JP3584196B2 - Light receiving element and photoelectric conversion device having the same - Google Patents

Light receiving element and photoelectric conversion device having the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルカメラ、イメージスキャナ、ファクシミリ、複写機等の画像読み取りシステムに用いられるイメージセンサの受光素子構造及びそれを用いた光電変換装置に関わるものであり、特に、密着型イメージセンサのように画素の開口部が数十ミクロン以上の、比較的大きい受光素子を有する光電変換装置に好適な受光素子構造に関わるものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光電変換装置としてはCCDイメージセンサや、CMOSイメージセンサ等の非CCDイメージセンサの開発が積極的に行われている。
【0003】
これらの光電変換装置の受光素子は、半導体のpn接合から成るホトダイオードを用いるのが一般的である。
【0004】
従来技術(1)
例えば、特開昭55−154784号公報にはpn接合が形成されていない基板表面部に、基板と同一導電型で、かつ基板より不純物濃度が高い領域を設け、基板表面で発生する暗電流を低減させた構造が提案されている。
【0005】
図29(A),図29(B)は、従来の同公報による受光素子構造を示しており、201はn型半導体基板、202はp型半導体層、203は不純物濃度5×1015cm−3〜10×1015cm−3、厚さ0.2μm〜0.3μmのn型半導体層、205は熱酸化膜、208はnチャンネルストッパー、209は窒化膜からなる無反射コーティング膜(アンチリフレクションコーティングフィルム)、215,216はアルミニウムの電極、228はn型半導体層、238は裏面電極である。DLは空乏層、DLSは空乏層の表面側の部分を示す。
【0006】
本従来例では、ホトダイオードのアノードはp型半導体層202のみで形成されているため、その濃度を低くすると電極215とのオーミックコンタクト性が悪くなり、逆に濃度を高くすると空乏層DLが半導体層202内に延びなくなってしまう。
【0007】
従来技術(2)
また、一次元の光電変換装置用の受光素子として、特開昭61−264758号公報に開示されているように、pn接合が形成する接合容量を低減させたものが提案されている。
【0008】
図30は従来の同公報によるCCDイメージセンサのような光電変換装置の上面を示しており、301はp型基板、302はn型の蓄積部であり、p型基板301のうち、n型蓄積部302により囲まれた部分が画素としてのp型光電変換領域となっている。また、PGはフォトゲート、SGはシフトゲート、SRはCCDシフトレジスタである。
【0009】
この構造では、p型基板301とn型の蓄積部302とでp型光電変換素子として画像信号に応じた電気信号を生成し、フォトゲートPGとシフトゲートSGを通してシフトして行き、CCDシフトレジスタSRから水平出力線として順次画像信号を読み出してゆく。この構造で、pn接合部の面積は減少しているものの、pn接合の周囲長が増加するため、pn接合部の容量値を十分に小さくすることができず、高感度化が困難である。
【0010】
従来技術(3)
さらに密着型イメージセンサに用いる感光部構造として、例えば、特開平1−303752号公報に開示されているように、感光部構造におけるチップ端部のスクライブに起因する暗電流の低減をはかったものが提案されている。
【0011】
図31は従来の同公報による受光素子の断面を示しており、301はp型半導体領域、302はn型半導体領域、303はp型の浅いチャンネルストップ層、305はフィールド酸化膜、306はp型基板、308はp型のチャンネルストップ層、309は層間絶縁膜、317は開口部OPを画成する為の遮光膜である。空乏層DLはp型半導体領域301内に延びており、発生した光キャリアPCのうち電子は内部電界によってn型半導体領域302に集められる。
【0012】
従来技術(4)
また、CCDイメージセンサにおける受光素子としては、例えば特開昭64−14958号公報に開示されているように、n型基板/p型領域/n型領域/p型領域という断面構造を有するホトダイオードが一般的に用いられている。
【0013】
図32は従来の同公報による受光素子の断面を示しており、406はn型基板、401はp型半導体領域、402はn型半導体領域、403は浅いp型半導体層、408はp型チャンネルストップ、409は絶縁膜、415はポリシリコンからなる電極、420はCCDレジスタのn型領域を示している。
【0014】
従来技術(5)
一方、受光素子を用いた光電変換装置として、例えば特開平9−205588号公報には、ホトダイオードを受光素子とし、この受光素子に電極を付けてMOSトランジスタのゲート電極に接続し、電荷をソースホロアアンプを用いて一括読み出しを行う光電変換装置が提案されている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光生成キャリアをpnホトダイオードに蓄積し、当該pnホトダイオードから電荷−電圧変換手段を用いて、信号電圧を読み出す増幅型の光電変換装置に適用した場合、感度が低下することがある。
【0016】
増幅型光電変換装置の場合、光出力Vpは▲1▼式にてあらわされる。
【0017】
Vp=Qp/Cs ▲1▼
ここで、Qpはpnホトダイオードに蓄積される電荷量、Csはホトダイオードの容量である。
【0018】
このホトダイオードの容量Csは、例えば、ホトダイオードにMOSソースホロアやリセットMOSトランジスタが接続されている画素を有する増幅型光電変換装置の場合、
Cs=Cpd+Ca ▲2▼
とあらわすことができる。
【0019】
ここで、Cpdは受光部を含むpnホトダイオード自体のpn接合容量、Caはホトダイオードに接続されているその他の容量で、上記の場合、MOSソースホロアを構成するMOSトランジスタのゲート容量や、リセットMOSトランジスタのソースとウエルとの接合容量、ソースとゲートとの重なり容量、配線容量、等が含まれる。
【0020】
従って、高感度を実現するためには、光生成キャリアを有効に蓄積すること、およびキャリアが蓄積されるホトダイオードの容量をできるだけ小さくすることが必要となる。
【0021】
一方、ホトダイオードに光が入射すると、ホトダイオード内で電荷が発生し、半導体基板内のpn接合面により形成される空乏層及びその周囲で発生した電荷がアノード又はカソードに集まっていき、そこに電極を取り付けると電気信号として取り出すことができる。
【0022】
図33は、従来の電極を有する受光素子の断面図である。701は第1半導体領域、702はアノードとなる第2半導体領域である。それぞれの導電型はn型、p型である。また、DLは第1半導体領域701と第2半導体領域702とによるpn接合で形成される空乏層である。なお、図示していないが、第1半導体領域701と第2半導体領域702との間には、逆バイアスが印加されている。さらに、715は電極であり、電極715は、絶縁膜709のコンタクトホールCHを介して第2半導体領域702に接続されている。
【0023】
電極715は、例えばAl等を主成分とした金属で構成され、ホトダイオードの表面を覆う絶縁膜のコンタクトホールCHを介して、半導体基板主表面上に形成した電極領域と接続されている。一般的に、このような受光素子は、半導体領域で光電変換された光キャリアによる光信号を得るために、Al等の導電性材料を半導体領域に接続した構成とされている。
【0024】
例えば、一般的なRIE(反応性イオンエッチング)法を用いてこの電極を形成した場合、通常、不要な部分を残さないためにオーバーエッチングを行う。このオーバーエッチング時に、電界によって加速されたイオンの一部が絶縁膜709を突き抜けて半導体基板主表面にまで達し、半導体と絶縁膜との界面近傍にダメージを与え、これによって、結晶欠陥が発生する場合がある。
【0025】
また、電極形成後の工程においても、フォトレジストのプラズマアッシング等によって、上記と同様に結晶欠陥が発生する場合がある。
【0026】
一般的な受光素子においては、電極が接続された半導体基板主表面の半導体領域の周囲にはpn接合面が存在し、その接合面が半導体基板主表面と絶縁膜の界面近傍まで達していることが多い。
【0027】
従って、半導体基板主表面に達している接合面よりも内側に電極を形成した場合には、エッチングダメージによる結晶欠陥が接合面付近に発生し、この結晶欠陥はキャリア発生中心となる。そして、空乏層の部分に生じた結晶欠陥は、暗電流発生の要因となる。
【0028】
また、これによって発生する暗電流は、電流などを形成する際のマスクのアライメントずれやエッチング条件によって、接合面付近に発生する結晶欠陥の量が変化したり、結晶欠陥そのものの量が変化するため、暗電流のばらつきの要因にもなる。
【0029】
[発明の目的]
本発明の第1の目的は、ホトダイオード部のpn接合容量を極力低減し、かつ、光生成キャリアを有効に活用することが可能な受光素子及びこれを有する光電変換装置を提供することにある。
【0030】
本発明の第2の目的は、空乏層が形成される半導体領域の欠陥発生が抑制された受光素子を提供することにある。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は第1導電型の第1半導体領域1,11,21,31,81と、該第1半導体領域の上に配された、第2導電型の第2半導体領域2,12,32,81と、該第2半導体領域の表面に配された第1導電型の第3半導体領域3,13,33,83と、該第2半導体領域の表面に配され、導電体からなるアノード又はカソード電極に接続された、第2導電型の電極領域4,14,34,84と、を有する受光素子において、該第3半導体領域は、該電極領域の周囲を囲むように形成されており、該第2半導体領域よりも不純物濃度が高く且つ電極領域よりも不純物濃度が低い第2導電型の内部領域が、該電極領域と該第2半導体領域の間に形成され、該電極領域は該内部領域の表面に配されている。また、それぞれの部分は以下のように設計されるとより良い。
【0032】
前記電極領域は浮遊状態(フローティング状態)とされて、光生成電荷を蓄積し、前記第1半導体領域には該第1半導体領域と第2半導体領域との間に逆バイアスを印加するためのバイアス電圧を印加する。
【0033】
前記電極領域に向けて光生成電荷を移動させ得る電位勾配を、該電極領域と前記該第2半導体領域との間に形成する。
【0034】
また、前記内部領域を更に互いに不純物濃度が異なる複数の領域からなるようにする。前記内部領域を、前記電極領域の周囲を囲むように形成する。前記内部領域を、前記第2半導体領域より浅い位置に形成する。
【0036】
また、前記第1半導体領域を、半導体基板、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層、半導体基板内に形成されたウエルのいずれかから形成する。
【0037】
また、本発明の受光素子は、第1導電型の第1半導体領域51,61,71,81と、該第1半導体領域の上に配された、第2導電型の第2半導体領域52,62,72,82と、該第2半導体領域の表面に配され、導電体からなるアノード又はカソード電極15に接続された第2導電型の電極領域と、前記第1及び第2の半導体領域を含む半導体基体の表面と該半導体基体の表面に隣接する絶縁膜9との間に配され、かつ、該電極領域、及び該第2半導体領域の周囲を囲むように形成された、第1導電型の第3半導体領域53,63,73,83と、を有し、前記アノード又はカソード電極は、前記電極領域と前記第3半導体領域との間に形成された空乏層DLが前記絶縁膜に接する全ての部分59,69,89と、前記第2半導体領域全体と、を覆うことを特徴とする。
【0038】
又、それぞれの部分は以下のように設計するとよい。
【0039】
前記第1半導体領域をエピタキシャル層で形成し、その上面側内部に前記第2半導体領域を形成し、該第2半導体領域の上面の面積より前記アノード又はカソード電極の上面の面積を大きくする。
【0040】
前記第2半導体領域を互いに不純物濃度の異なる部分で形成し、該第2半導体領域の上面の面積より前記アノード又はカソード電極の上面の面積を大きくする。
【0041】
前記第2半導体領域を不純物濃度の高い高濃度領域と不純物濃度の低い低濃度領域とで形成し、該低濃度領域の上面に前記第3半導体領域を形成する。
【0042】
前記アノード又はカソード電極の前記延在部分にて、前記第3半導体領域の少なくとも上方を覆う。
【0043】
これらの受光素子に、原稿等の被対象物を照射するLEDのような光源と、結像素子とを組み合わせれば光電変換装置となる。
【0044】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0045】
(実施形態1)
以下、図1(A)〜(D)、図2、図3を用いて、本発明の基本形態としての第1の実施形態について説明する。
【0046】
図1(A)〜(D)は、本実施形態の特徴を最もよく表した図面であり、図1(A)は本実施形態の受光素子部の上面図、図1(B)は図1(A)の線分A−A′における断面図、図1(C)は、図1(B)の線分X−X′に沿った方向のポテンシャルプロファイル図、図1(D)は、線分Y−Y′に沿った方向のポテンシャルプロファイル図である。
【0047】
符号1,2,3は、それぞれ、半導体基板内に設けられた第1導電型の第1半導体領域、上記第1半導体領域1内に設けられた上記第2導電型の第2半導体領域、この第2半導体領域2の主表面側に設けられた第1導電型の第3半導体領域である。
【0048】
また、符号4は光により生成された電荷を取り出す為の、第2半導体領域2に隣接する電極領域であり、具体的には、第2半導体領域2と同じ導電型で且つそれより不純物濃度の高い高濃度不純物領域などからなる。
【0049】
また、符号102は、第1、第2、第3半導体領域1,2,3からなる、受光領域であり、この受光領域102で、光入射により発生したキャリアが領域101に捕獲される。勿論領域101に光が入射すれば、この領域101においてもキャリアは発生する。
【0050】
図1では、第1導電型をp型、第2導電型をn型として示しているが、本発明においては、その逆であっても良い。
【0051】
又、必要に応じて半導体基体の表面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に開孔を形成し、その開孔内に電極となる導電体を形成する。
【0052】
例えば、受光領域102において、光子hνによって発生したキャリア(この場合、電子)は、図1(C)に示すように横方向に移動し、電子はこのポテンシャルの溝、即ち、最もポテンシャルの低い領域4である領域101に収集される。
【0053】
このようなポテンシャル構造がない場合では、発生した電子は、拡散により、基板中を迷走し、ライフタイム以内に領域4に到達できなければ、正孔と再結合し消滅してしまう。
【0054】
図1(D)に示すように本実施形態の更なる特徴は、第2半導体領域2がほぼ全体にわたって空乏化するように、表面の第3半導体領域3、第1半導体領域1、第2半導体領域2の不純物濃度と接合深さ、及び電極領域4及び領域1に与えられる電位が設定されている点である。その結果、第2半導体領域2は容量としては、殆ど寄与しなくなり、受光部容量の低減が可能となる。
【0055】
即ち、領域2と領域3との接合界面付近で発生した電子は、そのpn接合によるビルトインポテンシャルにより領域2に集められる。一方、領域2と領域3との接合界面付近で発生した電子は、そのpn接合によるビルトインポテンシャルにより領域2に集められる。ここで、受光領域102の領域2は上記2つのpn接合により殆ど空乏化している為、中性領域がない。このような状態を完全空乏化と呼ぶことにする。そして、集められた電子は、上述したように領域4に収集され不図示の電極から出力される。
【0056】
図2は線分Y−Y′に沿った方向の不純物濃度の分布を示している。図2において、Np1は領域1の出発材料となっているp型半導体基板における硼素(B)のようなp型不純物濃度を、Nn1は領域2を形成する為に導入されたリンやヒ素のようなn型不純物濃度を、Np2は領域3を形成する為に導入されたp型不純物濃度を示している。
【0057】
又、Ncは各領域の正味の不純物濃度(ネット値)を示している。
【0058】
各領域における不純物濃度と厚さはそれぞれ以下の範囲から選択し得る。厚さのパラメータとして、基板表面からの接合深さを示す。第1半導体領域1は、その不純物濃度ND1が1014cm−3〜1017cm−3、より好ましくは1015cm−3〜1016cm−3であり、接合深さは0.1μm〜1000μmである。
【0059】
第2半導体領域2の不純物濃度ND2は1015cm−3〜1018cm−3、より好ましくは1016cm−3〜1017cm−3であり、接合深さは0.2μm〜2μmである。
【0060】
半導体領域3の不純物濃度ND3は1016cm−3〜1019cm−3、より好ましくは1017cm−3〜1018cm−3であり、接合深さは0.1μm〜0.5μmである。
【0061】
電極領域4の不純物濃度ND4は、1018cm−3〜1021cm−3、より好ましくは1019cm−3〜1020cm−3であり、接合深さは0.1μm〜0.3μmである。
【0062】
そして、第2半導体領域2の不純物濃度ND2は、第1半導体領域1の不純物濃度ND1より高く、第3半導体領域3の不純物濃度ND3は、第2半導体領域2の不純物濃度ND2より高くなるように定めるとよい。
【0063】
より詳細な説明のため、図3に電極領域4の電圧とその時の容量の関係をグラフに示す。電圧が上昇するに伴い容量は減少するが、A点を境に領域4の容量が一定となる。
【0064】
電圧が低いときには、領域2は空乏化しておらず、容量は、領域2と領域3間の空乏層容量成分と、領域2と領域1間の空乏層容量成分に依存して変化することがわかる。つまり、領域4の電圧が上がるに従い、空乏層が広がるため、徐々に容量が減少するが、上下2つの空乏層が接続されると、受光領域102における領域2はほぼ完全に空乏化し、容量が急激に減少し、その後は一定になる。その遷移点が図中A点であり、以下このA点における電圧を空乏化電圧と称する。
【0065】
空乏化電圧は、各領域1,2,3の厚さと不純物濃度に依存して決定されるため、
(a)受光素子をリセットした状態における電極領域4の電位、
(b)受光素子の光出力が飽和した状態の電極領域4の電圧
を、この空乏化電圧以上に設定することで、ホトダイオード自体の容量を、実質的に符号101の底部の接合容量C0程度にまで小さくすることが可能となり、高感度が実現できる。
【0066】
ここで、光により発生した電荷が電極領域に蓄積されることにより、電極の電位は変化するが、動作点(電位の変化する範囲)を空乏化電圧以上になるよう設計することにより、電極領域4の容量は線形性を有するため、高感度でかつ線形性の良好な光電変換特性を得ることができる。
【0067】
また、空乏化電圧を境に電圧が低くなると容量値は、C0から、領域2の面積で決定される容量値まで指数関数的に増加する。
【0068】
具体例を挙げて説明するに、領域1の厚さが約600μm、不純物濃度が1×1016cm−3、領域2の接合深さが0.5μm、不純物濃度が1×1017cm−3、領域3の接合深さが0.2μm、不純物濃度が1×1018cm−3、領域4の接合深さが0.2μm、不純物濃度が1×1019cm−3、領域2の上面の面積が80μm×80μm、領域4の上面の面積が1.2μm×1.2μmの受光素子の場合のホトダイオードの容量に比べて領域4が空乏化しない場合のホトダイオードの容量比は約4400倍となる。
【0069】
もし図1(C)のようなポテンシャルプロファイルがない場合、電極領域4の近傍で発生した電子は、そこに到達しやすいが、受光面の端で発生した電子が、約40μm離れた電極領域に到達する確率は極めて低く、結果として、感度が大きく損なわれる。
【0070】
これに対し、本実施形態の構造では、少なくとも表面から約1μm以内に発生した電子は受光面内のどこであっても殆ど収集することができる。特に、青色光のその殆どがシリコン表面1μm以内で吸収されるので、可視光センサで問題となる青色の感度は向上する。
【0071】
また、高エネルギーイオン注入などの技術を用い、基板内部に不純物濃度のピーク値をもつようなレトログレードウエル構造などを用いたり、その逆に基板1の濃度を下げ、空乏層を広げることでより、深いところで発生した電子を収集することもできる。
【0072】
さらに、基板表面の高濃度の不純物層を形成し、その上に低不純物濃度のエピタキシャル層を設け、本発明を適用することにより、長波長感度の高い受光部構造を得ることも可能である。
【0073】
図4は本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の一例を示す。図4において、D1は本発明による受光素子からなるホトダイオード、M1はMOSトランジスタ等からなるリセットスイッチ、M2はMOSトランジスタ等からなる増幅素子、M3はMOSトランジスタ等からなる負荷であり、選択用スイッチとして用いることもできる。また、VRはリセット用の基準電圧を与えるリセットライン又はリセット端子、VDDは、電源電圧を与える電源電圧ライン又は電源電圧端子、φはリセットスイッチM1をオン/オフする為のリセット制御線、VOUT は出力端子である。
【0074】
図4の読み出し及びリセット回路の動作について説明する。リセット制御線φに、リセットスイッチM1をオンにしてカソード(図1(A)の領域4)に空乏化電圧以上のリセット用基準電圧を与えて、増幅素子M2のフローティングゲートをリセットした後、リセットスイッチM1をオフすると、光キャリアの蓄積が開始され、増幅素子M2の入力端子の電位が変化する。所定の蓄積時間が経過した後、選択ラインφにオンパルスを入力して選択スイッチM3をオンすれば、トランジスタM2,M3を有するソースホロア回路を通して光キャリアに応じた電流が流れ、出力信号が得られる。
【0075】
(実施形態2)
図5(A)は本実施形態による受光素子の上面図、図5(B)は図5(A)の線分B−B′による断面図である。
【0076】
図5において、符号11は第1導電型(ここではn型)の第1半導体領域、12は第2導電型(ここではp型)の第2半導体領域、13は第1導電型の第3半導体領域、14は第2導電型で不純物濃度の高い電極領域である。
【0077】
本実施形態においては、受光素子を分離する為にLOCOS等と呼ばれる選択酸化法等により形成される素子分離領域(アイソレーション領域)5が形成されている。
【0078】
つぎに、本実施形態による受光素子の製造方法について説明する。不図示の窒化シリコン膜SiNを耐酸化マスクとして形成し、そこから露出した部分に厚い酸化膜を形成する選択酸化法により酸化シリコンSiOからなる素子分離領域5を形成する(図6(A))。このような方法はLOCOSとして知られている。
【0079】
次に、不図示のフォトレジストマスクを形成し、イオン注入を行い、熱処理することにより、p型の第2半導体領域12をn型の半導体基板からなる第1半導体領域11内に形成する。欠陥が多く存在する素子分離領域5のエッヂ104から、第2半導体領域12のエッヂ103が離れるようにすることで、pn接合により形成される空乏層がエッヂ104に到達しないようにしている。こうすると、欠陥に因る暗電流の発生を抑えることができる(図6(B))。
【0080】
次に、不図示のフォトレジストマスクを形成してイオン注入を行い、フォトレジストマスクを除去して熱処理することにより、n型の第3半導体領域13を基板の表面に形成する(図6(C))。
【0081】
そして、不図示のフォトレジストマスクを形成して、イオン注入を行い、フォトレジストマスク除去後の熱処理により、p型の電極領域14を形成すると、図5(B)に示した構造が得られる。
【0082】
その後は、必要に応じて表面を覆う絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開けて、同じ半導体基板の別の場所に形成された読み出し及びリセット回路と配線を通じて電極領域14を接続すればよい。
【0083】
本実施形態は、ホトダイオードのアノードから信号を出力する構成である為、それに用いられる読み出し及びリセット回路の構成も、電位の高低関係や導電型が逆になる。
【0084】
図7は本発明に用いられる別の読み出し及びリセット回路の回路図である。図7において、D1が本発明の受光素子からなるホトダイオードであり、M2,M3はそれぞれ増幅素子及び選択素子であり、ホトダイオードD1で発生した光電荷を電荷電圧変換して読み出すためのアンプであるソースフォロアを構成している。画素の選択は、ソースフォロアの低電流源でもあるスイッチM3をON/OFFすることで行った。選択スイッチM3で画素の光電荷情報を読み出したのち、リセットスイッチM1により、ホトダイオードD1をリセットした。リセット電圧(φ−Vth)は、空乏化電圧以上の逆方向電圧がホトダイオードのアノードに印加されるように、リセット電圧を設定した。ここで、VthはリセットスイッチM1のしきい値である。ソースフォロア構成の増幅素子M2及び選択素子M3の出力は、選択素子のオン時間をずらせて、各光電荷情報をバッファB1、直流成分をカットする結合コンデンサC、バッファB2とを介して、出力する。
【0085】
例えば、空乏化電圧が、ホトダイオードD1の逆方向バイアス電圧で、1.0voltであったため、リセット電圧は、逆方向バイアス電圧で3volt印加される様に設定した。即ち、端子VDDに印加される電源電圧を5voltで利用した場合、リセット端子VRに印加される電圧を2.0voltに設定し読み出し動作を行った。
【0086】
本実施形態において、受光面のサイズを40μm×40μmとし、電極領域14の上面のサイズを、6μm×6μmとした場合、ホトダイオードの容量は3.8fFと、従来に比べかなり低くなり、高い光電変換感度を得ることができた。
【0087】
また、本実施形態においては、受光面前領域での映像情報を得られ、高精細な映像を得ることができる。
【0088】
特に本実施形態は、光の収集効率が悪くなるような受光面が大きい受光素子の場合に有効である。受光面のサイズが20μm角以上になると、収集効率が悪化しはじめることから、特にこのサイズより大きな受光面をもつ受光素子に有効である。
【0089】
(実施形態3)
図8(A)は本発明による実施形態3による受光素子の上面を、図8(B)は図8(A)の線分C−C′による断面を示している。
【0090】
図5(A),(B)に示した形態と異なる点は、第2半導体領域が互いに不純物濃度の異なる2つの領域からなる点である。図8において、電極領域14に接する内部領域22は、外部領域12よりも不純物濃度が高く、且つ電極領域14より不純物濃度が低い。内部領域22の接合深さは外部領域12より浅くても或いは深くてもよい。
【0091】
図9は、図8(A)の線分C−C′に沿った方向におけるポテンシャルプロファイルを示している。互いに不純物濃度の異なる内部領域22と外部領域12より、図1(C)よりも急なポテンシャル勾配が形成される。こうして、受光面端部において発生した電荷を、電極領域14に集めやすくなり、光信号読み出し時間を短くすることができる。
【0092】
つぎに、本実施形態による受光素子の製造方法について、図10を参照しつつ説明する。n型の半導体基板11に、不図示の窒化シリコン膜を耐酸化マスクとして形成し、そこから露出した部分に厚い酸化膜を形成する選択酸化法により酸化シリコンからなる素子分離領域5を形成する(図10(A))。
【0093】
不図示のフォトレジストマスクを形成し、イオン注入を行い、熱処理することにより、p型の第2半導体領域12をn型の半導体基板からなる第1半導体領域11内に形成する。欠陥が多く存在する素子分離領域5のエッヂ104から、第2半導体領域12のエッヂ103が離れるようにすることで、pn接合により形成される空乏層がエッヂ104に到達しないようにしている。
【0094】
こうすると、欠陥に因る暗電流の発生を抑えることができる。そして、不図示のフォトレジストマスクを形成し、イオン注入と熱処理により不純物濃度の高い内部領域22を形成する(図10(B))。
【0095】
つぎに、イオン注入と熱処理により、n型の第3半導体領域13を形成する(図10(C))。
【0096】
そして、イオン注入と熱処理により、p型の電極領域14を形成すると、図8(B)の構造が得られる。
【0097】
その後は、必要に応じて表面を覆う透明な絶縁膜を形成し、絶縁膜に開孔を形成し、同じ半導体基板の別の場所に形成された読み出し及びリセット回路と、配線を通じて、電極領域14を接続すればよい。
【0098】
本実施形態による読み出し回路やリセット回路としては、前述したとおり図7に示したものと同じ回路を採用し得る。
【0099】
(実施形態4)
図11(A)は本実施形態による受光素子の上面を、図11(B)は図11(A)の線分D−D′による断面を示している。
【0100】
図5(A),(B)に示した形態と異なる点は、p型の半導体基板6の表面にエピタキシャル成長により形成したn型のエピタキシャル層21を第1半導体領域とした点である。このn型のエピタキシャル層21を形成した後、イオン注入等でp型の第2半導体領域12を形成し、更に、イオン注入と熱処理により、n型の第3半導体領域13を形成し、そして、イオン注入と熱処理により、p型の電極領域14を形成する。
【0101】
本実施形態においては、n型のエピタキシャル層21を形成する代わりに、p型の半導体基板内にイオン注入と熱処理により形成したn型のウエルを用いることもできる。
【0102】
本実施形態によれば、p型の基板の深い位置で発生した電荷がp型の第2半導体領域12に達することを防止できる。
【0103】
具体的には、ウエルの厚さを例えば4μm程度にすると、受光素子の表面から約4μm離れた深さの位置で発生するホールの殆どが、p型の基板に流れる為、暗電流の発生を抑制できる。
【0104】
図5(A),(B)のような構造の場合には、リセット回路や読み出し回路を駆動する際に発生するノイズが、第2の半導体領域に入り込み易い。一方、本実施形態のように、個々に或いは全画素に共通に形成されたウエル内に、第2の半導体領域を形成することにより、上記ノイズの入り込みを抑制できる。
【0105】
(実施形態5)
図12は本実施形態5による受光素子の上面を示しており、図13は図12の線分E−E′による断面を、図14は図12の線分F−F′による断面を、それぞれ示している。
【0106】
図12において、開口部OP中に受光素子となるホトダイオードを構成するp型の第2の半導体領域32が形成され、この領域32中にはp型の内部領域22が形成されている。また、内部領域22中にはpの電極領域34が形成されており、この電極領域34は、リセット用スイッチとなるMOSトランジスタM1のドレイン部、及び増幅素子となるソースホロアMOSトランジスタM2のゲート部に第1の金属層で形成される配線15により電気的に接続されている。また、受光素子の開口部OPは第2の金属層で形成される遮光層17により規定され、かつこの遮光層17は電源に接続され、所定の基準電位に固定されている。
【0107】
ここで、p型の電極領域34は開口部の中心よりもリセット用のMOSトランジスタM1のドレイン部、及びソースホロアMOSトランジスタM2が配置されている方向へ寄せて配置されており、かつ、電極領域34と反対側には第1半導体領域としてのn型ウエル領域31の電位を定めるための電源線16が設けられている。尚、同図において開口部OPの大きさは40μm×60μmとしている。
【0108】
図13、図14を見れば、p型半導体基板6に設けられたn型ウエル領域31の開口部OP中に第2半導体領域32が形成され、さらに第2半導体領域32中に内部領域22が形成され、さらに内部領域22中に電極領域34が島状に設けられている様子がわかる。
【0109】
また、第2半導体領域32、内部領域22の主表面には、第3半導体領域としてn型表面領域33が設けられ、n型ウエル領域31と開口部OPの端で電気的に接続されている。
【0110】
従って、p型半導体からなる第2半導体領域32及び内部領域22とn型半導体からなる第1及び第3半導体領域31,33とのpn接合によってホトダイオードが形成されており、ホトダイオードで光電変換された光キャリアはp型半導体からなる電極領域34に収集され、第1の金属層で形成される配線15の電位を変化せしめる。
【0111】
さらに、電極領域34、第2の金属層で形成される遮光層17の上部には保護膜18が設けられている。
【0112】
ここで、図12に示すように、p型領域34は開口部OPの中心よりもリセット用MOSトランジスタM1、及びソースホロアMOSトランジスタM2が配置されている側、すなわち図14中の右側に配置されており、一方、n型ウエル領域31に電圧を供給するための電源線16のコンタクトはp型領域(1511)の反対側のみに配置されている。
【0113】
尚、ここで、n型ウエル領域31はp型基板6中に形成され、かつ画素ごとに素子分離領域として働くp型ウエル領域7で周囲を囲まれており、画素ごとにpn接合によって電気的に分離された構造となっている。
【0114】
図13、図14において、おのおのの領域のおおよその表面濃度及び接合深さの代表的値を以下に示す。
【0115】
p型基板6 :約1×1015(cm−3
第1半導体領域31:約1×1017(cm−3)/約4.0μm
第2半導体領域32:約2×1017(cm−3)/約0.35μm
内部領域22 :約3×1017(cm−3)/約0.30μm
第3半導体領域33:約3×1018(cm−3)/約0.20μm
電極領域34 :約3×1019(cm−3
また、本実施例における領域32、領域22のおのおのの空乏化電圧は、
領域32:約−1.0V
領域22:約−1.5V
となっている。
【0116】
従って、領域32、領域22の空乏化電圧が電極領域34に向かって高くなっているため、光キャリアのポテンシャルの勾配が形成され、より効率よく光キャリアを電極領域34部分に収集することが可能となる。
【0117】
また、本実施形態においては、領域32及び領域22の角部がすべて鈍角から成るように露光用のフォトマスク(レチクル)を形成しているため、コーナー部の電界不均一によるポテンシャルの溝が形成されにくく、残像特性が向上する。さらに、領域31はp型基板6中に形成され、かつ画素ごとにp型ウエル領域7で周囲を囲まれた構造となっているため、隣接画素へ光キャリアが混入することにより発生するクロストークを、ほぼ完全に抑制することができ、高品質な解像パターンを得ることができる。
【0118】
また、ある画素に飽和以上の光キャリアが蓄積されても、あふれた光キャリアは、周囲のp型ウエル領域7や基板6に吸収されるため、他の画素へ影響を与えることなく、にじみの少ない、高品質な画像を得ることができる。
【0119】
尚、本実施形態においては、ホトダイオードを形成する領域として、領域32、及び領域22を図示しているが、例えば、内部領域22の内側に電極領域34を含むような第2のp型内部領域を設け、この第2の内部領域における空乏化電圧を内部領域22の空乏化電圧よりも高くなるような不純物濃度、及び接合深さに設定することにより、さらに低残像特性を有する受光素子を形成することも可能である。
【0120】
(実施形態6)
図15は本実施形態6による受光素子の上面を示しており、図16は図15の線分G−G′による断面を、図17は図15の線分H−H′による断面を、それぞれ示している。
【0121】
本実施形態が図12〜図14に示した形態と異なる点は、p型半導体からなる内部領域22の平面形状を、幅が徐々に変化する部分をもつように、変更した点にある。
【0122】
また、その幅が図中下方に向かって狭くなる部分22Aは、図中上方から受光面(開口部)の中心を越えて下方に延在している。
【0123】
なお、図17に示す符号8は高不純物濃度のコンタクト領域であり、電源線16のカソードコンタクトになっている。
【0124】
図15〜図17において、開口部OP中に受光素子となるホトダイオードの第2半導体領域が形成され、この領域32中には内部領域22が形成されている。また、内部領域22中には電極領域34が形成されており、この領域34は、リセット用MOSトランジスタM1のドレイン部、及びソースホロアMOSトランジスタM3のゲート部に第1の金属層で形成される配線15により電気的に接続されている。また、受光素子の開口部OPは第2の金属層で形成される遮光層17により規定され、かつこの遮光層17は電源に接続され、所望の電位に固定されている。
【0125】
ここで、電極領域34は開口部の中心よりもリセット用MOSトランジスタM1のドレイン部、及びソースホロアMOSトランジスタM2が配置されている方向へ偏って配置されており、かつ、電極領域34と反対の開口部側には、第1半導体領域としてのn型ウエル領域31に逆バイアス電電を供給するための電源線16が設けられている。尚、同図において開口部OPの大きさは40μm×60μmとしている。
【0126】
また、領域32及び領域22の主表面には、第3半導体領域としてのn型表面領域33が設けられ、n型ウエル領域31と電気的に接続されている。
【0127】
従って、p型の領域32及び領域22とn型の領域31及び領域33とのpn接合によってホトダイオードが形成されており、ホトダイオードで光電変換された光キャリアは領域34に収集され配線15の電位を変化せしめる。
【0128】
さらに、第2の金属層で形成される遮光層17の上部には保護膜17が設けられている。
【0129】
ここで、電極領域34は開口部の中心よりもリセット用MOSトランジスタM1及びソースホロアMOSトランジスタM2が配置されている側、すなわち図17中の右側に配置されており、一方、n型ウエル領域31の電位を供給するための電源線16のコンタクトは電極領域34と反対側(図17の左側)のみに配置されている。
【0130】
尚、ここで、n型ウエル領域31はp型基板6中に形成され、かつ画素ごとにp型ウエル領域7で周囲を囲まれており、画素ごとに電気的に分離された構造となっている。
【0131】
さらに、内部領域22は電極領域34に向かって、その幅がW1からW2(W2>W1)と徐々に広がる形状を有しており、また、領域32及び領域22の上面の角部は、すべて90度より大きい鈍角から成る形状を有している。
【0132】
図16、図17において、おのおのの領域のおおよその表面濃度/接合深さの代表値を、以下に示す。
【0133】
p型基板6:約1×1015(cm−3
領域31 :約1×1017(cm−3)/約4.0μm
領域32 :約2×1017(cm−3)/約0.35μm
領域22 :約3×1017(cm−3)/約0.30μm
領域33 :約3×1018(cm−3)/約0.20μm
領域34 :約3×1019(cm−3
また、本実施例における領域32、領域22のおのおのの空乏化電圧は、
領域32:約−1.0V
領域22:約−1.5V
となっている。
【0134】
従って、領域32、領域22の空乏化電圧が電極領域34に向かって大きくなっているため、光キャリアのポテンシャルの勾配が形成され、より効率よく光キャリアを領域54に収集することが可能となる。
【0135】
さらに、第1半導体領域であるn型ウエル領域31の電位を固定するための電圧を供給する電源線16は領域34の反対側に設けられているため、光生成電子による光電流が、n型ウエル領域31内をコンタクト領域8に向かって流れることにより、コンタクト領域8から領域34に向かってポテンシャル勾配が生成され、光生成ホールをより効率よくp型領域511部分に収集することができ、残像特性が向上する。
【0136】
加えて、本実施形態においては、領域22を領域34に向かってその幅が広がる部分を有しているため、ポテンシャル勾配によって領域22の先端部に到達した光生成ホールが領域34に向かって流れる場合、光生成ホールによる光電流に対して領域22のシート抵抗が徐々に小さくなることにより、高速に光生成ホールを領域34に収集することが可能となるため、高速動作時における残像特性が向上する。
【0137】
また、領域22の先端を開口OPの中心を越えて配置している為、コンタクト領域8側でのホールの収集効率が向上する。
【0138】
また、領域32及び領域22のコーナーがすべて鈍角から成る形状になっているため、コーナー部の電界不均一によるポテンシャルの溝が形成されにくく、残像特性はさらに向上する。このような形状は、フォトレジストの露光時に用いるフォトマスクのパターンにより容易に作れる。
【0139】
さらに、領域31はp型基板6中に形成され、かつ画素ごとにp型ウエル領域7で周囲を囲まれた構造となっているため、隣接画素へ光キャリアが混入することにより発生するクロストークをほぼ完全に抑制することができ、高品質な解像パターンを得ることができる。
【0140】
また、ある画素に飽和以上の高キャリアが蓄積されても、あふれた光キャリアは周囲の領域7や基板6に吸収されるため、他の画素へ影響を与えることなく、にじみの少ない、高品質な画素を得ることができる。
【0141】
尚、本実施例においては、ホトダイオードを形成する領域として、領域32及び領域22を図示しているが、例えば、内部領域22の内側に更に領域34を含むような第2の内部領域22を設け、この第2の内部領域における空乏化電圧を内部領域22の空乏化電圧よりも高くなるような不純物濃度、及び接合深さに設定することにより、さらに低残像特性を有する受光素子を形成することも可能である。
【0142】
(実施形態7)
図18は本実施形態による受光素子の上面を、図19は図18の線分I−I′による断面を示している。
【0143】
本実施形態7の受光素子の特徴は、電極領域34と半導体領域33との間のオフセット領域に低不純物濃度のドープ領域43を形成した点にある。
【0144】
図18、図19において、開口部OP中に受光素子となるホトダイオードの第2半導体領域32としてのp型領域が形成され、このホトダイオードのp型領域32中に形成された電極領域34としてのp型領域は、リセット用MOSトランジスタM1のドレイン部、及びソースホロアMOSトランジスタM2のゲート部に第1の金属層で形成される配線15により、電気的に接続されている。また、受光素子の開口部OPは第2の金属層で形成される遮光層17により規定され、かつこの遮光層17は電源に接続され、所望の電位に固定されている。ここで、開口部OPの大きさは40μm×40μmとしている。
【0145】
p型半導体基板6に設けられたn型ウエル領域31の開口部OP中にp型領域32が形成され、さらにp型領域32中にはp型領域34が島状に設けられている。
【0146】
また、p型領域34の主表面には、第3半導体領域としてのn型表面領域33が設けられ、n型ウエル領域31と電気的に接続されている。
【0147】
ここで、n型表面領域33は直接p型領域34と接しないように約2μmのオフセット(間隔)を設けて配置され、さらに、このオフセット領域を含む受光素子全面に第2のn型表面領域43が形成されている。
【0148】
従って、p型領域32とn型の領域31,33,43とのpn接合によってホトダイオードが形成されており、ホトダイオードで光電変換された光キャリアはp型の電極領域34に収集され、第1の金属層で形成される配線15の電位を変化せしめる。
【0149】
さらに、半導体表面と第1の金属層との間、及び第1の金属層と第2の金属層との間には層間絶縁膜9が配され、第2の金属層で形成される遮光層17の上部には保護膜18が設けられている。
【0150】
図19において、おのおのの領域のおおよその表面濃度/接合深さを以下に示す。
【0151】
p型基板6 :約1×1015(cm−3
n型ウエル領域31 :約1×1017(cm−3)/約4.0μm
p型領域32 :約2×1017(cm−3)/約0.35μm
第1のn型表面領域33:約3×1018(cm−3)/約0.20μm
第2のn型表面領域43:約3×1017(cm−3)/約0.1μm
型領域34 :約3×1019(cm−3
従って、仮に第2のn型表面領域43がない場合には、オフセット領域の表面近傍は不純物濃度が1017cm−3以下のp型領域となる。又、半導体表面近傍のボロン濃度は製造プロセスにより変動しやすいため、このオフセット領域で発生するキャリアが暗電流、及び暗電流ばらつきの原因となる。
【0152】
一方、このオフセット領域を形成しないようにp型領域34と第1のn型表面領域33とを接触させると、p型領域34と第1のn型表面領域33の間の逆バイアスによりブレークダウンを引き起こし易くなる。
【0153】
これに対して、この第2のn型表面領域43の表面濃度を、1017〜1018cm−3程度に設定することにより、p型領域34と第1のn型表面領域33の間に逆バイアスを印加してもブレークダウン等の不具合は起こらない。
【0154】
また、オフセット領域を小さくしすぎると、フォトリソグラフィーにおけるアライメントずれ等により、p型領域511と第1n型表面領域520とが接触する確率が高くなり、歩留まりが低下する。
【0155】
従って、低ドープ領域43としてのn型半導体により、オフセット領域の表面近傍の濃度は1017cm−3程度のn型領域となるため、オフセット領域でのキャリア発生を抑制することが可能となる。例えばイオン注入法により、この第2のn型表面領域43を受光部全面に形成しても、第1のn型表面領域33、及びp型領域34に対して不純物濃度が十分に小さいため、これらの領域にはほとんど影響を与えない。このようにフォトリソグラフィーにおけるアライメントずれ等の問題がないので、選択的にオフセット領域の表面濃度を制御し、暗電流の低減を図ることができる。
【0156】
本発明者の知見によれば、暗電流を測定した結果、第2のn型表面領域43がある場合には、ない場合に比べて、暗電流が1/3に低減される。
【0157】
ここで、本実施形態における半導体領域32の空乏化電圧は、約−2Vであった。従って、例えば、電源電圧5V動作においてn型ウエル領域31を電源電圧に接続した場合には、p型領域34及び配線15の電位が3V以下であれば、p型領域32は空乏化して、中性領域がなくなる。
【0158】
上記の空乏化電圧は、主として、n型ウエル領域31、p型領域32、第1のn型表面領域33の、おのおのの不純物濃度、及び接合深さに対して敏感に変化する。よって空乏化電圧の製造上のバラツキは、例えば、±3σで、±1.0V程度と、比較的大きくなるが、空乏化電圧、及び動作点を適当な領域に設定することにより、空乏化電圧がばらついても高歩留まりを維持することができる。
【0159】
尚、本実施形態においては、オフセット領域表面でのキャリア発生を抑制するために、n型の表面領域43を設けたが、n型に限らず、p型の第2表面領域を設けても暗電流抑制が実現できる。この場合、p型の中性領域は増加するが、設計的に受光部容量に余裕がある場合はこのようにp型でも良い。いずれの場合においても、暗電流低減とブレークダウン防止という観点から、オフセット領域における不純物濃度は、1016〜1018cm−3程度、より好ましくは、5×1016〜5×1017cm−3である。
【0160】
n型ウエル影響31は、p型基板6中に形成され、かつ画素ごとにp型ウエル領域7で周囲を囲まれた構造となっている。
【0161】
次に、図20(A)〜20(D)を参照して本実施形態による受光素子の製造方法について述べる。
【0162】
p型半導体基板6の表面側にn型のウエル領域31とp型の領域7とを形成する。
【0163】
選択酸化によりフィールド絶縁膜5を形成する。フィールド絶縁膜5で囲まれた領域の内部にホトダイオードとなるP型の半導体領域32を形成した後、その表面にn型の半導体領域33を形成する。
【0164】
基板表面にイオン注入を行いn型の半導体層43を形成する。そして、p型の電極領域34を形成する。
【0165】
電極領域34と半導体領域33との間の間隔(オフセット領域の幅)は0.4μm〜1.5μm、より好ましくは0.5μm〜1.0μmであり、オフセット領域における不純物濃度は、半導体領域33や電極領域34より1桁以上低い濃度とし、更に半導体領域32より高い濃度にする。
【0166】
次に再び本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の別の形態について、図21、図22を参照して説明する。
【0167】
図21は、上記本実施形態による回路の回路図である。
【0168】
図21において、D1は本発明の各実施形態による受光素子としてのホトダイオードであり、M2は増幅素子のPMOSトランジスタであり、選択用スイッチM3を介して定電流源と対で、ソースフォロアを形成する。M1はリセット用スイッチであり、M3は選択用スイッチである。M4はホトダイオードの信号をソースフォロアの入力端子に光電荷を転送するための転送用スイッチである。
【0169】
ソースフォロアから読み出された、光信号とリセット信号を各々メモリ部MEに転送し、読み出し走査回路RE等を介し、バッファB1、結合コンデンサC、バッファB2を通って、外部に出力される。
【0170】
本実施形態によれば、特に電極の面積を1μm角に抑えた結果、接合容量を0.1fFに押さえることができる。この結果、リセットノイズを電子4個程度に抑制することができ、ダイナミックレンジが10ビットであっても残像のない固体撮像装置を高い歩留まりで提供することができた。
【0171】
次に、本発明に用いられる別の読み出し及びリセット回路について述べる。この回路は、特開平9−205588号公報に開示されている。
【0172】
図22は同公報に説明されている上記回路の1画素分の等価回路図である。
【0173】
図22において、ここでは一画素あたり、受光素子D1、受光素子D1をリセットするためのリセット用MOSスイッチM1、受光素子D1の信号電荷を電圧信号に変換するための第1MOSソースホロアM2、受光素子D1のリセット時のノイズ信号を蓄積期間中保持するためのMOSスイッチM3、及び保持容量605、保持容量605の信号をインピーダンス変換するための第2MOSソースホロアM4、リセット直後のノイズ信号電荷を読み出すためのMOSスイッチ607、及びノイズ信号保持容量609、光信号蓄積後の光信号電荷を読み出すためのMOSスイッチ608、及び光信号保持容量610を有する。
【0174】
また、この回路には、上記ノイズ信号保持容量609のノイズ信号、及び上記光信号保持容量610の光信号を、それぞれノイズ信号共通出力線690、及び光信号共通出力線691に順次読み出すためのシフトレジスタ613と、ノイズ信号共通出力線690、及び光信号共通出力線691の電圧をインピーダンス変換するためのバッファアンプ614,614′と、上記ノイズ信号共通出力線690、及び光信号共通出力線691の電圧の差分信号を得、かつ信号を増幅するための差動増幅アンプ615と、上記差動増幅アンプ615の出力をインピーダンス変換し、光電変換装置の外部に信号を出力する出力バッファアンプ692とが設けられている。そして1画素読み出しごとにノイズ信号共通出力線690、及び光信号共通出力線691をリセットするための共通出力線リセット手段693も設けられている。
【0175】
図22に示した光電変換装置の光出力電圧VPは、以下の[数1]の式のようになる。
【0176】
【数1】
Vp=[QP/Cpd]・Gsf1・Gsf2・[CT/(CT+CH)]・Gamp
ここで、
QP :光信号電荷
CPD :受光部容量
Gsf1 :第1ソースホロアM2のゲイン
Gsf2 :第2ソースホロアM4のゲイン
CT :ノイズ信号、及び光信号蓄積容量の容量値
CH :ノイズ信号及び光信号共通出力線容量の容量値
Gamp :差動増幅アンプ615のゲイン
である。
【0177】
図22において、
V1PD:受光素子のリセット直後の受光素子部の電位、
V2PD:光電荷蓄積後の受光素子部の電位、
とすると、上記式は、[数2]の式のように表すことができる。
【0178】
【数2】
V2PD−V1PD=ΔVPD=[QP/Cpd]=[Vp/[Gsf1・Gsf2・[CT/(CT+CH)]・Gamp]]
ここで、ΔVPDは光電荷による受光素子部の電位変化である。
【0179】
従って、上記式において、V1PD及びV2PDを受光素子部における空乏化領域内に設定することにより、高感度な光電変換装置を実現することができる。
【0180】
本実施例においては、上記各式において、
Gsf1 =Gsf2 =0.9
CT /(CT +CH )=0.5
Gamp =20
電源電圧(VDD):5V
受光素子の空乏化電圧:−2V
光出力(Vp)の飽和出力:2V
受光素子のリセット電圧(V):1V
と設定した。
【0181】
従って、上記各式により、
(a)リセット直後の受光素子部の電位(V1PD):約0.70V
(b)飽和出力時の受光素子部の電位(V2PD):約0.95V
となる。
【0182】
上記の電源電圧、空乏化電圧の値より、受光素子部の電位が、3V以下であれば、受光素子部は空乏化状態となることがわかる。
【0183】
上記各式からの(a),(b)よりリセット直後の受光素子部の電位(V1PD)、及び飽和出力時の受光素子部の電位(V2PD)は共に3V以下であるため、受光部容量が小さい範囲で使用でき、高感度になる。
【0184】
尚、受光部容量を測定した結果、受光素子の電極領域の接合容量、ソースホロアMOSのゲート容量、リセットMOSのドレイン部の接合容量、その他、配線容量等の寄生容量等、すべての合計で、約25fFであった。
【0185】
また本実施形態において、空乏化電圧のバラツキが−2V±2V程度ある場合、受光素子部の空乏化領域は1V〜5Vとなるが、本実施例における動作点は空乏化領域の最小値である1Vよりも小さいため、空乏化電圧が±2V程度ばらついても高歩留まりが維持できる。
【0186】
尚、上記で、リセット直後の受光素子部の電位が、リセット電圧(Vres)より小さくなっているのは、リセットスイッチにNMOSトランジスタを用いているため、リセットスイッチをオフする時に受光素子部の電位がマイナス側に振られることによるものである。
【0187】
また、本実施形態は、本発明者らが特開平9−205588号公報に提案している光電変換装置に適用した例を示したが、本発明は本実施形態に限定されるものでなく、例えば、他の光電変換装置や固体撮像装置に適用できることは言うまでもない。
【0188】
尚、図示していないが、本実施形態は、上記の構成の画素をラインセンサーとして、344個設けた1次光電変換装置を構成している。
【0189】
本実施形態の光電変換装置を用いて、密着型イメージセンサを構成し、例えば、FAXやイメージスキャナ等の画像入力システムの画像読み取り装置として用いることにより、高速動作時においても残像特性が良好であるため、高品質な画像読み取りが実現でき、かつ高歩留まりであるため低コストな画像読み取り装置を提供することが可能となる。
【0190】
(実施形態8)
以下、本発明の実施形態8について、図23(A),23(B)を用いて説明する。
【0191】
図23(A)は、本実施形態の受光素子部の上面を、また、図23(B)は、図23(A)の線分J−J′における断面を示す。
【0192】
図23(A),図23(B)において、51は半導体基板である第1半導体領域、52は第2半導体領域である。それぞれの導電型はここではn型、p型である。また、第2半導体領域52は遮光層17で画成された開口部OPの内部に形成されている。
【0193】
また、第1半導体領域51と第2半導体領域52とによるpn接合により空乏層DLが形成されている。第1半導体領域51と第2半導体領域52との間には、逆バイアスが印加されており、不純物濃度の低い領域51側に多く空乏層DLが延びている。絶縁膜9のコンタクトホールCHを介して第2半導体領域52に電極15が接続されている。
【0194】
当該受光素子に光が照射されると、空乏層DL内及びその周辺で電荷が発生する。その電荷は、第2半導体領域52に収集される。一方、半導体基板主表面と絶縁膜9との界面には、結晶欠陥が多く存在する。この結晶欠陥が電子−正孔対の発生準位となり、暗電流発生の原因となる。特に、空乏層DL付近の結晶欠陥による影響が大きい。
【0195】
また、電極15を形成する際、形成位置を、空乏層DLが電極15によって覆われていない位置まで延びているとエッチング等によるダメージにより、結晶欠陥の量は増加し、暗電流が増加する。
【0196】
そこで、本実施形態の受光素子の構造は、空乏層DLと絶縁膜9とが接している部分59を、絶縁膜9を介して電極15で覆うことにより、電極形成時のエッチングダメージが空乏層DLに及ばないため、暗電流を低減することができる。
【0197】
また、フォトリソグラフィーにおけるアライメントずれを加味して、必ず空乏層DLと絶縁膜15とが接している部分59上に電極15が形成されるようにする。これによって、空乏層DL付近に発生する結晶欠陥の量がプロセスばらつきによって変動することを抑える。従って、プロセスばらつきによる暗電流のばらつきが低減する。
【0198】
本実施形態においては、電極15には例えば、Al,Al合金,Ti,Ti合金,W,W合金,Co,Co合金,Ta,Ta合金,Mo,Mo合金,Cu,Cu合金,WN,TiN,TaN,Cr,Cr合金等の金属、合金及び化合物が用いられる。又はそれらは複数の種類の積層体であってもよい。又は、例えばドープドポリシリコン等のようにシリコンを主体とする導電材料として用いることができる。
【0199】
(実施形態9)
図24(A)は、受光素子の上面を、また、図24(B)は、図24(A)のK−K′における断面を示している。
【0200】
図24において、66はn型半導体基板、67はn型半導体基板66にイオン注入して形成した埋込n型領域、61はn型領域67上に形成した第1半導体領域であるn型エピタキシャル層、68はn型エピタキシャル層61にイオン注入法により形成し埋込n型領域に接するn型領域である。
【0201】
また、62は第2半導体領域であり且つ電極領域であって、具体的にはp型の高濃度不純物領域からなる。63はn型領域であり、半導体基板の主表面(エピタキシャル層の表面)での空乏層DLの広がりを抑えるために設けられている。Alを主成分とした金属等により形成された電極15は、基板の主表面上に形成された絶縁膜9のコンタクトホールCHを介して、電極領域62と電気的に接続されている。さらに、17は遮光層、OPは開口部、5は素子分離用のLOCOS絶縁膜、9は遮光層17と電極15とを絶縁する層間絶縁膜である。
【0202】
なお、本実施形態では、n型基板66と、n型領域67と、n型エピタキシャル層61と、n型領域68と、n型領域63と、電極領域62とによって、形成される半導体部分を基板と称する。
【0203】
図24において、n型エピタキシャル層61をその下部と周囲にあるn型領域67と68とで囲むような構造にしたことにより、ポテンシャルバリアを形成した。この結果、光によって発生したキャリアのうち正孔は、最終的に最もポテンシャルの低いp型の電極領域62に集められる。
【0204】
空乏層DLは、電極領域62の周囲に形成される。ここで、電極領域62の不純物濃度を約3×1019cm−3、n型領域63の不純物濃度を約2×1017cm−3とし、これらに3Vの逆バイアス電圧を印加した場合には、空乏層DLの層幅は約0.14μmとなる。空乏層DLの大部分が電極領域62とn型領域61とのpn接合面よりn型領域61側に広がった。基板表面では、n型領域63によって、空乏層DLの広がりが抑えられている。
【0205】
電極15は、空乏層DLが層間絶縁膜9に接している部分の上部を覆うように、電極領域62よりも、例えば0.4μm大きく配置した。これによって、電極62を形成した時のエッチングダメージやレジストのアッシングによるダメージによって発生した結晶欠陥は、空乏層DLには及ばず、暗電流が低減される。
【0206】
電極15が空乏層DLと絶縁膜9とが接している部分59を覆うように形成した場合と、そうでない場合で、暗電流を比較した結果、空乏層DLが絶縁膜9に接している部分の上部を完全に覆うように形成すると、暗電流は2/3に低減する。すなわち、電極15の大きさ及び形成位置によって、暗電流を低減することができる。
【0207】
なお、説明を簡略化するために、基板66及び領域67,68、エピタキシャル層61、領域63をn型とし、領域62をp型として説明したが、本実施形態は、この導電型に限定されるものではなく、おのおのが上記と反対の導電型でもよい。
【0208】
また、本実施形態においては、n型エピタキシャル層61をn型領域67,68とによって囲むような構造として、ポテンシャルバリアを形成し、光キャリアの隣接画素への混入を防止している。光キャリアが隣接画素に混入しないため、クロストークの発生をほぼ完全に抑制することによって、高品質な解像パターンを得ることができる。
【0209】
(実施形態10)
図25(A)は、受光素子の上面を示し、また、図25(B)は、図25(A)の線分L−L′における断面を示している。
【0210】
図25において、76はn型基板である。77はn型基板76にイオン注入して形成した埋込n型領域、71はn型領域77上に形成した第1半導体領域であるn型エピタキシャル層、78はn型エピタキシャル層にイオン注入して形成したn型領域であり、エピタキシャル層71の周囲を囲んでいる。
【0211】
また、72は第2半導体領域である。74は電極領域であり、具体的にはp型の高濃度不純物領域からなる。73はn型領域であり、基板の主表面での空乏層DLの広がりを抑えるために設けられている。15は電極であり、Alを主成分とした金属等で形成する。電極15は、基板の主表面上に形成された絶縁膜9のコンタクトホールCHを介して、電極領域74に電気的に接続されている。
【0212】
電極領域74を微細化した際、不純物濃度の高い電極領域に空乏層DLが広がるとその空乏層中の欠陥により、暗電流が増大してしまう。p型の半導体領域72はそれを抑制するために設けられている。また、OPは開口部、5は素子分離絶縁膜、上方の層間絶縁膜9は遮光層17と電極15とを絶縁する絶縁膜である。
【0213】
なお、本実施形態では、n型基板76と、n型領域77と、n型エピタキシャル層71と、n型領域78と、n型領域73と、電極領域74とによって、形成されるものを基板と称する。
【0214】
図25において、n型エピタキシャル層71を、n型領域77と78とで囲むような構造にしたことにより、ポテンシャルバリアを形成しているので、光によって発生したキャリアのうち正孔は、最終的に最もポテンシャルの低いp型の電極領域74に集められた。
【0215】
空乏層DLは、p型領域72の周囲に形成される。ここで、p型領域72の不純物濃度を約3×1018cm−3、n型領域73の不純物濃度を約2×1017cm−3とし、これらに3Vの逆バイアス電圧を印加した場合には、空乏層DLの層幅は約0.15μmとなった。空乏層DLの大部分がp型領域72とn型領域71とのpn接合面よりn型領域71側に広がった。
【0216】
電極15は、空乏層DLと絶縁膜9とが接している部分69を覆うようにp型領域72よりも、例えば0.4μm大きく配置した。これによって、電極15を形成した時のエッチングダメージやレジストのアッシングによるダメージによって発生した基板表面の結晶欠陥は、空乏層DL内には及ばないので、暗電流を低減できる。
【0217】
なお、説明を簡略化するために、基板76及び領域77,78、エピタキシャル層71、領域73をn型とし、領域72,74をp型として説明したが、本実施例はこの導電型に限定されるものではなく、おのおのが上記と反対の導電型でもよい。
【0218】
(実施形態11)
図26(A)は、本発明による実施形態11の受光素子の上面を、図26(B)は、図26(A)の線分M−M′における断面図である。
【0219】
図26において、86はp型基板、81は第1半導体領域であるn型領域、82は第2半導体領域であるp型領域、83は第3半導体領域であるn型領域である。
【0220】
また、84は電極領域であるp型の高濃度不純物領域、すなわちp型領域からなり、基板の主表面でn型領域83とオフセット領域OFを間に介して配置した。また、15は電極であり、Alを主成分とした金属等で形成される。電極15は、p型基板86の主表面上に形成された絶縁膜9のコンタクトホールCHを介して、p型領域84と電気的に接続されている。DLは空乏層である。
【0221】
p型領域82を、n型領域81とn型領域83とで挟む構造とした。これによって、空乏層DLは、p型領域82の下面側のp接合と上面側pn接合とに形成され、ポテンシャルの低い溝のような状態を半導体領域82中に形成する。
【0222】
この結果、光によって発生した電荷のうち正孔がp型領域82に集められ、最終的に最もポテンシャルの低いp型領域84に集められる。また、主としてn型領域81の不純物濃度と、p型領域82、n型領域83の不純物濃度及び接合深さと、それらのpn接合のバイアス電圧とを適宜設定することにより、n型領域81のほぼ全体を空乏化することもできる。その結果、p型領域82は、受光素子の容量にほとんど寄与しなくなり、受光素子の容量の低減を図ることができた。
【0223】
オフセット領域OFを形成しないで、電極領域84とn型領域83とを接触させた場合に、電極領域84とn型領域83との間に逆バイアスが印加されるとブレークダウンを引き起こし、大量のリーク電流がp型領域84に流れ込むので好ましくない。
【0224】
また、オフセット領域OFを小さくしすぎると、フォトリソグラフィーにおけるアライメントずれ等により、p型領域84とn型領域83とが接触する確率が高くなる。これは、受光素子の歩留まりを低下させるため、本実施形態においては、p型領域84と左右のn型領域83との間にそれぞれ1μmのオフセット領域OFが設けられている。
【0225】
電極15は、空乏層DLと絶縁膜9とが接している部分89を覆うように形成した。そのため、電極15形成時のエッチングダメージやレジストのアッシングによるダメージによって発生した基板表面の結晶欠陥は、空乏層DL内には及ばず、暗電流が低減される。
【0226】
なお、本実施形態は、この導電型に限定されるものではなく、おのおのの導電型が上述したものと反対の導電型でもよい。
【0227】
また、本実施形態において、n型領域81は、p型基板86中に形成して、光キャリアの隣接画素への混入を防止している。従って、クロストークの発生がほぼ完全に抑制され、高品質な解像パターンが得られる。
【0228】
ある画素に、蓄積飽和値以上の光キャリアが発生しても、あふれた光キャリアはn型領域81の周囲にあるp型領域86に吸収されるため、他の画素へ影響を与えることなく、にじみの少ない、高品質な画像を得ることができる。
【0229】
図27(A)〜27(C)、図28(A)〜28(C)を参照して、本実施形態による受光素子の製造方法について述べる。
【0230】
p型半導体基板86を用意し、イオン注入等により、n型半導体からなるn型領域81を形成する(図27(A))。
【0231】
選択酸化法によりフィールド絶縁膜5を形成し、その後、p型半導体領域82を形成する(図27(B))。
【0232】
型の半導体領域83を形成した後、p型の電極領域84を形成する。ここで、必要に応じて半導体領域83と電極領域84との間のオフセット領域に低濃度のドーパントイオンを注入してもよい(図27(C))。
【0233】
次に、PSG(PhosphoSilicate Glass:リンをドープした酸化膜),BSG(BoroSilicate Glass),BPSG(BoroPhosphoSilicata Glass)等からなる絶縁膜9を形成し、電極領域84の上に開孔CHを形成する(図28(A))。
【0234】
次に、スパッタリング等によりAl−Cu等の導電性材料の層15を形成する(図28(B))。この時、導電性材料の層15の下方にTiN等のバリアメタルを形成してもよい。
【0235】
そして、導電性材料の層15を、BCl,Cl等を用いたドライエッチングにより、オフセット部を覆うように導電性材料の層15を残して、パターニングする。こうしてアノード電極15が得られる。
【0236】
以上説明した実施形態8〜11の受光素子においても、図4、図7、図21図22に示した読み出し及びリセット回路を用いることができる。
【0237】
また、本発明は特開平9−205588号公報に提案している光電変換装置に好ましく適用できるが、例えば、他の光電変換装置や固体撮像装置も適用でき、上述した本発明の受光素子を用いることにより、製造工程上における高歩留まりの固体撮像装置を製造できるので、必然的に高品質の装置を提供できる。
【0238】
【発明の効果】
本実施形態の光電変換装置を用いて、密着型イメージセンサを構成し、例えば、FAXやイメージスキャナ等の画像入力システムの画像読み取り装置として用いることにより、低暗電流が実現されるため高品質な画像読み取りが実現でき、かつ高歩留まりであるため、低コストな画像読み取り装置を提供することが可能となった。
【0239】
以上示したように、暗電流が低減可能な受光素子を得ることができ、さらに製造プロセスがばらついても、暗電流のばらつきの少ない高性能な光電変換装置を実現することができるため、高品質な画像が得られ、かつ低コストな画像読み取り装置や画像入力システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図、(C)は本発明の実施形態による受光素子の横方向のポテンシャルプロファイルを示す模式図、(D)は本発明の実施形態による受光素子の縦方向のポテンシャルプロファイルを示す模式図である。
【図2】本発明の実施形態による受光素子における不純物濃度分布を示す図である。
【図3】受光素子における印加電圧と容量の関係を示す図である。
【図4】本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の回路図である。
【図5】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図6】(A)〜(C)は本発明の実施形態による受光素子の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図7】本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の回路図である。
【図8】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図9】本発明の実施形態による受光素子の横方向のポテンシャルプロファイルを示す模式図である。
【図10】(A)〜(C)は本発明の実施形態による受光素子の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図11】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図12】本発明の実施形態による受光素子の上面図である。
【図13】本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図14】本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図15】本発明の実施形態による受光素子の上面図である。
【図16】本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図17】本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図18】本発明の実施形態による受光素子の上面図である。
【図19】本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図20】(A)〜(D)は本発明の実施形態による受光素子の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図21】本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の回路図である。
【図22】本発明に用いられる読み出し及びリセット回路の回路図である。
【図23】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図24】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図25】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図26】(A)は本発明の実施形態による受光素子の上面図、(B)は本発明の実施形態による受光素子の断面図である。
【図27】(A)〜(C)は本実施形態による受光素子の製造方法の一例を示す図である。
【図28】(A)〜(C)は本実施形態による受光素子の製造方法の一例を示す図である。
【図29】(A),(B)は従来の受光素子の断面図である。
【図30】従来の受光素子の上面図である。
【図31】従来の受光素子の断面図である。
【図32】従来の受光素子の断面図である。
【図33】従来の受光素子の断面図である。
【符号の説明】
1,11,31 第1半導体領域
2,12,32 第2半導体領域
3,13,33 第3半導体領域
4,14,34 ポテンシャルの低い領域(電極領域)
5 素子分離領域
15 配線
16 電源線
17 遮光層
101 電極領域
102 ホトダイオード領域(受光領域)
103 エッヂ
104 エッヂ
605 保持容量
609 ノイズ信号保持容量
610 光信号保持容量
614 バッファアンプ
615 差動増幅アンプ
690 ノイズ信号共通出力線
691 光信号共通出力線
M1 リセット用MOSトランジスタ
M2 増幅用MOSトランジスタ
M3 選択用MOSトランジスタ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light receiving element structure of an image sensor used in an image reading system such as a digital camera, an image scanner, a facsimile, and a copying machine, and a photoelectric conversion device using the same. The present invention relates to a light receiving element structure suitable for a photoelectric conversion device having a relatively large light receiving element having a pixel opening of several tens of microns or more.
[0002]
[Prior art]
In recent years, non-CCD image sensors such as CCD image sensors and CMOS image sensors have been actively developed as photoelectric conversion devices.
[0003]
In general, a photodiode formed of a semiconductor pn junction is used as a light receiving element of these photoelectric conversion devices.
[0004]
Conventional technology (1)
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-154784 discloses that a region having the same conductivity type as the substrate and having a higher impurity concentration than the substrate is provided on the surface of the substrate where the pn junction is not formed, and the dark current generated on the substrate surface is reduced. Reduced structures have been proposed.
[0005]
29 (A) and 29 (B) show a conventional light receiving element structure according to the same publication, 201 is an n-type semiconductor substrate, 202 is a p-type semiconductor layer, and 203 is an impurity concentration of 5 × 10Fifteencm-3-10 × 10Fifteencm-3An n-type semiconductor layer having a thickness of 0.2 μm to 0.3 μm; 205, a thermal oxide film;+A channel stopper, 209 is a non-reflective coating film (anti-reflection coating film) made of a nitride film, 215 and 216 are aluminum electrodes, and 228 is n+The type semiconductor layer 238 is a back electrode. DL indicates a depletion layer, and DLS indicates a surface-side portion of the depletion layer.
[0006]
In this conventional example, since the anode of the photodiode is formed only of the p-type semiconductor layer 202, the ohmic contact with the electrode 215 is deteriorated when the concentration is reduced, and when the concentration is increased, the depletion layer DL is reduced. It does not extend into 202.
[0007]
Conventional technology (2)
Further, as a light receiving element for a one-dimensional photoelectric conversion device, one having reduced junction capacitance formed by a pn junction has been proposed as disclosed in JP-A-61-264758.
[0008]
FIG. 30 shows the upper surface of a conventional photoelectric conversion device such as a CCD image sensor according to the same publication, where 301 is a p-type substrate, and 302 is an n-type substrate.+Of the p-type substrate 301+A portion surrounded by the type accumulation unit 302 is a p-type photoelectric conversion region as a pixel. PG is a photo gate, SG is a shift gate, and SR is a CCD shift register.
[0009]
In this structure, the p-type substrate 301 and n+An electric signal corresponding to an image signal is generated as a p-type photoelectric conversion element by the type accumulation unit 302, shifted through a photogate PG and a shift gate SG, and sequentially transferred from the CCD shift register SR as a horizontal output line. Read out. With this structure, although the area of the pn junction is reduced, the perimeter of the pn junction is increased, so that the capacitance value of the pn junction cannot be sufficiently reduced, and it is difficult to achieve high sensitivity.
[0010]
Conventional technology (3)
Further, as a photosensitive portion structure used for a contact type image sensor, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-303752, there is a photosensitive portion structure in which dark current caused by scribing of a chip end in a photosensitive portion structure is reduced. Proposed.
[0011]
FIG. 31 shows a cross section of a conventional light receiving element according to the same publication, wherein 301 is a p-type semiconductor region, 302 is an n-type semiconductor region, 303 is a p-type shallow channel stop layer, 305 is a field oxide film, and 306 is p-type. A mold substrate, 308 is a p-type channel stop layer, 309 is an interlayer insulating film, and 317 is a light shielding film for defining an opening OP. The depletion layer DL extends into the p-type semiconductor region 301, and electrons of the generated photocarriers PC are collected in the n-type semiconductor region 302 by an internal electric field.
[0012]
Conventional technology (4)
As a light receiving element in a CCD image sensor, for example, a photodiode having a cross-sectional structure of n-type substrate / p-type region / n-type region / p-type region, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-14958, is used. Commonly used.
[0013]
FIG. 32 shows a cross section of a conventional light receiving element according to the same publication, 406 denotes an n-type substrate, 401 denotes a p-type semiconductor region, 402 denotes an n-type semiconductor region, 403 denotes a shallow p-type semiconductor layer, and 408 denotes a p-type semiconductor layer.+409 denotes an insulating film, 415 denotes an electrode made of polysilicon, and 420 denotes an n-type region of the CCD register.
[0014]
Conventional technology (5)
On the other hand, as a photoelectric conversion device using a light receiving element, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-205588, a photodiode is used as a light receiving element, an electrode is attached to this light receiving element, the charge is connected to the gate electrode of a MOS transistor, and charges are transferred to a source hole. A photoelectric conversion device that performs batch reading using an amplifier has been proposed.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the photo-generated carriers are accumulated in a pn photodiode and applied to an amplification-type photoelectric conversion device that reads out a signal voltage from the pn photodiode by using a charge-to-voltage converter, the sensitivity may be reduced.
[0016]
In the case of an amplification type photoelectric conversion device, the light output Vp is expressed by the formula (1).
[0017]
Vp = Qp / Cs (1)
Here, Qp is the amount of charge stored in the pn photodiode, and Cs is the capacitance of the photodiode.
[0018]
For example, in the case of an amplification type photoelectric conversion device having a pixel in which a MOS source follower or a reset MOS transistor is connected to the photodiode, the capacitance Cs of the photodiode is
Cs = Cpd + Ca (2)
Can be represented.
[0019]
Here, Cpd is the pn junction capacitance of the pn photodiode itself including the light receiving unit, and Ca is another capacitance connected to the photodiode. In the above case, the gate capacitance of the MOS transistor constituting the MOS source follower and the reset MOS transistor. It includes the junction capacitance between the source and the well, the overlap capacitance between the source and the gate, the wiring capacitance, and the like.
[0020]
Therefore, in order to realize high sensitivity, it is necessary to effectively accumulate photogenerated carriers and to minimize the capacity of the photodiode in which the carriers are accumulated.
[0021]
On the other hand, when light is incident on the photodiode, charge is generated in the photodiode, and the charge generated in the depletion layer formed by the pn junction surface in the semiconductor substrate and its surroundings is collected on the anode or the cathode, and the electrode is formed there. When attached, it can be extracted as an electrical signal.
[0022]
FIG. 33 is a sectional view of a light receiving element having a conventional electrode. 701 is a first semiconductor region, and 702 is a second semiconductor region to be an anode. The respective conductivity types are n-type and p-type. DL is a depletion layer formed by a pn junction between the first semiconductor region 701 and the second semiconductor region 702. Although not shown, a reverse bias is applied between the first semiconductor region 701 and the second semiconductor region 702. Further, reference numeral 715 denotes an electrode, and the electrode 715 is connected to the second semiconductor region 702 via a contact hole CH of the insulating film 709.
[0023]
The electrode 715 is made of, for example, a metal mainly composed of Al or the like, and is connected to an electrode region formed on the main surface of the semiconductor substrate via a contact hole CH of an insulating film covering the surface of the photodiode. Generally, such a light receiving element has a configuration in which a conductive material such as Al is connected to a semiconductor region in order to obtain an optical signal by a photocarrier photoelectrically converted in the semiconductor region.
[0024]
For example, when this electrode is formed by using a general RIE (reactive ion etching) method, usually, over-etching is performed so as not to leave an unnecessary portion. At the time of this over-etching, some of the ions accelerated by the electric field penetrate the insulating film 709 and reach the main surface of the semiconductor substrate, thereby damaging the vicinity of the interface between the semiconductor and the insulating film, thereby generating crystal defects. There are cases.
[0025]
Also, in the process after the formation of the electrodes, crystal defects may occur similarly to the above due to plasma ashing of the photoresist.
[0026]
In a general light receiving element, a pn junction surface exists around the semiconductor region on the main surface of the semiconductor substrate to which the electrodes are connected, and the junction surface reaches near the interface between the main surface of the semiconductor substrate and the insulating film. There are many.
[0027]
Therefore, when the electrode is formed inside the bonding surface reaching the main surface of the semiconductor substrate, a crystal defect due to etching damage occurs near the bonding surface, and this crystal defect becomes a carrier generation center. The crystal defects generated in the depletion layer cause dark current.
[0028]
In addition, the dark current generated by this causes a change in the amount of crystal defects generated near the bonding surface or a change in the amount of crystal defects themselves due to misalignment of the mask when forming a current or the like and etching conditions. This also causes a variation in dark current.
[0029]
[Object of the invention]
A first object of the present invention is to provide a light receiving element capable of minimizing a pn junction capacitance of a photodiode portion and effectively utilizing photogenerated carriers, and a photoelectric conversion device having the same.
[0030]
A second object of the present invention is to provide a light receiving element in which occurrence of defects in a semiconductor region where a depletion layer is formed is suppressed.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
The light receiving element of the present invention includes first semiconductor regions 1, 11, 21, 31, 81 of the first conductivity type and second semiconductor regions 2, 12 of the second conductivity type disposed on the first semiconductor regions. , 32, 81, a first conductive type third semiconductor region 3, 13, 33, 83 disposed on the surface of the second semiconductor region, and a conductive member disposed on the surface of the second semiconductor region. In a light receiving element having second conductive type electrode regions 4, 14, 34, 84 connected to an anode or a cathode electrode, the third semiconductor region is formed so as to surround the periphery of the electrode region. Cage,A second conductivity type internal region having a higher impurity concentration than the second semiconductor region and a lower impurity concentration than the electrode region is formed between the electrode region and the second semiconductor region.The electrode region is disposed on a surface of the internal regionI have. It is better if each part is designed as follows.
[0032]
The electrode region is set in a floating state (floating state) to accumulate photo-generated charges, and a bias is applied to the first semiconductor region to apply a reverse bias between the first semiconductor region and the second semiconductor region. Apply voltage.
[0033]
A potential gradient is formed between the electrode region and the second semiconductor region that can move the photo-generated charges toward the electrode region.
[0034]
Further, the internal region is made up of a plurality of regions having different impurity concentrations from each other. The internal region is formed so as to surround the periphery of the electrode region. The internal region is formed at a position shallower than the second semiconductor region.
[0036]
Further, the first semiconductor region is formed from one of a semiconductor substrate, an epitaxial layer formed on the semiconductor substrate, and a well formed in the semiconductor substrate.
[0037]
Further, the light receiving element of the present invention includes a first conductive type first semiconductor region 51, 61, 71, 81, and a second conductive type second semiconductor region 52, which is disposed on the first semiconductor region. 62, 72, and 82, a second conductivity type electrode region disposed on the surface of the second semiconductor region and connected to an anode or cathode electrode 15 made of a conductor, and the first and second semiconductor regions. A first conductivity type disposed between the surface of the semiconductor substrate including the first substrate and the insulating film 9 adjacent to the surface of the semiconductor substrate, and formed to surround the electrode region and the second semiconductor region. The third semiconductor region 53, 63, 73, 83, wherein the depletion layer DL formed between the electrode region and the third semiconductor region is in contact with the insulating film. All parts 59, 69, 89And the entire second semiconductor region.It is characterized by the following.
[0038]
Each part may be designed as follows.
[0039]
The first semiconductor region is formed of an epitaxial layer, the second semiconductor region is formed inside the upper surface side, and the area of the upper surface of the anode or cathode electrode is made larger than the area of the upper surface of the second semiconductor region.
[0040]
The second semiconductor region is formed of portions having different impurity concentrations from each other, and the area of the upper surface of the anode or the cathode electrode is made larger than the area of the upper surface of the second semiconductor region.
[0041]
The second semiconductor region is formed of a high-concentration region having a high impurity concentration and a low-concentration region having a low impurity concentration, and the third semiconductor region is formed on an upper surface of the low-concentration region.
[0042]
The extending portion of the anode or the cathode electrode covers at least an area above the third semiconductor region.
[0043]
When these light receiving elements are combined with a light source such as an LED for irradiating an object such as a document and an imaging element, a photoelectric conversion device is obtained.
[0044]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0045]
(Embodiment 1)
Hereinafter, a first embodiment as a basic embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (A) to 1 (D), 2 and 3. FIG.
[0046]
FIGS. 1A to 1D are drawings showing the features of the present embodiment best, FIG. 1A is a top view of a light receiving element portion of the present embodiment, and FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a line AA ′, FIG. 1C is a potential profile in the direction along the line XX ′ in FIG. 1B, and FIG. FIG. 5 is a potential profile diagram in a direction along a line YY ′.
[0047]
Reference numerals 1, 2, and 3 denote first semiconductor regions of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate, second semiconductor regions of the second conductivity type provided in the first semiconductor region 1, respectively. This is a third semiconductor region of the first conductivity type provided on the main surface side of the second semiconductor region 2.
[0048]
Reference numeral 4 denotes an electrode region adjacent to the second semiconductor region 2 for extracting charges generated by light, and specifically, has the same conductivity type as that of the second semiconductor region 2 and an impurity concentration lower than that. It is composed of a high high concentration impurity region or the like.
[0049]
Reference numeral 102 denotes a light receiving region including the first, second, and third semiconductor regions 1, 2, 3, and 3. In the light receiving region 102, carriers generated by light incidence are captured in the region 101. Of course, if light enters the region 101, carriers are generated also in the region 101.
[0050]
In FIG. 1, the first conductivity type is shown as p-type and the second conductivity type is shown as n-type.
[0051]
If necessary, an insulating film is formed on the surface of the semiconductor substrate, an opening is formed in the insulating film, and a conductor serving as an electrode is formed in the opening.
[0052]
For example, in the light receiving region 102, carriers (in this case, electrons) generated by the photons hν move in the horizontal direction as shown in FIG. 1C, and the electrons pass through this potential groove, that is, the lowest potential region. 4 is collected in the area 101.
[0053]
In the absence of such a potential structure, the generated electrons stray in the substrate due to diffusion, and if they cannot reach the region 4 within the lifetime, they recombine with holes and disappear.
[0054]
As shown in FIG. 1D, a further feature of the present embodiment is that the third semiconductor region 3, the first semiconductor region 1, and the second semiconductor region 3 on the surface are so depleted that the second semiconductor region 2 is almost completely depleted. The point is that the impurity concentration and the junction depth of the region 2 and the potential applied to the electrode region 4 and the region 1 are set. As a result, the second semiconductor region 2 hardly contributes as a capacity, and the capacity of the light receiving section can be reduced.
[0055]
That is, electrons generated near the junction interface between the regions 2 and 3 are collected in the region 2 by the built-in potential due to the pn junction. On the other hand, electrons generated near the junction interface between the regions 2 and 3 are collected in the region 2 by a built-in potential due to the pn junction. Here, since the region 2 of the light receiving region 102 is almost depleted by the two pn junctions, there is no neutral region. Such a state will be referred to as complete depletion. Then, the collected electrons are collected in the region 4 as described above and output from an electrode (not shown).
[0056]
FIG. 2 shows the distribution of the impurity concentration in the direction along the line YY '. In FIG. 2, Np1 indicates a p-type impurity concentration such as boron (B) in a p-type semiconductor substrate serving as a starting material of the region 1, and Nn1 indicates a phosphorus or arsenic introduced for forming the region 2. Np2 indicates a p-type impurity concentration introduced for forming the region 3.
[0057]
Nc indicates the net impurity concentration (net value) of each region.
[0058]
The impurity concentration and thickness in each region can be selected from the following ranges. As a parameter of the thickness, a junction depth from the substrate surface is shown. The first semiconductor region 1 has an impurity concentration ND1 of 1014cm-3-1017cm-3, More preferably 10Fifteencm-3-1016cm-3And the junction depth is 0.1 μm to 1000 μm.
[0059]
The impurity concentration ND2 of the second semiconductor region 2 is 10Fifteencm-3-1018cm-3, More preferably 1016cm-3-1017cm-3And the junction depth is 0.2 μm to 2 μm.
[0060]
The impurity concentration ND3 of the semiconductor region 3 is 1016cm-3-1019cm-3, More preferably 1017cm-3-1018cm-3And the junction depth is 0.1 μm to 0.5 μm.
[0061]
The impurity concentration ND4 of the electrode region 4 is 1018cm-3-1021cm-3, More preferably 1019cm-3-1020cm-3And the junction depth is 0.1 μm to 0.3 μm.
[0062]
The impurity concentration ND2 of the second semiconductor region 2 is higher than the impurity concentration ND1 of the first semiconductor region 1, and the impurity concentration ND3 of the third semiconductor region 3 is higher than the impurity concentration ND2 of the second semiconductor region 2. It is good to decide.
[0063]
For more detailed description, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the voltage of the electrode region 4 and the capacitance at that time. Although the capacity decreases as the voltage increases, the capacity of the region 4 becomes constant at the point A.
[0064]
When the voltage is low, region 2 is not depleted, and the capacitance changes depending on the depletion layer capacitance between region 2 and region 3 and the depletion layer capacitance between region 2 and region 1. . That is, as the voltage of the region 4 increases, the depletion layer expands, and thus the capacitance gradually decreases. However, when the upper and lower depletion layers are connected, the region 2 in the light receiving region 102 is almost completely depleted, and the capacitance is reduced. It decreases sharply and then stabilizes. The transition point is point A in the figure, and the voltage at point A is hereinafter referred to as a depletion voltage.
[0065]
Since the depletion voltage is determined depending on the thickness of each of the regions 1, 2, 3 and the impurity concentration,
(A) the potential of the electrode region 4 when the light receiving element is reset,
(B) The voltage of the electrode region 4 when the light output of the light receiving element is saturated
Is set to be equal to or higher than the depletion voltage, the capacitance of the photodiode itself can be substantially reduced to about the junction capacitance C0 at the bottom of the reference numeral 101, and high sensitivity can be realized.
[0066]
Here, the electric potential of the electrode changes due to the accumulation of the charge generated by the light in the electrode region. However, the operating point (the range in which the potential changes) is designed to be equal to or higher than the depletion voltage, so that the electrode region Since the capacitance of No. 4 has linearity, it is possible to obtain a photoelectric conversion characteristic with high sensitivity and good linearity.
[0067]
Further, when the voltage decreases at the boundary of the depletion voltage, the capacitance value increases exponentially from C0 to a capacitance value determined by the area of the region 2.
[0068]
For example, the thickness of the region 1 is about 600 μm and the impurity concentration is 1 × 1016cm-3Region 2 has a junction depth of 0.5 μm and an impurity concentration of 1 × 1017cm-3Region 3 has a junction depth of 0.2 μm and an impurity concentration of 1 × 1018cm-3Region 4 has a junction depth of 0.2 μm and an impurity concentration of 1 × 1019cm-3The capacitance ratio of the photodiode when the region 4 is not depleted as compared with the photodiode capacitance when the light receiving element has the upper surface area of the region 2 of 80 μm × 80 μm and the upper surface area of the region 4 of 1.2 μm × 1.2 μm. Is about 4400 times.
[0069]
If there is no potential profile as shown in FIG. 1 (C), electrons generated in the vicinity of the electrode region 4 can easily reach there, but electrons generated at the end of the light receiving surface are located in the electrode region about 40 μm apart. The probability of reaching is very low, resulting in a significant loss of sensitivity.
[0070]
On the other hand, in the structure of the present embodiment, electrons generated at least within about 1 μm from the surface can be collected almost anywhere in the light receiving surface. In particular, since most of the blue light is absorbed within 1 μm of the silicon surface, the sensitivity of blue, which is a problem in the visible light sensor, is improved.
[0071]
In addition, by using a technique such as high-energy ion implantation, a retrograde well structure having a peak value of the impurity concentration inside the substrate is used, or conversely, the concentration of the substrate 1 is reduced and the depletion layer is expanded. It is also possible to collect electrons generated at a deep place.
[0072]
Furthermore, by forming a high-concentration impurity layer on the substrate surface, providing a low-impurity-concentration epitaxial layer thereon, and applying the present invention, it is possible to obtain a light-receiving portion structure with high long-wavelength sensitivity.
[0073]
FIG. 4 shows an example of a read and reset circuit used in the present invention. In FIG. 4, D1 is a photodiode formed of a light receiving element according to the present invention, M1 is a reset switch formed of a MOS transistor or the like, M2 is an amplification element formed of a MOS transistor or the like, and M3 is a load formed of a MOS transistor or the like. It can also be used. VR is a reset line or a reset terminal for applying a reset reference voltage, VDD is a power supply voltage line or a power supply terminal for applying a power supply voltage, φRIs a reset control line for turning on / off the reset switch M1, and VOUTIs an output terminal.
[0074]
The operation of the read and reset circuit of FIG. 4 will be described. Reset control line φRThen, the reset switch M1 is turned on, a reset reference voltage higher than the depletion voltage is applied to the cathode (region 4 in FIG. 1A), and the floating gate of the amplifier M2 is reset. Then, the accumulation of the optical carriers starts, and the potential of the input terminal of the amplification element M2 changes. After a predetermined accumulation time has elapsed, the selection line φSWhen a selection switch M3 is turned on by inputting an on-pulse, a current corresponding to an optical carrier flows through a source follower circuit having transistors M2 and M3, and an output signal is obtained.
[0075]
(Embodiment 2)
FIG. 5A is a top view of the light receiving element according to the present embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 5A.
[0076]
In FIG. 5, reference numeral 11 denotes a first semiconductor region of a first conductivity type (here, n type), 12 denotes a second semiconductor region of a second conductivity type (here, p type), and 13 denotes a third semiconductor region of the first conductivity type. The semiconductor region 14 is an electrode region of the second conductivity type having a high impurity concentration.
[0077]
In the present embodiment, an element isolation region (isolation region) 5 formed by a selective oxidation method called LOCOS or the like for isolating the light receiving element is formed.
[0078]
Next, the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment will be explained. A silicon oxide SiO2 is formed by a selective oxidation method in which a silicon nitride film SiN (not shown) is formed as an oxidation resistant mask, and a thick oxide film is formed in a portion exposed therefrom.2Is formed (FIG. 6A). Such a method is known as LOCOS.
[0079]
Next, a photoresist mask (not shown) is formed, ion implantation is performed, and heat treatment is performed to form a p-type second semiconductor region 12 in the first semiconductor region 11 made of an n-type semiconductor substrate. The depletion layer formed by the pn junction is prevented from reaching the edge 104 by separating the edge 103 of the second semiconductor region 12 from the edge 104 of the element isolation region 5 where many defects exist. Thus, generation of dark current due to defects can be suppressed (FIG. 6B).
[0080]
Next, an n-type third semiconductor region 13 is formed on the surface of the substrate by forming a photoresist mask (not shown) and performing ion implantation, removing the photoresist mask, and performing heat treatment (FIG. 6C )).
[0081]
Then, a photoresist mask (not shown) is formed, ions are implanted, and a heat treatment is performed after the removal of the photoresist mask to form the p-type electrode region 14, whereby the structure shown in FIG. 5B is obtained.
[0082]
After that, if necessary, an insulating film covering the surface is formed, a contact hole is opened, and the electrode region 14 may be connected to a read and reset circuit formed in another place of the same semiconductor substrate through a wiring.
[0083]
In this embodiment, since a signal is output from the anode of the photodiode, the configuration of the read and reset circuit used in this embodiment is also the same in terms of the potential level and the conductivity type.
[0084]
FIG. 7 is a circuit diagram of another read and reset circuit used in the present invention. In FIG. 7, D1 is a photodiode comprising a light receiving element of the present invention, M2 and M3 are an amplifying element and a selecting element, respectively, and a source which is an amplifier for converting a photoelectric charge generated in the photodiode D1 into a charge voltage and reading it out. Constitutes a follower. The selection of the pixel was performed by turning on / off the switch M3 which is also a low current source of the source follower. After reading out the photoelectric charge information of the pixel with the selection switch M3, the photodiode D1 was reset by the reset switch M1. Reset voltage (φR−Vth), the reset voltage was set such that a reverse voltage higher than the depletion voltage was applied to the anode of the photodiode. Here, Vth is a threshold value of the reset switch M1. The outputs of the amplification element M2 and the selection element M3 having the source follower configuration are output via the buffer B1, the coupling capacitor C for cutting off the DC component, and the buffer B2 by shifting the ON time of the selection element. .
[0085]
For example, since the depletion voltage was 1.0 volt in the reverse bias voltage of the photodiode D1, the reset voltage was set to be applied 3 volts in the reverse bias voltage. That is, when the power supply voltage applied to the terminal VDD was used at 5 volts, the voltage applied to the reset terminal VR was set to 2.0 volts, and the read operation was performed.
[0086]
In the present embodiment, when the size of the light receiving surface is 40 μm × 40 μm and the size of the upper surface of the electrode region 14 is 6 μm × 6 μm, the capacitance of the photodiode is 3.8 fF, which is considerably lower than the conventional one, and high photoelectric conversion. Sensitivity could be obtained.
[0087]
In the present embodiment, image information in the region in front of the light receiving surface can be obtained, and a high-definition image can be obtained.
[0088]
In particular, the present embodiment is effective in the case of a light receiving element having a large light receiving surface such that light collection efficiency is deteriorated. When the size of the light receiving surface is 20 μm square or more, the collection efficiency starts to deteriorate, and this is particularly effective for a light receiving element having a light receiving surface larger than this size.
[0089]
(Embodiment 3)
FIG. 8A shows an upper surface of a light receiving element according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 8B shows a cross section taken along line CC ′ of FIG. 8A.
[0090]
The difference from the embodiment shown in FIGS. 5A and 5B is that the second semiconductor region is composed of two regions having different impurity concentrations from each other. In FIG. 8, the internal region 22 in contact with the electrode region 14 has a higher impurity concentration than the external region 12 and has a lower impurity concentration than the electrode region 14. The junction depth of the inner region 22 may be shallower or deeper than the outer region 12.
[0091]
FIG. 9 shows a potential profile in a direction along the line CC ′ of FIG. 8A. A potential gradient steeper than that in FIG. 1C is formed by the inner region 22 and the outer region 12 having different impurity concentrations. In this way, the charges generated at the end of the light receiving surface can be easily collected on the electrode region 14, and the optical signal reading time can be shortened.
[0092]
Next, the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. An element isolation region 5 made of silicon oxide is formed on the n-type semiconductor substrate 11 by a selective oxidation method in which a silicon nitride film (not shown) is formed as an oxidation-resistant mask and a thick oxide film is formed in a portion exposed from the mask (FIG. FIG. 10 (A)).
[0093]
A p-type second semiconductor region 12 is formed in the first semiconductor region 11 formed of an n-type semiconductor substrate by forming a photoresist mask (not shown), performing ion implantation, and performing heat treatment. The depletion layer formed by the pn junction is prevented from reaching the edge 104 by separating the edge 103 of the second semiconductor region 12 from the edge 104 of the element isolation region 5 where many defects exist.
[0094]
Thus, generation of dark current due to defects can be suppressed. Then, a photoresist mask (not shown) is formed, and an internal region 22 having a high impurity concentration is formed by ion implantation and heat treatment (FIG. 10B).
[0095]
Next, by ion implantation and heat treatment, n+A third semiconductor region 13 of a mold is formed (FIG. 10C).
[0096]
Then, by ion implantation and heat treatment, p+When the mold electrode region 14 is formed, the structure shown in FIG. 8B is obtained.
[0097]
Thereafter, if necessary, a transparent insulating film covering the surface is formed, an opening is formed in the insulating film, and a read and reset circuit formed in another place of the same semiconductor substrate is connected to the electrode region 14 through wiring. Should be connected.
[0098]
As described above, the same circuit as that shown in FIG. 7 can be employed as the readout circuit and the reset circuit according to the present embodiment.
[0099]
(Embodiment 4)
FIG. 11A shows the top surface of the light receiving element according to the present embodiment, and FIG. 11B shows a cross section taken along line DD ′ of FIG. 11A.
[0100]
The difference from the embodiments shown in FIGS. 5A and 5B is that an n-type epitaxial layer 21 formed on the surface of a p-type semiconductor substrate 6 by epitaxial growth is used as a first semiconductor region. After the formation of the n-type epitaxial layer 21, the p-type second semiconductor region 12 is formed by ion implantation or the like, and further, the n-type+Type third semiconductor region 13 is formed, and ion implantation and heat treatment are performed.+A mold electrode region 14 is formed.
[0101]
In the present embodiment, instead of forming the n-type epitaxial layer 21, an n-type well formed by ion implantation and heat treatment in a p-type semiconductor substrate can be used.
[0102]
According to the present embodiment, it is possible to prevent charges generated at a deep position of the p-type substrate from reaching the p-type second semiconductor region 12.
[0103]
Specifically, if the thickness of the well is, for example, about 4 μm, most of the holes generated at a depth of about 4 μm away from the surface of the light receiving element flow into the p-type substrate, so that the dark current is not generated. Can be suppressed.
[0104]
In the case of the structure shown in FIGS. 5A and 5B, noise generated when driving the reset circuit or the readout circuit easily enters the second semiconductor region. On the other hand, by forming the second semiconductor region in a well formed individually or commonly for all pixels as in the present embodiment, the entry of the noise can be suppressed.
[0105]
(Embodiment 5)
12 shows a top view of the light receiving element according to the fifth embodiment, FIG. 13 shows a cross section taken along line EE 'in FIG. 12, and FIG. 14 shows a cross section taken along line FF' in FIG. Is shown.
[0106]
In FIG. 12, a p-type second semiconductor region 32 constituting a photodiode serving as a light receiving element is formed in an opening OP, and a p-type internal region 22 is formed in this region 32. Also, in the internal region 22, p+The electrode region 34 is formed of a first metal layer at the drain of the MOS transistor M1 serving as a reset switch and at the gate of the source follower MOS transistor M2 serving as an amplifying element. They are electrically connected by the wiring 15. The opening OP of the light receiving element is defined by a light shielding layer 17 formed of a second metal layer, and the light shielding layer 17 is connected to a power supply and fixed at a predetermined reference potential.
[0107]
Where p+The electrode region 34 of the type is arranged closer to the direction in which the drain portion of the reset MOS transistor M1 and the source follower MOS transistor M2 are arranged than the center of the opening, and on the side opposite to the electrode region 34. Is provided with a power supply line 16 for determining the potential of an n-type well region 31 as a first semiconductor region. In the figure, the size of the opening OP is 40 μm × 60 μm.
[0108]
13 and 14, the second semiconductor region 32 is formed in the opening OP of the n-type well region 31 provided in the p-type semiconductor substrate 6, and the internal region 22 is further formed in the second semiconductor region 32. It can be seen that the electrode region 34 is formed in the inner region 22 in an island shape.
[0109]
On the main surfaces of the second semiconductor region 32 and the internal region 22, an n-type surface region 33 is provided as a third semiconductor region, and is electrically connected to the n-type well region 31 at an end of the opening OP. .
[0110]
Therefore, a photodiode is formed by the pn junction between the second semiconductor region 32 and the internal region 22 made of the p-type semiconductor and the first and third semiconductor regions 31 and 33 made of the n-type semiconductor, and the photodiode is photoelectrically converted by the photodiode. The optical carrier is p+The potential of the wiring 15 collected in the electrode region 34 made of the mold semiconductor and formed of the first metal layer is changed.
[0111]
Further, a protective film 18 is provided on the electrode region 34 and on the light shielding layer 17 formed of the second metal layer.
[0112]
Here, as shown in FIG.+The mold region 34 is arranged on the side where the reset MOS transistor M1 and the source follower MOS transistor M2 are arranged, that is, on the right side in FIG. 14 with respect to the center of the opening OP. The contact of the power supply line 16 for supplying+It is arranged only on the opposite side of the mold region (1511).
[0113]
Here, the n-type well region 31 is formed in the p-type substrate 6 and is surrounded by a p-type well region 7 serving as an element isolation region for each pixel, and is electrically connected to each pixel by a pn junction. The structure is separated into
[0114]
In FIG. 13 and FIG. 14, representative values of the approximate surface concentration and the junction depth of each region are shown below.
[0115]
p-type substrate 6: about 1 × 10Fifteen(Cm-3)
First semiconductor region 31: about 1 × 1017(Cm-3) / About 4.0 μm
Second semiconductor region 32: about 2 × 1017(Cm-3) / About 0.35 μm
Internal area 22: about 3 × 1017(Cm-3) / About 0.30 μm
Third semiconductor region 33: about 3 × 1018(Cm-3) / About 0.20 μm
Electrode area 34: about 3 × 1019(Cm-3)
In this embodiment, the depletion voltage of each of the region 32 and the region 22 is:
Area 32: about -1.0 V
Region 22: about -1.5V
It has become.
[0116]
Therefore, since the depletion voltage of the regions 32 and 22 increases toward the electrode region 34, a potential gradient of the photocarrier is formed, and the photocarrier can be more efficiently collected at the electrode region 34. It becomes.
[0117]
In the present embodiment, since the photomask (reticle) for exposure is formed such that the corners of the region 32 and the region 22 are all obtuse, potential grooves are formed due to non-uniform electric fields at the corners. And the afterimage characteristics are improved. Furthermore, since the region 31 is formed in the p-type substrate 6 and has a structure in which the periphery is surrounded by the p-type well region 7 for each pixel, crosstalk generated by mixing of optical carriers into adjacent pixels is generated. Can be almost completely suppressed, and a high-quality resolution pattern can be obtained.
[0118]
Further, even if the photo carriers that are saturated or more are accumulated in a certain pixel, the overflowing photo carriers are absorbed by the surrounding p-type well region 7 and the substrate 6, so that the bleeding is not affected on other pixels. A few high-quality images can be obtained.
[0119]
In the present embodiment, the region 32 and the region 22 are illustrated as regions where the photodiode is formed. For example, the second p-type internal region including the electrode region 34 inside the internal region 22 is illustrated. Are formed, and the depletion voltage in the second internal region is set to an impurity concentration and a junction depth that are higher than the depletion voltage in the internal region 22, thereby forming a light receiving element having further lower image lag characteristics. It is also possible.
[0120]
(Embodiment 6)
15 shows a top view of a light receiving element according to the sixth embodiment, FIG. 16 shows a cross section taken along line GG ′ in FIG. 15, and FIG. 17 shows a cross section taken along line HH ′ in FIG. Is shown.
[0121]
The present embodiment differs from the embodiments shown in FIGS. 12 to 14 in that the planar shape of the internal region 22 made of a p-type semiconductor is changed so as to have a portion whose width gradually changes.
[0122]
In addition, a portion 22A whose width narrows downward in the drawing extends downward from above in the drawing beyond the center of the light receiving surface (opening).
[0123]
Reference numeral 8 shown in FIG. 17 is a contact region having a high impurity concentration, and serves as a cathode contact of the power supply line 16.
[0124]
15 to 17, a second semiconductor region of a photodiode serving as a light receiving element is formed in an opening OP, and an internal region 22 is formed in this region 32. Further, an electrode region 34 is formed in the internal region 22. This region 34 is formed of a wiring formed of a first metal layer at the drain of the reset MOS transistor M1 and the gate of the source follower MOS transistor M3. 15 are electrically connected. The opening OP of the light receiving element is defined by a light shielding layer 17 formed of a second metal layer, and the light shielding layer 17 is connected to a power supply and fixed at a desired potential.
[0125]
Here, the electrode region 34 is arranged so as to be closer to the direction in which the drain portion of the reset MOS transistor M1 and the source follower MOS transistor M2 are arranged than the center of the opening, and the opening opposite to the electrode region 34. A power supply line 16 for supplying reverse bias electric power to the n-type well region 31 as the first semiconductor region is provided on the unit side. In the figure, the size of the opening OP is 40 μm × 60 μm.
[0126]
An n-type surface region 33 as a third semiconductor region is provided on the main surfaces of the region 32 and the region 22, and is electrically connected to the n-type well region 31.
[0127]
Therefore, a photodiode is formed by a pn junction between the p-type region 32 and the region 22 and the n-type region 31 and the region 33. Photocarriers photoelectrically converted by the photodiode are collected in the region 34 and the potential of the wiring 15 is reduced. Change it.
[0128]
Further, a protective film 17 is provided on the light-shielding layer 17 formed of the second metal layer.
[0129]
Here, the electrode region 34 is arranged on the side where the reset MOS transistor M1 and the source follower MOS transistor M2 are arranged, that is, on the right side in FIG. 17 with respect to the center of the opening. The contact of the power supply line 16 for supplying a potential is arranged only on the side opposite to the electrode region 34 (the left side in FIG. 17).
[0130]
Here, the n-type well region 31 is formed in the p-type substrate 6 and is surrounded by the p-type well region 7 for each pixel, and has a structure electrically isolated for each pixel. I have.
[0131]
Further, the inner region 22 has a shape whose width gradually increases from W1 to W2 (W2> W1) toward the electrode region 34, and the corners of the upper surfaces of the region 32 and the region 22 are all It has a shape consisting of an obtuse angle greater than 90 degrees.
[0132]
In FIGS. 16 and 17, representative values of approximate surface concentration / junction depth in each region are shown below.
[0133]
p-type substrate 6: about 1 × 10Fifteen(Cm-3)
Area 31: about 1 × 1017(Cm-3) / About 4.0 μm
Area 32: about 2 × 1017(Cm-3) / About 0.35 μm
Area 22: about 3 × 1017(Cm-3) / About 0.30 μm
Area 33: about 3 × 1018(Cm-3) / About 0.20 μm
Area 34: about 3 × 1019(Cm-3)
In this embodiment, the depletion voltage of each of the region 32 and the region 22 is:
Area 32: about -1.0 V
Region 22: about -1.5V
It has become.
[0134]
Therefore, since the depletion voltage in the regions 32 and 22 increases toward the electrode region 34, a potential gradient of the photocarrier is formed, and the photocarrier can be more efficiently collected in the region 54. .
[0135]
Further, since the power supply line 16 for supplying a voltage for fixing the potential of the n-type well region 31, which is the first semiconductor region, is provided on the opposite side of the region 34, the photocurrent generated by the photo-generated electrons becomes n-type. By flowing in the well region 31 toward the contact region 8, a potential gradient is generated from the contact region 8 toward the region 34, and the photo-generated holes are more efficiently p+It can be collected in the mold region 511 and the afterimage characteristics are improved.
[0136]
In addition, in the present embodiment, since the region 22 has a portion whose width increases toward the region 34, the light generation holes reaching the tip of the region 22 due to the potential gradient flow toward the region 34. In this case, since the sheet resistance of the region 22 gradually decreases with respect to the photocurrent generated by the light generation holes, the light generation holes can be collected in the region 34 at high speed, and the afterimage characteristics during high-speed operation are improved. I do.
[0137]
Further, since the tip of the region 22 is arranged beyond the center of the opening OP, the efficiency of collecting holes on the contact region 8 side is improved.
[0138]
Further, since the corners of the region 32 and the region 22 are all formed with obtuse angles, a potential groove due to non-uniform electric field at the corner portion is less likely to be formed, and the afterimage characteristics are further improved. Such a shape can be easily formed by a pattern of a photomask used when exposing the photoresist.
[0139]
Furthermore, since the region 31 is formed in the p-type substrate 6 and has a structure in which the periphery is surrounded by the p-type well region 7 for each pixel, crosstalk generated by mixing of optical carriers into adjacent pixels is generated. Can be suppressed almost completely, and a high-quality resolution pattern can be obtained.
[0140]
Further, even if a high carrier exceeding saturation is accumulated in a certain pixel, the overflowing optical carrier is absorbed by the surrounding region 7 and the substrate 6, so that it does not affect the other pixels and has a low blur and high quality. Pixel can be obtained.
[0141]
In the present embodiment, the region 32 and the region 22 are illustrated as regions for forming the photodiode. For example, a second internal region 22 that further includes the region 34 inside the internal region 22 is provided. By setting the depletion voltage in the second internal region to an impurity concentration and a junction depth higher than the depletion voltage in the internal region 22, a light receiving element having further lower image lag characteristics is formed. Is also possible.
[0142]
(Embodiment 7)
FIG. 18 is a top view of the light receiving element according to the present embodiment, and FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG.
[0143]
The feature of the light receiving element of the seventh embodiment is that a doped region 43 having a low impurity concentration is formed in an offset region between the electrode region 34 and the semiconductor region 33.
[0144]
18 and 19, a p-type region as a second semiconductor region 32 of a photodiode serving as a light receiving element is formed in an opening OP, and a p-type region as an electrode region 34 formed in the p-type region 32 of the photodiode is formed.+The mold region is electrically connected to the drain of the reset MOS transistor M1 and the gate of the source follower MOS transistor M2 by a wiring 15 formed of a first metal layer. The opening OP of the light receiving element is defined by a light shielding layer 17 formed of a second metal layer, and the light shielding layer 17 is connected to a power supply and fixed at a desired potential. Here, the size of the opening OP is 40 μm × 40 μm.
[0145]
A p-type region 32 is formed in the opening OP of the n-type well region 31 provided in the p-type semiconductor substrate 6, and a p-type region 32 is formed in the p-type region 32.+The mold region 34 is provided in an island shape.
[0146]
Further, an n-type surface region 33 as a third semiconductor region is provided on the main surface of the p-type region 34, and is electrically connected to the n-type well region 31.
[0147]
Here, the n-type surface region 33 is directly p+An offset (interval) of about 2 μm is provided so as not to be in contact with the mold region 34, and a second n-type surface region 43 is formed on the entire surface of the light receiving element including the offset region.
[0148]
Therefore, a photodiode is formed by the pn junction of the p-type region 32 and the n-type regions 31, 33, and 43, and the photocarrier photoelectrically converted by the photodiode is p-type.+The potential of the wiring 15 collected in the mold electrode region 34 and formed of the first metal layer is changed.
[0149]
Further, an interlayer insulating film 9 is provided between the semiconductor surface and the first metal layer and between the first metal layer and the second metal layer, and a light-shielding layer formed by the second metal layer A protective film 18 is provided on the upper part of 17.
[0150]
In FIG. 19, the approximate surface concentration / junction depth of each region is shown below.
[0151]
p-type substrate 6: about 1 × 10Fifteen(Cm-3)
n-type well region 31: about 1 × 1017(Cm-3) / About 4.0 μm
p-type region 32: about 2 × 1017(Cm-3) / About 0.35 μm
First n-type surface region 33: about 3 × 1018(Cm-3) / About 0.20 μm
Second n-type surface region 43: about 3 × 1017(Cm-3) / About 0.1 μm
p+Mold area 34: about 3 × 1019(Cm-3)
Therefore, if the second n-type surface region 43 does not exist, the impurity concentration near the surface of the offset region is 10%.17cm-3The following p-type region is obtained. Further, since the boron concentration near the semiconductor surface is liable to fluctuate depending on the manufacturing process, carriers generated in this offset region cause dark current and dark current variation.
[0152]
On the other hand, p is set so that this offset region is not formed.+When the mold region 34 is brought into contact with the first n-type surface region 33, p+The reverse bias between the mold region 34 and the first n-type surface region 33 tends to cause breakdown.
[0153]
In contrast, the surface concentration of the second n-type surface region 43 is set to 1017-1018cm-3By setting to about+Even if a reverse bias is applied between the mold region 34 and the first n-type surface region 33, problems such as breakdown do not occur.
[0154]
On the other hand, if the offset area is too small, the offset may be reduced due to misalignment in photolithography.+The probability that the mold region 511 contacts the first n-type surface region 520 increases, and the yield decreases.
[0155]
Therefore, the concentration near the surface of the offset region is 1017cm-3Since the n-type region is on the order of, it is possible to suppress carrier generation in the offset region. For example, even if this second n-type surface region 43 is formed on the entire surface of the light receiving portion by ion implantation, the first n-type surface region 33 and p+Since the impurity concentration is sufficiently low with respect to the mold region 34, these regions are hardly affected. As described above, since there is no problem such as misalignment in photolithography, it is possible to selectively control the surface concentration of the offset region and reduce the dark current.
[0156]
According to the findings of the present inventor, as a result of measuring the dark current, the dark current is reduced to 場合 when the second n-type surface region 43 is present, as compared with the case where the second n-type surface region 43 is not present.
[0157]
Here, the depletion voltage of the semiconductor region 32 in the present embodiment was about -2V. Therefore, for example, when the n-type well region 31 is connected to the power supply voltage in the operation at the power supply voltage of 5 V, p+If the potentials of the mold region 34 and the wiring 15 are 3 V or less, the p-type region 32 is depleted, and the neutral region disappears.
[0158]
The above-described depletion voltage changes sensitively mainly with respect to the impurity concentration and the junction depth of each of the n-type well region 31, the p-type region 32, and the first n-type surface region 33. Therefore, the manufacturing variation of the depletion voltage is relatively large, for example, about ± 1.0 V at ± 3σ. However, by setting the depletion voltage and the operating point in appropriate regions, the depletion voltage can be reduced. A high yield can be maintained even if there is variation.
[0159]
In the present embodiment, the n-type surface region 43 is provided in order to suppress the generation of carriers on the surface of the offset region. However, the present invention is not limited to the n-type. Current suppression can be realized. In this case, the p-type neutral region increases, but the p-type may be used when the capacity of the light-receiving unit has a margin by design. In any case, from the viewpoint of reducing dark current and preventing breakdown, the impurity concentration in the offset region is 10%.16-1018cm-3Degree, more preferably 5 × 1016~ 5 × 1017cm-3It is.
[0160]
The n-type well effect 31 is formed in the p-type substrate 6 and has a structure in which the periphery is surrounded by the p-type well region 7 for each pixel.
[0161]
Next, the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0162]
An n-type well region 31 and a p-type region 7 are formed on the surface side of the p-type semiconductor substrate 6.
[0163]
The field insulating film 5 is formed by selective oxidation. After a P-type semiconductor region 32 serving as a photodiode is formed inside a region surrounded by the field insulating film 5, an n-type semiconductor region 33 is formed on the surface thereof.
[0164]
Ion implantation is performed on the substrate surface to form an n-type semiconductor layer 43. Then, a p-type electrode region 34 is formed.
[0165]
The distance between the electrode region 34 and the semiconductor region 33 (the width of the offset region) is 0.4 μm to 1.5 μm, and more preferably 0.5 μm to 1.0 μm. And the concentration is lower by at least one order of magnitude than the electrode region 34 and is higher than that of the semiconductor region 32.
[0166]
Next, another embodiment of the read and reset circuit used in the present invention will be described again with reference to FIGS.
[0167]
FIG. 21 is a circuit diagram of the circuit according to the present embodiment.
[0168]
In FIG. 21, D1 is a photodiode as a light receiving element according to each embodiment of the present invention, M2 is a PMOS transistor of an amplifying element, and forms a source follower with a constant current source via a selection switch M3. . M1 is a reset switch, and M3 is a selection switch. M4 is a transfer switch for transferring a signal from the photodiode to the input terminal of the source follower.
[0169]
The optical signal and the reset signal read from the source follower are respectively transferred to the memory unit ME, and are output to the outside via the buffer B1, the coupling capacitor C, and the buffer B2 via the read scanning circuit RE and the like.
[0170]
According to the present embodiment, in particular, as a result of suppressing the area of the electrode to 1 μm square, the junction capacitance can be suppressed to 0.1 fF. As a result, reset noise can be suppressed to about four electrons, and a solid-state imaging device having no afterimage even with a dynamic range of 10 bits can be provided with a high yield.
[0171]
Next, another read and reset circuit used in the present invention will be described. This circuit is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-205588.
[0172]
FIG. 22 is an equivalent circuit diagram of one pixel of the circuit described in the above publication.
[0173]
In FIG. 22, here, for each pixel, a light receiving element D1, a reset MOS switch M1 for resetting the light receiving element D1, a first MOS source follower M2 for converting a signal charge of the light receiving element D1 into a voltage signal, and a light receiving element D1 A MOS switch M3 for holding a noise signal at the time of reset during the accumulation period, a holding capacitor 605, a second MOS source follower M4 for converting the signal of the holding capacitor 605 into an impedance, and a MOS for reading a noise signal charge immediately after reset. The switch 607 includes a switch 607, a noise signal holding capacitor 609, a MOS switch 608 for reading an optical signal charge after storing an optical signal, and a light signal holding capacitor 610.
[0174]
Further, this circuit includes a shift for sequentially reading out the noise signal of the noise signal holding capacitor 609 and the optical signal of the optical signal holding capacitor 610 to the noise signal common output line 690 and the optical signal common output line 691, respectively. A register 613, buffer amplifiers 614 and 614 'for converting the voltages of the noise signal common output line 690 and the optical signal common output line 691 into impedances, and the noise signal common output line 690 and the optical signal common output line 691 A differential amplifier 615 for obtaining a voltage difference signal and amplifying the signal, and an output buffer amplifier 692 for impedance-converting the output of the differential amplifier 615 and outputting a signal to the outside of the photoelectric conversion device. Is provided. A common output line reset unit 693 for resetting the noise signal common output line 690 and the optical signal common output line 691 every time one pixel is read is also provided.
[0175]
The light output voltage VP of the photoelectric conversion device shown in FIG. 22 is represented by the following [Equation 1].
[0176]
(Equation 1)
Vp = [QP / Cpd] · Gsf1 · Gsf2 · [CT / (CT + CH)] · Gamp
here,
QP: Optical signal charge
CPD: Light receiving unit capacity
Gsf1: the gain of the first source follower M2
Gsf2: gain of second source follower M4
CT: capacitance value of noise signal and optical signal storage capacitance
CH: capacitance value of the common output line capacitance of the noise signal and the optical signal
Gamp: gain of differential amplifier 615
It is.
[0177]
In FIG.
V1PD: potential of the light receiving element immediately after resetting the light receiving element,
V2PD: the potential of the light receiving element after photocharge accumulation,
Then, the above equation can be represented as the equation of [Equation 2].
[0178]
(Equation 2)
V2PD−V1PD = ΔVPD = [QP / Cpd] = [Vp / [Gsf1 · Gsf2 · [CT / (CT + CH)] · Gamp]]
Here, ΔVPD is a potential change of the light receiving element due to the photocharge.
[0179]
Accordingly, by setting V1PD and V2PD in the depletion region in the light receiving element in the above formula, a highly sensitive photoelectric conversion device can be realized.
[0180]
In this embodiment, in each of the above equations,
Gsf1 = Gsf2 = 0.9
CT / (CT + CH) = 0.5
Gamp = 20
Power supply voltage (VDD): 5V
Depletion voltage of light receiving element: -2V
Saturation output of light output (Vp): 2V
Reset voltage (VR): 1V
Was set.
[0181]
Therefore, according to the above equations,
(A) Potential (V1PD) of light receiving element immediately after reset: about 0.70 V
(B) Potential (V2PD) of light receiving element at the time of saturation output: about 0.95V
It becomes.
[0182]
From the values of the power supply voltage and the depletion voltage, it is understood that the light-receiving element portion is in a depleted state if the potential of the light-receiving element portion is 3 V or less.
[0183]
According to (a) and (b) in the above equations, the potential (V1PD) of the light receiving element immediately after reset and the potential (V2PD) of the light receiving element at the time of saturation output are both 3 V or less. It can be used in a small range and has high sensitivity.
[0184]
Incidentally, as a result of measuring the capacitance of the light receiving portion, it was found that the total of the parasitic capacitance such as the junction capacitance of the electrode region of the light receiving element, the gate capacitance of the source follower MOS, the junction capacitance of the drain of the reset MOS, the wiring capacitance, etc. It was 25 fF.
[0185]
Further, in the present embodiment, when the variation of the depletion voltage is about −2 V ± 2 V, the depletion region of the light receiving element portion is 1 V to 5 V, but the operating point in this embodiment is the minimum value of the depletion region. Since it is smaller than 1 V, a high yield can be maintained even if the depletion voltage varies by about ± 2 V.
[0186]
Note that the reason why the potential of the light receiving element portion immediately after the reset is lower than the reset voltage (Vres) is that the potential of the light receiving element portion is turned off when the reset switch is turned off because an NMOS transistor is used for the reset switch. Is turned to the minus side.
[0187]
Further, the present embodiment has shown an example in which the present inventors have applied to a photoelectric conversion device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-205588, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, it goes without saying that the present invention can be applied to other photoelectric conversion devices and solid-state imaging devices.
[0188]
Although not shown, this embodiment constitutes a primary photoelectric conversion device provided with 344 pixels using the pixels having the above configuration as line sensors.
[0189]
By using the photoelectric conversion device of the present embodiment to form a contact image sensor and use it as an image reading device of an image input system such as a facsimile or an image scanner, the afterimage characteristics are good even during high-speed operation. Therefore, high-quality image reading can be realized, and a low-cost image reading apparatus can be provided because of high yield.
[0190]
(Embodiment 8)
Hereinafter, Embodiment 8 of the present invention will be described with reference to FIGS. 23 (A) and 23 (B).
[0191]
FIG. 23A shows an upper surface of the light receiving element portion of the present embodiment, and FIG. 23B shows a cross section taken along line JJ ′ of FIG.
[0192]
23A and 23B, reference numeral 51 denotes a first semiconductor region which is a semiconductor substrate, and 52 denotes a second semiconductor region. Here, the respective conductivity types are n-type and p-type. The second semiconductor region 52 is formed inside the opening OP defined by the light shielding layer 17.
[0193]
A depletion layer DL is formed by a pn junction between the first semiconductor region 51 and the second semiconductor region 52. A reverse bias is applied between the first semiconductor region 51 and the second semiconductor region 52, and a large depletion layer DL extends toward the region 51 with a low impurity concentration. The electrode 15 is connected to the second semiconductor region 52 via the contact hole CH of the insulating film 9.
[0194]
When light is applied to the light receiving element, charges are generated in and around the depletion layer DL. The charge is collected in the second semiconductor region 52. On the other hand, many crystal defects exist at the interface between the main surface of the semiconductor substrate and the insulating film 9. This crystal defect becomes a generation level of an electron-hole pair and causes a dark current. In particular, the influence of crystal defects near the depletion layer DL is large.
[0195]
In addition, when the electrode 15 is formed, if the formation position extends to a position where the depletion layer DL is not covered by the electrode 15, damage due to etching or the like increases the amount of crystal defects and dark current.
[0196]
Therefore, in the structure of the light receiving element of the present embodiment, the portion 59 where the depletion layer DL and the insulating film 9 are in contact with each other is covered with the electrode 15 via the insulating film 9 so that the etching damage at the time of electrode formation is reduced. Since it does not reach DL, the dark current can be reduced.
[0197]
In addition, the electrode 15 is always formed on the portion 59 where the depletion layer DL and the insulating film 15 are in contact with each other in consideration of the misalignment in the photolithography. This suppresses the amount of crystal defects generated near the depletion layer DL from fluctuating due to process variations. Therefore, variations in dark current due to process variations are reduced.
[0198]
In the present embodiment, for example, Al, Al alloy, Ti, Ti alloy, W, W alloy, Co, Co alloy, Ta, Ta alloy, Mo, Mo alloy, Cu, Cu alloy, WN, TiN , TaN, Cr, Cr alloys and other metals, alloys and compounds are used. Or, they may be a plurality of types of laminates. Alternatively, it can be used as a conductive material mainly composed of silicon, such as doped polysilicon.
[0199]
(Embodiment 9)
FIG. 24A shows an upper surface of the light receiving element, and FIG. 24B shows a cross section taken along line KK ′ of FIG.
[0200]
In FIG. 24, 66 is an n-type semiconductor substrate, and 67 is a buried n-type semiconductor substrate 66 formed by ion implantation.+Mold region, 61 is n+N, which is the first semiconductor region formed on the mold region 67Type epitaxial layer, 68 is nBuried n-type epitaxial layer 61 by ion implantation.+N in contact with the mold area+It is a type area.
[0201]
Reference numeral 62 denotes a second semiconductor region and an electrode region, specifically, a p-type high-concentration impurity region. Reference numeral 63 denotes an n-type region, which is provided to suppress the spread of the depletion layer DL on the main surface of the semiconductor substrate (the surface of the epitaxial layer). The electrode 15 made of a metal or the like containing Al as a main component is electrically connected to the electrode region 62 via a contact hole CH of the insulating film 9 formed on the main surface of the substrate. Further, 17 is a light shielding layer, OP is an opening, 5 is a LOCOS insulating film for element isolation, and 9 is an interlayer insulating film for insulating the light shielding layer 17 from the electrode 15.
[0202]
In this embodiment, the n-type substrate 66 and n+Mold region 67 and nType epitaxial layer 61 and n+The semiconductor portion formed by the mold region 68, the n-type region 63, and the electrode region 62 is referred to as a substrate.
[0203]
In FIG. 24, nType epitaxial layer 61 with n+By forming a structure surrounded by the mold regions 67 and 68, a potential barrier was formed. As a result, holes among carriers generated by light are finally collected in the p-type electrode region 62 having the lowest potential.
[0204]
The depletion layer DL is formed around the electrode region 62. Here, the impurity concentration of the electrode region 62 is set to about 3 × 1019cm-3, N-type region 63 has an impurity concentration of about 2 × 1017cm-3When a reverse bias voltage of 3 V is applied to these, the layer width of the depletion layer DL is about 0.14 μm. Most of the depletion layer DL has the electrode region 62 and nN from the pn junction surface with mold region 61It spread to the mold region 61 side. On the substrate surface, the spread of the depletion layer DL is suppressed by the n-type region 63.
[0205]
The electrode 15 is arranged, for example, 0.4 μm larger than the electrode region 62 so as to cover the upper part of the portion where the depletion layer DL is in contact with the interlayer insulating film 9. As a result, the crystal defects caused by the etching damage when the electrode 62 is formed or the damage due to the resist ashing do not reach the depletion layer DL, and the dark current is reduced.
[0206]
The dark current was compared between the case where the electrode 15 was formed so as to cover the portion 59 where the depletion layer DL and the insulating film 9 were in contact with each other. As a result, the portion where the depletion layer DL was in contact with the insulating film 9 was obtained. Is formed so as to completely cover the upper portion, the dark current is reduced to 2/3. That is, the dark current can be reduced depending on the size and the formation position of the electrode 15.
[0207]
Although the substrate 66 and the regions 67 and 68, the epitaxial layer 61, and the region 63 are described as n-type and the region 62 is described as p-type for the sake of simplicity, the present embodiment is limited to this conductivity type. Instead, each may be of the opposite conductivity type.
[0208]
In the present embodiment, nType epitaxial layer 61+As a structure surrounded by the mold regions 67 and 68, a potential barrier is formed to prevent photocarriers from being mixed into adjacent pixels. Since optical carriers do not mix into adjacent pixels, high-quality resolution patterns can be obtained by almost completely suppressing the occurrence of crosstalk.
[0209]
(Embodiment 10)
FIG. 25A shows the top surface of the light receiving element, and FIG. 25B shows a cross section taken along line LL ′ of FIG.
[0210]
In FIG. 25, reference numeral 76 denotes an n-type substrate. 77 is a buried n formed by ion implantation into an n-type substrate 76;+Mold region, 71 is n+N, which is the first semiconductor region formed on the mold region 77Type epitaxial layer, 78 is nFormed by ion-implantation into the p-type epitaxial layer+This is a mold region and surrounds the periphery of the epitaxial layer 71.
[0211]
Reference numeral 72 denotes a second semiconductor region. Reference numeral 74 denotes an electrode region, specifically, a p-type high-concentration impurity region. Reference numeral 73 denotes an n-type region, which is provided to suppress the spread of the depletion layer DL on the main surface of the substrate. Reference numeral 15 denotes an electrode formed of a metal or the like containing Al as a main component. Electrode 15 is electrically connected to electrode region 74 through contact hole CH of insulating film 9 formed on the main surface of the substrate.
[0212]
When the electrode region 74 is miniaturized and the depletion layer DL spreads over the electrode region having a high impurity concentration, a dark current increases due to defects in the depletion layer. pThe semiconductor region 72 of the mold is provided to suppress it. OP is an opening, 5 is an element isolation insulating film, and the upper interlayer insulating film 9 is an insulating film for insulating the light shielding layer 17 from the electrode 15.
[0213]
In this embodiment, the n-type substrate 76 and the n-type+Mold region 77 and nType epitaxial layer 71 and n+What is formed by the mold region 78, the n-type region 73, and the electrode region 74 is referred to as a substrate.
[0214]
In FIG. 25, nType epitaxial layer 71+Since the potential barrier is formed by the structure surrounded by the mold regions 77 and 78, the holes among the carriers generated by the light are finally transferred to the p-type electrode region 74 having the lowest potential. Collected.
[0215]
Depletion layer DL is formed around p-type region 72. Here, the impurity concentration of the p-type region 72 is set to about 3 × 1018cm-3, N-type region 73 has an impurity concentration of about 2 × 1017cm-3When a reverse bias voltage of 3 V was applied to these, the layer width of the depletion layer DL was about 0.15 μm. Most of the depletion layer DL has spread to the n-type region 71 side from the pn junction surface of the p-type region 72 and the n-type region 71.
[0216]
The electrode 15 is arranged, for example, 0.4 μm larger than the p-type region 72 so as to cover a portion 69 where the depletion layer DL and the insulating film 9 are in contact. As a result, crystal defects on the substrate surface caused by etching damage when the electrode 15 is formed and damage due to resist ashing do not reach the depletion layer DL, so that dark current can be reduced.
[0217]
For simplicity, the substrate 76 and the regions 77 and 78, the epitaxial layer 71 and the region 73 are described as n-type, and the regions 72 and 74 are described as p-type. However, this embodiment is limited to this conductivity type. Instead, each may be of the opposite conductivity type.
[0218]
(Embodiment 11)
FIG. 26A is a top view of a light receiving element according to Embodiment 11 of the present invention, and FIG. 26B is a cross-sectional view taken along a line MM ′ in FIG.
[0219]
In FIG. 26, 86 is a p-type substrate, 81 is an n-type region as a first semiconductor region, 82 is a p-type region as a second semiconductor region, and 83 is n as a third semiconductor region.+It is a type area.
[0220]
84 is a p-type high concentration impurity region which is an electrode region, that is, p+Mold region, and n+The mold region 83 and the offset region OF are arranged therebetween. Reference numeral 15 denotes an electrode, which is formed of a metal containing Al as a main component. The electrode 15 is connected to the p-type substrate 86 via a contact hole CH of the insulating film 9 formed on the main surface of the p-type substrate 86.+It is electrically connected to the mold region 84. DL is a depletion layer.
[0221]
The p-type region 82 and the n-type region 81 and n+The structure is sandwiched between the mold regions 83. As a result, the depletion layer DL is formed at the p-type junction on the lower surface side and the pn junction on the upper surface side of the p-type region 82, and a state like a low potential groove is formed in the semiconductor region 82.
[0222]
As a result, of the charges generated by light, holes are collected in the p-type region 82, and finally, p+Collected in the mold area 84. Further, the impurity concentration of the n-type region 81 and the p-type region 82, n+By appropriately setting the impurity concentration and the junction depth of the mold region 83 and the bias voltage of the pn junction, almost the entire n-type region 81 can be depleted. As a result, the p-type region 82 hardly contributes to the capacitance of the light receiving element, and the capacitance of the light receiving element can be reduced.
[0223]
Without forming the offset region OF, the electrode region 84 and n+When the mold region 83 is brought into contact, the electrode region 84 and n+When a reverse bias is applied to the mold region 83, breakdown is caused, and a large amount of leakage current+It is not preferable because it flows into the mold region 84.
[0224]
Further, if the offset region OF is too small, the alignment error in photolithography or the like causes p+Mold region 84 and n+The probability of contact with the mold region 83 increases. This lowers the yield of the light receiving elements.+Mold region 84 and left and right n+A 1 μm offset region OF is provided between each of the mold regions 83.
[0225]
The electrode 15 was formed so as to cover a portion 89 where the depletion layer DL and the insulating film 9 were in contact. Therefore, a crystal defect on the substrate surface caused by etching damage at the time of forming the electrode 15 or damage by ashing of the resist does not reach the depletion layer DL, and the dark current is reduced.
[0226]
The present embodiment is not limited to this conductivity type, and each conductivity type may be a conductivity type opposite to that described above.
[0227]
Further, in the present embodiment, the n-type region 81 is formed in the p-type substrate 86 to prevent optical carriers from being mixed into adjacent pixels. Therefore, the occurrence of crosstalk is almost completely suppressed, and a high-quality resolution pattern can be obtained.
[0228]
Even if an optical carrier equal to or larger than the accumulated saturation value is generated in a certain pixel, the overflowing optical carrier is absorbed by the p-type region 86 around the n-type region 81, and does not affect other pixels. A high-quality image with little bleeding can be obtained.
[0229]
With reference to FIGS. 27A to 27C and FIGS. 28A to 28C, the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment will be described.
[0230]
A p-type semiconductor substrate 86 is prepared, and an n-type region 81 made of an n-type semiconductor is formed by ion implantation or the like (FIG. 27A).
[0231]
The field insulating film 5 is formed by a selective oxidation method, and thereafter, a p-type semiconductor region 82 is formed (FIG. 27B).
[0232]
n+After the formation of the semiconductor region 83 of the+A mold electrode region 84 is formed. Here, if necessary, low-concentration dopant ions may be implanted into the offset region between the semiconductor region 83 and the electrode region 84 (FIG. 27C).
[0233]
Next, an insulating film 9 made of PSG (PhosphoSilicate Glass: oxide film doped with phosphorus), BSG (BoroSilicate Glass), BPSG (BoroPhosphoSilicata Glass), or the like is formed, and an opening CH is formed on the electrode region 84 ( FIG. 28 (A)).
[0234]
Next, a layer 15 of a conductive material such as Al-Cu is formed by sputtering or the like (FIG. 28B). At this time, a barrier metal such as TiN may be formed below the conductive material layer 15.
[0235]
Then, the conductive material layer 15 is3, Cl2Then, patterning is performed by dry etching using, for example, leaving a layer 15 of a conductive material so as to cover the offset portion. Thus, the anode electrode 15 is obtained.
[0236]
The read and reset circuits shown in FIGS. 4, 7, 21 and 22 can also be used in the light receiving elements of the eighth to eleventh embodiments described above.
[0237]
Further, the present invention can be preferably applied to the photoelectric conversion device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-205588. For example, other photoelectric conversion devices and solid-state imaging devices can be applied. Thus, a solid-state imaging device having a high yield in the manufacturing process can be manufactured, and thus a high-quality device can be provided.
[0238]
【The invention's effect】
By using the photoelectric conversion device of the present embodiment to form a contact image sensor and using it as an image reading device of an image input system such as a facsimile or an image scanner, for example, a low dark current is realized, so that high quality Since image reading can be realized and the yield is high, a low-cost image reading device can be provided.
[0239]
As described above, a light-receiving element capable of reducing dark current can be obtained, and a high-performance photoelectric conversion device with less variation in dark current can be realized even when manufacturing processes vary. It is possible to provide an image reading apparatus and an image input system which can obtain a simple image and are inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view of the light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4D is a schematic diagram illustrating a potential profile in a vertical direction, and FIG. 4D is a schematic diagram illustrating a potential profile in a vertical direction of a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between an applied voltage and a capacitance in a light receiving element.
FIG. 4 is a circuit diagram of a read and reset circuit used in the present invention.
FIG. 5A is a top view of a light receiving element according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 6A to 6C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a method for manufacturing a light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a read and reset circuit used in the present invention.
FIG. 8A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a lateral potential profile of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 10A to 10C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a method for manufacturing a light-receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a cross-sectional view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a top view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a top view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a top view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a sectional view of a light receiving element according to the embodiment.
FIGS. 20A to 20D are schematic cross-sectional views illustrating an example of a method for manufacturing a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a circuit diagram of a read and reset circuit used in the present invention.
FIG. 22 is a circuit diagram of a read and reset circuit used in the present invention.
FIG. 23A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 23B is a cross-sectional view of the light receiving element according to an embodiment of the present invention.
24A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 24B is a cross-sectional view of the light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 25A is a top view of a light receiving element according to the embodiment of the present invention, and FIG. 25B is a cross-sectional view of the light receiving element according to the embodiment of the present invention.
26A is a top view of a light receiving element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 26B is a cross-sectional view of the light receiving element according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 27A to 27C are diagrams showing an example of the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment.
FIGS. 28A to 28C are views showing an example of the method for manufacturing the light receiving element according to the present embodiment.
FIGS. 29A and 29B are cross-sectional views of a conventional light receiving element.
FIG. 30 is a top view of a conventional light receiving element.
FIG. 31 is a cross-sectional view of a conventional light receiving element.
FIG. 32 is a cross-sectional view of a conventional light receiving element.
FIG. 33 is a sectional view of a conventional light receiving element.
[Explanation of symbols]
1,11,31 First semiconductor region
2, 12, 32 Second semiconductor region
3, 13, 33 Third semiconductor region
4,14,34 Low potential area (electrode area)
5 Device isolation area
15 Wiring
16 Power line
17 Shading layer
101 electrode area
102 Photodiode area (light receiving area)
103 Edge
104 Edge
605 storage capacity
609 Noise signal holding capacity
610 Optical signal holding capacity
614 buffer amplifier
615 differential amplifier
690 Noise signal common output line
691 Optical signal common output line
M1 Reset MOS transistor
M2 amplifying MOS transistor
M3 selection MOS transistor

Claims (14)

第1導電型の第1半導体領域と、
該第1半導体領域の上に配された、第2導電型の第2半導体領域と、
該第2半導体領域の表面に配された第1導電型の第3半導体領域と、
導電体からなるアノード又はカソード電極に接続された第2導電型の電極領域と、を有する受光素子において、
該第3半導体領域は、該電極領域の周囲を囲むように形成されており、該第2半導体領域よりも不純物濃度が高く且つ前記電極領域よりも不純物濃度が低い第2導電型の内部領域が、該電極領域と該第2半導体領域の間に形成され、該電極領域は該内部領域の表面に配されていることを特徴とする受光素子。
A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a second conductivity type disposed on the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a first conductivity type disposed on a surface of the second semiconductor region;
A second conductivity type electrode region connected to an anode or a cathode electrode made of a conductor,
Said third semiconductor region is formed so as to surround the periphery of the electrode region, the internal region of a lower impurity concentration than high and the electrode region impurity concentration than the second semiconductor region second conductivity type A light receiving element formed between the electrode region and the second semiconductor region , wherein the electrode region is disposed on a surface of the internal region .
請求項1に記載の受光素子において、
前記電極領域は浮遊状態とされて光生成電荷を蓄積し、
前記第1半導体領域には該第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に逆バイアスを印加するためのバイアス電圧が印加されることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The electrode region is in a floating state and accumulates photo-generated charges,
A light receiving element, wherein a bias voltage for applying a reverse bias between the first semiconductor region and the second semiconductor region is applied to the first semiconductor region.
請求項1に記載の受光素子において、
前記電極領域に向けて光生成電荷を移動させ得る電位勾配が、該電極領域と前記該第2半導体領域との間に形成されていることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
A light-receiving element, wherein a potential gradient capable of moving photo-generated charges toward the electrode region is formed between the electrode region and the second semiconductor region.
請求項1に記載の受光素子において、
前記内部領域は互いに不純物濃度が異なる複数の領域からなることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The light receiving element according to claim 1, wherein the internal region includes a plurality of regions having different impurity concentrations.
請求項1に記載の受光素子において、
前記内部領域は、前記電極領域の周囲を囲むように形成されていることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The light receiving element is characterized in that the internal region is formed so as to surround the periphery of the electrode region.
請求項1に記載の受光素子において、
前記内部領域は、前記第2半導体領域より浅い位置に形成されていることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The light receiving element according to claim 1, wherein the internal region is formed at a position shallower than the second semiconductor region.
請求項1に記載の受光素子において、
前記第1半導体領域は、半導体基板と、該半導体基板上に形成されたエピタキシャル層と、前記半導体基板内に形成されたウエルのいずれかからなることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The light-receiving element according to claim 1, wherein the first semiconductor region includes one of a semiconductor substrate, an epitaxial layer formed on the semiconductor substrate, and a well formed in the semiconductor substrate.
1導電型の第1半導体領域と、
該第1半導体領域の上に配された、第2導電型の第2半導体領域と、
該第2半導体領域の表面に配され、導電体からなるアノード又はカソード電極に接続された第2導電型の電極領域と、
前記第1半導体領域の表面に配され、かつ、該電極領域、及び該第2半導体領域の周囲を囲むように形成された、第1導電型の第3半導体領域と、を有し、
前記アノード又はカソード電極は、前記第2半導体領域全体と、前記電極領域と前記第3半導体領域との間に形成される空乏層が絶縁膜に接する全ての部分と、を覆うことを特徴とする受光素子。
A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a second conductivity type disposed on the first semiconductor region;
A second conductivity type electrode region disposed on the surface of the second semiconductor region and connected to an anode or a cathode electrode made of a conductor;
A third semiconductor region of a first conductivity type, which is disposed on a surface of the first semiconductor region , and is formed so as to surround the electrode region and the periphery of the second semiconductor region;
Said anode or cathode electrode, and the whole of the second semiconductor region, a depletion layer is formed between the electrode region and the third semiconductor region, characterized in that the cover, and all parts in contact with the insulating film Light receiving element.
請求項8に記載の受光素子において、
前記第1半導体領域はエピタキシャル層であることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 8,
It said first semiconductor region is a light receiving element characterized epitaxial layer der Rukoto.
請求項8に記載の受光素子において、
前記第2半導体領域は、互いに不純物濃度の異なる部分を有していることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 8,
It said second semiconductor region, the light receiving element characterized in that it has a different portion of the impurity concentration from each other.
請求項8に記載の受光素子において、
前記第2半導体領域は不純物濃度の高い高濃度領域と、前記不純物濃度の低い低濃度領域とを有しており、該低濃度領域の上面に前記第3半導体領域が形成されていることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 8,
The second semiconductor region has a high concentration region with a high impurity concentration and a low concentration region with a low impurity concentration, and the third semiconductor region is formed on an upper surface of the low concentration region. Light receiving element.
請求項8に記載の受光素子において、
前記アノード又は前記カソード電極は、前記第3半導体領域の少なくとも上方を覆っていることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 8,
The light-receiving element, wherein the anode or the cathode electrode covers at least an area above the third semiconductor region.
請求項1又は8に記載の受光素子の複数個と、前記複数個の受光素子からの光電荷をそれぞれ読み出し且つリセットする読み出し及びリセット回路と、前記読み出し及びリセット回路の出力をバッファするバッファ回路と、前記バッファ回路出力の直流成分をカットする結合コンデンサと、を有することを特徴とする光電変換装置。9. A plurality of light receiving elements according to claim 1 or 8, a reading and reset circuit for reading and resetting photocharges from the plurality of light receiving elements, respectively, and a buffer circuit for buffering an output of the reading and reset circuit. And a coupling capacitor for cutting a DC component of the output of the buffer circuit. 請求項1又は8に記載の受光素子の複数個と、前記複数個の受光素子からの光電荷をそれぞれ読み出しおよびリセットする読み出し及びリセット回路と、当該光電荷をそれぞれ選択する選択スイッチと、前記読み出し及びリセット回路の出力を一時的に記憶するメモリー部と、前記メモリー部から時系列的に読み出す読み出し走査部と、を有することを特徴とする光電変換装置。9. A plurality of light receiving elements according to claim 1 or 8, a read and reset circuit for reading and resetting photocharges from the plurality of light receiving elements, a selection switch for selecting the respective photocharges, and the reading. A photoelectric conversion device, comprising: a memory unit for temporarily storing an output of the reset circuit; and a readout scanning unit for reading out the memory unit in time series.
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