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JP2005038908A - Photoelectric transducer, its manufacturing method and solid state imaging element - Google Patents

Photoelectric transducer, its manufacturing method and solid state imaging element Download PDF

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JP2005038908A
JP2005038908A JP2003197382A JP2003197382A JP2005038908A JP 2005038908 A JP2005038908 A JP 2005038908A JP 2003197382 A JP2003197382 A JP 2003197382A JP 2003197382 A JP2003197382 A JP 2003197382A JP 2005038908 A JP2005038908 A JP 2005038908A
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region
photoelectric conversion
transparent
processing unit
state imaging
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Application number
JP2003197382A
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Hajime Sakota
元 迫田
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure a wide area of a photoelectric conversion region in a photoelectric transducer like a solid state imaging element. <P>SOLUTION: The photoelectric transducer is provided with a photoelectric conversion region 3, a transparent semiconductor region 24 which is formed on the photoelectric conversion region 3 and optically transparent, and optically transparent treatment portions Tr1-Tr4 which are formed in the transparent semiconductor region 24 and process charge cumulated on the photoelectric conversion region 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を電荷に変換し、変換された電荷を信号として処理する光電変換装置及びその製造方法に関する。
本発明は、画素毎に光電変換部を有する固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体撮像素子としては、例えばCCD固体撮像素子やCMOS型固体撮像素子などが知られている。画素毎に電荷−信号変換部を有するCMOS型固体撮像素子では、XYアドレス読出しが容易であるなど数々の優位性を有している。通常、CMOS型固体撮像素子における単位画素は、半導体基板上に光電変換して信号電荷を蓄積するフォトダイオードからなる受光センサ部と、受光センサ部からの電荷を読出し、信号に変換する複数の駆動用のMOSトランジスタとから成る。画素を形成する半導体基板上には、受光センサ部に対応する部分に開口が形成されるように、層間絶縁膜を介して複数層の例えばAl膜等の不透明な金属配線層が形成される。さらに、フォトダイオードとしては、半導体領域表面と絶縁膜との界面で発生するノイズ(暗電流)を低減するために、フォトダイオードを構成するn型領域と表面絶縁膜との界面にホール蓄積領域となるp 半導体層を形成した構造に形成される。このフォトダイオードセンサは、HAD(Hole Accumulation Diode)センサと呼ばれている。
【0003】
特許文献1は、CMOS型固体撮像素子を例示している。
【0004】
【特許文献1】
特開平11ー122532号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、CMOS型固体撮像素子においては、次のような問題を有していた。(1)画素毎に電荷−信号変換用MOSトランジスタ等を含む駆動用のMOSトランジスタを複数設ける必要があるために、受光センサ部いわゆる光電変換領域の面積が狭められてしまう。(2)この光電変換領域の拡大を図るために、駆動用のMOSトランジスタの数を減少させようとすると、受光センサ部の電荷をフローティング・ディフージョンに一旦読み出さずに、直接アンプに接続する構成が考えられる。しかし、この場合には、受光センサ部を構成するフォトダイオードのHAD化が難しくなるなど、ノイズ(暗電流)が発生し易い固体撮像素子となる。(3)受光センサ部の上部に不透明な金属配線層が複数層を張り巡らせてあるために、開口率が低くなる。
【0006】
画素における受光センサ部(光電変換領域)の面積の問題は、CCD固体撮像素子においても存在する。さらに、CCD固体撮像素子ではスミア成分の低減が望まれている。
【0007】
上述した光電変換領域の開口面積等の改善は、光を電荷に変換し、変換された電荷を信号として処理する固体撮像素子などの光電変換装置において望まれている。
【0008】
本発明は、上述に点に鑑み、光電変換領域の広い面積の確保を可能した光電変換装置及びその製造方法、並びに固体撮像素子を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電変換装置は、光電変換領域と、この光電変換領域上に形成された光学的に透明な透明半導体領域と、この透明半導体領域に形成され光電変換領域に蓄積された電荷を処理する光学的に透明な処理部とを有して成る。
【0010】
処理部としては、電荷を電流または電圧に変換する処理部として形成することができる。また、処理部としては、電荷を転送する処理部として形成することができる。さらに処理部としては、電荷を電流または電圧に変換する処理部と、電荷を転送する処理部とを有して形成することができる。
【0011】
本発明の光電変換装置では、光電変換領域上に透明半導体領域を有し、この透明半導体領域に光学的に透明な電荷の処理部を有するので、入射光が透明半導体領域を透過した光電変換領域に到達する。このため、電荷の処理部に制約されずに光電変換領域の拡大が図られる。
【0012】
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、光電変換領域を形成した基板上に光学的に透明な透明半導体領域を形成する工程と、透明半導体領域に、光学的に透明な半導体素子構造からなり光電変換領域に蓄積された電荷を処理する処理部を形成する工程を有する。
【0013】
本発明の光電変換装置の製造方法では、光電変換領域上に形成した透明半導体領域に、光学的に透明な半導体素子構造からなり電変換領域に蓄積された電荷を処理する処理部を形成する工程を有するので、光電変換領域が処理部の制約を受けずに拡大して作製される。
【0014】
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有し、各画素が、光電変換領域と、光電変換領域上に形成された光学的に透明な透明半導体領域と、透明半導体領域に形成され光電変換領域に蓄積された電荷を処理する光学的に透明な処理部とを有して成る。
【0015】
この固体撮像素子においては、各画素に対応する光電変換領域の全周に画素間素子分離領域を形成した構成とすることができる。また、画素間素子分離領域と光電変換領域の界面で入射光が全反射するように構成することができる。
【0016】
処理部は、電荷−信号変換するためのMOSトランジスタで形成することができる。処理部は、光電変換領域の電荷を転送する電荷転送部として形成することができる。
【0017】
本発明の固体撮像素子では、光電変換領域上の透明半導体領域を設け、この透明半導体領域に電荷を処理する処理部を形成した構成であるので、入射光は透明半導体領域を通過して光電変換領域に到達する。このため、光電変換領域は電荷の処理部に制約されずに広く形成することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0019】
図1〜図3は、本発明に係る光電変換装置を固体撮像素子に適用した一実施の形態を示す。本例はCMOS型固体撮像素子と同様の動作を行うXYアドレス読出し方式の固体撮像素子に適用した場合である。図4は1画素の等価回路を示す。
本発明実施の形態に係る固体撮像素子1は、図4の等価回路に示すように、1つの画素2がフォトダイオードからなる受光センサ部3と、電荷−信号変換を担う複数のMOSトランジスタTr1 、Tr2 、Tr3 、Tr4とで構成される。MOSトランジスタTr1 〜Tr4 は、例えばnチャネルMOSトランジスタで構成される。即ち、電荷ー信号変換用のトランジスタとしては、XYアドレス信号により選択された受光センサ部3の信号電荷を読み出すための読出し用MOSトランジスタTr1 と、FD(フローティング・ディフュージョン)アンプMOSトランジスタTr2 と、FDゲートに読み出され電荷をリセットするリセット用MOSトランジスタTr3 と、信号読出し用のMOSトランジスタTr4 とから構成される。
【0020】
読出し用MOSトランジスタTr1 は、Xアドレス線4に接続された第1ゲート電極とYアドレス線5に接続された第2ゲート電極を有する。読出し用MOSトランジスタTr1 は、その一方の主電極が受光センサ部3に接続され、その他方の主電極がFDアンプMOSトランジスタTr2 のゲート電極に接続されると共に、リセット用MOSトランジスタTr3 の一方の主電極に接続される。リセット用MOSトランジスタTr3 の他方の主電極は電源VDDに接続される。FDアンプMOSトランジスタTr2 は、その一方の主電極が電源VDDに接続され、その他方の主電極が信号読出し用のMOSトランジスタTr4 の一方の主電極に接続される。信号読出し用MOSトランジスタの他方の主電極は信号出力線6に接続される。
【0021】
この固体撮像素子1では、受光量に応じた電荷が受光センサ部3に蓄積される。Xアドレス線4及びYアドレス線5に夫々Xアドレス信号及びYアドレス信号が供給されると、このアドレス信号によって選択された画素2の読出し用MOSトランジスタTr1 がオンし、受光センサ部3の信号電荷がFDに読み出される。FDに読み出された信号電荷によりFDアンプMOSトランジスタTr2 がオンし、信号電荷に応じた信号電流が流れる。同時に信号読出し用のMOSトランジスタTr4 のゲート電極に信号読出しパルスが供給され、MOSトランジスタTr4 がオンして信号電流が信号出力線6に読み出される。選択された画素2の信号が読み出された後、リセット用MOSトランジスタTr3 のゲート電極にリセットパルスが供給され、FDの電位が電源VDDの電位にリセットされる。
【0022】
次に、本実施の形態の固体撮像素子1の構成を説明する。図1は、全体の構成を概略的に示す。本実施の形態の固体撮像素子1は、中央に多数の画素2がXYマトリックス状に配列された撮像領域12が配置され、この撮像領域12に隣接して撮像領域11を走査する垂直スキャナ部13及び水平スキャナ部14が配置される。さらに撮像領域12の周辺部にCDS回路、IーV変換系といった出力信号を処理する処理回路15が配置される。
【0023】
図2は撮像領域12の1画素の拡大平面図、図3は画素構造を詳細に説明するための図2のAーA′線上の断面図を示す。本実施の形態の固体撮像素子1は、第1導電型、例えばn型のシリコン半導体基板21に、オーバーフローバリアとなる第2導電型、例えばp型の半導体ウェル領域22と電荷蓄積領域となる第1導電型(例えばn型)の半導体領域23が形成され、p型半導体ウェル領域22とn型半導体領域23によって受光センサ部、即ち光電変換領域を構成するフォトダイオード2が構成される。なお、本例ではn型半導体基板22の中間領域に例えばイオン注入により不純物を導入してp型ウェル領域22を形成し、イオン注入されない基板21の表面側の領域を電荷蓄積領域となるn型半導体領域23として形成される。
【0024】
この光電変換領域となるフォトダイオード2が形成されたシリコン半導体基板上に、光学的に透明な第2導電型であるp型の透明半導体層(以下、透明半導体領域という)24が積層して形成される。さらに、このp型透明半導体領域の上面側に、例えばイオン注入により図4に示したMOSトランジスタTr1 ,Tr2 ,Tr3 ,Tr4 のソース/ドレインとなる、同様に光学的に透明な第1導電型であるn型の透明半導体領域26、27、28及び29が形成される。透明半導体領域26はMOSトランジスタTr1 とMOSトランジスタTr3 とに共通のソース/ドレイン領域、即ちFD(フローティング・ディフュージョン)領域であり、透明半導体領域27はTr3 とTr2 の共通の領域、即ち電源VDDに接続される領域である。また、透明半導体領域28はMOSトランジスタTr2 とMOSトランジスタTr4 との共通のソース/ドレイン領域であり、透明半導体領域29はMOSトランジスタTr4 の一方のソース/ドレイン領域、即ち信号線に接続される領域である。
【0025】
n型の透明半導体領域26〜29が形成されたp型透明半導体領域24上には、ゲート絶縁膜31を介してゲート電極群32、33、34が形成される。即ち、n型の透明半導体領域26及び27間のp型透明半導体領域24上にゲート絶縁膜31を介してゲート電極32が形成され、ここに両n型透明半導体領域26及び27とゲート電極32により、リセット用のMOSトランジスタTr3 が形成される。n型の透明半導体領域27及び28間のp型透明半導体領域24上にゲート絶縁膜31を介して光学的に透明な透明ゲート電極33が形成され、ここに両n型透明半導体領域27及び28とゲート電極33により、MOSトランジスタTr2 が形成される。n型の透明半導体領域28及び29間のp型透明半導体領域24上にゲート絶縁膜31を介して透明ゲート電極34が形成され、ここに両n型透明半導体領域28及び29とゲート電極34により、信号読出し用のMOSトランジスタTr4 が形成される。さらに、絶縁膜36を介してn型の透明半導体領域であるFD領域26とMOSトランジスタTr2 の透明ゲート電極33が配線37により接続され、フローティングゲートが形成される。また、信号読出し用のMOSトランジスタTr4 の一方のソース/ドレイン領域29には、電気信号を出力信号処理回路15に取出すための透明配線6が接続される。この配線6は信号出力線となる。配線37、6は、光学的に透明な透明導電膜で形成される。
【0026】
p型の透明半導体領域24は、例えばp型不純物を導入した透明酸化物半導体で形成することができる。透明酸化物半導体としては、例えばCuInO で形成することができる。n型の透明半導体領域26〜29は、例えばn型不純物を導入した透明酸化物半導体で形成することができる。この場合も上記と同様に例えばCuInO で形成することができる。ゲート絶縁膜31、絶縁膜36は、例えばシリコン酸化膜(SiO 膜)で形成することができる。透明ゲート電極32、33、34、は、例えば多結晶シリコン膜、透明電極の例えばITO(酸化インジウム錫)膜等で形成することができる。透明配線36、6は、例えば透明な酸化物導電体である12Caー7Al による透明導電体膜で形成することができる。
【0027】
一方、画素2を囲う全周には、絶縁膜、例えばシリコン酸化膜(SiO 膜)で満たされたトレンチ(溝)による画素間素子分離層38が形成され、この画素間素子分離層38により隣合う画素2と完全に分離される。さらに、p型の透明半導体領域24の側面、即ち受光センサ部3を構成するn型半導体領域23とn型透明半導体領域のFD領域26間の側面にゲート絶縁膜(例えばSiO 膜)41を介してXアドレス線4に接続される第1のゲート電極43及びYアドレス線5に接続される第2のゲート電極44が形成される。このn型半導体領域23、n型のFD領域26及び第1、第2のゲート電極43、44により読出し用のMOSトランジスタTr1 が形成される。第1のゲート電極43はXアドレス線4と共通に形成され、第2のゲート電極4はYアドレス線5と共通に形成される。第1、第2のゲート電極43、44は、画素間素子分離層38内に埋め込まれるように形成される。ここで、第1、第2のゲート電極43、44によりn型半導体領域23とFD領域26間に連続してチャネル領域を形成するために、第1及び第2のゲート電極43及び44は互いに限りなく近接して形成される。
撮像領域12の表面には、光学的に透明な絶縁保護膜42が形成される。
【0028】
本実施の形態に係る固体撮像素子1の動作は次の通りである。図3の素子表面の絶縁保護膜表面42Aの上部から入射する光は、例えばCuInO からなる透明半導体領域24、26〜29に達する。CuInO 層は、可視光(400nm〜750nm程度)に対し、60〜80%程度の光透過率を有する。そのため、可視光の入射光は、CuInO層を、十分な強度を保ちながら透過する。途中、配線36、6に当たる光も存在するが、配線36、6として利用している12CaOー7Al 膜の光透過率が99%程度であるため、入射光は配線36、6を透過することとなる。従って、可視光の大部分は光電変換領域、即ち受光センサ部3を有するシリコン基板に到達する。
【0029】
ここで、図5は、光電変換された電荷、即ち電子の振る舞いを考えるため、図3のB′−B線上におけるポテンシャル概要図を示す。図5から分かるように、p型透明半導体領域24直下のn型シリコン表面からp型の半導体ウェル領域22の深さの区間にて光電変換された電子(電荷)60は、p型半導体ウェル領域22とp型透明半導体領域24間のn型半導体領域23中に蓄積される。
ここで、図6は、図1に示す水平スキャナ部14、垂直スキャナ部13により、MOSトランジスタTr1 の第1のゲート電極43及び第2のゲート電極44に、Xアドレス線4及びYアドレス線5を通じて夫々Xアドレス信号、Yアドレス信号、即ち電圧を印加した際の、同A′−A線上のポテンシャル図を示す。図6から分かるように、上記蓄積電荷(電子)60は電圧印加により生じたポテンシャル変化により、即ちチャネル領域が形成され、FD領域26へ転送される。
【0030】
第1及び第2のゲート電極43及び44への電圧印加を解除することで、ポテンシャル形状は図5の状態に戻り、チャネル領域が消滅し、FD領域26への電荷転送が完了する。FD領域26に転送された電荷は、FD領域26と配線36で接続されたMOSトランジスタTr2 のゲート電極33に、その電荷量に比例する強度の電圧を生じさせる。この電圧により、MOSトランジスタTr2 がオンし、蓄積電荷量を増幅した電流がソース/ドレイン領域28へと流れる。一方、信号読出し用のMOSトランジスタTr4 のゲート電極34に読出しパルス電圧φdが印加されて、このMOSトランジスタTr4 がオンすることで、上記ソース/ドレイン領域28へ流れた電流は、ソース/ドレイン領域29に取り出され、信号出力線6を通じて出力される。FD領域26の蓄積電荷のリセットは、リセット用MOSトランジスタTr3 のゲート電極32にリセットパルス電圧φrを印加し、FD領域26中の電荷量を電源電圧VDDにすることで行われる。
【0031】
次に、図7〜図9を用いて上述の本実施の形態の固体撮像素子1の製造方法の一例を説明する。
先ず、図7Aに示すように、n型のシリコン半導体基板21を用意する。次いで図7Bに示すように、各画素2を分離するためのトレンチ(溝)51を例えばRIE(反応性イオンエッチング)法等により形成する。このトレンチ51は、各画素2を取り囲むように格子状に形成される。各格子の目に対応する領域が画素2の形成領域50となる。
【0032】
次に、図7Cに示すように、トレンチ51内を絶縁膜53により隙間なく埋め込む。本例ではCVD(化学気相成長)法等によりシリコン酸化膜(SiO 膜)等をトレンチ51内に埋め込む。また、必要に応じてトレンチ51の内壁に素子分離に供されるp型半導体層53を形成する。これによって、画素間素子分離層38が形成される。
【0033】
次に、図7Dに示すように、n型シリコン基板21中に例えばイオン注入法を用いてp型不純物を導入してp型の半導体ウェル領域22を形成する。この半導体ウェル領域22より上のn型基板部分が、電荷蓄積領域となるn型の半導体領域23となる。そして、p型半導体ウェル領域22とn型半導体領域23とによって接合Jを有するフォトダイオード、即ち受光センサ部3が形成される。
【0034】
次に、図8Eに示すように、シリコン基板上にp型の透明半導体領域24を堆積する。本例では透明半導体領域24としてp型のCuInO 層を堆積する。次いで、図8Fに示すように、このp型の透明半導体領域24に対して、下地に形成したトレンチ51上の、少なくとも第1、第2のゲート電極43、44を形成する位置において、トレンチ54を形成する。このトレンチ54は、好ましくは画素形成領域の全周に下地のトレンチ51に対応する位置で格子状に形成する。
【0035】
次に、図8Gに示すように、p型の透明半導体領域24のトレンチ54の内側壁に絶縁膜55を形成する。この絶縁膜55は、少なくともMOSトランジスタTr1 を形成する内側壁ではゲート絶縁膜41に設定される。絶縁膜55は本例ではシリコン酸化膜(SiO 膜)が用いられ、トレンチ内側壁を含んで透明半導体領域24の表面にも形成される。
【0036】
次に、図9Gに示すように、トレンチ54内に例えばCVD法等による多結晶シリコン等の導電材料を堆積し、必要な加工を行って第1のゲート電極43を形成する。
次に、図9Iに示すように、トレンチ54内の第1のゲート電極43上にできるだけ薄い(但し絶縁分離できる膜厚)絶縁膜、例えばシリコン酸化膜(SiO 膜)を形成する。次いで、トレンチ54内に上記と同様に、例えばCVD法等による多結晶シリコン等の導電材料を堆積し、必要な加工を行って第1のゲート電極44を形成する。さらに、第2のゲート電極44上のトレンチ54部分内を絶縁膜、例えばシリコン酸化膜で埋める。絶縁膜を埋め込んだトレンチ51及び54により画素間素子分離領域38が形成される。
【0037】
次に、図9Jに示すように、p型の透明半導体領域24の表面側にn型不純物を導入して、n型の透明半導体領域26、27、28及び29を形成する。第1、第2のゲート電極43、44は、p型の透明半導体領域24の側面に対応して、シリコンのn型半導体領域23の表面とn型透明半導体領域26の底部との間に位置することになる。
次いで、p型の透明半導体領域24の表面にゲート絶縁膜31を形成し、透明ゲート電極32、33、34を形成する。ゲート電極32〜34は例えば多結晶シリコン膜あるいは透明導電膜のITO膜等で形成する。次いで、絶縁膜36を形成した後、n型透明半導体領域26と透明ゲート電極33を接続する透明配線37とn型透明半導体領域29に接続する透明配線、いわゆる信号出力線6を形成する。透明配線37、6は例えば12CaOー7Al 膜で形成する。
【0038】
次に、図示せざるも、平坦化した絶縁保護膜42、その上のカラーフィルタ、さらにその上の各画素に対応したオンチップレンズを形成して目的の固体撮像素子1を得る。なお、上記製造過程において、撮像領域12以外の水平スキャナ部14、垂直スキャナ部13、出力処理回路15の形成に必要な、イオン注入や電極形成といった各種工程が入ることになる。
【0039】
上述した本実施の形態の固体撮像素子1によれば、各画素を構成する受光センサ部となるフォトダイオード3、即ち光電変換を行う領域をシリコン基板21に形成し、この上に透明半導体領域24を積層して、各画素のユニットセル内において透明半導体領域24に光学的に透明な構成となる電荷ー信号変換用の各MOSトランジスタTr1 〜Tr4 を形成することにより、電荷ー信号変換用の各MOSトランジスタの数を減少させることなく、広い面積の光電変換領域を確保することができる。これによって、高感度化が図れる。
また、配線37、6としては、透明配線材料を利用するので、配線の制約を受けず、受光センサ部3における開口率の低下を回避することができる。すなわち、透明配線の使用により、配線の存在またはレイアウトに影響されずに受光センサ部3の開口率を確保することができる。透明配線であるので、配線により入射光が遮られることがなく、光の利用効率が向上する。
電荷転送部が光学的に透明であるため、電荷転送中の転送部での光電変換量が少なく、スミア特性の良好な高開口率固体撮像素子が得られる。
フォトダイオードを構成するn型半導体領域213の表面は、透明半導体領域24が接触しているので、従来の半導体と絶縁膜との界面で発生する暗電流(ノイズ)を抑制することができる。
さらに、各画素2が全周を画素間素子分離層38で囲われているので、隣接する画素へ電荷は漏れることがない。また、光電変換領域がシリコン基板で形成され、画素間素子分離層38がシリコンより屈折率の十分小さい例えばシリコン酸化膜で形成されるので、シリコン基板21とシリコン酸化膜38との界面で入射光を全反射させることができる。これにより、入射光が隣接する画素へ漏れることが少なくなる。
【0040】
上述の実施の形態では、CMOS型固体撮像素子と同様の動作を行う固体撮像素子に適用したが、その他、例えばCCD固体撮像素子と同様の固体撮像素子にも適用できる。この場合には、各画素の対応する受光センサ部をシリコン基板に形成し、このシリコン基板上に透明半導体領域を積層して、この透明半導体領域にCCD構造の電荷転送部を形成するように成す。これにより、各画素の受光センサ部が広くなり、撮像素子の高感度化が図れる。
【0041】
さらに本発明は、固体撮像素子に限らず、光を電荷に変換し、変換された電荷を信号として処理する光電変換装置に適用することができる。この場合、シリコン等の半導体基板に光電変換領域を形成し、この上に透明半導体領域を形成し、透明半導体領域に蓄積された電荷を処理する光学的に透明な処理部を形成するように成す。これによって、光電変換領域を広くことが可能になる。
この光電変換装置の製造方法は、少なくとも光電変換領域を形成した基板上に光学的に透明な透明半導体領域を形成する工程と、透明半導体領域に、光学的に透明な半導体素子構造からなり光電変換領域に蓄積された電荷を処理する処理部を形成する工程を有する。
【0042】
【発明の効果】
本発明に係る光電変換装置によれば、光電変換領域上に形成した光学的に透明な透明半導体領域に、光電変換領域に蓄積された電荷を処理する処理部を設けるように構成するので、電荷の処理部に制約されずに光電変換領域の面積を実質的に拡大することができる。これによって、単位面積当たりの光電変換される電荷量を増加することができる。
【0043】
処理部が電荷を電流または電圧に変換する処理部として形成されるときは、撮像素子に適用することができ、その高感度化を図ることができる。
処理部が電荷を転送する処理部として形成されるときは、撮像素子に適用することができ、その高感度化を図ることができる。
【0044】
本発明に係る光電変換装置の製造方法によれば、電荷の処理部に制約されずに広い電変換領域を有した光電変換装置を製造することができる。
【0045】
本発明に係る固体撮像素子によれば、各画素が光電変換領域上に光学的に透明な透明半導体領域を有し、この透明半導体領域に電荷を処理する光学的に透明な処理部を有して構成するので、電荷の処理部に制約されずに光電変換領域の面積を実質的に拡大することができる。これによって、単位画素当たりの光電変換される電荷量を増加させることができ、より高感度化することができる。
【0046】
各画素に対応する光電変換領域の全周に画素間素子分離領域が形成されるときは、画素分離が確実に行え、電荷が隣接画素へ漏れることがなく、固体撮像素子の撮像特性(画質)の向上を図ることができる。
画素間素子分離領域と光電変換領域の界面で入射光が全反射される構成のときには、さらに入射光が隣接画素へ漏れることが少なくなり、固体撮像素子の撮像特性(画質)の向上を図ることができる。
【0047】
処理部が、電荷−信号変換するためのMOSトランジスタで構成されるときは、MOSトランジスタの数を減少させることなく光電変換領域の拡大を図ることができ、高感度化を図ることができる。透明配線の使用により、配線の存在またはレイアウトに影響されずに光電変換領域の開口率を確保することができる。
【0048】
処理部が、光電変換領域の電荷を転送する電荷転送部で構成するときは、単位画素の光電変換領域の拡大を図ることができ、高感度化を図ることができる。電荷転送部が光学的に透明であるため、電荷転送中の転送部での光電変換量が少なく、スミア特性の良好な高開口率固体撮像素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す平面図である。
【図2】本発明に係る固体撮像素子の一画素の拡大図である。
【図3】図2のA−A線上の断面図である。
【図4】本実施の形態に係る固体撮像素子の一画素の等価回路図である。
【図5】図3のB′−S線上におけるポテンシャル概要図である。
【図6】読出し用のMOSトランジスタのゲート電極に電圧を印加した際の図3のB′−S線上におけるポテンシャル概要図である。
【図7】A〜D 本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その1)である。
【図8】E〜G 本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その2)である。
【図9】H〜J 本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その3)である。
【符号の説明】
1・・固体撮像素子、2・・画素、3・・受光センサ部(フォトダイオード)、4・・Xアドレス線、5・・Yアドレス線、6・・信号出力線、Tr1 〜Tr4 ・・MOSトランジスタ、21・・シリコン基板、22・・p型半導体ウェル領域、23・・n型半導体領域(電荷蓄積領域)、24・・p型透明半導体領域、26〜29・・透明半導体領域(ソース/ドレイン領域)、32〜34・・透明ゲート電極、37・・配線、38・・画素間素子分離領域、42・・絶縁保護膜、31、41・・ゲート絶縁膜、43、44・・ゲート電極、51、54・・トレンチ、52・・絶縁膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device that converts light into electric charge and processes the converted electric charge as a signal, and a manufacturing method thereof.
The present invention relates to a solid-state imaging device having a photoelectric conversion unit for each pixel.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a solid-state image sensor, for example, a CCD solid-state image sensor or a CMOS solid-state image sensor is known. A CMOS solid-state imaging device having a charge-signal conversion unit for each pixel has many advantages such as easy XY address reading. Usually, a unit pixel in a CMOS type solid-state imaging device has a light-receiving sensor unit composed of a photodiode that photoelectrically converts and accumulates signal charges on a semiconductor substrate, and a plurality of drives that read out the charges from the light-receiving sensor unit and convert them into signals. And a MOS transistor. On the semiconductor substrate on which the pixels are formed, a plurality of opaque metal wiring layers such as an Al film are formed via an interlayer insulating film so that an opening is formed in a portion corresponding to the light receiving sensor portion. Furthermore, as a photodiode, in order to reduce noise (dark current) generated at the interface between the semiconductor region surface and the insulating film, a hole accumulation region is provided at the interface between the n-type region and the surface insulating film constituting the photodiode. Become p + A structure in which a semiconductor layer is formed is formed. This photodiode sensor is called a HAD (Hole Accumulation Diode) sensor.
[0003]
Patent Document 1 illustrates a CMOS solid-state imaging device.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-122532
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the CMOS type solid-state imaging device has the following problems. (1) Since it is necessary to provide a plurality of driving MOS transistors including a charge-signal conversion MOS transistor or the like for each pixel, the area of the light receiving sensor portion, that is, a so-called photoelectric conversion region is narrowed. (2) In order to increase the photoelectric conversion area, if the number of driving MOS transistors is reduced, the charge of the light receiving sensor portion is not directly read out to the floating diffusion but directly connected to the amplifier. Can be considered. However, in this case, it becomes a solid-state imaging device in which noise (dark current) is likely to be generated, for example, it becomes difficult to make the photodiode constituting the light receiving sensor portion into HAD. (3) Since a plurality of opaque metal wiring layers are stretched over the light receiving sensor portion, the aperture ratio is lowered.
[0006]
The problem of the area of the light receiving sensor portion (photoelectric conversion region) in the pixel also exists in the CCD solid-state imaging device. Furthermore, it is desired to reduce smear components in CCD solid-state imaging devices.
[0007]
Improvement of the opening area of the photoelectric conversion region described above is desired in a photoelectric conversion device such as a solid-state imaging device that converts light into electric charge and processes the converted electric charge as a signal.
[0008]
In view of the above, the present invention provides a photoelectric conversion device capable of ensuring a large area of a photoelectric conversion region, a manufacturing method thereof, and a solid-state imaging device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The photoelectric conversion device according to the present invention processes a photoelectric conversion region, an optically transparent transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region, and charges accumulated in the photoelectric conversion region formed in the transparent semiconductor region. And an optically transparent processing section.
[0010]
The processing unit can be formed as a processing unit that converts charges into current or voltage. Further, the processing unit can be formed as a processing unit that transfers charges. Further, the processing portion can be formed by including a processing portion that converts charges into current or voltage and a processing portion that transfers charges.
[0011]
In the photoelectric conversion device of the present invention, the photoelectric conversion region has a transparent semiconductor region on the photoelectric conversion region, and the transparent semiconductor region has an optically transparent charge processing unit. Therefore, the photoelectric conversion region in which incident light is transmitted through the transparent semiconductor region. To reach. For this reason, the photoelectric conversion region can be expanded without being restricted by the charge processing unit.
[0012]
A method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a step of forming an optically transparent transparent semiconductor region on a substrate on which a photoelectric conversion region is formed, and an optically transparent semiconductor element structure in the transparent semiconductor region. A step of forming a processing unit for processing charges accumulated in the photoelectric conversion region.
[0013]
In the method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention, a process of forming a processing unit that processes an electric charge accumulated in an electric conversion region, which has an optically transparent semiconductor element structure, in a transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region. Therefore, the photoelectric conversion region is enlarged and manufactured without being restricted by the processing unit.
[0014]
The solid-state imaging device according to the present invention has a plurality of pixels, and each pixel is formed in a photoelectric conversion region, an optically transparent transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region, and a photoelectric formed on the transparent semiconductor region. And an optically transparent processing unit for processing the charge accumulated in the conversion region.
[0015]
This solid-state imaging device can have a configuration in which an inter-pixel element isolation region is formed on the entire circumference of the photoelectric conversion region corresponding to each pixel. Further, it can be configured such that incident light is totally reflected at the interface between the inter-pixel element isolation region and the photoelectric conversion region.
[0016]
The processing unit can be formed of a MOS transistor for charge-signal conversion. The processing unit can be formed as a charge transfer unit that transfers charges in the photoelectric conversion region.
[0017]
In the solid-state imaging device of the present invention, a transparent semiconductor region is provided on the photoelectric conversion region, and a processing unit for processing charges is formed in the transparent semiconductor region. Therefore, incident light passes through the transparent semiconductor region and is subjected to photoelectric conversion. Reach the area. Therefore, the photoelectric conversion region can be formed widely without being restricted by the charge processing portion.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
1 to 3 show an embodiment in which a photoelectric conversion device according to the present invention is applied to a solid-state imaging device. This example is a case where the present invention is applied to an XY address readout type solid-state image sensor that performs the same operation as a CMOS solid-state image sensor. FIG. 4 shows an equivalent circuit of one pixel.
As shown in the equivalent circuit of FIG. 4, the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention includes a light-receiving sensor unit 3 in which one pixel 2 is a photodiode, and a plurality of MOS transistors Tr1 that perform charge-signal conversion. It is comprised by Tr2, Tr3, Tr4. The MOS transistors Tr1 to Tr4 are composed of, for example, n-channel MOS transistors. That is, as the charge-signal conversion transistor, a read MOS transistor Tr1 for reading the signal charge of the light receiving sensor unit 3 selected by the XY address signal, an FD (floating diffusion) amplifier MOS transistor Tr2, and an FD It comprises a reset MOS transistor Tr3 that is read out to the gate and resets the charge, and a signal readout MOS transistor Tr4.
[0020]
The read MOS transistor Tr 1 has a first gate electrode connected to the X address line 4 and a second gate electrode connected to the Y address line 5. The read MOS transistor Tr1 has one main electrode connected to the light receiving sensor unit 3, the other main electrode connected to the gate electrode of the FD amplifier MOS transistor Tr2, and one main electrode of the reset MOS transistor Tr3. Connected to the electrode. The other main electrode of the reset MOS transistor Tr3 is connected to the power supply VDD. The FD amplifier MOS transistor Tr2 has one main electrode connected to the power supply VDD and the other main electrode connected to one main electrode of the signal reading MOS transistor Tr4. The other main electrode of the signal readout MOS transistor is connected to the signal output line 6.
[0021]
In the solid-state imaging device 1, charges corresponding to the amount of received light are accumulated in the light receiving sensor unit 3. When an X address signal and a Y address signal are supplied to the X address line 4 and the Y address line 5, respectively, the read MOS transistor Tr1 of the pixel 2 selected by the address signal is turned on, and the signal charge of the light receiving sensor section 3 is turned on. Is read out to the FD. The FD amplifier MOS transistor Tr2 is turned on by the signal charge read to the FD, and a signal current corresponding to the signal charge flows. At the same time, a signal readout pulse is supplied to the gate electrode of the signal readout MOS transistor Tr 4, the MOS transistor Tr 4 is turned on, and a signal current is read out to the signal output line 6. After the signal of the selected pixel 2 is read, a reset pulse is supplied to the gate electrode of the reset MOS transistor Tr3, and the potential of the FD is reset to the potential of the power supply VDD.
[0022]
Next, the configuration of the solid-state imaging device 1 of the present embodiment will be described. FIG. 1 schematically shows the overall configuration. In the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, an imaging region 12 in which a large number of pixels 2 are arranged in an XY matrix is arranged at the center, and a vertical scanner unit 13 that scans the imaging region 11 adjacent to the imaging region 12. The horizontal scanner unit 14 is disposed. Further, a processing circuit 15 for processing output signals such as a CDS circuit and an IV conversion system is disposed in the peripheral portion of the imaging region 12.
[0023]
2 is an enlarged plan view of one pixel in the imaging region 12, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 2 for explaining the pixel structure in detail. The solid-state imaging device 1 according to the present embodiment has a first conductivity type, for example, an n-type silicon semiconductor substrate 21, a second conductivity type, for example, a p-type semiconductor well region 22 that serves as an overflow barrier, and a charge storage region. A semiconductor region 23 of one conductivity type (for example, n-type) is formed, and the p-type semiconductor well region 22 and the n-type semiconductor region 23 constitute a photodiode 2 that constitutes a light receiving sensor portion, that is, a photoelectric conversion region. In this example, an impurity is introduced into the intermediate region of the n-type semiconductor substrate 22 by, for example, ion implantation to form the p-type well region 22, and the region on the surface side of the substrate 21 that is not ion-implanted serves as a charge storage region. The semiconductor region 23 is formed.
[0024]
An optically transparent p-type transparent semiconductor layer (hereinafter referred to as a transparent semiconductor region) 24 is formed on a silicon semiconductor substrate on which the photodiode 2 serving as the photoelectric conversion region is formed. Is done. Further, on the upper surface side of the p-type transparent semiconductor region, the source / drain of the MOS transistors Tr1, Tr2, Tr3, Tr4 shown in FIG. Certain n-type transparent semiconductor regions 26, 27, 28 and 29 are formed. The transparent semiconductor region 26 is a source / drain region common to the MOS transistors Tr1 and Tr3, that is, an FD (floating diffusion) region, and the transparent semiconductor region 27 is connected to a common region of Tr3 and Tr2, that is, connected to the power supply VDD. It is an area to be done. The transparent semiconductor region 28 is a common source / drain region of the MOS transistor Tr2 and the MOS transistor Tr4, and the transparent semiconductor region 29 is one source / drain region of the MOS transistor Tr4, that is, a region connected to the signal line. is there.
[0025]
On the p-type transparent semiconductor region 24 in which the n-type transparent semiconductor regions 26 to 29 are formed, gate electrode groups 32, 33, and 34 are formed via the gate insulating film 31. That is, the gate electrode 32 is formed on the p-type transparent semiconductor region 24 between the n-type transparent semiconductor regions 26 and 27 via the gate insulating film 31, and both the n-type transparent semiconductor regions 26 and 27 and the gate electrode 32 are formed there. Thus, a reset MOS transistor Tr3 is formed. An optically transparent transparent gate electrode 33 is formed on the p-type transparent semiconductor region 24 between the n-type transparent semiconductor regions 27 and 28 via the gate insulating film 31, and both the n-type transparent semiconductor regions 27 and 28 are formed here. The gate electrode 33 forms a MOS transistor Tr2. A transparent gate electrode 34 is formed on the p-type transparent semiconductor region 24 between the n-type transparent semiconductor regions 28 and 29 via the gate insulating film 31, and the n-type transparent semiconductor regions 28 and 29 and the gate electrode 34 form the transparent gate electrode 34. Then, a signal reading MOS transistor Tr4 is formed. Further, the FD region 26, which is an n-type transparent semiconductor region, and the transparent gate electrode 33 of the MOS transistor Tr2 are connected by the wiring 37 through the insulating film 36, thereby forming a floating gate. A transparent wiring 6 for taking out an electric signal to the output signal processing circuit 15 is connected to one source / drain region 29 of the signal reading MOS transistor Tr4. This wiring 6 becomes a signal output line. The wirings 37 and 6 are formed of an optically transparent transparent conductive film.
[0026]
The p-type transparent semiconductor region 24 can be formed of a transparent oxide semiconductor into which p-type impurities are introduced, for example. As a transparent oxide semiconductor, for example, CuInO 2 Can be formed. The n-type transparent semiconductor regions 26 to 29 can be formed of, for example, a transparent oxide semiconductor into which an n-type impurity is introduced. In this case as well, for example, CuInO 2 Can be formed. The gate insulating film 31 and the insulating film 36 are, for example, silicon oxide films (SiO 2 Film). The transparent gate electrodes 32, 33, and 34 can be formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a transparent electrode such as an ITO (indium tin oxide) film. The transparent wirings 36 and 6 are, for example, 12Ca-7Al which is a transparent oxide conductor. 2 O 3 It can be formed with a transparent conductor film.
[0027]
On the other hand, an insulating film such as a silicon oxide film (SiO 2 An inter-pixel element isolation layer 38 is formed by a trench filled with a film, and the inter-pixel element isolation layer 38 is completely separated from the adjacent pixel 2. Further, a gate insulating film (for example, SiO 2) is formed on the side surface of the p-type transparent semiconductor region 24, that is, the side surface between the n-type semiconductor region 23 constituting the light-receiving sensor unit 3 and the FD region 26 of the n-type transparent semiconductor region. 2 A first gate electrode 43 connected to the X address line 4 and a second gate electrode 44 connected to the Y address line 5 through the film 41 are formed. The n-type semiconductor region 23, the n-type FD region 26, and the first and second gate electrodes 43 and 44 form a read MOS transistor Tr1. The first gate electrode 43 is formed in common with the X address line 4, and the second gate electrode 4 is formed in common with the Y address line 5. The first and second gate electrodes 43 and 44 are formed so as to be embedded in the inter-pixel element isolation layer 38. Here, in order to form a channel region continuously between the n-type semiconductor region 23 and the FD region 26 by the first and second gate electrodes 43 and 44, the first and second gate electrodes 43 and 44 are mutually connected. It is formed as close as possible.
An optically transparent insulating protective film 42 is formed on the surface of the imaging region 12.
[0028]
The operation of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment is as follows. The light incident from the top of the insulating protective film surface 42A of the element surface of FIG. 3 is, for example, CuInO 2 The transparent semiconductor regions 24 and 26 to 29 made of CuInO 2 The layer has a light transmittance of about 60 to 80% with respect to visible light (about 400 nm to 750 nm). Therefore, the incident light of visible light is CuInO 2 The layer penetrates while maintaining sufficient strength. There is also light that hits the wirings 36 and 6 in the middle, but 12CaO-7Al used as the wirings 36 and 6 2 O 3 Since the light transmittance of the film is about 99%, the incident light is transmitted through the wirings 36 and 6. Therefore, most of the visible light reaches the photoelectric conversion region, that is, the silicon substrate having the light receiving sensor unit 3.
[0029]
Here, FIG. 5 shows a potential schematic diagram on the B′-B line of FIG. 3 in order to consider the behavior of the photoelectrically converted electric charge, ie, electrons. As can be seen from FIG. 5, electrons (charges) 60 photoelectrically converted in the interval from the n-type silicon surface immediately below the p-type transparent semiconductor region 24 to the depth of the p-type semiconductor well region 22 are converted into the p-type semiconductor well region. Accumulated in the n-type semiconductor region 23 between 22 and the p-type transparent semiconductor region 24.
6 shows that the X address line 4 and the Y address line 5 are applied to the first gate electrode 43 and the second gate electrode 44 of the MOS transistor Tr1 by the horizontal scanner unit 14 and the vertical scanner unit 13 shown in FIG. The potential diagrams on the A'-A line when an X address signal and a Y address signal, that is, a voltage are applied respectively are shown. As can be seen from FIG. 6, the accumulated charges (electrons) 60 are transferred to the FD region 26 by a potential change caused by voltage application, that is, a channel region is formed.
[0030]
By releasing the voltage application to the first and second gate electrodes 43 and 44, the potential shape returns to the state shown in FIG. 5, the channel region disappears, and the charge transfer to the FD region 26 is completed. The charge transferred to the FD region 26 generates a voltage having an intensity proportional to the amount of charge at the gate electrode 33 of the MOS transistor Tr2 connected to the FD region 26 by the wiring 36. With this voltage, the MOS transistor Tr2 is turned on, and a current obtained by amplifying the accumulated charge amount flows to the source / drain region 28. On the other hand, when a read pulse voltage φd is applied to the gate electrode 34 of the signal reading MOS transistor Tr4 and this MOS transistor Tr4 is turned on, the current flowing into the source / drain region 28 is supplied to the source / drain region 29. And output through the signal output line 6. The accumulated charge in the FD region 26 is reset by applying a reset pulse voltage φr to the gate electrode 32 of the reset MOS transistor Tr3 and setting the charge amount in the FD region 26 to the power supply voltage VDD.
[0031]
Next, an example of a method for manufacturing the solid-state imaging device 1 of the above-described embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 7A, an n-type silicon semiconductor substrate 21 is prepared. Next, as shown in FIG. 7B, trenches (grooves) 51 for separating the respective pixels 2 are formed by, for example, the RIE (reactive ion etching) method. The trench 51 is formed in a lattice shape so as to surround each pixel 2. A region corresponding to the eye of each lattice is a formation region 50 of the pixel 2.
[0032]
Next, as shown in FIG. 7C, the trench 51 is filled with an insulating film 53 without a gap. In this example, a silicon oxide film (SiO 2) is formed by CVD (chemical vapor deposition) or the like. 2 Etc.) are buried in the trench 51. Further, a p-type semiconductor layer 53 used for element isolation is formed on the inner wall of the trench 51 as necessary. Thereby, an inter-pixel element isolation layer 38 is formed.
[0033]
Next, as shown in FIG. 7D, a p-type semiconductor well region 22 is formed by introducing a p-type impurity into the n-type silicon substrate 21 by using, for example, an ion implantation method. The n-type substrate portion above the semiconductor well region 22 becomes an n-type semiconductor region 23 that becomes a charge storage region. The p-type semiconductor well region 22 and the n-type semiconductor region 23 form a photodiode having a junction J, that is, the light receiving sensor unit 3.
[0034]
Next, as shown in FIG. 8E, a p-type transparent semiconductor region 24 is deposited on the silicon substrate. In this example, p-type CuInO is used as the transparent semiconductor region 24. 2 Deposit layers. Next, as shown in FIG. 8F, at least the first and second gate electrodes 43 and 44 are formed on the trench 51 formed in the base with respect to the p-type transparent semiconductor region 24. Form. The trenches 54 are preferably formed in a grid pattern at positions corresponding to the underlying trenches 51 around the entire pixel formation region.
[0035]
Next, as shown in FIG. 8G, an insulating film 55 is formed on the inner wall of the trench 54 of the p-type transparent semiconductor region 24. This insulating film 55 is set to the gate insulating film 41 at least on the inner wall forming the MOS transistor Tr1. In this example, the insulating film 55 is a silicon oxide film (SiO 2 Film) and is also formed on the surface of the transparent semiconductor region 24 including the inner wall of the trench.
[0036]
Next, as shown in FIG. 9G, a conductive material such as polycrystalline silicon is deposited in the trench 54 by, for example, a CVD method, and necessary processing is performed to form the first gate electrode 43.
Next, as shown in FIG. 9I, on the first gate electrode 43 in the trench 54, an insulating film as thin as possible (however, it can be insulated and separated), for example, a silicon oxide film (SiO2) 2 Film). Next, similarly to the above, a conductive material such as polycrystalline silicon is deposited in the trench 54 by, for example, a CVD method, and necessary processing is performed to form the first gate electrode 44. Further, the trench 54 on the second gate electrode 44 is filled with an insulating film such as a silicon oxide film. The inter-pixel element isolation region 38 is formed by the trenches 51 and 54 in which the insulating film is embedded.
[0037]
Next, as shown in FIG. 9J, n-type impurities are introduced into the surface side of the p-type transparent semiconductor region 24 to form n-type transparent semiconductor regions 26, 27, 28 and 29. The first and second gate electrodes 43 and 44 are located between the surface of the silicon n-type semiconductor region 23 and the bottom of the n-type transparent semiconductor region 26 corresponding to the side surface of the p-type transparent semiconductor region 24. Will do.
Next, a gate insulating film 31 is formed on the surface of the p-type transparent semiconductor region 24, and transparent gate electrodes 32, 33 and 34 are formed. The gate electrodes 32 to 34 are formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a transparent conductive ITO film. Next, after forming the insulating film 36, a transparent wiring 37 connecting the n-type transparent semiconductor region 26 and the transparent gate electrode 33 and a transparent wiring connecting the n-type transparent semiconductor region 29, so-called signal output lines 6 are formed. Transparent wirings 37 and 6 are, for example, 12CaO-7Al 2 O 3 Form with a film.
[0038]
Next, although not shown, a flattened insulating protective film 42, a color filter thereon, and an on-chip lens corresponding to each pixel thereon are formed to obtain the target solid-state imaging device 1. In the manufacturing process, various processes such as ion implantation and electrode formation necessary for forming the horizontal scanner unit 14, the vertical scanner unit 13, and the output processing circuit 15 other than the imaging region 12 are performed.
[0039]
According to the solid-state imaging device 1 of the present embodiment described above, the photodiode 3 serving as the light receiving sensor portion constituting each pixel, that is, the region for performing photoelectric conversion is formed on the silicon substrate 21, and the transparent semiconductor region 24 is formed thereon. Are stacked to form charge-signal conversion MOS transistors Tr1 to Tr4 that are optically transparent in the transparent semiconductor region 24 in the unit cell of each pixel. A wide photoelectric conversion region can be secured without reducing the number of MOS transistors. As a result, high sensitivity can be achieved.
In addition, since the transparent wiring material is used as the wirings 37 and 6, it is possible to avoid a decrease in the aperture ratio in the light receiving sensor unit 3 without being restricted by the wiring. That is, by using the transparent wiring, the aperture ratio of the light receiving sensor unit 3 can be secured without being affected by the presence or layout of the wiring. Since the wiring is transparent, incident light is not blocked by the wiring, and the light utilization efficiency is improved.
Since the charge transfer unit is optically transparent, a high aperture ratio solid-state imaging device with a small smear characteristic and a small amount of photoelectric conversion in the transfer unit during charge transfer can be obtained.
Since the surface of the n-type semiconductor region 213 constituting the photodiode is in contact with the transparent semiconductor region 24, dark current (noise) generated at the interface between the conventional semiconductor and the insulating film can be suppressed.
Further, since each pixel 2 is surrounded by the inter-pixel element isolation layer 38 around the entire periphery, the charge does not leak to the adjacent pixels. In addition, since the photoelectric conversion region is formed of a silicon substrate and the inter-pixel element isolation layer 38 is formed of, for example, a silicon oxide film having a refractive index sufficiently smaller than that of silicon, incident light is generated at the interface between the silicon substrate 21 and the silicon oxide film 38. Can be totally reflected. Thereby, incident light is less likely to leak to adjacent pixels.
[0040]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a solid-state image sensor that performs the same operation as the CMOS solid-state image sensor. However, the present invention can also be applied to a solid-state image sensor similar to a CCD solid-state image sensor. In this case, a light receiving sensor portion corresponding to each pixel is formed on a silicon substrate, a transparent semiconductor region is stacked on the silicon substrate, and a charge transfer portion having a CCD structure is formed in the transparent semiconductor region. . Thereby, the light receiving sensor part of each pixel becomes wide, and the sensitivity of the image sensor can be increased.
[0041]
Furthermore, the present invention is not limited to a solid-state imaging device, and can be applied to a photoelectric conversion apparatus that converts light into electric charge and processes the converted electric charge as a signal. In this case, a photoelectric conversion region is formed on a semiconductor substrate such as silicon, a transparent semiconductor region is formed thereon, and an optically transparent processing unit that processes charges accumulated in the transparent semiconductor region is formed. . This makes it possible to widen the photoelectric conversion region.
This photoelectric conversion device manufacturing method includes a step of forming an optically transparent transparent semiconductor region on a substrate on which at least a photoelectric conversion region is formed, and a photoelectric conversion comprising an optically transparent semiconductor element structure in the transparent semiconductor region. Forming a processing portion for processing charges accumulated in the region.
[0042]
【The invention's effect】
According to the photoelectric conversion device of the present invention, the optically transparent transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region is configured to be provided with a processing unit that processes charges accumulated in the photoelectric conversion region. The area of the photoelectric conversion region can be substantially enlarged without being restricted by the processing unit. As a result, the amount of charge photoelectrically converted per unit area can be increased.
[0043]
When the processing unit is formed as a processing unit that converts electric charge into current or voltage, it can be applied to an image sensor, and the sensitivity can be increased.
When the processing unit is formed as a processing unit that transfers charges, the processing unit can be applied to an imaging device, and the sensitivity can be increased.
[0044]
According to the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention, it is possible to manufacture a photoelectric conversion device having a wide electric conversion region without being restricted by the charge processing unit.
[0045]
According to the solid-state imaging device according to the present invention, each pixel has an optically transparent transparent semiconductor region on the photoelectric conversion region, and an optically transparent processing unit that processes charges in the transparent semiconductor region. Therefore, the area of the photoelectric conversion region can be substantially enlarged without being restricted by the charge processing unit. As a result, the amount of charge that is photoelectrically converted per unit pixel can be increased, and higher sensitivity can be achieved.
[0046]
When the inter-pixel element isolation region is formed on the entire circumference of the photoelectric conversion region corresponding to each pixel, the pixel separation can be performed reliably, and the charge does not leak to the adjacent pixels, and the imaging characteristics (image quality) of the solid-state image sensor Can be improved.
When the incident light is totally reflected at the interface between the inter-pixel element isolation region and the photoelectric conversion region, the incident light is less likely to leak to adjacent pixels, and the imaging characteristics (image quality) of the solid-state image sensor are improved. Can do.
[0047]
When the processing unit is composed of MOS transistors for charge-signal conversion, the photoelectric conversion region can be expanded without reducing the number of MOS transistors, and high sensitivity can be achieved. By using the transparent wiring, the aperture ratio of the photoelectric conversion region can be ensured without being affected by the presence or layout of the wiring.
[0048]
When the processing unit is configured by a charge transfer unit that transfers charges in the photoelectric conversion region, the photoelectric conversion region of the unit pixel can be expanded, and high sensitivity can be achieved. Since the charge transfer unit is optically transparent, a high aperture ratio solid-state imaging device with a small smear characteristic and a small amount of photoelectric conversion in the transfer unit during charge transfer can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of one pixel of the solid-state imaging device according to the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of one pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
FIG. 5 is a potential schematic diagram on the B′-S line of FIG. 3;
6 is a potential schematic diagram on the B′-S line of FIG. 3 when a voltage is applied to the gate electrode of a read MOS transistor. FIG.
7A to 7D are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating an embodiment of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
FIGS. 8A to 8G are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating an embodiment of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention. FIGS.
FIGS. 9A to 9J are manufacturing process diagrams (part 3) illustrating an embodiment of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 .... Solid-state imaging device 2 .... Pixel 3 .... Light receiving sensor (photodiode) 4 .... X address line 5 .... Y address line 6 .... Signal output line, Tr1 to Tr4 ... MOS Transistor, 21... Silicon substrate, 22... P-type semiconductor well region, 23... N-type semiconductor region (charge storage region), 24... P-type transparent semiconductor region, 26 to 29. Drain region), 32 to 34 ..transparent gate electrode, 37 ..wiring, 38 ..inter-pixel element isolation region, 42 ..insulating protective film 31, 41 ..gate insulating film, 43, 44. , 51, 54 .. Trench, 52 .. Insulating film

Claims (10)

光電変換領域と、
前記光電変換領域上に形成された光学的に透明な透明半導体領域と、
前記透明半導体領域に形成され、前記光電変換領域に蓄積された電荷を処理する光学的に透明な処理部とを有して成る
ことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion region;
An optically transparent transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region;
A photoelectric conversion device comprising: an optically transparent processing unit that processes charges accumulated in the photoelectric conversion region and formed in the transparent semiconductor region.
前記処理部が前記電荷を電流または電圧に変換する処理部として形成されて成る
ことを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the processing unit is formed as a processing unit that converts the electric charge into a current or a voltage.
前記処理部が前記電荷を転送する処理部として形成されて成る
ことを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the processing unit is formed as a processing unit that transfers the charge.
前記処理部が、前記電荷を電流または電圧に変換する処理部と、前記電荷を転送する処理部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the processing unit includes a processing unit that converts the charge into a current or a voltage, and a processing unit that transfers the charge.
光電変換領域を形成した基板上に光学的に透明な透明半導体領域を形成する工程と、
前記透明半導体領域に、光学的に透明な半導体素子構造からなり、前記光電変換領域に蓄積された電荷を処理する処理部を形成する工程を有する
ことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Forming an optically transparent transparent semiconductor region on the substrate on which the photoelectric conversion region is formed;
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: forming a processing unit that has an optically transparent semiconductor element structure in the transparent semiconductor region and processes charges accumulated in the photoelectric conversion region.
複数の画素を有し、
前記各画素が、光電変換領域と、該光電変換領域上に形成された光学的に透明な透明半導体領域と、該透明半導体領域に形成され前記光電変換領域に蓄積された電荷を処理する光学的に透明な処理部とを有して成る
ことを特徴とする固体撮像素子。
Having a plurality of pixels,
Each pixel has a photoelectric conversion region, an optically transparent transparent semiconductor region formed on the photoelectric conversion region, and an optical device that processes charges accumulated in the photoelectric conversion region formed in the transparent semiconductor region. A solid-state imaging device comprising a transparent processing unit.
前記各画素に対応する光電変換領域の全周に画素間素子分離領域が形成されて成る
ことを特徴とする請求項6記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 6, wherein an inter-pixel element isolation region is formed all around the photoelectric conversion region corresponding to each pixel.
前記画素間素子分離領域と前記光電変換領域の界面で、入射光が全反射されて成る
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 7, wherein incident light is totally reflected at an interface between the inter-pixel element isolation region and the photoelectric conversion region.
前記処理部が、電荷−信号変換するためのMOSトランジスタで形成されて成る
ことを特徴とする請求項6記載の固体撮像素子。
7. The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the processing section is formed of a MOS transistor for charge-signal conversion.
前記処理部が、前記光電変換領域の電荷を転送する電荷転送部として形成されて成る
ことを特徴とする請求項6記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the processing unit is formed as a charge transfer unit that transfers charges in the photoelectric conversion region.
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