JP2007273959A - Light-detecting device and manufacturing method therefor - Google Patents

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Masakatsu Suzuki
政勝 鈴木
Ichiro Murakami
一朗 村上
Jun Hirai
純 平井
Yuichi Hirofuji
裕一 広藤
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce variations in the electrical characteristics, while enhancing the gettering effect. <P>SOLUTION: A light-detecting device comprises a semiconductor substrate 101 that contains of silicon as a base material and contains carbon at a predetermined concentration; and an epitaxial layer 102 that has silicon as a base material, is grown epitaxially on the semiconductor substrate 101 and is provided with a light-detecting portion (mainly 104), in a region at a predetermined distance from the semiconductor substrate 101. The semiconductor substrate 101 is crystal grown, by using a melt that is obtained by melting a silicon-containing material and a carbon-containing material so that carbon is contained in the semiconductor substrate 101 at a predetermined concentration. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光検出素子に関し、特に、ゲッタリング技術に関する。   The present invention relates to a light detection element, and more particularly to a gettering technique.

一般に、光検出素子の一種である固体撮像素子では、白キズや暗電流を低減するためにゲッタリング技術が適用されている。ゲッタリング技術とは、白キズ等の主要因である重金属不純物(Fe、Ni等)及び結晶欠陥を、半導体基板の素子形成領域から除去する技術である。代表的なゲッタリング技術であるIG(Intrinsic Gettering)では、熱処理を施して半導体基板内部にBMD((Bulk Micro Defect)主に酸素析出欠陥)を発生させ、これによる歪み応力により重金属不純物及び結晶欠陥を捕獲することとしている。その結果、半導体基板の素子形成領域から重金属不純物が除去される。   Generally, a gettering technique is applied to a solid-state imaging device which is a kind of light detection device in order to reduce white scratches and dark current. The gettering technique is a technique for removing heavy metal impurities (Fe, Ni, etc.) and crystal defects, which are main causes such as white scratches, from an element formation region of a semiconductor substrate. In IG (Intrinsic Gettering), which is a typical gettering technology, heat treatment is performed to generate BMD ((Bulk Micro Defect) mainly oxygen precipitation defects) inside the semiconductor substrate, and heavy metal impurities and crystal defects due to strain stress caused by this. Trying to capture. As a result, heavy metal impurities are removed from the element formation region of the semiconductor substrate.

また、近年、ゲッタリング効果をさらに向上させる技術が開発されている。例えば、特許文献1は、シリコン基板に炭素をイオン注入する技術を開示している。シリコン基板中に炭素をイオン注入すれば、BMDの発生が促進することにより歪み応力が増大するとともに、シリコンと炭素との原子半径が異なることにより歪み応力が発生する。その結果、ゲッタリング効果がさらに向上する。
特開平6−338507号公報(特許第3384506号)
In recent years, techniques for further improving the gettering effect have been developed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for ion-implanting carbon into a silicon substrate. When carbon is ion-implanted into the silicon substrate, the strain stress increases due to the acceleration of the generation of BMD, and the strain stress is generated due to the difference in atomic radius between silicon and carbon. As a result, the gettering effect is further improved.
JP-A-6-338507 (Patent No. 3384506)

しかしながら、発明者らが研究開発を進めたところ、炭素をシリコン基板にイオン注入すれば、ゲッタリング効果を向上させることができるものの、製造された固体撮像素子間でブルーミング抑制電圧、光検出部の飽和容量、読出電圧等のばらつき(以下、「電気的特性のばらつき」という。)が大きくなることが判明した。素子間で電気的特性のばらつきが大きくなれば、その分を見込んで各種印加電圧を高めなければならないため、固体撮像素子の低電力化を妨げることになる。   However, as a result of research and development by the inventors, if carbon is ion-implanted into the silicon substrate, the gettering effect can be improved, but the blooming suppression voltage between the manufactured solid-state imaging devices, It has been found that variations in saturation capacitance, read voltage, etc. (hereinafter referred to as “electrical property variations”) become large. If the variation in the electrical characteristics between the elements increases, it is necessary to increase the various applied voltages in anticipation of this, and this hinders the reduction in power consumption of the solid-state imaging element.

なお、この問題は、固体撮像素子のみならずゲッタリング技術が適用された光検出素子(例えば、フォトカプラ用、光通信用、光ピックアップ用等の受光素子)に共通する。
そこで、本発明は、ゲッタリング効果を向上させつつ、電気的特性のばらつきを低減することができる光検出素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。
This problem is common not only to solid-state imaging devices but also to photodetection devices (for example, light-receiving devices for photocouplers, optical communications, and optical pickups) to which gettering technology is applied.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a photodetection element capable of reducing the variation in electrical characteristics while improving the gettering effect, and a method for manufacturing the same.

本発明に係る光検出素子は、第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板と、前記半導体基板上に第1の元素を母材としてエピタキシャル成長されてなり、前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を有するエピタキシャル層とを備え、前記半導体基板は、当該半導体基板に含有される第2の元素が前記所定濃度になるように第1の元素を含有する材料と第2の元素を含有する材料とが溶融された原料融液から結晶成長されてなる。   The photodetector according to the present invention uses a first element as a base material, a semiconductor substrate containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration, and the first element on the semiconductor substrate. And an epitaxial layer having a light detection portion in a region separated from the semiconductor substrate by a predetermined distance, and the semiconductor substrate has a second element contained in the semiconductor substrate as the predetermined element. A material containing the first element and a material containing the second element are crystal-grown from the melted raw material melt so as to have a concentration.

発明者は、上記構成によればゲッタリング効果を向上させつつ、光検出素子の電気的特性のばらつきを低減することができることを実験により確認した。
発明者は、電気的特性のばらつきを低減できる理由について、(1)電気的特性のばらつきは半導体基板中の第2の元素(例えば、炭素)の分布のばらつきに起因しており、(2)半導体基板の原料融液に第2の元素を添加しておくことで、第2の元素をイオン注入する方法よりも半導体基板中の第2の元素の分布のばらつきを低減することができたからであると推察している。
The inventor has confirmed through experiments that according to the above-described configuration, the variation in electrical characteristics of the photodetecting element can be reduced while improving the gettering effect.
As for the reason why the inventor can reduce the variation in the electrical characteristics, (1) the variation in the electrical characteristics is caused by the variation in the distribution of the second element (for example, carbon) in the semiconductor substrate, and (2) By adding the second element to the raw material melt of the semiconductor substrate, variation in the distribution of the second element in the semiconductor substrate can be reduced as compared with the method of ion-implanting the second element. I guess there is.

上記(1)については、次のように考えられる。
BMDは第2の元素の付近に発生する傾向がある。そのため、BMDの分布は、第2の元素の分布に応じてばらつく。BMDの分布のばらつきは半導体基板内の寄生容量や寄生抵抗等のばらつきを誘引する。そうすると、半導体基板内の電気的特性がばらつくことになると考えられる。
The above (1) is considered as follows.
BMD tends to occur near the second element. Therefore, the distribution of BMD varies according to the distribution of the second element. Variations in the distribution of BMD induce variations in parasitic capacitance and parasitic resistance in the semiconductor substrate. Then, it is considered that the electrical characteristics in the semiconductor substrate vary.

また、上記(2)については、次のように考えられる。
上記構成のように半導体基板の原料融液に第2の元素を添加しておけば、第2の元素は結晶成長の過程で半導体基板中に略一様に分布する。一方、イオン注入により第2の元素を添加した場合は、第2の元素を半導体基板中に略一様に分布させることが困難である。これは、主に、イオンビームが径方向にイオン密度の勾配を有していることと、イオンビームを半導体基板(ウェハ)の全域にスキャンするときに精度誤差が生じてしまうこととを原因としている。このことを考慮すれば、原料融液に第2の元素を添加しておく方法は、第2の元素をイオン注入する方法よりも半導体基板中の第2の元素の分布のばらつきを低減することができると考えられる。
The above (2) is considered as follows.
If the second element is added to the raw material melt of the semiconductor substrate as described above, the second element is distributed substantially uniformly in the semiconductor substrate during the crystal growth process. On the other hand, when the second element is added by ion implantation, it is difficult to distribute the second element substantially uniformly in the semiconductor substrate. This is mainly due to the fact that the ion beam has a gradient of ion density in the radial direction and that an accuracy error occurs when the ion beam is scanned over the entire area of the semiconductor substrate (wafer). Yes. In consideration of this, the method of adding the second element to the raw material melt reduces the variation in the distribution of the second element in the semiconductor substrate as compared with the method of ion-implanting the second element. It is thought that you can.

また、前記第1の元素はシリコンであり、前記第2の元素は炭素であり、前記所定濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれていることとしてもよい。
上記構成によれば、シリコン基板中の炭素の濃度が1×1016atoms/cm3以上なので、ゲッタリングサイトとなるBMDを高密度に形成することができる。その結果、ゲッタリング効果を向上させることができる。また、シリコン基板中の炭素の濃度が2.5×1017atoms/cm3以下なので、過度にBMDを形成することがない。したがって、転位やスリップの発生による半導体基板の強度低下を防止することができる。
The first element is silicon, the second element is carbon, and the predetermined concentration is in the range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 . It is good.
According to the above configuration, since the concentration of carbon in the silicon substrate is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, BMDs serving as gettering sites can be formed with high density. As a result, the gettering effect can be improved. Further, since the concentration of carbon in the silicon substrate is 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, BMD is not excessively formed. Therefore, it is possible to prevent a reduction in the strength of the semiconductor substrate due to the occurrence of dislocations and slips.

また、前記半導体基板が有する単位断面積あたりのBMDの個数は、5×10乃至5×10個/cm2の範囲に含まれていることとしてもよい。
上記構成によれば、半導体基板の単位断面積あたりのBMDの個数が、5×10個/cm2以上なので、半導体基板中に存在する金属不純物及び結晶欠陥を強力にゲッタリングすることができる。また、半導体基板の単位断面積あたりのBMDの個数が、5×10個/cm2以下なので、転位やスリップの発生による半導体基板の強度低下を防止することができる。
The number of BMDs per unit cross-sectional area of the semiconductor substrate may be included in a range of 5 × 10 5 to 5 × 10 7 pieces / cm 2 .
According to the above configuration, since the number of BMDs per unit cross-sectional area of the semiconductor substrate is 5 × 10 5 pieces / cm 2 or more, metal impurities and crystal defects existing in the semiconductor substrate can be strongly gettered. . In addition, since the number of BMDs per unit cross-sectional area of the semiconductor substrate is 5 × 10 7 pieces / cm 2 or less, it is possible to prevent a reduction in strength of the semiconductor substrate due to the occurrence of dislocations and slips.

また、前記半導体基板が有するBMDのサイズは、50乃至400nmの範囲に含まれていることとしてもよい。
上記構成によれば、BMDのサイズは、50nm以上なので、半導体基板中に存在する金属不純物及び結晶欠陥を強力にゲッタリングすることができる。また、BMDのサイズは、400nm以下なので、転位やスリップの発生による半導体基板の強度低下を防止することができる。
The BMD size of the semiconductor substrate may be in the range of 50 to 400 nm.
According to the above configuration, since the size of the BMD is 50 nm or more, it is possible to strongly getter metal impurities and crystal defects present in the semiconductor substrate. Further, since the size of the BMD is 400 nm or less, it is possible to prevent the strength of the semiconductor substrate from being lowered due to the occurrence of dislocations and slips.

また、前記エピタキシャル層の厚みは4μm以上6μm以下の範囲に含まれることとしてもよい。
上記構成によれば、エピタキシャル層の電気的特性に半導体基板における不純物の濃度のばらつきが影響することを防止しつつ、電子シャッタ電圧の低電圧化を図ることができる。
The epitaxial layer may have a thickness in the range of 4 μm to 6 μm.
According to the above configuration, it is possible to reduce the electronic shutter voltage while preventing the variation in the impurity concentration in the semiconductor substrate from affecting the electrical characteristics of the epitaxial layer.

また、前記半導体基板の抵抗率ρ1と前記エピタキシャル層の抵抗率ρ2の比ρ2/ρ1は20以上200以下の範囲に含まれることとしてもよい。
上記構成によれば、電子シャッタ電圧の低電圧化を図りつつ、種々の電気的特性を満足する固体撮像素子を作成することができる。
本発明に係る光検出素子は、第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板と、前記半導体基板上に第1の元素を母材としてエピタキシャル成長されてなり、前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を有するエピタキシャル層とを備え、前記第2の元素は、前記半導体基板中の全域において略均一に分布している。
Further, the ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ2 of the epitaxial layer may be included in the range of 20 or more and 200 or less.
According to the above configuration, it is possible to create a solid-state imaging device that satisfies various electrical characteristics while reducing the electronic shutter voltage.
The photodetector according to the present invention uses a first element as a base material, a semiconductor substrate containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration, and the first element on the semiconductor substrate. And an epitaxial layer having a light detection portion in a region separated from the semiconductor substrate by a predetermined distance, and the second element is distributed substantially uniformly throughout the semiconductor substrate. ing.

発明者は、上記構成によればゲッタリング効果を向上させつつ、光検出素子の電気的特性のばらつきを低減することができることを実験により確認した。電気的特性のばらつきを低減できる理由は、上述したとおりである。なお、本明細書において「略均一」とは、半導体基板中の複数の領域で第2の元素の濃度を測定した場合、その下限値に対する上限値の比が10以内に収まることをいうものとする。   The inventor has confirmed through experiments that according to the above-described configuration, the variation in electrical characteristics of the photodetecting element can be reduced while improving the gettering effect. The reason why the variation in electrical characteristics can be reduced is as described above. In this specification, “substantially uniform” means that when the concentration of the second element is measured in a plurality of regions in the semiconductor substrate, the ratio of the upper limit value to the lower limit value is within 10. To do.

本発明に係る光検出素子の製造方法は、第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板を準備する準備工程と、前記準備工程により準備された半導体基板上に、第1の元素を母材とするエピタキシャル層を積層する積層工程と、前記積層工程により積層されたエピタキシャル層の前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を形成する形成工程とを含み、前記準備工程において準備される半導体基板は、当該半導体基板に含有される第2の元素が前記所定濃度になるように第1の元素を含有する材料と第2の元素を含有する材料とが溶融された原料融液から結晶成長されてなる。   The method for manufacturing a photodetecting element according to the present invention includes a preparatory step of preparing a semiconductor substrate having a first element as a base material and containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration; A stacking step of stacking an epitaxial layer having a first element as a base material on the semiconductor substrate prepared by the preparing step, and a region of the epitaxial layer stacked by the stacking step separated from the semiconductor substrate by a predetermined distance A semiconductor substrate prepared in the preparation step, the first element containing the first element so that the second element contained in the semiconductor substrate has the predetermined concentration And a material containing the second element are grown from a melted raw material melt.

発明者は、上記構成によればゲッタリング効果を向上させつつ、光検出素子の電気的特性のばらつきを低減することができることを実験により確認した。電気的特性のばらつきを低減できる理由は、上述したとおりである。なお、半導体基板の準備は、半導体基板を製造することにより行ってもよいし、製造された半導体基板を入手することにより行ってもよい。   The inventor has confirmed through experiments that according to the above-described configuration, the variation in electrical characteristics of the photodetecting element can be reduced while improving the gettering effect. The reason why the variation in electrical characteristics can be reduced is as described above. The preparation of the semiconductor substrate may be performed by manufacturing the semiconductor substrate, or may be performed by obtaining the manufactured semiconductor substrate.

また、前記第1の元素はシリコンであり、前記第2の元素は炭素であり、
前記所定濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれていることとしてもよい。
上記構成によれば、BMDを高密度に形成しつつ、半導体基板の強度低下を防止することができる。この理由は、上述したとおりである。
Further, the first element is silicon, the second element is carbon,
The predetermined concentration may be included in a range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 .
According to the above configuration, it is possible to prevent the strength of the semiconductor substrate from being lowered while forming the BMD at a high density. The reason is as described above.

また、前記光検出素子の製造方法は、さらに、前記成長工程の後に、前記半導体基板に繰り返し熱処理を施す熱処理工程を含み、前記半導体基板に最初に熱処理を施すときの投入温度は、摂氏600度以上700度以下であることとしてもよい。
上記構成によれば、最初の熱処理温度が摂氏600度以上700度以下であることから、酸素析出欠陥の析出核が十分なサイズに成長するために消滅せずに残留し、ゲッタリングサイトとなるBMDを高密度に形成することができる。その結果、ゲッタリング効果を向上させることができる。
The manufacturing method of the photodetecting element further includes a heat treatment step of repeatedly performing a heat treatment on the semiconductor substrate after the growth step, and an input temperature when the heat treatment is first performed on the semiconductor substrate is 600 degrees Celsius. It may be 700 degrees or less.
According to the above configuration, since the initial heat treatment temperature is not less than 600 degrees Celsius and not more than 700 degrees Celsius, the precipitation nuclei of oxygen precipitation defects remain without disappearing because they grow to a sufficient size and become gettering sites. BMD can be formed with high density. As a result, the gettering effect can be improved.

また、前記光検出素子の製造方法は、さらに、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成するまでに前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程を含み、当該熱処理は、最高温度が摂氏1000度乃至1100度の範囲に含まれ、処理時間が60分乃至600分の範囲に含まれることとしてもよい。
上記構成によれば、酸素析出欠陥の析出核が十分に成長し、ゲッタリングサイトとなるBMDを高密度に形成することができる。その結果、ゲッタリング効果を向上させることができる。
The method for manufacturing the photodetector further includes a heat treatment step for heat-treating the semiconductor substrate before forming a gate insulating film on the semiconductor substrate, and the heat treatment has a maximum temperature of 1000 degrees Celsius to 1100 degrees Celsius. The processing time may be included in the range of 60 minutes to 600 minutes.
According to the above configuration, precipitation nuclei of oxygen precipitation defects are sufficiently grown, and BMDs serving as gettering sites can be formed with high density. As a result, the gettering effect can be improved.

また、前記エピタキシャル層の厚みは4μm以上6μm以下の範囲に含まれることとしてもよい。
上記構成によれば、エピタキシャル層の電気的特性に半導体基板における不純物の濃度のばらつきが影響することを防止しつつ、電子シャッタ電圧の低電圧化を図ることができる。
The epitaxial layer may have a thickness in the range of 4 μm to 6 μm.
According to the above configuration, it is possible to reduce the electronic shutter voltage while preventing the variation in the impurity concentration in the semiconductor substrate from affecting the electrical characteristics of the epitaxial layer.

また、前記半導体基板の抵抗率ρ1と前記エピタキシャル層の抵抗率ρ2の比ρ2/ρ1は20以上200以下の範囲に含まれることとしてもよい。
上記構成によれば、電子シャッタ電圧の低電圧化を図りつつ、種々の電気的特性を満足する固体撮像素子を作成することができる。
Further, the ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ2 of the epitaxial layer may be included in the range of 20 or more and 200 or less.
According to the above configuration, it is possible to create a solid-state imaging device that satisfies various electrical characteristics while reducing the electronic shutter voltage.

本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
<構成>
図1は、IT−CCD型の固体撮像素子の概略構成を示す図である。
固体撮像素子は、光検出部11、垂直転送部12、水平転送部13及び増幅部14を備える。
The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
<Configuration>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an IT-CCD type solid-state imaging device.
The solid-state imaging device includes a light detection unit 11, a vertical transfer unit 12, a horizontal transfer unit 13, and an amplification unit 14.

光検出部11は、受光量に応じた量の電荷を生成し蓄積する。光検出部11は、二次元的にマトリクス状に配列されており、図1では模式的に5行5列の25画素分が示されている。垂直転送部12は、光検出部11が生成し蓄積している電荷を、水平転送部13まで個々に転送する。水平転送部13は、垂直転送部12から転送された電荷をそれぞれ増幅部14まで転送する。増幅部14は、水平転送部13から転送された電荷をそれぞれ電圧に変換し、増幅する。   The light detection unit 11 generates and accumulates an amount of charge corresponding to the amount of received light. The light detection units 11 are two-dimensionally arranged in a matrix, and FIG. 1 schematically shows 25 pixels of 5 rows and 5 columns. The vertical transfer unit 12 individually transfers the charges generated and accumulated by the light detection unit 11 to the horizontal transfer unit 13. The horizontal transfer unit 13 transfers the charges transferred from the vertical transfer unit 12 to the amplification unit 14 respectively. The amplifying unit 14 converts the charges transferred from the horizontal transfer unit 13 into voltages and amplifies them.

図2は、IT−CCD型の固体撮像素子の断面図である。
固体撮像素子は、半導体基板101、エピタキシャル層102、ゲート絶縁膜108、ゲート電極109、反射防止膜116、遮光膜118、層間絶縁膜117、表面保護膜119を備える。なお、図2では、固体撮像素子の1画素分のみが示されている。
半導体基板101は、シリコンを母材としており、炭素及びリンを含有している。炭素の濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれている。なお、炭素は、半導体基板101中に、面方向及び深さ方向に略均一に分布している。ここで、「略均一」とは、半導体基板101中の複数の領域で炭素の濃度を測定した場合、その下限値に対する上限値の比が10以内に収まることをいうものとする。
FIG. 2 is a cross-sectional view of an IT-CCD type solid-state imaging device.
The solid-state imaging device includes a semiconductor substrate 101, an epitaxial layer 102, a gate insulating film 108, a gate electrode 109, an antireflection film 116, a light shielding film 118, an interlayer insulating film 117, and a surface protective film 119. In FIG. 2, only one pixel of the solid-state image sensor is shown.
The semiconductor substrate 101 uses silicon as a base material and contains carbon and phosphorus. The concentration of carbon is included in the range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 . Note that carbon is distributed substantially uniformly in the surface direction and the depth direction in the semiconductor substrate 101. Here, “substantially uniform” means that, when the concentration of carbon is measured in a plurality of regions in the semiconductor substrate 101, the ratio of the upper limit value to the lower limit value is within 10.

エピタキシャル層102は、p型ウェル領域103、n型領域104、106、p型領域107、112、114、115を有する。p型ウェル領域103は、n型領域104と半導体基板101との間にオーバーフローバリア電位ψofbを形成する。n型領域104は、半導体基板101から所定距離だけ離間する領域に形成されている。n型領域104がp型ウェル領域103、p型領域112、114、115に囲繞されていることで、ポテンシャル井戸が形成される。ポテンシャル井戸が形成されている領域が光検出部11となる。n型領域106は、p型領域107、114、112に囲繞されている。このことでポテンシャル井戸が形成される。ポテンシャル井戸が形成されている領域が垂直転送部12となる。p型領域114は、n型領域104とn型領域106との間にゲート電位ψgを形成する。   The epitaxial layer 102 has a p-type well region 103, n-type regions 104 and 106, and p-type regions 107, 112, 114, and 115. The p-type well region 103 forms an overflow barrier potential ψofb between the n-type region 104 and the semiconductor substrate 101. The n-type region 104 is formed in a region separated from the semiconductor substrate 101 by a predetermined distance. Since the n-type region 104 is surrounded by the p-type well region 103 and the p-type regions 112, 114, and 115, a potential well is formed. The region where the potential well is formed becomes the light detection unit 11. N-type region 106 is surrounded by p-type regions 107, 114, and 112. This forms a potential well. The region where the potential well is formed becomes the vertical transfer unit 12. The p-type region 114 forms a gate potential ψg between the n-type region 104 and the n-type region 106.

ゲート絶縁膜108、ゲート電極109、反射防止膜116、遮光膜118、層間絶縁膜117、表面保護膜119は、CCD型の固体撮像素子の一般的な構成要素であり、しかも本発明の本質部分ではないため、説明を省略する。
図3は、半導体基板及びエピタキシャル層内部の電位分布を示す図である。
図3中に示された符号A乃至Dは、図2中に示されたA点乃至D点とそれぞれ対応している。すなわち、符号Aは垂直転送部12に対応し、符号Bはp型領域114に対応し、符号Cは光検出部11に対応し、符号Dは半導体基板101に対応している。
The gate insulating film 108, the gate electrode 109, the antireflection film 116, the light shielding film 118, the interlayer insulating film 117, and the surface protective film 119 are general components of a CCD type solid-state imaging device, and are the essential parts of the present invention. Since it is not, description is abbreviate | omitted.
FIG. 3 is a diagram showing a potential distribution inside the semiconductor substrate and the epitaxial layer.
Symbols A to D shown in FIG. 3 correspond to points A to D shown in FIG. 2, respectively. That is, the symbol A corresponds to the vertical transfer unit 12, the symbol B corresponds to the p-type region 114, the symbol C corresponds to the light detection unit 11, and the symbol D corresponds to the semiconductor substrate 101.

半導体基板101には、基板電圧Vsubが印加される。この基板電圧Vsubにより基板電位ψsub及びオーバーフローバリア電位ψofbが定まる。すなわち、基板電圧Vsubを高くするほど、基板電位ψsub及びオーバーフローバリア電位ψofbが高くなる。基板電圧Vsubは、オーバーフローバリア電位ψofbがゲート電位ψgよりも高くなるように定められている。このように定めることで、光検出部11が飽和量以上に電荷を生成した場合に、あふれ出した電荷を垂直転送部12ではなく半導体基板101に排出させることができる。この構成により、ブルーミング現象を抑制することができる。
<製造方法>
図4、図5、図6は、固体撮像素子の製造方法を示す図である。
A substrate voltage Vsub is applied to the semiconductor substrate 101. The substrate voltage Vsub and the overflow barrier potential ψofb are determined by the substrate voltage Vsub. That is, the higher the substrate voltage Vsub, the higher the substrate potential ψsub and the overflow barrier potential ψofb. The substrate voltage Vsub is determined such that the overflow barrier potential ψofb is higher than the gate potential ψg. By defining in this way, when the photodetection unit 11 generates a charge that exceeds the saturation amount, the overflowing charge can be discharged to the semiconductor substrate 101 instead of the vertical transfer unit 12. With this configuration, the blooming phenomenon can be suppressed.
<Manufacturing method>
4, 5, and 6 are diagrams showing a method for manufacturing a solid-state imaging device.

まず、引き上げ法を用いて半導体基板101を生成する。
シリコンを含有する材料23、炭素を含有する材料24、リンを含有する材料25を坩堝21に投入する(図4(a))。ここで、炭素を含有する材料24は、半導体基板101が1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の濃度範囲で炭素を含有することになるように投入される。炭素を含有する材料24としては、例えば、黒鉛やSiC結晶等が考えられる。なお、リンを含有する材料25は、半導体基板101が0.25乃至0.5Ωcmの抵抗率を有することになるように投入される。
First, the semiconductor substrate 101 is generated using a pulling method.
A material 23 containing silicon, a material 24 containing carbon, and a material 25 containing phosphorus are put into the crucible 21 (FIG. 4A). Here, the carbon-containing material 24 is introduced so that the semiconductor substrate 101 contains carbon in a concentration range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 . As the carbon-containing material 24, for example, graphite or SiC crystal can be considered. Note that the phosphorus-containing material 25 is added so that the semiconductor substrate 101 has a resistivity of 0.25 to 0.5 Ωcm.

各材料が規定量だけ投入されたら、ヒータ22を用いて単結晶インゴットの原料を溶融し(図4(b))、支持具27に固定された種結晶28を原料融液26に接触させてから徐々に種結晶28を引き上げる(図4(c))。そうすると、単結晶インゴット29が育成される。このとき、単結晶インゴット29内では、炭素が均一に分布している。半導体基板101は、単結晶インゴット29を面方位が<100>となるように切り出されてなる。   When a specified amount of each material is charged, the raw material of the single crystal ingot is melted using the heater 22 (FIG. 4B), and the seed crystal 28 fixed to the support 27 is brought into contact with the raw material melt 26. Then, the seed crystal 28 is gradually pulled up (FIG. 4C). Then, the single crystal ingot 29 is grown. At this time, carbon is uniformly distributed in the single crystal ingot 29. The semiconductor substrate 101 is obtained by cutting a single crystal ingot 29 so that the plane orientation is <100>.

次に、以下のようにして半導体基板101を加工して固体撮像素子を形成する。
半導体基板101を準備する(図5(a))。なお、図5(a)は、半導体基板101の断面の一部を示している。
準備した半導体基板101上にシリコンをエピタキシャル成長させてエピタキシャル層102を積層する(図5(b))。エピタキシャル層102の厚みは、6μm程度とし、抵抗率は10乃至15Ωcmとする。
Next, the semiconductor substrate 101 is processed as follows to form a solid-state imaging device.
A semiconductor substrate 101 is prepared (FIG. 5A). FIG. 5A shows a part of the cross section of the semiconductor substrate 101.
Silicon is epitaxially grown on the prepared semiconductor substrate 101 to deposit an epitaxial layer 102 (FIG. 5B). The thickness of the epitaxial layer 102 is about 6 μm, and the resistivity is 10 to 15 Ωcm.

エピタキシャル層102の表面に、シリコン酸化膜120及びシリコン窒化膜121を形成して素子形成領域以外の部分を除去した後に、イオン注入によりp型ウェル領域103を形成する(図5(c))。シリコン酸化膜120の形成条件は、投入温度が摂氏700度、最高温度が摂氏1000度とし、摂氏1000度での保持時間が60分である。エピタキシャル層102の素子形成領域以外の領域は、LOCOSと称される技術によりシリコン酸化膜が形成される。LOCOSの条件は、最高温度が摂氏1000度とし、保持時間が100分である。   After forming a silicon oxide film 120 and a silicon nitride film 121 on the surface of the epitaxial layer 102 and removing portions other than the element formation region, a p-type well region 103 is formed by ion implantation (FIG. 5C). The formation conditions of the silicon oxide film 120 are that the input temperature is 700 degrees Celsius, the maximum temperature is 1000 degrees Celsius, and the holding time at 1000 degrees Celsius is 60 minutes. In a region other than the element formation region of the epitaxial layer 102, a silicon oxide film is formed by a technique called LOCOS. The LOCOS conditions are a maximum temperature of 1000 degrees Celsius and a holding time of 100 minutes.

シリコン酸化膜の形成後、エピタキシャル層102に、イオン注入によりn型領域104を形成する(図5(d))。イオン注入後、最高温度が摂氏1000度、保持時間20分の熱処理を実施する。
次に、エピタキシャル層102の表面に形成されたシリコン酸化膜120及びシリコン窒化膜121を除去して、改めてエピタキシャル層102の表面にゲート絶縁膜108を形成する(図6(a))。
After the formation of the silicon oxide film, an n-type region 104 is formed in the epitaxial layer 102 by ion implantation (FIG. 5D). After the ion implantation, heat treatment is performed at a maximum temperature of 1000 degrees Celsius and a holding time of 20 minutes.
Next, the silicon oxide film 120 and the silicon nitride film 121 formed on the surface of the epitaxial layer 102 are removed, and a gate insulating film 108 is formed again on the surface of the epitaxial layer 102 (FIG. 6A).

この後、イオン注入により、p型領域112、114、n型領域106、p型領域107を形成する(図6(b))。さらに、ゲート絶縁膜108上にゲート電極109を形成してからp型領域115を形成し、反射防止膜116、層間絶縁膜117、遮光膜118、表面保護膜119を形成する(図6(c))。また、必要に応じて、カラーフィルタやマイクロレンズが形成される。   Thereafter, the p-type regions 112 and 114, the n-type region 106, and the p-type region 107 are formed by ion implantation (FIG. 6B). Further, after forming the gate electrode 109 on the gate insulating film 108, the p-type region 115 is formed, and the antireflection film 116, the interlayer insulating film 117, the light shielding film 118, and the surface protective film 119 are formed (FIG. 6C). )). Moreover, a color filter and a microlens are formed as needed.

上記製造方法では、エピタキシャル層102を積層してからゲート絶縁膜108を形成するまでの間に、最初の熱処理の投入温度を摂氏700度とし、最高温度を摂氏1000度とし、保持時間を延べ180分とする熱処理工程が実施されている。そうすると、単位断面積あたりのBMD(Bulk Micro Defect)の密度はおよそ1×10個/cm2となり、BMDのサイズはおよそ200nmとなる。 In the above-described manufacturing method, the initial heat treatment temperature is set to 700 degrees Celsius, the maximum temperature is set to 1000 degrees Celsius, and the holding time is increased by 180 degrees after the epitaxial layer 102 is deposited and before the gate insulating film 108 is formed. A heat treatment step is performed. Then, the density of BMD (Bulk Micro Defect) per unit cross-sectional area is about 1 × 10 6 pieces / cm 2 , and the size of BMD is about 200 nm.

なお、投入温度を摂氏700度とし、最高温度を摂氏1100度とし、保持時間を延べ300分とする熱処理工程を実施した場合には、単位断面積あたりのBMDの密度はおよそ5×10個/cm2となり、BMDのサイズはおよそ300nmとなる。
また、投入温度を摂氏600度とし、最高温度を摂氏1000度とし、保持時間を延べ180分とする熱処理工程を実施した場合には、単位断面積あたりのBMDの密度はおよそ5×10個/cm2となり、BMDのサイズはおよそ50nmとなる。
<性能評価>
発明者は、従来1、従来2及び本発明の3通りの製造方法により固体撮像素子を作成して、性能評価を実施した。
In addition, when a heat treatment step in which the charging temperature is 700 degrees Celsius, the maximum temperature is 1100 degrees Celsius, and the holding time is 300 minutes is performed, the density of BMD per unit cross-sectional area is approximately 5 × 10 6 pieces. / cm 2 , and the BMD size is about 300 nm.
In addition, when a heat treatment step is performed in which the input temperature is 600 degrees Celsius, the maximum temperature is 1000 degrees Celsius, and the holding time is 180 minutes, the density of BMD per unit cross-sectional area is approximately 5 × 10 6 pieces. / cm 2 , and the BMD size is about 50 nm.
<Performance evaluation>
The inventor created a solid-state imaging device by the three manufacturing methods of Conventional 1, Conventional 2, and the present invention, and performed performance evaluation.

従来1に係る固体撮像素子は、代表的なゲッタリング技術であるIGのみが適用されている。すなわち、熱処理を施して半導体基板内部にBMDを発生させている(炭素は添加されない)。
従来2に係る固体撮像素子は、特許文献1に係るゲッタリング技術が適用されている。すなわち、イオン注入により炭素をシリコン基板に添加し、BMDを発生させている。
For the solid-state imaging device according to the related art 1, only IG which is a typical gettering technique is applied. That is, heat treatment is performed to generate BMD inside the semiconductor substrate (carbon is not added).
The gettering technique according to Patent Document 1 is applied to the solid-state imaging device according to Conventional 2. That is, carbon is added to the silicon substrate by ion implantation to generate BMD.

本発明に係る固体撮像素子は、結晶成長時に炭素をシリコン基板に固溶させ、BMDを発生させてなる。
性能評価は、固体撮像素子の白キズの個数とブルーミング抑制電圧(電気的特性の一種)とを測定し、測定結果を比較することにより実施した。固体撮像素子の画素数は500万画素であり、固体撮像素子のサンプル数はそれぞれ100個である。
The solid-state imaging device according to the present invention is obtained by generating BMD by dissolving carbon in a silicon substrate during crystal growth.
The performance evaluation was performed by measuring the number of white scratches on the solid-state imaging device and the blooming suppression voltage (a kind of electrical characteristic) and comparing the measurement results. The number of pixels of the solid-state image sensor is 5 million pixels, and the number of samples of the solid-state image sensor is 100 each.

図7は、白キズの個数の比較結果である。
白キズの個数の測定では、環境温度が摂氏60度のもとで遮光状態の固体撮像素子を4秒間電荷蓄積させたときに信号が閾値に達した画素を白キズとみなした。
図7では、従来2に係る固体撮像素子から得られた白キズ個数の平均値を基準として規格化して表示している。白キズの個数の平均値は、従来1が6.38、従来2が1、本発明が0.67である。この結果から、炭素が添加された従来2及び本発明は、炭素が不添加である従来1に比べて、白キズの個数を大幅に低減できることが分かる。さらに、本発明と従来2とを比べると、本発明は従来2よりも白キズの個数を3割程度低減できることが分かる。
FIG. 7 shows a comparison result of the number of white scratches.
In the measurement of the number of white scratches, a pixel whose signal reached a threshold value when a solid-state imaging device in a light-shielded state under an ambient temperature of 60 degrees Celsius was charged for 4 seconds was regarded as a white scratch.
In FIG. 7, the average value of the number of white scratches obtained from the solid-state imaging device according to the conventional 2 is standardized and displayed. The average value of the number of white scratches is 6.38 for Conventional Example 1, 1 for Conventional Example 2, and 0.67 for the present invention. From this result, it can be seen that the number of white flaws can be significantly reduced in Conventional 2 with carbon added and the present invention compared with Conventional 1 with no carbon added. Further, comparing the present invention with the prior art 2, it can be seen that the present invention can reduce the number of white scratches by about 30% compared to the prior art 2.

図8は、ブルーミング抑制電圧の比較結果である。
ブルーミング抑制電圧の測定では、環境温度が摂氏35度のもとで強い光を照射しつつ基板電圧を変化させたときに、ブルーミングが発生しない基板電圧の下限値を、ブルーミング抑制電圧とみなした。
図8では、従来2に係る固体撮像素子から得られたブルーミング抑制電圧の平均値を基準として規格化して表示している。ブルーミング抑制電圧のばらつき(最大値と最小値との差)は、従来1が0.09、従来2が0.4、本発明が0.12である。この結果から、本発明は従来2よりもブルーミング抑制電圧のばらつきを半減できることが分かる。
FIG. 8 shows a comparison result of the blooming suppression voltage.
In the measurement of the blooming suppression voltage, the lower limit value of the substrate voltage at which blooming does not occur when the substrate voltage was changed while irradiating strong light at an ambient temperature of 35 degrees Celsius was regarded as the blooming suppression voltage.
In FIG. 8, the average value of the blooming suppression voltage obtained from the solid-state imaging device according to Conventional 2 is standardized and displayed. The variation in blooming suppression voltage (difference between the maximum value and the minimum value) is 0.09 for Conventional 1, 0.4 for Conventional 2, and 0.12 for the present invention. From this result, it can be seen that the present invention can halve the variation of the blooming suppression voltage as compared with the prior art 2.

上記実験結果をまとめると、本発明の構成によれば、ゲッタリング効果を向上させつつ、ブルーミング抑制電圧のばらつきを低減できるといえる。
発明者は、このような効果が得られた原因について、(1)ブルーミング抑制電圧のばらつきは半導体基板中の炭素の分布のばらつきに起因しており、(2)半導体基板の原料融液に炭素を添加しておくことで、炭素をイオン注入する方法よりも半導体基板中の炭素の分布のばらつきを低減することができたからであると推察している。
Summarizing the above experimental results, according to the configuration of the present invention, it can be said that variations in blooming suppression voltage can be reduced while improving the gettering effect.
The inventor has (1) variations in blooming suppression voltage due to variations in carbon distribution in the semiconductor substrate, and (2) carbon in the raw material melt of the semiconductor substrate. It is presumed that the variation in the distribution of carbon in the semiconductor substrate could be reduced by adding carbon than in the method of ion implantation of carbon.

上記(1)については、次のように考えられる。
BMDは炭素の付近に発生する傾向がある。そのため、BMDの分布は、炭素の分布に応じてばらつく。BMDの分布のばらつきは半導体基板101内の寄生容量や寄生抵抗等のばらつきを誘引する。そうすると、ブルーミング抑制電圧がばらつくことになると考えられる。
The above (1) is considered as follows.
BMD tends to occur in the vicinity of carbon. Therefore, the distribution of BMD varies according to the distribution of carbon. Variations in the distribution of BMD induce variations in parasitic capacitance and parasitic resistance in the semiconductor substrate 101. Then, it is considered that the blooming suppression voltage varies.

上記(2)については、次のように考えられる。
半導体基板の原料融液に炭素を添加しておけば、炭素は結晶成長の過程で半導体基板中に略一様に分布する。一方、イオン注入により炭素を添加した場合は、炭素を半導体基板中に略一様に分布させることが困難である。これは、主に、イオンビームが径方向にイオン密度の勾配を有していることと、イオンビームを半導体基板(ウェハ)の全域にスキャンするときに精度誤差が生じてしまうこととを原因としている。このことを考慮すれば、原料融液に炭素を添加しておく方法は、炭素をイオン注入する方法よりも半導体基板中の炭素の分布のばらつきを低減することができると考えられる。
The above (2) is considered as follows.
If carbon is added to the raw material melt of the semiconductor substrate, the carbon is distributed substantially uniformly in the semiconductor substrate during the crystal growth process. On the other hand, when carbon is added by ion implantation, it is difficult to distribute the carbon substantially uniformly in the semiconductor substrate. This is mainly due to the fact that the ion beam has a gradient of ion density in the radial direction and that an accuracy error occurs when the ion beam is scanned over the entire area of the semiconductor substrate (wafer). Yes. Considering this, it is considered that the method of adding carbon to the raw material melt can reduce the variation in the distribution of carbon in the semiconductor substrate, compared with the method of ion implantation of carbon.

上記モデルを、図面を用いて説明する。
図9は、ウェハの断面を模式的に示す図である。
図9(a)は本発明に係るウェハであり、図9(b)は従来2に係るウェハである。本発明に係る半導体基板101は、従来2に係る半導体基板201に比べて、BMDの分布のばらつきが小さい。これは、本発明に係る半導体基板101は従来2に係る半導体基板201に比べて炭素の分布のばらつきが小さいからである。なお、本発明に係る半導体基板101では、半導体基板全体にわたり略均一にBMDが発生している。一方、従来2に係る半導体基板201では、炭素がイオン注入された領域203で主にBMDが発生している。
The said model is demonstrated using drawing.
FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross section of a wafer.
FIG. 9A shows a wafer according to the present invention, and FIG. The semiconductor substrate 101 according to the present invention has a smaller variation in BMD distribution than the semiconductor substrate 201 according to the related art 2. This is because the semiconductor substrate 101 according to the present invention has a smaller variation in carbon distribution than the semiconductor substrate 201 according to the related art 2. In the semiconductor substrate 101 according to the present invention, BMD is generated substantially uniformly over the entire semiconductor substrate. On the other hand, in the semiconductor substrate 201 according to the related art 2, BMD is mainly generated in the region 203 in which carbon is ion-implanted.

図10は、固体撮像素子内部の電位分布を示す図である。
図10(a)は本発明の製造方法により作成された固体撮像素子の電位分布であり、図10(b)は従来2の製造方法により作成された固体撮像素子の電位分布である。図10中に示された符号B乃至Dは、図2中に示されたB点乃至D点とそれぞれ対応している。すなわち、符号Bはp型領域114に対応し、符号Cは光検出部11に対応し、符号Dは半導体基板101に対応している。
FIG. 10 is a diagram illustrating a potential distribution inside the solid-state imaging device.
FIG. 10A shows the potential distribution of the solid-state imaging device created by the manufacturing method of the present invention, and FIG. 10B shows the potential distribution of the solid-state imaging device created by the conventional manufacturing method 2. Symbols B to D shown in FIG. 10 correspond to points B to D shown in FIG. 2, respectively. That is, the symbol B corresponds to the p-type region 114, the symbol C corresponds to the light detection unit 11, and the symbol D corresponds to the semiconductor substrate 101.

図10(a)において、曲線31は、図9(a)のP領域に固体撮像素子を形成した場合の電位分布を示し、曲線32は、図9(a)のQ領域に固体撮像素子を形成した場合の電位分布を示す。
図10(b)において、曲線33は、図9(b)のP領域に固体撮像素子を形成した場合の電位分布を示し、曲線34は、図9(b)のQ領域に固体撮像素子を形成した場合の電位分布を示す。
10A, a curve 31 shows a potential distribution when a solid-state image sensor is formed in the P region of FIG. 9A, and a curve 32 shows a solid-state image sensor in the Q region of FIG. The potential distribution when formed is shown.
In FIG. 10B, a curve 33 indicates a potential distribution when a solid-state image sensor is formed in the P region of FIG. 9B, and a curve 34 indicates a solid-state image sensor in the Q region of FIG. 9B. The potential distribution when formed is shown.

本発明に係る固体撮像素子は従来2に係る固体撮像素子に比べて、BMDの分布のばらつきが小さい。そうすると、半導体基板内部の寄生容量等のばらつきが小さく、電位分布のばらつきも小さくなる。したがって、本発明に係る固体撮像素子は従来2に係る固体撮像素子に比べてオーバーフローバリア電位のばらつき(ψofbpとψofbqとの差)が小さくなるので、ブルーミング抑制電圧のばらつきも小さくなる。   The solid-state imaging device according to the present invention has a smaller variation in the distribution of BMD than the solid-state imaging device according to the second conventional technology. As a result, variations in parasitic capacitance and the like inside the semiconductor substrate are small, and variations in potential distribution are also small. Therefore, since the solid-state imaging device according to the present invention has a smaller variation in overflow barrier potential (difference between ψofbp and ψofbq) than the solid-state imaging device according to the related art 2, the variation in blooming suppression voltage is also reduced.

なお、このように本発明に係る固体撮像素子は従来2に係る固体撮像素子に比べて電位分布のばらつきが小さくなることを考慮すると、ブルーミング抑制電圧のみならず、光検出部の飽和容量や読出電圧等の他の電気的特性についてもばらつきを低減することができると考えられる。そうすると、本発明に係る固体撮像素子は、弱い光のもとでの電気的特性のばらつきによる画質の劣化を低減する効果も奏することができると考えられる。   In view of the fact that the solid-state image pickup device according to the present invention has a smaller variation in potential distribution than the solid-state image pickup device according to the related art 2 as described above, not only the blooming suppression voltage but also the saturation capacitance and readout of the light detection unit. It is considered that the variation of other electrical characteristics such as voltage can be reduced. Then, it is considered that the solid-state imaging device according to the present invention can also have an effect of reducing deterioration in image quality due to variation in electrical characteristics under weak light.

半導体基板を引き上げ法により作成すると、原理的に同一面内における不純物(リンなど)の濃度に同心円状の濃淡が発生する。半導体基板上にエピタキシャル層を形成した場合、半導体基板中の不純物がエピタキシャル層に熱拡散し、その結果、エピタキシャル層中の同一面内においても不純物の濃度に同心円状の濃淡が生じる。この不純物の濃度のばらつきが、エピタキシャル層中の同一面内における抵抗率のばらつきを引き起こし、固体撮像素子ではストリエーションと呼ばれる縞状の画像ノイズとして観察される。   When a semiconductor substrate is formed by a pulling method, a concentration of concentric circles is generated in principle in the concentration of impurities (such as phosphorus) in the same plane. When the epitaxial layer is formed on the semiconductor substrate, the impurities in the semiconductor substrate are thermally diffused into the epitaxial layer, and as a result, concentric shades are generated in the impurity concentration even in the same plane in the epitaxial layer. This variation in impurity concentration causes variation in resistivity within the same plane in the epitaxial layer, and is observed as striped image noise called striations in the solid-state imaging device.

発明者らは、従来1、従来2及び本発明のゲッタリング技術を適用した半導体基板をそれぞれ作成し、半導体基板上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャル層中の同一面内における抵抗率のばらつきを測定した。
図14は、エピタキシャル層中の同一面内における抵抗率のばらつきの比較結果である。
The inventors made semiconductor substrates to which the gettering techniques of Conventional 1, Conventional 2, and the present invention were applied, respectively, formed an epitaxial layer on the semiconductor substrate, and varied the resistivity in the same plane in the epitaxial layer. Was measured.
FIG. 14 is a comparison result of variations in resistivity within the same plane in the epitaxial layer.

これによると、従来1、従来2、本発明の順番で同一面内における抵抗率のばらつきが小さいことが分かる。したがって、本発明のゲッタリング技術によれば、ストリエーションの発生を抑制することができる。実際に発明者らは、従来1、従来2及び本発明のゲッタリング技術を適用して固体撮像素子を作成し、固体撮像装置から出力された画像を観察した(図15参照)。その結果、従来1及び従来2では、ストリエーションの発生が確認されたが、本発明ではストリエーションの発生が確認されなかった(図15では、ストリエーションは画像に対して斜め方向の縞状の濃淡として現れている)。   According to this, it can be seen that the variation in resistivity in the same plane is small in the order of Conventional 1, Conventional 2, and the present invention. Therefore, according to the gettering technique of the present invention, the occurrence of striation can be suppressed. In fact, the inventors created a solid-state imaging device by applying the gettering techniques of Conventional 1, Conventional 2, and the present invention, and observed an image output from the solid-state imaging device (see FIG. 15). As a result, the occurrence of striation was confirmed in the conventional 1 and the conventional 2, but the occurrence of striation was not confirmed in the present invention (in FIG. 15, the striation is a striped pattern oblique to the image. Appears as shading).

このように本発明のゲッタリング技術ではストリエーションを抑制することができるが、その理由は以下の通りであると考えられる。
ストリエーションは、半導体基板からエピタキシャル層に不純物が熱拡散することにより発生する。不純物の熱拡散は、格子点から格子間に移動したシリコン原子(いわゆる格子間シリコン)や、シリコン原子の移動により格子点に形成された原子空孔により促進される。本発明のゲッタリング技術では、シリコンを母材とする半導体基板に炭素が導入されているため、格子間シリコンや原子空孔は炭素にトラップされる。その結果、不純物の熱拡散が抑制され、ストリエーションの発生が抑制される。
As described above, the gettering technique of the present invention can suppress striation, and the reason is considered as follows.
The striation is generated by thermal diffusion of impurities from the semiconductor substrate to the epitaxial layer. Thermal diffusion of impurities is promoted by silicon atoms that move between lattice points (so-called interstitial silicon) and atomic vacancies that are formed at lattice points by the movement of silicon atoms. In the gettering technique of the present invention, since carbon is introduced into a semiconductor substrate using silicon as a base material, interstitial silicon and atomic vacancies are trapped in carbon. As a result, the thermal diffusion of impurities is suppressed, and the occurrence of striation is suppressed.

さらに、本発明のゲッタリング技術では、格子間シリコンや原子空孔をトラップする炭素は半導体基板の全域にわたり分布している。したがって、炭素が半導体基板の一部にしか分布していない従来2のゲッタリング技術に比べて、不純物の熱拡散を抑制する能力が高く、ストリエーションの発生を抑制する能力が高いといえる。
なお固体撮像素子の消費電力を低減する有効な方法として、電子シャッタを機能させるときに半導体基板に印加される電圧(電子シャッタ電圧)を低電圧化することが挙げられる。電子シャッタ電圧を低電圧化するためには、エピタキシャル層の薄膜化が有効である。しかしながら、エピタキシャル層を薄膜化するほど、半導体基板における不純物の濃度のばらつきがエピタキシャル層の電気的特性に影響しやすくなり、ストリエーションが発生しやすくなる。本発明のゲッタリング技術によれば、ストリエーションの発生を抑制することができるので、その分だけエピタキシャル層を薄膜化することができる。したがって、固体撮像素子の消費電力を低減することができる。
Furthermore, in the gettering technique of the present invention, interstitial silicon and carbon trapping atomic vacancies are distributed over the entire area of the semiconductor substrate. Therefore, compared to the conventional gettering technique in which carbon is distributed only in a part of the semiconductor substrate, it can be said that the ability to suppress thermal diffusion of impurities is high and the ability to suppress the occurrence of striation is high.
An effective method for reducing the power consumption of the solid-state imaging device is to reduce the voltage (electronic shutter voltage) applied to the semiconductor substrate when the electronic shutter functions. In order to reduce the electronic shutter voltage, it is effective to reduce the thickness of the epitaxial layer. However, as the epitaxial layer is made thinner, the variation in impurity concentration in the semiconductor substrate is more likely to affect the electrical characteristics of the epitaxial layer, and striations are more likely to occur. According to the gettering technique of the present invention, since the occurrence of striation can be suppressed, the epitaxial layer can be made thinner accordingly. Therefore, the power consumption of the solid-state image sensor can be reduced.

エピタキシャル層の厚みは、具体的には4μm以上6μm以下であるのが望ましい。シリコンにおける赤色光の吸収長は約3μmなので、赤色光を効率的に検出するため、光検出部11は空乏層がエピタキシャル層の表面から少なくとも約3μmの深さまで達するように設計される。ゲート電極に電圧が印加されたときには空乏層は深さ方向に約1μm拡張するので、空乏層が半導体基板に達してしまわないようにするには、エピタキシャル層の厚みを4μm以上にするのが望ましい。また、エピタキシャル層の厚みを6μmよりも厚くすると電子シャッタ電圧を高くする必要があり、消費電力の低減効果が見込めなくなる。そのためエピタキシャル層の厚みを6μm以下にするのが望ましい。   Specifically, the thickness of the epitaxial layer is desirably 4 μm or more and 6 μm or less. Since the absorption length of red light in silicon is about 3 μm, in order to detect red light efficiently, the photodetection section 11 is designed so that the depletion layer reaches at least about 3 μm deep from the surface of the epitaxial layer. When a voltage is applied to the gate electrode, the depletion layer expands by about 1 μm in the depth direction. Therefore, in order to prevent the depletion layer from reaching the semiconductor substrate, the thickness of the epitaxial layer is preferably 4 μm or more. . Also, if the thickness of the epitaxial layer is greater than 6 μm, it is necessary to increase the electronic shutter voltage, and the effect of reducing power consumption cannot be expected. Therefore, the thickness of the epitaxial layer is desirably 6 μm or less.

また半導体基板の抵抗率ρ1とエピタキシャル層の抵抗率ρ2との比ρ2/ρ1は、20以上200以下にするのが望ましい。種々の電気的特性を満足する固体撮像素子を作成するためには、エピタキシャル層の抵抗率ρ2は10〜50Ωm程度にまで高くする必要がある。一方、電子シャッタ電圧を低電圧化するためには、半導体基板の抵抗率ρ1は0.25〜0.5Ωm程度にまで低くする必要がある。両者の比ρ2/ρ1を20以上200以下にすれば、電子シャッタ電圧の低電圧化を図りつつ、種々の電気的特性を満足する固体撮像素子を作成することができる。
(実施の形態2)
<構成>
図11は、FT−CCD型の固体撮像素子の概略構成を示す図である。
The ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ2 of the epitaxial layer is preferably 20 or more and 200 or less. In order to produce a solid-state imaging device that satisfies various electrical characteristics, the resistivity ρ2 of the epitaxial layer needs to be increased to about 10 to 50 Ωm. On the other hand, in order to reduce the electronic shutter voltage, it is necessary to reduce the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate to about 0.25 to 0.5 Ωm. If the ratio ρ2 / ρ1 of both is set to 20 or more and 200 or less, it is possible to produce a solid-state imaging device that satisfies various electrical characteristics while reducing the voltage of the electronic shutter voltage.
(Embodiment 2)
<Configuration>
FIG. 11 is a diagram illustrating a schematic configuration of an FT-CCD type solid-state imaging device.

固体撮像素子は、受光領域41、蓄積領域42、水平転送部43及び増幅部46を備える。
受光領域41は光検出部44を有する。光検出部44は、受光量に応じた量の電荷を生成するとともに、垂直転送部としての役割を果たす。蓄積領域42は蓄積部45を有する。蓄積部45は、光検出部44から転送された電荷を蓄積するとともに、垂直転送部としての役割を果たす。光検出部44、ならびに蓄積部45は、2次元的にマトリクス状に配列されており、図11では模式的にそれぞれ6行11列の66画素分が示されている。水平転送部43は、蓄積部45から転送された電荷をそれぞれ増幅部46にまで転送する。増幅部46は、水平転送部43から転送された電荷をそれぞれ電圧に変換し、増幅する。
The solid-state imaging device includes a light receiving region 41, a storage region 42, a horizontal transfer unit 43, and an amplification unit 46.
The light receiving region 41 has a light detection unit 44. The light detection unit 44 generates an amount of electric charge corresponding to the amount of received light and plays a role as a vertical transfer unit. The accumulation area 42 has an accumulation unit 45. The accumulation unit 45 accumulates the charges transferred from the light detection unit 44 and plays a role as a vertical transfer unit. The light detection unit 44 and the storage unit 45 are two-dimensionally arranged in a matrix, and FIG. 11 schematically shows 66 pixels of 6 rows and 11 columns. The horizontal transfer unit 43 transfers the charges transferred from the storage unit 45 to the amplification unit 46, respectively. The amplifying unit 46 converts the charges transferred from the horizontal transfer unit 43 into voltages and amplifies them.

図12は、FT−CCD型の固体撮像素子の断面図である。
固体撮像素子は、半導体基板301、エピタキシャル層302、ゲート絶縁膜308、透明電極309、平坦化膜330を備える。なお、図12では、固体撮像素子の2画素分のみが示されている。
半導体基板301は、シリコンを母材としており、炭素及びリンを含有している。炭素は、半導体基板301中に、面方向及び深さ方向に略一様に分布している。炭素の濃度は、5×1016atoms/cm3である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of an FT-CCD type solid-state imaging device.
The solid-state imaging device includes a semiconductor substrate 301, an epitaxial layer 302, a gate insulating film 308, a transparent electrode 309, and a planarization film 330. In FIG. 12, only two pixels of the solid-state image sensor are shown.
The semiconductor substrate 301 uses silicon as a base material and contains carbon and phosphorus. Carbon is distributed substantially uniformly in the surface direction and the depth direction in the semiconductor substrate 301. The concentration of carbon is 5 × 10 16 atoms / cm 3 .

エピタキシャル層302は、p型ウェル領域303、n型領域304、p型領域312を有する。p型ウェル領域303は、n型領域304と半導体基板301との間にオーバーフローバリア電位ψofbを形成する。n型領域304は、半導体基板301から所定距離だけ離間する領域に形成されている。n型領域304がp型ウェル領域303、p型領域312に囲繞されていることで、ポテンシャル井戸が形成される。ポテンシャル井戸が形成されている領域が光検出部44となる。   The epitaxial layer 302 has a p-type well region 303, an n-type region 304, and a p-type region 312. The p-type well region 303 forms an overflow barrier potential ψofb between the n-type region 304 and the semiconductor substrate 301. The n-type region 304 is formed in a region separated from the semiconductor substrate 301 by a predetermined distance. Since the n-type region 304 is surrounded by the p-type well region 303 and the p-type region 312, a potential well is formed. The region where the potential well is formed becomes the light detection unit 44.

ゲート絶縁膜308、透明電極309、平坦化膜330は、CCD型の固体撮像素子の一般的な構成要素であり、しかも本発明の本質部分ではないため、説明を省略する。
<製造方法>
実施の形態2の製造方法は、実施の形態1の製造方法に比べて、主に、熱処理の温度が異なる。したがって、熱処理に関する事項のみを説明する。
The gate insulating film 308, the transparent electrode 309, and the planarization film 330 are general components of a CCD type solid-state imaging device and are not an essential part of the present invention, and thus description thereof is omitted.
<Manufacturing method>
Compared with the manufacturing method of Embodiment 1, the manufacturing method of Embodiment 2 mainly differs in the temperature of heat processing. Therefore, only matters relating to heat treatment will be described.

エピタキシャル層302の表面に、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を形成して素子形成領域以外の部分を除去した後に、イオン注入によりp型ウェル領域303を形成する。このときのシリコン酸化膜の形成条件は、投入温度が摂氏600度、最高温度が摂氏1000度とし、摂氏1000度での保持時間が60分である。エピタキシャル層302の素子形成領域以外の領域は、熱酸化によりLOCOSが形成される。LOCOSの形成条件は、最高温度が摂氏1050度とし、保持時間が100分である。   After forming a silicon oxide film and a silicon nitride film on the surface of the epitaxial layer 302 and removing portions other than the element formation region, a p-type well region 303 is formed by ion implantation. The formation conditions of the silicon oxide film at this time are that the input temperature is 600 degrees Celsius, the maximum temperature is 1000 degrees Celsius, and the holding time at 1000 degrees Celsius is 60 minutes. In regions other than the element formation region of the epitaxial layer 302, LOCOS is formed by thermal oxidation. The LOCOS formation conditions are a maximum temperature of 1050 degrees Celsius and a holding time of 100 minutes.

上記製造方法では、エピタキシャル層302を積層してからゲート絶縁膜308を形成するまでの間に、最初の熱処理工程の投入温度を摂氏600度とし、最高温度を摂氏1050度とし、保持時間を延べ160分とする熱処理が実施されている。そうすると、単位断面積あたりのBMDの密度はおよそ5×10個/cm2となり、BMDのサイズはおよそ100nmとなる。
(実施の形態3)
<構成>
図13は、フォトカプラ用の受光素子の断面図である。
In the above manufacturing method, during the period from the deposition of the epitaxial layer 302 to the formation of the gate insulating film 308, the input temperature of the first heat treatment step is 600 degrees Celsius, the maximum temperature is 1050 degrees Celsius, and the holding time is extended. A heat treatment for 160 minutes is performed. Then, the density of BMD per unit cross-sectional area is about 5 × 10 6 pieces / cm 2 , and the size of BMD is about 100 nm.
(Embodiment 3)
<Configuration>
FIG. 13 is a cross-sectional view of a light receiving element for a photocoupler.

受光素子は、半導体基板401、エピタキシャル層402、絶縁膜408、透明電極409、反射防止膜416を備える。
半導体基板401は、シリコンを母材としており、炭素及びリンを含有している。炭素は、半導体基板401中に、面方向及び深さ方向に略一様に分布している。炭素の濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれている。
The light receiving element includes a semiconductor substrate 401, an epitaxial layer 402, an insulating film 408, a transparent electrode 409, and an antireflection film 416.
The semiconductor substrate 401 uses silicon as a base material and contains carbon and phosphorus. Carbon is distributed substantially uniformly in the surface direction and the depth direction in the semiconductor substrate 401. The concentration of carbon is included in the range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 .

エピタキシャル層402は、p型ウェル領域403、n型領域404を有する。p型ウェル領域403は、n型領域404と半導体基板401との間にオーバーフローバリア電位ψofbを形成する。n型領域404は、p型ウェル領域403に囲繞されており、ポテンシャル井戸を形成する。このポテンシャル井戸が形成されている領域が光検出部となる。   The epitaxial layer 402 has a p-type well region 403 and an n-type region 404. The p-type well region 403 forms an overflow barrier potential ψofb between the n-type region 404 and the semiconductor substrate 401. The n-type region 404 is surrounded by the p-type well region 403 and forms a potential well. The region where the potential well is formed becomes a light detection portion.

絶縁膜408、透明電極409、反射防止膜416は、受光素子の一般的な構成要素であり、しかも本発明の本質部分ではないため、説明を省略する。
以上、本発明に係る光検出装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
(1)実施の形態では、CZ法による引き上げで単結晶インゴットを育成しているが、これに限らず、単結晶を育成する際に磁場を印加するMCZ法を用いてもよい。
(2)実施の形態では、IT−CCD型、FT−CCD型の固体撮像素子を例に挙げているが、本発明は、これに限らず、MOS型固体撮像素子にも適用可能である。また、実施の形態では、フォトカプラ用の受光素子を例に挙げているが、本発明は、これに限らず、光通信用、光ピックアップ用等の受光素子にも適用可能である。
(3)実施の形態では、炭素を添加する例を挙げているが、本発明は、シリコンと同族の元素であれば、これに限られない。例えば、ゲルマニウム、スズ、鉛などが考えられる。
The insulating film 408, the transparent electrode 409, and the antireflection film 416 are general constituent elements of the light receiving element, and are not essential parts of the present invention, and thus description thereof is omitted.
As mentioned above, although the photon detection apparatus which concerns on this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to these embodiment. For example, the following modifications can be considered.
(1) In the embodiment, the single crystal ingot is grown by pulling up by the CZ method. However, the present invention is not limited to this, and the MCZ method in which a magnetic field is applied when growing a single crystal may be used.
(2) In the embodiments, IT-CCD type and FT-CCD type solid-state imaging devices are taken as examples. However, the present invention is not limited to this, and can also be applied to MOS-type solid-state imaging devices. In the embodiment, the light receiving element for the photocoupler is taken as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to light receiving elements for optical communication, optical pickup, and the like.
(3) Although an example in which carbon is added is given in the embodiment, the present invention is not limited to this as long as it is an element belonging to the same family as silicon. For example, germanium, tin, lead, etc. can be considered.

また、実施の形態では、シリコン基板を例に挙げているが、本発明は、これに限らず、ゲルマニウム基板などにも適用可能である。
(4)実施の形態では、半導体基板の導電型をN型にするために、リンを添加しているが、本発明は、これに限らない。
In the embodiment, a silicon substrate is taken as an example. However, the present invention is not limited to this, and can also be applied to a germanium substrate.
(4) In the embodiment, phosphorus is added to make the conductivity type of the semiconductor substrate N-type, but the present invention is not limited to this.

本発明は、固体撮像素子、受光素子等に利用可能である。   The present invention can be used for a solid-state imaging device, a light receiving device, and the like.

IT−CCD型の固体撮像素子の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of an IT-CCD type solid-state image sensor. IT−CCD型の固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of a solid-state image sensor of IT-CCD type. 半導体基板及びエピタキシャル層内部の電位分布を示す図である。It is a figure which shows the electric potential distribution inside a semiconductor substrate and an epitaxial layer. 固体撮像素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a solid-state image sensor. 白キズの個数の比較結果である。It is a comparison result of the number of white scratches. ブルーミング抑制電圧の比較結果である。It is a comparison result of blooming suppression voltage. ウェハの断面を模式的に示す図である。It is a figure which shows the cross section of a wafer typically. 固体撮像素子内部の電位分布を示す図である。It is a figure which shows the electric potential distribution inside a solid-state image sensor. FT−CCD型の固体撮像素子の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a FT-CCD type solid-state image sensor. FT−CCD型の固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of a FT-CCD type solid-state image sensor. フォトカプラ用の受光素子の断面図である。It is sectional drawing of the light receiving element for photocouplers. エピタキシャル層中の同一面内における抵抗率のばらつきの比較結果である。It is a comparison result of the dispersion | variation in the resistivity in the same surface in an epitaxial layer. ストリエーションの観察結果である。It is an observation result of striations.

符号の説明Explanation of symbols

11、44 光検出部
12 垂直転送部
13、43 水平転送部
14、46 増幅部
21 坩堝
22 ヒータ
23 シリコンを含有する材料
24 炭素を含有する材料
25 リンを含有する材料
26 原料融液
27 支持具
28 種結晶
29 単結晶インゴット
41 受光領域
42 蓄積領域
45 蓄積部
101、201、301、401 半導体基板
102、202、302、402 エピタキシャル層
103、303、403 p型ウェル領域
104、304、404 n型領域
106 n型領域
107 p型領域
108、308 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
112、312 p型領域
114 p型領域
115 p型領域
116、416 反射防止膜
117 層間絶縁膜
118 遮光膜
119 表面保護膜
120 シリコン酸化膜
121 シリコン窒化膜
203 炭素がイオン注入された領域
309、409 透明電極
330 平坦化膜
408 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 44 Light detection part 12 Vertical transfer part 13, 43 Horizontal transfer part 14, 46 Amplification part 21 Crucible 22 Heater 23 Material containing silicon 24 Material containing carbon 25 Material containing phosphorus 26 Raw material melt 27 Support tool 28 seed crystal 29 single crystal ingot 41 light-receiving region 42 storage region 45 storage part 101, 201, 301, 401 semiconductor substrate 102, 202, 302, 402 epitaxial layer 103, 303, 403 p-type well region 104, 304, 404 n-type Region 106 n-type region 107 p-type region 108, 308 gate insulating film 109 gate electrode 112, 312 p-type region 114 p-type region 115 p-type region 116, 416 antireflection film 117 interlayer insulating film 118 light shielding film 119 surface protective film
120 Silicon oxide film 121 Silicon nitride film 203 Carbon ion-implanted region 309, 409 Transparent electrode 330 Planarizing film 408 Insulating film

Claims (18)

第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板と、
前記半導体基板上に第1の元素を母材としてエピタキシャル成長されてなり、前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を有するエピタキシャル層とを備え、
前記半導体基板は、当該半導体基板に含有される第2の元素が前記所定濃度になるように第1の元素を含有する材料と第2の元素を含有する材料とが溶融された原料融液から結晶成長されてなること
を特徴とする光検出素子。
A semiconductor substrate having a first element as a base material and containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration;
An epitaxial layer that is epitaxially grown using the first element as a base material on the semiconductor substrate, and that has a photodetection portion in a region separated from the semiconductor substrate by a predetermined distance;
The semiconductor substrate is made of a raw material melt in which a material containing the first element and a material containing the second element are melted so that the second element contained in the semiconductor substrate has the predetermined concentration. A photodetection element characterized by being grown as a crystal.
前記第1の元素はシリコンであり、前記第2の元素は炭素であり、
前記所定濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれていること
を特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
The first element is silicon; the second element is carbon;
2. The photodetecting element according to claim 1, wherein the predetermined concentration is in a range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 .
前記半導体基板が有する単位断面積あたりのBMDの個数は、5×10乃至5×10個/cm2の範囲に含まれていること
を特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
The number of BMD per unit cross-sectional area which the said semiconductor substrate has is contained in the range of 5 * 10 < 5 > thru | or 5 * 10 < 7 > piece / cm < 2 >.
前記半導体基板が有するBMDのサイズは、50乃至400nmの範囲に含まれていること
を特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
The size of BMD which the said semiconductor substrate has is contained in the range of 50 to 400 nm. The photodetection element according to claim 1 characterized by things.
前記エピタキシャル層の厚みは4μm以上6μm以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
The thickness of the said epitaxial layer is contained in the range of 4 micrometers or more and 6 micrometers or less. The optical detection element of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記半導体基板の抵抗率ρ1と前記エピタキシャル層の抵抗率ρ2との比ρ2/ρ1は、20以上200以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
2. The photodetector according to claim 1, wherein a ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ <b> 1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ <b> 2 of the epitaxial layer is included in a range of 20 or more and 200 or less.
第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板と、
前記半導体基板上に第1の元素を母材としてエピタキシャル成長されてなり、前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を有するエピタキシャル層とを備え、
前記第2の元素は、前記半導体基板中の全域において略均一に分布していること
を特徴とする光検出素子。
A semiconductor substrate having a first element as a base material and containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration;
An epitaxial layer that is epitaxially grown using the first element as a base material on the semiconductor substrate, and that has a photodetection portion in a region separated from the semiconductor substrate by a predetermined distance;
The photodetecting element, wherein the second element is distributed substantially uniformly throughout the semiconductor substrate.
前記第1の元素はシリコンであり、前記第2の元素は炭素であり、
前記所定濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれていること
を特徴とする請求項7に記載の光検出素子。
The first element is silicon; the second element is carbon;
The photodetection element according to claim 7, wherein the predetermined concentration is included in a range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 .
前記半導体基板が有する単位断面積あたりのBMDの個数は、5×10乃至5×10個/cm2の範囲に含まれていること
を特徴とする請求項7に記載の光検出素子。
The number of BMD per unit cross-sectional area which the said semiconductor substrate has is contained in the range of 5 * 10 < 5 > thru | or 5 * 10 < 7 > piece / cm < 2 >.
前記半導体基板が有するBMDのサイズは、50乃至400nmの範囲に含まれていること
を特徴とする請求項7に記載の光検出素子。
The photodetection element according to claim 7, wherein a size of BMD included in the semiconductor substrate is included in a range of 50 to 400 nm.
前記エピタキシャル層の厚みは4μm以上6μm以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項7に記載の光検出素子。
The thickness of the said epitaxial layer is contained in the range of 4 micrometers or more and 6 micrometers or less. The optical detection element of Claim 7 characterized by the above-mentioned.
前記半導体基板の抵抗率ρ1と前記エピタキシャル層の抵抗率ρ2との比ρ2/ρ1は、20以上200以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項7に記載の光検出素子。
The photodetecting element according to claim 7, wherein a ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ2 of the epitaxial layer is included in a range of 20 or more and 200 or less.
第1の元素を母材としており、当該第1の元素と同族の第2の元素を所定濃度で含有する半導体基板を準備する準備工程と、
前記準備工程により準備された半導体基板上に、第1の元素を母材とするエピタキシャル層を積層する積層工程と、
前記積層工程により積層されたエピタキシャル層の前記半導体基板から所定距離だけ離間する領域に光検出部を形成する形成工程とを含み、
前記準備工程において準備される半導体基板は、当該半導体基板に含有される第2の元素が前記所定濃度になるように第1の元素を含有する材料と第2の元素を含有する材料とが溶融された原料融液から結晶成長されてなること
を特徴とする光検出素子の製造方法。
A preparatory step of preparing a semiconductor substrate having a first element as a base material and containing a second element of the same family as the first element at a predetermined concentration;
A stacking step of stacking an epitaxial layer having the first element as a base material on the semiconductor substrate prepared by the preparing step;
Forming a photodetecting portion in a region separated by a predetermined distance from the semiconductor substrate of the epitaxial layer stacked by the stacking step,
In the semiconductor substrate prepared in the preparation step, the material containing the first element and the material containing the second element are melted so that the second element contained in the semiconductor substrate has the predetermined concentration. A method for producing a photodetecting element, wherein the crystal is grown from the raw material melt.
前記第1の元素はシリコンであり、前記第2の元素は炭素であり、
前記所定濃度は、1×1016乃至2.5×1017atoms/cm3の範囲に含まれていること
を特徴とする請求項13に記載の光検出素子の製造方法。
The first element is silicon; the second element is carbon;
14. The method of manufacturing a photodetecting element according to claim 13, wherein the predetermined concentration is in a range of 1 × 10 16 to 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 .
前記光検出素子の製造方法は、さらに、
前記成長工程の後に、前記半導体基板に繰り返し熱処理を施す熱処理工程を含み、
前記半導体基板に最初に熱処理を施すときの投入温度は、摂氏600度以上700度以下であること
を特徴とする請求項13に記載の光検出素子の製造方法。
The method for manufacturing the photodetecting element further includes:
A heat treatment step of repeatedly performing a heat treatment on the semiconductor substrate after the growth step;
The manufacturing method of the photodetecting element according to claim 13, wherein an input temperature when first heat-treating the semiconductor substrate is 600 degrees Celsius or more and 700 degrees Celsius or less.
前記光検出素子の製造方法は、さらに、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成するまでに前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程を含み、
当該熱処理は、最高温度が摂氏1000度乃至1100度の範囲に含まれ、処理時間が60分乃至600分の範囲に含まれること
を特徴とする請求項13に記載の光検出素子の製造方法。
The method for manufacturing the photodetecting element further includes:
A heat treatment step of heat-treating the semiconductor substrate before forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
14. The method of manufacturing a light detection element according to claim 13, wherein the heat treatment includes a maximum temperature in a range of 1000 ° C. to 1100 ° C. and a processing time in a range of 60 minutes to 600 minutes.
前記エピタキシャル層の厚みは4μm以上6μm以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項13に記載の光検出素子の製造方法。
The method of manufacturing a photodetecting element according to claim 13, wherein the thickness of the epitaxial layer is included in a range of 4 μm to 6 μm.
前記半導体基板の抵抗率ρ1と前記エピタキシャル層の抵抗率ρ2との比ρ2/ρ1は、20以上200以下の範囲に含まれること
を特徴とする請求項13に記載の光検出素子の製造方法。
14. The method of manufacturing a photodetecting element according to claim 13, wherein a ratio ρ2 / ρ1 between the resistivity ρ1 of the semiconductor substrate and the resistivity ρ2 of the epitaxial layer is included in a range of 20 or more and 200 or less.
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