CN107706264A - 半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

作为具有因较浅的pn结而对紫外线的灵敏度高的光电二极管的半导体装置的制造方法，不利用对硅衬底的离子注入，而作成能够以良好灵敏度检测紫外线的光电二极管，因此向硅衬底表面沉积以高浓度包含杂质的氧化物，然后，利用高速升降温装置进行伴随快速的温度变化的热扩散，形成扩散区域，设置极浅的pn结。

Description

半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及具有用于检测紫外光的利用了pn结的光电二极管的半导体装置的制造方法。
背景技术
构成半导体装置的半导体受光元件有各式各样的种类，但是在其中具有由硅的pn结构成的光电二极管的受光元件，在同一衬底上制作利用了MOS晶体管等的集成电路，从而能够在一个芯片上进行从受光到信号处理为止的全部工序，因此在很多的用途中被使用。然而，硅中的光的进入深度（入射到硅的光的强度因吸收而减衰为1/e（在此e为纳皮尔常数、2.71828・・・）的深度）具有如图3那样的波长依赖性，在紫外线（UVA：320～400nm、UVB：280～320nm）的情况下，在数nm～数十nm的区域内大部分的光会被吸收。在专利文献1中示出具有这样的特征的用于利用硅检测紫外线的构造。
具体而言，为了将通过紫外线照射而产生的电子－空穴对作为光电流而检测，使光电二极管的pn结的深度浅到数十～100nm左右。另外通过使硅最表面的杂质浓度为1019cm－3以上的高浓度，且设为浓度相对于深度方向缓缓下降的杂质分布，从而使得产生利用浓度梯度的电场，使电子－空穴对有效率地分离而得到光电流。
在利用硅的光电二极管的构造中，若因紫外线照射而电荷被硅上的绝缘膜捕获，则对pn结的能带构造产生影响，要担心光电二极管的灵敏度特性会变动。如上述那样使硅最表面的杂质浓度为高浓度的情况具有屏蔽绝缘膜中的固定电荷的影响这一优点。
【先前技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特许第5692880号
【专利文献2】日本特开2014－154793号公报。
发明内容
【发明要解决的课题】
以前，在通过离子注入来进行杂质引入的情况下，通过热氧化或沉积在硅表面作成氧化膜之后进行离子注入，从而抑制注入造成的损伤。进而，因注入离子的稳定化和恢复晶体构造的目的而进行热处理。该热处理在高温（例如900℃）下进行，因此通过离子注入作成较浅的结，也会因热处理而扩散并生成更深的结。也能够不进行热处理，但是若不恢复离子注入造成的损伤，则也会担心得不到作为检测紫外线的优质传感器的灵敏度。
因此，在本申请中，以提供具备了具有以良好灵敏度检测紫外线所需要的深度的结的光电二极管的半导体装置的制造方法为课题。
【用于解决课题的方案】
在本发明中，作为用于解决课题的方案，采用在硅衬底的表面具有利用pn结的光电二极管的半导体装置的制造方法，其特征在于具有：
除去硅衬底的表面的氧化膜的工序；
向所述硅衬底的表面沉积包含磷的第1氧化物的工序；
仅在期望的部分形成所述第1氧化物的工序；
在1000℃以上的高温下对仅在所述期望的部分形成的所述第1氧化物实施成为3分钟以下的第1退火，使所述第1氧化物所包含的磷向所述硅衬底表面热扩散，形成第1N型扩散区域的工序；
在除去仅在所述期望的部分形成的所述第1氧化物之后，向所述硅衬底表面沉积包含磷的第2氧化物的工序；
以与所述第1N型扩散区域连接的方式形成所述第2氧化物的工序；以及
在与所述第1退火相同或者更高的温度下，对与所述第1N型扩散区域连接而形成的所述第2氧化物实施成为与所述第1退火相同或者更短时间的第2退火，使所述第2氧化物所包含的磷向所述硅衬底表面热扩散，形成第2N型扩散区域的工序。
【发明效果】
依据本发明，能够在硅衬底表面形成难以通过对硅衬底的离子注入而获得的、具有能以良好灵敏度检测紫外线的扩散深度的光电二极管。
附图说明
【图1】是按工序顺序示出本发明的第1实施例即半导体装置的制造方法的图。
【图2】是反复进行2次热处理后的磷的浓度分布。
【图3】是示出向硅入射光时光进入的深度的波长依赖性的图。
【图4】是示出半导体装置的制造方法的第2实施例的、工序顺序的截面示意图。
【图5】图5（a）是示出接着图4（c）的半导体装置的制造方法的第2实施例的、工序顺序的截面示意图。
【图6】图6（a）是示出接着图5（a）的半导体装置的制造方法的第3实施例的、工序顺序的截面示意图。
具体实施方式
图1是按工序顺序示出本发明的第1实施例即半导体装置的制造方法的图。如图1（a）所示，作为向P型的硅衬底1的表面沉积杂质的前处理，清洗硅衬底1的表面，除去而去掉自然氧化膜2。使得此后通过CVD来沉积包含掺杂剂的氧化物时，在硅衬底1的表面不存在氧化膜2。这是因为若在硅衬底1的表面存在自然氧化膜2，则妨碍掺杂剂由包含掺杂剂的氧化物进行热扩散。
接着，如图1（b）所示，通过CVD来使以高浓度包含N型杂质的第1氧化物3沉积于硅衬底1的表面的整个面。在此例如使包含磷的硅氧化物以0.1μm沉积。磷浓度设为1019cm－3以上。借助CVD的沉积在反应温度600℃下所要时间为30分钟左右。该沉积的第1氧化物3为包含用于向硅衬底1扩散的掺杂剂的沉积物，无需减薄而充分沉积即可。
接着，如图1（c）所示，通过利用抗蚀剂的构图和蚀刻来除去沉积的第1氧化物的不要部分，使得在期望的受光元件区域残留第1氧化物4。
接着，如图1（d）所示，在期望的受光元件区域残留第1氧化物4的状态下，利用在RTP（快速热处理：Rapid Thermal Process）中利用的高速升降温装置，在1000℃以上的高温下进行3分钟以下的短时间的第1高速退火，进行磷由第1氧化物4到硅衬底1的表面的扩散。（以下将利用在RTP中利用的高速升降温装置的退火称为高速退火。）具体而言，第1高速退火的温度和时间例如在1000℃下为1分钟30秒。由此将第1N型扩散区域6形成在硅衬底1的表面。
在通过扩散而在硅衬底1的表面形成第1N型扩散区域6后，以不会残留残留物的方式除去沉积在硅衬底1的表面的第1氧化物4。
通过一次的扩散而形成第1N型扩散区域，能够得到扩散深度为100nm以下的较浅的pn结，但是为了进一步提高硅衬底1的最表面的杂质浓度，形成具有比第1N型扩散区域高的杂质浓度、另一方面具有更浅的扩散深度的第2N型扩散区域。因此，反复进行与图1（b）及（c）所示的工序同样的工序。即，再次通过CVD向硅衬底1的表面的整个面沉积以高浓度包含N型杂质的第2氧化物。在此，例如使包含磷的硅氧化物以0.1μm沉积。磷浓度高于第1氧化物3，设为5×1019cm－3以上。借助CVD的沉积在反应温度600℃下所要时间为30分钟左右。
接着，如图1（e）所示，再次通过构图和蚀刻，以与已形成的第1N型扩散区域连接的方式形成以高浓度包含杂质的第2氧化物7。而且，这次进行在1000℃以上的高温下时间成为10秒以下的、在与第1高速退火相同或者高的温度下与第1高速退火相同或者更短时间的第2高速退火。具体而言，第2高速退火的温度和时间例如为1000℃下2秒。
由此，如图1（f）所示，能够在第1N型扩散区域6的表面非常浅地形成第2N型扩散区域8。俯视观察下第1N型扩散区域6与第2N型扩散区域8重叠，形成光电二极管的负极区域。通过以上的工序能够在期望的受光元件区域制作成为光电二极管的pn结。
图2示出通过本申请的第1实施例的制造方法形成的受光元件区域的磷的深度方向的浓度分布。通过第1高速退火，大致形成具有图2中利用标号101示出的浓度分布的第1N型扩散区域6所对应的第1杂质分布。关于第1杂质分布，表面浓度大致为1019cm－3，浓度成为1015cm－3的深度为74nm。在图2中能看到平缓的杂质分布，不过作成深度小于100nm的结，成为非常陡峭的浓度分布。
通过第2高速退火，在硅衬底1的最表面形成与具有杂质浓度的顶点的第2N型扩散区域6对应的第2杂质分布102。关于第2杂质分布102，表面浓度为5×1019cm－3，在深度14nm的区域成为与先形成的第1杂质分布101相同的浓度，在比14nm更靠内部的区域具有浓度急剧下降的浓度分布。因而，最终的浓度分布成为第1杂质分布101与第2杂质分布102之和，在图2中成为以实线示出的曲线。仅在最表面的附近有高浓度的区域，所以成为在中途具有分段的形状。
第1实施例中硅最表面的磷浓度为5×1019cm－3，磷浓度成为硅衬底1的硼浓度即1017cm－3以下的从硅表面起的深度为53nm，能够实现具有为以高灵敏度检测紫外线所需要的浓度分布的N型的高浓度杂质区域。
在现有技术即专利文献2中，通过热氧化来以10nm～50nm形成栅极氧化膜，通过TEOS来沉积侧壁（side wall）用绝缘膜200nm～500nm，隔着这些氧化膜进行离子注入。在该情况下形成的pn结的深度为200nm左右，难以实现原来以良好灵敏度检测紫外线所需要的100nm以下的较浅的结。另外，也难以使硅衬底最表面的杂质浓度为1019cm－3以上。因此，本申请中，使杂质由沉积在硅衬底的表面的、以高浓度包含杂质的氧化物以3分钟以内的短时间向硅衬底表面扩散，从而能够形成具有100nm以下的结深度、另一方面杂质的表面浓度成为1019cm－3以上的扩散区域。
以上，说明了如下制造方法，即反复使磷由以高浓度包含沉积在P型的硅衬底1的表面的N型的杂质即磷的氧化物进行热扩散，在硅衬底1的表面形成具有较高的磷浓度的较浅的结。较浅的结是以对能够检测紫外线的光电二极管的应用为目标，如在背景技术中说明的那样，在应用上优选的是光电二极管形成在与信号处理电路等的集成电路相同的芯片内。集成电路一般由MOS晶体管构成，因此光电二极管和MOS晶体管尽可能地减少彼此带来的制造工序上的影响，最好合理地配置在相同的芯片内。
因此，以下以实施例为基础说明已经在硅衬底形成有MOS晶体管的主要部分的情况下也能适用的光电二极管的制造方法。此外，在后面的说明中，称为硅衬底的情况指由硅构成的衬底本身，仅称为衬底的情况意味着包含硅衬底及形成在硅衬底的表面或者表面附近的构造物的整体。
图4（a）至（c）是示出具备光电二极管的半导体装置的制造方法的第2实施例的、代表性的工序中的截面示意图。
图4（a）示出形成有MOS晶体管的主要部分的硅衬底11。具体而言，示出形成在P型的硅衬底11的表面附近的、MOS晶体管的主要部分即源极及漏极的扩散层13、栅电极14、覆盖源极及漏极的扩散层13的表面和栅电极14的中间绝缘膜15。此外，中间绝缘膜15一般为由氧化硅膜构成的沉积膜，覆盖衬底的表面整个区域。
形成有元件的区域，被形成在硅衬底11的表面的元件分离用绝缘膜12分离，示出了形成有构成集成电路的MOS晶体管的区域TR和形成有光电二极管的区域PD。此外，图4（a）中，作为元件分离用绝缘膜12，示出了场氧化膜（也称为LOCOS氧化膜），但也可以为较浅的沟槽分离所利用的埋入氧化膜。另外，光电二极管设为形成在P型的硅衬底11，但是也可以形成在P型的阱等的扩散区域。
图4（b）是接着图4（a）的工序中的截面示意图，通过蚀刻选择性地除去在区域PD内的硅衬底11及元件分离用绝缘膜12的表面沉积的中间绝缘膜15，因此除了被蚀刻的区域PD和其周围，衬底的表面被构图的光致抗蚀剂21覆盖。然后，以光致抗蚀剂21为掩模，蚀刻并除去露出的中间绝缘膜15。在包含蚀刻的工序中，可靠地露出区域PD之中没有被元件分离用绝缘膜12覆盖的区域（有源区域）的硅衬底11的表面。
图4（c）是接着图4（b）的工序中的截面示意图，示出在除去光致抗蚀剂21后，以高浓度包含磷的第1氧化物22已沉积在衬底的整个面的时刻。例如，使以高浓度包含磷的硅氧化物以0.1μm沉积。磷浓度设为1019cm－3以上。在反应温度600℃下所要时间为30分钟左右。该沉积的第1氧化物22是包含用于向硅衬底11扩散的掺杂剂的沉积物，无需减薄而充分沉积即可。
图5（a）至（c）接着图4，是示出具备光电二极管的半导体装置的制造方法的第2实施例的代表性的工序中的截面示意图。图5（a）示出对以高浓度包含磷的第1氧化物22施加热而使N型的杂质即磷向区域PD的硅衬底表面扩散，形成第1N型扩散区域31的工序。为了磷的扩散，进行1000℃以上的高温下成为3分钟以下的、高温且短时间的第1高速退火。更具体而言，第1高速退火的温度和时间例如为1000℃下1分30秒。以高浓度包含磷的第1氧化物22覆盖衬底的整个面，但是以高浓度包含磷的第1氧化物22与硅衬底11的表面直接相接的只是PD区域内的硅衬底11，在其他的区域中以高浓度包含磷的第1氧化物22之下有中间绝缘膜15，因此阻止磷的扩散，磷不会扩散到硅衬底11。
图5（b）是接着图5（a）的工序中的截面示意图，是为了提高第1氧化物22的磷浓度而选择性地向第1氧化物22引入磷的工序。通过离子注入来向区域PD和其周围的第1氧化物22引入磷，因此与图4（b）同样地，除了区域PD和其周围之外，衬底的表面被构图的光致抗蚀剂32覆盖。在该状态下，以光致抗蚀剂32为掩模，通过离子注入选择性地向第1氧化物22引入磷离子。在第1氧化物22之中也以使磷离子分布在接近硅衬底11的区域的方式，对应第1氧化物22的厚度选择离子注入的能量。第1氧化物22中的磷离子的浓度的峰值为5×1019cm－3以上。
图5（c）是接着图5（b）的工序中的截面示意图，示出在除去光致抗蚀剂32后，使磷由选择性地引入磷离子的第1氧化物22向硅衬底11扩散，在第1N型扩散区域31的表面形成第2N型扩散区域33的工序。为了磷的扩散，这次进行1000℃以上的高温下时间成为10秒以下的、在与第1高速退火相同或者高的温度下与第1高速退火相同或者短时间的第2高速退火。更具体而言，第2高速退火的温度和时间例如为1000℃下2秒。由此，能够在第1N型扩散区域31的表面非常浅地形成第2N型扩散区域33。在俯视观察下第1N型扩散区域31和第2N型扩散区域33重叠，形成光电二极管的负极区域。
通过以上的工序，在硅衬底11的表面正下方能够制造具有杂质浓度高、且较浅的结的光电二极管。在第2实施例中，通过蚀刻来除去区域PD的表面的中间绝缘膜15，但是不会除去沉积的以高浓度包含磷的第1氧化物22，因此能够减少蚀刻造成的膜厚精度的下降。进而，在区域TR中不除去中间绝缘膜15及氧化物22，因此给予MOS晶体管的影响较少。
接着，示出具备光电二极管的半导体装置的制造方法的第3实施例。
图6（a）至（c）是示出具备光电二极管的半导体装置的制造方法的第3实施例的、代表性的工序中的截面示意图。第3实施例与第2实施例在图5（a）为止是相同的工序。因此，图6（a）成为接着图5（a）的工序中的截面示意图。
图6（a）示出区域PD中除去了作为磷的扩散源而利用的第1氧化物22的时刻。作为工序，以使区域PD成为开口部的方式对抗蚀剂41进行构图，以构图的抗蚀剂41为掩模，图5（a）中为了在区域PD形成第1N型扩散区域31而通过蚀刻除去作为磷的扩散源而利用的第1氧化物22。再次露出硅衬底11的表面。
图6（b）是接着图6（a）的工序中的截面示意图。示出在除去光致抗蚀剂41后，以高浓度包含磷的第2氧化物42再次沉积在衬底的整个面的时刻。例如，使以高浓度包含磷的硅氧化物以0.1μm沉积。磷浓度设为5×1019cm－3以上。在反应温度600℃下所要时间为30分钟左右。该沉积的第2氧化物42为包含用于向硅衬底11扩散的掺杂剂的沉积物，无需减薄而充分沉积即可。
图6（c）是接着图6（b）的工序中的截面示意图。示出由以高浓度包含磷的第2氧化物42向形成在硅衬底11的第1N型扩散区域31的表面扩散磷，以成为较浅的扩散深度的方式形成第2N型扩散区域43的工序。为了非常浅地扩散磷，进行1000℃以上的高温下时间为10秒以下的、与第1高速退火相比在相同或者更高的温度下成为相同或者更短时间的第2高速退火。第2高速退火的温度和时间例如为1000℃下2秒。由此，能够在第1N型扩散区域31的表面非常浅地形成第2N型扩散区域43。在俯视观察下第1N型扩散区域31与第2N型扩散区域43重叠，形成光电二极管的负极区域。
通过以上的工序，能够在硅衬底11的表面正下方制造具有杂质浓度高、且较浅的结的光电二极管。在本实施例中，通过蚀刻除去区域PD的表面的中间绝缘膜15及第1氧化物22，最后残留沉积的第2氧化物42。在区域TR中不会除去中间绝缘膜15、第1氧化物22及第2氧化物42，因此给予MOS晶体管的影响较少。
标号说明
1、11 硅衬底；2 自然氧化膜；3、22、42 以高浓度包含磷的氧化物；4、7 蚀刻后的以高浓度包含磷的氧化物；12 元件分离绝缘膜；13 源极及漏极的扩散层；14 栅电极；21、32、41光致抗蚀剂；6、31 第1N型扩散区域；8、33、43 第2N型扩散区域。

Claims (8)

1.一种在硅衬底的表面具有利用pn结的光电二极管的半导体装置的制造方法，其特征在于具有：
除去硅衬底的表面的氧化膜的工序；
向所述硅衬底的表面沉积包含磷的第1氧化物的工序；
仅在期望的部分形成所述第1氧化物的工序；
在1000℃以上的高温下对仅在所述期望的部分形成的所述第1氧化物实施成为3分钟以下的第1退火，使所述第1氧化物所包含的磷向所述硅衬底表面热扩散，形成第1N型扩散区域的工序；
在除去仅在所述期望的部分形成的所述第1氧化物之后，向所述硅衬底表面沉积包含磷的第2氧化物的工序；
以与所述第1N型扩散区域连接的方式形成所述第2氧化物的工序；以及
在与所述第1退火相同或者更高的温度下，对与所述第1N型扩散区域连接而形成的所述第2氧化物实施成为与所述第1退火相同或者更短时间的第2退火，使所述第2氧化物所包含的磷向所述硅衬底表面热扩散，形成第2N型扩散区域的工序。
2.一种在硅衬底的表面具有利用pn结的光电二极管的半导体装置的制造方法，其特征在于具有：
在硅衬底的表面整个区域形成氧化膜的工序；
选择性地除去所述氧化膜，在光电二极管形成区域中使构成所述硅衬底的硅的表面露出的工序；
在所述硅衬底的表面整个区域沉积包含磷的第1氧化物，在所述光电二极管形成区域中以与所述露出的硅的表面接触的方式沉积所述第1氧化物的工序；
在1000℃以上的高温下对所述第1氧化物实施成为3分钟以下的第1退火，使所述第1氧化物所包含的磷向所述硅衬底的表面热扩散，形成第1N型扩散区域的工序；
选择性地除去所述第1氧化物，在所述光电二极管形成区域中使构成所述硅衬底的硅的表面露出的工序；
对所述硅衬底的表面整个区域沉积包含磷的第2氧化物，在所述光电二极管形成区域中以与所述露出的硅的表面接触的方式沉积所述第2氧化物的工序；以及
在与所述第1退火相同或者更高的温度下，对所述第2氧化物实施成为与所述第1退火相同或者更短时间的第2退火，使所述第2氧化物所包含的磷向所述硅衬底的表面热扩散，在所述第1N型扩散区域的表面形成第2N型扩散区域的工序。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于：所述第1氧化物和所述第2氧化物均为硅氧化物。
4.如权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于：所述第1N型扩散区域与所述第2N型扩散区域重叠，形成所述光电二极管的负极区域。
5.如权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于：所述第1氧化物含有1019cm－3以上的磷，所述第2氧化物含有5×1019cm－3以上的磷。
6.如权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于：所述第2退火的温度为1000℃以上的高温，实施所述第2退火的时间为10秒以下。
7.一种在硅衬底的表面具有利用pn结的光电二极管的半导体装置的制造方法，其特征在于具有：
在硅衬底的表面整个区域形成氧化膜的工序；
选择性地除去所述氧化膜，在光电二极管形成区域中使构成所述硅衬底的硅的表面露出的工序；
对所述硅衬底的表面整个区域沉积含有磷的第1氧化物，在所述光电二极管形成区域中以与所述露出的硅的表面接触的方式沉积所述第1氧化物的工序；
在1000℃以上的高温下对所述第1氧化物实施成为3分钟以下的第1退火，使所述第1氧化物所包含的磷向所述硅衬底的表面热扩散，形成第1N型扩散区域的工序；
通过离子注入向所述第1氧化物引入磷的工序；以及
在与所述第1退火相同或者更高的温度下，对引入了所述磷的第1氧化物实施与所述第1退火相同或者更短时间的第2退火，使引入了所述磷的第1氧化物所包含的磷向所述硅衬底的表面热扩散，在所述第1N型扩散区域的表面形成第2N型扩散区域的工序。
8.如权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征在于：所述第2退火的温度为1000℃以上的高温，实施所述第2退火的时间为10秒以下。
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