JP5660880B2

JP5660880B2 - レーザアニール方法

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Publication number: JP5660880B2
Application number: JP2010283234A
Authority: JP
Inventors: 若林　直木; 直木若林
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP2012134228A

Description

本発明は、たとえば半導体基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール方法に関する。

エキシマレーザや、固体レーザの第２高調波等を用いたパルスレーザアニーリングが行われている。これらの高出力パルスレーザにおいては、出射されるレーザパルスのパルス幅が高々数百ｎｓと短い。この長さのパルス幅で半導体基板（シリコン基板）の表面から１μｍを超える深い領域に添加された不純物を活性化させるのは困難である。また、エキシマレーザや固体レーザの第２高調波は、波長が紫外光領域または可視光領域でも５３０ｎｍ程度と短い。このためシリコン基板に対する侵入長も１μｍ以下であり、深い領域に添加された不純物の活性化を行うには波長面でも不利である。

深い領域に添加された不純物の活性化を実現する活性化アニール方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。特許文献１記載の発明においては、シリコン基板に対する侵入長が長い波長の光を用いることと、連続波のレーザビームの実効的なパルス幅（ビーム幅を走査速度で除した値）を１０μｓ以上に設定することで、深い領域の活性化を実現している。また、特許文献２記載の発明においては、固体レーザの第２高調波とともに、波長の長い連続波の半導体レーザを用い、深い領域の活性化を実現している。

通常、レーザ光源から出力されるレーザビームの断面プロファイルはガウシアン型であり、ビームの断面形状は円形である。このため光源から出射されるレーザビームを単に集光してシリコン基板に照射した場合、レーザビームの中心が最も光強度が強く、パルス幅も長い。したがってシリコン基板上でレーザビームを走査して行う活性化アニールにおいては、ビーム中心が入射する位置が最も強く熱せられ、ビーム中心から、レーザビームの走査方向と直交する方向（送り方向）に遠ざかるに従い、入熱が減少する。ガウシアン型のプロファイルを有するレーザビームでアニールを行うと、ビーム強度と実効的なパルス幅の不均一性に伴い送り方向に照射ムラが生じることから、アニール後のシリコン基板のシート抵抗面内均一性や不純物の活性化深さの均一性に悪影響を及ぼすと考えられる。

特開２００６−３５１６５９号公報特開２００９−３０２２１４号公報

本発明の目的は、高品質のレーザアニールが可能なレーザアニール方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
半導体基板の表側の表面に、ＩＧＢＴのエミッタ及びゲートを含む構造を形成する工程と、
前記半導体基板の裏側の表面に、不純物を注入する工程と、
（ａ）前記不純物の活性化深さの目標値を決定する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で決定された活性化深さの目標値に基づいて重複率を決定する工程であって、前記目標値が、前記半導体基板の裏側の表面から、
（ｉ）０μｍ以上２μｍ未満であるときには、重複率を１０％以上とし、
（ｉｉ）２μｍ以上３μｍ未満であるときには、重複率を２０％以上とし、
（ｉｉｉ）３μｍ以上４μｍ未満であるときには、重複率を３０％以上とし、
（ｉｖ）４μｍ以上５μｍ未満であるときには、重複率を４０％以上とする工程と、
（ｃ）ビームプロファイルにトップフラット部を有し、波長が７５０ｎｍ〜８５０ｎｍ
、パルス幅が１μｓ〜５０μｓのパルスレーザビームを、前記工程（ｂ）で決定された重複率で、前記半導体基板の表面に照射して、前記不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記工程（ｂ）における重複率は、前記トップフラット部の重複率であるレーザアニール方法が提供される。

本発明によれば、高品質のレーザアニールが可能なレーザアニール方法を提供することができる。

パルス幅が１％変動したときの、アニール対象物（シリコン基板）の温度変化を示すシミュレーション結果を示すグラフである。実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。（Ａ）は、シリコン基板４０に入射するパルスレーザビーム３０を示す写真であり、（Ｂ）は、パルスレーザビーム３０のビームプロファイルを示すグラフである。第１のレーザアニールの結果を示すグラフである。第２のレーザアニールの結果を示すグラフである。第３のレーザアニールを実施した後のシリコン基板４０を示す写真である。第４及び第５のレーザアニールの結果を示すグラフである。厚さ１００μｍのシリコン基板４０のレーザ非照射面（レーザ照射面と反対側の面）に、１００℃で変色する示温インクを塗布した後に、第４、第５のレーザアニールを行ったときの、示温インクの変色の様子を表す写真である。実施例によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。

「背景技術」で述べたように、断面が円形状であり、断面プロファイルがガウシアン型であるレーザビームを用いた場合、高品質のレーザアニールは困難であると考えられる。アニール後のシリコン基板のシート抵抗面内均一性や不純物の活性化深さの面内均一性を高めるためには、レーザビームを矩形状またはライン状に整形し、かつ光強度（ビーム断面プロファイル）を長軸方向に均一（トップフラット）化することが望ましいであろう。

前述のように、連続波のレーザビームの実効的なパルス幅は、ビーム幅を走査速度で除した値となることから、矩形状またはライン状に整形された連続波のレーザビームを短軸方向（走査方向）に走査することで、レーザビームの入射領域内で長軸方向（送り方向）のパルス幅は概ね一定となる。ただし、フライアイレンズやアレイレンズを用いたビーム整形方法では、矩形状またはライン状のレーザビームのエッジに凹凸が生じ、レーザビームを完全な矩形状またはライン状に整形することは難しい。エッジに凹凸が生じると、レーザビームの長軸方向エッジのがたつき（短軸方向のビーム幅の不均一性）の分だけ、実効的なパルス幅もレーザビームの長軸方向の位置によりばらつく（不均一となる）ことになる。一般的に、このエッジのがたつきを１％以下に抑えるのは困難である。

図１は、パルス幅が１％変動したときの、アニール対象物（シリコン基板）の温度変化を示すシミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、レーザビーム照射後の経過時間を単位「μｓ」で示し、縦軸はシリコン基板表面の温度を単位「Ｋ」で示す。曲線ａは、レーザビームをパルス幅１４．１１μｓで照射したときの両者の関係を表し、曲線ｂは、レーザビームをパルス幅１４．２５μｓで照射したときの両者の関係を表す。
１４．１１μｓのパルス幅は、たとえばレーザビームをパワー密度４００ｋＷ／ｃｍ^２でシリコン基板に照射して、表面温度を、シリコンの融点近傍の１４００℃（１６７３Ｋ）まで上昇させるのに必要なパルス幅である。１４．２５μｓのパルス幅は、１４．１１μｓのパルス幅より、パルス幅が約１％大きいパルス幅である。なお、本図に示す結果は、シリコン基板からの熱の放出をゼロとする条件（断熱条件）で求めた。

図１のグラフを参照すると、パルス幅が１％増えることで、シリコン基板表面の最高到達温度が１１Ｋ上昇し、この分だけ温度の降下に時間がかかることがわかる。したがって、たとえば長軸方向エッジに凹凸のある連続波のレーザビームを用いてアニールを行った場合、レーザビームの長軸方向の位置により熱履歴に差が生じ、シリコン基板上にはレーザビームの短軸方向（走査方向）に沿って、筋状に熱履歴の異なる領域が存在することになる。

以下の実施例においては、均一なレーザアニールのために、連続波のレーザビームを走査する従来の方法ではなく、連続波のレーザをパルス発振させてアニールを行う。光源に半導体レーザ(laser diode; LD)を用い、半導体レーザのドライバをパルス動作させることにより、半導体レーザから出射されるパルスレーザビームのパルス幅を、ドライバの出力パルス幅で制御する。こうすることで、半導体レーザから出射されるレーザビームのパルス幅は、ビーム幅に依存しない均一な値となり、ビーム入射領域のエッジのがたつきに起因するパルス幅のばらつきをなくすことができ、レーザアニール後のシリコン基板の面内均一性（シート抵抗の面内均一性及び不純物の活性化深さの面内均一性）を向上させることが可能となる。

パルス発振させることで、シリコン基板上におけるレーザビームの走査速度を遅くすることもできる。たとえば特許文献１及び２に記載の例においては、レーザビームの走査速度は、いずれも５ｍ／ｓと高速である。このような高速なビーム走査を行うためには、装置の大型化や特殊なビーム走査方法が必要となることがある。特殊なビーム走査方法でビームを走査する場合、速度安定性が悪化する可能性があり、パルス幅を高い精度で安定化させることが難しくなる恐れがある。

光源をパルス発振させることで、連続波のレーザビームを用いる場合のように、パルス幅は、走査速度やビーム幅に依存しなくなるため、走査速度やビーム幅の自由度が格段に増し、特に高速走査の必要がなくなることから、パルス幅の不均一性を抑止し、パルス幅の安定性を高めることができるとともに、装置の大型化や、特殊なビーム走査方法の採用に伴うデメリットを回避することができる。

半導体レーザをパルス発振させて行うレーザアニールにおいては、レーザビームの光強度プロファイルが重要である。連続発振するレーザを光源に用いる場合には、常にレーザビームが出力されているため、走査方向のビームプロファイルはガウシアン型でも問題ないが、パルス発振するレーザ光源を用いる場合、レーザビームは間欠的に照射されるため、高品質のレーザアニールの実現には、走査方向のビームプロファイルはトップフラットであることが望ましい。

図２は、実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。半導体レーザ１１は、パルス電源（ドライバ）１０からパルス状の電力の供給を受け、たとえば波長８０８ｎｍのパルスレーザビーム３０を出射する。パルスレーザビーム３０は、１／２波長板１２を通過した後、短軸用ビーム整形器１３及び長軸用ビーム整形器１４に入射し、加工面上におけるビーム形状の整形及び光強度の均一化が行われる。短軸用ビーム整形器１３及び長軸用ビーム整形器１４は、それぞれたとえばレンズアレイ対やフライアイレンズで構成される。短軸用ビーム整形器１３及び長軸用ビーム整形器１４の双方を兼ねる、中空の導波路や、コアが矩形状である光ファイバを用いることもできる。中空の導波路は、たとえばカレイドスコープ照明によるビーム均質化を応用した導波路である。

ビーム整形器１３、１４を出射したパルスレーザビーム３０は、偏光ビームスプリッタ１５及び１／４波長板１６を透過した後、集光レンズ１７で集光され、たとえばＸＹステージであるステージ２０に保持されたアニール対象物であるシリコン基板４０に入射する。シリコン基板４０は、不純物が添加された半導体基板である。シリコン基板４０に入射するパルスレーザビーム３０は、長軸方向及び短軸方向の双方にトップフラットなビームプロファイルを有する、矩形状、好ましくは一方向に長いライン状の入射領域を形成して、シリコン基板４０上に入射する。入射領域の長軸方向に沿う長さは、たとえば２．５ｍｍであり、短軸方向に沿う長さは、たとえば０．２５ｍｍである。

シリコン基板４０で反射され、シリコン基板４０に入射するパルスレーザビーム３０とは逆の経路を進行する戻り光は、偏光ビームスプリッタ１５で反射される。これにより、戻り光による、たとえば半導体レーザ１１に対する悪影響を排除することができる。

ステージ２０はシリコン基板４０を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に保持する。シリコン基板４０は、パルスレーザビーム３０の照射を受けながら、ステージ２０によりＹ軸方向に移動される。パルスレーザビーム３０は、たとえばＹ軸方向（短軸方向）に、要求される活性化深さの均一性に応じた重複率で、シリコン基板４０上を走査する。

シリコン基板４０上におけるパルスレーザビーム３０の走査速度は、たとえば１ｍ／ｓ以下、一例として０．５ｍ／ｓ以下である。特に、走査速度が０．５ｍ／ｓ以下の場合、加減速領域、一定速度領域を含めたステージ２０のストロークが１ｍ程度ですむため、装置の大型化を防ぐことが可能である。

シリコン基板４０表面における矩形状ビーム断面の短軸方向（走査方向、Ｙ軸方向）にシリコン基板４０を移動させることにより、ビーム断面の長軸方向の長さを幅とする帯状の領域をアニールすることができる。シリコン基板４０を、ビーム断面の長軸方向（送り方向、Ｘ軸方向）にずらして帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、シリコン基板４０の全面をアニールすることができる。

ステージ２０によるシリコン基板４０の移動、及び、パルス電源１０からの電力供給によるパルスレーザビーム３０の出射は、制御装置１８により制御される。なお、パルス電源１０は、たとえばパルス幅１μｓ以上１００μｓ以下のパルス状の電力を、半導体レーザ１１に供給可能な半導体レーザのドライバである。

図３（Ａ）は、シリコン基板４０に入射するパルスレーザビーム３０を示す写真であり、図３（Ｂ）は、パルスレーザビーム３０のビームプロファイルを示すグラフである。図３（Ｂ）の横軸は、長軸または短軸方向に沿う位置を表し、縦軸は光強度を表す。本願発明者は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、シリコン基板４０上におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルが、長軸、短軸両方向にトップフラット幅約５０μｍ、半値全幅(full width half maximum; FWHM)約１００μｍとなるように、ビームの断面形状及び光強度分布を調整し、このパルスレーザビーム３０を用いて、第１〜第５のレーザアニールを行った。

なお、本願明細書等においては、レーザビームの光強度分布の平坦部における光強度の最小値を、平坦部の両端が下回る位置をトップフラット部の端部と定義し、端部間の長さをトップフラット幅と定義する。

図４は、第１のレーザアニールの結果を示すグラフである。第１のレーザアニールにおいては、不純物としてリン（Ｐ）を注入エネルギ２ＭｅＶでイオン注入したシリコン基板４０に、パルス幅１８．２μｓ、パワー密度４２４ｋＷ／ｃｍ^２のパルスレーザビーム３０を照射して、リンを活性化させるアニールを行った。１ショットごとにシリコン基板４０をＹ軸方向（走査方向）に３０μｍだけ移動させて、パルスレーザビーム３０を照射し、シリコン基板４０の端部まで照射が完了したら、基板４０をＸ軸方向（送り方向）に３０μｍずらした後、同様の処理を行う（走査方向、送り方向の送りピッチがともに３０μｍ）。これを繰り返してシリコン基板４０全面の活性化アニールを行った。なお、パルスレーザビーム３０のパルス幅は、半導体レーザ１１の発光時間の半値全幅で規定される値である。

図４のグラフの横軸は、シリコン基板４０表面（レーザ照射面）からの深さを、単位「μｍ」で表す。縦軸は、不純物濃度またはキャリア濃度を単位「１／ｃｍ^３」で表す。曲線ａは、レーザアニール実施前のシリコン基板４０の深さ方向の不純物濃度プロファイルを示し、曲線ｂは、レーザアニール実施後のシリコン基板４０の深さ方向のキャリア濃度プロファイルを示す。不純物濃度プロファイルの計測には、二次イオン質量分析(secondary ion mass spectrometry; SIMS)を用い、キャリア濃度プロファイルの計測には、拡がり抵抗測定(spreading resistance; SR)を用いた。第１のレーザアニールによれば、シリコン基板４０表面（レーザ照射面）から３μｍ以上の深さに添加された不純物の活性化が可能であることがわかる。

図５は、第２のレーザアニールの結果を示すグラフである。第１のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向の送りピッチがともに３０μｍであったが、第２のレーザアニールにおいては、走査方向の送りピッチを３０μｍ、送り方向の送りピッチを５０μｍとした。その他の条件は、第１のレーザアニールと等しい。また、図５のグラフの両軸、曲線ａ、ｂの意味するところは、図４のグラフにおけるそれらと等しい。第２のレーザアニールにおいては、シリコン基板４０表面から３μｍ以上の深さに添加された不純物の活性化だけでなく、浅い領域に添加された不純物の活性化も不十分であることがわかる。

図６は、第３のレーザアニールを実施した後のシリコン基板４０を示す写真である。第３のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向の送りピッチをともに５０μｍとした。その他の条件は、第１及び第２のレーザアニールと等しい。本図に示す写真は、レーザアニール処理を行ったシリコン基板４０を、斜度０．６°で削った後、レーザビーム３０の照射により不純物が活性化された領域を、染色インクで顕在化させたものである。写真の左側約１／３の白っぽい領域は、シリコン基板４０の表面を示す。写真の右側約２／３の黒っぽい領域は、シリコン基板４０の削られた領域を示す。シリコン基板４０は、白から黒へ色が変化している位置から削られており、写真右側にいくにつれ、シリコン基板４０の深い位置が現れる。

本図に示す写真において、パルスレーザビーム３０のビームプロファイルがトップフラットとなる領域（トップフラット部）の照射位置の不純物は活性化されているが、ビームプロファイルのスロープ領域の照射位置の不純物は活性化されていない様子が観察される。パルスレーザビーム３０のトップフラット部以外の部分では、光強度が不足し、シリコン基板４０の温度を、トップフラット部ほど上昇させられず、不純物を活性化できなかったと考えられる。このことから、半導体レーザをパルス発振させてレーザアニールを行う場合、レーザビームのトップフラット部が主に熱処理に寄与し、このためトップフラット部（トップフラット幅）を重複率の基準とすればよいことがわかる。したがって、半導体レーザをパルス発振させて光源に用いるレーザアニールにおいては、レーザビームのプロファイルは、走査方向、送り方向ともに、トップフラットであることが望ましいことがわかる。

第１〜第３のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向の両方向について、半値全幅に対するトップフラット幅は５０％である。トップフラット幅と半値全幅との比が１００％に近づくほど、レーザビームのエネルギを効率的に利用することができるため、半値全幅に対するトップフラット幅は、走査方向（短軸方向）、送り方向（長軸方向）の両方向について５０％以上であることが好ましい。

なお、トップフラット幅を重複率の基準とした場合、図４に結果を示す第１のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向ともに重複率４０％、図５に結果を示す第２のレーザアニールにおいては、走査方向の重複率は４０％、送り方向の重複率は０％、図６に結果を示す第３のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向ともに重複率０％となる。

図６に示す写真においては、研削が開始された位置（写真左側約１／３の白っぽい領域と黒っぽい領域との境界。以下、境界線。）に近い部分、すなわちシリコン基板４０表面からの深さが浅い部分においては、パルスレーザビーム３０の１ショットの照射で不純物が活性化された領域が、相互に接触しているように見える。しかしその部分よりも右側の部分、すなわちシリコン基板４０表面からの深さがより深い部分においては、不純物が活性化された領域が、相互に接触していない。これはパルスレーザビーム３０の照射によりシリコン基板４０に与えられた熱は四方に拡散するため、シリコン基板４０表面からの深さが増すほど、不純物が活性化される領域の断面積が、パルスレーザビーム３０のトップフラット部の断面積より小さくなることを意味している。たとえばパルスレーザビーム３０の入射領域を、完全な矩形に整形したとしても、重複率０％で照射を行った場合には、シリコン基板４０のきわめて表面に近い部分であれば、連続した領域を活性化させることができるが、表面からの深さが深い部分では、１ショットごとのレーザパルスで活性化される領域が連続しない、不均一な活性化アニールとなるであろう。

また、図６に示す写真において、レーザパルスで活性化された下から３列めの領域を観察すると、境界線から２つめと３つめの活性化領域の間のギャップは約５μｍである。また、この位置の深さは、境界線からの距離と斜度の関係から計算すると、約１μｍである。これらより、シリコン基板４０表面から深さ１μｍの位置に添加された不純物を、均一に活性化させるために必要な重複率（トップフラット幅を基準とした重複率）は１０％であると推測できる。なお、図３（Ｂ）にプロファイルを示すパルスレーザビーム３０においては、１０％の重複率は、４５μｍの送りピッチに相当する。４５μｍの送りピッチで、パルスレーザビーム３０を走査すると、境界線から２つめと３つめの活性化領域の間のギャップを埋めることができる。

シリコン基板４０表面から深さ１μｍの位置を、均一に活性化させるために必要な重複率が１０％であると考えられることから、たとえばシリコン基板４０表面から深さ３μｍの位置を、均一に活性化させるためには３０％以上の重複率が必要だと思われる。また、図４に結果を示す第１のレーザアニール（重複率４０％でパルスレーザビーム３０を照射）において、３μｍ以上の深さに添加された不純物が十分に活性化されていることから、シリコン基板４０表面から深さ３μｍの領域は、４０％の重複率があれば、十分に均一な活性化を行うことができるものと考えられる。

シリコン基板４０表面からの深さと、その深さに添加された不純物を均一に活性化させるために必要な重複率との間には、深さが５μｍ以下の領域においては、概ね比例関係があると考えられる。したがって、たとえば、シリコン基板４０表面からの深さが０μｍ以上２μｍ未満である位置に添加された不純物を活性化させる場合には、１０％以上の重複率で、２μｍ以上３μｍ未満である位置に添加された不純物を活性化させる場合には、２０％以上の重複率で、３μｍ以上４μｍ未満である位置に添加された不純物を活性化させる場合には、３０％以上の重複率で、４μｍ以上５μｍ未満である位置に添加された不純物を活性化させる場合には、４０％以上の重複率で、ビームプロファイルにトップフラット部を有するパルスレーザビーム３０を照射して、レーザアニールを行うことで、不純物活性化の均一性を高めることができるであろう。なお、ここでいう重複率は、トップフラット幅を基準とした重複率である。

図７は、第４及び第５のレーザアニールの結果を示すグラフである。第４、第５のレーザアニールにおいては、不純物としてリン（Ｐ）を注入エネルギ２ＭｅＶでイオン注入した、厚さ１００μｍのシリコン基板４０に、それぞれパルス幅２７．９μｓ、７５μｓ、パワー密度３５８ｋＷ／ｃｍ^２、１７０ｋＷ／ｃｍ^２のパルスレーザビーム３０を照射して、リンを活性化させるアニールを行った。第４及び第５のレーザアニールにおいては、走査方向、送り方向ともに４０％の重複率でパルスレーザビーム３０を照射した。

図７のグラフの両軸は、図４のグラフにおけるそれらと等しい。本図においては、曲線ａは、レーザアニール実施前のシリコン基板４０の深さ方向の不純物濃度プロファイルを示し、曲線ｂ、ｃは、それぞれ第４、第５のレーザアニール実施後のシリコン基板４０の深さ方向のキャリア濃度プロファイルを示す。第４、第５のレーザアニールによれば、シリコン基板４０表面から３μｍ以上の深さに添加された不純物の活性化が可能であることがわかる。

図８は、厚さ１００μｍのシリコン基板４０のレーザ非照射面（レーザ照射面と反対側の面）に、１００℃で変色する示温インクを塗布した後に、第４、第５のレーザアニールを行ったときの、示温インクの変色の様子を表す写真である。示温インク塗布部の左側が第４のレーザアニールによる変色結果を表し、右側が第５のレーザアニールによる変色結果を表す。

図８に示す写真によれば、第４のレーザアニールにおいては、示温インクの変色は認められないが、第５のレーザアニールにおいては、示温インクが変色していることから、シリコン基板４０の裏面温度が１００℃を超えていることがわかる。なお、パルスレーザビーム３０の照射領域のみが変色しているので、シリコン基板４０全体が１００℃以上に昇温されているわけではない。

パワーデバイス、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar transistor; IGBT)の製造においては、まず、シリコン基板４０の表側の表面に、エミッタ、ゲート等の構造を形成し、保護シートを貼り付けた後、裏面を削って基板を薄くし、裏面に不純物を注入する。シリコン基板の裏面には、フィールドストップ層となるｎ型不純物、たとえばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、さらにコレクタ層となるｐ型不純物、たとえばホウ素（Ｂ）が注入される。その後、シリコン基板４０の裏面にレーザビームを照射することにより、裏側から注入した不純物を活性化する。ＩＧＢＴの裏面活性化アニールでは、表側の構造の熱損傷を防ぐために、表側の表面の温度をたとえば１００℃以下に抑えることが求められる。

図８の写真に示す結果から、ＩＧＢＴの製造過程における裏面活性化アニールのように、アニール時、レーザ非照射面の温度に、たとえば１００℃以下という制約が付される場合は、パルスレーザビーム３０のパルス幅は、５０μｓ以下、より好ましくは３０μｓ以下とするのがよいであろう。なお、このパルス幅の制限は、レーザ非照射面の温度制約に依存するので、制約される温度が高いほど、パルス幅を長くすることができる。

図９は、実施例によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。実施例によるレーザアニール方法は、たとえば図２に示す、実施例によるレーザアニール装置を用いて実施することが可能である。

実施例によるレーザアニール方法においては、まずステップＳ１０１において、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)の製造に用いられる半導体基板の活性化深さの目標値を、加工の要求に応じて、たとえば０μｍ以上５μｍ未満の範囲で決定する。

半導体基板の表層部には不純物が添加されている。半導体基板の表層部はシリコンで形成されている。半導体基板はたとえば裏面表層部に不純物が添加されたシリコン基板（シリコンウエハ）である。

ＩＧＢＴの製造に用いられるシリコン基板の厚さは、一例として１００μｍである。シリコン基板の表側の表層部には、ＩＧＢＴのエミッタ領域及びゲート領域が画定されている。また裏側の表層部には、ｐ型不純物、たとえばホウ素（Ｂ）の注入によるコレクタ領域、及び、ｎ型不純物、たとえばリン（Ｐ）の注入によるフィールドストップ領域が画定されている。

次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で決定された活性化深さの目標値（要求される活性化深さ）に応じ、その深さが、半導体基板表面（レーザ照射面）から（ｉ）０μｍ以上２μｍ未満であるときには、１０％以上の重複率で、（ｉｉ）２μｍ以上３μｍ未満であるときには、２０％以上の重複率で、（ｉｉｉ）３μｍ以上４μｍ未満であるときには、３０％以上の重複率で、（ｉｖ）４μｍ以上５μｍ未満であるときには、４０％以上の重複率で、ビームプロファイルにトップフラット部を有するパルスレーザビームを、半導体基板の裏側表面全体に照射して、不純物を活性化させるレーザアニールを行う。たとえば半導体基板全面について、コレクタ領域に注入された不純物（Ｂ）、及び、フィールドストップ領域に注入された不純物（Ｐ）の活性化アニールを行う。

なお、ステップＳ１０２における重複率は、トップフラット幅を基準とした（トップフラット部の）重複率である。制御装置１８は、上述の重複率でパルスレーザビームが半導体基板に照射されるように、半導体基板上におけるパルスレーザビームの入射位置を制御する。

実施例によるレーザアニール方法によれば、不純物活性化の均一性を高め、高品質のレーザアニールを実現することができる。ＩＧＢＴの製造に関して述べたが、ＭＯＳＦＥＴの製造についても同様である。

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。

たとえば、実施例においては、波長８０８ｎｍのパルスレーザビームを用いたが、波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍのレーザビームを出射可能な半導体レーザを光源とし、半導体レーザにパルス状の電力を供給可能なドライバを用いて、半導体レーザをパルス発振させ、出力されたパルスレーザビームでレーザアニールを行うことにより、連続波のレーザビームを走査して行うレーザアニールにおける、ビーム幅の不均一性に起因するパルス幅の不均一性の問題を解消し、高品質のレーザアニールを実現することができる。

また、第１のレーザアニールにおいては、１ショットあたり４２４ｋＷ／ｃｍ^２、第４レーザアニールにおいては３５８ｋＷ／ｃｍ^２、第５レーザアニールにおいては１７０ｋＷ／ｃｍ^２のパワー密度でパルスレーザビーム３０をシリコン基板４０に照射して、シリコン基板４０に添加された不純物を活性化させたが、１ショットあたり１５０ｋＷ／ｃｍ^２以上のパワー密度でパルスレーザビームを照射して、不純物を活性化させることができるであろう。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

種々のレーザアニールに利用可能である。

１０パルス電源
１１半導体レーザ
１２１／２波長板
１３短軸用ビーム整形器
１４長軸用ビーム整形器
１５偏光ビームスプリッタ
１６１／４波長板
１７集光レンズ
１８制御装置
２０ステージ
３０レーザビーム
４０シリコン基板

Claims

半導体基板の表側の表面に、ＩＧＢＴのエミッタ及びゲートを含む構造を形成する工程と、
前記半導体基板の裏側の表面に、不純物を注入する工程と、
（ａ）前記不純物の活性化深さの目標値を決定する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で決定された活性化深さの目標値に基づいて重複率を決定する工程であって、前記目標値が、前記半導体基板の裏側の表面から、
（ｉ）０μｍ以上２μｍ未満であるときには、重複率を１０％以上とし、
（ｉｉ）２μｍ以上３μｍ未満であるときには、重複率を２０％以上とし、
（ｉｉｉ）３μｍ以上４μｍ未満であるときには、重複率を３０％以上とし、
（ｉｖ）４μｍ以上５μｍ未満であるときには、重複率を４０％以上とする工程と、
（ｃ）ビームプロファイルにトップフラット部を有し、波長が７５０ｎｍ〜８５０ｎｍ、パルス幅が１μｓ〜５０μｓのパルスレーザビームを、前記工程（ｂ）で決定された重複率で、前記半導体基板の表面に照射して、前記不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記工程（ｂ）における重複率は、前記トップフラット部の重複率であるレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記パルスレーザビームは、矩形状またはライン状の入射領域を形成して前記半導体基板の表面に入射し、前記パルスレーザビームのトップフラット幅は、短軸方向、長軸方向の双方向について、半値全幅に対して５０％以上である請求項１に記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記パルスレーザビームを、前記半導体基板上で、１ｍ／ｓ以下の速度で走査する請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記パルスレーザビームを、前記半導体基板上で、０．５ｍ／ｓ以下の速度で走査する請求項３に記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板の表面に照射するパルスレーザビームのパルス幅が３０μｓ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板の表面に照射するパルスレーザビームのパワー密度が１５０ｋＷ／ｃｍ２以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。