JPH0691233B2 - 半導体受光素子の製造方法 - Google Patents
半導体受光素子の製造方法Info
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- JPH0691233B2 JPH0691233B2 JP59254156A JP25415684A JPH0691233B2 JP H0691233 B2 JPH0691233 B2 JP H0691233B2 JP 59254156 A JP59254156 A JP 59254156A JP 25415684 A JP25415684 A JP 25415684A JP H0691233 B2 JPH0691233 B2 JP H0691233B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、光検出素子を含む複数または多数の素子を半
導体基板（ウエハ）上に集積化する際、各素子を電気的
に分離する方法で、特にＵ字型溝切りおよび溝充填法を
用いる分離帯形成方法に関するものである。
導体基板（ウエハ）上に集積化する際、各素子を電気的
に分離する方法で、特にＵ字型溝切りおよび溝充填法を
用いる分離帯形成方法に関するものである。
［先行技術の説明］ 従来、PN接合などから成る光電変換部を有する光検出素
子を含む半導体装置、例えば、半導体撮像装置では、各
光検出素子つまり各画素間の光により生成される電荷
（キャリア）の分離を良くし、解像度特性を向上させる
ため、接合分離法を用いていた。第７図に示す例では、
PIN構造を有する光電変換部から成る画素1,1′、光電変
換により電荷を発生させる主たる領域２、基板３、およ
び、分離領域４より構成される光半導体装置を示す。こ
こで、画素１および１′の間の分離特性を良くするため
には、即ち、１に貯えられた電荷が１′に移らないため
には、分離領域の横幅を大きくとることや、不純物濃度
を高くすることにより、４に入りこんでくる電荷を再結
合させて消滅させてしまうことが必要である。
子を含む半導体装置、例えば、半導体撮像装置では、各
光検出素子つまり各画素間の光により生成される電荷
（キャリア）の分離を良くし、解像度特性を向上させる
ため、接合分離法を用いていた。第７図に示す例では、
PIN構造を有する光電変換部から成る画素1,1′、光電変
換により電荷を発生させる主たる領域２、基板３、およ
び、分離領域４より構成される光半導体装置を示す。こ
こで、画素１および１′の間の分離特性を良くするため
には、即ち、１に貯えられた電荷が１′に移らないため
には、分離領域の横幅を大きくとることや、不純物濃度
を高くすることにより、４に入りこんでくる電荷を再結
合させて消滅させてしまうことが必要である。
しかし、この方法では、例えば分離領域の不純物濃度を
約1020cm-3以上に大きくし、かつ、集積化のため画素部
（P+シリコン）と分離領域（N+シリコン）との距離を小
さくとった場合、両者が重なったり微小な結晶欠陥の影
響を受けやすくなり、接合リーク電流の増加や耐圧の低
下を招き特性や歩留りを悪くする。一方逆に、耐圧やリ
ークを軽減するため分離部の不純物濃度を1017〜1018cm
-3程度に下げた場合、光キャリアを隣接する画素に移る
前に再結合させるために分離帯の幅を極めて大きくとる
必要があり、集積化が困難であった。
約1020cm-3以上に大きくし、かつ、集積化のため画素部
（P+シリコン）と分離領域（N+シリコン）との距離を小
さくとった場合、両者が重なったり微小な結晶欠陥の影
響を受けやすくなり、接合リーク電流の増加や耐圧の低
下を招き特性や歩留りを悪くする。一方逆に、耐圧やリ
ークを軽減するため分離部の不純物濃度を1017〜1018cm
-3程度に下げた場合、光キャリアを隣接する画素に移る
前に再結合させるために分離帯の幅を極めて大きくとる
必要があり、集積化が困難であった。
従って、従来はある程度集積化した素子においては、こ
の画素間のストローク即ち隣接画素への信号電荷のもれ
が約10％程度にも達する不具合があった。
の画素間のストローク即ち隣接画素への信号電荷のもれ
が約10％程度にも達する不具合があった。
［発明の目的］ 本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、半導体撮像装
置などの光検出素子を含む複数の素子を半導体基板上に
形成した半導体装置において、素子間分離特性を格段に
向上させ、しかも高集積化が可能な素子分離帯を形成す
る方法を提供することを目的とする。
置などの光検出素子を含む複数の素子を半導体基板上に
形成した半導体装置において、素子間分離特性を格段に
向上させ、しかも高集積化が可能な素子分離帯を形成す
る方法を提供することを目的とする。
［発明の概要］ 本発明の第１の特徴は、所望の分離個所に１〜３μｍ幅
のＵ字型溝切りおよび充填法により分離帯を形成する
際、溝切りの深さを、入射光の波長で決まる侵入深さお
よび溝切り部底部付近のキャリアの拡散長に応じて変え
ることにより、光入射により過剰に発生したキャリアを
当該素子以外の部分に拡散する前に再結合により消し去
ることにより、素子間の分離特性を向上させるものであ
る。
のＵ字型溝切りおよび充填法により分離帯を形成する
際、溝切りの深さを、入射光の波長で決まる侵入深さお
よび溝切り部底部付近のキャリアの拡散長に応じて変え
ることにより、光入射により過剰に発生したキャリアを
当該素子以外の部分に拡散する前に再結合により消し去
ることにより、素子間の分離特性を向上させるものであ
る。
本発明の第２の特徴は、溝切り部底部に更に高濃度に不
純物を添加してやり、キャリアの拡散長をより短かくす
ることにより、その効果を一層高めることにある。
純物を添加してやり、キャリアの拡散長をより短かくす
ることにより、その効果を一層高めることにある。
本発明の第３の特徴は、溝切り部底部に更にアルゴン，
酸素，窒素などのイオンを打込んでやり、結晶欠陥をつ
くることによりキャリアの拡散長をより短かくすること
で、その効果を一層高めようとするものである。
酸素，窒素などのイオンを打込んでやり、結晶欠陥をつ
くることによりキャリアの拡散長をより短かくすること
で、その効果を一層高めようとするものである。
本発明の第４の特徴は、素子領域を連続的に形成後に、
分離帯を形成することにより、マスク合せ部分をなくす
ことで、集積度を一層高めようとするものである。
分離帯を形成することにより、マスク合せ部分をなくす
ことで、集積度を一層高めようとするものである。
本発明の第５の特徴は、フォトダイオードまたはイメー
ジセンサ用受光素子の分離に適用することにより高集積
度，高分離特性の光半導体装置を得るようにするもので
ある。
ジセンサ用受光素子の分離に適用することにより高集積
度，高分離特性の光半導体装置を得るようにするもので
ある。
［発明の実施例］ 本発明の一実施例に係るＵ字形型分離帯の形成方法をPI
Nフォトダイオードを含む半導体装置に適用した例につ
き、第１図（Ａ）〜（Ｅ）の工程図を参照して説明す
る。
Nフォトダイオードを含む半導体装置に適用した例につ
き、第１図（Ａ）〜（Ｅ）の工程図を参照して説明す
る。
（Ａ） N+シリコン基板11にN-層12をエピタキシャル成
長により設ける。
長により設ける。
（Ｂ） CVDSiO2膜を形成し、フォトエッチングにより
１〜３μｍ幅に溝切り用マスクを形成し、CCl4やCCl2F2
ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、溝切り部
13を所望の深さまでエッチングする。このときの溝の深
さは、後述するように光キャリアの拡散長と、入射光の
波長に関係する光の侵入距離とに応じて決定する。一
方、溝幅は、集積度や加工精度を考慮して上記のように
１〜３μｍ幅に形成する。このときの溝幅はエッチング
の異方性により全域にわたりマスクとほぼ同寸法に垂直
に形成することができる。また、必要に応じて溝切り部
13の底部にはN+型不純物（As,P,sb等）をイオン注入に
より添加して底部付近の不純物濃度を高くしたり、ある
いは、Ar+,O+,N+などをイオン注入して結晶欠陥14を故
意に形成する。
１〜３μｍ幅に溝切り用マスクを形成し、CCl4やCCl2F2
ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、溝切り部
13を所望の深さまでエッチングする。このときの溝の深
さは、後述するように光キャリアの拡散長と、入射光の
波長に関係する光の侵入距離とに応じて決定する。一
方、溝幅は、集積度や加工精度を考慮して上記のように
１〜３μｍ幅に形成する。このときの溝幅はエッチング
の異方性により全域にわたりマスクとほぼ同寸法に垂直
に形成することができる。また、必要に応じて溝切り部
13の底部にはN+型不純物（As,P,sb等）をイオン注入に
より添加して底部付近の不純物濃度を高くしたり、ある
いは、Ar+,O+,N+などをイオン注入して結晶欠陥14を故
意に形成する。
（Ｃ） 洗浄，熱酸化し表面にSiO2膜15を付けた後に、
LPCVDなどによりポリシリコン16にて充填した後、表面
についたポリシリコンのCF4ガスを用いてプラズマエッ
チングにより除去する。
LPCVDなどによりポリシリコン16にて充填した後、表面
についたポリシリコンのCF4ガスを用いてプラズマエッ
チングにより除去する。
（ｄ） 表面を再び熱酸化し、P+領域形成用のフォトエ
ッチングを行ない、B+のイオン注入，ドライブイン酸化
し、P+領域17を形成する。
ッチングを行ない、B+のイオン注入，ドライブイン酸化
し、P+領域17を形成する。
（Ｅ） 所要のコンタクトホールを形成し、Al等により
配線18を形成する。裏面電極19もAu等により形成する。
配線18を形成する。裏面電極19もAu等により形成する。
PIN構造の光検出部を有するフォトダイオードアレイ
に、上記の如きＵ字型分離帯を形成することにより、第
７図に示した従来構造に比べて集積度および素子分離特
性が格段に優れたフォトダイオードアレイが得られる。
に、上記の如きＵ字型分離帯を形成することにより、第
７図に示した従来構造に比べて集積度および素子分離特
性が格段に優れたフォトダイオードアレイが得られる。
即ち、第７図に示した従来構造の場合、クロストクやブ
ルーミングを防止するには、P+領域から漏れ出す光キャ
リアが隣接する画素間に移動する間に消滅させる必要が
あり、キャリアのN+領域中の行程をキャリアの拡散長ａ
以上にする必要がある。従って、この場合の分離幅は、
N+の横方向拡散により、N-層の長さをｉとして約2i＋ａ
となる。
ルーミングを防止するには、P+領域から漏れ出す光キャ
リアが隣接する画素間に移動する間に消滅させる必要が
あり、キャリアのN+領域中の行程をキャリアの拡散長ａ
以上にする必要がある。従って、この場合の分離幅は、
N+の横方向拡散により、N-層の長さをｉとして約2i＋ａ
となる。
これに対して、本発明によるＵ字型分離帯の場合は、第
２図の要部断面図で示す如く、キャリアは溝の下部を通
って隣接画素に流れ込むので、拡散流ａ＝2b＋ｃを満足
するように溝幅および溝の深さを決めれば良く、溝をあ
る程度深くすることにより溝幅即ち分離幅は１〜３μｍ
と極めて狭くすることができる。
２図の要部断面図で示す如く、キャリアは溝の下部を通
って隣接画素に流れ込むので、拡散流ａ＝2b＋ｃを満足
するように溝幅および溝の深さを決めれば良く、溝をあ
る程度深くすることにより溝幅即ち分離幅は１〜３μｍ
と極めて狭くすることができる。
ところで入射光が赤外線などのような長波長成分を含む
場合、直接N+層11まで侵入してキャリア20を発生する。
この場合、上述の場合に比べて相対的にキャリアの行程
が短かくなる。一方、Siの光吸収係数αについてはGrov
e著の“Physics and Technolagy of Semiconductor
Devices"（Nuw Youk;Wiley 1967年）によると、第
３図のようになり、光の侵入距離ｌを1/αにとると、例
えば、0.8μｍの近赤外光ではｌ÷10μｍとなる。従っ
て、この場合はａ＝ｂ＋（ｉ＋ｂ−ｌ）＋ｃを満足する
ように溝幅および溝深さを決めれば良く、溝の深さは上
述の場合よりも多少深くする必要はあるが、このような
場合を考慮しても溝幅即ち分離幅は１〜２μｍとするこ
とは可能である。
場合、直接N+層11まで侵入してキャリア20を発生する。
この場合、上述の場合に比べて相対的にキャリアの行程
が短かくなる。一方、Siの光吸収係数αについてはGrov
e著の“Physics and Technolagy of Semiconductor
Devices"（Nuw Youk;Wiley 1967年）によると、第
３図のようになり、光の侵入距離ｌを1/αにとると、例
えば、0.8μｍの近赤外光ではｌ÷10μｍとなる。従っ
て、この場合はａ＝ｂ＋（ｉ＋ｂ−ｌ）＋ｃを満足する
ように溝幅および溝深さを決めれば良く、溝の深さは上
述の場合よりも多少深くする必要はあるが、このような
場合を考慮しても溝幅即ち分離幅は１〜２μｍとするこ
とは可能である。
一方、上記溝の深さをあまり深くすることができない場
合は前述したように溝切り部13の底部に高濃度不純物領
域を形成したり、あるいは、結晶欠陥を故意に作り、こ
の部分のみキャリアの拡散長を小さくすることにより、
キャリアの消滅を効果的に行ない分離特性をより良くす
ることも可能である。
合は前述したように溝切り部13の底部に高濃度不純物領
域を形成したり、あるいは、結晶欠陥を故意に作り、こ
の部分のみキャリアの拡散長を小さくすることにより、
キャリアの消滅を効果的に行ない分離特性をより良くす
ることも可能である。
このようにして、Ｕ字型分離帯を形成することにより本
実施例の場合には、従来構造に比べて、N-層12の圧さを
如何によらず、十分集積度良く分離帯を形成することが
できるようになる。
実施例の場合には、従来構造に比べて、N-層12の圧さを
如何によらず、十分集積度良く分離帯を形成することが
できるようになる。
一例として、光検出部の画素寸法37×37μｍ、基板不純
物濃度１×1018cm-3、N-層厚さ５μｍの場合で、溝切り
寸法として幅２μｍ、深さ10μｍとなるように分離帯を
形成し、各画素間のクロストークを測定した結果、クロ
ストークは0.1％以下であり、従来の約10％に比べ、100
分の１以下に減少し、極めて良い分離特性が得られた。
物濃度１×1018cm-3、N-層厚さ５μｍの場合で、溝切り
寸法として幅２μｍ、深さ10μｍとなるように分離帯を
形成し、各画素間のクロストークを測定した結果、クロ
ストークは0.1％以下であり、従来の約10％に比べ、100
分の１以下に減少し、極めて良い分離特性が得られた。
尚、分離帯の形成は上記実施例のみに限られることな
く、例えば第４図に示すように、Ｐ型基板21にN+埋込層
を形成した上にN-エピタキシャル層を形成した構造にも
適用することができ、入射光波長，キャリアの拡散長に
よっては、溝切り深さをN+埋込層を貫通し、Ｐ型基板中
まで入ることもあり得ることは勿論である。
く、例えば第４図に示すように、Ｐ型基板21にN+埋込層
を形成した上にN-エピタキシャル層を形成した構造にも
適用することができ、入射光波長，キャリアの拡散長に
よっては、溝切り深さをN+埋込層を貫通し、Ｐ型基板中
まで入ることもあり得ることは勿論である。
また、上記の例ではP+N-N+構造およびP+N-N+P構造につ
いてのみ述べたが、第５図（Ａ），（Ｂ）のように、P+
N構造およびP+NP構造構造についてもP+N接合にできる空
乏層22を上記例のN-に置き換えてやれば全く同様に入射
光の侵入深さ、および、キャリアの拡散長に応じて溝切
りの深さを決めることができる。以上の例を各々導電型
を逆にした場合、更にはシリコン以外の他の半導体の場
合にも本発明は適用できることは明白である。
いてのみ述べたが、第５図（Ａ），（Ｂ）のように、P+
N構造およびP+NP構造構造についてもP+N接合にできる空
乏層22を上記例のN-に置き換えてやれば全く同様に入射
光の侵入深さ、および、キャリアの拡散長に応じて溝切
りの深さを決めることができる。以上の例を各々導電型
を逆にした場合、更にはシリコン以外の他の半導体の場
合にも本発明は適用できることは明白である。
更に付け加えるに、P+領域と分離領域は必ずしも離れて
形成する必要はなく、集積度を更に上げるためには第６
図のようにP+領域を連続的に形成してから分離帯を形成
すれば、マスク合せに必要な寸法だけ、縮小できるので
更に集積度を上げることができる。
形成する必要はなく、集積度を更に上げるためには第６
図のようにP+領域を連続的に形成してから分離帯を形成
すれば、マスク合せに必要な寸法だけ、縮小できるので
更に集積度を上げることができる。
［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、極めて集積度が高く、か
つ、分離特性（低クロストーク，耐ブルーミング性）に
優れた半導体装置が得られる。また、本発明を検出部お
よび増幅回路，スイッチ回路等を同一基板上に含む光信
号処理用IC等低クロストーク性の要求される半導体装置
に適用すれば、その性能向上に極めて大きく寄与するこ
とができる。
つ、分離特性（低クロストーク，耐ブルーミング性）に
優れた半導体装置が得られる。また、本発明を検出部お
よび増幅回路，スイッチ回路等を同一基板上に含む光信
号処理用IC等低クロストーク性の要求される半導体装置
に適用すれば、その性能向上に極めて大きく寄与するこ
とができる。
第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の一実施例に係るＵ字型
分離帯形成方法を説明するための工程図、第２図は第１
図により形成されたＵ分離帯の作用効果を説明するため
の半導体装置の要部概念図、第３図は波長と光吸収係数
との関係図、第４図、第５図（Ａ），（Ｂ）、第６図
は、それぞれ本発明の他の実施例を示すＵ字型分離帯の
形成された半導体装置の要部概念図、第７図は従来の分
離帯構造を有する半導体装置の要部概念図である。 1,1′……画素、２……領域、３……基板、４……分離
領域、11……N-シリコン基板、12……N-層、13……溝切
り部、14……結晶欠陥、15……SiO2膜、16……ポリシリ
コン、17……P+領域、18……配線、19……裏面電極、20
……キャリア、21……N+基板、22……空乏層。
分離帯形成方法を説明するための工程図、第２図は第１
図により形成されたＵ分離帯の作用効果を説明するため
の半導体装置の要部概念図、第３図は波長と光吸収係数
との関係図、第４図、第５図（Ａ），（Ｂ）、第６図
は、それぞれ本発明の他の実施例を示すＵ字型分離帯の
形成された半導体装置の要部概念図、第７図は従来の分
離帯構造を有する半導体装置の要部概念図である。 1,1′……画素、２……領域、３……基板、４……分離
領域、11……N-シリコン基板、12……N-層、13……溝切
り部、14……結晶欠陥、15……SiO2膜、16……ポリシリ
コン、17……P+領域、18……配線、19……裏面電極、20
……キャリア、21……N+基板、22……空乏層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イシユトヴアン・バールシヨニ 静岡県浜松市篠ヶ瀬町586番地 (56)参考文献 特開 昭58−82532（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−188966（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−37232（ＪＰ，Ｂ１)
Claims (6)
- 【請求項１】少なくとも第１導電型高不純物密度の半導
体層を表面に有する半導体基板上に、第１導電型低不純
物密度の半導体層を形成する工程と、 前記低不純物密度の半導体層を島状に分離すべく、入射
光によって形成される光キャリアの拡散長をａとしたと
き、 ａ＝2b＋ｃ なる関係を満足するように、前記低不純物密度の半導体
層の表面から前記低不純物密度の半導体層を貫通し、か
つ、所望の分離個所の前記半導体基板に、深さｂ、幅ｃ
の分離溝を形成する工程と、 前記低不純物密度の半導体層の表面ならびに前記分離溝
の表面を熱酸化する工程と、 前記分離溝を溝充填法により充填する工程と、 前記低不純物密度の半導体層上部に第２導電型の半導体
領域を形成して受光素子となす工程と、 前記半導体領域に対する所望のコンタクトホールを形成
して金属配線を形成する工程とを有することを特徴とす
る半導体受光素子の製造方法。 - 【請求項２】前記分離溝形成後、前記分離溝の底部にの
み選択的に前記分離溝底部の半導体基板と同導電型の不
純物を添加する工程を有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の半導体受光素子の製造方法。 - 【請求項３】前記分離溝形成後、前記分離溝の底部にの
み選択的にイオンを打ち込んで、前記分離溝底部の半導
体基板にのみ結晶欠陥を誘起させる工程を有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体受光素子
の製造方法。 - 【請求項４】少なくとも第１導電型高不純物密度の半導
体層を表面に有する半導体基板上に第１導電型低不純物
密度の半導体層を形成する工程と、 前記低不純物密度の半導体層を島状に分離すべく、前記
低不純物密度の半導体層の厚さをｉ、入射光の波長によ
って決まる光の進入距離を１、入射光によって形成され
る光キャリアの拡散長をａとしたとき、 ａ＝ｂ＋（ｉ＋ｂ−１）＋ｃ なる関係を満足するように、前記低不純物密度の半導体
層の表面から前記低不純物密度の半導体層を貫通し、か
つ、所望の分離個所の前記半導体基板に、深さｂ、幅ｃ
の分離溝を形成する工程と、 前記低不純物密度の半導体層の表面ならびに前記分離溝
の表面を熱酸化する工程と、 前記分離溝を溝充填法により充填する工程と、 前記低不純物密度の半導体層上部に第２導電型の半導体
領域を形成して受光素子となす工程と、 前記半導体領域に対する所望のコンタクトホールを形成
して金属配線を形成する工程とを有することを特徴とす
る半導体受光素子の製造方法。 - 【請求項５】分離溝形成後、前記分離溝の底部にのみ選
択的に前記分離溝底部の半導体基板と同導電型の不純物
を添加する工程を有することを特徴とする特許請求の範
囲第４項記載の半導体受光素子の製造方法。 - 【請求項６】分離溝形成後、前記分離溝の底部のみに選
択的にイオンを打ち込んで、前記分離溝底部の半導体基
板にのみ結晶欠陥を誘起させる工程を有することを特徴
とする特許請求の範囲第４項記載の半導体受光素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP59254156A JPH0691233B2 (ja) | 1984-12-03 | 1984-12-03 | 半導体受光素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59254156A JPH0691233B2 (ja) | 1984-12-03 | 1984-12-03 | 半導体受光素子の製造方法 |
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|---|---|
| JPS61133659A JPS61133659A (ja) | 1986-06-20 |
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ID=17261000
Family Applications (1)
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| JP59254156A Expired - Fee Related JPH0691233B2 (ja) | 1984-12-03 | 1984-12-03 | 半導体受光素子の製造方法 |
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-
1984
- 1984-12-03 JP JP59254156A patent/JPH0691233B2/ja not_active Expired - Fee Related
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