JP2006351659A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 深部に注入した不純物イオンを活性化することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体装置の製造方法は、第１工程と、第２工程と、第３工を備えている。第１工程では、ウェーハ１４の表側に半導体装置の表側構造を形成する。第２工程では、ウェーハ１４の裏面からウェーハ１４に不純物イオンを注入する。第３工程では、ウェーハ１４の裏面に以下の条件を満足するレーザ光を照射する。その条件は、（１）波長が６９０〜９００ｎｍであり、（２）照射時間が１０〜１００μｓｅｃであり、（３）パワー密度が２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。詳しくは、ウェーハに注入した不純物イオンを活性化する技術に関するものである。

ウェーハの表側に半導体装置の表側構造を形成する第１工程と、ウェーハの裏面からウェーハに不純物イオンを注入する第２工程と、ウェーハの裏面にレーザ光を照射することによって第２工程で注入した不純物イオンを活性化する第３工程を備える半導体装置の製造方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−５９８５６号公報

不純物イオンの活性化のために、従来は、エキシマレーザ（波長：３０８ｎｍ）、ＹＡＧ第２高調波レーザ（波長：５３２ｎｍ）、ＹＬＦ第２高調波レーザ（波長：５２７ｎｍ）等を用いる。これらのレーザ光でウェーハを照射した場合、ウェーハによるレーザ光の吸収係数が高いために、レーザ光の大部分がウェーハの表面近傍で吸収され、深部にまで到達しない。従来のレーザ光照射技術では深部まで加熱することができず、深部に注入した不純物イオンを活性化することができない。
深部に注入した不純物イオンを活性化しようとしてレーザのパワー密度を強くすると、ウェーハの表面近傍が高温になり過ぎて溶融し、ウェーハが損傷してしまう。あるいは、ウェーハに注入した不純物イオンの深さ方向の濃度分布が変化してしまう。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、深部に注入した不純物イオンを活性化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、第１工程と、第２工程と、第３工を備えている。第１工程では、ウェーハの表側に半導体装置の表側構造を形成する。第２工程では、ウェーハの裏面からウェーハに不純物イオンを注入する。第３工程では、ウェーハの裏面に以下の条件を満足するレーザ光を照射する。その条件は、（１）波長が６９０〜９００ｎｍであり、（２）照射時間が１０〜１００μｓｅｃであり、（３）パワー密度が２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２である。ここで、パワー密度とは、ウェーハの裏面におけるものである。
ウェーハの裏面に、上述した（１）、（２）、（３）の条件を満足するレーザ光を照射すると、ウェーハの裏面から深部にまでレーザ光が侵入し、ウェーハの深部まで加熱することができる。深部に注入した不純物イオンを活性化することができる。その一方において、ウェーハの裏面からレーザ光が侵入しすぎることがなく、ウェーハの表側に形成されている半導体装置の表側構造を損傷することもない。

ＩＧＢＴを製造する場合、ｎ型半導体のウェーハを用い、第２工程では、リンイオンを注入エネルギー５００〜１５００ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１２〜５×１０^１５／ｃｍ^２で注入した後に、ボロンイオンを注入エネルギー１０〜５０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２で注入することが好ましい。
このような条件でリンイオンとボロンイオンを注入することによって、ウェーハの裏面近傍にコレクタ層を形成し、それよりも深部にフィールドストップ層を形成することができる。フィールドストップ層を形成するために深部に注入したリンを効果的に活性化することができる。

本発明によれば、半導体装置のウェーハを損傷することなく、あるいは、ウェーハの深さ方向の不純物イオンの濃度分布に影響を与えることなく、深部に注入した不純物イオンの活性化率を高くすることができる。同時に、ウェーハの表側に形成されている半導体装置の表側構造が損傷することも避けられる。

本発明の好適な実施形態を例示する。
（形態１）
半導体装置がＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置の製造方法。

本発明の製造方法に係る一実施例について、図面を参照しながら説明する。本実施例の製造方法では、図１に示すように、裏面側から順に、コレクタ電極２０、ｐ^＋型コレクタ層１７、ｎ^＋型フィールドストップ層１６、ｎ型基板（ウェーハ）１４、ｐ型ボディ層１５、ｎ^＋型エミッタ領域２４、ゲート電極２３、ゲート絶縁膜２２、層間絶縁膜２５、エミッタ電極２７、ポリイミド層２８を備えているＩＧＢＴを製造する。
コレクタ電極２０は、ｐ^＋型コレクタ層１７の裏面に形成されており、アルミ電極である。エミッタ電極２７は、ｐ型ボディ層１５とｎ^＋型エミッタ領域２４の表面に形成されており、アルミ電極である。エミッタ電極２７は、ｎ^＋型エミッタ領域２４に接続されている。図示しない断面において、ｐ型ボディ層１５の表面にはｐ^＋型コンタクト領域が形成されている。エミッタ電極２７は、ｐ^＋型コンタクト領域を介してｐ型ボディ層１５にも接続されている。ゲート電極２３は、ｎ^＋型エミッタ領域２４とｐ型ボディ層１５を貫通してｎ型基板１４に達するトレンチ２１内に形成されている。ゲート電極２３は、ゲート絶縁膜２２に覆われた状態で、トレンチ２１内に配置されている。ゲート電極２３は、層間絶縁膜２５によって、エミッタ電極２７から絶縁されている。ゲート電極２３は、図示しない断面において、ゲート電圧用信号線に導通している。ポリイミド層２８は、ｐ型ボディ層１５とエミッタ電極２７を覆っている。

半導体１０を製造するときには、図２に示ように、ｎ型基板１４を用意する。ｎ型基板１４は、例えば、ＣＺ法、ＭＣＺ法、ＦＺ法等を用いて安価に製造することができる。製造工程中に取り扱いやすいように、厚めのｎ型基板１４を用意する。ｎ型基板１４が薄いと、ｎ型基板１４が簡単に破壊されてしまうからである。
次に、図３に示すように、ｎ型基板１４の表側の表面にｐ型の不純物イオン（具体的にはボロンイオン）を注入してｐ型ボディ層１５を形成する。次に、ｎ型の不純物イオンを注入してｎ^＋型エミッタ領域２４を形成する。
次に、ＩＲＥ等のエッチング技術を利用して、ｎ^＋型エミッタ領域２４とｐ型ボディ層１５を貫通してｎ型基板１４に達するトレンチ２１を形成する。次に熱酸化してトレンチ２１の内面にゲート絶縁膜２２を形成する。次に、トレンチ２１内に多結晶シリコンを結晶成長させることによってゲート電極２３を形成する。
次に層間絶縁膜２５を形成し、エミッタ電極２７を形成し、ポリイミド層２８を形成する。エミッタ電極２７とポリイミド層２８を形成する前に、熱処理するために、注入した不純物イオンが活性化されている。
ＩＧＢＴの表側構造を製造する技術は公知であるので、これ以上の説明は省略する。

図３の状態で、ＩＧＢＴの表側構造は完成している。次には、図４に示すように、ｎ型基板１４の裏側を研磨する等によって、ｎ型基板１４の厚さを薄くする。ｎ型基板１４の厚さを薄くすることによって、ＩＧＢＴのオン電圧が低減される。
次に、図５に示すように、ｎ型基板１４に裏面からリン（Ｐ）３２をイオン注入する。リンの注入条件は、注入エネルギーが５００〜１５００ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０^１２〜５×１０^１５／ｃｍ^２である。次に図６に示すように、ｎ型基板１４に裏側からボロン（Ｂ）３３をイオン注入する。ボロンの注入条件は、注入エネルギーが１０〜５０ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２である。リンが深部に注入され、ボロンが浅部に注入される。
次に、図７に示すように、ｎ型基板１４の裏面にレーザ光３４を照射し、ｎ型基板１４の裏側を加熱するレーザアニール処理を実行する。レーザアニールを実行すると、注入されたリン３２とボロン３３が活性化し、ｎ^＋フィールドストップ層１６とｐ^＋コレクタ層１７が形成される。最後に、ｐ^＋コレクタ層１７の裏側にコレクタ電極２０を接合することによって、図１に示す半導体装置１０が完成する。

上述したように、半導体装置１０は、ｎ型基板１４に注入したリンとボロンをレーザアニールすることによって活性化し、ｎ^＋フィールドストップ層１６とｐ^＋コレクタ層１７を形成している。その場合、半導体レーザからｎ型基板１４の裏面に、波長が６９０〜９００ｎｍであり、パワー密度が２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２であるレーザ光を、１０〜１００μｓｅｃの照射時間で照射するのが好ましい。この照射条件の設定根拠を以下に詳細に説明する。

図８は、レーザアニールに用いるレーザ光の波長毎に、照射面からの深さ（μｍ）（横軸）に対するレーザ吸収強度（Ｗ／ｃｍ^３）（縦軸）の関係をシミュレーションした結果を示している。ここで、照射面とは、ｎ型基板１４の裏面のことである。レーザ吸収強度は、ｎ型基板１４（シリコン）が単位体積当りに吸収する熱量の大きさを意味する。レーザ吸収強度が大きいほど、吸収部位の温度が高くなる。３０８ｎｍの波長のレーザ光は、エキシマレーザから照射されたものである。５３２ｎｍの波長のレーザ光は、ＹＡＧ第２高調波レーザから照射されたものである。５２７ｎｍの波長のレーザ光は、ＹＬＦ第２高調波レーザから照射されたものである。６９０ｎｍ、８０８ｎｍ、９４０ｎｍの波長のレーザ光は、III−Ｖ族の化合物（例えば、ＡｌＧａＡｓ）を素材とする半導体レーザから照射されたものである。

ｎ^＋フィールドストップ層１６を形成するためにｎ型基板１４に注入されたリンは、深さ１μｍ付近で濃度がピークを形成している。このため、深さ１μｍよりも深いところまでレーザ吸収強度が大きくないと、リンを良好に活性化することができない。しかしながら、エキシマレーザで照射した場合（３０８ｎｍ）には、ｎ型基板１４の裏側の極めて浅いところまでしかレーザ吸収強度を確保することができない。ＹＡＧ第２高調波レーザ（５３２ｎｍ）やＹＬＦ第２高調波レーザ（５２７ｎｍ）を照射する場合は、深さ１μｍでもレーザ吸収強度を確保することができる。しかしながら、ＹＡＧ第２高調波レーザやＹＬＦ第２高調波レーザで照射した場合には、裏面から深さ１μｍに至るまでの間にレーザ吸収強度が急激に低下している。従って、ｎ型基板１４の裏面が溶融しないようにレーザアニールを実行しようとすると、深さ１μｍの部位は活性化に必要な温度にならない。このため、ＹＡＧ第２高調波やＹＬＦ第２高調波でレーザアニールを実行しても、注入されたリンとボロンの活性化が良好に行われない（活性化率が低くなる）。これに対して、半導体レーザで照射した場合（６９０ｎｍ、８０８ｎｍ、９４０ｎｍ）には、深さ１μｍでのレーザ吸収強度を確保することができるとともに、深さ方向に沿ってレーザ吸収強度が急激に変化することがない。従って、半導体レーザから得られる６９０ｎｍ、８０８ｎｍ、９４０ｎｍの波長のレーザ光でレーザアニールを実行することによって、ｎ型基板１４の裏面が溶融しない状態で、注入されたリンとボロンを良好に活性化することができる。

図９は、光の波長（ｎｍ）（横軸）に対する厚さが１００μｍのシリコンにおける光の透過率（％）（縦軸）を計測した結果である。光の透過率とは、照射した光の強さに対する透過した光の強さの比である。図９から明らかなように、光の波長が９００ｎｍを超えると、シリコンの透過率が急激に増加している。このため、波長が９００ｎｍ以上のレーザ光でレーザアニールを実行すると、半導体装置１０の表面側が高温（例えば、４５０℃以上）になり、アルミで形成されているエミッタ電極２７が溶融したり、ポリイミド層２８が炭化したりする。従って、透過率を抑制する観点から、半導体レーザから照射するレーザ光の波長は、９００ｎｍ以下である必要がある。
図８に示したレーザ吸収強度と、図９に示した透過率から、半導体レーザから照射するレーザ光の波長は６９０〜９００ｎｍであることが好ましいことが確認される。

図１０は、ｎ型基板１４の裏面からの深さ毎に、半導体レーザの照射時間（μｓ）（横軸）に対するｎ型基板１４の温度（℃）（縦軸）の関係をシミュレーションした結果を示している。ｎ^＋フィールドストップ層１６とｐ^＋コレクタ層１７を良好に活性化するためには、ｎ型基板１４のリンとボロンが注入された部位を９５０℃程度に加熱する必要がある。図１０から明らかなように、照射面と、深さ０．５μｍと、深さ１μｍの各場合について、照射時間が１０〜１００μｍの範囲であるときに、各深さにおけるｎ型基板１４の温度が９５０℃に近い値になる。深さ０．５μｍと、深さ１μｍでは、照射時間が１０μｓ以下では温度が上昇しない。照射時間は１０μｓ以上は必要である。照射時間が１００μｓ以上になると、深さ１００μｍの位置（半導体装置１０の表面近傍）の温度が４５０℃を超えてしまう。深さ１００μｍ（半導体装置１０の表面近傍）の温度が４５０℃を超えてしまうと、アルミ製のエミッタ電極２７が溶融し、ポリイミド層２８が炭化してしまう可能性がある。照射時間は１００μｓ以下である必要がある。半導体レーザの照射時間は１０〜１００μｓであることが好ましい。

図１１は、ｎ型基板１４の裏面からの深さ毎に、半導体レーザが照射するパワー密度（ｋＷ／ｃｍ^２）（横軸）に対するｎ型基板１４の温度（℃）（縦軸）の関係をシミュレーションした結果である。半導体レーザが照射するレーザ光の波長は８０８ｎｍである。図１１では、照射面（ｎ型基板１４の裏面）と、深さ１μｍの場合については、差が極めて小さいために、両者を１本のラインで示している。パワー密度は、ｎ型基板１４の照射面におけるものである。図１１から明らかなように、照射面と、深さ１μｍの場合については、パワー密度が２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２の範囲で、温度が９５０℃前後の値になる。深さ１００μｍの場合については、パワー密度が５００ｋＷ／ｃｍ^２を超えると温度は急に高くなり、７５０ｋＷ／ｃｍ^２では３００℃に達する。図１１には示されていないが、深さ１００μｍの部位の温度は、パワー密度が７５０ｋＷ／ｃｍ^２以上では更に高くなる傾向を示す。深さ１００μｍは、半導体素子１０の表面近傍に相当する。半導体素子１０の表面近傍には、熱影響を受けやすいアルミ製のエミッタ電極２７やポリイミド層２８が配置されており、温度が高くなるのは好ましくない。従って、ｎ型基板１４の裏面と、深さ１μｍの温度が、ｎ^＋フィールドストップ層１６とｐ^＋コレクタ層１７を良好に活性化する９５０℃前後の値になり、かつｎ型基板１４の表面近傍がさほど高温にならないように、パワー密度を２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２に設定するのが好ましい。

図１２は、リンを注入したままの場合と、注入したリンをレーザで活性化した場合について、ｎ型基板１４の裏面からの深さ（μｍ）（横軸）に対するキャリア濃度（atoms/cm³）（縦軸）の関係を実測した結果である。レーザによる活性化は、比較のために、従来から用いられているＹＬＦ第２高調波レーザとエキシマレーザによるものと、本実施例による半導体レーザによるものを実施した。ｎ型基板１４は、ＣＺ法によって製造されたものであり、その厚さは１００μｍである。リンは、注入エネルギー１０００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１３ｃｍ^２で注入した。半導体レーザは、波長８０８ｎｍ、照射時間１０μｓｅｃ、パワー密度４００ｋＷ／ｃｍ^２で照射した。ＹＬＦ第２高調波レーザは、波長５２７ｎｍ、照射時間２００ｎｓｅｃ、パワー密度２０ＭＷ／ｃｍ^２で照射した。エキシマレーザは、波長３０８ｎｍ、照射時間５０ｎｓｅｃ、パワー密度４０ＭＷ／ｃｍ^２で照射した。活性化率は「ＳＲ積分値／ＳＩＭＳ積分値×１００」によって算出した。
図１２から明らかなように、ＹＬＦ第２高調波レーザから照射して活性化を実行した場合には、５％という低い活性化率しか得られなかった。エキシマレーザから照射して活性化を実行した場合には、活性化率が３０％であった。本発明の技術である半導体レーザから照射した場合には、７０％という高い活性化率を達成することができた。

図１３は、ボロンを注入したままの場合と、ＹＬＦ第２高調波レーザと半導体レーザで活性化した場合について、ｎ型基板１４の裏面からの深さ（μｍ）（横軸）に対する不純物濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）（縦軸）のプロファイルを実測した結果である。
図１３から明らかなように、ＹＬＦ第２高調波レーザを照射した場合には、プロファイルがボロンを注入したままの状態から大きく変化している。それに対して、半導体レーザで照射した場合には、そのプロファイルが注入したままの状態をほぼ保っている。従って、半導体レーザで照射することによって、意図した濃度分布プロファイルを得ることが容易になる。

既に説明したように、半導体レーザの照射時間は１０〜１００μｓであることが好ましい。以下、その照射時間を調整する技術について説明する。
図１４に示すように、半導体レーザが照射するレーザ光の照射時間を調整するときには、ステージ５０上にウェーハ５１をセットする。図１５に示すように、ウェーハ５１には、裏側にリンとボロンが注入された段階まで製造が進行したｎ型基板１４（図６に示す状態）が、裏面を上方に向けた状態で複数配置されている。図１４に示すように、ステージ５０は、図示しない駆動装置に駆動されて、ｘ方向とｙ方向（すなわち、水平方向）に移動する。ステージ５０の上方には、半導体レーザ源５２が設けられている。
半導体レーザ源５２は、レーザ光５３を連続的にステージ５０上のウェーハ５１に照射する。レーザ光５３は、ウェーハ５１にレーザスポットを形成する。ステージ５０が移動すると、それにともなってレーザスポットがウェーハ５１上を進行する。図１５の矢印５４は、レーザスポットがウェーハ５１上を進行する経路を例示している。

図１６は、ウェーハ５１に列状に並んだｎ型基板１４に、レーザ光５３が照射されることによって、レーザスポット５６が形成された状態を図示している。レーザスポット５３は矩形状である。例えば、レーザスポット５６の短手方向の長さＡが５０μｍであり、ｎ型基板１４として要求される照射時間が１０μｓｅｃであるとする。その場合には、５μｍ／μｓｅｃでレーザスポット５６を矢印５８で示した方向に進行させることにより、照射時間を１０μｓｅｃ（５０μｍ／５μｓｅｃ）に調整することができる。
半導体レーザ源５２から、レーザ光５３を断続的に照射することもできる。この場合には、図１７に示すように、ステージ５０を停止することによって、位置Ｂに所定時間（例えば、１００μｓｅｃ）継続してレーザスポット５６を形成する。そして、レーザ光５３の照射を中断した状態で、ステージ５０を移動させてレーザスポット５６が位置Ｃを照射可能にしてから、レーザ光５３を照射する。レーザ光の照射とその中断を繰り返し、それにともなってステージ５０を移動させることによって、照射時間の調整が可能になる。

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、出願時の請求項に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するものであり、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。

半導体装置の断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 半導体装置の製造途中の状態における断面図。 照射面からの深さとレーザ吸収強度の関係を示すグラフ。 レーザの波長とシリコンの透過率の関係を示すグラフ。 レーザの照射時間とｎ型基板の温度の関係を示すグラフ。 レーザのパワー密度とｎ型基板の温度の関係を示すグラフ。 ｎ型基板の深さとキャリア濃度の関係を示すグラフ。 ｎ型基板の深さとキャリア濃度の関係を示すグラフ。 半導体レーザ源がウェーハにレーザ光を照射している状態の斜視図。 ウェーハ上をレーザスポットが進行する経路を説明する図。 ウェーハ上をレーザスポットが連続して進行する状態を説明する図。 ウェーハ上をレーザスポットがステップ状に進行する状態を説明する図。

符号の説明

１０：半導体装置
１４：ｎ型基板
１５：ｐ型ボディ層
１６：ｎ^＋フィールドストップ層
１７：ｐ^＋コレクタ層
２０：裏面アルミ電極
２１：トレンチ
２２：絶縁皮膜
２３：ゲート電極
２４：ｎ^＋型エミッタ領域
２５：層間絶縁膜
２７：エミッタ電極
２８：ポリイミド層
３２：リン
３３：ボロン
３４：レーザ光
５０：ステージ
５１：ウェーハ
５２：半導体レーザ源
５３：レーザ光
５４：進行経路
５８：矢印

Claims (2)

1. ウェーハの表側に半導体装置の表側構造を形成する第１工程と、
   ウェーハの裏面からウェーハに不純物イオンを注入する第２工程と、
   ウェーハの裏面に以下の（１）、（２）、（３）の条件を満足するレーザ光、即ち、
   （１）波長：６９０〜９００ｎｍ、
   （２）照射時間：１０〜１００μｓｅｃ、
   （３）パワー密度：２５０〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２、
   を照射する第３工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. ウェーハはｎ型半導体であり、
   第２工程では、リンイオンを注入エネルギー５００〜１５００ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１２〜５×１０^１５／ｃｍ^２で注入した後に、ボロンイオンを注入エネルギー１０〜５０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２で注入することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

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