JP5880839B2 - Method for manufacturing trench diode - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン基板に対して略垂直方向に形成された高アスペクト比トレンチを有するトレンチダイオード及びその製造方法に関するものであり、特にシリコン半導体素子で直接検知することができる波長1100nm以下の近赤外光により生成される電子及び正孔などの電荷を効率的に収集することができるトレンチダイオード及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a trench diode having a high aspect ratio trench formed in a direction substantially perpendicular to a silicon substrate and a method for manufacturing the same, and in particular, a near red having a wavelength of 1100 nm or less that can be directly detected by a silicon semiconductor device. The present invention relates to a trench diode capable of efficiently collecting charges such as electrons and holes generated by external light and a method for manufacturing the same.

従来より、ビデオカメラやデジタルカメラなどに用いられているCCDやCMOSイメージャーなどに代表される半導体撮像素子は、撮像画像の光信号を電気信号に変換するための廉価で消費電力の少ないイメージセンサーとして広く普及している。それらの多くは、人の目と同様の画像検知特性の実現を目的としており、可視光などのセンシングを効率良く高感度にするために主にシリコン半導体で作られている。   Conventionally, semiconductor image sensors such as CCD and CMOS imagers used in video cameras and digital cameras are inexpensive and low power consumption image sensors for converting optical signals of captured images into electrical signals. As widely used. Many of them are aimed at realizing image detection characteristics similar to those of the human eye, and are mainly made of silicon semiconductors in order to make sensing such as visible light highly sensitive and efficient.

一方、シリコン系太陽電池は光エネルギーを電気エネルギーへ高効率で変換することができるためグリーンエネルギー源として期待され、各所への設置が進んでいる。光信号(光エネルギー)を高効率で電気信号(電気エネルギー)に変換できる内部光電効果においては、半導体のバンドギャップにより変換可能な光の波長が決まり、シリコン半導体の場合、可視光から近赤外線の波長範囲(400nm〜1100nm)を検知(変換)することができる。   On the other hand, silicon solar cells are expected to be a green energy source because they can convert light energy into electric energy with high efficiency, and are being installed in various places. In the internal photoelectric effect that can convert an optical signal (optical energy) into an electrical signal (electric energy) with high efficiency, the wavelength of light that can be converted is determined by the band gap of the semiconductor. A wavelength range (400 nm to 1100 nm) can be detected (converted).

ところで、近赤外線は可視光より波長が長いことからシリコン半導体内での吸収係数が小さいため、その半導体基板内部への侵入長は数十μm〜数百μmに及ぶ。内部光電効果により発生した電子及び正孔などの電荷を効率よく収集できるのはPN接合部の空乏層領域である。半導体基板内部で内部光電効果により発生した電荷は、拡散により空乏層領域まで運ばれるが、空乏層領域までの距離が長いときは、空乏層領域に到達するまでに再結合して消滅してしまうので、近赤外線の吸収により発生する電荷の効率的な収集が不可能となる。そこで、近赤外線の受光感度やエネルギー変換効率を上げるために、光の入射方向に対して略平行に基板内部深くまでpn接合を形成すること、すなわち基板表面の受光面に対して略垂直方向に形成されるトレンチにその内壁に沿ってpn接合を形成してなるトレンチダイオードが提案されている。   By the way, since near infrared rays have a wavelength longer than that of visible light, the absorption coefficient in the silicon semiconductor is small, so that the penetration length into the semiconductor substrate ranges from several tens of μm to several hundreds of μm. It is the depletion layer region of the PN junction that can efficiently collect charges such as electrons and holes generated by the internal photoelectric effect. Charge generated by the internal photoelectric effect inside the semiconductor substrate is carried to the depletion layer region by diffusion, but when the distance to the depletion layer region is long, it recombines and disappears before reaching the depletion layer region. Therefore, it is impossible to efficiently collect charges generated by near infrared absorption. Therefore, in order to increase the near-infrared light receiving sensitivity and energy conversion efficiency, a pn junction is formed deeply inside the substrate substantially parallel to the incident direction of light, that is, in a direction substantially perpendicular to the light receiving surface of the substrate surface. A trench diode has been proposed in which a pn junction is formed along the inner wall of a trench to be formed.

特開2010−219089号公報JP 2010-219089 A

しかしながら、このような従来のトレンチダイオードにおいては、従来からのLSI作製技術であるプレーナー技術で作製された電極が基板表面に存在するため、基板の深部で発生した電荷は抵抗の高い拡散層を移動して基板表面の電極に到達することになるが、この拡散層での高い抵抗のため基板の深部で発生した電荷を電極まで運んで効率的に収集することができず、近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を向上させることができないという問題があった。   However, in such a conventional trench diode, since the electrode manufactured by the planar technology which is the conventional LSI manufacturing technology exists on the substrate surface, the charges generated in the deep part of the substrate move through the diffusion layer having high resistance. However, due to the high resistance in this diffusion layer, the charges generated in the deep part of the substrate cannot be efficiently collected by transporting to the electrode, and the near-infrared light receiving sensitivity In addition, there is a problem that the energy conversion efficiency cannot be improved.

そこで、本発明は、半導体基板の深部で発生した電荷を効率良く電極で収集することができ、近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができるトレンチダイオード及びその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a trench diode that can efficiently collect charges generated in the deep part of a semiconductor substrate with an electrode, and can greatly improve near-infrared light receiving sensitivity and energy conversion efficiency, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.

前述のような課題を解決するための本発明は、半導体基板の表面に受光面が形成され、前記受光面の一部を開口部とし前記受光面に対して略垂直方向に前記基板内に延びるトレンチが形成され、前記基板の前記トレンチの内壁側に前記内壁に沿ってpn接合が形成されてなるトレンチダイオードであって、前記トレンチの内壁の略全面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記pn接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜が形成されている、ことを特徴とするものである。なお、本発明において、低抵抗膜とは、電極又は配線となり得るような導電性又は低抵抗性を有する材料からなる膜をいう。   According to the present invention for solving the above-described problems, a light receiving surface is formed on a surface of a semiconductor substrate, and a part of the light receiving surface is formed as an opening and extends into the substrate in a direction substantially perpendicular to the light receiving surface. A trench diode in which a trench is formed and a pn junction is formed on the inner wall side of the trench along the inner wall of the substrate, the light beam from the light receiving surface being applied to substantially the entire inner wall of the trench. A low-resistance film or a metal film that collects the charges generated therein through the pn junction is formed. In the present invention, the low resistance film means a film made of a material having conductivity or low resistance which can be an electrode or a wiring.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法は、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記pn接合を介して収集する電極とするための及び配線とするための、厚さが約100nm以上の低抵抗膜又は金属膜を形成する工程を含むものである。   In the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, an electrode that collects charges generated in the substrate by light from the light receiving surface through the pn junction may be formed on substantially the entire inner wall of the trench and the surface of the substrate. And a step of forming a low resistance film or metal film having a thickness of about 100 nm or more for forming a wiring.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法は、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約10Pa・s以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞ぐ工程を含むものである。   In addition, the method of manufacturing a trench diode according to the present invention may include a step of etching the low resistance film or metal film on the substrate surface after the low resistance film or metal film is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the substrate surface. And a step of applying a photoresist having a viscosity of about 10 Pa · s or more to the opening of the trench and its periphery to close the opening of the trench.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことが望ましい。   Further, in the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, the low resistance film or the metal film on the substrate surface is removed by vertical etching, except for the portion connected to the low resistance film or the metal film on the inner wall of the trench. And connecting the low-resistance film or metal film on the light-receiving surface that has not been removed in the vertical etching process by isotropic etching with the low-resistance film or metal film on the inner wall of the trench therein It is desirable to include a step of removing except for a necessary part.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約10Pa・s以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を覆い塞ぐ工程と、垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことが望ましい。   In the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, after the low resistance film or metal film is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the substrate surface, the low resistance film or metal film on the substrate surface is etched. Before, a step of applying a photoresist having a viscosity of about 10 Pa · s or more to the opening of the trench and its periphery to cover the opening of the trench, and a vertical etching, a low resistance film on the surface of the substrate or The step of removing the metal film except for the portion of the inner wall of the trench that is connected to the low resistance film or the metal film, and the low on the light receiving surface not removed in the vertical etching step by isotropic etching. Removing a resistance film or a metal film except a portion necessary for connection with a low resistance film or a metal film of the inner wall of the trench therein. Desirable.

さらに、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチは開口部の直径が約10μm以下でアスペクト比が約5以上であり、前記垂直エッチングはRIE(Reactive Ion Etching)によるものであり、前記等方性エッチングはリン酸を含む溶液を使用して行うものであることが望ましい。   Further, in the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, the trench has an opening having a diameter of about 10 μm or less and an aspect ratio of about 5 or more, and the vertical etching is performed by RIE (Reactive Ion Etching), Isotropic etching is desirably performed using a solution containing phosphoric acid.

本発明によるトレンチダイオードにおいては、前記トレンチの内壁の略全面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記pn接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜を形成するようにしたので、前記pn接合の空乏層領域で発生した又は前記空乏層領域に到達した電荷が、前記空乏層領域の近傍に形成された前記低抵抗膜又は金属膜により極めて効率的に収集されるようになる(これに対して、従来は電極が基板表面に形成されており空乏層領域と電極との距離が長かったので、前記pn接合の空乏層領域で発生した又は前記空乏層領域に到達した電荷が基板表面の電極に運ばれる前に再結合して消失してしまうため、電荷を効率的に収集することができなかった)。よって、本発明によれば、半導体基板の深部で発生した電荷を効率良く電極で収集することができ、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。   In the trench diode according to the present invention, a low-resistance film or a metal film for collecting charges generated in the substrate by light from the light receiving surface through the pn junction is formed on substantially the entire inner wall of the trench. Therefore, the charge generated in the depletion layer region of the pn junction or reaching the depletion layer region is collected very efficiently by the low resistance film or metal film formed in the vicinity of the depletion layer region. (On the other hand, conventionally, since the electrode is formed on the substrate surface and the distance between the depletion layer region and the electrode is long, the electrode is generated in the depletion layer region of the pn junction or reaches the depletion layer region. The collected charges disappeared by being recombined before being carried to the electrodes on the substrate surface, and thus the charges could not be collected efficiently). Therefore, according to the present invention, charges generated in the deep part of the semiconductor substrate can be efficiently collected by the electrodes, and the near-infrared light receiving sensitivity and energy conversion efficiency of the trench diode can be greatly improved.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に厚さが約100nm以上の低抵抗膜又は金属膜を形成するようにしたので、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記pn接合を介して収集する電極と基板表面の配線とを同時に形成できるなどの効果が得られる。   In the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, a low resistance film or metal film having a thickness of about 100 nm or more is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the surface of the substrate. The effect that the electrode which collects the electric charge generated in the substrate by light through the pn junction and the wiring on the surface of the substrate can be formed simultaneously is obtained.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に低抵抗膜又は金属膜を形成した後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約10Pa・s以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を覆い塞ぐようにしたので、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングするとき、前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜までエッチングしてしまうことを有効に防止することができる。よって、本発明によれば、前記トレンチ内壁の略全面に低抵抗膜又は金属膜を形成して、基板内部で発生した電荷を高効率に収集することができるので、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。   In the method for manufacturing a trench diode according to the present invention, a low resistance film or a metal film is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the surface of the substrate, and then the low resistance film or the metal film on the surface of the substrate is etched. Since a photoresist having a viscosity of about 10 Pa · s or more is applied on and around the opening of the trench to cover and close the opening of the trench, the low resistance film or metal film on the substrate surface is etched. In this case, it is possible to effectively prevent the low resistance film or metal film on the inner wall of the trench from being etched. Therefore, according to the present invention, a low resistance film or a metal film can be formed on substantially the entire inner wall of the trench to collect charges generated inside the substrate with high efficiency. Sensitivity and energy conversion efficiency can be greatly improved.

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に低抵抗膜又は金属膜を形成した後(そして、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約10Pa・s以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞いだ後)、垂直エッチングにより、前記基板表面上の低抵抗膜又は金属膜をその中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除いて除去し、その後、等方性エッチングにより、前記垂直エッチングにおいて除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続するために必要な部分を除いて除去するようにしたので、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングするとき、前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜までエッチングしてしまうことを有効に防止することができる。よって、本発明によれば、前記トレンチ内壁の略全面に低抵抗膜又は金属膜(電極)を形成しながら、前記受光面の前記低抵抗膜又は金属膜(配線)で覆われる部分を最小に抑えて前記受光面積を広く確保することができるので、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。   Further, in the method of manufacturing a trench diode according to the present invention, after a low resistance film or a metal film is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the surface of the substrate (and the viscosity is about about the opening of the trench and the periphery thereof). After applying a photoresist of 10 Pa · s or more to close the opening of the trench, the low resistance film or metal film on the substrate surface is formed by vertical etching into the low resistance film or metal on the inner wall of the trench. The low resistance film or metal film on the light-receiving surface that is not removed in the vertical etching is removed by isotropic etching after removing the portion connected to the film, and the low resistance film on the inner wall of the trench therein Alternatively, since it is removed except for a portion necessary for connection to the metal film, the etching is performed when the low resistance film or the metal film on the substrate surface is etched. It is possible to effectively prevent the up low resistance film or the metal film Ji inner wall etches. Therefore, according to the present invention, while forming a low resistance film or a metal film (electrode) on substantially the entire inner wall of the trench, a portion covered with the low resistance film or metal film (wiring) on the light receiving surface is minimized. Since the light receiving area can be secured widely by suppressing, the near-infrared light receiving sensitivity and energy conversion efficiency of the trench diode can be greatly improved.

また特に、本発明で採用されているトレンチダイオードの電極および配線の形成方法は、シリコン集積回路作製と親和性の高い作製方法であるため信号処理回路と受光部を同一基板上に作製することが容易となる。したがって、本発明によれば、例えば、高速応答性が要求される車載用近赤外線センサーや高感度の暗所監視センサー等を比較的安価に提供することができるようになる。   In particular, the method of forming the electrodes and wirings of the trench diode employed in the present invention is a manufacturing method having a high affinity with the silicon integrated circuit manufacturing, so that the signal processing circuit and the light receiving portion can be manufactured on the same substrate. It becomes easy. Therefore, according to the present invention, for example, a vehicle-mounted near-infrared sensor, a high-sensitivity dark place monitoring sensor, and the like that require high-speed response can be provided at a relatively low cost.

本発明の実施形態による高効率の受光に適したトレンチダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the trench diode suitable for the highly efficient light reception by embodiment of this invention. 本実施形態に係る方法において高アスペクト比トレンチの内壁と基板表面にAl膜を形成したときの状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of a substrate cross section showing a state when an Al film is formed on the inner wall of a high aspect ratio trench and the substrate surface in the method according to the present embodiment. 本実施形態に係る方法においてエッチング工程前に高粘度のフォトレジストによりトレンチの開口部を被覆した状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the substrate cross section which shows the state which coat | covered the opening part of the trench with the high viscosity photoresist before the etching process in the method which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る方法において基板表面にトレンチ内壁のAl膜との配線(Al膜)をエッチングにより形成した状態を示す基板平面の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a substrate plane showing a state in which a wiring (Al film) with an Al film on the inner wall of a trench is formed on the substrate surface by etching in the method according to the present embodiment. 本実施形態に係る方法におけるトレンチ内壁および基板表面にAl膜を形成する方法を説明するための模式図で、上側は基板の部分平面図、下側はその断面図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method to form Al film in the trench inner wall and board | substrate surface in the method which concerns on this embodiment, the upper side is the fragmentary top view of a board | substrate, and the lower side is the sectional drawing.

本発明者は、シリコン半導体を用いた近赤外線イメージセンサーの高感度化および太陽電池の高変換効率化などのためには、すなわち半導体基板内部で発生してpn接合の空乏層領域に到達した電荷が効率良く電極で収集されるようにするためには、トレンチダイオード内壁付近のできるだけ広範囲に低抵抗膜又は金属膜を作製することが必要と考えて、本発明を案出した。また、本発明者は、トレンチダイオードの電荷収集効率を向上させるためには、近赤外光が基板表面の受光面から半導体基板内部へ侵入することを基板表面の配線層が妨げないようにすること(有効な受光面積を広く確保すること)が必要と考えて、本発明を案出した。   In order to increase the sensitivity of a near-infrared image sensor using a silicon semiconductor and increase the conversion efficiency of a solar cell, the present inventor, that is, a charge generated inside a semiconductor substrate and reaching a depletion layer region of a pn junction. The present invention has been devised on the assumption that it is necessary to produce a low-resistance film or a metal film as wide as possible in the vicinity of the inner wall of the trench diode in order to collect them efficiently with electrodes. In order to improve the charge collection efficiency of the trench diode, the inventor prevents the near-infrared light from entering the semiconductor substrate from the light receiving surface on the substrate surface so that the wiring layer on the substrate surface does not hinder it. The present invention has been devised in view of the necessity (to ensure a wide effective light receiving area).

図1は、このような観点から案出した近赤外光の高効率な受光に適したトレンチダイオード、特に開口部が数μmでアスペクト比5〜10以上の高アスペクト比トレンチを有するトレンチダイオードの一例を模式的に示す断面図である。図1において、1はp型シリコン基板、2は前記基板1のシリコン表面に形成されたシリコン酸化膜、3は前記基板1表面(前記シリコン酸化膜2上)に配置された受光面、4は前記受光面3の一部を開口部とし前記開口部から前記基板1内に前記受光面3に対して略垂直方向に延びるように形成された略穴状又は略溝状のトレンチ、5は前記トレンチ4の内側部分(内壁周辺)に前記トレンチ4の内壁面に沿うように(前記トレンチ4の内壁面と略平行に)形成されたn型層(n型領域)、6は前記基板1(p型領域)と前記n型層5とにより形成されるpn接合の境界面付近に生じる空乏層、7は前記n型層5の前記トレンチ4の空洞部側と前記基板1表面(前記シリコン酸化膜2上)とに一体的に形成される金属膜で例えばAl層である。なお図1の受光面の下方には図示していないが受光部が形成されている。   FIG. 1 shows a trench diode suitable for high-efficiency reception of near-infrared light devised from such a viewpoint, in particular, a trench diode having a high aspect ratio trench with an opening of several μm and an aspect ratio of 5 to 10 or more. It is sectional drawing which shows an example typically. In FIG. 1, 1 is a p-type silicon substrate, 2 is a silicon oxide film formed on the silicon surface of the substrate 1, 3 is a light-receiving surface disposed on the surface of the substrate 1 (on the silicon oxide film 2), 4 is A substantially hole-shaped or substantially groove-shaped trench 5 is formed so that a part of the light-receiving surface 3 is an opening portion and extends in the substrate 1 from the opening portion in a direction substantially perpendicular to the light-receiving surface 3. An n-type layer (n-type region) formed on the inner part of the trench 4 (around the inner wall) along the inner wall surface of the trench 4 (substantially parallel to the inner wall surface of the trench 4), 6 is the substrate 1 ( a depletion layer formed in the vicinity of a boundary surface of a pn junction formed by the p-type region) and the n-type layer 5; A metal film integrally formed on the film 2), for example, an Al layer. . A light receiving portion (not shown) is formed below the light receiving surface in FIG.

本発明者は、上記の図1に示すような近赤外光の効率的な受光が可能なトレンチダイオードを実現するための技術として、次の3つの技術を案出、開発した。
(1)高アスペクト比トレンチの内壁への低抵抗膜又は金属膜の作製
(2)トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜をエッチングしない、基板表面に対するリソグラフィー技術
(3)近赤外光がシリコン内部へ効率的に侵入できるような受光面を形成するための配線エッチング技術
The inventor has devised and developed the following three techniques as a technique for realizing a trench diode capable of efficiently receiving near-infrared light as shown in FIG.
(1) Production of low resistance film or metal film on inner wall of high aspect ratio trench (2) Lithography technology for substrate surface without etching low resistance film or metal film on inner wall of trench (3) Near infrared light is inside silicon Etching technology to form a light-receiving surface that can efficiently penetrate

上記3つの技術中の(1)については、これまでに様々な方法が考案されている。例えば、LP−CVD法による低抵抗ポリシリコン膜、MOCVD法によるW膜、めっき法よるCu膜、およびスパッタ法による各種金属膜(Al膜、Cu膜など)である。製造コストおよび成膜時の熱による金属膜の拡散を考えた場合、スパッタ法が有利であることから、本実施形態では、スパッタ法を用いてAlの原子又は粒子を付着・堆積し、Al膜を形成した。このAl膜を形成する工程では、トレンチ内壁の略全面と基板表面の両者について同時に一体的にAl膜を形成した。   Various methods have been devised so far for (1) among the above three techniques. For example, a low resistance polysilicon film by LP-CVD, a W film by MOCVD, a Cu film by plating, and various metal films (Al film, Cu film, etc.) by sputtering. In consideration of the manufacturing cost and the diffusion of the metal film due to heat at the time of film formation, the sputtering method is advantageous. Therefore, in this embodiment, Al atoms or particles are attached and deposited using the sputtering method, and the Al film is obtained. Formed. In the step of forming the Al film, the Al film was integrally formed on both the substantially entire inner wall of the trench and the substrate surface at the same time.

図2(a)は、本実施形態において、半導体基板に複数のトレンチが所定ピッチで並ぶように形成されており、その各トレンチの内壁および基板表面にAl膜が形成されている状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。また図2(b)は前記トレンチの内壁に形成されたAl膜を拡大して示す電子顕微鏡写真である。図2に示すように、本実施形態においては、前記基板の内奥で発生した電荷を高効率に収集するための電極として、前記トレンチの内壁の略全面に渡ってAl層が形成されている。   FIG. 2A shows a substrate in the present embodiment in which a plurality of trenches are formed at a predetermined pitch on a semiconductor substrate, and an Al film is formed on the inner wall and substrate surface of each trench. It is an electron micrograph of a cross section. FIG. 2B is an electron micrograph showing an enlarged Al film formed on the inner wall of the trench. As shown in FIG. 2, in this embodiment, an Al layer is formed over substantially the entire inner wall of the trench as an electrode for collecting charges generated inside the substrate with high efficiency. .

上記3つの技術中の(2)については次のことを行う。パターニングおよび金属膜のエッチングを行うためにフォトレジストを用いるが、一般的に用いられる1Pa・s程度の粘度を有するフォトレジストを用いる場合はフォトレジストがトレンチ内部に流れ落ちてしまうため、基板表面の金属膜のパターニング時にトレンチ内壁の金属膜まで一緒にエッチングしてしまうという不都合が生じてしまう。そこで、本実施形態では、10Pa・s以上の高い粘度のフォトレジストを用いて基板表面を塗布するようにした。このようにしたときは、フォトレジストの表面張力によりトレンチの開口部が覆われ塞がれるので、基板表面の金属膜のパターニング時にトレンチ内壁の金属膜まで一緒にエッチングしてしまう不都合が回避される。図3はその様子を示す電子顕微鏡写真で、高粘度のフォトレジストによりトレンチの開口部を被覆した結果を示している。   Regarding (2) in the above three technologies, the following is performed. Photoresist is used for patterning and etching of the metal film. However, when a photoresist having a viscosity of about 1 Pa · s, which is generally used, is used, the photoresist flows down into the trench. When patterning the film, the metal film on the inner wall of the trench is etched together. Therefore, in this embodiment, the substrate surface is applied using a photoresist having a high viscosity of 10 Pa · s or more. In this case, since the opening of the trench is covered and blocked by the surface tension of the photoresist, the inconvenience of etching the metal film on the inner wall of the trench together when patterning the metal film on the substrate surface is avoided. . FIG. 3 is an electron micrograph showing the situation, and shows the result of covering the opening of the trench with a high-viscosity photoresist.

上記3つの技術中の(3)については、垂直エッチングと等方性エッチングとを組み合わせた。すなわち、まず、前記基板表面のAl膜を、前記トレンチ内壁のAl膜と接続する配線部分(前記トレンチ開口部の周囲の前記受光面の全部又は一部を覆う部分を含む)を除いて、垂直エッチングにより除去した。次に、前記垂直エッチングにより除去されなかった前記受光面上のAL膜(前記受光面の全部又は一部を覆うAl膜)の中、前記トレンチ内壁のAl膜と接続するために必要な配線となる部分を除いて、等方性エッチングにより(特に、トレンチ内壁のAl膜をエッチングしないように、横方向のエッチングにより)除去した。このような垂直エッチングと等方性エッチングとの組合せにより、前記トレンチ内壁の略全面にAl膜(電極)を形成しつつ、前記受光面の上を覆うAl膜(配線)の面積を最小に抑え、これにより前記受光面における有効な受光面積を広く確保できるようにした。図4は、以上のようにして、トレンチ内壁のAl膜と接続するための配線用Al膜(有効な受光面積を大きく確保するために受光面上に占める面積をできるだけ小さく形成した配線用Al膜)を基板表面に形成した状態を示す電子顕微鏡写真である。   Regarding (3) in the above three techniques, vertical etching and isotropic etching were combined. That is, first, the Al film on the substrate surface is vertical except for a wiring portion (including a portion covering all or part of the light receiving surface around the trench opening) that connects the Al film on the inner wall of the trench. It was removed by etching. Next, in the AL film on the light-receiving surface that has not been removed by the vertical etching (Al film covering all or part of the light-receiving surface), wiring necessary for connection with the Al film on the inner wall of the trench; Except for this part, it was removed by isotropic etching (especially by lateral etching so as not to etch the Al film on the inner wall of the trench). By combining such vertical etching and isotropic etching, the area of the Al film (wiring) covering the light receiving surface is minimized while forming an Al film (electrode) on substantially the entire inner wall of the trench. Thus, a wide effective light receiving area on the light receiving surface can be secured. FIG. 4 shows a wiring Al film for connecting to the Al film on the inner wall of the trench as described above (a wiring Al film formed to minimize the area occupied on the light receiving surface in order to ensure a large effective light receiving area). ) Is an electron micrograph showing a state in which is formed on the substrate surface.

図5は以上に説明した本実施形態におけるトレンチ内壁の電極用Al膜と基板表面の配線用Al膜を形成するための方法を示す模式図で、上側は基板の部分平面図、下側はその断面図である。本実施形態においては、まず、図5(a)に示すように、トレンチ4の内壁の略全面と基板1表面に対して、例えばスパッタ法によりAlの原子又は粒子を付着・堆積させてAl膜を形成する。次に、図5(b)に示すように、10Pa・s以上の高い粘度のフォトレジスト11を用いて、前記トレンチ4の開口部及びその周辺を含む基板1表面の一部を塗布し、前記トレンチ4の開口部を覆い塞ぐようにする。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a method for forming the electrode Al film on the inner wall of the trench and the Al film for wiring on the substrate surface in the present embodiment described above, the upper side is a partial plan view of the substrate, and the lower side is a plan view thereof. It is sectional drawing. In this embodiment, first, as shown in FIG. 5A, Al atoms or particles are deposited and deposited on substantially the entire inner wall of the trench 4 and the surface of the substrate 1 by sputtering, for example, to form an Al film. Form. Next, as shown in FIG. 5B, a part of the surface of the substrate 1 including the opening of the trench 4 and its periphery is applied using a photoresist 11 having a high viscosity of 10 Pa · s or more, The opening of the trench 4 is covered and closed.

次に、図5(c)に示すように、RIEによる垂直エッチングにより、前記基板1表面のAl膜7を、前記トレンチ4の内壁のAl膜7と接続する配線部分(前記トレンチ4の開口部の周囲の前記受光面3の全部又は一部を覆う部分を含む)を除いて、除去する。次に、図5(d)に示すように、前記垂直エッチングにより除去されなかった前記受光面3上のAL膜7(前記受光面3の全部又は一部を覆うAl膜7)の中、前記トレンチ4の内壁のAl膜7と接続するために必要な配線となる部分を除いて、リン酸を含む溶液による等方性エッチングにより(特に、トレンチ内壁のAl膜をエッチングしないように、横方向のエッチングにより)除去する(これにより、図5(d)に示すようにフォトレジスト11の下方のAl膜7も除去される)。最後に、図5(e)に示すように、フォトレジスト11を除去する(なお、図5(e)などの断面図では、前記基板1表面の配線用Al膜の図示を省略している)。   Next, as shown in FIG. 5C, a wiring portion (opening portion of the trench 4) for connecting the Al film 7 on the surface of the substrate 1 to the Al film 7 on the inner wall of the trench 4 by vertical etching by RIE. (Including a portion covering all or a part of the light receiving surface 3 around the periphery). Next, as shown in FIG. 5D, in the AL film 7 (the Al film 7 covering all or part of the light receiving surface 3) on the light receiving surface 3 that has not been removed by the vertical etching, By isotropic etching with a solution containing phosphoric acid except for a portion that becomes a wiring necessary for connection to the Al film 7 on the inner wall of the trench 4 (particularly in order not to etch the Al film on the inner wall of the trench) (This etching also removes the Al film 7 below the photoresist 11 as shown in FIG. 5D). Finally, as shown in FIG. 5E, the photoresist 11 is removed (note that the wiring Al film on the surface of the substrate 1 is not shown in the sectional views of FIG. 5E, etc.). .

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明は前記実施形態として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記実施形態においては、前記トレンチ4の内壁の電極および基板1表面の配線としてAl膜を形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばCu膜、Ag膜などを形成するようにしてもよい。   As mentioned above, although each Example of this invention was described, this invention is not limited to what was described as said embodiment, A various correction and change are possible. For example, in the embodiment, the Al film is formed as the electrode on the inner wall of the trench 4 and the wiring on the surface of the substrate 1, but the present invention is not limited to this, for example, a Cu film, an Ag film, etc. May be formed.

本発明は、特にシリコン半導体素子で直接検知することができる波長1100nm以下の近赤外光により生成される電子および正孔などの電荷を効率的に収集することができるトレンチダイオードを実現するものであるから、高感度近赤外線撮像素子やシリコン太陽電池などに利用可能である。   The present invention realizes a trench diode capable of efficiently collecting charges such as electrons and holes generated by near-infrared light having a wavelength of 1100 nm or less that can be directly detected by a silicon semiconductor element. Therefore, it can be used for high-sensitivity near-infrared imaging devices, silicon solar cells, and the like.

1 p型シリコン基板
2 シリコン酸化膜
3 受光面
4 トレンチ
5 n型層
6 空乏層
7 Al膜
7a Al配線膜
11 フォトレジスト
1 p-type silicon substrate 2 silicon oxide film 3 light-receiving surface 4 trench 5 n-type layer 6 depletion layer 7 Al film 7a Al wiring film 11 photoresist

Claims (3)

半導体基板の表面に受光面が形成され、前記受光面の一部を開口部とし前記受光面に対して略垂直方向に前記基板内に延びるトレンチが形成され、前記基板の前記トレンチの内壁側に前記内壁に沿ってpn接合が形成されており、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記pn接合を介して収集するための電極及び配線となる厚さが約100nm以上の低抵抗膜又は金属膜が形成されているトレンチダイオードの製造方法であって、
前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約10Pa・s以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞ぐ工程を含む、トレンチダイオードの製造方法。
A light receiving surface is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a trench extending into the substrate in a direction substantially perpendicular to the light receiving surface with a part of the light receiving surface as an opening is formed on the inner wall side of the trench of the substrate. A pn junction is formed along the inner wall, and for collecting charges generated in the substrate by light from the light receiving surface on the substantially entire surface of the trench inner wall and the substrate surface via the pn junction. A method of manufacturing a trench diode in which a low resistance film or metal film having a thickness of about 100 nm or more serving as an electrode and wiring is formed,
After the low resistance film or metal film is formed on substantially the entire inner wall of the trench and the substrate surface, and before etching the low resistance film or metal film on the substrate surface, in the opening of the trench and its periphery, A method for manufacturing a trench diode, comprising: applying a photoresist having a viscosity of about 10 Pa · s or more to close the opening of the trench.
前記トレンチの開口部を塞ぐ工程の後、垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、
等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、
をさらに含む請求項1に記載のトレンチダイオードの製造方法。
After the step of closing the opening of the trench, the step of removing the low resistance film or metal film on the surface of the substrate by vertical etching, except for the portion connected to the low resistance film or metal film on the inner wall of the trench. When,
A portion of the low resistance film or metal film on the light-receiving surface that has not been removed in the vertical etching process by isotropic etching, which is necessary for connection with the low resistance film or metal film on the inner wall of the trench therein A step of removing,
The method of manufacturing a trench diode according to claim 1, further comprising:
前記トレンチは開口部の直径が約10μm以下でアスペクト比が約5以上であり、前記垂直エッチングはRIE(Reactive Ion Etching)によるものであり、前記等方性エッチングはリン酸を含む溶液を使用して行うものである、請求項2に記載のトレンチダイオードの製造方法。
The trench has an opening having a diameter of about 10 μm or less and an aspect ratio of about 5 or more, the vertical etching is performed by RIE (Reactive Ion Etching), and the isotropic etching uses a solution containing phosphoric acid. The method for manufacturing a trench diode according to claim 2, wherein the method is performed.
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