JP2010232420A - 裏面照射型固体撮像素子用ウェーハおよびその製造方法ならびに裏面照射型固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便かつ容易に、厚さばらつきを減少させて加工精度を向上させることにより、歩留まりを飛躍的に向上させることができる固体撮像素子用ウェーハの製造方法および該方法により製造された固体撮像素子用ウェーハならびに固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 素材ウェーハ上に第１エピタキシャル層および第２エピタキシャル層を順次成長形成してなるエピタキシャルウェーハの前記素材ウェーハ側の裏面から、前記素材ウェーハの厚みにして少なくとも８０％以上の部分を研削により除去し、前記研削により残った素材ウェーハを所定のエッチング液を用いてエッチングにより除去し、前記第１エピタキシャル層を研磨により除去して裏面照射型固体撮像素子用ウェーハを形成する工程を有し、前記第１エピタキシャル層が高濃度ボロン添加シリコン層であり、かつ前記エッチング液がアルカリエッチング液であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハおよびその製造方法ならびに裏面照射型固体撮像素子に関し、特に、携帯電話やデジタルビデオカメラ等に用いられる裏面照射型の固体撮像素子用ウェーハの製造方法に関する。

近年、携帯電話やデジタルビデオカメラには、半導体を用いた高性能固体撮像素子が搭載されている。この固体撮像素子に要求される性能としては、高画素であることおよび動画の撮像が可能であること等が挙げられるが、この動画の撮像を実現するためには、高速演算素子およびメモリ素子との結合が必要となることから、System on Chip（SoC）が容易なＣＭＯＳイメージセンサが用いられ、このＣＭＯＳイメージセンサの微細化が伸展している。

しかしながら、前記ＣＭＯＳイメージセンサの微細化に伴って、必然的に、光電変換素子であるフォトダイオードの開口率が減少する結果、光電変換素子の量子効率が低下し、撮像データのＳ／Ｎ比の向上が困難になるという問題がある。このため、光電変換素子表面側にインナーレンズを挿入し入射光量を増加させる方法等が試みられているが、現在、顕著なＳ／Ｎ比の改善は実現できていない。

そのため、入射光量を増加させることで、画像データのＳ／Ｎ比を向上させるべく、前記光電変換素子の裏面から光を入射する試みがなされている。前記素子の裏面からの光入射は、表面からの入射と比較して、前記素子表面での反射及び回折や、前記素子の受光面積による制約がないことが最大のメリットである。一方、裏面から光を入射する場合、前記光電変換素子の基板である、シリコンウェーハの光吸収を抑制しなければならず、固体撮像素子全体としての厚みを５０μｍ未満にする必要がある。その結果、固体撮像素子の加工及びハンドリングが困難であることから生産性が極めて悪いことが問題となる。

上記の技術課題を克服することを目的として、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているような、裏面照射型固体撮像素子が挙げられる。

特開２００７−１３０８９号公報 特開２００７−５９７５５号公報

特許文献１には、支持基板を張り合わせて強度を確保してから半導体基板を薄膜化し、また、支持基板を薄膜化して貫通配線を形成するので、簡便、容易に、照射面の反対側の面から電極を取り出す構成の裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を製造することができる固体撮像素子の製造方法が開示されている。

また、特許文献２には、半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された半導体基板表面への色フィルタやマイクロレンズなどのプロセス加工を高精度になし得るようにした固体撮像装置およびその製造方法が開示されている。

ところで、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハに要求される特性として、その厚さばらつきが小さいことが挙げられる。上述したような薄厚の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハにおいて、この厚さばらつきは、固体撮像素子特性に顕著な影響を与え、厚さばらつきが大きいと、量子効率が低下し、製造歩留まりが悪くなるためコストが高くなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、簡便かつ容易に、厚さばらつきを減少させて加工精度を向上させることにより、歩留まりを飛躍的に向上させることができる裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法および該方法により製造された裏面照射型固体撮像素子用ウェーハならびに裏面照射型固体撮像素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）表面側に光電変換素子および電荷転送トランジスタを含む複数の画素を有し、裏面を受光面とする、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法であって、素材ウェーハ上に第１エピタキシャル層および第２エピタキシャル層を順次成長形成してなるエピタキシャルウェーハの前記素材ウェーハ側の裏面から、前記素材ウェーハの厚みにして少なくとも８０％の部分を研削により除去し、前記研削により残った素材ウェーハを、所定のエッチング液を用いて、前記第１エピタキシャル層をストッパー層としてエッチングにより除去し、前記第１エピタキシャル層を研磨により除去して裏面照射型固体撮像素子用ウェーハを形成する工程を有し、前記第１エピタキシャル層が高濃度ボロン添加シリコン層であり、かつ前記エッチング液がアルカリエッチング液であることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（２）前記第１エピタキシャル層を成長させる工程の前に、前記素材ウェーハの、前記第１エピタキシャル層を成長させる面とは反対側の面全体に、ポリシリコン膜を形成する工程をさらに具える上記（１）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（３）前記高濃度ボロン添加シリコン層のボロン濃度は、１０^１８〜１０^１９atoms/cm^３である上記（１）または（２）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（４）前記素材ウェーハは、炭素添加シリコンウェーハである上記（１）、（２）または（３）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（５）前記炭素添加シリコンウェーハの炭素濃度は、０．５×１０^１６〜１．０×１０^１７atoms/cm^３である上記（４）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（６）前記素材ウェーハの厚さは、１００〜８００μｍである上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（７）前記第１エピタキシャル層の厚さは、０．１〜１０．０μｍである上記（１）〜（６）のいずれか一に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（８）前記第２エピタキシャル層の厚さは、１〜１０μｍである上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（９）前記炭素添加シリコンウェーハは、あらかじめ６００〜７００℃の熱処理が施される請求項４〜８のいずれか一に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。

（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一に記載の方法により製造される裏面照射型固体撮像素子用ウェーハであって、厚さバラツキが０．１〜０．５μmであり、かつ量子効率が３０〜８０％であることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ。

（１１）前記裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの厚さは、２〜５０μｍである上記（１０）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ。

（１２）上記（１０）または（１１）に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの前記画素に、画像データを転送するための埋め込み電極を接続してなる裏面照射型固体撮像素子。

本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法によれば、簡便かつ容易に、厚さばらつきを減少させて加工精度を向上させることにより、歩留まりを飛躍的に向上させることができる裏面照射型固体撮像素子用ウェーハおよび裏面照射型固体撮像素子を提供することができる。

本発明に従う裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造工程を模式的に示す断面図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に従う裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造工程における断面図を模式的に示したものである。

本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ１００の製造方法は、図１(a)に示すように、素材ウェーハ１０１上に第１エピタキシャル層１０２および第２エピタキシャル層１０３を順次成長形成してなるエピタキシャルウェーハ１０４の前記素材ウェーハ１０１側の裏面１０４ｂから、図１(b)に示すように、前記素材ウェーハ１０１の厚みにして少なくとも８０％の部分を、研削により除去する。この研削が素材ウェーハ１０１の厚みにして８０％未満だと、その後行われるエッチングに時間がかかり、製造効率が低下するためである。なお、図１(a)中、前記エピタキシャルウェーハ１０４の表面１０４ａは固体撮像素子形成面を示し、また、図１(b)は、研削等の加工時に前記エピタキシャルウェーハの表面１０４ａが損傷するのを防止するため、このエピタキシャルウェーハの表面１０４ａ上にＢＧ（バックグラインド）テープ１０５を貼り付けた例を示す。

その後、図１(c)に示すように、前記研削により残った素材ウェーハ１０１を所定のエッチング液を用いて、前記第１エピタキシャル層１０２をストッパー層としてエッチングにより除去し、図１(d)に示すように、前記第１エピタキシャル層１０２をタッチ研磨により除去し、その後、図１(e)に示すようにＢＧテープをはがすことにより裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ１００を形成する。

本発明の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ１００は、前記第１エピタキシャル層１０２が高濃度ボロン添加シリコン層であり、かつ前記エッチング液がアルカリエッチング液であり、かかる構成を有することにより、簡便かつ容易に、厚さばらつきを減少させて加工精度を向上させることにより、歩留まりを飛躍的に向上させることができるものである。

また、図には示されていないが、前記第１エピタキシャル層１０２を成長させる工程の前に、前記素材ウェーハ１０１の、前記第１エピタキシャル層１０２を成長させる面とは反対側の面全体、すなわち、エピタキシャルウェーハ１０４の裏面１０４ｂに、ポリシリコン膜１０６を形成する工程をさらに具えるのが好ましい。前記ポリシリコン膜１０６は、前記第１エピタキシャル層１０２および前記第２エピタキシャル層１０３の成長の際、ゲッタリングシンクとして働き、ゲッタリング効果を向上させることができるためである。

前記高濃度ボロン添加シリコン層１０２のボロン濃度は、１０^１８〜１０^１９atoms/cm^３であるのが好ましい。前記濃度が１０^１８atoms/cm^３未満だと、エッチング速度が高まりエッチング量の制御が困難となるおそれがあり、前記濃度が１０^１９atoms/cm^３を超えると、エッチング速度が極端に低下し生産性が犠牲となるおそれがあるためである。なお、前記第１エピタキシャル層１０２に所定量のボロンを含有させるための方法としては、例えば前記１エピタキシャル層１０２中にボロン原子をドーピングする方法や、イオン注入の方法等が挙げられる。

前記素材ウェーハ１０１は、炭素添加シリコンウェーハ１０１とするのが好ましい。炭素原子が素材ウェーハ１０１中のシリコン格子間位置に取り込まれ、その後のウェーハの熱処理工程において、酸素含有物質の析出を促進し、酸素析出物がゲッタリングサイトとして作用することができる結果、このウェーハを裏面照射型固体撮像素子に用いた場合に、従来の撮像素子に比べて、白傷欠陥の発生および重金属汚染を有効に抑制することができるためである。前記素材ウェーハ１０１は、特に限定されるものではないが、比較的容易に得ることができる点から、例えばシリコン材料からなる基板を用いることができる。

前記炭素添加シリコンウェーハ１０１の炭素濃度は、０．５×１０^１６〜１．０×１０^１７atoms/cm^３であるのが好ましい。前記濃度が０．５×１０^１６atoms/cm^３未満だと、ゲッタリング能力を十分に発揮できないため、白傷欠陥および重金属汚染の抑制を十分にできないおそれがあるためであり、１．０×１０^１７atoms/cm^３を超えると、酸素析出物のサイズが５０ｎｍ未満となり、重金属をゲッタリング可能な歪みエネルギーを保持できないためである。なお、前記ウェーハ１０１に所定量の炭素を含有させるための方法としては、例えばシリコン基板中に炭素原子をドーピングする方法や、イオン注入の方法等が挙げられる。

また、前記素材ウェーハ１０１の厚さは、１００〜８００μｍであるのが好ましい。１００μｍ未満だと、ウェーハの抗折強度の維持が困難となるおそれがあり、８００μｍを超えると、研削量が増大し生産コストが増大する可能性があるためである。

前記第１エピタキシャル層１０２の厚さは、０．１〜１０．０μｍであるのが好ましい。０．１μｍ未満だと、抵抗率の制御が問題となるおそれがあり、１０．０μｍを超えると、可視光線の透過率の減衰が問題となるためである。

前記第２エピタキシャル層１０３の厚さは、１〜１０μｍであるのが好ましい。１μｍ未満だと、オートドープの影響で抵抗率の精度が困難となるおそれがあり、１０μｍを超えると、エッチング時間が増大し生産性が低下するためである。

前記素材ウェーハ１０１が炭素添加シリコンウェーハである場合には、あらかじめ６００〜７００℃の熱処理が施されるのが好ましい。この熱処理によれば、酸素析出が促進されるため、高密度な酸素析出物の形成が可能になるためである。

本発明は、上述した方法により製造される裏面照射型固体撮像素子用ウェーハにも関し、この裏面照射型固体撮像素子用ウェーハは、厚さばらつきが０．１〜０．５μｍであり、かつ量子効率が３０〜８０％であることを特徴とする。前記厚さばらつきは、赤外吸収により測定したものであり、前記量子効率は、フォトダイオードにより測定したものである。前記厚さバラツキが０．５μｍを超えると、空間電荷層幅のバラツキが増加し撮像特性を劣化させるためであり、前記量子効率が３０％未満だと、撮像特性が劣化するためである。

前記裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの厚さは、２〜５０μｍであるのが好ましい。２μｍ未満だと、４００ｎｍ以下の短波長の分光感度が低下するおそれがあり、５０μｍを超えると、フォトダイオードの周辺部から拡散してくるキャリアが増加し信号ノイズが増大するおそれがあるためである。

また、本発明は、上記裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの前記画素に、画像データを転送するための埋め込み電極を接続してなる裏面照射型固体撮像素子にも関する。

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、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

（実施例１）
素材ウェーハ上に第１エピタキシャル層および第２エピタキシャル層を順次成長形成してなるエピタキシャルウェーハの前記素材ウェーハ側の裏面から、前記素材ウェーハの厚みにして８０％の部分を、研削により除去し、この研削により残った素材ウェーハを所定のエッチング液を用いて、前記第１エピタキシャル層をストッパー層としてエッチングにより除去し、前記第１エピタキシャル層を研磨により除去して裏面照射型固体撮像素子用ウェーハを製造した。

素材ウェーハは炭素添加シリコンウェーハ（１．０×１０^１６atoms/cm^３）とし、第１エピタキシャル層は高濃度ボロン添加シリコン層（５．０×１０^１８atoms/cm^３）とした。また、エッチング液は水酸化カリウム水溶液を用いた。

（比較例１）
前記第１エピタキシャル層として、燐添加エピタキシャルシリコン層（１．０×１０^１９atoms/cm^３）を用いたこと以外は、実施例１と同様の方法により裏面照射型固体撮像素子用ウェーハを製造した。

（評価）
実施例１および比較例１について、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの厚さばらつきおよび量子効率を測定した。前記厚さばらつきは、赤外吸収を用いて測定し、前記量子効率は、フォトダイオードにより測定を行った。これら測定結果および裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの厚さを表１に示す。

表１に示すとおり、実施例１は、比較例１と比較して、厚さばらつきが小さく、量子効率は向上していることがわかる。

本発明の固体撮像素子用ウェーハの製造方法によれば、簡便かつ容易に、厚さばらつきを減少させて加工精度を向上させることにより、歩留まりを飛躍的に向上させることができる固体撮像素子用ウェーハおよび固体撮像素子を提供することができる。

１００ 裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ
１０１ 素材ウェーハ
１０２ 第１エピタキシャル層
１０３ 第２エピタキシャル層
１０４ エピタキシャルウェーハ
１０４ａ 表面
１０４ｂ 裏面
１０５ ＢＧテープ
１０６ ポリシリコン膜

Claims (12)

1. 表面側に光電変換素子および電荷転送トランジスタを含む複数の画素を有し、裏面を受光面とする、裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法であって、
   素材ウェーハ上に第１エピタキシャル層および第２エピタキシャル層を順次成長形成してなるエピタキシャルウェーハの前記素材ウェーハ側の裏面から、前記素材ウェーハの厚みにして少なくとも８０％の部分を、研削により除去し、
   前記研削により残った素材ウェーハを所定のエッチング液を用いて、前記第１エピタキシャル層をストッパー層としてエッチングにより除去し、
   前記第１エピタキシャル層を研磨により除去して裏面照射型固体撮像素子用ウェーハを形成する工程を有し、
   前記第１エピタキシャル層が高濃度ボロン添加シリコン層であり、かつ前記エッチング液がアルカリエッチング液であることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
2. 前記第１エピタキシャル層を成長させる工程の前に、前記素材ウェーハの、前記第１エピタキシャル層を成長させる面とは反対側の面全体に、ポリシリコン膜を形成する工程をさらに具える請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
3. 前記高濃度ボロン添加シリコン層のボロン濃度は、１０^１８〜１０^１９atoms/cm^３である請求項１または２に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
4. 前記素材ウェーハは、炭素添加シリコンウェーハである請求項１、２または３に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
5. 前記炭素添加シリコンウェーハの炭素濃度は、０．５×１０^１６〜１．０×１０^１７atoms/cm^３である請求項４に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
6. 前記素材ウェーハの厚さは、１００〜８００μｍである請求項１〜５のいずれか一項に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
7. 前記第１エピタキシャル層の厚さは、０．１〜１０．０μｍである請求項１〜６のいずれか一項に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
8. 前記第２エピタキシャル層の厚さは、１〜１０μｍである請求項１〜７のいずれか一項に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
9. 前記炭素添加シリコンウェーハは、あらかじめ６００〜７００℃の熱処理が施される請求項４〜８のいずれか一項に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法により製造される裏面照射型固体撮像素子用ウェーハであって、
    厚さバラツキが０．１〜０．５μｍであり、かつ量子効率が３０〜８０％であることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ。
11. 前記裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの厚さは、２〜５０μｍである請求項１０に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハ。
12. 請求項１０または１１に記載の裏面照射型固体撮像素子用ウェーハの前記画素に、画像データを転送するための埋め込み電極を接続してなる裏面照射型固体撮像素子。

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