JP2007214351A - Ccd-type solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はCCD(Charge Coupled Devices:電荷結合素子)型固体撮像素子に係り、特に、スミア特性を改善したCCD型固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a CCD (Charge Coupled Devices) type solid-state imaging device, and more particularly to a CCD type solid-state imaging device with improved smear characteristics.
図5は、従来のCCD型固体撮像素子の略2画素分の断面模式図である。従来のCCD型固体撮像素子は、半導体基板1の表面部にn領域2が形成されることでpウェル層3との間でpn接合(フォトダイオード)が形成され、n領域2の一側に高濃度p型不純物領域4が形成されることでチャネルストップ(素子分離領域)が形成され、n領域2の他側にp領域の読み出しゲート部5を介して垂直転送路(VCCD)を構成する埋め込みチャネル(n領域)6が形成される。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of approximately two pixels of a conventional CCD solid-state imaging device. In the conventional CCD type solid-state imaging device, a pn junction (photodiode) is formed with the p well layer 3 by forming the
半導体基板1の表面には絶縁層7を介して遮光膜8が積層され、n領域2の直上に遮光膜8の開口8aが設けられる。遮光膜8の下の埋め込みチャネル6の直上には垂直転送路を構成する転送電極膜9が積層される。
A
従来のCCD型固体撮像素子は、1画素を構成するフォトダイオードの遮光膜開口端のうち隣接画素側開口端から当該隣接画素側チャネルストップ4の遠方端部までの距離W1と、遮光膜開口端のうち反対側隣接画素側開口端から読み出しゲート部5の遠方端部(自身の画素の信号電荷を読み出す埋め込みチャネル6の近方端部)までの距離W2とが等距離(W1=W2)となるように遮光膜9の開口8aが設けられる様になっている。
The conventional CCD type solid-state imaging device has a distance W1 from the adjacent pixel side opening end to the far end of the adjacent pixel side channel stop 4 among the light shielding film opening ends of the photodiodes constituting one pixel, and the light shielding film opening end. The distance W2 from the open end on the opposite adjacent pixel side to the far end of the readout gate 5 (the near end of the buried
尚、従来技術に関連するものとして、例えば下記の特許文献1,2がある。
In addition, there exist the following
CCD型固体撮像素子は、半導体基板表面部の各所にn型やp型の不純物が注入されることで製造され、その撮像特性を良好にするために不純物濃度プロファイルが細かく制御される。この結果、遮光膜開口部近傍の不純物濃度プロファイルは非対称になっている。 A CCD solid-state imaging device is manufactured by implanting n-type or p-type impurities at various locations on the surface of a semiconductor substrate, and the impurity concentration profile is finely controlled in order to improve the imaging characteristics. As a result, the impurity concentration profile near the opening of the light shielding film is asymmetric.
従来は、不純物濃度プロファイルの非対称性はあまり問題でなかったが、近年のCCD型固体撮像素子は数百万画素以上を搭載するために微細化が進み、この結果、上記の非対称性に起因するスミアの発生が無視できなくなってきている。 Conventionally, the asymmetry of the impurity concentration profile has not been much of a problem, but recent CCD-type solid-state imaging devices have been miniaturized to include more than several million pixels. As a result, the above-described asymmetry is caused. The occurrence of smears can no longer be ignored.
本発明の目的は、不純物濃度プロファイルの非対称に起因するスミアを低減できるCCD型固体撮像素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a CCD type solid-state imaging device capable of reducing smear caused by an asymmetry of an impurity concentration profile.
本発明のCCD型固体撮像素子は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された光電変換素子と、該光電変換素子の一側部に読み出しゲートを介して形成された第1電荷転送路埋め込みチャネルと、該光電変換素子の他側部にチャネルストップを介して形成された第2電荷転送路埋め込みチャネルと、前記半導体基板の表面を覆い前記光電変換素子の直上に開口が形成された遮光膜とを備えるCCD型固体撮像素子において、前記遮光膜の前記開口の位置を、前記第2電荷転送路埋め込みチャネルより前記第1電荷転送路埋め込みチャネル側に偏奇させて形成したことを特徴とする。 The CCD solid-state imaging device of the present invention includes a photoelectric conversion element arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate, and a first charge formed on one side of the photoelectric conversion element via a readout gate. A transfer path buried channel, a second charge transfer path buried channel formed on the other side of the photoelectric conversion element via a channel stop, and an opening is formed directly above the photoelectric conversion element covering the surface of the semiconductor substrate. In the CCD type solid-state imaging device provided with the light shielding film, the position of the opening of the light shielding film is formed to be deviated from the second charge transfer path buried channel side to the first charge transfer path buried channel side. And
本発明のCCD型固体撮像素子は、前記光電変換素子の表面部に該光電変換素子の導電型と逆導電型の2層構造の不純物拡散層を備え、該不純物拡散層の表面側の第1層を該第1層の不純物濃度より低濃度の第2層が囲む構造とし、前記第1層の端部と前記チャネルストップとの間の距離より該第1層の端部と前記読み出しゲートとの間の距離が長いことを特徴とする。 The CCD type solid-state imaging device of the present invention includes an impurity diffusion layer having a two-layer structure of a conductivity type and a reverse conductivity type of the photoelectric conversion element on a surface portion of the photoelectric conversion element, and a first on the surface side of the impurity diffusion layer. The layer is surrounded by a second layer having a lower concentration than the impurity concentration of the first layer, and the end of the first layer and the read gate are separated from the distance between the end of the first layer and the channel stop. The distance between is long.
本発明のCCD型固体撮像素子は、前記開口の前記第2電荷転送路側端部と前記第2電荷転送路埋め込みチャネルの近端部との間の距離W1と、前記開口の前記第1電荷転送路側端部と前記第1電荷転送路埋め込みチャネルの近端部との間の距離W2との比W1/W2が、1<W1/W2≦6/5であることを特徴とする。 The CCD type solid-state imaging device of the present invention includes a distance W1 between the second charge transfer path side end of the opening and a near end of the second charge transfer path buried channel, and the first charge transfer of the opening. The ratio W1 / W2 of the distance W2 between the path side end and the near end of the first charge transfer path buried channel is 1 <W1 / W2 ≦ 6/5.
本発明によれば、遮光膜開口近傍における不純物濃度プロファイルの非対称性に基づくスミアを低減することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce smear based on the asymmetry of the impurity concentration profile in the vicinity of the opening of the light shielding film.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るCCD型固体撮像素子の略2画素分の断面模式図である。この固体撮像素子20は、n型半導体基板21の受光面(半導体基板のほぼ中央部)に多数の画素(フォトダイオード)がアレイ状に配列形成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of approximately two pixels of the CCD type solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. In the solid-
n型半導体基板21の表面部には、pウェル層22が形成されている。pウェル層22の画素領域にn領域23が形成されることでpウェル層22との間でフォトダイオード(光電変換素子)が形成され、電荷転送領域にn領域24が形成されることで電荷転送路の埋め込みチャネルが形成される。
A p-
n領域23と、n領域23の蓄積電荷を転送する埋め込みチャネル24との間には蓄積電荷を読み出す読出ゲート(p領域)25が形成され、埋め込みチャネル24の読出ゲート25を設けない反対側のn領域24との間には、素子分離部(p+領域(“+”は、周りより相対的に濃度が高いこと意味する。):チャネルストップ)26が形成される。n領域23の表面部には、暗電流抑制用の表面p層(不純物拡散層)27が設けられている。
A read gate (p region) 25 for reading the accumulated charge is formed between the
この様な構成の半導体基板21の上層部に、光学層が積層される。先ず、半導体基板21の表面全面に、透明な絶縁層31が積層される。この絶縁層31は、ONO(酸化膜―窒化膜―酸化膜)構造で形成される。そして、電荷転送領域の上に、電荷転送路の転送電極を構成する第1層ポリシリコン層32と第2層ポリシリコン層33とが、酸化シリコン等の電極間絶縁膜34によって相互に分離されて形成される。
An optical layer is laminated on the upper layer portion of the
更に、その上の全面に、透明な絶縁層35が積層される。この絶縁層35は、例えば窒化シリコン膜でなる。更にその上に、タングステン等の金属膜が遮光膜36として積層される。この遮光膜36は、光電変換領域の直上に開口36aを有し、開口36a内に入射した光は、窒化シリコン膜35,絶縁層31を通してn領域23に入る。この窒化シリコン膜35は、反射防止の機能を有する。
Further, a transparent insulating
遮光膜36の上には、平坦化層を兼用する層間絶縁層37が積層される。層間絶縁層37は、例えば、BPSG膜(borophospho silicate glass)あるいはPSG膜(phospho silicate glass)で形成される。
On the
平坦化層37の上面は、CPMやエッチバックにより平坦に削成され、その上に、カラーフィルタ層39,平坦化層40,マイクロレンズ(トップレンズ)41が順に積層される。
The upper surface of the
図示するCCD型固体撮像素子20の遮光膜開口36a近傍の不純物濃度は、開口36a直下の表面不純物拡散層27が「p」、チャネルストップ26が「p+」、読み出しゲート部25が「p」となっている。
The impurity concentration in the vicinity of the light-shielding film opening 36a of the CCD type solid-
遮光膜開口36aを中心にして見ると、チャネルストップ26のp濃度が高く、読み出しゲート25側のp濃度が低くなっており、非対称になっている。そして、高濃度のp+領域でなるチャネルストップ26は、隣接画素用の埋め込みチャネル24a(図1では左側チャネル24)に接する位置まで形成されている。
When viewed from the light
ここで、入射光のうち斜めに入射する光が遮光膜36と半導体基板21との間の透明絶縁層31,35に入るとスミアが発生する。スミアによる拡散電流はp層を伝うため、p+領域の方が、即ち、チャネルストップ26側の方が、読み出しゲート部25側よりスミアが発生し易い。即ち、チャネルストップ26側の方にスミア電流が流れやすく、隣接画素の埋め込みチャネル24a内に入り込む確率が高くなる。
Here, smear is generated when obliquely incident light of incident light enters the transparent insulating
そこで、本実施形態のCCD型固体撮像素子20では、斜め入射光が入り込む入口すなわち、開口36aのチャネルストップ側開口端36bの位置をチャネルストップ26から離す。そして、読み出しゲート側開口端36cを読み出しゲート25側にずらし、開口36aの大きさ自体は変更しない構成とする。
Therefore, in the CCD type solid-
即ち、開口36aのチャネルストップ側開口端36bとチャネルストップ26の遠方端部までの距離W1を、開口36aの読み出しゲート側開口端36cと読み出しゲート部25の遠方端部までの距離W2より長く(W1>W2)する。
That is, the distance W1 between the opening
図2は本実施形態のCCD型固体撮像素子((a)図)と従来のCCD型固体撮像素子((b)図)の比較図であり、本実施形態では、遮光膜開口36aの位置が、従来より、隣接電荷転送路(VCCD)24a即ちチャネルストップ26から離れ自身の電荷転送路24bの方に近づく様に偏奇して形成される。
FIG. 2 is a comparison diagram of the CCD type solid-state imaging device (FIG. 2A) of the present embodiment and the conventional CCD type solid-state imaging device (FIG. 2B). In this embodiment, the position of the light shielding film opening 36a is as follows. Conventionally, the charge transfer path is formed so as to be separated from the adjacent charge transfer path (VCCD) 24a, that is, the
本実施形態のCCD型固体撮像素子20の様に、距離W1を長くすることで、スミアの拡散電流が隣接画素の埋め込みチャネル24a内に流れ込む確率が小さくなり、スミアによる影響を抑制することが可能となる。また、距離W2を短くすることで、開口36aの大きさを小さくせずに済み、この結果、受光感度の低下が抑制される。
Like the CCD type solid-
図3は、スミア(規格値)と遮光膜開口36a位置(W1/W2)との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。遮光膜開口位置に対するスミア特性Iは、W1/W2=1の位置に対して非対称となっている。これは、不純物濃度プロファイルの非対称性に起因する。
FIG. 3 is a graph showing the result of simulating the relationship between smear (standard value) and the position of the light
遮光膜開口位置がW1/W2<1の方向にずれるに従って急激にスミア特性が劣化するのは、高濃度不純物領域で形成されるチャネルストップ26に近づくからである。本実施形態では、遮光膜開口の大きさを維持するために遮光膜開口端36cを電荷読出側の電荷転送路24bに近づけているが、あまり近づけすぎると、逆に、スミア特性も劣化する。これは、開口端36c側から入射した光によるスミア拡散電流が電荷転送路24bに流れ込む確率が高くなるからである。
The reason why the smear characteristic rapidly deteriorates as the light shielding film opening position shifts in the direction of W1 / W2 <1 is that it approaches the
図3から分かる様に、スミア特性Iは、1<W1/W2≦6/5の範囲で極小値をとる。このため、この極小値をとる範囲に遮光膜開口位置をずらすことで、スミア特性の改善を図ることができる。 As can be seen from FIG. 3, the smear characteristic I takes a minimum value in the range of 1 <W1 / W2 ≦ 6/5. For this reason, the smear characteristic can be improved by shifting the opening of the light shielding film within the range where the minimum value is obtained.
遮光膜開口は微細な大きさであり、製造バラツキが存在する。このため、W1/W2=1の位置に遮光膜開口を製造しても、その位置はW1/W2=1を中心に前後にばらつくことになる。W1/W2<1の方向にばらついたCCD型固体撮像素子は、スミア特性が悪いために不良品になってしまい、製造歩留まりを低下させる要因になる。 The light-shielding film opening has a minute size and manufacturing variation exists. For this reason, even if the light shielding film opening is manufactured at the position of W1 / W2 = 1, the position varies back and forth around W1 / W2 = 1. CCD type solid-state imaging devices that vary in the direction of W1 / W2 <1 are inferior due to poor smear characteristics, which causes a reduction in manufacturing yield.
これに対し、本実施形態の様に、遮光膜開口位置をスミア特性が極小値をとる位置に製造した場合、製造バラツキでチャネルストップ側に開口位置がずれても、スミア特性は劣化しないため不良品にならず、製造歩留まりが向上することになる。つまり、製造コストの低減とスミア特性の改善の両方を図ることが可能となる。 On the other hand, when the light shielding film opening position is manufactured at a position where the smear characteristic takes the minimum value as in this embodiment, even if the opening position is shifted to the channel stop side due to manufacturing variation, the smear characteristic is not deteriorated, and therefore it is not necessary. It will not be a good product, and the manufacturing yield will be improved. That is, it is possible to reduce both the manufacturing cost and the smear characteristic.
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態に係るCCD型固体撮像素子の略2画素分の断面模式図である。本実施形態のCCD型固体撮像素子50と第1実施形態のCCD型固体撮像素子20との違いは、n領域23の表面に設ける不純物拡散層27の構造にあり、その他の構造は第1実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of approximately two pixels of a CCD solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The difference between the CCD solid-
図1に示される第1実施形態の不純物拡散層27(図1では、n領域23と同程度の厚さに図示しているが、実際には薄く製造される。図4においても同様。)は、均一濃度のp層で構成される。
The
これに対し、本実施形態の不純物拡散層27は、p−層(“−”は、周りより相対的に不純物濃度が薄いことを意味する。)27aと、p−層27aの表面部に設けられるp層27bの2層構造でなる。
In contrast, the
しかも、p層27bの側端部がチャネルストップ26及び読み出しゲート部25に接しないようにp層27bはp−層27aの内側に形成される。そして、チャネルストップ26端部とp層27b端部との間のp−層27aの幅dに対して、読み出しゲート部25端部とp層27b端部との間のp−層27aの幅tが広くなるように形成される。
In addition, the
p層27bをp−層27aで囲むように設けるのは、以下の理由による。p層27bをn領域23の表面部に設けるのは、暗電流抑制のためであり、p層27bを設けることにより、暗電流成分として発生した自由電子がp層27b内のホールにトラップされ、撮像画像上の白キズの発生が抑制される。
The
しかし、p層27bを設けると、p層27bと読み出しゲート部25との間や、p層27bとn領域23との間の電界が強くなり、この電界によって流れるリーク電流が大きくなる。そこで、p層27bをp−層27aで囲み、上記の電界を弱めている。
However, when the
本実施形態のCCD型固体撮像素子50でも、図4に示す様に、第1実施形態と同様に、距離W2を短くしている。そこで、本実施形態では、p層27b端部と読み出しゲート部25との距離tを、p層27b端部とチャネルストップ26との距離dより長くして読み出しゲート部25側の電界を弱め、読み出し側へのリーク電流を更に小さくする様にしている。
Also in the CCD solid-
本発明に係るCCD型固体撮像素子は、スミア特性が改善されるため、デジタルカメラ等に搭載するイメージセンサとして有用である。 The CCD solid-state imaging device according to the present invention is useful as an image sensor mounted on a digital camera or the like because smear characteristics are improved.
20,50 CCD型固体撮像素子
21 半導体基板
22 pウェル層
23 n領域(電荷蓄積領域)
24 埋め込みチャネル(VCCD)
25 読み出しゲート部(p領域)
26 チャネルストップ(p+領域)
27 表面不純物拡散層(p層)
27a p−層
27b p層
36 遮光膜
36a 遮光膜開口
36b 遮光膜開口のチャネルストップ側端部
36c 遮光膜開口の読み出しゲート側端部
20, 50 CCD type solid-
24 buried channel (VCCD)
25 Read gate (p region)
26 channel stop (p + region)
27 Surface impurity diffusion layer (p layer)
27a p - layer
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