JP2748493B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP2748493B2
JP2748493B2 JP1032431A JP3243189A JP2748493B2 JP 2748493 B2 JP2748493 B2 JP 2748493B2 JP 1032431 A JP1032431 A JP 1032431A JP 3243189 A JP3243189 A JP 3243189A JP 2748493 B2 JP2748493 B2 JP 2748493B2
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忠浩 見渡
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、固体撮像素子に関し、特に、ブルーミング
およびスミアリングを抑制しつつ高集積化を行うことの
できる固体撮像素子に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device capable of performing high integration while suppressing blooming and smearing.

[従来の技術] 通常、固体撮像素子は、半導体基板表面にPN接合によ
り構成される複数個のフォトダイオードと、このフォト
ダイオードからの信号電荷を転送する電荷転送部とを備
えている。この固体撮像素子の一つの問題として、フォ
トダイオードに強い光が入射した場合に、電荷がフォト
ダイオードよりあふれ出して電荷転送部に漏れ込み撮像
画面に白い線が生じるブルーミング現象の発生がある。
このブルーミング現象を防止する手段を有する固体撮像
素子として、フォトダイオードで発生した余剰電荷を基
板が吸い込む垂直オーバーフロードレイン(VOD)構造
のものが知られている。
[Prior Art] Normally, a solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes formed by a PN junction on the surface of a semiconductor substrate, and a charge transfer unit that transfers signal charges from the photodiodes. As one problem of the solid-state imaging device, when strong light enters the photodiode, a blooming phenomenon occurs in which charges overflow from the photodiode and leak into the charge transfer unit, causing a white line on an imaging screen.
As a solid-state imaging device having a means for preventing the blooming phenomenon, a solid-state imaging device having a vertical overflow drain (VOD) structure in which a substrate absorbs excess charge generated in a photodiode is known.

第3図は、従来のVOD構造を用いた固体撮像素子の例
を示す要部断面図である。この例おいては、P型ウェル
領域2は、N型半導体基板1の表面に横方向の拡散を利
用して、一部不純物濃度が薄くかつ接合が浅くなるよう
に形成されている。フォトダイオード3は、このP型ウ
ェル領域2の不純物濃度が低く接合の浅い部分の表面に
形成されたN型領域5とP型ウェル領域2とによって構
成されている。
FIG. 3 is a sectional view of an essential part showing an example of a solid-state imaging device using a conventional VOD structure. In this example, the P-type well region 2 is formed on the surface of the N-type semiconductor substrate 1 by utilizing lateral diffusion so that the impurity concentration is partially low and the junction is shallow. The photodiode 3 includes an N-type region 5 and a P-type well region 2 formed on the surface of a shallow junction with a low impurity concentration in the P-type well region 2.

電荷転送部4は、半導体基板1の表面に絶縁膜7を介
して形成されたポリシリコン転送電極9とこの電極下に
形成されたN型電荷転送領域6とで埋込みチャネル型CC
Dとして構成されている。フォトダイオードのN型領域
5と電荷転送部のN型電荷転送領域6は、高濃度のP型
領域であるチャネルストップ領域8により電気的に分離
されている。また、電荷転送部4は、層間絶縁膜10を介
して形成された金属膜11により遮光されている。このよ
うに構成された従来の固体撮像素子においては、N型半
導体基板1にP型ウェル領域2に対して適当な正のバイ
アス電圧をかけるとフォトダイオードの下のP型ウェル
領域の低不純物濃度で浅い部分のみを空乏化することが
できる。したがって、強い光が入射した場合にフォトダ
イオードに発生する余剰電子は、全て半導体基板1に吸
収することができる。また、N型電荷転送領域6の下の
P型ウェル領域は、空乏化しないように接合深さが十分
に深くかつ不純物濃度が高くなされている。したがっ
て、N型電荷転送領域6内を転送されている信号電荷が
半導体基板1に吸い込まれることはない。
The charge transfer section 4 includes a buried channel type CC formed by a polysilicon transfer electrode 9 formed on the surface of the semiconductor substrate 1 via an insulating film 7 and an N-type charge transfer region 6 formed below the electrode.
It is configured as D. The N-type region 5 of the photodiode and the N-type charge transfer region 6 of the charge transfer section are electrically separated by a channel stop region 8 which is a high-concentration P-type region. The charge transfer section 4 is shielded from light by a metal film 11 formed via an interlayer insulating film 10. In the conventional solid-state imaging device configured as described above, when an appropriate positive bias voltage is applied to the N-type semiconductor substrate 1 with respect to the P-type well region 2, the low impurity concentration of the P-type well region below the photodiode is reduced. Only the shallow portion can be depleted. Therefore, all surplus electrons generated in the photodiode when strong light enters can be absorbed by the semiconductor substrate 1. The P-type well region below the N-type charge transfer region 6 has a sufficiently large junction depth and a high impurity concentration so as not to be depleted. Therefore, the signal charges transferred in the N-type charge transfer region 6 are not sucked into the semiconductor substrate 1.

ところで、このような構造の固体撮像素子のP型ウェ
ル領域2は、以下のような工程を経て作成される。すな
わち、第4図(a)に示すように、N型半導体基板1上
に通常のフォトレジストプロセスを用い、フォトレジス
ト16をフォトダイオード形成領域に形成し、P型不純物
をイオン注入すると、基板表面にP型不純物領域15が形
成される。その後、高温の不活性ガス中で熱処理を行う
とフォトダイオード形成領域においては不純物は横方向
に拡散し、第4図(b)に示すように、P型ウェル領域
2はこの部分で浅くなされかつここではその不純物濃度
も低くなる。
By the way, the P-type well region 2 of the solid-state imaging device having such a structure is formed through the following steps. That is, as shown in FIG. 4A, a photoresist 16 is formed in a photodiode formation region on a N-type semiconductor substrate 1 by using a normal photoresist process, and a P-type impurity is ion-implanted. P-type impurity region 15 is formed. Thereafter, when heat treatment is performed in a high-temperature inert gas, the impurities diffuse laterally in the photodiode formation region, and as shown in FIG. 4B, the P-type well region 2 is made shallow in this portion. Here, the impurity concentration also becomes low.

[発明が解決しようとする問題点] 固体撮像素子においても素子の小型化、高集積化が求
められているが、高集積化するにはフォトダイオードを
はじめ各素子を縮小化しなければならない。ところが、
上述した方法で作成されたウェル領域2をそのまま用い
て、縮小化されたフォトダイオードを形成すると、ウェ
ル領域の低不純物濃度で浅い部分が電荷転送領域6の下
にまで及んでしまう。そのため、この部分が空乏化し
て、電荷転送領域の信号電荷が基板側へ引く抜かれる恐
れが生じる。これを避けるために、第4図(a)におけ
るフォトレジスト16の面積を縮小すると、今度は、フォ
トダイオード部分のウェルの不純物濃度が上ってしま
い、十分なブルーミング制御が行われなくなる。そこ
で、フォトレジスト16の面積を縮小するとともに熱処理
時間を短縮すると、再び、電荷転送領域6下のウェル領
域の不純物濃度が不足になる。
[Problems to be Solved by the Invention] Even in solid-state imaging devices, miniaturization and high integration of the devices are required. However, in order to achieve high integration, each element such as a photodiode must be downsized. However,
If a reduced photodiode is formed by using the well region 2 formed by the above-described method as it is, a shallow portion of the well region with a low impurity concentration reaches below the charge transfer region 6. Therefore, this portion is depleted, and there is a possibility that the signal charges in the charge transfer region are drawn to the substrate side. In order to avoid this, if the area of the photoresist 16 in FIG. 4A is reduced, the impurity concentration in the well of the photodiode portion will increase, and sufficient blooming control will not be performed. Therefore, if the area of the photoresist 16 is reduced and the heat treatment time is reduced, the impurity concentration in the well region below the charge transfer region 6 becomes insufficient again.

このことに加え、従来の製造方法では、横方向拡散と
いう制御性に難点のある現象を用いているので、従来の
素子構造および製法では高集積化を行うことは困難であ
った。
In addition, since the conventional manufacturing method uses a phenomenon called lateral diffusion, which is difficult to control, it has been difficult to achieve high integration with the conventional element structure and manufacturing method.

[問題点を解決するための手段] 本発明による固体撮像素子は、第1導電型半導体基板
と、該半導体基板上に設けられた第2導電型ウェル領域
と、該ウェル領域内に設けられ該ウェル領域とともにフ
ォトダイオードを構成する第1導電型受光領域と、該第
1導電型受光領域からの光電変換電荷の転送を受けこれ
を転送する第1導電型電荷転送領域とを具備する固体撮
像素子において、前記第1導電型受光領域の直下には前
記半導体基板裏面から前記ウェル領域内部に達する溝が
設けられ該溝の表面には絶縁膜を介して制御電極が設け
られている。
[Means for Solving the Problems] A solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type well region provided on the semiconductor substrate, and a second conductivity type well region provided in the well region. A solid-state imaging device comprising: a first conductivity type light receiving region forming a photodiode together with a well region; and a first conductivity type charge transfer region receiving and transferring photoelectrically converted charge from the first conductivity type light receiving region. , A groove extending from the back surface of the semiconductor substrate to the inside of the well region is provided directly below the light receiving region of the first conductivity type, and a control electrode is provided on the surface of the groove via an insulating film.

[実施例] 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
Example Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例を示す断面図であって、
同図において、第3図に示した従来例と共通の部分には
同一の参照番号が付されている。本実施例においては、
N型半導体基板1の表面に、一様の深さに一様の不純物
濃度(1×1015〜1×1016cm-3)を有するP型ウェル領
域2が形成され、該ウェル領域2内には、フォトダイオ
ード3のN型領域5と電荷転送部4のN型電荷転送領域
6が形成されている。フォトダイオード3のN型領域5
の直下にはN型半導体基板1の裏面からP型ウェル領域
2内に到達する溝12が形成されている。この溝12は、現
在一般に用いられているフォトレジストプロセスとプラ
ズマ化学反応を利用して容易に作成することができる。
溝12内には、絶縁膜13を介してポリシリコン制御電極14
が形成されており、このポリシリコン制御電極14は、N
型半導体基板1の裏面と電気的に接続されている。
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of the present invention,
In this figure, the same parts as those of the conventional example shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. In this embodiment,
On the surface of the N-type semiconductor substrate 1, a P-type well region 2 having a uniform depth and a uniform impurity concentration (1 × 10 15 to 1 × 10 16 cm −3 ) is formed. , An N-type region 5 of the photodiode 3 and an N-type charge transfer region 6 of the charge transfer section 4 are formed. N-type region 5 of photodiode 3
A groove 12 is formed directly below the N-type semiconductor substrate 1 so as to reach the P-type well region 2 from the back surface. The groove 12 can be easily formed by using a currently used photoresist process and a plasma chemical reaction.
In the trench 12, a polysilicon control electrode 14 is interposed via an insulating film 13.
Is formed, and the polysilicon control electrode 14 is
It is electrically connected to the back surface of the mold semiconductor substrate 1.

以上の構成によれば、ポリシリコン制御電極にバイア
ス電圧をかけると、フォトダイオード直下のPウェル領
域の狭い部分のみを空乏化することができる。
According to the above configuration, when a bias voltage is applied to the polysilicon control electrode, it is possible to deplete only a narrow portion of the P well region immediately below the photodiode.

第2図は、本発明の他の実施例を示す断面図である。
この実施例では、フォトダイオードのN型領域5直下に
設けられる溝12aは、ドライエッチング条件を適度に調
整して、テーパーが形成されるようにして作成されてい
る。この構造によれば、先の実施例に比べて、後の熱処
理工程時に、溝内に形成したポリシリコン電極により生
じる応力を緩和することができる。また、横方向にも空
乏層が広がるので、P型ウェル領域2の深部で発生した
電子が電荷転送部4のN型領域6に漏れ込むスミア現象
を防ぐのにも効果的である。
FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.
In this embodiment, the groove 12a provided immediately below the N-type region 5 of the photodiode is formed so that the dry etching conditions are appropriately adjusted to form a taper. According to this structure, the stress caused by the polysilicon electrode formed in the groove can be eased in the heat treatment process performed later as compared with the previous embodiment. Further, since the depletion layer spreads in the lateral direction, it is effective to prevent a smear phenomenon in which electrons generated in the deep part of the P-type well region 2 leak into the N-type region 6 of the charge transfer section 4.

なお、以上の実施例では、ポリシリコン制御電極14は
半導体基板1と接続されていたが、これらを電気的に分
離して、それぞれに別の電圧を印加するようにしてもよ
い。また、フォトダイオードのN型領域5の下のウェル
領域の不純物濃度を他の部分のそれより低くしてブルー
ミング抑止能力を高めてもよい。
In the above embodiment, the polysilicon control electrode 14 is connected to the semiconductor substrate 1, but these may be electrically separated and different voltages may be applied to each of them. Further, the impurity concentration in the well region below the N-type region 5 of the photodiode may be lower than that in other portions to enhance the blooming suppressing ability.

なお、本明細書において、“溝”と表現されているも
のは、フォトダイオード列に沿って穿設された溝であっ
てもよいし、また、各フォトダイオード毎に設けられた
有底の穴であってもよい。
In this specification, what is expressed as a “groove” may be a groove formed along a photodiode row, or a bottomed hole provided for each photodiode. It may be.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、N型半導体基板表面
にP型ウェル領域を設けた固体撮像素子において、フォ
トダイオードのN型領域の直下に溝を形成し、該溝の表
面に絶縁膜を介して制御電極を設けたものであるので、
本発明によれば効果的にブルーミング現象を防止するこ
とができる。溝の形成は、プラズマ化学反応を利用した
ドラエッチング法を用いておこなれるので、微細に加工
することが容易である。したがって、本発明によれば、
従来の横方向の拡散を利用した方法のように電荷転送部
の下のP型領域が空乏化することなく、高集積化した固
体撮像素子を実現することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, in a solid-state imaging device in which a P-type well region is provided on the surface of an N-type semiconductor substrate, a groove is formed immediately below an N-type region of a photodiode. Since the control electrode is provided on the surface via an insulating film,
According to the present invention, the blooming phenomenon can be effectively prevented. Since the grooves can be formed by using a dry etching method utilizing a plasma chemical reaction, it is easy to finely process the grooves. Thus, according to the present invention,
A highly integrated solid-state imaging device can be realized without depletion of the P-type region below the charge transfer section as in the conventional method using lateral diffusion.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図、第2図は、それぞれ、本発明の実施例を示す断
面図、第3図は、従来例を示す断面図、第4図(a)、
(b)は、従来例の製造工程を示す断面図である。 1……N型半導体基板、2……P型ウェル領域、3……
フォトダイオード、4……電荷転送部、5……フォトダ
イオードのN型領域、6……N型電荷転送領域、12、12
a……溝、13……絶縁膜、14……ポリシリコン制御電
極。
1 and 2 are cross-sectional views showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional example, and FIG.
(B) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the conventional example. 1 ... N-type semiconductor substrate, 2 ... P-type well region, 3 ...
Photodiode, 4 ... Charge transfer section, 5 ... N-type region of photodiode, 6 ... N-type charge transfer region, 12, 12
a ... groove, 13 ... insulating film, 14 ... polysilicon control electrode.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1導電型半導体基板と、該第1導電型半
導体基板上に設けられた第2導電型ウェル領域と、該第
2導電型ウェル領域内に設けられ該ウェル領域とともに
フォトダイオードを構成する第1導電型受光領域と、該
第1導電型受光領域からの光電変換電荷の転送を受けこ
れを転送する第1導電型電荷転送領域とを具備する固体
撮像素子において、前記第1導電型受光領域の直下には
前記半導体基板裏面から前記ウェル領域内部に達する溝
が設けられ該溝の表面には絶縁膜を介して制御電極が設
けられていることを特徴とする固体撮像素子。
A first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type well region provided on the first conductivity type semiconductor substrate; and a photodiode provided in the second conductivity type well region together with the well region. A solid-state imaging device, comprising: a first conductivity type light receiving region constituting a first conductive type light receiving region; and a first conductivity type charge transfer region receiving and transferring the photoelectric conversion charge from the first conductivity type light receiving region. A solid-state imaging device, wherein a groove extending from the back surface of the semiconductor substrate to the inside of the well region is provided immediately below the conductive type light receiving region, and a control electrode is provided on the surface of the groove via an insulating film.
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