JP2010212530A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】半導体素子に不純物層として形成されるｐ層、ｎ層、あるいはｐｎ連続層等を短時間で安定して活性化することのできる半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】レーザーを用いた不純物層の活性化にレーザー繰り返し周波数を調整すること（３ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）で、複数のパルスが照射エリアの不純物層に照射してその不純物層の活性化を行うことができる。照射のタイミングを適切に調節することで熱の蓄積、伝導を最適化し、不純物層の浅い領域から深い領域まで高活性化率を実現できる。
【選択図】 図１２

Description

この発明は、半導体素子の製造方法に関し、特にＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）、ダイオード等の半導体素子の製造方法に関する。

近年、コンピュータや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗などを、電気回路を構成するように接続して１チップ上に集積した集積回路（ＩＣ）が多用されている。このようなＩＣの中で、電力用半導体素子を含むものはパワーＩＣと呼ばれている。
ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの高速スイッチング、電圧駆動特性とバイポーラトランジスタの低オン電圧特性を備えたパワー素子である。ＩＧＢＴは、汎用インバータ、ＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野への応用が拡大してきている。そして、次世代に向けた開発も進んでおり、新しいチップ構造を用いた、より低オン電圧のＩＧＢＴの開発により、応用装置の低損失化や高効率化が図られている。

ＩＧＢＴの構造には、主に、パンチスルー（Ｐｕｎｃｈ Ｔｈｒｏｕｇｈ，ＰＴ）型、ノンパンチスルー（Ｎｏｎ Ｐｕｎｃｈ Ｔｈｒｏｕｇｈ，ＮＰＴ）型、フィールドストップ（Ｆｉｅｌｄ Ｓｔｏｐ，ＦＳ）型がある。現在量産されているＩＧＢＴ は、一部のオーディオ・パワー・アンプ用のｐチャネル型を除いて、ほぼすべてｎチャネル型の縦型二重拡散構造になっている。以下では、特に示した場合を除き、ＩＧＢＴとはｎ型ＩＧＢＴをいうものとする。

ＰＴ型ＩＧＢＴは、ｐ⁺エピタキシャル基板とｎ層（ｎ型活性層）との間にｎ⁺層（ｎバッファ層）を設け、ｎ型活性層中の空乏層がｎバッファ層に到達する構造であり、ＩＧＢＴで主流の基本構造になっている。しかし、例えば耐圧６００Ｖ系のＩＧＢＴに対しｎ型活性層は厚さ７０μｍ程度で十分であるが、ｐ⁺エピタキシャル基板部分を含めると総厚さは２００μｍ〜３００μｍ程度と厚くなる。そこで、エピタキシャル基板を用いずに、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法により形成されるＦＺ基板を用いて低ドーズ量の浅いｐ＋コレクタ層を形成して薄型化と低コスト化を図ったＮＰＴ型ＩＧＢＴ、ＦＳ型ＩＧＢＴが開発されている。

図１は、ＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。図１に示すＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００は、ｎ型のＦＺ基板（ＦＺ−Ｎ）基板１０１の表面側に、ＳｉＯ₂などのゲート酸化膜１０２を介してポリシリコンなどのゲート電極１０３が形成され、さらにその上にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）などの層間絶縁膜１０４を介してアルミニウムシリコン膜などの表面電極１０５が形成された構造を有している。このＦＺ−Ｎ基板１０１の表面側には、ｐ⁺ベース層１０６およびこのｐ⁺ベース層１０６内にｎ⁺エミッタ層１０７が形成され、ＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側には、ｐ⁺コレクタ層１０８が形成されてその上に数種の金属膜を積層して裏面電極１０９が形成されている。

このような構成のＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００において、ＩＧＢＴコレクタ層１０８には、低ドーズ量の浅い低注入ｐ⁺コレクタが用いられる。このＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００では、ｐ⁺エピタキシャル基板を用いないため、総厚さは上記ＰＴ型ＩＧＢＴに比べて大幅に薄くなる。
ＮＰＴ構造では、正孔の注入率を制御できるので、ライフタイム制御を行わなくても高速スイッチングが可能になる一方、オン電圧がｎ型活性層の厚みと比抵抗に依存するのでやや高い値となる。ｐ⁺エピタキシャル基板に代えてＦＺ基板を用いているので、チップの低コスト化は可能になっている。

図２は、ＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図２では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。図２に示すＦＳ型ＩＧＢＴ２００には、上記ＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００同様、ｐ⁺エピタキシャル基板に代えてＦＺ−Ｎ基板１０１が用いられ、その総厚さは１００μｍ〜２００μｍ程度になる。

ＰＴ型ＩＧＢＴと同じく、ｎ型活性層は６００Ｖ耐圧に応じて７０μｍ程度にし、空乏化させる。そのため、ＦＳ型ＩＧＢＴ２００には、ＦＺ−Ｎ基板１０１裏面に、ｎ⁺フィールドストップ層（ｎバッファ層）２０１が形成され、このｎ⁺フィールドストップ層２０１上にｐ⁺コレクタ層１０８および裏面電極１０９が形成されている。ＦＳ型ＩＧＢＴ２００では、上記ＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００同様、ライフタイム制御は不要である。

また、オン電圧の低減を目的として、ＩＧＢＴ表面に狭く深い溝を形成し、その側面にＭＯＳゲートを形成したトレンチ構造のＩＧＢＴを、ＦＳ構造と組み合わせたものもある。最近では設計の最適化を図って総厚さを低減することも行われるようになってきている。
ここで、上記図２に示したＦＳ型ＩＧＢＴ２００を例に、ＩＧＢＴの形成方法の一例を図３から図７を参照して説明する。図３は表面側プロセス終了後の断面図、図４は基板研削プロセスの断面図、図５は裏面イオン注入プロセスの断面図、図６は裏面アニールプロセスの断面図、図７は裏面電極膜形成プロセスの断面図である。ただし、図３から図７では、図１および図２に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。

ＦＳ型ＩＧＢＴ２００の形成は、大きく表面側プロセスと裏面側プロセスに分けられる。まず、表面側プロセスについて図３を参照して説明する。表面側プロセスでは、まず、ＦＺ−Ｎ基板１０１の表面側に、ＳｉＯ₂およびポリシリコンを堆積、窓あけ加工してゲート酸化膜１０２およびゲート電極１０３をそれぞれ形成する。続いて、その表面にＢＰ ＳＧを堆積、窓あけ加工して層間絶縁膜１０４を形成する。これにより、ＦＺ−Ｎ基板１ ０１の表面側に、絶縁ゲート構造が形成される。

つぎに、ＦＺ−Ｎ基板１０１の表面側にｐ⁺ベース層１０６を形成し、このｐ⁺ベース層１０６内にｎ⁺エミッタ層１０７を形成する。さらに、このｎ⁺エミッタ層１０７に接するようにアルミニウムシリコン膜を堆積し、エミッタ電極となる表面電極１０５を形成する。アルミニウムシリコン膜は、安定した整合性および低抵抗配線を実現するために、その後４００℃〜５００℃程度の低温で熱処理される。

なお、図２および図３では図示を省略したが、表面電極１０５上にはその表面を覆うようにポリイミドなどを用いて絶縁保護膜が形成される。次に裏面側プロセスについて図４から図７を参照して説明する。裏面側プロセスでは、まず、図４に示すように、ＦＺ−Ｎ基板１０１を裏面側から所望の厚さまでバックグラインドやエッチングなどの研削を行い、薄ウエハ化する。

次いで、図５に示すように、ＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側にリン（Ｐ⁺）およびボロン（Ｂ⁺）をこの順でそれぞれ注入してｎ⁺フィールドストップ層２０１ａおよびｐ⁺コレクタ層１０８ａを形成した後、電気炉を用いて３５０℃〜５００℃の低温で熱処理（アニール）を行う。これにより、リンを注入したｎ⁺フィールドストップ層２０１ａおよびボロンを注入したｐ⁺コレクタ層１０８ａを活性化し、図６に示したように、ＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側に、ｎ⁺フィールドストップ層２０１およびｐ⁺コレクタ層１０８をそれぞれ形成する。

その後、図７に示すように、ｐ⁺コレクタ層１０８表面に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層、金層などの金属膜を組み合わせた裏面電極１０９を形成する。最後に、チップ状にダイシングしてから表面電極１０５の表面に、アルミワイヤ電極を超音波ワイヤーボンディング装置により固着し、裏面電極１０９は、はんだ層を介して所定の固定部材に接続する。

図８は、逆阻止ＩＧＢＴ の断面構造の一例である。ただし、図８では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。図８に示すように、逆阻止ＩＧＢＴ３００は従来型のＩＧＢＴの基本性能を踏襲しつつ、さらにｐ⁺分離層３０１が形成され、逆耐圧を有するようにしたＩＧＢＴである。このような構造を有する逆阻止ＩＧＢＴ３００には直列ダイオードが不要であるために導通損失を半減でき、マトリクスコンバータの変換効率向上に大きく寄与する。１００μｍ以上の深い接合の形成技術と、１００μｍ以下の厚さの極薄ウエハ生産技術を組み合わせて、高性能の逆阻止ＩＧＢＴの製造が可能になっている。

しかしながら、ＩＧＢＴ製造に際し、７０μｍ程度の薄型ＩＧＢＴを実現するためには、裏面バックグラインドや裏面からのイオン注入、裏面熱処理等が必要になるためウエハ反りの問題が発生する等、製造プロセスの技術的課題も多い。
そのような製造プロセス技術のひとつとして、ここで例示したＩＧＢＴをはじめとする各種半導体素子の形成に必要なｐ型不純物層（ｐ層）やｎ型不純物層（ｎ層）の活性化については、これまで様々な手法が検討されており、上記のような電気炉を用いるもののほか、レーザーを用いたアニールによって不純物層の活性化を行うものもある。例えば、ウエハをウエハ割れ防止のための接着シートで支持基板に固定しそのウエハにレーザーを照射してｐ層およびｎ層の活性化を行う方法や、ネオジムイオンの発振を利用するＮｄ： ＹＡＧレーザー（Ｎｅｏｄｉｕｍ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔレーザー、一般にＹＡＧレーザーというとＮｄ：ＹＡＧレーザーを指す）の第３高調波（Ｎｄ：ＹＡＧ３ωレーザー）を用いて活性化を行う方法などが検討されている（例えば特許文献１参照）。

このようなレーザーアニールは、従来は照射エリアごとに一定周期で単パルスのレーザーを照射して行われ、そのためのレーザー照射装置やレーザーアニール方法もいくつか提案されている（例えば特許文献２〜７参照）。これらの提案では、レーザー光源として複数のレーザー発振器を用いて各レーザー発振器から発振されるレーザーを合成して単パルスの周期を調整する（特許文献２，３）、複数ピークを有するパルスのパルス幅（半値幅）を調整する（特許文献４）、レーザーの同一領域への同時照射による照射領域の大面積化を図る（特許文献５）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの照射エネルギーを均一化する（特許文献６）、レーザー照射試料からの反射光をミラーで反射させてレーザーを試料に再照射する（特許文献７）、複数のレーザー照射装置を用い各レーザー照射装置からの矩形パルスを連続して照射することで高活性化率を実現する（特許文献８）等の試みがなされている。

特開２００３−５９８５６号公報 特開２００１−１８５５０４号公報 特開２００３−１０９９１２号公報 特開平１０−２７５７８１号公報 特開平５−６２９２４号公報 特開２００１−１５６０１８号公報 特開２０００−３４９０４２号公報 特開２００５−２２３３０１号公報

各種半導体素子の製造過程における不純物層の活性化について、従来の方法では以下のような問題点があった。まず、電気炉を使ったアニールでは、ウエハ表面または裏面のｐ層や、ｐ層とｎ層がこの順で深さ方向に連続するｐｎ連続層を形成したときの上層側（浅い領域）のｐ層を十分に活性化することが難しいという問題がある。
また、薄型ウエハを形成するために支持基板の固定に接着シートを用いた場合には、接着シートの耐熱温度が通常２００℃以下と低いため、３００℃以上のアニールが必要となる場合には電気炉アニールはできないという問題がある。

また、電気炉アニールに代えてレーザーアニールによってｐ層、ｎ層の活性化を行おうとした場合には、エキシマレーザーのような半値幅が１００ｎｓ未満の短い単パルスのレーザー照射では、表面から浅い領域までしか活性化できず、例えばＦＳ型ＩＧＢＴの裏面側でｐ層とｎ層が連続するｐｎ連続層のうちｎ層まで十分に活性化することができない。
不純物を注入した基板の深い領域まで活性化でき、かつ、その基板を透過しないで活性化を行える３００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の波長範囲でレーザー照射を行うことができるレーザー照射装置であって、半値幅１００ｎｓ以上のパルスで照射が行えるようにした装置は最近製品化されたところであり、未だ普及しておらず装置は高価であり、コスト増の要因になる。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体素子に不純物層として形成されるｐ層、ｎ層、あるいはｐｎ連続層等を短時間で安定して活性化することのできる半導体素子の製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、不純物が導入された不純物層をレーザーを用いて活性化する工程を有する半導体素子の製造方法において、前記不純物層を活性化する際に、いずれの領域の前記不純物層も略同一の照射エネルギー密度で照射されるように複数のパルスを繰り返し照射される製造方法であって、パルスレーザーの繰り返し周波数が３ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下である半導体素子の製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記繰り返し周波数が３．５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下である半導体素子の製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記不純物層は、ｐ型不純物が導入されたｐ型不純物層とｎ型不純物が導入されたｎ型不純物層とが連続して形成されたｐｎ連続層である半導体素子の製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記不純物層は、異なるドーズ量または加速エネルギーで同導電型不純物が導入された同導電型不純物層が連続して形成された連続層である半導体素子の製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記パルスは、照射エネルギー分布が略矩形である半導体素子の製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記パルスレーザーは、波長が３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である半導体素子の製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項７記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記不純物層に照射される前記パルスの１パルスあたりの照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ²以上４．０Ｊ／ｃｍ²以下である半導体素子の製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項８記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記パルスレーザーは固体レーザーである半導体素子の製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項９記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記パルスレーザーが、ネオジムイオンの発振を用いているＮｄ：ＹＡＧ レーザー、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＫＧＷレーザー、Ｎｄ：Ｃｅ：ＹＡＧレーザーおよびＮｄ：ＹＡＰレーザーであって、それらの第二高調波、あるいは第三高調波を用いる半導体素子の製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項１０記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において、前記パルスレーザーが、イッテルビウムイオンの発振を用いているＹｂ：ＫＧＷレーザー、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＬＦレーザーおよびＹｂ：ＧｄＶＯ₄レーザーであって、それらの第二高調波、あるいは第三高調波を用いる半導体素子の製造方法とする。

この発明では、パルスレーザーを用いた不純物層の活性化において、パルスレーザーの繰り返し周波数を３ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲に調整することで、熱の蓄熱と伝導の最適化が図られ、高い活性化率を得ることができる。
また、パルスレーザーの波長を３００ｎｍ〜９００ｎｍとすることで、不純物層の浅い領域から深い領域まで高い活性化率を実現できる。

また、アニールにパルスレーザーを用いることにより、不純物層を短時間で活性化することができる。
また、パルスレーザーの照射エネルギー密度を１．２Ｊ／ｃｍ²〜４．０Ｊ／ｃｍ²とすることで、基板の表面を溶かさずに高い活性化率を得ることができる。
その結果、ｐ層あるいはｎ層の不純物層を有する半導体素子、ｐｎ連続層等の不純物連続層を有する半導体素子を、安定的に短時間で活性化でき、デバイス特性の良好な半導体素子の製造が可能になる。

ＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。 ＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。 表面側プロセス終了後の断面図である。 基板研削プロセスの断面図である。 裏面イオン注入プロセスの断面図である。 裏面アニールプロセスの断面図である。 裏面電極膜形成プロセスの断面図である。 逆阻止ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。 連続したパルス波形と温度上昇波形を示した図である。 ひとつの領域に照射される活性化に必要とされるパルス数を説明する図である。 パルスレーザーを照射した試料の断面のＴＥＭ写真を模式的に示した図であり、（ａ）は１ｋＨｚで照射した場合、（ｂ）は３ｋＨｚで照射した場合である。 パルスレーザーの繰り返し周波数に対する活性化率を示す図である。 繰り返し周波数とボロンのプロファイルの関係を示した図である。 ガウシアン分布のパルスでアニールした場合に出来るレーザー加工痕を示す図である。 パルスレーザーの照射エネルギー密度に対する活性化率を示す図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。

本発明では、ＦＳ型ＩＧＢＴのＦＺ−Ｎ基板の裏面側にｐ型不純物およびｎ型不純物を導入して形成された不純物層であるｐ層およびｎ層の活性化を行うために、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍのパルスレーザーをＦＺ−Ｎ基板に照射することによってアニールを行う。ここで、各パルスレーザーの波長範囲を３００ｎｍ〜９００ｎｍとするのは、波長が３００ｎｍより短いと、シリコンへの侵入長は０．１μｍ以下であるため、ＦＺ−Ｎ基板の深い領域を活性化することができず、波長が９００ｎｍより長いと侵入長も長く、所望の厚さのｐ型不純物層とｎ型不純物をほとんど透過してアニールが非効率となるからである。しかし、パルスレーザーの波長範囲としては、実用化されている範囲は７００ｎｍ以下であるので、３００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲が好ましい。一方、７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の波長では照射エネルギー密度が得にくいが、侵入深さが深くとれるので、レーザー装置の改善により今後活性化のためのアニールとして適用されるものと推測される。

レーザー照射装置から照射するレーザービームの１パルスの照射エネルギー密度を所定の値（例えば２．０Ｊ／ｃｍ²）とする。そして、この１パルスで照射箇所の温度が上昇する。ひとつの領域（例えば、１点）にレーザービームを１パルス照射した後、最初のパルスによって与えられる熱が放熱しきらないうちに次のパルスを走査照射すると、この放熱しきらない箇所の温度に次ぎの１パルスによる温度上昇が加わる。このようにして、複数のパルス照射後、温度のピーク値は飽和する。この飽和したピーク温度が高い程、活性化率が大きくなる。なお、前記の「パルスを走査照射する」とは、レーザービームをスキャンしながらひとつの領域に複数のパルスを繰り返し重複して照射することである。

図９は、連続したパルス波形と温度上昇波形を示した図である。略矩形パルスが照射されると、不純物層の温度は上昇と下降を繰り返しながら高くなって行く。活性化率は不純物層内の温度で決定される。不純物層内の温度は、不純物層の厚さ、パルスの照射エネルギー密度、パルス幅、パルスの繰り返し周波数およびレーザービームのスポットサイズなどに依存する。また、パルスレーザーの周波数はレーザービームのシリコン中への浸透深さに関係する。波長が短いと浸透深さが浅くなり、基板表面が溶融し易くなる。そのため、Ｎｄ：ＹＡＧ２ωレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧ３ωレーザーはＦＳ−ＩＧＢＴのコレクタ層およびバッファ層などの浅い不純物層を活性化するために好適な波長である。ここで、パルス波形は単位面積当たりのレーザービームの照射パワー（Ｗａｔｔ／ｃｍ²）の波形であり、時間積分したものが単位面積当たりのレーザービームの照射エネルギー（Ｗ・ｓ＝Ｊｏｕｌｅ／ｃｍ²）である。

図１０は、ひとつの領域に照射されるパルスレーザーのパルス数Ｎを説明する図である。正方形のスポットサイズの一辺の長さをＬ、スポットのスキャン速度をＶ、パルスの繰り返し周波数をｆ、Ｌの距離をスポットが移動する間に照射されるパルス数をＮとすると、Ｎ＝（Ｌ／Ｖ）・ｆとなる。単位はＬがｍｍ、Ｖはｍｍ／秒、ｆはＨｚである。このパルス数Ｎによる不純物層の温度上昇で活性化される。

つぎに、具体的な事例を上げて説明する。例えば、スキャン速度を２０ｍｍ／ｓｅｃ、スポットサイズを５ｍｍ□、繰り返し周波数３ｋＨｚとすると、ひとつの領域に照射されるパルス数Ｎ＝（５ｍｍ／（２０ｍｍ／ｓｅｃ））×３０００／ｓｅｃ＝７５０発になる。この７５０発のパルス数による不純物層の温度上昇で不純物層は活性化される。
なお、スキャンはウエハ全面で１回であり、ウエハ径が６インチの場合にはウエハ全面をスキャンする時間は３分程度である。

また、スキャン間隔（垂直方向にスポットを移動させる距離）はスポットの端部がオーバラップするようにＬ−α（αはＬの約５％以下）とする。
このようなレーザー照射方法によれば、ひとつの領域に複数のパルスが繰り返し照射されることで、単パルスの照射よりも低い照射エネルギー密度でｐｎ連続層を十分に活性化することができる。

また、１パルス当たりの照射エネルギー密度を低く抑えることで、ウエハに加工痕が付く可能性を極力抑えることができるようになる。
さらに、このようにパルスを連続的に照射すると、イオン注入後に非晶質状態かあるいは結晶欠陥が残っている状態の表層を、先のパルスで再結晶化できなくても、後続のパルスで再結晶化を促進することが可能になる。このことを、パルスレーザーの周波数を変えて実験したので説明する。

図１１は、パルスレーザーを照射した試料の断面のＴＥＭ写真を模式的に示した図であり、同図（ａ）は１ｋＨｚで照射した場合、同図（ｂ）は３ｋＨｚで照射した場合である。
図１１（ａ）のようにパルスレーザーの周波数が１ｋＨｚと低い場合には結晶欠陥が残る場合があるが、図１１（ｂ）のように周波数を３ｋＨｚと高くすることでアニール効果が高まり、それによって再結晶化が促進されて結晶欠陥を消滅させることができる。このことは、結晶欠陥を消滅させて活性化させるためには、繰り返し周波数を３ｋＨｚ以上にするとよい。

図１２は、パルスレーザーの繰り返し周波数に対する活性化率を示す図である。これはＮｄ：ＹＡＧ２ωレーザーの繰り返し周波数とＦＳ型ＩＧＢＴにおけるＦＺ−Ｎ基板裏面のｐｎ連続層の活性化率の関係を示している。
不純物層はｐ層はボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入し、ｎ層はリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで導入している。１パルスのパルス幅は１００ｎｓでパルスの照射エネルギー密度は１．５Ｊ／ｃｍ²ある。

図１２から分かるように、繰り返し周波数が３ｋＨｚから１０ｋＨｚの間でｐ層、ｎ層とも活性化率が３０％を超えて電気炉アニールの場合より大きくなる。また、繰り返し周波数を３ｋＨｚを超えて大きくすると活性化率がさらに向上するので好ましい。例えば、繰り返し周波数を３．５ｋＨｚ以上にすると活性化率は６０％以上になる。
電気炉を用いての４００℃で１時間アニールした場合は活性化率のｐ層とｎ層それぞれ２％と３０％であるが、パルスレーザーの繰り返し周波数が２ｋＨｚ以下では温度のピーク値が低すぎて、それより低い活性化率となっている。

図１３は、パルスレーザーの繰り返し周波数とボロンのプロファイルの関係を示した図である。３ｋＨｚではプロフィルは深さ方向にピークを持ち、裾野を引く分布となるが、１０ｋＨｚより大きな繰り返し周波数（ここでは２０ｋＨｚの場合を示す）では、過熱により基板表面温度が融点を超え表面が溶けた状態になるボックスプロファイルになり、活性化率が低下する。

つまり、活性化率はレーザーアニールを用いた方が電気炉アニールを用いる場合より向上するが、周波数を１０ｋＨｚより大きくすると照射面が溶けて来てしまうという問題が生じる。なお、図１３の縦軸において、例えば、１．０Ｅ＋１７とは１．０×１０¹⁷の意味である。
前記のことから、繰り返し周波数を３ｋＨｚから１０ｋＨｚとすることで、レーザーパルスの熱の蓄積と放熱が釣り合い、良好なアニールを行うことが出来る。

以上の実施例の説明においてはレーザー装置として、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ２ωレーザーのレーザー照射装置を使用した場合について述べた。このＮｄ：ＹＡＧ２ωレーザーの波長（シリコンへの侵入長は７．７μｍ程度）は、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザーのような紫外域の波長（シリコンへの侵入長は０．１μｍ以下）のレーザーよりも長波長であって侵入長が長いため、より深部まで加熱、活性化することができる。しかし、３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザーも浅い層の活性化には用いることができる。

また、表面に熱が集中することが起こりにくくなるため加工痕が付きにくい。そして、固体レーザーであるＹＡＧ２ωレーザーはエキシマレーザーと異なり半値幅が１００ｎｓと大きくできるため、ＸｅＣｌレーザーよりも活性化に有利である。
なお、上記で述べたＮｄ：ＹＡＧ２ωレーザーと同じネオジムイオンの遷移を利用しているＮｄ：ＹＬＦ（イットリウムリチウムフルオライド）レーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＫＧＷ レーザー、Ｎｄ：Ｃｅ：ＹＡＧ レーザー、Ｎｄ：ＹＡＰレーザー、また、イッテルビウムイオンの発振を用いているＹｂ：ＫＧＷ レーザー、Ｙｂ：ＫＹＷ レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＬＦレーザー、Ｙｂ：ＧｄＶＯ₄レーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーとほぼ同じ波長の１０１９ｎｍ〜１０７９ｎｍであることから、その第二高調波、第三高調波レーザーでアニールした結果は、Ｎｄ：ＹＡＧ２ωレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧ３ωレーザーでアニールした結果とほとんど同じになる。

また、前記パルスレーザーとして、イッテルビウムイオンの発振(遷移)を利用しているＹｂ：ＫＧＷレーザー、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＬＦレーザー、Ｙｂ：ＧｄＶＯ₄レーザーの第二高調波レーザーを用いる場合は、同じ発振波長であることから前記と同じ結果になる。
また、不純物層の活性化において、前記のレーザー群の第三高調波も第二高調波に比べて効率は劣るものの利用できる。

なお、活性化に適用できるレーザーの種類とその基本波の波長を以下に列挙する。
ネオジムイオンの発振を利用しているレーザー群としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー；１０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー；１０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー；１０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄レーザー；１０６２ｎｍ、Ｎｄ：ＫＧＷ レーザー；１０６７ｎｍ、Ｎｄ：Ｃｅ：ＹＡＧレーザー；１０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＹＡＰレーザー；１０７９ｎｍである。

また、イッテルビウムイオンの発振を利用しているレーザー群としては、Ｙｂ：ＫＧＷレーザー；１０２３ｎｍ、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー；１０２５ｎｍ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー；１０３０ｎｍ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザー；１０４０ｎｍ、Ｙｂ：ＧｄＶＯ₄レーザー；１０１９ｎｍである。
なお、パルスレーザーを照射してレーザーアニールを行う場合に、パルス波形が一般的なガウシアン分布に近いものを用いると、ＦＺ−Ｎ基板に対する加工痕が残ってしまう場合がある。また、前記のレーザーは固体レーザーである。

図１４は、ガウシアン分布のパルス波形およびそのパルスレーザーを用いたときのＦＺ−Ｎ基板の状態を示す模式図である。例えば図１４に示すような半値幅１００ｎｓで照射エネルギー密度４．０Ｊ／ｃｍ²のガウシアン分布のパルス４０を繰り返し周波数３ｋＨｚで照射して活性化を行うと、照射エネルギーの強度が最も高い位置に対応するＦＺ−Ｎ基板５０表面に加工痕５１が残る。

以上説明したように、略矩形のパルスを繰り返し照射することにより、加工痕がなく、不純物層の濃度分布が安定した良好なｐｎ連続層を形成することができる。
また、通常、ＦＳ型ＩＧＢＴの場合、ｐ層の表面濃度は、裏面電極層とのオーミックコンタクト（接触抵抗）を考慮して、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、より好ましくは１×１０¹⁸ ｃｍ^-3以上であることが好ましい。

図１５は、パルスレーザーの照射エネルギー密度と活性化率の関係を示す図である。この図において、パルスレーザーの繰り返し周波数は３ｋＨｚである。また、図中のｐ層はボロン層でありｎ層はリン層である。
図１５に示すように、照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ²で、ボロン濃度が５×１０^-16ｃｍ^-3を上回り実用できる活性化となる（活性化率は２．４％）。そして、照射エネルギー密度が１．５Ｊ／ｃｍ²以上では、ボロン濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3を上回り、活性化は十分に図れているといえる。

また、照射エネルギー密度が４．０Ｊ／ｃｍ²を超えると、ひとつの領域に照射される照射エネルギー密度が大きすぎ、ＦＺ−Ｎ基板の表面温度がシリコンの融点（１４１５℃）を超え、表面が溶けた後で固化されてしまうため、ボロン濃度分布のばらつきが大きくなる。よって照射エネルギー密度は１．２Ｊ／ｃｍ²以上４．０Ｊ／ｃｍ²以下が好ましい。

接着シートを用いた支持基板方式においても、ｐ層、ｎ層の活性化をｍｓオーダーで実現することができる。接着シートを用いない場合には、レーザーアニールを電気炉アニールと併用することも可能である。
なお、以上の説明では、ＦＳ型ＩＧＢＴに形成されるｐｎ連続層をレーザーアニールによって一気に活性化する場合を例にして述べたが、本発明は、単層のｐ層やｎ層その他ｐｐ連続層やｎｎ連続層等の活性化にも適用可能である。したがって、ＦＳ型ＩＧＢＴにおけるＦＺ基板の表面側、裏面側問わず、ｎｓオーダーでｐｎ連続層等を活性化することができる。

また、ＦＳ型ＩＧＢＴに限らず、ＰＴ型やＮＰＴ型のＩＧＢＴ、逆阻止ＩＧＢＴ、最表面層がｎ層になるフリーフォイーリングダイオード（ＦＷＤ）、その他レーザーアニールによって活性化すべき不純物層を有する様々な半導体素子に適用することができる。

４０ パルス
５０ ＦＺ−Ｎ基板
５１ 加工痕
１００ ｎＰＴ型ＩＧＢＴ
１０１ ＦＺ−Ｎ基板
１０２ ゲート酸化膜
１０３ ゲート電極
１０４ 層間絶縁膜
１０５ 表面電極
１０６ ｐ⁺ベース層
１０７ ｎ⁺エミッタ層
１０８ ｐ⁺コレクタ層
１０９ 裏面電極
２００ ＦＳ型ＩＧＢＴ
２０１ ｎ⁺フィールドストップ層
３００ 逆阻止ＩＧＢＴ
３０１ ｐ⁺分離層
Ｎ、Ｎｏ パルス数
Ｌ スポットサイズの一辺の長さ
Ｖ スポットのスキャン速度
ｆ パルスレーザーの繰り返し周波数

Claims (10)

1. 不純物が導入された不純物層をレーザーを用いて活性化する工程を有する半導体素子の製造方法において、前記不純物層を活性化する際に、いずれの領域の前記不純物層も略同一の照射エネルギー密度で照射されるように複数のパルスを繰り返し照射される製造方法であって、パルスレーザーの繰り返し周波数が３ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であることを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 前記繰り返し周波数が３．５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記不純物層は、ｐ型不純物が導入されたｐ型不純物層とｎ型不純物が導入されたｎ型不純物層とが連続して形成されたｐｎ連続層であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記不純物層は、異なるドーズ量または加速エネルギーで同導電型不純物が導入された同導電型不純物層が連続して形成された連続層であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記パルスは、照射エネルギー分布が略矩形であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
6. 前記パルスレーザーは、波長が３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
7. 前記不純物層に照射される前記パルスの１パルスあたりの照射エネルギー密
   度が１．２Ｊ／ｃｍ²以上４．０Ｊ／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
8. 前記パルスレーザーは固体レーザーであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
9. 前記パルスレーザーは、ネオジムイオンの発振を用いているＮｄ：ＹＡＧ レーザー、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄レーザー、Ｎｄ：ＫＧＷレーザー、Ｎｄ：Ｃｅ：ＹＡＧレーザーおよびＮｄ：ＹＡＰレーザーであって、それらの第二高調波、あるいは第三高調波を用いることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。
10. 前記パルスレーザーは、イッテルビウムイオンの発振を用いているＹｂ：ＫＧＷレーザー、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＬＦレーザーおよびＹｂ：ＧｄＶＯ₄レーザーであって、それらの第二高調波、あるいは第三高調波を用いることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の製造方法。