JP5556431B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
IGBTの構造には、パンチスルー(PT)型、ノンパンチスルー(NPT)型、そしてフィールドストップ(FS)型等がある。そして、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となっている。ここでもnチャネル型IGBTで説明する。
(1)FZ−N基板51の表面側にゲート酸化膜54(ここでは、SiO2)と多結晶シリコン(ここでは、poly−Si)からなるゲート電極5を堆積、加工、その表面に層間絶縁膜6(ここでは、BPSG)を堆積し、加工し、絶縁ゲート構造が作られる。
(2)FZ−N基板51にpベース層52(p+)を形成、その後にこのpベース層52内にn型エミッタ層53を形成する。
(3)n型エミッタ層53に接するようにアルミ・シリコン膜からなる表面電極57(エミッタ電極)を形成する。アルミ・シリコン膜は、安定した接合性、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。さらに、図示しないが、表面を覆うようにポリイミド膜からなる絶縁保護膜を形成する(図16)。
[ここまで、表面側のプロセスが完了]
(4)裏面58側より、所望の厚さまでFZ−N基板51をバックグラインドやエッチング等の研削を用いて薄ウェハ化する(図17)。
(5)次に、n層(フィールドストップ(FS)層61)を形成するため、および高濃度p型コレクタ層62(p+層)を形成するために、裏面58よりイオン注入を行いイオン注入層59,60をそれぞれ形成する。本例では、n層となるイオン注入層59はリン、p層となるイオン注入層60はボロンを注入した。また、裏面58に裏面電極63(コレクタ電極)とのオーミックを取るためにボロンのイオン注入後に表面コンタクト層としてBF2(p層)を注入して高濃度にする場合もある(図18)。
(6)図示しない電気炉により熱処理(アニール)を行う。熱処理温度は、350℃〜500℃の低温である(図19)。
(7)その後、高濃度のp型コレクタ層62(p+層)上に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層、金層などの金属膜の組合せで裏面電極63を形成する(図20)。
(8)図示しないが、チップ状にダイシングした後、表面電極57の表面には、アルミワイヤが超音波ワイヤーボンディング装置により固着され、もう一方の裏面電極63は、はんだ層を介して固定部材に接続されてFS型IGBTが完成する。
特許文献1では、n層の活性化のために、YAG3ω、YAG2ωレーザーを使用することが記載されている。
また、特許文献3では、パルスレーザーを照射する2台のレーザー照射装置を用いて幅広パルスを形成して、不純物層を活性化させることが記載されている。
また、特許文献5では、異なる波長のレーザーパルスを出射する第1および第2光源と、入射領域が少なくとも一部において重なるように加工対象物に入射させる光学系とを有するレーザー照射装置が記載されている。
1)FS型IGBTのFS層61(n層)まで確実に活性化させようとした場合に、電気炉による低温(350℃〜500℃)の熱処理では高活性化を図ることができない。
2)前記のような方法でパルス幅を長くしたり、繰り返し周波数を高くしても、レーザー光の照射が途絶える期間があると、その期間で発熱部の温度が低下することになる。そうすると、図21に示すように、表面から2μm程度と深いFS層61(n層)への熱の伝わりが不十分となり、濃度プロファイルの安定化、およびFS層の欠陥回復が不十分となり活性化も十分図れなくなる。
3)裏面8側からだけからレーザー照射をしようとすると表面側のデバイス形成面の温度が上昇してしまい表面電極57が溶けてしまう等、表面側への影響が生じてくる。
4)通常のCW(連続波)レーザーでは、通常のパルスレーザーよりも出力が極めて小さく活性化が不十分になる。一方、短パルスのレーザーでは、高エネルギー密度の出力は得られるが、図21に示すように、裏面58より深いイオン注入層59(FS層61になる層)の活性化が不十分になり、また結晶欠陥が十分には回復しないという問題が発生する。
5)また、高エネルギー密度のレーザー照射すると、表面のプロフィルがボックスプロファイルになり拡散層(p型コレクタ層62およびFS層61)の深さにばらつきが生じる。
6)また、前記の特許文献2,5,6では、2つのレーザー光パルスを幅広のパルスにし、その幅広パルスを照射してアニールすることが記載されているが、複数のレーザー光パルスを用いて、CWレーザーに類似の直流波形を形成し、そのレーザー光を照射してイオン注入層をアニールする半導体装置の製造方法については記載されていない。
また、特許請求の範囲の請求項4に記載の発明によれば、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、前記のレーザー照射時に、前記第1主面を静電チャックで吸着、
もしくは冷却をするとよい。
また、本発明のレーザーアニール方法を用いることで、ウェハを割らずに良好な電気的特性を有する半導体装置を製造することができる。
(1)FZ−N基板1の表面側にゲート酸化膜4(ここでは、SiO2)と多結晶シリコン(ここでは、poly−Si)からなるゲート電極5を堆積、加工、その表面に層間絶縁膜6(ここでは、BPSG)を堆積し、加工し、絶縁ゲート構造が作られる。
(2)FZ−N基板1にpベース層2(p+)を形成、その後にこのpベース層2内にn型エミッタ層3を形成する。
(3)n型エミッタ層3に接するようにアルミ・シリコン膜からなる表面電極7(エミッタ電極)を形成する。アルミ・シリコン膜は、安定した接合性、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。さらに、図示しないが、表面を覆うようにポリイミド膜からなる絶縁保護膜を形成する(図1)。
[ここまで、表面側のプロセスが完了]
(4)裏面8側より、所望の厚さまでFZ−N基板1をバックグラインドやエッチング等の研削を用いて薄ウェハ化する(図2)。
(5)次に、FS層11(n層)を形成するため、および高濃度p型コレクタ層12(p+層)を形成するために、裏面8よりイオン注入を行いイオン注入層9,10をそれぞれ形成する。本実施例では、n層はリン、p層はボロンを注入した。また、裏面8に裏面電極13とのオーミックを取るためにボロンの後に表面コンタクト層としてBF2(p層)を注入する場合もある(図3)。
(6)基板1を静電チャック28で吸着した状態(図8)あるいは裏板29(バッキングプレート)を挟んで水冷フィン30で冷却した状態(図9)(水冷でなくてもHeガスによる冷却等でもよい)で、レーザー光14を裏面8に照射しレーザーアニールにより熱処理(アニール)を行う。このレーザーアニールする際には図7に示すように裏面8を上にする。また、このレーザーアニールの方法については図6で説明する(図4)。
(7)その後、高濃度のp型コレクタ層12(p+層)側面に、アルミニウム層、チタン層、ニッケル層、金層などの金属膜の組合せで裏面電極13を形成する(図5)。
(8)図示しないが、チップ状にダイシングした後、表面電極7の表面には、アルミワイヤが超音波ワイヤーボンディング装置により固着され、もう一方の裏面電極13は、はんだ層を介して固定部材に接続されてFS型IGBTが完成する。
図6は、レーザー光パルスのタイムチャート図である。図中の1stパルス〜5thパルスは第1のレーザー光パルス21a〜第5のレーザー光パルス25aを示す。5台のレーザー照射装置21〜25を用いてレーザーアニールを行う。各レーザー照射装置21〜25から出射するレーザー光パルス21a〜25aの繰り返し周波数はそれぞれ10kHz(繰り返し間隔は100μs)であり、パルス幅は20μsである。1台目のレーザー照射装置21から出射する第1のレーザ光パルス21aの終端で2台目のレーザー照射装置22から第2のレーザー光パルス22aを出射する。第2のレーザー光パルス22aの終端で3台目のレーザー照射装置23から第3のレーザー光パルス23aを出射する。これを繰り返し、5台目のレーザー照射装置25からの第5のレーザー光パルス25aの終端で、前に戻って1台目のレーザー照射装置21から第1のレーザー光パルス21aを出射する。この動作を繰り返すことで、直流のレーザー光14が得られる。つまり、レーザー光パルス21a〜25aを5個繋げると、20μs×5=100μsとなり、繰り返し間隔になり直流のレーザー光14となる。このレーザー光パルス21a〜25aのエネルギー密度は0.8J/cm2である。5台のレーザー照射装置21〜25のそれぞれの出射時点は図示しない制御装置によってコントロールされる。
また、ウェハ(基板1)の表面側は、図8に示すように静電チェック28でウェハを確実に吸着してレーザー照射を行うことで、表面側(表面電極7)には熱の影響が及ばないようになり、IGBTの表面側のアルミ電極(表面電極7)が溶融することを防止できる。また、図9に示すようにガイドでしっかりとウェハ(基板1)を吸着して水冷しながら照射しても同様の効果がある。
前記の繰り返し周波数で決まる期間(10kHzの場合は100μsの整数倍)だけレーザー光パルスを出射し、その後、所定の休止期間(例えば、0.1秒から数秒など任意の期間)レーザー光パルスの出射を停止し、その後、また、レーザー光パルスの出射を再開するという動作を繰り返してもよい。レーザー光パルスの出射期間が不足する場合には前記の繰り返し周波数で決まる期間を追加するとよい。また停止期間は前記の繰り返し周波数で決まる期間である必要は必ずしもない。また、レーザー光パルスの照射期間は、イオン注入層が十分に活性化するために必要な時間とし、休止期間はレーザー光のスポットが隣接するチップへ移動するのに必要な時間を考慮して決める。
ここでは、デバイスとしては、裏面からの深い位置にFS層を有するFS型IGBTで説明したが、当然、NPT型IGBT、逆阻止IGBT、FWD(Free Wheeling Diode)の裏面n層へ適用しても問題ないことが確認されている。
2 p型ベース層
3 n型エミッタ層
4 ゲート酸化膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 表面電極(エミッタ電極)
8 裏面
9 イオン注入層(FS層11となる)
10 イオン注入層(p型コレクタ層となる)
11 FS層
12 p型エミッタ層
13 裏面電極(コレクタ電極)
14 レーザー光
21〜25 レーザー照射装置
21a〜25a レーザー光パルス
26 光学系ミラー
28 静電チャック
29 裏板
30 水冷フィン
Claims (6)
- 半導体基板の第1主面に半導体素子の表面構造を形成し、前記半導体基板の裏側の第2主面を研削加工し、前記半導体基板の厚さを所定厚さに加工する工程と、
所定厚さの前記半導体基板の第2主面にイオン注入層を形成する工程と、
前記イオン注入層をレーザーアニールで活性化する工程と、
を有する半導体装置の製造方法において、
前記イオン注入層の活性化を所定の繰り返し周波数で所定のパルス幅のレーザー光が出射される複数のレーザー照射装置を用いて行い、1台目のレーザー照射装置から出射される第1のレーザー光パルスの終端で、2台目のレーザー照射装置から第2のレーザー光パルスが出射され、該第2のレーザー光パルスの終端で、3台目のレーザー照射装置から第3のレーザー光パルスが出射され、これをn回繰り返した後、n台目のレーザー照射装置から出射される第nのレーザー光パルスの終端で、前記1台目のレーザー照射装置から再度第1のレーザー光パルスが出射されることを繰り返すことでCWレーザー光に類似の波形のレーザー光を形成し、該レーザー光を前記イオン注入層に照射して該イオン注入層を活性化する際に、前記所定の繰り返し周波数が2kHz〜500kHzであり、前記の所定のパルス幅が1μs〜50μsであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記レーザー光パルスの1パルス当たりのエネルギー密度が、0.1J/cm 2 〜5J/cm 2 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。
- 前記のレーザー照射時に、前記半導体基板を冷却することを特徴とする請求項1〜2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記のレーザー照射時に、前記第1主面を静電チャックで吸着、もしくは冷却をすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記イオン注入層がp型不純物層が導入されたp型不純物層とn型不純物層が導入されたn型不純物層とが連続して形成されたpn連続層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記の繰り返し周波数で決まる第1の期間のn(n≧1の整数)倍の期間は前記の複数のレーザー光パルスが前記イオン注入層に順次照射され、該第1の期間が経過した後、所定の第2の期間は前記の複数のレーザー光パルスの照射が停止し、該第2の期間が経過した後、前記の複数のレーザー光パルスの順次照射が前記第1の期間のn倍の期間で行われるという動作が順次繰り返され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。
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