JP2013162077A - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP2013162077A
JP2013162077A JP2012025093A JP2012025093A JP2013162077A JP 2013162077 A JP2013162077 A JP 2013162077A JP 2012025093 A JP2012025093 A JP 2012025093A JP 2012025093 A JP2012025093 A JP 2012025093A JP 2013162077 A JP2013162077 A JP 2013162077A
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周 大石
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent characteristic deterioration of a photodiode.SOLUTION: In a solid-state imaging device, a photodiode 1 includes a first semiconductor layer 10 of a first conductivity type buried in a groove RX in a semiconductor substrate 150, and a first impurity region 151 of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate 150 along the first semiconductor layer 10.

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device.

CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは、監視カメラ等、多様な用途で使われている。   Solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors are used in various applications such as digital still cameras, video cameras, and surveillance cameras.

形成される画像の解像度の向上及びチップコストの低減のため、イメージセンサを形成する素子の微細化が、推進されている。   In order to improve the resolution of an image to be formed and reduce the chip cost, miniaturization of elements forming an image sensor has been promoted.

特開2000-294757号公報JP 2000-294757 A

イメージセンサが含む素子の微細化を図る技術を提案する。   A technology for miniaturization of elements included in an image sensor is proposed.

実施形態の固体撮像装置は、画素アレイを含む半導体基板と、前記画素アレイ内に設けられ、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、をそれぞれ含む複数のフォトダイオードと、を含む。   The solid-state imaging device of the embodiment includes a semiconductor substrate including a pixel array, a first semiconductor layer of a first conductivity type provided in the pixel array and embedded in a groove in the semiconductor substrate, and the first A plurality of photodiodes each including a first impurity region of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate along one semiconductor layer.

固体撮像装置のチップのレイアウトの一例を示す平面図。The top view which shows an example of the layout of the chip | tip of a solid-state imaging device. 固体撮像装置の構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a solid-state imaging device. 固体撮像装置の画素アレイの回路構成の一例を示す等価回路図。The equivalent circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the pixel array of a solid-state imaging device. 固体撮像装置の画素アレイのレイアウトの一例を示す平面図。The top view which shows an example of the layout of the pixel array of a solid-state imaging device. 第1の実施形態の固体撮像装置が含む光電変換素子の構造例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a photoelectric conversion element included in the solid-state imaging device according to the first embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面工程図。Sectional process drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を説明するための図。The figure for demonstrating 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を説明するための図。The figure for demonstrating 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の構成例を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a first embodiment. 第2の実施形態の固体撮像装置の構造の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the structure of the solid-state imaging device of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の構造の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the structure of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を説明するための図。The figure for demonstrating 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の製造工程の一工程を説明するための図。The figure for demonstrating one process of the manufacturing process of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 実施形態の固体撮像装置の変形例を説明するための図。The figure for demonstrating the modification of the solid-state imaging device of embodiment. 実施形態の固体撮像装置の変形例を説明するための図。The figure for demonstrating the modification of the solid-state imaging device of embodiment. 実施形態の固体撮像装置の変形例を説明するための図。The figure for demonstrating the modification of the solid-state imaging device of embodiment.

[実施形態]
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、実質的に同一の符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
[Embodiment]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by substantially the same reference numerals, and overlapping description will be given as necessary.

(1) 第1の実施形態
図1乃至図9を参照して、第1の実施形態に係る固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法について説明する。
(1) First embodiment
With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 9, the manufacturing method of the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment, and a solid-state imaging device is demonstrated.

(a) 全体構成
図1乃至図5を用いて、第1の実施形態に係る固体撮像装置について、説明する。
(A) Overall configuration
The solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

図1乃至図4を用いて、固体撮像装置の全体構成について説明する。   The overall configuration of the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS.

図1は、固体撮像装置(以下、イメージセンサとよぶ)のチップのレイアウト例を示す模式図である。図2は、イメージセンサ100の構造を模式的に示す断面図である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a chip layout example of a solid-state imaging device (hereinafter referred to as an image sensor). FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the image sensor 100.

図1に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ120及びそれを制御するための回路が形成される領域(周辺回路領域とよぶ)121が、1つの半導体基板(チップ)110内に設けられている。   As shown in FIG. 1, in the image sensor of this embodiment, a region (referred to as a peripheral circuit region) 121 in which a pixel array 120 and a circuit for controlling the pixel array 120 are formed includes one semiconductor substrate (chip) 110. Is provided inside.

画素アレイ120は、複数の単位セルUCを含む。各単位セルUCは、外部からの入射光を電気信号へ変換するための光電変換素子(以下では、画素ともよぶ)を含む。1つの単位セルUCは、少なくとも1つの画素を含む。   The pixel array 120 includes a plurality of unit cells UC. Each unit cell UC includes a photoelectric conversion element (hereinafter also referred to as a pixel) for converting incident light from the outside into an electric signal. One unit cell UC includes at least one pixel.

互いに隣接する単位セル及びそれに含まれる画素の形成領域は、素子分離領域9に取り囲まれている。   The unit cell adjacent to each other and the formation region of the pixel included therein are surrounded by the element isolation region 9.

図1及び図2に示されるように、本実施形態のイメージセンサ100において、画素アレイ120及び周辺回路領域121が、1つの半導体基板150内に設けられている。半導体基板150は、素子が形成される素子形成基板である。半導体基板150は、例えば、p型シリコン単結晶基板である。半導体基板150は、シリコン単結晶基板に限定されず、例えば、SOI(Silicon-On-Insulator)基板の絶縁体上に形成されたシリコン層(エピタキシャル層)でもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the image sensor 100 of the present embodiment, the pixel array 120 and the peripheral circuit region 121 are provided in one semiconductor substrate 150. The semiconductor substrate 150 is an element formation substrate on which elements are formed. The semiconductor substrate 150 is, for example, a p-type silicon single crystal substrate. The semiconductor substrate 150 is not limited to a silicon single crystal substrate, and may be, for example, a silicon layer (epitaxial layer) formed on an insulator of an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate.

図1及び図2に示されるように、画素アレイ120内に、少なくとも1つの光電変換素子1を含む単位セルUCの形成領域(以下では、単位セル形成領域ともよぶ)UAが、2次元に配列されている。単位セル形成領域UAは、半導体基板150内に設けられた半導体領域である。単位セル形成領域UAは、少なくとも1つのフォトダイオードの形成領域(以下では、フォトダイオード形成領域とよぶ)を含む。フォトダイオード1の形成領域は、単位セル形成領域UA内に設けられている。単位セル形成領域UA及び単位セルの構造については、後述する。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the pixel array 120, unit cell UC formation regions (hereinafter also referred to as unit cell formation regions) UA including at least one photoelectric conversion element 1 are two-dimensionally arranged. Has been. The unit cell formation area UA is a semiconductor area provided in the semiconductor substrate 150. The unit cell formation area UA includes at least one photodiode formation area (hereinafter referred to as a photodiode formation area). The formation region of the photodiode 1 is provided in the unit cell formation region UA. The structure of the unit cell formation area UA and the unit cell will be described later.

本実施形態において、1つの光電変換素子としてのフォトダイオード1は、1つの画素に対応する。フォトダイオード1は、画像に対応する入射光(被写体からの光)を、入射光の光量に応じた電気信号(電荷、電圧)に光電変換する。フォトダイオード1は、光電変換によってフォトダイオード1内に発生した電荷を蓄積できる。例えば、フォトダイオード1を用いて、CMOSセンサ又はCCDセンサが形成される。   In the present embodiment, the photodiode 1 as one photoelectric conversion element corresponds to one pixel. The photodiode 1 photoelectrically converts incident light (light from a subject) corresponding to an image into an electric signal (charge, voltage) corresponding to the amount of incident light. The photodiode 1 can accumulate charges generated in the photodiode 1 by photoelectric conversion. For example, a CMOS sensor or a CCD sensor is formed using the photodiode 1.

図2に示されるように、フォトダイオード1は、半導体基板150内に形成された少なくとも1つの不純物半導体層から形成される。本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造については、後述する。   As shown in FIG. 2, the photodiode 1 is formed from at least one impurity semiconductor layer formed in the semiconductor substrate 150. The structure of the photodiode 1 included in the image sensor of this embodiment will be described later.

半導体基板150内に、フローティングディフュージョン(浮遊拡散層、信号検出部)6としての不純物半導体層が、設けられている。   An impurity semiconductor layer as a floating diffusion (floating diffusion layer, signal detection unit) 6 is provided in the semiconductor substrate 150.

フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6との間において、トランスファゲート2としての電界効果トランジスタが、半導体基板150上に設けられている。トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜22を介して、半導体基板150上に設けられている。   A field effect transistor as the transfer gate 2 is provided on the semiconductor substrate 150 between the photodiode 1 and the floating diffusion 6. The gate electrode 21 of the transfer gate 2 is provided on the semiconductor substrate 150 via the gate insulating film 22.

素子分離領域9は、隣接する単位セル形成領域UA及び隣接するフォトダイオード形成領域を取り囲むように、半導体基板150内に設けられている。素子分離領域9によって、互いに隣接する単位セルUC及びフォトダイオード1が、電気的に分離される。画素アレイ120内の素子分離領域9内に、素子分離層90が設けられている。画素アレイ120内において、素子分離層90は、例えば、不純物半導体層(素子分離不純物層とよぶ)又はSTI構造の絶縁膜(素子分離絶縁膜とよぶ)によって、形成される。   The element isolation region 9 is provided in the semiconductor substrate 150 so as to surround the adjacent unit cell formation region UA and the adjacent photodiode formation region. The element isolation region 9 electrically isolates the unit cell UC and the photodiode 1 adjacent to each other. An element isolation layer 90 is provided in the element isolation region 9 in the pixel array 120. In the pixel array 120, the element isolation layer 90 is formed by, for example, an impurity semiconductor layer (referred to as an element isolation impurity layer) or an insulating film having an STI structure (referred to as an element isolation insulating film).

周辺回路領域121は、画素アレイ120に隣接するように、半導体基板150内に設けられる。周辺回路領域121内には、アナログ回路やロジック回路などの周辺回路が設けられている。より具体的には、画素アレイ120の動作を制御する回路や、AD(Analog - digital)変換回路のような画素アレイ120からの信号を処理する回路が、周辺回路領域121内に設けられている。   The peripheral circuit region 121 is provided in the semiconductor substrate 150 so as to be adjacent to the pixel array 120. In the peripheral circuit area 121, peripheral circuits such as an analog circuit and a logic circuit are provided. More specifically, a circuit for controlling the operation of the pixel array 120 and a circuit for processing a signal from the pixel array 120 such as an AD (Analog-digital) conversion circuit are provided in the peripheral circuit region 121. .

周辺回路領域121は、例えば、素子分離領域によって、画素アレイ120から電気的に分離されている。周辺回路領域121を区画するための素子分離領域内には、例えば、STI構造の素子分離絶縁膜91が埋め込まれている。   The peripheral circuit region 121 is electrically isolated from the pixel array 120 by, for example, an element isolation region. In the element isolation region for partitioning the peripheral circuit region 121, for example, an element isolation insulating film 91 having an STI structure is embedded.

周辺回路領域121内の回路は、電界効果トランジスタ7、抵抗素子、容量素子などの複数の素子によって形成される。図2においては、図示の簡単化のため、電界効果トランジスタ7のみが、示されている。また、図2において、1つの電界効果トランジスタのみが図示されているが、半導体基板150上に、複数のトランジスタが設けられている。   The circuit in the peripheral circuit region 121 is formed by a plurality of elements such as the field effect transistor 7, a resistance element, and a capacitance element. In FIG. 2, only the field effect transistor 7 is shown for simplification of illustration. Although only one field effect transistor is illustrated in FIG. 2, a plurality of transistors are provided on the semiconductor substrate 150.

例えば、周辺回路領域121内において、電界効果トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)7は、半導体基板150内のウェル領域159内に設けられている。ウェル領域159内に、2つの拡散層(不純物半導体領域)73が設けられている。これらの2つの拡散層73は、トランジスタ7のソース/ドレインとして、機能する。2つの拡散層73間のウェル領域(チャネル領域)表面に、ゲート絶縁膜72を介して、ゲート電極71が設けられる。これによって、ウェル領域159上に、電界効果トランジスタ7が、形成される。   For example, in the peripheral circuit region 121, the field effect transistor (for example, MOS transistor) 7 is provided in the well region 159 in the semiconductor substrate 150. Two diffusion layers (impurity semiconductor regions) 73 are provided in the well region 159. These two diffusion layers 73 function as the source / drain of the transistor 7. A gate electrode 71 is provided on the surface of the well region (channel region) between the two diffusion layers 73 via the gate insulating film 72. As a result, the field effect transistor 7 is formed on the well region 159.

尚、電界効果トランジスタ7が、pチャネル型であるかnチャネル型であるかは、そのトランジスタ7が設けられるウェル領域15の導電型及びソース/ドレインとなる拡散層73の導電型によって、決まる。また、電界効果トランジスタ7は、電界効果トランジスタ7を含む回路に応じて、エンハンス型の場合もあるし、デプレッション型の場合もある。   Whether the field effect transistor 7 is a p-channel type or an n-channel type depends on the conductivity type of the well region 15 in which the transistor 7 is provided and the conductivity type of the diffusion layer 73 serving as the source / drain. The field effect transistor 7 may be an enhancement type or a depletion type depending on the circuit including the field effect transistor 7.

トランジスタ2,7のゲート電極21,71及びフォトダイオード3の上面を覆うように、複数の層間絶縁膜92が、半導体基板150上に積層されている。層間絶縁膜92には、例えば、酸化シリコンが用いられる。   A plurality of interlayer insulating films 92 are stacked on the semiconductor substrate 150 so as to cover the gate electrodes 21 and 71 of the transistors 2 and 7 and the upper surface of the photodiode 3. For example, silicon oxide is used for the interlayer insulating film 92.

本実施形態のイメージセンサには、多層配線技術が用いられている。すなわち、各配線レベル(基板表面を基準とした高さ)に応じて、積層された層間絶縁膜92内に、複数の配線80が設けられている。各配線80は、層間絶縁膜92内のそれぞれに埋め込まれたプラグ81,CP1,CP2によって、直上の配線レベルに位置する他の配線に、電気的に接続されている。尚、遮光膜や素子及び回路に接続されないダミー層が、層間絶縁膜92内に設けられている。遮光膜及びダミー層は、配線80と実質的に同時に形成される。   The image sensor of this embodiment uses a multilayer wiring technique. That is, a plurality of wirings 80 are provided in the laminated interlayer insulating film 92 according to each wiring level (height with respect to the substrate surface). Each wiring 80 is electrically connected to another wiring located at the wiring level immediately above by plugs 81, CP 1, CP 2 embedded in the interlayer insulating film 92. Note that a dummy layer that is not connected to a light shielding film, an element, or a circuit is provided in the interlayer insulating film 92. The light shielding film and the dummy layer are formed substantially simultaneously with the wiring 80.

トランジスタ2,7のゲート電極21,71やソース/ドレイン73、半導体基板150上に形成された素子の端子は、コンタクトプラグCP1を介して、半導体基板150側から数えて1番目(最下層)の配線レベルに位置する配線80に接続される。複数の配線80は、半導体基板150上に設けられた複数の素子を接続する。これによって、複数の回路が形成される。   The gate electrodes 21 and 71 of the transistors 2 and 7, the source / drain 73, and the terminal of the element formed on the semiconductor substrate 150 are the first (lowermost layer) counted from the semiconductor substrate 150 side through the contact plug CP1. It is connected to the wiring 80 located at the wiring level. The plurality of wirings 80 connect a plurality of elements provided on the semiconductor substrate 150. Thereby, a plurality of circuits are formed.

ここで、本実施形態において、素子が形成された面、より具体的には、トランジスタ2,7のゲート電極21,71が設けられている半導体基板150の面(第1の面)を半導体基板150の表面とよぶ。半導体基板150の表面上には、多層配線技術によって形成された層間絶縁膜92が設けられている。そして、半導体基板150の表面に対向する面(第2の面)を、裏面とよぶ。   Here, in this embodiment, the surface on which the element is formed, more specifically, the surface (first surface) of the semiconductor substrate 150 on which the gate electrodes 21 and 71 of the transistors 2 and 7 are provided is the semiconductor substrate. It is called 150 surface. On the surface of the semiconductor substrate 150, an interlayer insulating film 92 formed by a multilayer wiring technique is provided. A surface (second surface) facing the front surface of the semiconductor substrate 150 is referred to as a back surface.

本実施形態において、図2に示されるように、半導体基板150の裏面側に、例えば、保護層(図示せず)や接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CFが設けられる。カラーフィルタ層CFは、半導体基板150の裏面側において画素アレイ120上方に、設けられている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a color filter layer CF is provided on the back surface side of the semiconductor substrate 150 via, for example, a protective layer (not shown) or an adhesive layer (not shown). The color filter layer CF is provided above the pixel array 120 on the back side of the semiconductor substrate 150.

例えば、本実施形態において、単板式のイメージセンサ100が形成される。単板式の画素アレイ120は、単一の画素アレイ120で複数の色情報を取得する。1つの画素にそれぞれ対応するように、赤、青及び緑のうち少なくとも1色のカラーフィルタが取り付けられている。   For example, in the present embodiment, a single plate type image sensor 100 is formed. The single-plate pixel array 120 acquires a plurality of pieces of color information with the single pixel array 120. A color filter of at least one of red, blue and green is attached so as to correspond to each pixel.

この場合、カラーフィルタ層CFは、例えば、赤(R)に対応する波長の光を透過するフィルタ、緑(G)に対応する波長の光を透過するフィルタ及び青(B)に対応する波長の光を透過するフィルタを含み、それらのフィルタが所定のパターンで配列されている。1つの色のフィルタが、1つのフォトダイオードに対応するように、カラーフィルタ層CFが形成されている。尚、カラーフィルタ層CFは、赤、緑及び青に加え、黄色や可視光の全波長域を透過させる白(W)のフィルタを含んでいてもよい。カラーフィルタ70は、例えば、ベイヤー配列やWRGB配列などの配列パターンを有する。   In this case, the color filter layer CF includes, for example, a filter that transmits light having a wavelength corresponding to red (R), a filter that transmits light having a wavelength corresponding to green (G), and a wavelength corresponding to blue (B). Filters that transmit light are included, and these filters are arranged in a predetermined pattern. The color filter layer CF is formed so that one color filter corresponds to one photodiode. Note that the color filter layer CF may include a white (W) filter that transmits yellow and all wavelengths of visible light in addition to red, green, and blue. The color filter 70 has, for example, an array pattern such as a Bayer array or a WRGB array.

マイクロレンズアレイMLは、保護層(図示せず)及び接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CF上に取り付けられている。   The microlens array ML is attached on the color filter layer CF via a protective layer (not shown) and an adhesive layer (not shown).

マイクロレンズアレイMLは、カラーフィルタ層CFを介して、画素アレイ120と重なる位置に設けられている。マイクロレンズアレイMLは、1つの画素(フォトダイオード3)にそれぞれ対応するマイクロレンズが2次元に配列されることによって、形成されている。マイクロレンズアレイMLは、入射光(被写体からの光)を集光する。尚、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタ層CFを取り付けるための接着層/保護層は、入射光に対して透過性を有する。   The microlens array ML is provided at a position overlapping the pixel array 120 via the color filter layer CF. The microlens array ML is formed by two-dimensionally arranging microlenses corresponding to one pixel (photodiode 3). The microlens array ML collects incident light (light from the subject). The adhesive layer / protective layer for attaching the microlens array ML and the color filter layer CF is transmissive to incident light.

図2に示されるように、マイクロレンズアレイMLが取り付けられた面は、半導体基板150の裏面である。このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタ層CFは、トランジスタのゲート電極71及び層間絶縁膜92が設けられた面(表面)とは、反対側の面(裏面)に設けられている。素子が形成された半導体基板150は、層間絶縁膜92とマイクロレンズアレイMLとに挟まれている。画像に対応する入射光(被写体からの光)は、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタCFを経由して、半導体基板150の裏面側から画素アレイ120に照射される。
本実施形態のイメージセンサのように、素子が形成された基板150の表面に対向する裏面から、被写体からの光が画素に照射される構造のイメージセンサは、裏面照射型イメージセンサとよばれる。
As shown in FIG. 2, the surface on which the microlens array ML is attached is the back surface of the semiconductor substrate 150. Thus, in the image sensor of the present embodiment, the microlens array ML and the color filter layer CF are opposite to the surface (front surface) on which the gate electrode 71 and the interlayer insulating film 92 of the transistor are provided (back surface). ). The semiconductor substrate 150 on which the element is formed is sandwiched between the interlayer insulating film 92 and the microlens array ML. Incident light corresponding to the image (light from the subject) is applied to the pixel array 120 from the back side of the semiconductor substrate 150 via the microlens array ML and the color filter CF.
As in the image sensor of this embodiment, an image sensor having a structure in which light from a subject is irradiated onto pixels from the back surface facing the surface of the substrate 150 on which elements are formed is called a back-illuminated image sensor.

例えば、TSV(Through Silicon Via)技術によって、半導体基板150の表面側から裏面側に向かって半導体基板150内を貫通するように、貫通孔(開口部)が半導体基板150内に形成される。その貫通孔内に、ビア(貫通ビア)88が埋め込まれる。貫通孔の側面上に、絶縁層98が設けられ、貫通ビア88は、絶縁層98によって、半導体基板150から電気的に分離されている。貫通ビア88は、コンタクトプラグCP2を経由して、層間絶縁膜92内の配線80に接続される。また、貫通ビア88は、半導体基板150の裏面上に設けられたパッド(電極)89に接続される。パッド89は、貫通ビア88上及び絶縁層99上に設けられている。パッド89は、絶縁層99によって半導体基板150から電気的に分離されている。このように、裏面照射型イメージセンサにおいて、半導体基板150の裏面側に、パッド89が設けられてもよい。   For example, through holes (openings) are formed in the semiconductor substrate 150 so as to penetrate the semiconductor substrate 150 from the front surface side to the back surface side of the semiconductor substrate 150 by TSV (Through Silicon Via) technology. A via (through via) 88 is embedded in the through hole. An insulating layer 98 is provided on the side surface of the through hole, and the through via 88 is electrically separated from the semiconductor substrate 150 by the insulating layer 98. The through via 88 is connected to the wiring 80 in the interlayer insulating film 92 via the contact plug CP2. The through via 88 is connected to a pad (electrode) 89 provided on the back surface of the semiconductor substrate 150. The pad 89 is provided on the through via 88 and the insulating layer 99. The pad 89 is electrically isolated from the semiconductor substrate 150 by the insulating layer 99. As described above, in the backside illumination type image sensor, the pad 89 may be provided on the backside of the semiconductor substrate 150.

半導体基板150の表面側において、支持基板119が、層間絶縁膜92上に設けられている。支持基板119は、例えば、保護層(図示せず)及び接着層(図示せず)を介して、絶縁層92上に積層される。支持基板119には、例えば、シリコン基板や絶縁性基板が用いられる。支持基板119と最上層の層間絶縁膜92との間に、再配線技術によって形成された配線(以下では、再配線とよぶ)82が、設けられてもよい。再配線82は、絶縁層(例えば、樹脂層)96に、覆われている。再配線82は、電極(ビアプラグ)83を介して、層間絶縁膜92内の配線80に接続される。再配線82は、例えば、半導体基板150の表面側において、支持基板119上のパッド(図示)に接続されている。また、再配線82によってパッドが形成される場合もある。   A support substrate 119 is provided on the interlayer insulating film 92 on the surface side of the semiconductor substrate 150. The support substrate 119 is laminated on the insulating layer 92 via, for example, a protective layer (not shown) and an adhesive layer (not shown). For example, a silicon substrate or an insulating substrate is used as the support substrate 119. A wiring (hereinafter referred to as a rewiring) 82 formed by a rewiring technique may be provided between the support substrate 119 and the uppermost interlayer insulating film 92. The rewiring 82 is covered with an insulating layer (for example, a resin layer) 96. The rewiring 82 is connected to the wiring 80 in the interlayer insulating film 92 through an electrode (via plug) 83. For example, the rewiring 82 is connected to pads (illustrated) on the support substrate 119 on the front surface side of the semiconductor substrate 150. In addition, a pad may be formed by the rewiring 82.

半導体基板150の表面側の再配線(パッド)82及び半導体基板150の裏面側のパッド89によって、イメージセンサ100と外部装置との間において信号が入出力されたり、イメージセンサ100に電圧が供給されたりする。   A signal is input / output between the image sensor 100 and an external device or a voltage is supplied to the image sensor 100 by the rewiring (pad) 82 on the front surface side of the semiconductor substrate 150 and the pad 89 on the back surface side of the semiconductor substrate 150. Or

図3は、画素アレイ120及びその近傍の回路の回路構成例を示す図である。
複数の単位セルUCは、画素アレイ120内に、配置されている。各単位セルUCは、読み出し信号線RD1,RD2と垂直信号線VSLとの交差位置に、設けられている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the pixel array 120 and circuits in the vicinity thereof.
The plurality of unit cells UC are arranged in the pixel array 120. Each unit cell UC is provided at the intersection of the read signal lines RD1, RD2 and the vertical signal line VSL.

図3に示される単位セルUCは、1つの単位セルUCが2つの画素1A,1Bを含む2画素1セル構造を有している。2画素1セル構造の単位セルUCにおいて、単位セルUC内の素子の一部及び信号検出部(フローティングディフュージョン)が、2つの画素(フォトダイオード)1A,1Bに対して共通化されている。   The unit cell UC shown in FIG. 3 has a two-pixel one-cell structure in which one unit cell UC includes two pixels 1A and 1B. In the unit cell UC having a two-pixel one-cell structure, part of the elements in the unit cell UC and a signal detection unit (floating diffusion) are shared by the two pixels (photodiodes) 1A and 1B.

2画素1セル構造の単位セルUCは、単位セルUC及び2つの画素1A,1Bの動作を制御する制御素子(以下では、セル制御素子ともよぶ)として、例えば、5つの電界効果トランジスタ2A,2B,3,4,5を含んでいる。各電界効果トランジスタ2A,2B,3,4,5は、例えば、nチャネル型MOSトランジスタである。単位セルUCに含まれる5つの電界効果トランジスタのことを、トランスファゲート2A,2B、アンプトランジスタ5、アドレストランジスタ4及びリセットトランジスタ3とそれぞれよぶ。   The unit cell UC having a two-pixel / one-cell structure includes, for example, five field effect transistors 2A and 2B as control elements (hereinafter also referred to as cell control elements) for controlling the operations of the unit cell UC and the two pixels 1A and 1B. , 3, 4 and 5 are included. Each field effect transistor 2A, 2B, 3, 4, and 5 is, for example, an n-channel MOS transistor. The five field effect transistors included in the unit cell UC are referred to as transfer gates 2A and 2B, an amplifier transistor 5, an address transistor 4 and a reset transistor 3, respectively.

2画素1セル構造の単位セルUCは、2つの画素として2つのフォトダイオード1A,1Bを含んでいる。2画素1セル構造の単位セルUCは、フォトダイオード1Aに対応するトランスファゲート2Aと、フォトダイオード1Bに対応するトランスファゲート2Bとを、含んでいる。   A unit cell UC having a two-pixel one-cell structure includes two photodiodes 1A and 1B as two pixels. The unit cell UC having a two-pixel one-cell structure includes a transfer gate 2A corresponding to the photodiode 1A and a transfer gate 2B corresponding to the photodiode 1B.

各フォトダイオード1A,1Bのアノードは、接地されている(グランド端子に接続されている)。各フォトダイオード1A,1Bのカソードは、対応するトランスファゲート2A,2Bの電流経路を介して、信号検出部6としてのフローティングディフュージョンに、接続されている。上述のように、フォトダイオード1A,1Bは、マイクロレンズ及びカラーフィルタを通過した光を電気信号(信号電荷)に変換し、その電荷を蓄積する。フォトダイオード1A,1B内の電荷によって、フォトダイオード1A,1Bの端子間に電位差が生じる。以下では、フォトダイオード1A,1Bを区別しない場合には、フォトダイオード1と表記する。   The anodes of the photodiodes 1A and 1B are grounded (connected to the ground terminal). The cathodes of the photodiodes 1A and 1B are connected to the floating diffusion as the signal detection unit 6 via the current paths of the corresponding transfer gates 2A and 2B. As described above, the photodiodes 1A and 1B convert the light that has passed through the microlens and the color filter into an electric signal (signal charge), and accumulate the charge. Due to the charges in the photodiodes 1A and 1B, a potential difference is generated between the terminals of the photodiodes 1A and 1B. Hereinafter, when the photodiodes 1A and 1B are not distinguished from each other, they are referred to as photodiodes 1.

トランスファゲート2A,2Bは、各フォトダイオード1A,1Bの信号電荷の蓄積及び放出をそれぞれ制御する。トランスファゲート2A,2Bのゲートは、読み出し信号線RD1,RD2にそれぞれ接続されている。トランスファゲート2A,2Bの電流経路の一端は、フォトダイオード1A,1Bのカソードにそれぞれ接続される。トランスファゲート2A,2Bの電流経路の他端は、フローティングディフュージョンFDに接続されている。以下では、トランスファゲート2A,2Bを区別しない場合には、トランスファゲート2と示す。トランスファゲート2は、リードトランジスタともよばれる。   The transfer gates 2A and 2B control the accumulation and emission of signal charges of the photodiodes 1A and 1B, respectively. The gates of the transfer gates 2A and 2B are connected to the read signal lines RD1 and RD2, respectively. One ends of the current paths of the transfer gates 2A and 2B are connected to the cathodes of the photodiodes 1A and 1B, respectively. The other ends of the current paths of the transfer gates 2A and 2B are connected to the floating diffusion FD. Hereinafter, when the transfer gates 2A and 2B are not distinguished, they are referred to as transfer gates 2. The transfer gate 2 is also called a read transistor.

2画素1セル構造の単位セルUCにおいて、リセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5は、2つの画素1A,1Bに共有されている。   In the unit cell UC having the two-pixel one-cell structure, the reset transistor 3, the address transistor 4 and the amplifier transistor 5 are shared by the two pixels 1A and 1B.

リセットトランジスタ3は、フローティングディフュージョンFDの電位(アンプトランジスタ5のゲート電位)をリセットする。リセットトランジスタ3のゲートは、リセット信号線RSTに接続されている。リセットトランジスタ3の電流経路の一端は、フローティングディフュージョンFDに接続され、リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、グランド端子に接続されている。尚、リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、高電圧(電源VDD)側の電源端子、又は、画素アレイ120内のオプティカルブロック領域(遮光領域)内の単位セル(基準電位セル)に接続されてもよい。   The reset transistor 3 resets the potential of the floating diffusion FD (the gate potential of the amplifier transistor 5). The gate of the reset transistor 3 is connected to the reset signal line RST. One end of the current path of the reset transistor 3 is connected to the floating diffusion FD, and the other end of the current path of the reset transistor 3 is connected to the ground terminal. The other end of the current path of the reset transistor 3 is connected to a power supply terminal on the high voltage (power supply VDD) side or a unit cell (reference potential cell) in an optical block region (light shielding region) in the pixel array 120. May be.

アドレストランジスタ4は、単位セルUCを選択する(活性化する)ための選択素子として機能する。アドレストランジスタ4のゲートは、アドレス信号線ADRに接続されている。アドレストランジスタ4の電流経路の一端は、アンプトランジスタ5の電流経路の他端に接続され、アドレストランジスタ134の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続されている。   The address transistor 4 functions as a selection element for selecting (activating) the unit cell UC. The gate of the address transistor 4 is connected to the address signal line ADR. One end of the current path of the address transistor 4 is connected to the other end of the current path of the amplifier transistor 5, and the other end of the current path of the address transistor 134 is connected to a power supply terminal (for example, a ground terminal).

アンプトランジスタ5は、フローティングディフュージョンFDが保持するフォトダイオード1からの信号を増幅する。アンプトランジスタ5のゲートは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。アンプトランジスタ5の電流経路の一端は、垂直信号線VSLに接続され、アンプトランジスタ5の電流経路の他端は、アドレストランジスタ4の電流経路の一端に接続されている。アンプトランジスタ5によって増幅された信号は、単位セル(又は画素)の信号として垂直信号線VSLに出力される。アンプトランジスタ5は、単位セルUC内において、ソースフォロワとして機能する。   The amplifier transistor 5 amplifies the signal from the photodiode 1 held by the floating diffusion FD. The gate of the amplifier transistor 5 is connected to the floating diffusion FD. One end of the current path of the amplifier transistor 5 is connected to the vertical signal line VSL, and the other end of the current path of the amplifier transistor 5 is connected to one end of the current path of the address transistor 4. The signal amplified by the amplifier transistor 5 is output to the vertical signal line VSL as a unit cell (or pixel) signal. The amplifier transistor 5 functions as a source follower in the unit cell UC.

尚、単位セルUCは、アドレストランジスタ4を含まなくともよい。この場合、アドレス信号線ADRも設けられず、アンプトランジスタ5の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続される。   The unit cell UC may not include the address transistor 4. In this case, the address signal line ADR is not provided, and the other end of the current path of the amplifier transistor 5 is connected to a power supply terminal (for example, a ground terminal).

本実施形態のイメージセンサ100において、単位セルUCは、2画素1セル構造に限定されない。例えば、4画素1セル構造や8画素1セル構造のように、1つの単位セルUCが、3以上の画素(フォトダイオード)を含み、1つの単位セルUC内において、3以上の画素が、1つのフローティングディフュージョン(信号検出部)6、1つのリセットトランジスタ3、1つのアドレストランジスタ4及び1つのアンプトランジスタ5を共有する構造でもよい。また、本実施形態のイメージセンサ100は、1つの単位セルUCが1つの画素(フォトダイオード)を含む1画素1セル構造でもよい。   In the image sensor 100 of the present embodiment, the unit cell UC is not limited to a two-pixel one-cell structure. For example, one unit cell UC includes three or more pixels (photodiodes) as in a four-pixel one-cell structure or an eight-pixel one-cell structure, and three or more pixels are included in one unit cell UC. A structure in which one floating diffusion (signal detection unit) 6, one reset transistor 3, one address transistor 4, and one amplifier transistor 5 are shared may be employed. Further, the image sensor 100 according to the present embodiment may have a one-pixel one-cell structure in which one unit cell UC includes one pixel (photodiode).

画素アレイ120の動作を制御する周辺回路として、タイミング生成回路130、垂直シフトレジスタ131、AD変換回路132、負荷トランジスタ136が、画素アレイ120と同じチップ110内に設けられている。尚、これら以外の回路も、周辺回路として、画素アレイ120と同じチップ110内に設けられている。   As peripheral circuits for controlling the operation of the pixel array 120, a timing generation circuit 130, a vertical shift register 131, an AD conversion circuit 132, and a load transistor 136 are provided in the same chip 110 as the pixel array 120. Other circuits are also provided in the same chip 110 as the pixel array 120 as peripheral circuits.

垂直シフトレジスタ131は、読み出し信号線RD1,RD2、アドレス信号線ADR及びリセット信号線RSTに接続されている。垂直シフトレジスタ131は、所定の動作タイミングに基づいて、読み出し制御線RD1,RD2、アドレス制御線ADR及びリセット制御線RSTの電位を制御し、画素アレイ120内の複数の単位セルUCをロウ単位で制御及び選択する。垂直シフトレジスタ131は、各単位セル内のトランジスタ2A,2B,3,4,5のオン及びオフを制御するための制御信号(電圧パルス)を、所定の動作タイミングで、各制御線RD1,RD2,RST,ADRに出力する。そして、垂直シフトレジスタ131は、共通の制御線RD1,RD2,RST,ADRに接続された複数のトランジスタを、一括にオン又はオフにする。   The vertical shift register 131 is connected to the read signal lines RD1 and RD2, the address signal line ADR, and the reset signal line RST. The vertical shift register 131 controls the potentials of the read control lines RD1, RD2, the address control line ADR, and the reset control line RST based on a predetermined operation timing, and controls the plurality of unit cells UC in the pixel array 120 in units of rows. Control and select. The vertical shift register 131 supplies a control signal (voltage pulse) for controlling on and off of the transistors 2A, 2B, 3, 4, and 5 in each unit cell to the control lines RD1 and RD2 at a predetermined operation timing. , RST, ADR. The vertical shift register 131 turns on or off a plurality of transistors connected to the common control lines RD1, RD2, RST, and ADR all at once.

AD変換回路132は、垂直信号線VSLに接続されている。AD変換回路132は、例えば、垂直信号線VSLに出力された画素アレイ120からの信号に、アナログ−デジタル変換処理やCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)処理を施す。AD変換回路132からの出力信号(デジタルデータ)は、後段の画像処理回路によって補正処理や特徴量の計算処理が実行される。これによって、例えば、画素アレイ120の1フレーム分に対応する画像が、形成される。   The AD conversion circuit 132 is connected to the vertical signal line VSL. For example, the AD conversion circuit 132 performs analog-digital conversion processing and CDS (Correlated Double Sampling) processing on the signal from the pixel array 120 output to the vertical signal line VSL. The output signal (digital data) from the AD conversion circuit 132 is subjected to correction processing and feature amount calculation processing by a subsequent image processing circuit. Thereby, for example, an image corresponding to one frame of the pixel array 120 is formed.

タイミング生成回路130は、画素アレイ120の動作タイミングを制御する。タイミング生成回路130は、垂直シフトレジスタ131及びAD変換回路132が信号を出力するタイミングを、制御する。   The timing generation circuit 130 controls the operation timing of the pixel array 120. The timing generation circuit 130 controls the timing at which the vertical shift register 131 and the AD conversion circuit 132 output signals.

負荷トランジスタ136の電流経路の一端は、垂直信号線VSLに接続されている。負荷トランジスタ136は、ダイオード接続されている。負荷トランジスタ136の電流経路の他端は、負荷トランジスタ136のゲートに接続されている。負荷トランジスタ136の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続されている。負荷トランジスタ136は、垂直信号線VSLに対する定電流源として用いられる。   One end of the current path of the load transistor 136 is connected to the vertical signal line VSL. The load transistor 136 is diode-connected. The other end of the current path of the load transistor 136 is connected to the gate of the load transistor 136. The other end of the current path of the load transistor 136 is connected to a power supply terminal (for example, a ground terminal). The load transistor 136 is used as a constant current source for the vertical signal line VSL.

ここで、イメージセンサの動作の一例について、説明する。   Here, an example of the operation of the image sensor will be described.

タイミング発生回路130から指示された動作タイミングに基づいて、選択された画素アレイ120のロウに対応するリセット制御線RSTが、垂直シフトレジスタ131によって、“H”レベルに設定され、リセットトランジスタ3がオンされる。これによって、フローティングディフュージョン6の電位がリセットされる。   Based on the operation timing instructed from the timing generation circuit 130, the reset control line RST corresponding to the row of the selected pixel array 120 is set to the “H” level by the vertical shift register 131, and the reset transistor 3 is turned on. Is done. As a result, the potential of the floating diffusion 6 is reset.

また、タイミング発生回路130が指示する動作タイミングに基づいて、選択された画素アレイ120のロウに対応するアドレス制御線ADRが、垂直シフトレジスタ131によって、“H”レベルに設定される。これによって、アドレストランジスタ4がオンされる。オン状態のアドレストランジスタ4を経由して、アンプトランジスタ5の電流経路の他端が、電源端子(例えば、グランド端子)に接続される。   Further, based on the operation timing instructed by the timing generation circuit 130, the address control line ADR corresponding to the row of the selected pixel array 120 is set to the “H” level by the vertical shift register 131. As a result, the address transistor 4 is turned on. The other end of the current path of the amplifier transistor 5 is connected to a power supply terminal (for example, a ground terminal) via the address transistor 4 in the on state.

リセット状態のフローティングディフュージョン6の電位が、アンプトランジスタ5のゲートに印加される。フローティングディフュージョン6の電位の大きさに応じて、アンプトランジスタ5が駆動する。リセット状態の電位が印加されたアンプトランジスタ5の駆動力に応じて、垂直信号線VSLの電位が変動する。   The potential of the floating diffusion 6 in the reset state is applied to the gate of the amplifier transistor 5. The amplifier transistor 5 is driven according to the magnitude of the potential of the floating diffusion 6. The potential of the vertical signal line VSL varies depending on the driving force of the amplifier transistor 5 to which the reset state potential is applied.

このように、リセット状態のフローティングディフュージョン6の電位によって駆動されたアンプトランジスタ5からの出力が、単位セルUCの出力として、垂直信号線VSLに出力される。本実施形態において、フローティングディフュージョン6がリセット状態である場合における単位セルUCからの出力信号のことを、リセット信号又はリセット電圧とよぶ。   Thus, the output from the amplifier transistor 5 driven by the potential of the floating diffusion 6 in the reset state is output to the vertical signal line VSL as the output of the unit cell UC. In the present embodiment, the output signal from the unit cell UC when the floating diffusion 6 is in the reset state is referred to as a reset signal or a reset voltage.

AD変換回路132は、タイミング発生回路131が指示する動作タイミングに基づいて、垂直信号線VSLに出力されたリセット信号を、取得する。   The AD conversion circuit 132 acquires the reset signal output to the vertical signal line VSL based on the operation timing instructed by the timing generation circuit 131.

リセット信号がAD変換回路132に取得された後、リセット制御線RSTが“L”レベルに設定され、リセットトランジスタ3がオフされる。   After the reset signal is acquired by the AD conversion circuit 132, the reset control line RST is set to the “L” level, and the reset transistor 3 is turned off.

単位セルUC内のフォトダイオード1A,1Bは、所定の動作タイミングで、被写体から光を取得し、その光信号を電気信号(信号電荷)に変換する。フォトダイオード1A,1Bは、信号電荷を蓄積している。フォトダイオード1A,1Bが信号電荷を蓄積している間において、読み出し制御線RD1,RD2の信号レベルは、“L”レベルに設定されている。単位セルUC内の2つのフォトダイオード1A,1Bにそれぞれ対応するトランスファゲート2A,2Bは、オフされている。   The photodiodes 1A and 1B in the unit cell UC acquire light from the subject at a predetermined operation timing and convert the optical signal into an electric signal (signal charge). The photodiodes 1A and 1B accumulate signal charges. While the photodiodes 1A and 1B accumulate signal charges, the signal levels of the read control lines RD1 and RD2 are set to the “L” level. The transfer gates 2A and 2B corresponding to the two photodiodes 1A and 1B in the unit cell UC are turned off.

タイミング発生回路131から指示された動作タイミングに基づいて、垂直シフトレジスタ131が、“H”レベルの読み出し信号を出力する。読み出し信号線RD1,RD2を介して、“H”レベルの読み出し信号が、トランスファゲート2A,2Bとしてのトランジスタのゲートに印加され、トランスファゲート2A,2Bが、オンする。   Based on the operation timing instructed from the timing generation circuit 131, the vertical shift register 131 outputs an “H” level read signal. An “H” level read signal is applied to the gates of the transistors as the transfer gates 2A and 2B via the read signal lines RD1 and RD2, and the transfer gates 2A and 2B are turned on.

2画素1セル構造において、例えば、タイミング発生回路131によって制御された動作タイミングによって、2つの読み出し信号線RD1,RD2のうち、選択された一方の読み出し信号線(例えば、信号線RD1)が“H”レベルに設定され、2つのトランスファゲート2A,2Bのうち、一方のトランスファゲート(例えば、トランスファゲート2A)がオンされる。   In the two-pixel one-cell structure, for example, one read signal line (for example, the signal line RD1) selected from the two read signal lines RD1 and RD2 is set to “H” by the operation timing controlled by the timing generation circuit 131. Is set to "level" and one of the two transfer gates 2A and 2B (for example, transfer gate 2A) is turned on.

オン状態のトランスファゲート2の電流経路(チャネル)を経由して、単位セルUC内のフォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、フローティングディフュージョン6に、読み出される。   The signal charge accumulated in the photodiode 1 in the unit cell UC is read out to the floating diffusion 6 via the current path (channel) of the transfer gate 2 in the on state.

フォトダイオード1からの信号電荷量に対応したフローティングディフュージョン6の電位が、アンプトランジスタ5のゲートに印加される。フローティングディフュージョン6の電位の大きさ(フォトダイオード1からの信号電荷量)に応じた駆動力で、アンプトランジスタ5が駆動する。信号電荷量に対応した電位が印加されたアンプトランジスタ5の駆動力に応じて、垂直信号線VSLの電位が変動する。   A potential of the floating diffusion 6 corresponding to the amount of signal charge from the photodiode 1 is applied to the gate of the amplifier transistor 5. The amplifier transistor 5 is driven with a driving force corresponding to the magnitude of the potential of the floating diffusion 6 (the amount of signal charge from the photodiode 1). The potential of the vertical signal line VSL varies according to the driving force of the amplifier transistor 5 to which a potential corresponding to the signal charge amount is applied.

このように、信号電荷の保持状態のフローティングディフュージョン6の電位によって駆動されたアンプトランジスタ5からの出力が、単位セルUCの出力として、垂直信号線VSLに出力される。フローティングディフュージョン6がフォトダイオードからの信号電荷を保持している場合における単位セルからの出力信号のことを、画素信号又は画素電圧とよぶ。   Thus, the output from the amplifier transistor 5 driven by the potential of the floating diffusion 6 in the signal charge holding state is output to the vertical signal line VSL as the output of the unit cell UC. The output signal from the unit cell when the floating diffusion 6 holds the signal charge from the photodiode is called a pixel signal or a pixel voltage.

AD変換回路132は、タイミング発生回路131が指示する動作タイミングに基づいて、垂直信号線VSLに出力された画素信号を、取得する。   The AD conversion circuit 132 acquires the pixel signal output to the vertical signal line VSL based on the operation timing instructed by the timing generation circuit 131.

例えば、単位セルUCのフォトダイオード1Aからのリセット信号及び画素信号は、AD変換回路132によって、デジタル変換処理及びCDS処理され、デジタルの画素データDsigが形成される。   For example, the reset signal and the pixel signal from the photodiode 1A of the unit cell UC are subjected to digital conversion processing and CDS processing by the AD conversion circuit 132, and digital pixel data Dsig is formed.

これと同様の動作によって、同じロウに属する単位セルUCのフォトダイオード1Bの画素信号(及びリセット信号)に対するデジタルの画素データDsigが得られる。画素データDsigが、AD変換回路132の後段の回路へ出力される。   By the same operation, digital pixel data Dsig for the pixel signal (and reset signal) of the photodiode 1B of the unit cell UC belonging to the same row is obtained. Pixel data Dsig is output to a circuit subsequent to the AD conversion circuit 132.

例えば、選択されていた読み出し信号線RD1が“H”レベルから“L”レベルにされ、それに対応するトランスファゲート2Aがオフにされる。上述の動作と同様に、フローティングディフュージョンの電位が、リセット状態にされ、リセット信号が垂直信号線VSLに出力される。リセット信号が出力された後、2つの読み出し信号線RD1,RD2のうち、他方の読み出し信号線RD2)が“H”レベルに設定され、2つのトランスファゲート2A,2Bのうち、他方のトランスファゲート2Bがオンされる。他方のフォトダイオード1Bに対応する画素信号が、垂直信号線VSLに出力される。そして、上述の動作と同様に、リセット信号及び画素信号が、AD変換処理及びCDS処理され、画素データDsigが出力される。   For example, the selected read signal line RD1 is changed from “H” level to “L” level, and the corresponding transfer gate 2A is turned off. Similar to the above-described operation, the potential of the floating diffusion is reset and a reset signal is output to the vertical signal line VSL. After the reset signal is output, the other read signal line RD2) of the two read signal lines RD1 and RD2 is set to the “H” level, and the other transfer gate 2B of the two transfer gates 2A and 2B is set. Is turned on. A pixel signal corresponding to the other photodiode 1B is output to the vertical signal line VSL. Then, similarly to the above-described operation, the reset signal and the pixel signal are subjected to AD conversion processing and CDS processing, and pixel data Dsig is output.

選択されたロウに対する動作が終了した後、垂直シフトレジスタ131によって、動作対象のロウが切り替えられる。   After the operation for the selected row is completed, the operation target row is switched by the vertical shift register 131.

この動作が順次繰り返され、形成された画素データに基づいて、後段の回路(例えば、画像処理装置)によって、画素アレイ120の1フレーム分の画像が形成される。   This operation is sequentially repeated, and an image for one frame of the pixel array 120 is formed by a subsequent circuit (for example, an image processing device) based on the formed pixel data.

ここでは、1つの単位セルUC内の2つのフォトダイオード1A,1Bが、異なる動作タイミングで、フローティングディフュージョン6に導通される例が示されている。しかし、それぞれのフォトダイオード1A,1Bの特性(例えば、光感度)に応じて、フォトダイオード1A,1Bが同時にフローティングディフュージョン6に導通するように、2つの読み出し制御線RD1,RD2の電位が制御されてもよい。この場合、単位セルUC内の2つのトランスファゲート2A,2Bが同時に活性化(オン)される。尚、本実施形態において述べられたイメージセンサの動作は一例であって、単位セルUCの回路構成や、画素アレイ120及び周辺回路の構成に応じて、イメージセンサの動作は、適宜変更される。   Here, an example is shown in which two photodiodes 1A and 1B in one unit cell UC are conducted to the floating diffusion 6 at different operation timings. However, the potentials of the two read control lines RD1 and RD2 are controlled so that the photodiodes 1A and 1B are simultaneously connected to the floating diffusion 6 according to the characteristics (for example, photosensitivity) of the photodiodes 1A and 1B. May be. In this case, the two transfer gates 2A and 2B in the unit cell UC are activated (turned on) simultaneously. Note that the operation of the image sensor described in the present embodiment is an example, and the operation of the image sensor is appropriately changed according to the circuit configuration of the unit cell UC and the configuration of the pixel array 120 and peripheral circuits.

図4は、画素アレイ120の平面構造を示す図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating a planar structure of the pixel array 120.

図4において、画素アレイ120内における2画素1セル構造の単位セルUCのレイアウトが示されている。   In FIG. 4, the layout of the unit cell UC having a two-pixel one-cell structure in the pixel array 120 is shown.

図4に示されるように、2画素1セル構造の単位セルUCの形成領域(単位セル形成領域)UA内において、フォトダイオード1A,1Bが形成される領域(フォトダイオード形成領域)PAと制御素子3,4,5が形成される領域AAとが設けられている。単位セルの制御素子が形成される領域AAのことを、制御素子形成領域AAとよぶ。   As shown in FIG. 4, in the formation region (unit cell formation region) UA of the unit cell UC having the two-pixel one-cell structure, the region (photodiode formation region) PA in which the photodiodes 1A and 1B are formed and the control element An area AA in which 3, 4 and 5 are formed is provided. The area AA in which the control element of the unit cell is formed is called a control element formation area AA.

単位セル形成領域UAは、画素アレイ120内の単位セルUCごとに、素子分離領域90,95によって区画されている。単位セル形成領域UAは、素子分離領域90,95によって、取り囲まれている。   The unit cell formation area UA is partitioned by element isolation areas 90 and 95 for each unit cell UC in the pixel array 120. The unit cell formation area UA is surrounded by element isolation areas 90 and 95.

フォトダイオード形成領域PA及び制御素子形成領域AAは、半導体基板(チップ)110内に設けられた半導体領域である。1つの単位セル形成領域UAにおいて、2つのフォトダイオード形成領域PA及び1つの制御素子形成領域AAは、半導体基板150内において連続している。1つの単位セル形成領域UA内において、2つのフォトダイオード形成領域PAの互いに隣接する一角が、制御素子形成領域AAの一端に、それぞれ接続されている。   The photodiode formation area PA and the control element formation area AA are semiconductor areas provided in the semiconductor substrate (chip) 110. In one unit cell formation area UA, two photodiode formation areas PA and one control element formation area AA are continuous in the semiconductor substrate 150. In one unit cell formation region UA, adjacent corners of two photodiode formation regions PA are connected to one end of the control element formation region AA, respectively.

フォトダイオード形成領域PAは、矩形状(四角形状)の平面形状を有する。制御素子形成領域AAは、長方形状(ライン状)の平面形状を有する。   The photodiode formation area PA has a rectangular (quadrangle) planar shape. The control element formation area AA has a rectangular (line) planar shape.

1つの単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離領域(素子分離層)90を挟んで、y方向に隣接している。例えば、1つの単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離層90としての不純物半導体層によって、区画されている場合もあるし、絶縁体からなる素子分離層によって、区画されている場合もある。互いに異なる単位セル形成領域UAのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離層としての不純物半導体層又は絶縁体によって、電気的に分離されている。   Two photodiode formation regions PA in one unit cell formation region UA are adjacent to each other in the y direction with an element isolation region (element isolation layer) 90 interposed therebetween. For example, two photodiode formation regions PA in one unit cell formation region UA may be partitioned by an impurity semiconductor layer as the element isolation layer 90, or may be partitioned by an element isolation layer made of an insulator. Sometimes it is. The photodiode formation areas PA of the unit cell formation areas UA different from each other are electrically isolated by an impurity semiconductor layer or an insulator as an element isolation layer.

単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、y方向において、互いに異なる2つの単位セル形成領域UAの制御素子形成領域AAに挟まれたレイアウトになっている。互いに異なる単位セル形成領域UAの複数のフォトダイオード形成領域PAが、y方向に互い違いに(ジグザグに)ずれるように、x方向に沿って配列されている。x方向に隣接する2つの単位セル形成領域UAの2つのフォトダイオード形成領域PA間に、x−y平面に対して斜め方向に隣接する単位セル形成領域UAのフォトダイオード形成領域PAが、レイアウトされている。   The two photodiode formation regions PA in the unit cell formation region UA have a layout sandwiched between the control element formation regions AA of the two unit cell formation regions UA that are different from each other in the y direction. A plurality of photodiode formation regions PA of different unit cell formation regions UA are arranged along the x direction so as to be shifted alternately (zigzag) in the y direction. Between the two photodiode formation areas PA of the two unit cell formation areas UA adjacent in the x direction, the photodiode formation area PA of the unit cell formation area UA adjacent in the oblique direction with respect to the xy plane is laid out. ing.

制御素子形成領域AAは、素子分離層95としての絶縁体によって、区画されている。   The control element formation area AA is partitioned by an insulator as the element isolation layer 95.

x方向に沿って配列された複数の単位セル形成領域UAにおいて、複数の制御素子形成領域AAは、x方向に沿って同一直線上に配列するように、画素アレイ120内にレイアウトされている。   In the plurality of unit cell formation areas UA arranged along the x direction, the plurality of control element formation areas AA are laid out in the pixel array 120 so as to be arranged on the same straight line along the x direction.

複数の制御素子形成領域AAは、y方向において、互いに異なる単位セル形成領域UAに属する2つのフォトダイオード形成領域PA間に挟まれるように、画素アレイ120内に、レイアウトされている。   The plurality of control element formation areas AA are laid out in the pixel array 120 so as to be sandwiched between two photodiode formation areas PA belonging to different unit cell formation areas UA in the y direction.

制御素子形成領域AAの長手方向の他端は、x方向に隣接する他の単位セル形成領域UAの2つのフォトダイオード形成領域PA間に、配置されている。   The other end in the longitudinal direction of the control element formation area AA is arranged between two photodiode formation areas PA of another unit cell formation area UA adjacent in the x direction.

図4に示されるように、トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜を介して、フォトダイオード形成領域PAと制御素子形成領域AAとの接続部(半導体領域)上に、設けられている。   As shown in FIG. 4, the gate electrode 21 of the transfer gate 2 is provided on the connection portion (semiconductor region) between the photodiode formation region PA and the control element formation region AA via the gate insulating film. .

トランスファゲート2のゲート電極21は、制御素子形成領域AAの延在方向に対して、斜め方向に傾いている。トランスファゲート2のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向に対して、斜め方向になっている。   The gate electrode 21 of the transfer gate 2 is inclined in an oblique direction with respect to the extending direction of the control element formation region AA. The channel length direction of the transfer gate 2 is oblique with respect to the extending direction of the control element formation region AA.

2つのフォトダイオード1A,1Bにそれぞれ対応するトランスファゲート2A,2Bのオン/オフによって、連続した半導体領域からなるフォトダイオード形成領域PAと制御素子形成領域AAとが、電気的に接続される、又は、電気的に分離される。   By turning on / off the transfer gates 2A and 2B respectively corresponding to the two photodiodes 1A and 1B, the photodiode formation region PA and the control element formation region AA made of continuous semiconductor regions are electrically connected, or , Electrically separated.

フォトダイオード形成領域PAは、フォトダイオード1を形成するための不純物半導体層を含む。   The photodiode formation region PA includes an impurity semiconductor layer for forming the photodiode 1.

例えば、フォトダイオード形成領域PA内のフォトダイオード1が含む不純物半導体層が、トランスファゲート2の電流経路の一端(ソース/ドレイン領域)として、用いられている。   For example, an impurity semiconductor layer included in the photodiode 1 in the photodiode formation region PA is used as one end (source / drain region) of the current path of the transfer gate 2.

フローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60は、制御素子形成領域AA内に設けられる。フローティングディフュージョン6は、2つのトランスファゲート2A,2Bのゲート電極21とリセットトランジスタ3のゲート電極30とに囲まれるように、制御素子形成領域AA内にレイアウトされる。   The impurity semiconductor layer 60 as the floating diffusion 6 is provided in the control element formation region AA. The floating diffusion 6 is laid out in the control element formation region AA so as to be surrounded by the gate electrodes 21 of the two transfer gates 2A and 2B and the gate electrode 30 of the reset transistor 3.

フローティングディフュージョン6は、トランスファゲート2の電流経路の他端(ソース/ドレイン領域)として、用いられている。   The floating diffusion 6 is used as the other end (source / drain region) of the current path of the transfer gate 2.

リセットトランジスタ3のゲート電極30は、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。リセットトランジスタ3のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向(長手方向)に、設定されている。トランジスタのチャネル幅方向におけるリセットトランジスタ3のゲート電極30の一端及び他端は、素子分離領域上に配置されている。   The gate electrode 30 of the reset transistor 3 is provided on the control element formation region AA via a gate insulating film. The channel length direction of the reset transistor 3 is set in the extending direction (longitudinal direction) of the control element formation region AA. One end and the other end of the gate electrode 30 of the reset transistor 3 in the channel width direction of the transistor are arranged on the element isolation region.

フローティングディフュージョン6が、実質的に、リセットトランジスタ3の電流経路の一端(ソース/ドレイン領域)となる。リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、制御素子形成領域AA内に設けられた不純物半導体層(不純物半導体領域)である。   The floating diffusion 6 substantially becomes one end (source / drain region) of the current path of the reset transistor 3. The other end of the current path of the reset transistor 3 is an impurity semiconductor layer (impurity semiconductor region) provided in the control element formation region AA.

アドレストランジスタ4は、制御素子形成領域AAの長手方向において、フローティングディフュージョンが設けられている側(一端)とは反対側の端部に、配置されている。   The address transistor 4 is disposed at the end opposite to the side (one end) where the floating diffusion is provided in the longitudinal direction of the control element formation area AA.

アドレストランジスタ4のゲート電極40は、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。アドレストランジスタ4の電流経路の一端及び他端(ソース/ドレイン領域)は、制御素子形成領域AA内に設けられた不純物半導体層から形成される。アドレストランジスタ4の電流経路の他端としての不純物半導体層は、制御素子形成領域AAの延在方向の端部(フローティングディフュージョン6が設けられた側と反対側)に設けられている。アドレストランジスタ4の電流経路の他端としての不純物半導体層は、他のトランジスタと共有されない。アドレストランジスタ4の他のトランジスタと共有されない不純物半導体層上に、例えば、コンタクトプラグ(図示せず)が設けられている。   The gate electrode 40 of the address transistor 4 is provided on the control element formation region AA via a gate insulating film. One end and the other end (source / drain region) of the current path of the address transistor 4 are formed from an impurity semiconductor layer provided in the control element formation region AA. The impurity semiconductor layer as the other end of the current path of the address transistor 4 is provided at the end of the control element formation region AA in the extending direction (the side opposite to the side where the floating diffusion 6 is provided). The impurity semiconductor layer as the other end of the current path of the address transistor 4 is not shared with other transistors. For example, a contact plug (not shown) is provided on the impurity semiconductor layer that is not shared with other transistors of the address transistor 4.

アンプトランジスタ5は、制御素子形成領域AA内において、リセットトランジスタ3とアドレストランジスタ4との間に、レイアウトされている。   The amplifier transistor 5 is laid out between the reset transistor 3 and the address transistor 4 in the control element formation area AA.

リセットトランジスタ3のゲート電極30とアドレストランジスタ4のゲート電極40との間において、アンプトランジスタ5のゲート電極50が、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。   Between the gate electrode 30 of the reset transistor 3 and the gate electrode 40 of the address transistor 4, the gate electrode 50 of the amplifier transistor 5 is provided on the control element formation region AA via a gate insulating film.

アンプトランジスタ5の電流経路の一端としての不純物半導体層は、リセットトランジスタ3の電流経路の他端としての不純物半導体層と、共有されている。アンプトランジスタ5の電流経路の他端としての不純物半導体層は、アドレストランジスタ4の電流経路の一端としての不純物半導体層と、共有される。   The impurity semiconductor layer as one end of the current path of the amplifier transistor 5 is shared with the impurity semiconductor layer as the other end of the current path of the reset transistor 3. The impurity semiconductor layer as the other end of the current path of the amplifier transistor 5 is shared with the impurity semiconductor layer as one end of the current path of the address transistor 4.

アンプトランジスタ5のゲート電極50は、配線(図示せず)及びプラグ(図示せず)を介して、フローティングディフュージョン6に接続されている。   The gate electrode 50 of the amplifier transistor 5 is connected to the floating diffusion 6 via a wiring (not shown) and a plug (not shown).

このように、制御素子としての各トランジスタ2,3,4,5は、隣接するトランジスタ間でソース/ドレイン(電流経路の一端及び他端)としての不純物半導体層を共有する。これによって、単位セル形成領域UCの占有面積が縮小され、単位セルUCの微細化が図られる。   As described above, the transistors 2, 3, 4, and 5 as the control elements share the impurity semiconductor layer as the source / drain (one end and the other end of the current path) between adjacent transistors. As a result, the area occupied by the unit cell formation region UC is reduced, and the unit cell UC is miniaturized.

尚、リセットトランジスタ3と同様に、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向(長手方向)に、対応する。リセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のチャネル幅方向は、制御素子形成領域AAの幅方向に対応する。トランジスタのチャネル幅方向において、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のゲート電極40,50の一端及び他端は、素子分離領域上に配置されている。   Similar to the reset transistor 3, the channel length direction of the address transistor 4 and the amplifier transistor 5 corresponds to the extending direction (longitudinal direction) of the control element formation region AA. The channel width direction of the reset transistor 3, the address transistor 4 and the amplifier transistor 5 corresponds to the width direction of the control element formation region AA. In the channel width direction of the transistor, one end and the other end of the gate electrodes 40 and 50 of the address transistor 4 and the amplifier transistor 5 are arranged on the element isolation region.

(b) フォトダイオードの構造
図5を用いて、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造について、詳細に説明する。
図5は、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造を示す断面図である。図5は、図4のV−V線に沿う断面を示している。図5において、単位セル20の構成要素として、図示の明確化のために、フォトダイオード1、トランスファゲート2及びフローティングディフュージョン(FD)6のみを図示している。また、図5において、層間絶縁膜の図示を省略する。
(B) Photodiode structure
The structure of the photodiode 1 included in the image sensor of this embodiment will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the photodiode 1 included in the image sensor of this embodiment. FIG. 5 shows a cross section taken along line VV in FIG. In FIG. 5, only the photodiode 1, the transfer gate 2, and the floating diffusion (FD) 6 are shown as components of the unit cell 20 for clarity of illustration. Further, in FIG. 5, the illustration of the interlayer insulating film is omitted.

図5に示されるように、フォトダイオード1、トランスファゲート2及びフローティングディフュージョン6は、素子分離領域9に囲まれた素子形成領域(アクティブ領域)内に設けられている。   As shown in FIG. 5, the photodiode 1, the transfer gate 2, and the floating diffusion 6 are provided in an element formation region (active region) surrounded by the element isolation region 9.

1つのフォトダイオード1は、少なくとも1つの不純物半導体層10,11を含んでいる。少なくとも1つの不純物半導体層10,11は、電荷蓄積部として機能する。   One photodiode 1 includes at least one impurity semiconductor layer 10 or 11. At least one of the impurity semiconductor layers 10 and 11 functions as a charge storage unit.

フローティングディフュージョン6は、トランスファゲート2を挟んでフォトダイオード1に対向するように、半導体基板150内に設けられている。フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6とは、トランスファゲート2のチャネル長方向に配列している。フローティングディフュージョン6は、半導体基板150内に形成されたn型の不純物半導体層(不純物半導体領域)である。   The floating diffusion 6 is provided in the semiconductor substrate 150 so as to face the photodiode 1 with the transfer gate 2 interposed therebetween. The photodiode 1 and the floating diffusion 6 are arranged in the channel length direction of the transfer gate 2. The floating diffusion 6 is an n-type impurity semiconductor layer (impurity semiconductor region) formed in the semiconductor substrate 150.

トランスファゲート2は、フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6とに隣接するように、半導体基板150上に配置されている。
トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜22を介して、半導体基板150上に設けられている。フォトダイオード1の不純物半導体層10,11及びフローティングディフュージョン60のn型不純物半導体層60間の半導体領域が、トランスファゲート2のソース領域及びドレイン領域間のチャネル領域となる。
The transfer gate 2 is disposed on the semiconductor substrate 150 so as to be adjacent to the photodiode 1 and the floating diffusion 6.
The gate electrode 21 of the transfer gate 2 is provided on the semiconductor substrate 150 via the gate insulating film 22. A semiconductor region between the impurity semiconductor layers 10 and 11 of the photodiode 1 and the n-type impurity semiconductor layer 60 of the floating diffusion 60 becomes a channel region between the source region and the drain region of the transfer gate 2.

本実施形態において、フォトダイオード1は、半導体基板150内に形成された溝RX内に埋め込まれた構造を有する。本実施形態のように、半導体基板150内の溝に埋め込まれた構造のフォトダイオードのことを、以下では、埋め込み型フォトダイオードとよぶ。   In the present embodiment, the photodiode 1 has a structure embedded in a trench RX formed in the semiconductor substrate 150. A photodiode having a structure embedded in a groove in the semiconductor substrate 150 as in the present embodiment is hereinafter referred to as an embedded photodiode.

本実施形態において、埋め込み型フォトダイオード1は、半導体基板(例えば、p型Si基板)150のフォトダイオード形成領域PA内の溝RX内に設けられている。尚、フォトダイオード1が形成される半導体基板150は、SOI(Silicon On Insulator)基板の半導体層(例えば、p型シリコン層)でもよい。   In the present embodiment, the embedded photodiode 1 is provided in the trench RX in the photodiode formation region PA of the semiconductor substrate (for example, a p-type Si substrate) 150. The semiconductor substrate 150 on which the photodiode 1 is formed may be a semiconductor layer (for example, a p-type silicon layer) of an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

フォトダイオード形成領域PA内の溝RX内に、第1の半導体層10が、埋め込まれている。第1の半導体層10は、例えば、シリコン層(以下では、Si層と表記する)である。溝RX内において、Si層10の上部上に、第2の半導体層11が設けられている。第2の半導体層11は、第1の半導体層10と同様に、例えば、Si層である。以下では、説明の明確化のために、溝の底部側(半導体基板150の裏面側)のSi層10のことを、下部Si層10とよび、下部Si層10の上面上に積層された溝RXの開口部側(半導体基板150の表面側)のSi層11のことを、上部Si層11とよぶ。   The first semiconductor layer 10 is embedded in the trench RX in the photodiode formation region PA. The first semiconductor layer 10 is, for example, a silicon layer (hereinafter referred to as a Si layer). In the trench RX, the second semiconductor layer 11 is provided on the top of the Si layer 10. Similar to the first semiconductor layer 10, the second semiconductor layer 11 is, for example, a Si layer. Hereinafter, for clarity of explanation, the Si layer 10 on the bottom side of the groove (the back side of the semiconductor substrate 150) is referred to as a lower Si layer 10 and is a groove laminated on the upper surface of the lower Si layer 10. The Si layer 11 on the RX opening side (the surface side of the semiconductor substrate 150) is referred to as the upper Si layer 11.

下部Si層10及び上部Si層11は、例えば、多結晶Si層又はエピタキシャルSi層である。下部Si層10と上部Si層11とは、連続した(界面が不鮮明な)1つのSi層でもよいし、非連続な(界面が鮮明な)2つのSi層でもよい。   The lower Si layer 10 and the upper Si layer 11 are, for example, a polycrystalline Si layer or an epitaxial Si layer. The lower Si layer 10 and the upper Si layer 11 may be one Si layer that is continuous (the interface is unclear) or two Si layers that are discontinuous (the interface is clear).

溝RXに埋め込まれた下部Si層10は、例えば、n型のSi層10である。下部Si層10は、例えば、n型ドーパントとして、リン(P)又はヒ素(As)を含んでいる。例えば、フォトダイオード1におけるn型の下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度は、フローティングディフュージョン6としてのn型不純物半導体層60の不純物濃度より低い。例えば、下部Si層10は、1×1016cm−3から5×1016cm−3程度の範囲の不純物濃度のn型ドーパントを含む。 The lower Si layer 10 embedded in the trench RX is, for example, an n-type Si layer 10. The lower Si layer 10 includes, for example, phosphorus (P) or arsenic (As) as an n-type dopant. For example, the impurity concentration of the n-type dopant of the n-type lower Si layer 10 in the photodiode 1 is lower than the impurity concentration of the n-type impurity semiconductor layer 60 as the floating diffusion 6. For example, the lower Si layer 10 includes an n-type dopant having an impurity concentration in the range of about 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 16 cm −3 .

Si基板150の表面に対して垂直方向において、下部Si層10の底部(溝の底部)の位置ZXは、フローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60の底部の位置よりも、Si基板150の裏面側に設定されている。Si基板150の表面に対して垂直方向において、下部Si層10の底部(溝の底部)の位置ZXは、素子分離層90の底部の位置よりも、Si基板150の表面側に設定されている。   In the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 150, the position ZX of the bottom (bottom of the groove) of the lower Si layer 10 is on the back side of the Si substrate 150 relative to the position of the bottom of the impurity semiconductor layer 60 as the floating diffusion 6. Is set to In the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 150, the position ZX of the bottom (bottom of the groove) of the lower Si layer 10 is set closer to the surface of the Si substrate 150 than the position of the bottom of the element isolation layer 90. .

フォトダイオード形成領域PA内において、ドーパントを含む下部Si層10が埋め込まれる溝RXは、Si基板150の深い領域に達するように、形成されている。これに伴って、Si層10が、Si基板150の深い領域内に設けられる。例えば、溝RXは、2μmから4μm程度の深さ(Si基板150表面に対して垂直方向の寸法)を有するように、形成される。   In the photodiode formation region PA, the trench RX in which the lower Si layer 10 containing the dopant is embedded is formed so as to reach a deep region of the Si substrate 150. Along with this, the Si layer 10 is provided in a deep region of the Si substrate 150. For example, the trench RX is formed to have a depth of about 2 μm to 4 μm (dimension in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 150).

尚、図5において、フォトダイオード1の下部Si層10内に、フォトダイオード131の特性(例えば、感度)を向上させるために、Si基板150の深さ方向において不純物濃度の異なる複数のn型及びp型不純物領域が、設けられてもよい。   In FIG. 5, in order to improve the characteristics (for example, sensitivity) of the photodiode 131 in the lower Si layer 10 of the photodiode 1, a plurality of n-types having different impurity concentrations in the depth direction of the Si substrate 150 and A p-type impurity region may be provided.

上部Si層11の上面は、溝RXの開口部から露出する。例えば、上部Si層11の上面の位置は、半導体基板150の表面の位置と一致する。上部Si層11は、その堆積時において、n型又はp型のドーパントをほとんど含まないアンドープSi層(真性Si層)として、形成される。そして、フォトダイオード1に要求される特性に応じて、n型又はp型のドーパントが、真性(intrinsic)のSi層(以下では、i型Si層とも表記する)11内に添加される。その結果として、上部Si層11は、少なくとも1つの不純物半導体領域を含む。   The upper surface of the upper Si layer 11 is exposed from the opening of the trench RX. For example, the position of the upper surface of the upper Si layer 11 matches the position of the surface of the semiconductor substrate 150. The upper Si layer 11 is formed as an undoped Si layer (intrinsic Si layer) containing almost no n-type or p-type dopant at the time of deposition. An n-type or p-type dopant is added into an intrinsic Si layer (hereinafter also referred to as an i-type Si layer) 11 in accordance with characteristics required for the photodiode 1. As a result, the upper Si layer 11 includes at least one impurity semiconductor region.

例えば、Si基板150の表面側の上部Si層11内に、p型ドーパントを含む不純物半導体領域(以下では、p型Si領域と表記する)111が、設けられる。p型Si領域111は、例えば、Si基板150表面上の層間絶縁膜からの不純物(例えば、炭素)が、フォトダイオード1のn型Si層10内に拡散するのを抑制する表面シールド層として機能する。或いは、p型Si領域111は、例えば、その領域111と下方のn型の不純物半導体層10との間で、光電変換のためのpn接合を形成する。   For example, an impurity semiconductor region (hereinafter, referred to as a p-type Si region) 111 containing a p-type dopant is provided in the upper Si layer 11 on the surface side of the Si substrate 150. The p-type Si region 111 functions as, for example, a surface shield layer that suppresses diffusion (for example, carbon) from an interlayer insulating film on the surface of the Si substrate 150 into the n-type Si layer 10 of the photodiode 1. To do. Alternatively, the p-type Si region 111 forms, for example, a pn junction for photoelectric conversion between the region 111 and the lower n-type impurity semiconductor layer 10.

下部Si層10とSi基板150との界面近傍において、不純物半導体領域151が、Si基板150内に設けられている。不純物半導体領域151は、溝RXの形状(溝RXの側壁部及び底部)に沿って下部Si層10の周囲を取り囲んでいる。Si基板150内に設けられた不純物半導体領域12は、例えば、n型の導電型である。下部Si層10と上部Si層11との界面近傍において、不純物半導体領域113が上部Si層11内に、設けられている。例えば、下部Si層10側に設けられた上部Si層11内の不純物半導体領域113は、n型の導電型である。例えば、下部Si層10の全面が、Si基板150内及び上部Si層11内のn型不純物半導体領域(以下では、n型Si領域ともよぶ)151,113に、囲まれている。   An impurity semiconductor region 151 is provided in the Si substrate 150 in the vicinity of the interface between the lower Si layer 10 and the Si substrate 150. The impurity semiconductor region 151 surrounds the lower Si layer 10 along the shape of the trench RX (the side walls and the bottom of the trench RX). The impurity semiconductor region 12 provided in the Si substrate 150 is, for example, n-type conductivity type. An impurity semiconductor region 113 is provided in the upper Si layer 11 in the vicinity of the interface between the lower Si layer 10 and the upper Si layer 11. For example, the impurity semiconductor region 113 in the upper Si layer 11 provided on the lower Si layer 10 side has an n-type conductivity type. For example, the entire surface of the lower Si layer 10 is surrounded by n-type impurity semiconductor regions (hereinafter also referred to as n-type Si regions) 151 and 113 in the Si substrate 150 and the upper Si layer 11.

溝RXの形成時において、溝RX内のSi基板150の露出面におけて、Si基板150の露出面内に結晶欠陥(ダメージ)が生じる場合がある。n型の不純物半導体領域151が、溝RXの形状に沿ってSi基板150内に形成されることによって、Si基板150の結晶欠陥に起因したn型Si層10とSi基板150との界面で生じるリーク(例えば、ジャンクションリーク)を、低減できる。   When the trench RX is formed, crystal defects (damage) may occur in the exposed surface of the Si substrate 150 in the exposed surface of the Si substrate 150 in the trench RX. The n-type impurity semiconductor region 151 is formed in the Si substrate 150 along the shape of the trench RX, and thus is generated at the interface between the n-type Si layer 10 and the Si substrate 150 due to crystal defects in the Si substrate 150. Leakage (for example, junction leak) can be reduced.

n型不純物半導体領域151,113は、下部Si層10が含む不純物(例えば、リン)が、Si基板150内及び上部Si層11内に拡散することによって、形成される。   The n-type impurity semiconductor regions 151 and 113 are formed by diffusing impurities (for example, phosphorus) included in the lower Si layer 10 into the Si substrate 150 and the upper Si layer 11.

不純物半導体領域151,113内におけるn型ドーパントの不純物濃度は、下部Si層10内におけるn型ドーパントの不純物濃度より低い。   The impurity concentration of the n-type dopant in the impurity semiconductor regions 151 and 113 is lower than the impurity concentration of the n-type dopant in the lower Si layer 10.

以下では、説明の明確化のため、n型の下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度を基準に、下部Si層を、n型Si層10と表記し、n型Si層10よりもn型ドーパントの不純物濃度が低いn型の不純物半導体領域113,151を、n型Si領域113,151と表記し、n型Si層10よりもn型ドーパントの不純物濃度が高いn型の不純物半導体領域を、n型Si領域と表記する場合がある。 In the following, for the sake of clarification, the lower Si layer is referred to as an n-type Si layer 10 based on the impurity concentration of the n-type dopant in the n-type lower Si layer 10 and is more n than the n-type Si layer 10. The n-type impurity semiconductor regions 113 and 151 in which the impurity concentration of the n-type dopant is low are referred to as n -type Si regions 113 and 151, and the n-type impurity semiconductor in which the n-type dopant has a higher impurity concentration than the n-type Si layer 10. The region may be referred to as an n + type Si region.

例えば、Si基板150の表面に対して水平方向において、Si基板150の裏面側における溝RXの寸法D2は、Si基板150の表面側における溝RXの寸法(溝RXの開口部の寸法)D1と実質的に同じ大きさを有している。埋め込み型フォトダイオード1の寸法は溝RXの寸法に依存し、Si基板150の表面に対して水平方向におけるフォトダイオード1の下部(溝RXの底部側)の寸法D1は、Si基板150の表面に対して水平方向におけるフォトダイオード1の上部(溝RXの開口部側)の寸法D2と実質的に同じになっている。   For example, the dimension D2 of the groove RX on the back surface side of the Si substrate 150 in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150 is the dimension of the groove RX (dimension of the opening of the groove RX) D1 on the surface side of the Si substrate 150. They have substantially the same size. The dimension of the embedded photodiode 1 depends on the dimension of the trench RX, and the dimension D1 of the lower portion (bottom side of the trench RX) of the photodiode 1 in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150 is on the surface of the Si substrate 150. On the other hand, it is substantially the same as the dimension D2 of the upper part (opening side of the groove RX) of the photodiode 1 in the horizontal direction.

このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、フォトダイオード1は、不純物を含む半導体層(Si層)10,12が、半導体基板150内の溝RX内に埋め込まれた構造を有している。   Thus, in the image sensor of this embodiment, the photodiode 1 has a structure in which the semiconductor layers (Si layers) 10 and 12 containing impurities are embedded in the trench RX in the semiconductor substrate 150.

イメージセンサにおいて、単位セル内の画素としてフォトダイオードの微細化が進む(面積の縮小)につれて、フォトダイオードのアスペクト比が大きくなる傾向がある。フォトダイオードの微細化の結果として、フォトダイオードが含む不純物半導体領域は、相対的に半導体基板(Si基板)内におけるより深い領域(半導体基板の裏面側の領域)内に形成される。   In an image sensor, the aspect ratio of the photodiode tends to increase as the photodiode becomes finer as the pixel in the unit cell (area reduction). As a result of the miniaturization of the photodiode, the impurity semiconductor region included in the photodiode is formed in a relatively deeper region (region on the back side of the semiconductor substrate) in the semiconductor substrate (Si substrate).

半導体基板の深い領域内に、イオン注入を用いて、不純物半導体領域が形成される場合、大きいイオン加速度を用いて、ドーパントとなるイオンが半導体基板内に注入される。注入されたイオン(原子)は、半導体基板150の構成原子と衝突し、その原子間の衝突に起因して、注入されたイオンが、半導体基板150内で散乱する。イオン注入に用いられるイオン加速度が大きくなるにしたがって、イオン(ドーパント)の散乱は大きくなる。   In the case where an impurity semiconductor region is formed using ion implantation in a deep region of a semiconductor substrate, ions serving as a dopant are implanted into the semiconductor substrate using a large ion acceleration. The implanted ions (atoms) collide with constituent atoms of the semiconductor substrate 150, and the implanted ions are scattered in the semiconductor substrate 150 due to the collision between the atoms. As ion acceleration used for ion implantation increases, ion (dopant) scattering increases.

このため、半導体基板の表面に対して水平方向におけるイオンの散乱に起因して、半導体基板表面に対して水平方向において、イオン注入を用いて半導体基板の裏面(深い領域)側に形成された不純物半導体領域の寸法は、半導体基板の表面側に形成される不純物半導体領域の寸法より、大きくなる傾向がある。   Therefore, impurities formed on the back surface (deep region) side of the semiconductor substrate using ion implantation in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate due to ion scattering in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate. The size of the semiconductor region tends to be larger than the size of the impurity semiconductor region formed on the surface side of the semiconductor substrate.

半導体基板の裏面側において、半導体基板表面に対して水平方向における不純物半導体領域の寸法が大きくなると、隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触が生じる可能性がある。また、散乱したドーパントが素子分離層としての不純物半導体層内に混入した場合、素子分離の不良が生じる可能性がある。この結果として、素子(画素及び単位セル)の動作不良、或いは、形成される画像の混色が生じる恐れがある。   When the dimension of the impurity semiconductor region in the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate surface is increased on the back surface side of the semiconductor substrate, leakage or contact between adjacent photodiodes may occur. Further, when the scattered dopant is mixed in the impurity semiconductor layer as the element isolation layer, there is a possibility that an element isolation defect occurs. As a result, there is a risk of malfunction of the elements (pixels and unit cells) or color mixture of the formed image.

隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触を防止するために、フォトダイオード間の間隔(素子分離領域の面積)を大きくすると、フォトダイオードを含む単位セルの面積が大きくなる。   In order to prevent leakage or contact between adjacent photodiodes, the area of the unit cell including the photodiodes increases when the interval between the photodiodes (area of the element isolation region) is increased.

イオン(ドーパント)の散乱に起因した素子特性の劣化や素子面積の増大を抑制するために、半導体基板150の深い領域内にフォトダイオードの構成要素としての不純物半導体領域が形成されない場合、被写体からの光が光電変換されるまでの光路において光のエネルギーの損失が大きくなり、フォトダイオードの光電変換によって得られる電荷(電圧又は電流)が少なくなる。その結果として、画素及び単位セルが出力する信号が小さくなり、被写体からの光に基づいて形成される画像(色及び明るさなど)の再現性が、悪くなる。それゆえ、半導体基板の深い領域に不純物半導体層が形成されない場合において、形成される画像の画質が劣化する可能性がある。   In order to suppress deterioration of device characteristics and increase in device area due to ion (dopant) scattering, when an impurity semiconductor region as a constituent element of a photodiode is not formed in a deep region of the semiconductor substrate 150, The loss of light energy increases in the optical path until the light is photoelectrically converted, and the charge (voltage or current) obtained by photoelectric conversion of the photodiode is reduced. As a result, the signal output from the pixel and the unit cell becomes small, and the reproducibility of an image (color, brightness, etc.) formed based on the light from the subject is deteriorated. Therefore, when the impurity semiconductor layer is not formed in a deep region of the semiconductor substrate, the image quality of the formed image may be deteriorated.

本実施形態のイメージセンサのように、半導体基板150の溝RX内に、不純物半導体層10が埋め込まれる構造のフォトダイオード1において、例えば、後述の製造方法のように、溝RX内において半導体基板150の裏面側に設けられる不純物半導体層10が含むドーパント(例えば、リン)は、不純物半導体層10の堆積中に、その半導体層10内に添加される。つまり、本実施形態のイメージセンサにおいて、半導体基板150の深い領域のドーパントを含む半導体層10は、半導体基板150の溝RX内に埋め込まれ、イオン注入を用いずに、半導体基板150内に形成される。   In the photodiode 1 having a structure in which the impurity semiconductor layer 10 is embedded in the trench RX of the semiconductor substrate 150 as in the image sensor of the present embodiment, for example, the semiconductor substrate 150 in the trench RX as in the manufacturing method described later. A dopant (for example, phosphorus) included in the impurity semiconductor layer 10 provided on the back side of the semiconductor layer 10 is added to the semiconductor layer 10 during the deposition of the impurity semiconductor layer 10. That is, in the image sensor according to the present embodiment, the semiconductor layer 10 containing the dopant in the deep region of the semiconductor substrate 150 is embedded in the trench RX of the semiconductor substrate 150 and is formed in the semiconductor substrate 150 without using ion implantation. The

それゆえ、本実施形態のイメージセンサ100が含むフォトダイオードは、イオン注入によるイオン(ドーパント)の散乱に起因したフォトダイオードの特性の劣化及びイメージセンサの動作不良が生じない。したがって、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードは、素子特性の劣化及び素子の不良を抑制できる。   Therefore, the photodiode included in the image sensor 100 of the present embodiment does not cause deterioration in characteristics of the photodiode and malfunction of the image sensor due to ion (dopant) scattering caused by ion implantation. Therefore, the photodiode included in the image sensor according to the present embodiment can suppress degradation of element characteristics and element defects.

また、本実施形態において、フォトダイオード1のサイズは、半導体基板150内に形成される溝RXの大きさに、依存する。それゆえ、本実施形態のイメージセンサ100は、イオン注入を用いて不純物半導体層が形成される場合とは異なって、イオンの散乱を考慮して、フォトダイオード間の間隔を大きくせずともよい。したがって、本実施形態のイメージセンサに用いられるフォトダイオード1は、フォトダイオードのサイズ(占有面積)及び単位セルのサイズを縮小できる。   In the present embodiment, the size of the photodiode 1 depends on the size of the trench RX formed in the semiconductor substrate 150. Therefore, unlike the case where the impurity semiconductor layer is formed by ion implantation, the image sensor 100 according to the present embodiment does not need to increase the interval between the photodiodes in consideration of ion scattering. Therefore, the photodiode 1 used in the image sensor of this embodiment can reduce the size (occupied area) of the photodiode and the size of the unit cell.

以上のように、本実施形態のように、フォトダイオード1の不純物を含む半導体層10を、半導体基板150内に形成された溝RX内に埋め込むことによって、イオン注入を用いたフォトダイオードの形成に起因した素子の特性の劣化(不良)又は単位セルの面積の増加が生じること無しに、フォトダイオードを、形成できる。   As described above, the semiconductor layer 10 containing the impurity of the photodiode 1 is embedded in the trench RX formed in the semiconductor substrate 150 to form a photodiode using ion implantation as in the present embodiment. A photodiode can be formed without causing deterioration (defects) in device characteristics or an increase in unit cell area.

したがって、第1の実施形態の固体撮像装置によれば、フォトダイオードのサイズを小さくでき、フォトダイオードの素子特性の劣化又は不良を抑制できる。   Therefore, according to the solid-state imaging device of the first embodiment, the size of the photodiode can be reduced, and deterioration or failure of the element characteristics of the photodiode can be suppressed.

(c) 製造方法
図6乃至8を参照して、第1の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)の製造方法について、説明する。
(C) Manufacturing method
A manufacturing method of the solid-state imaging device (for example, an image sensor) of the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図6乃至図8は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の一工程を示す断面図である。図6乃至図8には、図4のV−V線に沿う断面における各工程が示されている。ここでは、図2、図4及び図5も適宜用いて、本実施形態のイメージセンサの製造方法について、説明する。   6 to 8 are cross-sectional views illustrating one process of the method of manufacturing the image sensor according to the present embodiment. 6 to 8 show each step in a cross section taken along the line V-V in FIG. 4. Here, the manufacturing method of the image sensor of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 4 and 5 as appropriate.

図6に示されるように、半導体基板150の素子分離領域内に、素子分離層90が形成される。素子分離層90は、イオン注入によって形成された不純物半導体層(素子分離不純物層)でもよいし、半導体基板150内のSTI溝内に埋め込まれた絶縁体(素子分離絶縁層)でもよい。   As shown in FIG. 6, the element isolation layer 90 is formed in the element isolation region of the semiconductor substrate 150. The element isolation layer 90 may be an impurity semiconductor layer (element isolation impurity layer) formed by ion implantation, or may be an insulator (element isolation insulating layer) embedded in an STI trench in the semiconductor substrate 150.

半導体基板(例えば、p型Si単結晶基板、又は、SOI基板のp型Si層)の表面に、マスク材(例えば、レジスト)が形成される。マスク材は、フォトリソグラフィ技術によって、パターニングが施される。このパターニングによって、フォトダイオードが形成される領域(フォトダイオード形成領域)PAにおいて、Si基板150の表面が露出するように、開口部がマスク材内に形成される。これによって、所定のパターンを有するマスク層200が、Si基板150上に形成される。   A mask material (for example, a resist) is formed on the surface of a semiconductor substrate (for example, a p-type Si single crystal substrate or a p-type Si layer of an SOI substrate). The mask material is patterned by a photolithography technique. By this patterning, an opening is formed in the mask material so that the surface of the Si substrate 150 is exposed in a region (photodiode formation region) PA where the photodiode is formed. As a result, a mask layer 200 having a predetermined pattern is formed on the Si substrate 150.

開口部を有するマスク層200をマスクに用いて、Si基板150が、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法によって、エッチングされる。これによって、Si基板150の深い領域まで達する溝RXが、Si基板150のフォトダイオード形成領域110内に、形成される。例えば、溝RXは、2μmから4μm程度の深さ(Si基板150表面に対して垂直方向の寸法)を有するように、形成される。   Using the mask layer 200 having the opening as a mask, the Si substrate 150 is etched by, for example, RIE (Reactive Ion Etching). As a result, a trench RX reaching a deep region of the Si substrate 150 is formed in the photodiode formation region 110 of the Si substrate 150. For example, the trench RX is formed to have a depth of about 2 μm to 4 μm (dimension in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 150).

溝RXは、素子分離絶縁層を埋め込むためのSTI溝(図示せず)と、同時の工程で、形成されてもよい。   The trench RX may be formed in the same process as the STI trench (not shown) for embedding the element isolation insulating layer.

図7に示されるように、マスク層が除去された後、半導体層(ここでは、Si層)19が、Si基板150上に、堆積される。Si層19は、例えば、600℃から700℃程度の堆積温度のCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、形成される。形成されるSi層19は、多結晶Si層でもよいし、エピタキシャルSi層でもよい。   As shown in FIG. 7, after the mask layer is removed, a semiconductor layer (here, Si layer) 19 is deposited on the Si substrate 150. The Si layer 19 is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method at a deposition temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. The formed Si layer 19 may be a polycrystalline Si layer or an epitaxial Si layer.

堆積されたSi層19は、溝RX内に充填される。Si層19のうち溝RXの底部側の下部Si層10は、例えば、n型ドーパントとしてのリンを含むガス雰囲気中で形成され、Si基板150内の溝RX内に埋め込まれる。すなわち、Si層10の堆積中に、シリコンに対するn型ドーパントが、in−situで、Si層10内にドーピングされる。   The deposited Si layer 19 is filled in the trench RX. The lower Si layer 10 on the bottom side of the trench RX in the Si layer 19 is formed, for example, in a gas atmosphere containing phosphorus as an n-type dopant, and is embedded in the trench RX in the Si substrate 150. That is, during the deposition of the Si layer 10, n-type dopants for silicon are doped into the Si layer 10 in-situ.

このように、Si層10をSi基板150の溝RX内に充填しながらドーパントをSi層10内に添加することによって、イオン注入を用いずに、n型のSi層10をSi基板150の深い領域内に形成できる。この場合、イオン注入のようなイオン(ドーパント)とSi原子との衝突に起因するドーパントの散乱は生じないため、ドーパントの散乱に起因したSi層10の寸法の意図しない拡大が生じることなく、n型の下部Si層10の大きさは、Si基板150内に形成された溝の大きさに依存する。   In this way, by adding the dopant into the Si layer 10 while filling the Si layer 10 in the trench RX of the Si substrate 150, the n-type Si layer 10 can be formed deep in the Si substrate 150 without using ion implantation. It can be formed in the region. In this case, since the scattering of the dopant due to the collision between the ion (dopant) and the Si atom, such as ion implantation, does not occur, the size of the Si layer 10 due to the scattering of the dopant does not increase unintentionally. The size of the lower Si layer 10 of the mold depends on the size of the groove formed in the Si substrate 150.

例えば、Si層10の堆積中におけるn型ドーパントの供給量が調整されることによって、下部Si層10内にドーピングされるn型ドーパントの不純物濃度は、1×1016cm−3から5×1016cm−3程度の範囲に設定される。 For example, the impurity concentration of the n-type dopant doped in the lower Si layer 10 is adjusted from 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 10 by adjusting the supply amount of the n-type dopant during the deposition of the Si layer 10. The range is set to about 16 cm −3 .

下部Si層10の上面上に、Si層19の一部としてのアンドープの上部Si層(i型Si層)11Aが、形成される。例えば、アンドープSi層11Aは、リンの供給を停止してSi層の堆積を継続することによって、n型Si層10に連続して形成される。尚、上部Si層11Aが、溝RX内の下部Si層10上面上に積層されていれば、ドーパントを含む下部Si層10の形成及びドーパントを含まない上部Si層11Aの形成は、連続していなくともよい。   On the upper surface of the lower Si layer 10, an undoped upper Si layer (i-type Si layer) 11A as a part of the Si layer 19 is formed. For example, the undoped Si layer 11A is continuously formed on the n-type Si layer 10 by stopping the supply of phosphorus and continuing the deposition of the Si layer. If the upper Si layer 11A is laminated on the upper surface of the lower Si layer 10 in the trench RX, the formation of the lower Si layer 10 including the dopant and the formation of the upper Si layer 11A not including the dopant are continuous. Not necessary.

図8に示されるように、例えば、エッチバック又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって、上部Si層11の上面の位置(高さ)がSi基板の表面と一致するように、上部Si層11が加工される。Si基板150に対して加熱処理が施され、下部Si層10中のn型ドーパントndが、熱拡散する。Si層10が含むドーパントndをSi層10内からSi基板150内に拡散させるための加熱処理の温度は、例えば、600℃〜700℃に設定される。   As shown in FIG. 8, the upper Si layer 11 is processed by, for example, etch back or CMP (Chemical Mechanical Polishing) so that the position (height) of the upper surface of the upper Si layer 11 matches the surface of the Si substrate. Is done. The Si substrate 150 is subjected to heat treatment, and the n-type dopant nd in the lower Si layer 10 is thermally diffused. The temperature of the heat treatment for diffusing the dopant nd included in the Si layer 10 from the Si layer 10 into the Si substrate 150 is set to 600 ° C. to 700 ° C., for example.

この加熱処理によって、下部Si層10中のn型ドーパント(例えば、リン)ndが、下部Si層10とSi基板150との境界(界面)、及び、下部Si層10と上部Si層11との境界をまたいで、Si基板150内及び上部Si層11内に、それぞれ拡散する。これによって、溝RX及び下部Si層10の形状に沿って、n型の不純物半導体領域(n型Si領域)151が、Si基板150内に形成される。また、n型の不純物半導体領域(n型Si領域)113が、下部Si層10と上部Si層との境界に沿って、上部Si層11内に形成される。   By this heat treatment, the n-type dopant (for example, phosphorus) nd in the lower Si layer 10 becomes a boundary (interface) between the lower Si layer 10 and the Si substrate 150 and between the lower Si layer 10 and the upper Si layer 11. It diffuses in the Si substrate 150 and the upper Si layer 11 across the boundary. As a result, an n-type impurity semiconductor region (n-type Si region) 151 is formed in the Si substrate 150 along the shape of the trench RX and the lower Si layer 10. An n-type impurity semiconductor region (n-type Si region) 113 is formed in the upper Si layer 11 along the boundary between the lower Si layer 10 and the upper Si layer.

熱拡散によって形成されたn型Si領域113,151が含むn型ドーパントの不純物濃度は、下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度より低い。   The impurity concentration of the n-type dopant included in the n-type Si regions 113 and 151 formed by thermal diffusion is lower than the impurity concentration of the n-type dopant in the lower Si layer 10.

低濃度のn型Si領域113,151は、n型の下部Si層10の周囲を取り囲むように、Si基板150内及び上部Si層11内に、形成される。 The low concentration n type Si regions 113 and 151 are formed in the Si substrate 150 and the upper Si layer 11 so as to surround the periphery of the n type lower Si layer 10.

例えば、溝RXを形成するためのエッチングによって、溝RXの内側面に沿ったSi基板150の露出面がダメージを受け、溝RX内のSi基板150の露出面において結晶欠陥が生じる場合がある。この溝RXの形成によって発生したSi基板150の結晶欠陥に起因して、Si基板150と溝RX内に埋め込まれた下部Si層10と間に、ジャンクションリークが生じ、フォトダイオードの動作特性が劣化する可能性がある。   For example, the exposed surface of the Si substrate 150 along the inner surface of the groove RX may be damaged by etching for forming the groove RX, and crystal defects may be generated on the exposed surface of the Si substrate 150 in the groove RX. Due to crystal defects in the Si substrate 150 generated by the formation of the trench RX, a junction leak occurs between the Si substrate 150 and the lower Si layer 10 embedded in the trench RX, and the operating characteristics of the photodiode deteriorate. there's a possibility that.

本実施形態のように、下部Si層10が含むn型ドーパントndの熱拡散によって、下部Si層10とSi基板150との界面に沿って、低濃度のn型Si領域151が形成される結果として、Si層10とSi基板150との界面における結晶欠陥の悪影響が緩和され、下部Si層10とSi基板150との間のジャンクションリークが抑制される。また、下部Si層10と上部Si層11との境界に関しても、n型Si領域113によって、下部Si層10と上部Si層11との非連続性の悪影響が緩和される。 As in this embodiment, a low concentration n type Si region 151 is formed along the interface between the lower Si layer 10 and the Si substrate 150 by thermal diffusion of the n type dopant nd included in the lower Si layer 10. As a result, the adverse effects of crystal defects at the interface between the Si layer 10 and the Si substrate 150 are alleviated, and junction leakage between the lower Si layer 10 and the Si substrate 150 is suppressed. In addition, regarding the boundary between the lower Si layer 10 and the upper Si layer 11, the adverse effect of discontinuity between the lower Si layer 10 and the upper Si layer 11 is mitigated by the n -type Si region 113.

尚、加熱によるドーパントの拡散量(拡散距離)は、加熱処理の温度及び時間によって、制御される。
n型ドーパントとしてのリン(P)の拡散係数は、n型ドーパントしてのヒ素(As)の拡散係数より大きいため、図8に示されるように、熱拡散によってn型Si領域113,115が形成される場合、リンが用いられることが好ましい。但し、単位セルのサイズ及び単位セル間のピッチが縮小される場合又は形成されるフォトダイオードのサイズが小さくされる場合、熱によるドーパントの拡散範囲を精度よく制御するために、ヒ素を用いてもよい。n型Si層10内に、リンとヒ素の両方がドーピングされていてもよい。
Note that the diffusion amount (diffusion distance) of the dopant by heating is controlled by the temperature and time of the heat treatment.
Since the diffusion coefficient of phosphorus (P) as an n-type dopant is larger than the diffusion coefficient of arsenic (As) as an n-type dopant, the n-type Si regions 113 and 115 are formed by thermal diffusion as shown in FIG. If formed, phosphorus is preferably used. However, when the size of the unit cell and the pitch between the unit cells are reduced or the size of the formed photodiode is reduced, arsenic may be used to accurately control the diffusion range of the dopant due to heat. Good. The n-type Si layer 10 may be doped with both phosphorus and arsenic.

例えば、Si基板150に対する加熱処理によって、溝RX内のSi層10,11の結晶性が改善される。   For example, the crystallinity of the Si layers 10 and 11 in the trench RX is improved by the heat treatment on the Si substrate 150.

図5に示されるように、例えば、Si基板150の上面上及び上部Si層11の上面上に、トランジスタのゲート絶縁膜22が形成される。ゲート絶縁膜22上に、例えば、ポリシリコン層が、CVD法によって、堆積される。ポリシリコン層は、フォトリソグラフィ及びRIE(Reactive Ion Etching)によって、所定の形状に加工され、トランジスタ2のゲート電極21が、形成される。トランスファゲート2のゲート電極22が形成される工程と同時に、図4のリセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5、図2の周辺回路領域のトランジスタ7などの、電界効果トランジスタのゲート電極が、形成される。   As shown in FIG. 5, for example, the gate insulating film 22 of the transistor is formed on the upper surface of the Si substrate 150 and the upper surface of the upper Si layer 11. For example, a polysilicon layer is deposited on the gate insulating film 22 by a CVD method. The polysilicon layer is processed into a predetermined shape by photolithography and RIE (Reactive Ion Etching), and the gate electrode 21 of the transistor 2 is formed. Simultaneously with the step of forming the gate electrode 22 of the transfer gate 2, the gate electrodes of the field effect transistors such as the reset transistor 3, the address transistor 4 and the amplifier transistor 5 in FIG. 4 and the transistor 7 in the peripheral circuit region in FIG. It is formed.

Si基板150内に、フローティングディフュージョン60としての不純物半導体領域60が、イオン注入によって、形成される。また、アンドープの上部Si層11内に、例えば、イオン注入によって、p型のドーパント(例えば、ボロン)やn型のドーパントが添加される。これによって、不純物半導体領域111が上部Si層11内に、形成される。   An impurity semiconductor region 60 as a floating diffusion 60 is formed in the Si substrate 150 by ion implantation. Further, a p-type dopant (for example, boron) or an n-type dopant is added into the undoped upper Si layer 11 by ion implantation, for example. Thereby, an impurity semiconductor region 111 is formed in the upper Si layer 11.

フローティングディフュージョン6及び上部Si層11内に形成されるドーパントを含むSi領域111は、Si基板150の浅い領域に対するイオン注入であるため、イオンの加速度が低いイオン注入で形成することが可能である。それゆえ、ドーパントの散乱に起因したフローティングディフュージョン6及びSi領域111の寸法の拡張は、ほとんど生じない。   Since the Si region 111 containing the dopant formed in the floating diffusion 6 and the upper Si layer 11 is ion-implanted into a shallow region of the Si substrate 150, it can be formed by ion implantation with low ion acceleration. Therefore, the expansion of the dimensions of the floating diffusion 6 and the Si region 111 due to the scattering of the dopant hardly occurs.

フローティングディフュージョンを形成するためのイオン注入及びSi層に対するイオン注入の順序は、上述の例に限定されない。上部Si層11に対するイオン注入を用いたドーピングは、トランジスタ2を形成する前に実行されてもよい。尚、アンドープの上部Si層11内に、不純物半導体領域111が、形成されなくともよい。
素子分離層90は、フォトダイオード1が形成された後に、形成されてもよい。また、Si層19を埋め込む溝RXを形成する前に、トランジスタ2のゲート絶縁膜22を形成し、溝RX内に埋め込まれるSi層19を用いて、トランジスタのゲート電極21を形成してもよい。
The order of ion implantation for forming the floating diffusion and ion implantation for the Si layer is not limited to the above example. Doping using ion implantation for the upper Si layer 11 may be performed before the transistor 2 is formed. The impurity semiconductor region 111 may not be formed in the undoped upper Si layer 11.
The element isolation layer 90 may be formed after the photodiode 1 is formed. In addition, before forming the trench RX for embedding the Si layer 19, the gate insulating film 22 of the transistor 2 may be formed, and the gate electrode 21 of the transistor may be formed using the Si layer 19 embedded in the trench RX. .

以上のように、フォトダイオード形成領域PAの溝RX内に、埋め込み型のフォトダイオード1が形成され、埋め込み型フォトダイオード1を含む単位セルが形成される。   As described above, the embedded photodiode 1 is formed in the trench RX of the photodiode formation region PA, and a unit cell including the embedded photodiode 1 is formed.

この後、図2に示されるように、周知の技術によって、Si基板150の表面上に、層間絶縁膜92、コンタクトプラグ81及びその内部の金属膜80が順次形成される。例えば、最上層の層間絶縁膜92の上面上に、再配線技術によって、配線82が形成される。配線82を覆う絶縁層96の上面上に、支持基板119が貼り付けられる。   Thereafter, as shown in FIG. 2, an interlayer insulating film 92, a contact plug 81, and a metal film 80 inside thereof are sequentially formed on the surface of the Si substrate 150 by a known technique. For example, the wiring 82 is formed on the upper surface of the uppermost interlayer insulating film 92 by a rewiring technique. A support substrate 119 is attached to the upper surface of the insulating layer 96 that covers the wiring 82.

Si基板150の裏面に対するエッチング又は研削によって、Si基板150の厚さが薄くされた後、Si基板150の裏面側に、絶縁膜及び接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが取り付けられる。   After the thickness of the Si substrate 150 is reduced by etching or grinding on the back surface of the Si substrate 150, the color filter layer CF and the back surface side of the Si substrate 150 are interposed via an insulating film and an adhesive layer (not shown). A microlens array ML is attached.

また、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが取り付けられる前又は取り付けられた後に、Si基板150の表面側から裏面側へ貫通する開口部(貫通孔)が形成され、その貫通孔の内側面上に、絶縁膜98が形成される。層間絶縁膜92内の金属膜(配線)80に接続されるように、貫通電極88が、Si基板150の貫通孔内に埋め込まれる。また、貫通電極88に接続されるように、パッド89が、Si基板150の裏面上の絶縁膜99上に、形成される。貫通電極88は、フォトダイオード1が形成される前に、形成されてもよい。   Further, before or after the color filter layer CF and the microlens array ML are attached, an opening (through hole) penetrating from the front surface side to the back surface side of the Si substrate 150 is formed, and on the inner surface of the through hole. Then, an insulating film 98 is formed. A through electrode 88 is embedded in the through hole of the Si substrate 150 so as to be connected to the metal film (wiring) 80 in the interlayer insulating film 92. A pad 89 is formed on the insulating film 99 on the back surface of the Si substrate 150 so as to be connected to the through electrode 88. The through electrode 88 may be formed before the photodiode 1 is formed.

以上の製造工程によって、本実施形態における埋め込み型のフォトダイオード1を含むイメージセンサが作製される。   Through the above manufacturing process, an image sensor including the embedded photodiode 1 according to this embodiment is manufactured.

半導体基板の深い領域内に、イオン注入を用いて、不純物半導体領域が形成される場合、大きい加速度でイオンが注入されるため、注入されたイオン(ドーパント)と半導体基板の構成原子との衝突によるドーパントの散乱の影響が、大きくなる。このドーパントの散乱に起因して、半導体基板150の深い領域内に形成されるフォトダイオードの不純物半導体領域において、半導体基板の表面に対して水平方向における不純物半導体領域のスケーリングが困難になる。   When an impurity semiconductor region is formed in a deep region of a semiconductor substrate by using ion implantation, ions are implanted at a large acceleration. Therefore, due to collision between implanted ions (dopant) and constituent atoms of the semiconductor substrate. The effect of dopant scattering is increased. Due to the scattering of the dopant, in the impurity semiconductor region of the photodiode formed in the deep region of the semiconductor substrate 150, it is difficult to scale the impurity semiconductor region in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate.

この場合において、例えば、イオン注入によって半導体基板の深い領域内に形成された不純物半導体領域は、半導体基板表面に対して水平方向における広がりが大きくなり、隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触が生じる可能性がある。ドーパントの散乱に起因した隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触を防止するために、フォトダイオード間の間隔(素子分離領域の面積)を大きくすると、フォトダイオードを含む単位セルの面積が大きくなる。   In this case, for example, the impurity semiconductor region formed in the deep region of the semiconductor substrate by ion implantation becomes larger in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate, and leakage or contact between adjacent photodiodes may occur. There is sex. In order to prevent leakage or contact between adjacent photodiodes due to dopant scattering, if the interval between photodiodes (area of the element isolation region) is increased, the area of the unit cell including the photodiodes is increased.

このようなドーパントの散乱の影響及びそれに伴うフォトダイオードのスケーリングの困難化は、フォトダイオードの微細化及びアスペクト比の増大が進むにつれて、顕著になる。   The influence of the scattering of the dopant and the difficulty in scaling the photodiode become conspicuous as the photodiode is miniaturized and the aspect ratio is increased.

イオン(ドーパント)の散乱に起因した素子特性の劣化や面積の増大を抑制するために、半導体基板の深い領域内にフォトダイオードの構成要素としての不純物半導体層が形成されない場合、フォトダイオードの光電変換効率が低下し、形成される画像の画質が劣化する可能性がある。   Photoelectric conversion of a photodiode when an impurity semiconductor layer as a photodiode component is not formed in a deep region of a semiconductor substrate in order to suppress deterioration of device characteristics and an increase in area due to ion (dopant) scattering. There is a possibility that the efficiency is lowered and the image quality of the formed image is deteriorated.

本実施形態のイメージセンサの製造方法において、半導体基板150の深い領域に達するように、溝RXが半導体基板150内に形成され、その形成された溝RX内に、ドーパントを含む不純物半導体層10が、埋め込まれる。不純物半導体層10内のドーパント(例えば、リン)は、不純物半導体層10の堆積中に、その半導体層10内に添加される。   In the image sensor manufacturing method of the present embodiment, the trench RX is formed in the semiconductor substrate 150 so as to reach a deep region of the semiconductor substrate 150, and the impurity semiconductor layer 10 containing the dopant is formed in the formed trench RX. Embedded. A dopant (for example, phosphorus) in the impurity semiconductor layer 10 is added to the semiconductor layer 10 during the deposition of the impurity semiconductor layer 10.

このように、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、イオン注入を用いずに、ドーパントを含む半導体層10が、半導体基板150の深い領域に達するように、形成される。それゆえ、本実施形態のイメージセンサの製造方法によれば、イオン注入によるイオン(ドーパント)の散乱の悪影響なしに、半導体基板150の深い領域内に形成された不純物半導体層10を有するフォトダイオード1を、半導体基板150内に形成できる。   Thus, in the image sensor manufacturing method of the present embodiment, the semiconductor layer 10 containing the dopant is formed so as to reach a deep region of the semiconductor substrate 150 without using ion implantation. Therefore, according to the method of manufacturing the image sensor of this embodiment, the photodiode 1 having the impurity semiconductor layer 10 formed in a deep region of the semiconductor substrate 150 without adversely affecting the scattering of ions (dopant) due to ion implantation. Can be formed in the semiconductor substrate 150.

したがって、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、素子特性の劣化及び素子の不良を抑制可能なフォトダイオードを、形成できる。また、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、サイズ(占有面積)の小さいフォトダイオードを、形成できる。   Therefore, the manufacturing method of the image sensor according to the present embodiment can form a photodiode capable of suppressing deterioration of element characteristics and element defects. Moreover, the manufacturing method of the image sensor of this embodiment can form a photodiode with a small size (occupied area).

フォトダイオードのサイズは、半導体基板150内に形成される溝RXの大きさに、依存する。それゆえ、本実施形態のフォトダイオードの製造方法において、イオン注入を用いて不純物半導体層が形成される場合とは異なって、イオンの散乱を考慮して、フォトダイオード間の間隔を大きくせずともよい。したがって、本実施形態のイメージセンサの製造方法によれば、フォトダイオードが半導体基板150内の溝RX内に形成されることによって、単位セル及び素子分離領域のサイズを縮小できる。   The size of the photodiode depends on the size of the trench RX formed in the semiconductor substrate 150. Therefore, unlike the case where the impurity semiconductor layer is formed by ion implantation, in the method for manufacturing the photodiode according to the present embodiment, in consideration of ion scattering, the distance between the photodiodes is not increased. Good. Therefore, according to the method of manufacturing the image sensor of the present embodiment, the size of the unit cell and the element isolation region can be reduced by forming the photodiode in the trench RX in the semiconductor substrate 150.

以上のように、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、フォトダイオードの素子特性の劣化又は不良を抑制できる固体撮像装置を提供できる。また、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、サイズの小さいフォトダイオード及び単位セルを含む固体撮像装置を提供できる。   As described above, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress deterioration or failure of the element characteristics of the photodiode. Moreover, according to the manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment, a solid-state imaging device including a small-sized photodiode and unit cell can be provided.

(d) 構成例
図9を用いて、本実施形態のイメージセンサの構成例について、説明する。
(D) Configuration example
A configuration example of the image sensor of this embodiment will be described with reference to FIG.

イメージセンサが、1つの画素アレイ2で複数の色情報を取得する単板式のイメージセンサである場合、図2に示される画素アレイ120上方に設けられているカラーフィルタ層CFは、複数の色に対応するフィルタ(色素膜)を含む。   When the image sensor is a single-plate image sensor that acquires a plurality of pieces of color information with one pixel array 2, the color filter layer CF provided above the pixel array 120 shown in FIG. Corresponding filter (dye film) is included.

カラーフィルタ層CFの各色の配列の一例として、ベイヤー配列がある。ベイヤー配列は、赤色(R)、緑色(R)及び青色(B)の波長域(波長帯域、波長の範囲、または、単一の波長)に対応するフィルタから形成される。カラーフィルタ層CFに照射された光において、各フィルタの色に応じた波長成分の光が、フィルタを透過する。赤、青及び緑のうち少なくとも1色のフィルタが、1つの画素(フォトダイオード)又は1つの単位セルにそれぞれ対応する。   An example of the arrangement of each color of the color filter layer CF is a Bayer arrangement. The Bayer array is formed of filters corresponding to wavelength ranges (wavelength band, wavelength range, or single wavelength) of red (R), green (R), and blue (B). In the light applied to the color filter layer CF, light having a wavelength component corresponding to the color of each filter is transmitted through the filter. At least one color filter of red, blue, and green corresponds to one pixel (photodiode) or one unit cell, respectively.

フォトダイオードを形成する不純物半導体層の光の吸収特性と光電変換効率とを考慮する場合、各色のフィルタを透過してフォトダイオードに入射される光の成分(色、波長域)に応じて、フォトダイオード1の不純物半導体層の厚さを調整するために、フォトダイオード1の不純物半導体層が埋め込まれる溝RXの深さを異ならせることが好ましい。   When considering the light absorption characteristics and photoelectric conversion efficiency of the impurity semiconductor layer forming the photodiode, the photons are transmitted in accordance with the light components (colors and wavelength ranges) that pass through the filters of each color and enter the photodiode. In order to adjust the thickness of the impurity semiconductor layer of the diode 1, it is preferable to vary the depth of the trench RX in which the impurity semiconductor layer of the photodiode 1 is embedded.

例えば、本実施形態のイメージセンサが含む埋め込み型フォトダイオードがシリコン(Si)層によって形成された場合、青色の光に対するSiの吸収係数は、大きく、赤色の光に対するSiの吸収係数は、青色の光に対する吸収係数よりも小さい。波長の短い青色の光は、Si層に比較的吸収されやすく、波長の長い赤色の光は、青色の光に比較して、Si層に吸収されにくい。緑色の光の波長は、青色の光の波長と赤色の光の波長のほぼ中間に位置し、緑色の光は、青色の光より吸収されにくく、赤色の光より吸収されやすい。それゆえ、青色の光は、Si層の表面近傍で、吸収される。これに対して、赤色の光の吸収は、青色の光よりもSi層の深い領域まで要する。   For example, when the embedded photodiode included in the image sensor of the present embodiment is formed of a silicon (Si) layer, the absorption coefficient of Si for blue light is large, and the absorption coefficient of Si for red light is blue. It is smaller than the absorption coefficient for light. Blue light having a short wavelength is relatively easily absorbed by the Si layer, and red light having a long wavelength is less easily absorbed by the Si layer than blue light. The wavelength of green light is located approximately halfway between the wavelength of blue light and the wavelength of red light, and green light is less likely to be absorbed than blue light and more easily absorbed than red light. Therefore, blue light is absorbed near the surface of the Si layer. On the other hand, absorption of red light requires a deeper region of the Si layer than blue light.

本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1を形成するための材料(ここでは、シリコン)の光の吸収特性を考慮して、フィルタと画素との対応関係に応じて、フォトダイオード1を形成するための半導体層の厚さ(膜厚)を確保するために、溝の深さが、カラーフィルタ層CFの各色に対応するように、それぞれ異なるように設定されることが好ましい。   In consideration of the light absorption characteristics of a material (here, silicon) for forming the embedded photodiode 1 of the present embodiment, the photodiode 1 is formed according to the correspondence between the filter and the pixel. In order to ensure the thickness (film thickness) of the semiconductor layer, the depth of the groove is preferably set to be different so as to correspond to each color of the color filter layer CF.

例えば、図9に示されるように、青色のフィルタF1に対応するフォトダイオード1において、上述のように青色の光L1は、半導体層(シリコン層)10,11に吸収されやすく、光電変換されやすいため、フォトダイオード1の溝RX内に埋め込まれるSi層10,11の膜厚は、比較的薄くてもよい。例えば、Si層10,11の膜厚は、0.3μm以上、1μm以下程度であることが好ましい。 For example, as shown in FIG. 9, in the photodiode 1 1 corresponding to the blue filter F1, blue light L1 as described above, the semiconductor layer (silicon layer) 10 1, 11 is easily absorbed in 1, photoelectric because easily converted, Si layer 10 1 are embedded in the photodiode 1 1 in the groove RX 1, 11 1 of the film thickness may be relatively thin. For example, the film thickness of the Si layers 10 1 and 11 1 is preferably about 0.3 μm or more and 1 μm or less.

青色の光(青色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード1において、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード1が埋め込まれる溝RXの底部(Si層10,11の底部)の位置Z1−Z1’は、例えば、Si基板150の表面Z0−Z0’の位置を基準として、0.3μmから1μmの範囲内の位置に設定される。 In the embedded photodiode 1 1 for photoelectrically converting blue light (wavelength range of blue light), in a direction perpendicular to the Si substrate 150 surface, the bottom of the groove RX 1 photodiode 1 1 is embedded (Si layer 10 1, 11 1 of the bottom) position Z1-Z1 'of, for example, surface Z0-Z0 of Si substrate 150' on the basis of the position of the, is set at a position in the range of 0.3μm to 1 [mu] m.

一方、赤色のカラーフィルタF3に対応するフォトダイオード1に関して、赤色の光L3は、青色や緑色の光L1,L2よりも吸収されにくく、フォトダイオードの光電変換が生じにくい。それゆえ、赤色に対応するフォトダイオード1を形成するためのSi層10,11の膜厚は、青色に対応するフォトダイオード1のSi層10,11の膜厚よりも厚くされる。例えば、Si層10,11は、3μmから4μm程度の膜厚で形成されることが好ましい。 On the other hand, with respect to the photodiode 1 3 corresponding to the red color filter F3, red light L3 is less likely to be absorbed than the blue and green light L1, L2, photoelectric conversion of the photodiode is less likely to occur. Therefore, the film thickness of the Si layer 10 3, 11 3 for forming the photodiode 1 3 corresponding to red, thick than the photodiode 1 1 Si layer 10 1, 11 1 of a thickness corresponding to blue It will be lost. For example, the Si layers 10 3 and 11 3 are preferably formed with a film thickness of about 3 μm to 4 μm.

赤色の光(赤色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード1に関して、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード1が埋め込まれる溝RXの底部(Si層10,11の底部)の位置Z3−Z3’が、例えば、Si基板150の表面Z0−Z0’の位置から3μmから4μm以上の深さに位置するように、溝RXが形成される。 Respect buried photodiode 1 3 red light (wavelength range of red light) photoelectrically converting, in a direction perpendicular to the Si substrate 150 surface, the bottom of the groove RX 3 photodiode 1 3 is embedded (Si layer 10 3, 11 ', for example, surface Z0-Z0 of Si substrate 150' position Z3-Z3 of 3 bottom of) so as to be positioned at a position from 3μm from above 4μm depth of grooves RX 3 is formed.

緑色のカラーフィルタF2に対応するフォトダイオード1において、緑色の光L2は、青色の光L1よりも吸収されにくく、赤色の光L2より吸収されやすい。それゆえ、緑色のカラーフィルタF2に対応するフォトダイオード1を形成するためのSi層10,11の膜厚は、例えば、青色のカラーフィルタF1に対応するフォトダイオード1のSi層10,11の膜厚よりも厚ければよい。例えば、Si層10,11の膜厚は、2μm程度に設定される。 In the photodiode 1 2 corresponding to the green color filter F2, green light L2 is less likely to be absorbed than blue light L1, easily absorbed than red light L2. Therefore, Si layer 10 2 for forming the photodiode 1 2 corresponding to the green color filter F2, 11 2 of the film thickness, for example, Si layer of the photodiode 1 1 corresponding to the blue color filter F1 10 It may be thicker than the film thicknesses 1 and 11 1 . For example, Si layer 10 2, 11 2 of the film thickness is set to about 2 [mu] m.

緑色の光(緑色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード1に関して、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード1が埋め込まれる溝RXの底部(Si層10,11の底部)の位置Z2−Z2’は、青色に対応するフォトダイオード1の溝RX1の底部の位置Z1−Z1’と赤色に対応するフォトダイオード1の溝RXの底部の位置Z3−Z3’との間に、位置している。例えば、緑色に対応する埋め込み型フォトダイオード1において、溝RXの底部がSi基板150の表面Z0−Z0’の位置から2μmから3μm程度の深さに位置するように、溝RXが形成される。 Respect buried photodiode 1 2 green light (wavelength region of green light) photoelectrically converting, in a direction perpendicular to the Si substrate 150 surface, the bottom of the groove RX 2 photodiode 1 2 is embedded (Si layer 10 2, 11 position Z2-Z2 'includes a photodiode 1 1 position of the bottom Z1-Z1 of the groove RX1 corresponding to blue' two bottom) of the photodiode 1 3 grooves RX 3 corresponding to the red and the bottom of the It is located between positions Z3-Z3 ′. For example, in the buried photodiode 1 2 corresponding to the green, so as to be positioned from 2μm from the position of the bottom of the groove RX 2 surface Z0-Z0 of the Si substrate 150 'to a depth of about 3 [mu] m, the groove RX 2 is formed Is done.

画素アレイ120内における深さの異なる溝RX1,RX2,RX3の形成位置(レイアウト)は、あらかじめ設定されているカラーフィルタ層CF内のフィルタの配列パターンに基づいて、設定される。   The formation positions (layouts) of the grooves RX1, RX2, and RX3 having different depths in the pixel array 120 are set based on a preset filter arrangement pattern in the color filter layer CF.

このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、各画素に対応するフォトダイオード1,1,1に対して各色のフィルタF1,F2,F3を介して入射される光の波長(色)を考慮して、Si基板150表面に対して垂直方向における溝RX,RX,RXの深さ異ならせ、信号電荷を生成するためのSi層10,10,10,11,11,11の厚さが確保される。 Thus, in the image sensor of this embodiment, the wavelength (color) of light incident on the photodiodes 1 1 , 1 2 , and 13 corresponding to each pixel through the filters F 1, F 2, and F 3 of each color. In consideration of the above, Si layers 10 1 , 10 2 , 10 3 , 11 1 for generating signal charges by varying the depths of the grooves RX 1 , RX 2 , RX 3 in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 150. , 11 2 , 11 3 are secured.

これによって、各色に対応したフォトダイオードの光電変換特性が確保され、形成される画像の画質を、向上できる。   Thereby, the photoelectric conversion characteristics of the photodiode corresponding to each color are ensured, and the image quality of the formed image can be improved.

但し、本実施形態の埋め込み型フォトダイオードを用いた単板式のイメージセンサにおいて、フォトダイオードが吸収する光の波長に応じて溝RXの深さを変更させることなしに、複数の溝の深さ(Si層の膜厚)を画素アレイ120内で同じにしてもよい。   However, in the single-plate image sensor using the embedded photodiode according to the present embodiment, the depth of the plurality of grooves (without changing the depth of the groove RX according to the wavelength of light absorbed by the photodiode) The film thickness of the Si layer may be the same in the pixel array 120.

(2) 第2の実施形態
図10を参照して、第2の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)について、説明する。尚、本実施形態において、第1の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(2) Second embodiment
With reference to FIG. 10, the solid-state imaging device (for example, image sensor) of 2nd Embodiment is demonstrated. In the present embodiment, the same components / functions as those of the image sensor of the first embodiment will be described as necessary.

図10は、図4のV−V線に沿う本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1Xの構造を示す断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the photodiode 1X included in the image sensor of this embodiment along the line VV in FIG.

図10に示されるように、本実施形態において、埋め込み型フォトダイオード1Xは、シリコンゲルマニウム層(以下、SiGe層と表記する)13を用いて、形成される。   As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the embedded photodiode 1 </ b> X is formed using a silicon germanium layer (hereinafter referred to as a SiGe layer) 13.

SiGe層13は、溝RX内に設けられている。SiGe層13は、n型のSiGe層であり、例えば、リン又はヒ素をn型のドーパントとして含んでいる。   The SiGe layer 13 is provided in the trench RX. The SiGe layer 13 is an n-type SiGe layer and contains, for example, phosphorus or arsenic as an n-type dopant.

例えば、SiGe層13の上面上には、上部Si層11が設けられている。但し、上部Si層11の代わりに、SiGe層が用いられてもよい。例えば、SiGe層13に隣接するn型不純物領域113,151は、SiGe層13から拡散したGeを含んでいてもよい。 For example, the upper Si layer 11 is provided on the upper surface of the SiGe layer 13. However, a SiGe layer may be used instead of the upper Si layer 11. For example, the n type impurity regions 113 and 151 adjacent to the SiGe layer 13 may contain Ge diffused from the SiGe layer 13.

SiGe層13を用いて埋め込み型フォトダイオードが形成される場合、SiGe層13が埋め込まれる溝RXの深さは、例えば、2μm程度に設定される。   When an embedded photodiode is formed using the SiGe layer 13, the depth of the trench RX in which the SiGe layer 13 is embedded is set to about 2 μm, for example.

尚、本実施形態において、埋め込み型フォトダイオードに用いられる材料がSiからSiGeに変わるのみで、埋め込み型フォトダイオードの製造工程は、実質的に同じである。それゆえ、本実施形態のイメージセンサの製造工程の説明は、省略する。   In the present embodiment, the manufacturing process of the embedded photodiode is substantially the same except that the material used for the embedded photodiode is changed from Si to SiGe. Therefore, description of the manufacturing process of the image sensor of this embodiment is omitted.

本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1Xにおいて、SiGe層13が、Si基板150内の溝RX内に埋め込まれている。   In the embedded photodiode 1X of the present embodiment, the SiGe layer 13 is embedded in the trench RX in the Si substrate 150.

赤色の光に対するSiGeの吸収係数は、赤色の光に対するSiの吸収係数より大きい。図9に示されるように、Siは赤色の光に対する吸収係数が低いため、赤色の光を光電変換するための埋め込み型フォトダイオード1は、緑色又は青色の光を検知するためのフォトダイオード1に比較して、赤色の光を吸収するSi層の厚さを大きくされ、溝の深さが深くされる。その結果として、赤色の光に対応するフォトダイオードは、青又は緑色の光に対応するフォトダイオードに比較して、溝のアスペクト比が大きくなるため、溝の形成が困難になったり、Si層を溝内に完全に埋め込むことが困難になったりする可能性がある。 The absorption coefficient of SiGe for red light is larger than the absorption coefficient of Si for red light. As shown in FIG. 9, Si is the absorption coefficient for the red light is low, buried photodiode 1 3 for photoelectrically converting red light, the photodiode 1 to detect the green or blue light Compared to 1 , the thickness of the Si layer that absorbs red light is increased, and the depth of the groove is increased. As a result, the photodiode corresponding to the red light has a larger aspect ratio of the groove than the photodiode corresponding to the blue or green light. It may be difficult to completely fill the groove.

本実施形態のように、Siより赤色の光を吸収し易いSiGeを、埋め込み型フォトダイオードが含む不純物半導体層13に用いることによって、赤色の光に対するフォトダイオード1Xの光電変換効率を向上できる。   As in this embodiment, SiGe, which absorbs red light more easily than Si, is used for the impurity semiconductor layer 13 included in the embedded photodiode, whereby the photoelectric conversion efficiency of the photodiode 1X for red light can be improved.

また、本実施形態のSiGeを用いた埋め込み型フォトダイオード1Xは、赤色の光を吸収する不純物半導体層の膜厚を大きくするために、Siを用いた埋め込み形フォトダイオードに比較して半導体層を埋め込む溝の深さを深くせずともよく、フォトダイオード1Xの不純物半導体層13が埋め込まれる溝RXの深さを、浅くできる。   Also, the embedded photodiode 1X using SiGe of this embodiment has a semiconductor layer that is larger than the embedded photodiode using Si in order to increase the film thickness of the impurity semiconductor layer that absorbs red light. It is not necessary to increase the depth of the trench to be embedded, and the depth of the trench RX in which the impurity semiconductor layer 13 of the photodiode 1X is embedded can be reduced.

溝RXの底部の位置ZZをSi基板150の表面側へ近づけることができるので、不純物半導体層を埋め込む溝RXの形成及び溝RXに対するフォトダイオード1Xの不純物半導体層の埋め込み性が改善され、イメージセンサ内に含まれる埋め込み型フォトダイオード1Xの加工難度が低減される。これによって、イメージセンサの製造歩留まりが向上する。   Since the position ZZ at the bottom of the trench RX can be brought closer to the surface side of the Si substrate 150, the formation of the trench RX for embedding the impurity semiconductor layer and the embedding property of the impurity semiconductor layer of the photodiode 1X in the trench RX are improved. The processing difficulty of the embedded photodiode 1X included therein is reduced. This improves the manufacturing yield of the image sensor.

以上のように、第2の実施形態の固体撮像装置によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られるとともに、イメージセンサの製造コストを低減できる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing cost of the image sensor can be reduced.

(3) 第3の実施形態
図11乃至図13を参照して、第3の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)及びその製造方法について、説明する。尚、本実施形態において、第1及び第2の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(3) Third embodiment
A solid-state imaging device (for example, an image sensor) and a manufacturing method thereof according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the same components / functions as those of the image sensors of the first and second embodiments will be described as necessary.

(a) 構造
図11を用いて、第3の実施形態のイメージセンサの構造について説明する。
(A) Structure
The structure of the image sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIG.

図11は、図4のV−V線に沿う、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの構造を示す断面図である。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the photodiode included in the image sensor of the present embodiment along the line VV in FIG.

埋め込み型フォトダイオードにおいて、SiGe層が溝内におけるSi基板の露出面上に直接形成された場合、溝RXを形成した際に生じた溝内のSi基板の露出面(溝の内側面)の結晶面に対するダメージ、SiGe層とSi基板との熱膨張率の違い、或いは、SiGe層と溝内におけるSi基板の結晶面との格子不整合により、結晶性の良いSiGe層が形成されない可能性がある。この結果として、SiGe層を用いて形成される埋め込み型フォトダイオードの特性(例えば、光電変換特性)が劣化する可能性がある。   In the embedded photodiode, when the SiGe layer is directly formed on the exposed surface of the Si substrate in the groove, a crystal of the exposed surface of the Si substrate in the groove (the inner surface of the groove) generated when the groove RX is formed. The SiGe layer with good crystallinity may not be formed due to damage to the surface, difference in thermal expansion coefficient between the SiGe layer and the Si substrate, or lattice mismatch between the SiGe layer and the crystal surface of the Si substrate in the groove. . As a result, the characteristics (for example, photoelectric conversion characteristics) of the embedded photodiode formed using the SiGe layer may be deteriorated.

図11に示されるように、本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1Zは、溝RX内に設けられたSiGe層13を含んでいる。
本実施形態において、SiGe層13とSi基板150との間に、Si層16が設けられている。Si層16は、例えば、n型のドーパントを含んでいる。尚、Si層16は、SiGe層13よりも低い濃度のGeを含んでいてもよい。Si層16は、例えば、多結晶シリコン層、又は、エピタキシャルシリコン層、又は、アモルファスシリコン層である。
As shown in FIG. 11, the embedded photodiode 1Z of the present embodiment includes a SiGe layer 13 provided in the trench RX.
In the present embodiment, the Si layer 16 is provided between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150. The Si layer 16 includes, for example, an n-type dopant. Note that the Si layer 16 may contain Ge having a lower concentration than the SiGe layer 13. The Si layer 16 is, for example, a polycrystalline silicon layer, an epitaxial silicon layer, or an amorphous silicon layer.

例えば、SiGe層13の上面上及びSi層16の上端上に、n型のSi層14が設けられている。Si層14のn型ドーパントの不純物濃度は、n型SiGe層13のn型ドーパントの不純物濃度より高くてもよいし、n型SiGe層13のn型ドーパントの不純物濃度以下でもよい。
不純物領域111,113を含む上部Si層11は、Si層14上に設けられている。
For example, an n-type Si layer 14 is provided on the upper surface of the SiGe layer 13 and the upper end of the Si layer 16. The impurity concentration of the n-type dopant in the Si layer 14 may be higher than the impurity concentration of the n-type dopant in the n-type SiGe layer 13 or may be lower than the impurity concentration of the n-type dopant in the n-type SiGe layer 13.
The upper Si layer 11 including the impurity regions 111 and 113 is provided on the Si layer 14.

尚、Si層11,15を溝RX内に設けずに、溝RXの内部を、SiGe層13とバッファ層としてのSi層16とで満たしてもよい。   In addition, without providing the Si layers 11 and 15 in the groove RX, the inside of the groove RX may be filled with the SiGe layer 13 and the Si layer 16 as a buffer layer.

SiGe層13の側面及び底面は、溝内に堆積されたSi層16に接触している。溝RX内において、SiGe層13は、Si基板150に接触せずに、Si層16に覆われている。Si層16は、SiGe層13とSi基板150との間のバッファ層(緩衝層)として機能する。   The side and bottom surfaces of the SiGe layer 13 are in contact with the Si layer 16 deposited in the trench. In the trench RX, the SiGe layer 13 is covered with the Si layer 16 without contacting the Si substrate 150. The Si layer 16 functions as a buffer layer (buffer layer) between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150.

本実施形態のように、SiGe層13が、Si基板150上に直接堆積されないことによって、溝RXの形成時に生じるSi基板150の結晶に対するダメージが、溝RX内に設けられるSiGe層13の結晶性に悪影響を及ぼすのを抑制できる。また、Si層16がSiGe層13とSi基板150と間に介在することによって、Si層16が緩衝層となって、SiGeとSiとの熱膨張率又は格子定数の違いに起因したSiGe層13の結晶性の劣化を抑制できる。この結果として、埋め込み型フォトダイオード1Zに用いられるSiGe層13の結晶性を改善することができる。   Since the SiGe layer 13 is not directly deposited on the Si substrate 150 as in the present embodiment, damage to the crystal of the Si substrate 150 that occurs during the formation of the trench RX is caused by the crystallinity of the SiGe layer 13 provided in the trench RX. Can be adversely affected. Further, since the Si layer 16 is interposed between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150, the Si layer 16 becomes a buffer layer, and the SiGe layer 13 caused by the difference in thermal expansion coefficient or lattice constant between SiGe and Si. Deterioration of crystallinity can be suppressed. As a result, the crystallinity of the SiGe layer 13 used for the embedded photodiode 1Z can be improved.

尚、第1の実施形態のような溝RX内に埋め込まれるSi層に対して、バッファ層としてのSi層16が溝RX内に設けられてもよい。   Note that the Si layer 16 as a buffer layer may be provided in the trench RX with respect to the Si layer embedded in the trench RX as in the first embodiment.

以上のように、第3の実施形態の固体撮像装置によれば、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、フォトダイオードの特性を改善できる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and the characteristics of the photodiode can be improved.

(b) 製造方法
図11乃至図13を用いて、第3の実施形態のイメージセンサの製造方法について説明する。尚、第1の実施形態で述べた製造方法と実質的に同じ工程に関する説明は、必要に応じて行う。
(B) Manufacturing Method A method of manufacturing the image sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, the description regarding the process substantially the same as the manufacturing method described in 1st Embodiment is given as needed.

図12に示されるように、p型Si基板150内に、所定の深さの溝RXが形成される。そして、形成された溝RX内が満たされないように、Si層16Aが、例えば、CVD法によって、Si基板150上に堆積される。Si層16Aは、溝RXの形状に沿って、溝RX内に形成され、溝RX内におけるSi基板150の露出面を覆う。形成直後のSi層16Aは、アンドープのSi層でもよいし、Si層16Aの堆積中に、Si層16Aに対して不純物(例えば、リン)が添加されてもよい。   As shown in FIG. 12, a trench RX having a predetermined depth is formed in the p-type Si substrate 150. Then, the Si layer 16A is deposited on the Si substrate 150 by, for example, a CVD method so that the formed trench RX is not filled. The Si layer 16A is formed in the groove RX along the shape of the groove RX, and covers the exposed surface of the Si substrate 150 in the groove RX. The Si layer 16A immediately after formation may be an undoped Si layer, or an impurity (for example, phosphorus) may be added to the Si layer 16A during the deposition of the Si layer 16A.

Si基板表面に対して水平方向に対向する溝RXの内側面上のSi層16Aが、互いに接触しないように、Si層16Aは溝RX内に形成される。また、溝RXの開口部が、Si層16Aによって塞がらないように、Si層16Aが形成される。例えば、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの内側面上のSi層16Aの膜厚が、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの開口部の寸法(開口幅)の2分の1より小さくなるように、Si層16Aが堆積される。   The Si layer 16A is formed in the groove RX so that the Si layers 16A on the inner side surface of the groove RX facing the Si substrate surface in the horizontal direction do not contact each other. Further, the Si layer 16A is formed so that the opening of the trench RX is not blocked by the Si layer 16A. For example, the film thickness of the Si layer 16A on the inner surface of the groove RX in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150 is such that the dimension (opening width) of the opening of the groove RX in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150. The Si layer 16A is deposited so as to be smaller than half of the above.

そして、n型ドーパントを含むSiGe層13Aが、例えば、600℃から700℃程度の堆積温度のCVD法によって、溝RX内のSi層16A上に堆積される。SiGe層13Aは、Si層16Aを介して、溝RX内に埋め込まれる。リン又はヒ素などのn型ドーパントは、SiGe層13Aの堆積中に、SiGe層13A内に添加される。   Then, the SiGe layer 13A containing the n-type dopant is deposited on the Si layer 16A in the trench RX by, for example, a CVD method at a deposition temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. The SiGe layer 13A is embedded in the trench RX via the Si layer 16A. An n-type dopant such as phosphorus or arsenic is added into the SiGe layer 13A during the deposition of the SiGe layer 13A.

図13に示されるように、SiGe層及びSi層の上面が、Si基板150の表面よりもSi基板150の裏面側へ後退するように、SiGe層及びSi層が、エッチングされる。これによって、SiGe層13及びSi層16の上端は、溝RXの開口部よりもSi基板150の裏面側に位置する。   As shown in FIG. 13, the SiGe layer and the Si layer are etched so that the top surfaces of the SiGe layer and the Si layer are set back from the surface of the Si substrate 150 toward the back side of the Si substrate 150. Accordingly, the upper ends of the SiGe layer 13 and the Si layer 16 are located on the back side of the Si substrate 150 with respect to the opening of the trench RX.

溝RX内のSiGe層13上及びSi層16上に、n型Si層10が、堆積される。n型Si層10上に、アンドープSi層11Aが、堆積される。   An n-type Si layer 10 is deposited on the SiGe layer 13 and the Si layer 16 in the trench RX. On the n-type Si layer 10, an undoped Si layer 11A is deposited.

尚、SiGe層13とSi基板150との間に、バッファ層としてのSi層16が形成されていれば、n型Si層14及びアンドープSi層11Aを形成せずに、SiGe層13の上端及びバッファ層としてのSi層16の上端がSi基板の表面と一致するように、SiGe層13及びSi層16が溝RXの内部に形成されてもよい。   If the Si layer 16 as the buffer layer is formed between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150, the upper end of the SiGe layer 13 and the n-type Si layer 14 and the undoped Si layer 11A are not formed. The SiGe layer 13 and the Si layer 16 may be formed inside the trench RX so that the upper end of the Si layer 16 as the buffer layer coincides with the surface of the Si substrate.

また、本実施形態において、溝RX内のSiGe層13の上面を、Si基板151の表面よりSi基板150の底部側へ後退させた後に、n型Si層14及びアンドープSi層11Aが、溝RX内のSiGe層13の上面上に、堆積される例が示されている。但し、n型Si層及びアンドープSi層が、溝RXを満たさないように堆積されたSiGe層13に連続して形成されてもよい。   In the present embodiment, after the upper surface of the SiGe layer 13 in the groove RX is retreated from the surface of the Si substrate 151 toward the bottom of the Si substrate 150, the n-type Si layer 14 and the undoped Si layer 11A are formed in the groove RX. An example of deposition on the upper surface of the SiGe layer 13 is shown. However, the n-type Si layer and the undoped Si layer may be continuously formed on the SiGe layer 13 deposited so as not to fill the trench RX.

この後、図11に示されるように、第1の実施形態で述べた製造工程と同様に、アンドープSi層11Aの上面が、Si基板150の上面と一致された後、Si基板150に対して加熱処理が施され、Si層14,16が含むn型ドーパントが、Si基板150及びアンドープの上部Si層11内に、熱拡散される。これによって、上部Si層11内及びSi基板150内に、不純物半導体領域113,151が、形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 11, similarly to the manufacturing process described in the first embodiment, after the upper surface of the undoped Si layer 11 </ b> A matches the upper surface of the Si substrate 150, Heat treatment is performed, and the n-type dopant included in the Si layers 14 and 16 is thermally diffused into the Si substrate 150 and the undoped upper Si layer 11. Thereby, impurity semiconductor regions 113 and 151 are formed in the upper Si layer 11 and the Si substrate 150.

さらに、トランスファゲート(電界効果トランジスタ)2及びフローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60が、形成される。層間絶縁膜及び金属膜が、順次形成された後、画素アレイ120と上下に重なる位置に、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが形成される。   Further, an impurity semiconductor layer 60 as a transfer gate (field effect transistor) 2 and a floating diffusion 6 is formed. After the interlayer insulating film and the metal film are sequentially formed, the color filter layer CF and the microlens array ML are formed at a position overlapping the pixel array 120 in the vertical direction.

以上の製造工程によって、本実施形態における埋め込み型のフォトダイオード1を含むイメージセンサが作製される。   Through the above manufacturing process, an image sensor including the embedded photodiode 1 according to this embodiment is manufactured.

本実施形態のイメージセンサの製造方法において、SiGe層13Aが溝RX内に形成される際、SiGe層13Aは、溝RX内におけるSi基板150の露出面を覆うSi層16A上に、堆積される。これによって、溝RXの形成によってSi基板150の露出面に生じたダメージが、SiGe層16Aに悪影響を及ぼすのを低減できる。また、SiGe層13とSi基板150との間にSi層が形成されることによって、SiGe層13とSi基板150との間の熱膨張率の違い及び格子不整合を、緩和できる。
この結果として、埋め込み型フォトダイオードが含む溝RX内のSiGe層13の結晶性を改善できる。
In the image sensor manufacturing method of the present embodiment, when the SiGe layer 13A is formed in the trench RX, the SiGe layer 13A is deposited on the Si layer 16A covering the exposed surface of the Si substrate 150 in the trench RX. . As a result, it is possible to reduce the damage caused to the exposed surface of the Si substrate 150 due to the formation of the trench RX from adversely affecting the SiGe layer 16A. Further, by forming the Si layer between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150, the difference in thermal expansion coefficient and the lattice mismatch between the SiGe layer 13 and the Si substrate 150 can be alleviated.
As a result, the crystallinity of the SiGe layer 13 in the trench RX included in the embedded photodiode can be improved.

したがって、第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特性を改善されたフォトダイオードを含む固体撮像装置を提供できる。   Therefore, according to the method for manufacturing the solid-state imaging device of the third embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device including a photodiode having the same effects as those of the first and second embodiments and improved characteristics. .

(4) 変形例
図14乃至図16を参照して、第1乃至第3の実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例について、説明する。尚、本変形例において、第1乃至第3の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(4) Modification
A modification of the photodiode included in the image sensors of the first to third embodiments will be described with reference to FIGS. In the present modification, the same components / functions as those of the image sensors of the first to third embodiments will be described as necessary.

図14は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
図14に示されるように、フォトダイオード1の不純物半導体層10,11を埋め込む溝RXのアスペクト比が大きくなると、溝RXの断面形状は、テーパー状になる場合がある。この場合、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの底部の寸法D3は、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの開口部の寸法D1より小さくなる。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
As illustrated in FIG. 14, when the aspect ratio of the trench RX in which the impurity semiconductor layers 10 and 11 of the photodiode 1 are embedded increases, the cross-sectional shape of the trench RX may be tapered. In this case, the dimension D3 of the bottom of the groove RX in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150 is smaller than the dimension D1 of the opening of the groove RX in the horizontal direction with respect to the surface of the Si substrate 150.

溝RXの形状に依存して、溝RX内に埋め込まれる不純物半導体層10において、半導体基板表面に対して水平方向における溝RXの底部側の不純物半導体層10の寸法D3が、半導体基板表面に対して水平方向における溝RXの開口部側の上部半導体層11の寸法D3より小さくなる。   Depending on the shape of the trench RX, in the impurity semiconductor layer 10 embedded in the trench RX, the dimension D3 of the impurity semiconductor layer 10 on the bottom side of the trench RX in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate is And smaller than the dimension D3 of the upper semiconductor layer 11 on the opening side of the groove RX in the horizontal direction.

図15は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
例えば、フォトダイオード1Yの上部Si層11内において、p型不純物半導体領域(p型Si領域)111とn型Si層(又は、n型SiGe層)が含むドーパントの拡散に起因したn型不純物半導体領域113との間に、p型又はn型不純物半導体領域111,113とは異なる半導体領域115が設けられていてもよい。上部Si層11の2つの半導体領域111,113間の半導体領域115は、アンドープのSi層の形成に起因した真性半導体領域(例えば、i型Si領域)でもよいし、n型Si層(又は、n型SiGe層)よりも高いn型ドーパントの不純物濃度を含むn型不純物半導体領域(例えば、n型Si領域)でもよい。上部Si層11内の半導体領域115は、表面シールド層としてのp型Si領域111よりも高い又は低いp型ドーパントの不純物濃度を含むp型Si領域でもよい。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
For example, in the upper Si layer 11 of the photodiode 1Y, an n type impurity caused by diffusion of a dopant included in a p type impurity semiconductor region (p type Si region) 111 and an n type Si layer (or n type SiGe layer). A semiconductor region 115 different from the p-type or n -type impurity semiconductor regions 111, 113 may be provided between the semiconductor region 113. The semiconductor region 115 between the two semiconductor regions 111 and 113 of the upper Si layer 11 may be an intrinsic semiconductor region (for example, an i-type Si region) resulting from the formation of an undoped Si layer, or an n-type Si layer (or An n + -type impurity semiconductor region (for example, an n + -type Si region) including an impurity concentration of an n-type dopant higher than that of the (n-type SiGe layer) may be used. The semiconductor region 115 in the upper Si layer 11 may be a p-type Si region containing a higher or lower p-type dopant impurity concentration than the p-type Si region 111 as the surface shield layer.

図16は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
図16に示されるように、第2又は第3の実施形態で述べたSiGe層13を用いた埋め込み型フォトダイオード1Xが、第1の実施形態で述べたSi層を用いた埋め込み型フォトダイオード1と、同一のSi基板150内に設けられてもよい。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
As shown in FIG. 16, the embedded photodiode 1X using the SiGe layer 13 described in the second or third embodiment is replaced with the embedded photodiode 1 using the Si layer described in the first embodiment. And may be provided in the same Si substrate 150.

この場合、SiGe層13を用いたフォトダイオード1Xは、カラーフィルタ層の赤色のフィルタに対応するように、画素アレイの所定の位置に設けられ、Si層10を用いたフォトダイオード1は、カラーフィルタ層の青色のフィルタに対応に対応するように、画素アレイの所定の位置に設けられる。カラーフィルタ層の緑色のフィルタに対応するフォトダイオードにおいて、SiGe層13を用いたフォトダイオード1Xが用いられてもよいし、Si層10を用いたフォトダイオード1が用いられてもよい。   In this case, the photodiode 1X using the SiGe layer 13 is provided at a predetermined position of the pixel array so as to correspond to the red filter of the color filter layer, and the photodiode 1 using the Si layer 10 is a color filter. It is provided at a predetermined position of the pixel array so as to correspond to the blue filter of the layer. In the photodiode corresponding to the green filter of the color filter layer, the photodiode 1X using the SiGe layer 13 may be used, or the photodiode 1 using the Si layer 10 may be used.

例えば、SiGe層13を用いたフォトダイオード1XとSi層10を用いたフォトダイオード1とにおいて、フォトダイオードの特性(例えば、光電変換特性)及び加工難度を考慮して、Si基板150の表面に対して垂直方向におけるSiGe層13の底部(溝の底部)の位置が、Si基板150の表面に対して垂直方向におけるSi層10の底部(溝の底部)の位置と実質的に同じ深さに設定されてもよいし、互いに異なる位置に設定されてもよい。   For example, in the photodiode 1X using the SiGe layer 13 and the photodiode 1 using the Si layer 10, the characteristics of the photodiode (for example, photoelectric conversion characteristics) and the processing difficulty are taken into consideration with respect to the surface of the Si substrate 150. The position of the bottom of the SiGe layer 13 (the bottom of the groove) in the vertical direction is set to substantially the same depth as the position of the bottom of the Si layer 10 (the bottom of the groove) in the vertical direction with respect to the surface of the Si substrate 150. They may be set at different positions.

尚、SiGe層は、イオン注入によってSi層内にGeを添加することによって、形成されてもよい。   The SiGe layer may be formed by adding Ge into the Si layer by ion implantation.

上述の各実施形態において、p型半導体基板(又は、p型半導体層)内の溝にn型半導体層が埋め込まれた構造の埋め込み型フォトダイオードの構造例が示されている。ただし、本実施形態の埋め込み型フォトダイオードは、n型半導体基板(又はn型ウェル領域)内の溝にp型半導体層が埋め込まれた構造を有していてもよい。   In each of the above-described embodiments, a structural example of a buried photodiode having a structure in which an n-type semiconductor layer is buried in a groove in a p-type semiconductor substrate (or a p-type semiconductor layer) is shown. However, the embedded photodiode of this embodiment may have a structure in which a p-type semiconductor layer is embedded in a groove in an n-type semiconductor substrate (or n-type well region).

上述の各実施形態において、本実施形態の埋め込み構造のフォトダイオードが、裏面照射型イメージセンサに用いられた例が示されているが、本実施形態の埋め込み構造のフォトダイオードは、表面照射型イメージセンサに用いられてもよい。表面照射型イメージセンサは、層間絶縁膜及び素子が形成された半導体基板の表面側が、被写体からの光の照射面となり、カラーフィルタ及びマクロレンズアレイが、層間絶縁膜上に、積層されている。   In each of the above-described embodiments, an example in which the photodiode with the embedded structure according to the present embodiment is used in a back-illuminated image sensor is shown. However, the photodiode with an embedded structure according to the present embodiment has a front-illuminated image. It may be used for a sensor. In the surface irradiation type image sensor, the surface side of a semiconductor substrate on which an interlayer insulating film and elements are formed serves as an irradiation surface of light from a subject, and a color filter and a macro lens array are stacked on the interlayer insulating film.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

120:画素アレイ、UC:単位セル、9:素子分離領域、1:フォトダイオード、2:トランジスタ(トランスファゲート)、6:フローティングディフュージョン、150:半導体基板、10,11:不純物半導体層、113,151:不純物半導体領域、RX:溝。   120: pixel array, UC: unit cell, 9: element isolation region, 1: photodiode, 2: transistor (transfer gate), 6: floating diffusion, 150: semiconductor substrate, 10, 11: impurity semiconductor layer, 113, 151 : Impurity semiconductor region, RX: Groove.

Claims (6)

画素アレイを含む半導体基板と、
前記画素アレイ内に設けられる複数のフォトダイオードと、
第1の波長帯域の色に対応する第1のフィルタ及び前記第1の波長帯域の波長より長い波長を含む第2の波長帯域の色に対応する第2のフィルタを含み、前記半導体基板の第1の面に対して垂直方向において前記画素アレイと重なる位置に設けられるカラーフィルタ層と、
を具備し、
前記各フォトダイオードは、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上面上に設けられる第2の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、前記第2の半導体層内の前記第1の半導体層側に設けられる前記第1の導電型の第2の不純物領域と、を含み、
前記フォトダイオードは、前記第1及び第2のフィルタのうちいずれか1つのフィルタにそれぞれ対応し、
前記第2のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さは、前記第1のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さより大きい、
ことを特徴とする固体撮像装置。
A semiconductor substrate including a pixel array;
A plurality of photodiodes provided in the pixel array;
A first filter corresponding to a color of a first wavelength band and a second filter corresponding to a color of a second wavelength band including a wavelength longer than the wavelength of the first wavelength band; A color filter layer provided at a position overlapping with the pixel array in a direction perpendicular to one surface;
Comprising
Each of the photodiodes includes a first semiconductor layer of a first conductivity type embedded in a groove in the semiconductor substrate, a second semiconductor layer provided on an upper surface of the first semiconductor layer, A first impurity region of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate along the first semiconductor layer and the first semiconductor layer provided on the first semiconductor layer side in the second semiconductor layer. A second impurity region of a conductivity type of
The photodiode corresponds to any one of the first and second filters,
The depth of the trench in which the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the second filter is embedded is such that the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the first filter is embedded in the groove. Greater than the depth of the groove,
A solid-state imaging device.
画素アレイを含む半導体基板と、
前記画素アレイ内に設けられ、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、をそれぞれ含む複数のフォトダイオードと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
A semiconductor substrate including a pixel array;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided in the pixel array and embedded in a groove in the semiconductor substrate; and the first semiconductor layer provided in the semiconductor substrate along the first semiconductor layer. A plurality of photodiodes each including a first impurity region of one conductivity type;
A solid-state imaging device comprising:
前記各フォトダイオードは、
前記第1の半導体層の上面上に設けられる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層内の前記第1の半導体層側に設けられる前記第1の導電型の第2の不純物領域と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
Each photodiode is
A second semiconductor layer provided on an upper surface of the first semiconductor layer;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising: a second impurity region of the first conductivity type provided on the first semiconductor layer side in the second semiconductor layer.
前記第1の半導体層は、SiGe層であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is a SiGe layer. 5. 前記各フォトダイオードは、前記第1の半導体層と前記半導体基板との間に設けられる第3の半導体層を、さらに含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。   5. The solid state according to claim 1, wherein each of the photodiodes further includes a third semiconductor layer provided between the first semiconductor layer and the semiconductor substrate. Imaging device. 第1の波長帯域の色に対応する第1のフィルタ及び前記第1の波長帯域の波長より長い波長を含む第2の波長帯域の色に対応する第2のフィルタを含み、前記半導体基板の第1の面に対して垂直方向において前記画素アレイと重なる位置に設けられるカラーフィルタ層と、
をさらに具備し、
前記第2のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さは、前記第1のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さより大きい、
ことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
A first filter corresponding to a color of a first wavelength band and a second filter corresponding to a color of a second wavelength band including a wavelength longer than the wavelength of the first wavelength band; A color filter layer provided at a position overlapping with the pixel array in a direction perpendicular to one surface;
Further comprising
The depth of the trench in which the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the second filter is embedded is such that the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the first filter is embedded in the groove. Greater than the depth of the groove,
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is provided.
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