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JP2009111118A - Back-illuminated solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents

Back-illuminated solid-state imaging device and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2009111118A
JP2009111118A JP2007281328A JP2007281328A JP2009111118A JP 2009111118 A JP2009111118 A JP 2009111118A JP 2007281328 A JP2007281328 A JP 2007281328A JP 2007281328 A JP2007281328 A JP 2007281328A JP 2009111118 A JP2009111118 A JP 2009111118A
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JP
Japan
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pixel isolation
layer
isolation region
forming
epitaxial growth
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Application number
JP2007281328A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuki Uranishi
泰樹 浦西
Yasuo Otsuki
康夫 大槻
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】光電変換領域間での信号電荷の分離を確実に実現することができ、かつ高感度の裏面照射型撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板内に不純物を導入することより第1の画素分離領域を形成する工程と、前記半導体基板表面に、第1のエピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域に当接するように第2の画素分離領域を形成する工程と、前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部および周辺回路部を形成する工程とを含む。
【選択図】図1
Provided is a back-illuminated imaging device capable of reliably realizing signal charge separation between photoelectric conversion regions and having high sensitivity.
A step of forming a first pixel isolation region by introducing an impurity into a semiconductor substrate, a step of forming a first epitaxial growth layer on the surface of the semiconductor substrate, and a step of forming the first epitaxial growth layer. Forming a second pixel isolation region so as to penetrate and contact the first pixel isolation region; and a photoelectric conversion unit and a peripheral circuit in a semiconductor substrate defined by the first and second pixel isolation regions Forming a portion.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、裏面照射型固体撮像素子およびその製造方法に係り、特に半導体基板の裏面側から光を照射し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子における画素分離に関する。   The present invention relates to a back-illuminated solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and in particular, irradiates light from the back side of a semiconductor substrate, and charges generated in the semiconductor substrate in response to the light The present invention relates to pixel separation in a back-illuminated image sensor that reads out images from and captures images.

従来、半導体基板の裏面側から光を照射し、この光に応じて半導体基板内で発生した電荷を、半導体基板の表面側に形成された電荷蓄積領域に蓄積し、ここに蓄積された電荷に応じた信号を、CCDやCMOS回路等によって外部に出力して撮像を行う裏面照射型撮像素子、つまり、半導体基板の裏面側から光を照射して使用する裏面照射型固体撮像素子が提案されている。   Conventionally, light is irradiated from the back surface side of the semiconductor substrate, and charges generated in the semiconductor substrate in response to the light are accumulated in a charge accumulation region formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and the charges accumulated here are accumulated. A back-illuminated image sensor that outputs a corresponding signal to the outside by a CCD or a CMOS circuit to perform imaging, that is, a back-illuminated solid-state image sensor that is used by irradiating light from the back side of a semiconductor substrate has been proposed. Yes.

この裏面照射型撮像素子によれば、半導体基板の一方の面に設けた撮像領域のほぼ全域を用いて受光領域を形成することができ、チップサイズを大型化することなくセンサ感度を向上することができ、高い光電変換効率を実現できることが古くから知られている。このため、この裏面照射型撮像素子において、半導体基板の厚さを10μm以上にできれば、非常に高い感度を持った素子を実現することができる。
しかし、裏面照射型撮像素子においては、隣接画素間で信号電荷が拡散し混色が生じるという問題があった。
According to this backside-illuminated imaging device, the light receiving area can be formed using almost the entire imaging area provided on one surface of the semiconductor substrate, and the sensor sensitivity can be improved without increasing the chip size. It has been known for a long time that high photoelectric conversion efficiency can be realized. For this reason, in this backside illuminating type image pickup device, if the thickness of the semiconductor substrate can be 10 μm or more, a device with very high sensitivity can be realized.
However, the back-illuminated image sensor has a problem that signal charges are diffused between adjacent pixels and color mixing occurs.

そこで、各画素の光電変換部が形成された半導体基板の光照射面となる裏面側からイオン注入により、暗電流を抑制するための裏面側アキユウムレーション層およびこれと同一導電型の画素分離領域を形成する方法が提案されている(特許文献1)。   Therefore, a backside accumulation layer for suppressing dark current by ion implantation from the backside, which is a light irradiation surface of the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion portion of each pixel is formed, and a pixel isolation region of the same conductivity type as this There has been proposed a method of forming (Patent Document 1).

また、半導体基板の厚さを10μm以下とし、画素分離領域を基板の厚さ全体にわたって形成した構造も提案されている(特許文献2)   Also proposed is a structure in which the thickness of the semiconductor substrate is 10 μm or less and the pixel isolation region is formed over the entire thickness of the substrate (Patent Document 2).

特開2006−93587号公報JP 2006-93587 A 特開2005−142221号公報JP 2005-142221 A

各画素領域すなわち異なる光電変換領域間で信号電荷の分離を確実に実現するためには、深い画素分離層が必要となるが、光電変換領域が形成されている半導体基板の深さ方向の全体にわたって画素分離層を形成するためには、高エネルギーでのイオン注入が必要となり、画素分離層が横方向にも拡散して、光電変換領域をも圧迫し、検出電荷量の低下、ひいては感度の低下をもたらすという問題があった。   In order to reliably realize signal charge separation between the respective pixel regions, that is, different photoelectric conversion regions, a deep pixel separation layer is required, but the entire depth direction of the semiconductor substrate in which the photoelectric conversion regions are formed is used. In order to form the pixel separation layer, ion implantation with high energy is required, and the pixel separation layer diffuses in the lateral direction and also compresses the photoelectric conversion region, resulting in a decrease in the detected charge amount and a decrease in sensitivity. There was a problem of bringing about.

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、光電変換領域間での信号電荷の分離を確実に実現することができ、かつ高感度の裏面照射型撮像素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a back-illuminated imaging device with high sensitivity that can reliably realize separation of signal charges between photoelectric conversion regions. To do.

本発明の裏面照射型撮像素子の製造方法は、半導体基板内に不純物を導入することより第1の画素分離領域を形成する工程と、前記半導体基板表面に、第1のエピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域に当接するように第2の画素分離領域を形成する工程と、前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部および周辺回路部を形成する工程とを含む。
この構成によれば、画素分離領域の形成にあたり、深い領域に形成する必要がないため、高エネルギーでのイオン注入が不要となり、また横方向の拡散長の伸びを抑制することができる。従って、画素分離領域幅を小さくすることができ、その分、光電変換領域の面積の増大をはかることができ、高感度化をはかることが可能となる。
The method for manufacturing a backside illuminating type imaging device according to the present invention includes a step of forming a first pixel isolation region by introducing impurities into a semiconductor substrate, and a step of forming a first epitaxial growth layer on the surface of the semiconductor substrate. Forming a second pixel isolation region so as to penetrate the first epitaxial growth layer and contact the first pixel isolation region; and a semiconductor defined by the first and second pixel isolation regions Forming a photoelectric conversion portion and a peripheral circuit portion in the substrate.
According to this configuration, since it is not necessary to form the pixel isolation region in a deep region, ion implantation with high energy is unnecessary, and extension of the diffusion length in the lateral direction can be suppressed. Accordingly, the width of the pixel separation region can be reduced, and the area of the photoelectric conversion region can be increased correspondingly, and high sensitivity can be achieved.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、前記第1の画素分離領域を形成する工程はイオン注入工程と活性化アニール工程とを含む。
イオン注入により深い領域に不純物領域を形成しようとすると横方向の広がりを抑制するのが極めて困難であるが、本発明のように複数回に分けてイオン注入を行うことで、1回あたりのイオン注入深さは浅くてすみ、横方向の拡がりを抑制することが可能となる。
According to the present invention, in the manufacturing method of the backside illumination type imaging device, the step of forming the first pixel isolation region includes an ion implantation step and an activation annealing step.
If an impurity region is formed in a deep region by ion implantation, it is extremely difficult to suppress lateral spread. However, by performing ion implantation in a plurality of times as in the present invention, ions per time The implantation depth can be shallow, and lateral expansion can be suppressed.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、前記第2の画素分離領域を形成する工程がイオン注入工程と活性化アニール工程とを含む。
エピタキシャル成長層内の不純物の導入をイオン注入で行う場合にも、本発明のように複数回に分けてイオン注入を行うことで、当該エピタキシャル成長層に対してのみ1回のイオン注入で不純物を導入すればよいため、1回あたりのイオン注入の深さは浅くてすみ、横方向の拡がりを抑制することが可能となる。
According to the present invention, in the manufacturing method of the backside illumination type imaging device, the step of forming the second pixel isolation region includes an ion implantation step and an activation annealing step.
Even when the impurity is introduced into the epitaxial growth layer by ion implantation, by performing ion implantation in a plurality of times as in the present invention, the impurity can be introduced only by one ion implantation into the epitaxial growth layer. Therefore, the depth of ion implantation per time can be shallow, and the spread in the lateral direction can be suppressed.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、さらに前記第1のエピタキシャル成長層上に第2のエピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第2のエピタキシャル成長層を貫通し前記第2の画素分離領域に当接するように第3の画素分離領域を形成する工程とを含む。
エピタキシャル成長層内の不純物の導入についても複数回に分けて、成長、不純物の導入を繰り返すようにすればよいため、1回あたりのイオン注入の深さは浅くてすみ、横方向の拡がりを抑制することが可能となる。
According to the present invention, in the method for manufacturing the backside illumination type image pickup device, a step of forming a second epitaxial growth layer on the first epitaxial growth layer, and the second pixel penetrating the second epitaxial growth layer. Forming a third pixel isolation region so as to be in contact with the isolation region.
Since the introduction of impurities into the epitaxial growth layer may be divided into a plurality of times and the growth and the introduction of impurities may be repeated, the depth of ion implantation per time can be shallow and the lateral spread is suppressed. It becomes possible.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、第1のエピタキシャル成長層または第2のエピタキシャル成長層を形成する工程は、気相成長工程である。
この構成によれば、スループットが良好であるが成長時の不純物の拡散が大であるため、不純物プロファイルのコントロールが難しいという欠点もある。
According to the present invention, in the method for manufacturing the backside illumination type imaging device, the step of forming the first epitaxial growth layer or the second epitaxial growth layer is a vapor phase growth step.
According to this configuration, although the throughput is good, there is a disadvantage that it is difficult to control the impurity profile because the diffusion of impurities during growth is large.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、第1のエピタキシャル成長層または第2のエピタキシャル成長層を形成する工程は、分子線エピタキシー工程である。
この構成によれば、スループットには若干問題があるが、低温下での成長が可能であるため、すでに導入された不純物からの拡散は抑制することができる。
According to the present invention, in the manufacturing method of the backside illumination type imaging device, the step of forming the first epitaxial growth layer or the second epitaxial growth layer is a molecular beam epitaxy step.
According to this configuration, although there is a slight problem with the throughput, since growth at a low temperature is possible, diffusion from impurities already introduced can be suppressed.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、活性化アニール工程は、前記第1および第2の画素分離領域を形成するためのイオン注入工程終了後、一括して実施される。
この構成によれば、その都度アニールを行う必要がないため、トータルとしての高温工程は少なくてすむため、横方向の拡散長の伸びは抑制される。また作業性が良好である。
According to the present invention, in the manufacturing method of the back-illuminated image sensor, the activation annealing step is collectively performed after the ion implantation step for forming the first and second pixel isolation regions is completed.
According to this configuration, since it is not necessary to perform annealing each time, the total number of high-temperature processes can be reduced, so that the extension of the lateral diffusion length is suppressed. Also, workability is good.

また本発明は、上記裏面照射型撮像素子の製造方法において、活性化アニール工程は、前記第1および第2の画素分離領域を形成するためのイオン注入工程終了後、それぞれ実施される。
この構成によれば、その都度アニールを行う必要があるが、安定で確実な所定の不純物プロファイルを得ることが出来る。
According to the present invention, in the manufacturing method of the backside illumination type imaging device, the activation annealing step is performed after the ion implantation step for forming the first and second pixel isolation regions is completed.
According to this configuration, it is necessary to perform annealing each time, but a stable and reliable predetermined impurity profile can be obtained.

本発明の裏面照射型撮像素子は、エピタキシャル成長層を含めて半導体基板の表面から裏面までの厚みが、5μm以上、好ましくは8μm以上である。   In the backside illumination type imaging device of the present invention, the thickness from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate including the epitaxial growth layer is 5 μm or more, preferably 8 μm or more.

本発明の裏面照射型撮像素子は、表面から所定の深さまで形成された第1の画素分離領域を有する半導体基板と、前記半導体基板表面に形成された第1のエピタキシャル成長層と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域に当接する第2の画素分離領域とを具備し、前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部および周辺回路部が形成されたことを特徴とする。
この構成によれば、画素分離領域の幅を小さくすることができ、光電変換領域の面積を増大することができる。
The back-illuminated imaging device of the present invention includes a semiconductor substrate having a first pixel isolation region formed from the surface to a predetermined depth, a first epitaxial growth layer formed on the surface of the semiconductor substrate, and the first A second pixel isolation region penetrating through the epitaxial growth layer and in contact with the first pixel isolation region, and a photoelectric conversion unit and a peripheral circuit in a semiconductor substrate defined by the first and second pixel isolation regions A portion is formed.
According to this configuration, the width of the pixel isolation region can be reduced, and the area of the photoelectric conversion region can be increased.

また、本発明は上記裏面照射型撮像素子において、前記第1の画素分離領域と前記第2の画素分離領域は、当接面近傍において、不純物プロファイルの不連続部を有するものを含む。
この構成によれば、第1及び第2の画素分離領域が別工程で形成されるため、不連続部を有することで、画素分離領域が幅広となるのを抑制することができる。
Further, the present invention includes the backside illumination type imaging device, wherein the first pixel isolation region and the second pixel isolation region have a discontinuous portion of the impurity profile in the vicinity of the contact surface.
According to this configuration, since the first and second pixel isolation regions are formed in separate steps, it is possible to suppress the pixel isolation region from becoming wide by having the discontinuous portion.

本発明によれば、画素分離領域の形成を、深さ方向で複数回に分けて実施することで、高エネルギーでのイオン注入が不要となり、横方向への拡散長の伸びを抑制し、光電変換領域センサ面積の圧迫を抑制し、信号電荷量の増大を図り、感度の向上を図ることが可能となる。   According to the present invention, the formation of the pixel isolation region is performed in a plurality of times in the depth direction, thereby eliminating the need for ion implantation at a high energy, suppressing the extension of the diffusion length in the lateral direction, and It is possible to suppress the compression of the conversion area sensor area, increase the signal charge amount, and improve the sensitivity.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)

図1(a)乃至(d)は、本発明の実施の形態の裏面照射型撮像素子の製造工程を示す概略図である。
本実施の形態の裏面照射型撮像素子は、図1(d)に示すように、表面から所定の深さまで形成された第1の画素分離領域1001を有する半導体基板1000と、前記半導体基板表面に形成された第1のエピタキシャル成長層1002と、前記第1のエピタキシャル成長層1002を貫通し前記第1の画素分離領域1001に当接する第2の画素分離領域1003とを具備し、前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部1004および周辺回路部1005が形成されたことを特徴とする。なお、前記第1の画素分離領域と前記第2の画素分離領域は、当接面近傍において、不純物プロファイルの不連続部Kを有する。ここではエピタキシャル成長層1000Eを有するSOI基板1000を半導体基板として用いた。1000Iは酸化シリコン膜であり、1000Sはシリコン基板である。
FIG. 1A to FIG. 1D are schematic views illustrating a manufacturing process of a backside illumination type image sensor according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1D, the backside illumination type imaging device of this embodiment includes a semiconductor substrate 1000 having a first pixel isolation region 1001 formed to a predetermined depth from the surface, and a surface of the semiconductor substrate. A first epitaxial growth layer 1002 formed; and a second pixel isolation region 1003 penetrating the first epitaxial growth layer 1002 and in contact with the first pixel isolation region 1001. A photoelectric conversion portion 1004 and a peripheral circuit portion 1005 are formed in a semiconductor substrate defined by the pixel separation region. The first pixel isolation region and the second pixel isolation region have a discontinuous portion K of the impurity profile in the vicinity of the contact surface. Here, an SOI substrate 1000 having an epitaxial growth layer 1000E is used as a semiconductor substrate. 1000I is a silicon oxide film, and 1000S is a silicon substrate.

この裏面照射型撮像素子は以下のようにして形成される。本実施の形態では、画素分離領域を形成するための不純物イオンの注入工程を、複数回に分けて行うようにしたことを特徴とするものである。この裏面照射型撮像素子の製造工程は、図1(a)乃至(d)に模式図を示すように、半導体基板内1000に不純物を導入することにより第1の画素分離領域1001を形成する工程と、前記半導体基板1000表面に、第1のエピタキシャル成長層1002を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域1001に当接するように第2の画素分離領域1003を形成する工程と、前記第1および第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部1004および周辺回路部1005を形成する工程とを含み、裏面照射型の固体撮像素子を形成するようにしたことを特徴とするものである。   This back-illuminated image sensor is formed as follows. The present embodiment is characterized in that the impurity ion implantation process for forming the pixel isolation region is performed in a plurality of times. As shown in FIGS. 1A to 1D, the manufacturing process of this back-illuminated image pickup device is a process of forming a first pixel isolation region 1001 by introducing impurities into the semiconductor substrate 1000. A step of forming a first epitaxial growth layer 1002 on the surface of the semiconductor substrate 1000; and a second pixel isolation region 1003 so as to penetrate the first epitaxial growth layer and come into contact with the first pixel isolation region 1001. And forming a photoelectric conversion unit 1004 and a peripheral circuit unit 1005 in the semiconductor substrate defined by the first and second pixel isolation regions, thereby forming a backside illumination type solid-state imaging device. It is characterized by doing so.

まず、図1(a)に示すように、半導体基板1000を用意する。実際にはシリコン基板1000S表面に酸化シリコン膜100Iを介してn型エピタキシャル成長層1000Eを形成したSOI基板を用意し、このn型エピタキシャル成長層1000E内に、イオン注入を行い、活性化アニールを行い、深さ3μm程度のp型拡散層を形成する(第1の画素分離領域1001)。   First, as shown in FIG. 1A, a semiconductor substrate 1000 is prepared. Actually, an SOI substrate having an n-type epitaxial growth layer 1000E formed on the surface of the silicon substrate 1000S via a silicon oxide film 100I is prepared, ion implantation is performed in this n-type epitaxial growth layer 1000E, activation annealing is performed, A p-type diffusion layer having a thickness of about 3 μm is formed (first pixel isolation region 1001).

ついで、図1(b)に示すように、第1の画素分離層1001の形成された半導体基板1000に、膜厚3μm程度の第1のエピタキシャル成長層1002を形成する。   Next, as shown in FIG. 1B, a first epitaxial growth layer 1002 having a thickness of about 3 μm is formed on the semiconductor substrate 1000 on which the first pixel isolation layer 1001 is formed.

この後、図1(c)に示すように、この第1のエピタキシャル成長層1002内に、イオン注入を行い、活性化アニールを行い、深さ3μm程度のp型拡散層を形成する(第2の画素分離領域1003)。
ここで不純物イオン注入後の活性化アニールは、1回ごとに行ってもよいし、最後に一括処理してもよい。また方法についてはRTA(高速熱処理)を行うのがよい。またエピタキシャル成長は、SiHの熱分解あるいはSiClの水素還元などを用いて基板温度800℃から1100℃で気相成長によって行った。
Thereafter, as shown in FIG. 1C, ion implantation is performed in the first epitaxial growth layer 1002, activation annealing is performed, and a p-type diffusion layer having a depth of about 3 μm is formed (second second). Pixel separation region 1003).
Here, the activation annealing after the impurity ion implantation may be performed once or at the end. As a method, RTA (rapid heat treatment) is preferably performed. Epitaxial growth was performed by vapor phase growth at a substrate temperature of 800 ° C. to 1100 ° C. using thermal decomposition of SiH 4 or hydrogen reduction of SiCl 4 .

そして図1(d)に示すように、画素分離領域で画定された第1のエピタキシャル成長層1002には光電変換部1004としてのフォトダイオードや周辺回路1005としての駆動回路が形成される。この後、光電変換部形成面側に支持基板を取り付け(図示せず)、そして光電変換部形成面を表面としたとき、この面に対して裏面側にレンズやカラーフィルタなどを形成し撮像面Cとする。   As shown in FIG. 1D, a photodiode as a photoelectric conversion unit 1004 and a drive circuit as a peripheral circuit 1005 are formed in the first epitaxial growth layer 1002 defined in the pixel isolation region. Thereafter, a support substrate is attached to the photoelectric conversion portion forming surface side (not shown), and when the photoelectric conversion portion formation surface is the front surface, a lens, a color filter, or the like is formed on the back surface side with respect to this surface. C.

この構成によれば、画素分離領域の形成にあたり、深い領域に不純物イオンを注入する必要がないため、高エネルギーでのイオン注入が不要となり、また横方向の拡散長の伸びを抑制することができる。従って、画素分離領域幅を小さくすることができ、その分、光電変換領域の面積の増大をはかることができ、高感度化をはかることができる。   According to this configuration, since it is not necessary to implant impurity ions into a deep region when forming the pixel isolation region, ion implantation with high energy is unnecessary, and extension of the diffusion length in the lateral direction can be suppressed. . Accordingly, the width of the pixel separation region can be reduced, and the area of the photoelectric conversion region can be increased correspondingly, and high sensitivity can be achieved.

(実施の形態2)
またエピタキシャル成長層の形成工程は1回に限定されることなく2回以上であってもよい。本実施の形態では、エピタキシャル成長層を2回に分けて形成する。本実施の形態では、画素分離領域を形成するための不純物イオンの注入工程を、図2(a)乃至(c)に模式図を示すように、半導体基板内1000に不純物を導入することにより第1の画素分離領域1001を形成する工程と、前記半導体基板1000表面に、膜厚3μmの第1のエピタキシャル成長層1002を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域1001に当接するように第2の画素分離領域1003を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層1002表面に、膜厚3μmの第2のエピタキシャル成長層1006を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域1003に当接するように第3の画素分離領域1007を形成する工程と、前記第1乃至第3の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部1004および周辺回路部1005を形成する工程とで、裏面照射型の固体撮像素子を形成するようにしたことを特徴とするものである。
(Embodiment 2)
Moreover, the formation process of an epitaxial growth layer is not limited to once, and may be twice or more. In the present embodiment, the epitaxial growth layer is formed in two steps. In this embodiment mode, an impurity ion implantation process for forming a pixel isolation region is performed by introducing impurities into the semiconductor substrate 1000 as shown in FIGS. 2A to 2C. A step of forming one pixel isolation region 1001, a step of forming a first epitaxial growth layer 1002 having a thickness of 3 μm on the surface of the semiconductor substrate 1000, and the first pixel isolation through the first epitaxial growth layer. Forming a second pixel isolation region 1003 in contact with the region 1001, forming a second epitaxial growth layer 1006 having a thickness of 3 μm on the surface of the first epitaxial growth layer 1002, and the first Forming a third pixel isolation region 1007 so as to penetrate the epitaxial growth layer and contact the first pixel isolation region 1003; The back-illuminated solid-state imaging device is formed in the step of forming the photoelectric conversion unit 1004 and the peripheral circuit unit 1005 in the semiconductor substrate defined by the first to third pixel isolation regions. It is what.

まず、図2(a)に示すように、半導体基板1000を用意する。実際にはシリコン基板1000S表面に酸化シリコン膜100Iを介してn型エピタキシャル成長層1000Eを形成したSOI基板を用意し、このn型エピタキシャル成長層1000E内に、イオン注入を行い、活性化アニールを行い、深さ3μm程度のp型拡散層を形成する(第1の画素分離領域1001)。   First, as shown in FIG. 2A, a semiconductor substrate 1000 is prepared. Actually, an SOI substrate having an n-type epitaxial growth layer 1000E formed on the surface of the silicon substrate 1000S via a silicon oxide film 100I is prepared, ion implantation is performed in this n-type epitaxial growth layer 1000E, activation annealing is performed, A p-type diffusion layer having a thickness of about 3 μm is formed (first pixel isolation region 1001).

ついで、図2(b)に示すように、第1の画素分離層1001の形成された半導体基板1000に、膜厚3μm程度の第1のエピタキシャル成長層1002を形成し、この第1のエピタキシャル成長層1002内に、イオン注入を行い、活性化アニールを行い、深さ3μm程度のp型拡散層を形成する(第2の画素分離領域1003)。   Next, as shown in FIG. 2B, a first epitaxial growth layer 1002 having a thickness of about 3 μm is formed on the semiconductor substrate 1000 on which the first pixel isolation layer 1001 is formed, and the first epitaxial growth layer 1002 is formed. Inside, ion implantation is performed, activation annealing is performed, and a p-type diffusion layer having a depth of about 3 μm is formed (second pixel isolation region 1003).

ついで、図2(c)に示すように、この第2の画素分離層1003の形成された第1のエピタキシャル成長層1002上に、さらに膜厚3μm程度の第2のエピタキシャル成長層1006を形成し、この第2のエピタキシャル成長層1006内に、イオン注入を行い、活性化アニールを行い、深さ3μm程度のp型拡散層を形成する(第2の画素分離領域1007)。   Next, as shown in FIG. 2C, a second epitaxial growth layer 1006 having a thickness of about 3 μm is further formed on the first epitaxial growth layer 1002 on which the second pixel isolation layer 1003 is formed. Ions are implanted into the second epitaxial growth layer 1006 and activation annealing is performed to form a p-type diffusion layer having a depth of about 3 μm (second pixel isolation region 1007).

ここでも不純物イオン注入後の活性化アニールは、1回ごとに行ってもよいし、最後に一括処理してもよい。また方法についてはRTA(高速熱処理)を行うのがよい。またエピタキシャル成長は基板温度400℃程度で分子線エピタキシー法によって行うようにしてもよい。   Also here, the activation annealing after the impurity ion implantation may be performed once or at the end. As a method, RTA (rapid heat treatment) is preferably performed. Epitaxial growth may be performed by molecular beam epitaxy at a substrate temperature of about 400 ° C.

このようにして、深い画素分離領域を形成した後、図2(d)に示すように、画素分離領域で画定された第1および第2のエピタキシャル成長層1002には光電変換部1004としてのフォトダイオードや周辺回路1005としての駆動回路が形成される。この後、光電変換部形成面側に支持基板を取り付け(図示せず)、半導体基板側の支持基板および酸化シリコン膜を除去する。
そして光電変換部形成面側に支持基板を取り付け(図示せず)、形成面に対して裏面側にレンズやカラーフィルタなどを形成し撮像面Cとする。
After forming the deep pixel isolation region in this way, as shown in FIG. 2D, the first and second epitaxial growth layers 1002 defined by the pixel isolation region are provided with photodiodes as photoelectric conversion portions 1004. In addition, a driving circuit as the peripheral circuit 1005 is formed. Thereafter, a support substrate is attached to the photoelectric conversion portion forming surface side (not shown), and the support substrate and the silicon oxide film on the semiconductor substrate side are removed.
Then, a support substrate is attached to the photoelectric conversion portion formation surface side (not shown), and a lens, a color filter, or the like is formed on the back surface side with respect to the formation surface to form an imaging surface C.

この構成によっても、画素分離領域の形成にあたり、深い領域に不純物イオンを注入する必要がないため、高エネルギーでのイオン注入が不要となり、また横方向の拡散長の伸びを抑制することができる。従って、画素分離領域幅を小さくすることができ、その分センサ領域の増大をはかることができ、高感度化をはかることができることがわかる。   Also with this configuration, since it is not necessary to implant impurity ions into a deep region when forming the pixel isolation region, ion implantation with high energy is not necessary, and an increase in the lateral diffusion length can be suppressed. Therefore, it can be seen that the width of the pixel separation region can be reduced, the sensor region can be increased correspondingly, and high sensitivity can be achieved.

なお、前記実施の形態1では2回のエピタキシャル成長工程に分け、画素分離領域を形成した例について説明したが、この回数については適宜選択可能である。半導体基板内に加速エネルギーを変えてイオン注入を3回行い、次いでエピタキシャル成長を行い、この半導体基板に加速エネルギーを変えてイオン注入を3回行って画素分離領域を形成し、得られた画素分離領域の不純物プロファイルを測定した結果を図3及び図4に示す。図3はイオン注入直後の状態、図4は活性化アニール後の状態を示す。ここでも半導体基板とエピタキシャル成長部の境界で不純物分布の不連続部Kが(1つ)形成されている。比較のために1回のエピタキシャル成長により6μmの厚さとし、加速エネルギーを変えてイオン注入を5回行って画素分離領域を形成したときの不純物プロファイルを図5および図6に示す。図5はイオン注入直後の状態、図6は活性化アニール後の状態を示す。図4と図6の比較から明らかなように、図4の画素分離領域の横方向の拡散の伸びは図6の拡散の伸びは0.2μm程度低減されており、その分、光電変換領域の面積の増大を図ることができる。   In the first embodiment, the example in which the pixel isolation region is formed by dividing into two epitaxial growth steps has been described. However, the number of times can be selected as appropriate. Ion implantation is performed three times in the semiconductor substrate while changing the acceleration energy, then epitaxial growth is performed, and the pixel separation region is formed by changing the acceleration energy into the semiconductor substrate and performing ion implantation three times. The result of measuring the impurity profile is shown in FIGS. FIG. 3 shows a state immediately after ion implantation, and FIG. 4 shows a state after activation annealing. Also here, one (1) discontinuous portion K of impurity distribution is formed at the boundary between the semiconductor substrate and the epitaxial growth portion. For comparison, FIG. 5 and FIG. 6 show impurity profiles when a pixel isolation region is formed by changing the acceleration energy and performing ion implantation five times with a thickness of 6 μm by one epitaxial growth. FIG. 5 shows a state immediately after ion implantation, and FIG. 6 shows a state after activation annealing. As is clear from the comparison between FIG. 4 and FIG. 6, the lateral extension of the pixel isolation region in FIG. 4 is reduced by about 0.2 μm in FIG. 6. The area can be increased.

前記実施の形態1および2では、エピタキシャル成長層を形成したSOI基板を出発材料として用いたが、貼り合わせによるSOI基板、あるいは単結晶シリコン基板を出発材料として用いてもよいことはいうまでもない。   In the first and second embodiments, the SOI substrate on which the epitaxial growth layer is formed is used as a starting material. However, it goes without saying that an SOI substrate obtained by bonding or a single crystal silicon substrate may be used as a starting material.

(実施の形態3)
次に、このようにして画素分離領域を形成した半導体基板上に固体撮像素子を形成する方法について説明する。図7は、本発明の実施の形態の方法を用いて画素分離領域15としてのp型不純物領域で画定された領域に形成された、インターライン型の裏面照射型撮像素子の部分断面模式図である。
図7に示すようにこの裏面照射型撮像素子100は、p型シリコン基板1Sの第1の面にエピタキシャル成長により形成したp型シリコン層1E(p層)と、第2の面にイオン注入により形成した不純物濃度の高いp型シリコン層2(以下、p++層2)とを備えたp型の半導体基板30(以下、基板30)を用いている。そしてこの、p型シリコン基板1Sにはイオン注入により、画素分離領域15の下部を形成するとともにこのp型シリコン基板1S表面にエピタキシャル成長によりp型半導体層1Eを形成しさらにこのp型半導体層1Eにイオン注入により、画素分離領域15を構成するp層を形成している。
この裏面照射型撮像素子は、深い画素分離領域15を具備しているため、混色を低減し、高品質の画像読み取りを可能とするものである。
(Embodiment 3)
Next, a method for forming a solid-state imaging element on the semiconductor substrate on which the pixel isolation region is thus formed will be described. FIG. 7 is a partial cross-sectional schematic view of an interline back-illuminated image sensor formed in a region defined by a p-type impurity region as the pixel isolation region 15 by using the method of the embodiment of the present invention. is there.
As shown in FIG. 7, the back-illuminated imaging device 100 is formed by a p-type silicon layer 1E (p layer) formed by epitaxial growth on the first surface of the p-type silicon substrate 1S and ion implantation on the second surface. The p-type semiconductor substrate 30 (hereinafter referred to as the substrate 30) provided with the p-type silicon layer 2 (hereinafter referred to as the p ++ layer 2) having a high impurity concentration is used. The p-type silicon substrate 1S is ion-implanted to form a lower portion of the pixel isolation region 15, and a p-type semiconductor layer 1E is formed on the surface of the p-type silicon substrate 1S by epitaxial growth. A p layer constituting the pixel isolation region 15 is formed by ion implantation.
Since this back-illuminated image sensor includes the deep pixel separation region 15, color mixing is reduced and high-quality image reading is possible.

なお、裏面照射型撮像素子100は、図中下方から上方に向かって光を入射させ、撮像を行うものである。本明細書では、基板30の光入射方向に対して垂直な2つの面のうち、光入射側の面を裏面といい、その反対面を表面というものとする。又、裏面照射型撮像素子100を構成する各構成要素を基準にしたときに、入射光が進む方向を、その構成要素の上方と定義し、入射光が進む方向の反対方向を、その構成要素の下方とする。又、基板30の裏面及び表面に直交する方向を垂直方向、基板30の裏面及び表面に平行な方向を水平方向とする。   The back-illuminated image sensor 100 performs imaging by allowing light to enter from the lower side to the upper side in the drawing. In the present specification, of the two surfaces perpendicular to the light incident direction of the substrate 30, the surface on the light incident side is referred to as the back surface, and the opposite surface is referred to as the front surface. In addition, the direction in which the incident light travels is defined as the upper direction of each component when the components constituting the back-illuminated image sensor 100 are used as a reference, and the direction opposite to the direction in which the incident light travels is defined as the component. And below. In addition, a direction orthogonal to the back surface and the front surface of the substrate 30 is a vertical direction, and a direction parallel to the back surface and the front surface of the substrate 30 is a horizontal direction.

p層1E内の基板30表面近傍の水平方向に延びる同一面上には、入射光に応じて基板30内で発生した電荷を蓄積するためのn型半導体層4(以下、n層4という)が複数配列されている。n層4は、基板30の表面側に形成されたn型半導体層4a(以下、n層4aという)と、n層4aの下に形成されたn層4aよりも不純物濃度の低いn型半導体層4b(以下、n層4bという)との2層構造となっているが、これに限定されるものではない。n層4で発生した電荷と、このn層4に入射する光の経路上で基板30内に発生した電荷とが、n層4に蓄積される。 On the same surface extending in the horizontal direction near the surface of the substrate 30 in the p layer 1E, an n-type semiconductor layer 4 (hereinafter referred to as an n layer 4) for accumulating charges generated in the substrate 30 in response to incident light. Are arranged. The n layer 4 includes an n type semiconductor layer 4a (hereinafter referred to as an n layer 4a) formed on the surface side of the substrate 30, and an n type semiconductor having a lower impurity concentration than the n layer 4a formed under the n layer 4a. Although it has a two-layer structure with the layer 4b (hereinafter referred to as n - layer 4b), it is not limited to this. The charges generated in the n layer 4 and the charges generated in the substrate 30 on the path of light incident on the n layer 4 are accumulated in the n layer 4.

各n層4上には基板30表面に発生する暗電荷が各n層4に蓄積されるのを防ぐための高濃度のp型半導体層5(以下、p層5という)が形成されている。各p層5内部には、基板30の表面からその内側に向かってn層4よりも不純物濃度の高いn型半導体層6(以下、n層6という)が形成されている。n層6は、n層4に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能し、p層5が、このオーバーフロードレインのオーバーフローバリアとしても機能する。図示したように、n層6は、基板30の表面に露出する露出面を有している。 On each n layer 4, a high-concentration p-type semiconductor layer 5 (hereinafter referred to as p + layer 5) is formed to prevent dark charges generated on the surface of the substrate 30 from accumulating in each n layer 4. Yes. In each p + layer 5, an n-type semiconductor layer 6 (hereinafter referred to as an n + layer 6) having an impurity concentration higher than that of the n layer 4 is formed from the surface of the substrate 30 toward the inside thereof. The n + layer 6 functions as an overflow drain for discharging unnecessary charges accumulated in the n layer 4, and the p + layer 5 also functions as an overflow barrier for this overflow drain. As illustrated, the n + layer 6 has an exposed surface exposed on the surface of the substrate 30.

p+層5及びn層4の一方の側には、少し離間してn層4よりも不純物濃度の高いn型半導体からなる電荷転送チャネル12が形成され、電荷転送チャネル12の周囲にはp+層5よりも不純物濃度の低いp型半導体層11(以下、p層11)が形成されている。   On one side of the p + layer 5 and the n layer 4, a charge transfer channel 12 made of an n-type semiconductor having an impurity concentration higher than that of the n layer 4 is formed. The p + layer is formed around the charge transfer channel 12. A p-type semiconductor layer 11 (hereinafter referred to as a p-layer 11) having an impurity concentration lower than 5 is formed.

p+層5及びn層4と電荷転送チャネル12との間のp層11及びn層1には、n層4に蓄積された電荷を電荷転送チャネル12に読み出すための電荷読み出し領域(図示せず)が形成されている。電荷転送チャネル12と電荷読み出し領域の上方には、シリコン酸化膜やONO膜等からなるゲート絶縁膜20を介して、電荷転送チャネル12に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための電荷転送電極と、電荷読み出し領域に読み出し電圧を供給して電荷読み出し動作を制御するための電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極13が形成されている。電極13の周囲には酸化シリコン等の絶縁膜14が形成されている。電荷転送チャネル12とその上方の電極13とにより、CCDが構成される。   In the p layer 11 and the n layer 1 between the p + layer 5 and the n layer 4 and the charge transfer channel 12, a charge reading region (not shown) for reading out the charges accumulated in the n layer 4 to the charge transfer channel 12. ) Is formed. Charge transfer for controlling the charge transfer operation by supplying a voltage to the charge transfer channel 12 via the gate insulating film 20 made of a silicon oxide film, an ONO film or the like above the charge transfer channel 12 and the charge readout region. An electrode 13 made of polysilicon or the like serving as an electrode and a charge readout electrode for controlling a charge readout operation by supplying a readout voltage to the charge readout region is formed. An insulating film 14 such as silicon oxide is formed around the electrode 13. The charge transfer channel 12 and the electrode 13 thereabove constitute a CCD.

隣接するn層4同士の間には、p層11の下にp型半導体からなる画素分離層15が形成されている。画素分離層15は、n層4に蓄積されるべき電荷が、その隣のn層4に漏れてしまうのを防ぐためのものである。本実施の形態では、画素分離層15は、深くかつ細く形成されており、占有面積を増大することなく混色を防止することができる。   A pixel isolation layer 15 made of a p-type semiconductor is formed below the p layer 11 between the adjacent n layers 4. The pixel separation layer 15 is for preventing the charges to be accumulated in the n layer 4 from leaking to the adjacent n layer 4. In the present embodiment, the pixel isolation layer 15 is formed deep and thin, and color mixing can be prevented without increasing the occupied area.

基板30の表面上にはゲート絶縁膜20が形成されており、ゲート絶縁膜20上には酸化シリコン等の絶縁層9が形成されており、この絶縁層9内に電極13及び絶縁膜14が埋設されている。又、ゲート絶縁膜20と絶縁層9内には、n+層6の露出面上に、平面視において、その露出面と同じかそれよりも小さい面積のコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に電極7が形成されている。   A gate insulating film 20 is formed on the surface of the substrate 30, and an insulating layer 9 such as silicon oxide is formed on the gate insulating film 20, and an electrode 13 and an insulating film 14 are formed in the insulating layer 9. Buried. Further, in the gate insulating film 20 and the insulating layer 9, a contact hole having an area equal to or smaller than the exposed surface is formed on the exposed surface of the n + layer 6 in plan view. An electrode 7 is formed.

電極7は、導電性材料であればよく、特に、W(タングステン)、Ti(チタン)、又はMo(モリブデン)等の金属材料、或いは、これらとのシリサイド等で構成されることが好ましい。電極7とn層6との間には、電極7を構成する導電性材料の拡散を防止するための拡散防止層を設けることが好ましい。拡散防止層の構成材料としては、例えばTiN(窒化チタン)を用いる。拡散防止層を設けることにより、n層6とp層5のPN接合が均一になり、画素間の飽和バラつきを低減することができる。 The electrode 7 only needs to be a conductive material, and is particularly preferably composed of a metal material such as W (tungsten), Ti (titanium), or Mo (molybdenum), or silicide with these. It is preferable to provide a diffusion prevention layer between the electrode 7 and the n + layer 6 for preventing diffusion of the conductive material constituting the electrode 7. For example, TiN (titanium nitride) is used as a constituent material of the diffusion prevention layer. By providing the diffusion preventing layer, the PN junction between the n + layer 6 and the p + layer 5 becomes uniform, and the saturation variation between pixels can be reduced.

絶縁層9上には電極8が形成され、電極8は電極7と接続される。電極8上には保護層10が形成されている。電極8は、導電性材料であれば良い。電極8には端子が接続され、この端子に、所定の電圧を印加できるようになっている。   An electrode 8 is formed on the insulating layer 9, and the electrode 8 is connected to the electrode 7. A protective layer 10 is formed on the electrode 8. The electrode 8 may be any conductive material. A terminal is connected to the electrode 8, and a predetermined voltage can be applied to the terminal.

層6に移動した電荷は、n層6の露出面に接続された電極7とこれに接続された電極8に移動するため、これにより、n層6をオーバーフロードレインとして機能させることができる。 Since the charges transferred to the n + layer 6 move to the electrode 7 connected to the exposed surface of the n + layer 6 and the electrode 8 connected thereto, this allows the n + layer 6 to function as an overflow drain. Can do.

基板30の裏面から内側には、基板30の裏面で発生する暗電荷がn層4に移動するのを防ぐためにp++層2が形成されている。p++層2には端子が接続され、この端子に所定の電圧が印加できるようになっている。p++層2の不純物濃度は、例えば1×1017/cm〜1×1020/cmである。 A p ++ layer 2 is formed on the inner side from the rear surface of the substrate 30 in order to prevent dark charges generated on the rear surface of the substrate 30 from moving to the n layer 4. A terminal is connected to the p ++ layer 2, and a predetermined voltage can be applied to the terminal. The impurity concentration of the p ++ layer 2 is, for example, 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 .

++層2の下には、酸化シリコンや窒化シリコン等の入射光に対して透明な絶縁層3が形成されている。絶縁層3の下には、絶縁層3と基板30との屈折率差に起因する基板30の裏面での光の反射を防止するために、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な高屈折率透明層16が形成されている。高屈折率透明層16としては、プラズマCVDや光CVD等の400℃以下の低温形成が可能なアモルファス窒化シリコン等のn=1.46を超える屈折率の層とすることが好ましい。 Under the p ++ layer 2, an insulating layer 3 transparent to incident light such as silicon oxide or silicon nitride is formed. Under the insulating layer 3, in order to prevent reflection of light on the back surface of the substrate 30 due to a difference in refractive index between the insulating layer 3 and the substrate 30, incident light such as silicon nitride or diamond structure carbon film is prevented. A transparent high refractive index transparent layer 16 is formed. The high refractive index transparent layer 16 is preferably a layer having a refractive index exceeding n = 1.46, such as amorphous silicon nitride which can be formed at a low temperature of 400 ° C. or lower such as plasma CVD or photo-CVD.

高屈折率透明層16の下には、複数のカラーフィルタ18を水平方向に配列してなるカラーフィルタ層が形成されている。複数のカラーフィルタ18は、それぞれ異なる波長域の光を透過する複数種類のカラーフィルタに分類される。例えば、カラーフィルタ層は、赤色の波長域の光を透過するRカラーフィルタと、緑色の波長域の光を透過するGカラーフィルタと、青色の波長域の光を透過するBカラーフィルタとを配列した構成となっている。カラーフィルタ18は、複数のn層4の各々の下方に形成されており、各n層4に1つのカラーフィルタ18が対応して設けられている。又、各n層4には、1つのn層6が対応するため、カラーフィルタ18は、複数のn層6のいずれかに対応していると言うことができる。 Under the high refractive index transparent layer 16, a color filter layer formed by arranging a plurality of color filters 18 in the horizontal direction is formed. The plurality of color filters 18 are classified into a plurality of types of color filters that transmit light in different wavelength ranges. For example, the color filter layer includes an R color filter that transmits light in the red wavelength region, a G color filter that transmits light in the green wavelength region, and a B color filter that transmits light in the blue wavelength region. It has become the composition. The color filter 18 is formed below each of the plurality of n layers 4, and one color filter 18 is provided for each n layer 4. Further, in each n layer 4, since one of the n + layer 6 corresponding color filter 18 can be said to correspond to one of a plurality of n + layer 6.

隣接するカラーフィルタ18同士の間には、混色を防止するための遮光部材17が形成されている。この遮光部材17は、光を透過させない機能を持つものであれば良く、W、Mo、及びAl(アルミニウム)等の可視光透過率の低い金属やブラックフィルタを用いることができる。   A light shielding member 17 for preventing color mixture is formed between adjacent color filters 18. The light shielding member 17 may be any member having a function of not transmitting light, and a metal having a low visible light transmittance such as W, Mo, and Al (aluminum) or a black filter can be used.

遮光部材17は、その断面形状が、基板30の裏面に向かって広がるテーパー状(頂点が光入射側に向いた三角形や、上底が下底よりも長くなった台形)となっていることが好ましい。このようにすることで、遮光部材17に垂直入射した光を、テーパー面で反射させて基板30内に導くことができ、光利用効率を上げることができる。   The cross-sectional shape of the light shielding member 17 is a taper shape (a triangle whose apex is directed to the light incident side or a trapezoid whose upper base is longer than the lower base) spreading toward the back surface of the substrate 30. preferable. By doing in this way, the light perpendicularly incident on the light shielding member 17 can be reflected by the tapered surface and guided into the substrate 30, and the light utilization efficiency can be increased.

各カラーフィルタ18の下には、マイクロレンズ19が形成されている。マイクロレンズ19は、屈折した光が、その上方のカラーフィルタ18とそのカラーフィルタ18に隣接するカラーフィルタ18との間にある遮光部材17を避ける光路となるように、その形状が決定されている。又、マイクロレンズ19の焦点は、n層4の中心に来るように設計されている。又、使用する光学系の特性に応じて、シェーディング低減のため、マイクロレンズ19の配列ピッチは、n層4の配列ピッチと異なる設計としても良い。   Under each color filter 18, a microlens 19 is formed. The shape of the microlens 19 is determined so that the refracted light becomes an optical path that avoids the light blocking member 17 between the color filter 18 above and the color filter 18 adjacent to the color filter 18. . Further, the focal point of the microlens 19 is designed to be in the center of the n layer 4. Further, the arrangement pitch of the microlenses 19 may be different from the arrangement pitch of the n layer 4 in order to reduce shading according to the characteristics of the optical system to be used.

n層4上面から基板30の裏面までの領域のうち、平面視において画素分離層15で区画された領域が、撮像に寄与する光電変換を行う領域のため、以下では光電変換領域という。1つの光電変換領域で発生する電荷に応じた信号が、画像データの1画素データのもととなることから、本明細書では、この光電変換領域のことを画素ともいう。つまり、裏面照射型撮像素子100は、複数の画素と、複数の画素の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出すCCD型又はCMOS型の信号読出し部とを備える構成となる。   Of the region from the upper surface of the n layer 4 to the back surface of the substrate 30, the region partitioned by the pixel separation layer 15 in plan view is a region that performs photoelectric conversion that contributes to imaging, and is hereinafter referred to as a photoelectric conversion region. Since a signal corresponding to the charge generated in one photoelectric conversion region is the basis of one pixel data of image data, this photoelectric conversion region is also referred to as a pixel in this specification. That is, the back-illuminated image sensor 100 includes a plurality of pixels and a CCD-type or CMOS-type signal readout unit that reads out a signal corresponding to the charge generated in each of the plurality of pixels.

このように構成された裏面照射型撮像素子100では、1つのマイクロレンズ19に入射した光が、そのマイクロレンズ19上方のカラーフィルタ18に入射し、ここを透過した光が、このカラーフィルタ18に対応するn層4へと入射される。このとき、基板30のうち入射光の経路となる部分でも電荷が発生するが、この電荷は、光電変換領域に形成されたポテンシャルスロープを介してn層4へと移動し、ここで蓄積される。n層4に入射してここで発生した電荷も、ここに蓄積される。n層4に蓄積された電荷は、電荷転送チャネル12に読み出されて転送され、出力アンプによって信号に変換されて外部に出力される。   In the back-illuminated imaging device 100 configured as described above, light incident on one microlens 19 enters the color filter 18 above the microlens 19, and light transmitted therethrough enters the color filter 18. The light enters the corresponding n layer 4. At this time, charges are also generated in the portion of the substrate 30 that becomes the path of incident light, but this charge moves to the n layer 4 via the potential slope formed in the photoelectric conversion region and is accumulated here. . The charges generated here upon entering the n layer 4 are also accumulated here. The charges accumulated in the n layer 4 are read and transferred to the charge transfer channel 12, converted into a signal by an output amplifier, and output to the outside.

なお、前記実施の形態では、裏面照射型撮像素子100としてCCD型のものを用いたが、MOS型の撮像素子を用いてもよい。つまり、n層4に蓄積された電荷に応じた信号を、CMOS回路やNMOS回路で読み出す構成としても良い。   In the above embodiment, a CCD type is used as the back-illuminated image sensor 100, but a MOS type image sensor may be used. That is, a configuration in which a signal corresponding to the charge accumulated in the n layer 4 is read out by a CMOS circuit or an NMOS circuit may be used.

以上説明してきたように、本発明の方法によれば、画素分離領域を深くかつ微細に形成できることから、センサ面積の増大を図り、小型で高感度の裏面照射型固体撮像素子を形成することができるため、携帯電子端末をはじめ種々の撮像装置への適用が可能である。   As described above, according to the method of the present invention, since the pixel isolation region can be formed deeply and finely, the sensor area can be increased, and a small and highly sensitive back-illuminated solid-state imaging device can be formed. Therefore, it can be applied to various image pickup apparatuses including a portable electronic terminal.

本発明の実施の形態1の固体撮像素子の製造工程を示す模式図Schematic diagram showing the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2の固体撮像素子の製造工程を示す模式図Schematic diagram showing the manufacturing process of the solid-state imaging device of Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2の固体撮像素子の製造工程で得られた画素分離領域の不純物濃度プロファイルを示す図(活性化アニール前)を示す模式図The schematic diagram which shows the figure (before activation annealing) which shows the impurity concentration profile of the pixel isolation region obtained at the manufacturing process of the solid-state image sensor of Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2の固体撮像素子の製造工程で得られた画素分離領域の不純物濃度プロファイルを示す図(活性化アニール後)を示す模式図The schematic diagram which shows the figure (after activation annealing) which shows the impurity concentration profile of the pixel isolation region obtained at the manufacturing process of the solid-state image sensor of Embodiment 2 of this invention 従来例の固体撮像素子の製造工程で得られた画素分離領域の不純物濃度プロファイルを示す図(活性化アニール前)を示す模式図The schematic diagram which shows the figure (before activation annealing) which shows the impurity concentration profile of the pixel isolation region obtained by the manufacturing process of the solid-state image sensor of a prior art example 従来例の固体撮像素子の製造工程で得られた画素分離領域の不純物濃度プロファイルを示す図(活性化アニール後)を示す模式図The schematic diagram which shows the figure (after activation annealing) which shows the impurity concentration profile of the pixel isolation region obtained at the manufacturing process of the solid-state image sensor of a prior art example 本発明の実施の形態を説明するためのインターライン型の裏面照射型撮像素子の部分断面模式図Schematic diagram of a partial cross section of an interline-type backside-illuminated image sensor for explaining an embodiment of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 p層
2 p++
3,9,14 絶縁層
4 n層
5 p層(オーバーフローバリア)
6 n層(オーバーフロードレイン)
7,8 電極
10 保護層
11 p層
12 電荷転送チャネル
13 電荷転送電極兼電荷読み出し電極
15 画素分離層
16 高屈折率透明層
17 遮光部材
18 カラーフィルタ
19 マイクロレンズ
20 ゲート絶縁膜
1000 半導体基板
1001 第1の画素分離領域
1002 第1のエピタキシャル成長層
1003 第2の画素分離領域
1004 光電変換部
1005 周辺回路部
1 p layer 2 p ++ layer 3, 9, 14 Insulating layer 4 n layer 5 p + layer (overflow barrier)
6 n + layer (overflow drain)
7, 8 Electrode 10 Protective layer 11 P layer 12 Charge transfer channel 13 Charge transfer electrode / charge readout electrode 15 Pixel separation layer 16 High refractive index transparent layer 17 Light shielding member 18 Color filter 19 Micro lens 20 Gate insulating film 1000 Semiconductor substrate 1001 First 1 pixel isolation region 1002 first epitaxial growth layer 1003 second pixel isolation region 1004 photoelectric conversion unit 1005 peripheral circuit unit

Claims (10)

半導体基板内に不純物を導入することより第1の画素分離領域を形成する工程と、
前記半導体基板表面に、
第1のエピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域に当接するように第2の画素分離領域を形成する工程と、
前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部および周辺回路部を形成する工程とを含む裏面照射型撮像素子の製造方法。
Forming a first pixel isolation region by introducing impurities into the semiconductor substrate;
On the surface of the semiconductor substrate,
Forming a first epitaxial growth layer;
Forming a second pixel isolation region so as to penetrate the first epitaxial growth layer and contact the first pixel isolation region;
Forming a photoelectric conversion unit and a peripheral circuit unit in a semiconductor substrate defined by the first and second pixel isolation regions.
請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記第1の画素分離領域を形成する工程はイオン注入工程と活性化アニール工程とを含む裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 1,
The process for forming the first pixel isolation region includes a back-illuminated solid-state imaging device including an ion implantation process and an activation annealing process.
請求項1または2に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記第2の画素分離領域を形成する工程はイオン注入工程と活性化アニール工程とを含む裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 1 or 2,
The step of forming the second pixel isolation region includes a backside illumination type solid-state imaging device including an ion implantation step and an activation annealing step.
請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
さらに前記第1のエピタキシャル成長層上に第2のエピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第2のエピタキシャル成長層を貫通し前記第2の画素分離領域に当接するように第3の画素分離領域を形成する工程とを含む裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 3,
A step of forming a second epitaxial growth layer on the first epitaxial growth layer;
Forming a third pixel isolation region so as to penetrate the second epitaxial growth layer and contact the second pixel isolation region.
請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
第1のエピタキシャル成長層または第2のエピタキシャル成長層を形成する工程は、気相成長工程である裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 4,
The step of forming the first epitaxial growth layer or the second epitaxial growth layer is a method for manufacturing a backside illumination type solid-state imaging device, which is a vapor phase growth step.
請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
第1のエピタキシャル成長層または第2のエピタキシャル成長層を形成する工程は、分子線エピタキシー工程である裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 4,
The process of forming a 1st epitaxial growth layer or a 2nd epitaxial growth layer is a manufacturing method of the back irradiation type solid-state image sensor which is a molecular beam epitaxy process.
請求項3乃至6のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
活性化アニール工程は、前記第1および第2の画素分離領域を形成するためのイオン注入工程終了後、一括して実施される裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
A method for manufacturing a solid-state imaging device according to any one of claims 3 to 6,
The activation annealing step is a manufacturing method of a backside illumination type solid-state imaging device that is collectively implemented after the ion implantation step for forming the first and second pixel isolation regions is completed.
請求項3乃至6のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
活性化アニール工程は、前記第1および第2の画素分離領域を形成するためのイオン注入工程終了後、それぞれ実施される裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
A method for manufacturing a solid-state imaging device according to any one of claims 3 to 6,
The activation annealing step is a method for manufacturing a backside illumination type solid-state imaging device, which is performed after the ion implantation step for forming the first and second pixel isolation regions is completed.
表面から所定の深さまで形成された第1の画素分離領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板表面に形成された第1のエピタキシャル成長層と、
前記第1のエピタキシャル成長層を貫通し前記第1の画素分離領域に当接する第2の画素分離領域とを具備し、
前記第1及び第2の画素分離領域で画定された半導体基板内に光電変換部および周辺回路部が形成された裏面照射型撮像素子。
A semiconductor substrate having a first pixel isolation region formed from the surface to a predetermined depth;
A first epitaxial growth layer formed on the surface of the semiconductor substrate;
A second pixel isolation region penetrating through the first epitaxial growth layer and contacting the first pixel isolation region;
A back-illuminated image sensor in which a photoelectric conversion unit and a peripheral circuit unit are formed in a semiconductor substrate defined by the first and second pixel isolation regions.
請求項9に記載の裏面照射型撮像素子であって、
前記第1の画素分離領域と前記第2の画素分離領域は、当接面近傍において、不純物プロファイルの不連続部を有する裏面照射型撮像素子。
The back-illuminated image sensor according to claim 9,
The first pixel isolation region and the second pixel isolation region are back-illuminated imaging elements having a discontinuous portion of an impurity profile in the vicinity of the contact surface.
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