JP4770140B2

JP4770140B2 - 半導体素子の製造方法

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Publication number: JP4770140B2
Application number: JP2004237610A
Authority: JP
Inventors: 治雄中澤; 光明桐沢; 尚吉村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2024-08-17
Also published as: JP2006059876A

Description

本発明は半導体素子の製造方法に関し、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，ＩＧＢＴ）等の半導体素子の製造方法に関する。

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等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）、スイッチング電源等の産業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボ等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）型等がある。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で主流の基本構造である。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１２はＮＰＴ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。
図１２に示すＮＰＴ型ＩＧＢＴ１００は、ｎ^-型のＦＺ基板（ＦＺ−Ｎ基板）１０１の表面側に、ＳｉＯ₂等のゲート酸化膜１０２を介してポリシリコン等のゲート電極１０３が形成され、さらにその上にＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）等の層間絶縁膜１０４を介してアルミ・シリコン膜等の表面電極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１３はＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図１３では、図１２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１３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１３に示したＦＳ型ＩＧＢＴ２００を例に、ＩＧＢＴの形成方法の一例を図１４から図１８を参照して説明する。図１４は表面側プロセス終了後の断面図、図１５は基板研削プロセスの断面図、図１６は裏面イオン注入プロセスの断面図、図１７は裏面アニールプロセスの断面図、図１８は裏面電極膜形成プロセスの断面図である。ただし、図１４から図１８では、図１２および図１３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１４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１３および図１４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等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１５から図１８を参照して説明する。裏面側プロセスでは、まず、図１５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等の研削を行い、薄ウエハ化する。

次いで、図１６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１７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１８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、金層等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、その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１９は逆阻止ＩＧＢＴの断面構造の一例である。ただし、図１９では、図１２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１９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の製造の主な流れは、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やｐ⁺分離層３０１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。

しかしながら、ＩＧＢＴ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）の活性化の問題があるが、これについてはこれまでも様々な手法が検討されている。

例えば、ＮＰＴ型ＩＧＢＴを形成する際に、ＦＺ−Ｎ基板に絶縁ゲート構造等の表面側構造を形成してウエハ裏面を研削した後、プロトン照射を行い低温電気炉アニールを施してｎバッファ層として機能するｎ型欠陥層を形成し、その後裏面にボロンをイオン注入してレーザーアニールを施すことによりｎ型欠陥層上にｐ⁺コレクタ層を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、ｐ層やｎ層の活性化方法として、表面側構造形成後のＦＺ−Ｎ基板裏面に注入した不純物イオンを、所定の波長と半値幅のパルスレーザーを用いたレーザーアニールで、またはレーザーアニールと電気炉アニールを組み合わせて、活性化する方法も提案されている（特許文献２参照）。

また、薄型化に伴って発生するウエハの反りや割れを回避するため、裏面研削後のウエハを接着シート等で支持基板に固定して表面側構造を形成し、その後支持基板を取り外して裏面にイオン注入を行い、レーザーアニールを行って不純物イオンを活性化する方法（特許文献３参照）や、ウエハに形成した表面側構造の側に接着シート等で支持基板を固定し、裏面の研削、イオン注入、レーザーアニールを行って不純物イオンを活性化する方法（特許文献４参照）等が提案されている。
特開２００１−１６０５５９号公報特開２００３−５９８５６号公報特開２００４−１１９４９８号公報特開２００４−１４０１０１号公報

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点があった。
まず、電気炉を使ったアニールでは、ウエハ表面または裏面のｐ層や、ｐ層とｎ層がこの順で深さ方向に連続するｐｎ連続層を形成したときの上層側（浅い領域）のｐ層を十分に活性化することが難しいという問題がある。また、薄型ウエハを形成するために支持基板の固定に接着シートを用いた場合には、接着シートの耐熱温度が通常２００℃以下と低いため、電気炉アニールを行えないという問題もある。

そのため、電気炉アニールに代えて、あるいは電気炉アニールと共に、レーザーアニールで不純物層を活性化する方法も提案されている。レーザーアニールでは、レーザービームの照射領域を瞬間的に加熱することができるため、不純物層をｎｓオーダーという非常に短い時間で活性化することが可能になる。そして、レーザービームを一の領域から隣接する次の領域へと走査照射することにより、ウエハ全面のアニールを行う。

しかし、このようなレーザーアニールの場合、レーザービームを１台のレーザー照射装置を使い、十分大きい照射エネルギー密度（照射領域におけるエネルギー密度）で一の領域に照射すると、ウエハ上にレーザー照射による加工痕が形成されてしまうことがある。ただし、この点については、例えば、レーザー照射装置を複数台使用し各装置からの照射エネルギー密度を低く抑え、一の領域に対しては低照射エネルギー密度のレーザーパルスを連続的に照射し、このようなレーザー照射でウエハ上を走査する等して対応することは可能である。

ところが、これまでのレーザー照射方法では、ウエハ全面にしかレーザー照射を行うことができず、例えばＩＧＢＴ形成の際にウエハの表面側構造の形状に合わせて裏面側へのレーザー照射を特定領域に制限したいような場合でも、そのままではその特定領域に絞ってレーザー照射するといったことが行えなかった。

図２０はレーザー照射領域を制限する場合の一例を説明する図である。
この図２０は、アノードショート型ＩＧＢＴ４００の要部断面図の一例を示している。例えば、このようなｎ型基板４０１の表面側にｐベース層４０２、ｎエミッタ層４０３、ゲート酸化膜４０４およびゲート電極４０５を有し、裏面側にｐコレクタ層４０６を有するアノードショート型ＩＧＢＴ４００を形成する際、ウエハ裏面のｐコレクタ層４０６は島状に形成される。このような島状のｐコレクタ層４０６を形成するため、その島の領域にだけレーザー照射してアニールを行いたいような場合が、レーザー照射領域を制限する場合の一例として挙げられる。

また、図２１はレーザー照射領域を制限する場合の別の例を説明する図である。
この図２１は、ＩＧＢＴを形成したウエハ５００およびそのＩＧＢＴチップ５０１の要部平面図の一例を示している。レーザー照射領域を制限する別の例としては、例えば、この図２１に示すように、ウエハ５００からダイシングされるＩＧＢＴチップ５０１の表面側構造が形成された活性領域５０２にだけレーザー照射し、その周囲で分離層５０３との間に設けられたガードリングやフィールドプレートといった耐圧構造領域５０４にはレーザー照射しないような場合が挙げられる。

これらのような場合、ウエハ全面にレーザー照射しないようにするため、これまではウエハ上に一定形状の開口部を有するマスクを置いてレーザー照射を行うという方法が採られてきた。

図２２はマスクを用いたレーザーアニールを説明する模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
この図２２に示すように、ウエハ６００上にマスク６０１を配置することにより、マスク６０１の開口部（図示せず）に対応する領域にのみレーザー照射を行うことが可能になる。しかし、レーザー照射装置の中には、レーザー照射時にウエハ６００を載置したステージ側が移動するものが多く、ステージが移動したときにマスク６０１が動いてしまうことがある。マスク６０１が当初の位置からずれてしまうと、レーザー照射位置が目的の位置から外れてしまうといった問題が生じる。

さらに、マスク６０１を一定距離移動させながらレーザー照射して不純物層を活性化しようとする場合、それによってレーザーの照射ムラを避けることはできるが、レーザー照射する領域とレーザー照射しない領域との境界で照射領域がレーザー照射すべきでない領域にはみ出してしまうといったことが起こり得る。また、そのようにしてレーザー照射すべきでない領域にレーザーが照射されてしまうのを避けるためマスク６０１の移動距離を調整した場合、既にレーザーが照射された領域に更にレーザーが照射され、照射ムラによって不純物の濃度プロファイルにばらつきが生じてしまうといったことが起こり得る。

さらにまた、マスク６０１は、レーザー照射による温度上昇に耐え得るよう、ステンレス等の金属を用いて形成されることが多く、配置の際や位置ずれが生じたとき等、ウエハ６００とマスク６０１が接触することにより、金属コンタミネーションが発生するといった問題も生じる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、レーザー照射すべき領域の不純物層をコンタミネーション等を抑えて効果的に精度良く活性化する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。

本発明では上記問題を解決するために、レーザー照射によって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、前記不純物層を活性化することのできる大きさの照射エネルギー密度のレーザービームを照射領域の少なくとも一部が重なるように走査照射することによって、前記不純物層を活性化し、前記レーザービームを走査照射する際には、複数のレーザー照射装置を用い、前記照射領域ごとに１台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射した後、その半値幅と同じ遅延時間で２台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射し、前記複数のレーザー照射装置から前記照射領域ごとに照射される前記レーザービームの照射エネルギー密度の合計が前記照射領域を活性化させる照射エネルギー密度以上である、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、照射するレーザービームの照射エネルギー密度が、不純物層を活性化することのできる大きさとされる。それにより、一度そのようなレーザービームが照射された領域は、次にその一部あるいは全部にレーザービームが照射されても、その不純物の濃度プロファイルがほとんど変化しない。したがって、レーザー照射すべきでない領域を避けてまだ照射されていない領域にレーザー照射しようとした場合に、その照射領域が先にレーザー照射された照射領域に重なるとしても、それらの照射領域が重なっているか否かに関わらず、レーザー照射された領域はいずれも十分に活性化される。また、レーザー照射に当たり、照射面に接触させて配置するようなマスクは不要であるため、マスクに起因するコンタミネーションの発生が防止される。

また、本発明では、レーザー照射によって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、レーザービームが通過する開口部を有するマスクを前記レーザービームの照射面から離して配置し、前記開口部を通過させて一定形状にした前記レーザービームを走査照射することによって、前記不純物層を活性化し、前記レーザービームを走査照射する際には、複数のレーザー照射装置を用い、照射領域ごとに１台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射した後、その半値幅と同じ遅延時間で２台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射し、前記複数のレーザー照射装置から前記照射領域ごとに照射される前記レーザービームの照射エネルギー密度の合計が前記照射領域を活性化させる照射エネルギー密度以上である、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、レーザー照射する際にマスクを用い、その開口部を通過させレーザービームを一定形状にして照射する。例えば、レーザー照射する領域としない領域との境界を跨ぐような位置にレーザービームを照射する必要がある場合に、レーザー照射しない領域へのレーザービームを遮断するような開口部形状のマスクを用いれば、レーザー照射する領域にのみレーザービームが照射されるようになる。さらに、マスクはレーザービームの照射面から離して配置するので、マスクが照射面に接触することによる金属等のコンタミネーションの発生が防止される。

本発明の半導体素子の製造方法は、不純物層を活性化することのできる大きさの照射エネルギー密度のレーザービームを照射領域の少なくとも一部が重なるように走査照射するので、各照射領域はそれが重なってレーザー照射されたか否かに関わらず、十分に活性化される。これにより、レーザー照射すべきでない領域を避けてレーザー照射すべき領域の不純物層を効果的に精度良く活性化することができる。この不純物層の活性化の際にはマスクを用いないため、金属等のコンタミネーションの発生を防止することができる。

また、本発明の半導体素子の製造方法は、マスクを用いてレーザービームを一定形状にするので、レーザー照射すべき領域に選択的にレーザービームを照射することができる。さらに、そのマスクを照射面から離れた位置に配置することにより、コンタミネーションの発生を防止することができる。

レーザー照射した領域は不純物層を安定的にｎｓオーダーで活性化でき、レーザー照射すべき領域とすべきでない領域を有する半導体素子を良好なデバイス特性で形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、ＩＧＢＴ形成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。

ここでは、ＮＰＴ型ＩＧＢＴのｐコレクタ層を形成する際のｐ層の活性化を例にして説明する。すなわち、例えばｎ型Ｓｉウエハに絶縁ゲート構造等の表面側構造を形成した後、その裏面を研削し、研削後のウエハ裏面にボロンをイオン注入してこれをレーザーアニールにより活性化する。このｐ層の活性化には、ＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ、半値幅１００ｎｓ）を用い、そのレーザー照射装置を１台使用する。ウエハ照射時のレーザービームのサイズは、ここでは２ｍｍ（長軸）×１ｍｍ（短軸）である。レーザーアニールでは、このような照射サイズのレーザービームの１パルスを、一の照射領域からその隣接領域へと適当なオーバーラップ率（重ね合わせ範囲）で次々と走査照射していく。

図１はボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイル、図２はボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度１．２Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。また、図３はレーザー照射時のレーザービームの重ね合わせ状態を示す図であって、（Ａ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを０．５ｍｍとした場合、（Ｂ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを１ｍｍとした場合、（Ｃ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを１．５ｍｍにした場合、（Ｄ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸を完全に重ね合わせた場合である。

図１および図２において、横軸はウエハ表面すなわちイオン注入面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はウエハ内のボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。この図１および図２はそれぞれ、ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速電圧５０ｋｅＶでイオン注入し、所定照射エネルギー密度でのレーザー照射時にレーザービーム長軸の重ね合わせを図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように変えたときのそれぞれの場合の濃度プロファイルを示している。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。また、レーザー照射時のレーザービーム短軸の重ね合わせは、いずれの場合もオーバーラップ率９０％で一定としている。なお、図１中および図２中に示したＡ〜Ｄの記号はそれぞれ、図３（Ａ）〜（Ｄ）の重ね合わせ状態に対応している。

まず図１に示したように、レーザー照射時の１パルスの照射エネルギー密度が３．０Ｊ／ｃｍ²である場合には、図３に示したようにレーザービームの重ね合わせ状態すなわちオーバーラップ率を変化させても、ボロンの濃度プロファイルにほとんど差が生じない。換言すれば、照射エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ²では、レーザービームが重なる領域と重ならない領域とで濃度プロファイルがばらつかない。すなわち一度のレーザー照射でボロンが十分に活性化されてボロン濃度が飽和状態にまで高められているということができる。

一方、図２に示したように、レーザー照射時の１パルスの照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ²である場合には、レーザービームのオーバーラップ率を変化させると濃度プロファイルに差が生じ、３．０Ｊ／ｃｍ²の場合とは異なり、レーザービームが重なる領域と重ならない領域とで濃度プロファイルがばらつき、安定しない。

このように、レーザー照射時の照射エネルギー密度を、イオン注入時のボロン濃度が活性化するレベルまで、すなわち飽和状態になるレベルまで大きくしておけば、隣接領域間でレーザービームを重ね合わせてレーザー照射しても問題はない。このことを利用すれば、例えば次に示すように、一のウエハに部分的にレーザー照射しない領域を形成することが可能になる。

図４は部分照射例である。
図４に示すように、ボロンを注入したウエハ１にレーザー照射すべき領域２とレーザー照射すべきでない領域３とが存在する場合、レーザー照射すべき領域２に対しては、レーザービームを、例えば、その長軸を上記図３（Ａ）〜（Ｃ）のいずれかのオーバーラップ率とし、その短軸を９０％のオーバーラップ率として、レーザー照射する。これにより、レーザーが照射された領域では、レーザービームが重なって照射されたか否かに関わらず、イオン注入したボロンが十分に活性化された状態になる。

レーザー照射すべき領域２とレーザー照射すべきでない領域３との境界１０を含む領域では、一定のオーバーラップ率でレーザー照射すべき領域２を境界１０に向かって順にレーザー照射していくと、当初のオーバーラップ率のままではレーザー照射すべきでない領域３にもレーザービームが照射されてしまうことになる。そのため、境界１０を含む領域では、境界１０がレーザービーム端となるようにレーザー照射する。この場合、境界１０付近のレーザー照射領域４だけ他の領域とオーバーラップ率が異なることになるが、上記のように照射エネルギー密度をボロンが十分に活性化する３．０Ｊ／ｃｍ²に設定しておくことにより、そのレーザー照射領域４も他の領域と同等にボロンの活性化を行うことができる。これにより、ウエハ１に部分的にレーザー照射されない領域を精度良く形成することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
レーザー照射領域を制限するためにマスクを用いる場合、前述のように、金属製のマスクをウエハに接触させると金属等のコンタミネーションの問題が生じる場合があった。そこで、この第２の実施の形態では、マスクをウエハ側ではなく照射面から離してレーザービーム側に配置することによってマスキングを行う。さらに、この第２の実施の形態では、レーザー照射すべき領域とレーザー照射すべきでない領域との境界を含む領域で必要になるレーザービームの照射形状を考慮し、マスクの開口部形状を工夫する。

図５は標準形状マスクとレーザービーム形状の関係を示す図、図６は標準形状マスクを用いた照射例である。ただし、図６では、図４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ている。

通常は、この図５に示すような長方形の開口部５ａを有する標準形状マスク５を用いレーザービーム６の一部を遮光部５ｂで遮断して開口部５ａでレーザービーム６を切り出し、それを一定のオーバーラップ率で図６に示すようにウエハ１のレーザー照射すべき領域２からレーザー照射すべきでない領域３との境界１０に向かって順にレーザー照射を行っていく。

ここで、上記第１の実施の形態で述べたように照射エネルギー密度を適当な値にしその照射位置を工夫するといったことを行わないとする。そうすると、標準形状マスク５を用いてレーザー照射すべき領域２から順にレーザー照射を行っていき、レーザー照射すべきでない領域３との境界１０においてもなおそのまま標準形状マスク５を用いて一定のオーバーラップ率でレーザー照射を続ければ、レーザー照射すべきでない領域３にもレーザーが照射されてしまうようになる。

そこで、この第２の実施の形態では、特にレーザー照射すべき領域２とレーザー照射すべきでない領域３との境界１０において、用いるマスクの開口部形状を、例えば次の図７に示すような平行四辺形状に変える等の工夫をしている。

図７は平行四辺形状マスクとレーザービーム形状の関係を示す図、図８は平行四辺形状マスクを用いた照射例である。ただし、図７および図８では、図５および図６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ている。

この図７に示すような平行四辺形状の開口部７ａを有する平行四辺形状マスク７を適当な向きで用いると、その開口部７ａで切り出されるレーザービーム６のサイズを小さくしてレーザー照射することが可能になる。すなわち、この図７の例では、レーザービーム６の長軸長さを短くしてレーザー照射することができるようになる。

したがって、レーザー照射すべき領域２とレーザー照射すべきでない領域３との境界１０において、このような開口部７ａと遮光部７ｂとを有する平行四辺形状マスク７を用いることにより、図６および図８に示すように、境界１０での長軸のオーバーラップ時にレーザー照射すべきでない領域３にはみ出すことになるレーザービーム６を遮光部７ｂでマスキングすることができる。標準形状マスク５を用いていて境界１０で平行四辺形状マスク７に切り替える際には、切り替えを例えば図８に示したマスク切り替えポイント８、すなわち走査照射の最終段の折り返し時で境界１０を含む領域をレーザー照射するとき等に行えばよい。このように、平行四辺形状マスク７を用いることにより、ウエハ１に部分的にレーザー照射しない領域を精度良く形成することができる。

なお、ウエハ１へのレーザー照射時に当初からこのような平行四辺形状マスク７を用いてもよく、また、レーザー照射領域に応じ、当初は平行四辺形状マスク７中央部でレーザービーム６を長方形状に切り出し、境界１０では上記のように平行四辺形状マスク７端部でレーザービーム６を短く切り出して、レーザー照射するようにしてもよい。また、マスクは、境界１０を含む領域のレーザー照射時にレーザー照射すべきでない領域３へのレーザービーム６を遮断することのできるものであれば、平行四辺形状に限らず、他の開口部形状で構成されたものであってもよい。

次に、第３の実施の形態について説明する。
この第３の実施の形態では、上記第２の実施の形態と同様、レーザービーム側に配置するマスクの開口部形状を工夫している。

図９はマスクとレーザービーム形状の関係を示す図である。ただし、図９では、図５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ている。
この第３の実施の形態では、上記図５に示したような標準形状マスク５を用いたときに生じることのある問題、すなわちレーザー照射すべきでない領域３にもレーザー照射されてしまうという問題を回避するため、この図９に示すような開口部９ａおよび遮光部９ｂを有するマスク９を用いる。

図９に示したマスク９は、その形状は図５に示した標準形状マスク５と同様であるが、その開口部９ａの幅が、レーザー照射すべき領域ごとのレーザー照射時のオーバーラップ率に応じて設定されている。レーザー照射すべき領域が決まれば、ワンショットでの照射ビームサイズが決まっているので、オーバーラップ率を求めることができる。マスク９は、その開口部９ａの幅の異なるものを複数用意しておき、レーザー照射すべき領域ごとにそのオーバーラップ率を計算して、都度、その領域に照射ムラを生じさせないような最適な開口幅のマスク９を選択して用いればよい。このようにオーバーラップ率に応じた最適な開口幅のマスク９を用いることにより、照射領域の範囲をコントロールする自由度が増すため、それを利用することにより、ウエハ１に部分的にレーザー照射しない領域を精度良く形成することができる。

また、第２の実施の形態と同様にして、上記図６および図８に示したように、レーザー照射すべき領域２への照射当初からレーザー照射すべきでない領域３との境界１０付近に至るまでは標準形状マスク５等を用いてレーザー照射し、マスク切り替えポイント８等でそのレーザー照射すべき領域２のオーバーラップ率に応じた開口幅のマスク９に切り替えてレーザー照射するようにしてもよい。

次に、第４の実施の形態について説明する。
ここでは、ＦＳ型ＩＧＢＴのｎバッファ層およびｐコレクタ層を形成する際のｐｎ連続層の活性化を例にして説明する。すなわち、例えばｎ型Ｓｉウエハに表面側構造を形成した後、その裏面を研削し、研削後のウエハ裏面にリンおよびボロンを順にイオン注入してこれをレーザーアニールにより活性化する。このｐｎ連続層の活性化には、ＹＡＧ２ωレーザー（波長５３２ｎｍ、半値幅５００ｎｓ）を用い、そのレーザー照射装置を２台使用する。第１の実施の形態と同様、ウエハ照射時のレーザービームサイズは、２ｍｍ（長軸）×１ｍｍ（短軸）であり、このようなサイズのレーザービームを適当なオーバーラップ率で走査照射してレーザーアニールを行う。

この第４の実施の形態では、ＹＡＧ２ωレーザーのレーザー照射装置を２台使用するが、各レーザー照射装置から照射するレーザービームの１パルスの照射エネルギー密度を共に１．５Ｊ／ｃｍ²とする。そして、一の領域に１台目からレーザービームを１パルス照射した後、その半値幅と同じ遅延時間５００ｎｓでその領域に２台目からレーザービームを１パルス照射する。これにより、その領域には、合計で３．０Ｊ／ｃｍ²の照射エネルギー密度でレーザービームが照射されるようになる。レーザーアニールでは、一の領域に対しこのようにして照射するレーザービームを、一の照射領域からその隣接領域へと適当なオーバーラップ率で走査照射していく。

このようなレーザー照射方法によれば、一の領域に２パルスが連続的に照射されることで、半値幅の長い単パルスを照射したときと同様の効果が得られるようになる。すなわち、単パルスのレーザー照射よりも熱の伝わり時間が長く、レーザー照射面から深い領域まで短時間で活性化することができる。したがって、このｐｎ連続層のように深さのある不純物層であってもレーザー照射で十分に活性化することができる。また、レーザーアニールに合計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、ウエハに加工痕が付く可能性を極力抑えることができるようになる。さらにまた、このようにパルスを連続的に照射すると、イオン注入後に非晶質状態かあるいは結晶欠陥が残っている状態の表層を、先のパルスで再結晶化できなくても、後のパルスでは再結晶化を促進し、浅い領域（ｐ層）を高濃度化（高活性化）することが可能になる。

なお、ここでは先のパルスを照射してから後のパルスを照射するまでの遅延時間を１パルスの半値幅と同じにしている、すなわち２パルスを切れ目なく連続して照射しているが、遅延時間は、半値幅より短く２パルスが若干重なっても、あるいは半値幅より長く２パルス間に若干切れ目が生じても、上記同様の効果を得ることは可能である。

図１０はリンおよびボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。また、図１１はリンおよびボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度１．２Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。なお、照射エネルギー密度１．２Ｊ／ｃｍ²の場合には、照射する各レーザー照射装置から照射する半値幅５００ｎｓのＹＡＧ２ωレーザーのパルスの照射エネルギー密度を共に０．６Ｊ／ｃｍ²とし、一の領域に遅延時間５００ｎｓで連続的に照射している。また、レーザービームサイズは、照射エネルギー密度を３．０Ｊ／ｃｍ²としたときと同じにしている。

図１０および図１１において、横軸はウエハ表面すなわちイオン注入面からの深さ（μｍ）を表し、縦軸はウエハ内のリンおよびボロンの濃度（ｃｍ^-3）を表している。この図１０および図１１は、先にリンをドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2、加速電圧２４０ｋｅＶでイオン注入し、その後ボロンをドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速電圧５０ｋｅＶでイオン注入して、所定照射エネルギー密度でのレーザー照射時にレーザービーム長軸の重ね合わせを上記図３（Ａ）〜（Ｄ）に示したように変えたときのそれぞれの場合の濃度プロファイルを示している。濃度プロファイルはＳＲ法により測定し、レーザー照射時のレーザービーム短軸の重ね合わせは、いずれの場合もオーバーラップ率９０％で一定としている。なお、図１０中および図１１中に示したＡ〜Ｄの記号はそれぞれ、上記図３（Ａ）〜（Ｄ）の重ね合わせ状態に対応している。

図１０に示したように、レーザー照射時の合計の照射エネルギー密度が３．０Ｊ／ｃｍ²である場合には、レーザービームのオーバーラップ率を変化させても、リンおよびボロンの濃度プロファイルにほとんど差が生じない。一方、図１１に示したように、レーザー照射時の合計の照射エネルギー密度が１．２Ｊ／ｃｍ²である場合には、オーバーラップ率の違いで濃度プロファイルに差が生じてしまう。

さらに、合計の照射エネルギー密度が３．０Ｊ／ｃｍ²である場合には、１．２Ｊ／ｃｍ²である場合に比べ、ｐ層，ｎ層共に高濃度化されている。これは、レーザービームを連続的にかつ適当な遅延時間で照射することで、熱がウエハの浅い領域から深い領域まで有効に伝わっていることを示している。

このように、レーザー照射時の照射エネルギー密度を、イオン注入時のボロン濃度が活性化するレベルまで大きくしておけば、隣接領域間でレーザービームを重ね合わせてレーザー照射しても問題はなく、これを利用すれば、第１の実施の形態で述べたのと同様に、一のウエハに部分的にレーザー照射しない領域を精度良く形成することができる。

なお、ここでは２台のレーザー照射装置を用いた場合について説明したが、２台以上のレーザー照射装置を用いてもよい。その場合、各レーザー照射装置から照射されるレーザービームの１パルスの照射エネルギー密度の合計が、イオン注入時のボロン濃度を活性化することのできるレベルの大きさになるようにする。１台のレーザー照射装置が担う照射エネルギー密度は、個別に設定することもできるが、必要になる合計の照射エネルギー密度をレーザー照射装置の台数で割った値とすることが好ましい。

また、ここではｐｎ連続層を活性化する場合について説明したが、例えば同じくＦＳ型ＩＧＢＴでｐ層の上にさらにフッ化ボロンをイオン注入してｐコレクタ層の上に表面コンタクト層を形成するような場合にも同様に適用可能である。このほか、ｎ層が深さ方向に連続するｎｎ連続層や、ｎ層とｐ層がこの順で深さ方向に連続するｎｐ連続層、あるいはより深い領域まで不純物注入を行うために形成されるアルゴン（Ａｒ）層とｐ層との連続層（深さ方向の順序は問わない。）、アルゴン層とｎ層との連続層（深さ方向の順序は問わない。）を活性化する場合にも同様に適用可能である。勿論、ｐ層あるいはｎ層といった単層でも同様に適用可能である。

さらに、この第４の実施の形態で述べたように複数台のレーザー照射装置を用いて照射領域ごとに複数のパルスを連続的に照射するレーザー照射方法を、第１，第２，第３の実施の形態におけるレーザー照射に適用してもよい。

以上説明したように、レーザー照射によって不純物層を活性化するため、照射領域が重なっても不純物の濃度プロファイルが変化しないように照射エネルギー密度をイオン注入した不純物が活性化できる程度に大きくする、レーザー照射しない領域へのレーザービームを遮断するようにマスク形状を工夫する、あるいはオーバーラップ率に応じてマスク形状を最適化するようにする。これにより、不純物層を安定的にｎｓオーダーで活性化することができるとともに、レーザー照射すべき領域のみレーザー照射してレーザー照射しない領域を部分的に形成することができる。したがって、レーザー照射すべき領域とすべきでない領域を有するＩＧＢＴを良好なデバイス特性で形成することができる。

なお、ここではＩＧＢＴ形成過程での不純物層の活性化を例にして述べたが、上記方法は、その他その形成過程で不純物層の活性化が必要な各種半導体素子の形成に適用することができる。

ボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。ボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度１．２Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。レーザー照射時のレーザービームの重ね合わせを示す図であって、（Ａ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを０．５ｍｍとした場合、（Ｂ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを１ｍｍとした場合、（Ｃ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸の重ね合わせを１．５ｍｍにした場合、（Ｄ）はウエハ照射時のレーザービーム長軸を完全に重ね合わせた場合である。部分照射例である。標準形状マスクとレーザービーム形状の関係を示す図である。標準形状マスクを用いた照射例である。平行四辺形状マスクとレーザービーム形状の関係を示す図である。平行四辺形状マスクを用いた照射例である。マスクとレーザービーム形状の関係を示す図である。リンおよびボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。リンおよびボロンのイオン注入後に照射エネルギー密度１．２Ｊ／ｃｍ²でレーザー照射したときの濃度プロファイルである。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。レーザー照射領域を制限する場合の一例を説明する図である。レーザー照射領域を制限する場合の別の例を説明する図である。マスクを用いたレーザーアニールを説明する模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１ウエハ
２レーザー照射すべき領域
３レーザー照射すべきでない領域
４レーザー照射領域
５標準形状マスク
６レーザービーム
７平行四辺形状マスク
８マスク切り替えポイント
９マスク
１０境界

Claims

レーザー照射によって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、
前記不純物層を活性化することのできる大きさの照射エネルギー密度のレーザービームを照射領域の少なくとも一部が重なるように走査照射することによって、前記不純物層を活性化し、
前記レーザービームを走査照射する際には、複数のレーザー照射装置を用い、前記照射領域ごとに１台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射した後、その半値幅と同じ遅延時間で２台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射し、
前記複数のレーザー照射装置から前記照射領域ごとに照射される前記レーザービームの照射エネルギー密度の合計が前記照射領域を活性化させる照射エネルギー密度以上である、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
前記レーザービームを前記照射領域の少なくとも一部が重なるように照射する領域が、レーザー照射する領域とレーザー照射しない領域との境界付近における前記レーザー照射する領域であ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。
レーザー照射によって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、
レーザービームが通過する開口部を有するマスクを前記レーザービームの照射面から離して配置し、前記開口部を通過させて一定形状にした前記レーザービームを走査照射することによって、前記不純物層を活性化し、
前記レーザービームを走査照射する際には、複数のレーザー照射装置を用い、照射領域ごとに１台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射した後、その半値幅と同じ遅延時間で２台目のレーザー照射装置からレーザービームを１パルス照射し、
前記複数のレーザー照射装置から前記照射領域ごとに照射される前記レーザービームの照射エネルギー密度の合計が前記照射領域を活性化させる照射エネルギー密度以上である、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
前記マスクは、レーザー照射する領域とレーザー照射しない領域との境界付近を照射するときに、前記レーザー照射する領域への前記レーザービームを通過させ、前記レーザー照射しない領域への前記レーザービームを遮断することを特徴とする請求項３記載の半導体素子の製造方法。
前記レーザービームを走査照射する際には、あらかじめ前記開口部のサイズの異なる複数の前記マスクを用意しておき、前記レーザービームが照射される領域の重なりの程度に応じて前記サイズを選択し、選択された前記マスクを用いて一定形状にした前記レーザービームを照射することを特徴とする請求項３記載の半導体素子の製造方法。