JPH0823083A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体撮像装置の製造工程において、高温熱処
理時の熱歪を緩和させ、設備稼動率の低下を防止する。 【構成】 高温熱処理装置への搬送において、炉口端２
１の温度を４５０℃以上、５２０℃以下の範囲内の温度
に、熱処理装置の均熱領域まで搬送される間に上昇する
温度の変化を１.５℃／秒以上、３℃／秒以下の範囲内
に制御し、さらに、シリコン基板１の面内の温度を５０
℃以上、７５℃以下の範囲内に制御し、面内の温度差が
熱平衡となるまでの時間が１０分以上、１５分以下とな
るように制御することにより、シリコン基板１にかかる
熱歪を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置の製造方
法およびその製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置の製造工程は、光を電荷に
変換する素子や光を電荷に変換した後にその電荷をキャ
パシタを用いて転送する素子を半導体基板上にｎ型やｐ
型の不純物を注入し、９００℃以上の高温熱処理を行な
って活性化する。さらに電荷を転送するキャパシタを形
成するために、９００℃以上の高い温度で酸素雰囲気中
に保持し、ゲート酸化膜を形成する。さらに、ゲート電
極を多結晶シリコン膜を用いて形成している。

【０００３】固体撮像装置を製造する場合、多種多様の
不純物拡散層を形成するためにイオン注入後に、活性化
するための高温の熱処理が繰り返し行なわれる。繰り返
し高温度での熱処理が行なわれると、半導体基板が高温
雰囲気中に曝されることにより、熱による応力が発生し
て半導体基板内部での結晶欠陥の発生原因となる。

【０００４】さらに、固体撮像装置は、拡散層を空乏化
した領域に、光を照射することによりエレクトロンを発
生させ電荷を形成することから、半導体基板中に結晶欠
陥が存在する場合、基板への過剰電流が発生して固体撮
像装置が不良となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、半導体基板に
高温熱処理を行なう場合、高温雰囲気中への搬送におけ
る温度や熱勾配などによる熱応力の影響により、半導体
基板にスリップなどの結晶欠陥やウェハの反りが発生す
る。

【０００６】固体撮像装置の製造方法において、光を電
荷に変換する素子や、光を電荷に変換した後、その電荷
をキャパシタを用いて転送する素子として半導体基板中
に不純物拡散層が形成されている。このため、イオン注
入法を用いてｎ型やｐ型の不純物を注入し、高温の熱処
理により不純物を活性化するといった工程を繰り返す。
また、電荷を転送するキャパシタのアレイを形成するた
めに、高温酸素雰囲気中で半導体基板表面を酸化し、ゲ
ート絶縁膜を形成する工程を繰り返している。

【０００７】このように、高温の熱処理を数多く繰り返
すために、高温熱処理装置へ搬送される際の、熱応力が
半導体基板へ及ぼす影響が無視できなくなる。この影響
により、半導体基板へスリップなどの結晶欠陥が発生す
ると同時に、ウェハ全体に異様な反りが発生する。

【０００８】また、これらの熱応力による影響は、挿出
時よりも挿入時の方が大きく、熱応力による半導体基板
の劣化がいちじるしいことが明確となった。

【０００９】これらの結晶欠陥やウェハの反りが、固体
撮像装置のデバイス特性を劣化させ、歩留りをいちじる
しく悪化させる。

【００１０】高温熱処理装置への挿入時に大きな熱応力
が発生しやすいため、投入温度に比べて、取り出し温度
を比較的高くできる。このため、現在の装置は、新規処
理条件を登録した後に、装置内の温度を下げるシステム
になっているため、現在の可動システムでは設備の可動
率が低くなる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上
に、フォトダイオードや電荷転送のための不純物を注入
する工程、不純物を注入した後、不純物を熱拡散させる
工程、熱拡散させた後に半導体基板を酸化雰囲気中で加
熱しゲート絶縁膜を形成する工程、ゲート絶縁膜上にゲ
ート電極を形成する工程を備え、熱拡散ゲート絶縁膜を
形成する工程において、半導体基板を高温の熱処理を行
う際に、半導体基板に熱による歪が入らない半導体基板
の高温熱処理装置への投入条件を備えている。

【００１２】また、半導体基板が高温熱処理装置へ搬送
される際の、高温熱処理装置の搬入口の温度が４５０℃
以上、５２０℃以下の範囲内とする。

【００１３】また、半導体基板が高温熱処理装置の均熱
帯まで搬送される間に上昇する温度が１.５℃／秒以
上、３℃／秒以下の範囲内とする。

【００１４】また、半導体基板が高温熱処理装置の均熱
帯まで搬送される間に、半導体基板の中央部と周辺部分
の温度差の最大が５０℃以上、７５℃以下の範囲内で、
半導体基板の面内で熱平衡となるまでの時間が１０分以
上、１５分以下の範囲内とする。

【００１５】さらに、高温熱処理装置への投入温度と取
り出し温度が異なり取り出し温度が高い場合、半導体基
板の取り出し搬送が始まると同時に高温熱処理装置の均
熱帯の設定温度を降温させる機能を備えている。

【００１６】また、高温熱処理装置への半導体基板の挿
入温度と挿出温度が異なり、挿入温度が挿出温度に比べ
て低い。

【００１７】

【作用】本発明の手段によって半導体基板を高温熱処理
装置に搬送する際の、挿入条件を温度や、挿入されるウ
ェハの面内の熱勾配を一定レベル以下にすることによ
り、熱歪による半導体基板の異常な反りやスリップなど
の発生を抑制することができる。

【００１８】また、ウェハの熱歪の発生は、挿出時より
も挿入時の方が大きいことから、挿入時の温度や熱勾配
を明確に規定した。このことから、挿出温度を挿入温度
に比べて高くすることができる。このことから、ウェハ
の取り出しが始まると同時に、均熱帯の温度を投入温度
まで降温させるような新規のシステムにすることによ
り、高温熱処理装置の稼働率を落とすことなく稼働させ
ることができる。

【００１９】さらに、ウェハの面内の温度や温度勾配を
規定したことにより、高温処理におけるウェハ面内で
の、固体撮像装置の特性ばらつきを抑えることができ
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例である固体撮像装置
の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１
は一般的な固体撮像装置の断面図である。

【００２１】図１に示すように、シリコン基板１上にｐ
型不純物を用いてウェル拡散層７形成した後に、電荷を
転送するための電荷転送拡散層２と入射した光を電荷に
変換するフォトダイオード４が素子分離部３を介して、
数千から数百万個程度配置されたものが固体撮像装置で
ある。また、電荷を転送するために電荷転送拡散層２の
上にＭＯＳキャパシタがゲート酸化膜５を介して、ゲー
ト電極であるポリシリコン電極６が形成されている。

【００２２】図２〜図９は本実施例の工程断面図であ
る。まず、シリコン基板１の上にウェル形成ボロン８を
イオン注入法により１０¹¹ｃｍ^-2オーダー注入する（図
２）。

【００２３】その後、ウェル形成ボロン８を拡散させて
ウェル拡散層７を形成するために、１１００℃以上の高
温で窒素雰囲気中で拡散させる（図３）。

【００２４】さらに、電荷を転送するための電荷転送拡
散層２を形成するために、レジストを用いて電荷転送拡
散層マスク９を形成し、イオン注入法を用いて砒素やリ
ンのｎ型不純物１０をたとえば加速エネルギー１００ｋ
ｅＶ程度でドーズ量１０¹²ｃｍ^-2オーダー注入する（図
３）。

【００２５】次に、砒素やリンのｎ型不純物１０を熱処
理して活性化するために、約９００℃で３０分以上の熱
処理を高温熱処理装置を用いて熱処理し、電荷転送拡散
層２を形成する（図４）。

【００２６】次に、フォトダイオード４と電荷転送拡散
層２を分離するために、レジストを用いて素子分離マス
ク９’を形成して素子分離ボロン１１をイオン注入法に
より、たとえば加速エネルギー１００ｋｅＶ程度で、ド
ーズ量１０¹²ｃｍ^-2オーダー注入する（図６）。

【００２７】さらに、電荷転送拡散層２を形成するとき
と同様に、素子分離ボロン１１を活性化するために、約
９００℃で３０分以上の熱処理を高温熱処理装置を用い
て行い、素子分離部３を形成する（図７）。

【００２８】次に、電荷を転送のためのＭＯＳキャパシ
タを形成するために、ゲート酸化膜５を形成するため
に、高温熱処理装置の雰囲気を酸素雰囲気として、約１
０００℃でシリコン基板１を酸化させて数十から数百ｎ
ｍのゲート酸化膜５を形成する。また、ゲート酸化膜５
上にゲート電極を形成するために、ＣＶＤ法を用いて多
結晶シリコン膜を形成する。さらに、多結晶シリコン膜
の比抵抗を下げるために、たとえばＰＯＣｌ₃ガスを用
いて約９００℃の高温で多結晶シリコン膜中にリンを拡
散させてたとえば十数Ωのポリシリコン電極６を形成す
る（図８）。

【００２９】次に、フォトダイオード４を形成するため
に、たとえばリンをイオン注入法により１０¹²ｃｍ^-2オ
ーダー注入し、さらに、注入されたリンを活性化するた
めに、高温熱処理装置を用いてたとえば１０００℃の高
温でリンをシリコン基板１中に拡散させて固体撮像装置
を製造する（図９）。

【００３０】固体撮像装置を製造する際に、イオン注入
による不純物の注入と活性化のための高温熱処理、ゲー
ト酸化膜を形成すると同様の酸化工程の繰り返しによっ
て固体撮像装置が製造される。このように高温の熱処理
が繰り返される場合、投入や取り出しのときの温度差に
よる熱歪や、熱処理によるシリコン基板１内の酸素の析
出などの変化により、シリコン基板１に結晶欠陥が発生
し、固体撮像装置に他の撮像素子とのコントラスト差が
大きくなり、再生画像上では白傷として現れ、不良とな
ることがわかっている。

【００３１】このため、固体撮像装置を製造する場合、
高温熱処理装置に搬送する際に熱歪が小さくなるような
条件が必要となっている。

【００３２】高温熱処理装置への搬送は、投入と取り出
しがある。取り出しの場合、ウェハを固定するためのボ
ートやそのボートを固定するための支持治具が十分な高
温状態となっており、ボートやボートの支持治具の熱容
量が大きく放熱するまでの時間が取り出し時間よりも長
いことから、比較的高温状態で取り出しても、ウェハに
とっては徐冷と同じ状況となっており、熱歪は小さい。

【００３３】それに対して、投入の場合はボートやボー
ト支持治具は十分に冷えており、ウェハとボートなどの
熱容量が大きく、ウェハ面内での温度差が大きく熱応力
が大きくなる傾向がある。

【００３４】このため本発明は、ウェハの投入条件に関
して具体的に設定したものである。図１０を用いて高温
熱処理装置の装置構成を説明する。高温熱処理装置は、
ガス導入口２６を備えた開管構造のチューブ２７と昇温
するためのヒーター２５から形成されている。

【００３５】ヒーター２５のある部分に、実際に熱処理
する際に設定される均一な温度部分の炉内均熱領域２２
が存在している。この領域２２がウェハ処理領域２４と
なる。ヒーター２５端部が一定の熱勾配が存在している
ことから炉口端２１とする。炉口端２１から炉内均熱領
域２２までは、一定の熱勾配を持っていることから、搬
送条件を設定する際に重要なパラメーターとなることか
ら、炉口〜均熱領域２３と規定する。

【００３６】本発明は固体撮像装置の製造方法におい
て、熱歪によるウェハの変形やシリコン基板１の結晶欠
陥の発生が、高温熱処理装置への搬送条件によって暗電
流不良の原因となる。このため、高温熱処理装置の搬送
条件について設定する。

【００３７】炉口端２１の外側は、ヒーター２５に外側
になるため急激に温度が低くなる傾向にある。このた
め、固体撮像装置の製造の際に、ウェハに及ぼす熱歪と
しては無視できる。

【００３８】炉口端２１の温度は、炉内均熱領域２２の
設定温度と炉口〜均熱領域２３の距離で設定されるもの
である。炉口端２１の温度が５２０℃を超える場合、ウ
ェハを搬送するボートの熱容量でも異なるがウェハ中央
部とウェハ端で７５℃以上の温度差が生じるために、ウ
ェハに及ぼす熱歪が大きくなる。このため、パターン形
成後の数度の高温熱処理工程により、ウェハ端にスリッ
プなどの結晶欠陥を誘発し、固体撮像装置の暗電流不良
となる。

【００３９】しかし、炉口端２１の温度が４５０℃以下
になると、設備的には均熱帯からの距離を非常に長くす
る必要がある。また、均熱帯の温度をかなり低温まで降
温させる必要がある。しかし、高温熱処理装置は昇温時
と比較して降温時の方が時間がかかるため、製造工程に
おける設備の稼動率が極端に悪化する。以上の点から、
炉口端２１の温度を４５０℃〜５２０℃の範囲内に設定
する必要がある。

【００４０】また、ウェハに対する熱歪は、炉口端２１
の温度だけではなく、炉口から均熱２３の範囲内にどれ
だけの速度でウェハが昇温するかによって、ウェハに及
ぼす熱歪の大きさが決まる。

【００４１】炉口〜均熱領域２３での昇温速度は、ウェ
ハの搬送速度が支配的な要因である。炉口端２１の温度
が５２０℃の場合、投入速度が１０ｃｍ／分で炉口〜均
熱領域２３の距離が１２ｃｍの場合は昇温速度が３℃／
秒を超えるために、ウェハの中央部と端部の温度差が７
５℃を超える。このため、パターン形成後でウェハ表面
に形成された膜の応力が存在した状態で、数度の高温熱
処理によって熱歪と膜応力が加算されてスリップなどの
結晶欠陥が発生する。

【００４２】しかし、ウェハの昇温速度が１.５℃／秒
以下になると、高温熱処理装置への搬送スピードを非常
にゆっくりにする必要がある。このため、製造工程にお
ける設備の稼動率が極端に悪化するため用いることがで
きない。以上の点から、炉内均熱領域２２に到達するま
での昇温速度が１.５℃／秒〜３℃／秒の範囲内に設定
する必要がある。

【００４３】さらに、高温熱処理装置への搬送におい
て、ウェハを搬送する際のボートの熱容量や投入温度や
投入速度が大きく影響するが、ウェハにスリップなどの
結晶欠陥が発生する要因として、ウェハ面内での温度差
がある。さらに、搬送後に炉内の温度が低下した際の炉
内の追従昇温速度の影響がある。以上２点をカバーする
ための要因として、ウェハ面内温度差を７５℃以下にす
ると同時に、面内で熱平衡となる時間を１０分以上かけ
る必要がある。

【００４４】しかし、昇温時や降温時のウェハ面内での
温度差を小さくするためには、均熱帯の温度を低温にし
たり、挿入速度をゆっくりにしたり、設備的に炉口〜均
熱領域２３の距離を長くしたりする必要がある。既製の
装置のスループット一定レベル以上確保するために、ウ
ェハ面内の温度差は５０℃以上、ウェハ面内が熱平衡と
なるまでの時間は１５分以下とする必要がある。

【００４５】以上の点から、ウェハ面内の温度差を５０
℃〜７５℃の範囲内に設定し、ウェハ面内で熱平衡とな
るまでの時間が１０分から１５分の範囲内となるような
搬送条件が必要である。

【００４６】本発明においては、搬送としては挿入・挿
出があるが、挿出の場合、ウェハ固定のボートの熱容量
が比較的大きい石英やセラミックスを用いる。このた
め、石英やセラミックスから放出される熱のために、ウ
ェハそのものは徐冷の状態となり、ウェハに冷却に発生
する熱歪は小さい。以上の結果から、取り出し時は、投
入時より比較的高温で取り出すことが可能である。

【００４７】次に、本発明の固体撮像装置の製造方法に
関して、図１１の高温熱処理レシピ例と図１０の高温熱
処理装置の概要を用いて説明する。

【００４８】通常、高温熱処理においては、ウェハ投入
時間３１と高温熱処理時間３２とウェハ取り出し時間３
３で構成されている。ウェハ投入時間３１における設定
温度は、本発明の固体撮像装置の製造方法における熱歪
の小さい方法をとる。炉口〜均熱領域２３の距離がたと
えば２０ｃｍである場合、炉内均熱帯２２の設定を約８
００℃にすれば、炉口端２１の温度は５００℃程度にな
り、ウェハの昇温速度や搬送時の熱勾配などが本発明に
見合うようにすると、搬送速度は比較的速い約１０ｃｍ
／分で挿入しても、固体撮像装置を製造する場合に繰り
返される熱処理によって、ウェハに熱歪によるスリップ
などの結晶欠陥は発生しない。

【００４９】また、セラミック製のウェハ固定ボートを
用いて搬送する場合、セラミック製ボートの熱容量が大
きいために、取り出し時間３３の設定温度は、９００℃
程度の比較的高温であっても、取り出し時はボート材料
の放熱により面内の温度差や降温速度は、本発明の範囲
に入りウェハの熱歪によるスリップなどの結晶欠陥は発
生しない。

【００５０】実施例で説明してきた固体撮像装置の製造
方法を用いて製造する場合、製造装置のリードタイムを
短縮を図るために製造装置を図１２を用いて説明する。

【００５１】このように、ウェハ投入時間３１部分に注
目した投入温度などの条件とウェハ取り出し時間３３部
分に注目した取り出し温度などの条件では各設定温度が
異なってくる。

【００５２】このため、製造装置のリードタイムの短縮
を図るために、高温熱処理装置での高温熱処理が終了
し、ウェハ取り出し時間３３の設定温度たとえば９００
℃まで降温させる。設定温度のたとえば９００℃に達す
ると取り出しが開始される。挿出開始と同時にウェハ投
入時間３１の設定温度まで、図１２に示したヒーター２
５をオフし、挿入設定温度のたとえば８００℃まで降温
を開始する装置である。

【００５３】この装置を用いると、ウェハ移載３４の時
間までには、ウェハ取り出し時間３３とウェハ冷却時間
３５があるため、次に処理するロットのウェハを移載
し、高温熱処理装置内に搬送するまでにはウェハ投入時
の設定温度まで充分に降温される。

【００５４】以上のような製造装置を用いることによ
り、挿出が完了しウェハの移載が完了するまでには、ウ
ェハの投入温度まで十分に降温しているために、設備の
リードタイムの延長を最小限にとどめることが可能にな
ると同時に、繰り返し熱処理が行なわれてもウェハに熱
歪からスリップなどの結晶欠陥が発生しない。

【００５５】

【発明の効果】挿入時に熱歪によるスリップなどの結晶
欠陥は発生しなくなり、暗電流不良や異常暗電流不良な
どの結晶欠陥による固体撮像装置の特性劣化はいちじる
しく減少させることができる。

【００５６】さらに、取り出し温度は、ウェハ固定ボー
トの熱容量が存在するために、投入温度より比較的高温
で搬送作業を行なってもスリップなどの結晶欠陥は発生
することはなく、固体撮像装置の特性劣化はない。

【００５７】挿入温度と挿出温度が異なり、挿入温度が
挿出温度と比較して低い場合に、設備の稼動率を向上さ
せるためには、挿出搬送が開始したと同時に炉内均熱帯
の設定温度を挿入時の温度設定に降温することにより、
ウェハ移載のときには挿入設定温度で安定しているた
め、高温熱処理装置の設備稼動率を向上させるか稼動率
の低下を最小限に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の固体撮像装置の製造方法に
よる固体撮像装置の断面図

【図２】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図３】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図４】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図５】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図６】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図７】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図８】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図９】本発明の一実施例を説明するための工程順断面
図

【図１０】本発明の実施例を説明するための高温熱処理
装置の概要図と温度分布図

【図１１】本発明の固体撮像装置の製造方法を説明する
ための高温熱処理レシピを示す図

【図１２】本発明の実施例で使用される製造装置を説明
するための高温熱処理レシピを示す図

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 電荷転送拡散層 ３ 素子分離部 ４ フォトダイオード ５ ゲート酸化膜 ６ ポリシリコン電極（ゲート電極） ７ ウェル拡散層 ８ ウェル形成ボロン ９ 電荷転送拡散層マスク ９’ 素子分離マスク １０ ｎ型不純物 １１ 素子分離ボロン ２１ 炉口端 ２２ 炉内均熱領域 ２３ 炉口〜均熱領域 ２４ ウェハ処理領域 ２５ ヒーター ２６ ガス導入口 ２７ 開管構造のチューブ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、フォトダイオードや電
   荷転送のための不純物を注入する工程、前記不純物を注
   入した後、前記不純物を熱拡散させる工程、前記熱拡散
   させた後に前記半導体基板を酸化雰囲気中で加熱しゲー
   ト絶縁膜を形成する工程、前記ゲート絶縁膜上にゲート
   電極を形成する工程を備え、熱拡散ゲート絶縁膜を形成
   する工程において、前記半導体基板を熱処理を行う際
   に、前記半導体基板に熱による歪が入らない前記半導体
   基板の高温熱処理装置への投入条件を備えた固体撮像装
   置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記半導体基板が前記高温熱処理装置へ
   搬送される際の、前記高温熱処理装置の搬入口の温度が
   ４５０℃以上、５２０℃以下の範囲内であることを特徴
   とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記半導体基板が前記高温熱処理装置の
   均熱帯まで搬送される間に上昇する温度が１.５℃／秒
   以上、３℃／秒以下の範囲内であることを特徴とする請
   求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記半導体基板が前記高温熱処理装置の
   均熱帯まで搬送される間に、前記半導体基板の中央部と
   周辺部分の温度差の最大が５０℃以上、７５℃以下の範
   囲内であり、前記半導体基板の面内で熱平衡となるまで
   の時間が１０分以上、１５分以下の範囲内であることを
   特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記高温熱処理装置への投入温度と取り
   出し温度が異なり取り出し温度が高い場合、前記半導体
   基板の取り出し搬送が始まると同時に前記高温熱処理装
   置の均熱帯の設定温度を降温させる機能を備えたことを
   特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 【請求項６】 前記高温熱処理装置への前記半導体基板
   の挿入温度と挿出温度が異なり、挿入温度が挿出温度に
   比べて低いことを特徴とする請求項３または４記載の固
   体撮像装置の製造方法。