JP6439297B2 - 不純物導入方法、不純物導入装置及び半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
またSiCのアニールは、1600〜1800度程度と、シリコン(Si)の場合より高温で行われるが、このアニールによって半導体素子の表面からSiが脱落することや、マイグレーションにより半導体素子の表面が荒れることが知られている。そこで、半導体素子の表面に窒化アルミニウム(AlN)や炭素(C)等の保護膜を形成した上でアニールするという方法があるが、保護膜の形成及び除去のための処理工程が増加するとともに処理コストが増大するという問題がある。またアルミニウム(Al)や炭素(C)による周辺の汚染という問題も懸念される。
しかし、非特許文献1の技術の場合、半導体基板の表面からの不純物元素の侵入深さは、最大でも40nm程度しか達成できないという問題がある。これはパルス照射するレーザ光が照射目標領域1箇所に対して1ショットの場合であっても100ショットの場合であっても略同じである。
また本発明に係る半導体素子の製造方法によれば、半導体素子の裏面に対してレーザードーピングを行う場合に、不純物元素を深く侵入させ、裏面全体の不純物元素の導入(添加)層を高濃度化することが容易となる。
まず本発明の第一の実施形態に係る不純物導入方法を説明する。第一の実施形態に係る不純物導入方法は、例えば図1に示す不純物導入装置1aを用いて、半導体基板2の内部の一部に不純物元素を導入するものである。第一の実施形態に係る不純物導入方法は、室温下で半導体基板2の主面である上面2a上に不純物元素の化合物を含む溶液4を接触させ、溶液4の存在する溶液存在領域Aを形成する工程を含む。また第一の実施形態に係る不純物導入方法は、溶液4を介して半導体基板2の上面2aにレーザ光32を照射して、このレーザ光32が照射された照射位置Pを昇温させる工程を含む。第一の実施形態に係る不純物導入方法は、図2(a)及び図2(b)に示すように、照射位置Pに対する全てのレーザ光32の照射が終了する時刻t3までの間、昇温した照射位置Pの温度が室温Kに戻らないようにレーザ光32の波形が設定される。
またレーザ光32を2個のパルス波を連ねて連続波形状とした場合、2個のパルス波は、レーザ光源31が2台の発振器を備えるレーザ光学系30aを用いてそれぞれの発振器からパルスを照射することで形成した。2個のパルス波は、図2(b)中の上段において上側に示す最初のパルス状波形のレーザ光32と、図2(b)中の上段おいて下側に示す二番目のパルス状波形のレーザ光32とを用いた。
例えば100ショットのパルス状のレーザ光を照射しても、1ショットあたりに浪費されるレーザ光32のエネルギーが大きいため、100ショット分のレーザ光32のエネルギーのうちの多くがSiC半導体基板2に十分に吸収されない。そのため、エネルギーの吸収が半導体基板2の浅い部分に留まり、不純物元素の侵入深さが浅い位置に留まることになる。
第一の実施形態に係る半導体素子の製造方法は、半導体基板2の表面に、第1導電型の第1の半導体領域を形成するものである。第一の実施形態に係る半導体素子の製造方法は、室温下で、第1導電型又は第2導電型の半導体基板2の表面の一部に、第1導電型の不純物元素の化合物を含む溶液4を接触させ、溶液4が存在する溶液存在領域Aを形成する工程を含む。ここで第1導電型は、n型かp型のいずれかである。第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。
第一の実施形態に係る半導体素子の製造方法では、まず、図6に例示するように、第3の半導体領域23aの上面2a上に、第2導電型の不純物元素を含む溶液4の存在する溶液存在領域Aを形成する。次に、溶液4を介して第3の半導体領域23aに、集光装置37で集光したレーザ光32を照射する。レーザ光32の照射により、図7に示すように、第3の半導体領域23aの上部の一部に、半導体基板2の上面2aが露出するように、第2導電型の第2の半導体領域22aが形成される。
尚、第一の実施形態における第3の半導体領域23aを本発明の第2の半導体領域とした場合、第一の実施形態における第4の半導体領域24aが本発明の第1の半導体領域に相当する。
また第一の実施形態に係る半導体素子の製造方法によれば、SiCからなる半導体基板2を用いて構成した半導体素子の裏面に対して不純物元素をより深く侵入させ、裏面全体の不純物元素の注入層を高濃度化することが容易となり、裏面に接合させる金属電極層とのコンタクト性を向上させた半導体素子を得ることができる。
第二の実施形態に係る不純物導入装置1bは、図11に示すように、室温下で、内側に不純物元素を含む溶液4を蓄えるとともに凹部をなす底面上に半導体基板2を固定し、この半導体基板2の上面2a(溶液槽5の底面と反対側の面)上に溶液4を接触させ、溶液4の存在する溶液存在領域Aを形成する溶液槽5を備える。また不純物導入装置1bは、この溶液槽5を介して半導体基板2を支持する支持台3と、溶液4中に照射側の端面をなす一方の端面36aが配置された光ファイバ36を有するレーザ光学系30bと、を備える。
また第二の実施形態に係る不純物導入装置1bは、半導体基板2の主面に平行な面内に定義されるX−Y方向に、支持台3を自在に移動させるX−Y移動ステージ8を備える。また不純物導入装置1bは、X−Y方向に垂直なZ方向に、支持台3を自在に移動させるZ移動ステージ9を更に備える。
光ファイバ36の照射側の端面36aは、図11に示すように、半導体基板2の上面2aと平行となるとともに上面2aとの間で間隔hを形成するように溶液4中に配置されている。すなわち光ファイバ36の端面36aは、溶液4の液面4aより下方に位置し、レーザ光32は溶液4中から半導体基板2の上面2aに対して照射される。
レーザ光32は、液面4aに対して、予め設定された入射角θで入射するように構成されている。入射角θは、レーザ光32を電場ベクトルの振動方向が入射面に平行となるように偏向させた場合に、ブリュースター角となるように設定されている。すなわち、光ファイバ38の照射側の端面38aと液面4aとの界面でレーザ光32が反射せず、入射光が全て透過して半導体基板2に照射されるため、レーザ光32のエネルギーを有効に利用することが可能となる。
集光装置37は例えば、第一の実施形態で説明した集光レンズと同様のレンズで構成される。光ファイバ36の内部に集光装置37を設けることにより、レーザ光32を集光して照射するので、照射位置Pに供給するエネルギー密度をより向上させることが可能となる。
まず図4中の比較例(c)の場合、レーザ光32は、溶液4の液面4aの上方から照射されている。溶液4中ではレーザ光32の反射が生じやすいため、レーザ光32が液面4aの上方から溶液4中に入射する場合、散乱による影響が大きく、照射位置Pに対して供給するエネルギー密度が低くなる。そのため、SiCの半導体基板2のレーザ光32のエネルギー吸収が半導体基板2の深い部分にまで拡大されず浅い部分に留まり、結果、不純物元素の侵入深さが40nm程度と比較的浅くなる。
本発明は、半導体基板の表面上の一つの照射位置に対する全てのレーザ光の照射が終了するまでの間、加熱により昇温した照射位置の温度が、予め設定された温度に戻らないように構成すればよく、各実施形態中の構成を適宜組み合わせて構成されてよい。
2 半導体基板
2a 上面
3 支持台
4 溶液
4a 液面
5 溶液槽
7 半導体素子
8 X−Y移動ステージ
9 Z移動ステージ
30a,30b,30c レーザ光学系
32 レーザ光
36,38 光ファイバ
36a,38a 端面
37 集光装置
h 間隔
A 溶液存在領域
P 照射位置
Claims (18)
- 半導体基板の主面上に不純物元素の化合物を含む溶液を接触させる工程と、
前記溶液を介して前記半導体基板の主面にレーザ光を照射して該レーザ光の照射位置の前記半導体基板の主面の温度を昇温させる工程と、を含み、
前記レーザ光の照射は、前記昇温した温度が室温に戻らないように繰り返される態様もしくは一定温度となる態様であり、
前記レーザ光を照射する際に、前記レーザ光が前記溶液の液面の鉛直線に対してブリュースター角で入射するように前記半導体基板の主面に前記レーザ光を照射して、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入することを特徴とする不純物導入方法。 - 前記レーザ光は、連続波であることを特徴とする請求項1に記載の不純物導入方法。
- 前記レーザ光の波形は、複数のパルス波を連ねて形成される連続波形状であることを特徴とする請求項1に記載の不純物導入方法。
- 前記半導体基板の主面に平行な面内に定義されるX−Y方向に前記半導体基板を移動させる工程を更に含み、
前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素が導入されたパターンを直接描画することを特徴とする請求項2又は3に記載の不純物導入方法。 - 前記半導体基板の主面の温度を昇温させる工程において、前記溶液中に一方の端面が配置された光ファイバを設け、該光ファイバを介して前記一方の端面から前記半導体基板の主面にレーザ光を照射することを特徴とする請求項4に記載の不純物導入方法。
- 内側に不純物元素を含む化合物の溶液を蓄えるとともに底面上に半導体基板を固定する溶液槽と、
該溶液槽を支持する支持台と、
前記溶液中に一方の端面が配置された光ファイバを有し、該光ファイバにレーザ光を入射させ前記一方の端面と前記半導体基板との間の溶液を介して、前記一方の端面から前記半導体基板にレーザ光を照射して、前記半導体基板の主面の温度を昇温するレーザ光学系と、を備え、
前記レーザ光学系は、前記溶液の液面の鉛直線に対する前記レーザ光の入射角がブリュースター角となるように前記光ファイバが配置され、
前記レーザ光の照射により前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入することを特徴とする不純物導入装置。 - 前記レーザ光学系は、連続波のレーザ光を照射するレーザ光源を含むことを特徴とする請求項6に記載の不純物導入装置。
- 前記レーザ光学系は、前記昇温した温度が室温に戻らないように繰り返し前記半導体基板を照射するパルス光を出力するレーザ光源を含むことを特徴とする請求項6に記載の不純物導入装置。
- 前記半導体基板の主面に平行な面内に定義されるX−Y方向に、前記支持台を自在に移動させるX−Y移動ステージを更に備えることを特徴とする請求項7又は8に記載の不純物導入装置。
- 前記一方側の端面は、前記半導体基板の上面と平行であり、
前記一方側の端面と前記半導体基板の上面との間隔を制御するように、前記X−Y方向に垂直なZ方向に、前記支持台を自在に移動させるZ移動ステージを更に備えることを特徴とする請求項9に記載の不純物導入装置。 - 前記レーザ光学系は、前記半導体基板の禁制帯幅よりも大きなエネルギーとなる波長のレーザ光を照射することを特徴とする請求項10に記載の不純物導入装置。
- 前記光ファイバの内部に、入射したレーザ光を集光して前記半導体基板に照射する集光装置を更に備えることを特徴とする請求項11に記載の不純物導入装置。
- 第1導電型又は第2導電型の半導体基板の表面の一部に、第1導電型の不純物元素の化合物を含む溶液を接触させる工程と、
前記溶液を介して前記半導体基板の表面にレーザ光を、該レーザ光の照射位置の前記半導体基板の表面の温度が室温に戻らないように照射する工程と、を含み、
前記レーザ光を、前記レーザ光が前記溶液の液面の鉛直線に対してブリュースター角で入射するように前記半導体基板の主面に照射して、前記半導体基板の表面に第1導電型の第1の半導体領域を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記半導体基板を第2導電型の不純物元素の化合物を含む溶液に接触させ、前記レーザ光を照射することにより、前記第1導電型の第1の半導体領域の表面に、第2導電型の第2の半導体領域を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体基板を前記第1導電型の不純物元素の化合物を含む溶液に接触させ、前記レーザ光を照射することにより、
前記第1の半導体領域に前記第1の半導体領域よりも高濃度の第1導電型のコンタクト領域を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記コンタクト領域にオーミック電極層を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
- 第1導電型又は第2導電型の半導体基板の表面の一部に、第1導電型の不純物元素の化合物を含む溶液を接触させる工程と、
前記溶液を介して前記半導体基板の表面にレーザ光を、該レーザ光の照射位置の前記半導体基板の表面の温度が室温に戻らないように照射することにより、前記半導体基板の表面に第1導電型の第1の半導体領域を形成する工程と、
前記第1導電型の第1の半導体領域が形成された半導体基板の表面の一部に、第1導電型の不純物元素の化合物を含む溶液を接触させる工程と、
前記第1の半導体領域が形成された半導体基板の表面の一部に接触させた溶液を介して前記第1導電型の第1の半導体領域の表面にレーザ光を、該レーザ光の照射位置の前記半導体基板の表面の温度が室温に戻らないように照射することにより、前記第1導電型の第1の半導体領域に該第1の半導体領域よりも高濃度の第1導電型の第2の半導体領域を形成する工程と、を含み、
前記第1導電型の第1の半導体領域形成時及び前記第1導電型の第2の半導体領域形成時に、前記レーザ光が前記溶液の液面の鉛直線に対してブリュースター角で入射するように前記半導体基板の主面に前記レーザ光を照射することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記レーザ光は、前記溶液中に一方の端面が配置された光ファイバにより、該光ファイバを介して前記一方の端面から前記半導体基板に照射されることを特徴とする請求項13〜17のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
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