JPH11289076A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPH11289076A
JPH11289076A JP10090175A JP9017598A JPH11289076A JP H11289076 A JPH11289076 A JP H11289076A JP 10090175 A JP10090175 A JP 10090175A JP 9017598 A JP9017598 A JP 9017598A JP H11289076 A JPH11289076 A JP H11289076A
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conductive
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semiconductor region
solid
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JP10090175A
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Koichi Harada
耕一 原田
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 オーバーフローバリアが深く形成され、かつ
オーバーフローバリアに溜まったホールが排出されやす
いようにすることにより、感度の向上を図ると共に良好
な画像が得られる固体撮像素子を提供する。 【解決手段】 第1導電型半導体基板2と、これの上に
形成された第1の第2導電型半導体領域4と、さらにこ
れの上に形成された第1の第2導電型半導体領域より低
濃度で赤外線が十分吸収されうる厚さの第1導電型、第
2導電型又は真性の半導体領域5を有し、この第1導電
型、第2導電型又は真性の半導体領域5の表面に画素を
構成する受光部11が形成されて成る縦型オーバーフロ
ードレイン方式の固体撮像素子1であって、縦方向に隣
接する画素間に対応して第1導電型、第2導電型又は真
性の半導体領域5内に第2の第2導電型領域21が形成
された固体撮像素子1を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばCCDセン
サーに適用する固体撮像素子に係わる。
【0002】
【従来の技術】固体撮像素子として、受光部での余剰の
電荷を基板側に排出するようにした、いわゆる縦型オー
バーフロードレイン方式の固体撮像素子が知られてい
る。
【0003】この縦型オーバーフロードレイン方式固体
撮像素子において、例えば基板としてn型半導体基板を
用いて作製したCCD(charge coupled device)型固体
撮像素子では、いわゆるオーバーフローバリアをなるべ
く基板のシリコン中に深く形成することにより空乏層幅
を伸ばし、これにより感度を向上させることが知られて
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、オーバ
ーフローバリアを深く形成すると、基板表面からオーバ
ーフローまでの深さが深くなるほどポテンシャルが均一
化してゆくため、特に縦方向に隣接する画素間にバリア
が形成されなくなり、隣接する画素の信号の混合(いわ
ゆる混色等)の原因となっていた。
【0005】さらに、オーバーフローバリアを構成する
例えばp型の不純物層がシリコン表面から深い位置に形
成されるため、表面のチャネルストップ層との電気的接
触が取れず、フローティング状態になってしまうため、
オーバーフローバリア領域に溜まったホールが排出され
ず、飽和電荷量の減少が生じたり、ホールが排出されや
すい周辺部の画素と周辺部以外の画素との間に差が生じ
て、いわゆるシェーディングが起きたりする等の問題が
発生していた。
【0006】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、オーバーフローバリアが深く形成され、かつオ
ーバーフローバリアに溜まったホールが排出されやすい
ようにすることにより、感度の向上を図ると共に良好な
画像が得られる固体撮像素子を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、第1導電型半導体基板と、これの上に形成された第
1の第2導電型半導体領域と、さらにこれの上に形成さ
れた第1の第2導電型半導体領域より低濃度で赤外線が
十分吸収されうる厚さの第1導電型、第2導電型又は真
性の半導体領域を有し、この第1導電型、第2導電型又
は真性の半導体領域の表面に画素を構成する受光部が形
成されて成る縦型オーバーフロードレイン方式の固体撮
像素子であって、縦方向に隣接する画素間に対応して第
1導電型、第2導電型又は真性の半導体領域内に第2の
第2導電型領域が形成されて成るものである。
【0008】上述の本発明の構成によれば、第2導電型
半導体領域上に第2導電型半導体領域より低濃度で赤外
線が十分吸収されうる厚さの半導体領域を形成すること
により、第2導電型半導体領域がいわゆるオーバーフロ
ーバリア領域となり、オーバーフローバリアを赤外線が
十分吸収されうる深さまで形成することができる。よっ
て、高感度化が図られる。さらに、縦方向に隣接する画
素間に対応して第1導電型、第2導電型又は真性の半導
体領域内に第2の第2導電型領域を形成することによ
り、第2導電型半導体領域から表面までの間の上記第1
導電型、第2導電型又は真性の半導体領域によるホール
に対するポテンシャル障壁を緩和して、第2導電型半導
体領域に蓄積されたホール(正孔)を基板表面に排出す
ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、第1導電型半導体基板
と、この第1導電型半導体基板上に形成された第1の第
2導電型半導体領域と、この第1の第2導電型半導体領
域上に形成された第1の第2導電型半導体領域より低濃
度で赤外線が十分吸収されうる厚さの第1導電型、第2
導電型又は真性の半導体領域を有し、この第1導電型、
第2導電型又は真性の半導体領域の表面に画素を構成す
る受光部が形成されて成る縦型オーバーフロードレイン
方式の固体撮像素子であって、縦方向に隣接する画素間
に対応して第1導電型、第2導電型又は真性の半導体領
域内に第2の第2導電型領域が形成されて成る固体撮像
素子である。
【0010】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、縦方向に隣接する画素間の表面に第3の第2導電型
領域が形成されて成る構成とする。
【0011】図1〜図3に、本発明に係る固体撮像素子
の実施の形態として、縦型オーバーフロードレイン方式
のCCD型固体撮像素子の概略構成を示す。図1は平面
図、図2は画素を構成する受光部間付近の垂直方向(転
送方向)の断面図(図1のA−Aにおける断面図)、図
3は受光部付近の水平方向の断面図(図1のB−Bにお
ける断面図)を示す。
【0012】この固体撮像素子1は、第1導電型例えば
n型のシリコンからなる半導体基板2上に、第1導電型
の低不純物濃度の即ちn- のエピタキシャル層3が形成
され、このエピタキシャル層3内にイオン注入による第
2導電型の半導体領域、本例では第1のp型の半導体ウ
エル領域4が形成され、この第1のp型の半導体ウエル
領域4上にエピタキシャル成長により、第1のp型半導
体ウエル領域4より低不純物濃度である高抵抗の半導体
領域5が形成される。この高抵抗の半導体領域5の表面
に受光部11を構成するための、n+ の不純物拡散領域
6及びこの上のp+ の正電荷蓄積領域7が形成される。
また、受光部11から離れた位置の高抵抗の半導体領域
5に第2のp型半導体ウェル領域8及びn型の転送チャ
ネル領域9が形成され、さらにp型のチャネルストップ
領域14が形成される。
【0013】ここで、第1のp型の半導体ウエル領域4
は、いわゆるオーバーフローバリア領域となる。受光部
11は画素となるもので、図1に示すように複数の受光
部11がマトリックス状に配列されている。
【0014】また、受光部11と後述する垂直転送レジ
スタ12の間に読み出しゲート部13が形成される。こ
の読み出しゲート部13に対応する基板表面にはp型の
半導体領域10が形成されている。
【0015】転送チャネル領域9、チャネルストップ領
域14及び読み出しゲート部13上にゲート絶縁膜15
を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極16
が形成され、転送チャネル領域9、ゲート絶縁膜15及
び転送電極16によりCCD構造の垂直転送レジスタ1
2が構成される。
【0016】さらに、転送電極16上を被覆する層間絶
縁膜18を介して受光部11の開口を除く他所全面に遮
光膜17が形成される。
【0017】第1導電型の低不純物濃度のエピタキシャ
ル層3は、いわゆるシャッタ電圧を調整するために設け
るもので、このエピタキシャル層3を形成することによ
り、基板電圧Vsubによるシャッタ電圧の調節が容易
になる。
【0018】第2導電型の第1の半導体ウエル領域4
は、第1導電型の低不純物濃度のエピタキシャル層3へ
のイオン注入により形成され、好ましくは不純物の濃度
が1014〜1016cm-3の範囲内とされる。
【0019】高抵抗の半導体領域5の厚さは2μm以
上、好ましくは5μm以上とし、不純物の濃度は第1の
p型半導体ウエル領域4より低濃度で、導電型は第1の
p型半導体ウエル領域4と同一のp型でもよく、反対の
n型でもよく、またノンドープ(真性半導体)であって
もよい。
【0020】このようにして、受光部11と、オーバー
フローバリアとなる第1のp型の半導体ウエル領域4
と、オーバーフロードレインとなる基板2が垂直方向に
形成されてなる、いわゆる縦型オーバーフロードレイン
方式のCCD型の固体撮像素子1が構成される。
【0021】そして、本実施の形態においては、特に図
1及び図2に示すように、画素間の転送電極16A,1
6B下の半導体基板2内の高抵抗の半導体領域5内に、
第2の第2導電型半導体領域即ち内部p型半導体領域2
1を形成する。
【0022】この内部p型半導体領域21の不純物濃度
は、好ましくは、第1のp型半導体ウエル領域4の不純
物濃度より濃く、表面のチャネルストップ領域14の不
純物濃度より薄くする。
【0023】この固体撮像素子1の画素間の位置におけ
る断面不純物プロファイルと、これに対応したポテンシ
ャルの変化を図4に示す。p型のチャネルストップ領域
14の先端では0Vであり、高抵抗の半導体領域5内に
内部p型半導体領域21が形成されているため、高抵抗
の半導体領域5の部分のポテンシャルが小さくなり、そ
の結果、p型のチャネルストップ領域14から内部p型
半導体領域21、第1のp型半導体ウエル領域4、と深
くなる程ポテンシャルが徐々に上昇するように平均化さ
れる。そして、n- のエピタキシャル層3内でポテンシ
ャルが飽和し、基板電圧Vsub となる。
【0024】これにより、途中にホール(正孔)に対す
る障壁がなくなるため、ホール(正孔)が第1のp型半
導体ウエル領域4に蓄積されることなく、容易に表面の
p型のチャネルストップ領域14に排出される。即ち、
これによりポテンシャルが飽和する位置まで空乏化され
る。
【0025】これに対して、p型の半導体領域21を形
成しない場合は、図14に示すように、p型のチャネル
ストップ領域14の先端では0Vで、そのp型のチャネ
ルストップ領域14の途中からポテンシャルが上昇し、
いったんピークになった後、ポテンシャルが下がり、第
1のp型半導体ウェル領域4でポテンシャルが極小とな
る。即ち、この第1のp型半導体ウエル領域4でオーバ
ーフローバリアが形成される。そして、さらに深くなる
程ポテンシャルが上昇し、n- のエピタキシャル層3内
でポテンシャルが飽和し、基板電圧Vsub となる。
【0026】この場合には、高抵抗の半導体領域5の部
分が、第1のp型半導体ウエル領域4よりもポテンシャ
ルが深いため、ホール(正孔)を排出しようとするとき
に、この高抵抗の半導体領域5の部分が障壁になり、充
分な排出が行われない。即ち、第1のp型半導体ウエル
領域にホール(正孔)が蓄積され、前述の飽和電荷量の
減少やシェーディング等の問題を生じることとなる。
【0027】ここで、内部p型半導体領域21を形成し
ない場合のポテンシャル等高線を図15に示す。この図
15に示す場合は、ホールh+ はオーバーフローバリア
4の位置に蓄積され、基板表面に排出されない。また、
電子e- は各画素の受光部11に相当する等高線の中央
の頂点部に集まるが、受光部11と基板2との間のオー
バーフローバリア4によるバリアと比較して、隣接する
画素の頂点部の間では等高線間隔が比較的緩くバリアが
小さいため、電子e- が容易に隣接する画素に入ってし
まう。
【0028】これに対して、図5に本実施の形態の固体
撮像素子1の図2に対応する断面におけるポテンシャル
等高線を示す。本実施の形態の固体撮像素子1は、内部
p型半導体領域21を、縦方向に隣接する画素間に対応
して形成しているため、前述のようにホールh+ が基板
表面に排出される。また、画素と半導体基板2との間の
オーバーフローバリアとなる第1のp型半導体ウエル領
域4によるバリアよりも、電子e- に対するバリアを画
素間により大きく形成することができるため、隣接画素
間での信号の混合が発生しない。
【0029】上述のように、本実施の形態の固体撮像素
子1によれば、赤外線が十分吸収されうる深さにオーバ
ーフローバリアとなる第1のp型半導体ウエル領域4が
形成されていることから、赤外線の検出を行うことが容
易にできる。
【0030】さらに、本実施の形態の固体撮像素子1に
よれば、縦方向に隣接する画素間において、高抵抗の半
導体領域5内に内部p型半導体領域21が形成されてい
るので、オーバーフローバリアとなる第1のp型半導体
ウエル領域4が、シリコン表面から深く形成された場合
でも、この第1のp型半導体ウエル領域4に蓄積された
ホールが、内部p型半導体領域21を通じて表面のチャ
ネルストップ領域14に排出されるため、オーバーフロ
ーバリア領域4が完全に空乏化する。
【0031】これにより、周辺部の画素と周辺部以外の
画素との間に差を生じないで各画素の特性の均一化が図
られ、前述の飽和電荷量の減少やシェーディング等の問
題を生じない。従って、良好な画像を得ることができ
る。
【0032】また、画素と半導体基板2との間のバリア
よりも、画素間のバリアをより大きく形成することがで
きるため、隣接画素間での信号の混合が発生しない。
【0033】この固体撮像素子1は、例えば次のように
製造することができる。図6Aに示すように、第1導電
型例えばn型の半導体基板2を用意する。次に、図6B
に示すように、第1導電型の半導体基板2上に、エピタ
キシャル成長により第1導電型で低不純物濃度のn-
エピタキシャル層3を、例えば10μmの厚さに形成す
る。
【0034】次に、図7Cに示すように、エピタキシャ
ル層3の一部に、低エネルギーの不純物のイオン注入に
より、第2導電型すなわちp型の第1の半導体ウエル領
域4を形成する。この第1のp型の半導体ウエル層4
は、いわゆる撮像領域の全域にわたって形成する。
【0035】次に、図7Dに示すように、エピタキシャ
ル層3と第1のp型半導体ウエル領域4上に、これらを
覆って高抵抗の半導体領域5をエピタキシャル成長によ
り、例えば10μmの厚さに形成する。
【0036】尚、図7Cに示した、第2導電型すなわち
p型の第1の半導体ウエル領域4を形成する際には、上
述のようにエピタキシャル層3の一部に低エネルギーの
不純物のイオン注入をする方法によって形成する他に
も、例えば固相拡散や、エピタキシャル成長等の方法に
よって形成してもよい。
【0037】固相拡散による場合は、図8Cに示すよう
に、n- のエピタキシャル層3上に、p型不純物を含有
したBSG(硼珪酸ガラス)等の固相拡散源31を堆積
させ、この固相拡散源31を形成すべきp型の第1の半
導体ウエル領域4に対応したパターンにする。そして、
アニールを行って、固相拡散源31からp型不純物をエ
ピタキシャル層3内に固相拡散させて、p型の第1の半
導体ウエル領域4を形成することができる。その後は、
図8Dに示すように、高抵抗の半導体領域をエピタキシ
ャル成長により形成する。
【0038】また、エピタキシャル成長による場合は、
図9Aに示すように、n- のエピタキシャル層3上にp
型のシリコン層をエピタキシャル成長させて、p型半導
体エピタキシャル層32を形成し、これによりp型の第
1の半導体ウエル領域4を形成することができる。この
場合は、全面にp型半導体エピタキシャル層32を成長
させているが、p型の第1の半導体ウエル領域4を一部
例えば周囲の部分を除いて形成したい場合には、図9B
に示すように、全面に形成したp型半導体エピタキシャ
ル層32の一部に反対導電型即ちn型の不純物を導入し
て、n型半導体領域33を形成すればよい。
【0039】いずれの場合も、その後、図10Eに示す
ように(但し、図10E以後は図2に対応する断面を示
す)、高抵抗の半導体領域5の表面付近に全面的にイオ
ン注入を行って、p型のチャネルストップ領域14を形
成する。
【0040】次に、図10Fに示すように、縦方向に隣
接する画素間に相当する位置の高抵抗の半導体領域5内
に、高エネルギーでp型不純物のイオン注入を行い、所
定のパターンの内部p型半導体領域21を形成する。
尚、図10Fではイオン注入のマスクは図示していな
い。
【0041】そして、図10Gに示すように、表面を覆
って全面的にゲート絶縁膜15を形成し、これの上に選
択的にポリシリコン層による転送電極16(16A,1
6B)を図1に示したような所定のパターンに形成し、
この転送電極16(16A,16B)をマスクとして、
受光部を構成するn+ の不純物拡散領域6及びp+ の正
電荷蓄積領域7をイオン注入により形成する。
【0042】また、図示しないが、図3に示した第2の
p型半導体ウェル領域8、n型の転送チャネル領域9
を、同様にそれぞれイオン注入等により形成する。
【0043】この後は、転送電極16を層間絶縁膜18
で覆い、これの上に例えばAl等遮光金属からなる遮光
膜17を形成する。遮光膜17には、受光部11に対応
する部分に開口を形成する。このようにして、図1〜図
3に示す固体撮像素子1を形成することができる。
【0044】尚、上述の実施の形態では、半導体基板1
上にn- のエピタキシャル層2を形成したが、エピタキ
シャル層2を形成せず、n型の半導体基板1に、直接イ
オン注入により反対導電型の第1のp型の半導体ウエル
領域4を形成する構成としてもよく、同様に第1のp型
の半導体ウエル領域4を覆って高抵抗の半導体領域5を
形成し、深く空乏化することができる。
【0045】上述の実施の形態では、縦方向に隣接する
画素間の高抵抗の半導体領域5内に第2の第2導電型領
域である内部p型半導体領域21を形成したが、さらに
縦方向に隣接する画素間の表面に第3の第2導電型領域
を形成することもできる。その場合を次に示す。
【0046】図11及び図12は、本発明に係る固体撮
像素子の他の実施の形態として、縦型オーバーフロード
レイン方式のCCD型固体撮像素子の概略構成を示す。
図11は平面図、図12は画素を構成する受光部間付近
の垂直方向(転送方向)の断面図(図11のC−Cにお
ける断面図)を示す。
【0047】この固体撮像素子41は、前述の実施の形
態の固体撮像素子1において、内部に第2の第2導電型
の半導体領域即ち内部p型半導体領域21が形成された
画素間の転送電極16A,16B下の半導体基板2内の
高抵抗の半導体領域5に対して、さらに基板表面の内部
p型半導体領域21と同じ平面位置に、第3の第2導電
型の半導体領域として表面p型半導体領域22を形成す
る。
【0048】この表面p型半導体領域22は、内部p型
半導体領域21より不純物濃度が高く、また深さが図2
及び図3に示したp型チャネルストップ領域14よりも
深くなるように形成する。
【0049】その他の構成は先の実施の形態の固体撮像
素子1と同様であるので、同一符号を付して重複説明を
省略する。
【0050】この実施の形態の固体撮像素子41の断面
不純物ポテンシャル図を図13に示す。図13より、表
面p型半導体領域22が形成されていることにより、先
に図4に示した前述の実施の形態の固体撮像素子1の場
合より、さらに0Vに近い領域が広がって、よりホール
(正孔)が排出されやすくなっている。
【0051】従って、前述の実施の形態の固体撮像素子
1と同様に、第1のp型半導体ウエル領域4に蓄積され
たホールを排出し、空乏化させることができる効果を有
し、この場合より容易に完全空乏化がなされる。
【0052】本発明の固体撮像素子は、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。
【0053】
【発明の効果】上述の本発明による固体撮像素子によれ
ば、縦方向に隣接する画素間に対応して上記第1導電
型、第2導電型又は真性の半導体領域内に第2の第2導
電型半導体領域を形成することにより、感度を向上させ
るためにオーバーフローバリア領域が基板表面から深く
形成された場合でも、オーバーフローバリア領域に蓄積
されたホールが、第2の第2導電型半導体領域が形成さ
れた画素間を通って基板表面のチャネルストップ領域へ
排出されるため、オーバーフローバリア領域が完全に空
乏化する。これにより、飽和電荷量の減少やシェーディ
ング等の問題が起こらず、各画素の特性が均一化され
る。従って本発明により、感度を向上させると共に良好
な画像を得ることができる。
【0054】さらに、本発明により、縦方向に隣接する
画素間のバリアを、画素と基板間のバリアより大きくす
ることができるため、隣接する画素間の信号の混合が生
じない。
【0055】また、縦方向に隣接する画素間の基板表面
に第3の第2導電型半導体領域を形成したときには、よ
り効果的にホールの基板表面への排出を行うことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像素子の一実施の形態の概略構
成図(平面図)である。
【図2】図1のA−Aにおける断面図である。
【図3】図1のB−Bにおける断面図である。
【図4】図1の固体撮像素子の縦方向に隣接する画素間
における断面不純物プロファイル及びポテンシャル図で
ある。
【図5】図1の固体撮像素子のA−Aにおけるポテンシ
ャル等高線を示す図である。
【図6】A、B 図1の固体撮像素子の製造工程の工程
図である。
【図7】C、D 図1の固体撮像素子の製造工程におい
て、イオン注入によりp型半導体ウエル領域を形成する
場合の工程図である。
【図8】C、D 図1の固体撮像素子の製造工程におい
て、固相拡散によりp型半導体ウエル領域を形成する場
合の工程図である。
【図9】A 図1の固体撮像素子の製造工程において、
エピタキシャル成長によりp型半導体ウエル領域を形成
する場合の工程図である。B エピタキシャル成長によ
り全面的に形成したp型半導体ウエル領域を、パターン
化する場合を示す図である。
【図10】E〜G 図1の固体撮像素子の製造工程の工
程図である。
【図11】本発明の固体撮像素子の他の実施の形態の概
略構成図(平面図)である。
【図12】図11のC−Cにおける断面図である。
【図13】図11の固体撮像素子の断面不純物プロファ
イル及びポテンシャル図である。
【図14】従来のオーバーフローバリアを深く形成した
固体撮像素子の縦方向に隣接する画素間における断面不
純物プロファイル及びポテンシャル図である。
【図15】従来のオーバーフローバリアを深く形成した
固体撮像素子のポテンシャル等高線を示す図である。
【符号の説明】
1,41…固体撮像素子、2…半導体基板、3…エピタ
キシャル層、4…第1のp型半導体ウエル領域(オーバ
ーフローバリア)、5…高抵抗の半導体領域、6…n+
の不純物拡散領域、7…正電荷蓄積領域、8…第2のp
型半導体ウエル領域、9…転送チャネル領域、10…読
み出し領域、11…受光部、12…垂直転送レジスタ、
13…読み出しゲート部、14…チャネルストップ領
域、15…ゲート絶縁膜、16…転送電極、17…遮光
膜、18…層間絶縁膜、21…内部p型半導体領域、2
2…表面p型半導体領域、31…固相拡散源、32…p
型半導体エピタキシャル層、33…n型半導体領域

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型半導体基板と、 上記第1導電型半導体基板上に形成された第1の第2導
    電型半導体領域と、 上記第1の第2導電型半導体領域上に形成された上記第
    1の第2導電型半導体領域より低濃度で赤外線が十分吸
    収されうる厚さの第1導電型、第2導電型又は真性の半
    導体領域を有し、 上記第1導電型、第2導電型又は真性の半導体領域の表
    面に画素を構成する受光部が形成されて成る縦型オーバ
    ーフロードレイン方式の固体撮像素子であって、 縦方向に隣接する上記画素間に対応して上記第1導電
    型、第2導電型又は真性の半導体領域内に第2の第2導
    電型領域が形成されて成ることを特徴とする固体撮像素
    子。
  2. 【請求項2】 上記縦方向に隣接する画素間の表面に第
    3の第2導電型領域が形成されて成ることを特徴とする
    請求項1に記載の固体撮像素子。
JP10090175A 1998-04-02 1998-04-02 固体撮像素子 Pending JPH11289076A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US7579637B2 (en) 2005-03-28 2009-08-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensing device for reducing pixel-to-pixel crosstalk

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