JPH01114073A - Solid-state image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は固体撮像素子に係り、特に暗電流の低減に好適
な構造を有する固体撮像素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a solid-state imaging device, and particularly to a solid-state imaging device having a structure suitable for reducing dark current.
固体撮像素子では、従来、4!願昭59−146822
号記載のように各光電変換素子群娶るいは光電変換素子
と電荷転送手段の素子分離領域は通常のLOCO8法に
よる厚い酸化膜で覆われている。Conventionally, in solid-state image sensors, 4! Gansho 59-146822
As described in the above issue, each photoelectric conversion element group or the element isolation region between the photoelectric conversion elements and the charge transfer means is covered with a thick oxide film by the usual LOCO8 method.
しかし、LOCO8方式では、酸化膜の横方向成長(バ
ーズビーク)や、厚い酸化膜下に設けられている高濃度
不純物層の横方向拡散によるチャネル幅の減少等により
、小形化が妨げられている。However, in the LOCO8 method, miniaturization is hindered by the lateral growth of the oxide film (bird's beak) and the reduction in channel width due to lateral diffusion of the high concentration impurity layer provided under the thick oxide film.
この理由等にニジ、素子分離領域にゲート絶縁膜(薄い
酸化膜)及びゲート電極を設け、活性′(Act iv
e’ )なMOS)ランジスタで素子分離を行うフィー
ル、ド・プV−ト(Field Plate )方式が
見直されてきた。For this reason, etc., a gate insulating film (thin oxide film) and a gate electrode are provided in the element isolation region, and active
The field plate method, which performs element isolation using MOS (e') transistors, has been reconsidered.
このフィールド・プレート方式の素子の一例、として、
テレビジョン学会技術報告、ED87−9(1987年
2月)第19〜24頁に記載のものがある。As an example of this field plate type element,
Some are described in the Technical Report of the Television Society of Japan, ED87-9 (February 1987), pages 19-24.
従来のフィールド・プレート方式による固体撮像素子は
第2図のようになっている。A conventional field plate type solid-state imaging device is shown in FIG.
第2図はテレビジョン学会技術報告、ED87−9 (
Feb、 1987 ) pp19〜24に示されてい
るフィールド・プレート方式の固体撮像素子の画素断面
を示したものである。31はホトダイオードからなる光
電変換素子部、32は読み出しゲート部、33は垂直用
の電荷転送手段(CCD)。Figure 2 is from the Television Society Technical Report, ED87-9 (
This figure shows a pixel cross section of the field plate type solid-state image sensor shown in pp. 19-24 (Feb., 1987). 31 is a photoelectric conversion element section consisting of a photodiode, 32 is a readout gate section, and 33 is a vertical charge transfer means (CCD).
34は素子分離領域である。35は素子分離用の高濃度
層p” (p−ウェルと同導電型)、36はホトダイ
オードを形成する不純物層N(N基板と同導を型)、3
7はホトダイオードを形成する不純物層36の上部に設
けられた高濃度P+層(P−ウェルと同導電型)、38
はゲート電極(読み出しゲート、垂直CCD転送ゲート
と共用)。34 is an element isolation region. 35 is a high concentration layer p" (same conductivity type as the p-well) for element isolation; 36 is an impurity layer N forming a photodiode (same conductivity type as the N substrate); 3
7 is a high concentration P+ layer (same conductivity type as the P- well) provided above the impurity layer 36 forming the photodiode; 38;
is a gate electrode (shared with readout gate and vertical CCD transfer gate).
39はゲート酸化膜である。このように素子分離領域3
4はゲート電極38で制御されている。この工うな素子
において、ゲート電極に高レベルの電圧が印加されると
高濃度層35の表面も空乏化し、暗電流による不要な雑
音電荷が発生する。これに対して高濃度P′″層35を
設けることにより、しきい値電圧を高くして素子分離領
域を空乏化しづらくして、発生する暗電流電荷を低減し
ている。39 is a gate oxide film. In this way, the element isolation region 3
4 is controlled by a gate electrode 38. In this unconventional element, when a high-level voltage is applied to the gate electrode, the surface of the heavily doped layer 35 is also depleted, and unnecessary noise charges are generated due to dark current. On the other hand, by providing the highly-concentrated P'' layer 35, the threshold voltage is increased to make it difficult to deplete the element isolation region, thereby reducing the generated dark current charges.
しかし、ゲート酸化膜が薄いため P ′″層の表面濃
度を例えば10 ” cm−”程度と高くしても、しき
い値電圧は高々2v程度(例えばゲート酸化膜厚350
人)にしかならず、動作時に空乏層が発生し、暗電流電
荷が発生する。However, since the gate oxide film is thin, even if the surface concentration of the P'' layer is high, for example, about 10"cm-", the threshold voltage is at most about 2 V (for example, if the gate oxide film thickness is 350 cm-"
During operation, a depletion layer is generated and a dark current charge is generated.
上記従来素子ではこの点について配慮されておらず、暗
電流によるランダム雑音の増加、暗電流のばらつきによ
る白点ムラ、固定パターン雑音等が生ずるという問題が
あった。The above-mentioned conventional elements do not take this point into consideration, resulting in problems such as an increase in random noise due to dark current, uneven white spots due to variations in dark current, and fixed pattern noise.
本発明の目的はこの素子分離領域での暗電流を抑圧する
ことにある。An object of the present invention is to suppress dark current in this element isolation region.
上記目的は、光電変換素子(ホトダイオード)間及び光
電変換素子と電荷転送手段(例えばCCD >の間の分
離領域上のゲート絶縁膜の一部、特に電荷転送路となる
部分以外の領域上のゲート絶縁膜を厚くすることにより
達成される。The above purpose is to protect a part of the gate insulating film on the isolation region between the photoelectric conversion elements (photodiodes) and between the photoelectric conversion element and the charge transfer means (for example, CCD), especially the gate on the area other than the part that becomes the charge transfer path. This is achieved by increasing the thickness of the insulating film.
MOSトランジスタのしきい値電圧Vテは、荒の単位面
積あたりの電荷*Cox:酸化膜の単位面εox二酸化
膜の比誘電率、e、6 :真空の誘電率。The threshold voltage Vte of a MOS transistor is the charge per rough unit area *Cox: unit area of oxide film εox relative dielectric constant of dioxide film, e, 6: dielectric constant of vacuum.
Tox:ゲート酸化膜厚)であることより、VTOC化
膜厚Tow倍程度とすると、しきい値電圧V〒も6倍程
度と高くなり、ゲート電極に高電圧が印加される動作時
においても分離領域をアキュムレー’/ ヨ7 (Ac
cumulation )状態とすることができ。(Tox: gate oxide film thickness), if the VTOC film thickness To is made about twice as high, the threshold voltage V becomes about 6 times as high, and even during operation when a high voltage is applied to the gate electrode, separation is possible. Accumulate the area / Yo7 (Ac
(cumulation) state.
暗電流を低減することができる。Dark current can be reduced.
以下1本発明の一実施例を第1図により説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
第1図(a)は固体撮像素子の受光部の平面図であり、
1は光電変換素子、2は2相駆動による垂直CODシフ
トレジスタ、3..4d垂直CCDシフトレジスタのg
l!1.第2の転送電極であり、ここで3は光電変換素
子1に蓄積された光信号電荷を垂直CODシフトレジス
タに送り込む信号読み出し電極金兼ねている。5は信号
読み出し電極のチャネル領域(チャネルは電荷の通路を
意味する)を示している。FIG. 1(a) is a plan view of the light receiving section of the solid-state image sensor,
1 is a photoelectric conversion element, 2 is a vertical COD shift register with two-phase drive, and 3. .. g of 4d vertical CCD shift register
l! 1. The second transfer electrode 3 also serves as a signal readout electrode for sending the optical signal charges accumulated in the photoelectric conversion element 1 to the vertical COD shift register. Reference numeral 5 indicates a channel region (channel means a path of charge) of the signal readout electrode.
8g1図(b)は、第1図(a)のA−A’断面図の一
例であり、7は光電変換素子部、8は信号読み出しゲー
ト部、9は垂直CCDシフトレジスタ部。8g1 (b) is an example of a sectional view taken along the line AA' in FIG. 1 (a), where 7 is a photoelectric conversion element section, 8 is a signal readout gate section, and 9 is a vertical CCD shift register section.
10は素子分離領域、である。1・1は、シリコン基板
(例えばP型)、12は光電変換素子を形成する拡散層
(例えばN型)、13は垂直CCDシフトレジスタの埋
め込みチャネルを形成する拡散層(例えばN型)、14
はチャネルストップ用高濃度拡散層(例えびP型)、1
5はゲート電極(垂直COD転送電極と信号読み出し電
極を共用)でろる。16.17は本発明のそれぞれの膜
厚を変えたゲート酸化膜である。又、18は遮光用金属
膜を示している。ここで、信号の読み出しや垂直COD
の電荷の保持及び転送の為にゲート電極15に高い電圧
が印加されても、素子分離領域10におけるゲート電極
15の下のゲート酸化膜17(例えば膜厚200OA
)が、信号読み出しゲート部8の下のゲート酸化膜16
(例えば膜厚350人)より厚い事により、しきい値電
圧が上がり、チャネルストップ用高濃度拡散層14(例
えば表面濃度10” cm−” )の表面が空乏化する
事を抑圧できる。これにより素子分離□領域での暗電流
の発生を抑えることができる。10 is an element isolation region. 1.1 is a silicon substrate (for example, P type); 12 is a diffusion layer (for example, N type) forming a photoelectric conversion element; 13 is a diffusion layer (for example, N type) forming a buried channel of the vertical CCD shift register;
is a high concentration diffusion layer for channel stop (e.g. shrimp P type), 1
5 is a gate electrode (shared as a vertical COD transfer electrode and a signal readout electrode). Reference numerals 16 and 17 are gate oxide films having different thicknesses according to the present invention. Further, 18 indicates a light-shielding metal film. Here, signal readout and vertical COD
Even if a high voltage is applied to the gate electrode 15 to retain and transfer charges, the gate oxide film 17 (for example, 200 OA thick) under the gate electrode 15 in the element isolation region 10
) is the gate oxide film 16 under the signal readout gate section 8.
(for example, a film thickness of 350 mm), the threshold voltage increases and depletion of the surface of the channel stop high concentration diffusion layer 14 (for example, a surface concentration of 10"cm-") can be suppressed. This makes it possible to suppress the generation of dark current in the element isolation □ region.
第3図は他の実施例であり、第1図(b)に対応させた
ものである。ここで15′はゲート電極(垂直CCD転
送電極と信号読み出し電極を共用)。FIG. 3 shows another embodiment, which corresponds to FIG. 1(b). Here, 15' is a gate electrode (shared with vertical CCD transfer electrode and signal readout electrode).
16’ 、 17’はそれぞれゲート酸化膜であり。16' and 17' are gate oxide films, respectively.
素子分離領域10におけるゲート電極下15′の下のゲ
ート酸化膜の一部を厚いゲート酸化膜17′で形成した
ものである。これにより、やはシ、ゲート酸化膜17′
下のチャネルストップ用高濃度層14の表面が空乏化す
るのを抑圧することができ、又、素子分離領域10の薄
いゲート酸化膜16′の部分のゲート電極下が空乏化し
、暗電流が発生しても、厚いゲート酸化膜17′下にボ
テ。A part of the gate oxide film under the gate electrode 15' in the element isolation region 10 is formed with a thick gate oxide film 17'. As a result, the gate oxide film 17'
It is possible to suppress depletion of the surface of the lower heavily doped channel stop layer 14, and also depletion under the gate electrode of the thin gate oxide film 16' of the element isolation region 10, generating dark current. Even if the gate oxide film 17' is thick, there will be some damage.
ンシャルバリアができるため、光゛電変換素子部7に暗
電流電荷が混入するのを防ぐ事ができる。Since a mechanical barrier is formed, it is possible to prevent dark current charges from entering the photoelectric conversion element section 7.
第4図は他の実施例であり、やはシ第1図(b)に対応
させたものである。光電変換素子を形成する拡散14i
12’ (例えばN型)のシリコン表面に高濃度拡散
層20(例えばP型)を設けても第1図と同様に分離領
域からの暗電流を低減できることは明らかである。ここ
で、高濃度拡散層20の横方向拡散により、さらに分離
領域のしきい値電圧を上げ、本発明の効果をより一層高
めることができる。又、この高濃度拡散層20の横方向
拡散に工りチャネルストップ用高濃度層14の表面濃度
がより高くなり、ゲート電極15に高電圧が印加される
事によるゲート下の電界が強くなる。この高電界に工り
新たに発生する暗電流も、厚いゲート酸化膜17の効果
により、電界が緩和され、低減することができる。
゛
第5図はさらに他の実施例である。第5図(a)は第1
図(a)のゲート電極3,4をそれぞれ信号読み出し電
極22(例えば第1層目のポリシリコン)と垂直CCD
転送電極3/、4/(例えば第2層目、3層目のポリシ
リコン)に独立にしたものである。FIG. 4 shows another embodiment, which corresponds to FIG. 1(b). Diffusion 14i forming a photoelectric conversion element
It is clear that even if a heavily doped diffusion layer 20 (for example, P type) is provided on the silicon surface of 12' (for example, N type), the dark current from the isolation region can be reduced in the same way as in FIG. Here, by the lateral diffusion of the high concentration diffusion layer 20, the threshold voltage of the isolation region can be further increased, and the effects of the present invention can be further enhanced. Further, due to the lateral diffusion of the high concentration diffusion layer 20, the surface concentration of the channel stop high concentration layer 14 becomes higher, and the electric field under the gate becomes stronger when a high voltage is applied to the gate electrode 15. Dark current newly generated due to this high electric field can also be reduced by the effect of the thick gate oxide film 17, as the electric field is relaxed.
゛FIG. 5 shows yet another embodiment. Figure 5(a) is the first
The gate electrodes 3 and 4 in FIG.
Transfer electrodes 3/ and 4/ (for example, second and third layers of polysilicon) are made independent.
第5図(b)は、第5図(a)におけるB−B’断面図
の一例であり、光電変換素子部7と垂直CCDシフトレ
ジスタ部9の間の分離領域8’、10におけるゲート電
極23.22’下のゲート酸化膜25.26をその他の
領域のゲート酸化膜24工りも厚くしたものである。こ
こでゲート酸化膜25.26がほぼ同じ厚膜であっても
異なる厚膜であってもかまわない。これにより1分離領
域8′のゲート電極26の下もアキュムレーション(A
ccumulation )状態にできる。 ”−!た
。85図(C)は、第5図(a)のc−c’断面図の一
例である。41は信号読み出し用ゲート電極であり、2
3′は垂直COD転送電極である。又。FIG. 5(b) is an example of a cross-sectional view taken along line BB' in FIG. The gate oxide films 25 and 26 under the gate oxide films 23 and 22' are made thicker as are the gate oxide films 24 in other regions. Here, the gate oxide films 25 and 26 may have substantially the same thickness or different thicknesses. As a result, accumulation (A
(ccumulation) state. "-! Figure 85 (C) is an example of a cross-sectional view taken along the line c-c' in Figure 5 (a). 41 is a gate electrode for signal readout; 2
3' is a vertical COD transfer electrode. or.
24’、25’、26’は本発明の膜厚の異なるゲート
酸化膜である。ここでゲート酸化膜24′より厚いゲー
ト酸化膜25’、26’はほぼ同じ膜厚であっても異な
る膜厚であってもやはりかまわない。信号読み出し成極
41の下のゲート酸化膜を厚いゲート酸化膜26′ (
例えば膜厚500人)と薄いゲート酸化膜24′ (例
えば膜厚350人)にすることにより、信号読み出し時
の基板内部のポテンシャルをコントロールすることがで
きる。24', 25', and 26' are gate oxide films having different thicknesses according to the present invention. Here, the gate oxide films 25' and 26', which are thicker than the gate oxide film 24', may have substantially the same thickness or different thicknesses. The gate oxide film under the signal readout polarization 41 is replaced with a thick gate oxide film 26' (
By making the gate oxide film 24' thinner (for example, 500 mm thick) and thinner (for example, 350 mm thick), the potential inside the substrate during signal readout can be controlled.
第6図はさらに他の実施例であり、第5図(a)の平面
図の光電変換素子1と垂直CCDシフトレジスタ2との
分離領域に配線27(例えば第1層目のポリシリコン)
を設け、配線27の一部をブル−ミンク(プルーミング
とは過剰電荷が隣接する垂直CODにあふれ出しモニタ
上で縦方向に白い@を発生する現象)を抑圧するための
オーバー70−M2S)ランジスタを付加したものであ
る。FIG. 6 shows still another embodiment, in which a wiring 27 (for example, a first layer of polysilicon) is provided in the separation region between the photoelectric conversion element 1 and the vertical CCD shift register 2 in the plan view of FIG. 5(a).
, and a part of the wiring 27 is connected to an over 70-M2S transistor for suppressing blooming (pluming is a phenomenon in which excess charge overflows to the adjacent vertical COD and generates a vertical white @ on the monitor). is added.
ここで28はオーバーフローMOSトランジスタのチャ
ネル、2911スルーホール、30u、スルーホール2
9によって配線27と接続されるオーバーフロードレイ
ンである。このオーバーフローMOSトランジスタを付
加した事によっても本発明の効果は何ら変わることはな
く1例えばチャネル5,28のゲート酸化膜を薄くシ、
その他の分離領域のゲート酸化膜を厚くすることにより
1分離領域から発生する暗電流を抑圧できる。又、オー
バーフローMO8)う/ジスタはドレインを上下2個の
光電変換素子で、共用するものでも、他の形状のもので
もよい。Here, 28 is the channel of the overflow MOS transistor, 2911 through hole, 30u, through hole 2
9 is an overflow drain connected to the wiring 27. Even with the addition of this overflow MOS transistor, the effects of the present invention do not change at all.1 For example, by thinning the gate oxide films of channels 5 and 28,
Dark current generated from one isolation region can be suppressed by thickening the gate oxide film in the other isolation regions. Further, the overflow MO8) transistor may have a drain shared by two photoelectric conversion elements (upper and lower), or may have a different shape.
以上の実施例において、それらの組み合わせを変えたも
のも有効であり1例えば、第4図で設けた高濃度拡散層
20を第3図、第5図、第6図の実施例に適用しても本
発明は同様に実施できる。In the above embodiments, it is also effective to change the combination of these. For example, the high concentration diffusion layer 20 provided in FIG. 4 is applied to the embodiments in FIGS. 3, 5, and 6. The present invention can also be carried out in the same manner.
また、垂直CCDは2相駆動のもので説明したが。Also, the vertical CCD was explained as being driven by two phases.
本発明は垂直CODの駆動によらず適用できることは明
らかである。さらに垂直CODの埋め込みチャネルをウ
ェル内に形成した構造としても、ホトダイオードtMO
sダイオード構造としても。It is clear that the present invention is applicable regardless of vertical COD driving. Furthermore, a structure in which a vertical COD buried channel is formed in the well can also be used as a photodiode tMO.
Also as an s diode structure.
本発明は適用できる。さらにN型基板上にP型ウェルを
形成した固体撮像素子においても1分離領域の暗電流を
低減するという本発明の効果は何ら変りはない。The present invention is applicable. Further, even in a solid-state imaging device in which a P-type well is formed on an N-type substrate, the effect of the present invention of reducing the dark current in one isolated region remains the same.
本発明によれば、光電変換素子間、及び光電変換素子と
電荷転送手段との間の分離をゲート絶縁膜を介したゲー
ト電極で行う、フィールド・プレート方式の固体撮像素
子において、ゲート電極下を常にアキエムレーション状
態とでき1分離領域での暗電流の発生を抑圧できる効果
がある。According to the present invention, in a field plate type solid-state imaging device in which separation between photoelectric conversion elements and between a photoelectric conversion element and a charge transfer means is performed by a gate electrode via a gate insulating film, a portion under the gate electrode is provided. This has the effect of suppressing the generation of dark current in the one-separation region because it is always in the achievable state.
第1図(a)は本発明の一実施例の平面図、“同図(b
)は同図(a)のA−A’線断面図、第2図は従来例の
断面図、第3図、第4図は、第1図(a) A −A
’線断面図の他の実施例、第5図(a)は本発明の他の
実施例の平面図、同図(b)、 (C)はそれぞれ同図
(a)のB−B //線断面図、C−C“線断面図、第
6図は本発明のさらに他の実施例の平面図である。
10.8’・・・素子分離領域、16.1?、16’。
17’、24,25,26.24’、25’。
搗 l 凹
(αン
<b>
塙2圀
第 3 口
第4 区
l
第 タ Σ
(八)
湘 5 図
(bン
(C)
第 6 図
21 2’/FIG. 1(a) is a plan view of one embodiment of the present invention, and FIG.
) is a cross-sectional view taken along the line A-A' in FIG. 1(a), FIG. 2 is a cross-sectional view of the conventional example, and FIGS.
5(a) is a plan view of another embodiment of the present invention, and FIG. 5(b) and (C) are respectively BB in FIG. 5(a). A sectional view taken along the line C-C" and a plan view of still another embodiment of the present invention are shown in FIG. ', 24, 25, 26.24', 25'. Figure 21 2'/
Claims (1)
電変換素子群に蓄積した信号電荷を転送する電荷転送手
段を集積化し、上記光電変換素子間及び上記光電変換素
子と上記電荷転送手段との間の分離領域の半導体基板上
にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた固体撮像素
子において、上記ゲート絶縁膜の膜厚が領域により異な
る事を特徴とする固体撮像素子。 2、特許請求の範囲第1項において、前記分離領域のゲ
ート電極下のゲート絶縁膜の膜厚を電荷転送路以外は厚
くした事を特徴とする固体撮像素子。 3、特許請求の範囲第1項において、さらに前記光電変
換素子と前記電荷転送手段との間の前記分離領域に過剰
信号電荷を外部へ掃き出すオーバーフローMOSトラン
ジスタを設け、少なくとも上記オーバーフローMOSト
ランジスタのゲート電極を前記ゲート電極の一部で兼用
したことを特徴とする固体撮像素子。 4、特許請求の範囲第3項において、前記分離領域のゲ
ート電極下のゲート絶縁膜の膜厚を電荷転送路以外は厚
くした事を特徴とする固体撮像素子。[Scope of Claims] 1. A plurality of photoelectric conversion elements and a charge transfer means for transferring signal charges accumulated in the group of photoelectric conversion elements are integrated on the same semiconductor substrate, and a plurality of photoelectric conversion elements are integrated between the photoelectric conversion elements and between the photoelectric conversion elements. A solid-state imaging device in which a gate electrode is provided on a semiconductor substrate in a separation region between the charge transfer means and the charge transfer means via a gate insulating film, wherein the thickness of the gate insulating film differs depending on the region. element. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the thickness of the gate insulating film under the gate electrode in the isolation region is increased except for the charge transfer path. 3. In claim 1, furthermore, an overflow MOS transistor is provided in the isolation region between the photoelectric conversion element and the charge transfer means for sweeping out excess signal charge to the outside, and at least the gate electrode of the overflow MOS transistor is provided. A solid-state imaging device characterized in that a part of the gate electrode also serves as a part of the gate electrode. 4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the thickness of the gate insulating film under the gate electrode in the isolation region is increased except for the charge transfer path.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62270221A JPH01114073A (en) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | Solid-state image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62270221A JPH01114073A (en) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | Solid-state image sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01114073A true JPH01114073A (en) | 1989-05-02 |
Family
ID=17483231
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62270221A Pending JPH01114073A (en) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | Solid-state image sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01114073A (en) |
-
1987
- 1987-10-28 JP JP62270221A patent/JPH01114073A/en active Pending
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