(57)【要約】【課題】基板面内で活性層のバラツキがあっても精度良く所望のポテンシャル分布を得ること。【解決手段】本発明は、ＳＯＩ支持基板１０上のＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層１２１と、第１の半導体層１２１の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層１２２と、第２の半導体層１２２の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層１２３とを備える半導体基板１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層と
を備えることを特徴とする半導体基板。
【請求項２】
前記第２の半導体層を構成する複数の層の不純物濃度は、前記第１の半導体層側から前記第３の半導体層側にかけて濃くなっている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体基板。
【請求項３】
支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層とを備える半導体基板と、
前記半導体基板に形成される画素部と、
前記画素部で得た電気信号を処理する信号回路と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の半導体層を構成する複数の層の不純物濃度は、前記第１の半導体層側から前記第３の半導体層側にかけて濃くなっている
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層とを備える半導体基板を用い、素子分離を行った画素部を形成する工程と、
前記画素部で得た電気信号を処理するための信号回路を形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２の半導体層を構成する複数の層の不純物濃度は、前記第１の半導体層側から前記第３の半導体層側にかけて濃くなっている
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長による半導体層が形成された半導体基板およびこの半導体基板を用いた固体撮像装置ならびに固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の一方面に信号回路を設け、他方面から受光を行ういわゆる裏面照射型固体撮像装置は、受光面側にアルミニウム等の信号配線および配線層間膜がないことから、減衰や蹴られ等の影響を受けずに受光量を増加できるメリットや、蹴られた光の一部が隣接画素に入る混色を防止できるメリットがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ここで、裏面照射型固体撮像装置は一方の面から光を入射し、他方の面に信号回路を形成するため、信号回路を形成する面からイオン注入を行いフォトダイオードを作りこんでいる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７３３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような裏面照射型固体撮像装置において、可視光領域の波長を持った光を全て光電変換させるためにはシリコン基板の膜厚が５μm程度もあれば十分であるが、片方の面から５μmの深さまでイオン注入を行うためにはMeVのオーダーをもったエネルギーが必要であるため、特に不純物濃度の高いものが必要なときにはシリコン基板１枚にフォトダイオードを作りこむために数時間を要し、作業時間が膨大になるという問題が生じる。
【０００６】
また、もう一つの問題点としては、裏面照射型固体撮像装置を作るシリコン基板としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用しているが、ＳＯＩ基板活性層の面内膜厚の製造バラツキが１０％程度である。そのため、光入射表面近辺へのイオン注入もシリコン基板面内でバラツキが発生し、所望のポテンシャル分布を作ることが不可能であり、光入射面のそばで光電変換が起こる青色の感度の低下や基板表面近くで発生する暗電流を防ぐことができなくなる。これは裏面照射型以外の固体撮像装置においても同様な問題であり、基板内に精度良く所望のポテンシャル分布を形成するのは非常に困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層とを備える半導体基板である。
【０００８】
このような半導体基板では、エピタキシャル成長によって徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層を設けているため、エピタキシャル成長によって所望のポテンシャル分布を精度良く形成できる。
【０００９】
また、本発明は、支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層とを備える半導体基板と、この半導体基板に形成される画素部と、画素部で得た電気信号を処理する信号回路とを備える固体撮像装置である。
【００１０】
このような本発明では、エピタキシャル成長によって徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層を備えた半導体基板を用いて画素部や信号回路を形成し、固体撮像装置を構成することで、正確なポテンシャル勾配によって画素部で光電変換した電子を効率良く信号回路へ送ることができるようになる。
【００１１】
また、本発明は、支持基板上の絶縁層を介してエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第１の半導体層と、第１の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第２の導電型で、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層と、第２の半導体層の上にエピタキシャル成長によって形成される第１の導電型から成る第３の半導体層とを備える半導体基板を用い、素子分離を行った画素部を形成する工程と、画素部で得た電気信号を処理するための信号回路を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法である。
【００１２】
このような本発明では、エピタキシャル成長によって徐々に不純物濃度が変化する複数の層から成る第２の半導体層を備えた半導体基板を用いて画素部や信号回路を形成し、固体撮像装置を構成することで、正確なポテンシャル勾配による画素部を形成でき、光電変換した電子を効率良く信号回路へ送ることができる固体撮像装置を提供できるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明によれば、ＳＯＩ基板を用いた固体撮像装置の製造において、エピタキシャル成長によって正確な不純物濃度の変化を設定するため、ＳＯＩ基板活性層の面内膜厚にバラツキがあっても所望のポテンシャル分布を構成することが可能となる。これにより、光入射面のそばで光電変化が起こる青色の感度の低下や基板表面近くで発生する暗電流の発生を防止することが可能となり、歩留まりの高い固体撮像装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る半導体基板を説明する模式断面図である。すなわち、この半導体基板１はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から成るもので、ＳＯＩ支持基板１０の上に形成されたＳＯＩ・Ｂｏｘ層（絶縁層）１１を介して第１の導電型（図１ではｐ型）から成る第１の半導体層１２１と、第１の半導体層１２１の上に形成される第２の導電型（図１ではｎ型）から成る第２の半導体層１２２と、第２の半導体層１２２の上に形成される第１の導電型（図１ではｐ型）から成る第３の半導体層１２３とを備える構成となっている。
【００１５】
この第１の半導体層１２１、第２の半導体層１２２および第３の半導体層１２３はともにＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１上にエピタキシャル成長によって形成されている。また、第２の半導体層１２２は、徐々に不純物濃度が変化する複数の層から構成されている。図１に示す例では、第１の半導体層１２１側から第３の半導体層１２３にかけて不純物濃度が徐々に濃くなるよう設定されている。これにより、各層の不純物濃度のコントロールや膜厚設定を正確に行うことができ、所望のポテンシャル勾配を得ることが可能となる。
【００１６】
図１に示す例では、ＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１上の第１の半導体層１２１として、ｐ型不純物を１．０×１０18ｃｍ-3、２００ｎｍ厚以内で形成し、第２の半導体層１２２として、ｎ型不純物を１．０×１０16ｃｍ-3、５．０×１０16ｃｍ-3、１．０×１０17ｃｍ-3、２．０×１０17ｃｍ-3、２．５×１０17ｃｍ-3の５層を各１μｍ厚に分けて形成し、第３の半導体層１２３として、ｐ型不純物を１．０×１０18ｃｍ-3、数μｍ厚で形成している。ＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１の上に形成される第１の半導体層１２１、第２の半導体層１２２および第３の半導体層１２３によってＳＯＩ活性層１２が構成される。
【００１７】
このような半導体基板１を用いてフォトダイオードを構成すると、第１の半導体層１２１および第３の半導体層１２３で表面暗電流の発生を防止し、第２の半導体層１２２の不純物濃度変化によって光電変換で得た電子を効率良く信号回路へ送ることができる。
【００１８】
なお、本実施形態の半導体基板１では、第１の半導体層１２１、第２の半導体層１２２および第３の半導体層１２３をエピタキシャル成長によって形成するため、エピタキシャル成長のベースとなるＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１の表面における格子欠陥を極力無くす必要がある。したがって、ＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１を形成するには、酸化基板を貼り合わせ、あらかじめ水素イオン高濃度注入した部分の熱処理による剥離を利用して製造する技術(例えば、スマートカット技術)を用い、ＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１上に第１の半導体層１２１をエピタキシャル成長させるための下地を形成しておくことが望ましい。
【００１９】
本実施形態の固体撮像装置は、このような半導体基板を用いて画素部および信号回路を形成している。特に、裏面照射型固体撮像素子では、図１に示す半導体基板の片方の面にフォトダイオードで光電変換された電荷を取り出したり、その信号を処理するための信号回路を形成し、他方の面から光を入射させる。このとき、入射した光を光電変換させたり、光電変換によって生じた電子を信号回路側の半導体基板表面に集めるために光入射面から信号回路面に亘って上記のようなポテンシャル勾配を付ける必要がある。また、半導体基板表面で発生する暗電流の影響を低減するために半導体基板表面付近には高濃度のp型不純物をドーピングする必要がある。
【００２０】
従来の裏面照射型固体撮像素子では、前記半導体基板としてＳＯＩ基板を使用しており、ＳＯＩ基板のシリコン活性層上に前記信号回路を形成している。この際、前記シリコン活性層内に前記ポテンシャル勾配と半導体基板表面の高濃度p型不純物をイオン注入により形成している。このとき、前記シリコン活性層には面内で製造バラツキがあり、その大きさはシリコン活性層の１０％程度である。そのため、光入射面側の半導体基板表面の高濃度不純物のイオン注入を半導体基板面内で均一に作りこむことが不可能であり、光入射面付近で光電変換される青色波長領域の光から生じる電子からの信号が低下したり、暗電流の発生につながっている。
【００２１】
また、裏面照射型固体撮像素子の中でも撮像波長領域を可視光領域としているため、青色から赤色までの光を光電変換するためには前記半導体基板のシリコン活性層膜厚としては５μm程度あれば十分であるが、５μmの深さにイオン注入を行うためにはMeVオーダーのエネルギーが必要であり膨大な時間を要する。しかも、高濃度不純物のイオン注入の場合はさらに時間を必要とするという問題がある。
【００２２】
そこで、本実施形態では、裏面照射型固体撮像装置を製造するにあたり、図１に示す半導体基板（ＳＯＩ基板）１を用いる。すなわち、ＳＯＩ活性層（第１の半導体層１２１〜第３の半導体層１２３）１２をエピタキシャル成長によって形成し、光入射面の最表面側にp型の高濃度不純物濃度を有する第１の半導体層１２１を配置し、第２の半導体層１２２としてエピタキシャル成長を段階的に不純物濃度を変化させた複数層から構成し、信号回路形成面側にｐ型の高濃度不純物濃度を有する第３の半導体層１２３を配置する。これにより、ＳＯＩ活性層１２をトータル５μm程度まで成長させる。エピタキシャル成長によってＳＯＩ活性層１２を形成することで精度良く不純物濃度分布を変化でき、膜厚も正確に設定できる。
【００２３】
可視光領域波長をもった光を撮像するような裏面照射型固体撮像素子においてエピタキシャル成長によって構成したＳＯＩ活性層１２にフォトダイオードを形成することにより、５μｍ程度の厚さを備えたＳＯＩ活性層１２であっても正確なポテンシャル勾配を実現でき、ＳＯＩ基板のＳＯＩ活性層１２における製造バラツキの限界とイオン注入装置の高エネルギーでの高濃度のイオン注入の限界とを克服することが可能になる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。本実施形態の固体撮像装置の製造方法では、上記説明したエピタキシャル成長によるポテンシャル勾配を設けた半導体基板を用いて固体撮像装置を製造するもので、以下の例では裏面照射型固体撮像装置を製造する方法を説明する。
【００２５】
図２〜図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図である。先ず、図２に示すように、ＳＯＩ支持基板１０とＳＯＩ活性層１２とが１μｍ厚程度の熱酸化膜から成るＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１を介して貼り合わされたＳＯＩ基板を用意し、ＳＯＩ活性層１２に素子分離領域を設けてフォトダイオード２０を形成する。
【００２６】
このＳＯＩ活性層１２は、図１に示す第１の半導体層１２１〜第３の半導体層１２３の部分に相当し、エピタキシャル成長によって正確なポテンシャル勾配が設けられたものである。したがって、ここに形成されるフォトダイオード２０は、光入射面付近で光電変換される青色波長領域の光から生じる電子からの信号低下や、暗電流の発生を十分に抑制できるものとなっている。
【００２７】
また、このフォトダイオード２０の上方に層間膜３０を介してトランジスタ２１を形成するとともに、複数層から成る信号回路２２を形成する。これら信号回路２２やトランジスタ２１を形成した後は、パッシベーション膜３１を形成して保護する。
【００２８】
次に、図３に示すように、フォトダイオード２０および信号回路２２等を形成したＳＯＩ基板のパッシベーション膜３１の上に接着層５０を形成し、シリコン等から成る支持基板４０を貼り合わせる。貼り合わせると図４に示すような状態となる。
【００２９】
次いで、貼り合わせた基板を反転し、支持基板４０を土台としてＳＯＩ支持基板１０およびＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１をエッチングにより除去する。除去すると、図５に示すようにＳＯＩ活性層１２に形成したフォトダイオード２０が表面に露出する状態となる。
【００３０】
次に、図６に示すように、フォトダイオード２０が露出したＳＯＩ活性層１２の上に反射防止膜６０を形成する。反射防止膜６０は数ｎｍの厚さで、必要に応じて複数層形成する。その後、フォトダイオード２０が形成されている周辺のＳＯＩ活性層１２および層間膜３０に電極取り出し用の開口２３をエッチングによって形成する。開口２３は数十μｍ□の大きさから成り、層間膜３０の信号回路２２まで達するように形成する。通常、開口２３の深さは５μｍ程度となる。
【００３１】
次に、図７に示すように、形成した開口２３を埋めるように第１のレジストＲ１を塗布する。この塗布は、必要に応じて複数回に分けて行う。すなわち、開口２３の深さが５μｍ程度あるため、１回の塗布では完全に埋まらない可能性がある。したがって、複数回に分けて、１回ごとにキュアを行うことで開口２３に第１のレジストＲ１を埋め込むことができる。また、開口２３以外の部分に塗布されたレジストは露光および現像によって除去しておく。
【００３２】
次に、図８に示すように、各フォトダイオード２０の上に対応してオンチップ・カラーフィルタＣＦを形成する。ここでは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に対応したオンチップ・カラーフィルタＣＦをフォトダイオード２０の位置に合わせて形成する。このオンチップ・カラーフィルタＣＦは、各色の順にレジストを塗布し、露光、現像を行うことで形成されるが、このレジスト塗布を行う際、先の工程で開口２３に第１のレジストＲ１が埋め込まれ、表面が平坦化されていることから、オンチップ・カラーフィルタＣＦを形成するためのレジスト塗布を均一に行うことができ、このレジストを露光、現像して形成されるオンチップ・カラーフィルタＣＦを精度良く製造することが可能となる。
【００３３】
次に、図９に示すように、オンチップ・カラーフィルタＣＦの上を含む全面に第２のレジストＲ２を塗布し、第１のレジストＲ１の上方を露光、現像して除去しておく。この第２のレジストＲ２は、後の工程でオンチップ・マイクロレンズとなるものである。この第２のレジストＲ２を塗布する際にも、先と同様に、第１のレジストＲ１によって開口２３が埋め込まれ、表面が平坦化されていることから、オンチップ・マイクロレンズを形成するためのレジスト塗布を均一に行うことができるようになる。したがって、このレジストを用いたオンチップ・マイクロレンズを精度良く製造することが可能となる。なお、第１のレジストＲ１の上方となる第２のレジストＲ２を開口しておく際には、第１のレジストＲ１と同じ大きさではなく、多少小さめの開口にしておく。
【００３４】
第２のレジストＲ２を塗布した後は、図１０に示すように、第２のレジストＲ２上でオンチップ・カラーフィルタＣＦと対応する位置に第３のレジストＲ３を塗布し、この第３のレジストＲ３を露光、現像、キュアすることでオンチップ・マイクロレンズの形状を構成する。その後、基板全面に対する露光を行う。
【００３５】
図１１は、基板全面に対するエッチングを行った後の状態を示している。第３のレジストＲ３をオンチップ・マイクロレンズの形状に構成した状態で全面エッチングを行うと、第３のレジストＲ３で形成したオンチップ・マイクロレンズの形状が第２のレジストＲ２に転写され、第２のレジストＲ２によってオンチップ・マイクロレンズＭＬが形成される。
【００３６】
また、このエッチングによって第２のレジストＲ２に設けた開口を介して第１のレジストＲ１が除去され、開口２３を介して信号配線２２が露出する状態となる。つまり、図９に示す段階で第２のレジストＲ２における第１のレジストＲ１の上方を開口していることから、上記の全面エッチングによってオンチップ・マイクロレンズＭＬの形成とともに、開口２３を埋め込んでいた第１のレジストＲ１を同時に除去できることになる。なお、第２のレジストＲ２の開口の大きさに合わせて第１のレジストＲ１が除去されるため、開口２３の内壁にはわずかに第１のレジストＲ１が残る状態となる。
【００３７】
第１のレジストＲ１が除去された開口２３は電極取り出し口となり、例えばボンディングワイヤーによって信号配線２２との電気的な導通を得ることが可能となる。開口２３を介したボンディングワイヤーの接続では、開口２３の内壁が第１のレジストＲ１によって保護されているため、ボンディングワイヤーとＳＯＩ活性層との直接の接触を防止することができる。
【００３８】
このような製造方法によって完成した固体撮像装置では、裏面照射型でありながら大きな開口２３によるレジスト塗布時の影響を抑制し、高精度なオンチップ・カラーフィルタＣＦやオンチップ・マイクロレンズＭＬを形成することが可能となる。
【００３９】
また、図６に示す段階で開口２３を設けて信号回路２２を露出させた後、この開口２３に第１のレジストＲ１を埋め込んでいるため、その後の構成で信号回路２２が薬液等と接触することを防止でき、信号回路２２の腐食等の問題を回避することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態に係る半導体基板を説明する模式断面図である。
【図２】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。
【図３】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。
【図４】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その３）である。
【図５】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その４）である。
【図６】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その５）である。
【図７】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その６）である。
【図８】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その７）である。
【図９】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その８）である。
【図１０】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その９）である。
【図１１】本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その１０）である。
【符号の説明】
【００４１】
１…半導体基板、１０…ＳＯＩ支持基板、１１…ＳＯＩ・Ｂｏｘ層、１２…ＳＯＩ活性層、２０…フォトダイオード、２１…トランジスタ、２２…信号回路、３０…層間膜、３１…パッシベーション膜、１２１…第１の半導体層、１２２…第２の半導体層、１２３…第３の半導体層、ＣＦ…オンチップ・カラーフィルタ、ＭＬ…オンチップ・マイクロレンズ、Ｒ１…第１のレジスト、Ｒ２…第２のレジスト、Ｒ３…第３のレジスト
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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