エピタキシャル基板およびその製造方法、固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器
【課題】高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能とゲッタリング能力を向上できて、製造工程も複雑化しない。
【解決手段】シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモン）がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、この高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されている。これによって、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制する。
【解決手段】シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモン）がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、この高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されている。これによって、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板上に形成され、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像光を画像信号として電気信号に変換する固体撮像素子としては、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどが知られている。このうち、ＣＣＤ型イメージセンサは、光照射により信号電荷を発生する複数の受光部（フォトダイオード）がマトリクス状に設けられた受光領域と、この受光領域の各受光部で発生した電荷を信号電荷として読み出して垂直電荷転送動作を行った後に水平電荷転送動作を行う転送領域とが共通基板上に設けられている。
【０００３】
このような従来のＣＣＤ型イメージセンサでは、近年の画素の縮小化に伴って、受光領域の不要電荷を排出する縦型オーバーフロードレイン構造におけるシャッタ電圧上昇を抑制することが重要であり、特に、エピタキシャル基板のＮ型領域のプロファイルバラツキによるシャッタ電圧のバラツキが顕著になってきている。このＮ型領域には、一般的には不純物元素としてリンが広く用いられている。
【０００４】
また、従来のＣＣＤ型イメージセンサでは、製造工程内の重金属汚染による白傷などの画質劣化を抑制するために、基板のゲッタリング能力が重要となっている。例えば、特許文献１ではリン、砒素などの不純物を固相拡散法により基板に導入する方法が開示されている。この固相拡散法とは、リン、砒素などの不純物をポリシリコン膜上に塗布して熱処理を行うことによりポリシリコン膜内部にリン、砒素などの不純物を拡散させる方法である。
【０００５】
図６は、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ型イメージセンサを形成するために使用するエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【０００６】
図６において、従来の固体撮像素子１００では、半導体基板１０１の表面１０１ａおよび裏面１０１ｂのうちの裏面１０１ｂ側にゲッタリング用不純物を導入したポリシリコン膜を所定厚さだけ酸化させてポリシリコン膜の厚さを縮めてポリシリコン膜１０２としている。この酸化で形成される膜は酸化膜１０３となる。このような酸化工程により、ポリシリコン膜１０２の厚さが縮められれば酸化前にポリシリコン膜内に導入されたゲッタリング用不純物が酸化工程により厚さの縮められたポリシリコン膜１０２内にほとんど集まるので残留する不純物濃度は高くなる。
【０００７】
この酸化膜１０３の表面には保護膜１０４が形成される。この保護膜１０４は、工程中に重金属およびその他の汚染物が半導体基板１０１の裏面１０１ｂに浸透することを防止する役割をする。また、保護膜１０４は、後続工程に際し、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに導入された不純物が外方に拡散されることをも防止する役割をする。このような保護膜としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコン窒酸化膜（ＳｉＯＮ）などがある。
【０００８】
ゲッタリング用不純物が導入されたポリシリコン膜を形成するために、まず、不純物を含んでいない状態でポリシリコン膜（図示せず）を摂氏７００度以下の温度で、例えば、化学気相蒸着（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下、ＣＶＤ）方式により形成する。
【０００９】
次に、ポリシリコン膜にゲッタリング用不純物をシリコン固溶度程度に、望ましくは、１０２０〜１０２１／ｃｍ３の濃度、より望ましくは、３×１０２０／ｃｍ３ないし５×１０２０／ｃｍ３の濃度で導入する。このとき、ゲッタリング用不純物としてはリン（Ｐ）イオンのほかに砒素（Ａｓ）イオンなどが使用でき、望ましくは、これらのゲッタリング用不純物はシリコン固溶度程度に導入する。また、ゲッタリング用不純物をポリシリコン膜に導入する方式としては、イオン打ち込み方式、ドーピング方式および拡散方式などが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２-３２９８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の基板ゲッタリング形成方法においては、製造工程が複雑化し、ウエハ裏面への不純物導入のため、ＣＣＤ特有の機能であるオーバーフロードレイン部を別工程で形成する必要がある。また、オーバーフロードレイン部をリンドープ層で形成すると、ＣＣＤ製造熱処理工程での不純物拡散が大きく、オーバーフロードレイン電圧のバラツキが増大するという問題があった。
【００１２】
特許文献１に記載された従来の基板ゲッタリング形成方法のようにウエハ裏面への不純物導入ではなく、ウエハ表面側に不純物のリンを導入して高濃度ゲッタリングサイトを形成した後に、その上に、リンを導入してＮ型領域としてのエピタキシャル層を低濃度で形成してオーバーフロードレイン構造とする方法がある。この場合にも、オーバーフロードレイン部をリンドープ層で形成すると、ＣＣＤ製造熱処理工程での不純物拡散が大きく、オーバーフロードレイン電圧のバラツキが増大するという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しないエピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板を用いた固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器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】
【００１４】
本発明のエピタキシャル基板は、半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
また、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における高濃度Ｎ型層は、前記砒素または前記アンチモンのイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲で形成されている。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における半導体単結晶基板はＮ型基板であって前記高濃度Ｎ型層は該Ｎ型基板よりも不純物濃度が高濃度である。
【００１８】
本発明のエピタキシャル基板の製造方法は、半導体単結晶基板に対して熱酸化膜を形成し、該熱酸化膜を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層を形成し、該高濃度Ｎ型層上の該熱酸化膜を除去した後に該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
また、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における砒素またはアンチモンがイオン注入されて熱処理された前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における高濃度Ｎ型層を、酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行うことにより形成する。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における低濃度エピタキシャル層の形成は、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してエピタキシャル成長させてリンドープ膜とし、エピタキシャル成長温度が摂氏１１００〜１１５０度の温度範囲で行われる。
【００２２】
本発明の固体撮像素子は、本発明の上記エピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の受光部のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部と、該複数の垂直電荷転送部の終端部に配置されて該複数の垂直電荷転送部からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部と、該水平電荷転送部の終端部に配置され該水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子である。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、複数の画素部のそれぞれに、前記受光部が設けられ、該受光部に隣接して、該受光部からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極およびその上の金属遮光膜が配置され、該金属遮光膜は該受光部の上方が開口部で開口されている。
【００２５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記エピタキシャル基板の製造方法により製造されたエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部を２次元状に形成する工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００２８】
本発明においては、半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されている。
【００２９】
これによって、容易な製造方法によりオーバーフロードレイン機能及びゲッタリング能力を向上することができ、砒素の拡散係数が小さいことから従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散を抑制することが可能となる。このように、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上することが可能となって、製造工程も複雑化しない。
【発明の効果】
【００３０】
以上により、本発明によれば、容易な製造方法によりオーバーフロードレイン機能及びゲッタリング能力を向上することができ、砒素の拡散係数が小さいことから従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散を抑制することができる。このように、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１におけるエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、図１のエピタキシャル基板を製造する方法の一例を示した各工程フローを示す要部縦断面である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、電子に対するポテンシャルと基板深さ方向についての断面概念図である。
【図４】図１のエピタキシャル基板を用いた本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態３として、本発明の実施形態２の固体撮像素子１０を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図６】特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ型イメージセンサを形成するために使用するエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明のエピタキシャル基板およびその製造方法の実施形態１および、このエピタキシャル基板の実施形態１を用いたＣＣＤ型固体撮像素子およびその製造方法の実施形態２、このＣＣＤ型固体撮像素子の実施形態２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に順次説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
【００３３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【００３４】
図１において、本実施形態１のエピタキシャル基板５は、半導体単結晶基板としてのシリコン単結晶基板１（Ｎ型基板）の表面側に、不純物である砒素がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４が形成されている。高濃度Ｎ型層３の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。また、高濃度Ｎ型層３は、砒素（またはアンチモン）のイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲である。シリコン単結晶基板１はＮ型基板であって高濃度Ｎ型層３はこのＮ型基板の不純物濃度よりも高濃度である。
【００３５】
エピタキシャル基板５の製造方法としては、半導体単結晶基板としてのシリコン単結晶基板１（Ｎ型基板）に対して熱酸化膜２を形成し、この酸化膜２を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層３を形成し、高濃度Ｎ型層３上の酸化膜２を除去した後に高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層４を形成する。これによって、エピタキシャル基板５を製造する。よって、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を共に向上させることができる。
【００３６】
図２（ａ）〜図２（ｅ）は、図１のエピタキシャル基板５を製造する方法の一例を示した各工程フローを示す要部縦断面である。
【００３７】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板１（以下、シリコン基板１という）を準備し、このシリコン基板１の表面を熱酸化処理することにより、シリコン基板１の表面に酸化膜２を成長させる。基板裏面（またはウエハ裏面）、基板側面の図示はここでは省略している。このとき、シリコン基板１はＮ型元素を含む基板を準備するが、不純物Ｎ型元素としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）を用いることができ、ここではリン（Ｐ）を用いるものとする。この酸化膜２の厚さは２００〜５００オングストローム程度であるが、この膜厚に限定されるものではない。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１に対して酸化膜２の上から、不純物Ｎ型元素のイオン注入を行う。この不純物Ｎ型元素としては、ここではリン（Ｐ）を用いずに、原子量のより大きく拡散し難いヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）のいずれかを用いるものとする。ここでは、ヒ素（Ａｓ）を用いるものとする。このとき、砒素イオンのイオン注入ドーズ量は１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲にあり、例えば大電流イオン注入装置を用いてイオン注入処理を行う。
【００３９】
続いて、図２（ｃ）に示すように、砒素イオンのイオン注入後、イオン注入時の注入欠陥を回復するための熱処理を行って、シリコン基板１中に高濃度Ｎ型層３を形成する。このとき、砒素のシリコン中の拡散係数はリンのそれに比べて遥かに小さいため（リンの拡散が例えば１μｍのときに砒素の拡散は０．５μｍで約半分）、欠陥回復に十分な高温熱処理を行うことが可能である。例えば酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行う。これにより、高濃度Ｎ型層３をシリコン基板１の表面側で酸化膜２下に形成することができ、また、高濃度Ｎ型層３の高濃度層は高ゲッタリング能力を有することができる。このため、製造プロセス中に導入される金属汚染物のゲッタリングによる後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０の暗時白傷などの金属汚染に起因する不具合の特性改善、歩留り向上を図ることができる。この後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０において、高濃度Ｎ型層３に電圧を印加してオーバーフロードレイン動作を行うので、高濃度Ｎ型層３の厚さが厚くなるとオーバーフロードレイン動作がしにくくなるので、０．５〜２．０μｍとする。
【００４０】
この熱処理後に、図２（ｄ）に示すように、エピタキシャル成長前に、シリコン基板１表面の酸化膜２をフッ酸洗浄により除去する。このとき、フッ酸洗浄時間としては酸化膜２を除去するのに充分な浸液時間での処理を行えばよい。
【００４１】
その後、図２（ｅ）に示すように、露出した高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４を、枚葉式のエピタキシャル成長装置により４．０〜７．０μｍの膜厚にエピタキシャル成長させてエピタキシャル基板５を製造する。このエピタキシャル基板５が固体撮像素子用途の場合には、エピタキシャル層４はＮ型領域である必要があるため、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してリンドープ膜とする。エピタキシャル成長温度は摂氏１１００〜１１５０度の温度帯で行われる。これによって、高濃度Ｎ型層３を高濃度エピタキシャル層とし、エピタキシャル層４を低濃度エピタキシャル層としてオーバーフロードレイン構造とすることができる。したがって、高濃度Ｎ型層３の高濃度エピタキシャル層は原子量の大きい砒素イオン（またはアンチモン）が注入されているので拡散しにくく、しかも製造コストも安価に済む。
【００４２】
このようにして形成されたエピタキシャル基板５は、上記のように高ゲッタリング能力を有すると同時に、後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０のオーバーフロードレイン機能に対するマージンを確保できるように作用する。次の実施形態２で詳細に説明するが、エピタキシャル層４の表面側に複数のフォトダイオード部（複数の受光部）が形成されてＣＣＤ型固体撮像素子１０を形成することができる。
【００４３】
後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０のオーバーフロードレイン機能、即ちシャッター電圧について図３を用いて簡略に説明する。
【００４４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、電子に対するポテンシャルと基板深さ方向についての断面概念図である。
【００４５】
エピタキシャル層４に複数のフォトダイオード部（複数の受光部）が２次元状に形成されており、まず、図３（ａ）に示すように、光入射により各フォトダイオード部（受光部）で光電変換された電子はフォトダイオード部とＮ型基板間のポテンシャル障壁の存在により、フォトダイオード部に蓄積される。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、蓄積された電荷は画素信号としてＣＣＤに排出された後、Ｎ型基板に正電圧を印加してポテンシャル障壁を低下させて、余分な電荷をＮ型基板側に排出する。
【００４７】
このとき、図３（ｃ）に示すように、本実施形態１のエピタキシャル基板５を使用すると、従来のエピタキシャル基板を使用する場合と比較して、砒素の拡散係数が小さいためにＮ型基板側のポテンシャル障壁幅が、リンを使用した際のポテンシャル障壁の幅よりも小さくなることから、Ｎ型基板側の印加電圧に対するポテンシャル障壁を容易に低下させることができて、シャッター電圧を低下させることができる。即ち、より低い印加電圧でオーバーフロードレイン動作を行うことが可能となって、シャッター電圧を低下させることができ、容易に画素設計および製造マージンを確保することができる。
【００４８】
このようにして準備されたエピタキシャル基板５上に、詳細は次の実施形態２で後述するが、必要な製造工程を経てＣＣＤ固体撮像素子１０が形成される。
【００４９】
以上により、本実施形態１によれば、シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモン）がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、この高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されている。
【００５０】
これによって、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することができて、オーバーフロードレイン電圧のバラツキを抑えることができる。したがって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【００５１】
（実施形態２）
上記実施形態１では、不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上させたエピタキシャル基板５およびその製造方法について説明したが、本実施形態２では、エピタキシャル基板５およびその製造方法の実施形態１をＣＣＤ型固体撮像素子およびその製造方法に適用した場合について説明する。
【００５２】
図４は、図１のエピタキシャル基板５を用いた本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【００５３】
図４において、本実施形態２のＣＣＤ型固体撮像装置１０は、エピタキシャル基板５のエピタキシャル層４に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部（フォトダイオード部１３）が２次元状でマトリクス状に形成されている。
【００５４】
即ち、本実施形態２のＣＣＤ型固体撮像装置１０において、画素分離用のストッパ層１１間の各画素部１２にはそれぞれ、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード部１３が設けられ、各フォトダイオード１３に隣接してフォトダイオード部１３からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部１４およびこの上にゲート絶縁膜１５を介して、これを電荷転送制御するための電荷転送電極としてのゲート電極１６が配置されている。このゲート電極１６上には、絶縁膜１７を介して、入射光がゲート電極１６により反射してノイズが発生するのを防ぐために遮光膜１８が形成されている。また、フォトダイオード部１３の上方には、遮光膜１８の開口部１８ａから層間絶縁膜１９、２０を介して、各フォトダイオード部１３に対応するように所定色配列の各カラーフィルタ２１が配置されている。各カラーフィルタ２１上には、各フォトダイオード部１３および各カラーフィルタ２１にそれぞれ対応するように、平坦化膜２２を介して、光を集光させるためのマイクロレンズ２３が配置されている。
複数の画素部のそれぞれに、
要するに、ＣＣＤ型固体撮像装置１０は、各画素部１２毎に、各フォトダイオード部１３が設けられ、各フォトダイオード部１３に隣接して、各フォトダイオード部１３からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部１４および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極１６およびその上の金属（アルミニウムまたはタングステン）の遮光膜１８が配置され、遮光膜１８は各フォトダイオード部１３の上方が開口部１８ａで開口されている。
【００５５】
また、ＣＣＤ型固体撮像装置１０は、複数の各フォトダイオード部１３のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）と、この複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）の終端部に配置されて複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部（図示せず）と、水平電荷転送部の終端部に配置され水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部（図示せず）とを有している。
【００５６】
上記構成により、複数の画素部１２が２次元状に配置された撮像領域に入射した光は、まず、マイクロレンズ２３により集光されて遮光膜１８の開口部１８ａからフォトダイオード部１３に入射される。
【００５７】
次に、フォトダイオード部１３に入射された光は、フォトダイオード部１３で光電変換されて信号電荷となる。この信号電荷は電荷転送部１４に読み出されて所定方向（垂直方向）に順次電荷転送される。垂直方向に順次電荷転送された各信号電荷は水平方向に電荷転送された後に電圧に変換され、その変換電圧に応じて撮像信号として増幅されて出力される。
【００５８】
以上により、本実施形態２によれば、上記実施形態１のエピタキシャル基板５を用いたＣＣＤ型固体撮像装置１０において、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて大幅に小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することができて、オーバーフロードレイン電圧のバラツキを抑えることができる。したがって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【００５９】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態２の固体撮像素子１０を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【００６０】
図５において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態２の固体撮像素子１０からの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【００６１】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【００６２】
したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【００６３】
なお、本実施形態１では、特に詳細には説明しなかったが、シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモ）がイオン注入されて、シリコン基板１のＮ型濃度よりも高い高濃度Ｎ型層３が形成され、高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されており、これによって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しないという本発明の目的を達成することができる。
【００６４】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、エピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板上に形成され、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【符号の説明】
【００６６】
１ シリコン単結晶基板
２ 酸化膜
３ 高濃度Ｎ型領域
４ エピタキシャル層
５ エピタキシャル基板
１０ ＣＣＤ型固体撮像素子
１１ ストッパ層
１２ 画素部
１３ フォトダイオード部
１４ 電荷転送部（垂直電荷転送部）
１５ ゲート絶縁膜
１６ ゲート電極
１７ 絶縁膜
１８ 遮光膜
１８ａ 開口部
１９、２０ 層間絶縁膜
２１ カラーフィルタ
２２ 平坦化膜
２３ マイクロレンズ
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板上に形成され、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像光を画像信号として電気信号に変換する固体撮像素子としては、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどが知られている。このうち、ＣＣＤ型イメージセンサは、光照射により信号電荷を発生する複数の受光部（フォトダイオード）がマトリクス状に設けられた受光領域と、この受光領域の各受光部で発生した電荷を信号電荷として読み出して垂直電荷転送動作を行った後に水平電荷転送動作を行う転送領域とが共通基板上に設けられている。
【０００３】
このような従来のＣＣＤ型イメージセンサでは、近年の画素の縮小化に伴って、受光領域の不要電荷を排出する縦型オーバーフロードレイン構造におけるシャッタ電圧上昇を抑制することが重要であり、特に、エピタキシャル基板のＮ型領域のプロファイルバラツキによるシャッタ電圧のバラツキが顕著になってきている。このＮ型領域には、一般的には不純物元素としてリンが広く用いられている。
【０００４】
また、従来のＣＣＤ型イメージセンサでは、製造工程内の重金属汚染による白傷などの画質劣化を抑制するために、基板のゲッタリング能力が重要となっている。例えば、特許文献１ではリン、砒素などの不純物を固相拡散法により基板に導入する方法が開示されている。この固相拡散法とは、リン、砒素などの不純物をポリシリコン膜上に塗布して熱処理を行うことによりポリシリコン膜内部にリン、砒素などの不純物を拡散させる方法である。
【０００５】
図６は、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ型イメージセンサを形成するために使用するエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【０００６】
図６において、従来の固体撮像素子１００では、半導体基板１０１の表面１０１ａおよび裏面１０１ｂのうちの裏面１０１ｂ側にゲッタリング用不純物を導入したポリシリコン膜を所定厚さだけ酸化させてポリシリコン膜の厚さを縮めてポリシリコン膜１０２としている。この酸化で形成される膜は酸化膜１０３となる。このような酸化工程により、ポリシリコン膜１０２の厚さが縮められれば酸化前にポリシリコン膜内に導入されたゲッタリング用不純物が酸化工程により厚さの縮められたポリシリコン膜１０２内にほとんど集まるので残留する不純物濃度は高くなる。
【０００７】
この酸化膜１０３の表面には保護膜１０４が形成される。この保護膜１０４は、工程中に重金属およびその他の汚染物が半導体基板１０１の裏面１０１ｂに浸透することを防止する役割をする。また、保護膜１０４は、後続工程に際し、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに導入された不純物が外方に拡散されることをも防止する役割をする。このような保護膜としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコン窒酸化膜（ＳｉＯＮ）などがある。
【０００８】
ゲッタリング用不純物が導入されたポリシリコン膜を形成するために、まず、不純物を含んでいない状態でポリシリコン膜（図示せず）を摂氏７００度以下の温度で、例えば、化学気相蒸着（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下、ＣＶＤ）方式により形成する。
【０００９】
次に、ポリシリコン膜にゲッタリング用不純物をシリコン固溶度程度に、望ましくは、１０２０〜１０２１／ｃｍ３の濃度、より望ましくは、３×１０２０／ｃｍ３ないし５×１０２０／ｃｍ３の濃度で導入する。このとき、ゲッタリング用不純物としてはリン（Ｐ）イオンのほかに砒素（Ａｓ）イオンなどが使用でき、望ましくは、これらのゲッタリング用不純物はシリコン固溶度程度に導入する。また、ゲッタリング用不純物をポリシリコン膜に導入する方式としては、イオン打ち込み方式、ドーピング方式および拡散方式などが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２-３２９８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の基板ゲッタリング形成方法においては、製造工程が複雑化し、ウエハ裏面への不純物導入のため、ＣＣＤ特有の機能であるオーバーフロードレイン部を別工程で形成する必要がある。また、オーバーフロードレイン部をリンドープ層で形成すると、ＣＣＤ製造熱処理工程での不純物拡散が大きく、オーバーフロードレイン電圧のバラツキが増大するという問題があった。
【００１２】
特許文献１に記載された従来の基板ゲッタリング形成方法のようにウエハ裏面への不純物導入ではなく、ウエハ表面側に不純物のリンを導入して高濃度ゲッタリングサイトを形成した後に、その上に、リンを導入してＮ型領域としてのエピタキシャル層を低濃度で形成してオーバーフロードレイン構造とする方法がある。この場合にも、オーバーフロードレイン部をリンドープ層で形成すると、ＣＣＤ製造熱処理工程での不純物拡散が大きく、オーバーフロードレイン電圧のバラツキが増大するという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しないエピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板を用いた固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器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】
【００１４】
本発明のエピタキシャル基板は、半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
また、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における高濃度Ｎ型層は、前記砒素または前記アンチモンのイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲で形成されている。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板における半導体単結晶基板はＮ型基板であって前記高濃度Ｎ型層は該Ｎ型基板よりも不純物濃度が高濃度である。
【００１８】
本発明のエピタキシャル基板の製造方法は、半導体単結晶基板に対して熱酸化膜を形成し、該熱酸化膜を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層を形成し、該高濃度Ｎ型層上の該熱酸化膜を除去した後に該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
また、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における砒素またはアンチモンがイオン注入されて熱処理された前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における高濃度Ｎ型層を、酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行うことにより形成する。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明のエピタキシャル基板の製造方法における低濃度エピタキシャル層の形成は、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してエピタキシャル成長させてリンドープ膜とし、エピタキシャル成長温度が摂氏１１００〜１１５０度の温度範囲で行われる。
【００２２】
本発明の固体撮像素子は、本発明の上記エピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の受光部のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部と、該複数の垂直電荷転送部の終端部に配置されて該複数の垂直電荷転送部からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部と、該水平電荷転送部の終端部に配置され該水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子である。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、複数の画素部のそれぞれに、前記受光部が設けられ、該受光部に隣接して、該受光部からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極およびその上の金属遮光膜が配置され、該金属遮光膜は該受光部の上方が開口部で開口されている。
【００２５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記エピタキシャル基板の製造方法により製造されたエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部を２次元状に形成する工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００２８】
本発明においては、半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されている。
【００２９】
これによって、容易な製造方法によりオーバーフロードレイン機能及びゲッタリング能力を向上することができ、砒素の拡散係数が小さいことから従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散を抑制することが可能となる。このように、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上することが可能となって、製造工程も複雑化しない。
【発明の効果】
【００３０】
以上により、本発明によれば、容易な製造方法によりオーバーフロードレイン機能及びゲッタリング能力を向上することができ、砒素の拡散係数が小さいことから従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散を抑制することができる。このように、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１におけるエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、図１のエピタキシャル基板を製造する方法の一例を示した各工程フローを示す要部縦断面である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、電子に対するポテンシャルと基板深さ方向についての断面概念図である。
【図４】図１のエピタキシャル基板を用いた本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態３として、本発明の実施形態２の固体撮像素子１０を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図６】特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ型イメージセンサを形成するために使用するエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明のエピタキシャル基板およびその製造方法の実施形態１および、このエピタキシャル基板の実施形態１を用いたＣＣＤ型固体撮像素子およびその製造方法の実施形態２、このＣＣＤ型固体撮像素子の実施形態２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に順次説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
【００３３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるエピタキシャル基板の要部縦断面図である。
【００３４】
図１において、本実施形態１のエピタキシャル基板５は、半導体単結晶基板としてのシリコン単結晶基板１（Ｎ型基板）の表面側に、不純物である砒素がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４が形成されている。高濃度Ｎ型層３の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである。また、高濃度Ｎ型層３は、砒素（またはアンチモン）のイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲である。シリコン単結晶基板１はＮ型基板であって高濃度Ｎ型層３はこのＮ型基板の不純物濃度よりも高濃度である。
【００３５】
エピタキシャル基板５の製造方法としては、半導体単結晶基板としてのシリコン単結晶基板１（Ｎ型基板）に対して熱酸化膜２を形成し、この酸化膜２を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層３を形成し、高濃度Ｎ型層３上の酸化膜２を除去した後に高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層４を形成する。これによって、エピタキシャル基板５を製造する。よって、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を共に向上させることができる。
【００３６】
図２（ａ）〜図２（ｅ）は、図１のエピタキシャル基板５を製造する方法の一例を示した各工程フローを示す要部縦断面である。
【００３７】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板１（以下、シリコン基板１という）を準備し、このシリコン基板１の表面を熱酸化処理することにより、シリコン基板１の表面に酸化膜２を成長させる。基板裏面（またはウエハ裏面）、基板側面の図示はここでは省略している。このとき、シリコン基板１はＮ型元素を含む基板を準備するが、不純物Ｎ型元素としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）を用いることができ、ここではリン（Ｐ）を用いるものとする。この酸化膜２の厚さは２００〜５００オングストローム程度であるが、この膜厚に限定されるものではない。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１に対して酸化膜２の上から、不純物Ｎ型元素のイオン注入を行う。この不純物Ｎ型元素としては、ここではリン（Ｐ）を用いずに、原子量のより大きく拡散し難いヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）のいずれかを用いるものとする。ここでは、ヒ素（Ａｓ）を用いるものとする。このとき、砒素イオンのイオン注入ドーズ量は１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲にあり、例えば大電流イオン注入装置を用いてイオン注入処理を行う。
【００３９】
続いて、図２（ｃ）に示すように、砒素イオンのイオン注入後、イオン注入時の注入欠陥を回復するための熱処理を行って、シリコン基板１中に高濃度Ｎ型層３を形成する。このとき、砒素のシリコン中の拡散係数はリンのそれに比べて遥かに小さいため（リンの拡散が例えば１μｍのときに砒素の拡散は０．５μｍで約半分）、欠陥回復に十分な高温熱処理を行うことが可能である。例えば酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行う。これにより、高濃度Ｎ型層３をシリコン基板１の表面側で酸化膜２下に形成することができ、また、高濃度Ｎ型層３の高濃度層は高ゲッタリング能力を有することができる。このため、製造プロセス中に導入される金属汚染物のゲッタリングによる後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０の暗時白傷などの金属汚染に起因する不具合の特性改善、歩留り向上を図ることができる。この後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０において、高濃度Ｎ型層３に電圧を印加してオーバーフロードレイン動作を行うので、高濃度Ｎ型層３の厚さが厚くなるとオーバーフロードレイン動作がしにくくなるので、０．５〜２．０μｍとする。
【００４０】
この熱処理後に、図２（ｄ）に示すように、エピタキシャル成長前に、シリコン基板１表面の酸化膜２をフッ酸洗浄により除去する。このとき、フッ酸洗浄時間としては酸化膜２を除去するのに充分な浸液時間での処理を行えばよい。
【００４１】
その後、図２（ｅ）に示すように、露出した高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４を、枚葉式のエピタキシャル成長装置により４．０〜７．０μｍの膜厚にエピタキシャル成長させてエピタキシャル基板５を製造する。このエピタキシャル基板５が固体撮像素子用途の場合には、エピタキシャル層４はＮ型領域である必要があるため、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してリンドープ膜とする。エピタキシャル成長温度は摂氏１１００〜１１５０度の温度帯で行われる。これによって、高濃度Ｎ型層３を高濃度エピタキシャル層とし、エピタキシャル層４を低濃度エピタキシャル層としてオーバーフロードレイン構造とすることができる。したがって、高濃度Ｎ型層３の高濃度エピタキシャル層は原子量の大きい砒素イオン（またはアンチモン）が注入されているので拡散しにくく、しかも製造コストも安価に済む。
【００４２】
このようにして形成されたエピタキシャル基板５は、上記のように高ゲッタリング能力を有すると同時に、後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０のオーバーフロードレイン機能に対するマージンを確保できるように作用する。次の実施形態２で詳細に説明するが、エピタキシャル層４の表面側に複数のフォトダイオード部（複数の受光部）が形成されてＣＣＤ型固体撮像素子１０を形成することができる。
【００４３】
後述するＣＣＤ型固体撮像素子１０のオーバーフロードレイン機能、即ちシャッター電圧について図３を用いて簡略に説明する。
【００４４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、電子に対するポテンシャルと基板深さ方向についての断面概念図である。
【００４５】
エピタキシャル層４に複数のフォトダイオード部（複数の受光部）が２次元状に形成されており、まず、図３（ａ）に示すように、光入射により各フォトダイオード部（受光部）で光電変換された電子はフォトダイオード部とＮ型基板間のポテンシャル障壁の存在により、フォトダイオード部に蓄積される。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、蓄積された電荷は画素信号としてＣＣＤに排出された後、Ｎ型基板に正電圧を印加してポテンシャル障壁を低下させて、余分な電荷をＮ型基板側に排出する。
【００４７】
このとき、図３（ｃ）に示すように、本実施形態１のエピタキシャル基板５を使用すると、従来のエピタキシャル基板を使用する場合と比較して、砒素の拡散係数が小さいためにＮ型基板側のポテンシャル障壁幅が、リンを使用した際のポテンシャル障壁の幅よりも小さくなることから、Ｎ型基板側の印加電圧に対するポテンシャル障壁を容易に低下させることができて、シャッター電圧を低下させることができる。即ち、より低い印加電圧でオーバーフロードレイン動作を行うことが可能となって、シャッター電圧を低下させることができ、容易に画素設計および製造マージンを確保することができる。
【００４８】
このようにして準備されたエピタキシャル基板５上に、詳細は次の実施形態２で後述するが、必要な製造工程を経てＣＣＤ固体撮像素子１０が形成される。
【００４９】
以上により、本実施形態１によれば、シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモン）がイオン注入されて高濃度Ｎ型層３が形成され、この高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されている。
【００５０】
これによって、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することができて、オーバーフロードレイン電圧のバラツキを抑えることができる。したがって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【００５１】
（実施形態２）
上記実施形態１では、不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能およびゲッタリング能力を向上させたエピタキシャル基板５およびその製造方法について説明したが、本実施形態２では、エピタキシャル基板５およびその製造方法の実施形態１をＣＣＤ型固体撮像素子およびその製造方法に適用した場合について説明する。
【００５２】
図４は、図１のエピタキシャル基板５を用いた本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【００５３】
図４において、本実施形態２のＣＣＤ型固体撮像装置１０は、エピタキシャル基板５のエピタキシャル層４に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部（フォトダイオード部１３）が２次元状でマトリクス状に形成されている。
【００５４】
即ち、本実施形態２のＣＣＤ型固体撮像装置１０において、画素分離用のストッパ層１１間の各画素部１２にはそれぞれ、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード部１３が設けられ、各フォトダイオード１３に隣接してフォトダイオード部１３からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部１４およびこの上にゲート絶縁膜１５を介して、これを電荷転送制御するための電荷転送電極としてのゲート電極１６が配置されている。このゲート電極１６上には、絶縁膜１７を介して、入射光がゲート電極１６により反射してノイズが発生するのを防ぐために遮光膜１８が形成されている。また、フォトダイオード部１３の上方には、遮光膜１８の開口部１８ａから層間絶縁膜１９、２０を介して、各フォトダイオード部１３に対応するように所定色配列の各カラーフィルタ２１が配置されている。各カラーフィルタ２１上には、各フォトダイオード部１３および各カラーフィルタ２１にそれぞれ対応するように、平坦化膜２２を介して、光を集光させるためのマイクロレンズ２３が配置されている。
複数の画素部のそれぞれに、
要するに、ＣＣＤ型固体撮像装置１０は、各画素部１２毎に、各フォトダイオード部１３が設けられ、各フォトダイオード部１３に隣接して、各フォトダイオード部１３からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部１４および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極１６およびその上の金属（アルミニウムまたはタングステン）の遮光膜１８が配置され、遮光膜１８は各フォトダイオード部１３の上方が開口部１８ａで開口されている。
【００５５】
また、ＣＣＤ型固体撮像装置１０は、複数の各フォトダイオード部１３のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）と、この複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）の終端部に配置されて複数の垂直電荷転送部（電荷転送部１４）からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部（図示せず）と、水平電荷転送部の終端部に配置され水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部（図示せず）とを有している。
【００５６】
上記構成により、複数の画素部１２が２次元状に配置された撮像領域に入射した光は、まず、マイクロレンズ２３により集光されて遮光膜１８の開口部１８ａからフォトダイオード部１３に入射される。
【００５７】
次に、フォトダイオード部１３に入射された光は、フォトダイオード部１３で光電変換されて信号電荷となる。この信号電荷は電荷転送部１４に読み出されて所定方向（垂直方向）に順次電荷転送される。垂直方向に順次電荷転送された各信号電荷は水平方向に電荷転送された後に電圧に変換され、その変換電圧に応じて撮像信号として増幅されて出力される。
【００５８】
以上により、本実施形態２によれば、上記実施形態１のエピタキシャル基板５を用いたＣＣＤ型固体撮像装置１０において、砒素（Ａｓ）の拡散係数がリン（Ｐ）に比べて大幅に小さいことから、従来手法によるリンドープ基板に比べて製造工程における熱処理による不純物拡散（プロファイル拡散）を大幅に抑制することができて、オーバーフロードレイン電圧のバラツキを抑えることができる。したがって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【００５９】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態２の固体撮像素子１０を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【００６０】
図５において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態２の固体撮像素子１０からの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【００６１】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【００６２】
したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【００６３】
なお、本実施形態１では、特に詳細には説明しなかったが、シリコン基板１の表面側に、砒素（またはアンチモ）がイオン注入されて、シリコン基板１のＮ型濃度よりも高い高濃度Ｎ型層３が形成され、高濃度Ｎ型層３上にエピタキシャル層４がエピタキシャル成長して形成されており、これによって、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しないという本発明の目的を達成することができる。
【００６４】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、エピタキシャル基板およびその製造方法、このエピタキシャル基板上に形成され、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、高温熱処理による不純物拡散を抑制することにより、基板性能に要求されるオーバーフロードレイン機能を向上させることができると共に、高濃度Ｎ型層によるゲッタリングサイトを表面側近くに設けることによりゲッタリング能力を向上することができて、製造工程も複雑化しない。
【符号の説明】
【００６６】
１ シリコン単結晶基板
２ 酸化膜
３ 高濃度Ｎ型領域
４ エピタキシャル層
５ エピタキシャル基板
１０ ＣＣＤ型固体撮像素子
１１ ストッパ層
１２ 画素部
１３ フォトダイオード部
１４ 電荷転送部（垂直電荷転送部）
１５ ゲート絶縁膜
１６ ゲート電極
１７ 絶縁膜
１８ 遮光膜
１８ａ 開口部
１９、２０ 層間絶縁膜
２１ カラーフィルタ
２２ 平坦化膜
２３ マイクロレンズ
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されているエピタキシャル基板。
【請求項２】
前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項３】
前記高濃度Ｎ型層は、前記砒素または前記アンチモンのイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲で形成されている請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
前記半導体単結晶基板はＮ型基板であって前記高濃度Ｎ型層は該Ｎ型基板よりも不純物濃度が高濃度である請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
半導体単結晶基板に対して熱酸化膜を形成し、該熱酸化膜を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層を形成し、該高濃度Ｎ型層上の該熱酸化膜を除去した後に該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層を形成するエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項６】
前記砒素またはアンチモンがイオン注入されて熱処理された前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項７】
前記高濃度Ｎ型層を、酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行うことにより形成する請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項８】
前記低濃度エピタキシャル層の形成は、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してエピタキシャル成長させてリンドープ膜とし、エピタキシャル成長温度が摂氏１１００〜１１５０度の温度範囲で行われる請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に形成されている固体撮像素子。
【請求項１０】
前記複数の受光部のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部と、該複数の垂直電荷転送部の終端部に配置されて該複数の垂直電荷転送部からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部と、該水平電荷転送部の終端部に配置され該水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子である請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
複数の画素部のそれぞれに、
前記受光部が設けられ、該受光部に隣接して、該受光部からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極およびその上の金属遮光膜が配置され、該金属遮光膜は該受光部の上方が開口部で開口されている請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項５〜８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法により製造されたエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部を２次元状に形成する工程を有する固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項９〜１１のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【請求項１】
半導体単結晶基板の表面側に、砒素またはアンチモンがイオン注入されて高濃度Ｎ型層が形成され、該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル層がエピタキシャル成長して形成されているエピタキシャル基板。
【請求項２】
前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項３】
前記高濃度Ｎ型層は、前記砒素または前記アンチモンのイオン注入ドーズ量が１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲で形成されている請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
前記半導体単結晶基板はＮ型基板であって前記高濃度Ｎ型層は該Ｎ型基板よりも不純物濃度が高濃度である請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
半導体単結晶基板に対して熱酸化膜を形成し、該熱酸化膜を保護膜として砒素またはアンチモンをドーズ量１×１０１３〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の範囲でイオン注入した後に熱処理して高濃度Ｎ型層を形成し、該高濃度Ｎ型層上の該熱酸化膜を除去した後に該高濃度Ｎ型層上にエピタキシャル成長による低濃度エピタキシャル層を形成するエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項６】
前記砒素またはアンチモンがイオン注入されて熱処理された前記高濃度Ｎ型層の厚さが０．５μｍ〜２．０μｍである請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項７】
前記高濃度Ｎ型層を、酸素雰囲気中で摂氏９５０度３時間の熱処理を行うことにより形成する請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項８】
前記低濃度エピタキシャル層の形成は、トリクロロシランをエピタキシャル成長装置に供給してエピタキシャル成長させてリンドープ膜とし、エピタキシャル成長温度が摂氏１１００〜１１５０度の温度範囲で行われる請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に形成されている固体撮像素子。
【請求項１０】
前記複数の受光部のうちの垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置されて列方向の各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送する複数の垂直電荷転送部と、該複数の垂直電荷転送部の終端部に配置されて該複数の垂直電荷転送部からの信号電荷を水平方向に電荷転送する水平電荷転送部と、該水平電荷転送部の終端部に配置され該水平電荷転送部からの各信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子である請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
複数の画素部のそれぞれに、
前記受光部が設けられ、該受光部に隣接して、該受光部からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および、この上に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するためのゲート電極およびその上の金属遮光膜が配置され、該金属遮光膜は該受光部の上方が開口部で開口されている請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項５〜８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法により製造されたエピタキシャル基板のエピタキシャル層に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部を２次元状に形成する工程を有する固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項９〜１１のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２０４６７４（Ｐ２０１２−２０４６７４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８８０２（Ｐ２０１１−６８８０２）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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