JP2011155248A - Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera - Google Patents
Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011155248A JP2011155248A JP2010270334A JP2010270334A JP2011155248A JP 2011155248 A JP2011155248 A JP 2011155248A JP 2010270334 A JP2010270334 A JP 2010270334A JP 2010270334 A JP2010270334 A JP 2010270334A JP 2011155248 A JP2011155248 A JP 2011155248A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- imaging device
- solid
- state imaging
- semiconductor substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 174
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 494
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 203
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 72
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 62
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 91
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 65
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 35
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 55
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 21
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 19
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 415
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 63
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 37
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 37
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 description 25
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 20
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 20
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 20
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 18
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 16
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 13
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 13
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 11
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 11
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 10
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 9
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 7
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 6
- 201000002950 dengue hemorrhagic fever Diseases 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N disiloxane Chemical class [SiH3]O[SiH3] KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910008310 Si—Ge Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001475 halogen functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は固体撮像装置とその製造方法並びにカメラに関し、特に、受光面にフォトダイオードを有する画素がマトリクス状に並べられてなる固体撮像装置とその製造方法並びに当該固体撮像装置を備えたカメラに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a manufacturing method thereof, and a camera, and more particularly to a solid-state imaging device in which pixels having photodiodes on a light receiving surface are arranged in a matrix, a manufacturing method thereof, and a camera including the solid-state imaging device.
例えば、CMOSイメージセンサあるいはCCD素子などの固体撮像装置では、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオード(光電変換部)に光を入射させ、そのフォトダイオードで発生した信号電荷によって映像信号を得る構成となっている。 For example, in a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor or a CCD element, a light signal is incident on a photodiode (photoelectric conversion unit) formed on the surface of a semiconductor substrate, and a video signal is obtained by signal charges generated by the photodiode. It has become.
CMOSイメージセンサでは、例えば、受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられている。受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をCMOS回路の駆動でフローティングディフュージョンに転送し、信号電荷を信号電圧に変換して読み取る構成となっている。 In the CMOS image sensor, for example, a photodiode is provided for each pixel arranged in a two-dimensional matrix on the light receiving surface. A signal charge generated and accumulated in each photodiode during light reception is transferred to a floating diffusion by driving a CMOS circuit, and the signal charge is converted into a signal voltage and read.
また、CCD素子では、例えば、CMOSセンサと同様に受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられている。受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をCCD垂直転送路及び水平転送路により転送して読み取る構成となっている。 In the CCD element, for example, a photodiode is provided for each pixel arranged in a two-dimensional matrix on the light receiving surface as in the CMOS sensor. A signal charge generated and accumulated in each photodiode during light reception is transferred and read through a CCD vertical transfer path and a horizontal transfer path.
上記のようなCMOSセンサなどの固体撮像装置は、例えば、半導体基板の表面に画素毎に区分されて上述のフォトダイオードが形成されている。 In the solid-state imaging device such as the above-described CMOS sensor, for example, the above-described photodiode is formed on the surface of a semiconductor substrate for each pixel.
特許文献1には、CCD素子においてフォトダイオード上にレンズ形状を有するシリコン層を選択的にエピタキシャル成長させた構成が開示されている。
通常フォトダイオードの微細化に伴って集光性の低下が発生するが、特許文献1の構成は上記の集光性の低下を防止することを目的としている。
特許文献1に示されているように、フォトダイオード上に選択エピタキシャル成長によって遮光膜の上部までシリコン層が成長されている。
シリコン層の表面がレンズのように丸みを帯びており、このレンズ形状のシリコン層がレンズとして作用し、集光性を向上させることができるというものである。
Usually, the light condensing property is reduced with the miniaturization of the photodiode. However, the configuration of
As shown in
The surface of the silicon layer is round like a lens, and this lens-shaped silicon layer acts as a lens and can improve the light collecting property.
上記のエピタキシャル成長によるシリコン層をCMOSイメージセンサに適用する場合について以下に述べる。
特許文献2の図2を参照すればわかるように、エピタキシャル成長によるシリコン層は、遮光膜の上部まで成長されている。
The case where the above-described epitaxially grown silicon layer is applied to a CMOS image sensor will be described below.
As can be seen from FIG. 2 of Patent Document 2, the silicon layer formed by epitaxial growth is grown to the upper part of the light shielding film.
これをCMOSイメージセンサに適用すると、フォトダイオード領域及びフローティングディフュージョン領域上にエピタキシャル成長によるシリコン層が形成された構成となる。
ここで、エピタキシャルシリコン層は、転送ゲート電極の側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜に接して転送ゲート電極の上端近傍まで形成される。
When this is applied to a CMOS image sensor, a silicon layer formed by epitaxial growth is formed on the photodiode region and the floating diffusion region.
Here, the epitaxial silicon layer is formed up to the vicinity of the upper end of the transfer gate electrode in contact with the sidewall insulating film formed on the side wall of the transfer gate electrode.
このような構成では、エピタキシャル成長によるシリコン層がサイドウォール絶縁膜に接するので、シリコン層に結晶欠陥が生じる。
フォトダイオード領域上のシリコン層の結晶欠陥は暗電流の発生領域となり、画素特性が悪化するという問題が発生する。
In such a configuration, since the silicon layer formed by epitaxial growth is in contact with the sidewall insulating film, crystal defects are generated in the silicon layer.
A crystal defect in the silicon layer on the photodiode region becomes a dark current generation region, which causes a problem that pixel characteristics deteriorate.
エピタキシャル成長によるシリコン層をCMOSイメージセンサに適用する場合、シリコン層に結晶欠陥が生じて画素特性が悪化するという問題が生じる。 When a silicon layer formed by epitaxial growth is applied to a CMOS image sensor, there arises a problem that a crystal defect occurs in the silicon layer and pixel characteristics deteriorate.
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の前記画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、前記半導体基板に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に前記半導体基板に対して凸状に形成され、前記半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が前記半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面に形成された第2導電型の第3半導体層とを有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに隣接する領域の前記半導体基板上に形成された転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の前記フォトダイオードとは反対側における前記半導体基板中に形成されたフローティングディフュージョンとを有し、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部とを有し、前記第2半導体層及び前記第3半導体層が前記転送ゲート電極から離間して形成されている。 In the solid-state imaging device according to the present invention, the first conductive type first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate in the photodiode region divided for each pixel on the light receiving surface formed by integrating a plurality of pixels of the semiconductor substrate. And a first conductive layer formed on the first semiconductor layer so as to be convex with respect to the semiconductor substrate, and having a shape in which a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases from the semiconductor substrate. Formed on the semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode, and a photodiode having a second semiconductor layer of a type and a third semiconductor layer of a second conductivity type formed on a surface of the second semiconductor layer. A transfer gate electrode, and a floating diffusion formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode from the photodiode, A signal reading unit that reads a signal charge generated and accumulated in the photodiode or a voltage corresponding to the signal charge, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode Has been.
上記の本発明の固体撮像装置は、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域におけるフォトダイオードと、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を有する。
上記のフォトダイオードは、半導体基板に形成された第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層上に半導体基板に対して凸状に形成され、半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層と、第2半導体層の表面に形成された第2導電型の第3半導体層とを有する。
上記の信号読み取り部は、フォトダイオードに隣接する領域の半導体基板上に形成された転送ゲート電極と、転送ゲート電極のフォトダイオードとは反対側における半導体基板中に形成されたフローティングディフュージョンとを有する。
ここで、第2半導体層及び第3半導体層が転送ゲート電極から離間して形成されている。
The solid-state imaging device according to the present invention includes a photodiode in a photodiode region divided for each pixel on a light receiving surface in which a plurality of pixels of a semiconductor substrate are integrated, and signal charges or signals generated and accumulated in the photodiode. A signal reading unit that reads a voltage corresponding to the electric charge is provided.
The photodiode is a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate, a convex shape with respect to the semiconductor substrate on the first semiconductor layer, and a cross section in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate. The first conductive type second semiconductor layer has a shape that decreases as the area of the second semiconductor layer becomes farther from the semiconductor substrate, and the second conductive type third semiconductor layer formed on the surface of the second semiconductor layer.
The signal reading unit includes a transfer gate electrode formed on a semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode, and a floating diffusion formed in the semiconductor substrate on the side opposite to the photodiode of the transfer gate electrode.
Here, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
好適には、光吸収層である第2半導体層が、シリコンよりバンドギャップが小さい材料から形成する。例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,またはCuInS2から形成されている。これらの材料は、特に赤色の波長領域においてシリコンより光吸収係数が大きい。 Preferably, the second semiconductor layer which is a light absorption layer is formed of a material having a band gap smaller than that of silicon. For example, Ge, Si 1-x Ge x (0 <x <1), InGaAs, GaAs, InP, InSb, Cu (In, Ga) Se 2 , Cu (In, Ga) (Se, S) 2 , or CuInS. 2 is formed. These materials have a larger light absorption coefficient than silicon, particularly in the red wavelength region.
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の前記画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、前記半導体基板に第1導電型の第1半導体層を形成する工程と、前記フォトダイオードと離間した前記半導体基板中にフローティングディフュージョンを形成する工程と、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンの間の領域の前記半導体基板上に転送ゲート電極を形成する工程と、前記第1半導体層上に前記半導体基板に対して凸状に、前記半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が前記半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層の表面に第2導電型の第3半導体層を形成する工程とを有し、前記第1半導体層を形成する工程、前記第2半導体層を形成する工程及び前記第3半導体層を形成する工程によりフォトダイオードを形成し、前記転送ゲート電極を形成する及び前記フローティングディフュージョンを形成する工程により前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成し、前記第2半導体層を形成する工程及び前記第3半導体層を形成する工程において、前記第2半導体層及び前記第3半導体層を前記転送ゲート電極から離間して形成する。 According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a first semiconductor layer of a first conductivity type is formed on the semiconductor substrate in a photodiode region divided for each of the pixels on a light receiving surface in which a plurality of pixels of the semiconductor substrate are integrated. Forming a floating diffusion in the semiconductor substrate spaced from the photodiode, forming a transfer gate electrode on the semiconductor substrate in a region between the photodiode and the floating diffusion, and The first conductivity type first electrode having a shape convex on the first semiconductor layer with respect to the semiconductor substrate and having a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate that decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. A step of forming two semiconductor layers, and a step of forming a third semiconductor layer of the second conductivity type on the surface of the second semiconductor layer. And forming the first semiconductor layer, forming the second semiconductor layer, and forming the third semiconductor layer, forming the photodiode, forming the transfer gate electrode, and floating Forming a signal reading unit that reads a signal charge generated and accumulated in the photodiode or a voltage corresponding to the signal charge in the step of forming a diffusion, and forming the second semiconductor layer and the third semiconductor layer; In the forming step, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
好適には、光吸収層である第2半導体層を、シリコンよりバンドギャップが小さい材料から形成する。例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,またはCuInS2から形成する。これらの材料は、特に赤色の波長領域においてシリコンより光吸収係数が大きい。 Preferably, the second semiconductor layer which is a light absorption layer is formed from a material having a band gap smaller than that of silicon. For example, Ge, Si 1-x Ge x (0 <x <1), InGaAs, GaAs, InP, InSb, Cu (In, Ga) Se 2 , Cu (In, Ga) (Se, S) 2 , or CuInS. 2 is formed. These materials have a larger light absorption coefficient than silicon, particularly in the red wavelength region.
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、半導体基板に第1導電型の第1半導体層を形成する。
また、フォトダイオードと離間した半導体基板中にフローティングディフュージョンを形成する。
次に、フォトダイオードとフローティングディフュージョンの間の領域の半導体基板上に転送ゲート電極を形成する。
次に、第1半導体層上に半導体基板に対して凸状に、半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層を形成し、第2半導体層の表面に第2導電型の第3半導体層を形成する。
上記の第1半導体層を形成する工程、第2半導体層を形成する工程及び第3半導体層を形成する工程によりフォトダイオードを形成し、転送ゲート電極を形成する及びフローティングディフュージョンを形成する工程によりフォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
ここで、第2半導体層を形成する工程及び第3半導体層を形成する工程において、第2半導体層及び第3半導体層を転送ゲート電極から離間して形成する。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, the first conductive type first semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate in the photodiode region divided for each pixel of the light receiving surface in which a plurality of pixels of the semiconductor substrate are integrated. Form.
In addition, a floating diffusion is formed in a semiconductor substrate separated from the photodiode.
Next, a transfer gate electrode is formed on the semiconductor substrate in a region between the photodiode and the floating diffusion.
Next, a second semiconductor of the first conductivity type having a shape that is convex with respect to the semiconductor substrate on the first semiconductor layer, and that the cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. Forming a layer, and forming a third semiconductor layer of the second conductivity type on the surface of the second semiconductor layer.
A photodiode is formed by the step of forming the first semiconductor layer, the step of forming the second semiconductor layer, and the step of forming the third semiconductor layer, and the step of forming the transfer gate electrode and the step of forming the floating diffusion A signal reading unit that reads a signal charge generated or accumulated in the diode or a voltage corresponding to the signal charge is formed.
Here, in the step of forming the second semiconductor layer and the step of forming the third semiconductor layer, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
本発明のカメラは、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の前記画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、前記半導体基板に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に前記半導体基板に対して凸状に形成され、前記半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が前記半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面に形成された第2導電型の第3半導体層とを有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに隣接する領域の前記半導体基板上に形成された転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の前記フォトダイオードとは反対側における前記半導体基板中に形成されたフローティングディフュージョンとを有し、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部とを有し、前記第2半導体層及び前記第3半導体層が前記転送ゲート電極から離間して形成されている。 The camera according to the present invention includes a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are integrated on a light-receiving surface, an optical system that guides incident light to an imaging unit of the solid-state imaging device, and signal processing that processes an output signal of the solid-state imaging device The solid-state imaging device includes a first conductivity type formed on the semiconductor substrate in a photodiode region divided for each pixel of the light receiving surface formed by integrating a plurality of pixels of the semiconductor substrate. A first semiconductor layer and a shape formed on the first semiconductor layer so as to be convex with respect to the semiconductor substrate, and having a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate that decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. A photodiode having a second semiconductor layer of a first conductivity type and a third semiconductor layer of a second conductivity type formed on a surface of the second semiconductor layer; and a region adjacent to the photodiode. A transfer gate electrode formed on a semiconductor substrate, and a floating diffusion formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode from the photodiode, and a signal generated and stored in the photodiode A signal reading unit that reads a charge or a voltage corresponding to the signal charge, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
上記の本発明のカメラは、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、固体撮像装置は上記の構成の固体撮像装置とする。 The camera according to the present invention includes a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are integrated on a light receiving surface, an optical system that guides incident light to an imaging unit of the solid-state imaging device, and signal processing that processes an output signal of the solid-state imaging device. The solid-state imaging device is a solid-state imaging device having the above structure.
本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode, and deterioration of pixel characteristics due to crystal defects occurring in the semiconductor layer can be avoided.
本発明の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode, so that deterioration of pixel characteristics due to crystal defects occurring in the semiconductor layer can be avoided.
本発明のカメラは、カメラを構成する固体撮像装置において、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the camera of the present invention, in the solid-state imaging device constituting the camera, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed away from the transfer gate electrode, and the pixel characteristics are deteriorated due to the occurrence of crystal defects in the semiconductor layer. Can be avoided.
以下に、本発明に係る固体撮像装置とその製造方法並びに当該固体撮像装置を備えたカメラの実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a solid-state imaging device, a manufacturing method thereof, and a camera including the solid-state imaging device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
尚、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施形態(基本構成の固体撮像装置とその製造方法)
2.第1変形例(曲面形状のエピタキシャル半導体層を有する固体撮像装置と製造方法)
3.第2実施形態(in−situ Bドープエピタキシャル成長により形成されたp型半導体層を有する固体撮像装置とその製造方法)
4.第3実施形態(エピタキシャル成長により形成されたシリコンよりバンドギャップが小さい材料の層を有する固体撮像装置とその製造方法)
5.第4実施形態(長波長画素(赤画素)のフォトダイオード領域に形成された凹部(リセス)にシリコンよりバンドギャップが小さい材料の層を有する固体撮像装置とその製造方法)
6.第5実施形態(フォトダイオード領域及びPMOSのソースドレイン領域に形成された凹部(リセス)にシリコンよりバンドギャップが小さい材料の層を有する固体撮像装置とその製造方法)
7.第6実施形態(Ge基板を用いた固体撮像装置とその製造方法)
8.第2変形例(組成が連続的に変化するSi−Ge層を有する固体撮像装置)
9.第7実施形態(光導波路を有する固体撮像装置)
10.第8実施形態(固体撮像装置を備えたカメラ)
The description will be given in the following order.
1. First Embodiment (Basic Configuration Solid-State Imaging Device and Manufacturing Method Thereof)
2. First Modification (Solid-state imaging device having a curved epitaxial semiconductor layer and manufacturing method)
3. Second Embodiment (Solid-state imaging device having a p-type semiconductor layer formed by in-situ B-doped epitaxial growth and manufacturing method thereof)
4). Third Embodiment (Solid-state imaging device having a layer of material having a smaller band gap than silicon formed by epitaxial growth and its manufacturing method)
5. Fourth Embodiment (Solid-state imaging device having a layer made of a material having a band gap smaller than that of silicon in a recess formed in a photodiode region of a long wavelength pixel (red pixel) and a manufacturing method thereof)
6). Fifth Embodiment (Solid-state imaging device having a layer made of a material having a smaller band gap than silicon in a recess formed in a photodiode region and a source / drain region of a PMOS, and a manufacturing method thereof)
7). Sixth Embodiment (Solid-state imaging device using Ge substrate and manufacturing method thereof)
8). Second Modification (Solid-state imaging device having a Si—Ge layer whose composition changes continuously)
9. Seventh Embodiment (Solid-state imaging device having an optical waveguide)
10. Eighth Embodiment (Camera provided with a solid-state imaging device)
<第1実施形態>
[固体撮像装置の構成]
図1は本実施形態に係る固体撮像装置の受光面における4画素分に相当する領域の平面図である。
例えば、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、フォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)が形成されている。
フォトダイオードに隣接する領域の半導体基板上に転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)が形成されている。
転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)のフォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)とは反対側における半導体基板中にフローティングディフュージョンFDが形成されている。
フローティングディフュージョンFDは、例えば領域に区分されて不純物濃度が異なる第1フローティングディフュージョンFD1及び第2フローティングディフュージョンFD2からなる。
転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)及びフローティングディフュージョンFDから、フォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)に生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が構成される。
<First Embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 1 is a plan view of a region corresponding to four pixels on the light receiving surface of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
For example, photodiodes (PD1, PD2, PD3, PD4) are formed in the photodiode region divided for each pixel on the light receiving surface where a plurality of pixels of the semiconductor substrate are integrated.
Transfer gate electrodes (TG1, TG2, TG3, TG4) are formed on the semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode.
A floating diffusion FD is formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode (TG1, TG2, TG3, TG4) from the photodiode (PD1, PD2, PD3, PD4).
The floating diffusion FD includes, for example, a first floating diffusion FD1 and a second floating diffusion FD2 that are divided into regions and have different impurity concentrations.
A signal reading unit that reads a signal charge generated or accumulated in the photodiode (PD1, PD2, PD3, PD4) or a voltage corresponding to the signal charge from the transfer gate electrode (TG1, TG2, TG3, TG4) and the floating diffusion FD. Composed.
図2は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSイメージセンサの模式断面図である。
図面上、画素領域の周辺回路などを構成するロジック領域ALGを示す。画素領域は、フォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDを示す。
また、図2中の画素領域に相当するA−Bの断面図は図1のA−Bにおける断面に相当する。
図2中のロジック領域ALGに相当するC−Dの断面図は図1には示されていない領域に相当する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device according to this embodiment, in which a plurality of pixels are integrated.
In the drawing, a logic region A LG constituting a peripheral circuit of the pixel region is shown. The pixel region indicates a photodiode region A PD , a transfer gate electrode region A TG and a floating diffusion region A FD .
Further, a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 2 corresponds to a cross section taken along a line AB in FIG.
A cross-sectional view taken along the line CD corresponding to the logic region A LG in FIG. 2 corresponds to a region not shown in FIG.
例えばシリコンからなる半導体基板10の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域APDにおいて、半導体基板に形成されたn型の第1半導体層13が形成されている。
フォトダイオード領域APDは、例えばSTI(shallow trench isolation)型の素子分離絶縁膜あるいはp+型半導体層15などで区分されている。
上記のn型の第1半導体層13上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第2半導体層24aが形成されている。第2半導体層24aは、例えばシリコンからなる。また、n型の第2半導体層24aの表面にp型の第3半導体層25が形成されている。
n型の第1半導体層13、n型の第2半導体層24a及びp型の第3半導体層25から、HAD(hole accumulated diode)構造のフォトダイオードが構成されている。
For example, the n-type
Photodiode region A PD is, for example STI is divided like (shallow trench isolation) type element isolation insulating film or p + -
An n-type
The n-type
図2中のaの断面でのn型の第2半導体層24aのレイアウト及びbの断面でのn型の第2半導体層24aのレイアウトが図1中の一点鎖線a及び二点鎖線bで示されている。
上記のように、n型の第2半導体層24aは、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
The layout of the n-type
As described above, the n-type
また、例えば、フォトダイオードに隣接する領域である転送ゲート電極領域ATGにおける半導体基板10上にゲート絶縁膜21aを介して転送ゲート電極22aが形成されている。
また、転送ゲート電極22aの両側部に第1サイドウォール絶縁膜30a及び第2サイドウォール絶縁膜31aからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。
Further, for example, the
In addition, sidewall insulating films made of the first
さらに、転送ゲート電極22aのフォトダイオードとは反対側におけるフローティングディフュージョン領域AFDにおける半導体基板10中に、n型半導体層であるフローティングディフュージョン14が形成されている。
Further, the photodiode of the
フローティングディフュージョン14上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第4半導体層24bが形成されている。第4半導体層24bは、例えばシリコンからなる。
n型の第4半導体層24bは、n型の第2半導体層24aと同様に、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
An n-type
Similar to the n-type
上記の転送ゲート電極22aとフローティングディフュージョン14によりフォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が構成されている。
The
本実施形態においては、n型の第2半導体層24a及びp型の第3半導体層25が転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a)から離間して形成されている。
これは、例えばn型の第2半導体層24aがファセットエピタキシャル成長により形成された層であり、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有することによるものである。
In the present embodiment, the n-type
This is a layer in which, for example, the n-type
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
また、n型の第4半導体層24bが転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a)から離間して形成されている。
これは、例えばn型の第4半導体層24bがファセットエピタキシャル成長により形成された層であり、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有することによるものである。
Further, the n-type
This is, for example, a layer in which the n-type
従来技術では、フローティングディフュージョン領域上にエピタキシャル成長で形成されたシリコン層がサイドウォール絶縁膜を介して転送ゲート電極に近接する構成となる。
従って、シリコン層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなってしまい、光電変換効率が低下するといった問題も生じる。
In the prior art, the silicon layer formed by epitaxial growth on the floating diffusion region is configured to be close to the transfer gate electrode through the sidewall insulating film.
Therefore, the parasitic capacitance between the silicon layer and the transfer gate electrode is increased, which causes a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered.
本実施形態では、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されている。半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the side wall thereof. A decrease in photoelectric conversion efficiency caused by an increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode can be suppressed.
上記のフォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第1層間絶縁膜34が形成されている。その上層に、窒化シリコンからなる第2層間絶縁膜35、酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通して転送ゲート電極22aに達するコンタクトが開口されており、プラグ28aが埋め込まれ、その上層に上層配線29aが形成されている。
In the photodiode region A PD , transfer gate electrode region A TG and floating diffusion region A FD , a first
A contact reaching the
同様に、第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通してn型の第4半導体層24bに達するコンタクトが開口されており、プラグ28bが埋め込まれ、その上層に上層配線29bが形成されている。
上記のようにして、画素領域からなる受光面が形成されている。
Similarly, a contact that reaches the n-type
As described above, the light receiving surface including the pixel region is formed.
一方、半導体基板10の受光面と異なる領域に、ロジック領域ALGが形成されている。
ロジック領域ALGにおいて、例えば、STI型の素子分離絶縁膜12で区分された半導体基板10のp型領域にチャネル形成領域が形成され、その上層にゲート絶縁膜21bを介してゲート電極22bが形成されている。
その両側部には、第1サイドウォール絶縁膜30b及び第2サイドウォール絶縁膜31bからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。
サイドウォール絶縁膜の下部における半導体基板10中に、n型のエクステンション領域16が形成され、その側部における半導体基板10中にn型のソースドレイン領域17が形成されている。
On the other hand, a logic region A LG is formed in a region different from the light receiving surface of the
In the logic region ALG , for example, a channel formation region is formed in the p-type region of the
A sidewall insulating film made up of the first
An n-
n型のソースドレイン領域17上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第5半導体層24cが形成されている。第5半導体層24cは、例えばシリコンからなる。
n型の第5半導体層24cは、n型の第2半導体層24aと同様に、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
An n-type
Similar to the n-type
また、n型の第5半導体層24cの上面に高融点金属シリサイド層26が形成されている。
また、ゲート電極22bの上面にも同様に高融点金属シリサイド層27が形成されている。
A refractory
Similarly, a refractory
上記のロジック領域ALGにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してn型の第5半導体層24cに接続する高融点金属シリサイド層26に達するコンタクトが開口されており、プラグ28cが埋め込まれ、その上層に上層配線29cが形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してゲート電極22bに接続する高融点金属シリサイド層27に達するコンタクトが開口されており、プラグ28dが埋め込まれ、その上層に上層配線29dが形成されている。
上記のようにして、MOSトランジスタが構成されており、これらを含む周辺回路を構成するロジック領域が形成されている。
上記においてはNMOSトランジスタについて示したがこれに限らず、PMOSトランジスタに適用可能であり、また、NMOSとPMOSの両者に適用可能である。
A third
A contact reaching the refractory
A contact reaching the refractory
As described above, MOS transistors are configured, and a logic region that forms a peripheral circuit including these is formed.
In the above description, the NMOS transistor has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a PMOS transistor.
上記のロジック領域ALGに形成されているMOSトランジスタのソースドレイン領域は、図2に示すように、端部においてはある程度の深さまで達するが、中央領域のほとんどにおいて、比較的浅い拡散層から形成されている。
これは、後述のようにn型の第5半導体層24cを通してイオン注入させていることにより、n型の第5半導体層24cの形状がソースドレイン領域のプロファイルに転写されたものである。
上記構造のソースドレインを有することは、MOSトランジスタの微細化に伴う短チャネル効果の抑制などに効果がある。
As shown in FIG. 2, the source / drain region of the MOS transistor formed in the logic region ALG reaches a certain depth at the end, but is formed from a relatively shallow diffusion layer in most of the central region. Has been.
This is because the shape of the n-type
Having the source / drain of the above structure is effective in suppressing the short channel effect accompanying the miniaturization of the MOS transistor.
図3は、本実施形態に係る固体撮像装置の要部を拡大した模式断面図である。
n型の第2半導体層24aが、上記のように半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する凸状に形状であることは、光を集光するレンズの作用を有する。
n型の第2半導体層24a及びその上層のp型の第3半導体層25の表面が半導体基板10の表面に対して斜めのファセット面を有する形状である。このために光学的に光Lを元の光の進行方向Ltから屈折光Lrの進行方向へ屈折させる。即ち、フォトダイオード領域側に屈折させる作用を有する。
上記のように、光の集光性を向上させることができる。
FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
The n-type
The surface of the n-type
As described above, the light condensing property can be improved.
また、n型の第2半導体層24a及びp型の第3半導体層25とサイドウォール絶縁膜(30a,31a)の間の距離dを確保することができる。
これにより、n型の第2半導体層24a及びp型の第3半導体層25に生じる結晶欠陥を低減し、画素特性の悪化を回避できる。
また、フローティングディフュージョン14の領域でも同様の構造となっており、n型の第4半導体層24bと転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。
In addition, the distance d between the n-type
Thereby, crystal defects generated in the n-type
In addition, the structure of the floating
[固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図4〜9を参照して説明する。
まず、図4(a)に示すように、ハードマスクを用いて半導体基板10にトレンチを所定の深さで形成し、酸化シリコンを埋め込んで、画素領域におけるSTI型の素子分離絶縁膜11及びロジック領域におけるSTI型の素子分離絶縁膜12を形成する。
画素領域におけるSTI型の素子分離絶縁膜11は、例えば20〜50nm程度の膜厚である。ロジック領域におけるSTI型の素子分離絶縁膜12は、100〜200nm程度の膜厚である。
次に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面に酸化シリコンを堆積させ、スクリーン絶縁膜20を形成する。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 4A, a trench is formed in a
The STI type element
Next, for example, silicon oxide is deposited on the entire surface by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method to form the
次に、図4(b)に示すように、所定の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、n型不純物あるいはp型不純物をイオン注入する。これにより、フォトダイオード領域APDにおいてn型の第1半導体層13を形成する。また、フローティングディフュージョン領域AFDにおいてn型半導体層であるフローティングディフュージョン14を形成する。また、p+型半導体層15及びその他のp型ウェル及びn型ウェルなどを形成する。
また、ロジック領域ALGにおいても必要に応じてチャネル形成領域などに不純物をイオン注入する。
例えば、n型の第1半導体層13は、Pを500〜800keVのエネルギーで1.0×1012(/cm2)のドーズ量で注入する。
例えば、p型ウェルは、Bを230keVのエネルギーで2.0×1013(/cm2)のドーズ量で注入する。
例えば、n型ウェルは、Pを500keVのエネルギーで3.0×1013(/cm2)のドーズ量で注入する。
例えば、NMOSトランジスタのチャネル形成領域は、Bを20keVのエネルギーで1.0×1013(/cm2)のドーズ量で注入する。
例えば、PMOSトランジスタのチャネル形成領域は、Pを50keVのエネルギーで6.0×1012(/cm2)のドーズ量で注入する。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist film opening a predetermined region is patterned and n-type impurities or p-type impurities are ion-implanted. Thereby, the n-type
Also, in the logic region A LG , impurities are ion-implanted into the channel formation region or the like as necessary.
For example, the n-type
For example, in a p-type well, B is implanted at an energy of 230 keV with a dose of 2.0 × 10 13 (/ cm 2 ).
For example, in an n-type well, P is implanted at a dose of 3.0 × 10 13 (/ cm 2 ) with an energy of 500 keV.
For example, in the channel formation region of the NMOS transistor, B is implanted at a dose of 1.0 × 10 13 (/ cm 2 ) with an energy of 20 keV.
For example, in the channel formation region of the PMOS transistor, P is implanted with energy of 50 keV and a dose of 6.0 × 10 12 (/ cm 2 ).
次に、図5(a)に示すように、スクリーン絶縁膜20を除去する。次に、例えば熱酸化法などによりゲート絶縁膜となる酸化シリコンを2nmの膜厚で形成し、CVD法によりゲート電極となるポリシリコンを形成し、その上層に窒化シリコンを形成し、転送ゲート電極のパターンに加工する。上記により、転送ゲート電極領域ATGに、ゲート絶縁膜21a、転送ゲート電極22a、窒化シリコン膜23aを形成する。転送ゲート電極22aの側壁表面に適宜2nm程度の不図示の酸化シリコン膜を形成する。
ロジック領域ALGにおいても、同様に、トランジスタを構成するゲート絶縁膜21b及びゲート電極22b並びに窒化シリコン膜23bを形成する。ゲート電極22bの側壁表面に適宜2nm程度の不図示の酸化シリコン膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, the
Similarly, in the logic region ALG , a
次に、図5(b)に示すように、ロジック領域ALGにおいてゲート電極22bをマスクとしてp型不純物をイオン注入し、エクステンション領域16を形成する。
例えば、Asを1.5keVのエネルギーで6.0×1014(/cm2)のドーズ量で注入する。
また、必要に応じて斜め方向のイオン注入によりHaloと称せられる不純物領域を形成する。
例えば、BF2を40keVのエネルギーで2.0×1015(/cm2)のドーズ量で注入し、あるいは、Asを50keVのエネルギーで2.0×1013(/cm2)のドーズ量で注入する。
Next, as shown in FIG. 5B, in the logic region LG , p-type impurities are ion-implanted using the
For example, As is implanted at an energy of 1.5 keV with a dose of 6.0 × 10 14 (/ cm 2 ).
Further, an impurity region called Halo is formed by ion implantation in an oblique direction as necessary.
For example, BF 2 is implanted at an energy of 40 keV at a dose of 2.0 × 10 15 (/ cm 2 ), or As is implanted at an energy of 50 keV at a dose of 2.0 × 10 13 (/ cm 2 ). inject.
次に、図6(a)に示すように、例えばCVD法により全面に酸化シリコン膜を10nmで形成し、窒化シリコン膜を20nmで形成し、酸化シリコン膜を35nmで形成し、全面にエッチバックする。これにより、転送ゲート電極22aの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜30a、第2サイドウォール絶縁膜31a、第3サイドウォール絶縁膜32aを形成する。
上記において、同様に、ロジック領域ALGのゲート電極22bの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜30b、第2サイドウォール絶縁膜31b、第3サイドウォール絶縁膜32bを形成する。
p+型半導体層15上に第1絶縁膜30c、第2絶縁膜31c及び第3絶縁膜32cが残されるようにする。
サイドウォール絶縁膜を形成する際には、フォトダイオード上へのダメージを低減する必要があり、例えば、外側の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜はドライエッチングで除去し、内側の酸化シリコン膜をウェットエッチングで除去する方法が考えられる。
また、p+型半導体層15の部分は、レジストパターニングをすることにより、サイドウォール絶縁膜の材料が残るようにする。その理由としては、後のエピタキシャル成長工程においてp+型半導体層15の領域にエピタキシャル成長させないためである。
Next, as shown in FIG. 6A, a silicon oxide film is formed at 10 nm on the entire surface by, eg, CVD, a silicon nitride film is formed at 20 nm, a silicon oxide film is formed at 35 nm, and etch back is performed on the entire surface. To do. Thus, the first
In the above, similarly, the first
The first
When forming the sidewall insulating film, it is necessary to reduce damage to the photodiode. For example, the outer silicon oxide film and the silicon nitride film are removed by dry etching, and the inner silicon oxide film is wet etched. The method of removing by can be considered.
Further, the p +
次に、図6(b)に示すように、シリコンの半導体基板10の表面の自然酸化膜を除去する為、DHF処理を行う。このとき、第3サイドウォール絶縁膜(32a,32b)及び第3絶縁膜32cも同時に除去される。
Next, as shown in FIG. 6B, DHF treatment is performed to remove the natural oxide film on the surface of the
次に、図7(a)に示すように、上記のDHF洗浄の直後に、ファセット面を有するようにシリコンを選択的にエピタキシャル成長させる。これにより、フォトダイオード領域APDに第2半導体層24aを形成する。また、フローティングディフュージョン領域AFDにおいて第4半導体層24bを形成する。また、ロジック領域ALGのソースドレイン領域となる領域上に第5半導体層24cを形成する。
上記のエピタキシャル成長は、条件によってファセット面の角度を変化させたり、複数の面方位を形成する事ができる。
例えば、成長温度:750℃、圧力:10Torr、ガス:SiH2Cl2(100sccm)及びHCL(25sccm)、ホウ素濃度:B2H6を用いて140sccmとして形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, immediately after the DHF cleaning, silicon is selectively epitaxially grown so as to have a facet surface. Thereby, the
The epitaxial growth described above can change the angle of the facet plane depending on conditions, and can form a plurality of plane orientations.
For example, the growth temperature is 750 ° C., the pressure is 10 Torr, the gas is SiH 2 Cl 2 (100 sccm) and HCL (25 sccm), and the boron concentration is 140 sccm using B 2 H 6 .
次に、図7(b)に示すように、所定の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、n型不純物あるいはp型不純物をイオン注入する。これにより、ロジック領域ALGにおいてソースドレイン領域17を形成する。
ソースドレイン領域17は、第5半導体層24cの形状がプロファイルに転写され、端部においてはある程度の深さまで達するが、中央領域のほとんどにおいて、比較的浅いプロファイルとなる。
また、エピタキシャル成長による第2半導体層24a、第4半導体層24bなどにも適宜n型不純物をイオン注入する。
例えば、NMOSトランジスタのソースドレイン領域は、Pを20keVのエネルギーで4.0×1015(/cm2)のドーズ量で注入する。PMOSトランジスタのソースドレイン領域は、Bを4keVのエネルギーで4.0×1015(/cm2)のドーズ量で注入する。
例えば、第2半導体層24aなどには、Asを100〜300keVのエネルギーで1.0×1012〜2.0×1012(/cm2)のドーズ量で注入する。
Next, as shown in FIG. 7B, a resist film opening a predetermined region is patterned and n-type impurities or p-type impurities are ion-implanted. As a result, the source /
The shape of the
Also, n-type impurities are appropriately ion-implanted into the
For example, in the source / drain region of the NMOS transistor, P is implanted at a dose of 4.0 × 10 15 (/ cm 2 ) with an energy of 20 keV. In the source / drain region of the PMOS transistor, B is implanted with energy of 4 keV at a dose of 4.0 × 10 15 (/ cm 2 ).
For example, As is implanted into the
次に、図8(a)に示すように、窒化シリコン膜23a及び窒化シリコン膜23bを除去する。
次に、図8(b)に示すように、フォトダイオード領域APDを開口するレジスト膜33をパターン形成し、p型不純物をイオン注入して、第2半導体層24aの表層部にp型の第3半導体層25を形成する。
例えば、Bを3keVのエネルギーで1.0×1013(/cm2)のドーズ量で注入する。
次に、不純物イオンの活性化のためのスパイクアニール処理を行う。例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)処理で1000〜1070℃の処理とする。
Next, as shown in FIG. 8A, the
Next, as shown in FIG. 8B, a resist film 33 that opens the photodiode region APD is patterned, p-type impurities are ion-implanted, and p-type impurities are implanted into the surface layer portion of the
For example, B is implanted at a dose of 1.0 × 10 13 (/ cm 2 ) with an energy of 3 keV.
Next, a spike annealing process for activating impurity ions is performed. For example, the temperature is set to 1000 to 1070 ° C. by RTA (Rapid Thermal Annealing) processing.
次に、図9(a)に示すように、例えばCVD法により全面に酸化シリコンを堆積して第1層間絶縁膜34を形成し、次に、窒化シリコンを堆積して第2層間絶縁膜35を形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, silicon oxide is deposited on the entire surface by, eg, CVD to form a first
次に、図9(b)に示すように、例えばロジック領域ALGを開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理及びウェットエッチング処理を行ってロジック領域ALGの第1層間絶縁膜34及び第2層間絶縁膜35を除去する。
上層の窒化シリコンと下層の酸化シリコンの一部は、ドライエッチング処理で除去し、残った酸化シリコンはウェットエッチング処理で除去するのが好ましい。
この方法を用いれば、ドライエッチングによるロジック領域ALGのシリコンへのダメージを抑制することができるからである。
しかし、ウェットエッチングを用いなくても、致命的な問題が起こることはない。
Next, as shown in FIG. 9B, for example, a resist film that opens the logic region A LG is patterned, and a dry etching process and a wet etching process are performed to form the first
It is preferable that part of the upper silicon nitride and the lower silicon oxide is removed by dry etching, and the remaining silicon oxide is removed by wet etching.
Using this method, it is possible to suppress the damage to the silicon in the logic area A LG by dry etching.
However, even if wet etching is not used, a fatal problem does not occur.
次に、ロジック領域ALGの開口を行った後、CoやNiなどをスパッタリング法で2〜8nmの膜厚で堆積し、シリサイド化処理を行うことで、高融点金属シリサイド層を自己整合的に形成する。いわゆるサリサイド層を形成する。ここでは、n型の第5半導体層24cの上面に高融点金属シリサイド層26を形成し、ゲート電極22bの上面に高融点金属シリサイド層27を形成する。未反応の高融点金属は除去する。
Then, after the opening of the logic area A LG, and Co and Ni were deposited to a thickness of 2~8nm by sputtering, by performing the silicidation process, a refractory metal silicide layer self-aligned manner Form. A so-called salicide layer is formed. Here, the refractory
次に、例えばCVD法により全面に酸化シリコン膜を500〜700nmの膜厚で堆積して第3層間絶縁膜36を形成し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)処理で平坦化する。
上記の後、例えば、第3層間絶縁膜36を貫通して転送ゲート電極22aなどに達するコンタクトを開口し、Ti(30nm)/TiN(10nm)などからなる不図示のバリアメタル膜を形成し、Wなどからなるプラグ(28a,28b、28c)を形成する。
上記のプラグ(28a,28b、28c)に接続して、上層配線(29a,29b,29c)を形成する。
以上で、図2に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。
Next, a third
After the above, for example, a contact reaching the
Connected to the plugs (28a, 28b, 28c), upper layer wirings (29a, 29b, 29c) are formed.
As described above, the solid-state imaging device having the configuration shown in FIG. 2 can be manufactured.
上記の後、必要に応じて、通常用いられている方法により、配線や導波路、オンチップレンズ及びカラーフィルタなどを形成する。 After the above, wirings, waveguides, on-chip lenses, color filters, and the like are formed as necessary by a commonly used method.
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film. Deterioration can be avoided.
また、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In addition, since the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film, the photoelectric conversion efficiency is lowered due to the increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode. Can be suppressed.
<第1変形例>
[曲面形状のエピタキシャル半導体層を有する固体撮像装置の構成]
図10は、本変形例に係る固体撮像装置の要部を拡大した模式断面図である。
図3に対して、エピタキシャル成長による第2半導体層24aの角部が除去されて曲面形状となり、よりレンズ形状に近づいた形状となっている。
上記の曲面形状の第2半導体層24aの上層に第3半導体層25が形成されている。
<First Modification>
[Configuration of Solid-State Imaging Device Having Curved Shape Epitaxial Semiconductor Layer]
FIG. 10 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part of the solid-state imaging device according to this modification.
Compared to FIG. 3, the corners of the
A
[固体撮像装置の製造方法]
図11(a)及び(b)は、本変形例の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。
図7(b)に示す工程までを上述のように行い、図11(a)に示すように表面の酸化処理を行う。これにより、酸化シリコン膜24dは第2半導体層24aの角部近傍で厚く形成される。このため、第2半導体層24aの表面は曲面形状となる。
次に、図11(b)に示すように、DHF処理などを行うことで酸化シリコン膜24dを除去する。
上記の後は、上述の第1実施形態と同様に行うことができる。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
FIGS. 11A and 11B are schematic cross-sectional views showing the manufacturing steps of the manufacturing method of this modification.
The process up to the step shown in FIG. 7B is performed as described above, and the surface is oxidized as shown in FIG. Thereby, the
Next, as shown in FIG. 11B, the
After the above, it can carry out similarly to the above-mentioned 1st Embodiment.
<第2実施形態>
[in−situ Bドープエピタキシャル成長によるp型半導体層を有する固体撮像装置の構成]
図12は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。
p型の第3半導体層25aは、in−situ Bドープエピタキシャル成長により形成された層である。
また、画素領域において、酸化シリコンの第1層間絶縁膜37、窒化シリコンの第2層間絶縁膜38、窒化シリコンの第3層間絶縁膜39、酸化シリコンの第4層間絶縁膜40が形成されている。
上記を除いて、実質的に第1実施形態の固体撮像装置と同様の構成である。
Second Embodiment
[Configuration of solid-state imaging device having p-type semiconductor layer by in-situ B-doped epitaxial growth]
FIG. 12 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
The p-type
In the pixel region, a first
Except for the above, the configuration is substantially the same as that of the solid-state imaging device of the first embodiment.
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
特に、in−situ Bドープエピタキシャル成長によるp型の第3半導体層25aは、イオン注入などで不純物拡散により形成される場合のp型半導体層より不純物の拡散が非常に小さい。よって、通常のイオン注入による方法に比べて、Qsを向上させることができる。
In particular, the p-type
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
本実施形態の固体撮像装置では、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されている。半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the side wall thereof. A decrease in photoelectric conversion efficiency caused by an increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode can be suppressed.
[固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図13及び14を参照して説明する。
まず、第1実施形態の図8(a)に示す工程まで第1実施形態と同様にして行う。
次に、図13(a)に示すように、例えばCVD法により全面に酸化シリコンを堆積して第1層間絶縁膜37を形成し、次に、窒化シリコンを堆積して第2層間絶縁膜38を形成する。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the steps up to the step shown in FIG. 8A of the first embodiment are performed in the same manner as in the first embodiment.
Next, as shown in FIG. 13A, silicon oxide is deposited on the entire surface by, eg, CVD to form a first
次に、図13(b)に示すように、フォトダイオード領域APDを開口する不図示のレジスト膜をパターン形成し、フォトダイオード領域APDの第1層間絶縁膜37と第2層間絶縁膜38を除去する。
例えば、フォトダイオードへのダメージを低減するために、窒化シリコンの第2層間絶縁膜38はドライエッチングによって、酸化シリコンの第1層間絶縁膜37はウェットエッチングで処理することが好ましい。
次に、in−situ Bドープエピタキシャル成長によって第2半導体層24aの表層にp型の第3半導体層25aをin−situで形成する。
第3半導体層25aは、1.0×1017(1/cm3)の不純物濃度、5nmの膜厚とする。
なお、第3半導体層25aは、半導体基板のp型のウェルに接続するように設計されている。
次に、不純物の活性化のためのスパイクアニール処理を行う。例えば、RTA処理で1000〜1070℃の処理とする。
Next, as shown in FIG. 13B, a resist film (not shown) that opens the photodiode region APD is patterned to form a first
For example, in order to reduce damage to the photodiode, it is preferable to process the second
Next, a p-type
The
The
Next, spike annealing is performed for impurity activation. For example, the RTA process is performed at 1000 to 1070 ° C.
次に、図14(a)に示すように、例えばCVD法により全面に窒化シリコンを堆積して第3層間絶縁膜39を形成する。
Next, as shown in FIG. 14A, a third
次に、図14(b)に示すように、例えばロジック領域ALGを開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理及びウェットエッチング処理を行ってロジック領域ALGの第1層間絶縁膜37、第2層間絶縁膜38及び第3層間絶縁膜39を除去する。
Next, as shown in FIG. 14B, for example, a resist film that opens the logic region A LG is patterned, and dry etching processing and wet etching processing are performed to form a first
次に、ロジック領域ALGのn型の第5半導体層24cの上面に高融点金属シリサイド層26を形成し、ゲート電極22bの上面に高融点金属シリサイド層27を形成する。未反応の高融点金属は除去する。
以降の工程は第1実施形態と同様に行うことができる。
以上で、図12に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。
Then, a refractory
The subsequent steps can be performed in the same manner as in the first embodiment.
As described above, the solid-state imaging device having the configuration shown in FIG. 12 can be manufactured.
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film. Deterioration can be avoided.
また、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In addition, since the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film, the photoelectric conversion efficiency is lowered due to the increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode. Can be suppressed.
<第3実施形態>
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置の受光面における平面図は、第1実施形態に係る図1の平面図と実質的に同様である。
図15は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSイメージセンサの模式断面図である。
図面上、画素領域の周辺回路などを構成するロジック領域ALGを示す。画素領域は、フォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDを示す。
また、図15中の画素領域に相当するA−Bの断面図は図1のA−Bにおける断面に相当し、ロジック領域ALGに相当するC−Dの断面図は図1には示されていない領域に相当する。
<Third Embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
The plan view of the light receiving surface of the solid-state imaging device according to the present embodiment is substantially the same as the plan view of FIG. 1 according to the first embodiment.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device according to this embodiment, in which a plurality of pixels are integrated.
In the drawing, a logic region A LG constituting a peripheral circuit of the pixel region is shown. The pixel region indicates a photodiode region A PD , a transfer gate electrode region A TG and a floating diffusion region A FD .
15 is equivalent to the cross section taken along AB in FIG. 1, and the cross sectional view taken along line CD corresponding to the logic area ALG is shown in FIG. It corresponds to the area that is not.
n型の第1半導体層13上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第2半導体層24dが形成されている。第2半導体層24dは、シリコンよりバンドギャップが小さい材料から形成されている。例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,CuInS2などから形成されている。Si材料を光吸収層に使用する場合、赤外領域の感度が低いまたは感度をもたないという問題が発生することがある。上記の材料は、特に赤色の波長領域においてシリコンより光吸収係数が大きい。このため、これらの材料を用いたフォトダイオードは、赤色から赤外領域の光に対する感度が高いフォトダイオードとなる。
An n-type
本実施形態においては、フローティングディフュージョン14上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第4半導体層24eが形成されている。第4半導体層24eは、第2半導体層24dと同様に、例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InPまたはInSbから形成されている。
また、ソースドレイン領域17上に半導体基板10に対して凸状の形状のn型の第5半導体層24fが形成されている。第5半導体層24fは、第2半導体層24dと同様に、例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,CuInS2などから形成されている。
上記を除いては、第1実施形態と同様の構成である。
In the present embodiment, an n-type
In addition, an n-type
Except for the above, the configuration is the same as that of the first embodiment.
図15中のaの断面でのn型の第2半導体層24dのレイアウト及びbの断面でのn型の第2半導体層24dのレイアウトは、図1中の一点鎖線a及び二点鎖線bで示された第1実施形態と同様のレイアウトである。
上記のように、n型の第2半導体層24ddは、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
The layout of the n-type
As described above, the n-type
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
本実施形態では、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されている。半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the side wall thereof. A decrease in photoelectric conversion efficiency caused by an increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode can be suppressed.
上記のロジック領域ALGに形成されているMOSトランジスタのソースドレイン領域は、図15に示すように、端部においてはある程度の深さまで達するが、中央領域のほとんどにおいて、比較的浅い拡散層から形成されている。
上記構造のソースドレインを有することは、MOSトランジスタの微細化に伴う短チャネル効果の抑制などに効果がある。
また、画像処理をする周辺回路のMOSFETにSi1−xGex(0<x<1)をエピタキシャル成長させることにより、そのMOSFETの駆動電流を増加させることにより、周辺回路特性を改善し、画像処理能力を向上させることができる。また、周辺回路の面積を削減することができる。
As shown in FIG. 15, the source / drain region of the MOS transistor formed in the logic region ALG reaches a certain depth at the end, but is formed from a relatively shallow diffusion layer in most of the central region. Has been.
Having the source / drain of the above structure is effective in suppressing the short channel effect accompanying the miniaturization of the MOS transistor.
In addition, Si 1-x Ge x (0 <x <1) is epitaxially grown on the MOSFET of the peripheral circuit that performs image processing to increase the drive current of the MOSFET, thereby improving the peripheral circuit characteristics and image processing. Ability can be improved. In addition, the area of the peripheral circuit can be reduced.
<第4実施形態>
[固体撮像装置の構成]
図16は本実施形態に係る固体撮像装置の受光面における4画素分に相当する領域の平面図である。
例えば、半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、フォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)が形成されている。
フォトダイオードに隣接する領域の半導体基板上に転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)が形成されている。
転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)のフォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)とは反対側における半導体基板中にフローティングディフュージョンFDが形成されている。
フローティングディフュージョンFDは、例えば領域に区分されて不純物濃度が異なる第1フローティングディフュージョンFD1及び第2フローティングディフュージョンFD2からなる。
転送ゲート電極(TG1,TG2,TG3,TG4)及びフローティングディフュージョンFDから、フォトダイオード(PD1,PD2,PD3,PD4)に生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が構成される。
<Fourth embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 16 is a plan view of a region corresponding to four pixels on the light receiving surface of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
For example, photodiodes (PD1, PD2, PD3, PD4) are formed in the photodiode region divided for each pixel on the light receiving surface where a plurality of pixels of the semiconductor substrate are integrated.
Transfer gate electrodes (TG1, TG2, TG3, TG4) are formed on the semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode.
A floating diffusion FD is formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode (TG1, TG2, TG3, TG4) from the photodiode (PD1, PD2, PD3, PD4).
The floating diffusion FD includes, for example, a first floating diffusion FD1 and a second floating diffusion FD2 that are divided into regions and have different impurity concentrations.
A signal reading unit that reads a signal charge generated or accumulated in the photodiode (PD1, PD2, PD3, PD4) or a voltage corresponding to the signal charge from the transfer gate electrode (TG1, TG2, TG3, TG4) and the floating diffusion FD. Composed.
ここで、フォトダイオードPD1は赤色の光を感光する赤画素であり、赤色フィルタRFがフォトダイオードPD1領域に形成されている。また、フォトダイオードPD2,3は緑色の光を感光する緑画素であり、緑色フィルタGFがフォトダイオードPD2,3領域に形成されている。また、フォトダイオードPD4は青色の光を感光する青画素であり、青色フィルタBFがフォトダイオードPD4領域に形成されている。 Here, the photodiode PD1 is a red pixel that sensitizes red light, and a red filter RF is formed in the photodiode PD1 region. The photodiodes PD2 and PD3 are green pixels that are sensitive to green light, and a green filter GF is formed in the photodiode PD2 and 3 regions. The photodiode PD4 is a blue pixel that sensitizes blue light, and a blue filter BF is formed in the photodiode PD4 region.
図17は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSイメージセンサの模式断面図である。
図面上、画素領域の周辺回路などを構成するロジック領域ALGを示す。画素領域は、フォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDを示す。
また、図17中の画素領域に相当するA−Bの断面図は図16のA−Bにおける断面に相当する。
図17中のロジック領域ALGに相当するC−Dの断面図は図16には示されていない領域に相当する。
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device according to this embodiment, in which a plurality of pixels are integrated.
In the drawing, a logic region A LG constituting a peripheral circuit of the pixel region is shown. The pixel region indicates a photodiode region A PD , a transfer gate electrode region A TG and a floating diffusion region A FD .
In addition, a cross-sectional view taken along a line AB corresponding to the pixel region in FIG. 17 corresponds to a cross-section taken along a line AB in FIG.
A cross-sectional view taken along the line CD corresponding to the logic region ALG in FIG. 17 corresponds to a region not shown in FIG.
例えばシリコンからなる半導体基板10の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域APDにおいて、半導体基板に形成されたn型の第1半導体層13が形成されている。
フォトダイオード領域APDは、例えばSTI型の素子分離絶縁膜あるいはp+型半導体層15などで区分されている。
For example, the n-type
The photodiode region APD is divided by, for example, an STI type element isolation insulating film or a p +
ここで、赤画素のフォトダイオード領域APDにおいて凹部(リセス)RPDが形成されており、第1半導体層13に接続して、凹部RPDに埋め込まれたn型の埋め込み層24gが形成されている。埋め込み層24gの凹部内の部分は基板に形成された第1半導体層13と同様の層に相当し、半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分が第1実施形態の第2半導体層24aに相当する。埋め込み層24gは、第1半導体層と第2半導体層が一体に形成された層とみなすことができる。
埋め込み層24gは、シリコンよりバンドギャップが小さい材料から形成されている。例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,CuInS2などから形成されている。Si材料を光吸収層に使用する場合、赤外領域の感度が低いまたは感度をもたないという問題が発生することがある。上記の材料は、特に赤色の波長領域においてシリコンより光吸収係数が大きい。このため、これらの材料を用いたフォトダイオードは、赤色から赤外領域の光に対する感度が高いフォトダイオードとなり、赤画素に適したフォトダイオードである。
また、埋め込み層24gの表面にp型の第3半導体層25が形成されている。
n型の埋め込み層24g及びp型の第3半導体層25から、HAD構造のフォトダイオードが構成されている。
Here, the recess in the photodiode region A PD of the red pixel (recess) R PD is formed, connected to the
The buried
A p-type
The n-type buried
図17中のaの断面でのn型の埋め込み層24gのレイアウト及びbの断面でのn型の埋め込み層24gのレイアウトが図16中の一点鎖線a及び二点鎖線bで示されている。
埋め込み層24gの半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、第1実施形態の第2半導体層24aに相当するものであり、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
The layout of the n-type buried
The portion of the buried
一方、緑画素及び青画素のフォトダイオード領域APDにおいては、第1半導体層13の表面にp型の第3半導体層25が形成されている。
n型の第1半導体層13及びp型の第3半導体層25から、HAD構造のフォトダイオードが構成されている。
On the other hand, a p-type
The n-type
また、例えば、フォトダイオードに隣接する領域である転送ゲート電極領域ATGにおける半導体基板10上にゲート絶縁膜21aを介して転送ゲート電極22aが形成されている。
また、転送ゲート電極22aの両側部に第1サイドウォール絶縁膜30a、第2サイドウォール絶縁膜31a及び第3サイドウォール絶縁膜32aからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。第1実施形態に対して第3サイドウォール絶縁膜32aが残された形状であるが、第3サイドウォール絶縁膜32aは除去されていてもよい。
Further, for example, the
In addition, sidewall insulating films including a first
さらに、転送ゲート電極22aのフォトダイオードとは反対側におけるフローティングディフュージョン領域AFDにおける半導体基板10中に、n型半導体層であるフローティングディフュージョン14が形成されている。
Further, the photodiode of the
上記の転送ゲート電極22aとフローティングディフュージョン14によりフォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が構成されている。
The
本実施形態においては、n型の埋め込み層24g及びp型の第3半導体層25が転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a,32a)から離間して形成されている。
これは、例えばn型の埋め込み層24gの半導体基板10に対して凸状の形状の部分がファセットエピタキシャル成長により形成された層であることによる。半導体基板10に対して凸状の形状の部分は、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
In the present embodiment, the n-type buried
This is because, for example, the convex portion of the n-type buried
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
また、本実施形態の固体撮像装置は、上記のように赤画素においてシリコンよりバンドギャップが小さい材料が用いられており、赤色から赤外領域の光に対する感度が大幅に改善される。
また、フォトダイオード領域に凹部(リセス)を形成することで、埋め込み層としての膜厚を確保しながら、半導体基板10の表面に対する凸状の形状の部分の高さを抑制することが可能となる。このため、凸状の形状による凹凸に起因する段差を抑制できるので平坦化に必要となる絶縁膜全体の厚さを抑制することができ、フォトダイオードの感度などの特性向上を実現できる。
光吸収係数の高い材料を用いることで、凹部の深さを低減することができる。例えば、光吸収係数が一桁改善された場合、凹部の深さを一桁小さくできる。
上記のエピタキシャル成長による半導体層は、例えば400℃程度の低温プロセスで形成することが可能となっている。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, a material having a band gap smaller than that of silicon is used in the red pixel as described above, and the sensitivity to light in the red to infrared region is greatly improved.
In addition, by forming a recess in the photodiode region, it is possible to suppress the height of the convex portion with respect to the surface of the
By using a material having a high light absorption coefficient, the depth of the recess can be reduced. For example, when the light absorption coefficient is improved by an order of magnitude, the depth of the recess can be reduced by an order of magnitude.
The semiconductor layer formed by the above epitaxial growth can be formed by a low temperature process of about 400 ° C., for example.
上記のフォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第1層間絶縁膜34が形成されている。その上層に、窒化シリコンからなる第2層間絶縁膜35、酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通して転送ゲート電極22aに達するコンタクトが開口されており、プラグ28aが埋め込まれ、その上層に上層配線29aが形成されている。
In the photodiode region A PD , transfer gate electrode region A TG and floating diffusion region A FD , a first
A contact reaching the
同様に、第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通してn型の第4半導体層24bに達するコンタクトが開口されており、プラグ28bが埋め込まれ、その上層に上層配線29bが形成されている。
上記のようにして、画素領域からなる受光面が形成されている。
Similarly, a contact that reaches the n-type
As described above, the light receiving surface including the pixel region is formed.
一方、半導体基板10の受光面と異なる領域に、ロジック領域ALGが形成されている。
ロジック領域ALGにおいて、例えば、STI型の素子分離絶縁膜12で区分された半導体基板10のp型領域にチャネル形成領域が形成され、その上層にゲート絶縁膜21bを介してゲート電極22bが形成されている。
その両側部には、第1サイドウォール絶縁膜30b及び第2サイドウォール絶縁膜31bからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。
サイドウォール絶縁膜の下部における半導体基板10中に、n型のエクステンション領域16が形成され、その側部における半導体基板10中にn型のソースドレイン領域17が形成されている。
On the other hand, a logic region A LG is formed in a region different from the light receiving surface of the
In the logic region ALG , for example, a channel formation region is formed in the p-type region of the
A sidewall insulating film made up of the first
An n-
また、ソースドレイン領域17の上面に高融点金属シリサイド層26が形成されている。
また、ゲート電極22bの上面にも同様に高融点金属シリサイド層27が形成されている。
A refractory
Similarly, a refractory
上記のロジック領域ALGにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してn型のソースドレイン領域17に接続する高融点金属シリサイド層26に達するコンタクトが開口されており、プラグ28cが埋め込まれ、その上層に上層配線29cが形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してゲート電極22bに接続する高融点金属シリサイド層27に達するコンタクトが開口されており、プラグ28dが埋め込まれ、その上層に上層配線29dが形成されている。
上記のようにして、MOSトランジスタが構成されており、これらを含む周辺回路を構成するロジック領域が形成されている。
上記においてはNMOSトランジスタについて示したがこれに限らず、PMOSトランジスタに適用可能であり、また、NMOSとPMOSの両者に適用可能である。
A third
A contact reaching the refractory
A contact reaching the refractory
As described above, MOS transistors are configured, and a logic region that forms a peripheral circuit including these is formed.
In the above description, the NMOS transistor has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a PMOS transistor.
[固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図18〜20を参照して説明する。
まず、図18(a)に示す構成までは、第1実施形態の図5(b)に示す工程までと同様にして行う。
次に、図18(b)に示すように、例えばCVD法により全面に酸化シリコン膜30を10nmで形成し、窒化シリコン膜31を20nmで形成し、酸化シリコン膜32を35nmで形成する。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the process up to the configuration shown in FIG. 18A is performed in the same manner as the process shown in FIG. 5B of the first embodiment.
Next, as shown in FIG. 18B, a
次に、図19(a)に示すように、フォトリソグラフィー工程により、赤画素のフォトダイオード領域を開口するレジスト膜RSをパターン形成する。
次に、レジスト膜RSをマスクとして、半導体基板10の所定の深さまでエッチング除去し、凹部RPDを形成する。
凹部RPDの形状は特に限定されないが、例えば異方性エッチングなどで形成する場合、図19(a)に示すような断面が矩形形状の凹部を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 19A, a resist film RS that opens the photodiode region of the red pixel is patterned by a photolithography process.
Next, using the resist film RS as a mask, the
Although the shape of the recess RPD is not particularly limited, for example, when formed by anisotropic etching, a recess having a rectangular cross section as shown in FIG. 19A can be formed.
次に、図19(b)に示すように、レジスト膜RSを除去した後、エピタキシャル成長により凹部RPDに埋め込まれたn型の埋め込み層24gを形成する。
埋め込み層24gは、凹部RPD内の部分は通常のエピタキシャル成長により形成し、半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、ファセット面を有するようにエピタキシャル成長により形成する。
上記のエピタキシャル成長は、条件によってファセット面の角度を変化させたり、複数の面方位を形成する事ができる。
例えば、Si1−xGex(0<x<1)からなる埋め込み層24gを形成する場合、成長温度:750℃、圧力:10Torr、ガス:SiH2Cl2(100sccm)、HCL(25sccm)、GeH4(50〜100sccm)、ホウ素濃度:B2H6を用いて140sccmとして形成する。また、例えば400℃程度の低温プロセスで形成することが可能となっている。
Next, as shown in FIG. 19 (b), after removing the resist film RS, to form a buried
The epitaxial growth described above can change the angle of the facet plane depending on conditions, and can form a plurality of plane orientations.
For example, when forming the buried
次に、図20(a)に示すように、酸化シリコン膜30、窒化シリコン膜31及び酸化シリコン膜32を全面にエッチバックする。これにより、転送ゲート電極22aの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜30a、第2サイドウォール絶縁膜31a、第3サイドウォール絶縁膜32aからなるサイドウォール絶縁膜を形成する。
上記において、同様に、ロジック領域ALGのゲート電極22bの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜30b、第2サイドウォール絶縁膜31b、第3サイドウォール絶縁膜32bからなるサイドウォール絶縁膜を形成する。
ここで、p+型半導体層15上に第1絶縁膜30c、第2絶縁膜31c及び第3絶縁膜32cが残されるようにしているが、本実施形態においては残さなくてもよい。
サイドウォール絶縁膜を形成する際には、ドライエッチングとウェットエッチングを適宜用いることができる。
Next, as shown in FIG. 20A, the
In the above, similarly, a sidewall insulating film composed of the first
Here, although the first insulating
When forming the sidewall insulating film, dry etching and wet etching can be used as appropriate.
次に、図20(b)に示すように、所定の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、n型不純物あるいはp型不純物をイオン注入する。これにより、ロジック領域ALGにおいてソースドレイン領域17を形成する。
また、埋め込み層24g、第1半導体層13及びフローティングディフュージョン14などにも適宜不純物をイオン注入する。
例えば、NMOSトランジスタのソースドレイン領域は、Pを20keVのエネルギーで4.0×1015(/cm2)のドーズ量で注入する。PMOSトランジスタのソースドレイン領域は、Bを4keVのエネルギーで4.0×1015(/cm2)のドーズ量で注入する。
以降の工程は、実質的に第1実施形態と同様の工程により製造することができる。
以上で、図17に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 20B, a resist film opening a predetermined region is patterned, and n-type impurities or p-type impurities are ion-implanted. As a result, the source /
In addition, impurities are appropriately ion-implanted into the buried
For example, in the source / drain region of the NMOS transistor, P is implanted at a dose of 4.0 × 10 15 (/ cm 2 ) with an energy of 20 keV. In the source / drain region of the PMOS transistor, B is implanted with energy of 4 keV at a dose of 4.0 × 10 15 (/ cm 2 ).
Subsequent steps can be manufactured by substantially the same steps as in the first embodiment.
With the above, a solid-state imaging device having the configuration shown in FIG. 17 can be manufactured.
上記の後、必要に応じて、通常用いられている方法により、配線や導波路、オンチップレンズ及びカラーフィルタなどを形成する。 After the above, wirings, waveguides, on-chip lenses, color filters, and the like are formed as necessary by a commonly used method.
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film. Deterioration can be avoided.
また、本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、上記のように赤画素においてシリコンよりバンドギャップが小さい材料が用いられており、赤色から赤外領域の光に対する感度が大幅に改善される。
また、フォトダイオード領域に凹部(リセス)を形成することで、埋め込み層としての膜厚を確保しながら、半導体基板10の表面に対する凸状の形状の部分の高さを抑制することが可能となる。このため、凸状の形状による凹凸に起因する段差を抑制できるので平坦化に必要となる絶縁膜全体の厚さを抑制することができ、フォトダイオードの感度などの特性向上を実現できる。
光吸収係数の高い材料を用いることで、凹部の深さを低減することができる。例えば、光吸収係数が一桁改善された場合、凹部の深さを一桁小さくできる。
In addition, the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present embodiment uses a material having a band gap smaller than that of silicon in the red pixel as described above, and the sensitivity to light in the red to infrared region is greatly improved.
In addition, by forming a recess in the photodiode region, it is possible to suppress the height of the convex portion with respect to the surface of the
By using a material having a high light absorption coefficient, the depth of the recess can be reduced. For example, when the light absorption coefficient is improved by an order of magnitude, the depth of the recess can be reduced by an order of magnitude.
本実施形態においては、青画素、緑画素及び赤画素を有する固体撮像装置の赤画素におけるフォトダイオード領域に凹部(リセス)が形成され、埋め込み層が埋め込まれた構成としているが、これに限らず、全ての画素のフォトダイオードに適用できる。
また、画素が感光波長領域の異なる複数の画素を含み、少なくともより長波長の感光波長領域の画素において、上記の構成を好ましく適用することができる。例えば、長波長側の画素と短波長側の画素の2種類の画素を有する固体撮像装置において、長波長側の画素に好ましく適用できる。また、長波長側の画素と短波長側の画素の両者に適用できる。
In the present embodiment, a recess (recess) is formed in a photodiode region in a red pixel of a solid-state imaging device having a blue pixel, a green pixel, and a red pixel, and a buried layer is embedded. It can be applied to photodiodes of all pixels.
In addition, the above configuration can be preferably applied to at least a pixel in a photosensitive wavelength region having a longer wavelength, where the pixel includes a plurality of pixels having different photosensitive wavelength regions. For example, in a solid-state imaging device having two types of pixels, a long wavelength side pixel and a short wavelength side pixel, it can be preferably applied to a long wavelength side pixel. Further, the present invention can be applied to both a long wavelength side pixel and a short wavelength side pixel.
<第5実施形態>
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置の受光面における平面図は、第1実施形態に係る図1の平面図と実質的に同様である。
図21は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSイメージセンサの模式断面図である。
図面上、画素領域の周辺回路などを構成するロジック領域ALGを示す。画素領域は、フォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDを示す。
また、図21中の画素領域に相当するA−Bの断面図は図1のA−Bにおける断面に相当する。
図21中のロジック領域ALGに相当するC−Dの断面図は図1には示されていない領域に相当する。
<Fifth Embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
The plan view of the light receiving surface of the solid-state imaging device according to the present embodiment is substantially the same as the plan view of FIG. 1 according to the first embodiment.
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device according to this embodiment, in which a plurality of pixels are integrated.
In the drawing, a logic region A LG constituting a peripheral circuit of the pixel region is shown. The pixel region indicates a photodiode region A PD , a transfer gate electrode region A TG and a floating diffusion region A FD .
Further, a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 21 corresponds to a cross section taken along line AB in FIG.
A cross-sectional view taken along the line CD corresponding to the logic region A LG in FIG. 21 corresponds to a region not shown in FIG.
例えばシリコンからなる半導体基板10の複数の画素が集積されてなる受光面の画素ごとに区分されたフォトダイオード領域APDにおいて、半導体基板に形成されたn型の第1半導体層13が形成されている。
フォトダイオード領域APDは、例えばSTI型の素子分離絶縁膜あるいはp+型半導体層15などで区分されている。
For example, the n-type
The photodiode region APD is divided by, for example, an STI type element isolation insulating film or a p +
ここで、全ての画素のフォトダイオード領域APDにおいて凹部(リセス)RPDが形成されており、第1半導体層13に接続して、凹部RPDに埋め込まれたn型の埋め込み層24hが形成されている。埋め込み層24hの凹部内の部分は基板に形成された第1半導体層13と同様の層に相当し、半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分が第1実施形態の第2半導体層24aに相当する。埋め込み層24hは、第1半導体層と第2半導体層が一体に形成された層とみなすことができる。
埋め込み層24hは、シリコンよりバンドギャップが小さい材料から形成されている。例えば、Ge,Si1−xGex(0<x<1),InGaAs,GaAs,InP,InSb,Cu(In,Ga)Se2,Cu(In,Ga)(Se,S)2,CuInS2などから形成されている。Si材料を光吸収層に使用する場合、赤外領域の感度が低いまたは感度をもたないという問題が発生することがある。上記の材料は、特に赤色の波長領域において、シリコンより光吸収係数が大きい。このため、これらの材料を用いたフォトダイオードは、感度が高いフォトダイオードとなり、赤画素に適したフォトダイオードである。
また、埋め込み層24hの表面にp型の第3半導体層25が形成されている。
n型の埋め込み層24h及びp型の第3半導体層25から、HAD構造のフォトダイオードが構成されている。
Here, a concave portion (recess) R PD is in the photodiode region A PD of all pixels is formed, connected to the
The buried
A p-type
The n-type buried
図21中のaの断面でのn型の埋め込み層24hのレイアウト及びbの断面でのn型の埋め込み層24hのレイアウトが図1中の一点鎖線a及び二点鎖線bで示されている。
埋め込み層24hの半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、第1実施形態の第2半導体層24aに相当するものであり、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
The layout of the n-type buried
The portion of the buried
また、例えば、フォトダイオードに隣接する領域である転送ゲート電極領域ATGにおける半導体基板10上にゲート絶縁膜21aを介して転送ゲート電極22aが形成されている。
また、転送ゲート電極22aの両側部に第1サイドウォール絶縁膜30a及び第2サイドウォール絶縁膜31aからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。
Further, for example, the
In addition, sidewall insulating films made of the first
さらに、転送ゲート電極22aのフォトダイオードとは反対側におけるフローティングディフュージョン領域AFDにおける半導体基板10中に、n型半導体層であるフローティングディフュージョン14が形成されている。
ここで、フローティングディフュージョン領域AFDにおいて凹部(リセス)RFDが形成されており、フローティングディフュージョン14に接続して、凹部RFDに埋め込まれたn型の埋め込み層24iが形成されている。埋め込み層24iの半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
Further, the photodiode of the
Here, the recess in the floating diffusion region A FD (recess) R FD and is formed by connecting the floating
上記の転送ゲート電極22aとフローティングディフュージョン14によりフォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が構成されている。
The
本実施形態においては、n型の埋め込み層24h及びp型の第3半導体層25が転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a)から離間して形成されている。
これは、例えばn型の埋め込み層24hの半導体基板10に対して凸状の形状の部分がファセットエピタキシャル成長により形成された層であることによる。半導体基板10に対して凸状の形状の部分は、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
In the present embodiment, the n-type buried
This is because, for example, a convex portion of the n-type buried
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
また、n型の埋め込み層24iの半導体基板10に対して凸状の形状の部分が転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a)から離間して形成されている。
これは、例えばn型の埋め込み層24iの半導体基板10に対して凸状の形状の部分がファセットエピタキシャル成長により形成された層であることによる。半導体基板10に対して凸状の形状の部分は、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
Further, a convex portion of the n-type buried
This is because, for example, the convex portion of the n-type buried
従来技術では、フローティングディフュージョン領域上にエピタキシャル成長で形成されたシリコン層がサイドウォール絶縁膜を介して転送ゲート電極に近接する構成となる。
従って、シリコン層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなってしまい、光電変換効率が低下するといった問題も生じる。
In the prior art, the silicon layer formed by epitaxial growth on the floating diffusion region is configured to be close to the transfer gate electrode through the sidewall insulating film.
Therefore, the parasitic capacitance between the silicon layer and the transfer gate electrode is increased, which causes a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered.
本実施形態では、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されている。半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the side wall thereof. A decrease in photoelectric conversion efficiency caused by an increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode can be suppressed.
上記のフォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第1層間絶縁膜34が形成されている。その上層に、窒化シリコンからなる第2層間絶縁膜35、酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通して転送ゲート電極22aに達するコンタクトが開口されており、プラグ28aが埋め込まれ、その上層に上層配線29aが形成されている。
In the photodiode region A PD , transfer gate electrode region A TG and floating diffusion region A FD , a first
A contact reaching the
同様に、第1層間絶縁膜34、第2層間絶縁膜35及び第3層間絶縁膜36を貫通してn型の埋め込み層24iに達するコンタクトが開口されており、プラグ28bが埋め込まれ、その上層に上層配線29bが形成されている。
上記のようにして、画素領域からなる受光面が形成されている。
Similarly, a contact reaching the n-type buried
As described above, the light receiving surface including the pixel region is formed.
また、本実施形態の固体撮像装置は、上記のように赤画素においてシリコンよりバンドギャップが小さい材料が用いられており、赤色から赤外領域の光に対する感度が大幅に改善される。
また、フォトダイオード領域に凹部(リセス)を形成することで、埋め込み層としての膜厚を確保しながら、半導体基板10の表面に対する凸状の形状の部分の高さを抑制することが可能となる。このため、凸状の形状による凹凸に起因する段差を抑制できるので平坦化に必要となる絶縁膜全体の厚さを抑制することができ、フォトダイオードの感度などの特性向上を実現できる。
光吸収係数の高い材料を用いることで、凹部の深さを低減することができる。例えば、光吸収係数が一桁改善された場合、凹部の深さを一桁小さくできる。
上記のエピタキシャル成長による半導体層は、例えば400℃程度の低温プロセスで形成することが可能となっている。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, a material having a band gap smaller than that of silicon is used in the red pixel as described above, and the sensitivity to light in the red to infrared region is greatly improved.
In addition, by forming a recess in the photodiode region, it is possible to suppress the height of the convex portion with respect to the surface of the
By using a material having a high light absorption coefficient, the depth of the recess can be reduced. For example, when the light absorption coefficient is improved by an order of magnitude, the depth of the recess can be reduced by an order of magnitude.
The semiconductor layer formed by the above epitaxial growth can be formed by a low temperature process of about 400 ° C., for example.
一方、半導体基板10の受光面と異なる領域に、ロジック領域ALGが形成されている。
ロジック領域ALGにおいて、例えば、STI型の素子分離絶縁膜12で区分された半導体基板10のn型ウェル10wにチャネル形成領域が形成され、その上層にゲート絶縁膜21bを介してゲート電極22bが形成されている。
その両側部には、第1サイドウォール絶縁膜30b及び第2サイドウォール絶縁膜31bからなるサイドウォール絶縁膜が形成されている。
サイドウォール絶縁膜の下部における半導体基板10中に、n型のエクステンション領域16が形成され、その側部における半導体基板10に凹部(リセス)RSDが形成されている。エクステンション領域16に接続して、凹部RSDに埋め込まれたp型の埋め込み層24jが形成されている。埋め込み層24jの半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
On the other hand, a logic region A LG is formed in a region different from the light receiving surface of the
In the logic region ALG , for example, a channel formation region is formed in the n-
A sidewall insulating film made up of the first
An n-
p型の埋め込み層24j上の上面に高融点金属シリサイド層26が形成されている。
また、ゲート電極22bの上面にも同様に高融点金属シリサイド層27が形成されている。
A refractory
Similarly, a refractory
上記のロジック領域ALGにおいて全面に、例えば酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜36が形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してn型のソースドレイン領域17に接続する高融点金属シリサイド層26に達するコンタクトが開口されており、プラグ28cが埋め込まれ、その上層に上層配線29cが形成されている。
第3層間絶縁膜36を貫通してゲート電極22bに接続する高融点金属シリサイド層27に達するコンタクトが開口されており、プラグ28dが埋め込まれ、その上層に上層配線29dが形成されている。
上記のようにして、MOSトランジスタが構成されており、これらを含む周辺回路を構成するロジック領域が形成されている。
上記においてははPMOSトランジスタについて示したがこれに限らず、NMOSトランジスタに適用可能であり、また、NMOSとPMOSの両者に適用可能である。
埋め込み層24jとして、GeあるいはSi1−xGex(0<x<1)などが用いられた場合、PMOSトランジスタにおいては埋め込み層24jによりチャネル形成領域に印加される応力により、トランジスタの特性向上が大きい。このため、ロジック回路における画像処理能力が向上し、また、ロジック回路の面積削減を実現できる。
A third
A contact reaching the refractory
A contact reaching the refractory
As described above, MOS transistors are configured, and a logic region that forms a peripheral circuit including these is formed.
In the above description, the PMOS transistor is shown. However, the present invention is not limited to this.
When Ge or Si 1-x Ge x (0 <x <1) is used as the buried
[固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図22〜24を参照して説明する。
まず、図22(a)に示す構成までは、第1実施形態の図6(b)に示す工程までと同様にして行う。ここでは、ロジック基板のPMOS領域にnウェル10wを適宜形成する。
次に、図22(b)に示すように、半導体基板10の所定の深さまでエッチング除去し、凹部RPD、凹部RFD及び凹部RSDを形成する。
凹部RPD、凹部RFD及び凹部RSDの形状は特に限定されないが、例えば等方性エッチングなどで形成する場合、図22(b)に示すような断面が曲線形状の凹部を形成することができる。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the process up to the configuration shown in FIG. 22A is performed in the same manner as the process shown in FIG. 6B of the first embodiment. Here, an n-
Next, as shown in FIG. 22B, the
The shape of the concave portion R PD , the concave portion R FD and the concave portion R SD is not particularly limited. However, for example, when formed by isotropic etching, a concave portion having a curved cross section as shown in FIG. it can.
凹部RSDを形成する場合、サイドウォール絶縁膜を形成する際に、例えば、外側の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜はドライエッチングで除去する。その後、リセスしない領域をレジストで多い、内側の酸化シリコン膜をドライエッチングで除去し、更にシリコン基板をリセスする。レジストで保護されている酸化シリコン膜はウェットエッチングで除去するという方法が考えられる。 When forming the recess RSD , when forming the sidewall insulating film, for example, the outer silicon oxide film and silicon nitride film are removed by dry etching. Thereafter, the non-recessed region is mostly made of resist, the inner silicon oxide film is removed by dry etching, and the silicon substrate is further recessed. A method of removing the silicon oxide film protected by the resist by wet etching is conceivable.
次に、図23(a)に示すように、半導体基板10の表面の自然酸化膜を除去する為、DHF処理を行う。このとき、第3サイドウォール絶縁膜(32a,32b)及び第3絶縁膜32cも同時に除去される。
Next, as shown in FIG. 23A, DHF treatment is performed to remove the natural oxide film on the surface of the
次に、図23(b)に示すように、上記のDHF洗浄の直後に、エピタキシャル成長により凹部RPD、凹部RFD及び凹部RSDに埋め込まれた埋め込み層(24h,24i,24j)を形成する。
埋め込み層24gは、凹部RPD、凹部RFD及び凹部RSD内の部分は通常のエピタキシャル成長により形成し、半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分は、ファセット面を有するようにエピタキシャル成長により形成する。
上記のエピタキシャル成長は、条件によってファセット面の角度を変化させたり、複数の面方位を形成する事ができる。
例えば、Si1−xGex(0<x<1)からなる埋め込み層24gを形成する場合、成長温度:750℃、圧力:10Torr、ガス:SiH2Cl2(100sccm)、HCL(25sccm)、GeH4(50〜100sccm)、ホウ素濃度:B2H6を用いて140sccmとして形成する。また、例えば400℃程度の低温プロセスで形成することが可能となっている。
以降の工程は、実質的に第1実施形態と同様の工程により製造することができる。
以上で、図22に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 23 (b), immediately after the above DHF cleaning, to form recesses R PD by epitaxial growth, the buried layer embedded in the recess R FD and recess R SD of (24h, 24i, 24j) .
The buried
The epitaxial growth described above can change the angle of the facet plane depending on conditions, and can form a plurality of plane orientations.
For example, when forming the buried
Subsequent steps can be manufactured by substantially the same steps as in the first embodiment.
With the above, a solid-state imaging device having the configuration shown in FIG. 22 can be manufactured.
上記の後、必要に応じて、通常用いられている方法により、配線や導波路、オンチップレンズ及びカラーフィルタなどを形成する。 After the above, wirings, waveguides, on-chip lenses, color filters, and the like are formed as necessary by a commonly used method.
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film. Deterioration can be avoided.
また、本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、上記のようにシリコンよりバンドギャップが小さい材料が用いられており、感度が大幅に改善される。
また、フォトダイオード領域に凹部(リセス)を形成することで、埋め込み層としての膜厚を確保しながら、半導体基板10の表面に対する凸状の形状の部分の高さを抑制することが可能となる。このため、凸状の形状による凹凸に起因する段差を抑制できるので平坦化に必要となる絶縁膜全体の厚さを抑制することができ、フォトダイオードの感度などの特性向上を実現できる。
光吸収係数の高い材料を用いることで、凹部の深さを低減することができる。例えば、光吸収係数が一桁改善された場合、凹部の深さを一桁小さくできる。
Moreover, the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment uses a material having a band gap smaller than that of silicon as described above, and the sensitivity is greatly improved.
In addition, by forming a recess in the photodiode region, it is possible to suppress the height of the convex portion with respect to the surface of the
By using a material having a high light absorption coefficient, the depth of the recess can be reduced. For example, when the light absorption coefficient is improved by an order of magnitude, the depth of the recess can be reduced by an order of magnitude.
本実施形態においては、青画素、緑画素及び赤画素を有する固体撮像装置の全画素におけるフォトダイオード領域に凹部(リセス)が形成され、埋め込み層が埋め込まれた構成としているが、これに限らず、一部の画素のフォトダイオードに適用できる。
また、画素が感光波長領域の異なる複数の画素を含み、少なくともより長波長の感光波長領域の画素において、上記の構成を好ましく適用することができる。例えば、長波長側の画素と短波長側の画素の2種類の画素を有する固体撮像装置において、長波長側の画素に好ましく適用できる。また、長波長側の画素と短波長側の画素の両者に適用できる。
In the present embodiment, recesses (recesses) are formed in the photodiode regions in all the pixels of the solid-state imaging device having blue pixels, green pixels, and red pixels, and the embedded layer is embedded. However, the present invention is not limited to this. It can be applied to photodiodes of some pixels.
In addition, the above configuration can be preferably applied to at least a pixel in a photosensitive wavelength region having a longer wavelength, where the pixel includes a plurality of pixels having different photosensitive wavelength regions. For example, in a solid-state imaging device having two types of pixels, a long wavelength side pixel and a short wavelength side pixel, it can be preferably applied to a long wavelength side pixel. Further, the present invention can be applied to both a long wavelength side pixel and a short wavelength side pixel.
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth that constitutes the photodiode is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film. Deterioration can be avoided.
また、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長による半導体層を転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜から離間して形成するので、半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。 In addition, since the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the floating diffusion is formed apart from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film, the photoelectric conversion efficiency is lowered due to the increase in parasitic capacitance between the semiconductor layer and the transfer gate electrode. Can be suppressed.
上記のロジック領域ALGに形成されているMOSトランジスタのソースドレイン領域は、図22に示すように、端部においてはある程度の深さまで達するが、中央領域のほとんどにおいて、比較的浅い拡散層から形成されている。
上記構造のソースドレインを有することは、MOSトランジスタの微細化に伴う短チャネル効果の抑制などに効果がある。
また、画像処理をする周辺回路のMOSFETにSi1−xGex(0<x<1)をエピタキシャル成長させることにより、そのMOSFETの駆動電流を増加させることにより、周辺回路特性を改善し、画像処理能力を向上させることができる。また、周辺回路の面積を削減することができる。
As shown in FIG. 22, the source / drain region of the MOS transistor formed in the logic region ALG reaches a certain depth at the end, but is formed from a relatively shallow diffusion layer in most of the central region. Has been.
Having the source / drain of the above structure is effective in suppressing the short channel effect accompanying the miniaturization of the MOS transistor.
In addition, Si 1-x Ge x (0 <x <1) is epitaxially grown on the MOSFET of the peripheral circuit that performs image processing to increase the drive current of the MOSFET, thereby improving the peripheral circuit characteristics and image processing. Ability can be improved. In addition, the area of the peripheral circuit can be reduced.
<第6実施形態>
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置の受光面における平面図は、第1実施形態に係る図1の平面図と実質的に同様である。
図24は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSイメージセンサの模式断面図である。
図面上、画素領域の周辺回路などを構成するロジック領域ALGを示す。画素領域は、フォトダイオード領域APD、転送ゲート電極領域ATG及びフローティングディフュージョン領域AFDを示す。
半導体基板としてGe基板10aが用いられ、フローティングディフュージョン領域AFD及びロジック領域ALGに凹部が形成されてエピタキシャル成長されたシリコン層10bが形成されてなる半導体基板が用いられている。
上記を除いて、実質的に第3実施形態の固体撮像装置と同様である。但し、フォトダイオード領域APDはGe基板が用いられており、第3実施形態における第1半導体層は、Ge基板10a中のGe層となる。
<Sixth Embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
The plan view of the light receiving surface of the solid-state imaging device according to the present embodiment is substantially the same as the plan view of FIG. 1 according to the first embodiment.
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device according to this embodiment, in which a plurality of pixels are integrated.
In the drawing, a logic region A LG constituting a peripheral circuit of the pixel region is shown. The pixel region indicates a photodiode region A PD , a transfer gate electrode region A TG and a floating diffusion region A FD .
Except for the above, it is substantially the same as the solid-state imaging device of the third embodiment. However, a Ge substrate is used for the photodiode region APD , and the first semiconductor layer in the third embodiment is a Ge layer in the
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長による半導体層が転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, the semiconductor layer formed by epitaxial growth constituting the photodiode is formed away from the transfer gate electrode and the sidewall insulating film formed on the sidewall thereof, and crystal defects are generated in the semiconductor layer. It is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to.
また、第4半導体層24eが転送ゲート電極22a並びにその側壁に形成されているサイドウォール絶縁膜(30a,31a)から離間して形成されている。
これは、例えば第4半導体層24eがファセットエピタキシャル成長により形成された層であることによる。第2半導体層24dは、上記の半導体基板10の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板10から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する。
The
This is because, for example, the
従来技術では、フローティングディフュージョン領域上にエピタキシャル成長で形成されたシリコン層がサイドウォール絶縁膜を介して転送ゲート電極に近接する構成となる。
従って、シリコン層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなってしまい、光電変換効率が低下するといった問題も生じる。
In the prior art, the silicon layer formed by epitaxial growth on the floating diffusion region is configured to be close to the transfer gate electrode through the sidewall insulating film.
Therefore, the parasitic capacitance between the silicon layer and the transfer gate electrode is increased, which causes a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered.
本実施形態では、フローティングディフュージョン上の第4半導体層24eが転送ゲート電極及びその側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜から離間して形成されている。半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量が大きくなって生じる光電変換効率の低下を抑制できる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態の固体撮像装置は、上記のようにフォトダイオード領域においてGe基板が用いられている。Geはシリコンよりバンドギャップが小さく、赤色から赤外領域の光に対する感度が大幅に改善される。 Further, in the solid-state imaging device of the present embodiment, the Ge substrate is used in the photodiode region as described above. Ge has a smaller band gap than silicon and greatly improves the sensitivity to light in the red to infrared region.
転送ゲート領域ATG、フローティングディフュージョン領域AFD、ロジック領域ALGについては第3実施形態と同様である。 The transfer gate region A TG , the floating diffusion region A FD , and the logic region A LG are the same as in the third embodiment.
上記のようにして、MOSトランジスタが構成されており、これらを含む周辺回路を構成するロジック領域が形成されている。
上記においてはNMOSトランジスタについて示したがこれに限らず、PMOSトランジスタに適用可能であり、また、NMOSとPMOSの両者に適用可能である。
第5半導体層24fとして、Si1−xGex(0<x<1)などが用いられた場合、PMOSトランジスタにおいては埋め込み層24jによりチャネル形成領域に印加される応力により、トランジスタの特性向上が大きい。このため、ロジック回路における画像処理能力が向上し、また、ロジック回路の面積削減を実現できる。
As described above, MOS transistors are configured, and a logic region that forms a peripheral circuit including these is formed.
In the above description, the NMOS transistor has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a PMOS transistor.
When Si 1-x Ge x (0 <x <1) or the like is used as the
[固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図25〜26を参照して説明する。
まず、図25(a)に示す構成までは、第1実施形態の図4(a)に示す工程までと同様にして行う。但し、半導体基板としてはGe基板10aを用いる。
[Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the process up to the configuration shown in FIG. 25A is performed in the same manner as the process shown in FIG. However, the
次に、図25(b)に示すように、フォトダイオード領域APDを保護する窒化シリコン膜40をパターン形成する。
Next, as shown in FIG. 25B, a
次に、図25(c)に示すように、窒化シリコン膜をマスクとしてGe基板10aの表面からエッチング除去し、フローティングディフュージョン領域AFD及びロジック領域ALGに凹部10tを形成する。
Next, as shown in FIG. 25 (c), a silicon nitride film is removed by etching from the surface of the
次に、図26(a)に示すように、凹部10tにエピタキシャル成長によりシリコン層10bを形成する。
Next, as shown in FIG. 26A, a
次に、図26(b)に示すように、上面からスクリーン絶縁膜20が除去され、素子分離絶縁膜(11,12)Gが露出するまでCMP(Chemical Mechanical Polishing)などで研磨する。
以上により、Ge基板10のフローティングディフュージョン領域AFD及びロジック領域ALGに凹部が形成されてエピタキシャル成長されたシリコン層10bが形成されてなる半導体基板が形成できる。
以降は、上記の半導体基板を用いて、第3実施形態と同様にして、本実施形態の固体撮像装置を製造できる。
Next, as shown in FIG. 26B, the
Thus, the floating diffusion region A FD and the semiconductor substrate logic region A recess is formed in the LG epitaxial grown
Thereafter, the solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured using the semiconductor substrate in the same manner as in the third embodiment.
<第2変形例>
図27(a)〜図27(d)は本発明の第2変形例に係る模式図である。
第3〜第6実施形態において、半導体基板10に対して凸状の形状を有する部分の層としてSi1−xGex(0<x<1)を用いる場合、層内において組成が連続的に変化する層を用いることができる。
例えば、図27(a)は第3実施形態の第2半導体層24dの模式図である。第2半導体層24dがSi1−xGex(0<x<1)で構成される場合、縦軸にx、横軸に図27(a)中のyにおける断面の位置をとったときに、図27(b)に示される組成が連続的に変化する層とすることができる。即ち、基板側でSi濃度が高く、基板から離れるほどGe濃度が高くなる組成である。この場合、シリコン基板に対する結晶格子の不整合による影響が小さくなり、得られるSiGe層に生じる結晶欠陥を抑制できる。また、容易にGe濃度を高めることができ、光吸収係数を高めることができる。
<Second Modification>
FIG. 27A to FIG. 27D are schematic views according to a second modification of the present invention.
In the third to sixth embodiments, when Si 1-x Ge x (0 <x <1) is used as a layer having a convex shape with respect to the
For example, FIG. 27A is a schematic diagram of the
例えば、図27(c)は第4実施形態の埋め込み層24gの模式図である。埋め込み層24gがSi1−xGex(0<x<1)で構成される場合、縦軸にx、横軸に図27(c)中のyにおける断面の位置をとったときに、図27(d)に示される組成が連続的に変化する層とすることができる。即ち、凹部の底部側でSi濃度が高く、凹部の底部から離れるほどGe濃度が高くなる組成である。この場合、シリコン基板に対する結晶格子の不整合による影響が小さくなり、得られるSiGe層に生じる結晶欠陥を抑制できる。また、容易にGe濃度を高めることができ、光吸収係数を高めることができる。
For example, FIG. 27C is a schematic diagram of the buried
<第7実施形態>
[光導波路を有する固体撮像装置の構成]
図28は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSセンサの模式断面図であり、画素領域を示している。
<Seventh embodiment>
[Configuration of Solid-State Imaging Device Having Optical Waveguide]
FIG. 28 is a schematic cross-sectional view of a CMOS sensor, which is a solid-state imaging device according to the present embodiment, in which a plurality of pixels are integrated, and shows a pixel region.
例えば、受光面となる画素領域において、半導体基板のpウェル領域110に、画素ごとにn型の第1半導体層111が形成されている。
n型の第1半導体層111上に半導体基板に対して凸状に、半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有するn型の第2半導体層112aが形成されている。n型の第2半導体層112aは、ファセットエピタキシャル成長により形成された層である。
n型の第2半導体層112aの表面にp型の第3半導体層112bが形成されている。
上記のようにして、HAD構造のフォトダイオードPDが構成されている。
さらに、フォトダイオードPDに隣接して半導体基板上にゲート絶縁膜113及びゲート電極114が形成されている。
ここで、n型の第2半導体層112a及びp型の第3半導体層112bは、転送ゲート電極から離間して形成されている。
For example, in the pixel region serving as the light receiving surface, the n-type
An n-type second semiconductor layer having a shape that protrudes on the n-type
A p-type third semiconductor layer 112b is formed on the surface of the n-type
As described above, the photodiode PD having the HAD structure is configured.
Further, a
Here, the n-type
例えば、上記の半導体基板には、フローティングディフュージョンやCCD電荷転送路など、フォトダイオードPDに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されている。ゲート電極114への電圧の印加によって信号電荷が転送されるように構成されている。
For example, a signal reading unit that reads a signal charge generated or accumulated in the photodiode PD or a voltage corresponding to the signal charge, such as a floating diffusion and a CCD charge transfer path, is formed on the semiconductor substrate. The signal charges are transferred by applying a voltage to the
また、フォトダイオードPDを被覆して、半導体基板上に以下の構成の絶縁膜が積層して構成されている。例えば第1絶縁膜115、第2絶縁膜116、第3絶縁膜117、第4絶縁膜121、第5絶縁膜122、第6絶縁膜126、第7絶縁膜127及び第8絶縁膜131は酸化シリコンからなる。例えば第1拡散防止膜120及び第2拡散防止膜125は炭化シリコンからなる。例えば第3拡散防止膜130は窒化シリコンからなる。
The photodiode PD is covered and an insulating film having the following configuration is laminated on the semiconductor substrate. For example, the first insulating
上記の第3絶縁膜117には配線用溝117tが形成され、例えばダマシンプロセスで形成された、タンタル/窒化タンタルからなるバリアメタル層118と銅からなる導電層119からなる第1配線層が埋め込まれている。
第5絶縁膜122においても同様に、配線用溝122tにバリアメタル層123と導電層124からなる第2配線層が形成され、第7絶縁膜127には配線用溝127tが形成され、バリアメタル層128と導電層129からなる第3配線層が形成されている。上記の第1〜第3拡散防止膜は、導電層(119,124,129)を構成する銅の拡散を防止するための膜である。
上記のようにして、上記の積層された絶縁膜中に配線層が埋め込まれている。上記の第1〜第3配線は、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスによる、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造であってもよい。
A
Similarly, in the fifth insulating
As described above, the wiring layer is embedded in the laminated insulating film. Each of the first to third wirings may be a wiring structure formed integrally with a contact portion in an opening from the bottom surface of the wiring groove to the lower layer wiring, for example, by a dual damascene process.
ここで、例えば、フォトダイオードPDの上方部分において、上記のように積層して形成された第4〜第9絶縁膜及び第1〜第3拡散防止膜に対して凹部Hが形成されている。
上記のように、フォトダイオードPD上に積層された絶縁膜が、配線層の拡散防止膜を含んで構成されており、例えば最下層の拡散防止膜である第1拡散防止膜120が凹部Hの底面を構成している。
Here, for example, in the upper portion of the photodiode PD, a recess H is formed with respect to the fourth to ninth insulating films and the first to third diffusion prevention films formed by stacking as described above.
As described above, the insulating film laminated on the photodiode PD is configured to include the diffusion prevention film of the wiring layer. For example, the first
上記の凹部Hは、フォトダイオードの面積や画素サイズ、プロセスルールなどにもよるが、例えば開口直径が0.8μm程度であり、アスペクト比は1〜2程度もしくはそれ以上である。
また、例えば、凹部Hの内側の壁面は基板の主面に垂直な面となっており、さらに、凹部Hの縁部として第9絶縁膜133の部分において上方ほど広がる順テーパー状の開口形状133aとなっている。
The concave portion H has an opening diameter of about 0.8 μm and an aspect ratio of about 1 to 2 or more, for example, depending on the area of the photodiode, the pixel size, process rules, and the like.
In addition, for example, the inner wall surface of the recess H is a surface perpendicular to the main surface of the substrate, and the forward tapered
上記の凹部Hの内壁を被覆して酸化シリコン(屈折率1.45)よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜136が形成されている。パッシベーション膜136は、例えば窒化シリコン(屈折率2.0)などからなり、0.5μm程度の膜厚である。
例えば、開口部の縁部で順テーパー形状となっているが、堆積時の異方性により開口縁部で厚く堆積し、凹部H底部近くで薄くなるようなプロファイルである。
A
For example, it has a forward taper shape at the edge of the opening, but the profile is thick at the opening edge due to anisotropy at the time of deposition and thin near the bottom of the recess H.
また、例えば、パッシベーション膜136の上層において凹部Hに埋め込まれて、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層137が形成されている。埋め込み層137は凹部H内を埋め込んでおり、凹部Hの外部での膜厚が0.5μm程度となっている。
埋め込み層137は、例えばシロキサン系樹脂(屈折率1.7)、あるいはポリイミドなどの高屈折率樹脂で構成され、シロキサン系樹脂が特に好ましい。
さらに、上記の樹脂中に例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子が含有されており、屈折率が高められている。
Further, for example, an embedded
The buried
Further, the above resin contains metal oxide fine particles such as titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, hafnium oxide, and the refractive index is increased. .
上記の埋め込み層137の上層に、例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層138が形成されている。その上層に、例えば青(B)、緑(G)、赤(R)の各色のカラーフィルタ(139a,139b,139c)が画素毎に形成されている。その上層に、マイクロレンズ140が形成されている。
A
本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードを構成するエピタキシャル成長によるn型半導体層112aが転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜などから離間されており、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。
In the solid-state imaging device according to this embodiment, the n-
また、フローティングディフュージョンを構成するエピタキシャル成長によるn型半導体層112aが転送ゲート電極及びサイドウォール絶縁膜などから離間されており、半導体層と転送ゲート電極との間の寄生容量の増大を抑制できる。
Further, the n-
図28は、第1実施形態に適用した場合を示しているが、第1〜第6実施形態にそれぞれ適用できる。 FIG. 28 shows a case where the present invention is applied to the first embodiment, but can be applied to the first to sixth embodiments.
<第8実施形態>
図29は、本実施形態に係るカメラの概略構成図である。
複数の画素が集積されてなる固体撮像装置50、光学系51、信号処理回路53を備えている。
本実施形態において、上記の固体撮像装置50は、上記の第1実施形態〜第6実施形態のいずれかに係る固体撮像装置が組み込まれてなる。
<Eighth Embodiment>
FIG. 29 is a schematic configuration diagram of a camera according to the present embodiment.
A solid-
In the present embodiment, the solid-
光学系51は被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置50の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置50の撮像面上の各画素を構成するフォトダイオードにおいて入射光量に応じて信号電荷に変換され、一定期間、該当する信号電荷が蓄積される。
蓄積された信号電荷は、例えばCCD電荷転送路を経て、出力信号Voutとして取り出される。
信号処理回路53は、固体撮像装置50の出力信号Voutに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。
上記の本実施形態に係るカメラによれば、斜め入射光の集光率低下及び感度低下を招かずに、色シェーディング特性や分光特性を改善でき、さらにマイクロレンズを簡便な方法、工程で形成することが可能である。
The
The accumulated signal charge is taken out as an output signal Vout through, for example, a CCD charge transfer path.
The
According to the camera of the present embodiment, color shading characteristics and spectral characteristics can be improved without causing a decrease in light collection rate and sensitivity of oblique incident light, and a microlens is formed by a simple method and process. It is possible.
上記の各実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法によれば、さらに以下の効果を得ることができる。
1.フォトダイオード領域がシリコン層のみで形成されている場合、赤色から赤外領域の感度が良くないという問題が生じるが、本実施形態により改善できる。
2.多画素化により、画像処理の高速化が求められているが、現在のMOSFETの駆動電流では、対応できないという問題が生じるが、本実施形態により改善できる。
3.チップサイズ縮小によるコスト削減が求められているが、画素数を維持させる場合、画像処理を行う周辺回路の面積縮小を行うしか無く、現状のMOSFET特性の場合、単純に処理能力が低下してしまうという問題が生じる。しかし、本実施形態の固体撮像装置により改善できる。
According to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to each of the above embodiments, the following effects can be further obtained.
1. When the photodiode region is formed of only the silicon layer, there is a problem that the sensitivity from the red region to the infrared region is not good, but this embodiment can be improved.
2. The increase in the number of pixels is demanded to increase the speed of image processing. However, there is a problem that the current drive current of the MOSFET cannot cope with the problem, but this embodiment can be improved.
3. Cost reduction by chip size reduction is required, but in order to maintain the number of pixels, there is no choice but to reduce the area of the peripheral circuit that performs image processing, and in the case of current MOSFET characteristics, the processing capability is simply reduced. The problem arises. However, it can be improved by the solid-state imaging device of the present embodiment.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはCMOSセンサとCCD素子のいずれにも適用できる。
CCD素子に適用する場合には、フォトダイオード領域となる半導体基板の表面に、転送ゲート電極および遮光膜などから離間して、半導体基板に対して凸状に半導体層を形成する。半導体層は、半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状とする。これにより、半導体層に結晶欠陥が生じることによる画素特性の悪化を回避できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, in the embodiment, the present invention can be applied to both a CMOS sensor and a CCD element.
When applied to a CCD element, a semiconductor layer is formed on the surface of a semiconductor substrate to be a photodiode region, away from a transfer gate electrode, a light shielding film, and the like, in a convex shape with respect to the semiconductor substrate. The semiconductor layer has a shape in which the area of a cross section in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. Thereby, it is possible to avoid deterioration of pixel characteristics due to crystal defects in the semiconductor layer.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
10…半導体基板、11,12…素子分離絶縁膜、13…第1半導体層、14…フローティングディフュージョン、15…p+型半導体層、16…エクステンション領域、17…ソースドレイン領域、20…スクリーン絶縁膜、21a,21b…ゲート絶縁膜、22a…転送ゲート電極、22b…ゲート電極、23a,23b…窒化シリコン膜、24a…第2半導体層、24b…第4半導体層、24c…第5半導体層、25…第3半導体層、26,27…高融点金属シリサイド層、28a,28b,28c,28d…プラグ、29a,29b,29c,29d…上層配線、30a,30b…第1サイドウォール絶縁膜、30c…第1絶縁膜、31a,31b…第2サイドウォール絶縁膜、31c…第2絶縁膜、32a,32b…第3サイドウォール絶縁膜、32c…第3絶縁膜、33…レジスト膜、34…第1層間絶縁膜、35…第2層間絶縁膜、36…第3層間絶縁膜、37…第1層間絶縁膜、38…第2層間絶縁膜、39…第3層間絶縁膜、40…第4層間絶縁膜、50…固体撮像装置、51…光学系、53…信号処理回路、110…pウェル領域(半導体基板)、111…n型電荷蓄積層、112…p+型表面層、113…ゲート絶縁膜、114…ゲート電極、115…第1絶縁膜、116…第2絶縁膜、117…第3絶縁膜、117t…配線用溝、118…バリアメタル層、119…導電層、120…第1拡散防止膜、121…第4絶縁膜、122…第5絶縁膜、122t…配線用溝、123…バリアメタル層、124…導電層、125…第2拡散防止膜、126…第6絶縁膜、127…第7絶縁膜、127t…配線用溝、128…バリアメタル層、129…導電層、130…第3拡散防止膜、131…第8絶縁膜、133…第9絶縁膜、133a…開口形状、134…レジスト膜、135…レジスト膜、136…パッシベーション膜、137…埋め込み層、138…平坦化樹脂層、139a,139b,139c…カラーフィルタ、140…マイクロレンズ、ALG…ロジック、APD…フォトダイオード領域、ATG…転送ゲート電極領域、AFD…フローティングディフュージョン領域、PD,PD1〜PD4…フォトダイオード、TG1〜TG4…転送ゲート電極、FD,FD1,FD2…フローティングディフュージョン、L…光、H…凹部
DESCRIPTION OF
Claims (29)
前記フォトダイオードに隣接する領域の前記半導体基板上に形成された転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の前記フォトダイオードとは反対側における前記半導体基板中に形成されたフローティングディフュージョンとを有し、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部と
を有し、
前記第2半導体層及び前記第3半導体層が前記転送ゲート電極から離間して形成されている
固体撮像装置。 A first conductive type first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and a first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate in a photodiode region divided for each of the pixels on a light receiving surface formed by integrating a plurality of pixels of the semiconductor substrate; A first conductive type second semiconductor layer formed in a convex shape with respect to the semiconductor substrate and having a shape in which a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate becomes smaller from the semiconductor substrate; A photodiode having a second semiconductor layer of a second conductivity type formed on a surface of the second semiconductor layer;
A transfer gate electrode formed on the semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode, and a floating diffusion formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode from the photodiode, A signal reading unit that reads a signal charge generated and accumulated in a photodiode or a voltage corresponding to the signal charge, and
The solid-state imaging device, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
前記第2半導体層及び前記第3半導体層が前記サイドウォール絶縁膜から離間して形成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 Side wall insulating films are formed on both sides of the transfer gate electrode,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the sidewall insulating film.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is a layer formed by facet epitaxial growth.
前記第4半導体層が前記転送ゲート電極から離間して形成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 A fourth first conductivity type formed on the floating diffusion so as to be convex with respect to the semiconductor substrate, and having a shape in which a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. A semiconductor layer is formed,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer is formed apart from the transfer gate electrode.
前記第4半導体層が前記サイドウォール絶縁膜から離間して形成されている
請求項4に記載の固体撮像装置。 Side wall insulating films are formed on both sides of the transfer gate electrode,
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the fourth semiconductor layer is formed to be separated from the sidewall insulating film.
請求項4に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the fourth semiconductor layer is a layer formed by facet epitaxial growth.
請求項1に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, and the photodiode is a photodiode having a HAD (hole accumulated diode) structure.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a logic region including a transistor is formed in a region different from the light receiving surface of the semiconductor substrate.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer in at least some of the pixels is formed of a material having a band gap smaller than that of silicon.
請求項9に記載の固体撮像装置。 Materials having a band gap smaller than that of silicon are Ge, Si 1-x Ge x (0 <x <1), InGaAs, GaAs, InP, InSb, Cu (In, Ga) Se 2 , Cu (In, Ga) ( The solid-state imaging device according to claim 9, wherein the solid-state imaging device is made of Se, S) 2 or CuInS 2 .
請求項9に記載の固体撮像装置。 The pixel according to claim 9, wherein the pixel includes a plurality of pixels having different photosensitive wavelength regions, and the second semiconductor layer is formed of a material having a smaller band gap than silicon in at least a pixel in the photosensitive wavelength region having a longer wavelength. Solid-state imaging device.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a recess is formed in the photodiode region of the semiconductor substrate, and the first semiconductor layer is embedded in the recess.
請求項12に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 12, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are integrally formed.
請求項13に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 13, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in at least some of the pixels are formed of a material having a band gap smaller than that of silicon.
請求項14に記載の固体撮像装置。 Materials having a band gap smaller than that of silicon are Ge, Si 1-x Ge x (0 <x <1), InGaAs, GaAs, InP, InSb, Cu (In, Ga) Se 2 , Cu (In, Ga) ( The solid-state imaging device according to claim 14, wherein the solid-state imaging device is made of Se, S) 2 or CuInS 2 .
請求項14に記載の固体撮像装置。 The pixel includes a plurality of pixels having different photosensitive wavelength regions, and in at least a pixel in the photosensitive wavelength region having a longer wavelength, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are formed of a material having a smaller band gap than silicon. The solid-state imaging device according to claim 14.
前記フォトダイオードと離間した前記半導体基板中にフローティングディフュージョンを形成する工程と、
前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンの間の領域の前記半導体基板上に転送ゲート電極を形成する工程と、
前記第1半導体層上に前記半導体基板に対して凸状に、前記半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が前記半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層とを形成する工程と、
前記第2半導体層の表面に第2導電型の第3半導体層を形成する工程と
を有し、
前記第1半導体層を形成する工程、前記第2半導体層を形成する工程及び前記第3半導体層を形成する工程によりフォトダイオードを形成し、
前記転送ゲート電極を形成する及び前記フローティングディフュージョンを形成する工程により前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成し、
前記第2半導体層を形成する工程及び前記第3半導体層を形成する工程において、前記第2半導体層及び前記第3半導体層を前記転送ゲート電極から離間して形成する
固体撮像装置の製造方法。 Forming a first semiconductor layer of a first conductivity type on the semiconductor substrate in a photodiode region divided for each pixel of the light receiving surface on which a plurality of pixels of the semiconductor substrate are integrated;
Forming a floating diffusion in the semiconductor substrate spaced from the photodiode;
Forming a transfer gate electrode on the semiconductor substrate in a region between the photodiode and the floating diffusion;
A second first conductivity type having a shape that is convex on the first semiconductor layer with respect to the semiconductor substrate, and that the cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. Forming a semiconductor layer;
Forming a second conductive type third semiconductor layer on the surface of the second semiconductor layer,
Forming a photodiode by a step of forming the first semiconductor layer, a step of forming the second semiconductor layer, and a step of forming the third semiconductor layer;
Forming a signal reading unit that reads a signal charge generated or accumulated in the photodiode or a voltage corresponding to the signal charge by forming the transfer gate electrode and forming the floating diffusion;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode in the step of forming the second semiconductor layer and the step of forming the third semiconductor layer.
前記第2半導体層を形成する工程及び前記第3半導体層を形成する工程において、前記第2半導体層及び前記第3半導体層を前記サイドウォール絶縁膜から離間して形成する
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 Further comprising a step of forming sidewall insulating films on both sides of the transfer gate electrode;
18. The step of forming the second semiconductor layer and the step of forming the third semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed separately from the sidewall insulating film. Manufacturing method of solid-state imaging device.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, wherein the second semiconductor layer is formed by facet epitaxial growth in the step of forming the second semiconductor layer.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, wherein the third semiconductor layer is formed by in-situ epitaxial growth in the step of forming the third semiconductor layer.
前記第4半導体層と形成する工程において、前記第4半導体層を前記転送ゲート電極から離間して形成する
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 A fourth semiconductor layer of a first conductivity type having a shape that is convex with respect to the semiconductor substrate on the floating diffusion and has a shape in which a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate decreases as the distance from the semiconductor substrate increases. Further comprising the step of forming
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, wherein in the step of forming with the fourth semiconductor layer, the fourth semiconductor layer is formed apart from the transfer gate electrode.
前記第4半導体層を形成する工程において、前記第4半導体層を前記サイドウォール絶縁膜から離間して形成する
請求項21に記載の固体撮像装置の製造方法。 Further comprising a step of forming sidewall insulating films on both sides of the transfer gate electrode;
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 21, wherein in the step of forming the fourth semiconductor layer, the fourth semiconductor layer is formed apart from the sidewall insulating film.
請求項21に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 21, wherein the fourth semiconductor layer is formed by facet epitaxial growth in the step of forming the fourth semiconductor layer.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 18. The solid-state imaging device according to claim 17, wherein the first conductivity type is an n-type, the second conductivity type is a p-type, and a photodiode having a hole accumulated diode (HAD) structure is formed as the photodiode. Method.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, further comprising a step of forming a logic region including a transistor in a region different from the light receiving surface of the semiconductor substrate.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, wherein in the step of forming the second semiconductor layer, the second semiconductor layer in at least some of the pixels is formed of a material having a band gap smaller than that of silicon.
請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。 The step of forming the first semiconductor layer includes a step of forming a recess in the photodiode region of the semiconductor substrate, and a step of forming the first semiconductor layer by embedding the recess in the recess. Manufacturing method of solid-state imaging device.
請求項27に記載の固体撮像装置の製造方法。 28. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 27, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are integrally formed in the step of forming the first semiconductor layer and the step of forming the second semiconductor layer.
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板の複数の画素が集積されてなる受光面の前記画素ごとに区分されたフォトダイオード領域において、前記半導体基板に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に前記半導体基板に対して凸状に形成され、前記半導体基板の表面と平行な面における断面の面積が前記半導体基板から遠くなるにつれて小さくなる形状を有する第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面に形成された第2導電型の第3半導体層とを有するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに隣接する領域の前記半導体基板上に形成された転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の前記フォトダイオードとは反対側における前記半導体基板中に形成されたフローティングディフュージョンとを有し、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部と
を有し、
前記第2半導体層及び前記第3半導体層が前記転送ゲート電極から離間して形成されている
カメラ。 A solid-state imaging device in which a plurality of pixels are integrated on a light receiving surface;
An optical system for guiding incident light to the imaging unit of the solid-state imaging device;
A signal processing circuit for processing an output signal of the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device
A first conductive type first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and a first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate in a photodiode region divided for each of the pixels on a light receiving surface formed by integrating a plurality of pixels of the semiconductor substrate; A first conductive type second semiconductor layer formed in a convex shape with respect to the semiconductor substrate and having a shape in which a cross-sectional area in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate becomes smaller from the semiconductor substrate; A photodiode having a second semiconductor layer of a second conductivity type formed on a surface of the second semiconductor layer;
A transfer gate electrode formed on the semiconductor substrate in a region adjacent to the photodiode, and a floating diffusion formed in the semiconductor substrate on the opposite side of the transfer gate electrode from the photodiode, A signal reading unit that reads a signal charge generated and accumulated in a photodiode or a voltage corresponding to the signal charge, and
The camera in which the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed apart from the transfer gate electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010270334A JP2011155248A (en) | 2009-12-28 | 2010-12-03 | Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009298450 | 2009-12-28 | ||
JP2009298450 | 2009-12-28 | ||
JP2010270334A JP2011155248A (en) | 2009-12-28 | 2010-12-03 | Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011155248A true JP2011155248A (en) | 2011-08-11 |
Family
ID=44540972
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010270334A Pending JP2011155248A (en) | 2009-12-28 | 2010-12-03 | Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011155248A (en) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013115100A (en) * | 2011-11-25 | 2013-06-10 | Toshiba Corp | Solid state image pickup device |
JP2013182892A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Toshiba Corp | Image sensor and method of manufacturing the same |
JP2013182893A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Toshiba Corp | Image sensor and method of manufacturing the same |
US20140077271A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
WO2014199509A1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-12-18 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Imaging device production method and imaging device |
US9006634B2 (en) | 2012-08-21 | 2015-04-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid state imaging device having a photoelectric conversion layer with plural silicon germanium layers, and method of manufacturing |
US9257464B2 (en) | 2012-04-04 | 2016-02-09 | Sony Corporation | Solid-state image device, method of fabricating the same, and electronic apparatus |
JP2017220673A (en) * | 2017-07-24 | 2017-12-14 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Imaging device manufacturing method and imaging device |
US9899434B1 (en) | 2016-08-26 | 2018-02-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light-receiving device having avalanche photodiodes of different types |
JP2018101804A (en) * | 2018-03-08 | 2018-06-28 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Method for manufacturing imaging device, and imaging device |
CN108695353A (en) * | 2017-04-12 | 2018-10-23 | 三星电子株式会社 | Imaging sensor |
WO2021215066A1 (en) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light detector and electronic instrument |
US11984526B2 (en) | 2019-12-12 | 2024-05-14 | Brolis Sensor Technology, Uab | Optical device having an out-of-plane arrangement for light emission and detection |
-
2010
- 2010-12-03 JP JP2010270334A patent/JP2011155248A/en active Pending
Cited By (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013115100A (en) * | 2011-11-25 | 2013-06-10 | Toshiba Corp | Solid state image pickup device |
JP2013182892A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Toshiba Corp | Image sensor and method of manufacturing the same |
JP2013182893A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Toshiba Corp | Image sensor and method of manufacturing the same |
US9281328B2 (en) | 2012-02-29 | 2016-03-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Image sensor that includes a boundary region formed between a logic circuit region and an image-sensing element region and manufacturing method thereof |
US9484382B2 (en) | 2012-02-29 | 2016-11-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Image sensor and manufacturing method thereof |
US9059060B2 (en) | 2012-02-29 | 2015-06-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Image sensor including an image-sensing element region and logic circuit region and manufacturing method thereof |
US9257464B2 (en) | 2012-04-04 | 2016-02-09 | Sony Corporation | Solid-state image device, method of fabricating the same, and electronic apparatus |
US9006634B2 (en) | 2012-08-21 | 2015-04-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid state imaging device having a photoelectric conversion layer with plural silicon germanium layers, and method of manufacturing |
US20140077271A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
US20150333092A1 (en) * | 2012-09-14 | 2015-11-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
US9123834B2 (en) | 2012-09-14 | 2015-09-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
US9318520B2 (en) | 2012-09-14 | 2016-04-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
CN103681705A (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-26 | 株式会社东芝 | Solid-state image sensing device manufacturing method and solid-state image sensing device |
CN105378927A (en) * | 2013-06-14 | 2016-03-02 | 瑞萨电子株式会社 | Imaging device production method and imaging device |
CN105378927B (en) * | 2013-06-14 | 2019-05-28 | 瑞萨电子株式会社 | The manufacturing method and photographic device of photographic device |
WO2014199509A1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-12-18 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Imaging device production method and imaging device |
JPWO2014199509A1 (en) * | 2013-06-14 | 2017-02-23 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Manufacturing method of imaging apparatus |
US9698187B2 (en) | 2013-06-14 | 2017-07-04 | Renesas Electronics Corporation | Method for manufacturing imaging apparatus, and imaging apparatus |
KR102120666B1 (en) * | 2013-06-14 | 2020-06-09 | 르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤 | Imaging device production method and imaging device |
US9887220B2 (en) | 2013-06-14 | 2018-02-06 | Renesas Elctronics Corporation | Method for manufacturing imaging apparatus, and imaging apparatus |
KR20160021440A (en) * | 2013-06-14 | 2016-02-25 | 르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤 | Imaging device production method and imaging device |
US9899434B1 (en) | 2016-08-26 | 2018-02-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light-receiving device having avalanche photodiodes of different types |
CN108695353A (en) * | 2017-04-12 | 2018-10-23 | 三星电子株式会社 | Imaging sensor |
JP2017220673A (en) * | 2017-07-24 | 2017-12-14 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Imaging device manufacturing method and imaging device |
JP2018101804A (en) * | 2018-03-08 | 2018-06-28 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Method for manufacturing imaging device, and imaging device |
US11984526B2 (en) | 2019-12-12 | 2024-05-14 | Brolis Sensor Technology, Uab | Optical device having an out-of-plane arrangement for light emission and detection |
WO2021215066A1 (en) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light detector and electronic instrument |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2011155248A (en) | Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera | |
US7355229B2 (en) | Masked spacer etching for imagers | |
CN103390627B (en) | Solid state image pickup device and video camera | |
US10020338B2 (en) | Backside illuminated image sensor | |
CN101079967B (en) | Solid-state imaging device, method for producing same, and camera | |
US8730361B2 (en) | Photoelectric conversion device and camera with gate-electrode covering film | |
US7999292B2 (en) | Image sensor and manufacturing method thereof | |
JP3723124B2 (en) | Solid-state imaging device | |
US20190355781A1 (en) | Semiconductor structure | |
KR20010093670A (en) | Solid state image sensor and manufacturing method thereof | |
US20100025738A1 (en) | Solid-state imaging device with vertical gate electrode and method of manufacturing the same | |
US20120077301A1 (en) | Image sensor and method of fabricating the same | |
JPWO2010122657A1 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
CN103367375B (en) | Solid camera head and its manufacture method and electronic equipment | |
US7572663B2 (en) | Method for manufacturing CMOS image sensor | |
JP5458135B2 (en) | Manufacturing method of solid-state imaging device | |
CN100438060C (en) | Semiconductor device and method of forming the same | |
JP5600924B2 (en) | Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and camera | |
TW202229937A (en) | Semiconductor image sensor | |
JP4398917B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
JP2012094714A (en) | Solid-state imaging device and method of manufacturing the same | |
JP5442085B2 (en) | Solid-state image sensor | |
JP5240146B2 (en) | Solid-state image sensor | |
JP4768889B1 (en) | Image pickup device and manufacturing method thereof | |
US12191336B2 (en) | Image sensor having a gate dielectric structure for improved device scaling |