JP2010258268A - Solid-state imaging element, imaging device, and method of manufacturing solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置、固体撮像素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and a method for manufacturing a solid-state imaging device.
特許文献1には、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像素子において、n型不純物からなるフォトダイオードの表面に相対的に低濃度のp型不純物層を形成し、この低濃度p型不純物層の表面部且つ読み出しゲートから離れた位置に、低濃度p型不純物層よりも高濃度のp型不純物層を形成した構成が開示されている。
In
このように2つの濃度のp型不純物を組み合わせた表面シールド層を用いることにより、画素部の白傷を効果的に抑制しながら、フォトダイオードから垂直電荷転送路に電荷を読み出すのに必要な電圧を低く抑えることができるとしている。 By using a surface shield layer that combines two concentrations of p-type impurities in this way, the voltage required to read out charges from the photodiode to the vertical charge transfer path while effectively suppressing white scratches in the pixel portion. Can be kept low.
しかし、特許文献1の構成では、セルサイズを縮小していった場合、低濃度・高濃度のp型不純物層の間隔が一定以上必要であることから、フォトダイオード表面積に対する高濃度p型不純物層の表面積の割合が減少してしまう。表面シールド層の濃度が低くなるほど、白傷抑制効果が低下してしまうため、セルサイズを縮小していった場合、白傷が増加してしまうことが懸念される。
However, in the configuration of
特許文献2,3には、2つのフォトダイオード列で1つの垂直電荷転送路を共用した構成の固体撮像素子が開示されているが、いずれの文献にも、表面シールド層についての構成や、セルサイズ縮小による白傷の増加という課題については記載されていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、セルサイズが縮小していった場合でも白傷を効果的に抑制することのできる固体撮像素子、これを備える撮像装置、こ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 circumstances, and a solid-state imaging device capable of effectively suppressing white scratches even when the cell size is reduced, an imaging device including the same, and a manufacturing method thereof The purpose is to provide.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に列方向とこれに直交する行方向に配設された複数の光電変換部を有する固体撮像素子であって、前記光電変換部に対応して設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路と、前記光電変換部とそれに対応する前記電荷転送路との間に設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読み出し部と、前記光電変換部と、その周囲の前記光電変換部及び前記電荷転送路とを分離するために設けられた前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の素子分離層と、前記光電変換部の表面に設けられ、前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の第一の不純物層と、前記第一の不純物層の表面に前記電荷読み出し部から距離をあけて設けられ、前記第一の不純物層と同じ導電型で且つ前記第一の不純物層よりも不純物濃度の高い第二の不純物層とを備え、前記第二の不純物層は、該第二の不純物層が形成された前記光電変換部に対応する前記垂直電荷転送路から遠ざかる方向に延在して前記素子分離層の上まで形成されている。 A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units arranged in a column direction and a row direction perpendicular to the column direction in a semiconductor substrate, and is provided corresponding to the photoelectric conversion unit. A charge transfer path for transferring the charge generated in the photoelectric conversion unit in the column direction, and the photoelectric conversion unit and the charge transfer path corresponding to the charge transfer path. Conductivity opposite to the impurities constituting the photoelectric conversion unit provided to separate the charge reading unit for reading out to the charge transfer channel, the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit and the charge transfer channel around the photoelectric conversion unit Type element isolation layer, a first impurity layer provided on the surface of the photoelectric conversion unit and having a conductivity type opposite to the impurities constituting the photoelectric conversion unit, and the charge readout unit on the surface of the first impurity layer Set a distance from A second impurity layer having the same conductivity type as that of the first impurity layer and having an impurity concentration higher than that of the first impurity layer, and the second impurity layer includes the second impurity layer. It extends to the direction away from the vertical charge transfer path corresponding to the formed photoelectric conversion part and is formed on the element isolation layer.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記固体撮像素子の製造方法であって、前記素子分離層を形成する第一の工程と、前記第一の工程の後に前記第二の不純物層を形成する第二の工程と、前記第二の工程の後に前記転送電極を形成する第三の工程とを含む。 The method for manufacturing a solid-state imaging element according to the present invention is a method for manufacturing the solid-state imaging element, wherein the first step of forming the element isolation layer and the second impurity layer are formed after the first step. And a third step of forming the transfer electrode after the second step.
本発明によれば、セルサイズが縮小していった場合でも白傷を効果的に抑制することのできる固体撮像素子、これを備える撮像装置、この製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of effectively suppressing white scratches even when the cell size is reduced, an imaging device including the same, and a manufacturing method thereof.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。この固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡やカメラ付き携帯電話機に搭載される撮像装置に搭載して用いられる。 FIG. 1 is a schematic plan view of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging device such as a digital camera or a video camera, an electronic endoscope or a camera-equipped mobile phone.
図1に示す固体撮像素子100は、半導体基板S内の列方向とこれに直交する行方向に二次元状(ここでは格子状)に配設された複数の光電変換部11を備える。複数の光電変換部11の配置は、列方向に配設された複数の光電変換部11からなる光電変換部列を行方向に複数配列したものとなっている。
A solid-
固体撮像素子100は、光電変換部列の各光電変換部11で発生した電荷を列方向に転送する電荷転送路である垂直電荷転送路13を備える。行方向に並ぶ光電変換部列同士の間には、垂直電荷転送路13が1つおきに配置されている。この固体撮像素子100では、垂直電荷転送路13を挟んで隣り合う2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路13を共用する構成となっている。この構成は、隣り合う2つの光電変換部列に、それらで共用される1つの垂直電荷転送路13が対応して設けられた構成とも言うことができる。
The solid-
“垂直電荷転送路13を挟んで隣り合う2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路13を共用する”とは、この2つの光電変換部列の各光電変換部11で発生して蓄積された電荷については、この垂直電荷転送路13で列方向に転送するということを意味する。このため、垂直電荷転送路13と、それに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部11との間には電荷読み出し部である読み出しゲート12が形成されており、この読み出しゲート12を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にある垂直電荷転送路13に電荷を読み出すことができるようになっている。なお、読み出しゲート12は、行方向に隣り合う光電変換部11同士で列方向に互いに異なる位置に形成されており、1つの垂直電荷転送路13に対し、それを共用する2つの光電変換部列からそれぞれ独立に電荷を読み出せるようになっている。
“Two adjacent photoelectric conversion unit rows that are adjacent to each other across the vertical
固体撮像素子100は、更に、光電変換部11とその周囲の光電変換部11及び垂直電荷転送路13とを分離するために設けられた素子分離層16(図1で一部のみ図示している)と、垂直電荷転送路13を転送されてきた電荷を行方向に転送するための水平電荷転送路14と、水平電荷転送路14を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部15とを備える。
The solid-
図2は、図1に示す固体撮像素子の部分拡大模式図である。図2に示すように、固体撮像素子100の半導体基板S上方には、行方向に並ぶ光電変換部11からなる光電変換部行毎に2つの転送電極17,18が設けられている。転送電極17,18は、垂直電荷転送路13での電荷転送動作を制御するための電極であり、垂直電荷転送路13の上方に列方向に交互に並べて設けられている。
FIG. 2 is a partially enlarged schematic view of the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in FIG. 2, two
転送電極17は、対応する光電変換部行の上側部に沿って行方向に延びて形成されており、偶数番目の光電変換部列の光電変換部13の読み出しゲート12も覆うように形成されている。このため、転送電極17は、偶数番目の光電変換部列から垂直電荷転送路13に電荷を読み出すための読み出し電極としても機能する。
The
転送電極18は、対応する光電変換部行の下側部に沿って行方向に延びて形成されており、奇数番目の光電変換部列の光電変換部13の読み出しゲート12も覆うように形成されている。このため、転送電極18は、奇数番目の光電変換部列から垂直電荷転送路13に電荷を読み出すための読み出し電極としても機能する。
The
転送電極17,18に印加するパルスを制御することで、垂直電荷転送路13に読み出した電荷を列方向に転送することができる。また、転送電極17,18は、読み出しゲート12と重なる部分も有しているため、ここに読み出しパルスを印加することで、光電変換部11から垂直電荷転送路13に電荷を読み出すことができる。
By controlling the pulses applied to the
図3は、図2に示す固体撮像素子のA−A’線の断面模式図である。図3に示すように、光電変換部11、読み出しゲート12、垂直電荷転送路13、素子分離層16は、いずれも、n型シリコン基板20上に形成されたpウェル層21内に形成されている。n型シリコン基板20とpウェル層21が半導体基板Sを構成している。
3 is a schematic cross-sectional view taken along line A-A ′ of the solid-state imaging device shown in FIG. 2. As shown in FIG. 3, the
光電変換部11は、pウェル層21内に形成されたn型不純物層で構成され、このn型不純物層とpウェル層21とのpn接合により、入射した光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する光電変換部(フォトダイオード)として機能する。この光電変換部11は、その表面に低濃度のp型不純物層23(以下、表面低濃度p層23と言う)が設けられ、更に、表面低濃度p層23の表面に表面低濃度p層23よりも高濃度のp型不純物層22(以下、表面高濃度p層22と言う)が設けられた、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとなっている。
The
垂直電荷転送路13はpウェル層21内に形成されたn型不純物層で構成されている。読み出しゲート12は、pウェル層21内に形成されたp型不純物層で構成されている。素子分離層16は、読み出しゲート12や表面低濃度p層23よりも高濃度のp型不純物層で構成され、光電変換部11と垂直電荷転送路13と読み出しゲート12以外のpウェル層21の領域に形成されている。
The vertical
読み出しゲート12及び垂直電荷転送路13上には、ゲート絶縁膜GSを介して転送電極17,18が形成されている。転送電極17,18上方には、光電変換部11の一部上方に開口Kを有するタングステン等から構成される遮光膜19が設けられている。遮光膜19上には、図示しないカラーフィルタやマイクロレンズ等が設けられている。
次に、光電変換11表面に形成される表面低濃度p層23と表面高濃度p層22について詳細に説明する。
Next, the surface low
表面低濃度p層23は、光電変換部11の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図2に示したように、平面視においては、光電変換部11と同じ面積(完全に重なった構成)となっている。また、図3に示したように、垂直電荷転送路13を挟まずに行方向に隣り合う2つの光電変換部11の各々の表面低濃度p層23は、素子分離層16によって分離されている。
The surface low-
表面高濃度p層22は、表面低濃度p層23の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図2,3に示したように、読み出しゲート12から距離をおいて(すなわち、読み出しゲート12との間に表面低濃度p層23が介在するように)形成されている。また、垂直電荷転送路13を挟まずに行方向に隣り合う光電変換部11との間にある素子分離層16の一部分の上にまで延びて形成されている。
The surface high-
この固体撮像素子100では、2つの光電変換部列で1つの垂直電荷転送路13を共用する構成とし、表面高濃度p層22を、該表面高濃度p層22が表面に形成された光電変換部11に対応する垂直電荷転送路13側には延ばさず、垂直電荷転送路13が存在していない側に延ばして面積を確保した構成(言い換えると、表面低濃度p層24の端部を越えて、該表面低濃度p層24が表面に形成された光電変換部11に対応する垂直電荷転送路13から遠ざかる方向に延在させた構成)となっている。このため、セルサイズを縮小していった場合でも、光電変換部11の表面積に対する表面高濃度p層22の表面積の割合を一定以上維持することができ、白傷を効果的に抑制することができる。また、表面高濃度p層22を延ばしても、その延ばした側にある隣接垂直電荷転送路13までの距離は十分にあるため、隣接垂直電荷転送路13との間のリークを心配することなく、表面高濃度p層22の面積拡大を図ることができる。
In this solid-
また、固体撮像素子100によれば、読み出しゲート12と表面高濃度p層22との間には一定幅の表面低濃度p層23が介在するため、光電変換部11から垂直電荷転送路13への電荷読み出しのための電圧を低くすることもできる。また、半導体基板S表面に垂直な方向においては、光電変換部11と表面高濃度p層22との間に表面低濃度p層23が介在しているため、光電変換部11と表面高濃度p層22との間の電界を緩和することができ、これによる白傷抑制効果も得ることができる。
In addition, according to the solid-
なお、図2,3の例では、光電変換部11の表面高濃度p層22と、その光電変換部11の垂直電荷転送路13を挟まずに行方向で隣り合う光電変換部11の表面高濃度p層22との間に隙間を存在させているが、図4に示すように、この隙間を無くし、垂直電荷転送路13を挟まずに行方向に隣り合う2つの表面高濃度p層22を一体的に形成した構成としても良い。このようにすることで、光電変換部11の表面積に対する表面高濃度p層22の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。また、表面高濃度p層22を形成するためのマスクパターンがシンプルなものとなるため、微細化にも容易に対応することができる。
In the example of FIGS. 2 and 3, the surface height of the
また、図5に示すように、図4に示した表面高濃度p層22を列方向に隣り合うもの同士で接続し、垂直電荷転送路13を挟まずに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部11の表面に設けられる表面高濃度p層22を一体化した構成としても良い。このようにすることで、光電変換部11の表面積に対する表面高濃度p層22の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。また、表面高濃度p層22を形成するためのマスクパターンがよりシンプルなものとなるため、微細化にも容易に対応することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the surface high-concentration p layers 22 shown in FIG. 4 are connected to each other adjacent to each other in the column direction, and two adjacent photoelectric conversion unit columns are not sandwiched between the vertical
次に、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の別の構成例について説明する。 Next, another configuration example of the solid-state imaging device for describing one embodiment of the present invention will be described.
図6は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図である。この固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡やカメラ付き携帯電話機に搭載される撮像装置に搭載して用いられる。 FIG. 6 is a schematic plan view showing another configuration example of the solid-state imaging device for describing one embodiment of the present invention. The solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging device such as a digital camera or a video camera, an electronic endoscope or a camera-equipped mobile phone.
図6に示す固体撮像素子200は、半導体基板S’内の列方向とこれに直交する行方向に二次元状(ここでは略市松状)に配設された複数の光電変換部31を備える。複数の光電変換部31の配置は、列方向に所定ピッチで配設された複数の光電変換部31からなる光電変換部列を行方向に複数配列したものとなっている。また、複数の光電変換部列は、奇数列と偶数列が、それぞれの光電変換部31の配列ピッチの1/2、列方向に互いにずれたものとなっている。
The solid-
固体撮像素子200は、光電変換部列の各光電変換部31で発生した電荷を列方向に転送する電荷転送路である垂直電荷転送路33を備える。行方向に並ぶ光電変換部列同士の間には、垂直電荷転送路33が行方向に1つおきに配置されている。この固体撮像素子200では、垂直電荷転送路33を挟んで隣り合う2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路33を共用する構成となっている。この構成は、隣り合う2つの光電変換部列に、それらで共用される1つの垂直電荷転送路33が対応して設けられた構成とも言うことができる。
The solid-
“垂直電荷転送路33を挟んで隣り合う2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路33を共用する”とは、この2つの光電変換部列の各光電変換部31で発生して蓄積された電荷については、この垂直電荷転送路33で列方向に転送するということを意味する。このため、垂直電荷転送路33と、それに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部31との間には電荷読み出し部である読み出しゲート32が形成されており、この読み出しゲート32を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にある垂直電荷転送路33に電荷を読み出すことができるようになっている。なお、読み出しゲート32は、行方向に隣り合う光電変換部31同士で互いに対向しない位置に形成されており、1つの垂直電荷転送路33に対し、それを共用する2つの光電変換部列からそれぞれ独立に電荷を読み出せるようになっている。
“Two adjacent photoelectric conversion unit arrays that are adjacent to each other across the vertical
固体撮像素子200は、更に、光電変換部31とその周囲の光電変換部31及び垂直電荷転送路33とを分離するために設けられた素子分離層36(図6で一部のみ図示している)と、垂直電荷転送路33を転送されてきた電荷を行方向に転送するための水平電荷転送路34と、水平電荷転送路34を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部35とを備える。
The solid-
図7は、図6に示す固体撮像素子の部分拡大模式図である。図7に示すように、固体撮像素子200の半導体基板S’上方には、行方向に並ぶ光電変換部31からなる1つの光電変換部行あたり4つの転送電極37,38,39,40が設けられている。転送電極37,38,39,40は、垂直電荷転送路33での電荷転送動作を制御するための電極であり、垂直電荷転送路33の上方に列方向に並べて設けられている。また、転送電極37,38,39,40は、それぞれ、光電変換部行の間を、光電変換部行の各光電変換部31を避けるように行方向に蛇行して延びる形状となっている。
FIG. 7 is a partially enlarged schematic view of the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in FIG. 7, four
転送電極38は、偶数番目の光電変換部列の光電変換部33の読み出しゲート32も覆うように形成されており、偶数番目の光電変換部列から垂直電荷転送路33に電荷を読み出すための読み出し電極としても機能する。
The
転送電極40は、奇数番目の光電変換部列の光電変換部33の読み出しゲート32も覆うように形成されており、奇数番目の光電変換部列から垂直電荷転送路33に電荷を読み出すための読み出し電極としても機能する。
The
転送電極37,38,39,40に印加するパルスを制御することで、垂直電荷転送路33に読み出した電荷を列方向に転送することができる。また、転送電極38,40は、読み出しゲート32と重なる部分も有しているため、ここに読み出しパルスを印加することで、光電変換部31から垂直電荷転送路33に電荷を読み出すことができる。
By controlling the pulses applied to the
図8は、図7に示す固体撮像素子のB−B’線の断面模式図である。図8に示すように、光電変換部31、読み出しゲート32、垂直電荷転送路33、素子分離層36は、いずれも、n型シリコン基板41上に形成されたpウェル層42内に形成されている。n型シリコン基板41とpウェル層42が半導体基板S’を構成している。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B ′ of the solid-state imaging device shown in FIG. 7. As shown in FIG. 8, the
光電変換部31は、pウェル層42内に形成されたn型不純物層で構成され、このn型不純物層とpウェル層42とのpn接合により、入射した光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する光電変換部(フォトダイオード)として機能する。この光電変換部31は、その表面に低濃度のp型不純物層43(以下、表面低濃度p層43と言う)が設けられ、更に、表面低濃度p層43の表面に表面低濃度p層43よりも高濃度のp型不純物層44(以下、表面高濃度p層44と言う)が設けられた、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとなっている。
The
垂直電荷転送路33はpウェル層42内に形成されたn型不純物層で構成されている。読み出しゲート32は、pウェル層42内に形成されたp型不純物層で構成されている。素子分離層36は、読み出しゲート32や表面低濃度p層43よりも高濃度のp型不純物層で構成され、光電変換部31と垂直電荷転送路33と読み出しゲート32以外のpウェル層42の領域に形成されている。
The vertical
読み出しゲート32及び垂直電荷転送路33上には、ゲート絶縁膜GSを介して転送電極37〜40が形成されている。転送電極37〜40上方には、光電変換部31の一部上方に開口Kを有するタングステン等から構成される遮光膜Wが設けられている。遮光膜W上には、図示しないカラーフィルタやマイクロレンズ等が設けられている。
On the read
次に、光電変換部31表面に形成される表面低濃度p層43と表面高濃度p層44について詳細に説明する。
Next, the surface low
表面低濃度p層43は、光電変換部31の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図7に示したように、平面視においては、光電変換部31と同じ面積(完全に重なった構成)となっている。また、図8に示したように、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部31の各々の表面低濃度p層43は、素子分離層36によって分離されている。
The surface low-
表面高濃度p層44は、表面低濃度p層43の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図7,8に示したように、読み出しゲート32から距離をおいて(すなわち、読み出しゲート32との間に表面低濃度p層43が介在するように)形成されている。また、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う光電変換部31との間にある素子分離層36の一部分の上にまで延びて形成されている。
The surface high-
この固体撮像素子200では、2つの光電変換部列で1つの垂直電荷転送路33を共用する構成とし、表面高濃度p層44を、該表面高濃度p層44が表面に形成された光電変換部31に対応する垂直電荷転送路33側には延ばさず、垂直電荷転送路33が存在していない側に延ばして面積を確保した構成(言い換えると、表面低濃度p層43の端部を越えて、該表面低濃度p層43が表面に形成された光電変換部31に対応する垂直電荷転送路33から遠ざかる方向に延在させた構成)となっている。このため、セルサイズを縮小していった場合でも、光電変換部31の表面積に対する表面高濃度p層44の表面積の割合を一定以上維持することができ、白傷を効果的に抑制することができる。また、表面高濃度p層44を延ばしても、その延ばした側にある隣接垂直電荷転送路33までの距離は十分にあるため、隣接垂直電荷転送路33との間のリークを心配することなく、表面高濃度p層44の面積拡大を図ることができる。
In the solid-
また、固体撮像素子200によれば、読み出しゲート32と表面高濃度p層44との間には一定幅の表面低濃度p層43が介在するため、光電変換部31から垂直電荷転送路33への電荷読み出しのための電圧を低くすることもできる。また、半導体基板S’表面に垂直な方向においては、光電変換部31と表面高濃度p層44との間に表面低濃度p層43が介在しているため、光電変換部31と表面高濃度p層44との間の電界を緩和することができ、これによる白傷抑制効果も得ることができる。
Further, according to the solid-
固体撮像素子200のように、光電変換部列を奇数列と偶数列で列方向にずらし、且つ、2つの光電変換部列で1つの垂直電荷転送路33を共用する構成では、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部31同士の間の素子分離層36上方にも転送電極37〜40が存在することになるが、この間の素子分離層36は、素子分離を主目的としたものであるため、半導体基板S’表面をシールドする能力は不十分である。したがって、図9に示すように、図7に示した構成において、各光電変換部31の表面高濃度p層44を表面低濃度p層43の内側に形成した構成の場合には、転送電極37〜40に電圧が印加された際に、この部分の半導体基板S’表面が空乏化しやすくなってしまう。この結果、白傷が発生しやすくなるという課題がある。
As in the case of the solid-
固体撮像素子200では、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部31同士の間の素子分離層36の上まで表面高濃度p層22を延ばす構成としているため、これにより半導体基板S’表面をシールドする能力を補うことができ、上述した課題を解決することができる。
In the solid-
なお、図9に示した構成において、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部列の間に垂直電荷転送路33を設けた従来の一般的な構成の固体撮像素子においては、半導体基板S’表面が空乏化しやすくなることによる白傷が垂直電荷転送路にて発生することになるが、垂直電荷転送路では1つの欠陥箇所に電荷蓄積パケットが滞在する時間は短いため、このような白傷による画質への影響は少ない。ところが、固体撮像素子200のように、2つの光電変換部列で1つの垂直電荷転送路を共用する構成の場合には、このような白傷による画質へ影響が懸念されるため、表面高濃度p層44を延在する構成が有効となる。また、図2に示した構成では、光電変換部11同士の間の素子分離層上方に転送電極が存在しないため、上述した課題は発生しないが、空間サンプリング周波数の向上を図る場合には図6に示した構成が有効である。
In the configuration shown in FIG. 9, in a solid-state imaging device having a conventional general configuration in which the vertical
なお、図7,8の例では、奇数列の光電変換部31の表面高濃度p層44を、その光電変換部31の右上に隣接する光電変換部31との間の素子分離層36上まで延ばすものとしたが、これに限らない。例えば、奇数列の光電変換部31の表面高濃度p層44を、その光電変換部31の右下に隣接する光電変換部31との間の素子分離層36上まで延ばすものとしても良い。
7 and 8, the surface high-concentration p-
また、図7,8の例では、光電変換部31の表面高濃度p層44と、その光電変換部31の垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う光電変換部31の表面高濃度p層44との間に隙間を存在させているが、図10に示すように、この隙間を無くし、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの表面高濃度p層44を一体的に形成した構成としても良い。このようにすることで、光電変換部31の表面積に対する表面高濃度p層44の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。また、表面高濃度p層44を形成するためのマスクパターンがシンプルなものとなるため、微細化にも容易に対応することができる。
7 and 8, the surface high-
また、図11に示すように、図10に示した表面高濃度p層44を、列方向に隣り合うもの同士で接続し、垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部列の各光電変換部31の表面に設けられる表面高濃度p層44を一体化した構成としても良い。このようにすることで、光電変換部31の表面積に対する表面高濃度p層44の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。また、表面高濃度p層44を形成するためのマスクパターンがよりシンプルなものとなるため、微細化にも容易に対応することができる。
Further, as shown in FIG. 11, the surface high-concentration p layers 44 shown in FIG. 10 are connected by adjacent ones in the column direction, and two adjacent photoelectric conversion unit rows without sandwiching the vertical
次に、固体撮像素子200の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the solid-
図12は、図7に示す固体撮像素子の製造方法を説明するための図であり、各製造工程での図7のB−B線断面を示した図である。まず、pウェル層42内に、光電変換部31、読み出しゲート32、垂直電荷転送路33、及び素子分離層36をイオン注入によって形成する(図12(a))。
12 is a diagram for explaining a method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 7, and is a diagram showing a cross section taken along line BB of FIG. 7 in each manufacturing process. First, the
次に、光電変換部31の表面の読み出しゲート32から距離をあけ、且つ、素子分離層36のうち垂直電荷転送路33を挟まずに隣り合う2つの光電変換部31の間にある部分の上にまで延びるように、光電変換部31の表面付近にイオン注入を行って表面高濃度p層44を形成する(図12(b))。
Next, a distance from the
次に、ゲート絶縁膜GS上に導電性材料を成膜し、これをパターニングして転送電極37〜40を形成する(図12(c))。転送電極37〜40は、転送電極38,40をまず先に形成し、これを熱酸化して絶縁膜で覆った後、転送電極37,39を形成することで2層構造の電極とする。なお、転送電極37〜40は単層電極構造としても良い。
Next, a conductive material is deposited on the gate insulating film GS and patterned to form
次に、転送電極37〜40をマスクとして、転送電極37〜40の間の光電変換部31が露出した領域にイオン注入を行い、表面低濃度p層43を形成する(図12(d))。その後は、遮光膜Wを形成し、カラーフィルタやマイクロレンズを形成して固体撮像素子の製造を完了する。
Next, using the
以上のように、素子分離層36の形成後に表面高濃度p層44を形成し、その後に転送電極37〜40を形成するようにすることで、表面高濃度p層44の表面積を大きくすることができ、白傷を抑制することができる。
As described above, the surface high-
また、上記方法では、表面低濃度p層43を転送電極37〜40をマスクとしたセルフアラインによって形成しているため、表面低濃度p層43の形状制御が容易となり、電荷読み出し特性の安定化を図ることができる。また、転送電極37〜40を2層構造としているため、近接する転送電極37〜40間の隙間を平面視上なくすことができ、セルフアラインで表面低濃度p層43を形成する際に、転送電極間の隙間からイオン注入されるのを容易に防止することができる。
Further, in the above method, since the surface low
なお、図10や図11に示したような構成を実現する場合には、表面高濃度p層44を形成する際のマスクパターンを、図10や図11に示した形状に対応するものに適宜変更すれば良い。
When the configuration shown in FIGS. 10 and 11 is realized, the mask pattern for forming the surface high-
また、上記説明では、表面低濃度p層43を転送電極37〜40をマスクとしたセルフアラインによって形成するものとしたが、表面低濃度p層43を転送電極37〜40の形成前に形成しても良い。この場合、光電変換部31表面に表面高濃度p層44が形成されていない状態で表面低濃度p層43を形成することができるため、表面低濃度p層43形成のためのイオン注入制御が容易となる。
In the above description, the surface low-
図13は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の別の構成例を示す平面模式図である。この固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡やカメラ付き携帯電話機に搭載される撮像装置に搭載して用いられる。 FIG. 13 is a schematic plan view showing another configuration example of the solid-state imaging device for describing one embodiment of the present invention. The solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging device such as a digital camera or a video camera, an electronic endoscope or a camera-equipped mobile phone.
図13に示す固体撮像素子300は、半導体基板S’’内の列方向とこれに直交する行方向に二次元状(ここでは正方格子状)に配設された複数の光電変換部51を備える。複数の光電変換部51の配置は、列方向に配設された複数の光電変換部51からなる光電変換部列を行方向に複数配列したものとなっている。
A solid-
固体撮像素子300は、光電変換部列の各光電変換部51に対応して設けられ、各光電変換部51で発生した電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路53と、各光電変換部51とそれに対応する垂直電荷転送路53との間に設けられ、各光電変換部51で発生した電荷を該垂直電荷転送路53に読み出すための電荷読み出し部である読み出しゲート52と、光電変換部51とその周囲の光電変換部51及び垂直電荷転送路53とを分離するために設けられた素子分離層56(図13で一部のみ図示している)と、垂直電荷転送路53を転送されてきた電荷を行方向に転送するための水平電荷転送路54と、水平電荷転送路54を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部55とを備える。
The solid-
図14は、図13に示す固体撮像素子の部分拡大模式図であり、図15は、図14に示す固体撮像素子のC−C’線の断面模式図である。図15に示すように、光電変換部51、読み出しゲート52、垂直電荷転送路53、素子分離層56は、いずれも、n型シリコン基板60上に形成されたpウェル層61内に形成されている。n型シリコン基板60とpウェル層61が半導体基板S’’を構成している。
14 is a partially enlarged schematic diagram of the solid-state imaging device shown in FIG. 13, and FIG. 15 is a schematic sectional view taken along line C-C ′ of the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in FIG. 15, the
光電変換部51は、pウェル層61内に形成されたn型不純物層で構成され、このn型不純物層とpウェル層61とのpn接合により、入射した光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する光電変換部(フォトダイオード)として機能する。この光電変換部61は、その表面に低濃度のp型不純物層57(以下、表面低濃度p層57と言う)が設けられ、更に、表面低濃度p層57の表面に表面低濃度p層57よりも高濃度のp型不純物層58(以下、表面高濃度p層58と言う)が設けられた、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとなっている。
The
垂直電荷転送路53はpウェル層61内に形成されたn型不純物層で構成されている。読み出しゲート52は、pウェル層61内に形成されたp型不純物層で構成されている。素子分離層56は、読み出しゲート52や表面低濃度p層57よりも高濃度のp型不純物層で構成され、光電変換部51と垂直電荷転送路53と読み出しゲート52以外のpウェル層61の領域に形成されている。
The vertical
読み出しゲート52及び垂直電荷転送路53上には、ゲート絶縁膜GSを介して転送電極Vが形成されている。転送電極V上方には、光電変換部51の一部上方に開口を有するタングステン等から構成される遮光膜59が設けられている。遮光膜59上には、図示しないカラーフィルタやマイクロレンズ等が設けられている。
A transfer electrode V is formed on the read
次に、光電変換51表面に形成される表面低濃度p層57と表面高濃度p層58について詳細に説明する。
Next, the surface low
表面低濃度p層57は、例えば光電変換部51の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図14に示したように、平面視においては、光電変換部51と同じ面積(完全に重なった構成)となっている。
The surface low-
表面高濃度p層58は、例えば表面低濃度p層57の表面にイオン注入を行うことで形成されたものであり、図14,15に示したように、表面高濃度p層58が形成された光電変換部51に対応する読み出しゲート52から距離をおいて(すなわち、読み出しゲート52との間に表面低濃度p層57が介在するように)形成されている。また、表面高濃度p層58は、表面低濃度p層57の端部を越えて、該表面高濃度p層58が表面に形成された光電変換部51に対応する垂直電荷転送路53から遠ざかる方向に延在して素子分離層56の上まで形成されている。
The surface high-
この固体撮像素子300では、表面高濃度p層58を、対応する垂直電荷転送路53側には延ばさず、該表面高濃度p層58が表面に形成された光電変換部51に対応する垂直電荷転送路53から遠ざかる方向に延ばして面積を確保した構成となっている。このため、セルサイズを縮小していった場合でも、光電変換部51の表面積に対する表面高濃度p層58の表面積の割合を一定以上維持することができ、白傷を効果的に抑制することができる。また、読み出しゲート52と表面高濃度p層58との間には表面低濃度p層57が介在するため、光電変換部51から垂直電荷転送路53への電荷読み出しのための電圧を低くすることができる。
In this solid-
なお、固体撮像素子300においても、列方向に隣り合う表面高濃度p層58を一体化した構成にすることで、白傷抑制効果を高めることができる。また、固体撮像素子300において、光電変換部列の奇数列と偶数列とを、光電変換部列の配列ピッチの1/2列方向にずらした構成としても良い。
In the solid-
これまでの説明では、光電変換部11や光電変換部31から信号として読み出す電荷を電子として説明したが、これは正孔であっても良い。正孔とする場合には、上述してきた説明及び図面において、n型とp型をすべて反対とすれば良い。
In the description so far, the charge read out as a signal from the
以下、全ての光電変換部で読み出しゲートの位置が統一されていないタイプの固体撮像素子を参考例として説明する。なお、以下の参考例の各図面で用いる符号は、この参考例の説明にのみ適用する。つまり、参考例の各図面で用いる符号は、図1〜図15に示した符号とは重複するものがあるが、符号が同じであっても、別の符号として読むものとする。 Hereinafter, a solid-state imaging device in which the position of the readout gate is not unified in all photoelectric conversion units will be described as a reference example. In addition, the code | symbol used in each drawing of the following reference examples is applied only to description of this reference example. In other words, the reference numerals used in the drawings of the reference example overlap those shown in FIGS. 1 to 15, but even if the reference numerals are the same, they are read as different reference numerals.
(参考例)
図16に示す固体撮像素子10は、シリコン等の半導体基板の表面に行方向と、該行方向に直交する列方向に、正方格子状に配設された複数のフォトダイオード12を備えている。ここで、行方向は、図16のX方向に相当し、以下、X方向とする。また、列方向は、図16のY方向に相当し、以下、Y方向とする。
(Reference example)
A solid-
複数のフォトダイオード12の列同士の間に、Y方向に延びるように形成された垂直シフトレジスタ(VCCD)14が形成されている。垂直シフトレジスタ3は、半導体基板の表面に、一定幅で直線状に形成された領域である。
A vertical shift register (VCCD) 14 formed so as to extend in the Y direction is formed between the plurality of
この構成例の固体撮像素子10は、複数のフォトダイオード12が、電荷が行方向左側の垂直シフトレジスタに読み出される第1フォトダイオード12aと、電荷が行方向右側の垂直シフトレジスタに読み出される第2フォトダイオード12bとを含む。また、複数のフォトダイオード12は、第1フォトダイオード12aのみを行方向に配列した行と、第2フォトダイオード12bのみを行方向に配列した行とを、列方向に交互に並べた配列を有する。第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとを総称して、単にフォトダイオード12ともいう。
In the solid-
第1フォトダイオード12aと、該第1フォトダイオード12aの電荷が読み出される側(図16の構成では左側)の垂直シフトレジスタ3との間には、読み出しゲート15が設けられている。同様に、第2フォトダイオード12bと、該第2フォトダイオード12bの電荷が読み出される側(図16の構成では右側)の垂直シフトレジスタ3との間には、読み出しゲート15が設けられている。つまり、第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとは、それぞれ、電荷の読み出される方向が反対となる。
A read
垂直シフトレジスタ3と、転送電極V1,V2,V3,V4と、読み出しゲート15は、フォトダイオード12で生成された電荷をY方向に転送(垂直転送)する垂直電荷転送部として機能する。
The
垂直シフトレジスタ3の上方に複数の転送電極V1,V2,V3,V4が形成されている。転送電極V1〜V4に転送パルスが印加されると、垂直シフトレジスタ3に蓄積されている電荷がY方向に転送される。
A plurality of
垂直シフトレジスタ3のY方向の端部が、水平シフトレジスタ16に接続している。水平シフトレジスタ16の上方には、図示しない複数の水平電荷転送電極が行方向に並べて設けられている。複数の水平電荷転送電極に転送パルスが印加されると、水平シフトレジスタ16に蓄積されている電荷がX方向に転送される。水平シフトレジスタ16と、複数の水平電荷転送電極とが、電荷をX方向に転送(水平転送)する水平電荷転送部として機能する。
The end of the
水平シフトレジスタ16のX方向の端部には、出力アンプ18が設けられている。出力アンプ18は、例えばフローティングディフュージョンアンプで構成され、転送された電荷を電圧信号に変換する。
An
半導体基板の上方には図示しないカラーフィルタを有する。カラーフィルタの配列は任意である。カラーフィルタの配列の一例としては、R(赤),G(緑),B(青)の3色を含むベイヤー配列とすることができる。 A color filter (not shown) is provided above the semiconductor substrate. The arrangement of the color filters is arbitrary. As an example of the arrangement of the color filters, a Bayer arrangement including three colors of R (red), G (green), and B (blue) can be used.
図17に示すように、複数のフォトダイオード12a,12bが、各フォトダイオード12a,12bの電荷が読み出される側の転送電極V1,V3と一部重なり合うように形成される。
As shown in FIG. 17, the plurality of
この構成例では、第1フォトダイオード12aが、該第1フォトダイオード12aの電荷が読み出される垂直シフトレジスタ3の上方に位置する転送電極V1と重なり合うように構成されている。また、第2フォトダイオード12bが、該第2フォトダイオード12bの電荷が読み出される垂直シフトレジスタ3の上方に位置する転送電極V3と重なり合うように構成されている。
In this configuration example, the
図18に示すように、半導体基板の表面には、pウェル領域1が形成されている。pウェル領域1の表面には、図中n+で示す高濃度のn型の不純物拡散領域2bと、該不純物拡散領域2bの表面側に形成された高濃度のp型の不純物拡散領域2aとが設けられている。不純物拡散領域2aは、暗電流を抑止するために設けられている。pウェル領域1とn型の不純物拡散領域2bとがpn接合することでフォトダイオード12aが形成される。図18では、不純物拡散領域2a,2bを含めてフォトダイオード12aとして表記している。
As shown in FIG. 18, a p-
図18において、隣り合うフォトダイオード12の間には、垂直シフトレジスタ3が設けられている。垂直シフトレジスタ3と、該垂直シフトレジスタ3へ電荷が読み出されるフォトダイオード12aとの間には、読み出しゲート4が設けられている。また、pウェル領域1には、垂直シフトレジスタ3に対して、読み出しゲート4の反対側で隣り合う素子分離領域6と、垂直シフトレジスタ3の下方に位置する素子分離領域5とが設けられている。
In FIG. 18, a
pウェル領域1の表面には、窒化膜や酸化膜などを含むゲート絶縁膜7が形成されている。
A
各フォトダイオード12aの上方には、ゲート絶縁膜7を介してポリシリコンなどからなる転送電極V1が設けられている。
A transfer electrode V1 made of polysilicon or the like is provided above each
ゲート絶縁膜7の上面には、転送電極V1を覆うように層間絶縁膜13が形成されている。また、転送電極V1の側部及び上部を層間絶縁膜13を介して覆うように、アルミニウムやタングステンなどの遮光性材料からなる遮光膜15が形成されている。遮光膜15は、フォトダイオード12aの上方の一部が開口しており、開口した領域で入射光を通過させ、該入射光をフォトダイオード12aに受光させる。
An interlayer insulating
フォトダイオード12aにおける読み出しゲート4側の一部が、転送電極V1の下方に潜り込むように形成されている。
A part of the
次に、フォトダイオード12の形成について説明する。フォトダイオード12は、半導体基板のpウェル領域に不純物をイオン注入することで形成する。イオン注入を半導体基板の表面に対して垂直に行うと、不純物によって形成される不純物拡散領域の分布は、半導体基板の表面から深さ方向に対してほぼまっすぐに形成される。一方、イオン注入を半導体基板の表面に対して斜めの方向から行うと、不純物拡散領域の分布は、半導体基板の表面から深さ方向に対して斜めに形成される。なお、イオン注入された不純物は、半導体基板内でその周囲近傍に拡散するが、不純物拡散領域全体に対して極めて小さい割合であるためここでは無視するものとする。
Next, formation of the
図16の固体撮像素子10のように第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとは、電荷を読み出す方向が異なっており、その読み出される側の転送電極に一部潜り込むように形成する必要がある。ここで、仮に、第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bそれぞれの電荷を読み出す方向に合わせて、イオン注入の方向を変えて合計2回のイオン注入を行うとする。具体的には、第1フォトダイオード12aでは、半導体基板の表面に対してX方向右側から斜めにイオン注入し、第2フォトダイオード12bでは、半導体基板の表面に対してX方向左側から斜めにイオン注入を行う。この場合には、第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとでそれぞれ別のイオン注入を行うため、第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとで電荷読み出しなどの特性に差が生じてしまう。
As in the solid-
この構成例では、第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12bとを同じイオン注入によって1回で形成する。
In this configuration example, the
図19(a)は、半導体基板においてX方向に対する不純物の分布とイオン注入の方向を示し、図19(b)は、半導体基板においてY方向に対する不純物の分布とイオン注入の方向を示している。なお、図19(a),(b)では、素子分離領域や読み出しゲートを図示せず省略している。 FIG. 19A shows the impurity distribution and ion implantation direction in the X direction in the semiconductor substrate, and FIG. 19B shows the impurity distribution and ion implantation direction in the Y direction in the semiconductor substrate. In FIGS. 19A and 19B, an element isolation region and a read gate are not shown and are omitted.
図19(a)に示すように、イオン注入によって、不純物は、半導体基板の表面に対して、X方向に傾斜することなく、X方向に対称に分布する。ここで、対称に分布とは、フォトダイオード12のX方向のどの位置においても半導体基板の表面からの不純物の分布が等しいことを意味する。このとき、半導体基板のpウェル領域1には、不純物が略矩形状に分布する。
As shown in FIG. 19A, by ion implantation, impurities are distributed symmetrically in the X direction without tilting in the X direction with respect to the surface of the semiconductor substrate. Here, the symmetrical distribution means that the distribution of impurities from the surface of the semiconductor substrate is equal at any position in the X direction of the
このとき、イオン注入の方向は、図19(b)に示すように、半導体基板の表面に対して、Y方向に傾斜する。つまり、イオン注入の方向は、電荷が転送される方向に傾斜する。このとき、不純物が、Y方向では、半導体基板の表面から電荷を転送する方向に向かって傾斜する向きで分布する。このとき、半導体基板のpウェル領域1には、不純物が略平行四辺形状に分布する。なお、Y方向におけるイオン注入の方向は、半導体基板の表面から電荷を転送する方向の反対側へ向かって傾斜していてもよい。Y方向において、イオン注入を斜め方向に行うのは、イオン注入された不純物の分布を安定させるためである。
At this time, the direction of ion implantation is inclined in the Y direction with respect to the surface of the semiconductor substrate, as shown in FIG. That is, the direction of ion implantation is inclined in the direction in which charges are transferred. At this time, the impurities are distributed in a direction inclined in the direction of transferring charges from the surface of the semiconductor substrate in the Y direction. At this time, impurities are distributed in a substantially parallelogram shape in the p-
第1フォトダイオード12aと第2フォトダイオード12b間の電荷の読み出し方向の相違にかかわらず、第1フォトダイオード12a及び第2フォトダイオード12bは、同じ方向でかつ1回のイオン注入によって形成される。
Regardless of the difference in charge reading direction between the
この固体撮像素子によれば、複数のフォトダイオードの一部で電荷を読み出す方向がX方向に対して異なっている場合に、不純物がX方向では対称に分布するようにイオン注入することで、複数のフォトダイオード間で電荷を読み出す方向とイオン注入の方向との関係が同じになる。このため、複数のフォトダイオードそれぞれの読み出し特性に差が生じることを回避することができる。 According to this solid-state imaging device, when the direction in which charges are read in a part of a plurality of photodiodes is different from the X direction, ions are implanted so that impurities are distributed symmetrically in the X direction. The relationship between the direction of reading out charges and the direction of ion implantation is the same between the photodiodes. For this reason, it is possible to avoid the occurrence of a difference in the readout characteristics of the plurality of photodiodes.
このようにフォトダイオードを形成する手順としては、先ず、半導体基板の表面にフォトダイオードを形成するためのイオン注入を行う。そして、フォトダイオードを形成した後で、半導体基板の上層に転送電極などを形成する。こうすれば、X方向に対して斜めにイオン注入を行わなくても、フォトダイオードの一部と重なり合うように後工程で転送電極を形成できる。 As a procedure for forming the photodiode in this way, first, ion implantation for forming the photodiode is performed on the surface of the semiconductor substrate. Then, after forming the photodiode, a transfer electrode or the like is formed on the upper layer of the semiconductor substrate. In this case, the transfer electrode can be formed in a subsequent process so as to overlap with a part of the photodiode without performing ion implantation obliquely with respect to the X direction.
具体的には、先に、半導体基板の表面にフォトダイオードを形成するためのイオン注入工程を行う。イオン注入工程では、不純物が行方向に対称に分布し、且つ、列方向に対しては半導体基板の表面から電荷が転送される方向に向かって斜めに分布するようにイオン注入を行って複数のフォトダイオードを形成する。 Specifically, first, an ion implantation process for forming a photodiode on the surface of the semiconductor substrate is performed. In the ion implantation step, a plurality of ions are implanted so that impurities are distributed symmetrically in the row direction and obliquely distributed in the column direction toward the direction in which charges are transferred from the surface of the semiconductor substrate. A photodiode is formed.
複数のフォトダイオードを形成した後で、半導体基板の上方に、転送電極を形成する。このとき、既に形成されたフォトダイオードの一部と重なり合うように転送電極を形成する。 After forming a plurality of photodiodes, a transfer electrode is formed above the semiconductor substrate. At this time, the transfer electrode is formed so as to overlap a part of the already formed photodiode.
半導体基板の上層に設けられる絶縁膜などは、周知の製造手順を採用して適宜形成することができる。このとき、イオン注入を行う手順と転送電極を形成する手順とを妨げない順番で形成される。 The insulating film or the like provided on the upper layer of the semiconductor substrate can be appropriately formed by employing a well-known manufacturing procedure. At this time, they are formed in an order that does not interfere with the procedure of ion implantation and the procedure of forming the transfer electrode.
こうすれば、複数のフォトダイオード間で特性の差がない固体撮像素子を得ることができるとともに、1回のイオン注入のみでフォトダイオードを形成することができるため、電荷の読み出し方向に応じて製造工程が増えてしまうことがない。 In this way, it is possible to obtain a solid-state imaging device having no difference in characteristics among a plurality of photodiodes and to form a photodiode by only one ion implantation. The process will not increase.
固体撮像素子の構成は、上記構成例に限定されない。
図20に示す固体撮像素子は、上記構成例と同様に、半導体基板の表面に、X方向及びY方向に格子状に複数のフォトダイオードが配列されている。複数のフォトダイオードがX方向に対して両側の垂直シフトレジスタ3に電荷が読み出されるように読み出しゲートが形成された第1フォトダイオード12aと、第2フォトダイオード12bとを含む。
The configuration of the solid-state imaging device is not limited to the above configuration example.
The solid-state imaging device shown in FIG. 20 has a plurality of photodiodes arranged in a lattice pattern in the X and Y directions on the surface of the semiconductor substrate, as in the above configuration example. The plurality of photodiodes includes a
第1フォトダイオード12aは、電荷が読み出される側の転送電極V1,V4と一部重なり合うように形成される。同様に、第2フォトダイオード12bは、電荷が読み出される側の転送電極V2,V3と一部重なり合うように形成される。
The
第1フォトダイオード12aで生成された電荷は、転送電極V1の下方に位置する垂直シフトレジスタ3、または、転送電極V4の下方に位置する垂直シフトレジスタ3に読み出される。
The electric charge generated by the
第2フォトダイオード12bで生成された電荷は、転送電極V3の下方に位置する垂直シフトレジスタ3、または、転送電極V2の下方に位置する垂直シフトレジスタ3に読み出される。
The charge generated by the
図20の固体撮像素子の構成例において、上記構成例と同様に、イオン注入の方向を、半導体基板の表面に対して、X方向に傾斜することなく、垂直とする。こうすることで、不純物が半導体基板の表面のX方向に対称に分布する。また、Y方向においては、半導体基板の表面に対して傾斜するようにイオン注入を行う。このとき、不純物が、Y方向では、半導体基板の表面から電荷を転送する方向に向かって傾斜する向きで分布する。 In the configuration example of the solid-state imaging device in FIG. 20, as in the above configuration example, the ion implantation direction is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate without being inclined in the X direction. By doing so, impurities are distributed symmetrically in the X direction on the surface of the semiconductor substrate. In the Y direction, ion implantation is performed so as to be inclined with respect to the surface of the semiconductor substrate. At this time, the impurities are distributed in a direction inclined in the direction of transferring charges from the surface of the semiconductor substrate in the Y direction.
この固体撮像素子によれば、複数のフォトダイオードの一部で電荷を読み出す方向がX方向に対して異なっている場合に、不純物がX方向にして対称に分布するようにイオン注入することで、複数のフォトダイオード間で電荷を読み出す方向とイオン注入の方向との関係が同じになる。イオン注入は、Y方向に対して斜めに行われるため、不純物のX方向の分布を対称にすることができ、斜め方向にイオン注入を行うことで、注入された不純物の分布が安定する。このため、複数のフォトダイオードそれぞれの読み出し特性に差が生じることを回避することができる。 According to this solid-state imaging device, when the charge readout direction in a part of the plurality of photodiodes is different from the X direction, ions are implanted so that the impurities are distributed symmetrically in the X direction. The relationship between the direction of reading out charges and the direction of ion implantation between the plurality of photodiodes is the same. Since ion implantation is performed obliquely with respect to the Y direction, the distribution of impurities in the X direction can be made symmetric, and by performing ion implantation in the oblique direction, the distribution of implanted impurities is stabilized. For this reason, it is possible to avoid the occurrence of a difference in the readout characteristics of the plurality of photodiodes.
図21に示す固体撮像素子では、複数のフォトダイオードが、X方向に対して一方に電荷が読み出されるように読み出しゲートが形成された第1フォトダイオード22aと、第1フォトダイオード12aの反対方向へ電荷が読み出されるように読み出しゲートが形成された第2フォトダイオード22bとを含む。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 21, the plurality of photodiodes are in the opposite direction of the
第1フォトダイオード22aは、電荷が読み出される側の転送電極V2,V4と一部重なり合うように形成される。同様に、第2フォトダイオード22bは、電荷が読み出される側の転送電極V1,V3と一部重なり合うように形成される。
The
第1フォトダイオード22aで生成された電荷は、転送電極V2,V4それぞれの下方に位置する垂直シフトレジスタ3に読み出される。
The charges generated by the
第2フォトダイオード22bで生成された電荷は、転送電極V1,V3それぞれの下方に位置する垂直シフトレジスタ3に読み出される。
The charges generated by the
この構成例では、電荷を読み出す方向が向かい合うように隣り合う第1フォトダイオード22aと第2フォトダイオード22bとの間の垂直シフトレジスタ3にのみ電荷が読み出される。電荷を読み出す方向が向かい合わないように隣り合った第1フォトダイオード22aと第2フォトダイオード22bとの間には垂直シフトレジスタ3や転送電極V1〜V4が設けられていない。または、電荷を読み出す方向が向かい合わないように隣り合った第1フォトダイオード22aと第2フォトダイオード22bとの間には垂直シフトレジスタ3や転送電極V1〜V4を設けたうえで、該垂直シフトレジスタ3へ電荷の読み出しを行わない構成としてもよい。
In this configuration example, charges are read out only to the
図21の固体撮像素子の構成例において、上記構成例と同様に、イオン注入の方向を、半導体基板の表面に対して、X方向に傾斜することなく、垂直とする。こうすることで、不純物が半導体基板の表面のX方向に対称に分布する。また、Y方向においては、半導体基板の表面に対して傾斜するようにイオン注入を行う。このとき、不純物が、Y方向では、半導体基板の表面から電荷を転送する方向に向かって傾斜する向きで分布する。 In the configuration example of the solid-state imaging device in FIG. 21, as in the above configuration example, the ion implantation direction is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate without being inclined in the X direction. By doing so, impurities are distributed symmetrically in the X direction on the surface of the semiconductor substrate. In the Y direction, ion implantation is performed so as to be inclined with respect to the surface of the semiconductor substrate. At this time, the impurities are distributed in a direction inclined in the direction of transferring charges from the surface of the semiconductor substrate in the Y direction.
この固体撮像素子によれば、複数のフォトダイオードの一部で電荷を読み出す方向がX方向に対して異なっている場合に、不純物がX方向にして対称に分布するようにイオン注入することで、複数のフォトダイオード間で電荷を読み出す方向とイオン注入の方向との関係が同じになる。イオン注入は、Y方向に対して斜めに行われるため、不純物のX方向の分布を対称にすることができ、斜めにイオン注入を行うことで、注入された不純物の分布が安定する。このため、複数のフォトダイオードそれぞれの読み出し特性に差が生じることを回避することができる。 According to this solid-state imaging device, when the charge readout direction in a part of the plurality of photodiodes is different from the X direction, ions are implanted so that the impurities are distributed symmetrically in the X direction. The relationship between the direction of reading out charges and the direction of ion implantation between the plurality of photodiodes is the same. Since ion implantation is performed obliquely with respect to the Y direction, the distribution of impurities in the X direction can be made symmetric, and by performing ion implantation obliquely, the distribution of the implanted impurities is stabilized. For this reason, it is possible to avoid the occurrence of a difference in the readout characteristics of the plurality of photodiodes.
以上のように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、半導体基板内に列方向とこれに直交する行方向に配設された複数の光電変換部を有する固体撮像素子であって、前記光電変換部に対応して設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路と、前記光電変換部とそれに対応する前記電荷転送路との間に設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読み出し部と、前記光電変換部と、その周囲の前記光電変換部及び前記電荷転送路とを分離するために設けられた前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の素子分離層と、前記光電変換部の表面に設けられ、前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の第一の不純物層と、前記第一の不純物層の表面に前記電荷読み出し部から距離をあけて設けられ、前記第一の不純物層と同じ導電型で且つ前記第一の不純物層よりも不純物濃度の高い第二の不純物層とを備え、前記第二の不純物層は、前記第二の不純物層が形成された前記光電変換部に対応する前記垂直電荷転送路から遠ざかる方向に延在して前記素子分離層の上まで形成されている。 The disclosed solid-state imaging device is a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units arranged in a semiconductor substrate in a column direction and a row direction orthogonal thereto, and is provided corresponding to the photoelectric conversion unit. A charge transfer path for transferring the charge generated in the photoelectric conversion unit in the column direction, and the photoelectric conversion unit and the charge transfer path corresponding to the charge transfer path. Conductivity opposite to that of impurities constituting the photoelectric conversion unit provided to separate the charge reading unit for reading out to the charge transfer path, the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit and the charge transfer path around the photoelectric conversion unit Type element isolation layer, a first impurity layer provided on the surface of the photoelectric conversion unit and having a conductivity type opposite to the impurities constituting the photoelectric conversion unit, and the charge readout unit on the surface of the first impurity layer Set a distance from And a second impurity layer having the same conductivity type as that of the first impurity layer and having an impurity concentration higher than that of the first impurity layer, wherein the second impurity layer includes the second impurity layer. It extends to the direction away from the vertical charge transfer path corresponding to the formed photoelectric conversion part and is formed on the element isolation layer.
この構成により、セルサイズを縮小していった場合でも、光電変換部表面積に対する第二の不純物層の表面積の割合を維持することができる。このため、白傷を抑制することができる。また、電荷読み出し部と第二の不純物層との間には第一の不純物層が介在するため、光電変換部から電荷転送路への電荷読み出しのための電圧を低くすることができる。 With this configuration, even when the cell size is reduced, the ratio of the surface area of the second impurity layer to the surface area of the photoelectric conversion portion can be maintained. For this reason, white scratches can be suppressed. In addition, since the first impurity layer is interposed between the charge reading portion and the second impurity layer, the voltage for reading the charge from the photoelectric conversion portion to the charge transfer path can be lowered.
開示された固体撮像素子は、前記複数の光電変換部が、前記半導体基板内に列方向に配設された複数の前記光電変換部からなる光電変換部列を前記列方向と直交する行方向に複数配列した構成となっており、前記電荷転送路が前記複数の光電変換部列の間を1つおきに配置され、それを挟んで隣り合う2つの光電変換部列で共用されており、前記第二の不純物層は、前記素子分離層のうち、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の光電変換部同士の間にある部分の上にまで延びている。 In the disclosed solid-state imaging device, the plurality of photoelectric conversion units are arranged in a row direction perpendicular to the column direction. The photoelectric conversion unit column includes the plurality of photoelectric conversion units arranged in the column direction in the semiconductor substrate. It is configured in a plurality of arrangements, the charge transfer path is arranged between every other plurality of photoelectric conversion unit rows, and is shared by two adjacent photoelectric conversion unit rows across it, The second impurity layer extends to a portion of the element isolation layer that is between the photoelectric conversion units of the two adjacent photoelectric conversion unit columns without sandwiching the charge transfer path.
この構成により、表面高濃度p層と隣接電荷転送路とのリークの発生が抑制されるため、白傷を更に低減することができる。 With this configuration, the occurrence of leakage between the surface high-concentration p layer and the adjacent charge transfer path is suppressed, so that white scratches can be further reduced.
開示された固体撮像素子は、前記複数の光電変換部列は、それぞれ同一の配列ピッチで、且つ、奇数列と偶数列がそれぞれの前記光電変換部の配列ピッチの1/2前記列方向に互いにずれており、前記素子分離層のうち、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部の間にある部分の上方には、前記電荷転送路での電荷転送動作を制御するための転送電極が存在する。 In the disclosed solid-state imaging device, the plurality of photoelectric conversion unit columns have the same arrangement pitch, and the odd-numbered column and the even-numbered column are ½ of the arrangement pitch of the photoelectric conversion units, respectively, in the column direction. In order to control the charge transfer operation in the charge transfer path above the portion between the two photoelectric conversion units adjacent to each other without sandwiching the charge transfer path in the element isolation layer. There are several transfer electrodes.
この構成により、転送電極に電圧が印加された場合でも、電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの光電変換部の間の半導体基板表面が第二の不純物層によってシールドされるため、この表面部分が空乏化しにくくなり、白傷の発生を抑えることができる。 With this configuration, even when a voltage is applied to the transfer electrode, the surface of the semiconductor substrate between the two adjacent photoelectric conversion units is shielded by the second impurity layer without sandwiching the charge transfer path. Becomes difficult to be depleted, and the occurrence of white scratches can be suppressed.
開示された固体撮像素子は、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記第二の不純物層が一体化されている。 In the disclosed solid-state imaging device, the two adjacent second impurity layers are integrated without sandwiching the charge transfer path.
この構成により、光電変換部表面積に対する第二の不純物層の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。 With this configuration, the ratio of the surface area of the second impurity layer to the surface area of the photoelectric conversion portion can be further increased, and white scratches can be further suppressed.
開示された固体撮像素子は、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の各光電変換部の前記第二の不純物層が一体化されている。 In the disclosed solid-state imaging device, the second impurity layer of each photoelectric conversion unit of two adjacent photoelectric conversion unit rows is integrated without sandwiching the charge transfer path.
この構成により、光電変換部表面積に対する第二の不純物層の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。 With this configuration, the ratio of the surface area of the second impurity layer to the surface area of the photoelectric conversion portion can be further increased, and white scratches can be further suppressed.
開示された固体撮像素子は、前記電荷転送路が1つの前記光電変換部列に対して1つ設けられ、前記電荷転送路に対応する各光電変換部の前記第二の不純物層が一体化されている。 In the disclosed solid-state imaging device, one charge transfer path is provided for one photoelectric conversion unit row, and the second impurity layer of each photoelectric conversion unit corresponding to the charge transfer path is integrated. ing.
この構成により、光電変換部表面積に対する第二の不純物層の表面積の割合を更に大きくすることができ、白傷をより抑制することができる。 With this configuration, the ratio of the surface area of the second impurity layer to the surface area of the photoelectric conversion portion can be further increased, and white scratches can be further suppressed.
開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
開示された固体撮像素子の製造方法は、前記固体撮像素子の製造方法であって、前記素子分離層を形成する第一の工程と、前記第一の工程の後に前記第二の不純物層を形成する第二の工程と、前記第二の工程の後に前記転送電極を形成する第三の工程とを含む。 The disclosed method for manufacturing a solid-state imaging device is a method for manufacturing the solid-state imaging device, wherein the first step of forming the element isolation layer and the second impurity layer are formed after the first step. And a third step of forming the transfer electrode after the second step.
開示された固体撮像素子の製造方法は、前記第三の工程の後、前記転送電極をマスクとしたイオン注入によって前記第一の不純物層を形成する第四の工程を含む。 The disclosed method for manufacturing a solid-state imaging device includes, after the third step, a fourth step of forming the first impurity layer by ion implantation using the transfer electrode as a mask.
この方法により、電荷読み出し特性を安定化させることができる。 By this method, the charge readout characteristic can be stabilized.
開示された固体撮像素子の製造方法は、前記第二の工程では、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記第二の不純物層を一体的に形成する。 In the disclosed method for manufacturing a solid-state imaging device, in the second step, two adjacent second impurity layers are integrally formed without sandwiching the charge transfer path.
この方法により、第二の不純物層形成のためのマスクパターンをシンプルなものにすることができ、微細化が進んだ場合でも製造が容易となる。 By this method, the mask pattern for forming the second impurity layer can be simplified, and manufacture is facilitated even when miniaturization is advanced.
開示された固体撮像素子の製造方法は、前記第二の工程では、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の各光電変換部の前記第二の不純物層を一体的に形成する。 In the disclosed method for manufacturing a solid-state imaging device, in the second step, the second impurity layers of the photoelectric conversion units of the two adjacent photoelectric conversion unit columns are integrated without interposing the charge transfer path. To form.
この方法により、第二の不純物層形成のためのマスクパターンをシンプルなものにすることができ、微細化が進んだ場合でも製造が容易となる。 By this method, the mask pattern for forming the second impurity layer can be simplified, and manufacture is facilitated even when miniaturization is advanced.
11 光電変換部
12 読み出しゲート
13 垂直電荷転送路
22 表面高濃度p層
23 表面低濃度p層
36 素子分離層
100 固体撮像素子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記光電変換部に対応して設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路と、
前記光電変換部とそれに対応する前記電荷転送路との間に設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読み出し部と、
前記光電変換部と、その周囲の前記光電変換部及び前記電荷転送路とを分離するために設けられた前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の素子分離層と、
前記光電変換部の表面に設けられ、前記光電変換部を構成する不純物と反対導電型の第一の不純物層と、
前記第一の不純物層の表面に前記電荷読み出し部から距離をあけて設けられ、前記第一の不純物層と同じ導電型で且つ前記第一の不純物層よりも不純物濃度の高い第二の不純物層とを備え、
前記第二の不純物層は、前記第二の不純物層が形成された前記光電変換部に対応する前記垂直電荷転送路から遠ざかる方向に延在して前記素子分離層の上まで形成されている固体撮像素子。 A solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units arranged in a column direction and a row direction orthogonal to the column direction in a semiconductor substrate,
A charge transfer path provided corresponding to the photoelectric conversion unit and transferring charges generated in the photoelectric conversion unit in the column direction;
A charge reading unit provided between the photoelectric conversion unit and the charge transfer path corresponding to the photoelectric conversion unit, for reading out the charge generated in the photoelectric conversion unit to the charge transfer path;
An element isolation layer having a conductivity type opposite to that of the impurity constituting the photoelectric conversion unit provided to separate the photoelectric conversion unit from the photoelectric conversion unit and the charge transfer path around the photoelectric conversion unit;
A first impurity layer having a conductivity type opposite to that of the impurity provided on the surface of the photoelectric conversion unit;
A second impurity layer provided on the surface of the first impurity layer at a distance from the charge readout portion, having the same conductivity type as the first impurity layer and having an impurity concentration higher than that of the first impurity layer; And
The second impurity layer is a solid that extends in a direction away from the vertical charge transfer path corresponding to the photoelectric conversion portion on which the second impurity layer is formed and is formed above the element isolation layer. Image sensor.
前記複数の光電変換部が、前記半導体基板内に列方向に配設された複数の前記光電変換部からなる光電変換部列を前記列方向と直交する行方向に複数配列した構成となっており、
前記電荷転送路が前記複数の光電変換部列の間を1つおきに配置され、それを挟んで隣り合う2つの光電変換部列で共用されており、
前記第二の不純物層は、前記素子分離層のうち、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の光電変換部同士の間にある部分の上にまで延びている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The plurality of photoelectric conversion units have a configuration in which a plurality of photoelectric conversion unit columns each including the plurality of photoelectric conversion units arranged in the column direction in the semiconductor substrate are arranged in a row direction orthogonal to the column direction. ,
The charge transfer path is arranged between every other plurality of photoelectric conversion unit rows, and is shared by two adjacent photoelectric conversion unit rows across it,
The second impurity layer is a solid that extends to a portion of the element isolation layer between the photoelectric conversion units of the two adjacent photoelectric conversion units without sandwiching the charge transfer path. Image sensor.
前記複数の光電変換部列は、それぞれ同一の配列ピッチで、且つ、奇数列と偶数列がそれぞれの前記光電変換部の配列ピッチの1/2前記列方向に互いにずれており、
前記素子分離層のうち、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部の間にある部分の上方には、前記電荷転送路での電荷転送動作を制御するための転送電極が存在する光電変換素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The plurality of photoelectric conversion unit columns have the same arrangement pitch, and the odd and even columns are shifted from each other in the column direction by 1/2 of the arrangement pitch of the photoelectric conversion units,
A transfer electrode for controlling a charge transfer operation in the charge transfer path is disposed above a portion between the two photoelectric conversion units adjacent to each other without sandwiching the charge transfer path in the element isolation layer. An existing photoelectric conversion element.
前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記第二の不純物層が一体化されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2 or 3,
A solid-state imaging device in which two adjacent second impurity layers are integrated without sandwiching the charge transfer path.
前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の各光電変換部の前記第二の不純物層が一体化されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2 or 3,
A solid-state imaging device in which the second impurity layers of the photoelectric conversion units of two adjacent photoelectric conversion unit rows are integrated without sandwiching the charge transfer path.
前記電荷転送路が1つの前記光電変換部列に対して1つ設けられ、
前記電荷転送路に対応する各光電変換部の前記第二の不純物層が一体化されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
One charge transfer path is provided for one photoelectric conversion unit row,
A solid-state imaging device in which the second impurity layer of each photoelectric conversion unit corresponding to the charge transfer path is integrated.
前記素子分離層を形成する第一の工程と、
前記第一の工程の後に前記第二の不純物層を形成する第二の工程と、
前記第二の工程の後に前記転送電極を形成する第三の工程とを含む固体撮像素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 3,
A first step of forming the element isolation layer;
A second step of forming the second impurity layer after the first step;
And a third step of forming the transfer electrode after the second step.
前記第三の工程の後、前記転送電極をマスクとしたイオン注入によって前記第一の不純物層を形成する第四の工程を含む固体撮像素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 8,
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising a fourth step of forming the first impurity layer by ion implantation using the transfer electrode as a mask after the third step.
前記第二の工程では、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記第二の不純物層を一体的に形成する固体撮像素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 8 or 9,
In the second step, a method of manufacturing a solid-state imaging device, in which two adjacent second impurity layers are integrally formed without sandwiching the charge transfer path.
前記第二の工程では、前記電荷転送路を挟まずに隣り合う2つの前記光電変換部列の各光電変換部の前記第二の不純物層を一体的に形成する固体撮像素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 8 or 9,
In the second step, there is provided a method for manufacturing a solid-state imaging device, in which the second impurity layer of each photoelectric conversion unit of two adjacent photoelectric conversion unit columns is integrally formed without sandwiching the charge transfer path.
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