JP3469105B2 - Amplification type solid-state imaging device - Google Patents

Amplification type solid-state imaging device

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JP3469105B2
JP3469105B2 JP29671898A JP29671898A JP3469105B2 JP 3469105 B2 JP3469105 B2 JP 3469105B2 JP 29671898 A JP29671898 A JP 29671898A JP 29671898 A JP29671898 A JP 29671898A JP 3469105 B2 JP3469105 B2 JP 3469105B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は増幅型固体撮像装置
の単位画素構造に係わるものであり、低雑音であり高感
度な増幅型固体撮像装置を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a unit pixel structure of an amplification type solid-state image pickup device, and provides an amplification type solid-state image pickup device having low noise and high sensitivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】光電変換により発生した信号電荷で信号
電荷蓄積部の電位を変調し、その電位により画素内部の
増幅トランジスタを変調することで画素内部に増幅機能
を持たせた固体撮像装置は増幅型固体撮像装置と呼ば
れ、低電圧単一電源動作が可能であるとともに、チップ
上に駆動回路を始めとするロジック回路を搭載可能であ
ることから、今後の固体撮像装置の主流素子として期待
されている。
2. Description of the Related Art A solid-state image pickup device having an amplification function inside a pixel is amplified by modulating the potential of a signal charge storage portion with signal charges generated by photoelectric conversion and modulating the amplification transistor inside the pixel with the potential. This type of solid-state imaging device is capable of low-voltage single-power-supply operation and can be equipped with a logic circuit such as a drive circuit on a chip, so it is expected as a mainstream element for future solid-state imaging devices. ing.

【0003】増幅型固体撮像装置における画素の基本構
成は、光電変換のためのフォトダイオードとこのフォト
ダイオードの電圧を初期化するためのリセットトランジ
スタ、増幅のためのトランジスタ、ライン選択のための
トランジスタあるいは容量結合、そしてフォトダイオー
ドと増幅トランジスタゲートとを接続する配線である。
The basic structure of a pixel in an amplification type solid-state imaging device is a photodiode for photoelectric conversion and a reset transistor for initializing the voltage of this photodiode, a transistor for amplification, a transistor for line selection, or The wiring is for capacitive coupling, and connects the photodiode and the amplification transistor gate.

【0004】さらに、光電変換した信号電荷を一時蓄積
する場合には、フォトダイオードとは異なる領域に蓄積
ダイオードを設け、フォトダイオードと蓄積ダイオード
との間には転送ゲートを設ける。即ち、図13に示すよ
うに、p型半導体基板1にフォトダイオードを形成する
ためのn型不純物層4、及びp+型不純物層5が形成さ
れる。このフォトダイオードに隣接して転送ゲートのゲ
ート電極3が配置され、さらに転送ゲートに隣接して蓄
積ダイオードが配置されている。この蓄積ダイオードを
形成するn型不純物層6にはコンタクトホールを介して
配線7が接続されている。これらフォトダイオード及び
転送ゲート、蓄積ダイオードの表面は絶縁膜2によって
覆われている。このように構成することにより、フォト
ダイオードにおいて光電変換された信号電荷は、フォト
ダイオード内部にて蓄積されたのち、転送ゲートを介し
て蓄積ダイオードに転送・蓄積される。
[0004] Further, in the case of temporarily storing the photoelectrically converted signal charges, provided the storage diode in a region different from the photodiode, is provided between the photodiode and the storage diode Ru provided transfer gate. That is, as shown in FIG.
To form a photodiode on the p-type semiconductor substrate 1
N-type impurity layer 4 and p + -type impurity layer 5 for forming
Be done. Adjacent to this photodiode is the gate of the transfer gate.
The gate electrode 3 is arranged, and the storage electrode is further adjacent to the transfer gate.
Product diodes are arranged. This storage diode
Through the contact hole, the n-type impurity layer 6 to be formed is
The wiring 7 is connected. These photodiodes and
The surface of the transfer gate and storage diode is covered by the insulating film 2.
Is covered. With this configuration, the photo
The signal charge photoelectrically converted in the diode is
After being accumulated in the diode, it is transferred via the transfer gate.
Stored in the storage diode.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このような構成の増幅
型固体撮像装置に、低雑音なフォトダイオード構造であ
る埋め込み型フォトダイオード構造を増幅型固体撮像装
置に適用した場合は、埋め込みフォトダイオード本来の
低雑音特性を得ることができないという課題があった。
When the embedded photodiode structure, which is a low noise photodiode structure, is applied to the amplification type solid-state image pickup device having such a structure, the embedded photodiode is originally However, there is a problem that the low noise characteristic of cannot be obtained.

【0006】すなわち、従来の主流撮像素子であるCC
Dにおいては、フォトダイオードの信号電荷を読み出す
際に、転送ゲートに10ボルト以上の比較的高い電圧を
印加するために、転送チャネルは上記のフォトダイオー
ド内部の電荷を完全に読み出すことで、フォトダイオー
ド内部を完全空乏化することが可能であったが、低電圧
・単一電源駆動を特長とする増幅型固体撮像装置におい
ては、転送ゲートに印加する電圧がたとえば3.3ボル
トと低電圧であるために、単純に埋め込み型フォトダイ
オード構造を導入してしまうと、上記のフォトダイオー
ド内部の電荷を完全に読み出すことが不可能となってし
まい、この不完全な読み出しのためにフォトダイオード
は完全空乏化できず、その結果として、フォトダイオー
ドの信号電荷をリセットする際のポテンシャルの揺らぎ
に起因する熱雑音を除去することができないという課題
が発生してしまう。
That is, CC which is a conventional mainstream imaging device
In D, when the signal charge of the photodiode is read out, a relatively high voltage of 10 V or more is applied to the transfer gate, so that the transfer channel completely reads out the charge inside the photodiode. Although it was possible to completely deplete the inside, in the amplification type solid-state imaging device characterized by low voltage and single power source drive, the voltage applied to the transfer gate is as low as 3.3 V. Therefore, if the embedded photodiode structure is simply introduced, it becomes impossible to completely read out the charges inside the photodiode, and due to this incomplete reading, the photodiode is completely depleted. Noise resulting from fluctuations in the potential when resetting the signal charge of the photodiode. A problem that can not be removed occurs.

【0007】さらに、低消費電力化や低電源電圧動作を
考えた場合に、動作電圧を上記の3.3ボルト単一電源
からたとえば1.5ボルト単一電源に低電圧化すること
を考えた場合には、完全空乏化も完全転送動作も不可能
となってしまう。
Further, when considering low power consumption and low power supply voltage operation, it was considered to reduce the operating voltage from the 3.3 volt single power supply to, for example, 1.5 volt single power supply. In this case, neither complete depletion nor complete transfer operation is possible.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、低雑音
なフォトダイオード構造である埋め込み型フォトダイオ
ード構造を低電圧駆動の増幅型固体撮像装置に適用した
場合においても、完全空乏化した埋め込みフォトダイオ
ード内部のポテンシャル底部が転送トランジスタのチャ
ネル領域と同程度の深さに形成されるので、増幅型固体
撮像装置の特長である低電圧駆動においても、フォトダ
イオードを完全空乏化・完全転送動作することが可能と
なり、したがってフォトダイオードのリセット時の熱雑
音であるリセット雑音を除去することが可能であり、そ
の結果として、低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を
得ることができる。
According to the present invention, even when an embedded photodiode structure, which is a low noise photodiode structure, is applied to an amplification type solid-state image pickup device driven at a low voltage, the embedded photodiode is completely depleted. Since the bottom of the potential inside the photodiode is formed to the same depth as the channel region of the transfer transistor, the photodiode is fully depleted / completely transferred even in low voltage driving, which is a feature of the amplification type solid-state imaging device. Therefore, it is possible to remove the reset noise that is the thermal noise at the time of resetting the photodiode, and as a result, it is possible to obtain an amplification type solid-state imaging device with low noise and high sensitivity.

【0009】さらに、本発明によれば完全空乏化した埋
め込みフォトダイオード内部のポテンシャル底部が転送
トランジスタのチャネル領域と同程度の深さに形成され
るのみならず、この転送トランジスタのチャネル領域と
同程度の深さにおける蓄積ダイオードポテンシャルが蓄
積ダイオードの表面ポテンシャルと同等となるので、増
幅型固体撮像装置の特長である低駆動電圧をさらに低電
圧化した場合においても、フォトダイオードを完全空乏
化すると同時に完全転送することが可能となり、したが
ってフォトダイオードのリセット時の熱雑音であるリセ
ット雑音を除去することが可能であり、その結果とし
て、低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。
Further, according to the present invention, not only is the potential bottom inside the fully depleted buried photodiode formed to a depth approximately the same as the channel region of the transfer transistor, but it is also approximately the same as the channel region of the transfer transistor. Since the storage diode potential at the depth of is equal to the surface potential of the storage diode, even when the low drive voltage, which is a feature of the amplification type solid-state imaging device, is further lowered, the photodiode is completely depleted and at the same time completely Therefore, reset noise, which is thermal noise at the time of resetting the photodiode, can be removed, and as a result, an amplification type solid-state imaging device with low noise and high sensitivity can be obtained.

【0010】また、本発明によれば、埋め込みフォトダ
イオードに隣接配置される転送トランジスタのチャネル
領域の表面近傍に半導体基板と同一の導電型の不純物で
あり、半導体基板における不純物濃度よりも高濃度の不
純物領域が形成されているので、転送トランジスタのチ
ャネル領域においてもSi−SiO 界面において発生
する雑音電流はフォトダイオードには蓄積されずフォト
ダイオード表面近傍の高濃度不純物層と再結合するか、
あるいは蓄積ダイオード側に排出されるので、さらに低
雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。
Further, according to the present invention, the impurity of the same conductivity type as that of the semiconductor substrate is present in the vicinity of the surface of the channel region of the transfer transistor arranged adjacent to the buried photodiode, and the impurity concentration is higher than that of the semiconductor substrate. since the impurity regions are formed, the noise current is also generated in Si- SiO 2 interface in the channel region of the transfer transistor recombine the high concentration impurity layer of the photodiode near the surface without being accumulated in the photodiode or,
Alternatively, since it is discharged to the side of the storage diode, it is possible to obtain an amplification type solid-state imaging device with lower noise and higher sensitivity.

【0011】さらに、本発明によれば、蓄積ダイオード
領域においても、転送トランジスタのチャネル領域と同
程度の深さにおけるポテンシャルが表面ポテンシャルと
同程度に形成されるので、さらに低電圧駆動をする場合
においてもフォトダイオードを完全空乏化・完全転送動
作することが可能となり、したがってフォトダイオード
のリセット時の熱雑音であるリセット雑音を除去するこ
とが可能であり、その結果として、超低電圧駆動が可能
な低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることがで
きる。
Further, according to the present invention, the potential at the same depth as the channel region of the transfer transistor is formed at the same depth as the surface potential also in the storage diode region, so that when driving at a lower voltage. also it is possible to completely depleted, the complete transfer operation the photodiode, thus it is possible to remove the reset noise is the thermal noise at the time of resetting of the photodiode, as a result, can be ultra-low voltage drive kinematic A low noise and high sensitivity amplification type solid-state imaging device can be obtained.

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【0015】[0015]

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to examples.

【0017】図1は本発明の第1の実施例に係わる増幅
型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面構
造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の断
面構造を示している。図1に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。
FIG. 1 is a sectional structural view for explaining a unit pixel structure of an amplification type solid-state image pickup device according to a first embodiment of the present invention. The essential features of the present invention are a photodiode, a transfer transistor, and a storage. The cross-sectional structure of the area | region containing a diode is shown. Since the structure other than the structure shown in FIG. 1 is the same as that of the conventional amplification type solid-state imaging device, the description thereof will be omitted.

【0018】本発明の実施例においては、図1に示すよ
うに、p型半導体基板1の表面に凸部が形成されてお
り、この凸領域に埋め込みフォトダイオードを形成する
ためのn型不純物層4、及びp+型不純物層5が形成さ
れている。
[0018] In actual施例of the present invention, as shown in FIG. 1, p-type projections on the surface of the semiconductor substrate 1 is formed, n-type impurity for forming the photodiode embedded in the convex area The object layer 4 and the p + type impurity layer 5 are formed.

【0019】このp型半導体基板1の表面の凸部は、た
とえば素子分離のための酸化膜形成に先立ち、p型半導
体基板1にRIE(Reactive Ion Etc
hing)等の異方性エッチングを行うことで形成でき
る。
The convex portions on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 are formed on the p-type semiconductor substrate 1 by RIE (Reactive Ion Etc) prior to the formation of an oxide film for element isolation, for example.
It can be formed by performing anisotropic etching such as (hing).

【0020】あるいは、素子分離のための酸化膜形成工
程の後であっても、転送トランジスタのゲート構造形成
工程の前までの適当な工程においてp型半導体基板1に
RIE(Reactive Ion Etching)
等の異方性エッチングを行うことでも形成可能である。
Alternatively, even after the oxide film forming step for element isolation, the RIE (Reactive Ion Etching) is performed on the p-type semiconductor substrate 1 in an appropriate step before the transfer transistor gate structure forming step.
It can also be formed by performing anisotropic etching such as.

【0021】このとき形成される凹凸構造の段差をSと
する。
The step of the concavo-convex structure formed at this time is represented by S.

【0022】また、p型半導体基板1は、その表面側の
ダイオード・トランジスタ動作のための領域がたとえば
pウェル構造等のp型領域であれば、n型半導体基板と
することもできる。
The p-type semiconductor substrate 1 may be an n-type semiconductor substrate as long as the region for diode / transistor operation on the surface side is a p-type region such as a p-well structure.

【0023】埋め込みフォトダイオードのための2種類
の不純物層は、たとえばn型不純物層4は燐のイオン注
入で、p型不純物層5は硼素のイオン注入で、各々形成
できる。
[0023] Embedding two impurity layer for the photodiode, for example n-type impurity material layer 4 by ion implantation of phosphorus, a p-type impurity material layer 5 is ion implantation of boron, can be respectively formed.

【0024】このフォトダイオードにおいて光電変換さ
れた信号電荷は、フォトダイオード内部に蓄積されたの
ちフォトダイオードに隣接して形成される転送ゲートを
介して、蓄積ダイオードに転送・蓄積される。
The photoelectrically-converted signal charges in the photo diode, via <br/> transfer gate formed adjacent to the photodiode after being accumulated in the photodiode are transferred to and stored in the storage diode It

【0025】転送ゲートは、p型半導体基板1表面を熱
酸化したのちにCVD等によりゲート電極3として、た
とえばポリシリコン等を堆積し、さらにフォトリソグラ
フィーとRIE等のエッチングとを組み合わせること
で、図1に示す形状に加工・形成することができる。
The transfer gate is a p-type semiconductor substrate 1 and the gate electrodes 3 by CVD or the like after the thermal oxidation, for example, polysilicon is deposited or the like, combined with the etching such photolithography and RIE As a result, it is possible to process / form the shape shown in FIG.

【0026】蓄積ダイオードを形成するためのn型不純
物層6は、たとえば燐のイオン注入により形成すること
ができる。
N-type impurity for forming storage diode
The material layer 6 can be formed by ion implantation of phosphorus, for example.

【0027】蓄積ダイオードを形成するn型不純物層6
には、コンタクトホールを介してアルミニウム等の金属
配線7が接続されている。この金属配線7は、単位画素
内部の増幅トランジスタのゲート電極(不図示)に接続
され、したがって、増幅トランジスタのゲート電極に印
加されるゲート電圧は、蓄積ダイオードに蓄積された信
号電荷量により変調される。なお、フォトダイオード及
び転送ゲート、蓄積ダイオードの表面は絶縁膜2によっ
て覆われている。
N-type impurity layer 6 forming a storage diode
A metal wiring 7 made of aluminum or the like is connected to the via a contact hole. The metal wiring 7 is connected to the gate electrode (not shown) of the amplification transistor inside the unit pixel, so that the gate voltage applied to the gate electrode of the amplification transistor is modulated by the amount of signal charges accumulated in the accumulation diode. It The photodiode and
The surface of the transfer gate and storage diode is covered by the insulating film 2.
Covered.

【0028】蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷は、蓄
積ダイオードに隣接して設けられたリセットゲート(不
図示)を介してリセットドレイン(不図示)に排出され
る。これらの、増幅トランジスタ構造、およびリセット
トランジスタ構造については、従来の増幅型固体撮像装
置と同様であり、通常のMOS工程により形成可能な一
般的構造であるので、その構造および形成の方法に関す
る説明を省略する。
The signal charge accumulated in the storage diode is discharged to a reset drain (not shown) via a reset gate (not shown) provided adjacent to the storage diode. The amplification transistor structure and the reset transistor structure are the same as those of the conventional amplification type solid-state imaging device, and are general structures that can be formed by a normal MOS process. Omit it.

【0029】図1に示す埋め込みフォトダイオード内部
の不純物濃度プロファイルを図3に示す。
FIG. 3 shows an impurity concentration profile inside the buried photodiode shown in FIG.

【0030】フォトダイオードの表面近傍には、硼素が
高濃度に添加されたp+層が形成され、それよりやや深
い領域には燐が添加されたn層が形成され、さらに深い
領域はp型半導体基板となる。このとき、フォトダイオ
ードには2種類のpn接合が深さJ1、J2に形成され
る。また、n型不純物層における燐濃度が最大となる部
分の深さをPとする。
In the vicinity of the surface of the photodiode, a p + layer containing boron at a high concentration is formed, an n layer containing phosphorus is formed in a region slightly deeper than the p + layer, and a p-type semiconductor is formed in a deeper region. It becomes the substrate. At this time, two types of pn junctions are formed in the photodiode at depths J1 and J2. Further, the depth of the portion where the phosphorus concentration is maximum in the n-type impurity layer is P.

【0031】図3に示す不純物プロファイルを有する埋
め込み型フォトダイオードのn型不純物層を完全空乏化
させた時の、フォトダイオード内部のポテンシャルプロ
ファイルは図4のようになる。そのとき、表面近傍に形
成されたp+型不純物層が高濃度であるために、表面側
の空乏層は半導体表面に到達せず、半導体/酸化膜界面
の界面準位の影響を排除することが可能となる。
FIG. 4 shows the potential profile inside the photodiode when the n-type impurity layer of the embedded photodiode having the impurity profile shown in FIG. 3 is completely depleted. At this time, since the p + -type impurity layer formed near the surface has a high concentration, the depletion layer on the surface side does not reach the semiconductor surface, and the influence of the interface state of the semiconductor / oxide film interface can be eliminated. It will be possible.

【0032】さらに、埋め込み型フォトダイオードを完
全空乏化の状態で動作させることで、フォトダイオード
から蓄積ダイオードへの信号電荷の転送において、フォ
トダイオードの最大ポテンシャルφPDを一定として、
転送ゲート下のポテンシャルをφPDより高く設定する
ことにより、電荷転送時に発生するポテンシャルの揺ら
ぎに起因する熱雑音を排除することも可能となる。
Further, by operating the embedded photodiode in the fully depleted state, the maximum potential φPD of the photodiode is kept constant in the transfer of the signal charge from the photodiode to the storage diode.
By setting the potential under the transfer gate higher than φPD, it is possible to eliminate the thermal noise caused by the fluctuation of the potential generated during charge transfer.

【0033】ところが、従来の増幅型固体撮像装置で
は、この埋め込みフォトダイオードを完全空乏化の状態
で動作させることが困難であった。それは、低電圧駆動
を特長とする増幅型固体撮像装置については、転送ゲー
ト下のポテンシャルを十分に高くできないことが理由で
ある。
[0033] However, the conventional amplifying solid-state imaging device may be operated with the buried photodiode in fully depleted state is difficult. It is about the amplification type solid-state imaging device that features a low voltage driving, which is why it can not be sufficiently high potential under the transfer gate.

【0034】従来構造の増幅型固体撮像装置における、
転送ゲート下のポテンシャルプロファイル(A)と埋め
込みフォトダイオードのポテンシャルプロファイル
(B)は、概ね図6のようになる。図の理解を助けるた
めに、図6には転送ゲート下の不純物層構造と、フォト
ダイオードの不純物層構造をフォトダイオード表面を基
準として併記した。
In the amplification type solid-state image pickup device having the conventional structure,
The potential profile (A) under the transfer gate and the potential profile (B) of the embedded photodiode are as shown in FIG. In order to facilitate understanding of the figure, FIG. 6 shows the impurity layer structure below the transfer gate and the impurity layer structure of the photodiode, with reference to the photodiode surface.

【0035】転送ゲート下のポテンシャル(A)は、半
導体基板表面で最大値φSを示し、半導体基板内部に向
けて単調に減少する。ここで、φS>φPDを得ること
は容易であるが、図4に示すようにφPDは、深さbに
形成されているために、図6に示されるように2種類の
ポテンシャルプロファイル(A)(B)の交点で信号電
荷の転送が行われてしまい、その結果として埋め込みフ
ォトダイオードには残留電荷Qが残留する。この残留電
荷の存在により埋め込みフォトダイオードの特長である
完全空乏化での動作が行われず、したがって、転送時の
熱雑音が残留してしまう。
The potential (A) under the transfer gate shows the maximum value φS on the surface of the semiconductor substrate and monotonically decreases toward the inside of the semiconductor substrate. Here, although it is easy to obtain φS> φPD, since φPD is formed at the depth b as shown in FIG. 4, two types of potential profiles (A) as shown in FIG. 6 are obtained. The signal charge is transferred at the intersection of (B), and as a result, the residual charge Q remains in the embedded photodiode. Due to the presence of this residual charge, the operation of complete depletion, which is a feature of the embedded photodiode, is not performed, and therefore thermal noise during transfer remains.

【0036】一方、図1の構造によれば、埋め込みフォ
トダイオードが半導体基板の凸部に形成されているため
に、低電圧動作の増幅型固体撮像装置においても、埋め
込みフォトダイオードの完全空乏化動作が可能となる。
On the other hand, according to the structure shown in FIG. 1, since the embedded photodiode is formed on the convex portion of the semiconductor substrate, the fully depleted operation of the embedded photodiode is achieved even in the low voltage operation amplification type solid-state imaging device. Is possible.

【0037】図1の構造における転送ゲート下のポテン
シャルプロファイル(A)と埋め込みフォトダイオード
のポテンシャルプロファイル(B)は、概ね図5のよう
になる。図の理解を助けるために、図5にも転送ゲート
下の不純物層構造と、フォトダイオードの不純物層構造
をフォトダイオード表面を基準として併記した。
The potential profile (A) under the transfer gate and the potential profile (B) of the buried photodiode in the structure of FIG. 1 are as shown in FIG. In order to facilitate understanding of the drawing, the impurity layer structure under the transfer gate and the impurity layer structure of the photodiode are also shown in FIG. 5 with reference to the photodiode surface.

【0038】図5にも示されるように、フォトダイオー
ドを凸部に形成することで、完全空乏化した埋め込みフ
ォトダイオードの最大ポテンシャルφPDの深さbは、
半導体基板表面の凹凸部段差Sの存在により、転送ゲー
ト下のポテンシャルが最大となる深さに近く移動され
る。図5においては、図6の従来構造と同様に、最大ポ
テンシャルがφSとなるようなゲート電圧を印加してい
るにもかかわらず、半導体基板内部に存在するφPDか
ら電荷の転送が完全に行われ、埋め込みフォトダイオー
ドが完全空乏化していることがわかる。
As shown in FIG. 5, the depth b of the maximum potential φPD of the buried photodiode which is completely depleted by forming the photodiode in the convex portion is
Due to the presence of the unevenness step S on the surface of the semiconductor substrate, the potential under the transfer gate is moved close to the maximum depth. In FIG. 5, as in the conventional structure of FIG. 6, although the gate voltage is applied so that the maximum potential becomes φS, the charge transfer is completely performed from φPD existing inside the semiconductor substrate. , It can be seen that the embedded photodiode is completely depleted.

【0039】したがって、本発明によれば、低電圧駆動
の増幅型固体撮像装置においても埋め込みフォトダイオ
ードを完全空乏化状態で動作可能であり、不完全な電荷
転送に伴う熱雑音の発生は排除される。その結果とし
て、高感度で低雑音な増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。
Therefore, according to the present invention, even in a low voltage drive amplification type solid-state image pickup device, the embedded photodiode can be operated in a completely depleted state, and generation of thermal noise due to incomplete charge transfer is eliminated. It As a result, an amplification type solid-state imaging device with high sensitivity and low noise can be obtained.

【0040】次に、図2を用いて説明する。[0040] to the next, it will be described with reference to FIG.

【0041】図2は、本発明の実施例に係わる増幅型固
体撮像装置の単位画素構造を説明するための別の構成を
示す断面構造図であり、本発明の骨子となるフォトダイ
オード、転送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含
む領域の断面構造を示している。図2に示した構造以外
については、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるの
で省略する。
[0041] Figure 2 is another arrangement for explaining a unit pixel structure of an amplification type solid state imaging device according to a real施例of the present invention
A cross-sectional structure diagram showing, and a photodiode which is a gist of the present invention, the cross-sectional structure of a region including a transfer transistor, and the storage diode shown. Since the structure other than the structure shown in FIG. 2 is the same as that of the conventional amplification type solid-state imaging device, it is omitted.

【0042】本発明の実施例においては、図2に示すよ
うに、p型半導体基板1の表面に凹部が形成されてお
り、この凹領域に転送ゲートを形成するためのゲート電
極3が形成されている。
[0042] In actual施例of the present invention, as shown in FIG. 2 are recesses formed on the p-type semiconductor substrate 1 of the surface, the gate electrode 3 to form a transfer gate to the concave region formed Has been done.

【0043】このp型半導体基板1の表面の凹部は、た
とえば素子分離のための酸化膜形成に先立ち、p型半導
体基板1にRIE(Reactive Ion Etc
hing)等の異方性エッチングを行うことで形成でき
る。
The concave portion on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 is formed on the p-type semiconductor substrate 1 by RIE (Reactive Ion Etc) prior to formation of an oxide film for element isolation, for example.
It can be formed by performing anisotropic etching such as (hing).

【0044】このとき形成される凹凸構造の段差をSと
する。
The step of the concavo-convex structure formed at this time is S.

【0045】また、p型半導体基板1は、その表面側の
ダイオード・トランジスタ動作のための領域がたとえば
pウェル構造等のp型領域であれば、n型半導体基板と
することもできる。
The p-type semiconductor substrate 1 may be an n-type semiconductor substrate as long as the region for diode / transistor operation on the surface side is a p-type region such as a p-well structure.

【0046】埋め込みフォトダイオードのための2種類
の不純物層は、たとえばn型不純物層4は燐のイオン注
入で、p型不純物層5は硼素のイオン注入で、各々形成
できる。
The embedding two impurity layer for the photodiode, for example n-type impurity material layer 4 by ion implantation of phosphorus, a p-type impurity material layer 5 is ion implantation of boron, can be respectively formed.

【0047】このフォトダイオードにおいて光電変換さ
れた信号電荷は、フォトダイオード内部に蓄積されたの
ち、フォトダイオードに隣接して形成される転送ゲー
介して、蓄積ダイオードに転送・蓄積される。
The photoelectrically-converted signal charges in the photodiode, after being accumulated in the photodiode, a transfer gate which is formed adjacent to the photodiode
Through, it is transferred to and accumulated in the accumulation diode.

【0048】転送ゲートは、p型半導体基板1表面を熱
酸化したのちにCVD等によりゲート電極3として、た
とえばポリシリコン等を堆積し、さらにフォトリソグラ
フィーとRIE等のエッチングとを組み合せることで、
図2に示す形状に加工・形成することができる。
The transfer gate is a p-type semiconductor substrate 1 and the gate electrodes 3 by CVD or the like after the thermal oxidation, for example, polysilicon is deposited or the like, combined with etching such as photo lithography and RIE By doing
It can be processed and formed into the shape shown in FIG.

【0049】蓄積ダイオードを形成するためのn型不純
物層6は、たとえば燐のイオン注入により形成すること
ができる。
N-type impurity for forming storage diode
The material layer 6 can be formed by ion implantation of phosphorus, for example.

【0050】蓄積ダイオードを形成するn型不純物層6
には、コンタクトホールを介してアルミニウム等の金属
配線7が接続されている。この金属配線7は、単位画素
内部の増幅トランジスタのゲート電極(不図示)に接続
され、したがって、増幅トランジスタのゲート電極に印
加されるゲート電圧は、蓄積ダイオードに蓄積された信
号電荷量により変調される。
N-type impurity layer 6 forming a storage diode
A metal wiring 7 made of aluminum or the like is connected to the via a contact hole. The metal wiring 7 is connected to the gate electrode (not shown) of the amplification transistor inside the unit pixel, so that the gate voltage applied to the gate electrode of the amplification transistor is modulated by the amount of signal charges accumulated in the accumulation diode. It

【0051】蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷は、蓄
積ダイオードに隣接して設けられたリセットゲート(不
図示)を介してリセットドレイン(不図示)に排出され
る。これらの、増幅トランジスタ構造、およびリセット
トランジスタ構造については、従来の増幅型固体撮像装
置と同様であり、通常のMOS工程により形成可能な一
般的構造であるので、その構造および形成の方法に関す
る説明を省略する。
The signal charge accumulated in the storage diode is discharged to a reset drain (not shown) via a reset gate (not shown) provided adjacent to the storage diode. The amplification transistor structure and the reset transistor structure are the same as those of the conventional amplification type solid-state imaging device, and are general structures that can be formed by a normal MOS process. Omit it.

【0052】図2に示す構造によれば、埋め込みフォト
ダイオードの不純物プロファイル、ポテンシャルプロフ
ァイル、転送ゲート下のポテンシャルプロファイルは、
図1の構造と同様に、各々図3、図4、図5として与え
られる。したがって、図1の場合と同様に、低電圧駆動
の増幅型固体撮像装置においても埋め込みフォトダイオ
ードを完全空乏化状態で動作可能であり、不完全な電荷
転送に伴う熱雑音の発生は排除される。その結果とし
て、高感度で低雑音な増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。
According to the structure shown in FIG. 2, the impurity profile of the buried photodiode, the potential profile, and the potential profile under the transfer gate are:
Similar to the structure of FIG. 1, provided as FIGS. 3, 4 and 5, respectively. Therefore, if the same way in FIG. 1, is operable to be buried photodiode The amplifying solid-state imaging device of low driving voltage in a fully depleted state, generation of thermal noise caused by incomplete charge transfer eliminates To be done. As a result, an amplification type solid-state imaging device with high sensitivity and low noise can be obtained.

【0053】図1および図2に示す構造における、凹凸
部の段差Sについては、以下のように形成することが好
ましい。
The step S of the uneven portion in the structure shown in FIGS. 1 and 2 is preferably formed as follows.

【0054】図4に示すように、完全空乏化埋め込みフ
ォトダイオードの最大ポテンシャルφPDが形成される
深さbは、燐のイオン注入により形成される不純物プロ
ファイルにおいて燐濃度が最大となる深さPと概ね一致
する。これは、埋め込みフォトダイオードの表面近傍の
p+層とp型半導体基板とがいずれも同一の基板電位
(図4〜6では0)に設定されることと、イオン注入に
より形成される燐濃度が概ね対称なガウス分布で近似で
きること、そして表面近傍のp+層の深さJ1が最大ポ
テンシャルの深さbおよびn層の深さJ2と比較して十
分に浅いことを併せて考えれば、概ね妥当な近似と言え
る。
As shown in FIG. 4, the depth b at which the maximum potential φPD of the fully depleted buried photodiode is formed is the depth P at which the phosphorus concentration becomes maximum in the impurity profile formed by phosphorus ion implantation. Generally agrees. This is because the p + layer near the surface of the embedded photodiode and the p-type semiconductor substrate are both set to the same substrate potential (0 in FIGS. 4 to 6), and the phosphorus concentration formed by ion implantation is almost the same. Considering that it can be approximated by a symmetric Gaussian distribution, and that the depth J1 of the p + layer near the surface is sufficiently shallow as compared with the depth b of the maximum potential and the depth J2 of the n layer, a generally reasonable approximation is obtained. Can be said.

【0055】一方、図5に示したように、深さbに形成
された埋め込みフォトダイオードの最大ポテンシャルφ
PDをもっとも効率よく完全転送するためには、凹凸段
差Sが最大ポテンシャル深さbと一致させれば良い。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the maximum potential φ of the embedded photodiode formed at the depth b.
In order to transfer PDs most efficiently and completely, the unevenness step S should be matched with the maximum potential depth b.

【0056】したがって、図1あるいは図2の構造を得
たうえで、効率よく完全空乏化埋め込みフォトダイオー
ドを実現するための指針として、図1および図2におけ
る凹凸段差Sと、図3におけるn型層の燐濃度が最大と
なる深さPとを、概ね等しくすることが好ましいといえ
る。
Therefore, after obtaining the structure of FIG. 1 or FIG. 2, as a guideline for efficiently realizing a fully depleted buried photodiode, the uneven step S in FIG. 1 and FIG. It can be said that it is preferable that the depth P at which the phosphorus concentration of the layer is maximum is approximately equal.

【0057】また、図1あるいは図2に示した凹凸構造
における、埋め込みフォトダイオードと転送ゲートの構
造については、図7に示すようなバリエーションが考え
られる。
As for the structures of the buried photodiode and the transfer gate in the concavo-convex structure shown in FIG. 1 or 2, variations as shown in FIG. 7 can be considered.

【0058】図7(a)は、図1および図2と同一であ
り、凹凸構造に伴う段差部分と転送ゲート端部にオフセ
ットを設けている。
FIG. 7A is the same as FIG. 1 and FIG. 2, and offsets are provided at the step portion and the transfer gate end portion due to the concavo-convex structure.

【0059】図7(b)は、凹凸構造に伴う段差部分と
転送ゲート端部とを一致させた構造であり、図7(c)
は、(a)とは逆方向に凹凸構造に伴う段差部分と転送
ゲート端部とのオフセットを設けている。
FIG. 7B shows a structure in which the step portion due to the concavo-convex structure and the end of the transfer gate are aligned with each other, and FIG.
Provides an offset between the step portion and the transfer gate end portion due to the concavo-convex structure in the opposite direction to (a).

【0060】図7(b)(c)のいずれにおいても、上
述のように完全空乏化埋め込みフォトダイオードの低電
圧駆動が可能であることはいうまでもないが、、図7
(a)と比較してフォトダイオードへの光入射面積を相
対的に大きくすることが可能であり、したがってさらな
る高感度化の効果もあるので好ましく、それ以外にも完
全空乏化埋め込みフォトダイオードの最大ポテンシャル
部と転送ゲート下での最大ポテンシャル部との電荷転送
方向距離が図7(a)より短縮されていることから、そ
の効果はより著しく、好ましいといえる。
It is needless to say that the fully-depleted buried photodiode can be driven at a low voltage as described above in any of FIGS. 7B and 7C.
Compared to (a), it is possible to make the light incident area on the photodiode relatively large, and therefore there is the effect of higher sensitivity, which is also preferable. Since the distance in the charge transfer direction between the potential portion and the maximum potential portion under the transfer gate is shorter than that in FIG. 7A, the effect is more remarkable and preferable.

【0061】さらに、本発明では図8に示すように構成
している。
Further, the present invention is configured as shown in FIG.
is doing.

【0062】図8は、本発明に係わる増幅型固体撮像装
置の単位画素構造を説明するための断面構造図であり、
本発明の骨子となるフォトダイオード、転送トランジス
タ、および蓄積ダイオードを含む領域の断面構造を示し
ている。図8に示した構造以外については、従来の増幅
型固体撮像装置と同様であるので省略する。
[0062] Figure 8 is a sectional view illustrating a unit pixel structure of the amplification type solid-state imaging device according to the present onset Akira,
1 shows a cross-sectional structure of a region including a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode, which are the gist of the present invention. Since the structure other than the structure shown in FIG. 8 is the same as that of the conventional amplification type solid-state imaging device, the description thereof will be omitted.

【0063】すなわち、図8(a),(b)に示される
ように、フォトダイオードに隣接する段差部の側壁部に
形成されるチャネル領域の半導体基板表面近傍に、更に
型不純物からなる不純物領域101が形成されてい
る。このp型不純物領域101の存在により、フォトダ
イオード内部のn型不純物層4から転送ゲート側壁部に
向かう空乏層は、この転送ゲート側壁部のSi−SiO
界面に到達することが防止される。
That is, as shown in FIGS. 8A and 8B , the channel region formed on the side wall of the step adjacent to the photodiode is further provided near the surface of the semiconductor substrate.
An impurity region 101 made of p- type impurities is formed. The presence of the p-type impurity region 101, the depletion layer toward the transfer gate side wall portion of the n-type impurity material layer 4 inside the photodiode, the transfer gate sidewall portion Si- SiO
2 is prevented from reaching the interface.

【0064】この転送ゲート側壁部のSi−SiO
面は、フォトダイオード領域表面のSi−SiO 界面
とは異なり、界面上をゲート酸化膜および転送ゲート電
極3により保護されているために、相対的にはその界面
準位密度は低い。しかしながら、低雑音特性を重要視す
る場合においては、必ずしもその存在を無視することが
適当とは言えない。
[0064] Si- SiO 2 interface of the transfer gate sidewall portions, unlike Si- SiO 2 interface photodiode region surface, the upper surface to be protected by the gate oxide film and the transfer gate electrode 3, the relative The interface state density is low. However, it is not always appropriate to ignore the existence when low noise characteristics are important.

【0065】したがって、図8に示される構造によれ
ば、転送ゲート側壁部のSi−SiO 界面の界面準位
に起因する雑音電流がフォトダイオードに蓄積すること
が無く、さらなる低雑音特性を得ることが可能となる。
[0065], therefore, according to the structure shown in FIG. 8, the noise current caused by the interface state of Si- SiO 2 interface of the transfer gate sidewall portion without being accumulated in the photodiode, a further low noise characteristics It becomes possible to obtain.

【0066】このとき、転送ゲート側壁部のp型不純物
領域101による界面準位シールド効果を十分なものと
し、十分な低雑音特性を得るためには、このp型不純物
領域101の不純物濃度(N1)を、フォトダイオード
表面に形成されるp型不純物層5の不純物濃度(N2)
より高いか、あるいは等しく設定する。すなわち、N1
≧N2であることがより好ましいと言える。
At this time, in order to obtain a sufficient interface state shielding effect by the p-type impurity region 101 on the transfer gate side wall and to obtain a sufficient low noise characteristic, the impurity concentration (N1 the), impurity concentration of the p-type impurity material layer 5 formed on the photodiode surface (N2)
Set higher or equal. That is, N1
It can be said that it is more preferable that ≧ N2.

【0067】この構造を得るためには、たとえば半導体
基板表面の凹凸形状を形成加工する前に、図8における
p型不純物領域101と、このp型不純物領域101に
隣接する凹部とを跨る広い領域にp型不純物をイオン注
入したのちに、半導体基板表面の凹凸形状を加工するこ
とで実現することができる。
[0067] To obtain this structure, for example before forming machining irregularities of the semiconductor substrate surface, a wide span a p-type impurity region 101 in FIG. 8, a recess adjacent to the p-type impurity regions 101 This can be achieved by ion-implanting p-type impurities into the region and then processing the uneven shape of the surface of the semiconductor substrate.

【0068】あるいは、半導体基板表面の凹凸形状を形
成加工した後に、このp型不純物領域101の側壁に対
して適当な入射角を設けてp型不純物をイオン注入する
ことでも実現可能である。
Alternatively, it can be realized by forming an uneven shape on the surface of the semiconductor substrate and then implanting a p-type impurity ion with a proper incident angle with respect to the sidewall of the p-type impurity region 101.

【0069】次に、本発明の第の実施例を、図9を用
いて説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0070】図9は、本発明の第の実施例に係わる増
幅型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面
構造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、
転送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の
断面構造を示している。図9に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。
FIG. 9 is a sectional structural view for explaining the unit pixel structure of the amplification type solid-state image pickup device according to the second embodiment of the present invention.
The cross-sectional structure of the area | region containing a transfer transistor and a storage diode is shown. Since the structure other than the structure shown in FIG. 9 is the same as that of the conventional amplification type solid-state imaging device, it is omitted.

【0071】本実施例においては、図9(a),(b)
に示されるように、フォトダイオードに隣接する段差部
の側壁部に形成されるチャネル領域の半導体基板表面近
傍に、p型不純物からなる不純物領域101が形成され
ているうえに、半導体基板表面と平行な平面において転
送ゲート電極3下部に形成されるチャネル領域の半導体
基板表面近傍にもp型不純物領域102が形成されてい
る。
In this embodiment, FIGS. 9A and 9B are used.
As shown in FIG. 3, an impurity region 101 made of a p-type impurity is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate in the channel region formed on the side wall of the step portion adjacent to the photodiode, and is parallel to the surface of the semiconductor substrate. p-type impurity region 102 is formed in the vicinity of the semiconductor substrate surface of the channel region formed in the third lower transfer gate electrode in a plane.

【0072】転送ゲート電極3側壁部におけるp型不純
物領域101の存在による効果は、前記の第の実施例
と同様である。
[0072] Effect of the presence of p-type impurity region 101 in the transfer gate electrode 3 side wall portion is the same as the first embodiment above.

【0073】本実施例においては、さらに転送ゲート電
極3の底部に形成されるチャネル領域においても、その
半導体基板表面近傍にp型不純物領域102を形成して
いる。このp型不純物領域102の存在により、フォト
ダイオード内部のn型不純物層4から転送ゲート電極3
底部に向かう空乏層は、転送ゲート電極3底部のSi−
SiO 界面に到達することが防止される。
[0073] In this embodiment, further transfer gate conductive
Also in the channel region formed at the bottom of the pole 3 , the p-type impurity region 102 is formed near the surface of the semiconductor substrate. The presence of the p-type impurity regions 102, transferred from the n-type impurity material layer 4 of the internal photodiode gate electrode 3
Depletion layer towards the bottom, the transfer gate electrode 3 bottom of Si-
Reaching the SiO 2 interface is prevented.

【0074】この転送ゲート底部のSi−SiO 界面
は、前述の転送ゲート側壁部のSi−SiO 界面と同
様に、フォトダイオード領域表面のSi−SiO 界面
とは異なり、界面上をゲート酸化膜および転送ゲート電
極3により保護されているために、相対的にはその界面
準位密度は低い。しかしながら、同様に、低雑音特性を
重要視する場合においては、必ずしもその存在を無視す
ることが適当とは言えない。したがって、本実施例に示
される構造によれば、転送ゲート電極3底部のSi−
iO 界面の界面準位に起因する雑音電流がフォトダイ
オードに蓄積することが無く、さらなる低雑音特性を得
ることが可能となる。
The Si- SiO 2 interface at the bottom of the transfer gate is different from the Si- SiO 2 interface at the surface of the photodiode region in the same manner as the Si- SiO 2 interface at the sidewall of the transfer gate described above. Since it is protected by the film and the transfer gate electrode 3, the interface state density is relatively low. However, similarly, when importance is attached to the low noise characteristic, it cannot always be said that it is appropriate to ignore its existence. Therefore, according to the structure shown in this embodiment, the transfer gate electrode 3 bottom of Si- S
The noise current due to the interface state of the iO 2 interface does not accumulate in the photodiode, and it is possible to obtain further low noise characteristics.

【0075】本実施例の構造を得るためには、たとえば
半導体基板表面の凹凸形状を形成加工した後に、このp
型不純物領域102の領域にp型不純物をイオン注入す
ることで実現可能である。
In order to obtain the structure of this embodiment, for example, after forming the uneven shape of the semiconductor substrate surface, this p
This can be achieved by implanting p-type impurities into the region of the type impurity region 102.

【0076】さらに、図10に示す第の実施例のよう
に、転送ゲートにより形成されるチャネル領域につい
て、その底部と側壁部の全てのチャネル領域において、
半導体基板表面近傍にp型不純物領域(102、10
3、他の図手前側の面および図奥側の面については図示
していない)を形成することで、転送ゲートの全チャネ
ル領域におけるSi−SiO 界面準位からの雑音電流
を遮断することが可能となるので、この構造はより好ま
しいと言える。
[0076] Further, as in the third embodiment shown in FIG. 10, the channel region more formed on the transfer gate, in all the channel region of the bottom and side wall,
A p-type impurity region (102, 10) is formed near the surface of the semiconductor substrate.
3, for the surface of the surface and Zuoku side of the other figures near side by forming a not shown), to cut off the noise current from Si- SiO 2 interface state in the entire channel region of the transfer gate This structure can be said to be more preferable because it is possible.

【0077】図10の構造を得るためには、たとえば半
導体基板表面の凹凸形状を形成加工した後に、p型不純
物層を堆積し熱拡散する、いわゆる固相拡散により実現
可能である。
The structure shown in FIG. 10 can be realized by so-called solid phase diffusion, for example, after forming and processing the uneven shape of the surface of the semiconductor substrate, depositing a p-type impurity layer and thermally diffusing it.

【0078】また、フォトダイオード領域のn型不純
層4からの空乏層がSi−SiO 界面に到達しないと
いう条件からは、転送ゲート電極3底部のp型不純物領
域102が最も距離が近いために、その不純物濃度(N
C1)は比較的高濃度であることが要求されるが、逆に
転送ゲート電極3側壁部のp型不純物領域(図手前側・
図奥側のため図示していない)については、その不純物
濃度(NC2)は比較的低濃度であっても、その目的を
達成することが可能である。すなわち、NC1>NC2
においても低雑音化は可能である。
[0078] Also, n-type impurities of the photodiode region
From the condition that a depletion layer from the layer 4 does not reach the Si- SiO 2 interface, to transfer gate electrode 3 bottom p-type impurity region 102 of the most distance is short, the impurity concentration (N
C1) is relatively it high concentration of is required, p-type impurity region of the transfer in the opposite gate electrode 3 side wall portion (FIG front-
(Not shown because it is on the far side of the drawing), the object can be achieved even if the impurity concentration (NC2) is relatively low. That is, NC1> NC2
It is possible to reduce noise even in.

【0079】この場合には、その構造を実現するための
方法として、前述の固相拡散以外の方法が適用可能とな
り、たとえば半導体基板表面の凹凸形状を形成した後
に、凹凸形状を形成加工するためのレジストマスクを用
いて自己整合的な、傾斜イオン入射の回転イオン注入法
による不純物領域形成が可能となり、その製造方法がよ
り一般的な工程により構成可能となるので、より好まし
いと言える。次に、図11を用いて、本発明の第の実
施例について説明する。図11は、本発明の第の実施
例に係わる増幅型固体撮像装置の単位画素構造を説明す
るための断面構造図であり、本発明の骨子となるフォト
ダイオード、転送トランジスタ、および蓄積ダイオード
を含む領域の断面構造を示している。図11に示した構
造以外については、従来の増幅型固体撮像装置と同様で
あるので省略する。
In this case, as a method for realizing the structure, a method other than the solid phase diffusion described above can be applied. For example, after forming the uneven shape on the surface of the semiconductor substrate, the uneven shape is formed and processed. It can be said that it is more preferable because the impurity region can be formed by the rotating ion implantation method of the tilted ion incidence in a self-aligned manner by using the resist mask of (1) and the manufacturing method can be configured by more general steps. Next, with reference to FIG. 11, a description will be given of a fourth embodiment of the present invention. FIG. 11 is a cross-sectional structural view for explaining a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, which shows a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode, which are the main features of the present invention. The cross-sectional structure of the area | region containing is shown. The structure other than the structure shown in FIG. 11 is the same as that of the conventional amplification type solid-state imaging device, and therefore its description is omitted.

【0080】本実施例においては、図11に示されるよ
うに、フォトダイオードに隣接する段差部の側壁部に形
成されるチャネル領域の半導体基板表面近傍に、p型不
純物からなる不純物領域101が形成されているうえ
に、半導体基板表面と平行な平面において転送ゲート電
極3下部に形成されるチャネル領域の半導体基板表面近
傍にもp型不純物領域102が形成されており、さらに
転送ゲート電極3の側壁部に形成されるチャネル領域に
おいても、その半導体基板表面近傍にp型不純物領域1
03(図手前側面と図奥側面については図示していな
い)を形成している。
In this embodiment, as shown in FIG. 11, an impurity region 101 made of p-type impurities is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate in the channel region formed on the side wall of the step adjacent to the photodiode. in terms of being, transferred gate conductive in a plane parallel to the semiconductor substrate surface
Electrode 3 in the vicinity of the semiconductor substrate surface of the channel region formed in the lower and p-type impurity region 102 is formed, even in the channel region is further formed on the side wall portion of the transfer gate electrode 3, near the surface of the semiconductor substrate P-type impurity region 1
03 (the front side and the back side in the figure are not shown) are formed.

【0081】転送ゲート電極3により形成されるチャネ
ル領域表面におけるp型不純物領域)101、102、
図手前側面と図奥側面については図示していない)の存
在による効果は、前記の第の実施例と同様である。
[0081] p-type impurity region in the channel region surface formed by the transfer gate electrode 3) 101,
The effect due to the existence of the front side surface and the back side surface in the drawing is the same as in the second embodiment.

【0082】本実施例においては、さらに蓄積ダイオー
ドの第1のn型不純物層6と同一の面に、この第1のn
型不純物層6とはその不純物濃度分布が異なる第2のn
型不純物領域104を形成している。
[0082] In this embodiment, the more the same plane as the first n-type impurity material layer 6 of the storage diode, the first n
The type impurity material layer 6 second n that the impurity concentration distribution is different
The type impurity region 104 is formed.

【0083】すなわち、第1のn型不純物層6は、半導
体基板表面近傍において不純物濃度が最大となるような
不純物濃度分布を有しており、一方、第2のn型不純物
領域104は、転送ゲート電極3底部のチャネル領域に
おける半導体基板表面と同程度の深さにおいて不純物濃
度が最大となるような不純物濃度分布を有している。
[0083] That is, the first n-type impurity material layer 6, the impurity concentration in the vicinity the surface of the semiconductor substrate has an impurity concentration distribution such that the maximum, while the second n-type impurity regions 104, impurity concentration has an impurity concentration distribution such that a maximum in the transfer gate electrode 3 bottom depth comparable to the semiconductor substrate surface in the channel region of the.

【0084】図11の構造によれば、転送ゲート電極3
底部のチャネル領域の蓄積ダイオード側端部のポテンシ
ャルを蓄積ダイオード表面のポテンシャルとほぼ等しく
することが可能となる。したがって、蓄積ダイオードの
第1のn型不純物層6に接続されている配線7のポテン
シャルを蓄積ダイオード領域の第1のn型不純物層6か
らの空乏化に起因する電位降下の影響なく、直接転送ゲ
ト電極3底部のチャネル領域に与えることが可能とな
る。したがって、本実施例によれば、更なる低電圧動作
が可能となる。
[0084] According to the structure of FIG. 11, the transfer gate electrode 3
It is possible to make the potential at the end of the bottom channel region on the side of the storage diode substantially equal to the potential at the surface of the storage diode. Therefore, the potential of the wiring 7 connected to the first n-type impurity layer 6 of the storage diode is directly transferred without the influence of the potential drop due to the depletion from the first n-type impurity layer 6 of the storage diode region. It is possible to apply it to the channel region at the bottom of the gate electrode 3 . Therefore, according to the present embodiment, further low voltage operation becomes possible.

【0085】本実施例の構造を得るためには、たとえば
第1のn型不純物層6を、フォトレジスト等をマスクと
してn型不純物イオン注入により形成した直後に、同一
のフォトレジストをマスクとしてイオン注入加速度を高
電圧化して再度n型不純物をイオン注入することで、容
易に実現可能である。
[0085] To obtain the structure of this embodiment, for example, a first n-type impurity material layer 6, immediately after formed by n-type impurity ion implantation photo registry such as a mask, a mask of the same photoresist Can be easily realized by increasing the ion implantation acceleration and re-implanting the n-type impurities.

【0086】また、図12に示す第の実施例のよう
に、第1のn型不純物層6と第2のn型不純物領域10
5の形成範囲を同一とはせず、第2のn型不純物領域1
05を転送ゲート電極3に隣接する領域のみに形成する
ことによっても、まったく同様の効果を得ることが可能
である。
[0086] Also, as in the fifth embodiment shown in FIG. 12, the first n-type impurity material layer 6 and the second n-type impurity regions 10
The second n-type impurity region 1 does not have the same formation range.
05 also by the forming only in a region adjacent to the transfer gate electrode 3, it is possible to obtain the same effects.

【0087】本実施例においては、第2のn型不純物領
域105を蓄積ダイオードに付加することに起因する、
蓄積ダイオード容量の増加を抑止可能な点でより好まし
いと言える。
In the present embodiment, this is caused by adding the second n-type impurity region 105 to the storage diode.
It can be said that it is more preferable in that the increase in the storage diode capacitance can be suppressed.

【0088】すなわち、増幅型固体撮像装置において
は、フォトダイオードにおいて光電変換した入射光信号
電荷を信号電圧に変換する、いわゆるフローティングデ
ィフージョンアンプ構造が蓄積ダイオードにより構成さ
れているが、このフローティングディフージョンアンプ
構造における(信号電圧/信号電荷)として性能の指標
として用いられる変換ゲインは概ね蓄積ダイオード容量
に反比例するので、本実施例の構造により蓄積ダイオー
ド容量の増大を防止することが可能である。
That is, in the amplification type solid-state image pickup device, a so-called floating diffusion amplifier structure for converting incident optical signal charges photoelectrically converted in the photodiode into a signal voltage is constituted by the storage diode. Since the conversion gain used as an index of performance as (signal voltage / signal charge) in the amplifier structure is approximately inversely proportional to the storage diode capacitance, the structure of this embodiment can prevent the storage diode capacitance from increasing.

【0089】さらに、これらの蓄積ダイオードにおける
第2のn型不純物領域105の不純物濃度分布について
は、フォトダイオードにおけるn型不純物層4の不純物
濃度と同一であることが好ましいと言える。それは、フ
ォトダイオードにおける最大ポテンシャル位置、転送ゲ
ートチャネルにおける最大ポテンシャル位置、そして蓄
積ダイオードにおける最大ポテンシャル位置が全て同一
の深さにおける同一平面上に形成されることにより、最
も効率よく素子動作させることが可能であるからであ
り、その理由は前述のとおりである。また、そのような
構造については、たとえば転送ゲート電極3を加工形成
した後に、転送ゲート電極3に対して自己整合的に不純
物イオン注入が可能であり、容易に実現できる。
[0089] Furthermore, for the impurity concentration distribution of the second n-type impurity regions 105 in those storage diode, it would be preferably the same as the impurity concentration of the n-type impurity material layer 4 in the photodiode. This is because the maximum potential position in the photodiode, the maximum potential position in the transfer gate channel, and the maximum potential position in the storage diode are all formed on the same plane at the same depth, which allows the device to operate most efficiently. The reason is as described above. As for such structures, for example, a transfer gate electrode 3 after processing form, it is capable of self-aligned impurity ion implantation to the transfer gate electrode 3 can be easily realized.

【0090】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形実施可能である。
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0091】[0091]

【発明の効果】本発明によれば、低電圧駆動が可能であ
ると同時に、低雑音であり高感度な増幅型固体撮像装置
を実現できる。
According to the present invention, it is possible to realize an amplification type solid-state image pickup device which can be driven at a low voltage and has low noise and high sensitivity.

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

【図1】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置の
単位画素構造におけるフォトダイオード、転送トランジ
スタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明するため
の断面構造図。
Real施例photo in the unit pixel structure of an amplification type solid state imaging device according to a diode, the transfer transistors, and a cross-sectional structure diagram illustrating a cross sectional structure of a storage diode of the present invention; FIG.

【図2】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置の
単位画素構造におけるフォトダイオード、転送トランジ
スタ、および蓄積ダイオードの別の構成の断面構造を説
明するための断面構造図。
Real施例photo in the unit pixel structure of an amplification type solid state imaging device according to a diode, the transfer transistors, and a cross-sectional structure diagram illustrating a cross sectional structure of another configuration of the storage diode of the present invention; FIG.

【図3】埋め込み型フォトダイオードにおける不純物濃
度の深さ方向分布を説明するための不純物濃度プロファ
イル。
FIG. 3 is an impurity concentration profile for explaining the depthwise distribution of the impurity concentration in the embedded photodiode.

【図4】完全空乏化した埋め込み型フォトダイオードに
おけるポテンシャルの深さ方向分布を説明するためのポ
テンシャルプロファイル。
FIG. 4 is a potential profile for explaining a depth-direction distribution of a potential in a fully depleted embedded photodiode.

【図5】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置に
おける転送ゲート下のポテンシャルプロファイルと、完
全空乏化した埋め込み型フォトダイオード内部のポテン
シャルプロファイル。
FIG. 5 shows a potential profile under a transfer gate and a potential profile inside a fully depleted embedded photodiode in an amplification type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.

【図6】従来の増幅型固体撮像装置における転送ゲート
下のポテンシャルプロファイルと、完全空乏下した埋め
込み型フォトダイオード内部のポテンシャルプロファイ
ル。
FIG. 6 shows a potential profile below a transfer gate and a potential profile inside a fully depleted embedded photodiode in a conventional amplification type solid-state imaging device.

【図7】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置の
単位画素構造における埋め込み型フォトダイオードと転
送ゲートの構造を説明する断面構造図。
FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram illustrating structures of an embedded photodiode and a transfer gate in a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to an example of the present invention.

【図8】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置の
単位画素構造におけるフォトダイオード、転送トランジ
スタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明するため
の断面構造図。
[8] Real施例photo in the unit pixel structure of an amplification type solid state imaging device according to a diode, the transfer transistors, and a cross-sectional structure diagram illustrating a cross sectional structure of a storage diode of the present invention.

【図9】本発明の第の実施例に係わる増幅型固体撮像
装置の単位画素構造におけるフォトダイオード、転送ト
ランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明す
るための断面構造図。
FIG. 9 is a sectional structural view for explaining a sectional structure of a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode in a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to a second example of the present invention.

【図10】本発明の第の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造におけるフォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。
FIG. 10 is a sectional structural view for explaining a sectional structure of a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode in a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to a third example of the present invention.

【図11】本発明の第の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造におけるフォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。
FIG. 11 is a sectional structural view for explaining sectional structures of a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode in a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to a fourth example of the present invention.

【図12】本発明の第の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造におけるフォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。
FIG. 12 is a sectional structural view for explaining a sectional structure of a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode in a unit pixel structure of an amplification type solid-state imaging device according to a fifth example of the present invention.

【図13】従来の増幅型固体撮像装置の単位画素構造に
おける、フォトダイオード、転送トランジスタ、および
蓄積ダイオードの断面構造を説明するための断面構造
図。
FIG. 13 is a sectional structural view for explaining a sectional structure of a photodiode, a transfer transistor, and a storage diode in a unit pixel structure of a conventional amplification type solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…p型半導体基板 2…絶縁膜 3…ゲート電極 4…n型不純物層 5…p+型不純物層 6…n型不純物層 7…金属配線 101、102、103…p型不純物領域 104、105…蓄積ダイオードの第2のn型不純物領
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... P-type semiconductor substrate 2 ... Insulating film 3 ... Gate electrode 4 ... N-type impurity layer 5 ... P + -type impurity layer 6 ... N-type impurity layer 7 ... Metal wiring 101, 102, 103 ... P-type impurity region 104, 105 ... Second n-type impurity region of storage diode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/14 - 27/148 H04N 5/335 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 27/14-27/148 H04N 5/335

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板上に複数の単位画素を2次元
配置してなり、 各々の単位画素に、光電変換のためのフォトダイオード
と、フォトダイオードで得られた信号電荷を蓄積する蓄
積ダイオードと、フォトダイオードで得られた信号電荷
を蓄積ダイオードに転送するためのフォトダイオードと
蓄積ダイオード間に配置される転送ゲートを有する転
トランジスタと、蓄積ダイオードに蓄積された信号電荷
をリセットするリセットトランジスタと、蓄積ダイオー
ドに蓄積された信号電荷により変調される増幅トランジ
スタと、増幅トランジスタからの信号電圧を読み出す信
号読み出し部とが設けられた増幅型固体撮像装置であっ
て、 前記フォトダイオードは、第1導電型の半導体基板ある
いは第1導電型の不純物ウェル構造と、該半導体基板表
面近傍の半導体基板内部に形成された第1導電型の反対
導電型の第2導電型の不純物領域とにより構成される第
1のPN接合と、該半導体基板表面近傍に形成された第
1導電型の不純物領域と、前記半導体基板表面近傍の半
導体基板内部に形成された第2導電型の不純物領域とに
より構成される第2のPN接合とにより構成されてお
り、 前記単位画素を2次元配置した領域には、半導体基板の
表面に画素配列と同じ配列の凹凸形状が形成されてお
り、単位画素を構成する構造のうち少なくとも前記フォ
トダイオードが、半導体表面に凸形状が形成されている
半導体基板内部に形成され、 前記単位画素を構成する構造のうち少なくとも前記転送
トランジスタのゲート構造が、半導体表面に凹形状が形
成されている半導体基板領域に形成され、 前記単位画素を2次元配置した領域に形成された凹凸形
状の段差が、前記半導体基板表面近傍の半導体基板内部
に形成された第2導電型の不純物領域における第2導電
型不純物濃度の深さ方向の濃度分布が最大となるフォト
ダイオード表面からの深さとほぼ等しく形成されるとと
もに、 前記単位画素を2次元配置した領域に形成された凹凸形
状の段差部に形成される前記転送トランジスタのチャネ
ル領域のうち少なくとも前記フォトダイオードに隣接し
て前記段差部の側壁部に形成されるチャネル領域の半導
体基板表面近傍 に、前記第1導電型の不純物を含む不純
物層が形成されていることを特徴とする増幅型固体撮像
装置。
1. A plurality of unit pixels are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate, and a photodiode for photoelectric conversion and a storage diode for accumulating signal charges obtained by the photodiode are provided in each unit pixel. a photodiode for transferring the signal charge obtained by the photodiode to the storage diode
A transfer transistor having a transfer gate disposed between the storage diode, a reset transistor for resetting the signal charge stored in the storage diode, an amplifying transistor modulated by the signal charges stored in the storage diode, the amplifier transistor An amplification type solid-state imaging device provided with a signal readout unit for reading out a signal voltage of, wherein the photodiode is a semiconductor substrate of a first conductivity type or an impurity well structure of a first conductivity type, and the vicinity of the surface of the semiconductor substrate. Of the first conductivity type formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate and a first PN junction formed by an impurity region of the second conductivity type opposite to the first conductivity type formed inside the semiconductor substrate. An impurity region and a second conductivity type impurity region formed inside the semiconductor substrate near the surface of the semiconductor substrate. In the region where the unit pixels are two-dimensionally arranged, a concavo-convex shape having the same arrangement as the pixel arrangement is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a structure forming the unit pixel is formed. at least the photodiode of is formed within the semiconductor substrate where the convex shape is formed on the semiconductor surface, at least the transfer of the structure constituting the unit pixel
The gate structure of the transistor has a concave shape on the semiconductor surface.
Concavo- convex shape formed in the formed semiconductor substrate region and in the region in which the unit pixels are two-dimensionally arranged.
Inside the semiconductor substrate near the surface of the semiconductor substrate
Second conductivity in the impurity region of the second conductivity type formed in
Photo that maximizes the concentration distribution of the impurity concentration in the depth direction
If it is formed to be almost equal to the depth from the diode surface,
Mostly, the concavo-convex shape formed in the area where the unit pixels are two-dimensionally arranged.
Of the transfer transistor formed on the stepped portion
At least adjacent to the photodiode in the
Of the channel region formed on the side wall of the step
Impurities containing impurities of the first conductivity type near the surface of the body substrate
Amplification type solid-state imaging characterized by the formation of a physical layer
apparatus.
【請求項2】 前記フォトダイオードに隣接して前記段
差部の側壁部に形成されるチャネル領域の半導体基板表
面近傍に形成される前記第1導電型の不純物を含む不純
物層における不純物濃度をN1とし、前記フォトダイオ
ードの表面近傍に形成される前記第1導電型の不純物を
含む不純物層の不純物濃度をN2とした際に、N1≧N
2としたことを特徴とする請求項1記載の増幅型固体撮
像装置。
2. The stage adjacent to the photodiode.
Semiconductor substrate surface of channel region formed on side wall of difference portion
Impurity formed near the surface and containing the impurity of the first conductivity type
The impurity concentration in the material layer is N1,
The impurities of the first conductivity type formed near the surface of the
When the impurity concentration of the containing impurity layer is N2, N1 ≧ N
2. The amplification type solid-state imaging device according to claim 1, wherein
Image device.
【請求項3】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
おいて、前記半導体基板表面に平行な面に形成されるチ
ャネル領域の半導体基板表面近傍には、前記第1導電型
の不純物を含む不純物領域が形成されていることを特徴
とする請求項1または2記載の増幅型固体撮像装置。
3. A channel region of the transfer transistor
At a surface formed parallel to the surface of the semiconductor substrate.
The first conductivity type is provided near the surface of the semiconductor substrate in the channel region.
Characterized by the formation of an impurity region containing the impurities of
The amplification type solid-state imaging device according to claim 1 or 2.
【請求項4】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
おいて、前記半導体基板表面に直交する面に形成される
チャネル領域の半導体基板表面近傍には、前記第1導電
型の不純物を含む不純物領域が形成されていることを特
徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の増幅型
固体撮像装置。
4. A channel region of the transfer transistor
Is formed on a surface orthogonal to the surface of the semiconductor substrate.
In the vicinity of the surface of the semiconductor substrate in the channel region, the first conductive material
Is characterized in that an impurity region containing a type impurity is formed.
Amplification type according to any one of claims 1 to 3
Solid-state imaging device.
【請求項5】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
おいて、前記半導体基板表面に平行な面に形成されるチ
ャネル領域の半導体基板表面近傍に形成される前記第1
導電型の不純物を含む第1のチャネル不純物領域の不純
物濃度をNC1とし、前記転送トランジスタのチャネル
領域において、前記半導体基板表面に直交する面に形成
される前記第1導電型の不純物を含む第2のチャネル不
純物領域の不純物濃度をNC2とした際に、NC1>N
C2としたことを特徴とする請求項4記載の増幅型固体
撮像装置。
5. A channel region of the transfer transistor
At a surface formed parallel to the surface of the semiconductor substrate.
The first portion formed near the surface of the semiconductor substrate in the channel region
Impurity of first channel impurity region containing conductivity type impurity
The material concentration is NC1, and the channel of the transfer transistor is
In a region, formed on a surface orthogonal to the semiconductor substrate surface
A second channel region containing impurities of the first conductivity type.
When the impurity concentration in the pure region is NC2, NC1> N
The amplification type solid according to claim 4, wherein the amplification type solid is C2.
Imaging device.
【請求項6】 前記蓄積ダイオードは、少なくとも前記
半導体基板表面近傍において不純物濃度が最大となるよ
うな不純物濃度分布を有する前記第2導電型不純物を含
む第1の不純物層と、前記半導体基板表面に画素配列と
同じ配列で形成された凹凸形状の段差と同程度の深さに
おいて不純物濃度が最大となるような不純物濃度分布を
有する前記第2導電型不純物を含む第2の不純物層とを
備えたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つ
に記載の増幅型固体撮像装置。
6. The storage diode comprises at least the storage diode.
Maximum impurity concentration near the surface of the semiconductor substrate
Containing the second conductivity type impurity having such an impurity concentration distribution.
A first impurity layer and a pixel array on the surface of the semiconductor substrate.
At the same depth as uneven steps formed in the same array
The impurity concentration distribution that maximizes the impurity concentration
And a second impurity layer containing the second conductivity type impurity.
6. The method according to claim 1, further comprising:
The amplification type solid-state imaging device according to.
【請求項7】 前記蓄積ダイオードを構成する前記第2
の不純物層は、該蓄積 ダイオードと前記転送トランジス
タとの境界領域近傍にのみ形成されていることを特徴と
する請求項6記載の増幅型固体撮像装置。
7. The second element forming the storage diode
The impurity layer of the storage diode and the transfer transistor
Is formed only near the boundary area with the
The amplification type solid-state imaging device according to claim 6.
【請求項8】 前記蓄積ダイオードを構成する前記第2
の不純物層は、前記フォトダイオードを構成する前記第
2導電型不純物を含む不純物層と同一の不純物濃度分布
を有することを特徴とする請求項6または7記載の増幅
型固体撮像装置。
8. The second diode forming the storage diode
The impurity layer of is the first layer that constitutes the photodiode.
The same impurity concentration distribution as the impurity layer containing 2 conductivity type impurities
8. The amplification according to claim 6 or 7, characterized in that
Type solid-state imaging device.
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