JP2008270243A

JP2008270243A - 半導体デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2008270243A
Application number: JP2007106841A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nakajima; 優中島; Yoshimizu Takeno; 祥瑞竹野; Ayumi Onoyama; 歩小野山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】比較的簡単な手法で、不純物が深く注入された半導体層であっても効率的に活性化できる半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体デバイスの製造方法は、半導体層に不純物を注入する工程と、該半導体層に向けてレーザ照射を行って、不純物が注入された層を活性化する工程とを含み、レーザ照射工程において、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃのパルスをそれぞれ発生する２台のレーザ発振器を使用して、先パルスの照射に続いて所定の遅延時間後に後パルスの照射を行うようにし、先パルスのエネルギー密度は後パルスのエネルギー密度より大きく、先パルス照射時の照射領域の最高表面温度が後パルス照射時の照射領域の最高表面温度とが実質的に等しくなるように、各パルスのエネルギー密度および遅延時間を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法に関し、特に、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワーデバイスにおいて、不純物が注入された半導体層をレーザ照射によって活性化する手法に関する。

電力用スイッチングデバイスで使われているＩＧＢＴは、近年、特性向上を目的としてウエハ厚の薄厚化が主流となっている。薄厚ＩＧＢＴのウエハ裏面に設けられる不純物層は、ウエハ厚を薄くした後にウエハ裏面にｎ型とｐ型の不純物を注入し、熱処理を加えることで形成される。この熱処理には、ウエハ表面に影響を及ぼさずウエハ裏面のみを高温に加熱できるレーザアニールやＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)などの活性化アニールが用いられている。

下記特許文献１（特開２００５−２２３３０１号）は、半導体素子のｐｎ連続層を短時間で安定に活性化すると同時に、高い活性化率を実現するために、照射エネルギー分布を略矩形化した同一の照射エネルギー密度である複数のパルスレーザ照射装置を用い、照射エリアごとに、この複数のパルスを連続的にオーバーラップさせ、ｐ型不純物層とｎ型不純物層とが連続して形成されたｐｎ連続層を照射する半導体装置の製造方法が提案されている。

下記特許文献２（特開２００４−３９９８４号）は、半導体基板上に濃度分布が最大となる深さが異なる２つの不純物を注入した後、基板上に第１のパルスレーザを照射し、主として深さの浅い不純物層を活性化する工程と、第１のパルスレーザよりもパルス幅が長くパルスエネルギー密度が低い第２のパルスレーザを基板上に照射し、主として濃度分布が最大となる深さが深い不純物層を活性化する工程を有する半導体装置の製造方法が提案されている。

下記特許文献３（特開平９−６３９７４号）は、半導体基板に対して照射強度の強いレーザ光を照射した直後に、所定の遅延時間をもって上記レーザ光より弱い照射強度のレーザ光の照射を所定回数繰り返すことで、照射領域の表面あれの発生を防ぎながら半導体基板に対して深いドーピング層を高速で形成する方法が提案されている。

下記特許文献４（特許第３１０５４８８号）は、レーザ発振器とレーザ増幅器を直列配置し、レーザ発振器のトリガーパルスとレーザ増幅器のトリガーパルスのタイミングを調整することによって、２つの連続パルス光を発生する手法が提案されている。

特開２００５−２２３３０１号公報特開２００４−３９９８４号公報特開平９−６３９７４号公報特許第３１０５４８８号公報

特許文献１では、半値幅が長いパルス幅のパルスレーザ光を不純物層に照射した場合と同様の効果を得るために、所定のマスクを用いて形成した矩形パルスをオーバーラップさせながら連続的に照射している。そのため、高精度マスクと正確な光学調整が必要になり、装置コストが増加する。

特許文献２では、２つの不純物層それぞれについてパルス幅とエネルギー密度が異なるシングルパルスレーザ光を照射して活性化を行うので、深い領域に注入された不純物を十分に活性化するための加熱時間が得られない。

特許文献３は、先に、パルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４Ｊ／ｃｍ^２のＫｒＦエキシマレーザ光を照射し、その後に、パルス幅２３ｎｓ、照射強度０．５Ｊ／ｃｍ^２のＫｒＦエキシマレーザ光を照射することによって、ドーピング層を形成している。先のパルスでは非常に短時間で高エネルギーのレーザ照射を実施しているために、照射エリア表面が溶融し、結晶欠陥が発生する。また、パルス幅が短く、加熱時間が短いので、深く注入された不純物を十分に活性化できない。

特許文献４は、レーザ発振器とレーザ増幅器の組合せを利用して２つの連続パルス光を発生させているため、各パルスの発生条件が相互に依存し、パルスの幅や強度を独立に設定することが困難である。

本発明の目的は、比較的簡単な手法で、不純物が深く注入された半導体層であっても効率的に活性化できる半導体デバイスの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、半導体層に不純物を注入する工程と、
該半導体層に向けてレーザ照射を行って、不純物が注入された層を活性化する工程とを含み、
レーザ照射工程において、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃのパルスをそれぞれ発生する２台のレーザ発振器を使用して、先パルスの照射に続いて所定の遅延時間後に後パルスの照射を行うようにし、
先パルスのエネルギー密度は、後パルスのエネルギー密度より大きく、
先パルス照射時の照射領域の最高表面温度が後パルス照射時の照射領域の最高表面温度とが実質的に等しくなるように、各パルスのエネルギー密度および遅延時間を設定していることを特徴とする。

本発明によれば、先パルス照射時の照射領域の最高表面温度が後パルス照射時の照射領域の最高表面温度とが実質的に等しくなるように、各パルスのエネルギー密度および遅延時間を設定することによって、深く注入された不純物層を効率よく活性化することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明が適用可能な半導体デバイスの一例を示す断面図である。ここでは、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを例示するが、本発明は、一般のバイポーラ半導体デバイスに適用可能である。

図１に示す半導体デバイスは、ＦＺ(Floating Zone)ウエハなど、ｎ型シリコンからなる基板１００の表面側には、ｐ型ベース領域１０１、ｎ型エミッタ領域１０２、ゲート絶縁膜１０３、ポリシリコンからなるゲート１０４を含むトランジスタが形成されている。各ゲート１０４の上には、個々のゲート電極１０５が形成され、さらに、層間絶縁膜（不図示）を介してエミッタ電極１０６が形成され、ｎ型エミッタ領域１０２とオーミック接触している。

一方、基板１００の裏面側には、ｎ^＋型バッファ層１０７と、ｐ^＋型コレクタ層１０８が形成され、さらに、表面側に位置するｐ^＋型コレクタ層１０８とオーミック接触するようにコレクタ電極１０９が形成されている。

次に、この半導体デバイスの製造方法について説明する。まず最初に、ＦＺ(Floating Zone)ウエハ等のｎ型シリコン基板１００の表面側に、トランジスタを形成する。即ち、基板１００へｐ型不純物を導入することによって、ｐ型ベース領域１０１を形成し、さらにマスクを用いてｎ型不純物を局所的に導入することによって、ｎ型エミッタ領域１０２を形成する。続いて、マスクおよびドライエッチングを用いて、ｎ型エミッタ領域１０２より内側で基板１００に達するように溝を形成し、続いて、ＣＶＤ等を用いて、溝の内面にゲート絶縁膜１０３を形成し、溝を埋め込むようにゲート１０４を形成する。次に、ゲート１０４と接するように個々のゲート電極１０５を形成し、続いて、ＣＶＤ等を用いて、ゲート電極１０５を覆うように層間酸化膜を形成し、続いて、層間酸化膜の上に、ｎ型エミッタ領域１０２と接するようにエミッタ電極１０６を形成する。

続いて、ｎ型シリコン基板１００の裏面を研削して、ウエハの厚みを薄くし、そして、研削面にウェットエッチング処理などを施して、面荒れを取り除く。そして、ウエハ裏面側から、リン（Ｐ）などのｎ型不純物と、ボロン（Ｂ）などのｐ型不純物を注入した後、熱処理を行って、注入した不純物を活性化することにより、ｎ^＋型バッファ層１０７とｐ^＋型コレクタ層１０８を形成する。

この熱処理には、ウエハ裏面側からパルスレーザ光を照射して、不純物を注入した深さのみを高温加熱可能なパルスレーザアニール法を用いる。最後に、ｐ^＋型コレクタ層１０８とオーミック接触するようにコレクタ電極１０９を形成する。

本発明に係るレーザ照射工程では、レーザビームの大きさが等しい２台のレーザ発振器を使用し、ウエハ裏面の活性化すべき同一の照射領域に向けて先パルスを照射し、続いて、所定の遅延時間後に後パルスを照射している。

図２は、先パルスおよび後パルスの波形の一例を示すグラフである。縦軸は、パルスのエネルギー（Ｊ）であり、横軸は時間（ｎｓｅｃ）である。先パルス２０１および後パルス２０２は、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍのレーザパルスであり、両者の波長は同一でもよく、異なっていてもよい。また、先パルス２０１および後パルス２０２のパルス幅は、１５０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃの範囲に設定しており、両者のパルス幅は同一でもよく、異なっていてもよい。

ウエハに照射するパルスのエネルギー密度（単位面積当たりのエネルギー：Ｊ／ｃｍ^２）は、（先パルス２０１のエネルギー密度）＞（後パルス２０２のエネルギー密度）に設定し、さらに、先パルス２０１照射時の照射領域の最高表面温度が、後パルス２０２照射時の照射領域の最高表面温度とが実質的に等しくなるように、各パルスのエネルギー密度および遅延時間を設定している。

先パルス２０１のエネルギー密度は、ウエハの溶融と再結晶による結晶欠陥の発生を防止するため、照射領域の表面を溶融しないように設定することが好ましい。

また、照射領域の温度が、活性化に必要な９００℃以上、かつＳｉの融点（１４１６℃）以下となるように、先パルス２０１のエネルギー密度を２．０〜４．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲に設定することがより好ましい。これにより照射領域の表面を溶融させず、深く注入された不純物を十分に活性化可能な高温での加熱を実現できる。

また、先パルス２０１の照射後、照射領域の表面温度が活性化に必要な温度を下回らないように、後パルス２０２の遅延時間を設定することが好ましい。これにより結晶欠陥の発生を低減しつつ、長時間連続して十分に活性化が得られる高温加熱を実現できる。

図３と図４は、図２に示す先パルスおよび後パルスを照射したときの照射領域の最表面温度の時間推移の一例を示すグラフである。ここで使用した先パルスおよび後パルスは、いずれも波長５２７ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓｅｃである。

まず図３を参照して、先パルス２０１のエネルギー密度を２．０Ｊ／ｃｍ^２、後パルス２０２のエネルギー密度を０．７５Ｊ／ｃｍ^２にそれぞれ設定し、さらに、両者とも照射時の照射領域の最高表面温度が等しくなるように、後パルス２０２の遅延時間を調整している。このときの上昇温度の時間推移をカーブ３０１で示しており、先パルス２０１照射時の極大点および後パルス２０２照射時の極大点は、表面溶融温度Ｔｍｐより低く、最高表面温度Ｔｍａｘにほぼ一致している。また、先パルス２０１の照射と後パルス２０２の照射の間で、カーブ３０１の極小点は、活性化に必要な温度Ｔａｃｔを下回っていない。

一方、カーブ３０２は、カーブ３０１の遅延時間と同じであるが、先パルス２０１および後パルス２０２のエネルギー密度をともに１．２Ｊ／ｃｍ^２に設定した場合の上昇温度の時間推移を示す。この場合、先パルス２０１の照射だけでは、照射領域の最表面温度は、活性化に必要な温度Ｔａｃｔに到達することができず、後パルス２０２の追加照射によって、ようやく活性化に必要な温度Ｔａｃｔに到達していることが判る。その結果、熱処理時間が短くなってしまい、不純物を充分に活性化することができない。

さらに、カーブ３０３は、カーブ３０１の遅延時間と同じであるが、先パルス２０１および後パルス２０２のエネルギー密度をともに２．０Ｊ／ｃｍ^２に設定した場合の上昇温度の時間推移を示す。この場合、先パルス２０１の照射時は、カーブ３０１と同様な温度上昇を示すが、後パルス２０２の追加照射により、照射領域の最表面温度は、表面溶融温度Ｔｍｐを超えてしまうことが判る。その結果、ウエハの溶融と再結晶に起因して、照射領域において高密度の結晶欠陥が発生してしまう。

次に、図４を参照して、カーブ４０１は、図３のカーブ３０１と同じ照射条件、即ち、先パルスのエネルギー密度を２．０Ｊ／ｃｍ^２、後パルスのエネルギー密度を０．７５Ｊ／ｃｍ^２にそれぞれ設定し、さらに、両者とも照射時の照射領域の最高表面温度が等しくなるように、後パルスの遅延時間を調整した場合の上昇温度の時間推移を示す。

一方、カーブ４０２は、カーブ４０１の先パルスおよび後パルスのエネルギー密度と同じであるが、後パルスの遅延時間をカーブ４０１よりも長く設定している。この場合、先パルスの照射と後パルスの照射の間で、カーブ４０２の極小点は、活性化に必要な温度Ｔａｃｔを下回ってしまう。その結果、熱処理時間が短くなってしまい、不純物を充分に活性化することができない。さらに、照射領域の温度変化が大きくなり、急激な温度加熱を繰り返し行うことになるので、結晶欠陥が発生しやすくなる。

このように本発明に係るレーザ照射工程では、カーブ３０１，４０１に示すように、照射領域の最表面温度を表面溶融温度Ｔｍｐ未満に抑えながら、活性化に必要な温度Ｔａｃｔでの長時間アニールが可能である。そのため、照射領域を溶融させることなく、深く注入された不純物を十分に活性化することができる。

図５は、ｎ型シリコンからなるサンプル基板の表面からリンのみを注入した後、上記の各種照射条件でレーザ照射を行ったときの活性化プロファイルの一例を示すグラフである。縦軸はリン不純物濃度（対数表示：ｃｍ^−３）であり、横軸は表面からの深さ（リニア表示：μｍ）である。

カーブ５０１は、カーブ３０１，４０１に対応した活性化プロファイルを示し、深い領域に注入された不純物の活性化が進んでいることが判る。

一方、カーブ５０２は、カーブ３０２に対応した活性化プロファイルを示し、深い領域に注入された不純物の活性化が不十分であることが判る。

カーブ５０３は、カーブ３０３に対応した活性化プロファイルを示し、深い領域に注入された不純物の活性化についてはカーブ５０１と同様に充分になされているが、上述したように、溶融と再結晶に起因して高密度の結晶欠陥が発生する。

このように、不純物が注入された半導体層にレーザ照射を実施する場合、本発明を適用することによって、照射領域を溶融させることなく、深い領域まで注入された不純物を活性化することが可能である。また、レーザ発振器のパルス波形をそのまま用い、各パルスのエネルギー密度を調整して照射することができるため、余分な光学装置を必要とせず、装置コストを抑制できる。

なお、本明細書では、リン単層のみを活性化する場合を例示したが、２つのパルスのエネルギー密度と遅延時間を適正化すれば、リンとボロンを注入した後にレーザ照射してもよいし、あるいは、リン注入後に１回目のレーザ照射を行い、続いて、ボロン注入後に２回目のレーザ照射を行うようにしてもよい。

本発明が適用可能な半導体デバイスの一例を示す断面図である。先パルスおよび後パルスの波形の一例を示すグラフである。図２に示す先パルスおよび後パルスを照射したときの照射領域の最表面温度の時間推移の一例を示すグラフである。図２に示す先パルスおよび後パルスを照射したときの照射領域の最表面温度の時間推移の一例を示すグラフである。レーザ照射を行ったときの活性化プロファイルの一例を示すグラフである。

符号の説明

１００基板、１０１ｐ型ベース領域、１０２ｎ型エミッタ領域、
１０３ゲート絶縁膜、１０４ゲート、１０５ゲート電極、
１０６エミッタ電極、１０７ｎ^＋型バッファ層、１０８ｐ^＋型コレクタ層、
１０９コレクタ電極。

Claims

半導体層に不純物を注入する工程と、
該半導体層に向けてレーザ照射を行って、不純物が注入された層を活性化する工程と、を含む半導体デバイスの製造方法であって、
レーザ照射工程において、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃのパルスをそれぞれ発生する２台のレーザ発振器を使用して、先パルスの照射に続いて所定の遅延時間後に後パルスの照射を行うようにし、
先パルスのエネルギー密度は、後パルスのエネルギー密度より大きく、
先パルス照射時の照射領域の最高表面温度が後パルス照射時の照射領域の最高表面温度とが実質的に等しくなるように、各パルスのエネルギー密度および遅延時間を設定していることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
先パルスのエネルギー密度は、照射領域の表面を溶融しないように設定することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
先パルスのエネルギー密度は、２．０〜４．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲に設定することを特徴とする請求項２記載の半導体デバイスの製造方法。
先パルス照射後、照射領域の表面温度が活性化に必要な温度を下回らないように、後パルスの遅延時間を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。