(57)【要約】  極薄セミコンダクタ・オン・インシュレータ基板（ＵＴＳＯＩ）上に背面照射型半導体撮像デバイスを製作する方法が開示される。ＵＴＳＯＩ基板は、機械的基板および実質的に機械的基板の上に重なる絶縁体層を備えるハンドル・ウェーハを設けることにより形成される。ドナー・ウェーハが設けられる。このドナー・ウェーハに水素が注入されて気泡層を形成する。気泡層の近位にドープ層を形成するために、ドナー・ウェーハが少なくとも１つのドーパントでドープされる。ハンドル・ウェーハの絶縁体層とドープ層の近位のドナー・ウェーハの表面との間でハンドル・ウェーハとドナー・ウェーハとを結合して、実質的に気泡層の下にある部分を有する結合されたウェーハを形成する。シード層を露出させるように、実質的に気泡層の下にある結合されたウェーハの一部分を除去する。エピタキシャル層が、実質的にシード層の上に重なって成長され、少なくとも１つのドーパントがエピタキシャル層の中へ拡散する。エピタキシャル層の成長が終了したとき、シード層と絶縁体層との間の境界面に、または同境界面の近くに最大値を有する正味のドーパント濃度が、シード層およびエピタキシャル層の中に存在する。
2011522421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的基板および実質的に前記機械的基板の上に重なる絶縁体層を備えるハンドル・ウェーハを設けるステップと、
ドナー・ウェーハを設けるステップと、
前記ドナー・ウェーハに水素を注入して気泡層を形成するステップと、
少なくとも１つのドーパントで前記ドナー・ウェーハをドープして、前記気泡層の近位にドープ層を形成するステップと、
前記ハンドル・ウェーハの前記絶縁体層と前記ドープ層の近位の前記ドナー・ウェーハの表面との間で前記ハンドル・ウェーハと前記ドナー・ウェーハとを結合して、実質的に前記気泡層の下にある部分を有する結合されたウェーハを形成するステップと、
実質的に前記気泡層の下にある前記結合されたウェーハの一部分を除去してシード層を露出させるステップとを含む半導体デバイスを製作する方法。
【請求項２】
実質的に前記シード層の上に重なるエピタキシャル層を成長させるステップをさらに含む方法であって、
前記エピタキシャル層の成長が終了したとき、前記シード層と前記絶縁体層との間の境界面の近位に最大値を有する正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層および前記エピタキシャル層の中に存在するように、少なくとも１つのドーパントが前記エピタキシャル層の中へ拡散する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層と前記絶縁体層との間の前記境界面で初期の最大値を有し、前記シード層および前記エピタキシャル層の少なくとも１つの少なくとも一部分の中の前記境界面からの距離の増加とともに単調に減少する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層の内部では第１の平均的割合で単調に減少し、前記シード層の内部では前記第１の平均的割合よりゆっくりした第２の平均的割合で単調に減少する傾斜を有する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記絶縁体層と前記シード層との間の前記境界面からの所定の距離で最大値を有し、前記シード層および前記エピタキシャル層のうち少なくとも１つの少なくとも一部分の中で、前記最大値から前記プロファイルの両側で単調に減少する請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記正味のドーパント濃度プロファイルの形状がほぼガウス形である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記正味のドーパント濃度プロファイルの最大値を、最大ドーピングに対応する電位障壁がｋＴ（ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビンで表した絶対温度である）より約３倍から３０倍大きい範囲にあるように設定するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
実質的に前記気泡層の下にある前記結合されたウェーハの前記一部分を除去する前記ステップが、前記気泡層を割るステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記気泡層が、１０００オングストロームから２０００オングストロームの範囲の平均深度に配置される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ドナー・ウェーハに水素を注入する前記ステップの前に前記ドナー・ウェーハ上に絶縁体層を形成するステップをさらに含む方法であって、前記ドナー・ウェーハに前記ハンドル・ウェーハを結合する前記ステップが、前記ドナー・ウェーハ上の前記絶縁体層の表面に前記ハンドル・ウェーハの前記絶縁体層を結合して、結合された絶縁体層を形成するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記エピタキシャル層およびシード層が、どちらもシリコンを含み、前記絶縁体層がシリコンの酸化物を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのドーパントが、ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、インジウムおよびガリウムのうちの少なくとも１つである請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エピタキシャル層の中に少なくとも１つの撮像素子を製作するステップをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの撮像素子を製作する前記ステップが、ＣＭＯＳ撮像素子、電荷結合デバイス素子、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオード、およびフォトトランジスタのうち少なくとも１つを製作するステップを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
機械的基板および実質的に前記機械的基板の上に重なる絶縁体層を備えるハンドル・ウェーハを設けるステップと、
気泡層の近位にドープ層を形成するように少なくとも１つのドーパントでドープされたドナー・ウェーハであって、水素の注入によって形成された前記気泡層をその中に有するドナー・ウェーハを設けるステップと、
前記ハンドル・ウェーハの前記絶縁体層と半導体基板の近位のドナー・ウェーハの表面との間で前記ハンドル・ウェーハと前記ドナー・ウェーハとを結合して、実質的に前記気泡層の下にある部分を有する結合されたウェーハを形成するステップと、
実質的に前記気泡層の下にある前記結合されたウェーハの一部分を除去してシード層を露出させるステップとを含む半導体デバイスを製作する方法。
【請求項１６】
実質的に前記シード層の上に重なるエピタキシャル層を成長させるステップをさらに含む方法であって、
前記エピタキシャル層の成長が終了したとき、前記シード層と前記絶縁体層との間の境界面の近位に最大値を有する正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層および前記エピタキシャル層の中に存在するように、少なくとも１つのドーパントが前記エピタキシャル層の中へ拡散する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層と前記絶縁体層との間の前記境界面で初期の最大値を有し、前記シード層および前記エピタキシャル層の少なくとも１つの少なくとも一部分の中の前記境界面からの距離の増加とともに単調に減少する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記シード層の内部では第１の平均的割合で単調に減少し、前記シード層の内部では前記第１の平均的割合よりゆっくりした第２の平均的割合で単調に減少する傾斜を有する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記正味のドーパント濃度プロファイルが、前記絶縁体層と前記シード層との間の前記境界面からの所定の距離で最大値を有し、前記シード層および前記エピタキシャル層のうち少なくとも１つの少なくとも一部分の中で、前記最大値から前記プロファイルの両側で単調に減少する請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記正味のドーパント濃度プロファイルの形状がほぼガウス形である請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記正味のドーパント濃度プロファイルの最大値を、最大ドーピングに対応する電位障壁がｋＴ（ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビンで表した絶対温度である）より約３倍から３０倍大きい範囲にあるように設定するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
実質的に前記気泡層の下にある前記結合されたウェーハの前記一部分を除去する前記ステップが、前記気泡層を割るステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記気泡層が、１０００オングストロームから２０００オングストロームの範囲の平均深度に配置される請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記ドナー・ウェーハに水素を注入する前記ステップの前に前記ドナー・ウェーハ上に絶縁体層を形成するステップをさらに含む方法であって、前記ドナー・ウェーハに前記ハンドル・ウェーハを結合する前記ステップが、前記ドナー・ウェーハ上の前記絶縁体層の表面に前記ハンドル・ウェーハの前記絶縁体層を結合して、結合された絶縁体層を生成するステップをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、半導体デバイスの製造およびデバイスの構造である。より詳細には、同分野は、「スマート・カット」法を用いた極薄シリコン・オン・インシュレータ（ＵＴＳＯＩ）基板を利用する背面照射型半導体撮像デバイスの製造および構造である。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２００８年５月２８日出願の米国特許仮出願第６１／０５６，６４１号の利益を主張するものであり、その開示全体を参照によって本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００３】
薄層化された背面照射型半導体撮像デバイスは、高フィルファクタならびに電荷キャリアの生成および集合の優れた総合効率のために前面照射型撮像装置に対して有利である。そのようなデバイスの動作目標は、裏面に入射する光または他の放射によって生成された電荷キャリアを前面へ急速に駆動して、画像を汚す恐れがあるいかなる水平変動も回避することである。また、生成されたキャリアの再結合によってデバイスの総合効率および感度が低下するので、キャリアが前面に到達する前のその再結合を最小化するのも望ましい。
【０００４】
そのような望ましい特徴は、この層の中に薄い半導体層および高電界を与えることにより達成することができる。電界は背面へ広がることになり、その結果、電子または正孔などの生成されたキャリアが、前面へ迅速に駆動され得る。参照によってその全体が本明細書に組み込まれているＳｗａｉｎらの米国特許第７，２３８，５８３号（「‘５８３特許」）は、所望の内部電界を示す背面照射型撮像デバイスを製造する方法を説明している。‘５８３特許のデバイスは、背面照射型撮像装置が構成される半導体基板をもたらすのに極薄シリコン・オン・インシュレータ（ＵＴＳＯＩ）技術を利用する。‘５８３特許に説明された方法を用いるための実際的な作業の流れが、図１に示されている。
【０００５】
図１で、開始構造体は、当技術分野でＵＴＳＯＩ基板と称されることがある初期基板１０である。開始ＵＴＳＯＩ基板１０は、処理の期間中機械的支持をもたらすように構成された機械的基板１２（ハンドル・ウェーハ）、絶縁体層１４（例えば埋込みシリコン酸化物層（ＢＯＸ）であり得る）、および半導体基板１６（「シード層」とも称される）から成る。機械的基板１２は、例えばシリコンなどの任意の適切な半導体材料から成り得る。シード層１６の厚さは、一般に１０００〜２０００Åであるが、この範囲に入らないこともある。
【０００６】
ステップＡで、ＵＴＳＯＩウェーハ１０が清浄化され、酸化物層１８が、機械的基板１２の反対側でシード層１６の上に重なって成長される。ステップＢで、シード層１６がドープされる。所望の正味ドーピング・プロファイルをもたらすように、ドーパントはシード層１６に十分な濃度で導入される。シード層１６の初期の正味ドーピング濃度は、１立方センチにつき約１０１７個以上の電荷キャリアでよく、ｐ型またはｎ型のいずれかでよい。通常のドーパントは、ホウ素、リン、アンチモン、およびヒ素を含む。
【０００７】
半導体がシリコンである特定の場合には、‘５８３特許は、ｐ型領域を作製するための最も適切なドーパントとしてホウ素を挙げている。この実施例では、エピタキシャル層の成長の前に、ホウ素ドーパントがシード層１６の中に取り入れられる。‘５８３特許はホウ素ドーパントの導入のためのいくつかの技法を概説しているが、ｐ型ドーパントの導入のための好ましい方法は、イオン注入の利用によるものである。この実施例を参照すると、ステップＢで、ホウ素イオンが、酸化物層１８を通ってＵＴＳＯＩウェーハ１０のシード層１６の中へ弾動的に注入される。
【０００８】
ステップＣで、ＵＴＳＯＩウェーハ１０は、ドーパントのイオン注入で生じた損傷を取り除くために、炉の中で清浄化しアニールされる、すなわち壊れた結合が修正され、ドーパントが格子領域に取り入れられる。ステップＤで、酸化物層１８が除去され、結果として得られるドープされたウェーハ１０’が清浄化される。ステップＥで、エピタキシャル層２０が、シード層１６をテンプレートとして使用してドープされたシード層１６’の上に重なって成長される。エピタキシャル層２０は、全体の撮像デバイスを仕上げる前面素子を製作するための層をもたらす。なお図１を参照して、エピタキシャル層２０の成長の期間中、以前にシード層１６の中へ導入されたドーパントは、１０００℃以上での処理の結果、エピタキシャル層２０の中に拡散する。エピタキシャル層２０の成長が終結したとき、絶縁体層１４とシード層１６との間の境界面２２からの各距離においてシード層１６およびエピタキシャル層２０の中の正味のキャリア濃度が最終的な所望の値に近いという点で、正味のドーピング・プロファイルは所望のプロファイルに非常に近いものである。次いで、プロセスにおける残りのステップはすべて低温で実行され、その結果、ドーパントの拡散はほとんど起こらず、プロセスの最後でプロファイルは基本的に不変である。
【０００９】
ステップＦで、一旦エピタキシャル層２０が成長すると、所望のドーパント・プロファイルが同時に形成され、半導体製造の既知の方法を用いて１つまたは複数の撮像素子２４を製作することができる。これらの撮像素子は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）素子、ＣＭＯＳ撮像素子、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオード、フォトトランジスタ、または他の光エレクトロニクス・デバイスを任意の組合せで含むことができる。撮像素子２４は、既知のマスキング法を用いてエピタキシャル層２０の個別領域に製作されたＣＣＤ素子およびＣＭＯＳ素子の両方を含むことができる。ＣＭＯＳトランジスタ（図示せず）、バイポーラ・トランジスタ（図示せず）、コンデンサ（図示せず）、または抵抗（図示せず）など他の電子素子も含まれてよい。撮像素子２４の製造期間中、様々な深さの１つまたは複数のｐｎ接合２６が形成され得る。
【００１０】
ステップＧで、機械的基板１２が除去される。一旦、素子２４の製造が完成すると、機械的安定性をもたらすのに、もはや機械的基板１２は必要ではない。機械的基板１２の除去は、検出されている放射が裏面の半導体に到達するのを可能にするためにも望ましいものであり得る。機械的基板１２の除去は、化学的エッチング、機械的研削、またはこれらの方法の組合せなどの方法によって達成され得る。化学的エッチングを用いると、絶縁体層１４を除去せずに、機械的基板１２を選択的に除去することができる。
【００１１】
機械的基板１２が完全に除去された後、絶縁体層１４は、化学的方法または物理的方法あるいは２つの方法の組合せによって、部分的または完全に除去することができる。一実施形態では、絶縁体層１４は、所定範囲の波長を有する電磁波に対する反射防止膜として働くように作製され、それによって、より多くの光子が半導体層１６、２０に到達して吸収されることが可能になる。これは、絶縁体層１４の厚さを、所定波長範囲の反射を最小化する厚さに縮小することにより達成することができる。この厚さは、波長領域およびこの波長領域での絶縁体層１４の材料の屈折率によって決定され得る。
【００１２】
絶縁体層１４を部分的に除去した後、１つまたは複数の反射防止コーティング層（例えば酸化ジルコニウムまたは酸化ビスマス）（図示せず）が、所望の波長範囲に対する全体的な反射防止コーティング・スタックとして機能するように絶縁体層１４上に堆積され得る。さらに別の実施形態では、絶縁体層１４が完全にエッチング除去され得て、１つまたは複数の反射防止コーティング層が、全体的な反射防止膜として機能するようにシード層１６上に堆積され得る。
【００１３】
図２は、‘５８３特許で説明されたような、反射防止コーティング３０を有する完全な積層撮像デバイス２８を示す。薄いデバイスについては、十分な剛性の積層３２が付加されてよく、機械的安定性をもたらす。図２で、積層３２は撮像デバイス２８の前面上に示されている。積層３２は、撮像素子２４および他の前面素子の製造の終了後に接合剤を用いてウェーハの前面に結合することができる。あるいは、積層は、撮像デバイス２８の裏面に結合することができる。積層３２が、積層材料である撮像デバイス２８の裏面に結合される場合、積層を結合するのに任意の接合剤が使用され、積層３２とデバイス２８の裏面との間のいかなる他の材料も、検出された放射に対して透過性でなければならず、劣化してはならない。
【００１４】
再び図１を参照すると、‘５８３特許で説明された背面照射型撮像デバイスを製造するプロセスの目標は、シード層１６およびシード層１６と絶縁体層１４との間の境界面２２で最大値を有するエピタキシャル層２０の最終的な正味のドーパント濃度プロファイルを生成することである。エピタキシャル成長（すなわちステップＥ）の後の最終的な正味のドーパント濃度プロファイルは、シード層１６の一部分の中の境界面２２および境界面２２と図１に示されたｐｎ接合２６（ｐｎ接合２６は前面素子２４の製造の期間中に生成される）との間のエピタキシャル層２０からの距離の増加とともに単調に減少する。そのようなプロファイルは、シード層１６およびエピタキシャル層２０の内部の電界を上昇させることができ、光生成された電子を前面撮像素子２４の方へ駆動する傾向があり、これらの電子の裏面近くでのトラッピングを最小化する。
【００１５】
前述のように、ドーピングレベル、初期のドーピング・プロファイル、および温度などの処理パラメータは、所望のドーピング・プロファイルを与えるように選択される。‘５８３特許から再現された図３から図５は、所望の正味のドーピング・プロファイルのコンピュータ・シミュレーション結果を示す。これらの図で、様々な領域は、図１に示された構造体の領域に以下のように対応する。
【００１６】
領域１５０は、機械的基板１２に対応し、領域１３０は、シリコンの酸化物を含む絶縁体層１４に対応し、領域１２０は、シリコン含有シード層１６に対応し、領域１００は、シリコン含有エピタキシャル層２０に対応し、参照番号１２５は、シード層１６と絶縁体層１４との間の境界面２２に対応し、参照番号１１０は、シード層１６とエピタキシャル層２０との間の境界面に対応する。
【００１７】
図３は、エピタキシャル層１００の成長の前の、シード層１２０における初期のドーピング・プロファイル１３５を示す。ドーパントとしてホウ素が用いられ、これは、ドーパントを導入する前述の方法のうちの任意のものによってシード層１２０の中へ導入され得る。初期プロファイル１３５は、ホウ素ドーピング（または、同等には正味のｐ型ドーピング）によって生成され、正味のｐ型濃度は、１立方センチにつき約１×１０１９個のキャリアであってシード層１２０を通じて均一であると想定される。
【００１８】
図４は、エピタキシャル層１００の成長後の正味の最終ドーピング・プロファイル１４０を示す。この実施形態の正味の最終ドーピング・プロファイル１４０はｐ型であり、あるいはｎ型であり得る。ホウ素原子は、前述のようにシード層１２０から開始し、エピタキシャル層１００の成長の期間中その中へ拡散して正味のドーピング・プロファイル１４０を生成する。このシミュレートされたプロセスの正味の最終ドーピング・プロファイル１４０は、シード層１２０と絶縁体層１３０との間の境界面１２５で最大値を有し、シード層１２０およびエピタキシャル層１００の内部で境界面１２５からの距離の増加とともに単調に減少するという望ましい特徴を示す。正味の最終ドーピング・プロファイル１４０は、境界面１２５から第１の平均的割合で単調に減少し、領域１４０では、領域１２０（すなわちシード層１２０）の内部の第１の平均的割合より実質的にゆっくりした第２の平均的割合で実質的に単調に減少する「デュアル」傾斜を有する。
【００１９】
図５は、基本的にプロファイルの全体を示すために、図４と同一のドーピング・プロファイルを、より大きな距離の目盛で示す。境界面１２５からいくらかの距離で、正味の最終ドーピング・プロファイル１４０の単調に減少する部分は、エピタキシャル層１００のバックグラウンド・ドーピングレベル１４５に対応する。ドーピングレベルは、接合（図５には示されていない）に行き着くところまで、この濃度レベル１４５のままである。正味のドーピング濃度１４０、１４５が、境界面１２５から離れる距離につれて増加しない限り、裏面上に入射する波動または粒子によってシード層１２０またはエピタキシャル層１００で生成されたキャリアは、反対方向ではなく前面の撮像素子（図示せず）の方へ駆動される傾向があり得る。
【００２０】
‘５８３特許に開示されたものに類似の技術を用いて作製された高解像度の撮像デバイスに関して示された問題のうちの１つに、結果として得られる撮像装置の暗電流の存在の可能性がある。暗電流は、撮像装置が、光に対して活動的にさらされていない期間を通じて背面照射型撮像装置が示すキャリア（電子または正孔）の発生である。所望の光学的に発生された信号と一緒に過剰な暗電流信号が集まると、より高いレベルの一定パターンおよび過剰なランダム・ショット・ノイズをもたらすので、暗電流は背面照射型撮像装置の動作に有害である。暗電流によって生成されたオフセット信号は、表示された画像における不均一なシェーディングとして見られる。
【００２１】
暗電流問題の解決策は、２００７年５月２３日出願の、Ｌｅｖｉｎｅらによる米国特許出願第１１／７５２，６０１号（「‘６０１出願」）に説明されており、同出願は‘５８３特許の一部継続出願であり、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。次に図６を参照すると、これは‘６０１出願の図７からの再現であり、暗電流を低減するように設計されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）上に製作された背面照射型撮像センサ向けの所望の正味ドーピング・プロファイル１７２が示されている。図３〜図５に示されたドーピング・プロファイルと異なり、図６の正味ドーピング・プロファイルは、絶縁体（埋込み酸化物）層１６５とシード層１７０（領域１７０の内部）との間の境界面１８０から所定の距離にピーク１９０を有する。ｐ型またはｎ型であり得るドーピングレベルは、絶縁体層１６５とシード層１７０との間の境界面１８０で始まって単調に増加する。ドーピング・プロファイルは、図１のシード層１６およびエピタキシャル層２０の１つまたは両方に対応する領域１７０、１７５の内部の曲線１９５によって示され、シード層１７０の内部でピーク１９０に達するまで、不感帯として知られている領域１８５内で単調に増加し続けてから単調減少する。所望の正味ドーピング・プロファイル１７２は、ほぼガウス形の形状であり得る。
【００２２】
暗電流、電子および信号電子は、両方とも不感帯で生成された電界によって影響され得る。処理パラメータおよび動作波長の範囲は、信号電子がこの不感帯ピーク１９０を前面撮像素子２４の方へ通過することを可能にし、同時に暗電流電子がこの障壁に侵入するのを防止するように選択される。最大ドーピング１９０に対応する電位障壁は、暗電流の熱電子放出が領域１７０、１７５の中へドーピング・ピーク１９０を通り越すのを防止するように十分に大きくするべきである。電位障壁ピーク１９０以上の暗電流電子の熱電子放出が無視できるレベルであることを保証するために、好ましい実施形態の障壁ピーク電圧レベルは、ｋＴより約１０倍大きいが、ｋＴより約３倍から３０倍の範囲で大きく、ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビンで表した絶対温度である。信号電子が障壁ピーク１９０を通過するために、入射する信号光子の、その波長に左右される吸収深さは、シード層１７０と絶縁体層１６５との間の境界面１８０からのピーク１９０の距離より大きくなくてはならない。
【００２３】
不感帯は、以前に図１で説明されたイオン注入法、またはエピタキシャル成長の期間中のシード層１６上の特化されたドーピングによって生成することができる。図６で、シード層１７０の上に重なる第２の酸化物層を成長させ、次いで第２の酸化物層を通してイオン注入を実行する代わりに、当業者によって理解され得るように、エピタキシャル層１７５をシード層１７０上で直接成長させ、ドーピング濃度を適切に変化させることによって不感帯プロファイル１７２を得ることができる。
【００２４】
背面照射型撮像装置の、‘５８３特許またはＬｅｖｉｎｅらの‘６０１出願のいずれかに基づく製造方法は、いくつかの洗浄ステップを必要とし、それらは極薄シリコン表面上に残留物を残すことがある。残留物は、望ましくない画像アーチファクトをもたらすことがあるので望ましくない。したがって、望ましいにもかかわらず未だ提供されていないものに、従来技術デバイスと比較して改善された特性およびより少ない処理（例えば洗浄）のステップを有する、撮像装置の生産方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／０５６，６４１号
【特許文献２】米国特許第７，２３８，５８３号
【特許文献３】米国特許出願第１１／７５２，６０１号
【発明の概要】
【００２６】
ＵＴＳＯＩ基板上に背面照射型半導体撮像デバイスを製作する方法を提供することにより、前述の問題が対処され、当技術分野で技術的解決法が達成される。ＵＴＳＯＩ基板は、機械的基板および実質的に機械的基板の上に重なる絶縁体層を備えるハンドル・ウェーハを設けるステップと、ドナー・ウェーハを設けるステップと、ドナー・ウェーハに水素を注入して気泡層を形成するステップと、少なくとも１つのドーパントでドナー・ウェーハをドープして、気泡層の近位にシード層を形成するステップと、ハンドル・ウェーハの絶縁体層とシード層の近位のドナー・ウェーハの表面との間でハンドル・ウェーハとドナー・ウェーハとを結合して、実質的に気泡層の下にある部分を有する結合されたウェーハを形成するステップと、実質的に気泡層の下にある結合されたウェーハの一部分を除去してシード層を露出させるステップとにより形成される。この方法は、実質的にシード層の上に重なるエピタキシャル層を成長させるステップであって、少なくとも１つのドーパントがエピタキシャル層の中へ拡散するステップをさらに含むことができる。
【００２７】
一実施形態では、エピタキシャル層の成長が終了したとき、シード層と絶縁体層との間の境界面で初期の最大値を有し、シード層およびエピタキシャル層の少なくとも１つの少なくとも一部分の内部の境界面からの距離の増加とともに単調に減少する正味のドーパント濃度プロファイルが存在する。正味のドーパント濃度プロファイルは、半導体基板の内部では第１の平均的割合で単調に減少し、シード層の内部では第１の平均的割合よりゆっくりした第２の平均的割合で単調に減少する傾斜を有することができる。
【００２８】
別の実施形態では、エピタキシャル層の成長が終了したとき、絶縁体層とシード層との間の境界面からの所定の距離で最大値を有し、シード層およびエピタキシャル層のうち１つの中で、最大値からプロファイルの両側で単調に減少する正味のドーパント濃度プロファイルが存在する。絶縁体層との境界面とドーピング・プロファイルのピークとの間のドーピング・プロファイルは、「不感帯」として機能し、暗電流キャリアがデバイスの前面へ侵入するのを防止する。正味のドーパント濃度プロファイルの形状は、ほぼガウス形である。正味のドーパント濃度プロファイルの最大値は、最大ドーピングに対応する電位障壁がｋＴより約３倍から３０倍大きい範囲にあるように設定されてよく、ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビンで表した絶対温度である。正味のドーパント濃度は、シード層およびエピタキシャル層の内部のシード層−絶縁体層境界面から約１０００オングストローム離れてピークを有することができる。
【００２９】
上記の実施形態の両方に関して、実質的に気泡層の下にある結合されたウェーハの一部分を除去するステップは、気泡層を割るステップを含む。気泡層は、１０００オングストロームから２０００オングストロームの範囲の平均深度に配置され得る。この方法は、ドナー・ウェーハに水素を注入するステップの前にドナー・ウェーハ上に絶縁体層を形成するステップをさらに含んでよく、ドナー・ウェーハにハンドル・ウェーハを結合するステップは、ドナー・ウェーハ上の絶縁体層の表面にハンドル・ウェーハの絶縁体層を結合するステップをさらに含む。
【００３０】
エピタキシャル層およびシード層はシリコンを含み、絶縁体層はシリコンの酸化物を含む。少なくとも１つのドーパントは、ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、インジウムおよびガリウムのうちの少なくとも１つでよい。この方法は、エピタキシャル層の少なくとも１つの撮像素子を製作するステップをさらに含むことができる。少なくとも１つの撮像素子は、ＣＭＯＳ撮像素子、電荷結合デバイス素子、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオードおよびフォトトランジスタのうちの少なくとも１つでよい。
【００３１】
この方法は、残りの機械的基板の厚さが電磁放射に対する反射防止コーティングとして機能するように、機械的基板の少なくとも一部分を除去するステップをさらに含むことができる。この方法は、残りの絶縁体層の厚さが電磁放射に対する反射防止コーティングとして機能するように、機械的基板の完全な除去に続いて絶縁体層の少なくとも一部分を除去するステップをさらに含むことができる。
【００３２】
本発明は、以下に示された例示的実施形態の詳細な説明を添付図とともに検討することからより容易に理解することができ、添付図では同様な参照数字は類似の要素を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】‘５８３特許によってＵＴＳＯＩ基板上に背面照射型撮像デバイスを製作するプロセスを示す図である。
【図２】図１に示された処理ステップを実行した結果として得られる完全なデバイス構造体を示す図である。
【図３】‘５８３特許で説明された、半導体基板の初期ドーピング・プロファイルを示す図である。
【図４】‘５８３特許で説明された、エピタキシャル層の成長後のドーピング・プロファイルを示す図である。
【図５】‘５８３特許で説明された、図４のドーピング・プロファイルをより大きな距離の目盛で示す図である。
【図６】‘６０１出願で説明された、エピタキシャル層の成長後のドーピング・プロファイルを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態により、「スマート・カット」法に基づいて構成される背面照射型撮像装置を製造するステップを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
添付図は、本発明の概念を示すためのもので、原寸に比例しないことがあることを理解されたい。
【００３５】
背面照射型撮像装置を製造するための例示的方法の以下の実施形態は、当技術分野で「スマート・カット」法と呼ばれる既知の方法を利用する。次に図７を参照すると、本発明の一実施形態により「スマート・カット」法に基づいて背面照射型撮像装置を製造するステップが示されている。ステップ７Ａで、ハンドル・ウェーハ５０（例えばシリコン・ハンドル・ウェーハ）が清浄化され、次いで絶縁体層５２（例えば埋込みシリコン酸化物（ＢＯＸ）層）がハンドル・ウェーハ５０の表面５４上に形成され、機械的基板５０および絶縁体層５２をそれぞれ形成する。ステップ７Ｂで、ドナー・ウェーハ５６が設けられ、次いで、任意選択の第２の絶縁体層５８（すなわち第２のシリコン酸化物層）が、ドナー・ウェーハ５６の表面６０の上に重なって形成される。
【００３６】
ステップ７Ｃで、水素６４が、任意選択の第２の絶縁体層５８を含むドナー・ウェーハ５６の中へ注入される。この注入物は、注入物の平均（所定）深さで気泡層６６を生成する。この気泡層６６は、約１０００から２０００Åの深さにあってよいが、その範囲に限定されない。ステップ７Ｄで、ドナー・ウェーハ５６は、少なくとも１つのドーパントをドープ（例えば注入）されてよく、好ましくは第２の絶縁体層５８と気泡層６６との間で気泡層６６の近位にドープ層６８を形成する。いくつかの実施形態では、ドープ層６８は実質的に気泡層６６の上に重なってよい。他の実施形態では、ドーパントのいくらかは、ドープ層６８が気泡層６６を過ぎて広がり得るほどにバブル層６６に侵入することができる。ドープ層６８のドーパントは、ｐ型またはｎ型のいずれかでよい。本実施形態で用いる適切なドーパントは、ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、インジウムおよびガリウムを含むが、これらに限定されない。
【００３７】
ｐ型のドナー・ウェーハに関して、ドープ層６８は、例えば破壊境界面の深さ未満の深さに（すなわち気泡層６６の領域に）注入されたホウ素でよい。注入されたドープ層６８は、Ｓｉ−ＳｉＯ２境界面６０に、またはその近くに（近位に）最大ドーピングを与えるように調整された用量およびエネルギーを有することができる。これは、任意選択の第２の絶縁体層５８をドープすることにより達成することができる。本発明の一実施形態によれば、ドープ層６８の初期の正味ドーピング濃度は、１立方センチにつき約１０１７個以上の電荷キャリアでよい。
【００３８】
水素およびホウ素の注入が終了した後、ステップ７Ｅで、ハンドル・ウェーハ５０およびドナー・ウェーハ５６が、ハンドル・ウェーハ５０の絶縁体層５２の表面７０とドナー・ウェーハ５６のドープ層６８（任意選択の第２の絶縁体層５８でよい）の表面７２とで相互に近位に結合され、結合されたウェーハ７８の結合された絶縁体層７４（ＢＯＸ層７４）をもたらす。
【００３９】
ステップ７Ｆで、結合されたウェーハ７８が、弱められた気泡層６６で「割られ」、ドナー・ウェーハ５６の大部分が除去される一方で結合された絶縁体層７４に結合されたシード層７６（ドープ層６８を含む）が残され、極薄シリコン・オン・インシュレータ（ＵＴＳＯＩ）のウェーハ７９を形成する。上記で説明された本発明の注入方法で、このシード層７６は、少ない背面再結合および少ない点広がりを達成するのに必要なドーピング・プロファイルを既に含んでいる。
【００４０】
ステップ７Ｇで、エピタキシャル層８０が、シード層７６をテンプレートとして用いてＵＴＳＯＩウェーハ７９のシード層７６の上に実質的に重なって成長される。エピタキシャル層８０が前面素子を製作するための層をもたらし、全体の撮像デバイスを形成する。
【００４１】
なお図７を参照して、エピタキシャル層８０の成長の期間中、以前にシード層７６の中へ導入されたドーパントは、１０００℃以上での処理の結果、エピタキシャル層８０の中に拡散する。エピタキシャル層８０の成長が終結したとき、絶縁体層７４とシード層７６との間のＳｉ−ＳｉＯ２境界面８２からの各距離においてシード層７６およびエピタキシャル層８０の中の正味キャリア濃度が最終的な所望の値に近いという点で、正味のドーピング・プロファイルは所望のプロファイルに非常に近いものである。プロファイルの形状は、シード層７６の、注入するドーパントの用量およびエネルギーを変化させることにより調節することができる。
【００４２】
不感帯を得るために、比較的厚い（図６に示されたシミュレーション実施例の場合は１０００Å）シード層７６が生成される。絶縁体層５８は、約１４５０Åの厚さを有するように設計される。ホウ素注入物の用量は約６．０×１０１４  ｉｏｎｓ／ｃｍ２に設定され、注入エネルギーは約３５ＫｅＶに設定される。これは、図６に示された不感帯を有するプロファイルをもたらす。プロファイルのピークは、シード層７６およびエピタキシャル層８０の内部でＳｉ−ＳｉＯ２境界面から約１０００Å離れたところにある。
【００４３】
図７では、エピタキシャル層の内部に１つまたは複数の撮像素子を製作するステップと、機械的基板を除去するステップと、任意選択の反射防止層／コーティングを生成するステップと、積層を加えるステップとが図から省略されているが、任意選択で利用され得る。
【００４４】
例示的実施形態は、本発明の単なる説明であり、本発明の範囲から逸脱することなく前述の実施形態の多くの変形形態が当業者によって考案され得ることを理解されたい。したがって、そのような変形形態は、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内にすべて含まれることが意図されている。
【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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【国際調査報告】
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