Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP3723124B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device Download PDF

Info

Publication number
JP3723124B2
JP3723124B2 JP2001381928A JP2001381928A JP3723124B2 JP 3723124 B2 JP3723124 B2 JP 3723124B2 JP 2001381928 A JP2001381928 A JP 2001381928A JP 2001381928 A JP2001381928 A JP 2001381928A JP 3723124 B2 JP3723124 B2 JP 3723124B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor region
imaging device
solid
state imaging
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001381928A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003188367A (en
JP2003188367A5 (en
Inventor
宏明 石渡
浩史 山下
鉄也 山口
秀俊 野崎
久典 井原
長孝 田中
雄一郎 江木
昌之 綾部
幸雄 遠藤
宗平 真鍋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2001381928A priority Critical patent/JP3723124B2/en
Publication of JP2003188367A publication Critical patent/JP2003188367A/en
Publication of JP2003188367A5 publication Critical patent/JP2003188367A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3723124B2 publication Critical patent/JP3723124B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置の画素の構造に関し、特に、画素が有するフォトダイオード及びその周辺の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置は、入射した光画像情報を電気信号に変換する画素アレーを有している。画素アレーは、画素を単位として構成されている。画素は、入射光を電気信号に変換し、この電気信号を一定期間蓄積するためのフォトダイオードを有している。フォトダイオードは、p型半導体基板に形成される。フォトダイオードは、この基板内部に形成され電気信号である光電子を蓄積するn型半導体層と、n型半導体層の上方で基板の表面に設けられるp型半導体層を有している。p型半導体層は、基板表面で発生する暗電流を抑制する。
【0003】
また、画素は、蓄積された電気信号を読み出す転送トランジスタを有している。この転送トランジスタは、読み出しゲートと信号検出部を有している。
【0004】
信号読出し時には、読み出しゲートに正電位が印加されることにより読出しゲートの下のチャネルのポテンシャルが高くなる。そのためフォトダイオードに蓄積された信号電子はこのチャネルを通して信号検出部へと流出し読み出される。
【0005】
しかし、従来の固体撮像装置の構造では、熱雑音が発生する場合があった。それが故に再生画面のS/Nが劣化するという問題があった。また、p型半導体層があるにもかかわらず、暗電流雑音が発生する場合があるという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、熱雑音と暗電流雑音の発生しにくく、再生画面のS/Nが劣化しにくい固体撮像装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の特徴は、第1導電型の半導体基板と、
この基板の表面から離れて、基板の内部に設けられた第2導電型の第1半導体領域と、
基板の表面を含む基板に設けられ、第1の半導体領域の上方に離れて設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
第2半導体領域の上に設けられた絶縁膜と、
絶縁膜の上に設けられた導電体と、
基板の表面を含む基板に設けられ、下面が第1半導体領域の上面と接し、側面が第2半導体領域の側面と接し、導電体との距離は絶縁膜の膜厚以上である第1導電型の第3半導体領域と、
基板の表面を含む基板に設けられ、側面が第2半導体領域の側面と接し、導電体との距離は絶縁膜の膜厚と等しい第2導電型の第4半導体領域とを有する固体撮像装置にある。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率の異なる部分が含まれるのはもちろんである。
【0009】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る固体撮像装置は、図1(a)に示すように、 入射した光画像情報を電気信号に変換する画素アレー2と、画素アレー2に蓄積された信号を順次読み出すための制御信号を画素アレー2に送る信号走査回路3と、画素アレー3から読み出された信号を順次固体撮像装置外へ読み出す信号読出し回路4を有している。画素アレー2は、2次元アレー状に配列された単位セルである画素5を有している。
【0010】
画素5は、図1(b)に示すように、入射光を電気信号に変換し、電気信号を一定期間蓄積するためのフォトダイオードPDを有している。さらに、フォトダイオードPDの電気信号を選択的に読み出すための行選択トランジスタFET4と、電気信号を増幅するための増幅トランジスタFET3と、電気信号をリセットするためのリセットトランジスタFET2と、フォトダイオードPDの電気信号を増幅トランジスタFET3の入力となるゲート電極に出力し電気信号を読み出すための転送トランジスタFET1からなる。フォトダイオードPDは、p型半導体基板11内に設けられた信号蓄積部13を有している。転送トランジスタFET1は、基板11の上方に設けられた読出しゲートを有している。
【0011】
画素5の構造は、より詳細には図2と図3(a)に示す。図3(a)は、図2のI−I方向の断面図である。画素5は、第1導電型の半導体基板11あるいは基板11上に設けられた第1導電型のウェル(well)を有している。第2導電型の第1半導体領域13は、基板11の表面から離れて、基板11の内部に設けられる。なお、第1導電型は、p型でもn型でもよい。第1導電型が、p型である場合は、第2導電型はn型である。第1導電型が、n型である場合は、第2導電型はp型である。絶縁膜15は、基板11の上に設けられる。導電体16は、絶縁膜15の上に設けられる。第1導電型の第3半導体領域18は、基板11の表面を含む基板11に設けられる。第3半導体領域18の下面が第1半導体領域13の上面と接する。第3半導体領域18と導電体16との距離は絶縁膜15の膜厚と等しい。第2導電型の第4半導体領域14は、基板11の表面を含む基板11に設けられ、導電体16との距離は絶縁膜15の膜厚と等しい。絶縁体12は、下面が基板11の表面より下に設けられ、側面と下面が第3半導体領域18に接する。基板11上にp型ウェル(p-well)11が、設けられる。第1半導体領域13は、光電子を蓄積するn型半導体層である。第3半導体領域18はフォトダイオードPDの表面に設けられたp型半導体層である。第4半導体領域14は、フォトダイオードPDから読み出された信号電子を検出するn型半導体層である。第3半導体領域は、基板11の表面で発生する暗電流を抑制する。導電体16は、FET1のゲート電極である。導電体21は、FET2のゲート電極である。導電体20は、FET3のゲート電極である。導電体19は、FET4のゲート電極である。絶縁体12のない基板11の表面は活性領域17である。
【0012】
図3(b)は、図3(a)のI−I間の電気信号蓄積時の電位分布図である。図3(c)は、電気信号読出し時の電位分布図である。電気信号蓄積時には、図3(b)に示すように、読み出しゲート16には基準電位が印加され、読出しゲート16の下のチャネルのポテンシャルは低い。このためフォトダイオードPDの第1半導体領域13に信号電子24は漏れ出すことがなく蓄積される。信号読出し時には、図3(c)に示すように、読み出しゲート16に正電位が印加されることにより、読出しゲート16の下のチャネルのポテンシャルは高くなる。そのためフォトダイオードPDの第1半導体領域13に蓄積された信号電子24は、読出しゲート16のチャネルを通して信号検出部である第4半導体領域14へと流出し、電気信号が読み出される。
【0013】
しかし図3(a)の画素5の構造では熱雑音と暗電流雑音が発生する場合がある。
【0014】
第3半導体領域18は、基準電圧に接続され、基準電位に固定される。このため、読出しゲート16のフォトダイオードPDきわのチャネルの電位は、読出しゲート16がオン状態の時に上げにくい。さらに、画素5の微細化が進むとそれに従って電源電圧が低くなるため、読出しゲートに印加される電圧が低くなる。このことによっても、読出しゲートがオン状態の時に、チャネルの電位を十分に上げにくい。読出し時にチャネルの電位を十分に上げることができないので、フォトダイオードPD内に電子24が残留する。残留電子24は熱雑音の原因であると考えられる。そして、この熱雑音により再生画面のS/N比が劣化すると考えられる。このことは、画素の微細化に従い、低暗電流と低熱雑音を両立することが困難になることを示している。
【0015】
また、読み出しゲート16は、多結晶シリコンあるいはシリサイド材料で作られる。このことにより、読出しゲート16の端部においては、局所的な応力が発生する。この応力によりシリコン基板11の表面に暗電流の発生源となるキャリア発生準位が誘発される場合がある。このキャリア発生準位から発生した電子は、信号蓄積期間中に信号蓄積部である第1半導体領域13に流入する。この電子の流入により暗電流雑音が発生していると考えられる。
【0016】
(第1の実施の形態の実施例1)
第1の実施の形態の実施例1に係る画素5の構造は、図4と図5(a)に示す。図5(a)は、図4のI−I方向の断面図である。画素5は、第1導電型の半導体基板11を有している。第2導電型の第1半導体領域13は、基板11の表面から離れて、基板11の内部に設けられる。第2導電型の第2半導体領域22は、基板11の表面を含む基板11に設けられ、第1半導体領域13の上方に離れて設けられる。絶縁膜15は、第2半導体領域22の上に設けられる。導電体16は、絶縁膜15の上に設けられる。第1導電型の第3半導体領域18は、基板11の表面を含む基板11に設けられる。第3半導体領域18の下面が第1半導体領域13の上面と接し、第3半導体領域18の側面が第2半導体領域22の側面と接する。第3半導体領域18と導電体16との距離は絶縁膜15の膜厚より大きい。第2導電型の第4半導体領域14は、基板11の表面を含む基板11に設けられる。第4半導体領域14の側面が第2半導体領域22の側面と接する。第4半導体領域14と導電体16との距離は絶縁膜15の膜厚と等しい。絶縁体12の下面が基板11の表面より下に設けられる。絶縁体12の側面と下面が第3半導体領域18に接する。第1半導体領域13は、光電変換により得られた信号電荷を蓄積するフォトダイオードPDの信号蓄積部である。導電体16は、信号蓄積部から信号電荷を排出する電界効果トランジスタFET1のゲート電極である。第2半導体領域22は、トランジスタFET1のチャネル領域である。第4半導体領域14は、FET1のドレイン領域であり、信号電荷を検出する信号検出部である。
【0017】
第2半導体領域22は、読出しゲート16のチャネル領域に設けられたn型拡散層である。また、第3半導体領域18と読出しゲート16はオフセット距離Xだけオフセットされている。オフセットが設けられているのは以下の理由による。多結晶シリコンあるいはシリサイド材料からなる読出しゲート16の端部においては、局所的な応力が発生する。この応力によりシリコン基板11界面に暗電流の発生源となるキャリア発生準位が誘発されやすい。読出しゲート16下に設けられた第2半導体領域22は読出しゲート16から第3半導体領域18側へ距離Xだけ伸長している。その発生準位から発生した暗電流電子は、信号蓄積期間中にフォトダイオードPDの信号蓄積層13に流入しない。暗電流電子は第2半導体領域を通して信号検出部14に流出する。このため再生画面上で雑音を発生することがない。
【0018】
図5(b)は、図5(a)のI−I間の電気信号蓄積時の電位分布図である。図5(c)は、電気信号読出し時の電位分布図である。電気信号蓄積時には、図5(b)に示すように、信号電子は、蓄積層13と読出しチャネル22とにはさまれたp型半導体基板11の領域の電位が障壁となり蓄積層13に溜められる。
【0019】
信号読出し時には、図5(c)に示すように、読み出しゲート16に正電位が印加されることにより、読出しゲート16の下のチャネル22のポテンシャルは高くなる。領域13と領域22にはさまれたp型半導体基板11の領域の電位がそれにつれて高くなり、信号蓄積部13の信号電子は信号検出部14へ全て読み出される。従って残留電子が無く、熱雑音や残像等の雑音が発生しない。
【0020】
以上のように、信号蓄積部13とそれと同一導電型の読出しチャネル22が、読出しゲート16の下において、異なる導電型の基板11の領域を挟む形で深さ方向に重なるように形成されている。このことにより、読出しゲート16がオン状態の時に容易に領域13と22に挟まれた基板11の電位変調が行える。従来よりも低い読出し電圧で信号読みだしができる。そのため画素が微細化されて電源電圧が低下しても従来あったような熱雑音や残像のような雑音を発生することがない。再生画面上で雑音の少ない鮮明な画像を得ることができる。また、読出しゲート16のチャネル22が、読出しゲート電極16から所定距離X離れた位置まで伸長しているため、信号蓄積期間中にゲート16きわで発生する暗電流が信号蓄積部13へ流入することが無い。従って、暗電流雑音が大幅に抑圧され、再生画面上で雑音の少ない鮮明な画像が得られる。
【0021】
(第1の実施の形態の実施例1の変形例1)
第1の実施の形態の実施例1の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、図6(a)に示すように、図5(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、基板11の表面から第1半導体領域13の上面までの深さは、基板11の表面から絶縁体12の下面までの深さより深い。基板11の表面から第1半導体領域13の上面と接する第3半導体領域18の下面までの深さは、基板11の表面から絶縁体12の下面までの深さより深い。フォトダイオードPDの表面のp型半導体層である第3半導体領域18の形成深さが素子分離領域である酸化シリコン(SiO2)層の絶縁体12の下端を被うようさらに深く形成されている。このことにより、基板11の表面で発生する暗電流が、第1半導体領域13に注入されるのをより確実に防ぐことができる。
【0022】
また、第2半導体領域22の厚さも厚く変更する。厚くすることで、第2半導体領域22の下面と第1半導体領域13の上面の距離を、図5(a)と図6(a)とで同等にする。このことにより、ゲート16に印可する変調電位を高くする必要がない。
【0023】
(第1の実施の形態の実施例1の変形例2)
第1の実施の形態の実施例1の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図6(b)に示すように、図5(a)、図6(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、絶縁体12の下方に第1半導体領域13が設けられている。信号蓄積層であるn型半導体層の第1半導体領域13が、素子分離領域の絶縁体12の下方に形成されている。このことにより、フォトダイオードPDの受光面積を広げることができ、フォトダイオードPDの感度が向上する。
【0024】
(第1の実施の形態の実施例2)
第1の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図7(a)に示すように、図5(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、第1導電型の第5半導体領域26が、第1半導体領域13の上で、第2半導体領域22の下に設けられている。読出しゲート16のチャネルとなるn型半導体層の第2半導体領域22の下で、信号蓄積領域の第1半導体領域13の上の領域にp型半導体層の第5半導体領域26が設けられている。なお、基板11の不純物濃度は、1015〜1016cm−3程度である。第1半導体領域13の不純物濃度は、1016〜1017cm−3程度である。第1半導体領域13の不純物濃度は、1016〜1017cm−3程度である。第2半導体領域22の不純物濃度は、1016〜1017cm−3程度である。第3半導体領域18の不純物濃度は、1018〜1019cm−3程度である。第4半導体領域14の不純物濃度は、1019〜1020cm−3程度である。第5半導体領域26の不純物濃度は、1016〜1017cm−3程度である。
【0025】
このような構造により、信号蓄積領域13と読出しチャネル22との間の電位障壁が高くなり、信号蓄積領域13に溜められる電子数を増やすことができる。図7(b)は、図7(a)のI−I間の経路の電位分布図である。図7(c)は、図7(a)のII−II間の経路の電位分布図である。図7(b)に示すように、読み出しゲート16のきわで発生した暗電流27は、読出しチャネル22を通して信号検出部14へ排出される。信号蓄積期間にゲート16のきわで発生した暗電流27は、図7(c)に示すように、信号蓄積領域13とチャネル22に挟まれたp型半導体層の第5半導体領域26の電位が信号電子に対する電位障壁となり、信号蓄積領域13へ流入することはない。
【0026】
(第1の実施の形態の実施例2の変形例1)
第1の実施の形態の実施例2の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、図8(a)に示すように、図7(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、基板11の表面から第1半導体領域13の上面までの深さは、基板11の表面から絶縁体12の下面までの深さより深い。このことにより、基板11の表面で発生する暗電流が、第1半導体領域13に注入されるのをより確実に防ぐことができる。
【0027】
(第1の実施の形態の実施例2の変形例2)
第1の実施の形態の実施例2の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図8(b)に示すように、図7(a)、図8(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、絶縁体12の下方に第1半導体領域13が設けられている。このことにより、フォトダイオードPDの受光面積を広げることができる。
【0028】
(第1の実施の形態の実施例3)
第1の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置1の画素5の構造は、図9(a)と図9(b)に示す。図9(b)は、図9(a)のI−I方向の断面図である。第1の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置1の画素5は、第3半導体領域18と導電体16との距離が、絶縁膜15の膜厚と等しい点で、第1の実施の形態の実施例1と異なっている。p型半導体層である第3半導体領域18が、読み出しゲート16に対してオフセットなく自己整合的に形成されている。このことによっても、ゲート16のきわで発生した暗電流は、図7(b)に示すような第3半導体領域18のp型半導体領域の電位分布の勾配により、信号検出部14に注入される。
【0029】
(第1の実施の形態の実施例3の変形例1)
第1の実施の形態の実施例3の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、図10(a)に示すように、図9(b)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、基板11の表面から第1半導体領域13の上面までの深さは、基板11の表面から絶縁体12の下面までの深さより深い。このことにより、基板11の表面で発生する暗電流が、第1半導体領域13に注入されるのをより確実に防ぐことができる。
【0030】
(第1の実施の形態の実施例3の変形例2)
第1の実施の形態の実施例3の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図10(b)に示すように、図9(b)、図10(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、絶縁体12の下方に第1半導体領域13が設けられている。このことにより、フォトダイオードPDの受光面積を広げることができる。
【0031】
(第1の実施の形態の実施例4)
第1の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置1の画素5の構造は、図11(a)と図11(b)に示す。図11(b)は、図11(a)のI−I方向の断面図である。第1の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置1の画素5は、第3半導体領域18に対する第1半導体領域13のオフセットのオフセット距離Yが、オフセット距離Xより短い点で、第1の実施の形態の実施例1と異なっている。このことによっても、信号電子のチャネル22への注入は容易にできると考えられる。
【0032】
(第1の実施の形態の実施例4の変形例1)
第1の実施の形態の実施例4の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、図12(a)に示すように、図11(b)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、基板11の表面から第1半導体領域13の上面までの深さは、基板11の表面から絶縁体12の下面までの深さより深い。このことにより、基板11の表面で発生する暗電流が、第1半導体領域13に注入されるのをより確実に防ぐことができる。
【0033】
(第1の実施の形態の実施例4の変形例2)
第1の実施の形態の実施例4の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図12(b)に示すように、図11(b)、図12(a)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、絶縁体12の下方に第1半導体領域13が設けられている。このことにより、フォトダイオードPDの受光面積を広げることができる。
【0034】
(第2の実施の形態)
固体撮像装置1の多画素化や、撮像システムの小型化、撮像モジュール等の小型化が進められている。画素5のサイズの小型化が益々求められている。今後、より面積が縮小される画素において、効果的に光電変換を行うためには、光の入射経路中に、光を遮ったり、反射させたりする構造物ができるだけ存在しないことが求められる。更に、信号/雑音(S/N)比を良くするため、入射光が存在しないときでも、シリコン(Si)基板11中で発生する電子を極力少なくする必要がある。この電子の発生は時間的にばらつくため、画像にムラが生じる雑音成分となる。更に、低電圧での残像の低減も求められている。
【0035】
第1の実施の形態では、信号電荷の転送を司る転送トランジスタFET1のゲート16の形状では、ゲート長は一定であった。このことにより、信号電荷の蓄積・転送に必ずしも寄与しない部分にも、光が照射されている。
【0036】
第2の実施の形態では、S/N比を改善し、低電圧で完全転送を可能とし、更に、光入射経路を拡大する。低電圧で、電荷転送・蓄積を行うには、適当な長さのゲート長が必要である。すなわち、電荷蓄積部13のポテンシャル分布に着目し、電荷蓄積・転送に必要なゲート16の部位のみ突起状の凸部を設ける。その他のゲート16の部位はできるだけゲート長を短くする。これらのことで、光入射経路が拡大できる。
【0037】
(第2の実施の形態の実施例1)
第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置1の画素5の構造は、図13と図14(a)乃至(d)に示す。図14(b)は、図13と図14(a)のI−I方向の断面図である。図14(c)は、図13と図14(a)のII−II方向の断面図である。図14(d)は、図14(a)のIII−III方向の断面図である。画素5は、第1導電型の半導体基板11を有している。第2導電型の第1半導体領域13は、基板11の表面から離れて、基板11の内部に設けられる。絶縁膜15は、基板11の表面の上に設けられる。導電体16は、絶縁膜15の上に設けられる。導電体16の凸部28が第1半導体領域13の上方に設けられる。第1導電型の第3半導体領域18は、基板11の表面を含み基板11に設けられる。第3半導体領域18は、第1半導体領域13の上方に設けられる。第3半導体領域18は、第1半導体領域13の側面に接する。第3半導体領域18は、導電体16の下方に設けられる。第2導電型の第4半導体領域14は、基板11の表面を含む基板11に設けられる。第4半導体領域14と導電体16との距離は絶縁膜15の膜厚と等しい。第6半導体領域29は、第4半導体領域14の下に設けられる。第6半導体領域29は、パンチスルーを防止する。第2導電型の第2半導体領域39は、基板11の表面を含む基板11に設けられる。第2半導体領域39は、導電体16の下方に設けられ、特に、導電体16の凸部28の下方に設けられる。第2半導体領域39は、第3半導体領域18の側面と接し第4の半導体領域の側面とも接する。絶縁体12の下面が、基板11の表面より下に設けられる。絶縁体12の側面と下面が、第3半導体領域18に接する。第1半導体領域13は、光電変換により得られた信号電子24を蓄積する信号蓄積部である。導電体16は、信号蓄積部13から信号電子を排出する電界効果トランジスタFET1のゲート電極である。第2半導体領域39は、トランジスタFET1のチャネル領域である。ゲート電極である導電体16において、凸部28でゲート長が最大である。凸部28は突起である。ゲート電極である導電体16において、ゲート幅を規定する区間の中央に、導電体16の凸部28が設けられる。凸部28の下方に第3半導体領域18が設けられる。なお、凸部28の側面の下方に第3半導体領域18の側面が配置されていてもよい。
【0038】
図14(e)は、図14(d)のIV−IV間の電気信号蓄積時の電位分布図である。第1半導体領域13の第3半導体領域18と接合する周辺部では電位23は勾配を有する。この勾配により、信号電子31は、矢印36の方向に移動する。信号電子31は、第1半導体領域の中央に集められる。
【0039】
第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置1の画素5では、フォトダイオードPDの表面シールド層(PDp)となる第3半導体領域18が、ゲート電極16と、特に、ゲート電極16の凸部28の下方に設けられている。このことにより、ゲート電極16の形成時等のドライエッチング工程での反応性イオンエッチング(RIE)等で生じたダメージ層に、信号蓄積部(PDn)の第1半導体領域13の空乏層が接することがなくなる。ダメージ層に起因する局所的なリーク電流の増大いわゆる白傷の発生を防止することができる。更に、暗時のムラの発生を低減できる。
【0040】
なお、信号電荷の読出しに関しては、凸部28の下方において、信号蓄積部13と表面シールド層18がオフセットされ、信号蓄積部13の上方に表面シールド層18を介することなくゲート電極16、28が存在するため、信号電子の信号検出部14への完全転送が可能である。
【0041】
第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置1の製造方法を説明する。図15(a)は、固体撮像装置1の画素5の一部の上面図である。図15(b)乃至(f)は、図15(a)のI−I方向の断面図である。
【0042】
まず、図15(b)に示すように、シリコン基板11の内部に素子分離用のLOCOSやSTIの絶縁体12を形成する。次に、素子分離用のp型半導体層33を形成する。イオン注入により信号蓄積領域13を形成する。
【0043】
次に、図15(c)に示すように、表面シールド層34を形成する。p型半導体層33と表面シールド層34が形成されることにより、第3半導体領域18が完成する。この後、アニール等の工程を入れてもよい。更に、チャネルインプラ層39を形成する。併行して、周辺回路のトランジスタを構成する素子分離領域、トランジスタの閾値を制御するイオン注入を行う。
【0044】
図15(d)に示すように、ゲート絶縁膜15とゲート電極16、あるいはゲート配線などを形成する。
【0045】
図15(e)に示すように、検出部14と周辺回路のソース・ドレイン領域を形成する。
【0046】
図15(f)に示すように、パンチスルー防止領域29を形成する。
【0047】
この製造方法により、ゲート電極16下に、信号蓄積・転送領域13、39が形成できる。更に、ゲート電極16下に、シリコン表面の空乏化を防止する表面シールド層34を形成できる。
【0048】
尚、ゲート電極16には、ゲート電極16の形成時に、凸部28の突起も形成する。この凸部28は、信号電子の読み出しの移動経路上に形成する。そして、この凸部28は、信号電子の読み出しの移動方向に向かうに従って太く形成してもよい。
【0049】
表面シールド層34は、凸部28が形成される領域を除いて形成してもよい。表面シールド層34は、信号電子の読み出しの移動経路となる領域を除いて形成してもよい。表面シールド層34は、読出しパスの電荷転送経路方向に向かうに従って、形成しない幅を増やし、検出部14方向に開口面積が大きくなるように形成してもよい。
【0050】
(第2の実施の形態の実施例1の変形例)
第2の実施の形態の実施例1の変形例に係る固体撮像装置1の画素5は、図16(a)(b)に示すように、図14(a)乃至(c)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、レンズ35が設けられている。レンズ35の光軸は、第1半導体領域13から凸部28の下方の領域を除いた領域の中心C点を通る基板表面に対する垂線L7と一致する。レンズ35は、第3半導体領域33、34(18)の上方に設けられる。このことにより、光入射経路をさらに拡大することができる。
【0051】
(第2の実施の形態の実施例2)
第2の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置1の画素5の構造は、図17(a)乃至(c)に示す。図17(b)は、図17(a)のI−I方向の断面図である。図17(c)は、図17(a)のII−II方向の断面図である。第2の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置1の画素5は、ゲート16の凸部28と第3半導体領域18の距離が絶縁膜15の膜厚より大きい点で、第2の実施の形態の実施例1と異なっている。このことによって、信号電子のチャネル39への注入は容易にできると考えられる。
【0052】
第2の実施の形態の実施例2の画素5は、表面シールド層18とゲート電極16との間にオフセットが設けられている。このオフセットが存在する領域には、読出しトランジスタFET1の閾値を制御する第2半導体領域39が設けられている。第2半導体領域39は、オフセットが存在する領域のシリコン基板表面の空乏化を防ぐ。このオフセットにより、信号電荷の読出しの際の移動パスが形成し易くなる。ゲート16に印可電圧をより低電圧にしても信号電荷の完全読出しが可能である。矢印36に沿って集められた信号電子は、矢印37に沿って領域39を経由して信号検出部14に移動する。
【0053】
信号蓄積領域13の不純物濃度は、望ましくは、1016〜1017cm−3程度である。信号蓄積領域13の拡散層深さは、0.3〜1.0μm程度が好ましい。表面シールド層18の不純物濃度は、1018cm−3程度が好ましい。表面シールド層18の拡散層深さは、0.1〜0.2μm程度が好ましい。チャネル形成部39の不純物濃度は、1017cm−3程度が好ましい。絶縁膜15のシリコン酸化膜の膜厚は、好ましくは80nm程度である。表面シールド層18と読出しトランジスタFET1のゲート電極16、28の端のオフセット距離は、信号転送経路方向37で、好ましくは0.1〜0.3μm程度であり、信号転送経路に垂直方向に、0.1〜0.3μmである。読出しトランジスタFET1の凸部28の長さは、好ましくは0.3μm程度である。凸部28の幅は0.4μm程度である。表面シールド層18の開口端部と、読出しトランジスタFET1のゲート電極16、28の端とは、上方からの平面距離で、好ましくは、0.1〜0.3μm程度である。信号蓄積部13のイオン注入は、例えば、不純物が燐(P)で、加速電圧を320kV、ドーズ量を1.35×1012cm−2程度とする。表面シールド層18の領域34のイオン注入は、例えば、不純物が硼素(B)で、加速電圧を15kV、ドーズ量を1.0×1013cm−2程度として行われる。チャネルの閾値を決める領域39のイオン注入は、例えば、不純物が硼素で、加速電圧を15kV、ドーズ量を2.0×1012cm−2程度である。表面シールド層18の素子分離用領域33のイオン注入は、例えば、不純物が硼素で、加速電圧を140kV、ドーズ量を5.0×1012cm−2程度、更に、不純物が硼素で、加速電圧を80kV、ドーズ量を7.0×1012cm−2程度である。
【0054】
図18(a)は、図17(b)のIII−III間の電気信号蓄積時の電位分布図である。図18(b)は、図17(b)のIII−III間の電気信号読出し時の電位分布図である。図18(c)は、図17(c)のIV−IV間の電気信号蓄積時の電位分布図である。図18(d)は、図17(c)のIV−IV間の電気信号読出し時の電位分布図である。
【0055】
信号蓄積時には、図18(a)に示すように、信号電子は、蓄積層13と読出しチャネル39とにはさまれたp型半導体基板11の領域の電位が障壁となり蓄積層13に溜められる。なお、図18(c)に示すように、蓄積層13の周辺部で発生した信号電子は、蓄積層13の中央部に移動して蓄積される。信号電子は周辺部には存在しにくい。
【0056】
信号読出し時には、図18(b)に示すように、読み出しゲート16に正電位が印加されることにより、読出しゲート16の下のチャネル39のポテンシャルは高くなる。領域13と領域39にはさまれたp型半導体基板11の領域の電位がそれにつれて高くなり、信号蓄積部13の信号電子は矢印37方向の信号検出部14へ全て読み出される。信号電子の読み出し経路が生じる。残留電子が無いので、熱雑音や残像等の雑音が発生しない。なお、図18(d)に示すように、蓄積層13の周辺部で発生した信号電子は、蓄積層13の中央部に移動しており、信号電子は周辺部には存在しにくいので、信号電子の読み出し経路は存在しにくい。
【0057】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例1)
第2の実施の形態の実施例2の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、図17(a)乃至(c)と同様な構造を有するが、図19(a)に示すように、第3半導体領域18と第2半導体領域39の形状が異なる。
【0058】
第2の実施の形態の実施例2の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向に、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、表面シールド層18の開口の幅が広がっている。読出し経路37に沿って表面シールド層18の開口幅が広がるために、信号検出部14に近くなるに従い、信号読出し経路37のポテンシャルが深くなり、低いゲート電圧での信号電荷の完全転送が可能である。
【0059】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例2)
第2の実施の形態の実施例2の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図17(a)乃至(c)と同様な構造を有するが、図19(b)に示すように、凸部28の形状が異なる。
【0060】
第2の実施の形態の実施例2の変形例2に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向で、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、読出しトランジスタFET1の凸部28の幅が広がっている。信号読出し経路37に沿ってゲート幅が広がるために、検出部14に近くなるに従い、信号読出し経路37にゲート電極16からの変調が効き易くなる。低いゲート電圧での信号電荷の完全転送が可能となる。
【0061】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例3)
第2の実施の形態の実施例2の変形例3に係る固体撮像装置1の画素5は、図17(a)乃至(c)と同様な構造を有するが、図19(c)に示すように、凸部28、第3半導体領域18と第2半導体領域39の形状が異なる。
【0062】
第2の実施の形態の実施例2の変形例3に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向で、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、表面シールド層18の開口の幅が広がり、読出しトランジスタFET1の凸部28の幅が広がっている。このことにより、第2の実施の形態の実施例2の変形例1と2の効果をあわせて得ることができる。一層低いゲート電圧での信号電荷の完全転送が可能となる。
【0063】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例4)
第2の実施の形態の実施例2の変形例4に係る固体撮像装置1の画素5は、図19(a)と同様な構造を有するが、図20(a)に示すように、第3半導体領域18と第2半導体領域39の形状が異り半円形を有する。
【0064】
第2の実施の形態の実施例2の変形例1に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向に、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、表面シールド層18の開口の幅が広がり、開口が半円を描いている。このことにより、第2の実施の形態の実施例2の変形例1と同様な効果が得られる。さらに開口付近の電界分布が均一になり、白傷の発生を低減することができる。
【0065】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例5)
第2の実施の形態の実施例2の変形例5に係る固体撮像装置1の画素5は、図19(b)と同様な構造を有するが、図20(b)に示すように、凸部28の形状が異なり半円形を有する。
【0066】
第2の実施の形態の実施例2の変形例5に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向で、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、読出しトランジスタFET1の凸部28の幅が広がり、凸部28が半円形を有している。このことにより、第2の実施の形態の実施例2の変形例2と同様な効果が得られる。さらに開口付近の電界分布が均一になり、白傷の発生を低減することができる。
【0067】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例6)
第2の実施の形態の実施例2の変形例6に係る固体撮像装置1の画素5は、図19(c)と同様な構造を有するが、図20(c)に示すように、凸部28、第3半導体領域18と第2半導体領域39の形状が異なり半円形をそれぞれ有する。
【0068】
第2の実施の形態の実施例2の変形例6に係る固体撮像装置1の画素5は、信号読出し経路37の方向で、信号蓄積領域13からゲート電極16の方向に向けて、表面シールド層18の開口の幅が広がり開口が半円を描いている。読出しトランジスタFET1の凸部28の幅が広がり凸部28が半円形を有している。このことにより、第2の実施の形態の実施例2の変形例3と同様な効果が得られる。さらに開口付近の電界分布が均一になり、白傷の発生を低減することができる。
【0069】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例7)
第2の実施の形態の実施例2の変形例7に係る固体撮像装置1の画素5は、図17(a)乃至(c)と図21(a)と同様な構造を有するが、図21(b)に示すように、第1半導体領域13に対する、第3半導体領域18の開口の位置が異なる。同様に第2半導体領域39の凸部の位置が異なる。同様に導電体16の凸部28の位置が異なる。このことによっても、第2の実施の形態の実施例2と同様な効果が得られる。
【0070】
(第2の実施の形態の実施例2の変形例8)
第2の実施の形態の実施例2の変形例8に係る固体撮像装置1の画素5は、図17(a)乃至(c)と図21(a)と同様な構造を有するが、図21(c)に示すように、第1半導体領域13に対する、第3半導体領域18の開口の位置が異なる。同様に第2半導体領域39の凸部の位置が異なる。同様に導電体16の凸部28の位置が異なる。このことによっても、第2の実施の形態の実施例2と同様な効果が得られる。
【0071】
図22(a)は、第2の実施の形態の実施例2及び変形例1乃至6に係る固体撮像装置1について、凸部28のゲートの周辺長に対する白傷の発生した画素5の個数である。これより、凸部28のゲートの周辺長が小さいほど白傷は発生しにくいことがわかる。なお、凸部28のゲートの周辺長をゼロに設定すると固体撮像装置1は動作しない。
【0072】
図22(b)も、第2の実施の形態の実施例2及び変形例1乃至6に係る固体撮像装置1について、凸部28のゲート面積に対する白傷の発生した画素5の個数である。これより、凸部28のゲート面積が小さいほど白傷は発生しにくいことがわかる。なお、凸部28のゲート面積をゼロに設定すると固体撮像装置1は動作しない。以上の結果から、白傷の発生しにくい凸部28の形状は、ゲートの周辺長が小さく、ゲート面積が小さい形状であることがわかった。すなわち、凸部28の形状は、図20(b)(c)に示すような半円形が望ましい。
【0073】
(第2の実施の形態の実施例3)
第2の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置1の画素5の構造は、図23(a)乃至(c)に示す。図23(b)は、図23(a)のI−I方向の断面図である。図23(c)は、図23(a)のII−II方向の断面図である。第2の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置1の画素5は、第1半導体領域13と38の構造において、第2の実施の形態の実施例2と異なっている。このことによって、信号電子のチャネル39への注入は同様に容易にでき、さらに、暗電流を低減することができる。
【0074】
第2の実施の形態の実施例3の画素5は、ゲート電極16の下方に信号蓄積部13、38の一部を成す凸部38を有する。凸部38を設けることで、信号蓄積部13の深さをより基板11の深くにできる。従って、信号蓄積部13から伸びる空乏層位置を、より基板11の深くに形成できる。このことは、図23(d)に示すように、pn接合の位置を深さd1から深さd2にふかくできることからも明らかである。ゲート加工工程のDry工程のダメージに起因する発生電荷が、信号蓄積領域13の空乏層に取り込まれにくくなるため、雑音発生が抑えられる。一方、凸部38の周辺では、第2の実施の形態の実施例2と同じ電位分布を有するので、同様の低いゲート電圧で信号電子の読み出しができる。
【0075】
(第3の実施の形態)
CMOSセンサーを含む固体撮像装置1においては、光電変換を行うフォトダイオードPDを構成するn型拡散層の第1半導体領域13及びp型拡散層の第3半導体領域18を有する。領域13と18は、図24に示すように、フォトダイオードPDに隣接する読出しMOSトランジスタFET1のゲート電極16に対して自己整合的なイオン注入46により形成される。これらの拡散層13、18のシリコン基板11の表面からの深さは、通常のCMOS素子のソース/ドレイン(S/D)拡散層よりはるかに深い位置に形成される。ところがCMOSセンサーのように標準CMOS製造プロセスに準拠してCMOSセンサーを製造する場合には、CMOSセンサーの微細化と共にCMOSセンサーのゲート電極の厚さが薄くなる。このことにより、読み出しゲート電極16の厚さも薄くする。拡散層13、18を、薄くなった読出しゲート電極16に自己整合的に形成しようとすると、イオン注入46の際にゲート電極16を突き抜けてイオン種が読み出しゲート16のチャネル部分45にまで侵入してしまう。読出しトランジスタFET1の閾値が変化してしまう。
【0076】
第3の実施の形態に係る固体撮像装置1が有する画素5は、図25(a)(b)に示すように、ゲート電極16の厚さが薄くても、第1半導体領域13を深く、かつ、ゲート電極16に対して自己整合的に設けることができる。また、第4半導体領域14は、浅く、かつ、ゲート電極16に対して自己整合的に設けることができる。図25(b)は、図25(a)のI−I方向の断面図である。
【0077】
従来は、ゲート電極の厚さを、厚く300〜400nmにしても、第1半導体領域13の深さは、高々200〜300nmであった。第3の実施の形態では、ゲート電極の厚さを、薄く200〜300nmにしても、第1半導体領域13の深さは、400〜700nmであった。なお、この第1半導体領域13の深さは、イオン注入の際に使用するレジストの性能に左右され、ゲート電極16の厚さに左右されない。レジストの形成条件によってはより深くすることができる。
【0078】
第3の実施の形態の固体撮像装置1の製造方法を説明する。第3の実施の形態では、読出しゲート電極16のパターン形成を二回のパターンエッチングで行う。1回目のパターンエッチングでは、ゲート電極16のパターンと、フォトダイオードPDのパターンとを合わせたパターンを用いる。2回目のパターンエッチングのパターンをフォトダイオードPDのパターンにする。2回目のパターンエッチングを行う。フォトレジストを剥離せずに、フォトレジストをマスクに、イオン注入を行う。このイオン注入により、フォトダイオードPDを構成するn型拡散層13またはp型拡散層18を形成する。
【0079】
すなわち、図26(a)(b)に示すように、基板11上にゲート絶縁膜15を形成する。図26(b)は、図26(a)のI−I方向の断面図である。ゲート絶縁膜15の上に、ゲート電極16となる多結晶シリコン膜47を堆積する。多結晶シリコン膜47の上に、フォトレジストのパターン48、49、50を形成する。パターン48は、フォトダイオードPDのパターンである。パターン49、50は、ゲート電極16、19乃至21のパターンである。パターン48と49は一体化している。次に、1回目のパターンエッチングを行う。多結晶シリコン膜47をエッチングする。1回目のパターンエッチングにより、多結晶シリコン膜の一体化したパターン47、16とゲート電極19乃至21が形成される。レジスト49を剥離する。
【0080】
図27(a)(b)に示すように、パターン47、16とゲート電極19乃至21をマスクにイオン注入を行い、第4半導体領域14と第6半導体領域29を形成する。多結晶シリコンのパターン16とゲート電極19乃至21と基板11上にレジスト膜52を形成する。レジスト膜52によって、パターン47の上にパターン47に重なる開口51が形成される。開口51のパターンはフォトダイオードPDのパターンとおなじである。図27(b)(c)は、図27(a)のI−I方向の断面図である。
【0081】
図27(c)に示すように、2回目のパターンエッチングを行う。多結晶シリコン膜47をエッチングする。2回目のパターンエッチングにより、ゲート電極16が形成される。レジスト膜52をマスクにイオン注入53を行う。第1半導体領域13と第3半導体領域18を形成する。レジスト膜52を剥離する。ゲート電極16、18乃至21の露出した多結晶シリコン表面を酸化する。
【0082】
第3の実施の形態の製造方法によれば、2回目のパターンエッチングに使用したレジスト膜52を残し、このレジスト膜52をマスクとしてフォトダイオードPDのイオン注入をする。レジスト膜52をマスクとするので、通常よりも深い位置にイオン注入を行っても、イオンがゲート電極16を突き抜けてシリコン基板11に到達することはない。
【0083】
(第4の実施の形態)
固体撮像装置においては、光感度の向上を目的として、反射防止膜を形成する。固体撮像装置として、CMOSセンサーは、最近、低消費電力、単一電源駆動で注目されている。CMOSセンサーは、照射光の開口を規定する金属膜の高さが高いため、金属膜で照射光を規定しても、照射光がフォトダイオードPDに到達するまでに、光路が広がりやすい。このことにより、光感度が上がりにくい。CMOSセンサーは、ポリシリコンなどによる配線で信号電荷を転送するため、この配線の上方に開口を規定する金属膜構造が形成されることになる。そして、開口を規定する金属膜は高い位置に配置されることになる。
【0084】
第4の実施の形態では、照射光をフォトダイオードPDへ集光させる手段を具備する増幅型固体撮像装置について説明する。そして、光感度を向上させた固体撮像装置を提供する。
【0085】
(第4の実施の形態の実施例1)
第4の実施の形態に係る固体撮像装置1は、図28(a)乃至(d)に示すように、画素CB、CR、CGを有している。図28(b)は、図28(a)のI−I方向の断面図である。図28(c)は、図28(a)のII−II方向の断面図である。図28(d)は、図28(a)のIII−III方向の断面図である。画素CB、CR、CGは、図1の画素アレー2を構成する。画素CB、CR、CGは、第1導電型の半導体基板11を有する。絶縁体12の下面が基板11の表面11より下に設けられる。絶縁体12の側面が基板11に接する。第2導電型の第1半導体領域13は、11基板の表面から離れて、基板11の内部に設けられる。第1半導体領域13の側面が基板11を介して絶縁体12の側面に対向する。シリコン酸化膜52乃至54は、基板11の上で第1半導体領域13の上方に設けられる。シリコン窒化膜55乃至57(反射防止膜:Si3N4)は、シリコン酸化膜52乃至54の上に設けられる。第1半導体領域13の上方におけるシリコン窒化膜55乃至57の膜厚とシリコン酸化膜52乃至54の膜厚の合計が600Åより厚い。シリコン窒化膜55乃至57は、シリコン酸化膜52乃至54と屈折率が異なる。
【0086】
画素CBは、図28(b)に示すように、第1半導体領域13の上方におけるシリコン窒化膜55の膜厚T2Bとシリコン酸化膜52の膜厚T1Bの合計が600Åより厚い。
【0087】
画素CRは、図28(c)に示すように、第1半導体領域13の上方におけるシリコン窒化膜56の膜厚T2Rとシリコン酸化膜53の膜厚T1Rの合計が700Åより厚い。
【0088】
画素CGは、図28(d)に示すように、第1半導体領域13の上方におけるシリコン窒化膜57の膜厚T2Gとシリコン酸化膜54の膜厚T1Gの合計が650Åより厚い。
【0089】
シリコン基板11上にゲート電極16、19乃至21が設けられる。フォトダイオードPDの信号蓄積部となる第1半導体領域は、レジストを用いたパターニングと、リン(P)イオンを加速器などで打ち込むことにより形成される。
【0090】
フォトダイオードPDを保護するために、シリコン酸化膜52乃至54を、膜厚100〜200Å程度堆積する。好ましい膜厚は150〜200Å程度である。このことにより、シリコン窒化膜55乃至57の積層構造において、光感度を向上させることができる。シリコン酸化膜52乃至54の堆積は、化学気相成長(CVD)法などで行う。反射防止膜として、例えば、シリコン窒化膜(Si3N4)膜55乃至57を、膜厚400〜700Å程度CVD方で堆積する。そして、フォトダイオードPDの領域よりも例えば、0.2μm幅広い領域にレジストが残るようにパターニングする。ケミカルドライエッチング(CDE:Chemical Dry Etching)法などで、露出したシリコン窒化膜55乃至57を除去し、所望の反射防止膜パターンを形成する。このとき、フォトダイオードPD上の酸化膜厚、および反射防止膜の膜厚の合計として、600Å以上にすることが好ましい。この理由は、反射防止膜55乃至57の膜厚は、緑(G)光の波長550nmに対して最適膜厚500〜600Å程度であること、及び、フォトダイオードPD上の酸化膜52乃至54の膜厚が100Å以上必要なためである。このPD上の酸化膜厚52乃至54が100Å以上必要である理由は、CDEで反射防止膜55乃至57をパターニングする際、反射防止膜55乃至57とフォトダイオードPD上の酸化膜52乃至54とのエッチング選択比が十分に(1桁以上)確保できない条件で加工しても酸化膜52乃至54の下へのダメージを防ぐことができるためである。
【0091】
また、この反射防止膜55乃至57を形成する際には、画素CB、CR、CG毎に反射防止膜55乃至57の膜厚を変えて、各RGB画素CB、CR、CGにおいて感度がもっとも高くなる反射防止膜厚T2B、T2R、T2Gになるようにすることも可能である。形成方法としては、シリコン窒化膜を膜厚400〜500Å程度、好ましくは450Å程度堆積する。そして、青色(B)画素CBについて、窒化シリコン膜のパターニングを、CDE法により行う。再び、シリコン窒化膜を膜厚500〜600Å程度、好ましくは550Å程度堆積する。そして、緑色(G)画素CGについて、窒化シリコン膜のパターニングを、CDE法により行う。さらに、シリコン窒化膜を膜厚600〜700Å程度、好ましくは650Å程度堆積する。そして、赤色(R)画素CRについて、窒化シリコン膜のパターニングを、CDE法により行う。これらのことによりRGBそれぞれの画素について、反射防止膜55乃至57の膜厚を変えて形成することができる。反射防止膜55乃至57を形成することで、RGBの光感度を向上することができるので、各画素CB、CR、CGにおいて他の色の光がフォトダイオードPDへ照射されなくなるので、混色を低減することもできる。
【0092】
(第4の実施の形態の実施例2)
第4の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置1の画素5は、図29(a)乃至(d)に示すように、第4の実施の形態の実施例1の図28(a)乃至(d)と同様な構造を有するだけでなく、さらに、シリコン窒化膜58乃至60の幅は、絶縁体12の側面の間隔より狭い。そして、シリコン窒化膜58乃至60の幅は、第1半導体領域13の幅より広い。反射防止膜58乃至60を形成する領域を第1半導体領域13の端よりも広く、素子分離領域12の端よりも狭くする。
【0093】
第4の実施の形態の実施例2では、第4の実施の形態の実施例1と同様にフォトダイオードPDまでを形成する。この後、シリコン酸化膜52乃至54とシリコン窒化膜55乃至57を、図30(a)乃至(c)に示すように、第4の実施の形態の実施例1と同様に形成する。シリコン窒化膜55乃至57の上に、レジストパターン61乃至63を形成する。図30(d)乃至(f)に示すように、シリコン窒化膜55乃至57を、フォトダイオードPD(第1半導体領域13)よりも片側で幅およそ0.1μm以上広い領域になるようにパターンエッチングする。反射防止膜58乃至60が形成される。フォトダイオードPDよりも広い領域に反射防止膜58乃至60を形成する理由は、CDE法による加工の際にサイドエッチングが入るためである。このため、反射防止膜58乃至60をパターニングで残す際には、膜厚T2B、T2R、T2Gに対して、2倍以上の幅を設けることが必要である。この幅により、CDE法によるサイドエッチングだけでなく、空乏層の広がりと光の屈折を加味した広範囲の照射光の入射が可能になる。また、この幅によりパターニングにおける合わせずれが発生しにくい。
【0094】
また、反射防止膜58乃至60が、フォトダイオードPDよりも広い領域に形成する上限については、最大でも素子分離領域12の境界までとすることが好ましい。この理由は、素子分離領域(LOCOS)の形成の際に、素子分離領域12の端に応力が発生しやすい。この素子分離領域12の端の応力とシリコン窒化膜58乃至60の応力で基板11内に結晶欠陥が生じるのを防ぐためである。
【0095】
(第4の実施の形態の実施例3)
第4の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置1は、図31(a)に示すように、画素C1、C2を有している。図31(b)は、図31(a)のI−I方向の断面図である。画素C1、C2は、図1の画素アレー2を構成する。画素アレー2は、第1導電型の半導体基板11を有する。絶縁体12の下面が、基板11の表面より下に設けられる。絶縁体12の側面が、基板11に接する。第2導電型の第1半導体領域13は、基板11の表面から離れて、基板11の内部に設けられる。第1半導体領域13の側面が、基板11を介して絶縁体12の側面に対向する。酸化シリコン領域66は、第1半導体領域13の上方に設けられる。酸化シリコン領域66は、第1半導体領域13の上方に凹面を有する。窒化シリコン領域67は、第1半導体領域13の上方に設けられる。窒化シリコン領域67は、第1半導体領域13の上方に酸化シリコン領域66の凹面に一致する凸面を有する。導電体65、64は、酸化シリコン領域66と窒化シリコン領域67の側方に設けられる。導電体65、64は、アルミニウム合金等の金属膜である。窒化シリコン領域67は、層間膜となる酸化シリコン領域66、30と異なる屈折率を有する。このことにより、窒化シリコン領域67に凸レンズ効果を持たせることができる。 導電体65、64により、導電体65と64の間が照射光の開口と規定される。この開口とほぼ同じ高さに凸レンズ効果を有する窒化シリコン領域67が形成される。
【0096】
第4の実施の形態の実施例3では、照射光の開口を規定する金属膜とフォトダイオードPDの間に集光を目的として層間膜材料30、66と屈折率の異なる材料67により凸レンズを形成する。すなわち、ゲート電極16、19乃至21、フォトダイオードPDを形成する。減圧(LP)−CVD法などにより層間絶縁膜30を4000Å程度堆積する。次に、導電体65、66を、スパッタリング法で堆積し、RIE法でパターンエッチングして形成する。いわゆる埋め込み性のあるシリコン酸化膜66を1000Å程度堆積する。CVD法などでシリコン窒化膜67を例えば15000Å堆積する。この後、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)法やレジストエッチバック法などで、シリコン窒化膜67表面を平坦化する。このことで、フォトダイオードPD上には、シリコン窒化膜67の膜厚が厚く、導電体64等の上などでは、薄くなるため、下に凸の凸レンズを形成することができる。
【0097】
(第4の実施の形態の実施例4)
第4の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置1は、図32(a)に示すように、画素C1、C2を有している。図32(b)は、図32(a)のI−I方向の断面図である。第4の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置1は、図32(b)に示すように、第4の実施の形態の実施例3の図31(b)と同様な構造を有する。しかし、一部異なる構造を有している。すなわち、酸化シリコン領域69は、第1半導体領域13の上方に設けられる。酸化シリコン領域69は、第1半導体領域13の上方に凹面を有する。窒化シリコン領域68は、第1半導体領域13の上方に設けられる。窒化シリコン領域68は、第1半導体領域13の上方に酸化シリコン領域69の凹面に一致する凸面を有する。導電体65、64は、酸化シリコン領域69と窒化シリコン領域68の側方に設けられる。このことにより、窒化シリコン領域68に凸レンズ効果を持たせることができる。導電体65、64により、導電体65と64の間が照射光の開口と規定される。この開口とほぼ同じ高さに凸レンズ効果を有する窒化シリコン領域68が形成される。
【0098】
第4の実施の形態の実施例4では、開口を規定する導電体64,65とほぼ同じ高さかあるいは、それよりも低い高さに層内レンズを形成する。第4の実施の形態の実施例4の形成方法は、第4の実施の形態の実施例3と同様に、ゲート電極16等、フォトダイオードPD、さらには、必要に応じて反射防止膜を形成する。シリコン酸化膜などの層間膜30をたとえばLP−CVD法などにより堆積する。層間膜30をCMP法や、レジストエッチバック(EB)法などにより平坦化する。開口を規定する導電体64、65として、たとえば金属膜のアルミニウム(Al)などをスパッタリング法などにより、たとえば膜厚4000Å程度堆積する。レジスト塗布、レジストパターニング、RIE法などによる金属膜のパターニングを行う。所望の領域の金属膜を除去し、開口領域を確保し、開口を規定する導電体64、65を形成する。このとき、導電体64、65の厚さ分だけ表面上には段差が生じている。ここで、たとえば、LP−CVD法などでシリコン窒化膜68を導電体64、65の段差よりも少ない膜厚に相当する分、たとえば、2000Å程度堆積する。この結果、導電体64、65上では2000Åの厚さでシリコン窒化膜68が堆積する。しかしながら、導電体64、65の開口部では、シリコン窒化膜68の膜堆積時におけるシャドーウィングなどにより、導電体64、65の開口の端部では、ほとんどシリコン窒化膜68が堆積しないか、膜厚が薄くなる。また、導電体64、65の開口の中央部近傍では、ほぼ2000Å程度の膜厚になる。この結果、導電体64、65の開口部で、シリコン窒化膜68の凸レンズを形成することができる。こののち、LP−CVD法などにより、シリコン酸化膜69を堆積し、CMP法やレジストEB法による平坦化を行う。
【0099】
(第4の実施の形態の実施例5)
第4の実施の形態の実施例5に係る固体撮像装置1は、図33(a)に示すように、画素C1、C2を有している。図33(b)は、図33(a)のI−I方向の断面図である。第4の実施の形態の実施例5に係る固体撮像装置1は、図33(b)に示すように、第4の実施の形態の実施例4の図32(b)と同様な構造を有する。しかし、一部異なる構造を有している。すなわち、酸化シリコン領域71は、第1半導体領域13の上方に設けられる。酸化シリコン領域71は、第1半導体領域13の上方に凹面を有する。窒化シリコン領域70は、第1半導体領域13の上方に設けられる。窒化シリコン領域70は、第1半導体領域13の上方に酸化シリコン領域71の凹面に一致する凸面を有する。導電体16は、酸化シリコン領域71と窒化シリコン領域70の側方に設けられる。このことにより、窒化シリコン領域70に凸レンズ効果を持たせることができる。導電体65、64により、導電体65と64の間が照射光の開口と規定される。この開口より低いところに凸レンズ効果を有する窒化シリコン領域70が形成される。
【0100】
第4の実施の形態の実施例5では、開口を規定する導電体64,65よりも低い高さに層内レンズを形成する。第4の実施の形態の実施例5の形成方法は、第4の実施の形態の実施例3と同様に、ゲート電極16等、フォトダイオードPD、さらには、必要に応じて反射防止膜を形成する。このとき、ゲート電極16、絶縁体12により表面上には段差が生じている。ここで、シリコン窒化膜70を、2000Å程度堆積する。この結果、第4の実施の形態の実施例4と同様に、シリコン窒化膜70の凸レンズを形成することができる。こののち、LP−CVD法などにより、シリコン酸化膜71を堆積し、CMP法やレジストEB法による平坦化を行う。開口を規定する導電体64、65を膜厚4000Å程度堆積する。導電体64、65のパターニングを行い、開口を規定する導電体64、65を形成する。こののち、LP−CVD法などにより、シリコン酸化膜72を堆積し、CMP法やレジストEB法による平坦化を行う。
【0101】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、熱雑音と暗電流雑音の発生しにくく、再生画面のS/Nが劣化しにくい固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る固体撮像装置の上面図と、その固体撮像装置が有する画素の模式図である。
【図2】第1の実施の形態に係る固体撮像装置が有する画素の上面図である。
【図3】第1の実施の形態に係る固体撮像装置が有する画素の断面図と基本的な動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図4】第1の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の上面図である。
【図5】第1の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の断面図と基本的な動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図6】第1の実施の形態の実施例1の変形例1と変形例2に係る固体撮像装置が有する画素の断面図である。
【図7】第1の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置が有する画素の断面図と基本的な動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図8】第1の実施の形態の実施例2の変形例1と変形例2に係る固体撮像装置が有する画素の断面図である。
【図9】第1の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図10】第1の実施の形態の実施例3の変形例1と変形例2に係る固体撮像装置が有する画素の断面図である。
【図11】第1の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図12】第1の実施の形態の実施例4の変形例1と変形例2に係る固体撮像装置が有する画素の断面図である。
【図13】第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の上面図である。
【図14】第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図、断面図とエネルギー準位図である。
【図15】第2の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の製造方法を説明するための上面図と断面図である。
【図16】第2の実施の形態の実施例1の変形例に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な断面図である。
【図17】第2の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図と断面図である。
【図18】第2の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置が有する画素のエネルギー準位図である。
【図19】第2の実施の形態の実施例2の変形例1乃至3に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図である。
【図20】第2の実施の形態の実施例2の変形例4乃至6に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図である。
【図21】第2の実施の形態の実施例2の変形例7及び変形例8に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図である。
【図22】第2の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置において白傷が観察された画素の個数のゲート電極の凸部の形状依存性を表すグラフである。
【図23】第2の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置が有する画素の詳細な上面図、断面図と不純物濃度分布図である。
【図24】第3の実施の形態の比較例の固体撮像装置が有する画素の断面図である。
【図25】第3の実施の形態に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図26】第3の実施の形態に係る固体撮像装置が有する画素の製造方法を説明するための上面図と断面図(その1)である。
【図27】第3の実施の形態に係る固体撮像装置が有する画素の製造方法を説明するための上面図と断面図(その2)である。
【図28】第4の実施の形態の実施例1に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図29】第4の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図30】第4の実施の形態の実施例2に係る固体撮像装置が有する画素の製造方法を説明するための断面図である。
【図31】第4の実施の形態の実施例3に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図32】第4の実施の形態の実施例4に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【図33】第4の実施の形態の実施例5に係る固体撮像装置が有する画素の上面図と断面図である。
【符号の説明】
1 固体撮像装置
2 画素アレー
3 信号走査回路
4 信号読み出し回路
5 画素
11 p型半導体基板
12 素子分離領域
13 フォトダイオード(PD)の信号蓄積部
14 検出部(ディテクトノード、FET1のドレイン領域)
15 FET1のゲート絶縁膜
16 FET1のゲート電極
17 活性領域
18 チャネルストッパー兼暗電流抑制領域
19 FET4のゲート電極
20 FET3のゲート電極
21 FET2のゲート電極
22 n型半導体領域
23 コンダクションバンド
24 蓄積された信号電子
25 移動した信号電子
26 p型半導体領域
27 ゲート電極の際で発生し暗電流となる電子の分布
28 突起部(凸部)
29 パンチスルー防止領域
30 層間絶縁膜
31 電子
32 素子分離領域
33 チャネルストッパー領域
34 暗電流抑制領域
35 マイクロレンズ
36、37 電子の移動する方向
38 凸部
39 不純物領域
40 PDpの不純物濃度分布
41 PDn(13)の不純物濃度分布
42 PDn(13と38)の不純物濃度分布
43 PDn(38)の不純物濃度分布
44 レジスト
45 不純物拡散層
46、53 イオンビーム
47 ポリシリコン膜
48、49、50、52 レジスト
51 レジストの開口
52乃至54 シリコン酸化膜
55乃至60 シリコン窒化膜
61乃至63 レジスト
64、65 メタル配線
66、69、71、72 シリコン酸化膜
67、68、70 シリコン窒化膜
FET1 読み出しトランジスタ(転送トランジスタ)
FET2 リセットトランジスタ
FET3 増幅トランジスタ
FET4 行選択トランジスタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pixel structure of a solid-state imaging device, and more particularly to a photodiode included in a pixel and a peripheral structure thereof.
[0002]
[Prior art]
The solid-state imaging device has a pixel array that converts incident optical image information into an electrical signal. The pixel array is configured in units of pixels. The pixel has a photodiode for converting incident light into an electric signal and storing the electric signal for a certain period. The photodiode is formed on a p-type semiconductor substrate. The photodiode has an n-type semiconductor layer that is formed inside the substrate and stores photoelectrons that are electrical signals, and a p-type semiconductor layer provided on the surface of the substrate above the n-type semiconductor layer. The p-type semiconductor layer suppresses dark current generated on the substrate surface.
[0003]
In addition, the pixel has a transfer transistor that reads the stored electrical signal. This transfer transistor has a read gate and a signal detector.
[0004]
At the time of signal readout, a positive potential is applied to the readout gate, thereby increasing the potential of the channel below the readout gate. Therefore, the signal electrons accumulated in the photodiode flow out to the signal detector through this channel and are read out.
[0005]
However, in the structure of the conventional solid-state imaging device, thermal noise may occur. Therefore, there was a problem that the S / N of the playback screen deteriorated. In addition, there is a problem that dark current noise may occur despite the presence of the p-type semiconductor layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device in which thermal noise and dark current noise are unlikely to occur and the S / N of a reproduction screen is unlikely to deteriorate. There is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is characterized in that a first conductivity type semiconductor substrate,
A first semiconductor region of a second conductivity type provided inside the substrate apart from the surface of the substrate;
A second semiconductor region of a second conductivity type provided on the substrate including the surface of the substrate and provided apart above the first semiconductor region;
An insulating film provided on the second semiconductor region;
A conductor provided on the insulating film;
A first conductivity type provided on a substrate including a surface of the substrate, wherein a lower surface is in contact with an upper surface of the first semiconductor region, a side surface is in contact with a side surface of the second semiconductor region, and a distance from the conductor is equal to or greater than a film thickness of the insulating film. A third semiconductor region of
A solid-state imaging device including a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on a substrate including a surface of the substrate and having a side surface in contact with a side surface of the second semiconductor region and a distance from the conductor equal to a film thickness of the insulating film is there.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Of course, parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0009]
(First embodiment)
As shown in FIG. 1A, the solid-state imaging device according to the first embodiment sequentially reads out a pixel array 2 that converts incident optical image information into an electrical signal, and signals accumulated in the pixel array 2. A signal scanning circuit 3 for sending a control signal to the pixel array 2 and a signal reading circuit 4 for sequentially reading the signals read from the pixel array 3 out of the solid-state imaging device. The pixel array 2 has pixels 5 which are unit cells arranged in a two-dimensional array.
[0010]
As shown in FIG. 1B, the pixel 5 includes a photodiode PD for converting incident light into an electric signal and accumulating the electric signal for a certain period. Furthermore, the row selection transistor FET4 for selectively reading the electrical signal of the photodiode PD, the amplification transistor FET3 for amplifying the electrical signal, the reset transistor FET2 for resetting the electrical signal, and the electrical power of the photodiode PD. It comprises a transfer transistor FET1 for outputting a signal to a gate electrode serving as an input of the amplification transistor FET3 and reading out an electric signal. The photodiode PD has a signal storage unit 13 provided in the p-type semiconductor substrate 11. The transfer transistor FET1 has a read gate provided above the substrate 11.
[0011]
The structure of the pixel 5 is shown in more detail in FIGS. 2 and 3 (a). FIG. 3A is a cross-sectional view in the II direction of FIG. The pixel 5 has a first conductivity type semiconductor substrate 11 or a first conductivity type well provided on the substrate 11. The first conductivity type first semiconductor region 13 is provided in the substrate 11 away from the surface of the substrate 11. The first conductivity type may be p-type or n-type. When the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. When the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. The insulating film 15 is provided on the substrate 11. The conductor 16 is provided on the insulating film 15. The third semiconductor region 18 of the first conductivity type is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The lower surface of the third semiconductor region 18 is in contact with the upper surface of the first semiconductor region 13. The distance between the third semiconductor region 18 and the conductor 16 is equal to the film thickness of the insulating film 15. The second conductive type fourth semiconductor region 14 is provided in the substrate 11 including the surface of the substrate 11, and the distance from the conductor 16 is equal to the film thickness of the insulating film 15. The insulator 12 has a lower surface provided below the surface of the substrate 11, and a side surface and a lower surface are in contact with the third semiconductor region 18. A p-type well (p-well) 11 is provided on the substrate 11. The first semiconductor region 13 is an n-type semiconductor layer that accumulates photoelectrons. The third semiconductor region 18 is a p-type semiconductor layer provided on the surface of the photodiode PD. The fourth semiconductor region 14 is an n-type semiconductor layer that detects signal electrons read from the photodiode PD. The third semiconductor region suppresses dark current generated on the surface of the substrate 11. The conductor 16 is a gate electrode of the FET 1. The conductor 21 is a gate electrode of the FET 2. The conductor 20 is a gate electrode of the FET 3. The conductor 19 is a gate electrode of the FET 4. The surface of the substrate 11 without the insulator 12 is an active region 17.
[0012]
FIG. 3B is a potential distribution diagram during electrical signal accumulation between I and I in FIG. FIG. 3C is a potential distribution diagram when reading an electric signal. At the time of electrical signal accumulation, as shown in FIG. 3B, a reference potential is applied to the read gate 16, and the potential of the channel below the read gate 16 is low. For this reason, the signal electrons 24 are accumulated in the first semiconductor region 13 of the photodiode PD without leaking. At the time of signal readout, as shown in FIG. 3C, a positive potential is applied to the readout gate 16, thereby increasing the potential of the channel below the readout gate 16. Therefore, the signal electrons 24 accumulated in the first semiconductor region 13 of the photodiode PD flow out to the fourth semiconductor region 14 which is a signal detection unit through the channel of the read gate 16, and an electric signal is read out.
[0013]
However, in the structure of the pixel 5 in FIG. 3A, thermal noise and dark current noise may occur.
[0014]
The third semiconductor region 18 is connected to the reference voltage and fixed at the reference potential. For this reason, it is difficult to raise the potential of the photodiode PD threshold channel of the read gate 16 when the read gate 16 is in the ON state. Further, as the pixel 5 is further miniaturized, the power supply voltage is lowered accordingly, so that the voltage applied to the read gate is lowered. This also makes it difficult to sufficiently raise the channel potential when the read gate is in the on state. Since the channel potential cannot be raised sufficiently during reading, electrons 24 remain in the photodiode PD. Residual electrons 24 are considered to cause thermal noise. Then, it is considered that the S / N ratio of the reproduction screen is deteriorated due to the thermal noise. This indicates that it becomes difficult to achieve both low dark current and low thermal noise as the pixels become finer.
[0015]
The read gate 16 is made of polycrystalline silicon or a silicide material. As a result, local stress is generated at the end of the read gate 16. This stress may induce carrier generation levels that are sources of dark current on the surface of the silicon substrate 11. Electrons generated from the carrier generation level flow into the first semiconductor region 13 which is a signal storage portion during the signal storage period. It is considered that dark current noise is generated by the inflow of electrons.
[0016]
(Example 1 of the first embodiment)
The structure of the pixel 5 according to Example 1 of the first embodiment is shown in FIG. 4 and FIG. Fig.5 (a) is sectional drawing of the II direction of FIG. The pixel 5 has a first conductivity type semiconductor substrate 11. The first conductivity type first semiconductor region 13 is provided in the substrate 11 away from the surface of the substrate 11. The second semiconductor region 22 of the second conductivity type is provided in the substrate 11 including the surface of the substrate 11, and is provided above the first semiconductor region 13. The insulating film 15 is provided on the second semiconductor region 22. The conductor 16 is provided on the insulating film 15. The third semiconductor region 18 of the first conductivity type is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The lower surface of the third semiconductor region 18 is in contact with the upper surface of the first semiconductor region 13, and the side surface of the third semiconductor region 18 is in contact with the side surface of the second semiconductor region 22. The distance between the third semiconductor region 18 and the conductor 16 is larger than the film thickness of the insulating film 15. The second conductivity type fourth semiconductor region 14 is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The side surface of the fourth semiconductor region 14 is in contact with the side surface of the second semiconductor region 22. The distance between the fourth semiconductor region 14 and the conductor 16 is equal to the film thickness of the insulating film 15. The lower surface of the insulator 12 is provided below the surface of the substrate 11. The side surface and the lower surface of the insulator 12 are in contact with the third semiconductor region 18. The first semiconductor region 13 is a signal storage portion of the photodiode PD that stores signal charges obtained by photoelectric conversion. The conductor 16 is a gate electrode of the field effect transistor FET1 that discharges signal charges from the signal storage unit. The second semiconductor region 22 is a channel region of the transistor FET1. The fourth semiconductor region 14 is a drain region of the FET 1 and is a signal detection unit that detects signal charges.
[0017]
The second semiconductor region 22 is an n-type diffusion layer provided in the channel region of the read gate 16. Further, the third semiconductor region 18 and the read gate 16 are offset by the offset distance X. The reason why the offset is provided is as follows. A local stress is generated at the end portion of the read gate 16 made of polycrystalline silicon or silicide material. This stress easily induces a carrier generation level that becomes a dark current generation source at the interface of the silicon substrate 11. The second semiconductor region 22 provided under the read gate 16 extends from the read gate 16 toward the third semiconductor region 18 by a distance X. Dark current electrons generated from the generation level do not flow into the signal storage layer 13 of the photodiode PD during the signal storage period. Dark current electrons flow out to the signal detector 14 through the second semiconductor region. For this reason, no noise is generated on the playback screen.
[0018]
FIG. 5B is a potential distribution diagram during electrical signal accumulation between I and I in FIG. FIG. 5C is a potential distribution diagram when reading an electric signal. At the time of electrical signal accumulation, as shown in FIG. 5B, signal electrons are stored in the storage layer 13 with the potential of the region of the p-type semiconductor substrate 11 sandwiched between the storage layer 13 and the read channel 22 as a barrier. .
[0019]
At the time of signal readout, as shown in FIG. 5C, a positive potential is applied to the readout gate 16, thereby increasing the potential of the channel 22 below the readout gate 16. The potential of the region of the p-type semiconductor substrate 11 sandwiched between the region 13 and the region 22 increases accordingly, and all signal electrons in the signal storage unit 13 are read out to the signal detection unit 14. Accordingly, there are no residual electrons, and noise such as thermal noise and afterimage does not occur.
[0020]
As described above, the signal storage unit 13 and the readout channel 22 of the same conductivity type are formed under the readout gate 16 so as to overlap in the depth direction so as to sandwich the region of the substrate 11 of a different conductivity type. . This makes it possible to easily modulate the potential of the substrate 11 sandwiched between the regions 13 and 22 when the read gate 16 is in the ON state. Signals can be read at a lower read voltage than in the past. For this reason, even if the pixels are miniaturized and the power supply voltage is lowered, there is no occurrence of noise such as thermal noise and afterimage as in the prior art. A clear image with little noise can be obtained on the playback screen. In addition, since the channel 22 of the read gate 16 extends to a position away from the read gate electrode 16 by a predetermined distance X, dark current generated at the gate 16 gate flows into the signal storage unit 13 during the signal storage period. There is no. Therefore, dark current noise is greatly suppressed, and a clear image with little noise can be obtained on the reproduction screen.
[0021]
(Modification 1 of Example 1 of the first embodiment)
As shown in FIG. 6A, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the first modification of the first embodiment of the first embodiment has a structure similar to that in FIG. Further, the depth from the surface of the substrate 11 to the upper surface of the first semiconductor region 13 is deeper than the depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the insulator 12. The depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the third semiconductor region 18 in contact with the upper surface of the first semiconductor region 13 is deeper than the depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the insulator 12. The formation depth of the third semiconductor region 18 which is a p-type semiconductor layer on the surface of the photodiode PD is formed so as to cover the lower end of the insulator 12 of the silicon oxide (SiO2) layer which is an element isolation region. This can more reliably prevent dark current generated on the surface of the substrate 11 from being injected into the first semiconductor region 13.
[0022]
Further, the thickness of the second semiconductor region 22 is also increased. By increasing the thickness, the distance between the lower surface of the second semiconductor region 22 and the upper surface of the first semiconductor region 13 is made equal in FIGS. 5 (a) and 6 (a). This eliminates the need to increase the modulation potential applied to the gate 16.
[0023]
(Modification 2 of Example 1 of the first embodiment)
As shown in FIG. 6B, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 2 of Example 1 of the first embodiment has a structure similar to that shown in FIGS. In addition, a first semiconductor region 13 is provided below the insulator 12. A first semiconductor region 13 of an n-type semiconductor layer that is a signal storage layer is formed below the insulator 12 in the element isolation region. As a result, the light receiving area of the photodiode PD can be increased, and the sensitivity of the photodiode PD is improved.
[0024]
(Example 2 of the first embodiment)
As shown in FIG. 7A, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 2 of the first embodiment not only has the same structure as that in FIG. A conductive fifth semiconductor region 26 is provided above the first semiconductor region 13 and below the second semiconductor region 22. A fifth semiconductor region 26 of a p-type semiconductor layer is provided in a region above the first semiconductor region 13 of the signal storage region under the second semiconductor region 22 of the n-type semiconductor layer serving as a channel of the read gate 16. . The impurity concentration of the substrate 11 is 10 15 -10 16 cm -3 Degree. The impurity concentration of the first semiconductor region 13 is 10 16 -10 17 cm -3 Degree. The impurity concentration of the first semiconductor region 13 is 10 16 -10 17 cm -3 Degree. The impurity concentration of the second semiconductor region 22 is 10 16 -10 17 cm -3 Degree. The impurity concentration of the third semiconductor region 18 is 10 18 -10 19 cm -3 Degree. The impurity concentration of the fourth semiconductor region 14 is 10 19 -10 20 cm -3 Degree. The impurity concentration of the fifth semiconductor region 26 is 10 16 -10 17 cm -3 Degree.
[0025]
With such a structure, the potential barrier between the signal storage region 13 and the read channel 22 is increased, and the number of electrons stored in the signal storage region 13 can be increased. FIG. 7B is a potential distribution diagram of a path between I and I in FIG. FIG. 7C is a potential distribution diagram of a path between II and II in FIG. As shown in FIG. 7B, the dark current 27 generated at the edge of the read gate 16 is discharged to the signal detector 14 through the read channel 22. As shown in FIG. 7C, the dark current 27 generated at the gate of the gate 16 during the signal accumulation period has a potential of the fifth semiconductor region 26 of the p-type semiconductor layer sandwiched between the signal accumulation region 13 and the channel 22. It becomes a potential barrier against the signal electrons and does not flow into the signal storage region 13.
[0026]
(Modification 1 of Example 2 of the first embodiment)
As shown in FIG. 8A, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the first modification of the second example of the first embodiment has a structure similar to that in FIG. Further, the depth from the surface of the substrate 11 to the upper surface of the first semiconductor region 13 is deeper than the depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the insulator 12. This can more reliably prevent dark current generated on the surface of the substrate 11 from being injected into the first semiconductor region 13.
[0027]
(Modification 2 of Example 2 of the first embodiment)
As shown in FIG. 8B, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the second modification of the second embodiment of the first embodiment has the same structure as that of FIGS. 7A and 8A. In addition, a first semiconductor region 13 is provided below the insulator 12. As a result, the light receiving area of the photodiode PD can be increased.
[0028]
(Example 3 of the first embodiment)
The structure of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 3 of the first embodiment is shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). FIG. 9B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 3 of the first embodiment is different from the first example in that the distance between the third semiconductor region 18 and the conductor 16 is equal to the film thickness of the insulating film 15. This is different from the first embodiment. The third semiconductor region 18 that is a p-type semiconductor layer is formed in a self-aligned manner with no offset with respect to the read gate 16. Also by this, the dark current generated at the gate of the gate 16 is injected into the signal detector 14 due to the potential distribution gradient of the p-type semiconductor region of the third semiconductor region 18 as shown in FIG. 7B. .
[0029]
(Modification 1 of Example 3 of the first embodiment)
As shown in FIG. 10A, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 1 of Example 3 of the first embodiment not only has a structure similar to that in FIG. Further, the depth from the surface of the substrate 11 to the upper surface of the first semiconductor region 13 is deeper than the depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the insulator 12. This can more reliably prevent dark current generated on the surface of the substrate 11 from being injected into the first semiconductor region 13.
[0030]
(Modification 2 of Example 3 of the first embodiment)
As shown in FIG. 10B, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 2 of Example 3 of the first embodiment has the same structure as that of FIGS. 9B and 10A. In addition, a first semiconductor region 13 is provided below the insulator 12. As a result, the light receiving area of the photodiode PD can be increased.
[0031]
(Example 4 of the first embodiment)
The structure of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 4 of the first embodiment is shown in FIG. 11A and FIG. FIG.11 (b) is sectional drawing of the II direction of Fig.11 (a). In the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 4 of the first embodiment, the offset distance Y of the offset of the first semiconductor region 13 with respect to the third semiconductor region 18 is shorter than the offset distance X. This is different from Example 1 of the embodiment. Also by this, it is considered that signal electrons can be easily injected into the channel 22.
[0032]
(Modification 1 of Example 4 of the first embodiment)
As shown in FIG. 12A, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 1 of Example 4 of the first embodiment not only has a structure similar to that in FIG. Further, the depth from the surface of the substrate 11 to the upper surface of the first semiconductor region 13 is deeper than the depth from the surface of the substrate 11 to the lower surface of the insulator 12. This can more reliably prevent dark current generated on the surface of the substrate 11 from being injected into the first semiconductor region 13.
[0033]
(Modification 2 of Example 4 of the first embodiment)
As shown in FIG. 12B, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the second modification of the fourth example of the first embodiment has the same structure as that of FIGS. 11B and 12A. In addition, a first semiconductor region 13 is provided below the insulator 12. As a result, the light receiving area of the photodiode PD can be increased.
[0034]
(Second Embodiment)
The solid-state imaging device 1 has been increased in number of pixels, the imaging system has been downsized, and the imaging module has been downsized. There is an increasing demand for downsizing the size of the pixels 5. In the future, in order to perform photoelectric conversion effectively in a pixel whose area is further reduced, it is required that a structure that blocks or reflects light is not present in the light incident path as much as possible. Furthermore, in order to improve the signal / noise (S / N) ratio, it is necessary to minimize the number of electrons generated in the silicon (Si) substrate 11 even when no incident light is present. Since the generation of electrons varies with time, it becomes a noise component that causes unevenness in the image. Furthermore, there is a demand for reduction of afterimages at a low voltage.
[0035]
In the first embodiment, the gate length is constant in the shape of the gate 16 of the transfer transistor FET1 that controls the transfer of signal charges. As a result, light is also applied to portions that do not necessarily contribute to the accumulation and transfer of signal charges.
[0036]
In the second embodiment, the S / N ratio is improved, complete transfer is possible at a low voltage, and the light incident path is expanded. In order to transfer and store charges at a low voltage, an appropriate gate length is required. That is, paying attention to the potential distribution of the charge accumulating portion 13, only the portion of the gate 16 necessary for charge accumulation / transfer is provided with a protruding convex portion. The gate length of other portions of the gate 16 is made as short as possible. By these things, a light incident path can be expanded.
[0037]
(Example 1 of the second embodiment)
The structure of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 1 of the second embodiment is shown in FIGS. 13 and 14A to 14D. FIG. 14B is a cross-sectional view in the II direction of FIGS. 13 and 14A. FIG.14 (c) is sectional drawing of the II-II direction of FIG. 13 and FIG. 14 (a). FIG.14 (d) is sectional drawing of the III-III direction of Fig.14 (a). The pixel 5 has a first conductivity type semiconductor substrate 11. The first conductivity type first semiconductor region 13 is provided in the substrate 11 away from the surface of the substrate 11. The insulating film 15 is provided on the surface of the substrate 11. The conductor 16 is provided on the insulating film 15. A convex portion 28 of the conductor 16 is provided above the first semiconductor region 13. The third semiconductor region 18 of the first conductivity type is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The third semiconductor region 18 is provided above the first semiconductor region 13. The third semiconductor region 18 is in contact with the side surface of the first semiconductor region 13. The third semiconductor region 18 is provided below the conductor 16. The second conductivity type fourth semiconductor region 14 is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The distance between the fourth semiconductor region 14 and the conductor 16 is equal to the film thickness of the insulating film 15. The sixth semiconductor region 29 is provided below the fourth semiconductor region 14. The sixth semiconductor region 29 prevents punch-through. The second conductivity type second semiconductor region 39 is provided on the substrate 11 including the surface of the substrate 11. The second semiconductor region 39 is provided below the conductor 16, and in particular, below the convex portion 28 of the conductor 16. The second semiconductor region 39 contacts the side surface of the third semiconductor region 18 and also contacts the side surface of the fourth semiconductor region. The lower surface of the insulator 12 is provided below the surface of the substrate 11. Side surfaces and a lower surface of the insulator 12 are in contact with the third semiconductor region 18. The first semiconductor region 13 is a signal storage unit that stores the signal electrons 24 obtained by photoelectric conversion. The conductor 16 is a gate electrode of the field effect transistor FET1 that discharges signal electrons from the signal storage unit 13. The second semiconductor region 39 is a channel region of the transistor FET1. In the conductor 16 that is a gate electrode, the convex portion 28 has the maximum gate length. The convex part 28 is a protrusion. In the conductor 16 that is a gate electrode, the convex portion 28 of the conductor 16 is provided in the center of the section that defines the gate width. The third semiconductor region 18 is provided below the convex portion 28. Note that the side surface of the third semiconductor region 18 may be disposed below the side surface of the convex portion 28.
[0038]
FIG. 14E is a potential distribution diagram during electrical signal accumulation between IV and IV in FIG. In the peripheral portion of the first semiconductor region 13 where the third semiconductor region 18 is joined, the potential 23 has a gradient. Due to this gradient, the signal electrons 31 move in the direction of the arrow 36. The signal electrons 31 are collected at the center of the first semiconductor region.
[0039]
In the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 1 of the second embodiment, the third semiconductor region 18 that becomes the surface shield layer (PDp) of the photodiode PD includes the gate electrode 16, in particular, the gate electrode 16. Is provided below the convex portion 28. As a result, the depletion layer of the first semiconductor region 13 of the signal storage portion (PDn) is in contact with the damaged layer generated by reactive ion etching (RIE) or the like in the dry etching process such as when the gate electrode 16 is formed. Disappears. An increase in local leakage current caused by the damaged layer, so-called white scratches can be prevented. Furthermore, the occurrence of unevenness in the dark can be reduced.
[0040]
Regarding the reading of the signal charge, the signal storage unit 13 and the surface shield layer 18 are offset below the convex portion 28, and the gate electrodes 16 and 28 are disposed above the signal storage unit 13 without the surface shield layer 18 interposed therebetween. Therefore, complete transfer of signal electrons to the signal detector 14 is possible.
[0041]
A method for manufacturing the solid-state imaging device 1 according to Example 1 of the second embodiment will be described. FIG. 15A is a top view of a part of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1. FIGS. 15B to 15F are cross-sectional views in the II direction of FIG.
[0042]
First, as shown in FIG. 15B, an LOCOS or STI insulator 12 for element isolation is formed inside the silicon substrate 11. Next, a p-type semiconductor layer 33 for element isolation is formed. A signal storage region 13 is formed by ion implantation.
[0043]
Next, as shown in FIG. 15C, the surface shield layer 34 is formed. By forming the p-type semiconductor layer 33 and the surface shield layer 34, the third semiconductor region 18 is completed. Thereafter, a process such as annealing may be performed. Further, a channel implantation layer 39 is formed. In parallel, ion implantation is performed to control element isolation regions and transistor threshold values that constitute the transistors of the peripheral circuit.
[0044]
As shown in FIG. 15D, a gate insulating film 15 and a gate electrode 16 or a gate wiring are formed.
[0045]
As shown in FIG. 15E, the detection unit 14 and the source / drain regions of the peripheral circuit are formed.
[0046]
As shown in FIG. 15F, the punch-through prevention region 29 is formed.
[0047]
By this manufacturing method, the signal accumulation / transfer regions 13 and 39 can be formed under the gate electrode 16. Furthermore, a surface shield layer 34 that prevents depletion of the silicon surface can be formed under the gate electrode 16.
[0048]
In addition, the protrusion of the convex part 28 is also formed in the gate electrode 16 when the gate electrode 16 is formed. The convex portion 28 is formed on the movement path for reading signal electrons. And this convex part 28 may be formed thickly as it goes to the moving direction of the reading of signal electrons.
[0049]
The surface shield layer 34 may be formed except for a region where the convex portion 28 is formed. The surface shield layer 34 may be formed except for a region serving as a movement path for reading signal electrons. The surface shield layer 34 may be formed so that the width of the surface shield layer 34 not to be formed increases toward the charge transfer path direction of the read path and the opening area increases in the direction of the detection unit 14.
[0050]
(Modification of Example 1 of the second embodiment)
As shown in FIGS. 16A and 16B, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modification of Example 1 of the second embodiment has a structure similar to that shown in FIGS. In addition, a lens 35 is provided. The optical axis of the lens 35 coincides with a perpendicular L7 to the substrate surface passing through the center C point of the region excluding the region below the convex portion 28 from the first semiconductor region 13. The lens 35 is provided above the third semiconductor regions 33 and 34 (18). As a result, the light incident path can be further expanded.
[0051]
(Example 2 of the second embodiment)
The structure of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 2 of the second embodiment is shown in FIGS. FIG. 17B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. FIG.17 (c) is sectional drawing of the II-II direction of Fig.17 (a). In the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 2 of the second embodiment, the distance between the convex portion 28 of the gate 16 and the third semiconductor region 18 is larger than the thickness of the insulating film 15. This is different from Example 1 of the embodiment. Thus, it is considered that signal electrons can be easily injected into the channel 39.
[0052]
In the pixel 5 of Example 2 of the second embodiment, an offset is provided between the surface shield layer 18 and the gate electrode 16. In a region where this offset exists, a second semiconductor region 39 for controlling the threshold value of the read transistor FET1 is provided. The second semiconductor region 39 prevents depletion of the silicon substrate surface in the region where the offset exists. This offset makes it easier to form a movement path when reading signal charges. Even if the voltage applied to the gate 16 is lower, the signal charge can be completely read out. The signal electrons collected along the arrow 36 move to the signal detection unit 14 via the region 39 along the arrow 37.
[0053]
The impurity concentration of the signal storage region 13 is preferably 10 16 -10 17 cm -3 Degree. The diffusion layer depth of the signal storage region 13 is preferably about 0.3 to 1.0 μm. The impurity concentration of the surface shield layer 18 is 10 18 cm -3 The degree is preferred. The diffusion layer depth of the surface shield layer 18 is preferably about 0.1 to 0.2 μm. The impurity concentration of the channel forming portion 39 is 10 17 cm -3 The degree is preferred. The thickness of the silicon oxide film of the insulating film 15 is preferably about 80 nm. The offset distance between the surface shield layer 18 and the ends of the gate electrodes 16 and 28 of the read transistor FET1 is preferably about 0.1 to 0.3 μm in the signal transfer path direction 37 and 0.1 to 0.3 μm in the direction perpendicular to the signal transfer path. It is. The length of the convex portion 28 of the read transistor FET1 is preferably about 0.3 μm. The width of the convex portion 28 is about 0.4 μm. The opening end of the surface shield layer 18 and the ends of the gate electrodes 16 and 28 of the read transistor FET1 are planar distances from above, and preferably about 0.1 to 0.3 μm. The ion implantation of the signal storage unit 13 is, for example, the impurity is phosphorus (P), the acceleration voltage is 320 kV, and the dose amount is 1.35 × 10. 12 cm -2 To the extent. The ion implantation of the region 34 of the surface shield layer 18 is, for example, that the impurity is boron (B), the acceleration voltage is 15 kV, and the dose is 1.0 × 10. 13 cm -2 Done as a degree. The ion implantation of the region 39 that determines the channel threshold is, for example, boron as an impurity, an acceleration voltage of 15 kV, and a dose of 2.0 × 10. 12 cm -2 Degree. The ion implantation of the element isolation region 33 of the surface shield layer 18 is, for example, boron as an impurity, an acceleration voltage of 140 kV, and a dose amount of 5.0 × 10. 12 cm -2 In addition, the impurity is boron, the acceleration voltage is 80 kV, and the dose is 7.0 × 10. 12 cm -2 Degree.
[0054]
FIG. 18A is a potential distribution diagram during electrical signal accumulation between III and III in FIG. FIG. 18B is a potential distribution diagram at the time of reading an electric signal between III and III in FIG. FIG. 18C is a potential distribution diagram during electrical signal accumulation between IV and IV in FIG. FIG. 18D is a potential distribution diagram at the time of reading an electric signal between IV and IV in FIG.
[0055]
At the time of signal accumulation, as shown in FIG. 18A, signal electrons are stored in the storage layer 13 with the potential of the region of the p-type semiconductor substrate 11 sandwiched between the storage layer 13 and the read channel 39 as a barrier. As shown in FIG. 18C, signal electrons generated in the peripheral portion of the storage layer 13 move to the central portion of the storage layer 13 and are stored. Signal electrons are unlikely to exist in the periphery.
[0056]
At the time of signal readout, as shown in FIG. 18B, a positive potential is applied to the readout gate 16, thereby increasing the potential of the channel 39 below the readout gate 16. The potential of the region of the p-type semiconductor substrate 11 sandwiched between the region 13 and the region 39 increases accordingly, and all the signal electrons in the signal storage unit 13 are read out to the signal detection unit 14 in the direction of arrow 37. A readout path for signal electrons is generated. Since there are no residual electrons, no noise such as thermal noise or afterimage occurs. As shown in FIG. 18D, the signal electrons generated in the peripheral part of the storage layer 13 have moved to the central part of the storage layer 13, and the signal electrons are unlikely to exist in the peripheral part. An electronic readout path is unlikely to exist.
[0057]
(Modification 1 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 1 of Example 2 of the second embodiment has the same structure as that shown in FIGS. 17A to 17C, but as shown in FIG. Further, the shapes of the third semiconductor region 18 and the second semiconductor region 39 are different.
[0058]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the first modification of the second embodiment of the second embodiment has a surface shield layer in the direction of the signal readout path 37 and from the signal accumulation region 13 to the gate electrode 16. The width of the 18 openings is widened. Since the opening width of the surface shield layer 18 increases along the read path 37, the potential of the signal read path 37 becomes deeper as the distance from the signal detection unit 14 becomes closer, and signal charges can be completely transferred at a low gate voltage. is there.
[0059]
(Modification 2 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 2 of Example 2 of the second embodiment has the same structure as that shown in FIGS. 17A to 17C, but as shown in FIG. Further, the shape of the convex portion 28 is different.
[0060]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the second modification of the second example of the second embodiment includes the readout transistor FET1 in the direction of the signal readout path 37 from the signal storage region 13 toward the gate electrode 16. The width of the convex portion 28 is widened. Since the gate width increases along the signal readout path 37, the modulation from the gate electrode 16 is more likely to be effective in the signal readout path 37 as it approaches the detection unit 14. Signal charges can be completely transferred with a low gate voltage.
[0061]
(Modification 3 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the third modification of the second embodiment of the second embodiment has the same structure as that illustrated in FIGS. 17A to 17C, but as illustrated in FIG. Further, the shapes of the convex portion 28, the third semiconductor region 18 and the second semiconductor region 39 are different.
[0062]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 3 of Example 2 of the second embodiment includes a surface shield layer in the direction of the signal readout path 37 from the signal accumulation region 13 toward the gate electrode 16. The width of the opening 18 is widened, and the width of the convex portion 28 of the read transistor FET1 is widened. Thereby, the effects of the first and second modifications of the second embodiment of the second embodiment can be obtained together. A complete transfer of signal charge at a lower gate voltage is possible.
[0063]
(Modification 4 of Example 2 of 2nd Embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modified example 4 of the second example of the second embodiment has the same structure as that in FIG. 19A. However, as illustrated in FIG. The semiconductor region 18 and the second semiconductor region 39 have different shapes and have a semicircular shape.
[0064]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the first modification of the second embodiment of the second embodiment has a surface shield layer in the direction of the signal readout path 37 and from the signal accumulation region 13 to the gate electrode 16. The width of the 18 openings widens, and the opening draws a semicircle. As a result, the same effect as that of Modification 1 of Example 2 of the second embodiment can be obtained. Furthermore, the electric field distribution near the opening becomes uniform, and the occurrence of white scratches can be reduced.
[0065]
(Modification 5 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modified example 5 of the second embodiment of the second embodiment has the same structure as that in FIG. 19B, but as illustrated in FIG. 28 has a different shape and a semicircular shape.
[0066]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modified example 5 of the second example of the second embodiment includes the readout transistor FET1 in the direction of the signal readout path 37 from the signal storage region 13 toward the gate electrode 16. The width of the convex portion 28 is widened, and the convex portion 28 has a semicircular shape. As a result, the same effect as that of the second modification of the second embodiment of the second embodiment can be obtained. Furthermore, the electric field distribution near the opening becomes uniform, and the occurrence of white scratches can be reduced.
[0067]
(Modification 6 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 6 of Example 2 of the second embodiment has the same structure as that in FIG. 19C, but as illustrated in FIG. 28, the shapes of the third semiconductor region 18 and the second semiconductor region 39 are different and each has a semicircular shape.
[0068]
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Modification 6 of Example 2 of the second embodiment includes a surface shield layer in the direction of the signal readout path 37 from the signal accumulation region 13 toward the gate electrode 16. The width of the 18 openings widens and the opening draws a semicircle. The width of the convex portion 28 of the read transistor FET1 is widened, and the convex portion 28 has a semicircular shape. As a result, the same effect as that of Modification 3 of Example 2 of the second embodiment can be obtained. Furthermore, the electric field distribution near the opening becomes uniform, and the occurrence of white scratches can be reduced.
[0069]
(Modification 7 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modified example 7 of the second example of the second embodiment has the same structure as that illustrated in FIGS. 17A to 17C and FIG. As shown in (b), the position of the opening of the third semiconductor region 18 with respect to the first semiconductor region 13 is different. Similarly, the positions of the convex portions of the second semiconductor region 39 are different. Similarly, the position of the convex portion 28 of the conductor 16 is different. This also provides the same effect as that of Example 2 of the second embodiment.
[0070]
(Modification 8 of Example 2 of the second embodiment)
The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to the modification 8 of the second embodiment of the second embodiment has the same structure as that illustrated in FIGS. 17A to 17C and FIG. As shown in (c), the position of the opening of the third semiconductor region 18 with respect to the first semiconductor region 13 is different. Similarly, the positions of the convex portions of the second semiconductor region 39 are different. Similarly, the position of the convex portion 28 of the conductor 16 is different. This also provides the same effect as that of Example 2 of the second embodiment.
[0071]
FIG. 22A shows the number of pixels 5 with white scratches with respect to the peripheral length of the gate of the convex portion 28 in the solid-state imaging device 1 according to Example 2 and Modifications 1 to 6 of the second embodiment. is there. From this, it can be seen that white scratches are less likely to occur as the peripheral length of the gate of the convex portion 28 is smaller. Note that when the peripheral length of the gate of the convex portion 28 is set to zero, the solid-state imaging device 1 does not operate.
[0072]
FIG. 22B also shows the number of pixels 5 in which white scratches occur with respect to the gate area of the convex portion 28 in the solid-state imaging device 1 according to Example 2 and Modifications 1 to 6 of the second embodiment. From this, it can be seen that white scratches are less likely to occur as the gate area of the protrusion 28 is smaller. If the gate area of the convex portion 28 is set to zero, the solid-state imaging device 1 does not operate. From the above results, it was found that the shape of the convex portion 28 in which white scratches are difficult to occur is a shape having a small gate peripheral length and a small gate area. That is, the shape of the convex portion 28 is preferably a semicircular shape as shown in FIGS.
[0073]
(Example 3 of the second embodiment)
The structure of the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 3 of the second embodiment is shown in FIGS. FIG. 23B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. FIG.23 (c) is sectional drawing of the II-II direction of Fig.23 (a). The pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 3 of the second embodiment is different from Example 2 of the second embodiment in the structure of the first semiconductor regions 13 and 38. As a result, the signal electrons can be easily injected into the channel 39, and the dark current can be reduced.
[0074]
The pixel 5 of Example 3 of the second embodiment has a convex portion 38 that forms part of the signal storage portions 13 and 38 below the gate electrode 16. By providing the convex portion 38, the depth of the signal storage portion 13 can be made deeper in the substrate 11. Therefore, the position of the depletion layer extending from the signal storage unit 13 can be formed deeper in the substrate 11. This is also clear from the fact that the position of the pn junction can be increased from the depth d1 to the depth d2, as shown in FIG. Generation of noise caused by damage in the dry process of the gate processing process is less likely to be taken into the depletion layer of the signal storage region 13, so that noise generation is suppressed. On the other hand, since the same potential distribution as that of Example 2 of the second embodiment is provided around the convex portion 38, signal electrons can be read with the same low gate voltage.
[0075]
(Third embodiment)
The solid-state imaging device 1 including a CMOS sensor has a first semiconductor region 13 of an n-type diffusion layer and a third semiconductor region 18 of a p-type diffusion layer that constitute a photodiode PD that performs photoelectric conversion. As shown in FIG. 24, the regions 13 and 18 are formed by ion implantation 46 that is self-aligned with the gate electrode 16 of the readout MOS transistor FET1 adjacent to the photodiode PD. The depth of these diffusion layers 13 and 18 from the surface of the silicon substrate 11 is formed at a position much deeper than the source / drain (S / D) diffusion layer of a normal CMOS device. However, when a CMOS sensor is manufactured in accordance with a standard CMOS manufacturing process, such as a CMOS sensor, the thickness of the gate electrode of the CMOS sensor is reduced with the miniaturization of the CMOS sensor. As a result, the thickness of the read gate electrode 16 is also reduced. If the diffusion layers 13 and 18 are to be formed on the thinned readout gate electrode 16 in a self-aligned manner, the ion species penetrates through the gate electrode 16 during the ion implantation 46 and penetrates into the channel portion 45 of the readout gate 16. End up. The threshold value of the read transistor FET1 changes.
[0076]
As shown in FIGS. 25A and 25B, the pixel 5 included in the solid-state imaging device 1 according to the third embodiment has a deep first semiconductor region 13 even when the gate electrode 16 is thin. In addition, the gate electrode 16 can be provided in a self-aligning manner. The fourth semiconductor region 14 is shallow and can be provided in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 16. FIG. 25B is a cross-sectional view in the II direction of FIG.
[0077]
Conventionally, even when the thickness of the gate electrode is increased to 300 to 400 nm, the depth of the first semiconductor region 13 is at most 200 to 300 nm. In the third embodiment, the depth of the first semiconductor region 13 is 400 to 700 nm even if the thickness of the gate electrode is reduced to 200 to 300 nm. The depth of the first semiconductor region 13 depends on the performance of the resist used for ion implantation and does not depend on the thickness of the gate electrode 16. It can be made deeper depending on the resist formation conditions.
[0078]
A method for manufacturing the solid-state imaging device 1 according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, the read gate electrode 16 is formed by pattern etching twice. In the first pattern etching, a pattern in which the pattern of the gate electrode 16 and the pattern of the photodiode PD are combined is used. The pattern of the second pattern etching is made the pattern of the photodiode PD. A second pattern etching is performed. Without removing the photoresist, ion implantation is performed using the photoresist as a mask. By this ion implantation, the n-type diffusion layer 13 or the p-type diffusion layer 18 constituting the photodiode PD is formed.
[0079]
That is, as shown in FIGS. 26A and 26B, the gate insulating film 15 is formed on the substrate 11. FIG. 26B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. A polycrystalline silicon film 47 to be the gate electrode 16 is deposited on the gate insulating film 15. Photoresist patterns 48, 49, 50 are formed on the polycrystalline silicon film 47. The pattern 48 is a pattern of the photodiode PD. Patterns 49 and 50 are patterns of the gate electrodes 16 and 19 to 21. Patterns 48 and 49 are integrated. Next, the first pattern etching is performed. The polycrystalline silicon film 47 is etched. By the first pattern etching, the integrated patterns 47 and 16 of the polycrystalline silicon film and the gate electrodes 19 to 21 are formed. The resist 49 is removed.
[0080]
As shown in FIGS. 27A and 27B, the fourth semiconductor region 14 and the sixth semiconductor region 29 are formed by performing ion implantation using the patterns 47 and 16 and the gate electrodes 19 to 21 as a mask. A resist film 52 is formed on the polycrystalline silicon pattern 16, the gate electrodes 19 to 21 and the substrate 11. The resist film 52 forms an opening 51 that overlaps the pattern 47 on the pattern 47. The pattern of the opening 51 is the same as the pattern of the photodiode PD. 27 (b) and 27 (c) are cross-sectional views in the II direction of FIG. 27 (a).
[0081]
As shown in FIG. 27C, the second pattern etching is performed. The polycrystalline silicon film 47 is etched. The gate electrode 16 is formed by the second pattern etching. Ion implantation 53 is performed using the resist film 52 as a mask. A first semiconductor region 13 and a third semiconductor region 18 are formed. The resist film 52 is peeled off. The exposed polycrystalline silicon surface of the gate electrodes 16, 18 to 21 is oxidized.
[0082]
According to the manufacturing method of the third embodiment, the resist film 52 used for the second pattern etching is left, and ion implantation of the photodiode PD is performed using the resist film 52 as a mask. Since the resist film 52 is used as a mask, ions do not penetrate the gate electrode 16 and reach the silicon substrate 11 even if ion implantation is performed at a position deeper than usual.
[0083]
(Fourth embodiment)
In a solid-state imaging device, an antireflection film is formed for the purpose of improving photosensitivity. As a solid-state imaging device, CMOS sensors have recently attracted attention due to low power consumption and single power supply driving. In the CMOS sensor, since the height of the metal film that defines the opening of the irradiation light is high, even if the irradiation light is defined by the metal film, the optical path is likely to spread before the irradiation light reaches the photodiode PD. This makes it difficult to increase the photosensitivity. Since a CMOS sensor transfers signal charges through a wiring made of polysilicon or the like, a metal film structure that defines an opening is formed above the wiring. The metal film that defines the opening is arranged at a high position.
[0084]
In the fourth embodiment, an amplification type solid-state imaging device including means for condensing irradiation light onto a photodiode PD will be described. And the solid-state imaging device which improved the photosensitivity is provided.
[0085]
(Example 1 of the fourth embodiment)
As shown in FIGS. 28A to 28D, the solid-state imaging device 1 according to the fourth embodiment includes pixels CB, CR, and CG. FIG. 28B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. FIG.28 (c) is sectional drawing of the II-II direction of Fig.28 (a). FIG. 28D is a cross-sectional view in the III-III direction of FIG. The pixels CB, CR, and CG constitute the pixel array 2 in FIG. The pixels CB, CR, and CG have a first conductivity type semiconductor substrate 11. The lower surface of the insulator 12 is provided below the surface 11 of the substrate 11. The side surface of the insulator 12 is in contact with the substrate 11. The first semiconductor region 13 of the second conductivity type is provided in the substrate 11 away from the surface of the 11 substrate. The side surface of the first semiconductor region 13 faces the side surface of the insulator 12 through the substrate 11. The silicon oxide films 52 to 54 are provided above the first semiconductor region 13 on the substrate 11. Silicon nitride films 55 to 57 (antireflection film: Si 3 N 4) are provided on the silicon oxide films 52 to 54. The total thickness of the silicon nitride films 55 to 57 and the silicon oxide films 52 to 54 above the first semiconductor region 13 is greater than 600 mm. The silicon nitride films 55 to 57 are different in refractive index from the silicon oxide films 52 to 54.
[0086]
In the pixel CB, as shown in FIG. 28B, the total of the film thickness T2B of the silicon nitride film 55 and the film thickness T1B of the silicon oxide film 52 above the first semiconductor region 13 is larger than 600 mm.
[0087]
In the pixel CR, as shown in FIG. 28C, the total of the film thickness T2R of the silicon nitride film 56 and the film thickness T1R of the silicon oxide film 53 above the first semiconductor region 13 is larger than 700 mm.
[0088]
In the pixel CG, as shown in FIG. 28D, the sum of the film thickness T2G of the silicon nitride film 57 and the film thickness T1G of the silicon oxide film 54 above the first semiconductor region 13 is thicker than 650 mm.
[0089]
Gate electrodes 16, 19 to 21 are provided on the silicon substrate 11. The first semiconductor region serving as the signal storage portion of the photodiode PD is formed by patterning using a resist and implanting phosphorus (P) ions with an accelerator or the like.
[0090]
In order to protect the photodiode PD, silicon oxide films 52 to 54 are deposited to a thickness of about 100 to 200 mm. A preferable film thickness is about 150 to 200 mm. Thus, the photosensitivity can be improved in the laminated structure of the silicon nitride films 55 to 57. The silicon oxide films 52 to 54 are deposited by a chemical vapor deposition (CVD) method or the like. As the antireflection film, for example, silicon nitride (Si3 N4) films 55 to 57 are deposited by a CVD method with a film thickness of about 400 to 700 mm. Then, patterning is performed so that the resist remains in a region 0.2 μm wider than the region of the photodiode PD, for example. The exposed silicon nitride films 55 to 57 are removed by chemical dry etching (CDE: Chemical Dry Etching) or the like to form a desired antireflection film pattern. At this time, the total thickness of the oxide film on the photodiode PD and the film thickness of the antireflection film is preferably 600 mm or more. This is because the antireflection films 55 to 57 have an optimum film thickness of about 500 to 600 mm with respect to the wavelength of green (G) light of 550 nm, and the oxide films 52 to 54 on the photodiode PD. This is because the film thickness is required to be 100 mm or more. The reason why the oxide film thicknesses 52 to 54 on the PD are required to be 100 mm or more is that when the antireflection films 55 to 57 are patterned by CDE, the antireflection films 55 to 57 and the oxide films 52 to 54 on the photodiode PD are This is because damage below the oxide films 52 to 54 can be prevented even if the etching is performed under conditions where the etching selectivity cannot be sufficiently secured (one digit or more).
[0091]
Further, when forming the antireflection films 55 to 57, the film thickness of the antireflection films 55 to 57 is changed for each of the pixels CB, CR, and CG, and the sensitivity is highest in each of the RGB pixels CB, CR, and CG. It is also possible to make the antireflection film thicknesses T2B, T2R, and T2G. As a forming method, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 400 to 500 mm, preferably about 450 mm. Then, for the blue (B) pixel CB, the silicon nitride film is patterned by the CDE method. Again, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 500 to 600 mm, preferably about 550 mm. Then, for the green (G) pixel CG, the silicon nitride film is patterned by the CDE method. Further, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 600 to 700 mm, preferably about 650 mm. Then, for the red (R) pixel CR, the silicon nitride film is patterned by the CDE method. Accordingly, the antireflection films 55 to 57 can be formed with different thicknesses for each of the RGB pixels. Since the RGB photosensitivity can be improved by forming the antireflection films 55 to 57, light of other colors is not irradiated to the photodiode PD in each pixel CB, CR, CG, thereby reducing color mixing. You can also
[0092]
(Example 2 of the fourth embodiment)
As shown in FIGS. 29A to 29D, the pixel 5 of the solid-state imaging device 1 according to Example 2 of the fourth embodiment is illustrated in FIG. 28A of Example 1 of the fourth embodiment. ) To (d), and the width of the silicon nitride films 58 to 60 is narrower than the distance between the side surfaces of the insulator 12. The silicon nitride films 58 to 60 are wider than the first semiconductor region 13. The region where the antireflection films 58 to 60 are formed is wider than the end of the first semiconductor region 13 and narrower than the end of the element isolation region 12.
[0093]
In Example 2 of the fourth embodiment, up to the photodiode PD is formed as in Example 1 of the fourth embodiment. Thereafter, as shown in FIGS. 30A to 30C, silicon oxide films 52 to 54 and silicon nitride films 55 to 57 are formed in the same manner as in Example 1 of the fourth embodiment. Resist patterns 61 to 63 are formed on the silicon nitride films 55 to 57. As shown in FIGS. 30D to 30F, the silicon nitride films 55 to 57 are subjected to pattern etching so that the width of the silicon nitride films 55 to 57 is larger than the photodiode PD (first semiconductor region 13) by about 0.1 μm or more on one side. To do. Antireflection films 58 to 60 are formed. The reason why the antireflection films 58 to 60 are formed in a region wider than the photodiode PD is that side etching is performed during processing by the CDE method. For this reason, when the antireflection films 58 to 60 are left by patterning, it is necessary to provide a width that is at least twice as large as the film thicknesses T2B, T2R, and T2G. This width allows not only side etching by the CDE method but also incidence of a wide range of irradiation light that takes into account the spread of the depletion layer and light refraction. Further, this width hardly causes misalignment in patterning.
[0094]
In addition, the upper limit of the antireflection films 58 to 60 formed in a region wider than the photodiode PD is preferably set to the boundary of the element isolation region 12 at the maximum. This is because stress is likely to occur at the end of the element isolation region 12 when the element isolation region (LOCOS) is formed. This is to prevent crystal defects from occurring in the substrate 11 due to the stress at the end of the element isolation region 12 and the stress of the silicon nitride films 58 to 60.
[0095]
(Example 3 of the fourth embodiment)
As shown in FIG. 31A, the solid-state imaging device 1 according to Example 3 of the fourth embodiment includes pixels C1 and C2. FIG. 31B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. The pixels C1 and C2 constitute the pixel array 2 in FIG. The pixel array 2 has a first conductivity type semiconductor substrate 11. The lower surface of the insulator 12 is provided below the surface of the substrate 11. The side surface of the insulator 12 is in contact with the substrate 11. The first conductivity type first semiconductor region 13 is provided in the substrate 11 away from the surface of the substrate 11. The side surface of the first semiconductor region 13 faces the side surface of the insulator 12 through the substrate 11. The silicon oxide region 66 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon oxide region 66 has a concave surface above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 67 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 67 has a convex surface that matches the concave surface of the silicon oxide region 66 above the first semiconductor region 13. The conductors 65 and 64 are provided on the sides of the silicon oxide region 66 and the silicon nitride region 67. The conductors 65 and 64 are metal films such as an aluminum alloy. The silicon nitride region 67 has a refractive index different from that of the silicon oxide regions 66 and 30 serving as an interlayer film. As a result, the silicon nitride region 67 can have a convex lens effect. The conductors 65 and 64 define the opening of the irradiation light between the conductors 65 and 64. A silicon nitride region 67 having a convex lens effect is formed at substantially the same height as this opening.
[0096]
In Example 3 of the fourth embodiment, a convex lens is formed of a material 67 having a refractive index different from that of the interlayer film materials 30 and 66 for the purpose of condensing between the metal film defining the opening of the irradiation light and the photodiode PD. To do. That is, the gate electrodes 16 and 19 to 21 and the photodiode PD are formed. An interlayer insulating film 30 is deposited by about 4000 mm by a low pressure (LP) -CVD method or the like. Next, the conductors 65 and 66 are deposited by sputtering and patterned by RIE. A so-called buried silicon oxide film 66 is deposited by about 1000 mm. A silicon nitride film 67 is deposited by, for example, 15000 by CVD. Thereafter, the surface of the silicon nitride film 67 is flattened by a chemical mechanical polishing (CMP) method or a resist etch back method. As a result, the silicon nitride film 67 is thick on the photodiode PD and thin on the conductor 64 or the like, so that a convex lens convex downward can be formed.
[0097]
(Example 4 of the fourth embodiment)
The solid-state imaging device 1 according to Example 4 of the fourth embodiment includes pixels C1 and C2, as shown in FIG. FIG. 32B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. The solid-state imaging device 1 according to Example 4 of the fourth embodiment has a structure similar to that of FIG. 31B of Example 3 of the fourth embodiment, as shown in FIG. . However, it has a partially different structure. That is, the silicon oxide region 69 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon oxide region 69 has a concave surface above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 68 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 68 has a convex surface that matches the concave surface of the silicon oxide region 69 above the first semiconductor region 13. The conductors 65 and 64 are provided on the sides of the silicon oxide region 69 and the silicon nitride region 68. As a result, the silicon nitride region 68 can have a convex lens effect. The conductors 65 and 64 define the opening of the irradiation light between the conductors 65 and 64. A silicon nitride region 68 having a convex lens effect is formed at substantially the same height as this opening.
[0098]
In Example 4 of the fourth embodiment, the in-layer lens is formed at the same height as or lower than the conductors 64 and 65 that define the opening. The formation method of Example 4 of the fourth embodiment is similar to Example 3 of the fourth embodiment, in which the gate electrode 16 and the like, the photodiode PD, and, if necessary, an antireflection film are formed. To do. An interlayer film 30 such as a silicon oxide film is deposited by, for example, the LP-CVD method. The interlayer film 30 is planarized by a CMP method, a resist etch back (EB) method, or the like. As the conductors 64 and 65 that define the openings, for example, a metal film such as aluminum (Al) is deposited by a sputtering method or the like, for example, to a thickness of about 4000 mm. The metal film is patterned by resist coating, resist patterning, RIE, or the like. The metal film in a desired region is removed, an opening region is secured, and conductors 64 and 65 that define the opening are formed. At this time, a step is formed on the surface by the thickness of the conductors 64 and 65. Here, for example, the silicon nitride film 68 is deposited by an LP-CVD method or the like, corresponding to a film thickness smaller than the level difference between the conductors 64 and 65, for example, about 2000 mm. As a result, a silicon nitride film 68 is deposited on the conductors 64 and 65 with a thickness of 2000 mm. However, in the openings of the conductors 64 and 65, the silicon nitride film 68 is hardly deposited at the ends of the openings of the conductors 64 and 65 due to shadow wing or the like when the silicon nitride film 68 is deposited. Becomes thinner. In the vicinity of the center of the openings of the conductors 64 and 65, the film thickness is about 2000 mm. As a result, a convex lens of the silicon nitride film 68 can be formed at the openings of the conductors 64 and 65. After that, a silicon oxide film 69 is deposited by LP-CVD or the like, and planarized by CMP or resist EB.
[0099]
(Example 5 of the fourth embodiment)
The solid-state imaging device 1 according to Example 5 of the fourth embodiment includes pixels C1 and C2, as shown in FIG. FIG. 33B is a cross-sectional view in the II direction of FIG. As shown in FIG. 33B, the solid-state imaging device 1 according to Example 5 of the fourth embodiment has the same structure as FIG. 32B of Example 4 of the fourth embodiment. . However, it has a partially different structure. That is, the silicon oxide region 71 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon oxide region 71 has a concave surface above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 70 is provided above the first semiconductor region 13. The silicon nitride region 70 has a convex surface that matches the concave surface of the silicon oxide region 71 above the first semiconductor region 13. The conductor 16 is provided on the side of the silicon oxide region 71 and the silicon nitride region 70. As a result, the silicon nitride region 70 can have a convex lens effect. The conductors 65 and 64 define the opening of the irradiation light between the conductors 65 and 64. A silicon nitride region 70 having a convex lens effect is formed below the opening.
[0100]
In Example 5 of the fourth embodiment, the in-layer lens is formed at a height lower than the conductors 64 and 65 defining the opening. The formation method of Example 5 of the fourth embodiment is the same as that of Example 3 of the fourth embodiment, in which the gate electrode 16 and the like, the photodiode PD, and, if necessary, an antireflection film are formed. To do. At this time, a step is generated on the surface by the gate electrode 16 and the insulator 12. Here, the silicon nitride film 70 is deposited by about 2000 mm. As a result, a convex lens of the silicon nitride film 70 can be formed as in Example 4 of the fourth embodiment. After that, a silicon oxide film 71 is deposited by LP-CVD or the like, and planarized by CMP or resist EB. The conductors 64 and 65 defining the opening are deposited to a thickness of about 4000 mm. Conductors 64 and 65 are patterned to form conductors 64 and 65 that define openings. After that, a silicon oxide film 72 is deposited by LP-CVD or the like, and planarized by CMP or resist EB.
[0101]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device in which thermal noise and dark current noise are unlikely to occur and the reproduction screen S / N is unlikely to deteriorate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a solid-state imaging device according to a first embodiment and a schematic diagram of pixels included in the solid-state imaging device.
FIG. 2 is a top view of pixels included in the solid-state imaging device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a pixel included in the solid-state imaging device according to the first embodiment and an energy level diagram for explaining a basic operation.
FIG. 4 is a top view of pixels included in the solid-state imaging device according to Example 1 of the first embodiment;
5 is a cross-sectional view of a pixel included in the solid-state imaging device according to Example 1 of the first embodiment and an energy level diagram for explaining a basic operation. FIG.
6 is a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Modification 1 and Modification 2 of Example 1 of the first embodiment; FIG.
7 is a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 2 of the first embodiment and an energy level diagram for explaining a basic operation. FIG.
8 is a cross-sectional view of pixels included in a solid-state imaging device according to Modification 1 and Modification 2 of Example 2 of the first embodiment. FIG.
FIGS. 9A and 9B are a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 3 of the first embodiment. FIGS.
10 is a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Modification 1 and Modification 2 of Example 3 of the first embodiment. FIG.
FIGS. 11A and 11B are a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 4 of the first embodiment; FIGS.
12 is a cross-sectional view of pixels included in a solid-state imaging device according to Modification Example 1 and Modification Example 2 of Example 4 of the first embodiment; FIG.
FIG. 13 is a top view of pixels included in the solid-state imaging device according to Example 1 of the second embodiment;
FIG. 14 is a detailed top view, cross-sectional view, and energy level diagram of a pixel included in the solid-state imaging device according to Example 1 of the second embodiment;
15A and 15B are a top view and a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a pixel included in the solid-state imaging device according to Example 1 of the second embodiment.
FIG. 16 is a detailed cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to a modification of Example 1 of the second embodiment.
17 is a detailed top view and cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 2 of the second embodiment; FIG.
FIG. 18 is an energy level diagram of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 2 of the second embodiment;
FIG. 19 is a detailed top view of pixels included in a solid-state imaging device according to Modifications 1 to 3 of Example 2 of the second embodiment;
FIG. 20 is a detailed top view of pixels included in a solid-state imaging device according to Modifications 4 to 6 of Example 2 of the second embodiment;
FIG. 21 is a detailed top view of pixels included in a solid-state imaging device according to Modification Example 7 and Modification Example 8 of Example 2 of the second embodiment;
FIG. 22 is a graph showing the shape dependency of the number of pixels in which white scratches are observed in the solid-state imaging device according to Example 2 of the second embodiment, and the shape of the convex portion of the gate electrode.
FIG. 23 is a detailed top view, cross-sectional view, and impurity concentration distribution diagram of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 3 of the second embodiment;
FIG. 24 is a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to a comparative example of the third embodiment.
FIGS. 25A and 25B are a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to a third embodiment. FIGS.
26A and 26B are a top view and a cross-sectional view (No. 1) for describing a method for manufacturing a pixel included in the solid-state imaging device according to the third embodiment.
27A and 27B are a top view and a cross-sectional view (No. 2) for describing a method for manufacturing a pixel included in the solid-state imaging device according to the third embodiment.
FIG. 28 is a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 1 of the fourth embodiment;
FIGS. 29A and 29B are a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 2 of the fourth embodiment. FIGS.
30 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 2 of the fourth embodiment; FIG.
FIG. 31 is a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 3 of the fourth embodiment;
32 is a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 4 of the fourth embodiment; FIG.
FIG. 33 is a top view and a cross-sectional view of a pixel included in a solid-state imaging device according to Example 5 of the fourth embodiment;
[Explanation of symbols]
1 Solid-state imaging device
2 pixel array
3 signal scanning circuit
4 signal readout circuit
5 pixels
11 p-type semiconductor substrate
12 Device isolation region
13 Photodiode (PD) signal storage
14 detector (detect node, drain region of FET1)
15 Gate insulation film of FET1
16 Gate electrode of FET1
17 Active region
18 Channel stopper and dark current suppression area
19 Gate electrode of FET4
20 Gate electrode of FET3
21 Gate electrode of FET2
22 n-type semiconductor region
23 conduction band
24 Accumulated signal electrons
25 Signal electron moved
26 p-type semiconductor region
27 Distribution of electrons generated at the gate electrode and causing dark current
28 Projection (convex)
29 Punch-through prevention area
30 Interlayer insulation film
31 electrons
32 element isolation region
33 Channel stopper area
34 Dark current suppression region
35 Microlens
36, 37 Direction of electron movement
38 Convex
39 Impurity region
Impurity concentration distribution of 40 PDp
Impurity concentration distribution of 41 PDn (13)
Impurity concentration distribution of 42 PDn (13 and 38)
43 Impurity concentration distribution of PDn (38)
44 resist
45 Impurity diffusion layer
46, 53 Ion beam
47 Polysilicon film
48, 49, 50, 52 resist
51 resist opening
52 to 54 Silicon oxide film
55 to 60 silicon nitride film
61-63 resist
64, 65 metal wiring
66, 69, 71, 72 Silicon oxide film
67, 68, 70 Silicon nitride film
FET1 Read transistor (transfer transistor)
FET2 reset transistor
FET3 amplification transistor
FET4 row selection transistor

Claims (10)

第1導電型の半導体基板と、
前記基板の内部に設けられ信号蓄積領域になる第2導電型の第1半導体領域と、
前記基板表面の上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられ、凸部を有し、該凸部がゲート幅を規定する区間の中央で前記第1半導体領域の上方に設けられたゲート電極になる導電体と、
前記基板の表面を含む前記基板に設けられ、前記第1半導体領域の側面に接し、前記第1半導体領域の上方且つ前記導電体の下方に設けられ、前記凸部との間にオフセットが設けられ、表面シールド層になる前記第1導電型の第3半導体領域と、
前記基板に設けられ、前記第1半導体領域とは前記導電体下方に位置する前記基板を介して反対側に位置し信号検出部になる前記第2導電型の第4半導体領域とを有することを特徴とする固体撮像装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor region of a second conductivity type provided inside the substrate and serving as a signal storage region;
An insulating film provided on the substrate surface;
A conductor which is provided on the insulating film and has a convex portion, and becomes a gate electrode provided above the first semiconductor region in the center of the section where the convex portion defines the gate width ;
Provided on the substrate including the surface of the substrate, in contact with a side surface of the first semiconductor region , provided above the first semiconductor region and below the conductor, and provided with an offset between the convex portions. A third semiconductor region of the first conductivity type that becomes a surface shield layer;
The second conductive type fourth semiconductor region which is provided on the substrate and is located on the opposite side to the first semiconductor region from the substrate located below the conductor and serves as a signal detection unit. A solid-state imaging device.
前記基板の表面を含む前記基板に設けられ、前記凸部を含む前記導電体の下方に設けられ、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域との間に設けられチャネル領域になる前記第1導電型の第2半導体領域をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。  The first provided on the substrate including the surface of the substrate, provided below the conductor including the convex portion, and provided between the third semiconductor region and the fourth semiconductor region and serving as a channel region. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a conductive second semiconductor region. 前記第1半導体領域は光電変換により得られた信号電荷を蓄積する前記信号蓄積部であり、
前記導電体は前記信号蓄積部から前記信号電荷を排出する電界効果トランジスタの前記ゲート電極であり、
前記ゲート電極は、前記導電体の前記凸部でゲート長が最大であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。
The first semiconductor region is the signal storage unit that stores signal charges obtained by photoelectric conversion,
The conductor is the gate electrode of a field effect transistor that discharges the signal charge from the signal storage unit,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the gate electrode has a maximum gate length at the convex portion of the conductor.
前記第1半導体領域の幅が前記凸部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a width of the first semiconductor region is larger than a width of the convex portion. 5. 前記第2半導体領域は前記導電体の下方から前記第3半導体領域側へ伸長し、前記第2半導体領域が前記オフセットが存在する領域に設けられ、前記凸部と前記第3半導体領域の距離が前記絶縁膜の膜厚より大きいことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  The second semiconductor region extends from below the conductor toward the third semiconductor region, the second semiconductor region is provided in a region where the offset exists, and a distance between the convex portion and the third semiconductor region is The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is larger than the thickness of the insulating film. 前記第3半導体領域の前記第1半導体領域から前記導電体の方向に開いた開口の幅が、前記第1半導体領域から前記導電体の方向に向けて広がっていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  The width of the opening that opens from the first semiconductor region to the conductor in the third semiconductor region widens from the first semiconductor region toward the conductor. 6. The solid-state imaging device according to any one of items 1 to 5. 前記第1半導体領域から前記導電体の方向に向けて、前記凸部の幅が広がっていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a width of the convex portion increases from the first semiconductor region toward the conductor. 8. 前記開口が半円を描いていることを特徴とする請求項6または7に記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the opening draws a semicircle. 前記凸部が半円形を有していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the convex portion has a semicircular shape. 前記第3半導体領域と前記凸部の距離が0.1〜0.3μmであることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  10. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a distance between the third semiconductor region and the convex portion is 0.1 to 0.3 μm.
JP2001381928A 2001-12-14 2001-12-14 Solid-state imaging device Expired - Fee Related JP3723124B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001381928A JP3723124B2 (en) 2001-12-14 2001-12-14 Solid-state imaging device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001381928A JP3723124B2 (en) 2001-12-14 2001-12-14 Solid-state imaging device

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004344712A Division JP2005129965A (en) 2004-11-29 2004-11-29 Solid-state imaging device

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2003188367A JP2003188367A (en) 2003-07-04
JP2003188367A5 JP2003188367A5 (en) 2005-04-28
JP3723124B2 true JP3723124B2 (en) 2005-12-07

Family

ID=27592456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001381928A Expired - Fee Related JP3723124B2 (en) 2001-12-14 2001-12-14 Solid-state imaging device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3723124B2 (en)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005101596A (en) * 2003-09-03 2005-04-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid-state imaging device and camera
JP4758061B2 (en) * 2003-10-16 2011-08-24 パナソニック株式会社 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
KR100619396B1 (en) 2003-12-31 2006-09-11 동부일렉트로닉스 주식회사 CMOS Image sensor and its fabricating method
WO2005083790A1 (en) * 2004-02-27 2005-09-09 Texas Instruments Japan Limited Solid-state imagine device, line sensor, optical sensor, and method for operating solid-state imaging device
JP3727639B2 (en) * 2004-04-16 2005-12-14 松下電器産業株式会社 Solid-state imaging device
JP2005327858A (en) * 2004-05-13 2005-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid-state imaging device
US7271430B2 (en) * 2004-06-04 2007-09-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensors for reducing dark current and methods of fabricating the same
KR100761824B1 (en) * 2004-06-04 2007-09-28 삼성전자주식회사 Image sensor and method for manufacturing the same
JP2005347759A (en) 2004-06-04 2005-12-15 Samsung Electronics Co Ltd Image sensor for reducing dark current, and manufacturing method therefor
DE602004030958D1 (en) * 2004-07-20 2011-02-17 Fujitsu Semiconductor Ltd CMOS imaging device
KR100614650B1 (en) * 2004-09-16 2006-08-22 삼성전자주식회사 Image sensor and method for forming the same
JP4595464B2 (en) * 2004-09-22 2010-12-08 ソニー株式会社 Manufacturing method of CMOS solid-state imaging device
JP4742661B2 (en) * 2005-04-25 2011-08-10 ソニー株式会社 Manufacturing method of solid-state imaging device
EP1722421A3 (en) * 2005-05-13 2007-04-18 Stmicroelectronics Sa Floating integrated photodiode
US7141836B1 (en) * 2005-05-31 2006-11-28 International Business Machines Corporation Pixel sensor having doped isolation structure sidewall
KR100699849B1 (en) 2005-06-21 2007-03-27 삼성전자주식회사 CMOS image device with local impurity region and method of manufacturing the same
JP4953635B2 (en) * 2006-01-06 2012-06-13 キヤノン株式会社 Manufacturing method of solid-state imaging device
JP2006222452A (en) * 2006-04-24 2006-08-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid state imaging device
JP5063223B2 (en) 2007-07-02 2012-10-31 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device and imaging system
JP2011009466A (en) * 2009-06-25 2011-01-13 Sony Corp Solid-state image pickup device, and electronic apparatus
JP5295188B2 (en) * 2010-08-27 2013-09-18 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device, manufacturing method thereof, and imaging system
JP5456644B2 (en) * 2010-11-17 2014-04-02 本田技研工業株式会社 Light receiving element and control method
TW201415613A (en) * 2012-08-02 2014-04-16 Sony Corp Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and electronic device
JP2017130577A (en) * 2016-01-21 2017-07-27 ソニー株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same, solid-state image pickup element and electronic apparatus
JP6897740B2 (en) * 2016-03-07 2021-07-07 株式会社リコー Pixel unit and image sensor
JP6842240B2 (en) * 2016-03-07 2021-03-17 株式会社リコー Pixel unit and image sensor
JP6862129B2 (en) * 2016-08-29 2021-04-21 キヤノン株式会社 Photoelectric converter and imaging system
JP6701108B2 (en) * 2017-03-21 2020-05-27 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device and imaging system

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3329291B2 (en) * 1998-02-06 2002-09-30 日本電気株式会社 Charge transfer device
KR100278285B1 (en) * 1998-02-28 2001-01-15 김영환 Cmos image sensor and method for fabricating the same
JP3600430B2 (en) * 1998-03-19 2004-12-15 株式会社東芝 Solid-state imaging device
JP3403061B2 (en) * 1998-03-31 2003-05-06 株式会社東芝 Solid-state imaging device
JP2000091551A (en) * 1998-09-11 2000-03-31 Toshiba Corp Solid image pick-up device and manufacture thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003188367A (en) 2003-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3723124B2 (en) Solid-state imaging device
US6974715B2 (en) Method for manufacturing CMOS image sensor using spacer etching barrier film
KR102674895B1 (en) Image sensor and method of fabricating the same
US7232712B2 (en) CMOS image sensor and method for fabricating the same
JP4340248B2 (en) Method for manufacturing a semiconductor imaging device
JP3782297B2 (en) Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
US7675100B2 (en) CMOS image sensor and method for fabricating the same
EP1703564B1 (en) Image sensor with embedded photodiode region
US9111829B2 (en) Color-optimized image sensor
US20060273355A1 (en) CMOS image sensor and method for manufacturing the same
US7256469B2 (en) Solid-state image pickup device
US8828775B2 (en) Image sensor and method for fabricating same
US7485939B2 (en) Solid-state imaging device having a defect control layer and an inversion layer between a trench and a charge accumulating area
JP4398917B2 (en) Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
US7572663B2 (en) Method for manufacturing CMOS image sensor
JP2921567B1 (en) Solid-state imaging device and method of manufacturing the same
JP2005129965A (en) Solid-state imaging device
US20070145443A1 (en) CMOS Image Sensor and Method of Manufacturing the Same
US7598135B2 (en) Method for fabricating CMOS image sensor
JPH08255888A (en) Solid state image sensor and fabrication thereof
KR20050106932A (en) Image sensor and fabricating method thereof
JP2002190587A (en) Method of manufacturing solid-state image pickup device
CN118538740A (en) Vertical charge transfer photoelectric sensor and manufacturing method and operation method thereof
JPH06120476A (en) Manufacture of solid-state image sensing device
KR20100089748A (en) Solid-state imaging device, imaging apparatus, and manufacturing method of solid-state imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040617

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040617

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20040818

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20040916

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040928

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20041126

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050322

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050517

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050906

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050914

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080922

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130922

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees