JP2000349042A - 半導体素子の製造方法と製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスレーザ照射による瞬間高温アニールに
よる活性化を行う際に、レーザ光の損失を低減させてボ
ロンの活性化を行ない、ＩＧＢＴ、Ｐｏｗｅｒ−ＭＯＳ
等の裏面電極に理想的な不鈍物濃度プロファイルを実現
することができる半導体素子の製造方法とその製造装
置。 【解決手段】 照射したパルスのレーザ光２２の反射光
を、再度、半導体基板３１へ反射する凹面ミラー３２を
半導体基板３１の直上に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
方法とその製造装置の技術に係り、特に、半導体素子の
裏面電極形成方法において、ボロンもしくはリンをイオ
ン注入した後にパルスレーザ光を照射し活性化させ、ア
ルミニウム合金膜を堆積させコレクタ電極を形成する技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
やＰｏｗｅｒ−ＭＯＳデバイスの場合、ソース・ドレイ
ン電極を半導体基板の表面に形成し、コレクタ電極を裏
面に形成する構造である。

【０００３】例えば、ＩＧＢＴの場合、コレクタ電極の
形成は、Ｎ型シリコン基板のコレクタ電極に隣接して、
ボロンの不純物濃度を制御したＰ型層形成が必要とな
る。Ｐ型層の形成にはイオン注入法によりボロンをドー
ピングした後、活性化により行なっている。この場合、
活性化は電気炉等で９００℃程度／３０ｍｉｎのアニー
ルで１００％を達成できるが、既に表面にｎ＋ソースや
ｐ＋ウェル及びソース・ドレイン電極が形成されている
ことから、９００℃前後のアニールは実施できない。

【０００４】そこで、ボロンをイオン注入せずクローム
・ニツケル・銀等の合金を蒸着し、その後４５０℃程度
／３０ｍｉｎのアニールを行なうことにより、Ｎ型シリ
コン基板にコレクタ電極に隣接したＰ型層を有したコレ
クタ電極を形成している。

【０００５】また、別の方法としては、ボロンをイオン
注入した後、瞬間アニール技術を用いて、打込まれたボ
ロンを電気的に活性化している。瞬間アニール技術は、
高出力のレーザ光、電子ビームあるいはフラッシュ光等
の放射線をシリコン基板表面に照射して、瞬間的に表面
層をアニールする技術で、大別すると、連続発振による
連続波（ＣＷ）方式と、Ｑスイッチ等によるパルス方式
がある。

【０００６】瞬間アニール技術では、（１）短時間の加
熱が可能［ＣＷ方式：〜ｍｓ、パルス方式：ｎｓ〜μ
ｓ］、（２）局部的の加熱が可能［熱処理領域を制御で
きる］、（３）表面層のみの加熱が可能［放射線の波長
やエネルギーによって熱処理小の深さを制御できる］、
（４）高温の加熱が可能［通常はシリコンの融点前
後］、（５）短時間の冷却が可能[〜１０℃／ｓの冷却
速度]、（６）速い結晶成長速度を得ることが可能（〜
ｍ／ｓで液体→固体化）等の特徴がある。

【０００７】通常、十分なＰ型層を形成する方法とし
て、パルスレーザ照射による瞬間高温アニールによる活
性化を行う場合が多い。この方法はではパルスレーザの
パルス幅が約２０ｎｓ（半値幅）と短く、基板の極表層
（１μｍ〜３μｍ）のみを加熱できるため、表面への熱
影響を与えずに、裏面のみを高温アニールを実現でき
る。

【０００８】なお、この際に用いるパルスレーザは、短
パルス高出力のＸｅＣｌエキシマレーザもしくはＫｒＦ
エキシマレーザである。

【０００９】特に、短波長のパルスレーザを用いれば下
地である半導体基板に損傷を与えることなく半導体薄膜
を効率良くアニールすることができる。例えば、ＸｅＦ
（波長３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ
（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）のエキシマレー
ザを用いることができる。レーザのエネルギー密度は、
例えば０．５〜２．５ｍＪ／ｃｍ^２で照射している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クロー
ム・ニツケル・銀等の合金を蒸着後にアニール処理する
方法では、４５０℃程度／３０ｍｉｎのアニールである
ことからＰ型層の形成を十分に行なうことができず、か
つ、複数のメタルを使用する必要がある。そのために製
作工程に時間がかかり、スループットの低下が避けられ
ない。

【００１１】また、アニール処理途中にウエハ表面を支
持台に接触させる機会が多くなるため、ウエハ表面への
傷の発生やダストの付着率が高く、半導体特性に悪影響
を及ぼす恐れがある。

【００１２】また、ボロンをイオン注入した後、パルス
レーザ照射による瞬間高温アニールによる活性化を行う
方法では、ボロンのイオン注入後のシリコン基板のレー
ザ光の反射率が５０％と高く、このため、シリコン基板
へ照射したレーザ光の損失が大きく、レーザ発振器の高
出力化等が必要になり、装置の効率があまりよくない。

【００１３】本発明はこれらの事情に基づいて成された
もので、半導体素子の製造工程でパルスレーザ照射によ
る瞬間高温アニールによる活性化を行う際に、レーザ光
の損失を低減させてボロンの活性化を行ない、ＩＧＢ
Ｔ、Ｐｏｗｅｒ−ＭＯＳ等の裏面電極に理想的な不鈍物
濃度プロファイルを実現することができる半導体素子の
製造方法とその装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、半導体基板の裏面電極の形成に際し、不純
物を前記半導体基板へイオン注入し、熱処理によって前
記不純物を活性化させる半導体素子の製造方法におい
て、前記熱処理は、レーザ発振器から出射したレーザ光
を光学系を介して前記半導体基板に照射するとともに、
前記半導体基板からの反射光をミラーで反射して前記半
導体基板に戻して照射することを特徴とする半導体素子
の製造方法である。

【００１５】また請求項２の発明による手段によれば、
前記レーザ発振器からの出射するパルスレーザはＸｅＣ
ｌエキシマレーザもしくはＫｒＦエキシマレーザで、レ
ーザ光の強度は前記半導体基板面で０．５Ｊ／ｃｍ^２以
上で２．５Ｊ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする半導
体素子の製造方法である。

【００１６】また請求項３の発明による手段によれば、
前記ミラーは、凹面の反射部をもち、前記レーザ発振器
から照射されるレーザ光の光軸上に設けられ、中央部に
孔設された孔に前記パルスレーザ光を通過させて前記半
導体基板を照射し、前記反射面で前記半導体基板からの
反射光を前記半導体基板に反射することを特徴とする半
導体素子の製造方法である。

【００１７】また請求項４の発明による手段によれば、
半導体基板の裏面電極の形成に際し、不純物を前記半導
体基板にイオン注入し、熱処理手段によって前記不純物
を活性化させる半導体素子の製造装置において、前記熱
処理手段は、レーザ発振器から出射したレーザ光を光学
系を介して前記半導体基板に照射する照射手段と、前記
半導体基板からの反射光を凹面ミラー面で反射して前記
半導体基板に戻して照射する凹面ミラーを有することを
特徴とする半導体素子の製造装置である。

【００１８】また請求項５の発明による手段によれば、
前記凹面ミラーは、ミラー面がアルミニウム蒸着面か誘
電体多層膜面であることを特徴とする半導体素子の製造
装置である。

【００１９】また請求項６の発明による手段によれば、
前記凹面ミラーの配置位置は、前記半導体基板の直上の
光軸上で前記光学系を形成している結像レンズの焦点距
離の位置であることを特徴とする半導体素子の製造装置
である。

【００２０】また請求項７の発明による手段によれば、
前記凹面ミラーの曲率は、前記結像レンズの焦点距離か
ら前記半導体基板までの距離の２倍の値であることを特
徴とする半導体素子の製造装置である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２２】まず、本発明の対象となる半導体素子の主
要な製造工程について説明する。

【００２３】図１は、本発明の半導体素子に係る実施の
形態を示すＩＧＢＴの断面図である。Ｎ型のシリコン基
板で形成されたウエハ１の表面において、高濃度のＰ型
が導入されたＰ＋型のウエル領城、ゲート絶縁膜上のゲ
ート電極２、Ｐ型べース領域３、Ｎ^＋型エミッタ領域
４、絶縁膜５が形成されている。エミッタ電極６は、Ｎ
^＋型エミッタとＰ型べース各領域をショートさせるよう
に設けられている。

【００２４】本発明では、このウエハ１の裏面に対し、
ボロンをドーピング注入したアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金をコレクク電極７の材料として用いている。
このコレクタ電極７に隣接して低濃度のＰ型層（Ｐ−
層）８が形成されており、良好な低抵抗オーミックコン
タクトを形成している。

【００２５】次に、図１の構成の製造方法を説明する。
まず、ウエハ１の表面は、周知の技術を用いて、Ｐ^＋型
のウエル領域、ゲート絶縁膜上のゲ−ト電極２、Ｐ型べ
ース領域３、Ｎ^＋型エミッタ領域４、絶縁膜５を形成す
る。その後、エミッタ電極６として、Ｎ^＋型エミッタと
Ｐ型ベース各領域を電気的にショートさせるアルミニウ
ムを形成する。これら工程が終了するまでには、アニー
ルやリフロー等、各電極の熱処理の工程が適宜挿入され
る。

【００２６】ウエハ１の表面の形成工程の後、本発明に
おいて重要なウエハ１の裏面側の形成工程にはいる。こ
れについて、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら説明
する。ウエハ１の裏面に対し、ボロンをイオン注入する
（図２（ａ））。ＩＥ１３〜ＩＥ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^２とし加速電圧は、５０ＫｅＶとする。その後ウエハ１
にレーザ照射しイオン注入されたボロンを活性化させる
（図２（ｂ））。これによりウエハ１の中には低濃度の
Ｐ型層（Ｐ型層）８が形成される。その後、アルミニウ
ム又は積層メタル（Ｖ／Ｎｃ／Ａｕ）をスパッタリング
などで堆積させ、コレクタ電極を形成する（図２
（ｃ））。

【００２７】図３は、この発明を用いた図２（ｃ）のコ
レクタ領域における、不純物濃度プロファイルを示す特
性曲線である。本発明では、ウエハ１の裏面へのレーザ
光の照射により、その影響をウエハ１裏面へのみ与え、
ウエハ１の表面までには与えるのを抑制することができ
る。

【００２８】なお、この発明の製造方法は、その他、光
トリガ型サイリスタ、逆素子型のＧＴＯサイリスタ等に
採用しても上記と同様の効果を発揮する。

【００２９】次に、上述の工程で用いた本発明のレーザ
アニール装置について説明する。

【００３０】図４は本発明のレーザアニール装置の構成
図である。すなわち、レーザ発振器２１の光軸上の前方
には、レーザ光２２の進路にしたがって、順次、ミラー
２３、２４、ホモジナイザ２５、ミラー２６、結像レン
ズ２７、チャンバ２８が設けられている。チャンバ２８
には結像レンズ２７の対面に当たる天井部に合成石英ガ
ラス製の窓２９が形成され、チャンバ２８内のその下方
には凹面ミラー３２が設けられ、されにその下方に設け
られたＸＹテーブル３０上には被処理体である半導体基
板３１が裏面を上向きに載置されている。なお、この半
導体基板３１の表面は保護テープで保護されてＸＹテー
ブル３０に接している。また、レーザ発振器２１はコン
トローラ３３を介してコンピュータ３４に接続されてい
る。

【００３１】なお、レーザ発振の繰返し周波数は２００
Ｈｚもしくは３００Ｈｚとし、半導体基板３１へのレー
ザ照射ビームサイズを１ｍｍ□〜５ｍｍ□の正方形ビー
ムとし、５インチまたは６インチまたは８インチの半導
体基板３１の全面を１００μｍ〜２００μｍの重ね合せ
量でＸＹテーブル３０により走査させる。また、その際
のＸＹテーブル３０の動作とレーザ発振器２１の制御
は、コンピュータ３４とコントローラ３３により行な
う。

【００３２】また、凹面ミラー３２は、中央部にパルス
レーザ光２２を通過させるための孔径φ５００μｍ〜５
ｍｍの孔３６が孔設されている。ミラー面はアルミニウ
ムの蒸着で形成するか、石英基板上に弗化マグネシュウ
ム（ＭｇＦ_２）等の誘電体多層膜を形成したもの用いて
いる。

【００３３】これらの構成により、レーザ発振器２１よ
り出力したレーザ光２２は、ミラー２３、２４により、
レーザ光２２の空間的強度分布を均一化させるビームホ
モジナイザ２５に導かれ、ミラー２６、結像レンズ２７
を介し、真空排気設備を具備したチャンバ２８に合成石
英ガラス製の窓２９より、ＸＹテーブル３０上に配置さ
れた半導体基板３１にに照射する。

【００３４】また、半導体基板３１の直上のチャンバ２
８に固定された凹面ミラー３２は、半導体基板３１から
反射してきた光を、凹面ミラー３２で反射して半導体基
板３１を照射する。したがって、半導体基板３１の上面
には、レーザ発振器２１から角光学系を経由して照射す
る直接光と、凹面ミラー３２で反射した間接光の双方が
重畳して照射することになる。

【００３５】また、図５は結像レンズ２７と凹面ミラー
３２との関係を示す説明図である。結像レンズ２７のＮ
Ａにより定まる入射角をαとし、その集光点までの距離
をｆ、集光点から半導体基板３１までの距離をａとす
る。凹面ミラー３２の配置位置は凹面中心がレーザ光２
２の集光点位置となる。凹面ミラー３２の反射面の曲率
Ｒは集光点から半導体基板３１までの距離ａの２倍とな
る。凹面ミラー３２の大きさはＤ、結像レンズ２７のＮ
Ａにより定められる角度αより決まり、Ｄ＝２×２ａ×
ｔａｎαとなる。

【００３６】結像レンズ２７のＮＡを０．２とし、結像
レンズ２７へのレーザ入射光の径ｄをφ３０ｍｍとした
場合、結像レンズ２７から集光点までの距離ｆは、ｆ＝
（ｄ／２）／ｔａｎ（ｓｉｎ^−１０．２）≒７３．４８
ｍｍとなり、集光点から半導体基板３１までの距離ａは
結像倍率１／６としたときａ＝１２．２５ｍｍとなり、
凹面ミラー３２の曲率Ｒ＝２×ａよりＲ≒２４．４９ｍ
ｍとなる。

【００３７】また、凹面ミラー３２の外形ＤはＤ＝２×
２ａ×ｔａｎαよりＤ＝１０ｍｍとなる。この凹面ミラ
ー３２によりレーザ光２２のエネルギー損失を５０％か
ら２５％程度に低減できた。

【００３８】以上に述べたように本発明では、レーザ光
２２の５０％の反射率の損失を低減するため、照射した
パルスのレーザ光２２の反射光を、再度、半導体基板３
１へ反射する凹面ミラー３２を半導体基板３１の直上に
設けた。凹面ミラー３２は、パルスレーザ光２２を通過
させるための孔３６を有し、その大きさはφ５００μｍ
〜の５ｍｍとすることとし、半導体基板３１へ照射する
パルスレーザ光２２の入射ＮＡは０．２以下とし、凹面
ミラー３２の反射面はＡｌ蒸着膜もしくは誘電体多層膜
とし、その配置位置は基板から直上に結像レンズ２７の
焦点距離の位置とした。これにより、半導体基板３１よ
り反射した５０％のうち半分の２５％程度を半導体基板
３１へ再度照射されることとなり、レーザ光２２の損失
は５０％から２５％程度へと低減することが可能になっ
た。

【００３９】したがって、レーザ光２２の損失を低減さ
せたボロンの活性化を行なうことができ、ＩＧＢＴ、Ｐ
ｏｗｅｒ−ＭＯＳの裏面電極に理想的な不鈍物濃度プロ
ファイルを実現することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ光のエネルギー
損失を大幅に低減させ、半導体基板の裏面電極に理想的
な不純物濃度プロファイルを実現した半導体素子の製造
方法及びその製造装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子に係る実施の形態を示すＩ
ＧＢＴの断面図。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明において重要なウエ
ハ１の裏面側の形成工程を順に示す部分断面図。

【図３】図２（ｃ）のコレクタ電極における不純物濃度
プロファイルを示す特性図。

【図４】本発明のレーザアニール装置の構成図。

【図５】本発明のレーザアニール装置の結像レンズと凹
面ミラーとの関係を示す説明図。

【符号の説明】

１ウエハ、２ゲ−ト電極２、３Ｐ型べース領域、４Ｎ＋
型エミッタ領域、５絶縁膜、６エミッタ電極、７コレク
タ電極、８低濃度Ｐ型層、２１レーザ発振器、２７結像
レンズ、２８チャンバ、３２凹面ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/78 ６５８Ａ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の裏面電極の形成に際し、不
   純物を前記半導体基板へイオン注入し、熱処理によって
   前記不純物を活性化させる半導体素子の製造方法におい
   て、 前記熱処理は、レーザ発振器から出射したレーザ光を光
   学系を介して前記半導体基板に照射するとともに、前記
   半導体基板からの反射光をミラーで反射して前記半導体
   基板に戻して照射することを特徴とする半導体素子の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記レーザ発振器からの出射するパルス
   レーザはＸｅＣｌエキシマレーザもしくはＫｒＦエキシ
   マレーザで、レーザ光の強度は前記半導体基板面で０．
   ５Ｊ／ｃｍ^２以上で２．５Ｊ／ｃｍ^２以下であることを
   特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記ミラーは、凹面の反射部をもち、前
   記レーザ発振器から照射されるレーザ光の光軸上に設け
   られ、中央部に孔設された孔に前記パルスレーザ光を通
   過させて前記半導体基板を照射し、前記反射面で前記半
   導体基板からの反射光を前記半導体基板に反射すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体基板の裏面電極の形成に際し、不
   純物を前記半導体基板にイオン注入し、熱処理手段によ
   って前記不純物を活性化させる半導体素子の製造装置に
   おいて、 前記熱処理手段は、レーザ発振器から出射したレーザ光
   を光学系を介して前記半導体基板に照射する照射手段
   と、前記半導体基板からの反射光を凹面ミラー面で反射
   して前記半導体基板に戻して照射する凹面ミラーを有す
   ることを特徴とする半導体素子の製造装置。
5. 【請求項５】 前記凹面ミラーは、ミラー面がアルミニ
   ウム蒸着面か誘電体多層膜面であることを特徴とする請
   求項４記載の半導体素子の製造装置。
6. 【請求項６】 前記凹面ミラーの配置位置は、前記半導
   体基板の直上の光軸上で前記光学系を形成している結像
   レンズの焦点距離の位置であることを特徴とする請求項
   ４記載の半導体素子の製造装置。
7. 【請求項７】 前記凹面ミラーの曲率は、前記結像レン
   ズの焦点距離から前記半導体基板までの距離の２倍の値
   であることを特徴とする請求項６記載の半導体素子の製
   造装置。