JP2011014673A - Soi substrate and method of manufacturing the same, and method of manufacturing solid-state image pickup device with soi substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いた裏面照射型の固体撮像装置に関し、特に、SOI基板とその製造方法およびそれを用いた固体撮像装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a back-illuminated solid-state imaging device using an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and more particularly to an SOI substrate, a manufacturing method thereof, and a manufacturing method of a solid-state imaging device using the same.
近年、SOI基板を用いて形成する、2次元配列された多数の画素を有し、画素毎に光電変換素子であるフォトダイオードや画素信号読み出し用の複数のMOSトランジスタを設けたCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置が開発されている。 In recent years, such as a CMOS image sensor having a large number of two-dimensionally arranged pixels formed using an SOI substrate, each of which is provided with a photodiode as a photoelectric conversion element and a plurality of MOS transistors for reading pixel signals. Solid-state imaging devices have been developed.
そして、従来、半導体基板の上面に光電変換素子、MOSトランジスタや各種配線を配置して形成した表面照射型の固体撮像装置が一般的な構造であった。しかし、上記構成の場合、光電変換素子の受光領域をMOSトランジスタや配線を避けて配置することが必要となる。そのため、半導体基板の面積を増加させることなく画素数を増加させる場合、各光電変換素子の受光領域の開口率が小さくなるという課題があった。 Conventionally, a surface irradiation type solid-state imaging device formed by arranging photoelectric conversion elements, MOS transistors, and various wirings on the upper surface of a semiconductor substrate has a general structure. However, in the case of the above configuration, it is necessary to dispose the light receiving region of the photoelectric conversion element away from the MOS transistor and the wiring. Therefore, when the number of pixels is increased without increasing the area of the semiconductor substrate, there is a problem that the aperture ratio of the light receiving region of each photoelectric conversion element is reduced.
それを回避するために、最近では、SOI基板あるいはシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板の一方の表面側にMOSトランジスタや配線層を形成し、表面と対向する裏面側に光電変換素子を形成して受光領域を配置した、いわゆる裏面照射型構成の固体撮像装置が開発されている。 In order to avoid this, recently, a semiconductor substrate such as an SOI substrate or a silicon substrate is used, a MOS transistor or a wiring layer is formed on one surface side of the semiconductor substrate, and a photoelectric conversion element is formed on the back surface side facing the surface. A solid-state imaging device having a so-called back-illuminated configuration in which a light receiving region is formed and arranged has been developed.
以下に、従来のSOI基板を用いて形成する裏面照射型の固体撮像装置について、図8と図9を用いて説明する。 A back-illuminated solid-state imaging device formed using a conventional SOI substrate will be described below with reference to FIGS.
図8は、従来のSOI基板の構造および製造方法を説明する断面図である。また、図9は、従来の裏面照射型の固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the structure and manufacturing method of a conventional SOI substrate. FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a conventional back-illuminated solid-state imaging device.
はじめに、図8を用いて、SOI基板の構造および製造方法について、SOI基板を作製する方法の1つである、水素イオン注入工程と分離工程とを組み合わせた貼り合わせ方法を例に、以下で具体的に説明する。 First, referring to FIG. 8, the structure and manufacturing method of an SOI substrate will be described below with an example of a bonding method combining a hydrogen ion implantation step and a separation step, which is one of methods for manufacturing an SOI substrate. I will explain it.
まず、図8(a)に示すように、ベースウェーハである第1単結晶シリコン基板401とボンドウェーハである第2単結晶シリコン基板402を準備する。
First, as shown in FIG. 8A, a first single
つぎに、図8(b)に示すように、第2単結晶シリコン基板402の表面を酸化して、酸化膜であるシリコン酸化膜403を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the surface of the second single
つぎに、図8(c)に示すように、第2単結晶シリコン基板402に水素イオンを注入して、表面から所定の深さに微小気泡層(封入層)404を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, hydrogen ions are implanted into the second single
つぎに、図8(d)に示すように、水素イオンを注入した第2単結晶シリコン基板402のシリコン酸化膜403と第1単結晶シリコン基板401の表面同士を常温で接触させて接着する。
Next, as shown in FIG. 8D, the
つぎに、図8(e)に示すように、上記状態で、500℃以上の温度で熱処理することにより微小気泡層404を境界として、剥離基板406とSOI基板407とに剥離する。このとき、SOI基板407の剥離界面には、通常、ダメージ層が残留する。
Next, as shown in FIG. 8E, in the above state, heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher to separate the
つぎに、図8(f)に示すように、SOI基板407の第2単結晶シリコン基板402のシリコン酸化膜403と第1単結晶シリコン基板401との結合力を向上させるために、1000℃〜1300℃の高温下で加熱処理を行う。その後、SOI基板407の第2単結晶シリコン基板402のダメージ層を除去することにより、SOI基板407が作製される(例えば、特許文献1参照)。
Next, as shown in FIG. 8 (f), in order to improve the bonding force between the
以下に、図9を用いて、裏面照射型の固体撮像装置の製造方法について、具体的に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the backside illumination type solid-state imaging device will be specifically described with reference to FIG.
まず、図9(a)に示すように、石英基板に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させたSOI基板410の上側にシリコン層411、酸化シリコン層412とシリコン層413を積層して形成する。そして、シリコン層413の主表面に、イオン打ち込み法を用いて、フォトダイオード414を形成する。
First, as shown in FIG. 9A, a
つぎに、図9(b)に示すように、シリコン層413の主表面の上面に、例えば金属配線415を形成した配線層415Aと、その上面に機械的強度を向上させるための支持シリコン基板417を貼り合わせて、固体撮像装置前駆体400を作製する。
Next, as shown in FIG. 9B, on the upper surface of the main surface of the
つぎに、図9(c)に示すように、固体撮像装置前駆体400を上下反転させ、SOI基板410とシリコン層411および酸化シリコン層412を、例えばエッチング法などにより除去して、フォトダイオード414を形成したシリコン層413を露出させる。
Next, as shown in FIG. 9C, the solid-state
つぎに、図9(d)に示すように、シリコン層413上に、反射防止膜418や電極パッド(図示せず)を形成する。
Next, as shown in FIG. 9D, an
つぎに、図9(e)に示すように、反射防止膜418の上に、各フォトダイオード414に対応させて、カラーフィルタ420およびオンチップレンズ421を形成する(例えば、特許文献2参照)。
Next, as shown in FIG. 9E, a
これにより、裏面照射型の固体撮像装置を作製できるとしている。 As a result, a back-illuminated solid-state imaging device can be manufactured.
なお、上記反射防止膜418の構成として、例えばシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜からなる2層膜構造などが開示されている(例えば、特許文献3参照)。
As the configuration of the
しかしながら、従来の固体撮像装置の製造方法においては、図9(c)に示したように、一旦、シリコン層413を露出させて、反射防止膜418を堆積する必要がある。そのため、シリコン層413の表面からの金属不純物などの侵入によりシリコン層413が汚染される。さらに、シリコン層413のドーパントとなるボロン(B)やリン(P)などが、反射防止膜418の形成時の加熱などによりシリコン層413から不均一に外部に離脱する。
However, in the conventional method for manufacturing a solid-state imaging device, as shown in FIG. 9C, it is necessary to once expose the
また、反射防止膜418を形成する前に、すでに金属配線415を有する配線層415Aが形成されているため、反射防止膜418を比較的低温下(400℃以下)で成膜して形成しなければならない。このとき、50nm程度の膜厚の反射防止膜418をプラズマCVD法で低温で形成する場合、成膜速度を抑えるために成膜時にチャンバー内に導入する原料ガスの濃度を低く設定する必要がある。しかし、原料ガスの濃度を低くすると、均一なプラズマの発生が困難となるので、成膜する反射防止膜の膜厚のばらつきが大きくなる。具体的には、シリコン層413の表面に形成する、例えば反射防止膜418の膜厚のばらつきは、一般的に10%〜20%となる。そのため、膜厚のばらつき、5%以下が要求される、例えば100nm以下の膜厚を有する反射防止膜418を均一に成膜することが困難である。
Since the
また、反射防止膜をプラズマCVD法で形成する場合、以下で詳細に説明するように、シリコン層413の表面がチャージアップによりダメージを受ける可能性が高くなる。
Further, when the antireflection film is formed by the plasma CVD method, as described in detail below, the surface of the
つまり、上記各要因により、イメージセンサ特性の、例えば暗電流の増加や画素欠陥の増加などによる、劣化や、膜厚ばらつきによる感度低下や感度ばらつきを生じるという課題があった。 In other words, due to the above factors, there has been a problem that image sensor characteristics deteriorate due to, for example, an increase in dark current or an increase in pixel defects, and a decrease in sensitivity or a variation in sensitivity occurs due to a variation in film thickness.
本発明は、上記の課題を解決するもので、イメージセンサ特性の劣化を防止できる、反射防止膜などを予め形成したSOI基板とその製造方法およびそれを用いた固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and provides an SOI substrate on which an antireflection film or the like is formed in advance, which can prevent deterioration of image sensor characteristics, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a solid-state imaging device using the SOI substrate. For the purpose.
上記従来の目的を達成するために、本発明のSOI基板は、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成された第3絶縁膜と、第3絶縁膜上に形成されたシリコン層とからなる構成を有する。 In order to achieve the above-described conventional object, an SOI substrate of the present invention includes a silicon substrate, a first insulating film formed on the silicon substrate, a second insulating film formed on the first insulating film, The second insulating film includes a third insulating film formed on the second insulating film and a silicon layer formed on the third insulating film.
この構成により、膜厚ばらつきが少ない複数の絶縁膜を有するSOI基板を実現できる。また、少なくともシリコン層の片面は露出することがないため、SOI基板を用いて固体撮像装置を形成する後工程において、結晶欠陥などの発生を防止できる信頼性に優れたSOI基板が得られる。 With this configuration, an SOI substrate having a plurality of insulating films with little variation in film thickness can be realized. In addition, since at least one surface of the silicon layer is not exposed, a highly reliable SOI substrate capable of preventing the occurrence of crystal defects and the like in a subsequent process of forming a solid-state imaging device using the SOI substrate can be obtained.
さらに、第1絶縁膜が第1シリコン酸化膜で、第2絶縁膜がシリコン窒化膜で、第3絶縁膜が第2シリコン酸化膜である。これにより、膜厚ばらつきが少ない反射防止膜を備えるSOI基板を実現できる。 Further, the first insulating film is a first silicon oxide film, the second insulating film is a silicon nitride film, and the third insulating film is a second silicon oxide film. Thereby, an SOI substrate including an antireflection film with little film thickness variation can be realized.
さらに、シリコン窒化膜の膜厚が40nm以上65nm以下で、第2シリコン酸化膜の膜厚が0nmを超え25nm以下である。これにより、所定範囲の波長の透過性に優れた反射防止膜を備えるSOI基板を実現できる。 Further, the thickness of the silicon nitride film is 40 nm or more and 65 nm or less, and the thickness of the second silicon oxide film is more than 0 nm and 25 nm or less. Thereby, it is possible to realize an SOI substrate including an antireflection film having excellent transmittance in a predetermined range of wavelengths.
また、本発明のSOI基板の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、第2絶縁膜上に第3絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、第1シリコン基板の第3絶縁膜と第2シリコン基板の第1面とを接着する工程と、第2シリコン基板のうちの第1面と反対の側を結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、を含む。 The method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on a first silicon substrate, a step of forming a second insulating film on the first insulating film, and a step of forming on the second insulating film. A step of forming a third insulating film, a step of forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate, a third insulating film of the first silicon substrate, and a first surface of the second silicon substrate; And a step of peeling a side opposite to the first surface of the second silicon substrate with a crystal defect layer to form a silicon layer.
また、本発明のSOI基板の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面上に第3絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、第1シリコン基板の第2絶縁膜と第2シリコン基板の第3絶縁膜とを接着する工程と、第2シリコン基板のうちの第1面と反対の側を結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、を含む。 The method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on the first silicon substrate, a step of forming a second insulating film on the first insulating film, and a second step of forming the second silicon substrate. A step of forming a third insulating film on one surface, a step of forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate, a second insulating film of the first silicon substrate, and a second silicon substrate. A step of bonding the third insulating film, and a step of peeling a side opposite to the first surface of the second silicon substrate with a crystal defect layer to form a silicon layer.
また、本発明のSOI基板の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面上に第3絶縁膜を形成する工程と、第3絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、第1シリコン基板の第1絶縁膜と第2シリコン基板の第2絶縁膜とを接着する工程と、第2シリコン基板のうちの第1面と反対の側を結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、を含む。 The method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on the first silicon substrate, a step of forming a third insulating film on the first surface of the second silicon substrate, and a third method. A step of forming a second insulating film on the insulating film, a step of forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate, a first insulating film of the first silicon substrate, and a second silicon substrate. A step of bonding the second insulating film, and a step of peeling a side opposite to the first surface of the second silicon substrate with a crystal defect layer to form a silicon layer.
これらの方法により、膜厚ばらつきが少ない複数の絶縁膜を有するSOI基板を容易に作製できる。また、少なくとも第2シリコン基板の片面は露出することがないため、SOI基板を用いて固体撮像装置を形成する後工程において、結晶欠陥などの発生を防止できる信頼性に優れたSOI基板を形成できる。 By these methods, an SOI substrate having a plurality of insulating films with little variation in film thickness can be easily manufactured. In addition, since at least one surface of the second silicon substrate is not exposed, a highly reliable SOI substrate that can prevent generation of crystal defects and the like can be formed in a subsequent process of forming a solid-state imaging device using the SOI substrate. .
さらに、第1絶縁膜が第1シリコン酸化膜で、第2絶縁膜がシリコン窒化膜で、第3絶縁膜が第2シリコン酸化膜である。これにより、膜厚ばらつきが少ない反射防止膜を備えるSOI基板を作製できる。 Further, the first insulating film is a first silicon oxide film, the second insulating film is a silicon nitride film, and the third insulating film is a second silicon oxide film. Accordingly, an SOI substrate including an antireflection film with little variation in film thickness can be manufactured.
さらに、シリコン窒化膜の膜厚が40nm以上65nm以下で、第2シリコン酸化膜の膜厚が0nmを超え25nm以下である。これにより、膜厚ばらつきが少ない反射防止膜を備えるSOI基板を作製できる。 Further, the thickness of the silicon nitride film is 40 nm or more and 65 nm or less, and the thickness of the second silicon oxide film is more than 0 nm and 25 nm or less. Accordingly, an SOI substrate including an antireflection film with little variation in film thickness can be manufactured.
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、第2絶縁膜上に第3絶縁膜を形成する工程と、第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、第1シリコン基板の第3絶縁膜と第2シリコン基板の第1面とを接着する工程と、第2シリコン基板のうちの第1面と反対の側を結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、シリコン層にフォトダイオードを形成する工程と、シリコン層の第1面とは反対の側に積層配線を形成する工程と、第1シリコン基板および第1絶縁膜を除去する工程と、第2絶縁膜の上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成する工程と、を少なくとも含む。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on a first silicon substrate, a step of forming a second insulating film on the first insulating film, and a step on the second insulating film. Forming a third insulating film on the first silicon substrate; forming a crystal defect layer on the first surface side of the second silicon substrate; and a third insulating film of the first silicon substrate and a first surface of the second silicon substrate. Bonding, a step of peeling a side opposite to the first surface of the second silicon substrate with a crystal defect layer to form a silicon layer, a step of forming a photodiode on the silicon layer, Forming a laminated wiring on a side opposite to the first surface, removing the first silicon substrate and the first insulating film, and forming a color filter and an on-chip lens on the second insulating film; , At least.
この方法により、高感度で、感度ばらつきの少ない固体撮像装置を作製できる。 By this method, a solid-state imaging device with high sensitivity and little sensitivity variation can be manufactured.
さらに、第1絶縁膜が第1シリコン酸化膜で、第2絶縁膜がシリコン窒化膜で、第3絶縁膜が第2シリコン酸化膜である。これにより、感度ばらつきが小さく、信頼性に優れた固体撮像装置を作製できる。 Further, the first insulating film is a first silicon oxide film, the second insulating film is a silicon nitride film, and the third insulating film is a second silicon oxide film. Thereby, it is possible to manufacture a solid-state imaging device with small sensitivity variations and excellent reliability.
さらに、シリコン窒化膜の膜厚が40nm以上65nm以下で、第2シリコン酸化膜の膜厚が0nmを超え25nm以下である。これにより、高感度の固体撮像装置を作製できる。 Further, the thickness of the silicon nitride film is 40 nm or more and 65 nm or less, and the thickness of the second silicon oxide film is more than 0 nm and 25 nm or less. Thereby, a highly sensitive solid-state imaging device can be produced.
本発明によれば、高感度とともに、感度および分光特性のばらつきが非常に小さい、高性能な固体撮像装置を実現するSOI基板とその製造方法およびそれを用いた固体撮像装置の製造方法が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain an SOI substrate that realizes a high-performance solid-state imaging device having high sensitivity and extremely small variations in sensitivity and spectral characteristics, a manufacturing method thereof, and a manufacturing method of a solid-state imaging device using the same. .
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素については、同じ符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same elements will be described with the same reference numerals.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1のSOI基板の構造および製造方法について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure and manufacturing method of the SOI substrate according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1におけるSOI基板の構造を説明する断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of an SOI substrate according to Embodiment 1 of the present invention.
図1に示すように、SOI基板100は、単結晶シリコンからなるシリコン基板101と、第1シリコン酸化膜(SiO2)からなる第1絶縁膜102と、シリコン窒化膜(SiN)からなる第2絶縁膜103と、第2シリコン酸化膜(SiO2)からなる第3絶縁膜104および、単結晶シリコンからなるシリコン層106が積層されて構成されている。そして、少なくとも第2絶縁膜103と第3絶縁膜104の2層膜構造により、例えば固体撮像装置の受光側に形成される反射防止膜105を構成している。さらに、シリコン層106は、例えば固体撮像装置の受光素子であるフォトダイオードなどが形成される層となる。このとき、シリコン層106の膜厚としては、例えば5μm〜15μmを有し、例えばエピタキシャル成長法や、単結晶シリコンの貼り合わせなどにより形成される。
As shown in FIG. 1, an
なお、第2絶縁膜103と第3絶縁膜104の2層膜構造により、反射防止膜を構成する場合、可能な限り透過率の高い膜構成とすることが重要である。
Note that when the antireflection film is formed by the two-layer film structure of the second
そこで、以下に、固体撮像装置などに用いられる反射防止膜を構成する第2絶縁膜と第3絶縁膜の最適な膜厚構成について、図2を用いて説明する。 Therefore, an optimum film thickness configuration of the second insulating film and the third insulating film constituting the antireflection film used in the solid-state imaging device or the like will be described below with reference to FIG.
図2は、本発明の実施の形態1におけるSOI基板に設けた反射防止膜の特性を説明する図である。なお、図2は、第2絶縁膜103であるシリコン窒化膜(SiN)の膜厚を変化させた時の、400nm〜650nmの波長を有する可視光の透過率を示している。このとき、第3絶縁膜104である第2シリコン膜(SiO2)の膜厚をパラメータとして図示している。
FIG. 2 is a diagram for explaining the characteristics of the antireflection film provided on the SOI substrate in the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows the transmittance of visible light having a wavelength of 400 nm to 650 nm when the thickness of the silicon nitride film (SiN) that is the second
図2に示すように、第2絶縁膜103の膜厚としては、例えば40nm〜65nmで、好ましくは45nm〜65nm、さらに好ましくは50nm〜60nmである。また、第3絶縁膜104の膜厚としては、例えば0nmを超えて25nm以下で、好ましくは5nm〜15nm、さらに好ましくは5nm〜10nmである。なお、一例として、シリコン窒化膜を50nmとした場合、95%以上の透過率を実現するには、シリコン酸化膜の膜厚として、5nmで形成すればよいことになる。
As shown in FIG. 2, the film thickness of the second
なぜなら、第2絶縁膜103の膜厚が、40nm以下の場合、シリコン基板表面での入射光の反射が顕著となり、65nm以上の場合は、シリコン基板への入射光の透過性が悪化することにより、特性が低下するためである。また、第3絶縁膜104の膜厚が、0nmの場合、第2絶縁膜103であるシリコン窒化膜(SiN)とシリコン基板の界面に界面準位が形成されるためイメージセンサの画質劣化を生じ、25nmを超える場合、シリコン基板表面での入射光の反射が顕著となるためである。
This is because when the thickness of the second
本実施の形態によれば、予め反射防止膜を有するSOI基板を実現できる。また、少なくとも2層膜構造からなる反射防止膜の膜厚ばらつきを小さくできる。さらに、反射防止膜の上にシリコン層を設けるため、例えばこのSOI基板を用いて固体撮像装置を形成する場合、少なくともシリコン層の片面(第3絶縁膜104側)が露出することがない。その結果、シリコン層の結晶欠陥などの発生を未然に防止できるSOI基板を実現できる。
According to this embodiment, an SOI substrate having an antireflection film in advance can be realized. Moreover, the film thickness variation of the antireflection film having at least a two-layer film structure can be reduced. Further, since a silicon layer is provided on the antireflection film, for example, when a solid-state imaging device is formed using this SOI substrate, at least one surface (the third
なお、本実施の形態では、反射防止膜として、シリコン酸化膜(SiO)/シリコン窒化膜(SiN)構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、シリコン酸化膜(SiO)/シリコン酸化窒化膜(SiON)構成や、シリコン窒化膜(SiN)/シリコン酸化窒化膜(SiON)構成でもよく、同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the silicon oxide film (SiO) / silicon nitride film (SiN) structure is described as an example of the antireflection film, but the present invention is not limited to this. For example, a silicon oxide film (SiO) / silicon oxynitride film (SiON) structure or a silicon nitride film (SiN) / silicon oxynitride film (SiON) structure may be used, and similar effects can be obtained.
以下に、本発明の実施の形態1におけるSOI基板の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。 Below, the manufacturing method of the SOI substrate in Embodiment 1 of this invention is demonstrated in detail using drawing.
図3は、本発明の実施の形態1におけるSOI基板の製造方法を説明する断面図である。なお、図1と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明する。また、SOI基板のシリコン基板として第1シリコン基板101、第1絶縁膜として第1シリコン酸化膜102、第2絶縁膜としてシリコン窒化膜103、第3絶縁膜として第2シリコン酸化膜104を例に説明する。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the SOI substrate in the first embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same component as FIG. Further, the
まず、図3(a)に示すように、第1シリコン基板101を、酸素雰囲気中、例えば900℃以上の温度で熱処理することにより、第1シリコン基板101の表面に、例えば膜厚200nmの第1シリコン酸化膜102を形成する。その後、第1シリコン酸化膜102上に、減圧CVD法を用いて、例えば50nmの膜厚でシリコン窒化膜103を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、750℃程度の温度下で、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガスとアンモニア(NH3)ガスを用いてシリコン窒化膜が堆積される。これにより、第1シリコン酸化膜102の屈折率(例えば、N=4.047)とは異なる屈折率(N=2.02)のシリコン窒化膜103が形成される。同様に、減圧CVD法を用いて、シリコン窒化膜103上に、例えば5nmの膜厚で第2シリコン酸化膜104を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、800℃程度の温度下で、モノシラン(SiH4)ガスと亜酸化窒素(N2O)ガスを用いて第2シリコン酸化膜104が堆積される。これにより、シリコン窒化膜103と第2シリコン酸化膜104との2層膜構造の反射防止膜105が形成される。
First, as shown in FIG. 3A, the
なお、減圧CVD法は、700℃以上の高温の熱エネルギーを利用して、各原料ガスの反応蒸着で成膜するため、緻密で膜厚均一性に優れた成膜が可能となるものである。具体的には、100nm以下の膜厚で形成する必要があるシリコン窒化膜103と第2シリコン酸化膜を、5%以下の膜厚ばらつきで形成できる。そのため、従来、低温で反射防止膜を成膜するプラズマCVD法で課題であった、膜厚ばらつきを大幅に抑制できる。また、以降で図7を用いて説明するように、フォトダイオードを形成したシリコン層上に反射防止膜を形成する場合、プラズマCVD法のプラズマに起因するシリコン層などのチャージアップによる損傷を未然に回避することができる。その結果、シリコン層の表面安定性や信頼性を大幅に向上できる。
Note that the low-pressure CVD method uses high-temperature heat energy of 700 ° C. or higher to form a film by reactive vapor deposition of each source gas, so that a dense and excellent film thickness uniformity can be formed. . Specifically, the
つぎに、図3(b)に示すように、第2シリコン基板107の第1面107Aから、1016〜1017atoms/cm2のドーズ量、加速エネルギー2000KV程度で、イオン注入法によって水素イオンを注入する。このとき、第2シリコン基板107に注入された水素イオンの濃度が、第2シリコン基板107の第1面107Aから、例えば5μm〜15μmの深さで最大となるように、例えば注入するイオンの加速エネルギーを設定してイオン注入する。これにより、第2シリコン基板107中に、例えば1μm〜2μmの厚みの結晶欠陥層108が形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, hydrogen ions are ion-implanted from the
つぎに、図3(c)に示すように、図3(a)に示す第1シリコン基板101上に形成された第2シリコン酸化膜104の表面と、図3(b)に示す水素イオンを注入した側の第2シリコン基板107の第1面107Aとを室温で貼り合わせる。この状態で、例えば400℃〜500℃で熱処理して、結晶欠陥層108に多数の高密度のボイド層109を形成する。なお、ボイド層109を形成する熱処理の温度は、注入された水素イオンが水素ガスとなって急速に拡散し、かつ、第2シリコン基板107から放出する臨界温度よりも低く維持する条件に設定される。
Next, as shown in FIG. 3C, the surface of the second
そして、上記処理において、図3(d)に示すように、結晶欠陥層に形成された高密度のボイド層により、第2シリコン基板107を劈開し、第1面と反対側の第2シリコン基板107を剥離する。これにより、第1シリコン基板101の第2シリコン酸化膜104の上に、単結晶シリコン基板の第2シリコン基板107から剥離し、分離してシリコン層106を形成する。
Then, in the above process, as shown in FIG. 3D, the
つぎに、例えば1000℃以上で数時間、熱処理することにより、第2シリコン酸化膜104とシリコン層106との貼り合わせ面を強固に接着する。
Next, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. or higher for several hours, thereby firmly bonding the bonding surfaces of the second
そして、シリコン層106の劈開された面を、例えば機械的な研磨やCMP法で鏡面研磨することにより、SOI基板100が作製される。これにより、3μm〜15μm程度の膜厚のシリコン層106が形成される。なお、上記シリコン層106の膜厚は、例えば固体撮像装置のフォトダイオードの形成に必要な厚み以上で、結晶欠陥層を除去する厚みなどを考慮して設定されるものである。
Then, the cleaved surface of the
本実施の形態の製造方法によれば、膜厚ばらつきが少ない複数の絶縁膜を有するとともに、絶縁膜の構成により予め形成した反射防止膜105を備えたSOI基板100を容易に作製できる。また、少なくともシリコン層106の片面(第1面107A)は露出することがないため、SOI基板100を用いて固体撮像装置を形成する後工程において、結晶欠陥などの発生を防止できる信頼性に優れたSOI基板100を作製できる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, an
(実施の形態2)
以下に、本発明の実施の形態2におけるSOI基板の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 2)
Below, the manufacturing method of the SOI substrate in Embodiment 2 of this invention is demonstrated in detail using drawing.
図4は、本発明の実施の形態2におけるSOI基板の製造方法を説明する断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an SOI substrate according to Embodiment 2 of the present invention.
そして、本実施の形態のSOI基板の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜と第2絶縁膜を形成し、第2シリコン基板に第3絶縁膜を形成する点で、実施の形態1のSOI基板の製造方法とは異なる。なお、実施の形態1と同様に、SOI基板のシリコン基板として第1シリコン基板201、第1絶縁膜として第1シリコン酸化膜202、第2絶縁膜としてシリコン窒化膜203、第3絶縁膜として第2シリコン酸化膜204を例に説明する。
The SOI substrate manufacturing method according to the present embodiment is implemented in that the first insulating film and the second insulating film are formed on the first silicon substrate, and the third insulating film is formed on the second silicon substrate. This is different from the manufacturing method of the SOI substrate of mode 1. As in the first embodiment, the silicon substrate of the SOI substrate is the
まず、図4(a)に示すように、第1シリコン基板201を、酸素雰囲気中、例えば900℃以上の温度で熱処理することにより、第1シリコン基板201の表面に、例えば膜厚200nmの第1シリコン酸化膜202を形成する。その後、第1シリコン酸化膜202上に、減圧CVD法を用いて、例えば50nmの膜厚でシリコン窒化膜203を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、750℃程度の温度下で、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガスとアンモニア(NH3)ガスを用いてシリコン窒化膜が堆積される。
First, as shown in FIG. 4A, the
つぎに、図4(b)に示すように、第2シリコン基板207の第1表面207Aに、減圧CVD法を用いて、例えば5nmの膜厚で第2シリコン酸化膜204を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、800℃程度の温度下で、モノシラン(SiH4)ガスと亜酸化窒素(N2O)ガスを用いて第2シリコン酸化膜204が堆積される。
Next, as shown in FIG. 4B, a second
つぎに、図4(c)に示すように、第2シリコン基板207上に形成された第2シリコン酸化膜204の表面から、第2シリコン基板207中に、1016〜1017atoms/cm2のドーズ量、加速エネルギー2000KV程度で、イオン注入法によって水素イオンを注入する。このとき、第2シリコン基板207に注入された水素イオンの濃度が、第2シリコン基板207の第1表面207Aから、例えば5μm〜15μmの深さで最大となるように、例えば注入するイオンの加速エネルギーを設定してイオン注入する。これにより、第2シリコン基板207中に、例えば1μm〜2μmの厚みの結晶欠陥層208が形成される。
Next, as shown in FIG. 4 (c), 10 16 to 10 17 atoms / cm 2 from the surface of the second
つぎに、図4(d)に示すように、図4(a)に示す第1シリコン基板201上に形成されたシリコン窒化膜203の表面と、図4(c)に示す第2シリコン基板207上に形成された第2シリコン酸化膜204の表面とを室温で貼り合わせる。この状態で、例えば400℃〜500℃で熱処理して、結晶欠陥層208に多数の高密度のボイド層209を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, the surface of the
そして、上記処理において、図4(e)に示すように、結晶欠陥層に形成された高密度のボイド層により、第2シリコン基板207を劈開し、第1面207Aと反対側の第2シリコン基板207を剥離する。これにより、第1シリコン基板201のシリコン窒化膜203の上に、第2シリコン酸化膜204を介して単結晶シリコン基板の第2シリコン基板207から剥離し、分離してシリコン層206が積層される。
Then, in the above process, as shown in FIG. 4E, the
つぎに、例えば1000℃以上で数時間、熱処理することにより、シリコン窒化膜203と第2シリコン酸化膜204との貼り合わせ面を強固に接着する。このとき、シリコン窒化膜203と第2シリコン酸化膜204とにより、反射防止膜205が形成される。
Next, the bonded surface of the
そして、シリコン層206の劈開された面を、例えば機械的な研磨やCMP法で鏡面研磨することにより、3μm〜15μm程度の膜厚のシリコン層206が形成されたSOI基板200が作製される。このとき、上記シリコン層206の膜厚は、例えば固体撮像装置のフォトダイオードの形成に必要な厚み以上で、結晶欠陥層を除去する厚みなどを考慮して設定されるものである。
Then, the cleaved surface of the
本実施の形態の製造方法によれば、膜厚ばらつきが少ない複数の絶縁膜を有するとともに、絶縁膜の構成により予め形成した反射防止膜205を備えたSOI基板200を容易に作製できる。また、少なくともシリコン層206の第1面207Aは露出することがないため、SOI基板200を用いて固体撮像装置を形成する後工程において、結晶欠陥などの発生を防止できる信頼性に優れたSOI基板200を作製できる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, an
なお、本実施の形態では、シリコン窒化膜の膜厚を50nm、第2シリコン酸化膜の膜厚を5nmを例に説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態1と同様に、シリコン窒化膜203の膜厚としては、例えば40nm〜65nmの範囲、第2シリコン酸化膜204の膜厚としては、例えば0nmを超えて25nm以下の範囲であればよく、同様の効果が得られる。
In this embodiment, the film thickness of the silicon nitride film is 50 nm and the film thickness of the second silicon oxide film is 5 nm. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the first embodiment, the thickness of the
(実施の形態3)
以下に、本発明の実施の形態3におけるSOI基板の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 3)
Below, the manufacturing method of the SOI substrate in Embodiment 3 of this invention is demonstrated in detail using drawing.
図5は、本発明の実施の形態3におけるSOI基板の製造方法を説明する断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an SOI substrate according to Embodiment 3 of the present invention.
そして、本実施の形態のSOI基板の製造方法は、第1シリコン基板上に第1絶縁膜を形成し、第2シリコン基板に第2絶縁膜と第3絶縁膜を形成する点で、実施の形態1のSOI基板の製造方法とは異なる。なお、実施の形態1と同様に、SOI基板のシリコン基板として第1シリコン基板301、第1絶縁膜として第1シリコン酸化膜302、第2絶縁膜としてシリコン窒化膜303、第3絶縁膜として第2シリコン酸化膜304を例に説明する。
The SOI substrate manufacturing method according to the present embodiment is implemented in that the first insulating film is formed on the first silicon substrate, and the second insulating film and the third insulating film are formed on the second silicon substrate. This is different from the manufacturing method of the SOI substrate of mode 1. As in the first embodiment, the
まず、図5(a)に示すように、第1シリコン基板301を、酸素雰囲気中、例えば900℃以上の温度で熱処理することにより、第1シリコン基板301の表面に、例えば膜厚200nmの第1シリコン酸化膜302を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, the
つぎに、図5(b)に示すように、第2シリコン基板307の第1表面307A上に、減圧CVD法を用いて、例えば5nmの膜厚で第2シリコン酸化膜304を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、800℃程度の温度下で、モノシラン(SiH4)ガスと亜酸化窒素(N2O)ガスを用いて第2シリコン酸化膜304が堆積される。その後、第2シリコン酸化膜304上に、減圧CVD法を用いて、例えば50nmの膜厚でシリコン窒化膜303を形成する。このとき、減圧CVD法の成膜条件として、750℃程度の温度下で、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガスとアンモニア(NH3)ガスを用いてシリコン窒化膜が堆積される。これにより、シリコン窒化膜303と第2シリコン酸化膜304とからなる反射防止膜305が形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, a second
つぎに、図5(c)に示すように、第2シリコン基板307上に形成した反射防止膜305のシリコン窒化膜303の表面から、第2シリコン基板307中に、1016〜1017atoms/cm2のドーズ量、加速エネルギー2000KV程度で、イオン注入法によって水素イオンを注入する。このとき、第2シリコン基板307に注入された水素イオンの濃度が、第2シリコン基板307の第1面307Aから、例えば5μm〜15μmの深さで最大となるように、例えば注入するイオンの加速エネルギーを設定してイオン注入する。これにより、第2シリコン基板307中に、例えば1μm〜2μmの厚みの結晶欠陥層308が形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, from the surface of the
つぎに、図5(d)に示すように、図5(a)に示す第1シリコン基板301上に形成された第1シリコン酸化膜302の表面と、図5(c)に示す第2シリコン基板207上に形成されたシリコン窒化膜303の表面とを室温で貼り合わせる。この状態で、例えば400℃〜500℃で熱処理して、結晶欠陥層308に多数の高密度のボイド層309を形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (d), the surface of the first
そして、上記処理において、図5(e)に示すように、結晶欠陥層に形成された高密度のボイド層により、第2シリコン基板307を劈開し、第1面307Aと反対側の第2シリコン基板307を剥離する。これにより、第1シリコン基板301の第1シリコン酸化膜302の上に、シリコン窒化膜303を介して単結晶シリコン基板の第2シリコン基板307から剥離し、分離してシリコン層306が積層される。
Then, in the above process, as shown in FIG. 5E, the
つぎに、例えば1000℃以上で数時間、熱処理することにより、シリコン窒化膜303と第1シリコン酸化膜202との貼り合わせ面を強固に接着する。
Next, the bonded surface of the
そして、シリコン層306の劈開された面を、例えば機械的な研磨やCMP法で鏡面研磨することにより、3μm〜15μm程度の膜厚のシリコン層306が形成されたSOI基板300が作製される。このとき、上記シリコン層306の膜厚は、例えば固体撮像装置のフォトダイオードの形成に必要な厚み以上で、結晶欠陥層を除去する厚みなどを考慮して設定されるものである。
Then, the cleaved surface of the
本実施の形態の製造方法によれば、膜厚ばらつきが少ない複数の絶縁膜を有するとともに、絶縁膜の構成により予め形成した反射防止膜305を備えたSOI基板300を容易に作製できる。また、少なくともシリコン層306の第1面307Aは露出することがないため、SOI基板300を用いて固体撮像装置を形成する後工程において、結晶欠陥などの発生を防止できる信頼性に優れたSOI基板300を作製できる。
According to the manufacturing method of this embodiment, an
なお、本実施の形態では、シリコン窒化膜の膜厚を50nm、第2シリコン酸化膜の膜厚を5nmを例に説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態1と同様に、シリコン窒化膜303の膜厚としては、例えば40nm〜65nmの範囲、第2シリコン酸化膜304の膜厚としては、例えば0nmを超えて25nm以下の範囲であればよく、同様の効果が得られる。
In this embodiment, the film thickness of the silicon nitride film is 50 nm and the film thickness of the second silicon oxide film is 5 nm. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the first embodiment, the thickness of the
(実施の形態4)
以下に、本発明の実施の形態4における固体撮像装置の製造方法について、図6を用いて詳細に説明する。つまり、本実施の形態は、実施の形態1の図3で説明したSOI基板100を用いて、固体撮像装置を作製するものである。そのため、SOI基板の構造および製造方法の説明は省略する。そこで、SOI基板を形成した以降の固体撮像装置の製造方法について、詳細に説明する。
(Embodiment 4)
Below, the manufacturing method of the solid-state imaging device in Embodiment 4 of this invention is demonstrated in detail using FIG. That is, in the present embodiment, a solid-state imaging device is manufactured using the
図6は、本発明の実施の形態4における固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。なお、実施の形態1の構成要素と同じものには、同じ符号を付して説明する。 FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same component as Embodiment 1. FIG.
まず、図6(a)に示すように、シリコン層106内に、ヒ素(As)またはリン(P)などのイオン打ち込みによって、n型の不純物拡散層からなる光電変換を行うフォトダイオード111を形成する。このとき、フォトダイオード111の受光部を第2シリコン酸化膜104側に向けて形成する。なお、フォトダイオード111は、シリコン層106を形成する第2シリコン基板107として用いたn型の単結晶シリコン基板を利用して形成されている。そして、フォトダイオード111からn型の単結晶シリコン基板に連なるn型領域が光電変換領域となる。このとき、シリコン層106の厚みとしては、上述したように、可視光を良好に光電変換できる5μm〜15μmの膜厚で形成されている。
First, as shown in FIG. 6A, a
つぎに、図6(b)に示すように、シリコン層106上に、ゲート酸化膜を介して形成された、例えばポリシリコンからなるゲート電極112や、アルミニウムまたは銅からなる多層の金属配線113を有する配線層113Aを形成する。このとき、裏面照射型の固体撮像装置では、配線層113A側から入射光を取り込む構造ではないので、フォトダイオード111の形成領域上でのゲート電極や金属配線などを任意に引き回してレイアウトすることができる。そのため、配線層の設計自由度が高くなるとともに、フォトダイオードで構成される画素自体の微細化を図ることが可能となる。また、配線層113Aの層数(通常は5層以上である)が多くなっても、微細化技術の進んだ最新のCMOSプロセスを用いて、固体撮像装置を容易に作製することができる。
Next, as shown in FIG. 6B, a
そして、配線層113Aを形成した後、その上部に、例えばシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜114を100nm〜300nm程度の厚みで形成する。その後、さらに、層間絶縁膜114を介して、数100μmの厚さを有するシリコン基板などからなる支持部材115を貼り合わせて、固体撮像装置前駆体150Aを作製する。これにより、機械的強度が向上するとともに、取り扱いが容易な固体撮像装置前駆体150Aが得られる。なお、支持部材として、上記シリコン基板以外に、ガラスや有機膜を用いてもよい。
Then, after the
つぎに、図6(c)に示すように、固体撮像装置前駆体150Aを上下に反転させ、第1シリコン基板101を、例えばCMP法で、さらに第1シリコン酸化膜102をウェットエッチング法を用いて除去する。なお、CMP法とウェットエッチング法を併用してもよい。
Next, as shown in FIG. 6C, the solid-state
このとき、第1シリコン酸化膜のエッチング法として、バッファードフッ酸を薬液として用いたウェットエッチング法により、被エッチング膜である第1シリコン酸化膜102と、下地となるシリコン窒化膜103とのエッチング選択比を、例えば200程度と大きくできる。その結果、シリコン窒化膜103を所定の膜厚(40nm〜65nm)で残存させることができる。
At this time, as the etching method of the first silicon oxide film, the wet etching method using buffered hydrofluoric acid as a chemical solution is used to etch the first
また、フォトダイオードを形成している半導体基板へのチャージアップダメージや金属などの不純物イオンの打ち込みを引き起こす原因となるプラズマを用いたドライ方式のエッチングではなく、ウェット方式のエッチングを適用することで、チャージアップに起因するダメージや金属などの不純物の打ち込みに起因したイメージセンサ特性の劣化(暗電流の増加や画素欠陥の増加)を引き起こすことなく、第1シリコン酸化膜102を除去することが可能となる。
In addition, by applying wet etching instead of dry etching using plasma that causes charge-up damage to semiconductor substrates forming photodiodes and implantation of impurity ions such as metals, It is possible to remove the first
そして、フォトダイオード111を形成したシリコン層106の上に設けた、0nmを超えて25nm以下の膜厚を有する第2シリコン酸化膜104および40nm〜65nmの膜厚を有するシリコン窒化膜103の、少なくとも2層構成の積層膜が、反射防止膜105として形成される。
At least a second
つぎに、図6(d)に示すように、シリコン窒化膜103上に、例えばアクリル樹脂などの透明な有機膜からなる平坦化膜120を、例えば0.5μmで回転塗布法を用いて堆積する。そして、さらに、平坦化膜120上に、シリコン層106に形成した各フォトダイオード111に対応させて、カラーフィルタ121やオンチップレンズ122を形成する。なお、平坦化膜の形成は、反射防止膜が平坦であれば、必ずしも必要ではなく、この工程を省略してもよい。
Next, as shown in FIG. 6D, a
上記工程により、CMOS構造のイメージセンサからなる固体撮像装置150が作製される。
Through the above process, the solid-
つまり、本実施の形態によれば、SOI基板100の第1シリコン基板101とシリコン層106との間に、屈折率の異なる絶縁膜の積層構造(第1シリコン酸化膜102、シリコン窒化膜103および第2シリコン酸化膜104)を予め形成する。そして、SOI基板100のシリコン層106にフォトダイオード111を形成し、その上にゲート電極112、金属配線113などの配線層113Aを形成する。その後、SOI基板100の第1シリコン基板101と第1シリコン酸化膜102を除去して、固体撮像装置の光照射面に、屈折率の異なる2層の絶縁膜(第2シリコン酸化膜104とシリコン窒化膜103)からなる反射防止膜を形成して固体撮像装置150が作製される。
That is, according to the present embodiment, an insulating film having a different refractive index between the
これにより、従来の固体撮像装置の製造において課題であった、反射防止膜を形成する前にフォトダイオードが形成されたシリコン層の表面を露出させることなく、固体撮像装置を形成することができる。 As a result, the solid-state imaging device can be formed without exposing the surface of the silicon layer on which the photodiode is formed before forming the antireflection film, which was a problem in the manufacture of the conventional solid-state imaging device.
そこで、シリコン層を露出しないことにより得られる効果について、具体的に説明する。 Therefore, the effect obtained by not exposing the silicon layer will be specifically described.
まず、シリコン層が露出した状態で反射防止膜を形成する場合に生じるイメージセンサ特性の劣化(画素特性のばらつき、暗電流の増加、画素欠陥の増加)のメカニズムについて、図7を用いて説明する。 First, the mechanism of image sensor characteristic deterioration (pixel characteristic variation, dark current increase, pixel defect increase) that occurs when an antireflection film is formed with the silicon layer exposed will be described with reference to FIG. .
図7は、イメージセンサ特性の劣化のメカニズムを説明する模式図である。 FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a mechanism of deterioration of image sensor characteristics.
つまり、従来は、シリコン層の表面が露出した状態で、プラズマCVD法によって、低温で反射防止膜を構成するシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を成膜する必要があった。 That is, conventionally, it has been necessary to form a silicon oxide film and a silicon nitride film constituting the antireflection film at a low temperature by the plasma CVD method with the surface of the silicon layer exposed.
そのため、図7(a)に示すように、シリコン層の表面を露出させた状態でプラズマ処理すると、プラズマCVD装置の壁面やプラズマ発生電極などから発生した重金属原子(例えば、ニッケル、鉄など)が、プラズマによって生じた電界によってシリコン層中に打ち込まれる。そして、打ち込まれた重金属原子は、シリコン層中を拡散し、シリコン層内に結晶欠陥を発生させる要因となる。 Therefore, as shown in FIG. 7A, when the plasma treatment is performed with the surface of the silicon layer exposed, heavy metal atoms (for example, nickel, iron, etc.) generated from the wall surface of the plasma CVD apparatus or the plasma generating electrode are generated. The silicon layer is driven by the electric field generated by the plasma. The implanted heavy metal atoms diffuse in the silicon layer and cause crystal defects in the silicon layer.
また、プラズマ処理によって、電荷を帯びた粒子(例えば、水素イオンなど)がシリコン層の表面近傍に取り込まれると、シリコン層中に電荷生成中心が発生する、いわゆるチャージアップダメージを誘起する。この電荷生成中心は、シリコン層の内部で発生した電荷の取り込みや放出などの作用をするため、上記の結晶欠陥と同様の影響を与える。 In addition, when charged particles (for example, hydrogen ions) are taken in the vicinity of the surface of the silicon layer by plasma treatment, so-called charge-up damage is generated in which charge generation centers are generated in the silicon layer. This charge generation center has an effect similar to that of the above-described crystal defect because it acts to take in or release the charge generated inside the silicon layer.
つまり、図7(b)に示すように、シリコン層中に発生した結晶欠陥や電荷生成中心は、暗電流の増加や画素欠陥の増加を引き起こす。具体的には、熱励起された電子は、シリコン層中の重金属に起因した結晶欠陥や電荷生成中心を介して、価電子帯から伝導帯に移動する微小なリーク電流を生じるため、外部から光が入射しない場合(暗黒の状態)においても、微小な電流が発生する。その結果、イメージセンサから出力された画面上に白色の点や線状の画像欠陥を生じる。そこで、上記の結晶欠陥や電荷生成中心を緩和して機能を回復するために、通常800℃以上の高温でのアニール処理を行う。しかし、従来の固体撮像装置の製造方法では、融点が800℃よりも低い金属配線が反射防止膜を形成する前にすでに形成されているため、アニール処理ができず、アニール処理による画素特性の改善は不可能である。 That is, as shown in FIG. 7B, crystal defects and charge generation centers generated in the silicon layer cause an increase in dark current and an increase in pixel defects. Specifically, the thermally excited electrons generate a minute leakage current that moves from the valence band to the conduction band via crystal defects and charge generation centers caused by heavy metals in the silicon layer. Even when no light enters (dark state), a minute current is generated. As a result, white dots or linear image defects are generated on the screen output from the image sensor. Therefore, annealing treatment is usually performed at a high temperature of 800 ° C. or higher in order to restore the function by relaxing the crystal defects and charge generation centers. However, in the conventional method for manufacturing a solid-state imaging device, the metal wiring having a melting point lower than 800 ° C. is already formed before the antireflection film is formed, so that the annealing process cannot be performed, and the pixel characteristics are improved by the annealing process. Is impossible.
また、図7(a)に示すように、プラズマCVD処理時のシリコン層の温度上昇によって、シリコン層中のヒ素やリンなどのドーパントがシリコン層の外部へ脱離し、シリコン層のn型不純物濃度が局所的にばらつく。その結果、光が入射した際のフォトダイオードの光電変換特性のばらつきが生じ、画素毎の感度ばらつきを発生させる。 Further, as shown in FIG. 7A, due to the temperature rise of the silicon layer during the plasma CVD process, dopants such as arsenic and phosphorus in the silicon layer are desorbed to the outside of the silicon layer, and the n-type impurity concentration of the silicon layer Vary locally. As a result, variation in photoelectric conversion characteristics of the photodiode when light is incident occurs, resulting in variation in sensitivity for each pixel.
しかし、上述したように、本実施の形態の製造方法によれば、フォトダイオードを形成したシリコン層の表面(第1面)は、反射防止膜の製造工程を通して露出することがない。また、反射防止膜となる第2シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を、SOI基板中に予め形成するため、フォトダイオードの表面となるシリコン層の表面がプラズマに曝されることもない。そのため、プラズマ処理により、重金属原子の侵入によるシリコン層中の結晶欠陥が発生しない。その結果、イメージセンサ特性の劣化(暗電流の増加、画素欠陥の増加)が生じない。 However, as described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the surface (first surface) of the silicon layer on which the photodiode is formed is not exposed through the manufacturing process of the antireflection film. In addition, since the second silicon oxide film and silicon nitride film that serve as antireflection films are formed in advance in the SOI substrate, the surface of the silicon layer that serves as the surface of the photodiode is not exposed to plasma. Therefore, the crystal treatment does not cause crystal defects in the silicon layer due to penetration of heavy metal atoms. As a result, image sensor characteristics are not deteriorated (increase in dark current and increase in pixel defects).
また、シリコン層の表面はプラズマ処理による高温に曝されないので、シリコン層中のドーパントとなるボロンやリンなどがシリコン層から外部へ離脱しないため、画素特性(画素毎の光電変換特性)のばらつきを大きく低減できる。 In addition, since the surface of the silicon layer is not exposed to high temperatures due to plasma treatment, boron and phosphorus, which are dopants in the silicon layer, do not leave the silicon layer to the outside, so that variations in pixel characteristics (photoelectric conversion characteristics for each pixel) occur. It can be greatly reduced.
また、本実施の形態の製造方法によれば、金属配線などの配線層を形成した後、高温処理を要する反射防止膜を形成する必要がない。そのため、緻密で均一性の高い成膜を実現できる減圧CVD法により、0nmを超えて100nm以下程度の薄い膜厚の反射防止膜を均一で、膜厚ばらつきを5%以下に抑制して形成することができる。 Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, it is not necessary to form an antireflection film that requires high-temperature treatment after forming a wiring layer such as a metal wiring. Therefore, an anti-reflective film having a thin film thickness of more than 0 nm and not more than 100 nm is formed uniformly with a film thickness variation of 5% or less by a low pressure CVD method capable of realizing a dense and highly uniform film formation. be able to.
また、本実施の形態の製造方法によれば、反射防止膜を構成するシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの屈折率が、従来の成膜方法であるプラズマCVD法にくらべて、均一で、再現性よく形成できる。そのため、感度を高めるのに要求される反射防止膜の膜厚の低減および膜質(屈折率)のばらつきの低減が可能となる。その結果、高感度で、かつ感度および分光特性のばらつきが非常に小さい、高性能なイメージセンサなどの固体撮像装置を実現できる。 In addition, according to the manufacturing method of the present embodiment, the refractive index of the silicon nitride film or silicon oxide film constituting the antireflection film is uniform and reproducible as compared with the plasma CVD method which is a conventional film forming method. It can be formed well. For this reason, it is possible to reduce the film thickness of the antireflection film and the variation in film quality (refractive index) required to increase the sensitivity. As a result, it is possible to realize a solid-state imaging device such as a high-performance image sensor having high sensitivity and extremely small variations in sensitivity and spectral characteristics.
なお、本実施の形態では、実施の形態1のSOI基板を用いた固体撮像装置を例に説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態2や実施の形態3のSOI基板を用いて固体撮像装置を作製してもよく、同様の効果が得られる。 In this embodiment, the solid-state imaging device using the SOI substrate of Embodiment 1 is described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a solid-state imaging device may be manufactured using the SOI substrate of Embodiment 2 or Embodiment 3, and similar effects can be obtained.
また、本実施の形態では、固体撮像装置として、CMOSイメージセンサを例に説明したが、CCD型の固体撮像装置に適用しても、同様の効果が得られる。 In the present embodiment, a CMOS image sensor has been described as an example of the solid-state imaging device. However, the same effect can be obtained even when applied to a CCD solid-state imaging device.
本発明によれば、入射光に対する感度の向上や感度ばらつきの低減が要望される裏面照射型の固体撮像装置を構成するSOI基板とその製造方法およびそれを用いた固体撮像装置の製造方法などの技術分野に有用である。 According to the present invention, an SOI substrate constituting a back-illuminated solid-state imaging device for which improvement in sensitivity to incident light and reduction in sensitivity variation are desired, a manufacturing method thereof, a manufacturing method of a solid-state imaging device using the SOI substrate, etc. Useful for technical fields.
100,200,300 SOI基板
101,201,301 シリコン基板
102,202,302 第1シリコン酸化膜(第1絶縁膜)
103,203,303 シリコン窒化膜(第2絶縁膜)
104,204,304 第2シリコン酸化膜(第3絶縁膜)
105,205,305 反射防止膜
106,206,306 シリコン層
107,207,307 第2シリコン基板
107A,207A,307A 第1面
108,208,308 結晶欠陥層
109,209,309 ボイド層
111 フォトダイオード
112 ゲート電極
113 金属配線
113A 配線層
114 層間絶縁膜
115 支持部材
120 平坦化膜
121 カラーフィルタ
122 オンチップレンズ
150 固体撮像装置
150A 固体撮像装置前駆体
400 固体撮像装置前駆体
401 第1単結晶シリコン基板
402 第2単結晶シリコン基板
403 シリコン酸化膜
404 微小気泡層(封入層)
406 剥離基板
407,410 SOI基板
411,413 シリコン層
412 酸化シリコン層
414 フォトダイオード
415 金属配線
415A 配線層
417 支持シリコン基板
418 反射防止膜
420 カラーフィルタ
421 オンチップレンズ
100, 200, 300
103, 203, 303 Silicon nitride film (second insulating film)
104, 204, 304 Second silicon oxide film (third insulating film)
105, 205, 305
406
Claims (11)
前記シリコン基板上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜上に形成されたシリコン層とからなることを特徴とするSOI基板。 A silicon substrate;
A first insulating film formed on the silicon substrate;
A second insulating film formed on the first insulating film;
A third insulating film formed on the second insulating film;
An SOI substrate comprising a silicon layer formed on the third insulating film.
前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上に第3絶縁膜を形成する工程と、
第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、
前記第1シリコン基板の前記第3絶縁膜と前記第2シリコン基板の前記第1面とを接着する工程と、
前記第2シリコン基板のうちの前記第1面と反対の側を前記結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするSOI基板の製造方法。 Forming a first insulating film on the first silicon substrate;
Forming a second insulating film on the first insulating film;
Forming a third insulating film on the second insulating film;
Forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate;
Bonding the third insulating film of the first silicon substrate and the first surface of the second silicon substrate;
Peeling the side opposite to the first surface of the second silicon substrate with the crystal defect layer to form a silicon layer;
A method for manufacturing an SOI substrate, comprising:
前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
第2シリコン基板の第1面上に第3絶縁膜を形成する工程と、
第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、
前記第1シリコン基板の前記第2絶縁膜と前記第2シリコン基板の前記第3絶縁膜とを接着する工程と、
前記第2シリコン基板のうちの前記第1面と反対の側を前記結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするSOI基板の製造方法。 Forming a first insulating film on the first silicon substrate;
Forming a second insulating film on the first insulating film;
Forming a third insulating film on the first surface of the second silicon substrate;
Forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate;
Bonding the second insulating film of the first silicon substrate and the third insulating film of the second silicon substrate;
Peeling the side opposite to the first surface of the second silicon substrate with the crystal defect layer to form a silicon layer;
A method for manufacturing an SOI substrate, comprising:
第2シリコン基板の第1面上に第3絶縁膜を形成する工程と、
前記第3絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、
前記第1シリコン基板の前記第1絶縁膜と前記第2シリコン基板の前記第2絶縁膜とを接着する工程と、
前記第2シリコン基板のうちの前記第1面と反対の側を前記結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするSOI基板の製造方法。 Forming a first insulating film on the first silicon substrate;
Forming a third insulating film on the first surface of the second silicon substrate;
Forming a second insulating film on the third insulating film;
Forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate;
Bonding the first insulating film of the first silicon substrate and the second insulating film of the second silicon substrate;
Peeling the side opposite to the first surface of the second silicon substrate with the crystal defect layer to form a silicon layer;
A method for manufacturing an SOI substrate, comprising:
前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上に第3絶縁膜を形成する工程と、
第2シリコン基板の第1面側の内部に結晶欠陥層を形成する工程と、
前記第1シリコン基板の前記第3絶縁膜と前記第2シリコン基板の前記第1面とを接着する工程と、
前記第2シリコン基板のうちの前記第1面と反対の側を前記結晶欠陥層で剥離しシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層にフォトダイオードを形成する工程と、
前記シリコン層の前記第1面とは反対の側に積層配線を形成する工程と、
前記第1シリコン基板および前記第1絶縁膜を除去する工程と、
前記第2絶縁膜の上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成する工程と、
を少なくとも含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the first silicon substrate;
Forming a second insulating film on the first insulating film;
Forming a third insulating film on the second insulating film;
Forming a crystal defect layer inside the first surface of the second silicon substrate;
Bonding the third insulating film of the first silicon substrate and the first surface of the second silicon substrate;
Peeling the side opposite to the first surface of the second silicon substrate with the crystal defect layer to form a silicon layer;
Forming a photodiode in the silicon layer;
Forming a laminated wiring on a side opposite to the first surface of the silicon layer;
Removing the first silicon substrate and the first insulating film;
Forming a color filter and an on-chip lens on the second insulating film;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising:
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