JP2010098107A - 裏面照射型固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子用エピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲッタリングシンクを短時間で容易に形成できるとともに、ゲッタリングシンクの形成時に重金属汚染の懸念がない裏面照射型固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】エピタキシャル層を形成した半導体基板をレーザ照射装置にセットし、半導体基板を移動させつつレーザビームを照射する。この時、レーザ発生装置から出射されたレーザビームは、集光用レンズ（集光手段）によって集光点（焦点）が半導体基板の一面から数十μｍ程度深い位置になるように集光される。これにより、半導体基板の結晶構造が改質され、ゲッタリングシンクが形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、裏面照射型固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子用エピタキシャル基板に係り、重金属を捕捉するゲッタリングサイトを短時間で容易に形成することが可能な技術に関する。

携帯電話、デジタルビデオカメラ等に、半導体を用いた高性能な固体撮像素子が搭載され、画素数や感度等の性能が飛躍的に向上しつつある。固体撮像素子は、例えば、半導体基板の一面にエピタキシャル層を成長させたエピタキシャル基板を用いて、このエピタキシャル層に多数のフォトダイオード等を配列して形成することにより製造される。近年、こうした固体撮像素子の小型、高解像度化の進行に伴って、フォトダイオードの配置密度が大幅に高まっている。このため、個々のフォトダイオードのサイズが極めて小さくなり、それぞれのフォトダイオードに入射可能な光の光量が低下しつつある。

固体撮像素子の小型、高解像度化の進行による入射光量の低下を回避するために、回路層などの構成物が少ない裏面側から光を入射させる構造の裏面照射型固体撮像素子が一般に知られつつある。ところで、こうした固体撮像素子の撮像特性を低下させる要因として、フォトダイオードの暗時リーク電流が問題となっている。暗時リーク電流の原因は、製造工程における基板（ウェーハ）の重金属汚染とされている。こうした基板の重金属汚染を抑制するために、従来から、半導体基板の内部あるいは裏面に重金属のゲッタリングシンクを形成し、このゲッタリングシンクに重金属を集める事によって、フォトダイオードの形成部分における重金属濃度を低減させることが行われてきた。

こうしたゲッタリングシンクの形成方法として、例えば、半導体基板に熱処理を施すことにより、基板内部に酸素析出部を形成し、この酸素析出部をゲッタリングシンクとする方法が挙げられる（例えば、特許文献１）。また、例えば、基板の裏面側にアモルファス（非晶質）膜を形成し、基板の裏面側をゲッタリングシンクとする方法もある。
特開平６−３３８５０７号公報

しかしながら、半導体基板に熱処理を施して基板内部に酸素析出部を形成する方法では、重金属を充分に捕捉可能なサイズの酸素析出部を形成するためには、長時間の熱処理を必要とし、製造工程が長期化して製造コストが増大するという課題がある。また、熱処理工程において、加熱装置などから更なる重金属汚染が生じる懸念もある。

一方、基板の裏面側にアモルファス膜を形成する方法は、近年主流となりつつある３００ｍｍウェーハなどの大口径基板の場合、両面研磨されているために、裏面側にゲッタリングシンクとなるアモルファス膜を形成すること自体が困難である。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ゲッタリングシンクを短時間で容易に形成できるとともに、ゲッタリングシンクの形成時に重金属汚染の懸念がない裏面照射型固体撮像素子の製造方法を提供する。

また、重金属汚染が少なく、かつ低コストに製造可能であり、裏面照射型固体撮像素子の製造に適用可能な固体撮像素子用エピタキシャル基板を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は次のような裏面照射型固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子用エピタキシャル基板を提供する。
すなわち、本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の一面にエピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル基板を形成する工程と、該エピタキシャル基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射し、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、該微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造を変化させたゲッタリングシンクを形成する工程と、前記エピタキシャル基板に複数のフォトダイオードを形成する工程と、前記エピタキシャル基板を所定の温度でアニールし、前記ゲッタリングシンクに重金属を捕獲させる工程と、前記半導体基板の厚みを減じて、前記ゲッタリングシンクを含む領域を除去する工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記レーザビームは、前記エピタキシャル基板を透過可能な波長域であり、前記集光手段は、前記半導体基板の厚み方向における任意の位置に、前記レーザビームを集光させるのが好ましい。前記レーザビームは、パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームであることが好ましい。

前記半導体基板は単結晶シリコンからなり、前記ゲッタリングシンクはアモルファス構造のシリコンを含むことが好ましい。前記ゲッタリングシンクは、前記フォトダイオードの形成領域と重なる位置に少なくとも形成されることが好ましい。前記ゲッタリングシンクと前記エピタキシャル層との間には、更にＳＯＩ構造の埋込酸化膜が形成されることが好ましい。

また、本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板は、半導体基板と、該半導体基板の一面に形成されたエピタキシャル層と、前記半導体基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射し、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、該微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造を変化させて形成したゲッタリングシンクと、前記ゲッタリングシンクと前記エピタキシャル層との間に形成されたＳＯＩ構造の埋込酸化膜と、を備えたことを特徴とする。

前記ゲッタリングシンクは、少なくとも前記フォトダイオードの形成位置と重なる領域に、直径５０〜１５０μｍ、厚み１０〜１５０μｍの範囲のサイズで設けられてなることが好ましい。前記ゲッタリングシンクは、密度１．０×１０^５〜１．０×１０^７個／ｃｍ^２の範囲で形成されてなることが好ましい。

本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法によれば、エピタキシャル基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射させ、半導体基板の内部における任意の微小領域にレーザビームを集光させることによって、半導体基板の内部の微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造だけを変化させたゲッタリングシンクを容易に、かつ短時間で形成することが可能になる。

これによって、エピタキシャル層に含まれる重金属がゲッタリングシンクに確実に捕捉されるため、裏面照射型固体撮像素子の撮像特性を低下させる要因であるフォトダイオードの暗時リーク電流を抑制することができる。よって、優れた撮像特性を持つ裏面照射型固体撮像素子を実現することがが可能となる。

また、本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板によれば、重金属のゲッタリング能力に優れ、暗時リーク電流の少ない、優れた撮像特性をもつ裏面照射型固体撮像素子を実現することが可能な固体撮像素子用エピタキシャル基板を提供できる。

以下、本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子用エピタキシャル基板の最良の実施形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板を示す拡大断面図である。エピタキシャル基板（固体撮像素子用エピタキシャル基板）１は、裏面照射型固体撮像素子の製造に好適な基板（ウェーハ）であり、半導体基板２と、この半導体基板２の一面２ａ寄りに形成されたＳＯＩ構造の埋込酸化膜５と、半導体基板２の一面２ａに重ねて形成されたエピタキシャル層３とを備える。そして、埋込酸化膜５の下部には、エピタキシャル基板１の重金属を捕捉するゲッタリングシンク４，４・・が形成されている。

このようなエピタキシャル基板１は、裏面照射型固体撮像素子の基板として好適に用いることができる。半導体基板２は、例えば、シリコン単結晶ウェーハであればよい。エピタキシャル層３は、半導体基板２の一面２ａから成長させたシリコンのエピタキシャル成長膜であればよい。また、埋込酸化膜５は、例えば、酸化膜を形成した基板と半導体基板とを貼り合わせる方法や、酸素をイオン注入により半導体基板の一面から打ち込み、加熱して酸化させることにより、半導体基板の内部に埋込酸化膜（ＢＯＸ層）５を形成する方法を用いれば良い。

ゲッタリングシンク４は、シリコン単結晶の一部をアモルファス化させた（アモルファスライク）構造であればよい。ゲッタリングシンク４は、その結晶構造中に僅かな歪みが存在するだけで重金属を捕捉する能力があり、ごく一部をアモルファス化するだけでゲッタリングシンクとしての役割を果たすことができる。なお、こうしたゲッタリングシンク４は、レーザビームの集光により、半導体基板２の一部に多光子吸収過程を生じさせて結晶構造を改質する事によって形成される。このようなゲッタリングシンク４の形成方法は、後ほど裏面照射型固体撮像素子の製造方法にて詳述する。

ゲッタリングシンク４は、このエピタキシャル基板１を用いて裏面照射型固体撮像素子を形成する際に、少なくともそれぞれの裏面照射型固体撮像素子の形成領域Ｓと重なる位置に形成されていればよい。例えば、１つのゲッタリングシンク４は、直径Ｒが５０〜１５０μｍ、厚みＴが１０〜１５０μｍの大きさの円盤状に形成されていればよい。また、ゲッタリングシンク４の形成深さＤは、半導体基板２の一面２ａから０．５〜２μｍ程度が好ましい。

図２は、本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板を用いて作成した裏面照射型固体撮像素子の一例を示す断面図である。裏面照射型固体撮像素子６０は、エピタキシャル層３に形成されたフォトダイオード６１と、エピタキシャル層３の一面（表面）３ａ側に形成された絶縁層６２と、この絶縁層６２に形成された配線６３とを備えている。こうした裏面照射型固体撮像素子６０は、形成時に半導体基板が研削によって除去され、薄厚化されている。そして、入射光Ｆはエピタキシャル層３の他面（裏面）３ｂ側から入射し、フォトダイオード６１で検出される。

このような構成の裏面照射型固体撮像素子６０は、製造に用いるエピタキシャル基板１（図１参照）の半導体基板２に形成されたゲッタリングシンク４によって、エピタキシャル層３に含まれる重金属が確実に捕捉されているため、裏面照射型固体撮像素子６０の撮像特性を低下させる要因であるフォトダイオード６１の暗時リーク電流を抑制することができる。よって、優れた撮像特性を持つ裏面照射型固体撮像素子６０を実現することができる。

次に、本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法について説明する。図３〜５は、裏面照射型固体撮像素子の製造方法の概要を示した断面図である。裏面照射型固体撮像素子を製造するにあたっては、まず半導体基板２を用意する（図３（ａ）参照）。半導体基板２は、例えば、シリコン単結晶インゴットをスライスして製造されたシリコン単結晶ウェーハであればよい。

次に、この半導体基板２の一面２ａにエピタキシャル層３を形成する（図３（ｂ）参照）。エピタキシャル層３の形成にあたっては、例えば、エピタキシャル成長装置を用いて、半導体基板２を所定温度まで加熱しつつ原料ガスを導入し、一面２ａにシリコン単結晶からなるエピタキシャル層３を成長させれば良い。また、必要に応じて、半導体基板２の内部に埋込酸化膜（ＢＯＸ層）５を形成するのが好ましい。

次に、エピタキシャル層３を形成した半導体基板２をレーザ照射装置２０にセットし、半導体基板２を移動させつつレーザビームを照射する（図３（ｃ）参照）。この時、レーザ発生装置１５から出射されたレーザビームは、集光用レンズ（集光手段）１１によって集光点（焦点）が半導体基板２の一面２ａから数十μｍ程度深い位置になるように集光される。これにより、半導体基板２の結晶構造が改質され、ゲッタリングシンク４が形成される。

図６は、半導体基板にゲッタリングシンクを形成する工程で用いられるレーザー照射装置の一例を示す模式図である。レーザー照射装置２０は、レーザビームＱ１をパルス発振するレーザ発生装置１５、レーザビームＱ１のパルス等を制御するパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６、レーザビームＱ１を反射してレーザビームＱ１の進行方向を半導体基板２に向けて９０°変換させるビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａ、ビームスプリッタ１７ａで反射されたレーザビームＱ１を集光する集光用レンズ（集光手段）１１を備えている。

また、エピタキシャル層３を形成した半導体基板２を載置するステージ４０を備える。このステージ４０は、集光されたレーザビームＱ２を半導体基板２の任意の位置で集光させて焦点を合わせるために、ステージ制御回路４５によって、鉛直方向Ｙおよび水平方向Ｘに移動可能に制御される。

レーザ発生装置１５およびパルス制御回路１６は、特に限定はされないが、半導体基板の内部における任意の位置の結晶構造を改質してゲッタリングシンクを形成できるレーザビームを照射できれば良く、半導体基板を透過可能な波長域で、かつ短パルス周期での発振が可能なチタンサファイヤレーザが好適である。なお、表１に、一般的な半導体基板、およびシリコンウェーハのそれぞれにおいて、好適なレーザ照射条件の具体例を示す。

レーザ発生装置１５で発生させたレーザビームＱ１は、集光用レンズ１１により光路幅を収束され、この収束されたレーザビームＱ２が半導体基板２０の任意の深さ位置Ｇで焦点を結像する（集光される）ように、ステージ４０が鉛直方向Ｙで制御される。集光用レンズ１１は、例えば倍率が１０〜３００倍、Ｎ．Ａが０．３〜０．９、レーザビームの波長に対する透過率が３０〜６０％の範囲が好ましい。

レーザー照射装置２０は、さらに可視光レーザ発生装置１９、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂ、ＣＣＤカメラ３０、ＣＣＤカメラ制御回路３５、結像用レンズ１２、中央制御回路５０、および表示手段５１とを備えている。

可視光レーザ発生装置１９で発生させた可視光レーザビームＱ３は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂで反射されて９０°方向を転換し、半導体基板２のエピタキシャル層３に達する。そして、エピタキシャル層３の表面で反射され、集光用レンズ１１およびビームスプリッタ１７ａおよび１７ｂを透過して結像用レンズ１２に到達する。結像用レンズ１２に到達した可視光レーザＱ３は、半導体基板２の表面画像としてＣＣＤカメラ３０で撮像され、撮像データがＣＣＤカメラ制御回路３５に入力される。入力された撮像データに基づいて、ステージ制御回路４５はステージ４０の水平方向Ｘの移動量を制御する。

次に、エピタキシャル層３を形成した半導体基板２にゲッタリングシンクを形成する方法を詳述する。図７は、レーザビームによって半導体基板にゲッタリングシンクを形成する様子を示した模式図である。半導体基板２にゲッタリングシンクを形成する際には、レーザ発生装置１５から出射されたレーザビームＱ１を集光用レンズ（集光手段）１１によって収束させる。収束されたレーザビームＱ２は、シリコンに対して透過可能な波長域であるため、半導体基板２の裏面に達した後、反射せずにそのまま入射する。

一方、エピタキシャル層３を形成した半導体基板２は、レーザビームＱ２の集光点（焦点）が半導体基板２の一面２ａから所定の深さＤになるように位置決めされる。これにより、レーザビームＱ２の集光点（焦点）だけ、半導体基板２は多光子吸収過程が生じる。

多光子吸収過程は、周知のように、ごく短時間に多量の光子が特定の部位（照射領域）に照射することによって、照射領域だけに選択的に多量のエネルギーが吸収され、これにより、照射領域の結晶結合が変化するなどの反応を引き起こすものである。本発明においては、半導体基板２の内部の任意の領域にレーザビームを集光させることによって、この集光点（焦点）において、単結晶構造の半導体基板を改質し、部分的にアモルファスライクな結晶構造を生じさせる。こうした結晶構造の改質は、重金属の捕捉作用が生じる程度、即ち、結晶構造に僅かな歪を生じさせる程度で良い。

以上のように、半導体基板２の内部の任意の微小領域にレーザビームＱ１を収束させたレーザビームＱ２の集光点（焦点）を設定し、この微小領域の結晶構造を改質することによって、半導体基板２の任意の微小領域にゲッタリングシンク４を形成することができる。

ゲッタリングシンク４を形成するためのレーザビームは、レーザビームが集光点（焦点）に至るよりも前の光路においては、エピタキシャル層３や半導体基板２の結晶構造を改質することなく、レーザビームが確実に透過可能な条件とすることが重要である。こうしたレーザビームの照射条件は、半導体材料の基礎物性値である禁制帯（エネルギーバンドギャップ）により決定される。例えば、シリコン半導体の禁制帯は、１．１ｅＶであるため入射波長が１０００ｎｍ以上の場合、透過性が顕著となる。このようにしてレーザビームの波長は、半導体材料の禁制帯を考慮して決定することができる。

レーザビームの発生装置としては、ＹＡＧレーザのような高出力レーザでは、所定の深さ位置だけではなく、その周辺領域にも熱エネルギーが伝達する虞があるため、低出力レーザを用いることが好ましい。低出力レーザとしては、例えば、フェムト秒レーザのような超短パルスレーザが好適である。

この超短パルスレーザは、半導体レーザなどを用いてチタンサファイヤ結晶（固体レーザ結晶）を励起することによって、レーザビームの波長を任意の範囲に設定することができる。超短パルスレーザは、励起レーザビームのパルス幅を１．０×１０^−１５フェムト秒以下にすることができるため、その他のレーザと比較して励起によって生じる熱エネルギーの拡散を抑制でき、レーザビームの集光点（焦点）のみに光エネルギーを集中させることができる。

多光子吸収過程により結晶構造を改質して形成したゲッタリングシンク４は、おそらくアモルファスライクな結晶構造になっているものと推定される。このようなアモルファスライクの結晶構造を得るには、レーザビームが集光点（焦点）Ｇを局部的に急速加熱・急速冷却する必要がある。表１に示したような特性を持つ超短パルスレーザは、エネルギー量の小さいレーザであるが、集光用レンズ１１を用い集光することによって、半導体基板２０を局部的に急速加熱するのに十分なエネルギーとなる。レーザビームが集光点（焦点）Ｇの温度は９９００〜１００００Ｋの高温に達する。また、集光されているために入熱範囲が大変狭く、半導体基板２を載置したステージの移動、あるいはレーザビームの走査によって集光点（焦点）が移動すると、移動前の集光点（焦点）における入熱量は急激に減少し、急速冷却効果が得られる。

また、表１に示した超短パルスレーザのように、波長を１０００ｎｍとすることによって、エピタキシャル層３や半導体基板２に対する透過性が高められ、エピタキシャル層３などの結晶組織に影響を与えることなく、レーザビームの集光点（焦点）である微小領域だけを改質することができる。この結晶構造の改質部分が半導体基板２のゲッタリングシンク４として好適に利用できる。なお、レーザビームの波長が１２００ｎｍを超えると、長波長領域であるために光子エネルギー（レーザビームエネルギー）が低くくなる。このため、レーザビームを集光させても半導体基板内部の改質に十分な光子エネルギーを得ることができない虞があり、レーザビームの波長は１２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

レーザビームの集光点（焦点）Ｇの位置、すなわち半導体基板２にゲッタリングシンク４を形成する位置は、ステージを上下動させることによって制御できる。なお、ステージを上下動以外にも、集光手段（集光用レンズの）位置を制御することでもレーザビームの集光点（焦点）Ｇの位置を制御できる。

一例として、半導体基板の表面から２μｍの位置を改質してゲッタリングシンク４を形成する場合には、レーザビームの波長を１０８０ｎｍに設定し、透過率が６０％の集光用レンズ（倍率５０倍)を用いて表面から２μｍの位置にレーザビームを結像（集光）させ、多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分（ゲッタリングシンク）を形成することができる。

このように、半導体基板２の微小領域の結晶構造を改質して得られるゲッタリングシンク４は、例えば、直径Ｒが５０〜１５０μｍ、厚みＴが１０〜１５０μｍの大きさの円盤状に形成されればよい。また、ゲッタリングシンク４の形成深さＤは、半導体基板２の一面２ａから０．５〜２μｍ程度が好ましい。

それぞれのゲッタリングシンク４は、エピタキシャル基板１に裏面照射型固体撮像素子の形成領域Ｓと重なる位置に少なくとも形成されていればよい。ゲッタリングシンク４は、例えば、形成ピッチＰが０．１〜１０μｍの間隔で形成されればよい。なお、ゲッタリングシンク４は、上述したように間欠的に形成されている以外にも、例えば、半導体基板に対して所定の深さで、半導体基板全体に均一に形成されていてもよい。

図８は、エピタキシャル基板におけるゲッタリングシンクの形成の様子を示した模式図である。ゲッタリングシンク４は、エピタキシャル基板１における裏面照射型固体撮像素子の形成領域の下部にそれぞれ形成されればよい。例えば、レーザビームＱがエピタキシャル基板１の全域に渡って走査されるように、エピタキシャル基板１を周縁部でＹ方向にずらしつつＸ方向に沿って走査させ、レーザビームＱを所定の条件で照射していけば、エピタキシャル基板１の全体にゲッタリングシンク４，４・・を形成することができる。

エピタキシャル基板１の全体おけるゲッタリングシンク４の形成密度は、レーザビームＱの走査ピッチＢによって設定することができる。ゲッタリングシンク４の形成密度は、例えば、１．０×１０^５〜１．０×１０^７個／ｃｍ^２の範囲が好適である。こうしたゲッタリングシンク４の形成密度は、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による観察で得られた酸素析出物の個数によって検証できる。

以上、詳細に述べた工程によって、エピタキシャル基板１にゲッタリングシンク４が形成される（図３（ｄ）参照）。次に、このゲッタリングシンク４を形成したエピタキシャル基板１を用いて、エピタキシャル層３に多数のフォトダイオード６１を形成する。また、エピタキシャル層３の一面３ａ側に、絶縁層６２や配線６３を形成する（図４（ａ）参照）。また、絶縁層６２の表面を平坦化する。

続いて、フォトダイオード６１や配線６３が形成されたエピタキシャル基板１をアニール装置８０によって所定の温度まで加熱する（図４（ｂ）参照）。これにより、半導体基板２内に拡散している重金属がゲッタリングシンク４に集められ、素子形成部分、即ちフォトダイオード６１が形成された領域の重金属濃度が極めて低い状態にすることができる。

次に、絶縁層６２の一面６２ａ側に支持基板９０を貼りつける（図４（ｃ）参照）。こうした支持基板９０の貼り付けは、後工程での薄厚化におけるエピタキシャル基板１の破損を防止するためである。支持基板９０としては、例えば、シリコンウェーハが用いられれば良い。

続いて、支持基板９０を貼り付けたエピタキシャル基板１を研削装置などを用いて、半導体基板２の他面（裏面）２ａ側から研削する。こうした研削によって、例えば、半導体基板２の全てと、エピタキシャル層３の一部まで削り取って、薄厚化させれば良い（図５（ａ）参照）。

以上、述べたような工程を経て、裏面照射型固体撮像素子６０が完成する（図５（ｂ）参照）。こうした裏面照射型固体撮像素子６０は、入射光Ｆがエピタキシャル層３の他面（裏面）３ｂ側から入射し、フォトダイオード６１で検出される。

以上のように、本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法によれば、エピタキシャル基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射させ、半導体基板の内部における任意の微小領域にレーザビームを集光させることによって、半導体基板の内部の微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造だけを変化させたゲッタリングシンクを容易に、かつ短時間で形成することが可能になる。

これによって、従来のようにゲッタリングシンクを形成するために、長時間の熱処理が不要となり、裏面照射型固体撮像素子の製造工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。また、３００ｍｍウェーハなどに代表される両面研磨基板であっても、半導体基板の内部に容易にゲッタリングシンクを形成することが可能となる。

そして、製造に用いるエピタキシャル基板の半導体基板に形成されたゲッタリングシンクによって、エピタキシャル層に含まれる重金属が確実に捕捉されているため、裏面照射型固体撮像素子の撮像特性を低下させる要因であるフォトダイオードの暗時リーク電流を抑制することができる。よって、優れた撮像特性を持つ裏面照射型固体撮像素子を実現することができる。

本発明の実施例として、基板直径が３００ｍｍ、厚さが０．７２５ｍｍのシリコンウェーハに対して、表２に示す条件のレーザビームを照射し、シリコンウェーハの表面から深さ２μｍの位置に、密度１０^−６個／ｃｍ^２の改質部分（ゲッタリングシンク）を形成したシリコンウェーハを作製した。

上述した実施例における改質部分のゲッタリング効果を確認するため、従来の比較例１として、レーザビームを照射しないこと以外は、上述した実施例と同一のシリコンウェーハを用意した。
また、長時間熱処理による酸素析出部を形成したシリコンウェーハのゲッタリング効果と比較するため、従来の比較例２として、１０時間、および２０時間の熱処理を施すこと以外は上述した比較例１と同一のシリコンウェーハを用意した。

そして、上記した実施例、比較例１、および比較例２の各サンプルについて、ゲッタリング効果を次に示す方法で評価した。
まず、各サンプルを、アンモニア水と過酸化水素水の混合溶液および塩酸と過酸化水素水の混合溶液で洗浄した後、スピンコート汚染法により、重金属であるニッケルで１．０×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度表面汚染させた。次に、縦型熱処理炉で１０００℃、１時間、窒素雰囲気中で拡散熱処理を施し、その後、Ｗｒｉｇｈｔ液（４８％ ＨＦ：３０ｍｌ、６９％ ＨＮＯ_３：３０ｍｌ、ＣｒＯ_３ １ｇ＋Ｈ_２Ｏ ２ｍｌ、酢酸：６０ｍｌ）により各サンプルの表面をエッチングした。そして、表面のエッチピット（ニッケルシリサイドがエッチングされて形成されるピット）の個数を光学顕微鏡により観察してエッチピット密度（個／ｃｍ^２）を測定することにより、各サンプルのゲッタリング能力を評価した。

なお、この方法におけるエッチピット密度の測定限界は１．０×１０^３個／ｃｍ^２である。ゲッタリング能力の評価は、エッチピット密度が１．０×１０^３個／ｃｍ^２以下（測定限界以下）を良好、１．０×１０^３個／ｃｍ^２を超え１．０×１０^５個／ｃｍ^２未満を可、１．０×１０^５個／ｃｍ^２以上を不可とした。

また、比較例２に関して、ゲッタリングシンクとなる酸素析出部の形成に必要な時間を次のように評価した。
各サンプルを（１１０）方向でへき開してＷｒｉｇｈｔ液でエッチングした後、へき開面（サンプル断面）を光学顕微鏡することにより酸素析出物の密度（個／ｃｍ^２）を観察することで評価した。ゲッタリング能力の評価は、上述した実施例１と同様に、ニッケル元素での表面汚染によるゲッタリング能力評価を実施した。

検証の結果、比較例１ではエッチピット密度が１．０×１０^５個／ｃｍ^２となり、ゲッタリング効果が認められなかった。
比較例２では、１０時間の熱処理を施したサンプルでは、酸素析出物の密度が１．０×１０^４個／ｃｍ^２で、エッチピット密度も１．０×１０^５個／ｃｍ^２と殆どゲッタリング効果が認められなかった。また、２０時間の熱処理を施したサンプルでも、酸素析出物の密度が１．０×１０^５個／ｃｍ^２で、エッチピット密度は１．０×１０^４個／ｃｍ^２となり多少のゲッタリング効果が認められるにとどまった。

これに対し、本発明の実施例では、エッチピット密度が１．０×１０^３個／ｃｍ^２以下と十分なゲッタリング効果が認められた。
以上の結果から、本発明のように、レーザビームを短時間照射して半導体基板の所定深さ位置だけに多光子吸収過程を生じさせて結晶構造を改質することにより、優れたゲッタリングシンク能力のあるゲッタリングシンクを任意の位置に容易に形成できることを確認された。

本発明の固体撮像素子用エピタキシャル基板の一例を示した断面図である。 裏面照射型固体撮像素子の一例を示した断面図である。 本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の裏面照射型固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面図である。 ゲッタリングシンクの形成に用いられるレーザ照射装置の一例を示す模式図である。 半導体基板にゲッタリングシンクを形成する様子を示した断面図である。 半導体基板にゲッタリングシンクを形成する様子を示した模式図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子用エピタキシャル基板、２ 半導体基板、３ エピタキシャル層、４ ゲッタリングシンク、裏面照射型固体撮像素子６０。

Claims (9)

1. 半導体基板の一面にエピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル基板を形成する工程と、
   該エピタキシャル基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射し、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、該微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造を変化させたゲッタリングシンクを形成する工程と、
   前記エピタキシャル基板に複数のフォトダイオードを形成する工程と、
   前記エピタキシャル基板を所定の温度でアニールし、前記ゲッタリングシンクに重金属を捕獲させる工程と、
   前記半導体基板の厚みを減じて、前記ゲッタリングシンクを含む領域を除去する工程と、
   を少なくとも備えたことを特徴とする裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
2. 前記レーザビームは、前記エピタキシャル基板を透過可能な波長域であり、前記集光手段は、前記半導体基板の厚み方向における任意の位置に、前記レーザビームを集光させることを特徴とする請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
3. 前記レーザビームは、パルス幅１．０×１０^−１５〜１．０×１０^−８秒、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の超短パルスレーザビームであることを特徴とする請求項１または２記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
4. 前記半導体基板は単結晶シリコンからなり、前記ゲッタリングシンクはアモルファス構造のシリコンを含むことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
5. 前記ゲッタリングシンクは、前記フォトダイオードの形成領域と重なる位置に少なくとも形成されることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
6. 前記ゲッタリングシンクと前記エピタキシャル層との間には、更にＳＯＩ構造の埋込酸化膜が形成されることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
7. 半導体基板と、該半導体基板の一面に形成されたエピタキシャル層と、前記半導体基板に向けて集光手段を介してレーザビームを入射し、前記半導体基板の任意の微小領域に該レーザビームを集光させることにより、該微小領域に多光子吸収過程を生じさせ、該微小領域の結晶構造を変化させて形成したゲッタリングシンクと、前記ゲッタリングシンクと前記エピタキシャル層との間に形成されたＳＯＩ構造の埋込酸化膜と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子用エピタキシャル基板。
8. 前記ゲッタリングシンクは、少なくとも前記フォトダイオードの形成位置と重なる領域に、直径５０〜１５０μｍ、厚み１０〜１５０μｍの範囲のサイズで設けられてなることを特徴とする固体撮像素子用エピタキシャル基板。
9. 前記ゲッタリングシンクは、密度１．０×１０^５〜１．０×１０^７個／ｃｍ^２の範囲で形成されてなることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子用エピタキシャル基板。
   

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