冲激光束的脉冲宽度及硅晶片表面上的脉冲能量密度。

若已确定脉冲宽度，则确定满足激光照射面10B不会被熔融的条件的脉冲能量密度的上限值。为了激活更深区域中的质子，优选使激光照射面10B的最高达到温度成为硅的熔点附近。作为一例，优选以使照射面的最高达到温度成为1000℃以上且低于1414℃的范围内的方式选择脉冲宽度及脉冲能量密度。

另外，优选将脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度设在能够消灭或减少在质子的通过区域中产生的无序的范围内。

[使用穿透深度较长的波长区域的激光束时的加热过程]

接着，参考图2及图3对为了对注入有质子的比5μm更深的区域进行加热而使用穿透深度较长的波长区域的激光束进行退火时的加热过程进行说明。

图2中(A)是表示硅的温度与能带隙之间的关系的图表，(B)是表示硅的温度与光穿透深度之间的关系的图表。图2中(A)的横轴以单位“℃”表示硅的温度，纵轴以单位“eV”表示能带隙。图2中(B)的横轴以单位“K”表示硅的温度，纵轴以单位“μm”表示光穿透深度。图2中(B)的实线及虚线分别表示波长为800nm及532nm的光的穿透深度。

如图2中(A)所示，能带隙随着硅的温度的上升而变窄。通常，光的吸收率随着能带隙变窄而变高。

如图2中(B)所示，若硅的温度上升导致能带隙变窄，则光穿透深度会变短。在室温下，波长分别为800nm及532nm的光的穿透深度分别为约10μm及1μm。若硅的温度上升至熔点(1687K)附近，则波长分别为800nm及532nm的光的穿透深度分别缩短至室温时的穿透深度的约1/30及约1/10。

若在室温下对硅晶片照射穿透深度较长的波长800nm的激光束，则激光束会侵入至深度10μm左右。然而，硅晶片的表面温度上升至熔点附近之后，其穿透深度就变为短于波长532nm的激光束的室温下的穿透深度。如此，即使使用室温下的穿透深度较长的波长的激光束，表面温度上升之后其穿透深度也会变短。因此，即使使用穿透深度较长的波长的激光束进行激光退火，在表面温度上升之后，激光能量在与表面极其近的部位被吸收。通过吸收激光能量而在表面附近产生的热量会传导至硅晶片的较深区域，由此硅晶片的较深区域的温度会上升。

图3是表示以使表面的最高达到温度成为硅的熔点(1414℃)的条件照射激光束时的深度与最高达到温度之间的关系的模拟试验结果的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片表面的深度，纵轴以单位“℃”表示最高达到温度。入射到硅晶片的脉冲激光束的波长为800nm。图3中的三角形符号及圆形符号分别表示将脉冲宽度分别为250μs及25μs的脉冲激光束照射一次时的最高达到温度。不管是何种脉冲宽度，均以使脉冲的下降时刻的表面温度成为约1414℃的方式调整了脉冲能量密度。

硅晶片的表面的最高达到温度最高，并且随着深度变深，最高达到温度变低。若注入质子，则在比相当于投影射程Rp的深度更浅的通过区域中产生无序。如图3所示，产生了无序的相对较浅的区域的最高达到温度高于需要激活质子的相对较深的区域的最高达到温度。换言之，可以将产生了无序的区域的退火温度设为高于相当于质子的投影射程Rp的深度区域的退火温度。在以下说明的实施例中，利用了较浅区域的温度高于较深区域的温度的温度分布(temperature profile)。

[基于实施例的激光退火方法]

接着，参考图4中(A)至(C)对基于实施例的激光退火方法进行说明。

图4中(A)是作为退火对象的硅晶片20的剖视图。在硅晶片20的厚度方向上的整个区域中添加有施主(donor)，硅晶片20带有n型导电性。从硅晶片20的一个表面21以投影射程Rp为约5μm的条件注入质子H⁺，从而形成质子注入层22。在比质子注入层22更浅的质子通过区域产生了无序23。

图4中(B)是激光退火后的硅晶片20的剖视图。通过对硅晶片20的表面21照射波长为808nm的脉冲激光束PL，从而进行激光退火。作为激光光源，可以使用半导体激光元件。通过该激光退火，质子注入层22(图4中(A))内的质子被激活，从而形成n型层22a。

脉冲激光束PL的脉冲宽度及硅晶片20的表面上的脉冲能量密度设定为如下条件：消灭无序23(图4中(A))，从而使质子的通过区域的载流子密度至少恢复到注入质子之前的硅晶片的初期施主浓度，并且使硅晶片20的与激光照射面(表面21)相反一侧的非照射面的最高达到温度不超过400℃。在此，“初期施主浓度”是指：在形成单晶的硅锭时所掺杂的n型掺杂剂中电激活的n型掺杂剂的浓度。

接着，参考图4中(C)对本实施例的优异效果进行说明。

图4中(C)是表示激光退火后的硅晶片20的厚度方向上的载流子密度分布的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片20的表面21的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度(载流子浓度)。图4中的虚线表示硅晶片20的初期施主浓度Di。

在深度5μm至14μm为止的范围中，n型的载流子密度变得高于初期施主浓度Di。这意味着质子已被激活。另外，比深度5μm更浅的区域(质子的通过区域)的载流子密度与初期施主浓度Di大致相等。即，质子的通过区域中的载流子密度并未下降。这意味着通过激光退火几乎全部无序23(图4中(A))已被消灭。

在本实施例中，由图3所示的最高达到温度的分布可知，质子通过区域的退火温度高于需要使质子激活的区域的退火温度。由此，能够有效地消灭无序23。另外，如图3所示，与照射激光的表面21(图4中(A))相反一侧的非照射面的最高达到温度低于表面21及质子注入层22的最高达到温度。因此，能够找出非照射面的温度的最高达到温度不超过400℃且能够激活质子的激光照射条件。

接着，对本实施例的各种变形例进行说明。在本实施例中使用了波长为808nm的脉冲激光束，但也可以使用其他红外区域波长(例如690nm以上且950nm以下的波长)的脉冲激光束。并且，在本实施例中向硅晶片20注入了质子，但除此以外，也可以使用形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素，例如，氘(deuterium)、氘核(triton)等。

接着，参考图5中(A)至(C)对基于另一实施例的激光退火方法进行说明。在图4中(A)至(C)所示的实施例中，通过激光退火来激活质子并且消灭了无序。在本实施例中，为了激活质子而使用了炉退火，为了消灭无序而使用了激光退火。

图5中(A)是注入质子之后的硅晶片20的剖视图。该状态与图4中(A)所示的硅晶片20的剖视图相同。在质子的通过区域产生了无序23。

图5中(B)是炉退火后的硅晶片20的剖视图。通过进行炉退火，质子注入层22(图5中(A))内的质子被激活而形成n型层22a。由于通过炉退火难以消灭无序23，因此炉退火后在质子的通过区域中残留有无序23。

图5中(C)是激光退火后的硅晶片20的剖视图。通过进行激光退火，能够消灭无序23(图5中(B))。

在图4中(A)至(C)所示的实施例中，通过激光退火需要进行质子的激活及无序23的消灭这两个操作。相对于此，在图5中(A)至(C)所示的实施例中，通过激光退火无需进行质子的激活，因此激光照射条件得到缓和。如此，图5中(A)至(C)所示的使用基于同时使用炉退火的实施例的激光退火方法时的优选激光照射条件与图4中(A)至(C)所示的使用基于未使用炉退火的实施例的激光退火方法时的优选激光照射条件不同。

[通过激光退火来激活质子的激光照射条件]

接着，对不使用炉退火而利用激光退火以使硅晶片10的激光照射面10B的最高达到温度达到稍低于硅的熔点(约1414℃)的温度的条件激活质子且消灭无序时的光束尺寸、激光振荡方式及脉冲宽度(加热时间)的优选条件进行说明。

[光束尺寸的优选条件]

参考图6及图7对光束尺寸的优选条件进行说明。若激光束入射到硅晶片，则光能量被硅晶片的表层部吸收而转换成热量，该热量会向深部扩散。为了激活注入到深度10μm左右的较深区域的质子，需要使热量朝向深部有效地扩散。

本申请的发明人为了调查硅晶片的表面上的光束尺寸与质子的激活之间的关系而进行了评价实验。以下，对该评价实验进行说明。

图6中(A)是评价实验中使用的硅晶片30的剖视图。在硅晶片30中以剂量1×10¹⁴cm^-2的条件注入有质子从而形成有质子注入层31。注入的质子束例如通过以加速能量4.3MeV进行加速之后利用铝箔进行减速以使投影射程Rp成为5μm而获得。在质子的通过区域产生无序32。

图6中(B)是激光退火后的硅晶片30的剖视图。质子注入层31(图6中(A))内的质子被激活而形成n型层31a。而且，无序32(图6中(A))被消灭。激光退火中使用了波长为808nm的连续振荡激光。硅晶片30的表面上的激光束的光束点直径设为50μm、100μm及200μm这三个条件。以使硅晶片30的加热时间成为200μs的方式调整了光束点的移动速度。硅晶片30的表面上的功率密度设定为，使硅晶片30的表面的最高达到温度成为硅的熔点(约1414℃)。即使光束点的大小不同，但是加热时间恒定，因此满足上述条件的功率密度也恒定。

图7是表示激光退火后的硅晶片30的载流子密度在深度方向上的分布的测定结果的图表。载流子密度的分布使用扩展电阻测定法(SRA)来进行了测定。图7的横轴以单位“μm”表示距表面的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。图7中的粗虚线、细实线及粗实线分别表示以光束点的直径d为50μm、100μm及200μm的条件下进行了激光退火的试样的载流子密度。由图7可知，根据光束点的大小，质子的激活出现较大差异。为了便于比较，以细虚线表示了使用电炉在温度350℃～500℃下进行了约两小时的退火的试样的载流子密度。并且，单点划线表示硅晶片30的初期施主浓度。

可以认为，使用电炉进行了退火时的载流子密度分布接近注入的质子的浓度分布。但是，在深度14μm～20μm的范围中，载流子密度变得低于初期施主浓度。这是由离子注入而产生的EOR缺陷所引起的。要想通过使用电炉的退火来消灭EOR缺陷，必须提高退火温度。但是，若提高退火温度，则作为施主而发挥作用的复合缺陷也会被消灭。因此，难以通过使用电炉的退火来消灭EOR缺陷。

在以光束点的直径d为50μm的条件进行了激光退火的情况下，在比深度约9μm更浅的区域中，质子被激活，但在比9μm更深的区域中，质子完全未被激活。在以光束点的直径d为200μm的条件进行了激光退火的情况下，在深度7μm～15μm的范围内，质子被激活。另外，还可知，深度14μm～20μm的范围内的EOR缺陷被消灭。在以光束点的直径d为100μm的条件进行了激光退火时的质子的激活在以光束点的直径为50μm的条件进行了退火时的激活与以200μm的条件进行了退火时的激活之间。

在以光束点的直径d为200μm的条件进行了退火的情况下，可以认为，在比深度7μm更浅的区域中的质子的激活率较低是因为较浅区域的温度过高导致了作为施主而发挥作用的复合缺陷被恢复。

由图7所示的评价实验的结果可知，若光束点变小，则较深区域的质子不会被激活。这是因为，若光束点较小，则施加于表层部的热量不仅向深度方向扩散，还横向扩散，因此较深区域的温度难以变高所导致。

为了在比10μm更深的区域中高效地激活质子，优选将光束点的直径设为100μm以上。另外，为了高效地消灭EOR缺陷，优选将光束点的直径设为200μm以上。

在该评价实验中，光束点设为圆形，但是，在将光束点设为沿一个方向较长的长尺寸形状后进行退火的情况下，也能够适用上述评价实验的结果。例如，为了在比10μm更深的区域中激活质子，优选将长尺寸形状的光束点的宽度设为100μm以上。为了消灭EOR缺陷，优选将长尺寸形状的光束点的宽度设为200μm以上。

在无法高效地进行质子的激活时，必须提高照射的激光束的能量密度。若提高激光束的能量密度，则会导致硅晶片的非照射面10A(图1中(B))的温度变高。为了抑制非照射面10A的温度上升，需要提高质子的激活退火的效率性。通过将光束点的宽度设为200μm以上，能够提高质子的激活退火的效率。

[激光振荡方式的优选条件]

接着，对激光振荡方式的优选条件进行说明。在使用连续振荡的激光进行退火时，加热时间取决于硅晶片的表面上的光束点的大小和移动速度。在使用连续振荡的激光进行的退火中，激光始终照射于硅晶片，因此能够容易提高硅晶片的温度。换言之，非照射面的温度也容易上升。相对于此，在使用脉冲激光时，加热时间取决于脉冲宽度。若减小激光振荡的占空比，则能够减少硅晶片的蓄热。因此，能够抑制非照射面的温度上升。

在将厚度为125μm的硅晶片的激光照射面的温度加热至硅的熔点的条件下，通过模拟试验求出了非照射面的最高达到温度。其结果，在使用连续振荡激光时，非照射面的最高达到温度为640℃，在使用脉冲宽度为10μs、振荡占空比为2％的脉冲激光时，非照射面的最高达到温度为150℃。之所以出现该温度差是因为，使用连续振荡激光时受蓄热的影响很大，而在使用脉冲激光时则不易受蓄热的影响。

如上所述，在使用连续振荡激光时，难以使激光照射面的最高达到温度成为硅的熔点附近且使硅晶片的非照射面的最高达到温度成为400℃以下。为了使非照射面的最高达到温度成为400℃以下，优选使用脉冲激光。另外，为了减轻蓄热的影响，优选将振荡的占空比设为10％以下，更优选设为5％以下。

[脉冲宽度的优选条件]

接着，参考图8至图10对脉冲宽度的优选条件进行说明。进行了如下评下试验：在脉冲宽度分别为90μs、80μs、70μs及60μs的四个条件下进行了激光退火，并测定深度方向上的载流子密度分布。作为硅晶片，使用了以剂量为1×10¹⁴cm^-2、投影射程Rp为5μm的条件注入了质子的硅晶片。

硅晶片的激光照射面上的光束点设为直径200μm的圆形。并且，以使激光照射面的最高达到温度成为硅的熔点附近的方式选择了脉冲能量密度。例如，在脉冲宽度为90μs时，脉冲能量密度成为18.8J/cm²。若脉冲宽度缩短，则为了使硅晶片的表面的最高达到温度成为硅的熔点附近而需要的脉冲能量密度变小。换言之，随着脉冲宽度变长，用于使硅晶片的表面的最高达到温度成为硅的熔点附近的脉冲能量密度变高。这是因为，若脉冲宽度变长，则向硅晶片内部及外部扩散的热量会增多。

图8是表示以上述条件进行了激光退火后的试样的深度方向上的载流子密度分布的测定结果的图表。横轴以单位“μm”表示深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。图8中的最粗的实线、第二粗的实线、细实线及粗虚线分别表示以脉冲宽度为90μs、80μs、70μs及60μs的条件进行了激光退火的试样的测定结果。为了便于比较，以细虚线表示进行了电炉退火的试样的测定结果，以单点划线表示硅晶片的基极的n型载流子密度。

另外，在以90μs及80μs的脉冲宽度进行了激光退火的试样中，在表层部的较浅区域注入有磷。比深度3μm更浅的区域的载流子密度的峰值是由注入的磷所产生的。

由图8可知，在使用脉冲激光进行的激光退火中，在比深度5μm更浅的区域，质子几乎未被激活。这是因为，作为施主而发挥作用的复合缺陷通过激光退火而被恢复。为了提高比深度5μm更浅的区域的n型载流子密度，可以注入取代型的n型掺杂剂(例如，磷)并使取代型的n型掺杂剂激活。

在深度14μm～18μm的范围中，进行了电炉退火的试样及以脉冲宽度60μs的条件进行了激光退火的试样的载流子密度均低于基极的载流子密度。这意味着，注入离子时产生的EOR缺陷在退火后也残留。在以脉冲宽度70μs的条件进行了激光退火的试样中，在深度16μm～17μm的范围内残留有少许EOR缺陷，但与电炉退火的情况相比，EOR缺陷的密度更低。在以脉冲宽度80μs及90μs的条件进行了激光退火的试样中，几乎所有EOR缺陷被消灭。为了消灭EOR缺陷，优选将脉冲宽度设为70μs以上。

通过以脉冲宽度70μs的条件进行激光退火，能够激活深度5μm～15μm的范围内的质子。通过以脉冲宽度80μs～90μs的条件进行激光退火，能够激活深度5μm～20μm的范围内的质子。尤其，在深度10μm～17μm的范围中，通过进行激光退火，与进行电炉退火的情况相比能够提高质子的激活率。

在图8所示的评价实验中，将硅晶片的表面上的光束点设为直径为200μm的圆形。如图7所示，若将光束点的直径设为50μm，则能够激活比深度5μm更浅的区域的质子。例如，能够激活深度2μm～9μm的区域的质子。

进行电炉退火时的质子的激活率依赖于退火温度和退火时间。相对于此，在使用脉冲激光进行的激光退火中，从脉冲激光束的上升时刻起温度就开始上升，且从脉冲激光束的下降时刻起温度就开始下降。温度随时间变化的举动在图8所示的脉冲宽度的范围(即，60μs～90μs)中几乎不依赖于脉冲宽度。因此，可以认为，使用脉冲激光进行退火时的质子的激活率依赖于最高达到温度。

图9是表示以使硅晶片的表面的最高达到温度几乎达到硅的熔点的条件进行激光退火时的深度方向上的最高达到温度的分布的模拟试验结果的图表。横轴以单位“μm”表示深度，纵轴以单位“℃”表示最高达到温度。图9中的圆形符号及方形符号分别表示脉冲宽度为80μs及100μs时的最高达到温度。

如参考图8所说明的那样，在以脉冲宽度80μs的条件进行了激光退火的试样中，在深度5μm～20μm的范围中，质子被激活。由图9可知，照射了脉冲宽度80μs的激光时的深度5μm及20μm处的最高达到温度分别为约1160℃及约750℃。由此可以认为，用于使质子激活的最高达到温度的优选范围的上限值TH为1160℃，下限值TL为750℃。

由图8可知，在比深度10μm更深的区域中，得到了比基于电炉退火的激活率更高的激活率。在深度10μm的位置的最高达到温度为约1000℃。即，在比最高达到温度成为1000℃的位置更深的区域中，能够得到比基于电炉退火的激活率更高的激活率。从得到比基于电炉退火的激活率更高的激活率的观点考虑，可以将最高达到温度的优选范围的上限值TH设定为1000℃。

在图9所示的最高达到温度的优选范围的上限值TH与下限值TL之间，能够激活质子。在以脉冲宽度100μs的条件进行了退火时，最高达到温度落入上限值TH与下限值TL之间的深度为6μm至19.5μm。因此，若以脉冲宽度100μs的条件进行退火，则能够激活深度6μm至19.5μm的范围的质子。相反，根据图9所示的图表，也可以从欲激活质子的目标深度的范围求出优选的脉冲宽度。

在图7及图8所示的例子中，通过激光退火激活比深度2μm更浅的区域的质子是困难的。这是因为，为了激活更深区域的质子，以使激光照射面的最高达到温度成为硅的熔点附近的条件进行了激光退火。若设定激光退火条件以使激光照射面的最高达到温度成为上限值TH与下限值TL的范围内，则还能够激活从表面至深度2μm为止的较浅区域的质子。

接着，对从硅晶片的非照射面的最高达到温度为400℃以下的条件推导出的脉冲宽度的优选范围进行说明。

图10是表示硅晶片的厚度、脉冲宽度及非照射面的最高达到温度之间的关系的模拟试验结果的图表。针对厚度100μm和130μm的两种硅晶片及80μs、100μs、120μs的三种脉冲宽度求出了非照射面的最高达到温度。脉冲能量密度设定为使激光照射面的最高达到温度成为硅的熔点附近。

在非照射面涂布不可逆性的热敏油墨，并根据热敏油墨的变色来求出了非照射面的最高达到温度。例如，当变色温度为360℃的热敏油墨发生变色而变色温度为410℃的热敏油墨未发生变色时，可以认为最高达到温度在360℃～410℃的范围内。

在激光照射面的最高达到温度成为硅的熔点附近的条件下，非照射面的最高达到温度依赖于脉冲宽度及硅晶片的厚度。如图10所示，非照射面的最高达到温度随着脉冲宽度变长而变高，非照射面的最高达到温度随着硅晶片变薄而变高。

当硅晶片的厚度为130μm时，在脉冲宽度为100μs以下的条件下，非照射面的最高达到温度成为400℃以下。当硅晶片的厚度为100μm时，在脉冲宽度为80μs以下的条件下，非照射面的最高达到温度成为400℃以下。为了改善电特性，IGBT要求薄板化，因而进行质子的激活退火的阶段的硅晶片的厚度设为130μm以下的情况较多。因此，作为激光退火中所使用的脉冲激光束的脉冲宽度，优选从100μs以下的范围中选择。

即使在硅晶片的厚度薄于100μm的情况下，若需要激活质子的目标深度比20μm更浅，则能够将非照射面的最高达到温度抑制为400℃以下。相反，若硅晶片的厚度厚于130μm，则能够将非照射面的最高达到温度抑制为400℃以下并且能够激活比20μm更深的区域的质子。如此，非照射面的温度受硅晶片的厚度和欲激活质子的区域的深度的影响。硅晶片的厚度、脉冲宽度及非照射面的最高达到温度之间的上述关系只是为一例，其根据装置的设计而发生变化。

可以通过模拟试验等，根据硅晶片的厚度预先确定非照射面的最高达到温度成为400℃以下的脉冲宽度的上限值。在进行质子的激活退火时，能够从根据硅晶片的厚度而确定的脉冲宽度的上限值以下的范围中确定实际使用的脉冲激光束的脉冲宽度。

上述评价实验及模拟试验是将脉冲激光束的波长设为808nm来进行的，但是，即使根据硅的吸收光谱判断而使用波长690nm至950nm的范围内的脉冲激光束，也能够适用相同的退火条件。并且，在基于上述评价实验及模拟试验的考察中，示出了注入质子而产生n型载流子的例子，但是，也可以注入形成作为施主而发挥作用的复合缺陷的质子以外的元素。例如，可以注入氘(deuterium)、氘核(triton)等。

[IGBT的制造方法]

接着，参考图1中(A)、图11中(A)至(E)，着眼于集电极层及缓冲层的形成工序而对IGBT的制造方法进行说明。如图1中(A)所示，在硅晶片10的非照射面10A形成包括基极区域11、发射极区域12、栅极电极13、栅极绝缘膜14及发射极电极15的元件结构。在形成元件结构之后，对硅晶片10的激光照射面10B进行磨削以使其厚度变薄至50μm～200μm的范围内。

如图11中(A)所示，向硅晶片10的激光照射面10B的表层部注入质子。例如，在将质子的剂量设为1×10¹⁴cm^-2并且以使质子分布于从表面至深度20μm为止的范围的条件进行注入。由此，形成注入有质子的第3层16b。在注入质子时，可以以多个加速能量进行多次离子注入。

如图11中(B)所示，向硅晶片10的激光照射面10B的表层部注入磷。注入磷的深度比第3层16b浅。由此，形成注入有磷的第2层16a。

如图11中(C)所示，向硅晶片10的激光照射面10B的表层部注入硼。注入硼的深度比第2层16a浅。由此，形成注入有硼的第1层17a。

如图11中(D)所示，向硅晶片10的激光照射面10B照射波长为808nm的脉冲激光束从而进行激光退火。通过该激光退火，注入到第3层16b中的质子及注入到第2层16a中的磷被激活从而形成缓冲层16(图1中(A))。注入到第1层17a中的硼的一部分也被激活。该激光退火以使硅晶片10的非照射面10A(图1中(A))的最高达到温度成为400℃以下、使激光照射面10B的最高达到温度成为硅的熔点以下且使从表面至深度20μm为止的范围中至少一部分区域的质子被激活的条件进行。

如图11中(E)所示，向硅晶片10的激光照射面10B照射绿色波长区域(例如，波长530nm)的脉冲激光束从而使注入到第1层17a中的硼激活。由此，形成p型的集电极层17(图1中(A))。

在图12中示出了硅晶片10的激光照射面10B的表层部的载流子密度分布的测定结果。横轴以单位“μm”表示深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。在比深度0.5μm更浅的区域出现了由硼被激活而产生的p型载流子密度的峰值，在深度0.5μm～2μm的范围出现了由磷被激活而产生的n型载流子密度的峰值。在深度4μm～16μm的范围出现了由质子被激活而产生的n型载流子密度的宽峰。

通过磷的注入而能够形成的n型区域的深度最大为5μm左右。通过注入质子，能够在比5μm更深的区域形成n型区域。

在本实施例中，对硅晶片10的激光照射面10B进行磨削之后注入了质子，但是，也可以将该工序的顺序颠倒，并在注入质子并经过多个工序之后对硅晶片10的激光照射面10B进行磨削。

[IGBT的另一制造方法]

接着，参考图13中(A)至(E)对IGBT的另一制造方法进行说明。以下，对与图11中(A)至(E)所示的制造方法不同的点进行说明，而对相同的工序则省略说明。

图13中(A)及(B)所示的质子注入工序及磷注入工序与图11中(A)及(B)所示的工序相同。在图11中(A)至(E)所示的方法中，在注入了磷之后注入了硼，但在本方法中，如图13中(C)所示，在注入硼之前进行激活质子及磷的激光退火。退火条件与图11中(D)所示的激光退火的条件相同。

如图13中(D)所示，在使质子激活的激光退火后，向硅晶片10的激光照射面10B的表层部注入硼。硼的注入条件与图11中(C)所示的硼的注入工序的条件相同。如图13中(E)所示，使用绿色波长区域的脉冲激光束进行使硼激活的激光退火。

如图13中(A)至(E)所示，也可以在激活质子及磷之后注入硼。

[激光退火装置]

接着，参考图14至图16对基于实施例的激光退火装置进行说明。

图14是基于实施例的激光退火装置的示意图。该激光退火装置中配备有激光二极管41和固体激光振荡器51作为激光光源。激光二极管41例如输出波长为808nm的第1脉冲激光束。另外，也可以使用输出波长为690nm以上且950nm以下的脉冲激光束的激光二极管。并且，也可以使用能够连续振荡的激光二极管作为激光二极管41，并且以较短时间周期性地开关激光二极管的电源电路来输出脉冲激光束。固体激光振荡器51输出绿色波长区域的第2脉冲激光束。固体激光振荡器51例如使用输出二次谐波的Nd：YAG激光器、Nd：YLF激光器、Nd：YVO₄激光器等。

从激光二极管41输出的第1脉冲激光束及从固体激光振荡器51输出的第2脉冲激光束经由传播光学系统47入射到退火对象的硅晶片10。

接着，对传播光学系统47的结构及作用进行说明。从激光二极管41输出的第1脉冲激光束经过衰减器42、光束扩展器43、均化器44并被分色镜45反射后经由聚光透镜46而入射到硅晶片10。

从固体激光振荡器51输出的第2脉冲激光束经过衰减器52、光束扩展器53、均化器54、折射镜55并透过分色镜45后经由聚光透镜46而入射到硅晶片10。

光束扩展器43、53分别对入射的第1脉冲激光束及第2脉冲激光束进行准直并且放大光束直径。均化器44、54及聚光透镜46将硅晶片10的表面上的光束截面整形为长尺寸形状，并且使光束截面内的光强度分布均匀化。从激光二极管41输出的第1脉冲激光束和从固体激光振荡器51输出的第2脉冲激光束入射到硅晶片10的表面上的大致相同的长尺寸区域。该长尺寸区域的宽度为200μm以上。

硅晶片10保持于载物台61。在此，定义将与硅晶片10的表面平行的面作为XY面并将硅晶片10的表面的法线方向作为Z方向的XYZ正交坐标系。载物台61受到控制装置40的控制而使硅晶片10沿X方向及Y方向移动。控制装置40控制从激光二极管41输出的脉冲激光束的输出时间、脉冲宽度及功率。第1脉冲激光束的脉冲能量密度根据脉冲宽度、功率及硅晶片的表面上的光束尺寸来进行计算。第1脉冲激光束的输出时间设定为，使振荡占空比成为10％以下，更优选成为5％以下。控制装置40还向固体激光振荡器51发送振荡触发信号。

通过输入装置65向控制装置40输入各种数据、指令等。控制装置40向输出装置66输出数据处理结果。

控制装置40包括存储装置64。存储装置64中存储有硅晶片10的厚度与满足使非照射面的最高达到温度成为400℃以下的条件的脉冲宽度的上限值之间的关系(以下称为第1关系)。另外，存储装置64中还存储有入射的脉冲激光束的脉冲宽度与注入到硅晶片中的质子被激活的深度范围之间的关系(以下称为第2关系)。

在图15中示出了第1关系的一例。横轴表示硅晶片10的厚度，纵轴表示脉冲宽度的上限值。由图6所示的评价实验结果可知，脉冲宽度的上限值随着硅晶片变厚而变大。

在图16中(A)中示出了第2关系的一例。图16中(A)对应于图9的模拟试验结果的图表。横轴表示距硅晶片的照射面的深度，纵轴表示最高达到温度。在图16中(A)中，按照脉冲宽度来示出了照射不同脉冲宽度的脉冲激光束时的最高达到温度。在图16中(A)中示出了例如脉冲宽度为PW1、PW2、PW3及PW4时的最高达到温度。当深度相同时，脉冲宽度越长，最高达到温度越高。在最高达到温度的上限值TH与下限值TL之间的区域中，质子能够被激活。

在图16中(B)中示出了第2关系的另一例。图16中(B)的横轴表示脉冲宽度，纵轴表示深度。图16中(B)的标注有黑点的区域表示能够激活质子的深度。图16中(B)的图表可以根据图16中(A)的图表来制作出。例如，由图16中(A)的图表可知，脉冲宽度为PW2时的最高达到温度成为上限值TH及下限值TL的深度分别为D1及D4。脉冲宽度为PW2时，能够激活的质子的深度为D1至D4。在图16中(B)的图表中，当脉冲宽度为PW2时，深度D1及D4的位置分别相当于能够激活质子的范围中的最浅位置及最深位置。通过针对多个脉冲宽度求出能够激活质子的范围的最浅位置及最深位置，能够制作出图16中(B)的图表。

接着，对由控制装置40(图10)执行的退火支援功能进行说明。若操作人员操作输入装置65而输入硅晶片的厚度，则控制装置40根据所输入的厚度和第1关系(图15)求出脉冲宽度的上限值。所求出的脉冲宽度的上限值显示于输出装置66。另外，硅晶片的厚度可以由设置的传感器测定，从而能够减少输入厚度的麻烦。

若操作人员操作输入装置65而输入欲激活深度范围，则控制装置40根据所输入的深度范围和第2关系(图16中(A)及(B))求出脉冲宽度的推荐范围。在使用图16中(A)所示的第2关系时，抽取所输入的深度范围的最浅部位和最深部位这两处的最高达到温度落入上限值TH与下限值TL之间的脉冲宽度作为推荐范围。根据需要，也可以进行插值运算，从而计算出脉冲宽度的推荐范围的上限值和下限值。在使用图16中(B)所示的第2关系时，抽取所输入的深度范围包含于图16中(B)的能够进行激活的范围中的脉冲宽度作为推荐范围。所抽出的脉冲宽度的推荐范围显示于输出装置66。

操作人员可以参考根据图15求出的脉冲宽度的上限值及根据图16中(A)或(B)求出的脉冲宽度的推荐范围来确定实际退火时的脉冲宽度。

作为一例，当所输入的深度范围为D1至D3时，抽取脉冲宽度PW1至PW2的范围作为推荐范围。在脉冲宽度为PW3或PW4时，由于深度D1的最高达到温度超过上限值TH，因此无法激活深度D1的质子。在所输入的深度为D2至D4时，抽取脉冲宽度PW2至PW3的范围作为推荐范围。在脉冲宽度为PW1时，深度D4的最高达到温度达不到下限值TL，而在脉冲宽度为PW4时，深度D2的最高达到温度超过上限值TH。

在所输入的深度范围为D1至D5时，不存在最浅部位和最深部位最高达到温度均落入上限值TH与下限值TL之间的脉冲宽度。此时，抽取深度D1的最高达到温度成为上限值TH的脉冲宽度PW2及深度D5的最高达到温度成为下限值TL的脉冲宽度PW3。

控制装置40将推荐脉冲宽度的PW2和PW3与能够激活的深度范围一同显示于输出装置66。操作人员能够根据所显示的信息来确定最优选的脉冲宽度。

在图14中，从激光二极管41输出的第1脉冲激光束和从固体激光振荡器51输出的第2脉冲激光束合并于同轴上。在该激光退火装置中，能够执行使用第1脉冲激光束的退火和使用第2脉冲激光束的退火这两种退火。作为其他结构，传播光学系统47的聚光透镜46也可以采用针对分别从激光二极管41及固体激光振荡器51输出的第1脉冲激光束及第2脉冲激光束配置不同的聚光透镜并使其非同轴的结构。或者，也可以将使用从激光二极管41输出的第1脉冲激光束进行退火的装置和使用从固体激光振荡器51输出的第2脉冲激光束进行退火的装置分开设置。

接着，参考图17对基于另一实施例的激光退火装置进行说明。以下，对与基于图14至图16所示的实施例的激光退火装置相同的结构省略说明。

在本实施例中，激光退火装置的存储装置64中存储有规定激光二极管41的输出条件的规范。控制装置40根据该规范控制激光二极管41。通过输入装置65向控制装置40输入各种数据、指令等。控制装置40向输出装置66输出数据处理结果。

图17是控制装置40的功能框图。控制装置40包括规范选择部40a及激光光源控制部40b。存储装置64中存储有第1规范68及第2规范69。第1规范68规定退火对象的晶片为进行了炉退火之后的晶片(例如，图5中(B)所示的硅晶片20)时适用的脉冲激光束的输出条件。第2规范69规定退火对象的晶片为未实施炉退火的晶片(例如，图4中(A)所示的硅晶片20)时适用的脉冲激光束的输出条件。

规范选择部40a向输出装置66输出催促操作人员选择退火对象的晶片为进行了炉退火之后的晶片还是未实施炉退火的晶片(以下称为晶片类别)的信息。操作人员向输入装置65输入表示晶片类别的信息。输入到输入装置65的晶片类别供给规范选择部40a。

激光光源控制部40b根据供给规范选择部40a的晶片类别来选择从第1规范68及第2规范69中适用哪个规范。并且，根据所选择的规范控制激光二极管41。

接着，对基于本实施例的激光退火装置的优异效果进行说明。

可以根据退火对象的硅晶片10的晶片类别以适于退火的条件输出脉冲激光束。因此，对于已实施炉退火及未实施炉退火的硅晶片10均能够以优选的条件进行质子的激活退火。而且，对于未实施炉退火的硅晶片10，还能够以优选的条件进行用于消灭无序的退火。并且，由于催促操作人员选择晶片类别，因此操作人员的操作性得到提高。

接着，对本实施例的变形例进行说明。在本实施例中，让操作人员选择了晶片类别，但是，也可以将待处理的硅晶片10的晶片类别事先登记在控制装置40中。或者，也可以在容纳退火对象的硅晶片的晶片载体等上标注表示晶片类别的标记。通过由传感器检测该标记，控制装置40能够获取退火对象的硅晶片10的晶片类别。

[质子事先被激活的情况]

接着，对进行使通过质子注入而产生的无序恢复的激光退火之前质子已被激活的例子进行说明。

在注入有质子的硅晶片的厚度为约100μm且将非照射面的最高达到温度抑制为400℃以下的条件下，如参考图9及图10所说明的那样，基于激光退火的质子被激活的极限为深度20μm左右。因此，欲向比20μm更深的区域注入质子并使其激活时，需要适用激光退火以外的退火方法，例如炉退火等。

如此，在利用激光退火以外的方法来激活峰值浓度附近的质子时，可以利用激光退火来仅使无序区域的施主浓度恢复。

基于质子的施主是由复合缺陷所引起的。如参考图9所说明的那样，若激光退火的温度达到1160℃以上，则复合缺陷会被恢复，其结果，施主会被消灭。另一方面，在能够使用炉退火来激活质子的温度下，换言之，在能够形成复合缺陷的温度下，无法使无序恢复。

根据以上考察，可以认为，虽然复合缺陷和无序的缺陷的种类不同，但在使用激光退火时，至少在使复合缺陷残留的温度下，无法使无序恢复。可以认为，基于激光退火的无序的恢复需要至少1160℃以上的温度条件。在质子事先已被激活的情况下，可以以满足该温度条件的方式控制激光退火时的脉冲能量密度及加热时间从而使无序恢复。

接着，参考图18对使用脉冲激光束来激活质子的另一评价实验的结果进行说明。

图18是表示在本评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片表面的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。激光退火中所使用的脉冲激光束的波长为808nm。在退火对象的硅晶片中，以投影射程Rp为10μm的条件注入有质子。此时，质子分布的尾部深度为约20μm。

接着，对脉冲激光束的照射条件进行说明。脉冲宽度分别设为20μs、40μs、60μs及80μs。功率密度设为使硅晶片的表面的最高达到温度大致成为硅的熔点(1414℃)的条件。占空比设为2％。硅晶片的表面上的光束形状设为长度为2.8mm、宽度为0.26mm的长尺寸形状。通过使该脉冲激光束反复进行沿光束形状的宽度方向的主扫描和沿长度方向的副扫描，使激光束入射到晶片表面的规定的区域(例如，大致整个区域)。宽度方向(主扫描方向)上的重复率设为67％，长度方向(副扫描方向)上的重复率设为50％。若以该重复率进行脉冲激光束的扫描，则对硅晶片的表面上的一个部位将会照射有六次激光脉冲。

在图18中，细实线、细虚线、粗实线及粗虚线分别表示以脉冲宽度为80μs、60μs、40μs及20μs的条件进行了退火时的载流子密度。虚线表示硅晶片的初期施主浓度Di。

即使在脉冲宽度为20μs的条件下，在深度约8μm至13μm的范围内，载流子浓度也超过了初期施主浓度Di。如此，即使以脉冲宽度为20μs的条件进行激光退火，也能够激活质子。然而，在比深度8μm更浅的区域中，载流子浓度明显低于初期施主浓度Di。这意味着，无法使离子注入时质子通过而产生的无序恢复。

根据图18所示的评价实验得出，为了使注入质子时所产生的无序恢复，优选将脉冲宽度设为80μs以上。

接着，参考图19对又一评价实验的结果进行说明。在图18所示的评价实验中使用了注入质子时的投影射程Rp为10μm的硅晶片，但在图19所示的评价实验中使用注入质子时的投影射程Rp为20μm的硅晶片。

图19是表示在本评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片表面的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。激光退火中所使用的脉冲激光束的波长为808nm。

接着，对脉冲激光的照射条件进行说明。脉冲宽度分别设为120μs、140μs、160μs、180μs及200μs。功率密度设为使硅晶片的表面的最高达到温度大致成为硅的熔点(1414℃)的条件。占空比、光束形状、主扫描及副扫描的方向、重复率则与图18所示的评价实验的条件相同。

在图19中，最细的实线、最细的虚线、第二细的实线、第二细的虚线及最粗的实线分别表示以脉冲宽度为200μs、180μs、160μs、140μs及120μs的条件进行了退火时的载流子密度。虚线表示硅晶片的初期施主浓度Di。

在深度27μm附近，形成有由残留的EOR缺陷而形成的载流子密度的谷。该谷的深度及形状根据所照射的脉冲激光束的脉冲宽度而不同，在约40μm的深度处，载流子密度收敛于初期施主浓度Di。由此可知，离子注入的质子的尾部深度为约40μm。

由图19可知，在脉冲宽度为120μs以上的条件下，在20μm～25μm的深度区域及其附近，质子被激活。并且，在脉冲宽度为120μs的条件下，在比17μm更浅的区域，无序并未恢复。在将投影射程Rp设为20μm(将尾部深度设为40μm)的情况下，在脉冲宽度为140μs以上的条件下，无序大致恢复。即使在尾部深度为40μm以下的情况下，通过以脉冲宽度为140μs以上的条件进行激光退火，也能够使无序恢复。

若将脉冲宽度设为200μs，则形成于深度30μm附近的EOR缺陷也会被恢复。在尾部深度为40μm以下的情况下，若以脉冲宽度为200μs以上的条件进行激光退火，则能够使EOR缺陷恢复。

接着，参考图20对又一评价实验的结果进行说明。在图18及图19所示的评价实验中，在硅晶片的表面上的规定的区域中执行了一次脉冲激光束的扫描，但在图20所示的评价实验中，将脉冲宽度设为80μs并且改变了扫描的次数。在此，“扫描”是指：以规定的重复率反复进行主扫描和副扫描从而向硅晶片的表面上的规定的区域照射脉冲激光束的处理。

图20是表示在本评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片表面的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。除了脉冲宽度及扫描次数以外的退火条件与图18及图19所示的评价实验的退火条件相同。为了满足使硅晶片的表面的最高达到温度成为硅的熔点附近的条件，将功率密度设为144kW/cm²。

在图20中，粗实线、虚线及细实线分别表示将扫描次数设为一次、三次及五次时的载流子密度。由图20可知，若增加扫描次数，则在比深度约15μm更浅的区域，载流子密度会增加。这意味着，通过增加扫描次数，更多的无序会被恢复。并且，若增加扫描次数，则在深度约25μm的附近，载流子密度也会增加。这意味着，通过增加扫描次数，更多的EOR缺陷会被恢复。

在以脉冲宽度为80μs、扫描次数为一次的条件进行激光退火时，无法使无序及EOR缺陷充分恢复。如图19所示，若将脉冲宽度设为140μs以上，则无序会恢复，若将脉冲宽度设为200μs以上，则EOR缺陷会恢复。若加长脉冲宽度则这些缺陷会恢复，因此可以认为，在脉冲宽度为80μs的条件下无序及EOR缺陷并未充分恢复的原因在于加热时间短。

通过增加扫描次数来延长累积加热时间，从而能够使更多的无序及EOR缺陷恢复。由图20可知，在扫描次数为五次时，无序及EOR缺陷的恢复不够充分。若将扫描次数设为多于五次，则能够使更多的无序及EOR缺陷恢复。为了使无序及EOR缺陷充分恢复而需要的扫描次数可以通过实验来找出。例如，为了使产生了无序及EOR缺陷的区域中的载流子密度恢复到初期施主浓度Di而需要的扫描次数可以通过实验来找出。

由图19所示的评价实验的结果可知，若加长脉冲宽度，则能够使无序及EOR缺陷充分恢复，但若加长脉冲宽度，则硅晶片的与激光照射面相反一侧的表面(非照射面)的温度上升幅度会变大。因此，如图1中(B)所示在非照射面形成有包含熔点较低的金属等的元件结构时，根据非照射面所允许的最高达到温度来限制脉冲宽度的上限值。此时，通过使脉冲宽度短于上限值并增加扫描次数，能够抑制非照射面的温度上升，并且能够使无序及EOR缺陷充分恢复。

接着，参考图21对又一评价实验的结果进行说明。在图20所示的评价实验中，脉冲宽度设为80μs，但在图21所示的评价实验中，脉冲宽度设为20μs。其他退火条件则与图20所示的评价实验的退火条件相同。为了满足使硅晶片的表面的最高达到温度成为硅的熔点附近的条件，将功率密度设为380kW/cm²。

图21是表示在本评价实验中使质子激活后的载流子密度的测定结果的图表。横轴以单位“μm”表示距硅晶片表面的深度，纵轴以单位“cm^-3”表示载流子密度。

在图21中，粗实线、虚线及细实线分别表示将扫描次数设为一次、三次及五次时的载流子密度。由图21所示的评价实验的结果可知，即使在脉冲宽度为20μs的条件下，通过增加扫描次数，也能够使更多的无序及EOR缺陷恢复。

例如，若质子的注入深度(尾部深度)为20μm左右，则如图18所示，利用80μs左右的较短脉冲宽度即可使无序及EOR缺陷充分恢复。然而，若质子的注入深度超过20μm而成为40μm左右，则如图19所示，为了使无序及EOR缺陷充分恢复，必须进一步加长脉冲宽度。图20及图21所示的将激光退火时的扫描次数设为多次的方法在质子的注入深度超过20μm而达到40μm左右时发挥特别优异的效果。并且，将激光退火时的扫描次数设为多次的方法在非照射面上形成有元件结构时发挥特别优异的效果。

上述各个实施例为示例，理所当然，不同实施例中示出的结构能够进行部分取代或组合。对于多个实施例的基于相同结构的相同的作用效果，在此不再按每个实施例逐一说明。另外，本发明并不只限于上述实施例。例如，对于本领域技术人员而言，能够进行各种变更、改良、组合等是显而易见的。

符号说明

10-n型的硅晶片，10A-非照射面，10B-激光照射面，11-p型的基极区域，12-n型的发射极区域，13-栅极电极，14-栅极绝缘膜，15-发射极电极，16-n型的缓冲层，16a-注入有磷的第2层，16b-注入有质子的第3层，17-p型的集电极层，17a-注入有硼的第1层，18-集电极，20-硅晶片，21-硅晶片的表面，22-质子注入区域，22a-质子被激活而形成的n型层，23-无序，30-硅晶片，31-质子注入层，31a-质子被激活而形成的n型层，32-无序，40-控制装置，40a-规范选择部，40b-激光光源控制部，41-激光二极管，42-衰减器，43-光束扩展器，44-均化器，45-分色镜，46-聚光透镜，47-传播光学系统，51-固体激光振荡器，52-衰减器，53-光束扩展器，54-均化器，55-折射镜，61-载物台，64-存储装置，65-输入装置，66-输出装置，68-第1规范，69-第2规范。

Claims (23)

1.一种激光退火方法，其特征在于，具有如下工序：

准备在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片的工序；及

向所述硅晶片的注入有所述元素的表面即激光照射面照射690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束从而使所述元素激活的工序，

在使所述元素激活的工序中，向所述硅晶片照射脉冲宽度及脉冲能量密度满足所述激光照射面不会被熔融且从表面至深度40μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活的条件的所述脉冲激光束。

2.根据权利要求1所述的激光退火方法，其特征在于，

将所述脉冲激光束的脉冲宽度设定为70μs以上且100μs以下，将脉冲能量密度设定为从表面至深度20μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活且所述硅晶片的与所述激光照射面相反一侧的非照射面的最高达到温度不超过400℃的条件。

3.根据权利要求1所述的激光退火方法，其特征在于，

将所述脉冲激光束的脉冲宽度设定为140μs以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述激光照射面上的所述脉冲激光束的光束截面呈沿一个方向较长的形状，所述光束截面的宽度为200μm以上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述脉冲激光束的振荡的占空比为5％以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

由所述脉冲激光束入射到所述激光照射面所引起的所述激光照射面的最高达到温度为1000℃以上且硅的熔点以下。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

在所述硅晶片的厚度方向的整个区域中添加有初期施主浓度的施主，

在使所述元素激活的工序中，将所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度设定为如下条件后向所述硅晶片照射所述脉冲激光束，所述条件如下：消灭注入所述元素时所述元素所通过的区域即通过区域中产生的无序及在射程末端区域中产生的射程末端缺陷中的至少一方，从而使该区域的载流子密度至少恢复到注入所述元素之前的所述硅晶片的所述初期施主浓度。

8.一种激光退火装置，其特征在于，具有：

激光光源，输出690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束；

载物台，保持在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片；

传播光学系统，使从所述激光光源输出的脉冲激光束传输至保持于所述载物台上的硅晶片；及

控制装置，控制所述激光光源，

所述传播光学系统将所述硅晶片的表面上的脉冲激光束的光束截面整形为宽度为200μm以上的沿一个方向较长的形状，

所述控制装置控制所述激光光源以使所述激光光源所输出的脉冲激光束的脉冲宽度成为70μs以上且100μs以下或140μs以上，且其功率成为满足使所述硅晶片的激光照射面的最高达到温度成为低于1414℃的条件的功率。

9.根据权利要求8所述的激光退火装置，其特征在于，

所述控制装置控制所述激光光源以使所述脉冲激光束的振荡的占空比成为5％以下。

10.根据权利要求8或9所述的激光退火装置，其特征在于，

还具有输入装置及输出装置，

在所述控制装置中存储有以所述硅晶片的表面不被熔融的条件向所述硅晶片照射所述脉冲激光束时所入射的所述脉冲激光束的脉冲宽度与注入到所述硅晶片中的元素被激活的深度范围之间的关系，

若从所述输入装置输入有需要激活的深度范围，则所述控制装置根据所输入的深度范围与所述关系来求出脉冲宽度的推荐范围，并将所述推荐范围输出给所述输出装置。

11.一种激光退火方法，其特征在于，

准备在厚度方向上的整个区域中添加有施主并且在一个表面的表层部还注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素的硅晶片；

向所述硅晶片的注入有所述元素的表面即激光照射面照射690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束，

其中，将所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度设定为如下条件后向所述硅晶片照射所述脉冲激光束，所述条件如下：消灭注入所述元素时所述元素所通过的区域即通过区域中产生的无序及在射程末端区域中产生的射程末端缺陷中的至少一方，从而使该区域的载流子密度至少恢复到注入所述元素之前的所述硅晶片的初期施主浓度。

12.根据权利要求11所述的激光退火方法，其特征在于，

将所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度进一步设定为所述硅晶片的与所述激光照射面相反一侧的非照射面的最高达到温度不超过400℃的条件。

13.根据权利要求11或12所述的激光退火方法，其特征在于，

将所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度进一步设定为从所述硅晶片的所述激光照射面至深度40μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活的条件。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述脉冲激光束的脉冲宽度设定为70μs以上且100μs以下，脉冲能量密度设定为从所述硅晶片的所述激光照射面至深度20μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活的条件。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述脉冲激光束的脉冲宽度设定为140μs以上，脉冲能量密度设定为从所述硅晶片的所述激光照射面至深度40μm为止的范围中的至少一部分区域的所述元素被激活的条件。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述激光照射面上的所述脉冲激光束的光束截面呈沿一个方向较长的形状，所述光束截面的宽度为200μm以上。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

所述脉冲激光束的振荡的占空比为5％以下。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

由所述脉冲激光束入射到所述激光照射面所引起的所述激光照射面的最高达到温度为1000℃以上且硅的熔点以下。

19.根据权利要求11或12所述的激光退火方法，其特征在于，

所述硅晶片的所述元素在照射所述脉冲激光束之前已被激活，在所述硅晶片中残留有所述无序及所述射程末端缺陷。

20.根据权利要求11至13中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，

在向所述硅晶片照射所述脉冲激光束的工序中，在所述激光照射面的规定区域内进行所述脉冲激光束的多次扫描，

所述脉冲激光束的脉冲宽度及脉冲能量密度设定为如下条件：仅通过所述脉冲激光束的一次扫描无法消灭所述无序及所述射程末端缺陷这双方，但通过所述多次扫描能够消灭所述无序及所述射程末端缺陷中的至少一方。

21.一种激光退火装置，其特征在于，具有：

激光光源，输出690nm以上且950nm以下范围内的波长的脉冲激光束；

传播光学系统，使从所述激光光源输出的脉冲激光束传输至退火对象的晶片；

存储装置，存储有第1规范及第2规范，所述第1规范规定退火对象的晶片为在一个表面的表层部注入有形成被激活后作为施主而发挥作用的复合缺陷的元素且进行了用于激活所述元素的炉退火之后的晶片时所适用的脉冲激光束的输出条件，第2规范规定退火对象的晶片为在一个表面的表层部注入有所述元素且未实施炉退火的晶片时所适用的脉冲激光束的输出条件；及

控制装置，控制所述激光光源，

所述控制装置选择从所述第1规范及所述第2规范中适用哪个规范，并且根据所选择的规范控制所述激光光源。

22.根据权利要求21所述的激光退火装置，其特征在于，

还具有输入装置，

通过所述输入装置输入表示退火对象的晶片是进行了炉退火之后的晶片还是未实施炉退火的晶片的信息，

所述控制装置根据输入到所述输入装置的信息来选择从所述第1规范及所述第2规范中适用哪个规范。

23.根据权利要求22所述的激光退火装置，其特征在于，

还具有输出装置，

所述控制装置向所述输出装置输出催促操作人员选择退火对象的晶片是进行了炉退火之后的晶片还是未实施炉退火的晶片的信息。