JP2005347740A - Photoelectric converter and imaging system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a PD forming well structure contributing to the improvement of imaging performance while using an existing CMOS formation manufacturing method. <P>SOLUTION: In the photoelectric converter wherein an pixel containing an photoelectric conversion region for converting light into a signal charge and a peripheral circuit containing a circuit for processing the signal charge outside the pixel region where the pixel is formed are disposed on the same substrate, the photoelectric conversion region is formed by containing a first semiconductor region of a primary conductivity type formed on the substrate and a second semiconductor region of a secondary conductivity type which is the same conductive type as in the signal charge, the peripheral circuit is formed by containing a third conductive region of the first conductive type, and the impurity concentration of the first semiconductor region is configured so as to be higher than that of the third semiconductor region. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光電変換装置、より具体的にはMOS型光電変換装置に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more specifically to a MOS type photoelectric conversion device.

光電変換装置は、近年ディジタルスチルカメラ、ビデオカムコーダを中心とする2次元画像入力装置の固体撮像装置として用いられる。あるいはファクシミリ、スキャナを中心とする1次元画像読み取り装置として利用され、急速に需要が高まっている。   In recent years, the photoelectric conversion device is used as a solid-state imaging device of a two-dimensional image input device centering on a digital still camera and a video camcorder. Alternatively, it is used as a one-dimensional image reading apparatus centering on facsimiles and scanners, and demand is rapidly increasing.

この光電変換装置としてCCD(Charge Coupled Device)やMOS型センサが用いられている。MOS型センサの代表としては、CMOS光電変換装置(以下、「CMOSセンサ」という)が実用化されている(下記特許文献1参照)。   As this photoelectric conversion device, a CCD (Charge Coupled Device) or a MOS type sensor is used. As a representative of MOS type sensors, CMOS photoelectric conversion devices (hereinafter referred to as “CMOS sensors”) have been put into practical use (see Patent Document 1 below).

図9は、CMOSセンサを搭載した固体撮像装置の画素の回路構成図の一例である。   FIG. 9 is an example of a circuit configuration diagram of a pixel of a solid-state imaging device equipped with a CMOS sensor.

図9において、1は光を信号電荷に変換するフォトダイオード(以下、「PD」という)であり、2はPDで発生した信号電荷を転送する転送MOSトランジスタ、3は転送された信号電荷を一時的に蓄えておく浮遊拡散領域(以下、「FD」という)、4はFD3及びPD1をリセットするためのリセットMOSトランジスタ、5はアレイ中の任意の1行を選択するための選択MOSトランジスタ、6はFD3の信号電荷を電圧に変換してソースフォロワ型増幅器で増幅するソースフォロワMOSトランジスタであり、これらで画素が形成される。7は1つの列で共通化され画素電圧信号を読み出す読み出し線、8は読み出し線7を定電流とするための定電流源である。図示していないが、この画素からの信号を処理するための回路、及び画素内のトランジスタを駆動するための駆動回路(シフトレジスタ)の一方、もしくは両方が、同一基板内に周辺回路として形成されている。   In FIG. 9, 1 is a photodiode (hereinafter referred to as “PD”) that converts light into signal charges, 2 is a transfer MOS transistor that transfers signal charges generated by the PD, and 3 is temporarily transferred signal charges. Floating diffusion region (hereinafter referred to as “FD”) 4 is stored, 4 is a reset MOS transistor for resetting FD3 and PD1, 5 is a selection MOS transistor for selecting any one row in the array, 6 Is a source follower MOS transistor that converts the signal charge of FD3 into a voltage and amplifies it by a source follower type amplifier, and these constitute a pixel. Reference numeral 7 is a readout line that is shared by one column and reads out a pixel voltage signal, and 8 is a constant current source for making the readout line 7 a constant current. Although not shown, one or both of a circuit for processing a signal from the pixel and a driving circuit (shift register) for driving a transistor in the pixel are formed as a peripheral circuit in the same substrate. ing.

各画素(定電流源8を除く)は、アレイ状に配置され撮像装置を構成する。   Each pixel (except for the constant current source 8) is arranged in an array to constitute an imaging device.

図10は、CMOSセンサを搭載した撮像装置の画素の模式的断面図であって、特に図9におけるPD1と転送MOSトランジスタ2の部分を表わした図である。11はN型シリコン基板、12はP型ウエル(井戸)、13aはMOSトランジスタのゲート酸化膜、13bは受光部上の薄い酸化膜、14は転送MOSトランジスタ2のゲート電極、15はPD1のN型アノード、16はPD1を埋め込み構造とするための表面P型領域、17は素子分離のための選択酸化膜、18はFD3を形成し転送MOSトランジスタ2のドレイン領域ともなっているN型高濃度領域、19はゲート電極14とメタル第一層21を絶縁するシリコン酸化膜、20はコンタクトプラグ、22はメタル第一層21とメタル第二層23を絶縁する層間絶縁膜、24はメタル第二層23とメタル第三層25を絶縁する層間絶縁膜、26はパッシベーション膜である。   FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a pixel of an imaging device equipped with a CMOS sensor, and particularly shows a portion of PD1 and transfer MOS transistor 2 in FIG. 11 is an N-type silicon substrate, 12 is a P-type well, 13a is a gate oxide film of a MOS transistor, 13b is a thin oxide film on the light receiving portion, 14 is a gate electrode of the transfer MOS transistor 2, and 15 is N of PD1. Type anode, 16 is a surface P type region for embedding PD1, 17 is a selective oxide film for element isolation, and 18 is an N type high concentration region which forms FD3 and also serves as a drain region of transfer MOS transistor 2 , 19 is a silicon oxide film that insulates the gate electrode 14 from the metal first layer 21, 20 is a contact plug, 22 is an interlayer insulating film that insulates the metal first layer 21 and the metal second layer 23, and 24 is a metal second layer. Reference numeral 23 denotes an interlayer insulating film that insulates the metal layer 23 from the metal layer 25, and a passivation film 26.

カラー用光電変換装置では、パッシベーション膜26の上層に更に不図示のカラーフィルタ層、更に感度向上のためのマイクロレンズを形成する。表面から入射した光はメタル第三層25のない開口部を通して、PDに入る。光はPDのN型アノード15あるいはP型ウエル12内で吸収され、電子・ホール対を生成する。このうち電子はN型アノード15に蓄積されてゆく。   In the color photoelectric conversion device, a color filter layer (not shown) is formed on the passivation film 26 and a microlens for improving sensitivity is formed. Light incident from the surface enters the PD through the opening without the metal third layer 25. The light is absorbed in the N-type anode 15 or the P-type well 12 of the PD to generate an electron / hole pair. Among these, electrons are accumulated in the N-type anode 15.

更に、CMOSセンサの特徴として、画素部において受光領域を形成するPD形成用のウエルと、駆動デバイスを形成するための周辺回路形成用のウエルが同一導電型であることから、コンベンショナルなCMOSプロセスを利用できる利点が挙げられる。すなわち、CCDのように特別な製造ラインを必要とせず、既存の半導体製造ラインを使用して安価な固体撮像装置を製造できることがCMOSセンサの最大の特徴である。   Further, as a feature of the CMOS sensor, a PD forming well for forming a light receiving region in the pixel portion and a peripheral circuit forming well for forming a driving device are of the same conductivity type, so that a conventional CMOS process is performed. Advantages that can be used are listed. That is, the biggest feature of a CMOS sensor is that an inexpensive solid-state imaging device can be manufactured using an existing semiconductor manufacturing line without requiring a special manufacturing line like a CCD.

図11,12は、一般的なCMOSプロセスを用いた従来のCMOSセンサの前記各ウエル形成方法を示す図である。   11 and 12 are diagrams showing the well forming methods of the conventional CMOS sensor using a general CMOS process.

ここでは、N型シリコン基板を使用した例を示している。   Here, an example using an N-type silicon substrate is shown.

先ず、N型シリコン基板11にシリコン熱酸化膜27及びシリコン窒化膜28を形成する(図11(a))。   First, a silicon thermal oxide film 27 and a silicon nitride film 28 are formed on the N-type silicon substrate 11 (FIG. 11A).

フォトレジスト29のパターンにより所望の領域のシリコン窒化膜28を除去した後、イオンインプランテーションにより、P型の不純物30を導入する(図11(b))。フォトレジスト29を除去した後、熱酸化処理を行うと、前述のP型不純物30を導入した領域にのみシリコン酸化膜36が形成される。次に前述したシリコン窒化膜28を除去し、N型の不純物32をイオンインプランテーションで導入する(図11(c))。このとき、P型不純物30が導入されている領域上には前述した酸化膜36が形成されているので、N型不純物32は、自己整合的に前記P型不純物30の形成領域以外の領域に形成される。なお、上記酸化膜36は、N型不純物32注入時に突き抜けないような膜厚で形成されていることは言うまでもない。   After removing the silicon nitride film 28 in a desired region by the pattern of the photoresist 29, a P-type impurity 30 is introduced by ion implantation (FIG. 11B). When the thermal oxidation process is performed after removing the photoresist 29, the silicon oxide film 36 is formed only in the region where the P-type impurity 30 is introduced. Next, the aforementioned silicon nitride film 28 is removed, and N-type impurities 32 are introduced by ion implantation (FIG. 11C). At this time, since the aforementioned oxide film 36 is formed on the region where the P-type impurity 30 is introduced, the N-type impurity 32 is self-aligned in a region other than the region where the P-type impurity 30 is formed. It is formed. Needless to say, the oxide film 36 is formed to a thickness that does not penetrate when the N-type impurity 32 is implanted.

以上述べたようにP型不純物30及びN型不純物32を所望の領域に導入した後、所望の深さ、濃度プロファイルを得るために熱拡散処理を行い、P型ウエル12及びN型ウエル33を形成する(図11(d))。   As described above, after introducing the P-type impurity 30 and the N-type impurity 32 into a desired region, a thermal diffusion process is performed to obtain a desired depth and concentration profile, and the P-type well 12 and the N-type well 33 are formed. It forms (FIG.11 (d)).

続いて、いったん酸化膜をすべて除去した後、再びシリコン熱酸化膜27及びシリコン窒化膜28を形成し所望の領域をフォトレジスト29でパターニング、前記シリコン窒化膜28をエッチングする(図12(a))。   Subsequently, once all the oxide film is removed, a silicon thermal oxide film 27 and a silicon nitride film 28 are formed again, a desired region is patterned with a photoresist 29, and the silicon nitride film 28 is etched (FIG. 12A). ).

最後に、選択酸化膜17により電気的にアイソレーションした後、MOSトランジスタ、抵抗、容量、ダイオードなどを形成するための各ウエル領域を形成する(図12(b))。   Finally, after being electrically isolated by the selective oxide film 17, well regions for forming MOS transistors, resistors, capacitors, diodes, and the like are formed (FIG. 12B).

この後に、MOSトランジスタのゲート酸化膜40、ゲート電極41を形成し、PDのN型領域42と表面のP型領域43を形成し、NMOSトランジスタのソース・ドレイン44とPMOSトランジスタのソース・ドレイン45を形成し、以下配線形成工程(図示せず)を経て固体撮像装置が完成する(図12(c))。   Thereafter, the gate oxide film 40 and the gate electrode 41 of the MOS transistor are formed, the N-type region 42 of the PD and the P-type region 43 of the surface are formed, the source / drain 44 of the NMOS transistor and the source / drain 45 of the PMOS transistor. After that, a solid-state imaging device is completed through a wiring formation process (not shown) (FIG. 12C).

また、図12(b)においては、左から順に、PD形成用P型ウエル、周辺回路形成用P型ウエル、周辺回路形成用N型ウエルが選択酸化膜17によって形成されていることを示しており、最小限のフォトリソグラフィ工程と自己整合的ウエル形成法により、安価で容易なプロセスを採用できる利点がある。   FIG. 12B shows that the PD formation P-type well, the peripheral circuit formation P-type well, and the peripheral circuit formation N-type well are formed by the selective oxide film 17 in order from the left. In addition, there is an advantage that an inexpensive and easy process can be adopted by a minimum photolithography process and a self-aligned well formation method.

また、コンベンショナルなCMOSプロセスではないが、下記特許文献2に示されているように、PD領域に埋め込み型のエピタキシャル領域を設けて、濃度プロファイルをコントロールする方法も提案されている。   Further, although not a conventional CMOS process, a method of controlling the concentration profile by providing a buried epitaxial region in the PD region as shown in Patent Document 2 below has been proposed.

また、特許文献3には、複数の光電変換素子と、この光電変換素子の信号を読み出すための走査手段を有し、光電変換素子が走査手段の形成される不純物層よりも低濃度の不純物層内に形成された固体撮像素子の開示がある。これは、走査回路を比例縮小則に従い高濃度不純物層中に形成することによって、MOSトランジスタの微細化を可能とする。合わせて、光電変換部を低濃度不純物層中に形成することにより、PD周辺の空乏層を伸ばし、光感度を向上させるためであると記載されている。   Patent Document 3 includes a plurality of photoelectric conversion elements and scanning means for reading signals of the photoelectric conversion elements, and the photoelectric conversion elements are impurity layers having a lower concentration than the impurity layer in which the scanning means is formed. There is a disclosure of a solid-state imaging device formed inside. This enables miniaturization of the MOS transistor by forming the scanning circuit in the high concentration impurity layer according to the proportional reduction rule. In addition, it is described that the photoelectric conversion part is formed in the low-concentration impurity layer, thereby extending the depletion layer around the PD and improving the photosensitivity.

また、特許文献4には、論理回路が形成される周辺ウエルと画素セルが形成されるウエルに関する記載がある。詳細には、画素セルが形成されるウエルを後退ウエル(retrograde well)とし、周辺ウエルの不純物濃度が、該ウエルの上部から底部に向かって減少する構成が開示されている(当該明細書図12参照)。また、その不純物濃度に関しては、1×1016〜2×1018atoms/cmで同一の値とされている。また、形成されるウエルの深さはPD領域を形成するウエルの方が深く形成されている(当該明細書図11参照)。
特開2001−332714号公報 特開2000−232214号公報 特開平01−243462号公報 米国特許第6445014号明細書
Patent Document 4 describes a peripheral well in which a logic circuit is formed and a well in which a pixel cell is formed. Specifically, a configuration is disclosed in which the well in which the pixel cell is formed is a retrograde well, and the impurity concentration of the peripheral well decreases from the top to the bottom of the well (FIG. 12 of the specification). reference). Further, the impurity concentration is the same value of 1 × 10 16 to 2 × 10 18 atoms / cm 3 . In addition, the depth of the well to be formed is deeper in the well in which the PD region is formed (see FIG. 11 in the specification).
JP 2001-332714 A JP 2000-232214 A Japanese Patent Laid-Open No. 01-243462 US Pat. No. 6,444,014

以上述べたように、CMOS型固体撮像装置は既存のCMOS形成製造方法を使用できる利点があるものの、撮像性能向上のためにはいくつかの問題点を含んでいる。   As described above, the CMOS type solid-state imaging device has an advantage that the existing CMOS forming and manufacturing method can be used, but includes several problems for improving the imaging performance.

第一の問題点は、PD形成用ウエル領域と同一導電型の周辺回路形成用ウエル領域への導入不純物量を従来例(図11(b))に示すように同一にしており、例えば本従来例ではPD形成用ウエル領域と周辺回路形成用P型ウエル領域の不純物濃度を別々に設定できないことである。例えば、入射光の分光特性向上のためPD形成用ウエルの不純物濃度のみを低くすることはできないし、PD形成用ウエル内に設けられるMOSトランジスタのしきい値設定等を周辺回路P型ウエル濃度を変えずに制御することは非常に困難である。   The first problem is that the impurity introduced into the peripheral circuit forming well region of the same conductivity type as the PD forming well region is the same as shown in the conventional example (FIG. 11B). In the example, the impurity concentration of the PD formation well region and the peripheral circuit formation P-type well region cannot be set separately. For example, in order to improve the spectral characteristics of incident light, it is not possible to reduce only the impurity concentration of the PD formation well, and the threshold value of the MOS transistor provided in the PD formation well is set to a peripheral circuit P-type well concentration. It is very difficult to control without changing.

第二の問題点は、PD形成用ウエル領域及び周辺回路形成用ウエル領域の各不純物導入後の熱拡散処理が、(図11(d))に示すように一括で行われる場合が多い。そのために、PD形成用ウエル領域の濃度プロファイル深さのみをコントロールすることは原理的に不可能であり、CMOSセンサの特性を向上するために、周辺回路形成用ウエルの濃度プロファイルを逐一変更しなければならず、設計上大変な不都合が生じてしまう。   The second problem is that the thermal diffusion processing after introducing each impurity in the PD formation well region and the peripheral circuit formation well region is often performed in a lump as shown in FIG. For this reason, it is impossible in principle to control only the concentration profile depth of the PD formation well region. In order to improve the characteristics of the CMOS sensor, the concentration profile of the peripheral circuit formation well must be changed one by one. Inevitably, a serious design inconvenience occurs.

また、特許文献3に記載の構成では、以下の検討すべき点がある。すなわち、周辺回路を形成するウエルの濃度を高濃度とする構成では、光電変換部における電荷を収集する効率が充分取れない場合がある。これは画素が微細化し、感度が低減するにつれて、更に大きな解決すべき点となる場合がある。   The configuration described in Patent Document 3 has the following points to be examined. That is, in the configuration in which the concentration of the wells forming the peripheral circuit is high, the efficiency of collecting charges in the photoelectric conversion unit may not be sufficient. This may become a larger problem to be solved as pixels become finer and sensitivity decreases.

また、特許文献4に記載の構成では、以下の検討すべき点がある。すなわち、ウエルの深さ、ウエルの構造を、光電変換部形成用のウエルと周辺回路形成用ウエルとで異ならせているが、その不純物濃度は同じにしているため、上述したように、光電変換部における電荷を収集する効率が充分取れない場合がある。   Further, the configuration described in Patent Document 4 has the following points to be examined. That is, the well depth and well structure are different between the well for forming the photoelectric conversion portion and the well for forming the peripheral circuit, but the impurity concentration is the same, so that the photoelectric conversion is performed as described above. In some cases, the efficiency of collecting charges in the portion cannot be sufficiently obtained.

そこで、本発明の目的は、既存のCMOS形成製造方法を用いながら、撮像性能向上に寄与するPD形成用ウエル構造を実現できる、光電変換装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device capable of realizing a PD formation well structure that contributes to improvement in imaging performance while using an existing CMOS formation manufacturing method.

上記目的を達成する手段として、本発明は、PD形成用ウエルと同一導電型の周辺回路形成用ウエルの濃度プロファイルを独立に制御、形成することを提案する。   As means for achieving the above object, the present invention proposes to independently control and form the concentration profile of the peripheral circuit forming well of the same conductivity type as the PD forming well.

そこで、本発明の光電変換装置は、光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、
前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、
第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、
前記第1の半導体領域の不純物濃度は前記第3の半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする。
Therefore, the photoelectric conversion device of the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion region that converts light into signal charge, and a peripheral circuit including a circuit for processing the signal charge outside the pixel region where the pixel is formed. In the photoelectric conversion device arranged on the same substrate,
The photoelectric conversion region is formed including a first semiconductor region of the first conductivity type formed on the substrate and a second semiconductor region of the second conductivity type that is the same conductivity type as the signal charge,
The peripheral circuit is formed including a third semiconductor region of the first conductivity type;
The impurity concentration of the first semiconductor region is higher than the impurity concentration of the third semiconductor region.

また、本発明の光電変換装置は、光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、
前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、
第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、
前記第1及び第3の半導体領域がそれぞれ不純物濃度ピークを有していることを特徴とする。
The photoelectric conversion device of the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion region that converts light into signal charge, and a peripheral circuit including a circuit for processing the signal charge outside the pixel region where the pixel is formed. In the photoelectric conversion device arranged on the same substrate,
The photoelectric conversion region is formed including a first semiconductor region of the first conductivity type formed on the substrate and a second semiconductor region of the second conductivity type that is the same conductivity type as the signal charge,
The peripheral circuit is formed including a third semiconductor region of the first conductivity type;
Each of the first and third semiconductor regions has an impurity concentration peak.

本発明により、PD領域のウエルの濃度プロファイルが独立に設定されるので設計の自由度を増すことができ、PD領域以外の回路特性を変えることなく、装置の特性を向上できる。また、PD領域のウエルを深く形成することにより、光電変換された電荷をより効率よく表面側のPDに導き、感度を上げることができる。   According to the present invention, since the concentration profile of the well in the PD region is set independently, the degree of freedom of design can be increased, and the characteristics of the device can be improved without changing circuit characteristics other than in the PD region. Further, by forming the well in the PD region deeply, the photoelectrically converted charge can be more efficiently guided to the PD on the surface side, and the sensitivity can be increased.

本発明の実施形態について図面を参照して概要を説明する。ここで説明において用いるウエルとは、所望の導電型の不純物が拡散した領域を指し、その製造方法は限定されない。半導体領域と同様の機能を有するものである。また本明細書において、材料基板である半導体基板を「基板」と表現する場合もあるが、このような材料基板が処理されて、例えば、1又は複数の半導体領域等が形成された状態の部材、又は、一連の製造工程を途中にある部材、又は、一連の製造工程を経た部材を基板と呼ぶこともできる。   An outline of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the well used in the description refers to a region where impurities of a desired conductivity type are diffused, and the manufacturing method thereof is not limited. It has the same function as the semiconductor region. Further, in this specification, a semiconductor substrate that is a material substrate may be expressed as a “substrate”, but such a material substrate is processed to form, for example, one or a plurality of semiconductor regions and the like. Alternatively, a member that is in the middle of a series of manufacturing steps or a member that has undergone a series of manufacturing steps can also be referred to as a substrate.

本発明の一側面に係る光電変換装置は、光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、前記第1の半導体領域の不純物濃度は前記第3の半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴としている。ここで図7を参酌して説明すると、第1導電型の第1の半導体領域とは、例えば108〜111がそれに対応する。ここでは複数領域に分けて記載しているが、単一の半導体領域であってもよい。また第2の半導体領域とは、105が対応する。信号電荷と同導電型の不純物領域であって、信号電荷が電子の場合にはN型の不純物領域となり、電子が蓄積される。第3の半導体領域とは、例えば301,302がこれに対応する。ここでは複数の領域で記載されているが、単一の領域であってもかまわない。以下実施例の説明において、第2の半導体領域に対応する領域が明示されていない場合もあるが、図7と同様に形成されているものとする。   A photoelectric conversion device according to one aspect of the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion region that converts light into a signal charge, and a peripheral including a circuit for processing the signal charge outside the pixel region in which the pixel is formed In a photoelectric conversion device in which a circuit is arranged on the same substrate, a first conductivity type first semiconductor region formed on the substrate and a second conductivity type second semiconductor region having the same conductivity type as the signal charge The photoelectric conversion region is formed, and the peripheral circuit is formed including the third semiconductor region of the first conductivity type. The impurity concentration of the first semiconductor region is the same as that of the third semiconductor region. It is characterized by being higher than the impurity concentration. Here, referring to FIG. 7, for example, 108 to 111 correspond to the first semiconductor region of the first conductivity type. Here, a plurality of regions are illustrated, but a single semiconductor region may be used. 105 corresponds to the second semiconductor region. When the signal charge is an impurity region having the same conductivity type as the signal charge, it becomes an N-type impurity region and accumulates electrons. For example, 301 and 302 correspond to the third semiconductor region. Here, a plurality of regions are described, but a single region may be used. In the following description of the embodiments, the region corresponding to the second semiconductor region may not be clearly shown, but it is assumed that it is formed in the same manner as in FIG.

また、本発明の他の側面に係る光電変換装置は、光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、前記第1及び第3の半導体領域がそれぞれ不純物濃度ピークを有していることを特徴とする。上述したように図7の各領域とそれぞれ対応するものである。   In addition, a photoelectric conversion device according to another aspect of the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion region that converts light into signal charge, and a circuit for processing the signal charge outside the pixel region in which the pixel is formed. In the photoelectric conversion device in which the peripheral circuit including the first conductive region is disposed on the same substrate, the first conductivity type first semiconductor region formed on the substrate and the second conductivity type second that is the same conductivity type as the signal charge. The photoelectric conversion region is formed to include the first semiconductor region, the peripheral circuit is formed to include the first conductivity type third semiconductor region, and each of the first and third semiconductor regions has an impurity concentration peak. It is characterized by having. As described above, this corresponds to each region in FIG.

以下図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings.

[実施形態1]
図1,2は、本発明の実施形態1におけるCMOSセンサのウエル形成方法、特にPD形成用のウエル及び周辺回路形成用のウエルの形成方法を示す図である。
[Embodiment 1]
1 and 2 are diagrams showing a CMOS sensor well forming method, particularly a PD forming well and a peripheral circuit forming well forming method according to the first embodiment of the present invention.

ここでPD形成用のウエル内には、PDのほかに、転送MOSトランジスタ、FD、リセットMOSトランジスタ、選択MOSトランジスタ、信号増幅するソースフォロワMOSトランジスタ等の画素回路を含む。また、周辺回路形成用ウエル内には、画素からの信号を処理する回路、上述した画素内のトランジスタを駆動するための駆動回路などが形成される。   Here, the PD formation well includes pixel circuits such as a transfer MOS transistor, an FD, a reset MOS transistor, a selection MOS transistor, and a source follower MOS transistor for signal amplification in addition to the PD. In the peripheral circuit forming well, a circuit for processing a signal from the pixel, a driving circuit for driving the above-described transistor in the pixel, and the like are formed.

先ず、N型シリコン基板11にシリコン熱酸化膜27及びマスク材となるシリコン窒化膜28を形成し、所望の領域をフォトレジスト29によりパターニングする(図1(a))。   First, a silicon thermal oxide film 27 and a silicon nitride film 28 as a mask material are formed on an N-type silicon substrate 11, and a desired region is patterned with a photoresist 29 (FIG. 1A).

次に、前記シリコン窒化膜28をドライエッチングによりパターニングし(図1(b))、熱酸化により選択酸化膜17を形成、窒化膜を除去し、選択酸化膜により区分けされた各ウエル領域を確保する(図1(c))。   Next, the silicon nitride film 28 is patterned by dry etching (FIG. 1B), a selective oxide film 17 is formed by thermal oxidation, the nitride film is removed, and each well region separated by the selective oxide film is secured. (FIG. 1 (c)).

次に、PD形成用のウエルとなる領域にのみフォトレジスト29aのパターニングを行い、所望のP型不純物30a及び30bをイオンインプランテーションにて導入する(図1(d))。前記P型不純物30a及び30bは、PD領域のみに導入されるため、ドーズ量、加速電圧、更に、イオンインプランテーションの回数などは自由に設定して差し支えないし、最大の加速エネルギーのマスク材になるように前記レジスト29aの厚さを決定する。また、図には示していないが、P型不純物30a及び30bのインプランテーション後のレジスト剥離を行ってから、所望のプロファイルを得るために、自由に熱処理を与えることができるのは言うまでもない。   Next, the photoresist 29a is patterned only in a region to be a PD formation well, and desired P-type impurities 30a and 30b are introduced by ion implantation (FIG. 1D). Since the P-type impurities 30a and 30b are introduced only into the PD region, the dose amount, acceleration voltage, and the number of ion implantations can be set freely, and the mask material has the maximum acceleration energy. Thus, the thickness of the resist 29a is determined. Although not shown in the figure, it goes without saying that a heat treatment can be freely applied in order to obtain a desired profile after resist removal after the implantation of the P-type impurities 30a and 30b.

このように、PDを形成するためのウエル領域の濃度プロファイルを設定した後、今度は周辺回路用P型ウエル領域にのみフォトレジスト29bのパターニングを行い、P型不純物31を導入する。(図2(a))、次に、フォトレジスト29cにより周辺回路用N型ウエル領域に同様の手法でN型不純物32を順次導入する(図2(b))。最後に各ウエルの濃度プロファイルの最適化のため、所望の熱処理を行い、PD形成用ウエル34、周辺回路形成用P型ウエル12、N型ウエル33を形成する(図2(c))。   After setting the concentration profile of the well region for forming the PD in this way, the photoresist 29b is patterned only in the peripheral circuit P-type well region, and the P-type impurity 31 is introduced. Next, the N-type impurity 32 is sequentially introduced into the N-type well region for the peripheral circuit by the photoresist 29c in the same manner (FIG. 2B). Finally, in order to optimize the concentration profile of each well, a desired heat treatment is performed to form the PD forming well 34, the peripheral circuit forming P-type well 12, and the N-type well 33 (FIG. 2C).

このように、本実施形態の方法を用いると、各ウエルに最適なウエル構造を設計できる。   As described above, by using the method of this embodiment, an optimal well structure can be designed for each well.

図3は、本実施形態におけるPD形成用ウエル領域の濃度プロファイル、特に前述したPD形成用ウエル領域をパターニングしたのち、P型不純物30aを5E11〜1E13atoms/cm、40〜700keV、P型不純物30bを2E11〜1E14atoms/cm、700keV〜2.7MeVのエネルギーで複数回イオンインプランテーションを行ったのち、1000〜1200℃の温度で0.5〜6時間の間N雰囲気でドライブ処理を行った場合に得られた図2(c)のB−B断面の濃度プロファイルの模式図である。 FIG. 3 shows the concentration profile of the PD formation well region in the present embodiment, in particular, after patterning the PD formation well region, the P-type impurity 30a is changed to 5E11 to 1E13 atoms / cm 2 , 40 to 700 keV, and the P-type impurity 30b. 2E11 to 1E14 atoms / cm 2 and 700 keV to 2.7 MeV with multiple ion implantations, and then a drive process was performed in a N 2 atmosphere at a temperature of 1000 to 1200 ° C. for 0.5 to 6 hours. It is the schematic diagram of the density | concentration profile of the BB cross section of FIG.2 (c) obtained in the case.

なお、P型不純物30aと30bは、同一物質でもよいし異なる物質であってもよく、異なる物質の場合はイオンインプランテーションによる導入は時間をずらして行う。   The P-type impurities 30a and 30b may be the same material or different materials. In the case of different materials, the introduction by ion implantation is performed with a time lag.

また、従来例(図12(b))で示されていたPD形成用ウエル領域のA−A断面の濃度プロファイルを図中破線で示しており、本実施形態が従来例及び周辺回路形成用のP型ウエルに比べてより深いP型の濃度プロファイルを持つことが分かる。この拡散深さにより、PD形成用ウエル中に侵入する光キャリア、特に長波長領域で深い浸透長を持つ分光感度をより向上することができる。   Further, the concentration profile of the AA cross section of the PD formation well region shown in the conventional example (FIG. 12B) is indicated by a broken line in the drawing, and this embodiment is used for forming the conventional example and the peripheral circuit. It can be seen that it has a deeper P-type concentration profile than the P-type well. With this diffusion depth, it is possible to further improve the spectral sensitivity, which has a deep penetration length in the long wavelength region, especially the optical carriers entering the PD formation well.

また、PD形成用ウエル及び周辺回路形成用ウエルは、半導体基板表面側に比べて、基板深部の方が不純物濃度が低い構成となっている。そして、周辺回路形成用ウエルの不純物濃度は、PD形成用ウエルに比べて不純物濃度は低く、ウエルの深さは浅くなるように形成する。これによって、PDの電荷の収集効率を向上させ、且つデバイスの生産効率を向上させることが可能となる。   In addition, the PD formation well and the peripheral circuit formation well have a lower impurity concentration in the deep part of the substrate than on the semiconductor substrate surface side. Then, the impurity concentration of the peripheral circuit formation well is lower than that of the PD formation well, and the depth of the well is reduced. As a result, the charge collection efficiency of the PD can be improved, and the production efficiency of the device can be improved.

ここで両ウエルの不純物濃度を比較する箇所に関しては、MOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成するための拡散領域から充分離れた箇所で、例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域の下方で、基板表面から同じ深さの箇所の濃度を比較すればよい。   Here, with respect to the location where the impurity concentrations of the two wells are compared, the substrate surface is located far enough from the diffusion region for forming the source / drain region of the MOS transistor, for example, below the gate electrode and the source / drain region. The concentration at the same depth may be compared.

また、本実施形態においては、ウエル形成時に同一の熱処理条件により熱処理を行っているために、PD領域及び周辺回路領域ともに、明確な不純物濃度のピークは有さず、ほとんどの部分で同一の濃度を有しており、その不純物濃度をPD領域、周辺回路領域において比較すればよい。   In the present embodiment, since the heat treatment is performed under the same heat treatment conditions at the time of forming the well, neither the PD region nor the peripheral circuit region has a clear impurity concentration peak. The impurity concentration may be compared in the PD region and the peripheral circuit region.

[実施形態2]
図4,5は、実施形態2におけるCMOSセンサのウエル形成方法、特にPD形成用ウエル及び周辺回路形成用ウエル構造の形成方法を示す図である。
[Embodiment 2]
4 and 5 are diagrams showing a CMOS sensor well formation method, particularly a PD formation well and a peripheral circuit formation well structure formation method according to the second embodiment.

図4(a)〜(c)は実施形態1と同様である。   4A to 4C are the same as those in the first embodiment.

本実施形態では、PD形成用のウエルとなる領域にのみレジストパターニング29aを行い、所望のP型不純物30aを実施形態1と同様の条件でイオンインプランテーションにて導入する。   In the present embodiment, resist patterning 29a is performed only in a region to be a PD formation well, and a desired P-type impurity 30a is introduced by ion implantation under the same conditions as in the first embodiment.

前記P型不純物30aは、PD領域のみに導入されるため、ドーズ量、エネルギー、またイオンインプランテーションの回数などは自由に設定して差し支えない。また、加速エネルギーに併せてマスク材として前記レジスト29aの厚さを調整することができる。更に、本実施形態では、図4(d),(e)に示すようにイオン注入を複数回分けて行う。   Since the P-type impurity 30a is introduced only into the PD region, the dose amount, energy, the number of ion implantations, etc. can be set freely. In addition, the thickness of the resist 29a can be adjusted as a mask material in accordance with the acceleration energy. Furthermore, in this embodiment, ion implantation is performed in a plurality of times as shown in FIGS.

イオンインプランテーション後に浅い半導体領域35aを熱処理によって形成した後、次に深い半導体領域35bをイオンインプランテーションにより形成してPD形成用のウエルとしてもよい(図5(a))。P型不純物30aと30bは、同一物質でもよいし異なる物質であってもよい。深い半導体領域35bの不純物濃度ピークが、半導体領域35aの不純物濃度ピークに比べて高いことが好ましい。これは、半導体領域35bがPDで発生した電荷が基板及び隣接画素へ漏れ込むのを防ぐポテンシャル障壁として機能するためである。また半導体領域35aに関しては、周辺回路を形成するP型のウエルの不純物濃度ピークよりも不純物濃度ピークの不純物濃度が高いことが好ましい。これにより、PDからFDへの信号転送時の転送電圧(空乏化電圧)を低く制御することが可能となる。   A shallow semiconductor region 35a may be formed by heat treatment after ion implantation, and then a deeper semiconductor region 35b may be formed by ion implantation to form a PD formation well (FIG. 5A). P-type impurities 30a and 30b may be the same material or different materials. The impurity concentration peak of the deep semiconductor region 35b is preferably higher than the impurity concentration peak of the semiconductor region 35a. This is because the semiconductor region 35b functions as a potential barrier that prevents charges generated in the PD from leaking into the substrate and adjacent pixels. As for the semiconductor region 35a, the impurity concentration at the impurity concentration peak is preferably higher than the impurity concentration peak of the P-type well forming the peripheral circuit. As a result, the transfer voltage (depletion voltage) at the time of signal transfer from the PD to the FD can be controlled to be low.

また、PD形成用のウエルのP型不純物領域は、周辺回路形成用ウエルのP型不純物領域と共通の領域をもち、且つ、PD形成用ウエルのみに周辺回路形成用ウエルのP型不純物領域よりも深いP型不純物領域が配設されていてもよい。   The P-type impurity region of the PD formation well has a common area with the P-type impurity region of the peripheral circuit formation well, and only the PD formation well has a P-type impurity region of the peripheral circuit formation well. Also, a deep P-type impurity region may be provided.

この後、図5(a)以降は図2(a)以降と同様の製造フローである。   After this, FIG. 5 (a) and subsequent figures are the same manufacturing flow as FIG. 2 (a) and subsequent figures.

図6は、本実施形態におけるPD形成用ウエル領域の濃度プロファイル、特に図5(c)におけるC−C断面の濃度プロファイルを示す模式図である。   FIG. 6 is a schematic diagram showing the concentration profile of the PD forming well region in this embodiment, particularly the concentration profile of the CC cross section in FIG.

従来例(図12(b))で示されていたPD形成用ウエル領域のA−A断面の濃度プロファイルを図中破線で示している。   The concentration profile of the AA cross section of the well region for PD formation shown in the conventional example (FIG. 12B) is indicated by a broken line in the figure.

PD形成用ウエルのP型不純物領域は、不純物濃度ピークを有する不純物領域の複数からなり、一番深いP型不純物領域の濃度は次に深いP型不純物領域の濃度よりも高い。   The P-type impurity region of the PD formation well is composed of a plurality of impurity regions having an impurity concentration peak, and the concentration of the deepest P-type impurity region is higher than the concentration of the next deepest P-type impurity region.

この図のように、深い拡散領域に前述した半導体領域35bに対応する深い拡散層のピークが存在すると、このピークよりも浅い領域で発生した電荷がP型拡散層のポテンシャル差によって、効率よく表面側のPDに到達するので、更に感度を向上させることができる。   As shown in this figure, when there is a deep diffusion layer peak corresponding to the semiconductor region 35b described above in the deep diffusion region, the charges generated in the region shallower than this peak are efficiently surfaced by the potential difference of the P-type diffusion layer. Since it reaches the PD on the side, the sensitivity can be further improved.

なお、表1は、本発明中実施形態と従来例のPD感度を実測にて比較した表であり、本実施形態のPD感度が従来例に比べて10%以上向上していることを示しており、本実施形態の有効性が示されている。   Table 1 is a table comparing the PD sensitivity of the embodiment of the present invention and the conventional example by actual measurement, and shows that the PD sensitivity of the present embodiment is improved by 10% or more compared to the conventional example. Thus, the effectiveness of this embodiment is shown.

Figure 2005347740
また、以上示した実施形態1及び実施形態2を用いた画素構造は、先に示した図9及び図10へ適用可能なことは言うまでもない。更に、本実施形態の手法は、先に示した埋め込み型PDを用いるプロセス(上記特開2000−232214号公報参照)に対し、エピタキシャル成長の際に発生するオートドープ効果や結晶欠陥等のリスクを回避できるだけでなく、イオンインプランテーションと通常の熱処理との自由な組み合わせにより、周辺回路領域と全く独立して、実施形態1中の図2(c)あるいは実施形態2中の図5(a)に示した理想的なPD形成用ウエルの設計を可能にした。
Figure 2005347740
Needless to say, the pixel structure using the first and second embodiments described above can be applied to FIGS. 9 and 10 described above. Furthermore, the method of the present embodiment avoids risks such as auto-doping effects and crystal defects that occur during epitaxial growth, compared to the process using the embedded PD described above (see Japanese Patent Laid-Open No. 2000-232214). As shown in FIG. 2 (c) in the first embodiment or FIG. 5 (a) in the second embodiment, not only as a result of the free combination of ion implantation and normal heat treatment, but also completely independent of the peripheral circuit region. This makes it possible to design an ideal PD formation well.

[実施形態3]
本実施形態の実施形態1,2と異なる点は、PDが形成されるウエルが不純物濃度ピークを有する不純物領域の複数で構成されており、周辺回路形成用のウエルも不純物濃度ピークを有する不純物領域の複数で構成されている点である。その形成プロセスは、図4,5で示したプロセスと同様の工程で形成可能である。ただし、P型不純物31の注入工程を異なる加速電圧、ドーズ量により行っている。
[Embodiment 3]
A difference of the present embodiment from the first and second embodiments is that the well in which the PD is formed is composed of a plurality of impurity regions having an impurity concentration peak, and the peripheral circuit forming well also has an impurity region having an impurity concentration peak. It is the point comprised by these. The formation process can be formed in the same process as the process shown in FIGS. However, the implantation process of the P-type impurity 31 is performed with different acceleration voltages and doses.

本実施形態のPD形成領域、周辺回路形成領域の概略断面図を図7に示す。   FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of the PD formation region and the peripheral circuit formation region of the present embodiment.

図7において、101はN型シリコン基板(半導体基板)であり、N型シリコン基板101に不純物濃度ピークを有する領域を含むP型半導体領域108,109,110(第1〜第3の不純物領域)が形成され、基板表面には素子分離領域102、転送MOSトランジスタのゲート電極103、読み出し領域104、PDの蓄積領域105(N型半導体領域)、PDの表面P領域106、P型半導体領域111が形成されている。遮光層107には開口部がありPD以外の領域への光を遮光している。   In FIG. 7, reference numeral 101 denotes an N-type silicon substrate (semiconductor substrate), and P-type semiconductor regions 108, 109, 110 (first to third impurity regions) including regions having an impurity concentration peak in the N-type silicon substrate 101. Are formed on the surface of the substrate, and there are an element isolation region 102, a gate electrode 103 of a transfer MOS transistor, a readout region 104, a PD accumulation region 105 (N-type semiconductor region), a PD surface P region 106, and a P-type semiconductor region 111. Is formed. The light shielding layer 107 has an opening to shield light to areas other than the PD.

また、301,302は周辺回路を形成するための、不純物濃度ピークを有するP型半導体領域(第4,5の不純物領域)である。303,304,305は、それぞれMOSトランジスタのゲート電極、ソース、ドレインの各領域である。図7から明らかなように、PD形成用ウエル(第1〜第3の不純物領域)が周辺回路形成用ウエルに比べて基板深くまで形成されている。また後述するが、第3の不純物領域110の不純物濃度ピーク濃度は、第4,5の不純物領域301,302のピーク濃度よりも高く設定する。   Reference numerals 301 and 302 denote P-type semiconductor regions (fourth and fifth impurity regions) having an impurity concentration peak for forming a peripheral circuit. Reference numerals 303, 304, and 305 denote gate electrode, source, and drain regions of the MOS transistor, respectively. As is apparent from FIG. 7, the PD formation well (first to third impurity regions) is formed deeper than the peripheral circuit formation well. As will be described later, the impurity concentration peak concentration of the third impurity region 110 is set higher than the peak concentrations of the fourth and fifth impurity regions 301 and 302.

このような構成によれば、PD形成用ウエル及び周辺回路形成用ウエルの両者を、不純物イオン注入時のドーズ量、加速電圧により所望のウエルプロファイルを形成することが可能となる。また、PD形成用ウエルの基板深部に形成される第3の不純物領域110のピーク濃度を高く設定することが可能なため、電荷収集効率を向上させることができる。   According to such a configuration, it is possible to form a desired well profile in both the PD formation well and the peripheral circuit formation well by the dose amount and the acceleration voltage at the time of impurity ion implantation. In addition, since the peak concentration of the third impurity region 110 formed in the deep portion of the substrate of the PD formation well can be set high, the charge collection efficiency can be improved.

PDが形成されるウエルの不純物濃度プロファイルは、図8に示すようなプロファイルとなる。   The impurity concentration profile of the well in which the PD is formed is as shown in FIG.

基板最深部、すなわち、受光面に比べて最も基板の深い位置に形成された第3の不純物領域110の不純物濃度ピークの濃度が最も高く、その次に高いのがウエルと逆導電型のN型領域に近接する第1の不純物領域108である。第2の不純物領域109は、第1の不純物領域108、第3の不純物領域110よりも不純物濃度ピークの濃度は低い。   The third impurity region 110 formed at the deepest part of the substrate, that is, at the deepest position of the substrate as compared with the light receiving surface has the highest impurity concentration peak concentration, and the next highest is the N type of the conductivity type opposite to the well. This is a first impurity region 108 adjacent to the region. The second impurity region 109 has a lower impurity concentration peak concentration than the first impurity region 108 and the third impurity region 110.

次に、各半導体領域の不純物濃度関係を説明する。第3の不純物領域110の不純物濃度ピーク濃度が最も高いのは、基板深部で発生した電荷を基板側に漏らさず、信号として用いるためのポテンシャル障壁とするためである。第2の不純物領域109は、第3の不純物領域110付近で発生した信号電荷を表面側に集めるために第3の不純物領域110に比べ低い濃度で形成してある。更に表面に近くに形成された第1の不純物領域108は、第2の不純物領域109に比べ不純物濃度を高く形成し、PDの蓄積領域105との間の接合における空乏層の幅を抑制する働きをもつ。これにより、PDの空乏化電圧を下げることができ、読み出し領域104をリセットする電位を上昇させることなくPDの完全リセット、完全転送が可能となる。また、PDのリセット及び転送に必要な転送ゲート電圧、すなわち転送MOSトランジスタのゲート電極103に与えるON時電圧を小さくすることができ、電源電圧の上昇を招くことなくダイナミックレンジを確保することが可能となる。   Next, the impurity concentration relationship of each semiconductor region will be described. The reason why the third impurity region 110 has the highest impurity concentration peak concentration is to prevent a charge generated in the deep part of the substrate from leaking to the substrate side and to serve as a potential barrier for use as a signal. The second impurity region 109 is formed at a lower concentration than the third impurity region 110 in order to collect signal charges generated near the third impurity region 110 on the surface side. Further, the first impurity region 108 formed near the surface has a higher impurity concentration than the second impurity region 109, and serves to suppress the width of the depletion layer at the junction with the PD accumulation region 105. It has. As a result, the depletion voltage of the PD can be lowered, and the PD can be completely reset and transferred without increasing the potential for resetting the readout region 104. In addition, the transfer gate voltage required for PD reset and transfer, that is, the ON voltage applied to the gate electrode 103 of the transfer MOS transistor can be reduced, and a dynamic range can be ensured without causing an increase in power supply voltage. It becomes.

図8は、PD部の垂直方向の濃度プロファイルの説明図である。図7のA−A、B−B断面の濃度プロファイルを示す。   FIG. 8 is an explanatory diagram of the density profile in the vertical direction of the PD section. The density | concentration profile of the AA and BB cross section of FIG. 7 is shown.

206は、PDの表面P領域106に対応する濃度プロファイルを示している。206は、ボロンまたはフッ化ボロンの注入により形成することが可能である。205は、PDPDの蓄積領域105に対応する濃度プロファイルである。205の形成は、燐または砒素の注入により形成することが可能である。208は蓄積領域205に近接する第1の不純物領域108に対応する濃度プロファイルである。209,209′は中間領域109(第2の不純物領域)に対応する濃度プロファイルである。図8では中間領域109は、2段のピークを持って形成されている。   Reference numeral 206 denotes a density profile corresponding to the surface P region 106 of the PD. 206 can be formed by implantation of boron or boron fluoride. Reference numeral 205 denotes a density profile corresponding to the PDPD accumulation region 105. 205 can be formed by implantation of phosphorus or arsenic. Reference numeral 208 denotes a concentration profile corresponding to the first impurity region 108 close to the accumulation region 205. 209 and 209 ′ are concentration profiles corresponding to the intermediate region 109 (second impurity region). In FIG. 8, the intermediate region 109 is formed with two steps of peaks.

このように、本実施形態では、所望の構造に合わせて複数段のイオン注入により形成する場合にも有効である。中間領域109の濃度プロファイル209,209′は、加速エネルギーの異なる2回のボロンまたはフッ化ボロンの注入により形成することが可能である。210は、第1,2の不純物領域108,109よりも深い場所に位置した第3の不純物領域110に対応する濃度プロファイルを示している。また、P型半導体領域111に関しては省略している。   As described above, this embodiment is also effective when forming by a plurality of stages of ion implantation in accordance with a desired structure. The concentration profiles 209 and 209 ′ of the intermediate region 109 can be formed by two injections of boron or boron fluoride having different acceleration energies. Reference numeral 210 denotes a concentration profile corresponding to the third impurity region 110 located deeper than the first and second impurity regions 108 and 109. Further, the P-type semiconductor region 111 is omitted.

また、211,212は、図7の第4,5の不純物領域301,302に対応する濃度プロファイルである。204は、ドレイン領域305に対応する濃度プロファイルである。図8から明らかなように、第3の不純物領域110の不純物濃度ピーク濃度は、第4,5の不純物領域301,302のそれよりも高い。更に好ましくは、第1の不純物領域108の不純物濃度ピーク濃度も第4,5の不純物領域301,302よりも不純物濃度ピークを高く設定する。これによって、上述したように電荷の収集効率を向上させ、且つ、空乏化電圧を低く保つことが可能となる。   Reference numerals 211 and 212 denote concentration profiles corresponding to the fourth and fifth impurity regions 301 and 302 in FIG. Reference numeral 204 denotes a concentration profile corresponding to the drain region 305. As is apparent from FIG. 8, the impurity concentration peak concentration of the third impurity region 110 is higher than that of the fourth and fifth impurity regions 301 and 302. More preferably, the impurity concentration peak concentration of the first impurity region 108 is also set higher than that of the fourth and fifth impurity regions 301 and 302. As a result, as described above, the charge collection efficiency can be improved, and the depletion voltage can be kept low.

上述したような機能を有するために、各半導体領域のピーク濃度位置及びピーク濃度の具体的な値を以下に示す。第3の不純物領域110は、不純物濃度ピーク濃度が1×1016/cmから1×1018/cmであり、ピークの位置する深さは基板表面から2.0μmから4.0μmである。第1の不純物領域108は、その不純物濃度ピークの濃度が2×1015/cmから2×1017/cmであり、ピークの位置する深さは0.5μmから1.0μmである。第2の不純物領域109のピーク濃度は1×1015〜5×1016/cmであり、ピークの深さは0.8μmから2.5μmに設定するのが効果的である。 In order to have the functions as described above, specific values of the peak concentration position and peak concentration of each semiconductor region are shown below. The third impurity region 110 has an impurity concentration peak concentration of 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 18 / cm 3 , and a depth at which the peak is located is 2.0 μm to 4.0 μm from the substrate surface. . The first impurity region 108 has an impurity concentration peak concentration of 2 × 10 15 / cm 3 to 2 × 10 17 / cm 3 , and a depth at which the peak is located is 0.5 μm to 1.0 μm. The peak concentration of the second impurity region 109 is 1 × 10 15 to 5 × 10 16 / cm 3 , and it is effective to set the peak depth from 0.8 μm to 2.5 μm.

また、第4,5の不純物領域301,302のピーク濃度は、1×1016/cmから1×1018/cm、ピークの深さは、0.3〜1.0μmに設定するのがよい。 The peak concentration of the fourth and fifth impurity regions 301 and 302 is set to 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 18 / cm 3 , and the peak depth is set to 0.3 to 1.0 μm. Is good.

以上述べた本実施形態の構成によれば、PD形成用ウエル及び周辺回路形成用ウエルの両者を、不純物イオン注入時のドーズ量、加速電圧により所望のウエルプロファイルを形成することが可能となる。また、その際にPD形成用ウエルの基板深部に形成される第3の不純物領域110のピーク濃度を周辺回路領域よりも高く設定することによって、電荷収集効率を向上させることが可能となる。また、第2の不純物領域109のピーク濃度は第4,5の不純物領域301,302に比べて低く設定するのが好ましい。   According to the configuration of the present embodiment described above, it is possible to form a desired well profile in both the PD formation well and the peripheral circuit formation well by the dose amount and the acceleration voltage at the time of impurity ion implantation. In addition, the charge collection efficiency can be improved by setting the peak concentration of the third impurity region 110 formed in the deep portion of the PD forming well at that time higher than that of the peripheral circuit region. The peak concentration of the second impurity region 109 is preferably set lower than that of the fourth and fifth impurity regions 301 and 302.

(デジタルカメラへの応用)
図13は、本発明の実施形態1〜3による光電変換装置を撮像システムとしてのカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示した図である。
(Application to digital cameras)
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a circuit block in the case where the photoelectric conversion devices according to Embodiments 1 to 3 of the present invention are applied to a camera as an imaging system.

撮影レンズ1002の手前にはシャッタ1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、被写体の像を固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004は、本発明の光電変換装置を用いたものである。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号は、更に信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ部1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。   A shutter 1001 is provided in front of the photographing lens 1002 to control exposure. The amount of light is controlled as necessary by the diaphragm 1003 to form an image of the subject on the solid-state imaging device 1004. The solid-state imaging device 1004 uses the photoelectric conversion device of the present invention. A signal output from the solid-state imaging device 1004 is processed by a signal processing circuit 1005 and converted from an analog signal to a digital signal by an A / D converter 1006. The output digital signal is further processed by a signal processing unit 1007. The processed digital signal is stored in the memory unit 1010 or sent to an external device through the external I / F 1013. The solid-state imaging device 1004, the imaging signal processing circuit 1005, the A / D converter 1006, and the signal processing unit 1007 are controlled by a timing generation unit 1008, and the entire system is controlled by an overall control unit / arithmetic unit 1009. In order to record an image on the recording medium 1012, the output digital signal is recorded through a recording medium control I / F unit 1011 controlled by the overall control unit / arithmetic unit.

本発明の実施形態1におけるCMOSセンサのウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of well formation method of the CMOS sensor in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1におけるCMOSセンサのウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of well formation method of the CMOS sensor in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1におけるPD形成用ウエル領域の濃度プロファイルの模式図Schematic diagram of the concentration profile of the well region for PD formation in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施形態2におけるCMOSセンサのウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of well formation method of the CMOS sensor in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2におけるCMOSセンサのウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of well formation method of the CMOS sensor in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2におけるPD形成用ウエル領域の濃度プロファイルの模式図Schematic diagram of the concentration profile of the well region for PD formation in Embodiment 2 of the present invention 第3の実施形態の画素部、周辺回路部の概略断面図Schematic sectional view of a pixel portion and a peripheral circuit portion of the third embodiment 図7における濃度プロファイルを示す図Fig. 7 shows the concentration profile in Fig. 7. 従来のCMOSセンサを搭載した固体撮像装置の画素の回路構成図Pixel circuit diagram of a solid-state imaging device equipped with a conventional CMOS sensor 従来のCMOSセンサを搭載した固体撮像装置の画素の模式的断面図Schematic cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device equipped with a conventional CMOS sensor 一般的なCMOSプロセスを用いた従来のCMOSセンサの各ウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of each well formation method of the conventional CMOS sensor using a general CMOS process. 一般的なCMOSプロセスを用いた従来のCMOSセンサの各ウエル形成方法の一部を示す図The figure which shows a part of each well formation method of the conventional CMOS sensor using a general CMOS process. 本発明の実施形態3における光電変換装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示した図The figure which showed the example of the circuit block in the case of applying the photoelectric conversion apparatus in Embodiment 3 of this invention to a camera.

符号の説明Explanation of symbols

11…N型シリコン基板
12…P型ウエル
17…選択酸化膜
27…シリコン熱酸化膜
28…シリコン窒化膜
29,29a,29b,29c…フォトレジスト
30a,30b…P型不純物
31…P型不純物
32…N型不純物
33…N型ウエル
34…PD形成用ウエル
35a,35b…半導体領域
108…第1の不純物領域
109…第2の不純物領域
110…第3の不純物領域
301,302…第4,5の不純物領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... N type silicon substrate 12 ... P type well 17 ... Selective oxide film 27 ... Silicon thermal oxide film 28 ... Silicon nitride film 29, 29a, 29b, 29c ... Photoresist 30a, 30b ... P type impurity 31 ... P type impurity 32 ... N-type impurity 33 ... N-type well 34 ... PD formation well 35a, 35b ... Semiconductor region 108 ... first impurity region 109 ... second impurity region 110 ... third impurity region 301,302 ... fourth, fifth Impurity region

Claims (7)

光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、
前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、
第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、
前記第1の半導体領域の不純物濃度は前記第3の半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion device in which a pixel including a photoelectric conversion region for converting light into a signal charge and a peripheral circuit including a circuit for processing the signal charge are arranged on the same substrate outside the pixel region where the pixel is formed In
The photoelectric conversion region is formed including a first semiconductor region of the first conductivity type formed on the substrate and a second semiconductor region of the second conductivity type that is the same conductivity type as the signal charge,
The peripheral circuit is formed including a third semiconductor region of the first conductivity type;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the first semiconductor region is higher than an impurity concentration of the third semiconductor region.
光を信号電荷に変換する光電変換領域を含む画素と、該画素が形成された画素領域外に、前記信号電荷を処理するための回路を含む周辺回路が同一基板上に配置された光電変換装置において、
前記基板に形成された第一導電型の第1の半導体領域と前記信号電荷と同導電型である第二導電型の第2の半導体領域を含んで前記光電変換領域が形成され、
第一導電型の第3の半導体領域を含んで前記周辺回路が形成されており、
前記第1及び第3の半導体領域がそれぞれ不純物濃度ピークを有していることを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion device in which a pixel including a photoelectric conversion region for converting light into a signal charge and a peripheral circuit including a circuit for processing the signal charge are arranged on the same substrate outside the pixel region where the pixel is formed In
The photoelectric conversion region is formed including a first semiconductor region of the first conductivity type formed on the substrate and a second semiconductor region of the second conductivity type that is the same conductivity type as the signal charge,
The peripheral circuit is formed including a third semiconductor region of the first conductivity type;
The photoelectric conversion device, wherein each of the first and third semiconductor regions has an impurity concentration peak.
前記第1の半導体領域の不純物濃度ピーク濃度は前記第3の半導体領域の不純物濃度ピーク濃度よりも高いことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein an impurity concentration peak concentration of the first semiconductor region is higher than an impurity concentration peak concentration of the third semiconductor region. 前記第1の半導体領域の不純物濃度ピーク位置は、前記第3の半導体領域の不純物濃度ピーク位置よりも深く配設されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の光電変換装置。   4. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein an impurity concentration peak position of the first semiconductor region is disposed deeper than an impurity concentration peak position of the third semiconductor region. 5. 前記第1の半導体領域は、不純物濃度ピークを有する半導体領域を前記基板内の深さ方向に複数配した構造を有しており、最深部に形成された不純物濃度ピークの不純物濃度は、それよりも前記光電変換領域側に形成された不純物濃度ピークの不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の光電変換装置。   The first semiconductor region has a structure in which a plurality of semiconductor regions having impurity concentration peaks are arranged in the depth direction in the substrate, and the impurity concentration of the impurity concentration peak formed in the deepest part is 5 is higher than the impurity concentration at the impurity concentration peak formed on the photoelectric conversion region side. 5. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein 前記第1の半導体領域及び第3の半導体領域は、不純物濃度ピークを有する半導体領域の複数から形成され、前記第1の半導体領域を形成するための複数の領域のうち、最も不純物濃度ピーク濃度が高い領域のピーク濃度は、前記第3の半導体領域を形成するための複数の領域のうち、最も不純物濃度ピーク濃度が高い領域のピーク濃度よりも高いことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の光電変換装置。   The first semiconductor region and the third semiconductor region are formed from a plurality of semiconductor regions having an impurity concentration peak, and the impurity concentration peak concentration is the highest among the plurality of regions for forming the first semiconductor region. The peak concentration of the high region is higher than the peak concentration of the region having the highest impurity concentration peak concentration among the plurality of regions for forming the third semiconductor region. The photoelectric conversion apparatus of Claim 1. 請求項1〜6のいずれかの請求項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、該光電変換装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。   A photoelectric conversion device according to claim 1, an optical system that forms an image of light on the photoelectric conversion device, and a signal processing circuit that processes an output signal from the photoelectric conversion device. An imaging system characterized by that.
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