JP4043865B2 - レーザ照射を用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【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
4 p型ベース領域
5 n型エミッタ領域
6 n-型領域
10 コレクタ電極
11 エミッタ電極
12 ゲート電極
Claims (10)
- 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/cm2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/cm2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。
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