JP6143650B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャリアのライフタイムを短くするライフタイムキラーを有する半導体装置の製造方法及び半導体製造装置に関する。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の応答速度を高めるために、ＩＧＢＴのドリフト領域に格子欠陥を形成する技術が知られている（特許文献１）。格子欠陥が、電子とホールとの再結合中心として働くことにより、少数キャリアの寿命が短くなる。このような格子欠陥は、ライフタイムキラーと呼ばれる。特許文献１に開示された方法では、半導体基板に水素やヘリウムのイオンビームを照射して格子欠陥を発生させる。

特許文献２に、半導体基板にイオン注入されたドーパントを活性化させるレーザアニール方法が開示されている。このレーザアニール方法では、相対的に浅い領域にドーパントが高濃度に注入され、相対的に深い領域に、他のドーパントが低濃度に注入されている。パルス幅の短いレーザビームで、相対的に浅い領域のドーパントの活性化が行われ、パルス幅の長いレーザビームで、相対的に深い領域のドーパントの活性化が行われる。

特開平１０−５０７２４号公報 特開２０１２−１６４９２１号公報

本発明の目的は、工程数の増加を抑制し、簡易な方法でライフタイムキラーを発生させることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
半導体基板にイオン注入を行うことにより、前記半導体基板の表層部に格子欠陥を生じさせる工程と、
前記格子欠陥が生じた前記半導体基板に第１のレーザビームを入射させることにより、前記格子欠陥が生じた前記表層部のうち、表面側の一部を溶融させた後、再固化させることにより、前記格子欠陥の密度を低下させる工程と、
前記第１のレーザビームの入射によって前記半導体基板の前記表層部の一部が溶融し、再固化した後に、前記格子欠陥の密度が低下した前記半導体基板に第２のレーザビームを入射させることにより、前記格子欠陥が生じた前記表層部のうち、前記第１のレーザビームの入射によって溶融及び再固化しなかった部分に残存する前記格子欠陥を、より深い領域に移動させる工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ光源と、
第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
半導体基板を保持するステージと、
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを、前記ステージに保持された前記半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
前記第１のレーザ光源から出力される前記第１のレーザビームの出力タイミングを制御
するとともに、前記第２のレーザ光源から出力される前記第２のレーザビームの出力タイミング及びパルス幅を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記第１のレーザビームが前記半導体基板に入射することにより、前記半導体基板の表層部の一部が溶融し、再固化した後に、前記第２のレーザビームが前記半導体基板に入射するように、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源を制御するとともに、
前記第２のレーザビームの入射によって、前記半導体基板の表層部の格子欠陥がより深い領域に移動するために必要なパルスエネルギとなるように、前記第２のレーザビームのパルス幅を制御する半導体製造装置が提供される。

格子欠陥がライフタイムキラーとして作用する。イオン注入によって格子欠陥を生じさせ、第２のレーザビームによって、格子欠陥を移動させることにより、ライフタイムキラーが形成される。格子欠陥を移動させるための第２のレーザビームの入射工程は、イオン注入によって注入されたドーパントの活性化アニールと兼用することができる。このため、ライフタイムキラーを形成するための手順を新たに追加することなく、簡易な方法でライフタイムキラーを形成することができる。

第１のレーザビームの入射によって格子欠陥の密度が低下するため、ライフタイムキラーの密度の過度の上昇を回避することができる。

図１は、実施例による半導体製造装置の概略図である。 図２は、実施例による方法で製造される半導体装置の例として示された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、実施例による半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の、製造途中段階における断面図である。 図４Ａは、実施例による半導体装置の製造方法で用いられる第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのタイミングチャートであり、図４Ｂは、第１のレーザビームの波形を示すグラフである。 図５Ａ及び図５Ｂは、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのビーム入射領域の平面図である。 図６Ａは、比較例による半導体装置の製造方法で用いられる第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのタイミングチャートであり、図６Ｂは、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのビーム入射領域の平面図である。 図７Ａ〜図７Ｃは、比較例による半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の、製造途中段階における断面図である。 図８は、深さ方向に関する不純物プロファイル及びキャリアのプロファイルの測定結果を示すグラフである。 図９は、シリコン基板の断面からのカソードルミネッセンスのスペクトルの一例を示すグラフである。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、カソードルミネッセンスのスペクトルのピークＷの発光強度と深さとの関係を示すグラフである。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、カソードルミネッセンスのスペクトルのピークＷの発光強度と深さとの関係を示すグラフである。 図１２Ａ〜図１２Ｃは、実施例による半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の表面近傍の、製造途中段階における断面図である。

図１に、実施例による半導体製造装置の概略図を示す。この半導体製造装置は、第１のレーザ光源３１、第２のレーザ光源２１、伝搬光学系２７、ステージ４１、及び制御装置２０を含む。第１のレーザ光源３１は、２台の固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂを含む。固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂは、緑色域の波長を有する第１のレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂには、例えば２次以上の高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。なお、固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂに代えて、紫外から緑色までの波長域の波長を有するレーザビームを出力するレーザ発振器を用いてもよい。紫外域のレーザビームを出力するレーザ発振器として、エキシマレーザが挙げられる。第２のレーザ光源２１には、例えば半導体レーザ発振器が用いられ、第２のレーザ光源２１は、例えば波長８０８ｎｍの第２のレーザビームを出力する。なお、波長９５０ｎｍ以下の第２のレーザビームを出力する半導体レーザ発振器を用いてもよい。第１のレーザビーム及び第２のレーザビームは、パルスレーザビームである。

半導体レーザ発振器として、複数のレーザダイオードを二次元にアレイ化したレーザダイオードアレイが用いられる。以下、レーザダイオードアレイの構造について説明する。複数のレーザダイオードがモノリシックに一次元アレイ化されてレーザバーが構成される。複数のレーザバーを積み重ねることにより、二次元アレイ化したレーザダイオードアレイが構成される。レーザバーを構成する複数のレーザダイオードが配列する方向を遅軸という。複数のレーザバーが積み重ねられた方向を速軸という。レーザバーごとにシリンドリカルレンズが配置されている。シリンドリカルレンズは、レーザバーから出力されたレーザビームを、速軸方向、または速軸方向と遅軸方向との２方向に関してコリメートする。

第１のレーザ光源３１から出力された第１のレーザビーム、及び第２のレーザ光源２１から出力された第２のレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニールの対象の半導体基板５０に入射する。第１のレーザ光源３１から出力された第１のレーザビームと、第２のレーザ光源２１から出力された第２のレーザビームとは、半導体基板５０の表面の同一の領域に入射する。

次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。第２のレーザ光源２１から出力された第２のレーザビームが、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、シリンドリカルレンズアレイ群２４、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

一方の固体レーザ発振器３１Ａから出力された第１のレーザビームが、アッテネータ３２Ａ及びビームエキスパンダ３３Ａを経由して、ビームスプリッタ３５に入射する。他方の固体レーザ発振器３１Ｂから出力された第１のレーザビームが、アッテネータ３２Ｂ及びビームエキスパンダ３３Ｂ、ミラー３４を経由して、ビームスプリッタ３５に入射する。２つの固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂから出力された第１のレーザビームが、ビームスプリッタ３５で合流し、共通の経路に沿って伝搬する。

ビームスプリッタ３５で１本の経路に合流した第１のレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ群３６、ベンディングミラー３７、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

ビームエキスパンダ２３、３３Ａ、３３Ｂは、入射したレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。シリンドリカルレンズアレイ群２４、３６及びコンデンサレンズ２６は、半導体基板５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビームプロファイル（光強度分布）を均一化する。第２のレーザ光源２１から出力さ
れた第２のレーザビームと、第１のレーザ光源３１から出力された第１のレーザビームとは、半導体基板５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。シリンドリカルレンズアレイ群２４及びコンデンサレンズ２６が、第２のレーザ光源２１から出力された第２のレーザビーム用のホモジナイザとして機能し、シリンドリカルレンズアレイ群３６及びコンデンサレンズ２６が、第１のレーザ光源３１から出力された第１のレーザビーム用のホモジナイザとして機能する。

半導体基板５０は、ステージ４１に保持されている。半導体基板５０の表面に平行な面をＸＹ面とし、半導体基板５０の表面の法線方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。ステージ４１は、制御装置２０からの制御を受けて、半導体基板５０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。制御装置２０が、固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂにトリガ信号を送信する。固体レーザ発振器３１Ａ、３１Ｂは、制御装置２０からのトリガ信号の受信に同期して、第１のレーザビームを出力する。また、制御装置２０は、第２のレーザ光源２１から出力される第２のレーザビームの出力タイミング、及びパルス幅を制御する。

図２に、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ｎ型のシリコンからなる半導体基板５０の第１の面５０Ｔに、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５を含む素子構造が形成されている。半導体基板５０の、第１の面５０Ｔとは反対側の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及びｎ型のバッファ層５６が形成されている。バッファ層５６は、コレクタ層５７よりも深い位置に配置される。コレクタ層５７の表面にコレクタ電極５８が形成されている。半導体基板５０として、通常はシリコン単結晶基板が用いられる。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。

第２の面５０Ｂからコレクタ層５７とバッファ層５６との界面までの深さは、例えば約０．３〜０．５μｍの範囲内である。第２の面からバッファ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ〜１０μｍの範囲内である。

ベース領域５１とバッファ層５６との間、すなわち第２の面５０Ｂから見てバッファ層５６よりも深い領域に、格子欠陥６０が形成されている。格子欠陥６０がライフタイムキラーとして働く。バッファ層５６より深い領域を深層部５９ということとする。

次に、図３Ａ〜図３Ｃを参照して、実施例によるＩＧＢＴの製造方法について説明する。

図３Ａに示すように、半導体基板５０の第１の面５０Ｔに、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、及びエミッタ電極５５を形成する。これらの素子構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様のプロセスにより作製することができる。

半導体基板５０の第１の面５０Ｔとは反対側の第２の面５０Ｂからドーパントとしてボロン及びリンをイオン注入することにより、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部に、それぞれ第１の層５７ａ及び第２の層５６ａを形成する。ボロンが注入された第１の層５７ａより深い第２の層５６ａに、ボロンとは反対導電型のリンがイオン注入されている。この時点では、第１の層５７ａ内のボロン、及び第２の層５６ａ内のリンは、活性化していない。一般に、第１の層５７ａのボロン濃度は、第２の層５６ａのリン濃度より高い。イオン注入によって、第１の層５７ａ及び第２の層５６ａ内に格子欠陥６０が形成される。第１の層５７ａへのドーズ量が、第２の層５６ａへのドーズ量より多いため、第１の層５７ａ内の格子欠陥密度が、第２の層５６ａ内の格子欠陥密度より高い。第１の層５７
ａ及び第２の層５６ａを形成した後、半導体基板５０を図１に示したステージ４１に、第２の面５０Ｂを上方に向けて保持する。

図３Ｂに示すように、半導体基板５０の第２の面５０Ｂに、第１のレーザ光源３１（図１）から出力された第１のレーザビームＬ１を入射させる。第１のレーザビームＬ１の入射により、半導体基板５０の表面側の一部の領域、具体的には第１の層５７ａ（図３Ａ）が溶融する。第１の層５７ａより深い第２の層５６ａは溶融しない。第１のレーザビームＬ１の入射が終了すると、溶融した領域が再固化する。このとき、固液界面から結晶がエピタキシャル成長することにより、第１の層５７ａに注入されているドーパントが活性化し、ｐ型のコレクタ層５７が形成される。さらに、コレクタ層５７内の格子欠陥の密度が低下する。第２の層５６ａ内には、格子欠陥６０が残存する。

図３Ｃに示すように、溶融した部分が再固化した後、半導体基板５０の第２の面５０Ｂに、第２のレーザ光源２１（図１）から出力された第２のレーザビームＬ２を入射させる。第２の層５６ａ（図３Ｂ）において固相エピタキシャル成長が生じることにより、ドーパントが活性化する。これによりｎ型のバッファ層５６が形成される。このとき、第２の層５６ａ内の格子欠陥６０の一部が、深層部５９に移動する。制御装置２０（図１）は、第２のレーザビームＬ２の入射によって、半導体基板５０の表層部の格子欠陥６０がより深い領域に移動するために必要なパルスエネルギとなるように、第２のレーザビームＬ２のパルス幅を制御する。活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面にコレクタ電極５８（図２）を形成する。

図４Ａに、半導体基板５０に入射する第１のレーザビームＬ１（図３Ｂ）、及び第２のレーザビームＬ２（図３Ｃ）のタイミングチャートを示す。図４Ｂに、第１のレーザビームＬ１の波形を拡大したグラフを示す。図４Ａでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図４Ａに示されたパルス波形の立ち上がりのタイミングは、制御装置２０（図１）が第１のレーザ光源３１及び第２のレーザ光源２１を制御することにより決定される。半導体レーザ発振器からなる第２のレーザ光源２１から出力される第２のレーザビームＬ２のパルス幅は、制御装置２０により制御される。

時刻ｔ１１に、第１のレーザ光源３１の一方の固体レーザ発振器３１Ａから出力された第１のレーザビームＬ１のパルスＬＰ１１が半導体基板５０に入射し、時刻ｔ１２に、第１のレーザ光源３１の他方の固体レーザ発振器３１Ｂから出力された第１のレーザビームＬ１のパルスＬＰ１２が半導体基板５０に入射する。２番目のパルスＬＰ１２は、１番目のパルスＬＰ１１の入射によって加熱された領域の温度が十分に低下する前に、パルスＬＰ１１によって加熱された領域に入射する。

パルスＬＰ１１、ＬＰ１２の各々のパルス幅ＰＷ１１、ＰＷ１２は、０．１μｓから０．２５μｓの範囲内である。時刻ｔ１１からｔ１２までの遅延時間は、０．３μｓから１μｓの範囲内である。また、パルスＬＰ１１、ＬＰ１２の各々の、半導体基板５０の表面におけるパルスエネルギ密度は、０．８Ｊ／ｃｍ^２から２．２Ｊ／ｃｍ^２の範囲内である。第１のレーザビームＬ１の照射条件として、図３Ａに示した半導体基板５０の第２の面５０Ｂから、第１の層５７ａと第２の層５６ａとの界面まで溶融する条件が採用される。

第１のレーザビームＬ１によって溶融した領域が再固化した後の時刻ｔ２において、第２のレーザビームＬ２の波形が立ち上がり、時刻ｔ３において立ち下がる。第２のレーザビームＬ２のパルス幅ＰＷ２は５μｓから２０μｓの範囲内であり、半導体基板５０の表面におけるパルスエネルギ密度は２Ｊ／ｃｍ^２から８Ｊ／ｃｍ^２の範囲内である。第２のレーザビームＬ２の照射条件として、図３Ｂに示した半導体基板５０が溶融せず、固相エ
ピタキシャル成長によって、第２の層５６ａ内のドーパントが活性化される条件が採用される。

図５Ａに、半導体基板５０（図３Ｂ）の第２の面５０Ｂ上における第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ａ及び第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂの平面図を示す。ビーム入射領域４０Ａと４０Ｂとはほぼ一致する。ビーム入射領域４０Ａ、４０Ｂの各々は、Ｘ方向に長い平面形状を有する。例えば、ビーム入射領域４０Ａ、４０Ｂの好適な長さＬ及び幅Ｗｔは、それぞれ２ｍｍ〜４ｍｍ及び２００μｍ〜４００μｍである。

アニール中は、半導体基板５０（図３Ｂ）をＹ方向に移動させながら、第１のレーザビームＬ１（図３Ｂ）及び第２のレーザビームＬ２（図３Ｃ）を、同一の繰り返し周波数で半導体基板５０に入射させる。第１のレーザビームＬ１の繰り返し周波数の１周期の間に半導体基板５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つのビーム入射領域４０Ａは、相互に部分的に重なる。両者の重複率（Ｗｔ−Ｗｏ）／Ｗｔは、例えば５０％である。

図５Ａでは、半導体基板５０の表面における第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ａと第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂとがほぼ一致する例を示したが、必ずしも両者を一致させる必要はない。図５Ｂに示すように、第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂを第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ｂよりもやや大きくしてもよい。このとき、第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ａが、第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂに含まれる。

実施例による方法は、ドーパントをイオン注入することによって生成される格子欠陥６０を深層部５９（図３Ｃ）に移動させることにより、ライフタイムキラーを形成している。格子欠陥６０の移動は、活性化アニール時に生じる。このため、ライフタイムキラーを形成するための手順を新たに追加することなく、ライフタイムキラーを形成することができる。

次に、図６Ａ〜図１１Ｂを参照して、比較例による半導体装置の製造方法について説明する。比較例においては、図１に示した半導体製造装置と同一の光学系が用いられる。第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２との出力のタイミングが、比較例と実施例とで異なる。

図６Ａに、比較例による方法で半導体基板に照射した第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２のタイミングチャートを示す。第２のレーザビームＬ２のパルス幅ＰＷ２は１５μｓであり、第１のレーザビームＬ１は、図４Ｂと同様に２つのパルスＬＰ１１、ＬＰ１２を含み、各々のパルス幅ＰＷ１１、ＰＷ１２は０．１５μｓである。第２のレーザビームＬ２のパルスの立下り時刻と、第１のレーザビームＬ１のパルスＬＰ１２（図４Ｂ）の立下り時刻とが一致する。第２のレーザビームＬ２のパルスエネルギ密度は６．４Ｊ／ｃｍ^２であり、第１のレーザビームＬ１のパルスエネルギ密度は１．２Ｊ／ｃｍ^２である。

図６Ｂに、シリコン基板の表面におけるビーム断面形状を示す。第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ａの長さＬ１は２．６ｍｍであり、第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂの長さＬ２は２．９ｍｍである。第１のレーザビームＬ１のビーム入射領域４０Ａの幅Ｗｔ１及び第２のレーザビームＬ２のビーム入射領域４０Ｂの幅Ｗｔ２は、共に０．２６ｍｍである。ビーム走査時の重複率は５０％である。

図７Ａに、レーザビーム照射前の半導体基板５０の断面図を示す。比較例においても、図３Ａに示した実施例と同一の構造を有する半導体基板５０が用いられる。

図７Ｂに、第２のレーザビームＬ２の入射が開始された後、第１のレーザビームＬ１が入射する前の半導体基板５０の断面図を示す。第２のレーザビームＬ２の入射によって第２の層５６ａ（図７Ａ）内のドーパントが活性化され、バッファ層５６が形成される。第１の層５７ａにおいては、ドーパントのドーズ量が多いため、第２のレーザビームＬ２の入射のみでは、一部のドーパントしか活性化されない。また、第１の層５７ａ及び第２の層５６ａ内の格子欠陥６０が、深層部５９に移動する。

図７Ｃに、第１のレーザビームＬ１の入射後における半導体基板５０の断面図を示す。第１の層５７ａ（図７Ｂ）の溶融及び再固化が行われることにより、コレクタ層５７が形成される。

図８に、深さ方向に関する不純物プロファイル及びキャリアのプロファイルの測定結果を示す。横軸は、シリコン基板の表面からの深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ^−３」で表す。細い破線はレーザアニール前のリン（Ｐ）濃度分布を表し、太い破線はレーザアニール前のボロン（Ｂ）濃度分布を表す。細い実線はレーザアニール後のｎ型キャリア（電子）濃度分布を表し、太い実線はレーザアニール後のｐ型キャリア（正孔）濃度分布を表す。リンのイオン注入は、加速エネルギ７００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１３ｃｍ^−２の条件で行われ、ボロンのイオン注入は、加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１５ｃｍ^−２の条件で行われている。

シリコン基板の表面から深さ０．５μｍまでの第１の層５７ａに、ボロンが注入されており、深さ０．５μｍから深さ２．５μｍまでの第２の層５６ａに、リンが注入されている。ｐ型キャリア濃度分布はボロン濃度分布にほぼ重なり、ｎ型キャリア濃度分布はリン濃度分布にほぼ重なっている。この結果から、レーザアニールにより、ほとんどの不純物が活性化していることがわかる。

次に、シリコン基板内の格子欠陥密度をカソードルミネッセンス法により測定した結果について説明する。

図９に、シリコン基板の断面からのカソードルミネッセンスのスペクトルの一例を示す。バンドギャップエネルギに基づいてカソードルミネッセンスのスペクトルにピークが現れると共に、種々の格子欠陥が発光中心となり、カソードルミネッセンスのスペクトルにピークが現れる。具体的には、格子間シリコン原子のクラスタが発光中心となって、波長約１２１７ｎｍの位置にピークＷが現れ、格子間シリコン原子の作る複合センターに起因して、波長約１１９２ｎｍの位置にピークＸが現れる。ピークＸの発光には、ピークＷの発光よりも多くの格子間シリコン原子が関与する。

図１０Ａに、ピークＷの発光強度と深さとの関係を示す。図１０Ｂに、図１０Ａに示したグラフのうち深さ０μｍ〜３μｍの範囲を拡大したグラフを示す。図１０Ａ、図１０Ｂの中実の丸印及び中空の丸印が、それぞれレーザアニール前、及びレーザアニール後の発光強度を示す。

深さ０μｍ〜２．５μｍの範囲において、レーザアニールによってピークＷの発光強度が低下していることがわかる。これは、レーザアニールによって、第１の層５７ａ及び第２の層５６ａ内の格子欠陥が減少したことを意味する。逆に、深さ１０μｍよりも深い深層部においては、レーザアニールによってピークＷの発光強度が大きくなっている。これは、深さ１０μｍよりも深い深層部において、格子欠陥が増加していることを意味する。
表層部の格子欠陥が、レーザアニールによって深層部に移動したことにより、深層部における格子欠陥が増加したと考えられる。

図１１Ａに、ピークＸの発光強度と深さとの関係を示す。図１１Ｂに、図１１Ａに示したグラフのうち深さ０μｍ〜３μｍの範囲を拡大したグラフを示す。図１１Ａ、図１１Ｂの中実の丸印及び中空の丸印が、それぞれレーザアニール前、及びレーザアニール後の発光強度を示す。

レーザアニール前は、ピークＸの原因となる格子欠陥はほとんど存在しない。レーザアニールを行うと、深さ１０μｍより深い深層部において、ピークＸの原因となる格子欠陥が顕著に増加していることがわかる。図１１Ａのグラフは、図１０Ａのグラフと類似した傾向を示している。このことから、レーザアニールによって表層部の格子欠陥が深層部に移動する際に、格子欠陥の一部が、ピークＷの発光に関与する形態からピークＸに関与する形態に変化したことにより、深層部において、ピークＸの原因となる形態の格子欠陥が増加したと考えられる。

比較例においては、図７Ｂに示した工程において、第１の層５７ａ及び第２の層５６ａの両方の格子欠陥６０が、深層部５９に移動する。これに対し、実施例においては、図３Ｂに示した工程で第１の層５７ａ内の格子欠陥６０が殆ど消滅した後、図３Ｃに示した工程において、第２の層５６ａ内の格子欠陥６０のみが深層部５９に移動する。このため、実施例においては、比較例と比べて、深層部５９内の格子欠陥密度が低くなる。

格子欠陥６０は、電子とホールとの再結合中心として働くため、少数キャリアの寿命が短くなる。これにより、ＩＧＢＴの応答速度が速くなる。ところが、格子欠陥６０の密度が高すぎると、コレクタ電流が飽和するときのコレクタ電圧（飽和電圧）が上昇してしまう。また、格子欠陥６０の密度が高いと、オフ時のリーク電流が増加してしまう。さらに、格子欠陥６０の密度の上昇は、スナップバック現象の発生の原因になる。

実施例による方法においては、格子欠陥６０の密度の過度の上昇を抑制することができる。これにより、飽和電圧の上昇、及びリーク電流の増加を抑制し、スナップバック現象の発生を防止することができる。

次に、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して、実施例の他の効果について説明する。図１２Ａに、実施例の図３Ａに示した状態の半導体基板５０の第２の面５０Ｂ近傍の断面図を示す。半導体基板５０にイオン注入を行うと、第２の面５０Ｂに荒れが生じる。

図１２Ｂに、第１のレーザビームＬ１を入射させることにより、溶融及び再固化を行った後の半導体基板５０の断面図を示す。第１の層５７ａ（図１２Ａ）が溶融し、その後固化することにより、第２の面５０Ｂの荒れが緩和され、第２の面５０Ｂが平坦化される。図１２Ｃに示すように、第２の面５０Ｂが平坦化されている状態で、第２のレーザビームＬ２が半導体基板５０に入射する。

図７Ａ〜図７Ｃに示した比較例による方法では、第２の面５０Ｂが荒れた状態で第２のレーザビームＬ２（図７Ｂ）が入射する。第２のレーザビームＬ２では、半導体基板５０が溶融しない。第２のレーザビームＬ２が入射する表面が荒れていると、光の反射率や吸収率が変動してしまう。このため、第２の面５０Ｂの面内に関して、第２のレーザビームＬ２によるアニールの均一性が低下してしまう。

これに対し、実施例による方法では、図１２Ｃに示したように、半導体基板５０の第２の面５０Ｂが平坦化されている状態で第２のレーザビームＬ２が入射する。このため、第
２の面５０Ｂの面内に関するアニールの均一性の低下を防止することができる。

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。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。

２０ 制御装置
２１ 第２のレーザ光源
２２ アッテネータ
２３ ビームエキスパンダ
２４ シリンドリカルレンズアレイ群
２５ ダイクロイックミラー
２６ コンデンサレンズ
２７ 伝搬光学系
３１ 第１のレーザ光源
３１Ａ、３１Ｂ 固体レーザ発振器
３２Ａ、３２Ｂ アッテネータ
３３Ａ、３３Ｂ ビームエキスパンダ
３４ ミラー
３５ ビームスプリッタ
３６ シリンドリカルレンズアレイ群
３７ ベンディングミラー
４０Ａ、４０Ｂ ビーム入射領域
４１ ステージ
５０ 半導体基板
５０Ｂ 第２の面
５０Ｔ 第１の面
５１ ベース領域
５２ エミッタ領域
５３ ゲート電極
５４ ゲート絶縁膜
５５ エミッタ電極
５６ バッファ層
５６ａ 第２の層
５７ コレクタ層
５７ａ 第１の層
５８ コレクタ電極
５９ 深層部
６０ 格子欠陥
Ｌ１ 第１のレーザビーム
Ｌ２ 第２のレーザビーム
ＬＰ１１、ＬＰ１２ 第１のレーザビームのパルス
ＰＷ１１、ＰＷ１２、ＰＷ２ パルス幅

Claims (7)

1. 半導体基板にイオン注入を行うことにより、前記半導体基板の表層部に格子欠陥を生じさせる工程と、
   前記格子欠陥が生じた前記半導体基板に第１のレーザビームを入射させることにより、前記格子欠陥が生じた前記表層部のうち、表面側の一部を溶融させた後、再固化させることにより、前記格子欠陥の密度を低下させる工程と、
   前記第１のレーザビームの入射によって前記半導体基板の前記表層部の一部が溶融し、再固化した後に、前記格子欠陥の密度が低下した前記半導体基板に第２のレーザビームを入射させることにより、前記格子欠陥が生じた前記表層部のうち、前記第１のレーザビームの入射によって溶融及び再固化しなかった部分に残存する前記格子欠陥を、より深い領域に移動させる工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記イオン注入を行う工程で、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの少なくとも一方を注入し、前記第１のレーザビームを入射させる工程、及び前記第２のレーザビームを入射させる工程において、前記イオン注入を行う工程で注入された前記ドーパントを活性化させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームはパルスレーザビームであり、前記第２のレーザビームのパルス幅が、前記第１のレーザビームのパルス幅より長い請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体基板はシリコン基板であり、
   前記第１のレーザビームの波長は紫外から緑色までの波長域に含まれ、
   前記第２のレーザビームの波長は９５０ｎｍ以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記格子欠陥を生じさせる工程の前に、さらに、前記半導体基板の、前記イオン注入が行われた前記表層部とは反対側の表面に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート、エミッタ、及び電極を含む素子構造を形成する工程を有し、
   前記イオン注入を行う工程は、
   前記第１のレーザビームを入射させることによって溶融、再固化させる領域であるコレクタ層を形成するためのドーパントをイオン注入する工程と、
   前記コレクタ層よりも深い領域に、前記コレクタ層を形成するためのドーパントとは反対導電型のドーパントをイオン注入する工程と
   を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 第１のレーザビームを出力する第１のレーザ光源と、
   第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
   半導体基板を保持するステージと、
   前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを、前記ステージに保持された前記半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
   前記第１のレーザ光源から出力される前記第１のレーザビームの出力タイミングを制御するとともに、前記第２のレーザ光源から出力される前記第２のレーザビームの出力タイミング及びパルス幅を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記第１のレーザビームが前記半導体基板に入射することにより、前記半導体基板の表層部の一部が溶融し、再固化した後に、前記第２のレーザビームが前記半導体基板に入射するように、前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源を制御するとともに、
   前記第２のレーザビームの入射によって、前記半導体基板の表層部の格子欠陥がより深い領域に移動するために必要なパルスエネルギとなるように、前記第２のレーザビームのパルス幅を制御する半導体製造装置。
7. 前記第１のレーザ光源は、紫外から緑色までの波長域の波長の前記第１のレーザビームを出力し、
   前記第２のレーザ光源は半導体レーザ発振器であり、波長９５０ｎｍ以下の前記第２のレーザビームを出力する請求項６に記載の半導体製造装置。
   

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