JP2007311648A - Solid-state imaging device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、固体撮像装置を構成する画素セルを微細化する技術に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for miniaturizing a pixel cell constituting the solid-state imaging device.
近年、固体撮像装置に対する高画素化の要請は止まることなく高まるばかりである。この要請に応えるべく固体撮像装置を構成する画素セルの微細化が進められた結果、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)分離によって画素セルを分離することが加工精度上困難となり、代わりに、半導体基板にトレンチ構造を形成し、その内部にシリコン酸化膜や誘電体を埋め込むトレンチ分離(STI: Shallow Trench Isolation)が使用されるようになってきている。トレンチ分離は、0.25μmテクノロジー以下の微細パターン形成で一般的に用いられている技術であり、LOCOS分離と比較して基板内部に誘電体を深く埋め込めるため分離距離を稼げることから、微細化された画素セルの分離に適していると期待される。 In recent years, the demand for higher pixels in solid-state imaging devices has been increasing. As a result of miniaturization of the pixel cells constituting the solid-state imaging device to meet this demand, it becomes difficult to separate the pixel cells by LOCOS (Local Oxidation of Silicon) separation, and instead, it is difficult to form a semiconductor substrate. A trench isolation (STI: Shallow Trench Isolation) in which a trench structure is formed and a silicon oxide film or a dielectric is embedded therein has come to be used. Trench isolation is a technique commonly used for fine pattern formation of 0.25 μm technology or less, and it is miniaturized because the dielectric can be embedded deeply inside the substrate compared to LOCOS isolation, so that the isolation distance can be increased. It is expected to be suitable for separating pixel cells.
ただし、トレンチ分離を用いると加工時のプロセスダメージや、トレンチ構造内面に形成される酸化膜や埋め込まれるシリコン絶縁物の応力によって結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥は電子の生成再結合中心となり、その欠陥から半導体の伝導帯に熱励起されて発生する電子がフォトダイオードに入ると暗時電流や白キズといった画像欠陥を引き起こす。そこで、トレンチ構造側壁のごく近傍の欠陥が多く生じている領域を覆うようにフォトダイオードとは逆のタイプの不純物領域(以下、単に「不純物領域」という。)を形成する方法が考えられている(特許文献1)。このようにすれば、固体撮像装置の動作中、フォトダイオードから延びる空乏層が欠陥の多いトレンチ側壁まで広がらないようにしてリーク電流を避けることができるため、不要な電荷がフォトダイオードに入らないようにすることができる。
しかしながら、本発明者らは、上記のように絶縁分離のトレンチ構造側壁近傍に不純物領域を形成すると、飽和特性や感度特性が低下することを実験により見出した。この問題は、画素セルのサイズが2.2μm角以下になると特に顕著になるため、画素セルのサイズが2.2μm角よりも小さい固体撮像装置を実現することが困難になるという問題点がある。 However, the present inventors have found through experiments that when the impurity region is formed in the vicinity of the side wall of the trench structure with isolation as described above, the saturation characteristics and sensitivity characteristics deteriorate. This problem is particularly noticeable when the pixel cell size is 2.2 μm square or less, which makes it difficult to realize a solid-state imaging device having a pixel cell size smaller than 2.2 μm square. .
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、トレンチ分離を有する固体撮像装置において、リーク電流を避けながら撮像画素の飽和特性や感度特性を低下させることなく、画素セルを微細化した固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. In a solid-state imaging device having trench isolation, a pixel cell is formed without degrading the saturation characteristics and sensitivity characteristics of an imaging pixel while avoiding a leakage current. It is an object to provide a miniaturized solid-state imaging device and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、第1導電型の半導体基板と、 前記半導体基板内に設けられた第2導電型のウェルと、前記ウェル内に設けられた第1導電型の複数の電荷蓄積領域と、前記ウェル内に設けられ、その内壁にシリコン酸化膜が形成されたトレンチ構造と、前記トレンチ構造の周囲に近接してあるいはそのごく近傍に設けられた第2導電型の欠陥抑制層と、前記欠陥抑制層と前記電荷蓄積領域との間に設けられた第1導電型の反転層とを備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductive type semiconductor substrate, a second conductive type well provided in the semiconductor substrate, and a first conductive type provided in the well. A plurality of conductivity type charge storage regions; a trench structure provided in the well and having a silicon oxide film formed on the inner wall thereof; and a second structure provided in the vicinity of or very close to the periphery of the trench structure. It is characterized by comprising a conductivity type defect suppression layer and a first conductivity type inversion layer provided between the defect suppression layer and the charge storage region.
このように、フォトダイオードである電荷蓄積領域と、トレンチ構造の周囲に設けられた不純物領域である欠陥抑制層との間に、欠陥抑制層とは異なる導電型の反転層を設けることによって、反転層を設けない場合に生じる電荷蓄積領域の縮小を回避することができる。このため、電荷蓄積領域の縮小に起因するフォトダイオードの飽和特性や感度特性の低下を伴うことなく固体撮像装置の画素セルを微細化することができる。 As described above, the inversion is performed by providing an inversion layer having a conductivity type different from that of the defect suppression layer between the charge accumulation region that is a photodiode and the defect suppression layer that is an impurity region provided around the trench structure. It is possible to avoid the reduction of the charge accumulation region that occurs when the layer is not provided. For this reason, the pixel cell of the solid-state imaging device can be miniaturized without being accompanied by a decrease in the saturation characteristic or sensitivity characteristic of the photodiode due to the reduction of the charge accumulation region.
なお、この場合において、前記欠陥抑制層を形成する第2導電型の不純物濃度は、前記第2導電型のウェルの不純物濃度よりも高く、前記反転層を形成する第1導電型の不純物濃度は、前記電荷蓄積領域の不純物濃度よりも高くすればより好適である。 In this case, the impurity concentration of the second conductivity type forming the defect suppression layer is higher than the impurity concentration of the well of the second conductivity type, and the impurity concentration of the first conductivity type forming the inversion layer is It is more preferable to make the concentration higher than the impurity concentration of the charge storage region.
また、前記電荷蓄積領域に隣接するものではない前記トレンチ構造の周辺には、前記欠陥抑制層および前記反転層が設けられていないことが望ましい。このようにすることで、トランジスタのナローチャネル特性を低下させないようにすることができる。 In addition, it is preferable that the defect suppression layer and the inversion layer are not provided around the trench structure that is not adjacent to the charge accumulation region. By doing so, the narrow channel characteristics of the transistor can be prevented from being deteriorated.
さらに、前記トレンチ構造および前記電荷蓄積領域の下部に形成された素子分離チャネルストッパー層と前記反転層の底部との境界部分に、第2導電型のチャネルストッパー領域が形成されていることが望ましい。このようにすることで、隣り合う電荷蓄積領域の分離をより確実に行うことができる。 Furthermore, it is preferable that a channel stopper region of a second conductivity type is formed at a boundary portion between the element isolation channel stopper layer formed below the trench structure and the charge storage region and the bottom of the inversion layer. By doing so, it is possible to more reliably separate adjacent charge storage regions.
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、第1導電型のシリコン基板に第2導電型のウェルを形成する第1工程と、前記ウェル内にトレンチ構造を形成する第2工程と、前記トレンチ構造の内壁にシリコン酸化膜を形成する第3工程と、前記トレンチ構造の周囲に第2導電型の欠陥抑制層を形成する第4工程と、前記欠陥抑制層の周囲に第1導電型の反転層を形成する第5工程と、前記トレンチ構造の間の領域に第1導電型の電荷蓄積領域を形成する第6工程とを含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a first step of forming a second conductivity type well on a first conductivity type silicon substrate, a second step of forming a trench structure in the well, A third step of forming a silicon oxide film on the inner wall of the trench structure; a fourth step of forming a second conductivity type defect suppression layer around the trench structure; and a first conductivity type around the defect suppression layer. And a sixth step of forming a charge accumulation region of the first conductivity type in a region between the trench structures.
より具体的には、前記第2工程が、前記シリコン基板上にシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を形成した後、パターンニングされたレジスト層を用いて、エッチングによって前記トレンチ構造を形成するものであり、前記第3工程が、前記トレンチ構造内壁に熱酸化によってシリコン酸化膜を形成するものであり、前記第4工程が、第2導電型の不純物をイオン注入することにより前記欠陥抑制層を形成するものであり、前記第5工程が、第1導電型の不純物をイオン注入することにより前記反転層を形成するものであり、前記第6工程が、画素毎にパターニング形成されたレジストを用いて、第1導電型の不純物をイオン注入することにより前記電荷蓄積領域を形成するものであることが望ましい。 More specifically, in the second step, after forming a silicon oxide film and a silicon nitride film on the silicon substrate, the trench structure is formed by etching using a patterned resist layer. In the third step, a silicon oxide film is formed on the inner wall of the trench structure by thermal oxidation. In the fourth step, the defect suppression layer is formed by ion implantation of a second conductivity type impurity. In the fifth step, the inversion layer is formed by ion implantation of impurities of the first conductivity type, and the sixth step uses a resist patterned for each pixel. Preferably, the charge accumulation region is formed by ion implantation of a first conductivity type impurity.
このようにすることで、本発明に係る固体撮像装置を容易に形成することができる。 By doing in this way, the solid-state imaging device concerning the present invention can be formed easily.
また、前記第4工程および前記第5工程のイオン注入が、前記トレンチ構造を用いてこれと自己整合的に行われるものであること、さらに、前記第5工程の前記反転層の形成が、前記第6工程の前記電荷蓄積領域の形成時に注入される不純物よりも2倍以上の濃度を持つ不純物をイオン注入して形成されるものであることが好適である。 Further, the ion implantation in the fourth step and the fifth step is performed in a self-aligned manner using the trench structure, and the formation of the inversion layer in the fifth step is performed as described above. It is preferable that the impurity is formed by ion implantation of an impurity having a concentration twice or more that of the impurity implanted at the time of forming the charge storage region in the sixth step.
さらに、前記第4工程および第5工程において、前記電荷蓄積領域に隣接しない前記トレンチ構造の周辺をレジストで覆い、前記電荷蓄積領域に隣接しない前記トレンチ構造の周辺には前記欠陥抑制層および前記反転層を設けないことが好ましい。 Further, in the fourth and fifth steps, the periphery of the trench structure that is not adjacent to the charge storage region is covered with a resist, and the defect suppression layer and the inversion are formed around the trench structure that is not adjacent to the charge storage region. It is preferred not to provide a layer.
また、前記第6工程の後に、前記トレンチ構造および前記電電荷蓄積領域の下部に素子分離チャネルストッパー層を形成するとともに、前記素子分離チャネルストッパー層と前記反転層の底部との境界部分に、第2導電型のチャネルストッパー領域を形成する第7工程を有することが望ましい。 Further, after the sixth step, an element isolation channel stopper layer is formed below the trench structure and the electric charge storage region, and a boundary portion between the element isolation channel stopper layer and the bottom of the inversion layer is It is desirable to have a seventh step of forming a two-conductivity type channel stopper region.
また、前記第7工程が、前記トレンチ構造の底部に第2導電型の不純物を垂直方向に深くイオン注入して前記チャンネルストッパー領域を形成するものであること、前記第7工程のイオン注入が、前記トレンチ構造を用いてこれと自己整合的に行われるものであることがより望ましい。 In addition, the seventh step is to deeply implant a second conductivity type impurity in the vertical direction at the bottom of the trench structure to form the channel stopper region, and the ion implantation in the seventh step includes: More preferably, the trench structure is used in a self-aligned manner.
本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、トレンチ分離を有する固体撮像装置において、リーク電流を避けながら撮像画素の飽和特性や感度特性を低下させることなく、画素セルを微細化した固体撮像装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention, in the solid-state imaging device having trench isolation, the solid-state imaging in which the pixel cell is miniaturized without reducing the saturation characteristic and the sensitivity characteristic of the imaging pixel while avoiding the leakage current. An apparatus and a manufacturing method thereof can be provided.
以下、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
まず、本発明に係る固体撮像装置の全体構成について説明する。
(Embodiment 1)
First, the overall configuration of the solid-state imaging device according to the present invention will be described.
図1は、固体撮像装置の構成の概略を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an outline of a configuration of a solid-state imaging device.
図1に示されるように、固体撮像装置1は複数の画素セル101、垂直走査回路102、水平走査回路103、水平スイッチ素子104及びアンプ105を備え、これらを読出パルス線106、垂直選択線107、垂直信号線108及び水平信号線109にて接続した構成となっている。なお、画素セル101はそれぞれ垂直選択用スイッチ素子110、読出用スイッチ素子111及び光電変換素子112を備えており、セルサイズは2.2μm角である。画素セル101はマトリックス状に配列されて撮像領域をなす。
As shown in FIG. 1, the solid-
マトリックス状に配列された画素セル101は行毎に垂直選択線107を共用しており、それぞれ垂直選択用スイッチ素子110の制御電極が前記垂直選択線107に接続されている。垂直走査回路102は垂直選択線107を介して、垂直選択用スイッチ素子110の制御電極に垂直走査パルスを入力する。
The
また、画素セル101はマトリックスの列毎に垂直信号線108を共用しており、それぞれ読出用スイッチ素子111の一方の主電極が前記垂直信号線108に接続されている。また、読出用スイッチ素子111の他方の主電極はフォトダイオードである光電変換素子112に接続されている。
The
更に、画素セル101はマトリックスの列毎に読出パルス線106を共用しており、それぞれ垂直選択用スイッチ素子110の主電極が前記読出パルス線106に接続されている。垂直選択用スイッチ素子110の他方の主電極は読出用スイッチ素子111の制御電極に接続されている。
Further, the
水平スイッチ素子104の一方の主電極は垂直信号線108に接続され、他方の主電極は水平信号線109に接続されている。また、水平スイッチ素子104の制御電極には水平走査回路103から水平走査パルスが入力される。アンプ105は水平信号線109の信号電荷を増幅して出力する。
One main electrode of the
さて、垂直走査回路102から垂直走査パルスが、水平走査回路103から読出パルスが入力されると、垂直選択用スイッチ素子110はそれらの積のパルスを読出用スイッチ素子111の制御電極に入力して、光電変換素子112が光電変換して得た信号電荷を垂直信号線108に出力させる。水平走査回路103が水平スイッチ素子104に水平走査パルスを入力すると共に、読出パルス線106に水平読出しパルスを入力すると、垂直信号線108に出力された信号電荷が水平信号線109に伝えられ、アンプ105にて増幅されて出力される。
When a vertical scanning pulse is input from the
なお、ここでは一般的構成の固体撮像装置について説明したが、本発明の固体撮像装置の構成が上記に限定されないのは言うまでも無く、他の構成としても良い。 Although the solid-state imaging device having a general configuration has been described here, it is needless to say that the configuration of the solid-state imaging device of the present invention is not limited to the above, and other configurations may be used.
次に、本実施形態の固体撮像装置1の画素セル101について、詳細な構成を説明する。
Next, a detailed configuration of the
図2は、第1の実施形態における固体撮像装置1の撮像領域、すなわち画素セル101内のフォトダイオード208近傍部分の構成を示す模式断面図である。図2に示されるように、半導体基板であるシリコン基板201上にフォトダイオード208と隣接する素子を分離するためのトレンチ構造(トレンチ溝)203が形成されている。シリコン基板201は、ここでは第1導電型であるN型の半導体基板上に第2導電型であるP型のウェルが形成されている。なお、図2にはP型ウェル部分のみが表わされており、N型基板部分は図示を省略している。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the imaging region of the solid-
フォトダイオード208は第1導電型のN型半導体層からなっており、フォトダイオード208のシリコン基板201表面側にはシールド層214が設けられている。また、フォトダイオード208は、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとなっており、画素セル101における光電変換素子112を構成する。このように埋め込み型フォトダイオードとすることで、フォトダイオード208がシリコン基板201表面の欠陥から遮断されるため、シリコン基板201表面の欠陥に起因するリーク電流の発生を防ぐことができる。フォトダイオード208のサイズは平面視で1.7μm×1.1μmである。
The
トレンチ構造203はその内壁面にライナー酸化膜204が形成されており、さらにここでは、シリコン酸化物を堆積させて形成された埋め込み層が充填されている。このトレンチ構造203によって、隣接する画素セル間、または、シリコン基板表面に形成された回路素子間を分離する。トレンチ構造203のサイズは、幅が0.35μmで、深さが0.3μmである。
The
トレンチ構造203の周囲には、第2導電型であるP型半導体層からなる欠陥抑制層205が形成されている。このようにトレンチ構造203の周囲にP型半導体からなる欠陥抑制層205を形成することにより、以下のような効果が生じる。
Around the
後述するとおり、トレンチ構造203はドライエッチングによって形成されるため、シリコン基板201がエッチングプラズマによるダメージを受ける。また、トレンチ構造203の内壁面のライナー酸化膜204は熱酸化によって形成されるため、ライナー酸化膜204とシリコン基板201との間に応力が発生する。これらの結果、トレンチ構造203周辺のシリコン基板201内に格子欠陥が生じると、この格子欠陥から熱励起により電荷が生じてフォトダイオード208に入り、偽信号を発生させて画質を劣化させてしまうことがある。ここで、P型半導体層の欠陥抑制層205をトレンチ構造203の周囲に形成することで、上述の電子をホールと結合させてフォトダイオード208に入るのを阻止することができるのである。この効果を十分に発揮させるため、欠陥抑制層205はトレンチ構造から約50nm程度の範囲の欠陥存在領域を覆うよう形成している。
As will be described later, since the
また、欠陥抑制層205の不純物濃度は、シリコン基板を形成するP型半導体ウェルの不純物濃度より高い濃度であることが望ましい。具体的な濃度としては、欠陥抑制層205の不純物濃度が5E17[/m3]程度、P型半導体ウェルの不純物濃度は1E17[/m3]程度であり、このようにP型ウェルの不純物濃度よりも高い不純物濃度とすることで、欠陥抑制層205のうちトレンチ構造203側へ空乏層が伸びにくくなるため、トレンチ構造表面の欠陥を電気的に不活性にすることができるようになる。
The impurity concentration of the
欠陥抑制層205の周囲には、第1導電型であるN型半導体からなる反転層209が形成されている。このように第1導電型の反転層209を形成することで、フォトダイオード208の実効領域が縮小することを防止することができるという効果がある。
An
上述のように欠陥抑制層205は、その作用効果を考え、濃いP型の半導体層で形成することが望ましいが、固体撮像装置1の製造プロセスにおける種々の熱処理工程によって欠陥抑制層205に含まれるP型不純物が熱拡散してフォトダイオード208に進入することが考えられる。この結果、N型半導体層であるフォトダイオード208の実効領域が縮小するという現象が生じ、フォトダイオード208に蓄積できる電荷数が減少して画質が低下するという問題が発生する。
As described above, the
この問題は、トレンチ構造203とフォトダイオード208との間隔が狭くなる場合、特に画素セルのサイズが本実施の形態のように2.2μm角の場合、もしくはこれよりも小さくなる場合に顕著となるが、本実施の形態のように反転層209を設けることで、より小さな画素セルの固体撮像装置を実現することができるようになるのである。
This problem becomes prominent when the distance between the
このような作用効果から、反転層209の不純物濃度は、フォトダイオード208を形成するN型半導体の不純物濃度より高い濃度であることが望ましい。具体的な濃度としては、反転層209の不純物濃度は1〜5E12[/m3]程度、フォトダイオード208の不純物濃度は1〜5E11[/m3]程度であり、このようにフォトダイオード208の不純物濃度よりも高い不純物濃度とすることで、フォトダイオード208の電位を横方向に広くすることができるため、フォトダイオード208に蓄積することができる電子数を増加させることが可能となる。
From such an effect, it is desirable that the impurity concentration of the
反転層209を上記のように濃いN型半導体層とした場合の、不純物プロファイルを図9に示す。図9のプロファイルから、図10に示す反転層209を形成していない場合のプロファイルと比較して、フォトダイオード208を構成するN型領域がトレンチ構造203側に広がって形成されていることがわかる。この不純物プロファイル結果からも明らかなとおり、反転層209を設けることによって、微細化に伴ってフォトダイオード208の実効領域が当初の領域よりも縮小することを防止できていることがわかる。
FIG. 9 shows an impurity profile when the
上記以外の構成は、通常の固体撮像装置と同様であるため、簡略に説明する。 Since the configuration other than the above is the same as that of a normal solid-state imaging device, it will be briefly described.
フォトダイオード208のキャリアをドレイン層215に転送する転送ゲートの閾値を決定する読出制御層として、P型領域の第1から第3の3つの読出制御層207、210、211がフォトダイオード208の近傍に形成される。これらは、ゲート酸化膜212、ゲート電極213、ドレイン層215とともに、読出用スイッチ素子111を構成する。
The first to third
配線217はフォトダイオード208に蓄積された電荷を読み出すための配線である。層間絶縁膜216は可視光について高い透光性を有する絶縁部材である。遮光膜218は入射光が入射すべきフォトダイオード208以外のフォトダイオード208に入射しないように遮光する。チャネルストッパー層220は、トレンチ素子分離のチャネルストッパーであり、隣り合う素子間を分離する。また、保護膜218は固体撮像素子1の表面を保護する。
A
なお、以上、電荷蓄積領域であるフォトダイオード208を形成する画素部について本実施形態の固体撮像素子の構造を説明してきたが、画素部の周辺でフォトダイオード208を形成しない周辺回路部に形成されている、電荷蓄積領域に隣接しないトレンチ構造203については、その周囲の構成を画素部のものと異ならせることが望ましい。周辺回路部では、画素部のようにトレンチ構造203を設けることで生じる、不要な電荷がフォトダイオードに入って画質が低下するという課題が生じないため、欠陥抑制層205および反転層209は不要となるからである。むしろ、周辺回路部のトレンチ構造203の周辺には欠陥抑制層205や反転層209を形成しないことで、周辺回路として形成されるトランジスタのナローチャネル特性を劣化させることなく周辺回路を正常に動作させることができる。
As described above, the structure of the solid-state imaging device of the present embodiment has been described for the pixel portion that forms the
次に、以上説明した固体撮像装置1の製造工程について説明する。
Next, the manufacturing process of the solid-
図3から図8は、本実施形態に係る固体撮像装置1の製造工程を示す模式断面図である。
3 to 8 are schematic cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the solid-
まず、第1導電型であるN型の半導体基板上に第2導電型であるP型のウェルを形成して、シリコン基板201を形成する(第1工程、図示せず。)。 First, a P-type well, which is a second conductivity type, is formed on an N-type semiconductor substrate, which is a first conductivity type, to form a silicon substrate 201 (first step, not shown).
次に、図3(a)に示すように、シリコン基板201上に下地シリコン酸化膜である酸化膜202を熱酸化によって形成し、当該酸化膜202上に、低圧化学気相成長法(LPCVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition)によってシリコン窒化膜である窒化膜301を形成する。酸化膜202の膜厚は10nmであり、窒化膜301の膜厚は150nmである。なお、低圧化学気相成長法は、形成する薄膜を構成する元素を含む1乃至数種の化合物ガスや単体ガスを0.1〜10Torr程度の減圧下の昇温したウェーハ上に供給し、化学反応によって薄膜を成長させる方法である。
Next, as shown in FIG. 3A, an
その後、図3(b)に示すように、窒化膜301上にレジスト剤を塗布し、熱処理(プリベーク)し、ステッパ等の露光装置を用いて露光し、有機溶剤等でレジスト現像した後、再び熱処理(ポストベーク)することによってパターン化されたレジスト302を形成する。そして、窒化膜301、酸化膜202及びシリコン基板201のレジスト302に覆われていない部分をエッチングプロセスによって掘削してトレンチ構造203を形成する(第2工程)。この場合において、エッチングプロセスはドライエッチングであっても良いし、ウェットエッチングであっても良い。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, a resist agent is applied onto the
次に、図3(c)に示すように、レジスト302を除去した後、熱処理を施すことによってトレンチ構造203の内壁を熱酸化させ、薄いライナー酸化膜204を形成する(第3工程)。ライナー酸化膜204の膜厚は15nmである。
Next, as shown in FIG. 3C, after removing the resist 302, the inner wall of the
次に、図4(a)に示すように、ホウ素(B)を加速エネルギー30keV、シリコン基板201の表面の垂線に対する傾斜角25度で注入量8.0×1012ions/cm2ずつ4方向から順次イオン注入して、欠陥抑制層205を形成する(第4工程)。ここで4方向から順次注入するとは、注入イオンの傾斜角を保ちながらシリコン基板201の主面に対して90度ずつ回転しながらイオン注入することをいう。このようにすれば、シリコン基板201表面にイオンが注入されない「かげ」の部分ができないので、トレンチ構造203の壁面の周囲すべてについて欠陥抑制層205を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4 (a), boron (B) is implanted at an acceleration energy of 30 keV and at an inclination angle of 25 degrees with respect to the normal of the surface of the
その後、図4(b)に示すように、砒素(As)を加速エネルギー600KeV、傾斜角25度で注入量5.0×1011ions/cm2ずつ4方向から順次イオン注入して、高濃度のN型領域である反転層209を形成する(第5工程)。
Thereafter, as shown in FIG. 4 (b), arsenic (As) is ion-implanted sequentially from four directions at an implantation energy of 5.0 × 10 11 ions / cm 2 at an acceleration energy of 600 KeV and an inclination angle of 25 degrees to obtain a high concentration. The
ここで、注入する不純物の濃度は、後に同じ導電型の領域として形成される電荷蓄積領域であるフォトダイオード208を形成する際に注入する不純物濃度よりも濃くすることで、形成される領域の濃度を高くすることができ、特に、注入する際の不純物濃度を2倍以上とすることが好ましい。このように、反転層209を形成する際の不純物濃度を、フォトダイオード208を形成する際の不純物濃度より濃くすること、特に、2倍以上の不純物濃度とすることで、フォトダイオードの電位を横方向に広くすることができるため、フォトダイオード208に蓄積することができる電子数を増加することが可能になるという効果が生じる。
Here, the concentration of the impurity to be implanted is set higher than the impurity concentration to be implanted when the
また、トレンチ構造203を形成した後に、所定の傾斜角で4方向から順次不純物を注入するという工法をとることで、欠陥抑制層205および反転層209の双方ともをトレンチ構造203に対して自己整合的に形成することができる。特に、反転層209については、レジストパターニングによってイオン注入を行う方法に比べてマスク合わせによる重ね合わせばらつきを考慮する必要がなく、プロセス上のばらつきを低減することができるという大きな長所を有する。
In addition, after the
なお、ここまでは、電荷蓄積領域であるフォトダイオード208が形成される画素部のトレンチ構造203について、その周囲近傍に欠陥抑制層205および反転層209を形成する方法について説明してきた。しかしながら、画素部の周囲に形成される周辺回路部において電荷蓄積領域に隣接しないトレンチ構造203の周辺には、欠陥抑制層205および反転層209の形成は不要である。このため、画素部のトレンチ構造203の周囲に欠陥抑制層205および反転層209を形成する第4工程および第5工程時には、窒化膜301を含む周辺回路領域全面にレジスト膜を塗布してこれら周辺回路部のトレンチ構造203を覆うようにする。このようにすることで、周辺回路部に位置する、電荷蓄積領域に隣接しないトレンチ構造203の周辺には、欠陥抑制層205や反転層209が形成されないため、トランジスタのナローチャネル特性を劣化させることなく周辺回路を正常に動作させることができる。
Up to this point, the method for forming the
上記のように、画素部と周辺回路部とで、その周囲の構造が異なる2種類のトレンチ構造203を形成した後、シリコン基板201の全面にシリコン酸化物を堆積させて埋込層206を形成し、化学機械的研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polising)を用いて埋込層206以外のシリコン酸化物を除去して、図4(c)に示すように表面を平坦化する。
As described above, after forming two types of
更に、図4(d)に示すように、窒化膜301を除去し、図5(a)に示すように、ホウ素を加速エネルギー10keVでイオン注入量1.0×1012ions/cm2だけ注入して、第1読出制御層207を形成する。
Further, as shown in FIG. 4D, the
その後、図5(b)に示すように、酸化膜202および埋込層206上にレジスト膜を塗布、通常の露光現像作業によってパターンニングされたレジスト501を形成した後、砒素(As)を加速エネルギー600keVで注入量1.0×1012ions/cm2だけイオン注入して、電荷蓄積領域であるフォトダイオード208を形成する(第6工程)。
Thereafter, as shown in FIG. 5B, a resist film is applied on the
レジスト501を除去した後、図6(a)に示すように、パターンニングされたレジスト601を形成し、先ず、ホウ素を加速エネルギー300keVで注入量4.0×1011ions/cm2だけイオン注入して第2読出制御層210を形成する。次いで、同じくホウ素を加速エネルギー100keVで注入量8.0×1011ions/cm2だけイオン注入して第3読出制御層211を形成する。
After removing the resist 501, a patterned resist 601 is formed as shown in FIG. 6A. First, boron is ion-implanted with an acceleration energy of 300 keV and an implantation amount of 4.0 × 10 11 ions / cm 2. Thus, the second
レジスト601を除去した後、ホウ素を加速エネルギー120KeVで注入量6.0×1012ions/cm2だけイオン注入して図6(b)に示すように、素子分離チャネルストッパー層220を形成する。
After the resist 601 is removed, boron is ion-implanted with an acceleration energy of 120 KeV and an implantation amount of 6.0 × 10 12 ions / cm 2 to form an element isolation
酸化膜202をエッチングプロセスによって除去して第1読出制御層207を露出させる。そして、この第1読出制御層207の露出部分に、図7(a)に示すように、ゲート酸化膜212とこれを介してゲート電極213とを順次形成する。
The
次に、図7(b)に示すように、パターンニングされたレジスト603を形成した後、ホウ素を加速エネルギー6keVで注入量1.0×1014ions/cm2だけイオン注入し、シールド層214を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, after a patterned resist 603 is formed, boron is ion-implanted with an acceleration energy of 6 keV and an implantation amount of 1.0 × 10 14 ions / cm 2 , thereby forming a
レジスト603を除去した後、図8(a)に示すように、パターンニングされたレジスト702を形成し、リン(P)を加速エネルギー50keVで注入量4.0×1013ions/cm2だけイオン注入し、更にホウ素を加速エネルギー30keVで注入量2.0×1012ions/cm2だけイオン注入してドレイン層215を形成する。
After removing the resist 603, a patterned resist 702 is formed as shown in FIG. 8A, and phosphorus (P) ions are implanted at an acceleration energy of 50 keV and an implantation amount of 4.0 × 10 13 ions / cm 2. Then, boron is further ion-implanted at an acceleration energy of 30 keV and an implantation amount of 2.0 × 10 12 ions / cm 2 to form the
そして、レジスト702を除去した後、図8(b)に示すように、配線工程にて層間絶縁膜216、配線217、遮光膜218及び保護膜219を形成する。
Then, after removing the resist 702, as shown in FIG. 8B, an
このようにして、本実施形態にかかる固体撮像装置1が製造される。
(第2の実施形態)
本発明に係る固体撮像装置1の別の実施形態について説明する。
In this way, the solid-
(Second Embodiment)
Another embodiment of the solid-
図11は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の撮像領域の構成を示す模式断面図である。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of an imaging region of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
この第2の実施形態にかかる固体撮像装置は、基本的な構成は上述した第1の実施形態にかかる固体撮像装置と同様であり、構成が同じ部分には同じ符号を付し、また、説明を簡略化する。 The basic configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment is the same as that of the solid-state imaging device according to the first embodiment described above. To simplify.
すなわち、シリコン基板201上に電荷蓄積領域であるフォトダイオード208とトレンチ構造203が形成されおり、シリコン基板201がN型半導体基板上にP型ウェルが形成されてなる点、また、トレンチ構造203の内壁にライナー酸化膜204が、また、トレンチ構造203の周囲に欠陥抑制層205および反転層209が形成されている点やこれらの導電型も第1の実施形態のものと同じである。さらに、フォトダイオードのサイズが平面視で1.7μm×1.1μmである点、また、トレンチ構造203の幅が0.35μmで深さが0.3μmである点も同じである。
That is, a
フォトダイオード208の近傍に、第1から第3の3つの読出制御層207、210及び211、ゲート酸化膜212、ゲート電極213、ドレイン層215等が形成されて読出用スイッチ素子111を構成する点、その他配線217、層間絶縁膜216、遮光膜218についても同様である。
The first to third
本実施の形態では、電荷蓄積領域であるフォトダイオード208およびトレンチ構造203や読出用スイッチ素子111を構成する各領域が形成されている下方のシリコン基板201内に形成された素子分離チャネルストッパー層220と、トレンチ構造203の周囲に形成された反転層209との境界部分近傍に、第2導電型であるP型のチャンネルストッパー領域221が形成されている点が第1の実施形態のものと異なる。
In the present embodiment, the device isolation
本願発明では、不要なリーク電流の発生を防止するためにトレンチ構造203の周囲に形成される欠陥抑制層205が、フォトダイオードとは異なる導電型であるために、基板の熱処理工程中にフォトダイオードの実効領域を縮小して電荷蓄積効果が低減されることを防ぐことを目的として、フォトダイオードと同じ導電型の反転層209を、欠陥抑制層205とフォトダイオード208との間に設けることを特徴とする。しかし、この場合において、通常形成するトレンチ素子分離のための素子分離チャネルストッパー層220のみでは、素子分離リークが発生したり耐圧が低下したりする可能性がある。このような場合に、第2の実施形態で示した、フォトダイオード208の導電型とは異なる、第2導電型のチャンネルストッパー領域221を、反転層209と素子分離チャンネルストッパー層220との境界部近傍に形成することで、素子分離性能の低下を防止することができるのである。
In the present invention, since the
次に、この第2の実施形態として示す固体撮像素子の製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method of the solid-state imaging device shown as the second embodiment will be described.
上述の通り、第2の実施形態にかかる固体撮像装置は、素子分離チャネルストッパー層220と、トレンチ構造203の周囲に形成された反転層209との境界部分近傍に、第2導電型であるP型のチャンネルストッパー領域221が形成されている点が第1の実施形態のものと異なる。このため、ここでは、チャンネルストッパー領域221の形成を中心に説明することとする。
As described above, the solid-state imaging device according to the second embodiment has the second conductivity type P in the vicinity of the boundary between the element isolation
図12は、第2の実施の形態にかかる固体撮像装置の製造工程について説明する模式断面図である。なお、図12(a)は、電荷蓄積領域であるフォトダイオード208に隣接するトレンチ構造203に、これと自己整合するようにして欠陥抑制層205および反転層209を形成した段階のものであり、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を説明した図4(b)のものと同じである。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the second embodiment. FIG. 12A shows a stage in which the
第2の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法においては、トレンチ203の内面へホウ素(B)を加速エネルギー30keV、傾斜角25度で注入量8.0×1012ions/cm2ずつ4方向から順次イオン注入して、欠陥抑制層205を形成した後、砒素(As)を加速エネルギー600Kev、傾斜角25度で注入量5.0×1011ons/cm2ずつ4方向から順次イオン注入して、図12(a)に示すように、反転層209を形成する。
In the method of manufacturing the solid-state imaging device according to the second embodiment, boron (B) is implanted into the inner surface of the
このようにして欠陥抑制層205と反転層209をトレンチ構造203に対して自己整合的に形成した後、図12(b)に示すように、ホウ素(B)を加速エネルギー120〜150KeV、傾斜角0度で注入量6.0×1012ions/cm2をイオン注入してチャネルストッパー領域221を形成する(第7工程)。
After the
この時、チャネルストッパー領域221を形成するトレンチ構造203の底部以外の活性領域に、ホウ素(B)イオンが注入されないように、イオン注入のRpとΔRpを足した以上に、シリコン基板上201の窒化膜301を厚く形成しておくことに注意する。たとえば、上述したホウ素(B)の加速エネルギーが120〜150KeVであれば、窒化膜203として200nm以上を堆積していればよい。このように、ホウ素(B)イオンを注入させたくない領域の窒化膜301の厚みを厚く形成しておくことで、トレンチ分離によってチャネルストッパー領域221を自己整合的に形成できるため、レジストパターニングによるイオン注入に比べてマスク合わせによる重ね合わせばらつきを考慮する必要がなく、プロセス上のばらつきを低減させることができる。
At this time, in order to prevent boron (B) ions from being implanted into the active region other than the bottom of the
この後は、第1の実施形態の固体撮像素子の製造方法として説明したのと同じ方法で、埋め込み層206の形成以下を行えばよく、図4(c)以下、図5から図8として示した工程を経ることで第2の実施形態にかかる固体撮像素子を形成することができる。
After this, the formation of the buried
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。 As described above, the present invention has been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications can be implemented.
たとえば、上記実施の形態においては、画素セルのサイズを2.2μm角としたが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、2.2μm角以外のサイズをとるとしても良い。特に、1.5μm角など、2.2μm角よりも画素セルのサイズが小さい場合には、本願発明を適用することにより、飽和特性や感度特性の低下を伴わない、微少なサイズの画素セルを持つ固体撮像装置を得ることができる。また、フォトダイオード208やトレンチ構造203のサイズについても、画素セルのサイズによって、上述した実施の形態とは異なるものとして設計されることは当然である。
For example, in the above embodiment, the size of the pixel cell is 2.2 μm square, but it is needless to say that the present invention is not limited to this, and may have a size other than 2.2 μm square. In particular, when the pixel cell size is smaller than a 2.2 μm square, such as a 1.5 μm square, the application of the present invention allows a pixel cell with a very small size that is not accompanied by a decrease in saturation characteristics or sensitivity characteristics. A solid-state imaging device can be obtained. In addition, the size of the
また、上述の各実施形態においては、第1の導電型としてN型を、また、第2の導電型としてP型を用いた場合について説明したが、2つの導電型を反転させて用いた場合、すなわち第1の導電型としてP型半導体を、第2の導電型としてN型半導体を用いた場合でも、上記本願発明の作用効果は同様に発揮される。 Further, in each of the above-described embodiments, the case where the N type is used as the first conductivity type and the P type is used as the second conductivity type has been described, but the case where the two conductivity types are inverted is used. That is, even when a P-type semiconductor is used as the first conductivity type and an N-type semiconductor is used as the second conductivity type, the above-described effects of the present invention are similarly exhibited.
また、トレンチ構造203について、上記各実施形態においては、画素部と周辺回路部とでその周囲の構成が異なるもののみを示したが、周辺回路部分でのトレンチ構造と回路素子との間隔がある程度大きい場合等、周辺回路素子への悪影響が特に生じない場合は、すべてのトレンチ構造について、欠陥抑制層205や反転層209を設けてもよい。
In addition, regarding the
さらに、上記実施形態の説明では、トレンチ構造203の内部にシリコン酸化物の埋め込み層206を設けた場合のみを説明したが、これに限らず、素子分離の機能が発揮できるのであれば、トレンチ構造の埋め込み物質の有無やその種類については、上記説明に限定されるものではない。
Furthermore, in the description of the above embodiment, only the case where the silicon oxide buried
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、固体撮像装置において飽和特性や感度特性を低下させることなく画素セルを微細化する技術として有用である。 The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful as a technique for miniaturizing a pixel cell without reducing saturation characteristics and sensitivity characteristics in the solid-state imaging device.
1 固体撮像装置
101 画素セル
102 垂直走査回路
103 水平走査回路
104 水平スイッチ素子
105 アンプ
106 読出パルス線
107 垂直選択線
108 垂直信号線
109 水平信号線
110 垂直選択用スイッチ素子
111 読出用スイッチ素子
112 光電変換素子
201 シリコン基板
202 酸化膜
203 トレンチ構造
204 ライナー酸化膜
205 欠陥抑制層
207、210、211 読出制御層
208 フォトダイオード
209 反転層
212 ゲート酸化膜
213 ゲート電極
214 シールド層
215 ドレイン層
216 層間絶縁膜
217 配線
218 遮光膜
219 保護膜
220 素子分離チャネルストッパー層
221 チャネルストッパー領域
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体基板内に設けられた第2導電型のウェルと、
前記ウェル内に設けられた第1導電型の複数の電荷蓄積領域と、
前記ウェル内に設けられ、その内壁にシリコン酸化膜が形成されたトレンチ構造と、
前記トレンチ構造の周囲に近接してあるいはそのごく近傍に設けられた第2導電型の欠陥抑制層と、
前記欠陥抑制層の周囲の前記電荷蓄積領域との間に設けられた第1導電型の反転層と
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type well provided in the semiconductor substrate;
A plurality of charge storage regions of a first conductivity type provided in the well;
A trench structure provided in the well and having a silicon oxide film formed on the inner wall thereof;
A defect-conducting layer of a second conductivity type provided near or in the vicinity of the periphery of the trench structure;
A solid-state imaging device comprising: a first conductivity type inversion layer provided between the charge suppression region around the defect suppression layer.
前記ウェル内にトレンチ構造を形成する第2工程と、
前記トレンチ構造の内壁にシリコン酸化膜を形成する第3工程と、
前記トレンチ構造の周囲に第2導電型の欠陥抑制層を形成する第4工程と、
前記欠陥抑制層の周囲に第1導電型の反転層を形成する第5工程と、
前記トレンチ構造の間の領域に第1導電型の電荷蓄積領域を形成する第6工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 A first step of forming a second conductivity type well on a first conductivity type silicon substrate;
A second step of forming a trench structure in the well;
A third step of forming a silicon oxide film on the inner wall of the trench structure;
A fourth step of forming a second conductivity type defect suppression layer around the trench structure;
A fifth step of forming a first conductivity type inversion layer around the defect suppression layer;
And a sixth step of forming a first conductivity type charge storage region in a region between the trench structures.
前記第3工程が、前記トレンチ構造内壁に熱酸化によってシリコン酸化膜を形成するものであり、
前記第4工程が、第2導電型の不純物をイオン注入することにより前記欠陥抑制層を形成するものであり、
前記第5工程が、第1導電型の不純物をイオン注入することにより前記反転層を形成するものであり、
前記第6工程が、画素毎にパターニング形成されたレジストを用いて、第1導電型の不純物をイオン注入することにより前記電荷蓄積領域を形成するものである請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法。 In the second step, after forming a silicon oxide film and a silicon nitride film on the silicon substrate, the trench structure is formed by etching using a patterned resist layer,
In the third step, a silicon oxide film is formed on the inner wall of the trench structure by thermal oxidation.
In the fourth step, the defect suppression layer is formed by ion implantation of a second conductivity type impurity.
In the fifth step, the inversion layer is formed by ion implantation of a first conductivity type impurity.
6. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein in the sixth step, the charge accumulation region is formed by ion-implanting a first conductivity type impurity using a resist patterned for each pixel. Production method.
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