JP2011044544A - Solid-state image pickup element, method of manufacturing solid-state image pickup element, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は縦型トランジスタを備えた固体撮像素子とその製造方法、さらにはこれを備えた電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device including a vertical transistor, a manufacturing method thereof, and an electronic apparatus including the solid-state imaging device.
フォトダイオードと共に、当該フォトダイオードの電荷を読み出す転送ゲートおよびフローティングディフュージョンを備えた固体撮像素子においては、感度向上に関するさまざまな構成が提案されている。例えば、下記特許文献1のように、基板の表面側のフローティングディフュージョンに隣接して孔部を設け、この孔部に転送ゲートを埋め込んで縦型トランジスタ構成とする構成が提案されている。この場合、基板の裏面側に埋め込み型のフォトダイオードを設けた裏面照射型構成とすることで、単位画素あたりに占めるフォトダイオードの占有面積の拡大が図られる。またこのような裏面照射型構成に対して、転送ゲートを挟んだフローティングディフュージョンと反対側の基板表面に表面フォトダイオードを設けることで、さらなる受光感度の向上が図られる。
In a solid-state imaging device including a photodiode and a transfer gate for reading the charge of the photodiode and a floating diffusion, various configurations for improving sensitivity have been proposed. For example, as in
このような縦型トランジスタ構成の固体撮像素子においては、孔部の角部が電界集中の起点となるため耐圧特性に劣る欠点があった。また縦型トランジスタにおいては孔部の内壁にチャネル領域が設けられるが、孔部の内壁には孔部形成時のエッチングダメージによる界面準位が多く、転送特性の劣化要因となっていた。 In such a solid-state imaging device having a vertical transistor configuration, the corner portion of the hole portion is a starting point of electric field concentration, and thus has a disadvantage that the withstand voltage characteristic is inferior. In the vertical transistor, a channel region is provided on the inner wall of the hole. However, the inner wall of the hole has many interface states due to etching damage at the time of forming the hole, which causes deterioration of transfer characteristics.
そこで、例えばアニール処理など行うことにより、孔部の角部を丸めたり、穴部の内壁における表面ラフネスを改善する形状制御が必要となる。このような孔部の形状制御としては、パワー半導体のトレンチ制御で用いられる技術の適用が考えられ、例えば下記非特許文献1に示すような水素や不活性ガスアニールによるシリコンマイグレーション技術や、Chemical Dry Etching(CDE)による技術が知られている。
Therefore, for example, by performing an annealing process or the like, it is necessary to control the shape of the corner of the hole to round the corner or to improve the surface roughness of the inner wall of the hole. As such hole shape control, application of technology used in power semiconductor trench control can be considered. For example, as shown in Non-Patent
ところが、上述したような孔部の角部の形状制御技術を、埋込フォトダイオードと表面フォトダイオードの両方を備えた固体撮像素子の製造に適用した場合、孔部の上方角部が全周にわたって等方的に丸められる。このため、形状制御によって埋込フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間の転送特性の劣化は改善されるものの、表面フォトダイオードの形成領域が縮小されて感度が低下してしまう。 However, when the shape control technology for the corner of the hole as described above is applied to the manufacture of a solid-state imaging device including both the embedded photodiode and the surface photodiode, the upper corner of the hole extends over the entire circumference. Isotropically rounded. For this reason, although deterioration in transfer characteristics between the embedded photodiode and the floating diffusion is improved by shape control, the surface photodiode formation region is reduced and sensitivity is lowered.
そこで本発明は、感度を維持しつつ埋込フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間の転送特性の向上を図ることが可能な固体撮像素子及びその製造方法を提供すること、さらにはこの固体撮像素子を用いることにより撮像性能が高く信頼性に優れた電子機器を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a solid-state imaging device capable of improving transfer characteristics between the embedded photodiode and the floating diffusion while maintaining sensitivity, and a method for manufacturing the same, and further provides the solid-state imaging device. An object of the present invention is to provide an electronic device with high imaging performance and excellent reliability.
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、基板の表面側に表面フォトダイオードとフローティングディフュージョンとを備え、これよりも深い位置に埋込フォトダイオードを備えている。また表面フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間から埋込フォトダイオードに達する孔部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を埋め込んでなる縦型の転送ゲートを備えている。特に、孔部の上方角部および下方角部の曲率は、表面フォトダイオード側よりもフローティングディフュージョン側の方が小さいことを特徴としている。また本発明は、このような固体撮像素子の製造方法、およびこれを用いた電子機器でもある。 In order to achieve such an object, the solid-state imaging device of the present invention includes a surface photodiode and a floating diffusion on the surface side of the substrate, and includes a buried photodiode at a deeper position. In addition, a vertical transfer gate is provided in which a gate electrode is embedded through a gate insulating film in a hole reaching the embedded photodiode from between the surface photodiode and the floating diffusion. In particular, the curvature of the upper and lower corners of the hole is characterized by being smaller on the floating diffusion side than on the surface photodiode side. Moreover, this invention is also a manufacturing method of such a solid-state image sensor, and an electronic device using the same.
このような構成の固体撮像素子では、縦型の転送ゲートが設けられた孔部は、フローティングディフュージョン側の角部の曲率を小さくしたことで、電界集中による耐圧の劣化が防止され、転送特性の向上が図られる。しかも、孔部における表面フォトダイオード側の角部は、曲率は大きく維持されているため、表面フォトダイオードの形成領域を確保することができる。 In the solid-state imaging device having such a configuration, the hole portion provided with the vertical transfer gate has a reduced curvature at the corner portion on the floating diffusion side, so that deterioration of breakdown voltage due to electric field concentration is prevented, and transfer characteristics are reduced. Improvement is achieved. In addition, since the curvature of the corner portion on the surface photodiode side in the hole portion is maintained large, a formation region of the surface photodiode can be secured.
以上より本発明によれば、表面フォトダイオードと埋込フォトダイオードとを有する固体撮像素子において、表面フォトダイオードの形成領域を確保して感度を維持しつつ、埋込フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間の転送特性の向上を図ることが可能になる。またこれにより、この固体撮像素子を用いた電子機器における撮像性能および信頼性の向上を図ることが可能になる。 As described above, according to the present invention, in a solid-state imaging device having a surface photodiode and an embedded photodiode, the area between the embedded photodiode and the floating diffusion is maintained while securing the formation region of the surface photodiode and maintaining the sensitivity. The transfer characteristics can be improved. This also makes it possible to improve the imaging performance and reliability in electronic equipment using this solid-state imaging device.
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(固体撮像素子の構成例)
2.第2実施形態(固体撮像素子の製造方法)
3.第3実施形態(固体撮像素子を用いた電子機器の例)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on the drawings.
1. First Embodiment (Configuration Example of Solid-State Image Sensor)
2. Second Embodiment (Method for Manufacturing Solid-State Image Sensor)
3. Third Embodiment (Example of Electronic Device Using Solid-State Image Sensor)
≪1.第1実施形態≫
図1には、第1実施形態の固体撮像素子の1画素分の要部断面図および平面図を示す。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 >>
FIG. 1 shows a cross-sectional view and a plan view of a main part for one pixel of the solid-state imaging device of 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、半導体基板3に設けられたもので、半導体基板3の表面側に表面フォトダイオード5およびフローティングディフュージョン7を備えている。また、半導体基板3における表面フォトダイオード5およびフローティングディフュージョン7よりも深い位置には、埋込フォトダイオード9が設けられている。そして、表面フォトダイオード5およびフローティングディフュージョン7との間には、埋込フォトダイオード9にまで達する縦型の転送ゲートGが設けられている。以下、各構成要素の詳細な構成を説明する。
A solid-
先ず、半導体基板3は、例えば低濃度のp型単結晶シリコンからなる。
First, the
表面フォトダイオード5は、例えば高濃度のn+領域5aと、これよりも低濃度のn型領域5bとを、半導体基板3の表面側から順に設けた構成である。n+領域5aの表面にはさらにp型の正孔蓄積領域を設けてHAD構造としても良い。
The
フローティングディフュージョン7は、例えば高濃度のn+領域からなり、表面フォトダイオード5に対して間隔を有して設けられている。
The floating diffusion 7 is made of, for example, a high-concentration n + region, and is provided at a distance from the
埋込フォトダイオード9は、例えば高濃度のn+領域9aと、これよりも低濃度のn型領域9bとを表面側から順に設けた構成である。この埋込フォトダイオード9は、表面フォトダイオード5と重なる位置と、さらにこれを超える広い範囲で画素内に設けられていることとする。
The embedded
転送ゲートGは、半導体基板3の表面側に設けられた孔部3aに、ゲート絶縁膜13を介してゲート電極15を埋め込んでなる縦型構造である。
The transfer gate G has a vertical structure in which a gate electrode 15 is embedded in a
このうち孔部3aは、表面フォトダイオード5とフローティングディフュージョン7との間で、かつ半導体基板3に形成された溝型の素子分離17(平面図のみに図示)で分離されたアクティブ領域19の中央に設けられている。また孔部3aは、埋込フォトダイオード9に達する状態で設けられている。特に孔部3aは、表面フォトダイオード5側と、フローティングディフュージョン7側とで異なる形状を有している。ここで、表面フォトダイオード5側とは、表面フォトダイオード5に近く配置されている側であり、少なくとも表面フォトダイオード5と略平行に設けられた側壁とその上下の角部およびこれと連続する底部であることとする。同様に、フローティングディフュージョン7側とは、フローティングディフュージョン7に近く配置されている側であり、少なくともフローティングディフュージョン7と略平行に設けられた側壁とその上下の角部及びこれと連続する底部であることとする。
Of these holes, the
ここで孔部3aは、上方角部Aおよび下方角部Bの曲率が、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側の方が小さく構成されていることが重要である。つまり、表面フォトダイオード5側においては、孔部3aの上方角部A5および下方角部B5は曲率が大きく、半導体基板3の表面から孔部3aの側壁に急激に折れ曲がっている。この上方角部A5の曲率半径は、例えば5nm以下である。これに対して、フローティングディフュージョン7側においては、孔部3aの上方角部A7および下方角部B7は曲率が小さく、半導体基板3の表面からこれと略垂直な孔部3aの側壁に徐々に折れ曲がっている。また孔部3aの側壁から底面に徐々に折れ曲がっている。この上方角部A7の曲率半径は、例えば5nm以上である。
Here, it is important that the
一例として、フローティングディフュージョン7側においては、孔部3aの上方角部A7および下方角部B7は、半導体基板3の表面に対して45°のファセット面で構成されていても良い。また、フローティングディフュージョン7側においては、孔部3aの上方角部A7および下方角部B7は、曲面形状であっても良い。
As an example, on the floating diffusion 7 side, the upper corner portion A 7 and the lower corner portion B 7 of the
また、孔部3aにおいて、溝型素子分離17側に配置されている側壁部分は、溝型素子分離17と孔部3aとの間に半導体基板3の表面を残す。
Further, in the
また孔部3aの側壁の表面ラフネスは、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側の方が小さいこととする。つまり、フローティングディフュージョン7側においては、孔部3aの側壁における表面ラフネスが表面フォトダイオード5側よりも小さく、側壁形状が滑らかなのである。
Further, the surface roughness of the side wall of the
以上のような孔部3aの側壁と半導体基板3の表面に沿った部分には、埋込フォトダイオード9から表面フォトダイオード5およびフローティングディフュージョン7にまで達するp型のチャネル領域11が設けられている。
A p-
そしてゲート絶縁膜13は、孔部3aの内壁とその周縁の半導体基板3上を覆う状態で設けられている。このゲート絶縁膜13の膜厚は、孔部3aの内壁において、表面フォトダイオード5の側壁部分よりも、フローティングディフュージョン7の側壁部分においてのばらつきが小さい。この膜厚バラツキは、フローティングディフュージョン7側において、膜厚の[最大値/最小値]=1.8よりも小さいく、好ましくは[最大値/最小値]=1.2〜1.4である。
The
ゲート電極15は、ゲート絶縁膜13を介して孔部3a内を埋め込むと共に、孔部15周縁の半導体基板3上に延設され、表面フォトダイオード5と孔部3aとの間、およびフローティングディフュージョン7と孔部3aと間のチャネル領域11を覆っている。ただし、表面フォトダイオード5と孔部3aとの間、およびフローティングディフュージョン7と孔部3aと間の半導体基板3表面のチャネル領域11は、完全にゲート電極15によって覆われている必要は無い。また、半導体基板3表面のチャネル領域11は、適宜に不純物濃度が調整されていることとする。
The gate electrode 15 is embedded in the
以上のような構成の固体撮像素子1は、縦型の転送ゲート15を備えた縦型トランジスタ構成となっている。この固体撮像素子1は、転送ゲート電極15に電圧を印加することにより、p型のチャネル領域11がn型に反転する。
The solid-
これにより、表面フォトダイオード5に蓄積された電荷は、半導体基板3の表面のチャネル領域11を経由してフローティングディフュージョン7に転送される。一方、また、埋込フォトダイオード9に蓄積された電荷は、孔部3aの側壁のチャネル領域11および半導体基板3の表面のチャネル領域11を経由してフローティングディフュージョン7に転送される。
Thereby, the electric charge accumulated in the
またこの固体撮像素子1は、埋込フォトダイオード9が配置されている半導体基板3の裏面側を受光面としても良い。これにより、フローティングディフュージョン7や縦型の転送ゲートGに影響されずに、埋込フォトダイオード9の配置面積を最大限に広くして感度の向上を図ることが可能である。
In the solid-
以上のような構成の固体撮像素子1では、縦型の転送ゲートGが設けられた孔部3aは、埋込フォトダイオード9に蓄積された電荷の輸送経路であるフローティングディフュージョン7側の上方角部A7および下方角部B7の曲率が小さくなっている。このため、電界集中による耐圧の劣化が防止される。また、孔部3aにおけるフローティングディフュージョン7側の内壁は、埋込フォトダイオード9に蓄積された電荷の輸送経路であるが、この部分の表面ラフネスおよびゲート絶縁膜13の膜厚ばらつきは、表面フォトダイオード5側よりも小さい。以上から、埋込フォトダイオード9−フローティングディフュージョン7間の転送特性の向上が図られる。また、面フォトダイオード5に蓄積された電荷は、半導体基板3の表面を輸送経路としているため、孔部3aの形状や表面状態に影響されることなく転送特性が良好に保たれる。
In the solid-
しかも、孔部3aにおける表面フォトダイオード5側の上方角部A7は、曲率は大きく維持されている。このため、表面フォトダイオード5の形成領域を確保することができ、感度の向上を図ることが可能である。
Moreover, the curvature of the upper corner portion A7 on the
以上の結果、表面フォトダイオード5と埋込フォトダイオード9とを有する固体撮像素子1において、電荷の転送特性の向上を図ることおよび感度の向上を図ることの両方を達成することが可能である。
As a result, in the solid-
≪2.第2実施形態≫
次に図2、図3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。
≪2. Second Embodiment >>
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.
先ず図2(1)に示すように、p型の単結晶シリコンからなる半導体基板3の表面側にここでの図示を省略した溝型素子分離を形成したあと、イオンインプランテーションによって半導体基板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、半導体基板3の深い位置にn型領域9bとこれよりも浅いn+領域9aとを形成して埋込フォトダイオード9とする。次に、半導体基板1の表面側において埋込フォトダイオード9と重なる位置に、n型領域5bとこれよりも浅いn+領域5aとを形成して表面フォトダイオード5とする。さらに半導体基板1の表面側において表面フォトダイオード5と離間させた位置にn+領域からなるフローティングディフュージョン7を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, after groove type element isolation (not shown) is formed on the surface side of the
次いで、図2(2)に示すように、半導体基板3上に、酸化シリコンや窒化シリコン等のシリコン系絶縁膜からなる無機マスク21を形成する。ここでは、例えば化学的気相成長法(chemical vapor deposition:CVD)によって半導体基板3上にシリコン系絶縁膜を成膜し、フォトリソグラフィー法によってこの上部にレジストパターンを形成し、これをマスクにしてシリコ形絶縁膜をエッチングする。これにより無機マスク21を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, an
次に無機マスク21上から半導体基板3をエッチングすることにより、表面フォトダイオード5と、フローティングディフュージョン7との間に、埋込フォトダイオード9に達する孔部3aを形成する。この際、異方性のドライエッチングを行うことで、埋込フォトダイオード9に達する程度の深さ(例えば1.0μm程度)の孔部3aを、一定の開口径で形成する。
Next, by etching the
次に、図2(3)に示すように、孔部3aの内壁に、犠牲酸化膜23を形成する。この犠牲酸化膜23は、面方位依存が少なく、孔部3aの上方角部Aおよび下方角部Bの形状を丸める効果のある方法を適用して形成される。このような方法として、例えば水素(H2)や、酸素(O2)を原料ガスとするラジカル系酸化プロセスが適用される。
Next, as shown in FIG. 2 (3), a
その後さらに図2(4)に示すように、犠牲酸化膜23および無機マスク21を介してのイオンインプランテーションにより、半導体基板3の表面および孔部3aの内壁に沿った部分に、ホウ素(B)などのp型不純物を導入してチャネル領域11を形成する。このチャネル領域11は、孔部3aに形成される転送ゲートのBuriedチャネルとなるもので、既に形成されている表面フォトダイオード5、フローティングディフュージョン7、および埋込フォトダイオード9の不純物濃度に対して十分に低濃度である。このためp型のチャネル領域11は、埋込フォトダイオード9と、表面フォトダイオード5およびフローティングディフュージョン7とに接合される状態で形成される。またこのチャンネル領域11は、深さ十数nm程度に形成されることとする。
Thereafter, as shown in FIG. 2 (4), boron (B) is formed on the surface of the
次に、図3(1)に示すように、半導体基板3上にレジストパターン25を形成する。このレジストパターン25は、少なくとも表面フォトダイオード5上から、表面フォトダイオード5側の孔部3aの側壁及び底部に掛けてを連続して覆う形状である。またレジストパターン25は、少なくともフローティングディフュージョン7上から、フローティングディフュージョン7側の孔部3aの側壁および底部に掛けてを連続して露出させる形状である。また、溝型素子分離側は、孔部3aと溝型素子分離との間隔が狭い場合に、必要に応じてレジストパターン25で覆われるようにする。
Next, as shown in FIG. 3A, a resist
この状態で、レジストパターン25から露出している犠牲酸化膜23を、希フッ酸水溶液を用いてエッチング除去する。また、無機マスク21が酸化シリコンからなる場合には、レジストパターン25から露出している無機マスク21を同時にエッチング除去する。一方、無機マスクが窒化シリコンからなる場合には、レジストパターン25から露出している無機マスク21を、熱燐酸溶液を用いてエッチング除去する。エッチング終了後には、レジストパターン25を除去する。
In this state, the
次に、図3(2)に示すように、犠牲酸化膜23および無機マスク21を保護膜として、これらから露出する孔部3aの角部A7,B7に丸みを持たせるように形状制御を行う。ここでは、以下の1)〜3)に示す何れかの工程を採用して形状制御が行われる。
Next, as shown in FIG. 3B, the
1)アニール処理による方法
水素(H2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)を含むガス中でアニール処理を行う。これにより、半導体基板3の露出部においてのみシリコンをマイグレーションさせる。アニール処理条件は、一例として以下のようである。
基板温度 :800〜1100℃
処理雰囲気内圧力:5〜760Torr
処理時間 :30秒〜5分
1) Method by annealing treatment Annealing treatment is performed in a gas containing hydrogen (H 2 ), argon (Ar), and helium (He). Thereby, silicon is migrated only at the exposed portion of the
Substrate temperature: 800-1100 ° C
Processing atmosphere pressure: 5 to 760 Torr
Processing time: 30 seconds to 5 minutes
以上のアニール処理においては、犠牲酸化膜23および無機マスク21からなる保護膜で覆われていない半導体基板3の露出部においてのみシリコンがマイグレーションする。これにより、フローティングディフュージョン7側においては孔部3aの角部A7,B7が丸められ、曲率が小さくなる。そして、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れば、孔部3aの角部A7,B7は、半導体基板3の表面に対して45°に傾斜したシリコンの(110)面と(100)面とからなるファセット面で構成される。このファセット面は、半導体基板3の表面に対して45°となる。
In the above annealing process, silicon migrates only in the exposed portion of the
一方、犠牲酸化膜23および無機マスク21で覆われている表面フォトダイオード5側においては、孔部3aの角部A7,B7は、略垂直に保たれる。
On the other hand, on the
また孔部3aの側壁は、孔部3a形成時にエッチングダメージを受けた状態となっているが、孔部3aの側壁の露出部は、シリコンのマイグレーションによって界面準位が減少するとともに、表面ラフネスが小さくなる。これにより、孔部3aの側壁は、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側において表面ラフネスが小さくなるように形状制御がなされる。
In addition, the side wall of the
2)ケミカルドライエッチングによる方法
四フッ化メタン(CF4)、酸素(O2)を含む等方性のドライエッチング(chemical dry etching :CDE)を行う。これにより、犠牲酸化膜23および無機マスク21で覆われていない半導体基板3の露出部においてのみ、半導体基板3が等方エッチングされ、フローティングディフュージョン7側における孔部3aの角部A7,B7が丸められる。また、孔部3aの側壁の露出部は、エッチングによって界面準位が減少するとともに、表面ラフネスが小さくなる。これにより、孔部3aの側壁は、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側において表面ラフネスが小さくなる。
2) Method by chemical dry etching Isotropic dry etching (CDE) containing tetrafluoromethane (CF 4 ) and oxygen (O 2 ) is performed. As a result, the
3)ウェットエッチングによる方法
フッ酸(HF)および、エチレングリコール(C2H6O2)を含む薬液でウェットエッチングを行う。これにより、2)と同様にフローティングディフュージョン7側における孔部3aの角部A7,B7が丸められると共に、孔部3aの側壁は、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側において表面ラフネスが小さくなる。
3) Method by wet etching Wet etching is performed with a chemical solution containing hydrofluoric acid (HF) and ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ). As a result, as in 2), the corners A7 and B7 of the
以上の何れかの方法で形状成形を行った後には、犠牲酸化膜23および無機マスク21からなる保護膜を、希フッ酸処理や熱燐酸処理によって除去する。
After performing shape forming by any of the above methods, the protective film made of the
次いで、図3(3)に示すように、孔部3aの内壁を含む半導体基板3上に、ゲート絶縁膜13を成膜する。このゲート絶縁膜13は、膜厚5〜10nmで形成される。ゲート絶縁膜13の形成は、基板面方位依存性が低く、角部の丸めやラフネス低減に効果のあるラジカル酸化プロセスが適用されることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3C, a
ラジカル酸化によるゲート絶縁膜13の成膜は、例えば水素(H2)や酸素(O2)を原料ガスとし、800℃〜1100℃での熱処理によって酸化シリコン膜が成膜される。または水素(H2)や酸素(O2)を原料ガスとし、室温〜400℃にてプラズマ酸化により酸化シリコン膜を成膜しても良い。
For forming the
以上のようにして得られるゲート絶縁膜13は、下地の表面ラフネスに対して膜厚ばらつきが依存したものになる。このため、孔部3aの内壁においては、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側において表面ラフネスが小さい。このため、孔部3aの内壁には、表面フォトダイオード5側よりもフローティングディフュージョン7側で膜厚ばらつきの小さいゲート絶縁膜13が形成される。この膜厚バラツキは、フローティングディフュージョン7側において、膜厚の[最大値/最小値]=1.8よりも小さいく、好ましくは[最大値/最小値]=1.2〜1.4である。
The
以上のようなゲート絶縁膜13は、画素部の全回路に適用される。ラジカル酸化は、半導体基板3中の不純物による成膜速度の変動が無いため、不純物濃度が異なる全ての画素回路部において、同一膜厚の絶縁膜が形成される。
The
次に、図3(4)に示すように、ゲート絶縁膜13を介して、孔部3a内を埋め込む状態で半導体基板3上に電極材料膜15aを成膜する。電極材料膜15aは、例えばポリシリコンやアモルファスシリコンからなる。これらの材料からなる電極材料膜15aは、原料ガスとしてシラン(SiH4)、ホスフィン(PH3)、水素(H2)を原料ガスとして用いた化学的気相成長法(chemical vapor deposition :CVD)によって形成される。
Next, as shown in FIG. 3 (4), an electrode material film 15 a is formed on the
その後は図1に示したように、電極材料膜15aをパターニングすることにより、表面フォトダイオード5−フローティングディフュージョン7間をゲート幅方向とし、孔部3aおよびその周縁上を覆う形状のゲート電極15を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 1, by patterning the electrode material film 15a, the gate electrode 15 having a shape covering the
以上により、表面フォトダイオード5と埋込フォトダイオード9と共に、フローティングディフュージョン7および縦型の転送ゲートGを有する固体撮像素子1を得ることができる。
As described above, the solid-
このような製造方法によれば、図3(2)を用いて説明したように、埋込フォトダイオード9−フローティングディフュージョン7間における電荷の転送経路となる、孔部3aの角部A7,B7および内壁部分の形状制御がなされ、転送特性の向上が図られる。この際、表面フォトダイオード5側の、孔部3aの角部A5,B5は、孔部3aをエッチング形成した状態に保たれるため、表面フォトダイオード5の形成面積を確保することができる。
According to such a manufacturing method, as described with reference to FIG. 3B, the corners A7, B7 of the
したがって、転送効率の向上および感度の向上の両方を達成した固体撮像素子1を得ることができる。
Therefore, it is possible to obtain the solid-
≪3.第3実施形態≫
図4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. 4 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4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を配列形成させることができる。
The electronic device 200 illustrated in FIG. 4 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 device 200, the solid-
本発明の電子機器200では、第1実施形態および第2実施形態で説明した固体撮像素子1を用いることから、撮像部201においての撮像性能および信頼性の向上を図ることが可能になる。
Since the electronic device 200 of the present invention uses the solid-
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…固体撮像素子、3…半導体基板、3a…孔部、5…表面フォトダイオード、7…フローティングディフュージョン、9…埋込フォトダイオード、11…チャネル領域、13…ゲート絶縁膜、15…ゲート電極、21…無機マスク(保護膜)、23…犠牲酸化膜(保護膜)、A5,A7…上方角部、B5,B7…下方角部、G…転送ゲート、200…電子機器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記半導体基板の表面側に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記表面フォトダイオードおよび前記フローティングディフュージョンよりも深い位置の前記半導体基板部分に設けられた埋込フォトダイオードと、
前記表面フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間から前記埋込フォトダイオードに達して設けられた孔部に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を埋め込んでなる転送ゲートとを備え、
前記孔部の上方角部および下方角部の曲率は、前記表面フォトダイオード側よりも前記フローティングディフュージョン側の方が小さい
固体撮像素子。 A surface photodiode provided on the surface side of the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided on the surface side of the semiconductor substrate;
An embedded photodiode provided in the semiconductor substrate portion at a position deeper than the surface photodiode and the floating diffusion;
A transfer gate formed by embedding a gate electrode through a gate insulating film in a hole provided to reach the embedded photodiode from between the surface photodiode and the floating diffusion;
The curvature of the upper and lower corners of the hole is smaller on the floating diffusion side than on the surface photodiode side.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the surface roughness of the side wall of the hole is smaller on the floating diffusion side than on the surface photodiode side.
請求項1または2に記載の固体撮像素子。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a variation in film thickness of the gate insulating film is smaller on the floating diffusion side than on the surface photodiode side.
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 corner portion and a lower corner portion of the hole portion on the floating diffusion side are configured with a facet surface of 45 ° with respect to the surface of the semiconductor substrate.
請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像素子。 5. The transfer gate according to claim 1, wherein the transfer gate extends on a semiconductor substrate beside the hole and covers a channel region between the hole, the surface photodiode, and the floating diffusion. Solid-state image sensor.
請求項1〜5の何れかに記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a back surface of the semiconductor substrate is used as a light receiving surface.
前記半導体基板の表面側における前記表面フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンの形成予定領域間に、前記埋込フォトダイオードの形成予定領域に達する孔部を形成する工程と、
前記表面フォトダイオード上から前記孔部における当該フォトダイオード側に向かう内壁にかけてを覆うと共に、前記フローティングディフュージョン上から当該孔部における当該フローティングディフュージョン側に向かう内壁にかけてを露出させる保護膜を形成する工程と、
前記保護膜をマスクにして前記孔部における角部の露出部分の曲率を小さくする処理を行う工程と、
前記前記曲率を小さくする処理を行った後に前記保護膜を除去し、前記孔部内を埋め込む状態でゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた縦の転送ゲートを形成する工程とを行う
固体撮像素子の製造方法。 Forming a surface photodiode and a floating diffusion on the surface side of the semiconductor substrate, and forming an embedded photodiode at a position overlapping the surface photodiode in the semiconductor substrate;
Forming a hole reaching the formation planned region of the buried photodiode between the surface photodiode and the floating diffusion formation planned region on the surface side of the semiconductor substrate;
Forming a protective film that covers from the surface photodiode to the inner wall facing the photodiode in the hole and exposing the floating diffusion to the inner wall facing the floating diffusion in the hole;
Performing a process of reducing the curvature of the exposed portion of the corner in the hole using the protective film as a mask;
A step of forming a vertical transfer gate provided with a gate electrode through a gate insulating film in a state in which the protective film is removed and the hole is embedded, after performing the process of reducing the curvature Manufacturing method.
前記半導体基板の表面側に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記表面フォトダイオードおよび前記フローティングディフュージョンよりも深い位置の前記半導体基板部分に設けられた埋込フォトダイオードと、
前記表面フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間から前記埋込フォトダイオードに達して設けられた孔部に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を埋め込んでなる転送ゲートとを備えた固体撮像素子を有し、
前記孔部の上方角部および下方角部の曲率は、前記表面フォトダイオード側よりも前記フローティングディフュージョン側の方が小さい
電子機器。 A surface photodiode provided on the surface side of the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided on the surface side of the semiconductor substrate;
An embedded photodiode provided in the semiconductor substrate portion at a position deeper than the surface photodiode and the floating diffusion;
A solid-state imaging device having a transfer gate formed by embedding a gate electrode through a gate insulating film in a hole provided between the surface photodiode and the floating diffusion so as to reach the embedded photodiode. And
An electronic device in which the curvature of the upper and lower corners of the hole is smaller on the floating diffusion side than on the surface photodiode side.
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