JP2001308310A - Photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element

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JP2001308310A
JP2001308310A JP2000131547A JP2000131547A JP2001308310A JP 2001308310 A JP2001308310 A JP 2001308310A JP 2000131547 A JP2000131547 A JP 2000131547A JP 2000131547 A JP2000131547 A JP 2000131547A JP 2001308310 A JP2001308310 A JP 2001308310A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a low voltage and low power consumption cannot be achieved since a substrate voltage is increased when the impurity concentration profile of a P-type region is changed to increase the inclination of knee characteristics while the substrate voltage and the inclination of the knee characteristics of a photoelectric conversion element in vertical-type overflow drain structure are expressed by the function of an impurity concentration profile such as the impurity concentration and thickness of the P-type region for forming a VOD barrier. SOLUTION: Directly below the center part of an N-type region 103 of a photoelectric conversion element 201, the impurity concentration of a P-type region 122 that is buried into an N-type silicon substrate 101 for forming is set higher than that of a P-type region 102 around the P-type region 122, or the thickness of the P-type region 122 is set thicker than that of the P-type region 102. Influence to the VOD barrier in the P-type region 122 by a P+ channel stopper 105 and the P-type region 107 is reduced, the inclination of knee characteristics is increased, at the same time the substrate voltage is decreased, the power consumption in a solid-state image pickup element such as a CCD image pickup is reduced, at the same time, the dynamic range of the quantity of light is expanded, and gradation can be fined.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子等に
用いられる光電変換素子に関し、特に、固体撮像素子に
適用したときに消費電力を低減し、かつ階調を細かくす
ることが可能な光電変換素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion element used for a solid-state imaging device and the like, and more particularly, to a photoelectric conversion device capable of reducing power consumption and fine gradation when applied to a solid-state imaging device. It relates to a conversion element.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来用いられている固体撮像素子の平面
概略図を図11に示す。図11はインターライン型CC
Dイメージセンサを示したものである。2次元に配置さ
れた光電変換素子201の各列にそれぞれ隣接して垂直
CCD202が配置され、前記光電変換素子201とト
ランスファーゲート203を介して接続されている。前
記各垂直CCD202の下端は水平CCD204に接続
され、水平CCD204の端には増幅器205が接続さ
れている。なお、前記光電変換素子201の相互間、前
記光電変換素子201と前記垂直CCD202との間、
前記光電変換素子201と前記水平CCD204との間
にはそれぞれP+ チャネルストッパ206がある。この
ようなCCDイメージセンサでは、光電変換素子201
で光電変換された信号電荷は、トランスファーゲート2
03を介して垂直CCD202に読み出された後、垂直
CCD202および水平CCD204で転送され増幅器
205で増幅されて出力される。
2. Description of the Related Art FIG. 11 is a schematic plan view of a conventionally used solid-state imaging device. Figure 11 shows an interline type CC
4 shows a D image sensor. A vertical CCD 202 is arranged adjacent to each row of the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements 201, and is connected to the photoelectric conversion elements 201 via a transfer gate 203. A lower end of each of the vertical CCDs 202 is connected to a horizontal CCD 204, and an amplifier 205 is connected to an end of the horizontal CCD 204. In addition, between the photoelectric conversion elements 201, between the photoelectric conversion element 201 and the vertical CCD 202,
There is a P + channel stopper 206 between the photoelectric conversion element 201 and the horizontal CCD 204. In such a CCD image sensor, the photoelectric conversion element 201
The signal charges photoelectrically converted by the transfer gate 2
After being read out to the vertical CCD 202 via the line 03, the data is transferred by the vertical CCD 202 and the horizontal CCD 204, amplified by the amplifier 205, and output.

【0003】図12に前記CCDイメージセンサの従来
の単位画素を示しており、同図(a)は前記単位画素の
概略平面図、同図(b)は(a)のX1−X1概略断面
図である。但し、簡略化のため同図(a)ではゲート電
極や遮光膜等、同図(b)ではカバー膜やマイクロレン
ズ等は図示していない。この図では、蓄積される電荷は
電子である。同図(a)に示す様に、単位画素は光電変
換素子201、垂直CCD202、トランスファーゲー
ト306、P+ チャネルストッパ305で構成されてい
る。同図(b)において、N型シリコン基板301内に
P型領域302が埋め込み状態に形成されている。前記
光電変換素子201には、前記P型領域302より基板
表面側の前記N型シリコン基板301に光電変換された
信号電荷を蓄積するN型領域303が形成されている。
前記N型領域303の上部、すなわち基板表面にはP+
領域304が形成され、酸化膜等の絶縁膜との間の界面
準位を介した暗電流の発生を抑制している。前記P+
域304はN型領域303の周囲に形成されているP+
チャネルストッパ305と接続され、そのフェルミレベ
ルはグラウンド電位に固定されている。また、前記光電
変換素子と垂直CCDの間に、P型からなるトランスフ
ァーゲート領域306(図11のトランスファーゲート
203)を形成している。
FIG. 12 shows a conventional unit pixel of the CCD image sensor. FIG. 12 (a) is a schematic plan view of the unit pixel, and FIG. 12 (b) is a schematic sectional view taken along line X1-X1 of FIG. It is. However, for the sake of simplicity, FIG. 1A does not show a gate electrode, a light shielding film and the like, and FIG. 2B does not show a cover film and a micro lens. In this figure, the stored charges are electrons. As shown in FIG. 3A, the unit pixel is composed of a photoelectric conversion element 201, a vertical CCD 202, a transfer gate 306, and a P + channel stopper 305. In FIG. 3B, a P-type region 302 is formed in an N-type silicon substrate 301 in a buried state. The photoelectric conversion element 201 has an N-type region 303 for storing signal charges photoelectrically converted on the N-type silicon substrate 301 on the substrate surface side of the P-type region 302.
P + is located above the N-type region 303, that is, on the substrate surface.
A region 304 is formed to suppress generation of dark current via an interface state between the region 304 and an insulating film such as an oxide film. P wherein P + region 304 is formed around the N-type region 303 +
It is connected to the channel stopper 305, and its Fermi level is fixed to the ground potential. Further, a transfer gate region 306 (transfer gate 203 in FIG. 11) of P type is formed between the photoelectric conversion element and the vertical CCD.

【0004】一方、前記垂直CCD202は、前記N型
シリコン基板301内に形成されたP型領域307上に
形成されたN型領域308からなる電荷転送領域と、そ
の上部にゲート絶縁膜309を介して形成されたゲート
電極310により構成される。前記P型領域307は電
気的にP+ チャネルストッパ305と接続されており、
そのフェルミレベルはグラウンド電位に固定されてい
る。そして、前記ゲート電極310ないし光電変換素子
を覆うように層間絶縁膜312が形成されるとともに、
前記層間絶縁膜312上には、光電変換素子のみに光が
入射する様に光電変換素子上部のみ開口した遮光膜31
1が形成される。
On the other hand, the vertical CCD 202 has a charge transfer region composed of an N-type region 308 formed on a P-type region 307 formed in the N-type silicon substrate 301, and a gate insulating film 309 above the charge transfer region. And a gate electrode 310 formed in this way. The P-type region 307 is electrically connected to the P + channel stopper 305,
The Fermi level is fixed at the ground potential. Then, an interlayer insulating film 312 is formed so as to cover the gate electrode 310 or the photoelectric conversion element.
On the interlayer insulating film 312, a light-shielding film 31 opened only at the upper part of the photoelectric conversion element so that light is incident only on the photoelectric conversion element.
1 is formed.

【0005】このようなCCDイメージセンサでは、光
電変換素子201に光が入射して光電変換素子201で
生成された信号電荷はN型領域303に蓄積され、所望
のタイミングでゲート電極310に高い電圧を印可する
ことでトランスファーゲート領域306をオン状態とし
て、信号電荷を垂直CCD202に読み出す。この時N
型領域303は空乏化し、その電位よりもトランスファ
ーゲート領域306のオン状態の電位および読み出され
る先のN型領域308の電位が高くなるように電圧が設
定される。その後トランスファーゲート領域306をオ
フ状態として、垂直CCD202で信号電荷が転送され
る。
In such a CCD image sensor, light enters the photoelectric conversion element 201 and signal charges generated by the photoelectric conversion element 201 are accumulated in the N-type region 303, and a high voltage is applied to the gate electrode 310 at a desired timing. Is applied, the transfer gate region 306 is turned on, and the signal charges are read out to the vertical CCD 202. At this time N
The type region 303 is depleted, and the voltage is set so that the potential of the on state of the transfer gate region 306 and the potential of the N-type region 308 to be read out are higher than the potential. After that, the transfer charge is transferred by the vertical CCD 202 with the transfer gate region 306 turned off.

【0006】図13に、前記光電変換素子201のN型
領域303および垂直CCD202のN型領域308が
空乏化した時の電位分布の概略を示す。なお、図13は
図12(b)の断面構造に対応するものである。図13
において、トランスファーゲート領域306がオフの状
態を示しており、また、図13のX2−X2線、および
X3−X3線に沿った電位分布の概略を図14にSA,
SBで示す。垂直CCDでは、図14には表れないが、
深さ方向に沿ってシリコン基板301とゲート絶縁膜3
09の界面からN型領域308内部方向に電位が高くな
っていき、ある深さで電位が極大となる。その後、P型
領域307に向かって電位は低くなり、P型領域307
では、そのフェルミレベルはグラウンド電位となってい
る。その後、図14のSB線に示すように、電位はN型
シリコン基板101に印加する基板電圧に向かって高く
なっていく。光電変換素子201ではSA線で示すよう
に、表面のP+ 領域304のフェルミレベルはグラウン
ド電位となっており、深さ方向に沿ってN型領域303
内部方向に電位が高くなっていき、ある深さで電位が極
大となる。その後、P型領域302で電位が極小とな
り、N型シリコン基板に印加する基板電圧に向かって高
くなっていく。ここで、N型シリコン基板301に埋め
込み状態に形成されているP型領域302のほぼ中央に
形成される電位のバリアを、VODバリアと呼ぶことに
する。このVODバリアは基板電圧によって制御するこ
とができ、飽和信号量以上の余剰電荷を基板に掃き出す
ブルーミング抑制動作や、光電変換素子201のN型領
域303に蓄積された電荷を基板に掃き出す電子シャッ
ター動作(この時の基板電圧を基板引抜き電圧と呼ぶ)
を行なうことができる。この光電変換素子201の構造
は、縦型オーバーフロードレイン構造と呼ばれる。
FIG. 13 schematically shows a potential distribution when the N-type region 303 of the photoelectric conversion element 201 and the N-type region 308 of the vertical CCD 202 are depleted. FIG. 13 corresponds to the cross-sectional structure of FIG. FIG.
In FIG. 14, the transfer gate region 306 is off, and the potential distribution along the lines X2-X2 and X3-X3 in FIG. 13 is schematically shown in FIG.
Indicated by SB. Although it does not appear in FIG. 14 for a vertical CCD,
The silicon substrate 301 and the gate insulating film 3 along the depth direction
The potential increases from the interface 09 toward the inside of the N-type region 308, and reaches a maximum at a certain depth. After that, the potential decreases toward the P-type region 307 and the P-type region 307
Then, the Fermi level is at the ground potential. Thereafter, as shown by the SB line in FIG. 14, the potential increases toward the substrate voltage applied to the N-type silicon substrate 101. In the photoelectric conversion element 201, as indicated by the SA line, the Fermi level of the P + region 304 on the surface is at the ground potential, and the N-type region 303 extends along the depth direction.
The potential increases inward, and reaches a maximum at a certain depth. Thereafter, the potential is minimized in the P-type region 302 and increases toward the substrate voltage applied to the N-type silicon substrate. Here, a potential barrier formed substantially at the center of the P-type region 302 buried in the N-type silicon substrate 301 is referred to as a VOD barrier. The VOD barrier can be controlled by the substrate voltage, and the blooming suppression operation of sweeping excess charge exceeding the saturation signal amount to the substrate and the electronic shutter operation of sweeping charge accumulated in the N-type region 303 of the photoelectric conversion element 201 to the substrate. (The substrate voltage at this time is called the substrate extraction voltage.)
Can be performed. The structure of the photoelectric conversion element 201 is called a vertical overflow drain structure.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】前記VODバリアはP
+ 領域304、N型領域303、P型領域302、およ
びN型基板301の不純物濃度プロファイル、つまり深
さ方向の1次元不純物濃度プロファイルと基板電圧で決
まる電位分布から決定される。そして、光電変換素子2
01の寸法が大きい場合には、VODバリアは水平方向
に電位の平坦な領域が形成されることになる。しかしな
がら、光電変換素子201の寸法が微細化すると、これ
に従って、VODバリアはP+ チャネルストッパ305
およびP型領域307の電位の影響を受けはじめ、VO
Dバリアの電位の平坦な領域が縮小していくことにな
る。すなわち、前記したようにP+ チャネルストッパ3
05およびP型領域307のフェルミレベルは0Vとな
っており、VODバリア電位よりも低いため、光電変換
素子201の寸法が微細化すると、VODバリア領域端
の電位を低下させる方向に働くからである。そして、微
細化がさらに進むと、VODバリアの電位の平坦な領域
がなくなり、VODバリアの電位も低下する。この時の
様子を図15に示す。図15は、図13のX4−X4線
に沿った電位分布の概略図であり、VODバリアで極大
となっている。つまり、図13でVODバリアは、電位
の鞍点となっている。
The VOD barrier is P
The impurity concentration profile of the + region 304, the N-type region 303, the P-type region 302, and the N-type substrate 301, that is, the potential distribution determined by the one-dimensional impurity concentration profile in the depth direction and the substrate voltage. And the photoelectric conversion element 2
When the dimension of “01” is large, the VOD barrier has a region where the potential is flat in the horizontal direction. However, when the dimensions of the photoelectric conversion element 201 are reduced, the VOD barrier is accordingly changed to the P + channel stopper 305.
And the potential of the P-type region 307,
The region where the potential of the D barrier is flat is reduced. That is, as described above, the P + channel stopper 3
This is because the Fermi level of the P-type region 05 and the P-type region 307 is 0 V, which is lower than the VOD barrier potential. Therefore, when the size of the photoelectric conversion element 201 is reduced, the potential at the end of the VOD barrier region is reduced. . Then, as the miniaturization further proceeds, the flat region of the potential of the VOD barrier disappears, and the potential of the VOD barrier also decreases. The situation at this time is shown in FIG. FIG. 15 is a schematic diagram of the potential distribution along the line X4-X4 in FIG. 13, which is maximum at the VOD barrier. That is, in FIG. 13, the VOD barrier is a saddle point of the potential.

【0008】このように光電変換素子201が微細化さ
れるにつれ、VODバリアに対するP+ チャネルストッ
パ305とP型領域307との電気的接続が強くなって
くるので、VODバリア電位は基板電圧によって変化し
難くなる。つまり、基板電圧に対するVODバリア電位
の変化の割合は小さくなっていく。これは、電子シャッ
ター動作を行なう基板引抜き電圧の上昇となり、CCD
イメージセンサの消費電力の増加をもたらす。
As the photoelectric conversion element 201 is miniaturized in this way, the electrical connection between the P + channel stopper 305 and the P-type region 307 with respect to the VOD barrier becomes stronger, so that the VOD barrier potential varies with the substrate voltage. It becomes difficult to do. That is, the rate of change of the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage decreases. This results in an increase in the substrate withdrawal voltage for the electronic shutter operation, and the CCD
This leads to an increase in power consumption of the image sensor.

【0009】また、このVODバリア電位の基板電圧に
対する変化のし易さは、ニー特性にも影響する。ニー特
性とは、光電変換素子201に蓄積される信号電荷量と
光量の関係に於いて、ある点に於いてその傾きが変化す
る特性を言う。図12に示した縦型オーバーフロードレ
イン構造の光電変換素子201の、光量に対する信号電
荷量の関係を図16に片対数目盛りで示す。飽和信号量
までは光量に対し信号電荷量が線形に変化し(同図の対
数目盛りでは曲線となる)、飽和信号電荷量以上では光
量の対数に比例する。後者の信号量が光量の対数で変化
する領域をニー領域と呼ぶことにし、ニー領域における
光量の対数に対する信号電荷量の変化量をニー特性の傾
きと呼ぶことにする。このニー特性の傾きは、VODバ
リア電位の基板電圧に対する変化量と関係し、この変化
量が小さい方がニー特性の傾きは小さくなる。前述した
ように、光電変換素子201が微細化されるにつれて、
+ チャネルストッパ305とP型領域307に対する
VODバリアの電気的接続が強くなってくるので、基板
電圧に対するVODバリア電位の変化量は小さくなって
いく。従って、ニー特性の傾きは小さくなっていく。
The easiness of the change of the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage also affects the knee characteristics. The knee characteristic refers to a characteristic in which the inclination changes at a certain point in the relationship between the amount of signal charge stored in the photoelectric conversion element 201 and the amount of light. FIG. 16 shows the relationship between the light amount and the signal charge amount of the photoelectric conversion element 201 having the vertical overflow drain structure shown in FIG. 12 on a semilog scale. Up to the saturation signal amount, the signal charge amount changes linearly with respect to the light amount (it becomes a curve on the logarithmic scale in the figure), and is proportional to the logarithm of the light amount above the saturation signal charge amount. The latter region in which the signal amount changes with the logarithm of the light amount is referred to as a knee region, and the change amount of the signal charge amount with respect to the logarithm of the light amount in the knee region is referred to as a knee characteristic slope. The slope of the knee characteristic is related to the amount of change in the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage. The smaller the amount of change, the smaller the slope of the knee characteristic. As described above, as the photoelectric conversion element 201 is miniaturized,
Since the electrical connection of the VOD barrier to the P + channel stopper 305 and the P-type region 307 becomes stronger, the amount of change in the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage becomes smaller. Therefore, the slope of the knee characteristic becomes smaller.

【0010】前記したように、ニー領域での信号電荷量
は光量の対数に比例するため、線形に変化する場合より
も、ある信号電荷量の範囲内で広い範囲の光量を撮像で
きる。つまり、光量のダイナミックレンジを拡大するこ
とができ、これによりコントラストの高い被写体を撮像
できる。近年、車載用やFA等の産業用にダイナミック
レンジを拡大したイメージセンサの要求が大きくなって
おり、これに対応するためにニー領域を使うことが行わ
れている。この場合には、ニー特性の傾きは大きい方が
光量の差分に対応する信号量の差分が大きく、光量の階
調を細かくすることができる。さらに、オンチップカラ
ーフィルタを積層して単板式カラーイメージセンサとし
た場合には、対数変化するニー領域での各色の信号電荷
量を加減算することでカラー信号を得るため、光量の階
調が細かい方が色偽等の不具合が発生しにくくなる。従
って、ダイナミックレンジ拡大の用途には、ニー特性の
傾きは大きくすることが望まれる。
As described above, since the signal charge amount in the knee region is proportional to the logarithm of the light amount, a wider range of light amount can be imaged within a certain signal charge amount than when it changes linearly. That is, the dynamic range of the light amount can be expanded, so that a high-contrast subject can be imaged. In recent years, there has been an increasing demand for image sensors having an increased dynamic range for use in vehicles and industries such as FAs. To meet this demand, the use of knee regions has been performed. In this case, the greater the slope of the knee characteristic, the greater the difference in the signal amount corresponding to the difference in the light amount, and the gradation of the light amount can be reduced. Further, when a single-plate color image sensor is formed by laminating on-chip color filters, a color signal is obtained by adding and subtracting the signal charge amount of each color in the knee region where the logarithm changes, so that the gradation of the light amount is small. Problems such as false colors are less likely to occur. Therefore, it is desired to increase the inclination of the knee characteristic for use in expanding the dynamic range.

【0011】ところが、図12に示した従来の固体撮像
素子(CCDイメージセンサ)では、基板引抜き電圧お
よびニー特性の傾きは、P型領域302の不純物濃度プ
ロファイルと光電変換素子の寸法の関数となり、P型領
域302の不純物濃度を高濃度化し、あるいはP型領域
302の厚さ(基板深さ方向の幅寸法)を増加させるに
従い、基板引抜き電圧およびニー特性の傾きは増大す
る。したがって、従来のCCDイメージセンサでは、P
型領域302の不純物濃度を高濃度化するか、又は厚く
ししてニー特性の傾きの増大を図っているが、これで
は、基板引抜き電圧が上昇して、低電圧化、低消費電力
化ができないという問題が生じることになる。
However, in the conventional solid-state imaging device (CCD image sensor) shown in FIG. 12, the substrate extraction voltage and the slope of the knee characteristic are functions of the impurity concentration profile of the P-type region 302 and the size of the photoelectric conversion element. As the impurity concentration of the P-type region 302 is increased or the thickness of the P-type region 302 (the width in the depth direction of the substrate) is increased, the substrate extraction voltage and the slope of the knee characteristic increase. Therefore, in the conventional CCD image sensor, P
The impurity concentration of the mold region 302 is increased or increased to increase the slope of the knee characteristic. However, in this case, the substrate withdrawal voltage is increased, and lower voltage and lower power consumption are required. The problem of not being able to do so arises.

【0012】本発明は、光電変換素子の中央部の直下
に、周囲領域よりも不純物濃度が高いか、又は厚いP型
領域を形成することで、基板引抜き電圧を低減する一方
で、ニー特性の傾きを増加した光電変換素子を提供する
ことを目的とする。
According to the present invention, a p-type region having a higher impurity concentration or a thicker region than a peripheral region is formed immediately below a central portion of a photoelectric conversion element, thereby reducing a substrate pull-out voltage and improving knee characteristics. It is an object of the present invention to provide a photoelectric conversion element having an increased inclination.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の光電変換素子
は、光電変換素子で発生した余剰電荷を半導体基板に掃
き出す縦型オーバーフロードレイン型光電変換素子であ
って、第1導電型半導体基板中に、第2導電型からなる
第1のバリア領域と、第2導電型からなる第2のバリア
領域が設けられ、前記第1のバリア領域および前記第2
のバリア領域上に前記光電変換素子および少なくとも素
子分離領域が形成され、前記第1のバリア領域は前記光
電変換素子の下に形成され、前記第2のバリア領域は前
記第1のバリア領域以外に形成され、前記第1のバリア
領域は前記第2のバリア領域よりも不純物が高く、又は
厚く形成されていることを特徴とする。
The photoelectric conversion element of the present invention is a vertical overflow drain type photoelectric conversion element for sweeping surplus electric charges generated in the photoelectric conversion element to a semiconductor substrate. , A first barrier region of a second conductivity type and a second barrier region of a second conductivity type are provided.
The photoelectric conversion element and at least an element isolation region are formed on the barrier region, the first barrier region is formed below the photoelectric conversion element, and the second barrier region is formed in a region other than the first barrier region. And wherein the first barrier region is formed to have a higher impurity or a larger thickness than the second barrier region.

【0014】本発明の第1の光電変換素子として、前記
第1のバリア領域および前記第2のバリア領域は、次の
いずれかの適用形態を採る。即ち、第1の適用形態とし
て、前記第1のバリア領域と前記第2のバリア領域は平
面的に連続して形成されている、第2の適用形態とし
て、前記第1のバリア領域と前記第2のバリア領域は離
れて形成されている、第3の適用形態として、前記第1
のバリア領域は前記第2のバリア領域よりも1.1〜3
倍不純物濃度が高い、第4の適用形態として、前記第1
のバリア領域は前記第2のバリア領域よりも1.1〜3
倍厚い、第5の適用形態として、前記光電変換素子は、
光電変換した電荷を蓄積する第1導電型からなる電荷蓄
積領域を含み、前記第1のバリア領域は前記電荷蓄積領
域と平面積が等しい、第6の適用形態として、前記光電
変換素子は、光電変換した電荷を蓄積する第1導電型か
らなる電荷蓄積領域を含み、前記第1のバリア領域は前
記電荷蓄積領域よりも平面積が小さいというものであ
る。
As the first photoelectric conversion element of the present invention, the first barrier region and the second barrier region adopt any one of the following application forms. That is, as a first application form, the first barrier region and the second barrier region are formed continuously in a plane. As a second application form, the first barrier region and the second barrier region are formed. As a third application mode, the first and second barrier regions are formed apart from each other.
Is 1.1 to 3 times higher than the second barrier region.
As a fourth application mode having a high impurity concentration, the first
Is 1.1 to 3 times higher than the second barrier region.
As a fifth application mode, the photoelectric conversion element is
As a sixth application mode, the photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion element including a charge accumulation region of a first conductivity type that accumulates photoelectrically converted charges, wherein the first barrier region has a plane area equal to the charge accumulation region. A charge storage region of the first conductivity type for storing the converted charge is included, and the first barrier region has a smaller plane area than the charge storage region.

【0015】本発明の第2の光電変換素子は、光電変換
素子で発生した余剰電荷を半導体基板に掃き出す縦型オ
ーバーフロードレイン型光電変換素子であって、第1導
電型半導体基板中に、前記光電変換素子および少なくと
も素子分離領域が形成され、前記光電変換素子の下に第
2導電型からなる第1のバリア領域が形成されたことを
特徴とする。
A second photoelectric conversion element according to the present invention is a vertical overflow drain type photoelectric conversion element for sweeping surplus electric charges generated in the photoelectric conversion element to a semiconductor substrate, wherein the photoelectric conversion element is provided in a first conductivity type semiconductor substrate. A conversion element and at least an element isolation region are formed, and a first barrier region of a second conductivity type is formed below the photoelectric conversion element.

【0016】本発明の第2の光電変換素子として、前記
第1のバリア領域は次の適用形態を採る。即ち、前記光
電変換素子は、光電変換した電荷を蓄積する第1導電型
からなる電荷蓄積領域を含み、前記第1のバリア領域は
前記電荷蓄積領域と平面積が等しい、第2の適用形態と
して、前記光電変換素子は、光電変換した電荷を蓄積す
る第1導電型からなる電荷蓄積領域を含み、前記第1の
バリア領域は前記電荷蓄積領域よりも平面積が小さい、
第3の適用形態として、前記素子分離領域および前記第
1のバリア領域からの電位の影響により、前記第1のバ
リア領域が形成されていない領域は前記第1のバリア領
域よりも、前記電荷蓄積領域に対する電気的な障壁が大
きく、前記余剰電荷が前記半導体基板のみに流れる、と
いうものである。
As the second photoelectric conversion element of the present invention, the first barrier region adopts the following application mode. That is, the photoelectric conversion element includes a charge accumulation region of a first conductivity type that accumulates photoelectrically converted charges, and the first barrier region has a plane area equal to the charge accumulation region. The photoelectric conversion element includes a charge accumulation region of a first conductivity type for accumulating photoelectrically converted charges, and the first barrier region has a smaller planar area than the charge accumulation region;
As a third application mode, a region where the first barrier region is not formed due to an influence of a potential from the element isolation region and the first barrier region has a higher charge accumulation than the first barrier region. The electric barrier to the region is large, and the excess charge flows only to the semiconductor substrate.

【0017】本発明の第1の光電変換素子によれば、第
1のバリア領域を第2のバリア領域よりも不純物濃度を
高くし、あるいは厚く形成することで、VODバリアへ
の素子分離領域等による影響が小さくなり、光電変換素
子の中央部のVODバリアの電位は、深さ方向の1次元
不純物濃度プロファイルで決まる値となり、電位の平坦
な領域が形成され、基板電圧に対するVODバリア電位
の変化の割合は大きくなり、基板引抜き電圧が低下する
とともにニー特性の傾きが増加する。
According to the first photoelectric conversion device of the present invention, the first barrier region is formed to have a higher impurity concentration or a higher impurity concentration than the second barrier region, so that an element isolation region or the like to the VOD barrier can be formed. And the potential of the VOD barrier at the center of the photoelectric conversion element becomes a value determined by the one-dimensional impurity concentration profile in the depth direction, a flat region of the potential is formed, and the change of the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage. Increases, the substrate pull-out voltage decreases, and the slope of the knee characteristic increases.

【0018】また、本発明の第2の光電変換素子によれ
ば、単位画素寸法の微細化により、隣接する第1のバリ
ア領域の間隔が小さくなると、第1のバリア領域が形成
されていない領域は第1の光電変換素子における第2の
バリア領域が存在していると同等になり、光電変換素子
の中央のVODバリアは、素子分離領域の影響を小さく
することができる。これにより、基板電圧に対するVO
Dバリア電位の変化の割合は大きくなり、基板引抜き電
圧が低下するとともにニー特性の傾きが増加する。
Further, according to the second photoelectric conversion element of the present invention, when the distance between adjacent first barrier regions is reduced due to the miniaturization of the unit pixel size, the region where the first barrier region is not formed is formed. Is equivalent to the presence of the second barrier region in the first photoelectric conversion element, and the VOD barrier at the center of the photoelectric conversion element can reduce the influence of the element isolation region. Thereby, VO with respect to the substrate voltage is obtained.
The rate of change in the D barrier potential increases, and the slope of the knee characteristic increases as the substrate pull-out voltage decreases.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。なお以下ではすべて蓄積され
る電荷は電子の場合について説明する。 (第1の実施の形態)図1は本発明の基板引抜き電圧を
低減しつつ、ニー特性の傾きを増加させた固体撮像素
子、ここでは図11に示したCCDイメージセンサの単
位画素に相当する第1の実施の形態の断面図である。な
お、図1は図12(a)のX1−X1線に相当する箇所
の断面構造であるが、カバー膜やマイクロレンズ等は図
示していない。同図において、N型シリコン基板101
内にP型領域102,122が埋め込み状態に形成され
ている。ここで、前記P型領域122は、本発明にかか
る光電変換素子201の直下領域にのみ形成されてお
り、その周囲の領域に前記P型領域102が形成されて
いる。前記光電変換素子201は、前記P型領域10
2,122よりも基板表面側に光電変換された信号電荷
を蓄積するN型領域103が形成され、前記N型領域1
03の上部、すなわち前記N型シリコン基板101の表
面にはP+ 領域104が形成され、酸化膜等の絶縁膜と
の間の界面準位を介した暗電流の発生を抑制している。
また、前記P型領域122は、図12(a)に相当する
平面に投影した平面積が前記N型領域103よりも小さ
く、同図ではP型領域122の幅w1がN型領域103
の幅W1より小さくなっている。また、P型領域122
は前記P型領域102よりも不純物濃度が高く形成され
ている。また、前記N型領域103の表面の前記P+
域104は前記N型領域103の周囲に形成されている
+ チャネルストッパ105と接続され、そのフェルミ
レベルはグラウンド電位に固定されている。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. In the following, a case will be described in which all accumulated charges are electrons. (First Embodiment) FIG. 1 shows a solid-state image pickup device according to the present invention, in which the inclination of the knee characteristic is increased while reducing the substrate pull-out voltage, here corresponds to the unit pixel of the CCD image sensor shown in FIG. It is sectional drawing of 1st Embodiment. Although FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a portion corresponding to line X1-X1 in FIG. 12A, a cover film, a microlens, and the like are not shown. In the figure, an N-type silicon substrate 101
P-type regions 102 and 122 are formed in a buried state. Here, the P-type region 122 is formed only in a region immediately below the photoelectric conversion element 201 according to the present invention, and the P-type region 102 is formed in a surrounding region. The photoelectric conversion element 201 is provided in the P-type region 10.
An N-type region 103 for accumulating signal charges photoelectrically converted is formed on the substrate surface side of the N-type region 1.
A P + region 104 is formed in the upper portion of the substrate 03, that is, on the surface of the N-type silicon substrate 101, and suppresses generation of dark current via an interface state between the substrate and an insulating film such as an oxide film.
Further, the P-type region 122 has a smaller planar area projected onto a plane corresponding to FIG. 12A than the N-type region 103, and the width w 1 of the P-type region 122 is smaller than that of the N-type region 103 in FIG.
Is smaller than the width W1. Also, the P-type region 122
Have a higher impurity concentration than the P-type region 102. The P + region 104 on the surface of the N-type region 103 is connected to a P + channel stopper 105 formed around the N-type region 103, and the Fermi level is fixed at the ground potential.

【0020】また、前記光電変換素子201と垂直CC
D202の間に、P型からなるトランスファーゲート領
域106(203)が形成されている。一方、前記垂直
CCD202は、前記N型シリコン基板101の表面側
の領域に形成されたP型領域107上に形成されたN型
領域108からなる電荷転送領域と、その上部にゲート
絶縁膜109を介して形成されたゲート電極110によ
り構成される。P型領域107は前記P+ チャネルスト
ッパ105と電気的に接続されており、そのフェルミレ
ベルはグラウンド電位に固定されている。なお、全面に
層間絶縁膜112が形成されるとともに、光電変換素子
のみに光が入射する様に、光電変換素子の上部のみを開
口した遮光膜111が前記層間絶縁膜112上に形成さ
れる。
Further, the photoelectric conversion element 201 and the vertical CC
A transfer gate region 106 (203) of P type is formed between D202. On the other hand, the vertical CCD 202 has a charge transfer region including an N-type region 108 formed on a P-type region 107 formed on a surface side region of the N-type silicon substrate 101, and a gate insulating film 109 thereon. The gate electrode 110 is formed through the gate electrode 110. The P-type region 107 is electrically connected to the P + channel stopper 105, and its Fermi level is fixed at the ground potential. In addition, an interlayer insulating film 112 is formed on the entire surface, and a light-shielding film 111 having an opening only at an upper portion of the photoelectric conversion element is formed on the interlayer insulating film 112 so that light is incident only on the photoelectric conversion element.

【0021】以上の構成によれば、光電変換素子201
で生成された信号電荷はN型領域103に蓄積され、所
望のタイミングでゲート電極110に高い電圧を印可す
ることでトランスファーゲート領域106をオン状態と
し、信号電荷を垂直CCD202に読み出す。この時、
N型領域103は空乏化し、その電位よりもトランスフ
ァーゲート領域106のオン状態の電位および読み出さ
れる先のN型領域108の電位が高くなるように、電圧
が設定される。その後トランスファーゲート領域106
をオフ状態として、垂直CCD202で信号電荷が転送
される。
According to the above configuration, the photoelectric conversion element 201
Are generated in the N-type region 103, a high voltage is applied to the gate electrode 110 at a desired timing to turn on the transfer gate region 106, and the signal charge is read out to the vertical CCD 202. At this time,
The N-type region 103 is depleted, and the voltage is set so that the potential of the transfer gate region 106 in the ON state and the potential of the N-type region 108 to be read out are higher than the potential. After that, the transfer gate region 106
Is turned off, and signal charges are transferred by the vertical CCD 202.

【0022】ここで、図1で示したCCDイメージセン
サを製造する方法について説明する。まず、1014/c
3 台のリン濃度を持つN型シリコン基板101の表面
に20〜60nm厚の熱酸化膜を形成し、P型領域10
2に対応する領域に0.5〜3MeV, 0.5〜5×1
11/cm2 のボロンをイオン注入する。次にフォトリ
ソグラフイ技術によりP型領域122に対応する領域に
フォトレジストを開口し、P型領域102と同じエネル
ギー、1.1〜3倍のドーズ量のボロンをイオン注入
し、900〜980℃、30分から2時間の熱処理によ
りP型領域102および122を形成する。但し、フォ
トレジストの開口は、熱処理によるボロンの広がりを考
慮して決定する。次に、リソグラフィ技術とイオン注入
技術をそれぞれ用い、20〜40KeV,1〜5×10
13/cm2 のボロンのイオン注入によりP+ チャネルス
トッパ105を、200〜500KeV,1〜5×10
12/cm2 のリンのイオン注入によりN型領域103
を、20〜60keV,1012 /cm2 台のボロンのイ
オン注入により表面に浅いP+ 領域104を、70〜1
50KeV、1〜5×1012/cm2 のリンのイオン注
入によりN型領域108を、200〜400KeV、1
〜5×1012/cm2 のボロンのイオン注入によりP型
領域107を、40〜100KeV、0.5〜3×10
12/cm2 のボロンのイオン注入によりトランスファー
ゲート領域106を形成し、900〜980℃、30分
〜1時間で窒素雰囲気で熱処理することでイオン注入し
たドーパントを活性化させる。次に、熱酸化膜をフッ酸
でウエットエッチングした後、ゲート絶縁膜109(こ
こでは、ウェット酸化で50〜100nm厚のゲート酸
化膜)を形成し、その上にリソグラフィとエッチングで
ドーパントが混入したポリシリコンゲート電極110を
形成する。さらに層間絶縁膜112を形成し、光電変換
素子に開口した遮光膜111をリソグラフィとエッチン
グで形成して、図1に示したCCDイメージセンサが完
成する。
Here, the CCD image sensor shown in FIG.
A method for manufacturing the semiconductor will be described. First, 1014/ C
mThreeSurface of N-type silicon substrate 101 with phosphorus concentration
A thermal oxide film having a thickness of 20 to 60 nm is formed on the
0.5 to 3 MeV, 0.5 to 5 × 1 in the area corresponding to 2
011/ CmTwoOf boron is ion-implanted. Next,
In the region corresponding to the P-type region 122 by the lithography technology
Open the photoresist and use the same energy as the P-type region 102
Ion implantation of boron at a dose of 1.1 to 3 times
And heat treatment at 900-980 ° C for 30 minutes to 2 hours.
P-type regions 102 and 122 are formed. However,
Consider the spread of boron due to heat treatment when opening the photoresist.
Decide with consideration. Next, lithography technology and ion implantation
20 to 40 KeV, 1 to 5 × 10
13/ CmTwoP by ion implantation of boron+Channels
The topper 105 is set to 200 to 500 KeV, 1 to 5 × 10
12/ CmTwoRegion 103 by ion implantation of phosphorus
From 20 to 60 keV, 1012 / CmTwoTwo boron i
Shallow P on surface due to on-implantation+The area 104 is set to 70 to 1
50 KeV, 1-5 × 1012/ CmTwoPhosphorus ion injection
Input, the N-type region 108 is set to 200 to 400 KeV, 1
~ 5 × 1012/ CmTwoP type by boron ion implantation
The region 107 is set at 40 to 100 KeV, 0.5 to 3 × 10
12/ CmTwoTransfer by boron ion implantation
Form gate region 106, 900-980 ° C., 30 minutes
Ion implantation by heat treatment in nitrogen atmosphere for ~ 1 hour
The activated dopant is activated. Next, the thermal oxide film is
After wet etching with the gate insulating film 109 (this
Here, a 50 to 100 nm thick gate acid is formed by wet oxidation.
Film), and then lithography and etching
The polysilicon gate electrode 110 mixed with the dopant is
Form. Further, an interlayer insulating film 112 is formed, and photoelectric conversion is performed.
Lithography and etching
The CCD image sensor shown in FIG.
To achieve.

【0023】図2に、光電変換素子201のN型領域1
03および垂直CCD202のN型領域108が空乏化
した時の電位分布の概略を、図1の断面に対応して示
す。同図はトランスファーゲート領域106がオフの状
態を示している。また、図2のA3−A3線に沿った電
位分布の概略を図3に示す。ここで、前記P型領域10
2,122は、従来例のものとVODバリア電位が等し
くなるように、それぞれの不純物濃度を調整している。
これにより、図13及び図15に示した従来の電位分布
と比較すると、光電変換素子201の中央部を含む領域
に、周囲のP型領域102よりも不純物濃度が高いP型
領域122が形成されているため、VODバリアとして
電位の平坦な領域が形成されていることが判る。
FIG. 2 shows the N-type region 1 of the photoelectric conversion element 201.
The potential distribution when the N-type region 03 and the N-type region 108 of the vertical CCD 202 are depleted is schematically shown in a cross section in FIG. The figure shows a state where the transfer gate region 106 is off. FIG. 3 schematically shows the potential distribution along the line A3-A3 in FIG. Here, the P-type region 10
Nos. 2 and 122 have their respective impurity concentrations adjusted so that the VOD barrier potential is equal to that of the conventional example.
As a result, a P-type region 122 having a higher impurity concentration than the surrounding P-type region 102 is formed in the region including the central portion of the photoelectric conversion element 201 as compared with the conventional potential distributions shown in FIGS. Therefore, it can be seen that a region with a flat potential is formed as the VOD barrier.

【0024】その理由を図4を用いて説明する。図4は
図2のA4−A4線に沿った電位分布の概略を、P型領
域122の不純物濃度をパラメータとして示したもので
ある。同図から、N型シリコン基板101に同じ基板電
圧を印加しても、P型領域122の不純物濃度が小さい
方S2が不純物濃度が大きい方S1よりもVODバリア
の電位が高くなっている。P+ チャネルストッパ105
やP型領域107の影響が無いと仮定した場合には、P
型領域102を通るA2−A2線に沿った断面でのVO
Dバリア電位Vb2の方が、P型領域122を通るA1
−A1線に沿った断面でのVODバリア電位Vb1より
も高くなる。従来例で説明したように、実際にはP+
ャネルストッパ105やP型領域107の影響を受ける
ためVb2は低下するが、P型領域122に隣接する低
不純物濃度のP型領域102のために、光電変換素子2
01の中央のVODバリア電位Vb1へのP+ チャネル
ストッパ105やP型領域107の影響を少なくし、あ
るいはなくすことができる。但し、Vb2の低下量はV
b1へ影響しない量にする必要がある。これはP型領域
122とP型領域102の不純物濃度差で制御できる
が、不純物濃度差が小さ過ぎるとニー特性増大の効果が
小さく、大き過ぎるとVODバリア電位がA2−A2線
に沿った方がA1−A1線に沿った方よりも高くなり、
余剰電荷の掃き出しが光電変換素子201の周囲のP型
領域102の狭い領域を介して行われニー特性増大の効
果がなくなる。
The reason will be described with reference to FIG. FIG. 4 schematically shows a potential distribution along the line A4-A4 in FIG. 2 using the impurity concentration of the P-type region 122 as a parameter. As can be seen from the figure, even when the same substrate voltage is applied to the N-type silicon substrate 101, the potential of the VOD barrier is higher in the P2 region S2 having the lower impurity concentration than in the S1 having the higher impurity concentration. P + channel stopper 105
And P-type region 107 have no effect, P
VO in a cross section along line A2-A2 passing through the mold region 102
The D barrier potential Vb2 is higher than A1 passing through the P-type region 122.
It becomes higher than the VOD barrier potential Vb1 in the cross section along the -A1 line. As described in the conventional example, Vb2 actually decreases due to the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107, but the low impurity concentration of the P-type region 102 adjacent to the P-type region 122 , Photoelectric conversion element 2
01 can reduce or eliminate the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 on the VOD barrier potential Vb1 at the center. However, the amount of decrease in Vb2 is V
The amount must not affect b1. This can be controlled by the impurity concentration difference between the P-type region 122 and the P-type region 102. If the impurity concentration difference is too small, the effect of increasing the knee characteristic is small, and if the impurity concentration difference is too large, the VOD barrier potential is more likely to be along the A2-A2 line. Is higher than the one along the A1-A1 line,
Excess charge is discharged through a narrow region of the P-type region 102 around the photoelectric conversion element 201, and the effect of increasing the knee characteristic is lost.

【0025】不純物濃度差が大きい場合にニー特性増大
の効果がなくなる理由は、次の通りである。前記余剰電
荷の掃き出しの行われる領域のVODバリア電位は、P
型領域122中のVODバリア電位とP+ チャネルスト
ッパ105およびP型領域107の影響を受け、従来例
と同様に電位の平坦な領域がなくなっている。従って、
基板電圧に対しVODバリア電位は変化し難くなり、ニ
ー特性の傾きは低下する。実験の結果、P型領域122
の不純物濃度を、P型領域102の不純物濃度の1.1
〜3倍の高濃度にすれば、ニー特性の傾きを増大できる
ことが分かった。このことは、VODバリアへのP+
ャネルストッパ105やP型領域107の影響が小さく
なっていることを示している。この条件の内の最適な条
件では、光電変換素子201の中央部のVODバリアの
電位は、深さ方向の1次元不純物濃度プロファイルで決
まる値となり、電位の平坦な領域が形成される。このよ
うにVODバリアは、P+ チャネルストッパ105やP
型領域107の影響を小さくできるので、基板電圧に対
するVODバリア電位の変化の割合は大きくなり、基板
引抜き電圧が低下するとともにニー特性の傾きが増加す
る。
The reason why the effect of increasing the knee characteristic is lost when the impurity concentration difference is large is as follows. The VOD barrier potential in the area where the surplus charge is swept out is P
Due to the VOD barrier potential in the mold region 122 and the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107, a region having a flat potential disappears as in the conventional example. Therefore,
The VOD barrier potential does not easily change with respect to the substrate voltage, and the slope of the knee characteristic decreases. As a result of the experiment, the P-type region 122
The impurity concentration of P-type region 102 to 1.1.
It has been found that the inclination of the knee characteristic can be increased by increasing the concentration to about three times. This indicates that the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 on the VOD barrier is reduced. Under the optimum condition among these conditions, the potential of the VOD barrier at the center of the photoelectric conversion element 201 has a value determined by the one-dimensional impurity concentration profile in the depth direction, and a region with a flat potential is formed. As described above, the VOD barrier is formed by the P + channel stopper 105 and the P +
Since the influence of the mold region 107 can be reduced, the rate of change of the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage increases, and the slope of the knee characteristic increases as the substrate pull-out voltage decreases.

【0026】(第2の実施の形態)第2の実施の形態の
断面構造を図5に示す。なお、図1に示した第1の実施
の形態と同じ構造は同じ符号で表わしており、詳細な説
明は省略する。この第2の実施形態では、第1の実施形
態の光電変換素子の直下に形成されたP型領域122に
代えて、光電変換素子201の中央領域の直下に形成さ
れ、かつその周囲においてP型領域102と離間された
P型領域132を設けている。前記P型領域102とP
型領域132の間隔Lは1μm程度以下に設計する。ま
た、図5に示したCCDイメージセンサを製造する方法
は、P型領域132とP型領域102を形成する時に、
フォトリソグラフィ技術によりそれぞれに対応する領域
にフォトレジストを開口して、ボロンをイオン注入して
形成する。フォトレジストの開口位置やボロンイオン注
入時のエネルギーやドーズ量、およびその他の領域の形
成方法は第1の実施の形態と同様であるのでその説明を
省略する。
(Second Embodiment) FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a second embodiment. Note that the same structures as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In the second embodiment, instead of the P-type region 122 formed immediately below the photoelectric conversion element of the first embodiment, the P-type region 122 is formed immediately below the central region of the photoelectric conversion element 201, and the P-type region is formed therearound. A P-type region 132 separated from the region 102 is provided. The P-type region 102 and P
The space L between the mold regions 132 is designed to be about 1 μm or less. Further, the method of manufacturing the CCD image sensor shown in FIG.
A photoresist is opened in a region corresponding to each by a photolithography technique, and boron is ion-implanted. The opening position of the photoresist, the energy and dose amount at the time of boron ion implantation, and the method of forming other regions are the same as those in the first embodiment.

【0027】この第2の実施の形態によれば、図5のB
2−B2線に沿ってはP型領域132やP型領域102
が形成されていないため、この線に沿った1次元プロフ
ァイルではVODバリアは形成できない。しかし、P型
領域が形成されていない領域の距離Lは1μm程度であ
るので、その領域の電位はP型領域132、P型領域1
02、P+ チャネルストッパ105、およびP型領域1
07の電位の影響を受け、これら電位の2次元、3次元
的な効果でVODバリアが形成され、そのVODバリア
電位Vb1はP型領域132を通る図5のB1−B1線
に沿ったVODバリア電位Vb2と同等か僅かに低く設
計できる。従って、前述した第1の実施の形態の様に、
最適条件においては光電変換素子201の中央部のVO
Dバリアの電位は深さ方向の1次元不純物濃度プロファ
イルで決まる値となり、電位の平坦な領域が形成され
る。このようにVODバリアは、P+ チャネルストッパ
105やP型領域107の影響が小さくなるので、基板
電圧に対するVODバリア電位の変化の割合は大きくな
り、基板引抜き電圧が低下するとともにニー特性の傾き
が増加する。
According to the second embodiment, FIG.
Along the 2-B2 line, the P-type region 132 and the P-type region 102
Is not formed, a VOD barrier cannot be formed with a one-dimensional profile along this line. However, since the distance L of the region where the P-type region is not formed is about 1 μm, the potential of that region is the P-type region 132 and the P-type region 1.
02, P + channel stopper 105, and P-type region 1
07, a two-dimensional and three-dimensional effect of these potentials forms a VOD barrier, and the VOD barrier potential Vb1 passes through the P-type region 132 along the line B1-B1 in FIG. It can be designed to be equal to or slightly lower than the potential Vb2. Therefore, as in the above-described first embodiment,
Under optimal conditions, the VO at the center of the photoelectric conversion element 201
The potential of the D barrier has a value determined by the one-dimensional impurity concentration profile in the depth direction, and a region having a flat potential is formed. As described above, since the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 is reduced in the VOD barrier, the rate of change of the VOD barrier potential with respect to the substrate voltage is increased. To increase.

【0028】(第3の実施の形態)第3の実施の形態の
断面構造を図6に示す。図1に示した第1の実施の形態
と同じ構造は同じ符号で表わし、詳細な説明は省略す
る。光電変換素子201の直下に形成されるP型領域1
42は、第1の実施の形態のP型領域122と同様であ
り、その周囲において前記P型領域102に連続して形
成されているが、ここで、前記P型領域142の図12
(a)に相当する平面に投影した平面積は前記光電変換
素子201のN型領域103と等しくなっている。ま
た、図6に示したCCDイメージセンサを製造する方法
は、P型領域142の大きさが図1に示した第1の実施
の形態のP型領域122と異なるだけで、他の形成条件
は第1の実施の形態と同様であるのでその説明を省略す
る。
(Third Embodiment) FIG. 6 shows a cross-sectional structure of a third embodiment. The same structures as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted. P-type region 1 formed immediately below photoelectric conversion element 201
42 is similar to the P-type region 122 of the first embodiment, and is formed around the P-type region 102 around the periphery thereof.
The plane area projected on the plane corresponding to (a) is equal to the N-type region 103 of the photoelectric conversion element 201. In the method of manufacturing the CCD image sensor shown in FIG. 6, the size of the P-type region 142 is different from that of the P-type region 122 of the first embodiment shown in FIG. The description is omitted because it is the same as that of the first embodiment.

【0029】この第3の実施の形態によれば、光電変換
素子201のN型領域103および垂直CCD202の
N型領域108が空乏化した時の、図6のC1−C1線
及びC2−C2線にに沿った電位分布の概略を、図7の
S11線、及びS21,S22線に示す。C2−C2線
に沿ったS11線、S21,S22線の電位分布に関し
ては、P型領域102の不純物濃度をパラメータとして
示している。P型領域102の不純物濃度が低い方が、
C2−C2線に沿った電位の曲線が電位の高い方向に変
化する。つまり、C1−C1線に沿ったVODバリアが
形成される深さ付近のP型領域102の電位は、P型領
域102の不純物濃度が低い方S22が不純物濃度が高
い方S21よりも高くなる。本実施の形態では、P型領
域102はP型領域142よりも不純物濃度が小さく、
P型領域102,142全体を高不純物濃度にするより
も、P型領域102を介したP+ チャネルストッパ10
5とP型領域107のVODバリアへの影響を小さくす
ることができる。従って、基板電圧に対するVODバリ
ア電位の変化の割合は大きくなり、基板引抜き電圧が低
下するとともにニー特性の傾きが増加する。
According to the third embodiment, when the N-type region 103 of the photoelectric conversion element 201 and the N-type region 108 of the vertical CCD 202 are depleted, the lines C1-C1 and C2-C2 in FIG. The outline of the potential distribution along the line is indicated by lines S11 and S21 and S22 in FIG. Regarding the potential distribution of the S11 line, S21, and S22 lines along the C2-C2 line, the impurity concentration of the P-type region 102 is shown as a parameter. When the impurity concentration of the P-type region 102 is lower,
The potential curve along the line C2-C2 changes in the direction of higher potential. That is, the potential of the P-type region 102 near the depth where the VOD barrier is formed along the line C1-C1 is higher in the S22 where the impurity concentration of the P-type region 102 is lower than in the S21 where the impurity concentration is higher. In this embodiment, the P-type region 102 has a lower impurity concentration than the P-type region 142,
The P + channel stopper 10 via the P-type region 102 can be used instead of making the entire P-type regions 102 and 142 have a high impurity concentration.
5 and the effect of the P-type region 107 on the VOD barrier can be reduced. Therefore, the ratio of the change in the VOD barrier potential to the substrate voltage increases, and the slope of the knee characteristic increases as the substrate pull-out voltage decreases.

【0030】(第4の実施の形態)第4の実施の形態の
断面構造を図8に示す。図1に示した第1の実施の形態
と同じ構造は同じ符号で表わし、詳細な説明は省略す
る。光電変換素子201の直下のP型領域152は第1
の実施の形態と同様であり、その周囲において前記P型
領域102に連続して形成されているが、ここで、前記
P型領域152の厚さはP型領域102よりも厚くなっ
ている。但し、P型領域152とP型領域102の厚さ
方向の中心は一致している。また、前記P型領域152
は、光電変換素子201の中央部に形成されており、図
12(a)に相当する平面に投影した平面積がN型領域
103よりも小さく、同図ではP型領域152の幅w2
がN型領域103の幅W2より小さくなっている。
(Fourth Embodiment) FIG. 8 shows a sectional structure of a fourth embodiment. The same structures as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted. The P-type region 152 immediately below the photoelectric conversion element 201 is the first type.
This embodiment is the same as the above-described embodiment, and is formed around the P-type region 102 around the periphery thereof. Here, the thickness of the P-type region 152 is larger than that of the P-type region 102. However, the centers of the P-type region 152 and the P-type region 102 in the thickness direction coincide. Further, the P-type region 152
Is formed at the center of the photoelectric conversion element 201, and has a plane area projected on a plane corresponding to FIG. 12A smaller than that of the N-type region 103, and the width w2 of the P-type region 152 in FIG.
Are smaller than the width W2 of the N-type region 103.

【0031】図8に示したCCDイメージセンサを製造
する方法は、まず、1014/cm3台のリン濃度を持つ
N型シリコン基板101の表面に20〜60nm厚の熱
酸化膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりP型領
域152に対応する領域にフォトレジストを開口し、
0.5〜3MeV, 0.5〜5×1011/cm2 のボロ
ンをイオン注入する。但し、フォトレジストの開口は、
以降の熱処理によるボロンの広がりを考慮して決定す
る。その後、900〜1200℃、30分〜2時間の熱
処理により、ボロンを拡散させてP型領域152を形成
する。次に、フォトリソグラフィ技術によりP型領域1
02に対応する領域に、P型領域152と同じエネル
ギ、0.25〜0.8倍のドーズ量のボロンをイオン注
入し、900〜980℃、30分〜2時間の熱処理によ
りP型領域102を形成する。P型領域102を形成す
る際に、単位画素全面にボロンをイオン注入してもよ
い。P型領域152にイオン注入したボロンの方が、P
型領域102よりも熱処理が多いため広く拡散し、P型
領域152はP型領域102よりも厚くなる。上記以外
のP+ チャネルストッパ105、N型領域103、P+
型領域104、N型領域108、P型領域107、トラ
ンスファーゲート領域106、遮光膜111等は、第1
の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
A method of manufacturing the CCD image sensor shown in FIG. 8 is as follows. First, a thermal oxide film having a thickness of 20 to 60 nm is formed on the surface of an N-type silicon substrate 101 having a phosphorus concentration of the order of 10 14 / cm 3 . A photoresist is opened in a region corresponding to the P-type region 152 by a photolithography technique,
Boron of 0.5 to 3 MeV and 0.5 to 5 × 10 11 / cm 2 is ion-implanted. However, the opening of the photoresist
It is determined in consideration of the spread of boron due to the subsequent heat treatment. After that, boron is diffused by a heat treatment at 900 to 1200 ° C. for 30 minutes to 2 hours to form a P-type region 152. Next, the P-type region 1 is formed by photolithography technology.
02 is ion-implanted with boron having the same energy as that of the P-type region 152 and a dose of 0.25 to 0.8 times, and a heat treatment at 900 to 980 ° C. for 30 minutes to 2 hours is performed. To form When forming the P-type region 102, boron ions may be implanted over the entire surface of the unit pixel. The boron ion-implanted into the P-type region 152
Since the heat treatment is performed more frequently than the mold region 102, the heat is diffused widely, and the P-type region 152 becomes thicker than the P-type region 102. P + channel stopper 105 other than the above, N-type region 103, P +
The type region 104, the N type region 108, the P type region 107, the transfer gate region 106, the light shielding film 111, etc.
The description is omitted because it is the same as that of the first embodiment.

【0032】この第4の実施の形態において、図9は図
8のD1−D1線に沿った電位分布の概略を、P型領域
152の不純物濃度を一定としてその厚さをパラメータ
とした場合を示したものである。但し、P型領域の厚さ
方向の中心は一致させて膜厚を変化させている。N型シ
リコン基板101に同じ基板電圧を印加しても、P型領
域152が薄い方がVODバリアの電位が高くなる。P
+ チャネルストッパ105やP型領域107の影響が無
いと仮定した場合には、P型領域102を通るD2−D
2線に沿った断面でのVODバリア電位Vb2’の方
が、P型領域152を通るD1−D1線に沿った断面で
のVODバリア電位Vb1’よりも高くなる。従来例で
説明したように、実際にはP+ チャネルストッパ105
やP型領域107の影響を受けるためVb2’は低下す
るが、P型領域152に隣接する厚さの薄い不純物濃度
P型領域102のために、光電変換素子201の中央の
VODバリア電位Vb1’へのP+ チャネルストッパ1
05やP型領域107の影響を少なくする、あるいはな
くすことができる。但し、Vb2’の低下量はVb1’
へ影響しない量にする必要がある。これはP型領域15
2とP型領域102の厚さの差で制御できるが、厚さの
差が小さ過ぎるとニー特性増大の効果が小さく、大き過
ぎるとVODバリア電位がD2−D2線に沿った方がD
1−D1線に沿った方よりも高くなり、余剰電荷の掃き
出しがP型領域102の内の光電変換素子201の周囲
の狭い領域を介して行われニー特性増大の効果がなくな
る。
FIG. 9 shows an outline of the potential distribution along the line D1-D1 in FIG. 8 when the impurity concentration of the P-type region 152 is fixed and its thickness is used as a parameter. It is shown. However, the center of the P-type region in the thickness direction is made coincident to change the film thickness. Even if the same substrate voltage is applied to the N-type silicon substrate 101, the thinner the P-type region 152, the higher the potential of the VOD barrier. P
+ Assuming that there is no influence of the channel stopper 105 and the P-type region 107, D2-D passing through the P-type region 102
The VOD barrier potential Vb2 'in the cross section along the line 2 is higher than the VOD barrier potential Vb1' in the cross section along the line D1-D1 passing through the P-type region 152. As described in the conventional example, the P + channel stopper 105 is actually used.
Vb2 ′ is reduced due to the influence of the P-type region 107, but the VOD barrier potential Vb1 ′ at the center of the photoelectric conversion element 201 due to the thin impurity concentration P-type region 102 adjacent to the P-type region 152. P + channel stopper 1 to
05 or the P-type region 107 can be reduced or eliminated. However, the amount of decrease of Vb2 'is Vb1'
It must be an amount that does not affect the This is the P-type region 15
2 and the P-type region 102 can be controlled, but if the thickness difference is too small, the effect of increasing the knee characteristic is small. If the difference is too large, the VOD barrier potential along the line D2-D2 becomes D
It becomes higher than that along the 1-D1 line, and the surplus electric charge is discharged through a narrow area around the photoelectric conversion element 201 in the P-type area 102, and the effect of increasing the knee characteristic is lost.

【0033】P型領域152の厚さの差が大きい場合に
ニー特性増大の効果がなくなる理由は、次の通りであ
る。前記余剰電荷の掃き出しの行われる領域のVODバ
リア電位は、P型領域152中のVODバリア電位とP
+ チャネルストッパ105およびP型領域107の影響
を受け、従来例と同様に電位の平坦な領域がなくなって
いる。従って、基板電圧に対しVODバリア電位は変化
し難くなり、ニー特性の傾きは低下する。実験の結果、
P型領域152の厚さを、P型領域102の厚さの1.
1〜3倍に厚くすれば、ニー特性の傾きを増大できるこ
とが分かった。このことは、VODバリアへのP+ チャ
ネルストッパ105やP型領域107の影響が小さくな
っていることを示している。前記条件の内、最適な条件
では、光電変換素子201の中央部のVODバリアの電
位は深さ方向の1次元不純物濃度プロファイルで決まる
値となり、電位の平坦な領域が形成される。このように
VODバリアは、P+ チャネルストッパ105やP型領
域107の影響を小さくできるので、基板電圧に対する
VODバリア電位の変化の割合は大きくなり、基板引抜
き電圧が低下するとともにニー特性の傾きが増加する。
The reason why the effect of increasing the knee characteristic is lost when the difference in the thickness of the P-type region 152 is large is as follows. The VOD barrier potential in the region where the surplus electric charge is swept is the same as the VOD barrier potential in the P-type region 152.
Due to the influence of the + channel stopper 105 and the P-type region 107, a region having a flat potential is eliminated as in the conventional example. Therefore, the VOD barrier potential hardly changes with respect to the substrate voltage, and the slope of the knee characteristic decreases. results of the experiment,
The thickness of the P-type region 152 is set to be 1.times.
It has been found that the inclination of the knee characteristic can be increased by increasing the thickness by 1 to 3 times. This indicates that the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 on the VOD barrier is reduced. Under the optimal conditions among the above conditions, the potential of the VOD barrier at the center of the photoelectric conversion element 201 has a value determined by the one-dimensional impurity concentration profile in the depth direction, and a region with a flat potential is formed. As described above, the VOD barrier can reduce the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107, so that the ratio of the change of the VOD barrier potential to the substrate voltage increases, the substrate pull-out voltage decreases, and the knee characteristic slope decreases. To increase.

【0034】本実施形態では、P型領域152とP型領
域102の厚さ方向の中心を一致させている。VODバ
リアはほぼP型領域の厚さの中央に形成されるので、P
型領域の厚さの中心を一定として厚さを変化させた場合
には、図9に示すようにVODバリアの深さはほぼ一致
する。本発明の本質は、P型領域に形成されるVODバ
リアの電位がP+ チャネルストッパ105及びP型領域
107の影響を受けないようにすることであり、そのた
めにVODバリアの周囲にそれらの影響がないと仮定し
た場合に電位の高い領域を形成している。従って、P型
領域152とP型領域102の厚さ方向の中心を一致さ
せる必要はない。但し、P+ 領域152とP型領域10
2の厚さ方向の中心を一致させた方が、ニー特性へのイ
オン注入や表面酸化膜の膜厚のばらつきなどプロセスの
ばらつきの影響を少なくできるのでより望ましい。
In the present embodiment, the centers of the P-type region 152 and the P-type region 102 in the thickness direction are aligned. Since the VOD barrier is formed almost at the center of the thickness of the P-type region,
When the thickness is changed while keeping the center of the thickness of the mold region constant, the depths of the VOD barriers substantially match as shown in FIG. The essence of the present invention is to prevent the potential of the VOD barrier formed in the P-type region from being affected by the P + channel stopper 105 and the P-type region 107, so that their influence is formed around the VOD barrier. As a result, a high potential region is formed when it is assumed that there is no potential. Therefore, it is not necessary to match the centers of the P-type region 152 and the P-type region 102 in the thickness direction. However, the P + region 152 and the P-type region 10
It is more desirable to make the centers of the two in the thickness direction coincide because the influence of process variations such as ion implantation on the knee characteristics and variations in the thickness of the surface oxide film can be reduced.

【0035】ここで、第1の実施の形態も考慮すると、
VODバリアへのP+ チャネルストッパ105やP型領
域107の影響の程度は、P型領域102に対するP型
領域152の不純物濃度と厚さの割合で決まる。従っ
て、VODバリアへのP+ チャネルストッパ105やP
型領域107の影響を小さくできるように、第4の実施
の形態の製造方法での、P型領域152とP型領域10
2へのボロンイオン注入のドーズ量および熱処理温度、
時間を制御する。すなわち、この第4の実施の形態で
は、P型領域152とP型領域102の不純物のドーズ
量と熱処理温度、時間の関係によっては、P型領域15
2の不純物濃度はP型領域102よりも高濃度であると
考えられるが、P型領域152の不純物濃度をP型領域
102と同程度以下の濃度に形成した場合においても、
P型領域152の厚さがP型領域102よりも厚く形成
することにより、前記した基板引抜き電圧の低下、及び
ニー特性の傾きを増加することが可能である。
Here, considering also the first embodiment,
The degree of the effect of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 on the VOD barrier is determined by the ratio between the impurity concentration and the thickness of the P-type region 152 with respect to the P-type region 102. Therefore, the P + channel stopper 105 and the P +
In order to reduce the influence of the mold region 107, the P-type region 152 and the P-type region 10 in the manufacturing method of the fourth embodiment are reduced.
Dose and heat treatment temperature of boron ion implantation into
Control the time. That is, in the fourth embodiment, depending on the relationship between the dose of the impurities in the P-type region 152 and the P-type region 102 and the heat treatment temperature and time, the P-type region
2 is considered to be higher than the P-type region 102, but even if the impurity concentration of the P-type region 152 is formed to be approximately equal to or lower than that of the P-type region 102,
By forming the P-type region 152 to be thicker than the P-type region 102, it is possible to reduce the above-described substrate withdrawal voltage and increase the slope of the knee characteristic.

【0036】なお、この第4の実施の形態の項で説明し
たように、VODバリアを形成するP型領域152の厚
さとその不純物濃度は、共にVODバリアの電位を制御
する。したがって、第2および第3の実施の形態におい
て、第4の実施の形態のように光電変換素子の中央下の
P型領域132,142の厚さを厚くしても、第2およ
び第3の実施の形態と同様の効果が得られるのは明らか
である。
As described in the fourth embodiment, the thickness of the P-type region 152 forming the VOD barrier and the impurity concentration thereof both control the potential of the VOD barrier. Therefore, in the second and third embodiments, even if the thickness of the P-type regions 132 and 142 below the center of the photoelectric conversion element is increased as in the fourth embodiment, the second and third Obviously, the same effects as those of the embodiment can be obtained.

【0037】(第5の実施の形態)第5の実施の形態の
断面構造を図10に示す。図1に示した第1の実施の形
態と同じ構造は同じ符号で表わしている。光電変換素子
201の直下にN型領域103と図12(a)に相当す
る平面に投影した平面積が等しいP型領域162が形成
されているが、P+ チャネルストッパー105やP型領
域107の直下には、第1の実施の形態のP型領域10
2に相当するP型領域は形成されていない。図10に示
した光電変換素子を製造する方法は、リソグラフィ技術
とイオン注入技術等によりP型領域162を形成する
等、第1の実施の形態と同様であるのでその説明を省略
する。
(Fifth Embodiment) FIG. 10 shows a sectional structure of a fifth embodiment. The same structures as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Although P-type region 162 is equal plane area projected on a plane corresponding to the N-type region 103 and Figure 12 (a) directly under the photoelectric conversion element 201 is formed, the P + channel stopper 105 and P-type region 107 Immediately below the P-type region 10 of the first embodiment
No P-type region corresponding to No. 2 was formed. The method of manufacturing the photoelectric conversion element shown in FIG. 10 is the same as that of the first embodiment, such as forming the P-type region 162 by lithography technology and ion implantation technology.

【0038】本実施の形態においてP型領域102を形
成していない理由は次の通りである。すなわち、現在多
画素化と小型化のため単位画素寸法が微細化されてお
り、垂直CCDの幅が1μm程度となっているものもあ
る。このような場合、隣接するP型領域162間の距離
は1μm程度となり、P型領域102が形成されていな
い領域の電位はP型領域162の電位の影響を受け、そ
こに不純物濃度が低いP型領域があるのと同等にするこ
とができる。この状態はちょうど図7の低不純物濃度の
場合(S22線参照)に相当し、P+ チャネルストッパ
105とP型領域107のVODバリアへの影響を小さ
くすることができる。従って、基板電圧に対するVOD
バリア電位の変化の割合は大きくなり、基板引抜き電圧
が低下するとともにニー特性の傾きが増加する。
The reason why the P-type region 102 is not formed in the present embodiment is as follows. That is, the unit pixel size has been miniaturized for the purpose of increasing the number of pixels and reducing the size, and some vertical CCDs have a width of about 1 μm. In such a case, the distance between the adjacent P-type regions 162 is about 1 μm, and the potential of the region where the P-type region 102 is not formed is affected by the potential of the P-type region 162. It can be equivalent to having a mold area. This state corresponds to the case of the low impurity concentration in FIG. 7 (see line S22), and the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107 on the VOD barrier can be reduced. Therefore, VOD with respect to the substrate voltage
The rate of change in the barrier potential increases, and the slope of the knee characteristic increases as the substrate pull-out voltage decreases.

【0039】この第5の実施の形態では、P型領域16
2をN型領域103と図12(a)に相当する平面に投
影した平面積が等しいように形成したが、図1に示した
第1の実施の形態の様にP型領域162の平面積をN型
領域103よりも小さくしてもよい。というのは、前記
したようにP型領域162間のP型領域が形成されてい
ない領域は低不純物濃度のP型領域と同等に働き、第1
の実施の形態の項で説明したように、P+ チャネルスト
ッパ105やP型領域107の影響がないと仮定した場
合には、P型領域162を形成しない領域のVODバリ
ア電位はP型領域162中に形成されるVODバリア電
位よりも高くなり、光電変換素子中央のVODバリア
は、P+ チャネルストッパ105やP型領域107の影
響を小さくすることができる。従って、基板電圧に対す
るVODバリア電位の変化の割合は大きくなり、基板引
抜き電圧が低下するとともにニー特性の傾きが増加す
る。
In the fifth embodiment, the P-type region 16
2 is formed so that the plane area projected on the plane corresponding to FIG. 12A is equal to that of the N-type region 103. However, as in the first embodiment shown in FIG. May be smaller than the N-type region 103. That is, as described above, the region where the P-type region between the P-type regions 162 is not formed functions as a low-impurity-concentration P-type region.
As described in the first embodiment, when it is assumed that there is no influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107, the VOD barrier potential of the region where the P-type region 162 is not formed becomes the P-type region 162 The potential becomes higher than the VOD barrier potential formed therein, and the VOD barrier at the center of the photoelectric conversion element can reduce the influence of the P + channel stopper 105 and the P-type region 107. Therefore, the ratio of the change in the VOD barrier potential to the substrate voltage increases, and the slope of the knee characteristic increases as the substrate pull-out voltage decreases.

【0040】以上の説明は、図12(a)のX1−X1
断面を用いたが、それと直交する方向においても同様で
ある。その理由は次に述べる本発明がMOSイメージセ
ンサに適用できる理由と同様である。また、以上の説明
は、光電変換素子と垂直CCDが形成されたCCDイメ
ージセンサに適用した場合を示しているが、垂直CCD
の代りに読み出し配線が形成されたMOSイメージセン
サや単体の光電変換素子にも同様に適用できる。なぜな
ら、こうしたデバイスにおいても素子分離を十分に行な
うため、P+ チャネルストッパ等により光電変換素子の
周囲の電位を、少なくともVODバリア電位よりも低く
している。従って、光電変換素子が微細化した時に、V
ODバリアがこうした低電位の領域から受ける影響を小
さくすることを本質的な目的とする本発明を適用でき
る。
The above description is based on X1-X1 in FIG.
Although a cross section is used, the same applies to a direction orthogonal to the cross section. The reason is the same as the reason why the present invention described below can be applied to a MOS image sensor. Further, the above description shows a case where the present invention is applied to a CCD image sensor in which a photoelectric conversion element and a vertical CCD are formed.
Instead, the present invention can be similarly applied to a MOS image sensor in which readout wiring is formed or a single photoelectric conversion element. Because, even in such a device, in order to sufficiently perform element isolation, the potential around the photoelectric conversion element is made lower than at least the VOD barrier potential by a P + channel stopper or the like. Therefore, when the photoelectric conversion element is miniaturized, V
The present invention, which has an essential purpose of reducing the influence of the OD barrier from such a low potential region, can be applied.

【0041】また、前記各説明は埋め込み型の光電変換
素子に適用した場合を示しているが、N型領域103上
にP+ 領域104が形成されていない光電変換素子にも
同様に適用できる。また信号電荷が電子の場合について
説明したが、信号電荷が正孔の場合にも、N型とP型の
不純物を入れ替え、電圧の向きを逆にすれば、同様に説
明できる。
Although the above description has been given of the case where the present invention is applied to a buried photoelectric conversion element, the present invention can be similarly applied to a photoelectric conversion element in which the P + region 104 is not formed on the N-type region 103. Although the case where the signal charge is an electron has been described, the same description can be applied to a case where the signal charge is a hole by exchanging the N-type and P-type impurities and reversing the direction of the voltage.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように本発明の第1の光電
変換素子では、第1のバリア領域を第2のバリア領域よ
りも不純物濃度を高くし、及び/又は、厚く形成するこ
とで、あるいは本発明の第2の光電変換素子では、光電
変換素子の直下にのみ第1のバリア領域を形成すること
で、VODバリアへの素子分離領域等による影響を小さ
くすることができ、光電変換素子のVODバリアの電位
の平坦な領域が形成される。これにより、基板電圧に対
するVODバリア電位の変化の割合は大きくなり、基板
引抜き電圧を低減するとともにニー特性の傾きを増加し
た光電変換素子を得ることができる。したがって、本発
明の光電変換素子を用いて固体撮像素子、例えば、CC
Dイメージセンサを構成した場合には、当該CCDイメ
ージセンサの消費電力を低減し、かつ光量のダイナミッ
クレンジを拡大し、階調を細かくすることが実現でき
る。
As described above, in the first photoelectric conversion element of the present invention, the first barrier region is formed to have a higher impurity concentration and / or a larger thickness than the second barrier region. Alternatively, in the second photoelectric conversion element of the present invention, by forming the first barrier region only directly below the photoelectric conversion element, the influence of the element isolation region and the like on the VOD barrier can be reduced. A flat region of the potential of the VOD barrier is formed. As a result, the ratio of the change in the VOD barrier potential to the substrate voltage is increased, and a photoelectric conversion element in which the substrate withdrawal voltage is reduced and the slope of the knee characteristic is increased can be obtained. Therefore, a solid-state imaging device using the photoelectric conversion device of the present invention, for example, CC
When the D image sensor is configured, it is possible to reduce the power consumption of the CCD image sensor, expand the dynamic range of the light amount, and reduce the gradation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明をCCDイメージセンサに適用した第1
の実施の形態の単位画素の概略断面図である。
FIG. 1 shows a first application of the present invention to a CCD image sensor.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a unit pixel according to the embodiment.

【図2】図1に示した断面の概略電位分布図である。FIG. 2 is a schematic potential distribution diagram of the cross section shown in FIG.

【図3】図2のA3−A3線に沿った電位分布の概略
を、従来例と比較して示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing an outline of a potential distribution along a line A3-A3 in FIG. 2 in comparison with a conventional example.

【図4】図2のA4−A4線に沿った電位分布の概略
を、P型領域122の不純物濃度をパラメータとして示
したものである。
FIG. 4 schematically shows a potential distribution along a line A4-A4 in FIG. 2 using the impurity concentration of a P-type region 122 as a parameter.

【図5】本発明の第2の実施の形態の単位画素の概略断
面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view of a unit pixel according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施の形態の単位画素の概略断
面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view of a unit pixel according to a third embodiment of the present invention.

【図7】図6のC1−C1線、およびC2−C2線に沿
った電位分布の概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram of a potential distribution along lines C1-C1 and C2-C2 in FIG.

【図8】本発明の第4の実施の形態の単位画素の概略断
面図である。
FIG. 8 is a schematic sectional view of a unit pixel according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】図8のD1−D1線に沿った電位分布の概略
を、P型領域152の不純物濃度を一定としてその厚さ
をパラメータとした場合を示したものである。
9 schematically shows the potential distribution along the line D1-D1 in FIG. 8 when the impurity concentration of the P-type region 152 is fixed and the thickness is used as a parameter.

【図10】本発明の第5の実施の形態の単位画素の概略
断面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view of a unit pixel according to a fifth embodiment of the present invention.

【図11】従来のCCDイメージセンサの平面概略図で
ある。
FIG. 11 is a schematic plan view of a conventional CCD image sensor.

【図12】従来のCCDイメージセンサの単位画素の
(a)概略平面図、および(b)X1−X1線断面の概
略図である。
12A is a schematic plan view of a unit pixel of a conventional CCD image sensor, and FIG. 12B is a schematic view of a cross section taken along line X1-X1.

【図13】図12(b)に示した断面の概略電位分布図
である。
FIG. 13 is a schematic potential distribution diagram of the cross section shown in FIG.

【図14】図13のX2−X2線、およびX3−X3線
に沿った電位分布の概略図である。
14 is a schematic diagram of a potential distribution along lines X2-X2 and X3-X3 in FIG.

【図15】図13のX4−X4線に沿った電位分布の概
略図である。
FIG. 15 is a schematic diagram of a potential distribution along the line X4-X4 in FIG.

【図16】縦型オーバーフロードレイン構造の光電変換
素子における、光量に対する信号電荷量の関係を両対数
目盛りで示した図である。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the amount of signal charge and the amount of signal charge in a photoelectric conversion element having a vertical overflow drain structure on a log-log scale.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101,301 N型シリコン基板 102,302 P型領域 103,303 N型領域 104,304 P+ 領域 105,305 P+ チャネルストッパ 106,306 トランスファーゲート領域 107,307 P型領域 108,308 N型領域 109,309 ゲート絶縁膜 110,310 ゲート電極 111,311 遮光膜 112,312 層間絶縁膜 122,132,142,152,162 P型領域
(N型領域の直下) 201 光電変換素子 202 垂直CCD 203 トランスファーゲート 204 水平CCD 205 増幅器 206 P+ チャネルストッパ
101, 301 N-type silicon substrate 102, 302 P-type region 103, 303 N-type region 104, 304 P + region 105, 305 P + channel stopper 106, 306 Transfer gate region 107, 307 P-type region 108, 308 N-type region 109, 309 Gate insulating film 110, 310 Gate electrode 111, 311 Light shielding film 112, 312 Interlayer insulating film 122, 132, 142, 152, 162 P-type region (immediately below N-type region) 201 Photoelectric conversion element 202 Vertical CCD 203 Transfer Gate 204 Horizontal CCD 205 Amplifier 206 P + Channel stopper

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光電変換素子で発生した余剰電荷を半導
体基板に掃き出す縦型オーバーフロードレイン型光電変
換素子であって、第1導電型半導体基板中に、第2導電
型からなる第1のバリア領域と、第2導電型からなる第
2のバリア領域が設けられ、前記第1のバリア領域およ
び前記第2のバリア領域上に前記光電変換素子および少
なくとも素子分離領域が形成され、前記第1のバリア領
域は前記光電変換素子の下に形成され、前記第2のバリ
ア領域は前記第1のバリア領域以外に形成され、前記第
1のバリア領域は前記第2のバリア領域よりも不純物濃
度が高い、及び/又は、前記第1のバリア領域は前記第
2のバリア領域よりも厚いことを特徴とする光電変換素
子。
1. A vertical overflow drain type photoelectric conversion element for sweeping surplus charge generated by a photoelectric conversion element to a semiconductor substrate, wherein a first barrier region of a second conductivity type is formed in a first conductivity type semiconductor substrate. A second barrier region of a second conductivity type is provided, and the photoelectric conversion element and at least an element isolation region are formed on the first barrier region and the second barrier region; A region is formed below the photoelectric conversion element, the second barrier region is formed other than the first barrier region, and the first barrier region has a higher impurity concentration than the second barrier region; And / or the first barrier region is thicker than the second barrier region.
【請求項2】 前記第1のバリア領域と前記第2のバリ
ア領域が、平面的に連続して形成されていることを特徴
とする請求項1記載の光電変換素子。
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first barrier region and the second barrier region are formed continuously in a plane.
【請求項3】 前記第1のバリア領域と前記第2のバリ
ア領域が、離れて形成されている請求項1記載の光電変
換素子。
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first barrier region and the second barrier region are formed apart from each other.
【請求項4】 前記第1のバリア領域が、前記第2のバ
リア領域よりも1.1〜3倍不純物濃度が高いことを特
徴とする請求項1ないし3のいずれか記載の光電変換素
子。
4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first barrier region has an impurity concentration that is 1.1 to 3 times higher than that of the second barrier region.
【請求項5】 前記第1のバリア領域は、前記第2のバ
リア領域よりも1.1〜3倍厚いことを特徴とする請求
項1ないし4のいずれか記載の光電変換素子。
5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first barrier region is 1.1 to 3 times thicker than the second barrier region.
【請求項6】 光電変換素子で発生した余剰電荷を半導
体基板に掃き出す縦型オーバーフロードレイン型光電変
換素子であって、第1導電型半導体基板中に、前記光電
変換素子および少なくとも素子分離領域が形成され、前
記光電変換素子の下に第2導電型からなる第1のバリア
領域が形成されたことを特徴とする光電変換素子。
6. A vertical overflow drain type photoelectric conversion element for sweeping surplus electric charges generated in a photoelectric conversion element to a semiconductor substrate, wherein the photoelectric conversion element and at least an element isolation region are formed in a first conductivity type semiconductor substrate. And a first barrier region of a second conductivity type is formed under the photoelectric conversion element.
【請求項7】 前記光電変換素子は、光電変換した電荷
を蓄積する第1導電型からなる電荷蓄積領域を含み、前
記第1のバリア領域は前記電荷蓄積領域と平面積が等し
く、または前記電荷蓄積領域よりも平面積が小さいこと
を特徴とする請求項1ないし6のいずれか記載の光電変
換素子。
7. The photoelectric conversion element includes a charge accumulation region of a first conductivity type for accumulating photoelectrically converted charges, wherein the first barrier region has a plane area equal to the charge accumulation region, or 7. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element has a smaller plane area than the storage area.
【請求項8】 前記光電変換素子は、光電変換した電荷
を蓄積する第1導電型からなる電荷蓄積領域を含み、前
記素子分離領域および前記第1のバリア領域からの電位
の影響により、前記第1のバリア領域が形成されていな
い領域は前記第1のバリア領域よりも、前記電荷蓄積領
域に対する電気的な障壁が大きく、前記余剰電荷が前記
半導体基板のみに流れる請求項6または7記載の光電変
換素子。
8. The photoelectric conversion element includes a charge accumulation region of a first conductivity type that accumulates photoelectrically converted charges, and the charge conversion region is formed by the influence of a potential from the element isolation region and the first barrier region. 8. The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein a region in which the first barrier region is not formed has a larger electric barrier to the charge accumulation region than the first barrier region, and the surplus charge flows only to the semiconductor substrate. Conversion element.
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