JP2010153929A - 半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ基板に形成される不純物層の活性化率を向上させる。
【解決手段】半導体素子の製造方法は、第一導電型のシリコン基板の表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、第一導電型のシリコン基板内に第二導電型ベース層と更に第二導電型ベース層内に第一導電型エミッタ層を形成し、ゲート電極を覆う層間絶縁膜、層間絶縁膜を介しかつ第二導電型ベース層と第一導電型エミッタ層に接する表面電極を形成し、次いで第一導電型のシリコン基板の裏面を研削し、次いで研削した裏面に形成される不純物層を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、第一導電型のシリコン基板に波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながら第一導電型のシリコン基板に不純物をイオン注入することによって、不純物層を活性化することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置に関し、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」）、フリーフォイーリングダイオード（Free Wheeling Diode，以下「ＦＷＤ」）等の半導体素子の製造方法および半導体素子の製造装置に関する。

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）型などがある。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２５はＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。
図２５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・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、ｐ⁺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２６はＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図２６では、図２５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２６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⁺層（ｎバッファ層）２０１が形成され、このｎバッファ層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２６に示したＦＳ型ＩＧＢＴ２００を例に、ＩＧＢＴの形成方法の一例を図２７から図３１を参照して説明する。図２７は表面側プロセス終了後の断面図、図２８は基板研削プロセスの断面図、図２９は裏面イオン注入プロセスの断面図、図３０は裏面アニールプロセスの断面図、図３１は裏面電極膜形成プロセスの断面図である。ただし、図２７から図３１では、図２５および図２６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２７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ＢＰＳＧ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１０１の表面側に、絶縁ゲート構造が形成される。

次いで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・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・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２６および図２７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２８から図３１を参照して説明する。裏面側プロセスでは、まず、図２８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２９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⁺層２０１ａおよびｐ⁺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⁺層２０１ａおよびボロンを注入したｐ⁺層１０８ａを活性化し、図３０に示したように、ＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側に、ｎバッファ層２０１およびｐ⁺コレクタ層１０８をそれぞれ形成する。

その後、図３１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。

なお、ここではＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側にｎバッファ層２０１およびｐ⁺コレクタ層１０８を形成するためにリンおよびボロンを順にイオン注入した場合について示したが、後に形成する裏面電極１０９とのオーミックコンタクトを確保するため、ボロン注入後更に表面コンタクト層としてフッ化ボロン（ＢＦ₂ ⁺）を注入する場合もある。

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。

図３２は逆阻止ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図３２では、図２５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３２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。

なお、この逆阻止ＩＧＢＴ３００および上記ＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００の製造の流れは、ＦＺ−Ｎ基板１０１の裏面側にｎバッファ層が形成されずにｐ⁺コレクタ層１０８のみが形成される点を除けば、上記ＦＳ型ＩＧＢＴ２００の場合と同じである。また、ＦＷＤは
、ｎバッファ層がなく、基板裏面側の最外層がｎ⁺層となる。

しかしながら、ＩＧＢＴやＦＷＤの製造に際し、７０μｍ程度の薄型の素子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やＦＷＤ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、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などがある。

例えば、ウエハを割れ防止のための接着シートで補強してこれを支持基板に固定し、ＸｅＣｌレーザーやＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザーを照射して不純物層を活性化する方法や、活性化にＹＡＧレーザーの第３高調波（ＹＡＧ３ωレーザー）を用いる方法などが検討されている（例えば特許文献１参照）。

また、不純物層活性化の別の方法として、基板を冷却あるいは加熱した状態でイオン注入を行った後に所定の熱処理を行う方法が提案されている（非特許文献１参照）。さらに、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）形成に際し、活性シリコン層やゲートシリコンの半導体薄膜へのイオン注入後に基板を加熱しながらエキシマレーザー等の低エネルギービームを照射する方法も提案されている（例えば特許文献２参照）。さらにまた、基板温度を調整してレーザーを照射しながらイオン注入を行う方法、およびそのための基板加熱、レーザー照射、イオン注入の各機構部を備えた半導体製造装置が提案されている（例えば特許文献３，非特許文献２〜４参照）。

特開２００３−５９８５６号公報（段落番号〔００１５〕〜〔００１６〕，図６，図７） 特開平７−２２１０４３号公報（段落番号〔０００８〕〜〔０００９〕，図１） 特開２００１−１９６３２０号公報（段落番号〔００１１〕〜〔００１３〕，図４）

Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ，「ＶＬＳＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ」，マグローヒルブックカンパニー，ｐ．２４６，図１７ 第５０回応用物理学関係連合講演会，講演予稿集，２００３年３月，ｐ．４４８，２９ａ−ＺＢ−６ 杉本博司，外５名，「高エネルギーでＡｌをイオン注入した４Ｈ−ＳｉＣの活性化アニール」，応用物理学会ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会，１９９８年１１月，ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第7回講演会プログラム，Ｐ１５ 渡辺正則，外２名，「レーザー同時照射イオン注入技術とその応用」，イオン工学センター・イオン工学研究所，２００２年１０月，イオン工学センターニュースＮｏ．５１，ｐ．７〜９

しかし、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があった。
まず、通常の室温でのイオン注入後に電気炉アニールやレーザーアニールを行う場合、イオン注入工程からアニール工程へ移行する際にウエハの搬送が必要になるため、特に上記ＩＧＢＴなどウエハが薄いときには搬送時にウエハ割れが発生しやすい。ウエハ同士が接触してウエハに傷が付く可能性が搬送数の増加に伴い高くなり、また、搬送時にウエハにパーティクルが付着するといった問題も発生し得る。これらはすべて半導体素子の良品率低下の原因となる。

ウエハ割れの発生を防止するため、接着シートによってウエハを補強することは可能である。しかしながら、接着シートはその耐熱温度が通常２００℃以下であるため特に電気炉アニールには用いることが難しく、接着シートの耐熱温度を上回るような電気炉アニールには用いることができない。

また、室温環境下での通常のイオン注入後に行われる電気炉アニールでは、ｐ層やｐｎ連続層の活性化の際にｐ層を十分に活性化することが難しいという課題もある。電気炉アニールでｐ層を高活性化する目的で、イオン注入時の基板温度を調整してイオン注入を行い、そのイオン注入後に更に適当な温度で電気炉アニールを行う方法が既に提案されている。しかしながら、この方法の場合、基板温度によっては接着シートを用いることができず、ウエハ割れを防止することができない場合がある。さらに、従来提案されている活性化条件では、イオン注入時の温度が低い、イオン注入後の熱処理時間が短い等の理由から十分な活性化率が得られるに至っていない。

また、温度を調整している炭化けい素（ＳｉＣ）基板等にレーザーを照射しながらイオン注入を行う方法も提案されているが、従来はレーザーによる基板の損傷を極力避けるため、エネルギーが低く、パルス幅（半値幅）が小さいエキシマレーザーが用いられている。例えば、レーザー照射面における照射エネルギー密度約０．４６Ｊ／ｃｍ²、パルス幅約１７ｎｓの例などが報告されている。しかしながら、このような低エネルギーのエキシマレーザー単独では、ＦＺ基板やエピタキシャル基板等のシリコン（Ｓｉ）基板についてその浅い領域から深い領域の不純物層を十分に活性化することは難しく、提案されているようなＳｉＣ基板プロセスをそのままＳｉ基板プロセスに適用することはできない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、不純物層の形成とその活性化の際に必要となる基板温度条件、イオン注入条件およびアニール条件を最適化し、基板の損傷を抑えて効果的に不純物層の活性化を行うことの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。

また本発明は、基板温度調整、イオン注入およびレーザー照射が行え、不純物層を効果的に活性化することのできる半導体素子の製造装置を提供することを目的とする。

本発明では、第一導電型のシリコン基板の表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、前記第一導電型のシリコン基板内に第二導電型ベース層と更に前記第二導電型ベース層内に第一導電型エミッタ層を形成し、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜、前記層間絶縁膜を介しかつ前記第二導電型ベース層と前記第一導電型エミッタ層に接する表面電極を形成し、次いで前記第一導電型のシリコン基板の裏面を研削し、次いで研削した裏面に形成される不純物層を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、前記第一導電型のシリコン基板に波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながら前記第一導電型のシリコン基板に不純物をイオン注入することによって、前記不純物層を活性化することを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。

このような半導体素子の製造方法によれば、Ｓｉ基板に波長３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながらイオン注入を行うので、レーザー照射加熱効果により、Ｓｉ基板に形成される不純物層がイオン注入時に活性化されるようになる。

さらに、本発明では、第一導電型のシリコン基板の表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、前記第一導電型のシリコン基板内に第二導電型ベース層と更に前記第二導電型ベース層内に第一導電型エミッタ層を形成し、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜、前記層間絶縁膜を介しかつ前記第二導電型ベース層と前記第一導電型エミッタ層に接する表面電極を形成し、次いで前記第一導電型のシリコン基板の裏面を研削し、次いで研削した裏面に形成されるｎ型不純物層を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、前記第一導電型のシリコン基板の温度を液体窒素温度または２００℃〜５００℃にした状態で前記第一導電型のシリコン基板にｎ型不純物をイオン注入し、前記ｎ型不純物のイオン注入後に、温度が３５０℃〜５００℃で時間が５時間〜１０時間の電気炉アニールまたはレーザーアニールを行うことによって、前記ｎ型不純物層を活性化することを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。

このような半導体素子の製造方法によれば、Ｓｉ基板を液体窒素温度または２００℃〜５００℃にした状態でｎ型不純物をイオン注入し、その後、３５０℃〜５００℃で５時間〜１０時間の電気炉アニールまたはレーザーアニールを行う。これにより、Ｓｉ基板にはイオン注入後にｎ型不純物層の活性化に十分な熱エネルギーが付与されるようになる。

また、本発明では、Ｓｉ基板に形成される不純物層の活性化を行う半導体素子の製造装置において、前記Ｓｉ基板を加熱する基板加熱装置と、前記Ｓｉ基板に不純物をイオン注入するイオン注入装置と、前記Ｓｉ基板に波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射するレーザー照射装置と、を有することを特徴とする半導体素子の製造装置が提供される。

このような半導体素子の製造装置によれば、基板加熱装置がＳｉ基板を加熱し、イオン注入装置がそのＳｉ基板に不純物をイオン注入し、レーザー照射装置が波長３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射する。このようにレーザー照射装置が照射エネルギー密度０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射することができるので、レーザー照射時のＳｉ基板への損傷を抑えつつ、Ｓｉ基板に十分な熱エネルギーを付与することができる。さらに、このような半導体素子の製造装置によれば、基板温度調整、イオン注入、レーザー照射が１台の装置で行える。

本発明の半導体素子の製造方法では、基板温度調整、イオン注入およびレーザー照射を同時に、または組み合わせて行うとともに、その際の各処理条件を最適化することにより、Ｓｉ基板に形成されるｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層などの不純物層を効果的に活性化することができる。それにより、デバイス特性の良好な半導体素子を製造することができるようになる。

また、本発明の半導体素子の製造装置では、基板温度調整、イオン注入、レーザー照射を１台の装置で行え、また、レーザー照射条件を最適化したので、デバイス特性の良好な半導体素子を効率的に製造することができるようになる。

ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 レーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 レーザーを照射しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 ＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。 濃度プロファイルのピーク濃度のイオン注入温度依存性を示す図である。 半導体製造装置の構成例である。 半導体製造装置の別の構成例である。 半導体製造装置の要部構成図である。 ＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。 ＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。 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の断面構造の一例である。

以下、本発明の実施の形態を、各種半導体素子の製造に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
まず第１の実施の形態について説明する。

第１の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板（ＦＺ基板のほかエピタキシャル基板を含む。以下同じ。）にｐ層、ｎ層またはｐｎ連続層といった不純物層の形成とその活性化を行う際、Ｓｉ基板温度を４００℃〜５００℃に調整し、この状態でイオン注入を行うようにする。

このような第１の実施の形態の半導体素子の製造方法について、次の３つの例で具体的に説明する。
まず第１の例として、第１の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＮＰＴ型ＩＧＢＴの製造に適用した場合について説明する。

この場合、従来同様、最初にＦＺ−Ｎ基板の表面側に絶縁ゲート構造を形成するとともに、ＦＺ−Ｎ基板内にｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層を形成し、ｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層に接する表面電極を形成する（表面側プロセス）。すなわち、ＦＺ−Ｎ基板表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、ＦＺ−Ｎ基板内にｐ⁺ベース層と更にその内部にｎ⁺エミッタ層をそれぞれ形成して、ゲート電極を覆う層間絶縁膜、この層間絶縁膜を介しかつｐ⁺ベース層とｎ⁺エミッタ層に接する表面電極を形成する。表面電極は、例えばアルミ・シリコン膜を形成した後にこれを４００℃〜５００℃で熱処理して形成される。

次いで、ＦＺ−Ｎ基板の裏面をバックグラインド等により研削した後に、ＦＺ−Ｎ基板裏面に対するイオン注入と活性化を施してｐ⁺コレクタ層を形成し、その上にエミッタ電極として裏面電極を形成する（裏面側プロセス）。

ここでは、裏面側プロセスでｐ⁺コレクタ層を形成する際に、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面にボロンを注入する。例えば、ヒータ等の基板加熱機構を備えた試料台の上にＦＺ−Ｎ基板をその表面側（表面電極が形成されている側）を下にして載置し、これを所定温度で加熱するとともに、ＦＺ−Ｎ基板裏面側（ｐ⁺コレクタ層を形成する側）からボロンのイオン注入を行う。

図１はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図１において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図１には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図１には比較のため、室温（２７℃）でイオン注入のみ行ったときの結果を併せて示している。また、図１の濃度プロファイルは広がり抵抗法（ＳＲ法）により測定している。

図１より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｐ層も、イオン注入温度が３５０℃，４００℃，５００℃と高くなるのに伴って活性化され、浅い領域のボロンの高濃度化が進むようになる。さらに、イオン注入温度が高くなるのに伴って深い領域へのボロンの拡散も進むようになる。このような深さ方向のボロンの拡散は、ＮＰＴ型ＩＧＢＴのオン電圧を低下させる方向に作用するため有効である。

ｐ層について、室温でイオン注入を行い、その後４００℃で１時間の電気炉アニールを行うと、その活性化率は約１．８％である。これに対し、ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらイオン注入を行った場合、ｐ層の活性化率は、基板加熱によるイオン注入温度が４００℃のときには約２％、５００℃のときには約５％となり、室温でのイオン注入後に電気炉アニールを行うのに比べて高い活性化率が得られるようになる。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合には、ｐ層の基板裏面濃度が低く、後に形成する裏面電極とのオーミックコンタクトを確保するのが難しくなる。裏面電極とのオーミックコンタクトを考慮した場合、ＦＺ−Ｎ基板裏面の不純物層（ｐ層，ｎ層）の濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることが好ましい。また、イオン注入温度が５００℃を上回る場合には、アルミ・シリコン等の表面電極が溶解してしまう、その結果ＮＰＴ型ＩＧＢＴ内で必要な絶縁が確保できなくなるといった問題が発生する場合があり好ましくない。５２０℃で表面電極が溶解する場合もある。

この例のように、ＮＰＴ型ＩＧＢＴ製造の裏面側プロセスにおいて、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でボロンをイオン注入することにより、基板加熱の効果でｐ層を活性化することができ、良好なｐ⁺コレクタ層を形成することができる。

なお、裏面電極とのオーミックコンタクトを確保するためにＦＺ−Ｎ基板裏面にボロンのほかフッ化ボロンをイオン注入してｐ層を形成する場合には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でボロンとフッ化ボロンを順にイオン注入する。この場合も上記同様、ｐ⁺コレクタ層について良好な活性化率を得ることができ、良好なオーミックコンタクトが得られる。

続いて第２の例として、第１の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＷＤの製造に適用した場合について説明する。
この場合、最初にＦＺ−Ｎ基板表面側に絶縁ゲート構造を形成するとともに、ＦＺ−Ｎ基板内にｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層を形成し、ｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層に接する表面電極を形成する。そして、ＦＺ−Ｎ基板裏面をバックグラインド等により研削した後、ＦＺ−Ｎ基板裏面に対するイオン注入と活性化を施してｎ層を形成し、その上に裏面電極を形成する。ここでは、この裏面側プロセスでｎ層を形成する際に、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面にリンを注入する。

図２はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図２において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図２には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にリンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図２には比較のため、室温でイオン注入のみ行ったときの結果を併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図２より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｎ層も、イオン注入温度が３５０℃，４００℃，５００℃と高くなるのに伴って活性化し、ＦＺ−Ｎ基板裏面のリンの高濃度化が進むようになる。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合には、ｎ層の表面濃度が低く、裏面電極とのオーミックコンタクトを確保するのが難しくなる。また、イオン注入温度が５００℃を上回る場合には、表面電極が溶解してしまいＦＷＤ内で必要な絶縁が確保できなくなるといった問題が発生する場合がある。

この例のように、ＦＷＤ製造において、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でリンをイオン注入することにより、基板加熱の効果でｎ層を活性化することができ、良好なｎ層を形成することができる。

続いて第３の例として、第１の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＳ型ＩＧＢＴの製造に適用した場合について説明する。
この場合、最初にＦＺ−Ｎ基板表面側に絶縁ゲート構造を形成するとともに、ＦＺ−Ｎ基板内にｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層を形成し、ｐ⁺ベース層およびｎ⁺エミッタ層に接する表面電極を形成する。そして、ＦＺ−Ｎ基板裏面をバックグラインド等により研削した後、ＦＺ−Ｎ基板裏面に対するイオン注入と活性化を施してｐ層とｎ層の連続層を形成し、その上に裏面電極を形成する。ここでは、この裏面側プロセスでｐｎ連続層を形成する際に、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面にリンとボロンを順に注入する。

図３はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図３において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のリンおよびボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図３には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面に、まず先にリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次にボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図３には比較のため、室温でリンおよびボロンのイオン注入のみ行ったときの結果を併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図３より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｎ層およびｐ層も、イオン注入温度が３５０℃，４００℃，５００℃と高くなるのに伴って活性化し、ＦＺ−Ｎ基板の浅い領域のボロンと深い領域のリンの高濃度化が進むようになる。

ｐｎ連続層について、室温でのイオン注入後に４００℃で１時間の電気炉アニールを行うと、そのときのｐ層の活性化率は約０．５％である。これに対し、ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらイオン注入を行った場合、ｐ層の活性化率は、イオン注入温度が４００℃のときには約１％、５００℃のときには約５％となり、従来のように室温でのイオン注入後に電気炉アニールを行うのに比べて高い活性化率が得られるようになる。また、ｎ層の活性化率についても同様、ＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらイオン注入を行うことにより、イオン注入後に電気炉アニールを行うよりも高い活性化率が得られるようになる。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合には、ｎ層、ｐ層共にその活性化が十分図れず、また、イオン注入温度が５００℃を上回る場合には、表面電極が溶解してしまいＦＳ型ＩＧＢＴ内で必要な絶縁が確保できなくなるといった問題が発生する場合がある。

この例のように、ＦＳ型ＩＧＢＴ製造において、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でリンおよびボロンをイオン注入することにより、基板加熱の効果でｎ層およびｐ層を共に活性化することができ、良好なｐｎ連続層を形成することができる。

なお、この第１の実施の形態における上記第１〜第３の例では、ＦＺ−Ｎ基板を用いた場合について述べたが、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られる。その場合、それに応じて各半導体素子の製造プロセスが適当に変更される。

このように、第１の実施の形態では、イオン注入時にＳｉ基板を所定温度で加熱することにより、イオン注入を行いながら不純物層の活性化が行えるようになり、各種半導体素子に形成されるｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層を効果的に活性化することができる。また、これにより、イオン注入後の電気炉アニール工程やレーザーアニール工程が不要になる。イオン注入後のアニールが不要になれば、アニールプロセスへの移行作業、例えばウエハを電気炉アニール用のカセット等に移し替えたり、ウエハを処理チャンバへ搬送したりする作業がなくなるので、ウエハの割れ・傷の発生やパーティクルの付着を低減することが可能になる。

また、この第１の実施の形態の半導体素子の製造方法は、既存のイオン注入装置に、Ｓｉ基板をそのイオン照射面と反対側からヒータで加熱するといった適当な加熱機構を備えた基板加熱装置を組み合わせることで実現可能であり、従来のイオン注入工程に容易に導入することが可能である。

次に第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板にｐ層、ｎ層またはｐｎ連続層の形成とその活性化を行う際、Ｓｉ基板温度を４００℃〜５００℃に調整し、この状態でレーザーを照射しながらイオン注入を行うようにする。照射するレーザーとしては、Ｓｉ基板への吸収が良い波長３００ｎｍ〜６００ｎｍのレーザーを用いることができる。波長が３００ｎｍより短いとＳｉ基板（例えばＦＺ−Ｎ基板は厚さ約６３０μｍ）の深い領域を活性化することができない場合があり、波長が６００ｎｍより長いとＳｉ基板をレーザーが透過してしまい活性化が起こらなくなる場合があるためである。

このような第２の実施の形態の半導体素子の製造方法について、次の３つの例で具体的に説明する。
まず第１の例として、第２の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＮＰＴ型ＩＧＢＴの製造に適用した場合について説明する。

この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｐ⁺コレクタ層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面に所定の波長のレーザーを照射しながらボロンを注入する。例えば、加熱機構を備えた試料台の上にＦＺ−Ｎ基板をその表面側を下にして載置し、これを所定温度で加熱するとともに、ＦＺ−Ｎ基板裏面にレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行う。

図４はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図４において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図４には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図４には比較のため、室温でイオン注入のみ行ったときの結果を併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図４より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｐ層も、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱してＸｅＣｌレーザーを照射しながらイオン注入を行うことで、イオン注入温度が高くなるのに伴って活性化し、浅い領域のボロンの高濃度化が進むようになる。また、上記第１の実施の形態（第１の例）のようにＸｅＣｌレーザーを照射しない場合に比べてより深い領域にも活性化が進むようになる（図１参照）。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合にはｐ層の表面濃度が低く、また、５００℃を上回る場合には表面電極が溶解してしまう場合がある。
この例のように、ＮＰＴ型ＩＧＢＴ製造において、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でＸｅＣｌレーザーを照射しながらボロンをイオン注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果が加わり、ｐ層を効果的に活性化することができる。

なお、ＦＺ−Ｎ基板裏面にボロンのほかフッ化ボロンをイオン注入してｐ層を形成する場合には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でＸｅＣｌレーザーを照射しながらボロンとフッ化ボロンを順にイオン注入する。

続いて第２の例として、第２の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＷＤの製造に適用した場合について説明する。
この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｎ層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面に所定の波長のレーザーを照射しながらリンを注入する。

図５はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図５において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図５には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、リンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図５には比較のため、室温でイオン注入のみ行ったときの結果も併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図５より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｎ層も、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱してＸｅＣｌレーザーを照射しながらイオン注入することで、イオン注入温度が高くなるのに伴って活性化し、浅い領域のリンの高濃度化が進むようになる。また、上記第１の実施の形態（第２の例）のようにＸｅＣｌレーザーを照射しない場合に比べてより深い領域にも拡散が進むようになる（図２参照）。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合には、ｎ層の表面濃度が低く、深さ方向への拡散も少ない。また、イオン注入温度が５００℃を上回る場合には、表面電極が溶解してしまう場合がある。

この例のように、ＦＷＤ製造において、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でＸｅＣｌレーザーを照射しながらリンをイオン注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果が加わり、ｎ層を効果的に活性化することができる。

続いて第３の例として、第２の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＳ型ＩＧＢＴの製造に適用した場合について説明する。
この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｐｎ連続層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でその裏面に所定の波長のレーザーを照射しながらリンとボロンを順に注入する。

図６はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図６において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のリンおよびボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図６には、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、まず先にリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次にボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図６には比較のため、室温でリンおよびボロンのイオン注入のみ行ったときの結果も併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図６より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｎ層およびｐ層も、ＦＺ−Ｎ基板を３５０℃，４００℃，５００℃で加熱してＸｅＣｌレーザーを照射しながらイオン注入することで、イオン注入温度が高くなるのに伴って活性化し、ＦＺ−Ｎ基板の浅い領域のボロンと深い領域のリンの高濃度化が進むようになる。上記第１の実施の形態（第３の例）のようにＸｅＣｌレーザーを照射しない場合に比べてより深い領域にも拡散が進む（図３参照）。

ただし、イオン注入温度が４００℃を下回る場合には、ｎ層、ｐ層共にその活性化が十分図れず、また、イオン注入温度が５００℃を上回る場合には、表面電極が溶解してしまう場合がある。

この例のように、ＦＳ型ＩＧＢＴ製造において、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃〜５００℃に加熱した状態でＸｅＣｌレーザーを照射しながらリンおよびボロンを注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果が加わり、ｐｎ連続層を効果的に活性化することができる。

なお、この第２の実施の形態における上記第１〜第３の例では、ＦＺ−Ｎ基板を用いた場合について述べたが、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られる。また、この第２の実施の形態では、ＸｅＣｌレーザーに代えてＹＡＧレーザーを用いることも可能である。

このように、第２の実施の形態では、イオン注入時にＳｉ基板を所定温度で加熱するとともに所定のレーザーを照射して加熱することにより、イオン注入を行いながら不純物層の活性化が行えるようになり、各種半導体素子に形成されるｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層を効果的に活性化することができる。これは特に深い領域の活性化に有効になる。また、これにより、イオン注入後の電気炉アニール工程やレーザーアニール工程が不要になり、ウエハの割れ・傷の発生やパーティクルの付着を低減することが可能になる。

次に第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板にｐ層、ｎ層またはｐｎ連続層の形成とその活性化を行う際、波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで、照射エネルギー密度１．４Ｊ／ｃｍ²以下のレーザーパルスを照射しながらイオン注入を行うようにする。

このような第３の実施の形態の半導体素子の製造方法について、次の３つの例で具体的に説明する。
まず第１の例として、第３の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＮＰＴ型ＩＧＢＴの製造に適用した場合について説明する。

この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｐ⁺コレクタ層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板裏面に所定の波長と照射エネルギー密度のレーザーを照射しながらボロンを注入する。

図７はレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。
この図７において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図７には、ＦＺ−Ｎ基板裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図７には比較のため、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とそのイオン注入後に４００℃で５時間（ｈｒ）の電気炉アニールを行ったときの結果を併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図７より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｐ層も、電気炉アニールによって活性化が進むようになる。このときのｐ層の活性化率は約３％である。これに対し、照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²でＸｅＣｌレーザーを照射しながらイオン注入を行った場合には、ｐ層をより高濃度化することができ、このときの活性化率は約５０％になる。

上記第２の実施の形態で述べた例では、照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²でＸｅＣｌレーザーを照射したが、この第３の実施の形態のように照射エネルギー密度を１．３５Ｊ／ｃｍ²にまで増加することで、イオン注入時の基板加熱およびイオン注入後のアニールを行わなくても十分にｐ層を活性化することができるようになる。

この例のように、ＮＰＴ型ＩＧＢＴ製造において、ＦＺ−Ｎ基板裏面に波長３０８ｎｍ、照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²のＸｅＣｌレーザーを照射しながらボロンを注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果でｐ層を効果的に活性化することができる。

ただし、イオン注入時のＸｅＣｌレーザーの照射エネルギー密度が１．４Ｊ／ｃｍ²を上回る場合には、ＦＺ−Ｎ基板裏面にＸｅＣｌレーザーの加工痕が残ってしまい、それを裏面電極形成前に除去する別の加工が必要になる場合があるので、ＸｅＣｌレーザーの照射エネルギー密度は１．４Ｊ／ｃｍ²以下とするのが好ましい。

なお、フッ化ボロンもイオン注入する場合には、レーザーを照射しながらボロンとフッ化ボロンを順にイオン注入すればよい。
続いて第２の例として、第３の実施の形態をＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＷＤの製造に適用した場合について説明する。

この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｎ層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板裏面に所定の波長と照射エネルギー密度のレーザーパルスを照射しながらリンを注入する。
図８はレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行ったときの濃度プロファイルである。

この図８において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。図８には、ＦＺ−Ｎ基板裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、リンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入したときの結果を示している。なお、図８には比較のため、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とそのイオン注入後に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を併せて示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定している。

図８より、室温のイオン注入のみでは活性化されていなかったｎ層も、電気炉アニールによって活性化が進むようになる。このときのｎ層の活性化率は約１％である。これに対し、照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²でＸｅＣｌレーザーを照射しながらイオン注入を行った場合には、ｎ層をより高濃度化することができ、このときの活性化率は約４０％になる。

このように照射エネルギー密度を１．３５Ｊ／ｃｍ²にすることで、イオン注入時の基板加熱およびイオン注入後のアニールを行わなくても十分にｎ層を活性化することができるようになる。

この例のように、ＦＷＤ製造において、ＦＺ−Ｎ基板裏面に波長３０８ｎｍ、照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²のＸｅＣｌレーザーを照射しながらリンを注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果でｎ層を効果的に活性化することができる。

また、ここでは図示を省略しているが、第３の例としてｐｎ連続層の活性化についても同様に、照射エネルギー密度１．３５Ｊ／ｃｍ²のＸｅＣｌレーザーを照射しながらリンおよびボロンを順に注入することにより、レーザー照射による基板加熱の効果でｎ層とｐ層を共に効果的に活性化することができる。

なお、この第３の実施の形態における上記第１〜第３の例では、ＦＺ−Ｎ基板を用いた場合について述べたが、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られ、この第３の実施の形態で述べた方法により、ｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層を効果的に活性化することができる。また、この第３の実施の形態では、ＸｅＣｌレーザーに代えてＹＡＧレーザーを用いることも可能である。

なお、イオン注入時のレーザーパルスの照射エネルギー密度は、０．４Ｊ／ｃｍ²以上であれば適当なレーザー照射方法、例えば複数台のレーザー照射装置を用いて複数パルスを連続的に照射したりレーザーが照射されるエリアのオーバーラップ率を高めたりすることにより、ｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層の活性化が可能である。

このようにＳｉ基板へのイオン注入時に所定の波長と照射エネルギー密度のレーザーパルスを照射することにより、イオン注入を行いながら不純物層の活性化が行え、イオン注入時のＳｉ基板の加熱、イオン注入後のアニール工程は不要である。

次に第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板にｐ層、ｎ層またはｐｎ連続層の形成とその活性化を行う際、上記第１，第２，第３の実施の形態で述べたイオン注入後に更に３５０℃〜５００℃の低温の電気炉アニールを行うようにする。

このような第４の実施の形態の半導体素子の製造方法について、次に具体的に説明する。
図９はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイル、図１０はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイル、図１１はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。

図９〜図１１において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンまたは／およびリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。濃度プロファイルはいずれもＳＲ法により測定している。

図９には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図９には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図１）を併せて示している。

図１０には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にリンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図１０には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図２）を併せて示している。

図１１には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面に、まずリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次いでボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図１１には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図３）を併せて示している。

図９〜図１１より、第１の実施の形態で述べたようにＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらイオン注入を行った後、更に電気炉アニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することができるようになる。

また、図１２はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイル、図１３はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイル、図１４はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行った後に電気炉アニールを行ったときの濃度プロファイルである。

図１２〜図１４において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンまたは／およびリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。濃度プロファイルはいずれもＳＲ法により測定している。

図１２には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図１２には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図４）を併せて示している。

図１３には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、リンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図１３には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図５）を併せて示している。

図１４には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃，５００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、まずリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次いでボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更に４００℃で５時間の電気炉アニールを行ったときの結果を示している。また、図１４には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこの電気炉アニールを行わなかったときの結果（図６）を併せて示している。

図１２〜図１４より、第２の実施の形態で述べたようにＦＺ−Ｎ基板を加熱した状態でレーザーを照射しながらイオン注入を行った後、更に電気炉アニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することができるようになる。

また、第３の実施の形態で述べたように波長３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながらイオン注入を行う場合についても同様、そのイオン注入後に電気炉アニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することが可能である。

また、電気炉アニールの温度は、ここで例示した４００℃に限らず、３５０℃〜５００℃の範囲であれば同様の結果が得られ、不純物層の活性化に有効である。電気炉アニールの温度が３５０℃を下回る場合には温度が低すぎるため十分な活性化を図ることができず、また、５００℃を上回る場合には表面電極が溶解してしまう場合がある。

なお、この第４の実施の形態では、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られ、また、ＸｅＣｌレーザーに代えてＹＡＧレーザーを用いることも可能である。
このように第４の実施の形態の半導体素子の製造方法では、上記第１〜第３の実施の形態の製造方法に電気炉アニール工程への移行作業やアニール時間が加わるものの、各実施の形態の製造方法を用いた場合に比べて不純物層をより活性化することができるようになる。

次に第５の実施の形態について説明する。
第５の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板にｐ層、ｎ層またはｐｎ連続層の形成とその活性化を行う際、上記第１〜第３の実施の形態で述べたイオン注入後に更にレーザーを照射してレーザーアニールを行うようにする。このレーザーアニールには、例えばＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）を用いることができ、レーザー照射装置を１台または２台以上用いて適当な照射エネルギー密度（レーザー照射装置を２台以上用いる場合にあってはそれぞれの装置で照射されるパルスのトータルの照射エネルギー密度とパルス間の適当な遅延時間）で、Ｓｉ基板にレーザーパルスが照射されるようにする。

このような第５の実施の形態の半導体素子の製造方法について、次に具体的に説明する。
図１５はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイル、図１６はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイル、図１７はＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらリンとボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。

図１５〜図１７において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンまたは／およびリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。濃度プロファイルはいずれもＳＲ法により測定している。

図１５には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面にボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図１５には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図１）を併せて示している。

図１６には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面にリンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図１６には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図２）を併せて示している。

図１７には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面に、まずリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次いでボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図１７には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図３）を併せて示している。

図１５〜図１７より、第１の実施の形態で述べたようにＦＺ−Ｎ基板を加熱しながらイオン注入を行った後、更にレーザーアニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することができ、例えばｐ層では活性化率５６％、ｎ層では５１％と、活性化率は５０％を上回るようになる。

また、図１８はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイル、図１９はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイル、図２０はＦＺ−Ｎ基板を加熱してレーザーを照射しながらリンとボロンのイオン注入を行った後にレーザーアニールを行ったときの濃度プロファイルである。

図１８〜図２０において、横軸はＦＺ−Ｎ基板裏面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はＦＺ−Ｎ基板内のボロンまたは／およびリンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。濃度プロファイルはいずれもＳＲ法により測定している。

図１８には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図１８には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図４）を併せて示している。

図１９には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、リンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図１９には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図５）を併せて示している。

図２０には、ＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態で裏面にＸｅＣｌレーザー（波長３０８ｎｍ、半値幅５０ｎｓ）のパルスを照射エネルギー密度０．６Ｊ／ｃｍ²で照射しながら、まずリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速エネルギー２４０ｋｅＶで注入し、次いでボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後、更にＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）のパルスをトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²、遅延時間３００ｎｓで照射してレーザーアニールを行ったときの結果を示している。また、図２０には、室温でイオン注入のみ行ったときの結果とこのレーザーアニールを行わなかったときの結果（図６）を併せて示している。

図１８〜図２０より、第２の実施の形態で述べたようにＦＺ−Ｎ基板を加熱した状態でレーザーを照射しながらイオン注入を行った後、更にレーザーアニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することができ、例えばｐ層では７８％、ｎ層では９０％と、活性化率は７０％を上回るようになる。

また、第３の実施の形態で述べたように波長３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながらイオン注入を行う場合についても同様、そのイオン注入後に電気炉アニールを行うことでｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層をより活性化することが可能である。

この第５の実施の形態のように、ＹＡＧ２ωレーザーを用いてレーザーアニールを行う場合には、レーザー照射装置１台当たりが担う照射エネルギー密度を低くして複数台のレーザー照射装置を用いるのがよい。例えば、照射エネルギー密度１．４Ｊ／ｃｍ²のパルスを２台のレーザー照射装置を用いて連続的に照射し、それによってトータルの照射エネルギー密度２．８Ｊ／ｃｍ²を確保する（ダブルパルス照射）。その際、２つのパルス間の遅延時間を例えば上記のように３００ｎｓにして照射する。このようなレーザー照射方法によれば、アニールにトータルで必要になる照射エネルギー密度を確保しつつ、１パルス当たりの照射エネルギー密度を低く抑えて、ＦＺ−Ｎ基板の加工痕の発生を防ぐことが可能になる。

なお、この第５の実施の形態では、ｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層の場合について例示したが、ｐ層を連続して形成したｐｐ連続層やｎ層を連続して形成したｎｎ連続層、Ａｒ，Ｓｉをイオン注入したＡｒ層，Ｓｉ層とｐ層あるいはｎ層との連続層など、深い領域まで活性化が必要な場合にも同様に適用することができる。また、ここではＦＺ−Ｎ基板を４００℃で加熱した状態でイオン注入を行った場合について示したが、５００℃に加熱した場合も同様の結果が得られる。

さらに、この第５の実施の形態では、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られ、また、ＸｅＣｌレーザーに代えてＹＡＧレーザーを用いることも、ＹＡＧレーザーに代えてＸｅＣｌレーザーを用いることも可能である。

次に第６の実施の形態について説明する。
第６の実施の形態の半導体素子の製造方法は、Ｓｉ基板にｎ層の形成とその活性化を行う際、Ｓｉ基板を液体窒素温度（−１９６℃）あるいは２００℃〜５００℃に保ってイオン注入を行った後に、３５０℃〜５００℃の低温の電気炉アニールまたはレーザーアニールを行うようにする。

このような第６の実施の形態の半導体素子の製造方法について、ＦＺ−Ｎ基板を用いたＦＷＤの製造に適用した場合を例に具体的に説明する。
この場合、裏面側プロセスでＦＺ−Ｎ基板裏面にｎ層を形成する際、ＦＺ−Ｎ基板を液体窒素温度、室温、２００℃、４００℃または５００℃の所定温度に保った状態で、リンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速エネルギー４５ｋｅＶで注入した後、電気炉アニールまたはレーザーアニールを行う。電気炉アニールは、温度４００℃で１時間、５時間または１０時間行う。また、レーザーアニールは、ＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ，半値幅１００ｎｓ）を、２台のレーザー照射装置を用いてトータルの照射エネルギー密度が２．８Ｊ／ｃｍ²で、各レーザー照射装置から照射されるパルス間の遅延時間が３００ｎｓとなるように照射して行う。そして、このときの濃度プロファイルをＳＲ法により測定する。

図２１は濃度プロファイルのピーク濃度のイオン注入温度依存性を示す図である。
図２１において、横軸はイオン注入温度（℃）を表し、縦軸はリンの濃度プロファイルのピーク濃度（ｃｍ^-3）を表している。

図２１より、各イオン注入温度でのリンの注入後に４００℃の電気炉アニールを行うと、そのアニール時間（１，５，１０時間）に依らず、イオン注入温度が室温の場合にはピーク濃度が低く、そのほかのイオン注入温度の場合には室温の場合よりもピーク濃度が高くなる。また、アニール時間が長くなるのに伴い、各イオン注入温度でのピーク濃度は増加するようになる。

ＦＷＤでは、裏面電極とのオーミックコンタクトを確保するために、ｎ層のピーク濃度が理想的には１×１０¹⁹ｃｍ^-3であることが望ましい。このピーク濃度を得るためには、イオン注入温度に依らず４００℃で１時間の電気炉アニールでは不十分で、イオン注入温度が液体窒素温度または２００℃〜５００℃で、かつ、４００℃で５時間または１０時間の電気炉アニールが必要になることがわかる。

また、各イオン注入温度でのリンの注入後にＹＡＧ２ωレーザーによるレーザーアニールを行うと、イオン注入温度に依らず高いピーク濃度が得られる。ＹＡＧ２ωレーザーを用いると、わずか数ｎｓオーダーの間に４００℃で５時間の電気炉アニールと同等以上のピーク濃度を得ることができるというメリットがある。

なお、電気炉アニールのアニール温度について、ここでは４００℃の場合を例示したが、３５０℃〜５００℃の範囲であれば同様の結果が得られ、不純物層の活性化に有効である。電気炉アニールの温度が３５０℃を下回る場合には十分な活性化を図ることができず、５００℃を上回る場合には表面電極が溶解してしまう場合がある。また、アニール時間については、５時間以上であれば望ましいピーク濃度が得られるが、１０時間を超えるとピーク濃度および活性化率が飽和してしまうようになるので、アニール時間としては５時間〜１０時間とするのが適当である。

さらに、この第６の実施の形態では、エピタキシャル基板を用いた場合も同様の結果が得られ、また、ＹＡＧレーザーに代えてＸｅＣｌレーザーを用いることも可能である。
なお、以上の説明では、ＩＧＢＴやＦＷＤを例にして述べたが、本発明はこれらに限らず、ＩＣ全体、表面側と裏面側とを問わずｐ層、ｎ層、ｐｎ連続層、ｐｐ連続層、ｎｎ連続層の活性化に広く適用可能である。

次に、以上の第１〜第６の実施の形態で述べた製造方法に用いることのできる半導体素子の製造装置について説明する。
上記第１〜第６の実施の形態で述べた製造方法を実現するための半導体素子の製造装置（半導体製造装置）は、イオン注入と同時に基板の温度調整が行え、かつ、その基板にレーザー照射を行うことができるものであることが望ましい。

図２２は半導体製造装置の構成例である。
この図２２に示す半導体製造装置１は、基板２０が載置される試料台を備えた基板加熱装置２、この基板加熱装置２上に載置された基板２０に対してイオンビームを照射するためのイオン注入装置３、および基板２０に対してレーザービームを照射するためのレーザー照射装置４を有している。

基板加熱装置２は、イオン注入・レーザー照射室５内に配置され、例えば１２５ｍｍ〜３００ｍｍサイズのウエハを載置可能に構成されている。基板加熱装置２にはイオン注入・レーザー照射室５外に設けられた温度コントローラ６が接続されており、この温度コントローラ６によって基板加熱装置２に内蔵されたヒータ等を加熱し、基板２０を所定温度に調整できるようになっている。また、イオン注入・レーザー照射室５には、ガス導入機構およびガス排気機構（共に図示せず）が設けられており、これらによって室内の雰囲気や圧力が制御できるように構成されている。

イオン注入装置３には既存のものを用いることができ、この半導体製造装置１では、基板２０の手前に偏向電磁石７が配置されていて、イオン注入装置３から出射されたイオンビームはここで偏向されて基板２０に照射されるようになっている。

レーザー照射装置４には高エネルギーのレーザーを出射する既存のものを用いることができ、この半導体製造装置１では、５枚のミラー８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅとテレスコープ９およびホモジナイザー１０を介して基板２０にレーザービームが照射されるようになっている。

レーザー照射装置４から出射するレーザーパルスはＸｅＣｌレーザー、ＹＡＧレーザーのいずれでもよいが、ここでは出射されたレーザービームの照射エネルギー密度が、ＸｅＣｌレーザーであれば０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²、ＹＡＧ２ωレーザーであれば０．４Ｊ／ｃｍ²〜２．０Ｊ／ｃｍ²の範囲で出力可能な構成とすることが好ましい。レーザーパルスの照射時に照射エネルギー密度がこの範囲の上限を上回ると基板２０に加工痕が発生する可能性が高くなる。また、ＹＡＧレーザーとしては深い位置までの活性化を目的としてＹＡＧ３ωレーザー（波長３５５ｎｍ）を用いてもよい。

また、図２３は半導体製造装置の別の構成例である。ただし、図２３では図２２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。
この図２３に示す半導体製造装置１ａは、２台のレーザー照射装置４ａ，４ｂを有し、更に５枚のミラー８ｆ，８ｇ，８ｈ，８ｉ，８ｊとＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１が設けられた構成を有している。レーザー照射装置４ａ，４ｂから出射するレーザーはＸｅＣｌレーザー、ＹＡＧレーザーのいずれでもよいが、処理時には同種のレーザーを出射できるようにする。

このように２台のレーザー照射装置４ａ，４ｂを有していることで、基板２０に対して同種レーザーの複数パルスを適当な遅延時間で連続的に照射することが可能になるため、レーザー照射領域に十分な照射エネルギーを加えることが可能になる。それにより、より深い領域までの活性化を短時間で行えるようになる。

例えばレーザーアニールの場合、理想的にはＹＡＧ２ωレーザーのレーザー照射装置を２台備え、照射エネルギー密度１．４Ｊ／ｃｍ²のパルスを遅延時間３００ｎｓ〜５００ｎｓで連続的に照射する。この場合、トータルの照射エネルギー密度は２．８Ｊ／ｃｍ²になる。このようにＹＡＧ２ωレーザーをダブルパルス照射とすると、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ができるため加工痕の発生を防止することができ、また、基板加熱装置２による加熱を行わなくても高照射エネルギー密度を十分に確保することが可能になる。この場合、イオン注入時に加工痕を発生させることなく短時間で活性化が行え、例えばレーザー照射時の基板２０上でのオーバーラップ率が５０％程度、あるいは基板２０上に１回レーザーをムラなくスキャン照射する程度で十分に活性化が行える。

図２２および図２３に示したような構成の半導体製造装置１，１ａを用いることにより、基板２０の温度調整、適当なタイミングでのイオン注入およびレーザー照射をバッチ処理で行え、上記第１〜第６の実施の形態で述べた製造方法が容易に実現可能になる。また、バッチ処理が行えるようにしたことで、真空中でのアニールも可能になり、酸素やコンタミの影響を抑えて不純物層の活性化が行え、それによって活性化後に基板２０上に形成する膜のコンタクト性が良くなる。

さらに、このような半導体製造装置１，１ａでは、レーザーパルスの照射エネルギー密度を従来に比べて高く設定することができる。従来の半導体製造装置はＸｅＣｌのエキシマレーザーを用いるが、エキシマレーザーは出力が小さく、従来レベルのレーザー照射のみではＳｉ基板にイオン注入した不純物を十分に活性化することが難しかった。それに対し、上記の半導体製造装置１，１ａは、基板２０に加工痕を発生させない範囲の照射エネルギー密度でレーザーパルスを照射でき、上記各実施の形態で述べたようにＳｉ基板にイオン注入された不純物の十分な活性化を実現することができる。

また、レーザーを照射しながら基板２０にイオン注入を行う際には、レーザーパルスは不純物層の活性化に必要な照射エネルギー密度で照射されればよいが、レーザー効果を最大限に活用するためには、イオンビームのスキャン周波数とレーザービームの発振周波数を同じにして基板２０に照射することが好ましい。

図２４は半導体製造装置の要部構成図である。ただし、図２４では、図２２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。
例えば、イオン注入装置３のイオンビームのスキャン周波数が水平方向／垂直方向とも１００Ｈｚである場合には、レーザー照射装置４のレーザービームの発振周波数も１００Ｈｚとする。そして、このような同一周波数のイオンビームとレーザービームを同一方向から基板２０に照射する。これにより１／１００秒のタイミングでイオンビームとレーザービームが基板２０に照射されることになり、活性化を促進し、面内バラツキを抑えることができる。

なお、イオン注入装置３のイオンビームのスキャン周波数が水平方向で１００Ｈｚ、垂直方向で５００Ｈｚといったように異なっている場合には、レーザー照射装置４のレーザービームの発振周波数を１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの間とすれば、両者の基板２０への照射タイミングが大きくずれることはない。これにより、活性化が促進され、面内バラツキが抑えられるようになる。

１，１ａ 半導体製造装置
２ 基板加熱装置
３ イオン注入装置
４，４ａ，４ｂ レーザー照射装置
５ イオン注入・レーザー照射室
６ 温度コントローラ
７ 偏向電磁石
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ，８ｉ，８ｊ ミラー
９ テレスコープ
１０ ホモジナイザー
１１ ＰＢＳ
２０ 基板

Claims (5)

1. 第一導電型のシリコン基板の表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、前記第一導電型のシリコン基板内に第二導電型ベース層と更に前記第二導電型ベース層内に第一導電型エミッタ層を形成し、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜、前記層間絶縁膜を介しかつ前記第二導電型ベース層と前記第一導電型エミッタ層に接する表面電極を形成し、次いで前記第一導電型のシリコン基板の裏面を研削し、次いで研削した裏面に形成される不純物層を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、
   前記第一導電型のシリコン基板に波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射しながら前記第一導電型のシリコン基板に不純物をイオン注入することによって、前記不純物層を活性化することを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. イオン注入時のイオンビームのスキャン周波数とレーザー照射時のレーザービームの発振周波数とを同一にすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
3. 第一導電型のシリコン基板の表面側にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成し、前記第一導電型のシリコン基板内に第二導電型ベース層と更に前記第二導電型ベース層内に第一導電型エミッタ層を形成し、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜、前記層間絶縁膜を介しかつ前記第二導電型ベース層と前記第一導電型エミッタ層に接する表面電極を形成し、次いで前記第一導電型のシリコン基板の裏面を研削し、次いで研削した裏面に形成されるｎ型不純物層を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、
   前記第一導電型のシリコン基板の温度を液体窒素温度または２００℃〜５００℃にした状態で前記第一導電型のシリコン基板にｎ型不純物をイオン注入し、前記ｎ型不純物のイオン注入後に、温度が３５０℃〜５００℃で時間が５時間〜１０時間の電気炉アニールまたはレーザーアニールを行うことによって、前記ｎ型不純物層を活性化することを特徴とする半導体素子の製造方法。
4. シリコン基板に形成される不純物層の活性化を行う半導体素子の製造装置において、
   前記シリコン基板を加熱する基板加熱装置と、
   前記シリコン基板に不純物をイオン注入するイオン注入装置と、
   前記シリコン基板に波長が３００ｎｍ〜６００ｎｍで照射エネルギー密度が０．４Ｊ／ｃｍ²〜１．４Ｊ／ｃｍ²のレーザーパルスを照射するレーザー照射装置と、
   を有することを特徴とする半導体素子の製造装置。
5. 前記レーザー照射装置を複数有し、複数の前記レーザー照射装置からそれぞれ出射されるレーザーパルスを前記シリコン基板に連続的に照射するようにしたことを特徴とする請求項４記載の半導体素子の製造装置。

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