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JP2008098541A - Solid-state image sensing device and manufacturing method - Google Patents

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JP2008098541A
JP2008098541A JP2006281006A JP2006281006A JP2008098541A JP 2008098541 A JP2008098541 A JP 2008098541A JP 2006281006 A JP2006281006 A JP 2006281006A JP 2006281006 A JP2006281006 A JP 2006281006A JP 2008098541 A JP2008098541 A JP 2008098541A
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JP
Japan
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region
solid
charge storage
charge
gate
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Application number
JP2006281006A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Misaki
誠 見崎
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image sensing device and its manufacturing method for restricting a decrease in the amount of saturation charges even when downscaling the element. <P>SOLUTION: An n-type charge storage region 14 is formed in a p-type well region 16, which was formed on an n-type semiconductor substrate 11. In addition a p-type gate region 15a on the charge storage region 14 and an n-type read out region 15b arranged on the inner side of the p-type gate region are provided. The charge accumulated in the charge storage region 14 is read by the read out region 15b, which was connected to the charge storage region 14, by applying voltage to the gate region 15a and thereby depleting the read out region 15b. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に素子の微細化に対しても飽和電荷量の減少を抑制できる固体撮像素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof that can suppress a decrease in the amount of saturated charge even when the device is miniaturized.

増幅型MOSセンサを用いた固体撮像素子は、画素毎にフォトダイオードで検出した信号をトランジスタで増幅するもので、高感度という特徴を有する。   A solid-state imaging device using an amplifying MOS sensor amplifies a signal detected by a photodiode for each pixel by a transistor, and has a characteristic of high sensitivity.

図8(a)、(b)は、従来の固体撮像素子の一般的な構成を示した図で、図8(a)はその平面図、図8(b)は、VIIIb−VIIIbに沿った断面図である。   8A and 8B are diagrams showing a general configuration of a conventional solid-state imaging device, FIG. 8A is a plan view thereof, and FIG. 8B is along VIIIb-VIIIb. It is sectional drawing.

図8(a)、(b)に示すように、P型シリコン基板101に形成された分離領域102で画定された画素領域に、N型拡散層からなる電荷蓄積領域103、電荷蓄積領域103に蓄積された電荷を転送するためのトランスファーゲート104、及び、転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(FD:Floating Diffusion)105がそれぞれ形成されている。   As shown in FIGS. 8A and 8B, in the pixel region defined by the separation region 102 formed in the P-type silicon substrate 101, the charge storage region 103 made of an N-type diffusion layer and the charge storage region 103 are formed. A transfer gate 104 for transferring the stored charge and a floating diffusion (FD) 105 for storing the transferred charge are formed.

近年、多数の画素を高集積するために、固体撮像素子の微細化が進められているが、画素サイズの微細化に伴い、電荷蓄積領域103の面積が縮小してしまうことに起因して、飽和電荷量が減少してしまうという問題があった。   In recent years, in order to highly integrate a large number of pixels, miniaturization of solid-state imaging elements has been promoted, but due to the reduction in the area of the charge storage region 103 with the miniaturization of the pixel size, There was a problem that the amount of saturation charge was reduced.

飽和電荷量の減少を抑制するためには、電荷蓄積領域103の不純物濃度を濃くしたり、電荷蓄積領域103の拡散深さを深くすることが有効であるが、前者の場合には、電荷蓄積領域の電位が高くなり、残像が起こり易くなるという問題が生じ、また後者の場合には、隣接する画素間で電荷の移動が生じて混色という問題が生じる(例えば、特許文献1を参照)。
特開2003−142674号公報
In order to suppress the decrease of the saturation charge amount, it is effective to increase the impurity concentration of the charge storage region 103 or to increase the diffusion depth of the charge storage region 103. There is a problem that the potential of the region becomes high and an afterimage is likely to occur, and in the latter case, a problem of color mixing occurs due to charge movement between adjacent pixels (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-142673 A

上述したように、画素サイズの微細化に伴う飽和電荷量の減少を抑制するには、種々の技術的な困難が伴う。また、飽和電荷量の減少は、電荷蓄積領域の体積縮小がその本質的な要因であるため、抜本的な解決を図ることは難しい。   As described above, various technical difficulties are involved in suppressing the decrease in the amount of saturated charge accompanying the reduction in pixel size. In addition, since the reduction of the saturation charge amount is essentially due to the volume reduction of the charge storage region, it is difficult to achieve a fundamental solution.

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、素子の微細化に対しても飽和電荷量の減少を抑制できる、従来にない全く新規な構成からなる固体撮像素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and a main object thereof is to provide a solid-state imaging device having a completely new configuration that can suppress a decrease in the amount of saturated charges even when the device is miniaturized. There is to do.

上記の目的を達成するため、本発明に係わる固体撮像素子は、電荷蓄積領域上に、電荷蓄積領域と反対導電型のゲート領域、及び当該ゲート領域の内側に電荷蓄積領域と同導電型の読み出し領域を設け、ゲート領域に印加する電圧によって、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、読み出し領域に読み出す制御を行う構成を採用する。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a gate region having a conductivity type opposite to the charge accumulation region on the charge accumulation region, and a readout having the same conductivity type as the charge accumulation region inside the gate region. A configuration is employed in which a region is provided and control is performed to read out the charges accumulated in the charge accumulation region to the reading region by a voltage applied to the gate region.

すなわち、本発明に係わる固体撮像素子は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板内に形成された第2導電型の電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域上に形成された第1導電型のゲート領域と、ゲート領域の内側に配置され、かつ、電荷蓄積領域に接続された第2導電型の読み出し領域とを備え、ゲート領域に印加する電圧によって、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、読み出し領域に読み出す制御を行うことを特徴とする。   That is, a solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type charge accumulation region formed in the semiconductor substrate, and a first conductivity type charge accumulation region formed on the charge accumulation region. A gate region and a second conductivity type readout region disposed inside the gate region and connected to the charge storage region, and the charge stored in the charge storage region by the voltage applied to the gate region, It is characterized by performing control to read to the reading area.

このような構成によれば、従来、蓄積電荷を読み出す制御手段として電荷蓄積領域に隣接して設けられていた、トランスファーゲート、及びフローティングディフュージョンに代わり、電荷蓄積領域の上方に、ゲート領域及び読み出し領域からなる読み出し制御手段を設けることによって、画素領域全体に電荷蓄積領域を形成することが可能となる。これにより、素子の微細化に対しても、飽和電荷量の減少を抑制することができる。   According to such a configuration, in place of the transfer gate and the floating diffusion, which are conventionally provided adjacent to the charge storage region as a control means for reading the stored charge, the gate region and the read region above the charge storage region. By providing the readout control means consisting of the above, it is possible to form a charge accumulation region in the entire pixel region. Thereby, it is possible to suppress a decrease in the saturation charge amount even when the element is miniaturized.

上記構成において、ゲート領域に所定の電位を印加して、読み出し領域を空乏化することによって、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、読み出し領域に読み出すことが好ましい。また、読み出し領域の不純物濃度は、電荷蓄積領域の不純物濃度よりも低く形成されていることが好ましい。これにより、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、確実に読み出し領域に読み出すことができる。   In the above structure, it is preferable that the charge accumulated in the charge accumulation region is read out to the readout region by applying a predetermined potential to the gate region to deplete the readout region. Further, it is preferable that the impurity concentration in the readout region is lower than the impurity concentration in the charge storage region. Thereby, the charge accumulated in the charge accumulation region can be reliably read out to the readout region.

本発明に係わる固体撮像素子の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1の不純物をイオン注入して、基板内部に不純物濃度分布のピークをもつ電荷蓄積領域を形成する工程と、電荷蓄積領域の表面に第2導電型の第2の不純物をイオン注入して、電荷蓄積領域の上部に所定の不純物濃度を有する読み出し領域を形成する工程と、電荷蓄積領域の上部に第1導電型の第3の不純物を選択的にイオン注入して、電荷蓄積領域上に読み出し領域を囲むゲート領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする。   In the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a first conductivity type first impurity is ion-implanted into a first conductivity type semiconductor substrate to form a charge accumulation region having a peak impurity concentration distribution inside the substrate. A step of ion-implanting a second impurity of the second conductivity type into the surface of the charge storage region to form a read region having a predetermined impurity concentration above the charge storage region, and an upper part of the charge storage region And a step of selectively ion-implanting a third impurity of the first conductivity type to form a gate region surrounding the readout region on the charge storage region.

本発明に係る固体撮像素子によれば、画素領域全体に電荷蓄積領域(フォトダイオード)を形成することができるため、素子の微細化が進んでも、飽和電荷量の減少を抑制することができる。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, since a charge accumulation region (photodiode) can be formed in the entire pixel region, it is possible to suppress a decrease in the saturation charge amount even if the device is miniaturized.

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals for the sake of simplicity.

(第1の実施形態)
図1(a)、(b)は、本発明の第1の実施形態における固体撮像素子10の構成を模式的に示した図で、図1(a)は固体撮像素子10の平面図、図1(b)は図1(a)のIb−Ibに沿った断面図である。
(First embodiment)
1A and 1B are diagrams schematically showing the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view of the solid-state image sensor 10. 1 (b) is a cross-sectional view taken along line Ib-Ib in FIG. 1 (a).

図1(a)、(b)に示すように、本実施形態における固体撮像素子10の基本的な構成は、N型の半導体基板11に形成されたP型のウェル領域16内に、N型の電荷蓄積領域14が形成され、さらに電荷蓄積領域14上に、P型のゲート領域15a、及びその内側に配置されたN型の読み出し領域15bを備えたものである。そして、電荷蓄積領域14に蓄積された電荷は、ゲート領域15aに印加する電圧によって、電荷蓄積領域14に接続された読み出し領域15bに読み出される。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the basic configuration of the solid-state imaging device 10 in the present embodiment is an N-type in a P-type well region 16 formed in an N-type semiconductor substrate 11. The charge storage region 14 is formed, and a P-type gate region 15a and an N-type read region 15b arranged inside the P-type gate region 15a are further provided on the charge storage region 14. The charges accumulated in the charge accumulation region 14 are read out to the readout region 15b connected to the charge accumulation region 14 by the voltage applied to the gate region 15a.

なお、蓄積電荷の読み出しを確実にするには、ゲート領域15aに所定の電位を印加することによって、読み出し領域15bを完全に空乏化することが好ましく、また、読み出し領域15bの不純物濃度は、電荷蓄積領域14の不純物濃度よりも低く形成されていることが好ましい。   In order to surely read out the accumulated charge, it is preferable to completely deplete the readout region 15b by applying a predetermined potential to the gate region 15a, and the impurity concentration in the readout region 15b It is preferable that the impurity concentration is lower than that of the accumulation region 14.

ここで、蓄積電荷の読み出し制御は、以下のように行われる。まず、電荷蓄積時は、読み出し領域15bの電位に対して、ゲート領域15aの電位を低くしておく。例えば、読み出し領域15bを0Vに固定し、ゲート領域15aに負の電圧を印加すると、空乏層が読み出し領域15bまで達しないため、電流は流れず、電荷蓄積領域14に電荷が蓄積される。次に、電荷読み出し時は、読み出し領域15bの電位に対して、ゲート領域15aの電位を高くする。例えば、読み出し領域15bを0Vに固定し、ゲート領域15aに正の電圧を印加すると、空乏層が読み出し領域15bまで広がり、電荷蓄積領域14に蓄積された電荷は、読み出し領域15bに読み出される。   Here, the readout control of the accumulated charge is performed as follows. First, at the time of charge accumulation, the potential of the gate region 15a is set lower than the potential of the readout region 15b. For example, when the read region 15b is fixed to 0 V and a negative voltage is applied to the gate region 15a, the depletion layer does not reach the read region 15b, so that no current flows and charges are accumulated in the charge accumulation region 14. Next, at the time of charge reading, the potential of the gate region 15a is made higher than the potential of the reading region 15b. For example, when the read region 15b is fixed to 0 V and a positive voltage is applied to the gate region 15a, the depletion layer extends to the read region 15b, and the charge accumulated in the charge accumulation region 14 is read to the read region 15b.

図1(a)、(b)に示した固体撮像素子10の構成によれば、図8(a)、(b)に示した従来の固体撮像素子において、蓄積電荷を読み出す制御手段として電荷蓄積領域103に隣接して設けられていた、トランスファーゲート104、及びフローティングディフュージョン105を省くことができるため、画素領域全体に電荷蓄積領域14を広げることが可能となる。これにより、素子の微細化に対しても、飽和電荷量の減少を抑制することができる。   According to the configuration of the solid-state imaging device 10 shown in FIGS. 1A and 1B, in the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 8A and 8B, charge accumulation is performed as control means for reading the accumulated charge. Since the transfer gate 104 and the floating diffusion 105 provided adjacent to the region 103 can be omitted, the charge accumulation region 14 can be expanded over the entire pixel region. Thereby, it is possible to suppress a decrease in the saturation charge amount even when the element is miniaturized.

さらに、図1(a)、(b)を参照しながら、本実施形態における固体撮像素子10の構成を詳細に説明する。   Further, the configuration of the solid-state imaging device 10 in this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).

図1(b)に示すように、N型のシリコンからなる半導体基板11の画素領域12には、ボロン(B)の不純物拡散層からなるP型のウェル領域16、砒素(As)の不純物拡散層からなるピーク濃度1E17〜1E18/cm程度、深さ0.1〜1μm程度のN型の電荷蓄積領域14が形成されている。さらに、電荷蓄積領域14上部には、Bの不純物拡散層からなるピーク濃度5E17〜3E18/cm程度、深さ30〜80nm程度のP型のゲート領域15aと、ゲート領域15aに囲まれ、かつ電荷蓄積領域14から連続して形成された、リン(P)の不純物拡散層からなるピーク濃度1E15〜1E16/cm程度、深さ30〜80nm程度のN型の読み出し領域15bとが形成されている。 As shown in FIG. 1B, in the pixel region 12 of the semiconductor substrate 11 made of N-type silicon, a P-type well region 16 made of an impurity diffusion layer of boron (B) and an impurity diffusion of arsenic (As). An N-type charge accumulation region 14 having a peak concentration of about 1E17 to 1E18 / cm 3 and a depth of about 0.1 to 1 μm is formed. Furthermore, a P-type gate region 15a having a peak concentration of about 5E17 to 3E18 / cm 3 and a depth of about 30 to 80 nm composed of an impurity diffusion layer of B and a gate region 15a are surrounded by the upper portion of the charge storage region 14, and An N-type readout region 15b having a peak concentration of about 1E15 to 1E16 / cm 3 and a depth of about 30 to 80 nm made of a phosphorus (P) impurity diffusion layer formed continuously from the charge storage region 14 is formed. Yes.

半導体基板11表面には、層間絶縁膜19が形成され、ゲート領域15aに接続するゲート電極20、及び、読み出し領域15bに接続する読み出し電極21が形成されている。なお、読み出し領域15bは、画素領域12内の任意の位置に形成することできるが、読み出し電極21からの配線の引き回しを考慮すれば、図1(a)に示すように、電荷蓄積領域14の周辺の部位に形成されていることが好ましい。また、ゲート電極20も、画素領域12内の任意の位置に形成することでき、例えば、図1(a)に示すように、画素領域12の周辺角部に設けてもよい。   An interlayer insulating film 19 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, and a gate electrode 20 connected to the gate region 15a and a read electrode 21 connected to the read region 15b are formed. Note that the readout region 15b can be formed at an arbitrary position in the pixel region 12. However, in consideration of the routing of the wiring from the readout electrode 21, as shown in FIG. It is preferable that it is formed in a peripheral part. Further, the gate electrode 20 can also be formed at an arbitrary position in the pixel region 12, and may be provided, for example, at a peripheral corner of the pixel region 12 as shown in FIG.

また、素子分離領域13には、半導体基板11に0.2〜1μm程度の深さに形成された溝部に、下地保護膜13bを介して絶縁膜13cが埋め込まれており、素子分離領域13の側面に接する半導体基板11には、P型の白キズ抑制領域17が、また、素子分離領域13の底部に接する半導体基板11には、N型の分離拡散層18が形成されている。   In addition, in the element isolation region 13, an insulating film 13 c is embedded in a groove portion formed in the semiconductor substrate 11 to a depth of about 0.2 to 1 μm via a base protective film 13 b. A P-type white defect suppressing region 17 is formed on the semiconductor substrate 11 in contact with the side surface, and an N-type isolation diffusion layer 18 is formed on the semiconductor substrate 11 in contact with the bottom of the element isolation region 13.

次に、本実施形態における固体撮像素子10の製造方法について、図2(a)〜図3(c)を参照しながら説明する。ここで、図2(a)〜図3(c)は、図1(a)のIb−Ibに沿った工程断面図を示す。   Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 3 (c). Here, FIG. 2A to FIG. 3C show process cross-sectional views along Ib-Ib in FIG.

まず、図2(a)に示すように、N型のシリコン基板からなる半導体基板11上に、素子分離領域13となる領域を開口した酸化膜からなるハードマスク23を形成し、素子分離領域13に溝部13aを形成する。その後、溝部13aの表面上に、下地保護膜13bを形成した後、溝部13aの側面から半導体基板11における画素領域12中にP型の不純物、ボロンをイオン注入して、溝部13aの側面にP型の白キズ抑制領域17を形成する。   First, as shown in FIG. 2A, a hard mask 23 made of an oxide film having an opening to be an element isolation region 13 is formed on a semiconductor substrate 11 made of an N-type silicon substrate. The groove 13a is formed in Thereafter, after forming a base protective film 13b on the surface of the groove 13a, ions of P-type impurities and boron are ion-implanted into the pixel region 12 in the semiconductor substrate 11 from the side surface of the groove 13a, and P is formed on the side surface of the groove 13a. The mold white scratch suppression region 17 is formed.

次に、図2(b)に示すように、溝部13aの底部に、リン(P)をほぼ垂直の角度でイオン注入して、その後に形成するP型ウェル領域を分離するためのN型の分離拡散層18を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, phosphorus (P) is ion-implanted into the bottom of the groove 13a at a substantially vertical angle, and an N-type for separating a P-type well region to be formed thereafter. An isolation diffusion layer 18 is formed.

次に、図2(c)に示すように、半導体基板11上の全面に絶縁膜を形成した後、CMP法によりハードマスク23上の絶縁膜を研磨除去し、その後ハードマスク23を除去する。これにより、溝部13a内に下地保護膜13bを介して絶縁膜13cが埋め込まれた素子分離領域13が形成される。その後、半導体基板11における画素領域12に、ボロン(B)をイオン注入して、Pウェル領域16を形成する。   Next, as shown in FIG. 2C, after an insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11, the insulating film on the hard mask 23 is polished and removed by CMP, and then the hard mask 23 is removed. As a result, the element isolation region 13 in which the insulating film 13c is embedded in the trench 13a via the base protective film 13b is formed. Thereafter, boron (B) is ion-implanted into the pixel region 12 in the semiconductor substrate 11 to form a P well region 16.

次に、図3(a)に示すように、レジストマスク(不図示)を用いて、半導体基板11における画素領域12中に、N型の不純物、例えば砒素(As)をイオン注入して、電荷蓄積領域14を形成する。このとき、電荷蓄積領域14は、半導体基板11表面から0.05〜0.15μm程度の深さに、1E17〜1E18/cm程度のピーク濃度をもつように形成する。これにより、電荷蓄積領域14は、底面側に設けられたPウェル領域16と側面側に設けられた白キズ抑制領域17によって囲まれた構成となる。引き続き、電荷蓄積領域14の表面に、N型の不純物、例えばリン(P)をイオン注入して、読み出し領域15bを形成する。このとき、読み出し領域15bは、1E15〜1E16/cm程度の不純物濃度になるように調整する。 Next, as shown in FIG. 3A, an N-type impurity, for example, arsenic (As) is ion-implanted into the pixel region 12 in the semiconductor substrate 11 using a resist mask (not shown), and the charge is charged. The accumulation region 14 is formed. At this time, the charge storage region 14 is formed at a depth of about 0.05 to 0.15 μm from the surface of the semiconductor substrate 11 so as to have a peak concentration of about 1E17 to 1E18 / cm 3 . As a result, the charge storage region 14 is surrounded by the P well region 16 provided on the bottom surface side and the white flaw suppression region 17 provided on the side surface side. Subsequently, an N-type impurity such as phosphorus (P) is ion-implanted into the surface of the charge storage region 14 to form a read region 15b. At this time, the read region 15b is adjusted to have an impurity concentration of about 1E15 to 1E16 / cm 3 .

次に、図3(b)に示すように、レジストマスク(不図示)を用いて、半導体基板11における画素領域12中に、例えばBをイオン注入して、5E17〜3E18/cm程度の不純物濃度のP型のゲート領域15aを形成する。これにより、ゲート領域15aに囲まれ、且つ、電荷蓄積領域14に接続している所望の読み出し領域15bが形成される。 Next, as shown in FIG. 3B, for example, B is ion-implanted into the pixel region 12 of the semiconductor substrate 11 using a resist mask (not shown), and an impurity of about 5E17 to 3E18 / cm 3. A P-type gate region 15a having a concentration is formed. As a result, a desired readout region 15b surrounded by the gate region 15a and connected to the charge storage region 14 is formed.

その後、イオン注入された不純物を熱処理により活性化を行った後、図3(c)に示すように、半導体基板11上に、層間絶縁膜19を堆積した後、層間絶縁膜19内にゲート領域15aに接続するゲート電極20および読み出し領域15bに接続する読み出し電極21を形成して、固体撮像素子を完成する。   Thereafter, after the ion-implanted impurity is activated by heat treatment, an interlayer insulating film 19 is deposited on the semiconductor substrate 11 as shown in FIG. 3C, and then a gate region is formed in the interlayer insulating film 19. The gate electrode 20 connected to 15a and the readout electrode 21 connected to the readout region 15b are formed to complete the solid-state imaging device.

なお、図2(b)に示した工程において、素子分離領域13が深くなると、溝部13aの底部に、リン(P)をほぼ垂直の角度でイオン注入して、N型の分離拡散層18を形成する際、溝部13aの側面にもリンがイオン注入されるおそれがある。それを防ぐために、例えば、図4に示すように、溝部13aの側面に、さらに注入マスクとしての側壁保護膜13dを形成することによって、溝部13aの底部のみにリンをイオン注入することができる。   In the step shown in FIG. 2B, when the element isolation region 13 becomes deep, phosphorus (P) is ion-implanted into the bottom of the groove 13a at a substantially vertical angle to form the N-type isolation diffusion layer 18. When forming, phosphorus may be ion-implanted also into the side surface of the groove 13a. In order to prevent this, for example, as shown in FIG. 4, by forming a side wall protective film 13d as an implantation mask on the side surface of the groove 13a, phosphorus can be ion-implanted only at the bottom of the groove 13a.

(第2の実施形態)
図5(a)、(b)は、本発明の第2の実施形態における固体撮像素子10の構成を模式的に示した図で、図5(a)は固体撮像素子10の平面図、図5(b)は図5(a)のVb−Vbに沿った断面図である。図5(a)、(b)は、図1(a)、(b)とゲート電極20の構成が異なっている以外は同じ構成を有している。
(Second Embodiment)
5A and 5B are diagrams schematically showing the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5A is a plan view of the solid-state image sensor 10. FIG. 5B is a cross-sectional view taken along Vb-Vb in FIG. FIGS. 5A and 5B have the same configuration as that of FIGS. 1A and 1B except that the configuration of the gate electrode 20 is different.

既に述べたように、ゲート領域15aは、読み出し領域15bを除く画素領域12のほぼ全面に亘って形成されているので、ゲート電極20は、画素領域12内の任意の位置に形成することできる。ゲート電極20は、金属からなるので、画素領域12内に入射する光を出来るだけ遮光しないためには、例えば、図1(a)に示したように、画素領域12の周辺角部に設けることが好ましい。   As described above, since the gate region 15a is formed over almost the entire surface of the pixel region 12 excluding the readout region 15b, the gate electrode 20 can be formed at an arbitrary position in the pixel region 12. Since the gate electrode 20 is made of metal, in order not to block light incident on the pixel region 12 as much as possible, for example, as shown in FIG. Is preferred.

一方、飽和電荷量を増加させるために、電荷蓄積領域14が深くなると、電荷を読み出す際に、電荷蓄積領域14が完全に空乏化されにくくなり、その結果、残像が生じやすくなる。このような場合には、ゲート電極20を、図5(a)に示すように、ゲート領域15aの周辺上、換言すれば、画素領域12を取り囲むようにリング状に形成することによって、電荷蓄積領域14の完全空乏化を容易にすることができる。   On the other hand, if the charge accumulation region 14 becomes deep in order to increase the saturation charge amount, the charge accumulation region 14 becomes difficult to be completely depleted when reading the charge, and as a result, an afterimage is likely to occur. In such a case, as shown in FIG. 5A, the gate electrode 20 is formed on the periphery of the gate region 15a, in other words, in a ring shape so as to surround the pixel region 12, thereby accumulating charge. Full depletion of the region 14 can be facilitated.

図6(a)、(b)は、本発明の第2の実施形態の変形例における固体撮像素子10の構成を模式的に示した図で、図6(a)は固体撮像素子10の平面図、図6(b)は図6(a)のVIb−VIbに沿った断面図である。図6(a)、(b)は、図1(a)、(b)とゲート電極20及び層間絶縁膜19の構成が異なっている以外は同じ構成を有している。
素子が微細化されるに伴い、配線層も多層化されるようになり、入射した光が配線層で乱反射されることによって、隣接する画素領域に光が混入しやすくなる。その結果、混色の問題が生じやすくなる。このような場合には、図6(a)、(b)に示すように、ゲート領域15aの周辺上にリング状のゲート電極20を読み出し電極21よりも高く形成することによって、隣接する画素領域からの光の混入を防止することができる。
FIGS. 6A and 6B are diagrams schematically showing a configuration of the solid-state image sensor 10 in a modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 6A is a plan view of the solid-state image sensor 10. FIG. 6 and FIG. 6B are cross-sectional views along VIb-VIb in FIG. FIGS. 6A and 6B have the same configuration as that of FIGS. 1A and 1B except that the configurations of the gate electrode 20 and the interlayer insulating film 19 are different.
As the elements are miniaturized, the wiring layer is also multilayered, and incident light is diffusely reflected by the wiring layer, so that light is easily mixed into adjacent pixel regions. As a result, the problem of color mixing tends to occur. In such a case, as shown in FIGS. 6A and 6B, the ring-shaped gate electrode 20 is formed higher than the readout electrode 21 on the periphery of the gate region 15a, thereby adjacent pixel regions. It is possible to prevent light from being mixed in.

次に、図7(a)〜(c)を参照しながら、図5(a)、(b)及び図6(a)、(b)に示した固体撮像素子の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIGS. 5A and 5B and FIGS. 6A and 6B will be described with reference to FIGS.

図7(a)は、半導体基板11に、電荷蓄積領域14、ゲート領域15a、及び読み出し領域15bが形成された状態を示した断面図で、第1の実施形態における図2(a)〜図3(b)に示した工程と同じ方法で形成されたものである。   FIG. 7A is a cross-sectional view showing a state in which the charge storage region 14, the gate region 15a, and the readout region 15b are formed on the semiconductor substrate 11, and FIGS. 2A to 2C in the first embodiment. It is formed by the same method as the process shown in 3 (b).

その後、図7(b)に示すように、半導体基板11上に層間絶縁膜19を堆積した後、選択的エッチングと金属堆積によりゲート電極20および読み出し電極21を形成する。このとき、ゲート電極20は、図5(a)に示したように、ゲート領域15aを含む画素領域12の周辺上に形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 7B, after depositing an interlayer insulating film 19 on the semiconductor substrate 11, a gate electrode 20 and a readout electrode 21 are formed by selective etching and metal deposition. At this time, the gate electrode 20 is formed on the periphery of the pixel region 12 including the gate region 15a as shown in FIG.

また、図6(a)、(b)に示した固体撮像素子を形成する場合には、さらに、図7(c)に示すように、層間絶縁膜19上に2層目の層間絶縁膜19aを堆積した後、選択的エッチングと金属堆積により、ゲート電極20に接続して積層されたゲート電極20aを形成する。なお、このとき、読み出し電極21からの配線を画素領域外に導出しやすくするために、図6(a)に示すように、ゲート電極20を完全に閉じたリング状に形成せず、一部が離れたリング状に形成してもよい。   When the solid-state imaging device shown in FIGS. 6A and 6B is formed, a second interlayer insulating film 19a is further formed on the interlayer insulating film 19 as shown in FIG. 7C. Then, the gate electrode 20a stacked in connection with the gate electrode 20 is formed by selective etching and metal deposition. At this time, in order to easily lead out the wiring from the readout electrode 21 to the outside of the pixel region, the gate electrode 20 is not formed in a completely closed ring shape as shown in FIG. May be formed in the shape of a ring separated from each other.

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、ウェル領域内に電荷蓄積領域を形成したが、半導体基板に電荷蓄積領域を形成してもよい。また、上記実施形態において具体的に示した各構成の不純物の極性は、それに限定されず、各構成の不純物の極性を反転させても、勿論、本発明の効果を得ることができる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the charge accumulation region is formed in the well region, but the charge accumulation region may be formed in the semiconductor substrate. Moreover, the polarity of the impurity of each structure specifically shown in the said embodiment is not limited to it, Of course, the effect of this invention can be acquired even if the polarity of the impurity of each structure is reversed.

本発明によれば、素子の微細化に対しても飽和電荷量の減少を抑制できる、固体撮像素子及びその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state image sensor which can suppress the reduction | decrease of the amount of saturation charges also with respect to refinement | miniaturization of an element, and its manufacturing method can be provided.

本発明の第1の実施形態における固体撮像素子の構成を示した図で、(a)はその平面図、(b)は、図1(a)のIb−Ibに沿った断面図である。It is the figure which showed the structure of the solid-state image sensor in the 1st Embodiment of this invention, (a) is the top view, (b) is sectional drawing along Ib-Ib of Fig.1 (a). (a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態における固体撮像素子の製造方法を示した工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which showed the manufacturing method of the solid-state image sensor in the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態における固体撮像素子の製造方法を示した工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which showed the manufacturing method of the solid-state image sensor in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例における固体撮像素子の製造方法を示した工程断面図である。It is process sectional drawing which showed the manufacturing method of the solid-state image sensor in the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における固体撮像素子の構成を示した図で、(a)はその平面図、(b)は、図5(a)のVb−Vbに沿った断面図である。It is the figure which showed the structure of the solid-state image sensor in the 2nd Embodiment of this invention, (a) is the top view, (b) is sectional drawing along Vb-Vb of Fig.5 (a). 本発明の第2の実施形態の変形例における固体撮像素子の構成を示した図で、(a)はその平面図、(b)は、図6(a)のVIb−VIbに沿った断面図である。It is the figure which showed the structure of the solid-state image sensor in the modification of the 2nd Embodiment of this invention, (a) is the top view, (b) is sectional drawing along VIb-VIb of Fig.6 (a). It is. (a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態における固体撮像素子の製造方法を示した工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which showed the manufacturing method of the solid-state image sensor in the 2nd Embodiment of this invention. 従来の固体撮像素子の構成を示した断面図で、(a)はその平面図、(b)は、図8(a)のVIIIb−VIIIbに沿った断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the conventional solid-state image sensor, (a) is the top view, (b) is sectional drawing along VIIIb-VIIIb of Fig.8 (a).

符号の説明Explanation of symbols

10 固体撮像素子
11 半導体基板
12 画素領域
13 素子分離領域
13a 溝部
13b 下地保護膜
13c 絶縁膜
13d 側壁保護膜
14 電荷蓄積領域
15a ゲート領域
15b 読み出し領域
16 ウェル領域
17 白キズ抑制領域
18 分離拡散層
19、19a 層間絶縁膜
20、20a ゲート電極
21 読み出し電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid-state image sensor 11 Semiconductor substrate 12 Pixel area 13 Element isolation area 13a Groove part 13b Base protective film 13c Insulating film 13d Side wall protective film 14 Charge storage area 15a Gate area 15b Read-out area 16 Well area 17 White defect suppression area 18 Separation diffusion layer 19 , 19a Interlayer insulating film 20, 20a Gate electrode 21 Read electrode

Claims (9)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域上に形成された第1導電型のゲート領域と、
前記ゲート領域の内側に配置され、かつ、前記電荷蓄積領域に接続された第2導電型の読み出し領域とを備え、
前記ゲート領域に印加する電圧によって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、前記読み出し領域に読み出す制御を行うことを特徴とする、固体撮像素子。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A charge storage region of a second conductivity type formed in the semiconductor substrate;
A first conductivity type gate region formed on the charge storage region;
A second conductivity type readout region disposed inside the gate region and connected to the charge storage region;
A solid-state imaging device, wherein a charge applied to the charge storage region is controlled to be read out to the readout region by a voltage applied to the gate region.
前記ゲート領域に所定の電位を印加して、前記読み出し領域を空乏化することによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷が、前記読み出し領域に読み出される、請求項1に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a charge accumulated in the charge accumulation region is read out to the read region by applying a predetermined potential to the gate region to deplete the read region. 前記読み出し領域の不純物濃度は、前記電荷蓄積領域の不純物濃度よりも低く形成されている、請求項1または2に記載の固体撮像素子。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the readout region is lower than an impurity concentration of the charge storage region. 前記読み出し領域は、前記電荷蓄積領域の周辺の部位において、該電荷蓄積領域に接続されている、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the readout region is connected to the charge accumulation region at a portion around the charge accumulation region. 前記ゲート領域の周辺上に、該ゲート領域に電圧を印加するゲート電極がリング状に形成されている、請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a gate electrode that applies a voltage to the gate region is formed in a ring shape on a periphery of the gate region. 第1導電型の半導体基板に、第2導電型の第1の不純物をイオン注入して、前記基板内部に不純物濃度分布のピークをもつ電荷蓄積領域を形成する工程と、
前記電荷蓄積領域の上部に、第2導電型の第2の不純物をイオン注入して、前記電荷蓄積領域の表面に、所定の不純物濃度を有する読み出し領域を形成する工程と、
前記電荷蓄積領域の上部に、第1導電型の第3の不純物を選択的にイオン注入して、前記電荷蓄積領域上に、前記読み出し領域を囲むゲート領域を形成する工程と
を備えたことを特徴とする、固体撮像素子の製造方法。
Ion implantation of a second conductivity type first impurity into a first conductivity type semiconductor substrate to form a charge storage region having a peak impurity concentration distribution inside the substrate;
A step of ion-implanting a second impurity of a second conductivity type above the charge storage region to form a read region having a predetermined impurity concentration on the surface of the charge storage region;
And a step of selectively ion-implanting a third impurity of the first conductivity type above the charge storage region to form a gate region surrounding the readout region on the charge storage region. A method for manufacturing a solid-state imaging device.
前記読み出し領域にイオン注入された前記第2の不純物の濃度は、前記電荷蓄積領域にイオン注入された前記第1の不純物のピーク濃度よりも低い、請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。   7. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 6, wherein a concentration of the second impurity ion-implanted in the readout region is lower than a peak concentration of the first impurity ion-implanted in the charge storage region. . 前記ゲート領域の周辺上に、ゲート電極をリング状に形成する工程をさらに備えている、請求項6又は7に記載の固体撮像素子の製造方法。   The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 6, further comprising a step of forming a gate electrode in a ring shape on the periphery of the gate region. 前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程をさらに備え、
前記ゲート電極は、前記層間絶縁膜内に形成される、請求項6〜8のうちいずれか1項に記載の固体撮像素子の製造方法。
A step of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
The method for manufacturing a solid-state imaging element according to claim 6, wherein the gate electrode is formed in the interlayer insulating film.
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