JP2017120829A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照しながら本実施の形態1の半導体装置の構造および製造工程について詳細に説明する。本実施の形態1では、半導体装置が、CMOSイメージセンサを備えている例について説明する。
図1は、実施の形態1の半導体装置の構成例を示す回路ブロック図である。図2は、画素の構成例を示す回路図である。なお、図1では、アレイ状に配置された4行4列の16個の画素を示すが、実際にカメラなどの電子機器に使用される画素数は数百万のものがある。
次いで、画素領域の素子構造を説明する。図4は、実施の形態1の半導体装置の構成を示す平面図である。図5および図6は、実施の形態1の半導体装置の構成を示す断面図である。図5および図6は、図4のA−A断面に対応している。なお、図4および図5は、画素領域1A(図1参照)の素子構造を、図示している(以下の半導体装置の構成を示す断面図においても同様)。また、図6では、図5のうち、フォトダイオードPDおよび転送トランジスタTXよりも上方の部分、および、p型ウェルPW1よりも下方の部分の図示を省略している。
次いで、フォトダイオード中の深さ方向のポテンシャルエネルギーの分布について、比較例の半導体装置を参照しながら説明する。図7は、比較例の半導体装置の構成を示す断面図である。図7では、図6と同様に、フォトダイオードPDおよび転送トランジスタTXよりも上方の部分、および、p型ウェルPW1よりも下方の部分の図示を省略している。
一方、本実施の形態1の半導体装置は、p型ウェルPW1の内部に形成されたn−型半導体領域NW1と、n−型半導体領域NW1よりも主面1a側に形成されたn型半導体領域NW2と、n−型半導体領域NW1とn型半導体領域NW2との間に形成されたp−型半導体領域PW2と、を有する。言い換えれば、本実施の形態1の半導体装置では、フォトダイオードPDが、p型ウェルPW1の内部に形成されたn−型半導体領域NW1と、n−型半導体領域NW1よりも主面1a側に形成されたn型半導体領域NW2と、n−型半導体領域NW1とn型半導体領域NW2との間に形成されたp−型半導体領域PW2と、を有する。n−型半導体領域NW1における正味の不純物濃度は、n型半導体領域NW2における正味の不純物濃度よりも低く、p−型半導体領域PW2における正味の不純物濃度は、p型ウェルPW1における正味の不純物濃度よりも低い。
Cnet1=|Cp1−Cn1|=Cn1−Cp1 (1)
で表される。
Cnet2=|Cp2−Cn2|=Cp2−Cn2 (2)
で表される。
Cnet3=|Cp3−Cn3|=Cn3−Cp3 (3)
で表される。
Cnet4=|Cp4−Cn4|=Cp4−Cn4 (4)
で表される。
図13は、実施の形態1の変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
次いで、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。図14は、実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。図15〜図24は、実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図15〜図24の各断面図は、図4のA−A断面に対応している。
実施の形態2では、実施の形態1の半導体装置において、さらに、n−型半導体領域NW1の平面配置が変更された各種の例について説明する。
図27は、実施の形態2の半導体装置の構成を示す平面図である。
図28は、実施の形態2の第1変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図29は、実施の形態2の第2変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図30は、実施の形態2の第3変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図31は、実施の形態2の第4変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図32は、実施の形態2の第5変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図33は、実施の形態2の第6変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図34は、実施の形態2の第7変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
図35は、実施の形態2の第8変形例の半導体装置の構成を示す平面図である。
実施の形態1では、入射光がp型ウェルPW1のうち主面1aから遠く離れた部分に入射される場合でも、内部量子効率を確保しつつ電荷転送効率を増加させることができるような1つの画素PUが形成されている例について説明した。一方、実施の形態3では、入射光がp型ウェルPW1のうち主面1aから近い部分に入射される場合の波長も含め、互いに異なる波長を有する3色の入射光がそれぞれ入射される3つの画素PUが形成されている例について説明する。
図36は、実施の形態3の半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施の形態3の半導体装置の製造方法では、図14のステップS3と同様の工程を行う際に、領域11Aでは、n−型半導体領域NW11を形成し、領域12Aでは、n−型半導体領域NW12を形成するが、領域13Aでは、n−型半導体領域NW1を形成しない。また、n−型半導体領域NW12の深さ方向の厚さTH32は、n−型半導体領域NW11の深さ方向の厚さTH31よりも薄い。
実施の形態3では、半導体装置が、半導体基板の表面側から光を入射する表面照射型のイメージセンサである例について説明した。一方、実施の形態4では、半導体装置が、半導体基板の裏面側から光を入射する裏面照射型のイメージセンサである例について説明する。
図37は、実施の形態4の半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施の形態4の半導体装置の製造方法では、まず、図14のステップS1〜ステップS6と同様の工程を行う。
1a 主面
1S 半導体基板
11A、12A、13A 領域
102 垂直走査回路
103 列回路
104 出力アンプ
105 水平走査回路
AcAS、AcG、AcR、AcTP 活性領域
AMI 増幅トランジスタ
ARF 反射防止膜
CF、CF1〜CF3 カラーフィルタ層
CHt コンタクトホール
CND 導電膜
Cn1〜Cn4 n型の不純物濃度
Cnet1〜Cnet4 正味の不純物濃度
Cp1〜Cp4 p型の不純物濃度
DP1、DP3 深さ位置
DP2 中心位置
EL 電子
FD フローティングディフュージョン
Ga、Gr、Gs、Gt、Gt1〜Gt3 ゲート電極
GI1 絶縁膜
GND 接地電位
GOX、GOX1〜GOX3 ゲート絶縁膜
IL1〜IL4 層間絶縁膜
IM1〜IM3 不純物イオン
IR 素子分離領域
LRST リセット線
LTX 転送線
M1〜M3 配線
ML マイクロレンズ
MP1 山部
n1 ノード
NR、NR1〜NR3 n型の高濃度半導体領域
NW1、NW11〜NW13 n−型半導体領域
NW2、NW21〜NW23 n型半導体領域
OL 出力線
OP1、OP2 開口部
OS オフセットスペーサ
OXF 密着膜
Pa、Pag、Pfd、Pg プラグ
PD、PD1〜PD3 フォトダイオード
PNW1、PNW2 部分
PR p+型半導体領域
Pr1、Pr2、Prg、Ps、Psg、Ptg プラグ
PST1、PST2 位置
PT1、PT11〜PT13、PT2、PT21〜PT23 部分
PT3、PT31〜PT33、PT4、PT41〜PT43 部分
PT6、PT61、PT7、PT71 部分
PTF、PTP、PTW、PTW1〜PTW3 部分
PU、PU1〜PUT3 画素
PW1、PW11〜PW13 p型ウェル
PW2、PW21〜PW23 p−型半導体領域
R1、R2 フォトレジスト膜
RST リセットトランジスタ
SEL 選択トランジスタ
SL 選択線
SS 支持基板
Sw スイッチ
SWS サイドウォールスペーサ
TF1 透過膜
TH1、TH2、TH3、TH31、TH32、TH33 厚さ
TX、TX1〜TX3 転送トランジスタ
VDD 電源電位
VP1、VP2 谷部
ZM1 絶縁膜
Claims (15)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の主面側に形成された、第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の内部に形成された、前記第1導電型と異なる第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域のうち平面視において前記第2半導体領域よりも第1の側に位置する第1部分上に、第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1半導体領域のうち前記第2半導体領域よりも前記主面側に位置する第2部分に形成された、前記第2導電型の第3半導体領域と、
前記第1半導体領域のうち前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間に位置する第3部分に形成された、前記第1導電型の第4半導体領域と、
前記第1半導体領域のうち平面視において前記第1ゲート電極を挟んで前記第2半導体領域と反対側に位置する第4部分に形成された、前記第2導電型の第5半導体領域と、
を有し、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域と前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とにより、第1フォトダイオードが形成され、
前記第1ゲート電極と前記第5半導体領域とにより、前記第1フォトダイオードで生成された電荷を転送する第1転送トランジスタが形成され、
前記第2半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第3半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低く、
前記第4半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第1半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低い、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第3半導体領域の厚さは、前記第2半導体領域の厚さよりも薄く、
前記第4半導体領域の厚さは、前記第3半導体領域の厚さよりも薄い、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第4半導体領域は、前記第2導電型の第1不純物を含有し、
前記第1半導体領域は、前記第4半導体領域における前記第1不純物の濃度よりも低い濃度で前記第1不純物を含有するか、または、前記第1不純物を含有しない、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1ゲート電極は、前記第1半導体領域のうち平面視において前記第2半導体領域よりも第1方向における前記第1の側に位置する前記第1部分上に、前記第1ゲート絶縁膜を介して形成され、
前記第4半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第1半導体領域のうち、前記主面に垂直な第2方向において前記第1ゲート電極と対向し、かつ、前記第1方向において前記第4半導体領域と対向する第5部分における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低い、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2半導体領域は、平面視において前記第3半導体領域に内包されている、半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第2半導体領域は、前記第3半導体領域のうち前記第1の側の第6部分と対向する、半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第1ゲート電極は、前記第1半導体領域のうち平面視において前記第2半導体領域よりも第3方向における前記第1の側に位置する前記第1部分上に、前記第1ゲート絶縁膜を介して形成され、
前記第2半導体領域は、前記第3半導体領域のうち前記第3方向における中央部と対向する、半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第2半導体領域は、前記第3半導体領域のうち前記第1の側と反対側の第7部分と対向する、半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第1半導体領域の内部に、平面視において互いに間隔を空けて形成された、複数の前記第2半導体領域と、
前記第1半導体領域のうち前記第3半導体領域と前記複数の第2半導体領域の各々との間にそれぞれ位置する複数の前記第3部分の各々にそれぞれ形成された、複数の前記第4半導体領域と、
を有し、
前記第3半導体領域は、前記第1半導体領域のうち前記複数の第2半導体領域よりも前記主面側に位置する前記第2部分に形成され、
前記複数の第2半導体領域は、平面視において前記第3半導体領域に内包されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1半導体領域は、前記半導体基板の前記主面側の第1領域に形成され、
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体基板の前記主面側の第2領域に形成された、前記第1導電型の第6半導体領域と、
前記第6半導体領域の内部に形成された、前記第2導電型の第7半導体領域と、
前記第6半導体領域のうち平面視において前記第7半導体領域よりも第2の側に位置する第8部分上に、第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第6半導体領域のうち前記第7半導体領域よりも前記主面側に位置する第9部分に形成された、前記第2導電型の第8半導体領域と、
前記第6半導体領域のうち前記第7半導体領域と前記第8半導体領域との間に位置する第10部分に形成された、前記第1導電型の第9半導体領域と、
前記第6半導体領域のうち平面視において前記第2ゲート電極を挟んで前記第7半導体領域と反対側に位置する第11部分に形成された、前記第2導電型の第10半導体領域と、
を有し、
前記第6半導体領域と前記第7半導体領域と前記第8半導体領域と前記第9半導体領域とにより、第2フォトダイオードが形成され、
前記第2ゲート電極と前記第10半導体領域とにより、前記第2フォトダイオードで生成された電荷を転送する第2転送トランジスタが形成され、
前記第1フォトダイオードは、第1入射光を受光して電荷に変換し、
前記第2フォトダイオードは、前記第1入射光の波長よりも短い波長の第2入射光を受光して電荷に変換し、
前記第7半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第8半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低く、
前記第9半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第6半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低く、
前記第7半導体領域の厚さは、前記第2半導体領域の厚さよりも薄い、半導体装置。 - (a)半導体基板を用意する工程、
(b)前記半導体基板の主面側に、第1導電型の第1半導体領域を形成する工程、
(c)前記第1半導体領域の内部に、前記第1導電型と異なる第2導電型の第2半導体領域を形成する工程、
(d)前記第1半導体領域のうち平面視において前記第2半導体領域よりも第1の側に位置する第1部分上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程、
(e)前記第1半導体領域のうち前記第2半導体領域よりも前記主面側に位置する第2部分に、前記第2導電型の第3半導体領域を形成し、前記第1半導体領域のうち前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間に位置する第3部分に、前記第1導電型の第4半導体領域を形成する工程、
(f)前記第1半導体領域のうち平面視において前記ゲート電極を挟んで前記第2半導体領域と反対側に位置する第4部分に、前記第2導電型の第5半導体領域を形成する工程、
を有し、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域と前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とにより、フォトダイオードが形成され、
前記ゲート電極と前記第5半導体領域とにより、前記フォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタが形成され、
前記第2半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第3半導体領域における、前記第2導電型の不純物濃度から前記第1導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低く、
前記第4半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第1半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低い、半導体装置の製造方法。 - 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記第3半導体領域の厚さは、前記第2半導体領域の厚さよりも薄く、
前記第4半導体領域の厚さは、前記第3半導体領域の厚さよりも薄い、半導体装置の製造方法。 - 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程では、前記半導体基板の前記主面側に前記第1導電型の第1不純物をイオン注入することにより、前記第1半導体領域を形成し、
前記(c)工程では、前記第1半導体領域の内部の第5部分に前記第2導電型の第2不純物をイオン注入することにより、前記第2半導体領域を形成し、
前記(e)工程では、前記第2部分に前記第2導電型の第3不純物をイオン注入することにより、前記第3半導体領域を形成し、
前記(b)工程で、前記第3部分に前記第1不純物をイオン注入し、前記(c)工程で、前記第5部分に前記第2不純物をイオン注入する注入量よりも少ない注入量で前記第3部分に前記第2不純物をイオン注入し、前記(e)工程で、前記第2部分に前記第3不純物をイオン注入する注入量よりも少ない注入量で前記第3部分に前記第3不純物をイオン注入することにより、前記第3部分に前記第4半導体領域を形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e1)前記第2部分に前記第3不純物をイオン注入する工程、
(e2)前記第3部分に前記第1導電型の第4不純物をイオン注入する工程、
を含み、
前記(b)工程で、前記第3部分に前記第1不純物をイオン注入し、前記(c)工程で、前記第5部分に前記第2不純物をイオン注入する注入量よりも少ない注入量で前記第3部分に前記第2不純物をイオン注入し、前記(e1)工程で、前記第2部分に前記第3不純物をイオン注入する注入量よりも少ない注入量で前記第3部分に前記第3不純物をイオン注入し、前記(e2)工程で、前記第3部分に前記第4不純物をイオン注入することにより、前記第3部分に前記第4半導体領域を形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d)工程では、前記第1半導体領域のうち平面視において前記第2半導体領域よりも第1方向における前記第1の側に位置する前記第1部分上に、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成し、
前記第4半導体領域における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度は、前記第1半導体領域のうち、前記主面に垂直な第2方向において前記ゲート電極と対向し、かつ、前記第1方向において前記第4半導体領域と対向する第6部分における、前記第1導電型の不純物濃度から前記第2導電型の不純物濃度を差し引いた正味の不純物濃度よりも低い、半導体装置の製造方法。
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