JP4857773B2 - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents

Solid-state imaging device and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP4857773B2
JP4857773B2 JP2006007190A JP2006007190A JP4857773B2 JP 4857773 B2 JP4857773 B2 JP 4857773B2 JP 2006007190 A JP2006007190 A JP 2006007190A JP 2006007190 A JP2006007190 A JP 2006007190A JP 4857773 B2 JP4857773 B2 JP 4857773B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photoelectric conversion
layer
conversion unit
semiconductor layer
disposed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006007190A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007189131A (en
Inventor
禎 成井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP2006007190A priority Critical patent/JP4857773B2/en
Publication of JP2007189131A publication Critical patent/JP2007189131A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4857773B2 publication Critical patent/JP4857773B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、カラーフィルタを有する固体撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device having a color filter.

近年、ビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型、CMOS型等の固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。各光電変換部の間は、分離領域によって電気的に分離されている。CMOS型の固体撮像素子は、各画素に画素アンプを有し、信号電荷に対応する電気信号を生成し出力する。   In recent years, video cameras and electronic cameras have been widely used. For these cameras, CCD-type, CMOS-type, etc. solid-state image sensors are used. In the solid-state imaging device, a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in a matrix, and a signal charge is generated by the photoelectric conversion unit of each pixel. Each photoelectric conversion unit is electrically separated by a separation region. A CMOS type solid-state imaging device has a pixel amplifier in each pixel, and generates and outputs an electrical signal corresponding to a signal charge.

生成され蓄積された信号電荷は、光電変換部に隣接して配置される転送部の動作に従い、電荷蓄積部からCCDまたは画素アンプに転送される。そして、信号電荷または信号電荷に応じた電気信号がCCDや信号線を介して外部に出力される。   The generated and accumulated signal charge is transferred from the charge storage unit to the CCD or pixel amplifier in accordance with the operation of the transfer unit arranged adjacent to the photoelectric conversion unit. A signal charge or an electric signal corresponding to the signal charge is output to the outside via a CCD or signal line.

CMOS型の固体撮像素子は、CMOSを形成するためにN型のシリコン基板上にP型のウエルを設け、P型ウエルに画素領域を配置することが広く行われている。しかしながら、上記のようなN型のシリコン基板上にP型のウエルを設ける構成は、感度(即ち、入射量に対する発生する電荷の量))不足になる傾向がある。   In a CMOS type solid-state imaging device, in order to form a CMOS, a P-type well is provided on an N-type silicon substrate, and a pixel region is disposed in the P-type well. However, the configuration in which the P-type well is provided on the N-type silicon substrate as described above tends to be insufficient in sensitivity (that is, the amount of charge generated with respect to the incident amount).

これは、P型のウエル中で発生した電荷がN型シリコン基板に取り込まれ、信号電荷として寄与しない成分が生ずるためである。このため、P型シリコン基板上にこれより低濃度のP型ウエルを配置させる構成が提案されている(例えば特許文献1)。   This is because the charge generated in the P-type well is taken into the N-type silicon substrate, and a component that does not contribute as signal charge is generated. For this reason, a configuration has been proposed in which a P-type well having a lower concentration is disposed on a P-type silicon substrate (for example, Patent Document 1).

また、カラー信号を得る固体撮像素子は、画素の光電変換部の上部に所定のカラーフィルタを有している。カラーフィルタは、RGB系においては赤(R)、緑(G)、青(B)のいずれかが、補色系においてはシアン、マゼンタ、イエローのいずれかが、光電変換部に対応して配置される。さらに、4色以上のカラーフィルタを用いることもある。   A solid-state image sensor that obtains a color signal has a predetermined color filter above the photoelectric conversion unit of the pixel. As for the color filter, one of red (R), green (G), and blue (B) is arranged corresponding to the photoelectric conversion unit in the RGB system, and one of cyan, magenta, and yellow is arranged in the complementary color system. The In addition, a color filter of four or more colors may be used.

ところで、このようにカラー信号を得る固体撮像素子は、波長の長い光(RGB系ならR)に対する感度が低いことが知られている。これは、波長が長い光ほど半導体の表面から深い位置まで侵入して光電変換するためである。深い位置で光電変換すると、電荷は、ドリフトする距離が長くなるため所望の光電変換部に到達する確率が低くなる。   By the way, it is known that a solid-state imaging device that obtains a color signal in this way has low sensitivity to light with a long wavelength (R in the case of RGB). This is because light having a longer wavelength penetrates from the surface of the semiconductor to a deeper position and performs photoelectric conversion. When photoelectric conversion is performed at a deep position, the distance that the charge drifts becomes long, so that the probability of reaching a desired photoelectric conversion unit is low.

このため、波長の長い光は感度が低下する。また、このような電荷が隣接する画素の光電変換部に到達すると、クロストークとなる。近年、画素サイズを縮小化してより解像度を向上させることが望まれている。しかし、画素サイズが縮小化されると、隣接する光電変換部間の距離も縮小され、波長の長い光によって生成されるクロストーク成分が増大し、SN比は悪化する。   For this reason, the sensitivity of light having a long wavelength decreases. Further, when such charges reach the photoelectric conversion units of adjacent pixels, crosstalk occurs. In recent years, it has been desired to improve the resolution by reducing the pixel size. However, when the pixel size is reduced, the distance between adjacent photoelectric conversion units is also reduced, the crosstalk component generated by light having a long wavelength is increased, and the SN ratio is deteriorated.

そこで、特許文献2においては、Rのカラーフィルタが配置される光電変換部(以下、R画素、R光電変換部、或は単にRと記載する。B、Gについても同様)以外の光電変換部の下部にバリア領域を配置させ、Rのカラーフィルタから入射して隣接する光電変換部に進入してクロストークとなる電荷を阻止することによって、SN比を向上させることが提案されている。
特開2002−170945号公報 特開2004−152819号公報
Therefore, in Patent Document 2, a photoelectric conversion unit other than a photoelectric conversion unit in which an R color filter is disposed (hereinafter referred to as an R pixel, an R photoelectric conversion unit, or simply R. The same applies to B and G). It has been proposed to improve the S / N ratio by disposing a barrier region at the lower portion of the light source and blocking charges that enter the adjacent photoelectric conversion unit from the R color filter and become crosstalk.
JP 2002-170945 A JP 2004-152819 A

特許文献1に従ってP型半導体基板に低濃度のP型ウエルを設け、特許文献2に従ってバリア領域を配置させるなら、光出力が向上しクロストークの低減された固体撮像素子が得られるはずである。
しかしながら、実際にはRの感度は向上しクロストークは低減されるものの、R以外の光信号の出力値が小さくなってしまうという新たな問題点が生じていた。
If a low-concentration P-type well is provided on a P-type semiconductor substrate according to Patent Document 1 and a barrier region is disposed according to Patent Document 2, a solid-state imaging device with improved light output and reduced crosstalk should be obtained.
However, in reality, although the sensitivity of R is improved and crosstalk is reduced, there is a new problem that the output value of the optical signal other than R becomes small.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、クロストークが低減されたまま、各色の信号出力が増大される固体撮像素子を提供する。   The present invention has been made in view of such problems, and provides a solid-state imaging device in which the signal output of each color is increased while crosstalk is reduced.

本発明者は、更なる研究の結果、上記特許文献に開示されている構成では、バリア領域が分離領域の最下部より光電変換部側に設けられており、これが上記問題点の原因であることを突き止め、発明するに至った。すなわち、上記の構成では、R以外の光電変換部は、表面からの幅が十分ではなく光電変換する領域が少なくなってしまっていた。よって、従来の構成では、入射する光が効率良く光電変換されていなかったのである。
そこで、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の上面に配置され前記第1半導体層より第1導電型の不純物濃度が低濃度である第2半導体層と、前記第2半導体層の内部に配置され前記第2半導体層より不純物濃度が高濃度である第1導電型のバリア領域層とを有し、入射光量に応じて電荷を生成し蓄積する光電変換部を少なくとも有するアクティブ領域と前記光電変換部と対応して配置され所定の色に対応する波長の入射光を透過するカラーフィルタ及び前記アクティブ領域間を電気的に分離する分離領域とを含む画素が前記第2半導体層の表面に二次元状に複数配置され、前記バリア領域層は最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部の下、及び、前記分離領域の下に設けられ、前記アクティブ領域の下に配置される前記バリア領域層は前記分離領域の下に配置される前記バリア領域層よりも前記第1半導体層側に配置され、前記最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部と当該光電変換部の下に配置される前記バリア領域層との間に、当該光電変換部の全領域に渡って一定の間隔があけられ、前記バリア領域層は、最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部の下から前記分離領域の下へ段差が生ずるように連続して形成されたことを特徴とする。
この構成により、クロストークが低減されたまま、光電変換を行う厚さ方向の幅が増大して入射光を効率よく光電変換することが可能となる。このため、光信号の出力が増大する。
As a result of further research, the present inventor has found that the barrier region is provided on the photoelectric conversion unit side from the lowermost part of the separation region in the configuration disclosed in the above patent document, and this is the cause of the above problem. And came to invent. That is, in the above configuration, the photoelectric conversion portions other than R are not sufficiently wide from the surface, and the area for photoelectric conversion is reduced. Therefore, in the conventional configuration, incident light is not efficiently photoelectrically converted.
Accordingly, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a first conductive type first semiconductor layer and an upper surface of the first semiconductor layer, and the first conductive type impurity concentration is higher than that of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer having a low concentration and a first conductivity type barrier region layer disposed inside the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer; An active region having at least a photoelectric conversion unit that generates and accumulates electric charge and a color filter that is disposed corresponding to the photoelectric conversion unit and transmits incident light having a wavelength corresponding to a predetermined color are electrically connected between the active region. A plurality of pixels including a separation region to be separated are two-dimensionally arranged on the surface of the second semiconductor layer, and the barrier region layer is a portion other than a photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength color is disposed. Photoelectric converter Lower, and, provided below the separation region, disposed in the first semiconductor layer side than the barrier region layer the barrier region layer disposed beneath which is disposed below the isolation region of the active region The photoelectric conversion unit between the photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength color is disposed and the barrier region layer disposed under the photoelectric conversion unit The barrier region layer is spaced from the photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit where the color filter corresponding to the color of the longest wavelength is disposed below the separation region. It is characterized by being formed continuously so that a step is generated .
With this configuration, the width in the thickness direction in which photoelectric conversion is performed can be increased while crosstalk is reduced, and incident light can be efficiently photoelectrically converted. For this reason, the output of an optical signal increases.

本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記光電変換部は第2導電型の電荷蓄積層を有し、前記アクティブ領域は前記電荷蓄積層に蓄積された電荷を転送する転送ゲート部と前記転送ゲート部の動作により前記電荷蓄積層と電気的に接続され前記電荷蓄積層に蓄積された電荷が転送されるフローティング拡散部と前記フローティング拡散部に転送された電荷に対応する信号を出力する画素アンプ部と前記フローティング拡散部を一定電位にリセットするリセットトランジスタと画素を選択する選択トランジスタとをさらに有し、前記分離領域には選択酸化によるシリコン酸化膜が配置されることを特徴とする。   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 photoelectric conversion unit has a second conductivity type charge storage layer, and the active region has a charge stored in the charge storage layer. A transfer gate portion that transfers the charge, and a floating diffusion portion that is electrically connected to the charge storage layer by the operation of the transfer gate portion and charges stored in the charge storage layer are transferred, and a charge transferred to the floating diffusion portion A pixel amplifier section that outputs a signal corresponding to the above, a reset transistor that resets the floating diffusion section to a constant potential, and a selection transistor that selects a pixel, and a silicon oxide film by selective oxidation is disposed in the isolation region It is characterized by that.

ある画素から入射した光よって生成された電荷が隣接する画素の光電変換部に進入すれば、そのような電荷はクロストークとなる。しかし、このような電荷が同一内の画素においても悪影響を及ぼすこともある。つまり、画素内に光電変換部以外の能動素子が配置され、そのような能動素子に不要な電荷が進入すると誤動作等の悪影響を及ぼし、能動素子を不安定な状態にする。本態様のように画素内に複数の能動素子を有する構成では、単にクロストーク低減に留まらず、画素内の光電変換部以外の能動素子にノイズとなる電荷が侵入することが防止され、よって、能動素子をより安定的な状態に保持することが可能となる。また、分離領域にいわゆるLOCOS酸化膜を用いると、段差を有するバリア領域層の形成が容易となる。   If charges generated by light incident from a certain pixel enter the photoelectric conversion unit of an adjacent pixel, such charge becomes crosstalk. However, such charges may adversely affect pixels within the same area. That is, an active element other than the photoelectric conversion unit is arranged in the pixel, and if unnecessary charges enter such an active element, it has an adverse effect such as a malfunction and makes the active element unstable. In the configuration having a plurality of active elements in the pixel as in this aspect, not only crosstalk reduction but also the charge that becomes noise is prevented from entering the active elements other than the photoelectric conversion unit in the pixel. It becomes possible to hold the active element in a more stable state. In addition, when a so-called LOCOS oxide film is used for the isolation region, it is easy to form a barrier region layer having a step.

本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記アクティブ領域は、前記光電変換部が少なくとも配置される第1のアクティブ領域と、前記画素アンプ部及び前記選択トランジスタとが少なくとも配置される第2のアクティブ領域とを有し、前記第1のアクティブ領域と前記第2のアクティブ領域とは前記選択酸化によるシリコン酸化膜によって電気的に分離されていることを特徴とする。
本態様は、第1のアクティブ領域に電荷蓄積部を有する光電変換部を配置させ、第2のアクティブ領域にはノイズを嫌う能動素子を配置さるものである。この構成により、画素アンプ及び選択トランジスタに上記のノイズが侵入することは、更に困難となり、より安定的な動作が保持される。
The solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the second aspect, wherein the active region includes a first active region where at least the photoelectric conversion unit is disposed, the pixel amplifier unit, and the selection transistor. At least a second active region, wherein the first active region and the second active region are electrically separated by the silicon oxide film formed by the selective oxidation. .
In this aspect, a photoelectric conversion unit having a charge storage unit is arranged in the first active region, and an active element that dislikes noise is arranged in the second active region. With this configuration, it is more difficult for the noise to enter the pixel amplifier and the selection transistor, and a more stable operation is maintained.

本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第1から第3のいずれかの態様において、前記バリア領域層と前記第2半導体層表面との間には前記第1導電型のクロストーク防止層が配置されることを特徴とする。この構成により、クロストークは、さらに低減される。   A solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, has a crosstalk of the first conductivity type between the barrier region layer and the surface of the second semiconductor layer. A prevention layer is arranged. With this configuration, crosstalk is further reduced.

本発明の第5の態様による固体撮像素子は、前記第1から第4のいずれかの態様において、前記画素から信号を出力するための回路がさらに配置され、前記回路は、前記第2半導体層に配置されるMOSトランジスタと、前記第2半導体層表面に第2導電型のウエル領域を設け該第2導電型のウエル領域に配置されるMOSトランジスタと、前記第2半導体層とは電気的に分離される第1導電型のウエル領域を設け該第1導電型のウエル領域に配置されるMOSトランジスタとを有する。
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、前記第1から第5のいずれかの態様において、前記第1半導体層の不純物濃度は1E18c −3 以上であり、前記第2半導体層の不純物濃度は前記第1半導体層の不純物濃度に比べて1/10以下であることを特徴とする。
In the solid-state imaging device according to the fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, a circuit for outputting a signal from the pixel is further disposed, and the circuit includes the second semiconductor layer. The MOS transistor disposed in the second semiconductor layer is provided with a second conductivity type well region on the surface of the second semiconductor layer, and the MOS transistor disposed in the second conductivity type well region is electrically connected to the second semiconductor layer. A well region of the first conductivity type to be separated is provided, and a MOS transistor is disposed in the well region of the first conductivity type.
The 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 fifth aspects, wherein the impurity concentration of the first semiconductor layer is 1E18 cm −3 or more, and the impurity of the second semiconductor layer The concentration is 1/10 or less than the impurity concentration of the first semiconductor layer.

本発明の第7の態様による固体撮像素子は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の上に配置され前記第1半導体層より第1導電型の不純物濃度が低濃度である第2半導体層と、入射光量に応じて電荷を生成し蓄積する光電変換部及び前記光電変換部と対応して配置され所定の色に対応する波長の入射光を透過するカラーフィルタとを少なくとも有する画素が前記第2半導体層の表面に二次元状に複数配置され、最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部の下にはその他のカラーフィルタが配置される光電変換部の下よりも厚さの厚い前記第2半導体層が配置され、前記電荷が電子である場合には前記第1導電型はP型であり、前記電荷がホールである場合には前記第1導電型はN型であることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention includes a first conductive type first semiconductor layer, and an impurity concentration of the first conductive type lower than that of the first semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer, a photoelectric conversion unit that generates and accumulates electric charge according to the amount of incident light, and a color filter that is arranged corresponding to the photoelectric conversion unit and transmits incident light having a wavelength corresponding to a predetermined color. A plurality of pixels having at least two-dimensionally arranged on the surface of the second semiconductor layer, and other color filters are arranged under the photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength color is arranged. When the second semiconductor layer having a thickness greater than that under the photoelectric conversion unit is disposed, and the charge is an electron, the first conductivity type is a P-type, and when the charge is a hole, first conductivity type, wherein the N-type der Rukoto To.

このような構成においても、第1の態様と同様にクロストークが低減されたまま、光電変換を行う厚さ方向の幅が増大して入射光を効率よく光電変換することが可能となる。このため、光信号の出力が増大する。
また、第7の態様において、前記第2半導体層表面と前記第1半導体層との間少なくとも一部には、第1導電型のクロストーク防止層が配置されても良い。
本発明の第9の態様による固体撮像素子の製造方法は、前記第1乃至第のいずれかの態様による固体撮像素子を製造する固体撮像素子の製造方法であって、前記バリア領域層の全体を一括して形成する工程を備えたものである。
Even in such a configuration, the width in the thickness direction in which photoelectric conversion is performed can be increased and photoelectric conversion of incident light can be performed efficiently while crosstalk is reduced as in the first embodiment. For this reason, the output of an optical signal increases.
In the seventh aspect, a first conductivity type crosstalk preventing layer may be disposed at least partially between the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor layer.
A manufacturing method of a solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is a manufacturing method of a solid-state imaging device for manufacturing the solid-state imaging device according to any one of the first to sixth aspects, and the entire barrier region layer The process of forming in a lump.

本発明によれば、光電変換を行う厚さ方向の幅が増大して入射光を効率よく光電変換し、且つ、クロストークを低減することが可能となる。このため、光信号の出力が増大する。 According to the present invention, it is possible to increase the width in the thickness direction for performing photoelectric conversion, efficiently perform photoelectric conversion of incident light, and reduce crosstalk. For this reason, the output of an optical signal increases.

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像素子の2×2個の画素概略平面図である。各配線電極は略して記載している。また、前記した通り「R」はRのカラーフィルタを有する画素(又は光電変換部。以下、同様)を「G」はGのカラーフィルタを有する画素を「B」はBのカラーフィルタを有する画素を示している。ここではカラーフィルタはベイヤー配列にされている。しかし、これに限らずストライプ配列にしても構わない。
Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic plan view of 2 × 2 pixels of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. Each wiring electrode is abbreviated. In addition, as described above, “R” is a pixel (or photoelectric conversion unit, hereinafter the same) having an R color filter, “G” is a pixel having a G color filter, and “B” is a pixel having a B color filter. Is shown. Here, the color filters are arranged in a Bayer array. However, the present invention is not limited to this, and a stripe arrangement may be used.

各画素2は、光電変換部3、転送トランジスタ4、画素アンプ5、行選択トランジスタ6、リセットトランジスタ7を有している。ここでは、転送トランジスタ4、画素アンプ5、行選択トランジスタ6、リセットトランジスタ7のいずれもNMOSトランジスタを用いている。   Each pixel 2 includes a photoelectric conversion unit 3, a transfer transistor 4, a pixel amplifier 5, a row selection transistor 6, and a reset transistor 7. Here, the transfer transistor 4, the pixel amplifier 5, the row selection transistor 6, and the reset transistor 7 are all NMOS transistors.

符号31、32、38、39及び40は、各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域であり、符号33、34、35及び36は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート(電極)である。なお、符号38は、電源電圧VDDが印加される電源拡散部であり、符号31、32は、後述するようにフローティング拡散部である。   Reference numerals 31, 32, 38, 39, and 40 are N-type impurity diffusion regions that are part of each transistor. Reference numerals 33, 34, 35, and 36 are polysilicon gates (electrodes) of the transistors. is there. Reference numeral 38 denotes a power supply diffusion unit to which the power supply voltage VDD is applied, and reference numerals 31 and 32 denote floating diffusion units as will be described later.

光電変換部3は、電荷蓄積層44と空乏化防止層43からなる埋め込み型フォトダイオードである(図2参照)。光電変換部3に対応してR、G、Bのいずれかのカラーフィルタが配置される。なお、ここでは、RGB系のカラーフィルタとしたが、それに限られるものではなく、補色系のカラーフィルタを用いても良い。また、埋め込みフォトダイオードに代えて、空乏化防止層の無いフォトダイオードにしても良い。   The photoelectric conversion unit 3 is a buried photodiode including a charge storage layer 44 and a depletion prevention layer 43 (see FIG. 2). One of R, G, and B color filters is arranged corresponding to the photoelectric conversion unit 3. Although the RGB color filter is used here, the present invention is not limited to this, and a complementary color filter may be used. Further, a photodiode without a depletion prevention layer may be used instead of the embedded photodiode.

光電変換部3は、カラーフィルタを透過して入射した光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層44に蓄積する。光電変換部3の電荷蓄積層44に蓄積された電荷は、転送トランジスタ4がオン状態とされることによってフローティング拡散部31、32に転送される。   The photoelectric conversion unit 3 photoelectrically converts light incident through the color filter and stores the generated charge in the charge storage layer 44. The charges accumulated in the charge accumulation layer 44 of the photoelectric conversion unit 3 are transferred to the floating diffusion units 31 and 32 when the transfer transistor 4 is turned on.

転送トランジスタ4は、光電変換部3の電荷蓄積層44をドレイン、一方のフローティング拡散部31をソースとしたMOSトランジスタである。転送トランジスタ4は、そのゲート33(以下、転送ゲートと称す)に印加される駆動信号により駆動される。   The transfer transistor 4 is a MOS transistor having the charge storage layer 44 of the photoelectric conversion unit 3 as a drain and one floating diffusion unit 31 as a source. The transfer transistor 4 is driven by a drive signal applied to its gate 33 (hereinafter referred to as a transfer gate).

フローティング拡散部31、32は、転送ゲート33と隣接配置される第1のフローティング拡散部31と、第1のフローティング拡散部31とは分離領域46によって隔てられた第2のフローティング拡散部32とを有し、それらは配線電極37によって電気的に接続されている。また、フローティング拡散部31、32は、配線電極37によって画素アンプ5のゲート35と電気的に接続されている。   The floating diffusion portions 31 and 32 include a first floating diffusion portion 31 disposed adjacent to the transfer gate 33 and a second floating diffusion portion 32 separated by a separation region 46 from the first floating diffusion portion 31. And are electrically connected by the wiring electrode 37. The floating diffusion portions 31 and 32 are electrically connected to the gate 35 of the pixel amplifier 5 by the wiring electrode 37.

画素アンプ5は、電源拡散部38をドレイン、拡散領域39をソースとするMOSトランジスタである。上記のように、画素アンプ5のゲート35は、フローティング拡散部31、32(転送トランジスタ4のソース)に接続されている。そして画素アンプ5は、そのゲートの電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、画素アンプ5は、光電変換部3で生成された電荷の量に応じた電気信号を出力する。   The pixel amplifier 5 is a MOS transistor having the power source diffusion portion 38 as a drain and the diffusion region 39 as a source. As described above, the gate 35 of the pixel amplifier 5 is connected to the floating diffusion portions 31 and 32 (the source of the transfer transistor 4). The pixel amplifier 5 outputs an electric signal corresponding to the voltage of the gate. Accordingly, the pixel amplifier 5 outputs an electrical signal corresponding to the amount of charge generated by the photoelectric conversion unit 3.

行選択トランジスタ6は、拡散領域39をドレイン、拡散領域40をソースとするMOSトランジスタである。行選択トランジスタ6は、オン状態にされることで画素アンプ5の出力を垂直信号線22に出力する。すなわち、画素アンプ5と行選択トランジスタ6によってソースフォロワによる読み出しが可能となっている。   The row selection transistor 6 is a MOS transistor having the diffusion region 39 as a drain and the diffusion region 40 as a source. The row selection transistor 6 outputs the output of the pixel amplifier 5 to the vertical signal line 22 by being turned on. That is, the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6 can be read by the source follower.

リセットトランジスタ7は、電源拡散部38をドレイン、第2のフローティング拡散部32をソースとするMOSトランジスタである。リセットトランジスタ7は、オン状態にされることでフローティング拡散部31、32に蓄積されている電荷をリセットする。
図2は、図1のB−B’部における断面図である。なお、シリコン酸化膜より上方部の構成は省略している。実際には、シリコン酸化膜45、48の上方部には配線電極、保護膜、カラーフィルタ等が配置されている。
The reset transistor 7 is a MOS transistor having the power source diffusion portion 38 as a drain and the second floating diffusion portion 32 as a source. The reset transistor 7 resets charges accumulated in the floating diffusion portions 31 and 32 by being turned on.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. Note that the configuration above the silicon oxide film is omitted. Actually, a wiring electrode, a protective film, a color filter, and the like are disposed above the silicon oxide films 45 and 48.

本固体撮像素子は、不純物濃度が高濃度であるP型シリコン基板41に、それより低濃度であるP型エピタキシャル層42が配置される。即ち、第1導電型の第1半導体層と、第1導電型の第2半導体層とによって一つの基体をなしている。P型エピタキシャル層42の厚さは、6マイクロメートルである(後述する図3にて算出。過度期的濃度の領域も含む)。ただし、これに限られるものではなく、5−12マイクロメートルの範囲なら良い。   In the present solid-state imaging device, a P-type epitaxial layer 42 having a lower concentration is disposed on a P-type silicon substrate 41 having a high impurity concentration. That is, the first conductive type first semiconductor layer and the first conductive type second semiconductor layer form one substrate. The thickness of the P-type epitaxial layer 42 is 6 micrometers (calculated in FIG. 3 to be described later, including a region having an excessive concentration). However, it is not limited to this, and may be in the range of 5-12 micrometers.

P型シリコン基板41の不純物濃度は1E18/cm3(単位立方センチメートル当たり10の18乗。以下同様。)であり、P型エピタキシャル層42の不純物濃度(以下、単に濃度と記載する)は、1E15/cm3である。しかし、これらの濃度に限定されず、P型シリコン基板41の濃度は、1E16から5E20/cm3の範囲で、P型エピタキシャル層42の濃度は、それより低濃度であれば良い。   The impurity concentration of the P-type silicon substrate 41 is 1E18 / cm 3 (10 to the 18th power per cubic centimeter; the same applies hereinafter), and the impurity concentration of the P-type epitaxial layer 42 (hereinafter simply referred to as concentration) is 1E15 / cm 3. It is. However, the concentration is not limited to these. The concentration of the P-type silicon substrate 41 may be in the range of 1E16 to 5E20 / cm 3, and the concentration of the P-type epitaxial layer 42 may be lower than that.

このように本固体撮像素子1は、P型シリコン基板41の濃度の方がその上部に配置されるP型エピタキシャル層42より高濃度とされている。一方、光電変換によって発生し信号となる電荷は、ここでは電子であり、ポテンシャルの高い方へ移動して行く。P型不純物が高濃度に含まれるP型シリコン基板41は、P型エピタキシャル層42に比べてポテンシャルが低い。このため、P型エピタキシャル層42で生成される電荷(電子)は、ドリフトしても、基板側ではなく、P型エピタキシャル層42の表面側に導かれる。P型エピタキシャル層42の表面側には光電変換部3が配置されている。したがって、上記の構成により、基板側に吸収される電荷が少なくなり、高い光出力が得られる。   As described above, in the solid-state imaging device 1, the concentration of the P-type silicon substrate 41 is higher than that of the P-type epitaxial layer 42 disposed on the P-type silicon substrate 41. On the other hand, the charge generated by photoelectric conversion and serving as a signal is an electron here, and moves to a higher potential. The P-type silicon substrate 41 containing a high concentration of P-type impurities has a lower potential than the P-type epitaxial layer 42. For this reason, even if the charge (electrons) generated in the P-type epitaxial layer 42 drifts, it is guided not to the substrate side but to the surface side of the P-type epitaxial layer 42. The photoelectric conversion unit 3 is disposed on the surface side of the P-type epitaxial layer 42. Therefore, with the above configuration, less charge is absorbed on the substrate side, and a high light output is obtained.

P型エピタキシャル層42の濃度は、P型シリコン基板41より低濃度であれば上記の効果が得られる。しかし、P型シリコン基板41の濃度が1E18/cm3以上であり、P型エピタキシャル層42の濃度がP型シリコン基板41の濃度の1/10以下の濃度であれば、2つの濃度差によって生ずるポテンシャル差の絶対値は十分に大きく、より好ましい。   If the concentration of the P-type epitaxial layer 42 is lower than that of the P-type silicon substrate 41, the above effect can be obtained. However, if the concentration of the P-type silicon substrate 41 is 1E18 / cm 3 or more and the concentration of the P-type epitaxial layer 42 is 1/10 or less of the concentration of the P-type silicon substrate 41, the potential generated by the two concentration differences. The absolute value of the difference is sufficiently large and more preferable.

光電変換部3R、3Gは、N型の電荷蓄積層44と、その上面にP型の空乏化防止層43とを有する埋め込み型フォトダイオードである。なお、Rのカラーフィルタを有する光電変換部を光電変換部3R、Gのカラーフィルタを有する光電変換部を光電変換部3G、Bのカラーフィルタを有する光電変換部を光電変換部3Bと記載する。電荷蓄積層44の厚さは0.3マイクロメートルであり、濃度は5E16から5E17/cm3の範囲である。また、空乏化防止層43の厚さは0.2マイクロメートルであり、濃度は1E18から1E19/cm3の範囲である。   The photoelectric conversion units 3R and 3G are buried photodiodes each having an N-type charge storage layer 44 and a P-type depletion prevention layer 43 on the upper surface thereof. A photoelectric conversion unit having an R color filter is referred to as a photoelectric conversion unit 3R, a photoelectric conversion unit having a G color filter is referred to as a photoelectric conversion unit 3G, and a photoelectric conversion unit having a B color filter is referred to as a photoelectric conversion unit 3B. The charge storage layer 44 has a thickness of 0.3 micrometers and a concentration in the range of 5E16 to 5E17 / cm3. The depletion prevention layer 43 has a thickness of 0.2 micrometers and a concentration in the range of 1E18 to 1E19 / cm3.

空乏化防止層43の上面には薄いシリコン酸化膜45が配置される。ここでは、膜厚を0.05マイクロメートルとしている。各画素間は、分離領域46で電気的に分離されている。分離領域46には、厚いLOCOSシリコン酸化膜(以下、LOCOS酸化膜)48と、その下部におよそ0.5マイクロメートルの厚さのP型不純物による分離拡散49が配置される。LOCOS酸化膜48の膜厚は、0.8マイクロメートルである。しかし、これに限るものではない。また、LOCOS酸化膜で十分に分離されるなら、分離拡散49を配置する必要は必ずしも無い。   A thin silicon oxide film 45 is disposed on the upper surface of the depletion prevention layer 43. Here, the film thickness is 0.05 micrometers. Each pixel is electrically separated by a separation region 46. In the isolation region 46, a thick LOCOS silicon oxide film (hereinafter referred to as a LOCOS oxide film) 48 and an isolation diffusion 49 made of P-type impurities having a thickness of about 0.5 micrometers are disposed below the isolation region 46. The thickness of the LOCOS oxide film 48 is 0.8 micrometers. However, it is not limited to this. Further, if the LOCOS oxide film is sufficiently separated, the separation diffusion 49 is not necessarily arranged.

上記のように、ここでは、分離領域46に選択酸化(LOCOS)によるシリコン酸化膜48とその下の分離拡散49を用いている。しかし、トレンチによる分離などを用いてもよい。   As described above, here, the silicon oxide film 48 by selective oxidation (LOCOS) and the isolation diffusion 49 below the isolation region 46 are used. However, trench isolation may be used.

図3(a)は、図2におけるE−E’部分の正味の不純物濃度分布図であり、図3(b)は、図2におけるF−F’部分の正味の不純物濃度分布図である。いずれも縦軸に濃度、横軸に基体表面(空乏化防止層の表面)からの深さを示している。なお、縦軸は、対数表示で規格化をしている。本図より明白なとおり、光電変換部3G(及び、図2に図示されていない光電変換部3B)の下には、厚さが約1マイクロメートルのバリア領域層47が配置される。   FIG. 3A is a net impurity concentration distribution diagram of E-E ′ portion in FIG. 2, and FIG. 3B is a net impurity concentration distribution diagram of F-F ′ portion in FIG. 2. In each case, the vertical axis indicates the concentration, and the horizontal axis indicates the depth from the substrate surface (the surface of the depletion prevention layer). The vertical axis is normalized by logarithmic display. As is clear from this figure, a barrier region layer 47 having a thickness of about 1 micrometer is disposed under the photoelectric conversion unit 3G (and the photoelectric conversion unit 3B not shown in FIG. 2).

図3(a)から理解されるように、バリア領域層47は、光電変換部3Rの下には配置されない。また、図3(b)から理解されるように、バリア領域層47は、表面からおよそ4マイクロメートルの深さに配置されている(即ち、図2のd1は、4マイクロメートルである)。また、表面からおよそ0.5マイクロメートルの深さに電荷蓄積層44とP型ウエル層42とのPN接合がある。   As understood from FIG. 3A, the barrier region layer 47 is not disposed under the photoelectric conversion unit 3R. As can be understood from FIG. 3B, the barrier region layer 47 is disposed at a depth of about 4 micrometers from the surface (that is, d1 in FIG. 2 is 4 micrometers). Further, there is a PN junction between the charge storage layer 44 and the P-type well layer 42 at a depth of about 0.5 micrometers from the surface.

バリア領域層47は、P型エピタキシャル層42と同じP型の導電型であり、これより高濃度である。ここでは、ピーク濃度を3E17/cm3としている。しかし、バリア領域層47のピーク濃度は、P型エピタキシャル層42より高濃度であればよい。ただし、P型エピタキシャル層42の濃度の10倍以上が好ましい。   The barrier region layer 47 has the same P-type conductivity as the P-type epitaxial layer 42 and has a higher concentration than this. Here, the peak concentration is 3E17 / cm 3. However, the peak concentration of the barrier region layer 47 may be higher than that of the P-type epitaxial layer 42. However, 10 times or more the concentration of the P-type epitaxial layer 42 is preferable.

前記したように、光電変換されて信号となる電荷は、ここでは電子であり、ポテンシャルの低いP型不純物が高濃度である領域には導かれにくい。したがって、バリア領域層47が存在するため、光電変換部3Rから入射した光72により発生する電荷76は、隣接する光電変換部3Gに向かってドリフトすることが困難になる。以下、これを説明する。   As described above, the electric charge that is photoelectrically converted into a signal is an electron here, and is difficult to be guided to a region where a P-type impurity having a low potential is high in concentration. Therefore, since the barrier region layer 47 exists, it becomes difficult for the electric charges 76 generated by the light 72 incident from the photoelectric conversion unit 3R to drift toward the adjacent photoelectric conversion unit 3G. This will be described below.

光電変換部3Rより入射した光51は、波長が長いのでP型エピタキシャル層42の深部で電荷(電子)52を発生させる。電荷52は、P型シリコン基板41が高濃度であるためP型シリコン基板41から遠ざかるようにP型エピタキシャル層42中をドリフトする。   Since the light 51 incident from the photoelectric conversion unit 3R has a long wavelength, electric charges (electrons) 52 are generated in the deep portion of the P-type epitaxial layer. The charge 52 drifts in the P-type epitaxial layer 42 so as to move away from the P-type silicon substrate 41 because the P-type silicon substrate 41 has a high concentration.

光電変換部3Rの下にはバリア領域層47が配置されておらず、多くの電荷は、光電変換部3Rの電荷蓄積層44に導かれRの信号となる。残りの電荷52のうち、隣接する光電変換部3Gに向かってドリフトする電荷52は、低いポテンシャル(高濃度)であるバリア領域層47に向かうことになる。このため、バリア領域層47は、障壁となって電荷52のドリフトを遮る。つまり、電荷52は、たとえ一時的に3Gに向かってドリフトしても、より高いポテンシャルである光電変換部3Rの電荷蓄積部44に向かってドリフトすることになる。したがって、クロストークが低減される。   The barrier region layer 47 is not disposed under the photoelectric conversion unit 3R, and a large amount of charge is guided to the charge storage layer 44 of the photoelectric conversion unit 3R and becomes an R signal. Among the remaining charges 52, the charges 52 drifting toward the adjacent photoelectric conversion unit 3G are directed to the barrier region layer 47 having a low potential (high concentration). For this reason, the barrier region layer 47 becomes a barrier and blocks the drift of the charge 52. That is, even if the charge 52 temporarily drifts toward 3G, it drifts toward the charge accumulation unit 44 of the photoelectric conversion unit 3R having a higher potential. Therefore, crosstalk is reduced.

さらに、クロストークが低減されるばかりではなく、同一画素内の各トランジスタにノイズとなる電荷が侵入することが防止される。よって、同一画素内の各トランジスタをより安定的な状態に保持することが可能となる。   Furthermore, not only is the crosstalk reduced, but it is also possible to prevent noise charges from entering each transistor in the same pixel. Therefore, each transistor in the same pixel can be held in a more stable state.

また、バリア領域層47は、P型ウエル層42の内部であって、分離拡散49及び電荷蓄積層44と隔てて配置される。図3(b)から明らかのように、この間隔は、およそ2マイクロメートルである。このように、光電変換部3G、3Bの下には、十分な厚さのP型エピタキシャル層42が配置される。したがって、入射光が光電変換される空乏層が十分得られる。このため、生成される電荷量が増大し、これに伴い光出力値が増加する。
さらに、光電変換部3G、3Bの下に配置されるバリア領域層47は、分離領域46の下に配置されるバリア領域層47よりもP型シリコン基板41側に配置される。即ち、バリア領域層47は、電荷蓄積層44の下に配置される深さd1と、分離領域46の下に配置される深さd2が異なる。これにより、分離領域46において段差が生じている。なお、この段差の値(d1−d2)は、およそ0.4マイクロメートルであり、LOCOS酸化膜48の1/2である。
The barrier region layer 47 is disposed inside the P-type well layer 42 and separated from the separation diffusion 49 and the charge storage layer 44. As is apparent from FIG. 3 (b), this distance is approximately 2 micrometers. As described above, the P-type epitaxial layer 42 having a sufficient thickness is disposed under the photoelectric conversion units 3G and 3B. Therefore, a sufficient depletion layer in which incident light is photoelectrically converted can be obtained. For this reason, the amount of generated charges increases, and the light output value increases accordingly.
Furthermore, the barrier region layer 47 disposed under the photoelectric conversion units 3G and 3B is disposed closer to the P-type silicon substrate 41 than the barrier region layer 47 disposed under the isolation region 46. That is, the barrier region layer 47 is different in the depth d1 disposed under the charge storage layer 44 and the depth d2 disposed under the isolation region 46. Thereby, a step is generated in the separation region 46. The step value (d1-d2) is about 0.4 micrometers, which is ½ of the LOCOS oxide film 48.

このような段差が生じているため、さらにクロストークが低減される。つまり、光電変換部3Rの下で発生する電荷52がG隣接する光電変換部3Gに向かってドリフトしてクロストークとなるには、分離領域46の下を通過せねばならない。しかし、その通路は、分離拡散層49とバリア領域層47との僅かの幅d3である。しかも、分離拡散層49及びバリア領域層47はP型不純物濃度が高濃度(したがってポテンシャルが低い)であり、電子は通過するのが困難となる。このため、光電変換部3G、3Bの下には十分な厚さのP型エピタキシャル層42が配置されて光出力値が増加するとともに、上記段差によりクロストークが低減される。   Since such a step is generated, crosstalk is further reduced. That is, in order for the electric charge 52 generated under the photoelectric conversion unit 3R to drift toward the photoelectric conversion unit 3G adjacent to the G and become crosstalk, the charge 52 must pass under the separation region 46. However, the passage has a slight width d3 between the separation diffusion layer 49 and the barrier region layer 47. In addition, the isolation diffusion layer 49 and the barrier region layer 47 have a high P-type impurity concentration (and therefore a low potential), making it difficult for electrons to pass through. For this reason, the P-type epitaxial layer 42 having a sufficient thickness is disposed under the photoelectric conversion units 3G and 3B to increase the light output value and to reduce the crosstalk due to the step.

上記のように、この段差は、ここではおよそ0.4マイクロメートルである。しかし、この段差は0.3マイクロメートルでも効果があり、また、段差が大きいほど効果も大きい。なお、本実施形態において、LOCOS酸化膜48の膜厚が0.8マイクロメートル、分離拡散層49の厚さが0.5マイクロメートルであるので、d3は1.1マイクロメートルとなる。しかし、LOCOS酸化膜48の膜厚や、分離拡散層49の厚さを変えることにより、d3の幅は、より狭くされてもよい。d3の幅は、1.5マイクロメートル以下であるのが好ましい。   As described above, this step is approximately 0.4 micrometers here. However, this step is effective even at 0.3 micrometers, and the larger the step, the greater the effect. In this embodiment, since the thickness of the LOCOS oxide film 48 is 0.8 micrometers and the thickness of the separation diffusion layer 49 is 0.5 micrometers, d3 is 1.1 micrometers. However, the width of d3 may be made narrower by changing the thickness of the LOCOS oxide film 48 and the thickness of the isolation diffusion layer 49. The width of d3 is preferably 1.5 micrometers or less.

また、この段差は、LOCOS酸化膜48を用いて形成されている。このため、段差のあるバリア領域層47が一度のイオン注入により容易に形成することが可能となる。後述するとおり、バリア領域層47は、イオン注入により形成される。イオン注入では、シリコン酸化膜の厚さが厚いほど、シリコン表面からイオンが注入される距離が低減される。分離領域46にはLOCOS酸化膜48が配置されており、分離領域46は、その他の領域よりシリコン酸化膜の厚さが大きい。したがって、分離領域46は、その他の領域よりもイオンが到達する深さ低減させる。このため、分離領域46とその他の領域とでバリア領域層47の深さに段差が生ずる。   The step is formed using the LOCOS oxide film 48. For this reason, the stepped barrier region layer 47 can be easily formed by one ion implantation. As will be described later, the barrier region layer 47 is formed by ion implantation. In ion implantation, the thicker the silicon oxide film, the smaller the distance from which ions are implanted from the silicon surface. A LOCOS oxide film 48 is disposed in the isolation region 46, and the silicon oxide film is thicker in the isolation region 46 than in other regions. Therefore, the separation region 46 reduces the depth at which the ions reach more than other regions. For this reason, a step is generated in the depth of the barrier region layer 47 between the isolation region 46 and other regions.

ここでは、バリア領域層47を形成する製造工程において、分離領域46の酸化膜(LOCOS酸化膜48)を0.8マイクロメートルとし、光電変換部3上のシリコン酸化膜をプロテクト膜として0.05マイクロメートル配置させている。このため、薄いシリコン酸化膜の下に注入されるイオンは、厚いLOCOS酸化膜48の下に注入されるイオンより、およそ0.4マイクロメートルほど深く注入される。このように、シリコン酸化の膜厚に差が生じている画素領域にイオン注入することによって、段差のあるバリア領域層47が一度のイオン注入工程により容易に形成することができる。   Here, in the manufacturing process for forming the barrier region layer 47, the oxide film (LOCOS oxide film 48) in the isolation region 46 is set to 0.8 micrometers, and the silicon oxide film on the photoelectric conversion unit 3 is set to 0.05 as a protective film. The micrometer is arranged. Therefore, ions implanted under the thin silicon oxide film are implanted approximately 0.4 micrometers deeper than ions implanted under the thick LOCOS oxide film 48. As described above, by ion-implanting the pixel region having a difference in silicon oxide film thickness, the stepped barrier region layer 47 can be easily formed by a single ion implantation process.

LOCOS酸化膜48の膜厚が厚いほど上記の段差は大きくなり、その効果は増大する。しかし、シリコン酸化膜は、製造工程上1.6マイクロメートル程度を超えると製造が困難となる。   The thicker the LOCOS oxide film 48 is, the larger the step is, and the effect is increased. However, if the silicon oxide film exceeds about 1.6 micrometers in the manufacturing process, it becomes difficult to manufacture.

さらに、LOCOS酸化膜48は、バリア領域層47を形成した後にそのまま残され分離領域として使用される。このため、バリア領域層47の段差部と電荷蓄積層44とは、自己整合的にアライメントされる。したがって、浅い部分のバリア領域層47が光電変換部3G、3Bの下にはみ出し、光電変換する幅が低減されることがなく、より好ましい。しかし、それに限らず、バリア領域層47を形成するマスクとしてレジストを用いても良いし、あるいはLOCOS酸化膜48をマスクに用いた後、これを除去して再度シリコン酸化膜を形成してもよい。   Further, the LOCOS oxide film 48 is left as it is after forming the barrier region layer 47 and used as an isolation region. Therefore, the step portion of the barrier region layer 47 and the charge storage layer 44 are aligned in a self-aligning manner. Therefore, it is more preferable that the shallow barrier region layer 47 protrudes under the photoelectric conversion units 3G and 3B and the width for photoelectric conversion is not reduced. However, the present invention is not limited thereto, and a resist may be used as a mask for forming the barrier region layer 47, or the LOCOS oxide film 48 may be used as a mask and then removed to form a silicon oxide film again. .

ところで、図2に記されたd3の値は、d2が2.5マイクロメートル、LOCOS酸化膜48の膜厚と分離拡散49の深さの合計が1.6マイクロメートル、バリア領域層47の厚さが1マイクロメートルとすれば、0.4マイクロメートルである。このように、分離領域46における電荷が通過できる幅d3は、小さい。クロストークを発生させるためには、電荷はこの狭い幅d3を通過せねばならない。したがって、クロストークは、さらに低減される。   By the way, the value of d3 shown in FIG. 2 is that d2 is 2.5 micrometers, the total thickness of the LOCOS oxide film 48 and the depth of the isolation diffusion 49 is 1.6 micrometers, and the thickness of the barrier region layer 47. If the thickness is 1 micrometer, it is 0.4 micrometers. Thus, the width d3 through which charges in the separation region 46 can pass is small. In order to generate crosstalk, the charge must pass through this narrow width d3. Therefore, crosstalk is further reduced.

ここで、クロストーク値を計算により算出した。このクロストーク値は、画素の寸法を8マイクロメートル角とし、この画素に垂直に光が入射したと仮定して、隣接する画素へドリフトしてクロストークとなる電荷数を光が入射する画素に捕獲される電荷数で割った値としている。   Here, the crosstalk value was calculated. This crosstalk value assumes that the size of the pixel is 8 micrometers square and light is incident on the pixel vertically, and the number of charges that drift to an adjacent pixel and become crosstalk is applied to the pixel on which light is incident. The value is divided by the number of trapped charges.

Rの光電変換部から入射して隣接するG画素の出力値に寄与するクロストーク値は0.35%、Gの光電変換部から入射して隣接するR画素の出力値に寄与するクロストーク値は0.14%であった。この値は、画像の乱れとして顕著に認識される1%を大幅に下回っている。   The crosstalk value that is incident from the R photoelectric conversion unit and contributes to the output value of the adjacent G pixel is 0.35%, and the crosstalk value that is incident from the G photoelectric conversion unit and contributes to the output value of the adjacent R pixel Was 0.14%. This value is significantly lower than 1%, which is remarkably recognized as image disturbance.

図4は、本実施形態に係る固体撮像素子1の分光感度特性を示すグラフである。なお、比較例として、N型シリコン基板上にP型半導体層を配置させてこのP型半導体層に光電変換部を設けた従来の固体撮像素子の分光感度特性も合わせて示した。縦軸は、光電流を規格化した値をリニア表示している。この値は、各画素から出力される光電荷による電気信号に相当する。横軸は波長である。   FIG. 4 is a graph showing the spectral sensitivity characteristics of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment. As a comparative example, a spectral sensitivity characteristic of a conventional solid-state imaging device in which a P-type semiconductor layer is disposed on an N-type silicon substrate and a photoelectric conversion unit is provided on the P-type semiconductor layer is also shown. The vertical axis is a linear display of the value obtained by standardizing the photocurrent. This value corresponds to an electric signal generated by the photoelectric charge output from each pixel. The horizontal axis is the wavelength.

B(青色)の波長領域である0.45マイクロメートル程度の波長においては、本固体撮像素子1の光電流は、比較例の固体撮像素子と差が無い。しかし、G(緑)の波長領域である0.5マイクロメートル付近の波長より長波長側において、本固体撮像素子1の光電流は、明らかに比較例の固体撮像素子より増大している。光電流値は、比較例と比べてGの波長である0.53マイクロメートルの波長で17%、Rの波長である0.6マイクロメートルの波長で60.7%向上している。   At a wavelength of about 0.45 micrometers, which is the B (blue) wavelength region, the photocurrent of the solid-state image sensor 1 is not different from that of the comparative solid-state image sensor. However, the photocurrent of the solid-state imaging device 1 is clearly larger than that of the solid-state imaging device of the comparative example on the longer wavelength side than the wavelength in the vicinity of 0.5 micrometers, which is the G (green) wavelength region. The photocurrent value is improved by 17% at a wavelength of 0.53 micrometers, which is the wavelength of G, and by 60.7% at a wavelength of 0.6 micrometers, which is the wavelength of R, as compared with the comparative example.

図5は、図1のC−C’部における断面図である。また、図6は、図1のD−D’部における断面図である。なお、いずれもシリコン酸化膜より上方部の構成は、ポリシリコンによるゲート電極を除き省略している。   FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ in FIG. 1. In all cases, the structure above the silicon oxide film is omitted except for the gate electrode made of polysilicon.

分離領域46以外の領域は、シリコン表面に拡散領域が形成され、或は、ゲート電極が配置され、アクティブ領域となる。本実施形態の固体撮像素子1は、各画素に複数のアクティブ領域55、56を有している。一つは、光電変換部3を少なくとも有する第1のアクティブ領域55であり、もう一つは、少なくとも画素アンプ5及び行選択トランジスタ6を有する第2のアクティブ領域56である。このように、光電変換部3と、ソースフォロワ読み出しを行うための能動素子である画素アンプ5及び行選択トランジスタ6は、異なるアクティブ領域55、56に配置されている。   In regions other than the isolation region 46, a diffusion region is formed on the silicon surface, or a gate electrode is disposed to become an active region. The solid-state imaging device 1 of this embodiment has a plurality of active regions 55 and 56 in each pixel. One is a first active region 55 having at least the photoelectric conversion unit 3, and the other is a second active region 56 having at least the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6. As described above, the photoelectric conversion unit 3, the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6, which are active elements for performing source follower readout, are arranged in different active regions 55 and 56.

第1のアクティブ領域55には、その他の能動素子として転送ゲート33やフローティング拡散部31などが配置される。また、第2のアクティブ領域56には、その他能動素子であるリセットトランジスタを構成するN型の拡散領域32とそのゲート電極34が配置される。   In the first active region 55, the transfer gate 33, the floating diffusion portion 31, and the like are arranged as other active elements. Further, in the second active region 56, an N type diffusion region 32 and a gate electrode 34 constituting a reset transistor which is another active element are arranged.

これらの能動素子のうち、画素アンプ5及び行選択トランジスタ6は、ソースフォロワ読み出しを行うためノイズを低減させるのが好ましい。光によって生成される電荷は、光電変換部から光が進入して所定の電荷蓄積部44に捕捉されないとノイズ電荷となる。そして、例えば、ノイズ電荷がN型の拡散領域39、40に入ると、出力値がそれによって変化し、安定的な動作ではなくなる。   Among these active elements, the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6 preferably reduce noise in order to perform source follower readout. The charge generated by light becomes noise charge unless light enters from the photoelectric conversion unit and is captured by the predetermined charge storage unit 44. For example, when noise charges enter the N-type diffusion regions 39 and 40, the output value changes accordingly, and the operation is not stable.

しかしながら、図5、図6から理解されるように、画素アンプ5及び行選択トランジスタ6の配置されている第2のアクティブ領域56は、その周囲をバリア領域層47の段差にて囲まれている。このバリア領域層47の段差により、上記のようにノイズ電荷の進入幅d3は狭くなり、ノイズ電荷の障壁となる。したがって、画素アンプ5及び行選択トランジスタ6に上記のノイズが侵入することは困難となり、ソースフォロワ読み出しは、より安定的に実行される。   However, as can be understood from FIGS. 5 and 6, the second active region 56 in which the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6 are arranged is surrounded by a step in the barrier region layer 47. . Due to the level difference of the barrier region layer 47, the noise charge entry width d3 is narrowed as described above, which becomes a noise charge barrier. Therefore, it becomes difficult for the above-mentioned noise to enter the pixel amplifier 5 and the row selection transistor 6, and the source follower readout is executed more stably.

図7は、本実施形態に係る固体撮像素子1の各製造工程における断面図であり、図1のD−D’部に相当する。以下、この図面を引用して本固体撮像素子1の製造工程を説明する。まず、P型シリコン基板41の所定の領域にP型エピタキシャル層42を周知の技術に従い形成する。   FIG. 7 is a cross-sectional view in each manufacturing process of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, and corresponds to a D-D ′ portion in FIG. 1. Hereinafter, the manufacturing process of the solid-state imaging device 1 will be described with reference to the drawings. First, a P-type epitaxial layer 42 is formed in a predetermined region of the P-type silicon substrate 41 according to a known technique.

次に、LOCOS酸化膜48による分離領域を形成する工程を行う。即ち、先ず、シリコン窒化膜(図示せず)をCVD法により形成し、アクティブ領域となる部分を残すようにパターニングする。開口部は、後に厚いLOCOS酸化膜が形成されるが、開口部に前もって分離拡散49を設けておく。分離拡散49は、最終的に深さが0.8マイクロメートル、濃度が1E17から1E18/cm3となる。次いで、この開口部に熱酸化法により膜厚が0.8マイクロメートルのLOCOS酸化膜を分離領域に選択的に形成する。
シリコン窒化膜を除去した後に、アクティブ領域にイオン注入のプロテクト膜を目的として薄いシリコン酸化膜45を熱酸化法により形成する。この状態を示したのが図7(a)である。
Next, a step of forming an isolation region by the LOCOS oxide film 48 is performed. That is, first, a silicon nitride film (not shown) is formed by a CVD method and patterned so as to leave a portion that becomes an active region. A thick LOCOS oxide film will be formed later in the opening, but an isolation diffusion 49 is provided in advance in the opening. The separation diffusion 49 finally has a depth of 0.8 micrometers and a concentration of 1E17 to 1E18 / cm 3. Next, a LOCOS oxide film having a thickness of 0.8 micrometers is selectively formed in the isolation region in this opening by a thermal oxidation method.
After removing the silicon nitride film, a thin silicon oxide film 45 is formed in the active region by a thermal oxidation method for the purpose of a protection film for ion implantation. FIG. 7A shows this state.

次に、バリア領域層47を形成する工程を行う。すなわち、光電変換部3R及び周辺回路となる領域に膜厚が3マイクロメートル乃至5マイクロメートルのレジストマスクを設け、イオン注入して所定の熱処理を行い、ピーク濃度3E17/cm3のバリア領域層47を形成する。このとき、薄いシリコン酸化膜45の部分は深く、厚いLOCOS酸化膜48の部分は浅くイオンが打ち込まれ、これより段差を持ったバリア領域層47が所定の深さに容易に形成される。また、光電変換部3R及び周辺回路の下にはバリア領域層47は形成されない。この状態を示したのが図7(b)である。   Next, a step of forming the barrier region layer 47 is performed. That is, a resist mask having a film thickness of 3 to 5 micrometers is provided in the photoelectric conversion portion 3R and the peripheral circuit region, ion implantation is performed, and a predetermined heat treatment is performed, so that the barrier region layer 47 having a peak concentration of 3E17 / cm 3 is formed. Form. At this time, ions are implanted deeply in the thin silicon oxide film 45 and shallow in the thick LOCOS oxide film 48, so that a barrier region layer 47 having a step is easily formed to a predetermined depth. Further, the barrier region layer 47 is not formed under the photoelectric conversion unit 3R and the peripheral circuit. FIG. 7B shows this state.

また、説明を簡略化するため、薄いシリコン酸化膜45は、固体撮像素子1の完成まで保持されるものとして説明する。しかし、ここで用いた薄いシリコン酸化膜45は本工程終了後に除去され、各部の酸化膜は空乏化防止層43上の保護膜、ゲート酸化膜など目的により膜厚を変えて再度形成されてもよい。   In order to simplify the description, it is assumed that the thin silicon oxide film 45 is held until the solid-state imaging device 1 is completed. However, the thin silicon oxide film 45 used here is removed after the end of this step, and the oxide film in each part may be formed again by changing the film thickness depending on the purpose, such as a protective film on the depletion prevention layer 43 or a gate oxide film. Good.

次に、所定の拡散部を設ける工程を行う。即ち、周知のフォトリソエッチング法及び不純物拡散法による工程を繰り返し、画素内の能動素子、及び、周辺回路の能動素子を形成する。MOSトランジスタの拡散部(例えば符号40)等は、LOCOS酸化膜、及び、ポリシリコンを用いたセルフアラインにより形成する。光電変換部に配置する拡散部(電荷蓄積部44、空乏化防止層43)は、電荷転送のバラツキを抑えるためポリシリコンによる各ゲート電極を設けた後に形成するのが好ましい。この状態を示したのが、図7(c)である。そして、配線、カラーフィルタ、マイクロレンズ、保護膜等を形成して本固体撮像素子1は完成する。   Next, a step of providing a predetermined diffusion portion is performed. That is, a known photolithographic etching method and impurity diffusion method are repeated to form active elements in the pixel and active elements in the peripheral circuit. The diffusion part (for example, reference numeral 40) of the MOS transistor is formed by a LOCOS oxide film and self-alignment using polysilicon. The diffusion portions (charge storage portion 44 and depletion prevention layer 43) disposed in the photoelectric conversion portion are preferably formed after each gate electrode made of polysilicon is provided in order to suppress variation in charge transfer. FIG. 7C shows this state. Then, the present solid-state imaging device 1 is completed by forming wirings, color filters, microlenses, protective films and the like.

ここでは、バリア領域層47の段差は、LOCOS酸化膜と薄い酸化膜45の断面形状を利用して形成されている。しかし、前記したようにレジストを利用しても良い。
図8は、本発明に係る第1の実施形態による固体撮像素子1の回路図である。ここでは、3行3列の画素2を有する構成としたが、画素数はこれに限られるものではない。
Here, the step of the barrier region layer 47 is formed using the cross-sectional shape of the LOCOS oxide film and the thin oxide film 45. However, as described above, a resist may be used.
FIG. 8 is a circuit diagram of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment of the present invention. Here, the configuration has pixels 3 in 3 rows and 3 columns, but the number of pixels is not limited to this.

本固体撮像素子1は、画素2が配置される画素領域、画素2から出力される信号を外部に導く読み出し部(垂直信号線、水平信号線等)、画素2及び読み出し部を動作させる読み出し回路(垂直走査回路10、水平走査回路20等)とを有している。なお、ここでは、読み出し回路を周辺回路と記載することもある。   The solid-state imaging device 1 includes a pixel region in which the pixels 2 are arranged, a reading unit (vertical signal line, horizontal signal line, etc.) that guides signals output from the pixels 2 to the outside, and a reading circuit that operates the pixels 2 and the reading unit. (Vertical scanning circuit 10, horizontal scanning circuit 20, etc.). Note that here, the reading circuit is sometimes referred to as a peripheral circuit.

各画素2は、光電変換部3、転送トランジスタ4、画素アンプ5、行選択トランジスタ6、リセットトランジスタ7を有している。ここでは、転送トランジスタ4、画素アンプ5、行選択トランジスタ6、リセットトランジスタ7のいずれもNMOSトランジスタを用いている。   Each pixel 2 includes a photoelectric conversion unit 3, a transfer transistor 4, a pixel amplifier 5, a row selection transistor 6, and a reset transistor 7. Here, the transfer transistor 4, the pixel amplifier 5, the row selection transistor 6, and the reset transistor 7 are all NMOS transistors.

転送トランジスタ4は、そのゲートが駆動配線11によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路10の駆動信号φTG(n,n+1)に従って動作する。行選択トランジスタ6は、そのゲートが駆動配線12によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路10の駆動信号φL(n,n+1)に従って動作する。また、リセットトランジスタ7は、そのゲートが駆動配線13によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路10の駆動信号φRS(n,n+1)に従って動作する。画素アンプ5のドレインとリセットトランジスタ7のドレインは、全画素共通接続され、配線14を介して電源電圧VDDに接続されている。画素アンプ5のソースは行選択トランジスタ6のドレインと接続され、行選択トランジスタ6のソースは垂直信号線22と列方向に共通に接続されている。   The transfer transistors 4 have gates commonly connected in the row direction by the drive wiring 11 and operate in accordance with the drive signal φTG (n, n + 1) of the vertical scanning circuit 10. The row selection transistors 6 have gates commonly connected in the row direction by the drive wiring 12 and operate according to the drive signal φL (n, n + 1) of the vertical scanning circuit 10. The reset transistors 7 have gates commonly connected in the row direction by the drive wiring 13 and operate according to the drive signal φRS (n, n + 1) of the vertical scanning circuit 10. The drain of the pixel amplifier 5 and the drain of the reset transistor 7 are commonly connected to all the pixels, and are connected to the power supply voltage VDD via the wiring 14. The source of the pixel amplifier 5 is connected to the drain of the row selection transistor 6, and the source of the row selection transistor 6 is connected to the vertical signal line 22 in the column direction.

各垂直信号線22の一方の端部には定電流源23と、垂直信号線22をリセットする垂直信号線リセットトランジスタ24が配置される。定電流源23には一定電圧VCSが、垂直信号線リセットトランジスタ10には一定電圧VRVが印加される。ここでは、VCS、VRVの両方とも接地電位としている。垂直信号線リセットトランジスタ24のゲートには駆動信号φRVが印加され、この駆動信号φRVに従って垂直信号線22がリセットされる。   A constant current source 23 and a vertical signal line reset transistor 24 for resetting the vertical signal line 22 are arranged at one end of each vertical signal line 22. A constant voltage VCS is applied to the constant current source 23, and a constant voltage VRV is applied to the vertical signal line reset transistor 10. Here, both VCS and VRV are set to the ground potential. A drive signal φRV is applied to the gate of the vertical signal line reset transistor 24, and the vertical signal line 22 is reset in accordance with the drive signal φRV.

各垂直信号線22の他方の端部は、列アンプ25、サンプルホールド回路26、水平スイッチトランジスタ27を介して水平信号線21に接続されている。水平信号線21には出力アンプ28、水平リセットトランジスタ29が接続されている。水平スイッチトランジスタ27のゲートは、駆動配線15と接続されている。水平スイッチトランジスタ27は、水平走査回路20からの駆動信号によって動作する。水平リセットトランジスタ29は駆動信号φRHで動作し、水平信号線21を一定電位VRHにリセットする。   The other end of each vertical signal line 22 is connected to the horizontal signal line 21 via a column amplifier 25, a sample hold circuit 26, and a horizontal switch transistor 27. An output amplifier 28 and a horizontal reset transistor 29 are connected to the horizontal signal line 21. The gate of the horizontal switch transistor 27 is connected to the drive wiring 15. The horizontal switch transistor 27 is operated by a drive signal from the horizontal scanning circuit 20. The horizontal reset transistor 29 operates in response to the drive signal φRH, and resets the horizontal signal line 21 to the constant potential VRH.

サンプルホールド回路26は、相関二重サンプリングを行う回路である。画素アンプ6から出力される電気信号には、固定パターンノイズやリセットノイズなど(以下、単にノイズと記載する)に対応するダークレベルが含まれている。ダークレベルは、画素アンプ6のゲート電位をリセットするごとに変化する。そこで、まず、リセット直後のノイズに対応する電気信号(ダークレベル)を画素から出力し、サンプルホールド回路26に一旦蓄積させる。次いで、光電変換部3に蓄積されている光電荷を画素アンプ6のゲートに転送しノイズと重畳した光電荷に対応する電気信号を画素からサンプルホールド回路26に出力し、両者を差し引いて光電荷に対応する真の電気信号を水平信号線28に出力する。
サンプルホールド回路26は、ここでは、各列ごとにダークレベルを一時的に蓄積するクランプ容量16と、クランプ容量16の一方の電極を一定電位VRHに設定するクランプトランジスタ17とを有している。サンプルホールド回路及び相関二重サンプリングの手法は周知技術であり、ここでは詳細の説明を省略する。
The sample hold circuit 26 is a circuit that performs correlated double sampling. The electrical signal output from the pixel amplifier 6 includes a dark level corresponding to fixed pattern noise, reset noise, and the like (hereinafter simply referred to as noise). The dark level changes every time the gate potential of the pixel amplifier 6 is reset. Therefore, first, an electric signal (dark level) corresponding to noise immediately after reset is output from the pixel and temporarily accumulated in the sample hold circuit 26. Next, the photoelectric charge accumulated in the photoelectric conversion unit 3 is transferred to the gate of the pixel amplifier 6, and an electrical signal corresponding to the photoelectric charge superimposed on the noise is output from the pixel to the sample hold circuit 26. Is output to the horizontal signal line 28.
Here, the sample hold circuit 26 includes a clamp capacitor 16 that temporarily accumulates a dark level for each column, and a clamp transistor 17 that sets one electrode of the clamp capacitor 16 to a constant potential VRH. The sample-and-hold circuit and the correlated double sampling method are well-known techniques and will not be described in detail here.

図9は、本実施形態に係る固体撮像素子1の駆動タイミングチャートである。この図を引用して本固体撮像素子1の動作について説明する。なお、各画素に含まれるトランジスタはNMOSトランジスタであり、ハイレベルの駆動信号を受けてオン状態とされる。また、T1の期間に至るまでに露光期間(入射光による電荷が電荷蓄積部に蓄積される期間)が開始されているものとする。   FIG. 9 is a drive timing chart of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment. The operation of the solid-state imaging device 1 will be described with reference to this figure. Note that transistors included in each pixel are NMOS transistors, and are turned on in response to a high-level drive signal. In addition, it is assumed that an exposure period (a period in which charges due to incident light are accumulated in the charge accumulation portion) has started before reaching the period T1.

まず、期間T1において、φL(n)がハイレベルとされる。これにより、n行目の行選択トランジスタ6がオン状態とされ、ソースフォロワ読み出しが開始される。その他の行は非選択状態である。   First, in a period T1, φL (n) is set to a high level. As a result, the row selection transistor 6 in the n-th row is turned on, and the source follower reading is started. Other rows are in a non-selected state.

φL(n)がハイレベルにされるのと同時にφRS(n)がハイレベルとされ、n行目のリセットトランジスタ7が期間T2の間オン状態とされる。これにより、フローティング拡散部及び画素アンプ5のゲートは、電源電圧VDDの電圧にリセットされる。また、このリセット動作により、フローティング拡散部はリセット電圧に対応したダークレベルとなる。T2の終了時にリセットトランジスタ7は、オフ状態に戻るが、フローティング拡散部及び画素アンプのゲートは、ダークレベルを保持する。   At the same time that φL (n) is set to the high level, φRS (n) is set to the high level, and the reset transistor 7 in the n-th row is turned on during the period T2. As a result, the floating diffusion portion and the gate of the pixel amplifier 5 are reset to the power supply voltage VDD. Further, by this reset operation, the floating diffusion portion becomes a dark level corresponding to the reset voltage. At the end of T2, the reset transistor 7 returns to the off state, but the floating diffusion portion and the gate of the pixel amplifier hold the dark level.

この動作と並行して、T3の期間にφSHがハイレベルにされてクランプトランジスタ17がオン状態とされる。これにより、ソースフォロワ読み出しが行われ、n行目の行選択トランジスタ6を介して画素アンプ5から、上記のリセット電圧に対応するダークレベルが垂直信号線22に出力される。期間T3の終了時において、クランプトランジスタ17がオフ状態とされると、ダークレベルがクランプ容量16に保持されたままクランプ容量16の出力側の電極がフローティングの状態となり、サンプルホールド回路26にてダークレベルの保持動作が行われる。   In parallel with this operation, φSH is set to the high level during the period T3 and the clamp transistor 17 is turned on. As a result, source follower reading is performed, and the dark level corresponding to the reset voltage is output to the vertical signal line 22 from the pixel amplifier 5 via the row selection transistor 6 in the nth row. When the clamp transistor 17 is turned off at the end of the period T 3, the output side electrode of the clamp capacitor 16 is in a floating state while the dark level is held in the clamp capacitor 16, and the sample hold circuit 26 performs darkness. Level holding operation is performed.

期間T4において、φTG(n)がハイレベルとされて転送トランジスタ4がオン状態とされる。これにより電荷蓄積部に蓄積されていた入射光による電荷がフローティング拡散部に転送される。そして、この行の行選択トランジスタ6がオン状態であるため、ダークレベルと入射光による電荷の重畳された電圧に対応する電気信号が垂直信号線22に出力される。期間T4の終了時において、転送トランジスタT4はオフ状態とされる。出力された電気信号は、水平走査期間の始まるまでの間サンプルホールド回路26の前段における垂直信号線22に保持される。   In the period T4, φTG (n) is set to the high level, and the transfer transistor 4 is turned on. As a result, the charge due to the incident light accumulated in the charge accumulation unit is transferred to the floating diffusion unit. Since the row selection transistor 6 in this row is in the on state, an electric signal corresponding to the voltage on which the charge due to the dark level and incident light is superimposed is output to the vertical signal line 22. At the end of the period T4, the transfer transistor T4 is turned off. The output electric signal is held on the vertical signal line 22 in the previous stage of the sample hold circuit 26 until the start of the horizontal scanning period.

期間T6は、水平走査期間である。φH1がハイレベルとされて水平スイッチトランジスタ27がオン状態とされる。これにより、サンプルホールド回路26にてダークレベルが差し引かれて光電荷に対応する真の電気信号が一列目の垂直信号線22から水平信号線21に出力される。そして、順次、二列目、三列目から同様に電気信号が出力される。   The period T6 is a horizontal scanning period. φH1 is set to the high level, and the horizontal switch transistor 27 is turned on. As a result, the dark level is subtracted by the sample and hold circuit 26 and a true electrical signal corresponding to the photocharge is output from the vertical signal line 22 in the first column to the horizontal signal line 21. Then, electrical signals are output in the same manner from the second and third rows.

すべての列から電気信号が読み出された後、期間T7において次の行であるn+1行が選択されて、電気信号が同様に読み出される。このように順次選択された行から電気信号が読み出され一つの画像が得られる。なお、ここでは露光期間をT4の終了時からT4の開始時までとしている。しかし、周知の電子シャッター動作を行っても良く、また、メカシャッターを併用しても構わない。   After the electrical signals are read from all the columns, the next row, n + 1 row, is selected in period T7, and the electrical signals are similarly read. In this way, electrical signals are read from the sequentially selected rows to obtain one image. Here, the exposure period is from the end of T4 to the start of T4. However, a known electronic shutter operation may be performed, and a mechanical shutter may be used in combination.

ところで、固体撮像素子の周辺回路は、CMOS回路が用いられる。CMOS回路は、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタから構成されている。そして、周知のようにPMOSトランジスタはN型ウエルに配置され、NMOSトランジスタはP型ウエルに配置される。
このうち、NMOSトランジスタは、その使用目的等によって、異なる複数のP型ウエル電位に配置することを要求されることがある。このような場合において、複数の電気的に分離されたP型ウエルが設けられ、複数種類のNMOSトランジスタが異なる電位を印加されたP型ウエルに配置される。
By the way, a CMOS circuit is used as the peripheral circuit of the solid-state imaging device. The CMOS circuit is composed of a PMOS transistor and an NMOS transistor. As is well known, the PMOS transistor is disposed in the N-type well, and the NMOS transistor is disposed in the P-type well.
Of these, NMOS transistors may be required to be arranged at a plurality of different P-type well potentials depending on the purpose of use. In such a case, a plurality of electrically isolated P-type wells are provided, and a plurality of types of NMOS transistors are arranged in P-type wells to which different potentials are applied.

N型シリコン基板中に複数の電気的に分離されたP型ウエルを配置するなら、N型シリコン基板に複数のP型ウエルを設けて各々の間で逆バイアスを印加すれば、P型ウエル間で電気的に分離される。しかし、本固体撮像素子のようにP型シリコン基板にP型エピタキシャル層を配置させる構成では、このような分離はできない。そこで、本固体撮像素子の周辺回路は、図10のような構成を有している。図10は、本実施形態に係る固体撮像素子の周辺回路部分断面図である。   If a plurality of electrically isolated P-type wells are arranged in an N-type silicon substrate, a plurality of P-type wells are provided on the N-type silicon substrate and a reverse bias is applied between them. Is electrically separated. However, such a separation is not possible with a configuration in which a P-type epitaxial layer is arranged on a P-type silicon substrate as in the present solid-state imaging device. Therefore, the peripheral circuit of the solid-state imaging device has a configuration as shown in FIG. FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the peripheral circuit of the solid-state imaging device according to the present embodiment.

PMOSトランジスタは、P型エピタキシャル層42の表面に設けられるN型ウエル61中に配置される。PMOSトランジスタは、同一のN型ウエル電位で構わない。しかし、異なる電位が要求されるなら、このようなN型ウエル61を複数配置させ、各々のN型ウエル61とP型エピタキシャル層42とを逆バイアスイにすればよい。
PMOSトランジスタは、P型拡散領域であるソース・ドレイン64、65と、その間に薄いシリコン酸化膜45を介して配置されるゲート電極66からなる。N型ウエル61には、電位を印加するための拡散領域63が設けられており、この拡散領域63に配線によって所定の電圧が導かれる。図示されてはいないが、N型ウエル61中には、複数のPMOSトランジスタが配置され、各々は、厚いLOCOS酸化膜48及びその下に配置されるN型の分離拡散62によって分離されている。
The PMOS transistor is disposed in an N-type well 61 provided on the surface of the P-type epitaxial layer 42. The PMOS transistors may have the same N-type well potential. However, if different potentials are required, a plurality of such N-type wells 61 may be arranged so that each N-type well 61 and the P-type epitaxial layer 42 are reverse-biased.
The PMOS transistor is composed of source / drains 64 and 65 which are P-type diffusion regions, and a gate electrode 66 disposed through a thin silicon oxide film 45 therebetween. The N-type well 61 is provided with a diffusion region 63 for applying a potential, and a predetermined voltage is guided to the diffusion region 63 by wiring. Although not shown, a plurality of PMOS transistors are arranged in the N-type well 61, and each is separated by a thick LOCOS oxide film 48 and an N-type isolation diffusion 62 disposed therebelow.

NMOSトランジスタは電気的に各々が分離された第1のP型ウエル67、及び、第2のP型ウエル73中に配置される。なお、便宜上、ここでは二つの異なるP型ウエル67、73で例示するが、これに限らず、3つ以上配置してもよい。3つ以上配置させるなら、それらのP型ウエルは電気的に分離される。   The NMOS transistors are disposed in a first P-type well 67 and a second P-type well 73 that are electrically separated from each other. For convenience sake, two different P-type wells 67 and 73 are illustrated here, but the present invention is not limited to this, and three or more may be arranged. If three or more are arranged, their P-type wells are electrically isolated.

第1のP型ウエル67は、P型エピタキシャル層42の一部を用いており、ここに第1のNMOSトランジスタが配置される。第1のNMOSトランジスタは、N型拡散領域であるソース・ドレイン70、71と、その間に薄いシリコン酸化膜45を介して配置されるゲート電極72からなる。P型ウエル67には、電位を印加するための拡散領域69が設けられており、この拡散領域69に配線によって所定の電圧が導かれる。図示されてはいないが、P型ウエル67中には、複数のNMOSトランジスタが配置され、各々は、厚いLOCOS酸化膜48及びその下に配置されるN型の分離拡散68によって分離されている。
一方、第2のP型ウエル73は、その周囲をN型領域79で囲まれている。このため、第2のP型ウエル73は、第1のP型ウエル67(つまりP型エピタキシャル層42)と電気的に分離される。N型領域79は、この領域にイオン注入によるN型不純物の拡散によって形成されている。しかし、N型領域79の形成は、これに限らない。まず、P型ウエル73となる部分、及び、N型領域79となる部分にN型拡散領域を形成し、次いで、P型ウエル73となる領域にP型拡散を行って、内側にP型ウエル73と、その周囲にN型領域79を形成してもよい。
P型ウエル73の濃度は1E14から5E16/cm3である。所望の電位を印加すると、N型領域79とP型エピタキシャル層42の界面、及び、N型領域79と第2のP型ウエル73の界面には空乏層が生ずる。この二つの空乏層がつながると、パンチスルーが発生し、第2のP型ウエル73とP型エピタキシャル層42とが電気的に接続され、これに伴い、第2のP型ウエル73と第1のP型ウエル67も電気的に接続される。すなわち、第1のP型ウエル67と、第2のP型ウエル73は、別々のウエルとして機能しなくなる。このため、N型領域79は、1E18/cm3以上とするか、または、厚さを厚くするのが好ましい。
また、P型シリコン基板の不純物をボロンにて、且つ、濃度を1E19/cm3以上とすれば、鉄などの重金属イオンをゲッタリングすることが可能となる。すなわち、基板がゲッタリングサイトとなる。このため、固体撮像素子1全面に渡ってゲッタリングサイトが配置され、ゲッタリングとしての格段な効果が生ずる。これに伴い、固体撮像素子の暗電流は非常に小さくなる。
[第2の実施形態]
図11は、第2の実施形態に係る固体撮像素子80の断面図であり、図1におけるB−B’部断面図に相当する。なお、ここでもシリコン酸化膜より上方部の構成を省略している。実際には、シリコン酸化膜45、48の上方部には配線電極、保護膜、カラーフィルタ等が配置されている。
The first P-type well 67 uses a part of the P-type epitaxial layer 42, and the first NMOS transistor is disposed here. The first NMOS transistor includes source / drains 70 and 71 which are N-type diffusion regions, and a gate electrode 72 which is disposed through a thin silicon oxide film 45 therebetween. The P-type well 67 is provided with a diffusion region 69 for applying a potential, and a predetermined voltage is guided to the diffusion region 69 by wiring. Although not shown, a plurality of NMOS transistors are arranged in the P-type well 67, and each is separated by a thick LOCOS oxide film 48 and an N-type isolation diffusion 68 disposed therebelow.
On the other hand, the second P-type well 73 is surrounded by an N-type region 79. For this reason, the second P-type well 73 is electrically isolated from the first P-type well 67 (that is, the P-type epitaxial layer 42). N-type region 79 is formed in this region by diffusion of N-type impurities by ion implantation. However, the formation of the N-type region 79 is not limited to this. First, an N-type diffusion region is formed in a portion that becomes a P-type well 73 and a portion that becomes an N-type region 79, and then P-type diffusion is performed in a region that becomes a P-type well 73, and a P-type well is formed inside. 73 and an N-type region 79 may be formed therearound.
The concentration of the P-type well 73 is 1E14 to 5E16 / cm 3. When a desired potential is applied, a depletion layer is generated at the interface between the N-type region 79 and the P-type epitaxial layer 42 and at the interface between the N-type region 79 and the second P-type well 73. When these two depletion layers are connected, punch-through occurs, and the second P-type well 73 and the P-type epitaxial layer 42 are electrically connected. Accordingly, the second P-type well 73 and the first P-type well 73 are electrically connected to the first P-type well 73. The P-type well 67 is also electrically connected. That is, the first P-type well 67 and the second P-type well 73 do not function as separate wells. For this reason, it is preferable that the N-type region 79 is 1E18 / cm 3 or more, or the thickness is increased.
If the impurity of the P-type silicon substrate is boron and the concentration is 1E19 / cm 3 or more, heavy metal ions such as iron can be gettered. That is, the substrate becomes a gettering site. For this reason, gettering sites are arranged over the entire surface of the solid-state imaging device 1, and a remarkable effect as gettering occurs. Along with this, the dark current of the solid-state imaging device becomes very small.
[Second Embodiment]
FIG. 11 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 80 according to the second embodiment, and corresponds to a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. Here, the configuration above the silicon oxide film is also omitted. Actually, a wiring electrode, a protective film, a color filter, and the like are disposed above the silicon oxide films 45 and 48.

本固体撮像素子80は、実施形態1と同様に、不純物濃度が高濃度であるP型シリコン基板81に、それより低濃度であるP型エピタキシャル層82を有している。即ち、第1導電型の第1半導体層と、第1導電型の第2半導体層とによって一つの基体をなしている。また、空乏化防止層43、電荷蓄積層44を有する光電変換部3を有する画素を有している点も実施形態1と同様である。   As in the first embodiment, the solid-state imaging device 80 has a P-type epitaxial layer 82 having a lower concentration on a P-type silicon substrate 81 having a high impurity concentration. That is, the first conductive type first semiconductor layer and the first conductive type second semiconductor layer form one substrate. In addition, the pixel having the photoelectric conversion unit 3 having the depletion prevention layer 43 and the charge storage layer 44 is the same as in the first embodiment.

したがって、本固体撮像素子80は、P型シリコン基板81の濃度の方がその上部に配置されるP型エピタキシャル層82より高濃度とされている。よって、P型エピタキシャル層82で生成される電荷(電子)は、ドリフトしても、基板側ではなく、P型エピタキシャル層82の表面側に導かれる。そして、P型エピタキシャル層82の表面側には光電変換部3が配置されている。したがって、上記の構成により、基板側に吸収される電荷が少なくなり、高い光出力が得られる。   Therefore, in the solid-state imaging device 80, the concentration of the P-type silicon substrate 81 is higher than that of the P-type epitaxial layer 82 disposed thereon. Therefore, even if the charge (electrons) generated in the P-type epitaxial layer 82 drifts, it is guided not to the substrate side but to the surface side of the P-type epitaxial layer 82. The photoelectric conversion unit 3 is disposed on the surface side of the P-type epitaxial layer 82. Therefore, with the above configuration, less charge is absorbed on the substrate side, and a high light output is obtained.

P型エピタキシャル層82の濃度は、P型シリコン基板81より低濃度であれば上記の効果が得られる。しかし、P型シリコン基板41の濃度が1E18/cm3以上であり、P型エピタキシャル層82の濃度がP型シリコン基板81の濃度の1/10以下の濃度であれば2つの濃度差によって生ずるポテンシャル差の絶対値は十分に大きく、より好ましい。
ここでは、P型シリコン基板81の濃度は1E18/cm3であり、P型エピタキシャル層82の濃度は、1E15/cm3である。しかし、これらの濃度に限定されず、P型シリコン基板81の濃度は、1E16から5E20/cm3の範囲で、P型エピタキシャル層82の濃度は、それより低濃度であれば良い。
If the concentration of the P-type epitaxial layer 82 is lower than that of the P-type silicon substrate 81, the above effect can be obtained. However, if the concentration of the P-type silicon substrate 41 is 1E18 / cm 3 or more and the concentration of the P-type epitaxial layer 82 is 1/10 or less of the concentration of the P-type silicon substrate 81, the potential difference caused by the two concentration differences. The absolute value of is sufficiently large and more preferable.
Here, the concentration of the P-type silicon substrate 81 is 1E18 / cm 3, and the concentration of the P-type epitaxial layer 82 is 1E15 / cm 3. However, the concentration is not limited to these, and the concentration of the P-type silicon substrate 81 may be in the range of 1E16 to 5E20 / cm 3, and the concentration of the P-type epitaxial layer 82 may be lower than that.

また、本固体撮像素子80は、Rの光電変換部3Rの下に配置されるエピタキシャル層の厚さと、G及びBの光電変換部3G、3Bの下に配置されるエピタキシャル層の厚さが異なる。即ち、最も長波長の色に対応するカラーフィルタが配置される光電変換部3Rの下には、その他のカラーフィルタが配置される光電変換部3G、3Bの下よりも厚さの厚いP型エピタキシャル層が配置される。このため、光電変換部3Rから入射した光83によって発生する電荷84は、隣接する光電変換部3Gに向かってドリフトすることが困難になる。以下、これを説明する。   In the solid-state imaging device 80, the thickness of the epitaxial layer disposed under the R photoelectric conversion unit 3R is different from the thickness of the epitaxial layer disposed under the G and B photoelectric conversion units 3G and 3B. . That is, under the photoelectric conversion unit 3R where the color filter corresponding to the longest wavelength color is arranged, the P-type epitaxial layer is thicker than under the photoelectric conversion units 3G and 3B where other color filters are arranged. Layers are placed. For this reason, it becomes difficult for the electric charge 84 generated by the light 83 incident from the photoelectric conversion unit 3R to drift toward the adjacent photoelectric conversion unit 3G. This will be described below.

光電変換部3Rより入射した光83は、波長が長いのでP型エピタキシャル層82の深部で電荷(電子)84を発生させる。電荷84は、P型シリコン基板81が高濃度であるためP型シリコン基板81から遠ざかるようにP型エピタキシャル層82中をドリフトする。   Since the light 83 incident from the photoelectric conversion unit 3R has a long wavelength, electric charges (electrons) 84 are generated in the deep portion of the P-type epitaxial layer 82. The charge 84 drifts in the P-type epitaxial layer 82 so as to move away from the P-type silicon substrate 81 because the P-type silicon substrate 81 has a high concentration.

入射した光83によって生成された電荷のうち、隣接する光電変換部3Gに向かってドリフトする電荷84は、低いポテンシャル(高濃度)であるP型シリコン基板81の段差部に向かうことになる。この段差部は、障壁となって電荷84のドリフトを遮る。このため、電荷84は、たとえ一時的に3Gに向かってドリフトしても、より高いポテンシャルである光電変換部3Rの電荷蓄積部44に向かってドリフトすることになる。したがって、クロストークが低減される。   Among the charges generated by the incident light 83, the charge 84 drifting toward the adjacent photoelectric conversion unit 3G is directed to the step portion of the P-type silicon substrate 81 having a low potential (high concentration). This stepped portion becomes a barrier and blocks the drift of the electric charge 84. For this reason, even if the charge 84 drifts temporarily toward 3G, it drifts toward the charge storage part 44 of the photoelectric conversion part 3R having a higher potential. Therefore, crosstalk is reduced.

さらに、クロストークが低減されるばかりではなく、同一画素内の各トランジスタにノイズとなる電荷が侵入することが防止される。よって、同一画素内の各トランジスタをより安定的な状態に保持することが可能となる。   Furthermore, not only is the crosstalk reduced, but it is also possible to prevent noise charges from entering each transistor in the same pixel. Therefore, each transistor in the same pixel can be held in a more stable state.

P型エピタキシャル層82の厚さは、光電変換部3Rの下(d4)で6マイクロメートルである。ただし、これに限られるものではなく、5−12マイクロメートルの範囲ならよい。また、その他の光電変換部3G、3Bの下(d5)におけるP型エピタキシャル層82の厚さは、4マイクロメートルである。ただし、これに限られるものではなく、d4より薄ければ効果がある。d4とd5の差は、1マイクロメートル以上が好ましい。   The thickness of the P-type epitaxial layer 82 is 6 micrometers under the photoelectric conversion unit 3R (d4). However, it is not limited to this, and may be in the range of 5-12 micrometers. The thickness of the P-type epitaxial layer 82 under the other photoelectric conversion units 3G and 3B (d5) is 4 micrometers. However, it is not limited to this, and it is effective if it is thinner than d4. The difference between d4 and d5 is preferably 1 micrometer or more.

また、d5の値は、上記のように4マイクロメートルとしている。このため、光電変換部3G、3Bの下には、十分な厚さのP型エピタキシャル層82が配置される。したがって、入射光が光電変換される空乏層が十分得られる。よって、生成される電荷量が増大し、これに伴い光出力値が増加する。   The value of d5 is 4 micrometers as described above. For this reason, a P-type epitaxial layer 82 having a sufficient thickness is disposed under the photoelectric conversion units 3G and 3B. Therefore, a sufficient depletion layer in which incident light is photoelectrically converted can be obtained. Therefore, the amount of generated charge increases, and the light output value increases accordingly.

このようなP型エピタキシャル層82の段差を含め、本固体撮像素子は、次のようにして形成される。図12は、本実施形態に係る固体撮像素子80の各製造工程における断面図であり、図11に対応する。ただし、光電変換部3やその他のアクティブ領域とは別の領域に配置されるアライメント領域も示している。図13は、それに続く各製造工程における断面図である。以下、この図面を引用して本固体撮像素子80の製造工程を説明する。   Including such a step of the P-type epitaxial layer 82, the present solid-state imaging device is formed as follows. FIG. 12 is a cross-sectional view in each manufacturing process of the solid-state imaging device 80 according to the present embodiment, and corresponds to FIG. However, the alignment area | region arrange | positioned in the area | region different from the photoelectric conversion part 3 and another active area | region is also shown. FIG. 13 is a cross-sectional view in each subsequent manufacturing process. Hereinafter, the manufacturing process of the solid-state imaging device 80 will be described with reference to this drawing.

まず、P型シリコン基板81を準備して、領域85が開口されるようにマスク材をパターニングし、領域81のP型シリコン基板81をドライエッチングする。このエッチングは、後述する領域86のエッチングに比べて、表面から深くまで行う。ここでは、表面から6マイクロメートルまで行う。この領域85は、後にアライメントマークとなる領域である。マスク材は、シリコンエッチングに耐久性のあるものなら何でもよい。ここでは、レジストを使用している。また、ドライエッチングに変えて、ウエットエッチングにしてもよい。   First, a P-type silicon substrate 81 is prepared, a mask material is patterned so that the region 85 is opened, and the P-type silicon substrate 81 in the region 81 is dry-etched. This etching is carried out from the surface deeper than the etching of the region 86 described later. Here, the process is performed up to 6 micrometers from the surface. This area 85 is an area that will later become an alignment mark. The mask material may be anything as long as it is durable to silicon etching. Here, a resist is used. Further, wet etching may be used instead of dry etching.

次に、領域86が開口されるように、同様にマスク材をパターニングしてP型シリコン基板81をドライエッチングする。ここでは、表面から5マイクロメートルの深さまでエッチングを行う。この状態を示したのが図12(a)である。次いで、P型のエピタキシャル層82を周知のエピタキシャル技術を用いて形成する。ここでは、P型エピタキシャル層82を6マイクロメートル成長させている。この状態を示したのが図12(b)である。このように、表面には段差が生じている。d6の段差はおよそ5マイクロメートルであり、d7の段差はおよそ6マイクロメートルである。   Next, the mask material is similarly patterned so that the region 86 is opened, and the P-type silicon substrate 81 is dry-etched. Here, etching is performed to a depth of 5 micrometers from the surface. FIG. 12A shows this state. Next, a P-type epitaxial layer 82 is formed using a known epitaxial technique. Here, the P-type epitaxial layer 82 is grown by 6 micrometers. This state is shown in FIG. Thus, a step is generated on the surface. The step of d6 is about 5 micrometers, and the step of d7 is about 6 micrometers.

次に、周知のCMP技術に従い、段差を有するP型エピタキシャル層82の表面を研磨して平坦化を行う。このとき、d6の段差が無くなり平坦化され、d7の段差が残存する状態で研磨を停止する。この制御は、研磨時間、又は、光学的な終点検出にて実施ことができる。この状態を示したのが図12(c)である。   Next, according to a well-known CMP technique, the surface of the P-type epitaxial layer 82 having a step is polished and planarized. At this time, the polishing is stopped in a state where the level difference d6 is eliminated and the level difference d7 remains. This control can be performed by polishing time or optical end point detection. This state is shown in FIG.

次に、LOCOS酸化膜48による分離領域を形成する工程を行う。即ち、先ず、シリコン窒化膜(図示せず)をCVD法により形成し、アクティブ領域となる部分を残すようにパターニングする。このとき、P型エピタキシャル層82の段差部88が、所定の分離領域89の下に配置されるように段差部88をアライメントマークとして位置合せする。このようにすれば、後に形成する光電変換部3Rの下には厚いP型エピタキシャル層が、光電変換部3G、3Bの下には薄いP型エピタキシャル層が配置される。
開口部は、後に厚いLOCOS酸化膜が形成されるが、開口部に前もって分離拡散49を設けておく。分離拡散49は、最終的に深さが0.8マイクロメートル、濃度が1E17から1E18/cm3となる。次いで、この開口部に熱酸化法により膜厚が0.8マイクロメートルのLOCOS酸化膜を形成する。
Next, a step of forming an isolation region by the LOCOS oxide film 48 is performed. That is, first, a silicon nitride film (not shown) is formed by a CVD method and patterned so as to leave a portion that becomes an active region. At this time, the stepped portion 88 is aligned as an alignment mark so that the stepped portion 88 of the P-type epitaxial layer 82 is disposed below the predetermined isolation region 89. In this way, a thick P-type epitaxial layer is disposed under the photoelectric conversion unit 3R to be formed later, and a thin P-type epitaxial layer is disposed under the photoelectric conversion units 3G and 3B.
A thick LOCOS oxide film will be formed later in the opening, but an isolation diffusion 49 is provided in advance in the opening. The separation diffusion 49 finally has a depth of 0.8 micrometers and a concentration of 1E17 to 1E18 / cm 3. Next, a LOCOS oxide film having a thickness of 0.8 μm is formed in this opening by a thermal oxidation method.

次いで、第1の実施形態と同様に、光電変換部、画素内のその他の素子、周辺回路等を形成し、本固体撮像素子80は完成する。
なお、本固体撮像素子80の回路図、駆動方法などは、第1の実施形態に係る固体撮像素子1と同様であり、説明は省略する。
Next, as in the first embodiment, a photoelectric conversion unit, other elements in the pixel, peripheral circuits, and the like are formed, and the solid-state imaging element 80 is completed.
Note that the circuit diagram, driving method, and the like of the solid-state image sensor 80 are the same as those of the solid-state image sensor 1 according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

[第3の実施形態]
図14は、第3の実施形態に係る固体撮像素子の断面図である。なお、(a)の固体撮像素子90は、第1の実施形態に係る固体撮像素子1を基に、(b)の固体撮像素子91は、第2の実施形態に係る固体撮像素子80を基にしている。また、ここでもシリコン酸化膜より上方部の構成を省略している。
[Third Embodiment]
FIG. 14 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to the third embodiment. The solid-state image sensor 90 of (a) is based on the solid-state image sensor 1 according to the first embodiment, and the solid-state image sensor 91 of (b) is based on the solid-state image sensor 80 according to the second embodiment. I have to. Also here, the configuration above the silicon oxide film is omitted.

まず、図14(a)を参照して本実施形態を説明する。本実施形態による固体撮像素子90が第1の実施形態に係る固体撮像素子1と異なる点は、クロストーク防止層92が配置されている点にある。その他の構成は、第1の実施形態と同様なので説明を省略する。
クロストーク防止層92はP型不純物による拡散層であり、クロストーク防止層92のピーク濃度及び厚さは、バリア領域層47と同じである。クロストーク防止層92は、バリア領域層47とP型エピタキシャル層42の表面の間に配置される。さらに詳細には、クロストーク防止層92は、分離領域46の下であって、バリア領域層47との間に配置される。図においては、クロストーク防止層92は、バリア領域層47と密着配置されている。しかし、密着させる必要は必ずしも無い。ただし、このように配置させる方がより好ましく、さらに分離拡散49とも接触される方が好ましい。
First, the present embodiment will be described with reference to FIG. The solid-state imaging device 90 according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment in that a crosstalk prevention layer 92 is disposed. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
The crosstalk prevention layer 92 is a diffusion layer made of P-type impurities, and the peak concentration and thickness of the crosstalk prevention layer 92 are the same as those of the barrier region layer 47. The crosstalk preventing layer 92 is disposed between the barrier region layer 47 and the surface of the P-type epitaxial layer 42. More specifically, the crosstalk prevention layer 92 is disposed below the isolation region 46 and between the barrier region layer 47. In the figure, the crosstalk prevention layer 92 is disposed in close contact with the barrier region layer 47. However, it is not always necessary to make it adhere. However, it is more preferable to arrange in this way, and it is more preferable to contact with the separation diffusion 49.

このクロストーク防止層92を設けることにより、光電変換部3Rから入射して発生した電荷が隣接する光電変換部3G、3Bに捕捉されてクロストークとなることがさらに低減される。   By providing this crosstalk prevention layer 92, it is further reduced that charges generated by being incident from the photoelectric conversion unit 3R are captured by the adjacent photoelectric conversion units 3G and 3B and become crosstalk.

また、本実施形態による固体撮像素子91(図14(b))が第2の実施形態に係る固体撮像素子80と異なる点も、クロストーク防止層93が配置されている点にある。この場合、クロストーク防止層93は、P型シリコン基板81とP型エピタキシャル層42の表面の間に配置される。さらに詳細には、クロストーク防止層92は、分離領域46の下であって、P型シリコン基板81の表面に突出している部分との間に配置される。図においては、クロストーク防止層92は、P型シリコン基板81と密着配置されている。しかし、密着させる必要は必ずしも無い。ただし、このように配置させる方がより好ましく、さらに分離拡散49とも接触される方が好ましい。   Further, the solid-state imaging device 91 (FIG. 14B) according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 80 according to the second embodiment in that a crosstalk preventing layer 93 is disposed. In this case, the crosstalk preventing layer 93 is disposed between the surface of the P-type silicon substrate 81 and the P-type epitaxial layer 42. More specifically, the crosstalk prevention layer 92 is disposed below the isolation region 46 and between a portion protruding from the surface of the P-type silicon substrate 81. In the figure, the crosstalk prevention layer 92 is disposed in close contact with the P-type silicon substrate 81. However, it is not always necessary to make it adhere. However, it is more preferable to arrange in this way, and it is more preferable to contact with the separation diffusion 49.

このクロストーク防止層93を設けることにより、光電変換部3Rから入射して発生した電荷が隣接する光電変換部3G、3Bに捕捉されてクロストークとなることがさらに低減される。   By providing this crosstalk prevention layer 93, it is further reduced that charges generated by being incident from the photoelectric conversion unit 3R are captured by the adjacent photoelectric conversion units 3G and 3B and become crosstalk.

本発明の固体撮像素子は、静止画を撮像する電子カメラや動画を撮影するデジタルビデオカメラに利用できる。   The solid-state imaging device of the present invention can be used in an electronic camera that captures still images and a digital video camera that captures moving images.

本発明に係る第1の実施形態による固体撮像素子の2×2個の画素概略平面図である。2 is a schematic plan view of 2 × 2 pixels of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 図1のB−B’部における断面図である。It is sectional drawing in the B-B 'part of FIG.

第1の実施形態に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。
(a)は図2におけるE−E’部分の正味の不純物濃度分布図であり、(b)は、図2におけるF−F’部分の正味の不純物濃度分布図である。 第1の実施形態に係る固体撮像素子の分光感度特性を示すグラフである。 図1のC−C’部における断面図である。 図1のD−D’部における断面図である。 第1の実施形態に係る固体撮像素子の各製造工程における断面図である。 第1の実施形態に係る固体撮像素子の回路図である。 第1の実施形態に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。 第1の実施形態に係る固体撮像素子の周辺回路部分断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像素子の断面図である。 第2の実施形態に係る固体撮像素子の各製造工程における断面図である。 図12に続く第2の実施形態に係る固体撮像素子の各製造工程における断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る固体撮像素子の断面図である。
3 is a drive timing chart of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
(A) is a net impurity concentration distribution diagram of the EE ′ portion in FIG. 2, and (b) is a net impurity concentration distribution diagram of the FF ′ portion in FIG. 2. It is a graph which shows the spectral sensitivity characteristic of the solid-state image sensing device concerning a 1st embodiment. It is sectional drawing in the CC 'part of FIG. It is sectional drawing in the DD 'part of FIG. It is sectional drawing in each manufacturing process of the solid-state image sensor concerning 1st Embodiment. It is a circuit diagram of the solid-state image sensor concerning a 1st embodiment. 3 is a drive timing chart of the solid-state imaging device according to the first embodiment. It is a peripheral circuit fragmentary sectional view of the solid-state image sensing device concerning a 1st embodiment. It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is sectional drawing in each manufacturing process of the solid-state image sensor concerning 2nd Embodiment. It is sectional drawing in each manufacturing process of the solid-state image sensor which concerns on 2nd Embodiment following FIG. It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、80、90、91 固体撮像素子
2 画素
3 光電変換部
4 転送トランジスタ
5 画素アンプ
6 行選択トランジスタ
7 リセットトランジスタ
31、32 フローティング拡散部
33 転送ゲート
41、81 P型シリコン基板
42、82、P型エピタキシャル層
44 電荷蓄積部
45 薄いシリコン酸化膜
46、89 分離領域
47 バリア領域層
48 LOCOS酸化膜
49 分離拡散
55、56 アクティブ領域
61 N型ウエル
67 第1のP型ウエル
73 第2のP型ウエル
92、93 クロストーク防止層
64、74、84、94 上層バリア領域層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 80, 90, 91 Solid-state image sensor 2 Pixel 3 Photoelectric conversion part 4 Transfer transistor 5 Pixel amplifier 6 Row selection transistor 7 Reset transistor 31, 32 Floating diffusion part 33 Transfer gate 41, 81 P-type silicon substrate 42, 82, P Type epitaxial layer 44 Charge storage portion 45 Thin silicon oxide film 46, 89 Isolation region 47 Barrier region layer 48 LOCOS oxide film 49 Separation diffusion 55, 56 Active region 61 N-type well 67 First P-type well 73 Second P-type Well 92, 93 Crosstalk prevention layer 64, 74, 84, 94 Upper barrier region layer

Claims (9)

第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上面に配置され、前記第1半導体層より第1導電型の不純物濃度が低濃度である第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に配置され、前記第2半導体層より不純物濃度が高濃度である第1導電型のバリア領域層とを有し、
入射光量に応じて電荷を生成し蓄積する光電変換部を少なくとも有するアクティブ領域、前記光電変換部と対応して配置され所定の色に対応する波長の入射光を透過するカラーフィルタ、及び、前記アクティブ領域間を電気的に分離する分離領域とを含む画素が前記第2半導体層の表面に二次元状に複数配置され、
前記バリア領域層は、最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部の下、及び、前記分離領域の下に設けられ、
前記アクティブ領域の下に配置される前記バリア領域層は、前記分離領域の下に配置される前記バリア領域層よりも前記第1半導体層側に配置され、
前記最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部と当該光電変換部の下に配置される前記バリア領域層との間に、当該光電変換部の全領域に渡って一定の間隔があけられ、
前記バリア領域層は、最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部以外の光電変換部の下から前記分離領域の下へ段差が生ずるように連続して形成されたことを特徴とする固体撮像素子。
A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer disposed on an upper surface of the first semiconductor layer and having a lower impurity concentration of the first conductivity type than the first semiconductor layer;
A barrier region layer of a first conductivity type disposed inside the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
An active region having at least a photoelectric conversion unit that generates and accumulates electric charge according to the amount of incident light, a color filter that is arranged corresponding to the photoelectric conversion unit and transmits incident light having a wavelength corresponding to a predetermined color, and the active A plurality of pixels including a separation region that electrically separates the regions are arranged in a two-dimensional manner on the surface of the second semiconductor layer,
The barrier region layer is provided under a photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength color is disposed, and under the separation region,
The barrier region layer disposed under the active region is disposed closer to the first semiconductor layer than the barrier region layer disposed under the isolation region,
Between the photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength color is arranged and the barrier region layer arranged under the photoelectric conversion unit, the entire photoelectric conversion unit At regular intervals across the area,
The barrier region layer is continuously formed so that a step is generated from below the photoelectric conversion unit other than the photoelectric conversion unit where the color filter corresponding to the color of the longest wavelength is disposed to below the separation region. A solid-state imaging device characterized by the above.
前記光電変換部は、第2導電型の電荷蓄積層を有し、
前記アクティブ領域は、前記電荷蓄積層に蓄積された電荷を転送する転送ゲート部と、前記転送ゲート部の動作により前記電荷蓄積層と電気的に接続され前記電荷蓄積層に蓄積された電荷が転送されるフローティング拡散部と、前記フローティング拡散部に転送された電荷に対応する信号を出力する画素アンプ部と、前記フローティング拡散部を一定電位にリセットするリセットトランジスタと、画素を選択する選択トランジスタとをさらに有し、
前記分離領域には選択酸化によるシリコン酸化膜が配置されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The photoelectric conversion unit has a charge storage layer of a second conductivity type,
The active region has a transfer gate portion that transfers charges accumulated in the charge accumulation layer, and is electrically connected to the charge accumulation layer by the operation of the transfer gate portion, and charges accumulated in the charge accumulation layer are transferred. A floating diffusion unit, a pixel amplifier unit that outputs a signal corresponding to the charge transferred to the floating diffusion unit, a reset transistor that resets the floating diffusion unit to a constant potential, and a selection transistor that selects a pixel. In addition,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a silicon oxide film by selective oxidation is disposed in the isolation region.
前記アクティブ領域は、前記光電変換部が少なくとも配置される第1のアクティブ領域と、
前記画素アンプ部、及び、前記選択トランジスタとが少なくとも配置される第2のアクティブ領域とを有し、
前記第1のアクティブ領域と前記第2のアクティブ領域とは、前記選択酸化によるシリコン酸化膜によって電気的に分離されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
The active region includes a first active region where at least the photoelectric conversion unit is disposed;
A second active region in which the pixel amplifier unit and the selection transistor are disposed at least;
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the first active region and the second active region are electrically separated by a silicon oxide film formed by the selective oxidation.
前記バリア領域層と前記第2半導体層表面との間には前記第1導電型のクロストーク防止層が配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging according to claim 1, wherein the first conductivity type crosstalk prevention layer is disposed between the barrier region layer and the surface of the second semiconductor layer. 5. element. 前記画素から信号を出力するための回路がさらに配置され、前記回路は、
前記第2半導体層に配置されるMOSトランジスタと、
前記第2半導体層表面に第2導電型のウエル領域を設け、該第2導電型のウエル領域に配置されるMOSトランジスタと、
前記第2半導体層とは電気的に分離される第1導電型のウエル領域を設け、該第1導電型のウエル領域に配置されるMOSトランジスタと、
を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。
A circuit for outputting a signal from the pixel is further arranged, and the circuit includes:
A MOS transistor disposed in the second semiconductor layer;
A second conductivity type well region on the surface of the second semiconductor layer, and a MOS transistor disposed in the second conductivity type well region;
A first conductivity type well region electrically isolated from the second semiconductor layer, and a MOS transistor disposed in the first conductivity type well region;
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
前記第1半導体層の不純物濃度は、1E18cm−3以上であり、前記第2半導体層の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度に比べて1/10以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の固体撮像素子。 The impurity concentration of the first semiconductor layer is 1E18 cm −3 or more, and the impurity concentration of the second semiconductor layer is 1/10 or less compared to the impurity concentration of the first semiconductor layer. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5. 第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に配置され、前記第1半導体層より第1導電型の不純物濃度が低濃度である第2半導体層と、
入射光量に応じて電荷を生成し蓄積する光電変換部、及び、前記光電変換部と対応して配置され所定の色に対応する波長の入射光を透過するカラーフィルタとを少なくとも有する画素が前記第2半導体層の表面に二次元状に複数配置され、
最も長波長の色に対応する前記カラーフィルタが配置される光電変換部の下には、その他のカラーフィルタが配置される光電変換部の下よりも厚さの厚い前記第2半導体層が配置され、
前記電荷が電子である場合には前記第1導電型はP型であり、前記電荷がホールである場合には前記第1導電型はN型であることを特徴とする固体撮像素子。
A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer, wherein the impurity concentration of the first conductivity type is lower than that of the first semiconductor layer;
A pixel having at least a photoelectric conversion unit that generates and accumulates electric charge according to the amount of incident light, and a color filter that is arranged corresponding to the photoelectric conversion unit and transmits incident light having a wavelength corresponding to a predetermined color. Two or more two-dimensionally arranged on the surface of the semiconductor layer,
The second semiconductor layer having a thickness greater than that under the photoelectric conversion unit in which the other color filters are disposed is disposed under the photoelectric conversion unit in which the color filter corresponding to the longest wavelength is disposed. ,
The solid-state imaging device, wherein when the charge is an electron, the first conductivity type is P-type, and when the charge is a hole, the first conductivity type is N-type.
前記第2半導体層表面と前記第1半導体層との間少なくとも一部には、第1導電型のクロストーク防止層が配置されることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 7, wherein a first conductivity type crosstalk prevention layer is disposed at least partially between the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor layer. 請求項1乃至のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する固体撮像素子の製造方法であって、前記バリア領域層の全体を一括して形成する工程を備えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 A manufacturing method of a solid-state imaging device for producing a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, the solid-state imaging which comprising the step of collectively forming the entirety of the barrier region layer Device manufacturing method.
JP2006007190A 2006-01-16 2006-01-16 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP4857773B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006007190A JP4857773B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006007190A JP4857773B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007189131A JP2007189131A (en) 2007-07-26
JP4857773B2 true JP4857773B2 (en) 2012-01-18

Family

ID=38344072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006007190A Expired - Fee Related JP4857773B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4857773B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100821469B1 (en) * 2006-10-13 2008-04-11 매그나칩 반도체 유한회사 Small size cmos image sensor pixel with improved color cross talk and method for fabricating the same
JP2017059563A (en) * 2015-09-14 2017-03-23 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Imaging element
JP2018107358A (en) * 2016-12-27 2018-07-05 キヤノン株式会社 Manufacturing method of imaging apparatus and imaging system
JP7271127B2 (en) * 2018-10-19 2023-05-11 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6149464A (en) * 1984-08-17 1986-03-11 Matsushita Electronics Corp Solid-state image pickup device
JP4270742B2 (en) * 2000-11-30 2009-06-03 Necエレクトロニクス株式会社 Solid-state imaging device
JP3840203B2 (en) * 2002-06-27 2006-11-01 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device and camera system using the solid-state imaging device
JP2004152819A (en) * 2002-10-29 2004-05-27 Toshiba Corp Solid-state image sensing device and its manufacturing method
JP3621400B2 (en) * 2003-03-03 2005-02-16 松下電器産業株式会社 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
JP4984376B2 (en) * 2004-04-15 2012-07-25 ソニー株式会社 Solid-state imaging device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007189131A (en) 2007-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4224036B2 (en) Image sensor with embedded photodiode region and method of manufacturing the same
JP4739324B2 (en) Image sensor with embedded photodiode region and method of manufacturing the same
US8319867B2 (en) Solid-state imager device, drive method of solid-state imager device and camera apparatus
US6180969B1 (en) CMOS image sensor with equivalent potential diode
US7880257B2 (en) Image sensors including photoelectric converting units having multiple impurity regions
US8953076B2 (en) Photoelectric conversion device and camera having a photodiode cathode formed by an n-type buried layer
US20090050997A1 (en) Solid-state image capturing device, manufacturing method for the solid-state image capturing device, and electronic information device
WO2014002361A1 (en) Solid-state image pick-up device and method for producing same
US9111829B2 (en) Color-optimized image sensor
US8723285B2 (en) Photoelectric conversion device manufacturing method thereof, and camera
KR20110109894A (en) Solid-state image pickup apparatus and electronic instrument
JP2010245100A (en) Solid-state imaging element
WO2021117523A1 (en) Solid-state image sensor and electronic device
JP5407282B2 (en) SOLID-STATE IMAGING DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND ELECTRONIC DEVICE
JP5272281B2 (en) Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and camera
JP2007115787A (en) Solid-state imaging element
JP4857773B2 (en) Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
JP4867309B2 (en) Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and camera
CN115053348A (en) Solid-state image pickup element and electronic device

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20080623

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081204

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20081204

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110607

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110609

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110803

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20110803

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110823

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110907

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111004

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111017

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4857773

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141111

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141111

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees