JP4862878B2 - 固体撮像装置、その製造方法および撮像装置 - Google Patents
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Description
上記縦型トランジスタと、平面型トランジスタで構成されるCMOSFET(例えば、0.18μm以下のデザインルールのCMOSFET)とを同一基板上に作りこむことは非常に難しい。
ゲート電極用にノンドープポリシリコンを、縦型トランジスタの縦穴の中に埋め込んで、縦穴を閉塞すると、縦穴の基板深い部分のポリシリコンにドーピングすることが難しくなる。
例えば、縦型トランジスタを形成する縦穴の中にポリシリコンを埋め込み、その後、熱拡散によって表面から上記縦穴に埋め込まれたポリシリコンの底部まで1×1020cm-3という高濃度の不純物を拡散させるとする方法がある(例えば、特許文献2参照)。
しかし、上記縦穴に埋め込まれたポリシリコンの底部まで1×1020cm-3という高濃度の不純物を拡散させるような熱を加えると、平面型CMOSFET部は拡散層により形成された素子分離領域の熱拡散により素子分離機能が劣化する。また、イオン注入によって縦穴の底まで不純物を到達させようとすると、シリコン基板にも高濃度の不純物が注入されて、縦型トランジスタのチャネルを形成できなくなる。
よって、同一半導体基板上に平面型CMOSFETと縦型トランジスタを混載することが困難であった。
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる。
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる。
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層が前記導電層より仕事関数の高い金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記電極層が前記埋め込み層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物からなると共に、
前記周辺回路部は、
NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタとを有し、
前記Nチャネルトランジスタのゲート電極は前記導電層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物で形成され、
前記Pチャネルトランジスタのゲート電極は前記電極層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物で形成されている。
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタのゲート電極を形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介して第1ポリシリコン膜をノンドープ状態で形成する工程と、
前記画素部が形成される画素部形成領域の前記第1ポリシリコン膜に第1導電型不純物をドーピングして導電層を形成する工程と、
前記第1ポリシリコン膜上に前記溝部内も埋め込む第2ポリシリコン膜をノンドープ状態で形成する工程と、
前記画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域で前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記第2ポリシリコン膜に第1導電型不純物をドーピングし、前記第2導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記第2ポリシリコン膜と前記第1ポリシリコン膜に第2導電型不純物をドーピングする工程と、
前記第1ポリシリコン膜および前記第2ポリシリコン膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、画素部の平面型トランジスタのゲート電極と、周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程を有する。
また、画素部および周辺回路部の平面型トランジスタのゲート電極は、ノンドープの第1ポリシリコン膜とノンドープの第2ポリシリコン膜に、所定の導電型の不純物をドーピングして形成される。このため、Nチャネル型トランジスタのゲート電極をN型に、Pチャネル型トランジスタのゲート電極をP型に作り分けられる。しかも、微細なゲート長を有するゲート電極を形成することができる。
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタを形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介してポリシリコン膜をノンドープ状態で形成する工程と、
前記画素部が形成される画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域で前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記ポリシリコン膜に第1導電型不純物をドーピングする工程と、
前記周辺回路部形成領域で前記第2導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記ポリシリコン膜に第2導電型不純物をドーピングする工程と、
前記ポリシリコン膜上に、金属膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜および前記金属膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、画素部の平面型トランジスタのゲート電極と、周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程を有する。
また、画素部および周辺回路部の平面型トランジスタのゲート電極は、ノンドープのポリシリコン膜に、所定の導電型の不純物をドーピングして形成される。このため、Nチャネル型トランジスタのゲート電極をN型に、Pチャネル型トランジスタのゲート電極をP型に作り分けられる。しかも、微細なゲート長を有するゲート電極を形成することができる。
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタを形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上で、かつ前記画素部が形成される画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域における前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域に、前記ゲート絶縁膜を介して第1金属膜もしくは第1金属化合物膜を形成する工程と、
前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜上を含む前記ゲート絶縁膜上に、前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜とは仕事関数が異なる第2金属膜もしくは第2金属化合物膜を形成する工程と、
前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜および前記第2金属膜もしくは第2金属化合物膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、前記画素部の平面型トランジスタのゲート電極および前記周辺回路部の第1導電型チャネルのトランジスタのゲート電極を形成し、前記第2金属膜もしくは第2金属化合物膜で前記周辺回路部の第2導電型チャネルのトランジスタのゲート電極を形成する工程を有する。
また、画素部および周辺回路部の平面型トランジスタのゲート電極は、第1金属膜もしくは第1金属化合物膜、または第2金属膜もしくは第2金属化合物膜で形成される。例えば、第1導電型がN型で第2導電型がP型の場合、第1金属膜、第1金属化合物膜よりも第2金属膜、第2金属化合物膜の仕事関数値を大きくする。しかも、微細なゲート長を有するゲート電極を形成することができる。
前記結像光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に前記導電層に接続された電極層を有する。
そして本発明の第1の固体撮像装置は、
前記導電層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる。
また本発明の第2の固体撮像装置は、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる
撮像装置。
[固体撮像装置の構成の第1例]
本発明の第1実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例(第1例)を、図1の概略構成断面図によって説明する。
上記半導体基板11に形成される上記光電変換部51はフォトダイオードで構成されている。
例えば、上記半導体基板11の表面側にN型半導体領域(以下、高濃度N型領域という)52が形成されている。その下部に接合して上記高濃度N型領域52よりも低濃度のN型半導体領域(以下、低濃度N型領域という)53が形成されている。さらに、上記高濃度N型領域52上にP型半導体領域(以下、低濃度P型領域という)54が形成されている。
上記低濃度P型領域54の周囲には、上記低濃度P型領域54よりも高濃度のP型半導体領域(以下、高濃度P型領域という)55が形成されている。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成されている。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成されている。
また、図示はしていないが、光電変換部51が形成される領域、画素部12のトランジスタが形成される領域、周辺回路部13のNFET23、PFET24が形成される領域等にウエル領域が形成されている。
上記溝部31の内面にはゲート絶縁膜32が形成されている。上記ゲート絶縁膜32は、例えば、半導体基板11表面を表面酸化することで形成されている。
また、上記溝部31を埋め込むように、第2ポリシリコン膜34が形成されている。この第2ポリシリコン膜34は、溝部31内部はノンドープの状態であり、溝部16上では、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
上記N型不純物をドーピングする場合は、例えばリン(P)もしくはヒ素(As)を用いる。また、第1導電型不純物がP型不純物の場合は、例えばホウ素(B)を用いる。第1ポリシリコン膜33にドーピングされるドーピング濃度は、上記溝部31に埋め込まれる第2ポリシリコン膜34を含め、溝部31内部のポリシリコン全体に拡散した場合でも1×1019cm-3の不純物濃度が確保できる濃度以上になるように設定される。
したがって、縦型トランジスタ21のゲート電極21Gは、上記溝部31において、以下のように構成される。N型不純物がドーピングされた第1ポリシリコン膜33の導電層35と、ノンドープ部分の第2ポリシリコン膜34の埋め込み層36と、N型不純物がドーピングされた第2ポリシリコン膜34の電極層37からなる。
上記平面型トランジスタ22は、例えば上記半導体基板11の画素部12に、ゲート絶縁膜32を介して上記第1ポリシリコン膜33および上記第2ポリシリコン膜34と同一層のポリシリコン膜でゲート電極22Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
上記NFET23は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して上記第2ポリシリコン膜34と同一層のポリシリコン膜でゲート電極23Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
また、上記PFET24は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して上記第2ポリシリコン膜34と同一層のポリシリコン膜でゲート電極24Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第2導電型不純物(例えばP型不純物)がドーピングされている。
ここで、例えばリセットトランジスタ22Rのソース・ドレイン領域26と増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域25は共通の拡散層で形成されている。また、増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域26と選択トランジスタ(図示せず)のソース・ドレイン領域(図示せず)は共通の拡散層で形成されている。
そして、上記リセットトランジスタ11Rの縦型トランジスタ側にソース・ドレイン領域25が縦型トランジスタ21のソース・ドレイン領域と共通になっている。この共通の拡散層がフローティングディフュージョンFDになっている。
また、これらの拡散層は、共通化されていても良いし、また、メタル配線を用いて接続されていても良い。
したがって、縦型トランジスタ21は、光電変換部51で光電変換された信号電荷を読み出す転送トランジスタになっている。
また、上記平面トランジスタ24のゲート電極24Gの両側における半導体基板11にはソース・ドレイン領域29、30が形成されている。
なお、上記平面型トランジスタ22〜24のソース・ドレイン領域25〜30には、必要に応じてエクステンション領域(図示せず)を形成してもよい。
さらに、上記配線層81側には支持基板(図示せず)が形成されている。上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側は所望の厚さに形成されていて、カラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成されている。
こうようにして、固体撮像装置1が構成されている。
[固体撮像装置の構成の第2例]
本発明の第2実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例(第2例)を、図2の概略構成断面図によって説明する。
上記半導体基板11に形成される上記光電変換部51はフォトダイオードで構成されている。
例えば、上記半導体基板11の表面側にN型半導体領域(以下、高濃度N型領域という)52が形成されている。その下部に接合して上記高濃度N型領域52よりも低濃度のN型半導体領域(以下、低濃度N型領域という)53が形成されている。さらに、上記高濃度N型領域52上にP型半導体領域(以下、低濃度P型領域という)54が形成されている。
上記低濃度P型領域54の周囲には、上記低濃度P型領域54よりも高濃度のP型半導体領域(以下、高濃度P型領域という)55が形成されている。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成されている。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成されている。
また、図示はしていないが、光電変換部51が形成される領域、画素部12のトランジスタが形成される領域、周辺回路部13のNFET23、PFET24が形成される領域等にウエル領域が形成されている。
上記溝部31の内面にはゲート絶縁膜32が形成されている。上記ゲート絶縁膜32は、例えば、半導体基板11表面を表面酸化することで形成されている。
上記N型不純物をドーピングする場合は、例えばリン(P)もしくはヒ素(As)を用いる。また、第1導電型不純物がP型不純物の場合は、例えばホウ素(B)を用いる。ポリシリコン膜38にドーピングされるドーピング濃度は、1×1019cm-3の不純物濃度が確保できる濃度以上になるように設定される。
また、上記溝部31を埋め込むように、金属(もしくは金属化合物)膜39が形成されている。上記金属膜としては、例えば、タングステン、ニッケル等の金属を用いることができる。また上記金属化合物膜としては、例えば、窒化タングステン、窒化チタン等の金属窒化物、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等の金属シリサイドを用いることができる。
したがって、縦型トランジスタ21のゲート電極21Gは、上記溝部31において、以下のように構成される。上記導電層35と、金属(もしくは金属化合物)膜39の埋め込み層36および電極層37からなる。
上記平面型トランジスタ22は、例えば上記半導体基板11の画素部12に、ゲート絶縁膜32を介して、上記ポリシリコン膜38と同一層のポリシリコン膜38および上記金属(もしくは金属化合物)膜39と同一層の金属(もしくは金属化合物)膜39でゲート電極22Gが形成されている。このポリシリコン膜38には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
上記NFET23は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して、上記ポリシリコン膜38と同一層のポリシリコン膜38および上記金属(もしくは金属化合物)膜39と同一層の金属(もしくは金属化合物)膜39でゲート電極23Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
また、上記PFET24は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して、上記ポリシリコン膜38と同一層で第2導電型不純物(例えばP型不純物)がドーピングされているポリシリコン膜40および上記金属(もしくは金属化合物)膜39と同一層の金属(もしくは金属化合物)膜39でゲート電極24Gが形成されている。
ここで、例えばリセットトランジスタ22Rのソース・ドレイン領域26と増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域25は共通の拡散層で形成されている。また、増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域26と選択トランジスタ(図示せず)のソース・ドレイン領域(図示せず)は共通の拡散層で形成されている。
そして、上記リセットトランジスタ11Rの縦型トランジスタ側にソース・ドレイン領域25が縦型トランジスタ21のソース・ドレイン領域と共通になっている。この共通の拡散層がフローティングディフュージョンFDになっている。
また、これらの拡散層は、共通化されていても良いし、また、メタル配線を用いて接続されていても良い。
したがって、縦型トランジスタ21は、光電変換部51で光電変換された信号電荷を読み出す転送トランジスタになっている。
また、上記平面トランジスタのPFET24のゲート電極24Gの両側における半導体基板11にはソース・ドレイン領域29、30が形成されている。
なお、上記平面型トランジスタ22、NFET23、PFET24のソース・ドレイン領域25〜30には、必要に応じてエクステンション領域(図示せず)を形成してもよい。
さらに、上記配線層81側には支持基板(図示せず)が形成されている。上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側は所望の厚さに形成されていて、カラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成されている。
こうようにして、固体撮像装置2が構成されている。
[固体撮像装置の構成の第3例]
本発明の第3実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例(第3例)を、図3の概略構成断面図によって説明する。
上記半導体基板11に形成される上記光電変換部51はフォトダイオードで構成されている。
例えば、上記半導体基板11の表面側にN型半導体領域(以下、高濃度N型領域という)52が形成されている。その下部に接合して上記高濃度N型領域52よりも低濃度のN型半導体領域(以下、低濃度N型領域という)53が形成されている。さらに、上記高濃度N型領域52上にP型半導体領域(以下、低濃度P型領域という)54が形成されている。
上記低濃度P型領域54の周囲には、上記低濃度P型領域54よりも高濃度のP型半導体領域(以下、高濃度P型領域という)55が形成されている。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成されている。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成されている。
また、図示はしていないが、光電変換部51が形成される領域、画素部12の平面型トランジスタが形成される領域、周辺回路部13の平面型トランジスタのNFET23、PFET24が形成される領域等にウエル領域が形成されている。
上記溝部31の内面にはゲート絶縁膜32が形成されている。上記ゲート絶縁膜32は、例えば、半導体基板11表面を表面酸化することで形成されている。
または、ゲート絶縁膜32は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1種を含んだ酸化物、酸化珪化物、窒化酸化物、または酸化窒化珪化物からなる膜を用いることもできる。
具体的には、酸化シリコン(SiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、ジルコニウムシリケート(ZrSiOx)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiOx)、酸化アルミニウムハフニウム(HfAlOx)、酸化ジルコニウムハフニウム(ZrAlOx)、さらにはこれらの窒化物(酸窒化シリコン(SiON)、酸窒化ケイ化ハフニウム(HfSiONなど))が例示される。これらの材料の比誘電率は、組成や結晶性などによって多少の変動はあるが、例えばHfO2の比誘電率は25〜30、ZrO2の比誘電率は20〜25である。
例えば、NFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV未満、望ましくは、4.3eV以下の仕事関数を有する。PFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV以上、望ましくは、4.9eV以上の仕事関数を有する。
上記N型不純物をドーピングする場合は、例えばリン(P)もしくはヒ素(As)を用いる。また、上記第1導電型不純物がP型不純物の場合は、例えばホウ素(B)を用いる。ポリシリコン膜43にドーピングされるドーピング濃度は、上記溝部31に埋め込まれるポリシリコン膜42を含め、溝部31内部のポリシリコン全体に拡散した場合でも1×1019cm-3の不純物濃度が確保できる濃度以上になるように設定される。
したがって、縦型トランジスタ21のゲート電極21Gは、上記溝部31において、以下のように構成される。金属膜もしくは金属化合物膜41からなる導電層35と、ノンドープ部分のポリシリコン膜42の埋め込み層36と、N型不純物がドーピングされたポリシリコン膜43の電極層37からなる。
上記平面型トランジスタ22は、例えば上記半導体基板11の画素部12に、ゲート絶縁膜32を介して上記導電層35および上記ポリシリコン膜42と同一層のポリシリコン膜でゲート電極22Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
上記NFET23は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して上記ポリシリコン膜42と同一層のポリシリコン膜でゲート電極23Gが形成されている。このポリシリコン膜には、第1導電型不純物(例えばN型不純物)がドーピングされている。
また、上記PFET24は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して第2導電型不純物(例えばP型不純物)がドーピングされているポリシリコン膜44でゲート電極24Gが形成されている。
ここで、例えばリセットトランジスタ22Rのソース・ドレイン領域26と増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域25は共通の拡散層で形成されている。また、増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域26と選択トランジスタ(図示せず)のソース・ドレイン領域(図示せず)は共通の拡散層で形成されている。
そして、上記リセットトランジスタ11Rの縦型トランジスタ側にソース・ドレイン領域25が縦型トランジスタ21のソース・ドレイン領域と共通になっている。この共通の拡散層がフローティングディフュージョンFDになっている。
また、これらの拡散層は、共通化されていても良いし、また、メタル配線を用いて接続されていても良い。
したがって、縦型トランジスタ21は、光電変換部51で光電変換された信号電荷を読み出す転送トランジスタになっている。
また、上記平面トランジスタ24のゲート電極24Gの両側における半導体基板11にはソース・ドレイン領域29、30が形成されている。
なお、上記平面型トランジスタ22〜24のソース・ドレイン領域25〜30には、必要に応じてエクステンション領域(図示せず)を形成してもよい。
さらに、上記配線層81側には支持基板(図示せず)が形成されている。上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側は所望の厚さに形成されていて、カラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成されている。
こうようにして、固体撮像装置3が構成されている。
[固体撮像装置の構成の第4例]
本発明の第4実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例(第4例)を、図4の概略構成断面図によって説明する。
上記半導体基板11に形成される上記光電変換部51はフォトダイオードで構成されている。
例えば、上記半導体基板11の表面側にN型半導体領域(以下、高濃度N型領域という)52が形成されている。その下部に接合して上記高濃度N型領域52よりも低濃度のN型半導体領域(以下、低濃度N型領域という)53が形成されている。さらに、上記高濃度N型領域52上にP型半導体領域(以下、低濃度P型領域という)54が形成されている。
上記低濃度P型領域54の周囲には、上記低濃度P型領域54よりも高濃度のP型半導体領域(以下、高濃度P型領域という)55が形成されている。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成されている。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成されている。
また、図示はしていないが、光電変換部51が形成される領域、画素部12のトランジスタが形成される領域、周辺回路部13のNFET23、PFET24が形成される領域等にウエル領域が形成されている。
上記溝部31の内面にはゲート絶縁膜32が形成されている。上記ゲート絶縁膜32は、例えば、半導体基板11表面を酸化することで形成されている。
または、ゲート絶縁膜32は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1種を含んだ酸化物、酸化珪化物、窒化酸化物、または酸化窒化珪化物からなる膜を用いることもできる。
具体的には、酸化シリコン(SiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、ジルコニウムシリケート(ZrSiOx)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiOx)、酸化アルミニウムハフニウム(HfAlOx)、酸化ジルコニウムハフニウム(ZrAlOx)、さらにはこれらの窒化物(酸窒化シリコン(SiON)、酸窒化ケイ化ハフニウム(HfSiONなど))が例示される。これらの材料の比誘電率は、組成や結晶性などによって多少の変動はあるが、例えばHfO2の比誘電率は25〜30、ZrO2の比誘電率は20〜25である。
例えば、NFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV未満、望ましくは、4.3eV以下の仕事関数を有する。PFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV以上、望ましくは、4.9eV以上の仕事関数を有する。
したがって、縦型トランジスタ21のゲート電極21Gは、上記溝部31において、以下のように構成される。第1導電層47の導電層35と、第2導電層48の埋め込み層36と、第2導電層48の電極層37からなる。
上記平面型トランジスタ22は、例えば上記半導体基板11の画素部12に、ゲート絶縁膜32を介して上記第1導電層47および上記第2導電層48と同一層の膜でゲート電極22Gが形成されている。
上記NFET23は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して上記第1導電層47および上記第2導電層48と同一層の膜でゲート電極23Gが形成されている。
また、上記PFET24は、例えば上記半導体基板11の周辺回路部13に、ゲート絶縁膜32を介して上記第2導電層48と同一層の膜でゲート電極24Gが形成されている。したがって、上記第2導電層48は、NFETのゲート電極を形成しているので、上記NFETに適した仕事関数制御膜が用いられることが好ましい。
上記第2導電層48に用いる材料としては、一例として、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)等の金属、これらの金属を含む合金、これらの金属の化合物がある。具体的には、窒化チタン(TiN)、ルテニウム(Ru)がより好ましい。PFET用の窒化チタンは4.5eV〜5.0eV程度である。
ここで、例えばリセットトランジスタ22Rのソース・ドレイン領域26と増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域25は共通の拡散層で形成されている。また、増幅トランジスタ22Aのソース・ドレイン領域26と選択トランジスタ(図示せず)のソース・ドレイン領域(図示せず)は共通の拡散層で形成されている。
そして、上記リセットトランジスタ11Rの縦型トランジスタ側にソース・ドレイン領域25が縦型トランジスタ21のソース・ドレイン領域と共通になっている。この共通の拡散層がフローティングディフュージョンFDになっている。
また、これらの拡散層は、共通化されていても良いし、また、メタル配線を用いて接続されていても良い。
したがって、縦型トランジスタ21は、光電変換部51で光電変換された信号電荷を読み出す転送トランジスタになっている。
また、上記平面トランジスタのPFET24のゲート電極24Gの両側における半導体基板11にはソース・ドレイン領域29、30が形成されている。
なお、上記平面型トランジスタ22、NFET23、PFET24のソース・ドレイン領域25〜30には、必要に応じてエクステンション領域(図示せず)を形成してもよい。
さらに、上記配線層81側には支持基板(図示せず)が形成されている。上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側は所望の厚さに形成されていて、カラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成されている。
こうようにして、固体撮像装置4が構成されている。
さらに、上記縦型トランジスタ21は、そのゲート電極21Gおよびゲート絶縁膜32の底部が、光電変換部51のpn接合部(高濃度N型領域52と高濃度P型領域55との界面)の深さと同位置、またはそれよりも深い位置に形成されている。これによって、上記縦型トランジスタ21のチャネルが光電変換部51とソース・ドレイン領域25間に確実に形成されるので、縦型トランジスタ21の動作が確実に行える。
ここで、上記図1〜4によって説明した固体撮像装置1〜4の構成を適用できるCMOS型固体撮像装置の一例を、図5の回路構成図によって説明する。
タイミング発生回路225は、駆動回路221、画素用垂直走査回路223等の動作の基準となるタイミング信号や制御信号が生成される。
[固体撮像装置の第1製造方法の一例]
次に、本発明の第5実施の形態に係る固体撮像装置の第1製造方法の一例を、図6〜図14の製造工程断面図によって説明する。
図6(1)に示すように、上記半導体基板11に上記画素部を形成する画素部形成領域16と上記周辺回路部を形成する周辺回路部形成領域17とを分離する第1素子分離領域14を形成する。それとともに、上記画素部形成領域16内に形成される画素間を分離する第2素子分離領域15を形成する。
また、図示はしていないが、光電変換部が形成される領域、画素部のトランジスタが形成される領域、周辺回路部のNFET、OPFETが形成される領域等にウエル領域を形成する。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成される。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成される。
さらに、図示はしていないが、上記画素部形成領域16の上記半導体基板11中に、後に詳細を説明する上記光電変換部が形成されている。
さらに、上記第1ポリシリコン膜33上に保護膜61を形成する。この保護膜61は、例えば酸化シリコン膜で、例えば10nm以上の厚さに形成される。この酸化シリコン膜は、例えば熱酸化法、化学気相成長法等の成膜技術によって形成される。
その後、上記レジストマスク62を除去する。図面では、レジストマスク62を除去する直前の状態を示した。
その後、上記保護膜61を除去する。図面では、保護膜61を除去する直前の状態を示した。
また、上記PFETが形成される領域上の上記第2ポリシリコン膜34と上記第1ポリシリコン膜33にP型不純物をドーピングする。
例えば、N型の場合、ドーパントにリン(P)もしくはヒ素(As)を用い、エネルギーを5keV〜10keV、ドーズ量を1×1015ions/cm2〜1×1016ions/cm2に設定する。
例えば、P型の場合、ドーパントにボロン(B)もしくはBF2、インジウム(In)を用い、エネルギーを5keV〜10keV、ドーズ量を1×1015ions/cm2〜1×1016ions/cm2に設定する。
したがって、上記ゲート電極21Gは、第1ポリシリコン膜33にN型不純物をドーピングした導電層35と、上記埋め込み層36と、N型不純物がドーピングされた上記第2ポリシリコン膜34の部分で構成される。また、上記ゲート電極22Gおよび上記ゲート電極23Gは、上記第1導電型不純物がドーピングされた第1ポリシリコン膜33と上記第1導電型不純物がドーピングされた第2ポリシリコン膜34からなる。さらに、上記ゲート電極24Gは、第2導電型不純物がドーピングされた第1ポリシリコン膜33と第2ポリシリコン膜34からなる。
ここで、上記光電変換部の形成方法の一例を以下に説明する。
図10(1)に示すように、半導体基板11として、例えばp型半導体基板を用意する。
上記半導体基板11に光電変換部51を形成する。この光電変換部51はフォトダイオードで構成される。
例えば、レジストマスク(図示せず)を用いたイオン注入により、上記半導体基板11の表面側にN型半導体領域(以下、高濃度N型領域という)52を形成する。次いで、その下部に接合させて上記高濃度N型領域52よりも低濃度のN型半導体領域(以下、低濃度N型領域という)53を形成する。さらに、p型不純物をイオン注入することで、上記高濃度N型領域52上にP型半導体領域(以下、低濃度P型領域という)54を形成する。
その後、上記レジストマスクを除去する。
次に、新たなレジストマスク(図示せず)を用いたイオン注入により、上記低濃度P型領域54を上記高濃度N型領域52上の一部に残して、その周囲に、上記低濃度P型領域54よりも高濃度のP型半導体領域(以下、高濃度P型領域という)55を形成する。上記低濃度P型領域54は、例えば上記高濃度N型領域52上の中央部に残すことが、電荷を読み出し易くするために好ましい。
このようにして、光電変換部51が形成される。
さらに、図14に示すように、各トランジスタのゲート電極21G〜24Gを形成した後は、前記第1製造方法で説明したのと同様に、各ゲート電極22G〜24Gの両側の半導体基板11にエクステンション領域(図示せず)、ソース・ドレイン領域25〜30等形成する。さらに、半導体基板11上に配線層81を形成する。
次いで、図示はしていないが、上記配線層81側に支持基板を形成した後、上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側を研削、研磨等によって上記半導体基板11を所望の厚さにする。
次いで、半導体基板11側にカラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成する。
こうようにして、固体撮像装置1が完成する。
また、縦型トランジスタと平面型トランジスタのそれぞれのゲート電極にIn Situ.ドープのポリシリコンを用いた従来技術が知られている。この技術では、縦型トランジスタが形成される縦穴を埋め込むとともに、平面型トランジスタのCMOSFETのゲート電極を形成する方法がある。しかしながら、この方法では、CMOSFETのNFETもしくはPFETどちらかのゲート電極の導電性が本来の導電性と逆になり、CMOSFETを作るのが困難になっていた。
それを避けるために、縦型トランジスタと平面型トランジスタでゲート電極の作り分けを行うことが考えられるが、この場合、工程数が増大してコストが増大する。また、平面型トランジスタのゲート加工時に先に形成した縦型トランジスタの段差が存在するので平面型トランジスタのゲートエッチングで残渣が残る。これによって、歩留まりの低下を引き起こすことになっていた。
よって、縦型トランジスタ21と微細なゲート長を有する平面型トランジスタ22〜24が同一半導体基板に搭載されているため、トランジスタの高精細化、高密度実装化が図れるので、高精細化、画像処理速度の高速化が可能になるという利点がある。また、従来技術のように、歩留まりの低下をきたすこともない。
[固体撮像装置の製造方法の第2例]
次に、本発明の第6実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第2例を、図15〜図17の製造工程断面図によって説明する。
図15(1)に示すように、上記半導体基板11に上記画素部を形成する画素部形成領域16と上記周辺回路部を形成する周辺回路部形成領域17とを分離する第1素子分離領域14を形成する。それとともに、上記画素部形成領域16内に形成される画素間を分離する第2素子分離領域15を形成する。
また、図示はしていないが、光電変換部が形成される領域、画素部のトランジスタが形成される領域、周辺回路部のNFET、OPFETが形成される領域等にウエル領域を形成する。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成される。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成される。
さらに、図示はしていないが、上記画素部形成領域16の上記半導体基板11中に、前記図14によって詳細を説明した上記光電変換部が形成されている。
さらに、上記ポリシリコン膜63上に保護膜64を形成する。この保護膜64は、例えば酸化シリコン膜で、例えば10nm以上の厚さに形成される。この酸化シリコン膜は、例えば熱酸化法、化学気相成長法等の成膜技術によって形成される。
その後、上記レジストマスク65を除去する。図面では、レジストマスク65を除去する直前の状態を示した。
その後、上記保護膜64を除去する。図面では、保護膜64を除去する直前の状態を示した。
次に、上記ポリシリコン膜63上にレジストマスク(図示せず)を形成し、そのレジストマスクの上記周辺回路部形成領域のPFETが形成される領域上に開口部(図示せず)を形成する。このレジストマスクをイオン注入マスクに用いて、上記ポリシリコン膜63に第2導電型不純物(例えばP型不純物)をドーピングして、第2導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜40を形成する。その後、上記レジストマスクを除去する。
したがって、上記ゲート電極21Gは、N型不純物がドーピングされたポリシリコン膜38の導電層35と、上記金属層(もしくは金属化合物層)39で構成される埋め込み層36、電極層37からなる。また、上記ゲート電極22Gおよび上記ゲート電極23Gは、上記第1導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜38と上記金属層(もしくは金属化合物層)39からなる。さらに、上記ゲート電極24Gは、第2導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜40と金属層(もしくは金属化合物層)39からなる。
また、上記光電変換部の製造工程は、前記第1製造方法で説明したのと同様に行うことができる。その際、光電変換部51に対する溝部31の形成位置は、前記第1製造方法で説明したのと同様となる。
さらに、各トランジスタのゲート電極21G〜24Gを形成した後は、前記第1製造方法の前記図14によって説明したのと同様に、各ゲート電極22G〜24Gの両側の半導体基板11にエクステンション領域(図示せず)、ソース・ドレイン領域25〜30等形成する。さらに、半導体基板11上に配線層81を形成する。
次いで、図示はしていないが、上記配線層81側に支持基板を形成した後、上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側を研削、研磨等によって上記半導体基板11を所望の厚さにする。
次いで、半導体基板11側にカラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成する。
また、縦型トランジスタと平面型トランジスタのそれぞれのゲート電極にIn Situ.ドープのポリシリコンを用いた従来技術が知られている。この技術では、縦型トランジスタが形成される縦穴を埋め込むとともに、平面型トランジスタのCMOSFETのゲート電極を形成する方法がある。しかしながら、この方法では、CMOSFETのNFETもしくはPFETどちらかのゲート電極の導電性が本来の導電性と逆になり、CMOSFETを作るのが困難になっていた。
それを避けるために、縦型トランジスタと平面型トランジスタでゲート電極の作り分けを行うことが考えられるが、この場合、工程数が増大してコストが増大する。また、平面型トランジスタのゲート加工時に先に形成した縦型トランジスタの段差が存在するので平面型トランジスタのゲートエッチングで残渣が残る。これによって、歩留まりの低下を引き起こすことになっていた。
よって、縦型トランジスタ21と微細なゲート長を有する平面型トランジスタ22、NFET23、PFET24が同一半導体基板11に搭載されているため、トランジスタの高精細化、高密度実装化が図れるので、高精細化、画像処理速度の高速化が可能になるという利点がある。また、従来技術のように、歩留まりの低下をきたすこともない。
[固体撮像装置の製造方法の第3例]
次に、本発明の第7実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第3例を、図19〜図20の製造工程断面図によって説明する。
図19(1)に示すように、上記半導体基板11に上記画素部を形成する画素部形成領域16と上記周辺回路部を形成する周辺回路部形成領域17とを分離する第1素子分離領域14を形成する。それとともに、上記画素部形成領域16内に形成される画素間を分離する第2素子分離領域15を形成する。
また、図示はしていないが、光電変換部が形成される領域、画素部のトランジスタが形成される領域、周辺回路部のNFET、OPFETが形成される領域等にウエル領域を形成する。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成される。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成される。
さらに、図示はしていないが、上記画素部形成領域16の上記半導体基板11中に、前記図14によって詳細を説明した上記光電変換部が形成されている。
または、ゲート絶縁膜32は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1種を含んだ酸化物、酸化珪化物、窒化酸化物、または酸化窒化珪化物からなる膜を用いることもできる。
具体的には、酸化シリコン(SiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、ジルコニウムシリケート(ZrSiOx)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiOx)、酸化アルミニウムハフニウム(HfAlOx)、酸化ジルコニウムハフニウム(ZrAlOx)、さらにはこれらの窒化物(酸窒化シリコン(SiON)、酸窒化ケイ化ハフニウム(HfSiONなど))が例示される。これらの材料の比誘電率は、組成や結晶性などによって多少の変動はあるが、例えばHfO2の比誘電率は25〜30、ZrO2の比誘電率は20〜25である。
例えば、NFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV未満、望ましくは、4.3eV以下の仕事関数を有する。PFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV以上、望ましくは、4.9eV以上の仕事関数を有する。
その後、上記レジストマスクを除去する。
次に、図20(3)に示すように、上記導電層35上を含む上記ゲート絶縁膜32上にポリシリコン膜42を例えばノンドープ状態で形成する。
また、上記周辺回路部形成領域17のPFETが形成される領域上の上記ポリシリコン膜42に第2導電型(例えばP型)不純物をドーピングして、第2導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜44を形成する。
例えば、N型の場合、ドーパントにリン(P)もしくはヒ素(As)を用い、エネルギーを5keV〜10keV、ドーズ量を1×1015ions/cm2〜1×1016ions/cm2に設定する。
例えば、P型の場合、ドーパントにボロン(B)もしくはBF2、インジウム(In)を用い、エネルギーを5keV〜10keV、ドーズ量を1×1015ions/cm2〜1×1016ions/cm2に設定する。
したがって、上記ゲート電極21Gは、導電層35と、上記ノンドープ状態の上記ポリシリコン膜42で構成される埋め込み層36、上記第1導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜42の電極層37からなる。また、上記ゲート電極22Gは、上記導電層35と上記第1導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜42からなる。また、上記ゲート電極23Gは、上記第1導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜42からなる。さらに、上記ゲート電極24Gは、第2導電型不純物がドーピングされたポリシリコン膜42からなる。
また、上記光電変換部の製造工程は、前記第1製造方法で説明したのと同様に行うことができる。その際、光電変換部51に対する溝部31の形成位置は、前記第1製造方法で説明したのと同様となる。
さらに、各トランジスタのゲート電極21G〜24Gを形成した後は、前記第1製造方法の前記図14によって説明したのと同様に、各ゲート電極22G〜24Gの両側の半導体基板11にエクステンション領域(図示せず)、ソース・ドレイン領域25〜30等形成する。さらに、半導体基板11上に配線層81を形成する。
次いで、図示はしていないが、上記配線層81側に支持基板を形成した後、上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側を研削、研磨等によって上記半導体基板11を所望の厚さにする。
次いで、半導体基板11側にカラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成する。
また、縦型トランジスタと平面型トランジスタのそれぞれのゲート電極にIn Situ.ドープのポリシリコンを用いた従来技術が知られている。この技術では、縦型トランジスタが形成される縦穴を埋め込むとともに、平面型トランジスタのCMOSFETのゲート電極を形成する方法がある。しかしながら、この方法では、CMOSFETのNFETもしくはPFETどちらかのゲート電極の導電性が本来の導電性と逆になり、CMOSFETを作るのが困難になっていた。
それを避けるために、縦型トランジスタと平面型トランジスタでゲート電極の作り分けを行うことが考えられるが、この場合、工程数が増大してコストが増大する。また、平面型トランジスタのゲート加工時に先に形成した縦型トランジスタの段差が存在するので平面型トランジスタのゲートエッチングで残渣が残る。これによって、歩留まりの低下を引き起こすことになっていた。
よって、縦型トランジスタ21と微細なゲート長を有する平面型トランジスタ22、NFET23、PFET24が同一半導体基板11に搭載されているため、トランジスタの高精細化、高密度実装化が図れるので、高精細化、画像処理速度の高速化が可能になるという利点がある。また、従来技術のように、歩留まりの低下をきたすこともない。
[固体撮像装置の製造方法の第4例]
次に、本発明の第8実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第4例を、図21〜図22の製造工程断面図によって説明する。
図21(1)に示すように、上記半導体基板11に上記画素部を形成する画素部形成領域16と上記周辺回路部を形成する周辺回路部形成領域17とを分離する第1素子分離領域14を形成する。それとともに、上記画素部形成領域16内に形成される画素間を分離する第2素子分離領域15を形成する。
また、図示はしていないが、光電変換部が形成される領域、画素部のトランジスタが形成される領域、周辺回路部のNFET、OPFETが形成される領域等にウエル領域を形成する。
上記第1素子分離領域14は、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)で形成される。また上記第2素子分離領域15は、例えばP型拡散層で形成される。
さらに、図示はしていないが、上記画素部形成領域16の上記半導体基板11中に、前記図14によって詳細を説明した上記光電変換部が形成されている。
または、ゲート絶縁膜32は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1種を含んだ酸化物、酸化珪化物、窒化酸化物、または酸化窒化珪化物からなる膜を用いることもできる。
具体的には、酸化シリコン(SiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、ジルコニウムシリケート(ZrSiOx)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiOx)、酸化アルミニウムハフニウム(HfAlOx)、酸化ジルコニウムハフニウム(ZrAlOx)、さらにはこれらの窒化物(酸窒化シリコン(SiON)、酸窒化ケイ化ハフニウム(HfSiONなど))が例示される。これらの材料の比誘電率は、組成や結晶性などによって多少の変動はあるが、例えばHfO2の比誘電率は25〜30、ZrO2の比誘電率は20〜25である。
例えば、NFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV未満、望ましくは、4.3eV以下の仕事関数を有する。PFETの場合、そのゲート電極では、4.6eV以上、望ましくは、4.9eV以上の仕事関数を有する。
その後、上記レジストマスクを除去する。
なお、上記第1導電層47がPFETに適して仕事関数となる膜が用いられた場合には、上記第2導電層48にはNFETに適した仕事関数を有する導電層を用いる。
したがって、上記ゲート電極21Gは、上記第1導電層47で形成される導電層35と、上記第2導電層48で形成される埋め込み層36、上記第2導電層48で形成される電極層37からなる。また、上記ゲート電極22Gおよび上記ゲート電極23Gは、上記第1導電層47と上記第2導電層48からなる。上記ゲート電極24Gは、上記第2導電層48からなる。
また、上記光電変換部の製造工程は、前記第1製造方法で説明したのと同様に行うことができる。その際、光電変換部51に対する溝部31の形成位置は、前記第1製造方法で説明したのと同様となる。
さらに、各トランジスタのゲート電極21G〜24Gを形成した後は、前記第1製造方法の前記図14によって説明したのと同様に、各ゲート電極22G〜24Gの両側の半導体基板11にエクステンション領域(図示せず)、ソース・ドレイン領域25〜30等形成する。さらに、半導体基板11上に配線層81を形成する。
次いで、図示はしていないが、上記配線層81側に支持基板を形成した後、上記半導体基板11の光電変換部51が形成されている側を研削、研磨等によって上記半導体基板11を所望の厚さにする。
次いで、半導体基板11側にカラーフィルター層、集光レンズ(マイクロレンズ)等を形成する。
また、縦型トランジスタと平面型トランジスタのそれぞれのゲート電極にIn Situ.ドープのポリシリコンを用いた従来技術が知られている。この技術では、縦型トランジスタが形成される縦穴を埋め込むとともに、平面型トランジスタのCMOSFETのゲート電極を形成する方法がある。しかしながら、この方法では、CMOSFETのNFETもしくはPFETどちらかのゲート電極の導電性が本来の導電性と逆になり、CMOSFETを作るのが困難になっていた。
それを避けるために、縦型トランジスタと平面型トランジスタでゲート電極の作り分けを行うことが考えられるが、この場合、工程数が増大してコストが増大する。また、平面型トランジスタのゲート加工時に先に形成した縦型トランジスタの段差が存在するので平面型トランジスタのゲートエッチングで残渣が残る。これによって、歩留まりの低下を引き起こすことになっていた。
よって、縦型トランジスタ21と微細なゲート長を有する平面型トランジスタ22、NFET23、PFET24が同一半導体基板11に搭載されているため、トランジスタの高精細化、高密度実装化が図れるので、高精細化、画像処理速度の高速化が可能になるという利点がある。また、従来技術のように、歩留まりの低下をきたすこともない。
[撮像装置の構成の一例]
本発明の第9実施の形態に係る撮像装置の構成の一例を、図23のブロック図によって説明する。この撮像装置には、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話のカメラ等がある。
また、本発明は、上記撮像装置だけではなく、他の撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、高画質化の効果が得られる。ここで、撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。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。
Claims (10)
- 半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる
固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる
固体撮像装置。 - 前記周辺回路部は、
NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタとを有し、
前記Nチャネルトランジスタのゲート電極はN型不純物を含むポリシリコンからなり、
前記Pチャネルトランジスタのゲート電極はP型不純物を含むポリシリコンからなる
請求項1又は2記載の固体撮像装置。 - 前記平面型トランジスタのゲート電極が、前記縦型トランジスタの前記導電層及び前記電極層と同じ材料の2層膜で形成されている
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内全体を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に位置して前記半導体基板上の導電層に接続された電極層を有し、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層が前記導電層より仕事関数の高い金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記電極層が前記埋め込み層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物からなると共に、
前記周辺回路部は、
NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタとを有し、
前記Nチャネルトランジスタのゲート電極は前記導電層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物で形成され、
前記Pチャネルトランジスタのゲート電極は前記電極層と同じ金属もしくは導電性を有する金属化合物で形成されている
固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部と、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを備えた画素部、および前記画素部の周辺に第1導電型チャネルのトランジスタと前記第1導電型とは逆の第2導電型チャネルのトランジスタとを有する周辺回路部を形成する工程を有し、
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタのゲート電極を形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介して第1ポリシリコン膜をノンドープ状態で、前記溝部内を埋め込まないように形成する工程と、
前記画素部が形成される画素部形成領域の前記第1ポリシリコン膜に第1導電型不純物をドーピングして導電層を形成する工程と、
前記第1ポリシリコン膜上に前記溝部内も埋め込む第2ポリシリコン膜をノンドープ状態で形成する工程と、
前記画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域で前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記第2ポリシリコン膜に、前記溝部内の部分を除いて第1導電型不純物をドーピングし、前記第2導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記第2ポリシリコン膜と前記第1ポリシリコン膜に第2導電型不純物をドーピングする工程と、
前記第1ポリシリコン膜および前記第2ポリシリコン膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、前記画素部の平面型トランジスタのゲート電極と、前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程を有する
固体撮像装置の製造方法。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部と、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを備えた画素部、および前記画素部の周辺に第1導電型チャネルのトランジスタと前記第1導電型とは逆の第2導電型チャネルのトランジスタとを有する周辺回路部を形成する工程を有し、
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタを形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介してポリシリコン膜をノンドープ状態で、前記溝部内を埋め込まないように形成する工程と、
前記画素部が形成される画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域で前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記ポリシリコン膜に第1導電型不純物をドーピングする工程と、
前記周辺回路部形成領域で前記第2導電型チャネルのトランジスタが形成される領域の前記ポリシリコン膜に第2導電型不純物をドーピングする工程と、
前記ポリシリコン膜上に、前記溝部内も埋め込む金属膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜および前記金属膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、前記画素部の平面型トランジスタのゲート電極と、前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程を有する
固体撮像装置の製造方法。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部と、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを備えた画素部、および前記画素部の周辺に第1導電型チャネルのトランジスタと前記第1導電型とは逆の第2導電型チャネルのトランジスタとを有する周辺回路部を形成する工程を有し、
前記画素部および前記周辺回路部の各トランジスタのゲート電極を形成する工程は、
前記半導体基板の前記縦型トランジスタを形成する領域に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝部の内面を含む前記半導体基板上で、かつ前記画素部が形成される画素部形成領域および前記周辺回路部が形成される周辺回路部形成領域における前記第1導電型チャネルのトランジスタが形成される領域に、前記ゲート絶縁膜を介して第1金属膜もしくは第1金属化合物膜を、前記溝部内を埋め込まないように形成する工程と、
前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜上を含む前記ゲート絶縁膜上に、前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜とは仕事関数が異なる第2金属膜もしくは第2金属化合物膜を、前記溝部内も埋め込むように形成する工程と、
前記第1金属膜もしくは第1金属化合物膜および前記第2金属膜もしくは第2金属化合物膜で、前記縦型トランジスタのゲート電極と、前記画素部の平面型トランジスタのゲート電極および前記周辺回路部の第1導電型チャネルのトランジスタのゲート電極を形成し、前記第2金属膜もしくは第2金属化合物膜で前記周辺回路部の第2導電型チャネルのトランジスタのゲート電極を形成する工程を有する
固体撮像装置の製造方法。 - 入射光を集光する結像光学部と、
前記結像光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に前記導電層に接続された電極層を有すると共に、
前記導電層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる
撮像装置。 - 入射光を集光する結像光学部と、
前記結像光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記画素部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す縦型トランジスタと、前記縦型トランジスタで読み出した信号電荷を処理する平面型トランジスタを有し、
前記縦型トランジスタは、
前記半導体基板に形成された溝部と、
前記溝部の内面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部内および前記溝部周囲の前記半導体基板上の前記ゲート絶縁膜表面に形成された導電層と、
前記ゲート絶縁膜および前記導電層を介して前記溝部内を埋め込む埋め込み層と、
前記埋め込み層上に前記導電層に接続された電極層を有すると共に、
前記導電層が金属もしくは導電性を有する金属化合物からなり、
前記埋め込み層がノンドープポリシリコンからなり、
前記電極層がN型不純物もしくはP型不純物を含むポリシリコンからなる
撮像装置。
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