JP2011014751A - Solid-state image sensor, transistor, method of manufacturing the transistor, and electronic apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image sensor having vertical transistors superior in characteristics by forming a channel region with self-alignment.SOLUTION: The solid-state image sensor 1 includes: a channel region 15 comprising a semiconductor layer that is grown on an inner wall of a hole 13 provided in a semiconductor substrate 3; a gate insulating film 17 covering the channel region 15; a read-out gate electrode 19tg provided in the hole 13 through the gate insulating film 17; and photo-diodes PD1 and PD2 provided on the semiconductor substrate 3, from which electric charges are read out by switching on or off the read-out gate electrode 19tg.

Description

本発明は、縦型のトランジスタを有する固体撮像素子、縦型のトランジスタとその製造方法、およびこれらを用いた電子機器に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device having a vertical transistor, a vertical transistor and a method for manufacturing the same, and an electronic apparatus using the same.

フォトダイオードと、フォトダイオードで光電変換された電荷を読み出すトランジスタとを備えた固体撮像素子においては、素子占有面積の縮小とフォトダイオードでの受光面積の拡大とを目的として、トランジスタを縦型にする構成が提案されている。   In a solid-state imaging device including a photodiode and a transistor that reads out electric charges photoelectrically converted by the photodiode, the transistor is made vertical for the purpose of reducing the area occupied by the element and increasing the light receiving area of the photodiode. A configuration is proposed.

縦型トランジスタ製造においては、半導体基板に形成した孔部の内壁にイオン注入によって不純物領域を形成した後、孔部の内壁を覆う状態でゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜を介して孔部内を埋め込む状態でゲート電極を形成する(下記特許文献1参照)。   In the manufacture of a vertical transistor, an impurity region is formed on the inner wall of a hole formed in a semiconductor substrate by ion implantation, and then a gate insulating film is formed so as to cover the inner wall of the hole. A gate electrode is formed in a state of filling (see Patent Document 1 below).

特開2005−223084号公報(図5および段落0039参照)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-223084 (see FIG. 5 and paragraph 0039)

しかしながら上述したこのような製造手順では、孔部の深い位置に不純物を導入し難く、また孔部の内壁に沿って形状精度良好に不純物領域を形成することはできない。このため、孔部の内壁に沿って形状精度および濃度プロファイルを良好にチャネル領域を形成することが困難である。したがって、安定した特性を有する縦型トランジスタを得ることができず、縦型トランジスタを用いた固体撮像素子の実現を妨げる要因になっている。   However, in such a manufacturing procedure as described above, it is difficult to introduce impurities into a deep position of the hole, and an impurity region cannot be formed with good shape accuracy along the inner wall of the hole. For this reason, it is difficult to form a channel region with good shape accuracy and concentration profile along the inner wall of the hole. Therefore, a vertical transistor having stable characteristics cannot be obtained, which is a factor that hinders realization of a solid-state imaging device using the vertical transistor.

そこで本発明は、セルフアラインでチャネル領域が形成されたことにより特性の良好な縦型のトランジスタを提供すること、およびこのトランジスタを設けたことにより微細化が達成された固体撮像素子を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a vertical transistor having good characteristics by forming a channel region by self-alignment, and a solid-state imaging device in which miniaturization is achieved by providing this transistor. With the goal.

このような目的を達成するための本発明の固体撮像素子は、半導体基板に設けた孔部の内壁に、半導体層を成長させたチャネル領域を有している。またチャネル領域を覆うゲート絶縁膜を介して孔部内にはゲート電極が設けられている。さらに、半導体基板には、ゲート電極のオンオフによって電荷が読み出されるフォトダイオードが設けられている。   In order to achieve such an object, the solid-state imaging device of the present invention has a channel region in which a semiconductor layer is grown on the inner wall of a hole provided in a semiconductor substrate. A gate electrode is provided in the hole through a gate insulating film covering the channel region. Further, the semiconductor substrate is provided with a photodiode from which charges are read by turning on and off the gate electrode.

また本発明は、上記構成の縦型のトランジスタ、およびその製造方法でもある。縦型のトランジスタの製造方法は、次の手順で行う。先ず第1工程では半導体基板に孔部を形成し、次の第2工程において孔部の内壁に選択的にエピタキシャル成長させた半導体層からなるチャネル領域を形成する。その後第3工程では、チャネル領域を覆う状態でゲート絶縁膜を形成し、第4工程にてゲート電極を形成する。   The present invention is also a vertical transistor having the above structure and a method for manufacturing the same. The manufacturing method of the vertical transistor is performed by the following procedure. First, in the first step, a hole is formed in the semiconductor substrate, and in the next second step, a channel region made of a semiconductor layer selectively epitaxially grown on the inner wall of the hole is formed. Thereafter, in the third step, a gate insulating film is formed so as to cover the channel region, and in the fourth step, a gate electrode is formed.

さらに本発明は、上記固体撮像素子を備えた電子機器でもある。   Furthermore, the present invention is also an electronic device provided with the solid-state imaging device.

以上のような構成のトランジスタは、半導体基板の孔部の内壁に成長させた半導体層をチャネル領域としているため、孔部の内壁に対してチャネル領域がセルフアラインで設けられる。   Since the transistor having the above structure uses a semiconductor layer grown on the inner wall of the hole of the semiconductor substrate as a channel region, the channel region is provided in a self-aligned manner with respect to the inner wall of the hole.

以上のように本発明によれば、孔部の内壁に対してセルフアラインで高精度にチャネル領域を形成できるため、特性の良好な縦型のトランジスタを得ることができる。またこのように特性の良好な縦型トランジスタをフォトダイオードと共に用いることにより固体撮像素子の微細化を達成すると共に、固体撮像素子を備えた電子機器の小型化を達成することが可能になる。   As described above, according to the present invention, since the channel region can be formed with high accuracy by self-alignment with respect to the inner wall of the hole, a vertical transistor having excellent characteristics can be obtained. In addition, by using such a vertical transistor with good characteristics together with a photodiode, it is possible to achieve miniaturization of the solid-state imaging device and miniaturization of an electronic device including the solid-state imaging device.

第1実施形態の固体撮像素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子に設けた縦型トランジスタの特徴部を示す図である。It is a figure which shows the characterizing part of the vertical transistor provided in the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す工程図(その1)である。It is process drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す工程図(その2)である。It is process drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す工程図(その3)である。It is process drawing (the 3) which shows the manufacturing method of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す工程図(その4)である。It is process drawing (the 4) which shows the manufacturing method of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す工程図(その5)である。It is process drawing (the 5) which shows the manufacturing method of the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第2実施形態の固体撮像素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state image sensor of 2nd Embodiment. 第2実施形態の固体撮像素子の製造方法における特徴部を示す図である。It is a figure which shows the characteristic part in the manufacturing method of the solid-state image sensor of 2nd Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子を用いた電子機器の構成図である。It is a block diagram of the electronic device using the solid-state image sensor of 1st Embodiment.

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて、次に示す順に実施の形態を説明する。
1.第1実施形態(縦型トランジスタを用いた固体撮像素子の構成の第1例)
2.第2実施形態(縦型トランジスタを用いた固体撮像素子の構成の第2例)
3.第3実施形態(固体撮像素子を用いた電子機器の例)
尚、第1実施形態および第2実施形態においては、固体撮像素子の構成を説明し、その後固体撮像素子の製造方法を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on the drawings.
1. First Embodiment (First Example of Configuration of Solid-State Image Sensor Using Vertical Transistor)
2. Second Embodiment (Second Example of Configuration of Solid-State Image Sensor Using Vertical Transistor)
3. Third Embodiment (Example of Electronic Device Using Solid-State Image Sensor)
In the first embodiment and the second embodiment, the configuration of the solid-state imaging device will be described, and then the manufacturing method of the solid-state imaging device will be described.

≪1.第1実施形態≫
<固体撮像素子の構成>
図1には、第1実施形態の固体撮像素子の1画素分の主要部断面図、および4画素分の平面図を示す。要部断面図は平面図におけるA−A’断面に相当する。
<< 1. First Embodiment >>
<Configuration of solid-state image sensor>
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the main part of one pixel and a plan view of four pixels of the solid-state imaging device according to the first embodiment. The principal part sectional view corresponds to the AA ′ section in the plan view.

これらの図に示す固体撮像素子1は、各画素に2つのフォトダイオードPD1,PD2と共に、縦型トランジスタTr、およびフローティングディフュージョンFDを備えたものであり、次のように構成されている。   The solid-state imaging device 1 shown in these drawings includes a vertical transistor Tr and a floating diffusion FD in addition to two photodiodes PD1 and PD2 in each pixel, and is configured as follows.

すなわち、半導体基板3は、例えば単結晶シリコンの(100)面を主面としたものであり、n型の単結晶シリコンからなる。この半導体基板3の主面側には、例えば2つの画素を1組にして分離すると共に、その周辺の素子とを分離するための溝型分離(shallow trench isolation:以下STIと記す)5が設けられている。尚、STI5は平面図のみを図示している。   That is, the semiconductor substrate 3 has, for example, a (100) plane of single crystal silicon as a main surface and is made of n-type single crystal silicon. On the main surface side of the semiconductor substrate 3, for example, a trench type isolation (shallow trench isolation: hereinafter referred to as STI) 5 is provided for separating two pixels as a set and separating the peripheral elements. It has been. STI 5 shows only a plan view.

このうち各画素には、フォトダイオードPD1,PD2が配置されたセンサ領域3aと、フローティングディフュージョンFDを備えたフローティングディフュージョン領域3bとが設けられている。そして各センサ領域3a−フローティングディフュージョン領域3b間に、埋め込み構造の読出ゲート電極19tgが設けられて縦型トランジスタTrを構成している。ここでは、2つの画素のセンサ領域3aで1つのフローティングディフュージョン領域3bを共有すると共に、別の組み合わせの2つの画素のセンサ領域3aで1つの読み出しゲート電極19tgを共有する構成となっている。   Among these, each pixel is provided with a sensor region 3a in which the photodiodes PD1 and PD2 are disposed, and a floating diffusion region 3b having a floating diffusion FD. A read gate electrode 19tg having a buried structure is provided between each sensor region 3a and the floating diffusion region 3b to constitute a vertical transistor Tr. Here, one floating diffusion region 3b is shared by the sensor regions 3a of two pixels, and one readout gate electrode 19tg is shared by the sensor regions 3a of two pixels of different combinations.

ここでセンサ領域3a(断面図参照)には、表面側にn+型領域からなる表面フォトダイオードPD1が設けられ、これより深い位置にn+型領域からなる埋込フォトダイオードPD2が設けられている。また表面フォトダイオードPD1の上方における半導体基板3の表面層にはp型領域7が設けられてHADセンサ構造となっている。尚、このp型領域7は、表面フォトダイオードPD1を構成するn+型領域に対して接していても良いし間隔を有して設けられていても良い。   Here, in the sensor region 3a (refer to the cross-sectional view), a surface photodiode PD1 made of an n + type region is provided on the surface side, and a buried photodiode PD2 made of an n + type region is provided at a deeper position. A p-type region 7 is provided in the surface layer of the semiconductor substrate 3 above the surface photodiode PD1 to form a HAD sensor structure. The p-type region 7 may be in contact with the n + -type region constituting the surface photodiode PD1 or may be provided with an interval.

さらに、n+型領域からなる各フォトダイオードPD1,PD2には、それぞれの深さ方向に隣接させたp型の分離領域9,11が設けられている。特に埋込フォトダイオードPD2の深さ方向に隣接されたp型の分離領域11は、全画素に共通の領域として連続させて設けられていることとする。   Further, p-type isolation regions 9 and 11 adjacent to each other in the depth direction are provided in the photodiodes PD1 and PD2 each including the n + -type region. In particular, it is assumed that the p-type isolation region 11 adjacent in the depth direction of the embedded photodiode PD2 is continuously provided as a common region for all pixels.

一方、フローティングディフュージョン領域3bには、表面側にn+型領域からなるフローティングディフュージョンFDが設けられている。またこのフローティングディフュージョンFDよりも深い位置には、p型の分離領域23が設けられている。   On the other hand, the floating diffusion region 3b is provided with a floating diffusion FD composed of an n + type region on the surface side. A p-type isolation region 23 is provided at a position deeper than the floating diffusion FD.

また縦型トランジスタTrは、センサ領域3aのフォトダイオードPD1,PD2と、フローティングディフュージョン領域3bのフローティングディフュージョンFDとをソースドレインとしたものである。この縦型トランジスタTrは、半導体基板3に設けた孔部13の内壁に沿って、p型のチャネル領域15を備えている。このチャネル領域15は、孔部13の内壁にエピタキシャル成長させた半導体層で構成されているところが特徴的である。このようなチャネル領域15は、表面フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFDに対しては、間隔を保って配置されていても良いし接合された状態で配置されていても良い。また埋込フォトダイオードPD2に対しては接合された状態で配置されていることが好ましい。   In addition, the vertical transistor Tr uses the photodiodes PD1 and PD2 in the sensor region 3a and the floating diffusion FD in the floating diffusion region 3b as source and drain. The vertical transistor Tr includes a p-type channel region 15 along the inner wall of the hole 13 provided in the semiconductor substrate 3. The channel region 15 is characterized by being composed of a semiconductor layer epitaxially grown on the inner wall of the hole 13. Such a channel region 15 may be disposed at a distance from the surface photodiode PD1 and the floating diffusion FD, or may be disposed in a joined state. Further, it is preferably arranged in a bonded state with respect to the embedded photodiode PD2.

また半導体基板3上には、以上のようなチャネル領域15および半導体基板3を覆う状態でゲート絶縁膜17が設けられ、このゲート絶縁膜17を介して、孔部13内に読出ゲート電極19tgが埋め込まれている。読出ゲート電極19tgは、半導体基板3の上方において、チャネル領域15を覆うと共に、チャネル領域15と表面フォトダイオードPD1との間、さらにはチャネル領域15とフローティングディフュージョンFDとの間を覆う形状にパターニングされていることとする。各読出ゲート電極19tgの側壁には絶縁性のサイドウォール21が設けられていても良い。   A gate insulating film 17 is provided on the semiconductor substrate 3 so as to cover the channel region 15 and the semiconductor substrate 3 as described above, and a read gate electrode 19tg is formed in the hole 13 through the gate insulating film 17. Embedded. The read gate electrode 19tg is patterned so as to cover the channel region 15 and cover the channel region 15 and the surface photodiode PD1, and further cover the channel region 15 and the floating diffusion FD above the semiconductor substrate 3. Suppose that An insulating side wall 21 may be provided on the side wall of each read gate electrode 19tg.

ここで図2には、縦型トランジスタTr部分の拡大図を示す。この図に示すように、孔部13の内壁にエピタキシャル成長させた半導体層からなるチャネル領域15は、内側壁Bが八角柱を構成しているところが第1の特徴である。ここでは半導体基板3が単結晶シリコンの(100)面を主面としたものであり、この内側壁は単結晶シリコンの(100)面と(110)面とで構成された八角柱となる。このようなチャネル領域15は、上端面Cが、孔部13の中央に深さ方向に傾斜したファセット面となっていることが第2の特徴である。   Here, FIG. 2 shows an enlarged view of the vertical transistor Tr portion. As shown in this figure, the channel region 15 made of a semiconductor layer epitaxially grown on the inner wall of the hole 13 is characterized in that the inner wall B forms an octagonal column. Here, the semiconductor substrate 3 has a (100) plane of single crystal silicon as a main surface, and the inner wall is an octagonal prism composed of the (100) plane and (110) plane of single crystal silicon. The channel region 15 has a second feature that the upper end surface C is a facet surface inclined in the depth direction at the center of the hole portion 13.

以上のような構成の縦型トランジスタTrでは、読出ゲート電極19tgに電圧を印加することにより、p型のチャネル領域15がn型に反転する。また、読出ゲート電極19tgの直下のn型の半導体基板3の表面層Dは、n型の濃度が濃いn+型となる。   In the vertical transistor Tr configured as described above, the p-type channel region 15 is inverted to the n-type by applying a voltage to the read gate electrode 19tg. Further, the surface layer D of the n-type semiconductor substrate 3 immediately below the read gate electrode 19tg is an n + type having a high n-type concentration.

これにより、n+型の表面フォトダイオードPD1に蓄積された電荷は、n+型となった半導体基板3の表面層D、n型に反転したチャネル領域15、n+型となった半導体基板3の表面層Dを介してフローティングディフュージョンFDに読み出される。また、n+型の埋込フォトダイオードPD2に蓄積された電荷は、n型に反転したチャネル領域15およびn+型となった半導体基板3の表面層Dを介してフローティングディフュージョンFDに読み出される。   As a result, the charges accumulated in the n + type surface photodiode PD1 are the surface layer D of the n + type semiconductor substrate 3, the channel region 15 inverted to the n type, and the surface layer of the semiconductor substrate 3 of the n + type. It is read to the floating diffusion FD via D. Further, the charges accumulated in the n + type buried photodiode PD2 are read out to the floating diffusion FD through the channel region 15 inverted to the n type and the surface layer D of the n + type semiconductor substrate 3.

以上のように構成された各画素部分の周辺領域には、リセットゲート19rgと、リセットゲートrgをマスクにしてセルフアラインで設けられたn+型のリセットドレインRDとが設けられている。また、他の周辺領域には、アンプゲート19agと、アンプゲート19agをマスクにしてセルフアラインで設けられたn+型のソース領域ASとが設けられている。   In the peripheral region of each pixel portion configured as described above, a reset gate 19rg and an n + type reset drain RD provided in a self-alignment manner using the reset gate rg as a mask are provided. In other peripheral regions, an amplifier gate 19ag and an n + type source region AS provided by self-alignment using the amplifier gate 19ag as a mask are provided.

リセットゲート19rgおよびアンプゲート19agは、読出ゲート電極19tgと同一層で構成さている。ただし、リセットゲート19rgおよびアンプゲート19agの下部に孔部が形成されている必要はない。   The reset gate 19rg and the amplifier gate 19ag are configured in the same layer as the read gate electrode 19tg. However, holes need not be formed below the reset gate 19rg and the amplifier gate 19ag.

また以上のゲート電極19tg,19rg,19agが形成された半導体基板3上には、パッシベーション膜27を介して層間絶縁膜29が設けられている(断面図参照)。これらの層間絶縁膜29およびパッシベーション膜27には、各ゲート電極19tg,19rg,19agや、フローティングディフュージョンFDおよびn+型のリセットドレインRDやソース領域ASに達する接続孔29aが設けられている。   On the semiconductor substrate 3 on which the above gate electrodes 19tg, 19rg, and 19ag are formed, an interlayer insulating film 29 is provided via a passivation film 27 (see a sectional view). In the interlayer insulating film 29 and the passivation film 27, connection holes 29a reaching the gate electrodes 19tg, 19rg, 19ag, the floating diffusion FD, the n + type reset drain RD, and the source region AS are provided.

また層間絶縁膜29上には、配線31が設けられている。この配線31は、接続孔29aを介してフローティングディフュージョンFDとリセットドレインRDとを接続し、また他のリセットドレインRDとソース領域ASとを接続する状態で設けられている。   A wiring 31 is provided on the interlayer insulating film 29. The wiring 31 is provided in a state where the floating diffusion FD and the reset drain RD are connected via the connection hole 29a, and the other reset drain RD and the source region AS are connected.

<固体撮像素子の製造方法>
次に図3〜図4の製造工程図に基づいて第1実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する。尚、図3〜図7の製造工程図は、固体撮像素子の要部断面図および4画素分の平面図であり、要部断面図は平面図におけるA−A’断面に相当する。
<Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device>
Next, the manufacturing method of the solid-state imaging device of the first embodiment will be described based on the manufacturing process diagrams of FIGS. 3 to 7 are a cross-sectional view of a main part of the solid-state imaging device and a plan view of four pixels, and the cross-sectional view of the main part corresponds to the AA ′ cross section in the plan view.

先ず図3に示すように、n型の単結晶シリコンからなる半導体基板3の一主面側にSTI5(平面図のみの図示)を形成することにより、縦型トランジスタとフォトダイオードとを設ける画素領域と、その周辺の領域とを分離する。   First, as shown in FIG. 3, a pixel region in which a vertical transistor and a photodiode are provided by forming STI 5 (illustrated only in a plan view) on one main surface side of a semiconductor substrate 3 made of n-type single crystal silicon. And the surrounding area are separated.

次に、半導体基板3に不純物を導入して各領域を順次形成する。例えば先ず、画素が設けられる全領域にp型の分離領域11を形成する。次にセンサ領域3aに、n+型領域からなる埋込フォトダイオードPD2を形成し、p型の分離領域9、n+型領域からなる表面フォトダイオードPD1、HADセンサ構造を構成するp型領域7をこの順に形成する。またフローティングディフュージョン領域3bに、p型の分離領域23を形成し、次いでn+型領域からなるフローティングディフュージョンFDを形成する。   Next, impurities are introduced into the semiconductor substrate 3 to form each region sequentially. For example, first, the p-type isolation region 11 is formed in the entire region where the pixels are provided. Next, an embedded photodiode PD2 composed of an n + type region is formed in the sensor region 3a, and a p type isolation region 9, a surface photodiode PD1 composed of an n + type region, and a p type region 7 constituting the HAD sensor structure are formed. Form in order. Further, a p-type isolation region 23 is formed in the floating diffusion region 3b, and then a floating diffusion FD composed of an n + type region is formed.

以上の各n型領域およびp型領域の形成は、ここでの図示を省略した薄い酸化シリコン膜を介して、マスクパターン上からのイオン注入と、その後の熱処理による不純物の活性化によって行われる。   Each of the n-type region and the p-type region is formed by ion implantation from above the mask pattern and activation of impurities by subsequent heat treatment through a thin silicon oxide film not shown here.

次に、図4の断面図および平面図に示すように、フォトダイオードPD等が形成された半導体基板3上に、酸化シリコンや窒化シリコン等の無機材料からなるマスクパターン41を形成する。このマスクパターン41には、フォトダイオードPD1,PD2とフローティングディフュージョンFDとの間を開口する孔部41aを備えている。このようなマスクパターン41の形成は、無機材料膜上にここでの図示を省略したレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして無機材料膜を異方性エッチングしてなる孔部41aを設けることによって行う。異方性エッチング後にはレジストパターンを除去する。   Next, as shown in the sectional view and the plan view of FIG. 4, a mask pattern 41 made of an inorganic material such as silicon oxide or silicon nitride is formed on the semiconductor substrate 3 on which the photodiode PD or the like is formed. The mask pattern 41 includes a hole 41a that opens between the photodiodes PD1 and PD2 and the floating diffusion FD. The mask pattern 41 is formed by forming a resist pattern (not shown) on the inorganic material film, and forming a hole 41a formed by anisotropic etching of the inorganic material film using the resist pattern as a mask. It is done by providing. The resist pattern is removed after anisotropic etching.

その後、図4の断面図および平面図に示すように、マスクパターン41上から半導体基板3をエッチングして孔部13を形成する。この孔部13は、埋込フォトダイオードPD2に接し、底部に分離領域11を露出させると共に、開口径0.3〜0.8μm(一例として0.5μm)、深さ0.6〜1.5μm(一例として1.15m)で形成する。   Thereafter, as shown in the sectional view and the plan view of FIG. 4, the semiconductor substrate 3 is etched from above the mask pattern 41 to form the hole 13. The hole 13 is in contact with the embedded photodiode PD2, exposes the isolation region 11 at the bottom, has an opening diameter of 0.3 to 0.8 μm (for example, 0.5 μm), and a depth of 0.6 to 1.5 μm. (1.15 m as an example).

このエッチングは、異方性のドライエッチングが適用され、例えば以下の条件で行なわれる。
エッチング雰囲気内圧力 :125(mTorr)
バイアス電力 :450(W)
エッチングガスおよび流量:
HBr=230(sccm)
NF3=35(sccm)
2=17(sccm)
For this etching, anisotropic dry etching is applied, for example, under the following conditions.
Etching atmosphere pressure: 125 (mTorr)
Bias power: 450 (W)
Etching gas and flow rate:
HBr = 230 (sccm)
NF 3 = 35 (sccm)
O 2 = 17 (sccm)

尚、以上はエッチング条件の一例であり、孔部13を形成するためのエッチング条件は以下の条件範囲で行うことができる。
エッチング雰囲気内圧力 :20〜200(mTorr)
バイアス電力 :200〜1000(W)
エッチングガスおよび流量:
HBr=20〜400(sccm)
NF3=0〜50(sccm)
2=5〜50(sccm)
The above is an example of the etching conditions, and the etching conditions for forming the hole 13 can be performed within the following condition range.
Etching atmosphere pressure: 20 to 200 (mTorr)
Bias power: 200 to 1000 (W)
Etching gas and flow rate:
HBr = 20 to 400 (sccm)
NF 3 = 0 to 50 (sccm)
O 2 = 5 to 50 (sccm)

以上のエッチングによって孔部13を形成した後には、エッチングの際に発生したエッチング堆積物および自然酸化膜を除去するための洗浄処理を行う。エッチング堆積物および自然酸化膜を完全に除去する必要があるため、フッ酸を用いた洗浄処理を行うことが望ましい。   After the hole 13 is formed by the above etching, a cleaning process is performed to remove etching deposits and natural oxide films generated during the etching. Since it is necessary to completely remove the etching deposit and the natural oxide film, it is desirable to perform a cleaning process using hydrofluoric acid.

次に、図5に示すように、選択エピタキシャル成長により、半導体基板3の露出面である孔部13の内壁に半導体層からなるチャネル領域15を形成する。この際、成膜ガス中にp型の不純物を含有するガスを用いることにより、p型シリコンをエピタキシャル成長させてチャネル領域15を形成する。   Next, as shown in FIG. 5, a channel region 15 made of a semiconductor layer is formed on the inner wall of the hole 13 that is the exposed surface of the semiconductor substrate 3 by selective epitaxial growth. At this time, the channel region 15 is formed by epitaxially growing p-type silicon by using a gas containing p-type impurities in the film forming gas.

図2に示すように、ここで形成するチャネル領域15は、孔部13の側壁においての膜厚が0.05〜0.2μm(一例として0.15μm)程度であり、これにより孔部13の開口径が狭められる。例えばもともとの孔部13が開口径0.5μm、深さ1.15μmであり、チャネル領域15の膜厚が0.15μmであれば、孔部13は開口径0.2μm、深さ1.00μmとなり、アスペクト比5となる。   As shown in FIG. 2, the channel region 15 formed here has a thickness of about 0.05 to 0.2 μm (as an example, 0.15 μm) on the side wall of the hole 13. The opening diameter is narrowed. For example, if the original hole 13 has an opening diameter of 0.5 μm and a depth of 1.15 μm, and the film thickness of the channel region 15 is 0.15 μm, the hole 13 has an opening diameter of 0.2 μm and a depth of 1.00 μm. Thus, the aspect ratio is 5.

このようなチャネル領域15の選択エピタキシャル成長は、例えば以下の条件で行なわれる。
成長雰囲気内圧力:50(Torr)
成長雰囲気内温度:700℃
成長ガスおよび流量
SiH2Cl2=80(sccm)
26(B26濃度:100ppm/H2)=0.1(sccm)
HCl=15(sccm)
2=20(slm)
Such selective epitaxial growth of the channel region 15 is performed under the following conditions, for example.
Growth atmosphere pressure: 50 (Torr)
Growth atmosphere temperature: 700 ° C
Growth gas and flow rate SiH 2 Cl 2 = 80 (sccm)
B 2 H 6 (B 2 H 6 concentration: 100 ppm / H 2 ) = 0.1 (sccm)
HCl = 15 (sccm)
H 2 = 20 (slm)

尚、以上は選択エピタキシャル成長条件の一例であり、p型の半導体層からなるチャネル領域15を形成するための選択エピタキシャル成長条件は以下の条件範囲で行うことができる。
成長雰囲気内圧力:20〜80(Torr)
成長雰囲気内温度:650〜750℃
成長ガスおよび流量
SiH2Cl2=40〜120(sccm)
26(B26濃度:100ppm/H2)=0.01〜1(sccm)
HCl=5〜125(sccm)
2=10〜30(sccm)
The above is an example of selective epitaxial growth conditions, and the selective epitaxial growth conditions for forming the channel region 15 made of a p-type semiconductor layer can be performed within the following condition range.
Growth atmosphere pressure: 20-80 (Torr)
Growth atmosphere temperature: 650-750 ° C.
Growth gas and flow rate SiH 2 Cl 2 = 40 to 120 (sccm)
B 2 H 6 (B 2 H 6 concentration: 100 ppm / H 2 ) = 0.01 to 1 (sccm)
HCl = 5 to 125 (sccm)
H 2 = 10~30 (sccm)

またチャネル領域15の選択エピタキシャル成長の別の条件例として、シリコン供給源となる成膜ガスにSiH4を用いても良い。SiH4は、シリコンをエッチングするCl基がないため、選択エピタキシャル成長速度の促進が期待できる。 As another example of conditions for selective epitaxial growth of the channel region 15, SiH 4 may be used as a film forming gas serving as a silicon supply source. Since SiH 4 has no Cl group for etching silicon, it can be expected to accelerate the selective epitaxial growth rate.

このようなチャネル領域15の選択エピタキシャル成長は、例えば以下の条件で行なわれる。
成長雰囲気内圧力:50(Torr)
成長雰囲気内温度:700℃
成長ガスおよび流量
SiH4=40(sccm)
26(B26濃度:100ppm/H2)=0.1(sccm)
HCl=30(sccm)
2=20(slm)
Such selective epitaxial growth of the channel region 15 is performed under the following conditions, for example.
Growth atmosphere pressure: 50 (Torr)
Growth atmosphere temperature: 700 ° C
Growth gas and flow rate SiH 4 = 40 (sccm)
B 2 H 6 (B 2 H 6 concentration: 100 ppm / H 2 ) = 0.1 (sccm)
HCl = 30 (sccm)
H 2 = 20 (slm)

尚、以上は選択エピタキシャル成長条件の一例であり、p型の半導体層からなるチャネル領域15を形成するための選択エピタキシャル成長条件は以下の条件範囲で行うことができる。
成長雰囲気内圧力:20〜80(Torr)
成長雰囲気内温度:650〜750℃
成長ガスおよび流量
SiH4=20〜60(sccm)
26(B26濃度:100ppm/H2)=0.01〜1(sccm)
HCl=10〜50(sccm)
2=10〜30(sccm)
The above is an example of selective epitaxial growth conditions, and the selective epitaxial growth conditions for forming the channel region 15 made of a p-type semiconductor layer can be performed within the following condition range.
Growth atmosphere pressure: 20-80 (Torr)
Growth atmosphere temperature: 650-750 ° C.
Growth gas and flow rate SiH 4 = 20-60 (sccm)
B 2 H 6 (B 2 H 6 concentration: 100 ppm / H 2 ) = 0.01 to 1 (sccm)
HCl = 10-50 (sccm)
H 2 = 10~30 (sccm)

以上のような選択エピタキシャル成長においては、シリコン原子の熱による流動が起こる。これにより、単結晶シリコンの(100)面を主面とした半導体基板3に形成した孔部13の内壁には、シリコンの(110)面と(100)面のみで表面が構成された半導体層(チャネル領域15)が形成される。この結果、チャネル領域15で構成される内側壁は、単結晶シリコンの(100)面と(110)面とで構成された八角柱となる。また、チャネル領域15は、上端面が孔部13の中央に深さ方向に傾斜したファセット面となる。   In the selective epitaxial growth as described above, flow of silicon atoms due to heat occurs. As a result, on the inner wall of the hole 13 formed in the semiconductor substrate 3 whose main surface is the (100) plane of single crystal silicon, a semiconductor layer whose surface is constituted only by the (110) plane and the (100) plane of silicon. (Channel region 15) is formed. As a result, the inner side wall constituted by the channel region 15 becomes an octagonal prism constituted by the (100) plane and the (110) plane of single crystal silicon. The channel region 15 is a facet surface whose upper end surface is inclined in the depth direction at the center of the hole 13.

また、上述したシリコン原子の流動により、孔部13を形成する際のドライエッチングで生じた孔部13内壁のプラズマダメージが回復する。   Moreover, the plasma damage of the inner wall of the hole 13 caused by the dry etching when forming the hole 13 is recovered by the flow of the silicon atoms described above.

以上のような選択エピタキシャル成長の後には、断面図のみに図示した絶縁膜41を除去する。この際、絶縁膜41が窒化シリコンからなる場合には、リン酸を用いたウェットエッチングを行う。また絶縁膜41が酸化シリコンからなる場合には、フッ酸を用いたウェットエッチングを行う。   After the selective epitaxial growth as described above, the insulating film 41 shown only in the sectional view is removed. At this time, when the insulating film 41 is made of silicon nitride, wet etching using phosphoric acid is performed. When the insulating film 41 is made of silicon oxide, wet etching using hydrofluoric acid is performed.

次いで、図6に示すように、半導体基板3上に、チャネル領域15の内壁を覆う状態で、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜17を成膜する。ゲート絶縁膜17の膜厚は、3.0nm〜10.0nm(一例として6.0nm)程度とする。またゲート絶縁膜17の成膜は、熱酸化法を適用しても良く、プラズマ酸化法(In Situ Steam Generation:ISSG)を適用しても良い。   Next, as shown in FIG. 6, a gate insulating film 17 made of silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 3 so as to cover the inner wall of the channel region 15. The thickness of the gate insulating film 17 is about 3.0 nm to 10.0 nm (for example, 6.0 nm). The gate insulating film 17 may be formed by a thermal oxidation method or a plasma oxidation method (In Situ Steam Generation: ISSG).

その後、ゲート電極19tg,19rg,19agを形成する。この際、先ずポリシリコンやリンドープトアモルファスシリコン(PDAS)等の半導体材料膜や金属材料膜等を、孔部13内を埋め込む膜厚で成膜し、これをパターニングすることにより各ゲート電極19tg,19rg,19agを形成する。また特に読出ゲート電極19tgは、半導体基板3の上方において、チャネル領域15を覆うと共に、チャネル領域15と表面フォトダイオードPD1との間、さらにはチャネル領域15とフローティングディフュージョンFDとの間を覆う形状にパターニングされる。   Thereafter, gate electrodes 19tg, 19rg, and 19ag are formed. At this time, first, a semiconductor material film such as polysilicon or phosphorus-doped amorphous silicon (PDAS), a metal material film, or the like is formed with a film thickness that fills the inside of the hole 13, and this is patterned to form each gate electrode 19tg, 19 rg and 19 ag are formed. Further, in particular, the read gate electrode 19tg covers the channel region 15 above the semiconductor substrate 3, and covers the channel region 15 and the surface photodiode PD1, and further covers the channel region 15 and the floating diffusion FD. Patterned.

次に、ここでの図示は省略したが、リセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19agをマスクにしたn型不純物の導入によって低濃度のLDD領域を形成し、リセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19agの側壁に絶縁性のサイドウォールを形成する。尚、この工程により、読出ゲート電極19tgの側壁にもサイドウォール21が形成される。   Next, although not shown here, a low concentration LDD region is formed by introducing an n-type impurity using the reset gate electrode 19rg and the amplifier gate electrode 19ag as a mask, and the reset gate electrode 19rg and the amplifier gate electrode 19ag. An insulating sidewall is formed on the sidewall. By this step, the side wall 21 is also formed on the side wall of the read gate electrode 19tg.

次いで、図7に示すように、リセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19ag脇に、n+型領域からなるリセットドレインRDおよびソース領域ASを形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンによって、フォトダイオードPD1,PD2およびフローティングディフュージョンFDが設けられた画素部分を覆う。そして、このレジストパターンと、リセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19agおよびサイドウォールをマスクにしてn型不純物を導入する。これにより、ゲート電極19tg,19rg,19agに対してセルフアラインでn+型のリセットドレインRDおよびソース領域ASを形成する。   Next, as shown in FIG. 7, a reset drain RD and a source region AS made of an n + type region are formed beside the reset gate electrode 19rg and the amplifier gate electrode 19ag. At this time, a pixel pattern provided with the photodiodes PD1 and PD2 and the floating diffusion FD is covered with a resist pattern not shown here. Then, an n-type impurity is introduced using the resist pattern, the reset gate electrode 19rg, the amplifier gate electrode 19ag, and the sidewall as a mask. As a result, the n + type reset drain RD and the source region AS are formed by self-alignment with the gate electrodes 19tg, 19rg, 19ag.

その後には、図1に示したように、半導体基板3上にパッシベーション膜27を介して層間絶縁膜29を成膜する。次に、層間絶縁膜29およびパッシベーション膜27に、各ゲート電極19tg,19rg,19agや、フローティングディフュージョンFD、リセットドレインRD、およびソース領域ASに達する接続孔29aを形成する。次いで、接続孔29aを介してフローティングディフュージョンFDとリセットドレインRDとを接続し、また他のリセットドレインRDとソース領域ASとを接続する状態で、配線31を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 29 is formed on the semiconductor substrate 3 via a passivation film 27. Next, connection holes 29a reaching the gate electrodes 19tg, 19rg, 19ag, the floating diffusion FD, the reset drain RD, and the source region AS are formed in the interlayer insulating film 29 and the passivation film 27. Next, the wiring 31 is formed in a state where the floating diffusion FD and the reset drain RD are connected via the connection hole 29a, and the other reset drain RD and the source region AS are connected.

以上の後には、さらに必要に応じて上層絶縁膜や上層配線を形成して多層配線構造とし、最後に多層配線構造上に保護用絶縁膜を形成し、その上にカラーフィルタ、オンチップレンズを形成して、目的の表面照射型のCMOS固体撮像素子1を得る。   After the above, if necessary, an upper insulating film and an upper wiring are formed to form a multilayer wiring structure. Finally, a protective insulating film is formed on the multilayer wiring structure, and a color filter and an on-chip lens are formed thereon. Thus, the target surface irradiation type CMOS solid-state imaging device 1 is obtained.

以上の第1実施形態では、半導体基板3の孔部13の内壁に成長させた半導体層をチャネル領域15としている。このため、縦型トランジスタTrのチャネル領域15は、孔部13の内壁に対してセルフアラインで精度良好に形成されたものとなり、縦型トランジスタTrの特性の向上を図ることが可能になる。したがって、この縦型トランジスタTrを画素部分に設けることにより、固体撮像素子1の微細化を達成することが可能になる。   In the first embodiment described above, the semiconductor layer grown on the inner wall of the hole 13 of the semiconductor substrate 3 is used as the channel region 15. For this reason, the channel region 15 of the vertical transistor Tr is formed in a self-aligned manner with good accuracy with respect to the inner wall of the hole portion 13, and the characteristics of the vertical transistor Tr can be improved. Therefore, by providing the vertical transistor Tr in the pixel portion, it is possible to achieve miniaturization of the solid-state imaging device 1.

≪2.第2実施形態≫
<固体撮像素子の構成>
図8には第2実施形態の固体撮像素子の1画素分の要部断面図を示す。尚、この要部断面図は、図1の平面図におけるA−A’断面に相当する。
≪2. Second Embodiment >>
<Configuration of solid-state image sensor>
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part for one pixel of the solid-state imaging device of the second embodiment. In addition, this principal part sectional drawing is corresponded in the AA 'cross section in the top view of FIG.

この図に示す固体撮像素子1’が、第1実施形態の固体撮像素子と異なるところは縦型トランジスタTr’の構成にあり、他の部分は同様である。   The solid-state imaging device 1 'shown in this figure is different from the solid-state imaging device of the first embodiment in the configuration of the vertical transistor Tr', and the other parts are the same.

すなわち図8の固体撮像素子1’に設けた縦型トランジスタTr’は、半導体基板3に設けた孔部13の内壁に沿って、n型領域50を介してp型のチャネル領域15を備えている点で、第1実施形態とは異なる。   That is, the vertical transistor Tr ′ provided in the solid-state imaging device 1 ′ of FIG. 8 includes the p-type channel region 15 through the n-type region 50 along the inner wall of the hole 13 provided in the semiconductor substrate 3. This is different from the first embodiment.

このn型領域50は、孔部13の内壁にエピタキシャル成長させた半導体層からなり、半導体基板3と同程度の濃度のn型領域として構成されている。このようなn型領域50は、表面フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFDに対しては、間隔を保って配置されていても良いし接合された状態で配置されていても良い。一方、埋込フォトダイオードPD2に対しては接合された状態で配置されていることが好ましい。またn型領域50を介して設けられたp型のチャネル領域15は、n型領域50に連続させてエピタキシャル成長させた半導体層からなる。   The n-type region 50 is composed of a semiconductor layer epitaxially grown on the inner wall of the hole 13, and is configured as an n-type region having a concentration similar to that of the semiconductor substrate 3. Such an n-type region 50 may be disposed at a distance from the surface photodiode PD1 and the floating diffusion FD, or may be disposed in a joined state. On the other hand, it is preferable that the buried photodiode PD2 is disposed in a bonded state. The p-type channel region 15 provided via the n-type region 50 is made of a semiconductor layer epitaxially grown continuously from the n-type region 50.

以上のような孔部13の内壁にエピタキシャル成長させたn型領域50およびチャネル領域15は、内側壁が単結晶シリコンの(100)面と(110)面とで構成された八角柱となっているところは、第1実施形態と同様である。また、孔部13の内壁に連続してエピタキシャル成長させたn型領域50とチャネル領域15は、上端面が孔部13の中央に深さ方向に傾斜したファセット面となっている。   The n-type region 50 and the channel region 15 epitaxially grown on the inner wall of the hole 13 as described above are octagonal columns whose inner walls are composed of (100) plane and (110) plane of single crystal silicon. However, this is the same as in the first embodiment. Further, the n-type region 50 and the channel region 15 that are epitaxially grown continuously on the inner wall of the hole 13 have facet surfaces whose upper end surfaces are inclined in the depth direction at the center of the hole 13.

以上のような構成の縦型トランジスタTr’では、読出ゲート電極19tgに電圧を印加することにより、p型のチャネル領域15がn型に反転すると共に、n型領域50にも電子が集まってn+型になる。また、読出ゲート電極19tgの直下のn型の半導体基板3の表面層Dは、n型の濃度が濃いn+型となる。   In the vertical transistor Tr ′ configured as described above, when a voltage is applied to the read gate electrode 19tg, the p-type channel region 15 is inverted to the n-type, and electrons are also collected in the n-type region 50 so that n + Become a mold. Further, the surface layer D of the n-type semiconductor substrate 3 immediately below the read gate electrode 19tg is an n + type having a high n-type concentration.

これにより、n+型の表面フォトダイオードPD1に蓄積された電荷は、n+型となった半導体基板3の表面層、n型の濃度が濃くなったn型領域50、n型に反転したチャネル領域15、n型の濃度が濃くなったn型領域50、n+型となった半導体基板3の表面層Dを介してフローティングディフュージョンFDに読み出される。また、n+型の埋込フォトダイオードPD2に蓄積された電荷は、n型の濃度が濃くなったn型領域50やn型に反転したチャネル領域15と、n+型となった半導体基板3の表面層Dとを介してフローティングディフュージョンFDに読み出される。   As a result, the charges accumulated in the n + type surface photodiode PD1 are the surface layer of the n + type semiconductor substrate 3, the n type region 50 having a high n type concentration, and the channel region 15 inverted to the n type. The n-type region 50 having a high n-type concentration and the surface layer D of the n + -type semiconductor substrate 3 are read out to the floating diffusion FD. Further, the charges accumulated in the n + type embedded photodiode PD2 are the n type region 50 having a high n type concentration, the channel region 15 inverted to the n type, and the surface of the semiconductor substrate 3 having the n + type. Read out to the floating diffusion FD via layer D.

<固体撮像素子の製造方法>
次に、第2実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する。尚、第1実施形態と同様の工程の説明は省略する。
<Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device>
Next, the manufacturing method of the solid-state image sensor of 2nd Embodiment is demonstrated. In addition, description of the process similar to 1st Embodiment is abbreviate | omitted.

先ず、第1実施形態において図3および図4を用いて説明したと同様にして、半導体基板3の表面側にSTI5を設けた後、半導体基板3に不純物を導入してフォトダイオードPD1,PD2、フローティングディフュージョンFD、および他の領域を形成する。その後、フォトダイオードPD1,PD2とフローティングディフュージョンFDとの間に孔部13を形成するまでを行う。この孔部13は、開口径0.3〜0.8μm(一例として0.5μm)、深さ0.6〜1.5μm(一例として1.15m)で形成する。   First, in the same manner as described with reference to FIGS. 3 and 4 in the first embodiment, after providing the STI 5 on the surface side of the semiconductor substrate 3, impurities are introduced into the semiconductor substrate 3, and the photodiodes PD1, PD2, The floating diffusion FD and other regions are formed. Thereafter, the process until the hole 13 is formed between the photodiodes PD1 and PD2 and the floating diffusion FD is performed. The hole 13 is formed with an opening diameter of 0.3 to 0.8 μm (as an example, 0.5 μm) and a depth of 0.6 to 1.5 μm (as an example, 1.15 m).

次に、図9に示すように、選択エピタキシャル成長により、半導体基板3の露出面である孔部13の内壁に、半導体層からなるn型領域50を形成する。この際、成膜ガス中にn型の不純物を含有するガスを用いることにより、n型シリコンをエピタキシャル成長させる。ここで形成するn型領域50は、孔部13の側壁においての膜厚が0.05〜0.2μm(一例として0.10μm)程度とする。   Next, as shown in FIG. 9, an n-type region 50 made of a semiconductor layer is formed on the inner wall of the hole 13 that is the exposed surface of the semiconductor substrate 3 by selective epitaxial growth. At this time, n-type silicon is epitaxially grown by using a gas containing n-type impurities in the film forming gas. The n-type region 50 formed here has a thickness of about 0.05 to 0.2 μm (for example, 0.10 μm) on the side wall of the hole 13.

その後続けて、選択エピタキシャル成長により半導体層からなるチャネル領域15を形成する。この際、成膜ガス中にp型の不純物を含有するガスを用いることにより、p型シリコンをエピタキシャル成長させてチャネル領域15を形成する。ここで形成するチャネル領域15は、孔部の側壁において0.02〜0.15μm(一例として0.05μm)程度とする。   Subsequently, a channel region 15 made of a semiconductor layer is formed by selective epitaxial growth. At this time, the channel region 15 is formed by epitaxially growing p-type silicon by using a gas containing p-type impurities in the film forming gas. The channel region 15 formed here is about 0.02 to 0.15 μm (as an example, 0.05 μm) on the side wall of the hole.

これにより、例えばもともとの孔部13が開口径0.5μm、深さ1.15μmであり、n型領域50とチャネル領域15との合計の膜厚が0.15μmであれば、孔部13は開口径0.2μm、深さ1.00μmとなり、アスペクト比5となる。   Thus, for example, if the original hole 13 has an opening diameter of 0.5 μm and a depth of 1.15 μm, and the total film thickness of the n-type region 50 and the channel region 15 is 0.15 μm, the hole 13 is The opening diameter is 0.2 μm, the depth is 1.00 μm, and the aspect ratio is 5.

このようなn型領域の選択エピタキシャル成長は、例えば以下の条件で行なわれる。
成長雰囲気内圧力:50(Torr)
成長雰囲気内温度:700℃
成長ガスおよび流量
SiH2Cl2=80(sccm)
PH3(PH3濃度:50ppm/H2)=0.1(sccm)
HCl=15(sccm)
2=20(slm)
Such selective epitaxial growth of the n-type region is performed, for example, under the following conditions.
Growth atmosphere pressure: 50 (Torr)
Growth atmosphere temperature: 700 ° C
Growth gas and flow rate SiH 2 Cl 2 = 80 (sccm)
PH 3 (PH 3 concentration: 50 ppm / H 2 ) = 0.1 (sccm)
HCl = 15 (sccm)
H 2 = 20 (slm)

またチャネル領域15の選択エピタキシャル成長は、第1実施形態と同様の条件を適用して行われる。   The selective epitaxial growth of the channel region 15 is performed by applying the same conditions as in the first embodiment.

このような選択エピタキシャル成長においては、シリコン原子の熱による流動が起こる。これにより、単結晶シリコンの(100)面を主面とした半導体基板3に形成した孔部13の内壁には、シリコンの(110)面と(100)面のみで表面が構成された半導体層(チャネル領域15)が形成される。この結果、チャネル領域15で構成される内側壁は、単結晶シリコンの(100)面と(110)面とで構成された八角柱となる。また、チャネル領域15は、上端面が孔部13の中央に深さ方向に傾斜したファセット面となる。   In such selective epitaxial growth, flow of silicon atoms due to heat occurs. As a result, on the inner wall of the hole 13 formed in the semiconductor substrate 3 whose main surface is the (100) plane of single crystal silicon, a semiconductor layer whose surface is constituted only by the (110) plane and the (100) plane of silicon. (Channel region 15) is formed. As a result, the inner side wall constituted by the channel region 15 becomes an octagonal prism constituted by the (100) plane and the (110) plane of single crystal silicon. The channel region 15 is a facet surface whose upper end surface is inclined in the depth direction at the center of the hole 13.

また、上述したシリコン原子の流動により、孔部13を形成する際のドライエッチングで生じた孔部13内壁のプラズマダメージが回復する。   Moreover, the plasma damage of the inner wall of the hole 13 caused by the dry etching when forming the hole 13 is recovered by the flow of the silicon atoms described above.

以上のような選択エピタキシャル成長の後には、断面図のみに図示した絶縁膜41を除去する。この際、絶縁膜41が窒化シリコンからなる場合には、リン酸を用いたウェットエッチングを行う。また絶縁膜41が酸化シリコンからなる場合には、フッ酸を用いたウェットエッチングを行う。   After the selective epitaxial growth as described above, the insulating film 41 shown only in the sectional view is removed. At this time, when the insulating film 41 is made of silicon nitride, wet etching using phosphoric acid is performed. When the insulating film 41 is made of silicon oxide, wet etching using hydrofluoric acid is performed.

以上のようにしてチャネル領域15を選択エピタキシャル成長させた後には、図8に示したように、第1実施形態と同様の工程で、ゲート絶縁膜17、読出ゲート電極19tgを含むゲート電極19tg,19rg,19agを形成する。特に読出ゲート電極19tgは、半導体基板3の上方において、n型領域50およびチャネル領域15を覆うと共に、チャネル領域15と表面フォトダイオードPD1との間、さらにはチャネル領域15とフローティングディフュージョンディFDとの間を覆う形状にパターニングされる。   After selective epitaxial growth of the channel region 15 as described above, as shown in FIG. 8, gate electrodes 19tg and 19rg including the gate insulating film 17 and the read gate electrode 19tg are performed in the same process as in the first embodiment. , 19ag. In particular, the read gate electrode 19tg covers the n-type region 50 and the channel region 15 above the semiconductor substrate 3, and is located between the channel region 15 and the surface photodiode PD1, and between the channel region 15 and the floating diffusion diffusion FD. Patterned to cover the gap.

次に、ここでの図示を省略した低濃度のLDD領域をリセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19agの脇に形成し、さらに側壁に絶縁性のサイドウォールを形成する。尚、この工程により、読出ゲート電極19tgの側壁にもサイドウォール21が形成される。またその後さらに、リセットゲート電極19rgおよびアンプゲート電極19agの脇に、n型のリセットドレインRDおよびソースASを形成する。   Next, a low-concentration LDD region (not shown) is formed on the side of the reset gate electrode 19rg and the amplifier gate electrode 19ag, and an insulating sidewall is formed on the side wall. By this step, the side wall 21 is also formed on the side wall of the read gate electrode 19tg. After that, an n-type reset drain RD and a source AS are formed beside the reset gate electrode 19rg and the amplifier gate electrode 19ag.

以上の後には、半導体基板3の上方にパッシベーション膜27を介して層間絶縁膜29を成膜する。続いて、層間絶縁膜29およびパッシベーション膜27に接続孔29aを形成し、この上部にフローティングディフュージョンFDや、n型のリセットドレインRDおよびソースASを接続する配線31を形成する。   After the above, an interlayer insulating film 29 is formed above the semiconductor substrate 3 via the passivation film 27. Subsequently, a connection hole 29a is formed in the interlayer insulating film 29 and the passivation film 27, and a wiring 31 for connecting the floating diffusion FD, the n-type reset drain RD, and the source AS is formed thereon.

その後はさらに必要に応じて、上層絶縁膜や上層配線を形成して多層配線構造とし、最後に多層配線構造上に保護用絶縁膜を形成し、その上にカラーフィルタ、オンチップレンズを形成して、目的の表面照射型のCMOS固体撮像素子1’を得る。   After that, if necessary, an upper insulating film and an upper wiring are formed to form a multilayer wiring structure. Finally, a protective insulating film is formed on the multilayer wiring structure, and a color filter and an on-chip lens are formed thereon. Thus, the target surface irradiation type CMOS solid-state imaging device 1 ′ is obtained.

以上の第2実施形態であっても、半導体基板3の孔部13の内壁に、n型領域50およびp型のチャネル領域15をエピタキシャル成長させて形成している。このため、n型領域50およびチャネル領域15は、孔部13の内壁に対してセルフアラインで精度良好に形成されたものとなり、縦型トランジスタTrの特性の向上を図ることが可能になる。したがって、この縦型トランジスタTrを画素部分に設けることにより、固体撮像素子1’の微細化を達成することが可能になる。   Even in the second embodiment described above, the n-type region 50 and the p-type channel region 15 are formed by epitaxial growth on the inner wall of the hole 13 of the semiconductor substrate 3. For this reason, the n-type region 50 and the channel region 15 are formed with high accuracy with self-alignment with respect to the inner wall of the hole 13, and the characteristics of the vertical transistor Tr can be improved. Therefore, by providing the vertical transistor Tr in the pixel portion, it is possible to achieve miniaturization of the solid-state imaging device 1 ′.

≪3.第3実施形態≫
図10には、本発明の第3実施形態として、上述した固体撮像素子を設けた電子機器の構成図を示す。
≪3. Third Embodiment >>
FIG. 10 shows a configuration diagram of an electronic apparatus provided with the above-described solid-state imaging device as a third embodiment of the present invention.

図10に示す電子機器200は、撮像部201に固体撮像素子が配列形成された撮像領域210を備えている。この撮像部201の集光側には像を結像させる集光光学部202が備えられ、また、撮像部201には、それを駆動する駆動回路、撮像領域210で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部203が接続されている。また上記信号処理部203によって処理された画像信号は画像記憶部(図示せず)によって記憶させることができる。このような電子機器200において、上記撮像領域210には、前記実施の形態で説明した固体撮像素子1(1’)を配列形成させることができる。   An electronic device 200 illustrated in FIG. 10 includes an imaging region 210 in which solid-state imaging elements are arrayed in the imaging unit 201. A condensing optical unit 202 that forms an image is provided on the condensing side of the image pickup unit 201, and the image pickup unit 201 has a drive circuit that drives the image pickup unit 201 and a signal photoelectrically converted in the image pickup region 210. A signal processing unit 203 having a signal processing circuit or the like for processing is connected. The image signal processed by the signal processing unit 203 can be stored by an image storage unit (not shown). In such an electronic apparatus 200, the solid-state imaging device 1 (1 ') described in the above embodiment can be arranged and formed in the imaging region 210.

本発明の電子機器200では、本願発明の固体撮像素子1(1’)を用いることから、優れた画像が得られるという利点がある。   Since the electronic device 200 of the present invention uses the solid-state imaging device 1 (1 ') of the present invention, there is an advantage that an excellent image can be obtained.

また、上記電子機器200は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。ここでいう電子機器200は、撮像機能を有する機器全般であり、例えばデジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ、テレビ、さらには携帯電話に代表される携帯端末機器等である。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。   In addition, the electronic device 200 may be formed as a single chip, or may be in a modular form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. May be. The electronic device 200 here is a general device having an imaging function, such as a digital camera, a personal computer, a video camera, a television, and a portable terminal device represented by a mobile phone. “Imaging” includes not only capturing an image during normal camera shooting but also includes fingerprint detection in a broad sense.

1,1’…固体撮像素子、3…半導体基板、13…孔部、15…チャネル領域、17…ゲート絶縁膜、19tg…読出ゲート電極、41…マスクパターン、50…n型領域(第1導電型の半導体層)、FD…フローティングディフュージョン(不純物領域)、PD…フォトダイオード、Tr…縦型トランジスタ、200…電子機器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 '... Solid-state image sensor, 3 ... Semiconductor substrate, 13 ... Hole part, 15 ... Channel area | region, 17 ... Gate insulating film, 19tg ... Read-out gate electrode, 41 ... Mask pattern, 50 ... N-type area | region (1st conductivity) Type semiconductor layer), FD ... floating diffusion (impurity region), PD ... photodiode, Tr ... vertical transistor, 200 ... electronic device

Claims (9)

半導体基板に設けた孔部の内壁に成長させた半導体層からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記孔部内に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板に設けられ前記ゲート電極のオンオフによって電荷が読み出されるフォトダイオードとを有する
固体撮像素子。
A channel region composed of a semiconductor layer grown on the inner wall of the hole provided in the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the channel region;
A gate electrode provided in the hole through the gate insulating film;
A solid-state imaging device, comprising: a photodiode provided on the semiconductor substrate, the charge being read by turning on and off the gate electrode.
前記チャネル領域の内側壁は八角柱を構成している
請求項1記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an inner wall of the channel region forms an octagonal prism.
前記半導体基板は、単結晶シリコンの(100)面を主面としたものであり、
前記チャネル領域の内側壁は、単結晶シリコンの(100)面と(110)面とで構成されている
請求項1または2に記載の固体撮像素子。
The semiconductor substrate has a (100) surface of single crystal silicon as a main surface,
3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an inner wall of the channel region includes a (100) plane and a (110) plane of single crystal silicon.
前記チャネル領域の上端面は前記孔部の中央に向かって深さ方向に傾斜している
請求項1〜3の何れかに記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an upper end surface of the channel region is inclined in a depth direction toward a center of the hole.
前記孔部の内壁に成長させた第1導電型の半導体層を介して、第2導電型の前記チャネル領域が設けられている
請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像素子。
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the channel region of the second conductivity type is provided via a first conductivity type semiconductor layer grown on the inner wall of the hole.
半導体基板に設けた孔部の内壁に成長させた半導体層からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記孔部内に設けられたゲート電極とを有する
トランジスタ。
A channel region composed of a semiconductor layer grown on the inner wall of the hole provided in the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the channel region;
And a gate electrode provided in the hole through the gate insulating film.
半導体基板に孔部を形成する第1工程と、
前記孔部の内壁に選択的にエピタキシャル成長させた半導体層からなるチャネル領域を形成する第2工程と、
前記チャネル領域を覆う状態でゲート絶縁膜を形成する第3工程と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記孔部内にゲート電極を形成する第4工程とを行なう
トランジスタの製造方法。
A first step of forming a hole in a semiconductor substrate;
A second step of forming a channel region comprising a semiconductor layer selectively epitaxially grown on the inner wall of the hole;
A third step of forming a gate insulating film so as to cover the channel region;
And a fourth step of forming a gate electrode in the hole through the gate insulating film.
前記第1工程では、前記半導体基板上にマスクパターンを形成し、当該マスクパターン上からのエッチングによって前記孔部を形成し、
前記第2工程では、前記マスクパターンから露出している前記孔部の内壁に前記半導体層を選択的にエピタキシャル成長させる
請求項7に記載のトランジスタの製造方法。
In the first step, a mask pattern is formed on the semiconductor substrate, the hole is formed by etching from the mask pattern,
The method for manufacturing a transistor according to claim 7, wherein in the second step, the semiconductor layer is selectively epitaxially grown on the inner wall of the hole exposed from the mask pattern.
半導体基板に設けた孔部の内壁に成長させた半導体層からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記孔部内に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板に設けられ前記ゲート電極のオンオフによって電荷が読み出されるフォトダイオードとを有する固体撮像素子を備えた
電子機器。
A channel region composed of a semiconductor layer grown on the inner wall of the hole provided in the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the channel region;
A gate electrode provided in the hole through the gate insulating film;
An electronic apparatus comprising a solid-state imaging device having a photodiode provided on the semiconductor substrate and from which charges are read by turning on and off the gate electrode.
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