(57)【要約】【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】  炭素濃度が5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲である炭素添加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、前記炭素添加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、前記炭素添加シリコン基板に、600〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、炭素・酸素系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
2011054879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素濃度が5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲である炭素添加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、
前記炭素添加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、前記炭素添加シリコン基板に、600〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、炭素・酸素系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。
【請求項２】
前記長時間熱処理は、前記炭素添加シリコン基板を0.5〜3℃/分の速度で600〜900℃まで加熱し、この状態を20分〜4時間保持する低温熱処理と、その後、3〜5℃/分の速度で1000〜1150℃まで加熱し、この状態を0.5〜4時間保持する高温熱処理とを含む請求項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。
【請求項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、前記炭素添加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。
【請求項４】
上記請求項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、
前記炭素・酸素系析出物領域の炭素濃度は、5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲で、酸素濃度は、1.0×1018〜1.0×1019atom/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。
【請求項５】
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、前記炭素・酸素系析出物領域における炭素・酸素系析出物の密度は、1×105〜1×107/cm2である請求項４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。
【請求項６】
前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、1×1016〜1×1019atom/cm3の範囲である請求項４または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。
【請求項７】
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４、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
裏面照射型イメージセンサは、配線層などをセンサ部よりも下層に配置することで、外からの光をセンサに直接取り込み、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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
特許文献１には、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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３５３４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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）炭素濃度が5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲である炭素添加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、前記炭素添加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、前記炭素添加シリコン基板に、600〜1150℃の温度で長時間熱処理を施すことにより、炭素・酸素系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。
【００１１】
（２）前記長時間熱処理は、前記炭素添加シリコン基板を0.5〜３℃/分の速度で600℃〜900℃まで加熱し、この状態を20分〜４時間保持する低温熱処理と、その後、３〜５℃/分の速度で1000〜1150℃まで加熱し、この状態を0.5〜４時間保持する高温熱処理とを含む上記（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。
【００１２】
（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、前記炭素添加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。
【００１３】
（４）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、前記炭素・酸素系析出物領域の炭素濃度は、5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲で、酸素濃度は、1.0×1018〜1.0×1019atom/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。
【００１４】
（５）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、前記炭素・酸素系析出物領域における炭素・酸素系析出物の密度は、1×105〜1×107/cm2である上記（４）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。
【００１５】
（６）前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、1×1016〜1×1019atom/cm3の範囲である上記（４）または（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。
【００１６】
（７）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（４）、（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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、炭素添加シリコン基板に、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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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、炭素添加シリコン基板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、炭素添加シリコン基板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、炭素添加シリコン基板１に、長時間熱処理を施すことにより、炭素・酸素系析出物領域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。
【００２１】
ここで、上記炭素・酸素系析出物とは、炭素を含有した炭素・酸素複合体(クラスター)である析出物を意味し、また、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。
【００２２】
炭素添加シリコン基板１の炭素濃度は、5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲とする。炭素濃度が5.0×1015atom/cm3未満では、ゲッタリングシンク２として作用する炭素・酸素系析出物を十分に形成することができず、一方、炭素濃度が10×1016atom/cm3を超えた場合、炭素・酸素系析出物の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。なお、炭素添加シリコン基板１は、炭素を固溶状態で含むものとすることができる。これにより、シリコン格子中に、シリコンと置換させる形で炭素を導入することができる。炭素の原子半径はシリコン原子と比較して短いため、置換位置に炭素が配位した場合、結晶の応力場は圧縮応力場となり、格子間の酸素および不純物が圧縮応力場に捕獲され易くなる。この置換位置炭素を起点に、所定の熱処理を施すと、転位を伴う酸素との析出物が高密度で発現しやすくなり、炭素添加シリコン基板１に高いゲッタリング効果を付与することができるものである。
【００２３】
長時間熱処理は、600〜1150℃の範囲とする。特に、長時間熱処理は、炭素添加シリコン基板１を0.5〜３℃/分の速度で600〜900℃まで加熱し、この状態を20分〜４時間保持する低温熱処理と、その後、３〜５℃/分の速度で1000〜1150℃まで加熱し、この状態を0.5〜４時間保持する高温熱処理とを含むのが好ましい。この処理により、上述したように炭素・酸素系析出物が析出し、炭素添加シリコン基板１に炭素・酸素系析出物領域が形成される。
【００２４】
このようにして形成された炭素・酸素系析出物領域の炭素濃度は、5.0×1015〜10×1016atom/cm3の範囲で、酸素濃度は、1.0×1018〜1.0×1019atom/cm3の範囲である。炭素濃度が5.0×1015atom/cm3未満だと酸素の析出が促進されずに炭素・酸素系析出物の析出密度が低くなり、十分なゲッタリング能力を得ることができなくなる恐れがあり、一方、10×1016atom/cm3を超えると炭素・酸素系析出物の析出密度が高くなり過ぎ、炭素酸素系析出物のサイズが極小となり十分な歪の効果が得られないためにゲッタリング能力が低下する恐れがある。また、酸素濃度が1.0×1018atom/cm3未満だと酸素の析出が抑制されて炭素・酸素系析出物の析出密度が低くなり、十分なゲッタリング能力を得ることができなくなる恐れがあり、一方、酸素濃度が1.0×1019atom/cm3を超えると炭素・酸素系析出物の析出密度が高くなり過ぎ、炭素・酸素系析出物のサイズが増大し、エピタキシャル層へ２次転位が伸展するする恐れがあるためである。
【００２５】
また、炭素・酸素系析出物領域における炭素・酸素系析出物の密度は、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。
【００２６】
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(図１(c))の前に、炭素添加シリコン基板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。
【００２７】
前記第１エピタキシャル層の不純物濃度は、1×1016〜1×1019atom/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、抵抗が高くなり過ぎるおそれがあり、一方、不純物濃度が1×1019atom/cm3を超えると、格子歪が生じて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。
【００２８】
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接合を形成した際に空間電荷層が第１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、第１エピタキシャル層と第２エピタキシャル層の界面でミスフット転位を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。
【００２９】
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。
【実施例】
【００３０】
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。
【００３１】
（実施例１）
実施例１は、図１に示すように、炭素添加シリコン基板(炭素濃度:1×1016atom/cm3)に、長時間熱処理(1℃/分の速度で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℃/分の速度で1000℃まで加熱し、この状態を1時間保持)を施すことにより、炭素・酸素系析出物領域(炭素濃度:1×1016atom/cm3、酸素濃度:15×1017atom/cm3、炭素・酸素系析出物の密度：1×106/cm2)を形成して炭素添加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、この炭素添加シリコン基板を研磨および洗浄した後、炭素添加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。
【００３２】
（実施例２）
上記長時間熱処理を、炭素添加シリコン基板を３℃/分の速度で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、５℃/分の速度で1150℃まで加熱し、この状態を２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。
【００３３】
（実施例３）
上記炭素添加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。
【００３４】
（実施例４）
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。
【００３５】
（実施例５）
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。
【００３６】
（比較例１）
炭素濃度が1×1015atom/cm3の炭素添加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。
【００３７】
（比較例２）
ノンドープ炭素添加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。
【００３８】
（比較例３）
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。
【００３９】
（評価）
上記実施例１〜５および比較例１〜３で作製した各サンプルについて、炭素・酸素系析出物領域の炭素濃度、酸素濃度および炭素・酸素系析出物の密度を赤外吸収分光法(FT-IR:フリーエ赤外分光法、変換係数はold ASTM：fc=4.81)により求めた結果、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。
【００４０】
（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。
金属汚染なし:０個／cm２未満
金属汚染あり:10個／cm２以上
【００４１】
（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た。
【００４２】
【表１】
2011054879.tif 000003
【００４３】
表１の結果から、実施例１〜５は、比較例１〜３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。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、炭素添加シリコン基板に、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。
【符号の説明】
【００４５】
１    炭素添加シリコン基板
２    ゲッタリングシンク
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
【図１】
2011054879.tif 000004