JP2006073731A - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006073731A JP2006073731A JP2004254344A JP2004254344A JP2006073731A JP 2006073731 A JP2006073731 A JP 2006073731A JP 2004254344 A JP2004254344 A JP 2004254344A JP 2004254344 A JP2004254344 A JP 2004254344A JP 2006073731 A JP2006073731 A JP 2006073731A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photodiode
- semiconductor substrate
- imaging device
- state imaging
- solid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本発明は小型化および高画素化に好適なカラー固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a color solid-state imaging device suitable for downsizing and increasing the number of pixels.
従来から半導体基板の上面にカラーフィルタを装着した固体撮像装置が製造されている。この従来の固体撮像装置２００は、例えば、図４の断面図に示すように、Ｎ型の半導体基板２０１の表面部に形成されたＰ型のウエル領域２０２と、Ｐ型ウェル領域２０２に形成され、半導体基板２０１の表面からの入射光の光電変換を行う複数のＮ型のフォトダイオード部２０３と、所定の間隔をおいて各フォトダイオード部２０３に隣接して形成され、各フォトダイオード部２０３において光電変換により生成された信号電荷をフォトダイオード部２０３ごとに読み出すとともに、固体撮像装置２００の外部へ転送するＮ型の電荷転送部２０４とを備えている。
Conventionally, a solid-state imaging device having a color filter mounted on the upper surface of a semiconductor substrate has been manufactured. For example, as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the conventional solid-
上記フォトダイオード部２０３の基板表面側には、Ｐ型ウエル領域２０２より相対的にかなり高いＰ型不純物濃度を有する正孔蓄積層２０５が形成されており、フォトダイオード部２０３で光電変換により生成された正孔電子対のうち、本構成の固体撮像装置２００において信号電荷として寄与しない正孔が蓄積されるようになっている。
A
また、半導体基板２０１の表面にはゲート酸化膜２０６が設けられ、ゲート酸化膜２０６の上面には、電荷転送部２０４の上方、及び、電荷転送部２０４とフォトダイオード部２０３との間のＰ型ウェル領域２０２の上方を覆う位置に、フォトダイオード部２０３から電荷転送部２０４への信号電荷の読み出し、並びに、信号電荷の外部への転送を制御するゲート電極２０７が設けられる。そして、ゲート電極２０７の上面には、ゲート電極２０７を被覆する絶縁膜２０８、及び、電荷転送部２０４に光が入射することを防止する遮光膜２０９が順に設けられている。
Further, a
さらに、上述の半導体基板２０１の上面には、ゲート電極２０７及び遮光膜２０９の形成に伴って生じた段差を埋めて表面を平坦化する平坦化膜２１０が設けられ、この平坦化膜２１０の上面に各フォトダイオード部２０３への入射光を所定の波長帯域に分光するカラーフィルタ２１１が設けられる。さらに、カラーフィルタ２１１の上面には、入射光を各フォトダイオード部２０３に集光するマイクロレンズ２１２が、各フォトダイオード部２０３に対応する位置に設けられている。
Further, a
上記構成において、マイクロレンズ２１２で集光され、カラーフィルタ２１１を透過して所定の波長帯域に分光された光は、平坦化膜２１０及びゲート酸化膜２０６を透過して半導体基板２０１に入射する。そして、半導体基板２０１に入射した光はフォトダイオード部２０３において光電変換され、その光量に応じた信号電荷が生成される。
In the above configuration, light collected by the
上記のようにして生成された信号電荷は、ゲート電極２０７の電位を変化させて電荷転送部２０４のポテンシャルをフォトダイオード部２０３に対して深くすることによって、フォトダイオード部２０３から電荷転送部２０４に読み出される。そして、各フォトダイオード部から信号電荷を読み出した各電荷転送部２０４のゲート電極２０７に対して順にクロック信号を印加することで、図４において、紙面に垂直方向に信号電荷が転送され、信号出力として外部回路に取り出される。
The signal charge generated as described above is changed from the
以上のようにして外部回路に取り出された各分光波長帯域に対応する信号出力を合成することで、カラー画像を得ることができる。なお、上記カラーフィルタ２１１には、レッド・グリーン・ブルーの３色をそれぞれ透過させる原色フィルタや、シアン・マゼンタ・イエロー・グリーンの４色をそれぞれ透過させる補色フィルタ等が用いられ、各色に対応するフィルタを搭載した各フォトダイオード部２０３の配列方式を最適化することで、色再現性や解像度の向上が図られている。
A color image can be obtained by synthesizing signal outputs corresponding to each spectral wavelength band extracted to the external circuit as described above. The
なお、上述の先行技術は文献公知発明に係るものではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。 In addition, since the above-mentioned prior art is not related to the literature known invention, there is no prior art document information to be described.
以上のような固体撮像装置２００は、現在のところ、電荷転送部２０４とフォトダイオード部２０３とで構成される１画素分の領域が、半導体基板２０１の上面からみて２μｍ×２μｍ程度のサイズで構成されているが、固体撮像装置２００には更なる小型化や高画素化が求められており、各画素のサイズを小さくすることが必要とされている。
In the solid-
しかしながら、画素サイズを小さくすると、フォトダイオード部２０３の入射口面積の減少に伴って入射光が減少するため、出力信号の信号レベルが低下するという問題が生じる。
However, if the pixel size is reduced, the incident light decreases as the incident area of the
この対策として、マイクロレンズ２１２に入射してから、フォトダイオード部２０３に到達するまでの間の光の損失を低減することが考えられる。例えば、カラーフィルタ２１１を薄膜化してマイクロレンズ２１２と半導体基板２０１の表面との距離を短くすることで、入射光の損失を低減することができるが、このように薄膜化したカラーフィルタ２１１の分光特性は薄膜化前の分光特性と異なってしてしまうため、所望の波長帯域に対応する出力信号が得られなくなるという問題がある。
As a countermeasure against this, it is conceivable to reduce the loss of light after entering the
また、カラーフィルタ２１１を薄膜化することなく、カラーフィルタ２１１で分光する特定波長帯域の光の透過率を向上させる方法も考えられるが、カラーフィルタ２１１の構成材料の選定が困難である。
In addition, a method of improving the transmittance of light in a specific wavelength band to be dispersed by the
一方、各画素のサイズが小さくなると、各フォトダイオード部２０３の上方に、検出対象の波長帯域に応じた色のカラーフィルタ２１１を正確に形成するための高い加工精度が必要となる。しかしながら、カラーフィルタ２１１は、例えば、所望の波長帯域外の光を吸収する材料を含有する透過膜を各フォトダイオード部に対応する位置に成膜することで形成されるが、上述のように、カラーフィルタ２１１は、μｍオーダの膜厚を有する平坦化膜２１０上に形成されるため、この平坦化膜２１０を介して半導体基板２０１と高精度のアライメントを行うことが困難であり、加工精度の向上に限界があった。
On the other hand, when the size of each pixel is reduced, high processing accuracy is required to accurately form the
以上のように、従来の技術において、入射光に対応する出力信号を低下させることなく、固体撮像装置の小型化および高画素化を行おうとしても、所望の色再現性や解像度を得ることは困難であった。 As described above, in the conventional technology, it is possible to obtain a desired color reproducibility and resolution even when trying to reduce the size and increase the number of pixels of the solid-state imaging device without reducing the output signal corresponding to the incident light. It was difficult.
本発明は、上記従来の事情に基づいて提案されたものであって、カラーフィルタの形成を省略することができるとともに、小型化及び高画素化を容易に行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed based on the above-described conventional circumstances, and provides a solid-state imaging device that can omit the formation of a color filter and can be easily reduced in size and increased in pixel size. For the purpose.
本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、半導体基板に形成された光電変換により信号電荷を生成する複数のフォトダイオード部を有する固体撮像装置を前提とし、前記各フォトダイオード部が、検出対象となる波長帯域ごとに半導体基板の表面から異なる深さで、かつ、深さ方向で互いに重なることなく形成された構成を採用する。 The present invention employs the following means in order to achieve the above object. That is, the present invention is based on a solid-state imaging device having a plurality of photodiode portions that generate signal charges by photoelectric conversion formed on a semiconductor substrate, and each photodiode portion is a semiconductor for each wavelength band to be detected. A configuration in which the depth is different from the surface of the substrate and does not overlap each other in the depth direction is adopted.
本発明に係る固体撮像装置によれば、各フォトダイオード部は、半導体基板に入射した光の中から、その形成深さに対応する波長領域の光量に応じた信号電荷を生成することが可能となる。このため、従来必要であったカラーフィルタを形成することなしに、入射光の分光を行うことができ、色再現性や解像度を低下させることなく、固体撮像装置の小型化や高画素化を容易に行うことができる。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, each photodiode unit can generate signal charges corresponding to the light amount in the wavelength region corresponding to the formation depth from the light incident on the semiconductor substrate. Become. For this reason, it is possible to perform the spectroscopy of incident light without forming a color filter, which was necessary in the past, and it is easy to reduce the size and increase the number of pixels of a solid-state imaging device without degrading color reproducibility or resolution. Can be done.
なお、前記異なる深さに形成された各フォトダイオード部の不純物濃度は、各フォトダイオード部の形成深さごとに相対的に異なることが好ましい。例えば、半導体基板の浅い位置に形成されたフォトダイオード部の不純物濃度を、深い位置に形成されたフォトダイオード部の不純物濃度に比べて相対的に高くすることで、深さ方向に同一の厚さを有する各フォトダイオード部を安定して形成することができる。 In addition, it is preferable that the impurity concentration of each photodiode part formed in the said different depth differs relatively for every formation depth of each photodiode part. For example, by making the impurity concentration of the photodiode portion formed in the shallow position of the semiconductor substrate relatively higher than the impurity concentration of the photodiode portion formed in the deep position, the same thickness in the depth direction It is possible to stably form each photodiode portion having
また、上記固体撮像装置は電荷転送部と当該電荷転送部への信号電荷の読み出しを制御する電極を備える。上記電荷転送部は、各フォトダイオード部と所定の間隔をおいて隣接する位置に、それぞれ半導体基板の表面から所定の深さにわたって形成されている。そして、上記電極に電圧が印加されたとき、フォトダイオード部で生成された信号電荷は、電荷転送部に読み出される。 The solid-state imaging device includes a charge transfer unit and an electrode that controls reading of signal charges to the charge transfer unit. The charge transfer portion is formed at a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate at a position adjacent to each photodiode portion at a predetermined interval. When a voltage is applied to the electrode, the signal charge generated in the photodiode portion is read out to the charge transfer portion.
このとき、上記電荷転送部の下端より深い位置にあるフォトダイオード部から半導体基板の表面方向に、当該フォトダイオード部と同一導電型の電荷引出部を備えることが好ましい。これにより、電荷転送部の下端より深い位置に形成されたフォトダイオード部からの信号電荷の取り出す際に、上記電極に印加する電圧を小さくすることができる
なお、上記電極は、電荷転送部と当該電荷転送部に対応するフォトダイオード部の電荷転送部側の端部に渡って半導体基板の表面に形成すればよい。
At this time, it is preferable that a charge extraction portion of the same conductivity type as that of the photodiode portion is provided in the direction of the surface of the semiconductor substrate from the photodiode portion deeper than the lower end of the charge transfer portion. This makes it possible to reduce the voltage applied to the electrode when taking out signal charges from the photodiode portion formed at a position deeper than the lower end of the charge transfer portion. What is necessary is just to form in the surface of a semiconductor substrate over the edge part by the side of the charge transfer part of the photodiode part corresponding to a charge transfer part.
本発明に係る固体撮像装置によれば、各フォトダイオード部は、半導体基板に入射した光の中からその形成深さに対応する波長帯域の光量に応じた信号電荷を生成できるため、例えば、赤、緑、青のそれぞれに対応する波長帯域に分光された信号電荷を生成することができる。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, each photodiode unit can generate signal charges according to the light amount in the wavelength band corresponding to the formation depth from the light incident on the semiconductor substrate. , Green, and blue can be generated in the signal band dispersed in the wavelength band.
このため、従来、各フォトダイオード部に設けていたカラーフィルタの省略して、カラーフィルタによる入射光の損失をなくすことができるとともに、マイクロレンズとフォトダイオード部の距離を短くすることができる。すなわち、各フォトダイオード部への入射光の集光率を向上させることができる。 For this reason, it is possible to eliminate the loss of incident light due to the color filter by omitting the color filter conventionally provided in each photodiode portion, and it is possible to shorten the distance between the microlens and the photodiode portion. That is, it is possible to improve the condensing rate of incident light to each photodiode portion.
また、加工精度の向上を阻害する原因の１つであった各フォトダイオード部の上方にカラーフィルタを形成する工程は、ウエハプロセスに置換されることになる。このため、結果として、固定撮像装置の加工精度が向上し、加工工数も減少させることができる。 In addition, the process of forming a color filter above each photodiode portion, which is one of the causes that hinder the improvement of processing accuracy, is replaced with a wafer process. For this reason, as a result, the processing accuracy of the fixed imaging device is improved, and the number of processing steps can be reduced.
さらにいえば、上述の効果により、色再現性や解像度を低下させることなく、固定撮像装置の小型化および高画素化を行うことが可能となる。 Furthermore, due to the above-described effects, it is possible to reduce the size and increase the number of pixels of the fixed imaging device without reducing the color reproducibility and resolution.
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る固体撮像装置の２個の画素に対応する領域を示す断面図である。 Hereinafter, solid-state imaging devices according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a region corresponding to two pixels of a solid-state imaging device according to the present invention.
図１に示すように、本発明に係る固定撮像装置１００は、従来の固体撮像装置２００と同様、Ｎ型半導体基板１０１の表面部に、１０15〜１０16／ｃｍ3オーダの不純物濃度を有するＰ型のウエル領域１０２がイオン注入や熱拡散によって形成され、当該Ｐ型ウエル領域１０２の内部に、Ｎ型の複数のフォトダイオード部１０３（１０３ａ、１０３ｂ）が形成される。また、各フォトダイオード部１０３に隣接する位置には、当該フォトダイオード部と所定の間隔をおいて、各フォトダイオード部１０３に対応するＮ型の電荷転送部１０４が半導体基板１０１の表面から所定の深さにわたって形成されている。ここで、所定の深さとは、Ｐ型ウエル領域１０２の内部に位置する深さであればよい。
As shown in FIG. 1, the
各フォトダイオード部１０３の上方には、半導体基板１０１の表面からフォトダイオード部の上端にわたってＰ型ウエル領域１０２に比べて高い不純物濃度を有するＰ型の正孔蓄積層１０５（１０５ａ、１０５ｂ）がイオン注入により形成される。すなわち、当該正孔蓄積層１０５とＮ型のフォトダイオード部１０３との界面が、各フォトダイオード部１０３の上端を構成している。
Above each photodiode portion 103, a P-type hole accumulation layer 105 (105 a, 105 b) having a higher impurity concentration than the P-
さて、図１に示すように、本発明において、上記各フォトダイオード部１０３ａ、１０３ｂは、半導体基板１０１の表面から異なる深さに形成されている。
As shown in FIG. 1, in the present invention, the
例えば、フォトダイオード部１０３ａに対応する位置のみに開口を有するレジストが、半導体基板１０１の表面に公知の微細加工技術を用いて設けられ、Ｎ型の不純物がフォトダイオード部１０３ａの形成深さに応じた注入エネルギー、及び、フォトダイオード部１０３ａの不純物濃度に応じたドーズ量でイオン注入される。続いて、Ｐ型の不純物が、同一のレジスト開口を介して、正孔蓄積層１０５ａの形成深さに応じた注入エネルギー、及び、正孔蓄積層１０５ａの不純物濃度に応じたドーズ量でイオン注入される。これにより、フォトダイオード部１０３ａが形成される。
For example, a resist having an opening only at a position corresponding to the
次に、フォトダイオード部１０３ｂに対応する位置のみに開口を有するレジストが、半導体基板１０１の表面に改めて設けられ、上記フォトダイオード部１０３ａと同様に、Ｎ型の不純物がフォトダイオード部１０３ｂに応じた注入エネルギー、及びドーズ量でイオン注入される。続いて、同一のレジスト開口を介して、Ｐ型の不純物が正孔蓄積層１０５ｂに応じた注入エネルギー、及び、ドーズ量でイオン注入される。
Next, a resist having an opening only at a position corresponding to the
以上のように、イオン注入工程が同一の深さに形成されるフォトダイオード部ごとに行われることで、各フォトダイオード部１０３ａ、１０３ｂは半導体基板１０１の表面から異なる深さで、かつ、深さ方向で互いに重なることなく形成される。
As described above, by performing the ion implantation process for each photodiode portion formed at the same depth, each of the
ここで、フォトダイオード部１０３の形成深さについて説明する。 Here, the formation depth of the photodiode portion 103 will be described.
半導体基板に入射した光は、半導体基板に吸収されながら半導体基板中を進行する。このとき、半導体基板中の光強度Ｉは、半導体基板表面からの深さをｘ、基板表面における光強度をＩ0、吸収係数をαとすると、以下の数１に示す関係式を満たす。 Light incident on the semiconductor substrate travels through the semiconductor substrate while being absorbed by the semiconductor substrate. At this time, the light intensity I in the semiconductor substrate satisfies the relational expression shown in the following equation 1, where x is the depth from the surface of the semiconductor substrate, I 0 is the light intensity on the substrate surface, and α is the absorption coefficient.
また、上記吸収係数αは、全ての光に対して一定ではなく、入射光の光エネルギーによって異なる値となる。図２に、常温での、シリコンの吸収係数αの光エネルギー依存性曲線Ａを示す(参考文献 G.E.Jellison, Jr. and F.A.Modine, " Optical Absorption of Silicon between 1.6 and 4.7eV at elevated temperatures", Appl.Phys.Lett.,41(2),15,pp.180〜182,1982.)。 In addition, the absorption coefficient α is not constant for all the light, and varies depending on the light energy of the incident light. Fig. 2 shows the light energy dependence curve A of the absorption coefficient α of silicon at room temperature (references GEJellison, Jr. and FAModine, "Optical Absorption of Silicon between 1.6 and 4.7 eV at elevated temperatures", Appl. Phys. Lett., 41 (2), 15, pp. 180-182, 1982).
ここで、波長λは光エネルギーＥ、光速度ｃ、周波数ν、プランク定数ｈとすると、数２に示すように、光エネルギーの逆数で表わされる。
Here, when the wavelength λ is the light energy E, the light velocity c, the frequency ν, and the Planck constant h, the wavelength λ is represented by the reciprocal of the light energy, as shown in
すなわち、図２における光エネルギーＥは、波長に対応していると考えてよい。なお、光エネルギーＥに対応する波長を、図２の上軸に示す。 That is, it can be considered that the light energy E in FIG. 2 corresponds to the wavelength. The wavelength corresponding to the light energy E is shown on the upper axis of FIG.
図２より、波長の短い青色の光（４６０ｎｍ）は、吸収係数αが大きいため半導体基板の表面近傍で吸収されることが理解できる。一方、波長の長い赤色の光（７００ｎｍ）は、吸収係数αが小さいため半導体基板の深くまで吸収されずに到達することが理解できる。 From FIG. 2, it can be understood that blue light (460 nm) having a short wavelength is absorbed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate because the absorption coefficient α is large. On the other hand, it can be understood that red light (700 nm) having a long wavelength reaches the semiconductor substrate without being absorbed deeply because the absorption coefficient α is small.
例えば、青色光が吸収されるシリコン基板（半導体基板）の表面に近い領域のみにフォトダイオード部１０３ａを形成した場合、当該フォトダイオード部１０３ａには、吸収された青色光の光量に応じた信号電荷が生成される。しかし、青色光の波長帯域に比べて波長が長い他の可視光は、当該フォトダイオード部１０３ａが形成されている領域ではあまり吸収されずに透過してしまうため、他の可視光による信号電荷は生成されない。したがって、フォトダイオード部１０３ａには、青色光に基づく信号電荷のみを生成させることができる。
For example, in the case where the
一方、赤色光の吸収されるシリコン基板の深い領域のみにフォトダイオード部１０３ｂを形成した場合、当該フォトダイオード部１０３ｂには、吸収された赤色光の光量に応じた信号電荷が生成される。しかし、赤色光の波長帯域に比べて波長が短い他の可視光は、当該フォトダイオード部１０３ｂに到達するまでに吸収されてしまうため、当該フォトダイオード部１０３ｂの領域に到達できない。このため、フォトダイオード部１０３ｂでは、他の可視光による信号電荷はほとんど生成されず、赤色光に基づく信号電荷のみを生成させることができる。
On the other hand, when the
したがって、フォトダイオード部１０３を検出対象となる光の波長帯域ごとに、異なる深さに形成することにより、検出対象の波長帯域の光強度に応じた信号電荷を発生することが可能となる。 Therefore, by forming the photodiode portion 103 at different depths for each wavelength band of light to be detected, it is possible to generate signal charges corresponding to the light intensity in the wavelength band to be detected.
より具体的に説明すれば、本発明に係る固体撮像装置１００で検知する可視光領域の波長λは４６０〜７７０ｎｍであり、赤色光は７００ｎｍ、緑色光は５３０ｎｍ、青色光は４６０ｎｍを中心に分布している。上記数１、数２、及び図２より、シリコン半導体基板１０１において、上記各波長の光の吸収深さ（光強度の半分が吸収される深さ）は、赤色光が３．０μｍ、緑色光が０．７９μｍ、青色光が０．３２μｍである。
More specifically, the wavelength λ of the visible light region detected by the solid-
すなわち、半導体基板１０１において、上記各波長の光の吸収深さと一致する深さにのみフォトダイオード部１０３を形成すればよい。
That is, it is only necessary to form the photodiode portion 103 in the
例えば、図１において、Ｎ型不純物濃度が３×１０16／ｃｍ3のフォトダイオード部１０３ａの形成深さｄaを０．３μｍとし、当該フォトダイオード部１０３ａの厚さＤaが０．５μｍとなるように、Ｐ型不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3の正孔蓄積層１０５ａを形成すると青色光の光強度に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード部１０３ａが形成できる。ここで、上記形成深さｄaは、半導体基板表面からフォトダイオード部の中間までの深さであり、上記厚さＤaは、Ｎ型の不純物濃度が所定の濃度以上となる領域の深さ方向の厚さである。
For example, in FIG. 1, a 0.3μm formation depth d a of the
一方、図１において、Ｎ型不純物濃度が３×１０16／ｃｍ3のフォトダイオード部１０３ｂの形成深さｄbを３．０μｍとし、当該フォトダイオード部１０３ａの厚さＤbが０．５μｍとなるように、Ｐ型不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3の正孔蓄積層１０５ｂを形成すると赤色光の光強度に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード部１０３ｂが形成できる。
On the other hand, in FIG. 1, the formation depth d b of the
同様に、フォトダイオード部の形成深さを０．８μｍとし、当該フォトダイオード部の厚さが０．５μｍとなるように、正孔蓄積層を形成すると緑色光の光強度に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード部が形成できる。 Similarly, when the hole accumulation layer is formed so that the formation depth of the photodiode portion is 0.8 μm and the thickness of the photodiode portion is 0.5 μm, a signal charge corresponding to the light intensity of green light is generated. The photodiode part to be generated can be formed.
なお、上記では検出対象となる波長帯域を、青色光、緑色光、赤色光とする構成について説明したが、他の色を分光する場合であっても同様の方法によって、それぞれの中心波長の光に応じた光電変換を選択的に行わせるフォトダイオード部の形成深さを決定することが可能である。 In the above description, the wavelength bands to be detected have been described as blue light, green light, and red light. However, even when other colors are dispersed, the light of each central wavelength is obtained by the same method. It is possible to determine the formation depth of the photodiode portion that selectively performs photoelectric conversion according to the above.
ところで、上記では、各深さに形成されるフォトダイオード部１０３の不純物濃度を同一として説明したが、半導体基板１０１の浅い位置に形成されたフォトダイオード部１０３ａの不純物濃度を、深い位置に形成されたフォトダイオード部１０３ｂの不純物濃度に比べて相対的に高くすることが好ましい。
In the above description, the impurity concentration of the photodiode portion 103 formed at each depth is assumed to be the same. However, the impurity concentration of the
一般に、イオン注入により同一の不純物濃度を有する半導体層を異なる深さに形成する場合、半導体基板中の注入位置が深くなる程（注入エネルギーが大きくなる程）、半導体層の深さ方向の厚みが大きくなる。したがって、半導体基板１０１の浅い位置に形成されるフォトダイオード部１０３ａの不純物濃度を、深い位置に形成されるフォトダイオード部１０３ｂの不純物濃度に比べて相対的に高くすることで、Ｐ型ウエル領域１０２に各フォトダイオード部１０３が同程度の厚さで形成されるようにすれば、最終的なフォトダイオード部１０３の厚さは、正孔蓄積層１０５のイオン注入のみでコントロールすることができる。すなわち、フォトダイオード部１０３の厚さの制御が容易となり、フォトダイオード部１０３を安定して形成することが可能となる。
In general, when semiconductor layers having the same impurity concentration are formed at different depths by ion implantation, the depth in the depth direction of the semiconductor layer increases as the implantation position in the semiconductor substrate increases (as the implantation energy increases). growing. Therefore, by making the impurity concentration of the
なお、各深さに形成されたフォトダイオード部の不純物濃度は、上述の関係に限定されるものではない。例えば、各フォトダイオード部に要求されるフォトダイオード部の飽和信号電荷量や各フォトダイオード部に要求される信号電荷の読み出し電圧に基づいて、相対的に異なる不純物濃度とすることができる。 Note that the impurity concentration of the photodiode portion formed at each depth is not limited to the above relationship. For example, a relatively different impurity concentration can be set based on the saturation signal charge amount of the photodiode portion required for each photodiode portion and the read voltage of the signal charge required for each photodiode portion.
ところで、上記半導体基板１０１の表面には、従来の固体撮像装置２００と同様のゲート酸化膜１０６、ゲート電極１０７、絶縁膜１０９、遮光膜１０８、及び、平坦化膜１１０が形成される。そして、平坦化膜１１０の上面には、カラーフィルタが形成されることなく、マイクロレンズ１１１が各フォトダイオード部１０３と対向する位置に形成される。
On the surface of the
以上の構成において、マイクロレンズ１１１で集光され、平坦化膜１１０及びゲート酸化膜１０６を透過して半導体基板１０１に入射する。そして、半導体基板１０１に入射した光は各フォトダイオード部１０３において形成深さに応じた波長領域の光が主として光電変換され、その光量に応じた信号電荷が生成される。
In the above configuration, the light is collected by the
上記のようにして生成された信号電荷は、ゲート電極１０７に正電位を印加することによって電荷転送部１０４のポテンシャルをフォトダイオード部１０３対して深くするで、フォトダイオード部１０３から電荷転送部１０４に読み出される。そして、従来の固体撮像装置２００と同様に、各電荷転送部１０４に対応するゲート電極１０７にクロック信号を順次印加することで、図１において、紙面に垂直方向に信号電荷が転送され、信号出力として外部回路に取り出される。
The signal charge generated as described above applies a positive potential to the
図１に示す構成において、例えば、赤色光の波長領域等に対応する半導体基板表面から比較的深い位置に形成されたフォトダイオード部１０３ｂで生成された信号電荷を電荷転送部１０４に読み出すには、ゲート電極１０７に大きな電圧を印加する必要がある。このため、図３の断面図に示すように、フォトダイオード部１０３ｂから半導体基板の表面方向に、フォトダイオード部１０３ｂと同一導電型の電荷引出部１１２が形成されることが好ましい。
In the configuration shown in FIG. 1, for example, in order to read out the signal charge generated by the
本構成によれば、フォトダイオード部１０３ｂで生成された信号電荷は、フォトダイオード層に比べて浅い位置に形成された電荷引出部１１２を介して電荷転送部１０４ｂに読み出すことが可能となるため、電荷引出部１１２の上端を、半導体基板１０１表面近傍に設けることで、信号電荷の読み出し時にゲート電極１０７に印加する電圧を小さくすることができる。なお、電荷引出部１１２は、信号電荷の光電変換に寄与することがないように、遮光膜１０８により生じる遮光領域に形成されることが好ましい。また、正孔蓄積層１０５の不純物濃度は、電荷引出部１１２と正孔蓄積層１０５との界面に形成される空乏層が、正孔蓄積層１０５側に伸長することのない濃度であることが好ましい。さらに、図３に示すように、フォトダイオード部１０３ｂで生成された信号電荷が、電荷引出部１１２と半導体基板１０１の表面を経由して電荷転送部１０４ｂにリークすることを防止するために、電荷引出部１１２の基板表面側に、Ｐ型半導体層１１３を設けることがより好ましい。
According to this configuration, the signal charge generated by the
以上のように本発明による固体撮像装置は、検出対象となる波長帯域の光だけが、信号電荷を主として生成する深さに各フォトダイオード部１０３が形成されるので、上述のように、赤、緑、青の各色に対応する深さに、各フォトダイオード部１０３を形成することで、各波長帯域に分光された出力信号を得ることができる。このため、半導体基板の上方にカラーフィルタを形成することを省略できる。 As described above, in the solid-state imaging device according to the present invention, since each photodiode portion 103 is formed at a depth that mainly generates signal charges only for light in the wavelength band to be detected, as described above, red, By forming each photodiode portion 103 at a depth corresponding to each color of green and blue, an output signal dispersed in each wavelength band can be obtained. For this reason, it can be omitted to form the color filter above the semiconductor substrate.
また、カラーフィルタを省略することで、従来の固体撮像装置と比較して半導体表面に入射する光強度を増大させることができ、画素面積を縮小し、高画素化しても従来同様の画像信号出力を維持することができる。 Also, by omitting the color filter, the light intensity incident on the semiconductor surface can be increased compared to conventional solid-state imaging devices, and the image signal output is the same as before even if the pixel area is reduced and the number of pixels is increased. Can be maintained.
さらに、従来から、固体撮像装置の加工精度の向上を阻害する原因の１つであったカラーフィルタを形成工程が、ウエハプロセスに置換されることになるため、結果として、固定撮像装置の加工精度が向上し、加工工数も減少させることができる。 Furthermore, since the process of forming a color filter, which has been one of the causes of hindering the improvement of the processing accuracy of the solid-state imaging device, is replaced with a wafer process, the processing accuracy of the fixed imaging device is consequently obtained. Can be improved and the number of processing steps can be reduced.
なお、それぞれの波長帯域の光を感知する画素は、カラーフィルタを形成したときと同じように、固体撮像装置の性能、目的に応じて所望の配列を行うことができる。 Note that pixels that sense light in each wavelength band can be arranged in a desired manner according to the performance and purpose of the solid-state imaging device, as in the case of forming a color filter.
また、上記説明では、フォトダイオード部１０３の上方に、電荷蓄積層１０５を設けた構成について説明したが、電荷蓄積層１０５を備えることは、本発明において必須ではない。例えば、電荷蓄積層１０５を設けることなくＰ型ウエル領域に置換された構成であっても同様の効果を奏することは可能である。加えて、半導体基板、及び、半導体基板中の各部の導電型の全てが、反対の導電型で形成されてもよい。
In the above description, the structure in which the charge accumulation layer 105 is provided above the photodiode portion 103 has been described. However, the provision of the charge accumulation layer 105 is not essential in the present invention. For example, the same effect can be obtained even when the structure is replaced with a P-type well region without providing the charge storage layer 105. In addition, all of the semiconductor substrate and the conductivity type of each part in the semiconductor substrate may be formed with opposite conductivity types.
本発明は、カラーフィルタを設けることなしに、所望の波長帯域の光強度に応じた信号電荷を生成することができるという効果を有し、固体撮像装置の小型化や高画素化に有用である。 The present invention has an effect that signal charges corresponding to light intensity in a desired wavelength band can be generated without providing a color filter, and is useful for downsizing and increasing the number of pixels of a solid-state imaging device. .
１０１、２０１ Ｎ型半導体基板
１０２、２０２ Ｐ型のウエル領域
１０３ａ、１０３ｂ、２０３ フォトダイオード部
１０４、２０４ 電荷転送部
１０５ａ、１０５ｂ、２０５ 正孔蓄積層
１０６、２０６ ゲート絶縁膜
１０７、２０７ ゲート電極
１０８、２０８ 絶縁膜
１０９、２０９ 遮光膜
１１０、２１０ 平坦化膜
２１１ カラーフィルタ
１１１、２１２ マイクロレンズ
１１２ 電荷引出部
１１３ Ｐ型半導体層
101, 201 N-
Claims (5)
前記各フォトダイオード部が、検出対象となる波長帯域ごとに前記半導体基板の表面から異なる深さで、かつ、深さ方向で互いに重なることなく形成されたことを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device having a plurality of photodiode portions that are formed on a semiconductor substrate and generate signal charges by photoelectric conversion,
The solid-state imaging device, wherein each of the photodiode portions is formed at a different depth from the surface of the semiconductor substrate for each wavelength band to be detected and without overlapping each other in the depth direction.
前記フォトダイオード部で生成された信号電荷を当該フォトダイオード部に対応する電荷転送部に読み出すための電圧が印加される電極と、
を備えた請求項１または２に記載の固体撮像装置。 A charge transfer unit of the same conductivity type as the photodiode unit, which is formed for each photodiode unit at a position adjacent to the photodiode unit at a predetermined interval and over a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate. When,
An electrode to which a voltage for reading the signal charge generated in the photodiode unit to a charge transfer unit corresponding to the photodiode unit is applied;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising:
5. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the electrode is formed on the surface of the semiconductor substrate across an end of the charge transfer unit and a photodiode unit corresponding to the charge transfer unit on a charge transfer unit side. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004254344A JP2006073731A (en) | 2004-09-01 | 2004-09-01 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004254344A JP2006073731A (en) | 2004-09-01 | 2004-09-01 | Solid-state imaging device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006073731A true JP2006073731A (en) | 2006-03-16 |
Family
ID=36154038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004254344A Withdrawn JP2006073731A (en) | 2004-09-01 | 2004-09-01 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2006073731A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11616092B2 (en) | 2020-01-31 | 2023-03-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and electronic devices |
-
2004
- 2004-09-01 JP JP2004254344A patent/JP2006073731A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11616092B2 (en) | 2020-01-31 | 2023-03-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and electronic devices |
| US11929384B2 (en) | 2020-01-31 | 2024-03-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and electronic devices |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5708025B2 (en) | Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus | |
| KR102316075B1 (en) | Solid-state imaging element, process for producing solid-state imaging element, and electronic device | |
| US7208811B2 (en) | Photo-detecting device | |
| JP4822683B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
| CN105308746B (en) | Solid imaging element and its manufacturing method and electronic equipment | |
| JP5318325B2 (en) | Manufacturing method of image sensor | |
| KR100791346B1 (en) | Method for fabricating image sensor and image sensor fabricated thereby | |
| JP5061915B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus | |
| JP4751865B2 (en) | Back-illuminated solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
| WO2014021115A1 (en) | Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and electronic device | |
| JP2010093081A (en) | Solid-state imaging device and method for manufacturing the same | |
| JP4171723B2 (en) | CMOS image sensor and manufacturing method thereof | |
| JP2009081169A (en) | Solid-state image sensor | |
| JP3220302B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| US7611922B2 (en) | Image sensor and method for manufacturing the same | |
| KR100937654B1 (en) | Image Sensor and Method of Manufaturing Thereof | |
| CN113130522B (en) | Image sensor with partially encapsulated attenuation layer | |
| TWI455296B (en) | Solid-state imaging device, method of manufacturing thereof, and electronic apparatus | |
| US11527563B2 (en) | Photodetector using a buried gate electrode for a transfer transistor and methods of manufacturing the same | |
| JP4181487B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
| JP2007019189A (en) | Solid-state image sensor and its manufacturing method | |
| JP2007147738A (en) | Color filter and its manufacturing method, and solid-state imaging element using the same and its manufacturing method | |
| JP2009049117A (en) | Method of forming color filter of solid-state image pickup device, solid-state image pickup device, and pattern mask set for solid-state image pickup device | |
| JP2005033074A (en) | Solid state imaging device and its manufacturing method | |
| JP2006073731A (en) | Solid-state imaging device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070119 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20070731 |