JP2010251628A - Solid-state imaging device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板上に複数の画素を有する撮像領域が設けられた固体撮像装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which an imaging region having a plurality of pixels is provided on a semiconductor substrate, and a manufacturing method thereof.
近年、CCD(Charge Coupled Device)やMOS(Metal Oxide Semiconductor)型固体撮像装置に対してセルサイズの縮小化、および近赤外長波長領域までの入射光に対する高感度化の要望が高まってきている。一般に、フォトダイオードで発生する電荷量は入射光の吸収量に依存する。シリコン基板の場合、1100nm以下の波長領域の光が基板に吸収される。例えば、基板表面に入射した光の光量が半減する深さは、波長450nmの青色光では0.32μm、波長550nmの緑色光では0.80μm、波長700nmの赤色光では3.0μmである。このように、波長が長い光ほど、基板深部まで透過する。 In recent years, there has been a growing demand for reduction in cell size and higher sensitivity for incident light up to the near-infrared long wavelength region with respect to CCD (Charge Coupled Device) and MOS (Metal Oxide Semiconductor) type solid-state imaging devices. In general, the amount of charge generated in a photodiode depends on the amount of incident light absorbed. In the case of a silicon substrate, light in a wavelength region of 1100 nm or less is absorbed by the substrate. For example, the depth at which the amount of light incident on the substrate surface is halved is 0.32 μm for blue light having a wavelength of 450 nm, 0.80 μm for green light having a wavelength of 550 nm, and 3.0 μm for red light having a wavelength of 700 nm. Thus, the light having a longer wavelength is transmitted to the deep part of the substrate.
一般的にフォトダイオード領域は、不純物の注入および拡散により形成されている。そのため、長波長の光を完全に吸収できる範囲までフォトダイオードを拡げると横方向(基板上面と水平な方向)にも不純物が拡散するため、微細化が進む固体撮像装置においてフォトダイオードを基板深部に拡げることは困難となる。上記の不具合を解決する方法として、特許文献1に示すような従来技術がある。
In general, the photodiode region is formed by impurity implantation and diffusion. For this reason, if the photodiode is expanded to the extent that long-wavelength light can be completely absorbed, impurities diffuse in the lateral direction (the direction parallel to the top surface of the substrate). It becomes difficult to expand. As a method for solving the above problems, there is a conventional technique as shown in
図11は、従来の固体撮像装置のフォトダイオード部分を示す断面図である。同図に示すように、フォトダイオードは、p型領域1121の一部と、n型領域(電荷蓄積領域)1112と、n型単結晶半導体層1171とを有している。n型単結晶半導体層1171はシリコンに比べて吸収係数が大きいゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマニウム(SiGe)、ガリウム砒素(GaAs)等で構成されている。これにより、シリコン基板1111の上方に設けられるn型単結晶半導体層1171の厚みを、n型単結晶半導体層1171がシリコンで構成される場合に比べて薄くすることができる。あるいは、n型単結晶半導体層1171をシリコン基板1111上方に拡げて厚くし、フォトダイオードの感度向上を図ることが可能である。なお、図11において、符号1122はp型領域、符号1113はn型領域、符号1125はp型領域、符号1141は転送電極、符号1132、1135は絶縁膜、符号1134はスペーサ、符号1151は遮光膜、符号1152は遮光膜1151の開口部をそれぞれ示している。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a photodiode portion of a conventional solid-state imaging device. As shown in the drawing, the photodiode includes a part of a p-
しかしながら、図11に示す従来の固体撮像装置では、格子定数の異なる材料をシリコン基板上に単結晶で成長させるので、感度向上のためにn型単結晶半導体層1171の膜厚を厚くするにつれてn型単結晶半導体層1171にクラックが発生しやすくなる。このため、クラックが生じた場合、これに起因して光が照射されない状況でも多くのノイズ電流(暗電流)が発生する。このノイズ電流は光の照射時にも生じ、特に低照度では、光電変換で発生した信号電荷をノイズ電荷が相殺するため、固体撮像装置の感度を向上させることが困難であるという不具合がある。
However, in the conventional solid-state imaging device shown in FIG. 11, materials having different lattice constants are grown on a silicon substrate as a single crystal. Therefore, n increases as the film thickness of the n-type single
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、クラックの発生に伴うノイズ電流の発生を抑制し、長波長領域の光に対する感度の向上を実現する固体撮像装置およ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 problems, and provides a solid-state imaging device that suppresses the generation of noise current associated with the occurrence of cracks and improves the sensitivity to light in a long wavelength region, and a method for manufacturing the same. For the purpose.
上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、第1の材料からなる半導体基板上に形成された光電変換素子を含む画素を複数備えており、前記光電変換素子は、前記第1の材料からなり、凹部または凸部を有する第1の半導体部分と、前記第1の半導体部分の前記凹部上または前記凸部上に三次元状に積層され、前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料で構成され、前記第1の半導体部分と同じ導電型の第2の半導体部分とを有している。第1の半導体部分は凹部のみまたは凸部のみを有していてもよいし、凹部と凸部の両方を有していてもよい。 In order to solve the above problems, a solid-state imaging device of the present invention includes a plurality of pixels including a photoelectric conversion element formed on a semiconductor substrate made of a first material, and the photoelectric conversion element includes the first conversion element. A first semiconductor portion having a concave portion or a convex portion, and a three-dimensionally laminated layer on the concave portion or the convex portion of the first semiconductor portion, and having a band gap larger than that of the first material. The second semiconductor portion is made of a second material with low energy and has the same conductivity type as the first semiconductor portion. The first semiconductor portion may have only a concave portion or only a convex portion, or may have both a concave portion and a convex portion.
この構成によれば、光電変換素子は第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料で構成された第4の半導体層を有しているので、光電変換素子が第1の材料のみで構成される場合に比べて赤色光など長波長の光を吸収することができる上、その他の可視光も効率良く吸収することができる。さらに、第4の半導体層が三次元形状を有しているので、第4の半導体層の膜厚を厚くしなくても、入射光に対する第4の半導体層の実効的な膜厚を、第4の半導体層が平坦な場合に比べて厚くすることができる。そのため、より効果的に光電変換素子が光を吸収することができ、感度を向上させることができる。特に、第1の材料と第2の材料との格子不整合により第4の半導体層を厚く形成することが困難な場合であっても高感度な固体撮像装置を実現することが可能となる。この場合、第4の半導体層を厚くすることなく感度を向上させることができるので、クラックの発生が抑えられ、ノイズ電流が生じるのを抑えることができる。 According to this configuration, since the photoelectric conversion element has the fourth semiconductor layer composed of the second material having a band gap energy smaller than that of the first material, the photoelectric conversion element includes only the first material. Compared with the case where it comprises, it can absorb long wavelength light, such as red light, and can also absorb other visible light efficiently. Furthermore, since the fourth semiconductor layer has a three-dimensional shape, the effective thickness of the fourth semiconductor layer with respect to incident light can be reduced without increasing the thickness of the fourth semiconductor layer. 4 can be made thicker than when the semiconductor layer is flat. Therefore, the photoelectric conversion element can absorb light more effectively, and the sensitivity can be improved. In particular, a highly sensitive solid-state imaging device can be realized even when it is difficult to form the fourth semiconductor layer thick due to lattice mismatch between the first material and the second material. In this case, since sensitivity can be improved without increasing the thickness of the fourth semiconductor layer, generation of cracks can be suppressed and generation of noise current can be suppressed.
前記第1の半導体部分は前記凸部を有しており、前記第2の半導体部分は前記第1の半導体部分の前記凸部上に積層されており、前記光電変換素子は、前記半導体基板に設けられた第2導電型の第1の半導体層の一部と、前記第1の半導体層の一部上に設けられた第2の導電型の第2半導体層と、前記第2の半導体層上に選択的に設けられた前記第1の材料からなる第2導電型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層上および第3の半導体層上に設けられた前記第2の材料からなる第2導電型の第4の半導体層とを有しており、前記第1の半導体部分は前記第2の半導体層と、前記凸部である前記第3の半導体層とで構成されており、前記第2の半導体部分は前記第4の半導体層で構成されていてもよい。 The first semiconductor portion has the convex portion, the second semiconductor portion is stacked on the convex portion of the first semiconductor portion, and the photoelectric conversion element is formed on the semiconductor substrate. A part of the first semiconductor layer of the second conductivity type provided, a second semiconductor layer of the second conductivity type provided on a part of the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer A third semiconductor layer of a second conductivity type made of the first material selectively provided on the second material, and the second material provided on the second semiconductor layer and the third semiconductor layer; A second semiconductor layer of the second conductivity type, and the first semiconductor portion is composed of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer which is the convex portion. The second semiconductor portion may be composed of the fourth semiconductor layer.
前記第3の半導体層は、柱状構造、ストライプ構造、または平面視において格子状となる壁状構造を有していてもよい。 The third semiconductor layer may have a columnar structure, a stripe structure, or a wall-like structure that has a lattice shape in plan view.
前記第1の半導体部分は前記凹部を有しており、前記第2の半導体部分は前記第1の半導体部分の前記凹部上に積層されており、前記光電変換素子は、前記半導体基板に設けられた第1導電型の第1の半導体層の一部と、前記第1の半導体層の一部上に設けられ、上部に前記凹部が形成され、前記第1の半導体部分を構成する第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記第2の半導体部分を構成する第4の半導体層とを有していてもよい。 The first semiconductor portion has the recess, the second semiconductor portion is stacked on the recess of the first semiconductor portion, and the photoelectric conversion element is provided on the semiconductor substrate. A first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer provided on a part of the first semiconductor layer, the recess is formed in an upper portion thereof, and the second semiconductor portion constituting the first semiconductor portion You may have a semiconductor layer and the 4th semiconductor layer which is provided on the said 2nd semiconductor layer and comprises the said 2nd semiconductor part.
前記凹部は、前記第2の半導体層の上部を選択的にエッチングすることにより形成されていてもよい。 The concave portion may be formed by selectively etching an upper portion of the second semiconductor layer.
前記凹部は穴状、または、溝状であって平面形状が格子状若しくはストライプ状であってもよい。 The concave portion may be a hole shape or a groove shape, and the planar shape may be a lattice shape or a stripe shape.
前記光電変換素子は、前記第4の半導体層を覆う第1導電型の第5の半導体層をさらに有していてもよい。 The photoelectric conversion element may further include a fifth semiconductor layer of a first conductivity type that covers the fourth semiconductor layer.
前記第1の材料はシリコンであり、前記第2の材料はSixGe(1−x)(0≦x<1)であってもよい。 The first material may be silicon, and the second material may be Si x Ge (1-x) (0 ≦ x <1).
本発明の第1の固体撮像装置の製造方法は、第1の材料からなる半導体基板上に形成された光電変換素子を含む画素を複数備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板に第1の導電型の第1の半導体層を形成する工程(a)と、前記半導体基板のうち、前記第1の半導体層の上に位置する領域に第2導電型の第2の半導体層を形成する工程(b)と、前記第2の半導体層上に1つ以上の開口部を有する絶縁膜を形成する工程(c)と、前記第2の半導体層のうち前記開口部内に位置する領域上に、前記絶縁膜をマスクとして前記第1の材料を選択的にエピタキシャル成長させ、第2導電型の第3の半導体層を形成する工程(d)と、前記絶縁膜を除去した後、前記第2の半導体層上および前記第3の半導体層上に前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料をエピタキシャル成長させ、第2導電型の第4の半導体層を三次元状に形成する工程(e)とを備えている。 The manufacturing method of the 1st solid-state imaging device of this invention is a manufacturing method of the solid-state imaging device provided with multiple pixels containing the photoelectric conversion element formed on the semiconductor substrate which consists of a 1st material, Comprising: The said semiconductor substrate (A) forming a first conductivity type first semiconductor layer, and a second conductivity type second semiconductor layer in a region of the semiconductor substrate located on the first semiconductor layer. A step (b) of forming an insulating film having one or more openings on the second semiconductor layer, and a step located in the opening of the second semiconductor layer A step (d) of selectively epitaxially growing the first material on the region using the insulating film as a mask to form a third semiconductor layer of a second conductivity type; and after removing the insulating film, The first material on the second semiconductor layer and the third semiconductor layer Rimobandogyappuenerugi grown epitaxially small second material, and a fourth semiconductor layer of the second conductivity type and a step (e) to form a three-dimensional shape.
この方法によれば、第3の半導体層上に三次元状の第4の半導体層を形成することができるので、入射光に対する第4の半導体層の実効的な膜厚を大きくすることができ、高感度で且つ結晶欠陥に起因するノイズ電流の発生が抑えられた固体撮像装置を製造することができる。 According to this method, since the three-dimensional fourth semiconductor layer can be formed on the third semiconductor layer, the effective film thickness of the fourth semiconductor layer with respect to incident light can be increased. Therefore, it is possible to manufacture a solid-state imaging device with high sensitivity and reduced generation of noise current due to crystal defects.
本発明の第2の固体撮像装置の製造方法は、第1の材料からなる半導体基板上に形成された光電変換素子を含む画素を複数備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板に第1の導電型の第1の半導体層を形成する工程(a)と、前記半導体基板のうち、前記第1の半導体層の上に位置する領域に第2導電型の第2の半導体層を形成する工程(b)と、前記第2の半導体層上に1つ以上の開口部を有する絶縁膜を形成する工程(c)と、前記絶縁膜をマスクとして、前記第2の半導体層の上部のうち前記開口部内に位置する部分を選択的にエッチングすることで、前記第2の半導体層の上部に溝状の凹部を形成する工程(d)と、前記絶縁膜を除去した後に、前記凹部を含む前記第2の半導体層の上面上に前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料をエピタキシャル成長させ、第2導電型の第4の半導体層を三次元状に形成する工程(e)とを備えている。 A second method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is a method for manufacturing a solid-state imaging device including a plurality of pixels including photoelectric conversion elements formed on a semiconductor substrate made of a first material, the semiconductor substrate (A) forming a first conductivity type first semiconductor layer, and a second conductivity type second semiconductor layer in a region of the semiconductor substrate located on the first semiconductor layer. Forming a step (b) of forming the insulating film having one or more openings on the second semiconductor layer, and using the insulating film as a mask, A step (d) of forming a groove-shaped recess in the upper portion of the second semiconductor layer by selectively etching a portion of the upper portion located in the opening, and after removing the insulating film, On the upper surface of the second semiconductor layer including the recess, there is a barrier than the first material. A second material de gap energy is smaller is epitaxially grown, and a fourth semiconductor layer of the second conductivity type and a step (e) to form a three-dimensional shape.
この方法によれば、上部に凹部を形成した第2の半導体層上に三次元状の第4の半導体層を形成することができるので、入射光に対する第4の半導体層の実効的な膜厚を大きくすることができ、高感度で且つ結晶欠陥に起因するノイズ電流の発生が抑えられた固体撮像装置を製造することができる。 According to this method, the fourth semiconductor layer having a three-dimensional shape can be formed on the second semiconductor layer having the recess formed in the upper portion, so that the effective film thickness of the fourth semiconductor layer with respect to incident light is increased. The solid-state imaging device can be manufactured with high sensitivity and reduced generation of noise current due to crystal defects.
なお、各凹部の縦方向断面の形状は特に限定されず、例えばV字状であってもよいし、U字状などであってもよい。 In addition, the shape of the longitudinal direction cross section of each recessed part is not specifically limited, For example, V shape may be sufficient and U shape etc. may be sufficient.
本発明の固体撮像装置およびその製造方法によれば、光電変換素子は第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料で構成された第4の半導体層を有しているので、光電変換素子が第1の材料のみで構成される場合に比べて赤色光など長波長の光を吸収することができる上、その他の可視光も効率良く吸収することができる。さらに、第4の半導体層が三次元形状を有しているので、第4の半導体層の膜厚を厚くしなくても、入射光に対する第4の半導体層の実効的な膜厚を厚くすることができる。そのため、より効果的に光電変換素子が光を吸収することができる。よって、第4の半導体層でのクラックの発生を抑え、ノイズ電流の発生を抑えつつ長波長領域の光に対する感度を向上させることができる。 According to the solid-state imaging device and the method for manufacturing the same of the present invention, the photoelectric conversion element has the fourth semiconductor layer composed of the second material having a band gap energy smaller than that of the first material. Compared to the case where the conversion element is composed of only the first material, it is possible to absorb light having a long wavelength, such as red light, and also to efficiently absorb other visible light. Further, since the fourth semiconductor layer has a three-dimensional shape, the effective thickness of the fourth semiconductor layer with respect to incident light is increased without increasing the thickness of the fourth semiconductor layer. be able to. Therefore, the photoelectric conversion element can absorb light more effectively. Therefore, it is possible to improve the sensitivity to light in the long wavelength region while suppressing the generation of cracks in the fourth semiconductor layer and suppressing the generation of noise current.
以下で説明するように、本発明の固体撮像装置は、画素中のフォトダイオードなどの光電変換部の構成に特徴を有しており、その回路構成としては、一般的なMOS型イメージセンサの回路構成を適用することができる。なお、本明細書中において「固体撮像装置」とは、半導体チップ上に設けられた光電変換素子を備え、画像信号を外部に出力するための装置を指すものとし、「撮像装置」とはデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ等、固体撮像装置を備えた撮像機器のことを指すものとする。 As will be described below, the solid-state imaging device of the present invention is characterized by the configuration of a photoelectric conversion unit such as a photodiode in a pixel, and the circuit configuration thereof is a circuit of a general MOS type image sensor. Configuration can be applied. In this specification, “solid-state imaging device” refers to a device that includes a photoelectric conversion element provided on a semiconductor chip and outputs an image signal to the outside. It refers to an imaging device including a solid-state imaging device such as a still camera, a digital video camera, a mobile phone camera, and a surveillance camera.
(第1の実施形態)
−固体撮像装置の回路構成−
図1は、本発明の第1の実施形態に係るMOS型固体撮像装置の回路構成の一例を示す図である。
(First embodiment)
-Circuit configuration of solid-state imaging device-
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a MOS type solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、複数個の画素201がマトリクス状に配置された撮像領域202と、画素を選択するための垂直シフトレジスタ203と、出力信号線204を介して画素201から出力された信号を伝達する水平シフトレジスタ205とを備えている。画素201は、例えばフォトダイオードである光電変換素子206と、光電変換素子206で生じた電荷をフローティングディフュージョン部(FD部)に転送するための転送トランジスタ207と、FD部に蓄積された電荷信号を増幅して出力信号線204に出力する増幅トランジスタ208と、一端が電源電圧供給部209に接続され、FD部の状態をリセットするリセットトランジスタ210と、増幅トランジスタ208によって増幅された信号を出力信号線204に出力するか否かを制御する選択トランジスタ211とを有している。
As shown in the figure, the solid-state imaging device of this embodiment includes an
転送トランジスタ207のゲート電極、リセットトランジスタ210のゲート電極、および選択トランジスタ211のゲート電極は、各々垂直シフトレジスタ203により制御される出力パルス線212、213、214に接続されている。なお、これは画素の一例であり、少なくとも画素内に1つ以上の光電変換素子206が配置された回路構成であれば本発明の固体撮像装置に用いることができる。また、本実施形態の光電変換素子206の構造をMOS型固体撮像装置に適用することで周辺回路(垂直シフトレジスタ203、水平シフトレジスタ205、信号出力回路、カラムアンプ等)を撮像領域202と同一チップ上に設けることができるので、小面積化や信号処理時間の短縮等を図ることができるが、CCD型固体撮像装置に適用することも可能である。
The gate electrode of the
−固体撮像装置の構成−
図2は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一部の一例を示す断面図である。ここでは、光電変換素子206、転送トランジスタ207のゲート電極10およびFD部11を通る断面を示している。
-Configuration of solid-state imaging device-
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a part of a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. Here, a cross section passing through the
本実施形態の固体撮像装置は、第1の材料(本実施形態では例えばシリコン)からなる半導体基板12a上に形成された光電変換素子206を含む画素を複数備えている。光電変換素子206は、第1の材料からなり、凹部または凸部を有する第1の半導体部分と、第1の半導体部分の凹部上または凸部上に三次元状に積層され、第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料(本実施形態では例えばシリコンゲルマニウムまたはゲルマニウム)で構成され、第1の半導体部分と同じ導電型の第2の半導体部分とを有している。ここで、第2の材料のバンドギャップエネルギーが小さいことは、第2の材料における光の吸収係数が第1の材料の吸収係数よりも大きいことを意味する。また、第1の半導体部分は凹部のみまたは凸部のみを有していてもよいし、凹部と凸部の両方を有していてもよい。
The solid-state imaging device of the present embodiment includes a plurality of pixels including the
なお、本明細書において「半導体基板12a」は、イオン注入等の工程を行う前の基板(ウエハ)を指し、「基板12」は、第1の半導体層13の下に位置し、半導体基板12aのうち不純物の注入を受けていない部分を指すものとする。
Note that in this specification, the “
図2に示す例では、第1の半導体部分は第2の半導体層14と第3の半導体層15とで構成され、そのうち第3の半導体層15は凸部を構成する。第2の半導体部分は第4の半導体層16によって構成される。次に、固体撮像装置の構成をより具体的に説明する。
In the example shown in FIG. 2, the first semiconductor portion is composed of a
図2に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置の画素内では、例えばシリコンからなる基板12上に光電変換素子206が形成されている。光電変換素子206は、基板12上に設けられたp−型の第1の半導体層13の一部と、第1の半導体層13の一部上に設けられたn型の第2の半導体層14と、第2の半導体層14上に設けられたn型の第3の半導体層15と、第2の半導体層14の上面上、第3の半導体層15の上面上および側面上に設けられ、例えば単結晶のSixGe(1−x)(0≦x<1)からなるn型の第4の半導体層16とを有している。
As shown in FIG. 2, in the pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment, a
凸部を構成する第3の半導体層15は、図2に示す縦断面が四辺形状となっているが、柱状構造、ストライプ構造、または平面視において格子状となる壁状構造を有している。
The
第1の半導体層13の不純物濃度は1×1013〜1×1017(個/cm3)程度であり、第2の半導体層14、第3の半導体層15および第4の半導体層16の不純物濃度は1×1013〜1×1018(個/cm3)程度である。
The impurity concentration of the
また、第2の半導体層14の側面下部はp型のストッパー層17、19と接しており、第2の半導体層14の側面上部はSTI構造を有する素子分離領域18およびp型のストッパー層19aで囲まれている。
The lower side surface of the
また、p型のストッパー層19aの上に形成されたp型の表面層31上には、不純物拡散層(図示せず)と、ゲート絶縁膜(図示せず)と、ゲート電極10とを有する転送トランジスタ207が設けられている。素子分離領域18の側面および底面は、厚みの薄いp+型の側壁層30で覆われている。素子分離領域18上にはゲート電極10と同じポリシリコン等で構成されたゲート配線20が設けられている。ゲート電極10およびゲート配線20の側面上にはシリコン酸化膜21が設けられ、光電変換素子206およびシリコン酸化膜21の上には、シリコン酸化膜22が設けられている。シリコン酸化膜22の上およびゲート配線20の上には、第1の層間絶縁膜23、第2の層間絶縁膜24がそれぞれ設けられている。
Further, an impurity diffusion layer (not shown), a gate insulating film (not shown), and the
また、固体撮像装置には、ゲート電極10に接続され、第1の層間絶縁膜23を貫通するコンタクト25と、コンタクト25に接続され、第1の層間絶縁膜23上に配置されたアルミニウム(Al)などからなる配線26と、配線26に接続され、第2の層間絶縁膜24を貫通するコンタクト27と、コンタクト27に接続され、第2の層間絶縁膜24上に配置された配線28と、少なくとも配線28上から第2の層間絶縁膜24上に亘る保護膜29とが設けられている。
Further, in the solid-state imaging device, a
以上の構成を有する本実施形態の固体撮像装置の効果について説明する。 The effect of the solid-state imaging device of the present embodiment having the above configuration will be described.
光電変換素子206に光が入射すると正孔と電子とが発生し、入射光量に応じた電荷(電子)が空乏層により形成されたpn接合容量に蓄えられる。ここで、空乏層は、それぞれp型のストッパー層19、19a、第1の半導体層13及び側壁層30と、n型の第2の半導体層14との接合により生じる。
When light enters the
本実施形態の固体撮像装置においては第4の半導体層16のGe組成比率は任意に設定できるが、Ge組成比率を大きくすることで、波長が約1800nmまでの光を吸収させることができる。なお、本明細書中において「Ge組成比率」とは、半導体層を構成する原子(不純物原子を除く)のうちGe原子が占める割合のことを指すものとする。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the Ge composition ratio of the
図3は、Si、SiGe(Ge組成比率40%)、およびGeの吸収係数の波長依存性を示す図である。同図に示すように、Siが吸収可能な波長の光についても、SiGeおよびGeの吸収係数はシリコンの吸収係数よりも大きい。そのため、SiGeまたはGeで構成された第4の半導体層16を有する本実施形態の光電変換素子206では、光電変換素子がSiのみで形成される場合に比べて非常に感度が高くなっている。特に、Siを用いる場合に比べて長波長領域の光に対する感度が大きく改善されている。単結晶のSiGeおよびGeはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることでSiに比べて容易に形成することができる。また、Siからなる半導体層上に形成するSiGeまたはGeはマスクを用いれば所望の領域のみに選択的に成長させることができる。
FIG. 3 is a diagram showing the wavelength dependence of absorption coefficients of Si, SiGe (
ここで、第4の半導体層16の厚みは任意に設定することができるが、受光感度の面からは、層が厚い方が光の吸収によって発生する電荷数を増加させることができるので好ましい。しかし、第4の半導体層16のGe組成比率は特に限定されないものの、Geの組成比率が大きくなると受光効率が向上する反面、第2の半導体層14および第3の半導体層15を構成するシリコンとの格子定数の差が大きくなって結晶欠陥が増加する。
Here, the thickness of the
図4は、Si層上に所望の半導体層を形成する場合の、半導体層のGe組成と臨界膜厚との関係を示す図である。図中の×印は結晶欠陥が生じうることを示している。図4から分かるように、第4の半導体層16の膜厚が当該第4の半導体層16のGe組成比率での臨界膜厚を超えると結晶欠陥に起因したクラックが発生し、ノイズ電流が生じることにより感度の向上が十分に図れない。臨界膜厚はGeの組成比率が大きくなるほど小さくなり、例えばGe組成比率が20%の場合は臨界膜厚が約200nmであるのに対し、Ge組成比率が100%の場合は臨界膜厚が約1nmとなる。従って、第4の半導体層16の膜厚は、当該第4の半導体層16のGe組成比率における臨界膜厚以下であることが好ましい。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the Ge composition of the semiconductor layer and the critical film thickness when a desired semiconductor layer is formed on the Si layer. The crosses in the figure indicate that crystal defects can occur. As can be seen from FIG. 4, when the film thickness of the
本実施形態の固体撮像装置では、第4の半導体層16が凸部を構成する第3の半導体層15上および第2の半導体層14の上面上に三次元状に形成されている。外部からの光は半導体基板12aの基板面に対して垂直方向または斜め方向に入射するので、第4の半導体層16を平坦な形状にする場合に比べて光が通過する第4の半導体層16の実効的な膜厚を大きくすることができる。例えば、第4の半導体層16のうち、第3の半導体層15の側面上に形成された部分に半導体基板12aの基板面に垂直な光が入射する場合には、第4の半導体層16の当該部分の高さが実効的な膜厚となる。図2に示す場合には、第4の半導体層16の当該部分の高さは、ほぼ第3の半導体層15の厚みに等しくなっている。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the
上記の理由により、光の吸収係数が大きい第4の半導体層16の膜厚が制限される場合であっても、第4の半導体層16を平坦に形成するのに比べて第4の半導体層16における光の吸収量を大幅に増加させることができる。このため、第4の半導体層16の膜厚を臨界膜厚以下にした場合でも従来の固体撮像装置よりも光電変換素子206における光の吸収量を増やすことができるので、クラックの発生を抑え、ノイズ電流を発生させることなく光電変換素子206の感度を向上させることができる。特に、可視光の長波長領域や赤外領域の光に対する感度を顕著に向上させることができる。
For the above reason, even when the film thickness of the
なお、第3の半導体層15は、上述のように1つ以上の柱状構造、ストライプ構造、または平面視において格子状となる壁状構造を有していてもよいが、少なくとも凸状に形成されていれば、これを覆う第4の半導体層16を三次元形状にすることができる。第4の半導体層16の縦断面も四辺形状に限られない。また、第3の半導体層15の厚みを厚くしたり、柱状構造の個数を増やすことなどにより、第4の半導体層16における光の吸収量を増やすことができるなど、第4の半導体層16の膜厚を変えることなく光電変換素子206の感度を調節することが可能となる。第3の半導体層15の厚みは、必要とされる感度に応じて決定することができる。
Note that the
なお、第3の半導体層15が複数の柱状構造等を有している場合、第4の半導体層16の厚みによって、第3の半導体層の間隔を決定できる。例えば、Ge組成比率が20%の場合、第4の半導体層16の厚みを臨界膜厚と等しい約200nmとすると、第3の半導体層15同士は約400nm以上の間隔を空け、第2の半導体層上に形成されるのが好ましい。このようにすれば、第4の半導体層16の実効的な厚さが入射する光の吸収長より大きくなる部分の割合が増え、より光電変換素子206の感度を向上することができる。ここで、「光の吸収長」とは、入射光の強度が1/e(eは自然対数)に減衰する深さをいうものとする。
Note that in the case where the
−固体撮像装置の製造方法−
次に、図2に示す第1の実施形態係る固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
-Manufacturing method of solid-state imaging device-
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIG. 2 will be described with reference to the drawings.
図5(a)〜(c)、図6(a)〜(c)、および図7(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A to 6C, and FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating manufacturing processes of the solid-state imaging device according to the first embodiment. is there.
まず、図5(a)に示すように、シリコン等からなる半導体基板12a上に厚さ1nm以上50nm以下程度のシリコン酸化膜からなるパッド絶縁膜301と、厚さ50nm以上400nm以下のシリコン窒化物等からなる耐酸化性膜302とを順次形成する。次いで、パッド絶縁膜301および耐酸化性膜302上に所定の領域に開口を有するレジスト(図示せず)を形成し、当該レジストをマスクとしてエッチングを行うことにより、パッド絶縁膜301および耐酸化性膜302の一部を選択的に除去して半導体基板12a上面の所定の領域を露出させる開口を形成し、その後レジストを除去する。なお、ここではレジストを除去せずに残しておいてもよい。また、本実施形態の方法では、ハードマスクである耐酸化性膜302の材料として、シリコン窒化物を用いているが、シリコン酸化物をハードマスクの材料として用いてもよい。また、耐酸化性膜302の代わりにレジスト膜を用いてもよい。
First, as shown in FIG. 5A, a
続いて、図5(b)に示すように、耐酸化性膜302をマスクとしたドライエッチングを用いて半導体基板12aに溝を形成した後、p+型の側壁層30をイオン注入によって形成する。次いで、溝を含む基板全面に絶縁膜を堆積し、耐酸化性膜302上に形成された絶縁膜を除去してから、耐酸化性膜302をエッチングにより除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, after forming a groove in the
次に、図5(c)に示すように、溝内にシリコン酸化膜等を埋め込むことで、一般的なSTI構造をとる素子分離領域18を形成する。次いで、リソグラフィ法を用いて所望の領域に開口を有するレジストを形成し、これらのレジストを適宜用いて、第1の半導体層13と第2の半導体層14を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, an
次に、図6(a)に示すように、リソグラフィ法を用いて所望の領域に開口を有するレジストを形成し、これらのレジストを適宜用いて、p型のストッパー層17、19、19a、p型の表面層31、n型不純物を含むFD部11をイオン注入法により半導体基板12a内に形成する。これらのイオン注入後、レジストを除去する。
Next, as shown in FIG. 6A, a resist having an opening in a desired region is formed using a lithography method, and p-type stopper layers 17, 19, 19a, p are appropriately used using these resists. A
続いて、図6(b)に示すように、半導体基板12a上にポリシリコン膜を堆積した後パターニングを行って、光電変換により発生した電荷をFD部11へ転送するためのゲート電極10と、ゲート配線20とを形成する。次いで、リソグラフィ法およびエッチング法を用いて、光電変換素子を形成するための領域に開口を有する厚さ100nm程度のシリコン酸化膜21を半導体基板12a、ゲート電極10、およびゲート配線20上に形成する。ここで、シリコン酸化膜21のうち、第2の半導体層14上に設けられた部分の開口の幅は約200nm程度とし、残膜の幅は約200nmとする。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, a
次に、図6(c)に示すように、シリコン酸化膜21の開口部内の第2の半導体層14上にSiを例えばCVD法により選択的にエピタキシャル成長させ、第3の半導体層15を形成する。ここで第3の半導体層15は、断面が四辺形である1つ以上の柱状構造をとっている。ただし、第3の半導体層15は、ストライプ構造、または平面視において格子状となる壁状構造などを有していてもよい。柱状構造を有する第3の半導体層15が、第2の半導体層14上に1つのみ設けられていてもよい。また、第3の半導体層15の厚みと互いに隣接する第3の半導体層15間の間隔とは、第4の半導体層16の厚みの設計値に依存する。図6(c)に示す例では、第3の半導体層15の形状は柱状であり、厚みは約500nm、間隔は約200nmとしているが、これに限られるものではない。
Next, as shown in FIG. 6C, Si is selectively epitaxially grown on the
次に、図7(a)で示すように、リソグラフィ法およびエッチング法を用いて、シリコン酸化膜21のうち光電変換素子を形成するための領域上に位置する部分を除去し、第2の半導体層14および第3の半導体層15を覆うようにn型のSiGeまたはGeを例えばCVD法により選択的にエピタキシャル成長させ、第4の半導体層16を形成する。これにより、第1の半導体層13の一部、第2の半導体層14、第3の半導体層15、および第4の半導体層16を有する光電変換素子206が形成されることになる。なお、第4の半導体層16の厚さは例えば、Ge組成比率が20%の場合、約100〜200nmとする。ここで、第4の半導体層16のGe組成比率によって好ましい第4の半導体層16の膜厚範囲は異なるが、第4の半導体層16は少なくとも臨界膜厚を超えない程度の厚さであればよい。
Next, as shown in FIG. 7A, a portion of the
本工程で用いるCVD法においては、基板温度を400℃以上700℃以下程度に加熱して、Si2H6ガス、GeH4を所望の組成になるように混合して半導体層をエピタキシャル成長させる。例えば、Ge組成比率が25%であれば、Si2H6/GeH4=0.29程度になるように原料ガスを装置内に供給すればよい。なお、半導体層の導電型をp型にする際は、B2H6ガスを半導体層の成長時に混入する。また、半導体層の導電型をn型にする際は、PH3ガスを半導体層の成長時に混入すればよい。上述の条件で行うCVD法により、第3の半導体層15、第4の半導体層16は形成される。
In the CVD method used in this step, the substrate temperature is heated to about 400 ° C. or more and 700 ° C. or less, and Si 2 H 6 gas and GeH 4 are mixed to have a desired composition to epitaxially grow the semiconductor layer. For example, if the Ge composition ratio is 25%, the source gas may be supplied into the apparatus so that Si 2 H 6 / GeH 4 = 0.29. Incidentally, when the conductivity type of the semiconductor layer to the p-type, the incorporation of B 2 H 6 gas during growth of the semiconductor layer. Further, when the conductivity type of the semiconductor layer is n-type, PH 3 gas may be mixed during the growth of the semiconductor layer. The
続いて、図7(b)に示すように、第4の半導体層16を含む基板(作製中の固体撮像装置)の上面全体をシリコン酸化膜22で覆い、第4の半導体層16に含まれるGeがトランジスタ部(転送トランジスタ207等)や周辺回路へ拡散するのを防ぐ。
Subsequently, as shown in FIG. 7B, the entire upper surface of the substrate including the fourth semiconductor layer 16 (the solid-state imaging device under fabrication) is covered with the
次に、図7(c)に示すように、シリコン酸化膜22をエッチバックまたはCMP等により平坦化してからリソグラフィ法およびエッチング法によりゲート電極10およびゲート配線20の上面を露出させ、公知の方法でゲート電極10上およびゲート配線20上にシリサイド層を形成する。その後、CVD法等により第1の層間絶縁膜23を形成する。次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により第1の層間絶縁膜23の上面の平坦化を行う。そして、リソグラフィ法を用いてレジストのパターニングを行い、当該レジストを用いたドライエッチング法によりコンタクトホールを形成する。次いで、コンタクトホールにタングステン等の金属を公知の方法で埋め込むことにより、コンタクト25を形成した後、CMP法でコンタクト25の上面を平坦化する。そして、アルミニウムなどからなる金属膜を第1の層間絶縁膜23上に形成してから、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて当該金属膜をパターニングすることにより、配線26を形成する。
Next, as shown in FIG. 7C, the
以後、配線層数を増やしたい場合には、上述したのと同様の方法で層間絶縁膜、コンタクト、配線を形成して、最終的に金属等の導電体からなるパッド領域(図示せず)を、リソグラフィ法およびドライエッチング法により形成する。以上のようにして、本実施形態の固体撮像装置は作製される。 Thereafter, when it is desired to increase the number of wiring layers, an interlayer insulating film, contacts and wiring are formed by the same method as described above, and finally a pad region (not shown) made of a conductor such as metal is formed. The film is formed by lithography and dry etching. As described above, the solid-state imaging device of the present embodiment is manufactured.
なお、配線26、28(図2参照)が銅配線である場合には、一般的なダマシンプロセスあるいはデュアルダマシンプロセスを用いて配線26、28を形成できる。
If the
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一部の一例を示す断面図である。ここでは、光電変換素子206、転送トランジスタ207のゲート電極10およびFD部11を通る断面を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of a part of a pixel of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. Here, a cross section passing through the
本実施形態の固体撮像装置は、第1の材料(本実施形態では例えばSi)からなる半導体基板12a上に形成された光電変換素子206を含む画素を複数備えている。光電変換素子206は、第1の材料からなり、凹部を有する第1の半導体部分と、第1の半導体部分の凹部上に三次元状に積層され、第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料(本実施形態では例えばSiGeまたはGe)で構成され、第1の半導体部分と同じ導電型の第2の半導体部分とを有している。
The solid-state imaging device of the present embodiment includes a plurality of pixels including the
図8に示す例では、第1の半導体部分は第2の半導体層14で構成され、凹部は第2の半導体層14の上部に形成されている。第2の半導体部分は第4の半導体層16で構成される。次に、固体撮像装置の構成をより具体的に説明する。
In the example shown in FIG. 8, the first semiconductor portion is constituted by the
図8に示すように、第2の実施形態に係る固体撮像装置の画素内では、シリコンからなる基板12上に光電変換素子206が形成されている。光電変換素子206は、基板12上に設けられたp−型の第1の半導体層13の一部と、第1の半導体層13の一部上に設けられたn型の第2の半導体層14と、第2の半導体層14の上面上に設けられ、例えば単結晶のSixGe(1−x)(0≦x<1)からなるn型の第4の半導体層16とを有している。ただし、第4の半導体層16には、必要に応じて炭素が含まれていてもよい。
As shown in FIG. 8, in the pixel of the solid-state imaging device according to the second embodiment, a
第2の半導体層14および第4の半導体層16の不純物濃度は、1×1013〜1×1018(個/cm3)程度である。また、第1の半導体層13の不純物濃度は1×1013〜1×1017(個/cm3)程度である。
The impurity concentration of the
本実施形態の固体撮像装置が第1の実施形態に係る固体撮像装置と異なる点は、第2の半導体層14の上部に凹部が形成されており、この凹部を覆う第4の半導体層16が三次元状に形成されていることにある。この効果については後述する。なお、凹部は穴状、または、溝状であって平面形状が格子状若しくはストライプ状であってもよい。
The solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device according to the first embodiment in that a concave portion is formed on the
また、第2の半導体層14の側面下部はp型のストッパー層17、19と接しており、第2の半導体層14の側面上部はSTI構造を有する素子分離領域18およびp型のストッパー層19aで囲まれている。
The lower side surface of the
また、p型のストッパー層19aの上に形成されたp型の表面層31上には、不純物拡散層(図示せず)と、ゲート絶縁膜(図示せず)と、ゲート電極10とを有する転送トランジスタ207が設けられている。素子分離領域18の側面および底面は、厚みの薄いp+型の側壁層30で覆われている。素子分離領域18上にはゲート電極10と同じポリシリコン等で構成されたゲート配線20が設けられている。ゲート電極10およびゲート配線20の側面上にはシリコン酸化膜21が設けられ、光電変換素子206およびシリコン酸化膜21の上には、シリコン酸化膜22が設けられている。シリコン酸化膜22の上およびゲート配線20の上には、第1の層間絶縁膜23、第2の層間絶縁膜24がそれぞれ設けられている。
Further, an impurity diffusion layer (not shown), a gate insulating film (not shown), and the
また、固体撮像装置には、ゲート電極10に接続され、第1の層間絶縁膜23を貫通するコンタクト25と、コンタクト25に接続され、第1の層間絶縁膜23上に配置されたアルミニウム(Al)などからなる配線26と、配線26に接続され、第2の層間絶縁膜24を貫通するコンタクト27と、コンタクト27に接続され、第2の層間絶縁膜24上の配線28と、少なくとも配線28上から第2の層間絶縁膜24上に亘る保護膜29とが設けられている。
Further, in the solid-state imaging device, a
以上の構成を有する本実施形態の固体撮像装置の効果について説明する。 The effect of the solid-state imaging device of the present embodiment having the above configuration will be described.
光電変換素子206に光が入射すると正孔と電子とが発生し、入射光量に応じた電荷(電子)がpn界面から拡がる空乏層により形成されたpn接合容量に蓄えられる。ここで、当該空乏層は、それぞれp型のストッパー層19、19a、第1の半導体層13及び側壁層30と、n型の第2の半導体層14との接合により生じる。
When light enters the
第4の半導体層16のGe組成比率は任意に設定できるが、Ge組成比率を大きくすることで、波長が約1800nmまでの光を吸収させることができる。
The Ge composition ratio of the
図3を用いて既に説明したように、SiGeまたはGeは、Siでは吸収できない波長が1100nm以上の長波長光を吸収できる。その上、Siが吸収可能な波長の光についても、SiGeまたはGeの吸収係数はシリコンの吸収係数よりも大きいため、本実施形態の光電変換素子では非常に感度が高くなっている。特に、Siを用いる場合に比べて長波長領域の光に対する感度が大きく改善されている。単結晶のSiGeおよびGeはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることでSiに比べて容易に形成することができる。また、Siからなる半導体層上に形成するSiGeまたはGeはマスクを用いれば所望の領域のみに選択的に成長させることができる。 As already described with reference to FIG. 3, SiGe or Ge can absorb long-wavelength light having a wavelength of 1100 nm or more that cannot be absorbed by Si. In addition, even for light having a wavelength that can be absorbed by Si, since the absorption coefficient of SiGe or Ge is larger than that of silicon, the photoelectric conversion element of this embodiment has very high sensitivity. In particular, the sensitivity to light in the long wavelength region is greatly improved as compared with the case of using Si. Single-crystal SiGe and Ge can be formed more easily than Si by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, SiGe or Ge formed on a semiconductor layer made of Si can be selectively grown only in a desired region by using a mask.
図4を用いて先に説明したように、Siからなる第2の半導体層14上にSiGeまたはGeからなる第4の半導体層16をエピタキシャル成長させる場合、SiとGeとで格子定数が異なることから、臨界膜厚を越えると結晶欠陥に起因するクラックが発生する。そのため、第4の半導体層16は臨界膜厚以下とすることが好ましい。従って、従来は第4の半導体層16の厚みを厚くして感度の向上を図ることが困難であった。
As described above with reference to FIG. 4, when the
本実施形態の固体撮像装置では、第4の半導体層16が第2の半導体層14に設けられた凹部上に三次元状に形成されている。外部からの光は半導体基板12aの基板面に対して垂直方向または斜め方向に入射するので、第4の半導体層16を平坦な形状にする場合に比べて光が通過する第4の半導体層16の実効的な膜厚を大きくすることができる。例えば、第4の半導体層16のうち、第2の半導体層14の上部に形成された凹部上に形成された部分に、当該凹部の斜面に平行な光が入射する場合には、凹部を構成する斜面の長さが第4の半導体層16の当該部分の実効的な膜厚となる。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the
このため、光の吸収係数が大きい第4の半導体層16の膜厚が制限される場合であっても、第4の半導体層16を平坦に形成するのに比べて第4の半導体層16における光の吸収量を大幅に増加させることができる。よって、光電変換素子206の感度は従来の固体撮像装置に比べ大きく向上している。特に、可視光の長波長領域や赤外領域の光に対する感度を顕著に向上させることができる。
For this reason, even in the case where the thickness of the
なお、第2の半導体層14の上部に形成された凹部は穴状、または、溝状であって平面形状が格子状若しくはストライプ状であってもよいなどであってもよいが、少なくとも凹状に形成されていれば、これを覆う第4の半導体層16を三次元形状にすることができる。凹部は少なくとも1つ以上形成されていればよい。
Note that the recess formed in the upper portion of the
なお、図8に示す構成の場合、第4の半導体層16の厚みによって、第2の半導体層14の上部に形成する溝の幅を決定できる。Ge組成比率が20%の場合、第4の半導体層16の厚みを臨界膜厚と等しい約200nmとすると、第2の半導体層14に形成された溝の幅は約400nm以上とし、溝同士の間隔は約400nm以上程度の間隔を空けることができる。なお、溝の間隔は、単位面積あたりの溝の本数を増やした方が感度を高くできるので、パターニング可能な最小の幅に設定することが好ましい。このようにすれば、第4の半導体層16の実効的な厚さが入射する光の吸収長より大きくなる部分の割合が増え、より光電変換素子206の感度を向上することができる。また、第2の半導体層14に形成された溝の深さによって光の入射方向に応じた第4の半導体層16の実効的な厚さが変わってくるので、当該溝の深さは要求される感度に合わせて設定すればよい。
In the case of the configuration shown in FIG. 8, the width of the groove formed in the upper part of the
なお、凹部を構成する溝は、フッ素系ガスを用いたドライエッチング、または、水酸化カリウム(KOH)溶液やTMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)等を用いたウェットエッチングを第2の半導体層14の上部に対して行うことで形成される。なお、ドライエッチングは異方性であるため、これを用いる場合には第2の半導体層14は半導体基板12aの基板面に対してほぼ垂直にエッチングされ、ウェットエッチングは等方性なので、これを用いる場合には第2の半導体層14は斜めにエッチングされる。
The grooves constituting the recesses are formed by dry etching using a fluorine-based gas or wet etching using a potassium hydroxide (KOH) solution, TMAH (Tetra Methyl Ammonium Hydroxide), or the like above the
なお、本実施形態の固体撮像装置では、一例として第2の半導体層14に形成された溝の深さを約150nmとしている。また、図8では、ウェットエッチングで凹部を形成した場合の形状を示している。このような構成によれば、ノイズ電流を抑制したまま、感度を改善することができる。なお、第4の半導体層16をSiGeで構成する場合、炭素原子(図示せず)を添加することもできる。第4の半導体層16に炭素原子を添加した場合、暗時に発生する電荷数を低減できる。これは、Si原子より大きいGe原子を炭素原子が置換して、第4の半導体層16内に生じる応力を減少させることができ、暗時電荷数の増加を誘発する欠陥領域を減少できるからである。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the depth of the groove formed in the
なお、以上で説明した例では配線26、28がアルミニウムなどの金属で構成されているが、銅あるいは銅を主成分とする金属で構成されていてもよい。この場合には、配線26、28はそれぞれ第1の層間絶縁膜23の上部、および第2の層間絶縁膜24の上部に埋め込まれる。また、コンタクト25、27はタングステン等の金属で構成されていてもよいが、銅配線を用いる場合には配線と一体的に形成された銅で構成されていてもよい。
In the example described above, the
また、本実施形態の固体撮像装置において、画素を構成する半導体層の導電型をすべて逆にした場合であっても光電変換素子を機能させることができる。 Further, in the solid-state imaging device of the present embodiment, the photoelectric conversion element can function even when the conductivity types of the semiconductor layers constituting the pixels are all reversed.
以上のような構成を有する本実施形態の固体撮像装置を用いれば具体的に以下のような効果が実現できた。すなわち、図8に示す第2の実施形態の固体撮像装置では、格子定数の差によって発生するクラックに起因した暗時のノイズ電流を約2桁以上抑制することができた。そして、第4の半導体層16の厚みを約500nm、凹部同士の間隔を約500nmとし、Ge組成比率が20%程度のSiGeで第4の半導体層16を構成した場合、例えば波長800nm以上の光に対する本実施形態の固体撮像装置の感度は約1.5倍程度に増加した。
If the solid-state imaging device of the present embodiment having the above configuration is used, the following effects can be specifically realized. That is, in the solid-state imaging device according to the second embodiment shown in FIG. 8, the dark noise current caused by the crack generated by the difference in lattice constant can be suppressed by about two digits or more. When the
この効果は本実施形態の一例に係る固体撮像装置での値であり、第4の半導体層16中のGe組成比率を高くすることや、第4の半導体層16の厚みを厚くする、または第2の半導体層14に形成された溝の深さを深くすることで更なる感度の改善が図られる。
This effect is a value in the solid-state imaging device according to an example of the present embodiment, and the Ge composition ratio in the
−固体撮像装置の製造方法−
次に、図8に示す第2の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは一例としてウェットエッチングによって溝を形成する方法を示している。
-Manufacturing method of solid-state imaging device-
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the second embodiment shown in FIG. 8 will be described with reference to the drawings. Here, as an example, a method of forming a groove by wet etching is shown.
図9(a)〜(d)は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。本実施形態の製造方法において、図5(a)から図6(a)までに示す工程は第1の実施形態に係る製造方法と同様であるので説明を省略し、第2の半導体層14の上部を加工する工程以後を説明する。 9A to 9D are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the second embodiment. In the manufacturing method according to the present embodiment, the steps shown in FIGS. 5A to 6A are the same as those in the manufacturing method according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. The process after the process of processing the upper part will be described.
まず、図9(a)に示すように、光電変換により発生した電荷をFD部11へ転送するためのゲート電極10と、ゲート配線20とを形成する。次いで、リソグラフィ法およびエッチング法を用いて、光電変換素子が形成される領域に開口を有する厚さ100nm程度のシリコン酸化膜21を基板(作製中の固体撮像装置)上に形成する。
First, as shown in FIG. 9A, a
次に、図9(b)に示すように、シリコン酸化膜21の開口部内の第2の半導体層14の上部を、例えばTMAH、KOH溶液等をエッチャントとして、シリコン酸化膜21をマスクとしてそれぞれ用いたウェットエッチングにより加工する。これにより、第2の半導体層14の上部に凹部が形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, the upper portion of the
ここで、凹部の形状は、穴状、または、溝状であって平面形状が格子状若しくはストライプ状であってもよい。あるいは、第2の半導体層14の上部が柱状になっていてもよい。凹部の形状は、シリコン酸化膜21の開口の形状とエッチング方法によって変更することができる。ウェットエッチングを行った場合、半導体基板12aの結晶面によってエッチングレートが異なり、例えば(100)面を主面とするシリコン基板を用いた場合、(111)面が現れるようにエッチングされる。ドライエッチングにより第2の半導体層14を加工することも可能であり、この場合は半導体基板12aの基板面に垂直な方向にエッチングが進行する。従って、溝の断面はV字状だけでなくU字状であってもよい。
Here, the shape of the concave portion may be a hole shape or a groove shape, and the planar shape may be a lattice shape or a stripe shape. Alternatively, the upper part of the
次に、図9(b)に示すように、リソグラフィ法およびエッチング法を用いて、シリコン酸化膜21のうち第2の半導体層14上に設けられた部分を選択的に除去する。次いで、第2の半導体層14の上面を覆うようにn型のSiGeまたはGeを例えばCVD法により選択的にエピタキシャル成長させ、第4の半導体層16を形成する。これにより、第1の半導体層13の一部、第2の半導体層14、および第4の半導体層16を有する光電変換素子206が形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 9B, a portion of the
続いて、図9(c)に示すように、第4の半導体層16を含む基板(作製中の固体撮像装置)の上面全体をシリコン酸化膜22で覆い、第4の半導体層16に含まれるGeがトランジスタ部や周辺回路へ拡散するのを防ぐ。
Subsequently, as illustrated in FIG. 9C, the entire upper surface of the substrate including the fourth semiconductor layer 16 (the solid-state imaging device under manufacture) is covered with the
次に、図9(d)に示すように、シリコン酸化膜22を平坦化してからリソグラフィ法およびエッチング法によりゲート電極10およびゲート配線20の上面を露出させ、公知の方法でゲート電極10上およびゲート配線20上にシリサイド層を形成する。その後、CVD法等により第1の層間絶縁膜23を形成するCVD法等により第1の層間絶縁膜23を形成する。その後、CMP法により第1の層間絶縁膜23の上面の平坦化を行う。そして、リソグラフィ法を用いてレジストのパターニングを行い、当該レジストを用いたドライエッチング法によりコンタクトホールを形成する。次いで、コンタクトホールにタングステン等の金属を公知の方法で埋め込むことにより、コンタクト25を形成した後、CMP法でコンタクト25の上面を平坦化する。そして、アルミニウムなどからなる金属膜を第1の層間絶縁膜23上に形成してから、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて当該金属膜をパターニングすることにより、配線26を形成する。
Next, as shown in FIG. 9D, the
(第3の実施形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一部を示す断面図である。基本構造は第1の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるが、本実施形態の固体撮像装置では、第4の半導体層16を覆うp+型の第5の半導体層50がさらに備えられている。第5の半導体層50の不純物濃度は1×1015〜1×1020(個/cm3)程度であり、第5の半導体層50の厚みは5nm以上100nm以下程度である。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing part of a pixel of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. Although the basic structure is the same as that of the solid-state imaging device according to the first embodiment, the solid-state imaging device of this embodiment further includes a p + -type
本実施形態の固体撮像装置においては、第5の半導体層50が第4の半導体層16を覆っていることで、第5の半導体層50まで空乏層が拡がるのが防がれ、暗時に光電変換素子206の上面近傍に発生する電荷の影響を低減することができる。その他の効果については第1の実施形態の固体撮像装置と同様である。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the
なお、図10では第1の実施形態に係る固体撮像装置の第4の半導体層16を覆う第5の半導体層50を設ける例を示したが、図8に示す第2の実施形態に係る固体撮像装置において、第4の半導体層16を覆う第5の半導体層50が設けられていても上述の効果を得ることができる。
10 shows an example in which the
本実施形態の固体撮像装置は、図7(a)に示す工程で第4の半導体層16を形成した後、第4の半導体層を覆うようにp+型のSi、SiGeまたはGeからなる第5の半導体層50をエピタキシャル成長させる。第5の半導体層50がSiGeで構成される場合は、Si2H6ガス、GeH4を成長装置内に供給したまま、B2H6ガスの流量を供給し、B(ボロン)の原料ガスが高濃度に存在する条件で第5の半導体層50を成長させればよい。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, after the
本発明の固体撮像装置およびその製造方法は、画像撮影を行う種々のデジタルカメラや携帯電話、ビデオカメラ、監視カメラ等の撮像装置およびその製造に有用である。 The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for imaging devices such as various digital cameras, mobile phones, video cameras, surveillance cameras, and the like that perform image capturing and the manufacturing thereof.
10 ゲート電極
11 FD部
12 基板
12a 半導体基板
13 第1の半導体層
14 第2の半導体層
15 第3の半導体層
16 第4の半導体層
17、19、19a ストッパー層
18 素子分離領域
20 ゲート配線
21 シリコン酸化膜
22 シリコン酸化膜
23 第1の層間絶縁膜
24 第2の層間絶縁膜
25、27 コンタクト
26、28 配線
29 保護膜
30 側壁層
31 表面層
50 第5の半導体層
201 画素
202 撮像領域
203 垂直シフトレジスタ
204 出力信号線
205 水平シフトレジスタ
206 光電変換素子
207 転送トランジスタ
208 増幅トランジスタ
209 電源電圧供給部
210 リセットトランジスタ
211 選択トランジスタ
212、213、214 出力パルス線
301 パッド絶縁膜
302 耐酸化性膜
10
12
Claims (10)
前記光電変換素子は、前記第1の材料からなり、凹部または凸部を有する第1の半導体部分と、前記第1の半導体部分の前記凹部上または前記凸部上に三次元状に積層され、前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料で構成され、前記第1の半導体部分と同じ導電型の第2の半導体部分とを有している固体撮像装置。 A solid-state imaging device including a plurality of pixels including photoelectric conversion elements formed on a semiconductor substrate made of a first material,
The photoelectric conversion element is made of the first material, and is laminated in a three-dimensional manner on a first semiconductor portion having a concave portion or a convex portion, and on the concave portion or the convex portion of the first semiconductor portion, A solid-state imaging device including a second semiconductor portion made of a second material having a band gap energy smaller than that of the first material and having the same conductivity type as the first semiconductor portion.
前記第1の半導体部分は前記凸部を有しており、
前記第2の半導体部分は前記第1の半導体部分の前記凸部上に積層されており、
前記光電変換素子は、
前記半導体基板に設けられた第2導電型の第1の半導体層の一部と、
前記第1の半導体層の一部上に設けられた第2の導電型の第2半導体層と、
前記第2の半導体層上に選択的に設けられた前記第1の材料からなる第2導電型の第3の半導体層と、
前記第2の半導体層上および第3の半導体層上に設けられた前記第2の材料からなる第2導電型の第4の半導体層とを有しており、
前記第1の半導体部分は前記第2の半導体層と、前記凸部である前記第3の半導体層とで構成されており、
前記第2の半導体部分は前記第4の半導体層で構成されていることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The first semiconductor portion has the convex portion,
The second semiconductor portion is stacked on the convex portion of the first semiconductor portion;
The photoelectric conversion element is
A portion of a first semiconductor layer of a second conductivity type provided on the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided on a part of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a second conductivity type made of the first material selectively provided on the second semiconductor layer;
A second conductivity type fourth semiconductor layer made of the second material provided on the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and
The first semiconductor portion is composed of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer which is the convex portion,
The solid-state imaging device, wherein the second semiconductor portion is constituted by the fourth semiconductor layer.
前記第3の半導体層は、柱状構造、ストライプ構造、または平面視において格子状となる壁状構造を有していることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The solid-state imaging device, wherein the third semiconductor layer has a columnar structure, a stripe structure, or a wall-like structure that has a lattice shape in plan view.
前記第1の半導体部分は前記凹部を有しており、
前記第2の半導体部分は前記第1の半導体部分の前記凹部上に積層されており、
前記光電変換素子は、
前記半導体基板に設けられた第1導電型の第1の半導体層の一部と、
前記第1の半導体層の一部上に設けられ、上部に前記凹部が形成され、前記第1の半導体部分を構成する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に設けられ、前記第2の半導体部分を構成する第4の半導体層とを有していることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The first semiconductor portion has the recess;
The second semiconductor portion is stacked on the recess of the first semiconductor portion;
The photoelectric conversion element is
A portion of a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer which is provided on a part of the first semiconductor layer, the recess is formed in an upper portion thereof, and constitutes the first semiconductor portion;
A solid-state imaging device comprising: a fourth semiconductor layer provided on the second semiconductor layer and constituting the second semiconductor portion.
前記凹部は、前記第2の半導体層の上部を選択的にエッチングすることにより形成されていることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 4,
The solid-state imaging device, wherein the concave portion is formed by selectively etching an upper portion of the second semiconductor layer.
前記凹部は穴状、または、溝状であって平面形状が格子状若しくはストライプ状であることを特徴とする固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 4 or 5,
The solid-state imaging device, wherein the concave portion has a hole shape or a groove shape, and a planar shape is a lattice shape or a stripe shape.
前記光電変換素子は、前記第4の半導体層を覆う第1導電型の第5の半導体層をさらに有していることを特徴とする固体撮像装置。 In the solid-state imaging device according to any one of claims 2 to 6,
The photoelectric conversion element further includes a fifth semiconductor layer of a first conductivity type that covers the fourth semiconductor layer.
前記第1の材料はシリコンであり、
前記第2の材料はSixGe(1−x)(0≦x<1)であることを特徴とする固体撮像装置。 In the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The first material is silicon;
The solid-state imaging device, wherein the second material is Si x Ge (1-x) (0 ≦ x <1).
前記半導体基板に第1の導電型の第1の半導体層を形成する工程(a)と、
前記半導体基板のうち、前記第1の半導体層の上に位置する領域に第2導電型の第2の半導体層を形成する工程(b)と、
前記第2の半導体層上に1つ以上の開口部を有する絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記第2の半導体層のうち前記開口部内に位置する領域上に、前記絶縁膜をマスクとして前記第1の材料を選択的にエピタキシャル成長させ、第2導電型の第3の半導体層を形成する工程(d)と、
前記絶縁膜を除去した後、前記第2の半導体層上および前記第3の半導体層上に前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料をエピタキシャル成長させ、第2導電型の第4の半導体層を三次元状に形成する工程(e)とを備えている固体撮像装置の製造方法。 A manufacturing method of a solid-state imaging device including a plurality of pixels including photoelectric conversion elements formed on a semiconductor substrate made of a first material,
Forming a first semiconductor layer of a first conductivity type on the semiconductor substrate;
Forming a second conductivity type second semiconductor layer in a region of the semiconductor substrate located on the first semiconductor layer;
Forming an insulating film having one or more openings on the second semiconductor layer (c);
Forming a second conductive type third semiconductor layer by selectively epitaxially growing the first material on a region of the second semiconductor layer located in the opening using the insulating film as a mask; (D) and
After removing the insulating film, a second material having a bandgap energy smaller than that of the first material is epitaxially grown on the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and second conductivity type second And a step (e) of forming the four semiconductor layers in a three-dimensional shape.
前記半導体基板に第1の導電型の第1の半導体層を形成する工程(a)と、
前記半導体基板のうち、前記第1の半導体層の上に位置する領域に第2導電型の第2の半導体層を形成する工程(b)と、
前記第2の半導体層上に1つ以上の開口部を有する絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記絶縁膜をマスクとして、前記第2の半導体層の上部のうち前記開口部内に位置する部分を選択的にエッチングすることで、前記第2の半導体層の上部に溝状の凹部を形成する工程(d)と、
前記絶縁膜を除去した後に、前記凹部を含む前記第2の半導体層の上面上に前記第1の材料よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2の材料をエピタキシャル成長させ、第2導電型の第4の半導体層を三次元状に形成する工程(e)とを備えている固体撮像装置の製造方法。 A manufacturing method of a solid-state imaging device including a plurality of pixels including photoelectric conversion elements formed on a semiconductor substrate made of a first material,
Forming a first semiconductor layer of a first conductivity type on the semiconductor substrate;
Forming a second conductivity type second semiconductor layer in a region of the semiconductor substrate located on the first semiconductor layer;
Forming an insulating film having one or more openings on the second semiconductor layer (c);
Using the insulating film as a mask, selectively etching a portion of the upper portion of the second semiconductor layer located in the opening to form a groove-shaped recess in the upper portion of the second semiconductor layer (D) and
After removing the insulating film, a second material having a band gap energy smaller than that of the first material is epitaxially grown on the upper surface of the second semiconductor layer including the concave portion, and a second conductivity type fourth material is obtained. And (e) forming a semiconductor layer in a three-dimensional form.
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JP2012191097A (en) * | 2011-03-14 | 2012-10-04 | Toshiba Corp | Solid-state imaging device |
JP2023514047A (en) * | 2020-02-21 | 2023-04-05 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Structural and materials engineering methods for improving the signal-to-noise ratio of optoelectronic devices |
WO2023053533A1 (en) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging element and electronic device |
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