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JP5007739B2 - Back-illuminated solid-state imaging device, electronic device module, and camera module - Google Patents

Back-illuminated solid-state imaging device, electronic device module, and camera module Download PDF

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JP5007739B2 JP2009245923A JP2009245923A JP5007739B2 JP 5007739 B2 JP5007739 B2 JP 5007739B2 JP 2009245923 A JP2009245923 A JP 2009245923A JP 2009245923 A JP2009245923 A JP 2009245923A JP 5007739 B2 JP5007739 B2 JP 5007739B2
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Description

本発明は、基板表面側に光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読み出し動作を行う素子を形成し、基板裏面側から光を入射させるようにした裏面照射型固体撮像素子及びこの裏面照射型固体撮像素子を備えた電子機器モジュール、カメラモジュールに関する。   The present invention relates to a back-illuminated solid-state imaging device in which a charge storage region in a photoelectric conversion unit and an element for reading out signal charges are formed on a substrate surface side, and light is incident from the back surface side of the substrate, and the back-illuminated type The present invention relates to an electronic device module and a camera module provided with a solid-state imaging device.

固体撮像素子として、CMOS型固体撮像素子及びCCD型固体撮像素子が知られている。例えばCMOS型固体撮像素子は、フォトダイオードと複数のMOSトランジスタとにより1画素を形成し、複数の画素を所要のパターンに配列して構成される。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換素子であり、複数のMOSトランジスタはフォトダイオードからの信号電荷の読み出し動作を行うための素子である。   As the solid-state imaging device, a CMOS solid-state imaging device and a CCD solid-state imaging device are known. For example, a CMOS solid-state imaging device is configured by forming one pixel by a photodiode and a plurality of MOS transistors and arranging the plurality of pixels in a required pattern. The photodiode is a photoelectric conversion element that generates and accumulates signal charges according to the amount of received light, and the plurality of MOS transistors are elements for performing a signal charge read operation from the photodiodes.

図7に、イメージセンサに適用した従来の裏面から光照射するCMOS型固体撮像素子の例を示す。図7は、画素の要部を示している。単位画素ではフォトダイオード53と、フォトダイオード53からの信号電荷を読み出すと、それ以外のMOSトランジスタ55の構成部分を表している。この裏面照射型のCMOS固体撮像素子51は、第1導電型、例えばn型のシリコン半導体基板61に各画素を区画するための画素分離領域62を形成し、各区画された画素領域にフォトダイオード53と複数のMOSトランジスタ、すなわち読み出しトランジスタ54、それ以外のMOSトランジスタ55のMOSトランジスタが形成されて単位画素60が構成される。そして、この画素60が多数個、2次元マトリックス状に配列される。   FIG. 7 shows an example of a conventional CMOS type solid-state imaging device applied to an image sensor and irradiated with light from the back side. FIG. 7 shows the main part of the pixel. In the unit pixel, when the signal charge from the photodiode 53 and the photodiode 53 is read, the other components of the MOS transistor 55 are represented. This back-illuminated CMOS solid-state imaging device 51 is formed with a pixel isolation region 62 for partitioning each pixel in a first conductivity type, for example, n-type silicon semiconductor substrate 61, and a photodiode in each partitioned pixel region. 53 and a plurality of MOS transistors, that is, the read transistor 54 and the other MOS transistors 55 are formed to constitute the unit pixel 60. A large number of the pixels 60 are arranged in a two-dimensional matrix.

画素分離領域62は、基板表面から基板裏面にわたって比較的に低不純物濃度の第2導電型であるp型半導体領域により形成される。フォトダイオード53は、p型の画素分離領域62と各MOSトランジスタ54、55が形成される比較的に深いp型半導体ウェル領域63とにより囲まれたn型半導体基板61で形成される。すなわちフォトダイオード53は、n半導体領域(領域)61Aとその表面側の高不純物濃度のn+半導体領域(n+領域)61Bとにより形成される。このn+領域61Bは、フォトダイオード3内で光電変換により生成された電子・正孔のうち信号となる電荷、この例では電子を蓄積するための電荷蓄積領域となる。さらに、このn+半導体領域61Bの界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のp型半導体領域よりなるp+アキュミュレーション層(電荷蓄積層)64が形成される。   The pixel isolation region 62 is formed of a p-type semiconductor region that is a second conductivity type having a relatively low impurity concentration from the substrate surface to the substrate back surface. The photodiode 53 is formed of an n-type semiconductor substrate 61 surrounded by a p-type pixel isolation region 62 and a relatively deep p-type semiconductor well region 63 in which the MOS transistors 54 and 55 are formed. That is, the photodiode 53 is formed of an n semiconductor region (region) 61A and a high impurity concentration n + semiconductor region (n + region) 61B on the surface side thereof. The n + region 61B serves as a charge accumulation region for accumulating charges that are signals of electrons and holes generated by photoelectric conversion in the photodiode 3, in this example, electrons. Furthermore, a p + accumulation layer (charge storage layer) 64 made of a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing dark current generation is formed at the interface of the n + semiconductor region 61B.

各MOSトランジスタ54、55は、次のようにして構成される。p型半導体ウェル領域63の表面には、フォトダイオード53に隣接するように、高不純物濃度のn型ソース・ドレイン領域(n+領域)57、58、59がイオン注入により形成される。
読み出しトランジスタ54は、n型ソース・ドレイン領域57と、フォトダイオード53の表面側のソース・ドレイン領域を兼ねるn+領域61Bと、両領域57及び61B間のp−チャネル領域65上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極とにより構成される。読み出しトランジスタ54以外のトランジスタ55は、また対をなすn型ソース・ドレイン領域58及び59と、両領域58及び59間のp型半導体ウェル領域63上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極67とにより形成される。
また、n+半導体基板61の光照射面となる裏面には、暗電流の発生を抑制するための高不純物濃度のp型半導体領域よりなるp+アキュミュレーション層68が形成される。
Each MOS transistor 54, 55 is configured as follows. On the surface of the p-type semiconductor well region 63, n-type source / drain regions (n + regions) 57, 58, 59 with high impurity concentration are formed by ion implantation so as to be adjacent to the photodiode 53.
The read transistor 54 includes an n-type source / drain region 57, an n + region 61B serving as a source / drain region on the surface side of the photodiode 53, and a gate insulating film on the p-channel region 65 between the regions 57 and 61B. And a gate electrode formed therethrough. The transistors 55 other than the read transistor 54 are also formed by a gate electrode 67 formed on the n-type source / drain regions 58 and 59 and the p-type semiconductor well region 63 between the regions 58 and 59 via a gate insulating film. And formed.
Further, a p + accumulation layer 68 made of a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing the generation of dark current is formed on the back surface as the light irradiation surface of the n + semiconductor substrate 61.

この裏面照射型固体撮像素子51は、半導体基板61の裏面側から光をフォトダイオード53に入射し、フォトダイオード53において光電変換して受光量に応じた信号電荷をn+領域61Bに蓄積するようにしている。そして、各MOSトランジスタ54、55の読み出し動作によってn+領域61Bの信号電荷が読み出される。   In this backside illumination type solid-state imaging device 51, light is incident on the photodiode 53 from the backside of the semiconductor substrate 61, and photoelectric conversion is performed in the photodiode 53 to accumulate signal charges corresponding to the amount of received light in the n + region 61B. ing. The signal charges in the n + region 61B are read out by the read operation of the MOS transistors 54 and 55.

特に、特許文献1には、上述した裏面照射型固体撮像素子が提案されている(特許文献1、図4参照)。   In particular, Patent Document 1 proposes the back-illuminated solid-state imaging device described above (see Patent Document 1 and FIG. 4).

特開2003−31785号公報JP 2003-31785 A

上述したような裏面照射型固体撮像素子51では、基板裏面側のシリコン界面からの暗電流発生を抑制するために、フォトダイオード53の基板裏面側のシリコン界面にp+アキュミュレーション層68を形成し、いわゆるHAD(Hole Accumulation Diode)を形成している。このため、光電変換によりフォトダイオード53に大量の正孔(ホール)が発生した場合、裏面界面付近に正孔が溜まり、空乏化状態に比べて裏面側から表面側へのポテンシャル勾配が変化し、感度が低下したり、照射光量と画素出力とのリニアリティがずれる可能性があった。この状況を図8A,B及び図9を参照して説明する。   In the back-illuminated solid-state imaging device 51 as described above, a p + accumulation layer 68 is formed on the silicon interface on the back side of the substrate of the photodiode 53 in order to suppress the generation of dark current from the silicon interface on the back side of the substrate. A so-called HAD (Hole Accumulation Diode) is formed. For this reason, when a large amount of holes (holes) are generated in the photodiode 53 by photoelectric conversion, holes accumulate near the back surface interface, and the potential gradient from the back surface side to the front surface side changes compared to the depleted state, There is a possibility that the sensitivity is lowered or the linearity between the irradiation light quantity and the pixel output is shifted. This situation will be described with reference to FIGS. 8A and 8B and FIG.

図8Aは図7の単位画素の領域を模式的に表した断面図,図8Bは基板裏面側から光照射された受光時の基板深さ方向のポテンシャル分布図である。図8Bにおいて、ポテンシャル分布71は、図8AのA1−A1線上に沿ったフォトダイオード領域53の深さ方向のポテンシャル分布を示し、ポテンシャル分布72は、図8AのB1−B1線上に沿う画素分離領域62の深さ方向のポテンシャル分布を示す。   FIG. 8A is a cross-sectional view schematically showing the unit pixel region of FIG. 7, and FIG. 8B is a potential distribution diagram in the substrate depth direction when light is irradiated from the back side of the substrate. 8B, a potential distribution 71 indicates a potential distribution in the depth direction of the photodiode region 53 along the A1-A1 line in FIG. 8A, and a potential distribution 72 indicates a pixel isolation region along the B1-B1 line in FIG. 8A. 62 shows the potential distribution in the depth direction.

フォトダイオード領域53でのポテンシャルは、裏面側のp+アキュミュレーション層68の界面で浅く、表面側に向って徐々に深くなり表面側のn+領域61Bでもっとも深くなる。さらに、表面側のp+アキュミュレーション層64の界面に向って急激に浅くなる。画素分離領域62のポテンシャルは、裏面側のp+アキュミュレーション層68の界面で浅く、低不純物濃度のp−画素分離領域62の裏面近傍で深くなったのち、表面側のp+アキュミュレーション層64の界面に向って浅くなる。   The potential in the photodiode region 53 is shallow at the interface of the p + accumulation layer 68 on the back surface side, gradually deepens toward the front surface side, and deepest in the n + region 61B on the front surface side. Furthermore, it becomes shallow rapidly toward the interface of the p + accumulation layer 64 on the surface side. The potential of the pixel isolation region 62 is shallow at the interface of the p + accumulation layer 68 on the back surface side and becomes deep in the vicinity of the back surface of the p− pixel isolation region 62 having a low impurity concentration, and then the p + accumulation layer 64 on the front surface side. Shallow toward the interface.

図7Bに示すように裏面側より光Lが照射されると、フォトダイオード53のn領域61Aで光電変換により電子(e)・正孔(h)対が発生する。裏面近傍で発生した電子(e)・正孔(h)対のうち、電子(e)はn+領域61Bに蓄積され、正孔(h)は裏面側のp+アキュミュレーション層68に蓄積される。裏面側のp+アキュミュレーション層68に蓄積された正孔(h)は、ポテンシャル分布72で明らかなように、p+アキュミュレーション層68に溜められる。この正孔(h)によってフォトダイオード領域53ポテンシャルが変調し、すなわちフォトダイオード領域53の裏面側界面のポテンシャルが深くなり、破線71aで示すようにポテンシャル勾配が浅くなる。このため、裏面側界面付近で光電変換した電子(e)のを表面側のn+領域61Bにドリフトさせる電界が弱まり、このドリフト能力の低下で感度が低下し、カラーバランスが崩れる虞れがある。
なお、図9Aに画素リセット動作直後のポテンシャル分布を、図9Bに光照射直後のポテンシャル分布を模式的に示す。
When light L is irradiated from the back side as shown in FIG. 7B, electron (e) / hole (h) pairs are generated by photoelectric conversion in the n region 61A of the photodiode 53. Of the electron (e) / hole (h) pair generated near the back surface, the electron (e) is stored in the n + region 61B, and the hole (h) is stored in the p + accumulation layer 68 on the back surface side. . Holes (h) accumulated in the p + accumulation layer 68 on the back side are accumulated in the p + accumulation layer 68 as is apparent from the potential distribution 72. The potential of the photodiode region 53 is modulated by the holes (h), that is, the potential on the back surface side interface of the photodiode region 53 becomes deep, and the potential gradient becomes shallow as indicated by a broken line 71a. For this reason, the electric field for drifting the electrons (e) photoelectrically converted in the vicinity of the back surface side interface to the n + region 61B on the front surface side is weakened, and the sensitivity may decrease due to the decrease in the drift capability, and the color balance may be lost.
FIG. 9A schematically shows the potential distribution immediately after the pixel reset operation, and FIG. 9B schematically shows the potential distribution immediately after the light irradiation.

また、図8Bに示すように、最初、光量が少ないときに正孔(h)がp+アキュミュレーション層68に溜まり、フォトダイオード領域53のポテンシャル勾配71aとなる。光量が増えて正孔(h)がp+アキュミュレーション層68に多く溜められると、オーバフローして一部の正孔(h)がp−画素分離領域62を通じて表面側に抜ける。このとき、鎖線で示すように、実線のポテンシャル勾配71と破線のポテンシャル勾配71aの中間のポテンシャル勾配71bに戻る。このように光量によってポテンシャル勾配が変動し、結果として照射光量と画素出力とのリニアリティが変化する虞れがある。   Further, as shown in FIG. 8B, when the amount of light is small at first, holes (h) are accumulated in the p + accumulation layer 68 and become a potential gradient 71 a of the photodiode region 53. When the amount of light increases and many holes (h) are accumulated in the p + accumulation layer 68, it overflows and some holes (h) escape to the surface side through the p-pixel separation region 62. At this time, as indicated by the chain line, the potential gradient 71b is intermediate between the solid potential gradient 71 and the broken potential gradient 71a. Thus, the potential gradient varies depending on the light amount, and as a result, the linearity between the irradiation light amount and the pixel output may change.

裏面照射型のCCD固体撮像素子を開発した場合にも、上述と同様の課題が生じる虞れがある。   Even when a back-illuminated CCD solid-state imaging device is developed, the same problem as described above may occur.

また、近年、裏面照射型固体撮像素子では、カメラ信号処理回路、DSP(Digital Signal Processor)、レンズや入出力部などの、周辺部分を同じチップに搭載させる傾向にある。固体撮像素子を搭載する電子機器の小型化や応用用途の多彩により、特に携帯電話に搭載するような固体撮像素子では、電子デバイス的な要求以上に周辺機能を取り込んで1体化したモジュールの要素が要求されている。さらに、固体撮像素子がモジュール化させることで携帯電話以外のデジタルスチールカメラ、デジタルカムコーダ、PDA、パソコン、監視カメラ等にも容易に搭載することができ、さまざまな用途に使用することができる。上述した暗電流を生じる裏面照射型固体撮像素子をモジュール化した電子機器モジュール、あるいはカメラモジュールでは、裏面照射型固体撮像素子の暗電流のためモジュールにしたときの画質の低下(時間と共に感度が低下し、カラーバランスが変化する現象を総称する)を招く虞がある。   In recent years, back-illuminated solid-state image sensors tend to have peripheral parts such as camera signal processing circuits, DSPs (Digital Signal Processors), lenses, and input / output units mounted on the same chip. Due to the downsizing of electronic devices equipped with solid-state image sensors and the variety of applications, module elements that incorporate peripheral functions beyond the requirements of electronic devices, especially in solid-state image sensors such as those mounted on mobile phones. Is required. Furthermore, when the solid-state imaging device is modularized, it can be easily mounted on a digital still camera, a digital camcorder, a PDA, a personal computer, a surveillance camera, etc. other than a cellular phone, and can be used for various applications. In the electronic equipment module or camera module in which the back-illuminated solid-state image sensor that generates the dark current is modularized, the image quality deteriorates when the module is formed due to the dark current of the back-illuminated solid-state image sensor (the sensitivity decreases with time). Furthermore, there is a risk of inviting a phenomenon that the color balance changes).

本発明は、上述の点に鑑み、裏面側のアキュミュレーション層に蓄積される信号電荷として用いない電荷によるポテンシャル勾配の変化を抑制し、一定の画質を保証する裏面照射型固体撮像素子及びこの裏面照射型固体撮像素子を備えた電子機器モジュール、カメラモジュールを提供するものである。   In view of the above-mentioned points, the present invention suppresses a change in potential gradient due to charges not used as signal charges accumulated in a backside accumulation layer, and guarantees a constant image quality, and a backside illuminated solid-state imaging device. The present invention provides an electronic device module and a camera module provided with a back-illuminated solid-state imaging device.

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子は、半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、半導体基板の裏面側の光照射面と、表面側に光電変換部と異なる導電型のアキュミュレーション層が形成され、光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、アキュミュレーション層を通じて裏面側から表面側に導き、画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有する。そして、電荷引き抜き領域は光電変換部と異なる導電型の画素分離領域に、画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域よりも高濃度の不純物領域で形成され、光電変換部は、前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層と画素分離領域とに囲まれる。   In the backside illumination type solid-state imaging device according to the present invention, a charge accumulation region in the photoelectric conversion unit of each pixel and an element for reading out signal charges are formed on the front side of the semiconductor substrate, and the light irradiation surface on the back side of the semiconductor substrate And an accumulation layer of a conductivity type different from that of the photoelectric conversion part is formed on the front side, and among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion part, charges not used as signal charges are passed through the accumulation layer on the back side. To the surface side, and has a charge extraction region that is extracted from a region other than the photoelectric conversion portion of the pixel. The charge extraction region is formed in a pixel separation region having a conductivity type different from that of the photoelectric conversion unit, and an impurity region having the same conductivity type as the pixel separation region and having a higher concentration than the pixel separation region. The portion is surrounded by an accumulation layer and a pixel isolation region formed on the back side and the front side of the semiconductor substrate.

本発明の電子機器モジュールは、上記の裏面照射型固体撮像素子と光学レンズ系と信号処理手段を備えることを特徴とする。
本発明のカメラモジュールは、上記の裏面照射型固体撮像素子と光学レンズ系を備えることを特徴とする。
An electronic device module according to the present invention includes the above-described back-illuminated solid-state imaging device, an optical lens system, and signal processing means.
The camera module of the present invention includes the above-described back-illuminated solid-state imaging device and an optical lens system.

本発明の裏面照射型固体撮像素子では、電荷引き抜き領域を有することにより、光電変換により生成した電子・正孔対のうち、光照射面のアキュミュレーション層に集まる電荷が電荷引き抜き領域を通じて裏面側から表面側へ引き抜かれる。これにより、空乏化状態に比べて裏面側から表面側の電荷蓄積領域へのポテンシャル勾配の変動が抑制され、ポテンシャル勾配が安定化する、したがって、信号電荷の表面側電荷蓄積領域へのドリフト電界が保持される。   In the backside illumination type solid-state imaging device of the present invention, by having the charge extraction region, among the electron-hole pairs generated by photoelectric conversion, the charges gathered in the accumulation layer on the light irradiation surface pass through the charge extraction region. It is pulled out from the surface side. As a result, the fluctuation of the potential gradient from the back surface side to the front surface side charge accumulation region is suppressed compared to the depleted state, and the potential gradient is stabilized. Therefore, the drift electric field to the surface side charge accumulation region of the signal charge is reduced. Retained.

本発明の電子機器モジュールでは、上記裏面照射型固体撮像素子を備えることにより、裏面照射型固体撮像素子における感度低下が防止でき、また照射光量が大きい場合でも光量と出力のリニアリティが良好となり、撮像画像の画質が良くなる。
また、本発明のカメラモジュールでは、上記裏面照射型固体撮像素子を備えることにより、裏面照射型固体撮像素子における感度低下が防止でき、また照射光量が大きい場合でも光量と出力のリニアリティが良好となり、撮像画像の画質が良くなる。また、小型、各部品ごとに実装する必要がなくなり実装効率の向上、光学特性の調整をしなくてもよくなる。カメラモジュールを容易に実装できて製品設計を短縮することができる。
In the electronic device module of the present invention, by providing the back-illuminated solid-state image sensor, it is possible to prevent a decrease in sensitivity in the back-illuminated solid-state image sensor. The image quality is improved.
Further, in the camera module of the present invention, by providing the backside illumination type solid-state imaging device, it is possible to prevent a decrease in sensitivity in the backside illumination type solid-state imaging device, and even when the irradiation light quantity is large, the linearity of the light quantity and the output becomes good The image quality of the captured image is improved. In addition, since it is small and does not need to be mounted for each component, it is not necessary to improve mounting efficiency and adjust optical characteristics. The camera module can be easily mounted and the product design can be shortened.

本発明の裏面照射型固体撮像素子によれば、電荷引き抜き領域を設けることで光電変換によって信号電荷として用いない電荷が大量発生し裏面側のアキュミュレーション層に集められた場合でも、この電荷が電荷引き抜き領域を通じて引き抜かれるので、裏面側から表面側へのポテンシャル勾配が空乏化状態に比べて変化することを抑制することができる。したがって、裏面照射型固体撮像素子の感度低下を防止することができる。さらに、照射光量が大きい場合でも、感度が一時的に低下することを抑制できることにより、画素の光量と出力のリニアリティを良好に保持することができる。   According to the backside illumination type solid-state imaging device of the present invention, even if a large amount of charges that are not used as signal charges are generated by photoelectric conversion by providing a charge extraction region, the charges are collected even in the accumulation layer on the backside. Since the charge is extracted through the charge extraction region, the potential gradient from the back surface side to the front surface side can be suppressed from changing compared to the depleted state. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in sensitivity of the backside illumination type solid-state imaging device. Furthermore, even when the irradiation light quantity is large, it is possible to keep the light quantity of the pixel and the linearity of the output satisfactorily by suppressing the sensitivity from being temporarily lowered.

本発明の電子機器モジュールによれば、裏面照射型固体撮像素子の感度が向上するため電子機器モジュールに組上げたとき、時間と共に感度が低下することを防ぎ、カラーバランスも変化しなくなるため、よりモジュールの画質の特性が向上する。   According to the electronic device module of the present invention, the sensitivity of the back-illuminated solid-state imaging device is improved, so that when assembled in the electronic device module, the sensitivity is prevented from decreasing with time, and the color balance is not changed. Improved image quality characteristics.

本発明のカメラモジュールによれば、裏面照射型固体撮像素子の感度が向上するためカメラモジュールに組上げたとき、時間と共に感度が低下することを防ぎ、カラーバランスも変化しなくなるため、よりモジュールの画質の特性が向上する。   According to the camera module of the present invention, since the sensitivity of the back-illuminated solid-state imaging device is improved, when assembled in the camera module, the sensitivity is prevented from decreasing with time, and the color balance is not changed. Improved characteristics.

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の一実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the back irradiation type solid-state image sensor which concerns on this invention. A 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の一実施の形態の単位画素の上面図である。 B 図3AをA−A線で切断した断面図である。A is a top view of a unit pixel of an embodiment of a backside illumination type solid-state imaging device according to the present invention. B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3A. 本発明の裏面照射型固体撮像素子に適用されるCMOS固体撮像素子の1画素の一例の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of an example of 1 pixel of the CMOS solid-state image sensor applied to the backside illumination type solid-state image sensor of the present invention. A 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の要部の模式的断面図である。 B 図4AのA2−A2線上、B2−B2線上、C2−C2線上のポテンシャル図である。It is typical sectional drawing of the principal part of the back irradiation type solid-state image sensor concerning A of this invention. B is a potential diagram on the line A2-A2, line B2-B2, and line C2-C2 in FIG. 4A. 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の参考例を示す図である。It is a figure which shows the reference example of the backside illumination type solid-state image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows embodiment of the electronic device module and camera module which concern on this invention. 従来の裏面照射型固体撮像素子の画素領域の断面図である。It is sectional drawing of the pixel area | region of the conventional backside illumination type solid-state image sensor. A 従来の裏面照射型固体撮像素子の要部の模式的断面図である。 B 図5AのA1−A1線上、B1−B1線上のポテンシャル図である。It is typical sectional drawing of the principal part of the conventional back irradiation type solid-state image sensor. B is a potential diagram on the line A1-A1 and the line B1-B1 in FIG. 5A. A 従来の単位画素のリセット時のポテンシャル分布である。 B 従来の単位画素に光照射した時のポテンシャル分布である。A A potential distribution at the time of resetting a conventional unit pixel. B is a potential distribution when a conventional unit pixel is irradiated with light.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る裏面照射型固体撮像素子を裏面照射型CMOS固体撮像素子に適用した一実施の形態を示す画素部分の概略構成図である。図2は、その画素の詳細断面である。
本実施の形態に係る裏面照射型固体撮像素子1は、第1導電型、シリコン半導体基板2に第2導電型の半導体領域からなる画素分離領域13を形成し、この画素分離領域13で区画された各画素領域にフォトダイオード3と、このフォトダイオード3に蓄積された信号電荷の読み出し動作を行うための素子、すなわち所要数のMOSトランジスタ、Tr(図2参照)を形成し構成される。20は単位画素である。画素分離領域13は、基板2の表面から裏面に至るように深さ方向に形成される。MOSトランジスタTrは基板2の表面側に形成され、フォトダイオード3は一部MOSトランジスタTrの下方に延びるようにして基板2の裏面側に延在して形成される。
そして、画素を区画する画素分離領域13には、後述する光電変換で発生し電子・正孔対のうちの信号電荷とならない電荷を裏面側から表面側へ引き抜くための、本発明に係る電荷引き抜き領域30(図2参照)が形成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pixel portion showing an embodiment in which a back-illuminated solid-state image sensor according to the present invention is applied to a back-illuminated CMOS solid-state image sensor. FIG. 2 is a detailed cross section of the pixel.
The back-illuminated solid-state imaging device 1 according to the present embodiment forms a pixel isolation region 13 composed of a semiconductor region of the second conductivity type on the first conductivity type and silicon semiconductor substrate 2, and is partitioned by the pixel isolation region 13. In each pixel region, a photodiode 3 and an element for performing a reading operation of signal charges accumulated in the photodiode 3, that is, a required number of MOS transistors, Tr (see FIG. 2) are formed. Reference numeral 20 denotes a unit pixel. The pixel isolation region 13 is formed in the depth direction so as to extend from the front surface to the back surface of the substrate 2. The MOS transistor Tr is formed on the front surface side of the substrate 2, and the photodiode 3 is formed so as to extend partially on the back surface side of the substrate 2 so as to extend below the MOS transistor Tr.
In the pixel separation region 13 that divides the pixel, the charge extraction according to the present invention for extracting from the back side to the front side the charge that is generated by photoelectric conversion described later and does not become the signal charge of the electron / hole pair. Region 30 (see FIG. 2) is formed.

基板2の表面上には、MOSトランジスタTrのゲート電極8が形成されると共に、その上に層間絶縁膜26を介して多層の配線層24aが配された配線領域24が形成される。さらにこの配線領域24上に支持基板25が形成される。支持基板25としては、薄い半導体基板を支持できるものであれば、どのような材料基板でも用いることができるが、例えばシリコン基板を用いることが好ましい。
一方、半導体基板2の裏面側のフォトダイオード3の界面に暗電流発生を抑制するためのアキュミュレーション層(電荷蓄積層)15が形成される。さらに半導体基板2の裏面上にオンチップカラーフィルタ22が形成され、このカラーフィルタ22上に各画素20に対応するようにオンチップレンズ21が形成される。このCMOS固体撮像素子1においては、基板裏面からオンチップレンズ21を通してフォトダイオード3に対して光Lが照射するようになされる。
A gate electrode 8 of the MOS transistor Tr is formed on the surface of the substrate 2, and a wiring region 24 is formed on which a multilayer wiring layer 24 a is disposed via an interlayer insulating film 26. Further, a support substrate 25 is formed on the wiring region 24. As the support substrate 25, any material substrate can be used as long as it can support a thin semiconductor substrate. For example, a silicon substrate is preferably used.
On the other hand, an accumulation layer (charge storage layer) 15 for suppressing dark current generation is formed at the interface of the photodiode 3 on the back side of the semiconductor substrate 2. Further, an on-chip color filter 22 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 2, and an on-chip lens 21 is formed on the color filter 22 so as to correspond to each pixel 20. In the CMOS solid-state imaging device 1, the light L is applied to the photodiode 3 from the back surface of the substrate through the on-chip lens 21.

この裏面照射型固体撮像素子1の単位画素20の具体的構成の一例を図2に示す。図2Aは、単位画素20の上部支持基板25及び配線領域24を取り除いた状態の上面図を示している。図2Bは、図2のA−A線上の断面構造を示している。
この例では、第1導電型であるn型のシリコン半導体基板2の各画素領域を区画するように第2導電型であるp型の半導体領域からなる画素分離領域13が形成される。この画素分離領域13は比較的に低不純物濃度のp型は半導体領域で形成される。画素領域のn型半導体基板2には、その表面にp型画素分離領域13に接続して一部画素領域内に延在する比較的に深いp型半導体ウェル領域16が形成される。
An example of a specific configuration of the unit pixel 20 of the backside illumination type solid-state imaging device 1 is shown in FIG. FIG. 2A shows a top view of the unit pixel 20 with the upper support substrate 25 and the wiring region 24 removed. FIG. 2B shows a cross-sectional structure along the line AA in FIG.
In this example, a pixel isolation region 13 made of a p-type semiconductor region of the second conductivity type is formed so as to partition each pixel region of the n-type silicon semiconductor substrate 2 of the first conductivity type. The pixel isolation region 13 is formed of a semiconductor region of a p-type having a relatively low impurity concentration. The n-type semiconductor substrate 2 in the pixel region is formed with a relatively deep p-type semiconductor well region 16 connected to the p-type pixel isolation region 13 and extending partially in the pixel region on the surface thereof.

光電変換部となるフォトダイオード3は、p型画素分離領域13とp型半導体ウェル領域16とにより囲まれたn型半導体基板2で形成される。すなわち、フォトダイオード3は、n半導体領域2Aとその表面側の高不純物濃度のn+半導体領域2Bとにより形成される。n+半導体領域3Bの表面側の界面には、暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のp型半導体領域からなるp+アキュミュレーション層12が形成される。さらに、各画素領域に共通に、n型半導体基板2の裏面、すなわちn半導体領域2Aの裏面側の界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のp型半導体領域からなるp+アキュミュレーション層15が形成される。このフォトダイオード3は、そのn+半導体領域2Bの表面とn半導体領域2Aの裏面にp+アキュミュレーション層12及び15を有するので、いわゆるHADセンサとして構成される。また、フォトダイオード3は、n半導体領域2Aがp型半導体ウェル領域16の下方に延在するので、画素領域の全体にわたるように大面積で形成される。   The photodiode 3 serving as a photoelectric conversion part is formed of an n-type semiconductor substrate 2 surrounded by a p-type pixel isolation region 13 and a p-type semiconductor well region 16. That is, the photodiode 3 is formed by the n semiconductor region 2A and the n + semiconductor region 2B having a high impurity concentration on the surface side. A p + accumulation layer 12 made of a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing dark current generation is formed on the interface on the surface side of the n + semiconductor region 3B. Further, in common to each pixel region, p + accumulation composed of a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing dark current generation on the back surface of the n-type semiconductor substrate 2, that is, the interface on the back surface side of the n semiconductor region 2A. Layer 15 is formed. The photodiode 3 is configured as a so-called HAD sensor because it has p + accumulation layers 12 and 15 on the front surface of the n + semiconductor region 2B and the back surface of the n semiconductor region 2A. The photodiode 3 is formed in a large area so as to cover the entire pixel region because the n semiconductor region 2A extends below the p-type semiconductor well region 16.

一方、電荷読出し動作を行うMOSトランジスタTrは、p型半導体ウェル領域16に形成される。すなわち、例えば1画素を1つのフォトダイオード3と4つのMOSトランジスタで構成するときは、MOSトランジスタTrは、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタを有する、この画素の等価回路は後述する(図3参照)。図2では、p型半導体ウェル領域16内にフォトダイオード3に近接して一方のn+ソース・ドレイン領域14が形成され、このn+ソース・ドレイン領域14と他方のソース・ドレイン領域を兼ねるフォトダイオード3のn+半導体領域2B間のp型半導体ウェル領域16上にゲート絶縁膜を介してゲート電極8が形成されて読出しトランジスタ4が形成される。この一方のソース・ドレイン領域14はフローティング・ディフュージョン(FD)として作用する。図2では省略したが、p型半導体ウェル領域16の他部には、他のリセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタ等が形成される。   On the other hand, the MOS transistor Tr that performs the charge reading operation is formed in the p-type semiconductor well region 16. That is, for example, when one pixel is composed of one photodiode 3 and four MOS transistors, the MOS transistor Tr has a read transistor, a reset transistor, an amplifier transistor, and a vertical selection transistor. An equivalent circuit of this pixel will be described later. (See FIG. 3). In FIG. 2, one n + source / drain region 14 is formed in the p-type semiconductor well region 16 adjacent to the photodiode 3, and the photodiode 3 serving as both the n + source / drain region 14 and the other source / drain region. A gate electrode 8 is formed on the p-type semiconductor well region 16 between the n + semiconductor regions 2B via a gate insulating film, and the read transistor 4 is formed. This one source / drain region 14 acts as a floating diffusion (FD). Although omitted in FIG. 2, other reset transistors, amplifier transistors, vertical selection transistors, and the like are formed in other portions of the p-type semiconductor well region 16.

半導体基板の表面上には、例えばシリコン酸化膜等による層間絶縁膜26を介して多層の配線層24aが形成される。また、表面側の配線領域24上には、支持基板25が貼り合わされる。なお、図2では省略したが、図1で示したように基板裏面上には、カラーフィルタ22、その上にオンチップレンズ21が形成される。   A multilayer wiring layer 24a is formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film 26 made of, for example, a silicon oxide film. A support substrate 25 is bonded onto the wiring region 24 on the front side. Although omitted in FIG. 2, as shown in FIG. 1, the color filter 22 is formed on the back surface of the substrate, and the on-chip lens 21 is formed thereon.

そして、本実施の形態においては、特に図2に示すように、画素の光電変換部以外の領域、すなわち画素分離領域13の一部、あるいはフォトダイオード3を取り囲んで、本例では一部に電荷引き抜き領域30を形成する。この電荷引き抜き領域30は、光電変換により生成し電子・正孔対のうち信号とならない電荷を裏面側から表面側に引き抜くためのものである。電荷引き抜き領域30は、画素分離領域13と同導電型で、画素分離領域13より高不純物濃度の半導体領域で形成される。本実施の形態の電荷引き抜き領域30は、高不純物濃度のp+半導体領域で形成され、正孔を引き抜くように、基板裏面のp+アキュミュレーション層15に接して基板表面まで形成される。また、このp+電荷引き抜き領域(いわゆる正孔プラグ領域)30は、その不純物濃度が裏面側のp+アキュミュレーション層15より高濃度で且つ裏面側から表面側に向かって濃度が高くなるように形成される。   In this embodiment, as shown particularly in FIG. 2, a region other than the photoelectric conversion portion of the pixel, that is, a part of the pixel separation region 13 or the photodiode 3 is surrounded, and in this example, a part of the charge is charged. A drawing region 30 is formed. The charge extraction region 30 is for extracting charges generated by photoelectric conversion that are not signals from the electron / hole pairs from the back surface side to the front surface side. The charge extraction region 30 is formed of a semiconductor region having the same conductivity type as the pixel isolation region 13 and having a higher impurity concentration than the pixel isolation region 13. The charge extraction region 30 of the present embodiment is formed of a p + semiconductor region having a high impurity concentration, and is formed up to the substrate surface in contact with the p + accumulation layer 15 on the back surface of the substrate so as to extract holes. The p + charge extraction region (so-called hole plug region) 30 is formed so that its impurity concentration is higher than that of the p + accumulation layer 15 on the back surface side and the concentration increases from the back surface side to the front surface side. Is done.

なお、図3に、1つのフォトダイオードと4つのMOSトランジスタからなる単位画素の等価回路を示す。この単位画素20の等価回路は、フォトダイオード3と、読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6及び垂直選択トランジスタ7の4つのMOSトランジスタで構成される。そして、フォトダイオード3が電荷読み出しトランジスタ4の一方の主電極に接続され、読み出しトランジスタ4の他方の主電極がリセットトランジスタ5の一方の主電源に接続される。リセットトランジスタ5の他方の主電源がアンプトランジスタ6の他方の主電極が垂直選択トランジスタ7の一方の主電極に接続される。   FIG. 3 shows an equivalent circuit of a unit pixel composed of one photodiode and four MOS transistors. The equivalent circuit of the unit pixel 20 includes a photodiode 3 and four MOS transistors including a read transistor 4, a reset transistor 5, an amplifier transistor 6, and a vertical selection transistor 7. The photodiode 3 is connected to one main electrode of the charge reading transistor 4, and the other main electrode of the reading transistor 4 is connected to one main power supply of the reset transistor 5. The other main power supply of the reset transistor 5 is connected to the other main electrode of the amplifier transistor 6 to one main electrode of the vertical selection transistor 7.

また、読み出しトランジスタ4とリセットトランジスタ5の接続中点に対応するFD(フローティング・ディフュージョン)がアンプトランジスタ6のゲート電極に接続される。リセットトランジスタ5とアンプトランジスタ6の接続中点が、電源Vddからの電源配線8に接続される。さらに、垂直選択トランジスタ7の他方の主電源が、垂直信号線9に接続される。垂直信号線9と水平信号線(図示せず)との間に水平選択トランジスタ17が接続される。
そして、読み出しトランジスタ4のゲート電極に垂直読み出しパルスΦTGが印加され、リセットトランジスタ5のゲート電極にはリセットパルスΦRが印加され、垂直選択トランジスタ7のゲート電極には垂直選択パルスΦSELが印加される。
Further, an FD (floating diffusion) corresponding to the midpoint of connection between the read transistor 4 and the reset transistor 5 is connected to the gate electrode of the amplifier transistor 6. The midpoint of connection between the reset transistor 5 and the amplifier transistor 6 is connected to the power supply wiring 8 from the power supply Vdd. Further, the other main power supply of the vertical selection transistor 7 is connected to the vertical signal line 9. A horizontal selection transistor 17 is connected between the vertical signal line 9 and a horizontal signal line (not shown).
A vertical read pulse ΦTG is applied to the gate electrode of the read transistor 4, a reset pulse ΦR is applied to the gate electrode of the reset transistor 5, and a vertical selection pulse ΦSEL is applied to the gate electrode of the vertical select transistor 7.

このような単位画素20が多数個、2次元マトリックス状に配列されてCMOS型固体撮像素子が構成される。   A large number of such unit pixels 20 are arranged in a two-dimensional matrix to constitute a CMOS solid-state imaging device.

この単位画素20においては、光電変換によってフォトダイオード3に信号電荷が蓄積される。読み出しトランジスタ4のゲート電極に垂直読み出しパルスΦTGが印加されることにより、読み出しトランジスタ4が導通し、フォトダイオード3の信号電荷がFDに転送されることで、FDの電位が変化する。このFDの信号電圧がアンプトランジスタ6のゲート電極に印加され、アンプトランジスタ6によって信号電流に変換される。一方、垂直選択トランジスタ7のゲート電極に垂直選択パルスΦSELが印加されることによって垂直選択トランジスタ7が導通し、信号電流が垂直信号線9に現れる。この信号電流は、水平選択パルスにより水平選択トランジスタ17を経て、水平信号線に流れ出力部から出力される。   In the unit pixel 20, signal charges are accumulated in the photodiode 3 by photoelectric conversion. When the vertical read pulse ΦTG is applied to the gate electrode of the read transistor 4, the read transistor 4 becomes conductive, and the signal charge of the photodiode 3 is transferred to the FD, so that the potential of the FD changes. The signal voltage of the FD is applied to the gate electrode of the amplifier transistor 6 and converted into a signal current by the amplifier transistor 6. On the other hand, when the vertical selection pulse ΦSEL is applied to the gate electrode of the vertical selection transistor 7, the vertical selection transistor 7 becomes conductive, and a signal current appears on the vertical signal line 9. This signal current flows to the horizontal signal line through the horizontal selection transistor 17 by the horizontal selection pulse, and is output from the output unit.

次に、図4を用いて上述の本実施の形態に係る裏面照射型固体撮像素子、すなわち電荷引き抜き領域30を設けたCMOS固体撮像素子1に動作を説明する。
図4Aは図2の単位画素の領域を模式的に表した断面図、図4Bは基板裏面から光照射された受光時の基板深さ方向のポテンシャル分布図である。図4Bにおいて、ポテンシャル分布31は、図4AのA2ーA2線に沿うフォトダイオード領域3の深さ方向のポテンシャル分布を示し、ポテンシャル分布32は、図4AのB2ーB2線に沿う画素分離領域13の深さ方向のポテンシャル分布を示し、図4AのC2ーC2線に沿う電荷引き抜き領域30の深さ方向のポテンシャル分布を示す。フォトダイオード領域3のポテンシャル分布31は、図8Bのポテンシャル分布71と同じである。画素分離領域13のポテンシャル分布32は、図8Bのポテンシャル分布72と同じである。電荷引き抜き領域30のポテンシャル分布33は、ポテンシャルが裏面側から表面側に向かって漸次浅くなっている。
Next, the operation of the back-illuminated solid-state imaging device according to the above-described embodiment, that is, the CMOS solid-state imaging device 1 provided with the charge extraction region 30 will be described with reference to FIG.
4A is a cross-sectional view schematically showing the region of the unit pixel in FIG. 2, and FIG. 4B is a potential distribution diagram in the substrate depth direction when light is irradiated from the back surface of the substrate. 4B, a potential distribution 31 indicates the potential distribution in the depth direction of the photodiode region 3 along the line A2-A2 in FIG. 4A, and a potential distribution 32 indicates the pixel isolation region 13 along the line B2-B2 in FIG. 4A. The potential distribution in the depth direction is shown, and the potential distribution in the depth direction of the charge extraction region 30 along the line C2-C2 in FIG. 4A is shown. The potential distribution 31 in the photodiode region 3 is the same as the potential distribution 71 in FIG. 8B. The potential distribution 32 in the pixel isolation region 13 is the same as the potential distribution 72 in FIG. 8B. In the potential distribution 33 of the charge extraction region 30, the potential gradually becomes shallower from the back side toward the front side.

CMOS固体撮像素子1の裏面から光Lが入射され、フォトダイオード3内で光電変換されて電子・正孔対が生成される。この電子・正孔対のうち信号となる電子(e)がドリフト電界により基板表面側へドリフトしてn+半導体領域2Bに蓄積される。基板裏面側で生成した電子・正孔対のうちの電子(e)もドリフトしてn+半導体領域2Bに蓄積され、正孔(h)は裏面側のp+アキュミュレーション層15に入る(ポテンシャル分布31、32参照)。しかし、このp+アキュミュレーション層15に集められた正孔(h)は、p+アキュミュレーション層15に蓄積されず、p+電荷引き抜き領域30を通じて裏面側から表面側に流れ、画素分離領域13の表面側に形成されているコンタクト部を通じて引き抜かれる(ポテンシャル分布33参照)。
したがって、フォトダイオード3でのポテンシャル分布は、p+アキュミュレーション層15での正孔の影響を受けず、そのp+アキュミュレーション層15から電荷蓄積領域となるn+半導体領域2Bまでのポテンシャル勾配31aの変動が抑制される。すなわち、光電変換により大量の正孔が発生した場合、裏面側界面付近に溜められる正孔に起因して、空乏状態に比べて裏面側から表面側へのポテンシャル郊外31aが変化することを抑制することができ、ポテンシャル勾配31aが安定する。
Light L is incident from the back surface of the CMOS solid-state imaging device 1 and photoelectrically converted in the photodiode 3 to generate electron / hole pairs. Of these electron / hole pairs, a signal electron (e) drifts to the substrate surface side by a drift electric field and is accumulated in the n + semiconductor region 2B. Electrons (e) of the electron / hole pairs generated on the back side of the substrate also drift and accumulate in the n + semiconductor region 2B, and the holes (h) enter the p + accumulation layer 15 on the back side (potential distribution). 31 and 32). However, the holes (h) collected in the p + accumulation layer 15 are not accumulated in the p + accumulation layer 15, and flow from the back side to the front side through the p + charge extraction region 30. It is pulled out through a contact portion formed on the surface side (see potential distribution 33).
Therefore, the potential distribution in the photodiode 3 is not affected by holes in the p + accumulation layer 15, and the potential gradient 31a from the p + accumulation layer 15 to the n + semiconductor region 2B serving as the charge accumulation region is Variation is suppressed. That is, when a large number of holes are generated by photoelectric conversion, the potential suburbs 31a from the back side to the front side are prevented from changing due to holes accumulated near the back side interface compared to the depletion state. And the potential gradient 31a is stabilized.

本実施の形態に係る裏面照射型のCMOS固体撮像素子1によれば、p−画素分離領域13に裏面側のp+アキュミュレーション層15に接して裏面側から表面側にp+電荷引き抜き領域30を設けることにより、光電変換により大量の正孔が発生した場合、フォトダイオード領域3における裏面側から表面側へのポテンシャル勾配31aの変化が抑制され、感度低下を防止することができる。
また、照射光量が大きい場合でも、感度が一時的に低下することを抑制し、その光量と画素出力のリニアリティを良好に保持することができる。
According to the backside illumination type CMOS solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the p + charge extraction region 30 is formed in contact with the p + accumulation layer 15 on the back surface side in the p− pixel separation region 13 from the back surface side to the front surface side. By providing, when a large number of holes are generated by photoelectric conversion, a change in the potential gradient 31a from the back surface side to the front surface side in the photodiode region 3 is suppressed, and a decrease in sensitivity can be prevented.
Further, even when the amount of irradiation light is large, it is possible to suppress a temporary decrease in sensitivity, and to maintain good linearity of the light amount and pixel output.

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子、すなわちCMOS固体撮像素子の参考例を図5に示す。
図5は、裏面照射型固体撮像素子の多数の単位画素20を集積した撮像領域(いわゆるイメージ領域)36の上面図である(表面側の配線層領域24を取り除いた図である)。
この裏面照射型固体撮像素子35は、撮像領域36の周囲を取り囲むように基板表面から基板裏面に達する低不純物濃度のp型半導体領域からなるp−フィールド領域37を有し、前述した各画素に共通の裏面側のp+アキュミュレーション層15を、撮像領域36の周辺まで、すなわちp−フィールド領域37まで切れ目なく延長して設け、このp−フィールド領域37内に撮像領域36から少し離して、裏面側のp+アキュミュレーション層15に接して裏面側から表面側に至る前述と同様のp+領域の電荷引き抜き領域30を設けて構成される。
FIG. 5 shows a reference example of a back-illuminated solid-state image sensor according to the present invention, that is, a CMOS solid-state image sensor.
FIG. 5 is a top view of an imaging region (so-called image region) 36 in which a large number of unit pixels 20 of the back-illuminated solid-state imaging device are integrated (the wiring layer region 24 on the front side is removed).
This back-illuminated solid-state imaging device 35 has a p-field region 37 made of a low impurity concentration p-type semiconductor region reaching from the substrate surface to the substrate back surface so as to surround the periphery of the imaging region 36. The common p + accumulation layer 15 on the back side is provided extending to the periphery of the imaging region 36, that is, the p-field region 37, and is slightly separated from the imaging region 36 in the p-field region 37. A charge extraction region 30 in the p + region similar to that described above is provided in contact with the p + accumulation layer 15 on the back surface side and extending from the back surface side to the front surface side.

本実施の形態に係る裏面照射型固体撮像素子35によれば、撮像領域36の周囲のフィールド領域37に電荷引き抜き領域30を設けることで、裏面から光が照射される場合、光電変換により生成した電子・正孔対のうち、正孔が裏面側のp+アキュミュレーション層15に集められても、この正孔はp+電荷引き抜き領域30を通して、基板表面側のコンタクト部を通して引き抜くことができる。したがって、前述と同様に感度低下を防ぎ、まだ、画素の光量と出力のリニアリティを良好に保持することができる。さらに一定の画質を保証することができる。   According to the backside illumination type solid-state imaging device 35 according to the present embodiment, by providing the charge extraction region 30 in the field region 37 around the imaging region 36, when light is irradiated from the backside, it is generated by photoelectric conversion. Of the electron / hole pairs, even if the holes are collected in the p + accumulation layer 15 on the back surface side, the holes can be extracted through the p + charge extraction region 30 and through the contact portion on the substrate surface side. Therefore, similarly to the above, it is possible to prevent a decrease in sensitivity and still maintain a good amount of pixel light and linearity of output. Furthermore, a certain image quality can be guaranteed.

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子のさらに他の実施の形態においては、図2と図5を組み合わせた構成、すなわち、1画素領域20ごとに電荷引き抜き領域30を設け、さらに、撮像領域36の周囲にも電荷引き抜き領域30を設けた構成とすることができる。
本実施の形態の裏面照射型固体撮像素子によれば、画素領域20の電荷引き抜き領域30と、撮像領域36の周辺の電荷引き抜き領域30との相乗作用により、さらに感度の低下を防ぎ、また画素の光量と出力とのリニアリティを良好に保持することができる。
In still another embodiment of the backside illumination type solid-state imaging device according to the present invention, a structure in which FIG. 2 and FIG. 5 are combined, that is, a charge extraction region 30 is provided for each pixel region 20, and an imaging region 36 is further provided. The charge extraction region 30 may be provided around the periphery of the substrate.
According to the backside illumination type solid-state imaging device of the present embodiment, the synergistic action of the charge extraction region 30 in the pixel region 20 and the charge extraction region 30 around the imaging region 36 prevents further reduction in sensitivity, and the pixel The linearity between the amount of light and the output can be satisfactorily maintained.

上例では、本発明をCMOS固体撮像素子に適用したが、その他、基板表面側に光電変換部となるフォトダイオードの電荷蓄積領域及び垂直転送レジスタが形成され、最表面側に支持基板が貼り合わされ、基板裏面に臨むフォトダイオードの裏面側界面にアキュミュレーション層を有した裏面照射型のCCD固体撮像素子にも適用することができる。この場合、画素分離領域及び撮像領域外のフィール領域は、前述と同様に光電変換部となるフォトダイオードと異なる導電型の半導体領域で基板表面から基板裏面に達するように形成され、画素分離領域または/及びフィールド領域内に電荷引き抜き領域を形成するようになす。   In the above example, the present invention is applied to a CMOS solid-state imaging device. In addition, a photodiode charge storage region and a vertical transfer register serving as a photoelectric conversion unit are formed on the substrate surface side, and a support substrate is bonded to the outermost surface side. The present invention can also be applied to a back-illuminated CCD solid-state imaging device having an accumulation layer at the back side interface of the photodiode facing the back side of the substrate. In this case, the pixel separation region and the feel region outside the imaging region are formed so as to reach the substrate rear surface from the substrate surface in a semiconductor region having a different conductivity type from the photodiode serving as the photoelectric conversion unit, as described above. / And a charge extraction region is formed in the field region.

上例では、信号電荷として電子を使った構造について説明したが、p領域、n領域を反転した画素構造であってもよく、正孔を信号電荷として用い、引き抜き領域では、電子を引き抜く構造に形成してもよい。   In the above example, a structure using electrons as signal charges has been described. However, a pixel structure in which the p region and the n region are inverted may be used, and holes are used as signal charges, and electrons are extracted in the extraction region. It may be formed.

上述の裏面照射型固体撮像素子では、1フォトダイオード、4トランジスタの構成で説明したが、フォトダイオードから読み出して信号電荷を転送するためのトランジスタの構成数量は、いくつあっても構わない。   In the above-described back-illuminated solid-state imaging device, the configuration of one photodiode and four transistors has been described. However, any number of transistors may be used for reading signal from the photodiode and transferring signal charges.

本発明は、上述した裏面照射型半導体素子1,35等を組み込んで電子機器モジュール、カメラモジュールを構成することができる。
図6は、本発明に係る電子機器モジュール、カメラモジュールの一実施の形態の構成図である。
本実施の電子機器モジュールあるいは、カメラモジュール40は、裏面照射型固体撮像素子1(または35またはこれらの組み合わせ)、光学レンズ系41、入出力部42、信号処理装置(Digital Signal Processors)43、光学レンズ系制御用の中央演算装置(CPU)44を1つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール45としては、裏面照射型固体撮像素子1(または35またはこれらの組み合わせ)、光学レンズ系41及び入出力部42のみでモジュールを形成することもできる。裏面照射型固体撮像素子1、光学レンズ系41、入出力部42及び信号処理装置(Digital Signal Processors)43を備えた電子機器モジュールあるいはカメラモジュール46を構成することができる。
The present invention can constitute an electronic device module and a camera module by incorporating the above-described back-illuminated semiconductor elements 1 and 35 and the like.
FIG. 6 is a configuration diagram of an embodiment of an electronic device module and a camera module according to the present invention.
The electronic device module or camera module 40 of the present embodiment includes a back-illuminated solid-state imaging device 1 (or 35 or a combination thereof), an optical lens system 41, an input / output unit 42, a signal processing device (Digital Signal Processors) 43, an optical device. A central processing unit (CPU) 44 for controlling the lens system is incorporated into one to form a module. In addition, as the electronic device module or the camera module 45, a module can be formed only by the back-illuminated solid-state imaging device 1 (or 35 or a combination thereof), the optical lens system 41, and the input / output unit 42. An electronic device module or a camera module 46 including the back-illuminated solid-state imaging device 1, the optical lens system 41, the input / output unit 42, and a signal processing device (Digital Signal Processors) 43 can be configured.

本実施の形態に係る電子機器モジュール、カメラジュールによれば、裏面照射型固体撮像素子の感度が向上するため電子機器モジュール、カメラモジュールに組上げたとき、時間と共に感度が低下することを防ぎ、カラーバランスも変化しなくなるため、よりモジュールの画質の特性が向上する。   According to the electronic device module and the camera module according to the present embodiment, since the sensitivity of the back-illuminated solid-state imaging device is improved, when assembled in the electronic device module and the camera module, the sensitivity is prevented from decreasing with time. Since the balance is not changed, the image quality characteristic of the module is further improved.

1、35・・裏面照射型固体撮像素子、2・・シリコン半導体基板、2A・・n半導体領域、3・・フォトダイオード、3B・・n+半導体領域、4・・読み出しトランジスタ、5・・リセットトランジスタ、6・・アンプトランジスタ、7・・垂直選択トランジスタ、8・・ゲート電極、9・・垂直信号線、12・・p+アキュミュレーション層、13・・画素分離領域、14・・n+ソース・ドレイン領域、15・・p+アキュミュレーション層、16・・p型半導体ウェル領域、17・・水平選択トランジスタ、20・・単位画素、21・・オンチップレンズ、22・・オンチップカラーフィルタ、24・・配線領域、24a・・配線層、25・・支持基板、26・・層間絶縁膜、30・・電荷引き抜き領域、31、32、33・・ポテンシャル分布、31a・・ポテンシャル勾配、36・・撮像領域、37・・p−フィールド領域、40、46・・電子機器モジュール(あるいは、カメラモジュール)、41・・光学レンズ系、42・・入出力部、43・・信号処理装置(Digital Signal Processors)、44・・中央演算装置、51・・裏面照射型のCMOS固体撮像素子、53・・フォトダイオード、54・・読み出しトランジスタ、55・・MOSトランジスタ、57、58、59・・ドレイン領域(n+領域)、60、単位画素、61・・n型のシリコン半導体基板、61A・・n半導体領域(領域)、61B・・n+半導体領域(n+領域)、62・・画素分離領域、64・・p+アキュミュレーション層(電荷蓄積層)、65・・p−チャネル領域、67・・ゲート電極、68・・p+アキュミュレーション層、71・・ポテンシャル分布(実線)、71a・・ポテンシャル勾配(破線)、71b・・ポテンシャル勾配   1, 35... Back-illuminated solid-state imaging device, 2... Silicon semiconductor substrate, 2 A... N semiconductor region, 3... Photodiode, 3 B. 6... Amplifier transistor 7.. Vertical selection transistor 8.. Gate electrode 9 9 Vertical signal line 12 p Accumulation layer 13 Pixel separation region 14 n Source and drain Area, 15 ·· p + accumulation layer, 16 ·· p-type semiconductor well region, 17 ·· horizontal selection transistor, 20 ·· unit pixel, 21 ·· on-chip lens, 22 ·· on-chip color filter, 24 ·· · Wiring region, 24a · · Wiring layer, 25 · · Support substrate, 26 · · Interlayer insulation film, 30 · · Charge extraction region, 31, 32, 33 · · ..., Potential gradient, 36 .. imaging area, 37 .. p-field area, 40, 46 .. electronic equipment module (or camera module), 41 .. optical lens system, 42. , 43... Signal processing devices (Digital Signal Processors), 44... Central processing unit, 51... Back-illuminated CMOS solid-state image sensor, 53. 57, 58, 59... Drain region (n + region), 60, unit pixel, 61... N-type silicon semiconductor substrate, 61A... N semiconductor region (region), 61B... N + semiconductor region (n + region) 62..Pixel isolation region, 64..p + accumulation layer (charge storage layer), 65..p-channel region, 67..gate electrode 68 ... p + accumulation layer, 71 ... potential distribution (solid line), 71a ... potential gradient (dashed line), 71b ... potential gradient

Claims (6)

半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面と、表面側とに前記光電変換部と異なる導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記裏面側のアキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域は前記光電変換部と異なる導電型の画素分離領域に、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域よりも高濃度の不純物領域で形成され、
前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層と画素分離領域とに囲まれる
裏面照射型固体撮像素子。
On the surface side of the semiconductor substrate, a charge storage region in the photoelectric conversion unit of each pixel and an element for performing a signal charge reading operation are formed,
An accumulation layer of a different conductivity type from the photoelectric conversion part is formed on the light irradiation surface on the back surface side of the semiconductor substrate and the front surface side,
Among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit, charges not used as signal charges are guided from the back side to the front side through the accumulation layer on the back side, and other than the photoelectric conversion unit of the pixel A charge extraction region that is extracted from the region;
The charge extraction region is formed in an impurity region having the same conductivity type as the pixel isolation region and having a higher concentration than the pixel isolation region, in a pixel isolation region having a conductivity type different from that of the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is surrounded by an accumulation layer and a pixel separation region formed on the back side and the front side of the semiconductor substrate.
前記電荷引き抜き領域が、前記裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層に接して形成される
請求項1記載の裏面照射型固体撮像素子。
The backside illumination type solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge extraction region is formed in contact with an accumulation layer formed on the backside and the frontside.
裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系及び信号処理手段を備えた電子機器モジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面と、表面側とに前記光電変換部と異なる導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記裏面側のアキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域は前記光電変換部と異なる導電型の画素分離領域に、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域よりも高濃度の不純物領域で形成され、
前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層と画素分離領域とに囲まれる
電子機器モジュール。
An electronic device module including a back-illuminated solid-state imaging device, an optical lens system, and signal processing means,
The back-illuminated solid-state image sensor is
On the surface side of the semiconductor substrate, a charge storage region in the photoelectric conversion unit of each pixel and an element for performing a signal charge reading operation are formed,
An accumulation layer of a different conductivity type from the photoelectric conversion part is formed on the light irradiation surface on the back surface side of the semiconductor substrate and the front surface side,
Among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit, charges not used as signal charges are guided from the back side to the front side through the accumulation layer on the back side, and other than the photoelectric conversion unit of the pixel Has a charge extraction region from the region,
The charge extraction region is formed in an impurity region having the same conductivity type as the pixel isolation region and having a higher concentration than the pixel isolation region, in a pixel isolation region having a conductivity type different from that of the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is an electronic device module surrounded by an accumulation layer and a pixel separation region formed on a back surface side and a front surface side of the semiconductor substrate.
前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、前記裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層に接して形成される
請求項記載の電子機器モジュール。
The electronic device module according to claim 3 , wherein the charge extraction region of the back-illuminated solid-state imaging element is formed in contact with an accumulation layer formed on the back surface side and the front surface side .
裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系を備えたカメラモジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面と、表面側とに前記光電変換部と異なる導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記裏面側のアキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域は前記光電変換部と異なる導電型の画素分離領域に、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域よりも高濃度の不純物領域で形成され、
前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層と画素分離領域とに囲まれる
カメラモジュール。
A back-illuminated solid-state imaging device, a camera module including an optical lens system,
The back-illuminated solid-state image sensor is
On the surface side of the semiconductor substrate, a charge storage region in the photoelectric conversion unit of each pixel and an element for performing a signal charge reading operation are formed,
An accumulation layer of a different conductivity type from the photoelectric conversion part is formed on the light irradiation surface on the back surface side of the semiconductor substrate and the front surface side,
Among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit, charges not used as signal charges are guided from the back side to the front side through the accumulation layer on the back side, and other than the photoelectric conversion unit of the pixel A charge extraction region that is extracted from the region;
The charge extraction region is formed in an impurity region having the same conductivity type as the pixel isolation region and having a higher concentration than the pixel isolation region, in a pixel isolation region having a conductivity type different from that of the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is a camera module surrounded by an accumulation layer and a pixel separation region formed on a back surface side and a front surface side of the semiconductor substrate.
前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、前記裏面側及び表面側に形成されたアキュミュレーション層に接して形成される
請求項記載のカメラモジュール。
The camera module according to claim 5 , wherein the charge extraction region of the back-illuminated solid-state imaging device is formed in contact with an accumulation layer formed on the back side and the front side .
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