JP3876496B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関するものであり、特に、高濃度の第1導電型半導体基板と該第1導電型半導体基板上に形成された低濃度の第1導電型半導体層とからなる基体を備え、該基体に複数の画素が形成され、前記各画素が、前記第1導電型半導体基板及び前記第1導電型半導体層をこの順に経由して給電されることにより作動する素子を含む固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、この種の固体撮像装置として、例えば、篠原他の「バイポーラタイプのエリアセンサー「BASIS」の開発」と題する論文(雑誌「映像情報 INDUSTRIAL」(産業開発機構株式会社映像情報編集部発行)、1989年5月号、pp.41-46)に開示された固体撮像装置が知られている。
【0003】
この従来の固体撮像装置について、図16〜図20を参照して簡単に説明する。
【0004】
図16は、この従来の固体撮像装置を示す概略平面図である。図17は、図16中のX11−X12線に沿った概略断面図である。図18は、図16中のX13−X14線に沿った概略断面図である。図19は、図16中のY11−Y12線に沿った概略断面図である。図20は、この従来の固体撮像装置の画素及び読み出し回路系の基本回路構成を示す回路図である。なお、図19では、画素を1つのみ示している。
【0005】
この従来の固体撮像装置は、図16〜図19に示すように、高濃度のN型半導体基板301と、該半導体基板301上に形成された低濃度のエピタキシャル層であるN型半導体層302とからなる基体を備えている。該基体には、2次元マトリクス状に配置された複数の画素、及び、読み出し回路が形成されている。
【0006】
個々の画素は、図20に示すように、npn型バイポーラトランジスタTrと、PMOSFET303と、バイポーラトランジスタTrのベース上に形成された容量Coxとから構成されている。
【0007】
前記読み出し回路は、バイポーラトランジスタTrのエミッタからの出力電圧を一次的に蓄積しておくための容量Ctと、垂直出力線VLと容量Ctとを接続するための転送MOSFET304と、垂直出力線VLをリセットするためのリセットMOSFET305とを備えている。
【0008】
この画素の動作は、蓄積動作、読み出し動作及びリセット動作からなる。
【0009】
リセット動作が終了し、バイポーラトランジスタTrのベース・エミッタ間が逆バイアスされた時点から蓄積動作が開始し、バイポーラトランジスタTrのベース領域及びベース・コレクタ間の空乏層において、入射光により発生したホールがベースに蓄積されるに従い、ベース電位が上昇する。
【0010】
FET305をオフしてバイポーラトランジスタTrのエミッタをフローティングとする。次に、水平駆動線HLの電位φRを正として容量Coxを通した容量結合によりベース電位を正方向へ持ち上げ、バイポーラトランジスタTrのベース・エミッタ間を順バイアスすると、読み出し動作となる。容量負荷であるエミッタ電位は、読み出し動作が終わる時点で、ある一定の電位差まで、ベース電位に近づくので、蓄積動作時のベース電位の変化分はバイポーラトランジスタTrのエミッタ端子に現れることになる。
【0011】
リセット動作は2つの動作の組み合わせからなる。第1のリセットは、FET305をオンし、バイポーラトランジスタTrのベースを接地する働きをする。次に、第2のリセットでは、まず、FET305のゲート電位φVCを正としてバイポーラトランジスタTrのエミッタを接地し、電位φRを正にする。バイポーラトランジスタTrのベースは正に持ち上げられ、ベース・エミッタ間は順バイアスとなり、電子とホールとの再結合によって、ベース電位は下がってくる。電位φRがアースレベルに戻った時点で、リセット動作は終了し、次の蓄積動作に入る。
【0012】
再び図16〜図19を参照して、画素の構造について説明する。図16〜図19において、306はベースを構成するP型拡散領域、307はエミッタを構成する高濃度のN型拡散領域であり、これらは、コレクタを構成するN型半導体基板301及びN型半導体層302とともに前記バイポーラトランジスタTrを構成している。基板301の下面の全体には、コレクタ電極としての金属膜308が形成されている。したがって、前記バイポーラトランジスタTrは、金属膜308から、高濃度のN型半導体基板301及び低濃度のN型半導体層302をこの順に経由して給電されることにより作動する素子となっている。
【0013】
また、309は中継配線用ポリシリコン、310は前記垂直出力線VLを構成するAl配線、311は画素間に配置され画素分離領域としての高濃度のN型拡散領域である。312は画素のバイポーラトランジスタTrのベースであるP型拡散領域306を酸化膜容量Coxを介して容量結合にて駆動するためのポリシリコンであり、前記PMOSFET303のゲート電極としても作用する。このポリシリコン306は前記水平駆動線HLも構成している。当該PMOSFET303は画素分離領域に形成され、そのベースであるポリシリコン312がAl配線310で遮光されている。PMOSFET303のベース(ポリシリコン312)がオンすると、隣接する画素のバイポーラトランジスタTrのベース(P型拡散層306)間が導通し、PMOSFET303のベースがオフすると、N型拡散領域311が画素分離領域として作用する。ポリシリコン312とバイポーラトランジスタTrのベースであるP型拡散領域306との重なり部分が、前記容量Coxを構成している。なお、図中、313はSiO2膜、314はLOCOSである。
【0014】
このように、前記従来の固体撮像装置では、前述したように、バイポーラトランジスタTrが高濃度のN型半導体基板301及び低濃度のN型半導体層302をこの順に経由して給電されることにより作動される。また、前述したように、画素間にはN型拡散領域311が形成されているのみで、当該N型拡散領域311により画素間のクロストークは低減するものの、バイポーラトランジスタTrには、低濃度のN型半導体層302を経由しなければ電圧を印加することはできない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の固体撮像装置では、検出感度を長波長側へも拡げようとする場合には、N型半導体層302の不純物濃度を低くして、バイポーラトランジスタTrのP型ベース(P型拡散層306)とN型コレクタ(N型半導体層302)との間の空乏層を拡げることになる。しかしながら、この場合には、N型半導体層302の不純物濃度を低くすることにより、その抵抗値が増大するため、N型半導体基板301からの電位がN型半導体層302へ十分伝わらなくなり、バイポーラトランジスタTrの性能が低下するとともにそのバラツキが増大し、固体撮像装置としての性能が低下してしまう。
【0016】
このような事情は、前記図16〜図20に示す従来の固体撮像装置に限らず、高濃度の第1導電型半導体基板と該第1導電型半導体基板上に形成された低濃度の第1導電型半導体層とからなる基体を備え、該基体に複数の画素が形成され、前記各画素が、前記第1導電型半導体基板及び前記第1導電型半導体層をこの順に経由して給電されることにより作動する素子を含む他の固体撮像装置についても、種々の理由から前記第1導電型半導体基板の不純物濃度を低くする必要が生ずる場合があるので、同様である。
【0017】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画素間のクロストークを低減させることができるとともに、画素を構成する素子への給電の途中経路をなす低濃度の半導体層の不純物濃度を低くしても、当該素子に十分な給電を与えて当該素子の性能を十分に発揮させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0018】
また、本発明は、このような固体撮像装置の製造に適した製造方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、高濃度の第1導電型半導体基板と該第1導電型半導体基板上に形成された低濃度の第1導電型半導体層とからなる基体を備え、該基体に複数の画素が形成され、前記各画素が、前記第1導電型半導体基板及び前記第1導電型半導体層をこの順に経由して給電されることにより作動する素子を含む固体撮像装置であって、前記基体には、前記各画素間において、トレンチが前記第1導電型半導体層の表面から形成され、前記第1導電型半導体基板と前記第1導電型半導体層における表面側領域との間の抵抗が低減するとともに、前記各画素間のクロストークが低減するように、前記トレンチに1種以上の材料が埋め込まれたものである。なお、前記高濃度及び前記低濃度は、必ずしも不純物濃度が絶対的に高いこと又は低いことをいうものではなく、第1導電型半導体層の不純物濃度が第1導電型半導体基板の不純物濃度に比べて相対的に低いことを意味するものである。また、給電の経由順序は、電流が流れる順序ではなく、電位を供給する経路をいうものとする。
【0020】
この第1の態様によれば、前記基体には、前記各画素間においてトレンチが前記第1導電型半導体層の表面から形成され、前記第1導電型半導体基板と前記第1導電型半導体層における表面側領域との間の抵抗が低減するとともに前記各画素間のクロストークが低減するように、前記トレンチに1種以上の材料が埋め込まれている。したがって、この第1の態様によれば、当該1種以上の埋め込み材料の特性に従って、前記第1導電型半導体基板と前記第1導電型半導体層における表面側領域との間の抵抗が低減して両者間の電位降下が小さくなるとともに、各画素間のクロストークが低減することとなる。このため、単に画素間のクロストークを低減させることができるのみならず、画素を構成する前記素子への給電の途中経路をなす低濃度の第1導電型半導体層の不純物を種々の理由から低くしても、当該素子に十分な給電を与えて当該素子の性能を十分に発揮させることができ、固体撮像装置としての性能を損なうようなことがない。
【0021】
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、前記第1の態様による固体撮像装置において、前記トレンチが前記第1導電型半導体基板の前記第1導電型半導体層側の表面に達している(当該表面を越えている場合も含む)ものである。
【0022】
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、前記第1の態様による固体撮像装置において、前記トレンチが前記第1導電型半導体基板の表面に達していないものである。
【0023】
前記第2の態様のようにトレンチが第1導電型半導体基板の第1導電型半導体層側の表面に達していると、前記1種以上の埋め込み材料の特性に従って、クロストーク及び抵抗の低減の効果が一層高まるので、好ましい。もっとも、第3の態様のようにトレンチが第1導電型半導体基板の第1導電型半導体層側の表面に達していなくてもよい。この場合には、トレンチの深さに応じたクロストーク及び抵抗の低減の効果が得られるのみならず、トレンチの形成方法が簡易となるために歩留りの向上やトレンチ開口幅の微細化が可能となる。
【0024】
本発明の第4の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第3のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記トレンチが、少なくとも前記第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料のみで埋め込まれたものである。少なくとも第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料は、金属材料等の完全な導電体材料であってもよいし、第1導電型の不純物を有する半導体やポリシリコン等であってもよく、第1導電型半導体層を経由した前記素子への給電に際してその抵抗を減ずる材料であればよい。この点は、後述する第5乃至第7の態様における導電材料についても同様である。
【0025】
本発明の第5の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第3のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記トレンチが、少なくとも前記第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料と、絶縁物とで埋め込まれたものである。
【0026】
本発明の第6の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第3のいずれかの態様による固体撮像装置において、少なくとも前記第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料が前記トレンチの内壁に沿った部分に埋め込まれ、前記トレンチの残りの部分に絶縁物が埋め込まれたものである。
【0027】
本発明の第7の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第3のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記トレンチの内壁に沿った部分のうちの前記トレンチの底面に沿った部分及び前記トレンチの開口付近の部分を除く部分に絶縁物が埋め込まれ、前記トレンチの残りの部分に、少なくとも前記第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料が埋め込まれたものである。
【0028】
前記第4乃至第7の態様は、埋め込み材料の例とそのトレンチにおける配置例を挙げたものである。
【0029】
本発明の第8の態様による固体撮像装置は、前記第4乃至第8のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記導電材料が、第1導電型不純物を有するポリシリコンであるものである。
【0030】
この第8の態様は、前記導電材料の例としてポリシリコンを挙げたものであるが、前記導電材料がポリシリコンに限定されるものではないことは前述した通りである。
【0031】
本発明の第9の態様による固体撮像装置は、前記第4乃至第8のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記導電材料における前記トレンチの内壁に沿った部分に沿って、前記トレンチの外側に第1導電型拡散層が形成されたものである。
【0032】
この第9の態様のようにトレンチの外側に第1導電型拡散層を形成すると、当該第1導電型拡散層も抵抗の低減効果を促進し、好ましい。なお、トレンチへの埋め込み材料の少なくとも1つとして前記第8の態様のようにポリシリコンを用いた場合、ポリシリコンの埋め込み後にアニールすれば、前記第1導電型拡散層が形成される。
【0033】
本発明の第10の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第9のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記第1導電型半導体層がエピタキシャル層であるものである。
【0034】
この第10の態様は、第1導電型半導体層の例を挙げたものであるが、前記第1乃至第9の態様では、第1導電型半導体層はエピタキシャル層に限定されるものではない。
【0035】
本発明の第11の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第10のいずれかの態様による固体撮像装置において、前記素子が増幅素子であるものである。
【0036】
画素に増幅素子を含む固体撮像装置は、入射光量に応じて光電変換された信号電荷を各画素毎に設けられた増幅素子に蓄積し、蓄積した電荷に応じた信号を増幅して出力することになるので、感度が高くなり、好ましい。
【0037】
本発明の第12の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第11のいずれかの態様による固体撮像装置を製造する方法であって、前記基体に前記トレンチを形成する工程と、前記基体上に、前記トレンチを埋め込むように、それぞれ前記1種以上の材料からなる1つ以上の膜を形成する工程と、前記1つ以上の膜における前記トレンチの外部の部分を、CMP法により除去する工程と、を含むものである。
【0038】
この第12の態様によれば、トレンチを埋め込むように1つ以上の膜を成膜し、該1つ以上の膜におけるトレンチの外部の部分をCMP法により除去するので、同一装置の同一工程において、前記1つ以上の膜を同時に除去することができ、また、トレンチ内部の膜をオーバーエッチングすることなく形成できるので、トレンチ上部も平坦に形成することができ、その後のAl配線等の形成工程においても歩留まりを向上させることができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【0040】
[第1の実施の形態]
まず、本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置について、図1〜図8を参照して説明する。
【0041】
図1は、本実施の形態による固体撮像装置を示す概略平面図であり、複数画素が2次元マトリクス上に配置された状態を示している。図2は、本実施の形態による固体撮像装置の単位画素を示す概略平面図であり、図1の一部を拡大したものとなっている。図3は、図2中のX1−X2線に沿った概略断面図である。図4は、図2中のY1−Y2線に沿った概略断面図である。図5は、図2中のY3−Y4線に沿った概略断面図である。図6は、図2中のX3−X4線に沿った概略断面図である。なお、図6は、理解を容易にするため、他の断面図である図3〜図5と比例する大きさでは、描かれていない。図7は、本実施の形態による固体撮像装置の概略構成を示す回路図である。図8は、本実施の形態による固体撮像装置の動作を説明するためのパルスタイミングチャートである。
【0042】
本実施の形態の以下の説明においては、「基本的構造」、「回路構成」、「動作」、「特徴的構造及び製造方法」の4つに分けて説明する。
【0043】
(基本的構造)
本実施の形態による固体撮像装置は、図1〜図6に示すように、高濃度のN型半導体基板101と、該半導体基板101上に形成された低濃度のN型エピタキシャル層であるN型半導体層102とからなる基体を備えている。該基体には、2次元マトリクス状に配置された複数の画素(本発明では、1次元状に配置されてもよい。)、及び、図7を参照して後述する読み出し回路等が形成されている。
【0044】
個々の画素(単位画素)は、図1〜図7に示すように(画素の構造については図1〜図6を参照。画素の回路構成については図7を参照。)、入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイオード1と、フォトダイオード1の電荷をゲート領域15で受け取り、これを増幅して出力する増幅素子としての接合型電界効果トランジスタ(以下、「JFET」という)2と、フォトダイオード1で生成・蓄積された電荷をJFET2のゲート領域15に転送するポリシリコン膜による転送ゲート3と、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷を排出し、また、JFET2のゲート領域15の電位を制御するリセットドレイン4と、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷をリセットドレイン4に導くオーバーフロー制御領域6aと、JFET2のゲート領域15とリセットドレイン4との電気的な接続状態を制御するポリシリコン膜によるリセットゲート5とから、主に構成されている。
【0045】
本実施の形態では、JFET2は、N型半導体基板100及びN型半導体層101をこの順に経由して給電されることにより作動する素子となっている。すなわち、JFET2は、そのN型ドレイン領域16に、N型半導体基板100及びN型半導体層101をこの順に経由して給電されることにより、作動する。
【0046】
前記フォトダイオード1、JFET2、リセットドレイン4及びオーバーフロー制御領域6aは、高濃度のN型半導体基板100上に形成されたN型半導体層101中に形成され、転送ゲート3及びリセットゲート5はN型半導体層101上にSiO2膜等の絶縁膜102を介して形成されている。
【0047】
フォトダイオード1は、高濃度のN型半導体基板100上のN型半導体層101中に形成されたP型電荷蓄積領域12と、P型電荷蓄積領域12上部の半導体表面近傍に形成された高濃度のN型半導体領域13と、N型半導体層101とから構成され、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する。本実施の形態において、N型半導体層101の不純物濃度が低くされているのは、空乏層を拡げることにより長波長側の検出感度を上げることにて、フォトダイオード1の感度を高めるためである。
【0048】
JFET2は、N型半導体層101中に形成されたP型のゲート領域15と、このP型ゲート領域15中に形成されたN型ソース領域14及びN型チャネル領域17と、該N型チャネル領域17を挟んでソース領域14と向き合う位置に形成されたN型ドレイン領域16とから構成され、フォトダイオード1の電荷をゲート領域15で受け取り、これを増幅して出力する。
【0049】
JFET2のN型ドレイン領域16は、画素の周囲領域(転送ゲート3とリセットゲート5下部の半導体表面近傍を除く)にも形成され、分離領域を兼用している。画素の周囲領域に形成されたN型ドレイン領域16の部分(ただし、オーバーフロー制御領域6aの付近など一部の部分を除く)に沿って、当該ドレイン領域16の幅方向の両側部分を残して当該N型ドレイン領域16を除去する如く、トレンチ111による画素分離領域110が形成されている。この各画素間に形成された画素分離領域110は、画素間のクロストークを低減させるとともに、N型半導体基板100とN型半導体層101における表面側領域(本実施の形態では、JFET2のドレイン領域16)との間の抵抗を低減させるものであるが、本発明において特に重要であるので、後に詳述する。なお、画素分離領域110が形成されている部分のドレイン領域16は、必ずしも形成しなくてもよい。そして、JFET2のN型ドレイン領域16は、フォトダイオード1の表面近傍に形成された高濃度のN型半導体領域13と連続して形成されている。また、フォトダイオード1を構成するPN接合のN型領域(13、101)と、JFETのN型ドレイン領域16とは、電気的に接続された構成となっている。さらに、N型ドレイン領域16は、N型半導体層101を介して、また、画素分離領域110を介して、高濃度のN型半導体基板100と電気的に接続されている。そして、図面には示していないが、各画素をマトリクス配置した画素領域の周囲に基板表面側に形成したドレイン電極(図示せず)から、高濃度のN型半導体基板100を経由して、更にはN型半導体層101及び画素分離領域110を経由して、ドレイン電圧(電位)が各画素のJFET2のドレイン領域16に供給される。もっとも、前述した図16〜図20に示す従来の固体撮像装置と同様に、基板100の裏面にドレイン電極を形成し、このドレイン電極から各画素のJFET2にドレイン電圧を供給するようにしてもよいことは、勿論である。
【0050】
JFET2のP型ゲート領域15は、N型チャネル領域17を上下から挟むように形成されており、ソースフォロワ動作のゲインを高めると同時にゲインばらつきを抑圧する構造となっている。
【0051】
転送ゲート3は、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12とJFET2のP型ゲート領域15との境界領域上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極より構成され、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12で蓄積された電荷をJFET2のP型ゲート領域15に転送する。
【0052】
すなわち、フォトダイオード1を構成するPN接合のP型領域(P型電荷蓄積領域12)と、転送ゲート3と、JFET2のP型ゲート領域15とで、PチャネルMOSトランジスタが構成されている。
【0053】
リセットドレイン4は、N型半導体層101中に形成された、P型電荷排出領域18より構成され、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷を排出し、また、リセットゲート5を介して、JFET2のP型ゲート領域15の電位を制御する。
【0054】
リセットゲート5は、JFET2のP型ゲート領域15とリセットドレイン4のP型電荷排出領域18との境界領域上に絶縁膜102を介して形成されたゲート電極より構成され、JFET2のP型ゲート領域15とリセットドレイン4のP型電荷排出領域18との電気的な接続状態を制御する。
【0055】
すなわち、JFET2のP型ゲート領域15と、リセットゲート5と、リセットドレイン4のP型電荷排出領域18とで、PチャネルMOSトランジスタが構成されている。
【0056】
オーバーフロー制御領域6aは、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12と、リセットドレイン4のP型電荷排出領域18との境界領域の半導体層101内部に形成されたP型半導体領域からなり、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷をリセットドレイン4の電荷排出領域18に導くオーバーフロー動作を制御する。また、オーバーフロー制御領域6a上部の半導体表面近傍には、高濃度のN型半導体領域16(JFET2のN型ドレイン領域16と同一)が形成されいる。
【0057】
すなわち、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12、P型オーバーフロー制御領域6a、リセットドレインのP型電荷排出領域18を、それぞれ、ソース領域、チャネル領域、ドレイン領域とし、高濃度のN型半導体領域16及びN型半導体層101をゲート領域とした、PチャネルJFETが形成されている。
【0058】
このPチャネルJFETは、フォトダイオード1が標準的な動作をしている場合はカットオフ(遮断)状態にあり、フォトダイオード1に強い光が入射して、P型電荷蓄積領域12にある一定量以上の電荷(この場合は正孔による正電荷)が蓄積されると、つまり、P型電荷蓄積領域12の電位があるレベル以上に上昇すると、導通(オン)状態となるように形成されている。
【0059】
したがって、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷は、オーバーフロー制御領域6aを経由して、リセットドレイン4のP型電荷排出領域18に流出する。この過剰電荷はリセットドレイン用コンタクト穴30、Al配線による中継配線23、中継配線接続穴31を経由して、Al配線によるリセットドレイン配線24から排出される。
【0060】
オーバーフロー制御領域6a上部の半導体表面近傍に形成された高濃度のN型半導体領域16(JFET2のN型ドレイン領域16と同一)は、フォトダイオード1の表面近傍に形成された、高濃度のN型半導体領域13と連続して形成されている。
【0061】
したがって、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12の半導体表面近傍は、周囲領域も含めて、高濃度のN型半導体領域(13及び16)で覆われた構造となり、フォトダイオード1は埋め込みフォトダイオードとなっている。
【0062】
なお、フォトダイオード1の転送ゲート3側の端部及び転送ゲート3下部には、構造上、高濃度のN型半導体領域(13及び16)が形成されていないが、埋め込みフォトダイオードの性能(半導体表面の非空乏化による低暗電流特性)は保持される。これは、フォトダイオード1が光電変換によって信号電荷の蓄積動作を行っている期間中は、転送ゲート3は遮断(オフ)状態で、ハイレベルのパルス電圧が印加されており、結果として、この領域の半導体表面近傍に電子が誘起され、高濃度のN型半導体領域とされるためである。
【0063】
このように、フォトダイオード1は、JFET型の横型オーバーフロードレイン構造を備えた、埋め込み型のフォトダイオードとなっており、縦型オーバーフロードレイン構造の埋め込み型フォトダイオードと同様、オーバーフロー構造によって、ブルーミング、スミア等のにじみの現象を抑圧することができるとともに、埋め込みフォトダイオードによって、PN接合部に生じる空乏層が半導体表面に達しないため、暗電流が抑圧される。また、電荷が転送された後にフォトダイオードに電荷が残らない(完全転送、または完全空乏化による)ため、残像、リセットノイズを抑えた理想的な特性が得られる。
【0064】
なお、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12と、P型オーバーフロー制御領域6aは同一の製造工程で形成することがより好ましい。これは、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12とP型オーバーフロー制御領域6aの接続部に不純物濃度の不連続性が発生せず(両者がオーバーラップすることによる高濃度領域が発生せず)、P型電荷蓄積領域12の完全空乏化特性が得やすくなると同時に、製造工程が簡単になるためである。
【0065】
その他、ポリシリコン膜による転送ゲート配線20、ポリシリコン膜によるリセットゲート配線21、中継配線23,リセットドレイン配線24、Al配線による垂直信号線22も図に示すように形成されている。すなわち、各JFET2のN型ソース領域14は、垂直信号線22により、垂直走査方向に共通に接続されている。また、転送ゲート3は転送ゲート配線20により、リセットゲート5はリセットゲート配線21により、それぞれ水平走査方向に共通に接続されている。リセットドレイン4の電荷排出領域18は、コンタクト穴30、中継配線23、中継配線接続穴31を介して、リセットドレイン配線24により、水平走査方向に共通に接続されている。また、このリセットドレイン配線24はフォトダイオード1以外の部分を遮光する遮光膜を兼用している。
【0066】
ところで、JFET2のP型ゲート領域15とリセットドレイン4のP型電荷排出領域18は、水平走査方向に隣り合って交互に配置され、両者の境界領域上には、絶縁膜を介してリセットゲート5がもれなく配置されている。つまり、リセットゲート5が1画素当たり2個の割合で形成されている。そして、JFET2のP型ゲート領域15と、リセットゲート5と、リセットドレイン4のP型電荷排出領域18とで構成されるPチャネルMOSトランジスタが、水平走査方向に直列に接続された構成となっている。
【0067】
したがって、リセットゲート5が導通(オン)状態になると、水平走査方向に交互に配置された各JFET2のP型ゲート領域15と、各リセットドレイン4のP型電荷排出領域18は、リセットゲート5を介して、全て電気的に接続される。
【0068】
その結果、ある画素においてリセットドレイン配線24とリセットドレイン4との接続が不完全となる解放モードの不良が発生しても、水平走査方向に配置された他の画素のリセットドレイン4から、前記MOSトランジスタを経由してJFETのゲート領域は正しく制御される。
【0069】
フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12とリセットドレイン4のP型電荷排出領域18は、垂直走査方向に隣り合って交互に配置され、両者の境界領域には、オーバーフロー制御領域6aがもれなく形成されている。つまり、ある画素のフォトダイオード1に強い光が入射して、過剰に電荷が生成した場合、この過剰電荷をリセットドレイン4に導くオーバーフロー制御領域6aが垂直走査方向に2カ所形成されており、1つのフォトダイオードに対して、2つの経路でオーバーフロー動作が可能となっている。
【0070】
(回路構成)
次に、本実施の形態による固体撮像装置の回路構成について、図7を参照して説明する。
【0071】
前述した構造に関する説明からもわかるように、単位画素となる各画素は、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、リセットドレイン4、及び、1画素あたり2個の割合で存在するリセットゲート5から構成されている。なお、フォトダイオード1のN型領域(101及び13)(図7では符号は図示せず)はJFET2のドレイン領域16(図7では、符号「D」で示す)と電気的に接続され、また、フォトダイオード1のP型領域13(図7では符号は図示せず)、転送ゲート3及びJFET2のゲート領域15(図7では符号は図示せず)とでPチャネルMOSトランジスタが構成されている。さらに、JFET2のゲート領域15、リセットゲート5及びリセットドレイン4で構成されるPチャネルMOSトランジスタが、1画素あたり2個の割合で存在し、水平走査方向に直列に接続された構成となっている。
【0072】
図7に示す回路中には明示されていないが、フォトダイオード1は、1画素あたり2個の割合で存在するオーバーフロー制御領域6a(図7では符号は図示せず)とリセットドレイン4により、横型オーバーフロードレイン構造が構成され、1つのフォトダイオード1に対して2つの経路で、過剰電荷をリセットドレイン4に排出する機能を有している。この過剰電荷はリセットドレイン配線24a〜24c(図1〜図5中のリセットドレイン配線24aに相当)を経由して、最終的には垂直走査回路7に吸収される。
【0073】
各JFET2のソース領域14(図7では、符号「S」で示す)は、マトリクス配置の各列毎に垂直信号線22a〜22dによって共通に接続されている。
【0074】
各JFET2のドレイン領域16(D)は、既に説明したように、全画素共通にドレイン電源VDに接続されている。
【0075】
転送ゲート3は、マトリクス配置の各行毎に、転送ゲート配線20a〜20c(図5中の転送ゲート配線20に相当)によって水平走査方向に共通に接続され、垂直走査回路7に接続されている。そして、垂直走査回路7から送出されるパルスφTG1〜φTG3によって、各行毎に動作するようになっている。
【0076】
リセットゲート5は、マトリクス配置の各行毎に、リセットゲート配線21a〜21c(図1、図2、図4、図5中のリセットゲート配線21に相当)によって水平走査方向に共通に接続され、更に各リセットゲート配線21a〜21cはマトリクス配置の周囲(左端または右端)において、全て共通に接続されている。そして駆動パルスφRGによって、全画素同時に動作するようになっている。
【0077】
リセットドレイン4は、マトリクス配置の各行毎に、リセットドレイン配線24a〜24c(図1〜図5中のリセットドレイン配線24に相当)によって水平走査方向に共通に接続され、垂直走査回路7に接続されている。そして、垂直走査回路7から送出されるパルスφRD1〜φRD3によって駆動されるようになっている。
【0078】
垂直信号線22a〜22d(図1〜図4、図6中のリセットゲート配線21に相当)は、一方において、光信号出力転送用MOSトランジスタTS1〜TS4及び暗出力転送用MOSトランジスタTD1〜TD4を介して、光信号出力蓄積容量CS1〜CS4、暗出力蓄積容量CD1〜CD4に接続されるとともに、水平選択MOSトランジスタTHS1〜THS4、THD1〜THD4を経て、水平信号線27a(信号出力線)及び27b(暗出力線)に接続されている。
【0079】
前記MOSトランジスタTS1〜TS4、及びTD1〜TD4は駆動パルスφTS及びφTDによってそれぞれ動作するようになっている。また、MOSトランジスタTHS1〜THS4及び、THD1〜THD4は水平走査回路8から送出されるパルスφH1〜φH4によって順次動作するようになっている。
【0080】
水平信号線27a,27bには、出力バッファアンプ28a,28b及び、水平信号線のリセット用MOSトランジスタTRHS、TRHDが接続されている。そしてMOSトランジスタTRHS,TRHDは、駆動パルスφRHによって動作するようになっている。また、水平信号線27a,27bには、寄生容量CHS,CHDが存在する。
【0081】
垂直信号線22a〜22dは、他方において垂直信号線のリセット用MOSトランジスタTRV1〜TRV4及び定電流源26a〜26dに接続されている。垂直信号線のリセット用MOSトランジスタTRV1〜TRV4は駆動パルスφRVによって動作するようになっている。
【0082】
(動作)
次に、本実施の形態による固体撮像装置の動作について、図7及び図8を参照して説明する。なお、既に説明したように、単位画素を構成する各画素の転送ゲート3及びリセットゲート5はPチャネル型であるため、図7及び図8において、φTG1〜φTG3及びφRGは、他のパルスと極性が逆になる。すなわち、これらのパルスがローレベルの時に、対応する転送ゲート3またはリセットゲート5が導通(オン)状態となり、これらのパルスがハイレベルの時に遮断(オフ)状態となる。
【0083】
図8において、t11〜t15までの期間は、第1行目の画素の読み出し動作を示しており、以下t21〜t25及びt31〜t35の期間は、それぞれ第2行目、第3行目に対応している。また、t11〜t14のそれぞれは、t11が行選択動作とJFET2の初期化動作、t12が初期化後の第1行目のJFET2のソースフォロワ動作、t13が第1行目のフォトダイオード1からJFET2への信号電荷の転送動作、t14が信号電荷転送後の第1行目のJFET2のソースフォロワ動作に対応した期間で、この4つの動作は水平帰線期間内に行われる。また、t15は映像信号出力期間である。
【0084】
まず、期間t11の最初で駆動パルスφRD1をハイレベル(駆動パルスφRD2、φRD3はローレベルのまま)にして、第1行目の画素のリセットドレイン4にハイレベルの電圧を、第2行目、第3行目のリセットドレイン4にはローレベルの電圧を印加する。そして、ローレベルのφRGが印加され、既に導通(オン)状態になっている、全ての画素のリセットゲート5を経由して、ハイレベルの電圧が第1行目の画素のJFET2のゲート領域に、ローレベルの電圧が第2行目、第3行目の画素のJFET2のゲート領域に伝わり、第1行目のJFET2はオン(選択)状態とされ、2行目以後の各JFET2はオフ(非選択)状態とされる。
【0085】
そして、期間t11の終わりにおいて、駆動パルスφRGをハイレベルにして、全ての画素のリセットゲート5を遮断(オフ)状態にすることによって、各JFET2のゲート領域は、オン(選択)状態、オフ(非選択)状態を保持したまま、フローティング状態とされる。すなわち、選択された行のJFET2のゲート領域15はハイレベルの電位に、非選択行のJFET2のゲート領域15はローレベルの電位に初期化される。
【0086】
この期間t11の動作において、本実施の形態による固体撮像装置は、JFET2のゲート領域15、リセットゲート5及びリセットドレイン4で構成されるPチャネルMOSトランジスタが水平走査方向に直列に接続されているため、たとえある画素においてリセットドレイン4とリセットドレイン配線24a〜24cとの接続が不完全となる解放モードの不良が発生しても、水平走査方向に配置された他のリセットドレイン4から前記MOSトランジスタを経由してJFET2のゲート領域15は正しく制御され、選択行の場合はハイレベル、非選択行の場合はローレベルの電位に初期化される。
【0087】
期間t12においては、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセット用トランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態にして、第1行目の各JFET2がソースフォロワ動作を行う。なお、この期間t12中において、駆動パルスφTDはハイレベルで暗出力転送用MOSトランジスタTD1〜TD4は導通(オン)状態となっており、各JFET2のゲート領域15の初期化直後の電位に対応した出力(暗時出力)電圧が暗出力蓄積容量CD1〜CD4に充電される。
【0088】
期間t13においては、駆動パルスφTG1をローレベル(駆動パルスφTG2、φTG3はハイレベルのまま)にして第1行目の画素の転送ゲート3を導通(オン)状態にし、第1行目のフォトダイオード1で生成・蓄積された信号電荷をJFET2のゲート領域15に転送する。なお、信号電荷を転送した後のJFET2のゲート領域15の電位は、信号電荷量/ゲート容量の分だけ変化(この場合は上昇)する。
【0089】
期間t13の終わりで、駆動パルスφTG1をハイレベルにして転送ゲート3を遮断(オフ)状態にすると、第1行目のフォトダイオード1は、光電変換による次の信号電荷蓄積動作に入る。図8において、tLIはフォトダイオードの電荷蓄積時間を示している。
【0090】
期間t14においては、期間t12と同様に、駆動パルスφRVをローレベルにして、リセット用トランジスタTRV1〜TRV4を遮断(オフ)状態にして、第1行目の各JFET2がソースフォロワ動作を行う。この期間t14中において、駆動パルスφTSはハイレベルで光信号出力転送用MOSトランジスタTS1〜TS4は導通(オン)状態となっており、各JFET2のゲート領域15へ電荷を転送した後の電位に対応した出力(信号出力)電圧が光信号出力蓄積容量CS1〜CS4に充電される。
【0091】
定電流源26a〜26dは、期間t12及びt14におけるソースフォロワ動作の負荷となり、JFETの動作点と動作速度を制御する。
【0092】
前記、ソースフォロワ動作の電荷増幅率は、光信号出力蓄積容量CS1〜CS4とJFETのゲート容量Cgとの比(CS/Cg)で決まり、数百倍から千倍以上という高い増幅率を得ることが可能である。
【0093】
また、このソースフォロワ動作は水平帰線期間内に1行毎に行われるため、水平走査(例えばφH1〜φH4)に同期して1画素毎に増幅される画素と比べて、増幅動作の時間を長くすることが可能であり、光信号出力蓄積容量CS1〜CS4、暗出力蓄積容量CD1〜CD4の容量値を大きくすることによって、動作帯域を1桁から2桁狭くできる。したがって、増幅動作に伴うノイズを大幅に抑圧することが可能である。
【0094】
期間t15においては、水平走査回路8から駆動パルスφH1〜φH4を順次出力して、光信号出力蓄積容量CS1〜CS4及び、暗出力蓄積容量CD1〜CD4に蓄積された電荷を、それぞれ水平信号線27a(信号出力線)及び27b(暗出力線)に転送し、出力バッファアンプ28a,28bを経て、出力端子VOS及びVODから映像信号を出力する。また、駆動パルスφRHを順次出力して、水平信号線(27a,27b)のリセットを行う。
【0095】
出力端子VOS,VODから得られた映像信号は、図示しない外部演算回路によって減算処理される。これは出力端子VOSから得られる映像信号は光信号成分(S)と暗成分(D)が含まれており、出力端子VODから得られる映像信号には暗成分(D)のみが含まれているため、出力端子VOS,VODから得られた映像信号を減算処理(VOS−VOD)することにより、光信号成分に応じた映像信号のみを抽出するためである。
【0096】
VOS,VOD両者に含まれる暗成分としては、各JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、リセットドレイン4からリセットゲート5を介してJFET2のゲート領域15を初期化した時に発生するリセットノイズ、JFET2と定電流源(26a〜26d)によるソースフォロワ動作時に発生する1/fノイズ等がある。
【0097】
すなわち、VOSとVODを減算処理することにより、前記ノイズ成分を除去した光信号成分のみの映像信号を抽出することができ、S/N比が向上する。
【0098】
以上に示した期間t11〜期間t15に対する第1行目の読み出し動作は、期間t21〜t25及び期間t31〜期間t35において、それぞれ第2行目、第3行目に対して繰り返して、同様に行われる。
【0099】
図8において、リセットドレイン4の駆動パルス(φRD1〜φRD3)はほとんどの期間ローレベルであり、フォトダイオード1で発生した過剰電荷は、オーバーフロー制御領域6aを経由してこのローレベルとなっているリセットドレイン4に流出する。
【0100】
ところが、期間t11〜t14の間は、駆動パルスφRD1がハイレベル(φRD2,φRD3はローレベル状態)となっているため、1行目のリセットドレイン4に対するオーバーフロー動作は、停止(または状態が変化)する。
【0101】
t21〜t24、t31〜t34における、それぞれ2行目、3行目のリセットドレイン4に対するオーバーフロー動作も同様である。
【0102】
しかしながら、1つのフォトダイオード1に対して垂直走査方向に2つの経路でオーバーフロー動作が可能となっている本実施の形態による固体撮像装置においては、一方の経路が一時的にオーバーフロー動作を停止する場合においても、他方の経路にてオーバーフロー動作が正常に行われるため、ブルーミング、スミア等のにじみの現象を抑圧することができる。
【0103】
以上のように、フォトダイオード1、JFET2、転送ゲート3、リセットドレイン4、1画素当たり2つのリセットゲート5、1画素当たり2つのオーバーフロー制御領域6aを備えた画素をマトリクス状に配置して構成した本実施の形態による固体撮像装置は、横型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダイオードを採用しているため、暗電流、残像、リセットノイズ、及びブルーミング、スミアが抑圧され、また、光信号出力蓄積容量及び暗出力蓄積容量を負荷としたJFET2の狭帯域ソースフォロワ動作によって、高い電荷増幅率の実現と共に増幅動作時のノイズが抑圧される。さらに、VOSとVODを減算処理することによって、JFET2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイズ、JFET2のゲート領域を初期化した時に発生するリセットノイズ、ソースフォロワ動作時の1/fノイズ等が抑圧される。したがって、高感度で低ノイズの(S/N比が高い)映像信号が得られる。
【0104】
また、本実施の形態による固体撮像装置においては、ドレイン配線が削除されているため、ドレイン配線と垂直信号線との短絡モードによる不良が解消され、製造歩留まりが向上する。
【0105】
また、リセットドレインとリセットドレイン配線との接続が不完全となる解放モードの不良が発生してもJFETのゲート領域は正しく制御されるため、縦線状の画像欠陥が減少し、製造歩留まりが向上する。
【0106】
また、フォトダイオード1の受光開口率が増加するため感度が向上する。
【0107】
また、光電変換によりフォトダイオード1深部で発生した電荷もフォトダイオード1に蓄積されるようになるため、感度(特に波長の長い光に対する感度)が向上する。
【0108】
(特徴的構造及び製造方法)
次に、本実施の形態による固体撮像装置の特徴的構造である前記トレンチ111による画素分離領域110について、図1、図2、図4及び図6を参照して詳細に説明する。
【0109】
既に説明したように、本実施の形態では、画素分離領域110は、図1及び図2に示すように、画素の周囲領域に形成されたN型ドレイン領域16の部分(ただし、オーバーフロー制御領域6aの付近など一部の部分を除く)に沿って、当該ドレイン領域16の幅方向の両側部分を残して当該N型ドレイン領域16を除去する如く形成され、各画素間に形成されている。画素分離領域110が形成されている部分のドレイン領域16は、必ずしも形成しなくてもよい。この場合、フォトダイオード1の領域を拡大することができ、好ましい。
【0110】
本実施の形態では、画素分離領域110は、図4及び図6に示すように、トレンチ111に埋め込まれたN型不純物を含有するポリシリコン112と、N型拡散層113とから構成されている。
【0111】
トレンチ111は、N型半導体層101に、N型半導体層101の表面から、N型半導体基板100のN型半導体層101側の表面にちょうど達する深さで形成されている。もっとも、トレンチ111の深さをもっと深くして、トレンチ111がN型半導体基板100の内部まで至るように形成してもよい。
【0112】
また、トレンチ111は、N型不純物を含有するポリシリコン112のみで埋め込まれている。本実施の形態では、N型拡散層113は、ポリシリコン112が含有していたN型不純物によるものである。N型拡散層113は、ポリシリコン112におけるトレンチ111の内壁に沿った部分に沿ってトレンチ111の外側に形成されている。すなわち、本実施の形態では、トレンチ111がポリシリコン112のみで埋め込まれているので、N型拡散層113は、トレンチ111の内壁全体に沿って、トレンチ111の外側に形成されている。
【0113】
この画素分離領域110が形成されていることによって、画素間のクロストークの低減(すなわち、画素分離)と、N型半導体基板100とN型半導体層101における表面側領域(本実施の形態では、JFET2のドレイン領域16等)との間の抵抗の低減とが、両方同時に達成される。
【0114】
すなわち、ポリシリコン112中のキャリア拡散長が極めて短いことから、隣接画素で発生した光発生電荷すなわちキャリアーの混入量、すなわちクロストーク量を著しく減少させることができるのである。これは、画素分離領域を拡散領域により形成する従来の画素分離技術に比べて著しい利点である。
【0115】
また、N型不純物を含有するポリシリコン112が、高濃度のN型半導体基板100とJFET2のN型ドレイン領域16とを電気的に接続する接続路となるので、N型半導体基板100とドレイン領域16とが単に低濃度のN型半導体層101を介して電気的に接続されている場合に比べて、両者の間の抵抗が著しく低減されるのである。したがって、本実施の形態では、前述したようにN型半導体基板100からドレイン電圧が給電されるが、ドレイン領域16に至るまでの電位降下が小さくなる。このため、前述したように空乏層を拡げることにより長波長側の検出感度を上げ、フォトダイオード1の感度を高めるためにN型半導体層101の不純物濃度が低くされているが、JFET2の特性が不安定になるようなおそれがない。なお、ポリシリコン112の不純物濃度は高いことが好ましい。
【0116】
なお、ポリシリコン112に代えて、少なくともN型半導体層101に対して導電性を有する他の導電材料、例えば、金属等を埋め込んでもよい。
【0117】
ところで、前記画素分離領域110は、例えば、図9〜図11にそれぞれ示すように変形してもよい。
【0118】
図9〜図11は、それぞれ画素分離領域110の他の構造例を示す概略断面図であり、図6の断面図に対応している。図9〜図11において、図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【0119】
図9に示す画素分離領域110が図6に示す画素分離領域110と異なる所は、トレンチ111がN型半導体基板100のN型半導体層101側の表面に達していない点のみである。この場合には、トレンチ111の深さに応じたクロストーク及び抵抗の低減の効果が得られるのみならず、図6に示す画素分離領域110に比べて、トレンチ111の形成方法が簡易となるために歩留りの向上やトレンチ111の開口幅の微細化が可能となる。
【0120】
図10に示す画素分離領域110が図6に示す画素分離領域110と異なる所は、ポリシリコン112がトレンチ111の内壁に沿った部分に埋め込まれ、トレンチ111の残りの部分に酸化膜や窒化膜などの絶縁物114が埋め込まれている点のみである。この場合には、ポリシリコン112によって抵抗の低減が達成され、絶縁物114によってクロストークの完全な抑制が達成される。クロストークが絶縁膜114にて完全に抑制されるのは、高濃度のN型半導体基板100より深いところで発生したキャリアーは、高濃度のN型半導体基板100に吸収され実質的に信号電荷として作用しないことと、N型半導体基板100より比較的浅いところで発生したキャリアは隣接画素と絶縁膜114にて完全に分離されているので、キャリアーが隣接画素に混入することがないことによる。
【0121】
図11に示す画素分離領域110が図6に示す画素分離領域110と異なる所は、トレンチ111の内壁に沿った部分のうちのトレンチ111の底面に沿った部分及びトレンチ111の開口付近の部分を除く部分に酸化膜や窒化膜などの絶縁物114が埋め込まれ、トレンチ111の残りの部分にポリシリコン112がが埋め込まれている点のみである。なお、ポリシリコン112が含有していたN型不純物によるN型拡散層113は、ポリシリコン112におけるトレンチ111の内壁に沿った部分に沿ってトレンチ111の外側に形成されている。この場合には、図10に示す画素分離領域110の場合と同様に、ポリシリコン112によって抵抗の低減が達成され、絶縁物114によってクロストークの完全な抑制が達成される。
【0122】
次に、本実施の形態による固体撮像装置の製造方法の一例について、前記画素分離領域110の形成方法を中心として、図12及び図13を参照して説明する。ただし、図12及び図13は、画素分離領域110として、図10に示す構造のものを採用した場合における製造方法を示し、図10(したがって、図6)に対応する断面を示している。
【0123】
まず、高濃度のN型半導体基板100上に、低濃度のエピタキシャル層としてN型半導体層101を成長させる。次に、トレンチ形成用マスクとして酸化膜マスク201を用いて、トレンチ111が、ドライエッチングにて形成される(図12(a))。
【0124】
次に、図12(a)に示す状態の基板上に、CVD法にてポリシリコン膜112をデポする。本例では、このデポは、トレンチ111の内壁に沿った部分にポリシリコン膜112が形成されるように行われる(図12(b))。このようにトレンチ111を完全にポリシリコン膜112で埋め込まない場合には、ポリシリコン膜112へのN型不純物のドーピングは、デポ時に行っても、デポ後に液体ソース源等を用いた拡散で行ってもよい。一方、図6に示す画素分離領域110を形成する場合には、ポリシリコン膜112をトレンチ111に完全に埋め込むことになるが、この場合には、デポ時にポリシリコン膜112へN型不純物をドーピングすることが好ましい。
【0125】
次いで、図12(b)に示す状態の基板上に、トレンチ111の残りの部分が完全に埋め込まれるように、酸化膜114を形成する(図12(c))。この工程は、CVD法による酸化膜デポでも、ポリシリコン膜112のドライ酸化でもよいが、長時間のドライ酸化は、欠陥を誘起する可能性があるため、好ましくない。
【0126】
その後、CMP法にて酸化膜114を除去し(図13(a))、引き続いて、トレンチ111の外部のポリシリコン膜112及び酸化膜201をCMP法にて同時に除去する(図13(b))。この2段階のCMPは、同一条件での研磨でも構わないが、少なくとも後者のCMPにおいて、酸化膜201とポリシリコン膜112の研磨レートが等しいか、あるいは酸化膜201の研磨レートが若干小さいことが好ましい。
【0127】
更に、図面には示していないが、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12を通常のフォトリソ・注入・洗浄・アニール工程にて形成するが、このアニールによりトレンチ111内のポリシリコン膜112からN型不純物がトレンチ111の外部に拡散し、N型第1導電型分離拡散領域113が更に形成される(図10)。更に、本実施の形態による固体撮像装置の前述した各構成要素が通常の半導体装置の製造プロセスに従って形成され、本実施の形態による固体撮像装置が完成する。もっとも、前述したトレンチ111による画素分離領域110の形成前又は形成途中において、いくつかの要素を形成することができる。例えば、P型電荷蓄積領域12やN型ドレイン領域16などの領域は、トレンチ111形成前に形成しておいてもよい。
【0128】
この製造工程によれば、トレンチ111の外部のポリシリコン112及び酸化膜114,201を除去する工程において、CMP法を用いることにより、同一装置の同一工程において、ポリシリコン膜112及び酸化膜114,201を同時に除去することができ、また、トレンチ111の内部の膜112,114をオーバーエッチングすることなく形成できるので、トレンチ111の上部も平坦に形成することができ、その後のAl配線22の形成工程等においても歩留まりを向上させることができる。
【0129】
なお、図6、図9及び図11に示す各画素分離領域110を形成する場合であっても、前述した製造方法と同様の製造方法を採用することができる。なお、図11に示す画素分離領域110を形成する場合には、図12(a)に示す状態の基板上に、トレンチ111の内壁に沿った部分に形成されるように、酸化膜114を形成した後、酸化膜114におけるトレンチ111の底面に沿った部分及びトレンチ111の開口付近の部分を、異方性のドライエッチング等により除去し、その後、当該基板上に、トレンチ111の残りの部分が完全に埋め込まれるように、CVD法にてポリシリコン膜112をデポすればよい。
【0130】
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態による固体撮像装置について、図14及び図15を参照して説明する。
【0131】
図14は、本実施の形態による固体撮像装置を示す概略平面図である。図15は、図14中のX13−X14線に沿った概略断面図である。図14及び図15において、図16〜図19中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複した説明は省略する。
【0132】
なお、図14中のX11−X12線に沿った概略断面図は図17と同一となり、図14中のY11−Y12線に沿った概略断面図は図19と同一となり、本実施の形態による固体撮像装置の画素及び読み出し回路系の基本構成を示す回路図は図20と同一となる。
【0133】
本実施の形態による固体撮像装置が前述した図16〜図20に示す従来の固体撮像装置と異なる所は、画素分離領域210が、各画素間において、各画素の周囲領域にその一部を除いて、画素分離領域としての高濃度のN型拡散領域311の代わりに、形成されている点のみである。この画素分離領域210は、前述した図6に示す画素分離領域110と同様に、トレンチ111に埋め込まれたN型不純物を含有するポリシリコン112と、N型拡散層113とから構成されている。画素分離領域210は、このような構成に代えて、図9、図10又は図11に示す画素分離領域110と同様に構成してもよい。
【0134】
したがって、本実施の形態では、この画素分離領域210が形成されていることによって、画素間のクロストークの低減(すなわち、画素分離)と、N型半導体基板301とN型半導体層302における表面側領域との間の抵抗の低減とが、両方同時に達成される。
【0135】
本実施の形態による固体撮像装置においても、図16〜図20に示す従来の固体撮像装置と同じく、バイポーラトランジスタTrが高濃度のN型半導体基板301及び低濃度のN型半導体層302をこの順に経由して給電されることにより作動されるが、本実施の形態では、前述したように、画素分離領域210によって前記抵抗の低減が達成されるので、たとえN型半導体層302の不純物濃度を低くしても、N型半導体基板301からの電位がN型半導体層302へ十分伝わり、バイポーラトランジスタTrの性能が低下することがないとともにそのバラツキが増大することなく、固体撮像装置としての性能が低下することがない。したがって、固体撮像装置としての性能を低下させることなく、N型半導体層302の不純物濃度を低くして、検出感度を長波長側へも拡げることができ、かつ、クロストークを抑制することができる。
【0136】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【0137】
例えば、前述した各実施の形態において、N型とP型とを逆にしてもよいことは言うまでもない。
【0138】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画素間のクロストークを低減させることができるとともに、画素を構成する素子への給電の途中経路をなす低濃度の半導体層の不純物濃度を低くしても、当該素子に十分な給電を与えて当該素子の性能を十分に発揮させることができる固体撮像装置を提供することができる。
【0139】
また、本発明によれば、このような固体撮像装置の製造に適した製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置を示す概略平面図である。
【図2】前記第1の実施の形態による固体撮像装置の単位画素を示す概略平面図である。
【図3】図2中のX1−X2線に沿った概略断面図である。
【図4】図2中のY1−Y2線に沿った概略断面図である。
【図5】図2中のY3−Y4線に沿った概略断面図である。
【図6】図2中のX3−X4線に沿った概略断面図である。
【図7】前記第1の実施の形態による固体撮像装置の概略構成を示す回路図である。
【図8】前記第1の実施の形態による固体撮像装置の動作を説明するためのパルスタイミングチャートである。
【図9】画素分離領域の他の構造例を示す概略断面図である。
【図10】画素分離領域の更に他の構造例を示す概略断面図である。
【図11】画素分離領域の更に他の構造例を示す概略断面図である。
【図12】前記第1の実施の形態による固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図13】図12に示す工程に引き続く工程を示す図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態による固体撮像装置を示す概略平面図である。
【図15】図14中のX13−X14線に沿った概略断面図である。
【図16】従来の固体撮像装置を示す概略平面図である。
【図17】図16中のX11−X12線に沿った概略断面図である。
【図18】図16中のX13−X14線に沿った概略断面図である。
【図19】図16中のY11−Y12線に沿った概略断面図である。
【図20】前記従来の固体撮像装置の画素及び読み出し回路系の基本回路構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 フォトダイオード
2 接合型電界効果トランジスタ(JFET)
3 転送ゲート
4 リセットドレイン
5 リセットゲート
6a オーバーフロー制御領域
7 垂直走査回路
8 水平走査回路
12 P型電荷蓄積領域
13 N型半導体領域
14 N型ソース領域
15 P型ゲート領域
16 N型ドレイン領域
17 N型チャネル領域
18 P型電荷排出領域
20,20a〜20c 転送ゲート配線
21,21a〜21c リセットゲート配線
22,22a〜22d 垂直信号線
23 中継配線
24,24a〜24c リセットドレイン配線
26a〜26d 定電流源
27a,27b 水平信号線
28a,28b 出力バッファアンプ
30 リセットドレイン用コンタクト穴
31 中継配線接続穴
100,301 高濃度のN型半導体基板
101,302 低濃度のN型半導体層(エピタキシャル層)
110,210 画素分離領域
111 トレンチ
112 ポリシリコン
113 N型拡散層
114 絶縁物
Tr バイポーラトランジスタ
Cox,Cr 容量
303 PMOSFET
304 転送MOSFET
305 リセットMOSFET
VL 垂直出力線
306 P型拡散領域(ベース)
307 N型拡散領域(エミッタ)
308 金属膜(コレクタ電極)
309 中継配線用ポリシリコン
310 Al配線
311 N型拡散領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and in particular, a high-concentration first conductive semiconductor substrate and a low-concentration first conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor substrate. And a plurality of pixels formed on the substrate, wherein each pixel is operated by being supplied with power through the first conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor layer in this order. And a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of solid-state imaging device, for example, a paper titled “Development of a bipolar type area sensor“ BASIS ”by Shinohara et al.” (Magazine “Video Information INDUSTRIAL” (published by the Video Information Editor, Industrial Development Organization) 1989, May issue, pp. 41-46) is known.
[0003]
This conventional solid-state imaging device will be briefly described with reference to FIGS.
[0004]
FIG. 16 is a schematic plan view showing this conventional solid-state imaging device. FIG. 17 is a schematic cross-sectional view taken along line X11-X12 in FIG. 18 is a schematic sectional view taken along line X13-X14 in FIG. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view taken along line Y11-Y12 in FIG. FIG. 20 is a circuit diagram showing the basic circuit configuration of the pixel and readout circuit system of this conventional solid-state imaging device. In FIG. 19, only one pixel is shown.
[0005]
As shown in FIGS. 16 to 19, this conventional solid-state imaging device includes a high-concentration N-type semiconductor substrate 301 and an N-type semiconductor layer 302 that is a low-concentration epitaxial layer formed on the semiconductor substrate 301. The base | substrate which consists of is provided. A plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix and a readout circuit are formed on the substrate.
[0006]
As shown in FIG. 20, each pixel includes an npn-type bipolar transistor Tr, a PMOSFET 303, and a capacitor Cox formed on the base of the bipolar transistor Tr.
[0007]
The read circuit includes a capacitor Ct for temporarily storing an output voltage from the emitter of the bipolar transistor Tr, a transfer MOSFET 304 for connecting the vertical output line VL and the capacitor Ct, and a vertical output line VL. And a reset MOSFET 305 for resetting.
[0008]
The operation of this pixel includes an accumulation operation, a read operation, and a reset operation.
[0009]
The accumulation operation starts when the reset operation is completed and the base-emitter of the bipolar transistor Tr is reverse-biased. In the depletion layer between the base region and the base-collector of the bipolar transistor Tr, holes generated by incident light are generated. The base potential rises as it accumulates in the base.
[0010]
The FET 305 is turned off to make the emitter of the bipolar transistor Tr floating. Next, when the potential φR of the horizontal drive line HL is positive and the base potential is raised in the positive direction by capacitive coupling through the capacitor Cox and the base and emitter of the bipolar transistor Tr are forward-biased, a read operation is performed. The emitter potential, which is a capacitive load, approaches the base potential up to a certain potential difference at the end of the read operation, so that the change in the base potential during the accumulation operation appears at the emitter terminal of the bipolar transistor Tr.
[0011]
The reset operation is a combination of two operations. The first reset functions to turn on the FET 305 and ground the base of the bipolar transistor Tr. Next, in the second reset, first, the gate potential φVC of the FET 305 is made positive, the emitter of the bipolar transistor Tr is grounded, and the potential φR is made positive. The base of the bipolar transistor Tr is lifted positive, the base and the emitter are forward biased, and the base potential is lowered by recombination of electrons and holes. When the potential φR returns to the ground level, the reset operation ends and the next accumulation operation starts.
[0012]
The structure of the pixel will be described with reference to FIGS. 16 to 19 again. 16 to 19, reference numeral 306 denotes a P-type diffusion region constituting a base, and 307 denotes a high-concentration N-type diffusion region constituting an emitter, which are an N-type semiconductor substrate 301 and an N-type semiconductor constituting a collector. The bipolar transistor Tr is configured together with the layer 302. A metal film 308 as a collector electrode is formed on the entire lower surface of the substrate 301. Therefore, the bipolar transistor Tr is an element that operates when power is supplied from the metal film 308 through the high-concentration N-type semiconductor substrate 301 and the low-concentration N-type semiconductor layer 302 in this order.
[0013]
Further, reference numeral 309 denotes relay wiring polysilicon, 310 denotes an Al wiring that constitutes the vertical output line VL, and 311 denotes a high-concentration N-type diffusion region that is arranged between pixels and serves as a pixel isolation region. Reference numeral 312 denotes polysilicon for driving the P-type diffusion region 306 serving as the base of the bipolar transistor Tr of the pixel by capacitive coupling via the oxide film capacitance Cox, and also functions as a gate electrode of the PMOSFET 303. The polysilicon 306 also constitutes the horizontal drive line HL. The PMOSFET 303 is formed in the pixel isolation region, and the polysilicon 312 which is the base thereof is shielded from light by the Al wiring 310. When the base (polysilicon 312) of the PMOSFET 303 is turned on, conduction is established between the bases (P-type diffusion layers 306) of the bipolar transistors Tr of adjacent pixels, and when the base of the PMOSFET 303 is turned off, the N-type diffusion region 311 serves as a pixel isolation region. Works. The overlapping portion of the polysilicon 312 and the P-type diffusion region 306 that is the base of the bipolar transistor Tr constitutes the capacitor Cox. In the figure, 313 is SiO. 2 Membrane 314 is LOCOS.
[0014]
Thus, in the conventional solid-state imaging device, as described above, the bipolar transistor Tr is operated by being fed through the high-concentration N-type semiconductor substrate 301 and the low-concentration N-type semiconductor layer 302 in this order. Is done. As described above, only the N-type diffusion region 311 is formed between the pixels, and the cross-talk between the pixels is reduced by the N-type diffusion region 311, but the bipolar transistor Tr has a low concentration. A voltage cannot be applied without passing through the N-type semiconductor layer 302.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional solid-state imaging device, when the detection sensitivity is to be extended to the longer wavelength side, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 302 is lowered to reduce the P-type base (P-type diffusion layer 306) of the bipolar transistor Tr. ) And the N-type collector (N-type semiconductor layer 302). However, in this case, since the resistance value increases by lowering the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 302, the potential from the N-type semiconductor substrate 301 is not sufficiently transmitted to the N-type semiconductor layer 302, and the bipolar transistor As the performance of the Tr decreases, the variation increases, and the performance as a solid-state imaging device decreases.
[0016]
Such a situation is not limited to the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 16 to 20, but a high-concentration first conductive semiconductor substrate and a first low-concentration semiconductor substrate formed on the first conductive semiconductor substrate. A substrate comprising a conductive semiconductor layer is provided, a plurality of pixels are formed on the substrate, and each pixel is fed with power through the first conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor layer in this order. The same applies to other solid-state imaging devices including elements that operate as described above, because the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate may need to be lowered for various reasons.
[0017]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can reduce the crosstalk between pixels, and the impurity concentration of a low-concentration semiconductor layer that forms an intermediate path for power feeding to elements constituting the pixel. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device that can sufficiently supply power to the element even when the power is lowered to sufficiently exhibit the performance of the element.
[0018]
It is another object of the present invention to provide a manufacturing method suitable for manufacturing such a solid-state imaging device.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a high-concentration first conductive semiconductor substrate and a low-concentration first conductive semiconductor formed on the first conductive semiconductor substrate. A plurality of pixels are formed on the substrate, and each pixel is operated by being supplied with power through the first conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor layer in this order. In the solid-state imaging device including the element, a trench is formed in the base body from the surface of the first conductive semiconductor layer between the pixels, and the first conductive semiconductor substrate and the first conductive type are formed. One or more materials are embedded in the trench so that resistance between the semiconductor layer and the surface side region is reduced and crosstalk between the pixels is reduced. The high concentration and the low concentration do not necessarily mean that the impurity concentration is absolutely high or low, and the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate. Means relatively low. The order of feeding is not the order in which current flows, but the path for supplying a potential.
[0020]
According to the first aspect, in the base body, a trench is formed between the pixels from the surface of the first conductive semiconductor layer, and the first conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor layer are formed on the base. One or more kinds of materials are embedded in the trench so that the resistance between the surface side region and the crosstalk between the pixels is reduced. Therefore, according to the first aspect, the resistance between the first conductivity type semiconductor substrate and the surface side region in the first conductivity type semiconductor layer is reduced in accordance with the characteristics of the one or more kinds of embedding materials. The potential drop between the two becomes small, and the crosstalk between the pixels is reduced. For this reason, not only can the crosstalk between the pixels be reduced, but also the impurities in the first-conductivity-type semiconductor layer having a low concentration that forms an intermediate path for supplying power to the elements constituting the pixels can be reduced for various reasons. Even so, sufficient power can be supplied to the element so that the performance of the element can be sufficiently exerted, and the performance as a solid-state imaging device is not impaired.
[0021]
The solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein the trench reaches the surface of the first conductive semiconductor layer side of the first conductive semiconductor substrate ( Including the case of exceeding the surface).
[0022]
A solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein the trench does not reach the surface of the first conductivity type semiconductor substrate.
[0023]
When the trench reaches the surface of the first conductivity type semiconductor substrate side of the first conductivity type semiconductor substrate as in the second aspect, the crosstalk and resistance can be reduced according to the characteristics of the one or more kinds of embedded materials. Since an effect increases further, it is preferable. However, as in the third aspect, the trench may not reach the surface of the first conductivity type semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor layer side. In this case, not only the effect of reducing crosstalk and resistance according to the depth of the trench can be obtained, but also the yield of the trench can be improved and the trench opening width can be reduced because the trench formation method is simplified. Become.
[0024]
The solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the trench has conductivity with respect to at least the first conductivity type semiconductor layer. It is embedded only with material. The conductive material having conductivity with respect to at least the first conductivity type semiconductor layer may be a complete conductor material such as a metal material, or may be a semiconductor or polysilicon having a first conductivity type impurity. In other words, any material may be used as long as it reduces the resistance when power is supplied to the element via the first conductive type semiconductor layer. This also applies to conductive materials in fifth to seventh embodiments described later.
[0025]
The solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the trench has conductivity with respect to at least the first conductivity type semiconductor layer. It is embedded with material and insulator.
[0026]
A solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the conductive material having conductivity with respect to at least the first conductivity type semiconductor layer is the trench. The trench is buried in a portion along the inner wall, and an insulator is buried in the remaining portion of the trench.
[0027]
A solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the portion along the bottom surface of the trench among the portions along the inner wall of the trench, and An insulating material is embedded in a portion other than a portion in the vicinity of the opening of the trench, and a conductive material having conductivity with respect to at least the first conductivity type semiconductor layer is embedded in the remaining portion of the trench.
[0028]
In the fourth to seventh aspects, examples of the embedding material and examples of arrangement in the trench are given.
[0029]
A solid-state imaging device according to an eighth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the fourth to eighth aspects, wherein the conductive material is polysilicon having a first conductivity type impurity.
[0030]
In the eighth aspect, polysilicon is used as an example of the conductive material. However, as described above, the conductive material is not limited to polysilicon.
[0031]
A solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the fourth to eighth aspects, wherein the conductive material is disposed outside the trench along a portion along the inner wall of the trench. In addition, a first conductivity type diffusion layer is formed.
[0032]
When the first conductivity type diffusion layer is formed outside the trench as in the ninth aspect, the first conductivity type diffusion layer also promotes the effect of reducing the resistance, which is preferable. When polysilicon is used as at least one of the filling materials in the trench as in the eighth aspect, the first conductivity type diffusion layer is formed by annealing after filling the polysilicon.
[0033]
A solid-state imaging device according to a tenth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the first conductivity type semiconductor layer is an epitaxial layer.
[0034]
In the tenth aspect, an example of the first conductivity type semiconductor layer is given. In the first to ninth aspects, the first conductivity type semiconductor layer is not limited to the epitaxial layer.
[0035]
A solid-state imaging device according to an eleventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the element is an amplification element.
[0036]
A solid-state imaging device including an amplifying element in a pixel accumulates a signal charge photoelectrically converted according to the amount of incident light in an amplifying element provided for each pixel, and amplifies and outputs a signal corresponding to the accumulated charge. Therefore, the sensitivity is increased, which is preferable.
[0037]
A solid-state imaging device according to a twelfth aspect of the present invention is a method of manufacturing the solid-state imaging device according to any one of the first to eleventh aspects, the step of forming the trench in the base, In addition, a step of forming one or more films each made of the one or more materials so as to fill the trench, and a step of removing a portion outside the trench in the one or more films by a CMP method And.
[0038]
According to the twelfth aspect, one or more films are formed so as to fill the trenches, and portions outside the trenches in the one or more films are removed by the CMP method. The one or more films can be removed at the same time, and the film inside the trench can be formed without over-etching, so that the upper part of the trench can be formed flat, and a subsequent process of forming Al wiring or the like The yield can also be improved.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0040]
[First Embodiment]
First, a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0041]
FIG. 1 is a schematic plan view showing a solid-state imaging device according to the present embodiment, and shows a state in which a plurality of pixels are arranged on a two-dimensional matrix. FIG. 2 is a schematic plan view showing unit pixels of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and is an enlarged view of a part of FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line X1-X2 in FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along line Y1-Y2 in FIG. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line Y3-Y4 in FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along line X3-X4 in FIG. In addition, FIG. 6 is not drawn in the magnitude | size proportional to FIGS. 3-5 which are other sectional drawings for easy understanding. FIG. 7 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 8 is a pulse timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
[0042]
In the following description of the present embodiment, the description will be divided into “basic structure”, “circuit configuration”, “operation”, and “characteristic structure and manufacturing method”.
[0043]
(Basic structure)
As shown in FIGS. 1 to 6, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes a high-concentration N-type semiconductor substrate 101 and a low-concentration N-type epitaxial layer formed on the semiconductor substrate 101. A base including the semiconductor layer 102 is provided. The substrate is formed with a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix (in the present invention, it may be arranged in a one-dimensional manner), a readout circuit described later with reference to FIG. Yes.
[0044]
Each pixel (unit pixel) is shown in FIG. 1 to FIG. 7 (refer to FIG. 1 to FIG. 6 for the structure of the pixel, and FIG. 7 for the circuit configuration of the pixel). A photodiode 1 for generating and storing electric charge; a junction field effect transistor (hereinafter referred to as “JFET”) 2 as an amplifying element for receiving the electric charge of the photodiode 1 at the gate region 15 and amplifying and outputting the same; , A transfer gate 3 formed of a polysilicon film for transferring charges generated and stored in the photodiode 1 to the gate region 15 of the JFET 2, and charges generated excessively in the photodiode 1 are discharged, and the gate region 15 of the JFET 2 is discharged. A reset drain 4 that controls the potential of the photodiode, an overflow control region 6a that guides the charge generated excessively by the photodiode 1 to the reset drain 4, A reset gate 5 which by FET2 polysilicon film that controls an electrical connection state between the gate region 15 and the reset drain 4, is mainly composed.
[0045]
In the present embodiment, the JFET 2 is an element that operates when power is supplied through the N-type semiconductor substrate 100 and the N-type semiconductor layer 101 in this order. That is, the JFET 2 operates by supplying power to the N-type drain region 16 through the N-type semiconductor substrate 100 and the N-type semiconductor layer 101 in this order.
[0046]
The photodiode 1, JFET 2, reset drain 4 and overflow control region 6a are formed in an N-type semiconductor layer 101 formed on a high-concentration N-type semiconductor substrate 100, and the transfer gate 3 and the reset gate 5 are N-type. SiO on the semiconductor layer 101 2 It is formed through an insulating film 102 such as a film.
[0047]
The photodiode 1 includes a P-type charge storage region 12 formed in an N-type semiconductor layer 101 on a high-concentration N-type semiconductor substrate 100 and a high-concentration formed near the semiconductor surface above the P-type charge storage region 12. The N-type semiconductor region 13 and the N-type semiconductor layer 101 generate and store charges corresponding to incident light. In the present embodiment, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 101 is lowered in order to increase the sensitivity of the photodiode 1 by increasing the detection sensitivity on the long wavelength side by expanding the depletion layer. .
[0048]
The JFET 2 includes a P-type gate region 15 formed in the N-type semiconductor layer 101, an N-type source region 14 and an N-type channel region 17 formed in the P-type gate region 15, and the N-type channel region. An N-type drain region 16 formed at a position facing the source region 14 across 17 is received by the gate region 15 and amplified and output.
[0049]
The N-type drain region 16 of the JFET 2 is also formed in the peripheral region of the pixel (except for the vicinity of the semiconductor surface below the transfer gate 3 and the reset gate 5) and also serves as an isolation region. Along the portion of the N-type drain region 16 formed in the peripheral region of the pixel (except for some portions such as the vicinity of the overflow control region 6a), the drain region 16 is left on both sides in the width direction. A pixel isolation region 110 is formed by the trench 111 so as to remove the N-type drain region 16. The pixel isolation region 110 formed between the pixels reduces crosstalk between the pixels, and at the same time, the surface side region in the N-type semiconductor substrate 100 and the N-type semiconductor layer 101 (in this embodiment, the drain region of JFET 2). 16), which is particularly important in the present invention and will be described in detail later. Note that the drain region 16 where the pixel isolation region 110 is formed is not necessarily formed. The N-type drain region 16 of the JFET 2 is formed continuously with the high-concentration N-type semiconductor region 13 formed near the surface of the photodiode 1. Further, the N-type region (13, 101) of the PN junction constituting the photodiode 1 and the N-type drain region 16 of the JFET are electrically connected. Further, the N-type drain region 16 is electrically connected to the high-concentration N-type semiconductor substrate 100 via the N-type semiconductor layer 101 and the pixel isolation region 110. Although not shown in the drawing, a drain electrode (not shown) formed on the substrate surface side around a pixel region in which each pixel is arranged in a matrix is further passed through a high-concentration N-type semiconductor substrate 100 and further. The drain voltage (potential) is supplied to the drain region 16 of the JFET 2 of each pixel via the N-type semiconductor layer 101 and the pixel isolation region 110. However, as in the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 16 to 20 described above, a drain electrode may be formed on the back surface of the substrate 100, and a drain voltage may be supplied from this drain electrode to the JFET 2 of each pixel. Of course.
[0050]
The P-type gate region 15 of the JFET 2 is formed so as to sandwich the N-type channel region 17 from above and below, and has a structure that increases the gain of the source follower operation and suppresses gain variation.
[0051]
The transfer gate 3 is composed of a gate electrode formed through an insulating film on the boundary region between the P-type charge storage region 12 of the photodiode 1 and the P-type gate region 15 of the JFET 2, and the P-type charge of the photodiode 1 is formed. The charges accumulated in the accumulation region 12 are transferred to the P-type gate region 15 of the JFET 2.
[0052]
That is, a P-channel MOS transistor is formed by the P-type region (P-type charge storage region 12) of the PN junction constituting the photodiode 1, the transfer gate 3, and the P-type gate region 15 of the JFET 2.
[0053]
The reset drain 4 is composed of a P-type charge discharge region 18 formed in the N-type semiconductor layer 101, discharges an excessive charge generated by the photodiode 1, and also passes through the reset gate 5 to JFET 2. The potential of the P-type gate region 15 is controlled.
[0054]
The reset gate 5 is composed of a gate electrode formed on the boundary region between the P-type gate region 15 of the JFET 2 and the P-type charge discharging region 18 of the reset drain 4 via the insulating film 102, and the P-type gate region of the JFET 2 15 and the P-type charge discharge region 18 of the reset drain 4 are controlled.
[0055]
That is, the P-type MOS region is constituted by the P-type gate region 15 of the JFET 2, the reset gate 5, and the P-type charge discharging region 18 of the reset drain 4.
[0056]
The overflow control region 6a is composed of a P-type semiconductor region formed inside the semiconductor layer 101 in the boundary region between the P-type charge accumulation region 12 of the photodiode 1 and the P-type charge discharge region 18 of the reset drain 4. 1 controls the overflow operation that leads the charge generated excessively to 1 to the charge discharge region 18 of the reset drain 4. A high concentration N-type semiconductor region 16 (same as the N-type drain region 16 of JFET 2) is formed in the vicinity of the semiconductor surface above the overflow control region 6a.
[0057]
That is, the P-type charge accumulation region 12, the P-type overflow control region 6a of the photodiode 1 and the P-type charge discharge region 18 of the reset drain are used as a source region, a channel region, and a drain region, respectively, and a high-concentration N-type semiconductor region. A P-channel JFET having the gate region of 16 and the N-type semiconductor layer 101 is formed.
[0058]
This P-channel JFET is in a cut-off (cut-off) state when the photodiode 1 is performing a standard operation, and a certain amount of light is incident on the P-type charge storage region 12 when strong light is incident on the photodiode 1. When the above charges (in this case, positive charges due to holes) are accumulated, that is, when the potential of the P-type charge accumulation region 12 rises above a certain level, it is formed to be in a conductive (ON) state. .
[0059]
Therefore, the charge generated excessively by the photodiode 1 flows out to the P-type charge discharge region 18 of the reset drain 4 via the overflow control region 6a. This excess charge is discharged from the reset drain wiring 24 made of Al via the reset drain contact hole 30, the relay wiring 23 made of Al wiring, and the relay wiring connection hole 31.
[0060]
A high-concentration N-type semiconductor region 16 (same as the N-type drain region 16 of JFET 2) formed near the semiconductor surface above the overflow control region 6a is a high-concentration N-type formed near the surface of the photodiode 1. It is formed continuously with the semiconductor region 13.
[0061]
Therefore, the vicinity of the semiconductor surface of the P-type charge accumulation region 12 of the photodiode 1 is covered with the high-concentration N-type semiconductor regions (13 and 16) including the surrounding region. The photodiode 1 is an embedded photodiode. It has become.
[0062]
Note that the high-concentration N-type semiconductor regions (13 and 16) are not formed on the end of the photodiode 1 on the transfer gate 3 side and the lower part of the transfer gate 3, but the performance of the embedded photodiode (semiconductor Low dark current characteristics due to non-depletion of the surface) are maintained. This is because, during the period in which the photodiode 1 performs the signal charge accumulation operation by photoelectric conversion, the transfer gate 3 is cut off (off) and a high-level pulse voltage is applied. This is because electrons are induced in the vicinity of the semiconductor surface to form a high concentration N-type semiconductor region.
[0063]
As described above, the photodiode 1 is a buried type photodiode having a JFET type lateral overflow drain structure. Similar to the buried photodiode having a vertical overflow drain structure, the photodiode 1 has blooming, smearing, and the like. The blurring phenomenon such as the above can be suppressed, and the dark current is suppressed because the depletion layer generated in the PN junction does not reach the semiconductor surface by the embedded photodiode. In addition, since no charge remains in the photodiode after the charge is transferred (due to complete transfer or complete depletion), ideal characteristics with reduced afterimage and reset noise can be obtained.
[0064]
More preferably, the P-type charge accumulation region 12 and the P-type overflow control region 6a of the photodiode 1 are formed in the same manufacturing process. This is because the discontinuity of the impurity concentration does not occur at the connection portion between the P-type charge accumulation region 12 and the P-type overflow control region 6a of the photodiode 1 (the high concentration region does not occur due to the overlapping of both). This is because the complete depletion characteristic of the P-type charge storage region 12 can be easily obtained and the manufacturing process is simplified.
[0065]
In addition, a transfer gate wiring 20 made of a polysilicon film, a reset gate wiring 21 made of a polysilicon film, a relay wiring 23, a reset drain wiring 24, and a vertical signal line 22 made of an Al wiring are also formed as shown in the figure. That is, the N-type source region 14 of each JFET 2 is commonly connected in the vertical scanning direction by the vertical signal line 22. The transfer gate 3 is connected in common in the horizontal scanning direction by the transfer gate wiring 20 and the reset gate 5 by the reset gate wiring 21. The charge drain region 18 of the reset drain 4 is commonly connected in the horizontal scanning direction by the reset drain wiring 24 via the contact hole 30, the relay wiring 23, and the relay wiring connecting hole 31. The reset drain wiring 24 also serves as a light shielding film that shields light other than the photodiode 1.
[0066]
By the way, the P-type gate region 15 of the JFET 2 and the P-type charge discharging region 18 of the reset drain 4 are alternately arranged adjacent to each other in the horizontal scanning direction, and the reset gate 5 is interposed on the boundary region between them via an insulating film. Arranged without leaking. That is, two reset gates 5 are formed per pixel. A P-channel MOS transistor composed of a P-type gate region 15 of JFET 2, a reset gate 5 and a P-type charge drain region 18 of reset drain 4 is connected in series in the horizontal scanning direction. Yes.
[0067]
Therefore, when the reset gate 5 becomes conductive (ON), the P-type gate regions 15 of the JFETs 2 and the P-type charge discharge regions 18 of the reset drains 4 alternately arranged in the horizontal scanning direction All are electrically connected.
[0068]
As a result, even if a failure in the release mode in which the connection between the reset drain wiring 24 and the reset drain 4 becomes incomplete in a certain pixel occurs, the MOS from the reset drain 4 of another pixel arranged in the horizontal scanning direction. The gate region of the JFET is correctly controlled via the transistor.
[0069]
The P-type charge accumulation region 12 of the photodiode 1 and the P-type charge discharge region 18 of the reset drain 4 are alternately arranged adjacent to each other in the vertical scanning direction, and the overflow control region 6a is formed in the boundary region between them. ing. That is, when intense light is incident on the photodiode 1 of a certain pixel and excessive charge is generated, two overflow control regions 6a that lead the excessive charge to the reset drain 4 are formed in the vertical scanning direction. Overflow operation is possible in two paths for one photodiode.
[0070]
(Circuit configuration)
Next, the circuit configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0071]
As can be seen from the above description of the structure, each pixel serving as a unit pixel includes a photodiode 1, a JFET 2, a transfer gate 3, a reset drain 4, and a reset gate 5 present at a rate of two per pixel. Has been. The N-type region (101 and 13) of the photodiode 1 (not shown in FIG. 7) is electrically connected to the drain region 16 of JFET 2 (indicated by “D” in FIG. 7), and The P-type MOS transistor is constituted by the P-type region 13 (not shown in FIG. 7) of the photodiode 1 and the transfer gate 3 and the gate region 15 (not shown in FIG. 7) of the JFET 2. . Further, there are two P-channel MOS transistors composed of the gate region 15, the reset gate 5 and the reset drain 4 of the JFET 2 per pixel, and are connected in series in the horizontal scanning direction. .
[0072]
Although not explicitly shown in the circuit shown in FIG. 7, the photodiode 1 has a lateral type due to an overflow control region 6 a (not shown in FIG. 7) and a reset drain 4 that exist at a rate of two per pixel. An overflow drain structure is formed, and has a function of discharging excess charges to the reset drain 4 through two paths with respect to one photodiode 1. This excess charge is finally absorbed by the vertical scanning circuit 7 via the reset drain wirings 24a to 24c (corresponding to the reset drain wiring 24a in FIGS. 1 to 5).
[0073]
The source regions 14 of each JFET 2 (indicated by reference sign “S” in FIG. 7) are commonly connected by vertical signal lines 22a to 22d for each column of the matrix arrangement.
[0074]
As described above, the drain region 16 (D) of each JFET 2 is connected to the drain power supply VD in common for all pixels.
[0075]
The transfer gate 3 is connected in common in the horizontal scanning direction and connected to the vertical scanning circuit 7 by transfer gate wirings 20a to 20c (corresponding to the transfer gate wiring 20 in FIG. 5) for each row of the matrix arrangement. Then, the pulses φTG1 to φTG3 sent from the vertical scanning circuit 7 operate for each row.
[0076]
The reset gate 5 is commonly connected in the horizontal scanning direction for each row of the matrix arrangement by reset gate wirings 21a to 21c (corresponding to the reset gate wiring 21 in FIGS. 1, 2, 4, and 5). The reset gate lines 21a to 21c are all connected in common around the matrix arrangement (left end or right end). Then, all the pixels are operated simultaneously by the drive pulse φRG.
[0077]
The reset drain 4 is commonly connected in the horizontal scanning direction and connected to the vertical scanning circuit 7 by reset drain wirings 24a to 24c (corresponding to the reset drain wiring 24 in FIGS. 1 to 5) for each row of the matrix arrangement. ing. And it is driven by pulses φRD1 to φRD3 sent from the vertical scanning circuit 7.
[0078]
On the other hand, the vertical signal lines 22a to 22d (corresponding to the reset gate wiring 21 in FIGS. 1 to 4 and 6) include the optical signal output transfer MOS transistors TS1 to TS4 and the dark output transfer MOS transistors TD1 to TD4. Are connected to the optical signal output storage capacitors CS1 to CS4 and the dark output storage capacitors CD1 to CD4 through the horizontal selection MOS transistors THS1 to THS4 and THD1 to THD4, and then to the horizontal signal lines 27a (signal output lines) and 27b. (Dark output line).
[0079]
The MOS transistors TS1 to TS4 and TD1 to TD4 are operated by drive pulses φTS and φTD, respectively. Further, the MOS transistors THS1 to THS4 and THD1 to THD4 are sequentially operated by pulses φH1 to φH4 sent from the horizontal scanning circuit 8.
[0080]
Output buffer amplifiers 28a and 28b and horizontal signal line reset MOS transistors TRHS and TRHD are connected to the horizontal signal lines 27a and 27b. The MOS transistors TRHS and TRHD are operated by the drive pulse φRH. Further, parasitic capacitances CHS and CHD exist in the horizontal signal lines 27a and 27b.
[0081]
On the other hand, the vertical signal lines 22a to 22d are connected to the reset signal MOS transistors TRV1 to TRV4 and the constant current sources 26a to 26d of the vertical signal line. The reset signal MOS transistors TRV1 to TRV4 of the vertical signal line are operated by the drive pulse φRV.
[0082]
(Operation)
Next, the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As already described, since the transfer gate 3 and reset gate 5 of each pixel constituting the unit pixel are P-channel type, in FIGS. 7 and 8, φTG1 to φTG3 and φRG are polarities of other pulses. Is reversed. That is, when these pulses are at a low level, the corresponding transfer gate 3 or reset gate 5 is turned on (on), and when these pulses are at a high level, they are turned off (off).
[0083]
In FIG. 8, the period from t11 to t15 indicates the pixel readout operation of the first row, and the period from t21 to t25 and t31 to t35 corresponds to the second row and the third row, respectively. is doing. In addition, t11 to t14, respectively, t11 is a row selection operation and an initialization operation of JFET2, t12 is a source follower operation of JFET2 in the first row after initialization, t13 is a first-row photodiode 1 to JFET2 The signal charge transfer operation to, and t14 is a period corresponding to the source follower operation of the JFET 2 in the first row after the signal charge transfer, and these four operations are performed within the horizontal blanking period. T15 is a video signal output period.
[0084]
First, at the beginning of the period t11, the drive pulse φRD1 is set to the high level (the drive pulses φRD2 and φRD3 remain at the low level), and the high-level voltage is applied to the reset drain 4 of the pixels in the first row. A low level voltage is applied to the reset drain 4 in the third row. Then, a high level voltage is applied to the gate region of the JFET 2 of the pixel in the first row via the reset gate 5 of all the pixels to which the low level φRG is applied and is already conductive (ON). The low level voltage is transmitted to the gate region of the JFET 2 of the pixels in the second and third rows, the JFET 2 in the first row is turned on (selected), and each JFET 2 in the second row and thereafter is turned off ( (Not selected) state.
[0085]
Then, at the end of the period t11, the drive pulse φRG is set to the high level and the reset gates 5 of all the pixels are turned off (off), whereby the gate region of each JFET 2 is turned on (selected) and turned off (selected). The non-selected state is kept floating. That is, the gate region 15 of the JFET 2 in the selected row is initialized to the high level potential, and the gate region 15 of the JFET 2 in the non-selected row is initialized to the low level potential.
[0086]
In the operation during this period t11, the solid-state imaging device according to the present embodiment has the P-channel MOS transistor constituted by the gate region 15, the reset gate 5 and the reset drain 4 of the JFET 2 connected in series in the horizontal scanning direction. Even if a failure in the release mode in which the connection between the reset drain 4 and the reset drain wirings 24a to 24c is incomplete in a certain pixel occurs, the MOS transistor is connected to another reset drain 4 arranged in the horizontal scanning direction. Via, the gate region 15 of the JFET 2 is correctly controlled, and is initialized to a high level potential for a selected row and to a low level for a non-selected row.
[0087]
In the period t12, the drive pulse φRV is set to a low level to turn off the reset transistors TRV1 to TRV4, and each JFET 2 in the first row performs a source follower operation. During this period t12, the drive pulse φTD is at a high level and the dark output transfer MOS transistors TD1 to TD4 are in a conductive (ON) state, corresponding to the potential immediately after the initialization of the gate region 15 of each JFET2. The output (dark output) voltage is charged to the dark output storage capacitors CD1 to CD4.
[0088]
In the period t13, the driving pulse φTG1 is set to the low level (the driving pulses φTG2 and φTG3 remain at the high level), the transfer gates 3 of the pixels in the first row are turned on, and the photodiodes in the first row are set. The signal charge generated and accumulated in 1 is transferred to the gate region 15 of JFET 2. Note that the potential of the gate region 15 of the JFET 2 after transferring the signal charge changes (in this case, rises) by the amount of signal charge / gate capacitance.
[0089]
At the end of the period t13, when the drive pulse φTG1 is set to the high level to turn off the transfer gate 3, the photodiode 1 in the first row enters the next signal charge accumulation operation by photoelectric conversion. In FIG. 8, tLI indicates the charge accumulation time of the photodiode.
[0090]
In the period t14, similarly to the period t12, the drive pulse φRV is set to the low level to turn off the reset transistors TRV1 to TRV4, and each JFET 2 in the first row performs the source follower operation. During this period t14, the drive pulse φTS is at a high level and the optical signal output transfer MOS transistors TS1 to TS4 are in a conductive (ON) state, corresponding to the potential after the charge is transferred to the gate region 15 of each JFET2. The output (signal output) voltage is charged in the optical signal output storage capacitors CS1 to CS4.
[0091]
The constant current sources 26a to 26d serve as loads for the source follower operation in the periods t12 and t14, and control the operating point and operating speed of the JFET.
[0092]
The charge amplification factor of the source follower operation is determined by the ratio (CS / Cg) between the optical signal output storage capacitors CS1 to CS4 and the gate capacitance Cg of the JFET, and obtains a high amplification factor of several hundred times to a thousand times or more. Is possible.
[0093]
In addition, since this source follower operation is performed for each row in the horizontal blanking period, the time for the amplification operation is longer than that for pixels amplified for each pixel in synchronization with horizontal scanning (for example, φH1 to φH4). The operating band can be narrowed by one to two digits by increasing the capacitance values of the optical signal output storage capacitors CS1 to CS4 and the dark output storage capacitors CD1 to CD4. Therefore, it is possible to significantly suppress noise accompanying the amplification operation.
[0094]
In the period t15, the driving pulses φH1 to φH4 are sequentially output from the horizontal scanning circuit 8, and the charges accumulated in the optical signal output storage capacitors CS1 to CS4 and the dark output storage capacitors CD1 to CD4 are respectively transferred to the horizontal signal line 27a. (Signal output lines) and 27b (dark output lines), and the video signals are output from the output terminals VOS and VOD via the output buffer amplifiers 28a and 28b. In addition, the drive pulse φRH is sequentially output to reset the horizontal signal lines (27a, 27b).
[0095]
Video signals obtained from the output terminals VOS and VOD are subtracted by an external arithmetic circuit (not shown). This is because the video signal obtained from the output terminal VOS contains an optical signal component (S) and a dark component (D), and the video signal obtained from the output terminal VOD contains only a dark component (D). Therefore, by subtracting the video signals obtained from the output terminals VOS and VOD (VOS-VOD), only the video signal corresponding to the optical signal component is extracted.
[0096]
Dark components included in both VOS and VOD include fixed pattern noise due to variations in threshold voltage of each JFET 2, and reset noise generated when the gate region 15 of JFET 2 is initialized from the reset drain 4 through the reset gate 5. , 1 / f noise and the like generated during the source follower operation by the JFET 2 and the constant current source (26a to 26d).
[0097]
That is, by subtracting VOS and VOD, it is possible to extract only the optical signal component from which the noise component has been removed, and the S / N ratio is improved.
[0098]
The reading operation of the first row for the period t11 to the period t15 described above is repeated for the second row and the third row in the periods t21 to t25 and the periods t31 to t35, respectively. Is called.
[0099]
In FIG. 8, the drive pulse (φRD1 to φRD3) of the reset drain 4 is at the low level for most of the period, and the excessive charge generated in the photodiode 1 is reset to the low level via the overflow control region 6a. It flows out to the drain 4.
[0100]
However, during the period t11 to t14, the drive pulse φRD1 is at the high level (φRD2 and φRD3 are in the low level state), so the overflow operation for the reset drain 4 in the first row is stopped (or the state is changed). To do.
[0101]
The overflow operation for the reset drain 4 in the second and third rows at t21 to t24 and t31 to t34 is the same.
[0102]
However, in the solid-state imaging device according to the present embodiment in which an overflow operation is possible in two paths in the vertical scanning direction with respect to one photodiode 1, a case where one path temporarily stops the overflow operation However, since the overflow operation is normally performed in the other path, the bleeding phenomenon such as blooming and smear can be suppressed.
[0103]
As described above, the photodiode 1, JFET 2, transfer gate 3, reset drain 4, two reset gates 5 per pixel, and two overflow control regions 6 a per pixel are arranged in a matrix. Since the solid-state imaging device according to the present embodiment employs a buried photodiode with a lateral overflow drain structure, dark current, afterimage, reset noise, blooming and smear are suppressed, and optical signal output accumulation is performed. The narrow-band source follower operation of the JFET 2 using the capacitor and the dark output storage capacitor as a load realizes a high charge amplification factor and suppresses noise during the amplification operation. Furthermore, by subtracting VOS and VOD, fixed pattern noise due to variations in the threshold voltage of JFET2, reset noise generated when the gate region of JFET2 is initialized, 1 / f noise during source follower operation, and the like. Be suppressed. Therefore, a video signal with high sensitivity and low noise (high S / N ratio) can be obtained.
[0104]
Further, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, since the drain wiring is deleted, the defect due to the short circuit mode between the drain wiring and the vertical signal line is eliminated, and the manufacturing yield is improved.
[0105]
In addition, even if a failure occurs in the release mode where the connection between the reset drain and the reset drain wiring is incomplete, the gate region of the JFET is correctly controlled, thereby reducing vertical line-shaped image defects and improving the manufacturing yield. To do.
[0106]
Further, since the light receiving aperture ratio of the photodiode 1 increases, the sensitivity is improved.
[0107]
In addition, since charges generated in the deep part of the photodiode 1 by photoelectric conversion are also accumulated in the photodiode 1, sensitivity (particularly sensitivity to light having a long wavelength) is improved.
[0108]
(Characteristic structure and manufacturing method)
Next, the pixel isolation region 110 by the trench 111, which is a characteristic structure of the solid-state imaging device according to the present embodiment, will be described in detail with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG.
[0109]
As already described, in the present embodiment, the pixel isolation region 110 is a portion of the N-type drain region 16 formed in the peripheral region of the pixel (however, the overflow control region 6a as shown in FIGS. 1 and 2). The N-type drain region 16 is formed so as to remove the N-type drain region 16 except for both side portions of the drain region 16 in the width direction. The drain region 16 where the pixel isolation region 110 is formed is not necessarily formed. In this case, the area of the photodiode 1 can be enlarged, which is preferable.
[0110]
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 6, the pixel isolation region 110 is composed of polysilicon 112 containing N-type impurities embedded in the trench 111 and an N-type diffusion layer 113. .
[0111]
The trench 111 is formed in the N-type semiconductor layer 101 at a depth just reaching the surface on the N-type semiconductor layer 101 side of the N-type semiconductor substrate 100 from the surface of the N-type semiconductor layer 101. However, the trench 111 may be further deepened so that the trench 111 reaches the inside of the N-type semiconductor substrate 100.
[0112]
The trench 111 is filled only with polysilicon 112 containing N-type impurities. In the present embodiment, the N-type diffusion layer 113 is due to the N-type impurities contained in the polysilicon 112. N-type diffusion layer 113 is formed outside trench 111 along a portion of polysilicon 112 along the inner wall of trench 111. That is, in this embodiment, since the trench 111 is embedded only with the polysilicon 112, the N-type diffusion layer 113 is formed outside the trench 111 along the entire inner wall of the trench 111.
[0113]
By forming the pixel isolation region 110, crosstalk between pixels is reduced (that is, pixel isolation), and the surface side region in the N-type semiconductor substrate 100 and the N-type semiconductor layer 101 (in this embodiment, Reduction of the resistance between the drain region 16 and the like of the JFET 2 is achieved at the same time.
[0114]
That is, since the carrier diffusion length in the polysilicon 112 is extremely short, the amount of photogenerated charges generated in adjacent pixels, that is, the amount of mixed carriers, that is, the amount of crosstalk can be significantly reduced. This is a significant advantage over the conventional pixel separation technique in which the pixel separation region is formed by a diffusion region.
[0115]
Further, since the polysilicon 112 containing the N-type impurity serves as a connection path for electrically connecting the high-concentration N-type semiconductor substrate 100 and the N-type drain region 16 of the JFET 2, the N-type semiconductor substrate 100 and the drain region Compared with the case where 16 is electrically connected via the low-concentration N-type semiconductor layer 101, the resistance between the two is remarkably reduced. Therefore, in this embodiment, the drain voltage is supplied from the N-type semiconductor substrate 100 as described above, but the potential drop to the drain region 16 is reduced. Therefore, as described above, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 101 is lowered in order to increase the detection sensitivity on the long wavelength side by expanding the depletion layer and increase the sensitivity of the photodiode 1, but the characteristics of the JFET 2 are There is no risk of instability. The impurity concentration of polysilicon 112 is preferably high.
[0116]
Instead of the polysilicon 112, another conductive material having conductivity with respect to at least the N-type semiconductor layer 101, such as a metal, may be embedded.
[0117]
By the way, the pixel isolation region 110 may be modified as shown in FIGS.
[0118]
9 to 11 are schematic cross-sectional views showing other structural examples of the pixel isolation region 110, and correspond to the cross-sectional view of FIG. 9 to 11, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 6 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
[0119]
The pixel isolation region 110 shown in FIG. 9 is different from the pixel isolation region 110 shown in FIG. 6 only in that the trench 111 does not reach the surface of the N-type semiconductor substrate 100 on the N-type semiconductor layer 101 side. In this case, not only the effect of reducing crosstalk and resistance according to the depth of the trench 111 is obtained, but also the method of forming the trench 111 is simplified compared to the pixel isolation region 110 shown in FIG. In addition, the yield can be improved and the opening width of the trench 111 can be reduced.
[0120]
The pixel isolation region 110 shown in FIG. 10 is different from the pixel isolation region 110 shown in FIG. 6 in that polysilicon 112 is embedded in a portion along the inner wall of the trench 111 and an oxide film or nitride film is formed in the remaining portion of the trench 111. It is only a point where the insulator 114 such as is embedded. In this case, a reduction in resistance is achieved by the polysilicon 112, and a complete suppression of crosstalk is achieved by the insulator 114. Crosstalk is completely suppressed by the insulating film 114 because carriers generated deeper than the high-concentration N-type semiconductor substrate 100 are absorbed by the high-concentration N-type semiconductor substrate 100 and substantially act as signal charges. This is because the carriers generated at a relatively shallow depth from the N-type semiconductor substrate 100 are completely separated from the adjacent pixels by the insulating film 114, so that the carriers are not mixed into the adjacent pixels.
[0121]
The pixel isolation region 110 shown in FIG. 11 differs from the pixel isolation region 110 shown in FIG. The only difference is that an insulator 114 such as an oxide film or a nitride film is buried in the removed portion, and polysilicon 112 is buried in the remaining portion of the trench 111. The N-type diffusion layer 113 made of N-type impurities contained in the polysilicon 112 is formed outside the trench 111 along a portion along the inner wall of the trench 111 in the polysilicon 112. In this case, as in the case of the pixel isolation region 110 shown in FIG. 10, the resistance is reduced by the polysilicon 112 and the crosstalk is completely suppressed by the insulator 114.
[0122]
Next, an example of a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 12 and 13, focusing on the method for forming the pixel isolation region 110. However, FIGS. 12 and 13 show a manufacturing method in the case where the pixel separation region 110 having the structure shown in FIG. 10 is adopted, and shows a cross section corresponding to FIG. 10 (and hence FIG. 6).
[0123]
First, an N-type semiconductor layer 101 is grown as a low-concentration epitaxial layer on a high-concentration N-type semiconductor substrate 100. Next, the trench 111 is formed by dry etching using the oxide film mask 201 as a trench formation mask (FIG. 12A).
[0124]
Next, a polysilicon film 112 is deposited on the substrate in the state shown in FIG. In this example, this deposition is performed so that the polysilicon film 112 is formed in a portion along the inner wall of the trench 111 (FIG. 12B). As described above, when the trench 111 is not completely filled with the polysilicon film 112, the N-type impurity is doped into the polysilicon film 112 by the diffusion using the liquid source source or the like after the deposition even when the deposition is performed. May be. On the other hand, when the pixel isolation region 110 shown in FIG. 6 is formed, the polysilicon film 112 is completely buried in the trench 111. In this case, N-type impurities are doped into the polysilicon film 112 at the time of deposition. It is preferable to do.
[0125]
Next, an oxide film 114 is formed on the substrate in the state shown in FIG. 12B so that the remaining portion of the trench 111 is completely buried (FIG. 12C). This step may be an oxide film deposition by a CVD method or dry oxidation of the polysilicon film 112, but long-time dry oxidation is not preferable because it may induce defects.
[0126]
Thereafter, the oxide film 114 is removed by the CMP method (FIG. 13A), and then the polysilicon film 112 and the oxide film 201 outside the trench 111 are simultaneously removed by the CMP method (FIG. 13B). ). The two-stage CMP may be performed under the same conditions, but at least in the latter CMP, the polishing rates of the oxide film 201 and the polysilicon film 112 are equal, or the polishing rate of the oxide film 201 is slightly low. preferable.
[0127]
Further, although not shown in the drawing, the P-type charge accumulation region 12 of the photodiode 1 is formed by a normal photolithography, implantation, cleaning, and annealing process. By this annealing, the polysilicon film 112 in the trench 111 is removed from the N film. The type impurities are diffused outside the trench 111, and an N-type first conductivity type isolation diffusion region 113 is further formed (FIG. 10). Furthermore, the above-described components of the solid-state imaging device according to the present embodiment are formed in accordance with a normal semiconductor device manufacturing process, thereby completing the solid-state imaging device according to the present embodiment. However, some elements can be formed before or during the formation of the pixel isolation region 110 by the trench 111 described above. For example, regions such as the P-type charge accumulation region 12 and the N-type drain region 16 may be formed before the trench 111 is formed.
[0128]
According to this manufacturing process, in the process of removing the polysilicon 112 and the oxide films 114 and 201 outside the trench 111, the CMP method is used to remove the polysilicon film 112 and the oxide films 114 and 201 in the same process of the same apparatus. 201 can be removed at the same time, and the films 112 and 114 inside the trench 111 can be formed without over-etching, so that the upper portion of the trench 111 can also be formed flat, and the subsequent formation of the Al wiring 22 The yield can be improved also in the process and the like.
[0129]
Even when the pixel isolation regions 110 shown in FIGS. 6, 9 and 11 are formed, a manufacturing method similar to the manufacturing method described above can be employed. When forming the pixel isolation region 110 shown in FIG. 11, the oxide film 114 is formed on the substrate in the state shown in FIG. 12A so as to be formed along the inner wall of the trench 111. After that, the portion of the oxide film 114 along the bottom surface of the trench 111 and the portion near the opening of the trench 111 are removed by anisotropic dry etching or the like, and then the remaining portion of the trench 111 is formed on the substrate. What is necessary is just to deposit the polysilicon film 112 by CVD method so that it may be completely embedded.
[0130]
[Second Embodiment]
Next, a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0131]
FIG. 14 is a schematic plan view showing the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view taken along line X13-X14 in FIG. 14 and 15, elements that are the same as or correspond to those in FIGS. 16 to 19 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
[0132]
14 is the same as FIG. 17 and the schematic cross-sectional view along the Y11-Y12 line in FIG. 14 is the same as FIG. 19, and the solid state according to the present embodiment. A circuit diagram showing a basic configuration of a pixel and a readout circuit system of the imaging device is the same as FIG.
[0133]
The solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 16 to 20 described above in that the pixel separation region 210 excludes a part of the surrounding region of each pixel between the pixels. Thus, it is only a point formed in place of the high concentration N-type diffusion region 311 as the pixel separation region. Similar to the pixel isolation region 110 shown in FIG. 6 described above, the pixel isolation region 210 includes a polysilicon 112 containing N-type impurities embedded in the trench 111 and an N-type diffusion layer 113. The pixel isolation region 210 may be configured similarly to the pixel isolation region 110 shown in FIG. 9, FIG. 10, or FIG. 11 instead of such a configuration.
[0134]
Therefore, in the present embodiment, the formation of the pixel isolation region 210 reduces crosstalk between pixels (that is, pixel isolation), and improves the surface side of the N-type semiconductor substrate 301 and the N-type semiconductor layer 302. Both the reduction of the resistance between the regions is achieved at the same time.
[0135]
Also in the solid-state imaging device according to the present embodiment, as in the conventional solid-state imaging device shown in FIGS. 16 to 20, the bipolar transistor Tr has a high-concentration N-type semiconductor substrate 301 and a low-concentration N-type semiconductor layer 302 in this order. In this embodiment, as described above, since the reduction of the resistance is achieved by the pixel isolation region 210, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 302 is lowered. Even so, the potential from the N-type semiconductor substrate 301 is sufficiently transmitted to the N-type semiconductor layer 302, and the performance of the bipolar transistor Tr is not lowered and the variation thereof is not increased. There is nothing to do. Therefore, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer 302 can be lowered, the detection sensitivity can be extended to the long wavelength side, and crosstalk can be suppressed without degrading the performance as a solid-state imaging device. .
[0136]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
[0137]
For example, in each of the embodiments described above, it goes without saying that the N type and the P type may be reversed.
[0138]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, crosstalk between pixels can be reduced, and the impurity concentration of a low-concentration semiconductor layer that forms a path along the way of feeding power to elements constituting the pixel can be reduced. In addition, it is possible to provide a solid-state imaging device that can sufficiently supply power to the element and sufficiently exhibit the performance of the element.
[0139]
Further, according to the present invention, it is possible to provide a manufacturing method suitable for manufacturing such a solid-state imaging device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing unit pixels of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
3 is a schematic sectional view taken along line X1-X2 in FIG.
4 is a schematic sectional view taken along line Y1-Y2 in FIG.
5 is a schematic sectional view taken along line Y3-Y4 in FIG.
6 is a schematic sectional view taken along line X3-X4 in FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
FIG. 8 is a pulse timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another structural example of the pixel isolation region.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing still another structural example of the pixel isolation region.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing still another structural example of the pixel isolation region.
12 is a diagram showing a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment; FIG.
13 is a diagram showing a step that follows the step shown in FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a schematic plan view showing a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
15 is a schematic sectional view taken along line X13-X14 in FIG.
FIG. 16 is a schematic plan view showing a conventional solid-state imaging device.
17 is a schematic sectional view taken along line X11-X12 in FIG.
18 is a schematic sectional view taken along line X13-X14 in FIG.
19 is a schematic cross-sectional view taken along line Y11-Y12 in FIG.
FIG. 20 is a circuit diagram illustrating a basic circuit configuration of a pixel and a readout circuit system of the conventional solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
1 Photodiode
2 Junction Field Effect Transistor (JFET)
3 Transfer gate
4 Reset drain
5 Reset gate
6a Overflow control area
7 Vertical scanning circuit
8 Horizontal scanning circuit
12 P-type charge storage region
13 N-type semiconductor region
14 N-type source region
15 P-type gate region
16 N-type drain region
17 N-type channel region
18 P-type charge discharge area
20, 20a-20c Transfer gate wiring
21, 21a-21c Reset gate wiring
22, 22a-22d Vertical signal line
23 Relay wiring
24, 24a-24c Reset drain wiring
26a-26d constant current source
27a, 27b Horizontal signal line
28a, 28b Output buffer amplifier
30 Contact hole for reset drain
31 Relay wiring connection hole
100,301 High-concentration N-type semiconductor substrate
101,302 Low-concentration N-type semiconductor layer (epitaxial layer)
110,210 pixel separation region
111 trench
112 Polysilicon
113 N-type diffusion layer
114 Insulator
Tr bipolar transistor
Cox, Cr capacity
303 PMOSFET
304 Transfer MOSFET
305 Reset MOSFET
VL vertical output line
306 P-type diffusion region (base)
307 N-type diffusion region (emitter)
308 Metal film (collector electrode)
309 Polysilicon for relay wiring
310 Al wiring
311 N-type diffusion region

Claims (5)

高濃度の第1導電型半導体基板と該第1導電型半導体基板上に形成された低濃度の第1導電型半導体層とからなる基体を備え、該基体に複数の画素が形成され、前記各画素が、前記第1導電型半導体基板及び前記第1導電型半導体層をこの順に経由して給電されることにより作動する素子を含む固体撮像装置であって、
前記基体には、前記各画素間において、トレンチが前記第1導電型半導体層の表面から形成され、
前記第1導電型半導体基板と前記第1導電型半導体層における表面側領域との間の抵抗が低減するとともに、前記各画素間のクロストークが低減するように、前記トレンチに1種以上の材料が埋め込まれ
前記トレンチの内壁に沿った部分のうちの前記トレンチの底面に沿った部分及び前記トレンチの開口付近の部分を除く部分に絶縁物が埋め込まれ、前記トレンチの残りの部分に、少なくとも前記第1導電型半導体層に対して導電性を有する導電材料が埋め込まれたことを特徴とする固体撮像装置。
A substrate having a first conductive semiconductor substrate having a high concentration and a first conductive semiconductor layer having a low concentration formed on the first conductive semiconductor substrate, wherein a plurality of pixels are formed on the substrate; A solid-state imaging device, wherein the pixel includes an element that operates when power is supplied through the first conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor layer in this order,
In the base, a trench is formed from the surface of the first conductivity type semiconductor layer between the pixels,
One or more materials are used for the trench so that resistance between the first conductive semiconductor substrate and a surface side region of the first conductive semiconductor layer is reduced and crosstalk between the pixels is reduced. Is embedded ,
Of the portion along the inner wall of the trench, an insulator is embedded in a portion other than a portion along the bottom surface of the trench and a portion in the vicinity of the opening of the trench, and at least the first conductive is provided in the remaining portion of the trench. A solid-state imaging device, wherein a conductive material having conductivity is embedded in a type semiconductor layer .
前記導電材料が、第1導電型不純物を有するポリシリコンであることを特徴とする請求項記載の固体撮像装置。Wherein the conductive material is solid-state imaging device according to claim 1, wherein the polysilicon of the first conductivity type impurity. 前記導電材料における前記トレンチの内壁に沿った部分に沿って、前記トレンチの外側に第1導電型拡散層が形成されたことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a first conductivity type diffusion layer is formed outside the trench along a portion along the inner wall of the trench in the conductive material. 前記第1導電型半導体層がエピタキシャル層であることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first conductive semiconductor layer is an epitaxial layer. 前記素子が増幅素子であることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the element is an amplification element.
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