JP2003059856A

JP2003059856A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2003059856A
Application number: JP2001241953A
Authority: JP
Inventors: Haruo Nakazawa; 治雄中澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-28
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP4967205B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェハ裏面から注入した不純物イオンを、ウ
ェハ表面側に形成した構造に影響を及ぼすことなく、ウ
ェハ裏面から深い領域まで十分に活性化させること。【解決手段】ＦＺウェハ１１の表面に半導体装置の表
面側構造を形成し、ＦＺウェハの１１裏面に不純物イオ
ンを注入した後、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、
かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザー
を用いたレーザーアニール、またはそのレーザーアニー
ルと低温での電気炉アニールを組み合わせて、注入イオ
ンの活性化熱処理をおこなう。パルスレーザーとして、
たとえばＹＡＧレーザーの第３高調波を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にウェハ裏面から注入した不純物イオン
の活性化熱処理をおこなう半導体装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ウェハ裏面から不純物イオンを注入し、
活性化熱処理をおこなうことによって製造される半導体
装置として、ノンパンチスルー型の絶縁ゲート型バイポ
ーラトランジスタ（以下、ＮＰＴ−ＩＧＢＴとする）ま
たはフィールドストップ型の絶縁ゲート型バイポーラト
ランジスタ（以下、ＦＳ−ＩＧＢＴとする）が知られて
いる。ＮＰＴ−ＩＧＢＴは、ｎ^-ドリフト層を構成する
ＦＺウェハの表面にベース、エミッタおよびゲートの表
面構造を形成した後、所望のウェハ厚までＦＺウェハの
裏面を研磨（バックラップ）し、その研磨面からボロン
を注入し、活性化熱処理をおこなってコレクタ層を形成
し、コレクタ電極を形成するというプロセスによって製
造される。

【０００３】ＦＳ−ＩＧＢＴは、ＮＰＴ−ＩＧＢＴと同
様にしてウェハ裏面の研磨までおこなった後、ＦＺウェ
ハの研磨面からリンおよびボロンを順次注入し、活性化
熱処理をおこなってｎ⁺フィールドストップ層およびコ
レクタ層を形成し、コレクタ電極を形成するというプロ
セスによって製造される。いずれの場合も、活性化熱処
理としておこなわれるのは、たとえば４２０℃で１時間
の電気炉アニールか、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍ
で半値幅が１００ｎｓよりも短いパルスレーザーによる
レーザーアニールか、それらの組み合わせである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の低温での電気炉アニールや、短い半値幅のレー
ザー照射によるアニールでは、ウェハ裏面から、たとえ
ばＦＳ−ＩＧＢＴの場合にはｎ⁺フィールドストップ層
までの深い領域まで十分に不純物イオンを活性化させる
ことができないという問題点がある。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためなさ
れたものであって、ウェハ表面側の構造に影響を及ぼす
ことなく、ウェハ裏面から深い領域まで十分に不純物イ
オンを活性化させることができる半導体装置の製造方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、ウェハ表
面に半導体装置の表面側構造を形成し、ウェハ裏面に不
純物イオンを注入した後、波長が２４０ｎｍ〜１０７０
ｎｍで、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルス
レーザーを用いたレーザーアニール、またはそのレーザ
ーアニールと低温での電気炉アニールを組み合わせて、
注入イオンの活性化熱処理をおこなう。パルスレーザー
として、たとえばＹＡＧレーザーの第３高調波を用い
る。

【０００７】この発明によれば、レーザーアニールで用
いるレーザー光の半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓであ
り、従来（＜１００ｎｓ）よりも長いため、従来よりも
ウェハの深いところまでアニール効果が及ぶ。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明
方法を適用して製造される半導体装置の一例であるＦＳ
−ＩＧＢＴの断面構造を示す図である。図１に示すよう
に、このＦＳ−ＩＧＢＴは、ｎ^-ドリフト層１の表面に
ｐ⁺ベース領域２、ｎ⁺エミッタ領域３、ゲート絶縁膜
４、ゲート電極５、層間絶縁膜６およびエミッタ電極７
が形成されている。

【０００９】ｎ^-ドリフト層１の裏面には、ｎ⁺フィール
ドストップ層８、ｐ⁺コレクタ層９およびコレクタ電極
１０が形成されている。ＦＳ−ＩＧＢＴはＦＺウェハを
用いて作製されており、全体の厚さは１５０μｍ〜２０
０μｍ程度である。ＦＺウェハの部分はｎ^-ドリフト層
１を構成する。たとえば６００Ｖ耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴ
では、ｎ^-ドリフト層１の厚さは１００μｍ程度であ
る。ｐ⁺コレクタ層９は、高ドーズ量の浅いｐ⁺拡散層よ
りなっている。

【００１０】つぎに、図２〜図５を参照しながら、図１
に示す構成のＦＳ−ＩＧＢＴの製造プロセスについて説
明する。まず、ｎ型のＦＺウェハ１１の表面上に、たと
えば二酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜４とたとえば
多結晶シリコンよりなるゲート電極５を形成する。そし
て、その表面にたとえばＢＰＳＧよりなる層間絶縁膜６
を形成する。

【００１１】つづいて、ＦＺウェハ１１の表面側にｐ⁺
ベース領域２を形成し、このｐ⁺ベース領域２内にｎ⁺エ
ミッタ領域３を形成する。このｎ⁺エミッタ領域３に接
触するようにたとえばアルミ・シリコン膜よりなるエミ
ッタ電極７を形成する。その後、エミッタ電極７の安定
した接合性と低抵抗配線を実現するため、４００〜４５
０℃程度の低温熱処理をおこなう。そして、図示省略し
たたとえばポリイミド膜よりなる絶縁保護膜で被覆す
る。ここまでで、ウェハ表面側のプロセスが完了する
（図２参照）。

【００１２】ついで、ＦＺウェハ１１の裏面を研磨し
（バックラップ）、所望の厚さのｎ^-ドリフト層１とす
る（図３参照）。そして、その研磨面よりリンおよびボ
ロンを順次イオン注入し、フィールドストップ層となる
イオン注入領域１８およびコレクタ層となるイオン注入
領域１９を設ける（図４参照）。その後、活性化熱処理
をおこない、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレ
クタ層９を形成する（図５参照）。活性化熱処理として
は、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が
１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザー、たとえばＹ
ＡＧレーザーの第３高調波を用いたパルスレーザーによ
るレーザーアニールをおこなう。

【００１３】また、このレーザーアニールと低温での電
気炉アニール（たとえば４２０℃で１時間）とを組み合
わせてもよい。その後、ｐ⁺コレクタ層９の側面に、ア
ルミニウム層、チタン層、ニッケル層および金層の４層
からなるコレクタ電極１０を形成し、図１に示す構成と
なる。そして、エミッタ電極７の表面には、アルミワイ
ヤ電極が超音波ワイヤボンディング装置により固着され
る。コレクタ電極１０は、はんだを介して固定部材に接
続される。

【００１４】つぎに、本発明者らが実際に図１に示す構
成のＦＳ−ＩＧＢＴを作製しておこなった検証内容につ
いて説明する。以下の実施例１〜２、従来例１〜３およ
び参考例を用意した。

【００１５】（実施例１）実施例１は、ｎ⁺フィールド
ストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活
性化熱処理として、パルスレーザーによるレーザーアニ
ールのみをおこなったものである。その際、波長が３５
５ｎｍで半値幅が１００ｎｓのＹＡＧの第３高調波（Ｙ
ＡＧ３ω）を用い、周波数を５００Ｈｚとし、一回の照
射エリアを約１ｍｍ角として５０％のオーバーラップで
照射した。また、活性化熱処理前のイオン注入条件は、
リンについてはドーズ量が１×１０¹³ｃｍ^-2で、加速電
圧が２４０ｋｅＶで、傾斜角は０度であった。ボロンに
ついてはドーズ量が１×１０¹⁵ｃｍ^-2で、加速電圧が４
５ｋｅＶで、傾斜角は０度であった。

【００１６】（実施例２）実施例２は、ｎ⁺フィールド
ストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活
性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニール
をおこなった後に、パルスレーザーによるレーザーアニ
ールをおこなったものである。レーザーアニールの照射
条件、およびリンとボロンのイオン注入条件は上記実施
例１と同じである。

【００１７】（従来例１）従来例１は、ｎ⁺フィールド
ストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活
性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニール
のみをおこなったものである。リンとボロンのイオン注
入条件は上記実施例１と同じである。

【００１８】（従来例２）従来例２は、ｎ⁺フィールド
ストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活
性化熱処理として、半値幅の短いエキシマレーザーを用
いたパルスレーザーによるレーザーアニールのみをおこ
なったものである。その際、波長が３０８ｎｍで半値幅
が４９ｎｓのＸｅＣｌレーザーを用い、周波数を１００
Ｈｚとし、一回の照射エリアを約１ｍｍ角として９０％
のオーバーラップで照射した。リンとボロンのイオン注
入条件は上記実施例１と同じである。

【００１９】（従来例３）従来例３は、ｎ⁺フィールド
ストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活
性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニール
をおこなった後に、半値幅の短いエキシマレーザーを用
いたパルスレーザーによるレーザーアニールをおこなっ
たものである。レーザーアニールの照射条件は上記従来
例２と同じであり、リンとボロンのイオン注入条件は上
記実施例１と同じである。

【００２０】（参考例）参考例は、ｎ⁺フィールドスト
ップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化
熱処理として、９００℃で３０分間の電気炉アニールの
みをおこなったものである。リンとボロンのイオン注入
条件は上記実施例１と同じである。

【００２１】図６は、上記実施例１〜２、従来例１〜３
および参考例について、広がり抵抗法（ＳＲ）により測
定したウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。ただ
し、いずれも４層構造のコレクタ電極１０を除いて測定
した結果である。図６から明らかなように、実施例１で
は、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は２．５×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は３×
１０¹⁶ｃｍ^-3である。実施例２では、ｐ⁺コレクタ層９
のピーク濃度は３×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィール
ドストップ層８の濃度は１．５×１０¹⁶ｃｍ^-3である。

【００２２】それに対して、従来例１では、ｐ⁺コレク
タ層９のピーク濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フ
ィールドストップ層８の濃度は３．５×１０¹⁵ｃｍ^-3で
ある。従来例２では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は
８×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８
はまったく活性化されていない。従来例３では、ｐ⁺コ
レクタ層９のピーク濃度は１．３×１０¹⁹ｃｍ^-3であ
り、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は４×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3である。

【００２３】以上の結果より、実施例１および実施例２
は、ｐ⁺コレクタ層９およびｎ⁺フィールドストップ層８
の両ピーク濃度とも、高温電気炉アニールをおこなった
参考例と同レベルであり、ｐ⁺コレクタ層９およびｎ⁺フ
ィールドストップ層８の両層とも活性化が促進されたこ
とがわかる。また、ｐ⁺コレクタ層９の拡散深さについ
ては、実施例１のほうが実施例２よりも深くなってい
る。また、実施例２のｐ ⁺コレクタ層９の拡散深さは従
来例３と同程度である。従来例２および３においては、
半値幅の短いパルスレーザー照射によるアニールの効果
はｎ⁺フィールドストップ層８までほとんど及んでいな
いことがわかる。

【００２４】つぎに、本発明者らは、実施例１に対し
て、パルスレーザーの半値幅のみを変化させて半値幅の
影響を調べた。実施例１の半値幅が１００ｎｓであるの
に対して、半値幅を２５０ｎｓと５００ｎｓにした。図
７は、それらの試料について広がり抵抗法（ＳＲ）によ
り測定したウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。図
７より、パルスレーザーの半値値を増加させることによ
って、上述した参考例のように高濃度を維持したまま拡
散深さを増加させることができることがわかる。つま
り、半値幅を長くするほど、ｎ⁺フィールドストップ層
８の深さ方向の活性化を図ることができる。したがっ
て、電気炉アニールをおこなわずにｎ⁺フィールドスト
ップ層８を活性化させることができるので、ウェハ表面
側の構造に熱的影響や熱応力の影響をできるだけ与えず
に、所望の特性を有するデバイスを作製することができ
る。

【００２５】また、本発明者らは、実施例２に対しても
同様にパルスレーザーの半値幅のみを２５０ｎｓと５０
０ｎｓに変化させて半値幅の影響を調べた。図８は、そ
れらの試料について広がり抵抗法（ＳＲ）により測定し
たウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。図８より、
実施例１に対する半値幅の影響（図７参照）と同様の結
果が得られたことがわかる。

【００２６】ところで、本発明方法は上述したＦＳ−Ｉ
ＧＢＴに限らず、ＮＰＴ−ＩＧＢＴの製造にも適用でき
る。図９は、本発明方法を適用して製造される半導体装
置の他の例であるＮＰＴ−ＩＧＢＴの断面構造を示す図
である。図９に示すように、このＮＰＴ−ＩＧＢＴは、
ＦＺウェハよりなるｎ^-ドリフト層２１の表面にｐ⁺ベー
ス領域２２、ｎ⁺エミッタ領域２３、ゲート絶縁膜２
４、ゲート電極２５、層間絶縁膜２６およびエミッタ電
極２７が形成され、ｎ^-ドリフト層２１の裏面にｐ⁺コレ
クタ層２９およびコレクタ電極３０が形成されている。
ｐ⁺コレクタ層２９を形成するためにＦＺウェハの裏面
にボロンをイオン注入した後の活性化熱処理の際に、波
長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が１００
ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザー、たとえばＹＡＧレ
ーザーの第３高調波を用いたパルスレーザーによるレー
ザーアニールをおこなうか、またはそれにたとえば４２
０℃で１時間の電気炉アニールを組み合わせておこな
う。

【００２７】上述した実施の形態によれば、レーザーア
ニールで用いるレーザー光の半値幅が従来よりも長いた
め、従来よりもウェハの深いところまでアニール効果が
及び、より深くまでイオン注入層の活性化が促進され
る。したがって、高温での電気炉アニールをおこなわず
に済むので、ウェハ表面側の構造に影響を与えることな
く、安定した低オン電圧動作を実現するデバイス特性の
良好な半導体装置が得られる。

【００２８】以上において本発明は種々変更可能であ
る。たとえば、レーザーアニールをおこなった後に電気
炉アニールをおこなう構成としてもよいし、パルスレー
ザーの半値幅は１００ｎｓ〜５００ｎｓの範囲であれ
ば、１００ｎｓ、２５０ｎｓまたは５００ｎｓ以外でも
よい。また、上述した説明においてｐ型とｎ型を逆にし
てもよい。さらには、プレナー型のＩＧＢＴに限らず、
ウェハ表面に狭く深い溝を形成し、その溝の側面にＭＯ
ＳＦＥＴを形成したトレンチ型のＩＧＢＴにも本発明を
適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、レーザーアニールで用
いるレーザー光の半値幅が従来よりも長いため、従来よ
りもウェハの深いところまでアニール効果が及び、より
深くまでイオン注入層の活性化が促進される。この方法
は、電気炉アニールを必要としないため薄型デバイスの
作製に有効である。また、このレーザーアニールと低温
での電気炉アニールを組み合わせることによって、より
一層活性化が促進される。したがって、本発明は、ウェ
ハ表面側の構造に影響を与えることなく、安定した低オ
ン電圧動作を実現するデバイス特性の良好な半導体装置
が得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体装置の製造方法を適用し
て製造される半導体装置の構造を示す縦断面図である。

【図２】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す
縦断面図である。

【図３】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す
縦断面図である。

【図４】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す
縦断面図である。

【図５】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す
縦断面図である。

【図６】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェ
ハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。

【図７】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェ
ハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。

【図８】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェ
ハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。

【図９】本発明にかかる半導体装置の製造方法を適用し
て製造される半導体装置の他の構造を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１，２１ｎ^-ドリフト層２，２２ｐ⁺ベース領域３，２３ｎ⁺エミッタ領域４，２４ゲート絶縁膜５，２５ゲート電極６，２６層間絶縁膜７，２７エミッタ電極８ｎ⁺フィールドストップ層９，２９ｐ⁺コレクタ層１０，３０コレクタ電極１１ＦＺウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウェハ表面に半導体装置の表面側構造を
形成する形成工程と、ウェハ裏面に不純物イオンを注入するイオン注入工程
と、前記ウェハ裏面に、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍ
で、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレー
ザーを照射するレーザー照射工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記パルスレーザーはＹＡＧレーザーの
第３高調波であ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。
【請求項３】前記イオン注入工程後であって、前記レ
ーザー照射工程前に、低温での電気炉アニールをおこな
う工程を有することを特徴とする請求項１または２に記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記レーザー照射工程後であって、前記
形成工程の前に、低温での電気炉アニールをおこなう工
程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の
半導体装置の製造方法。