JP2008124143A - Solid state imaging device - Google Patents

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久典 井原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high sensitivity solid state imaging device wherein the transfer efficiency for signal charge is improved while realizing low voltage drive. <P>SOLUTION: The solid state imaging device according to one embodiment of this invention comprises a semiconductor substrate provided with an n-type semiconductor layer on the main surface thereof, an element isolation region including an insulating film and a p-type semiconductor layer provided in the n-type semiconductor layer for electrically isolating adjacent pixel regions, a gate electrode provided on the surface of the n-type semiconductor layer via a gate insulating film, a charge storage layer of an n-type semiconductor provided in the n-type semiconductor layer on one side of the gate electrode and spaced apart from the surface, a surface shield layer of a p-type semiconductor layer provided in the n-type semiconductor layer above the charge storage layer and spaced apart from the charge storage layer and provided not spaced apart from the gate electrode in the plan view, and an impurity layer of an n-type semiconductor provided in a part of the region between the charge storage layer and the surface shield layer and so provided that it includes the upper end of the charge storage layer on the gate electrode side and it overlaps a part of the charge storage layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像装置に係り、特に、MOS(metal-oxide-semiconductor)型固体撮像装置の画素の構造に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a pixel structure of a metal-oxide-semiconductor (MOS) type solid-state imaging device.

MOS型固体撮像装置は、特に、低電圧駆動、低消費電力の用途に、従来のCCD(charge coupled device)型固体撮像装置(以降、CCDイメージセンサと呼ぶ)に代わって使用されてきている。   MOS type solid-state imaging devices have been used in place of conventional CCD (charge coupled device) type solid-state imaging devices (hereinafter referred to as CCD image sensors), particularly for low voltage drive and low power consumption applications.

MOS型固体撮像装置は、基本的にはCMOSプロセスで製造されるため他のCMOS回路との統合が容易であり、同一半導体ウェハ上に光電変換素子(フォトダイオードとも呼ばれる)とMOSトランジスタとが併設される。CMOS(complementary MOS)タイプの増幅型固体撮像装置(以降、CMOSイメージセンサと呼ぶ)では、光信号を光電変換素子により検出し、発生した信号電荷を電荷蓄積層に蓄積することによってこの電位を変調し、その電荷蓄積層の電位により画素セル内部の増幅トランジスタを変調することで画素セル自身に増幅機能を持たせている。このCMOSイメージセンサは、例えば、3Vの低電圧、単一電源で駆動され、50mWの低消費電力である。   Since a MOS type solid-state imaging device is basically manufactured by a CMOS process, it can be easily integrated with other CMOS circuits. A photoelectric conversion element (also called a photodiode) and a MOS transistor are provided on the same semiconductor wafer. Is done. In a CMOS (complementary MOS) type amplification type solid-state imaging device (hereinafter referred to as a CMOS image sensor), an optical signal is detected by a photoelectric conversion element, and the generated signal charge is stored in a charge storage layer to modulate this potential. The pixel cell itself has an amplification function by modulating the amplification transistor inside the pixel cell by the potential of the charge storage layer. This CMOS image sensor is driven by, for example, a low voltage of 3 V and a single power source, and has a low power consumption of 50 mW.

従来から固体撮像装置においては、白傷・暗電流の低減のため、光電変換素子を構成するn型半導体層からなる電荷蓄積層の表面にp型半導体層からなる表面シールド層を形成した、いわゆる表面シールド構造が採用されている。電荷蓄積層に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート電極下に形成されるチャネルを経由して検出部に転送される。   Conventionally, in a solid-state imaging device, a surface shield layer made of a p-type semiconductor layer is formed on the surface of a charge storage layer made of an n-type semiconductor layer that constitutes a photoelectric conversion element in order to reduce white scratches and dark current. A surface shield structure is adopted. The signal charge stored in the charge storage layer is transferred to the detection unit via a channel formed under the readout gate electrode.

CCDイメージセンサでは、読み出しゲート電極に高電圧、例えば、10Vを印加するため、電荷蓄積層の全ての信号電荷が検出部に読み出される。しかし、CMOSイメージセンサでは、読み出しゲート電極に印加できる電圧が低い、例えば、3.3Vであるため、表面シールド層による電位障壁のために、電荷蓄積層の全ての信号電荷を検出部に転送することができなくなる。   In the CCD image sensor, since a high voltage, for example, 10 V is applied to the readout gate electrode, all signal charges in the charge storage layer are read out to the detection unit. However, in the CMOS image sensor, since the voltage that can be applied to the readout gate electrode is low, for example, 3.3 V, all signal charges in the charge storage layer are transferred to the detection unit due to the potential barrier by the surface shield layer. I can't do that.

CMOSイメージセンサにおいて、この信号電荷の転送効率を向上させた固体撮像装置が、特許文献1に開示されている。従来のCMOSイメージセンサは、p型ウェル中に能動領域を形成している。特許文献1のCMOSイメージセンサは、このp型ウェル中にn型の電荷蓄積層を形成し、読み出しゲート電極に突起部を設け、その一部がこの電荷蓄積層の上方に突き出すように配置して信号電荷の転送効率を向上させている。さらに、ゲート電極の突起部と電荷蓄積層との間に電荷蓄積層と同じn型不純物層を設けて、信号電荷の転送効率をさらに向上させている。   Patent Document 1 discloses a solid-state imaging device that improves the signal charge transfer efficiency in a CMOS image sensor. In the conventional CMOS image sensor, an active region is formed in a p-type well. In the CMOS image sensor of Patent Document 1, an n-type charge storage layer is formed in the p-type well, a protrusion is provided on the read gate electrode, and a part of the protrusion is projected above the charge storage layer. Thus, the signal charge transfer efficiency is improved. Further, the same n-type impurity layer as that of the charge storage layer is provided between the protrusion of the gate electrode and the charge storage layer to further improve the signal charge transfer efficiency.

また、特許文献2に開示された固体撮像装置は、p型ウェル中に形成されたn型の電荷蓄積層とp型の表面シールド層との間に電荷蓄積層の全面を覆うn型の第2の拡散層を設けている。この第2の拡散層をゲート電極の下方まで延在させることにより、信号電荷の転送効率を向上させている。
特開2003−188367号公報 特開2005−72236号公報
Further, the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 2 has an n-type first covering the entire surface of the charge storage layer between the n-type charge storage layer formed in the p-type well and the p-type surface shield layer. Two diffusion layers are provided. By extending the second diffusion layer to below the gate electrode, the signal charge transfer efficiency is improved.
JP 2003-188367 A JP 2005-72236 A

本発明は、低電圧駆動を実現しつつ信号電荷の転送効率を向上させた高感度な固体撮像装置を提供する。   The present invention provides a high-sensitivity solid-state imaging device that improves signal charge transfer efficiency while realizing low-voltage driving.

本発明の1態様による固体撮像装置は、主面にn型半導体層を備えた半導体基板と、前記n型半導体層中に設けられた絶縁膜及びp型半導体層を含み、隣接する画素領域を電気的に分離する素子分離と、前記n型半導体層の表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側の前記n型半導体層中に前記表面から離間して設けられたn型半導体の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方の前記n型半導体層中に該電荷蓄積層から離間して設けられ、平面的に前記ゲート電極と離間せずに設けられたp型半導体の表面シールド層と、前記電荷蓄積層と前記表面シールド層との間の領域の一部に設けられ、前記電荷蓄積層の前記ゲート電極側の上端を含み該電荷蓄積層の一部と重なって設けられたn型半導体の不純物層とを具備する。   A solid-state imaging device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor substrate including an n-type semiconductor layer on a main surface, an insulating film and a p-type semiconductor layer provided in the n-type semiconductor layer, and includes adjacent pixel regions. Device isolation for electrical isolation, a gate electrode provided on the surface of the n-type semiconductor layer via a gate insulating film, and the n-type semiconductor layer on one side of the gate electrode spaced apart from the surface The n-type semiconductor charge storage layer provided above and the n-type semiconductor layer above the charge storage layer are provided apart from the charge storage layer, and provided in a plane without being separated from the gate electrode. A p-type semiconductor surface shield layer and a part of a region between the charge storage layer and the surface shield layer, and including an upper end of the charge storage layer on the gate electrode side. Impurities of n-type semiconductors that overlap with a part Comprising the door.

本発明によって、低電圧駆動を実現しつつ信号電荷の転送効率を向上させた高感度な固体撮像装置が提供される。   The present invention provides a high-sensitivity solid-state imaging device that realizes low-voltage driving and improves signal charge transfer efficiency.

本発明の実施形態は、n型半導体層中に画素の能動素子を形成することによって高感度化し、ゲート電極側のn型電荷蓄積層上の一部にn型不純物層を設けることによって低い読み出し電圧であっても信号電荷の転送効率を高めた固体撮像装置を提供する。この固体撮像装置は、例えば、3.3Vの単一電源による低電圧駆動を実現する。   In the embodiment of the present invention, high sensitivity is obtained by forming an active element of a pixel in an n-type semiconductor layer, and low readout is achieved by providing an n-type impurity layer on a part of the n-type charge storage layer on the gate electrode side. Provided is a solid-state imaging device in which the transfer efficiency of signal charges is increased even with a voltage. This solid-state imaging device realizes low voltage driving by a single power supply of 3.3V, for example.

本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the figure, corresponding parts are indicated by corresponding reference numerals. The following embodiment is shown as an example, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

(実施形態)
本発明の1実施形態によるMOS型固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の一例を図1,図2に示す。図1は、1画素の一部の平面図であり、図2は、図1にA−Aで示した切断線に沿った断面図である。
(Embodiment)
An example of a MOS type solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a plan view of a part of one pixel, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

本実施形態によるCMOSイメージセンサ100の画素は、ゲート電極24、n型半導体層14中に設けられたn型半導体の電荷蓄積層26、n型半導体の不純物層28、p型半導体の表面シールド層30、及びn型半導体の検出部32を含む。電荷蓄積層26及び表面シールド層30は、ゲート電極22と自己整合的に設けられ、両者は、深さ方向に離間して設けられている。不純物層28は、電荷蓄積層26と表面シールド層30との間の深さに設けられ、電荷蓄積層26の一部と重なるように設けられている。不純物層28は、さらにゲート電極24の下方に延在して設けられている。   The pixel of the CMOS image sensor 100 according to the present embodiment includes a gate electrode 24, an n-type semiconductor charge storage layer 26 provided in the n-type semiconductor layer 14, an n-type semiconductor impurity layer 28, and a p-type semiconductor surface shield layer. 30 and an n-type semiconductor detector 32. The charge storage layer 26 and the surface shield layer 30 are provided in a self-aligned manner with the gate electrode 22, and both are provided apart in the depth direction. The impurity layer 28 is provided at a depth between the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30, and is provided so as to overlap a part of the charge storage layer 26. The impurity layer 28 is further provided below the gate electrode 24.

n型半導体層14にCMOSイメージセンサの電荷蓄積層26を含む光電変換部を形成することによって、従来のp型半導体層中に電荷蓄積層を形成した場合と比べて高感度化できる。すなわち、n型半導体層の方が、p型半導体層よりも空乏層の広がりを大きくできるため、光電変換された電子の捕獲効率を高めることができるためである。   By forming the photoelectric conversion portion including the charge storage layer 26 of the CMOS image sensor in the n-type semiconductor layer 14, the sensitivity can be increased compared to the case where the charge storage layer is formed in the conventional p-type semiconductor layer. That is, the n-type semiconductor layer can expand the depletion layer more than the p-type semiconductor layer, so that the efficiency of capturing photoelectrically converted electrons can be increased.

また、上記のように不純物層28を設けることによって、表面シールド層30によるゲート電極24下のチャネル領域にできる電位障壁の発生を抑制できる。その結果、低いゲート電圧、例えば、3.3Vであっても電荷蓄積層26内に蓄積された信号電荷を検出部32に効率的に転送できるようにしている。   Further, by providing the impurity layer 28 as described above, it is possible to suppress the generation of a potential barrier formed in the channel region under the gate electrode 24 by the surface shield layer 30. As a result, the signal charge stored in the charge storage layer 26 can be efficiently transferred to the detection unit 32 even at a low gate voltage, for example, 3.3V.

不純物層28は、図1に示したように素子分離16から離間して設けることによってリーク電流を低減できる。図3は、不純物層28と素子分離16との間の距離と不純物層28からのリーク電流の関係を示す図である。横軸は、不純物層28と素子分離16との間の距離を示す。縦軸は、リーク電流が所定値以下である素子の割合(以降、リーク電流指数と呼ぶ)を任意スケールで示したものである。すなわち、リーク電流指数が大きいものほど好ましい特性を有する。不純物層28が素子分離16と接触している場合には、リーク電流指数は、約0.8であり低い値である。不純物層28と素子分離16との間隔が0.2μmになるとリーク電流指数は、0.8と2.5との間でばらつく。さらに間隔が大きくなり0.4μm以上になるとリーク電流指数は、2から2.5の間でほぼ一定になる。したがって、不純物層28からのリーク電流を小さくするためには不純物層28を素子分離16から0.3μm以上離すことが好ましい。さらに好ましくは、0.4μm以上離すことである。   Leakage current can be reduced by providing the impurity layer 28 apart from the element isolation 16 as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distance between the impurity layer 28 and the element isolation 16 and the leakage current from the impurity layer 28. The horizontal axis indicates the distance between the impurity layer 28 and the element isolation 16. The vertical axis represents the ratio of elements having a leakage current equal to or less than a predetermined value (hereinafter referred to as a leakage current index) on an arbitrary scale. That is, the larger the leakage current index, the more preferable characteristics. When the impurity layer 28 is in contact with the element isolation 16, the leakage current index is about 0.8, which is a low value. When the distance between the impurity layer 28 and the element isolation 16 is 0.2 μm, the leakage current index varies between 0.8 and 2.5. When the interval is further increased to 0.4 μm or more, the leakage current index becomes substantially constant between 2 and 2.5. Therefore, in order to reduce the leakage current from the impurity layer 28, the impurity layer 28 is preferably separated from the element isolation 16 by 0.3 μm or more. More preferably, it is separated by 0.4 μm or more.

本実施形態によるCMOSイメージセンサ100の断面構造を図2を参照して説明する。CMOSイメージセンサ100は、p型ドーパントを高濃度にドープした半導体基板(以降、p基板と表記する)12上にエピタキシャル成長させたn型半導体層(以降、nエピ層と表記する)14を備えた半導体ウェハ(以降、n/pウェハと表記する)10を用いて作成される。p基板12は、例えば、ボロン(B)を1〜5×1018cm−3程度ドープしたシリコン基板であり、nエピ層14は、例えば、リン(P)を1〜5×1015cm−3程度ドープした厚さ3〜5μmのシリコン層である。 A cross-sectional structure of the CMOS image sensor 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The CMOS image sensor 100 includes an n-type semiconductor layer (hereinafter referred to as an n-epi layer) 14 epitaxially grown on a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a p + substrate) 12 doped with a p-type dopant at a high concentration. A semiconductor wafer (hereinafter referred to as n / p + wafer) 10 is used. The p + substrate 12 is, for example, a silicon substrate doped with boron (B) at about 1 to 5 × 10 18 cm −3 , and the n-epi layer 14 is, for example, phosphorus (P) with 1 to 5 × 10 15 cm. It is a silicon layer having a thickness of 3 to 5 μm doped with about −3 .

n型半導体層14中には、隣接する画素を電気的に分離する素子分離16が設けられている。素子分離16は、n型半導体層の表面付近に設けられた素子分離絶縁膜16−1及びその下に素子分離絶縁膜16−1とp基板12とを結ぶように設けられたp型半導体の素子分離拡散層16−2とを含む。素子分離16は、1つの画素領域を取り囲んで設けられ、隣接する画素を電気的に分離する。 In the n-type semiconductor layer 14, an element isolation 16 that electrically isolates adjacent pixels is provided. The element isolation 16 includes an element isolation insulating film 16-1 provided near the surface of the n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor provided so as to connect the element isolation insulating film 16-1 and the p + substrate 12 thereunder. Element isolation diffusion layer 16-2. The element isolation 16 is provided so as to surround one pixel region, and electrically isolates adjacent pixels.

n型半導体層14表面にゲート絶縁膜22を介してゲート電極24が設けられている。ゲート絶縁膜22として、例えば、熱酸化によって形成したシリコン酸化膜(SiO膜)を使用できる。ゲート電極24として、例えば、リンを高濃度にドープしたポリシリコン膜を使用できる。図示しないが、ゲート電極24には側壁絶縁膜を設けるのが一般的である。ここでは、ゲート電極24は側壁絶縁膜を含めることができる。 A gate electrode 24 is provided on the surface of the n-type semiconductor layer 14 via a gate insulating film 22. As the gate insulating film 22, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) formed by thermal oxidation can be used. As the gate electrode 24, for example, a polysilicon film doped with phosphorus at a high concentration can be used. Although not shown, the gate electrode 24 is generally provided with a sidewall insulating film. Here, the gate electrode 24 may include a sidewall insulating film.

ゲート電極24の一方の側のn型半導体層14中に表面から離間した深さにn型半導体の電荷蓄積層26が設けられている。電荷蓄積層26は、ゲート電極24から平面的に離間せずに自己整合的に設けられる。電荷蓄積層26は、例えば、リン(P)を加速電圧250〜350KV、ドーズ量1〜5×1012cm−2でイオン注入して形成される。これによりリン濃度のピークが、例えば、表面から約0.2〜0.3μmに位置する。 An n-type semiconductor charge storage layer 26 is provided in the n-type semiconductor layer 14 on one side of the gate electrode 24 at a depth spaced from the surface. The charge storage layer 26 is provided in a self-aligned manner without being spaced apart from the gate electrode 24 in a plan view. The charge storage layer 26 is formed, for example, by ion implantation of phosphorus (P) at an acceleration voltage of 250 to 350 KV and a dose of 1 to 5 × 10 12 cm −2 . Thereby, the peak of phosphorus concentration is located, for example, about 0.2 to 0.3 μm from the surface.

電荷蓄積層26上方のn型半導体層14表面にp型不純物を高濃度にドープした表面シールド層30が設けられている。表面シールド層30は、電荷蓄積層26に対する界面準位の影響を防止し、電荷蓄積層26の表面での空乏化を回避する。p型不純物、例えば、ボロン(B)は、加速電圧10KV、ドーズ量1〜5×1013cm−2でイオン注入される。これにより、例えば、表面から約0.1μm未満の深さにボロン濃度が約1×1019cm−3の高濃度p型拡散層である表面シールド層30が形成される。表面シールド層30は、ゲート電極24から平面的に離間せずに自己整合的に設けられる。このような構造とすることで、電荷蓄積層26と表面シールド層30との間にn型半導体層14を存在させることができ、電荷蓄積層26と表面シールド層30とが平面的に直接接することを回避できる。このため、電荷蓄積層26からのリーク電流を低減できる。 A surface shield layer 30 doped with a high concentration of p-type impurities is provided on the surface of the n-type semiconductor layer 14 above the charge storage layer 26. The surface shield layer 30 prevents the influence of the interface state on the charge storage layer 26 and avoids depletion on the surface of the charge storage layer 26. A p-type impurity such as boron (B) is ion-implanted at an acceleration voltage of 10 KV and a dose of 1 to 5 × 10 13 cm −2 . Thereby, for example, the surface shield layer 30 which is a high concentration p-type diffusion layer having a boron concentration of about 1 × 10 19 cm −3 is formed at a depth of less than about 0.1 μm from the surface. The surface shield layer 30 is provided in a self-aligned manner without being spaced apart from the gate electrode 24 in a plan view. With such a structure, the n-type semiconductor layer 14 can be present between the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30, and the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30 are in direct contact with each other in a plane. You can avoid that. For this reason, the leakage current from the charge storage layer 26 can be reduced.

電荷蓄積層26と表面シールド層30との間の領域の一部にn型半導体の不純物層28が設けられている。不純物層28は、図2に示されたように、平面的に電荷蓄積層26のゲート電極24側の一部と重なり、さらにゲート電極24の下方に延在して設けられている。平面的に電荷蓄積層26と重なる不純物層28の部分は、垂直方向にも一部が電荷蓄積層26と重なっている。不純物層28は、ドーパント濃度が電荷蓄積層26よりも高く、表面シールド層30による電位障壁を抑制して、電荷蓄積層26に蓄積された信号電荷の転送を容易にする。上記のように、p型の表面シールド層30とn型の不純物層28の接触面積を小さくすることにより、電荷蓄積層26の信号電荷のリークを抑制している。   An n-type semiconductor impurity layer 28 is provided in part of the region between the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30. As shown in FIG. 2, the impurity layer 28 is provided so as to overlap a part of the charge storage layer 26 on the gate electrode 24 side in a plan view and further extend below the gate electrode 24. A portion of the impurity layer 28 that overlaps the charge storage layer 26 in plan view partially overlaps the charge storage layer 26 also in the vertical direction. The impurity layer 28 has a dopant concentration higher than that of the charge storage layer 26, suppresses a potential barrier due to the surface shield layer 30, and facilitates transfer of signal charges stored in the charge storage layer 26. As described above, by reducing the contact area between the p-type surface shield layer 30 and the n-type impurity layer 28, leakage of signal charges in the charge storage layer 26 is suppressed.

ゲート電極24を挟んで電荷蓄積層26と対向する側のn型半導体層14には、n型半導体の検出部32が設けられている。検出部32と不純物層28とは、パンチスルーしない程度の距離を離間して設けられる。検出部32と電荷蓄積層26又は不純物層28との間のパンチスルーを防止するために、パンチスルーストッパとして機能するp型不純物層34が検出部32の下に設けられている。信号電荷は、電荷蓄積層26からゲート電極24下に形成されるチャネルを通って検出部32に転送される。   An n-type semiconductor detector 32 is provided in the n-type semiconductor layer 14 on the side facing the charge storage layer 26 with the gate electrode 24 interposed therebetween. The detection unit 32 and the impurity layer 28 are provided at a distance that does not punch through. In order to prevent punch-through between the detection unit 32 and the charge storage layer 26 or the impurity layer 28, a p-type impurity layer 34 that functions as a punch-through stopper is provided below the detection unit 32. The signal charge is transferred from the charge storage layer 26 to the detection unit 32 through a channel formed under the gate electrode 24.

このように表面シールド構造を採用したCMOSイメージセンサにおいて、例えば、電荷蓄積層26と表面シールド層30との間に不純物層28を形成することによって、電荷蓄積層26内に蓄積された信号電荷を読み出し易くすることができる。   In the CMOS image sensor adopting the surface shield structure as described above, for example, by forming the impurity layer 28 between the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30, the signal charge stored in the charge storage layer 26 is changed. Reading can be facilitated.

図4は、本実施形態による固体撮像装置の信号電荷転送を説明するために示すゲート電極付近のポテンシャル図である。図4(a)は、本実施形態の不純物層28を有するCMOSイメージセンサの場合を示す。図4(b)は、参考のために示す不純物層28がない従来構造のCMOSイメージセンサの場合である。   FIG. 4 is a potential diagram in the vicinity of the gate electrode for explaining the signal charge transfer of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 4A shows a case of a CMOS image sensor having the impurity layer 28 of the present embodiment. FIG. 4B shows a CMOS image sensor having a conventional structure without the impurity layer 28 shown for reference.

不純物層28を設けることによって表面シールド層30によるチャネル部での電位障壁の発生を抑えることが可能となる。その結果、図4(a)に示したように、ゲート電極24に印加する読み出し電圧Vgが、例え3.3V程度の低い電圧であっても、電荷蓄積層26のゲート電極24端部でのポテンシャルを破線で示したように十分に低くすることができる。すなわち、電荷蓄積層26内に蓄積されたすべての信号電荷を確実に読み出して、検出部28へと転送することができる。一方、不純物層28を設けない場合には、表面シールド層30による電位障壁のために、図4(b)に示したように、読み出し電圧が3.3V程度と低い場合には、電荷蓄積層26のゲート電極24端部でのポテンシャルを十分に低くでない。このため、信号電荷の読み残しが発生する。   By providing the impurity layer 28, it is possible to suppress the generation of a potential barrier in the channel portion due to the surface shield layer 30. As a result, as shown in FIG. 4A, even when the read voltage Vg applied to the gate electrode 24 is a low voltage of about 3.3 V, for example, at the end of the gate electrode 24 of the charge storage layer 26. The potential can be made sufficiently low as shown by the broken line. That is, all signal charges stored in the charge storage layer 26 can be reliably read out and transferred to the detection unit 28. On the other hand, when the impurity layer 28 is not provided, due to the potential barrier by the surface shield layer 30, as shown in FIG. 4B, when the read voltage is as low as about 3.3V, the charge storage layer The potential at the end of the gate electrode 24 of 26 is not sufficiently low. For this reason, unread reading of the signal charge occurs.

したがって、本実施形態によって、低電圧駆動を実現しつつ信号電荷の転送効率を向上させた高感度な固体撮像装置を提供することができる。   Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a high-sensitivity solid-state imaging device that improves signal charge transfer efficiency while realizing low-voltage driving.

上記の実施形態では、電荷蓄積層26及び表面シールド層30をゲート電極24と自己整合的に設け、不純物層28をゲート電極24下に延在するように設けた固体撮像装置を例に説明したが、本発明は、上記に限定されることなく種々の変形をして実施することができる。そのいくつかの例を下記に示すが、これらに限定されるものではない。   In the above embodiment, the charge storage layer 26 and the surface shield layer 30 are provided in a self-aligned manner with the gate electrode 24, and the solid-state imaging device provided with the impurity layer 28 extending below the gate electrode 24 has been described as an example. However, the present invention is not limited to the above and can be implemented with various modifications. Some examples are shown below, but are not limited thereto.

(変形例1)
本発明の変形例1によるCMOSイメージセンサの断面構造の一例を図5に示す。変形例1のCMOSイメージセンサ110では、電荷蓄積層26、不純物層28、表面シールド層30のゲート電極24側の端部が、いずれもゲート電極24と自己整合的に設けられている。この構造であっても、表面シールド層30による電位障壁の発生を十分に抑制できる。
(Modification 1)
An example of a cross-sectional structure of a CMOS image sensor according to Modification 1 of the present invention is shown in FIG. In the CMOS image sensor 110 of Modification 1, all of the charge storage layer 26, impurity layer 28, and surface shield layer 30 on the gate electrode 24 side are provided in self-alignment with the gate electrode 24. Even with this structure, generation of a potential barrier by the surface shield layer 30 can be sufficiently suppressed.

(変形例2)
本発明の変形例2によるCMOSイメージセンサの断面構造の一例を図6に示す。変形例2のCMOSイメージセンサ120では、表面シールド層30、不純物層28は、ゲート電極24と自己整合的に設けられているが、電荷蓄積層26は、ゲート電極24から平面的に離間して設けられている。このような構造は、例えば、ゲート側壁(図示せず)をゲート電極24に設けた後で電荷蓄積層26を形成することによって作成できる。この構造であっても、表面シールド層30による電位障壁の発生を十分に抑制できる。
(Modification 2)
An example of a cross-sectional structure of a CMOS image sensor according to the second modification of the present invention is shown in FIG. In the CMOS image sensor 120 according to the second modification, the surface shield layer 30 and the impurity layer 28 are provided in a self-aligned manner with the gate electrode 24, but the charge storage layer 26 is separated from the gate electrode 24 in a plan view. Is provided. Such a structure can be created, for example, by forming the charge storage layer 26 after providing the gate sidewall (not shown) on the gate electrode 24. Even with this structure, generation of a potential barrier by the surface shield layer 30 can be sufficiently suppressed.

(変形例3)
本発明の変形例3によるCMOSイメージセンサの断面構造の一例を図7に示す。変形例3のCMOSイメージセンサ130では、表面シールド層30は、ゲート電極24と自己整合的に設けられているが、電荷蓄積層26、不純物層28は、ゲート電極24の下方に延在して設けられている。電荷蓄積層26と不純物層28の先端部は、図7に示したように同じ位置であっても良いし、不純物層28がさらに突き出した位置であっても良い。この構造によって、表面シールド層30による電位障壁の発生を効果的に抑制できる。
(Modification 3)
An example of a cross-sectional structure of a CMOS image sensor according to the third modification of the present invention is shown in FIG. In the CMOS image sensor 130 of Modification 3, the surface shield layer 30 is provided in a self-aligned manner with the gate electrode 24, but the charge storage layer 26 and the impurity layer 28 extend below the gate electrode 24. Is provided. The tip portions of the charge storage layer 26 and the impurity layer 28 may be at the same position as shown in FIG. 7, or may be at a position where the impurity layer 28 further protrudes. With this structure, generation of a potential barrier due to the surface shield layer 30 can be effectively suppressed.

(変形例4)
本発明の変形例3によるCMOSイメージセンサの断面構造の一例を図8に示す。変形例4のCMOSイメージセンサ140では、表面シールド層30は、ゲート電極24と自己整合的に設けられているが、電荷蓄積層26、不純物層28は、ゲート電極24の下方に延在して設けられており、しかも不純物層28は、表面シールド層30と離間して設けられている。電荷蓄積層26と不純物層28の先端部は、図7のように同じ位置であっても良いし、図8に示したように不純物層28が突き出していても良い。この構造によって、表面シールド層30による電位障壁の発生を効果的に抑制できると同時に、下記に説明するように不純物層28と表面シールド層30との接触によるリーク電流を低減できる。
(Modification 4)
An example of a cross-sectional structure of a CMOS image sensor according to Modification 3 of the present invention is shown in FIG. In the CMOS image sensor 140 of Modification 4, the surface shield layer 30 is provided in a self-aligned manner with the gate electrode 24, but the charge storage layer 26 and the impurity layer 28 extend below the gate electrode 24. In addition, the impurity layer 28 is provided apart from the surface shield layer 30. The tip portions of the charge storage layer 26 and the impurity layer 28 may be at the same position as shown in FIG. 7, or the impurity layer 28 may protrude as shown in FIG. With this structure, generation of a potential barrier by the surface shield layer 30 can be effectively suppressed, and at the same time, leakage current due to contact between the impurity layer 28 and the surface shield layer 30 can be reduced as described below.

図9は、不純物層28と表面シールド層30との重なりによって発生するリーク電流の影響を示す図である。横軸は、不純物層28と表面シールド層30とが重なる幅を示し、負の値は両者が離間していることを示す。縦軸は、図3と同様に、リーク電流指数(リーク電流が所定値以下である素子の割合)を任意スケールで示したものである。すなわち、リーク電流指数が大きいものほど好ましい特性を有する。不純物層28と表面シールド層30との重なりがあると、リーク電流指数は、1以下である。しかし、不純物層28と表面シールド層30とが離間して設けられると、リーク電流指数は、2以上になる。すなわち、変形例4の構造が、この重なりによるリーク電流を低減するために好ましい構造であることが示されている。   FIG. 9 is a diagram showing the influence of the leakage current generated by the overlap between the impurity layer 28 and the surface shield layer 30. The horizontal axis indicates the width in which the impurity layer 28 and the surface shield layer 30 overlap, and a negative value indicates that the two are separated from each other. The vertical axis shows the leakage current index (ratio of elements having a leakage current equal to or less than a predetermined value) on an arbitrary scale, as in FIG. That is, the larger the leakage current index, the more preferable characteristics. When there is an overlap between the impurity layer 28 and the surface shield layer 30, the leakage current index is 1 or less. However, when the impurity layer 28 and the surface shield layer 30 are provided apart from each other, the leakage current index becomes 2 or more. That is, it is shown that the structure of the modification 4 is a preferable structure for reducing the leakage current due to the overlap.

(変形例5)
本発明の変形例5によるCMOSイメージセンサ150の平面図の一例を図10に示す。通常、固体撮像装置等の半導体装置では、(100)面を主面とする半導体基板に、長方形又は正方形の半導体装置の一辺が<011>方向に平行になるように製造される。変形例5のCMOSイメージセンサ150は、半導体装置の一辺が、この<011>方向と45°傾斜する<010>方向に平行になるように配置したものである。このように配置することにより、例えば、パッケージング等によって半導体チップに機械的な歪みが加わった場合に、縦方向と横方向との歪み量の違いによるCMOSイメージセンサ150の特性変動を小さくできる。
(Modification 5)
An example of a plan view of a CMOS image sensor 150 according to Modification 5 of the present invention is shown in FIG. Usually, a semiconductor device such as a solid-state imaging device is manufactured on a semiconductor substrate having a (100) plane as a main surface so that one side of a rectangular or square semiconductor device is parallel to the <011> direction. The CMOS image sensor 150 of Modification 5 is arranged so that one side of the semiconductor device is parallel to this <011> direction and a <010> direction inclined by 45 °. By arranging in this way, for example, when mechanical distortion is applied to the semiconductor chip due to packaging or the like, the characteristic fluctuation of the CMOS image sensor 150 due to the difference in distortion amount between the vertical direction and the horizontal direction can be reduced.

(変形例6)
本発明の変形例6によるCMOSイメージセンサ160の平面図の一例を図11に示す。本変形例のCMOSイメージセンサ160は、電荷蓄積層26を含む光電変換部に対してゲート電極24を45°傾斜するように配置したものである。このように配置することにより、CMOSイメージセンサの密な配置が可能になるため、高集積化に適している。本変形例では、光電変換部とゲート電極24とを45°傾斜するように配置するだけでよく、例えば、光電変換部の一辺の方向を上記の実施形態のように<110>方向とし、ゲート電極24を変形例5のように<010>方向に設けることができる。あるいは、光電変換部の一辺の方向を変形例5のように<010>方向とし、ゲート電極24を上記の実施形態のように<110>方向に設けることもできる。
(Modification 6)
An example of a plan view of a CMOS image sensor 160 according to the sixth modification of the present invention is shown in FIG. In the CMOS image sensor 160 of this modification, the gate electrode 24 is disposed so as to be inclined by 45 ° with respect to the photoelectric conversion portion including the charge storage layer 26. By arranging in this way, the CMOS image sensor can be densely arranged, which is suitable for high integration. In this modification, the photoelectric conversion unit and the gate electrode 24 need only be arranged so as to be inclined by 45 °. For example, the direction of one side of the photoelectric conversion unit is the <110> direction as in the above embodiment, and the gate The electrode 24 can be provided in the <010> direction as in the fifth modification. Alternatively, the direction of one side of the photoelectric conversion unit may be the <010> direction as in Modification 5, and the gate electrode 24 may be provided in the <110> direction as in the above embodiment.

以上説明してきたように、表面シールド構造を採用した固体撮像装置、例えば、CMOSイメージセンサにおいて、ゲート電極近くで電荷蓄積層と表面シールド層との間に不純物層を設ける。これにより、電荷蓄積層と信号電荷転送のためのチャネルとの間での表面シールド層による電位障壁の発生を抑えて、電荷蓄積層内に蓄積された全ての信号電荷を低い読み出し電圧、すなわち、ゲート電圧によって十分に読み出すことが可能になる。その結果、電荷蓄積層の信号電荷を読み残しなく検出部へ転送することが可能になる。したがって、電荷蓄積層内に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し電圧を低電圧化できる。特に、単一電源による低電圧駆動を要求されるCMOSイメージセンサに好適である。   As described above, in a solid-state imaging device employing a surface shield structure, such as a CMOS image sensor, an impurity layer is provided between the charge storage layer and the surface shield layer near the gate electrode. This suppresses the generation of a potential barrier by the surface shield layer between the charge storage layer and the channel for signal charge transfer, and reduces all signal charges stored in the charge storage layer to a low read voltage, that is, The gate voltage can be read sufficiently. As a result, it is possible to transfer the signal charge in the charge storage layer to the detection unit without unreading it. Therefore, the read voltage for reading the signal charge stored in the charge storage layer can be lowered. In particular, it is suitable for a CMOS image sensor that requires low voltage driving with a single power source.

しかも、このような構成によれば、電荷蓄積層の表面近傍での表面再結合を制抑するために表面シールド層を設けており、白傷・暗電流の低減の効果も備えている。   In addition, according to such a configuration, the surface shield layer is provided in order to suppress surface recombination in the vicinity of the surface of the charge storage layer, and the effect of reducing white scratches and dark current is also provided.

上記の実施形態では、CMOSイメージセンサに適用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されることなく、CCDイメージセンサ等、種々の構造の固体撮像装置に適用することができる。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS image sensor has been described as an example. However, the present invention is not limited to this and can be applied to solid-state imaging devices having various structures such as a CCD image sensor.

以上説明してきたように、本発明によって、低電圧駆動を実現しつつ信号電荷の転送効率を向上させた高感度な固体撮像装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-sensitivity solid-state imaging device that improves signal charge transfer efficiency while realizing low-voltage driving.

本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、種々の変形を行って実施することができる。それゆえ、本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not intended to be limited to the embodiments disclosed herein, and can be applied to other embodiments without departing from the spirit of the present invention and can be applied to a wide range. It is.

図1は、本発明の1実施形態による固体撮像装置の一例を説明するために示す画素の一部分の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a part of a pixel shown for explaining an example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の1実施形態による固体撮像装置の断面構造の一例を説明するために示す図であり、図1にA−Aで示した切断線に沿った断面図である。FIG. 2 is a view for explaining an example of a cross-sectional structure of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along a cutting line indicated by AA in FIG. 図3は、本発明の1実施形態による固体撮像装置の不純物層と素子分離との間の距離とリーク電流の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distance between the impurity layer and the element isolation and the leakage current of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の1実施形態による固体撮像装置の信号電荷転送を説明するために示すゲート電極付近のポテンシャル図であり、図4(a)は、本実施形態の不純物層を有する場合、図4(b)は、不純物層がない従来構造の場合である。FIG. 4 is a potential diagram in the vicinity of the gate electrode for explaining the signal charge transfer of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the case where the impurity layer of the present embodiment is provided. FIG. 4B shows a conventional structure without an impurity layer. 図5は、本発明の変形例1による固体撮像装置の断面構造の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a solid-state imaging device according to Modification 1 of the present invention. 図6は、本発明の変形例2による固体撮像装置の断面構造の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a solid-state imaging device according to the second modification of the present invention. 図7は、本発明の変形例3による固体撮像装置の断面構造の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a solid-state imaging device according to Modification 3 of the present invention. 図8は、本発明の変形例4による固体撮像装置の断面構造の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a solid-state imaging device according to Modification 4 of the present invention. 図9は、本発明の1実施形態による固体撮像装置において不純物層と表面シールド層との重なりによって発生するリーク電流の影響を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an influence of a leakage current generated by the overlap between the impurity layer and the surface shield layer in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. 図10は、本発明の変形例5による固体撮像装置の一例の画素の一部分を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a part of a pixel of an example of a solid-state imaging device according to Modification 5 of the present invention. 図11は、本発明の変形例6による固体撮像装置の一例の画素の一部分を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a part of a pixel of an example of a solid-state imaging device according to Modification 6 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…半導体ウェハ,12…p半導体基板,14…n型半導体層,16…素子分離,22…ゲート絶縁膜,24…ゲート電極,26…電荷蓄積層,28…不純物層,30…表面シールド層,32…検出部,34…p型不純物層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor wafer, 12 ... p + semiconductor substrate, 14 ... N-type semiconductor layer, 16 ... Element isolation, 22 ... Gate insulating film, 24 ... Gate electrode, 26 ... Charge storage layer, 28 ... Impurity layer, 30 ... Surface shield Layer, 32... Detection portion, 34... P-type impurity layer.

Claims (5)

主面にn型半導体層を備えた半導体基板と、
前記n型半導体層中に設けられた絶縁膜及びp型半導体層を含み、隣接する画素領域を電気的に分離する素子分離と、
前記n型半導体層の表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極の一方の側の前記n型半導体層中に前記表面から離間して設けられたn型半導体の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層の上方の前記n型半導体層中に該電荷蓄積層から離間して設けられ、平面的に前記ゲート電極と離間せずに設けられたp型半導体の表面シールド層と、
前記電荷蓄積層と前記表面シールド層との間の領域の一部に設けられ、前記電荷蓄積層の前記ゲート電極側の上端を含み該電荷蓄積層の一部と重なって設けられたn型半導体の不純物層と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
A semiconductor substrate having an n-type semiconductor layer on the main surface;
Element isolation including an insulating film and a p-type semiconductor layer provided in the n-type semiconductor layer, and electrically separating adjacent pixel regions;
A gate electrode provided on the surface of the n-type semiconductor layer via a gate insulating film;
An n-type semiconductor charge storage layer provided in the n-type semiconductor layer on one side of the gate electrode and spaced from the surface;
A surface shield layer of a p-type semiconductor provided in the n-type semiconductor layer above the charge storage layer and spaced apart from the charge storage layer, and provided planarly without being separated from the gate electrode;
An n-type semiconductor provided in a part of a region between the charge storage layer and the surface shield layer and including an upper end of the charge storage layer on the gate electrode side and overlapping with the part of the charge storage layer A solid-state imaging device.
前記不純物層は、前記素子分離と離間して設けられることを特徴とする、請求項1に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the impurity layer is provided apart from the element isolation. 前記不純物層は、前記表面シールド層と離間して設けられることを特徴とする、請求項1若しくは2に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the impurity layer is provided apart from the surface shield layer. 前記電荷蓄積層は、前記ゲート電極と平面的に離間せず設けられることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1に記載の固体撮像装置。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge storage layer is provided without being spaced apart from the gate electrode in a planar manner. 5. 前記不純物層は、前記ゲート電極の下方に延在して設けられることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1に記載の固体撮像装置。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the impurity layer extends below the gate electrode. 6.
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