JP2018098266A - 光電変換装置、光電変換装置の製造方法およびカメラ - Google Patents
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Abstract
【課題】白傷不良の発生を抑えるために有利な技術を提供する。
【解決手段】光電変換装置はシリコン基板を有し、前記シリコン基板は、光電変換部と、シリコン以外の第１４族元素を含有する不純物含有部とを含み、前記不純物含有部における第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であり、前記異種元素含有部における酸素のピーク濃度である第２ピーク濃度が前記第１ピーク濃度の１／１０００以上かつ１／１０以下である。
【選択図】図１
【解決手段】光電変換装置はシリコン基板を有し、前記シリコン基板は、光電変換部と、シリコン以外の第１４族元素を含有する不純物含有部とを含み、前記不純物含有部における第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であり、前記異種元素含有部における酸素のピーク濃度である第２ピーク濃度が前記第１ピーク濃度の１／１０００以上かつ１／１０以下である。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電変換装置、光電変換装置の製造方法およびカメラに関する。
固体撮像装置の製造プロセスにおいて金属不純物が画素部に混入すると、光電変換素子の暗電流を増加させ、白傷欠陥を発生させる原因となる。画素部への金属不純物の混入は、製造装置に起因したものの他、周辺回路部に用いたシリサイド材料が熱拡散することによっても起こりうる。特許文献１は、固体撮像素子におけるゲッタリング技術に関するものである。特許文献１には、シリコン基板に炭素および酸素をイオン注入することによってゲッタリング能力を得ることが記載されている。また、特許文献１には、炭素と酸素との化合物を有効に形成して強力なゲッタリング能力を得るためには、酸素のピーク濃度を炭素のピーク濃度以上にし、且つ酸素と炭素とでイオン注入後の投影飛程距離を互いに等しくすることが望ましいことが記載されている。
しかしながら、シリコン基板に酸素を意図的に注入すると、製造プロセス中の熱処理工程等においてエピタキシャル層へ拡散する酸素が増加するので、画素に近い領域において酸素に起因した結晶欠陥が誘発される可能性がある。特に、低温でのシリコン中の拡散速度が速いＣｏ、Ｎｉ等の金属を用いる場合、画素に近いエピタキシャル層内の結晶欠陥を抑制するとともに、可能な限り深い領域に形成したゲッタリング層で該金属を捕獲することが望まれる。
また、シリコン基板の酸素濃度が高い場合やシリコン基板に酸素を意図的にイオン注入した場合、シリコンの格子位置に炭素が配置されることで生じるひずみによって、捕獲したい金属ではなく酸素が多くゲッタリングされると考えられる。これは、金属をゲッタリングする効果が低くなることを意味する。以上の理由により、これまでのゲッタリング技術は、固体撮像装置の白傷欠陥不良の低減方法として最適であるとは言えない。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、白傷不良の発生を抑えるために有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の１つの側面は、シリコン基板を有する光電変換装置に係り、前記シリコン基板は、光電変換を行う第１部分と、前記第１部分よりも前記シリコン基板の受光面から離れて配され、シリコン以外の第１４族元素を含有する第２部分とを含み、前記第２部分における前記第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であり、前記第２部分における酸素のピーク濃度である第２ピーク濃度が前記第１ピーク濃度の１／１０００以上かつ１／１０以下である。
本発明によれば、白傷不良の発生を抑えるために有利な技術が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。本発明の光電変換装置は、例えば、１次元または二次元の画像情報を検出する固体撮像装置、位相差検出装置、光量センサ等として構成されうる。固体撮像装置は、ＭＯＳイメージセンサとして構成されてもよいし、ＣＣＤイメージセンサとして構成されてもよいし、他の形式のイメージセンサとして構成されてもよい。以下では、本発明の光電変換装置がＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置）に適用された例を説明するが、これは本発明をＭＯＳイメージセンサに限定することを意図したものではない。
図１には、本発明の第１実施形態の固体撮像装置１００の部分的な構成が示されている。固体撮像装置１００は、第１半導体領域１０１と、第１半導体領域１０１の上に配置された第２半導体領域１０２と、を含む半導体基板ＳＳ（シリコン基板）を有する。第１半導体領域１０１は、不純物含有部１９０を含む。半導体基板ＳＳは、互いに反対側の面である第１面Ｓ１および第２面Ｓ２を有する。第２半導体領域１０２の２つの面のうち第１半導体領域１０１とは反対側の面が半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１を構成する。第１半導体領域１０１の２つの面のうち第２半導体領域１０２とは反対側の面が半導体基板ＳＳの第２面Ｓ２を構成する。第２半導体領域１０２は第１半導体領域１０１に連続している。つまり、第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２との間には絶縁体領域が存在しない。
この例では、第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２とは、ともに第１導電型を有する。つまり、この例では、第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２は、互いに同じ導電型を有する。第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２とは、互いに異なる導電型を有していてもよい。後述するように、第２半導体領域１０２の中には、互いに導電型や不純物濃度が異なる複数の不純物領域が設けられている。
なお、以下の説明において、信号電荷と同型の電荷を多数キャリアとし、信号電荷と異型の電荷を少数キャリアとする半導体領域（不純物領域）の導電型を第１導電型と称する。そして、信号電荷と異型の電荷を多数キャリアとし、信号電荷と同型の電荷を少数キャリアとする半導体領域（不純物領域）の導電型を第２導電型と称する。例えば、電子が信号電荷であれば、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である。
第１半導体領域１０１における第１導電型の不純物の濃度は、第２半導体領域１０２における第１導電型の不純物の濃度と異なる。一例において、第１半導体領域１０１における第１導電型の不純物の濃度は、第２半導体領域１０２における第１導電型の不純物の濃度より大きい。他の例において、第１半導体領域１０１における第１導電型の不純物の濃度は、第２半導体領域１０２における第１導電型の不純物の濃度より小さい。
第１半導体領域１０１は、単結晶シリコンウェハ（シリコン板）で構成されうる。具体的には、第１半導体領域１０１は、単結晶シリコンのインゴッドをスライスし研磨することによって形成された単結晶シリコンウェハで構成されうる。第２半導体領域１０２は、単結晶シリコンからなり、第１半導体領域１０１の上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させることによって形成されうる。エピタキシャル成長法で形成された単結晶シリコン層をエピタキシャル層と呼ぶ。第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２との間は、結晶格子が連続しうるため明確な界面を観察できない場合もある。
光電変換装置１００を構成する半導体基板ＳＳは、光電変換を行う第１部分としての光電変換部ＰＤと、光電変換部ＰＤよりも半導体基板ＳＳの受光面から離れて配され、シリコン以外の第１４族元素を含有する第２部分としての不純物含有部１９０とを含みうる。不純物含有部１９０（第２部分）は、シリコン（Ｓｉ）以外の第１４族元素（不純物）、および、酸素（Ｏ）を含む。ここで、第１４族元素は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）である。シリコン以外の第１４族元素として好ましいのは、シリコン（Ｓｉ）よりも原子番号の小さい炭素（Ｃ）である。不純物含有部１９０（第２部分）におけるシリコン以外の第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度は、１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下でありうる。不純物含有部１９０（第２部分）における酸素のピーク濃度である第２ピーク濃度は、前記第１ピーク濃度（１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下のピーク濃度）の１／１０００以上かつ１／１０以下でありうる。上記のような半導体基板ＳＳを用いて製造された固体撮像装置１００は、白傷の低減に有利である。また、上記のような半導体基板ＳＳを用いて製造された固体撮像装置１００は、光電変換部ＰＤでの残像の低減にも有利である。
光電変換部ＰＤには、第１面Ｓ１を通して光が入射する。不純物含有部１９０は、半導体基板ＳＳの受光面から離れて配されている。受光面は、半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１のうち光電変換部ＰＤの上に位置する部分として定義されうる。不純物含有部１９０は、光電変換部ＰＤから離隔して配されうるが、不純物含有部１９０と光電変換部ＰＤとの距離は、２０μｍ未満でありうる。光電変換部ＰＤ（第１部分）は、受光面に直交する方向において、不純物含有部１９０（第２部分）と受光面（第１面Ｓ１）との間に配されうる。不純物含有部１９０は、第１面Ｓ１に平行な層を構成するように配されうる。不純物含有部１９０は、第１面Ｓ１からの深さ（受光面からの距離）が３μｍから２０μｍの範囲内に配されうる。一例において、不純物含有部１９０は、不純物（シリコン以外の第１４族元素）の濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上の領域（第１領域）を有し、第１面Ｓ１（受光面）に直交する方向における当該領域の寸法は３μｍ以下でありうる。
この例では、不純物含有部１９０が第１半導体領域１０１に配されているが、不純物含有部１９０は、例えば、不純物領域１０２ａに配されてもよい。光電変換部ＰＤは、少なくとも第２半導体領域１０２に配されている。この例では、光電変換部ＰＤは、第２半導体領域１０２内に配されているが、光電変換部ＰＤを第１半導体領域１０１まで延在させることもできる。光電変換部ＰＤは、電荷蓄積領域として機能しうる第１導電型の不純物領域１０４を有する。第１導電型の不純物領域１０４において、信号電荷が多数キャリアを成す。また、光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４と第１半導体領域１０１との間に、第１導電型とは異なる第２導電型を有する不純物領域１０３を含みうる。さらに、光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４の下に、不純物領域１０４に連続して配された第１導電型の不純物領域１０２ｂを含みうる。第２半導体領域１０２のうち不純物領域１０３よりも下に配置された部分は、不純物領域１０２ａであり、第２半導体領域１０２のうち不純物領域１０３よりも上に配置された部分は、不純物領域１０２ｂである。
不純物領域１０４の第１導電型の不純物濃度は、第２半導体領域１０２（不純物領域１０２ａ、不純物領域１０２ｂ）の不純物濃度よりも高い。不純物領域１０４、不純物領域１０２ｂおよび不純物領域１０３は、光電変換部ＰＤを構成する。光電変換部ＰＤで光電変換によって発生する負電荷（電子）および正電荷（正孔）のうち第１導電型における多数キャリアと同型の電荷は、不純物領域１０４に蓄積される。光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４の上側、つまり不純物領域１０４と半導体基板ＳＳの表面との間に配置され第２導電型を有する不純物領域１０５を含みうる。不純物領域１０５は、不純物領域１０４を半導体基板ＳＳの表面から離隔するように機能し、これによって埋め込み型のフォトダイオード構造を有する光電変換部ＰＤが構成される。
図示されていないが、固体撮像装置１００は、複数の不純物領域１０４を有する。複数の不純物領域１０４は、ポテンシャル障壁による分離領域として機能する第２導電型の不純物領域１０６、１０７によって相互に分離されうる。不純物領域１０３は、複数の不純物領域１０４の配列の下方に、該配列の領域の全体にわたって広がるように配置されうる。固体撮像装置１００は、複数の画素を含み、各画素は、不純物領域１０４を含む光電変換部ＰＤを含む。
光電変換部ＰＤの不純物領域１０４に蓄積された電荷は、ゲート電極１１４にアクティブレベルの電位が印加されることによって不純物領域１０２ｂに形成されるチャネルを介して、浮遊拡散領域として機能する第１導電型の不純物領域１１２に転送される。不純物領域１１２は、第２半導体領域１０２のうち、不純物領域１０２ｂと半導体基板ＳＳの表面との間に形成されている。ゲート電極１１４は、半導体基板ＳＳの上にゲート絶縁膜１１６を介して配置されている。不純物領域１０４、不純物領域１１２、ゲート電極１１４およびゲート絶縁膜１１６は、ＭＯＳトランジスタ構造を有する。不純物領域１１２の不純物領域１０４の側には、不純物領域１１２に隣接するように電界緩和領域として機能する不純物領域１１１が配置されうる。不純物領域１１１は、第１導電型を有しうる。
固体撮像装置１００は、不純物領域１１２に転送された電荷に応じた信号を列信号線に出力するために、複数のトランジスタＴｒを含みうる。複数のトランジスタＴｒは半導体基板ＳＳの表面の側に配されている。トランジスタＴｒは、ソースおよびドレインを構成する不純物領域１１３、ゲート電極１１５、ゲート絶縁膜１１７を含みうる。複数のトランジスタＴｒおよび不純物領域１０４（光電変換素子）を含む素子のうち相互に分離されるべき素子は、素子分離部１１０によって分離されうる。素子分離部１１０は、半導体基板ＳＳの表面の側に形成されたＳＴＩ構造またはＬＯＣＯＳ構造を有する絶縁体で構成されうるが、ＰＮ接合分離によって構成することもできる。第２導電型の不純物領域１０９は、素子分離部１１０の周囲に形成される。不純物領域１０９は、チャネルストップや、素子分離部１１０と第１半導体領域１０２との界面で発生する暗電流に対するシールドとして機能しうる。不純物領域１０９と不純物領域１０３との間には、第２導電型を有する不純物領域１０８が配置されうる。
図１には示されていないが、固体撮像装置１００は、各々が光電変換部ＰＤを含む複数の画素を有する画素部と、該画素部の画素から信号を読み出すための周辺回路部とを備えうる。画素部には、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素が配列されうる。周辺回路部は、例えば、画素部の行を選択する行選択回路、画素部の各列の画素から信号を読み出す信号読出回路、画素部の列を選択する列選択回路等を含みうる。周辺回路部は、金属とシリコン（半導体基板ＳＳの構成材料、又は、ゲート電極の構成材料）との化合物であるシリサイドからなるシリサイド領域を有するトランジスタ含みうる。シリサイドを構成する金属は、例えば、ニッケル、コバルト、チタン、モリブデンおよびタングステンの少なくとも１つを含みうる。
半導体基板ＳＳの上には、絶縁層１１８、複数の絶縁層１２３、配線層１２０、１２２、コンタクトプラグ１１９およびビアプラグ１２１などが配置されうる。絶縁層１１８は、例えば、反射防止膜および／またはエッチングストッパとして機能しうる。複数の絶縁層１２３は層間絶縁膜として機能しうる。複数の絶縁層１２３の上には、カラーフィルタ層１２４およびマイクロレンズ１２５などが配置されうる。
以下、図２を参照しながら第１実施形態の固体撮像装置１００の製造方法を説明する。まず、工程Ｓ２００では、ＭＣＺ法で引き上げを行った単結晶シリコンのインゴットからスライスされたウエハを鏡面研磨し洗浄することによって、第１半導体領域１０１としての単結晶シリコン基板を準備する。ここで、インゴットの作製中にシリコンへ酸素が混入する。しかし、引き上げ時の回転速度、印加磁場、雰囲気等の条件を調整することによって、インゴット（結果として第１半導体領域１０１）中の酸素濃度を制御することができる。このような調整によって、インゴット（結果として第１半導体領域１０１）中の酸素濃度を２×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ８×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］の範囲内、例えば５×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］に制御する。酸素濃度は、Ｏｌｄ ＡＳＴＭによる換算係数から求めることができる。
酸素濃度が８×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下の第１半導体領域１０１を用いた場合、製造された固体撮像装置１００において、不純物含有部１９０に捕獲される酸素の濃度を、シリコン以外の第１４族元素の濃度の１／１０以下に抑えることができる。一方で、酸素濃度が２×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下の第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）用いた場合、機械的強度が低くなり、固体撮像装置１００の製造プロセスの歩留まりが低下しうる。なお、第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）の寸法（直径）、低効率、導電型等は、特定のものに限定されない。
次に、工程Ｓ２１０では、イオン注入機を用いて、シリコン以外の第１４族元素（不純物）として、例えば、炭素のイオンを第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）に対して、加速して注入する。これによって、第１半導体領域１０１に不純物含有部１９０を形成する。炭素の注入は、炭素をイオン化して注入するイオン注入法によってなされうる。不純物含有部１９０は、第１半導体領域１０１の表面の近傍に構成されてもよいし、第１半導体領域１０１の内部に形成されてもよい。ここで、不純物として、炭素の代わりに、炭素を含む炭化水素分子を採用してもよい。イオン注入の目的は、シリコンと同族（第１４族）で原子半径がシリコンと異なる元素をシリコン内に導入することでシリコンに局所的なひずみを与えることである。したがって、炭素ではなく、ゲルマニウム、スズまたは鉛を不純物として第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）に注入してもよい。
不純物のイオン注入時の加速エネルギーは、例えば、１０ＫｅＶ〜２００ＫｅＶの範囲内とされうる。また、不純物のイオン注入時の注入ドーズ量は、例えば、１×１０１４［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］〜５×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］の範囲内とされうる。ここで、ドーズ量が低すぎる場合は、後述のゲッタリングの効果が低くなる。一方、ドーズ量が高すぎる場合は、イオン注入により発生する結晶欠陥を有する第１半導体領域１０１の上に第２半導体領域１０２（エピタキシャル層）を形成することになり、第２半導体領域１０２に結晶欠陥が形成されうる。不純物のドーズ量は、製造された固体撮像装置１００において、不純物含有部１９０（ゲッタリング層）に捕獲される酸素の濃度がシリコン以外の第１４族元素（不純物）の濃度の１／１０以下になるように決定されうる。
一方、不純物のドーズ量が５×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］で不純物のピーク濃度が１０×１０１９［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である場合、酸素のピーク濃度は、１×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］より大きいことが望ましい。これは、酸素のピーク濃度が１×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下となると、第２半導体領域１０２の結晶欠陥や、低酸素濃度による第１半導体領域１０１の機械的強度の低下が懸念されるからである。したがって、不純物含有部１９０におけるピーク酸素濃度は、不純物含有部１９０における不純物のピーク濃度の１／１０００以上にすることが望ましい。
一例において、光電変換部ＰＤが設けられた部分では酸素濃度が２×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であり、光電変換部ＰＤより深部では酸素のピーク濃度が２×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上である構成が採用されうる。
次に、工程Ｓ２２０では、第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）の不純物（炭素）がイオン注入された面の上に、エピタキシャル成長法によって、第２半導体領域１０２（エピタキシャル層）を形成する。一例において、第２半導体領域１０２の厚さは９μｍである。
以下、半導体基板ＳＳに素子分離部１１０、不純物領域１０３、１０８、１０９、光電変換部ＰＤ、不純物領域１１１、１１２、１１３等が形成されうる。また、半導体基板ＳＳの上には、ゲート電極１１４、１１５、ゲート絶縁膜１１６、１１７、絶縁層１１８、１２３、配線層１２０、１２２、コンタクトプラグ１１９、ビアプラグ１２１、カラーフィルタ層１２４およびマイクロレンズ１２５等が形成されうる。
以上のような製造プロセスにおいて、酸化膜の形成や、不純物の活性化等を目的として、半導体基板ＳＳは、熱処理を受ける。この熱処理の最大温度は、典型的には、９００〜１１００℃程度である。この熱処理の過程で、炭素等の不純物半導体基板ＳＳ（第１半導体領域１０１）におけるシリコンを置換し、局所的なひずみが発生しうる。これにより、不純物含有部１９０は、コバルトおよびニッケル等の重金属を捕獲するゲッタリング部あるいはゲッタリング層として機能する。
一例では、製造された固体撮像装置１００において、不純物含有部１９０は、不純物の濃度が１×１０１９［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上の領域（第２領域）を有し、該領域における酸素濃度は３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下である。ここで、不純物の濃度が１×１０１９［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上である領域は、シリコンが不純物によって置換されていることによってひずみを有し、このひずみは、酸素の他、コバルトおよびニッケル等の重金属を捕獲しうる。当該領域における酸素の濃度が３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であることは、当該領域が重金属を捕獲する能力を十分に有すること、つまりゲッタリングの能力を十分に有することを意味する。
図３には、本発明の実施例に係る固体撮像装置における炭素（不純物）および酸素の濃度が示されている。図４には、比較例の固体撮像装置における炭素（不純物）および酸素の濃度が示されている。なお、実施例では、工程Ｓ２００において、酸素濃度が５×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］の第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）を準備した。一方、比較例では、工程Ｓ２００において、酸素濃度が１．３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］の第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）を準備した。他の条件は、実施例と比較例とにおいて共通している。図３、図４において、横軸は、半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１からの深さを示している。炭素および酸素の濃度の測定は、ＳＩＭＳ分析によって行った。
図３、図４の結果より、不純物としての炭素が注入された領域（不純物含有部）に酸素も高濃度で存在している。また、図３、図４において、炭素および酸素の分布形状が類似している。このことより、シリコン格子間に存在する酸素が炭素に起因するひずみに集まっていることが推測される。図３に示された実施例では、比較例よりも酸素濃度が低い第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）が使われているので、製造された固体撮像装置において、炭素が注入された領域（不純物含有部）における酸素の量が比較例よりも低い。図３、図４に示されるように、酸素の濃度分布におけるピーク値（以下、酸素濃度ピーク）と炭素の濃度分布におけるピーク値（以下、炭素濃度ピーク）の深さはほぼ一致している。そこで、酸素ピーク濃度を炭素ピーク濃度で割った値を算出して、これをゲッタリング層としての不純物含有部における酸素濃度の指標とした。
図５は、実施例および比較例の固体撮像装置の白傷欠陥個数と、その固体撮像装置における半導体基板ＳＳを測定して得た指標（酸素ピーク濃度／炭素ピーク濃度）とをプロットした図である。縦軸の白傷欠陥個数は、固体撮像装置を暗時環境下で短時間動作させて、特定の高い出力値を示す画素の個数を白傷欠陥個数としてカウントした値である。図５から明らかなように、酸素の濃度が不純物である炭素の濃度の１／１０以下（１０．０パーセント以下）である場合に、比較例に対して白傷欠陥個数が低減していることがわかる。
特許文献１の図３には、酸素ドーズ量の増加に応じて白傷欠陥数が減少することが示されている。一方、本発明者は、上記のとおり、不純物含有部１９０における酸素の濃度が不純物含有部１９０における不純物の濃度の１／１０以下になるように固体撮像装置１００を製造することによって白傷欠陥数を低減することができることを見出した。両者は矛盾するように見えるかもしれないので、これについて説明する。
図６（ａ）は、図５の横軸を０〜１２０％の範囲に書き直したものである。図６（ｂ）は、特許文献１の図３の２つのデータをプロットしたものである。１つのデータは、炭素ドーズ量＝５×１０１４［原子ｃｍ−２］、酸素ドーズ量＝５×１０１４［原子ｃｍ−２］のときのデータであり、もう１つのデータは、炭素ドーズ量＝５×１０１４［原子ｃｍ−２］、酸素ドーズ量＝０［原子ｃｍ−２］のときのデータである。ここで、通常の酸素濃度を有する基板を想定して、酸素ドーズ量＝０［原子ｃｍ−２］のときの酸素ピーク濃度／炭素ピーク濃度を２０％とした。特許文献１では、基板中の酸素の濃度ではなく、基板に対する酸素のドーズ量を注目している。実際には、通常の単結晶シリコン基板は、相当量の酸素を含有しており、特許文献１では、この点が考慮されていない。図６（ａ）、図６（ｂ）から、本発明の実施例の方が特許文献１に記載されたデータより優れていること、そして、本発明は、特許文献１において想定されていないパラメータを特定していることが分かる。
酸素濃度が高い範囲では、多数の酸素析出欠陥が第１半導体領域１０１の他、第２半導体領域１０２（エピタキシャル層）にも形成されるので、金属不純物を捕獲可能な場所が、不純物が注入された不純物含有部１９０以外にも多数存在しうる。したがって、酸素濃度が高い範囲では、酸素析出欠陥の増加によって白傷欠陥個数が低減されると推測される。しかしながら、酸素析出欠陥の増加による白傷欠陥個数の低減効果には限界があるものとの推測される。白傷欠陥個数を更に低減するためには、酸素析出欠陥はむしろ邪魔になり、不純物含有部１９０に不純物によって形成されたひずみによって金属を捕獲する方が有効であると考えられる。つまり、白傷欠陥個数を更に低減するためには、完成した固体撮像装置１００において不純物含有部１９０中の酸素の濃度が不純物含有部１９０中の不純物の濃度の１／１０以下になるように酸素濃度を制御することが有効であると考えられる。また、不純物含有部１９０に不純物によって形成されたひずみによって酸素が捕獲されてしまうと、ひずみが重金属を捕獲する能力が低下する可能性もある。
図７には、本発明の実施例、比較例１、比較例２の固体撮像装置の画素領域（光電変換部ＰＤ）の表面付近におけるコバルト（Ｃｏ）の濃度分布が示されている。図７において、横軸は、第１面Ｓ１からの深さを示し、縦軸は、コバルトの濃度を示している。実施例は、酸素ピーク濃度／炭素ピーク濃度＝４％の例、比較例１は炭素の注入を行わなかった例、比較例２は酸素ピーク濃度／炭素ピーク濃度＝３７％の例である。実施例、比較例１、比較例２は、工程Ｓ２２０以降は、同一の条件で同一の構造を有する固体撮像装置を製造し、その固体撮像装置を評価した結果である。
不純物である炭素を第１半導体領域１０１（単結晶シリコン基板）に注入することによって画素領域（光電変換部ＰＤ）の表面付近におけるコバルト濃度が低減していることが分かる。これは、半導体基板ＳＳの深部に設けられた不純物含有部１９０によって、画素領域（光電変換部ＰＤ）の表面付近にあったコバルトがゲッタリングされたことを示している。また、実施例（酸素ピーク濃度／炭素ピーク濃度＝４％）のように、酸素濃度が低い半導体基板を採用することによって、比較例２のように酸素濃度が高い半導体基板を採用した場合よりもコバルトのゲッタリングが効果的に行われることが確認された。
図８には、本発明の実施例、比較例４、比較例５、比較例６の固体撮像装置の白傷欠陥個数が示されている。比較例４は、酸素ピーク濃度が３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を越える第１半導体領域１０１を準備し、不純物（炭素）を注入することなく、第２半導体領域１０２をエピタキシャル成長させて得た半導体基板ＳＳを用いて製造された。比較例５は、酸素ピーク濃度が実施例と同様（３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下）の第１半導体領域１０１を準備し、不純物（炭素）を注入することなく、第２半導体領域１０２をエピタキシャル成長させて得た半導体基板ＳＳを用いて製造された。比較例６は、酸素ピーク濃度が比較例４と同等の第１半導体領域１０１を準備し、不純物（炭素）を注入した後に第２半導体領域１０２をエピタキシャル成長させて得た半導体基板ＳＳを用いて製造された。
ゲッタリング用の不純物の注入を行わない場合、酸素濃度の減少によって白傷欠陥個数が増加する（比較例４、５）。これは、前述のように、酸素析出欠陥の減少によってゲッタリングの効果が低下するためであると考えられる。比較例６のように不純物を注入すると、白傷欠陥個数が低下することが分かる。そして、実施例のように不純物の注入に加えて酸素濃度を低下させることによって白傷欠陥個数が更に低下することが分かる。
光電変換部ＰＤでの残像の低減について説明する。光電変換部ＰＤでの残像は、酸素によって形成された準位に信号電荷が捕獲されて後にしばらくしてから、信号電荷が当該準位から放出されることによって生じ得る。このように残像の原因となりうる酸素を半導体基板ＳＳの不純物含有部１９０に収集し、固定させることができるため、光電変換部ＰＤでの残像を抑制できる。特に、第１半導体領域１０１から第２半導体領域１０２への酸素の拡散が不純物含有部１９０で抑制できるため、第２半導体領域１０２の酸素濃度を低減できる。この観点からすると、不純物含有部１９０の酸素濃度はシリコン以外の第１４族元素のピーク濃度の１／１０を超えない程度に、より高いことが好ましいと言える。
図９には、本発明の第２実施形態の固体撮像装置１００の部分的な構成が示されている。第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。固体撮像装置１００は、第１半導体領域１０１と、第１半導体領域１０１の上に配置された第２半導体領域１０２と、を含む半導体基板ＳＳ（シリコン基板）を有する。第１半導体領域１０１は、不純物含有部１９０を含む。半導体基板ＳＳは、互いに反対側の面である第１面Ｓ１および第２面Ｓ２を有する。第２半導体領域１０２の２つの面のうち第１半導体領域１０１とは反対側の面が半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１を構成する。第１半導体領域１０１の２つの面のうち第２半導体領域１０２とは反対側の面が半導体基板ＳＳの第２面Ｓ２を構成する。第２半導体領域１０２の中には、互いに導電型や不純物濃度が異なる複数の不純物領域が設けられている。
第１半導体領域１０１は、単結晶シリコンからなり、単結晶シリコンのインゴッドをスライスし研磨することによって形成されうる。第２半導体領域１０２は、単結晶シリコンからなり、第１半導体領域１０１の上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長法で形成することによって形成されうる。第１半導体領域１０１と第２半導体領域１０２との間は、結晶格子が連続しうるため明確な界面を観察できない場合もある。第２半導体領域１０２は、第１導電型の半導体領域１０２ｂと、第２導電型の半導体領域１０２ｃとを含む。
不純物含有部１９０は、シリコン（Ｓｉ）以外の第１４族元素（不純物）、および、酸素（Ｏ）を含む。ここで、第１４族元素は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）である。不純物含有部１９０におけるシリコン以外の第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度は、１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下でありうる。また、不純物含有部１９０における酸素のピーク濃度は、前記第１ピーク濃度（１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下）の１／１０００以上かつ１／１０以下でありうる。上記のような半導体基板ＳＳを用いて製造された固体撮像装置１００は、白傷の低減に有利である。
固体撮像装置１００の半導体基板ＳＳには光電変換部ＰＤが配されている。不純物含有部１９０は、光電変換部ＰＤから離隔して配されている。光電変換部ＰＤは、不純物含有部１９０と第１面Ｓ１との間に配されている。不純物含有部１９０は、第１面Ｓ１に平行な層を構成するように配されうる。
光電変換部ＰＤは、電荷蓄積領域として機能しうる第１導電型の不純物領域１０４を有する。第１導電型の不純物領域１０４において、信号電荷が多数キャリアを成す。また、光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４と第１半導体領域１０１との間に第２導電型の不純物領域１０２ｃを含みうる。不純物領域１０２ｃは、複数の第２導電型の半導体領域２０１、２０２、２０３、２０４、２０５を含みうる。光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４の下に、不純物領域１０４に連続して配された第１導電型の不純物領域１０２ｂを含みうる。不純物領域１０４における第１導電型の不純物濃度は、不純物領域１０２ｂにおける第１導電型の不純物濃度よりも高い。不純物領域１０４、不純物領域１０２ｂおよび不純物領域１０２ｃは、光電変換部ＰＤを構成する。
光電変換部ＰＤで光電変換によって発生する負電荷（電子）および正電荷（正孔）のうち第１導電型における多数キャリアと同型の電荷は、不純物領域１０４に蓄積される。光電変換部ＰＤは、不純物領域１０４の上側、つまり不純物領域１０４と半導体基板ＳＳの表面との間に配置され第２導電型を有する不純物領域１０５を含みうる。不純物領域１０５は、不純物領域１０４を半導体基板ＳＳの表面から離隔するように機能し、これによって埋め込み型のフォトダイオード構造を有する光電変換部ＰＤが構成される。
図１０には、図９のＡ−Ａ’線における第２導電型（ここではｐ型）の不純物の濃度、酸素の濃度、不純物（炭素）の濃度が示されている。深さは、半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１からの深さを示している。Ｃ１は半導体領域２０１における第２導電型の不純物のピークを示している。Ｃ３は半導体領域２０２における第２導電型の不純物のピークを示している。Ｃ４は半導体領域２０３における第２導電型の不純物のピークを示している。Ｃ５は半導体領域２０４における第２導電型の不純物のピークを示している。Ｃ２は半導体領域２０５における第２導電型の不純物のピークを示している。炭素濃度がピークを有する深さおよび酸素濃度がピークを示す深さは、不純物含有部１９０の深さ範囲内に位置する。半導体基板ＳＳは、少なくとも第１面Ｓ１からの深さが０〜１５μｍの範囲において、酸素濃度が２×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下である。図１０に示された例では、第２導電型の不純物濃度がピークＣ２を有する深さより深い位置に、酸素濃度が２×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上のピークを有する。
図１１および図１２を参照しながら本発明の第３実施形態の固体撮像装置１００およびその製造方法を説明する。第３実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第３実施形態では、第２半導体領域１０２としてのエピタキシャル層を形成した後にイオン注入によって不純物含有部１９０を形成する。
まず、工程Ｓ３００では、ＭＣＺ法で引き上げを行った単結晶シリコンのインゴットからスライスされたウエハを鏡面研磨し洗浄することによって、第１半導体領域１０１として、単結晶シリコン基板を準備する。次に、工程Ｓ３１０では、第１半導体領域１０１の上にエピタキシャル成長法によって、第２半導体領域１０２（エピタキシャル層）を形成する。これにより、第１半導体領域１０１の上に第２半導体領域１０２を有する半導体基板ＳＳが形成される。次に、工程Ｓ３２０では、第２半導体領域１０２の上にイオン注入用のマスクＭを形成する。ここで、マスクＭは、例えば、フォトレジストマスクなどの有機材料からなるマスクを用いることができるが、高い注入エネルギーに耐えうるために、金属やセラミックス、ガラスなどの無機材料からなるマスクを用いることが好ましい。マスクＭは半導体基板ＳＳに接触してもよいが、特に無機材料からなるマスクを用いる場合には半導体基板ＳＳから離間させることが好ましい。次に、工程Ｓ３３０では、マスクＭの開口部を通して、第２半導体領域１０２に対して、不純物（シリコンを除く第１４族元素、例えば、炭素またはゲルマニウム）を注入し、不純物含有部１９０を形成する。マスクＭの開口部は、光電変換部ＰＤが形成される予定の領域ＰＤ’とは異なる領域に不純物（シリコンを除く第１４族元素）が注入されるように形成される。
その後、工程Ｓ３４０では、半導体基板ＳＳに素子分離部１１０、不純物領域１０３、１０８、１０９、光電変換部ＰＤ、光電変換部ＰＤ、不純物領域１１１、１１２、１１３等を形成する。次に、工程Ｓ３５０では、半導体基板ＳＳの上にゲート電極１１４、１１５、ゲート絶縁膜１１６、１１７、絶縁層１１８、１２３、配線層１２０、１２２、コンタクトプラグ１１９、ビアプラグ１２１、カラーフィルタ層１２４、マイクロレンズ１２５等を形成する。
不純物含有部１９０は、受光面（半導体基板ＳＳの第１面Ｓ１のうち光電変換部ＰＤの上に位置する部分）から離れた位置に配されればよく、例えば、光電変換部ＰＤと同程度の深さに配されてもよい。また、不純物含有部１９０は、領域ＰＤ’の下に選択的に不純物（シリコンを除く第１４族元素、例えば炭素）を注入することによって形成されてもよい。
図１３は、以上の例で示された固体撮像装置１００が適用されたカメラの構成例を説明するための図である。カメラは、固体撮像装置１００の他、例えば、処理部２００、ＣＰＵ３００（又はプロセッサ）、操作部４００、光学系５００を具備する。また、カメラは、静止画や動画をユーザに表示するための表示部６００、それらのデータを記憶するためのメモリ７００をさらに具備しうる。固体撮像装置１００は、光学系５００を通過した光に基づいてデジタル信号からなる画像データを生成する。該画像データは、処理部２００により所定の画像処理が為され、表示部６００やメモリ７００に出力される。また、ユーザにより操作部４００を介して入力された撮影条件に応じて、ＣＰＵ３００により、各ユニットの設定情報が変更され、又は、各ユニットの制御方法が変更されうる。なお、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。
ＰＤ：光電変換部、１９０：不純物含有部
Claims (20)
- シリコン基板を有する光電変換装置であって、
前記シリコン基板は、光電変換を行う第１部分と、前記第１部分よりも前記シリコン基板の受光面から離れて配され、シリコン以外の第１４族元素を含有する第２部分とを含み、
前記第２部分における前記第１４族元素のピーク濃度である第１ピーク濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ１×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下であり、
前記第２部分における酸素のピーク濃度である第２ピーク濃度が前記第１ピーク濃度の１／１０００以上かつ１／１０以下である、
ことを特徴とする光電変換装置。 - 前記受光面に直交する方向において、前記第２部分と前記受光面との間に前記第１部分が配されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。 - 前記第２部分は、前記受光面に沿った層を構成するように配されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。 - 前記第２部分は、前記受光面からの距離が３μｍから２０μｍの範囲内に配されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第２部分は、前記第１４族元素の濃度が１×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上である第１領域を有し、前記受光面に直交する方向における前記第１領域の寸法が３μｍ以下である、
ことを特徴と請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第２部分は、前記第１４族元素の濃度が１×１０１９［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上である第２領域を有し、前記第２領域における酸素の濃度が３×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第１部分を含む画素から信号を読み出すための周辺回路部を更に備え、
前記周辺回路部は、シリサイド領域を有するトランジスタを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記シリサイド領域は、ニッケルおよびコバルトの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。 - 前記第１４族元素は、炭素である、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第１部分は、ｎ型の第１不純物領域と、前記第１不純物領域と前記第２部分との間に位置するｐ型の第２不純物領域と、を含み、
前記第２不純物領域と前記第２部分との間にはｎ型の不純物領域が設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 半導体基板の製造方法であって、
酸素濃度が２×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ８×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下の範囲内であるシリコン板を準備する工程と、
前記シリコン板に対してシリコンを除く第１４族元素を注入する工程と、
前記シリコン板の上にシリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 半導体基板の製造方法であって、
酸素濃度が２×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上かつ８×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以下の範囲内であるシリコン板と、前記シリコン板の上のシリコン層と、を有するシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板に対して、シリコンを除く第１４族元素を注入する工程と、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記第１４族元素を注入する前記工程では、開口部を有するマスクを用い、前記開口部を介して前記第１４族元素を注入する、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第１４族元素を注入する前記工程は、１０ＫｅＶ〜２００ＫｅＶの範囲内の加速エネルギーで前記第１４族元素のイオンを加速して注入することでなされる、
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第１４族元素を注入する前記工程では、前記第１４族元素のドーズ量が１×１０１４［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］から５×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］の範囲内となるようになされる、
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第１４族元素は、炭素である、
ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。 - 請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を準備する工程と、
前記シリコン層に光電変換部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。 - 前記シリコン層に、前記光電変換部を含む画素から信号を読み出すための周辺回路のトランジスタを形成する工程を更に含み、
前記トランジスタは、シリサイド領域を含む、
ことを特徴とする請求項１７に記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記シリサイド領域は、ニッケルおよびコバルトの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載の光電変換装置の製造方法。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの画像データを処理する処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。
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