JP2018129461A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
CMOSイメージセンサーのフォトダイオード(PD)の特性として、感度、飽和電荷量及び暗電流が重要である。緑から赤の可視光はシリコン基板中を2μm以上の深さまで減衰しながら侵入する。そこで、この可視光から信号電荷を得るために、シリコン基板中に2μm以上の深さに亘るPD用の不純物拡散層を形成することがある。そして、このような不純物拡散層を形成する際には、厚いレジストパターンを用いた高エネルギーでのイオン注入が行われる。 As characteristics of a photodiode (PD) of a CMOS image sensor, sensitivity, saturation charge amount and dark current are important. Visible light from green to red enters the silicon substrate while being attenuated to a depth of 2 μm or more. Therefore, in order to obtain signal charges from the visible light, an impurity diffusion layer for PD having a depth of 2 μm or more may be formed in the silicon substrate. When such an impurity diffusion layer is formed, ion implantation with high energy using a thick resist pattern is performed.
しかしながら、レジストパターンが厚いほど、開口部の形状がばらつきやすい。開口部の形状のばらつきは不純物拡散層の面積のばらつきにつながり、不純物拡散層の面積のばらつきは飽和電荷量のばらつきにつながる。このため、従来、飽和電荷量のばらつきを抑えながら感度を向上させることは困難である。 However, the thicker the resist pattern, the more easily the shape of the opening varies. Variation in the shape of the opening leads to variation in the area of the impurity diffusion layer, and variation in the area of the impurity diffusion layer leads to variation in the saturation charge amount. For this reason, conventionally, it is difficult to improve the sensitivity while suppressing variations in the saturation charge amount.
本発明の目的は、フォトダイオードの飽和電荷量のばらつきを抑えながら感度を向上させることができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving sensitivity while suppressing variation in saturation charge amount of a photodiode, and a manufacturing method thereof.
半導体装置の一態様には、半導体基板に形成された第1のN型不純物拡散層と、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成された第1のP型不純物拡散層と、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成され、少なくとも一部が前記第1のP型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層と、を有し、前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深い第1のデバイスが含まれる。 In one aspect of the semiconductor device, a first N-type impurity diffusion layer formed on a semiconductor substrate and a first P-type impurity diffusion formed on the semiconductor substrate above the first N-type impurity diffusion layer. And a second N-type impurity diffusion layer formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate and at least partially overlapping the first P-type impurity diffusion layer. The potential well for electrons in the second N-type impurity diffusion layer includes a first device deeper than the potential well for electrons in the first N-type impurity diffusion layer.
半導体装置の製造方法の一態様では、第1の厚さの第1のレジストパターンをマスクとした第1のN型不純物のイオン注入により、半導体基板に第1のN型不純物拡散層を形成し、前記第1のレジストパターンをマスクとしたP型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方にP型不純物拡散層を形成し、前記第1の厚さより薄い第2の厚さの第2のレジストパターンをマスクとした第2のN型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に、少なくとも一部が前記P型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層を形成する。前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深い。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device, a first N-type impurity diffusion layer is formed in a semiconductor substrate by ion implantation of a first N-type impurity using a first resist pattern having a first thickness as a mask. A P-type impurity diffusion layer is formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate by ion implantation of P-type impurities using the first resist pattern as a mask. By ion implantation of the second N-type impurity using the second resist pattern having a thin second thickness as a mask, at least a part of the P-type impurity is diffused above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate. A second N-type impurity diffusion layer overlapping the type impurity diffusion layer is formed. The potential well for electrons in the second N-type impurity diffusion layer is deeper than the potential well for electrons in the first N-type impurity diffusion layer.
上記の半導体装置等によれば、適切なP型不純物拡散層が含まれるため、フォトダイオードの飽和電荷量のばらつきを抑えながら感度を向上させることができる。 According to the semiconductor device or the like, since an appropriate P-type impurity diffusion layer is included, the sensitivity can be improved while suppressing variations in the saturation charge amount of the photodiode.
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は、CMOSイメージセンサーに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。図1A及び図1Bは、第1の実施形態に係る半導体装置を示す図である。図1A(a)は画素の配列を示す図であり、図1A(b)は画素内の構成を示す回路図であり、図1B(c)は画素内のレイアウトを示す図であり、図1B(d)は図1B(c)中のI−I線に沿った断面図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to a semiconductor device suitable for a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof. 1A and 1B are diagrams illustrating a semiconductor device according to the first embodiment. 1A (a) is a diagram showing an arrangement of pixels, FIG. 1A (b) is a circuit diagram showing a configuration in the pixel, FIG. 1B (c) is a diagram showing a layout in the pixel, and FIG. (D) is sectional drawing which followed the II line | wire in FIG.1B (c).
図1A(a)に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置10には、複数の画素11からなる画素アレイ12が含まれる。画素ピッチは1μm〜3μm程度である。図1A(b)及び図1B(c)に示すように、各画素11には、フォトダイオード(PD)21、トランスファゲート(TG)22及びフローティングディフュージョン(FD)23が含まれる。各画素11には、N型不純物拡散層24、26、28及び20も含まれる。N型不純物拡散層24とN型不純物拡散層26との間にリセットゲート(RG)25が設けられ、N型不純物拡散層28とN型不純物拡散層20との間に選択ゲート(SG)29が設けられ、N型不純物拡散層26及びN型不純物拡散層28と共にソースフォロワを構成するゲート27が設けられている。N型不純物拡散層26に電源電位Vddが付与される。
As shown in FIG. 1A (a), the semiconductor device 10 according to the first embodiment includes a pixel array 12 including a plurality of pixels 11. The pixel pitch is about 1 μm to 3 μm. As shown in FIGS. 1A (b) and 1B (c), each pixel 11 includes a photodiode (PD) 21, a transfer gate (TG) 22, and a floating diffusion (FD) 23. Each pixel 11 also includes N-type impurity diffusion layers 24, 26, 28 and 20. A reset gate (RG) 25 is provided between the N-type
図1B(d)に示すように、PD21には、Pウェル30内に形成されたN型不純物拡散層31、N型不純物拡散層31の上方に形成されたP型不純物拡散層32、N型不純物拡散層31の上方に形成され、少なくとも一部がP型不純物拡散層32と重なるN型不純物拡散層33が含まれる。FD23には、Pウェル30の表面に形成されたN型不純物拡散層が含まれる。TG22はPウェル30上にゲート絶縁膜を介して形成されており、N型不純物拡散層33、FD23及びTG22が一つの電界効果トランジスタに含まれる。電子に対するポテンシャル井戸は、N型不純物拡散層31、N型不純物拡散層33、FD23の順で深くなる。
As shown in FIG. 1B (d), the
次に、画素11における読み出し動作の概要について説明する。図2は電子の転送経路を示す図であり、図3は電子の移動経路のエネルギーを示す図である。 Next, an outline of the reading operation in the pixel 11 will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating an electron transfer path, and FIG. 3 is a diagram illustrating energy of an electron movement path.
図3(a)及び(b)に示すように、PD21の電子に対するポテンシャル井戸はN型不純物拡散層31で浅く、N型不純物拡散層33で深い。TG22がオフのとき、図3(a)に示すように、チャネルに高いポテンシャル障壁が存在し、N型不純物拡散層33とFD23との間を電子は移動できない。図2に示すように、光がN型不純物拡散層31に入射すると、N型不純物拡散層31内で電子−正孔対が発生し、電子はポテンシャル井戸の深い部分から浅い部分にかけて蓄積されていく。TG22がオンになると、図3(b)に示すように、ポテンシャル障壁が消滅し、蓄積されていた電子がFD23に移動する。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the potential well for the electrons of the
読み出しに際し、RG25のオン/オフを切り替えてN型不純物拡散層24に接続されたFD23を電源電圧Vddにリセットしておく。ゲート27はFD23に接続されており、電子がFD23に移動するとゲート27の電位が変化し、これに伴ってソース電圧が変化する。このソース電圧の変化が選択ゲート29を介してN型不純物拡散層20から周辺回路へと読み出される。
At the time of reading, the
次に、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図4A乃至図4Fは、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図4A乃至図4Fには、レジストパターンの開口部の寸法に設計値からのずれが生じなかった画素1と、開口部の寸法にずれが生じた画素2を図示してある。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 4A to 4F are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps. 4A to 4F show the
先ず、図4Aに示すように、シリコン基板100にPウェル108を形成し、シリコン基板100上にイオン注入用のスルー膜として絶縁膜109を形成する。絶縁膜109としては、例えば厚さが10nm〜50nm程度のシリコン酸化膜を形成する。次いで、絶縁膜109上にレジストパターン111を形成する。レジストパターン111の形成では、厚さが3μm以上の厚いレジスト膜を形成し、画素アレイのフォトダイオード(photo diode:PD)を形成する箇所にフォトリソグラフィ技術により開口部111aを形成する。このとき、画素1では開口部111aの開口面積が設計通り(S(μm2))であり、画素2では開口部111aの開口面積にΔS(μm2)のずれが生じたとする。
First, as shown in FIG. 4A, a
その後、図4Bに示すように、レジストパターン111をマスクとしてN型不純物のイオン注入を行い、Pウェル108内に深いN型不純物拡散層101を形成する。例えば、N型不純物拡散層101の位置は、シリコン基板100の表面から0.5μm〜3μmの範囲とする。N型不純物拡散層101の形成では、例えば、N型不純物としてリン(P)を用い、注入エネルギーは400keV以上とし、ドーズ量(DN(cm-2))は1×1011cm-2〜1×1013cm-2とする。N型不純物拡散層101は複数回のイオン注入により形成してもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, ion implantation of N-type impurities is performed using the resist
続いて、同じく図4Bに示すように、レジストパターン111をマスクとしてP型不純物のイオン注入を行い、Pウェル108内にN型不純物拡散層101より浅いP型不純物拡散層102を形成する。例えば、P型不純物拡散層102の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.4μmの範囲とする。P型不純物拡散層102の形成では、例えば、P型不純物としてホウ素(B)を用い、注入エネルギーは数10keV〜130keVとし、ドーズ量(P1(cm-2))は1×1011cm-2〜1×1013cm-2とする。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, P-type impurity ions are implanted using the resist
次いで、図4Cに示すように、レジストパターン111を除去し、絶縁膜109上にレジストパターン112を形成する。レジストパターン112の形成では、厚さが500nm〜1μmの薄いレジスト膜を形成し、画素アレイのPDを形成する箇所にフォトリソグラフィ技術により開口部112aを形成する。このとき、画素1及び画素2のいずれでも開口部112aの開口面積が設計通り(SA(μm2))であるとする。
Next, as illustrated in FIG. 4C, the resist
その後、同じく図4Cに示すように、レジストパターン112をマスクとしてN型不純物のイオン注入を行い、P型不純物拡散層102と重なるようにしてN型不純物拡散層101より浅いN型不純物拡散層103をPウェル108内に形成する。例えば、N型不純物拡散層103の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.4μmの範囲とする。N型不純物拡散層103の形成では、例えば、N型不純物としてPを用い、注入エネルギーは80keV〜300keVとし、ドーズ量(SN(cm-2))は1×1011cm-2〜5×1013cm-2とする。このとき、N型不純物拡散層103を形成するPの濃度を、N型不純物拡散層101を形成するPの濃度より高くし、電子に対するポテンシャル井戸をN型不純物拡散層101で浅く、N型不純物拡散層103で深くなるようにする。N型不純物拡散層103を形成する際には、チルト角が7°以下の斜めイオン注入を行ってもよい。
4C, N-type impurity ions are implanted using the resist
続いて、図4Dに示すように、レジストパターン112を除去し、各画素にゲート絶縁膜121、トランスファゲート(transfer gate:TG)122及びフローティングディフュージョン(floating diffusion:FD)123を形成する。ゲート絶縁膜121は熱酸化により形成することができる。TG122は多結晶シリコン膜の堆積及びパターニングにより形成することができる。FD123はレジストパターンをマスクとしたN型不純物のイオン注入により形成することができる。多結晶シリコン膜は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングできる。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, the resist
次いで、図4Eに示すように、シリコン基板100上に絶縁膜131をコンタクト層間絶縁膜として形成し、絶縁膜131内にコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に導電プラグ132を形成する。その後、絶縁膜131上に絶縁膜133を形成し、絶縁膜133に配線溝を形成し、配線溝内に配線134を形成する。続いて、絶縁膜133上に絶縁膜135を形成し、絶縁膜135内にビアホール及び配線溝を形成し、ビアホール内に導電プラグ136aを、配線溝内に配線136bを形成する。次いで、絶縁膜135上に絶縁膜137を形成し、絶縁膜137内にビアホール及び配線溝を形成し、ビアホール内に導電プラグ138aを、配線溝内に配線138bを形成する。その後、絶縁膜137上に絶縁膜139を形成する。絶縁膜131の形成では、例えば、シリコン窒化膜の形成、シリコン酸化膜の形成、及びシリコン酸化膜の化学機械的研磨(chemical mechanical polishing:CMP)による平坦化を行う。導電プラグ132としては、例えばタングステン(W)プラグを形成する。絶縁膜133及び139としては、例えばプラズマ化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法によりシリコン酸化膜を形成する。配線134としては、例えばCu配線を形成する。コンタクトホール、ビアホール及び配線溝は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により形成することができる。配線134はシングルダマシン法により形成することができる。導電プラグ136a及び配線136bはデュアルダマシン法により形成することができる。導電プラグ138a及び配線138bもデュアルダマシン法により形成することができる。配線層の数は限定されない。
Next, as shown in FIG. 4E, an insulating
その後、図4Fに示すように、接着剤を用いて絶縁膜139に支持基板161を貼り付ける。続いて、N型不純物拡散層101の最も深い部分とシリコン基板100の裏面との距離が0.5μm以内になるようにシリコン基板100を裏面側から研磨する。続いて、シリコン基板100の裏面上に反射防止膜162、金属の遮光膜163、カラーフィルター164及びマイクロレンズ165を形成する。
After that, as illustrated in FIG. 4F, a supporting
このようにして、第1の実施形態に係る半導体装置10を製造することができる。 In this way, the semiconductor device 10 according to the first embodiment can be manufactured.
次に、P型不純物拡散層102を形成しない参考例と比較しながら第1の実施形態の効果について説明する。ここでは、飽和電荷量のばらつきを比較する。第1の実施形態及び参考例における飽和電荷量の計算に用いるパラメータを表1に示す。
Next, effects of the first embodiment will be described in comparison with a reference example in which the P-type
第1の実施形態では、画素1の飽和電荷量Q1は「α・DN・S−β・P1・S+γ・SN・SA」であり、画素2の飽和電荷量Q2は「α・DN・(S−ΔS)−β・P1・(S−ΔS)+γ・SN・SA」である。従って、画素1と画素2との間の飽和電荷量の差ΔQは「(α・DN−β・P1)・ΔS」である。つまり、「α・DN−β・P1」の値を小さくすることで、開口部111aの形状のばらつきに起因する飽和電荷量のばらつきを小さくすることができ、ドーズ量P1がα・DN/β程度であれば、飽和電荷量のばらつきは実質的に生じなくなる。
In the first embodiment, the saturation charge amount Q1 of the
一方、参考例では、画素1の飽和電荷量Q1は「α・DN・S+γ・SN・SA」であり、画素2の飽和電荷量Q2は「α・DN・(S−ΔS)+γ・SN・SA」である。従って、画素1と画素2との間の飽和電荷量の差ΔQは「α・DN・ΔS」である。ドーズ量DNの低減には、感度の点から限界があるため、開口部の形状のばらつきに起因する飽和電荷量のばらつきの低減には限界がある。
On the other hand, in the reference example, the saturation charge amount Q1 of the
第1の実施形態では、P型不純物拡散層102に起因して飽和電荷量が若干小さくなるが、浅いN型不純物拡散層103により補償することができる。
In the first embodiment, the saturation charge amount is slightly reduced due to the P-type
第1の実施形態では、開口部112aの開口面積の設計値SAが開口部111aの開口面積の設計値Sと等しいが、不純物拡散層の面積が大きいほど大きな飽和電荷量が得られ、開口部112aは開口部111aよりも安定して形成しやすいため、設計値SAは設計値Sより大きいことが好ましい。この場合、N型不純物拡散層103がN型不純物拡散層101よりも大面積で形成される。
In the first embodiment, the design value SA of the opening area of the
なお、P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33と重なっていない場合には残像が生じやすい。図5は、P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33よりも深い場合のポテンシャル井戸を示す図であり、図6は、P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33よりも浅い場合のポテンシャル井戸を示す図である。
Note that an afterimage tends to occur when the P-type
P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33よりも深い場合、図5に示すように、N型不純物拡散層31とN型不純物拡散層33との間にポテンシャル障壁が存在することとなる。このポテンシャル障壁はN型不純物拡散層31からN型不純物拡散層33への電子の移動を妨げ、これに付随して残像が生じることがある。
When the P-type
P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33よりも浅い場合、図6に示すように、TG22のオン時に、N型不純物拡散層33とFD23との間にポテンシャル障壁が存在することとなる。このポテンシャル障壁はN型不純物拡散層33からFD23への電子の移動を妨げ、これに付随して残像が生じることがある。
When the P-type
従って、P型不純物拡散層32がN型不純物拡散層33と重なっていることが好ましい。
Therefore, it is preferable that the P-type
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、CMOSイメージセンサーに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。なお、説明の便宜上、半導体装置の構造をその製造方法と共に説明する。図7A乃至図7Cは、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図7A乃至図7Cには、レジストパターンの開口部の寸法に設計値からのずれが生じなかった画素1と、開口部の寸法にずれが生じた画素2を図示してある。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a semiconductor device suitable for a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof. For convenience of explanation, the structure of the semiconductor device will be described together with its manufacturing method. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in the order of steps. 7A to 7C illustrate a
先ず、図7Aに示すように、第1の実施形態と同様にして、深いN型不純物拡散層101の形成までの処理を行う。次いで、レジストパターン111をマスクとしてP型不純物の斜めイオン注入を行い、Pウェル108にN型不純物拡散層101より浅い平面形状が環状のP型不純物拡散層202を形成する。例えば、P型不純物拡散層202の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.4μmの範囲とする。P型不純物拡散層202の形成では、例えば、P型不純物としてBを用い、注入エネルギーは数10keV〜130keVとし、ドーズ量(P2(cm-2))は1×1011cm-2〜1×1013cm-2とし、チルト角は2°〜40°とする。
First, as shown in FIG. 7A, processing up to the formation of the deep N-type
図8は、4方向から斜めイオン注入を行った場合のN型不純物拡散層101とP型不純物拡散層202との平面視での位置関係を示す図であり、図8(a)に画素1を、図8(b)に画素2を図示している。図8(a)及び(b)に示すように、画素2では、画素1よりもN型不純物拡散層101が狭く、P型不純物拡散層202が細い。この例では、4方向から斜めイオン注入を行っているが、2方向から斜めイオン注入を行ってもよい。図9に、2方向から斜めイオン注入を行った場合のN型不純物拡散層101とP型不純物拡散層202との平面視での位置関係を示す。
FIG. 8 is a diagram showing a positional relationship in plan view between the N-type
次いで、図7Bに示すように、レジストパターン111を除去し、絶縁膜109上にレジストパターン112を形成する。レジストパターン112の形成では、厚さが500nm〜1μmの薄いレジスト膜を形成し、画素アレイのPDを形成する箇所にフォトリソグラフィ技術により開口部112aを形成する。このとき、画素1及び画素2のいずれでも開口部112aの開口面積が設計通り(SA(μm2))であるとする。
Next, as illustrated in FIG. 7B, the resist
その後、同じく図7Bに示すように、レジストパターン112をマスクとしてN型不純物のイオン注入を行い、N型不純物拡散層101の上方でP型不純物拡散層202と重なるようにしてN型不純物拡散層101より浅いN型不純物拡散層103をPウェル108内に形成する。例えば、N型不純物拡散層103の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.4μmの範囲とする。N型不純物拡散層103の形成では、例えば、N型不純物としてPを用い、注入エネルギーは80keV〜300keVとし、ドーズ量(SN(cm-2))は1×1011cm-2〜5×1013cm-2とする。N型不純物拡散層103を形成する際には、チルト角が7°以下の斜めイオン注入を行ってもよい。
7B, N-type impurity ions are implanted using the resist
続いて、図7Cに示すように、第1の実施形態と同様にして、レジストパターン112の除去からマイクロレンズ165の形成までの処理を行う。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, similarly to the first embodiment, the processes from the removal of the resist
このようにして、第2の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。 In this way, the semiconductor device according to the second embodiment can be manufactured.
次に、第2の実施形態の効果について説明する。第2の実施形態における飽和電荷量の計算に用いるパラメータを表2に示す。開口部111aの平面形状は幅がR(μm)の正方形であるとする。図10は、第2の実施形態における種々の寸法の幾何学的な関係を示す図である。
Next, effects of the second embodiment will be described. Table 2 shows parameters used for the calculation of the saturation charge amount in the second embodiment. The planar shape of the
第2の実施形態において、Pウェル108のP型不純物が注入される領域の面積は「(R+2Rp・tanδ)2−(2(T+Rp)・tanδ−R)2=(4T+8Rp)R・tanδ−4T(T+2Rp)(tanδ)2」である。従って、画素1の飽和電荷量Q(R)は「α・DN・R2−β・P2・[(4T+8Rp)R・tanδ−4T(T+2Rp)(tanδ)2]+γ・SN・SA」である。幅RがΔR(μm)ばらついた場合の飽和電荷量Q(R)の変化は「dQ(R)/dR・ΔR」である。従って、画素1と画素2との間の飽和電荷量の差ΔQは「2(α・DN・R−β・P2・(2T+4Rp)tanδ)・ΔR」である。つまり、「2(α・DN・R−β・P2・(2T+4Rp)tanδ)」の値を小さくすることで、開口部111aの形状のばらつきに起因する飽和電荷量のばらつきを小さくすることができ、ドーズ量P2がα・DN・R/(β・(2T+4Rp)tanδ)程度であれば、飽和電荷量のばらつきは実質的に生じなくなる。
In the second embodiment, the area of the P well 108 into which the P-type impurity is implanted is “(R + 2Rp · tan δ) 2 − (2 (T + Rp) · tan δ−R) 2 = (4T + 8Rp) R · tan δ−4T”. (T + 2Rp) (tan δ) 2 ”. Accordingly, the saturation charge amount Q (R) of the
このように、第2の実施形態では、P型不純物拡散層202の形成に斜めイオン注入を行う。このため、開口部112aの幅Rが設計値より大きい場合はP型不純物拡散層202の幅が設計値より大きくなり、幅Rが設計値より小さい場合はP型不純物拡散層202の幅が設計値より小さくなる。従って、幅Rのばらつきに起因するN型不純物拡散層101の正味のN型不純物の量のばらつきが補償され、飽和電荷量のばらつきが抑制される。
Thus, in the second embodiment, oblique ion implantation is performed to form the P-type
第2の実施形態では、P型不純物拡散層202に起因して飽和電荷量が若干小さくなるが、浅いN型不純物拡散層103により補償することができる。
In the second embodiment, the saturation charge amount is slightly reduced due to the P-type
また、第2の実施形態では、図7Bのように、N型不純物拡散層103の中心部にはP型不純物拡散層202が形成されないため、N型不純物拡散層103とP型不純物拡散層202の深さが大きくずれた場合であっても、N型不純物拡散層103の中心部を電子が通る経路では、図5或いは図6に示されるようなポテンシャル障壁が形成されず、従って、電子の移動の妨げに付随する残像の発生を低減することができる。
In the second embodiment, as shown in FIG. 7B, the P-type
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、CMOSイメージセンサーに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。なお、説明の便宜上、半導体装置の構造をその製造方法と共に説明する。図11A乃至図11Dは、第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図11A乃至図11Dには、レジストパターンの開口部の寸法に設計値からのずれが生じなかった画素1と、開口部の寸法にずれが生じた画素2を図示してある。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to a semiconductor device suitable for a CMOS image sensor and a method for manufacturing the same. For convenience of explanation, the structure of the semiconductor device will be described together with its manufacturing method. FIG. 11A to FIG. 11D are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment in the order of steps. 11A to 11D show a
先ず、図11Aに示すように、第1の実施形態と同様にして、P型不純物拡散層102の形成までの処理を行う。次いで、図11Bに示すように、第2の実施形態と同様に、レジストパターン111をマスクとしてP型不純物の斜めイオン注入を行い、P型不純物拡散層202を形成する。
First, as shown in FIG. 11A, processing up to the formation of the P-type
その後、図11Cに示すように、レジストパターン111の除去からN型不純物拡散層103の形成までの処理を行う。続いて、図11Dに示すように、レジストパターン112の除去からマイクロレンズ165の形成までの処理を行う。
Thereafter, as shown in FIG. 11C, processing from the removal of the resist
このようにして、第3の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。 In this way, the semiconductor device according to the third embodiment can be manufactured.
第3の実施形態では、画素1の飽和電荷量Q1は「(α・DN−β・P1)・R2−β・P2・[(4T+8Rp)R・tanδ−4T(T+2Rp)(tanδ)2]+γ・SN・SA」であり、画素2の飽和電荷量Q2は「(α・DN−β・P1)・(R−ΔR)2−β・P2・[(4T+8Rp)(R−ΔR)・tanδ−4T(T+2Rp)(tanδ)2]+γ・SN・SA」である。従って、画素1と画素2との間の飽和電荷量の差ΔQは実質的に「2(α・DN・R−β・P1−2β・P2・(T+2Rp)tanδ)・ΔR」である。つまり、「α・DN・R−β・P1−2β・P2・(T+2Rp)tanδ」の値を小さくすることで、開口部111aの形状のばらつきに起因する飽和電荷量のばらつきを小さくすることができ、ドーズ量P1及びP2の調整により、飽和電荷量のばらつきを実質的に生じなくなるようにすることもできる。
In the third embodiment, the saturation charge amount Q1 of the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は、CMOSイメージセンサーに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。なお、説明の便宜上、半導体装置の構造をその製造方法と共に説明する。図12A乃至図12Dは、第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図12A乃至図12Dには、レジストパターンの開口部の寸法に設計値からのずれが生じなかった画素1と、開口部の寸法にずれが生じた画素2を図示してある。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment relates to a semiconductor device suitable for a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof. For convenience of explanation, the structure of the semiconductor device will be described together with its manufacturing method. 12A to 12D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment in the order of steps. 12A to 12D show the
先ず、図12Aに示すように、第1の実施形態と同様にして、P型不純物拡散層102の形成までの処理を行う。但し、N型不純物拡散層101は、第1の実施形態よりも深く形成し、P型不純物拡散層102は、第1の実施形態よりも浅く形成する。例えば、N型不純物拡散層101の位置は、シリコン基板100の表面から1μm〜3μmの範囲とし、P型不純物拡散層102の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.3μmの範囲とする。
First, as shown in FIG. 12A, processing up to the formation of the P-type
次いで、図12Bに示すように、レジストパターン111を除去し、絶縁膜109上にレジストパターン113を形成する。レジストパターン113の形成では、厚さが1μm〜2μmの薄いレジスト膜を形成し、画素アレイのPDを形成する箇所にフォトリソグラフィ技術により開口部113aを形成する。
Next, as illustrated in FIG. 12B, the resist
その後、同じく図12Bに示すように、レジストパターン113をマスクとしてN型不純物及びP型不純物のイオン注入を行い、N型不純物拡散層101とP型不純物拡散層102との間に、N型不純物拡散層501及び平面形状が環状のP型不純物拡散層502を形成する。例えば、N型不純物拡散層501の位置は、シリコン基板100の表面から0.5μm〜1μmの範囲とする。N型不純物拡散層501の形成では、例えば、N型不純物としてPを用い、注入エネルギーは300keV〜800keVとし、ドーズ量は1×1011cm-2〜1×1013cm-2とする。N型不純物拡散層501を形成する際には、チルト角が7°以下の斜めイオン注入を行ってもよい。例えば、P型不純物拡散層502の位置は、シリコン基板100の表面から0.5μm〜1μmの範囲とする。P型不純物拡散層502の形成では、例えば、P型不純物としてBを用い、注入エネルギーは150keV〜400keVとし、ドーズ量は1×1011cm-2〜1×1013cm-2とし、チルト角は10°〜30°とする。N型不純物拡散層501及びP型不純物拡散層502のピーク深さは互いに同程度とする。この例でも、4方向から斜めイオン注入を行っているが、2方向から斜めイオン注入を行ってもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 12B, N-type impurities and P-type impurities are ion-implanted using the resist
続いて、図12Cに示すように、レジストパターン113を除去し、第1の実施形態と同様にして、レジストパターン113の形成からN型不純物拡散層103の形成までの処理を行う。但し、N型不純物拡散層103は、第1の実施形態よりも深く形成する。例えば、N型不純物拡散層103の位置は、シリコン基板100の表面から0.1μm〜0.4μmの範囲とする。
Subsequently, as shown in FIG. 12C, the resist
次いで、図12Dに示すように、第1の実施形態と同様にして、レジストパターン112の除去からマイクロレンズ165の形成までの処理を行う。
Next, as shown in FIG. 12D, similarly to the first embodiment, processing from the removal of the resist
このようにして、第4の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。 In this way, the semiconductor device according to the fourth embodiment can be manufactured.
第4の実施形態では、開口部111aの形状にずれが生じたとしても、第1の実施形態と同様に、P型不純物拡散層102の作用により飽和電荷量のばらつきを低減することができる。また、開口部113aの形状にずれが生じたとしても、第2の実施形態と同様に、P型不純物拡散層502の作用により飽和電荷量のばらつきを低減することができる。
In the fourth embodiment, even if a deviation occurs in the shape of the
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態は、CMOSイメージセンサーに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。図13は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment relates to a semiconductor device suitable for a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment.
第5の実施形態に係る半導体装置50には、第1の実施形態と同様に、複数の画素51からなる画素アレイが含まれる。画素ピッチは1μm〜3μm程度である。第1の実施形態とは異なり、図13に示すように、各画素51に2つのPD61及び62が含まれる。PD61及び62のサイズが画素アレイ内の位置に依存している。画素アレイの周辺部に近い画素51ほど、当該画素51内でPD61及び62に含まれるN型不純物拡散層101の面積が大きく相違している。図13では、PD62がPD61よりも画素アレイの中心に近く、PD62に含まれるN型不純物拡散層101の面積がPD61に含まれるN型不純物拡散層101の面積より小さい。
The semiconductor device 50 according to the fifth embodiment includes a pixel array including a plurality of pixels 51 as in the first embodiment. The pixel pitch is about 1 μm to 3 μm. Unlike the first embodiment, each pixel 51 includes two
このように構成された半導体装置50では、図13に示すように、画素51のほぼ正面から入射してきた光71は、PD62にシリコン基板100の裏面に対して垂直に近い方向から入射する。一方、画素アレイの中心側から入射してきた光72は、PD61にシリコン基板100の裏面に対して平行に近い方向から入射する。このような場合、N型不純物拡散層101のサイズが同程度あれば、PD62の感度がPD61の感度より高いが、本実施形態では、PD61のN型不純物拡散層101の面積がPD62のN型不純物拡散層101の面積より大きいため、PD61及び62間の感度は同程度である。
In the semiconductor device 50 configured as described above, as shown in FIG. 13, the light 71 incident from substantially the front of the pixel 51 is incident on the
また、N型不純物拡散層101のサイズが相違している場合、PD61及び62間で飽和電荷量の相違が生じ得るが、本実施形態では、N型不純物拡散層101のサイズに応じたサイズのP型不純物拡散層102がPD61及び62に含まれる。従って、第1の実施形態と同様の原理にて、飽和電荷量も同程度となっている。
Further, when the size of the N-type
そして、このような構成の画素51は、例えば、文献「映像情報メディア学会技術報告 VOL.39, NO.35 像面位相差AFと撮像とを全画素で両立した低ノイズ・高感度CMOSイメージセンサ」や国際公開第2014/097884号に記載された位相差オートフォーカスに有効である。 The pixel 51 having such a configuration is, for example, a low-noise and high-sensitivity CMOS image sensor that achieves both image plane phase difference AF and imaging in the document “Video Information Media Society Technical Report VOL.39, NO.35”. And the phase difference autofocus described in International Publication No. 2014/097884.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
半導体基板に形成された第1のN型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成された第1のP型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成され、少なくとも一部が前記第1のP型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層と、
を有し、
前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深い第1のデバイスを含むことを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
A first N-type impurity diffusion layer formed on the semiconductor substrate;
A first P-type impurity diffusion layer formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate;
A second N-type impurity diffusion layer formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate and at least partially overlapping the first P-type impurity diffusion layer;
Have
The semiconductor device characterized in that the potential well for electrons in the second N-type impurity diffusion layer includes a first device deeper than the potential well for electrons in the first N-type impurity diffusion layer.
(付記2)
前記第1のP型不純物拡散層は平面視で前記第1のN型不純物拡散層の全体と重なっていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
2. The semiconductor device according to
(付記3)
前記第1のP型不純物拡散層は平面視で前記第1のN型不純物拡散層の一部と重なっていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
2. The semiconductor device according to
(付記4)
前記第1のP型不純物拡散層の平面形状が環状であることを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The semiconductor device according to
(付記5)
前記第2のN型不純物層は前記第1のN型不純物拡散層よりも大面積で形成されていることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The semiconductor device according to any one of
(付記6)
前記半導体基板の表面に形成された第3のN型不純物拡散層と、
前記半導体基板上で平面視で前記第2のN型不純物拡散層と前記第3のN型不純物拡散層との間に形成されたゲート電極と、
を有し、
前記第3のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深いことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
A third N-type impurity diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed between the second N-type impurity diffusion layer and the third N-type impurity diffusion layer in plan view on the semiconductor substrate;
Have
6. The semiconductor device according to
(付記7)
前記半導体基板に形成された第4のN型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第4のN型不純物拡散層の上方に形成された第2のP型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第4のN型不純物拡散層の上方に形成され、少なくとも一部が前記第2のP型不純物拡散層と重なる第5のN型不純物拡散層と、
を有し、
前記第5のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第4のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深く、
平面視で前記第4のN型不純物拡散層の面積は前記第1のN型不純物拡散層の面積より大きく、前記第2のP型不純物拡散層の面積は前記第1のP型不純物拡散層の面積より大きい第2のデバイスを更に含むことを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
A fourth N-type impurity diffusion layer formed on the semiconductor substrate;
A second P-type impurity diffusion layer formed above the fourth N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate;
A fifth N-type impurity diffusion layer formed above the fourth N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate and at least partially overlapping the second P-type impurity diffusion layer;
Have
A potential well for electrons of the fifth N-type impurity diffusion layer is deeper than a potential well for electrons of the fourth N-type impurity diffusion layer;
In plan view, the area of the fourth N-type impurity diffusion layer is larger than the area of the first N-type impurity diffusion layer, and the area of the second P-type impurity diffusion layer is the first P-type impurity diffusion layer. The semiconductor device according to
(付記8)
第1の厚さの第1のレジストパターンをマスクとした第1のN型不純物のイオン注入により、半導体基板に第1のN型不純物拡散層を形成する工程と、
前記第1のレジストパターンをマスクとしたP型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方にP型不純物拡散層を形成する工程と、
前記第1の厚さより薄い第2の厚さの第2のレジストパターンをマスクとした第2のN型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に、少なくとも一部が前記P型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層を形成する工程と、
を有し、
前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
Forming a first N-type impurity diffusion layer in a semiconductor substrate by ion implantation of a first N-type impurity using a first resist pattern having a first thickness as a mask;
Forming a P-type impurity diffusion layer above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate by ion implantation of P-type impurities using the first resist pattern as a mask;
By ion implantation of a second N-type impurity using a second resist pattern having a second thickness smaller than the first thickness as a mask, above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate, Forming a second N-type impurity diffusion layer at least partially overlapping the P-type impurity diffusion layer;
Have
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a potential well for electrons of the second N-type impurity diffusion layer is deeper than a potential well for electrons of the first N-type impurity diffusion layer.
(付記9)
前記P型不純物拡散層を平面視で前記第1のN型不純物拡散層の全体と重なるように形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 8, wherein the P-type impurity diffusion layer is formed so as to overlap the entire first N-type impurity diffusion layer in plan view.
(付記10)
前記P型不純物の斜めイオン注入により、前記P型不純物拡散層を平面視で前記第1のN型不純物拡散層の一部と重なるように形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
9. The semiconductor device according to appendix 8, wherein the P-type impurity diffusion layer is formed so as to overlap a part of the first N-type impurity diffusion layer in plan view by oblique ion implantation of the P-type impurity. Manufacturing method.
(付記11)
前記P型不純物拡散層の平面形状が環状であることを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the planar shape of the P-type impurity diffusion layer is annular.
(付記12)
前記第2のN型不純物拡散層を前記第1のN型不純物拡散層より大面積で形成することを特徴とする付記8乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 12)
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 8 to 11, wherein the second N-type impurity diffusion layer is formed with a larger area than the first N-type impurity diffusion layer.
(付記13)
前記半導体基板の表面に第3のN型不純物拡散層を形成する工程と、
前記半導体基板上で平面視で前記第2のN型不純物拡散層と前記第3の不純物拡散層との間にゲート電極を形成する工程と、
を有し、
前記第3のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深いことを特徴とする付記8乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 13)
Forming a third N-type impurity diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode between the second N-type impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer in plan view on the semiconductor substrate;
Have
13. The semiconductor device according to any one of appendices 8 to 12, wherein a potential well for electrons in the third N-type impurity diffusion layer is deeper than a potential well for electrons in the second N-type impurity diffusion layer. Manufacturing method.
21:フォトダイオード
30:Pウェル
31:深いN型不純物拡散層
32:P型不純物拡散層
33:浅いN型不純物拡散層
100:シリコン基板
108:Pウェル
101:深いN型不純物拡散層
102、202:P型不純物拡散層
103:浅いN型不純物拡散層
111:厚いレジストパターン
112:薄いレジストパターン
21: Photodiode 30: P well 31: Deep N type impurity diffusion layer 32: P type impurity diffusion layer 33: Shallow N type impurity diffusion layer 100: Silicon substrate 108: P well 101: Deep N type
Claims (10)
前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成された第1のP型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に形成され、少なくとも一部が前記第1のP型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層と、
を有し、
前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深い第1のデバイスを含むことを特徴とする半導体装置。 A first N-type impurity diffusion layer formed on the semiconductor substrate;
A first P-type impurity diffusion layer formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate;
A second N-type impurity diffusion layer formed above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate and at least partially overlapping the first P-type impurity diffusion layer;
Have
The semiconductor device characterized in that the potential well for electrons in the second N-type impurity diffusion layer includes a first device deeper than the potential well for electrons in the first N-type impurity diffusion layer.
前記半導体基板の前記第4のN型不純物拡散層の上方に形成された第2のP型不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記第4のN型不純物拡散層の上方に形成され、少なくとも一部が前記第2のP型不純物拡散層と重なる第5のN型不純物拡散層と、
を有し、
前記第5のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第4のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深く、
平面視で前記第4のN型不純物拡散層の面積は前記第1のN型不純物拡散層の面積より大きく、前記第2のP型不純物拡散層の面積は前記第1のP型不純物拡散層の面積より大きい第2のデバイスを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A fourth N-type impurity diffusion layer formed on the semiconductor substrate;
A second P-type impurity diffusion layer formed above the fourth N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate;
A fifth N-type impurity diffusion layer formed above the fourth N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate and at least partially overlapping the second P-type impurity diffusion layer;
Have
A potential well for electrons of the fifth N-type impurity diffusion layer is deeper than a potential well for electrons of the fourth N-type impurity diffusion layer;
In plan view, the area of the fourth N-type impurity diffusion layer is larger than the area of the first N-type impurity diffusion layer, and the area of the second P-type impurity diffusion layer is the first P-type impurity diffusion layer. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second device having a larger area.
前記第1のレジストパターンをマスクとしたP型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方にP型不純物拡散層を形成する工程と、
前記第1の厚さより薄い第2の厚さの第2のレジストパターンをマスクとした第2のN型不純物のイオン注入により、前記半導体基板の前記第1のN型不純物拡散層の上方に、少なくとも一部が前記P型不純物拡散層と重なる第2のN型不純物拡散層を形成する工程と、
を有し、
前記第2のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸は前記第1のN型不純物拡散層の電子に対するポテンシャル井戸より深いことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first N-type impurity diffusion layer in a semiconductor substrate by ion implantation of a first N-type impurity using a first resist pattern having a first thickness as a mask;
Forming a P-type impurity diffusion layer above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate by ion implantation of P-type impurities using the first resist pattern as a mask;
By ion implantation of a second N-type impurity using a second resist pattern having a second thickness smaller than the first thickness as a mask, above the first N-type impurity diffusion layer of the semiconductor substrate, Forming a second N-type impurity diffusion layer at least partially overlapping the P-type impurity diffusion layer;
Have
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a potential well for electrons of the second N-type impurity diffusion layer is deeper than a potential well for electrons of the first N-type impurity diffusion layer.
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