JP2013084834A - Solid-state imaging element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a solid-state imaging element that suppresses noise in a generated image and is easy to manufacture; and a method of manufacturing the solid-state imaging element.SOLUTION: A transfer transistor 3 includes: a p-type substrate 10; an n-type light receiving part 21 that is formed in the substrate 10, and stores electrons generated by photo-electric conversion; an n-type floating diffusion region 4 having a higher concentration of n-type impurities than the light receiving part 21 formed in the substrate 10; an insulating layer 31 disposed on the substrate 10; and an n-type gate electrode 32 disposed on the insulating layer 31 and at least between the light receiving part 21 and the floating diffusion region 4. The gate electrode 32 has a higher concentration of n-type impurities as going toward the floating diffusion region 4, and has a lower concentration of the n-type impurities as going toward the light receiving part 21.

Description

本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサに代表される固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state image sensor represented by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor.

近年、CMOSイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置だけでなく、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。また、このような固体撮像素子には、生成する画像中のノイズを低減して画質を向上することが、求められている。   In recent years, solid-state imaging devices such as CMOS image sensors have been installed not only in imaging devices such as digital video cameras and digital still cameras, but also in various electronic devices equipped with imaging functions such as mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants). ing. Further, such a solid-state imaging device is required to improve image quality by reducing noise in a generated image.

当該ノイズの原因の1つとして、例えば暗電流がある。暗電流は、基板及び絶縁層の界面における界面準位などに捕獲された電荷(例えば、電子)が放出されることで生じ、画像中に白点が生じる原因となる。暗電流は、界面準位から放出される電荷を打ち消すことで解消することができるが、打ち消すための電荷(例えば、正孔)を発生させるためには所定の電位(例えば、負電位)が別途必要になるため、固体撮像素子の構成が複雑化したり、消費電力が大きくなったりするなどの問題が生じる。   One cause of the noise is, for example, dark current. The dark current is generated by the discharge of charges (for example, electrons) trapped at the interface state at the interface between the substrate and the insulating layer, and causes a white spot in the image. The dark current can be eliminated by canceling the charge released from the interface state, but a predetermined potential (for example, a negative potential) is separately required to generate a charge (for example, a hole) for canceling. This necessitates problems such as a complicated configuration of the solid-state imaging device and increased power consumption.

そこで、例えば特許文献1では、暗電流を成す電子を打ち消すための正孔を、ゲート電極に負電位を印加することなく発生させるCMOSイメージセンサが、提案されている。このCMOSイメージセンサについて、図面を参照して説明する。図9及び図10は、従来のCMOSイメージセンサに備えられる転送トランジスタを示す模式的な断面図である。なお、図9は、転送トランジスタの非導通状態を示すものであり、図10は、転送トランジスタの導通状態を示すものである。また、図10には、導通状態における転送トランジスタのポテンシャルを示すグラフを併せて表示している。   Therefore, for example, Patent Document 1 proposes a CMOS image sensor that generates holes for canceling electrons forming a dark current without applying a negative potential to the gate electrode. This CMOS image sensor will be described with reference to the drawings. 9 and 10 are schematic cross-sectional views showing transfer transistors provided in a conventional CMOS image sensor. FIG. 9 shows the non-conducting state of the transfer transistor, and FIG. 10 shows the conducting state of the transfer transistor. FIG. 10 also shows a graph showing the potential of the transfer transistor in the conductive state.

図9及び図10に示すように、従来のCMOSイメージセンサの転送トランジスタ100は、p型(p−well)半導体から成る基板101と、基板101内の領域であり光電変換によって生成した電子を一時的に蓄積するn型(n)半導体から成る受光部102と、基板101内の領域であり受光部102上に形成されて基板101よりもp型不純物の濃度が高いp型(p)半導体から成るピニング領域103と、基板101内の領域であり受光部102よりもn型不純物の濃度が高いn型(n)半導体から成る浮遊拡散領域104と、基板101の上面に形成される絶縁層105と、絶縁層105上かつ受光部102と浮遊拡散領域104との間に形成されるゲート電極106と、ゲート電極106上に形成されるシリサイド層107と、ゲート電極106の受光部102側に形成されるサイドウォール108と、ゲート電極106の浮遊拡散領域104側に形成されるサイドウォール109と、基板101内の領域でありサイドウォール109の直下に形成されて浮遊拡散領域104よりもn型不純物の濃度が低いn型(n)半導体から成る低濃度領域110と、を備える。 As shown in FIGS. 9 and 10, the transfer transistor 100 of the conventional CMOS image sensor temporarily includes a substrate 101 made of a p-type (p-well) semiconductor, and a region in the substrate 101 that temporarily generates electrons generated by photoelectric conversion. Light receiving portion 102 made of an n-type (n) semiconductor, and a p-type (p + ) semiconductor formed on the light receiving portion 102 and having a higher p-type impurity concentration than the substrate 101. A pinning region 103 made of, a floating diffusion region 104 made of an n-type (n + ) semiconductor that is a region in the substrate 101 and has a higher n-type impurity concentration than the light receiving portion 102, and insulation formed on the upper surface of the substrate 101 Layer 105, gate electrode 106 formed on insulating layer 105 and between light receiving portion 102 and floating diffusion region 104, and silicide layer formed on gate electrode 106 107, a side wall 108 formed on the light receiving portion 102 side of the gate electrode 106, a side wall 109 formed on the floating diffusion region 104 side of the gate electrode 106, and a region in the substrate 101 that is directly below the side wall 109. And a low-concentration region 110 made of an n-type (n ) semiconductor having a lower n-type impurity concentration than the floating diffusion region 104.

転送トランジスタ100のゲート電極106は、ポリシリコンから成り、受光部102側の領域106aがp型(p)半導体から成り、浮遊拡散領域104側の領域106bがn型(n)半導体から成っている。 The gate electrode 106 of the transfer transistor 100 is made of polysilicon, the region 106a on the light receiving unit 102 side is made of a p-type (p + ) semiconductor, and the region 106b on the floating diffusion region 104 side is made of an n-type (n + ) semiconductor. ing.

図9に示すように、この転送トランジスタ100を非導通状態にするべく、シリサイド層107に0Vの電位を印加すると、ゲート電極106における領域106a下となる基板101の表面に、暗電流を成す電子を打ち消す正孔hが集められる。そのため、転送トランジスタ100は、非導通状態でシリサイド層107に負電位を印加することなく、暗電流を低減することができる。   As shown in FIG. 9, when a potential of 0 V is applied to the silicide layer 107 in order to make the transfer transistor 100 nonconductive, electrons that form a dark current are formed on the surface of the substrate 101 under the region 106a in the gate electrode 106. Holes h that cancel out are collected. Therefore, the transfer transistor 100 can reduce dark current without applying a negative potential to the silicide layer 107 in a non-conductive state.

また、図10に示すように、転送トランジスタ100を導通状態にするべく、シリサイド層107に正電位+Vを印加すると、ゲート電極106における領域106a及び領域106bの双方に正電位が供給され、受光部102から浮遊拡散領域104にかけて単調減少するポテンシャルが形成される。そのため、転送トランジスタ100は、導通状態において、受光部102から浮遊拡散領域104へ効率良く電子eを読み出すことができる。   Further, as shown in FIG. 10, when a positive potential + V is applied to the silicide layer 107 in order to make the transfer transistor 100 conductive, a positive potential is supplied to both the region 106a and the region 106b in the gate electrode 106, and the light receiving portion A potential monotonously decreasing from 102 to the floating diffusion region 104 is formed. Therefore, the transfer transistor 100 can efficiently read electrons e from the light receiving unit 102 to the floating diffusion region 104 in the conductive state.

特開2008−166607号公報JP 2008-166607 A

上述の転送トランジスタ100では、ゲート電極106が、導電型が異なる2つの領域106a,106bから成る。そのため、当該2つの領域106a,106bのそれぞれに対して電気的に接続する導電性の層(シリサイド層107)を、別途設ける必要がある。さらに、ゲート電極106の2つの領域106a,106bに対して、導電型が異なる2種類の不純物を別々に注入する必要がある。したがって、必然的に工程数が増加して、製造工程が煩雑化したり、必要な材料及び器具(例えば、フォトマスクなど)の種類が増加することで高コスト化したりするため、問題となる。   In the transfer transistor 100 described above, the gate electrode 106 includes two regions 106a and 106b having different conductivity types. Therefore, it is necessary to separately provide a conductive layer (silicide layer 107) that is electrically connected to each of the two regions 106a and 106b. Furthermore, it is necessary to separately implant two types of impurities having different conductivity types into the two regions 106 a and 106 b of the gate electrode 106. Therefore, the number of processes inevitably increases, and the manufacturing process becomes complicated, and the number of necessary materials and instruments (for example, photomasks) increases, resulting in high costs.

さらに、シリサイド層107は、導電型が異なる2つの領域106a,106bのそれぞれに対して電気的に接続する必要があるため、ゲート電極106上の全面を覆うように設けられる。このシリサイド層107の形成には金属元素が必要であるが、当該金属元素は、基板101内にまで拡散するなど固体撮像素子を汚染し得る。したがって、当該汚染によって、固体撮像素子が生成する画像中に白点などのノイズが発生するため、問題となる。   Further, since the silicide layer 107 needs to be electrically connected to each of the two regions 106a and 106b having different conductivity types, the silicide layer 107 is provided so as to cover the entire surface of the gate electrode 106. The formation of the silicide layer 107 requires a metal element. However, the metal element can contaminate the solid-state imaging device such as diffusing into the substrate 101. Accordingly, the contamination causes noise such as white spots in the image generated by the solid-state imaging device, which is a problem.

そこで、本発明は、生成する画像中のノイズを抑制するとともに容易に製造することが可能な固体撮像素子やその製造方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be easily manufactured while suppressing noise in an image to be generated, and a manufacturing method thereof.

上記目的を達成するため、本発明は、第1導電型の半導体から成る基板と、
前記基板中に形成され、光電変換によって生じた電荷を蓄積する、前記第1導電型とは異なる第2導電型の半導体から成る受光部と、
前記基板中に形成され、前記第2導電型の半導体から成り、前記受光部よりも前記第2導電型の不純物の濃度が高い浮遊拡散領域と、
前記基板上に設けられる絶縁層と、
前記絶縁層上かつ少なくとも前記受光部及び前記浮遊拡散領域の間に設けられる前記第2導電型のゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は、前記浮遊拡散領域側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が高く、前記受光部側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が低いことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
To achieve the above object, the present invention includes a substrate made of a first conductivity type semiconductor,
A light receiving portion made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, which is formed in the substrate and accumulates electric charges generated by photoelectric conversion;
A floating diffusion region formed in the substrate, made of the second conductivity type semiconductor, and having a higher concentration of the second conductivity type impurity than the light receiving portion;
An insulating layer provided on the substrate;
A gate electrode of the second conductivity type provided on the insulating layer and at least between the light receiving portion and the floating diffusion region,
The gate electrode has a higher concentration of the second conductivity type impurity toward the floating diffusion region and a lower concentration of the second conductivity type impurity toward the light receiving portion. .

この固体撮像素子では、ゲート電極下において、受光部側ほど大きく浮遊拡散領域側ほど小さいポテンシャルが形成される。そのため、ゲート電極下に発生する電荷が、当該ポテンシャルの傾斜に沿って浮遊拡散領域に流れ込み易くなる。したがって、受光部に電荷を蓄積する際(受光部及び浮遊拡散領域間を非導通にする際)に、ゲート電極下の暗電流を成す電荷を、効率良く浮遊拡散領域へ排除することが可能になる。なお、浮遊拡散領域に排除された電荷は、浮遊拡散領域のリセットによって、浮遊拡散領域から外部へ排除される。このように、この固体撮像素子では、図9に示す固体撮像素子とは異なる方法で、暗電流を低減する。   In this solid-state imaging device, a potential that is larger toward the light receiving portion side and smaller toward the floating diffusion region side is formed under the gate electrode. Therefore, the electric charge generated under the gate electrode easily flows into the floating diffusion region along the potential gradient. Therefore, when accumulating charges in the light receiving portion (when the light receiving portion and the floating diffusion region are made non-conductive), it is possible to efficiently remove the charge forming the dark current under the gate electrode to the floating diffusion region. Become. Note that the charge eliminated in the floating diffusion region is excluded from the floating diffusion region to the outside by resetting the floating diffusion region. Thus, in this solid-state imaging device, dark current is reduced by a method different from that of the solid-state imaging device shown in FIG.

さらに、この傾斜したポテンシャルは、ゲート電極に第2導電型の不純物を注入するだけで形成可能である。そのため、ゲート電極への不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。したがって、製造工程の煩雑化や高コスト化を抑制することができる。さらに、この固体撮像素子では、ゲート電極上の全面を覆う導電性の層(例えば、図9及び図10に示したシリサイド層107)を設ける必要がない。そのため、当該導電性の層に含まれる金属元素等による汚染を、抑制することが可能になる。   Furthermore, this inclined potential can be formed simply by injecting a second conductivity type impurity into the gate electrode. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the implantation of impurities into the gate electrode. Therefore, the complexity of the manufacturing process and the increase in cost can be suppressed. Further, in this solid-state imaging device, it is not necessary to provide a conductive layer (for example, the silicide layer 107 shown in FIGS. 9 and 10) covering the entire surface on the gate electrode. Therefore, it is possible to suppress contamination due to metal elements and the like contained in the conductive layer.

さらに、上記特徴の固体撮像素子であって、前記ゲート電極は、前記受光部側の第1領域と、前記浮遊拡散領域側であり前記第2導電型の不純物の濃度が前記第1領域よりも高い第2領域と、を備えると、好ましい。   Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, the gate electrode is on the light receiving unit side and the floating diffusion region side, and the concentration of the second conductivity type impurity is higher than that of the first region. It is preferable to provide a high second region.

この固体撮像素子では、ゲート電極への第2導電型の不純物の注入を、2つの工程で行うことが可能である。そのため、ゲート電極への不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。さらに、第1領域及び受光部に対して同時に第2導電型の不純物を注入したり、第2領域及び浮遊拡散領域に対して同時に第2導電型の不純物を注入したりすることで、工程数を増加させることなく、ゲート電極へ第2導電型の不純物を注入することが可能になる。   In this solid-state imaging device, the implantation of the second conductivity type impurity into the gate electrode can be performed in two steps. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the implantation of impurities into the gate electrode. Further, the second conductivity type impurity is simultaneously injected into the first region and the light receiving portion, or the second conductivity type impurity is simultaneously injected into the second region and the floating diffusion region, thereby reducing the number of steps. It is possible to implant the second conductivity type impurity into the gate electrode without increasing.

さらに、上記特徴の固体撮像素子であって、前記ゲート電極の前記第2領域に対して電気的に接続されるコンタクトプラグを、さらに備えると、好ましい。   Furthermore, it is preferable that the solid-state imaging device having the above characteristics further includes a contact plug electrically connected to the second region of the gate electrode.

この固体撮像素子では、コンタクトプラグを介して第2領域に電位を印加し、さらに第2領域を介して第1領域にも電位を印加する。そのため、第2領域に対してコンタクトプラグを電気的に接続するだけで、第1領域及び第2領域の双方に電位を印加することが可能になる。   In this solid-state imaging device, a potential is applied to the second region via the contact plug, and a potential is also applied to the first region via the second region. Therefore, it is possible to apply a potential to both the first region and the second region simply by electrically connecting the contact plug to the second region.

さらに、上記特徴の固体撮像素子であって、前記ゲート電極の、前記第2導電型の不純物の濃度が、1×1016cm−3以上5×1020cm−3以下の範囲内であると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, the concentration of the second conductivity type impurity in the gate electrode is in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3. ,preferable.

さらに、上記特徴の固体撮像素子であって、前記ゲート電極が、ポリシリコンから成ると、好ましい。   Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the gate electrode is made of polysilicon.

また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、第1導電型の半導体から成る基板上に絶縁層を形成し、当該絶縁層上にゲート電極を形成するゲート電極形成ステップと、
前記ゲート電極の一方の端部側となる前記基板内の領域に、前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を注入することで、光電変換によって生じた電荷を蓄積する受光部を形成する受光部形成ステップと、
前記ゲート電極の他方の端部側となる前記基板内の領域に、前記受光部よりも前記第2導電型の不純物の濃度が高くなるように前記第2導電型の不純物を注入することで、浮遊拡散領域を形成する浮遊拡散領域形成ステップと、
前記ゲート電極に、前記浮遊拡散領域側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が高く、前記受光部側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が低くなるように、前記第2導電型の不純物を注入するゲート電極不純物注入ステップと、を備えることを特徴とする。
In addition, the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a gate electrode forming step of forming an insulating layer on a substrate made of a first conductivity type semiconductor, and forming a gate electrode on the insulating layer.
A light receiving portion that accumulates charges generated by photoelectric conversion is implanted by injecting an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type into a region in the substrate on one end side of the gate electrode. A light receiving portion forming step to be formed;
Injecting the second conductivity type impurity into the region in the substrate on the other end side of the gate electrode so that the concentration of the second conductivity type impurity is higher than that of the light receiving portion, A floating diffusion region forming step for forming a floating diffusion region;
In the gate electrode, the concentration of the second conductivity type impurity is higher toward the floating diffusion region side, and the concentration of the second conductivity type impurity is lower toward the light receiving portion side. And a gate electrode impurity implantation step for implanting.

この固体撮像素子の製造方法では、ゲート電極下において受光部側ほど大きく浮遊拡散領域側ほど小さいポテンシャルが形成される固体撮像素子を、製造することができる。当該固体撮像素子は、ゲート電極下に発生する電荷が、当該ポテンシャルの傾斜に沿って浮遊拡散領域に流れ込み易くなっている。したがって、当該固体撮像素子は、受光部に電荷を蓄積する際(受光部及び浮遊拡散領域間を非導通にする際)に、ゲート電極下の暗電流を成す電荷を、効率良く浮遊拡散領域へ排除することが可能である。なお、浮遊拡散領域に排除された電荷は、浮遊拡散領域のリセットによって、浮遊拡散領域から外部へ排除される。このように、この固体撮像素子の製造方法によって得られる固体撮像素子では、図9に示す固体撮像素子とは異なる方法で、暗電流を低減する。   In this method for manufacturing a solid-state imaging device, it is possible to manufacture a solid-state imaging device in which a potential that is larger toward the light receiving portion side and smaller toward the floating diffusion region side is formed under the gate electrode. In the solid-state imaging device, charges generated under the gate electrode easily flow into the floating diffusion region along the potential gradient. Therefore, when the solid-state imaging device accumulates charges in the light receiving portion (when the light receiving portion and the floating diffusion region are made non-conductive), the charge forming the dark current under the gate electrode is efficiently transferred to the floating diffusion region. It is possible to eliminate. Note that the charge eliminated in the floating diffusion region is excluded from the floating diffusion region to the outside by resetting the floating diffusion region. As described above, in the solid-state imaging device obtained by the manufacturing method of the solid-state imaging device, the dark current is reduced by a method different from the solid-state imaging device shown in FIG.

さらに、この固体撮像素子の製造方法では、ゲート電極に第2導電型の不純物を注入するだけで、上記の傾斜したポテンシャルを形成する。そのため、ゲート電極への不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。したがって、製造工程の煩雑化や高コスト化を抑制することができる。さらに、この固体撮像素子の製造方法では、ゲート電極上の全面を覆う導電性の層(図9及び図10に示したシリサイド層107)を設けない。そのため、当該導電性の層に含まれる金属元素等による汚染を、抑制することが可能になる。   Furthermore, in this method for manufacturing a solid-state imaging device, the above-described inclined potential is formed only by injecting a second conductivity type impurity into the gate electrode. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the implantation of impurities into the gate electrode. Therefore, the complexity of the manufacturing process and the increase in cost can be suppressed. Further, in this method for manufacturing a solid-state imaging device, a conductive layer (silicide layer 107 shown in FIGS. 9 and 10) covering the entire surface on the gate electrode is not provided. Therefore, it is possible to suppress contamination due to metal elements and the like contained in the conductive layer.

さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法であって、前記ゲート電極不純物注入ステップが、
前記受光部側の第1領域に、前記第2導電型の不純物を注入する第1領域不純物注入ステップと、
前記浮遊拡散領域側の第2領域に、前記第1領域不純物注入ステップで前記第1領域に注入される前記第2導電型の不純物の濃度よりも高くなるように、前記第2導電型の不純物を注入する第2領域不純物注入ステップと、を備えると、好ましい。
Furthermore, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, the gate electrode impurity implantation step includes:
A first region impurity implantation step for implanting the second conductivity type impurity into the first region on the light receiving unit side;
The second conductivity type impurity is formed in the second region on the floating diffusion region side so as to be higher than the concentration of the second conductivity type impurity implanted into the first region in the first region impurity implantation step. It is preferable to include a second region impurity implantation step of implanting.

この固体撮像素子の製造方法では、ゲート電極不純物注入ステップを、2つの工程で行うことが可能になる。そのため、ゲート電極への第2導電型の不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。   In this solid-state imaging device manufacturing method, the gate electrode impurity implantation step can be performed in two steps. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the implantation of the second conductivity type impurity into the gate electrode.

さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法であって、前記第1領域不純物注入ステップと前記受光部形成ステップとを同時に行う第1注入方法と、
前記第2領域不純物注入ステップと前記浮遊拡散領域形成ステップとを同時に行う第2注入方法と、の少なくとも一方を実行すると、好ましい。
Furthermore, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, a first injection method for simultaneously performing the first region impurity injection step and the light receiving portion formation step
It is preferable to execute at least one of the second implantation method in which the second region impurity implantation step and the floating diffusion region formation step are performed simultaneously.

この固体撮像素子の製造方法では、浮遊拡散領域や受光部への第2導電型の不純物の注入に併せて、ゲート電極にも第2導電型の不純物を注入する。そのため、工程数を増加させることなく、ゲート電極へ第2導電型の不純物を注入することが可能になる。   In this solid-state imaging device manufacturing method, the second conductivity type impurity is also implanted into the gate electrode in conjunction with the implantation of the second conductivity type impurity into the floating diffusion region and the light receiving portion. Therefore, the second conductivity type impurity can be implanted into the gate electrode without increasing the number of steps.

さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法であって、前記ゲート電極の前記第2領域に対して電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する、コンタクトプラグ形成ステップを、さらに備えると、好ましい。   Furthermore, it is preferable that the method for manufacturing a solid-state imaging device of the above characteristics further includes a contact plug forming step of forming a contact plug electrically connected to the second region of the gate electrode.

この固体撮像素子の製造方法では、第2領域に対してコンタクトプラグを電気的に接続するだけで、第1領域及び第2領域の双方に電位を印加し得る固体撮像素子を、製造することができる。   In this method of manufacturing a solid-state imaging device, it is possible to manufacture a solid-state imaging device that can apply a potential to both the first region and the second region simply by electrically connecting a contact plug to the second region. it can.

さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法であって、前記ゲート電極不純物注入ステップの終了後に熱処理を行う熱処理ステップを、さらに備えると、好ましい。   Furthermore, it is preferable that the method for manufacturing a solid-state imaging device of the above characteristics further includes a heat treatment step of performing a heat treatment after the gate electrode impurity implantation step.

上述の図9及び図10に示した転送トランジスタ100では、ゲート電極106に導電型の異なる2つの領域106a,106bが隣接して形成される。そのため、それぞれの領域106a,106bに含まれる不純物の拡散による補償を防止する必要があることから、熱処理が制約されて不純物の活性化が不十分になるなど、種々の問題が生じる。しかしながら、上記特徴の固体撮像素子の製造方法では、ゲート電極に1種類の不純物を注入するだけであるため、熱処理により不純物が拡散しても、濃度勾配が緩やかになるだけである。したがって、この固体撮像素子の製造方法では、熱処理等の制約を無くす(または低減する)ことが可能である。   In the transfer transistor 100 shown in FIGS. 9 and 10 described above, two regions 106 a and 106 b having different conductivity types are formed adjacent to the gate electrode 106. Therefore, since it is necessary to prevent compensation due to diffusion of impurities contained in the respective regions 106a and 106b, various problems arise, such as heat treatment being restricted and insufficient activation of impurities. However, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, only one kind of impurity is injected into the gate electrode. Therefore, even if the impurity is diffused by heat treatment, the concentration gradient is only moderated. Therefore, in this method for manufacturing a solid-state imaging element, it is possible to eliminate (or reduce) restrictions such as heat treatment.

さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法であって、前記熱処理ステップが800℃以上で熱処理を行うものであると、好ましい。   Furthermore, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the heat treatment step is a heat treatment performed at 800 ° C. or higher.

なお、上述した第1導電型及び第2導電型は、p型及びn型である。例えば、基板を成す半導体がp型であれば、受光部を成す半導体はn型である。また例えば、基板を成す半導体がn型であれば、受光部を成す半導体はp型である。また、「基板を成す半導体の導電型」とは、「基板の素子構造が形成される部分の導電型」であり、基板全体の導電型を示す場合に限られず、ウェルの導電型を示す場合も当然に含まれる。   The first conductivity type and the second conductivity type described above are p-type and n-type. For example, if the semiconductor forming the substrate is p-type, the semiconductor forming the light receiving portion is n-type. For example, if the semiconductor forming the substrate is n-type, the semiconductor forming the light receiving portion is p-type. The “conductivity type of the semiconductor forming the substrate” is “conductivity type of the portion where the element structure of the substrate is formed”, and is not limited to indicating the conductivity type of the entire substrate, but indicating the conductivity type of the well. Is naturally included.

上記特徴の固体撮像素子及び上記特徴の製造方法により製造される固体撮像素子は、電荷の蓄積時に生じる暗電流を低減することができるため、生成する画像中のノイズを抑制することが可能である。さらに、当該固体撮像素子は、転送トランジスタのゲート電極に1種類の不純物を注入するものであるため、容易に製造することが可能である。   The solid-state imaging device manufactured by the solid-state imaging device having the above characteristics and the manufacturing method of the above-described characteristics can reduce dark current generated during charge accumulation, and thus can suppress noise in the generated image. . Furthermore, the solid-state imaging device can be easily manufactured because one type of impurity is injected into the gate electrode of the transfer transistor.

本発明の実施形態に係る固体撮像素子に備えられる1つの画素回路の概略構成例について示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of one pixel circuit provided in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る固体撮像素子に備えられる転送トランジスタの構造の一例を示す模式的な断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure of a transfer transistor provided in a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. ポリシリコンに注入するp型不純物及びn型不純物の濃度と仕事関数との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the density | concentration of the p-type impurity and n type impurity which are inject | poured into a polysilicon, and a work function. 非導通状態における転送トランジスタのポテンシャルを示すグラフ。The graph which shows the potential of the transfer transistor in a non-conduction state. 導通状態における転送トランジスタのポテンシャルを示すグラフ。The graph which shows the potential of the transfer transistor in a conductive state. 図2に示す転送トランジスタの製造方法の一例を示す模式的な断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the transfer transistor shown in FIG. 2. 図2に示す転送トランジスタの製造方法の一例を示す模式的な断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the transfer transistor shown in FIG. 2. フォトレジストの開口領域の位置の一例を示す転送トランジスタの上面図。The top view of the transfer transistor which shows an example of the position of the opening area | region of a photoresist. 従来のCMOSイメージセンサに備えられる転送トランジスタの非導通状態を示す模式的な断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a non-conduction state of a transfer transistor provided in a conventional CMOS image sensor. 従来のCMOSイメージセンサに備えられる転送トランジスタの導通状態を示す模式的な断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a conduction state of a transfer transistor provided in a conventional CMOS image sensor.

<画素回路の概略>
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)に備えられる1つの画素回路の概略構成例及び概略動作例について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子に備えられる1つの画素回路の概略構成例について示す回路図である。
<Outline of pixel circuit>
First, a schematic configuration example and a schematic operation example of one pixel circuit provided in a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of one pixel circuit provided in a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.

図1に例示する画素回路1は、アノードが接地されるとともに光電変換によって電子を生成するフォトダイオード2と、フォトダイオード2のカソードにソースが接続される転送トランジスタ3と、転送トランジスタ3のドレインに接続される浮遊拡散領域4と、ソースが浮遊拡散領域4に接続されドレインに電源電位VDDが供給されるリセットトランジスタ5と、ドレインに電源電位VDDが供給されゲート電極が浮遊拡散領域4に電気的に接続されるソースフォロアトランジスタ6と、ソースフォロアトランジスタ6のソースにドレインが接続される選択トランジスタ7と、選択トランジスタ7のソースが接続される信号線8と、を備える。   A pixel circuit 1 illustrated in FIG. 1 includes a photodiode 2 whose anode is grounded and generates electrons by photoelectric conversion, a transfer transistor 3 whose source is connected to the cathode of the photodiode 2, and a drain of the transfer transistor 3. The floating diffusion region 4 connected, the reset transistor 5 whose source is connected to the floating diffusion region 4 and supplied with the power supply potential VDD to the drain, and the power supply potential VDD supplied to the drain and the gate electrode electrically connected to the floating diffusion region 4 , A selection transistor 7 having a drain connected to the source of the source follower transistor 6, and a signal line 8 to which the source of the selection transistor 7 is connected.

図1に例示する画素回路1は、画素回路1を構成するそれぞれの素子がp型の基板上に形成され、フォトダイオード2が光電変換で生成した電子を蓄積する領域(受光部、詳細は後述)がn型、転送トランジスタ3、リセットトランジスタ5、ソースフォロアトランジスタ6及び選択トランジスタ7のそれぞれにおいて形成されるチャネルがn型である。なお、「p型の基板」とは、「素子構造が形成される部分がp型である基板」を意味しており、全体がp型である基板のみに限られず、一部がp型である基板(例えば、全体がn型である基板にp型不純物を注入することで部分的にp型のウェルを形成した基板)も当然に含まれる。ただし、以下では説明の簡略化のために、基板の全体がp型であるかのように図示及び説明する。   In the pixel circuit 1 illustrated in FIG. 1, each element constituting the pixel circuit 1 is formed on a p-type substrate, and a photodiode 2 accumulates electrons generated by photoelectric conversion (light receiving unit, details will be described later). ) Is n-type, and the channel formed in each of the transfer transistor 3, the reset transistor 5, the source follower transistor 6 and the selection transistor 7 is n-type. The “p-type substrate” means “a substrate on which an element structure is formed is a p-type substrate”, and is not limited to a p-type substrate as a whole. Of course, a certain substrate (for example, a substrate in which a p-type well is partially formed by implanting p-type impurities into a substrate that is entirely n-type) is also included. However, in the following, for simplification of description, the entire substrate is illustrated and described as if it is p-type.

また、基板の材料として、シリコンを用いることができる。この場合、p型不純物として、ホウ素などを用いることができる。またこの場合、n型不純物として、リンやヒ素などを用いることができる。さらに、これらの不純物は、例えばイオン注入などの方法を適用することで、基板内に注入することができる。なお、以下では説明の具体化のために、不純物の注入がイオン注入によって行われる場合について例示する。   Further, silicon can be used as a material for the substrate. In this case, boron or the like can be used as the p-type impurity. In this case, phosphorus, arsenic, or the like can be used as the n-type impurity. Further, these impurities can be implanted into the substrate by applying a method such as ion implantation. In the following, for the sake of concrete explanation, a case where impurity implantation is performed by ion implantation is illustrated.

次に、図1を参照して、画素回路1の概略動作例について説明する。まず、フォトダイオード2に光が入射すると、光電変換によって電子及び正孔が発生し、電子がn型の受光部に蓄積される。このとき、転送トランジスタ3は、ゲート電極にローレベルの電位が印加されることで非導通状態になっている。   Next, a schematic operation example of the pixel circuit 1 will be described with reference to FIG. First, when light enters the photodiode 2, electrons and holes are generated by photoelectric conversion, and the electrons are accumulated in the n-type light receiving portion. At this time, the transfer transistor 3 is in a non-conductive state by applying a low level potential to the gate electrode.

その後、転送トランジスタ3のゲート電極にハイレベルの電位が印加されると、転送トランジスタ3が導通状態になることで、フォトダイオード2の受光部に蓄積された電子が浮遊拡散領域4に読み出される。これにより、浮遊拡散領域4の電位が、フォトダイオード2から読み出された電子の数(即ち、入射した光の量)に応じた電位になる。   Thereafter, when a high-level potential is applied to the gate electrode of the transfer transistor 3, the transfer transistor 3 becomes conductive, so that electrons accumulated in the light receiving portion of the photodiode 2 are read out to the floating diffusion region 4. Thereby, the potential of the floating diffusion region 4 becomes a potential corresponding to the number of electrons read from the photodiode 2 (that is, the amount of incident light).

ただし、フォトダイオード2から浮遊拡散領域4に電子が読み出される前に、リセットトランジスタ5のゲート電極にハイレベルの電位が印加されてリセットトランジスタ5が導通状態になることで、浮遊拡散領域4が所定の電位に設定(リセット)されているものとする。これにより、フォトダイオード2から電子が読み出された後の浮遊拡散領域4の電位が、当該所定の電位から、読み出された電子の数に応じた大きさだけ低下する。   However, before electrons are read from the photodiode 2 to the floating diffusion region 4, a high-level potential is applied to the gate electrode of the reset transistor 5 to make the reset transistor 5 conductive, so that the floating diffusion region 4 becomes predetermined. It is assumed that the potential is set (reset). As a result, the potential of the floating diffusion region 4 after electrons are read from the photodiode 2 is decreased from the predetermined potential by a magnitude corresponding to the number of read electrons.

そして、選択トランジスタ7のゲート電極にハイレベルの電位が印加されて、選択トランジスタ7が導通状態になると、ソースフォロアトランジスタ6は、ゲート電極に印加される浮遊拡散領域4の電位による信号を増幅する。ソースフォロアトランジスタ6によって増幅された信号は、選択トランジスタ7を介して信号線8に出力される。   When a high level potential is applied to the gate electrode of the selection transistor 7 and the selection transistor 7 becomes conductive, the source follower transistor 6 amplifies a signal based on the potential of the floating diffusion region 4 applied to the gate electrode. . The signal amplified by the source follower transistor 6 is output to the signal line 8 via the selection transistor 7.

<転送トランジスタの構造>
次に、上述した画素回路1に備えられる転送トランジスタ3の構造の一例について、図面を参照して説明する。図2は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子に備えられる転送トランジスタの構造の一例を示す模式的な断面図である。
<Structure of transfer transistor>
Next, an example of the structure of the transfer transistor 3 provided in the pixel circuit 1 described above will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the transfer transistor provided in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.

図2に示すように、転送トランジスタ3は、p型(p−well)半導体から成る基板10と、基板10内の領域であり転送トランジスタ3のソースに相当するn型(n)半導体から成る受光部21と、基板10内の領域であり受光部21上に形成されて基板10よりもp型不純物の濃度が高いp型(p)半導体から成るピニング領域22と、基板10内の領域であり転送トランジスタ3のドレインに相当し受光部21よりもn型不純物の濃度が高いn型(n)半導体から成る浮遊拡散領域4と、基板10上に設けられる絶縁層31と、絶縁層31上に設けられるゲート電極32と、ゲート電極32の受光部21側に形成される第1サイドウォール33と、ゲート電極32の浮遊拡散領域4側に形成される第2サイドウォール34と、基板10内の領域であり第1サイドウォール33の直下に形成されてピニング領域22よりもp型不純物の濃度が低いp型(p)半導体から成る第1低濃度領域35と、基板10内の領域であり第2サイドウォール34の直下に形成されて浮遊拡散領域4よりもn型不純物の濃度が低いn型(n)半導体から成る第2低濃度領域36と、基板10の上面に形成される層間絶縁膜11と、層間絶縁膜11中に形成されるとともにゲート電極32に対して電気的に接続するゲート電極用コンタクトプラグ12と、層間絶縁膜11中に形成されるとともに浮遊拡散領域4に対して電気的に接続する浮遊拡散領域用コンタクトプラグ13と、を備える。 As shown in FIG. 2, the transfer transistor 3 includes a substrate 10 made of a p-type (p-well) semiconductor and an n-type (n ) semiconductor that is a region in the substrate 10 and corresponds to the source of the transfer transistor 3. A light receiving portion 21, a region in the substrate 10, a pinning region 22 formed on the light receiving portion 21 and made of a p-type (p + ) semiconductor having a higher p-type impurity concentration than the substrate 10, and a region in the substrate 10 The floating diffusion region 4 made of an n-type (n + ) semiconductor, which corresponds to the drain of the transfer transistor 3 and has a higher concentration of n-type impurities than the light receiving portion 21, an insulating layer 31 provided on the substrate 10, and an insulating layer A gate electrode 32 provided on 31, a first sidewall 33 formed on the light receiving portion 21 side of the gate electrode 32, and a second sidewall 34 formed on the floating diffusion region 4 side of the gate electrode 32. , A low concentration p-type p-type impurity than the formed pinning regions 22 immediately below the first side wall 33 is an area of the substrate within 10 (p -) and the first low-concentration region 35 of semiconductor substrate 10 A second low-concentration region 36 made of an n-type (n ) semiconductor having a lower concentration of n-type impurities than the floating diffusion region 4, and an upper surface of the substrate 10. Formed in the interlayer insulating film 11, formed in the interlayer insulating film 11 and electrically connected to the gate electrode 32, and formed in the interlayer insulating film 11 and floating in the interlayer insulating film 11. A floating diffusion region contact plug 13 electrically connected to the diffusion region 4.

ゲート電極32は、少なくとも受光部21と浮遊拡散領域4との間に設けられ、例えばポリシリコンから成る。また、ゲート電極32は、浮遊拡散領域4側ほどn型不純物の濃度が高く、受光部21側ほどn型不純物の濃度が低くなっている。換言すると、ゲート電極32のn型不純物の濃度勾配は、浮遊拡散領域4側から受光部21側にかけて単調減少している。また例えば、ゲート電極32内のn型不純物の濃度は、1×1016cm−3以上5×1020cm−3以下の範囲内で変動している。 The gate electrode 32 is provided at least between the light receiving portion 21 and the floating diffusion region 4 and is made of, for example, polysilicon. The gate electrode 32 has a higher n-type impurity concentration toward the floating diffusion region 4 side and a lower n-type impurity concentration toward the light receiving portion 21 side. In other words, the concentration gradient of the n-type impurity in the gate electrode 32 monotonously decreases from the floating diffusion region 4 side to the light receiving unit 21 side. Further, for example, the concentration of the n-type impurity in the gate electrode 32 varies within a range of 1 × 10 16 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less.

詳細については後述するが、このようなゲート電極32は、浮遊拡散領域4側の第2領域32bが受光部21側の第1領域32aよりもn型不純物の濃度が大きくなるように、ゲート電極32に対してn型不純物を注入することで得られる。なお、ゲート電極用コンタクトプラグ12は、ゲート電極32の浮遊拡散領域4側の第2領域32bに対して、電気的に接続される。   Although details will be described later, such a gate electrode 32 is formed so that the second region 32b on the floating diffusion region 4 side has a higher n-type impurity concentration than the first region 32a on the light receiving unit 21 side. It is obtained by implanting n-type impurities into 32. The gate electrode contact plug 12 is electrically connected to the second region 32b of the gate electrode 32 on the floating diffusion region 4 side.

次に、図3を参照して、ゲート電極32の特性について説明する。図3は、ポリシリコンに注入するp型不純物及びn型不純物の濃度と仕事関数との関係を示すグラフである。なお、図中のp型不純物の濃度と仕事関数との関係を示すグラフは、n型不純物を注入して成る本例のゲート電極32に直接関係するものではない。しかしながら、後述のように、n型不純物に代えてp型不純物をゲート電極32に注入することも可能であり、その場合は当該グラフが関係する。なお、図3に示すグラフは、例えば特開2001−156288号公報の図2として開示されている。   Next, the characteristics of the gate electrode 32 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the concentration of p-type impurities and n-type impurities implanted into polysilicon and the work function. The graph showing the relationship between the concentration of the p-type impurity and the work function in the drawing is not directly related to the gate electrode 32 of this example in which the n-type impurity is implanted. However, as will be described later, it is also possible to inject a p-type impurity into the gate electrode 32 instead of the n-type impurity, in which case the graph concerned is relevant. In addition, the graph shown in FIG. 3 is disclosed as FIG. 2 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-156288, for example.

図3に示すように、ゲート電極32を成すポリシリコンのn型不純物の濃度を大きくすると、仕事関数が小さくなるため、ゲート電極32下のポテンシャルが小さくなる。したがって、ゲート電極32のn型不純物の濃度勾配を、上述のように浮遊拡散領域4側から受光部21側にかけて単調減少させると、ゲート電極32下のポテンシャルはその反対となり、受光部21側から浮遊拡散領域4側にかけて単調減少するように傾斜する。   As shown in FIG. 3, when the concentration of the n-type impurity of the polysilicon forming the gate electrode 32 is increased, the work function is decreased, and therefore the potential under the gate electrode 32 is decreased. Therefore, when the concentration gradient of the n-type impurity of the gate electrode 32 is monotonously decreased from the floating diffusion region 4 side to the light receiving unit 21 side as described above, the potential under the gate electrode 32 becomes the opposite, and from the light receiving unit 21 side. It inclines so as to monotonously decrease toward the floating diffusion region 4 side.

次に、転送トランジスタ3の動作の一例について、図面を参照して説明する。図4は、非導通状態における転送トランジスタのポテンシャルを示すグラフであり、図5は、導通状態における転送トランジスタのポテンシャルを示すグラフである。   Next, an example of the operation of the transfer transistor 3 will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a graph showing the potential of the transfer transistor in the non-conductive state, and FIG. 5 is a graph showing the potential of the transfer transistor in the conductive state.

図4に示すように、転送トランジスタ3が非導通状態のとき、ゲート電極32下のポテンシャルが、受光部21の底よりも大きくなる。そのため、光電変換によって生成されて受光部21に蓄積される電子eは、浮遊拡散領域4に読み出されない。   As shown in FIG. 4, when the transfer transistor 3 is non-conductive, the potential below the gate electrode 32 is larger than the bottom of the light receiving unit 21. Therefore, the electrons e generated by photoelectric conversion and accumulated in the light receiving unit 21 are not read out to the floating diffusion region 4.

さらに、転送トランジスタ3が非導通状態のとき、ゲート電極32下において、例えば基板10と絶縁層31との界面から、暗電流を成す電子eが放出され得る。しかしながら、上述のようにゲート電極32下のポテンシャルは、受光部21側から浮遊拡散領域4側にかけて単調減少するように傾斜しているため、暗電流を成す電子eを、効率良く浮遊拡散領域4に排除することが可能である。またこのとき、上述のようにリセットトランジスタ5が導通状態であるため、浮遊拡散領域4に排除した電子eを、リセットトランジスタ5を介して浮遊拡散領域4から排除することが可能である。   Further, when the transfer transistor 3 is in a non-conducting state, electrons e that form a dark current can be emitted under the gate electrode 32 from, for example, the interface between the substrate 10 and the insulating layer 31. However, as described above, since the potential under the gate electrode 32 is inclined so as to monotonously decrease from the light receiving unit 21 side to the floating diffusion region 4 side, the electrons e forming the dark current are efficiently transferred to the floating diffusion region 4. Can be eliminated. At this time, since the reset transistor 5 is in the conductive state as described above, the electrons e excluded in the floating diffusion region 4 can be excluded from the floating diffusion region 4 via the reset transistor 5.

一方、図5に示すように、転送トランジスタ3が導通状態のとき、ゲート電極32下のポテンシャルが、受光部21の底よりも小さくなる。そのため、光電変換によって生成されて受光部21に蓄積された電子eが、浮遊拡散領域4に読み出される。このとき、上述のようにゲート電極32下のポテンシャルは、受光部21側から浮遊拡散領域4側にかけて単調減少するように傾斜しているため、受光部21に蓄積されていた電子eを、効率良く浮遊拡散領域4に読み出すことが可能である。   On the other hand, as shown in FIG. 5, when the transfer transistor 3 is in a conductive state, the potential below the gate electrode 32 is smaller than the bottom of the light receiving unit 21. Therefore, the electrons e generated by photoelectric conversion and accumulated in the light receiving unit 21 are read out to the floating diffusion region 4. At this time, since the potential under the gate electrode 32 is inclined so as to monotonously decrease from the light receiving unit 21 side to the floating diffusion region 4 side as described above, the electrons e accumulated in the light receiving unit 21 are efficiently used. It is possible to read the floating diffusion region 4 well.

上記の傾斜したポテンシャルは、ゲート電極32にn型導電型の不純物を注入するだけで形成可能である。そのため、ゲート電極32への不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。したがって、製造工程の煩雑化や高コスト化を抑制することができる。   The inclined potential can be formed simply by injecting an n-type conductivity impurity into the gate electrode 32. Therefore, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the impurity implantation into the gate electrode 32. Therefore, the complexity of the manufacturing process and the increase in cost can be suppressed.

さらに、本例の転送トランジスタ3では、ゲート電極32上の全面を覆う導電性の層(例えば、図9及び図10に示したシリサイド層107)を設ける必要がない。そのため、当該導電性の層に含まれる金属元素等による汚染を、抑制することが可能になる。   Further, in the transfer transistor 3 of this example, it is not necessary to provide a conductive layer (for example, the silicide layer 107 shown in FIGS. 9 and 10) covering the entire surface of the gate electrode 32. Therefore, it is possible to suppress contamination due to metal elements and the like contained in the conductive layer.

以上のように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子では、電子eの蓄積時に生じる暗電流を低減することができるため、生成する画像中のノイズを抑制することが可能である。   As described above, in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, the dark current generated when electrons e are accumulated can be reduced, so that noise in the generated image can be suppressed.

<転送トランジスタの製造方法>
次に、上述した転送トランジスタ3の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図6及び図7は、図2に示す転送トランジスタの製造方法の一例を示す模式的な断面図である。なお、図6及び図7は、図2に示した断面と同じ部分の断面を示すものであり、図6(a)、図6(b)、図6(c)、図7(a)、図7(b)、図7(c)の順番で、転送トランジスタ3の製造工程が進行する様子を示している。
<Transfer Transistor Manufacturing Method>
Next, an example of a method for manufacturing the transfer transistor 3 described above will be described with reference to the drawings. 6 and 7 are schematic cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing the transfer transistor shown in FIG. 6 and 7 show the same cross section as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 6 (a), FIG. 6 (b), FIG. 6 (c), FIG. FIG. 7B shows a state in which the manufacturing process of the transfer transistor 3 proceeds in the order of FIG. 7B and FIG.

最初に、図6(a)に示すように、シリコンから成る基板10にp型不純物を注入することで、p型の基板10を得る。次に、図6(b)に示すように、基板10の上面に、酸化シリコン(SiO)から成る絶縁層31を形成し、さらにその上面に、ポリシリコンから成るゲート電極32を形成する。例えば、絶縁層31は、基板10を酸化することで形成する。また例えば、ゲート電極32は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより形成する。このとき、絶縁層31及びゲート電極32を構成しない、酸化シリコン及びポリシリコンから成るそれぞれの膜の不要部分については、エッチング等によって除去する。また、ゲート電極32の膜厚は、例えば200nm程度である。 First, as shown in FIG. 6A, a p-type substrate 10 is obtained by implanting p-type impurities into a substrate 10 made of silicon. Next, as shown in FIG. 6B, an insulating layer 31 made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the upper surface of the substrate 10, and a gate electrode 32 made of polysilicon is formed on the upper surface. For example, the insulating layer 31 is formed by oxidizing the substrate 10. For example, the gate electrode 32 is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. At this time, unnecessary portions of the respective films made of silicon oxide and polysilicon that do not constitute the insulating layer 31 and the gate electrode 32 are removed by etching or the like. The film thickness of the gate electrode 32 is, for example, about 200 nm.

次に、図6(c)に示すように、ゲート電極32の受光部21側の第1領域32aの直上と、受光部21の直上とを除いて、フォトレジストR1を形成する。さらに、当該フォトレジストR1をマスクとして、n型不純物のイオン注入を行う。これにより、ゲート電極32の受光部21側の第1領域32aと、受光部21との双方に、同時にn型不純物が注入される。このとき、例えば1×1012cm−2以上1×1013cm−2以下のドーズ量で、イオン注入を行う。なお、図6及び後述する図8に示すように、受光部21を形成する領域上に、フォトレジストR1の一部をオーバーラップさせてもよい。また、フォトレジストR1は、このn型不純物の注入後に除去する。 Next, as illustrated in FIG. 6C, a photoresist R <b> 1 is formed except for the portion directly above the first region 32 a on the light receiving portion 21 side of the gate electrode 32 and the portion directly above the light receiving portion 21. Further, n-type impurity ions are implanted using the photoresist R1 as a mask. As a result, n-type impurities are simultaneously implanted into both the first region 32 a on the light receiving unit 21 side of the gate electrode 32 and the light receiving unit 21. At this time, for example, ion implantation is performed at a dose of 1 × 10 12 cm −2 or more and 1 × 10 13 cm −2 or less. As shown in FIG. 6 and FIG. 8 to be described later, a part of the photoresist R1 may be overlapped on the region where the light receiving portion 21 is formed. The photoresist R1 is removed after the implantation of the n-type impurity.

次に、図7(a)に示すように、ゲート電極32及び基板10を酸化するなどして、ゲート電極32の受光部21側及び浮遊拡散領域4側に、第1サイドウォール33及び第2サイドウォール34を形成する。このとき、第1サイドウォール33及び第2サイドウォール34を構成しない、酸化シリコンから成る膜の不要部分については、エッチング等によって除去する。   Next, as shown in FIG. 7A, the gate electrode 32 and the substrate 10 are oxidized, for example, so that the first sidewall 33 and the second side wall are formed on the light receiving unit 21 side and the floating diffusion region 4 side of the gate electrode 32. Sidewalls 34 are formed. At this time, unnecessary portions of the film made of silicon oxide that do not constitute the first sidewall 33 and the second sidewall 34 are removed by etching or the like.

次に、図7(b)に示すように、ゲート電極32の受光部21側の第1サイドウォール33の直上と、受光部21の直上とを除いて、フォトレジストR2を形成する。さらに、当該フォトレジストR2をマスクとして、p型不純物のイオン注入を行う。これにより、受光部21上の基板10の表面に、ピニング領域22及び第1低濃度領域35が形成される。第1低濃度領域35は、直上に第1サイドウォール33が形成されているため、ピニング領域22よりもp型不純物の濃度が低くなる。なお、フォトレジストR2は、このp型不純物の注入後に除去する。   Next, as illustrated in FIG. 7B, a photoresist R <b> 2 is formed except for the portion directly above the first sidewall 33 on the light receiving portion 21 side of the gate electrode 32 and the portion directly above the light receiving portion 21. Further, p-type impurity ions are implanted using the photoresist R2 as a mask. Thereby, the pinning region 22 and the first low concentration region 35 are formed on the surface of the substrate 10 on the light receiving unit 21. Since the first sidewall 33 is formed immediately above the first low concentration region 35, the concentration of the p-type impurity is lower than that of the pinning region 22. The photoresist R2 is removed after the implantation of the p-type impurity.

次に、図7(c)に示すように、ゲート電極32の浮遊拡散領域4側の第2領域32bの直上と、第2サイドウォール34の直上と、浮遊拡散領域4の直上とを除いて、フォトレジストR3を形成する。さらに、当該フォトレジストR3をマスクとして、n型不純物のイオン注入を行う。これにより、ゲート電極32の浮遊拡散領域4側の第2領域32bと、第2低濃度領域36と、浮遊拡散領域4とのそれぞれに、同時にn型不純物が注入される。例えば、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下のドーズ量(図6(c)よりも大きいドーズ量)で、イオン注入を行う。第2低濃度領域36は、直上に第2サイドウォール34が形成されているため、そのn型不純物の濃度は、浮遊拡散領域4よりも低くなる。なお、フォトレジストR3は、n型不純物の注入後に除去する。 Next, as shown in FIG. 7C, except for the portion directly above the second region 32 b on the floating diffusion region 4 side of the gate electrode 32, the portion directly above the second sidewall 34, and the portion directly above the floating diffusion region 4. A photoresist R3 is formed. Further, n-type impurity ions are implanted using the photoresist R3 as a mask. As a result, n-type impurities are simultaneously implanted into the second region 32 b of the gate electrode 32 on the floating diffusion region 4 side, the second low-concentration region 36, and the floating diffusion region 4. For example, ion implantation is performed with a dose of 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less (a dose greater than that in FIG. 6C). Since the second sidewall 34 is formed immediately above the second low concentration region 36, the concentration of the n-type impurity is lower than that of the floating diffusion region 4. Note that the photoresist R3 is removed after the implantation of the n-type impurity.

図7(c)の構造を形成した後、注入した不純物を活性化すべく、熱処理を行う。例えば、800℃以上の温度で熱処理を行う。なお、図9及び図10に示した転送トランジスタ100では、ゲート電極106に導電型の異なる2つの領域106a,106bが隣接して形成されているため、それぞれの領域106a,106bに含まれる不純物の拡散による補償を防止する必要があることから、熱処理が制約されて不純物の活性化が不十分になるなど、種々の問題が生じる。しかしながら、本例の転送トランジスタ3では、ゲート電極に1種類の不純物を注入するだけであるため、熱処理によりn型不純物が拡散しても、濃度勾配が緩やかになるだけである。したがって、本例の転送トランジスタ3では、熱処理等の制約を無くす(または低減する)ことが可能である。   After forming the structure of FIG. 7C, heat treatment is performed to activate the implanted impurities. For example, heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or higher. In the transfer transistor 100 shown in FIGS. 9 and 10, since the two regions 106a and 106b having different conductivity types are formed adjacent to the gate electrode 106, impurities contained in the respective regions 106a and 106b Since it is necessary to prevent compensation by diffusion, various problems arise such as heat treatment being restricted and impurity activation being insufficient. However, in the transfer transistor 3 of this example, since only one type of impurity is implanted into the gate electrode, even if the n-type impurity is diffused by the heat treatment, the concentration gradient only becomes gentle. Therefore, in the transfer transistor 3 of this example, it is possible to eliminate (or reduce) restrictions such as heat treatment.

そして、上記熱処理の後に、基板10の上面に層間絶縁膜11を形成し、さらにゲート電極用コンタクトプラグ12及び浮遊拡散領域用コンタクトプラグ13をそれぞれ形成することで、図2に示した構造の転送トランジスタ3が得られる。   Then, after the heat treatment, an interlayer insulating film 11 is formed on the upper surface of the substrate 10, and further, a gate electrode contact plug 12 and a floating diffusion region contact plug 13 are formed, thereby transferring the structure shown in FIG. Transistor 3 is obtained.

また、上述した転送トランジスタ3の製造方法における、フォトレジストR1,R3の開口領域の位置について、図面を参照して説明する。図8は、フォトレジストの開口領域の位置の一例を示す転送トランジスタの上面図である。なお、図8では、受光部21と、ゲート電極32(第1領域32a、第2領域32b)と、第1サイドウォール33と、第2サイドウォール34と、浮遊拡散領域4と、ゲート電極用コンタクトプラグ12と、浮遊拡散領域用コンタクトプラグ13とのそれぞれの位置を、実線で表示している。また、最外周の実線よりも内側の領域が活性領域であり、その外側にはSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離構造が設けられている。   In addition, the position of the opening regions of the photoresists R1 and R3 in the method for manufacturing the transfer transistor 3 described above will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a top view of the transfer transistor showing an example of the position of the opening region of the photoresist. In FIG. 8, the light receiving unit 21, the gate electrode 32 (first region 32a, second region 32b), the first sidewall 33, the second sidewall 34, the floating diffusion region 4, and the gate electrode are used. The respective positions of the contact plug 12 and the floating diffusion region contact plug 13 are indicated by solid lines. An area inside the outermost solid line is an active area, and an element isolation structure such as STI (Shallow Trench Isolation) is provided outside the active area.

図8では、フォトレジストR1の開口領域の位置を、太い一点鎖線RO1で示している。即ち、当該一点鎖線RO1の内側の領域に、上述のn型不純物が一斉に注入される。また図8では、フォトレジストR3の開口領域の位置を、太い破線RO3で示している。即ち、当該破線RO3の内側の領域に、上述のn型不純物が一斉に注入される。   In FIG. 8, the position of the opening region of the photoresist R1 is indicated by a thick alternate long and short dash line RO1. That is, the above-described n-type impurities are simultaneously injected into a region inside the alternate long and short dash line RO1. In FIG. 8, the position of the opening region of the photoresist R3 is indicated by a thick broken line RO3. That is, the above-described n-type impurities are simultaneously injected into a region inside the broken line RO3.

フォトレジストR1の開口領域RO1には、受光部21だけでなく、ゲート電極32の第1領域32aが含まれる。同様に、フォトレジストR3の開口領域RO3には、浮遊拡散領域4だけでなく、ゲート電極32の第2領域32bが含まれる。   The opening region RO1 of the photoresist R1 includes not only the light receiving unit 21 but also the first region 32a of the gate electrode 32. Similarly, the opening region RO3 of the photoresist R3 includes not only the floating diffusion region 4 but also the second region 32b of the gate electrode 32.

このように、転送トランジスタ3のゲート電極32へのn型不純物の注入は、2つの工程で行うことができる。そのため、ゲート電極32へのn型不純物の注入に伴う工程数の増加を、抑制することが可能になる。   Thus, the implantation of the n-type impurity into the gate electrode 32 of the transfer transistor 3 can be performed in two steps. For this reason, it is possible to suppress an increase in the number of processes accompanying the implantation of the n-type impurity into the gate electrode 32.

特に、浮遊拡散領域4や受光部21へのn型不純物の注入に併せて、ゲート電極32の第1領域32aや第2領域32bにもn型不純物を注入することができる。そのため、工程数を増加させることなく、ゲート電極32へn型不純物を注入することが可能になる。   In particular, the n-type impurity can be implanted into the first region 32 a and the second region 32 b of the gate electrode 32 in conjunction with the implantation of the n-type impurity into the floating diffusion region 4 and the light receiving unit 21. Therefore, it is possible to implant n-type impurities into the gate electrode 32 without increasing the number of steps.

以上のように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法では、転送トランジスタ3のゲート電極32に1種類の不純物を注入するため、固体撮像素子を容易に製造することが可能である。   As described above, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, since one kind of impurity is injected into the gate electrode 32 of the transfer transistor 3, the solid-state imaging device can be easily manufactured. .

なお、受光部21及びゲート電極32の第1領域32aに対して同時にn型不純物を注入し、かつ、浮遊拡散領域4及びゲート電極32の第2領域32bに対して同時にn型不純物を注入する製造方法について例示したが、いずれか一方の組については同時にn型不純物を注入し、他方の組については別々にn型不純物を注入してもよい。また、受光部21及びゲート電極32の第1領域32aに対して同時にn型不純物を注入し、その後に、浮遊拡散領域4及びゲート電極32の第2領域32bに対して同時にn型不純物を注入する製造方法について例示したが、この順番は逆であってもよい。   An n-type impurity is simultaneously implanted into the light receiving portion 21 and the first region 32a of the gate electrode 32, and an n-type impurity is simultaneously implanted into the floating diffusion region 4 and the second region 32b of the gate electrode 32. Although the manufacturing method has been exemplified, the n-type impurity may be implanted at the same time for one of the sets, and the n-type impurity may be separately implanted for the other set. Further, an n-type impurity is simultaneously implanted into the light receiving portion 21 and the first region 32a of the gate electrode 32, and thereafter, an n-type impurity is simultaneously implanted into the floating diffusion region 4 and the second region 32b of the gate electrode 32. The manufacturing method is exemplified, but this order may be reversed.

<変形等>
固体撮像素子を構成する半導体の導電型や電荷の極性は、上述した例の逆であってもよい。具体的に例えば、基板10がn型であり、受光部21、浮遊拡散領域4、ゲート電極32及び第2低濃度領域36がp型であり、ピニング領域22及び第1低濃度領域35がn型であり、受光部21が光電変換によって生じた正孔を蓄積するものであってもよい。
<Deformation, etc.>
The conductivity type and the charge polarity of the semiconductor constituting the solid-state imaging device may be the reverse of the above-described example. Specifically, for example, the substrate 10 is n-type, the light receiving unit 21, the floating diffusion region 4, the gate electrode 32, and the second low-concentration region 36 are p-type, and the pinning region 22 and the first low-concentration region 35 are n-type. It may be a mold, and the light receiving unit 21 may accumulate holes generated by photoelectric conversion.

図1に示す画素回路1の構成は一例に過ぎず、他のどのような構成であってもよい。また、本発明をCMOSイメージセンサに適用した実施形態について説明したが、これ以外の固体撮像素子に本発明を適用してもよい。   The configuration of the pixel circuit 1 shown in FIG. 1 is merely an example, and any other configuration may be used. Further, although the embodiment in which the present invention is applied to the CMOS image sensor has been described, the present invention may be applied to other solid-state imaging devices.

本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるCMOSイメージセンサ等に、好適に利用され得る。   The solid-state imaging device according to the present invention can be suitably used for, for example, a CMOS image sensor mounted on various electronic devices having an imaging function.

1 : 画素回路
2 : フォトダイオード
21 : 受光部
22 : ピニング領域
3 : 転送トランジスタ
31 : 絶縁層
32 : ゲート電極
32a : 第1領域
32b : 第2領域
33 : 第1サイドウォール
34 : 第2サイドウォール
35 : 第1低濃度領域
36 : 第2低濃度領域
4 : 浮遊拡散領域
5 : リセットトランジスタ
6 : ソースフォロアトランジスタ
7 : 選択トランジスタ
8 : 信号線
10 : 基板
11 : 層間絶縁膜
12 : ゲート電極用コンタクトプラグ
13 : 浮遊拡散領域用コンタクトプラグ
1: Pixel circuit 2: Photodiode 21: Light receiving unit 22: Pinning region 3: Transfer transistor 31: Insulating layer 32: Gate electrode 32a: First region 32b: Second region 33: First sidewall 34: Second sidewall 35: first low concentration region 36: second low concentration region 4: floating diffusion region 5: reset transistor 6: source follower transistor 7: selection transistor 8: signal line 10: substrate 11: interlayer insulating film 12: contact for gate electrode Plug 13: Contact plug for floating diffusion region

Claims (11)

第1導電型の半導体から成る基板と、
前記基板中に形成され、光電変換によって生じた電荷を蓄積する、前記第1導電型とは異なる第2導電型の半導体から成る受光部と、
前記基板中に形成され、前記第2導電型の半導体から成り、前記受光部よりも前記第2導電型の不純物の濃度が高い浮遊拡散領域と、
前記基板上に設けられる絶縁層と、
前記絶縁層上かつ少なくとも前記受光部及び前記浮遊拡散領域の間に設けられる前記第2導電型のゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は、前記浮遊拡散領域側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が高く、前記受光部側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が低いことを特徴とする固体撮像素子。
A substrate made of a first conductivity type semiconductor;
A light receiving portion made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, which is formed in the substrate and accumulates electric charges generated by photoelectric conversion;
A floating diffusion region formed in the substrate, made of the second conductivity type semiconductor, and having a higher concentration of the second conductivity type impurity than the light receiving portion;
An insulating layer provided on the substrate;
A gate electrode of the second conductivity type provided on the insulating layer and at least between the light receiving portion and the floating diffusion region,
The solid-state imaging device, wherein the gate electrode has a higher concentration of the second conductivity type impurity toward the floating diffusion region and a lower concentration of the second conductivity type impurity toward the light receiving portion.
前記ゲート電極は、前記受光部側の第1領域と、前記浮遊拡散領域側であり前記第2導電型の不純物の濃度が前記第1領域よりも高い第2領域と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。   The gate electrode includes: a first region on the light receiving unit side; and a second region on the floating diffusion region side and having a concentration of the impurity of the second conductivity type higher than that of the first region. The solid-state imaging device according to claim 1. 前記ゲート電極の前記第2領域に対して電気的に接続されるコンタクトプラグを、
さらに備えることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
A contact plug electrically connected to the second region of the gate electrode;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising:
前記ゲート電極の、前記第2導電型の不純物の濃度が、1×1016cm−3以上5×1020cm−3以下の範囲内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 The concentration of the second conductivity type impurity in the gate electrode is in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . The solid-state imaging device according to item 1. 前記ゲート電極が、ポリシリコンから成ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the gate electrode is made of polysilicon. 第1導電型の半導体から成る基板上に絶縁層を形成し、当該絶縁層上にゲート電極を形成するゲート電極形成ステップと、
前記ゲート電極の一方の端部側となる前記基板内の領域に、前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を注入することで、光電変換によって生じた電荷を蓄積する受光部を形成する受光部形成ステップと、
前記ゲート電極の他方の端部側となる前記基板内の領域に、前記受光部よりも前記第2導電型の不純物の濃度が高くなるように前記第2導電型の不純物を注入することで、浮遊拡散領域を形成する浮遊拡散領域形成ステップと、
前記ゲート電極に、前記浮遊拡散領域側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が高く、前記受光部側ほど前記第2導電型の不純物の濃度が低くなるように、前記第2導電型の不純物を注入するゲート電極不純物注入ステップと、
を備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
Forming an insulating layer on a substrate made of a first conductivity type semiconductor, and forming a gate electrode on the insulating layer;
A light receiving portion that accumulates charges generated by photoelectric conversion is implanted by injecting an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type into a region in the substrate on one end side of the gate electrode. A light receiving portion forming step to be formed;
Injecting the second conductivity type impurity into the region in the substrate on the other end side of the gate electrode so that the concentration of the second conductivity type impurity is higher than that of the light receiving portion, A floating diffusion region forming step for forming a floating diffusion region;
In the gate electrode, the concentration of the second conductivity type impurity is higher toward the floating diffusion region side, and the concentration of the second conductivity type impurity is lower toward the light receiving portion side. A gate electrode impurity implantation step for implanting,
A method for manufacturing a solid-state imaging device.
前記ゲート電極不純物注入ステップが、
前記受光部側の第1領域に、前記第2導電型の不純物を注入する第1領域不純物注入ステップと、
前記浮遊拡散領域側の第2領域に、前記第1領域不純物注入ステップで前記第1領域に注入される前記第2導電型の不純物の濃度よりも高くなるように、前記第2導電型の不純物を注入する第2領域不純物注入ステップと、
を備えることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。
The gate electrode impurity implantation step comprises:
A first region impurity implantation step for implanting the second conductivity type impurity into the first region on the light receiving unit side;
The second conductivity type impurity is formed in the second region on the floating diffusion region side so as to be higher than the concentration of the second conductivity type impurity implanted into the first region in the first region impurity implantation step. A second region impurity implantation step of implanting
The manufacturing method of the solid-state image sensor of Claim 6 characterized by the above-mentioned.
前記第1領域不純物注入ステップと前記受光部形成ステップとを同時に行う第1注入方法と、
前記第2領域不純物注入ステップと前記浮遊拡散領域形成ステップとを同時に行う第2注入方法と、
の少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項7に記載の固体撮像素子の製造方法。
A first implantation method for simultaneously performing the first region impurity implantation step and the light receiving portion formation step;
A second implantation method for simultaneously performing the second region impurity implantation step and the floating diffusion region formation step;
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 7, wherein at least one of the following is executed.
前記ゲート電極の前記第2領域に対して電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する、コンタクトプラグ形成ステップを、
さらに備えることを特徴とする請求項7または8に記載の固体撮像素子の製造方法。
Forming a contact plug electrically connected to the second region of the gate electrode;
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 7, further comprising:
前記ゲート電極不純物注入ステップの終了後に熱処理を行う熱処理ステップを、
さらに備えることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子の製造方法。
A heat treatment step of performing a heat treatment after completion of the gate electrode impurity implantation step;
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 6, further comprising:
前記熱処理ステップが800℃以上で熱処理を行うものであることを特徴とする請求項10に記載の固体撮像素子の製造方法。   The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 10, wherein the heat treatment step is a heat treatment performed at 800 ° C. or higher.
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