JP6799739B2 - Photodetector and solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、光検出素子及び固体撮像装置に関し、特に、CMOSイメージセンサ(CIS)及びCISの画素として用いるに好適な光検出素子に関する。 The present invention relates to a photodetector and a photodetector, and more particularly to a photodetector suitable for use as a CMOS image sensor (CIS) and a pixel of a CIS.
固体撮像装置は、従来、CCDイメージセンサが主流であったが、現在はCISが主流となっている。CISの使用電圧は通常5V又は3.3Vであり、CCDイメージセンサの使用電圧である12〜15Vよりも低い。そのため、CCDイメージセンサではほぼ解決していた、フォトダイオードから読み出しきれない残像が起きやすいという課題が、CISにおいては使用電圧が低いために生じる。特に、大面積画素CIS、超高速駆動CIS等においてはこの課題が顕在化する。 Conventionally, CCD image sensors have been the mainstream of solid-state image sensors, but CIS is now the mainstream. The working voltage of the CIS is usually 5V or 3.3V, which is lower than the working voltage of the CCD image sensor of 12 to 15V. Therefore, the problem that an afterimage that cannot be read out from the photodiode, which has been almost solved by the CCD image sensor, is likely to occur in the CIS occurs because the working voltage is low. In particular, this problem becomes apparent in large-area pixel CIS, ultra-high-speed drive CIS, and the like.
そのため、複数枚のマスクを用いてフォトダイオードを形成することで不純物密度勾配を形成し、それによってポテンシャル勾配を作り、残像を低減する方法が使われてきた(特許文献1参照。)。しかしながら、特許文献1に記載の方法では、マスクの枚数が増え、それに伴いフォトリソグラフィやイオン注入等の工程数が増えるため、デバイス製造コストがかかってしまうという課題がある。
Therefore, a method has been used in which an impurity density gradient is formed by forming a photodiode using a plurality of masks, thereby creating a potential gradient and reducing afterimages (see Patent Document 1). However, the method described in
また、撮像装置の画素において、平面パターン上、電荷転送部の中央を円形にくり抜いた構造(特許文献2の図21参照。)が開示されているが、光電変換部のレイアウトに関するものではない。また、特許文献2の図24には、n型の光電変換部の中央にn−型の電子排除領域を設けた構造が開示されているが、n−型の電子排除領域を設けるために工数が増大する。
Further, although a structure in which the center of the charge transfer unit is hollowed out in a circle on the plane pattern of the pixels of the image pickup apparatus (see FIG. 21 of Patent Document 2) is disclosed, it does not relate to the layout of the photoelectric conversion unit. Further, FIG. 24 of
上記問題点を鑑み、本発明は、製造プロセスが容易で、性能を落とすこと無く、残像が起きにくい、電荷転送のスムーズな光検出素子及びこの光検出素子を画素として用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a photodetector with smooth charge transfer, which facilitates the manufacturing process, does not deteriorate performance, and does not easily cause afterimages, and a solid-state imaging device using this photodetector as a pixel. The purpose is to do.
本発明の第1の態様は、(a)光電変換部を定義する第1導電型の基体部と、(b)光電変換部の一部に局所的にポテンシャルの深さが周辺より浅い電位丘が構成されるように、電位丘の位置を囲む平面パターンで、基体部の上部に埋め込まれた第2導電型の電荷生成埋込領域と、(c)基体部の上部に電荷生成埋込領域と離間して配置され、電荷生成埋込領域よりも高不純物密度の第2導電型の電荷読出領域と、電荷生成埋込領域から電荷読出領域への信号電荷の転送を制御する電荷転送手段とを備え、基体部と電荷生成埋込領域とでフォトダイオードを構成し、そのフォトダイオードが生成した信号電荷を電位丘の周りの電位丘よりポテンシャルの深い電位谷を経由させ、電荷転送手段が電荷読出領域に信号電荷を転送する光検出素子であることを要旨とする。 In the first aspect of the present invention, (a) a first conductive type base portion that defines a photoelectric conversion unit, and (b) a potential hill whose potential depth is locally shallower than the periphery in a part of the photoelectric conversion unit. A second conductive type charge generation embedded region embedded in the upper part of the base portion and (c) a charge generation embedded region embedded in the upper part of the base portion in a plane pattern surrounding the position of the potential hill so as to be constructed. A second conductive type charge reading region having a higher impurity density than the charge generation embedded region, and a charge transfer means for controlling the transfer of signal charge from the charge generation embedded region to the charge reading region. A photodiode is composed of a substrate and a charge generation embedded region, and the signal charge generated by the photodiode is passed through a potential valley deeper than the potential hill around the potential hill, and the charge transfer means charges the electric charge. The gist is that it is an optical detection element that transfers a signal charge to the read area.
本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様で規定した光検出素子を画素として、この画素を複数配列して画素アレイを構成した固体撮像装置であることを要旨とする。 A second aspect of the present invention is a solid-state image pickup device in which a photodetector element defined in the first aspect of the present invention is used as a pixel and a plurality of the pixels are arranged to form a pixel array.
本発明によれば、製造プロセスが容易で、性能を落とすこと無く、残像が起きにくい、電荷転送のスムーズな光検出素子及びこの光検出素子を画素として用いた固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photodetector having a smooth charge transfer, which has a simple manufacturing process and is less likely to cause afterimages without degrading performance, and a solid-state imaging device using the photodetector as a pixel. ..
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第4の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, the first to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, etc. are different from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that the drawings include parts having different dimensional relationships and ratios from each other.
当業者に周知のように、半導体における「第1導電型」とはp型又はn型のいずれか一方を意味し、「第2導電型」とは第1導電型の反対導電型を意味する。即ち、「第1導電型」がp型であれば「第2導電型」はn型であり、「第1導電型」がn型であれば「第2導電型」はp型である。以下の説明では、説明の便宜上、「第1導電型」がp型で「第2導電型」がn型で信号電荷が電子である場合について議論するが単なる選択の問題に過ぎない。本発明は斯かる説明の便宜上の選択に限定されるものではなく、「第1導電型」をn型、「第2導電型」をp型と定義して各部に印加する電圧の極性を逆にし、信号電荷が正孔となる場合であっても、本発明の技術的思想が適用され同様な議論が可能であることは勿論である。更に、以下の説明で「第1導電型」及び「第2導電型」の限定を加えた部材や領域は、特に明示の限定がなくても半導体材料からなる部材や領域を意味していることは、技術的にも論理的にも自明である。 As is well known to those skilled in the art, the "first conductive type" in a semiconductor means either a p-type or an n-type, and the "second conductive type" means an opposite conductive type of the first conductive type. .. That is, if the "first conductive type" is p-type, the "second conductive type" is n-type, and if the "first conductive type" is n-type, the "second conductive type" is p-type. In the following description, for convenience of explanation, the case where the "first conductive type" is the p-type, the "second conductive type" is the n-type, and the signal charge is an electron will be discussed, but it is merely a matter of selection. The present invention is not limited to the selection for convenience of such explanation, and the polarity of the voltage applied to each part is reversed by defining the "first conductive type" as the n type and the "second conductive type" as the p type. It goes without saying that even when the signal charge is a hole, the technical idea of the present invention is applied and the same discussion is possible. Further, in the following description, the member or region to which the "first conductive type" and the "second conductive type" are limited means a member or region made of a semiconductor material without any particular limitation. Is technically and logically self-evident.
又、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を90度回転すれば「左右」と「上下」は交換して読まれ、紙面を180度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。 Further, the directions of "left and right" and "up and down" in the following description are merely definitions for convenience of explanation, and do not limit the technical idea of the present invention. Therefore, for example, if the paper surface is rotated 90 degrees, "left and right" and "up and down" are exchanged and read, and if the paper surface is rotated 180 degrees, "left" becomes "right" and "right" becomes "left". Of course.
更に、以下に示す第1〜第4の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、種々の光検出素子、この光検出素子を用いた高速動画像の撮像装置、高速現象をブレなく撮像するための静止画の撮像装置等の種々の固体撮像装置に適用可能である。又、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 Further, the first to fourth embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and use various photodetectors and the photodetectors. It can be applied to various solid-state imaging devices such as a high-speed moving image image sensor and a still image image sensor for capturing a high-speed phenomenon without blurring. Further, the technical idea of the present invention does not specify the material, shape, structure, arrangement, etc. of the component parts to the following, and the technical idea of the present invention is the technical idea described in the claims. Within the scope, various changes can be made.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る光検出素子は、図1(a)及び図1(b)に示すように、光電変換部を定義する第1導電型(p−−型)の基体部1と、基体部1の上部の一部を占有領域とする選択的な平面パターンで、基体部1の上部に埋め込まれた第2導電型(n型)の電荷生成埋込領域3と、基体部1の上部に電荷生成埋込領域3と離間して設けられた第2導電型(n+型)の電荷読出領域5と、電荷生成埋込領域3から電荷読出領域5への信号電荷(電子)の転送を制御する電荷転送手段(6,7,8)とを備える。
(First Embodiment)
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the light detection element according to the first embodiment of the present invention is a first conductive type (p − − type) base unit that defines a photoelectric conversion unit. 1 and a second conductive type (n-type) charge generation embedded
本発明の第1の実施形態に係る光検出素子においては、基体部1と、基体部1の上部に所定の平面パターンで設けられた電荷生成埋込領域3とのpn接合でフォトダイオードを構成し、そのフォトダイオードによって光電変換して信号電荷を生成すると共に、その信号電荷(電子)を電荷生成埋込領域3に蓄積する。
In the photodetector element according to the first embodiment of the present invention, the photodiode is configured by a pn junction between the
図1(a)の平面パターンが示すように、電荷生成埋込領域3を含む光電変換部の上面を覆うように、基体部1より高不純物密度の第1導電型(p+)型のシールド層4が矩形の形状で設けられている。図1(b)に示すように、シールド層4は、基体部1の表層側で電荷生成埋込領域3の上面を覆う位置に配置されている。
As shown by the planar pattern of FIG. 1A, a first conductive type (p + ) type shield having a higher impurity density than the
図1(a)では図示を省略しているが、平面パターン上、電荷生成埋込領域3等が埋め込まれた活性領域の周辺を囲むように、基体部1の上部には基体部1より高不純物密度で、p型又はp−型のタブ領域2が、図1(b)に示すように更に設けられている。タブ領域2は、図示を省略しているが、読み出し用バッファアンプ等に必要な複数のトランジスタのそれぞれのn+型ソース領域、n+型ドレイン領域、p+型コンタクト領域等が形成される。更に、固体撮像素子の画素として第1の実施形態に係る光検出素子が採用される場合には、タブ領域2は他の画素との素子分離領域として用いられる。
Although not shown in FIG. 1A, the upper part of the
電荷転送手段(6,7,8)は、基体部1の上部に電荷生成埋込領域3及びシールド層4に隣接して設けられている。電荷転送手段(6,7,8)は、電荷生成埋込領域3及びシールド層4に隣接して基体部1の上部に埋め込まれた第1導電型(p型)の埋込チャネル領域6と、埋込チャネル領域6上に配置されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に配置された転送ゲート電極8とを含んだ絶縁ゲート構造により、転送ゲート電極8に転送ゲート信号TX(i)を伝達してキャリアの転送の制御をする。
The charge transfer means (6, 7, 8) are provided above the
ゲート絶縁膜7としては、基体部1がSiであれば、MOSトランジスタのゲート構造に採用されているシリコン酸化膜(SiO2膜)が好適であるが、シリコン酸化膜に限定されるものではなく、シリコン酸化膜以外のシリコン窒化膜(Si3N4膜)等の種々の絶縁膜を用いることが可能である。例えば、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層積層膜からなるONO膜等の多層構造の絶縁膜でもよい。更には、ストロンチウム酸化物(SrO)膜、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜、マグネシウム酸化物(MgO)膜、イットリウム酸化物(Y2O3)膜、ハフニウム酸化物(HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜、タンタル酸化物(Ta2O5)膜、ビスマス酸化物(Bi2O3)膜等のストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ビスマス(Bi)のいずれか1つの元素を少なくとも含む酸化物、又はこれらの元素を含むシリコン窒化物等の単層膜若しくは多層膜が絶縁膜として使用可能である。又、基体部1がSiである場合に限定されるものではなく、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、炭化ケイ素(SiC)等の他の半導体材料でも構わない。
As the
転送ゲート電極8に隣接して、電荷生成埋込領域3よりも高不純物密度で第2導電型(n+型)の半導体領域からなる電荷読出領域5が浮遊状態となるように設けられている。転送ゲート電極8に高(ハイ)レベルの電圧を印加すると、埋込チャネル領域6内のポテンシャルが変化して埋込チャネル領域6に反転チャネルが形成される。このため、電荷生成埋込領域3により生成された信号電荷が、埋込チャネル領域6を経由して電荷読出領域5へ転送される。
Adjacent to the
図1(b)に示すように、電荷読出領域5の右側と電荷生成埋込領域3の左側には、ゲート絶縁膜7より厚い素子分離絶縁膜9の断面が露出している。素子分離絶縁膜9もシリコン酸化膜で構成してもよく、シリコン酸化膜以外の他の絶縁膜で構成してもよい。図1(a)に平面パターンを示すように、素子分離絶縁膜9の内側の端部が閉じた多角形のトポロジーをなしているので、図1(b)に2箇所に分離して露出している素子分離絶縁膜9は、図1(b)の紙面の裏側で連続している。即ち、素子分離絶縁膜9は平面パターン上、図1(a)に示したように、電荷読出領域5や電荷生成埋込領域3の周囲を囲うように配置されているので、図1(a)に示された部分での素子分離絶縁膜9の内縁が規定する窓部は、活性領域の内の光電変換部と、光電変換部に連続した電荷転送領域が占有する空間を定義している。
As shown in FIG. 1B, the cross section of the element
図1(b)に示すように、光検出素子の電荷読出領域5には、読み出し用バッファアンプを構成する増幅トランジスタTAijのゲート電極が接続されている。増幅トランジスタTAijのドレイン電極は電源VDDに接続され、ソース電極は画素選択用の選択トランジスタTSijのドレイン電極に接続されている。選択トランジスタTSijのソース電極は、読出信号線Bjに接続され、ゲート電極には水平ラインの選択用制御信号S(i)が与えられる。選択用制御信号S(i)を高レベルにすることにより、選択トランジスタTSijが導通する。そして、図11の上側に示した電源VDDに接続された読出信号線Bjに電流が流れる際に、増幅トランジスタTAijで増幅された電荷読出領域5の電位に対応する電圧に読出信号線Bjの電圧が定まる。更に、電荷読出領域5には、読み出し用バッファアンプを構成するリセットトランジスタTRijのソース電極が接続されている。リセットトランジスタTRijのドレイン電極は電源VDDに接続され、ゲート電極にはリセット信号R(i)が与えられる。リセット信号R(i)を高レベルにして、電荷読出領域5に蓄積された電荷を吐き出し、電荷読出領域5をリセットする。
As shown in FIG. 1 (b), the gate electrode of the amplification transistor TA ij constituting the read buffer amplifier is connected to the
図1(b)では読み出し用バッファアンプを構成する増幅トランジスタTAij、選択トランジスタTSij及びリセットトランジスタTRijを等価回路で表示し、構造的な図示を省略しているが、実際にはp−型のタブ領域2の上部の電荷読出領域5の近傍に、増幅トランジスタTAij、選択トランジスタTSij及びリセットトランジスタTRijのソース領域及びドレイン領域が設けられる。このソース領域及びドレイン領域の配置に伴って、それぞれがMOSトランジスタを構成するように、対応するゲート配線がソース領域とドレイン領域の間を通過するように配線される。又、多層配線技術によって、読出信号線Bj等の配線も設けられる。
In FIG. 1B, the amplification transistor TA ij , the selection transistor TS ij, and the reset transistor TR ij constituting the read buffer amplifier are shown by an equivalent circuit, and the structural illustration is omitted, but in reality, p −. A source region and a drain region of the amplification transistor TA ij , the selection transistor TS ij, and the reset transistor TR ij are provided in the vicinity of the
図1(a)に示すように、電荷生成埋込領域3は、基体部1により定義される光電変換部の一部に局所的にポテンシャルの深さが周辺より浅い電位丘(ポテンシャル・ヒル)が構成されるように、電位丘の位置を囲む平面パターンを有する。平面パターン上、電荷生成埋込領域3の外縁は、略矩形であるが、矩形の2箇所の角部が切り欠かれている。即ち、電荷生成埋込領域3の外縁は6角形をなしている。そして、電荷生成埋込領域3の中央部分がくり抜かれて矩形の開口部3aが設けられており、この矩形の開口部3aに局所的にポテンシャルの深さが周辺より浅い電位丘が生成される。開口部3aの内側には基体部1の一部が突凸部をなすように設けられている。
As shown in FIG. 1A, the charge generation embedded
図1では、環状の電荷生成埋込領域3の転送ゲート電極8側の図1(a)の紙面の左右方向に沿った幅W2と、転送ゲート電極8側とは反対側の図1(a)の紙面の左右方向に沿った幅W4と、図1(a)の紙面の上下方向に沿って対をなす部分の幅W1,W3とが互いに等しく設定されている場合を例示するが、幅W1〜W4は互いに異なっていてもよい。幅W1,W3,W4は特に制限されず、適宜設定可能であるが、幅W2は、転送ゲート電極8がオン状態のときに信号電荷の転送経路にポテンシャルバリアができない範囲で設定可能である。幅W2は、電荷生成埋込領域3の不純物密度にも依存するが、例えば1μm〜2μm程度に設定される。
In FIG. 1, the width W2 along the left-right direction of the paper surface of FIG. 1 (a) on the
図1(a)の平面パターン上、電荷生成埋込領域3の開口部3aを含む全体の面積に対して開口部3aが占める面積の割合は、例えば15%〜25%程度に設定されている。開口部3aの図1(a)の紙面の左右方向に沿った電位丘が構成される部分の幅W6は幅W1〜W4と等しく設定されている場合を例示するが、電位丘が構成される部分の幅W6は幅W1〜W4と異なっていてもよい。また、図1(a)の紙面の上下方向に沿った電位丘が構成される部分の幅W5は幅W6の2倍に設定されている場合を例示するが、これに限定されない。
On the plane pattern of FIG. 1A, the ratio of the area occupied by the
ただし、電位丘が構成される部分の幅W5の最大値が、幅W1側の電荷生成埋込領域3から拡散電位でビルトインの状態で広がる空乏層と幅W3側の電荷生成埋込領域3からビルトインの状態で広がる空乏層とが互いに接してピンチオフする程度の寸法以下であることが信号電荷の捕獲効率の向上には好ましい。同様に、電位丘が構成される部分の幅W6の最大値を、幅W2側の電荷生成埋込領域3から広がる空乏層と幅W4側の電荷生成埋込領域3から広がる空乏層とがビルトインの状態でピンチオフする程度に設定することが信号電荷の捕獲効率を考慮すると好ましい。
However, the maximum value of the width W5 of the portion formed by the potential hill is from the depletion layer extending in a built-in state from the charge generation embedded
ここで、図1(a)及び図1(b)に示した第1の実施形態に係る光検出素子に対して、図2(a)及び図2(b)に示すように、電荷生成埋込領域3に開口部がくり抜かれておらず、電荷生成埋込領域3が矩形の平面パターンを有する点が異なる第1の比較例に係る光検出素子を対比してみる。図2(a)及び図2(b)に示した第1の比較例に係る光検出素子の構造についてのポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図3(a)〜図6(b)に示す。図3(a)は図2(b)を再掲しており、図3(b)は図3(a)に対応する切断面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示す。即ち、図3(b)は、図の下方向を電位(ポテンシャル)の正方向として表現した電子に対するポテンシャル図である。なお、第1導電型をn型、第2導電型をp型として、信号電荷が正孔となる場合であれば、図3(b)は、図の上方向が電位(ポテンシャル)の正方向として表現される。図3(b)以降の図5(b)、図7(b)、図9(b)、図22(b)、図24(b)、図26(b)、図28(b)のポテンシャルプロファイルについても同様である。図4(a)は図2(a)に対応する平面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示し、図4(b)は図4(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。図3(b)〜図4(b)に示すように、電荷蓄積時において、電荷転送手段(6,7,8)で構成する転送ゲート電極8に印加する転送ゲート信号TX(i)が低(ロウ)レベルの場合には、基体部1と電荷生成埋込領域3がなすフォトダイオードPDの中心部のポテンシャルが最も深くなる。
Here, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the light detection element according to the first embodiment shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) is charged and embedded. Let us compare the photodetector according to the first comparative example, in which the opening is not hollowed out in the embedded
一方、図5(a)は図2(b)を再掲しており、図5(b)は図5(a)に対応する切断面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示す。図5(b)等では、電荷転送手段(6,7,8)の位置をTXで表示している。図6(a)は図2(a)に対応する平面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示し、図6(b)は図6(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。電荷の読み出し時に転送ゲート電極8に高レベルの電圧を印加すると、電荷転送手段(6,7,8)をオン状態になる。図5(b)〜図6(b)に示すように、電荷転送手段(6,7,8)をオン状態にしても、電荷転送手段(6,7,8)の位置のポテンシャルは深くなるが、フォトダイオードPDの中心部のポテンシャルが深くなったままで、フォトダイオードPDと電荷転送手段(6,7,8)の間に肩状若しくは瘤状の小さなポテンシャルバリアが残る。信号電荷はポテンシャルの深い方に移動するが、このポテンシャルバリアによって、フォトダイオードPDから埋込チャネル領域6を経由して電荷読出領域5(FD)へ流れる信号電荷の一部の転送が阻害され、読み出し特性が低下し、残像が起こりやすい。
On the other hand, FIG. 5 (a) reprints FIG. 2 (b), and FIG. 5 (b) shows the potential distribution at the time of charge reading of the cut surface corresponding to FIG. 5 (a). In FIG. 5B and the like, the positions of the charge transfer means (6, 7, 8) are indicated by TX. FIG. 6 (a) shows the potential distribution at the time of charge reading on the plane corresponding to FIG. 2 (a), and FIG. 6 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 6 (a). Is shown three-dimensionally. When a high level voltage is applied to the
これに対して、図1(a)及び図1(b)に示した第1の実施形態に係る光検出素子の構造について、ポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図7(a)〜図10(b)に示す。図7(a)は図1(b)を再掲しており、図7(b)は図7(a)に対応する切断面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示す。図8(a)は図1(a)に対応する平面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示し、図8(b)は図8(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。転送ゲート信号TX(i)を低レベルにして電荷転送手段(6,7,8)をオフ状態としたとき、図7(b)〜図8(b)に示すように、基体部1と電荷生成埋込領域3がなすフォトダイオードPDの中心部の開口部3aの位置に対応するポテンシャルが持ち上がり「電位丘φh」が構成され、第1の比較例でのポテンシャルの最深部が解消されている。そして、電位丘φhの深さよりもポテンシャルが深い電位谷(ポテンシャル・バレイ)φvの底が、電位丘φhの周りにリング状に繋がる。フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部は電位谷φvの底に位置し、最深部のポテンシャルも第1の比較例のポテンシャルの最深部に比して浅くなる。本明細書では、ポテンシャルの「深い」「浅い」は電位の正方向に向かって定義している。
On the other hand, with respect to the structure of the photodetector element according to the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B, the results of calculating the potential distribution with the device simulator are shown in FIGS. 7A to 7B. It is shown in 10 (b). FIG. 7 (a) reprints FIG. 1 (b), and FIG. 7 (b) shows the potential distribution at the time of charge accumulation of the cut surface corresponding to FIG. 7 (a). FIG. 8 (a) shows the potential distribution at the time of charge accumulation on the plane corresponding to FIG. 1 (a), and FIG. 8 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 8 (a). Is shown three-dimensionally. When the transfer gate signal TX (i) is set to a low level and the charge transfer means (6, 7, 8) is turned off, as shown in FIGS. 7 (b) to 8 (b), the
また、図9(a)は図1(b)を再掲しており、図9(b)は図9(a)に対応する切断面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示す。図10(a)は図1(a)に対応する平面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示し、図10(b)は図10(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。転送ゲート信号TX(i)を高レベルにして電荷転送手段(6,7,8)をオン状態にした場合、図9(b)〜図10(b)に示すように、フォトダイオードPDと電荷転送手段(6,7,8)の間にポテンシャルバリアが形成されない3次元のポテンシャル分布になる。フォトダイオードPDが生成した信号電荷は、電位丘φhの周りの電位丘φhよりもポテンシャルの深い電位谷φvを経由して、ポテンシャルがより深い電荷転送手段(6,7,8)側へ移動し、電荷転送手段(6,7,8)が電荷読出領域5(FD)に信号電荷を転送する。したがって、3次元のポテンシャル分布の電位谷φvの経路に沿って、フォトダイオードPDから埋込チャネル領域6を経由して電荷読出領域5(FD)へ流れる信号電荷の転送が阻害されないので、スムーズな読み出しが可能になり、残像が起こりにくくなる。
Further, FIG. 9A reprints FIG. 1B, and FIG. 9B shows the potential distribution at the time of charge reading of the cut surface corresponding to FIG. 9A. FIG. 10 (a) shows the potential distribution at the time of charge reading of the plane corresponding to FIG. 1 (a), and FIG. 10 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 10 (a). Is shown three-dimensionally. When the transfer gate signal TX (i) is set to a high level and the charge transfer means (6, 7, 8) is turned on, the photodiode PD and the charge are as shown in FIGS. 9 (b) to 10 (b). A three-dimensional potential distribution is obtained in which a potential barrier is not formed between the transfer means (6, 7, 8). The signal charges by the photodiode PD generates, via a deep potential trough phi v of potential than the potential hill phi h around the potential hill phi h, potential deeper charge transfer means (6, 7, 8) side The charge transfer means (6, 7, 8) transfers the signal charge to the charge read region 5 (FD). Therefore, the transfer of the signal charge flowing from the photodiode PD to the charge read region 5 (FD) via the embedded
以上のように、第1の実施形態に係る光検出素子によれば、低電圧、超高速駆動、大面積でも残像が起きにくく、且つ電荷転送がスムーズで、CISの画素として好適な半導体素子が提供できる。 As described above, according to the photodetector element according to the first embodiment, a semiconductor element suitable as a CIS pixel, which has a low voltage, ultra-high speed drive, less afterimage even in a large area, and smooth charge transfer. Can be provided.
−−第1の実施形態に係る固体撮像装置−−
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置(2次元イメージセンサ)は、図11に示すように、画素アレイ部20と周辺回路部(21,22,25)とを同一の半導体チップ上にモノリシックに集積化している。画素アレイ部20には、図1(a)に要部の概略を示した光検出素子を画素Xij(i=1〜n;j=1〜m:n,mはそれぞれ整数である。)として用い、この画素Xijの多数個を2次元マトリクス状に配列している。
--Solid image sensor according to the first embodiment ---
In the solid-state image sensor (two-dimensional image sensor) according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 11, the
2次元マトリクス状の画素Xijの配列は、基体部1を共通の半導体領域としてモノリシックに集積化すればよい。それぞれが共通の基体部1を備える画素Xijは、それぞれの活性領域の中に光電変換部と、光電変換部に連続した電荷転送領域と、電荷転送領域に隣接した画素内回路領域を有する。画素内回路領域には、図1(b)に示したような読み出し用バッファアンプ等が集積化される。Siを基体部1の材料としてCISに用いる場合は、読み出し用バッファアンプを構成している増幅トランジスタTAij、選択トランジスタTSij及びリセットトランジスタTRij等は、それぞれ、MOSトランジスタ等によって構成することが可能である。2次元イメージセンサを構成するためには、光電変換部は、例えば方形状の形状が稠密配置に好適であり、光電変換部は活性領域の一部に規定される。この場合は、1チップ上に、方形状の光電変換部が2次元マトリクス状に配列されることになる。
The array of pixels X ij in a two-dimensional matrix may be monolithically integrated with the
画素アレイ部20の下辺部には、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m方向;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m方向;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim方向;……;第(n−1)画素行X(n−1)1,X(n−1)2,X(n−1)3,……,X(n−1)m方向;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnm方向に沿ってコラムデコーダ回路25が設けられている。又、画素アレイ部の左辺部には第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n−1)1,Xn1方向;第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n−1)2,Xn2方向;第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n−1)3,Xn3方向;……;……;……;第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n−1)m,Xnm方向に沿って行デコーダ回路21,行駆動回路22が設けられている。
On the lower side of the
第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n−1)1,Xn1にはコラム電源線P1が設けられ、第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n−1)2,Xn2にはコラム電源線P2が設けられ、第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n−1)3,Xn3にはコラム電源線P3が設けられ、……;……;……;第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n−1)m,Xnmにはコラム電源線Pmが設けられ、コラム毎の電源線P1,P2,P3,……,Pmを介して画素アレイ部20全体の電源線VDDに接続されている。
The first pixel row X 11, X 21, ......, X i1, ......, X (n1) 1, column power supply line P 1 is provided in the X n1, the second pixel column X 12, X 22, ..., X i2 , ..., X (n-1) 2 , X n2 are provided with a column power line P 2 , and the third pixel sequence X 13 , X 23 , ..., X i3 , ..., X. (N-1) 3 , X n3 is provided with a column power line P 3 , and ...;......;......; mth pixel train X 1 m , X 2 m , ..., X im , ..., X ( Column power lines P m are provided at n-1) m and X nm, and the power lines VDD of the entire
コラムデコーダ回路25、行デコーダ回路21,行駆動回路22によって画素アレイ部20内の単位画素Xijが順次走査され、画素信号の読み出しや電子シャッタ動作が実行される。行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n−),Wnは、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim;……;第(n−1)画素行X(n−1)1,X(n−1)2,X(n−1)3,……,X(n−1)m;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnmのそれぞれに配列された画素Xij(i=1〜n;j=1〜m)のそれぞれに対して行毎に配線された、転送ゲート電極8に転送ゲート信号TX(i)を印加する駆動線(第1の駆動線)、リセットトランジスタTRijにリセット信号R(i)を印加する駆動線(第2の駆動線)R(i)及び選択トランジスタTSijに選択用制御信号S(i)を印加する駆動線(第3の駆動線)の3本の駆動線を1本の駆動線にそれぞれ代表して表したものである。
The unit pixel X ij in the
行デコーダ回路21により、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim;……;第(n−1)画素行X(n−1)1,X(n−1)2,X(n−1)3,……,X(n−1)m;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnmのうちの特定の画素行が選択され、行駆動回路22を介して、選択された画素行に対して、選択された画素行に対応する、行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n−),Wnのいずれかから、転送ゲート信号TX(i) 、リセット信号R(i) 、選択用制御信号S(i)がそれぞれ与えられる。
By the
そして、第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n−1)1,Xn1に設けられた読出信号線B1によって画素信号Vsig1が、第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n−1)2,Xn2に設けられた読出信号線B2によって画素信号Vsig2が、第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n−1)3,Xn3に設けられた読出信号線B3によって画素信号Vsig3が、……、第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n−1)m,Xnmに設けられた読出信号線Bmによって画素信号Vsigmが、それぞれ読み出される構成となっている。各読出信号線B1,B2,B3,……,Bmから読み出された画素信号Vsig1,Vsig2,Vsig3,……,Vsigmは、信号処理回路SP1,SP2,SP3,……,SPmにおいて、アナログないしアナログとデジタルの信号処理が施される。その後、信号処理回路SP1,SP2,SP3,……,SPmによって信号処理が施されたコラム毎の信号が、コラムデコーダ回路25により出力信号線26へ読み出され、出力信号線26を介して最終的に半導体チップの外部の外部回路へ出力される。
The first pixel row X 11, X 21, ......, X i1, ......, X (n1) 1, the pixel signal V sig1 by the read signal line B 1 provided X n1 is the second pixel column X 12, X 22, ......, X i2, ......, X (n-1) 2, the pixel signal V sig2 by the read signal line B 2 provided in the X n2 is the third pixel column X 13, X 23, ......, X i3, ...... , X (n-1) 3, X n3 pixel signal V sig3 by the read signal line B 3 provided in the, ..., m-th pixel column X 1 m, X 2m, ......, X im, ......, X (n-1) m, the pixel signal V sigm by the read signal line B m provided X nm is has a configuration to be read, respectively. The pixel signals V sig1 , V sig2 , V sig3 , ..., V sigm read from each read signal line B 1 , B 2 , B 3 , ..., B m are the signal processing circuits SP 1 , SP 2 , At SP 3 , ..., SP m , analog or analog and digital signal processing is performed. After that, the signal for each column processed by the signal processing circuits SP 1 , SP 2 , SP 3 , ..., SP m is read out to the
以上のように、第1の実施形態に係る固体撮像装置によれば、低電圧、超高速駆動、画素サイズが大面積でも残像が起きにくく、各画素内での電荷転送のスムーズなCISが提供できる。 As described above, according to the solid-state image sensor according to the first embodiment, low voltage, ultra-high-speed drive, afterimages are unlikely to occur even if the pixel size is large, and CIS with smooth charge transfer within each pixel is provided. it can.
−−第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法−−
次に、図12(a)〜図13(c)を参照して、第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法の一例を説明する。
--Manufacturing method of photodetector element according to the first embodiment ---
Next, an example of the method for manufacturing the photodetector according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 12 (a) to 13 (c).
まず、「基体部1」の母材として、p−−型のSi基板(ウェハ)を用意する。そして、Si基板の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて反応性イオンエッチング(RIE)等でU溝を掘る。そして、フォトレジスト膜を除去して、減圧化学気相成長(CVD)法等により酸化膜等の絶縁膜をU溝に埋め込み、図12(a)に示すようなシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)構造を実現する。このSTI構造によって、Si基板の上部に素子分離絶縁膜9が、活性領域が占有する空間を定義するように形成される。絶縁膜をU溝に埋め込んだ後、必要に応じて化学的機械研磨(CMP)等による平坦化工程を加えても良い。
First, a p −− type Si substrate (wafer) is prepared as a base material for the “
U溝に素子分離絶縁膜9を埋め込む際に、Si基板の表層を熱酸化しても良いが、この場合は、熱酸化工程の後に平坦化工程を加えてSTI構造を実現するのが好ましい。或いは、Si基板の表面にバッファ酸化膜を介してSi3N4膜をCVD法等により形成したのち、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングでSi3N4膜を活性領域に残して選択酸化するLOCOS法で素子分離絶縁膜9を形成してもよい。STI構造の場合も同様である。
When the element
Si基板の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、タブ領域2を形成する領域にホウ素(B+)等のp型を呈する不純物イオンを素子分離絶縁膜9の深さより深い射影飛程となるように注入する。ウェット処理等によりフォトレジスト膜を除去した後、熱処理を行い、注入された不純物イオンの活性化と、活性化された不純物元素の熱拡散を行う。この結果、図12(b)に示すように、Si基板の上部の素子分離絶縁膜9の下を含む素子分離絶縁膜9の周辺に、Si基板よりも高不純物密度のp−型のタブ領域2が所定の拡散深さまで形成される。
A photoresist film is applied to the upper surface of the Si substrate, and the photoresist film is patterned using a photolithography technique. Using the patterned photoresist film as a mask, impurity ions exhibiting p-type such as boron (B + ) are projected in the region forming the
更に、埋込チャネル領域6を形成するために、Si基板の全面にB+等のp型を呈する不純物イオンを図12(c)に示すように注入する(但し、不純物イオンはまだ活性化されていないので、図12(c)の埋込チャネル領域6は仮想的な領域である)。
Further, in order to form the embedded
次に、Si基板の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、砒素(As+)や燐(P+)等のn型を呈する不純物イオンを埋込チャネル領域6より深い射影飛程となるように注入する。その後、ウェット処理等によりフォトレジスト膜を除去する。その後の熱処理により、注入された不純物イオンの活性化と、活性化された不純物元素の熱拡散を行う。この結果、図13(a)に示すように、埋込チャネル領域6が形成されるとともに、平面パターン上、Si基板の一部を囲む開口部3aを有するように、埋込チャネル領域6の下のn型の電荷生成埋込領域3がタブ領域2より浅く形成される。
Next, a photoresist film is applied to the upper surface of the Si substrate, and the photoresist film is patterned using a photolithography technique. Using the patterned photoresist film as a mask, impurity ions exhibiting n-type such as arsenic (As + ) and phosphorus (P + ) are injected so as to have a deeper projection range than the embedded
次に、Si基板の表面を熱酸化して、Si基板の表面にゲート絶縁膜7を形成する。更に、CVD法等により、ゲート絶縁膜7上にポリシリコン層を堆積し、n型を呈する不純物イオンを注入する。そして、フォトリソグラフィ技術及びRIE等のドライエッチング等により、図13(b)に示すように、ポリシリコン層及びゲート絶縁膜7の一部を選択的に除去して転送ゲート電極8のパターンを形成する。
Next, the surface of the Si substrate is thermally oxidized to form the
次に、Si基板の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜と、転送ゲート電極8をマスクの一部として用いて、シールド層4を形成する領域にB+等のp型を呈する不純物イオンを図13(c)に示すように注入する(但し、不純物イオンはまだ活性化されていないので、図13(c)のシールド層4は仮想的な領域である)。
Next, a photoresist film is applied to the upper surface of the Si substrate, and the photoresist film is patterned using a photolithography technique. Using the patterned photoresist film and the
次に、Si基板の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜と、転送ゲート電極8をマスクとして用いて、電荷読出領域5を形成する領域に、As+やP+等のn型を呈する不純物イオンを自己整合的に注入する。その後、ウェット処理等によりフォトレジスト膜を除去する。そして、その後の熱処理により、注入された不純物イオンの活性化と、活性化された不純物元素の熱拡散を行い、p+型のシールド層4を形成するとともに、n+型の電荷読出領域5を自己整合工程(ゲートセルフアライン工程)で形成する。この結果、図1(a)及び図1(b)に示した第1の実施形態に係る光検出素子のフォトダイオード部分を中心とした一部の構造が完成する。
Next, a photoresist film is applied to the upper surface of the Si substrate, and the photoresist film is patterned using a photolithography technique. Using the patterned photoresist film and the
実際には、図1(b)に示した読み出し用バッファアンプを構成する増幅トランジスタTAij、選択トランジスタTSij及びリセットトランジスタTRijがタブ領域2の上部に形成される。よって、増幅トランジスタTAij、選択トランジスタTSij及びリセットトランジスタTRijのソース領域、ドレイン領域、ゲート配線を形成する工程等は、フォトダイオード部分のn型領域の形成工程や転送ゲート電極8の形成工程等と同時に進行する工程となる。よって、フォトリソグラフィ技術に用いられるフォトマスクのパターンは、図12(a)〜図13(c)の説明から予測できるものよりも複雑なパターンである。例えば、図12(c)に示したイオン注入は全面的なイオン注入ではなく、フォトリソグラフィ技術を用いた選択的なイオン注入になり得る。更に、読出信号線Bj等を配線するための、多層配線技術に必要な層間絶縁膜の形成工程やパッシベーション膜の形成工程も追加されることは当業者には自明である。
Actually, the amplification transistor TA ij , the selection transistor TS ij, and the reset transistor TR ij constituting the read buffer amplifier shown in FIG. 1B are formed in the upper part of the
なお、上述した第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法の一例では、図13(b)に示すように転送ゲート電極8を形成する前に、図13(a)に示すように電荷生成埋込領域3を形成する場合を例示したが、図13(b)に示すように転送ゲート電極8を形成した後に、転送ゲート電極8をマスクの一部として用いて、電荷生成埋込領域3を自己整合的に形成してもよい。
In an example of the method for manufacturing an optical detection element according to the first embodiment described above, the electric charge is shown in FIG. 13 (a) before the
また、図2(a)及び図2(b)に示した第1の比較例に係る光検出素子の製造方法は、開口部を有さない矩形の平面パターンで電荷生成埋込領域3を形成する以外は、第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法と同様である。
Further, in the method for manufacturing a photodetector according to the first comparative example shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), a charge generation embedded
以上説明したように、第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法によれば、工程数やフォトマスクの枚数を増やすことなく、残像を無くし又は低減させ、且つ、感度・リニアリティ・飽和等の特性劣化を抑制可能な光検出素子が実現可能となる。よって第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法により画素を実現し、この画素を複数配列する半導体集積回路の製造技術に採用すれば、周辺回路の製造プロセスに調和した固体撮像装置の製造方法が提供できることも当業者に自明である。 As described above, according to the method for manufacturing a photodetector according to the first embodiment, afterimages are eliminated or reduced without increasing the number of steps or the number of photomasks, and sensitivity, linearity, saturation, etc. An optical detection element capable of suppressing deterioration of the characteristics of the above can be realized. Therefore, if pixels are realized by the method for manufacturing an optical detection element according to the first embodiment and adopted in a manufacturing technique for a semiconductor integrated circuit in which a plurality of pixels are arranged, a solid-state image sensor that is in harmony with the manufacturing process of peripheral circuits can be manufactured. It is also self-evident to those skilled in the art that the method can be provided.
<第1の実施形態の第1の変形例>
第1の実施形態の第1の変形例として、光検出素子の構造の変形例を説明する。例えば、図1(a)及び図1(b)ではシールド層4がp+型である場合を例示したが、図14(a)に示すように、シールド層4がn+型であってもよい。また、図1(a)及び図1(b)では電荷生成埋込領域3とタブ領域2が接した構造を例示したが、図14(b)に示すように、電荷生成埋込領域3とタブ領域2が離間した構造であってもよい。
<First modification of the first embodiment>
As a first modification of the first embodiment, a modification of the structure of the photodetector will be described. For example, in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the case where the
また、図1(a)及び図1(b)では「基体部1」として、第1導電型(p−−型)のシリコン(Si)ウェハ等の半導体基板を用いる場合を例示しているが、バルクの半導体基板の代わりに、図15(a)に示すように、第1導電型の半導体基板1sub-1上に、半導体基板よりも低不純物密度の第1導電型のエピタキシャル成長層を形成した2層構造を実現して、エピタキシャル成長層側を「第1導電型の基体部2b」として採用してもよい。或いは、図15(b)に示すように、第2導電型(n型)の半導体基板1sub-2上に設けた第1導電型(p型)のエピタキシャル成長層を「第1導電型の基体部2b」として採用してもよい。
Further, in FIGS. 1A and 1B, a case where a semiconductor substrate such as a first conductive type (p −− type) silicon (Si) wafer is used as the “
第2導電型(n型)の半導体基板上に、pn接合を形成するように、第1導電型(p型)のエピタキシャル成長層を形成すれば、長い波長の場合、入力光が第2導電型の半導体基板深くまで浸入するが、第2導電型の半導体基板で発生した光によるキャリアは、pn接合のビルトインポテンシャルによる電位障壁のため第1導電型のエピタキシャル成長層まで入って来られないので、第2導電型の半導体基板深くで発生したキャリアを積極的に捨てることができる。これによって、深い位置で発生したキャリアが拡散で戻ってきて、隣の画素に漏れ込むのを防ぐことが可能になる。これは特に、RGBのカラーフィルタが搭載された単板カラーのイメージセンサの場合に、色の混合を起こさないようにできる効果を奏する。 If the first conductive type (p type) epitaxial growth layer is formed on the second conductive type (n type) semiconductor substrate so as to form a pn junction, the input light is the second conductive type (p type) in the case of a long wavelength. However, the carriers generated by the light generated in the second conductive type semiconductor substrate cannot enter into the first conductive type epitaxial growth layer due to the potential barrier due to the built-in potential of the pn junction. 2 Carriers generated deep in the conductive semiconductor substrate can be positively discarded. This makes it possible to prevent carriers generated at a deep position from returning by diffusion and leaking to adjacent pixels. This has the effect of preventing color mixing, especially in the case of a single-plate color image sensor equipped with an RGB color filter.
なお、図15(a)は、p−−型の半導体基板1sub-1の上にエピタキシャル成長した半導体層が「基体部2b」であり、図15(b)は、n−−型の半導体基板1sub-2の上にエピタキシャル成長した半導体層が「基体部2b」であると定義した。しかし、図15(a)の「基体部2b」をp−−型の半導体基板1sub-1の上部に熱拡散等により形成したp−型のウェル領域で定義してもよく、図15(b)の「基体部2b」をn−−型の半導体基板1sub-2の上部に熱拡散等により形成したp−型のウェル領域で定義してもよい。
Incidentally, FIG. 15 (a), p - type a semiconductor layer epitaxially grown on the
第1の実施形態の第1の変形例として例示した図14(a)〜図15(b)に示した構造であっても、第1の実施形態と同様に、平面パターン上、電荷生成埋込領域3の中央部をくり抜くように開口部3aを設けているので、光電変換部に設けられるフォトダイオードPDと電荷転送手段(6,7,8)の間にポテンシャルバリアが形成されず、スムーズな読み出しが可能になる。
Even with the structures shown in FIGS. 14 (a) to 15 (b) illustrated as the first modification of the first embodiment, charge generation and embedding are performed on the plane pattern as in the first embodiment. Since the
<第1の実施形態の第2の変形例>
第1の実施形態では、平面パターン上、多角形の電荷生成埋込領域3の中央部を矩形にくり抜いた構造を例示したが、電荷生成埋込領域3の平面パターン形状はこれに限定されない。例えば、図16(a)及び図16(b)に示すように、平面パターン上、円形の外縁を有する電荷生成埋込領域3の中央部に、円形の開口部3aが同心円状に設けられており、電荷生成埋込領域3がドーナツ状の環状構造をなしていてもよい。
<Second variant of the first embodiment>
In the first embodiment, a structure in which the central portion of the polygonal charge
ここで、図17(a)及び図17(b)に示すように、電荷生成埋込領域3の中央をくり抜いていない点のみが第1の実施形態の第2の変形例に係る光検出素子と異なる第2の比較例とを対比してみる。図17(a)及び図17(b)に示した第2の比較例に係る光検出素子の構造についてのポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図18(a)及び図18(b)に示す。図18(a)は図17(a)に対応する平面のポテンシャル分布を示し、図18(b)は図17(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。図18(a)及び図18(b)に示すように、第2の比較例に係る光検出素子のポテンシャル分布は、基体部1と電荷生成埋込領域3がなすフォトダイオードPDのポテンシャルが椀形となり、フォトダイオードPDの中心部のポテンシャルが最も深くなる。
Here, as shown in FIGS. 17 (a) and 17 (b), only the point where the center of the charge generation embedded
これに対して、図16(a)及び図16(b)に示した第1の実施形態の第2の変形例に係る光検出素子の構造についてのポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図19(a)及び図19(b)に示す。図19(a)は図16(a)に対応する平面のポテンシャル分布を示し、図19(b)は図19(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。第1の実施形態の第2の変形例に係る光検出素子では、円形の電荷生成埋込領域3の中央を同心円状にくり抜いた構造であるため、図19(a)及び図19(b)に示すように、基体部1と電荷生成埋込領域3がなすフォトダイオードPDの中心部のポテンシャルが相対的に持ち上がって「電位丘」が構成され、電位丘よりもポテンシャルが深い電位谷の底が、電位丘の周りにリング状に繋がる。したがって、第1の実施形態の第2の変形例に係る光検出素子によれば、平面パターン上、円形の電荷生成埋込領域3の中央に、円形の開口部3aが設けられている場合でも、第1の実施形態と同様に電荷転送手段(6,7,8)等を設ければ、信号読出時には電位谷を経由して信号電荷を転送できるので、スムーズな読み出しが可能になる。
On the other hand, the result of calculating the potential distribution about the structure of the photodetector element according to the second modification of the first embodiment shown in FIGS. 16A and 16B by the device simulator is shown in FIG. It is shown in 19 (a) and FIG. 19 (b). FIG. 19 (a) shows the potential distribution of the plane corresponding to FIG. 16 (a), and FIG. 19 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 19 (a) in three dimensions. Shown in. Since the optical detection element according to the second modification of the first embodiment has a structure in which the center of the circular charge generation embedded
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る光検出素子は、図20(a)及び図20(b)に示すように、電荷生成埋込領域3の開口部3aを、中央部から電荷転送手段(6,7,8)とは反対側にずらしてくり抜いている構造が、中央部をくり抜いた構造を有する第1の実施形態の構成と異なる。
(Second Embodiment)
As shown in FIGS. 20A and 20B, the photodetector according to the second embodiment of the present invention has a charge transfer means (a charge transfer means () from the central portion of the
平面パターン上、環状の電荷生成埋込領域3の電荷転送手段(6,7,8)側の幅W2が、電荷転送手段(6,7,8)とは反対側の幅W4よりも広く設定されている。第1の実施形態と同様に、幅W2は、転送ゲート電極8がオン状態のときに信号電荷の転送経路にポテンシャルバリアができない範囲で設定可能であり、例えば1μm〜2μm程度に設定される。幅W4は適宜設定可能であるが、幅W4=0として電荷生成埋込領域3の平面パターンをU字型(コの字型)に構成しても良い。第1の実施形態と同様に、図20(a)の平面パターン上、電荷生成埋込領域3の開口部3aを含む全体の面積に対して開口部3aが占める面積の割合は、例えば15%〜25%程度に設定されている。
On the plane pattern, the width W2 on the charge transfer means (6,7,8) side of the annular charge generation embedded
第2の実施形態に係る光検出素子の他の構成は、第1の実施形態に係る光検出素子の構成と同様である。また、第2の実施形態に係る光検出素子の製造方法は、電荷生成埋込領域3の開口部3aを形成する位置が異なる以外は、第1の実施形態に係る光検出素子の製造方法と同様である。
Other configurations of the photodetector element according to the second embodiment are the same as the configurations of the photodetector element according to the first embodiment. The method for manufacturing the photodetector according to the second embodiment is the same as the method for manufacturing the photodetector according to the first embodiment, except that the position where the
ここで、第2の実施形態に係る光検出素子を第3の比較例と対比してみる。第3の比較例に係る光検出素子は、図21(a)及び図21(b)に示すように、電荷生成埋込領域3と、電荷転送手段(6,7,8)側に設けられ、電荷生成埋込領域3よりも高不純物密度にして、電荷生成埋込領域3のポテンシャルの深さよりも電位が深い電位池(ポテンシャル・ポンド)を生成する電位池生成埋込領域3xとを備える点が、第2の実施形態に係る光検出素子の構造と異なる。平面パターン上、電位池生成埋込領域3xは矩形であり、仕上がりの平面パターンとしては電荷生成埋込領域3はポテンシャルの深い電位池生成埋込領域3xの一部を囲むU字型(コの字型)の形状として表現される。
Here, the photodetector element according to the second embodiment will be compared with the third comparative example. As shown in FIGS. 21 (a) and 21 (b), the light detection element according to the third comparative example is provided on the charge generation embedded
図21(a)及び図21(b)に示した第3の比較例に係る光検出素子の構造について、電荷蓄積時のポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図22(a)〜図25(b)に示す。図22(a)は図21(b)を再掲しており、図22(b)は図22(a)に対応する切断面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示す。図23(a)は図21(a)に対応する平面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示し、図23(b)は図23(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。第3の比較例に係る光検出素子によれば、電位池生成埋込領域3xを転送ゲート電極8の近傍に追加することで、図22(b)〜図23(b)に示すように、電荷蓄積時には、電位池生成埋込領域3xが生成する電位池φpの底がフォトダイオードPDのポテンシャルの最深部となる。即ち、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部がフォトダイオードPDの中心からTXで位置を表示した電荷転送手段(6,7,8)付近に移動する。
Regarding the structure of the photodetector element according to the third comparative example shown in FIGS. 21 (a) and 21 (b), the results of calculating the potential distribution at the time of charge accumulation by the device simulator are shown in FIGS. 22 (a) to 25. Shown in (b). FIG. 22 (a) reprints FIG. 21 (b), and FIG. 22 (b) shows the potential distribution at the time of charge accumulation of the cut surface corresponding to FIG. 22 (a). FIG. 23 (a) shows the potential distribution at the time of charge accumulation on the plane corresponding to FIG. 21 (a), and FIG. 23 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 23 (a). Is shown three-dimensionally. According to the photodetector element according to the third comparative example, by adding the potential pond generation embedded
また、図24(a)は図21(b)を再掲しており、図24(b)は図24(a)に対応する切断面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示す。図25(a)は図21(a)に対応する平面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示し、図25(b)は図25(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。図24(b)〜図25(b)に示すように、転送ゲート信号TX(i)を高レベルにすると、フォトダイオードPDとTXで位置を表示した電荷転送手段(6,7,8)の間のポテンシャルバリアが形成されず、スムーズな電荷読み出しが可能となる。 In addition, FIG. 24 (a) reprints FIG. 21 (b), and FIG. 24 (b) shows the potential distribution at the time of charge reading of the cut surface corresponding to FIG. 24 (a). FIG. 25 (a) shows the potential distribution at the time of charge reading of the plane corresponding to FIG. 21 (a), and FIG. 25 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 25 (a). Is shown three-dimensionally. As shown in FIGS. 24 (b) to 25 (b), when the transfer gate signal TX (i) is set to a high level, the charge transfer means (6, 7, 8) whose position is displayed by the photodiode PD and TX A potential barrier is not formed between them, and smooth charge reading is possible.
すなわち、第3の比較例に係る光検出素子によれば、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xにより不純物密度の勾配を形成することで、ポテンシャル勾配を形成し、残像を低減することはできる。しかしながら、第3の比較例に係る光検出素子を製造する際には、電位池生成埋込領域3xを形成する以外の手順は第1の比較例と同様であるが、電位池生成埋込領域3xを形成するためにマスクの枚数が増え、それに伴い、フォトリソグラフィやイオン注入等の工程数が増え、デバイス製造コストがかかってしまうという課題がある。
That is, according to the photodetector element according to the third comparative example, the potential gradient is formed and the afterimage is reduced by forming the impurity density gradient by the charge generation embedded
これに対して、図20(a)及び図20(b)に示した第2の実施形態に係る光検出素子の構造についてのポテンシャル分布をデバイスシミュレータで計算した結果を図26(a)〜図29(b)に示す。図26(a)は図20(b)を再掲しており、図26(b)は図26(a)に対応する切断面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示す。図27(a)は図20(a)に対応する平面の電荷蓄積時のポテンシャル分布を示し、図27(b)は図27(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。第2の実施形態に係る光検出素子によれば、電荷生成埋込領域3の電荷転送手段(6,7,8)とは反対側にずれた位置に開口部3aを設けることにより、図26(b)〜図27(b)に示すように、基体部1と電荷生成埋込領域3がなすフォトダイオードPDの中心よりもTXで位置を表示した電荷転送手段(6,7,8)とは反対側にずれた位置のポテンシャルが持ち上がり「電位丘φh」が構成され、電位丘φhよりもポテンシャルが低い電位谷φvの底が、電位丘φhの周りにリング状に繋がる。そして、電位丘φhがフォトダイオードPDの中心よりもTXで位置を表示した電荷転送手段(6,7,8)とは反対側にずれた位置に生成されるため、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部が、フォトダイオードPDの中心からTXで位置を表示した電荷転送手段(6,7,8)付近に移動している。また、図26(a)の切断面に沿った電位谷φvのポテンシャル勾配が、電荷生成埋込領域3の中央部に開口部3aを設けた場合よりも大きくなる。
On the other hand, the results of calculating the potential distribution for the structure of the photodetector according to the second embodiment shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b) by the device simulator are shown in FIGS. 26 (a) to 26 (a). 29 (b) shows. FIG. 26 (a) reprints FIG. 20 (b), and FIG. 26 (b) shows the potential distribution at the time of charge accumulation of the cut surface corresponding to FIG. 26 (a). 27 (a) shows the potential distribution at the time of charge accumulation on the plane corresponding to FIG. 20 (a), and FIG. 27 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 27 (a). Is shown three-dimensionally. According to the optical detection element according to the second embodiment, the
また、図28(a)は図20(b)を再掲しており、図28(b)は図28(a)に対応する切断面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示す。図29(a)は図20(a)に対応する平面の電荷読み出し時のポテンシャル分布を示し、図29(b)は図29(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。図28(b)〜図29(b)に示すように、転送ゲート信号TX(i)を高レベルにすると、フォトダイオードPDと電荷転送手段(6,7,8)の間にポテンシャルバリアが形成されない3次元のポテンシャル分布になる。したがって、3次元のポテンシャル分布の電位丘φhの周りの電位谷φvの経路に沿って電荷転送手段(6,7,8)側へ移動し、フォトダイオードPDから埋込チャネル領域6を経由して電荷読出領域5(FD)へ流れる信号電荷の転送が阻害されないので、スムーズな電荷読み出しが可能となり、残像が起こりにくくなる。
In addition, FIG. 28 (a) reprints FIG. 20 (b), and FIG. 28 (b) shows the potential distribution at the time of charge reading of the cut surface corresponding to FIG. 28 (a). FIG. 29 (a) shows the potential distribution when the charge is read out from the plane corresponding to FIG. 20 (a), and FIG. 29 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 29 (a). Is shown three-dimensionally. As shown in FIGS. 28 (b) to 29 (b), when the transfer gate signal TX (i) is set to a high level, a potential barrier is formed between the photodiode PD and the charge transfer means (6, 7, 8). It becomes a three-dimensional potential distribution that is not done. Therefore, it moves to the charge transfer means (6, 7, 8) side along the path of the potential valley φ v around the potential hill φ h of the three-dimensional potential distribution, and passes from the photodiode PD via the embedded
ここで、図30(a)に示す第2の実施形態に係る光検出素子と、図30(b)に示す第4の比較例に係る光検出素子を、同一のウェハから、同一プロセス、同一画素サイズで作製した。図30(a)に示す第2の実施形態に係る光検出素子では、電荷生成埋込領域3の中央からずらして開口部3aを設けているのに対して、図30(b)に示す第4の比較例に係る光検出素子では、電荷生成埋込領域3に開口部を設けていない点のみが異なる。
Here, the photodetector according to the second embodiment shown in FIG. 30 (a) and the photodetector according to the fourth comparative example shown in FIG. 30 (b) are subjected to the same process and the same from the same wafer. It was made in pixel size. In the photodetector element according to the second embodiment shown in FIG. 30A, the
図30(a)に示す第2の実施形態に係る光検出素子と、図30(b)に示す第4の比較例に係る光検出素子についての、入射光量対信号出力特性の実測結果を図31に示す。この特性の線形領域傾きが感度であり、信号出力が一定になっている領域が飽和である。第2の実施形態に係る光検出素子によれば、電荷生成埋込領域3をくり抜いて開口部3aを設けることにより、工程数を増やすこと無く、残像特性を良化できるが、電荷生成埋込領域3の面積が小さくなるため、一般的に、感度低下や飽和減少をおこすというトレードオフが懸念される。しかしながら、図31から、図30(a)に示す第2の実施形態に係る光検出素子では電荷生成埋込領域3をくり抜いたが、図30(b)に示す第4の比較例に係る光検出素子に比して、感度も飽和も全く特性劣化していないことが分かる。図31に示すデータは、第2の実施形態に係る光検出素子において、電位丘が設定される開口部3aも実質的に光電変換部として機能していることを示している。
The actual measurement results of the incident light amount vs. signal output characteristics of the photodetector element according to the second embodiment shown in FIG. 30A and the photodetector element according to the fourth comparative example shown in FIG. 30B are shown. It is shown in 31. The linear region slope of this characteristic is the sensitivity, and the region where the signal output is constant is saturated. According to the photodetector element according to the second embodiment, the afterimage characteristics can be improved without increasing the number of steps by hollowing out the charge
これは、くり抜かれた領域に入った光が光電変換されて電子(逆導電型で作られている場合は正孔)になった場合、その電子は、拡散及び電界ドリフトによって最も近く最もポテンシャルが深いところに移動するからである。つまり、くり抜かれて残ったフォトダイオード領域の深いポテンシャル部に移動する。すなわち、くり抜かれた領域に入った光も信号となるため、感度低下は起きない。 This is because when the light that enters the hollowed out region is photoelectrically converted into an electron (a hole if it is made of a reverse conductive type), the electron has the closest potential due to diffusion and electric field drift. Because it moves to a deep place. That is, it moves to the deep potential portion of the photodiode region remaining after being hollowed out. That is, since the light entering the hollowed out region also becomes a signal, the sensitivity does not decrease.
同一のドーズ量でイオン注入された場合、面積が小さい第2の実施形態に係る光検出素子の構造の飽和電子数は、第4の比較例に係る光検出素子の構造よりも小さくなる。しかし、ドーズ量を増すことで、ある程度大きくすることが可能である。また、飽和は、後段のADコンバータの入力レンジ以上の電子数があれば良い。通常用いられるADコンバータの入力レンジは、1Vであり、例えば変換ゲインが50uV/eであれば、20000電子でフルレンジになるし、100uV/eであれば、10000電子でフルレンジになる。すなわち、飽和電子数は、ADコンバータのフルレンジ以上取れれば良い。図20の飽和領域は、上記説明した通り、ADコンバータのフルレンジで制限されているため、同一ドーズ量でイオン注入されたデバイス同士の比較結果であるが、飽和に差は見られない。 When ions are implanted with the same dose amount, the number of saturated electrons in the structure of the photodetector according to the second embodiment having a small area is smaller than that of the structure of the photodetector according to the fourth comparative example. However, it can be increased to some extent by increasing the dose amount. Further, saturation may be achieved if the number of electrons is equal to or greater than the input range of the AD converter in the subsequent stage. The input range of an AD converter usually used is 1 V. For example, if the conversion gain is 50 uV / e, the full range is reached at 20000 electrons, and if it is 100 uV / e, the full range is reached at 10000 electrons. That is, the number of saturated electrons may be equal to or greater than the full range of the AD converter. As described above, the saturation region of FIG. 20 is limited by the full range of the AD converter, so that it is a comparison result between the devices ion-implanted with the same dose amount, but no difference in saturation is observed.
以上のように、第2の実施形態に係る光検出素子によれば、第1の実施形態に係る光検出素子と同様に、低電圧、超高速駆動、大面積でも残像が起きにくく、且つ電荷転送がスムーズで、CISの画素として好適な半導体素子が提供できる。 As described above, according to the photodetector element according to the second embodiment, as with the photodetector element according to the first embodiment, low voltage, ultra-high speed drive, afterimages are unlikely to occur even in a large area, and electric charge. A semiconductor element having smooth transfer and suitable as a CIS pixel can be provided.
<第2の実施形態の第1の変形例>
第2の実施の形態では、矩形のフォトダイオードのレイアウトを用いているが、フォトダイオードのレイアウトは必ずしも矩形である必要はなく、任意な形状とすることができる。例えば、図32(a)及び図32(b)に示すように、円形の外縁を有する電荷生成埋込領域3の中央から図17とは反対方向にずらした非同心状で直径W7の円形の開口部3aでくり抜いた、偏心ドーナツ状の電荷生成埋込領域3を有していてもよい。平面パターン上、電荷生成埋込領域3の幅W8aが、反対側の幅W8bよりも広く設定されている。なお、幅W8b=0として電荷生成埋込領域3をU字型(コの字型)に構成しても良い。
<First modification of the second embodiment>
In the second embodiment, a rectangular photodiode layout is used, but the photodiode layout does not necessarily have to be rectangular and can be of any shape. For example, as shown in FIGS. 32 (a) and 32 (b), a non-concentric, circular W7 diameter offset from the center of the charge
ここで、図33(a)及び図33(b)に示すようにある方向に偏心した電位池生成埋込領域3xを追加した第5の比較例と対比してみる。第5の比較例の構造についてデバイスシミュレータによりポテンシャルを計算した結果を図34(a)及び図34(b)に示す。図34(a)は図33(a)に対応する平面のポテンシャル分布を示し、図34(b)は図34(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部は、電位池生成埋込領域3xの中に形成される。すなわち、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部が、フォトダイオードPDの中心からずれた方向に移動する。したがって、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部の近傍に電荷転送手段を配置すれば、スムーズな読み出しが可能になる。
Here, let us compare with the fifth comparative example in which the potential pond generation embedded
一方、図32(a)及び図32(b)に示した第2の実施の形態の第1の変形例の構造について、デバイスシミュレータによりポテンシャルを計算した結果を図35(a)及び図35(b)に示す。図35(a)は図32(a)に対応する平面のポテンシャル分布を示し、図35(b)は図35(a)の2点鎖線で囲んだ領域Bに対応するポテンシャル分布を3次元的に示す。図35(a)及び図35(b)に示すように、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部は、偏心してくり抜いた電荷生成埋込領域3の反対側にくる。すなわち、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部が、フォトダイオードPDの中心からずれた方向に移動する。したがって、フォトダイオードPDのポテンシャルの最深部の近傍に電荷転送手段を配置すれば、スムーズな読み出しが可能になる。
On the other hand, the results of calculating the potential of the structure of the first modification of the second embodiment shown in FIGS. 32 (a) and 32 (b) by the device simulator are shown in FIGS. 35 (a) and 35 (b). Shown in b). FIG. 35 (a) shows the potential distribution of the plane corresponding to FIG. 32 (a), and FIG. 35 (b) shows the potential distribution corresponding to the region B surrounded by the alternate long and short dash line of FIG. 35 (a) in three dimensions. Shown in. As shown in FIGS. 35 (a) and 35 (b), the deepest potential of the photodiode PD is on the opposite side of the eccentric and hollowed out charge
<第2の実施形態の第2の変形例>
第2の実施形体の第2の変形例として、例えば、図36(a)に示すように、平面パターン上、電荷生成埋込領域3が矩形であり、矩形の開口部3aが設けられていてもよい。また、図36(b)に示すように、平面パターン上、電荷生成埋込領域3が矩形であり、円形の開口部3aが設けられていてもよい。また図37(a)に示すように、平面パターン上、電荷生成埋込領域3が矩形であり、8角形の開口部3aが設けられていてもよい。また、図37(b)に示すように、平面パターン上、電荷生成埋込領域3に複数の開口部3a〜3cが設けられていてもよい。
<Second variant of the second embodiment>
As a second modification of the second embodiment, for example, as shown in FIG. 36A, the charge
第2の実施形体の第2の変形例のいずれの構造であっても、フォトダイオードの中心からずれるように電荷生成埋込領域3の開口部3aをくり抜くことで、フォトダイオードのポテンシャルの最深部を、フォトダイオードの中心部からずらして転送ゲート電極8近傍に移動させることができる。
In any of the structures of the second modification of the second embodiment, the deepest potential of the photodiode is formed by hollowing out the
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る光検出素子は、図38(a)及び図38(b)に示すように、電荷生成埋込領域3の配置された領域よりもポテンシャルが局所的に深い電位池(ポテンシャル・ポンド)を生成する、電位池生成埋込領域3xを更に備える点が、図20(a)及び図20(b)に示した第2の実施形態に係る光検出素子の構成と異なる。
(Third Embodiment)
As shown in FIGS. 38 (a) and 38 (b), the photodetector according to the third embodiment of the present invention has a locally deeper potential than the region where the charge generation embedded
電荷生成埋込領域3には開口部3aが設けられている。電位池生成埋込領域3xは、電荷生成埋込領域3に隣接して設けられた、電荷生成埋込領域3よりも高不純物密度の半導体領域である。電位池生成埋込領域3xは転送ゲート電極8近傍に局所的に設けられている。電位池生成埋込領域3xは矩形の平面パターンを有し、電位池生成埋込領域3xには開口部は設けられていない。
An
第3の実施形態に係る光検出素子の他の構成は、図20(a)及び図20(b)に示した第2の実施形態に係る光検出素子の構成と同様である。第3の実施形態に係る光検出素子の製造方法は、電荷生成埋込領域3の形成工程に加えて、電位池生成埋込領域3xを形成する工程が追加されている点が異なる以外は、第2の実施形態に係る光検出素子の製造方法と同様である。
Other configurations of the photodetector element according to the third embodiment are the same as the configurations of the photodetector element according to the second embodiment shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b). The method for manufacturing the photodetector according to the third embodiment is different except that a step of forming the potential pond generation embedded
第3の実施形態に係る光検出素子によれば、電荷生成埋込領域3をくり抜いて開口部3aを設けることにより、従来の電荷生成埋込領域に開口部がない構造と同じ工程数で、よりスムーズな電荷読み出しが可能となり、残像が起こりにくくなる。更には、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xにより濃度勾配を形成するので、更に残像を低減できる。
According to the photodetector according to the third embodiment, the charge generation embedded
なお、第3の実施形態では、1個の電位池生成埋込領域3xを追加した構造を例示したが、転送ゲート電極8に近づくにつれてポテンシャルが段階的に深くなるように、複数個の段階的に不純物密度の異なる電位池生成埋込領域3xを追加した構造であってもかまわない。また、電位池生成埋込領域3xの代わりに、フォトダイオード表面のシールド層4を複数領域にして、カウンタードープでフォトダイオード内の不純物密度差をつけてもかまわない。更に、電荷生成埋込領域とシールド層を共に複数領域にして、フォトダイオード内の不純物密度差をつけてもかまわない。
In the third embodiment, a structure in which one potential pond generation embedded
以上のように、第3の実施形態に係る光検出素子によれば、低電圧、超高速駆動、大面積でも残像が起きにくく、且つ電荷転送がスムーズで、CISの画素として好適な半導体素子が提供できることは、第1及び第2の実施形態に係る光検出素子について説明したのと同様である。 As described above, according to the photodetector element according to the third embodiment, a semiconductor element suitable as a CIS pixel, which has a low voltage, ultra-high speed drive, less afterimages even in a large area, and smooth charge transfer. What can be provided is the same as described for the photodetector elements according to the first and second embodiments.
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係る光検出素子は、図39(a)及び図39(b)に示すように、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xを第3の実施形態と同様に備えるが、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xに亘って開口部3aが設けられている点が、電荷生成埋込領域3にのみ開口部3aが設けられた第3の実施形態と異なる。
(Fourth Embodiment)
As shown in FIGS. 39 (a) and 39 (b), the photodetector according to the fourth embodiment of the present invention has a charge generation embedded
電位池生成埋込領域3xは、電位池生成埋込領域3xは転送ゲート電極8近傍に局所的に設けられており、矩形の平面パターンを有する。電位池生成埋込領域3xの転送ゲート電極8とは反対側の一部が開口部3aに到達しており、平面パターン上、開口部3aは電位池生成埋込領域3xの一部を囲むようにU字型(コの字型)をなしている。
The potential pond generation embedded
第4の実施形態に係る光検出素子の他の構成は、第3の実施形態に係る光検出素子の構成と同様である。第4の実施形態に係る光検出素子の製造方法は、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xに亘って開口部3aを形成する点が第3の実施形態に係る光検出素子の製造方法と異なり、その他の手順は第3の実施形態に係る光検出素子の構成と同様である。
Other configurations of the photodetector element according to the fourth embodiment are the same as the configurations of the photodetector element according to the third embodiment. In the method for manufacturing a photodetector element according to a fourth embodiment, the point that an
本発明の第4の実施形態に係る光検出素子によれば、第3の実施形態に係る光検出素子と同様に、電荷生成埋込領域3をくり抜いて開口部3aを設けることにより、従来の電荷生成埋込領域に開口部がない構造と同じ工程数で、よりスムーズな電荷読み出しが可能となり、残像が起こりにくくなる。更には、電荷生成埋込領域3及び電位池生成埋込領域3xにより濃度勾配を形成するので、更に残像を低減できる。
According to the photodetector element according to the fourth embodiment of the present invention, similarly to the photodetector element according to the third embodiment, the conventional charge generation embedded
なお、第4の実施形態に係る光検出素子の構造においても、第3の実施形態と同様に、電荷生成埋込領域3の配置された領域のよりもポテンシャルよりも電位が深い電位池を生成するために、1個の電位池生成埋込領域3xを追加した構造を例示したが、転送ゲート電極8に近づくにつれてポテンシャルが段階的に深くなるように、複数個の段階的に不純物密度の異なる電位池生成埋込領域3xを追加した構造であってもかまわない。また、電位池を生成する電位池生成埋込領域3xの代わりに、フォトダイオード表面のシールド層4を複数領域にして、カウンタードープでフォトダイオード内の不純物密度差をつけてもかまわない。更に、電荷生成埋込領域とシールド層を共に複数領域にして、フォトダイオード内の不純物密度差をつけてもかまわない。
In the structure of the light detection element according to the fourth embodiment, as in the third embodiment, a potential pond having a potential deeper than the potential of the region where the charge generation embedded
以上のように、第4の実施形態に係る光検出素子によれば、低電圧、超高速駆動、大面積でも残像が起きにくく、且つ電荷転送がスムーズで、CISの画素として好適な半導体素子が提供できることは、既に第1〜第3の実施形態に係る光検出素子について説明したとおりである。 As described above, according to the photodetector element according to the fourth embodiment, a semiconductor element suitable as a CIS pixel, which has a low voltage, ultra-high speed drive, less afterimages even in a large area, and smooth charge transfer. What can be provided has already been described for the photodetector elements according to the first to third embodiments.
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1〜第4の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, the present invention has been described by the first to fourth embodiments, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
既に述べた第1〜第4の実施形態の説明では、第1導電型をp型、第2導電型をn型として説明したが、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても、電気的な極性を反対にすれば同様な効果が得られることは容易に理解できるであろう。第1〜第4の実施形態の説明では、転送、蓄積等の処理がされる信号電荷を電子とし、ポテンシャル図において、図の下方向(深さ方向)が、電位(ポテンシャル)の正方向としたが、電気的な極性を反対とする場合においては、処理をされる電荷は正孔となるため、光検出素子内の電位障壁、ポテンシャル谷、ポテンシャル井戸等を示すポテンシャル形状は、図の下方向(深さ方向)が、電位の負方向として表現される。 In the description of the first to fourth embodiments described above, the first conductive type is defined as p type and the second conductive type is defined as n type, but the first conductive type is n type and the second conductive type is p type. However, it is easy to understand that the same effect can be obtained by reversing the electrical polarity. In the description of the first to fourth embodiments, the signal charge to be processed such as transfer and storage is an electron, and in the potential diagram, the lower direction (depth direction) of the figure is the positive direction of the potential (potential). However, when the electrical polarity is reversed, the electric charge to be processed becomes holes, so the potential shape indicating the potential barrier, potential valley, potential well, etc. in the light detection element is shown below the figure. The direction (depth direction) is expressed as the negative direction of the potential.
又、既に述べた第1〜第4の実施形態の説明においては、2次元固体撮像装置(エリアセンサ)を例示的に説明したが、本発明の光検出素子は2次元固体撮像装置の画素Xijのみに用いられるように限定して解釈するべきではない。例えば、図1に示した2次元マトリクスにおいて、j=m=1とした1次元固体撮像装置(ラインセンサ)の画素Xijとして複数の光検出素子を1次元に配列してもよいことは、上記開示の内容から、容易に理解できるはずである。 Further, in the description of the first to fourth embodiments already described, the two-dimensional solid-state image sensor (area sensor) has been exemplified, but the photodetector of the present invention is the pixel X of the two-dimensional solid-state image sensor. It should not be construed as limited to use only for ij . For example, in the two-dimensional matrix shown in FIG. 1, a plurality of light detection elements may be arranged one-dimensionally as pixels X ij of a one-dimensional solid-state image sensor (line sensor) with j = m = 1. It should be easy to understand from the contents of the above disclosure.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
1,2b…基体部
1sub-1,1sub-2…半導体基板
2…タブ領域
3…電荷生成埋込領域
3a,3b,3c…開口部
3x…電位池生成埋込領域
4…シールド層
5…電荷読出領域
6…埋込チャネル領域
7…ゲート絶縁膜
8…転送ゲート電極
9…素子分離絶縁膜
20…画素アレイ部
21…行デコーダ回路
22…行駆動回路
25…コラムデコーダ回路
26…出力信号線
1, 2 b ...
Claims (8)
開口部を有し、該開口部を囲む上面が前記シールド層に接した第2導電型の電荷生成埋込領域と、
前記開口部から露出した突凸部の上面が前記シールド層に接する段差形状を有し、該段差形状によって前記突凸部を囲むように前記電荷生成埋込領域を埋め込み、前記シールド層よりも低不純物密度で、且つ、前記電荷生成埋込領域とのpn接合による空乏層が前記突凸部の中央部でピンチオフする不純物密度に選定された第1導電型の基体部と、
前記基体部の上部に前記電荷生成埋込領域と離間して配置され、前記電荷生成埋込領域よりも高不純物密度の第2導電型の電荷読出領域と、
前記電荷生成埋込領域から前記電荷読出領域への信号電荷の転送を制御する電荷転送手段
とを備え、前記基体部と前記電荷生成埋込領域とでフォトダイオードを構成し、前記突凸部の中央に設定されるポテンシャルの深さが周辺より浅い電位丘と、該電位丘の周りをリング状に囲む前記電位丘よりもポテンシャルが深い電位谷と、電荷蓄積時において前記電位谷を囲む前記電位谷よりポテンシャルの深さが浅い電位障壁でW型のポテンシャルプロファイルを構成し、前記電荷転送手段が前記電位障壁の一部のポテンシャルの深さを深くすることより、前記フォトダイオードが生成した信号電荷が前記電位谷を経由して前記電荷読出領域に転送されることを特徴とする光検出素子。 The first conductive type shield layer and
A second conductive type charge generation embedded region having an opening and having an upper surface surrounding the opening in contact with the shield layer .
The upper surface of the protruding portion exposed from the opening has a stepped shape in contact with the shield layer, and the charge generation embedded region is embedded so as to surround the protruding protrusion portion by the stepped shape, which is lower than the shield layer. The first conductive type substrate portion selected for the impurity density and the impurity density at which the depletion layer due to the pn junction with the charge generation embedding region is pinched off at the central portion of the protrusion .
A second conductive type charge reading region, which is arranged on the upper part of the substrate portion so as to be separated from the charge generation embedded region and has a higher impurity density than the charge generation embedded region.
A charge transfer means for controlling the transfer of a signal charge from the charge generation embedded region to the charge reading region is provided, and a photodiode is formed by the base portion and the charge generation embedded region, and the protrusion portion. A potential hill with a potential depth set in the center shallower than the periphery, a potential valley with a deeper potential than the potential hill that surrounds the potential hill in a ring shape, and the potential that surrounds the potential valley during charge accumulation. A W-shaped potential profile is formed by a potential barrier whose potential depth is shallower than the valley, and the charge transfer means deepens the potential depth of a part of the potential barrier, whereby the signal charge generated by the photodiode is generated. Is transferred to the charge reading region via the potential valley .
を更に備えることを特徴とする請求項3に記載の光検出素子。 On the plane pattern, a second conductive type potential pond generation embedding region which is provided on the charge transfer means side inside the charge generation embedding region and has a higher impurity density than the charge generation embedding region is further provided. The optical detection element according to claim 3.
開口部を有し、該開口部を囲む上面が前記シールド層に接した第2導電型の電荷生成埋込領域と、
前記開口部から露出した突凸部の上面が前記シールド層に接する段差形状を有し、該段差形状によって前記突凸部を囲むように前記電荷生成埋込領域を埋め込み、前記シールド層よりも低不純物密度で、且つ、前記電荷生成埋込領域とのpn接合による空乏層が前記突凸部の中央部でピンチオフする不純物密度に選定された第1導電型の基体部と、
前記基体部の上部に前記電荷生成埋込領域と離間して配置され、前記電荷生成埋込領域よりも高不純物密度の第2導電型の電荷読出領域と、
前記電荷生成埋込領域から前記電荷読出領域への信号電荷の転送を制御する電荷転送手段
とを備える光検出素子を画素として、前記画素を複数配列して画素アレイを構成し、前記画素のそれぞれにおいて、前記基体部と前記電荷生成埋込領域とでフォトダイオードを構成し、前記突凸部の中央に設定されるポテンシャルの深さが周辺より浅い電位丘と、該電位丘の周りをリング状に囲む前記電位丘よりもポテンシャルが深い電位谷と、電荷蓄積時において前記電位谷を囲む前記電位谷よりポテンシャルの深さが浅い電位障壁でW型のポテンシャルプロファイルを構成し、前記電荷転送手段が前記電位障壁の一部のポテンシャルの深さを深くすることより、前記フォトダイオードが生成した信号電荷が前記電位谷を経由して前記電荷読出領域に転送されることを特徴とする固体撮像装置。 The first conductive type shield layer and
A second conductive type charge generation embedded region having an opening and having an upper surface surrounding the opening in contact with the shield layer .
The upper surface of the protruding portion exposed from the opening has a stepped shape in contact with the shield layer, and the charge generation embedded region is embedded so as to surround the protruding protrusion portion by the stepped shape, which is lower than the shield layer. The first conductive type substrate portion selected for the impurity density and the impurity density at which the depletion layer due to the pn junction with the charge generation embedding region is pinched off at the central portion of the protrusion .
A second conductive type charge reading region, which is arranged on the upper part of the substrate portion so as to be separated from the charge generation embedded region and has a higher impurity density than the charge generation embedded region.
A pixel array is formed by arranging a plurality of the pixels, using an optical detection element provided with a charge transfer means for controlling the transfer of signal charges from the charge generation embedded region to the charge reading region as pixels, and each of the pixels. In the above, a photodiode is formed by the base portion and the charge generation embedded region, and a potential hill having a potential depth set in the center of the protruding portion is shallower than the periphery and a ring shape around the potential hill. A W-shaped potential profile is formed by a potential valley having a deeper potential than the potential hill surrounded by the electric charge and a potential barrier having a shallower potential than the electric potential valley surrounding the electric charge valley when the charge is accumulated. A solid-state imaging device, characterized in that a signal charge generated by the photodiode is transferred to the charge reading region via the potential valley by increasing the depth of the potential of a part of the potential barrier .
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