JP2009182047A - Solid-state imaging device and electronic information apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、車載用カメラ、工業用カメラおよび医療用カメラなどの画像入力カメラの他、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor constituted by a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject by a photoelectric conversion unit and images the same, and this solid-state imaging device as an image input device. For example, digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras used as imaging units, image input cameras such as surveillance cameras, in-vehicle cameras, industrial cameras, and medical cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phones The present invention relates to electronic information equipment such as devices.
近年、カメラ画像などに対する更なる高精細化の要望が高まっており、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置などに搭載されるCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子において、高画素化が急速に進んでいる。 In recent years, there has been an increasing demand for higher definition of camera images and the like, and the number of pixels in a solid-state imaging device such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor mounted on a digital camera or a mobile phone device with a camera is increased. Is progressing rapidly.
また、CCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子が用いられるマーケットは、前述したデジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置の他、監視カメラ、車載用カメラ、工業用カメラおよび医療用カメラなど多岐にわたり急速に拡大している。これは、これらの固体撮像素子内で、光を電気信号に変える複数の光電変換部が各受光部として2次元的に配置され、各光電変換部がシリコン基板内部に埋め込まれた埋め込み型フォトダイオードとして、低ノイズ化されて高画質になったことが大きく寄与している。この埋め込み型フォトダイオードの事例を図9に示している。 The market where solid-state image sensors such as CCD image sensors and CMOS image sensors are used includes the above-described digital cameras and camera-equipped mobile phone devices, as well as surveillance cameras, in-vehicle cameras, industrial cameras, and medical cameras. It is expanding rapidly in various ways. In this solid-state imaging device, a plurality of photoelectric conversion units that convert light into electrical signals are two-dimensionally arranged as light receiving units, and each of the photoelectric conversion units is embedded in a silicon substrate. As a result, low noise and high image quality contributed greatly. An example of this embedded photodiode is shown in FIG.
図9は、従来のCMOS型固体撮像素子(イメージャ)の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 FIG. 9 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of the configuration of the main part of a conventional CMOS solid-state imaging device (imager).
図9に示すように、従来のCMOS型固体撮像素子100は、P型シリコン基板101のPウエル102内に埋め込みフォトダイオード(N−)103が形成され、その表面側の表面高濃度拡散層(P+)104とPウエル102に挟まれた埋め込み構造になっている。これらの埋め込みフォトダイオード(N−)103および表面高濃度拡散層(P+)104と、信号電荷を電圧に変換する電荷検出部105(N+)との間の信号電荷転送領域(トランジスタ領域)となるPウエル102上に表面酸化膜106を介して電荷転送トランジスタの転送ゲート107が設けられている。さらに、電荷検出部105(N+)と、電源電位の出力端に接続されたドレイン領域108との間のトランジスタ領域となるPウエル102上に表面酸化膜106を介してリセットトランジスタのリセットゲート109が設けられている。なお、P型シリコン基板101はGND電位の出力端に接続されている。
As shown in FIG. 9, a conventional CMOS solid-
上記構成により、入射光はこの埋め込みフォトダイオード(N−)103で光電変換され、蓄積された信号電荷は、電荷転送トランジスタの転送ゲート107に転送信号が印加されることにより、埋め込みフォトダイオード(N−)103から電荷検出部105に電荷転送される。次に、電荷検出部105では、電荷転送された信号電荷が信号電圧に変換され、この信号電圧に応じて増幅トランジスタ(図示せず)により増幅されて撮像信号として信号線に出力される。その後、リセットトランジスタのリセットゲート109にリセット信号が印加されて、電荷検出部105は電源電位にリセットされる。このように、電荷検出部105に電荷転送された信号電荷は、電源電位の出力端に接続されたドレイン領域109側に排出される。
With the above configuration, incident light is photoelectrically converted by the embedded photodiode (N−) 103, and the accumulated signal charge is applied to the
一般に、半導体基板としてのシリコン基板の表面付近では、表面シリコン酸化膜とシリコン表面との界面に原子構造の違いによる格子欠陥が存在し、この格子欠陥のために、温度特性を持つリーク電流が発生する。図9では、そのリーク電流発生源である界面を表面高濃度拡散層(P+)104で覆い、ノイズとなる不要なリーク電流(この場合は電荷)を表面高濃度拡散層(P+)104により再結合させて不要なリーク電流を除去し、このリーク電流(ノイズ)の影響をなくして、高画質化を維持している。 In general, near the surface of a silicon substrate as a semiconductor substrate, there is a lattice defect due to a difference in atomic structure at the interface between the surface silicon oxide film and the silicon surface, and this lattice defect causes a leak current having temperature characteristics. To do. In FIG. 9, the interface that is the source of the leakage current is covered with the surface high-concentration diffusion layer (P +) 104, and unnecessary leak current (charge in this case) that causes noise is regenerated by the surface high-concentration diffusion layer (P +) 104. By combining them, unnecessary leakage current is removed, the influence of this leakage current (noise) is eliminated, and high image quality is maintained.
このように、暗電流を抑制するために表面高濃度拡散層(P+)104を設けて埋め込みフォトダイオード(N−)103としている。このように、埋め込み型として、フォトダイオード(N−)の表面に表面P+層が形成された事例は、例えば特許文献1〜3などに詳細に開示されている。 Thus, in order to suppress the dark current, the surface high concentration diffusion layer (P +) 104 is provided to form the embedded photodiode (N−) 103. As described above, examples in which the surface P + layer is formed on the surface of the photodiode (N−) as a buried type are disclosed in detail in, for example, Patent Documents 1 to 3 and the like.
一方、特許文献4には、表面N+層が開示されているものの、これは、特許文献1〜3のものと極性が逆の並びになっている事例であって、埋め込み型として、入射光を受光する受光部としてのP型ウェル層の表面側に表面N+層が形成されている。この場合の信号は、特許文献1〜3のように電荷ではなくホールである。特許文献4のように導電型(P型とN型)の極性の並びが逆であっても特許文献1〜3のものと略同じように作用する。
しかしながら、上記従来の構成では、いずれも、以下のような問題がある。ここでは信号を電荷として説明する。
即ち、リーク電流の電荷は表面高濃度拡散層(P+)104内での少数キャリアであり、拡散により埋め込みフォトダイオード(N−)103に到達すればノイズとなる。これを防止するには、表面高濃度拡散層(P+)104の濃度をさらに上げればよいのであるが、表面高濃度拡散層(P+)104の濃度をさらに上げれば、表面高濃度拡散層(P+)104と埋め込みフォトダイオード(N−)103との電界強度が増して、ジャンクションリーク電流による別のノイズが発生してしまう。逆に、埋め込みフォトダイオード(N−)103の濃度を下げると、埋め込みフォトダイオード(N−)103の電界強度は下がるものの、その副作用として埋め込みフォトダイオード(N−)103が蓄積可能な信号電荷量も下がってしまう。
However, each of the conventional configurations has the following problems. Here, the signal is described as an electric charge.
That is, the charge of the leak current is minority carriers in the surface high-concentration diffusion layer (P +) 104 and becomes noise if it reaches the embedded photodiode (N−) 103 by diffusion. In order to prevent this, the concentration of the surface high concentration diffusion layer (P +) 104 may be further increased. However, if the concentration of the surface high concentration diffusion layer (P +) 104 is further increased, the surface high concentration diffusion layer (P +) is increased. ) 104 and the embedded photodiode (N−) 103 increase in electric field strength, and another noise due to the junction leakage current occurs. Conversely, when the concentration of the embedded photodiode (N−) 103 is lowered, the electric field strength of the embedded photodiode (N−) 103 decreases, but as a side effect, the amount of signal charge that can be accumulated by the embedded photodiode (N−) 103. Will also go down.
また、このノイズの発生を防止する他の方法として、表面高濃度拡散層(P+)104の形成厚さを基板深さ方向に十分広く(厚く)して、リーク電流電荷が拡散により埋め込みフォトダイオード(N−)103に到達するまでに再結合させることも考えられるが、この場合には、埋め込みフォトダイオード(N−)103の形成位置が基板深部になってしまい、特に、表面付近で光電変換されるに短波長の光(青色など)の感度劣化が著しくなってしまう。 As another method for preventing the occurrence of this noise, the formation thickness of the surface high-concentration diffusion layer (P +) 104 is made sufficiently wide (thick) in the substrate depth direction, and the leakage current charge is buried by diffusion. Although it is conceivable to recombine before reaching (N−) 103, in this case, the formation position of the embedded photodiode (N−) 103 becomes deep in the substrate, and in particular, photoelectric conversion near the surface. However, the sensitivity deterioration of short-wavelength light (blue, etc.) becomes significant.
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、信号電荷蓄積量の低下および青色光の感度劣化がなく、ノイズがより抑制された高画質の画像データを得ることができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and there is no reduction in the amount of accumulated signal charges and no deterioration in the sensitivity of blue light, and a solid-state imaging device capable of obtaining high-quality image data in which noise is further suppressed, and An object of the present invention is to provide an electronic information device such as a mobile phone device with a camera using the solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit.
本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部が各単位画素として2次元的に設けられた固体撮像素子において、該第1導電型光電変換部の表面側に設けられた第2導電型第1表面拡散層とシリコン表面または表面酸化膜との間に第1導電型第2表面拡散層が設けられたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device in which a plurality of first conductive photoelectric conversion units that photoelectrically convert incident light to generate signal charges are two-dimensionally provided as unit pixels. A first conductivity type second surface diffusion layer is provided between the second conductivity type first surface diffusion layer provided on the surface side of the type photoelectric conversion portion and the silicon surface or surface oxide film; This achieves the above object.
また、本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部が各単位画素として2次元的に設けられた固体撮像素子において、該第1導電型光電変換部は、該単位画素毎に、半導体基板または半導体層に設けられ、該第1導電型光電変換部の表面側に第2導電型第1表面拡散層が設けられ、該第2導電型第1表面拡散層の表面側に第1導電型第2表面拡散層が設けられたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of first conductivity type photoelectric conversion units that photoelectrically convert incident light to generate a signal charge in a two-dimensional manner as each unit pixel. The one-conductivity-type photoelectric conversion unit is provided on the semiconductor substrate or the semiconductor layer for each unit pixel, and the second-conductivity-type first surface diffusion layer is provided on the surface side of the first-conductivity-type photoelectric conversion unit. The first conductivity type second surface diffusion layer is provided on the surface side of the two conductivity type first surface diffusion layer, and thereby the above object is achieved.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面拡散層は、前記第2導電型第1表面拡散層の表面側の一部に設けられている。 More preferably, the first conductivity type second surface diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is provided on a part of the surface side of the second conductivity type first surface diffusion layer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面拡散層は、前記第1導電型光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出すための読み出し領域まで形成されておらず、該第1導電型第2表面拡散層と該読み出し領域との間に所定間隔が設けられている。 Further, preferably, the first conductivity type second surface diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is not formed up to a reading region for reading the signal charge photoelectrically converted by the first conductivity type photoelectric conversion unit. A predetermined interval is provided between the first conductivity type second surface diffusion layer and the readout region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面拡散層と、前記第1導電型光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出すための読み出し領域との間の所定間隔には前記第2導電型第1表面拡散層が介在して設けられている。 Further preferably, a predetermined interval between the first conductivity type second surface diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention and a readout region for reading out signal charges photoelectrically converted by the first conductivity type photoelectric conversion unit. Is provided with the second conductivity type first surface diffusion layer interposed therebetween.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における所定間隔は、前記信号電荷の読み出し時に、前記第1導電型第2表面拡散層の電荷の前記読み出し領域への拡散を防止可能な間隔である。 Further preferably, the predetermined interval in the solid-state imaging device of the present invention is an interval that can prevent diffusion of the charge of the first conductivity type second surface diffusion layer into the readout region when the signal charge is read out.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面拡散層は、前記光電変換部の周囲の素子分離領域の側面から底面側にも該側面および該底面に接して設けられている。 Further preferably, the first conductivity type second surface diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is provided in contact with the side surface and the bottom surface from the side surface to the bottom surface side of the element isolation region around the photoelectric conversion unit. ing.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第2導電型第1表面拡散層は半導体基板または半導体層よりも高濃度の第2導電型第1表面高濃度拡散層であり、前記第1導電型第2表面拡散層は前記第1導電型光電変換部よりも高濃度の第1導電型第2表面高濃度拡散層である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the second conductivity type first surface diffusion layer is a second conductivity type first surface high concentration diffusion layer having a higher concentration than the semiconductor substrate or the semiconductor layer, and the first conductivity type. The type second surface diffusion layer is a first conductivity type second surface high concentration diffusion layer having a higher concentration than that of the first conductivity type photoelectric conversion unit.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第2導電型第1表面拡散層は半導体基板または半導体層よりも低濃度かまたは同等の第2導電型第1表面低濃度拡散層であり、前記第1導電型第2表面拡散層は前記第1導電型光電変換部よりも高濃度の第1導電型第2表面高濃度拡散層である。 Further preferably, the second conductivity type first surface diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is a second conductivity type first surface low concentration diffusion layer having a lower concentration or equivalent to the semiconductor substrate or the semiconductor layer, The first conductivity type second surface diffusion layer is a first conductivity type second surface high concentration diffusion layer having a higher concentration than the first conductivity type photoelectric conversion portion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面高濃度拡散層は、前記第2導電型第1表面低濃度拡散層と同一電位である。 Further preferably, the first conductivity type second surface high concentration diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention has the same potential as the second conductivity type first surface low concentration diffusion layer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面高濃度拡散層は、接地電位の出力端に接続されている。 Furthermore, preferably, the first conductivity type second surface high-concentration diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is connected to the output terminal of the ground potential.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面高濃度拡散層は、前記第2導電型第1表面低濃度拡散層より高電位であり、該第2導電型第1表面低濃度拡散層は空乏化されている。 Further preferably, the first conductivity type second surface high-concentration diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention has a higher potential than the second conductivity type first surface low-concentration diffusion layer, and the second conductivity type first The surface low concentration diffusion layer is depleted.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型第2表面高濃度拡散層は直流電位の出力端に接続されている。 Further preferably, the first conductivity type second surface high-concentration diffusion layer in the solid-state imaging device of the present invention is connected to the output terminal of the direct current potential.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型光電変換部の濃度を該第1導電型光電変換部の濃度よりも高濃度とする。 Further preferably, the concentration of the first conductivity type photoelectric conversion unit in the solid-state imaging device of the present invention is higher than the concentration of the first conductivity type photoelectric conversion unit.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子は、前記第1導電型光電変換部が前記第2導電型第1表面拡散層および前記第1導電型第2表面拡散層により埋め込まれているCMOS型固体撮像素子またはCCD型固体撮像素子である。 Still preferably, in a solid-state imaging device of the present invention, the first conductivity type photoelectric conversion unit is a CMOS type in which the second conductivity type first surface diffusion layer and the first conductivity type second surface diffusion layer are embedded. It is a solid-state image sensor or a CCD solid-state image sensor.
本発明の固体撮像素子は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device of the present invention uses the solid-state imaging device of the present invention as an image input device in an imaging unit, thereby achieving the above object.
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。 With the above configuration, the operation of the present invention will be described below.
本発明においては、光電変換部と反極性(第2導電型)の第1表面拡散層とシリコン基板表面との間に、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面拡散層を形成する。これによって、半導体表面とその表面酸化膜との境界面で発生するリーク電流(暗電流)が、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面拡散層内側に掃き出されて、光電変換部側にリーク電流が介入することがなくなり、低ノイズ化が実現される。この場合、光電変換部と同極性の第2表面拡散層が、光電変換部で発生した信号電荷を読み出す読み出し領域いっぱいまで形成されていないので、光電変換部からの信号電荷の読み出し時に第2表面拡散層からの電荷が信号電荷といっしょに読み出されることはない。 In the present invention, the second surface diffusion layer having the same polarity (first conductivity type) as that of the photoelectric conversion portion is interposed between the photoelectric conversion portion, the first surface diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type), and the silicon substrate surface. Form. As a result, leakage current (dark current) generated at the interface between the semiconductor surface and the surface oxide film is swept out to the inside of the second surface diffusion layer having the same polarity (first conductivity type) as the photoelectric conversion unit, Leakage current does not intervene on the photoelectric conversion unit side, and noise reduction is realized. In this case, since the second surface diffusion layer having the same polarity as that of the photoelectric conversion unit is not formed to the full extent of the reading region for reading the signal charge generated in the photoelectric conversion unit, the second surface is read when the signal charge is read from the photoelectric conversion unit. The charge from the diffusion layer is not read out together with the signal charge.
また、反極性(第2導電型)の第1表面低濃度拡散層として濃度を下げ、光電変換部の濃度をそのままかまたは上げる。これによっても、低ノイズ化が実現される。しかも、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層の電位を固定することにより、固定した電位側にリーク電流を完全に掃き出して更なる低ノイズ化が実現される。また、光電変換部の濃度を上げることにより、電荷蓄積容量が増大し、信号量の高ダイナミックレンジ化が実現される。 Further, the concentration is decreased as the first surface low-concentration diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type), and the concentration of the photoelectric conversion unit is increased or decreased. This also realizes low noise. In addition, by fixing the potential of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity (first conductivity type) as that of the photoelectric conversion unit, the leakage current is completely swept to the fixed potential side, thereby further reducing noise. The Further, by increasing the density of the photoelectric conversion unit, the charge storage capacity is increased and a high dynamic range of the signal amount is realized.
さらに、第2表面高濃度拡散層は、第1表面高濃度拡散層の表面側だけではなく、光電変換部の周囲の素子分離領域の側面から底面側にも形成される。これによって、素子分離領域の側面から底面と半導体表面との境界面で発生するリーク電流(暗電流)も、光電変換部と同極性の第2表面高濃度拡散層内側に掃き出されて、更なる低ノイズ化が実現される。 Furthermore, the second surface high-concentration diffusion layer is formed not only on the surface side of the first surface high-concentration diffusion layer but also on the side surface to the bottom surface side of the element isolation region around the photoelectric conversion unit. As a result, the leakage current (dark current) generated from the side surface of the element isolation region to the boundary surface between the bottom surface and the semiconductor surface is also swept out to the inside of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity as the photoelectric conversion unit. The reduction of noise is realized.
以上のように、本発明によれば、光電変換部と反極性(第2導電型)の第1表面拡散層とシリコン表面(または表面酸化膜)との間に、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層を形成するため、半導体表面とその表面酸化膜との境界面で発生するリーク電流(暗電流)を光電変換部側に流入させることを防止でき、低ノイズ化を実現することができて高画質の画像データを得ることができる。また、反極性(第2導電型)の第1表面低濃度拡散層として濃度を下げ、光電変換部の濃度をそのままかまたは上げることによっても、低ノイズ化を実現することができる。しかも、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層の電位を直流電位に固定すれば、固定した電位側にリーク電流を完全に掃き出すことができて、更なる低ノイズ化による高画質の画像データを得ることができる。また、光電変換部と反極性(第2導電型)の第1表面低濃度拡散層として濃度を下げ、光電変換部の濃度を上げれば、信号量の高ダイナミックレンジ化を実現することができる。さらに、第2表面高濃度拡散層は、光電変換部の周囲の素子分離領域の側面から底面側にも形成すれば、素子分離領域の側面から底面と半導体表面との境界面で発生するリーク電流(暗電流)も、光電変換部と同極性の第2表面高濃度拡散層内側に掃き出すことができて、更なる低ノイズ化による高画質の画像データを得ることができる。 As described above, according to the present invention, the same polarity as the photoelectric conversion unit (the same polarity as the photoelectric conversion unit) is provided between the photoelectric conversion unit, the first surface diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type), and the silicon surface (or surface oxide film). In order to form the second surface high concentration diffusion layer of the first conductivity type, it is possible to prevent leakage current (dark current) generated at the interface between the semiconductor surface and the surface oxide film from flowing into the photoelectric conversion unit side. Thus, low noise can be realized and high-quality image data can be obtained. Further, the noise can be reduced by decreasing the concentration as the first surface low-concentration diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type) and increasing or decreasing the concentration of the photoelectric conversion unit. In addition, if the potential of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity (first conductivity type) as that of the photoelectric conversion portion is fixed to a DC potential, the leakage current can be completely swept out to the fixed potential side, and further High-quality image data can be obtained by reducing noise. Further, if the concentration is lowered and the concentration of the photoelectric conversion unit is increased as the first surface low concentration diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type) to the photoelectric conversion unit, a high dynamic range of the signal amount can be realized. Furthermore, if the second surface high-concentration diffusion layer is formed also from the side surface to the bottom surface side of the element isolation region around the photoelectric conversion portion, a leakage current generated from the side surface of the element isolation region to the boundary surface between the bottom surface and the semiconductor surface. (Dark current) can also be swept out to the inside of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity as that of the photoelectric conversion unit, and high-quality image data can be obtained by further reducing noise.
したがって、高画質、高ダイナミックレンジの画像データを得る高性能イメージセンサの形成に本発明の固体撮像素子は極めて有用である。 Therefore, the solid-state imaging device of the present invention is extremely useful for forming a high-performance image sensor that obtains image data with high image quality and high dynamic range.
以下、本発明の固体撮像素子の実施形態1〜3として、CMOS型固体撮像素子に適用した場合について説明し、本発明の固体撮像素子の実施形態4として、CCD型固体撮像素子に適用した場合について説明し、さらに、これらの実施形態1〜4のうちのいずれかの固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を実施形態5として、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a case where the present invention is applied to a CMOS type solid-state image sensor will be described as Embodiments 1 to 3 of the solid-state image sensor of the present invention. Further, an electronic information device using the solid-state imaging device of any one of the first to fourth embodiments as an image input device in an imaging unit will be described in detail as a fifth embodiment with reference to the drawings. .
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るCMOS型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図1において、本実施形態1のCMOS型固体撮像素子20は、半導体基板としてのP型シリコン基板1(またはN型シリコン基板)のP型ウエル2内に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部(複数の受光部)としての複数の埋め込みフォトダイオード(N−)3が各単位画素として行列方向にマトリクス状に形成されている。この埋め込みフォトダイオード(N−)3の表面側には、第2導電型第1表面高濃度拡散層(P+)4が設けられ、さらに、第1表面高濃度拡散層(P+)4の表面側の一部に第1導電型第2表面高濃度拡散層(N+)5が設けられている。つまり、第2導電型第1表面高濃度拡散層(P+)4とP型シリコン基板1のシリコン表面(表面酸化膜7)との間に第2表面高濃度拡散層(N+)5が設けられている。また、この埋め込みフォトダイオード(N−)3は、その表面側の第1表面高濃度拡散層(P+)4およびその上の第2表面高濃度拡散層(N+)5とPウエル2とに挟まれた埋め込み構造になっている。
従来例の図9の場合と本実施形態1の場合との相違点は、従来の表面高濃度拡散層(P+)4と表面酸化膜7(シリコン表面)との間に第2表面高濃度拡散層(N+)5をさらに形成した点である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of the configuration of the main part of a CMOS solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, a CMOS type solid-
The difference between the case of FIG. 9 of the conventional example and the case of the first embodiment is that the second surface high concentration diffusion between the conventional surface high concentration diffusion layer (P +) 4 and the surface oxide film 7 (silicon surface). The layer (N +) 5 is further formed.
この場合、第2表面高濃度拡散層(N+)5は電荷転送トランジスタの転送ゲート8のフォトダイオード側端面いっぱいまでは形成せず、所定の間隔(例えば0.3μm±0.1μm;表面高濃度拡散層(N+)5から電荷が抜けて行かない)を明けている。これは、埋め込みフォトダイオード(N−)3から電荷検出部6へ、光電変換された信号電荷を電荷転送する場合(読み出す場合)に、表面高濃度拡散層(N+)5からの電荷が、電荷転送トランジスタの転送ゲート8下を通って電荷検出部6側に掃き出されないようにするためである。
In this case, the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 is not formed up to the end face on the photodiode side of the
要するに、第2表面高濃度拡散層(N+)5は、埋め込みフォトダイオード(N−)3を埋め込むための第1表面高濃度拡散層(P+)4の表面側に形成されているものの、埋め込みフォトダイオード(N−)3で入射光を受光して光電変換した信号電荷をフローティングディフュージョンFDである電荷検出部6側に読み出すためのトランジスタ領域(Pウエル2)いっぱいまでは形成されておらず、第2表面高濃度拡散層(N+)5とそのトランジスタ領域(Pウエル2)との間に第1表面高濃度拡散層(P+)4が介在して設けられている。
In short, the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 is formed on the surface side of the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 for embedding the embedded photodiode (N−) 3. The transistor (P well 2) for reading the signal charge photoelectrically converted by receiving incident light by the diode (N−) 3 is not formed up to the transistor region (P well 2) for reading to the
これらの埋め込みフォトダイオード(N−)3および第1表面高濃度拡散層(P+)4と、電荷検出部6との間の信号電荷転送領域(トランジスタ領域)となるPウエル2上に表面酸化膜7を介して電荷転送トランジスタの転送ゲート8が設けられている。また、電荷検出部6と、電源電位の出力端に接続されたドレイン領域10との間のトランジスタ領域となるPウエル2上に表面酸化膜7を介してリセットトランジスタのリセットゲート9が設けられている。なお、P型シリコン基板1はGND電位の出力端に接続されている。
この第2表面高濃度拡散層(N+)5の電位は、図2に基板深さ方向のポテンシャル図を示すが、ジャンクションリーク電流を避けるために、第1表面高濃度拡散層(P+)4、Pウエル2およびPシリコン基板1と略同一電位(GND)であるが、第2表面高濃度拡散層(N+)5の電位の方が第1表面高濃度拡散層(P+)4の電位よりもビルトインポテンシャル差だけ低く、シリコン表面付近で発生するリーク電流のうち、不要電荷は第2表面高濃度拡散層(N+)5の表面から第1表面高濃度拡散層(P+)4のGND電位を超えて、埋め込みフォトダイオード(N−)3側へ拡散して行くことはない。その不要電荷は第2表面高濃度拡散層(N+)5からGND電位側に掃き出される。
A surface oxide film is formed on the P well 2 serving as a signal charge transfer region (transistor region) between the buried photodiode (N−) 3 and the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 and the
The potential of the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 is shown in FIG. 2 as a potential diagram in the substrate depth direction. In order to avoid a junction leakage current, the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4, The potential of the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 is substantially the same as that of the P well 2 and the P silicon substrate 1, but the potential of the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 is higher than the potential of the first surface high concentration diffusion layer (P +) 4. Of the leakage current generated near the silicon surface, the unnecessary charge is lower than the built-in potential difference and exceeds the GND potential of the first surface high concentration diffusion layer (P +) 4 from the surface of the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5. Thus, it does not diffuse toward the embedded photodiode (N−) 3 side. The unnecessary charges are swept out from the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 to the GND potential side.
この第2表面高濃度拡散層(N+)5同士の接続は単位画素内で行う必要はない。なぜならば、図3の画素パターン図で示されているように、単位画素内では、各トランジスタとの素子分離は素子分離酸化膜で分離されるが、埋め込みフォトダイオード(N−)3間の素子分離(図3では垂直方向)はイオン注入(第1表面高濃度拡散層(P+)4やPウエル2)で素子分離されているため、第2表面高濃度拡散層(N+)5(第2表面高濃度拡散層(N+)用パターン)も垂直方向で各々の画素で接続される。よって、各々の画素でGND電位に接続する必要はなく、画素アレイの外部でのGND電位への接続が可能である。 The connection between the second surface high-concentration diffusion layers (N +) 5 does not need to be performed within the unit pixel. This is because, as shown in the pixel pattern diagram of FIG. 3, element isolation from each transistor is isolated by an element isolation oxide film in a unit pixel, but an element between embedded photodiodes (N−) 3. Isolation (vertical direction in FIG. 3) is performed by ion implantation (first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 or P well 2), so that the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 (second The surface high concentration diffusion layer (N +) pattern) is also connected to each pixel in the vertical direction. Therefore, it is not necessary to connect to the GND potential in each pixel, and connection to the GND potential outside the pixel array is possible.
上記構成により、入射光はこの埋め込みフォトダイオード(N−)3で光電変換され、蓄積された信号電荷は、電荷転送トランジスタの転送ゲート8に転送信号が印加されて埋め込みフォトダイオード(N−)3から電荷検出部6に電荷転送される。この電荷検出部6では、電荷転送された信号電荷が信号電圧に変換され、この信号電圧に応じて増幅トランジスタ(図示せず)により増幅されて撮像信号として信号線に出力される。その後、リセットトランジスタのリセットゲート9にリセット信号が印加されて、電荷検出部6は電源電位にリセットされる。このように、電荷検出部6に電荷転送された信号電荷は、電源電位の出力端に接続されたドレイン領域10側に排出される。
With the above configuration, incident light is photoelectrically converted by the embedded photodiode (N−) 3, and the stored signal charge is applied to the
この場合、シリコン表面付近で発生するリーク電流のうち、電荷は第2表面高濃度拡散層(N+)5からGND電位側へ完全に掃きだされて、シリコン表面で発生したリーク電流成分は一切、埋め込みフォトダイオード(N−)3側へは拡散せず、極めて高画質が得られる。 In this case, out of the leakage current generated near the silicon surface, the charge is completely swept from the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 to the GND potential side, and the leakage current component generated on the silicon surface is completely It does not diffuse toward the embedded photodiode (N−) 3 side, and extremely high image quality is obtained.
以上により、本実施形態1によれば、光電変換部としての埋め込みフォトダイオード(N−)3と反極性(第2導電型)の第1表面高濃度拡散層(P+)4とシリコン基板1の表面との間に、埋め込みフォトダイオード(N−)3と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5を形成するため、シリコン基板1の表面とその表面酸化膜7との境界面で発生するリーク電流(暗電流)が、埋め込みフォトダイオード(N−)3と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5からGND電位側に掃き出されて、埋め込みフォトダイオード(N−)3側にリーク電流が介入することがなくなり、低ノイズ化を実現することができて高画質を得ることができる。この場合に、埋め込みフォトダイオード(N−)3と同極性の第2表面高濃度拡散層(N+)5が、埋め込みフォトダイオード(N−)3で発生した信号電荷を読み出す読み出し領域いっぱいまで形成されていないため、埋め込みフォトダイオード(N−)3からの信号電荷の読み出し時に第2表面高濃度拡散層(N+)5からの電荷を信号電荷といっしょに読み出されるのを防止することができる。 As described above, according to the first embodiment, the embedded photodiode (N−) 3 as the photoelectric conversion unit, the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 having the opposite polarity (second conductivity type), and the silicon substrate 1 In order to form a second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 having the same polarity (first conductivity type) as the embedded photodiode (N−) 3 between the surface and the surface, the surface of the silicon substrate 1 and its surface oxide film The leakage current (dark current) generated at the boundary surface between the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 having the same polarity (first conductivity type) as that of the embedded photodiode (N−) 3 is brought to the GND potential side. As a result, the leakage current does not intervene on the side of the embedded photodiode (N−) 3 and the noise can be reduced, and high image quality can be obtained. In this case, the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 having the same polarity as that of the embedded photodiode (N−) 3 is formed to fill the readout region for reading the signal charge generated in the embedded photodiode (N−) 3. Therefore, it is possible to prevent the charge from the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 from being read together with the signal charge when the signal charge is read from the embedded photodiode (N−) 3.
(実施形態2)
上記実施形態1では、埋め込みフォトダイオード(N−)3と反対極性(P型)の第1表面高濃度拡散層(P+)4とシリコン基板1の半導体表面との間に、埋め込みフォトダイオード(N−)3と同極性(N型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5を形成することにより、撮像信号の低ノイズ化を実現して高画質化する場合について説明したが、本実施形態2では、反極性(P型)の第1表面低濃度拡散層(P−)として濃度を下げ、埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)のようにその濃度をそのままかまたは上げて撮像信号の低ノイズ化を実現する場合について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the embedded photodiode (N) is interposed between the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 having the opposite polarity (P type) to the embedded photodiode (N−) 3 and the semiconductor surface of the silicon substrate 1. -) The case where the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 having the same polarity (N type) as 3 is formed to reduce the noise of the image pickup signal and to improve the image quality has been described. In the second mode, the density is reduced as the first surface low-concentration diffusion layer (P−) of the opposite polarity (P type), and the density is increased or decreased as in the case of the embedded photodiode (N or N−). A case of realizing low noise will be described.
図4は、本発明の実施形態2に係るCMOS型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。なお、上記図1と同様の作用効果を奏する部材には同一の符号を付して説明する。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of the configuration of the main part of a CMOS solid-state imaging device according to
図4において、本実施形態2のCMOS型固体撮像素子20Aは、第2導電型半導体基板としてのP型シリコン基板1のPウエル2内に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部(複数の受光部)としての複数の埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3が各単位画素として行列方向にマトリクス状に形成されている。この埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3の表面側には、第2導電型第1表面低濃度拡散層(P−)4Aが設けられ、さらに、この第1表面低濃度拡散層(P−)4Aの表面側の一部に、直流電位VDの出力端に接続された第1導電型第2表面高濃度拡散層(N+)5が設けられている。つまり、第2導電型第1表面低濃度拡散層(P−)4AとP型シリコン基板1のシリコン表面(表面酸化膜7)との間に第2表面高濃度拡散層(N+)5が設けられている。また、この埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3は、その表面側の第1表面低濃度拡散層(P−)4Aおよびその上の第2表面高濃度拡散層(N+)5とPウエル2とに挟まれた埋め込み構造になっている。
In FIG. 4, the CMOS type solid-
ここで、上記実施形態1の場合との相違点は、第1表面拡散層を上記実施形態1のように高濃度(P+)ではなく第1表面低濃度拡散層(P−)層4Aと低濃度化し、第2表面高濃度拡散層(N+)5の電位を、上記実施形態1のようにGND電位ではなく、直流電位VDを印加して固定する点である。
Here, the difference from the case of the first embodiment is that the first surface diffusion layer is not the high concentration (P +) as in the first embodiment but the first surface low concentration diffusion layer (P−)
従来例では、シリコン表面(半導体表面)で発生したリーク電流の電荷を再結合させるため、第1表面高濃度拡散層として高濃度であることが望ましく、このため(P+)層であったが、本実施形態2では、第2表面高濃度拡散層(N+)5が存在するため、第1表面高濃度拡散層は、第2表面高濃度拡散層(N+)5と埋め込みフォトダイオード(N−)3とを分離するだけの目的であって、低濃度であってもかまわない。 In the conventional example, in order to recombine the charge of the leakage current generated on the silicon surface (semiconductor surface), it is desirable that the first surface high-concentration diffusion layer has a high concentration, and for this reason, the (P +) layer was used. In the second embodiment, since the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 exists, the first surface high concentration diffusion layer includes the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 and the embedded photodiode (N−). 3 and only a low concentration.
第1表面拡散層を低濃度にすることにより、第1表面低濃度拡散層(P−)4Aと埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3間の電界強度が弱まり、埋め込みフォトダイオード(N)3のようにその濃度を上げてもジャンクションリーク電流が発せせず、その結果、埋め込みフォトダイオード(N)3で蓄積可能な信号電荷容量も増加し、取り扱う信号量のダイナミックレンジを増大させることができる。
また、表面側では、図5に示すような基板深さ方向のポテンシャル図になり、第1表面低濃度拡散層(P−)4Aは薄くして空乏化するが、第2表面高濃度拡散層(N+)5の電位をGND電位ではなく、直流高電位の一定電位VDに固定することにより、第2表面高濃度拡散層(N+)5から埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3への、空乏層を超えて流れるパンチスルー電流を防ぐことができる。
By reducing the concentration of the first surface diffusion layer, the electric field strength between the first surface low concentration diffusion layer (P−) 4A and the embedded photodiode (N or N−) 3 is weakened, and the embedded photodiode (N) 3 Thus, even if the concentration is increased, junction leakage current does not occur, and as a result, the signal charge capacity that can be stored in the embedded photodiode (N) 3 increases, and the dynamic range of the signal amount to be handled can be increased. .
Further, on the surface side, a potential diagram in the substrate depth direction as shown in FIG. 5 is obtained, and the first surface low concentration diffusion layer (P−) 4A is thinned and depleted, but the second surface high concentration diffusion layer. By fixing the potential of (N +) 5 not to the GND potential but to the constant potential VD of the DC high potential, from the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 to the embedded photodiode (N or N−) 3, A punch-through current flowing beyond the depletion layer can be prevented.
以上により、本実施形態2によれば、埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3と反対極性(第2導電型)の第1表面低濃度拡散層(P−)層4Aとして濃度を下げ、埋め込みフォトダイオード(N−)3の濃度をそのままにするかまたは上げることによっても、シリコン基板1の半導体表面とその表面酸化膜7との境界面で発生するリーク電流(暗電流)が、埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5内側に掃き出されて、埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3側にリーク電流が介入することがなく、低ノイズ化を実現することができて高画質を得ることができる。しかも、埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)3と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5の電位を所定直流電位に固定することにより、固定した電位側にリーク電流を完全に掃き出して更なる低ノイズ化を実現して高画質を得ることができる。また、埋め込みフォトダイオード(N)3のようにその濃度を上げることにより、電荷蓄積容量が増大し、信号量の高ダイナミックレンジ化を実現することができる。
As described above, according to the second embodiment, the concentration is lowered as the first surface low concentration diffusion layer (P−)
(実施形態3)
上記実施形態1では、埋め込みフォトダイオード(N−)3と反対極性(P型)の第1表面高濃度拡散層(P+)4とシリコン基板1の半導体表面との間に、埋め込みフォトダイオード(N−)3と同極性(N型)の第2表面高濃度拡散層(N+)5を形成することにより低ノイズ化を実現する場合について説明したが、本実施形態3では、第2表面高濃度拡散層(N+)5は、埋め込みフォトダイオード(N−)3の周囲の素子分離領域11の側面から底面と半導体表面との間にも形成することで、素子分離領域11の側面から底面と半導体表面との境界面で発生するリーク電流(暗電流)も第2表面高濃度拡散層(N+)5側に掃き出して更なる低ノイズ化を実現する場合について説明する。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the embedded photodiode (N) is interposed between the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 4 having the opposite polarity (P type) to the embedded photodiode (N−) 3 and the semiconductor surface of the silicon substrate 1. -) The case where low noise is realized by forming the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 having the same polarity (N type) as 3 has been described. The diffusion layer (N +) 5 is also formed between the side surface and the bottom surface of the
図6は、本発明の実施形態3に係るCMOS型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。なお、上記図1と同様の作用効果を奏する部材には同一の符号を付して説明する。
FIG. 6 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of the configuration of the main part of a CMOS solid-state imaging device according to
図6において、本実施形態3のCMOS型固体撮像素子20Bは、第2導電型半導体基板としてのP型シリコン基板1のPウエル2内に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部(複数の受光部)としての複数の埋め込みフォトダイオード(N−)3が各単位画素として行列方向にマトリクス状に形成されている。この埋め込みフォトダイオード(N−)3の表面側には、第2導電型第1表面高濃度拡散層(P+)4が設けられ、さらに、この第1表面高濃度拡散層(P+)4の表面側の一部に、GND電位の出力端に接続された第1導電型第2表面高濃度拡散層(N+)5が設けられている。さらに、第1導電型第2表面高濃度拡散層(N+)5と同様の拡散層を、埋め込みフォトダイオード(N−)3の周辺の素子分離酸化膜11の側面および底面とそれに接する半導体表面との間まで、第1導電型第3高濃度拡散層(N+)5Bとして延ばして設けている。このように、この埋め込みフォトダイオード(N−)3は、その表面側の第1表面高濃度拡散層(P+)4、第2表面高濃度拡散層(N+)5および、この第2表面高濃度拡散層(N+)5から延ばした第3高濃度拡散層(N+)5BとPウエル2とに囲まれた埋め込み構造になっている。なお、第3高濃度拡散層(N+)5Bは、第2表面高濃度拡散層(N+)5と同様の材質により構成されている。なお、第1導電型第3高濃度拡散層(N+)5Bの配置範囲は、ノイズとなる画素の周りだけでよく、埋め込みフォトダイオード(N−)3の周辺の素子分離酸化膜11の側面および底面下だけでよい。
In FIG. 6, the CMOS type solid-
ここで、上記実施形態1の場合との相違点は、第2表面高濃度拡散層(N+)5を、埋め込みフォトダイオード(N−)3の周辺の素子分離酸化膜11の側面および底面下まで接して広げ、高エネルギー注入などで、第2表面高濃度拡散層(N+)5に連続して第3表面高濃度拡散層(N+)5Bを形成した点である。
Here, the difference from the case of the first embodiment is that the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 5 is extended to the side surface and below the bottom surface of the element
以上により、本実施形態3によれば、第2表面高濃度拡散層(N+)5は、第1表面高濃度拡散層の表面側だけではなく、埋め込みフォトダイオード(N−)3の周囲の素子分離酸化膜11の側面から底面下に第3表面高濃度拡散層(N+)5Bを設けたため、その素子分離酸化膜11の側面から底面とP型シリコン基板1との界面で発生するリーク電流成分も、第2表面高濃度拡散層(N+)5および第3表面高濃度拡散層(N+)5Bを介してGND電位側に掃き出すことができて、更なる低ノイズ化を実現することができて更に高画質化を実現することができる。
As described above, according to the third embodiment, the second surface high concentration diffusion layer (N +) 5 is not only the surface side of the first surface high concentration diffusion layer, but also an element around the embedded photodiode (N−) 3. Since the third surface high-concentration diffusion layer (N +) 5B is provided from the side surface to the bottom surface of the
なお、上記実施形態1〜3ではCMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bについて説明したが、これに限らず、本発明の固体撮像素子をCCD型固体撮像素子に適用することもできる。この場合について次の実施形態4に示している。
In the first to third embodiments, the CMOS solid-state
ここで、CMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bの信号読出回路について更に説明する。
Here, the signal readout circuits of the CMOS type solid-
CMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bはそれぞれ、各埋め込みフォトダイオード3から信号電荷を読み出すために、1画素部につき、被写体光を受光する受光部としての埋め込みフォトダイオード3と、この埋め込みフォトダイオード3からの信号電荷を信号電圧に変換する電荷検出部6と、信号読出回路を構成する複数個のトランジスタを設ける必要がある。具体的には、例えば、一般的には、複数個のトランジスタとして、埋め込みフォトダイオード3から電荷検出部6に信号電荷を電荷転送する電荷転送トランジスタと、この電荷検出部6に蓄積された信号電荷を電荷転送前にリセットするためのリセットトランジスタと、この電荷検出部6に蓄積された信号電荷を信号として増幅して読み出す増幅トランジスタと、読み出し画素部が選択されて、増幅トランジスタにより増幅された信号を信号線に出力させる選択トランジスタというように、1画素部につきフォトダイオード3および電荷検出部6と4つのトランジスタ(選択トランジスタを省略して3つのトランジスタとする場合もある)とが必要とされている。
Each of the CMOS type solid-
CMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bが、後述するCCD(Charge Coupled Device)型固体撮像素子と並んで広く利用され始めている。その理由として、CMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bは、従来のIC(集積回路)製造技術を利用して製造することが可能であり、埋め込みフォトダイオード3から信号電荷を読み出して増幅するイメージセンサを駆動する周辺回路と同一チップ上に搭載することによって小型化および高速化を図ることが可能であるということが挙げられる。また、CMOS型固体撮像素子20、20Aおよび20Bは、後述するCCD型固体撮像素子40に比べて、構造自体もシンプルであり、かつ、高い駆動電圧を必要としないという利点もある。
CMOS type solid-
(実施形態4)
図7は、本発明の実施形態4に係るCCD型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図7において、本実施形態4のCCD型固体撮像素子40は、第1導電型半導体基板としてのN型シリコン基板31のPウエル32内に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部(複数の受光部)としての複数の埋め込みフォトダイオード(N−)33が各単位画素として行列方向にマトリクス状に形成されている。この埋め込みフォトダイオード(N−)33の表面側には、第2導電型第1表面高濃度拡散層(P+)34が設けられ、さらに、第1表面高濃度拡散層(P+)34の表面側の一部に第1導電型第2表面高濃度拡散層(N+)35が設けられている。つまり、第2導電型第1表面高濃度拡散層(P+)34とP型シリコン基板1のシリコン表面(表面酸化膜36)との間に第2表面高濃度拡散層(N+)35が設けられている。このように、この埋め込みフォトダイオード(N−)33は、その表面側の第1表面高濃度拡散層(P+)34および第2表面高濃度拡散層(N+)35とPウエル32とに囲まれた埋め込み構造になっている。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of the configuration of the main part of a CCD solid-state imaging device according to
In FIG. 7, the CCD type solid-
この場合、第2表面高濃度拡散層(N+)35は垂直電荷転送部の電荷転送ゲート37のフォトダイオード側端面37aいっぱいまでは形成しない。これは、埋め込みフォトダイオード(N−)33から電荷読み出し部(Pウエル32)を通して電荷転送領域38に信号電荷を読み出す場合に、第2表面高濃度拡散層(N+)35の電荷が、電荷転送ゲート37によって電荷読み出し部を通して電荷転送領域38側に掃き出されないようにするためである。
In this case, the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 35 is not formed up to the photodiode
要するに、第2表面高濃度拡散層(N+)35は、埋め込みフォトダイオード(N−)33を埋め込むための第1表面高濃度拡散層(P+)34の表面側に形成されているものの、埋め込みフォトダイオード(N−)33で入射光を受光して光電変換した信号電荷を電荷転送領域38側に読み出すためのトランジスタ領域(Pウエル32)いっぱいまでは形成されておらず、第2表面高濃度拡散層(N+)35とそのトランジスタ領域(Pウエル2)との間に第1表面高濃度拡散層(P+)34が介在して設けられている。 In short, the second surface high-concentration diffusion layer (N +) 35 is formed on the surface side of the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 34 for embedding the embedded photodiode (N−) 33, but the embedded photo The diode (N−) 33 is not formed up to the transistor region (P well 32) for reading the signal charge photoelectrically converted by receiving incident light by the diode (N−) 33, and the second surface high concentration diffusion. A first surface high-concentration diffusion layer (P +) 34 is provided between the layer (N +) 35 and its transistor region (P well 2).
これらの埋め込みフォトダイオード(N−)33および第1表面高濃度拡散層(P+)34と、電荷読み出し部37およびこれに隣接した電荷転送領域38、さらにこれに隣接した素子分離用拡散層のストッパ部39と、これらの電荷読み出し部(Pウエル32)、電荷転送領域38およびストッパ部39上に表面酸化膜36を介して電荷転送ゲート37が設けられている。なお、N型シリコン基板1は動作に適切な正電位の出力端に接続されている。
The embedded photodiode (N−) 33 and the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 34, the
以上により、本実施形態4によれば、光電変換部としての埋め込みフォトダイオード(N−)33と反対極性(第2導電型)の第1表面高濃度拡散層(P+)34とN型シリコン基板31の半導体表面との間に、埋め込みフォトダイオード(N−)33と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)35を形成するため、N型シリコン基板31の表面とその表面酸化膜36との境界面で発生するリーク電流(暗電流)が、埋め込みフォトダイオード(N−)33と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層(N+)35内側に掃き出されて、埋め込みフォトダイオード(N−)33側にリーク電流が介入することがなくなり、低ノイズ化を実現することができて高画質を得ることができる。この場合に、埋め込みフォトダイオード(N−)33と同極性の第2表面高濃度拡散層(N+)35が、埋め込みフォトダイオード(N−)33で発生した信号電荷を読み出す読み出し領域(P型ウェル32)いっぱいまで形成されていないため、埋め込みフォトダイオード(N−)33からの信号電荷の読み出し時に第2表面高濃度拡散層(N+)35からの電荷を信号電荷といっしょに読み出されるのを防止することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the first surface high-concentration diffusion layer (P +) 34 and the N-type silicon substrate having the opposite polarity (second conductivity type) to the embedded photodiode (N−) 33 as the photoelectric conversion unit. In order to form a second surface high-concentration diffusion layer (N +) 35 having the same polarity (first conductivity type) as that of the embedded photodiode (N−) 33 between the
なお、本実施形態4では、CCD型固体撮像素子40について説明したが、これは上記実施形態1に対応するものであり、CCD型固体撮像素子として上記実施形態2または3に対応させることもできる。
In the fourth embodiment, the CCD solid-
(実施形態5)
図8は、本発明の実施形態5として、本発明の固体撮像素子を画像入力カメラとして撮像部に用いた電子情報機器の要部構成例を模式的に示すブロック図である。
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a block diagram schematically showing a configuration example of a main part of an electronic information device in which the solid-state imaging device of the present invention is used as an image input camera in an imaging unit as
図8において、本実施形態5の電子情報機器90は、上記実施形態1〜4のいずれかに記載の固体撮像素子20または20A、20B、40からの撮像信号を所定のアナログ信号処理およびデジタル信号処理して画像データを得る固体撮像装置91と、この固体撮像装置91からの高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部92と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段93と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段94と、この画像データを印刷(印字)処理して出力(プリントアウト)する画像出力装置95とを有している。なお、本実施形態5の電子情報機器90は、固体撮像装置91の他、メモリ部92と、表示手段93と、通信手段94と、画像出力装置95とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
In FIG. 8, an
本実施形態5の電子情報機器90としては、例えば、デジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置および形態端末装置(PDA)などが考えられる。
As the
以上により、従来、シリコン表面と表面酸化膜との境界面の格子欠陥に起因する暗電流を抑制するために、フォトダイオードを埋め込み型とし、シリコン表面を表面P+層で覆うことが一般的であったが、暗電流は表面P+層(第1表面高濃度拡散層4または第1表面低濃度拡散層4A)内での少数キャリアであり、拡散により少数キャリアがフォトダイオード(N−)層に到達すれば暗電流成分となる。これを防止するには、表面P+層の濃度を上げれば再結合が早くなって不要電荷に対してはよいが、この場合、表面P+層とフォトダイオード(N−)層との電界強度が増し、ジャンクションリーク電流による暗電流が発生する。フォトダイオード(N−)層の濃度を下げると、電界強度は下がるが、その副作用として飽和信号(信号電荷蓄積容量)が低下する。したがって、上記実施形態1〜4によれば、フォトダイオード(N−)層で信号電荷を蓄積すると共に表面P+層で生じた電荷がフォトダイオード(N−)層側に拡散しないようにすればよく、暗電流成分(電荷)に対するドレインとして表面P+層(第1表面高濃度拡散層4または第1表面低濃度拡散層4A)の表面にさらに表面N+層(第2表面高濃度拡散層5)を新たに設けて電荷をトラップしてしまう。これによって、ノイズがより抑制された高画質の画像データを得ることができる。特に、車載用カメラや宇宙用カメラのように高温条件下で用いられる固体撮像素子の場合には表面ノイズが多くなるため、本発明は、日中など高い温度や、ノイズが影響しやすい長時間露光に強く有用である。
As described above, conventionally, in order to suppress dark current caused by lattice defects at the interface between the silicon surface and the surface oxide film, it has been common to use a photodiode as a buried type and cover the silicon surface with a surface P + layer. However, the dark current is a minority carrier in the surface P + layer (the first surface high-
なお、上記実施形態1〜4では、特に説明しなかったが、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の第1導電型光電変換部が各単位画素として2次元的に設けられた固体撮像素子において、光電変換部の表面側に設けられた第2導電型第1表面拡散層とシリコン表面との間に第1導電型第2表面拡散層が設けられている場合、または、光電変換部は、単位画素毎に、第2導電型半導体基板または第2導電型半導体層に設けられ、第1導電型光電変換部の表面側に第2導電型第1表面拡散層が設けられ、第2導電型第1表面拡散層の表面側に第1導電型第2表面拡散層が設けられている場合のいずれかであれば、信号電荷蓄積量の低下および青色光の感度劣化がなく、ノイズがより抑制された高画質の画像データを得ることができる本発明の目的を達成することができる。 Although not particularly described in the first to fourth embodiments, a plurality of first conductivity type photoelectric conversion units that photoelectrically convert incident light to generate signal charges are provided two-dimensionally as each unit pixel. In the solid-state imaging device, when the first conductivity type second surface diffusion layer is provided between the second conductivity type first surface diffusion layer provided on the surface side of the photoelectric conversion unit and the silicon surface, or photoelectric The conversion unit is provided for each unit pixel on the second conductivity type semiconductor substrate or the second conductivity type semiconductor layer, and the second conductivity type first surface diffusion layer is provided on the surface side of the first conductivity type photoelectric conversion unit, If any of the cases where the first conductivity type second surface diffusion layer is provided on the surface side of the second conductivity type first surface diffusion layer, there is no reduction in the amount of accumulated signal charge and deterioration in sensitivity of blue light, It is possible to obtain high-quality image data with reduced noise. It is possible to achieve the objective.
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜5を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜5に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜5の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。 As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-5 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-5. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments 1 to 5 of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.
本発明は、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、車載用カメラ、工業用カメラおよび医療用カメラなどの画像入力カメラの他、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、光電変換部と反極性(第2導電型)の第1表面高濃度拡散層とシリコン基板表面との間に、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層を形成するため、半導体表面とその表面酸化膜との境界面で発生するリーク電流(暗電流)を光電変換部側に流入させることを防止でき、低ノイズ化を実現することができて高画質の画像データを得ることができる。また、反極性(第2導電型)の第1表面低濃度拡散層として濃度を下げ、光電変換部の濃度を上げれば、信号量の高ダイナミックレンジ化を実現することができる。しかも、光電変換部と同極性(第1導電型)の第2表面高濃度拡散層の電位を直流電位に固定すれば、固定した電位側にリーク電流を完全に掃き出すことができて、更なる低ノイズ化による高画質の画像データを得ることができる。さらに、第2表面高濃度拡散層は、光電変換部の周囲の素子分離領域の側面から底面側にも形成すれば、素子分離領域の側面から底面と半導体表面との境界面で発生するリーク電流(暗電流)も、光電変換部と同極性の第2表面高濃度拡散層内側に掃き出すことができて、更なる低ノイズ化による高画質の画像データを得ることができる。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor constituted by a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject by a photoelectric conversion unit and images the same, and this solid-state imaging device as an image input device. For example, digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras used as imaging units, image input cameras such as surveillance cameras, in-vehicle cameras, industrial cameras, and medical cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phones In the field of electronic information equipment such as devices, the same polarity (first conductivity type) as the photoelectric conversion portion between the photoelectric conversion portion and the first surface high-concentration diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type) and the silicon substrate surface. ) Of the second surface high-concentration diffusion layer, a leakage current (dark current) generated at the interface between the semiconductor surface and the surface oxide film. The can be prevented to flow into the photoelectric conversion portion side, to be able to realize a low noise can be obtained high-quality image data. Further, if the concentration is lowered as the first surface low-concentration diffusion layer having the opposite polarity (second conductivity type) and the concentration of the photoelectric conversion unit is increased, a high dynamic range of the signal amount can be realized. In addition, if the potential of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity (first conductivity type) as that of the photoelectric conversion portion is fixed to a DC potential, the leakage current can be completely swept out to the fixed potential side, and further High-quality image data can be obtained by reducing noise. Furthermore, if the second surface high-concentration diffusion layer is formed also from the side surface to the bottom surface side of the element isolation region around the photoelectric conversion portion, a leakage current generated from the side surface of the element isolation region to the boundary surface between the bottom surface and the semiconductor surface. (Dark current) can also be swept out to the inside of the second surface high-concentration diffusion layer having the same polarity as that of the photoelectric conversion unit, and high-quality image data can be obtained by further reducing noise.
したがって、高画質、高ダイナミックレンジの画像データを得る高性能イメージセンサの形成に本発明の固体撮像素子は極めて有用である。 Therefore, the solid-state imaging device of the present invention is extremely useful for forming a high-performance image sensor that obtains image data with high image quality and high dynamic range.
1 P型シリコン基板
2、32 P型ウエル
3、33 埋め込みフォトダイオード(NまたはN−)
4、34 第1表面高濃度拡散層(P+)
4A 第1表面低濃度拡散層(P−)
5、35 第2表面高濃度拡散層(N+)
5B 第3高濃度拡散層(N+)
6 電荷検出部
7、36 表面酸化膜
8、37 電荷転送トランジスタの転送ゲート
9 リセットトランジスタのリセットゲート
10 ドレイン領域
11 素子分離酸化膜
20、20A、20B CMOS型固体撮像素子
31 N型シリコン基板
37a フォトダイオード側端面
38 電荷転送領域
39 ストッパ部
40 CCD型固体撮像素子
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力装置
1 P-
4, 34 First surface high concentration diffusion layer (P +)
4A First surface low concentration diffusion layer (P-)
5, 35 Second surface high-concentration diffusion layer (N +)
5B Third high concentration diffusion layer (N +)
6
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