(57)【要約】【課題】半導体基板上の配線層のパターンに依らず、水素をシリコン−酸化膜界面に供給可能であり、均一なシンタリング効果を得ることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板の上に少なくとも金属配線層を有するトランジスタを含むデバイス形成層を形成する工程を少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記デバイス形成層を形成する工程の後、該デバイス形成層の上に表面保護膜を形成し、前記半導体基板の該デバイス形成層が形成されている面とは反対の面に水素をイオン注入する工程を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に少なくとも金属配線層を有するトランジスタを含むデバイス形成層を形成する工程を少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、
前記デバイス形成層を形成する工程の後、該デバイス形成層の上に表面保護膜を形成し、前記半導体基板の該デバイス形成層が形成されている面とは反対の面に水素をイオン注入する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記水素をイオン注入する工程における水素イオンのドーズ量は、１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１６ｃｍ−２以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記水素をイオン注入する工程におけるイオン注入は、前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面に、水素を含むプラズマ中で高周波バイアスを印加することによってなされることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記水素をイオン注入する工程におけるイオン注入は、大電流イオン注入装置によってなされ、及び、水素をイオン注入するときのエネルギーは、２０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記水素をイオン注入する工程の後に、前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成されている面とは反対の面に不活性ガスをイオン注入する工程を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記不活性ガスは、アルゴン又は窒素であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記水素をイオン注入する工程の後、前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成されている面とは反対の面に窒化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記水素をイオン注入する工程の前に、前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成されている面とは反対の面から、該半導体基板を薄化する工程を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体基板を薄化する工程は、バックグラインド、又はウェットエッチング若しくはドライエッチングによって行われることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板と、該半導体基板の上に形成された少なくとも金属配線層を有するトランジスタを含むデバイス形成層と、を少なくとも有する半導体装置であって、
前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面は、水素イオンを含む領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面における水素イオンのドーズ量は、１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１６ｃｍ−２以下の範囲にあることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面には、アモルファス層が形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面には、窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
金属配線層による遮光膜を設けた遮光画素と、該遮光膜の開口を有する有効画素と、を有する固体撮像装置であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス技術には、通常、シリコン−酸化膜界面の界面準位密度の低減及び安定化を目的とした、水素アロイ、水素シンタリング、あるいは水素シンターと呼ばれる工程が存在する。具体的には、デバイス形成工程の最終プロセスにおいて、フォーミングガス（例えばＮ２：Ｈ２＝１：１）中で３５０〜４５０℃の熱処理を行ない、シリコン−酸化膜界面の界面準位となるダングリングボンドを水素で終端する工程である。
【０００３】
現在までに、より効果的にダングリングボンドを水素で終端するための方法が開発されてきた。特許文献１には、水素を含む窒化膜を半導体基板裏面に形成して、シリコン−酸化膜界面のダングリングボンドを水素で終端する方法が開示されている。また、特許文献２では、水素プラズマ中で処理することにより、半導体基板表面から水素イオン（Ｈ＋）をシリコン−酸化膜界面に供給する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平０７−０６６１９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２８５６号公報
【特許文献３】特開平０７−１３０９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体基板のデバイス形成面に、アルミニウムなどからなる配線があると、水素シンタリングの効果が均一になり難い。同じ素子でも配線で覆われている部分とそうでない部分とでは水素シンタリングの効果に差が現れてしまうためである。特に、固体撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ）では次の問題があった。即ち、固体撮像素子は有効画素と遮光画素（光学的黒領域、オプティカルブラック：Ｏ．Ｂ）とを有しており、遮光膜として用いるアルミニウム配線によって、時に有効画素と遮光画素の水素シンタリングの効果、即ち暗時出力が一様にならなかった。
【０００５】
したがって、特許文献２の方法では、以上のような理由で水素シンターが不均一になるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献３では、固体撮像装置におけるその対策として、遮光画素部のセンサ部上にシリコン窒化膜又は窒化チタン膜等の水素阻止膜を配置することで上記問題を回避しようとしている。しかし、水素を遮光膜より上方から供給する水素シンタリングでは、いずれにしても、遮光膜を兼ねる画素上部のアルミニウム配線の形状が有効画素と遮光画素で異なるので、暗時出力を等しくするのは容易ではない。
【０００７】
また、特許文献１の方法では、半導体基板裏面に窒化膜を形成しても半導体基板表面のシリコンと酸化膜との境界までの距離が大きいため、終端を行いたい部分に水素が十分に供給されない場合があった。
【０００８】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板の配線層のパターンに依らず、水素をシリコン−酸化膜界面に供給可能であり、均一なシンタリング効果を得ることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体基板の上に少なくとも金属配線層を有するトランジスタを含むデバイス形成層を形成する工程を少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記デバイス形成層を形成する工程の後、該デバイス形成層の上に表面保護膜を形成し、前記半導体基板の該デバイス形成層が形成されている面とは反対の面に水素をイオン注入する工程を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、半導体基板と、該半導体基板の上に形成された少なくとも金属配線層を有するトランジスタを含むデバイス形成層と、を少なくとも有する半導体装置であって、前記半導体基板の前記デバイス形成層が形成された面とは反対の面は、水素イオンを含む領域を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、半導体基板の配線層のパターンに依らず、水素をシリコン−酸化膜界面に供給可能であり、均一なシンタリング効果を得ることが可能である。特に固体撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ）に応用した場合、遮光画素の遮光膜として配線層を有していても、有効画素、遮光画素ともに同じ水素供給機構で水素を供給することができるので、有効画素と遮光画素の暗時の出力差低減に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
これより、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１に示されているのは、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を説明するための概念図である。ここで、符号２０１はシリコンの半導体基板（ウェハ）、符号２０２はデバイス形成層、符号２０３は裏面水素注入層（アモルファス層）、符号２０４は水素イオンを示している。特徴として、図１に示してあるように、半導体基板の裏面から水素を直接的にイオン注入、あるいはプラズマドーピングする。これによって、配線等のパターンに依存せず、半導体基板の全体に均一に水素を供給することが可能となる。さらに、イオン注入、あるいはプラズマドーピングによって水素を供給することから、半導体基板のデバイス形成層が形成されている面のシリコン−酸化膜界面に、効率よく水素を供給することが可能となる。
【００１４】
また、配線工程を終了した時点で水素を注入することで、その後の熱処理による水素の外方拡散を抑える。また、水素イオン注入時に半導体基板裏面に非晶質（アモルファス）層を形成することで、重金属のゲッタリングサイト形成と同時に水素の外方拡散を抑える効果もある。以下、本発明の製造方法の実施形態についてより具体的に説明する。
【００１５】
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。
【００１６】
図２は、本実施形態を説明する概略図である。まず、通常のウェハプロセスにより、半導体基板３０１上に金属配線層を有するトランジスタを含むデバイスを有するデバイス形成層３０２を形成する。半導体基板３０１のデバイス形成層３０２を有する面を表面とする。次に、デバイス形成層３０２の上に表面保護膜（パッシベーション膜３０５）を形成する。該表面保護膜はデバイス形成層の表面を、水分、不純物イオン等による汚染や傷から保護する機能を有する。この状態で、半導体基板３０１の裏面、即ちデバイス形成層３０２を有する面とは反対の面の領域に、水素イオン３０４（Ｈ＋）をドーズ量：１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１６ｃｍ−２以下の範囲でイオン注入する。また、注入するときのビーム電流の注入エネルギーは２０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲である。エネルギーが２００ｋｅＶのときの射影飛程Ｒｐは約１．５μｍである。注入エネルギーはビーム電流が大きくとれる条件が望ましく、水素のような軽い元素では高いエネルギーが望ましい。注入エネルギーが低い場合には、ビーム電流が小さくなるためイオン注入に要する時間が長くなるためである。水素のドーズ量は高ければ高いほど、水素導入効果が高い。例えば、１×１０１６ｃｍ−２程度である。また、通常のシリコン−酸化膜の界面準位密度は１×１０１１ｃｍ−２程度なので、この１００倍程度がドーズ量の下限となる。
以上のように、半導体基板の裏面から水素を直接的にイオン注入、あるいはプラズマドーピングすることによって、半導体基板の面内での水素シンタリングの効果を一様にすることが可能となる。なお、大電流イオン注入装置は、その他のイオン注入装置でもよく、これに限定されるものではない。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００１８】
水素イオンを注入するまでは、第１の実施形態と同様である。次に、図３に示すように、水素イオン注入後、半導体基板裏面に不活性ガス３０６（アルゴン、窒素）をドーズ量：１×１０１３〜１×１０１６ｃｍ−２で水素の注入エネルギーより小さいエネルギーでイオン注入する。ここで、不活性ガスは一般的な希ガス類（ヘリウム、ネオン等）でもよい。このようにして注入された不活性ガスは、半導体基板裏面のアモルファス化を促進し、水素の注入領域よりも半導体基板裏面側にアモルファス層３０３が形成される。このアモルファス層３０３は、水素の外方拡散を抑制すると同時に重金属のゲッタリングサイトとなるので好ましい。
【００１９】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
【００２０】
水素イオンを注入するまでは、第１の実施形態と同様である。次に、図４に示すように、水素をイオン注入する工程の後、半導体基板裏面にプラズマＣＶＤで窒化膜３０７（Ｐ−ＳｉＮ）を、例えば２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲で形成する。この窒化膜３０７によって、水素の外方拡散を抑制することが可能となる。
【００２１】
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。
【００２２】
本実施形態では、第１の実施形態における水素イオン注入前に、半導体基板裏面に特別な処理を施す。即ち、図５に示すように、水素イオンを注入する前に、半導体基板の裏面にバックグラインド、又はウェットエッチング若しくはドライエッチングで、半導体基板厚さを５０μｍ以上３００μｍ以下にする。ここで、符号３０８は該処理によって薄くなった基板を示している。厚さを３００μｍ以下とすることで、半導体基板表面に水素を供給することが容易となり、５０μｍ以上とすることで、イオン注入におけるダメージによる半導体基板の破損の可能性が低減する。以上のような工程の後で、水素イオン注入を行う。本実施形態におけるように、基板３０２の薄化を行うことで、水素のシリコン−酸化膜界面への到達確率を上げることができる。なお、バックグラインドは半導体基板の表面を保護する表面保護膜を形成した後に行うことが好ましい。
【００２３】
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。
【００２４】
本実施形態は第３の実施形態と第４の実施形態を組み合わせたものである。第４の実施形態において水素イオンを注入した後、半導体基板裏面に不活性ガス（アルゴン、窒素）をドーズ量が１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１６ｃｍ−２以下の範囲で、水素の注入エネルギーより小さいエネルギーでイオン注入する。このようにすることで、第３の実施形態におけるように、半導体基板裏面のアモルファス化が促進し、水素の外方拡散を抑制すると同時に重金属のゲッタリングサイトとなるアモルファス層を形成することが可能となる。
【００２５】
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。
【００２６】
本実施形態では、より詳細な構成を有する半導体素子の製造を示す。また、水素イオンを導入する方法として、本実施形態ではプラズマを用いている。最初に、図６に示すように、通常のプロセスにより、半導体基板３０１とデバイス形成層３０２を含めてＭＯＳトランジスタを形成する。次に、ＭＯＳトランジスタ上に表面に表面保護膜（パッシベーション膜３０５）を形成する。次に、ＭＯＳトランジスタの半導体基板裏面を、水素を含むプラズマに曝す。ここで、プラズマを発生させる方法は、適切にプラズマを発生することが可能であれば、誘導結合プラズマ、導波管、ラジアルラインスロットアンテナ、電子サイクロトロン共鳴によるマイクロ波、平行平板型高周波の何れでもよい。ここで、符号６０１はプラズマ発生用電源である。また、プラズマを発生させるとき、半導体基板に高周波バイアス６０２を印加することで半導体基板に負電位を発生させて、プラズマ中の水素イオン３０４を導入している。符号６０３は電極、符号６０５はブロッキングコンデンサで、それらは半導体基板に直流バイアスを発生させるために設けられている。電界で加速されるのはイオン（Ｈ＋）であるが、プラズマ中には多くの励起原子（ラジカル：Ｈ＊６０４）が存在している。半導体基板裏面に達した水素ラジカルＨ＊は、水素分子又は水素原子よりもシリコン中の拡散速度が大きいため、通常のフォーミングガス中の熱処理よりも効率よく半導体基板表面へ水素を供給することが可能となり、高いシンタリング効果を得ることが可能となる。
【００２７】
最後に、本発明の第７の実施形態を説明する。
【００２８】
本実施形態では、固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサの状態で水素イオンを導入する。図７に示してあるのは、一般的なＣＭＯＳセンサの断面図である。有効画素７０１と遮光画素７０２とを有する光源変換素子が示されている。遮光画素７０１には遮光膜として例えばアルミニウムからなる遮光層７０９が形成されており、該遮光膜が形成されていない箇所（該遮光膜の開口部にあたる箇所）が前記有効画素７０１となっている。他にも、遮光層７０９は銅やタングステンなどでもよい。光電変換素子は複数形成されている。ここで、符号７０３はＰウェル、符号７０４はＮ型拡散層、符号７０５は転送ＭＯＳトランジスタのゲート、符号７０６はフローティングディフィージョン、符号７０７は層間絶縁膜、符号７０８はＮ型の半導体基板、符号７１０は素子分離領域を示している。素子分離領域としては、例えばＬＯＣＯＳやＳＴＩを用いることができる。この状態で、半導体基板裏面より水素イオン３０４をイオン注入することで、有効画素７０１と遮光画素７０２に均一に水素を供給することが可能となる。本実施形態ではＣＭＯＳセンサに適用した場合を説明したが、ＣＭＯＳセンサに限られずＣＣＤなどの遮光画素を有するセンサに好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を説明するための概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の概略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の概略図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の第６の実施形態の概略図である。
【図７】本発明の第７の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
２０１  半導体基板
２０２  デバイス形成層
２０３  水素注入層
２０４  水素イオン
３０１  半導体基板
３０２  デバイス形成層
３０３  アモルファス層
３０４  水素イオン
３０５  パッシベーション膜
３０６  不活性ガスのイオン
３０７  プラズマＣＤＶ窒化膜（Ｐ−ＳｉＮ）
３０８  薄膜化後の半導体基板
６０１  プラズマ発生用電源
６０２  バイアス発生用高周波電源
６０３  半導体基板用電極
６０４  水素ラジカル
６０５  ブロッキングコンデンサ
７０１  ＣＭＯＳセンサの有効画素
７０２  ＣＭＯＳセンサの遮光画素
７０３  Ｐウェル
７０４  Ｎ型拡散層
７０５  転送ＭＯＳトランジスタのゲート
７０６  フローティングディフィージョン
７０７  層間絶縁膜
７０８  半導体基板
７０９  遮光層
７１０  素子分離領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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