JP4967205B2

JP4967205B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4967205B2
Application number: JP2001241953A
Authority: JP
Inventors: 治雄中澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP2003059856A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にウェハ裏面から注入した不純物イオンの活性化熱処理をおこなう半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェハ裏面から不純物イオンを注入し、活性化熱処理をおこなうことによって製造される半導体装置として、ノンパンチスルー型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＮＰＴ−ＩＧＢＴとする）またはフィールドストップ型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＦＳ−ＩＧＢＴとする）が知られている。ＮＰＴ−ＩＧＢＴは、ｎ^-ドリフト層を構成するＦＺウェハの表面にベース、エミッタおよびゲートの表面構造を形成した後、所望のウェハ厚までＦＺウェハの裏面を研磨（バックラップ）し、その研磨面からボロンを注入し、活性化熱処理をおこなってコレクタ層を形成し、コレクタ電極を形成するというプロセスによって製造される。
【０００３】
ＦＳ−ＩＧＢＴは、ＮＰＴ−ＩＧＢＴと同様にしてウェハ裏面の研磨までおこなった後、ＦＺウェハの研磨面からリンおよびボロンを順次注入し、活性化熱処理をおこなってｎ⁺フィールドストップ層およびコレクタ層を形成し、コレクタ電極を形成するというプロセスによって製造される。いずれの場合も、活性化熱処理としておこなわれるのは、たとえば４２０℃で１時間の電気炉アニールか、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで半値幅が１００ｎｓよりも短いパルスレーザーによるレーザーアニールか、それらの組み合わせである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の低温での電気炉アニールや、短い半値幅のレーザー照射によるアニールでは、ウェハ裏面から、たとえばＦＳ−ＩＧＢＴの場合にはｎ⁺フィールドストップ層までの深い領域まで十分に不純物イオンを活性化させることができないという問題点がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためなされたものであって、ウェハ表面側の構造に影響を及ぼすことなく、ウェハ裏面から深い領域まで十分に不純物イオンを活性化させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板の一方の主面側に選択的に形成された第２導電型のベース領域と、ベース領域に選択的に形成された第１導電型のエミッタ領域と、半導体基板の、エミッタ領域とベース領域とに挟まれた領域の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、半導体基板の他方の主面に形成された第２導電型のコレクタ層と、コレクタ層と半導体基板との間に形成された、半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のフィールドストップ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一方の主面に、半導体装置の表面側構造であるベース領域、エミッタ領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、半導体基板の他方の主面に第１導電型および第２導電型の不純物イオンを注入した後、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザーを用いたレーザーアニール、またはそのレーザーアニールと低温での電気炉アニールを組み合わせて注入イオンの活性化熱処理をおこない、半導体基板の他方の主面に第１導電型のフィールドストップ層と第２導電型のコレクタ層とを形成する。パルスレーザーとして、たとえばＹＡＧレーザーの第３高調波を用いる。
【０００７】
この発明によれば、レーザーアニールで用いるレーザー光の半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓであり、従来（＜１００ｎｓ）よりも長いため、従来よりもウェハの深いところまでアニール効果が及ぶ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明方法を適用して製造される半導体装置の一例であるＦＳ−ＩＧＢＴの断面構造を示す図である。図１に示すように、このＦＳ−ＩＧＢＴは、ｎ^-ドリフト層１の表面にｐ⁺ベース領域２、ｎ⁺エミッタ領域３、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６およびエミッタ電極７が形成されている。
【０００９】
ｎ^-ドリフト層１の裏面には、ｎ⁺フィールドストップ層８、ｐ⁺コレクタ層９およびコレクタ電極１０が形成されている。ＦＳ−ＩＧＢＴはＦＺウェハを用いて作製されており、全体の厚さは１５０μｍ〜２００μｍ程度である。ＦＺウェハの部分はｎ^-ドリフト層１を構成する。たとえば６００Ｖ耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴでは、ｎ^-ドリフト層１の厚さは１００μｍ程度である。ｐ⁺コレクタ層９は、高ドーズ量の浅いｐ⁺拡散層よりなっている。
【００１０】
つぎに、図２〜図５を参照しながら、図１に示す構成のＦＳ−ＩＧＢＴの製造プロセスについて説明する。まず、ｎ型のＦＺウェハ１１の表面上に、たとえば二酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜４とたとえば多結晶シリコンよりなるゲート電極５を形成する。そして、その表面にたとえばＢＰＳＧよりなる層間絶縁膜６を形成する。
【００１１】
つづいて、ＦＺウェハ１１の表面側にｐ⁺ベース領域２を形成し、このｐ⁺ベース領域２内にｎ⁺エミッタ領域３を形成する。このｎ⁺エミッタ領域３に接触するようにたとえばアルミ・シリコン膜よりなるエミッタ電極７を形成する。その後、エミッタ電極７の安定した接合性と低抵抗配線を実現するため、４００〜４５０℃程度の低温熱処理をおこなう。そして、図示省略したたとえばポリイミド膜よりなる絶縁保護膜で被覆する。ここまでで、ウェハ表面側のプロセスが完了する（図２参照）。
【００１２】
ついで、ＦＺウェハ１１の裏面を研磨し（バックラップ）、所望の厚さのｎ^-ドリフト層１とする（図３参照）。そして、その研磨面よりリンおよびボロンを順次イオン注入し、フィールドストップ層となるイオン注入領域１８およびコレクタ層となるイオン注入領域１９を設ける（図４参照）。その後、活性化熱処理をおこない、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する（図５参照）。活性化熱処理としては、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザー、たとえばＹＡＧレーザーの第３高調波を用いたパルスレーザーによるレーザーアニールをおこなう。
【００１３】
また、このレーザーアニールと低温での電気炉アニール（たとえば４２０℃で１時間）とを組み合わせてもよい。その後、ｐ⁺コレクタ層９の側面に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層および金層の４層からなるコレクタ電極１０を形成し、図１に示す構成となる。そして、エミッタ電極７の表面には、アルミワイヤ電極が超音波ワイヤボンディング装置により固着される。コレクタ電極１０は、はんだを介して固定部材に接続される。
【００１４】
つぎに、本発明者らが実際に図１に示す構成のＦＳ−ＩＧＢＴを作製しておこなった検証内容について説明する。以下の実施例１〜２、従来例１〜３および参考例を用意した。
【００１５】
（実施例１）
実施例１は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、パルスレーザーによるレーザーアニールのみをおこなったものである。その際、波長が３５５ｎｍで半値幅が１００ｎｓのＹＡＧの第３高調波（ＹＡＧ３ω）を用い、周波数を５００Ｈｚとし、一回の照射エリアを約１ｍｍ角として５０％のオーバーラップで照射した。また、活性化熱処理前のイオン注入条件は、リンについてはドーズ量が１×１０¹³ｃｍ^-2で、加速電圧が２４０ｋｅＶで、傾斜角は０度であった。ボロンについてはドーズ量が１×１０¹⁵ｃｍ^-2で、加速電圧が４５ｋｅＶで、傾斜角は０度であった。
【００１６】
（実施例２）
実施例２は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニールをおこなった後に、パルスレーザーによるレーザーアニールをおこなったものである。レーザーアニールの照射条件、およびリンとボロンのイオン注入条件は上記実施例１と同じである。
【００１７】
（従来例１）
従来例１は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニールのみをおこなったものである。リンとボロンのイオン注入条件は上記実施例１と同じである。
【００１８】
（従来例２）
従来例２は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、半値幅の短いエキシマレーザーを用いたパルスレーザーによるレーザーアニールのみをおこなったものである。その際、波長が３０８ｎｍで半値幅が４９ｎｓのＸｅＣｌレーザーを用い、周波数を１００Ｈｚとし、一回の照射エリアを約１ｍｍ角として９０％のオーバーラップで照射した。リンとボロンのイオン注入条件は上記実施例１と同じである。
【００１９】
（従来例３）
従来例３は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、４２０℃で１時間の電気炉アニールをおこなった後に、半値幅の短いエキシマレーザーを用いたパルスレーザーによるレーザーアニールをおこなったものである。レーザーアニールの照射条件は上記従来例２と同じであり、リンとボロンのイオン注入条件は上記実施例１と同じである。
【００２０】
（参考例）
参考例は、ｎ⁺フィールドストップ層８およびｐ⁺コレクタ層９を形成する際の活性化熱処理として、９００℃で３０分間の電気炉アニールのみをおこなったものである。リンとボロンのイオン注入条件は上記実施例１と同じである。
【００２１】
図６は、上記実施例１〜２、従来例１〜３および参考例について、広がり抵抗法（ＳＲ）により測定したウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。ただし、いずれも４層構造のコレクタ電極１０を除いて測定した結果である。図６から明らかなように、実施例１では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は２．５×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は３×１０¹⁶ｃｍ^-3である。実施例２では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は３×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は１．５×１０¹⁶ｃｍ^-3である。
【００２２】
それに対して、従来例１では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は３．５×１０¹⁵ｃｍ^-3である。従来例２では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は８×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８はまったく活性化されていない。従来例３では、ｐ⁺コレクタ層９のピーク濃度は１．３×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ｎ⁺フィールドストップ層８の濃度は４×１０¹⁵ｃｍ^-3である。
【００２３】
以上の結果より、実施例１および実施例２は、ｐ⁺コレクタ層９およびｎ⁺フィールドストップ層８の両ピーク濃度とも、高温電気炉アニールをおこなった参考例と同レベルであり、ｐ⁺コレクタ層９およびｎ⁺フィールドストップ層８の両層とも活性化が促進されたことがわかる。また、ｐ⁺コレクタ層９の拡散深さについては、実施例１のほうが実施例２よりも深くなっている。また、実施例２のｐ⁺コレクタ層９の拡散深さは従来例３と同程度である。従来例２および３においては、半値幅の短いパルスレーザー照射によるアニールの効果はｎ⁺フィールドストップ層８までほとんど及んでいないことがわかる。
【００２４】
つぎに、本発明者らは、実施例１に対して、パルスレーザーの半値幅のみを変化させて半値幅の影響を調べた。実施例１の半値幅が１００ｎｓであるのに対して、半値幅を２５０ｎｓと５００ｎｓにした。図７は、それらの試料について広がり抵抗法（ＳＲ）により測定したウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。図７より、パルスレーザーの半値幅を増加させることによって、上述した参考例のように高濃度を維持したまま拡散深さを増加させることができることがわかる。つまり、半値幅を長くするほど、ｎ⁺フィールドストップ層８の深さ方向の活性化を図ることができる。したがって、電気炉アニールをおこなわずにｎ⁺フィールドストップ層８を活性化させることができるので、ウェハ表面側の構造に熱的影響や熱応力の影響をできるだけ与えずに、所望の特性を有するデバイスを作製することができる。
【００２５】
また、本発明者らは、実施例２に対しても同様にパルスレーザーの半値幅のみを２５０ｎｓと５００ｎｓに変化させて半値幅の影響を調べた。図８は、それらの試料について広がり抵抗法（ＳＲ）により測定したウェハ裏面側の濃度分布を示す図である。図８より、実施例１に対する半値幅の影響（図７参照）と同様の結果が得られたことがわかる。
【００２６】
ところで、本発明方法は上述したＦＳ−ＩＧＢＴに限らず、ＮＰＴ−ＩＧＢＴの製造にも適用できる。図９は、本発明方法を適用して製造される半導体装置の他の例であるＮＰＴ−ＩＧＢＴの断面構造を示す図である。図９に示すように、このＮＰＴ−ＩＧＢＴは、ＦＺウェハよりなるｎ^-ドリフト層２１の表面にｐ⁺ベース領域２２、ｎ⁺エミッタ領域２３、ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５、層間絶縁膜２６およびエミッタ電極２７が形成され、ｎ^-ドリフト層２１の裏面にｐ⁺コレクタ層２９およびコレクタ電極３０が形成されている。ｐ⁺コレクタ層２９を形成するためにＦＺウェハの裏面にボロンをイオン注入した後の活性化熱処理の際に、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザー、たとえばＹＡＧレーザーの第３高調波を用いたパルスレーザーによるレーザーアニールをおこなうか、またはそれにたとえば４２０℃で１時間の電気炉アニールを組み合わせておこなう。
【００２７】
上述した実施の形態によれば、レーザーアニールで用いるレーザー光の半値幅が従来よりも長いため、従来よりもウェハの深いところまでアニール効果が及び、より深くまでイオン注入層の活性化が促進される。したがって、高温での電気炉アニールをおこなわずに済むので、ウェハ表面側の構造に影響を与えることなく、安定した低オン電圧動作を実現するデバイス特性の良好な半導体装置が得られる。
【００２８】
以上において本発明は種々変更可能である。たとえば、レーザーアニールをおこなった後に電気炉アニールをおこなう構成としてもよいし、パルスレーザーの半値幅は１００ｎｓ〜５００ｎｓの範囲であれば、１００ｎｓ、２５０ｎｓまたは５００ｎｓ以外でもよい。また、上述した説明においてｐ型とｎ型を逆にしてもよい。さらには、プレナー型のＩＧＢＴに限らず、ウェハ表面に狭く深い溝を形成し、その溝の側面にＭＯＳＦＥＴを形成したトレンチ型のＩＧＢＴにも本発明を適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザーアニールで用いるレーザー光の半値幅が従来よりも長いため、従来よりもウェハの深いところまでアニール効果が及び、より深くまでイオン注入層の活性化が促進される。この方法は、電気炉アニールを必要としないため薄型デバイスの作製に有効である。また、このレーザーアニールと低温での電気炉アニールを組み合わせることによって、より一層活性化が促進される。したがって、本発明は、ウェハ表面側の構造に影響を与えることなく、安定した低オン電圧動作を実現するデバイス特性の良好な半導体装置が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置の製造方法を適用して製造される半導体装置の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。
【図４】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。
【図５】図１に示す半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。
【図６】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。
【図７】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。
【図８】本発明者らが検証をおこなった結果を示すウェハ裏面側の濃度の分布を示す濃度分布図である。
【図９】本発明にかかる半導体装置の製造方法を適用して製造される半導体装置の他の構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，２１ｎ^-ドリフト層
２，２２ｐ⁺ベース領域
３，２３ｎ⁺エミッタ領域
４，２４ゲート絶縁膜
５，２５ゲート電極
６，２６層間絶縁膜
７，２７エミッタ電極
８ｎ⁺フィールドストップ層
９，２９ｐ⁺コレクタ層
１０，３０コレクタ電極
１１ＦＺウェハ

Claims

第１導電型の半導体基板の一方の主面側に選択的に形成された第２導電型のベース領域と、前記ベース領域に選択的に形成された第１導電型のエミッタ領域と、前記半導体基板の、前記エミッタ領域と前記ベース領域とに挟まれた領域の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記半導体基板の他方の主面に形成された第２導電型のコレクタ層と、前記コレクタ層と前記半導体基板との間に形成された、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のフィールドストップ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の一方の主面に、前記半導体装置の表面側構造である前記ベース領域、前記エミッタ領域、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を形成する形成工程と、
前記形成工程後、前記半導体基板の他方の主面に第１導電型および第２導電型の不純物イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程後、前記半導体基板の他方の主面に、波長が２４０ｎｍ〜１０７０ｎｍで、かつ半値幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓのパルスレーザーを照射し、第１導電型の前記フィールドストップ層と第２導電型の前記コレクタ層とを形成する活性化熱処理工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記パルスレーザーはＹＡＧレーザーの第３高調波であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記イオン注入工程後であって、前記レーザー照射前に、低温での電気炉アニールをおこなう工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。