JP4043865B2

JP4043865B2 - レーザ照射を用いた半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4043865B2
Application number: JP2002197529A
Authority: JP
Inventors: 史郎浜田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP2004039984A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に注入された不純物を、レーザ照射を行うことによって活性化させて半導体装置を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板にイオン注入された不純物を活性化させるために、熱処理が行われる。比較的浅い領域に注されている場合には、レーザアニール等が用いられるが、深い領域、特に０．５μｍよりも深い領域に注入されている不純物をレーザアニールによって活性化させることは困難であった。このため、例えば、深さ０．５μｍよりも深い領域にリン（Ｐ）が注入され、それよりも浅い領域にボロン（Ｂ）が注入されている場合には、電気炉等によって熱処理が行われていた。例えば、４００℃で５時間の熱処理を行うことにより、リンとボロンとを活性化させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気炉による加熱を用いると、活性化するボロンの濃度は、高々１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度であり、活性化するリンの濃度は高々１×１０¹⁴ｃｍ^-3程度であった。半導体装置によっては、性能向上のために不純物濃度をより高めたい場合がある。
【０００４】
本発明の目的は、活性化する不純物の濃度を高めることができる半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、半導体基板に、第１の深さにおいて濃度分布が最大になるように第１の不純物を注入する工程と、前記半導体基板に、前記第１の深さよりも浅い第２の深さにおいて濃度分布が最大になるように第２の不純物を注入する工程と、第１のパルス幅を持つ第１のパルスレーザビームを、前記半導体基板の表面において第１のパルスエネルギ密度になる条件で、該半導体基板に入射させ、主として前記第２の不純物を活性化させる工程と、前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を持つ第２のパルスレーザビームを、前記半導体基板の表面において前記第１のパルスエネルギ密度よりも低い第２のパルスエネルギ密度となる条件で、該半導体基板に入射させ、主として前記第１の不純物を活性化させる工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００６】
比較的短パルスの第１のパルスレーザビームの照射によって、浅い領域に注入されている第２の不純物を効率的に活性化させることができる。また、比較的パルス幅の長い第２のパルスレーザビームの照射によって、比較的深い領域に注入されている第１の不純物を効率的に活性化させることができる。
【０００７】
本発明の他の観点によると、半導体基板の表面からの深さが０．５μｍよりも深い位置に濃度分布のピークを持つように、該半導体基板に不純物を注入する工程と、前記半導体基板にパルスレーザビームを照射して、注入された不純物を活性化させる工程とを有し、前記パルスレーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、及びＮｄ：ＹＶＯ _４からなる群より選択された１つの固体レーザの第２または第３高調波であり、該パルスレーザビームのパルス幅が１２０ｎｓ以上であり、前記半導体基板の表面におけるパルスエネルギ密度が１Ｊ／ｃｍ ^２未満である半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
パルス幅を調節することにより、０．５μｍよりも深い領域に注入されている不純物を活性化させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）に、本発明の実施例による方法で製造される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。
【００１０】
ｎ^-型のシリコン基板１の一方の表面（主面）側の表層部の一部に、ボロンがドープされたｐ型ベース領域４が形成されている。ｐ型ベース領域４の表層部の一部に、リンがドープされたｎ型エミッタ領域５が形成されている。シリコン基板１の他方の表面（底面）側の表層部に、ボロンがドープされたｐ⁺型のコレクタ層３が形成されている。コレクタ層３よりも深い領域に、コレクタ層３に接するように、リンがドープされたｎ型のバッファ層２が形成されている。
【００１１】
シリコン基板１の主面において、シリコン基板１のｎ^-型の領域６とエミッタ領域５とで挟まれたｐ型ベース領域の表面上に、ゲート絶縁膜９を介してゲート電極１２が配置されている。エミッタ領域５の表面の一部とベース領域４の表面の一部にエミッタ電極１１がオーミック接触している。コレクタ層３に、コレクタ電極１０がオーミック接触している。
【００１２】
図１（Ｂ）に、図１（Ａ）のシリコン基板１の上下を逆転させた状態の断面図を示す。以下、本実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
【００１３】
シリコン基板１の底面から基板表層部に、バッファ層２を形成するためのリンイオンを注入する。このときの加速エネルギは５００ｋｅＶとする。この条件でイオン注入を行うと、深さ０．５μｍよりも深い位置でリン濃度が最大になる。次に、同じくシリコン基板１の底面から基板表層部に、コレクタ層３を形成するためのボロンイオンを注入する。このときの加速エネルギは１００ｋｅＶとする。この条件でイオン注入を行うと、深さ０．４μｍよりも浅い位置でボロン濃度が最大になる。リンイオンのドーズ量は３×１０¹⁴ｃｍ^-2とし、ボロンイオンのドーズ量は５×１０¹²ｃｍ^-2とする。なお、リンとボロンとの注入順序は逆転させてもよい。
【００１４】
シリコン基板１の底面に、波長３０８ｎｍ、パルス幅２０〜１００ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザを照射する。レーザビームは、シリコン基板１の底面上における１パルスあたりのエネルギ密度（パルスエネルギ密度）が好適な値になるように基板上に照射される。このときのビームスポットのサイズは、約４ｍｍ×４ｍｍである。例えば、パルス幅が２０〜５０ｎｓのときのパルスエネルギ密度の好適値は、１．１〜１．６Ｊ／ｃｍ²であり、パルス幅が７０〜１００ｎｓのときのパルスエネルギの好適値は、３．０〜３．５Ｊ／ｃｍ²である。
【００１５】
パルス幅が１００ｎｓ以下のパルスビームの照射では、シリコン基板１の深い領域までエネルギが伝わらない。このため、浅い領域に注入されているボロンを効率的に活性化させることができる。
【００１６】
次に、波長３５２ｎｍ、パルス幅２００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧ固体レーザを照射する。レーザビームは、シリコン基板１の底面上におけるパルスエネルギ密度が１Ｊ／ｃｍ²未満になるように基板上に照射される。パルス幅を長くすると、レーザビームのエネルギがシリコン基板１の深い領域まで伝わる。このため、深い領域に注入されているリンを効率的に活性化させることができる。
【００１７】
図２に、上記実施例による方法でレーザアニールを行った後の、活性化した不純物濃度分布を示す。横軸は深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ^-3」で表す。実線Ｂ及びＰは、それぞれ実施例による方法でレーザアニールを行った場合の活性化したボロン及びリンの濃度分布を示す。比較のために、従来の電気炉で熱処理を行った場合の活性化したボロン及びリンの濃度分布を破線で示す。
【００１８】
従来の方法では、ボロン濃度の最大が１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度であったが、実施例による方法では、ボロン濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3まで高めることができた。また、従来の方法では、リン濃度の最大が１×１０¹⁴ｃｍ^-03程度であったが、実施例による方法を採用することにより、リン濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度まで高めることが可能になる。
【００１９】
ボロン濃度を高めることにより、ＩＧＢＴのスイッチング特性を向上させることができる。リン濃度を高めることにより、ＩＧＢＴの耐圧を高めることができる。
【００２０】
上述のように、パルス幅が短く、かつパルスエネルギ密度の高いレーザビームを照射することにより、深さ０．５μｍよりも浅い領域に注入されている不純物を、効率よく活性化させることができる。不純物を効率よく活性化させるためには、パルスエネルギ密度を１Ｊ／ｃｍ²以上とすることが好ましい。パルス幅を短くして上記パルスエネルギ密度を確保しようとすると、ピークパワー密度が大きくなり、シリコン基板１がダメージを受けやすくなる。このため、パルス幅を１０ｎｓ以上にすることが好ましい。また、パルス幅を長くすると、シリコン基板１の浅い部分に局所的にエネルギを与えることが困難になる。このため、パルス幅を、１００ｎｓ以下とすることが好ましい。
【００２１】
パルス幅が長く、かつパルスエネルギ密度の低いレーザビームを照射することにより、深さ０．５μｍよりも深い位置に注入されている不純物を効率よく活性化させることができる。深い領域の不純物を効率よく活性化させるためには、パルス幅を１２０ｎｓ以上とすることが好ましい。また、表層部にダメージを与えないようにするために、パルスエネルギ密度を１Ｊ／ｃｍ²未満とすることが好ましい。
【００２２】
上述のような条件でレーザアニールを行うために、０．５μｍよりも浅い領域の不純物を活性化させるために、エキシマレーザを用いることが好ましい。また、０．５μｍよりも深い領域の不純物を活性化させるために、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄等の固体レーザの第２または第３高調波を用いることが好ましい。
【００２３】
上記実施例では、紫外領域のレーザビームを用いたが、６００ｎｍよりも短波長のレーザビームを用いてもよい。
【００２４】
また、上記実施例では、シリコン基板に注入されたボロンとリンとを活性化させたが、他の半導体基板に注入された不純物を活性化させる場合にも、同様のレーザ照射条件が適用され得るであろう。また、上記実施例では、最初に浅い領域に注入された不純物の活性化を行い、その後深い領域に注入された不純物の活性化を行ったが、この順序を逆にしてもよい。
【００２５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス幅が短く、パルスエネルギ密度が高いパルスレーザビームを照射することにより、半導体基板の浅い領域に注された不純物を活性化させる。さらに、パルス幅が長く、パルスエネルギ密度が低いパルスレーザビームを照射することにより、半導体基板の深い領域に注された不純物を活性化させる。これにより、活性化した不純物の濃度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による半導体装置の製造方法で作製される絶縁ゲートバイポーラトランジスタの断面図である。
【図２】ボロン及びリンの深さ方向に関する濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
１シリコン基板
２バッファ層
３コレクタ層
４ｐ型ベース領域
５ｎ型エミッタ領域
６ｎ^-型領域
１０コレクタ電極
１１エミッタ電極
１２ゲート電極

Claims

半導体基板に、第１の深さにおいて濃度分布が最大になるように第１の不純物を注入する工程と、
前記半導体基板に、前記第１の深さよりも浅い第２の深さにおいて濃度分布が最大になるように第２の不純物を注入する工程と、
第１のパルス幅を持つ第１のパルスレーザビームを、前記半導体基板の表面において第１のパルスエネルギ密度になる条件で、該半導体基板に入射させ、主として前記第２の不純物を活性化させる工程と、
前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を持つ第２のパルスレーザビームを、前記半導体基板の表面において前記第１のパルスエネルギ密度よりも低い第２のパルスエネルギ密度となる条件で、該半導体基板に入射させ、主として前記第１の不純物を活性化させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。
前記第１の深さが０．５μｍよりも深い請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のパルス幅が１００ｎｓ以下である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のパルスエネルギ密度が１Ｊ／ｃｍ^２以上である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のパルス幅が１２０ｎｓ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のパルスエネルギ密度が１Ｊ／ｃｍ^２未満である請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１及び第２のパルスレーザビームの波長が６００ｎｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のパルスレーザビームが、エキシマレーザ光源から出射したビームである請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のパルスレーザビームが、固体レーザ光源から出射したレーザビームの高調波である請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板の表面からの深さが０．５μｍよりも深い位置に濃度分布のピークを持つように、該半導体基板に不純物を注入する工程と、
前記半導体基板にパルスレーザビームを照射して、注入された不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記パルスレーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、及びＮｄ：ＹＶＯ _４からなる群より選択された１つの固体レーザの第２または第３高調波であり、該パルスレーザビームのパルス幅が１２０ｎｓ以上であり、前記半導体基板の表面におけるパルスエネルギ密度が１Ｊ／ｃｍ ^２未満である半導体装置の製造方法。