JP2008218453A - Solid-state imaging apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging apparatus capable of obtaining a stable dynamic range where positional deviation hardly occurs by restricting the times of exposure at only once, and to provide a manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: In the solid-state imaging apparatus, an n-well 13 having the same depth over the entire pixel is formed on the surface of an epitaxial layer 12 and a p<SP>-</SP>region 16 is formed in the n-well 13. Separation regions 17, 18, 19 each having the density higher than that of the p<SP>-</SP>region 16 are formed by photolithography separately from one another in a horizontal direction so as to overlap the buried p<SP>-</SP>region 16. The one-time photolithography defines the relationship between a photoelectric conversion region (buried p<SP>-</SP>region 16) and a ring transistor portion. A source neighborhood region 47, an n<SP>-</SP>type barrier region 20 and a p<SP>+</SP>region 21 are formed so as to overlap the p<SP>-</SP>region 16 in the ring transistor portion of an amplifier element. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は固体撮像装置とその製造方法に係り、特に光電変換領域と光電変換領域で得られた光信号を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が複数規則的に配列された固体撮像装置とその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly, a solid-state imaging device in which a plurality of pixels each including a photoelectric conversion region and an amplification element that amplifies and outputs an optical signal obtained in the photoelectric conversion region are arranged regularly. And its manufacturing method.

従来、被写体からの入射光を光電変換する光電変換領域と、光電変換領域で得られた光信号(光キャリア信号)を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が複数規則的に配列された増幅型固体撮像装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この固体撮像装置は、基板のnウェル内にp型領域が画素全面に形成され、その上にリング状のゲート電極が形成され、ゲート電極とのセルフアラインによりソースとドレインが形成され、リングトランジスタを形成している。さらにセルフアラインによりチャネルストッパ層が形成されている。   Conventionally, a plurality of pixels composed of a photoelectric conversion region that photoelectrically converts incident light from a subject and an amplification element that amplifies and outputs an optical signal (optical carrier signal) obtained in the photoelectric conversion region are regularly arranged. An amplification type solid-state imaging device has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this solid-state imaging device, a p-type region is formed in the entire surface of a pixel in an n-well of a substrate, a ring-shaped gate electrode is formed thereon, a source and a drain are formed by self-alignment with the gate electrode, and a ring transistor Is forming. Further, a channel stopper layer is formed by self-alignment.

このチャネルストッパ層は、画素間の分離効果があり、入射光が非常に強い場合に過剰に発生した信号電荷が画素からあふれて隣接画素や信号線などに混入することで画像品質を劣化させる現象であるブルーミングを防ぐ。上記のリングトランジスタのゲート電極を通してp型領域に入った光が光電変換を起こし、p型領域に蓄積し、蓄積量に応じた信号をリングトランジスタが出力する。ところが、この特許文献1記載の固体撮像装置では、光がリングトランジスタのゲート電極を通して入射するために、光がゲート電極に吸収され、感度が落ちるという問題がある。そのため、本発明者により光電変換部とトランジスタを分離する構造の固体撮像装置が発明され、開示されている(例えば、特許文献2参照)。   This channel stopper layer has a separation effect between pixels, and when incident light is very strong, the signal charge generated excessively overflows from the pixel and mixes into adjacent pixels and signal lines, etc. Prevent blooming. Light entering the p-type region through the gate electrode of the ring transistor undergoes photoelectric conversion, accumulates in the p-type region, and the ring transistor outputs a signal corresponding to the amount of accumulation. However, in the solid-state imaging device described in Patent Document 1, since light enters through the gate electrode of the ring transistor, there is a problem that the light is absorbed by the gate electrode and sensitivity is lowered. For this reason, the present inventors have invented and disclosed a solid-state imaging device having a structure in which a photoelectric conversion unit and a transistor are separated (see, for example, Patent Document 2).

図5は上記の特許文献2記載の従来の固体撮像装置の1画素分の素子構造図を示し、同図(A)は上面図、同図(B)は同図(A)のX−X’線に沿う縦断面図を示す。図5(A)、(B)に示すように、固体撮像装置は、p+型基板41上にp-型エピタキシャル層42を成長し、このエピタキシャル層42の表面にnウェル43がある。nウェル43上にはゲート酸化膜44を挟んで第1のゲート電極である平面形状がリング状のゲート電極45が形成されている。 FIG. 5 shows an element structure diagram of one pixel of the conventional solid-state imaging device described in Patent Document 2, wherein FIG. 5A is a top view and FIG. 5B is an XX of FIG. 'Shows a longitudinal section along the line. As shown in FIGS. 5A and 5B, in the solid-state imaging device, a p type epitaxial layer 42 is grown on a p + type substrate 41, and an n well 43 is provided on the surface of the epitaxial layer 42. On the n-well 43, a gate electrode 45 having a ring shape as a first gate electrode is formed with a gate oxide film 44 interposed therebetween.

リング状ゲート電極45の中心部に対応したnウェル43の表面にはn+型のソース領域46が形成されており、そのソース領域46に隣接してソース近傍p型領域47が形成され、更にソース領域46とソース近傍p型領域47の外側の離間した位置にはn+型のドレイン領域48が形成されている。更に、ドレイン領域48の下のnウェル43中には埋め込みのp-型領域49がある。この埋め込みのp-型領域49とnウェル43は、図5(A)に示す埋め込みフォトダイオード50を構成している。 An n + -type source region 46 is formed on the surface of the n-well 43 corresponding to the center portion of the ring-shaped gate electrode 45, a source vicinity p-type region 47 is formed adjacent to the source region 46, and An n + -type drain region 48 is formed at a position apart from the source region 46 and the p-type region 47 near the source. Further, a buried p -type region 49 is present in the n-well 43 below the drain region 48. The buried p -type region 49 and the n-well 43 constitute the buried photodiode 50 shown in FIG.

埋め込みフォトダイオード50とリング状ゲート電極45との間には、第2のゲート電極である転送ゲート電極51がある。ドレイン領域48、リング状ゲート電極45、ソース領域46、転送ゲート電極51には、それぞれメタル配線であるドレイン電極配線52、リング状ゲート電極配線53、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55が接続されている。また、上記の各構成の上方には、図5(B)に示すように遮光膜56が形成されており、その遮光膜56の埋め込みフォトダイオード50に対応した位置には開口部57が穿設されている。この遮光膜56は金属、あるいは有機膜等で形成される。光は、開口部57を通して埋め込みフォトダイオード50に達して光電変換される。   Between the embedded photodiode 50 and the ring-shaped gate electrode 45, there is a transfer gate electrode 51 which is a second gate electrode. The drain region 48, the ring-shaped gate electrode 45, the source region 46, and the transfer gate electrode 51 include a drain electrode wiring 52, a ring-shaped gate electrode wiring 53, a source electrode wiring (output line) 54, and a transfer gate electrode, which are metal wirings, respectively. A wiring 55 is connected. Further, as shown in FIG. 5B, a light shielding film 56 is formed above each of the above components, and an opening 57 is formed at a position corresponding to the embedded photodiode 50 in the light shielding film 56. Has been. The light shielding film 56 is formed of a metal or an organic film. The light reaches the embedded photodiode 50 through the opening 57 and is photoelectrically converted.

次に、グローバル型CMOSセンサ112の画素構造と撮像素子全体の構造について、電気回路で表現した図6と共に説明する。同図において、まず、画素はm行n列に画素敷き詰め領域61に配置されている。図6ではこれらm行n列の画素のうち、s行t列の一画素62を代表として等価回路で表現している。この画素62は、リング状ゲートMOSFET63と、フォトダイオード64と、転送ゲートMOSFET65とからなり、リング状ゲートMOSFET63のドレインがフォトダイオード64のn側端子とドレイン電極配線66(図5の52に相当)に接続され、転送ゲートMOSFET65のソースがフォトダイオード64のp側端子に接続され、ドレインがリング状ゲートMOSFET63のバックゲートに接続されている。   Next, the pixel structure of the global CMOS sensor 112 and the structure of the entire imaging device will be described with reference to FIG. In the figure, first, pixels are arranged in a pixel spread area 61 in m rows and n columns. In FIG. 6, one pixel 62 of s rows and t columns among these m rows and n columns pixels is represented by an equivalent circuit. The pixel 62 includes a ring-shaped gate MOSFET 63, a photodiode 64, and a transfer gate MOSFET 65. The drain of the ring-shaped gate MOSFET 63 is the n-side terminal of the photodiode 64 and the drain electrode wiring 66 (corresponding to 52 in FIG. 5). , The source of the transfer gate MOSFET 65 is connected to the p-side terminal of the photodiode 64, and the drain is connected to the back gate of the ring-shaped gate MOSFET 63.

なお、上記のリング状ゲートMOSFET63は、図5(B)ではリング状ゲート電極45直下のソース近傍p型領域47をゲート領域とし、n+型のソース領域46及びn+型のドレイン領域48を有するnチャネルMOSFETである。また、上記の転送ゲートMOSFET65は、図5(B)では転送ゲート電極51直下のnウェル43をゲート領域、フォトダイオード50の埋め込みのp-型領域49をソース領域、ソース近傍p型領域47をドレインとするpチャネルMOSFETである。 In FIG. 5B, the ring-shaped gate MOSFET 63 has a p-type region 47 near the source directly below the ring-shaped gate electrode 45 as a gate region, and an n + -type source region 46 and an n + -type drain region 48. An n-channel MOSFET. In FIG. 5B, the transfer gate MOSFET 65 has an n well 43 just below the transfer gate electrode 51 as a gate region, a p type region 49 embedded with a photodiode 50 as a source region, and a p-type region 47 near the source. A p-channel MOSFET serving as a drain.

図6において、m行n列の各画素から1フレーム分の信号を読み出すために、まず読み出しを始める合図を出すフレームスタート信号を発生させる回路67がある。このフレームスタート信号は撮像素子の外から与えられてもよい。このフレームスタート信号は垂直シフトレジスタ68に供給される。垂直シフトレジスタ68は、m行n列の各画素のうちの何行目の画素を読み出すかの信号を出力する。   In FIG. 6, in order to read a signal for one frame from each pixel of m rows and n columns, there is a circuit 67 for generating a frame start signal for giving a signal to start reading. The frame start signal may be given from outside the image sensor. This frame start signal is supplied to the vertical shift register 68. The vertical shift register 68 outputs a signal indicating which row of pixels is read out from each pixel of m rows and n columns.

各行の画素はリング状ゲート電極、転送ゲート電極、ドレイン電極の電位を制御する制御回路に接続されており、これらの制御回路は垂直レジスタ68の出力信号が供給される。例えば、s行目の各画素のリング状ゲート電極は、リング状ゲート電極配線69(図5の53に相当)を介してリング状ゲート電位制御回路70に接続され、各画素の転送ゲート電極は、転送ゲート電極配線71(図5の55に相当)を介して転送ゲート電位制御回路72に接続され、各画素のドレイン電極は、ドレイン電極配線66(図5の52に相当)を介してドレイン電位制御回路73に接続されている。上記の各制御回路70、72、73には垂直シフトレジスタ68の出力信号が供給される。   The pixels in each row are connected to a control circuit that controls the potentials of the ring-shaped gate electrode, transfer gate electrode, and drain electrode, and these control circuits are supplied with the output signal of the vertical register 68. For example, the ring-shaped gate electrode of each pixel in the s-th row is connected to the ring-shaped gate potential control circuit 70 via a ring-shaped gate electrode wiring 69 (corresponding to 53 in FIG. 5), and the transfer gate electrode of each pixel is Are connected to the transfer gate potential control circuit 72 via the transfer gate electrode wiring 71 (corresponding to 55 in FIG. 5), and the drain electrode of each pixel is drained via the drain electrode wiring 66 (corresponding to 52 in FIG. 5). It is connected to the potential control circuit 73. Each control circuit 70, 72, 73 is supplied with an output signal from the vertical shift register 68.

画素62のリング状ゲートMOSFET63のソース電極は、ソース電極配線74(図5の54に相当)を介して2分岐され、一方はスイッチSW1を介してソース電極電位を制御するソース電位制御回路75に接続され、他方はスイッチSW2を介して信号読み出し回路76に接続されている。信号を読み出すときにはスイッチSW1をオフ、スイッチSW2をオンにし、ソース電位を制御する時にはスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフにする。信号は縦方向に出すので、ソース電極の配線方向は縦にする。   The source electrode of the ring-shaped gate MOSFET 63 of the pixel 62 is branched into two via a source electrode wiring 74 (corresponding to 54 in FIG. 5), one of which is supplied to a source potential control circuit 75 that controls the source electrode potential via a switch SW1. The other is connected to the signal readout circuit 76 via the switch SW2. When reading the signal, the switch SW1 is turned off and the switch SW2 is turned on. When the source potential is controlled, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off. Since the signal is output in the vertical direction, the wiring direction of the source electrode is set to be vertical.

信号読み出し回路76は次のように構成されている。画素62の出力はリング状ゲートMOSFET63のソースから行われ、出力線74には負荷、例えば電流源77が繋がっている。従って、ソースフォロア回路となっている。電流源77にはキャパシタC1とキャパシタC2の各一端がスイッチsc1とスイッチsc2を介して繋がっている。他端が接地されているキャパシタC1、C2の各一端は、また差動アンプ78の反転入力端子と非反転入力端子に繋がっており、両キャパシタC1及びC2の電位差を差動アンプ78から出力するようになっている。   The signal readout circuit 76 is configured as follows. The output of the pixel 62 is performed from the source of the ring-shaped gate MOSFET 63, and a load, for example, a current source 77 is connected to the output line 74. Therefore, it is a source follower circuit. One end of each of the capacitor C1 and the capacitor C2 is connected to the current source 77 via the switch sc1 and the switch sc2. One end of each of the capacitors C1 and C2 whose other ends are grounded is connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the differential amplifier 78, and the potential difference between the capacitors C1 and C2 is output from the differential amplifier 78. It is like that.

このような信号読み出し回路76はCDS回路(相関二重サンプリング回路)と呼ばれ、ここに描かれた方式以外にも種々の回路が提案されており、この回路に限るわけではない。信号読み出し回路76から出力された信号は、出力スイッチswtを介して出力される。同じ列にある出力スイッチswtは、水平シフトレジスタ79から出力される信号によりスイッチング制御される。   Such a signal readout circuit 76 is called a CDS circuit (correlated double sampling circuit), and various circuits other than the method described here have been proposed, and the circuit is not limited to this circuit. The signal output from the signal readout circuit 76 is output via the output switch swt. The output switches swt in the same column are subjected to switching control by a signal output from the horizontal shift register 79.

次に、図6に示すグローバル形CMOSセンサ112の駆動方法について、図7のタイミングチャートと共に説明する。まず、図7(1)に示す期間では、埋め込みのフォトダイオード(図5(A)の50、図6の64等)に光が入射し、光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオードの埋め込みp-型領域49にホールが蓄積される。このとき転送ゲート電極51の電位はドレイン電位Vddと同じになっており、転送ゲートMOSFET65はオフ状態である。これらの蓄積は、前フレームの読み出し操作が行われている時に同時に実行されている。 Next, a driving method of the global CMOS sensor 112 shown in FIG. 6 will be described with reference to the timing chart of FIG. First, in the period shown in FIG. 7A, light is incident on the embedded photodiode (50 in FIG. 5A, 64 in FIG. 6 and the like), and an electron / hole pair is generated by the photoelectric conversion effect. Holes are accumulated in the buried p -type region 49 of the diode. At this time, the potential of the transfer gate electrode 51 is the same as the drain potential Vdd, and the transfer gate MOSFET 65 is off. These accumulations are performed at the same time as the previous frame read operation is being performed.

続く図7(2)に示す期間では、前フレームの読み出しが終了すると、同図(A)に示すように新しいフレームスタート信号が発信されて、次のフレームの読み出しが始まる。
最初に行うのは全画素一斉にフォトダイオード(図5(A)の50、図6の64等)からリング状ゲート電極(図5の45)のソース近傍p型領域(図5の47)にホールを転送することである。そのため、図7(B)に示すように転送ゲート電位制御回路72から出力される転送ゲート制御信号がVddからLow2に下がり、転送ゲート電極(図5の41)の電位がLow2となり、転送ゲートMOSFET65がオン状態になる。
In the subsequent period shown in FIG. 7 (2), when the reading of the previous frame is completed, a new frame start signal is transmitted as shown in FIG.
First, all the pixels are performed simultaneously from the photodiode (50 in FIG. 5A, 64 in FIG. 6) to the p-type region (47 in FIG. 5) near the source of the ring-shaped gate electrode (45 in FIG. 5). It is to transfer the hole. Therefore, as shown in FIG. 7B, the transfer gate control signal output from the transfer gate potential control circuit 72 falls from Vdd to Low2, the potential of the transfer gate electrode (41 in FIG. 5) becomes Low2, and the transfer gate MOSFET 65 Turns on.

このとき、リング状ゲート電位制御回路70により制御されるリング状ゲート電極配線69の電位は、図7(C)に示すように、LowからLow1になるが、Low2の方がLow1よりも大きい。Low1はLowと同じでもよい。最も簡便にはLow1=Low=0(V)に設定する。   At this time, the potential of the ring-shaped gate electrode wiring 69 controlled by the ring-shaped gate potential control circuit 70 changes from Low to Low1 as shown in FIG. 7C, but Low2 is larger than Low1. Low1 may be the same as Low. Most simply, Low1 = Low = 0 (V) is set.

一方、ソース電位制御回路75からスイッチSW1を介してソース電極配線74からリング状ゲートMOSFET63のソースに供給されるソース電位をはじめとする、全画素のソース電位は図7(D)に示すように電位S1に設定される。S1>Low1であり、これにより、リング状ゲートMOSFET63がオフのままであり、電流が流れないようにする。この結果、全画素のフォトダイオードに蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素のリング状ゲート電極の下に一斉に転送される。   On the other hand, the source potential of all the pixels including the source potential supplied from the source potential control circuit 75 to the source of the ring-shaped gate MOSFET 63 from the source electrode wiring 74 through the switch SW1 is as shown in FIG. The potential is set to S1. S1> Low1, which keeps the ring-shaped gate MOSFET 63 off and prevents current from flowing. As a result, charges (holes) accumulated in the photodiodes of all the pixels are transferred all at once under the ring-shaped gate electrodes of the corresponding pixels.

図5(B)に示すリング状ゲート電極45の下の領域で、ソース近傍p型領域47が最もポテンシャルが低いので、フォトダイオードに蓄積されていたホールはソース近傍p型領域47に達し、そこに蓄積される。ホールが蓄積される結果、ソース近傍p型領域47の電位が上昇する。   In the region below the ring-shaped gate electrode 45 shown in FIG. 5 (B), the p-type region 47 near the source has the lowest potential, so the holes accumulated in the photodiode reach the p-type region 47 near the source. Accumulated in. As a result of the accumulation of holes, the potential of the p-type region 47 near the source rises.

続いて、図7(3)に示す期間では、同図(B)に示すように転送ゲート電極が再びVddになり、転送ゲートMOSFET65がオフになる。これにより、フォトダイオード(図5(A)の50、図6の64等)では再び光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオードの埋め込みp-型領域49にホールが蓄積され始める。この蓄積動作は次の電荷転送時まで続けられる。 Subsequently, in the period shown in FIG. 7 (3), as shown in FIG. 7 (B), the transfer gate electrode becomes Vdd again, and the transfer gate MOSFET 65 is turned off. As a result, in the photodiode (50 in FIG. 5A, 64 in FIG. 6 and the like), electron-hole pairs are generated again due to the photoelectric conversion effect, and holes start to be accumulated in the buried p -type region 49 of the photodiode. This accumulation operation is continued until the next charge transfer.

一方、読み出し操作は行単位で順番に行われるので、1行目〜(s−1)行目を読み出す期間(3)では、リング状ゲート電極の電位は図7(C)に示すようにLowの状態で、ソース近傍p型領域47にホールを蓄積したまま待機状態となる。ソース電位は他の行からの信号読み出しが行われている間、その画素からの信号の値により、様々な値をとり得る。また、リング状ゲート電極電位は行毎に様々な値をとり得るが、s行目ではLowに設定され、リング状ゲートMOSFET63がオフ状態である。   On the other hand, since the reading operation is sequentially performed in units of rows, the potential of the ring-shaped gate electrode is low as shown in FIG. 7C in the period (3) in which the first to (s−1) th rows are read. In this state, a standby state is entered with holes accumulated in the p-type region 47 near the source. The source potential can take various values depending on the value of the signal from the pixel while the signal is read from another row. The ring-shaped gate electrode potential can take various values for each row, but is set to Low in the s-th row, and the ring-shaped gate MOSFET 63 is in an off state.

続く図7(4)〜(6)に示す期間では、画素の信号読み出しが行われる。s行目t列目の画素62について代表してこの信号読み出し動作について説明するに、まず、ソース近傍p型領域47にホールを蓄積した状態で、図7(E)に示す垂直シフトレジスタ68の出力信号が、同図(H)に示すようにローレベルである期間(4)において、リング状ゲート電位制御回路70からリング状ゲート電極配線69に出力される制御信号により、リング状ゲート電極45の電位を図7(K)に示すように、LowからVg1に上げる。   In the subsequent period shown in FIGS. 7 (4) to (6), pixel signal readout is performed. This signal readout operation will be described representatively for the pixel 62 in the s-th row and the t-th column. First, in the state where holes are accumulated in the p-type region 47 near the source, the vertical shift register 68 shown in FIG. In the period (4) in which the output signal is at a low level as shown in FIG. 5H, the ring-shaped gate electrode 45 is controlled by the control signal output from the ring-shaped gate potential control circuit 70 to the ring-shaped gate electrode wiring 69. Is increased from Low to Vg1, as shown in FIG.

ここで、上記の電位Vg1は、前述した各電位Low、Low1、Vddとの間に
Low≦Low1≦Vg1≦Vdd (ただし、Low<Vdd)
なる不等式が成立する電位である。また、上記の期間(4)ではスイッチSW1が図7(I)に示すようにオフ、スイッチSW2が同図(J)に示すようにオン、スイッチsc1が同図(M)に示すようにオン、スイッチsc2が同図(N)に示すようにオフとされる。
Here, the potential Vg1 is between the potentials Low, Low1, and Vdd described above.
Low ≦ Low1 ≦ Vg1 ≦ Vdd (where Low <Vdd)
Is an electric potential that holds the inequality. In the period (4), the switch SW1 is turned off as shown in FIG. 7I, the switch SW2 is turned on as shown in FIG. 7J, and the switch sc1 is turned on as shown in FIG. The switch sc2 is turned off as shown in FIG.

この結果、リング状ゲートMOSFET63のソースに接続されたソースフォロア回路が働き、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図7(L)に示すように期間(4)ではS2(=Vg1−Vth1)となる。ここで、Vth1とはバックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがある状態での、リング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。このソース電位S2がオンとされているスイッチsc1を通してキャパシタC1に記憶される。   As a result, the source follower circuit connected to the source of the ring-shaped gate MOSFET 63 works, and the source potential of the ring-shaped gate MOSFET 63 becomes S2 (= Vg1-Vth1) in the period (4) as shown in FIG. Become. Here, Vth1 is a threshold voltage of the ring-shaped gate MOSFET 63 in a state in which there is a hole in the back gate (p-type region 47 near the source). The source potential S2 is stored in the capacitor C1 through the switch sc1 that is turned on.

続く図7(5)に示す期間では、リング状ゲート電位制御回路70からリング状ゲート電極配線69に出力される制御信号により、リング状ゲート電極45の電位を図7(K)に示すようにHigh1に上げると同時に、同図(I)、(J)に示すようにスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフとすると共に、ソース電位制御回路75から出力されるソース電位を同図(L)に示すようにHighsに上げる。ここで、High1、Highs>Low1である。   In the subsequent period shown in FIG. 7 (5), the potential of the ring-shaped gate electrode 45 is set as shown in FIG. 7 (K) by the control signal output from the ring-shaped gate potential control circuit 70 to the ring-shaped gate electrode wiring 69. At the same time as raising to High1, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off as shown in FIGS. 1I and 1J, and the source potential output from the source potential control circuit 75 is shown in FIG. Raise to Highs as shown. Here, High1 and Highs> Low1.

上記の電位High1及びHighsの値は同じであっても異なっていてもよいが、設計の簡単のためにはHigh1、Highs≦Vddが望ましい。簡便な設定では、High1=Highs=Vddとする。また、リング状ゲートMOSFET63がオンして電流が流れないような電位設定にすることが望ましい。この結果、ソース近傍p型領域47のポテンシャルが上昇し、nウェル43のバリアを越えてホールがエピタキシャル層42に排出される(リセット)。   The values of the potentials High1 and Highs may be the same or different, but High1 and Highs ≦ Vdd are desirable for simplicity of design. In a simple setting, High1 = Highs = Vdd. Further, it is desirable to set the potential so that the ring-shaped gate MOSFET 63 is turned on and no current flows. As a result, the potential of the p-type region 47 near the source rises, and holes are discharged to the epitaxial layer 42 beyond the barrier of the n-well 43 (reset).

続く図7(6)に示す期間では、再び前記期間(4)と同じ信号読み出し状態にする。
ただし、期間(4)とは異なり、図7(M)、(N)に示すように、スイッチsc1はオフ、スイッチsc2はオンとする。リング状ゲート電極は図7(K)に示すように期間(4)と同じVg1とする。しかし、この期間(6)では直前の期間(5)でホールが基板に排出されていて、ソース近傍p型領域47にはホールが存在しないので、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図7(L)に示すように期間(6)ではS0(=Vg1−Vth0)となる。ここでVth0は、バックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがない状態でのリング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。
In the subsequent period shown in FIG. 7 (6), the same signal readout state as in the period (4) is set again.
However, unlike the period (4), as shown in FIGS. 7M and 7N, the switch sc1 is turned off and the switch sc2 is turned on. The ring-shaped gate electrode has the same Vg1 as that in the period (4) as shown in FIG. However, in this period (6), holes are discharged to the substrate in the immediately preceding period (5), and no holes exist in the p-type region 47 near the source, so the source potential of the ring-shaped gate MOSFET 63 is as shown in FIG. L), the period (6) is S0 (= Vg1-Vth0). Here, Vth0 is the threshold voltage of the ring-shaped gate MOSFET 63 in a state where there is no hole in the back gate (p-type region 47 near the source).

このソース電位S0はオンとされたスイッチsc2を介してキャパシタC2に記憶される。差動アンプ78はキャパシタC1とC2の電位差を出力する。すなわち、差動アンプ78は(Vth0−Vth1)を出力する。この出力値(Vth0−Vth1)は、ホール電荷によるしきい値変化分である。その後、水平シフトレジスタ79から出力される図7(F)に示すパルスのうち、同図(O)に示すt列目の出力パルスに基づき、図6の出力スイッチswtがオンとされ、このswtのオン期間に図7(P)にハッチングにより模式的に示すように、差動アンプ78からのホール電荷によるしきい値変化分が画素62の出力信号Voutとしてセンサ外へ出力される。   The source potential S0 is stored in the capacitor C2 through the switch sc2 that is turned on. The differential amplifier 78 outputs the potential difference between the capacitors C1 and C2. That is, the differential amplifier 78 outputs (Vth0−Vth1). This output value (Vth0-Vth1) is a change in threshold value due to hole charge. Thereafter, among the pulses shown in FIG. 7F output from the horizontal shift register 79, the output switch swt shown in FIG. 6 is turned on based on the output pulse in the t-th column shown in FIG. In the ON period, as schematically shown by hatching in FIG. 7P, the threshold value change due to the Hall charge from the differential amplifier 78 is output to the outside of the sensor as the output signal Vout of the pixel 62.

続いて、図7に(7)で示す期間では、再びリング状ゲート電極45の電位を図7(B)に示すようにLowにし、ソース近傍p型領域47にはホールがない状態で、全ての行の信号処理が終了するまで(s+1行〜n行の画素の読み出しが終了するまで)待機する。これらの読み出し期間中、フォトダイオード64では光電変換効果によるホールの蓄積が進行している。その後、前記期間(1)に戻って、ホールの転送から繰り返す。これにより、各画素から図7(G)に示す出力信号が読み出される。すべての画素から信号を読み出すと、再び次のフレームが開始される。   Subsequently, in the period indicated by (7) in FIG. 7, the potential of the ring-shaped gate electrode 45 is set to low again as shown in FIG. 7B, and all of the p-type region 47 near the source has no holes. It waits until the signal processing of the next row is completed (until the readout of pixels of the s + 1 row to the nth row is completed). During these readout periods, the photodiode 64 is accumulating holes due to the photoelectric conversion effect. Thereafter, the process returns to the period (1) and repeats from the hole transfer. As a result, the output signal shown in FIG. 7G is read from each pixel. When signals are read from all pixels, the next frame is started again.

上記の図5(A)、(B)に示す構成の固体撮像素子は、リング状のゲート電極45を持つリング状ゲートMOSFET63が増幅用MOSFETであり、図6に示したように各画素内に増幅用MOSFETを持つという意味で、CMOSセンサの一種である。そして、このCMOSセンサは、フォトダイオードに蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素のリング状ゲート電極の下のソース近傍p型領域47に一斉に転送されるようにすることで、グローバルシャッタを実現している。   5A and 5B, the ring-shaped gate MOSFET 63 having the ring-shaped gate electrode 45 is an amplification MOSFET, and as shown in FIG. It is a kind of CMOS sensor in the sense that it has an amplifying MOSFET. In this CMOS sensor, the charge (hole) accumulated in the photodiode is transferred to the p-type region 47 in the vicinity of the source under the ring-shaped gate electrode of the corresponding pixel at the same time. Is realized.

なお、図7の期間(5)のリセット時のソース電極配線74の電位供給はソース電位制御回路75から供給する以外の方法もある。上記期間(5)でSW1、SW2をともにオフとして、ソース電極配線をフローティングにする。ここでリング状ゲート電極配線69の電位をHigh1とするとリング状ゲートMOSFET63がオン状態となり、ソース電位にドレインから電流が供給され、ソース電極電位が上昇する。この結果ソース近傍p型領域47のポテンシャルが持ち上げられ、nウェル43のバリアを越えて、ホールがp型エピタキシャル層42に排出される(リセット)。ホールが完全に排出されたときのソース電極電位は、High1−Vth0になることができ、チップ面積を減らすことができる。   Note that there is a method other than the supply of the potential of the source electrode wiring 74 at the time of reset in the period (5) of FIG. In the period (5), both SW1 and SW2 are turned off to make the source electrode wiring floating. Here, when the potential of the ring-shaped gate electrode wiring 69 is High1, the ring-shaped gate MOSFET 63 is turned on, current is supplied from the drain to the source potential, and the source electrode potential rises. As a result, the potential of the p-type region 47 in the vicinity of the source is raised, and holes are discharged to the p-type epitaxial layer 42 beyond the barrier of the n-well 43 (reset). The source electrode potential when the holes are completely discharged can be High1-Vth0, and the chip area can be reduced.

次に、この従来の固体撮像装置の製造方法について図8〜図10の素子断面図と共に説明する。まず、図8(A)に示すように、p+型基板41上にp-エピタキシャル層42を積層したウェハ上に酸化膜81を形成する。酸化膜81は犠牲酸化膜として作用する。続いて、図8(B)に示すように、上記のウェハのうち光を感知し電気的な光信号に変換するセンサ領域82と、トランジスタが動作する増幅素子領域83とに分け、それぞれn型となる不純物、例えばリンをフォトリソグラフィを使った公知の方法で選択的にイオン注入しnウェル43を形成する。このとき、nウェル43はセンサ領域82の方が増幅素子領域83よりも深くなるように注入エネルギーを高くする。例えば、増幅素子領域83は300〜600keV、センサ領域82は600keV〜2MeVで1E11cm-2〜1E12cm-2のイオン注入をする。 Next, a method for manufacturing this conventional solid-state imaging device will be described together with the element cross-sectional views of FIGS. First, as shown in FIG. 8A, an oxide film 81 is formed on a wafer in which a p epitaxial layer 42 is stacked on a p + type substrate 41. The oxide film 81 functions as a sacrificial oxide film. Subsequently, as shown in FIG. 8B, the wafer is divided into a sensor region 82 that senses light and converts it into an electrical optical signal, and an amplifying element region 83 in which the transistor operates. An n-well 43 is formed by selectively ion-implanting impurities such as phosphorus by a known method using photolithography. At this time, the implantation energy of the n-well 43 is increased so that the sensor region 82 is deeper than the amplifying element region 83. For example, the amplifying element region 83 is ion-implanted at 300 to 600 keV and the sensor region 82 is 600 keV to 2 MeV and 1E11 cm −2 to 1E12 cm −2 .

続いて、図9(A)に示すように、p-注入領域84とリングトランジスタ部注入領域85をそれぞれフォトリソグラフィで選択し、それぞれイオン注入を行う。p-注入領域84では光電変換領域となるp-領域49をイオン注入でnウェル43内に形成する。例えば、イオン注入するp型不純物としてボロンを70〜400keVで3E11cm-2〜1E12cm-2程度のドーズ量で、nウェル43よりも濃度が高くなるようにイオン注入する。一方、リングトランジスタ部注入領域85では、イオン注入するp型不純物としてボロンを25〜120keVで1E12cm-2〜5E12cm-2程度のドーズ量でイオン注入を行い、ソース近傍p型領域47をnウェル43内に形成し、さらにnウェル43の奥にボロンを300keV〜500keVで5E12〜1E14cm-2程度のドーズ量のイオン注入を行ってp+型領域86を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 9A, the p implantation region 84 and the ring transistor portion implantation region 85 are selected by photolithography, and ion implantation is performed. In the p implantation region 84, a p region 49 to be a photoelectric conversion region is formed in the n well 43 by ion implantation. For example, a dose of about 3E11cm -2 ~1E12cm -2 in 70~400keV boron as p-type impurity ion implantation, the concentration is ion-implanted to be higher than n-well 43. On the other hand, the ring transistor unit implanted region 85, boron ions are implanted at a dose of about 1E12cm -2 ~5E12cm -2 in 25~120keV as p-type impurity is ion-implanted, a source neighboring p-type region 47 n-well 43 The p + -type region 86 is formed by implanting boron into the back of the n-well 43 at a dose of about 5E12 to 1E14 cm −2 at 300 keV to 500 keV.

続いて、図9(B)に示すように、同図(A)の酸化膜81を除去した後に、ゲート酸化膜44を既知の酸化膜形成方法で形成し、その上にポリシリコン膜を形成し所定の領域をエッチングしてリング状ゲート電極45を形成する。さらに酸化を行った後第2のポリシリコン膜を形成し、所定の領域をエッチングして転送ゲート電極51を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 9B, after removing the oxide film 81 in FIG. 9A, a gate oxide film 44 is formed by a known oxide film forming method, and a polysilicon film is formed thereon. Then, a ring-shaped gate electrode 45 is formed by etching a predetermined region. After further oxidation, a second polysilicon film is formed, and a predetermined region is etched to form a transfer gate electrode 51.

続いて、図10(A)に示すように、リング状ゲート電極45と転送ゲート電極51とをマスクにしてセルフアラインでn+型のドレイン48とソース46となる各拡散層をイオン注入により形成する。その後、図10(B)に示すように、ドレイン電極配線52、リング状ゲート電極配線53、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55を公知の配線層形成法にて形成した後、絶縁膜87で素子全面を被覆し、その上に遮光膜56を形成する。遮光膜56は、p-型の埋め込み領域49の上方に対応する位置に開口部57が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 10A, diffusion layers to be n + -type drains 48 and sources 46 are formed by ion implantation by self-alignment using ring-shaped gate electrode 45 and transfer gate electrode 51 as a mask. To do. Thereafter, as shown in FIG. 10B, after the drain electrode wiring 52, the ring-shaped gate electrode wiring 53, the source electrode wiring (output line) 54, and the transfer gate electrode wiring 55 are formed by a known wiring layer forming method. The entire surface of the element is covered with an insulating film 87, and a light shielding film 56 is formed thereon. In the light shielding film 56, an opening 57 is formed at a position corresponding to the upper side of the p type buried region 49.

特開平9−191098号公報JP-A-9-191098 特開2006−100761号公報JP 2006-1000076 A1

しかしながら、図5に示した従来の固体撮像装置の構造と図6〜図10と共に説明した製造方法では次のような問題がある。まず、光電変換領域となる埋め込みp-領域49はフォトリソグラフィにより選択的に深く形成したnウェル43中に、さらにフォトリソグラフィによりp-注入を行い形成している。このように2回フォトリソグラフィ工程を行うと、プロセスのばらつきにより位置ずれが発生する。このとき画素が大きい場合、問題は起き難いが、微細化していくとこの位置ずれが問題となってくる。 However, the structure of the conventional solid-state imaging device shown in FIG. 5 and the manufacturing method described with FIGS. 6 to 10 have the following problems. First, the buried p region 49 serving as a photoelectric conversion region is formed by further performing p implantation by photolithography in an n well 43 formed selectively deep by photolithography. When the photolithography process is performed twice in this way, a positional shift occurs due to process variations. At this time, if the pixel is large, the problem is unlikely to occur. However, as the pixel is miniaturized, this positional deviation becomes a problem.

具体的には、p-の注入が増幅トランジスタ側(すなわち、リング状ゲート電極45を有するリング状トランジスタ側)にずれると、p-領域49とp-エピタキシャル層42との間のnウェル43の幅が狭くなるが、その幅が空乏層の幅よりも狭くなると、埋め込みp領域49中のホールが基板(p-エピタキシャル層42)に漏れるようになる。この結果、フォトダイオードを構成する埋め込みp領域49で光電変換して得られた光信号が転送されてきて、その光信号を蓄積するソース近傍p型領域47での蓄積量が所定のキャリア蓄積量に達しなくなり、光信号の信号レベルが小さくなり、ダイナミックレンジが低下するという問題が発生する。 Specifically, when the implantation of p is shifted to the amplification transistor side (that is, the ring transistor side having the ring-shaped gate electrode 45), the n well 43 between the p region 49 and the p epitaxial layer 42 If the width becomes narrower than the width of the depletion layer, holes in the buried p region 49 leak to the substrate (p epitaxial layer 42). As a result, the optical signal obtained by photoelectric conversion in the buried p region 49 constituting the photodiode is transferred, and the accumulation amount in the p-type region 47 near the source that accumulates the optical signal is a predetermined carrier accumulation. A problem arises in that the signal level of the optical signal is reduced and the dynamic range is lowered.

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、位置ずれが発生しにくい安定的なダイナミックレンジを得ることが可能な固体撮像装置とその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining a stable dynamic range in which positional deviation is unlikely to occur and a manufacturing method thereof.

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、被写体からの入射光を光電変換する光電変換領域と、光電変換領域により得られた光信号を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が、複数規則的に配列された固体撮像装置において、基板上に画素全面に同一深さで形成された第1の導電型のウェルと、ウェルの中に形成された第2の導電型の不純物層と、ウェル及び不純物層にそれぞれオーバーラップして深さ方向に形成され、かつ、深さ方向と直交する方向に互いに離間して形成された第1の導電型の複数の分離領域とを有し、複数の分離領域により不純物層による光電変換領域と不純物層に基づいて形成される増幅素子用の領域との位置関係が規定されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present invention includes a photoelectric conversion region that photoelectrically converts incident light from a subject, and an amplification element that amplifies and outputs an optical signal obtained by the photoelectric conversion region. In a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are regularly arranged, a first conductivity type well formed at the same depth on the entire surface of the pixel on a substrate and a second conductivity type well formed in the well An impurity layer, and a plurality of first conductivity type isolation regions formed in the depth direction so as to overlap with the well and the impurity layer and spaced apart from each other in a direction orthogonal to the depth direction. And the positional relationship between the photoelectric conversion region formed by the impurity layer and the region for the amplifier element formed based on the impurity layer is defined by the plurality of separation regions.

また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、被写体からの入射光を光電変換する光電変換領域と、光電変換領域により得られた光信号を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が、複数規則的に配列された固体撮像装置の製造方法において、基板上に画素全面に同一深さで第1の導電型のウェルを形成する第1の工程と、ウェルの中に第2の導電型の不純物層を形成する第2の工程と、光電変換領域と増幅素子用の領域とを除いた領域にフォトリソグラフィで第1の導電型の不純物を選択注入して、ウェル及び不純物層にそれぞれ深さ方向にオーバーラップし、かつ、深さ方向と直交する方向に互いに離間した複数の分離領域を形成する第3の工程とを含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention amplifies and outputs a photoelectric conversion region for photoelectrically converting incident light from a subject, and an optical signal obtained by the photoelectric conversion region. In a method of manufacturing a solid-state imaging device in which a plurality of pixels each including an amplification element are regularly arranged, a first step of forming a first conductivity type well at the same depth on the entire surface of the pixel on the substrate; A first conductivity type impurity is selectively implanted by photolithography into a region excluding the photoelectric conversion region and the amplification element region, and a second step of forming a second conductivity type impurity layer therein. And a third step of forming a plurality of isolation regions overlapping the well and the impurity layer in the depth direction and spaced apart from each other in a direction perpendicular to the depth direction.

本発明の固体撮像装置及びその製造方法では、固体撮像装置を、基板上に画素全面に同一深さで形成された第1の導電型のウェルとウェルの中に形成された第2の導電型の不純物層にそれぞれオーバーラップして深さ方向に形成され、かつ、深さ方向と直交する方向に互いに離間して形成された複数の分離領域により、上記の不純物層による光電変換領域と上記の不純物層に基づいて形成される増幅素子用の領域との位置関係が規定されている構造としたため、分離領域のみフォトリソグラフィにより露光後注入して形成する構造にでき、露光回数は1回でありフォトリソグラフィに用いるマスクの位置ずれは生じることはなく、また、分離領域が増幅素子用の領域側にずれても、不純物層の深さは変化することがない。   In the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the solid-state imaging device includes a first conductivity type well formed in the same depth on the entire surface of the pixel and a second conductivity type formed in the well. A plurality of isolation regions formed in the depth direction so as to overlap each of the impurity layers and spaced apart from each other in a direction orthogonal to the depth direction, and the photoelectric conversion region by the impurity layer and the above-described Since the positional relationship with the region for the amplifying element formed based on the impurity layer is defined, only the isolation region can be formed by implantation after exposure by photolithography, and the number of exposures is one. The position of the mask used for photolithography does not shift, and the depth of the impurity layer does not change even if the isolation region shifts to the region for the amplifying element.

本発明によれば、分離領域のみフォトリソグラフィにより露光後注入して形成する構造にでき、露光回数は1回でありフォトリソグラフィに用いるマスクの位置ずれは生じることはなく、また、分離領域が増幅素子用の領域側にずれても、不純物層の深さは変化することがないため、位置ずれの問題のない安定したダイナミックレンジが得られる固体撮像装置を得ることができる。   According to the present invention, only the separation region can be formed by implantation after exposure by photolithography, the number of exposures is one, and there is no displacement of the mask used for photolithography, and the separation region is amplified. Since the depth of the impurity layer does not change even if it is shifted to the element region side, it is possible to obtain a solid-state imaging device capable of obtaining a stable dynamic range free from a positional shift problem.

次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。従来の固体撮像装置の製造方法では、光電変換領域の形成にnウェルとp-領域の2回以上のフォトリソグラフィ(イオン注入)を行うことにより、位置ずれを起こしていた。そこで、本発明では、その2回のイオン注入を止め、画素全面に行うイオン注入と分離領域を形成する1回のイオン注入により光電変換領域を形成することで、位置ずれの問題をなくし、安定的なダイナミックレンジを得るものである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the conventional method for manufacturing a solid-state imaging device, the photoelectric conversion region is formed by performing photolithography (ion implantation) twice or more on the n-well and the p region. Therefore, in the present invention, the two-time ion implantation is stopped, and the photoelectric conversion region is formed by the ion implantation performed on the entire surface of the pixel and the one-time ion implantation that forms the separation region, thereby eliminating the problem of positional deviation and stable. A dynamic range.

図1は本発明になる固体撮像装置の一実施の形態の1画素分の素子構造図を示し、同図(A)は上面図、同図(B)は同図(A)のX−X’線に沿う縦断面図を示す。図1中、図5と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図1に示す本実施の形態の固体撮像装置では、p+型基板11上にp-型エピタキシャル層12を成長し、このエピタキシャル層12の表面に、画素全体にわたって同じ深さのnウェル13が形成されると共に、nウェル13内にp-領域16が形成されている。また、この埋め込みのp-領域16にオーバーラップするようにp領域16よりも高い濃度の分離領域(n型)17、18、19が互いに水平方向に離間して形成されている。増幅素子のリングトランジスタ部分には分離領域がなく、代わりに埋め込みp領域16よりも高い濃度でp-領域16にオーバーラップしてソース近傍領域47、n-型バリア領域20、さらにp+領域21が形成されている。 1A and 1B are element structural diagrams for one pixel of an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, where FIG. 1A is a top view and FIG. 1B is an XX in FIG. 'Shows a longitudinal section along the line. In FIG. 1, the same components as those in FIG. In the solid-state imaging device of the present embodiment shown in FIG. 1, a p type epitaxial layer 12 is grown on a p + type substrate 11, and an n well 13 having the same depth over the entire pixel is formed on the surface of the epitaxial layer 12. At the same time, a p region 16 is formed in the n well 13. Further, isolation regions (n-type) 17, 18, 19 having a higher concentration than the p region 16 are formed so as to overlap with the embedded p region 16 and spaced apart from each other in the horizontal direction. The ring transistor portion of the amplifying element has no isolation region, and instead overlaps with the p region 16 at a higher concentration than the buried p region 16, so as to overlap the source vicinity region 47, the n type barrier region 20, and the p + region. 21 is formed.

このようなことが可能なのは、埋め込みp-領域16のp-注入量が他の部分よりも少なく、p-領域16にオーバーラップ注入するだけで、その他の部分ができてしまうからである。 This is possible because the buried p region 16 has a smaller amount of p implantation than other portions, and other portions can be formed simply by overlapping implantation into the p region 16.

次に、本実施の形態の固体撮像装置の製造方法について図2〜図4の素子断面図と共に説明する。まず、図2(A)に示すように、p+型基板11上にp-エピタキシャル層12を成長させたウェハ上に公知の方法で酸化膜14を形成する。酸化膜14は犠牲酸化膜として作用する。この酸化膜14を通して、画素部全面にn型不純物、例えばリンをフォトリソグラフィを使った公知の方法で、酸化膜14を通して例えば、300keV〜1.5MeV程度の範囲で、1E11cm−2〜1E12cm−2の範囲の注入量を、注入エネルギーを変えてp-エピタキシャル層内に複数回イオン注入し、nウェル13を形成する。これにより、図2(A)に示すように、画素部で同一深さのnウェル13が、p-エピタキシャル層12上に形成される。 Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to the element cross-sectional views of FIGS. First, as shown in FIG. 2A, an oxide film 14 is formed by a known method on a wafer on which a p epitaxial layer 12 is grown on a p + type substrate 11. The oxide film 14 functions as a sacrificial oxide film. Through this oxide film 14, an n-type impurity such as phosphorus is applied to the entire surface of the pixel portion by a known method using photolithography. Through the oxide film 14, for example, in the range of about 300 keV to 1.5 MeV, 1E11 cm −2 to 1E12 cm −2. The n-well 13 is formed by implanting ions in the p epitaxial layer a plurality of times within the range of the above-mentioned range while changing the implantation energy. As a result, an n-well 13 having the same depth in the pixel portion is formed on the p epitaxial layer 12 as shown in FIG.

続いて、図2(A)の素子に対して、p型不純物として例えばボロンを70〜400keVの加速エネルギー、3E11cm-2〜1E12cm-2程度のドーズ量で、酸化膜14を通してイオン注入を画素部全面に行う。このとき、nウェル13よりも不純物の濃度が高くなるようにイオン注入する。これにより、図2(B)に示すように、nウェル13は、n-部15上に所定の深さのp-領域16が形成された構造となる。 Subsequently, for the element shown in FIG. 2A, for example, boron as a p-type impurity is ion-implanted through the oxide film 14 with an acceleration energy of 70 to 400 keV and a dose of about 3E11 cm −2 to 1E12 cm −2. Perform on the entire surface. At this time, ion implantation is performed so that the impurity concentration is higher than that of the n-well 13. As a result, as shown in FIG. 2B, the n-well 13 has a structure in which the p region 16 having a predetermined depth is formed on the n portion 15.

続いて、図2(B)の素子上面にフォトレジストを塗布した後、光電変換領域とリングトランジスタ部の領域以外の領域を分離注入領域としてその分離注入領域に対応した部分のフォトレジストを開口し、その開口を通して、n型不純物をイオン注入した後、フォトレジストを除去することで、図3(A)に示すように、nウェル13内の分離注入領域にn型の分離領域17、18、19を形成する。このとき、p-領域16よりも分離領域17、18、19の不純物濃度が濃くなるように、n型不純物として例えばリンを50〜2MeVの加速エネルギー、1E12cm-2〜1E13cm-2のドーズ量でイオン注入する。この1回のフォトリソグラフィで、光電変換領域とリングトランジスタ部の位置関係を規定する。 2B, a photoresist is applied to the upper surface of the element, and then a portion of the photoresist corresponding to the separation implantation region is opened with a region other than the photoelectric conversion region and the ring transistor portion as a separation implantation region. Then, after ion-implanting n-type impurities through the opening, the photoresist is removed, so that the n-type isolation regions 17, 18, 19 is formed. At this time, p - so that the impurity concentration of the isolation region 17, 18, 19 than the region 16 darker, as n-type impurity such as phosphorus acceleration energy 50~2MeV, a dose of 1E12cm -2 ~1E13cm -2 Ion implantation. The positional relationship between the photoelectric conversion region and the ring transistor portion is defined by one photolithography.

続いて、図3(A)のリングトランジスタ部となる領域(分離領域18と19との間の領域)をフォトリソグラフィにより選択し、その選択した同図(A)のp-領域16、n-部15の領域にオーバーラップするようにイオン注入して、同図(B)に示すように、ソース近傍p型領域47、n-バリア部20、p+領域21を形成する。このイオン注入条件はそれぞれ例えば、ソース近傍p型領域47は不純物ボロン、加速エネルギー15〜100KeV、ドーズ量2E12〜1E13cm-2であり、n-バリア部20は不純物リン、加速エネルギー150〜600KeV、ドーズ量2E12〜5E12cm-2であり、p+領域21は不純物ボロン、加速エネルギー300〜1MeV、ドーズ量3E12〜5E13cm-2程度である。 Subsequently, the region (region between the isolation regions 18 and 19) to be the ring transistor portion in FIG. 3A is selected by photolithography, and the selected p region 16 and n − in FIG. Ions are implanted so as to overlap with the region of the portion 15 to form the source vicinity p-type region 47, the n barrier portion 20, and the p + region 21, as shown in FIG. For example, the p-type region 47 near the source has impurity boron, acceleration energy of 15 to 100 KeV, and a dose amount of 2E12 to 1E13 cm −2 , and the n barrier portion 20 has impurity phosphorus, acceleration energy of 150 to 600 KeV, and dose. The amount is 2E12 to 5E12 cm −2 , and the p + region 21 is impurity boron, acceleration energy is 300 to 1 MeV, and dose is about 3E12 to 5E13 cm −2 .

続いて、図3(B)の酸化膜14を除去した後、素子上面に図4(A)に示すように、ゲート酸化膜44を既知の酸化膜形成方法で形成し、その上にポリシリコン膜を形成し所定の領域をエッチングしてリング状ゲート電極45を形成する。さらに酸化を行った後第2のポリシリコン膜を形成し、所定の領域をエッチングして転送ゲート電極51を形成する。   Subsequently, after removing the oxide film 14 in FIG. 3B, a gate oxide film 44 is formed on the upper surface of the element by a known oxide film formation method as shown in FIG. 4A, and polysilicon is formed thereon. A ring-shaped gate electrode 45 is formed by forming a film and etching a predetermined region. After further oxidation, a second polysilicon film is formed, and a predetermined region is etched to form a transfer gate electrode 51.

その後、リング状ゲート電極45、転送ゲート電極51をマスクにしてセルフアラインでn+型のドレイン48とソース46となる各拡散層をイオン注入により形成する。その後、図4(B)に示すように、ドレイン電極配線52、リング状ゲート電極配線53、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55を公知の配線層形成法にて形成した後、絶縁膜23で素子全面を被覆し、その上に遮光膜56を形成する。遮光膜56は、p-型の埋め込み領域16の上方に対応する位置に開口部57が形成される。p-型の埋め込み領域16は図5のp-型の埋め込み領域49に相当し、光電変換領域の一部を構成する。 Thereafter, each of the diffusion layers to be the n + -type drain 48 and source 46 is formed by ion implantation by self-alignment using the ring-shaped gate electrode 45 and the transfer gate electrode 51 as a mask. Thereafter, as shown in FIG. 4B, after the drain electrode wiring 52, the ring-shaped gate electrode wiring 53, the source electrode wiring (output line) 54, and the transfer gate electrode wiring 55 are formed by a known wiring layer forming method. The entire surface of the element is covered with an insulating film 23, and a light shielding film 56 is formed thereon. The light shielding film 56 has an opening 57 at a position corresponding to the upper side of the p type buried region 16. The p type buried region 16 corresponds to the p type buried region 49 in FIG. 5 and constitutes a part of the photoelectric conversion region.

従来は分離領域と光電変換領域の2回フォトリソグラフィ工程により露光してイオン注入を行うと、プロセスのばらつきにより位置ずれが発生する。これに対し、本実施の形態によれば、上述したように、光電変換領域となるp-型の埋め込み領域(p-領域)16を全面注入にし、画素部に全面注入したp-領域16、n-部15に分離領域17、18、19のみ露光後オーバーラップして選択注入するようにしたため、露光回数は1回であり、分離領域17、18、19がリングトランジスタ側にずれてもnウェルの幅が狭くなることはなく、位置ずれの問題のない安定したダイナミックレンジが得られる固体撮像装置を得ることができる。 Conventionally, when ion implantation is performed by performing exposure in the photolithography process twice in the separation region and the photoelectric conversion region, positional deviation occurs due to process variations. In contrast, according to this embodiment, as described above, the photoelectric conversion region p - type of the embedding region (p - region) 16 on the entire surface injection and entirely injected into the pixel portion p - region 16, Since only the separation regions 17, 18, 19 are overlapped and selectively injected into the n portion 15 after exposure, the number of exposures is one, and even if the separation regions 17, 18, 19 are shifted to the ring transistor side, n It is possible to obtain a solid-state imaging device in which the well width is not narrowed and a stable dynamic range without a problem of positional deviation can be obtained.

なお、図5に示した従来の固体撮像装置の構造と図1に示す本実施の形態の構造との違いは、二次イオン質量分析(SIMS;secondary ion mass spectrometry)により確認することができる。本実施の形態ではp-領域16に分離領域17〜19がオーバーラップして注入しているために、分離領域17〜19の不純物プロファイルをSIMS分析により得ると、p-領域16を形成している不純物が分離領域17〜19から検出される。ところが、従来の素子構造では、埋め込みp-領域49以外のnウェル領域43をSIMS分析してもp-型の不純物を検出することができない。また、従来は光電変換領域を形成するのに2回のフォトリソグラフィをしていたが、本実施の形態では1回で済むために、フォトリソグラフィ用のマスクを節約できるという効果もある。 The difference between the structure of the conventional solid-state imaging device shown in FIG. 5 and the structure of the present embodiment shown in FIG. 1 can be confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In this embodiment, since the isolation regions 17 to 19 are implanted in the p region 16 so as to overlap, when the impurity profile of the isolation regions 17 to 19 is obtained by SIMS analysis, the p region 16 is formed. Impurities are detected from the isolation regions 17-19. However, in the conventional element structure, even if the n well region 43 other than the buried p region 49 is subjected to SIMS analysis, p type impurities cannot be detected. Conventionally, photolithography is performed twice to form the photoelectric conversion region. However, in the present embodiment, only one photolithography is required, so that it is possible to save a photolithography mask.

本発明の固体撮像装置の一実施の形態の1画素分の素子構造図である。It is an element structure figure for 1 pixel of one embodiment of the solid-state imaging device of the present invention. 本発明の固体撮像装置の一実施の形態の製造方法を説明する素子断面図(その1)である。It is element sectional drawing (the 1) explaining the manufacturing method of one Embodiment of the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置の一実施の形態の製造方法を説明する素子断面図(その2)である。It is element sectional drawing (the 2) explaining the manufacturing method of one Embodiment of the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置の一実施の形態の製造方法を説明する素子断面図(その3)である。It is element sectional drawing (the 3) explaining the manufacturing method of one Embodiment of the solid-state imaging device of this invention. 従来の固体撮像装置の一例の1画素分の素子構造図である。It is an element structure figure for 1 pixel of an example of the conventional solid-state imaging device. 図5の固体撮像装置の画素構造と撮像素子全体の電気等価回路を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a pixel structure of the solid-state imaging device of FIG. 5 and an electrical equivalent circuit of the entire imaging device. 図6に示す電気等価回路の動作説明用タイミングチャートである。7 is a timing chart for explaining the operation of the electrical equivalent circuit shown in FIG. 6. 図5の従来の固体撮像装置の製造方法を説明する素子断面図(その1)である。FIG. 6 is an element cross-sectional view (part 1) for explaining a method of manufacturing the conventional solid-state imaging device of FIG. 5; 図5の従来の固体撮像装置の製造方法を説明する素子断面図(その2)である。FIG. 6 is an element cross-sectional view (No. 2) for explaining the method for manufacturing the conventional solid-state imaging device in FIG. 5; 図5の従来の固体撮像装置の製造方法を説明する素子断面図(その3)である。FIG. 7 is an element cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the conventional solid-state imaging device of FIG. 5;

符号の説明Explanation of symbols

11 p+型基板
12 p-型エピタキシャル層
13 nウェル
15 n-
16 p-型の埋め込み領域(p-領域)
17、18、19 分離領域
20 n-バリア部
21 p+領域
45 リング状ゲート電極
46 ソース領域
47 ソース近傍p型領域
48 ドレイン領域
50 フォトダイオード
51 転送ゲート電極
11 p + type substrate 12 p type epitaxial layer 13 n well 15 n part 16 p type buried region (p region)
17, 18, 19 Separation region 20 n - barrier portion 21 p + region 45 ring-shaped gate electrode 46 source region 47 near source p-type region 48 drain region 50 photodiode 51 transfer gate electrode

Claims (2)

被写体からの入射光を光電変換する光電変換領域と、前記光電変換領域により得られた光信号を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が、複数規則的に配列された固体撮像装置において、
基板上に画素全面に同一深さで形成された第1の導電型のウェルと、該ウェルの中に形成された第2の導電型の不純物層と、前記ウェル及び不純物層にそれぞれオーバーラップして深さ方向に形成され、かつ、前記深さ方向と直交する方向に互いに離間して形成された第1の導電型の複数の分離領域とを有し、該複数の分離領域により前記不純物層による前記光電変換領域と前記不純物層に基づいて形成される前記増幅素子用の領域との位置関係が規定されていることを特徴とする固体撮像装置。
In a solid-state imaging device in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion region that photoelectrically converts incident light from a subject and an amplification element that amplifies and outputs an optical signal obtained by the photoelectric conversion region are arranged in a regular manner,
A first conductivity type well formed at the same depth on the entire surface of the pixel on the substrate, a second conductivity type impurity layer formed in the well, and the well and the impurity layer overlap each other. A plurality of isolation regions of the first conductivity type formed in the depth direction and spaced apart from each other in a direction orthogonal to the depth direction, and the impurity layer is formed by the plurality of isolation regions. A solid-state imaging device characterized in that a positional relationship between the photoelectric conversion region and the region for the amplification element formed based on the impurity layer is defined.
被写体からの入射光を光電変換する光電変換領域と、前記光電変換領域により得られた光信号を増幅して出力する増幅素子とからなる画素が、複数規則的に配列された固体撮像装置の製造方法において、
基板上に画素全面に同一深さで第1の導電型のウェルを形成する第1の工程と、
前記ウェルの中に第2の導電型の不純物層を形成する第2の工程と、
前記光電変換領域と前記増幅素子用の領域とを除いた領域にフォトリソグラフィで第1の導電型の不純物を選択注入して、前記ウェル及び不純物層にそれぞれ深さ方向にオーバーラップし、かつ、前記深さ方向と直交する方向に互いに離間した複数の分離領域を形成する第3の工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
Manufacture of a solid-state imaging device in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion region that photoelectrically converts incident light from a subject and an amplification element that amplifies and outputs an optical signal obtained from the photoelectric conversion region are arranged regularly In the method
A first step of forming a well of the first conductivity type at the same depth on the entire surface of the pixel on the substrate;
A second step of forming a second conductivity type impurity layer in the well;
A first conductivity type impurity is selectively implanted by photolithography in a region excluding the photoelectric conversion region and the amplification element region, and overlaps the well and the impurity layer in the depth direction, and And a third step of forming a plurality of separation regions spaced apart from each other in a direction orthogonal to the depth direction.
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