JP2011054657A

JP2011054657A - 裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2011054657A
Application number: JP2009200421A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Omote; 秀一表; Kazunari Kurita; 一成栗田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】暗時リーク電流の発生を抑えた裏面照射型固体撮像素子を製造可能な、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】素材ウェーハ１１を急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）装置２１に入れ、熱処理を行う（ＲＴＡ工程）。この急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）処理時に、ＲＴＡ装置２１の炉内雰囲気を、窒素を含むように、ガスＧを流入させるのが好ましい。こうした急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）処理は、例えば、１１５０〜１３５０℃の範囲で、１〜６０秒行えばよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話やデジタルビデオカメラ等に用いられる裏面照射型固体撮像素子に好適な裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法に関する。

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、半導体基板の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）。

特開平６−３３８５０７号公報

しかしながら、裏面から光を入射させる裏面照射型固体撮像素子の場合、光電変換素子を形成する基板となる素材ウェーハの光吸収を抑制する必要がある。このため、光電変換素子の形成後に素材ウェーハを研削やエッチングによって薄厚化する必要があり、素材ウェーハの内部に形成されたゲッタリングシンクも薄厚化の過程で一緒に除去されてしまう。よって、重金属の捕捉を充分に行うことができなくなり、固体撮像素子の特性が低下するという課題があった。

本発明は、薄厚化してもゲッタリングシンクを確実に形成することができ、暗時リーク電流の発生を抑えた裏面照射型固体撮像素子を製造可能な、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法を提供する。

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用ウェーハの製造方法を提供する。
すなわち、本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法は、表面側に光電変換素子を有し、裏面側を受光面とする、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法であって、
素材ウェーハに対して、窒素を含む雰囲気中で、急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）装置を用いて熱処理を行い、該素材ウェーハの表面側近傍に空孔を形成するＲＴＡ工程と、前記素材ウェーハの表面側重ねて、少なくとも１層以上のエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程と、前記エピタキシャル層の表面側に光電変換素子を形成する素子形成工程と、前記エピタキシャル層の表面側に、配線層を備えた支持ウェーハを貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記素材ウェーハの裏面側から、前記素材ウェーハの厚みのすべてを除去する薄厚化工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記素材ウェーハは、窒素濃度が５．０×１０^１２〜１.０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、かつ、または炭素濃度が１×１０^１５〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲であればよい。

前記エピタキシャル層は１層からなり、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｐ−タイプ、または、リン（Ｐ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｎ−タイプであればよい。
また、前記エピタキシャル層は第１のエピタキシャル層と第２のエピタキシャル層の２層からなり、前記第１エピタキシャル層は、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率８ｍΩｃｍ〜１ｍΩｃｍのｐ＋＋タイプであり、前記第２エピタキシャル層は、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｐ−タイプ、または、リン（Ｐ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｎ−タイプであればよい。

本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法によれば、素材ウェーハを急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）装置によって熱処理を行うことにより、素材ウェーハに空孔（Ｖ）が注入され、素材ウェーハの表面近傍に高密度の空孔注入層が形成される。そして、このＲＴＡ処理の際に、予めドープされていた窒素（Ｎ）や炭素（Ｃ）が、それぞれ格子間窒素や格子間炭素となり、素材ウェーハ中のこうした格子間窒素や格子間炭素が、空孔注入層において窒素複合体や炭素複合体を形成する。

この空孔（Ｖ）と窒素複合体や炭素複合体が、後工程でのエピタキシャル層形成の際に形成される格子間シリコンを捕獲することで、エピタキシャル層が形成された後にも素材ウェーハ（ウェーハバルク部）の酸素析出核を確保することができる。従って、素子形成工程での熱処理時に、ウェーハ本来の酸素析出が起き、ゲッタリングに必要な十分な量のＢＭＤを形成することができる。

本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法を段階的に示す断面図である。本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法を段階的に示す断面図である。

以下、本発明に係る裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法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、２は、本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法を段階的に示した要部断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、後工程においてエピタキシャル層を形成するための基板となる素材ウェーハ１１を用意する。この素材ウェーハ１１は、シリコン単結晶をスライスし、研磨等の工程を経て得られるシリコン単結晶ウェーハである。この素材ウェーハ１１は、シリコン単結晶の育成時に、窒素、ないし炭素をドーピングすることによって、窒素濃度が５．０×１０^１２〜１.０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、かつ、または炭素濃度が１×１０^１５〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲となるものを用いるのが好ましい。

次に、図１（ｂ）に示すように、この素材ウェーハ１１を急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）装置２１に入れ、熱処理を行う（ＲＴＡ工程）。この急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）処理時に、ＲＴＡ装置２１の炉内雰囲気を、窒素を含むように、ガスＧを流入させるのが好ましい。こうした急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）処理は、例えば、１１５０〜１３５０℃の範囲で、１〜６０秒行えばよい。昇降温レートは、昇温レート：１０℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下、降温レート：１０℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下である。

素材ウェーハ１１にＲＴＡ処理を行うと、素材ウェーハ１１に空孔（Ｖ）が注入され、素材ウェーハ１１の表面近傍に高密度の空孔注入層１２が形成される。そして、このＲＴＡ処理の際に、予めドープされていた窒素（Ｎ）や炭素（Ｃ）が、それぞれ格子間窒素や格子間炭素となり、素材ウェーハ１１中のこうした格子間窒素や格子間炭素が、空孔注入層１２において窒素複合体や炭素複合体を形成することがある。

この空孔（Ｖ）と窒素複合体や炭素複合体が、後工程でのエピタキシャル層形成の際に形成される格子間シリコンを捕獲することで、エピタキシャル層が形成された後にも素材ウェーハ１１（ウェーハバルク部）の酸素析出核を確保することができる。従って、素子形成工程での熱処理時に、ウェーハ本来の酸素析出が起き、ゲッタリングに必要な十分な量のＢＭＤを形成することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、ＲＴＡ処理によって表面近傍に空孔注入層１２を形成した素材ウェーハ１１の表面側１１ａに、第１のエピタキシャル層１３を形成する（エピタキシャル層形成工程）。この第１のエピタキシャル層１３は、例えば、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率８ｍΩｃｍ〜１ｍΩｃｍのｐ＋＋タイプのエピタキシャル層であればよい。

続いて、図１（ｄ）に示すように、この第１のエピタキシャル層１３に重ねて、第２のエピタキシャル層１４を形成する（エピタキシャル層形成工程）。この第２のエピタキシャル層１４は、例えば、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｐ−タイプ、または、リン（Ｐ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｎ−タイプのエピタキシャル層であればよい。

このように、少なくとも１層以上、例えば２層からなるエピタキシャル層を備えた素材ウェーハ１１を用いて、図１（ｅ）に示すように、第２のエピタキシャル層１４の表面側１４ａに、光電変換素子１５を形成する（素子形成工程）。

次に図１（ｆ）に示すように、光電変換素子１５に接続される配線層１７ａを形成する。

次に、図２（ａ）に示すように、配線層１７ａを形成した第２のエピタキシャル層１４の表面側に、支持ウェーハ１６を貼り合わせる（貼り合わせ工程）。支持ウェーハ１６は、配線層１７aに接続される配線層１７ｂを形成したシリコン単結晶ウェーハであっても、配線層未形成のシリコン単結晶ウェーハであっても良い。配線未形成の場合は貼り合わせ後に配線形成が可能である。

次に、図２（ｂ）に示すように、支持ウェーハ１６を貼り合わせた素材ウェーハ１１を、裏面側１１ｂから薄厚化する（薄厚化工程）。この薄厚化工程では、例えば、研削、エッチングなどによって、素材ウェーハ１１の厚みのすべて、および１３の一部または全てが除去される。

こうして得られた裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ２０は、素材ウェーハ１１を裏面側１１ｂから薄厚化する際に、素材ウェーハ１１の表面側近傍に形成されたはＲＴＡ工程によって生じた空孔注入層１２に捕獲した重金属を除去できる。（図２（ｃ）参照）。これにより、エピタキシャル層１３および１４中に再放出される重金属レベルを低下させることができ、裏面照射型固体撮像素子に用いた場合に、従来の撮像素子に比べて、白傷欠陥の発生および重金属汚染を有効に抑制することが可能になる。

１１素材ウェーハ
１２空孔注入層１２素材ウェーハ
１３第１のエピタキシャル層
１４第２エピタキシャル層
１５光電変換素子
１６支持ウェーハ
２１裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ

Claims

表面側に光電変換素子を有し、裏面側を受光面とする、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法であって、
素材ウェーハに対して、窒素を含む雰囲気中で、急速加熱・急速冷却（ＲＴＡ）装置を用いて熱処理を行い、該素材ウェーハの表面側近傍に空孔を形成するＲＴＡ工程と、
前記素材ウェーハの表面側重ねて、少なくとも１層以上のエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程と、
前記エピタキシャル層の表面側に光電変換素子を形成する素子形成工程と、
前記エピタキシャル層の表面側に、配線層を備えた支持ウェーハを貼り合わせる貼り合わせ工程と、
前記素材ウェーハの裏面側から、前記素材ウェーハの厚みの全てを除去する薄厚化工程と、
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用ウェーハの製造方法。
前記素材ウェーハは、窒素濃度が５．０×１０^１２〜１.０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、かつ、または炭素濃度が１×１０^１５〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲であ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用ウェーハの製造方法。
前記エピタキシャル層は１層からなり、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｐ−タイプ、または、リン（Ｐ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｎ−タイプ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用ウェーハの製造方法。
前記エピタキシャル層は第１のエピタキシャル層と第２のエピタキシャル層の２層からなり、前記第１エピタキシャル層は、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率８ｍΩｃｍ〜１ｍΩｃｍのｐ＋＋タイプであり、
前記第２エピタキシャル層は、ボロン（Ｂ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｐ−タイプ、または、リン（Ｐ）添加による抵抗率３００Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍのｎ−タイプ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用ウェーハの製造方法。