JP4479167B2 - Solid-state imaging device and method for manufacturing solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法に関し、特に縦型オーバーフロードレイン構造のインターライン転送(IT)方式(あるいは、フレームインターライン転送(FIT)方式)の固体撮像素子における垂直転送部の構造および当該垂直転送部を有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体撮像素子、例えば縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、FIT方式)CCD(Charge Coupled Device)の固体撮像素子において、半導体基板上に受光部と共に、オーバーフローバリア領域である全体Pウェル領域を介して形成される垂直転送部では、N型転送チャネルの下にP型ウェル領域を形成した構成を採っているが、垂直転送部の必要な取り扱い電荷量を確保するために、当該P型ウェル領域をN型転送チャネルに近接して形成し、N型転送チャネルとP型ウェル領域との間の空乏層容量を向上させている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−343956号公報
【0004】
この種のCCD固体撮像素子におけるユニットセルの断面構造を図5に示す。同図において、N型半導体基板101の上にPウェル領域102がオーバーフローバリア領域として形成され、当該Pウェル領域102の上にさらにP- またはN- 型の半導体層103が形成され、当該半導体層103の上に受光部104、垂直転送部105および読み出しゲート部106が形成されている。
【0005】
受光部104は、半導体層103の表層部に形成されたN型の信号電荷蓄積領域107と、その上に形成されたP+ 型の正電荷蓄積領域108とから構成されている。垂直転送部105は、半導体層103の表層部に形成されたN型の転送チャネル109と、その下に形成されたP型ウェル領域110と、転送チャネル109の上方の基板表面上に絶縁膜111を介して形成された転送電極112とから構成されている。
【0006】
垂直転送部105において、転送電極112の一部が受光部104の近傍にまで延在しており、この延在部分の電極が読み出しゲート部106のゲート電極に兼用されている。すなわち、読み出しゲート部106は、転送電極112の一部を兼用したゲート電極と、当該ゲート電極の下のチャネル領域とから構成されている。垂直転送部105と隣りの列の受光部との間には、チャネルストップ部113が形成されている。
【0007】
受光部104の上方領域を除いた領域、即ち垂直転送部105および読み出しゲート部106の上は、層間絶縁膜114を介して遮光膜115によって覆われている。その結果、遮光膜115によって覆われていない受光部104の上方領域が開口部116となり、当該開口部116を通して受光部104内に入射光が取り込まれることになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、CCD固体撮像素子では、多画素化を目的としてユニットセルのサイズが小さくなる傾向にある。ユニットセルのサイズが小さくなることにより、開口部116の面積も小さくなり、その分だけ受光部104内に取り込める入射光量が少なくなるため感度の低下を来すことになる。ユニットセルのサイズの縮小化に伴う感度の低下をできる限り抑えるためには、図5に示すように、開口部116を通して斜めに入射する光(以下、斜め入射光と記す)についても光電変換して信号電荷として利用できるようにすれば良い。
【0009】
しかしながら、先述したように、垂直転送部105の必要な取り扱い電荷量を確保するために、P型ウェル領域110をN型転送チャネル109に近接して形成した構造を採るCCD固体撮像素子においては、斜め入射光がP型ウェル領域110で光電変換された際に、大部分の少数キャリア(ここでは、P型半導体中の電子)がP型ウェル領域110とN型基板101との間の電界に引っ張られて基板101に流し出されるため、受光部104の信号電荷蓄積領域107内に取り込めない現象が起こる。
【0010】
この現象について、図6のポテンシャル図を用いて詳細に説明する。図6は、図5のA−A′矢視断面におけるポテンシャル分布(実線)AおよびB−B′矢視断面におけるポテンシャル分布(点線)Bをそれぞれ示すポテンシャル図である。ポテンシャル分布Aにおいて、ポテンシャルの深い領域がN型転送チャネル109に相当し、ポテンシャルの浅い領域がP型ウェル領域110に相当する。また、ポテンシャル分布Bにおいて、基板表面からポテンシャルの一番浅いポイント(オーバーフローバリアのピークポイント)bまでの領域が受光部104の光電変換領域となる。
【0011】
図6のポテンシャル図から明らかなように、ポテンシャル分布Aにおける一番ポテンシャルが浅いポイントaが、ポテンシャル分布Bにおける一番ポテンシャルが浅いポイントbよりも基板表面側に位置するため、斜め入射光が垂直転送部105のP型ウェル領域110で光電変換された際に、一番ポテンシャルが浅いポイントaよりもN型基板101側で発生した大部分の少数キャリアは、P型ウェル領域110とN型基板101との間の電界に引っ張られてN型基板101に流し出されることになる。
【0012】
すなわち、P型ウェル領域110で光電変換された少数キャリアについて、受光部104の信号電荷蓄積領域107に取り込むことによってその分だけ感度向上に寄与できることになるのであるが、その大部分がP型ウェル領域110とN型基板101との間の電界に引っ張られてN型基板101に流し出されるため、感度向上に寄与できないことになる。換言すれば、N型基板101に流し出される少数キャリア分が感度ロス分となる。
【0013】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、垂直転送部の下で斜め入射光に伴う光電変換によって得た少数キャリアを受光部の信号電荷蓄積領域に集めることによって感度の向上を図った固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像素子は、
第1導電型の基板上に第2導電型の全体ウェル領域および第1又は第2導電型の半導体層を介して形成された信号電荷蓄積領域を含み、入射光を光電変換して得た信号電荷を当該信号電荷蓄積領域に蓄積する受光部と、
前記基板上に前記全体ウェル領域を介して形成され、前記受光部で光電変換された信号電荷を転送する第1導電型の転送チャネルと、
前記転送チャネルの直下に形成された第2導電型の第1のウェル領域と、
前記第1のウェル領域の下方に形成された第2導電型の第2のウェル領域と、
前記第1のウェル領域と前記第2のウェル領域との間に介在し、前記受光部に対する斜め入射光に基づく電荷を溜める第1導電型の不純物領域と、
画素分離を行うとともに、前記第2のウェル領域に電気的に結合したチャネルストップ部と
を備えたことを特徴としている。
【0015】
上記構成の固体撮像素子において、受光部に取り込まれる斜め入射光のうち、転送チャネルの下まで達する光については、第1のウェル領域と第2のウェル領域との間の領域で光電変換が行われる。このとき、光電変換によって発生する少数キャリアに対して、第1のウェル領域と第2のウェル領域とがバリアを形成する。これにより、少数キャリアはこれらバリアによって囲まれた不純物領域の部分に溜まり、転送チャネルや基板に取り込まれることなく、受光部の信号電荷蓄積領域に集められる。その結果、感度が向上する。また、光電変換によって発生する少数キャリアが例えば電子のとき、動作上、第2のウェル領域中の正孔を抜く必要があり、この正孔はチャネルストップ部を通して排出される。
【0016】
本発明による固体撮像素子の製造方法は、
第1導電型の基板上に第2導電型の全体ウェル領域および第1又は第2導電型の半導体層を介して垂直転送部を形成するに当たり、
前記全体ウェル領域内に第2導電型のウェル領域を形成する第1工程と、
前記第1工程で形成したウェル領域の上に前記受光部に対する斜め入射光に基づく電荷を溜める第1導電型の不純物領域を形成する第2工程と、
前記第2工程で形成した不純物領域の上に第2導電型のウェル領域を形成する第3工程と、
前記第3工程で形成したウェル領域の上に第1導電型の転送チャネルを形成する第4工程と、
画素分離を行うチャネルストップ部を前記第1工程で形成したウェル領域の位置まで深く形成して当該ウェル領域と電気的に結合させる第5工程と
を少なくとも含むことを特徴としている。
【0017】
上記各工程の手順で垂直転送部を形成することで、ツインウェル構造の垂直転送部を形成できる。このツインウェル構造の垂直転送部では、受光部に取り込まれる斜め入射光のうち、転送チャネルの下まで達する光について、2つのウェル領域の間で光電変換した際に、当該2つのウェル領域がバリアを形成する。これにより、少数キャリアはこれらバリアによって囲まれた不純物領域の部分に溜まり、転送チャネルや基板に取り込まれることなく、受光部の信号電荷蓄積領域に集められる。したがって、高感度の固体撮像素子を製造できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
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。
【0019】
図1は、本発明の一実施形態に係る縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、IT方式)のCCD固体撮像素子のユニットセル(単位画素およびこれに対応する垂直転送部)の構造を示す断面図である。ここでは、一例として、第1導電型がN型、第2導電型がP型の場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【0020】
図1において、N型半導体基板11の上に全体Pウェル領域(オーバーフローバリア領域)12が形成され、当該全体Pウェル領域12の上にさらにP- 型またはN- 型の半導体層13が形成され、当該半導体層13の上に受光部14、垂直転送部15および読み出しゲート部16が形成されている。具体的には、受光部14は、半導体層13の表層部に形成されたN型の信号電荷蓄積領域(光電変換領域)17と、その上に形成されたP+ 型の正電荷蓄積領域18とから構成されている。
【0021】
垂直転送部15は、半導体層13の表層部に形成されたN型の転送チャネル19と、当該転送チャネル19の下に形成された第1のP型ウェル領域20と、第1のP型ウェル領域20の下方に形成された第2のP型ウェル領域21と、これらP型ウェル領域20,21間に介在するN型不純物領域22と、転送チャネル19の上方の基板表面上にゲート絶縁膜23を介して形成された転送電極24とから構成されている。
【0022】
この垂直転送部15において、第2のP型ウェル領域21は、全体P型ウェル領域12の濃度極大部よりも浅い位置、例えば基板表面から2μm〜6μmの位置に濃度極大部を持っている。また、N型不純物領域22は、転送チャネル19の不純物濃度よりも低い濃度(N- )の不純物によって形成されている。転送電極24は、例えば2層の電極構造となっており、多相の転送クロックが印加されることによって転送動作を行う。
【0023】
この垂直転送部15の電極構造において、特定の相の転送クロックが印加される転送電極24は受光部14の近傍にまで延在して設けられており、この延在部分の電極が読み出しゲート部16のゲート電極に兼用されている。すなわち、読み出しゲート部16は、転送電極24の一部を兼用したゲート電極と、当該ゲート電極の下のチャネル領域とから構成されている。
【0024】
垂直転送部15と隣りの列の受光部との間には、画素分離のためのP+ 型のチャネルストップ部25が形成されている。このチャネルストップ部25は、第2のP型ウェル領域21の位置まで深く形成され、当該P型ウェル領域21と電気的に結合している。ここに、電気的に結合とは、チャネルストップ部25が第2のP型ウェル領域21に対して電気的に接続された状態あるいは第2のP型ウェル領域21中の正孔がチャネルストップ部25へ移動し得る状態を言う。
【0025】
受光部14の上方領域を除いた領域、即ち垂直転送部15および読み出しゲート部16の上は、層間絶縁膜26を介してアルミニウムやタングステン等からなる遮光膜27によって覆われている。その結果、遮光膜24によって覆われていない受光部14の上方領域が開口部28となり、当該開口部28を通して受光部14内に入射光が取り込まれることになる。
【0026】
上記構成の縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、FIT方式)CCD固体撮像素子において、開口部28を通して取り込まれた入射光は、受光部14によって光電変換される。光電変換された少数キャリア(ここでは、電子)、即ち信号電荷は、信号電荷蓄積領域17に蓄積される。この蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部16によって垂直転送部15の転送チャネル19に読み出され、転送電極24に転送クロックが印加されることによって垂直転送される。以上は、受光部14での光電変換によって発生した信号電荷についての振る舞いである。
【0027】
続いて、斜め入射光が垂直転送部15の転送チャネル19の下で光電変換されることによって得られる信号電荷の振る舞いについて説明する。すなわち、図1に矢印で示すように、開口部28を通して斜め入射光が取り込まれ、当該斜め入射光が垂直転送部15の転送チャネル19の下まで達すると、第1のP型ウェル領域20と第2のP型ウェル領域21との間の領域で光電変換が行われる。この光電変換によって発生する信号電荷(電子)に対して、第1のP型ウェル領域20と第2のP型ウェル領域21とは、図2に示すように、ポテンシャルバリアを形成する。これにより、信号電荷はこれらバリアによって囲まれたN- 型不純物領域22の部分に溜まる。
【0028】
なお、図2は、図1のB−B′矢視断面におけるポテンシャル分布(点線)BおよびC−C′矢視断面におけるポテンシャル分布(実線)Cをそれぞれ示すポテンシャル図である。ポテンシャル分布Bにおいて、基板表面からポテンシャルの一番浅いポイント(オーバーフローバリアのピークポイント)までの領域が受光部14の光電変換領域となる。また、ポテンシャル分布Cにおいて、ポテンシャルの深い領域がN型転送チャネル19に相当し、ポテンシャルの浅い2つのピークポイント間の領域が斜め入射光についての光電変換領域となる。
【0029】
ここで、N- 型不純物領域22のポテンシャルは、当該不純物領域22に対応する受光部14の領域、具体的には信号電荷蓄積領域17の下の半導体層13のポテンシャルと等しいか、それよりも浅くなるように設定されている。しかも、第2のP型ウェル領域21が全体P型ウェル領域12の濃度極大部よりも浅い位置に濃度極大部を持つように形成されているため、第2のP型ウェル領域21によるポテンシャルバリアのピークポイントが、受光部14のオーバーフローバリアのピークポイントよりも必ず基板表面側に位置する。
【0030】
したがって、N- 型不純物領域22の部分に溜まった信号電荷は、N型転送チャネル19やN型半導体基板11に取り込まれることなく、受光部14の信号電荷蓄積領域17に集められる。これにより、斜め入射光が垂直転送部15の転送チャネル19下で光電変換されることによって得られる信号電荷も画素の信号電荷として用いられ、感度向上に寄与することになる。その結果、CCD固体撮像素子の感度を向上できる。また、動作上、第2のP型ウェル領域21中の正孔を抜く必要があるが、この正孔はチャネルストップ部25を通して排出される(抜き取られる)。
【0031】
上述したように、垂直転送部15の必要な取り扱い電荷量を確保するために、第1のP型ウェル領域20をN型転送チャネル19に近接して形成した構成を採る縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、FIT転送方式)CCD固体撮像素子において、第1のP型ウェル領域20の下方に第2のP型ウェル領域21を形成するとともに、これらP型ウェル領域20,21間にN- 型不純物領域22を介在させたツインPウェル構造としたことにより、斜め入射光が転送チャネル19下で光電変換されることによって得られる信号電荷がN型半導体基板11側に流し出されることなく、受光部14の信号電荷蓄積領域17に集めることができる。
【0032】
これにより、ユニットセルのサイズが小さくなることによって開口部28の面積も小さくなり、その分受光部14内に取り込める入射光が少なくなったとしても、斜め入射光に基づく信号電荷についても画素の信号電荷として用いることができる、即ち斜め入射光に基づく信号電荷が感度の向上に寄与するため、ユニットセルのサイズの縮小化に伴う感度の低下を抑える、またはそれ以上に感度を向上できることになる。
【0033】
また、画素分離のためのチャネルストップ部25を第2のP型ウェル領域21の位置まで深く形成し、当該P型ウェル領域21と電気的に結合させた構成を採っていることにより、第2のP型ウェル領域21中の正孔がチャネルストップ部25を通して排出されることになるため、第2のP型ウェル領域21を設けてツインPウェル構造としたことが、CCD固体撮像素子の動作上何ら問題になることもない。
【0034】
続いて、上記構成の本実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順について、図3および図4の工程図を用いて説明する。
【0035】
先ず、本実施形態に係るCCD固体撮像素子を形成するための基板として、図3(A)に示すように、N型の半導体基板22を用意する。このN型半導体基板22としては、例えば、抵抗率が8〜12Ωcm、大きさが8”φのシリコンCZ(Czochralski)基板が用いられる。次いで、図3(B)に示すように、半導体基板11上の一部に例えばボロンを不純物元素とするイオン注入により、P型ウェル領域12をオーバーフローバリア領域として形成する。このP型ウェル領域12は、受光部14および垂直転送部15が形成される撮像領域全体に亘って形成される。
【0036】
次に、図3(C)に示すように、P- 型またはN- 型の半導体層13をエピタキシャル成長法により形成する。次いで、図3(D)に示すように、イオン注入により、全体P型ウェル領域12の濃度極大部よりも浅い位置、例えば基板表面から2μm〜6μmの位置に濃度極大部を持つように、第2のP型ウェル領域21を形成し、さらに当該P型ウェル領域21の上に低濃度のN- 型不純物領域22を形成する。
【0037】
次に、図4(A)に示すように、半導体層13内のN- 型不純物領域22の上に第1のP型ウェル領域20を形成し、次いで当該P型ウェル領域20の上にN型の転送チャネル19を形成し、さらにP+ 型のチャネルストップ部25を第2のP型ウェル領域21の位置まで深く形成して、当該P型ウェル領域21と電気的に結合させ、しかる後半導体層13の表面部に熱酸化により全面的にゲート酸化膜23を形成する。
【0038】
次に、図4(B)に示すように、転送チャネル19の上方にゲート絶縁膜23を介して多結晶シリコンからなる転送電極24を形成し、当該転送電極24をマスクとするN型不純物のイオン注入により信号電荷蓄積領域(光電変換領域)17を形成し、同じく転送電極24をマスクとするP+ 型不純物のイオン注入により基板表層部に正電荷蓄積領域18を形成する。その後、図4(C)に示すように、層間絶縁膜26を形成し、さらに遮光膜27を形成する。以降、図示しないが、周知の手法により、平坦化膜、パシベーション膜、カラーフィルタ、オンチップマイクロレンズ等が順次形成されることになる。
【0039】
上述したように、縦型オーバーフロードレイン構造のCCD固体撮像素子において、その垂直転送部15を形成するに当たり、全体ウェル領域21内に第2のP型ウェル領域21を形成、次いで第2のP型ウェル領域21の上にN- 型不純物領域22を形成し、次いでN- 型不純物領域22の上に第1のP型ウェル領域20を形成し、次いで第1のP型ウェル領域20の上にN型の転送チャネル19を形成し、しかる後チャネルストップ部25を第2のP型ウェル領域21の位置まで深く形成して当該P型ウェル領域21と電気的に結合させるようにしたことにより、P型ウェル領域20,21間にN- 型不純物領域22を介在させたツインPウェル構造で、かつ第2のP型ウェル領域21中の正孔をチャネルストップ部25を通して排出可能な垂直転送部15を形成できる。
【0040】
このツインPウェル構造の垂直転送部15を有するCCD固体撮像素子では、先述したように、斜め入射光が転送チャネル19下で光電変換されることによって得られる信号電荷がN型半導体基板11側に流し出されることなく、受光部14の信号電荷蓄積領域17に集めることができるため感度を向上できる。したがって、本発明による製造方法によれば、高感度のCCD固体撮像素子を製造できることになる。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体撮像素子によれば、垂直転送部が第1導電型の2つのウェル領域間に第2導電型の不純物領域を介在させたツインウェル構造となっていることにより、斜め入射光が転送チャネル下で光電変換されることによって得られ、第2導電型の不純物領域に溜められる電荷についても信号電荷として用いることができるため、ユニットセルのサイズが小さくなることによって受光部内に取り込める入射光が少なくなったとしても、高感度化を図ることができる。
【0042】
また、本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、垂直転送部を第1導電型の2つのウェル領域間に第2導電型の不純物領域を介在させたツインウェル構造とし、斜め入射光が転送チャネル下で光電変換され、第2導電型の不純物領域に溜められる電荷についても信号電荷として用いるようにすることができるため、高感度の固体撮像素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、FIT方式)のCCD固体撮像素子のユニットセルの構造を示す断面図である。
【図2】図1のB−B′矢視断面におけるポテンシャル分布BおよびC−C′矢視断面におけるポテンシャル分布Cをそれぞれ示すポテンシャル図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るCCD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。
【図4】本発明の一実施形態に係るCCD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。
【図5】従来例に係る縦型オーバーフロードレイン構造のIT方式(あるいは、FIT方式)のCCD固体撮像素子のユニットセルの構造を示す断面図である。
【図6】図5のA−A′矢視断面におけるポテンシャル分布AおよびB−B′矢視断面におけるポテンシャル分布Bをそれぞれ示すポテンシャル図である。
【符号の説明】
11…N型半導体基板、12…全体P型ウェル領域、14…受光部、15…垂直転送部、16…読み出しゲート部、17…信号電荷蓄積領域、18…正電荷蓄積領域、19…転送チャネル、20…第1のP型ウェル領域、21…第2のP型ウェル領域、22…N- 型不純物領域、24…転送電極、25…チャネルストップ部、27…遮光膜、28…開口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a method for manufacturing the solid-state imaging device, and in particular, a vertical transfer unit in an interline transfer (IT) system (or frame interline transfer (FIT) system) solid-state image sensor having a vertical overflow drain structure. And a method of manufacturing a solid-state imaging device having the vertical transfer unit.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a solid-state imaging device, for example, an IT (or FIT) CCD (Charge Coupled Device) solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure, an entire P-well region that is an overflow barrier region along with a light receiving portion on a semiconductor substrate In the vertical transfer section formed via the P-type well region, a P-type well region is formed under the N-type transfer channel. In order to secure a necessary charge amount of the vertical transfer section, the P-type well region is formed. The well region is formed close to the N-type transfer channel to improve the depletion layer capacitance between the N-type transfer channel and the P-type well region (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-343958
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a unit cell in this type of CCD solid-state imaging device. In the figure, a P well region 102 is formed as an overflow barrier region on an N type semiconductor substrate 101, and a P − or N − type semiconductor layer 103 is further formed on the P well region 102. A light receiving unit 104, a vertical transfer unit 105, and a reading gate unit 106 are formed on 103.
[0005]
The light receiving unit 104 includes an N-type signal charge storage region 107 formed on the surface layer of the semiconductor layer 103 and a P + -type positive charge storage region 108 formed thereon. The vertical transfer unit 105 includes an N-
[0006]
In the vertical transfer unit 105, a part of the transfer electrode 112 extends to the vicinity of the light receiving unit 104, and the electrode of this extended part is also used as the gate electrode of the read gate unit 106. In other words, the read gate unit 106 includes a gate electrode that also serves as a part of the transfer electrode 112 and a channel region under the gate electrode. A channel stop unit 113 is formed between the vertical transfer unit 105 and the light receiving unit in the adjacent column.
[0007]
The region excluding the upper region of the light receiving unit 104, that is, the top of the vertical transfer unit 105 and the readout gate unit 106 is covered with a light shielding film 115 through an interlayer
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in recent years, in CCD solid-state imaging devices, the size of unit cells tends to be reduced for the purpose of increasing the number of pixels. As the unit cell size is reduced, the area of the opening 116 is also reduced, and the amount of incident light that can be taken into the light receiving unit 104 is reduced accordingly, resulting in a reduction in sensitivity. In order to suppress the decrease in sensitivity due to the reduction in the size of the unit cell as much as possible, as shown in FIG. 5, light incident obliquely through the opening 116 (hereinafter referred to as oblique incident light) is also subjected to photoelectric conversion. So that it can be used as signal charges.
[0009]
However, as described above, in the CCD solid-state imaging device adopting the structure in which the P-
[0010]
This phenomenon will be described in detail with reference to the potential diagram of FIG. FIG. 6 is a potential diagram showing the potential distribution (solid line) A in the section taken along the line AA ′ in FIG. 5 and the potential distribution (dotted line) B in the section taken along the line BB ′. In the potential distribution A, a region having a deep potential corresponds to the N-
[0011]
As is clear from the potential diagram of FIG. 6, the point a having the shallowest potential in the potential distribution A is located closer to the substrate surface than the point b having the shallowest potential in the potential distribution B. When photoelectric conversion is performed in the P-
[0012]
That is, the minority carriers photoelectrically converted in the P-
[0013]
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to collect minority carriers obtained by photoelectric conversion accompanying obliquely incident light under a vertical transfer unit in a signal charge accumulation region of a light receiving unit. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device whose sensitivity is improved and a method for manufacturing the solid-state imaging device.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The solid-state imaging device according to the present invention is
A signal obtained by photoelectrically converting incident light, including a signal conductivity storage region formed on a first conductivity type substrate through a second conductivity type whole well region and a first or second conductivity type semiconductor layer. A light receiving portion for accumulating charges in the signal charge accumulation region ;
Is formed through the entire well region on said substrate, a transfer channel of the first conductivity type for transferring photoelectrically converted signal charges in the light receiving unit,
A first well region of a second conductivity type formed immediately below the transfer channel;
A second well region of a second conductivity type formed below the first well region;
An impurity region of a first conductivity type interposed between the first well region and the second well region and storing charges based on obliquely incident light on the light receiving portion ;
In addition to performing pixel separation, a channel stop portion electrically coupled to the second well region is provided.
[0015]
In the solid-state imaging device having the above-described configuration, among the obliquely incident light taken into the light receiving unit, light that reaches the bottom of the transfer channel is subjected to photoelectric conversion in a region between the first well region and the second well region. Is called. At this time, the first well region and the second well region form a barrier against minority carriers generated by photoelectric conversion. As a result, minority carriers accumulate in the portion of the impurity region surrounded by these barriers and are collected in the signal charge accumulation region of the light receiving portion without being taken into the transfer channel or the substrate. As a result, sensitivity is improved. Further, when the minority carriers generated by photoelectric conversion are, for example, electrons, it is necessary to remove holes in the second well region in operation, and these holes are discharged through the channel stop portion.
[0016]
A manufacturing method of a solid-state imaging device according to the present invention includes:
In forming the vertical transfer portion on the first conductivity type substrate through the second conductivity type whole well region and the first or second conductivity type semiconductor layer ,
Forming a second conductivity type well region in the whole well region;
A second step of forming a first conductivity type impurity region that accumulates charges based on obliquely incident light on the light receiving portion on the well region formed in the first step;
A third step of forming a second conductivity type well region on the impurity region formed in the second step;
A fourth step of forming a first conductivity type transfer channel on the well region formed in the third step;
And a fifth step of deeply forming a channel stop portion for performing pixel separation up to the position of the well region formed in the first step and electrically coupling the channel stop portion to the well region.
[0017]
By forming the vertical transfer portion by the above-described steps, a vertical transfer portion having a twin well structure can be formed. In the vertical transfer unit having the twin well structure, when the light reaching the lower part of the transfer channel among the obliquely incident light taken into the light receiving unit is photoelectrically converted between the two well regions, the two well regions are blocked. Form. As a result, minority carriers accumulate in the portion of the impurity region surrounded by these barriers and are collected in the signal charge accumulation region of the light receiving portion without being taken into the transfer channel or the substrate. Therefore, a highly sensitive solid-state imaging device can be manufactured.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 shows the structure of a unit cell (unit pixel and a corresponding vertical transfer unit) of an IT system (or IT system) CCD solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing. Here, as an example, a case where the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
[0020]
In FIG. 1, an entire P well region (overflow barrier region) 12 is formed on an N
[0021]
The vertical transfer unit 15 includes an N-
[0022]
In the vertical transfer portion 15, the second P-
[0023]
In the electrode structure of the vertical transfer unit 15, the
[0024]
A P + -type
[0025]
The region excluding the upper region of the light receiving unit 14, that is, the top of the vertical transfer unit 15 and the read gate unit 16 is covered with a
[0026]
In the IT type (or FIT type) CCD solid-state imaging device having the vertical overflow drain structure configured as described above, incident light taken through the opening 28 is photoelectrically converted by the light receiving unit 14. The photoelectrically converted minority carriers (here, electrons), that is, signal charges are accumulated in the signal
[0027]
Next, the behavior of signal charges obtained by photoelectrically converting obliquely incident light under the
[0028]
2 is a potential diagram showing the potential distribution (dotted line) B in the section taken along the line BB ′ of FIG. 1 and the potential distribution (solid line) C in the section taken along the line CC ′. In the potential distribution B, the region from the substrate surface to the shallowest point of the potential (the peak point of the overflow barrier) is the photoelectric conversion region of the light receiving unit 14. In the potential distribution C, a region having a deep potential corresponds to the N-
[0029]
Here, the potential of the N − -
[0030]
Therefore, the signal charge accumulated in the N − -
[0031]
As described above, the vertical overflow drain structure having the configuration in which the first P-
[0032]
As a result, the size of the unit cell is reduced, so that the area of the opening 28 is also reduced, and even if the incident light that can be taken into the light receiving portion 14 is reduced accordingly, the signal charge based on the oblique incident light is also reduced. Since signal charges based on obliquely incident light can be used as charges, that is, contribute to improvement in sensitivity, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to a reduction in the size of the unit cell, or to further improve the sensitivity.
[0033]
In addition, the
[0034]
Next, the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to this embodiment having the above-described configuration will be described with reference to the process diagrams of FIGS.
[0035]
First, as shown in FIG. 3A, an N-
[0036]
Next, as shown in FIG. 3C, a P − -type or N − -
[0037]
Next, as shown in FIG. 4A, a first P-
[0038]
Next, as shown in FIG. 4B, a
[0039]
As described above, in the CCD solid-state imaging device having the vertical overflow drain structure, when the vertical transfer portion 15 is formed, the second P-
[0040]
In the CCD solid-state imaging device having the vertical transfer unit 15 having the twin P well structure, as described above, the signal charge obtained by photoelectrically converting the oblique incident light under the
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device according to the present invention, the vertical transfer portion has a twin well structure in which the second conductivity type impurity region is interposed between the first conductivity type two well regions . As a result, the incident light is obtained by photoelectric conversion under the transfer channel , and the charge accumulated in the impurity region of the second conductivity type can also be used as a signal charge. Even if the incident light that can be taken into the light receiving portion is reduced, the sensitivity can be increased.
[0042]
Further, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the vertical transfer portion has a twin well structure in which the second conductivity type impurity region is interposed between the two well regions of the first conductivity type , and oblique incident light is transmitted. A charge that is photoelectrically converted under the transfer channel and accumulated in the impurity region of the second conductivity type can also be used as a signal charge, so that a highly sensitive solid-state imaging device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a unit cell of an IT system (or FIT system) CCD solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a potential diagram showing a potential distribution B in the cross section taken along the line BB ′ of FIG. 1 and a potential distribution C in the cross section taken along the line CC ′ of FIG.
FIG. 3 is a process diagram (part 1) illustrating the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process diagram (part 2) illustrating the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a unit cell of an IT method (or FIT method) CCD solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure according to a conventional example.
6 is a potential diagram showing a potential distribution A in the cross section taken along the line AA ′ in FIG. 5 and a potential distribution B in the cross section taken along the line BB ′ in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板上に前記全体ウェル領域を介して形成され、前記受光部で光電変換された信号電荷を転送する第1導電型の転送チャネルと、
前記転送チャネルの直下に形成された第2導電型の第1のウェル領域と、
前記第1のウェル領域の下方に形成された第2導電型の第2のウェル領域と、
前記第1のウェル領域と前記第2のウェル領域との間に介在し、前記受光部に対する斜め入射光に基づく電荷を溜める第1導電型の不純物領域と、
画素分離を行うとともに、前記第2のウェル領域に電気的に結合したチャネルストップ部と
を備えた固体撮像素子。 A signal obtained by photoelectrically converting incident light, including a signal conductivity storage region formed on a first conductivity type substrate through a second conductivity type whole well region and a first or second conductivity type semiconductor layer. A light receiving portion for accumulating charges in the signal charge accumulation region ;
A transfer channel of a first conductivity type formed on the substrate through the whole well region and transferring a signal charge photoelectrically converted by the light receiving unit;
A first well region of a second conductivity type formed immediately below the transfer channel;
A second well region of a second conductivity type formed below the first well region;
An impurity region of a first conductivity type interposed between the first well region and the second well region and storing charges based on obliquely incident light on the light receiving portion ;
It performs pixel separation, the solid-state imaging device that includes a channel stop portion electrically coupled to said second well region.
請求項1記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second well region has a concentration maximum portion at a position shallower than the concentration maximum portion of the whole well region.
請求項2記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second well region has a concentration maximum portion at a position of 2 μm to 6 μm from the surface of the substrate.
請求項1記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a potential of the impurity region is equal to or shallower than a potential of a region of the light receiving unit corresponding to the impurity region.
請求項1記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the impurity region is formed of an impurity having a concentration lower than an impurity concentration of the transfer channel.
前記全体ウェル領域内に第2導電型のウェル領域を形成する第1工程と、
前記第1工程で形成したウェル領域の上に前記受光部に対する斜め入射光に基づく電荷を溜める第1導電型の不純物領域を形成する第2工程と、
前記第2工程で形成した不純物領域の上に第2導電型のウェル領域を形成する第3工程と、
前記第3工程で形成したウェル領域の上に第1導電型の転送チャネルを形成する第4工程と、
画素分離を行うチャネルストップ部を前記第1工程で形成したウェル領域の位置まで深く形成して当該ウェル領域と電気的に結合させる第5工程と
を少なくとも含む固体撮像素子の製造方法。In forming the vertical transfer portion on the first conductivity type substrate through the second conductivity type whole well region and the first or second conductivity type semiconductor layer ,
Forming a second conductivity type well region in the whole well region;
A second step of forming a first conductivity type impurity region that accumulates charges based on obliquely incident light on the light receiving portion on the well region formed in the first step;
A third step of forming a second conductivity type well region on the impurity region formed in the second step;
A fourth step of forming a first conductivity type transfer channel on the well region formed in the third step;
Method for producing at least including solid-state imaging device and a fifth step of the well region and electrically coupled to deeply form a channel stop portion to a position of well regions formed in the first step of performing pixel separation.
請求項6記載の固体撮像素子の製造方法。The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 6, wherein in the first step, the well region is formed so as to have a concentration maximum portion at a position shallower than the concentration maximum portion of the whole well region.
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