JP2013183161A - 裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】量子効率を高め、かつ、プロセス手順を短くする裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】裏面照射型(BSI)センサデバイスは、表側の表面および裏側の表面を有する基板210、前記基板内にある感光性ダイオード、および前記基板の前記裏側の表面上にあるBドープのエピタキシャルシリコンゲルマニウム(epi−SiGe)層201から成る。前記Bドープのエピタキシャルシリコンゲルマニウム層は制御可能なP型層であり、pn接合を形成する。
【選択図】図2(d)

Description

本発明は、センサ装置に関し、特に、裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法に関するものである。
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)イメージセンサは、従来の電荷結合素子(CCD)よりも人気が高まっている。CMOSイメージセンサは、通常、感光性のCMOS回路を用いて光子を電子に変換する画像素子(素子)のアレイを含む。感光性のCMOS回路は、通常、シリコン基板内に形成されたフォトダイオードを含む。フォトダイオードが光線に露光された時、電荷は、フォトダイオードで誘導される。光線が主要面(subject scene)から画素上に入射した時、各々の画素は、画素に当たる光線の量と比例した電子を生成することができる。電子は、この画素の電圧信号に変換され、更にデジタル信号に変換される。
CMOSイメージセンサは、CMOSセンサと呼ばれることができ、複数の誘電体層および基板上に形成された相互接続層を含んで、基板内のフォトダイオードを周辺回路に接続することができる。誘電体層および交互接続層を有する側は、通常、表側と呼ばれ、基板を有する側は、裏側と呼ばれる。光路差によって、CMOSイメージセンサは、表面照射型(FSI)イメージセンサおよび裏面照射型(BSI)イメージセンサに分類されることができる。
FSIイメージセンサでは、主要面からの光線は、CMOSイメージセンサの表側に入射して、誘電体層および交互接続層を通過し、フォトダイオードに当たる。逆に、BSIイメージセンサでは、光線は、誘電体層および交互接続層の障害なく、CMOSイメージセンサの裏側に入射する。その結果、光線は直接経路を通過してフォトダイオードに当たることができる。このような直接経路は、電子に変換される光子の数を増加する助けとなり、CMOSセンサは光源に対してより敏感になる。
BSIイメージセンサの量子効率を高めるために、BSIイメージセンサの基板を薄化することができる。また、イオン注入プロセスによって、薄いP+層が薄化した基板上に形成されて量子効率を一層高めることができる。次いで、レーザーアニーリングプロセスを行うことで、注入されたP+イオンを活性化させると同時に、イオン注入プロセスによって生じた液晶の欠陥を修復することがきる。このようなレーザーアニーリングプロセスは、イメージセンサ上のレーザースキャニングの境界により、ダークモード(dark mode)イメージのストライプパターンを生じてしまう。このようなダークモードイメージのストライプパターンを回避するためには、薄い酸化物層を成長させれば、シリコン表面を保護することができる。このような基板の裏側のプロセス手順は、長く、且つコスト高である。よって、量子効率を高め、BSIセンサのプロセス手順を短くする方法が関心を集めている。
裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法を提供する。
本発明は、表側の表面および裏側の表面を有する基板、基板内にある感光性ダイオード、および基板の前記裏側の表面上にあるBドープのエピタキシャルシリコンゲルマニウム(epi−SiGe)層を含む裏面照射型(BSI)センサデバイスを提供する。
本発明は、裏面照射型(BSI)センサデバイスの製造方法であって、感光性ダイオードを含む基板の表側にキャリアウエハを接合するステップ、キャリアウエハが底部に位置するようにキャリアウエハと基板を反転させるステップ、基板の裏側で基板を薄化するステップ、基板の裏側で薄化された基板上にepi−SiGeシード層を形成するステップ、epi−SiGeシード層にB型ドーパントをドープし、Bドープのepi−SiGe層を形成するステップを含む方法を提供する。
本発明は、画素アレイの複数の感光素子を含む基板に設置された画素アレイ、基板の裏側の表面に設置されたBドープのepi−SiGe層、Bドープのepi−SiGe層に設置された金属遮蔽層、金属遮蔽層に設置された誘電体層、Bドープのepi−SiGe層に設置されたマイクロレンズ、およびマイクロレンズ層に設置されたカラーフィルターを含む裏面照射型(BSI)センサデバイスを提供する。
本発明によれば、ダークモードイメージのストライプパターンの生成を回避し、量子効率を高め、かつ、BSIセンサのプロセス手順を短くすることができる。
この発明およびその利点のより完全な理解のために、添付の図面と併せて解釈される以下の記載を参照する。
裏面反射型(BSI)センサデバイスの表側形成を表している。 裏面反射型(BSI)センサデバイスの表側形成を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。 実施形態に基づくBSIセンサデバイスを形成する裏側プロセスの方法および装置を表している。
異なる図面の対応の番号または記号は、通常、対応の部分を指している。図面は、各種の実施形態の関連する態様を明確に説明するためのものであり、必ずしも正確な縮尺では描かれていない。
以下に実施形態の製造および使用について詳細に述べる。しかしながら、本発明は、さまざまな特定の状況において具現化され得る多くの適用可能な発明の概念を提供する。ここに述べる特定の実施形態は、単に本発明の実施形態を製造および使用する特定の態様を例示するのみであり、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明は、裏面反射型(BSI)イメージセンサまたはBSIセンサデバイスの方法および装置を表している。実施形態に基づき、BSIセンサデバイスの基板は、裏側で薄化されることができ、次いで、Bドープのエピタキシャルシリコンゲルマニウム(epi−SiGe)層が基板の裏側の表面上に形成される。epi−SiGeシード層は、BSIの薄化プロセス中に生じたシリコンの表面の損傷を修復でき、且つシリコンより4%大きい原子のゲルマニウムは、量子効率を高める。原位置(in−situ)Bドープのepi−SiGe層は、BSIのシリコンの表面にあるp−n接合となる、制御可能なP型層を形成する。これは電子漏出および白色画素のパフォーマンスを改善することができる。本発明の実施形態は、異なる相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサに用いることができる。本実施形態は、センサデバイスの一画素領域を例に用いて表されている。
図1(a)は、個別の画素領域200の簡易化された断面図を表している。画素領域200は、本発明では、BSIセンサ素子が画素領域内に形成されることができるため、BSIセンサデバイスとも呼ばれることがある。イメージセンサは、グリッドまたは前記画素領域のアレイ、または画素領域に形成されたセンサ素子を含むことができる。画素領域200は、表側291および裏側293の基板210上に形成されることができる。基板210は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンドなどの半導体材料であってもよい。また、基板210は、当技術分野で周知のように、ホウ素、アルミニウム、ガリウムなどのp型ドーパントでドープされてもよく、あるいはまた、n型ドーパントでドープされてもよい。
基板210は、複数の分離領域294を含み、基板210上に形成された各種のデバイスを絶縁分離し、且つ画素領域200をイメージセンサの他のロジック領域から分離する。分離領域294は、シャロートレンチアイソレーションであることができ、通常、基板210をエッチングしてトレンチを形成し、当技術分野で周知の誘電材料を用いて充填することで形成されている。選択的に、ライナー酸化物膜(oxide liner)296が分離領域294の側壁に沿って形成されてもよい。
基板210は、感光性ダイオード297を含むか、または単に感光性ダイオード297に衝突する光線の強度または輝度に関連する信号を発生することができるフォトダイオード297と呼ばれることができる。実施形態では、感光性ダイオード297は、ピンド層フォトダイオード(pinned layer photodiode)である。ピンド層フォトダイオード297は、基板210に形成されたn型ドープ領域281を含み、この実施形態ではp型基板でもよい。これは、n型ドープ領域281の表面上に形成された重ドープのp型領域283(ピンド層と呼ばれる)を含み、p−n−p接合を形成する。当業者には認知されていることだが、上述のピンド層フォトダイオードは、単に、本実施形態に用いられ得る感光性ダイオード297の1つのタイプである。例えば、ピンド層でないピンド層が代わりに用いられることもある。任意の好適なフォトダイオードが本実施形態に用いられ、且つこれらの全てのフォトダイオードは、本実施形態の範囲内に含まれる。
画素領域200は、トランジスタ299を含んでいる。それは、変換(transfer)トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、または選択トランジスタである。トランジスタ299は、基板210に隣接するゲート絶縁膜285、ゲート絶縁膜上にあるゲート電極287、およびゲート絶縁膜285とゲート電極287の側壁に沿ったスペーサ288を含むことができる。ゲート絶縁膜285とゲート電極287は、当技術分野で周知の任意の好適なプロセスによって基板210上に形成され、パターン化できる。
トランジスタのソース/ドレイン領域284は、ゲート絶縁膜285の両側の感光性ダイオード297に相対する1つ側の基板210内に形成される。基板210がp型基板である実施形態では、ソース/ドレイン領域284は、リン、ヒ素、アンチモンなどの好適なn型ドーパントを注入することで形成されることができる。注意すべきことは、当業者には認知されていることだが、多くの他のプロセス、ステップなどがソース/ドレイン領域284および感光性ダイオード297を形成するのに用いられ得る。
層間絶縁膜(ILD)層230は、画素領域200上に形成されることができる。ILD層230は、ホウ素リン酸塩ガラス(boron phosphorus silicate glass; BPSG)などの材料を含むことができるが、任意の好適な誘電体がいずれかの層に用いられることもできる。コンタクト(contact)231は、好適なフォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いてILD層230を通過して形成されることができる。コンタクト231は、バリア/接着層(図示されていない)を含み、拡散を防ぎ、コンタクト231のためにより良い接着を提供することができる。
各種の導電および誘電体層は、ILD層230上に形成され、図1(a)でまとめて金属間絶縁(IMD)膜240と呼ばれ、各種のデバイスを互いに接続する。これらの相互接続は、任意の好適な形成プロセス(例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチング、ダマシン、デュアルダマシンなど)によって作製されることができ、且つ例えばアルミニウム合金、銅合金などの好適な導電材料を用いて形成されることができる。
また、相互接続がILD層230およびIMD層240に形成されると、保護層250が物理的および化学的ダメージから下方の層を保護するために形成することができる。保護層250は、酸化ケイ素、酸化窒素、炭素ドープの酸化物などの低k誘電体、多孔質炭素ドープの二酸化ケイ素などの超低k誘電体、およびこれらの組み合わせなどの1つ以上の好適な誘電材料で構成することができる。保護層250は、どんな好適なプロセスでも用いることができるが、化学気相蒸着(CVD)などのプロセスによって形成することができる。
図1(a)に示された詳細図は、図1(b)では、より抽象的な方法で表されている。この段階での画素領域200は、シリコン基板210、IDL層230、多層の金属層を分離するIMD層240、および保護層250を含む。層210、230、および240の例示的な詳細は、図1(a)に示されている。ILDおよびIMD層は、まとめて単一の誘電体層を形成しているものと見ることもできる。相互接続、ゲートまたは他の回路素子などの各種のイメージセンサの機能は、従来の技術を用いて所定の誘電体層内に形成することができる。画素領域200は、BSIセンサ素子が画素領域に形成することができるため、本発明では、BSIセンサデバイス200またはBSIセンサ素子として呼ばれることもでき、且つBSIセンサまたはBSIセンサデバイスは、複数のBSIセンサ素子を含む。
図2(a)の断面図に示されるように、キャリアウエハ202は、ボンディングプロセス211によってBSIセンサデバイス200に接合され、図1(b)に示されるように、シリコン基板210、IDL層230、多層の金属層を分離するIMD層240、および保護層250を含む。ボンディングプロセス211は、典型的なボンディングプロセスを含み、保護層250上でキャリアウエハ202をデバイス200に接合させることができる。キャリアウエハ202は、他の実施形態では、保護層250でなくIMD層240上に直接接合されてもよい。キャリアウエハ202は、例えば、一般的にハンドルウエハと呼ばれるタイプのウエハを含むことができる。
図2(b)の断面図に示されるように、キャリアウエハ202は、デバイス200とともに反転されるため、キャリアウエハ202は、底部に位置し、その構造をサポートする。前記構造は、エッチングまたは薄化プロセス213を更に行い、裏側で基板210を薄化するため、その裏面を直接通過する光線は、基板内に形成されたセンサ素子に効果的に達する。
図2(c)の断面図に示されるように、epi−SiGeシード層201は、裏側で薄化基板210上に形成することができる。いくつかの実施形態では、epi−SiGeシード層201は、以下のように形成してもよい。まず、約100〜700オングストロームの範囲、および場合により約200〜500オングストロームの範囲の厚さを有するSiGe材料のシード層が形成する。epi−SiGe層は、以下の例示的な条件において形成することができる。Si前駆体は、モノシラン(SiH4)、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、三塩化シラン、または四塩化けい素(SiCl4)が好ましく、モノシランが更に好ましい。
Ge前駆体は、モノゲルマン(GeH4)、または四塩化ゲルマニウム(GeCl4)が好ましく、モノゲルマンが更に好ましい。温度は約500〜750°Cが好ましく、約600〜700°Cがより好ましい。圧力は、約5〜100トールが好ましく、約10〜600トールが更に好ましい。epi−SiGeシード層は、BSIの薄化プロセス中に生じたシリコンの表面の損傷を修復でき、且つシリコンより4%大きい原子のゲルマニウムは、量子効率を高める。
図2(d)の断面図に示されるように、Bドープのepi−SiGe層が形成され、Bドープepi−SiGe層201と呼ばれる。層201は、ドーピングプロセス217によってホウ素(B)でドープされるのが好ましい。ホウ素でドーピングされる時、以下の例示的な条件において、ジボラン(B2H6)は、約5〜100sccmの速度で導入されることが好ましく、約10〜50sccmの速度で導入されることが更に好ましい。温度は約500〜750°度が好ましく、約600〜700°度がより好ましい。圧力は、約5〜100トールが好ましく、約10〜600トールが更に好ましい。時間は、約10〜120秒が好ましく、約10〜600秒が更に好ましい。ドーパントは、約1E18〜1E22単位面積当たりの原子数(atoms/cm)が好ましく、約1E19atoms/cm)が更に好ましい。原位置Bドープのepi−SiGe層は、BSIのシリコンの表面にあるp−n接合となる、制御可能なP型層を形成する。これは電子漏出および白色画素のパフォーマンスを改善することができる。
図2(e)の断面図に示されるように、金属コンタクト203は、 Bドープepi−SiGe層201に形成されることができる。金属コンタクト203または複数のこのようなコンタクト203は、金属コンタクト層を形成することができる。金属コンタクト203は、任意の好適な形成プロセス(例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチング、ダマシン、デュアルダマシンなど)によって作製されることができ、且つ例えばアルミニウム合金、銅合金などの好適な導電材料を用いて形成されることができる。金属コンタクト203は、金属遮蔽となり、センサ素子に黒レベル補正を提供する。
図2(f)の断面図に示されるように、誘電体層204は、金属遮蔽層上で基板の裏側の表面上に形成されることができる。誘電体層204は、窒化ケイ素(SiN)、酸化窒化ケイ素(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、五酸化タンタル(Ta)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ハフニウム(HfO)、二酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化チタン(TiO)、またはその合金を含むことができる。誘電体層204は、約200オングストローム〜約2000オングストロームの間の厚さにあることができる。誘電体層204は、有利に機械的に支持および/または水分から保護するための裏側の保護層として、後に続くプロセスの層のエッチストップ層として、且つ/または量子効率を最大化する反射防止コーティング(ARC)として機能するように形成されることもできる。一実施形態では、誘電体層204は、基板内のデバイスの内部構造を保護し、且つ内部構造にかかる応力を減少するように形成されることができる。誘電体層204は、層201に直接形成されることもできる。誘電体層204は、他の実施形態で全く形成されないこともできる。
図2(g)の断面図に示されるように、マイクロレンズ208およびカラーフィルター素子209は、カラー画像応用のために誘電体層204上に形成される。マイクロレンズ208は、カラーフィルター209および基板210の裏側の間に配置されるため、裏面照射の光線が感光領域に集光されることができる。マイクロレンズ208は、基板210の裏側からフォトダイオードに照射された光線を収束する。カラーフィルター素子209の各々と関連するのは、対応のマイクロレンズ208である。カラーフィルター素子および関連のマイクロレンズは、図示されていないが位置合わせマークを用いてセンサ層の感光性素子と位置合わせされることができる。
本発明の裏面照射型センサデバイスおよびその製造方法では、応用中に照射された光線は、可視光線に限らず、赤外線(IR)および紫外線(UV)、および他の好適な放射線などの他の光線(optical light)にまで広げることができる。
追加プロセスが半導体デバイスの製作を完成させるために実行され得ることは理解される。例えば、これらの追加プロセスは、保護層の堆積、コンタクトの形成、および相互接続構造(例えば、導線とビア、金属層、および電気的相互接続を提供する層間絶縁膜)の形成を含むことができる。複数の集積回路デバイスが基板210の表側の表面に形成されてもよい。簡素化のため、これらの追加プロセスについては、ここでは省略する。
本実施形態及びそれらの利点について詳細に説明してきたが、本開示の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者は、添付の請求の範囲によって定義されるように、種々の変更、代替、および改変をし得る。
また、本願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者は、ここで述べられた実施形態に応じて、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、及びステップから、より容易に理解されることを認識するであろう。よって、添付の請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、またはステップを含む。
200 画素領域
201 epi−SiGeシード層
202 キャリアウエハ
203 金属コンタクト
204 誘電体層
208 マイクロレンズ
209 カラーフィルター
210 シリコン基板
211 ボンディングプロセス
213 薄化プロセス
217 ドーピングプロセス
230 IDL層
231 コンタクト
240 IMD層
250 保護層
281 n型ドープ領域
283 重ドープのp型領域
284 ソース/ドレイン領域
285 ゲート絶縁膜
287 ゲート電極
288 側壁のスペーサ
291 表側
293 裏側293
294 分離領域
296 ライナー酸化物膜
297 感光性ダイオード
299 トランジスタ

Claims (10)

  1. 裏面照射型(BSI)センサデバイスであって、
    表側の表面および裏側の表面を有する基板、
    前記基板内にある感光性ダイオード、および
    前記基板の前記裏側の表面上にあるBドープのエピタキシャルシリコンゲルマニウム(epi−SiGe)層を含むBSIセンサデバイス。
  2. 前記Bドープのepi−SiGe層は、約100〜700オングストロームの範囲の厚さを有する請求項1記載のBSIセンサデバイス。
  3. 前記Bドープのepi−SiGe層上にある金属遮蔽層を更に含む請求項1記載のBSIセンサデバイス。
  4. 前記Bドープのepi−SiGe層上にある誘電体層を更に含む請求項1記載のBSIセンサデバイス。
  5. 前記Bドープのepi−SiGe層上にあるマイクロレンズを更に含む請求項1記載のBSIセンサデバイス。
  6. 裏面照射型(BSI)センサデバイスの製造方法であって、
    感光性ダイオードを含む基板の表側にキャリアウエハを接合するステップ、
    前記キャリアウエハが底部に位置するように前記キャリアウエハと前記基板を反転させるステップ、
    前記基板の裏側で前記基板を薄化するステップ、
    前記基板の裏側で前記薄化された基板上にepi−SiGeシード層を形成するステップ、
    前記epi−SiGeシード層にB型ドーパントをドープし、Bドープのepi−SiGe層を形成するステップを含む方法。
  7. 前記Bドープのepi−SiGe層に金属遮蔽層を形成し、黒レベル補正を提供するステップを更に含む請求項6記載の方法。
  8. 前記金属遮蔽層に誘電体層を形成するステップを更に含む請求項7記載の方法。
  9. 前記Bドープのepi−SiGe層にマイクロレンズを形成するステップを更に含む請求項6記載の方法。
  10. 画素アレイの複数の感光素子を含む基板に設置された画素アレイ、
    前記基板の裏側の表面に設置されたBドープのepi−SiGe層、
    前記Bドープのepi−SiGe層に設置された金属遮蔽層、
    前記金属遮蔽層に設置された誘電体層、
    前記Bドープのepi−SiGe層に設置されたマイクロレンズ、および
    前記マイクロレンズ層に設置されたカラーフィルターを含む裏面照射型(BSI)センサデバイス。
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