JP6801775B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体基板（半導体ウエハ）の主面から深い領域をレーザーアニールにより活性化する方法の１つに、比較的波長の長い例えば赤外（ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ）レーザー等の長波長レーザーを用いる方法が挙げられる。波長の長いレーザーを用いるほど、レーザー光の侵入深さが深く、半導体基板のより深い領域にレーザー光が到達する。このため、長波長レーザーを用いることで、比較的波長の短い例えばグリーン（Ｇｒｅｅｎ）レーザー等の短波長レーザーを用いた場合よりも深い領域の活性化が可能である。

また、レーザーアニールにより所定領域を活性化する別の方法として、長波長レーザーを用いて半導体基板の主面から相対的に深い領域を活性化させた後に、短波長レーザーを用いて半導体基板の同一主面から相対的に浅い領域を活性化させる方法が知られている。半導体基板の主面から相対的に深い領域とは、例えばフィールドストップ（ＦＳ：Ｆｉｅｌｄ Ｓｔｏｐ）領域である。半導体基板の主面から相対的に浅い領域とは、例えばコレクタ領域やカソード領域である。

波長の異なる２つのレーザーを用いた従来のレーザーアニールについて、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：逆導通型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を作製（製造）する場合を例に説明する。図１０Ａ，１０Ｂは、従来の半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。ここでは、長波長レーザーとしてＩＲレーザーを用い、短波長レーザーとしてＧｒｅｅｎレーザーを用いる。

まず、図１０Ａに示すように、ｎ^-型ドリフト領域１０１となるｎ^-型の半導体基板１１０のおもて面側に、ＲＣ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造およびおもて面電極１０９を形成する。ＲＣ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造とは、ＩＧＢＴ領域１２１に配置されるＩＧＢＴのＭＯＳゲートと、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：還流ダイオード）領域１２２に配置されるＦＷＤのｐ型アノード領域である。ＩＧＢＴ領域１２１およびＦＷＤ領域１２２は、同一の半導体基板１１０に並列に配置される。

ＩＧＢＴのＭＯＳゲートは、ｐ型ベース領域１０２、ｎ⁺型エミッタ領域１０３、ｐ⁺型コンタクト領域１０４、トレンチ１０５、ゲート絶縁膜１０６およびゲート電極１０７からなる。ｐ型ベース領域１０２は、ＦＷＤのｐ型アノード領域を兼ねる。おもて面電極１０９は、エミッタ電極およびアノード電極を兼ねる。次に、半導体基板１１０の裏面から異なる条件でイオン注入を複数回行い、ｎ型ＦＳ領域１１１、ｐ⁺型コレクタ領域１１２およびｎ⁺型カソード領域１１３をそれぞれ形成する。

次に、半導体基板１１０の裏面から相対的に深いｎ型ＦＳ領域１１１にＩＲレーザーのレーザー光１３１を照射して、ｎ型ＦＳ領域１１１を活性化させる。次に、図１０Ｂに示すように、半導体基板１１０の裏面から相対的に浅いｐ⁺型コレクタ領域１１２およびｎ⁺型カソード領域１１３にＧｒｅｅｎレーザーのレーザー光１３２を照射して、ｐ⁺型コレクタ領域１１２およびｎ⁺型カソード領域１１３を活性化させる。その後、半導体基板１１０の裏面に裏面電極（不図示）を形成することで、ＲＣ−ＩＧＢＴが完成する。

レーザーアニールにより所定領域を活性化する別の方法として、半導体レーザー発振器から射出した第１のレーザー光を半導体基板に照射し続けた状態で、固体レーザー発振器から射出した第２のレーザー光を半導体基板の同一主面に照射する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１（第００１１，００２２段落）参照。）。下記特許文献１では、第１のレーザー光の波長は９５０ｎｍ以下であり、第２のレーザー光の波長は緑色の波長域であり、第１，２のレーザー光を照射する領域はほぼ重なっている。

また、レーザーアニールにより所定領域を活性化する別の方法として、半導体基板のイオン注入面に対して、ＹＡＧ２ωレーザー（ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザーの第２高調波、波長：５００ｎｍ）とＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）系の半導体レーザ（波長：８０８ｎｍ）とを同時に照射する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２（第００５７段落）参照。）。下記特許文献２では、異なる波長の２種類のレーザーのレーザー光を同時に照射することで、基板おもて面のＭＯＳゲートに悪影響を与えずに、半導体基板の裏面から深い位置に所定領域を形成している。

特開２０１４−０３６１１０号公報 特開２００９−１７６８９２号公報

しかしながら、従来のレーザーアニール（図１０Ａ，１０Ｂ参照）では、次の問題が生じる。図８，９は、従来の半導体装置のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。図８，９には、図１０Ｂの切断線ＡＡ−ＡＡ’におけるキャリア濃度分布を示す。ＦＷＤ領域１２２にｎ⁺型カソード領域１１３を形成するには半導体基板１１０の裏面から高ドーズ量でイオン注入を行う必要があるが、高ドーズ量でイオン注入を行うと、半導体基板１１０の裏面の表面層の結晶性が崩れてアモルファス化してしまう。長波長レーザーのレーザー光１３１は、アモルファス化した領域よりも深い領域に照射することとなる。

アモルファス化した領域およびアモルファス化した領域よりも深い領域に長波長レーザーのレーザー光１３１を照射する場合、レーザー光１３１の吸収率が低下、または、レーザー光１３１の反射率が高くなる。これによって、アモルファス化した領域よりも半導体基板１１０の裏面から深い領域にまで熱が伝わらずに、図８に示すように所定領域（ここではｎ型ＦＳ領域１１１）を活性化しにくくなる。このため、ｎ型ＦＳ領域１１１のキャリア濃度がｎ^-型ドリフト領域１０１のキャリア濃度よりも低くなり、ｎ型ＦＳ領域１１１の所定のキャリア濃度が得られない。

この問題は、より高エネルギー（例えば５．８Ｊ／ｃｍ²以上程度）で長波長レーザーのレーザー光１３１を照射することで解決される。すなわち、図９に示すように、高エネルギーのレーザー光１３１によりｎ型ＦＳ領域１１１が活性化され、ｎ型ＦＳ領域１１１のキャリア濃度がｎ^-型ドリフト領域１０１のキャリア濃度よりも高くなる。しかしながら、長波長レーザーのレーザー光１３１を高エネルギーで照射するほど、半導体基板１１０の裏面が高温度になって発熱する。

上記特許文献１，２においても、波長の異なる２種類のレーザーのレーザー光を半導体基板の一方の主面から同一領域に同時に照射するため、半導体基板の裏面が高温度になって発熱する。具体的には、半導体基板の裏面の表面温度が例えば２００℃〜３００℃程度まで上昇してしまうため、例えば、半導体基板１１０のおもて面の表面層が変質したり、半導体基板１１０のおもて面を覆うレジスト膜のパターン変形（レジスト焼け）や、粘着テープの変形・発泡・糊残りなど、半導体基板１１０のおもて面側の各部に悪影響が及ぶ。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、より低エネルギーでのレーザーアニールにより所定領域を活性化させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体基板の一方の主面から不純物をイオン注入して第１半導体領域を形成する第１工程を行う。次に、前記半導体基板の一方の主面から不純物をイオン注入して、前記第１半導体領域よりも浅い領域に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第２半導体領域を形成する第２工程を行う。次に、前記半導体基板の一方の主面から第１レーザー光を照射して前記第２半導体領域を活性化させるとともに、前記半導体基板の一方の主面の表面層を溶融して再結晶化する第３工程を行う。次に、前記第３工程の後、前記第１レーザー光よりも波長の長い第２レーザー光を前記半導体基板の一方の主面から照射して前記第１半導体領域を活性化させる第４工程を行う。前記第３工程では、前記第１レーザー光のエネルギーを１Ｊ／ｃｍ ² 以上２Ｊ／ｃｍ ² 以下とし、前記第１レーザー光のパルス幅を５０ｎｓ以上３００ｎｓ以下とする。前記第４工程では、前記第２レーザー光のエネルギーを４．８Ｊ／ｃｍ ² 以上８Ｊ／ｃｍ ² 以下とし、前記第２レーザー光のパルス幅を前記第１レーザー光のパルス幅より長く、かつ１０μｓ以上とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３工程では、前記第１レーザー光により不純物が活性化する深さを１μｍ未満とすることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記第２レーザー光により不純物が活性化する深さを１μｍ以上４μｍ以下とすることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１レーザー光の波長は、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２レーザー光の波長は、８００ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、第５，６工程をさらに含む。前記第５工程では、第１導電型の前記半導体基板の他方の主面側に所定の素子構造を形成する。前記第６工程では、前記第３工程の前に、前記半導体基板の一方の主面から第２導電型不純物をイオン注入して、前記第１半導体領域よりも浅い領域に、前記半導体基板の一方の主面に平行な方向に前記第２半導体領域に並列に配置された第２導電型の第３半導体領域を形成する。前記第１工程では、第１導電型不純物をイオン注入して第１導電型の前記第１半導体領域を形成する。前記第２工程では、第１導電型不純物をイオン注入して第１導電型の前記第２半導体領域を形成する。前記第３工程では、前記第１レーザー光を照射して前記第２半導体領域および前記第３半導体領域を活性化させることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、イオン注入のドーズ量を５×１０¹¹／ｃｍ²以上１×１０¹⁴／ｃｍ²以下とすることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、イオン注入のドーズ量を１×１０¹⁴／ｃｍ²以上１×１０¹⁶／ｃｍ²以下とすることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第６工程では、イオン注入のドーズ量を１×１０¹²／ｃｍ²以上１×１０¹⁵／ｃｍ²以下とすることを特徴とする。

上述した発明によれば、半導体基板の裏面から浅く、かつ相対的に不純物濃度の高い第２半導体領域を形成するためのイオン注入でアモルファス化した部分が短波長レーザーによるレーザーアニールで溶融され再結晶化される。このため、その後、半導体基板の裏面からの長波長レーザーによる第１半導体領域のレーザーアニール時に、長波長レーザーのレーザー光の吸収率低下や高反射率化を抑制することができる。

本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、より低エネルギーでのレーザーアニールにより所定領域を活性化させることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。 図２は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。 図３Ａは、実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｂは、実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 図４は、実施の形態にかかる半導体装置のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。 図５は、実施例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。 図６は、従来例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。 図７は、実施例および従来例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を比較した特性図である。 図８は、従来の半導体装置のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。 図９は、従来の半導体装置のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。 図１０Ａは、従来の半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 図１０Ｂは、従来の半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
まず、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により作製（製造）される半導体装置の一例として、ＲＣ−ＩＧＢＴの構造について説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。図１に示す実施の形態にかかる半導体装置は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と同一のｎ^-型半導体基板（半導体チップ）１０に、当該ＩＧＢＴに逆並列に接続された還流用ダイオード（ＦＷＤ）を配置したＲＣ−ＩＧＢＴである。

具体的には、ｎ^-型ドリフト領域１となる同一ｎ^-型半導体基板（半導体チップ）１０に、ＩＧＢＴ領域２１およびＦＷＤ領域２２が並列に配置されている。ＩＧＢＴ領域２１には、ＩＧＢＴが配置される。ＦＷＤ領域２２には、ＦＷＤが配置される。ＩＧＢＴ領域２１において、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面側には、ｐ型ベース領域２、ｎ⁺型エミッタ領域３、ｐ⁺型コンタクト領域４、トレンチ５、ゲート絶縁膜６およびゲート電極７からなる一般的なトレンチゲート型のＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）が設けられている。

おもて面電極９は、ｎ⁺型エミッタ領域３およびｐ⁺型コンタクト領域４に接し、これらｎ⁺型エミッタ領域３およびｐ⁺型コンタクト領域４に電気的に接続されている。また、おもて面電極９は、層間絶縁膜８によってゲート電極７と電気的に絶縁されている。ｐ型ベース領域２、トレンチ５、層間絶縁膜８およびおもて面電極９は、ＩＧＢＴ領域２１からＦＷＤ領域２２にわたって設けられている。ｎ⁺型エミッタ領域３およびｐ⁺型コンタクト領域４は、ＦＷＤ領域２２には設けられていない。

すなわち、ＦＷＤ領域２２において、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面の表面層には、ＩＧＢＴ領域２１と同様に、ｐ型ベース領域２、トレンチ５、層間絶縁膜８およびおもて面電極９が設けられている。ｐ型ベース領域２は、ＦＷＤ領域２２においてｐ型アノード領域として機能する。おもて面電極９は、エミッタ電極およびアノード電極を兼ねる。図１には、ＩＧＢＴ領域２１にＩＧＢＴの複数の単位セル（素子の構成単位）が並列に配置され、ＦＷＤ領域２２にＦＷＤの複数の単位セルが並列に配置された状態を示す。

ｎ^-型半導体基板１０の裏面の表面層には、ｎ型フィールドストップ（ＦＳ）領域（第１半導体領域）１１が設けられている。ｎ型ＦＳ領域１１は、ＩＧＢＴ領域２１からＦＷＤ領域２２にわたって設けられている。ｎ型ＦＳ領域１１は、ＩＧＢＴのオフ時にｐ型ベース領域２とｎ^-型ドリフト領域１とのｐｎ接合から伸びる空乏層の伸びを抑制する機能を有する。また、ｎ^-型半導体基板１０の裏面の表面層には、ｎ^-型半導体基板１０の裏面からｎ型ＦＳ領域１１よりも浅い位置に、ｐ⁺型コレクタ領域（第３半導体領域）１２およびｎ⁺型カソード領域（第２半導体領域）１３がそれぞれ選択的に設けられている。

ｐ⁺型コレクタ領域１２はＩＧＢＴ領域２１に設けられ、ｎ⁺型カソード領域１３はＦＷＤ領域２２に設けられている。ｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３は、ｎ型ＦＳ領域１１に接する。また、ｐ⁺型コレクタ領域１２とｎ⁺型カソード領域１３とは互いに接し、かつｎ^-型半導体基板１０の主面に平行する方向に並列に配置されている。ｎ^-型半導体基板１０の、ｐ型ベース領域２、ｎ型ＦＳ領域１１、ｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３以外の部分がｎ^-型ドリフト領域１である。

裏面電極１４は、ｎ^-型半導体基板１０の裏面全面に設けられｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３に接し、これらｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３に電気的に接続されている。裏面電極１４は、コレクタ電極およびカソード電極を兼ねる。

次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図３Ａ，３Ｂは、実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図４は、実施の形態にかかる半導体装置のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。図４には、図３Ｂの切断線Ａ−Ａ’におけるキャリア濃度分布を示す。まず、一般的な方法により、ｎ^-型ドリフト領域１となるｎ^-型半導体基板（半導体ウエハ）１０のおもて面側に、ＭＯＳゲート、層間絶縁膜８およびおもて面電極９などのおもて面素子構造を形成する（ステップＳ１）。

次に、ｎ^-型半導体基板１０を薄化する（ステップＳ２）。ｎ^-型半導体基板１０の薄化工程は、以下の工程が含まれる。ｎ^-型半導体基板１０のおもて面に表面保護膜を形成する。表面保護膜は、例えばレジストを塗布し、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面側のおもて面素子構造をレジスト膜（不図示）で保護する。次に、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面に、後述するバックグラインド時にｎ^-型半導体基板１０のおもて面を異物等から保護するバックグラインドテープ（粘着テープ：不図示）を貼り付ける。次に、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面素子構造の凹凸に応じて凹凸が発生したバックグラインドテープを平坦化する。次に、ｎ^-型半導体基板１０を裏面側から裏面全面にわたって研削（バックグラインド）し、ｎ^-型半導体基板１０の厚さを一様に薄くする。

次に、ｎ^-型半導体基板１０の中央部のみを裏面側から研削していき（例えばいわゆるＴＡＩＫＯ（登録商標）プロセス）、ｎ^-型半導体基板１０の外周の厚さを変えずに、ｎ^-型半導体基板１０の中央部のみを半導体装置として用いる製品厚さにする。次に、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面からバックグラインドテープを剥離する。なお、レジスト膜を保護膜として用いることに代えて、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面を保護テープで保護してもよい。また、ＴＡＩＫＯプロセスに代えて、支持基板によってｎ^-型半導体基板１０を補強した状態でｎ^-型半導体基板１０全体の厚さを薄くするＷＳＳ（Ｗａｆｅｒ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ）プロセスを用いてもよい。

次に、バックグラインド後にｎ^-型半導体基板１０の裏面に残るダメージ層を薬液によるエッチングによって除去する。次に、ＳＣ−１溶液（ＮＨ₄ＯＨとＨ₂Ｏ₂とＨ₂Ｏとの混合溶液）などによりｎ^-型半導体基板１０の裏面を洗浄する。なお、ステップＳ２のｎ^-型半導体基板１０を薄化する処理は、上記の工程に限定されることなく、ｎ^-型半導体基板１０を裏面側から厚さを調整して所望の厚さに薄化できればよい。

次に、ｎ^-型半導体基板１０の裏面全面に例えばリン（Ｐ）等のｎ型不純物をイオン注入し、ｎ型ＦＳ領域１１を形成する（ステップＳ３）。このｎ型ＦＳ領域１１を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を例えば５×１０¹¹／ｃｍ²以上１×１０¹⁴／ｃｍ²以下程度とし、加速エネルギーを例えば０．６ＭｅＶ以上３ＭｅＶ以下程度としてもよい。

次に、ｎ^-型半導体基板１０の裏面全面に例えばボロン（Ｂ）等のｐ型不純物をイオン注入し、ｎ^-型半導体基板１０の裏面からｎ型ＦＳ領域１１よりも浅い領域にｐ⁺型コレクタ領域１２を形成する（ステップＳ４）。このｐ⁺型コレクタ領域１２を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を例えば１×１０¹²／ｃｍ²以上１×１０¹⁵／ｃｍ²以下程度とし、加速エネルギーを例えば５ｋｅＶ以上５０ｋｅＶ以下程度としてもよい。次に、ｎ^-型半導体基板１０の裏面に、ｎ⁺型カソード領域１３の形成領域に対応する部分が開口したマスク、例えばレジストマスク（不図示）を形成する（ステップＳ５）。

次に、レジストマスクをマスクとしてｎ^-型半導体基板１０の裏面に例えばリン等のｎ型不純物をイオン注入し、ｐ⁺型コレクタ領域１２の、レジストマスクの開口部に露出する部分をｎ型に反転させてｎ⁺型カソード領域１３を形成する（ステップＳ６）。このｎ⁺型カソード領域１３を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を例えば１×１０¹⁴／ｃｍ²以上１×１０¹⁶／ｃｍ²以下程度とし、加速エネルギーを例えば５ｋｅＶ以上１５０ｋｅＶ以下程度としてもよい。ｎ⁺型カソード領域１３を形成するためのイオン注入は高ドーズ量で行うため、このイオン注入によりｎ^-型半導体基板１０の裏面の表面層の結晶性が崩れてアモルファス化する。

ｎ型ＦＳ領域１１を形成するためのイオン注入は、後述する長波長レーザー（長波長レーザー発振器）を用いたレーザーアニールよりも前に行えばよい。ｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３を形成するための各イオン注入は、後述する短波長レーザー（短波長レーザー発振器）を用いたレーザーアニールよりも前に行えばよい。また、ｐ⁺型コレクタ領域１２を形成するためのイオン注入は、ｐ⁺型コレクタ領域１２の形成領域に対応する部分にのみ選択的に行ってもよい。次に、ｎ⁺型カソード領域１３の形成に用いたマスクを除去する（ステップＳ７）。例えばステップＳ５の処理で形成したマスクがレジストマスクの場合は、灰化（アッシング）処理を行う。

次に、図３Ａに示すように、ｎ^-型半導体基板１０の裏面からｎ^-型半導体基板１０の裏面全体に短波長レーザーのレーザー光３１を照射し、ｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３を例えば１０００℃以上の温度で活性化させる（レーザーアニール：ステップＳ８）。ｎ^-型半導体基板１０の裏面に短波長レーザーのレーザー光３１を照射することで、ｐ⁺型コレクタ領域１２およびｎ⁺型カソード領域１３を形成するためのイオン注入でアモルファス化した部分（ｎ^-型半導体基板１０の裏面の表面層）が溶融され固化されることで再結晶化される。短波長レーザーのレーザー光３１のエネルギーは、例えば１Ｊ／ｃｍ²以上２Ｊ／ｃｍ²以下程度である。

短波長レーザーとは、例えば１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下程度のレーザー光３１を照射可能なレーザー発振器より得られる５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下程度の第２高調波であることがよい。具体的には、短波長レーザーは、例えばＹＡＧやＹＬＦの第２高調波（グリーン（Ｇｒｅｅｎ））レーザーである。

好ましくは、短波長レーザーとして、ＹＬＦの第２高調波などのＧｒｅｅｎレーザーを用いることがよい。Ｇｒｅｅｎレーザーとは、緑色の波長域のレーザーを照射可能なレーザー発振器である。Ｇｒｅｅｎレーザーの波長は、例えば５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下程度であり、例えばアニール処理で一般的に用いられる５３２ｎｍまたは５２７ｎｍであってもよい。

短波長レーザーにより不純物が活性化する深さは、例えば、ｐ⁺型コレクタ領域１２またはｎ⁺型カソード領域１３を形成するためのイオン注入の飛程と同程度であってもよい。具体的には、短波長レーザーにより不純物が活性化する深さは、例えば１μｍ未満である。このため、短波長レーザーのパルス幅は、例えば５０ｎｓ以上３００ｎｓ以下程度であることがよく、より好ましくは１００ｎｓ以上２００ｎｓ以下程度であることがよい。また、不純物を活性化する深さは、ｐ⁺型コレクタ領域１２またはｎ⁺型カソード領域１３などを形成するために注入された不純物が熱処理によって活性化した際の不純物濃度分布のピーク位置（最も不純物濃度が高い位置）を示す。なお、不純物を活性化する深さは、ｎ^-型半導体基板１０の裏面からの深さを示す。

次に、図３Ｂに示すように、ｎ^-型半導体基板１０の裏面からｎ^-型半導体基板１０の裏面全体に長波長レーザーのレーザー光３２を照射して、ｎ型ＦＳ領域１１を活性化させる（レーザーアニール：ステップＳ９）。長波長レーザーにより不純物が活性化する深さは、例えば、ｎ型ＦＳ領域１１を形成するためのイオン注入の飛程と同程度であってもよい。

具体的には、長波長レーザーにより不純物が活性化する深さは、例えば１μｍ以上４μｍ以下程度であり、好ましくは１．０μｍ以上２．５μｍ以下程度である。したがって、長波長レーザーのレーザー光３２をｎ^-型半導体基板１０の裏面にステップＳ８の処理時よりも長時間照射することが重要となる。このため、長波長レーザーのパルス幅は例えば１０μｓ以上程度とすることが好ましい。

長波長レーザーとは、赤外の波長域（例えば８００ｎｍ以上程度）のレーザー光３２を照射可能なレーザー発振器である。好ましくは、長波長レーザーのレーザー光３２の波長は、例えば１１００ｎｍ以下程度であることがよい。なお、この長波長レーザーのレーザー光３２の波長は、赤外の波長域を備えたレーザー発振器の一般的な波長である。具体的には、長波長レーザーは、例えばＹＡＧレーザーやガスレーザ−（例えば炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザー）等の赤外（ＩＲ）レーザー、または、半導体レーザーである。

好ましくは、長波長レーザーとして、半導体レーザー（波長：８０８ｎｍ）を用いることがよい。その理由は、所望のパルス幅などの条件を容易に設定できるからである。このようにステップＳ８の処理の後にステップＳ９の処理を行うことで、ｎ型ＦＳ領域１１が所定温度（例えば１０００℃以上）で活性化され、ｎ型ＦＳ領域１１のキャリア濃度をｎ^-型ドリフト領域１のキャリア濃度よりも高い所定のキャリア濃度にすることができる（図４参照）。

ステップＳ９の処理におけるアニール温度を所定温度にすることができる理由は、次の通りである。ｎ^-型半導体基板１０の裏面の表面層は上述したようにステップＳ８の処理において再結晶化され、アモルファス化した部分がほぼ存在しない。このため、その後のステップＳ９の処理時において、長波長レーザーのレーザー光３２の吸収率低下や高反射率化が抑制される。これにより、長波長レーザーのレーザー光３２の照射により生じた熱がｎ^-型半導体基板１０の裏面から深い領域にまで伝わりやすくなるからである。これによって、ｎ型ＦＳ領域１１のキャリア濃度をＩＧＢＴ領域２１からＦＷＤ領域２２にわたって所定のキャリア濃度にすることができる。また、短波長レーザーと長波長レーザーとのレーザー照射順序以外を同条件とした従来方法よりも低エネルギー（好ましくは例えば４Ｊ／ｃｍ²以上８Ｊ／ｃｍ²以下程度）で長波長レーザーを用いることができる。このため、当該従来方法よりも長波長レーザーのレーザー光３２を高エネルギーで照射することにより生じる問題が抑制される。

次に、ｎ^-型半導体基板１０のおもて面を保護していた表面保護膜を除去する（ステップＳ１０）。次に、スパッタにより、ｎ^-型半導体基板１０の裏面全面に裏面電極１４を形成する（ステップＳ１１）。その後、半導体ウエハをダイシング（切断）して個々のチップ状に個片化することで、図１に示すＲＣ−ＩＧＢＴが完成する。

以上、説明したように、実施の形態によれば、半導体基板の裏面から浅く、かつ相対的に不純物濃度の高い領域（コレクタ領域およびカソード領域）を短波長レーザーによるレーザーアニールで活性化した後に、半導体基板の裏面から深い領域（ＦＳ領域）を長波長レーザーによるレーザーアニールで活性化する。これにより、まず、半導体基板の裏面から浅い領域を形成するためのイオン注入でアモルファス化した部分が短波長レーザーによるレーザーアニールで溶融され再結晶化される。このため、その後、半導体基板の裏面からの長波長レーザーによるレーザーアニール時に、長波長レーザーのレーザー光の吸収率低下や高反射率化を抑制することができる。これによって、長波長レーザーのレーザー光により生じた熱が半導体基板の裏面から深い領域にまで伝わり、当該深い領域における温度が活性化のために必要な所定のアニール温度に達する。したがって、長波長レーザーによるレーザーアニールを従来よりも低エネルギーで行うことができる。このため、長波長レーザーを用いたレーザーアニールによる半導体基板のおもて面側の各部への悪影響を従来よりも抑制することができる。

また、特に、ＦＷＤのカソード領域を形成するためのイオン注入は高ドーズ量で行われるため、ＦＷＤ領域における半導体基板の裏面の表面層でアモルファス化が進みやすい。このため、従来方法では、ＩＧＢＴ領域におけるＦＳ領域に比べてＦＷＤ領域におけるＦＳ領域が活性化しにくいため、高エネルギーで長波長レーザーによるレーザーアニールを行う必要がある。それに対して、実施の形態によれば、上述したように短波長レーザーによるレーザーアニールにより半導体基板の裏面の表面層を再結晶化してアモルファス化した部分をほぼなくしてから、長波長レーザーによるレーザーアニールを行う。このため、ＦＷＤ領域におけるＦＳ領域も確実に活性化させることができる。

また、高エネルギーでの長波長レーザーのレーザー光を照射すると、レーザー照射面の面荒れにより半導体基板の裏面の表面状態が悪化するが、実施の形態によれば、長波長レーザーのレーザー光を従来よりも低エネルギーで照射することができるため、長波長レーザーのレーザー光の照射面の面荒れを抑制することができる。また、実施の形態によれば、ＳＲ（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：拡がり抵抗測定）等では発見されずに半導体基板内に残る欠陥を、長波長レーザーのレーザー光により半導体基板の裏面から深い領域まで伝わった熱により回復させることができる。また、実施の形態によれば、短波長レーザーによるレーザーアニールと、長波長レーザーによるレーザーアニールと、を異なるタイミングで行い、これらのレーザーアニールを実行する期間が重ならない。このため、例えば上記特許文献１，２のように両レーザーアニールの実行期間が重なる従来方法よりも、レーザーアニールによる半導体基板の発熱を抑制することができる。

（実施例）
次に、長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギー値について検証した。図５は、実施例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。図５には、図３Ｂの切断線Ａ−Ａ’におけるキャリア濃度分布を示す。図５の横軸はｎ^-型半導体基板１０の裏面（深さ＝０μｍ）からの深さであり、縦軸はｎ型のキャリア濃度である（図６，７においても同様）。図６は、従来例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を示す特性図である。図６には、図１０Ｂの切断線ＡＡ−ＡＡ’におけるキャリア濃度分布を示す。

上述した実施の形態にかかる半導体装置の製造方法（図２，３Ａ，３Ｂ参照）にしたがって作製したＲＣ−ＩＧＢＴ（以下、実施例とする）の、ｎ^-型半導体基板１０の裏面側のキャリア濃度分布を図５に示す。すなわち、実施例においては、短波長レーザーおよび長波長レーザーの順にレーザー光３１，３２を順に照射してｎ^-型半導体基板１０の裏面側のレーザーアニールを行っている。図５に示す複数の試料は、それぞれ長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギー値が異なる。

比較として、実施例と同様の条件で従来の半導体装置の製造方法（図１０Ａ，１０Ｂ参照）にしたがって作製したＲＣ−ＩＧＢＴ（以下、従来例とする）の、ｎ^-型半導体基板１１０の裏面側のキャリア濃度分布を図６に示す。すなわち、従来例では、長波長レーザーおよび短波長レーザーの順でレーザー光１３１，１３２を順に照射してｎ^-型半導体基板１１０の裏面側のレーザーアニールを行っている。図６に示す複数の試料は、それぞれ長波長レーザーのレーザー光１３１のエネルギー値が異なる。

また、実施例および従来例ともに、レーザーアニールに用いる波長の異なるレーザーのレーザー光の照射順序以外は同条件である。具体的には、ｎ型ＦＳ領域１１，１１１を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を１．０×１０¹²／ｃｍ²とし、加速エネルギーを２．０ＭｅＶとした。ｐ⁺型コレクタ領域１２，１１２を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を１．０×１０¹³／ｃｍ²とし、加速エネルギーを例えば２０ｋｅＶとした。ｎ⁺型カソード領域１３，１１３を形成するためのイオン注入は、ドーズ量を例えば３×１０¹⁵／ｃｍ²とし、加速エネルギーを３０ｋｅＶとした。長波長レーザーとしてＩＲレーザーを用い、短波長レーザーとしてＧｒｅｅｎレーザーを用いた。Ｇｒｅｅｎレーザーのレーザー光のエネルギーを１Ｊ／ｃｍ²とした。ＩＲレーザーおよびＧｒｅｅｎレーザーともに、レーザーの繰り返し周波数を３ｋＨｚ以下とした。ＩＲレーザーのパルス幅は２０μｓｅｃとした。また、レーザーのオーバーラップ率はＩＲレーザーおよびＧｒｅｅｎレーザーともに、長軸５０％、短軸５０％とした。オーバーラップ率は特に指定しなくともよい。ＩＲレーザーおよびＧｒｅｅｎレーザーによるレーザーアニールには、住友重機械工業（登録商標）のレーザーアニール装置を用いた。

図５に示す結果から、実施例においては、Ｓｉ厚（ｎ^-型半導体基板１０の厚さ）１２０μｍのデバイスに対しＩＲレーザーのレーザー光のエネルギーを５．３Ｊ／ｃｍ²以上とした試料（符号４１でマークしたキャリア濃度分布）でｎ型ＦＳ領域１１が活性化していることが確認された。一方、従来例では、ＩＲレーザーのレーザー光のエネルギーを５．８Ｊ／ｃｍ²以上の高エネルギーとした試料（符号４２でマークしたキャリア濃度分布）でｎ型ＦＳ領域１１１が活性化し、ＩＲレーザーのレーザー光のエネルギーを低エネルギーとした場合には、ｎ型ＦＳ領域１１１が活性化しきれていないことが確認された。すなわち、実施例は、長波長レーザーのレーザー光１３１のエネルギー値以外が実施例と同条件の従来例と比べて、長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギーを０．５Ｊ／ｃｍ²程度低くすることができることが確認された。

図５，６には本発明の長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギーの上述した好適な範囲（４Ｊ／ｃｍ²以上８Ｊ／ｃｍ²以下程度）のうち図示省略するデータもあるが、本発明は、イオン注入条件やレーザーアニール条件を変えた場合に、長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギーの当該好適な範囲でｎ型ＦＳ領域１１が活性化され、かつ、同条件の従来例と比べて長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギーを低減させることができることが発明者によって確認されている。具体的には、本発明は、長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギー値以外の条件によらず、従来例と比べて、長波長レーザーのレーザー光３２のエネルギーを９％（≒（１−５．３［Ｊ／ｃｍ²］／５．８［Ｊ／ｃｍ²］）×１００％）程度低減させることができる。また、実施例ではデバイスのＳｉ厚を１２０μｍで設定しているが、異なるＳｉ厚でその厚さに応じた異なるエネルギー密度［Ｊ／ｃｍ²］を使用しても同様の効果が得られる。

上述した実施例および比較例において、長波長レーザーのレーザー光３２，１３１のエネルギーを５．３Ｊ／ｃｍ²とした場合のキャリア濃度分布を図７に示す。図７は、実施例および従来例のレーザーアニール後のキャリア濃度分布を比較した特性図である。図７に示す結果から、長波長レーザーのレーザー光３２，１３１のエネルギーを５．３Ｊ／ｃｍ²とした場合、従来例では、長波長レーザーのレーザー光１３１のエネルギーが弱すぎて、ｎ型ＦＳ領域１１１（特にＦＷＤ領域１２２におけるｎ型ＦＳ領域１１１）が活性化しきれないことが確認された。一方、実施例においては、長波長レーザーのレーザー光３２が弱くても、ｎ型ＦＳ領域１１が活性化されていることが確認された。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態では、ＲＣ−ＩＧＢＴを例に説明しているが、半導体基板（半導体チップ）の同一主面から異なる深さに領域を配置した様々な構造の半導体装置に適用可能である。具体的には、例えば、半導体基板にＦＳ領域を備えたＦＷＤのみを配置した構造の半導体装置や、回路部を構成する複数の半導体素子の１つ以上にＦＳ領域を備えたＦＷＤを含む構造の半導体装置に本発明を適用可能である。また、本発明は、導電型（ｎ型、ｐ型）を反転させても同様に成り立つ。

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、イオン注入により形成した領域をレーザーアニールで活性化させることで作製される半導体装置に有用であり、特に半導体基板の裏面からコレクタ領域およびカソード領域よりも深い位置にＦＳ領域を備えたＲＣ−ＩＧＢＴに適している。

１ ｎ^-型ドリフト領域
２ ｐ型ベース領域
３ ｎ⁺型エミッタ領域
４ ｐ⁺型コンタクト領域
５ トレンチ
６ ゲート絶縁膜
７ ゲート電極
８ 層間絶縁膜
９ おもて面電極
１０ ｎ^-型半導体基板
１１ ｎ型ＦＳ領域
１２ ｐ⁺型コレクタ領域
１３ ｎ⁺型カソード領域
１４ 裏面電極
２１ ＩＧＢＴ領域
２２ ＦＷＤ領域
３１ 短波長レーザーのレーザー光
３２ 長波長レーザーのレーザー光

Claims (9)

1. 半導体基板の一方の主面から不純物をイオン注入して第１半導体領域を形成する第１工程と、
   前記半導体基板の一方の主面から不純物をイオン注入して、前記第１半導体領域よりも浅い領域に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第２半導体領域を形成する第２工程と、
   前記半導体基板の一方の主面から第１レーザー光を照射して前記第２半導体領域を活性化させるとともに、前記半導体基板の一方の主面の表面層を溶融して再結晶化する第３工程と、
   前記第３工程の後、前記第１レーザー光よりも波長の長い第２レーザー光を前記半導体基板の一方の主面から照射して前記第１半導体領域を活性化させる第４工程と、
   を含み、
   前記第３工程では、前記第１レーザー光のエネルギーを１Ｊ／ｃｍ²以上２Ｊ／ｃｍ²以下とし、前記第１レーザー光のパルス幅を５０ｎｓ以上３００ｎｓ以下とし、
   前記第４工程では、前記第２レーザー光のエネルギーを４．８Ｊ／ｃｍ²以上８Ｊ／ｃｍ²以下とし、前記第２レーザー光のパルス幅を前記第１レーザー光のパルス幅より長く、かつ１０μｓ以上とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第３工程では、前記第１レーザー光により不純物が活性化する深さを１μｍ未満とす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。
3. 前記第４工程では、前記第２レーザー光により不純物が活性化する深さを１μｍ以上４μｍ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１レーザー光の波長は、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第２レーザー光の波長は、８００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 第１導電型の前記半導体基板の他方の主面側に所定の素子構造を形成する第５工程と、
   前記第３工程の前に、前記半導体基板の一方の主面から第２導電型不純物をイオン注入して、前記第１半導体領域よりも浅い領域に、前記半導体基板の一方の主面に平行な方向に前記第２半導体領域に並列に配置された第２導電型の第３半導体領域を形成する第６工程と、
   をさらに含み、
   前記第１工程では、前記半導体基板の一方の主面から第１導電型不純物をイオン注入して第１導電型の前記第１半導体領域を形成し、
   前記第２工程では、前記半導体基板の一方の主面から第１導電型不純物をイオン注入して第１導電型の前記第２半導体領域を形成し、
   前記第３工程では、前記第１レーザー光を照射して前記第２半導体領域および前記第３半導体領域を活性化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第１工程では、イオン注入のドーズ量を５×１０¹¹／ｃｍ²以上１×１０¹⁴／ｃｍ²以下とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第２工程では、イオン注入のドーズ量を１×１０¹⁴／ｃｍ²以上１×１０¹⁶／ｃｍ²以下とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第６工程では、イオン注入のドーズ量を１×１０¹²／ｃｍ²以上１×１０¹⁵／ｃｍ²以下とすることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

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