JP2006066710A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板中の複数の素子層間を有効に絶縁分離する。
【解決手段】 裏面照射型の固体撮像装置において、受光部側と回路側との素子分離層を所定のマスクパターンを介した酸素イオン注入と、その後の熱処理によって半導体基板中に酸化膜を形成することにより実現する。例えばＳＯＩ基板のような支持基板部（絶縁体層）の上にシリコン層を設けた半導体基板に対し、シリコン基板（表面）側から光電変換素子層、素子分離層としての酸素イオン注入層、画素トランジスタ等の回路層を順次形成し、その後、シリコン層上に配線層を形成する。そして、裏面側の絶縁体層を除去することにより、シリコン層の受光部を露出させ、薄型のシリコン基板よりなる固体撮像装置を形成できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体基板の複数の層に各種の素子を形成する半導体装置において、複数の層の間を有効に絶縁分離できる分離層を設けた半導体製造方法に関し、特に裏面照射型の固体撮像装置及びその製造方法に適用して有効な方法に関するものである。

従来より、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、半導体基板の片面側にフォトダイオード等の光電変換素子やこの光電変換素子で生成した信号電荷を読み出すためのＣＣＤレジスタやトランジスタ回路といった各種の素子を集積し、光電変換素子の受光部で受光した光を画素信号に変換して出力するような構成となっている。
しかし、このような固体撮像装置では、半導体基板の片面に素子が集中する構成であるので、特に各画素における光電変換素子の受光面積が他の素子の配置スペースに制約され、受光感度を阻害する要因となったり、固体撮像装置の小型化や多画素化を図る上での障害となってしまう。
そこで、このような課題を解決する構成として、半導体基板の片面（裏面）に光電変換素子の受光部を設け、反対側の面にトランジスタ等の素子やその配線等を配置したものが提案されている。このような固体撮像装置を、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置という（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−３１７８５号公報

しかしながら、上述のような裏面照射型の固体撮像装置では、半導体基板の裏面側に形成した光電変換素子と、表面側に形成したトランジスタ等の電気的な分離が困難であった。
このため、トランジスタで発生した電子が、光電変換素子側に回り込んで偽信号になったり、逆に光電変換素子側で光電変換した電子がトランジスタの動作特性に影響を与えたりすることになり、特性的な問題を引き起こしていた。
なお、このような課題は裏面照射型の固体撮像装置に限らず、半導体基板中に複数の素子層を形成する半導体装置において、各素子層の間を絶縁分離する場合にも必要となるものである。

そこで本発明は、半導体基板の複数の層に各種の素子を形成する半導体装置において複数の層の間を有効に絶縁分離することができる半導体製造方法、ならびに裏面照射型の固体撮像装置において表面側と裏面側とを有効に絶縁分離することができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の半導体製造方法は、半導体基板の第１の素子層に各素子を形成する第１の素子形成工程と、前記半導体基板の第１の素子層と異なる第２の素子層に各素子を形成する第２の素子形成工程と、前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を形成する素子分離工程とを有することを特徴とする。

また本発明の固体撮像装置は、半導体基板の第１面側に形成される光電変換素子を含む第１の素子層と、前記半導体基板の第２面側に形成される転送トランジスタを含む第２の素子層と、前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入によって形成された素子分離層と、前記半導体基板の第２面上に形成される各種信号線を構成する配線層とを有することを特徴とする。

また本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の第１面側に形成される第１の素子層に光電変換素子を含む各素子を形成する第１の素子形成工程と、前記半導体基板の第２面側に形成される第２の素子層に転送トランジスタを含む各素子を形成する第２の素子形成工程と、前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を形成する素子分離工程とを有することを特徴とする。

本発明の半導体製造方法によれば、半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を形成し、不純物の拡散による素子分離層を半導体基板中に形成するようにしたことから、基板の厚み方向に階層的に設けられる複数の素子層の間を分離する素子分離層を容易に形成することができ、各種半導体装置の特性向上等に貢献できる効果がある。
また本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、半導体基板の光電変換素子を形成した第１面側の第１の素子層と、各種回路素子を形成した第２面側の第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を設けたことから、基板の両面に設けられる２つの素子層を有効かつ容易に絶縁分離でき、光電変換素子と各種回路素子との間の信号電荷の不正な漏洩を防止して、特性の良好な固体撮像装置を提供できる効果がある。

本発明の実施の形態では、半導体基板の片面（裏面）に集中的に光電変換素子（フォトダイオード）の受光部を配置し、その反対側の面（表面）に画素トランジスタ等の回路を形成し、その上に配線層を配置した裏面照射型の固体撮像装置において、受光部側と回路側との素子分離層を所定のマスクパターンを介した酸素イオン注入と、その後の熱処理によって半導体基板中に酸化膜を形成することにより実現する。
具体的には、例えばＳＯＩ基板のような支持基板部（絶縁体層）の上にシリコン層を設けた半導体基板に対し、シリコン基板（表面）側から光電変換素子層、素子分離層としての酸素イオン注入層、画素トランジスタ等の回路層を順次形成し、その後、シリコン層上に配線層を形成する。そして、裏面側の絶縁体層を除去することにより、シリコン層の受光部を露出させ、薄型のシリコン基板よりなる固体撮像装置を形成できる。なお、酸素イオンに対する熱処理は、例えば他のイオン注入領域の熱拡散工程やアルミ配線の焼結等に必要な熱処理を併用することにより、新たな熱処理工程を設けることなく、酸素イオンによる熱酸化のための熱処理を行うことができる。
なお、本発明で用いる半導体基板とは、上述のようなＳＯＩ基板やこのＳＯＩ基板から支持基板部を除去することにより形成される薄型のシリコン基板、さらには、各種の半導体製造に用いられる種々の半導体層を有する基板を広く含む意味であり、このような基板の半導体層に厚み方向に形成される複数の素子層の間を分離するための構造として広く適用できるものである。

図１〜図４は本発明の実施例による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
まず、図１では、ＳＯＩ基板１０のシリコン層１０Ａの所定の深さ領域に光電変換素子層として複数のフォトダイオード１１を形成する。なお、本実施例の固体撮像装置はエリアセンサであり、フォトダイオード１１は所定パターンの２次元配列で形成されている。このフォトダイオードの形成工程は、従来の固体撮像装置と同様である。
次に、図２では、シリコン層１０Ａの光電変換素子層の上層に酸素のイオン注入を行い、基板の厚み方向に並んで形成される複数の素子層の間を分離する素子分離層１２を形成する。このイオン注入は、フォトレジスト等の所定のマスクパターンを用いたフォトリソグラフィ、エッチング技術を用いることにより、フォトダイオードと画素トランジスタ回路との導通に必要な部分はイオンを注入せずに、部分的に欠落した状態の素子分離層１２で形成する。また、注入するイオンとしては、例えばＯ＋イオンを用いることができ、さらに酸素を含む化合物イオンを用いてもよい。

次に、図３では、シリコン層１０Ａの最上層に回路素子層として画素トランジスタ回路１４等を形成する。なお、画素トランジスタとしては、フォトダイオードによって生成した信号電荷をフローティングデフュージョン部に転送する転送トランジスタと、フローティングデフュージョン部の電位を画素信号に変換する増幅トランジスタと、画素信号の出力タイミングを選択する選択トランジスタと、フローティングデフュージョン部の電位をリセットするリセットトランジスタ等の各ＭＯＳトランジスタであり、その形成工程は従来の固体撮像装置と同様である。
次に、このシリコン層１０Ａの上にゲート絶縁膜１６、ゲート電極１８、層間絶縁膜２０、配線膜２２等の上層膜をパターン形成する。この形成工程も従来の固体撮像装置と同様である。

そして、図４において、半導体基板１０の表裏を反転し、絶縁体層１０ＢをＣＭＰ等によって除去することで、フォトダイオード１１の受光部を露出させる。
なお、このようなフォトダイオード１１の受光部上には、さらに保護膜等を介してカラーフィルタやオンチップレンズ等が装着されることになるが、これらは従来の固体撮像装置と同様であるので、説明は省略する。
また、上述した酸素イオン注入後の工程において、成膜等に必要な種々の熱処理が行われるが、この熱処理によってイオン注入領域が加熱処理され、酸素イオン注入により生じた結晶欠陥の回復や、より良質な酸化膜の形成を行うことができる。なお、この場合の熱処理は、他の成膜等に必要な熱処理を援用するだけでなく、酸素イオン注入領域のための専用の熱処理工程を追加し、最適な条件で行うようにしてもよい。

なお、以上の実施例では、酸素イオンを用いて素子分離層を形成したが、電荷の漏れ込みを防ぐことができる層であれば酸化イオン以外の不純物イオンによって素子分離層を形成してもよい。
また、実施例では、ＳＯＩ基板を用いた例を説明したが、他の半導体基板を用いてもよいものである。すなわち、本発明で用いる半導体基板とは、上述のようなＳＯＩ基板やこのＳＯＩ基板から支持基板部を除去することにより形成される薄型のシリコン基板、さらには、各種の半導体製造に用いられる種々の半導体層を有する基板を広く含むものとする。
また、本発明は上述のような画素トランジスタを有するＣＭＯＳ型の固体撮像装置に限らず、ＣＣＤ型の固体撮像装置にも応用が可能であり、さらに、固体撮像装置以外の半導体装置の製造方法にも広く適用できるものである。

本発明の実施例による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０……ＳＯＩ基板、１１……フォトダイオード、１２……素子分離層、１４……画素トランジスタ回路、１６……ゲート絶縁膜、１８……ゲート電極、２０……層間絶縁膜、２２……配線膜。

Claims (14)

1. 半導体基板の第１の素子層に各素子を形成する第１の素子形成工程と、
   前記半導体基板の第１の素子層と異なる第２の素子層に各素子を形成する第２の素子形成工程と、
   前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を形成する素子分離工程と、
   を有することを特徴とする半導体製造方法。
2. 前記素子分離層を形成した半導体基板に熱処理を行う熱処理工程を有することを特徴とする請求項１記載の半導体製造方法。
3. 前記イオン注入はマスクパターンを通して行い、電荷を通すための欠落部を有する素子分離層を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体製造方法。
4. 前記素子分離層が絶縁膜よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体製造方法。
5. 前記不純物イオンが酸素イオンであり、前記素子分離層が酸化膜よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体製造方法。
6. 半導体基板の第１面側に形成される光電変換素子を含む第１の素子層と、
   前記半導体基板の第２面側に形成される転送トランジスタを含む第２の素子層と、
   前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入によって形成された素子分離層と、
   前記半導体基板の第２面上に形成される各種信号線を構成する配線層と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 前記素子分離層は電荷を通すための欠落部を有することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記素子分離層が絶縁膜よりなることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
9. 半導体基板の第１面側に形成される第１の素子層に光電変換素子を含む各素子を形成する第１の素子形成工程と、
   前記半導体基板の第２面側に形成される第２の素子層に転送トランジスタを含む各素子を形成する第２の素子形成工程と、
   前記半導体基板の第１の素子層と第２の素子層の境界部に不純物イオンのイオン注入による素子分離層を形成する素子分離工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
10. 前記素子分離層を形成した半導体基板に熱処理を行う熱処理工程を有することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記イオン注入はマスクパターンを通して行い、電荷を通すための欠落部を有する素子分離層を形成することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記素子分離層が絶縁膜よりなることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記不純物イオンが酸素イオンであり、前記素子分離層が酸化膜よりなることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記第１面側に支持基板部を設けた半導体基板に対し、前記第２面側から第１の素子形成工程、素子分離工程、及び第２の素子形成工程を順次行った後、前記第２面上に配線層を形成し、その後、前記第１面側に設けた支持基板部を除去し、前記第１面側の光電変換素子の受光部を露呈させることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
    

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