半导体装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体装置的制造方法。使从半导体激光振荡器射出且具有第1脉冲宽度的第1激光脉冲入射到半导体基板的第2面，其中，在半导体基板的第1面形成有半导体元件，并且在第2面侧的表层部添加有杂质。使具有第1脉冲宽度的1/10以下的第2脉冲宽度的第2激光脉冲重叠入射到第1激光脉冲的入射区域。设定第1激光脉冲的下降时刻与第1激光脉冲的上升时刻在时间轴上的相对位置关系，以使通过第1激光脉冲及第2激光脉冲的入射而上升的第1面的温度不超过预先确定的容许上限值。
【专利说明】半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过激光束的照射而使注入到半导体基板中的杂质活性化的半导体装置的制造方法。
【背景技术】
[0002]专利文献I中公开有一种半导体装置的制造方法，该方法通过离子注入将杂质导入于半导体基板之后，照射激光束来将杂质活性化，由此形成电极层以及场终止层。专利文献I中所记载的技术中，在制作半导体元件的表面结构之后，使基板变薄。其后，对背面进行离子注入，使用2台激光振荡器来照射脉冲激光束。从2台激光振荡器射出的激光脉冲的时间差设定为600ns以下。
[0003]具体而言，从η-型硅基板的背面侧，例如将磷离子向场终止层形成预定区域进行离子注入。此时，将注入剂量设为IXlO14cnT2以下，以使场终止层的峰值浓度成为5Χ 118CnT3以下。接着，将注入剂量设为5X 10 16CnT2以下，例如分别向P+型集电极层形成预定区域以及η+型阴极层形成预定区域注入硼离子及磷离子，以使P +型集电极层以及η +型阴极层的峰值浓度成为I X 121CnT3以下。
[0004]已知这种以高浓度注入有离子的η+型阴极层等由于硅基板的结晶性遭到破坏而被非晶化。在专利文献I中所记载的半导体装置的制造方法中，通过激光照射进行根据固相扩散的缺陷恢复、以及被注入到从激光照射面(基板背面)超过I μ m深度的较深部分的杂质的活性化。有时无法确保充分的温度上升及加热时间，导致杂质的活性化不充分。若为了充分地进行较深部分的活性化而提高所照射的激光束的脉冲能量密度，则导致熔融深度变深。若熔融至较深的部分，则深度方向上的杂质浓度分布产生变化，有时得不到设计时预期的特性。另外，产生基板表面的龟裂程度变得严重等不良情况。
[0005]提出有一种以不让半导体基板熔融的范围的脉冲能量密度，照射脉冲激光束来进行激光退火的技术(例如，参考专利文献2)。该方法中，难以充分恢复杂质以高浓度被离子注入而非晶化的区域的结晶性、且难以充分使被注入的杂质活性化。
[0006]以往技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2010-171057号公报
[0009]专利文献2:日本特开2009-32858号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的技术课题
[0011]在对注入到半导体基板的背面的杂质进行活性化时，在前表面侧已形成有半导体元件的表面结构。若对背面进行用于杂质的活性化及结晶性的恢复的激光照射，则导致前表面侧的温度也上升。前表面侧温度的显着上升会使已形成的表面结构受损。
[0012]本发明的目的在于提供一种半导体装置的制造方法，其对一个表面进行激光照射使杂质活性化时，能够抑制相反侧表面的温度上升。
[0013]用于解决技术课题的手段
[0014]根据本发明的一个观点，提供一种半导体装置的制造方法，该方法具有:
[0015]使从半导体激光振荡器射出且具有第I脉冲宽度的第I激光脉冲入射到半导体基板的第2面的工序；其中，在所述半导体基板的第I面形成有半导体元件，并且在第2面侧的表层部添加有杂质，及
[0016]使具有所述第I脉冲宽度的1/10以下的第2脉冲宽度的第2激光脉冲重叠入射到所述第I激光脉冲的入射区域的工序，
[0017]设定所述第I激光脉冲的下降时刻与所述第I激光脉冲的上升时刻在时间轴上的相对位置关系，以使通过所述第I激光脉冲及所述第2激光脉冲的入射而上升的所述第I面的温度不超过预先确定的容许上限值。
[0018]发明效果
[0019]对半导体基板的一个表面进行激光照射而进行杂质的活性化时，能够抑制相反侧表面的温度上升。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是实施例的半导体装置的制造方法中使用的激光退火装置的示意图。
[0021]图2A是利用实施例的方法而制造的IGBT的剖视图，图2B是制造中间阶段的IGBT的剖视图。
[0022]图3A是表示利用实施例的方法照射的第I激光脉冲及第2激光脉冲的时间波形的一例的图表，图3B是激光脉冲的入射区域的俯视图。
[0023]图4是表示半导体基板在深度方向上的杂质浓度分布的一例的图表。
[0024]图5是表示向硅晶片照射第I激光脉冲时的硅晶片达到的温度与脉冲宽度之间关系的模拟试验结果的图表。
[0025]图6是表示深度方向上的杂质浓度分布和退火后载流子浓度分布的图表。
[0026]图7A是离子注入有磷的硅晶片的表层部的剖面TEM图像，图7B是照射第2激光脉冲之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像，图7C是照射第I激光脉冲之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。
[0027]图8A是表示利用实施例的方法进行激光退火时的激光脉冲的时间波形的一例的图表，图8B是表示向硅晶片照射图8A的第I激光脉冲及第2激光脉冲时的硅晶片的温度变化的模拟试验结果的图表，图8C是表示硅晶片的熔融深度的经时变化的模拟试验结果的图表。
[0028]图9是表示从第I激光脉冲的下降时刻到第2激光脉冲的上升时刻为止的经过时间(延迟时间)和使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲的通量之间的关系的图表。
[0029]图10是表示向厚度为100 μ m的硅晶片照射第I激光脉冲及第2激光脉冲时的背面的到达温度的模拟试验结果的图表。
【具体实施方式】
[0030]图1是实施例的半导体装置的制造方法中使用的激光退火装置的示意图。半导体激光振荡器(第I激光振荡器)21射出例如波长为808nm的准连续波(QCW)激光束。另夕卜，也可以使用射出波长为950nm以下的脉冲激光束的半导体激光振荡器。固体激光振荡器(第2激光振荡器)31射出绿色波长区域的脉冲激光束。固体激光振荡器31例如使用射出第2高次谐波的Nd:YAG激光器、Nd:YLF激光器、及Nd:YV04激光器等。
[0031]从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束以及从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束经由传播光学系统27而入射于作为退火对象的半导体基板50。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束和从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束入射于半导体基板50的表面的相同区域。
[0032]接着，对传播光学系统27的结构及作用进行说明。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束经由衰减器22、射束扩展器23、均化器24、分色镜25以及聚光透镜26，入射于半导体基板50。
[0033]从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束经由衰减器32、射束扩展器33、均化器34、折射镜35、分色镜25以及聚光透镜26，入射于半导体基板50。
[0034]射束扩展器23、33对所入射的脉冲激光束进行准直，并且扩大射束束径。均化器24、34以及聚光透镜26将半导体基板50的表面上的光束剖面整形为长条形状，并且使射束剖面内的光强度分布均匀化。从半导体激光振荡器21射出的脉冲激光束和从固体激光振荡器31射出的脉冲激光束入射于半导体基板50的表面中的大致相同的长条区域。
[0035]半导体基板50保持在载物台41上。定义XYZ直角坐标系，其中，将与半导体基板50的表面平行的面作为XY面，将半导体基板50的表面的法线方向作为Z方向。控制装置20对半导体激光振荡器21、固体激光振荡器31以及载物台41进行控制。载物台41受到来自控制装置20的控制，使半导体基板50向X方向以及Y方向移动。
[0036]图2A中作为利用实施例的方法制造的半导体装置的例子示出了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的剖视图。通过在由η型硅构成的半导体基板50的一个表面(以下称作“第I面”)50Τ上形成发射极和栅极，在另一个表面(以下称作“第2面”)50Β形成集电极而制作IGBT。作为半导体基板50，通常使用硅单晶基板。利用一般的MOSFET制作工序相同的工序制作形成发射极和栅极的表面结构。例如，如图2Α所示，在半导体基板50的第I面50Τ的表层部配置有P型基极区域51、η型发射极区域52、栅极53、栅极绝缘膜54以及发射极55。通过栅极、发射极之间的电压能够进行电流的开闭控制。
[0037]在半导体基板50的第2面50Β的表层部形成有ρ型集电极层57以及低浓度的η型缓冲层56。缓冲层56配置在比集电极层57更深的区域。集电极层57以及缓冲层56通过分别离子注入作为杂质的例如硼以及磷并进行活性化退火而形成。该活性化退火使用图1中示出的激光退火装置。在经过活性化退火之后，集电极58形成于集电极层57的表面。
[0038]从第2面50Β到集电极层57与缓冲层56之间的界面的深度，例如约为0.3 ym。从第2面到缓冲层56的最深位置的深度，例如在Ιμπι?5μηι的范围内。
[0039]图2Β中示出处于激光退火阶段的半导体基板50的剖视图。在半导体基板50的第2面50Β的表层部57a离子注入有硼。在比表层部57a更深的区域56a离子注入有磷。表层部57a内的硼以及较深区域56a内的磷未被活性化。表层部57a的硼浓度高于较深区域56a的磷浓度。在本说明书中，将表层部57a称作“高浓度层”，将较深区域56a称作“低浓度层”。由于硼的注入剂量较多，因此高浓度层57a成为非晶化状态。比高浓度层57a与低浓度层56a的界面更深的区域仍保持单晶状态。在半导体基板50的第I面50T上形成有图2A中示出的元件结构。
[0040]图3A中示出入射于半导体基板50 (图2B)的激光脉冲波形的概要。图3A中，用长方形来表示脉冲波形，然而实际的脉冲波形包括脉冲的上升、衰减以及下降等部分。图3A中示出的脉冲波形的射出时间，是通过控制装置20(图1)控制半导体激光振荡器21及固体激光振荡器31来决定。
[0041]在时刻tl，从半导体激光振荡器21射出的第I激光脉冲LPl入射到半导体基板50。在时刻tl之后的时刻t2，从固体激光振荡器31射出的第2激光脉冲LP2入射于半导体基板50。第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2所入射的区域大致重叠。第2激光脉冲LP2的峰值功率高于第I激光脉冲LPl的峰值功率，第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2比第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl短。在时刻t3，结束第2激光脉冲LP2的入射。其后，在时刻t4，结束第I激光脉冲LPl的入射。另外，有时也会在时刻t4之后，使第2激光脉冲LP2入射。
[0042]第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWl例如为10 μ s以上。第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2例如为Iys以下。作为一例，脉冲宽度PWl在1ys?30ys的范围内，脉冲宽度PW2在10ns?200ns的范围内。优选将第2激光脉冲LP2的脉冲宽度PW2设为第I激光脉冲LPl的脉冲宽度Pffl的1/10以下。
[0043]图3B中示出半导体基板50 (图2B)的第2面50B上的激光脉冲的入射区域的俯视图。第I激光脉冲LPl (图3A)及第2激光脉冲LP2 (图3A)入射于半导体基板50的第2面50B (图2B)上的沿X方向较长的相同的射束入射区域40。例如射束入射区域40的最佳长度L及宽度Wt分别为2mm?4mm以及200 μ m?400 μ mD
[0044]在退火过程中，一边使半导体基板50 (图2B)沿Y方向移动，一边使第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2 (图3A)以恒定的重复频率入射于半导体基板50。以Wo表示半导体基板50在第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2的重复频率的一个周期期间移动的距离。在时间轴上相邻的两个第I激光脉冲LPl的射束入射区域40彼此局部重叠。两者的重叠率Wo/Wt例如为50%。
[0045]若在图3A中示出的时刻tl开始第I激光脉冲LPl的入射时，半导体基板50的第2面50B (图2B)的表层部的温度开始上升。在时刻t2，半导体基板50的第2面50B的温度未达到非晶体硅的熔点(1300K?1430K)。若在时刻t2使第2激光脉冲LP2入射，则半导体基板50的第2面50B的表层部的温度会达到非晶体硅的熔点而使表层部熔融。熔融的部分到达高浓度层57a (图2B)的底面。
[0046]若第2激光脉冲LP2的入射结束，则半导体基板50的表层部的温度下降并固化。此时，结晶从单晶的低浓度层56a(图2B)开始外延生长，由此高浓度层57a成为单晶。与此同时，注入到高浓度层57a的杂质被活性化。
[0047]由于在时刻t3之后，第I激光脉冲LPl (图3A)仍继续入射，因此从半导体基板50的第2面50B加热至较深的低浓度层56a，导致温度上升。由此，注入于低浓度层56a(图2B)的杂质被活性化。在结束第I激光脉冲LPl的入射的时刻t4，半导体基板50的第2面50B的温度未达到单晶硅的熔点。由此，再结晶化的半导体基板50的第2面50B的表层部不会再次熔融。
[0048]当时刻t4之后还使第2激光脉冲LP2入射时，低浓度层56a内的杂质通过第I激光脉冲LPl的照射被活性化。之后，通过第2激光脉冲LP2的照射使高浓度层57a(图2B)熔融。在高浓度层57a再结晶化时，高浓度层57a内的杂质被活性化。
[0049]图4中示出半导体基板50在深度方向上的杂质浓度分布的一例。图4的横轴用单位“ ym”表示距离半导体基板50的第2面50B(图2B)的深度。图4的纵轴用单位“cm_3”并用对数刻度来表示所添加的杂质的浓度。
[0050]硼(B)的浓度在距离第2面50B的深度为0.3 μπι时显示出最大值。并且磷(P)的浓度在距离第2面50Β的深度为1.8 μπι时显示出最大值。磷(P)的浓度分布的裙部(尾部)从第2面50Β遍及3 μπι的深度。硼的杂质浓度与磷的杂质浓度相等的深度相当于高浓度层57a与低浓度层56a(图2B)之间的界面。
[0051]以相对低浓度添加于相对较深的区域，例如深度超过Iym的区域的杂质(磷)通过脉冲宽度相对较长的第I激光脉冲LPl (图3A)而被活性化。以相对高浓度添加于相对较浅的区域，例如深度为I μπι以下的区域的杂质(硼)通过脉冲宽度相对较短的第2激光脉冲LP2 (图3Α)而被活性化。第2激光脉冲LP2使半导体基板50熔融至比以高浓度进行杂质的离子注入而非晶化的区域更深的位置。入射区域40(图3Β)的半导体基板50通过第2激光脉冲LP2的照射而熔融。熔融的区域固化时，从单晶区域产生液相外延生长。由此进行非晶化的区域的再结晶以及杂质(硼)的活性化。
[0052]在图2Α、图2Β、及图4中，虽然示出对相对较浅的高浓度层57a注入硼，对相对较深的低浓度层56a注入磷的例子，但即使在注入其他杂质的情况下，也能够进行相同的活性化。并且，也可对高浓度层57a及低浓度层56a注入相同的导电型杂质。作为一例，也可对高浓度层57a及低浓度层56a这两层注入磷。在这个情况下，在较浅的区域形成高浓度的η型层，在较深的区域形成低浓度的η型层。
[0053]参考图5及图6，对根据第I激光脉冲LPl (图3Α)的照射的较深的低浓度层56a(图2B)的杂质的活性化进行说明。
[0054]图5中示出向硅晶片照射第I激光脉冲LPl时的硅晶片达到的温度和脉冲宽度之间的关系的模拟试验结果。横轴用单位“ μ s”来表示第I激光脉冲LPl的脉冲宽度PWH轴用单位“K”来表示到达温度。将第I激光脉冲LPl的波长设为915nm。将第I激光脉冲LPl的照射条件设为使硅晶片表面温度达到硅的熔点(约1690K)的条件。图5的实线a、b表示距离硅晶片表面的深度分别为3 μπι及100 μπι的位置的到达温度。
[0055]可知若脉冲宽度较短，则热量难以传递到较深的区域。为了使3 μπι深度位置的杂质活性化，优选将脉冲宽度设为5 μ S以上。若脉冲宽度过长，则会导致深度为100 μ m左右的较深区域，即形成有元件结构的第I面50T(图2B)的温度升高。
[0056]图6中示出深度方向上的杂质浓度分布和退火后的载流子浓度分布。横轴用单位“ μπι”来表示距离硅晶片表面的深度，纵轴用单位“cm_3”来表示浓度。实线a表示以加速能量为2MeV、剂量为3X 113CnT2的条件进行离子注入时的磷浓度。该杂质浓度分布对应于低浓度层56a(图2B)的杂质浓度分布。实线b表示照射第I激光脉冲LPl之后的载流子浓度。激光照射是以脉冲宽度为20 μ s、照射面上的功率密度为360kW/cm2的条件进行的。从图6所示的结果确认到所注入杂质中约70%以上被活性化。
[0057]接着，参考图7A?图7C，对通过离子注入而被非晶化的区域的恢复进行说明。
[0058]图7A中示出离子注入有磷的硅晶片表层部的剖面TEM图像。磷的离子注入是以加速能量为lOOkeV、剂量为2X 115CnT2的条件进行的。该离子注入条件对应于对高浓度层57a离子注入杂质的条件。图7A中，用相对较浅的颜色来表示非晶化的区域。
[0059]图7B中示出照射第2激光脉冲LP2 (图3A)之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。作为第2激光脉冲LP2，使用了 Nd:YLF激光器的第2高次谐波。第2激光脉冲LP2的照射是通过所谓的双脉冲法来进行的。I个激光脉冲的脉冲宽度为130ns，脉冲能量密度为1.6J/cm2，从第I激光脉冲的照射到第2激光脉冲的照射为止的延迟时间为500ns。在通过激光照射而熔融的区域中，从其下方的单晶区域开始产生外延生长，因此能够获得缺陷较少的优质的单晶层。
[0060]图7C中示出照射第I激光脉冲LPl (图3A)之后的硅晶片表层部的剖面TEM图像。第I激光脉冲LPl的波长为808nm。第I激光脉冲LPl的照射是以脉冲宽度为40 μ s，功率密度为300kW/cm2的条件进行的。在该照射条件下，硅晶片的表面不熔融。若通过激光脉冲使硅晶片熔融至较深区域(图2B的低浓度层56a)，则高浓度层57a的杂质浓度分布将被破坏。因此，第I激光脉冲LPl的照射在不使硅晶片熔融的条件下进行。将不使硅晶片熔融就进行杂质的活性化的退火方法称作“非熔融退火”。与此相对，将使硅晶片暂时熔融的退火方法称作“熔融退火”。非熔融退火中，从非晶化的区域的上表面及下表面开始进行结晶化。在厚度方向的大致中央，残留有非晶化状态的层。被结晶化的区域的结晶品质也比图7B的再结晶化区域的结晶品质差。
[0061]从图7A?图7C所示的剖面TEM图像可知，优选对非晶化状态的高浓度层57a(图2B)，利用脉冲宽度相对较短且峰值功率相对较高的第2激光脉冲LP2(图3A)进行熔融退火，并且使杂质活性化。
[0062]图8A中示出利用实施例的方法进行激光退火时的激光脉冲的时间波形的一例。横轴用单位“ μ s”来表示从第I激光脉冲LPi上升起的经过时间，纵轴表示光强度。第I激光脉冲LPl的脉冲宽度为15 μ S。在从第I激光脉冲LPl上升起经过14 μ s的时刻，第2激光脉冲LP2上升。第2激光脉冲LP2为Nd:YLF激光器的第2高次谐波，其脉冲宽度为130nso
[0063]图8B中示出对硅晶片照射图8A的第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2时的硅晶片的温度变化的模拟试验结果。横轴用单位“ μ s”来表示经过时间，纵轴用单位“K”表示温度。图8Β中的实线a?g表示距离硅晶片表面的深度分别为O μπκ? μπι、2 μπι、3 μπκ
4μπι、5 μπι以及100 μ m的位置的温度。
[0064]若开始第I激光脉冲LPl的照射，则硅晶片的温度上升。在从开始照射起经过14 μ s的时刻，硅晶片的表面温度达到接近硅的熔点的1660Κ。在该时刻，硅晶片不熔融。若照射第2激光脉冲LP2，则硅晶片的表面温度达到熔点，表层部熔融。
[0065]图SC中示出硅晶片的熔融深度的经时变化的模拟试验结果。横轴用单位“ μ s”来表示经过时间，纵轴用单位“ ym”来表示熔融深度。可知，通过第2激光脉冲LP2的照射，熔融至约0.3 μπι的深度。被注入到比0.3 μπι深度更浅的区域的杂质，通过表层部的熔融及再结晶化而被活性化。
[0066]如图SB所示，在从开始第I激光脉冲LPl的照射起经过约14 μ s的时刻，深度为
5μπι的位置的温度超过1200Κ。因此，被注入到5 μ左右深度的未熔融区域的杂质通过固相扩散而被活性化。如由电炉进行的退火那样进行长时间的退火时，以低于1200K的温度开始杂质的活性化。但是，在以微秒等级的较短的脉冲宽度的激光脉冲进行加热的情况下，若超过1200K，则开始产生杂质的活性化。
[0067]图9中示出从第I激光脉冲LPl的下降时刻t4到第2激光脉冲LP2的上升时刻t2为止的经过时间t2-t4与使硅晶片熔融时所需的第2激光脉冲LP2的通量之间的关系。将从时刻t4到时刻t2的延迟时间标记为td。横轴用单位“ μ s”表示延迟时间td。在延迟时间td为负的区域中，第2激光脉冲LP2在第I激光脉冲LPl的下降时刻t4之前上升。图9的左纵轴用单位“J/cm2”来表示第2激光脉冲LP2的通量，右纵轴用单位“W”来表示第2激光脉冲LP2的功率。
[0068]图9中所示的实线a表示硅晶片中的深度为0.3 μπι的位置熔融的条件下的第2激光脉冲LP2的通量的模拟试验结果。实线b表示硅晶片的最表面熔融的条件下的第2激光脉冲LP2的通量的模拟试验结果。延迟时间td变化时两者的增减趋势几乎相等。图9中所示的四角记号表示硅晶片的最表面熔融时的第2激光脉冲LP2的功率的实测值。由于第I激光脉冲LPl的入射区域40 (图3B)的面积以及脉冲宽度恒定，因此通过常数与第2激光脉冲LP2的功率相乘，能够换算出通量。如图9所示，模拟试验结果与实际的实验结果非常匹配。
[0069]横轴的原点(td = O)对应于第I激光脉冲LPl下降的同时第2激光脉冲LP2上升的照射条件。
[0070]将第I激光脉冲LPl的脉冲宽度设为25 μ S，将硅晶片表面上的功率密度设为310kW/cm2。延迟时间td为-25 μ s的位置对应于第I激光脉冲LPl上升的同时第2激光脉冲LP2上升的照射条件。
[0071 ] 若使延迟时间td从-25 μ s延长到O μ s (使第2激光脉冲LP2的上升时刻t2接近第I激光脉冲LPl的下降时刻t4)，则使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲LP2的通量下降。这是因为在第2激光脉冲LP2入射的时刻，硅晶片通过第I激光脉冲LPl已被预热。在延迟时间td = O的附近，使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲LP2的通量显示出最小值。
[0072]随着延迟时间td从O开始延长，使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲LP2的通量增加。这是因为在第I激光脉冲LPl的下降时刻t4之后，硅晶片的温度下降(预热效果下降)。
[0073]从图9所示的模拟试验结果以及实验结果可知，通过调节第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的照射时间，能够减小使硅晶片熔融所需的第2激光脉冲LP2的通量。换言之，若入射区域40 (图3B)的面积恒定，则作为第2激光脉冲LP2用的固体激光振荡器31 (图1)，能够使用功率较小的激光振荡器。若固体激光振荡器31的功率恒定，则能够使入射区域40的面积增大。
[0074]图10中示出向厚度为100 μπι的硅晶片照射第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2时的背面的到达温度的模拟试验结果。横轴用单位“ μ s”来表示延迟时间td，纵轴用单位“K”来表示背面的到达温度。
[0075]第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2的重复频率均设为2kHz，第I激光脉冲LPl及第2激光脉冲LP2的脉冲宽度分别设为25 μ s及0.15 μ S。第I激光脉冲LPl的功率密度设为310kW/cm2。第2激光脉冲LP2的通量设为使硅晶片熔融至0.3 μπι深度的区域的条件。
[0076]在激光照射面中，在熔融深度为恒定的0.3 μπι的条件下，背面的到达温度随着延迟时间td而变化。制造IGBT时，不优选背面的到达温度增高。背面的到达温度在延迟时间td = O的附近显示为极小值。若将延迟时间td设为比O长，则背面的到达温度先显示极大值之后逐渐下降。但是，如图9所示，随着延迟时间td的延长，为了使硅晶片熔融不得不增大第2激光脉冲LP2的通量。为了抑制第2激光脉冲LP2的通量的增大，优选从原点附近的包括极小值的范围中选择延迟时间td。在预先确定有背面的到达温度的容许上限值TA的情况下，在图10中，将延迟时间td设定成背面的到达温度成为容许上限值TA以下即可。
[0077]接着，对用于抑制背面温度的上升的优选照射条件进行说明。
[0078]背面的到达温度的最低值TL及最高值TH分别显示在延迟时间td为O的附近及td为75 μ s的附近。为了得到对第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的入射时间进行调节而抑制背面的到达温度的上升的充分的效果，优选将背面的到达温度设为最低值TL与最高值TH的平均值TM以下。
[0079]在图10所示的模拟试验结果中，在延迟时间td从tf到tb的期间，背面的到达温度成为平均值TM以下。将第I激光脉冲LPl的脉冲宽度设为W时，近似tf = -4W/5、tb =W/4o即，优选将第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的入射时间调节为经过时间t2_t4满足-4W/5 ( t2-t4 ( W/4……⑴。若脉冲宽度W变化，则被第I激光脉冲LPl照射的期间的温度上升的倾斜度变化，但照射条件(功率密度)被设定成脉冲下降时的基板表面的目标到达温度基本恒定。因此，即使在脉冲宽度W不同的条件下进行活性化退火，上述条件式(I)的t2-t4的下限值也可适用于脉冲宽度W不同的条件。
[0080]激光脉冲LPl下降以后，即在O ( t2-t4的区域，由于热扩散基板表面的温度随时间的经过而下降，从而预热的效果下降。热扩散依赖于基板的深度方向上的温度特性曲线。例如，若脉冲宽度W变长，则更深的区域的温度也上升，在深度方向上的温度特性曲线变得平缓。若温度特性曲线平缓，则第I激光脉冲LPl下降后的表面温度的下降也变得平缓。即，预热效果下降的速度依赖于脉冲宽度W，若脉冲宽度W变长，则预热效果持续较长。在图10所示的模拟试验结果中，延迟时间td为W/2时的背面到达温度与延迟时间td = -25 μ S时，即可认为没有预热效果时的背面到达温度大致相等。由此，可以认为，通过将第I激光脉冲LPl和第2激光脉冲LP2的时间调节成满足t2-t4 ( W/2，从而能够得到第I激光脉冲LPl的预热效果。
[0081]即使进行图10的模拟试验时的脉冲宽度、熔融深度、硅晶片的厚度等条件变化，也可维持图10所示的图表的增减趋势。由此，上述条件表达式(I)并不限定于进行模拟试验的条件。
[0082]在上述实施例中，若第I激光脉冲LPl的波长过短，则激光能量在硅晶片的极浅的区域被吸收掉，难以有效地加热较深的区域。相反，若第I激光脉冲LPl的波长过长，则激光能量不会被硅晶片吸收。为了用第I激光脉冲LPl有效地加热硅晶片的低浓度层56a(图2B)，优选将其波长设成550nm以上且950nm以下。
[0083]波长为550nm的光侵入到硅基板的I μπι左右的深度。因此，若将第I激光脉冲LPl的波长设为550nm，则能够有效地加热至I μ m深度的区域。Klym深度更深的区域通过热传导而被加热。若将第I激光脉冲LPl的波长设为650nm，则能够有效地加热至3 μπι左右深度的区域。若将第I激光脉冲LPl的波长设为700nm，则能够有效地加热至5 μ m左右深度的区域。当硅基板的厚度为100 μm时，若将第I激光脉冲LPl的波长设为比950nm长，则透过硅基板的激光能量增多。
[0084]为了使较深的低浓度层56a(图2B)的杂质活性化，优选将朝向半导体基板50的第I激光脉冲LPl的光侵入长度设为比半导体基板50的第2面50B至低浓度层56a的底面的深度更长。并且，为了减少透过半导体基板50的浪费掉的光能量，优选将第I激光脉冲LPl的光侵入长度设成比半导体基板50的厚度短。以满足上述光侵入长度的方式选择第I激光脉冲LPl的波长。在此，“光侵入长度”意味着光强度衰减为Ι/e的距离。
[0085]第I激光脉冲LPl的照射条件，具体而言脉冲宽度及功率密度优选设为不使半导体基板表面熔融且低浓度层56a内的杂质开始活性化的条件。具体而言，优选设为低浓度层56a的底面温度超过1200K的条件。
[0086]为了使硅晶片的高浓度层57a(图2B)有效地熔融，优选第2激光脉冲LP2含有容易被硅吸收的绿色波长成分。另外，由于第I激光脉冲LPl的预热效果，波长比绿色的更长的光也容易被硅吸收。由此，也可以将第2激光脉冲LP2的波长设为波长为I μ m左右的红外波段。红外波段的波长的光侵入至硅基板的较深的区域，因此与将绿色波长区域的光用作第2激光脉冲LP2的情况相比，熔融至更深的区域。
[0087]在上述实施例中，例举了 IGBT的制造，然而上述实施例的方法可适用于希望使半导体基板的一个表面的表层部的杂质活性化且抑制相反侧表面温度上升的半导体装置的制造中。
[0088]以上，根据实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不限于此，例如，本领域技术人员能够进行各种变更、改良以及组合等。
[0089]符号的说明
[0090]20-控制装置，21-半导体激光振荡器，22-衰减器，23-射束扩展器，24-均化器，25-分色镜，26-聚光透镜，27-传播光学系统，31-固体激光振荡器，32-衰减器，33-射束扩展器，34-均化器，35-折射镜，40-激光脉冲的入射区域，41-载物台，50-半导体基板，50T-第I面，50B-第2面，51-p型的基极区域，52_n型的发射极区域，53-栅极，54-栅极绝缘膜，55-发射，56-低浓度的η型缓冲层，56a-低浓度层，57_p型的集电极层，57a_高浓度层，58-集电极。
【权利要求】
1.一种半导体装置的制造方法，其特征为，具有: 使从半导体激光振荡器射出且具有第1脉冲宽度的第1激光脉冲入射到半导体基板的第2面的工序，其中，所述半导体基板的第1面形成有半导体元件，并且在第2面侧的表层部添加有杂质；及 使具有所述第1脉冲宽度的1/10以下的第2脉冲宽度的第2激光脉冲重叠入射到所述第1激光脉冲的入射区域的工序， 设定所述第1激光脉冲的下降时刻与所述第1激光脉冲的上升时刻在时间轴上的相对位置，以使通过所述第1激光脉冲及所述第2激光脉冲的入射而上升的所述第1面的温度不超过预先确定的容许上限值。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其中， 将所述第1激光脉冲的下降时刻设为4、将所述第2激光脉冲的上升时刻设为12、将所述第1脉冲宽度设为I时，满足 -41/5 彡 ^2-^4 彡胃/2。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其中， 所述半导体基板的所述第2面侧的表层部非晶化到第1深度，在已非晶化的区域以相对高浓度注入第1杂质，在比所述第1深度深的区域以相对低浓度注入第2杂质， 通过所述第2激光脉冲的入射，产生所述已非晶化的区域的熔融及结晶化，由此使所述第1杂质被活性化，使所述第2杂质以固相的状态被活性化。
4.根据权利要求3所述的半导体装置的制造方法，其中， 所述第2激光脉冲的激光光源为射出第2高次谐波的固体激光振荡器。
5.根据权利要求3或4所述的半导体装置的制造方法，其中， 选择所述第1激光脉冲的波长，使得向所述半导体基板的光侵入长度大于从所述第2面到所述第2杂质被注入的区域的底面为止的深度。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的半导体装置的制造方法，其中， 选择所述第1激光脉冲的波长，使得向所述半导体基板的光侵入长度短于所述半导体基板的厚度。
【文档编号】H01L21/336GK104508796SQ201380024316
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】若林直木 申请人:住友重机械工业株式会社