JP2008091702A - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof, and electronic information apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像可能とするMOS型センサまたはCMOS型センサなどに用いられ、各画素部間が分離された素子分離領域に空乏層が直に接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域端に形成した固体撮像装置の製造方法、これにより製造された固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used for a MOS type sensor or a CMOS type sensor that can image light from a subject by photoelectric conversion so that a depletion layer does not directly contact an element isolation region in which each pixel portion is separated. In addition, a solid-state imaging device manufacturing method in which a high-concentration impurity layer is formed at the end of the element isolation region by ion implantation, a solid-state imaging device manufactured thereby, and the solid-state imaging device used as an image input device in an imaging unit, for example The present invention relates to electronic information devices such as digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras, image input cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phone devices.
近年、固体撮像素子としてCCD(Charge Coupled Device)型センサに代わって、動作の高速化および低消費電力化を図る上で有利なCMOS型センサが注目されつつある。このCMOS型センサの画質を決定する要素の一つとして暗電流が挙げられ、この暗電流が、特に、低輝度における感度や表示のざらつきなどに影響を与える。 2. Description of the Related Art In recent years, CMOS type sensors that are advantageous for achieving high-speed operation and low power consumption have been drawing attention in place of CCD (Charge Coupled Device) type sensors as solid-state imaging devices. One of the factors that determine the image quality of this CMOS type sensor is dark current, and this dark current particularly affects sensitivity at low luminance and display roughness.
この暗電流は、半導体基板と酸化膜との界面に生じる界面準位に起因しており、特に、画素部間を分離する素子分離領域における界面準位が大きな問題であることが分かっている。したがって、この問題を解決するために、従来、多くの提案が為されている。 This dark current is caused by the interface state generated at the interface between the semiconductor substrate and the oxide film, and in particular, it has been found that the interface state in the element isolation region that separates the pixel portions is a big problem. Therefore, many proposals have been made to solve this problem.
例えば特許文献1および特許文献2には、素子分離領域に空乏層が接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域端に形成した固体撮像素子が提案されている。
For example,
他の方法として、例えば特許文献3には、素子分離領域に保護ゲート電極を形成して空乏層が接しないように構成した固体撮像装置が提案されている。また、例えば特許文献4には、素子分離領域内にゲート電極を埋め込み、このゲート電極に電圧を印加することによって空乏層の伸びを抑制した固体撮像装置が提案されている。さらに、例えば特許文献5には、素子分離領域の隣に発生電流を排出するためのドレイン領域を設けた固体撮像装置が提案されている。
これらの上記特許文献3〜5に提案されている従来の固体撮像装置については、製造条件が複雑になり、また、画素の微細化に適していないため、実用的ではない。
As another method, for example, Patent Document 3 proposes a solid-state imaging device in which a protective gate electrode is formed in an element isolation region so that a depletion layer is not in contact therewith. For example,
These conventional solid-state imaging devices proposed in Patent Documents 3 to 5 are not practical because the manufacturing conditions are complicated and they are not suitable for pixel miniaturization.
したがって、ここでは、最も容易に作製可能で暗電流低減効果を期待することができる方法として、特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置の製造方法について、図8(a)および図8(b)を用いて詳細に説明する。
Therefore, here, as a method that can be most easily manufactured and expected to have a dark current reduction effect, a conventional method for manufacturing a solid-state imaging device disclosed in
図8(a)および図8(b)は、従来の固体撮像装置の製造方法について説明するための各製造工程における1画素分を示す要部縦断面図である。 FIG. 8A and FIG. 8B are main part longitudinal sectional views showing one pixel in each manufacturing process for explaining a conventional method of manufacturing a solid-state imaging device.
まず、図8(a)に示すように、n型半導体基板101の表面上に、例えばSiO2などからなる絶縁膜102を形成し、この絶縁膜102と共にn型半導体基板101にトレンチ分離用(画素分離用)の溝103を形成する。
次に、このトレンチ分離用の溝103の端から所定の距離d1だけ能動領域側に離れるように、溝103で分離された能動領域の画素領域内にレジストマスク104を形成する。このレジストマスク104上からp型不純物105をイオン注入して、一部が溝103から画素領域側(レジストマスク104側)に張り出すように、半導体基板101に第2のp型半導体ウェル領域106(p−well2)を形成する。
このとき、第2のp型半導体ウェル領域106は、溝103の側部および底部にわたって十分な幅および深さで形成され、溝103の側部および底部において能動領域と溝103に埋め込まれる絶縁膜との界面の全てを囲うように形成される。
First, as shown in FIG. 8A, an
Next, a
At this time, the second p-type
さらに、図8(b)に示すように、溝103内に埋め込み絶縁膜107として例えばSiO2膜材料を例えばCVD(化学気相成長)法により埋め込み、その表面を平坦化することにより、溝103および埋め込み絶縁膜107からなるトレンチ素子分離層108を形成する。
その後、画素領域を除いて終端がトレンチ素子分離層108上に存するようにレジストマスク109を形成し、このレジストマスク109上から画素領域側で深さ方向にそれぞれ選択的にp型不純物およびn型不純物をイオン注入することにより、半導体基板101の深い位置に、第2のp型半導体ウェル領域106と接続する第1のp型半導体ウェル領域110を形成し、半導体基板101の表面側に電荷蓄積領域となるn型半導体領域111を形成し、さらに、n型半導体領域111と半導体絶縁膜102との界面に第2のp型不純物ウェル領域106と接続する高濃度のp型半導体領域112を形成する。このとき、表面側のn型半導体領域111と第1のp型半導体ウェル領域110との間の半導体基板部分は、n型半導体領域111よりも低濃度のn型不純物領域113となっている。
Further, as shown in FIG. 8B, for example, a SiO 2 film material is buried in the
After that, a
なお、ここでは、第1のp型半導体ウェル領域110、n型半導体領域111および高濃度のp型半導体領域112のイオン注入工程を1つの図で示しているが、これは、同一工程で行ってもよいが、他の部位を形成する都合上で、別工程となる場合もある。
Here, the ion implantation process of the first p-type
このようにして、目的とする光電変換部としてのセンサ部(フォトダイオード部)を形成する。このセンサ部は、高濃度のp型半導体領域112と、n型半導体領域111および低濃度のn型不純物領域113と、第1のp型半導体ウェル領域110とによって、いわゆるHAD(Hole Accumulation Diode)センサ部として構成されている。
しかしながら、上記従来の固体撮像装置の製造方法には、以下のような問題がある。 However, the conventional method for manufacturing a solid-state imaging device has the following problems.
第2のp型半導体ウェル領域106をレジストマスク104を用いて形成しているため、第2のp型半導体ウェル領域106の端とトレンチ素子分離層108の端との図8(a)に示す距離d1において、レジストマスク104の合わせずれによる寸法ばらつきが必ず生じる。このため、センサ部(フォトダイオード)を構成するn型半導体領域111およびn型不純物領域113からの空乏層がトレンチ素子分離層108の端に直に接しないようにするためには、その第2のp型半導体ウェル領域106のトレンチ素子分離層108に対する形成位置のばらつきを考慮して、上記距離d1を大きくとる必要が生じる。しかしながら、上記距離d1を大きくとると、今後必要とされるような更なる微細な画素を形成することは不可能になってしまう。
Since the second p-type
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、素子分離領域に空乏層が直に接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域端に形成して暗電流を抑えた画質の良好な固体撮像素子において、従来技術のように製造条件が複雑にならず簡略化でき、画素の微細化を図ることができる固体撮像装置の製造方法、これにより製造された固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and forms a high-concentration impurity layer at the edge of the element isolation region by ion implantation so that the depletion layer does not directly contact the element isolation region. In a solid-state imaging device of the present invention, a manufacturing method of a solid-state imaging device capable of simplifying the manufacturing conditions without being complicated as in the prior art and miniaturizing pixels, a solid-state imaging device manufactured thereby, and An object of the present invention is to provide an electronic information device using the solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit.
本発明の固体撮像装置の製造方法は、素子分離領域により各能動領域間が素子分離された固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法において、能動領域となる部分を残して該各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを半導体基板上に形成するマスク形成工程と、該マスク上から該半導体基板にイオン注入を行うイオン注入工程と、該マスクを用いて、該イオン注入の前後または後に該素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device manufacturing method of the present invention is a solid-state imaging device manufacturing method for manufacturing a solid-state imaging device in which each active region is element-isolated by an element isolation region. A mask forming process for forming a mask patterned on the semiconductor substrate so as to open around the active region, an ion implantation process for performing ion implantation on the semiconductor substrate from the mask, and the ion using the mask An element isolation region forming step for forming the element isolation region before, after, or after implantation, thereby achieving the above object.
また、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるマスクを、前記イオン注入に用いると共に、前記素子分離領域の素子分離溝の形成に用いる。 Preferably, a mask in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is used for the ion implantation and for forming an element isolation groove in the element isolation region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における能動領域は、画素部および、該画素部からの信号を検出する信号検出部と、該画素部と該信号検出部間のゲート領域とを有する。 Further preferably, the active region in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention includes a pixel unit, a signal detection unit that detects a signal from the pixel unit, and a gate region between the pixel unit and the signal detection unit. Have
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入の方向は、少なくとも前記能動領域側に向けて傾斜している。 Further preferably, the direction of ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is inclined at least toward the active region side.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入後に、熱処理により注入イオンを拡散および活性化させる熱処理工程をさらに有する。 Further preferably, the method further includes a heat treatment step of diffusing and activating the implanted ions by heat treatment after the ion implantation in the method of manufacturing the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記熱処理工程後に前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングして溝を形成する溝形成工程を有する。 Still preferably, in a solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention, the element isolation region forming step includes a groove forming step of forming a groove by etching the semiconductor substrate using the mask after the heat treatment step.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記イオン注入後に前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングして溝を形成する溝形成工程を有する。 Still preferably, in a solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention, the element isolation region forming step includes a groove forming step of forming a groove by etching the semiconductor substrate using the mask after the ion implantation.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記イオン注入前に前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングして溝を形成する溝形成工程を有する。 Further preferably, the element isolation region forming step in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention includes a groove forming step of forming a groove by etching the semiconductor substrate using the mask before the ion implantation.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における半導体基板を回転させながらイオン注入を行う。 Further preferably, ion implantation is performed while rotating the semiconductor substrate in the method of manufacturing the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入の方向は、前記半導体基板の主面に対する垂線からの注入角度が0度以上7度以下または10度以上30度以下の範囲に設定する。 Further preferably, the ion implantation direction in the method of manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is such that the implantation angle from the perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate is in the range of 0 to 7 degrees or 10 to 30 degrees. Set.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入を、前記マスクを前記能動領域側に所定量だけ後退させた状態で行う。 Further preferably, ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is performed in a state where the mask is retracted by a predetermined amount toward the active region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記マスクの少なくとも前記能動領域側の側壁にサイドウォールを形成するサイドウォール形成工程と、該マスクおよび該サイドウォールを用いて前記半導体基板をエッチングして溝を形成する溝形成工程とを有する。 Further preferably, the element isolation region forming step in the method of manufacturing a solid-state imaging device of the present invention includes a sidewall forming step of forming a sidewall on at least the side wall of the active region of the mask, the mask and the sidewall Forming a groove by etching the semiconductor substrate by using the method.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記溝に絶縁膜を埋め込んで絶縁領域を形成する絶縁領域形成工程をさらに有する。 Further preferably, the element isolation region forming step in the method of manufacturing a solid-state imaging device of the present invention further includes an insulating region forming step of forming an insulating region by embedding an insulating film in the groove.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入を、加速エネルギー500KeV以上800KeV以下で行う。 Further preferably, ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is performed at an acceleration energy of 500 KeV or more and 800 KeV or less.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入は、複数回行う。 Further preferably, ion implantation is performed a plurality of times in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入を、加速エネルギー500KeV以上800KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下、加速エネルギー200KeV以上300KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下および加速エネルギー40KeV以上100KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という各条件でそれぞれ行う。 Further preferably, ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is performed at an acceleration energy of 500 KeV to 800 KeV and a concentration of 1E11 / cm 2 to 1E12 / cm 2 and an acceleration energy of 200 KeV to 300 KeV and a concentration of 1E11 / cm 2. performed for each condition of a concentration 1E12 / cm 2 or more 1E13 / cm 2 or less below 100 KeV 1E12 / cm 2 or less and an acceleration energy 40KeV or more.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入を、第1のイオン注入として、加速エネルギー20KeV以上60KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件で行い、素子分離用の溝を形成した後に、該マスクを用いて第2のイオン注入を行う。 Further preferably, the ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is performed as a first ion implantation under the condition of an acceleration energy of 20 KeV to 60 KeV and a concentration of 1E12 / cm 2 to 1E13 / cm 2. After the separation groove is formed, second ion implantation is performed using the mask.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における第2のイオン注入を、加速エネルギー20KeV以上40KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件で行う。 Further preferably, the second ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is performed under the conditions of an acceleration energy of 20 KeV to 40 KeV and a concentration of 1E12 / cm 2 to 1E13 / cm 2 .
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入を、素子分離用の溝を形成した後に、加速エネルギー20KeV以上40KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件で行う。 Further preferably, ion implantation in the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention is performed under the condition that the acceleration energy is 20 KeV or more and 40 KeV or less and the concentration is 1E12 / cm 2 or more and 1E13 / cm 2 or less after forming the groove for element isolation. Do.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるイオン注入により、ボロンイオンを注入してp型不純物領域を形成する。 Further preferably, boron ions are implanted by ion implantation in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention to form a p-type impurity region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における溝の深さを200nm以上400nm以下に設定する。 Further preferably, the depth of the groove in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is set to 200 nm or more and 400 nm or less.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における溝の幅を0.1μm以上1.0μm以下に設定する。 Further preferably, the width of the groove in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is set to 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における溝の幅を0.2μm以上0.3μm以下に設定する。 Further preferably, the width of the groove in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is set to 0.2 μm or more and 0.3 μm or less.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記溝の端から前記能動領域の端までの距離を0.01μm以上0.5μm以下の範囲内に設定し、該溝の端から該能動領域の端までの間に前記イオン注入によるイオン注入領域を形成する。 Further preferably, in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the distance from the end of the groove to the end of the active region is set within a range of 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, and from the end of the groove An ion implantation region by the ion implantation is formed up to the end of the active region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記溝の端から前記能動領域の端までの距離を0.03μm以上0.1μm以下の範囲内に設定し、該溝の端から該能動領域の端までの間に前記イオン注入によるイオン注入領域を形成する。 Further preferably, in the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a distance from the end of the groove to the end of the active region is set within a range of 0.03 μm or more and 0.1 μm or less, and An ion implantation region by the ion implantation is formed up to the end of the active region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記素子分離領域の端から前記能動領域の端までの距離を、前記イオン注入による加速エネルギーおよび注入濃度と、該イオン注入後の注入イオンの熱拡散処理の温度および時間との少なくともいずれかにより調整する。 Further preferably, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the distance from the end of the element isolation region to the end of the active region is set to the acceleration energy and the implantation concentration by the ion implantation, and the implantation after the ion implantation. The temperature is adjusted by at least one of the temperature and time of the thermal diffusion treatment of ions.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるマスクは、酸化膜、窒化膜およびレジスト膜の複合膜から構成されている。 Further preferably, the mask in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is composed of a composite film of an oxide film, a nitride film and a resist film.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法におけるレジスト膜の膜厚を、500nm以上1500nm以下の範囲内に設定する。 Further preferably, the thickness of the resist film in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is set within a range of 500 nm to 1500 nm.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記マスクのレジスト膜を前記能動領域側に所定量だけ後退させた状態で前記イオン注入を行う。 Further preferably, in the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the ion implantation is performed in a state where the resist film of the mask is retracted by a predetermined amount toward the active region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法における能動領域に、光を光電変換して信号電荷を得るためのフォトダイオードを画素部として形成するフォトダイオード形成工程をさらに有する。 Furthermore, it is preferable that the method further includes a photodiode forming step in which a photodiode for photoelectrically converting light to obtain a signal charge is formed as a pixel portion in the active region in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記イオン注入により、前記フォトダイオードを構成するp型ウェル領域よりも高濃度となるようにイオン注入領域としてp型不純物領域を形成する。 Further preferably, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a p-type impurity region is formed as an ion implantation region by the ion implantation so as to have a higher concentration than a p-type well region constituting the photodiode. .
本発明の固体撮像装置は、本発明の上記固体撮像装置の製造方法により製造された固体撮像装置であって、前記素子分離領域が前記各能動領域間に設けられ、該素子分離領域と該能動領域間にイオン注入領域が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device manufactured by the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, wherein the element isolation region is provided between the active regions, the element isolation region and the active region An ion implantation region is provided between the regions, and thereby the above-described object is achieved.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置が撮像部に設けられたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The electronic information device of the present invention is such that the solid-state imaging device of the present invention is provided in an imaging unit, thereby achieving the above object.
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
本発明では、素子分離領域により画素部間が分離された固体撮像装置を製造する際に、能動領域となる部分を残して各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを半導体基板上に形成し、マスク上から半導体基板にイオン注入を行うと共に、マスクを用いて、このイオン注入の前後または後に素子分離領域を形成する。このように、同じマスクを用いて、イオン注入と素子分離領域の形成(このうちの素子分離溝の形成)を行う。これによって、素子分離領域端から所定距離dだけ離れるように設けたマスクを用いてイオン注入を行う従来技術のように、マスクの合わせずれが生じることなく、素子分離領域を構成する絶縁領域の端から、イオン注入による例えばp型不純物領域の端までの距離dを安定的に形成することが可能となる。このp型不純物領域は、フォトダイオードからの空乏層が素子分離領域に接しないように空乏層ストッパーとして設けられるものであり、このp型不純物領域によって、素子分離部分において酸化膜と半導体との界面に生じる界面準位により暗電流が生じることが防止される。 In the present invention, when manufacturing a solid-state imaging device in which pixel portions are separated by an element isolation region, a mask patterned so as to open the periphery of the active region between the active regions, leaving a portion to be an active region, is used as a semiconductor. It is formed on the substrate, and ion implantation is performed on the semiconductor substrate from above the mask, and an element isolation region is formed before and after or after this ion implantation using the mask. In this way, ion implantation and formation of an element isolation region (formation of an element isolation trench) are performed using the same mask. As a result, the edge of the insulating region constituting the element isolation region does not occur without mask misalignment as in the prior art in which ion implantation is performed using a mask provided to be separated from the edge of the element isolation region by a predetermined distance d. Thus, it is possible to stably form the distance d from, for example, the end of the p-type impurity region by ion implantation. The p-type impurity region is provided as a depletion layer stopper so that the depletion layer from the photodiode does not contact the element isolation region, and the interface between the oxide film and the semiconductor in the element isolation portion is provided by the p-type impurity region. It is possible to prevent dark current from being generated due to the interface state generated in.
イオン注入後にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより素子分離用の溝を形成し、その溝に絶縁膜を埋め込むことにより、各画素部間の画素部周りのイオン注入領域の一部またはこれを含む全部を素子分離領域とすることが可能となる。また、イオン注入後に、熱処理により注入イオンを拡散および活性化させる場合には、この熱処理工程後にマスクを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成する(実施形態1)。この溝に絶縁膜を埋め込むことにより、各画素部間の画素部周りのイオン注入領域の一部またはこれを含む全部を素子分離領域とすることが可能となる。さらに、イオン注入を、マスクを能動領域側に所定量だけ後退させた状態で行い、マスクの少なくとも能動領域側の側壁にサイドウォールを形成し、マスクおよびサイドウォールを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成する(実施形態3)。この溝に絶縁膜を埋め込むことにより、各画素部間の画素部周りのイオン注入領域の一部またはこれを含む全部を素子分離領域とすることが可能となる。 A trench for element isolation is formed by etching the semiconductor substrate using a mask after ion implantation, and an insulating film is embedded in the trench, so that a part of the ion implantation region around the pixel portion between each pixel portion or this It is possible to make the whole including the element isolation region. In the case where the implanted ions are diffused and activated by heat treatment after the ion implantation, the semiconductor substrate is etched using the mask after this heat treatment step to form a groove (Embodiment 1). By embedding an insulating film in this trench, it is possible to make part of the ion implantation region around the pixel portion between the pixel portions or all including the ion implantation region as an element isolation region. Further, ion implantation is performed in a state where the mask is retracted by a predetermined amount toward the active region side, a sidewall is formed at least on the side wall on the active region side of the mask, and the semiconductor substrate is etched using the mask and the sidewall. A groove is formed (Embodiment 3). By embedding an insulating film in this trench, it is possible to make part of the ion implantation region around the pixel portion between the pixel portions or all including the ion implantation region as an element isolation region.
この場合、イオン注入領域の例えばp型不純物領域がフォトダイオードからの空乏層ストッパーとして機能するのみならず、同時にイオン注入された深い位置のp型不純物領域によって各画素部間の素子分離を効果的に行なうことが可能となる。これによって、微細で素子分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、少なくとも能動領域側の素子分離領域端にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することが可能となる。 In this case, for example, the p-type impurity region in the ion-implanted region functions not only as a depletion layer stopper from the photodiode, but at the same time, element isolation between the pixel portions is effectively performed by the p-type impurity region at a deep position where ions are implanted at the same time. Can be performed. This makes it possible to form a fine element isolation region having a high element isolation capability and to stably form, for example, a p-type impurity region of an ion implantation region at least at the end of the element isolation region on the active region side.
また、イオン注入前にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより素子分離用の溝を形成し、その溝上からイオン注入を行った後でその溝に絶縁膜を埋め込むことにより、各画素部間の画素部周りのイオン注入領域の一部またはこれを含む全域を素子分離領域とすることが可能となる。この場合にも、イオン注入領域の例えばp型不純物領域がフォトダイオードからの空乏層ストッパーとして機能するのみならず、同時にイオン注入された深い位置のp型不純物領域によって各画素間の素子分離を効果的に行うことが可能となる(実施形態2)。これによって、ダメージが少ない低エネルギー条件でイオン注入が行えて、微細で素子分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、少なくとも能動領域側の素子分離領域端にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することが可能となる。 Further, by etching the semiconductor substrate using a mask before ion implantation, an element isolation trench is formed, and after ion implantation is performed from above the trench, an insulating film is buried in the trench so that each pixel portion is A part of the ion implantation region around the pixel portion or the entire region including the ion implantation region can be used as an element isolation region. Also in this case, for example, the p-type impurity region in the ion implantation region functions not only as a depletion layer stopper from the photodiode, but also the element isolation between the pixels is effective by the p-type impurity region in the deep position where ions are implanted at the same time. (Embodiment 2). As a result, ion implantation can be performed under low energy conditions with little damage, and an element isolation region that is fine and has high element isolation capability is formed, and at the end of the element isolation region on the active region side, for example, a p-type impurity region Can be formed stably.
さらに、マスクの少なくとも一部を能動領域側に後退させてイオン注入を行うことにより、より微細な素子分離領域を形成する場合にも対応することが可能となる。 Furthermore, by performing ion implantation by retracting at least a part of the mask to the active region side, it is possible to cope with the case where a finer element isolation region is formed.
さらに、イオン注入時に加速エネルギーを500KeV以上に設定することにより、素子分離領域の幅がかなり狭い場合であっても、効果的に不純物を注入することが可能となる。 Furthermore, by setting the acceleration energy to 500 KeV or more at the time of ion implantation, it becomes possible to implant impurities effectively even when the width of the element isolation region is quite narrow.
以上により、本発明によれば、素子分離領域により各能動領域間が素子分離された固体撮像装置を製造する際に、能動領域となる部分を残して各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを用いて、イオン注入と素子分離領域の形成(このうちの素子分離溝の形成)を行うため、従来技術のように製造条件が複雑にならず簡略化でき、能動領域側の素子分離領域端にイオン注入領域を安定して形成することができる。このイオン注入領域によって、素子分離領域に空乏層が直に接しないようにできて、暗電流を抑えられた画質の良好な固体撮像素子とすることができ、画素の微細化をも図ることができる。 As described above, according to the present invention, when manufacturing a solid-state imaging device in which the active regions are separated from each other by the element isolation region, the periphery of the active regions between the active regions is opened except for the portion that becomes the active region. Using the mask thus patterned, ion implantation and formation of element isolation regions (of which element isolation trenches are formed) can be simplified without complicating the manufacturing conditions as in the prior art. The ion implantation region can be stably formed at the end of the element isolation region. By this ion implantation region, the depletion layer can be prevented from being in direct contact with the element isolation region, and a solid-state imaging device with good image quality with reduced dark current can be obtained, and the pixel can be miniaturized. it can.
イオン注入後にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより溝を形成し、その溝に絶縁膜を埋め込んで、能動領域周りのイオン注入領域の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域とすることにより、微細で分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、素子分離領域端にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することができる。この場合に、イオン注入後に、熱処理により注入イオンを拡散および活性化させる場合に、この熱処理工程後にマスクを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成することができる。また、イオン注入を、マスクを能動領域側に所定量だけ後退させた状態で行い、マスクの少なくとも能動領域側の側壁にサイドウォールを形成し、マスクおよびサイドウォールを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成することもできる。 A trench is formed by etching the semiconductor substrate using a mask after ion implantation, and an insulating film is embedded in the trench, and a region including a part of the ion implantation region around the active region or the entire region including this is separated into an element isolation region. As a result, it is possible to form a fine element isolation region having a high isolation capability, and to stably form, for example, a p-type impurity region of an ion implantation region at the end of the element isolation region. In this case, when the implanted ions are diffused and activated by heat treatment after ion implantation, the semiconductor substrate can be etched using the mask after this heat treatment step to form a groove. Also, ion implantation is performed with the mask set back by a predetermined amount toward the active region, a sidewall is formed on at least the sidewall of the active region, and the semiconductor substrate is etched using the mask and the sidewall. Grooves can also be formed.
また、イオン注入前にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより溝を形成し、イオン注入を行った後でその溝に絶縁膜を埋め込んで、能動領域周りのイオン注入領域の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域とすることにより、ダメージが少ない低エネルギー条件でイオン注入を行って、微細で分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、素子分離領域側にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することができる。 In addition, a groove is formed by etching the semiconductor substrate using a mask before ion implantation, and after the ion implantation, an insulating film is embedded in the groove to include a part of the ion implantation region around the active region. By forming the region or the entire region including this as an element isolation region, ion implantation is performed under a low energy condition with little damage to form a fine and high element isolation region, and an ion implantation region on the element isolation region side. For example, a p-type impurity region can be stably formed.
さらに、マスクの少なくとも一部を能動領域側に後退させてイオン注入を行うことにより、より微細な素子分離領域を形成する場合にも対応することができる。また、イオン注入時に加速エネルギーを500KeV以上に設定することにより、素子分離領域の幅がかなり狭い場合であっても、効果的に不純物を注入することができる。 Furthermore, it is possible to cope with the case where a finer element isolation region is formed by performing ion implantation by retracting at least a part of the mask toward the active region. Further, by setting the acceleration energy to 500 KeV or more at the time of ion implantation, impurities can be effectively implanted even when the width of the element isolation region is quite narrow.
以下に、本発明の固体撮像装置の製造方法の実施形態1〜3について、図面を参照しながら詳細に詳細に説明する。
(実施形態1)
本実施形態1では、マスクを用いて、高加速エネルギーによるイオン注入と素子分離領域の形成(素子分離溝の形成)を行う場合に、イオン注入後に、熱処理により注入イオンを拡散および活性化させた後に、このマスクを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成し、この溝内に絶縁膜を埋め込んで絶縁領域を形成して素子分離領域を形成する場合について図1〜図3を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, when ion implantation with high acceleration energy and formation of an element isolation region (formation of an element isolation groove) are performed using a mask, the implanted ions are diffused and activated by heat treatment after ion implantation. A case where an element isolation region is formed by forming a trench by etching a semiconductor substrate using this mask and forming an insulating region by embedding an insulating film in the trench will be described later with reference to FIGS. To do.
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像装置の基本単位の1画素分を示す要部縦断面図である。なお、ここでは、基本単位として1画素分について示しているが、実際は、複数の画素が平面状に設けられている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a main part showing one pixel of a basic unit of a solid-state imaging device according to
図1において、本実施形態1の固体撮像装置10は、n型半導体基板11の画素領域である能動領域に、光を受光して光電変換することにより信号電荷を得るための各画素部としてのフォトダイオード12が設けられており、隣接する各画素部間の画素部周りが素子分離領域13によって互いに素子分離されている。
In FIG. 1, the solid-
フォトダイオード12は、低濃度p型不純物層121、n型電荷蓄積層122および高濃度p型不純物層123がn型半導体基板11側から表面側にこの順に積層されたPin型フォトダイオードである。
The
素子分離領域13は、この溝131内が絶縁膜としての絶縁用酸化膜132で埋め込まれており、素子分離領域端である溝131の側面および底面がイオン注入領域のp型不純物領域133によって囲まれて構成されている。後述するマスク19を用いて溝131とフォトダイオード12との間にp型不純物領域133を確実に介在させることによって、暗電流を抑えて画質を良好にするために、素子分離領域(絶縁用酸化膜132)に空乏層が直に接しないようになっている。
In the
図2は、図1の固体撮像装置の1画素分を示す平面図である。なお、図1の1画素分の要部縦断面は、図2のA‐A’線縦断面である。 FIG. 2 is a plan view showing one pixel of the solid-state imaging device of FIG. 1 is a vertical cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 2.
図2において、本実施形態1の固体撮像装置10は、フォトダイオード12の一方側の周囲が平面視で素子分離領域13で囲まれ、その他方側には、トランスファーゲート14が設けられており、さらにトランスファーゲート14を挟んで、フォトダイオード12からトランスファーゲート14を通して転送された信号電荷を検知する信号検知部としてのフローティングディフュージョン部15が設けられている。
In FIG. 2, the solid-
能動領域パターンをマスクとしてn型半導体基板11にイオン注入In1を行って、画素部周りのイオン注入領域133の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域13とする。
Ion implantation In1 is performed on the n-
以下に、本実施形態1の固体撮像装置10の製造方法について、図3(a)〜図3(e)を用いて詳細に説明する。
Below, the manufacturing method of the solid-
図3(a)〜図3(e)は、図1の固体撮像装置10の製造方法について説明するための各製造工程における1画素分を示す要部縦断面図である。
FIG. 3A to FIG. 3E are main part longitudinal cross-sectional views showing one pixel in each manufacturing process for explaining the manufacturing method of the solid-
まず、図3(a)のマスク形成工程(その1)に示すように、n型半導体基板11上にシリコン酸化膜16を膜厚10nm以上20nm以下、その上にシリコン窒化膜17を膜厚100nm以上200nm以下に形成し、さらにその上にレジスト膜としてのポジ型レジスト膜18を膜厚500nm以上の膜厚に形成する。
First, as shown in the mask formation step (part 1) in FIG. 3A, a
次に、図3(b)のマスク形成工程(その2)に示すように、能動領域(画素部領域)となる部分を残し、各画素部間の画素部周り(素子分離領域13)が開口するように、シリコン酸化膜16、シリコン窒化膜17およびポジ型レジスト膜18からなるマスク19を所定形状にパターニングして形成する。図3(b)において、αが素子分離領域13となる開口部分の幅である。このポジ型レジスト膜18はマスク19の膜厚調整に用いている。
Next, as shown in the mask formation step (No. 2) in FIG. 3B, the portion that becomes the active region (pixel portion region) is left, and the area around the pixel portion (element isolation region 13) between the pixel portions is opened. Thus, a
さらに、図3(c)のイオン注入工程に矢印で示すように、マスク19を用いてn型半導体基板11に不純物イオンのイオン注入In1を行う。本実施形態1では、p型不純物イオンとしてボロンイオンを、加速エネルギー500KeV以上800KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下、加速エネルギー200KeV以上300KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下、および、加速エネルギー40KeV以上100KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件で順次イオン注入した。ここで、加速エネルギー500KeV以上800KeV以下のイオン注入を行うことにより、マスク19内での屈折などによって、マスク19の端縁下のn型半導体基板11にもイオン注入が為され、不純物イオンが能動領域側にも導入されて、効果的に不純物濃度が高いイオン注入領域133aとすることができる。
Further, as shown by an arrow in the ion implantation process of FIG. 3C, impurity ions are implanted into the n-
その後、熱処理工程において、850℃以上950℃以下の温度で所定時間だけ熱処理を行って、イオン注入されたp型不純物領域133aを活性化させると共に不純物をさらに拡散させて、マスク19の端縁下のn型半導体基板11にも横方向に延びるp型不純物領域133を形成する。
Thereafter, in the heat treatment step, heat treatment is performed at a temperature of 850 ° C. or more and 950 ° C. or less for a predetermined time to activate the ion-implanted p-
さらに、溝形成工程において、既知のRIE法を用いて、マスク19上からn型半導体基板11を深さ200nm以上400nm以下だけエッチングしてトレンチ分離用(画素分離用)の溝131(半導体基板11のエッチング領域)を形成する。その後、絶縁領域形成工程において、マスク19を除去した後、絶縁用酸化膜132を厚み400nm以上700nm以下に堆積して溝131内を埋め込んで絶縁領域を形成し、CMP法によりその絶縁用酸化膜132の表面を平坦化する。図3(d)では、その平坦化後に溝131内に絶縁用酸化膜132が残っている状態を示している。この溝131内の絶縁用酸化膜132の周囲には不純物拡散工程後(熱処理後)のp型不純物領域133が形成された状態となっている。これらの溝形成工程および絶縁領域形成工程により素子分離領域形成工程が構成され、マスク19を用いて、イオン注入後に素子分離領域13を形成する。
Further, in the groove forming step, the n-
その後、フォトダイオード形成工程として、フォトダイオード12を形成するためのイオン注入を行う。本実施形態1では、ボロンイオンを加速エネルギー1MeV以上2MeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下、加速エネルギー300KeV以上900KeVで濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下という条件でイオン注入し、砒素イオンを加速エネルギー200KeV以上300KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下という条件でイオン注入し、ボロンイオンを加速エネルギー5KeV以上10KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件でイオン注入することにより、図3(e)に示すように、低濃度p型不純物層121、n型電荷蓄積層122および高濃度p型不純物層123を有するPin型フォトダイオード12を形成する。なお、ここで、砒素イオンの代わりにリンイオンを用いてもよい。
Thereafter, as a photodiode forming step, ion implantation for forming the
フォトダイオード形成のためのイオン注入時に、低濃度p型不純物層121は基板全面にイオン注入をし、n型電荷蓄積層122および高濃度p型不純物層123については、フォトダイオード部を含む溝の半分までの領域を開口させた別のマスクを用いてイオン注入する。
At the time of ion implantation for forming the photodiode, the low-concentration p-
実際の製造工程では、その後、ゲート形成および配線形成などの各工程が行われるが、本発明の主要部分ではないため、ここではその説明を省略する。 In the actual manufacturing process, each process such as gate formation and wiring formation is performed thereafter, but since it is not a main part of the present invention, description thereof is omitted here.
以上により、本実施形態1によれば、マスク19を用いて、高加速エネルギーによるイオン注入領域のp型不純物領域133の形成と素子分離用溝131の形成を行うため、素子分離領域端から所定の距離dだけ離れて設けられたマスクを用いてイオン注入を行う従来技術のように、マスクの合わせずれが生じることなく、素子分離領域13を構成する絶縁用酸化膜132の端からフォトダイオード12までの距離d(この距離dは、p型不純物領域133の能動領域側への拡散幅で決定されるが、加速エネルギーや注入濃度および熱処理の温度(例えば摂氏800〜900度)と時間(例えば15分〜1時間)で調整され得る)を安定化させて、少なくとも能動領域側の素子分離領域13の端にp型不純物領域133を確実に形成して介在させることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
例えば、図3(e)に示す距離dは、
従来は、距離d>合わせずれ+フォトダイオード12からの空乏層幅
という要件を満たす必要があったが、本実施形態1では、この合わせずれが生じない。よって、露光装置の精度にもよるが、距離dを0.03μm以上0.1μm以下の範囲内で縮小することができる。この縮小値は、微細なフォトダイオード12を形成するためには有効な値である。例えば、画素サイズが一辺1.5μm以上3.0μm以下程度である場合、フォトダイオード領域のサイズは1.0μm以上2.5以下μm程度であるため、その影響は6%程度以上にも及ぶ。
For example, the distance d shown in FIG.
Conventionally, it has been necessary to satisfy the requirement of distance d> misalignment + depletion layer width from the
さらに、高加速エネルギーによるイオン注入後であって所定の熱処理後に、注入イオンを十分に拡散させた後に、n型半導体基板11をエッチングすることにより溝131を形成し、その溝131内に絶縁用酸化膜132を埋め込んで素子分離領域13を形成するため、p型不純物領域133がフォトダイオード12からの空乏層ストッパとして機能するのみならず、同時にイオン注入された深い位置のp型不純物領域133によって各画素部間の素子分離を効果的に行うことができる。よって、微細で分離能力が高い素子分離領域13を形成すると共に、少なくとも能動領域側の素子分離領域13端側にp型不純物領域133を安定して形成することができる。例えば、本実施形態1では、素子分離幅(溝幅)を0.2μm以上0.3μm以下程度とすることができる。
Further, after ion implantation with high acceleration energy and after a predetermined heat treatment, the implanted ions are sufficiently diffused, and then the n-
さらに、p型不純物領域133を形成するイオン注入時に、加速エネルギーを500KeV以上800KeV以下に設定することにより、素子分離領域13の幅(p型不純物領域133の幅)がかなり狭い場合であっても、効果的に不純物をイオン注入することができる。
Further, even when the width of the element isolation region 13 (the width of the p-type impurity region 133) is considerably narrow by setting the acceleration energy to 500 KeV or more and 800 KeV or less during ion implantation for forming the p-
なお、本実施形態1では、高加速エネルギーによるイオン注入工程とその後の熱処理工程とを共に行ったが、これに限らず、高加速エネルギーによるイオン注入工程とその後の熱処理工程のいずれかを用いてもよい。
(実施形態2)
本実施形態2では、マスク19を用いて、イオン注入と素子分離領域13の形成(素子分離溝131の形成)を行う場合に、イオン注入前にマスク19を用いてn型半導体基板11をエッチングして溝131を形成し、この溝131に対して所定の注入角度(例えば0〜7度)で第1のイオン注入In2をし、第2のイオン注入In3として、n型半導体基板11を回転させながら注入角度(例えば10度以上30度以下)を傾けてイオン注入を行い、その第2のイオン注入後に、この溝131内に絶縁用酸化膜132を埋め込んで絶縁領域を形成して素子分離領域を形成する場合について図4および図5を用いて詳細に説明する。
In the first embodiment, the ion implantation process with high acceleration energy and the subsequent heat treatment process are performed together. However, the present invention is not limited to this, and any one of the ion implantation process with high acceleration energy and the subsequent heat treatment process is used. Also good.
(Embodiment 2)
In the second embodiment, when performing ion implantation and formation of the element isolation region 13 (formation of the element isolation trench 131) using the
図4は、本発明の実施形態2に係る固体撮像装置の基本単位の1画素分を示す要部縦断面図である。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a main part showing one pixel of the basic unit of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
図4において、本実施形態2の固体撮像装置10Aは、n型半導体基板11の画素領域である能動領域にフォトダイオード12が設けられており、隣接する各画素部間の画素部周りが素子分離領域13によって互いに素子分離されている。
In FIG. 4, in the solid-
フォトダイオード12は、低濃度p型不純物層121、n型電荷蓄積層122および高濃度p型不純物層123がn型半導体基板11側から表面側にこの順に積層されたPin型フォトダイオードである。
The
素子分離領域13は、溝131が絶縁用酸化膜132で埋め込まれており、素子分離領域13端である溝131の側面および底面がp型不純物領域133によって囲まれて構成されている。マスク19を用いて溝131とフォトダイオード12との間にp型不純物領域133を確実に介在させることによって、暗電流を抑えて画質を良好にするために、素子分離領域(絶縁用酸化膜132)に空乏層が直に接しないようになっている。
In the
なお、本実施形態2においても、図2の場合と同様に構成されており、能動領域パターンをマスク19としてn型半導体基板11にイオン注入In2,3を順次行って、各画素部間の画素部周りのイオン注入領域133の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域13としている。
Note that the second embodiment is configured in the same manner as in FIG. 2, and the ion implantations In 2 and 3 are sequentially performed on the n-
以下に、本実施形態2の固体撮像装置10Aの製造方法について、図5(a)〜図5(f)を用いて詳細に説明する。 Below, the manufacturing method of 10 A of solid-state imaging devices of this Embodiment 2 is demonstrated in detail using Fig.5 (a)-FIG.5 (f).
図5(a)〜図5(f)は、図4の固体撮像装置10Aの製造方法について説明するための各製造工程における1画素分を示す要部縦断面図である。
FIG. 5A to FIG. 5F are main part longitudinal cross-sectional views showing one pixel in each manufacturing process for explaining the manufacturing method of the solid-
まず、図5(a)のマスク形成工程(その1)に示すように、n型半導体基板11上にシリコン酸化膜16を膜厚10nm以上20nm以下、その上にシリコン窒化膜17を膜厚100nm以上200nm以下に形成し、さらにその上にポジ型レジスト膜18を膜厚500nm以上の膜厚に形成する。
First, as shown in the mask formation step (part 1) in FIG. 5A, a
次に、図5(b)のマスク形成工程(その2)に示すように、能動領域となる部分をパターニングして、素子分離領域13のみが開口されるように、シリコン酸化膜16、シリコン窒化膜17およびポジ型レジスト膜18からなるマスク19を形成する。図5(b)において、αが素子分離領域13となる開口部分の幅である。なお、ここまでは、上記実施形態1の固体撮像装置10の製造方法の場合と同様である。
Next, as shown in the mask formation step (No. 2) in FIG. 5B, the
さらに、図5(c)の溝形成工程に示すように、既知のRIE法を用いて、マスク19の開口部を通して半導体基板11を深さ200nm以上400nm以下だけエッチングしてトレンチ分離用(画素分離用)の溝131を形成する。
Further, as shown in the groove forming step of FIG. 5C, the
その後、図5(c)のイオン注入工程(その1;In2)に矢印で示すように、マスク19を用いて、上方からの第1のイオン注入In2を行う。本実施形態2では、第1のp型イオンとしてボロンイオンを、加速エネルギー20KeV以上60KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件でイオン注入した。ここで、必要に応じて、加速エネルギー500KeV以上の高加速エネルギーによるイオン注入を追加してもよい。加速エネルギー500KeV以上の高加速エネルギーによるイオン注入を行うことにより、マスク19内での屈折などによって、マスク19の開口部端部付近にイオン注入された不純物が能動領域側にも導入され、効果的に不純物濃度を高くすることができる。なお、図5(c)において、溝131の底下側のp型不純物領域133bが第1のイオン注入In2によってイオン注入された領域である。
Thereafter, as shown by an arrow in the ion implantation step (No. 1; In2) of FIG. 5C, the first ion implantation In2 from above is performed using the
さらに、図5(d)のイオン注入工程(その2;In3)に矢印で示すように、同じマスク19を用いて第2のイオン注入In3を行う。本実施形態2では、第2のp型イオンとしてボロンイオンを、加速エネルギー20KeV以上40KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件で、注入角度10度以上30度以下の範囲で半導体基板11を回転させながらイオン注入した。なお、図5(d)において、溝131の側壁側のp型不純物領域133cがイオン注入された領域である。ここで、素子分離幅がより微細である場合には、O2プラズマ処理によりマスク19の一部(レジスト膜)を後退させて第2のイオン注入In3を容易に行ってもよい。
Further, as shown by an arrow in the ion implantation step (No. 2; In3) in FIG. 5D, the second ion implantation In3 is performed using the
さらに、マスク19を除去した後に、絶縁用酸化膜132を厚み400nm以上700nm以下に堆積して、CMP法により表面を平坦化する。図5(e)では、絶縁領域形成工程であり、その平坦化後の溝131内にのみ絶縁用酸化膜132が残っている状態を示している。この溝131内の絶縁用酸化膜132の周囲にはイオン注入In3の後のp型不純物領域133が形成された状態となっている。これらの溝形成工程および絶縁領域形成工程により素子分離領域形成工程が構成され、マスク19を用いて、イオン注入前後に素子分離領域13を形成する。
Further, after the
その後、図5(f)のフォトダイオード形成工程に示すように、フォトダイオード121を形成するためのイオン注入を行う。本実施形態2では、ボロンイオンを加速エネルギー1MeV以上2MeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下、加速エネルギー300KeV以上900KeVで濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下という条件でイオン注入し、砒素イオンを加速エネルギー200KeV以上300KeV以下で濃度1E11/cm2以上1E12/cm2以下という条件でイオン注入し、ボロンイオンを加速エネルギー5KeV以上10KeV以下で濃度1E12/cm2以上1E13/cm2以下という条件でイオン注入することにより、図5(f)に示すように、低濃度p型不純物層121、n型電荷蓄積層122および高濃度p型不純物層123を有するPin型フォトダイオード12を形成する。なお、ここで、砒素イオンの代わりにリンイオンを用いてもよい。
Thereafter, ion implantation for forming the
実際の製造工程では、その後、ゲート形成および配線形成などの各工程が行われるが、本発明の主要部分ではないため、ここではその説明を省略する。 In the actual manufacturing process, each process such as gate formation and wiring formation is performed thereafter, but since it is not a main part of the present invention, description thereof is omitted here.
以上により、本実施形態2によれば、能動領域パターンをマスク17としてn型半導体基板11に、垂直方向の第1のイオン注入In2および、斜め方向の第2のイオン注入In3を行なって、底部分のp型不純物領域133bおよび、側壁部分のp型不純物領域133cを得、マスク17の開口部分αを素子分離領域13の幅とするため、素子分離領域端から所定の距離dだけ離れて設けられたレジストマスクを用いてイオン注入を行う従来技術のように、レジストマスクの合わせずれが生じることなく、素子分離領域13を構成する絶縁膜132の端からフォトダイオード12までの距離dを安定化させて、素子分離領域13の端部にp型不純物領域133を安定して形成することができる。
As described above, according to the second embodiment, the first ion implantation In2 in the vertical direction and the second ion implantation In3 in the oblique direction are performed on the n-
さらに、イオン注入前に半導体基板11をエッチングすることにより溝131を形成し、イオン注入を行った後でその溝131に絶縁用酸化膜132を埋め込んで素子分離領域13を形成するため、ダメージが少ない低エネルギー条件でイオン注入を行うことができて、微細で分離能力が高い素子分離領域13を形成すると共に、素子分離領域13の端にp型不純物領域133を安定的に形成することができる。
Further, the
さらに、マスク17のレジストを後退させて第2のイオン注入を行うことにより、より微細な素子分離領域13を形成する場合にも対応することができる。
Further, by performing the second ion implantation by retreating the resist of the
なお、本実施形態2では、特に説明しなかったが、次のように第1のイオン注入In2を行わず、斜め方向の第2のイオン注入In3のみを行ってもよい。 Although not particularly described in Embodiment 2, only the second ion implantation In3 in the oblique direction may be performed without performing the first ion implantation In2 as follows.
即ち、図6(a)のマスク形成工程で半導体基板11上の能動領域上を覆うようにアクティブパターン(SiO/SiN/SiO)からなるマスク19を形成し、図6(b)のp型ストッパ形成工程において、マスク19の開口部分にエッチングにより溝131を形成する溝形成工程と、マスク19上から斜め注入方向でn型半導体基板11を回転させつつイオン注入In3のみを行ってマスク19端部下にもイオン注入領域(p型不純物領域133)を形成するイオン注入工程とを実行する。さらに、図6(c)でマスク19を除去すると共に、溝131内を絶縁用酸化膜132で埋め込んだ後にこれを平坦化し、図6(d)に示すように、溝131内の絶縁用酸化膜132の周囲をp型不純物領域133で覆うことができる。
(実施形態3)
本実施形態3では、マスク19よりも能動領域側に所定量だけ後退したマスク19Bを用いてイオン注入In4を行い、ってに必要に応じてサイドウォールを設けてエッチングにより溝131を形成する場合である。この場合について、以下、詳細に説明する。
6A, a
(Embodiment 3)
In the third embodiment, when ion implantation In4 is performed using a
図7(a)〜図7(d)は、本発明の実施形態3に係る固体撮像装置の製造方法について説明するための各製造工程における1画素分を示す要部縦断面図である。 FIG. 7A to FIG. 7D are vertical cross-sectional views of main parts showing one pixel in each manufacturing process for explaining a method for manufacturing a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
まず、図7(a)に示すように、マスク形成工程で、半導体基板11上の能動領域上を覆うようにアクティブパターン(SiO/SiN/SiO)からなるマスク19Bを形成する。このマスク19Bは、上記マスク19よりも両側でそれぞれ所定距離(例えば上記距離d)だけ端部が後退して縮小されたマスクである。
First, as shown in FIG. 7A, in a mask formation step, a
次に、図7(b)のイオン注入工程に示すように、上記マスク19よりも能動領域側に所定距離(例えば上記距離d)だけ後退したマスク19Bの開口部分を通して垂直方向からのイオン注入In4を行ってイオン注入領域を形成する。
Next, as shown in the ion implantation step of FIG. 7B, the ion implantation In4 from the vertical direction through the opening of the
さらに、図7(c)の溝形成工程(その1;サイドウォール形成工程)に示すように、マスク19Bの側壁に上記所定距離(例えば上記距離d)の厚さ分のサイドウォール171を設けて、マスク19Bおよびサイドウォール171を用いてエッチングすることにより開口部側壁のサイドウォール171間の幅で溝131を所定深さに形成する。
Further, as shown in a groove forming step (No. 1; side wall forming step) in FIG. 7C, a
その後、図7(d)の溝形成工程(その2)に示すように、マスク19Bおよびサイドウォール171を除去すると共に、この溝131内を絶縁用酸化膜132で埋め込んだ後にこれを平坦化し、絶縁用酸化膜132の周囲をp型不純物領域133で覆うことができる。
Thereafter, as shown in the groove forming step (No. 2) in FIG. 7D, the
実際の製造工程では、その後、ゲート形成および配線形成などの各工程が行われるが、本発明の主要部分ではないため、ここではその説明を省略する。 In the actual manufacturing process, each process such as gate formation and wiring formation is performed thereafter, but since it is not a main part of the present invention, description thereof is omitted here.
このようにして、素子分離領域13により画素部間が分離された固体撮像装置10Bが製造される。
In this way, the solid-
以上により、上記実施形態1〜3によれば、素子分離領域13により画素部間が分離された固体撮像装置10、10Aまたは10Bを製造する際に、能動領域となる部分をパターニングして、このアクティブパターンをマスク19として半導体基板11上にイオン注入を行うことにより、イオン注入領域の一部または全域を素子分離領域13とする。素子分離領域端から所定の距離dだけ離れるように設けられたレジストマスクを用いてイオン注入ろ行う従来技術のようにレジストマスクの合わせずれが生じることなく、素子分離領域13の端からの距離dを安定化させて、p型不純物領域133を安定化して形成することができる。これによって、素子分離領域13に空乏層が直に接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域13端に形成することができて、更なる画素部の微細化に十分対応することができる。
As described above, according to the first to third embodiments, when manufacturing the solid-
なお、上記実施形態1〜3では、特に説明しなかったが、要するに、素子分離領域13により各能動領域(例えば画素部)間が素子分離された固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法において、能動領域となる部分を残して該各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを半導体基板上に形成するマスク形成工程と、該マスク上から該半導体基板にイオン注入を行うイオン注入工程と、該マスクを用いて、該イオン注入の前後または後に該素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有していれば、素子分離領域に空乏層が直に接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域端に形成して、シリコンと酸化シリコンの界面に発生する暗電流を抑えた画質の良好な固体撮像素子において、従来技術のように製造条件が複雑にならず簡略化でき、更なる画素部の微細化を図ることができる本発明の目的を達成することができる。このように、フィールド形成前にセルフアラインでストッパイオン注入を行うため、溝131の端とフォトダイオードの端との間に、安定したストッパイオン注入層(p型不純物領域133)を確実に形成できて、ストッパイオン注入の位置合わせずれマージン確保による画素寸法の拡大や、ストッパイオン注入の位置合わせずれによる特性バラツキを解消することができる。
Although not particularly described in the first to third embodiments, in short, a solid-state imaging device manufacturing method for manufacturing a solid-state imaging device in which each active region (for example, a pixel unit) is element-isolated by the
また、上記実施形態1〜3では、特に説明しなかったが、溝131の幅を0.1μm以上1.0μm以下の範囲に設定することができる。また、溝131の端から能動領域の端までの距離dを0.01μm以上0.5μm以下の範囲内に設定し、この溝131の端から能動領域の端までの間にイオン注入によるイオン注入領域(p型不純物領域133)を形成することができる。溝131の端から能動領域の端までの距離dがp型不純物領域133の幅となる。
Although not specifically described in the first to third embodiments, the width of the
また、上記実施形態1〜3では、特に説明しなかったが、上記実施形態1〜3の固体撮像装置10,10Aおよび10Bの少なくともいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラ、携帯電話用カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態1〜3の固体撮像装置10,10Aおよび10Bの少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷(印字)して出力(プリントアウト)する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
Although not specifically described in the first to third embodiments, for example, a digital video camera or a digital still camera using at least one of the solid-
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜3を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜3に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜3の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-3 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-3. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像可能とするMOS型センサまたはCMOS型センサなどに用いられ、画素部間が分離された素子分離領域に空乏層が直に接しないように、イオン注入により高濃度不純物層を素子分離領域端に形成した固体撮像装置の製造方法、これにより製造された固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、素子分離領域により各能動領域間が素子分離された固体撮像装置を製造する際に、能動領域となる部分を残して各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを用いて、イオン注入と素子分離領域の形成(このうちの素子分離溝の形成)を行うため、従来技術のように製造条件が複雑にならず簡略化でき、能動領域側の素子分離領域端にイオン注入領域を安定して形成することができる。このイオン注入領域によって、素子分離領域に空乏層が直に接しないようにできて、暗電流を抑えられた画質の良好な固体撮像素子とすることができ、画素の微細化をも図ることができる。 The present invention is used in a MOS type sensor or a CMOS type sensor that can image an image light from a subject by photoelectric conversion so that a depletion layer does not directly contact an element isolation region in which pixel portions are separated. , Manufacturing method of solid-state imaging device in which high-concentration impurity layer is formed at end of element isolation region by ion implantation, solid-state imaging device manufactured thereby, and digital imaging device using this solid-state imaging device as an image input device, for example, in an imaging unit In the field of digital information cameras such as video cameras and digital still cameras, and electronic information equipment such as image input cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phone devices, solid-state imaging devices in which active regions are separated from each other by element separation regions When manufacturing the pattern, the pattern is formed so as to open the active area between the active areas, leaving a portion to be the active area. Since the ion implantation and formation of the element isolation region (formation of the element isolation groove) are performed using the masked mask, the manufacturing conditions are not complicated as in the prior art, and the element on the active region side can be simplified. An ion implantation region can be stably formed at the end of the separation region. By this ion implantation region, the depletion layer can be prevented from being in direct contact with the element isolation region, and a solid-state imaging device with good image quality with reduced dark current can be obtained, and the pixel can be miniaturized. it can.
イオン注入後にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより溝を形成し、その溝に絶縁膜を埋め込んで、能動領域周りのイオン注入領域の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域とすることにより、微細で分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、素子分離領域端にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することができる。この場合に、イオン注入後に、熱処理により注入イオンを拡散および活性化させる場合に、この熱処理工程後にマスクを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成することができる。また、イオン注入を、マスクを能動領域側に所定量だけ後退させた状態で行い、マスクの少なくとも能動領域側の側壁にサイドウォールを形成し、マスクおよびサイドウォールを用いて半導体基板をエッチングして溝を形成することもできる。 A trench is formed by etching the semiconductor substrate using a mask after ion implantation, and an insulating film is embedded in the trench, and a region including a part of the ion implantation region around the active region or the entire region including this is separated into an element isolation region. As a result, it is possible to form a fine element isolation region having a high isolation capability, and to stably form, for example, a p-type impurity region of an ion implantation region at the end of the element isolation region. In this case, when the implanted ions are diffused and activated by heat treatment after ion implantation, the semiconductor substrate can be etched using the mask after this heat treatment step to form a groove. Also, ion implantation is performed with the mask set back by a predetermined amount toward the active region, a sidewall is formed on at least the sidewall of the active region, and the semiconductor substrate is etched using the mask and the sidewall. Grooves can also be formed.
また、イオン注入前にマスクを用いて半導体基板をエッチングすることにより溝を形成し、イオン注入を行った後でその溝に絶縁膜を埋め込んで、能動領域周りのイオン注入領域の一部を含む領域またはこれを含む全域を素子分離領域とすることにより、ダメージが少ない低エネルギー条件でイオン注入を行って、微細で分離能力が高い素子分離領域を形成すると共に、素子分離領域側にイオン注入領域の例えばp型不純物領域を安定的に形成することができる。 In addition, a groove is formed by etching the semiconductor substrate using a mask before ion implantation, and after the ion implantation, an insulating film is embedded in the groove to include a part of the ion implantation region around the active region. By forming the region or the entire region including this as an element isolation region, ion implantation is performed under a low energy condition with little damage to form a fine and high element isolation region, and an ion implantation region on the element isolation region side. For example, a p-type impurity region can be stably formed.
さらに、マスクの少なくとも一部を能動領域側に後退させてイオン注入を行うことにより、より微細な素子分離領域を形成する場合にも対応することができる。また、イオン注入時に加速エネルギーを500KeV以上に設定することにより、素子分離領域の幅がかなり狭い場合であっても、効果的に不純物を注入することができる。 Furthermore, it is possible to cope with the case where a finer element isolation region is formed by performing ion implantation by retracting at least a part of the mask toward the active region. Further, by setting the acceleration energy to 500 KeV or more at the time of ion implantation, impurities can be effectively implanted even when the width of the element isolation region is quite narrow.
10,10A,10B 固体撮像装置
11 n型半導体基板(半導体基板)
12 フォトダイオード(画素部)
121 低濃度p型不純物層
122 n型電荷蓄積層
123 高濃度p型不純物層
13 素子分離領域
131 溝(素子分離溝)
132 絶縁用酸化膜(絶縁膜)
133 p型不純物領域
133a p型不純物イオン注入領域
133b 第1のp型不純物イオン注入領域
133c 第2のp型不純物イオン注入領域
14 トランスファーゲート(ゲート領域)
15 フローティングディフュージョン部(信号検出部)
16 シリコン酸化膜(酸化膜)
17 シリコン窒化膜(窒化膜)
18 ポジ型レジスト膜(レジスト膜)
19,19B マスク
In1 p型不純物イオン注入
In2 第1のp型不純物イオン注入
In3 第2のp型不純物イオン注入
d p型不純物領域の幅
10, 10A, 10B Solid-state imaging device 11 n-type semiconductor substrate (semiconductor substrate)
12 Photodiode (pixel part)
121 low-concentration p-type impurity layer 122 n-type
132 Insulating oxide film (insulating film)
133 p-
15 Floating diffusion part (signal detection part)
16 Silicon oxide film (oxide film)
17 Silicon nitride film (nitride film)
18 Positive resist film (resist film)
19, 19B Mask In1 p-type impurity ion implantation In2 First p-type impurity ion implantation In3 Second p-type impurity ion implantation d Width of p-type impurity region
Claims (33)
能動領域となる部分を残して該各能動領域間の能動領域周りを開口するようにパターニングしたマスクを半導体基板上に形成するマスク形成工程と、
該マスク上から該半導体基板にイオン注入を行うイオン注入工程と、
該マスクを用いて、該イオン注入の前後または後に該素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。 In a manufacturing method of a solid-state imaging device for manufacturing a solid-state imaging device in which each active region is separated by an element isolation region
A mask forming step of forming a mask patterned on the semiconductor substrate so as to open the periphery of the active region between the active regions while leaving a portion to be an active region;
An ion implantation step of implanting ions into the semiconductor substrate from above the mask;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming an element isolation region before and after or after the ion implantation using the mask.
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