JP2011054734A

JP2011054734A - 裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法。

Info

Publication number: JP2011054734A
Application number: JP2009201894A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Kurita; 一成栗田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】デバイス工程中、十分なゲッタリング能力を維持することで、金属汚染を抑制し、イメージセンサの白傷欠陥の発生を低減させることができる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】高酸素シリコン基板の表面直下にゲッタリングシンクを形成する工程と、前記高酸素シリコン基板の表面上に、第１エピタキシャル層を形成する工程と、該第１エピタキシャル層上に、第２エピタキシャル層を形成する工程とを具え、前記ゲッタリングシンクを形成する工程は、前記高酸素シリコン基板に、650〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、酸素析出物領域を形成することを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法に関し、特に、デジタルビデオカメラや携帯電話等に用いられる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法に関する。

裏面照射型イメージセンサは、配線層などをセンサー部よりも下層に配置することで、外からの光をセンサーに直接取り組み、暗所などでもより鮮明な画像や動画を撮影することができるという点から、近年、広く用いられている。このような裏面照射型イメージセンサを製造する際、半導体基板に、不純物として金属が混入する場合がある。半導体基板に混入した金属は、イメージセンサの暗電流を増加させる要因となり、白傷欠陥と呼ばれる欠陥を生じさせる。

半導体基板に金属が混入する要因は、半導体エピタキシャル基板の形成工程およびイメージセンサの形成工程にある。前者の半導体エピタキシャル基板の形成工程における金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材からの重金属パーティクルあるいは、塩素系ガスを用いるために、その配管材料が金属腐食して発生する重金属パーティクルによるものであると考えられる。近年、これら金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材を耐腐食性のある材料に交換するなどの努力により改善されてきてはいるものの、半導体エピタキシャル基板形成工程における金属汚染を完全に回避することは困難である。一方、後者のイメージセンサの形成工程においては、イオン注入、拡散および酸化熱処理等の各処理中で、半導体基板の重金属汚染が懸念される。

そのため、従来は、半導体基板に、金属を捕獲するためのゲッタリングシンクを形成するか、あるいは高濃度ボロン基板などの金属の捕獲能力(ゲッタリング能力)が高い基板を用いて、半導体基板への金属汚染を回避していた。

ここで、半導体基板にゲッタリングシンクを形成するには、半導体基板の内部に酸素析出物を形成するイントリンシックゲッタリング(ＩＧ)法、または、半導体基板の裏面にゲッタリングシンクを形成するエキシントリックゲッタリング(ＥＧ)法を用いるのが一般的である。しかしながら、上記ＥＧ法を用いる場合、裏面にバックサイドダメージなどの損傷を形成することから、半導体エピタキシャル基板またはイメージセンサの形成工程中に、裏面からパーティクルが発生して、イメージセンサにさらなる不良要因を形成してしまうといった問題があった。

特許文献１は、上記ＩＧ法の一つである炭素イオン注入法を用いて、半導体基板に炭素注入領域を形成した後、イメージセンサの形成工程における熱処理により、ゲッタリングシンクを形成する技術が開示されている。

しかしながら、この技術は、イメージセンサの形成工程における熱処理によりゲッタリングシンクを形成するものであって、この工程におけるゲッタリング能力が十分でないという問題があった。また、特許文献１では、炭素注入領域が形成された半導体基板に高温の熱処理を施すと、炭素注入で形成された結晶欠陥(結晶格子歪など)が緩和され、ゲッタリングシンクとしての機能が低下するという問題があることから、処理温度に上限が設けられるという問題もあった。

特開２００２−３５３４３４号明細書

本発明の目的は、上述した問題を解決し、デバイス工程中、十分なゲッタリング能力を維持することで、金属汚染を抑制し、イメージセンサの白傷欠陥の発生を低減させることができる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）高酸素シリコン基板の表面直下にゲッタリングシンクを形成する工程と、前記高酸素シリコン基板の表面上に、第１エピタキシャル層を形成する工程と、該第１エピタキシャル層上に、第２エピタキシャル層を形成する工程とを具え、前記ゲッタリングシンクを形成する工程は、前記高酸素シリコン基板に、650〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、酸素析出物領域を形成することを含むことを特徴とする裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。

（２）前記長時間熱処理は、前記高酸素シリコン基板を0.5〜３℃/分で650〜900℃の範囲内の第１温度まで加熱後、この第１温度で20分〜４時間保持する低温熱処理を行い、次いで、３〜５℃/分で1000〜1150℃の範囲内の第２温度まで加熱後、この第２温度で30分〜４時間保持する高温熱処理を行うことを含む上記（１）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。

（３）前記ゲッタリングシンクを形成する工程の後で、かつ前記第１エピタキシャル層を形成する前に、前記高酸素シリコン基板を研磨および洗浄する工程をさらに具える上記（１）または（２）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。

（４）前記ゲッタリングシンクを形成する工程の前の高酸素シリコン基板の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲である上記（１）、（２）または（３）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法によって製造される裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板であって、前記酸素析出物領域の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲であることを特徴とする裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。

（６）前記ゲッタリングシンクを形成する工程の後で、かつ前記第１エピタキシャル層を形成する前、前記酸素析出物領域における酸素析出物の密度は、１×10⁵〜１×10⁷/cm²である上記（５）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。

（７）前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁶〜１×10²⁰atom/cm³の範囲である上記（５）または（６）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。

（８）前記第２エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁴〜１×10¹⁶atom/cm³の範囲である上記（５）、（６）または（７）に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。

本発明によれば、高酸素シリコン基板に、長時間熱処理を施すことにより、デバイス工程中、十分なゲッタリング能力を維持することで、金属汚染を抑制し、イメージセンサの白傷欠陥の発生を低減させることができる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することができる。

本発明に従う裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。

次に、本発明の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１(a)〜(c)は、本発明に従う裏面照射型イメージセンサの製造方法を説明するための模式的断面図である。なお、図１は、説明の便宜上、厚さ方向を誇張して描いたものである。

本発明に従う裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板１００は、図１(a)〜(c)に示すように、高酸素シリコン基板１を用意し(図１(a))、その表面直下にゲッタリングシンク２を形成する工程(図１(b))と、高酸素シリコン基板１の表面上に、第１エピタキシャル層３を形成する工程と、この第１エピタキシャル層３上に、第２エピタキシャル層４を形成する工程(図１(c))とを具え、ゲッタリングシンク２を形成する工程(図１(b))は、高酸素シリコン基板１に、長時間熱処理を施すことにより、酸素析出物領域２を形成することを含むことを特徴とし、かかる構成を有することにより、デバイス工程中、十分なゲッタリング能力を維持することで、金属汚染を抑制し、イメージセンサの白傷欠陥の発生を低減させることができる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することができるものである。

ここで、上記デバイス工程とは、半導体エピタキシャル基板形成工程におけるエピタキシャル層成長工程およびイメージセンサの形成工程を意味する。

ゲッタリングシンクを形成する工程の前の高酸素シリコン基板１の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲とするのが好ましい。酸素濃度が1.0×10¹⁸atom/cm³未満では、ゲッタリングシンク２として作用する酸素析出物を十分に形成することができず、一方、酸素濃度が1.0×10²⁰atom/cm³を超えた場合、酸素析出物の１個当たりのサイズが50nm未満となり、十分なゲッタリング能力を保持することができないためである。

長時間熱処理は、650〜1150℃の範囲とする。特に、長時間熱処理は、高酸素シリコン基板１を0.5〜３℃/分で650〜900℃の範囲内の第１温度まで加熱し、この第１温度で20分〜４時間保持する低温熱処理を行い、その後、３〜５℃/分で1000〜1150℃の範囲内の第２温度まで加熱後、この第２温度で30分〜４時間保持する高温熱処理を行うことを含むのが好ましい。この処理により、上述したように酸素析出物が析出し、高酸素シリコン基板１に酸素析出物領域２が形成される。

このようにして形成された酸素析出物領域２の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲である。酸素濃度が1.0×10¹⁸atom/cm³未満だと析出が促進されないため低酸素析出密度となり、一方、1.0×10²⁰atom/cm³を超えると析出過多となるためである。このとき、高酸素シリコン基板１の格子間酸素濃度は、上記ゲッタリングシンクを形成する工程の前よりも減少する。

また、酸素析出物領域における酸素析出物の密度は、１×10⁵〜１×10⁷/cm²であるのが好ましい。酸素析出密度を高めることがゲッタリング能力を向上させることに有効であるためである。ただし、酸素析出物の密度が１×10⁷/cm²を超えると、酸素析出物のサイズは減少する傾向にあり、歪エネルギーが緩和されてゲッタリング能力が低下するおそれがある。

また、前記ゲッタリングシンクを形成する工程(図１(b))の後で、かつ前記第１エピタキシャル層を形成する工程の(図１(c))前に、高酸素シリコン基板１を研磨および洗浄する工程をさらに具えるのが好ましい。なお、洗浄方法としては、SC-1およびSC-2を組み合わせたRCA洗浄等が挙げられる。

前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁶〜１×10²⁰atom/cm³の範囲であるのが好ましい。不純物濃度が１×10¹⁶atom/cm³未満だと、高抵抗となりすぎるおそれがあり、一方、不純物濃度が１×10²⁰atom/cm³を超えると、ミスフィット転位が生じるおそれがあるためである。また、添加元素としては、例えばＢ、Ｐ等を用いるのが好ましい。

前記第２エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁴〜１×10¹⁶atom/cm³の範囲であるのが好ましい。不純物濃度が１×10¹⁴atom/cm³未満だと、PN接合の空間電荷層第一エピタキシャル層と接触し電気特性に悪影響を与えるおそれがあり、一方、不純物濃度が１×10¹⁶atom/cm³を超えると、エピタキシャル層界面でのミスフィット転位が生じるおそれがあり、加えて、不純物濃度が大きくなることにより、エッチングレートが遅くなるおそれがあるためである。また、添加元素としては、例えばＢ、Ｐ等を用いるのが好ましい。

なお、図１は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

次に、本発明に従う裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板をサンプルとして作製し、性能を評価したので、以下で説明する。

（実施例１）
実施例１は、図１に示すように、高酸素シリコン基板(酸素濃度:1.6×10¹⁸atom/cm³)に、長時間熱処理(１℃/分で900℃まで加熱し、この状態を１時間保持して低温熱処理を行い、その後、３℃/分で1000℃まで加熱し、この状態を１時間保持)を施すことにより、酸素析出物領域(酸素濃度:1.6×10¹⁸atom/cm³、酸素析出物密度１×10⁷/cm²)を形成して高酸素シリコン基板の表面直下にゲッタリングシンクを形成し、この高酸素シリコン基板を研磨および洗浄した後、高酸素シリコン基板の表面上に、第１エピタキシャル層(Ｂ添加、Ｂ濃度:１×10¹⁶atom/cm³)および第２エピタキシャル層(Ｂ添加、Ｂ濃度:１×10¹⁵atom/cm³)を順に形成し、サンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板を得た。

（実施例２）
上記長時間熱処理を、高酸素シリコン基板を２℃/分で850℃まで加熱し、この状態を２時間保持して低温熱処理を行い、その後、４℃/分で1150℃まで加熱し、この状態を４時間保持することにより施したこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（実施例３）
上記高酸素シリコン基板に研磨および洗浄を行わないこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（実施例４）
酸素濃度が1.7×10¹⁸atom/cm³の高酸素シリコン基板を用いたこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（実施例５）
Ｐ添加、Ｐ濃度:１×10¹⁶atom/cm³の第１エピタキシャル層を形成したこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（実施例６）
Ｐ添加、Ｐ濃度:１×10¹⁵atom/cm³の第２エピタキシャル層を形成したこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（比較例１）
上記長時間熱処理を行わないこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる裏面照射型イメージセンサ用ウェーハを得た。

（評価）
上記実施例１〜６および比較例１で作製した各サンプルについて、酸素析出物領域の炭素濃度および酸素濃度ならびに酸素析出物の密度を赤外吸収分光法で測定した結果、ならびに、金属汚染および白傷欠陥について評価した結果を表１に示す。評価方法は次の通りである。

（金属汚染）
得られたサンプルについて、スピンコート汚染法により、サンプルの表面をニッケル（1.0×10¹²atoms/cm²）で汚染させた後、900℃で１時間熱処理を施し、その後、サンプルの表面を選択エッチングすることによりサンプル表面の欠陥密度（個／cm²）を測定し、以下の基準で評価した。
◎：５個／cm²未満
○：５個／cm²以上、50個／cm²未満
×：５０個／cm²以上

（白傷欠陥）
得られたサンプルを用いて裏面照射型イメージセンサを作製し、その後、この裏面照射型イメージセンサについて、半導体パラメータ解析装置を用いて、フォトダイオードの暗時リーク電流を測定し画素データ（白傷欠陥の個数データ）に変換することで、単位面積(１cm²)辺りの白傷欠陥の個数を測定し、白傷欠陥の発生の抑制について以下の基準で評価した。
◎：５個以下
○：５個超え、５０個以下
×：５０個超え

表１の結果から、実施例１〜６は、比較例１に比べて、金属汚染および白傷欠陥の発生を抑制でき、デバイス工程中、十分なゲッタリング能力を維持していることがわかる。

１高酸素シリコン基板
２酸素析出物領域
３第１エピタキシャル層
４第２エピタキシャル層
１００裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板

Claims

高酸素シリコン基板の表面直下にゲッタリングシンクを形成する工程と、
前記高酸素シリコン基板の表面上に、第１エピタキシャル層を形成する工程と、
該第１エピタキシャル層上に、第２エピタキシャル層を形成する工程と
を具え、
前記ゲッタリングシンクを形成する工程は、前記高酸素シリコン基板に、650〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、酸素析出物領域を形成することを含むことを特徴とする裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。
前記長時間熱処理は、前記高酸素シリコン基板を0.5〜３℃/分で650〜900℃の範囲内の第１温度まで加熱後、この第１温度で20分〜４時間保持する低温熱処理を行い、次いで、３〜５℃/分で1000〜1150℃の範囲内の第２温度まで加熱後、この第２温度で30分〜４時間保持する高温熱処理を行うことを含む請求項１に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。
前記ゲッタリングシンクを形成する工程の後で、かつ前記第１エピタキシャル層を形成する前に、前記高酸素シリコン基板を研磨および洗浄する工程をさらに具える請求項１または２に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法。
前記ゲッタリングシンクを形成する工程の前の高酸素シリコン基板の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲である請求項１、２または３に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。
上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板の製造方法によって製造される裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板であって、
前記酸素析出物領域の酸素濃度は、1.0×10¹⁸〜1.0×10²⁰atom/cm³の範囲であることを特徴とする裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。
前記ゲッタリングシンクを形成する工程の後で、かつ前記第１エピタキシャル層を形成する前、前記酸素析出物領域における酸素析出物の密度は、１×10⁵〜１×10⁷/cm²である請求項５に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。
前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁶〜１×10²⁰atom/cm³の範囲である請求項５または６に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。
前記第２エピタキシャル層の不純物濃度は、１×10¹⁴〜１×10¹⁶atom/cm³の範囲である請求項５、６または７に記載の裏面照射型イメージセンサ用エピタキシャル基板。