CN102856331A - 固体拍摄装置及固体拍摄装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据实施方式，提供了固体拍摄装置的制造方法。固体拍摄装置的制造方法包括元件分离区域形成工序和电荷积蓄区域形成工序。在元件分离区域形成工序中，使第1导电型半导体层外延生长，形成分离光电变换元件之间的元件分离区域。在电荷积蓄区域形成工序中，使第2导电型半导体层外延生长，形成上述光电变换元件中的电荷积蓄区域。
Description
相关申请的参考
本申请要求2011年6月29日申请的日本专利申请2011-144060的优先权，该日本专利申请的全部内容在本申请中引用。
技术领域
本实施方式一般涉及固体拍摄装置及固体拍摄装置的制造方法。
背景技术
在现有的固体拍摄装置中，在各光电变换元件的电荷积蓄区域中积蓄由多个光电变换元件进行光电变换后的电荷，并通过从电荷积蓄区域中读出电荷来进行拍摄。
在这种固体拍摄装置中，当在各光电变换元件的电荷积蓄区域中积蓄的电荷向其它光电变换元件的电荷积蓄区域漏出时，拍摄图像的画质劣化。因此，在各光电变换元件之间设置用于防止电荷漏出的元件分离区域。
这种元件分离区域例如通过向在半导体基板形成的成为光电变换元件之间的边界的区域离子注入与电荷积蓄区域不同的导电型杂质并使其热扩散来形成。
但是，杂质热扩散的扩散范围由于半导体基板的深度位置而不均等，因此，在通过离子注入及热扩散形成的元件分离区域中，存在元件分离特性不充分的地方。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供能够提高元件分离特性的固体拍摄装置及固体拍摄装置的制造方法。
实施方式的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，包括：元件分离区域形成工序，其使第1导电型半导体层外延生长，形成分离光电变换元件之间的元件分离区域；以及电荷积蓄区域形成工序，其使第2导电型半导体层外延生长，形成上述光电变换元件中的电荷积蓄区域。
另一个实施方式的固体拍摄装置，其特征在于，具备：电荷积蓄区域，其设置在形成在第1导电型外延层的凹槽中，包括第2导电型外延层；以及元件分离区域，其通过上述凹槽的侧壁分离光电变换元件之间。
另一个实施方式的固体拍摄装置，其特征在于，具备：电荷积蓄区域，其在第1导电型半导体层上形成，并包括第2导电型外延层；以及元件分离区域，其包围上述电荷积蓄区域，设置在从上述第2导电型外延层的表面到达上述第1导电型半导体层的凹槽中，并包括在光电变换元件之间进行元件分离的第1导电型外延层。
根据上述构成的固体拍摄装置及固体拍摄装置的制造方法，能够提高元件分离特性。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置的截面的示意图。
图2是实施方式所涉及的固体拍摄装置的图1中的A-A′线的截面示意图。
图3是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置的制造工序的流程图。
图4和图5是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置的制造工序的截面示意图。
具体实施方式
根据实施方式，提供固体拍摄装置的制造方法。固体拍摄装置的制造方法包括元件分离区域形成工序和电荷积蓄区域形成工序。在元件分离区域形成工序中，使第1导电型半导体层外延生长，形成分离光电变换元件之间的元件分离区域。在电荷积蓄区域形成工序中，使第2导电型半导体层外延生长，形成上述光电变换元件中的电荷积蓄区域。
以下，参照附图，详细说明实施方式所涉及的固体拍摄装置及固体拍摄装置的制造方法。另外，以下所示的实施方式并不限定本发明。此外，以下对固体拍摄装置是背面照射型CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的情形进行说明。
另外，固体拍摄装置并不限于CMOS图像传感器，也可以是CCD(电荷耦合器件)等在各光电变换元件之间设置元件分离区域的任意图像传感器。
图1是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置1的截面的示意图，图2是实施方式所涉及的固体拍摄装置1的图1中的A-A′线的截面示意图。如图1所示，固体拍摄装置1具备支持基板2和经由贴合层4贴合到支持基板2的背面(底面)的元件基板3。
此外，元件基板3具备CMOS图像传感器。具体地，元件基板3具备元件形成层5和多层布线层6。该元件形成层5包括被掺杂了第1导电型(P型)杂质的硅的外延层(以下称为“第1外延层51”)和被掺杂了第2导电型(N型)杂质的硅的外延层(以下称为“第2外延层52”)。
然后，在固体拍摄装置1中，通过在元件基板3的预定位置的第1外延层51和第2外延层52的PN结而形成的多个光电二极管50起到光电变换元件的作用。
各光电变换元件具备积蓄由光电二极管50进行光电变换后的电荷的电荷积蓄区域53。该电荷积蓄区域53包括第2外延层52，如图2所示，相对于受光面，按矩阵状设置有多个。
此外，如图1和图2所示，各电荷积蓄区域53之间被包括第1外延层51的元件分离区域54电气分离。该元件分离区域54例如通过对第1外延层51进行图案刻蚀以成为元件分离区域54的形状来形成。
或者，元件分离区域54通过在第2外延层52中的元件分离区域54的形成区域形成凹槽并在凹槽内使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长来形成。另外，该元件分离区域54的形成工序的详细情况将使用图4和图5在后面描述。
此外，在各光电二极管50的背面，隔着反射防止膜70设置了对应的三原色的滤色器7R、7G、7B，在各滤色器7R、7G、7B的背面设置有微透镜71。即，在固体拍摄装置1中，由被设置了三原色的滤色器7R、7G、7B的相邻设置的三个光电二极管50构成一个像素。
此外，在元件形成层5和多层布线层6的接合部，与各光电变换元件对应地设置了读出用晶体管、放大用晶体管和复位用晶体管等。另外，在图1中，这些晶体管的构成要素除了读出用晶体管的栅极63以外，省略图示。
在此，读出用晶体管是从电荷积蓄区域53中读出电荷时成为导通状态的晶体管。放大用晶体管是放大从电荷积蓄区域53中读出的电荷的晶体管。复位用晶体管是使在电荷积蓄区域53中积蓄的电荷放电的晶体管。
此外，在元件形成层5，设置了连接在背面的预定位置设置的电极焊盘72和多层布线层6的贯通电极55。另外，电极焊盘72的底面的边缘部及侧面被钝化氮化膜73和钝化氧化膜74覆盖保护。
此外，多层布线层6具备在层间绝缘膜60的内部设置的金属布线层61和贯通电极层62。在金属布线层61，金属布线被设置成多层。此外，在贯通电极层62设置有多个贯通电极55。
然后，电极焊盘72和前述的读出用晶体管、放大用晶体管及复位用晶体管等经由元件形成层5的贯通电极55、多层布线层6的贯通电极55和金属布线连接。
然后，固体拍摄装置1通过进行如下的操作来进行拍摄。即，固体拍摄装置1将从在背面设置的微透镜入射的光通过各光电二极管50变换成与光的强度相应的电荷，并在电荷积蓄区域53中积蓄。
接着，固体拍摄装置1通过根据从控制装置(图示略)向电极焊盘72输入的预定控制信号驱动读出用晶体管等，从电荷积蓄区域53中读出电荷，从而进行拍摄。
如上所述，该固体拍摄装置1的元件分离区域54通过将第1外延层51蚀刻成预定形状或者通过在蚀刻第2外延层52而形成的凹槽内使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长来形成。
即，在固体拍摄装置1中，元件分离区域54的形状通过蚀刻规定。这样，元件分离区域54的宽度，即由元件分离区域54隔离的电荷积蓄区域53彼此的距离，与电荷积蓄区域53的深度(元件基板3表面的法线方向的位置)无关，而变成均等。
因此，固体拍摄装置1的元件分离区域54与由于电荷积蓄区域53的深度而宽度不均等的元件分离区域(例如，通过杂质的离子注入及热扩散而形成的元件分离区域)相比，元件分离特性高。
这样，在固体拍摄装置1中，通过提高光电变换元件的元件分离特性，能够防止在各电荷积蓄区域53中积蓄的电荷向相邻设置的电荷积蓄区域53漏出，因此，能够抑制拍摄图像的画质劣化。
下面使用图3～图5说明实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造方法。图3是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造工序的流程图，图4和图5是表示实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造工序的截面示意图。
以下，使用图3和图4说明蚀刻第1外延层51而形成元件分离区域54的情形，使用图5说明在形成在第2外延层52的凹槽中使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长而形成元件分离区域54的情形。另外，在图4和图5中，简化图示了多层布线层6的构成。
当蚀刻第1外延层51而形成元件分离区域54时，如图4(A)所示，首先，准备在被掺杂了P型杂质的硅的子基板81上依次层叠了被掺杂了杂质浓度比子基板81低一个数量级以上的P型杂质的硅层82和被掺杂了P型杂质的第1外延层51的元件基板3。
在此，例如，准备在硅层82上使厚度为3μm左右、硼的浓度为1e18/cm3以上的第1外延层51外延生长的元件基板3。另外，在子基板81和硅层82中掺杂的杂质也可以是N型。但是，即使在这种情况下，硅层82的杂质浓度也比子基板81的杂质浓度低一个数量级以上。
接着，如图3所示，在元件基板3的元件形成层5进行形成贯通电极55(参照图1)(步骤S101)、形成光电变换元件等元件(FEOL：前端工艺线)的工序(步骤S102)。
具体地，当在第1外延层51上形成抗蚀膜后，使用光蚀刻技术，从第1外延层51上除去成为元件分离区域54的部分以外的抗蚀膜。然后，通过将抗蚀膜作为掩模进行RIE(反应式离子蚀刻)等各向异性干蚀刻，如图4(B)所示，在第1外延层51形成凹槽(沟)56。
这样，通过对第1外延层51进行各向异性干蚀刻，能够形成在向与元件基板3的板面的法线方向平行的方向延伸的凹槽56。此时，在凹槽56的底部进行RIE，以致残留厚度为0.1μm以上的第1外延层51。
这样，通过以残留底壁58和成为元件分离区域54的侧壁的方式蚀刻第1外延层51，形成元件分离区域54。另外，凹槽56也可以通过湿蚀刻形成。
接着，如图4(C)所示，通过在由第1外延层51的底壁58和侧壁(元件分离区域54)形成的空间使第2外延层52外延生长，形成电荷积蓄区域53。这样，通过在第1外延层51形成的底壁58和由第2外延层52构成的电荷积蓄区域53的PN结，形成光电二极管50。
这样，在本实施方式中，通过蚀刻第1外延层51形成凹槽56而形成元件分离区域54，并在凹槽56内使第2外延层52外延生长，形成电荷积蓄区域53。
这样，本实施例中，能够使元件分离区域54的宽度，即由元件分离区域54隔离的电荷积蓄区域53彼此的距离，与电荷积蓄区域53的深度(元件基板3表面的法线方向的位置)无关，变成均等。
因此，根据本实施方式，与由于电荷积蓄区域53的深度而宽度不均等的元件分离区域(例如，由于杂质的离子注入及热扩散而形成的元件分离区域)相比，能够形成元件分离特性高的元件分离区域54。
此外，在该FEOL工序中，在元件形成层5的预定位置，通过已知的制造方法形成读出用晶体管、放大用晶体管及复位用晶体管的各工作区域。
接着，如图3所示，进行形成多层布线层6的(BEOL：后端工艺线)工序(步骤S103)。此时，如图4(D)所示，在元件形成层5上形成多层布线层6。
接着，如图3所示，进行支持基板2的贴合(步骤S104)。具体地，如图4(D)所示，加热多层布线层6的顶面而形成贴合层41，加热支持基板2的底面而形成贴合层42。
然后，通过使被加热的贴合层41、42彼此接触，使元件基板3和支持基板2贴合(参照图1)。另外，元件基板3和支持基板2也可以通过粘接剂贴合。
接着，如图3所示，进行基板的薄片化(步骤S105)。具体地，如图4(E)所示，从底面开始通过CMP(化学机械研磨)研磨子基板81。此时，以使子基板81的顶面部分残留例如10μm以上的厚度的方式进行CMP。
接着，通过选择性湿蚀刻除去残留的子基板81。此时，作为蚀刻剂，例如使用HF(氢氟酸)、HNO3(硝酸)、CH3COOH(醋酸)或这些酸的混合液或者KOH(氢氧化钾)。
在此，如前所述，硅层82由于杂质浓度比子基板81低一个数量级以上，因此在湿蚀刻时成为蚀刻阻挡层。这样，残留的子基板81被除去，硅层82的背面露出(参照图4(D))。接着，通过指定了削除量的CMP或干蚀刻，除去硅层82，使第1外延层51的底面露出。
这样，在本实施方式中，硅层82在使元件基板3薄片化时起到蚀刻阻挡层的作用。因此，根据本实施方式，例如，与使用被埋入由氧化膜构成的BOX层的高价SOI基板作为蚀刻阻挡层的情形相比，能够以低成本制造固体拍摄装置1。
接着，如图3所示，进行反射防止膜70的形成(步骤S106)、电极焊盘72的形成(步骤S107)、滤色器7R、7G、7B和微透镜71的形成(步骤S108)，制造固体拍摄装置1。
具体地，如图4(F)所示，在第1外延层51的底面与光电二极管50对应的区域形成反射防止膜70，在反射防止膜70的底面与各光电二极管50对应的位置形成滤色器7R、7G、7B。然后，在滤色器7R、7G、7B的底面，分别形成微透镜71，制造固体拍摄装置1。
接着，使用图5说明在形成在第2外延层52的凹槽56中使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长而形成元件分离区域54的情形。在这种情况下，如图5(A)所示，首先，准备在被掺杂了P型杂质的硅的子基板91上依次层叠了被掺杂了杂质浓度比子基板91低一个数量级以上的P型杂质的硅层92、被掺杂了P型杂质的第1外延层51和被掺杂了N型杂质的第2外延层52的元件基板3a。
在此，例如，准备在硅层92上使厚度为0.1μm左右且硼的浓度为1e18/cm3以上的第1外延层51外延生长并在第1外延层51上使第2外延层52外延生长的元件基板3a。
另外，在子基板91和硅层92中掺杂的杂质也可以是N型。但是，即使在这种情况下，硅层92的杂质浓度也比子基板91的杂质浓度低一个数量级以上。
接着，如图5(B)所示，在第2外延层52中的元件分离区域54的形成预定区域，形成从第2外延层52的顶面到达第1外延层51的顶面的凹槽(沟)57。
此时，例如，通过使用光蚀刻技术并将图案化成预定形状的抗蚀剂作为掩模进行RIE等各向异性干蚀刻，形成凹槽57。
这样，通过对第2外延层52进行各向异性干蚀刻，能够形成向与元件基板3的板面的法线方向平行的方向延伸的凹槽57。另外，凹槽57也可以通过湿蚀刻形成。
在此，第2外延层52中被凹槽57包围的区域成为电荷积蓄区域53。即，电荷积蓄区域53通过在第1外延层51上使第2外延层52外延生长而形成。另外，通过电荷积蓄区域53和第1外延层51的PN结，形成光电二极管50。
接着，如图5(C)所示，通过在凹槽57的内部使被掺杂了P型杂质的硅区域外延生长，形成元件分离区域54。这样，在本实施方式中，在形成在第2外延层52的凹槽57中使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长，形成元件分离区域54及电荷积蓄区域53。
这样，根据本实施方式，能够使元件分离区域54的宽度，即由元件分离区域54隔离的电荷积蓄区域53彼此的距离，与电荷积蓄区域53的深度(元件基板3a表面的法线方向的位置)无关，变成均等。
因此，根据本实施方式，与由于电荷积蓄区域53的深度而宽度不均等的元件分离区域(例如，通过杂质的离子注入及热扩散而形成的元件分离区域)相比，能够形成元件分离特性高的元件分离区域54。
接着，如图5(D)所示，当在元件形成层5上形成了多层布线层6后，加热多层布线层6的顶面而形成贴合层41，并加热支持基板2的底面而形成贴合层42。
然后，通过使加热后的贴合层41、42彼此接触，使元件基板3a和支持基板2贴合。另外，元件基板3a和支持基板2也可以通过粘接剂贴合。
接着，如图5(E)所示，从底面开始通过CMP研磨子基板91。此时，以使子基板91的顶面部分例如残留10μm以上的厚度的方式进行CMP。然后，通过选择性湿蚀刻除去残留的子基板91。另外，作为蚀刻剂，例如使用HF(氢氟酸)、HNO3(硝酸)、CH3COOH(醋酸)或这些酸的混合液或者KOH(氢氧化钾)。
在此，硅层92也由于杂质浓度比子基板91低一个数量级以上，因此在湿蚀刻时成为蚀刻阻挡层。这样，残留的子基板91被除去，硅层92的背面露出(参照图5(D))。接着，通过指定了削除量的CMP或者干蚀刻，除去硅层92，使第1外延层51的底面露出。
这样，在本实施方式中，硅层92在使元件基板3a薄片化时起到蚀刻阻挡层的作用。因此，根据本实施方式，例如，与使用被埋入了由氧化膜构成的BOX层的高价SOI基板作为蚀刻阻挡层的情形相比，能够以低成本制造固体拍摄装置1。
接着，如图5(F)所示，在第1外延层51的底面与光电二极管50对应的区域形成反射防止膜70，在反射防止膜70的底面与各光电二极管50对应的位置形成滤色器7R、7G、7B。然后，在滤色器7R、7G、7B的底面，分别形成微透镜71，制造固体拍摄装置1。
如上所述，在本实施方式中，蚀刻第1外延层51，形成元件分离区域54。或者，在通过蚀刻而在第2外延层52形成的凹槽57中使被掺杂了P型杂质的半导体层外延生长，形成元件分离区域54。
因此，在固体拍摄装置1中，元件分离区域54的形状通过蚀刻规定。这样，通过本实施方式形成的元件分离区域54的宽度，即由元件分离区域54隔离的电荷积蓄区域53彼此的距离，与电荷积蓄区域53的深度(元件基板3a表面的法线方向的位置)无关，变成均等。
因此，通过本实施方式形成的元件分离区域54与由于电荷积蓄区域53的深度而宽度不均等的元件分离区域(例如，通过杂质的离子注入及热扩散而形成的元件分离区域)相比，元件分离特性高。
这样，在固体拍摄装置1中，通过提高光电变换元件的元件分离特性，能够防止在各电荷积蓄区域53中积蓄的电荷向相邻设置的电荷积蓄区域53漏出，因此，能够抑制拍摄图像的画质劣化。
此外，在实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造方法中，不必为了形成元件分离区域54而进行杂质的离子注入及热扩散，因此，能够防止在使杂质热扩散时由于热处理而使多层布线层6受到恶劣影响。
此外，在实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造方法中，通过第1外延层51的蚀刻或者使P型半导体层外延生长来形成元件分离区域54，因此，能够形成从电荷积蓄区域53的顶面到达底面的元件分离区域54。因此，在固体拍摄装置1中，也能够防止电荷从电荷积蓄区域53的深度方向的任一位置向相邻的电荷积蓄区域53漏出。
此外，在实施方式所涉及的固体拍摄装置1的制造方法中，可以将元件分离区域54的宽度与电荷积蓄区域53的深度无关地形成必要的最小限度的均等宽度，因此，可以扩大光电二极管50的受光面积。
虽然说明了本发明的几个实施例，但是这些实施例只是例示而不是限定发明的范围。这些新的实施例可以采用其它各种形式实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，可以进行各种省略、置换和变更。这些实施例和/或其变形包含在发明的范围和/或要旨中，同时也包含在权利要求的范围所记载的发明及其等同的范围内。
Claims (14)
1.一种固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，包括：
元件分离区域形成工序，其使第1导电型半导体层外延生长，形成分离光电变换元件之间的元件分离区域；以及
电荷积蓄区域形成工序，其使第2导电型半导体层外延生长，形成上述光电变换元件中的电荷积蓄区域。
2.根据权利要求1所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，
上述元件分离区域通过在半导体基板上使上述第1导电型半导体层外延生长之后以残留底壁和成为上述元件分离区域的侧壁的方式蚀刻该第1导电型半导体层来形成；
上述电荷积蓄区域通过在由上述底壁及上述侧壁形成的空间的内部使上述第2导电型半导体层外延生长来形成。
3.根据权利要求2所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，上述蚀刻是各向异性干蚀刻。
4.根据权利要求2所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，上述半导体基板具备：
被掺杂了预定杂质的子基板；以及
在上述子基板的顶面设置且上述杂质的浓度比上述子基板低一个数量级以上的半导体层。
5.根据权利要求4所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，包括：
从底面开始化学机械研磨上述子基板而残留该子基板的顶面部分的工序。
6.根据权利要求5所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，包括：
通过湿蚀刻来除去上述子基板的顶面部分的工序。
7.根据权利要求2所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，上述固体拍摄装置是背面照射型图像传感器。
8.根据权利要求1所述的固体拍摄装置的制造方法，其特征在于，
上述电荷积蓄区域通过在形成在半导体基板上的第1导电型半导体层上使上述第2导电型半导体层外延生长来形成；
上述元件分离区域通过在上述第2导电型半导体层中的上述元件分离区域的形成区域形成从上述第2导电型半导体层的顶面到达该第1导电型半导体层的凹槽，并在该凹槽的内部使上述第1导电型半导体层外延生长来形成。
9.一种固体拍摄装置，其特征在于，具备：
电荷积蓄区域，其设置在形成在第1导电型外延层的凹槽内，并包括第2导电型外延层；以及
元件分离区域，其通过上述凹槽的侧壁分离光电变换元件之间。
10.根据权利要求9所述的固体拍摄装置，其特征在于，上述凹槽通过各向异性干蚀刻形成。
11.根据权利要求9所述的固体拍摄装置，其特征在于，上述固体拍摄装置是背面照射型图像传感器。
12.一种固体拍摄装置，其特征在于，具备：
电荷积蓄区域，其在第1导电型半导体层上形成，并包括第2导电型外延层；以及
元件分离区域，其包围上述电荷积蓄区域，设置在从上述第2导电型外延层的表面到达上述第1导电型半导体层的凹槽中，并包括在光电变换元件之间进行元件分离的第1导电型外延层。
13.根据权利要求12所述的固体拍摄装置，其特征在于，上述凹槽通过各向异性干蚀刻形成。
14.根据权利要求12所述的固体拍摄装置，其特征在于，上述固体拍摄装置是背面照射型图像传感器。
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