JP2013021169A - Solid-state image sensor, manufacturing method therefor, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、および電子機器に関し、特には半導体基板の深い位置に光電変換領域を備えた固体撮像素子、およびその製造方法、さらにはこの固体撮像素子を用いた電子機器に関する。 The present technology relates to a solid-state imaging device, a manufacturing method of the solid-state imaging device, and an electronic device, and in particular, a solid-state imaging device including a photoelectric conversion region at a deep position of a semiconductor substrate, a manufacturing method thereof, and further, the solid-state imaging device It relates to the electronic equipment used.
光電変換領域を有する固体撮像素子においては、半導体基板の深さ方向に複数の光電変換領域を配置した構成のものがある。このような固体撮像素子においては、半導体基板の深い位置に配置された光電変換領域に近接させてトレンチを形成し、このトレンチ内にゲート絶縁膜を介して読出ゲートを配置している。 Some solid-state imaging devices having photoelectric conversion regions have a configuration in which a plurality of photoelectric conversion regions are arranged in the depth direction of a semiconductor substrate. In such a solid-state imaging device, a trench is formed in the vicinity of a photoelectric conversion region disposed at a deep position on a semiconductor substrate, and a readout gate is disposed in the trench through a gate insulating film.
以上のような構成の固体撮像素子では、半導体基板の内部において、光電変換領域が配置された深さ位置からフローティングディフュージョンまでの間のゲート絶縁膜に沿った位置にチャネルが形成される。光電変換領域に蓄積された信号電荷は、トレンチ内に埋め込まれた読出ゲートに電圧を印加することにより、このチャネルを介してフローティングディフュージョンに読み出される(下記特許文献1参照)。
In the solid-state imaging device having the above-described configuration, a channel is formed in the semiconductor substrate at a position along the gate insulating film from the depth position where the photoelectric conversion region is disposed to the floating diffusion. The signal charge accumulated in the photoelectric conversion region is read out to the floating diffusion through this channel by applying a voltage to the readout gate embedded in the trench (see
また、半導体基板の深い位置に配置されたn型不純物領域を有する光電変換領域と、n型不純物領域で構成されたフローティングディフュージョンとの間のチャネルが形成される半導体基板領域を、低濃度のn型不純物領域とした構成が開示されている。このような構成においては、n型不純物濃度を調整することにより、光電変換領域が完全空乏化されるため、信号電荷が全て転送可能であるとしている(下記特許文献2参照)。
In addition, a semiconductor substrate region in which a channel is formed between a photoelectric conversion region having an n-type impurity region disposed deep in the semiconductor substrate and a floating diffusion formed of the n-type impurity region is formed as a low concentration n. A configuration of a type impurity region is disclosed. In such a configuration, the photoelectric conversion region is completely depleted by adjusting the n-type impurity concentration, so that all signal charges can be transferred (see
しかしながら、上述した構成の固体撮像素子では、半導体基板内の比較的浅い位置に配置される光電変換領域の信号電荷を全て読み出すことは可能であっても、深い位置に設けられた光電変換領域の信号電荷を読み出すことは困難である。これは、読出ゲートをオンにした場合に、光電変換領域を構成するn型不純物領域においてゲート絶縁膜に近接する部分に、チャネル部よりもポテンシャルが深い領域が形成され、この深い領域に信号電荷が残されるためである。このような信号電荷の残りは、この固体撮像素子による撮像画像に対して残像を発生させる要因となる。 However, in the solid-state imaging device having the above-described configuration, it is possible to read out all the signal charges in the photoelectric conversion region arranged at a relatively shallow position in the semiconductor substrate, but the photoelectric conversion region provided at a deep position can be read out. It is difficult to read out the signal charge. This is because when the readout gate is turned on, a region having a potential deeper than that of the channel portion is formed in a portion close to the gate insulating film in the n-type impurity region constituting the photoelectric conversion region, and the signal charge is formed in this deep region. This is because it is left behind. Such a remaining signal charge becomes a factor that generates an afterimage with respect to an image captured by the solid-state imaging device.
そこで本技術は、半導体基板の深さ位置によらずに光電変換領域の信号電荷を全て読み出すことが可能で、これにより撮像特性の向上が図られた固体撮像素子を提供することを目的とする。また本技術は、このような固体撮像素子の製造方法およびこのような固体撮像素子を備えた電子機器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present technology is to provide a solid-state imaging device that can read out all signal charges in the photoelectric conversion region regardless of the depth position of the semiconductor substrate, thereby improving imaging characteristics. . Moreover, this technique aims at providing the manufacturing method of such a solid-state image sensor, and the electronic device provided with such a solid-state image sensor.
このような目的を達成するための本技術の固体撮像素子は、半導体基板に形成したトレンチ内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれた読出ゲートと、半導体基板の内部に設けられた光電変換領域とを備えている。さらに、光電変換領域との間に間隔を保って、半導体基板の表面層にフローティングディフュージョンが設けられている。そして特に、光電変換領域とゲート絶縁膜とに接して、ポテンシャル調整領域が設けられている。このポテンシャル調整領域は、半導体基板および光電変換領域と同一の導電型で、かつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低い不純物領域である。 In order to achieve such an object, a solid-state imaging device of the present technology includes a readout gate embedded in a trench formed in a semiconductor substrate via a gate insulating film, a photoelectric conversion region provided in the semiconductor substrate, It has. Furthermore, a floating diffusion is provided in the surface layer of the semiconductor substrate with a space between the photoelectric conversion region. In particular, a potential adjustment region is provided in contact with the photoelectric conversion region and the gate insulating film. This potential adjustment region is an impurity region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, and having a concentration of the conductivity type lower than that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region.
このような構成の固体撮像素子では、ポテンシャル調整領域を設けない構成と比較して、ゲート絶縁膜に沿ったチャネル形成領域においてのポテンシャルの段差が小さくなる。また例えば、光電変換領域、半導体基板におけるゲート絶縁膜に沿った領域、およびポテンシャル調整領域の全てがn型である場合、ポテンシャル調整領域よりも半導体基板のポテンシャルが浅くなる。このため、光電変換領域に蓄積された信号電荷(電子)を読出ゲートへの電圧印加によってポテンシャル調整領域に読み出せば、この信号電荷(電子)は障害なくゲート絶縁膜に沿った半導体基板のチャネル形成領域に読み出される。 In the solid-state imaging device having such a configuration, the potential level difference in the channel formation region along the gate insulating film is reduced as compared with the configuration in which the potential adjustment region is not provided. Further, for example, when the photoelectric conversion region, the region along the gate insulating film in the semiconductor substrate, and the potential adjustment region are all n-type, the potential of the semiconductor substrate becomes shallower than the potential adjustment region. Therefore, if the signal charges (electrons) accumulated in the photoelectric conversion region are read out to the potential adjustment region by applying a voltage to the readout gate, the signal charges (electrons) are channeled in the semiconductor substrate along the gate insulating film without hindrance. Read to the formation area.
また本技術は、このような固体撮像素子の製造方法でもあり、次の手順を行う。先ず、半導体基板に不純物を導入する。これにより、半導体基板の内部に光電変換領域を形成する。またこれと共に、半導体基板および光電変換領域と同一の導電型でかつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低いポテンシャル調整領域を、光電変換領域に接して形成する。次に、ポテンシャル調整領域に接するトレンチを半導体基板に形成する。その後、トレンチ内にゲート絶縁膜を介して読出ゲートを形成する。また、半導体基板の表面層に不純物を導入することにより、読出ゲートに近接してフローティングディフュージョンを形成する。 Moreover, this technique is also a manufacturing method of such a solid-state image sensor, and performs the following procedure. First, impurities are introduced into the semiconductor substrate. Thereby, a photoelectric conversion region is formed inside the semiconductor substrate. At the same time, a potential adjustment region having the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region and having a lower concentration of the conductivity type than the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region is formed in contact with the photoelectric conversion region. Next, a trench in contact with the potential adjustment region is formed in the semiconductor substrate. Thereafter, a read gate is formed in the trench through a gate insulating film. Further, by introducing impurities into the surface layer of the semiconductor substrate, a floating diffusion is formed in the vicinity of the read gate.
また本技術は、このような固体撮像素子を備えた電子機器でもある。 Moreover, this technique is also an electronic device provided with such a solid-state image sensor.
以上説明したように本技術によれば、ポテンシャル調整領域によってチャネル形成領域のポテンシャル段差が調整されるため、光電変換領域の信号電荷を半導体基板のチャネル形成領域に障害無く読み出すことが可能になる。この結果、半導体基板の深い位置に光電変換領域を設けた固体撮像素子において、光電変換領域の信号電荷を全て読み出すことが可能で、これにより残像の発生を防止して撮像特性の向上を図ることが可能になる。 As described above, according to the present technology, since the potential step in the channel formation region is adjusted by the potential adjustment region, the signal charge in the photoelectric conversion region can be read to the channel formation region of the semiconductor substrate without any obstacle. As a result, in the solid-state imaging device in which the photoelectric conversion region is provided at a deep position on the semiconductor substrate, it is possible to read out all signal charges in the photoelectric conversion region, thereby preventing the occurrence of afterimage and improving the imaging characteristics. Is possible.
以下、本技術の実施の形態を、図面に基づいて次に示す順に説明する。
1.実施形態の固体撮像素子が設けられる固体撮像装置の概略構成例
2.第1実施形態(ポテンシャル調整領域を設けた固体撮像素子の例)
3.第2実施形態(ポテンシャル調整領域に重なるピニング領域を設けた固体撮像素子の例)
4.変形例
5.第3実施形態(固体撮像素子を用いた電子機器の例)
尚、各実施形態および変形例において共通の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
Hereinafter, embodiments of the present technology will be described in the following order based on the drawings.
1. 1. Schematic configuration example of a solid-state imaging device provided with the solid-state imaging device of the embodiment First embodiment (an example of a solid-state imaging device provided with a potential adjustment region)
3. Second Embodiment (Example of a solid-state imaging device provided with a pinning region overlapping with a potential adjustment region)
4).
In addition, in each embodiment and modification, the same code | symbol is attached | subjected to a common component, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
≪1.実施形態の固体撮像素子の概略構成例≫
図1に、本技術の固体撮像素子が設けられる固体撮像装置の一例として、MOS型の固体撮像素子を用いた概略構成を示す。
<< 1. Example of schematic configuration of solid-state image sensor according to embodiment >>
FIG. 1 shows a schematic configuration using a MOS type solid-state imaging device as an example of a solid-state imaging device provided with the solid-state imaging device of the present technology.
この図に示す固体撮像装置1は、支持基板2の一面上に光電変換領域を含む複数の画素3が2次元的に配列された画素領域4を有している。画素領域4に配列された各画素3には、光電変換領域と、フローティングディフュージョンと、読出ゲートと、その他の複数のトランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)および容量素子等で構成された画素回路とが設けられている。尚、複数の画素3で画素回路の一部を共有している場合もある。
The solid-
以上のような画素領域4の周辺部分には、垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、水平駆動回路7、およびシステム制御回路8などの周辺回路が設けられている。
Peripheral circuits such as a
垂直駆動回路5は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線9を選択し、選択された画素駆動線9に画素3を駆動するためのパルスを供給し、画素領域4に配列された画素3を行単位で駆動する。すなわち、垂直駆動回路5は、画素領域4に配列された各画素を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線9に対して垂直に配線された垂直駆動線10を通して、各画素3において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路6に供給する。
The
カラム信号処理回路6は、画素の例えば列ごとに配置されており、1行分の画素3から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路6は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double sampling)や、信号増幅、アナログ/デジタル変換(AD:Analog/Digital Conversion)等の信号処理を行う。
The column
水平駆動回路7は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路6の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路6の各々から画素信号を出力させる。
The
システム制御回路8は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置1の内部情報などのデータを出力する。すなわち、システム制御回路8では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、および水平駆動回路7などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、および水平駆動回路7等に入力する。
The
以上のような各周辺回路5〜8と、画素領域4に設けられた画素回路とで、各画素を駆動する駆動回路が構成されている。尚、周辺回路5〜8は、画素領域4に積層される位置に配置されていても良い。
The
≪2.第1実施形態≫
<固体撮像素子の構成>
(ポテンシャル調整領域を設けた例)
図2は、第1実施形態の固体撮像素子1-1の構成を示す図であり、図2Aは固体撮像装置における1画素分の概略平面図であり、図2Bは図2AのA−A断面に相当する概略断面図である。以下、これらの図面に基づいて第1実施形態の固体撮像素子1-1の構成を説明する。
≪2. First Embodiment >>
<Configuration of solid-state image sensor>
(Example of potential adjustment area)
2 is a diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device 1-1 according to the first embodiment, FIG. 2A is a schematic plan view of one pixel in the solid-state imaging device, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2A. It is a schematic sectional drawing equivalent to. Hereinafter, the configuration of the solid-state imaging device 1-1 of the first embodiment will be described based on these drawings.
図2に示す第1実施形態の固体撮像素子1-1は、上述した固体撮像装置の各画素に配置されるものであり、支持基板2の上部に絶縁膜11を介して半導体基板13が配置され、この半導体基板13の内部に複数の光電変換領域15r,15g,15bを備えている。またこの半導体基板13の内部には、光電変換領域15r,15g,15bの脇に2つのトレンチ17r,17gが設けられている。これらのトレンチ17r,17g内には、ゲート絶縁膜19を介して埋め込み型の読出ゲート21r,21gが設けられている。また、半導体基板13の上部には、ゲート絶縁膜19を介して読出ゲート21b(平面図参照)が設けられている。
A solid-state imaging device 1-1 according to the first embodiment shown in FIG. 2 is disposed in each pixel of the above-described solid-state imaging device, and a
さらに、半導体基板13の表面層には、各読出ゲート21r,21g,21bに近接して3つのフローティングディフュージョン23が配置されている。そして特に本第1実施形態においては、光電変換領域15rおよび光電変換領域15gと、ゲート絶縁膜19との間に、ポテンシャル調整領域25r,25gが設けられているところが特徴的である。
Further, on the surface layer of the
次に、半導体基板13、およびその内部および上部に配置された各構成要素の詳細な構成を説明する。
Next, the detailed configuration of the
[半導体基板13]
半導体基板13は、例えば単結晶シリコンで構成された半導体薄膜である。ここでは、特にn型の単結晶シリコンを用いて半導体基板13を構成することにより、半導体基板13全体をnウェルとして用いている。このような半導体基板13におけるn型の濃度は、やや薄い[n−]である。尚、ここで示すn型の濃度とは、n型の不純物の含有濃度そのものではなく、実質的なn型の濃度であることとする。したがって、n型の不純物の含有濃度が高い領域であっても、その領域においてのp型の不純物の含有濃度が高ければ、実質的なn型濃度は低くなる。これは、以降においても同様であることとする。
[Semiconductor substrate 13]
The
また本第1実施形態では、半導体基板13において支持基板2と逆側の表面を、光電変換領域15r,15g,15bに対する受光面Aとしている。
In the first embodiment, the surface of the
[光電変換領域15r,15g、15b]
光電変換領域15r,15g,15bは、半導体基板13内においてその深さ方向に積層して配置された不純物領域であり、半導体基板13を受光面A側から見た場合の平面形状が例えば四角形である。これらの光電変換領域15r,15g,15bのうち、半導体基板13の最も深い位置であって、支持基板2に最も近い位置に、赤色領域の光を変換する光電変換領域15rが配置されている。また、この上部には、緑色領域の光を変換する光電変換領域15gが配置されている。そして、半導体基板13の最も表面近くには、青色領域の光を変換する光電変換領域15bが配置されている。これらは、支持基板2側から順に、赤色用の光電変換領域15r、緑色用の光電変換領域15g、青色用の光電変換領域15bと、対応する波長の長い順に配置されている。
[
The
また、最深部に配置された光電変換領域15rは、後で説明するトレンチ17gの下方にまで延設されていても良い。
Further, the
以上のように配置された光電変換領域15r,15g,15bは、半導体基板13と同様のn型の不純物領域であって、n型の濃度が半導体基板13よりも濃い[n+]である。このような光電変換領域15r,15g,15bは、電界の影響の無い範囲では半導体基板13よりもポテンシャルが深い。
The
また以上の光電変換領域15r,15g,15bの間、および最上層の光電変換領域15b上には、これらに接する状態でp型領域16が配置されている。これにより、各n型の光電変換領域15r,15g,15bと、これらに接する何れかのp型領域16との間にpn接合を有するフォトダイオードが構成されている。そして、受光面Aから入射する光の光吸収係数の波長依存性に対応した深さに、n型の各光電変換領域15r,15g,15bとp型領域16とのpn接合部が配置された構成となっている。ただし、最上層のp型領域16は、界面準位を抑制するための層として設けられていても良い。
A p-
これらのp型領域16におけるp型の濃度は濃い[p+]である。尚、ここで示すp型の濃度とは、p型の不純物の含有濃度そのものではなく、実質的なp型の濃度であることは、n型の濃度と同様である。
The p-type concentration in these p-
[トレンチ17r,17g]
トレンチ17r,17gは、光電変換領域15r,15g,15bの脇に、これらに対して間隔を設けてそれぞれ独立して設けられている。例えばこれらのトレンチ17r,17gは、平面形状が四角形の光電変換領域15r,15g,15bを、対角線方向から挟んだ位置に配置されている。
[
The
これらの2つのトレンチ17r,17gのうち、一方のトレンチ17rは半導体基板13を貫通して設けられており、他方のトレンチ17gは半導体基板13を貫通せずに底部を有する凹部状に形成されている。凹部状のトレンチ17gの深さは、少なくとも緑色用の光電変換領域15gよりも深く、赤色用の光電変換領域15rよりも浅い。これにより、半導体基板13の最深部に設けられた赤色用の光電変換領域15rが、トレンチ17gの下方にまで延設可能となり、光電変換領域15rに蓄積される信号電荷量を大きくできる。
Of these two
[ゲート絶縁膜19]
ゲート絶縁膜19は、トレンチ17r,17gの内壁、および半導体基板13の受光面A上を覆って設けられている。このゲート絶縁膜19は、例えばシリコンを熱酸化させた酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、高誘電体絶縁膜を用いて構成されている。高誘電体絶縁膜は、酸化ハフニウム、ハフニアシリケート、窒素添加ハフニウムアルミネート、酸化タンタル、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化プラセオジム、酸化イットリウム等を用いて構成されている。このような各材料膜は、単層または必要に応じて積層した状態でゲート絶縁膜19として用いられる。
[Gate insulating film 19]
The
[読出ゲート21r,21g]
読出ゲート21r,21gは、ゲート絶縁膜19を介してトレンチ17r,17gの内部に埋め込まれた埋め込み電極として設けられており、半導体基板13の受光面Aの上方においてパターニングされている。このような読出ゲート21r,21gは、例えばリン(P)等の不純物を含有するポリシリコン(Phosphorus Doped Amorphous Silicon:PDAS)、またはアルミニウム、タングステン、チタン、コバルト、ハフニウム、およびタンタル等の金属材料を用いて構成されている。
[Read
The read
[読出ゲート21b]
読出ゲート21bは、半導体基板13の受光面Aの上方にゲート絶縁膜19を介して設けられている。この読出ゲート21bは、埋め込み電極としての読出ゲート21r,21gとの間に間隔を設けて配置され、最上層の青色用の光電変換領域15bに対して所定の間隔を保ってパターングされている。このような読出ゲート21bは、読出ゲート21r,21gと同一の材料層で構成されていて良い。
[
The read
[フローティングディフュージョン23]
フローティングディフュージョン23は、半導体基板13の受光面A側の表面層に設けられた不純物領域であって、光電変換領域15r,15g,15bとの間に、各読出ゲート21r,21g,21bを挟んだ位置に設けられている。このように配置された各フローティングディフュージョン23は、半導体基板13および光電変換領域15r,15g,15bと同様のn型の不純物領域であって、n型の濃度が半導体基板13よりも濃い[n+]である。
[Floating diffusion 23]
The floating
[ポテンシャル調整領域25r,25g]
ポテンシャル調整領域25r,25gは、半導体基板13の深い位置に配置された光電変換領域15r,15gと、トレンチ17r,17g側壁を覆うゲート絶縁膜19との間に設けられている。このうち、一方のポテンシャル調整領域25rは、赤色用の光電変換領域15rとトレンチ17rとの間に、これらに接して配置され、光電変換領域15rと同じの深さ領域に設けられている。このポテンシャル調整領域25rは、他の光電変換領域15g,15bおよびフローティングディフュージョン23との間に間隔を有して配置されている。またもう一方のポテンシャル調整領域25gは、緑色用の光電変換領域15gとトレンチ17gとの間に、これらに接して配置され、光電変換領域15gと同じ深さ領域に設けられている。このポテンシャル調整領域25gは、他の光電変換領域15r,15bおよびフローティングディフュージョン23との間に間隔を有して配置されている。
[
The
以上のように配置されたポテンシャル調整領域25r,25gは、半導体基板13および光電変換領域15r,15g,15bと同様のn型の不純物領域であって、n型の濃度が半導体基板13よりもさらに薄い[n−−]である。このようなポテンシャル調整領域25r,25gは、電界の影響の無い範囲で半導体基板13および光電変換領域15r,15g,15bよりもポテンシャルが浅い。
The
<固体撮像素子の駆動>
図3は、上記構成の固体撮像素子1-1の駆動を説明するための図であり、一例として、赤色の光電変換領域15rでの受光期間と読み出し期間のポテンシャルを示している。図3A(1)および図3A(2)は、光電変換領域15rの深さ位置におけるポテンシャルである。一方、図3B(1)および図3B(2)は、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域のポテンシャルである。また、図3A(1),図3B(1)は受光期間(ゲート電圧OFF)、図3A(2),図3B(2)は読出期間(ゲート電圧ON)に対応している。以下、これらの図と共に、先の図2を参照して第1実施形態の固体撮像素子1-1の駆動を説明する。
<Driving of solid-state image sensor>
FIG. 3 is a diagram for explaining the driving of the solid-state imaging device 1-1 having the above-described configuration. As an example, the potential of the light receiving period and the reading period in the red
先ず受光期間においては、読出ゲート21rに印加するゲート電圧をOFFとする。このため図3A(1)に示すように、光電変換領域15rの深さ位置では、n型の濃度が濃い[n+]である光電変換領域15rのポテンシャルは、濃度[n−−]であるポテンシャル調整領域25rのポテンシャルよりも深く維持される。これにより光電変換によって発生した信号電荷eは、光電変換領域15rに蓄積される。
First, in the light receiving period, the gate voltage applied to the
一方、図3B(1)に示すように、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域では、n型の濃度が極めて薄い[n−−]であるポテンシャル調整領域25rのポテンシャルは、n型の濃度がやや薄い[n−]である半導体基板13のポテンシャルよりも浅く維持される。
On the other hand, as shown in FIG. 3B (1), in the channel formation region along the
次に、読出期間においては、読出ゲート21rに印加するプラスのゲート電圧をONとする。この際、ゲート絶縁膜19に接して配置されたポテンシャル調整領域25rは、光電変換領域15rよりもゲート電圧による電界の影響を強く受ける。
Next, in the read period, the positive gate voltage applied to the
そこで、図3A(2)に示すように、ポテンシャル調整領域25rのポテンシャルが、光電変換領域15rのポテンシャルよりも深くなるようにゲート電圧を設定する。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eをポテンシャル調整領域25rに読み出す。
Therefore, as shown in FIG. 3A (2), the gate voltage is set so that the potential of the
一方、図3B(2)に示すように、ゲート絶縁膜19に沿って配置されたポテンシャル調整領域25rおよび半導体基板13は、読出ゲート21rに印加するゲート電圧の影響を同様の強さで受ける。このためポテンシャル調整領域25rと半導体基板13との間のポテンシャルの深さ関係は、受光期間と同様に維持された状態で、全体的に深くなる。したがって、ポテンシャル調整領域25rに読み出した信号電荷eは、さらにポテンシャルが深い半導体基板13に読み出される。この際、読出ゲート21rに近接して配置されたフローティングディフュージョン23には、半導体基板13よりもポテンシャルが深くなるようにドレイン電圧を印加する。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eをフローティングディフュージョン23に読み出す。
On the other hand, as shown in FIG. 3B (2), the
以上のような駆動については、緑色の光電変換領域15gの駆動にも同様に適用される。また、青色の光電変換領域15bの駆動は、通常の表面チャネル型の読出ゲートを用いた場合と同様に行えば良い。
The above driving is similarly applied to driving of the green
<固体撮像素子の製造方法>
図4、図5は、上記構成の固体撮像素子1-1の製造手順を説明するための断面工程図である。以下、これらの図面に基づいて第1実施形態の固体撮像素子1-1の製造手順を説明する。
<Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device>
4 and 5 are cross-sectional process diagrams for explaining a manufacturing procedure of the solid-state imaging device 1-1 having the above-described configuration. Hereinafter, a manufacturing procedure of the solid-state imaging device 1-1 of the first embodiment will be described based on these drawings.
[図4A]
先ず図4Aに示すように、支持基板2の上部に、絶縁膜11を介して設けられた薄膜状の半導体基板13を用意する。この半導体基板13は、n型の単結晶シリコンで構成され、n型の濃度はやや薄い[n−]であることとする。
[FIG. 4A]
First, as shown in FIG. 4A, a thin-
[図4B]
次に図4Bに示すように、半導体基板13に各導電型の不純物を導入することにより、n型の濃度がやや薄い[n−]の半導体基板13の内部に、各光電変換領域15r,15g,15b、p型領域16、および各ポテンシャル調整領域25r,25gを形成する。
[FIG. 4B]
Next, as shown in FIG. 4B, by introducing impurities of each conductivity type into the
この際、各光電変換領域15r,15g,15bの形成においては、半導体基板13の各深さ領域に、さらにn型の不純物を導入する。これにより、n型の濃度が濃い[n+]の各光電変換領域15r,15g,15bを形成する。
At this time, in the formation of the
また、各ポテンシャル調整領域25r,25gの形成においては、半導体基板13の各深さ領域に、p型の不純物を導入する。これによりn型の濃度が実質的に薄い[n−−]の各ポテンシャル調整領域25r,25gを、光電変換領域15r,15gに接する状態で形成する。
Further, in the formation of the
さらに、各p型領域16の形成においては、半導体基板13の各深さ領域に、導電型が反転して濃い[p+]となる量のp型の不純物を導入する。これにより、各p型領域16を形成する。
Further, in the formation of each p-
以上のような半導体基板13内への各不純物の導入は、マスクによってエリアを制限すると共に、注入エネルギーによって深さをそれぞれ調整した各不純物のイオン注入と、その後の活性化熱処理とによって行う。尚、イオン注入は、所定の順に行えば良く、また活性化熱処理は全てのイオン注入が終了した後に行って良い。
The introduction of each impurity into the
[図4C]
その後、図4Cに示すように、半導体基板13にトレンチ17r,17gを形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、ポテンシャル調整領域25rに接するトレンチ17rを、半導体基板13を貫通する状態で形成する。また、別のレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、ポテンシャル調整領域25gに接すると共に、光電変換領域15rに達しない深さのトレンチ17gを半導体基板13に形成する。
[FIG. 4C]
Thereafter, as shown in FIG. 4C,
[図5A]
次に図5Aに示すように、トレンチ17r,17gの内壁、および半導体基板13上を覆う状態で、ゲート絶縁膜19を成膜する。ゲート絶縁膜19の成膜は、ゲート絶縁膜19を構成する材料によって適宜選択された方法によって行う。例えば、半導体基板13の熱酸化または熱窒化によって酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜が成膜され、また原子層蒸着法によって酸化ハフニウム膜などが成膜される。
[FIG. 5A]
Next, as shown in FIG. 5A, a
その後、トレンチ17r,17gを埋め込む状態で、ゲート絶縁膜19上に導電性材料膜21を成膜する。導電性材料膜21の成膜は、導電性材料膜21を構成する材料によって適宜選択された方法によって行う。例えば、リン(P)等の不純物を含有するポリシリコン膜であれば、化学的気相成長法によって成膜され、アルミニウム、タングステン、チタン、コバルト、ハフニウム、およびタンタル等の金属材料膜であれば、スパッタ法によって成膜される。
Thereafter, a
[図5B]
次いで図5Bに示すように、導電性材料膜21をパターンエッチングする。これにより、トレンチ17r内に埋め込まれた読出ゲート21rと、トレンチ17g内に埋め込まれた読出ゲート21gと、ここでの図示を省略した半導体基板13の受光面A上の読出ゲート(21b)を形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクに用いて導電性材料膜21をエッチングすれば良い。その後は、必要に応じてゲート絶縁膜19と半導体基板13との間の界面準位を終端するため、塩素雰囲気中でのアニール処理を施す。
[FIG. 5B]
Next, as shown in FIG. 5B, the
[図5C]
その後図5Cに示すように、読出ゲート21r,21g,(21b)の側壁に絶縁性のサイドウォール22を形成する。このサイドウォール22は、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜の成膜と、その後の絶縁膜のエッチバックによって形成される。しかる後、半導体基板13の受光面A側の表面層で、各光電変換領域15r,15g,15bとの間に読出ゲート21r,21g,(21b)を挟む位置に、フローティングディフュージョン23を形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンとサイドウォール22とをマスクにして半導体基板13の表面層に不純物を導入することにより、n型の濃度が濃い[n+]のフローティングディフュージョン23をサイドウォール22の脇にセルフアラインで形成する。
[FIG. 5C]
Thereafter, as shown in FIG. 5C, insulating
以上により先に図2を用いて説明した構成の固体撮像素子1-1が得られる。 As described above, the solid-state imaging device 1-1 having the configuration described above with reference to FIG. 2 is obtained.
<第1実施形態の効果>
以上説明した第1実施形態の固体撮像素子1-1は、光電変換領域15r,15gおよび半導体基板13よりも、n型の濃度が薄い[n--]のポテンシャル調整領域25r,25gを、光電変換領域15r,15gとゲート絶縁膜19との間に設けた構成である。これにより、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域のポテンシャルを、ポテンシャル調整領域25r,25gよりも半導体基板13で深くすることができ、ポテンシャル調整領域25r,25gの信号電荷(電子)を、障害なく半導体基板13に読み出すことが可能になる。この結果、半導体基板13の深い位置に光電変換領域15r,15gを設けた固体撮像素子1-1において、光電変換領域15r,15gの信号電荷を全て読み出すことが可能になり、これにより残像を防止して撮像特性の向上を図ることが可能になる。
<Effects of First Embodiment>
The solid-state imaging device 1-1 according to the first embodiment described above uses
ここで比較として、図6にはポテンシャル調整領域の無い構成の固体撮像素子の断面図を示す。また図7には、図6に示した固体撮像素子の駆動を説明するための図を示す。ポテンシャル調整領域を設けていない固体撮像素子では、受光期間においては、図7A(1)および図7B(1)に示すように、n型の濃度が濃い[n+]である光電変換領域15rのポテンシャルは、濃度[n−]である半導体基板13のポテンシャルよりも深く維持される。これにより光電変換によって発生した信号電荷eは、光電変換領域15rに蓄積される。
For comparison, FIG. 6 shows a cross-sectional view of a solid-state imaging device having a configuration without a potential adjustment region. FIG. 7 is a diagram for explaining driving of the solid-state imaging device shown in FIG. In a solid-state imaging device not provided with a potential adjustment region, during the light receiving period, as shown in FIGS. 7A (1) and 7B (1), the potential of the
また読出期間においては読出ゲート21rに印加するゲート電圧をONとすることで、図7A(2)に示すように、光電変換領域15rにおけるゲート絶縁膜19側のポテンシャルが深くなる。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eは、ゲート絶縁膜19側に読み出される。しかしながら、図7B(2)に示すように、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域においては、光電変換領域15rと半導体基板13との間のポテンシャルの深さ関係は、受光期間と同様に維持された状態で、全体的に深くなる。このため、光電変換領域15rは、半導体基板13よりもポテンシャルが深いままであり、光電変換領域15rに信号電荷eが残留してしまうのである。
Further, by turning on the gate voltage applied to the
≪3.第2実施形態≫
<固体撮像素子の構成>
(ポテンシャル調整領域に重なるピニング領域を設けた例)
図8は、第2実施形態の固体撮像素子1-2の構成を示す図である。図8Aは固体撮像装置における1画素分の概略平面図であり、図8Bは図8AのA−A断面に相当する概略断面図である。これらの図に示す第2実施形態の固体撮像素子1-2が、第1実施形態と異なるところは、トレンチ17r,17gの内壁層にピニング領域31を設けたところにあり、他の構成は第1実施形態と同様である。
≪3. Second Embodiment >>
<Configuration of solid-state image sensor>
(Example of providing a pinning area overlapping the potential adjustment area)
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device 1-2 according to the second embodiment. FIG. 8A is a schematic plan view of one pixel in the solid-state imaging device, and FIG. 8B is a schematic cross-sectional view corresponding to the AA cross section of FIG. 8A. The solid-state imaging device 1-2 of the second embodiment shown in these drawings is different from the first embodiment in that a pinning
すなわちピニング領域31は、半導体基板13の内部において、トレンチ17r,17gの内壁に沿って設けられた不純物領域であり、界面準位を抑制するための層として設けられていている。このようなピニング領域31は、半導体基板13と逆導電型のp型の不純物領域として構成されている。これらのピニング領域31におけるp型の濃度は濃い[p+]である。
That is, the pinning
以上のような各ピニング領域31は、ポテンシャル調整領域25r,25gと同一の高さにおいては、一部がポテンシャル調整領域25r,25gと重なる重複領域31’となっている。このような重複領域31’は、n型の濃度が[n−−]であるポテンシャル調整領域25r,25gを構成する不純物と、p型の濃度が[p+]であるピニング領域31を構成する不純物とを含んでいる。したがって、重複領域31’におけるp型の濃度はやや薄い[p−]であり、ピニング領域31のp型の濃度よりも薄くなる。
Each pinning
ここで、ポテンシャル調整領域25r,25gは、図示したようにゲート絶縁膜19側の一部のみがピニング領域31と重なって配置されていても良く、全てがピニング領域31と重なって配置されていても良い。
Here, the
<固体撮像素子の駆動>
図9は、上記構成の固体撮像素子1-2の駆動を説明するための図であり、一例として、赤色の光電変換領域15rでの受光期間と読み出し期間のポテンシャルを示している。図9A(1)および図9A(2)は、光電変換領域15rの深さ位置におけるポテンシャルである。一方、図9B(1)および図9B(2)は、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域のポテンシャルである。また、図9A(1),図9B(1)は受光期間(ゲート電圧OFF)、図9A(2),図9B(2)は読出期間(ゲート電圧ON)に対応している。以下、これらの図と共に、先の図8を参照して第2実施形態の固体撮像素子1-2の駆動を説明する。
<Driving of solid-state image sensor>
FIG. 9 is a diagram for explaining the driving of the solid-state imaging device 1-2 having the above-described configuration. As an example, the potential of the light receiving period and the reading period in the red
先ず受光期間においては、読出ゲート21rに印加するゲート電圧をOFFとする。このため図9A(1)に示すように、光電変換領域15rの深さ位置におけるポテンシャルは、n型の濃度が濃い[n+]である光電変換領域15r、濃度[n−−]であるポテンシャル調整領域25r、p型の濃度がやや薄い[p-]である重複領域31’の順に浅くなる。これにより、光電変換によって発生した信号電荷eは、光電変換領域15rに蓄積される。
First, in the light receiving period, the gate voltage applied to the
一方、図9B(1)に示すように、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域のポテンシャルは、p型の濃度がやや薄い[p-]である重複領域31’、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31の順に浅くなる。この段差は、p型の濃度差に追従する。ここで、重複領域31’は、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31と、n型の濃度が極めて薄い濃度[n−−]であるポテンシャル調整領域25rとを重ねた領域である。このため、重複領域31’のp型濃度は、ピニング領域31のp型濃度との差が小さく、段差はそれほど大きくない。
On the other hand, as shown in FIG. 9B (1), the potential of the channel formation region along the
次に、読出期間においては、読出ゲート21rに印加するプラスのゲート電圧をONとする。この際、読出ゲート21r側に配置されたポテンシャル調整領域25rおよび重複領域31’は、光電変換領域15rよりもゲート電圧による電界の影響を強く受けることになる。
Next, in the read period, the positive gate voltage applied to the
そこで、図9A(2)に示すように、ポテンシャル調整領域25rおよび重複領域31’のポテンシャルが、光電変換領域15rよりも深くなるようにゲート電圧を設定する。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eをポテンシャル調整領域25rおよび重複領域31’に読み出す。
Therefore, as shown in FIG. 9A (2), the gate voltage is set so that the potential of the
一方、図9B(2)に示すように、ゲート絶縁膜19に沿って配置された重複領域31’およびピニング領域31は、読出ゲート21rに印加するゲート電圧の影響を同様の強さで受ける。このため、重複領域31’とピニング領域31との間のポテンシャルの深さ関係は、受光期間と同様に維持された状態で、全体的に深くなる。したがって、重複領域31’に読み出した信号電荷eは、p型の濃度がやや薄い[p-]である重複領域31’から、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31の小さな段差を乗り越えて、ピニング領域31に読み出される。この際、読出ゲート21rに近接して配置されたフローティングディフュージョン23には、半導体基板13よりもポテンシャルが深くなるようにドレイン電圧を印加する。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eをフローティングディフュージョン23に読み出す。
On the other hand, as shown in FIG. 9B (2), the overlapping region 31 'and the pinning
以上のような駆動については、緑色の光電変換領域15gの駆動にも同様に適用される。また、青色の光電変換領域15bの駆動は、通常の表面チャネル型の読出ゲートを用いた場合と同様に行えば良い。
The above driving is similarly applied to driving of the green
<固体撮像素子の製造方法>
図10、図11は、上記構成の固体撮像素子1-2の製造手順を説明するための断面工程図である。以下、これらの図面に基づいて第2実施形態の固体撮像素子1-2の製造手順を説明する。
<Method for Manufacturing Solid-State Imaging Device>
10 and 11 are cross-sectional process diagrams for explaining the manufacturing procedure of the solid-state imaging device 1-2 having the above-described configuration. Hereinafter, a manufacturing procedure of the solid-state imaging device 1-2 of the second embodiment will be described based on these drawings.
[図10A]
先ず図10Aに示すように、半導体基板13に、各光電変換領域15r,15g,15b、p型領域16、および各ポテンシャル調整領域25r,25gを形成し、さらにトレンチ17r,17gを形成するまでを、第1実施形態と同様に行う。
[FIG. 10A]
First, as shown in FIG. 10A, the
[図10B]
次に図10Bに示すように、トレンチ17r,17gの内壁から、n型の濃度がやや薄い[n−]の半導体基板13にp型の不純物を導入することにより、トレンチ17r,17gの内壁にp型の濃度がやや濃い[p+]のピニング領域31を形成する。またこれにより、トレンチ17r,17gの内壁に露出している各ポテンシャル調整領域25r,25gにもp型の不純物が導入され、この部分にp型の濃度がやや薄い[p−]の重複領域31’を形成する。
[FIG. 10B]
Next, as shown in FIG. 10B, by introducing p-type impurities from the inner walls of the
以上のようなp型の不純物の導入は、マスクによってエリアを制限すると共に、注入エネルギーによって深さをそれぞれ調整した各不純物の斜めイオン注入と、その後の活性化熱処理とによって行う。この際、イオン注入エネルギーを調整することにより、各ポテンシャル調整領域25r,25gに対するピニング領域31の重なりを調整し、ポテンシャル調整領域25r,25gの一部または全部にピニング領域31が重なるようにする。ピニング領域31は、ポテンシャル調整領域25r,25gを越えた範囲にまで形成されることのないように、イオン注入エネルギーが調整される。以上の後には、第1実施形態において図5A〜図5Cを用いて説明した手順と同様の手順を行う。
The introduction of the p-type impurity as described above is performed by oblique ion implantation of each impurity whose depth is adjusted by implantation energy and subsequent activation heat treatment while limiting the area by a mask. At this time, by adjusting the ion implantation energy, the overlap of the pinning
[図10C]
すなわち先ず10Cに示すように、トレンチ17r,17gの内壁および半導体基板13上を覆う状態で、ゲート絶縁膜19を成膜する。次にトレンチ17r,17gを埋め込む状態で、ゲート絶縁膜19上に導電性材料膜21を成膜する。
[FIG. 10C]
That is, first, as shown in 10C, the
[図11A]
次いで図11Aに示すように、導電性材料膜21をパターンエッチングすることにより、トレンチ17r内に読出ゲート21rを形成し、トレンチ17g内に読出ゲート21gを形成し、さらに受光面A上にここでの図示を省略した読出ゲート(21b)を形成する。
[FIG. 11A]
Next, as shown in FIG. 11A, the
[図11B]
その後図11Bに示すように、読出ゲート21r,21g,(21b)の側壁に絶縁性のサイドウォール22を形成し、次いで半導体基板13の受光面A側の表面層にn型の濃度が濃い[n+]のフローティングディフュージョン23を形成する。
[FIG. 11B]
Thereafter, as shown in FIG. 11B, insulating
以上により先に図8を用いて説明した構成の固体撮像素子1-2が得られる。 Thus, the solid-state imaging device 1-2 having the configuration described above with reference to FIG. 8 is obtained.
<第2実施形態の効果>
以上説明した第2実施形態の固体撮像素子1-2は、第1実施形態の構成に対して、さらに読出ゲート21r,21gが内設されたトレンチ17r,17gの内壁にp型のピニング領域31を設けた構成である。これにより、次に説明するように、光電変換領域15r,15gよりもn型の濃度が極めて薄い[n−−]のポテンシャル調整領域25r,25gを設けない場合と比較して、ゲート絶縁膜19に沿ったチャネル形成領域のポテンシャル段差を低くすることができる。
<Effects of Second Embodiment>
The solid-state imaging device 1-2 according to the second embodiment described above has a p-
したがって、光電変換領域15r,15gからポテンシャル調整領域25r,25gを経由してさらに重複領域31’に読み出した信号電荷(電子)を、さらに重複領域31’からピニング領域31に向かって容易に読み出すことが可能になる。この結果、半導体基板13の深い位置に光電変換領域15r,15gを設けた固体撮像素子1-2において、光電変換領域15r,15gの信号電荷を全て読み出すことが可能で、これにより撮像特性の向上を図ることが可能になる。
Therefore, the signal charges (electrons) read from the
ここで比較として図12には、ポテンシャル調整領域の無い構成の固体撮像素子の断面図を示す。また図13には、図12に示した固体撮像素子の駆動を説明するための図を示す。ポテンシャル調整領域を設けていない固体撮像素子では、n型の濃度が濃い[n+]である光電変換領域15r,15gと、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31とが重なる重複領域31”は、p型の濃度が極めて薄い[p−−]となる。
For comparison, FIG. 12 shows a cross-sectional view of a solid-state imaging device having a configuration without a potential adjustment region. FIG. 13 is a diagram for explaining driving of the solid-state imaging device shown in FIG. In a solid-state imaging device not provided with a potential adjustment region, overlapping regions where
このような固体撮像素子の受光期間においては、図13A(1)に示すように、n型の濃度が濃い[n+]である光電変換領域15rのポテンシャルは、p型の濃度が極めて薄い[p--]である重複領域31”のポテンシャルよりも深く維持される。これにより光電変換によって発生した信号電荷eは、光電変換領域15rに蓄積される。
In the light receiving period of such a solid-state imaging device, as shown in FIG. 13A (1), the potential of the
一方、図13B(1)に示すように、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31のポテンシャルは、p型の濃度が極めて薄い[p--]である重複領域31”のポテンシャルよりも浅い。ここで、重複領域31”は、p型の濃度が濃い[p+]であるピニング領域31と、n型の濃度が高い[n+]である光電変換領域15rとを重ねた領域である。このため、重複領域31”のp型濃度は、ピニング領域31のp型濃度との差が大きく、ポテンシャルの段差は図8および図9を用いて説明した第2実施形態の固体撮像素子よりも大きい。
On the other hand, as shown in FIG. 13B (1), the potential of the pinning
次に読出期間においては、読出ゲート21rに印加するゲート電圧をONとすることで、図13A(2)に示すように、[n+]である光電変換領域15rよりも[p--]である重複領域31”のポテンシャルが深くなるようにする。これにより、光電変換領域15rの信号電荷eは、ゲート絶縁膜19側に読み出される。しかしながら、図13B(2)に示すように、ゲート絶縁膜19に接する部分においては、重複領域31”とピニング領域31との間のポテンシャルの深さ関係は、受光期間と同様に維持された状態で、全体的に深くなる。このため、[p+]であるピニング領域31のポテンシャルは、[p--]である重複領域31”のポテンシャルよりも浅く、大きな段差が残される。したがって、重複領域31”に信号電荷eが残留してしまうのである。
Next, in the reading period, by turning on the gate voltage applied to the
≪4.変形例≫
図14には、本技術の固体撮像素子の変形例1〜3の断面図を示す。以下、これらの図に基づいて、固体撮像素子の各変形例を説明する。尚、図14A〜14Cにおいては、第1実施形態の固体撮像素子1-1に対して各変形例を適用した構成を図示しているが、各変形例は第2実施形態の固体撮像素子1-2に対しても同様に適用することが可能である。
<< 4. Variations >>
In FIG. 14, sectional drawing of the modifications 1-3 of the solid-state image sensor of this technique is shown. Hereinafter, each modification of a solid-state image sensor will be described based on these drawings. 14A to 14C illustrate a configuration in which each modification is applied to the solid-state imaging device 1-1 of the first embodiment, each modification is illustrated in the solid-
[変形例1]
図14Aには固体撮像素子の変形例1として、緑色用の光電変換領域15gからの信号電荷を読み出すための読出ゲート21g’も、貫通させたトレンチ17g’内に設けた固体撮像素子1aの構成を示す。半導体基板13には、光電変換領域15r,15g,15bを挟んだ位置に、貫通形状のトレンチ17r,17g’が設けられている。この構成によれば、光電変換領域15r,15g,15bに対する貫通形状のトレンチ17r,17g’の深さが安定するため、ばらつきのない撮像特性を得ることが可能になる。
[Modification 1]
14A shows a configuration of a solid-state imaging device 1a in which a
[変形例2]
図14Bには固体撮像素子の変形例2として、赤色用の光電変換領域15rからの信号電荷を読み出すための読出ゲート21rも、半導体基板13を貫通しないトレンチ17r’とした固体撮像素子1bの構成を示す。この場合、トレンチ17r’は、赤色の光電変換領域15rよりも深く形成されれば良い。
[Modification 2]
In FIG. 14B, as a second modification of the solid-state imaging device, a configuration of the solid-
[変形例3]
図14Cには固体撮像素子の変形例3として、フローティングディフュージョン23から最も遠く半導体基板13の最も深い位置配置された赤色用の光電変換領域15rのみに、ポテンシャル調整領域25rを設けた固体撮像素子1cの構成を示す。この場合、緑色の光電変換領域15gは、トレンチ17gの内壁を覆うゲート絶縁膜19に接して設けられたものとする。このような構成であっても、フローティングディフュージョン23から最も遠く半導体基板13の最も深い位置に配置されたことにより、最も信号電荷を読み出し難い赤色用の光電変換領域15rから、全ての信号電荷を読み出すことが可能になる。尚、この構成の場合、緑色の光電変換領域15gからは、読出ゲート21gに印加するゲート電圧を調整することにより、全ての信号を読み出すようにする。
[Modification 3]
In FIG. 14C, as a third modification of the solid-state imaging device, a solid-
尚、この変形例3は、変形例1または変形例2と組み合わせることもできる。 Note that the third modification can be combined with the first or second modification.
以上説明した実施形態および変形例では、半導体基板13の受光面A側に読出ゲート21r,21g,21bやフローティングディフュージョン23を設けた構成の固体撮像素子に本技術を適用した構成を説明した。しかしながら本技術は、半導体基板13において受光面Aとは逆の表面側に読出ゲート21r,21g,21bやフローティングディフュージョン23を設けた、いわゆる裏面照射型の固体撮像素子にも同様に適用できる。この場合、フローティングディフュージョン23と離れた深さ位置に配置された光電変換領域に接するように、ポテンシャル調整領域を設ければ良い。
In the embodiment and the modification described above, the configuration in which the present technology is applied to the solid-state imaging device having the configuration in which the
また以上説明した実施形態および変形例では、半導体基板13、光電変換領域15r,15g,15b、およびフローティングディフュージョン23の導電型がn型である構成の固体撮像素子に本技術を適用した構成を説明した。しかしながら本技術は、これとは逆の導電型の固体撮像素子にも同様に適用可能である。この場合、実施形態および変形例で説明した「n型」を「p型」に、「p型」を「n型」に読み替え、さらにポテンシャルの深さについての「浅い」を「深い」に、「深い」を「浅い」に読み替えれば良い。
In the embodiment and the modification described above, the configuration in which the present technology is applied to the solid-state imaging device having the n-type conductivity type of the
≪5.第3実施形態≫
(固体撮像素子を用いた電子機器の例)
上述の実施形態で説明した本技術に係る固体撮像素子は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステム、さらには撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器などの電子機器用の固体撮像装置に設けることができる。
≪5. Third Embodiment >>
(Example of electronic equipment using solid-state image sensor)
The solid-state imaging device according to the present technology described in the above-described embodiments is used for electronic devices such as a camera system such as a digital camera or a video camera, a mobile phone having an imaging function, or another device having an imaging function. The solid-state imaging device can be provided.
図15は、本技術に係る電子機器の一例として、固体撮像素子を用いたカメラの構成図を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。このカメラ91は、固体撮像装置1と、固体撮像装置1の受光センサ部に入射光を導く光学系93と、シャッタ装置94と、固体撮像装置1を駆動する駆動回路95と、固体撮像装置1の出力信号を処理する信号処理回路96とを有する。
FIG. 15 is a configuration diagram of a camera using a solid-state image sensor as an example of an electronic apparatus according to the present technology. The camera according to the present embodiment is an example of a video camera capable of capturing still images or moving images. The
固体撮像装置1は、上述した実施形態および変形例で説明した構成の固体撮像素子を用いて構成された画素を有するものである。光学系(光学レンズ)93は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の撮像面上に結像させる。この撮像面には、複数の画素が配列され、この画素を構成する固体撮像素子の光電変換領域に対して、光学系93からの入射光が導かれる。これにより、固体撮像装置1の光電変換領域内に、一定期間信号電荷が蓄積される。このような光学系93は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としても良い。シャッタ装置94は、固体撮像装置1への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路95は、固体撮像装置1及びシャッタ装置94に駆動信号を供給し、供給した駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置1の信号処理回路96への信号出力動作の制御、およびシャッタ装置94のシャッタ動作を制御する。すなわち、駆動回路95は、駆動信号(タイミング信号)の供給により、固体撮像装置1から信号処理回路96への信号転送動作を行う。信号処理回路96は、固体撮像装置1から転送された信号に対して、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。
The solid-
以上説明した本実施形態に係る電子機器によれば、上述した実施形態や変形例で示した撮像特性の良好な固体撮像素子を備えたことにより、撮像機能を有する電子機器における高精彩な撮像を達成することが可能になる。 According to the electronic device according to the present embodiment described above, by providing the solid-state imaging device with good imaging characteristics shown in the above-described embodiments and modifications, high-definition imaging in an electronic device having an imaging function can be performed. Can be achieved.
尚、本技術は以下のような構成も取ることができる。 In addition, this technique can also take the following structures.
(1)
半導体基板に形成したトレンチ内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれた読出ゲートと、
前記半導体基板の内部に設けられた光電変換領域と、
前記光電変換領域との間に間隔を保って前記半導体基板の表面層に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板および前記光電変換領域と同一の導電型で、かつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低い不純物領域であって、当該光電変換領域と前記ゲート絶縁膜とに接して配置されたポテンシャル調整領域とを備えた
固体撮像素子。
(1)
A readout gate embedded through a gate insulating film in a trench formed in a semiconductor substrate;
A photoelectric conversion region provided inside the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided in a surface layer of the semiconductor substrate with a gap between the photoelectric conversion region and
An impurity region having the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region and having a concentration of the conductivity type lower than that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, the photoelectric conversion region and the gate insulating film being A solid-state imaging device having a potential adjustment region disposed in contact therewith.
(2)
前記ポテンシャル調整領域は、前記光電変換領域と同じ深さ位置に設けられている
(1)記載の固体撮像素子。
(2)
The potential adjustment region is provided at the same depth position as the photoelectric conversion region. (1).
(3)
前記半導体基板の内部には、複数の前記光電変換領域が深さ方向に積層して配置され、
前記ポテンシャル調整領域は、複数の前記光電変換領域のうち前記フローティングディフュージョンから最も遠く位置する光電変換領域に接して設けられている
(1)または(2)記載の固体撮像素子。
(3)
A plurality of the photoelectric conversion regions are stacked in the depth direction inside the semiconductor substrate,
The potential adjustment region is provided in contact with a photoelectric conversion region farthest from the floating diffusion among the plurality of photoelectric conversion regions. (1) or (2).
(4)
複数の前記光電変換領域のうち前記ポテンシャル調整領域が接して設けられた光電変換領域は、赤色光に対する光電変換領域である
(3)記載の固体撮像素子。
(4)
The solid-state imaging device according to (3), wherein among the plurality of photoelectric conversion regions, the photoelectric conversion region provided in contact with the potential adjustment region is a photoelectric conversion region for red light.
(5)
前記読出ゲートは、前記半導体基板に貫通して設けられたトレンチ内に配置されている
(1)〜(4)の何れかに記載の固体撮像素子。
(5)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (4), wherein the readout gate is disposed in a trench provided through the semiconductor substrate.
(6)
前記半導体基板において前記光電変換領域に対する受光面側に、前記フローティングディフュージョンが配置されている
(1)〜(5)の何れかに記載の固体撮像素子。
(6)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (5), wherein the floating diffusion is disposed on a light receiving surface side with respect to the photoelectric conversion region in the semiconductor substrate.
(7)
前記半導体基板は、前記光電変換領域および前記フローティングディフュージョンと同一の導電型で構成されている
(1)〜(6)の何れかに記載の固体撮像素子。
(7)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (6), wherein the semiconductor substrate is configured with the same conductivity type as the photoelectric conversion region and the floating diffusion.
(8)
前記半導体基板の内部には、前記トレンチの側壁に沿って前記光電変換領域とは逆導電型のピニング領域が設けられ、
前記ポテンシャル調整領域と前記ピニング領域とが重なる重複領域は、当該ポテンシャル調整領域を構成する不純物と当該ピニング領域を構成する不純物とを合わせて含む
(1)〜(7)の何れかに記載の固体撮像素子。
(8)
Inside the semiconductor substrate, a pinning region having a conductivity type opposite to the photoelectric conversion region is provided along the side wall of the trench,
The overlapping region in which the potential adjustment region and the pinning region overlap each other includes an impurity that constitutes the potential adjustment region and an impurity that constitutes the pinning region together (1) to (7) Image sensor.
(9)
前記ポテンシャル調整領域の一部が、前記ピニング領域と重なって配置された
(8)記載の固体撮像素子。
(9)
The solid-state imaging device according to (8), wherein a part of the potential adjustment region is disposed so as to overlap the pinning region.
(10)
半導体基板に不純物を導入することにより、当該半導体基板の内部に光電変換領域を形成すると共に、当該半導体基板および当該光電変換領域と同一の導電型でかつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低いポテンシャル調整領域を当該光電変換領域に接して形成することと、
前記ポテンシャル調整領域に接するトレンチを前記半導体基板に形成することと、
前記トレンチ内にゲート絶縁膜を介して読出ゲートを形成することと、
前記半導体基板の表面層に不純物を導入することにより、当該半導体基板の表面層に前記読出ゲートに近接してフローティングディフュージョンを形成することとを含む
固体撮像素子の製造方法。
(10)
By introducing impurities into the semiconductor substrate, a photoelectric conversion region is formed inside the semiconductor substrate, and the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, and more than the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region. Forming a potential adjustment region having a low conductivity type concentration in contact with the photoelectric conversion region;
Forming a trench in the semiconductor substrate in contact with the potential adjustment region;
Forming a read gate in the trench through a gate insulating film;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising introducing an impurity into the surface layer of the semiconductor substrate to form a floating diffusion in the surface layer of the semiconductor substrate in the vicinity of the readout gate.
(11)
前記トレンチは前記半導体基板を貫通して形成される
(10)記載の固体撮像素子の製造方法。
(11)
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to (10), wherein the trench is formed through the semiconductor substrate.
(12)
前記トレンチを形成した後、前記ゲート絶縁膜および前記読出ゲートを形成する前に、当該トレンチの内壁から前記半導体基板に不純物を導入することにより、当該トレンチの内壁に沿って前記光電変換領域とは逆導電型のピニング領域を形成する
(10)または(11)記載の固体撮像素子の製造方法。
(12)
After forming the trench and before forming the gate insulating film and the readout gate, impurities are introduced into the semiconductor substrate from the inner wall of the trench, thereby the photoelectric conversion region along the inner wall of the trench. A method of manufacturing a solid-state imaging device according to (10) or (11), wherein a pinning region of reverse conductivity type is formed.
(13)
前記ピニング領域の形成においては、前記ポテンシャル調整領域の一部に当該ピニング領域を重ねる
(12)記載の固体撮像素子の製造方法。
(13)
In forming the pinning region, the pinning region is overlapped with a part of the potential adjustment region.
(14)
半導体基板に形成したトレンチ内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれた読出ゲートと、
前記半導体基板の内部に設けられた光電変換領域と、
前記光電変換領域との間に間隔を保って前記半導体基板の表面層に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板および前記光電変換領域と同一の導電型で、かつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低い不純物領域であって、当該光電変換領域と前記ゲート絶縁膜とに接して配置されたポテンシャル調整領域と、
前記光電変換領域に入射光を導く光学系とを備えた
電子機器。
(14)
A readout gate embedded through a gate insulating film in a trench formed in a semiconductor substrate;
A photoelectric conversion region provided inside the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided in a surface layer of the semiconductor substrate with a gap between the photoelectric conversion region and
An impurity region having the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region and having a concentration of the conductivity type lower than that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, the photoelectric conversion region and the gate insulating film being A potential adjustment region disposed in contact with each other;
An electronic apparatus comprising: an optical system that guides incident light to the photoelectric conversion region.
1-1,1-2,1a,1b,1c…固体撮像素子、13…半導体基板、15r,15g,15b…光電変換領域、17r…トレンチ(貫通)、17r’…トレンチ、17g…トレンチ、17g’…トレンチ(貫通)、19…ゲート絶縁膜、21r,21g…読出ゲート(埋込電極)、21b…読出ゲート、23…フローティングディフュージョン、25r,25g…ポテンシャル調整領域、31…ピニング領域、31’…重複領域、91…電子機器、93…光学系、A…受光面
1-1, 1-2, 1a, 1b, 1c ... Solid-state imaging device, 13 ... Semiconductor substrate, 15r, 15g, 15b ... Photoelectric conversion region, 17r ... Trench (through), 17r '... Trench, 17g ... Trench, 17g '... trench (through), 19 ... gate insulating film, 21r, 21g ... read gate (embedded electrode), 21b ... read gate, 23 ... floating diffusion, 25r, 25g ... potential adjustment region, 31 ... pinning region, 31' ... Overlapping area, 91 ... Electronic equipment, 93 ... Optical system, A ... Light receiving surface
Claims (14)
前記半導体基板の内部に設けられた光電変換領域と、
前記光電変換領域との間に間隔を保って前記半導体基板の表面層に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板および前記光電変換領域と同一の導電型で、かつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低い不純物領域であって、当該光電変換領域と前記ゲート絶縁膜とに接して配置されたポテンシャル調整領域とを備えた
固体撮像素子。 A readout gate embedded through a gate insulating film in a trench formed in a semiconductor substrate;
A photoelectric conversion region provided inside the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided in a surface layer of the semiconductor substrate with a gap between the photoelectric conversion region and
An impurity region having the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region and having a concentration of the conductivity type lower than that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, the photoelectric conversion region and the gate insulating film being A solid-state imaging device having a potential adjustment region disposed in contact therewith.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the potential adjustment region is provided at the same depth as the photoelectric conversion region.
前記ポテンシャル調整領域は、複数の前記光電変換領域のうち前記フローティングディフュージョンから最も遠く位置する光電変換領域に接して設けられている
請求項1記載の固体撮像素子。 A plurality of the photoelectric conversion regions are stacked in the depth direction inside the semiconductor substrate,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the potential adjustment region is provided in contact with a photoelectric conversion region located farthest from the floating diffusion among the plurality of photoelectric conversion regions.
請求項3記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3, wherein among the plurality of photoelectric conversion regions, the photoelectric conversion region provided in contact with the potential adjustment region is a photoelectric conversion region for red light.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the readout gate is disposed in a trench provided penetrating through the semiconductor substrate.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the floating diffusion is disposed on a light receiving surface side of the semiconductor substrate with respect to the photoelectric conversion region.
請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is configured with the same conductivity type as the photoelectric conversion region and the floating diffusion.
前記ポテンシャル調整領域と前記ピニング領域とが重なる重複領域は、当該ポテンシャル調整領域を構成する不純物と当該ピニング領域を構成する不純物とを合わせて含む
請求項1記載の固体撮像素子。 Inside the semiconductor substrate, a pinning region having a conductivity type opposite to the photoelectric conversion region is provided along the side wall of the trench,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the overlapping region where the potential adjustment region and the pinning region overlap includes an impurity constituting the potential adjustment region and an impurity constituting the pinning region.
請求項8記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 8, wherein a part of the potential adjustment region is disposed so as to overlap the pinning region.
前記ポテンシャル調整領域に接するトレンチを前記半導体基板に形成することと、
前記トレンチ内にゲート絶縁膜を介して読出ゲートを形成することと、
前記半導体基板の表面層に不純物を導入することにより、当該半導体基板の表面層に前記読出ゲートに近接してフローティングディフュージョンを形成することとを含む
固体撮像素子の製造方法。 By introducing impurities into the semiconductor substrate, a photoelectric conversion region is formed inside the semiconductor substrate, and the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, and more than the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region. Forming a potential adjustment region having a low conductivity type concentration in contact with the photoelectric conversion region;
Forming a trench in the semiconductor substrate in contact with the potential adjustment region;
Forming a read gate in the trench through a gate insulating film;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising introducing an impurity into the surface layer of the semiconductor substrate to form a floating diffusion in the surface layer of the semiconductor substrate in the vicinity of the readout gate.
請求項10記載の固体撮像素子の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 10, wherein the trench is formed through the semiconductor substrate.
請求項10記載の固体撮像素子の製造方法。 After forming the trench and before forming the gate insulating film and the readout gate, impurities are introduced into the semiconductor substrate from the inner wall of the trench, thereby the photoelectric conversion region along the inner wall of the trench. The method for manufacturing a solid-state imaging element according to claim 10, wherein a pinning region of reverse conductivity type is formed.
請求項12記載の固体撮像素子の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 12, wherein in the formation of the pinning region, the pinning region is overlapped with a part of the potential adjustment region.
前記半導体基板の内部に設けられた光電変換領域と、
前記光電変換領域との間に間隔を保って前記半導体基板の表面層に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板および前記光電変換領域と同一の導電型で、かつ当該半導体基板および当該光電変換領域よりも当該導電型の濃度が低い不純物領域であって、当該光電変換領域と前記ゲート絶縁膜とに接して配置されたポテンシャル調整領域と、
前記光電変換領域に入射光を導く光学系とを備えた
電子機器。 A readout gate embedded through a gate insulating film in a trench formed in a semiconductor substrate;
A photoelectric conversion region provided inside the semiconductor substrate;
A floating diffusion provided in a surface layer of the semiconductor substrate with a gap between the photoelectric conversion region and
An impurity region having the same conductivity type as the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region and having a concentration of the conductivity type lower than that of the semiconductor substrate and the photoelectric conversion region, the photoelectric conversion region and the gate insulating film being A potential adjustment region disposed in contact with each other;
An electronic apparatus comprising: an optical system that guides incident light to the photoelectric conversion region.
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