[发明专利]SOI衬底与固态图像拾取器件及制造方法及图像拾取设备

说明书

技术领域

本发明涉及绝缘体上硅(SOI)衬底、制造该衬底的方法、固态 图像拾取器件、制造该器件的方法以及图像拾取设备。

背景技术

除了高密度CMOS元件以及耐高压元件领域之外，因为期待灵 敏度的显著增加，绝缘体上硅(SOI)衬底近来也已经在图像传感器 领域受到关注。例如，SOI衬底被用在全区域开口型 (whole-area-open-type)CMOS图像传感器中。期望具有更高的收集 (gettering)能力。

具体来说，SOI衬底具有三层结构，其中被用作器件形成区域的 单晶硅层设置在具有例如硅氧化物(SiO₂)膜的埋入绝缘膜的支撑衬 底上。在某些情况下，在单晶硅层上设置外延生长层。

SOI衬底具有例如低寄生电容和高耐辐射的特性，因此具有例如 速度较高、功耗较低、防止锁住的优点。因此，SOI衬底被广泛用作 高性能半导体元件的衬底。

另外在图像传感器领域中，SOI衬底近来已经广泛用于期待灵敏 度显著提高的全区域开口型CMOS图像传感器结构中，这是因为可以 在精确控制其厚度的同时形成光电二极管层。

多种SOI衬底制造工艺被开发出来。由通过离子注入高掺杂氧的 SIMOX形成的SOI衬底和通过结合形成的SOI衬底在商业上被广泛 使用。

特别是通过结合形成的SOI衬底经常被使用。

该制造工艺如下：制备两个镜面抛光的单晶硅衬底。一个是要形 成为SOI层的单晶硅衬底(衬底A)。另一个是将用作支撑衬底的单 晶硅层(衬底B)。在至少一个单晶硅衬底的表面上形成氧化物膜。 这些单晶硅衬底以氧化物膜夹在其间的方式相互结合。然后进行热处 理以提高结合强度。从衬底A的后部减小其厚度，得到SOI衬底。

用于减小衬底A的厚度的处理包括：(a)将衬底A研磨或抛光 到目标厚度的处理，(b)利用因不同的杂质浓度而造成的蚀刻速率 的差异的处理，(c)包括在结合衬底A和衬底B之前离子注入氢或 氦以形成剥离层(split layer)的步骤和在低于结合温度的温度对结合 后的衬底进行用于剥离的热处理以在剥离层分离衬底A的步骤的处理 (离子注入剥离处理，例如，智能剥离(Smart Cut)处理)。

SOI衬底具有实现良好的电学特性和可以形成均匀硅层的优点。 然而，对于金属污染物来说，SOI衬底的结构是不利的。也就是说， 对于大多数金属杂质，它们在硅氧化物膜中的扩散系数小于它们在硅 中的扩散系数。此外，金属氧化物是稳定的。因此在金属污染物从单 晶硅层的表面侧进入单晶硅层的情况下，金属污染物不容易穿过硅氧 化物层，使得金属杂质聚集在薄的单晶硅层中。因此，在许多情况下， 与不具有SOI衬底的硅衬底相比，SOI衬底易受金属污染影响。特别 地，对于由于金属杂质而易受亮点缺陷和暗电流影响的图像传感器来 说，这是一个严重的问题。

因此，SOI衬底优选地具有较高的捕获金属杂质并将其从要形成 为半导体元件活性层的单晶硅层中去除的能力，即，收集能力。

SOI衬底的收集技术的例子包括在如图31A中所示的SOI衬底 210中在SOI层211的靠近硅氧化物层212的一侧上(例如通过离子 注入中性元素)而形成收集层214的技术；以及在如图31B中所示的 SOI衬底210中在硅氧化物层212的靠近支撑衬底213的一侧上形成 收集层214的技术(例如，参见2007-318102号日本未审察的专利申 请)。

图31A中所示的结构具有在SOI层211中的较深位置处难以形 成活性器件区域的问题。该结构还具有其它问题，例如，收集层214 的影响(应变和由电子的再发射导致的暗成分)。图31B中所示的结 构具有收集层214无法有效防止来自SOI层211侧的污染的问题，这 是因为收集层214位于硅氧化物层212下面。

近年来，随着小型化和像素数量增加的趋势，图像传感器的单元 尺寸的减小已经取得进展。例如，具有1.65μm单元尺寸的CCD成像 器已经商业化。具有1.4μm量级单元尺寸的CMOS传感器已经开发 出来。

随着像素尺寸的下降，每个像素的光量自然减少，使得成像器的 灵敏度趋于下降。已经通过例如更高的集光效率、减小上层中的反射 和吸收、增加主体的光电转换区域的尺寸(在深度方向上和横向)等 改进来防止灵敏度降低。