JP2007059431A - 半導体装置の製造方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の性能を向上することが可能な技術を提供する。
【解決手段】半導体基板であるウェハ２５内に、リン等のｎ型不純物やボロン等のｐ型不純物を導入する。そして、ウェハ２５に対してその裏面２５ａ側から入射レーザ光６を照射し、それによってウェハ２５内の不純物を活性化する。入射レーザ光６は、ウェハ２５に対する照射タイミングを互いにずらして重畳された複数のパルスレーザ光１，２から成る。このような入射レーザ光６を使用して不純物の活性化を行うことによって、ウェハ２５の溶融を抑制しつつ、当該ウェハ２５に対して長時間レーザ光を照射することができる。その結果、半導体装置の性能が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を使用して不純物を活性化する工程を含む半導体装置の製造方法及び当該製造方法で使用することが可能なレーザ加工装置に関する。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以後、「ＩＧＢＴ」と呼ぶ）等を備える半導体装置の製造工程では、裏面からウェハに不純物を導入し、当該ウェハに対してレーザ光を照射することによって不純物を活性化する工程が行われる。

例えば、特許文献１に記載の技術では、不純物を活性化する際に使用するレーザ光としてＹＡＧレーザの第３高調波等を使用し、これによって、ウェハの表面に形成された表面構造に熱影響を与えることを防止している。また、特許文献１の技術では、不純物を活性化する際に、レーザ光の照射と低温での電気炉加熱とを併用することも行われている。

一方で、特許文献２には、アモルファスシリコン膜から大きな結晶粒を有するシリコン膜を形成することが可能なレーザ加工装置が開示されている。特許文献２の技術では、アモルファスシリコン膜を第１のパルスレーザ光により溶融し、その後、第２のパルスレーザ光により冷却速度を遅らせて結晶化速度を緩やかにし、結晶粒を成長させている。

特開２００３−５９８５６号公報 特開２００３−６８６４４号公報

上述の特許文献１の技術では、ウェハ内の不純物を十分に活性化しようとするとウェハが溶融し、半導体装置の電気的特性が劣化することがある。一方、ウェハの溶融を防止するためにレーザ光の出力を低下させると、ウェハ内に深く導入された不純物を十分に活性化できないという問題が生じる。いずれにしても、特許文献１の技術では、半導体装置の性能の劣化を生じることがある。

また、上述の特許文献２のレーザ加工装置では、レーザ光が照射面で反射し、その反射光がレーザ発振器内に入射したり、当該レーザ発振器の筺体に照射して、レーザ光の出力が変動することがある。したがって、特許文献２のレーザ加工装置を仮にウェハ内の不純物の活性化に使用した場合であっても、レーザ光の出力が不十分であるために不純物の活性化を十分に行うことができず、あるいはレーザ光の出力が高くなりすぎてウェハが溶融してしまい、半導体装置の性能が劣化することがある。

そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、半導体装置の性能を向上することが可能な技術を提供することを目的とする。

この発明の第１の半導体装置の製造方法は、（ａ）第１の主面と、当該第１の主面とは反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板内に不純物を導入する工程と、（ｂ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記不純物を活性化する工程とを備え、前記レーザ光は、前記半導体基板に対する照射タイミングを互いにずらして重畳された複数のパルスレーザ光から成る。

また、この発明の第２の半導体装置の製造方法は、（ａ）第１の主面と、当該第１の主面とは反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板内に前記第２の主面側から第１不純物を導入する工程と、（ｂ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記第１不純物を活性化する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記第２の主面側から前記第１不純物よりも浅く第２不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、（ｄ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記第２不純物を活性化する工程とを備える。

また、この発明の第１のレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、加工対象物における照射対象面に前記レーザ光を照射する光学系とを備え、前記光学系を通過した前記レーザ光は、前記照射対象面に対して斜め方向から入射する。

また、この発明の第２のレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、加工対象物における照射対象面に前記レーザ光を照射する光学系と、前記レーザ発振器の出力端から前記照射対象面までの光軸上に設けられ、前記レーザ光が通過する通過孔を有する光遮蔽部材とを備える。

この発明の第１の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板に対する照射タイミングを互いにずらして重畳された複数のパルスレーザ光から成るレーザ光を使用して不純物の活性化を行っているため、半導体基板の溶融を抑制しつつ、半導体基板に対して長時間レーザ光を照射することができる。その結果、半導体基板の溶融を抑制しつつ、半導体基板内の不純物を十分に活性化することができ、半導体装置の性能が向上する。

また、この発明の第２の半導体装置の製造方法によれば、第１不純物よりも浅く導入される第２不純物を半導体基板に導入する前に、第１不純物をレーザ光を使用して活性化している。一般的に、不純物が導入されていると、レーザ光はその不純物が導入されている領域で吸収されやすくなるため、当該領域よりも深く進入しにくくなる。したがって、第１及び第２不純物を導入した後にそれらをまとめて活性化すると、浅く導入された第２不純物が存在する領域でレーザ光が吸収されて、深く導入されている第１不純物を十分に活性化できない可能性がある。本発明では、浅く導入される第２不純物を半導体基板に導入する前に第１不純物をレーザ光を使用して活性化しているため、第１不純物を十分に活性化することができる。その結果、半導体装置の性能が向上する。

また、この発明の第１のレーザ加工装置によれば、レーザ光を照射対象面に対して斜め方向から入射しているため、当該レーザ光の照射対象面での反射光がレーザ発振器の内部に入射したり、レーザ発振器に照射することを抑制できる。したがって、レーザ光の出力変動を低減できる。よって、本発明に係るレーザ加工装置を半導体基板内の不純物を活性化する際に使用することによって、出力が安定したレーザ光を半導体基板に照射することができ、半導体基板の溶融を抑制しつつ不純物を十分に活性化することができる。その結果、半導体装置の性能を向上することができる。

また、この発明の第２のレーザ加工装置によれば、光遮蔽部材が設けられているため、レーザ光の照射対象面での反射光がレーザ発振器に照射することを抑制できる。したがって、温度上昇によるレーザ光の出力変動を低減できる。よって、本発明に係るレーザ加工装置を半導体基板内の不純物を活性化する際に使用することによって、出力が安定したレーザ光を半導体基板に照射することができ、半導体基板の溶融を抑制しつつ不純物を十分に活性化することができる。その結果、半導体装置の性能を向上することができる。

図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に係るレーザ加工装置では、例えば、シリコン等から成る半導体基板内に導入されたリンやボロン等の不純物を活性化することができる。

図１に示されるように、本実施の形態に係るレーザ加工装置は、２台のレーザ発振器１１，１２と、当該レーザ発振器１１，１２からそれぞれ出力されるパルスレーザ光１，２を重畳し、入射レーザ光６として加工対象物における照射対象面に照射する光学系６０とを備えている。本実施の形態では、入射レーザ光６をウェハ２５にその裏面２５ａ側から照射し、当該ウェハ２５内の不純物を活性化する。したがって、ウェハ２５が加工対象物となり、当該ウェハ２５の裏面２５ａが照射対象面となる。

本実施の形態では、パルスレーザ光１，２のそれぞれは、図１の紙面に対して平行な方向に偏光面を有する直線偏光である。そして、パルスレーザ光１，２はそれぞれ可視光であって、それぞれの波長は４００ｎｍ以上６００ｎｍ未満に設定される。パルスレーザ光１，２は、例えば、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波であり、その波長は５３７ｎｍである。また、パルスレーザ光１，２としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波や、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザの第２高調波を使用しても良い。

光学系６０は、直線偏光のレーザ光の偏光面を回転させる出力調整機構１３，１４と、レーザ光のビーム径を広げるビーム拡大光学系１５，１６と、２つのレーザ光を同軸上に結合する結合光学系１７と、直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板１９と、レーザ光を部分的に透過しつつ、その大部分を反射する部分透過ミラー２０と、レーザ光のエネルギー分布を均一化するホモジナイザ２２と、レーザ光を所定のビーム径に集光する集光レンズ２３，２４と、全反射ミラー５１〜５５とを備えている。出力調整機構１３，１４のそれぞれは、１／２波長板と、当該１／２波長板を回転させる回転機構とを備えている。結合光学系１７は偏光ビームプリズムから成る。

更に、本実施の形態に係るレーザ加工装置は、レーザ光を遮蔽することが可能な光遮蔽部材８，９と、レーザ光の進行を遮断することが可能なシャッター１８ａと、シャッター１８ａを移動させるシャッター駆動機構１８ｂと、シャッター駆動機構１８ｂの動作を制御するシャッターコントローラ３５と、レーザ光を電気信号に変換するパワーモニタヘッド２１と、加工対象物であるウェハ２５を載置する載物台２６と、載物台２６を支持する２軸移動テーブル２７と、２軸移動テーブルの移動を制御するテーブルコントローラ３７と、レーザ発振器１１，１２に電源をそれぞれ供給する電源装置３１，３２と、出力調整機構１３，１４における回転機構の動作をそれぞれ制御する出力調整機構コントローラ３３，３４と、タイミング調整装置３６と、出力調整機構コントローラ３３，３４、シャッターコントローラ３５、タイミング調整装置３６及びテーブルコントローラ３７の動作を制御する制御用コンピュータ３８と、不要なレーザ光を吸収するダンパー４１，４２とを備えている。

光遮蔽部材８，９はそれぞれ板状のレーザ光吸収部材から成り、それらの中央付近にはレーザ光が通過する円形の通過孔８ａ，９ａがそれぞれ設けられている。光遮蔽部材８は、その通過孔８ａにパルスレーザ光１が通過するように、レーザ発振器１１の出力端から入射レーザ光６が照射される照射対象面までの光軸上に配置される。本実施の形態では、光遮蔽部材８はレーザ発振器１１の出力端近傍に配置されている。同様に、光遮蔽部材９は、その通過孔９ａにパルスレーザ光２が通過するように、レーザ発振器１２の出力端から入射レーザ光６が照射される照射対象面までの光軸上に配置される。本実施の形態では、光遮蔽部材９はレーザ発振器１２の出力端近傍に配置されている。なお、図１では光遮蔽部材８，９の断面構造を示している。

次に、本実施の形態に係るレーザ加工装置の動作について説明する。レーザ発振器１１から出力されたパルスレーザ光１は、光遮蔽部材８の通過孔８ａを通過し、全反射ミラー５１で全反射して出力調整機構１３に入射する。レーザ発振器１２から出力されたパルスレーザ光２は、光遮蔽部材９の通過孔９ａを通過し、全反射ミラー５２で全反射して出力調整機構１４に入射する。

出力調整機構１３に入射した直線偏光のパルスレーザ光１は、当該出力調整機構１３の１／２波長板に入射し、当該１／２波長板によってその偏光面が回転してビーム拡大光学系１５に入射する。出力調整機構１４に入射した直線偏光のパルスレーザ光２は、当該出力調整機構１４の１／２波長板に入射し、当該１／２波長板によってその偏光面が回転してビーム拡大光学系１６に入射する。

出力調整機構コントローラ３３は、制御用コンピュータ３８の命令に従って、出力調整機構１３の回転機構の動作を制御する。これにより、出力調整機構１３の１／２波長板が回転し、出力調整機構１３でのパルスレーザ光１の偏光面の回転量が変化する。同様に、出力調整機構コントローラ３４は、制御用コンピュータ３８の命令に従って、出力調整機構１４の回転機構の動作を制御し、これにより、出力調整機構１４の１／２波長板が回転し、出力調整機構１４でのパルスレーザ光２の偏光面の回転量が変化する。

ビーム拡大光学系１５に入射したパルスレーザ光１は、そのビーム径が拡大され、その後全反射ミラー５３で全反射して結合光学系１７に入射する。ビーム拡大光学系１６に入射したパルスレーザ光２は、そのビーム径が拡大され、その後全反射ミラー５４で全反射して結合光学系１７に入射する。

結合光学系１７は、パルスレーザ光１の偏光面が図１の紙面に平行な場合には当該パルスレーザ光１をほぼ透過し、パルスレーザ光１の偏光面が図１の紙面に垂直な場合には当該パルスレーザ光１をほとんど反射する。また、結合光学系１７は、パルスレーザ光２の偏光面が図１の紙面に平行な場合には当該パルスレーザ光２をほとんど透過し、パルスレーザ光２の偏光面が図１の紙面に垂直な場合には当該パルスレーザ光２をほとんど反射する。そして、結合光学系１７で反射されたパルスレーザ光１と、結合光学系１７を透過したパルスレーザ光２とは同軸上に重畳される。以後、結合光学系１７で重畳されたパルスレーザ光１，２を「重畳レーザ光１０」と呼ぶ。

このように、本実施の形態では、出力調整機構１３においてパルスレーザ光１の偏光面を任意に回転させることができ、結合光学系１７ではパルスレーザ光１の偏光面の向きによって当該パルスレーザ光１を透過したり反射したりするため、出力調整機構１３と結合光学系１７とでパルスレーザ光１の強度を任意に調整することができる。同様に、出力調整機構１４においてパルスレーザ光２の偏光面を任意に回転させることができ、結合光学系１７ではパルスレーザ光２の偏光面の向きによって当該パルスレーザ光２を透過したり反射したりするため、出力調整機構１４と結合光学系１７とでパルスレーザ光２の強度を任意に調整することができる。したがって、出力調整機構１３，１４と結合光学系１７とによって、パルスレーザ光１，２の強度を独立して調整し、それらを重畳することができる。なお、結合光学系１７を透過したパルスレーザ光１と、結合光学系１７で反射したパルスレーザ光２とを含む不要なレーザ光３はダンパー４１で吸収される。

結合光学系１７から出力された重畳レーザ光１０は、１／４波長板１９に入射し、当該１／４波長板１９で直線偏光から円偏光に変換される。そして、円偏光に変換された重畳レーザ光１０は部分透過ミラー２０でその９９％以上が反射し、その後全反射ミラー５５で全反射してホモジナイザ２２に入射する。結合光学系１７から出力された重畳レーザ光１０のうち部分透過ミラー２０を透過した１％以下のレーザ光５は、パワーモニタヘッド２１に入射する。パワーモニタヘッド２１は、フォトダイオードから成り、入射した重畳レーザ光１０を電気信号に変換して制御用コンピュータ３８に入力する。制御用コンピュータ３８は、パワーモニタヘッド２１から受け取った電気信号をモニタし、当該信号を記憶するとともに、当該信号から重畳レーザ光１０の出力波形と平均出力強度を取得する。

ホモジナイザ２２に入射した重畳レーザ光１０は、当該ホモジナイザ２２でそのエネルギー分布が均一化され、その後集光レンズ２３で集光される。集光レンズ２３で集光された重畳レーザ光１０は、集光レンズ２４で更に集光されて、所定のビーム径を有する入射レーザ光６としてウェハ２５の裏面２５ａに照射する。その結果、ウェハ２５内で熱が発生してその中の不純物が活性化される。

本実施の形態では、入射レーザ光６は、照射対象面に対して斜め方向から入射する。図２は、入射レーザ光６が照射対象面であるウェハ２５の裏面２５ａに入射する様子を示す図である。図２に示されるように、入射レーザ光６は、ウェハ２５の裏面２５ａの垂直方向に対して角度θを成して当該裏面２５ａに入射する。この角度θは１度程度が望ましい。

このように、入射レーザ光６を照射対象面に対して斜め方向から入射させることによって、図２に示されるように、入射レーザ光６の照射対象面での反射光７は、入射レーザ光６の入射方向に沿って進行することはなく、当該入射方向と角度２θを成して進行する。よって、当該反射光７がレーザ発振器１１，１２内部に入射することを抑制できる。その結果、パルスレーザ光１，２における出力エネルギーの変動やパルス波形の変動を低減できる。更には、レーザ発振器１１，１２の筺体に反射光７が照射されることも抑制できるため、当該筺体の温度上昇によって生じるパルスレーザ光１，２のビーム位置の変動や出力強度の変動を抑制できる。

また本実施の形態では、上述のような光遮蔽部材８，９が設けられているため、レーザ発振器１１，１２に向かう反射光７を当該光遮蔽部材８，９で遮蔽することができる。したがって、反射光７がレーザ発振器１１，１２の筺体に照射されることを抑制でき、当該筺体の温度上昇によって生じるパルスレーザ光１，２のビーム位置の変動や出力強度の変動を低減することができる。ここで光遮蔽部材８，９は、入射レーザ光６のビーム径に対する反射光７のビーム径の割合ができるだけ大きくなる場所に設置することが望ましい。これにより、レーザ発振器１１，１２に入射する反射光７の出力を最小にできるため、パルスレーザ光１，２における出力エネルギーの変動やパルス波形の変動を最小にできる。

なお本実施の形態では、パルスレーザ光１，２の出力を安定化させるために、入射レーザ光６を照射対象面に対して斜め方向から入射させる技術と、光遮蔽部材８，９を設ける技術とを併用しているが、どちらか一方の技術だけを使用してパルスレーザ光１，２の出力を安定化させても良い。

テーブルコントローラ３７は、制御用コンピュータ３８から移動開始命令が出力されると２軸移動テーブル２７の移動を開始し、移動停止命令が出力されると２軸移動テーブルの移動を停止する。そして、テーブルコントローラ３７は、制御用コンピュータ３８が出力する移動経路情報に従って２軸移動テーブル２７を移動させる。これにより、２軸移動テーブル２７によって支持されている載物台２６上のウェハ２５は平面内を移動し、入射レーザ光６がウェハ２５の裏面２５ａ上を走査する。

本実施の形態では、制御用コンピュータ３８は、取得した重畳レーザ光１０の出力波形が基準波形からずれた場合には、あるいは取得した重畳レーザ光１０の平均出力強度が基準値よりも大きくなった場合には、シャッターコントローラ３５にその旨を通知し、当該シャッターコントローラ３５は、シャッター駆動機構１８ｂを制御してシャッター１８ａを移動し、結合光学系１７から出力される重畳レーザ光１０が１／４波長板１９に入射されるのを当該シャッタ−１８ａで遮断する。それと同時に、制御用コンピュータ３８は、テーブルコントローラ３７に命令して２軸移動テーブル２７の移動を停止させ、更に、本レーザ加工装置のオペレータに異常を通知する。なお、重畳レーザ光１０はシャッター１８ａで反射されるが、その不要な反射光４はダンパー４２で吸収される。

また、制御用コンピュータ３８は、タイミング調整装置３６に、レーザ発振器１１，１２のそれぞれの発振タイミングに関する情報を出力する。タイミング調整装置３６は、当該情報に基づいて、電源装置３１，３２のそれぞれに固有のタイミングでトリガ信号を出力する。電源装置３１，３２は、トリガ信号を受け取るとレーザ発振器１１，１２にそれぞれ電源を供給する。これにより、レーザ発振器１１，１２からは独立したタイミングでパルスレーザ光１，２がそれぞれ出力され、結合光学系１７で重畳される。

次に、図１に示されるレーザ加工装置を用いて製造される半導体装置の一例について説明する。図３は本実施の形態に係る半導体装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置１００は、ＩＧＢＴを備える縦型構造の電力用半導体装置であって、モータ制御などに使用される。

図３に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００は、スイッチングセルとしてのＩＧＢＴが複数形成されているセル領域１５０と、当該ＩＧＢＴのゲートにゲート電圧を伝達するための配線が形成されているゲートライン領域１６０と、本半導体装置１００の耐圧を向上させるための構造を有するガードリング領域１７０とを備えている。セル領域１５０中のＩＧＢＴにはワイヤがボンディングされ、当該ワイヤには定格電流が供給される。ガードリング領域１７０は、本半導体装置１００が備える半導体基板１０１の周縁に沿って形成されており、セル領域１５０及びゲートライン領域１６０はガードリング領域１７０で取り囲まれている。例えば、半導体基板１０１はシリコンから成り、ウェハから切り出されたチップ状態のｎ^-型の半導体基板である。

セル領域１５０では、半導体基板１０１の表面１０１ａ内にｐ⁺型の不純物領域であるＩＧＢＴのベース領域１０２が互いに離れて複数形成されている。そして、セル領域１５０の各ベース領域１０２の上面内にはｎ⁺型の不純物領域であるＩＧＢＴのエミッタ領域１０３が互いに離れて２つ形成されている。

またセル領域１５０では、半導体基板１０１におけるベース領域１０２及びエミッタ領域１０３が形成されていない領域と、エミッタ領域１０３とで挟まれたベース領域１０２上にＩＧＢＴのゲート絶縁膜１０５が形成されており、その上にはＩＧＢＴのゲート電極１０６が形成されている。一つのゲート絶縁膜１０５及びその上のゲート電極１０６は、互いに隣り合う２つのベース領域１０２にまたがって形成されている。したがって、当該２つのベース領域１０２に挟まれる半導体基板１０１の表面１０１ａ上にもゲート絶縁膜１０５及びゲート電極１０６が形成されている。

ゲートライン領域１６０及びガードリング領域１７０のそれぞれでは、半導体基板１０１上にシリコン酸化膜１０４が選択的に形成されている。また、セル領域１５０、ゲートライン領域１６０及びガードリング領域１７０には層間絶縁膜１０７が形成されている。セル領域１５０では、ゲート絶縁膜１０５及びゲート電極１０６を覆いつつエミッタ領域１０３が露出するように半導体基板１０１上に層間絶縁膜１０７が形成されている。ゲートライン領域１６０では、シリコン酸化膜１０４が部分的に露出するよう当該シリコン酸化膜１０４上と半導体基板１０１上に層間絶縁膜１０７が形成されている。ガードリング領域１７０では、半導体基板１０１の表面１０１ａが部分的に露出するように、シリコン酸化膜１０４を覆って層間絶縁膜１０７が半導体基板１０１上に形成されている。

セル領域１５０、ゲートライン領域１６０及びガードリング領域１７０には、チタン等から成る電極パターン１０８と、アルミニウム等から成る電極パターン１０９とが形成されている。セル領域１５０では、層間絶縁膜１０７上と、当該層間絶縁膜１０７から露出しているエミッタ領域１０３上とに電極パターン１０８が形成されており、当該電極パターン１０８上に電極パターン１０９が形成されている。ゲートライン領域１６０では、層間絶縁膜１０７上と、当該層間絶縁膜１０７から露出しているシリコン酸化膜１０４上とに電極パターン１０８が形成されており、当該電極パターン１０８上に電極パターン１０９が形成されている。ガードリング領域１７０では、半導体基板１０１の表面１０１ａが部分的に露出するように層間絶縁膜１０７を覆って電極パターン１０８が半導体基板１０１上に形成されており、電極パターン１０８が部分的に露出するように半導体基板１０１上と電極パターン１０８上とに電極パターン１０９が形成されている。

ゲートライン領域１６０及びガードリング領域１７０には、シリコン窒化膜等から成る保護膜１１０と、ポリイミド等から成る保護膜１１１とで構成される、２層構造のパッシベーション膜１１２が形成されている。ゲートライン領域１６０では、電極パターン１０９上に保護膜１１０，１１１がこの順で積層されている。ガードリング領域１７０では、電極パターン１０８，１０９上に保護膜１１０，１１１がこの順で積層されている。また、セル領域１５０では、電極パターン１０９が部分的に露出するように当該電極パターン１０９上に保護膜１１３が形成されている。

半導体基板１０１の裏面１０１ｂ上には、ｎ⁺型の不純物領域であるｎ⁺バッファ層１１５が全面に形成されている。ｎ⁺バッファ層１１５上には、ｐ⁺型の不純物領域であるｐ⁺コレクタ層１１６が全面に形成されている。ｐ＋コレクタ層１１６上には、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル及び金などの複数の金属が積層されたコレクタ電極１１７が全面に形成されている。そして、図３に示される構造は図示しないモールド樹脂で覆われている。

以上のような構造を有する本実施の形態に係る半導体装置１００では、ゲートライン領域１６０の電極パターン１０８，１０９が、セル領域１５０のゲート電極１０６にゲート電圧を伝達するための配線として機能する。そして、ガードリング領域１７０では、電極パターン１０８，１０９によって、半導体基板１０１の表面１０１ａ付近の電界が緩和され、これにより本半導体装置１００の耐圧が向上する。

また、保護膜１１０は、本半導体装置１００を外的汚染から保護するために設けられたものであり、半導体装置１００の表面に水分などが付着してイオン化することによりデバイス特性が劣化したり、本来絶縁されるべき箇所がショートし破損することを防止している。一方、保護膜１１１は、上述の図示しないモールド樹脂と、電極パターン１０８を構成するアルミニウム等との熱膨張率の違いによりヒートサイクル（繰り返しの熱作用）において電極パターン１０８に生じる歪みを防止し、当該電極パターン１０８が破損することを防止するために設けられている。なお、保護膜１１１を設けずに保護膜１１０のみでパッシベーション膜１１２を形成しても良い。

次に、図３に示される半導体装置１００の製造方法について説明する。図４は本実施の形態に係る半導体装置１００の製造方法を示すフローチャートである。まず、図４のステップｓ１に示されるように、ウェハ状態の半導体基板１０１を準備して、その一方の主面である表面１０１ａが上側を向くように配置する。そして、ステップｓ２に示されるように、半導体基板１０１の表面１０１ａに所定の構造を形成する。ステップｓ２では、まず、半導体基板１０１の表面１０１ａ内に不純物をイオン注入法により導入し、その後アニール処理を行い、ベース領域１０２及びエミッタ領域１０３を形成する。そして、半導体基板１０１の表面１０１ａ上にシリコン酸化膜１０４及びゲート絶縁膜１０５を形成し、その後層間絶縁膜１０７を全面に形成する。次に、層間絶縁膜１０７内にコンタクトホールを開口し、電極パターン１０８，１０９を順次形成する。その後、保護膜１１０，１１１から成るパッシベーション膜１１２を形成し、保護膜１１３を形成する。これにより、半導体基板１０１の表面１０１ａに形成される表面構造が完成する。

次に、半導体基板１０１の他方の主面である裏面１０１ｂが上側を向くように当該半導体基板１０１を裏返して、その表面１０１ａ側に異物付着防止用の保護テープを貼り付けた後、ステップｓ３に示されるように、半導体基板１０１をその裏面１０１ｂ側から研削して所望の厚さに設定する。そして、保護テープを剥離する。

次に、ステップｓ４に示されるように、ｎ⁺バッファ層１１５を形成するために、半導体基板１０１にその裏面１０１ｂ側からリン等のｎ型不純物をイオン注入法により導入する。そして、ステップｓ５に示されるように、ｐ⁺コレクタ層１１６を形成するために、半導体基板１０１にその裏面１０１ｂ側からボロン等のｐ型不純物をイオン注入法により導入する。このとき、当該ｐ型不純物は、ｎ⁺バッファ層１１５を形成するためのｎ型不純物よりも浅く半導体基板１０１に導入される。

次に、ステップｓ６に示されるように、図１に示されるレーザ加工装置を使用して、半導体基板１０１にその裏面１０１ｂ側からレーザ光を照射して、ステップｓ５で導入したｎ型不純物と、ステップｓ６で導入したｐ型不純物を活性化する。

ステップｓ６では、まず、半導体基板１０１をその裏面１０１ｂ側が上側に向くように図１の載物台２６に載置する。そして、２軸移動テーブル２７を移動させながら、入射レーザ光６を半導体基板１０１の裏面１０１ｂに照射する。これにより、入射レーザ光６が半導体基板１０１の裏面１０１ｂ上を走査し、ステップｓ５，６で導入された半導体基板１０１内のｎ型及びｐ型不純物が活性化する。その結果、ｎ⁺バッファ層１１５とｐ⁺コレクタ層１１６とが完成する。なお、半導体基板１０１が上述のウェハ２５に相当し、半導体基板１０１の裏面１０１ｂがウェハ２５の裏面２５ａに相当する。

次に、ステップｓ７に示されるように、複数の金属をｐ⁺コレクタ層１１６上に蒸着して、積層構造を有するコレクタ電極１１７を形成する。その後、ウェハ状態の半導体基板１０１をダイシングし、チップ状態の半導体基板１０１を形成する。そして、ワイヤボンディング等を行い、半導体基板１０１をモールド樹脂で覆うことによって、本半導体装置１００が完成する。

次に、ステップｓ６で使用される本実施の形態の入射レーザ光６について説明する。図５は、時間経過に伴う入射レーザ光６及びパルスレーザ光１，２の強度変化を示す図である。図５の横軸は時間を、縦軸は強度をそれぞれ示している。図５中の波形２１０は入射レーザ光６の強度波形を示しており、波形２０１はパルスレーザ光１の強度波形を示しており、波形２０２はパルスレーザ光２の強度波形を示している。

半導体基板１０１内の不純物を活性化する際、入射レーザ光６の強度を、不純物が活性化するために最低限必要な強度Ｐ１以上に設定する必要がある。一方で、入射レーザ光６の強度をあまり上げすぎると、半導体基板１０１が熱により溶融する。一般的に、半導体基板１０１が深さ０．１μｍ程度まで溶融することは許容できることから、半導体基板１０１が深さ０．１μｍ程度以上溶融するのに最低限必要な強度Ｐ２以下に入射レーザ光６の強度を設定する必要がある。

図５の波形２０１，２０２にも示されるように、一般的にパルスレーザ光の出力波形は三角波であるため、一つのパルスレーザ光のみを使用して不純物を活性化する場合、当該パルスレーザ光の強度を強度Ｐ２以下に設定すると、強度Ｐ１以上となる時間が短くなり、半導体基板内の不純物を十分に活性化することが困難である。

そこで、本実施の形態では、図５に示されるように、パルスレーザ光２の半導体基板１０１に対する照射タイミングを、パルスレーザ光１のそれよりも時間ｔｄだけ遅延させて両者を重畳することによって入射レーザ光６を生成する。これにより、入射レーザ光６の強度を強度Ｐ２以下に抑えつつ、当該強度が強度Ｐ１以上となる時間ｔｅを十分に確保することができる。このような入射レーザ光６を半導体基板１０１の裏面１０１ｂに照射することによって、当該半導体基板１０１内の不純物を十分に活性化することができる。なお、遅延時間ｔｄは、電源装置３１，３２に入力されるタイミング調整装置３６からのトリガ信号の出力タイミングを調整することによって任意に設定することができる。また、時間ｔｅは、遅延時間ｔｄやパルスレーザ光１，２の強度等を変更することによって、任意の値に調整することができる。

このように、本実施の形態では、半導体基板１０１に対する照射タイミングを互いにずらして重畳された複数のパルスレーザ光１，２から成る入射レーザ光６を使用して不純物の活性化を行っているため、半導体基板１０１の溶融を抑制しつつ、半導体基板１０１に対して長時間レーザ光を照射することができる。その結果、半導体基板１０１の溶融を抑制しつつ、半導体基板１０１内の不純物を十分に活性化することができ、本半導体装置１００の性能が向上する。

また図５に示されるように、本実施の形態では、入射レーザ光６の波形２１０において、時間的に早くピークとなる第１ピーク値ＰＰ１が、それよりも時間的に後にピークとなる第２ピーク値ＰＰ２以下となるように、遅延時間ｔｄ及びパルスレーザ光１，２の強度が設定されている。

一般的に、半導体基板１０１でのレーザ光の吸収率は、当該半導体基板１０１の温度が上昇するほど高くなる。したがって、第１ピーク値ＰＰ１が第２ピーク値ＰＰ２よりも高いと、入射レーザ光６の強度が第１ピーク値ＰＰ１を示す活性化熱処理の初期段階において半導体基板１０１の温度が上昇し、レーザ光の吸収率が上がり、入射レーザ光６が第２ピーク値ＰＰ２を示す活性化熱処理の後半に半導体基板１０１の温度が上昇しすぎて、当該半導体基板１０１が溶融する可能性がある。

本実施の形態では、第１ピーク値ＰＰ１が第２ピーク値ＰＰ２以下に設定されているため、活性化熱処理の初期段階ではそれほどレーザ光の吸収率が上昇せず、活性化熱処理の後半においても基板温度の過剰な上昇を抑制することができる。その結果、半導体基板１０１の溶融を確実に防止することができ、半導体装置１００の性能を更に向上することができる。

また本実施の形態では、上述のように、パルスレーザ光１，２のそれぞれの波長を４００ｎｍ以上に設定している。このように、パルスレーザ光１，２のそれぞれの波長を４００ｎｍ以上に設定することによって、両者が重畳されて成る入射レーザ光６が半導体基板１０１内に進入しやすくなる。そのため、例えば、ｎ⁺バッファ層１１５用のｎ型不純物のように、半導体基板１０１の裏面１０１ｂから深さ１μｍ程度の位置に存在する不純物を十分に活性化することができる。

一方で、パルスレーザ光１，２のそれぞれの波長を６００ｎｍ以上に設定すると、入射レーザ光６の半導体基板１０１内への進行深さが大きくなりすぎるため、半導体基板１０１全体が加熱されて、半導体基板１０１における照射対象面（裏面１０１ｂ）とは反対側の表面１０１ａに形成された表面構造の温度が上昇しすぎて、本半導体装置１００の電気的特性が劣化する可能性がある。

以上のことから、本実施の形態のように、パルスレーザ光１，２のそれぞれの波長を４００ｎｍ以上６００ｎｍ未満に設定することによって、半導体基板１０１内の不純物を適切に活性化しつつ、入射レーザ光６の半導体基板１０１への進入深さを適切に調整することができ、上述のステップｓ２で形成された所定の構造の温度上昇を抑制できる。よって、半導体装置１００の電気的特性の劣化を防止できる。

また、本実施の形態では、入射レーザ光６を照射対象面に対して斜め方向から入射することによって、当該入射レーザ光６の照射対象面での反射光７がレーザ発振器１１，１２の内部に入射したり、レーザ発振器１１，１２の筺体に照射することを抑制できる。そのため、パルスレーザ光１，２の出力変動を抑制できる。よって、本実施の形態に係るレーザ加工装置を半導体基板１０１内の不純物を活性化する際に使用することによって、出力が安定した入射レーザ光６を半導体基板１０１に照射することができ、半導体基板１０１の溶融を抑制しつつ不純物を十分に活性化することができる。その結果、半導体装置１００の性能を向上することができる。

また本実施の形態では、光遮蔽部材８，９を設けることによって反射光７がレーザ発振器１１，１２の筺体に照射されることを抑制できるため、パルスレーザ光１，２の出力変動を低減することができる。よって、半導体基板１０１の溶融を抑制しつつ不純物を十分に活性化することができ、半導体装置１００の性能を向上することができる。

なお、入射レーザ光６を用いて不純物が活性化された半導体装置１００と、入射レーザ光６を用いる替わりに電気炉で９００℃、３０分間熱処理することにより不純物が活性化された半導体装置１００とを比較すると、活性化されたｎ型不純物やｐ型不純物の濃度に差は見られなかった。

上述の図４に示される製造方法では、ｎ⁺バッファ層１１５用のｎ型不純物と、ｐ⁺コレクタ層１１６用のｐ型不純物とを導入した後に、両方の不純物をまとめて活性化していたが、不純物を導入するごとに活性化処理を行っても良い。図６はこの場合の本半導体装置１００の製造方法を示すフローチャートである。まず、上述のステップｓ１〜ｓ４を実行する。次に、ステップｓ１６に示されるように、半導体基板１０１にその裏面１０１ｂ側から入射レーザ光６を照射して、ステップｓ４で導入されたｎ型不純物を活性化する。そして、上述のステップｓ５を実行して、ｐ型不純物を半導体基板１０１内に導入する。

次に、ステップｓ２６に示されるように、半導体基板１０１にその裏面１０１ｂ側から入射レーザ光６を照射して、ステップｓ５で導入されたｐ型不純物を活性化する。そして、ステップｓ７を実行して、コレクタ電極１１７を形成する。その後、ウェハ状態の半導体基板１０１をダイシングし、チップ状態の半導体基板１０１を形成する。そして、ワイヤボンディング等を実行し、半導体基板１０１をモールド樹脂で覆うことによって、本半導体装置１００が完成する。

一般的に、半導体基板に不純物が導入されていると、レーザ光はその不純物が導入されている領域で吸収されやすくなるため、レーザ光は当該領域よりも深く進入しにくくなる。したがって、図４に示される製造方法のように、ｎ型不純物とｐ型不純物とを導入した後にそれらをまとめて活性化すると、より深い位置に存在するｎ型不純物を十分に活性化することができない可能性がある。

図６に示される製造方法では、浅く導入されるｐ型不純物を半導体基板１０１に導入する前にｎ型不純物を入射レーザ光６を使用して活性化しているため、入射レーザ光６がｎ型不純物が導入されている領域まで到達しやすくなり、ｎ型不純物を十分に活性化することができる。その結果、本半導体装置１００の性能が向上する。

例えば、パルスレーザ光１，２として、パルス半値幅（パルス強度が最大強度の１／２となる強度でのパルス時間長）がともに２００ｎｓのものを使用し、パルスレーザ光１の強度とパルスレーザ光２の強度との比を１：１に設定し、ステップｓ１６での遅延時間ｔｄを６００ｎｓ、ステップｓ２６での遅延時間ｔｄを２００ｎｓに設定することによって、ｎ⁺バッファ層１１５用のｎ型不純物と、ｐ⁺コレクタ層１１６用のｐ型不純物とを十分に活性化することができる程度の時間ｔｅを確保することができるとともに、入射レーザ光６の出力波形２１０における第１ピーク値ＰＰ１を第２ピーク値ＰＰ２よりも小さくすることができる。また、パルスレーザ光１，２として、パルス半値幅がともに５００ｎｓのものを使用し、パルスレーザ光１の強度とパルスレーザ光２の強度との比を１：０．８に設定し、ステップｓ１６，ｓ２６での遅延時間ｔｄをともに８００ｎｓに設定することによっても同様のことが言え、パルスレーザ光１としてパルス半値幅が５００ｎｓのものを使用し、パルスレーザ光２としてパルス半値幅が２００ｎｓのものを使用し、パルスレーザ光１の強度とパルスレーザ光２の強度との比を１：１．２に設定し、ステップｓ１６，ｓ２６での遅延時間ｔｄをともに１μｓに設定することによっても同様のことが言える。

なお、パルスレーザ光１，２として、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波及びＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第２高調波のいずれを使用した場合であっても、それらのパルス半値幅を２００ｎｓや５００ｎｓに設定可能である。

また、パルスレーザ光１，２のそれぞれのパルス半値幅は１００ｎｓ以上５μｓ未満が望ましい。パルス半値幅が１００ｎｓよりも小さくなると、半導体基板１０１の裏面１０１ｂから深さ１μｍ程度の領域まで熱が十分に届かず、当該領域に存在する不純物を十分に活性化できない可能性があり、またパルス半値幅が５μｓ以上になると、半導体基板１０１の表面１０１ａまで熱が伝達し、表面構造に対して熱によるダメージを与える可能性があるからである。

また、遅延時間ｔｄはパルスレーザ光１，２のパルス半値幅にも依存するが、遅延時間ｔｄの値は、２００ｎｓ以上で、第１ピーク値ＰＰ１が第２ピーク値ＰＰ２以下となるように、パルスレーザ光１，２のパルス半値幅及び強度比にあわせて設定する方が好ましい。

また、パルスレーザ光１，２のそれぞれにおいては、パルスの繰り返し周波数をｋＨｚオーダから１０ｋＨｚオーダの間に設定する方が好ましい。パルスの繰り返し周波数が高くなりすぎると、パルスの発生間隔が短くなり、半導体基板１０１の冷却時間が十分に確保できず、当該半導体基板１０１に蓄熱が生じ、当該半導体基板１０１が溶融する可能性があり、またパルスの繰り返し周波数が低すぎると活性化処理時間が長くなるからである。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る入射レーザ光がウェハに入射する様子を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る入射レーザ光及びパルスレーザ光の時間経過に伴う強度変化を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１，２ パルスレーザ光、６ 入射レーザ光、８，９ 光遮蔽部材、８ａ，９ａ 通過孔、１１，１２ レーザ発振器、２５ ウェハ、２５ａ 裏面、６０ 光学系、１０１ 半導体基板、１０１ａ 表面、１０１ｂ 裏面、２１０ 波形。

Claims (7)

1. （ａ）第１の主面と、当該第１の主面とは反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板内に不純物を導入する工程と、
   （ｂ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記不純物を活性化する工程と
   を備え、
   前記レーザ光は、前記半導体基板に対する照射タイミングを互いにずらして重畳された複数のパルスレーザ光から成る、半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
   時間経過に伴う前記レーザ光の強度変化を示す波形は、第１強度ピーク値と、当該第１強度ピーク値よりも時間的に後にピークとなり、かつ当該第１ピーク値以上である第２強度ピーク値とを含む、半導体装置の製造方法。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の前に、前記半導体基板の前記第１の主面に所定の構造を形成する工程を更に備え、
   前記工程（ｂ）では、前記第２の主面側から前記半導体基板に前記レーザ光が照射され、
   前記複数のパルスレーザ光のそれぞれの波長は、４００ｎｍ以上６００ｎｍ未満である、半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記複数のパルスレーザ光のそれぞれは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波及びＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第２高調波のいずれかである、半導体装置の製造方法。
5. （ａ）第１の主面と、当該第１の主面とは反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板内に前記第２の主面側から第１不純物を導入する工程と、
   （ｂ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記第１不純物を活性化する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記第２の主面側から前記第１不純物よりも浅く第２不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、
   （ｄ）前記半導体基板にレーザ光を照射することによって前記第２不純物を活性化する工程と
   を備える、半導体装置の製造方法。
6. レーザ光を出力するレーザ発振器と、
   加工対象物における照射対象面に前記レーザ光を照射する光学系と
   を備え、
   前記光学系を通過した前記レーザ光は、前記照射対象面に対して斜め方向から入射する、レーザ加工装置。
7. レーザ光を出力するレーザ発振器と、
   加工対象物における照射対象面に前記レーザ光を照射する光学系と、
   前記レーザ発振器の出力端から前記照射対象面までの光軸上に設けられ、前記レーザ光が通過する通過孔を有する光遮蔽部材と
   を備える、レーザ加工装置。
   

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