專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造諸如IC (集成電路)、MOSFET (M0S場(chǎng)效應(yīng)晶體管)以及 IGBT (絕緣柵雙極晶體管)之類的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
近年來，計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備在其主要部件中頻繁使用集成電路(IC)，在這些IC中將許多晶體管、電阻器等組合來構(gòu)成電路，并集成在一塊芯片上。此類IC中的一種包含功率半導(dǎo)體元件的IC被稱為功率IC。IGBT是一種單芯片功率元件，呈現(xiàn)MOSFET的高速開關(guān)特性和電壓驅(qū)動(dòng)特性以及雙極晶體管的低導(dǎo)通電壓特性。IGBT的應(yīng)用正擴(kuò)展到包括通用逆變器、AC伺服器件、不間斷電源(UPS)、開關(guān)式電源等的工業(yè)領(lǐng)域以及包括微波爐、電飯煲、閃光燈等的家電領(lǐng)域。目前正致力于開發(fā)使用新的芯片結(jié)構(gòu)并且呈現(xiàn)低導(dǎo)通電壓的下一代器件，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)備的低功耗和高效率。IGBT的結(jié)構(gòu)包括穿通(PT)型、非穿通(NPT)型以及場(chǎng)阻斷(FS)型。除了在某些音頻功率放大器中使用P溝道型元件之外，當(dāng)今量產(chǎn)的幾乎所有IGBT都具有η溝道垂直雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。本說明書也基于η溝道IGBT進(jìn)行描述。PT型在ρ+型外延基板和η—層(η型活性層)之間具有η.層(η緩沖層)，且η型活性層中的耗盡層到達(dá)η緩沖層。PT型是IGBT的主流基本結(jié)構(gòu)。在例如擊穿電壓為600V 的系統(tǒng)中，盡管70 μ m的厚度對(duì)于活性層而言已經(jīng)足夠，但包括ρ+型基板的總厚度可達(dá) 200 μ m至300 μ m。因此，正在使用FZ (浮區(qū))基板而不是使用外延基板來開發(fā)采用低摻雜淺P+集電層的NPT型IGBT以及具有場(chǎng)阻斷層的FS型IGBT，以獲得低成本芯片。圖13是 NPT型IGBT的截面視圖。該NPT型沒有使用ρ+基板，相比使用外延基板的PT型，顯著減小了基板51的總厚度。該結(jié)構(gòu)能夠控制空穴注入率，因此實(shí)現(xiàn)了無壽命控制的高速開關(guān)，但是依賴于η型活性層51a的厚度和電阻率導(dǎo)通電壓相當(dāng)高。但是，由于如前所述使用了 FZ 基板51而不使用ρ+外延基板，因此有可能使得芯片降低成本。在圖13中，附圖標(biāo)記52表示P型基底層；53表示η型發(fā)射極層力4表示柵極氧化膜；55表示柵電極；56表示層間介質(zhì)膜；57表示作為發(fā)射極電極的前表面電極；62表示ρ型集電極層；63表示作為集電極電極的后表面電極。圖14是FS型IGBT的截面視圖。FS型IGBT具有與PT型IGBT基本相同的結(jié)構(gòu)。 FS型IGBT使用FZ基板51而不使用ρ+外延基板，基板51的總厚度為100 μ m至200 μ m。 對(duì)應(yīng)于600伏的擊穿電壓，η型活性層51a的厚度約為70 μ m，與PT型相同，并且η型活性層51a被耗盡。為此，η型活性層51a下方設(shè)置有η型層，即η型場(chǎng)阻斷(FS)層61。在集電極側(cè)，淺P+擴(kuò)散層被用作低注入量集電極(P型集電極層6 。與NPT型的情形相同，此結(jié)構(gòu)無需壽命控制。此外，為了進(jìn)一步減小導(dǎo)通電壓，已知一種將此FS型IGBT與溝槽IGBT 結(jié)構(gòu)(圖中未示出)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其中從芯片前表面形成有窄而深的溝，且在溝槽的側(cè)面上形成有MOSFET結(jié)構(gòu)。最近正在通過設(shè)計(jì)優(yōu)化來減小總厚度。近年來，不經(jīng)由中間直流而直接進(jìn)行交流-交流變換的矩陣轉(zhuǎn)換器正受到矚目。 矩陣轉(zhuǎn)換器不需要與常規(guī)逆變器不同的電容器，并且具有減少了電源高次諧波的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于輸入的是交流，因此要求矩陣轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體開關(guān)具有反向耐壓能力。如果使用常規(guī)IGBT，則需要用串聯(lián)二極管來阻斷反向電壓。如圖15所示，反向阻斷IGBT具有反向阻斷能力，延續(xù)了常規(guī)IGBT的基本特性。除了在反向阻斷IGBT中形成了隔離層之外，基本結(jié)構(gòu)與NPT型IGBT相同。由于消除了串聯(lián)二極管，反向阻斷IGBT的傳導(dǎo)損耗降低了大約一半，相當(dāng)大地增強(qiáng)了矩陣轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。通過組合形成大約100 μ m以上深度的結(jié)(形成P型隔離層)的技術(shù)和制造大約100 μ m以下厚度的極薄晶片的技術(shù)，已經(jīng)制造出了高性能的反向阻斷IGBT。在圖15中，附圖標(biāo)記70表示鈍化膜。為實(shí)現(xiàn)厚度約為70 μ m的薄型 IGBT，制造工藝中有很多技術(shù)問題，包括由于制造工藝中所必需的對(duì)后表面進(jìn)行的背面磨削、從后表面注入離子以及后表面熱處理所可能引起的翹曲。以下將基于FS型IGBT描述制造工藝。圖16至20是依制造工藝順序圖示的半導(dǎo)體器件主要部件的截面視圖，示出了一種常規(guī)半導(dǎo)體器件的制造方法。在接下來的描述中，半導(dǎo)體器件是FS型IGBT。(1)在FZ-N基板51上沉積柵氧化膜54 (SiO2)和多晶硅(poly-Si)柵電極55，并加工。在柵電極陽的表面上沉積并加工層間介質(zhì)膜56 (此例中為BPSG)，以制作絕緣柵結(jié)構(gòu)。(2)在FZ-N基板51的表面區(qū)域中形成ρ基底層52 (p+)，然后在ρ基底層52中形成η型發(fā)射極層53。前表面電極57是由鋁硅膜構(gòu)成的發(fā)射極電極，與η型發(fā)射極層53接觸。鋁硅膜隨后在400至500攝氏度的相對(duì)低溫下進(jìn)行熱處理，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的接合性和低阻抗布線。雖然未被示出，但是也可以形成聚酰亞胺膜的絕緣保護(hù)膜來覆蓋前表面。如圖16所示，前表面?zhèn)鹊奶幚碇链瞬襟E結(jié)束。(4)如圖17所示，通過背面磨削、蝕刻或者其他技術(shù)，使得FZ-N基板51從后表面 58開始減薄至希望的厚度。(5)然后，如圖18所示，從后表面58進(jìn)行離子注入以形成離子注入層59和60，以供分別形成η型層(場(chǎng)阻斷(F。層61)和高濃度ρ型集電極層62 (ρ+層)(這兩個(gè)層在圖 19中示出)。在某些情況下，為了建立與后表面電極63(集電極電極)的歐姆接觸，在注入硼離子后，在后表面58上注入BF2的ρ層作為接觸層，以獲得高濃度層。(6)用電爐(圖中未示出)進(jìn)行退火的熱處理。熱處理溫度是在從350攝氏度至 500攝氏度范圍內(nèi)的相對(duì)低溫。在該步驟中，如圖19所示地形成場(chǎng)阻斷層(FS層)61 (η層) 和P型集電極層62(ρ+層)。(7)之后，如圖20所示，在高濃度ρ型集電極層62(層)上，通過組合從鋁層、鈦層、鎳層、金層等之中選擇出的多個(gè)金屬膜，來形成后表面電極63。(8)盡管沒有示出，但在切片之后，使用超聲波接線裝置，在前表面電極57的表面上固定鋁布線。后表面電極63經(jīng)由焊料層連接到基材。由此，完成FS型IGBT。在退火步驟(6)中，有多種使用激光退火的方法，使得能夠僅在用于激活離子注入層的表面區(qū)域中進(jìn)行加熱。專利文獻(xiàn)1揭示了用YAG3 ω和YAG2 ω激光器來激活η層。專利文獻(xiàn)2揭示了用兩臺(tái)激光裝置來激活離子注入層。專利文獻(xiàn)3揭示了用照射脈沖激光并形成寬幅脈沖的兩臺(tái)激光照射裝置來激活雜質(zhì)層的方法。專利文獻(xiàn)4揭示了關(guān)于FS IGBT后表面區(qū)域中的雜質(zhì)激活率的內(nèi)容。專利文獻(xiàn)5揭示了一種激光照射裝置，其包括發(fā)射不同波長的激光脈沖的第一光源和第二光源；以及使得照射區(qū)域重疊地對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行照射的光學(xué)系統(tǒng)。專利文獻(xiàn)6揭示了使用兩臺(tái)激光振蕩器(激光發(fā)射器件)，以及利用前一脈沖和間隔延遲時(shí)間后射出的后一脈沖形成寬幅脈沖激光，從而進(jìn)行照射。日本未審查專利申請(qǐng) [專利文獻(xiàn)2]日本專利No. 4043865 [專利文獻(xiàn)3]日本未審查專利申請(qǐng) [專利文獻(xiàn)4]日本專利No. 4088011 [專利文獻(xiàn)5]日本未審查專利申請(qǐng) [專利文獻(xiàn)6]日本未審查專利申請(qǐng)
公開 No. 2003-059856 公開 No. 2005-223301
公開 No. 2009-032858 公開 No. 2008-270243 下面將描述上述常規(guī)示例中的一些問題。
1)盡管希望到FS型IGBT的FS層61 (η層)為止都進(jìn)行充分的激活，但是用電爐在350攝氏度至500攝氏度的相對(duì)低溫下進(jìn)行熱處理無法完成令人滿意的激活。2)即便如上所述地延展脈沖寬度或者提高重復(fù)頻率，但是當(dāng)激光照射過程中存在中斷時(shí)，中斷周期被加熱部位的溫度將會(huì)降低。這樣，如圖21所示，加熱進(jìn)行得不充分，無法到達(dá)離表面約2 μ m處的較深FS層61 (η層)，這會(huì)引發(fā)濃度分布不穩(wěn)定以及FS層中缺陷恢復(fù)不充分。因此，無法實(shí)現(xiàn)令人滿意的激活。(3)當(dāng)利用常規(guī)方法僅從后表面58側(cè)進(jìn)行激光照射時(shí)，將會(huì)意外地影響到前表面?zhèn)?。例如，激光照射過程可能會(huì)提高前表面?zhèn)裙δ苄越Y(jié)構(gòu)的溫度并熔融前表面電極57。(4)普通的連續(xù)波(CW)激光的輸出功率遠(yuǎn)低于一般的脈沖激光。結(jié)果，就無法進(jìn)行充分的激活。而另一方面，對(duì)于短脈沖激光而言，盡管它能以高能量密度傳送輸出功率， 但如圖21所示，它無法對(duì)位于后表面58下方深處的離子注入層59 (將成為FS層)進(jìn)行激活，并且它無法完全恢復(fù)晶格缺陷。(5)高能量密度激光的照射使得表面分布呈盒狀分布，從而造成擴(kuò)散層(P型集電極層62和FS層61)的深度波動(dòng)。(6)專利文獻(xiàn)2、5、6揭示了用兩個(gè)激光脈沖來獲得被照射用于退火的寬幅脈沖。 但是，這些文獻(xiàn)沒有揭示使用多個(gè)激光脈沖脈沖來形成具有基本上為CW波形的激光，并且通過照射該基本上為CW的激光來進(jìn)行離子注入層的退火的半導(dǎo)體制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，并提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，它能夠?qū)ι钐幍碾x子注入層(FS層)進(jìn)行充分激活，并完全恢復(fù)離子注入過程中產(chǎn)生的晶格缺陷。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的第一主面上形成半導(dǎo)體元件的前表面結(jié)構(gòu)；研磨該半導(dǎo)體襯底的后表面?zhèn)鹊牡诙髅嬉詫⒃摪雽?dǎo)體襯底的厚度減小至預(yù)定厚度；在具有預(yù)定厚度的該半導(dǎo)體襯底的第二主面?zhèn)刃纬呻x子注入層；以及利用激光退火工藝來激活該離子注入層，其中激活該離子注入層的步驟通過下述步驟來進(jìn)行使用多個(gè)激光發(fā)射器件，每個(gè)激光發(fā)射器件以預(yù)定重復(fù)頻率和預(yù)定脈沖寬度發(fā)射激光；以及在由該預(yù)定重復(fù)頻率確定的第一時(shí)間周期中重復(fù)激光發(fā)射過程，該過程包括從該多個(gè)激光發(fā)射器件的第一激光發(fā)射器件發(fā)射第一激光脈沖；在該第一激光脈沖的末端從第二激光發(fā)射器件發(fā)射第二光脈沖；在該第二激光脈沖的末端從第三激光發(fā)射器件發(fā)射第三光脈沖；以及逐次地在第(n-1)激光脈沖的末端從第η激光發(fā)射器件發(fā)射第η激光脈沖，之后在該第η激光脈沖的末端從該第一激光發(fā)射器件發(fā)射該第一激光脈沖，其中η是正整數(shù)，重復(fù)該激光發(fā)射過程，形成具有基本上為CW 激光的波形的激光，該激光照射離子注入層以激活該離子注入層。本發(fā)明權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1所述的方法，其中，較佳地在一個(gè)激光脈沖的末端和下一個(gè)激光脈沖的始端之間插入延遲時(shí)間。本發(fā)明權(quán)利要求3所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1所述的方法，其中，較佳地該預(yù)定重復(fù)頻率在2kHz到500kHz的范圍中，并且該預(yù)定脈沖寬度在1 μ s到 50 μ s的范圍中。本發(fā)明權(quán)利要求4所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，較佳地該激光脈沖的每一個(gè)脈沖的能量密度在0. lj/cm2到5J/cm2的范圍中。本發(fā)明權(quán)利要求5所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，較佳地在激光照射的工序中冷卻該半導(dǎo)體襯底。本發(fā)明權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，較佳地在激光照射的工序中該第一主面被靜電吸盤保持或被冷卻。本發(fā)明權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，較佳地該離子注入層是包括連續(xù)形成的P型雜質(zhì)層和η型雜質(zhì)層的ρη連續(xù)層，該 P型雜質(zhì)層包含注入的P型雜質(zhì)，該η型雜質(zhì)層包含注入的η型雜質(zhì)。本發(fā)明權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體器件的方法是如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，較佳地在由進(jìn)行該激光發(fā)射過程的預(yù)定頻率確定的第一時(shí)間周期的m倍的周期中，該激光脈沖照射該離子注入層，m是正整數(shù)；之后，在第二時(shí)間周期中停止激光脈沖的照射；并且在該第一時(shí)間周期的m倍的周期中再次進(jìn)行激光脈沖的照射；重復(fù)進(jìn)行由該第一時(shí)間周期的m倍的周期中的照射和該第二時(shí)間周期中的停止所構(gòu)成的過程。根據(jù)本發(fā)明，激光脈沖被連續(xù)發(fā)射，以基本上形成CW(連續(xù)波)激光。本發(fā)明的該特征穩(wěn)定地在約2 μ m處進(jìn)行較深的離子注入層的激活，且缺陷較少，并且對(duì)于形成FS層尤其有效。因此，能夠獲得一種呈現(xiàn)高激活率和優(yōu)良特性的半導(dǎo)體器件。此外，本發(fā)明的激光退火方法防止其中的晶片開裂，從而提供了一種制造呈現(xiàn)良好電特性的半導(dǎo)體器件的方法。若基本上為CW的激光的能量密度過高，在照射激光的時(shí)間周期之間，可以進(jìn)行中止。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的、圖1工序的后一工序中， 半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的、圖2工序的后一工序中， 半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的、圖3工序的后一工序中， 半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的、圖4工序的后一工序中， 半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖6是激光脈沖的時(shí)序圖。圖7示出了激光退火工序。圖8示出了用靜電吸盤固定基板進(jìn)行激光退火的工序。圖9示出了將基板固定至水冷翼片進(jìn)行激光退火的工序。圖10顯示了用擴(kuò)展阻抗探測(cè)法獲得的濃度分布。圖11顯示了用于應(yīng)對(duì)具有過大能量密度的基本上為CW激光的方法。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法。圖13是NPT型IGBT的截面視圖。圖14是FS型IGBT的截面視圖。圖15是反向阻斷IGBT的截面視圖。圖16是常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖17是常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的、圖16工序的后一工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖18是常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的、圖17工序的后一工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖19是常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的、圖18工序的后一工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖20是常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的、圖19工序的后一工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖21顯示了常規(guī)半導(dǎo)體器件后表面?zhèn)鹊臄U(kuò)散分布。符號(hào)描述1 =FZ-N基板(也被簡稱為基板)2 φ型基底層3 :n型發(fā)射極層
4 柵氧化膜5:柵電極6:層間介質(zhì)膜7 前表面電極(發(fā)射極電極)8 后表面9 離子注入層(將成為FS層11)10 離子注入層(將成為ρ型集電極層12)11:FS 層12 :p型集電極層13 后表面電極(集電極電極)14 激光21-25 激光發(fā)射器件21a_25a:激光脈沖27 光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡28 靜電吸盤29 背板30 水冷翼片
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖描述一些較佳實(shí)施例。(實(shí)施例1)圖1至5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的工序中，半導(dǎo)體器件的主要部件的截面視圖。圖1至5按制造順序進(jìn)行顯示。本實(shí)施例基于FS型IGBT的示例進(jìn)行描述。(1)在FZ-N基板1的前表面?zhèn)瘸练e柵氧化膜4 (SiO2)和多晶硅(poly-Si)柵電極 5，并加工。在柵電極5的表面上沉積并加工層間介質(zhì)膜6 (此例中為BPSG)，以制作絕緣柵結(jié)構(gòu)。(2)在FZ-N基板1的表面區(qū)域中形成P基底層2 (P+)，然后在P基底層2中形成η 型發(fā)射極層3。(3)表面電極7是由鋁硅膜構(gòu)成的發(fā)射極電極，與η型發(fā)射極層3接觸。鋁硅膜隨后在400至500攝氏度的相對(duì)低溫下進(jìn)行熱處理，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的接合性和低阻抗布線。雖然未被示出，但是也可以形成聚酰亞胺膜的絕緣保護(hù)膜來覆蓋前表面。如圖1所示，到此工序?yàn)橹梗糜谠谇氨砻鎮(zhèn)刃纬砂雽?dǎo)體器件的前表面結(jié)構(gòu)的步驟已完成。(4)如圖2所示，通過背面磨削、蝕刻或者其他技術(shù)，使得FZ-N基板1從后表面8 開始減薄至希望的厚度。(5)然后，如圖3所示，從后表面8進(jìn)行離子注入以形成離子注入層9和10，以供分別形成η型層(FS層11)和高濃度ρ型集電極層12 (ρ+層)(這兩個(gè)層在圖4中示出)。 本實(shí)施例中，對(duì)η層注入磷離子，且對(duì)ρ層注入硼離子。在某些情況下，為了建立與后表面電極13的歐姆接觸，在注入硼離子后，在后表面8上注入BF2的ρ層作為表面接觸層，以獲得高濃度層。在如圖8所示用靜電吸盤觀貼附基板1的狀態(tài)下，或者如圖9所示在隔著背板四用水冷翼片30冷卻基板1的狀態(tài)下，通過向后表面8照射激光14的激光退火方式來進(jìn)行熱處理?？梢杂煤饫鋮s來替代水冷。如圖7所示，在該激光退火步驟中，后表面?zhèn)瘸稀?如圖4所示，該激光退火步驟形成FS層11 (η型層)以及高濃度ρ型集電極層12 (ρ+層)。 下面還將參照?qǐng)D6進(jìn)一步詳細(xì)描述激光退火的方法。(7)之后，如圖5所示，在高濃度ρ型集電極層12上，通過組合從鋁層、鈦層、鎳層、 金層等之中選擇出的多個(gè)金屬膜，來形成后表面電極13。(8)盡管沒有示出，但在切片之后，使用超聲波接線裝置，在前表面電極7的表面上固定鋁布線。后表面電極13經(jīng)由焊料層連接到基底。由此，完成FS型IGBT。下面將對(duì)步驟(6)的激光退火方法進(jìn)行描述。圖6是激光脈沖的時(shí)序圖。如圖6 所示，使用分別發(fā)射第一激光脈沖21a至第五激光脈沖25a的五個(gè)激光發(fā)射器件21至25， 來進(jìn)行激光退火。激光發(fā)射器件21至25中的每一個(gè)都以IOkHz的頻率、20μ s的脈沖寬度發(fā)射激光脈沖21a至25a，該頻率對(duì)應(yīng)于100 μ s的周期。在從第一激光發(fā)射器件21發(fā)射的第一激光脈沖21a的末端，第二激光發(fā)射器件22發(fā)射第二激光脈沖22a ；在從第二激光發(fā)射器件22發(fā)射的第二激光脈沖22a的末端，第三激光發(fā)射器件23發(fā)射第三激光脈沖 23a。重復(fù)與此相同的過程直至第五激光發(fā)射器件25發(fā)射第五激光脈沖25a。在從第五激光發(fā)射器件25發(fā)射的第五激光脈沖25a的末端，第一激光發(fā)射器件21再次發(fā)射第一激光脈沖21a。重復(fù)這些過程，以獲得基本上連續(xù)(或CW)的激光14(圖8中示出)。五個(gè)激光脈沖21a至25a(每個(gè)的周期為20 μ s)連在一起，構(gòu)成了周期為100 μ s的基本上為CW的激光14。激光脈沖21a至25a中的每一個(gè)提供0. 8J/cm2的能量密度。一個(gè)控制器件(圖中未示出)控制五個(gè)激光發(fā)射器件21至25的發(fā)射定時(shí)。當(dāng)激光照射一塊芯片100 μ s的周期時(shí)，照射到這一塊芯片的能量密度為0. 8J/ cm2X5個(gè)脈沖=4. OJ/cm2，該能量密度已經(jīng)足夠獲得令人滿意的激活。為了獲得基本上為CW的激光14，最好激光脈沖21a至25a的頻率在2kHz到 500kHz的范圍內(nèi)，脈沖寬度在1 μ s至50 μ s的范圍內(nèi)，一個(gè)脈沖的能量密度在0. IJ/cm2至 5J/cm2的范圍內(nèi)。若頻率低于2kHz或者脈沖寬度小于1 μ s，則激光發(fā)射器件的個(gè)數(shù)上升， 從而增加了制造成本。另一方面，500kHz的頻率和50 μ s脈沖寬度在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)足夠獲得令人滿意的激光退火。小于0. lj/cm2的單脈沖能量密度將小于離子注入層9和10的激活能量，因此不足以激活這些層。大于5J/cm2的能量密度將會(huì)導(dǎo)致表面區(qū)域的擴(kuò)散分布呈盒狀分布，這引發(fā)擴(kuò)散深度的波動(dòng)。此外，如此高的能量密度將熔融FS型IGBT的前表面電極7(鋁電極)。上述條件下的激光退火過程連續(xù)加熱基板1，充分地激活約2μπι處的較深的離子
注入層9。如圖8所示，在由靜電吸盤觀緊緊支承住晶片(基板1)的前表面?zhèn)鹊那闆r下，進(jìn)行激光照射。結(jié)果，前表面電極7不受熱量的影響，從而避免了 IGBT前表面上的前表面電極7(鋁電極)的熔融。用如圖9所示的照射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠獲得同樣的效果，其中用引導(dǎo)裝置將基板1緊緊地附著在背板上，并用水冷翼片進(jìn)行冷卻。
圖8和圖9是激光照射系統(tǒng)的概要圖。五個(gè)激光發(fā)射器件21至25發(fā)射激光至未示出的光纖，這些光纖捆扎在一起形成厚光纖。從厚光纖的前端發(fā)射連續(xù)激光14，并在用光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡27反射連續(xù)激光14之后，將該連續(xù)激光14照射至基板。激光14的照射時(shí)間和能量被設(shè)定為激活離子注入層9和10所必需的值。圖10顯示由SR方法得到的濃度分布。其中顯示了實(shí)施例1、后面即將描述的實(shí)施例2以及常規(guī)示例的分布。常規(guī)示例的方法是專利文獻(xiàn)3所揭示的方法，其中以IOOns的脈沖寬度發(fā)射脈沖YAG 2 ω激光的兩個(gè)激光器件被用來形成每隔500ns發(fā)射的200ns的寬幅脈沖。一個(gè)激光器件的能量密度為2J/cm2，兩個(gè)激光器件的總能量密度即為4J/cm2 (恒定值)。照射重疊率為90%。ρ層(硼注入層)中的離子注入量為lX1015cm_2，且加速能量為50keV;n層(將成為FS層的磷注入層)中的離子注入量為lX1013cm_2，且加速能量為 l.OMeV。離子注入時(shí)的入射角為7度。在常規(guī)示例中，在第一激光發(fā)射器件開始發(fā)射激光之后500ns第二激光發(fā)射器件開始發(fā)射激光。當(dāng)?shù)谝患す獍l(fā)射器件在200ns的時(shí)間周期內(nèi)發(fā)射激光時(shí)，在300ns的時(shí)間周期中休止或者暫停激光發(fā)射。由于在300ns的休止周期溫度降低，激活深度只到大約 1.3μπι。從圖10中可以看到，離子注入層9中，2μπι深度處的激活并不充分。晶格缺陷沒有被恢復(fù)，從而造成漏電流的產(chǎn)生。與之相比，本發(fā)明實(shí)施例1中，向基板1照射持續(xù)脈沖，形成實(shí)質(zhì)上連續(xù)的激光。結(jié)果，有足夠的熱量到達(dá)圖3中的較深的離子注入層9 (將成為圖4中的FS層11)，從而在大約2 μ m的深度激活離子注入層9。這樣，實(shí)施例1的方法恢復(fù)了由于離子注入過程中的損傷在較深的離子注入層9 中所造成的晶格缺陷。由于激光14的能量密度相當(dāng)?shù)?，不?huì)形成盒狀分布，也不會(huì)由于激光照射而產(chǎn)生加工痕跡。在上述實(shí)施例中，本發(fā)明的方法被用來激活離子注入層9和10，該離子注入層9和 10將成為FS型IGBT的后表面8區(qū)域中FS層11和集電極層12的pn連續(xù)層。本發(fā)明的方法也可被用來激活NPT型IGBT后表面?zhèn)鹊募姌O層的ρ層以及MOSFET后表面?zhèn)鹊穆O層的η層。如果激光14的能量密度過高，則可以降低該能量密度。但是，如果過分減小該能量密度，基本上為CW的激光將不足以進(jìn)行令人滿意的激活?？梢酝ㄟ^以下方式來解決這種情況。圖11顯示了用于應(yīng)對(duì)基本上為CW激光的能量密度過高的情形的方法。在由頻率所確定的周期(第一周期，IOkHz頻率的情況下為100μ s)的m倍的周期中發(fā)射激光(m為正整數(shù))。然后，暫停0.1秒至數(shù)秒的時(shí)間，以停止發(fā)射激光脈沖。之后， 再次發(fā)射激光脈沖。重復(fù)這些操作。若激光脈沖的照射時(shí)間周期不夠，將增加由頻率所確定的周期(第一周期)。暫停時(shí)間不一定是由頻率所確定的周期。激光照射時(shí)間是充分激活離子注入層所需的時(shí)間周期。需考慮激光點(diǎn)移動(dòng)到下一芯片所需的時(shí)間來確定暫停時(shí)間。(實(shí)施例2)圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法。圖12是激光照射的時(shí)序圖。除了激光退火過程之外，制造步驟與實(shí)施例1的步驟相同。實(shí)施例2也是一個(gè) FS-IGBT的例子。
圖12的時(shí)序圖與圖6的時(shí)序圖的不同點(diǎn)在于，例如，激光脈沖21a和激光脈沖22a 之間間隔5 μ s。激光發(fā)射器件21至25與圖8或圖9中的相同，且未示出的控制器件控制激光脈沖21a至25a的發(fā)射開始時(shí)間。激光發(fā)射器件21至25中的每一個(gè)都發(fā)射20μ s時(shí)長和lj/cm2的發(fā)射能量密度的方波激光脈沖。第一激光發(fā)射器件21的20 μ s照射結(jié)束后，在間隔5μ s的延遲時(shí)間之后，第二激光發(fā)射器件22進(jìn)行照射。第三和第四激光發(fā)射器件的照射過程也有5 μ S的間隔。在第四發(fā)射器件進(jìn)行照射并且間隔了 5μ s之后，第一激光發(fā)射器件21再次進(jìn)行照射。 為了避免由于被照射表面在延遲時(shí)間內(nèi)溫度降低而導(dǎo)致的激活不充分，優(yōu)選在延遲時(shí)間內(nèi)將被照射表面的溫度維持在500攝氏度或更高。與實(shí)施例1所示相同，在用靜電吸盤觀支承IGBT晶片前表面?zhèn)鹊臓顟B(tài)下，或者在用引導(dǎo)裝置將IGBT晶片前表面?zhèn)染o緊地附著在背板上并用水冷翼片進(jìn)行冷卻的狀態(tài)下， 對(duì)IGBT晶片進(jìn)行照射。由于照射過程中的這些設(shè)置，IGBT前表面上的鋁質(zhì)表面電極7不會(huì)熔融，且前表面?zhèn)炔皇軣崃坑绊?。如圖10所示，與實(shí)施例1相比，所插入的延遲時(shí)間略微降低了硼注入層的濃度和磷注入層(FS層)的濃度。但是，器件特性并不受影響。與實(shí)施例1相同的激光退火條件可以進(jìn)行充分的晶格缺陷恢復(fù)，這些晶格缺陷由于離子注入過程中的損傷而在較深的離子注入層9中產(chǎn)生。由于被照射的激光的能量密度低，因此即便在最上層表面也不會(huì)形成盒狀分布，并且不會(huì)由于激光照射而產(chǎn)生加工痕跡。532nm波長YAG 2 ω全固態(tài)激光器被用于上述實(shí)施例1和2。但是，也可以使用其它類型激光器，如YLF 2ω>Υν04(2ω)>ΥΑ6 3 ω ,YLF 3ω、γν04(3ω)等。可以用準(zhǔn)分子激光器來替代全固態(tài)激光器，如)(eCl (308nm)、KrF, XeF等。除硼和磷之外，在使用大擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑(例如，硫、硒、鋰、氫)進(jìn)行離子注入的情況下，本發(fā)明也有效。以上描述中的器件類型為在后表面較深位置處具有FS層的FS型IGBT。經(jīng)確認(rèn)， 本發(fā)明應(yīng)用于其它類型器件的后表面?zhèn)圈菍右矝]有問題，包括NPT型IGBT、反向阻斷IGBT 以及FWD (續(xù)流二極管)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下述步驟在半導(dǎo)體襯底的第一主面上形成半導(dǎo)體元件的前表面結(jié)構(gòu)；研磨所述半導(dǎo)體襯底的后表面?zhèn)鹊牡诙髅嬉詫⑺霭雽?dǎo)體襯底的厚度減小至預(yù)定厚度；在具有所述預(yù)定厚度的所述半導(dǎo)體襯底的第二主面?zhèn)刃纬呻x子注入層；以及利用激光退火工序來激活所述離子注入層，其中激活所述離子注入層的步驟通過下述步驟來進(jìn)行使用多個(gè)激光發(fā)射器件，每個(gè)激光發(fā)射器件以預(yù)定重復(fù)頻率和預(yù)定脈沖寬度發(fā)射激光；以及在由所述預(yù)定重復(fù)頻率確定的第一時(shí)間周期中重復(fù)激光發(fā)射過程，所述過程包括從所述多個(gè)激光發(fā)射器件的第一激光發(fā)射器件發(fā)射第一激光脈沖；在所述第一激光脈沖的末端從第二激光發(fā)射器件發(fā)射第二光脈沖；在所述第二激光脈沖的末端從第三激光發(fā)射器件發(fā)射第三光脈沖；以及逐次地在第(n-1)激光脈沖的末端從第η激光發(fā)射器件發(fā)射第η 激光脈沖，之后在所述第η激光脈沖的末端從所述第一激光發(fā)射器件發(fā)射所述第一激光脈沖，其中η是正整數(shù)，重復(fù)所述激光發(fā)射過程，形成具有基本上為CW激光的波形的激光，該激光照射離子注入層以激活所述離子注入層。
2.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，在一個(gè)激光脈沖的末端和下一個(gè)激光脈沖的始端之間插入延遲時(shí)間。
3.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述預(yù)定重復(fù)頻率在2kHz到500kHz的范圍中，并且所述預(yù)定脈沖寬度在Iys到 50 μ s的范圍中。
4.如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述激光脈沖的每一個(gè)脈沖的能量密度在0. lj/cm2到5J/cm2的范圍中。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，在激光照射的工序中冷卻所述半導(dǎo)體襯底。
6.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，在激光照射的工序中，所述第一主面被靜電吸盤保持或被冷卻。
7.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述離子注入層是包括連續(xù)形成的P型雜質(zhì)層和η型雜質(zhì)層的ρη連續(xù)層，所述P型雜質(zhì)層包含注入的P型雜質(zhì)，所述η型雜質(zhì)層包含注入的η型雜質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，在由進(jìn)行所述激光發(fā)射過程的預(yù)定頻率確定的第一時(shí)間周期的m倍的周期中，所述激光脈沖照射所述離子注入層，m是正整數(shù)；之后，在第二時(shí)間周期中停止激光脈沖的照射； 并且在所述第一時(shí)間周期的m倍的周期中再次進(jìn)行激光脈沖的照射；重復(fù)進(jìn)行由所述第一時(shí)間周期的m倍的周期中的照射和所述第二時(shí)間周期中的停止所構(gòu)成的過程。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它能夠充分地激活較深的離子注入層，并完全恢復(fù)離子注入過程中所產(chǎn)生的晶格缺陷。連續(xù)地發(fā)射激光脈沖(21a至25a)，以形成基本上為CW(連續(xù)波)的激光。本發(fā)明的該特征能夠在大約2μm處穩(wěn)定的進(jìn)行較深處離子注入層的激活，且產(chǎn)生較少的缺陷。
文檔編號(hào)H01L21/268GK102315107SQ20111018863
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者中澤治雄, 窪內(nèi)源宜 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社