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JP2006186118A - Solid-state imaging element, manufacturing method thereof, and imaging device - Google Patents

Solid-state imaging element, manufacturing method thereof, and imaging device Download PDF

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JP2006186118A
JP2006186118A JP2004378463A JP2004378463A JP2006186118A JP 2006186118 A JP2006186118 A JP 2006186118A JP 2004378463 A JP2004378463 A JP 2004378463A JP 2004378463 A JP2004378463 A JP 2004378463A JP 2006186118 A JP2006186118 A JP 2006186118A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
imaging device
solid
conversion layer
state imaging
Prior art date
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Application number
JP2004378463A
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Japanese (ja)
Inventor
Ritsuo Takizawa
律夫 滝澤
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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 a solid-state imaging element capable of largely reducing a gap level in a photoelectric conversion region, and improving an after-image or dark current caused by the gap level while keeping sensitivity improved by enlargement of an aperture ratio of a pixel, and to provide its manufacturing method and an imaging device. <P>SOLUTION: A laminate solid-state imaging element including a photoelectric conversion layer 20 laminated on an element chip is characterized in that the layer 20 is formed of single crystal silicon. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法および撮像装置に関し、特に積層型固体撮像素子、その製造方法および当該積層型固体撮像素子を撮像デバイスとして用いた撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, a method for manufacturing a solid-state imaging device, and an imaging apparatus, and more particularly to a stacked solid-state imaging device, a manufacturing method thereof, and an imaging apparatus using the stacked solid-state imaging device as an imaging device.

ここで、撮像装置とは、撮像デバイスとしての固体撮像素子、当該固体撮像素子の撮像面(受光面)上に被写体の像光を結像させる光学系および当該固体撮像素子の信号処理回路を含むカメラモジュールや、当該カメラモジュールを搭載したカメラシステムを言うものとする。   Here, the imaging apparatus includes a solid-state imaging device as an imaging device, an optical system that forms image light of a subject on an imaging surface (light-receiving surface) of the solid-state imaging device, and a signal processing circuit of the solid-state imaging device. A camera module or a camera system equipped with the camera module is referred to.

固体撮像素子として、画素(センサ部)の開口率を大幅に拡大して感度向上を図るために、CCD(Charge Coupled Device)やMOS(Metal Oxide Semiconductor)を信号転送路もしくはスイッチだけに用いて信号読み出し回路部を形成し、当該信号読み出し回路部の上部に光電変換膜を積層して光電変換部を形成してなる積層型固体撮像素子がある(例えば、特許文献1参照)。   As a solid-state image sensor, a CCD (Charge Coupled Device) or MOS (Metal Oxide Semiconductor) is used only for the signal transfer path or switch to greatly increase the aperture ratio of the pixel (sensor unit) and improve sensitivity. There is a stacked solid-state imaging device in which a readout circuit portion is formed and a photoelectric conversion film is formed on the signal readout circuit portion to form a photoelectric conversion portion (see, for example, Patent Document 1).

図8は、従来例に係る積層型固体撮像素子、例えばPSID(Photo conductive layered Solid-state Imaging Device)構造の固体撮像素子の一例を示す断面図である。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of a conventional stacked solid-state imaging device, for example, a solid-state imaging device having a PSID (Photoconductive Layered Solid-State Imaging Device) structure.

図8において、P型シリコン基板101の表層部に、N層(現実的にはN+及びN++層)からなる電荷蓄積部102、N層からなるCCD埋め込みチャネル部103、P+層からなるチャネルストップ層104が形成され,CCD埋め込みチャネル部103上には転送電極105が形成されている。転送電極105の一部は、
電荷蓄積部102の上まで延びており、信号電荷の読出し電極を兼ねている。
In FIG. 8, on the surface layer portion of a P-type silicon substrate 101, a charge storage portion 102 made up of N layers (actually N + and N ++ layers), a CCD buried channel portion 103 made up of N layers, and a channel stop layer made up of P + layers. 104 is formed, and a transfer electrode 105 is formed on the CCD buried channel portion 103. A part of the transfer electrode 105 is
It extends to above the charge storage portion 102 and also serves as a signal charge readout electrode.

これらの上には、SiO2等の層間絶縁膜106が形成され、その上には電荷蓄積部102に電気的に接続されたタングステンシリサイド(WSi)等の画素電極107が形成されている。そして,全面にBPSG等の絶縁膜108が形成され、平坦化された後に、画素電極と接続されたチタン等からなる下部電極109が形成されている。この上部にさらに、アモルファスシリコンにて光電変換層110が形成され、その上にはITO等の透明電極111が形成されている。   An interlayer insulating film 106 such as SiO 2 is formed on these, and a pixel electrode 107 such as tungsten silicide (WSi) electrically connected to the charge storage portion 102 is formed thereon. An insulating film 108 such as BPSG is formed on the entire surface, and after flattening, a lower electrode 109 made of titanium or the like connected to the pixel electrode is formed. A photoelectric conversion layer 110 is further formed of amorphous silicon on the top, and a transparent electrode 111 such as ITO is formed thereon.

特公平1−034509号公報Japanese Patent Publication No. 1-034509

上述した従来技術では、光電変換層110がアモルファスシリコンで形成されているために、アモルファスシリコン内の高密度の局在準位(ギャップ準位)が画質悪化の要因となってしまっている。ギャップ準位は、光などの外部要因により自由キャリアが増加された状態においてはキャリアのトラップ準位として作用する。そして、外部要因が除去された場合には、トラップされたキャリアが熱励起により伝導キャリアとして作用するようになる。すなわち、外部要因に対して、電流の緩和時定数が大きくな値をもつことにより、固体撮像素子の画質としては、残像として問題となったり、あるいは暗電流成分として問題となったりする。   In the above-described prior art, since the photoelectric conversion layer 110 is formed of amorphous silicon, high-density localized levels (gap levels) in the amorphous silicon cause deterioration in image quality. The gap level acts as a carrier trap level in a state where free carriers are increased by external factors such as light. When the external factor is removed, the trapped carriers act as conduction carriers by thermal excitation. That is, when the current relaxation time constant has a large value with respect to an external factor, the image quality of the solid-state imaging device becomes a problem as an afterimage or a problem as a dark current component.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光電変換領域内のギャップ準位を大幅に低減して、画素の開口率の拡大による感度向上を維持しつつ、ギャップ準位に起因する残像や暗電流を改善することを可能にした固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法および撮像装置を
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to significantly reduce the gap level in the photoelectric conversion region and maintain the sensitivity improvement by increasing the aperture ratio of the pixel. It is another object of the present invention to provide a solid-state imaging device, a method for manufacturing the solid-state imaging device, and an imaging apparatus that can improve afterimages and dark current caused by gap levels.

上記目的を達成するために、本発明では、半導体基板上に電荷蓄積部を形成し、かつ前記電荷蓄積部の上層部に当該電荷蓄積部と電気的に接続された画素電極を形成してなる素子チップと、前記素子チップ上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された透明電極とを備えた積層型固体撮像素子において、光電変換層を単結晶シリコンで形成した構成を採っている。   In order to achieve the above object, in the present invention, a charge accumulation portion is formed on a semiconductor substrate, and a pixel electrode electrically connected to the charge accumulation portion is formed on an upper layer portion of the charge accumulation portion. In a stacked solid-state imaging device including an element chip, a photoelectric conversion layer formed on the element chip, and a transparent electrode formed on the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion layer is formed of single crystal silicon Is adopted.

上記構成の積層型固体撮像素子において、光電変換層を形成する単結晶シリコンには欠陥が存在しないため、光電変換領域内のギャップ準位が大幅に低減される。その結果、画素の開口率の拡大による感度向上を維持しつつ、ギャップ準位に起因する残像や暗電流を改善できる。   In the stacked solid-state imaging device having the above configuration, since there is no defect in the single crystal silicon forming the photoelectric conversion layer, the gap level in the photoelectric conversion region is greatly reduced. As a result, it is possible to improve afterimages and dark current due to the gap level while maintaining the sensitivity improvement by increasing the aperture ratio of the pixel.

本発明によれば、積層型固体撮像素子において、光電変換層を単結晶シリコンで形成することで、光電変換領域内のギャップ準位を大幅に低減できるため、感度向上を維持しつつ、ギャップ準位に起因する残像や暗電流を改善することができる。   According to the present invention, in the stacked solid-state imaging device, since the photoelectric conversion layer is formed of single crystal silicon, the gap level in the photoelectric conversion region can be greatly reduced. It is possible to improve afterimage and dark current due to the position.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の構成を示す断面図である。図1において、第1導電型、例えばP型のシリコン基板11の表層部に、N層からなる電荷蓄積部12、N層からなるCCD埋め込みチャネル部13、P+層からなるチャネルストップ(素子分離)層14が形成され,CCD埋め込みチャネル部13上にはポリシリコン(Poly−Si)からなる転送電極15が形成されている。転送電極15の一部は、電荷蓄積部12の上まで延びており、信号電荷読出し電極を兼ねている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a multilayer solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, on a surface layer portion of a first conductivity type, for example, P type silicon substrate 11, a charge storage portion 12 made of an N layer, a CCD buried channel portion 13 made of an N layer, a channel stop made of a P + layer (element isolation). A layer 14 is formed, and a transfer electrode 15 made of polysilicon (Poly-Si) is formed on the CCD buried channel portion 13. A part of the transfer electrode 15 extends above the charge storage unit 12 and also serves as a signal charge readout electrode.

これらの上には、SiO2等の層間絶縁膜16が形成され、その上には電荷蓄積部12に接続されたタングステンシリサイド(WSi)やタングステン(W)等の画素電極17が形成されている。そして、全面にBPSGやHDP−CVD等の絶縁膜18が形成されて平坦化された後に、画素電極17と電気的に接続されたタングステン等からなる下部電極19が形成されている。以上により、素子(固体撮像素子)チップが形成される。   An interlayer insulating film 16 such as SiO 2 is formed thereon, and a pixel electrode 17 such as tungsten silicide (WSi) or tungsten (W) connected to the charge storage portion 12 is formed thereon. Then, after an insulating film 18 such as BPSG or HDP-CVD is formed on the entire surface and flattened, a lower electrode 19 made of tungsten or the like electrically connected to the pixel electrode 17 is formed. Thus, an element (solid-state imaging element) chip is formed.

この素子チップの上部にさらに、光電変換層20が単結晶シリコンで所望の厚さに形成される。この光電変換層20は、例えばアモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて単結晶化されることにより、好ましくは画素(センサ部)毎に絶縁膜(分離領域)22で区切られ、アモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて単結晶化されることにより形成される。絶縁膜22は、少なくとも、シリコンよりも融点が高く、電気的絶縁性を有する物質、例えばSiNによって形成される。光電変換層20の上にはITO等の透明電極21が形成されている。   Further, a photoelectric conversion layer 20 is formed with a desired thickness of single crystal silicon on the element chip. The photoelectric conversion layer 20 is preferably crystallized by laser annealing after deposition of amorphous silicon, for example, so that each pixel (sensor unit) is preferably partitioned by an insulating film (separation region) 22. It is formed by single crystallization by laser annealing. The insulating film 22 is made of at least a material having a melting point higher than that of silicon and having an electrical insulating property, such as SiN. A transparent electrode 21 such as ITO is formed on the photoelectric conversion layer 20.

ここでは、画素間の仕切りとなる絶縁膜22をSiNにて形成する場合を例に挙げているが、SiNは絶縁性的には問題ないが、光学的な遮光性は十分でないことから、より遮光性(反射率が大、透過率が小)が高い物質が好ましい。また、絶縁膜22を複数の膜による積層構造にて形成することも可能である。   Here, the case where the insulating film 22 that forms the partition between the pixels is formed of SiN is taken as an example, but SiN has no problem in insulation, but the optical light shielding property is not sufficient. A substance having high light shielding properties (high reflectance and low transmittance) is preferable. It is also possible to form the insulating film 22 with a stacked structure of a plurality of films.

上述したように、素子チップの上部に光電変換層20を積層してなる積層型固体撮像素子において、光電変換層20を単結晶シリコンで形成することで、単結晶シリコンには欠陥が存在しないことから、光電変換領域内のギャップ準位を大幅に低減できるため、積層構造に伴う画素の開口率の拡大による感度向上を維持しつつ、ギャップ準位に起因する残像や暗電流を改善することができる。   As described above, in the stacked solid-state imaging device in which the photoelectric conversion layer 20 is stacked on the element chip, the photoelectric conversion layer 20 is formed of single crystal silicon so that there is no defect in the single crystal silicon. As a result, the gap level in the photoelectric conversion region can be greatly reduced, so that it is possible to improve afterimages and dark current due to the gap level while maintaining the improvement in sensitivity due to the increase in the aperture ratio of the pixel associated with the stacked structure. it can.

特に、アモルファスシリコンに対してレーザーアニールを施すことによって単結晶化して光電変換層20を形成することで、アモルファスシリコン中のギャップ準位に起因する電子トラップを改善できる。レーザーアニールを施すに当たっては、シード結晶のない広い領域をレーザーアニールにて、全面単結晶化するのは技術的に難しいものの、チップ内やウェハ内の全画素を同一の単結晶にするのではなく、少なくとも、1画素内の光電変換領域を多結晶シリコンやアモルファスシリコンではなく、単結晶シリコンにする。   In particular, by performing laser annealing on amorphous silicon to form a single crystal to form the photoelectric conversion layer 20, electron traps due to gap levels in the amorphous silicon can be improved. When laser annealing is performed, it is technically difficult to make a single crystal over a wide area without a seed crystal by laser annealing, but instead of making all the pixels in a chip or wafer into the same single crystal. At least the photoelectric conversion region in one pixel is made of single crystal silicon, not polycrystalline silicon or amorphous silicon.

1画素内の光電変換領域を単結晶シリコンにするために、画素間を分離するための仕切りである絶縁膜22を形成した後にレーザーアニールすることになる。この絶縁膜22は画素間の光学的な混色防止にもなる。絶縁膜22に関しては、先述したように、シリコンよりも融点が高く、絶縁性もあり、光学的には遮光性(反射率が大、透過率小)が高い物質が望ましい。   In order to make the photoelectric conversion region in one pixel into single crystal silicon, laser annealing is performed after forming the insulating film 22 which is a partition for separating pixels. This insulating film 22 also prevents optical color mixing between pixels. As described above, the insulating film 22 is preferably a substance having a higher melting point than silicon, insulating properties, and optically high light-shielding properties (high reflectance and low transmittance).

ここで、アモルファスシリコンをレーザーアニールで単結晶化する際に、画素毎に絶縁膜22等の分離領域で仕切った後にアニールすることについての有効性について、図2を用いて説明する。   Here, when amorphous silicon is crystallized by laser annealing, the effectiveness of annealing after dividing each pixel by an isolation region such as the insulating film 22 will be described with reference to FIG.

アモルファスシリコンをレーザーアニールにて単結晶化する場合に、シード結晶がないと、チップ内やウェハ内の全画素領域という広い領域を同一の単結晶にするのは困難で、図2(A)に示すように、多結晶シリコン化し、グレイン、双晶、結晶欠陥等が多く残存する可能性が極めて高い(但し、本発明は、チップ内やウェハ内の全画素領域という広い領域を同一の単結晶にする手法を否定するものではない)。   When amorphous silicon is converted into a single crystal by laser annealing, it is difficult to make a wide region such as all pixel regions in a chip or a wafer into the same single crystal without a seed crystal, as shown in FIG. As shown in the figure, it is highly likely that the material is polycrystalline silicon and many grains, twins, crystal defects, etc. remain (however, the present invention is applied to a wide area such as a whole pixel area in a chip or a wafer in the same single crystal. It is not a denial of the method of

これに対して、アモルファスシリコンを画素毎に絶縁膜22等で仕切った後、アモルファスシリコンに対して画素単位でアニールを施すことにより、1単結晶化する領域が1〜5μm角程度と狭いため、単結晶シリコンの結晶性が向上し、図2(B)に示すように、画素内を容易に1単結晶化できる。但し、1画素内は1単結晶となるが、隣接する画素とは結晶方位が一致するとは限らない。   On the other hand, by partitioning amorphous silicon for each pixel with an insulating film 22 or the like and then annealing the amorphous silicon in units of pixels, one single crystallized region is as narrow as about 1 to 5 μm square. The crystallinity of the single crystal silicon is improved, and one single crystal can be easily formed in the pixel as shown in FIG. However, one single crystal is formed in one pixel, but the crystal orientation is not necessarily the same as that of an adjacent pixel.

[製造方法]
次に、第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の製造方法について、図3、図4および図5の工程図を用いて説明する。図3乃至図5において、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
[Production method]
Next, the manufacturing method of the multilayer solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to the process diagrams of FIGS. 3, 4, and 5. 3 to 5, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

図3において、P型シリコン基板11の表層部に絶縁膜16を形成後、N層からなる電荷蓄積部12、N層からなるCCD埋め込みチャネル部13およびP+層からなるチャネルストップ14層を、リソグラフ法とレジスト31を用いたイオン注入法によって部分的に形成する(工程1)。   In FIG. 3, after forming the insulating film 16 on the surface layer portion of the P-type silicon substrate 11, the charge storage portion 12 made of the N layer, the CCD buried channel portion 13 made of the N layer, and the channel stop 14 layer made of the P + layer are lithographed. This is partially formed by the ion implantation method using the resist and the resist 31 (step 1).

次に、信号電荷の読出しと転送のためのポリシリコンからなる転送電極15をポリエッチ用レジスト32を用いて部分的に形成する(工程2)。次に、SiO2等の層間絶縁膜16にて覆い、その上にタングステンシリサイド(WSi)やタングステン(W)等の画素電極17を形成して電荷蓄積部12と電気的に接続する(工程3)。   Next, a transfer electrode 15 made of polysilicon for reading and transferring signal charges is partially formed using a polyetch resist 32 (step 2). Next, it is covered with an interlayer insulating film 16 such as SiO2, and a pixel electrode 17 such as tungsten silicide (WSi) or tungsten (W) is formed thereon and electrically connected to the charge storage portion 12 (step 3). .

次に、図4において、平坦化のために全面にBPSGやHDP−CVD等の絶縁膜18を形成し(必要に応じて,エッチバックやCMP法による平坦化も施す)、タングステン等からなる下部電極19を形成して画素電極17と電気的に接続する(工程4)。ここでの下部電極19はエッチバックやCMP法にて平坦化した例である.   Next, in FIG. 4, an insulating film 18 such as BPSG or HDP-CVD is formed on the entire surface for planarization (if necessary, planarization is performed by etchback or CMP), and a lower portion made of tungsten or the like. An electrode 19 is formed and electrically connected to the pixel electrode 17 (step 4). Here, the lower electrode 19 is an example of planarization by etch back or CMP.

次に、下部電極19の上部にアモルファスシリコン33をCVD法にて堆積する(工程5)。次に、画素間の分離領域に溝をドライエッチ法によって形成し、当該溝内にSiN等による絶縁膜22をCVD法にて形成する(工程6)。このときの溝については、下部電極19を画素毎に絶縁膜22によって電気的に分離するために、下部電極19までエッチングして形成するようにする。   Next, amorphous silicon 33 is deposited on the upper portion of the lower electrode 19 by a CVD method (step 5). Next, a trench is formed in the isolation region between the pixels by a dry etching method, and an insulating film 22 made of SiN or the like is formed in the trench by a CVD method (step 6). The groove at this time is formed by etching up to the lower electrode 19 in order to electrically isolate the lower electrode 19 by the insulating film 22 for each pixel.

絶縁膜22の形成に当たっては、膜厚tをできるだけ薄く形成することで、薄膜化できた分だけ画素の受光領域を広くすることができるため、さらなる感度向上を図ることができる。また絶縁膜22については、単層構造のものに限られるものではなく、先述したように、絶縁膜22を複数の膜(例えば、SiNとW)による積層構造であっても良い。   In forming the insulating film 22, by forming the film thickness t as thin as possible, the light receiving area of the pixel can be widened as much as the film thickness can be reduced, so that the sensitivity can be further improved. In addition, the insulating film 22 is not limited to a single layer structure, and as described above, the insulating film 22 may have a laminated structure of a plurality of films (for example, SiN and W).

次に、図5において、絶縁膜22を形成するSiNをエッチバックやCMP法等によって平坦化し、アモルファスシリコン層33を全面的に露出させた後、絶縁膜22によって画素毎に分離されたアモルファスシリコン層33をレーザーアニール法にて単結晶化させる(工程7)。   Next, in FIG. 5, SiN forming the insulating film 22 is planarized by etch back, CMP, or the like to expose the amorphous silicon layer 33 entirely, and then the amorphous silicon separated for each pixel by the insulating film 22. The layer 33 is single-crystallized by laser annealing (step 7).

ここで、レーザーアニール法にて単結晶化させるに当たり、一例として、レーザーとしては、波長400nm以下の光を発振するエキシマレーザー等の気体レーザーや、YAGレーザーなどの固体レーザーを用いる。レーザー光としては、パルス発振のレーザー光でも、連続発振または連続発光のレーザー光でも良く、その種類は問わない。また、ビーム径は0.1〜数mm程度で、1〜100mm/secのスキャン速度範囲からシリコン膜厚に応じて、シリコン融点以上が得られるエネルギー条件を適宜選択して用いることが望ましい。   Here, when the single crystal is formed by the laser annealing method, as an example, as the laser, a gas laser such as an excimer laser that oscillates light having a wavelength of 400 nm or less, or a solid laser such as a YAG laser is used. The laser light may be either pulsed laser light, continuous wave laser light, or continuous light laser light, and the kind thereof is not limited. Further, the beam diameter is about 0.1 to several mm, and it is desirable to appropriately select and use an energy condition that provides a silicon melting point or more from a scanning speed range of 1 to 100 mm / sec according to the silicon film thickness.

レーザーアニール法にて単結晶化して光電変換層20を形成した後、当該光電変換層20の上にITO等の透明電極21を形成する(工程8)。以上により、第1実施形態に係る積層型固体撮像素子を製造するに当たっての一連の処理が完了する。   After forming the photoelectric conversion layer 20 by single crystallization by laser annealing, a transparent electrode 21 such as ITO is formed on the photoelectric conversion layer 20 (step 8). As described above, a series of processes for manufacturing the multilayer solid-state imaging device according to the first embodiment is completed.

なお、カラー化のためにオンチップカラーフィルターを光電変換層20の上部(直上とは限らない)に形成する場合や,オンチップレンズをその上部に形成する場合もある。   In some cases, an on-chip color filter is formed on the upper portion (not necessarily directly above) of the photoelectric conversion layer 20 or an on-chip lens is formed on the upper portion for colorization.

[第2実施形態]
図6は、本発明の第2実施形態に係る積層型固体撮像素子の構成を示す断面図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the stacked solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same parts as those in FIG.

本実施形態に係る積層型固体撮像素子は、下部電極19までの素子(固体撮像素子)チップの構造については、第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の素子チップの構造と同じであり、レーザーアニールにて形成した単結晶シリコンの光電変換層20の上下に、キャリア阻止膜(例えば、SiC膜等)23,24を有する構造となっている。   In the multilayer solid-state imaging device according to the present embodiment, the structure of the element (solid-state imaging device) chip up to the lower electrode 19 is the same as the structure of the element chip of the multilayer solid-state imaging device according to the first embodiment. The structure has carrier blocking films (for example, SiC films) 23 and 24 above and below the single crystal silicon photoelectric conversion layer 20 formed by laser annealing.

例えば、下部電極19の直上に、i型のアモルファス炭化シリコンにてキャリア阻止膜23を形成すると、当該キャリア阻止膜23は、外部電極からのキャリア(正孔)注入を阻止する層として作用する。   For example, when the carrier blocking film 23 is formed of i-type amorphous silicon carbide immediately above the lower electrode 19, the carrier blocking film 23 functions as a layer that blocks carrier (hole) injection from the external electrode.

また、透明電極21の直下に、p型のアモルファス炭化シリコンにてキャリア阻止膜24を形成すると、当該キャリア阻止膜24は、外部電極からのキャリア(電子)注入を阻止する層として作用する。   Further, when the carrier blocking film 24 is formed of p-type amorphous silicon carbide immediately below the transparent electrode 21, the carrier blocking film 24 acts as a layer that blocks carrier (electron) injection from the external electrode.

但し、これらキャリア阻止膜23,24による作用は,当該阻止膜23,24と光電変換層20とのバンドギャップの大小関係で決まるので、これらの関係を最適化する必要がある。   However, since the action of the carrier blocking films 23 and 24 is determined by the magnitude relationship of the band gap between the blocking films 23 and 24 and the photoelectric conversion layer 20, it is necessary to optimize these relations.

また、本実施形態では、光電変換層20の上下両側にキャリア阻止膜23,24を形成するとしたが、いずれか一方側にのみキャリア阻止膜23/24を形成した構成を採った場合でも、外部電極からのキャリア(正孔/電子)注入を阻止するのに十分な場合もあり得る。   Further, in the present embodiment, the carrier blocking films 23 and 24 are formed on both the upper and lower sides of the photoelectric conversion layer 20, but even when the configuration in which the carrier blocking film 23/24 is formed only on either one side is external. It may be sufficient to prevent carrier (hole / electron) injection from the electrode.

なお、上記各実施形態では、CCD固体撮像素子に適用した場合を例に挙げて説明したが、CCD固体撮像素子への適用に限らず、他の電荷転送型固体撮像素子にも、さらにはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型固体撮像素子(いわゆるCMOSセンサ)や、増幅型固体撮像素子などのX−Yアドレス型固体撮像素子にも同様に適用可能である。   In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a CCD solid-state image sensor has been described as an example. However, the present invention is not limited to application to a CCD solid-state image sensor, and other charge transfer type solid-state image sensors may also be CMOS. (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type solid-state imaging device (so-called CMOS sensor) and XY address type solid-state imaging device such as an amplification type solid-state imaging device can be similarly applied.

[応用例]
以上説明した各実施形態に係る積層型固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置(カメラモジュール/カメラシステム)において、その撮像デバイスとして用いて好適なものである。
[Application example]
The stacked solid-state imaging device according to each embodiment described above is suitable for use as an imaging device in an imaging apparatus (camera module / camera system) such as a digital still camera or a video camera.

図7は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図7に示すように、本例に係る撮像装置は、レンズ41、撮像デバイス42、信号処理回路43およびデバイス駆動回路44等によって構成されている。   FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of the imaging apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 7, the imaging apparatus according to this example includes a lens 41, an imaging device 42, a signal processing circuit 43, a device driving circuit 44, and the like.

レンズ41は、被写体からの像光を撮像デバイス42の撮像面に結像する。撮像デバイス42は、デバイス駆動回路44による駆動の下に、レンズ41によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる1フレームの画像信号を例えばフィールド単位で出力する。この撮像デバイス42として、先述した各実施形態に係る積層型固体撮像素子(例えば、CCD固体撮像素子)が用いられる。   The lens 41 forms image light from the subject on the imaging surface of the imaging device 42. The imaging device 42 outputs an image signal of one frame obtained by converting the image light imaged on the imaging surface by the lens 41 into an electrical signal in units of pixels under the driving of the device driving circuit 44, for example, in units of fields. To do. As the imaging device 42, the stacked solid-state imaging device (for example, a CCD solid-state imaging device) according to each of the above-described embodiments is used.

信号処理部43は、CDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路やAGC(Automatic Gain Control;自動利得制御)回路を含み、撮像デバイス42から出力される画像信号に対して、CDS回路によって画像信号に含まれる固定パターンノイズを除去するとともに、AGC回路によって信号レベルを安定化(ゲイン調整)する処理等を行う。   The signal processing unit 43 includes a CDS (Correlated Double Sampling) circuit and an AGC (Automatic Gain Control) circuit. An image signal output from the imaging device 42 is imaged by the CDS circuit. The fixed pattern noise included in the signal is removed, and the AGC circuit stabilizes the signal level (gain adjustment).

デバイス駆動回路44は、撮像デバイス42が図1または図6に示す積層型固体撮像素子、例えばCCD固体撮像素子であることから、光電変換層20で光電変換され、電荷蓄積部12に蓄積された信号電荷をCCD埋め込みチャネル部13に読み出すための読み出しゲートパルス、CCD埋め込みチャネル部13を転送駆動するために転送電極15に印加する垂直転送パルスなどの各種タイミングパルスを生成し、これらタイミングパルスによって撮像デバイス42を駆動する。   The device drive circuit 44 is photoelectrically converted by the photoelectric conversion layer 20 and stored in the charge storage unit 12 because the image pickup device 42 is the stacked solid-state image pickup device shown in FIG. Various timing pulses such as a read gate pulse for reading the signal charge to the CCD embedded channel section 13 and a vertical transfer pulse applied to the transfer electrode 15 to transfer and drive the CCD embedded channel section 13 are generated, and imaging is performed using these timing pulses. The device 42 is driven.

上述したように、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、その撮像デバイスとして先述した各実施形態に係る積層型固体撮像素子を搭載することで、当該積層型固体撮像素子では、積層構造に伴う画素の開口率の拡大による感度向上を維持しつつ、ギャップ準位に起因する残像や暗電流を改善できる特長を持つことから、残像や暗電流が少なく、高画質の撮像画像を得ることができる。   As described above, in an imaging apparatus such as a digital still camera or a video camera, the stacked solid-state image sensor according to each of the embodiments described above is mounted as the imaging device. With this feature, it is possible to improve afterimages and dark current due to gap levels while maintaining sensitivity improvement by increasing the aperture ratio of the pixels, so that it is possible to obtain high-quality captured images with less afterimages and dark currents. it can.

本発明の第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the multilayer solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 画素毎に分離領域で仕切った後にアニールすることについての有効性の説明図である。It is explanatory drawing of the effectiveness about annealing after dividing | segmenting into a separation area | region for every pixel. 第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その1)である。It is process drawing (the 1) which shows the procedure of the manufacturing method of the lamination type solid-state image sensor concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その2)である。It is process drawing (the 2) which shows the procedure of the manufacturing method of the laminated | stacked solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その3)である。It is process drawing (the 3) which shows the procedure of the manufacturing method of the multilayer solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第1実施形態に係る積層型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the multilayer solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the imaging device which concerns on this invention. 従来例に係る積層型固体撮像素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the laminated | stacked solid-state image sensor which concerns on a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

11…シリコン基板、12…電荷蓄積部12、13…CCD埋め込みチャネル部、14…チャネルストップ層、15…転送電極、16…層間絶縁膜、17…画素電極、18…絶縁膜、19…下部電極、20…光電変換層、21…透明電極、22…絶縁膜、23,24…キャリア阻止膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Silicon substrate, 12 ... Charge storage part 12, 13 ... CCD embedded channel part, 14 ... Channel stop layer, 15 ... Transfer electrode, 16 ... Interlayer insulating film, 17 ... Pixel electrode, 18 ... Insulating film, 19 ... Lower electrode 20 ... photoelectric conversion layer, 21 ... transparent electrode, 22 ... insulating film, 23,24 ... carrier blocking film

Claims (14)

半導体基板上に電荷蓄積部を形成し、かつ前記電荷蓄積部の上層部に当該電荷蓄積部と電気的に接続された画素電極を形成してなる素子チップと、
前記素子チップ上に単結晶シリコンで形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された透明電極と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
An element chip in which a charge storage portion is formed on a semiconductor substrate, and a pixel electrode electrically connected to the charge storage portion is formed on an upper layer portion of the charge storage portion;
A photoelectric conversion layer formed of single crystal silicon on the element chip;
A solid-state imaging device comprising: a transparent electrode formed on the photoelectric conversion layer.
前記光電変換層は、アモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて単結晶化された
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer is single-crystallized by laser annealing after depositing amorphous silicon.
前記光電変換層は、画素毎に分離領域を有し、アモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて画素毎に単結晶化された
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the photoelectric conversion layer has a separation region for each pixel and is single-crystallized for each pixel by laser annealing after depositing amorphous silicon.
前記分離領域は、少なくとも、シリコンよりも融点が高く、電気的絶縁性を有する物質からなる
ことを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the isolation region is made of a substance having a melting point higher than that of silicon and having an electrical insulating property.
前記分離領域はさらに、光学的に遮光性が高い物質からなる
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the separation region is further made of a material that is optically highly light-shielding.
前記光電変換層は、その層のいずれか一方側または両側にキャリア注入阻止層を有している
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer has a carrier injection blocking layer on one side or both sides of the layer.
半導体基板上に電荷蓄積部を形成し、かつ前記電荷蓄積部の上層部に当該電荷蓄積部と電気的に接続された画素電極を形成してなる素子チップと、前記素子チップ上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された透明電極とを備えた固体撮像素子の製造方法であって、
前記光電変換層を単結晶シリコンで形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
An element chip having a charge accumulation portion formed on a semiconductor substrate and a pixel electrode electrically connected to the charge accumulation portion formed on an upper layer portion of the charge accumulation portion; and formed on the element chip A method for producing a solid-state imaging device comprising a photoelectric conversion layer and a transparent electrode formed on the photoelectric conversion layer,
The photoelectric conversion layer is formed of single crystal silicon. A method for manufacturing a solid-state imaging device, wherein:
前記素子チップ上にアモルファスシリコンを堆積した後、前記アモルファスシリコンをレーザーアニールにて単結晶化して前記光電変換層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子の製造方法。
The method for manufacturing a solid-state imaging element according to claim 7, wherein after depositing amorphous silicon on the element chip, the amorphous silicon is single-crystallized by laser annealing to form the photoelectric conversion layer.
前記素子チップ上にアモルファスシリコンを堆積し、当該アモルファスシリコンを画素毎に仕切った後、前記アモルファスシリコンをレーザーアニールにて画素毎に単結晶化して前記光電変換層を形成する
ことを特徴とする請求項8記載の固体撮像素子の製造方法。
The amorphous silicon is deposited on the element chip, the amorphous silicon is partitioned for each pixel, and then the amorphous silicon is single-crystallized for each pixel by laser annealing to form the photoelectric conversion layer. Item 9. A method for manufacturing a solid-state imaging device according to Item 8.
前記光電変換層の層のいずれか一方側または両側にキャリア注入阻止層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子の製造方法。
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 7, wherein a carrier injection blocking layer is formed on one side or both sides of the layer of the photoelectric conversion layer.
半導体基板上に電荷蓄積部を形成し、かつ前記電荷蓄積部の上層部に当該電荷蓄積部と電気的に接続された画素電極を形成してなる素子チップと、前記素子チップ上に単結晶シリコンで形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された透明電極とを備えた固体撮像素子を撮像デバイスとして用いた
ことを特徴とする撮像装置。
An element chip in which a charge accumulation portion is formed on a semiconductor substrate and a pixel electrode electrically connected to the charge accumulation portion is formed in an upper layer portion of the charge accumulation portion; and monocrystalline silicon on the element chip An image pickup apparatus comprising: a solid-state image pickup device including a photoelectric conversion layer formed as described above and a transparent electrode formed on the photoelectric conversion layer as an image pickup device.
前記光電変換層は、アモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて単結晶化された
ことを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 11, wherein the photoelectric conversion layer is single-crystallized by laser annealing after depositing amorphous silicon.
前記光電変換層は、画素毎に分離領域を有し、アモルファスシリコンを堆積後にレーザーアニールにて画素毎に単結晶化された
ことを特徴とする請求項12記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 12, wherein the photoelectric conversion layer has a separation region for each pixel, and is amorphousized for each pixel by laser annealing after depositing amorphous silicon.
前記光電変換層は、その層のいずれか一方側または両側にキャリア注入阻止層を有している
ことを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 11, wherein the photoelectric conversion layer has a carrier injection blocking layer on one side or both sides of the layer.
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