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JP2005101864A - Drive method of solid-state image pickup element and solid-state imaging device - Google Patents

Drive method of solid-state image pickup element and solid-state imaging device Download PDF

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JP2005101864A
JP2005101864A JP2003332475A JP2003332475A JP2005101864A JP 2005101864 A JP2005101864 A JP 2005101864A JP 2003332475 A JP2003332475 A JP 2003332475A JP 2003332475 A JP2003332475 A JP 2003332475A JP 2005101864 A JP2005101864 A JP 2005101864A
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JP
Japan
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solid
imaging device
state imaging
element isolation
semiconductor region
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Application number
JP2003332475A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Kanbe
秀夫 神戸
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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 provide the drive method of a solid-state image pickup element with which dark current can be reduced, an image with sufficient image quality can be obtained, and charge quantity that a light receiving sensor deals with can sufficiently be secured; and to provide a solid-state imaging device having the solid-state image pickup element. <P>SOLUTION: In the solid-state image pickup element 10, a second conductive semiconductor region 14 is formed on the surface of the first conductive charge accumulation region 13 of the light receiving sensor. An element separation layer 20 formed of an insulating layer is embedded in a groove formed in a semiconductor substrate 11. An electrode 22 is embedded and formed in the element separation layer 20. At least in a light receiving period, voltage ΦV1 is applied to the electrode 22, and an accumulation layer where multiple carriers of the second conductive semiconductor region 14 are accumulated is formed at the periphery of the element separation layer 20. The solid-state imaging device is provided with the solid-state image pickup element 10 and a voltage applying means applying voltage ΦV1 to the electrode 22. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体撮像素子の駆動方法、並びに固体撮像素子を備えた固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a method for driving a solid-state imaging device, and a solid-state imaging device including the solid-state imaging device.

固体撮像素子の画素セルの小型化により、特にCMOSセンサ(CMOS型固体撮像素子)では、周辺回路部と同様に、画素部にもトレンチ素子分離構造(いわゆるSTI;Shallow Trench Isolation)を採用することがある。   Due to the downsizing of the pixel cell of the solid-state imaging device, in particular, in the CMOS sensor (CMOS solid-state imaging device), a trench element isolation structure (so-called STI; Shallow Trench Isolation) should be adopted for the pixel portion as well as the peripheral circuit portion. There is.

また、受光センサ部においては、暗電流低減のための埋め込みフォトダイオード構造を採用する場合が一般的になってきている。   Further, in the light receiving sensor section, it has become common to adopt an embedded photodiode structure for reducing dark current.

そして、上述のように画素部にトレンチ素子分離構造を採用した場合には、受光センサ部から延びる空乏層がトレンチ素子分離層の側面に達することにより、このトレンチ素子分離層の側面のSiO/Si界面で暗電流が発生するという問題が生じる。
このため、トレンチ素子分離層の側面における暗電流を抑制することが求められる。
When the trench element isolation structure is employed in the pixel portion as described above, the depletion layer extending from the light receiving sensor portion reaches the side surface of the trench element isolation layer, so that the SiO 2 / There arises a problem that dark current is generated at the Si interface.
For this reason, it is required to suppress the dark current on the side surface of the trench element isolation layer.

また、トレンチ素子分離を行わない場合でも、高感度化を図るために、画素部における暗電流の発生を少しでも低減することが要望されている。
そこで、LOCOS法により素子分離を行う構造において、画素部の暗電流を低減することが考えられている。
例えば、LOCOS素子分離層の下や近傍にP領域を形成し、光電変換部のN層をLOCOS素子分離層よりも深く形成することにより、暗電流を低減する方法(特許文献1参照)が提案されている。
また例えば、周辺回路部にはLOCOS素子分離層を用い、画素部の画素部のトランジスタや受光部周りはLOCOS素子分離層ではなく、多結晶シリコンの酸化膜を分離領域のP領域上に形成することにより応力を減らし、暗電流の低減を図る方法(特許文献2参照)が提案されている。
特開平10−308507号公報 特開平11−312731号公報
Even when trench element isolation is not performed, it is desired to reduce the generation of dark current in the pixel portion as much as possible in order to achieve high sensitivity.
Thus, it is considered to reduce the dark current in the pixel portion in a structure in which element isolation is performed by the LOCOS method.
For example, a method of reducing dark current by forming a P + region below or in the vicinity of the LOCOS element isolation layer and forming the N layer of the photoelectric conversion part deeper than the LOCOS element isolation layer (see Patent Document 1). Proposed.
Further, for example, a LOCOS element isolation layer is used for the peripheral circuit portion, and a polycrystalline silicon oxide film is formed on the P + region of the isolation region instead of the LOCOS element isolation layer around the transistor and the light receiving portion of the pixel portion. A method of reducing the stress and reducing the dark current (see Patent Document 2) has been proposed.
JP-A-10-308507 JP-A-11-312731

従って、画素部にトレンチ素子分離構造を採用した場合に、トレンチ素子分離層の側面における暗電流を抑制するためには、トレンチ素子分離層の周囲にP領域を形成すればよい。 Accordingly, when a trench element isolation structure is employed in the pixel portion, a P + region may be formed around the trench element isolation layer in order to suppress dark current on the side surface of the trench element isolation layer.

ここで、トレンチ素子分離構造及び埋め込みフォトダイオード構造を採用した構成のCMOS型固体撮像素子の概略断面図を図2に示す。
この固体撮像素子50は、基板51の上部にP型半導体ウエル領域52が形成され、このP型半導体ウエル領域52に、受光センサ部の電荷蓄積領域となるN型半導体領域53やNのフローティングディフュージョン56が形成されている。
また、N型半導体領域53上の基板51の表面付近には、P型(P)の正電荷蓄積領域54が形成されている。
これらP型半導体ウエル領域52、N型半導体領域53、並びにP型の正電荷蓄積領域54により、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造が形成されている。
Here, FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a CMOS type solid-state imaging device having a structure employing a trench element isolation structure and a buried photodiode structure.
In this solid-state imaging device 50, a P-type semiconductor well region 52 is formed on an upper portion of a substrate 51. In this P-type semiconductor well region 52, an N-type semiconductor region 53 serving as a charge accumulation region of a light-receiving sensor unit and an N + floating region. A diffusion 56 is formed.
A P-type (P + ) positive charge accumulation region 54 is formed near the surface of the substrate 51 on the N-type semiconductor region 53.
These P-type semiconductor well region 52, N-type semiconductor region 53, and P-type positive charge storage region 54 form a so-called buried photodiode structure.

また、トランジスタや受光センサ部のフォトダイオードを電気的に分離する、絶縁層(例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくはこれらの多層)から成るトレンチ素子分離層60が形成され、このトレンチ素子分離層60間の基板51の表面付近に受光センサ部のフォトダイオードやトランジスタのソース・ドレイン等の領域が形成されている。
正電荷蓄積領域54は、このトレンチ素子分離層60に接して形成され、N型半導体領域53よりも広い面積に形成されている。
In addition, a trench element isolation layer 60 made of an insulating layer (for example, silicon oxide, silicon nitride, or a multilayer thereof) is formed to electrically isolate the transistor and the photodiode of the light receiving sensor unit. In the vicinity of the surface of the substrate 51, regions such as a photodiode of the light receiving sensor part and a source / drain of a transistor are formed.
The positive charge accumulation region 54 is formed in contact with the trench element isolation layer 60 and has a larger area than the N-type semiconductor region 53.

基板51の表面にはゲート絶縁膜57が形成され、このゲート絶縁膜57上に、読み出しゲート電極58及びリセットゲート電極59が形成されている。
読み出しゲート電極58、ゲート絶縁膜57、受光センサ部のN型半導体領域53、フローティングディフュージョン56により、読み出しトランジスタが構成される。この読み出しトランジスタのチャネル部、即ちフローティングディフュージョン56とN型半導体領域53との間は、読み出し領域55となっている。
さらに、必要に応じて、上方に、カラーフィルターやオンチップレンズ等の部品が設けられて固体撮像素子50が構成される。
A gate insulating film 57 is formed on the surface of the substrate 51, and a read gate electrode 58 and a reset gate electrode 59 are formed on the gate insulating film 57.
The read gate electrode 58, the gate insulating film 57, the N-type semiconductor region 53 of the light receiving sensor portion, and the floating diffusion 56 constitute a read transistor. A channel region of the read transistor, that is, between the floating diffusion 56 and the N-type semiconductor region 53 is a read region 55.
Furthermore, if necessary, components such as a color filter and an on-chip lens are provided above to form the solid-state imaging device 50.

そして、この固体撮像素子50では、トレンチ素子分離層60の周囲(側壁及び下)には、P型(P)の半導体領域61が形成されている。このP型の半導体領域61により、トレンチ素子分離層60の周囲で発生する暗電流を低減することができる。 In the solid-state imaging device 50, a P-type (P + ) semiconductor region 61 is formed around the trench element isolation layer 60 (side walls and below). This P-type semiconductor region 61 can reduce dark current generated around the trench element isolation layer 60.

しかしながら、トレンチ素子分離層60の周囲における暗電流の発生を充分に抑制するためには、P型半導体領域61を厚く形成する、或いはP型半導体領域61のP型不純物の濃度を濃くする必要がある。   However, in order to sufficiently suppress the generation of dark current around the trench element isolation layer 60, it is necessary to form the P-type semiconductor region 61 thick or to increase the concentration of P-type impurities in the P-type semiconductor region 61. is there.

P型半導体領域61を厚く形成した場合には、受光センサ部のN型半導体領域53がその分だけ小さくなり、蓄積できる信号電荷の量(取り扱い電荷量)が減ってしまうことから、所望のダイナミックレンジを確保することが難しくなる。   When the P-type semiconductor region 61 is formed thick, the N-type semiconductor region 53 of the light-receiving sensor portion becomes smaller by that amount, and the amount of signal charge that can be accumulated (handled charge amount) is reduced. It becomes difficult to secure the range.

また、P型半導体領域61のP型不純物の濃度を濃くした場合には、製造時にP型半導体領域61のP型不純物が拡散しやすくなるため、受光センサ部側にP型不純物が拡散することにより、結果として受光センサ部のN型半導体領域53に蓄積できる信号電荷の量(取り扱い電荷量)が減ってしまうことになる。   Further, when the concentration of the P-type impurity in the P-type semiconductor region 61 is increased, the P-type impurity in the P-type semiconductor region 61 is likely to diffuse at the time of manufacture. As a result, the amount of signal charge (handled charge amount) that can be accumulated in the N-type semiconductor region 53 of the light receiving sensor portion is reduced.

上述した問題の解決のために、本発明においては、暗電流の低減を図り画質が良好な画像が得られると共に、受光センサ部の取り扱い電荷量を充分に確保することを可能にする固体撮像素子の駆動方法、及び固体撮像素子を備えた固体撮像装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, in the present invention, a solid-state imaging device capable of reducing dark current and obtaining an image with good image quality and ensuring a sufficient amount of charge handled by the light receiving sensor unit. And a solid-state imaging device including the solid-state imaging device.

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に第2導電型の半導体領域が形成され、半導体基板に形成された溝内に絶縁層から成る素子分離層が埋め込まれて形成され、この素子分離層の内部に電極が埋め込まれて形成されている構成の固体撮像素子に対して、少なくとも受光期間中において、電極に電圧を印加して、素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層を形成するものである。   According to the solid-state imaging device driving method of the present invention, the second conductive type semiconductor region is formed on the surface of the first conductive type charge storage region of the light receiving sensor unit, and the insulating layer is formed in the groove formed in the semiconductor substrate. An element isolation layer is embedded and formed, and a voltage is applied to the electrode at least during a light receiving period with respect to a solid-state imaging device having a structure in which an electrode is embedded in the element isolation layer. An accumulation layer for accumulating majority carriers in the semiconductor region of the second conductivity type is formed around the separation layer.

本発明の固体撮像装置は、受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に第2導電型の半導体領域が形成され、半導体基板に形成された溝内に絶縁層から成る素子分離層が埋め込まれて形成され、この素子分離層の内部に電極が埋め込まれて形成されている構成の固体撮像素子と、電極に対して電圧を印加する電圧印加手段とを備えたものである。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the second conductivity type semiconductor region is formed on the surface of the first conductivity type charge storage region of the light receiving sensor unit, and the element isolation layer is formed of an insulating layer in the groove formed in the semiconductor substrate. Is embedded, and an electrode is embedded in the element isolation layer, and a solid-state imaging device and a voltage applying means for applying a voltage to the electrode are provided.

また、前記本発明の固体撮像素子の駆動方法及び上記本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を、素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域が形成されている構成とすることができる。   In the solid-state imaging device driving method of the present invention and the solid-state imaging device of the present invention, the solid-state imaging element has a configuration in which a second conductivity type semiconductor region is formed around the element isolation layer. it can.

また、前記本発明の固体撮像素子の駆動方法において、電荷蓄積領域がN型半導体領域であり、受光期間中に電極に負電圧を印加する構成とすることができる。
また、前記本発明の固体撮像装置において、電荷蓄積領域がN型半導体領域であり、電圧印加手段が少なくとも受光期間中に電極に負電圧を印加するように制御される構成とすることができる。
In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the charge accumulation region is an N-type semiconductor region, and a negative voltage can be applied to the electrode during the light receiving period.
In the solid-state imaging device of the present invention, the charge storage region may be an N-type semiconductor region, and the voltage applying unit may be controlled to apply a negative voltage to the electrode at least during the light receiving period.

上述の本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、固体撮像素子が受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に第2導電型の半導体領域が形成された構成となっているので、受光センサ部の基板表面付近における暗電流を低減することができる。
そして、少なくとも受光期間中において、素子分離層の内部に形成された電極に電圧を印加して、絶縁層から成る素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層を誘起することにより、この蓄積層によって、受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域(信号電荷蓄積層)近傍の素子分離層の側壁をピニングさせて、素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制することが可能になる。
According to the driving method of the solid-state imaging device of the present invention described above, the solid-state imaging device has a configuration in which the second conductive type semiconductor region is formed on the surface of the first conductive type charge storage region of the light receiving sensor unit. Therefore, the dark current in the vicinity of the substrate surface of the light receiving sensor unit can be reduced.
A storage layer that accumulates majority carriers in the semiconductor region of the second conductivity type around the element isolation layer made of an insulating layer by applying a voltage to the electrode formed inside the element isolation layer at least during the light receiving period. This storage layer causes the side wall of the element isolation layer in the vicinity of the first conductivity type charge storage region (signal charge storage layer) of the light receiving sensor portion to be pinned by the storage layer, and from the interface of the side wall of the element isolation layer. Generation of dark current can be suppressed.

上述の本発明の固体撮像装置の構成によれば、固体撮像素子が受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に第2導電型の半導体領域が形成された構成となっているので、受光センサ部の基板表面付近における暗電流を低減することができる。
そして、素子分離層の内部に形成された電極に対して電圧を印加する電圧印加手段を備えていることにより、この電圧印加手段から素子分離層の内部に形成された電極に、所定の電圧を印加すれば、上述の第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層を形成して、素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制することが可能になる。
According to the above-described configuration of the solid-state imaging device of the present invention, the solid-state imaging device has a configuration in which the second conductive type semiconductor region is formed on the surface of the first conductive type charge storage region of the light receiving sensor unit. The dark current in the vicinity of the substrate surface of the light receiving sensor portion can be reduced.
And by providing a voltage applying means for applying a voltage to the electrode formed in the element isolation layer, a predetermined voltage is applied from the voltage applying means to the electrode formed in the element isolation layer. When applied, it is possible to form an accumulation layer for accumulating majority carriers in the semiconductor region of the second conductivity type described above, and to suppress the generation of dark current from the side wall interface of the element isolation layer.

また、本発明の固体撮像素子の駆動方法及び本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を、素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域が形成されている構成としたときには、この素子分離層の周囲の第2導電型の半導体領域によっても素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制することができる。これにより、上述の蓄積層と合わせて素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生をより効果的に抑制することができる。   Further, in the solid-state imaging device driving method and the solid-state imaging device of the present invention, when the solid-state imaging device has a configuration in which a second conductivity type semiconductor region is formed around the element isolation layer, this element is used. Generation of dark current from the interface of the side wall of the element isolation layer can also be suppressed by the second conductivity type semiconductor region around the isolation layer. Thereby, the generation of dark current from the interface of the sidewall of the element isolation layer can be more effectively suppressed together with the above-described accumulation layer.

上述の本発明によれば、素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制することが可能になるため、画素部における暗電流を低減することができる。   According to the above-described present invention, it is possible to suppress the generation of dark current from the interface of the side wall of the element isolation layer, so that the dark current in the pixel portion can be reduced.

特に、固体撮像素子を、素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域が形成されている構成としたときには、この第2導電型の半導体領域と電極への電圧印加により形成される第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層とを合わせて、より効果的に素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制することができる。
また、素子分離層の周囲に形成された第2導電型の半導体領域のみで素子分離層の側壁の界面からの暗電流の発生を抑制する構成と比較して、第2導電型の半導体領域を、アクセプタ濃度を低減したり、厚さを低減したりしても、充分に暗電流を抑制することが可能になるため、受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の面積を圧迫せず、受光センサ部に蓄積できる電荷量、即ち取り扱い電荷量を高く維持することができる。
これにより、所望のダイナミックレンジを確保することが可能になる。
In particular, when the solid-state imaging device has a configuration in which the second conductivity type semiconductor region is formed around the element isolation layer, the second conductivity type is formed by applying a voltage to the second conductivity type semiconductor region and the electrode. Together with the accumulation layer for accumulating majority carriers in the conductive type semiconductor region, generation of dark current from the interface of the side wall of the element isolation layer can be more effectively suppressed.
Also, the second conductivity type semiconductor region is compared with the configuration in which the generation of dark current from the interface of the side wall of the element isolation layer is suppressed only by the second conductivity type semiconductor region formed around the element isolation layer. Even if the acceptor concentration is reduced or the thickness is reduced, the dark current can be sufficiently suppressed, so that the area of the charge accumulation region of the first conductivity type of the light receiving sensor portion is not compressed. The charge amount that can be accumulated in the light receiving sensor section, that is, the handling charge amount can be kept high.
This makes it possible to ensure a desired dynamic range.

従って、本発明により、暗電流が少なく、良好な画質の画像が得られる固体撮像装置を実現することができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a solid-state imaging device that has a low dark current and can obtain an image with good image quality.

本発明の固体撮像素子の一実施の形態として、固体撮像素子部分の概略断面図を図1に示す。この図1は、1つの画素セル分の断面図を示している。
本実施の形態は、本発明をCMOSセンサ(CMOS型固体撮像素子)に適用したものである。
As an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, a schematic cross-sectional view of a solid-state imaging device portion is shown in FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view of one pixel cell.
In this embodiment, the present invention is applied to a CMOS sensor (CMOS type solid-state imaging device).

基板11の上部にP型半導体ウエル領域12が形成され、このP型半導体ウエル領域12に、受光センサ部の電荷蓄積領域となるN型半導体領域13やNのフローティングディフュージョン16が形成されている。
また、N型半導体領域13上の基板11の表面付近には、P型(P)の正電荷蓄積領域14が形成されている。
これらP型半導体ウエル領域12、N型半導体領域13、並びにP型の正電荷蓄積領域14により、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造が形成されている。
A P-type semiconductor well region 12 is formed on the substrate 11, and an N-type semiconductor region 13 serving as a charge storage region of the light receiving sensor portion and an N + floating diffusion 16 are formed in the P-type semiconductor well region 12. .
In addition, a P-type (P + ) positive charge accumulation region 14 is formed near the surface of the substrate 11 on the N-type semiconductor region 13.
The P-type semiconductor well region 12, the N-type semiconductor region 13, and the P-type positive charge storage region 14 form a so-called buried photodiode structure.

また、トランジスタや受光センサ部のフォトダイオードを電気的に分離する、絶縁層(例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくはこれらの多層)から成るトレンチ素子分離層20が形成され、このトレンチ素子分離層20間の基板11の表面付近に受光センサ部のフォトダイオードやトランジスタのソース・ドレイン等の領域が形成されている。   Further, a trench element isolation layer 20 made of an insulating layer (for example, silicon oxide, silicon nitride, or a multilayer thereof) for electrically isolating the transistor and the photodiode of the light receiving sensor unit is formed. This trench element isolation layer 20 In the vicinity of the surface of the substrate 11 in the middle, regions such as a photodiode of the light receiving sensor part and a source / drain of the transistor are formed.

基板11の表面にはゲート絶縁膜17が形成され、このゲート絶縁膜17上に、読み出しゲート電極18及びリセットゲート電極19が形成されている。
読み出しゲート電極18、ゲート絶縁膜17、受光センサ部のN型半導体領域13、フローティングディフュージョン16により、読み出しトランジスタが構成される。この読み出しトランジスタのチャネル部、即ちフローティングディフュージョン16とN型半導体領域13との間は、読み出し領域15となっている。
さらに、必要に応じて、上方に、カラーフィルターやオンチップレンズ等の部品が設けられて固体撮像素子10が構成される。
A gate insulating film 17 is formed on the surface of the substrate 11, and a read gate electrode 18 and a reset gate electrode 19 are formed on the gate insulating film 17.
A read transistor is configured by the read gate electrode 18, the gate insulating film 17, the N-type semiconductor region 13 of the light receiving sensor portion, and the floating diffusion 16. A channel region of the read transistor, that is, between the floating diffusion 16 and the N-type semiconductor region 13 is a read region 15.
Furthermore, if necessary, components such as a color filter and an on-chip lens are provided above to constitute the solid-state imaging device 10.

本実施の形態においては、特に、絶縁層から成るトレンチ素子分離層20の内部に、電極22が埋め込まれている。
また、トレンチ素子分離層20の周囲(側壁及び下)には、P型(P)の半導体領域21が形成されている。
In the present embodiment, in particular, the electrode 22 is embedded in the trench element isolation layer 20 made of an insulating layer.
Further, a P-type (P + ) semiconductor region 21 is formed around the trench element isolation layer 20 (side wall and below).

電極22の材料としては、例えば多結晶シリコン、より好ましくは不純物をドープして低抵抗化した多結晶シリコンを用いることができる。
電極22の形成方法としては、例えば、トレンチ素子分離層20を形成した後に、その内部に溝を形成して電極22の材料を埋め込む方法と、トレンチ素子分離層20用の溝を形成した後に、絶縁層を溝の内部を完全には埋めないように形成してトレンチ素子分離層20を形成し、残った部分に電極22の材料を埋め込む方法とが考えられる。前者の場合には、P型の半導体領域21を、電極22を埋め込んだ後で形成してもよい。
As a material of the electrode 22, for example, polycrystalline silicon, more preferably, polycrystalline silicon doped with impurities to reduce resistance can be used.
As a method for forming the electrode 22, for example, after forming the trench element isolation layer 20, a method of forming a groove therein and embedding the material of the electrode 22, and after forming a trench for the trench element isolation layer 20, A method may be considered in which the insulating layer is formed so as not to completely fill the inside of the trench to form the trench element isolation layer 20, and the material of the electrode 22 is buried in the remaining portion. In the former case, the P-type semiconductor region 21 may be formed after the electrode 22 is embedded.

さらに、本実施の形態においては、電極22に電圧φV1を印加する、図示しない電圧印加手段(例えば、電源回路等の回路や配線)を備えて固体撮像装置を構成する。
そして、少なくとも受光期間においては、電極22に、電圧印加手段を通じて電圧φV1として負電圧(例えば−5V)が印加される構成とする。
即ち、少なくとも受光期間中に電極22に負電圧を印加するように、電圧印加手段が制御される固体撮像装置を構成する。
Further, in the present embodiment, a solid-state imaging device is configured by including voltage application means (for example, a circuit such as a power supply circuit or wiring) that applies a voltage φV1 to the electrode 22.
At least in the light receiving period, a negative voltage (for example, −5 V) is applied to the electrode 22 as the voltage φV1 through the voltage applying unit.
That is, the solid-state imaging device in which the voltage application unit is controlled so as to apply a negative voltage to the electrode 22 at least during the light receiving period is configured.

このように電極22に負電圧が印加されることにより、トレンチ素子分離層20の側壁近傍にホール蓄積層が形成され、正電荷(ホール)によりトレンチ素子分離層20の界面がピニングされる。これにより、トレンチ素子分離層20の周囲に形成されたP型半導体領域21と合わせて、トレンチ素子分離層20の側壁の界面からの暗電流発生を抑制することができる。   By thus applying a negative voltage to the electrode 22, a hole accumulation layer is formed in the vicinity of the sidewall of the trench element isolation layer 20, and the interface of the trench element isolation layer 20 is pinned by positive charges (holes). Thereby, together with the P-type semiconductor region 21 formed around the trench element isolation layer 20, it is possible to suppress the generation of dark current from the interface of the sidewall of the trench element isolation layer 20.

そして、図2に示した構造と比較して、本実施の形態の場合には、このP型半導体領域21の厚さやP型不純物の濃度(アクセプタ濃度)が小さくても、トレンチ素子分離層20の側壁からの暗電流の発生を充分に抑制することが可能になる。   Compared with the structure shown in FIG. 2, in the case of the present embodiment, even if the thickness of the P-type semiconductor region 21 and the concentration of P-type impurities (acceptor concentration) are small, the trench element isolation layer 20 It is possible to sufficiently suppress the generation of dark current from the side walls.

なお、トレンチ素子分離層20の周囲にP型半導体領域21を設けないで、電極22に負電圧を印加してホール蓄積層を形成する構成とした場合には、暗電流を抑制するために(例えば−15V等の)大きい負電圧を印加する必要がある。
従って、トレンチ素子分離層20の周囲に、P型半導体領域21を設けることが望ましい。
In order to suppress dark current when the hole storage layer is formed by applying a negative voltage to the electrode 22 without providing the P-type semiconductor region 21 around the trench isolation layer 20 ( It is necessary to apply a large negative voltage (for example, -15V).
Therefore, it is desirable to provide the P-type semiconductor region 21 around the trench element isolation layer 20.

上述の本実施の形態によれば、トレンチ素子分離層20の内部に電極22を埋め込んで構成し、この電極22に電圧φV1が印加され、少なくとも受光期間において電圧φV1として負電圧が印加される構成としたことにより、トレンチ素子分離層20の側壁近傍にホール蓄積層を形成し、界面をピニングすることができる。これにより、トレンチ素子分離層20の周囲に形成されたP型半導体領域21と合わせて、トレンチ素子分離層20の側壁からの暗電流発生を抑制することができる。   According to the above-described embodiment, the electrode 22 is embedded in the trench element isolation layer 20, the voltage φV1 is applied to the electrode 22, and a negative voltage is applied as the voltage φV1 at least in the light receiving period. As a result, a hole accumulation layer can be formed in the vicinity of the sidewall of the trench element isolation layer 20 and the interface can be pinned. Thereby, together with the P-type semiconductor region 21 formed around the trench element isolation layer 20, it is possible to suppress the generation of dark current from the sidewall of the trench element isolation layer 20.

また、電極22に負電圧が印加されてホール蓄積層を形成するため、トレンチ素子分離層20の周囲のP型半導体領域21を、図2に示した構成と比較して、P型不純物濃度を低減したり、P型半導体領域21の厚さを薄くしたりしても、暗電流を充分に抑制することが可能になる。
従って、受光センサ部の信号蓄積領域となるN型半導体領域13の面積を大きく設定することができるため、蓄積できる電荷量(取り扱い電荷量)を高く維持することができ、所望のダイナミックレンジを確保することが可能になる。
Further, since a negative voltage is applied to the electrode 22 to form a hole accumulation layer, the P-type impurity concentration in the P-type semiconductor region 21 around the trench isolation layer 20 is compared with that in the configuration shown in FIG. Even if it is reduced or the thickness of the P-type semiconductor region 21 is reduced, the dark current can be sufficiently suppressed.
Accordingly, since the area of the N-type semiconductor region 13 that serves as a signal storage region of the light receiving sensor portion can be set large, the charge amount that can be stored (handled charge amount) can be maintained high, and a desired dynamic range can be secured. It becomes possible to do.

上述の実施の形態では、N型半導体領域13及び正電荷蓄積領域14において、読み出し領域15側の端部が同じ平面位置になっているが、N型半導体領域13の端部を読み出し領域15側にはみ出して形成させてもよい。
このように、読み出し領域15側にはみ出して形成することにより、読み出しゲート電極18に印加する読み出し電圧を低く設定することが可能になる。
In the above-described embodiment, in the N-type semiconductor region 13 and the positive charge storage region 14, the end portion on the read region 15 side is at the same planar position, but the end portion of the N-type semiconductor region 13 is on the read region 15 side. It may be formed so as to protrude.
In this way, by forming so as to protrude to the read region 15 side, the read voltage applied to the read gate electrode 18 can be set low.

上述の実施の形態では、受光センサ部の電荷蓄積領域がN型の半導体領域であり、このN型の半導体領域の表面にP型の正電荷蓄積領域が形成されて、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造が形成された構成であったが、本発明は逆導電型の場合にも同様に適用することができる。
逆導電型の場合には、P型の電荷蓄積領域の表面にN型の半導体領域(負電荷蓄積領域)が形成されて、埋め込みフォトダイオード構造が構成される。また、トレンチ素子分離層の周囲には、暗電流低減のためにN型の半導体領域が形成される。この場合には、本発明を適用することにより、少なくとも受光期間中にトレンチ素子分離層内部の電極に正電圧を印加して、トレンチ素子分離層の周囲に電子による蓄積層を形成し、この蓄積層により界面をピニングさせればよい。
即ち、本発明においては、第1導電型の電荷蓄積領域の表面に第2導電型の半導体領域を形成して埋め込みフォトダイオード構造を構成し、少なくとも受光期間中にトレンチ素子分離層内部の電極に電圧を印加して、トレンチ素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層を形成して界面をピニングさせる。そして、好ましくは、トレンチ素子分離層の周囲にも第2導電型の半導体領域を形成する。
In the above-described embodiment, the charge accumulation region of the light receiving sensor portion is an N-type semiconductor region, and a P-type positive charge accumulation region is formed on the surface of the N-type semiconductor region, so that a so-called embedded photodiode structure is formed. Although the structure is formed, the present invention can be similarly applied to the case of the reverse conductivity type.
In the case of the reverse conductivity type, an N-type semiconductor region (negative charge storage region) is formed on the surface of the P-type charge storage region to constitute a buried photodiode structure. An N-type semiconductor region is formed around the trench isolation layer to reduce dark current. In this case, by applying the present invention, a positive voltage is applied to the electrode inside the trench element isolation layer at least during the light receiving period, and an accumulation layer of electrons is formed around the trench element isolation layer. The interface may be pinned by a layer.
That is, in the present invention, a buried conductive photodiode structure is formed by forming a second conductive type semiconductor region on the surface of the first conductive type charge storage region, and at least during the light receiving period, the electrode inside the trench element isolation layer is formed. A voltage is applied to form an accumulation layer for accumulating majority carriers in the semiconductor region of the second conductivity type around the trench element isolation layer, and the interface is pinned. Preferably, a second conductivity type semiconductor region is also formed around the trench element isolation layer.

上述の実施の形態では、本発明をCMOS型固体撮像素子に適用した場合であったが、本発明は、その他の構成の固体撮像素子、例えばCCD固体撮像素子にも適用することが可能である。
本発明をCCD固体撮像素子に適用する場合には、例えば、いわゆるチャネルストップ領域となる部分にトレンチ素子分離層を形成し、このトレンチ素子分離層の内部に電極を埋め込んで形成し、この電極に素子分離絶縁層の側壁をピニングさせる電圧を印加する。
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a CMOS solid-state image sensor. However, the present invention can also be applied to solid-state image sensors having other configurations, such as a CCD solid-state image sensor. .
When the present invention is applied to a CCD solid-state imaging device, for example, a trench element isolation layer is formed in a portion that becomes a so-called channel stop region, and an electrode is embedded in the trench element isolation layer. A voltage for pinning the sidewall of the element isolation insulating layer is applied.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の固体撮像装置の一実施の形態の概略構成図(固体撮像素子の画素部の断面図)を示す。1 is a schematic configuration diagram (a cross-sectional view of a pixel portion of a solid-state imaging device) of an embodiment of a solid-state imaging device of the present invention. トレンチ素子分離構造と埋め込みフォトダイオード構造を採用したCMOS型固体撮像素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the CMOS type solid-state image sensor which employ | adopted the trench element isolation structure and the embedded photodiode structure.

符号の説明Explanation of symbols

10 固体撮像素子、11 基板、12 P型の半導体ウエル領域、13 N型半導体領域、14 正電荷蓄積領域、15 読み出し領域、16 フローティングディフュージョン、17 ゲート絶縁膜、18 読み出しゲート電極、19 リセットゲート電極、20 トレンチ素子分離層、21 P型半導体領域、22 電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid-state image sensor, 11 Substrate, 12 P-type semiconductor well region, 13 N-type semiconductor region, 14 Positive charge storage region, 15 Read-out region, 16 Floating diffusion, 17 Gate insulating film, 18 Read-out gate electrode, 19 Reset gate electrode , 20 Trench element isolation layer, 21 P-type semiconductor region, 22 electrodes

Claims (6)

受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に、第2導電型の半導体領域が形成され、
半導体基板に形成された溝内に、絶縁層から成る素子分離層が埋め込まれて形成され、
前記素子分離層の内部に、電極が埋め込まれて形成されている構成の固体撮像素子に対して、
少なくとも受光期間中において、前記電極に電圧を印加して、前記素子分離層の周囲に、前記第2導電型の半導体領域の多数キャリアを蓄積させる蓄積層を形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
A second conductivity type semiconductor region is formed on the surface of the first conductivity type charge storage region of the light receiving sensor unit,
In the groove formed in the semiconductor substrate, an element isolation layer made of an insulating layer is embedded and formed,
For a solid-state imaging device having a configuration in which an electrode is embedded in the element isolation layer,
A solid-state imaging device, wherein a voltage is applied to the electrode at least during a light receiving period, and a storage layer for storing majority carriers in the semiconductor region of the second conductivity type is formed around the device isolation layer. Driving method.
前記固体撮像素子は、前記素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子の駆動方法。   The solid-state imaging device driving method according to claim 1, wherein the solid-state imaging device has a second conductivity type semiconductor region formed around the element isolation layer. 前記電荷蓄積領域がN型半導体領域であり、前記受光期間中に前記電極に負電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子の駆動方法。   2. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge accumulation region is an N-type semiconductor region, and a negative voltage is applied to the electrode during the light receiving period. 受光センサ部の第1導電型の電荷蓄積領域の表面に、第2導電型の半導体領域が形成され、半導体基板に形成された溝内に、絶縁層から成る素子分離層が埋め込まれて形成され、前記素子分離層の内部に、電極が埋め込まれて形成されている構成の固体撮像素子と、
前記電極に対して電圧を印加する電圧印加手段とを備えた
ことを特徴とする固体撮像装置。
A second conductivity type semiconductor region is formed on the surface of the first conductivity type charge storage region of the light receiving sensor portion, and an element isolation layer made of an insulating layer is embedded in a groove formed in the semiconductor substrate. A solid-state imaging device having a configuration in which an electrode is embedded in the element isolation layer;
A solid-state imaging device comprising: a voltage applying unit that applies a voltage to the electrode.
前記固体撮像素子は、前記素子分離層の周囲に第2導電型の半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device has a second conductivity type semiconductor region formed around the element isolation layer. 前記電荷蓄積領域がN型半導体領域であり、前記電圧印加手段は、少なくとも受光期間中に前記電極に負電圧を印加するように制御されることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。   5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the charge accumulation region is an N-type semiconductor region, and the voltage application unit is controlled to apply a negative voltage to the electrode at least during a light receiving period. .
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