JP5299333B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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本発明は、シリコン層内に光電変換素子が形成された、固体撮像素子に係わる。 The present invention relates to a solid-state imaging element in which a photoelectric conversion element is formed in a silicon layer.

固体撮像素子は、半導体層内に光電変換素子が形成されて構成される。
そして、固体撮像素子において、光電変換素子が形成された半導体層の表面準位に起因して、所謂暗電流が発生することが問題になる。
The solid-state imaging device is configured by forming a photoelectric conversion device in a semiconductor layer.
In the solid-state imaging device, a problem arises that a so-called dark current is generated due to the surface level of the semiconductor layer in which the photoelectric conversion device is formed.

この暗電流は、主として、図7Aのポテンシャル図に示すように、表面準位に捕獲された電子が伝導帯まで熱的に励起されることにより、表面空乏層の電界によって、光電変換素子を構成するフォトダイオードのn型半導体領域まで移動するために、発生するものである。
例えば、半導体層がシリコンである場合には、そのバンドギャップが1.1eVであり、かつバーディーン・リミットによって、このバンドギャップが2:1に分割されるところに表面準位(及びフェルミレベル)が存在する。
従って、このとき表面準位に捕獲されている電子にとってのポテンシャル障壁は0.7eVとなる。
As shown in the potential diagram of FIG. 7A, this dark current mainly constitutes a photoelectric conversion element by the electric field of the surface depletion layer when the electrons trapped in the surface level are thermally excited to the conduction band. Occurs to move to the n-type semiconductor region of the photodiode.
For example, if the semiconductor layer is silicon, the bandgap is 1.1 eV, and the surface level (and Fermi level) where the bandgap is divided into 2: 1 by the Bardeen limit. Exists.
Accordingly, at this time, the potential barrier for electrons trapped in the surface level is 0.7 eV.

そこで、この表面準位に起因する暗電流を低減するために、フォトダイオードの表面にp層を設ける方法が採用されている(例えば、特許文献1参照。)。
これによって、ある程度暗電流が抑えられている。
即ち、図7Bのポテンシャル図に示すように、p層の存在によって、表面準位に捕獲された電子にとってのポテンシャル障壁が1.0eVとなり、p層がない場合と比較して0.3eVほど高くなる。これにより、熱的に励起される電子数を低減することができるため、暗電流を低減することができる。
Therefore, in order to reduce the dark current caused by the surface level, a method of providing a p + layer on the surface of the photodiode is employed (see, for example, Patent Document 1).
As a result, dark current is suppressed to some extent.
That is, as shown in the potential diagram of FIG. 7B, the presence of the p + layer makes the potential barrier for electrons trapped in the surface level 1.0 eV, which is 0.3 eV compared to the case without the p + layer. It gets higher. Thereby, since the number of electrons excited thermally can be reduced, dark current can be reduced.

シリコン基板の表面にp層を設けた場合には、その室温(T=300K)における暗電流の量が、p層を設けない場合と比較して、フェルミディラックの分布関数から見積もって4桁減少する。
ここで、フェルミディラックの分布関数は、下記数1となる。
When the p + layer is provided on the surface of the silicon substrate, the amount of dark current at room temperature (T = 300K) is estimated from the Fermi Dirac distribution function as compared with the case where the p + layer is not provided. Decrease by an order of magnitude.
Here, the distribution function of Fermi Dirac is expressed by the following formula 1.

Figure 0005299333
Figure 0005299333

ただし、Eはエネルギーであり、Eはフェルミエネルギーであり、Tは絶対温度であり、kはボルツマン定数であり、eは自然対数である。そして、E−Eが、ポテンシャル障壁の大きさに対応する。 However, E is the energy, E F is the Fermi energy, T is the absolute temperature, k is Boltzmann's constant, e is the natural logarithm. E-E F corresponds to the size of the potential barrier.

特開2002−252342号公報(図15)JP 2002-252342 A (FIG. 15)

しかしながら、画素の微細化が進むに従い、各画素のフォトダイオードが受光する光量が減少することから、信号量も低下するため、相対的にS/N比が小さくなってしまう。
このため、シリコン基板の表面にp層を設けて暗電流の量が4桁減少しても、充分なS/N比を確保することができなくなり、例えば夜景の空を撮像しても、得られる画像にドット状のノイズとして現れることになる。
However, as the pixels become finer, the amount of light received by the photodiode of each pixel decreases, so the signal amount also decreases and the S / N ratio becomes relatively small.
For this reason, even if a p + layer is provided on the surface of the silicon substrate and the amount of dark current is reduced by four orders of magnitude, a sufficient S / N ratio cannot be ensured. It appears as dot-like noise in the obtained image.

これは、通常、入射光量が少ない場合には、感度不足を補うために画像の信号をアンプ等でゲインを高くして信号強度を高くしているが、このとき信号強度と同時にノイズの強度が高められるので、結果として画像中のノイズが目立ってしまうからである。   Normally, when the amount of incident light is small, the signal intensity is increased by increasing the gain of the image signal with an amplifier or the like to compensate for the lack of sensitivity. This is because the noise in the image becomes conspicuous as a result.

今後、さらなる微細化が進むに従い、信号強度が減っていくため、シリコン基板の表面にp層を設けて暗電流によるノイズを低減するだけでは追いつかなくなる。
従って、充分なS/N比を確保するために新たな工夫が必要になる。
In the future, as the miniaturization further proceeds, the signal intensity decreases. Therefore, it is impossible to catch up only by providing a p + layer on the surface of the silicon substrate to reduce noise caused by dark current.
Therefore, a new device is required to ensure a sufficient S / N ratio.

上述した問題の解決のために、本発明においては、暗電流によるノイズを低減することにより、充分なS/N比を確保することを可能にする固体撮像素子を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid-state imaging device that can secure a sufficient S / N ratio by reducing noise due to dark current.

本発明の固体撮像素子は、シリコンから成る半導体層と、この半導体層内に形成された光電変換素子と、光電変換素子が形成された部分の上を含んで、半導体層の全面に形成された、SiGeCから成る単結晶層とを含み、単結晶層の厚さが30nm以下であるものである。 The solid-state imaging device of the present invention is formed on the entire surface of the semiconductor layer including a semiconductor layer made of silicon, a photoelectric conversion element formed in the semiconductor layer, and a portion where the photoelectric conversion element is formed. And a single crystal layer made of SiGeC, and the thickness of the single crystal layer is 30 nm or less .

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、シリコンから成る半導体層の、光電変換素子が形成された部分の上を含んで、半導体層の全面に、SiGeCから成る単結晶層が形成されていることにより、単結晶層のバンドギャップが半導体層よりも広いため、表面準位からの電子に対する障壁が大きくなり、この電子に起因する暗電流を低減することができる。 According to the above-described configuration of the solid-state imaging device of the present invention, the single crystal layer made of SiGeC is formed on the entire surface of the semiconductor layer including the portion of the semiconductor layer made of silicon where the photoelectric conversion device is formed. Accordingly, since the band gap of the single crystal layer is wider than that of the semiconductor layer, a barrier against electrons from the surface state is increased, and dark current caused by the electrons can be reduced.

上述の本発明によれば、単結晶層により表面準位からの電子に対する障壁が大きくなり、この電子に起因する暗電流を低減することができ、例えば12桁と大幅に低減することも可能になるため、入射光による信号のS/N比を飛躍的に改善することが可能になる。
これにより、暗い部屋等の入射光量が少ない撮像条件において、高感度化のために信号のゲインを高く設定しても、ノイズが目立ない画像を得ることが可能になる。
また、たとえ低感度の撮像素子であっても、入射光量に関係なく、アンプの増幅だけで高画質の画像を得ることが可能になる。
According to the present invention described above, the barrier against electrons from the surface state is increased by the single crystal layer, and the dark current caused by the electrons can be reduced. For example, it can be significantly reduced to 12 digits. Therefore, the S / N ratio of the signal due to incident light can be dramatically improved.
This makes it possible to obtain an image with no noticeable noise even if the signal gain is set high for high sensitivity under imaging conditions with a small amount of incident light such as in a dark room.
Further, even with a low-sensitivity image sensor, a high-quality image can be obtained only by amplification by an amplifier, regardless of the amount of incident light.

そして、素子を微細化して入射光量が少なくなっても、充分なS/N比を確保することが可能になるため、感度不足を補うためにアンプで増幅するだけで、ノイズが目立たない良好な画像が得られる。
従って、素子を微細化することにより、固体撮像素子の多画素化を図ることができ、また固体撮像装置の小型化を図ることができる。
Even if the element is miniaturized and the amount of incident light is reduced, a sufficient S / N ratio can be ensured. Therefore, the noise is not noticeable by simply amplifying with an amplifier to compensate for the lack of sensitivity. An image is obtained.
Therefore, by miniaturizing the element, it is possible to increase the number of pixels of the solid-state imaging element, and it is possible to reduce the size of the solid-state imaging apparatus.

本発明の固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図(模式的平面図)である。1 is a schematic configuration diagram (schematic plan view) of an embodiment of a solid-state imaging device of the present invention. 図1の固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor of FIG. ポテンシャル分布を示す図である。It is a figure which shows potential distribution. 本発明の固体撮像素子の他の実施の形態の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of other embodiment of the solid-state image sensor of this invention. 図4の固体撮像素子とは異なる方法で単結晶層を形成した場合の固体撮像素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of a solid-state image sensor when a single crystal layer is formed by a method different from the solid-state image sensor of FIG. 本発明の固体撮像素子のさらに他の実施の形態の概略構成図(模式的平面図)である。It is a schematic block diagram (schematic top view) of other embodiment of the solid-state image sensor of this invention. A 従来の固体撮像素子のポテンシャル分布を示す図である。 B 表面にP層を設けた構成のポテンシャル分布を示す図である。It is a figure which shows the potential distribution of A conventional solid-state image sensor. It is a figure which shows the potential distribution of the structure which provided the P + layer in B surface.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明では、前述した課題を鑑みて、暗電流を有効的に減らす手段として、ワイドバンドギャップの材料から成る単結晶層を、光電変換素子が形成された半導体層(半導体基板、半導体エピタキシャル層、半導体基板及びその上の半導体エピタキシャル層等、単結晶の半導体層が該当する)の表面に接合させて、高いポテンシャル障壁を築く。
First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.
In the present invention, in view of the problems described above, as a means for effectively reducing dark current, a single crystal layer made of a wide band gap material is used as a semiconductor layer (semiconductor substrate, semiconductor epitaxial layer, A high potential barrier is formed by bonding to the surface of a semiconductor substrate and a semiconductor epitaxial layer on the semiconductor substrate and the like (which corresponds to a single crystal semiconductor layer).

例えば、フォトダイオードが形成されたn型Si層の表面に立方晶系のSiC層を接合させると、SiCのバンドギャップを2.2eVとすれば、深さ方向のポテンシャル分布を図3に示すように、ポテンシャル障壁が1.5eVとなり、図7Aや図7Bに示した場合よりも障壁が大きくなることから、暗電流が減少する。
この場合、前述したフェルミディラックの分布関数から、室温において12桁ほど暗電流が減少することになる。
このように、暗電流が減少することにより、ノイズが低減されることから、S/N比が高くなる。これにより、入射光量が低い場合にアンプで信号を増幅しても、ノイズが目立たなくなる。
For example, when a cubic SiC layer is bonded to the surface of an n-type Si layer on which a photodiode is formed, the potential distribution in the depth direction is as shown in FIG. 3 if the SiC band gap is 2.2 eV. Further, the potential barrier becomes 1.5 eV, and the barrier becomes larger than that shown in FIGS. 7A and 7B, so that the dark current is reduced.
In this case, the dark current is reduced by about 12 orders of magnitude at room temperature based on the Fermi Dirac distribution function described above.
Thus, since the noise is reduced by reducing the dark current, the S / N ratio is increased. As a result, even if the signal is amplified by an amplifier when the amount of incident light is low, noise is not noticeable.

上述したワイドバンドギャップ材料としては、各種の材料が考えられる。
例えば、化合物半導体である混晶系の組成比を変えることにより、バンドギャップを制御できる。例えばAlGaInP系混晶やSiC系混晶やZnCdSe系混晶やAlGaInN系混晶が挙げられる。
Various materials can be considered as the above-mentioned wide band gap material.
For example, the band gap can be controlled by changing the composition ratio of a mixed crystal that is a compound semiconductor. For example, AlGaInP-based mixed crystals, SiC-based mixed crystals, ZnCdSe-based mixed crystals, and AlGaInN-based mixed crystals can be used.

そして、光電変換素子を形成する半導体層としてシリコン層を用いた場合には、製造の容易さ等も考慮すると、同じVI族元素を用いたSiC系の相性が良い。
しかしながら、シリコンとSiCとの格子不整の絶対値が大きいために、接合界面の所でミスフィット転位が発生しやすい。ここで述べている格子不整Δaとは、次式(数2)で定義することができる。
When a silicon layer is used as the semiconductor layer for forming the photoelectric conversion element, SiC-based compatibility using the same group VI element is good in consideration of ease of manufacture.
However, since the absolute value of the lattice mismatch between silicon and SiC is large, misfit dislocations are likely to occur at the junction interface. The lattice irregularity Δa described here can be defined by the following equation (Equation 2).

Figure 0005299333
Figure 0005299333

ここで、aSiC, aSiは、それぞれSiCとSiの格子定数である。
このミスフィット転位の発生を防ぐためには、例えばSiCの膜厚を臨界膜厚程度以下に薄くすればよい。例えば、SiCの膜厚を30nm以下にすれば良いことが実験的に判っている。
さらに、SiとCの組成比が1:1のようにCの組成比が高い場合には、さらに膜厚15nm以下とより薄くすれば良いことも判っている。
Here, a SiC and a Si are lattice constants of SiC and Si, respectively.
In order to prevent the occurrence of misfit dislocations, for example, the film thickness of SiC may be reduced to a critical film thickness or less. For example, it has been experimentally found that the film thickness of SiC may be 30 nm or less.
Furthermore, it has been found that when the composition ratio of C is high such that the composition ratio of Si and C is 1: 1, the film thickness may be further reduced to 15 nm or less.

また、SiCにGeを含有させてSiGeC系混晶とすることにより、格子不整Δaの絶対値を小さくしても良い。
ここで、表1にSi,Ge,Cの結晶構造と格子定数を示す。
Further, the absolute value of the lattice irregularity Δa may be reduced by adding Si to SiC to form a SiGeC-based mixed crystal.
Here, Table 1 shows the crystal structures and lattice constants of Si, Ge, and C.

Figure 0005299333
Figure 0005299333

表1に示すように、Cの格子定数がSiの格子定数よりも小さいために、SiC系だけでは格子不整Δaの絶対値が大きくなる。
そこで、Siの格子定数より大きいGeをSiCに混ぜることによって、格子不整Δaの絶対値をある程度小さくすることができる。
このようにSiGeCにより単結晶層を形成する場合にも、単結晶層の膜厚を、好ましくは30nm以下、より好ましくは15nm以下にする。
なお、Cを含まないSiGeは、バンドギャップがSiよりも小さいため、このSiGeC系を単結晶層に用いる場合には、Cを含有させる必要がある。
As shown in Table 1, since the lattice constant of C is smaller than the lattice constant of Si, the absolute value of the lattice irregularity Δa increases only with the SiC system.
Therefore, the absolute value of the lattice irregularity Δa can be reduced to some extent by mixing Ge larger than the lattice constant of Si with SiC.
Even when a single crystal layer is formed of SiGeC as described above, the thickness of the single crystal layer is preferably 30 nm or less, more preferably 15 nm or less.
Since SiGe not containing C has a band gap smaller than that of Si, when using this SiGeC system for a single crystal layer, it is necessary to contain C.

上述のようにGeを入れてSiGeC系混晶とすることにより結晶性を高めることができるが、別の方法でも結晶性を高くすることも可能である。
即ち、Si層等の半導体層と、SiC層又はSiGeC層等の単結晶層との間の界面に、厚さ15nm以下の歪み超格子を1層以上入れることにより、この歪み超格子により、歪みが緩和されたり、転位が膜面方向に抜けたりするため、結晶性が高くなる。この場合の超格子の薄膜は、Siと格子定数の異なるものであれば良い。即ち、例えばSiGeC系で組成比の異なる層をSi基板の上に多層に積層しても同様な効果が得られる。
Crystallinity can be increased by adding Ge to form a SiGeC mixed crystal as described above, but it is also possible to increase the crystallinity by another method.
That is, by placing one or more strained superlattices having a thickness of 15 nm or less at the interface between a semiconductor layer such as a Si layer and a single crystal layer such as a SiC layer or a SiGeC layer, the strained superlattice causes strain. Is relaxed and dislocations escape in the direction of the film surface, so that the crystallinity increases. In this case, the superlattice thin film may have a different lattice constant from Si. That is, for example, the same effect can be obtained even if layers of different composition ratios based on SiGeC are stacked on the Si substrate.

上述した化合物の単結晶層の薄膜を得るためには、CVD(化学的気相成長)法、MOCVD(有機金属CVD)法、プラズマCVD法、MBE(分子線エピタキシー)法、レーザアブレーション法、スパッタリング法等、一般的な結晶成長方法であれば可能である。
または、カーボン等炭素系の材料をシリコンの表面に付着させた後に、アニール処理を施す等の方法によってシリコンの表面を炭化させることにより、表面にSiC層を形成しても良い。
In order to obtain a single crystal thin film of the above-mentioned compound, CVD (chemical vapor deposition) method, MOCVD (metal organic CVD) method, plasma CVD method, MBE (molecular beam epitaxy) method, laser ablation method, sputtering Any general crystal growth method such as a method can be used.
Alternatively, the SiC layer may be formed on the surface by carbonizing the surface of the silicon by a method such as annealing after attaching a carbon-based material such as carbon to the surface of the silicon.

上述したバンドギャップの広い単結晶層は、前述したように、膜厚をあまり厚くし過ぎると、半導体層との間でミスフィット転移が発生するため、数十nm以下とすることが望ましい。
一方、膜厚をあまり薄くし過ぎると、トンネル効果が生じて、障壁としての役割を充分に果たせなくなるため、2nm以上、より好ましくは5nm以上にする。
As described above, if the single crystal layer with a wide band gap is too thick as described above, misfit transition occurs between the semiconductor layer and the single crystal layer.
On the other hand, if the film thickness is made too thin, a tunnel effect occurs and the role as a barrier cannot be sufficiently achieved. Therefore, the film thickness is set to 2 nm or more, more preferably 5 nm or more.

なお、バンドギャップの広い層を、単結晶層ではなく、非晶質層や多結晶層にすると、下の半導体層との界面に準位が形成されて、暗電流を充分に低減することができなくなるため、好ましくない。   Note that if the layer with a wide band gap is not a single crystal layer but an amorphous layer or a polycrystalline layer, a level is formed at the interface with the lower semiconductor layer, and the dark current can be sufficiently reduced. Since it becomes impossible, it is not preferable.

続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図(模式的平面図)を図1に示す。
本実施の形態は、本発明の固体撮像素子をCCD固体撮像素子に適用したものである。
Subsequently, specific embodiments of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (schematic plan view) of a solid-state imaging device.
In this embodiment, the solid-state imaging device of the present invention is applied to a CCD solid-state imaging device.

この固体撮像素子1は、受光部としてフォトダイオードPDがマトリクス状に多数配置され、受光部(フォトダイオードPD)の各列に対応して、それぞれ垂直方向(図中縦方向)に延びる垂直CCDレジスタ2が設けられ、各垂直CCDレジスタ2の一端に水平方向(図中横方向)に延びる水平CCDレジスタ3が接続され、さらに水平CCDレジスタ3の一端に、出力アンプ4を介して出力部5が接続されて構成されている。   This solid-state imaging device 1 has a vertical CCD register in which a large number of photodiodes PD are arranged in a matrix as a light receiving portion, and extends in the vertical direction (vertical direction in the figure) corresponding to each column of the light receiving portions (photodiodes PD). 2 is connected to one end of each vertical CCD register 2 and connected to a horizontal CCD register 3 extending in the horizontal direction (lateral direction in the figure). Further, an output unit 5 is connected to one end of the horizontal CCD register 3 via an output amplifier 4. Connected and configured.

また、図1の固体撮像素子1の受光部を含む断面図を図2に示す。
図2に示すように、n型のシリコン基板11の上部にp型半導体ウエル領域12が形成され、このp型半導体ウエル領域12に、フォトダイオードPD及び垂直CCDレジスタ2を構成する半導体領域が形成されている。
フォトダイオードPDは、いわゆる光電変換素子となるものであり、p型半導体ウエル領域12の上部にn型の電荷蓄積領域13が形成され、これら領域12,13によりダイオードが構成されている。
垂直CCDレジスタ2では、p型半導体ウエル領域12の表面付近に、信号電荷が転送されるn型転送チャネル領域15が形成され、n型転送チャネル領域15の下に第2のp型半導体ウエル領域14が形成されている。
また、フォトダイオードPDのn型の電荷蓄積領域13と、右側のn型転送チャネル領域15との間には、p型のチャネルストップ領域16が形成されており、このチャネルストップ領域16により、信号電荷がn型の電荷蓄積領域13から右側のn型転送チャネル領域15に流れ込まないようにしている。
フォトダイオードPDのn型の電荷蓄積領域13と、左側のn型転送チャネル領域15との間は、読み出しゲート領域17となっている。
FIG. 2 is a cross-sectional view including the light receiving portion of the solid-state imaging device 1 of FIG.
As shown in FIG. 2, a p-type semiconductor well region 12 is formed on an n-type silicon substrate 11, and semiconductor regions constituting the photodiode PD and the vertical CCD register 2 are formed in the p-type semiconductor well region 12. Has been.
The photodiode PD serves as a so-called photoelectric conversion element. An n-type charge storage region 13 is formed on the p-type semiconductor well region 12, and the regions 12 and 13 constitute a diode.
In the vertical CCD register 2, an n-type transfer channel region 15 to which signal charges are transferred is formed near the surface of the p-type semiconductor well region 12, and a second p-type semiconductor well region is formed below the n-type transfer channel region 15. 14 is formed.
A p-type channel stop region 16 is formed between the n-type charge storage region 13 of the photodiode PD and the right-side n-type transfer channel region 15, and the channel stop region 16 allows signal Charges are prevented from flowing from the n-type charge accumulation region 13 into the right-side n-type transfer channel region 15.
A read gate region 17 is formed between the n-type charge storage region 13 of the photodiode PD and the left n-type transfer channel region 15.

シリコン基板11の上には、ゲート絶縁膜18を介して、多結晶シリコンから成る転送電極19が形成されている。転送電極19は、読み出しゲート部17と転送チャネル領域15上とチャネルストップ領域16上とにまたがって形成され、この転送電極19の開口に対応してフォトダイオードPDの電荷蓄積領域13が形成されている。
転送電極19上には、SiOから成る層間絶縁膜20を介して、Alから成る遮光膜21が形成されている。この遮光膜21は、転送電極19の上方から側面に跨って形成され、かつフォトダイオードPDの電荷蓄積領域13上に開口を有している。
A transfer electrode 19 made of polycrystalline silicon is formed on the silicon substrate 11 via a gate insulating film 18. The transfer electrode 19 is formed across the readout gate portion 17, the transfer channel region 15, and the channel stop region 16, and the charge storage region 13 of the photodiode PD is formed corresponding to the opening of the transfer electrode 19. Yes.
A light shielding film 21 made of Al is formed on the transfer electrode 19 via an interlayer insulating film 20 made of SiO 2 . The light shielding film 21 is formed from above the transfer electrode 19 to the side surface, and has an opening on the charge accumulation region 13 of the photodiode PD.

本実施の形態の固体撮像素子1においては、特に、受光部のフォトダイオード(光電変換素子)PDが形成されたシリコン基板11上に接合して、シリコン基板11のシリコンよりもバンドギャップの広い材料、例えばSiCやSiGeCから成る単結晶層25を設けている。
この単結晶層25を設けたことにより、従来の構成と比較して、暗電流を大幅に低減することができる。
In the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, in particular, a material having a wider band gap than silicon of the silicon substrate 11 bonded to the silicon substrate 11 on which the photodiode (photoelectric conversion element) PD of the light receiving unit is formed. For example, a single crystal layer 25 made of SiC or SiGeC is provided.
By providing this single crystal layer 25, dark current can be greatly reduced as compared with the conventional configuration.

前述したように、SiCやSiGeCを単結晶層25に用いる場合には、単結晶層25の膜厚を30nm以下にすることが望ましい。例えば10nm程度の膜厚とする。   As described above, when SiC or SiGeC is used for the single crystal layer 25, it is desirable that the film thickness of the single crystal layer 25 be 30 nm or less. For example, the film thickness is about 10 nm.

単結晶層25を形成する工程は、例えばCVD法等、前述した各種方法を採用することができる。   For the process of forming the single crystal layer 25, for example, various methods described above such as a CVD method can be employed.

上述の本実施の形態の固体撮像素子1の構成によれば、フォトダイオードPDが形成されたシリコン基板11上に接合して、シリコン基板11のシリコンよりもバンドギャップの広い材料から成る単結晶層25を設けていることにより、この単結晶層25のバンドギャップが広いため、表面準位からの電子に対する障壁が大きくなり、この電子に起因する暗電流を低減することができる。そして、暗電流を例えば12桁と大幅に低減することも可能になり、入射光による信号のS/N比を飛躍的に改善することができる。
これにより、暗い部屋等の入射光量が少ない撮像条件において、高感度化のために信号のゲインを高く設定しても、ノイズが目立ない画像を得ることが可能になる。
また、固体撮像素子1が低感度であっても、入射光量に関係なく、アンプの増幅だけで高画質の画像を得ることが可能になる。
According to the configuration of the solid-state imaging device 1 of the present embodiment described above, a single crystal layer made of a material having a wider band gap than silicon of the silicon substrate 11 is bonded onto the silicon substrate 11 on which the photodiode PD is formed. By providing 25, since the band gap of the single crystal layer 25 is wide, a barrier against electrons from the surface level is increased, and dark current caused by the electrons can be reduced. Further, the dark current can be significantly reduced, for example, to 12 digits, and the S / N ratio of the signal due to the incident light can be drastically improved.
This makes it possible to obtain an image with no noticeable noise even if the signal gain is set high for high sensitivity under imaging conditions with a small amount of incident light such as in a dark room.
Even if the solid-state imaging device 1 has low sensitivity, a high-quality image can be obtained only by amplification of the amplifier regardless of the amount of incident light.

そして、固体撮像素子1の画素を微細化して入射光量が少なくなっても、充分なS/N比を確保することが可能になるため、感度不足を補うためにアンプで増幅するだけで、ノイズが目立たない良好な画像が得られる。
従って、固体撮像素子1の画素を微細化することにより、固体撮像素子1の多画素化や固体撮像装置の小型化を図ることができる。
Even if the pixels of the solid-state imaging device 1 are miniaturized to reduce the amount of incident light, a sufficient S / N ratio can be secured. A good image with no noticeable is obtained.
Therefore, by miniaturizing the pixels of the solid-state imaging device 1, it is possible to increase the number of pixels of the solid-state imaging device 1 and to reduce the size of the solid-state imaging device.

(実施例)
ここで、実際に、本実施の形態の固体撮像素子1を作製して、特性を調べた。
(Example)
Here, actually, the solid-state imaging device 1 of the present embodiment was manufactured, and the characteristics were examined.

まず、単結晶層25としてSiC層を形成した、固体撮像素子1を作製した。
シリコン基板11の上に、例えばCVD法を用いて、単結晶層25としてSiC層を例えば膜厚10nm程度結晶成長させた。このとき、例えば、原料としてCとモノシランSiHとを使用して、基板温度を1100℃以下とした。
なお、CVD法以外の他の方法により、SiC層を形成することも可能である。例えば、レーザアブレーション法では、ターゲット材料にSiCを用いて結晶成長させることが可能である。
その後に、通常のCCD固体撮像素子の製造工程と同様の工程を行って、図1及び図2に示した本実施の形態の固体撮像素子1を作製した。
First, the solid-state imaging device 1 in which a SiC layer was formed as the single crystal layer 25 was produced.
An SiC layer, for example, having a film thickness of about 10 nm was grown as a single crystal layer 25 on the silicon substrate 11 by using, for example, a CVD method. At this time, for example, C 3 H 8 and monosilane SiH 4 were used as raw materials, and the substrate temperature was set to 1100 ° C. or lower.
It is also possible to form the SiC layer by a method other than the CVD method. For example, in the laser ablation method, it is possible to grow a crystal using SiC as a target material.
Thereafter, the same process as the manufacturing process of a normal CCD solid-state image sensor was performed, and the solid-state image sensor 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 was produced.

作製した固体撮像素子1を使用して、実際に撮像を行ったところ、暗電流が非常に少なくなり、暗い条件で撮像してもノイズが目立たない画像が得られた。   When imaging was actually performed using the produced solid-state imaging device 1, dark current was very small, and an image in which noise was not noticeable was obtained even when imaging was performed under dark conditions.

次に、単結晶層25としてSiGeC層を形成した、固体撮像素子1を作製した。
シリコン基板11を、NHOH,H,HOの混合液(混合比は1:1:5)に10分間浸すことにより、表面を洗浄した。
その後、HF(HF:HO=1:50)処理を10秒行うことにより、シリコン基板11表面の自然酸化膜を除去した。
このような工程を経ることによって、シリコン基板11の表面を清浄化すると、その後の結晶成長の結晶性が向上する。
このように前処理を行って、自然酸化膜を除去したシリコン基板11を基板ホルダーに設置した。
Next, the solid-state imaging device 1 in which a SiGeC layer was formed as the single crystal layer 25 was produced.
The surface was cleaned by immersing the silicon substrate 11 in a mixed solution of NH 4 OH, H 2 O 2 , H 2 O (mixing ratio is 1: 1: 5) for 10 minutes.
Thereafter, a natural oxide film on the surface of the silicon substrate 11 was removed by performing HF (HF: H 2 O = 1: 50) treatment for 10 seconds.
When the surface of the silicon substrate 11 is cleaned through such steps, the crystallinity of subsequent crystal growth is improved.
The silicon substrate 11 from which the pretreatment was performed and the natural oxide film was removed was placed on the substrate holder.

次に、減圧CVD法を用いて、シリコン基板11上に単結晶層25となるSiGeC層を成膜した。
まず、圧力1×10Pa、基板温度1150℃で、水素ガスの流量を1リットル/分とした条件のもとで、さらにプロパンCを450μmol/分の条件で供給して、この状態で2分間保持することにより、シリコン基板11の表面を炭化させた。
さらに、減圧CVD法によって、原料ガスのモノシランSiHとCとGeH4とを、それぞれ、36μmol/分と59μmol/分と10μmol/分の条件で同時供給することにより、SiGeC結晶をシリコン基板上に30秒間成長させた。この結果、単結晶層25となるSiGeC層をほぼ10nmの膜厚で成膜することができた。
Next, a SiGeC layer to be the single crystal layer 25 was formed on the silicon substrate 11 by using a low pressure CVD method.
First, propane C 3 H 8 was further supplied at 450 μmol / min under the conditions of a pressure of 1 × 10 4 Pa, a substrate temperature of 1150 ° C., and a hydrogen gas flow rate of 1 liter / min. The surface of the silicon substrate 11 was carbonized by holding in the state for 2 minutes.
Further, by supplying the raw material gases monosilane SiH 4 , C 3 H 8, and GeH 4 simultaneously under the conditions of 36 μmol / min, 59 μmol / min, and 10 μmol / min by low pressure CVD, respectively, The substrate was grown for 30 seconds. As a result, the SiGeC layer to be the single crystal layer 25 was formed with a film thickness of approximately 10 nm.

なお、ここでは減圧CVD法を用いたが、その他の方法によりSiGeC層を形成することも可能である。例えば、レーザアブレーション法では、ターゲット材料にSiGeCを用いて結晶成長させることが可能であり、有機シラン系材料等の有機金属系材料を用いたガスソースMBE法でも結晶成長させることが可能である。   Although the low pressure CVD method is used here, the SiGeC layer can be formed by other methods. For example, in the laser ablation method, it is possible to grow a crystal using SiGeC as a target material, and it is also possible to grow a crystal by a gas source MBE method using an organometallic material such as an organosilane material.

その後に、通常のCCD固体撮像素子の製造工程と同様の工程を行って、図1及び図2に示した本実施の形態の固体撮像素子1を作製した。   Thereafter, the same process as the manufacturing process of a normal CCD solid-state image sensor was performed, and the solid-state image sensor 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 was produced.

作製した固体撮像素子1を使用して、実際に撮像を行ったところ、暗電流が非常に少なくなり、暗い条件で撮像してもノイズが目立たない画像が得られた。   When imaging was actually performed using the produced solid-state imaging device 1, dark current was very small, and an image in which noise was not noticeable was obtained even when imaging was performed under dark conditions.

上述の実施の形態では、単結晶層25を、シリコン基板11上に全面的に形成したが、例えば、電気特性を良くする等の目的で、フォトダイオードPD部以外の単結晶層を、RIE(反応性イオンエッチング)法等のエッチング方法で除去しても良い。この場合、リソグラフィ技術でフォトダイオード部をマスクで保護してからエッチングを行っても良い。
この場合の実施の形態を次に示す。
In the above-described embodiment, the single crystal layer 25 is formed on the entire surface of the silicon substrate 11. However, for the purpose of improving the electrical characteristics, for example, the single crystal layer other than the photodiode PD portion is formed by RIE ( It may be removed by an etching method such as a reactive ion etching method. In this case, etching may be performed after the photodiode portion is protected with a mask by lithography.
An embodiment in this case is shown below.

続いて、本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(断面図)を図4に示す。
本実施の形態の固体撮像素子30では、例えばSiC又はSiGeCから成る単結晶層26が、シリコン基板11のフォトダイオードPD部のみの表面に形成されている。この単結晶層26は、シリコン基板11の上に接合して形成されている。
その他の構成は、先の実施の形態の固体撮像素子1と同様であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
Next, FIG. 4 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention.
In the solid-state imaging device 30 of the present embodiment, a single crystal layer 26 made of, for example, SiC or SiGeC is formed only on the surface of the photodiode PD portion of the silicon substrate 11. The single crystal layer 26 is formed on the silicon substrate 11 by bonding.
Since other configurations are the same as those of the solid-state imaging device 1 of the previous embodiment, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.

単結晶層26は、例えば、全面的に単結晶層26となる膜を成膜した後に、フォトダイオードPD部以外の単結晶層を、RIE(反応性イオンエッチング)法等のエッチング方法で除去することにより、形成することができる。   For example, after the single crystal layer 26 is formed as a single crystal layer 26 on the entire surface, the single crystal layer other than the photodiode PD portion is removed by an etching method such as RIE (reactive ion etching). Thus, it can be formed.

上述の本実施の形態の固体撮像素子30の構成によれば、シリコン基板11のフォトダイオードPD部上に接合して、シリコン基板11のシリコンよりもバンドギャップの広い材料から成る単結晶層26を設けていることにより、この単結晶層26のバンドギャップが広いため、表面準位からの電子に対する障壁が大きくなり、この電子に起因する暗電流を低減することができる。そして、暗電流を例えば12桁と大幅に低減することも可能になり、入射光による信号のS/N比を飛躍的に改善することができる。
これにより、暗い部屋等の入射光量が少ない撮像条件において、高感度化のために信号のゲインを高く設定しても、ノイズが目立ない画像を得ることが可能になる。
また、固体撮像素子30が低感度であっても、入射光量に関係なく、アンプの増幅だけで高画質の画像を得ることが可能になる。
According to the configuration of the solid-state imaging device 30 of the present embodiment described above, the single crystal layer 26 made of a material having a wider band gap than silicon of the silicon substrate 11 is bonded to the photodiode PD portion of the silicon substrate 11. By providing the single crystal layer 26, since the band gap is wide, the barrier against electrons from the surface level is increased, and the dark current caused by the electrons can be reduced. Further, the dark current can be significantly reduced, for example, to 12 digits, and the S / N ratio of the signal due to the incident light can be drastically improved.
This makes it possible to obtain an image with no noticeable noise even if the signal gain is set high for high sensitivity under imaging conditions with a small amount of incident light such as in a dark room.
Even if the solid-state imaging device 30 has low sensitivity, it is possible to obtain a high-quality image only by amplification of the amplifier regardless of the amount of incident light.

そして、固体撮像素子30の画素を微細化して入射光量が少なくなっても、充分なS/N比を確保することが可能になるため、感度不足を補うためにアンプで増幅するだけで、ノイズが目立たない良好な画像が得られる。
従って、固体撮像素子30の画素を微細化することにより、固体撮像素子30の多画素化や固体撮像装置の小型化を図ることができる。
Even if the pixels of the solid-state image sensor 30 are miniaturized to reduce the amount of incident light, a sufficient S / N ratio can be ensured. A good image with no noticeable is obtained.
Therefore, by miniaturizing the pixels of the solid-state imaging element 30, it is possible to increase the number of pixels of the solid-state imaging element 30 and to reduce the size of the solid-state imaging device.

ここで、実際に、図4に示した実施の形態の固体撮像素子30を作製して、特性を調べた。   Here, the solid-state imaging device 30 of the embodiment shown in FIG. 4 was actually manufactured and the characteristics were examined.

前述したと同様に、前処理及びSiGeC層の成膜を行って、シリコン基板11上に単結晶層26となるSiGeC層を形成した。
次に、リソグラフィ技術とRIE技術とにより、フォトダイオードPD部以外のSiGeC層を除去して、フォトダイオードPD部のみにSiGeCから成る単結晶層26を残した。
As described above, pretreatment and film formation of the SiGeC layer were performed to form a SiGeC layer to be the single crystal layer 26 on the silicon substrate 11.
Next, the SiGeC layer other than the photodiode PD part was removed by the lithography technique and the RIE technique, and the single crystal layer 26 made of SiGeC was left only in the photodiode PD part.

その後に、通常のCCD固体撮像素子の製造工程と同様の工程を行って、図4に示した本実施の形態の固体撮像素子30を作製した。   Thereafter, the same process as the manufacturing process of a normal CCD solid-state image sensor was performed, and the solid-state image sensor 30 of the present embodiment shown in FIG. 4 was produced.

作製した固体撮像素子30を使用して、実際に撮像を行ったところ、暗電流が非常に少なくなり、暗い条件で撮像してもノイズが目立たない画像が得られた。   When imaging was actually performed using the manufactured solid-state imaging device 30, dark current was very small, and an image in which noise was not noticeable was obtained even when imaging was performed under dark conditions.

なお、マスクを用いて、フォトダイオードPD部のみに単結晶層が形成されるようにしてもよい。
例えば、フォトダイオードPD部以外のシリコン基板11の上をマスクで覆って、シリコン基板11の表面を炭化させる。これにより、フォトダイオードPD部のみに単結晶層が形成される。
なお、この場合に作製される固体撮像素子は、その断面図を図5に示すように、フォトダイオードPD部に形成される単結晶層27が、シリコン基板11の内部に入り込んで形成される点が図4の構成とは異なっている。
Note that a single crystal layer may be formed only in the photodiode PD portion using a mask.
For example, the surface of the silicon substrate 11 is carbonized by covering the silicon substrate 11 other than the photodiode PD portion with a mask. Thereby, a single crystal layer is formed only in the photodiode PD.
Note that the solid-state imaging device manufactured in this case is formed such that the single crystal layer 27 formed in the photodiode PD portion enters the silicon substrate 11 as shown in a cross-sectional view of FIG. Is different from the configuration of FIG.

上述の各実施の形態では、シリコン基板11にSiC又はSiGeCから成る単結晶層25,26,27を形成していたが、単結晶層には、基板11のシリコンよりもバンドギャップが広いその他の材料を用いることも可能である。
ここで、SiC以外の、バンドギャップがシリコンSiよりも広い材料を、以下に格子定数と共にリストアップする。以下に挙げた材料は、すべてシリコンSiと同じ立方晶系を有するものである。これは、シリコン上にエピタキシャル成長させるためには、同じ立方晶系であることが望ましいからである。
In each of the above-described embodiments, the single crystal layers 25, 26, and 27 made of SiC or SiGeC are formed on the silicon substrate 11. However, the single crystal layer has other band gaps wider than the silicon of the substrate 11. It is also possible to use materials.
Here, materials having a wider band gap than silicon Si other than SiC are listed below together with lattice constants. All the materials listed below have the same cubic system as silicon Si. This is because the same cubic system is desirable for epitaxial growth on silicon.

材料 バンドギャップEg(eV) 格子定数a(Å)
GaAs 1.43 5.654
AlAs 2.16 5.66
GaN 3.27 4.55
AlN 6.8 4.45
ZnSe 2.67 5.667
ZnS 3.70 5.41
MgSe 3.6 5.62
MgS 4.5 5.89
Material Band gap Eg (eV) Lattice constant a (Å)
GaAs 1.43 5.654
AlAs 2.16 5.66
GaN 3.27 4.55
AlN 6.8 4.45
ZnSe 2.67 5.667
ZnS 3.70 5.41
MgSe 3.6 5.62
MgS 4.5 5.89

ここで、GaAsとAlAsとGaNとAlNはIII−V族化合物半導体であり、AlGaAs系三元混晶でもAlGaN系三元混晶としても良い。これ以外のIII−V族化合物半導体としてAlGaInP系四元混晶等も存在する。
また、ZnSeとZnSはII−VI族化合物半導体であり、ZnMgSSe系四元混晶としても良い。II−VI族化合物半導体では、この他にZnMgO系三元混晶等も存在する。
Here, GaAs, AlAs, GaN, and AlN are III-V group compound semiconductors, and may be an AlGaAs ternary mixed crystal or an AlGaN ternary mixed crystal. As other III-V group compound semiconductors, there are AlGaInP-based quaternary mixed crystals and the like.
ZnSe and ZnS are II-VI group compound semiconductors, and may be ZnMgSSe-based quaternary mixed crystals. In the II-VI group compound semiconductor, there are ZnMgO ternary mixed crystals and the like.

また、本発明は、シリコン以外の半導体層に光電変換素子を形成した固体撮像素子にも適用することができる。
例えば、化合物半導体層に光電変換素子(フォトダイオード)を形成した固体撮像素子に対しても、本発明を適用することができる。
0.9μm〜1.7μmの波長領域の赤外線を検知するには、光電変換素子を形成する半導体層に、GaInAs等の化合物が使用される。
また、3μm〜5μmの波長領域の赤外線を検知するには、光電変換素子を形成する半導体層に、InSbやPtSi等の化合物が使用される。
さらに、8μm〜14μmの波長領域を検出するには、光電変換素子を構成する半導体層に、HgCdTe等の化合物がよく使用される。
このような赤外領域を検知することによって、例えば、石英ガラスファイバーの光通信用のフォトダイオードや温度情報を得る固体撮像素子(通称;赤外線サーモグラフィー)にも本発明を適用することができる。
The present invention can also be applied to a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion element is formed in a semiconductor layer other than silicon.
For example, the present invention can be applied to a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion element (photodiode) is formed in a compound semiconductor layer.
In order to detect infrared rays in the wavelength region of 0.9 μm to 1.7 μm, a compound such as GaInAs is used for the semiconductor layer forming the photoelectric conversion element.
In order to detect infrared rays in the wavelength region of 3 μm to 5 μm, a compound such as InSb or PtSi is used for the semiconductor layer forming the photoelectric conversion element.
Furthermore, in order to detect a wavelength region of 8 μm to 14 μm, a compound such as HgCdTe is often used for the semiconductor layer constituting the photoelectric conversion element.
By detecting such an infrared region, the present invention can be applied to, for example, a quartz glass fiber optical communication photodiode and a solid-state imaging device (commonly known as infrared thermography) that obtains temperature information.

これらの材料はバンドギャップが狭いため、光電変換素子を形成する半導体層に用いて、その表面に、より広いバンドギャップを有する単結晶層を接合させることにより、シリコン基板とSiC系との接合と同様に、暗電流を低減する効果が得られる。
また、化合物半導体に限らず、シリコン以外のIV族元素例えばGeからなる半導体層に光電変換素子(フォトダイオード)を形成した構成にも、本発明を適用することが可能である。
Since these materials have a narrow band gap, a single crystal layer having a wider band gap is bonded to the surface of the semiconductor layer forming the photoelectric conversion element, thereby bonding the silicon substrate and the SiC system. Similarly, the effect of reducing dark current can be obtained.
Further, the present invention can be applied not only to a compound semiconductor but also to a configuration in which a photoelectric conversion element (photodiode) is formed in a semiconductor layer made of a group IV element other than silicon, for example, Ge.

上述の各実施の形態では、CCD固体撮像素子に本発明を適用したが、本発明は、その他の構成の固体撮像素子、例えばCMOS型固体撮像素子にも適用することができる。   In each of the embodiments described above, the present invention is applied to the CCD solid-state imaging device. However, the present invention can also be applied to solid-state imaging devices having other configurations, for example, CMOS solid-state imaging devices.

本発明の固体撮像素子のさらに他の実施の形態の概略構成図(模式的平面図)を図6に示す。本実施の形態は、本発明をCMOS型固体撮像素子に適用したものである。
図6に示すように、この固体撮像素子50は、受光部となるフォトダイオードPDがマトリクス状に配置され、各フォトダイオードPDがそれぞれセルアンプ51を介して信号線52,53に接続されて成る。信号線は、垂直シフトレジスタ54に接続された垂直信号線52と、水平信号線53とから成り、これらの信号線52,53の交点付近に各画素のフォトダイオードPDが設けられている。
水平信号線53は、ノイズキャンセル回路55とその図中下方のMOSトランジスタとを介して、信号電圧を出力する信号線に接続されている。
MOSトランジスタのゲートは、水平シフトレジスタ56に接続され、水平シフトレジスタ56によってMOSトランジスタのオン・オフが行われる。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram (schematic plan view) of still another embodiment of the solid-state imaging device of the present invention. In the present embodiment, the present invention is applied to a CMOS type solid-state imaging device.
As shown in FIG. 6, the solid-state imaging device 50 includes photodiodes PD serving as light receiving portions arranged in a matrix, and each photodiode PD connected to signal lines 52 and 53 via a cell amplifier 51. The signal line includes a vertical signal line 52 connected to the vertical shift register 54 and a horizontal signal line 53, and a photodiode PD of each pixel is provided in the vicinity of the intersection of these signal lines 52 and 53.
The horizontal signal line 53 is connected to a signal line for outputting a signal voltage via a noise canceling circuit 55 and a lower MOS transistor in the figure.
The gate of the MOS transistor is connected to the horizontal shift register 56, and the horizontal shift register 56 turns the MOS transistor on and off.

本実施の形態では、図示は省略するが、フォトダイオードPDやMOSトランジスタのソース・ドレイン領域が形成された半導体層の、少なくともフォトダイオードPD部上に、半導体層よりもバンドギャップの広い単結晶層を設ける。
これにより、前述したCCD固体撮像素子に適用した各実施の形態と同様に、暗電流を大幅に低減することが可能になり、固体撮像素子50の画素を微細化して入射光量が少なくなっても、充分なS/N比を確保することが可能になるため、感度不足を補うためにアンプで増幅するだけで、ノイズが目立たない良好な画像が得られる。
従って、固体撮像素子50の画素を微細化することにより、固体撮像素子50の多画素化や固体撮像装置の小型化を図ることができる。
In this embodiment, although not shown, a single crystal layer having a wider band gap than the semiconductor layer, at least on the photodiode PD portion of the semiconductor layer in which the source and drain regions of the photodiode PD and the MOS transistor are formed. Is provided.
As a result, as in the embodiments applied to the CCD solid-state imaging device described above, the dark current can be greatly reduced, and even if the pixels of the solid-state imaging device 50 are miniaturized to reduce the incident light quantity. Since a sufficient S / N ratio can be secured, a good image with no noticeable noise can be obtained simply by amplifying with an amplifier to compensate for the lack of sensitivity.
Therefore, by miniaturizing the pixels of the solid-state imaging device 50, it is possible to increase the number of pixels of the solid-state imaging device 50 and to reduce the size of the solid-state imaging device.

また、本発明は、フォトダイオードPD等の光電変換素子をマトリクス状に配置した構成に限らず、光電変換素子から成る画素を一列ごとに互い違いに(略市松状に)配置した構成や、画素を一列又は数列配置した構成(ラインセンサ等)にも適用することが可能である。   Further, the present invention is not limited to a configuration in which photoelectric conversion elements such as photodiodes PD are arranged in a matrix, but a configuration in which pixels made of photoelectric conversion elements are alternately arranged in a row (substantially in a checkered pattern) The present invention can also be applied to a configuration (line sensor or the like) arranged in one or several rows.

なお、本発明に係る固体撮像素子を製造する際に、半導体層に光電変換素子を構成する半導体領域やその他の半導体領域を形成する工程と、多結晶層を形成する工程とは、どちらの工程を先に行っても構わない。   In addition, when manufacturing the solid-state imaging device according to the present invention, which step is the step of forming a semiconductor region or other semiconductor regions constituting the photoelectric conversion element in the semiconductor layer and the step of forming the polycrystalline layer You may go first.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

1,30,40,50 固体撮像素子、2 垂直CCDレジスタ、3 水平CCDレジスタ、4 出力アンプ、11 シリコン基板、12 p型半導体ウエル領域、13 (n型の)電荷蓄積領域、15 転送チャネル領域、19 転送電極、21 遮光膜、25,26,27 単結晶層、51 セルアンプ、52 垂直信号線、53 水平信号線、54 垂直シフトレジスタ、55 ノイズキャンセル回路、56 水平シフトレジスタ、PD フォトダイオード 1, 30, 40, 50 Solid-state imaging device, 2 vertical CCD register, 3 horizontal CCD register, 4 output amplifier, 11 silicon substrate, 12 p-type semiconductor well region, 13 (n-type) charge storage region, 15 transfer channel region , 19 Transfer electrode, 21 Light shielding film, 25, 26, 27 Single crystal layer, 51 Cell amplifier, 52 Vertical signal line, 53 Horizontal signal line, 54 Vertical shift register, 55 Noise cancel circuit, 56 Horizontal shift register, PD photodiode

Claims (1)

シリコンから成る半導体層と、
前記半導体層内に形成された光電変換素子と、
前記光電変換素子が形成された部分の上を含んで、前記半導体層の全面に形成された、SiGeCから成る単結晶層とを含み、
前記単結晶層の厚さが、30nm以下である
固体撮像素子。
A semiconductor layer made of silicon;
A photoelectric conversion element formed in the semiconductor layer;
Including a single crystal layer made of SiGeC formed on the entire surface of the semiconductor layer, including on the portion where the photoelectric conversion element is formed ,
The solid-state image sensor whose thickness of the said single crystal layer is 30 nm or less .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02196474A (en) * 1989-01-25 1990-08-03 Nec Corp Semiconductor photodetector
JPH06216404A (en) * 1993-01-14 1994-08-05 Hamamatsu Photonics Kk Uv photodetector
JP3441101B2 (en) * 1993-02-12 2003-08-25 浜松ホトニクス株式会社 Electron tube
JP4136009B2 (en) * 1995-02-02 2008-08-20 住友電気工業株式会社 Pin type light receiving element and method for manufacturing pin type light receiving element
WO2002033755A2 (en) * 2000-10-19 2002-04-25 Augusto Carlos J R P Method of fabricating heterojunction photodiodes integrated with cmos
US7164182B2 (en) * 2003-07-07 2007-01-16 Micron Technology, Inc. Pixel with strained silicon layer for improving carrier mobility and blue response in imagers
US7385238B2 (en) * 2004-08-16 2008-06-10 Micron Technology, Inc. Low dark current image sensors with epitaxial SiC and/or carbonated channels for array transistors

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