特許 5703536 半導体素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5703536

(24)【登録日】2015年3月6日

(45)【発行日】2015年4月22日

(54)【発明の名称】半導体素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/265 20060101AFI20150402BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20150402BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20150402BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20150402BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/265 602C

   H01L21/265 F

   H01L21/265 Z

   H01L29/78 658A

   H01L29/78 655Z

   H01L29/78 655A

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2008-29258(P2008-29258)

(22)【出願日】2008年2月8日

(65)【公開番号】特開2008-244446(P2008-244446A)

(43)【公開日】2008年10月9日

【審査請求日】2011年1月17日

(31)【優先権主張番号】特願2007-49087(P2007-49087)

(32)【優先日】2007年2月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104190

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 昭徳

(72)【発明者】

【氏名】中澤 治雄

(72)【発明者】

【氏名】根本 道生

【審査官】 柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００７／０１５３８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２６１２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０９７０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０６４８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０７７１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３４９６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１７４５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３５１６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２０８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５９８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２２３３０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン半導体中に拡散係数の大きなドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントが注入された不純物層を活性化する際に、単一の不純物層、または同一導電型もしくは異なる導電型の複数の不純物層からなる連続層に、固体レーザーまたはエキシマレーザーと、前記固体レーザーおよび前記エキシマレーザーよりも前記シリコン半導体への吸収係数が大きい半導体レーザーを照射して前記不純物層を活性化する工程と、
を含み、
前記ドーパントは、リチウムであるか、または、リチウムに、硫黄、セレン、水素の少なくともいずれか一つをあわせた２つ以上であることを特徴とする半導体素子の製造方法。

【請求項2】

前記半導体レーザーを連続的に照射しながら、前記固体レーザーまたは前記エキシマレーザーをパルス状に照射す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。

【請求項3】

前記半導体レーザーをウエハー全面に照射することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項4】

シリコン半導体中に拡散係数の大きなドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントが注入された不純物層を活性化する際に、複数のレーザー照射装置を用いて単一の不純物層、または同一導電型もしくは異なる導電型の複数の不純物層からなる連続層に、複数のパルス状のレーザーを照射して前記不純物層を活性化する工程と、
を含み、
前記ドーパントは、リチウムであるか、または、リチウムに、硫黄、セレン、水素の少なくともいずれか一つをあわせた２つ以上であることを特徴とする半導体素子の製造方法。

【請求項5】

レーザー照射時に、ウエハーを静電チャック式のステージに固定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本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、以下「ＩＧＢＴ」と称す）などの半導体素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。なお、以下の説明および添付図面において、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子また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＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。

【0005】

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。

【0006】

図１２はＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。図１２に示すＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００は、ｎ^-型のＦＺ基板（ＦＺ−Ｎ）基板１のおもて面側に、ＳｉＯ₂などのゲート酸化膜４を介してポリシリコンなどのゲート電極５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７を介してアルミニウムシリコン膜などの表面電極６が形成された構造を有している。このＦＺ−Ｎ基板１のおもて面側には、ｐ⁺ベース層２およびこのｐ⁺ベース層２内にｎ⁺エミッタ層３が形成され、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面側には、ｐ⁺コレクタ層８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９が形成されている。

【0007】

このような構成のＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００において、ｐ⁺コレクタ層８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。

【0008】

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。

【0009】

図１３はＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図１３では、図１２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１３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１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１の裏面に、ｎ⁺層（ｎバッファ層）１０が形成され、このｎバッファ層１０上にｐ⁺コレクタ層８および裏面電極９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。

【0010】

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。

【0011】

ここで、上記図１３に示したＦＳ型ＩＧＢＴ２００を例に、ＩＧＢＴの形成方法の一例を図１４から図１８を参照して説明する。図１４はおもて面側プロセス終了後の断面図、図１５は基板研削プロセスの断面図、図１６は裏面イオン注入プロセスの断面図、図１７は裏面アニールプロセスの断面図、図１８は裏面電極膜形成プロセスの断面図である。ただし、図１４から図１８では、図１２および図１３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。

【0012】

ＦＳ型ＩＧＢＴ２００の形成は、大きくおもて面側プロセスと裏面側プロセスに分けられる。まず、おもて面側プロセスについて図１４を参照して説明する。おもて面側プロセスでは、まず、ＦＺ−Ｎ基板１のおもて面側に、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４およびゲート電極５をそれぞれ形成する。続いて、その表面にＢＰＳＧを堆積、窓あけ加工して層間絶縁膜７を形成する。これにより、ＦＺ−Ｎ基板１のおもて面側に、絶縁ゲート構造が形成される。

【0013】

次いでＦＺ−Ｎ基板１のおもて面側にｐ⁺ベース層２を形成し、このｐ⁺ベース層２内にｎ⁺エミッタ層３を形成する。さらに、このｎ⁺エミッタ層３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６を形成する。アルミニウムシリコン膜は、安定した接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。

【0014】

なお、図１３および図１４では図示を省略したが、表面電極６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１５から図１８を参照して説明する。裏面側プロセスでは、まず、図１５に示すように、ＦＺ−Ｎ基板１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、薄ウエハー化する。

【0015】

次いで、図１６に示すように、ＦＺ−Ｎ基板１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⁺層１０ａおよびｐ⁺層８ａ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⁺層１０ａおよびボロンを注入したｐ⁺層８ａを活性化し、図１７に示したように、ＦＺ−Ｎ基板１の裏面側に、ｎバッファ層１０およびｐ⁺コレクタ層８をそれぞれ形成する。なお、ボロンの注入後にＢＦ₂を注入して、ｐ⁺コレクタ層８の最表面層に、裏面電極とオーミック接触するための表面コンタクト層（ｐ層）を形成する場合もある。

【0016】

その後、図１８に示すように、ｐ⁺コレクタ層８の表面に、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９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６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９は、はんだ層を介して所定の固定部材に接続する。

【0017】

ところで、近年になって直流を介さずに直接交流−交流変換を行うマトリクスコンバータが脚光を浴びている。従来型インバータと違いコンデンサが不要であり、電源高調波が削減されるというメリットがある。しかし、入力が交流であるため、半導体スイッチには逆方向耐圧が要求される。従来型ＩＧＢＴを用いた場合は、逆阻止用のダイオードを直列に接続する必要があった。

【0018】

図１９は逆阻止ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図１９では、図１２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１９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１１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ー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。

【0019】

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ー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。

【0020】

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、ウエハーをウエハー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ー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、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザーの第２高調波（ＹＡＧ２ωレーザー）や第３高調波（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。

【0021】

しかし、ｐ層、ｎ層の活性化において、従来の電気炉アニールの場合には、ｐ層の高活性化を図ることができず、さらに、ウエハー割れ防止のために接着シートを用いる方法では、接着シートの耐熱温度が通常２００℃以下であるため、３００℃以上の電気炉アニールが必要となるような場合には使用することができない。

【0022】

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。ＹＡＧ２ωレーザーやＹＡＧ３ωレーザーなどの全固体レーザーを単パルスで使用して照射した場合には、例えば直径０．９ｍｍ程度のスポット照射のため長い照射時間が必要になり、処理時間がウエハー１枚当たり数時間、例えば５インチウエハーのアニールに２時間程度もかかってしまうようになる。また、照射エネルギー密度を大きくして１つの照射エリアにレーザー照射した場合には、ウエハー表面にレーザー照射による加工跡が残ってしまう場合がある。

【0023】

このような問題に対する解決策の一つとして、本発明者は、不純物が導入された不純物層を活性化する際に、パルスレーザーを照射する複数のレーザー照射装置を用いて不純物層に照射エリアごとに複数のパルスを連続的に照射して不純物層を活性化させる方法を提案している（例えば、特許文献１参照。）。また、半導体レーザーを用いることによって、ウエハーの深部に注入した不純物イオンを活性化させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、ｎドーピングされた層を形成する際に、ドーパントとしてセレンやイオウを用いることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。セレンやイオウの、シリコンへの拡散係数は、従来技術によるドーパントに比べて、非常に高い。

【0024】

【特許文献1】特開２００５−２２３３０１号公報（［００２６］、［００２７］）

【特許文献2】特開２００６−３５１６５９号公報（［００１２］）

【特許文献3】特表２００２−５２０８８５号公報（［００１４］、［００３２］）

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0025】

しかしながら、Ｐ（リン）やＡｓ（砒素）等の従来技術によるドーパントでは、拡散係数がそれほど大きくないため、数ｎｓ程度の照射時間でレーザー照射を行っても、ほとんど拡散しない。また、レーザー照射によって活性化させることができる不純物層の深さは、１．５μｍ以下である。そのため、例えば、レーザー照射によってＦＳ型ＩＧＢＴのｐ⁺コレクタ層とｎバッファ層を活性化させるには、ｐ⁺コレクタ層とｎバッファ層を浅く形成しなければならない。これらの層を浅く形成する場合、プロセス工程中に基板裏面に傷やゴミがつき、それが原因でその部分にｎバッファ層が正常に形成されないと、漏れ電流が大きくなり、デバイス不良を生じやすいという問題点がある。

【0026】

また、拡散係数が大きいドーパントを用いる場合、拡散および活性化のために長時間の熱処理を行うと、ドーパントが基板を透過して基板から抜けてしまうため、所望の特性が安定して得られないという問題点がある。さらに、おもて面側プロセスとバックグラインド等の済んだ薄いウエハーにウエハー裏面側からレーザー光を照射すると、レーザー光の照射面と反対側の面、すなわちおもて面側プロセスによってゲート構造等を作製した面が高温になる。例えば、ウエハーの厚さが７０μｍである場合、ウエハーおもて面側の温度が約５００℃に達することがある。そのため、表面電極やその上の絶縁保護膜が溶けてしまい、デバイスが破壊されてしまうという問題点がある。

【0027】

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、デバイス不良の発生を防ぐことができる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、良好なデバイス特性を有する半導体素子を製造することができる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに、この発明は、レーザー照射時の熱によるデバイスの破壊を防ぐことができる半導体素子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】

【0028】

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体素子の製造方法は、イオン注入工程と活性化工程を含む。イオン注入工程では、拡散係数の大きなドーパントを用いる。ここで、拡散係数の大きなドーパントとは、シリコンに対する拡散係数が、シリコン半導体の製造プロセスにおいて一般的に用いられるドーパント、例えば、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ホウ素（Ｂ）またはアンチモン（Ｓｂ）等のシリコンに対する拡散係数よりも大きい物質のことである。そのような物質として、例えば、リチウム（Ｌｉ）が挙げられる。また、リチウムと、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、水素（Ｈ）の少なくともいずれか一つをあわせた２つ以上の組み合わせであってもよい。

【0029】

活性化工程では、複数のレーザー照射装置を用いる。そして、ドーパントが注入された不純物層に固体レーザーまたはエキシマレーザーと、固体レーザーおよびエキシマレーザーよりも半導体への吸収係数が大きい半導体レーザーを組み合わせて照射して、不純物層を活性化する。その際、単一の不純物層を活性化させてもよいし、同一導電型の複数の不純物層からなる連続層、または異なる導電型の複数の不純物層からなる連続層を活性化させてもよい。半導体レーザーについては、活性化工程の間、ウエハー全面に対して連続的に照射する。固体レーザーまたはエキシマレーザーについては、パルス状に照射する。パルス状のレーザーを照射するにあたって、光源自体を点滅させてもよいし、光源を連続して発光させておき、シャッター等の開閉によって活性化に必要な時間だけレーザーを照射するようにしてもよい。

【0030】

また、活性化工程では、複数のレーザー照射装置を用いて、ドーパントが注入された不純物層に複数のパルス状のレーザーを照射して、不純物層を活性化する。その際、単一の不純物層を活性化させてもよいし、同一導電型の複数の不純物層からなる連続層、または異なる導電型の複数の不純物層からなる連続層を活性化させてもよい。また、パルス状のレーザーを照射するにあたって、光源自体を点滅させてもよいし、光源を連続して発光させておき、シャッター等の開閉によって活性化に必要な時間だけレーザーを照射するようにしてもよい。上述した活性化工程において、レーザーを照射する際に、ウエハーを静電チャック式のステージに固定するとよい。

【0031】

この発明によれば、活性化工程において、拡散係数の大きなドーパントがレーザー照射時の熱により瞬時に深さ方向へ拡散する。また、長時間の熱処理を行わないので、ドーパントが基板を透過して基板から抜けてしまうことがない。また、複数のレーザー照射装置を用いることにより、レーザーの照射時間を制御することができるので、拡散係数の大きなドーパントが拡散し、活性化するのを調整することができる。つまり、拡散係数の大きなドーパントを従来よりも深くまで拡散させて活性化させることができるので、ｎバッファ層を従来よりも厚く形成することができる。従って、プロセス工程中の傷やゴミの影響を受けずに、ｎバッファ層を正常に形成することができる。

【0032】

また、固体レーザーまたはエキシマレーザーと、半導体レーザーを組み合わせることにより、レーザー照射面側の最表面層におけるドーパントの活性化には、固体レーザーまたはエキシマレーザーの波長の短いレーザーが寄与する。深い層へのドーパントの拡散および活性化には、シリコンへの吸収係数が大きい半導体レーザーが寄与する。

【0033】

また、レーザー照射時に基板がステージから浮き上がっていると、ステージへの熱伝導による冷却効果が低下するので、基板の温度が上昇してしまう。静電チャック式のステージにウエハーを固定してレーザーを照射すれば、レーザー照射時の基板温度の上昇を抑制することができる。厚さが７０μｍ程度である薄いウエハーでは、この効果は顕著である。特に、ドーパントとしてリチウムを用いる場合には、レーザー照射時の基板温度を１００℃未満に抑制することにより、リチウムの拡散を制御することができるので、好ましい。

【発明の効果】

【0034】

本発明にかかる半導体素子の製造方法によれば、デバイス不良の発生を防ぐことができるという効果を奏する。また、良好なデバイス特性を有する半導体素子を製造することができるという効果を奏する。さらに、レーザー照射時の熱によるデバイスの破壊を防ぐことができるという効果を奏する。

【発明を実施するための最良の形態】

【0035】

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。特に限定しないが、ここでは、ＦＳ型ＩＧＢＴを製造する場合を例にして説明する。

【0036】

実施の形態１．
実施の形態１は、図１６に示す、ｎバッファ層およびｐ⁺コレクタ層を形成するためのイオン注入工程において、ｎ⁺層１０ａを形成するためのドーパントとしてリチウムを用いるものである。また、このイオン注入工程に続いて、ｎ⁺層１０ａおよびｐ⁺層８ａの活性化、また、裏面電極との表面コンタクト層を設ける場合にはその表面コンタクト層の活性化を行う工程において、全固体ＹＡＧ２ωレーザー（波長：５３２ｎｍ）を２台使用してレーザーアニールを行うものである。

【0037】

図１は、２台のレーザー照射装置からそれぞれ照射されるパルス状のレーザーのパルス波形を示す図である。図１に示すように、レーザーを照射する際には、例えば、２台のレーザーの半値幅（パルス幅に相当）をともに１００ｎｓとする。また、例えば、１台目のレーザー（１ｓｔパルス）および２台目のレーザー（２ｎｄパルス）の照射エネルギー密度をともに１．５Ｊ／ｃｍ²とし、合計で３Ｊ／ｃｍ²のレーザー照射エネルギー密度となるようにする。また、例えば、１ｓｔパルスに対する２ｎｄパルスの遅延時間を５００ｎｓとする。また、例えば、１台目および２台目のそれぞれについて、パルスのオーバーラップ率を９０％とする。

【0038】

なお、これらのレーザー照射条件は、所望の特性が得られるように、ドーパントの拡散深さや活性化率に応じて、適宜、選択される。パルス状のレーザーを照射するには、光源自体を点滅させることによっても実現できるし、光源を連続して発光させておき、シャッター等の開閉によって活性化に必要な時間だけレーザーを照射することによっても実現できるが、本明細書においてパルス状のレーザーというときには、そのどちらで実現してもよい。次に、レーザーアニールによって単一の不純物層（以下、単層とする）を活性化する場合について説明する。ここでは、単層の例として、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層（ｎフィールドストップ層）を形成する場合を想定する。まず、イオン注入工程において、シリコン半導体にリチウム（Ｌｉ⁺）をイオン注入する。その際、リチウムのドーズ量は、１×１０¹⁴（ｃｍ^-2）である。また、加速電圧は、１００ｋｅＶである。続いて、２台のレーザー照射装置を用いて、上述したレーザー照射条件（図１参照）で、リチウムの注入面にパルス状のレーザーを照射する。

【0039】

このようにして得たシリコン半導体の、レーザー照射面からの深さ方向の濃度プロファイルを広がり抵抗法により測定した結果を図２に示す。図２において、深さ０μｍは、レーザー照射面である（図４、図６および図７においても同じ）。図２から、レーザー照射面から１２μｍ程度の深さまで、リチウムが拡散していることがわかる。１ｓｔパルスに対する２ｎｄパルスの遅延時間や、１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの各照射エネルギー密度などを変えることにより、リチウムの拡散深さや濃度を調整することができる。

【0040】

比較のため、同じ注入条件でリチウムをイオン注入し、電気炉で４５０℃、１時間のアニールを行ったシリコン半導体の、イオン注入面からの深さ方向の濃度プロファイルを広がり抵抗法により測定した結果を図３に示す。図３において、深さ０μｍは、イオン注入面である。図３から明らかなように、リチウムを注入した表面（深さ０μｍ）側では長時間の熱処理によって、リチウムがシリコン半導体の外へ抜けてしまうことがわかる。また、リチウムの拡散係数が大きいため、注入面の反対側の面（深さｔμｍ）で濃度が上昇してしまうという問題が生じる。上述したレーザーアニールを行う場合には、このような問題が起こらない。

【0041】

次に、連続層の例として、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層（ｎフィールドストップ層）とｐ⁺コレクタ層を形成する場合を想定する。まず、イオン注入工程において、ドーズ量１×１０¹⁴（ｃｍ^-2）、加速電圧１００ｋｅＶで、シリコン半導体にリチウム（Ｌｉ⁺）をイオン注入する。続いて、ドーズ量１×１０¹⁵（ｃｍ^-2）、加速電圧を５０ｋｅＶで、シリコン半導体にボロン（Ｂ⁺）をイオン注入する。その後、２台のレーザー照射装置を用いて、上述したレーザー照射条件（図１参照）で、イオン注入面にパルス状のレーザーを照射する。

【0042】

このようにして得たシリコン半導体の、レーザー照射面からの深さ方向の濃度プロファイルを広がり抵抗法により測定した結果を図４に示す。図４から、レーザー照射面から１０μｍ程度の深さまで、リチウムが拡散していることがわかる。図２に示す単層の場合と比べて、若干、リチウムの濃度と拡散深さが浅くなるのは、ｐ⁺コレクタ層によってリチウムの拡散が抑えられるからである。連続層の場合も、１ｓｔパルスに対する２ｎｄパルスの遅延時間や、１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの各照射エネルギー密度などを変えることにより、リチウムの拡散深さや濃度を調整することができる。

【0043】

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、全固体ＹＡＧ２ωレーザー（波長：５３２ｎｍ）を２台使用する代わりに、そのうちの１台を、半導体レーザー（波長：８００ｎｍ）とするものである。ｎ⁺層１０ａを形成するためのドーパントは、リチウムである。

【0044】

図５は、全固体ＹＡＧ２ωレーザーから照射されるパルス状のレーザーのパルス波形および半導体レーザーの連続発振を示す図である。図５に示すように、レーザーを照射する際には、例えば、全固体ＹＡＧ２ωレーザーの半値幅（パルス幅に相当）を１００ｎｓとする。また、例えば、全固体ＹＡＧ２ωレーザーの照射エネルギー密度を１．５Ｊ／ｃｍ²とする。そして、例えば、ウエハー処理の間、半導体レーザーを５Ｊ／ｃｍ²の照射エネルギー密度でウエハー全面に照射する。また、例えば、全固体ＹＡＧ２ωレーザーのパルスのオーバーラップ率を９０％とする。

【0045】

なお、これらのレーザー照射条件は、所望の特性が得られるように、ドーパントの拡散深さや活性化率に応じて、適宜、選択される。次に、レーザーアニールによって単層を活性化する場合について説明する。ここでは、単層の例として、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層（ｎフィールドストップ層）を形成する場合を想定する。まず、イオン注入工程において、ドーズ量１×１０¹⁴（ｃｍ^-2）、加速電圧１００ｋｅＶで、シリコン半導体にリチウム（Ｌｉ⁺）をイオン注入する。続いて、上述したレーザー照射条件（図５参照）で、リチウムの注入面に全固体ＹＡＧ２ωレーザーと半導体レーザーを照射する。ただし、半導体レーザーの照射エネルギー密度を３Ｊ／ｃｍ²とする。

【0046】

このようにして得たシリコン半導体の、レーザー照射面からの深さ方向の濃度プロファイルを広がり抵抗法により測定した結果を図６に示す。図６から、レーザー照射面から２０μｍ程度の深さまで、リチウムが拡散していることがわかる。全固体レーザーと半導体レーザーの照射エネルギー密度などを変えることにより、リチウムの拡散深さや濃度を調整することができる。図６に示す結果と図２に示す結果を比べると、図６に示す結果の方が、有効性が充分に高いことがわかる。また、実施の形態１と同様に、実施の形態２でも、電気炉で長時間のアニールを行った場合の種々の問題が起こらない。

【0047】

次に、連続層の例として、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層（ｎフィールドストップ層）とｐ⁺コレクタ層を形成する場合を想定する。まず、イオン注入工程において、ドーズ量１×１０¹⁴（ｃｍ^-2）、加速電圧１００ｋｅＶで、シリコン半導体にリチウム（Ｌｉ⁺）をイオン注入する。続いて、ドーズ量１×１０¹⁵（ｃｍ^-2）、加速電圧を５０ｋｅＶで、シリコン半導体にボロン（Ｂ⁺）をイオン注入する。その後、イオン注入面全面に３Ｊ／ｃｍ²の照射エネルギー密度で半導体レーザーを照射しながら、イオン注入面に１．５Ｊ／ｃｍ²の照射エネルギー密度で全固体ＹＡＧ２ωレーザーのパルス状のレーザーを照射する。

【0048】

このようにして得たシリコン半導体の、レーザー照射面からの深さ方向の濃度プロファイルを広がり抵抗法により測定した結果を図７に示す。図７から、レーザー照射面から１８μｍ程度の深さまで、リチウムが拡散していることがわかる。図６に示す単層の場合と比べて、若干、リチウムの濃度と拡散深さが浅くなる理由は、実施の形態１で説明した通りである。連続層の場合も、全固体レーザーと半導体レーザーの照射エネルギー密度などを変えることにより、リチウムの拡散深さや濃度を調整することができる。

【0049】

ところで、上述した実施の形態１または実施の形態２において、レーザーアニールを行う際には、図８に示すように、静電チャック式のステージ２１にウエハー２２をしっかりと固定するのがよい。そうしないと、図９に示すように、薄いウエハー２２がステージ２１から浮き上がることがある。ウエハー２２が浮いてしまうと、レーザー照射時に、ウエハー２２からステージ２１への熱伝導が起こりにくくなり、冷却効果が低下してしまう。その結果、ウエハー２２の、レーザー照射面と反対側の面、すなわち、ステージ２１に対向する側の面の温度が上昇する。この面には、おもて面側プロセスによってゲート構造等が作製されている。

【0050】

例えば、厚さが７０μｍであるウエハーに実施の形態２の方法を適用した場合、ウエハーが浮き上がると、ウエハーのおもて面側の面の温度が約５００℃に達することがある。このような高温になると、表面電極やその上の絶縁保護膜が溶けて、デバイスが破壊されてしまい、デバイスとして機能しなくなってしまう。それに対して、静電チャック式のステージ２１にウエハー２２をしっかりと固定してレーザーを照射すれば、ウエハーのおもて面側の面の温度を約２００℃以下に抑えることができるので、レーザー照射によるデバイスおもて面側への影響は生じない。

【0051】

厚さが７０μｍ程度である薄いウエハーの場合には、この効果は顕著である。特に、ドーパントとしてリチウムを用いる場合には、レーザー照射時の基板温度を１００℃未満に抑制することにより、リチウムの拡散を制御することができるので、好ましい。このように、静電チャック式ステージ２１にウエハー２２を固定した状態でレーザーアニールを行う装置を製作することは、有効である。

【0052】

また、上述した実施の形態１または実施の形態２では、ドーパントがリチウムである場合について説明したが、リチウムの代わりに、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）や水素（Ｈ）を用いてもよい。図１０に、硫黄、セレンおよび水素と、比較のために砒素およびリンのシリコンに対する拡散係数の温度特性を示す。図１０において、上の横軸は、セ氏温度Ｔ（℃）であり、下の横軸は、絶対温度の逆数（Ｋ^-1）である。また、縦軸は、拡散係数である。

【0053】

また、リチウム、硫黄、セレンおよび水素のうちの２つ以上をドーパントとして用いてもよい。図１１に、リチウム、水素、硫黄およびセレンと、リファレンスとしてリンを用いて実施の形態２を適用した場合の、各ドーパントの拡散深さを示す。いずれも、イオン注入時のドーズ量は、１×１０¹⁴（ｃｍ^-2）である。また、半導体レーザーの照射エネルギー密度は、３Ｊ／ｃｍ²であり、全固体ＹＡＧ２ωレーザーの照射エネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ²である。図１０および図１１から明らかなように、リチウム、水素、硫黄およびセレンは、シリコン半導体の製造プロセスにおいてドーパントとして一般的に用いられるリンや砒素に比べて、シリコンに対する拡散係数が大きく、より深くまで拡散することがわかる。

【0054】

以上説明したように、各実施の形態によれば、活性化工程においてリチウムや水素や硫黄やセレンなどの拡散係数の大きなドーパントがレーザー照射時の熱により瞬時に深さ方向へ拡散する。また、長時間の熱処理を行わないので、ドーパントが基板を透過して基板から抜けてしまうことがない。また、実施の形態１のように複数のレーザー照射装置を用いることにより、あるいは、実施の形態２のように固体レーザーと半導体レーザーを組み合わせることにより、レーザーの照射時間を制御することができるので、拡散係数の大きなドーパントが拡散し、活性化するのを調整することができる。特に、実施の形態２によれば、レーザー照射面側の最表面層におけるドーパントの活性化には、波長の短い固体レーザーが寄与し、深い層へのドーパントの拡散および活性化には、シリコンへの吸収係数が大きい半導体レーザーが寄与する。

【0055】

従って、リチウムや水素や硫黄やセレンなどのドーパントを従来よりも深くまで拡散させて活性化させることができるので、例えば、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層を従来よりも厚く形成することができる。つまり、プロセス工程中の傷やゴミの影響を受けずに、ｎバッファ層を正常に形成することができ、それによって、デバイス不良の発生を防ぐことができる。また、良好なデバイス特性を有する半導体素子を製造することができる。また、静電チャック式ステージにウエハーを固定してレーザー照射を行うことにより、レーザー照射時の熱によるデバイスの破壊を防ぐことができるとともに、リチウムの拡散を制御することができる。

【0056】

実施の形態１（図２および図４）と実施の形態２（図６および図７）を比較すると、実施の形態２の方がより深くまでドーパントが拡散する。また、図１１より、リチウムが最も深くまで拡散する。従って、ドーパントとしてリチウムを用い、固体レーザーと半導体レーザーを組み合わせてレーザーアニールを行うのが、最も好ましい。

【0057】

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載したイオン注入条件やレーザー照射条件等の数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、本発明にかかるレーザーアニール法は、ｎ型のドーパントに限らず、拡散係数の大きなｐ型のドーパント、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や亜鉛（Ｚｎ）やガリウム（Ｇａ）などを拡散させ、活性化させる場合にも有効である。

【0058】

また、本発明は、単層や、ｐ型不純物層とｎ型不純物層からなるｐｎ連続層以外にも、ｎ型不純物層とｎ型不純物層からなるｎｎ連続層、ｎ型不純物層とｐ型不純物層からなるｎｐ連続層、不純物としてアルゴン（Ａｒ⁺）を注入したアルゴン導入層（Ａｒ層）とｐ型不純物層からなる連続層、またはＡｒ層とｎ型不純物層からなる連続層に対しても有効である。また、全固体レーザーは、ＹＡＧ２ωレーザー以外にも、ＹＬＦ２ω、ＹＶＯ４（２ω）、ＹＡＧ３ω、ＹＬＦ３ω、ＹＶＯ４（３ω）等のレーザーでもよい。また、全固体レーザーの代わりに、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＸｅＦ等のエキシマレーザーを用いてもよい。また、本発明にかかるレーザーアニール法によって、ＮＰＴ型ＩＧＢＴや逆阻止ＩＧＢＴのｐ層の単層（コレクタ層）を活性化させてもよい。また、本発明は、ＩＧＢＴに限らず、ＩＣやＭＯＳなどの半導体素子の製造にも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0059】

以上のように、本発明にかかる半導体素子の製造方法は、デバイス厚の薄い半導体素子を製造するのに有用であり、特に、汎用インバータ、ＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）またはスイッチング電源などの産業分野や、電子レンジ、炊飯器またはストロボなどの民生機器分野に用いられるＩＧＢＴなどの電力用半導体素子の製造に適している。

【図面の簡単な説明】

【0060】

【図1】実施の形態１におけるパルス状のレーザーのパルス波形を示す図である。

【図2】実施の形態１により得られたシリコン半導体の深さ方向の濃度プロファイル（単層）を示す図である。

【図3】電気炉でアニールを行ったシリコン半導体の深さ方向の濃度プロファイル（単層）を示す図である。

【図4】実施の形態１により得られたシリコン半導体の深さ方向の濃度プロファイル（連続層）を示す図である。

【図5】実施の形態２におけるパルス状のレーザーのパルス波形および半導体レーザーの連続発振を示す図である。

【図6】実施の形態２により得られたシリコン半導体の深さ方向の濃度プロファイル（単層）を示す図である。

【図7】実施の形態２により得られたシリコン半導体の深さ方向の濃度プロファイル（連続層）を示す図である。

【図8】静電チャック式のステージにウエハーを固定した状態を示す図である。

【図9】ステージからウエハーが浮き上がった状態を示す図である。

【図10】硫黄、セレン、水素、砒素およびリンのシリコンに対する拡散係数の温度特性を示す図である。

【図11】リチウム、硫黄、セレン、水素およびリンの拡散深さを示す図である。

【図12】ＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。

【図13】ＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。

【図14】おもて面側プロセス終了後の断面図である。

【図15】基板研削プロセスの断面図である。

【図16】裏面イオン注入プロセスの断面図である。

【図17】裏面アニールプロセスの断面図である。

【図18】裏面電極膜形成プロセスの断面図である。

【図19】逆阻止ＩＧＢＴの断面構造の一例を示す図である。

【符号の説明】

【0061】

２１ 静電チャック式ステージ
２２ ウエハー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】