JPS61133659A

JPS61133659A - 半導体受光素子の製造方法

Info

Publication number: JPS61133659A
Application number: JP59254156A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Hitoshi Anzai; 安西　均; Baarushiyoni Ishiyutobuan; イシユトヴアン・バールシヨニ
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1986-06-20
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH0691233B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（ウェハ）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。

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１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、耐圧やり−、りを軽減するため分離部の不純物濃度
を１０１７〜１．０１”　ｃ＋ｎ−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
の画素間のクロスト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。

［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＝３− 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。

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。

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。

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。

［発明の実施例］４一本発明の一実施例に係るＵ字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）〜（Ｈ）の工程図を参照して説明する
。

（Ａ）　　Ｎ＋シリコン基板１１にＮ一層１２をエピタ
キシャル成長により設ける。

（Ｂ）　　ＣＶＤ５ｉＯ２膜を形成し、フォトエツチン
グにより１〜３μｍ幅に溝切り用マスクを形成し。

ＣＣＱａやＣＣＵ２Ｆ２ガスを用いた反応性イオンエツ
チングにより、溝切り部１３を所望の深さまでエツチン
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
ときの溝幅はエツ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十型不純物（
Ａｓ、Ｐ。

ｇｂ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”、０”、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Ｓｉ０２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みＣＦａガスを用い
てプラズマエツチングにより除去する。

（Ｄ）表面を再び熱酸化し、Ｐ十領域形成用のフォトエ
ツチングを行ない、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、ＡＱ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。

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。

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十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十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一層の厚さをｉとして
約２ｉ十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、拡散長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１〜３μ
ｍ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十層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
の行程が短がくなる。一方、Ｓｉの光吸収係数αについ
てはＧｒｏｖｅ著の”Ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄ　Ｔｅｃｈ
ｎｏｌａｇｙ　ｏｆ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄ
ｅｖｊｃｅｓ”（Ｎｅｗ’１０ｕｋ　：　Ｗｉｌｅｙ　
１９６７年）によると、第３図のようになり、光の侵入
距離ρをＩ／αにとると、例えば、０．８μｍの近赤外
光では０膜１０μｍとなる。従って。

この場合はａ＝ｂ＋（ｉ＋ｂ　−ｆｉ）＋Ｃｔ＆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１〜３μｍ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。

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一層１２の厚
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。

−例として、光検出部の画素寸法３７　Ｘ　３７μｍ、
基板不純物濃度ｌＸｌ０’　”　ａｍ−”　、Ｎ一層厚
さ５μｍの場合で、溝切り寸法として幅２μｍ、深さ１
０μｍ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十埋込
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＋槽構造よび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”Ｎ　Ｐ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。

更に付は加えるに、Ｐ＋領域と分前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
ので更に菜積度を上げることができる。

［発明の効果コ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、本発明を光検出部
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。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｇ）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。ｌ、１′・・・画素、２・・・領域、３・・・基板、４
・・・分離領域、１１・・・Ｎ−シリコン基板、１２・
・・Ｎ一層、１３・・・溝切り部、１４・・・結晶欠陥
、１５・・・Ｓｉｎ　２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子基板、２２
・・・空乏層。第２図ｈｙ第３図 ’１０　　　　　　　　Ｃｍ−’ ６０　　　　　　　　　　　　１０５”’；ｉ都４！ｌ−唖３＆　　　　　　　　　ピ１０４當 ”　５０　　　　　　　　　叡、八３第４図第５図第６図手続補正書（０劃昭和５９年１２月６日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に形成する複数個の素子間に分離帯
を形成する半導体素子分離帯の形成方法において、Ｕ字
型溝切りおよび溝充填法を用いて、所望の分離個所に入
射光の波長とその光キャリアの拡散長とによって決まる
深さの分離溝を形成することを特徴とする半導体素子分
離帯の形成方法。
（２）特許請求の範囲第１項記載において、分離溝形成
後その底部に選択的に基板と同導電型の不純物を添加す
ることを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法。
（３）特許請求の範囲第１項記載において、分離溝形成
後、その底部に選択的にイオンを打込んで、基板内に結
晶欠陥を誘起させることを特徴とする半導体素子分離帯
の形成方法。
（４）特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかの記
載において、素子領域を連続的に形成後、分離帯を形成
することを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法。
（５）特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかの記
載において、半導体基板上に形成、分離すべき複数個の
素子がフォトダイオードまたはイメージセンサ用受光素
子であることを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法
。