JP3975391B2 - Semiconductor device, image sensor, PIN diode, and electronic device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を電荷に変換する、フォトダイオード等の光電変換素子とトランジスタとを含む半導体装置に関し、特に、光電変換素子の光電変換効率の向上を図った半導体装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
イメージセンサとしてMOSセンサ、CMOSセンサが提案されている。これ等は光電変換素子であるフォトダイオードと、MOSトランジスタあるいはCMOSトランジスタとを1セルとし、各セルを半導体基板上にマトリクス状に配列し、撮像装置としたものである。基板に形成されるトランジスタ等の素子は、フィールド酸化膜やウェル構造などによって互いに分離(素子分離)されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォトダイオードやMOSトランジスタ等を高集積化するために、基板上に各素子間を近づけて配置すると、トランジスタのソースあるいはドレインと基板間にリーク電流が発生する。これが暗電流となって雑音を発生させ、S/N比やダイナミックレンジを低下させる。
【0004】
また、高エネルギの入射光が基板のセルの受光領域に入射すると、半導体基板の深部まで入り込み、電子−正孔対を発生させる。この基板内の電荷が他のセルの光電変換素子に入り込むと、当該セルの出力する電気信号と入射光量とが正確に対応しなくなる虞がある。
【0005】
そこで、出願人は、特願2000−348501において、バルク基板ではなく、SOI(silicon on insulator)基板のような絶縁膜上に半導体膜を積層した基板に半導体素子を形成する構造を提案した。すなわち、絶縁基板上の半導体膜(例えば、シリコン)に光電変換膜とMOSトランジスタとを一体的に形成した構造によって接合リーク電流を減少し、また、高エネルギ光の入射によって基板に発生した電荷が他のセルのフォトダイオードに入り込むことを抑制した。
【0006】
ここで、光電変換膜は光電変換効率を高くするために、入射光エネルギを全て電荷として吸収するべく、ある程度膜厚を厚く形成することが望ましい。また、光電変換膜の入射光の波長に対する感度特性はその膜厚と関係がある。光電変換膜が可視光域である比較的に低い波長において高感度を持つようにするためには、例えば、1μm以上の膜厚とすることが望ましい。
【0007】
しかしながら、光電変換膜とMOSトランジスタのソース、ドレイン、チャネルの各領域とを同じ半導体膜(活性層)で形成する構造では、当該MOS(SOI)トランジスタの活性層の膜厚は0.1μm(1000オングストローム)程度であり、所要特性の光電変換膜の膜厚(例えば、1μm以上)との差が大きい。このため、光電変換膜の膜厚だけを自由に設定することは難しい。
【0008】
よって、本発明は、光電変換膜の膜厚を厚く形成することを容易とした半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
また、本発明は、絶縁基板に形成される光電変換膜とこの光電変換膜に接続されるMOSトランジスタを含む半導体装置において、光電変換膜をMOSトランジスタの活性層に比べて厚膜に形成することを容易とした半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明は、絶縁基板に形成されるフォトダイオードとMOSトランジスタを含む半導体装置において、フォトダイオードをMOSトランジスタの活性層に比べて厚膜に形成することを容易とした半導体装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の半導体装置は、光を電荷に変換する光電変換素子と能動素子(例えば、トランジスタ)とが同一基板上に配置された半導体装置において、上記光電変換素子は、上記基板上に形成された溝又は穴を有する中間膜と、上記中間膜の少なくとも一部を被覆する光電変換膜と、を含むこと、を特徴とする。
【0012】
また、本発明の半導体装置は、光を電荷に変換する光電変換素子と能動素子とを同一基板上に含む半導体装置において、上記基板上に形成される溝状又は穴状の溝穴構造を有する中間膜と、上記中間膜の当該溝穴を埋設するように積層される上記光電変換素子の光電変換膜と、を含み、上記中間膜の溝穴構造を利用して前記光電変換膜を厚膜に形成する、ことを特徴とする。
【0013】
かかる溝穴を利用することによって光電変換膜は、中間膜上に堆積する部分にら加えて溝穴を埋設する部分とを含み、これ等により、入射光方向に対して実質的に光電変換膜の膜厚を大きくすることが可能となる。膜厚を厚くすることによって光電変換の効率を高めることが可能となる。また、膜厚が厚いとより低い波長の光(可視光域)に対する感度を向上することが可能となる。
【0014】
好ましくは、上記基板は絶縁基板であり、上記能動素子は前記光電変換素子に接続されるトランジスタであって、上記光電変換膜の膜厚を上記トランジスタの活性層の膜厚よりも大きく形成する。絶縁基板は、シリコン酸化膜の他、ガラス基板などであっても良い。
【0015】
かかる絶縁基板を用いる構成とすることによって基板へのリークを減少することが可能となる。また、光電変換素子の光電変換膜と接続される能動素子(例えば、トランジスタ)の活性層とを異なる膜厚に形成することが容易となり、光電変換膜を厚膜に形成して光電変換効率を高めることが可能となる。
【0016】
好ましくは、上記中間膜の当該溝穴の幅を上記光電変換膜の堆積高さの略2倍に形成する。かかる構成とすることによって、穴を全体的に埋設することが可能となる。
【0017】
好ましくは、上記中間膜は上記トランジスタの層間絶縁膜と同時に形成される。かかる構成とすることによって、中間膜を形成するためのプロセスを増やさずに済む利点がある。また、絶縁基板と溝穴のある層間絶縁膜によって光電変化領域を囲むことによって、入射光エネルギが他のセルの領域に入り込むことを抑制することが可能となる。
【0018】
好ましくは、上記光電変換素子はPINダイオードであり、上記光電変換膜はこのダイオードのI層である。光電変換にPINダイオードを用いることによって、より効率の高い光電変換が可能となる。
【0019】
本発明のイメージセンサは、光量に応じた電荷を発生する単位セルを基板上にマトリクス状に配置したイメージセンサにおいて、上記単位セルは、光を電荷に変換する光電変換素子とこの光電変換素子に接続される能動素子(例えば、トランジスタ)とを含み、光電変換素子の光電変換膜は、上記基板上に形成された溝状又は穴状の溝穴構造を有する中間膜を埋設するように形成され、それによって厚膜化される。
【0020】
かかる構成とすることによって、セルの光電変換膜を厚膜に形成し、光電変換効率をより高めることが可能となる。
【0021】
好ましくは、イメージセンサの上記基板は絶縁基板であり、上記能動素子は上記光電変換素子に接続されるトランジスタであり、上記光電変換素子はPINダイオードであって、上記光電変換膜はこのダイオードのI層であり、上記中間膜は絶縁膜である。
【0022】
好ましくは、上記溝穴の形状は、前記中間膜の上面に形成された断面多角形、例えば長方形の、横長の柱状溝である。あるいは前記中間膜の上面から絶縁基板方向に掘り込まれた縦長の角若しくは円柱状の穴、あるいは角錐や円錐状の穴などを含む。溝は、例えば、互いに平行に複数配列され、あるいは碁盤の目のように格子状に形成される。穴は、例えば、マトリクス状に配置される。また、上記溝は同心円状や螺旋状に形成しても良く、これを同心の複数の多角形(例えば、四角形)により同心円や螺旋と同様に形成しても良い。
【0023】
また、本発明のPINダイオードは、基板の横方向に各半導体層が配置されるPINダイオードにおいて、P型不純物を高濃度で含むP型半導体層と、上記P型半導体層と接続され、不純物を低濃度で含むI型半導体層と、上記I型半導体層と接続され、N型不純物を高濃度で含むN型半導体層と、を有し、上記I型半導体層と、上記P型半導体層又は上記N型半導体層とが少なくとも一部で重畳するように形成される、ことを特徴とする。
【0024】
かかる構成とすることによって、基板に横方向に延在するPINダイオードを、一部領域を重ねて形成することになるので、PINダイオードの基板に占める面積の割合を相対的に小さくすることが可能となる。
【0025】
好ましくは、上記I型半導体層の前記基板の縦方向における断面が櫛歯状になるように前記I型半導体層を形成する、ことを特徴とする。
【0026】
それにより、I型半導体層の膜厚を実質的に厚くすることが可能となり、PINダイオードで光電変換を行う場合に、I型半導体層が可視領域の低波長の光まで効率よく変換することが可能となる。
【0027】
好ましくは、上記I型半導体層と、上記P型半導体層又は上記N型半導体層との間に、貫通口の設けられた中間膜を配置し、上記I型半導体層は、上記貫通口を経由して前記P型半導体層又は前記N型半導体層と電気的に接続する。
【0028】
好ましくは、基板は絶縁基板であり、上記I型半導体層が光電変換機能を持つ。
【0029】
かかる構成とすることによって、I型半導体層を実質的に厚膜とすると共に、基板、中間膜(好ましくは、絶縁膜)で光電変換膜(I型半導体層)を囲み、他領域への発生電荷の侵入を防止することが可能となる。
【0030】
また、本発明の電子機器は、上述した半導体装置、イメージセンサ、PINダイオードのいずれかを含む。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0032】
図1は、半導体装置であるイメージセンサ1に本発明を適用した例を示している。イメージセンサ1は、光電変換素子とMOSトランジスタとを含む単位セルがマトリクス状に配列されている。同図においては、単位セル相当部分の断面を示しており、絶縁基板2に形成された光電変換素子としてのPINダイオード3と、このダイオードの出力を動作指令信号に応じて出力するMOSトランジスタ4が示されている。PINダイオード3は、P型不純物が高濃度で注入されたP層3a、不純物が低濃度で比抵抗の高いI(intrinsic)層3c、N型不純物が高濃度で注入されたN層3cによって構成される。なお、図示していないが、各単位セルに光電変換素子の出力を増幅するアンプを設け、高感度・低雑音のCMOS構成とすることも可能である。絶縁基板2は、基板11の表面に絶縁膜13a及び半導体膜13を積層した、いわゆるSOI(半導体・オン・インシュレータ)基板を用いることができる。例えば、基板11としてシリコン基板、絶縁膜13aとして酸化シリコン膜、半導体膜13として単結晶シリコン膜を用いる。この基板2に形成される能動素子としてのMOSトランジスタ4はSOIトランジスタとも呼ばれる。
【0033】
なお、半導体膜13として、単結晶シリコンのみならず、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを使用することが可能であり、基板をガラスとし、トランジスタをTFT構造とすることも可能である。
【0034】
このトランジスタ4のソースと接続されるPINダイオード3は、そのI層3bが通常よりも厚膜に形成される。光電変換を行うI層3bを厚膜に形成することによって、光電変換の効率の向上と、可視光域における所要の感度特性を得ることが可能となる。このため、I層3bとN層3cとの間に介在する中間膜としての絶縁層17に開孔された溝穴18をI層3bで埋設する構造を採用している。I層3b自体の膜厚と、溝穴18の深さ分のI層3bの膜厚とで等価的にI層全体の膜厚を厚く形成する。例えば、I層自体の膜厚は0.5μm(5000オングストローム)、溝穴の深さは、可視光領域での使用を考慮して、1μm程度に設定する。勿論、所要の感度特性に応じてこれ等を決めることが可能であり、このような膜厚に限定されるものではない。なお、I層自体の膜厚(堆積高さ)と溝穴18横幅との比が約1:2以下となるようにすると溝穴18が埋設される。
【0035】
また、PINダイオード3の周囲は基板の絶縁膜13a、層間絶縁膜17、20によって覆われている。MOSトランジスタ4の活性層13の周囲も基板の絶縁膜13a、層間絶縁膜17によって覆われている。従って、強エネルギの入射光によって電荷が発生した場合であっても、隣接セルに電荷がリークすることは防止される。
【0036】
このように構成されたPINダイオード3は、P層3a、I層3b、N層3cが基板に対して横方向に延在すると共に、I層3bとN層3cとが一部重畳しているので、単に、P層3a、I層3b、N層3cを横方向に並べて配置した場合に比べて単位セルの面積を小さくすることが可能となる。実施例では、I層3bとN層3cとを重畳しているが、P層3aとI層3bとを重畳することとしても良い。また、各領域が逆極性であっても良い。
【0037】
次に、上述した半導体装置の製造プロセスについて図2乃至図11を参照して説明する。
【0038】
まず、図2に示されるように、シリコン基板11の表面を酸化し、2000オングストローム程度の膜厚のシリコン酸化膜12を形成される。この絶縁膜上に活性層となるべき薄いシリコン膜(半導体膜)13を1000オングストローム程度の膜厚に形成し、SOI基板2を得る。なお、SOI基板を購入しても良い。
【0039】
この基板2の表面のシリコン膜を熱酸化して100オングストローム程度の膜厚のゲート酸化膜(シリコン酸化膜)14を形成する。これにより、MOSトランジスタのゲート絶縁膜を得る。このゲート酸化膜14の上からシリコン層13にボロンイオンを低濃度(P−)でイオン注入し、SOIトランジスタの活性化層を形成する。例えば、BF2 +をドーズ量1012cm−2、加速エネルギ20keVで注入する。更に、このゲート酸化膜14の上にマスク材としてのシリコン窒化膜15を1000オングストローム程度の膜厚に形成する(図3参照)。このシリコン窒化膜15をパターニングしてトランジスタ領域等を残し、他を露出する(図4参照)。このシリコン窒化膜15を酸素侵入防止マスクとしてシリコン膜13を酸化し、トランジスタ領域を除いて酸化膜13a化する。その後、窒化膜15を除去する。この上に、リンを高濃度(N+)でドープしたポリシリコン膜16をCVD法によって3500オングストローム程度の膜厚に形成する。このポリシリコン膜16をパターニングしてトランジスタのゲート16a及びPINダイオードのN層16bを形成する(図6参照)。更に、トランジスタのゲート16aをマスクとしてソース・ドレイン領域にリンイオンを高濃度(N+)で注入し、ソース領域、ドレイン領域を形成する。例えば、リンイオンP+をドーズ量2×1015cm−2、加速エネルギ30keVで注入する。
【0040】
次に、CVD法によって酸化シリコンを基板上に堆積し、層間絶縁膜17を形成する(図7参照)。この絶縁膜17をパターニングして、PINダイオード領域のN層16b上に溝穴18を形成する。また、トランジスタのドレイン領域上の絶縁膜14、16を除去し、ドレイン領域(活性層)を露出する接続孔を開口する(図8参照)。
【0041】
次に、CVD法によってポリシリコン膜19を形成し、溝18及びドレイン領域を埋め込む。次に、フォトレジストを塗布し、パターニングしてマスクとし、ポリシリコン膜19のPINダイオードのI領域相当部分にボロンイオンを低濃度(P−)で注入する。このマスクを除去し、フォトレジストを塗布し、パターニングしてマスクとし、ポリシリコン膜19のPINダイオードのP領域相当部分にボロンイオンを高濃度(P+)で注入する。例えば、BF2 +をドーズ量3×1015cm−2、加速エネルギ40keVで注入する。更に、このマスクを除去し、フォトレジストを塗布し、パターニングしてマスクとし、ポリシリコン膜19のPINダイオードのN領域16bとドレイン領域とを接続する部分にリンイオンを高濃度(N+)で注入する。。例えば、リンイオンP+をドーズ量3×1015cm−2、加速エネルギ60keVで注入する。次に、ポリシリコン膜19をパターニングしてPINダイオードを形成する(図9参照)。
【0042】
更に、PINダイオード及びトランジスタ上にCVD法によって酸化シリコンを堆積して膜層間絶縁膜20を形成する。この層間絶縁膜20をパターニングし、トランジスタのゲート、ソース、PINダイオードのP層と、配線とを接続するためにコンタクトホールを開口する。次に、例えば、アルミニウムをスパッタ法によって堆積して、配線膜21を形成する。この配線膜21が所要のパターンになるようにパターニングを行う(図10参照)。
【0043】
次に、保護膜、平坦化膜としてPSG膜22をCVD法によって堆積し、リフローして基板の表面を平坦化する。更に、この上に保護膜としてCVD法によってシリコン窒化膜23を形成し、パターニングを行ってPINダイオード領域を開孔し、窓を形成する(図11参照)。なお、特に言及していないが、不純物注入の際には、活性化の為の熱処理が適宜に行われる。このようにして、イメージセンサが製造される。
【0044】
図12は、PINダイオード領域に形成される溝穴18の種々の形成例を示している。溝穴18は、同図(a)に示すように、平行に複数形成しても良い。また、溝穴18は、同図(b)に示すように、多数の孤立した穴として形成しても良い。更に、溝穴18は、同図(c)に示すように、同心の複数の多角形や螺旋状(図示せず)で形成しても良い。
【0045】
上述したように、本発明の実施例によれば、溝18を利用して光電変換膜を厚膜に形成したPINダイオードが得られる。溝18の深さ(酸化膜17の膜厚)を利用して厚膜を形成することが容易であるので比較的に波長が長い可視光領域に良好な感度特性を持つ光センサを得ることが可能となる。
【0046】
また、実施例の構成によれば、PINダイオード及びトランジスタの周囲は絶縁膜で囲まれているので光入射によって発生した電荷の隣接セルへのリークも生じ難い。
【0047】
また、実施例の構成によれば、フォトセンサの光電変換膜(I層)をSOIトランジスタの活性層に比べて厚膜に形成することが容易である。
【0048】
また、能動素子の形成される活性層となる半導体膜13は、単結晶膜(例えば、単結晶シリコン)のみならず、多結晶膜(例えば、ポリシリコン膜)、非晶質膜(例えば、アモルファスシリコン膜)であっても良い。
【0049】
また、基板は、シリコン基板のみならずガラス基板であっても良い。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置等によれば、光電変換膜の膜厚を厚く形成することを容易とした半導体装置を得ることが可能となる。特に、活性層が薄いSOIトランジスタを用いる半導体装置には好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る半導体装置の実施例を説明する断面図である。
【図2】図2は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図3】図3は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図4】図4は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図5】図5は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図6】図6は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図7】図7は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図8】図8は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図9】図9は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図10】図10は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図11】図11は、本発明に係る半導体装置の製造工程を説明する工程図である。
【図12】図12は、溝穴18の各種パターンを説明する説明図である。
【符号の説明】
1 イメージセンサ
2 SOI基板
3 PINダイオード
3a P層
3b I層
3c N層
4 MOSトランジスタ(SOIトランジスタ)
13 活性層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a photoelectric conversion element such as a photodiode that converts light into an electric charge and a transistor, and more particularly to improvement of a semiconductor device that improves the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element.
[0002]
[Prior art]
MOS sensors and CMOS sensors have been proposed as image sensors. In these devices, a photodiode, which is a photoelectric conversion element, and a MOS transistor or a CMOS transistor are used as one cell, and each cell is arranged in a matrix on a semiconductor substrate to form an imaging device. Elements such as transistors formed on the substrate are isolated (element isolation) from each other by a field oxide film, a well structure, or the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the photodiodes, MOS transistors, and the like are highly integrated on the substrate, the leak current is generated between the source or drain of the transistor and the substrate. This becomes a dark current, generates noise, and lowers the S / N ratio and dynamic range.
[0004]
Further, when high-energy incident light enters the light receiving region of the substrate cell, it penetrates deep into the semiconductor substrate, generating electron-hole pairs. When the charges in the substrate enter the photoelectric conversion elements of other cells, there is a possibility that the electric signal output from the cell and the incident light quantity do not correspond accurately.
[0005]
Therefore, in Japanese Patent Application No. 2000-348501, the applicant has proposed a structure in which a semiconductor element is formed on a substrate in which a semiconductor film is stacked on an insulating film such as an SOI (silicon on insulator) substrate instead of a bulk substrate. That is, the junction leakage current is reduced by the structure in which the photoelectric conversion film and the MOS transistor are integrally formed on the semiconductor film (for example, silicon) on the insulating substrate, and the charge generated on the substrate by the incidence of the high energy light is reduced. Suppressed entering the photodiodes of other cells.
[0006]
Here, in order to increase the photoelectric conversion efficiency, it is desirable that the photoelectric conversion film is formed to be thick to some extent so as to absorb all incident light energy as charges. The sensitivity characteristic of the photoelectric conversion film with respect to the wavelength of incident light is related to the film thickness. In order for the photoelectric conversion film to have high sensitivity at a relatively low wavelength in the visible light region, for example, it is desirable to set the film thickness to 1 μm or more.
[0007]
However, in the structure in which the photoelectric conversion film and the source, drain, and channel regions of the MOS transistor are formed of the same semiconductor film (active layer), the thickness of the active layer of the MOS (SOI) transistor is 0.1 μm (1000 Angstroms), and the difference from the required film thickness (for example, 1 μm or more) of the photoelectric conversion film is large. For this reason, it is difficult to freely set only the film thickness of the photoelectric conversion film.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can easily form a photoelectric conversion film with a large thickness.
[0009]
Further, according to the present invention, in a semiconductor device including a photoelectric conversion film formed on an insulating substrate and a MOS transistor connected to the photoelectric conversion film, the photoelectric conversion film is formed thicker than the active layer of the MOS transistor. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that facilitates the above.
[0010]
Further, the present invention provides a semiconductor device including a photodiode and a MOS transistor formed on an insulating substrate, wherein the photodiode can be easily formed thicker than the active layer of the MOS transistor. With the goal.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a photoelectric conversion element that converts light into an electric charge and an active element (for example, a transistor) are arranged on the same substrate. It includes an intermediate film having a groove or a hole formed on a substrate, and a photoelectric conversion film covering at least a part of the intermediate film.
[0012]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a photoelectric conversion element that converts light into electric charge and an active element on the same substrate, and has a groove-like or hole-like groove structure formed on the substrate. An intermediate film, and a photoelectric conversion film of the photoelectric conversion element laminated so as to bury the groove of the intermediate film, and the photoelectric conversion film is made thick using the groove structure of the intermediate film It is characterized by forming.
[0013]
By using such a slot, the photoelectric conversion film includes, in addition to the portion deposited on the intermediate film, a portion in which the groove is embedded, and thus the photoelectric conversion film substantially with respect to the incident light direction. It is possible to increase the film thickness. Increasing the film thickness can increase the efficiency of photoelectric conversion. Further, when the film thickness is thick, it is possible to improve sensitivity to light having a lower wavelength (visible light region).
[0014]
Preferably, the substrate is an insulating substrate, the active element is a transistor connected to the photoelectric conversion element, and the film thickness of the photoelectric conversion film is larger than the film thickness of the active layer of the transistor. The insulating substrate may be a glass substrate in addition to the silicon oxide film.
[0015]
By using such an insulating substrate, leakage to the substrate can be reduced. In addition, it becomes easy to form the active layer of the active element (for example, transistor) connected to the photoelectric conversion film of the photoelectric conversion element with a different film thickness, and the photoelectric conversion film is formed in a thick film to increase the photoelectric conversion efficiency. It becomes possible to raise.
[0016]
Preferably, the width of the groove of the intermediate film is formed to be approximately twice the deposition height of the photoelectric conversion film. With this configuration, it is possible to embed the entire hole.
[0017]
Preferably, the intermediate film is formed simultaneously with the interlayer insulating film of the transistor. With this configuration, there is an advantage that it is not necessary to increase the number of processes for forming the intermediate film. In addition, by enclosing the photoelectric change region with an insulating substrate and an interlayer insulating film having a slot, it is possible to suppress incident light energy from entering other cell regions.
[0018]
Preferably, the photoelectric conversion element is a PIN diode, and the photoelectric conversion film is an I layer of the diode. By using a PIN diode for photoelectric conversion, more efficient photoelectric conversion is possible.
[0019]
The image sensor of the present invention is an image sensor in which unit cells that generate charges according to the amount of light are arranged in a matrix on a substrate. The unit cells include a photoelectric conversion element that converts light into charges and the photoelectric conversion element. The photoelectric conversion film of the photoelectric conversion element includes an active element (for example, a transistor) to be connected, and is formed so as to bury an intermediate film having a groove-like or hole-like groove structure formed on the substrate. , Thereby thickening.
[0020]
With this configuration, the photoelectric conversion film of the cell can be formed in a thick film, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased.
[0021]
Preferably, the substrate of the image sensor is an insulating substrate, the active element is a transistor connected to the photoelectric conversion element, the photoelectric conversion element is a PIN diode, and the photoelectric conversion film is an I of this diode. The intermediate film is an insulating film.
[0022]
Preferably, the shape of the slot is a polygonal cross section formed on the upper surface of the intermediate film, for example, a rectangular, horizontally long columnar groove. Alternatively, it includes a vertically long corner or a cylindrical hole dug in the direction of the insulating substrate from the upper surface of the intermediate film, or a pyramid or conical hole. For example, the plurality of grooves are arranged in parallel to each other, or are formed in a lattice shape like a grid pattern. The holes are arranged in a matrix, for example. The groove may be formed in a concentric circle shape or a spiral shape, and may be formed in the same manner as a concentric circle or a spiral shape by a plurality of concentric polygons (for example, a quadrangle).
[0023]
Further, the PIN diode of the present invention is a PIN diode in which each semiconductor layer is arranged in the lateral direction of the substrate. The PIN diode is connected to the P-type semiconductor layer containing a high concentration of P-type impurities and the P-type semiconductor layer. An I-type semiconductor layer including a low concentration, and an N-type semiconductor layer connected to the I-type semiconductor layer and including an N-type impurity at a high concentration, and the I-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer or The N-type semiconductor layer is formed so as to overlap at least partly.
[0024]
By adopting such a configuration, the PIN diode extending in the lateral direction on the substrate is formed by overlapping a part of the region, so that the proportion of the area occupied by the PIN diode on the substrate can be made relatively small. It becomes.
[0025]
Preferably, the I-type semiconductor layer is formed such that a cross section of the I-type semiconductor layer in the vertical direction of the substrate is comb-shaped.
[0026]
As a result, it is possible to substantially increase the thickness of the I-type semiconductor layer, and when performing photoelectric conversion with a PIN diode, the I-type semiconductor layer can efficiently convert light of a low wavelength in the visible region. It becomes possible.
[0027]
Preferably, an intermediate film provided with a through hole is disposed between the I type semiconductor layer and the P type semiconductor layer or the N type semiconductor layer, and the I type semiconductor layer passes through the through hole. Then, it is electrically connected to the P-type semiconductor layer or the N-type semiconductor layer.
[0028]
Preferably, the substrate is an insulating substrate, and the I-type semiconductor layer has a photoelectric conversion function.
[0029]
With this configuration, the I-type semiconductor layer is made substantially thick, and the photoelectric conversion film (I-type semiconductor layer) is surrounded by the substrate and the intermediate film (preferably an insulating film), and is generated in other regions. It becomes possible to prevent the intrusion of electric charges.
[0030]
The electronic device of the present invention includes any one of the above-described semiconductor device, image sensor, and PIN diode.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied to an
[0033]
Note that as the
[0034]
The PIN diode 3 connected to the source of the
[0035]
The periphery of the PIN diode 3 is covered with an insulating
[0036]
In the PIN diode 3 configured as described above, the
[0037]
Next, a manufacturing process of the semiconductor device described above will be described with reference to FIGS.
[0038]
First, as shown in FIG. 2, the surface of the
[0039]
The silicon film on the surface of the
[0040]
Next, silicon oxide is deposited on the substrate by a CVD method to form an interlayer insulating film 17 (see FIG. 7). The insulating
[0041]
Next, a
[0042]
Further, silicon oxide is deposited on the PIN diode and the transistor by a CVD method to form an
[0043]
Next, a
[0044]
FIG. 12 shows various examples of forming the
[0045]
As described above, according to the embodiment of the present invention, a PIN diode in which the photoelectric conversion film is formed in a thick film using the
[0046]
Further, according to the configuration of the embodiment, since the periphery of the PIN diode and the transistor is surrounded by the insulating film, the leakage of the charge generated by the incident light to the adjacent cell hardly occurs.
[0047]
In addition, according to the configuration of the embodiment, it is easy to form the photoelectric conversion film (I layer) of the photosensor thicker than the active layer of the SOI transistor.
[0048]
The
[0049]
The substrate may be a glass substrate as well as a silicon substrate.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device and the like of the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device in which the photoelectric conversion film can be easily formed thick. In particular, it is preferable for a semiconductor device using an SOI transistor with a thin active layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 5 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 6 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 7 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 8 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 9 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the invention.
FIG. 10 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the invention.
FIG. 11 is a process diagram illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the invention.
FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining various patterns of the
[Explanation of symbols]
1
13 Active layer
Claims (10)
前記光電変換素子は、
前記基板上に形成された複数の溝又は穴を有する中間膜と、
前記中間膜を被覆する光電変換膜と、
を含むことを特徴とする半導体装置。A semiconductor device in which a photoelectric conversion element that converts light into an electric charge and an active element are arranged on the same substrate,
The photoelectric conversion element is
An intermediate film having a plurality of grooves or holes formed on the substrate;
A photoelectric conversion film covering the intermediate film;
A semiconductor device comprising:
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