JP2007141937A - Solid-state imaging device, semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Solid-state imaging device, semiconductor device and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device wherein the formation of an element isolation area results in no reduction of sensitivity of a photo diode, leak current can be suppressed, and saturation is hard to occur even during large signal, and which has a trench element isolation structure. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device is provided with a photo diode 8 and a transistor 7 on a semiconductor substrate. An element isolation area 3 which isolates the photo diode 8 from the transistor 7 is provided with a trench enclosing the photo diode (second semiconductor layer 6), and an insulator embedded in the trench. The section of a side wall on the side of the photo diode area of the trench is tapered as shallower toward the photo diode area. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換素子が各受光領域にそれぞれ形成されている固体撮像素子などの半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device such as a solid-state imaging device in which photoelectric conversion elements are formed in each light receiving region, and a method for manufacturing the same.

半導体を用いた光電変換素子として、半導体におけるpn接合を用いたフォトダイオードが知られている。単一の半導体基板上にこのような光電変換素子を1次元あるいは2次元に配列した固体撮像素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに広く搭載されている。固体撮像素子は、イメージセンサあるいは半導体イメージセンサとしても知られている。このような固体撮像素子では、画素ごとにフォトダイオードが設けられている。さらに固体撮像素子では、そのフォトダイオードで発生した信号電荷を増幅するための増幅回路や、マトリクス状に配置しているフォトダイオードの中から特定のものを選択するために用いられるスイッチ回路などが、画素ごとに半導体基板上に形成されている。増幅回路やスイッチ回路は、通常、MOSトランジスタなどによって形成されるから、半導体基板には、フォトダイオード部を増幅回路やスイッチ回路などから素子分離するための素子分離領域が必要となる。以下の説明において、フォトダイオードからの信号電荷を選択するための増幅回路や、フォトダイオードごとに設けられるスイッチ回路のことをまとめて周辺回路と呼ぶ。   As a photoelectric conversion element using a semiconductor, a photodiode using a pn junction in a semiconductor is known. A solid-state imaging device in which such photoelectric conversion elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a single semiconductor substrate is widely installed in digital cameras, video cameras, copying machines, facsimiles, and the like. The solid-state imaging device is also known as an image sensor or a semiconductor image sensor. In such a solid-state imaging device, a photodiode is provided for each pixel. Furthermore, in a solid-state imaging device, an amplifier circuit for amplifying signal charges generated in the photodiode, a switch circuit used to select a specific one from photodiodes arranged in a matrix, etc. Each pixel is formed on a semiconductor substrate. Since the amplifier circuit and the switch circuit are usually formed by MOS transistors or the like, an element isolation region for isolating the photodiode portion from the amplifier circuit or the switch circuit or the like is required on the semiconductor substrate. In the following description, an amplifier circuit for selecting signal charges from a photodiode and a switch circuit provided for each photodiode are collectively referred to as a peripheral circuit.

このような固体撮像素子のうち、周辺回路も含めてCMOSプロセスで製造するようなCMOSイメージセンサは、低消費電力というメリットを有するだけでなく、画像信号処理回路やメモリ回路を同一チップ内に搭載可能であるいという優れた特徴を有する。画像信号処理回路を組み込んだCMOSイメージセンサでは、画素ごとのフォトダイオードとそれに対応する周辺回路とが組み合わされてマトリクス状に配置するフォトダイオードアレイ部が設けられている。それに加え、このようなCMOSイメージセンサでは、フォトダイオード部の周囲に、画像信号処理回路や、画素の選択に用いられる水平選択回路及び垂直選択回路が設けられる。   Among such solid-state imaging devices, CMOS image sensors manufactured by a CMOS process including peripheral circuits not only have the advantage of low power consumption, but also include an image signal processing circuit and a memory circuit in the same chip. It has an excellent feature of being possible. In a CMOS image sensor incorporating an image signal processing circuit, a photodiode array section is provided in which photodiodes for each pixel are combined with peripheral circuits corresponding thereto and arranged in a matrix. In addition, in such a CMOS image sensor, an image signal processing circuit and a horizontal selection circuit and a vertical selection circuit used for pixel selection are provided around the photodiode portion.

フォトダイオードアレイセルと画像信号処理回路とを有する固体撮像素子を、微細化技術の進展に支えられた最新の半導体デバイスプロセスを用いて形成する場合、フォトダイオード部において発生するノイズを低減することが重要課題として挙げられる。フォトダイオードは周辺回路から素子分離されているが、シリコン半導体基板に形成されたLOCOS膜などからなる選択酸化膜を素子分離に用いた場合には、全体の面積に占める素子分離領域の面積の割合が大きくなりすぎるという問題を生じる。そこで、素子分離領域として、半導体基板に設けられたトレンチ(溝)内に埋め込み酸化膜を形成するSTI(狭いトレンチ分離:Shallow Trench Isolation)が用いられるようになってきている。フォトダイオードの素子分離にSTIを用いた場合のノイズ発生すなわちリーク電流発生の大きな要因は、トレンチ近傍でのシリコン半導体層−シリコン酸化膜界面やその近傍に存在する再結合中心に起因するリークである。   When a solid-state imaging device having a photodiode array cell and an image signal processing circuit is formed using the latest semiconductor device process supported by the advancement of miniaturization technology, noise generated in the photodiode portion can be reduced. It is cited as an important issue. The photodiode is isolated from the peripheral circuit, but when a selective oxide film made of a LOCOS film or the like formed on a silicon semiconductor substrate is used for element isolation, the ratio of the area of the element isolation region to the total area This causes the problem that becomes too large. Therefore, STI (Shallow Trench Isolation) in which a buried oxide film is formed in a trench (groove) provided in a semiconductor substrate has been used as an element isolation region. When STI is used for element isolation of a photodiode, a large factor of noise generation, that is, leakage current generation, is leakage due to a silicon semiconductor layer-silicon oxide film interface near the trench and a recombination center existing in the vicinity thereof. .

図5は、フォトダイオードの素子分離にSTIを用いる従来の固体撮像素子の要部の断面図である。図5は、主として、フォトダイオード及びその周囲の素子分離領域を示している。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a conventional solid-state imaging device using STI for element isolation of a photodiode. FIG. 5 mainly shows the photodiode and the surrounding element isolation region.

シリコン半導体基板である第1の導電型の半導体領域である第1の半導体層1の表面に、STIによる素子分離領域2が設けられている。トレンチとしては箱型の断面形状を有するシャロー(幅の狭い)トレンチが用いられており、トレンチの深さは例えば200nm程度である。素子分離領域2のトレンチには、埋め込み酸化膜が埋め込まれている。素子分離領域2は、少なくともフォトダイオード部8を周辺回路のトランジスタ部7から素子分離している。   An element isolation region 2 by STI is provided on the surface of the first semiconductor layer 1 which is a first conductivity type semiconductor region which is a silicon semiconductor substrate. As the trench, a shallow (narrow) trench having a box-shaped cross-sectional shape is used, and the depth of the trench is, for example, about 200 nm. A buried oxide film is buried in the trench of the element isolation region 2. The element isolation region 2 isolates at least the photodiode portion 8 from the transistor portion 7 of the peripheral circuit.

フォトダイオード部8においては、半導体基板(第1の半導体層1)の表面から素子分離領域2の下端の位置からさらに下方の位置まで、第1の導電型とは反対導電型(すなわち第2の導電型)の半導体領域である第2の半導体層6が形成されている。第1の半導体層1と第2の半導体層6とはpn接合を形成しており、これによって、光電変換部となるフォトダイオードが形成されている。第2の半導体層6は、フォトダイオード領域とも呼ばれる。   In the photodiode portion 8, the conductivity type opposite to the first conductivity type (that is, the second conductivity type) (ie, the second conductivity type) from the surface of the semiconductor substrate (first semiconductor layer 1) to the lower position from the lower end position of the element isolation region 2. A second semiconductor layer 6 which is a semiconductor region of conductivity type is formed. The first semiconductor layer 1 and the second semiconductor layer 6 form a pn junction, thereby forming a photodiode serving as a photoelectric conversion unit. The second semiconductor layer 6 is also called a photodiode region.

フォトダイオード最表面のシリコン−酸化膜界面には、フォトダイオードにおける暗電流を減らすために、第1の導電型の半導体領域である表面拡散層5が設けられている。また、素子分離領域2と第2の半導体層6とが直接接触しないように、第1の導電型の半導体領域であるチャネルストップ領域9が設けられている。表面拡散層5及びチャネルスストップ領域9はフォトダイオードにおける暗電流を減らすためのものであり、特に、チャネルストップ領域9は、フォトダイオードの空乏領域がトレンチ素子分離領域から離れるように形成されている。チャネルストップ領域9は拡散層でもあるので、素子分離拡散層とも呼ばれる。   A surface diffusion layer 5 that is a semiconductor region of the first conductivity type is provided at the silicon-oxide film interface on the outermost surface of the photodiode in order to reduce dark current in the photodiode. Further, a channel stop region 9 which is a first conductivity type semiconductor region is provided so that the element isolation region 2 and the second semiconductor layer 6 do not directly contact each other. The surface diffusion layer 5 and the channel stop region 9 are for reducing dark current in the photodiode. In particular, the channel stop region 9 is formed so that the depletion region of the photodiode is separated from the trench element isolation region. . Since the channel stop region 9 is also a diffusion layer, it is also called an element isolation diffusion layer.

素子分離界面において空乏領域の拡がりを抑えるのに十分な濃度で第1の導電型の拡散層(チャネルストップ領域9)を形成するためには、イオンインプランテーション(イオン注入)によって第1の導電型の不純物を素子分離領域2に接する位置に注入する。その後、熱拡散により拡散層を広げる方法が効果的である。例えば特許文献1(特開2003−142674号公報)では、フォトダイオード周辺に設けられるトレンチ素子分離領域に対し、このトレンチ素子分離領域を囲むように素子分離拡散層を導入する技術が提案されている。
特開2003−142674号公報
In order to form the first conductivity type diffusion layer (channel stop region 9) at a concentration sufficient to suppress the expansion of the depletion region at the element isolation interface, the first conductivity type is formed by ion implantation (ion implantation). The impurity is implanted into a position in contact with the element isolation region 2. Thereafter, a method of expanding the diffusion layer by thermal diffusion is effective. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-142675) proposes a technique for introducing an element isolation diffusion layer so as to surround the trench element isolation region with respect to the trench element isolation region provided around the photodiode. .
JP 2003-142673 A

ところで、半導体装置全般においてデバイスサイズの微細化が進行しており、そのため、スケーリング則に基づいて、浅い接合が形成されるようになってきている。このような微細化プロセスにおいては、熱負荷が大きすぎると不純物の拡散が進みすぎ、浅い接合を形成することが難しくなる。したがって微細化プロセスにおいては、熱負荷を少なくし、不純物拡散を抑えて、急峻な不純物接合が必要とされる。   Incidentally, miniaturization of device sizes is progressing in semiconductor devices in general, and accordingly, shallow junctions are formed based on a scaling law. In such a miniaturization process, if the thermal load is too large, the diffusion of impurities proceeds excessively, making it difficult to form a shallow junction. Therefore, in the miniaturization process, it is necessary to reduce the thermal load, suppress impurity diffusion, and form a sharp impurity junction.

その一方で、フォトダイオードについて検討すると、感度を向上させるためには、入射光によって発生した電子−正孔対のすべてが信号電荷として検出されるようにする必要があるので、第2の半導体層6の厚さをあまり薄くすることができない。熱負荷が制約された微細化プロセスにおいて、素子分離拡散層(チャネルストップ領域)を1回のイオン注入で形成した場合、不純物の濃度プロファイルは、注入イオンの射程深さにピークをもつ濃度プロファイルとなる。したがって、不均一な濃度拡散層領域を形成することになる。図5に示した例では、素子分離領域2の底面よりも下側の位置にも素子分離領域9を形成するために、半導体基板における深さ方向での素子分離領域2の中点よりやや下方の位置を、注入イオンの射程深さとしている。この射程深さの位置で第2の半導体層6を狭めるように素子分離拡散層9が形成されることとなって、結果として、フォトダイオード領域である第2の半導体層6の体積を小さくし、受光感度の低下や飽和電荷の低下がもたらされる。   On the other hand, considering the photodiode, in order to improve the sensitivity, it is necessary to detect all of the electron-hole pairs generated by incident light as signal charges. The thickness of 6 cannot be made too thin. When the element isolation diffusion layer (channel stop region) is formed by a single ion implantation in a miniaturization process in which the thermal load is restricted, the impurity concentration profile is a concentration profile having a peak in the implantation ion depth. Become. Therefore, a non-uniform concentration diffusion layer region is formed. In the example shown in FIG. 5, in order to form the element isolation region 9 at a position below the bottom surface of the element isolation region 2, slightly below the midpoint of the element isolation region 2 in the depth direction in the semiconductor substrate. Is the range of the implanted ions. The element isolation diffusion layer 9 is formed so as to narrow the second semiconductor layer 6 at this range of depth, and as a result, the volume of the second semiconductor layer 6 that is the photodiode region is reduced. As a result, the light receiving sensitivity is lowered and the saturation charge is lowered.

素子分離領域2に沿って均一の厚さを有する素子分離拡散層9を形成するためには、加速電圧を変えた条件で複数回のイオン注入を実施することも考えられるが、その場合には、工程数が増大し、また、コストアップももたらされる。   In order to form the element isolation diffusion layer 9 having a uniform thickness along the element isolation region 2, it is conceivable to perform ion implantation a plurality of times under the condition that the acceleration voltage is changed. This increases the number of processes and also increases the cost.

以上、フォトダイオードを含む固体撮像素子においてSTI構造を用いる場合の課題を説明したが、フォトダイオードを含まない半導体装置においても、微細化の進行にともなって同様の課題が生じ得る。半導体装置が、相対的にリーク電流の影響を受けやすい素子部分と影響を受けにくい素子部分とを有し、これらの素子部分が相互に素子分離されている場合を考える。微細化されたプロセスにおいてトレンチ素子分離を採用したとすれば、相対的にリーク電流の影響を受けやすい素子部分側には素子分離拡散層を設ける必要がある。しかしながら、素子分離拡散層を設けることにより、上述したものと同じ理由によって、相対的にリーク電流の影響を受けやすい素子部分の微細化が阻害されることになる。   As described above, the problem in the case where the STI structure is used in the solid-state imaging device including the photodiode has been described. However, the same problem may occur with the progress of miniaturization even in the semiconductor device not including the photodiode. Consider a case where a semiconductor device has an element portion that is relatively susceptible to leakage current and an element portion that is less susceptible to influence, and these element portions are separated from each other. If trench isolation is employed in a miniaturized process, it is necessary to provide an element isolation diffusion layer on the element portion side that is relatively susceptible to leakage current. However, by providing the element isolation diffusion layer, miniaturization of the element part that is relatively susceptible to the leakage current is hindered for the same reason as described above.

そこで本発明の目的は、フォトダイオードと周辺回路とを分離する素子分離構造の形成がフォトダイオードの感度の低下につながらず、素子分離領域を大きくすることなくフォトダイオードにおけるリーク電流を抑えることができ、大信号時にも飽和を起こしにくい、トレンチ素子分離構造をもつ固体撮像素子を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to prevent the leakage current in the photodiode without increasing the element isolation region because the formation of the element isolation structure that separates the photodiode and the peripheral circuit does not lead to a decrease in sensitivity of the photodiode. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a trench element isolation structure that is less likely to cause saturation even at a large signal.

本発明の別の目的は、相対的にリーク電流の影響を受けやすい第1の素子部分と影響を受けにくい第2の素子部分とを有する半導体装置であって、素子分離領域を大きくすることなく第1の部分におけるリーク電流を抑えることができる、トレンチ素子分離構造をもつ半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is a semiconductor device having a first element portion that is relatively susceptible to leakage current and a second element portion that is less likely to be affected, without increasing the element isolation region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a trench element isolation structure that can suppress a leakage current in a first portion.

本発明のさらに別の方法は、本発明の固体撮像素子及び半導体装置を製造する方法を提供することにある。   Still another method of the present invention is to provide a method for manufacturing the solid-state imaging device and the semiconductor device of the present invention.

本発明の固体撮像素子は、半導体基板に第1導電型の第1の半導体領域と、該第1の半導体領域とPN接合を構成し信号電荷を蓄積可能な第2導電型の第2の半導体領域とを含む光電変換部と、光電変換部とは異なる半導体素子とを有する固体撮像素子において、光電変換部を半導体素子から素子分離する素子分離領域を有し、素子分離領域は、光電変換部を囲むトレンチと、トレンチ内に埋め込まれた絶縁物とを有し、トレンチの光電変換部側の側壁の断面形状が、前記光電変換部側に向かって浅くなるテーパ形状を有することを特徴とする。   The solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductive type first semiconductor region on a semiconductor substrate, and a second conductive type second semiconductor that forms a PN junction with the first semiconductor region and can store signal charges. In a solid-state imaging device having a photoelectric conversion unit including a region and a semiconductor element different from the photoelectric conversion unit, the solid-state imaging device includes an element isolation region that isolates the photoelectric conversion unit from the semiconductor element. A cross-sectional shape of the side wall on the photoelectric conversion unit side of the trench has a tapered shape that becomes shallower toward the photoelectric conversion unit side. .

本発明において光電変換部は、例えば、pn接合を有するフォトダイオードである。光電変換部とは異なる半導体素子は、例えば、MOSトランジスタである。   In the present invention, the photoelectric conversion unit is, for example, a photodiode having a pn junction. The semiconductor element different from the photoelectric conversion unit is, for example, a MOS transistor.

本発明の固体撮像素子においては、テーパ形状を有する側壁に沿って、この側壁から半導体基板側に第1導電型の第3の半導体領域を形成することが好ましい。この第3の半導体領域は、均一な不純物濃度及び均一な厚さで形成されることが好ましい。   In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the third semiconductor region of the first conductivity type is formed from the side wall to the semiconductor substrate side along the tapered side wall. The third semiconductor region is preferably formed with a uniform impurity concentration and a uniform thickness.

トレンチの半導体素子側の側壁は、半導体基板の表面に対して垂直であるか、光電変換部側の側壁のテーパ角より小さいテーパ角を有するようにすることが好ましい。ここでテーパ角は、半導体基板表面に対する法線と側壁とがなす角のことである。   The side wall of the trench on the semiconductor element side is preferably perpendicular to the surface of the semiconductor substrate or has a taper angle smaller than the taper angle of the side wall on the photoelectric conversion unit side. Here, the taper angle is an angle formed between a normal to the surface of the semiconductor substrate and a side wall.

本発明の固体撮像素子では、複数の半導体素子を備える場合には、半導体素子間の素子分離は、箱型の断面形状のトレンチを有する第2の素子分離領域によってなされてようにすることが好ましい。   In the solid-state imaging device of the present invention, when a plurality of semiconductor elements are provided, it is preferable that element isolation between the semiconductor elements is performed by a second element isolation region having a box-shaped cross-sectional trench. .

本発明の半導体装置は、半導体基板上に、相対的にリーク電流の影響を受けやすい第1の素子部分と、相対的にリーク電流の影響を受けにくい第2の素子部分とを有する半導体装置において、第1の素子部分を第2の素子部分から素子分離する素子分離領域を有し、素子分離領域は、第1の素子部分を囲むトレンチと、トレンチ内に埋め込まれた絶縁物とを有し、トレンチの第1の素子部分側の側壁の断面形状が、第1の素子部分側に向かって浅くなるテーパ形状を有する。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a first element portion that is relatively susceptible to leakage current and a second element portion that is relatively less susceptible to leakage current on a semiconductor substrate. And an element isolation region that isolates the first element portion from the second element portion, and the element isolation region includes a trench that surrounds the first element portion and an insulator embedded in the trench. The cross-sectional shape of the side wall on the first element portion side of the trench has a tapered shape that becomes shallower toward the first element portion side.

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に、第1の素子部分を取り囲み第1の素子部分側の側壁の断面形状が第1の素子部分側に向かって浅くなるテーパ形状を有する第1のトレンチと、箱型の断面形状を有する第2のトレンチと、を同時に形成する半導体装置の製造方法において、半導体基板の表面において第1の素子部分に対応する位置に第1のレジスト層を形成し、リフロー熱処理を行って第1のレジスト層の側壁をテーパ状に変形させる段階と、第1のレジスト層を硬化させる段階と、第1のレジスト層を硬化させる段階ののち、第1のトレンチ及び第2のトレンチの形成位置を除く部分がレジストで覆われるように、半導体基板の表面に第2のレジスト層を形成する段階と、第1のレジスト層及び第2のレジスト層をマスクとして半導体基板のエッチングを行う段階と、を有することを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has a tapered shape on the surface of a semiconductor substrate that surrounds the first element portion and the cross-sectional shape of the side wall on the first element portion side becomes shallower toward the first element portion side. In a method of manufacturing a semiconductor device in which a first trench and a second trench having a box-shaped cross-sectional shape are simultaneously formed, a first resist layer is formed at a position corresponding to the first element portion on the surface of the semiconductor substrate. And performing a reflow heat treatment to deform the sidewall of the first resist layer into a tapered shape, curing the first resist layer, and curing the first resist layer, Forming a second resist layer on the surface of the semiconductor substrate so that a portion excluding the formation positions of the trench and the second trench is covered with the resist, and forming the first resist layer and the second resist layer It characterized by having a the steps of etching the semiconductor substrate as a disk.

本発明の半導体装置の製造方法では、半導体装置のエッチングを行う段階の後、第1のトレンチに対して自己整合的にイオン注入を行って、テーパ形状を有する側壁に沿って、この側壁から半導体基板側に拡散領域を形成する段階を設けてもよい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after the step of etching the semiconductor device, ion implantation is performed in a self-aligned manner with respect to the first trench, and the semiconductor is formed from the sidewall along the tapered sidewall. A step of forming a diffusion region on the substrate side may be provided.

本発明によれば、トレンチ分離をテーパー形状とすることで、従来の方法に比べてフォトダイオード領域を広げることが可能である。さらにトレンチ分離拡散層が、フォトダイオードからの空乏層広がりを抑えるのに最低限必要な厚みしか持っていないので、光電変換領域を不必要に狭めることがない。またフォトダイオードのPN接合で発生する電場も均一なものが得られ、リーク電流を低減し、ノイズ特性の良好な素子が実現できる。   According to the present invention, it is possible to expand the photodiode region as compared with the conventional method by making the trench isolation tapered. Furthermore, since the trench isolation diffusion layer has only a minimum thickness necessary for suppressing the depletion layer spreading from the photodiode, the photoelectric conversion region is not unnecessarily narrowed. In addition, a uniform electric field generated at the PN junction of the photodiode can be obtained, the leakage current can be reduced, and an element with good noise characteristics can be realized.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の実施の一形態の固体撮像素子は、1画素分の回路を単位セルとして、このような単位セルを2次元方向にマトリックス配列してフォトダイオードアレイを構成したものである。フォトダイオードアレイの周辺には、画素の選択に用いられる水平選択回路及び垂直選択回路が設けられ、さらに、必要に応じて、各画素からの受光信号に基づいて画像処理を行う画像信号処理回路や画像信号を記憶するメモリが設けられている。各単位セル、水平選択回路、垂直選択回路、画像信号処理回路、メモリなどは、後述するように、半導体装置製造プロセスによって単一の半導体基板上に設けられている。単位セルは、光電変換素子であるフォトダイオードと、そのフォトダイオードで発生した信号電荷を増幅するための増幅回路や特定のフォトダイオードを選択するために用いられるスイッチ回路などからなる周辺回路とからなっている。   A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention is a photodiode array in which a circuit for one pixel is used as a unit cell and such unit cells are arranged in a matrix in a two-dimensional direction. Around the photodiode array, a horizontal selection circuit and a vertical selection circuit used for pixel selection are provided, and an image signal processing circuit that performs image processing based on a light reception signal from each pixel, if necessary, A memory for storing image signals is provided. Each unit cell, horizontal selection circuit, vertical selection circuit, image signal processing circuit, memory, and the like are provided on a single semiconductor substrate by a semiconductor device manufacturing process, as will be described later. The unit cell includes a photodiode that is a photoelectric conversion element, and a peripheral circuit that includes an amplifier circuit for amplifying signal charges generated by the photodiode and a switch circuit used to select a specific photodiode. ing.

図1は本実施形態の固体撮像素子の要部の構成を示す断面図であって、固体撮像素子の単位セル、すなわち1画素分の領域におけるフォトダイオードと周辺回路との素子分離構造を示している。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a solid-state image sensor according to the present embodiment, showing an element isolation structure of a photodiode and a peripheral circuit in a unit cell of the solid-state image sensor, that is, a region for one pixel. Yes.

第1の導電型(例えばp型)の半導体基板で構成された第1の半導体層1は、フォトダイオード部8と周辺回路のトランジスタ部7とに分けられている。フォトダイオード部8は、フォトダイオードを囲んで形成されている素子分離領域3によって、トランジスタ部7から素子分離されている。トランジスタ部7においては、個々のトランジスタを素子分離するために、箱型の断面形状を有するシャロートレンチからなる素子分離領域2が設けられている。図1においては具体的には示されていないが、トランジスタ部7には、周辺回路を構成する各MOSトランジスタが形成されている。これらの素子分離領域2,3は、いずれも半導体基板に形成されたトレンチ(溝)と、トレンチ内を埋め込む絶縁物(例えば埋め込み酸化膜)によって構成されている。   The first semiconductor layer 1 formed of a first conductivity type (for example, p-type) semiconductor substrate is divided into a photodiode portion 8 and a transistor portion 7 of a peripheral circuit. The photodiode portion 8 is isolated from the transistor portion 7 by an element isolation region 3 formed so as to surround the photodiode. In the transistor portion 7, an element isolation region 2 made of a shallow trench having a box-shaped cross-sectional shape is provided in order to isolate individual transistors. Although not specifically shown in FIG. 1, each transistor constituting the peripheral circuit is formed in the transistor portion 7. Each of these element isolation regions 2 and 3 includes a trench (groove) formed in a semiconductor substrate and an insulator (for example, a buried oxide film) filling the trench.

フォトダイオード部8では、第1の半導体層1の表面から素子分離領域3の底面よりやや深い位置にまで、第1の導電型とは反対導電型の半導体領域でありフォトダイオード領域である第2の半導体層6が設けられている。図5に示したものと同様に、第1の半導体層1と第2の半導体層6によって、フォトダイオードのためのpn接合が形成されている。   The photodiode portion 8 is a semiconductor region opposite to the first conductivity type from the surface of the first semiconductor layer 1 to a position slightly deeper than the bottom surface of the element isolation region 3, and is a second photodiode region that is a photodiode region. The semiconductor layer 6 is provided. Similar to that shown in FIG. 5, the first semiconductor layer 1 and the second semiconductor layer 6 form a pn junction for the photodiode.

この実施の形態の固体撮像素子において、フォトダイオード部8と周辺回路のトランジスタ部7とを素子分離する素子分離領域3のトレンチでは、トランジスタ部7側の側壁は、箱型形状、すなわち、ほぼ垂直あるいは急峻な勾配を有するように形成されている。これに対し、トレンチのフォトダイオード部8側の側壁は、フォトダイオード側に近づくにつれて浅くなるテーパ状に形成されている。すなわち、トレンチの底部から上部に向かってトレンチの水平方向の幅が大きくなっており、トレンチは、フォトダイオード部8に向かってせり出すように形成されている。素子分離領域3のトレンチの深さは例えば250nm以下のものである。   In the solid-state imaging device of this embodiment, in the trench of the element isolation region 3 that isolates the photodiode portion 8 and the transistor portion 7 of the peripheral circuit, the side wall on the transistor portion 7 side has a box shape, that is, substantially vertical. Alternatively, it is formed to have a steep gradient. On the other hand, the side wall of the trench on the photodiode portion 8 side is formed in a tapered shape that becomes shallower as it approaches the photodiode side. That is, the horizontal width of the trench increases from the bottom to the top of the trench, and the trench is formed so as to protrude toward the photodiode portion 8. The depth of the trench in the element isolation region 3 is, for example, 250 nm or less.

ここでトレンチの側壁の傾きについて説明する。半導体基板の表面に対する法線を考えると、トランジスタ部7側の側壁とこの法線とがなす角(テーパ角)は、フォトダイオード部側の側壁のテーパ角より小さくなっている。トランジスタ部7側の側壁が半導体基板表面に対して垂直になっている場合には、テーパ角は0°ということになる。また、フォトダイオード部側の側壁(テーパ状となっている側壁)は、例えば30°〜60°のテーパ角を有している。   Here, the inclination of the sidewall of the trench will be described. Considering the normal to the surface of the semiconductor substrate, the angle (taper angle) formed between the side wall on the transistor portion 7 side and the normal line is smaller than the taper angle on the side wall on the photodiode portion side. When the side wall on the transistor portion 7 side is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, the taper angle is 0 °. The side wall (tapered side wall) on the photodiode portion side has a taper angle of, for example, 30 ° to 60 °.

フォトダイオードを囲む素子分離領域3の直下には、第1の導電型の半導体領域である拡散領域4が設けられている。拡散領域4は、フォトダイオード領域である第2の半導体層6を素子分離領域3から隔てるものであって、フォトダイオード領域内に形成される空乏層が素子分離領域3に接するまで拡がることを防ぐためのものである。本実施形態では、拡散領域4は、素子分離領域3のテーパ状の側壁、すなわち素子分離領域3とシリコン半導体領域との界面に沿って、この界面からシリコン半導体領域側に一定の厚さでかつ均一な不純物濃度で形成されている。さらに、フォトダイオード領域(第2の半導体層6)の最表面には、フォトダイオードにおける暗電流を減らすために、第1の導電型の半導体領域である表面拡散層5が設けられている。   A diffusion region 4 that is a semiconductor region of the first conductivity type is provided immediately below the element isolation region 3 surrounding the photodiode. The diffusion region 4 separates the second semiconductor layer 6, which is a photodiode region, from the element isolation region 3, and prevents the depletion layer formed in the photodiode region from expanding until it contacts the element isolation region 3. Is for. In this embodiment, the diffusion region 4 has a constant thickness from the interface to the silicon semiconductor region side along the tapered sidewall of the device isolation region 3, that is, the interface between the device isolation region 3 and the silicon semiconductor region. It is formed with a uniform impurity concentration. Furthermore, a surface diffusion layer 5 that is a semiconductor region of the first conductivity type is provided on the outermost surface of the photodiode region (second semiconductor layer 6) in order to reduce dark current in the photodiode.

一般に、箱型の断面形状を有するトレンチ(溝)を有する素子分離領域を形成する場合、異方性エッチングによって半導体基板の表面から所定の深さ(例えば200nm)まで溝を形成することになるので、溝の横幅をあまり小さくすることはできない。また、トレンチの形成後に溝内に酸化膜を埋め込むので、そのためにも溝の幅を小さくすることはできない。つまり、箱型の断面形状を有するトレンチ溝では、溝の幅をある程度以下に小さくすることはできない。これに対し、一方の側壁がテーパー状となっている溝を有する素子分離領域の場合、半導体基板の最表面での溝の横幅は、箱型の断面形状を有するトレンチの横幅より大きい。しかしながら、側壁がテーパ状であることから、異方性エッチングや絶縁膜の埋め込みに関する制約が緩和され、このため、溝の最下端の位置における幅は、箱型の断面形状を有するトレンチにおける幅よりも小さくすることができる。したがって、ある半導体領域を素子分離する際に、箱型の断面形状のトレンチを有する素子分離領域を用いても、あるいはその半導体領域側の側壁がテーパ状となっている素子分離領域を用いたとしても、素子分離領域で囲まれる実効的な体積なそれほど違わない。   In general, when forming an element isolation region having a trench having a box-shaped cross-sectional shape, the trench is formed from the surface of the semiconductor substrate to a predetermined depth (for example, 200 nm) by anisotropic etching. The lateral width of the groove cannot be made too small. In addition, since the oxide film is buried in the groove after the trench is formed, the width of the groove cannot be reduced. That is, in a trench groove having a box-shaped cross-sectional shape, the width of the groove cannot be reduced to a certain extent. On the other hand, in the case of an element isolation region having a groove whose one side wall is tapered, the lateral width of the groove on the outermost surface of the semiconductor substrate is larger than the lateral width of the trench having a box-shaped cross-sectional shape. However, since the side wall is tapered, restrictions on anisotropic etching and embedding of the insulating film are eased. Therefore, the width at the lowermost position of the groove is larger than the width in the trench having a box-shaped cross-sectional shape. Can also be reduced. Therefore, when isolating a certain semiconductor region, even if an element isolation region having a trench having a box-shaped cross section is used, or an element isolation region having a tapered side wall on the semiconductor region side is used. However, the effective volume surrounded by the element isolation region is not so different.

本実施形態の場合、図1に示され、後述の製造プロセスの説明から明らかになるように、簡単な工程を用いて、素子分離領域3のテーパ状となっている斜面に沿って、厚さが比較的薄いとともに均一な拡散領域4を形成することができる。拡散領域4を一様な厚さで形成できるので、素子分離拡散層の厚さが不均一な従来の固体撮像素子に比べ、本実施系形態の固体撮像素子では、フォトダイオード領域(第2の半導体層6)を広げることができる。さらに、フォトダイオードからの空乏層の拡がりを抑えるのに最低限必要な厚みしか持たないように拡散領域4を形成できるので、本実施形態によれば、光電変換領域が不必要狭められることがなく、また、pn接合で発生する電場としても均一なものが得られる。したがって、本実施形態によれば、リーク電流が低減されノイズ特性が良好である固体撮像素子を実現できる。   In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 1 and as will become clear from the description of the manufacturing process described later, the thickness of the element isolation region 3 is increased along the tapered slope using simple steps. Is relatively thin and uniform diffusion region 4 can be formed. Since the diffusion region 4 can be formed with a uniform thickness, the solid-state imaging device of this embodiment has a photodiode region (the second region) as compared with a conventional solid-state imaging device in which the thickness of the element isolation diffusion layer is not uniform. The semiconductor layer 6) can be expanded. Furthermore, since the diffusion region 4 can be formed so as to have a minimum thickness necessary for suppressing the spread of the depletion layer from the photodiode, according to the present embodiment, the photoelectric conversion region is not unnecessarily narrowed. In addition, a uniform electric field generated at the pn junction can be obtained. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize a solid-state imaging device with reduced leakage current and good noise characteristics.

図1には図示していないが、このような固体撮像素子では、半導体基板の表面に、例えばポリシリコン配線などからなる電極配線が形成される。ここで、フォトダイオード領域(第2の半導体層6)の直上の領域には、電極配線は形成されないようにする。フォトダイオード領域上にポリシリコン配線層を形成するとこの配線層が入射光を吸収してしまい、フォトダイオードとしての感度低下を招くからである。   Although not shown in FIG. 1, in such a solid-state imaging device, an electrode wiring made of, for example, a polysilicon wiring is formed on the surface of the semiconductor substrate. Here, no electrode wiring is formed in the region immediately above the photodiode region (second semiconductor layer 6). This is because if a polysilicon wiring layer is formed on the photodiode region, this wiring layer absorbs incident light, resulting in a decrease in sensitivity as a photodiode.

素子分離領域が形成された一般的な半導体装置では、素子分離領域上に電極配線をレイアウトすることも多い。しかしながら、上述のように内壁がテーパ形状を有する素子分離構造の場合、より浅くなったトレンチ分離部分の上に電極配線を配置すると、下地のシリコン半導体層との間で耐圧不具合が発生する場合がある。よって、内壁がテーパ形状とされている素子分離領域は、電極配線が横切らない位置にのみ設けるようにすることが好ましい。固体撮像素子においては、通常、フォトダイオード部を素子分離するための素子分離領域を電極配線が横切ることはないから、内壁がテーパ形状を有する素子分離領域は、フォトダイオード部の素子分離に好ましく用いることができる。フォトダイオード部でなくても、半導体装置内の素子部分であって、別途設けられる電極配線を必要とせず、かつ相対的にリーク電流の影響を受けやすい素子部分に対しても、内壁がテーパ形状を有する素子分離領域を有効に用いることができる。   In a general semiconductor device in which an element isolation region is formed, electrode wiring is often laid out on the element isolation region. However, in the case of the element isolation structure having the tapered inner wall as described above, if the electrode wiring is disposed on the shallower trench isolation portion, a breakdown voltage defect may occur with the underlying silicon semiconductor layer. is there. Therefore, it is preferable to provide the element isolation region whose inner wall has a tapered shape only at a position where the electrode wiring does not cross. In a solid-state imaging device, an electrode wiring does not normally traverse an element isolation region for isolating a photodiode portion. Therefore, an element isolation region whose inner wall has a tapered shape is preferably used for element isolation of the photodiode portion. be able to. Even if it is not a photodiode part, it is an element part in a semiconductor device that does not require a separate electrode wiring and is relatively susceptible to leakage current, and the inner wall is tapered. It is possible to effectively use an element isolation region having

なお、固体撮像素子においてフォトダイオードアレイの周辺に配置される画像信号処理回路及びメモリにおけるトランジスタ間の素子分離には、やはり箱型の断面形状のトレンチを用いる素子分離領域が使用される。画像信号処理回路やメモリにおいては、電極配線、ポリシリコン配線が多用されるので、電極配線とシリコン半導体基板との分離のために、箱型の断面形状を有する素子分離領域の方が好ましいためである。   Note that an element isolation region using a trench having a box-shaped cross-sectional shape is also used for element isolation between transistors in an image signal processing circuit and a memory arranged around the photodiode array in a solid-state imaging device. In image signal processing circuits and memories, electrode wiring and polysilicon wiring are often used. Therefore, an element isolation region having a box-shaped cross-sectional shape is preferable for separating the electrode wiring from the silicon semiconductor substrate. is there.

図2は、固体撮像素子における1画素分の回路に構成する単位セルの回路構成を示している。光電変換をするためのフォトダイオード101のアノードには接地電位が与えられている。フォトダイオード101のカソードは、フォトダイオード101の信号電荷を読み出すための転送MOSトランジスタ103の一端に接続している。もちろん、フォトダイオード101は、図1における第1の半導体層1及び第2の半導体層6によるpn接合によって構成されるものである。転送MOSトランジスタ103の他端は、フォトダイオード101をリセットするためのリセットMOSトランジスタ102の一端に接続するとともに、読み出した電荷を電圧変換するためのMOSトランジスタ104のゲートに接続している。MOSトランジスタ104は、ソースフォロアとして動作して電圧変換を行うものであり、MOSトランジスタ104の一端とリセットMOSトランジスタ102の他端は、いずれも、例えば電圧Vddを与える電源線110に接続している。MOSトランジスタ104の他端と信号線111との間には、MOSトランジスタ104すなわちソースフォロアアンプの出力を信号線111に選択的に出力するための行選択MOSトランジスタ105が挿入されている。このように単位セルは、1個のフォトダイオード101と4個のMOSトランジスタ102〜105を備えており、半導体基板においてフォトダイオード101をMOSトランジスタ102〜105から素子分離する必要があるものである。この素子分離には、上述したように、フォトダイオード101側の側壁がテーパ状となっている素子分離領域3が用いられる。MOSトランジスタ102〜105相互の素子分離には、箱型の断面形状を有する素子分離領域2が用いられる。   FIG. 2 shows a circuit configuration of a unit cell configured in a circuit for one pixel in the solid-state imaging device. A ground potential is applied to the anode of the photodiode 101 for photoelectric conversion. The cathode of the photodiode 101 is connected to one end of the transfer MOS transistor 103 for reading the signal charge of the photodiode 101. Of course, the photodiode 101 is constituted by a pn junction formed by the first semiconductor layer 1 and the second semiconductor layer 6 in FIG. The other end of the transfer MOS transistor 103 is connected to one end of a reset MOS transistor 102 for resetting the photodiode 101 and to the gate of a MOS transistor 104 for converting the read charge into a voltage. The MOS transistor 104 operates as a source follower to perform voltage conversion, and one end of the MOS transistor 104 and the other end of the reset MOS transistor 102 are both connected to a power supply line 110 that supplies, for example, a voltage Vdd. . A row selection MOS transistor 105 for selectively outputting the output of the MOS transistor 104, that is, the source follower amplifier, is inserted between the other end of the MOS transistor 104 and the signal line 111. As described above, the unit cell includes one photodiode 101 and four MOS transistors 102 to 105, and it is necessary to isolate the photodiode 101 from the MOS transistors 102 to 105 on the semiconductor substrate. For this element isolation, as described above, the element isolation region 3 whose side wall on the photodiode 101 side is tapered is used. An element isolation region 2 having a box-shaped cross-sectional shape is used for element isolation between the MOS transistors 102 to 105.

リセットMOSトランジスタ102のゲートには制御信号としてリセット信号φresが与えられている。転送MOSトランジスタ103のゲートには制御信号として転送信号φtxが与えられている。行選択MOSトランジスタ105のゲートには制御信号として行選択信号φselが与えられる。   A reset signal φres is given to the gate of the reset MOS transistor 102 as a control signal. A transfer signal φtx is given as a control signal to the gate of the transfer MOS transistor 103. A row selection signal φsel is supplied to the gate of the row selection MOS transistor 105 as a control signal.

この単位セルでは、光電変換によってフォトダイオード101において生成した信号電荷は、転送MOSトランジスタ103を介してMOSトランジスタ104のゲートに入力される。MOSトランジスタ104はソースフォロアアンプとして信号電荷を増幅して電圧信号に変換する。電圧変換された信号は、行選択MOSトランジスタ105を介して信号線111上に出力される。   In this unit cell, the signal charge generated in the photodiode 101 by photoelectric conversion is input to the gate of the MOS transistor 104 via the transfer MOS transistor 103. The MOS transistor 104 as a source follower amplifier amplifies the signal charge and converts it into a voltage signal. The voltage-converted signal is output on the signal line 111 via the row selection MOS transistor 105.

次に、本実施形態の固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。上述したように本実施形態の固体撮像素子は、フォトダイオードを囲む素子分離領域が、フォトダイオード領域に向けて浅くなるにテーパ状に形成されている側壁を有することを特徴としている。また、本実施形態の製造プロセスでは、箱型の断面形状を有する素子分離領域と、テーパ状の側壁を有する素子分離領域とを同時に形成する。そこで、以下では、これらの点を中心にして本実施形態の製造プロセスの一例を説明する。なお、以下の説明では、上述の説明における第1の導電型がp型であり、第2の導電型がn型であるものとする。   Next, a manufacturing process of the solid-state image sensor of this embodiment will be described. As described above, the solid-state imaging device of the present embodiment is characterized in that the element isolation region surrounding the photodiode has a side wall formed in a tapered shape so as to become shallow toward the photodiode region. Further, in the manufacturing process of the present embodiment, an element isolation region having a box-shaped cross section and an element isolation region having a tapered side wall are formed simultaneously. Therefore, in the following, an example of the manufacturing process of the present embodiment will be described focusing on these points. In the following description, it is assumed that the first conductivity type in the above description is p-type, and the second conductivity type is n-type.

p型のシリコン半導体基板10の表面に、シリコン酸化膜11を厚さ15nm程度で形成し、その上にCVD(化学気相成長)法によりポリシリコン膜12を厚さ50nm程度設け、さらにCVD法によりシリコン窒化膜(SiN膜)13を厚さ200nm形成する。その後、図3の(A)に示すように、フォトダイオード領域となる位置を覆うように、第1のフォトレジスト層14を塗布現像処理により形成する。このとき、第1のフォトレジスト層14の側壁は、シリコン半導体基板10に対してほぼ垂直になっており、第1のフォトレジスト層14の頂面と側壁とはほぼ直角をなしている。   A silicon oxide film 11 is formed with a thickness of about 15 nm on the surface of the p-type silicon semiconductor substrate 10, and a polysilicon film 12 is provided with a thickness of about 50 nm thereon by CVD (chemical vapor deposition). Thus, a silicon nitride film (SiN film) 13 is formed to a thickness of 200 nm. Thereafter, as shown in FIG. 3A, a first photoresist layer 14 is formed by coating and developing so as to cover a position to be a photodiode region. At this time, the side wall of the first photoresist layer 14 is substantially perpendicular to the silicon semiconductor substrate 10, and the top surface and the side wall of the first photoresist layer 14 are substantially perpendicular.

この後、200℃の温度で30分間、窒素(N2)雰囲気下で処理することにより、図3の(B)に示すように、第1のフォトレジスト層14の側壁をテーパ形状となるようにする。言い換えれば、第1のフォトレジスト層14の頂面と側壁とがなす稜部分を熱によって形状をなまらせ、第1のフォトレジスト層14の外周に沿う一定範囲の領域において、第1のフォトレジスト層14の外周にいたる方向で第1のフォトレジスト層14の厚さが薄くなるようにする。このように第1のフォトレジスト層14の断面形状をテーパ状としたのち、これに窒素雰囲気下で紫外線(UV)を照射することにより、UVキュアを実施し、第1のフォトレジスト層14を硬化させる。 Thereafter, by processing in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at a temperature of 200 ° C. for 30 minutes, the sidewall of the first photoresist layer 14 is tapered as shown in FIG. To. In other words, the ridge portion formed by the top surface and the side wall of the first photoresist layer 14 is shaped by heat so that the first photoresist layer is formed in a certain range along the outer periphery of the first photoresist layer 14. The thickness of the first photoresist layer 14 is reduced in the direction leading to the outer periphery of the layer 14. Thus, after making the cross-sectional shape of the 1st photoresist layer 14 into a taper shape, UV curing is implemented by irradiating this with ultraviolet-ray (UV) in nitrogen atmosphere, and the 1st photoresist layer 14 is made Harden.

次に、ダブルコート手法を用いて、図3の(C)に示すように、素子分離領域の形成位置が開口部であるように第2のフォトレジスト層15を基板上に形成する。第2のフォトレジスト層15の側壁は、基板に対してほぼ垂直となっている。なお、第1のフォトレジスト層14に対し、リフロー熱処理を行いかつその後にUVキュアを実施するのは、第2のフォトレジスト層15の現像工程で第1のフォトレジスト層14が溶解するのを防ぐためである。   Next, using a double coating method, as shown in FIG. 3C, the second photoresist layer 15 is formed on the substrate so that the element isolation region is formed at the opening. The side wall of the second photoresist layer 15 is substantially perpendicular to the substrate. Note that the reflow heat treatment is performed on the first photoresist layer 14 and then the UV curing is performed because the first photoresist layer 14 is dissolved in the development step of the second photoresist layer 15. This is to prevent it.

しかる後、第1及び第2のフォトレジスト層14,15をエッチングバリアとして、シリコン窒化膜13、ポリシリコン膜12及びシリコン酸化膜11をエッチングし、さらにシリコン半導体基板10のエッチングを行う。第1のフォトレジスト層14の側壁がテーパ状となっていることにより、図4の(A)に示すように、第1のフォトレジスト層14に沿って、第1のフォトレジスト層14側の側壁がテーパ状となっているトレンチ21が形成される。このトレンチ21の第2のフォトレジス層15に接する側の側壁は、ほぼ垂直になっている。また、第2のフォトレジスト層15のみに囲まれている部分では、箱型の断面形状を有するトレンチ22が形成される。このように、所望の形状を有するトレンチ21、22が形成されることになる。なお、側壁がテーパ形状となっているトレンチ21に関しては、その最深部に少なくとも200nm程度の幅で平坦部を残しておくことが好ましい。なぜならば、その後に引き続くゲート酸化膜形成工程において、トレンチの角部に鋭角を形成する部分があると、その部分にストレスが集中して、リーク電流の発生源となるからである。   Thereafter, the silicon nitride film 13, the polysilicon film 12, and the silicon oxide film 11 are etched using the first and second photoresist layers 14 and 15 as an etching barrier, and the silicon semiconductor substrate 10 is further etched. Since the side wall of the first photoresist layer 14 is tapered, as shown in FIG. 4A, the first photoresist layer 14 side along the first photoresist layer 14 side. A trench 21 having a tapered side wall is formed. The side wall of the trench 21 on the side in contact with the second photoresist layer 15 is substantially vertical. Further, a trench 22 having a box-shaped cross-sectional shape is formed in a portion surrounded only by the second photoresist layer 15. Thus, trenches 21 and 22 having a desired shape are formed. As for the trench 21 whose side wall is tapered, it is preferable to leave a flat portion with a width of at least about 200 nm in the deepest portion. This is because, in the subsequent gate oxide film forming step, if there is a portion where an acute angle is formed at the corner of the trench, stress concentrates on that portion and becomes a source of leakage current.

次に、フォトレジスト層14,15を除去して洗浄し、1100℃で水素(H2)と酸素(O2)との混合ガスによるパイロ雰囲気で内壁酸化膜16を50nm程度の厚さで形成する。内壁酸化膜16が形成された状態が図4の(B)に示されている。 Next, the photoresist layers 14 and 15 are removed and washed, and an inner wall oxide film 16 is formed to a thickness of about 50 nm in a pyro atmosphere using a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) at 1100 ° C. To do. The state where the inner wall oxide film 16 is formed is shown in FIG.

その後、図4の(C)に示すように、側壁がテーパ状となっているトレンチ21の位置を除いて基板の全面にレジスト層17を形成する。レジスト層17をマスクとして、p型不純物であるホウ素(B)を加速電圧20〜30keV、ドーズ量2〜10×1012/cm2程度でイオン注入し、自己整合的に拡散領域4を形成する。拡散領域4は、トレンチ21の最深部の底面及びテーパ状の側壁の下に、均一に設けられる。したがって拡散領域4の形成のためのイオン注入は、自己整合的に行われている。その後、レジスト層17を除去し、一般的な半導体装置製造プロセスを用いて、トレンチ21、22内に酸化膜を埋め込み、図1に示すような素子分離領域3、2を完成させる。 Thereafter, as shown in FIG. 4C, a resist layer 17 is formed on the entire surface of the substrate except for the position of the trench 21 whose side wall is tapered. Using resist layer 17 as a mask, boron (B), which is a p-type impurity, is ion-implanted at an acceleration voltage of 20 to 30 keV and a dose of about 2 to 10 × 10 12 / cm 2 to form diffusion region 4 in a self-aligned manner. . The diffusion region 4 is uniformly provided under the deepest bottom surface of the trench 21 and the tapered side wall. Accordingly, ion implantation for forming the diffusion region 4 is performed in a self-aligned manner. Thereafter, the resist layer 17 is removed, and an oxide film is buried in the trenches 21 and 22 by using a general semiconductor device manufacturing process, thereby completing the element isolation regions 3 and 2 as shown in FIG.

さらに、フォトダイオード領域を形成するためのイオン注入や、トランジスタ部7においてトランジスタを形成するための工程を経ることにより、本実施形態の固体撮像素子が完成する。   Further, the solid-state imaging device of the present embodiment is completed through ion implantation for forming the photodiode region and a process for forming a transistor in the transistor unit 7.

以上、本発明について、フォトダイオードを有する固体撮像素子を例に挙げて説明したが、本発明は、固体撮像素子に限定されるものではない。本発明は、例えば、相対的にリーク電流の影響を受けやすい第1の素子部分と、相対的にリーク電流の影響を受けにくい第2の素子部分とを有し、第1の素子部分が第2の素子部分から素子分離されている半導体装置に適用することができる。その場合、第1の素子部分を囲む素子分離領域として、第1の素子部分側の側壁がテーパ状である素子分離領域を使用し、さらに、テーパ状である側壁の下に均一の拡散領域を設けるようにすればよい。第1の素子部分をこのように素子分離領域によって素子分離することによって、第1の素子部分の実効的な面積や体積を低下させることなく、第1の素子部分に流れるリーク電流を低減することができる。   As described above, the present invention has been described by taking the solid-state imaging device having the photodiode as an example, but the present invention is not limited to the solid-state imaging device. The present invention includes, for example, a first element portion that is relatively susceptible to the leakage current and a second element portion that is relatively less susceptible to the leakage current. The present invention can be applied to a semiconductor device in which elements are separated from the two element portions. In that case, as the element isolation region surrounding the first element portion, an element isolation region having a tapered side wall on the first element portion side is used, and a uniform diffusion region is further provided under the tapered side wall. What is necessary is just to provide. By separating the first element portion by the element isolation region in this way, the leakage current flowing through the first element portion can be reduced without reducing the effective area and volume of the first element portion. Can do.

本発明の実施の一形態の固体撮像素子の要部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the principal part of the solid-state image sensor of one Embodiment of this invention. 単位セルの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a unit cell. (A)〜(C)は、固体撮像素子の製造プロセスを説明する図である。(A)-(C) are the figures explaining the manufacturing process of a solid-state image sensor. (A)〜(C)は、固体撮像素子の製造プロセスを説明する図である。(A)-(C) are the figures explaining the manufacturing process of a solid-state image sensor. 従来の固体撮像素子の要部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the principal part of the conventional solid-state image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の半導体層
2,3 素子分離領域
4 拡散領域
5 表面拡散層
6 第2の半導体層(フォトダイオ−ド領域)
7 トランジスタ部
8 フォトダイオード部
9 チャネルストップ領域(素子分離拡散層)
10 シリコン半導体基板
11 シリコン酸化膜
12 ポリシリコン膜
13 シリコン窒化膜
14 第1のフォトレジスト層
15 第2のフォトレジスト層
16 内壁酸化膜
17 レジスト層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st semiconductor layer 2, 3 Element isolation region 4 Diffusion region 5 Surface diffusion layer 6 2nd semiconductor layer (photodiode region)
7 Transistor portion 8 Photodiode portion 9 Channel stop region (element isolation diffusion layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon semiconductor substrate 11 Silicon oxide film 12 Polysilicon film 13 Silicon nitride film 14 1st photoresist layer 15 2nd photoresist layer 16 Inner wall oxide film 17 Resist layer

Claims (8)

半導体基板に第1導電型の第1の半導体領域と、該第1の半導体領域とPN接合を構成し信号電荷を蓄積可能な第2導電型の第2の半導体領域とを含む光電変換部と、前記光電変換部とは異なる半導体素子とを有する固体撮像素子において、
前記光電変換部を前記半導体素子から素子分離する素子分離領域を有し、
前記素子分離領域は、前記光電変換部を囲むトレンチと、前記トレンチ内に埋め込まれた絶縁物とを有し、
前記トレンチの前記光電変換部側の側壁の断面形状が、前記光電変換部側に向かって浅くなるテーパ形状を有することを特徴とする、固体撮像素子。
A photoelectric conversion unit including a first conductivity type first semiconductor region on a semiconductor substrate, and a second conductivity type second semiconductor region which forms a PN junction with the first semiconductor region and can store signal charges; In a solid-state imaging device having a semiconductor element different from the photoelectric conversion unit,
An element isolation region for isolating the photoelectric conversion unit from the semiconductor element;
The element isolation region includes a trench surrounding the photoelectric conversion unit, and an insulator embedded in the trench,
A solid-state imaging device, wherein a cross-sectional shape of a side wall of the trench on a side of the photoelectric conversion unit becomes tapered toward the photoelectric conversion unit side.
前記テーパ形状を有する側壁に沿って、該側壁から前記半導体基板側に第1導電型の第3の半導体領域が形成されている、請求項1に記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a third semiconductor region of a first conductivity type is formed from the side wall to the semiconductor substrate side along the side wall having the tapered shape. 前記第3の半導体領域は、均一な不純物濃度及び均一な厚さで形成されている、請求項2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the third semiconductor region is formed with a uniform impurity concentration and a uniform thickness. 複数の前記半導体素子を備え、前記半導体素子間の素子分離が、箱型の断面形状のトレンチを有する第2の素子分離領域によってなされている、請求項1または2に記載の固体撮像素子。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, comprising a plurality of the semiconductor elements, wherein element isolation between the semiconductor elements is performed by a second element isolation region having a box-shaped cross-sectional trench. 前記トレンチの前記半導体素子側の側壁は、前記半導体基板の表面に対して垂直であるか、前記光電変換部側の側壁のテーパ角より小さいテーパ角を有する、請求項1に記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a side wall of the trench on the semiconductor element side is perpendicular to a surface of the semiconductor substrate or has a taper angle smaller than a taper angle of the side wall on the photoelectric conversion unit side. . 半導体基板上に、相対的にリーク電流の影響を受けやすい第1の素子部分と、相対的にリーク電流の影響を受けにくい第2の素子部分とを有する半導体装置において、
前記第1の素子部分を前記第2の素子部分から素子分離する素子分離領域を有し、
前記素子分離領域は、前記第1の素子部分を囲むトレンチと、前記トレンチ内に埋め込まれた絶縁物とを有し、
前記トレンチの前記第1の素子部分側の側壁の断面形状が、前記第1の素子部分側に向かって浅くなるテーパ形状を有する、半導体装置。
In a semiconductor device having, on a semiconductor substrate, a first element portion that is relatively susceptible to leakage current and a second element portion that is relatively less susceptible to leakage current.
An element isolation region for isolating the first element portion from the second element portion;
The element isolation region includes a trench surrounding the first element portion, and an insulator embedded in the trench,
The semiconductor device, wherein a cross-sectional shape of a side wall of the trench on the first element portion side has a tapered shape that becomes shallower toward the first element portion side.
半導体基板の表面に、第1の素子部分を取り囲み前記第1の素子部分側の側壁の断面形状が前記第1の素子部分側に向かって浅くなるテーパ形状を有する第1のトレンチと、箱型の断面形状を有する第2のトレンチと、を同時に形成する半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板の表面において前記第1の素子部分に対応する位置に第1のレジスト層を形成し、リフロー熱処理を行って前記第1のレジスト層の側壁をテーパ状に変形させる段階と、
前記第1のレジスト層を硬化させる段階と、
前記第1のレジスト層を硬化させる段階ののち、前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチの形成位置を除く部分がレジストで覆われるように、前記半導体基板の表面に第2のレジスト層を形成する段階と、
前記第1のレジスト層及び前記第2のレジスト層をマスクとして前記半導体基板のエッチングを行う段階と、
を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
A first trench having a taper shape surrounding a first element portion on a surface of a semiconductor substrate and having a cross-sectional shape of a side wall on the first element portion side becoming shallower toward the first element portion; In the method for manufacturing a semiconductor device, the second trench having the cross-sectional shape of
Forming a first resist layer at a position corresponding to the first element portion on the surface of the semiconductor substrate, and performing a reflow heat treatment to deform the sidewall of the first resist layer into a tapered shape;
Curing the first resist layer;
After the step of curing the first resist layer, a second resist layer is formed on the surface of the semiconductor substrate so that a portion excluding the formation positions of the first trench and the second trench is covered with the resist. Forming, and
Etching the semiconductor substrate using the first resist layer and the second resist layer as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体装置のエッチングを行う段階の後、前記第1のトレンチに対して自己整合的にイオン注入を行って、少なくとも前記テーパ形状を有する側壁に沿って、該側壁から前記半導体基板側に拡散領域を形成する段階を有する、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   After the step of etching the semiconductor device, ion implantation is performed in a self-aligned manner with respect to the first trench, and at least along the side wall having the tapered shape, a diffusion region from the side wall to the semiconductor substrate side The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising:
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