JP2001203343A - Solid state imaging device - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、広いダイナミック
レンジを有する固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置
内の画素に含まれるフォトダイオードの飽和領域におけ
る光電変換特性のバラツキ(以下、「画素間飽和ムラ」
と称する。)を低減した固体撮像装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device having a wide dynamic range, and more particularly, to a variation in photoelectric conversion characteristics in a saturation region of a photodiode included in a pixel in the solid-state imaging device (hereinafter referred to as "saturation unevenness between pixels"). "
Called. The present invention relates to a solid-state imaging device with reduced ()).
【0002】[0002]
【従来の技術】図9に、CCD方式による固体撮像装置
(エリアセンサ)の概略的な平面図を示す。固体撮像装
置Aは、半導体基板101の表面の2次元平面上におい
て、行方向及び列方向に整列して配置された複数の画素
103を含む。2. Description of the Related Art FIG. 9 is a schematic plan view of a solid-state imaging device (area sensor) using a CCD system. The solid-state imaging device A includes a plurality of pixels 103 arranged in a row and a column on a two-dimensional plane of the surface of the semiconductor substrate 101.
【0003】画素103は、光電変換素子(フォトダイ
オード)103aを含んでいる。列方向に並ぶ複数の光
電変換素子103aに行方向に近接して、複数本の垂直
電荷転送路105が垂直方向に延びている。光電変換素
子103aと垂直電荷転送路105との間に、トランス
ファーゲート103bが設けられている。[0003] The pixel 103 includes a photoelectric conversion element (photodiode) 103a. A plurality of vertical charge transfer paths 105 extend in the vertical direction adjacent to the plurality of photoelectric conversion elements 103a arranged in the column direction in the row direction. A transfer gate 103b is provided between the photoelectric conversion element 103a and the vertical charge transfer path 105.
【0004】複数本の垂直電荷転送路105の一端に、
共通の水平電荷転送路107が設けられている。水平電
荷転送路107の一端に、出力アンプ111が設けられ
ている。At one end of the plurality of vertical charge transfer paths 105,
A common horizontal charge transfer path 107 is provided. An output amplifier 111 is provided at one end of the horizontal charge transfer path 107.
【0005】図10に、図9のX−X線に沿う断面図
と、この断面図で示される固体撮像装置のXa−Xa線
に沿うポテンシャルを示す。FIG. 10 is a sectional view taken along the line XX of FIG. 9 and a potential along the line Xa-Xa of the solid-state imaging device shown in the sectional view.
【0006】固体撮像装置Aは、n型不純物がドーピン
グされた半導体基板(n型半導体基板)101上に、p
型不純物がドーピングされたpウェル層115が形成さ
れている。pウェル層115内に高濃度のp型不純物が
ドーピングされた画素分離層117が形成されている。The solid-state imaging device A includes a p-type semiconductor substrate 101 (n-type semiconductor substrate) doped with n-type impurities.
A p-well layer 115 doped with a type impurity is formed. A pixel isolation layer 117 doped with a high concentration of p-type impurity is formed in the p-well layer 115.
【0007】水平方向に隣接する画素分離層117間に
n型不純物がドーピングされた垂直電荷転送路105と
垂直電荷転送路105に近接して形成される高濃度のn
型半導体層112とが形成される。n型半導体層112
とpウェル層115とによりp−n接合を有するフォト
ダイオード103aが形成される。n型半導体層112
と垂直電荷転送路105用n型半導体層との間にトラン
スファーゲート103bが画定される。A vertical charge transfer path 105 doped with an n-type impurity between pixel separation layers 117 adjacent in the horizontal direction, and a high-concentration n formed near the vertical charge transfer path 105
The type semiconductor layer 112 is formed. n-type semiconductor layer 112
And p-well layer 115 form photodiode 103a having a pn junction. n-type semiconductor layer 112
A transfer gate 103b is defined between the transfer gate 103b and the n-type semiconductor layer for the vertical charge transfer path 105.
【0008】pウェル層115上に薄い酸化膜121が
形成される。酸化膜121上であって、トランスファー
ゲート103bと垂直電荷転送路105を形成するn型
半導体層との上に多結晶シリコンを用いた垂直電荷転送
電極103cが形成される。A thin oxide film 121 is formed on p well layer 115. A vertical charge transfer electrode 103c using polycrystalline silicon is formed on the oxide film 121 and on the transfer gate 103b and the n-type semiconductor layer forming the vertical charge transfer path 105.
【0009】その上に、フォトダイオード103a領域
に開口部を有する遮光膜125が形成されている。遮光
膜125が導電性の材料で形成されている場合には、垂
直電荷転送電極103cの上に絶縁膜124を形成した
後、遮光膜125を設ける。A light-shielding film 125 having an opening in the photodiode 103a is formed thereon. When the light-shielding film 125 is formed using a conductive material, the light-shielding film 125 is provided after forming the insulating film 124 on the vertical charge transfer electrode 103c.
【0010】その上に平坦化膜Hを形成した後、カラー
フィルタCF、マイクロレンズMLを形成する。After forming a flattening film H thereon, a color filter CF and a microlens ML are formed.
【0011】上記の固体撮像装置Aにおいて、フォトダ
イオード103aに蓄積された電荷は、トランスファー
ゲート103bを通って垂直電荷転送路105に転送さ
れる。In the above-described solid-state imaging device A, the charges accumulated in the photodiode 103a are transferred to the vertical charge transfer path 105 through the transfer gate 103b.
【0012】電荷は、垂直電荷転送路105を垂直方向
に転送され、水平電荷転送路107に転送される。水平
電荷転送路107に転送された電荷は出力アンプ111
方向に転送される。電荷に対応した信号電圧が出力アン
プ111において増幅されて外部に出力される。The charges are transferred in the vertical charge transfer path 105 in the vertical direction, and are transferred to the horizontal charge transfer path 107. The charges transferred to the horizontal charge transfer path 107 are output to the output amplifier 111.
Transferred in the direction. A signal voltage corresponding to the charge is amplified by the output amplifier 111 and output to the outside.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】フォトダイオード(光
電変換素子)に強い光が入射すると、信号電荷はあふ
れ、周囲の画素に余った電荷が入り込む。光が当たらな
い部分まで明るく膨らむ、いわゆるブルーミング現象が
生じる。過剰の電荷が、電荷を転送中のCCD垂直電荷
転送路に漏れ込むと垂直方向に広がって垂直の縞となっ
て画質を損なうことになる。When strong light enters a photodiode (photoelectric conversion element), signal charges overflow and surplus charges enter surrounding pixels. A so-called blooming phenomenon occurs in which a portion that is not exposed to light swells brightly. If the excess charge leaks into the CCD vertical charge transfer path during transfer of the charge, it spreads in the vertical direction and becomes vertical stripes, deteriorating the image quality.
【0014】上記の現象を避けるために従来のCCDを
用いた固体撮像装置においては、フォトダイオードと水
平方向に隣接した横型オーバーフロードレインを設けて
いる。In order to avoid the above-mentioned phenomenon, a conventional solid-state imaging device using a CCD has a horizontal overflow drain adjacent to a photodiode in a horizontal direction.
【0015】横型オーバーフロードレインに電圧を印加
することにより、フォトダイオード中に蓄積された余剰
な電荷を引き抜いて捨て去るようにしていた。By applying a voltage to the horizontal overflow drain, excess charges accumulated in the photodiode are drawn out and discarded.
【0016】ところで、横型オーバーフロードレインを
設けると、その分だけフォトダイオードを含む感光部の
占有面積を狭くせざるを得ない。最近、固体撮像装置に
おける高画素数化の流れに沿うように、縦型オーバーフ
ロードレイン構造が用いられるようになってきた。By the way, when the horizontal overflow drain is provided, the occupation area of the photosensitive portion including the photodiode must be reduced by that much. Recently, a vertical overflow drain structure has been used in accordance with the trend of increasing the number of pixels in a solid-state imaging device.
【0017】図10に示す縦型オーバーフロードレイン
構造においては、フォトダイオード又は垂直電荷転送路
中の過剰な電荷は、縦方向(基板側)に引き抜く。縦型
オーバーフロードレイン構造では、n型半導体層112
又は垂直電荷転送路105とpウェル層115とn型半
導体基板101とに沿って、n+pn縦型バイポーラト
ランジスタと同様の構造が形成されている。In the vertical overflow drain structure shown in FIG. 10, excess charges in the photodiode or the vertical charge transfer path are drawn out in the vertical direction (substrate side). In the vertical overflow drain structure, the n-type semiconductor layer 112
Alternatively, a structure similar to that of an n + pn vertical bipolar transistor is formed along the vertical charge transfer path 105, the p-well layer 115, and the n-type semiconductor substrate 101.
【0018】pウェル層115とn型半導体層112と
により形成されたp−n接合を有するフォトダイオード
103aに強い光が入射すると、n型半導体層112の
ポテンシャルが上がり、n+p接合の電位差が小さくな
る。フォトダイオード又は垂直電荷転送路中の過剰な電
荷を引き抜く際には、pウェル層115とn型半導体基
板101との間に逆バイアスの基板電圧Vsubを印加
する。When strong light enters the photodiode 103a having the pn junction formed by the p-well layer 115 and the n-type semiconductor layer 112, the potential of the n-type semiconductor layer 112 rises, and the potential difference of the n + p junction Becomes smaller. To extract excess charge in the photodiode or the vertical charge transfer path, a reverse biased substrate voltage Vsub is applied between the p-well layer 115 and the n-type semiconductor substrate 101.
【0019】pウェル層115とn型半導体基板101
との間に逆バイアス電圧を加えることにより、n型半導
体基板101のポテンシャルが下がり、pウェル層11
5を空乏化する。必要以上の過剰電荷は、縦型バイポー
ラトランジスタを形成するn +(n型半導体層111又
は垂直電荷転送路105)−p(pウェル層115)−
n(n型半導体基板101)の経路を通ってn型半導体
基板101側に引き抜かれる。P-well layer 115 and n-type semiconductor substrate 101
N-type semiconductor by applying a reverse bias voltage between
The potential of the body substrate 101 decreases, and the p-well layer 11
5 is depleted. Unnecessary excess charge is
N forming a transistor +(The n-type semiconductor layer 111 or
Denotes a vertical charge transfer path 105) -p (p-well layer 115)-
n-type semiconductor through the path of n (n-type semiconductor substrate 101)
It is pulled out to the substrate 101 side.
【0020】上記の縦型オーバーフロードレイン構造に
よって、余剰電荷が他の画素や転送電極に入り込む前に
基板側に引き抜くことができ、ブルーミングを抑えつ
つ、感光部を有効利用することができる。With the vertical overflow drain structure described above, surplus charges can be drawn out to the substrate side before entering other pixels or transfer electrodes, and the photosensitive portion can be effectively used while suppressing blooming.
【0021】しかしながら、固体撮像装置のフォトダイ
オードの飽和領域における光電変換特性のバラツキを制
御することはできなかった。従って、画素間飽和ムラの
存在を前提とした使い方をせざるを得なかった。However, it has not been possible to control the variation of the photoelectric conversion characteristics in the saturation region of the photodiode of the solid-state imaging device. Therefore, the method has to be used on the premise that there is saturation unevenness between pixels.
【0022】図11に、上記の構造を有する固体撮像装
置A内に形成されている複数のフォトダイオードの光電
変換特性を示す。FIG. 11 shows the photoelectric conversion characteristics of a plurality of photodiodes formed in the solid-state imaging device A having the above structure.
【0023】横軸はフォトダイオードに入射する入射光
量を示し、縦軸はフォトダイオードから出力される出力
信号電圧を示す。The horizontal axis indicates the amount of light incident on the photodiode, and the vertical axis indicates the output signal voltage output from the photodiode.
【0024】特性線A1、A2、A3は、それぞれ同一
固体撮像装置内の異なる3つのフォトダイオードの特性
を示す。Characteristic lines A1, A2, and A3 indicate the characteristics of three different photodiodes in the same solid-state imaging device.
【0025】フォトダイオードの光電変換特性は、入射
光量が比較的少ない状態にある線形領域R1と入射光量
が多い状態にある飽和領域R2との大別される。線形領
域R1においては、入射光量と出力信号電圧とがほぼ比
例する。飽和領域R2においては、入射光量が増加して
も出力信号電圧があまり増加せず飽和する領域である。The photoelectric conversion characteristics of the photodiode are roughly classified into a linear region R1 where the amount of incident light is relatively small and a saturated region R2 where the amount of incident light is large. In the linear region R1, the amount of incident light is substantially proportional to the output signal voltage. The saturation region R2 is a region where the output signal voltage does not increase so much even when the amount of incident light increases and saturates.
【0026】線形領域R1では、各フォトダイオードの
特性A1、A2、A3は、ほぼ同じである。飽和領域R
2では、各フォトダイオードの特性A1、A2、A3が
大きく異なっている。飽和領域R2を用いると、各フォ
トダイオード間で特性がばらつくため、飽和領域R2を
利用していなかった。In the linear region R1, the characteristics A1, A2 and A3 of each photodiode are almost the same. Saturation region R
2, the characteristics A1, A2, and A3 of each photodiode are significantly different. When the saturated region R2 is used, the characteristics vary among the photodiodes, so that the saturated region R2 is not used.
【0027】一般的なフォトダイオードにおいては、線
形領域R1は、入射光量が、例えば2,000カンデラ
/m2以下の領域である。飽和領域R2は、入射光量
が、例えば2,000カンデラ/m2から20,000
カンデラ/m2までの領域である。線形領域R1のみを
用いると、当然、ダイナミックレンジは狭くなる。In a general photodiode, the linear region R1 is a region where the amount of incident light is, for example, 2,000 candela / m 2 or less. The saturated region R2 has an incident light amount of, for example, 2,000 candela / m 2 to 20,000.
It is an area up to candela / m 2 . If only the linear region R1 is used, the dynamic range naturally becomes narrow.
【0028】本発明の目的は、フォトダイオードの線形
領域のみならず、飽和領域をも利用できるようにして、
広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供す
ることにある。An object of the present invention is to make it possible to use not only a linear region of a photodiode but also a saturation region.
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a wide dynamic range.
【0029】[0029]
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、第1導電型半導体基板と、前記第1導電型半導体基
板上に形成され、深さ方向にほぼフラットなバリア高さ
を有する第1のポテンシャルバリア層と、前記第1のポ
テンシャルバリア層の上に形成された第2導電型のウェ
ル層と、前記第2導電型ウェル層内の表面近傍領域に列
方向及び行方向に整列した行列状に配置され、前記第2
導電型ウェル層とともに光電変換素子を形成する第1の
第1導電型半導体層と、前記第2導電型ウェル層内にお
いて、前記列方向に整列した前記第1の第1導電型半導
体層に行方向に近接して形成され、前記光電変換素子に
蓄積された電荷を転送する垂直電荷転送路を形成する第
2の第1導電型半導体層とを含む固体撮像装置が提供さ
れる。According to one aspect of the present invention, a semiconductor substrate of a first conductivity type and a barrier height formed on the semiconductor substrate of the first conductivity type and having a substantially flat barrier height in a depth direction are provided. A first potential barrier layer, a second conductivity type well layer formed on the first potential barrier layer, and aligned in a column direction and a row direction in a region near a surface in the second conductivity type well layer. Are arranged in a matrix, and the second
A first first conductivity type semiconductor layer forming a photoelectric conversion element together with a conductivity type well layer and a row of the first first conductivity type semiconductor layer aligned in the column direction in the second conductivity type well layer. And a second first conductivity type semiconductor layer forming a vertical charge transfer path for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element.
【0030】本発明の他の観点によれば、第1導電型半
導体基板と、前記第1導電型半導体基板上に形成され、
深さ方向にほぼフラットなバリア高さを有する第1のポ
テンシャルバリア層と、前記第1のポテンシャルバリア
層の上に形成された第2導電型のウェル層と、前記第2
導電型ウェル層内の表面近傍領域に列方向及び行方向に
整列した行列状に配置され、前記第2導電型ウェル層と
ともに光電変換素子を形成する第1の第1導電型半導体
層と、前記第2導電型ウェル層内において、列方向に整
列した前記第1の第1導電型半導体層に行方向に近接し
て形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送
する垂直電荷転送路を形成する第2の第1導電型半導体
層とを含み、前記光電変換素子、前記垂直電荷転送路を
含む撮像部における前記第2導電型ウェル層の不純物濃
度と、その周辺部における前記第2導電型ウェル層の不
純物濃度とが異なる固体撮像装置が提供される。According to another aspect of the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate, and a first conductivity type semiconductor substrate formed on the first conductivity type semiconductor substrate,
A first potential barrier layer having a substantially flat barrier height in a depth direction; a second conductivity type well layer formed on the first potential barrier layer;
A first first-conductivity-type semiconductor layer, which is arranged in a row and a row in a row near the surface in a region near the surface of the first-conductivity-type well layer and forms a photoelectric conversion element together with the second-conductivity-type well layer; A vertical charge transfer path formed in the second conductivity type well layer and adjacent to the first first conductivity type semiconductor layer aligned in the column direction in the row direction and transferring the charge stored in the photoelectric conversion element. And a second first conductivity type semiconductor layer forming the second conductivity type well layer, the impurity concentration of the second conductivity type well layer in the imaging unit including the photoelectric conversion element and the vertical charge transfer path, and the second conductivity type semiconductor layer in a peripheral portion thereof. A solid-state imaging device having a different conductivity type impurity concentration from a well layer is provided.
【0031】本発明のさらに別の観点によれば、第1導
電型半導体基板と、前記第1導電型半導体基板上に形成
され、深さ方向にほぼフラットなバリア高さを有する第
1のポテンシャルバリア層と、前記第1のポテンシャル
バリア層の上に形成された第2導電型のウェル層と、前
記第2導電型ウェル層内の表面近傍領域に二次元平面上
の一方向に整列配置され、複数の前記第2導電型ウェル
層とともに光電変換素子列を形成する複数の第1の第1
導電型半導体層と、前記第2導電型ウェル層内におい
て、前記第1の第1導電型半導体層に水平方向に近接し
て形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送
する電荷転送路を形成する第2の第1導電型半導体層と
を含む固体撮像装置が提供される。According to still another aspect of the present invention, a first conductive type semiconductor substrate and a first potential formed on the first conductive type semiconductor substrate and having a substantially flat barrier height in a depth direction. A barrier layer, a well layer of a second conductivity type formed on the first potential barrier layer, and a two-dimensional plane aligned in one direction on a two-dimensional plane in a region near a surface in the well layer of the second conductivity type A plurality of first first elements forming a photoelectric conversion element row together with a plurality of the second conductivity type well layers;
A charge transfer device that is formed in the second conductivity type well layer and is horizontally adjacent to the first first conductivity type semiconductor layer in the second conductivity type well layer and transfers the charge accumulated in the photoelectric conversion element; A solid-state imaging device including a second first conductivity type semiconductor layer forming a path.
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】飽和領域R2における各フォトダ
イオード間の光電変換特性のばらつきを生じさせる原因
について以下に考察する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The causes of variations in photoelectric conversion characteristics between photodiodes in the saturation region R2 will be considered below.
【0033】本願発明者は、上記ばらつきの原因とし
て、以下の3点に着目した。The inventor of the present application has paid attention to the following three points as causes of the above-mentioned variation.
【0034】a)画素分離層におけるバリアの変動 p型半導体により形成される画素分離層117(図1
0)により形成される第1のバリアの変動が存在する
と、フォトダイオード103aのn型半導体層112に
蓄積された電子が第1のバリアを越えて別の領域に移動
することが考えられる。フォトダイオード103a間で
第1のバリアの高さが変動すると、飽和領域R2におけ
る光電変換特性にばらつきが生じる。A) Variation of barrier in pixel separation layer Pixel separation layer 117 formed of a p-type semiconductor (FIG. 1)
If the first barrier formed by (0) is present, electrons accumulated in the n-type semiconductor layer 112 of the photodiode 103a may move to another region beyond the first barrier. When the height of the first barrier varies between the photodiodes 103a, variation occurs in the photoelectric conversion characteristics in the saturation region R2.
【0035】画素分離層117を高濃度にすることによ
り、第1のバリアのバリア高さを十分に高くすることが
可能であり、このような方法により、第1のバリアの高
さの変動に起因するフォトダイオード103a間の光電
変換特性のばらつきを抑えることが可能と考えられる。By increasing the concentration of the pixel separation layer 117, the barrier height of the first barrier can be made sufficiently high. With such a method, fluctuations in the height of the first barrier can be prevented. It is considered that it is possible to suppress the variation of the photoelectric conversion characteristics between the photodiodes 103a due to the variation.
【0036】b)トランスファーゲートにおけるバリア
の変動 トランスファーゲート103b(図9、図10)により
形成される第2のバリアの高さは、垂直電荷転送電極1
03cに印加する電圧により変化させることができる。B) Variation of Barrier in Transfer Gate The height of the second barrier formed by the transfer gate 103b (FIGS. 9 and 10) is
It can be changed by the voltage applied to 03c.
【0037】具体的には、フォトダイオード103aに
電荷を蓄積する時(露光時)に、垂直電荷転送電極に高
い負の電圧を印加することにより第2のバリアの高さを
十分高くすることが可能になる。このような方法によ
り、第2のバリアの高さが変動することによる各フォト
ダイオード間の光電変換特性のばらつきを抑えることが
可能と考えられる。Specifically, when accumulating charges in the photodiode 103a (during exposure), it is necessary to apply a high negative voltage to the vertical charge transfer electrode to sufficiently increase the height of the second barrier. Will be possible. It is considered that such a method can suppress variations in photoelectric conversion characteristics among the photodiodes due to a change in the height of the second barrier.
【0038】c)pウェルバリアにおけるバリアの変動 pウェル層115(図10)により形成される第3のバ
リアの高さは、pウェル層内のp型不純物の濃度により
決まる。C) Variation of Barrier in P-Well Barrier The height of the third barrier formed by the p-well layer 115 (FIG. 10) is determined by the concentration of the p-type impurity in the p-well layer.
【0039】図10には、フォトダイオード103aの
領域を縦方向に切断した場合の、半導体基板101から
n型半導体層112までのポテンシャルが断面図と併せ
て示されている。FIG. 10 shows the potential from the semiconductor substrate 101 to the n-type semiconductor layer 112 when the region of the photodiode 103a is cut in the vertical direction, together with a cross-sectional view.
【0040】n型半導体基板101は、例えば基板裏面
に形成された電極(図示せず)により基板電位Vsub
に設定されている。The n-type semiconductor substrate 101 has a substrate potential Vsub by an electrode (not shown) formed on the back surface of the substrate, for example.
Is set to
【0041】電子に対するポテンシャルは、pウェル層
115内において高くなり、n型半導体層112内にお
いて低くなる。n型半導体基板101とpウェル層11
5との界面、pウェル層115とn型半導体層112と
の界面に空乏層が形成される。pウェル層内においてポ
テンシャル高さがピーク値Vaを有する。The potential for electrons increases in the p-well layer 115 and decreases in the n-type semiconductor layer 112. N-type semiconductor substrate 101 and p-well layer 11
5, and a depletion layer is formed at the interface between the p-well layer 115 and the n-type semiconductor layer 112. The potential height has a peak value Va in the p-well layer.
【0042】pウェル層115におけるp型不純物濃度
は、それほど高くすることができない。何故ならば、p
ウェル層115内にフォトダイオード103aを形成す
るために、n型半導体層112を形成する必要があるか
らである。The p-type impurity concentration in p-well layer 115 cannot be so high. Because p
This is because it is necessary to form the n-type semiconductor layer 112 in order to form the photodiode 103a in the well layer 115.
【0043】バリア高さVaは、p型不純物濃度に大き
く依存する。p型不純物濃度自体とそれと関連する上記
の両方の界面における空乏層の幅とに依存する。The barrier height Va greatly depends on the p-type impurity concentration. It depends on the p-type impurity concentration itself and the width of the depletion layer at both of the above-mentioned interfaces associated therewith.
【0044】p型不純物濃度自体が低くなると、バリア
高さVaは低くなる。また、p型不純物濃度が低くなる
ほど、pウェル層115内に延びる空乏層の幅が大きく
なる。ポテンシャルの傾斜部の幅が拡がり、バリアの頂
上部の一定ポテンシャルを有する領域の幅は狭くなる。
n型半導体層112のポテンシャルの変化によりバリア
頂上部のポテンシャルも変化しやすくなる。As the p-type impurity concentration itself decreases, the barrier height Va decreases. Further, as the p-type impurity concentration becomes lower, the width of the depletion layer extending into p-well layer 115 becomes larger. The width of the potential ramp increases, and the width of the region with a constant potential at the top of the barrier decreases.
The change in the potential of the n-type semiconductor layer 112 also makes it easy for the potential at the top of the barrier to change.
【0045】従って、各フォトダイオード領域内におい
て、たとえ、わずかでもp型不純物濃度のバラツキが存
在すれば、飽和領域R2における光電変換特性が大きく
異なることになる。Therefore, even if there is even a slight variation in the p-type impurity concentration in each photodiode region, the photoelectric conversion characteristics in the saturation region R2 are significantly different.
【0046】また、p型不純物イオンをイオン注入法に
より半導体基板101の表面近傍に打ち込むことによ
り、後に形成されるn型半導体層112との界面付近に
おいてp型不純物濃度が比較的高くなるようにpウェル
層115を形成する方法も考えられる。しかしながら、
イオン注入法によりpウェル層を形成すると、p型不純
物の濃度が深さ方向にガウス分布となる。Further, by implanting p-type impurity ions near the surface of the semiconductor substrate 101 by ion implantation, the p-type impurity concentration is relatively increased near the interface with the n-type semiconductor layer 112 to be formed later. A method of forming the p-well layer 115 is also conceivable. However,
When the p-well layer is formed by ion implantation, the concentration of the p-type impurity has a Gaussian distribution in the depth direction.
【0047】従って、pウェル層内に存在するポテンシ
ャルバリアの高さVaは一層ばらつきやすくなる。Therefore, the height Va of the potential barrier existing in the p-well layer is more likely to vary.
【0048】上記のような考察に基づき、発明者はpウ
ェル層内に、安定したポテンシャルバリアの高さVaを
確保するための構造を設けることを考えた。Based on the above considerations, the inventor considered providing a structure for securing a stable potential barrier height Va in the p-well layer.
【0049】図1及び図2に基づき、本実施の形態によ
る固体撮像装置について説明する。The solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
【0050】図1は、CCD方式による固体撮像装置B
の概略的な平面図を示す。FIG. 1 shows a solid-state imaging device B using a CCD system.
1 shows a schematic plan view of FIG.
【0051】固体撮像装置Bは、いわゆるエリアセンサ
であり、半導体基板1表面の2次元平面上において、行
方向及び列方向に整列して配置された複数の画素3を含
む。The solid-state imaging device B is a so-called area sensor, and includes a plurality of pixels 3 arranged in a row and a column on a two-dimensional plane of the surface of the semiconductor substrate 1.
【0052】画素3は、光電変換素子(フォトダイオー
ド)3aを含む。列方向に並ぶ複数の光電変換素子3a
に近接して、複数本の垂直電荷転送路5が垂直方向に延
びている。光電変換素子3aと垂直電荷転送路5との間
に、トランスファーゲート3bが設けられている。The pixel 3 includes a photoelectric conversion element (photodiode) 3a. A plurality of photoelectric conversion elements 3a arranged in a column direction
, A plurality of vertical charge transfer paths 5 extend in the vertical direction. A transfer gate 3b is provided between the photoelectric conversion element 3a and the vertical charge transfer path 5.
【0053】垂直電荷転送路5の一端に、水平電荷転送
路7が設けられている。水平電荷転送路7の一端に、出
力アンプ11が設けられている。At one end of the vertical charge transfer path 5, a horizontal charge transfer path 7 is provided. An output amplifier 11 is provided at one end of the horizontal charge transfer path 7.
【0054】尚、本明細書中において、「画素(光電変
換素子)が2次元平面上において行方向及び列方向に整
列して配置されている」固体撮像装置とは、単純正方行
列的配置のみでなく、千鳥格子的配置等も含むものとす
る。たとえば、垂直方向に第1の画素ピッチで整列配置
された複数の画素を含む第1の画素列と、その第1の画
素列に対して垂直方向に第1の画素ピッチの1/2画素
ずらして整列配置された複数の画素を含み、第1の画素
列に対して水平方向に第2の画素ピッチで隣接して配置
された第2の画素列とを含むような、いわゆる画素ずら
しの構造の固体撮像装置も、行方向及び列方向に整列し
て配置された画素を有するものとする。In this specification, the solid-state imaging device in which “pixels (photoelectric conversion elements) are arranged in a row direction and a column direction on a two-dimensional plane” means only a simple square matrix arrangement. However, the arrangement also includes a houndstooth arrangement. For example, a first pixel row including a plurality of pixels arranged in a vertical direction at a first pixel pitch, and a shift of half a pixel of the first pixel pitch in the vertical direction with respect to the first pixel row. So-called pixel shift structure including a plurality of pixels arranged in a row and including a second pixel row horizontally adjacent to the first pixel row at a second pixel pitch. It is assumed that the solid-state imaging device also has pixels arranged in rows and columns.
【0055】また、ほぼ正方形の形状を有し、向かい合
う2辺が垂直方向に延びており、かつ、他の向かい合う
2辺が水平方向に延びている複数の画素(光電変換素
子)が2次元平面上に配置されている構造を例にして説
明したが、ほぼ正方形ないし菱形の形状を有し、向かい
合う2つの頂点が垂直方向に延びる仮想線に沿って並ん
でおり、かつ、他の向かい合う2つの頂点が水平方向に
延びる仮想線に沿って並んでいる複数の画素(光電変換
素子)が2次元平面上に配置されている構造、正六角形
や正八角形を含む多角形の画素(光電変換素子)が2次
元平面上に配置されている構造を用いることもできる。A plurality of pixels (photoelectric conversion elements) having a substantially square shape, two opposite sides extending in the vertical direction, and the other two opposite sides extending in the horizontal direction are formed on a two-dimensional plane. Although the structure described above has been described as an example, it has a substantially square or rhombic shape, two opposing vertices are arranged along an imaginary line extending vertically, and two other opposing vertices are arranged. A structure in which a plurality of pixels (photoelectric conversion elements) in which vertices are arranged along a virtual line extending in the horizontal direction are arranged on a two-dimensional plane, and polygonal pixels including a regular hexagon and a regular octagon (photoelectric conversion elements) May be used on a two-dimensional plane.
【0056】図2に、図1のII−II線断面図と、こ
の断面図で示される固体撮像装置BのIIa−IIa線
におけるポテンシャルを示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 and the potential of the solid-state imaging device B shown in the cross-sectional view taken along the line IIa-IIa.
【0057】固体撮像装置Bは、n型不純物がドーピン
グされた半導体基板(n型半導体基板)1上に、p型不
純物がドーピングされたp型半導体層14と、同じくp
型不純物がドーピングされたpウェル層15とが形成さ
れている。p型半導体層14の不純物濃度は、pウェル
層15の不純物濃度に比べて高い。The solid-state imaging device B comprises a semiconductor substrate (n-type semiconductor substrate) 1 doped with an n-type impurity, a p-type semiconductor layer 14 doped with a p-type impurity, and
A p-well layer 15 doped with a type impurity is formed. The impurity concentration of the p-type semiconductor layer 14 is higher than the impurity concentration of the p-well layer 15.
【0058】n型半導体基板1の不純物濃度は、例えば
1×1015cm-3である。The impurity concentration of the n-type semiconductor substrate 1 is, for example, 1 × 10 15 cm −3 .
【0059】pウェル層15の不純物濃度は、1016c
m-3台であり、例えば5×1016cm-3である。pウェ
ル層15の厚さは例えば2μmである。The impurity concentration of the p-well layer 15 is 10 16 c
m −3 , for example, 5 × 10 16 cm −3 . The thickness of the p-well layer 15 is, for example, 2 μm.
【0060】p型半導体層14の不純物濃度は、pウェ
ル層15の不純物濃度よりも約4倍程度高く、一般的に
は、1017cm-3台であり、例えば2×1017cm-3で
ある。厚さは例えば2μmである。The impurity concentration of the p-type semiconductor layer 14 is about four times higher than the impurity concentration of the p-well layer 15, and is generally on the order of 10 17 cm −3 , for example, 2 × 10 17 cm −3. It is. The thickness is, for example, 2 μm.
【0061】p型半導体層14は、好ましくは、深さ方
向(厚さ方向)にほぼ均一な濃度で形成されていること
が好ましい。深さ方向(厚さ方向)に均一な濃度で形成
するためには、p型半導体層14をエピタキシャル成長
することが好ましい。The p-type semiconductor layer 14 is preferably formed with a substantially uniform concentration in the depth direction (thickness direction). In order to form a uniform concentration in the depth direction (thickness direction), it is preferable to epitaxially grow the p-type semiconductor layer 14.
【0062】深さ方向(厚さ方向)に均一な濃度で形成
するための別の方法として、多重イオン注入法がある。
多重イオン注入法は、まずpウェル層15を形成してお
き、深さ方向に沿ってほぼ均一なp型不純物層が形成で
きるように、p型不純物(例えばN)を、異なる加速エ
ネルギーで数回にわたってイオン注入する。イオン注入
法により形成される不純物の濃度プロファイルは、概
略、深さ(厚さ)方向にほぼガウス分布を示す。上記の
多重イオン注入法を用いると、深さ方向に沿ってほぼ均
一な濃度分布を有するp型不純物層14を形成すること
が可能である。As another method for forming a uniform concentration in the depth direction (thickness direction), there is a multiple ion implantation method.
In the multiple ion implantation method, a p-well layer 15 is first formed, and a p-type impurity (for example, N) is deposited at different acceleration energies so that a substantially uniform p-type impurity layer can be formed in the depth direction. Ions are implanted several times. The concentration profile of the impurity formed by the ion implantation generally shows a substantially Gaussian distribution in the depth (thickness) direction. By using the above multiple ion implantation method, it is possible to form the p-type impurity layer 14 having a substantially uniform concentration distribution along the depth direction.
【0063】pウェル層15内に、高濃度のp型不純物
がドーピングされた画素分離層17が形成されている。In the p-well layer 15, a pixel isolation layer 17 doped with a high concentration of p-type impurity is formed.
【0064】水平方向に隣接する画素分離層17、17
間にn型不純物がドーピングされた垂直電荷転送路5と
垂直電荷転送路5に近接して形成される高濃度のn型半
導体層12とが形成される。n型半導体層12とpウェ
ル層15とによりp−n接合を有するフォトダイオード
3aが形成されている。換言すれば、垂直電荷転送路5
の外側とn型半導体層12の外側とに画素分離領域が形
成されている。画素分離層17のp型不純物濃度は、例
えば5×1018cm-3である。画素分離層17とn型半
導体層12との間に形成されるポテンシャルバリア高さ
は、Siを半導体材料として用いた場合には、約1.1
2eV程度である。The pixel separation layers 17, 17 adjacent in the horizontal direction
A vertical charge transfer path 5 doped with an n-type impurity and a high-concentration n-type semiconductor layer 12 formed close to the vertical charge transfer path 5 are formed therebetween. A photodiode 3a having a pn junction is formed by the n-type semiconductor layer 12 and the p-well layer 15. In other words, the vertical charge transfer path 5
And pixel isolation regions are formed outside the n-type semiconductor layer 12. The p-type impurity concentration of the pixel separation layer 17 is, for example, 5 × 10 18 cm −3 . The potential barrier height formed between the pixel separation layer 17 and the n-type semiconductor layer 12 is about 1.1 when Si is used as a semiconductor material.
It is about 2 eV.
【0065】n型半導体層12と垂直電荷転送路5用n
型半導体層との間にトランスファーゲート3bが画定さ
れている。The n-type semiconductor layer 12 and the n for the vertical charge transfer path 5
A transfer gate 3b is defined between the transfer gate and the mold semiconductor layer.
【0066】pウェル層15上に薄い酸化膜21が形成
される。酸化膜21上であって、トランスファーゲート
3bと垂直電荷転送路5を形成するn型半導体層との上
に多結晶シリコンを用いた垂直電荷転送電極3cが形成
されている。A thin oxide film 21 is formed on p well layer 15. A vertical charge transfer electrode 3c using polycrystalline silicon is formed on the oxide film 21 and on the transfer gate 3b and the n-type semiconductor layer forming the vertical charge transfer path 5.
【0067】その上に、層間絶縁膜24を介してフォト
ダイオード3a領域に開口部を有する遮光膜25が形成
されている。その上に平坦化膜Hを形成した後、カラー
フィルタCF、マイクロレンズMLを形成する。On top of this, a light-shielding film 25 having an opening in the photodiode 3a region is formed via an interlayer insulating film 24. After forming the flattening film H thereon, the color filters CF and the microlenses ML are formed.
【0068】上記の構造によれば、n型半導体基板1と
pウェル層15との間に、深さ方向に沿ってほぼ均一な
ポテンシャルプロファイルを有するバリア層(p型不純
物層14)が形成される。According to the above structure, a barrier layer (p-type impurity layer 14) having a substantially uniform potential profile along the depth direction is formed between n-type semiconductor substrate 1 and p-well layer 15. You.
【0069】図3に、Siを材料とした場合における、
上記構造を製造するための工程を示す。FIG. 3 shows a case where Si is used as a material.
4 shows a process for manufacturing the above structure.
【0070】第1のステップS1において、n型Si基
板を準備する。n型Si基板の表面を、例えばHF−H
NO3の混合液を用いて処理する。表面の歪み層や自然
酸化膜が除去される。In a first step S1, an n-type Si substrate is prepared. The surface of the n-type Si substrate is, for example, HF-H
The treatment is performed using a mixed solution of NO 3 . The strained layer and the natural oxide film on the surface are removed.
【0071】第2のステップS2において、n型Si基
板を例えばシリカガラスで形成されたエピタキシャル成
長室内に設置する。H2ガスとHClガスとの混合ガス
を用いて1200℃においてn型Si基板の表面処理を
行う。表面の自然酸化膜や金属汚染が除去される。In the second step S2, an n-type Si substrate is placed in an epitaxial growth chamber made of, for example, silica glass. The surface treatment of the n-type Si substrate is performed at 1200 ° C. using a mixed gas of H 2 gas and HCl gas. The natural oxide film and metal contamination on the surface are removed.
【0072】第3のステップS3において、p型半導体
層14をエピタキシャル成長する。単結晶Si層のエピ
タキシャル成長法としては、種々の方法が知られてい
る。In the third step S3, the p-type semiconductor layer 14 is epitaxially grown. Various methods are known as an epitaxial growth method for a single crystal Si layer.
【0073】例えば、以下の反応式(1)に基づくモノ
シラン(SiH4)の熱分解法を用いることができる。For example, a thermal decomposition method of monosilane (SiH 4 ) based on the following reaction formula (1) can be used.
【0074】 SiH4(g)→ Si(c) + 2H2(g) (1) 上記の反応を、例えば1000℃で行う。結晶成長速度
は、例えば0.8μm/分である。成長温度を変化させ
ることにより成長速度を制御することができる。SiH 4 (g) → Si (c) + 2H 2 (g) (1) The above reaction is performed, for example, at 1000 ° C. The crystal growth rate is, for example, 0.8 μm / min. The growth rate can be controlled by changing the growth temperature.
【0075】p型不純物としては、例えばBが用いられ
る。上記(1)式に基づく反応中において、例えば、ジ
ボラン(B2H6)を用いてBをドーピングする。As the p-type impurity, for example, B is used. In the reaction based on the above formula (1), B is doped using, for example, diborane (B 2 H 6 ).
【0076】第4のステップS4において、pウェル層
15をエピタキシャル成長する。単結晶Si層のエピタ
キシャル成長法は、上記ステップS4において用いた方
法と同じ方法を用いることができる。但し、Bのドープ
量は減少させる。pウェル層15の厚さは例えば、約2
μmである。In the fourth step S4, the p-well layer 15 is epitaxially grown. The same method as that used in step S4 can be used for the epitaxial growth method of the single-crystal Si layer. However, the doping amount of B is reduced. The thickness of the p-well layer 15 is, for example, about 2
μm.
【0077】第5のステップS5において、高濃度のp
型半導体層からなる画素分離領域17を形成する。In the fifth step S5, the high concentration p
A pixel isolation region 17 made of a mold semiconductor layer is formed.
【0078】高濃度のp型半導体層からなる画素分離層
17は、Bイオンを加速エネルギー2MeV、ドーズ量
1×1016cm-2でイオン注入することにより形成す
る。The pixel isolation layer 17 made of a high-concentration p-type semiconductor layer is formed by implanting B ions with an acceleration energy of 2 MeV and a dose of 1 × 10 16 cm −2 .
【0079】画素分離層17は、pウェル層15を貫通
し、少なくともp型半導体層14の表面に到達する深さ
まで形成する。The pixel separation layer 17 penetrates the p-well layer 15 and is formed at least to a depth that reaches the surface of the p-type semiconductor layer 14.
【0080】実際には、加速エネルギーを200ke
V、500keVとしたイオン注入が別の工程で行われ
る。実質的に、加速エネルギーを変化させて多重イオン
注入を行っていることになる。基板表面からp型半導体
層にかけて、深さ方向にほぼ一定で、かつ、高いp型不
純物濃度を有する層を形成することができる。In practice, the acceleration energy is set to 200 ke
Ion implantation with V and 500 keV is performed in another step. In effect, multiple ion implantation is performed by changing the acceleration energy. A layer that is substantially constant in the depth direction and has a high p-type impurity concentration can be formed from the substrate surface to the p-type semiconductor layer.
【0081】尚、画素分離層17は、pウェル層15内
に少なくともp型半導体層14の表面まで到達する溝を
形成した後に、この溝の中に絶縁膜を充填することによ
り形成しても良い。The pixel separation layer 17 may be formed by forming a groove reaching at least the surface of the p-type semiconductor layer 14 in the p-well layer 15 and then filling the groove with an insulating film. good.
【0082】ステップS6において、n型半導体層をイ
オン注入法により形成する。In step S6, an n-type semiconductor layer is formed by an ion implantation method.
【0083】フォトダイオード用のn型半導体層12
は、例えばPイオンを加速エネルギー200keV、ド
ーズ量5×1014cm-2の条件でイオン注入することに
より形成する。N-type semiconductor layer 12 for photodiode
Is formed, for example, by implanting P ions under the conditions of an acceleration energy of 200 keV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 .
【0084】垂直電荷転送路用のn型半導体層5は、例
えばPイオンを加速エネルギー500keV、ドーズ量
1×1014cm-2の条件でイオン注入することにより形
成する。The n-type semiconductor layer 5 for the vertical charge transfer path is formed by, for example, implanting P ions under the conditions of an acceleration energy of 500 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 .
【0085】イオン注入後に例えば600℃〜1000
℃の間の温度で、注入イオンを活性化するためのアニー
ルを行う。After ion implantation, for example, 600 ° C. to 1000
Anneal to activate the implanted ions at a temperature between ° C.
【0086】ステップS7において、pウェル層15の
表面に酸化膜21を形成する。酸化膜21は、例えば、
熱酸化法により1000℃で形成する。In step S7, oxide film 21 is formed on the surface of p well layer 15. The oxide film 21 is, for example,
It is formed at 1000 ° C. by a thermal oxidation method.
【0087】ステップS8において、垂直電荷転送電極
及び水平電荷転送電極用の多結晶シリコン層(図2にお
いては、垂直電荷転送電極用の多結晶シリコン層3cの
みが示されている。)を堆積し、加工する。In step S8, a polycrystalline silicon layer for the vertical charge transfer electrode and the horizontal charge transfer electrode (only the polycrystalline silicon layer 3c for the vertical charge transfer electrode is shown in FIG. 2). , Process.
【0088】尚、第1層目の多結晶シリコン層(1ポ
リ)と第2層目の多結晶シリコン層(2ポリ)との間に
も、熱酸化法などにより絶縁膜が形成される。An insulating film is also formed between the first polycrystalline silicon layer (1 poly) and the second polycrystalline silicon layer (2 poly) by a thermal oxidation method or the like.
【0089】ステップS9において、層間絶縁膜24を
形成する。層間絶縁膜24としては、例えばスパッタ法
により形成された酸化膜又窒化膜を用いる。層間絶縁膜
24の厚さは、例えば1μmである。In step S9, an interlayer insulating film 24 is formed. As the interlayer insulating film 24, for example, an oxide film or a nitride film formed by a sputtering method is used. The thickness of the interlayer insulating film 24 is, for example, 1 μm.
【0090】ステップS10において、例えばAlによ
り遮光膜25が形成される。遮光膜25は、フォトダイ
オードの受光部に開口が形成されている。In step S10, the light shielding film 25 is formed of, for example, Al. The light-shielding film 25 has an opening formed in the light receiving portion of the photodiode.
【0091】遮光膜25の開口の上部にカラーフィルタ
CF、マイクロレンズML等が形成される。A color filter CF, a micro lens ML, and the like are formed above the opening of the light shielding film 25.
【0092】上記の固体撮像装置Bにおいて、フォトダ
イオード3aに蓄積された電荷は、トランスファーゲー
ト3bを通って垂直電荷転送路5に転送される。In the above-described solid-state imaging device B, the electric charge accumulated in the photodiode 3a is transferred to the vertical charge transfer path 5 through the transfer gate 3b.
【0093】電荷は、垂直電荷転送路5を垂直方向に転
送され、水平電荷転送路7に転送される。水平電荷転送
路7に転送された電荷は出力アンプ11方向に転送され
る。電荷による信号電圧は出力アンプ11において増幅
されて外部に出力される。The charges are transferred in the vertical charge transfer path 5 in the vertical direction, and are transferred to the horizontal charge transfer path 7. The charges transferred to the horizontal charge transfer path 7 are transferred to the output amplifier 11. The signal voltage due to the charges is amplified by the output amplifier 11 and output to the outside.
【0094】図2に、フォトダイオード3aの領域を縦
方向に切断した場合の、半導体基板1からn型半導体層
12までのIIa−IIa線に沿ったポテンシャルを併
せて示す。FIG. 2 also shows the potential along the line IIa-IIa from the semiconductor substrate 1 to the n-type semiconductor layer 12 when the region of the photodiode 3a is cut in the vertical direction.
【0095】n型半導体基板1は、低抵抗率であり、例
えば基板裏面に形成された電極(図示せず)により基板
電位Vsubに設定されている。The n-type semiconductor substrate 1 has a low resistivity and is set to the substrate potential Vsub by, for example, an electrode (not shown) formed on the back surface of the substrate.
【0096】深さ方向のポテンシャル形状は、p型半導
体層14において高くなり、深さ方向(厚さ方向)にほ
ぼフラットなポテンシャル形状を有するポテンシャルバ
リア(ポテンシャルバリアの高さVB)が形成される。
尚、「ほぼフラットなポテンシャル形状」とは、完全に
フラットなポテンシャル形状のみならず、多少のポテン
シャルの傾斜がある場合を含むものとする。また、例え
ば加速エネルギーを変化させて数回以上のイオン注入を
行ういわゆる多重イオン注入法によりポテンシャルバリ
アを形成した場合のように、ポテンシャル高さに多少の
変化がある場合も含まれる。要するに、pウェル層15
内に多少の不純物濃度のバラツキが生じていても、飽和
電圧にはほとんど影響を与えない程度にフラットであれ
ば良い。The potential shape in the depth direction increases in the p-type semiconductor layer 14, and a potential barrier (potential barrier height VB) having a substantially flat potential shape in the depth direction (thickness direction) is formed. .
The “substantially flat potential shape” includes not only a completely flat potential shape but also a case where there is a slight potential gradient. Also, there is a case where there is a slight change in the potential height, such as a case where a potential barrier is formed by a so-called multiple ion implantation method in which ion implantation is performed several times or more by changing acceleration energy. In short, the p-well layer 15
Even if there is some variation in the impurity concentration in the inside, it is sufficient if the impurity concentration is flat so as to hardly affect the saturation voltage.
【0097】pウェル15内におけるポテンシャル(V
a)はp型半導体層15における高さVBに比べて低く
なる。n型半導体層12内におけるポテンシャルは、p
ウェル15内におけるポテンシャル(Va)に比べてさ
らに低くなる。n型半導体基板1とp型半導体層14と
の界面近傍、p型半導体層14とpウェル15との界面
近傍、pウェル15とn型半導体層12との界面近傍に
空乏層が形成される。The potential (V) in the p well 15
a) is lower than the height VB of the p-type semiconductor layer 15. The potential in the n-type semiconductor layer 12 is p
The potential becomes lower than the potential (Va) in the well 15. A depletion layer is formed near the interface between the n-type semiconductor substrate 1 and the p-type semiconductor layer 14, near the interface between the p-type semiconductor layer 14 and the p-well 15, and near the interface between the p-well 15 and the n-type semiconductor layer 12. .
【0098】n型半導体層12内に蓄積される電荷量に
最も大きな影響を与えるのは、n型半導体層12とn型
半導体基板1との間において最も高いポテンシャルを有
する領域、すなわち、p型半導体層14が存在する領域
である。The region that has the highest potential between the n-type semiconductor layer 12 and the n-type semiconductor substrate 1, that is, the p-type, has the greatest effect on the amount of charge stored in the n-type semiconductor layer 12. This is a region where the semiconductor layer 14 exists.
【0099】p型半導体層14における不純物濃度自体
が高いため、バリア高さVBが高くなる。上記のドーピ
ング濃度の例によれば、ポテンシャルVaは、約1.0
2eV、ポテンシャルVBは、約1.06eVである。
図7に示す構造に比べて最も高いポテンシャル高さは、
約0.04eV高くなる。Since the impurity concentration itself in the p-type semiconductor layer 14 is high, the barrier height VB increases. According to the above doping concentration example, the potential Va is about 1.0
2 eV and potential VB are about 1.06 eV.
The highest potential height compared to the structure shown in FIG.
It increases by about 0.04 eV.
【0100】加えて、p型半導体層14中においては、
ポテンシャルバリアの高さVBは厚さ方向にほぼ均一で
ある。さらに、p型半導体層14とpウェル層15との
間の界面における空乏層の幅も狭くなる。バリア高さV
Bが深さ方向に均一な領域が広く、かつ、空乏層も狭い
ため、ポテンシャルバリアの高さVBに関して、電位の
変動が生じにくい。In addition, in the p-type semiconductor layer 14,
The height VB of the potential barrier is substantially uniform in the thickness direction. Further, the width of the depletion layer at the interface between the p-type semiconductor layer 14 and the p-well layer 15 is reduced. Barrier height V
Since the region where B is uniform in the depth direction is wide and the depletion layer is narrow, the potential hardly fluctuates with respect to the height VB of the potential barrier.
【0101】従って、各フォトダイオード領域内におい
て、pウェル層15内にp型不純物濃度、従ってpウェ
ル層のポテンシャルVaに多少のバラツキが存在して
も、n型半導体層12内に蓄積される電荷量に関して
は、p型半導体層14のポテンシャルVbが支配的とな
る。Therefore, in each photodiode region, even if there is a slight variation in the p-type impurity concentration in the p-well layer 15, that is, the potential Va of the p-well layer, it is accumulated in the n-type semiconductor layer 12. With respect to the charge amount, the potential Vb of the p-type semiconductor layer 14 becomes dominant.
【0102】画素分離層17の不純物濃度は、p型半導
体層14の不純物濃度よりも高い。The impurity concentration of the pixel isolation layer 17 is higher than the impurity concentration of the p-type semiconductor layer 14.
【0103】n型半導体層12とpウェル層15との間
のバリア(第1のバリア)のバリア高さも十分に高い。
従って、第1のバリアの高さの変動に起因するフォトダ
イオード3a間の光電変換特性のばらつきも抑えること
が可能である。The barrier height (first barrier) between the n-type semiconductor layer 12 and the p-well layer 15 is also sufficiently high.
Therefore, it is possible to suppress the variation in the photoelectric conversion characteristics between the photodiodes 3a due to the variation in the height of the first barrier.
【0104】加えて、フォトダイオード3aに電荷を蓄
積する時(露光時)に、垂直電荷転送電極3cに高い負
の電圧を印加する。トランスファーゲート3bにより形
成されるバリア(第2のバリア)の高さも十分高くな
る。従って、第2のバリアの高さ変動に起因するフォト
ダイオード3a間の光電変換特性のばらつきを抑えるこ
とが可能である。In addition, a high negative voltage is applied to the vertical charge transfer electrode 3c when charges are accumulated in the photodiode 3a (during exposure). The height of the barrier (second barrier) formed by the transfer gate 3b also becomes sufficiently high. Therefore, it is possible to suppress the variation in the photoelectric conversion characteristics between the photodiodes 3a due to the variation in the height of the second barrier.
【0105】図4に、上記の固体撮像装置に形成されて
いるフォトダイオード3aの光電変換特性A1,A2、
A3を示す。FIG. 4 shows the photoelectric conversion characteristics A1, A2, and A3 of the photodiode 3a formed in the solid-state imaging device.
A3 is shown.
【0106】線形領域R1においてのみならず、飽和領
域R2においても、各フォトダイオード間の光電変換特
性にはほとんどばらつきが生じていない。In the saturation region R2 as well as in the linear region R1, there is almost no variation in the photoelectric conversion characteristics between the photodiodes.
【0107】従って、線形領域R1から飽和領域R2に
かけての広い入射光量にわたって、各フォトダイオード
間で均一な出力信号電圧を得ることができ、ダイナミッ
クレンジを広げることができる。Therefore, a uniform output signal voltage can be obtained between the photodiodes over a wide incident light amount from the linear region R1 to the saturation region R2, and the dynamic range can be expanded.
【0108】加えて、pウェル層とは別に、高濃度のp
型半導体層を挿入することにより、従来の構造に比べて
ポテンシャルバリアの高さを高くすることができる。In addition, separately from the p-well layer, a high concentration of p
By inserting the type semiconductor layer, the height of the potential barrier can be increased as compared with the conventional structure.
【0109】従って、同じフォトダイオードの受光面積
で比べた場合に、線形領域R1の幅自体も広くすること
ができる。Therefore, the width of the linear region R1 itself can be increased when compared with the light receiving area of the same photodiode.
【0110】以上説明したように、上記第1の実施の形
態による固体撮像装置においては、線形領域のみならず
飽和領域R2における光電変換特性も各フォトダイオー
ド間でほとんど一定になる。従って、上記の固体撮像装
置を用いれば、線形領域だけではなく飽和領域をも利用
することが可能となる。固体撮像装置におけるダイナミ
ックレンジを広げることができる。As described above, in the solid-state imaging device according to the first embodiment, the photoelectric conversion characteristics in the saturation region R2 as well as in the linear region are almost constant among the photodiodes. Therefore, if the above-mentioned solid-state imaging device is used, it is possible to use not only a linear region but also a saturation region. The dynamic range of the solid-state imaging device can be expanded.
【0111】加えて、フォトダイオードと垂直電荷転送
路との境界部分における遮光の不完全性や多重反射によ
る側面からの光の混入等の要因によって生じる光の混入
に起因するスミア現象と、基板側へ電荷を引き抜く際に
おけるpウェル層のバリア高さの変動に起因する蓄積電
荷量の変動現象とを分離することができる。スミア現象
の程度を精度良く把握することができる。In addition, a smear phenomenon caused by light mixing caused by factors such as imperfect light shielding at the boundary between the photodiode and the vertical charge transfer path and light mixing from the side due to multiple reflection, and It is possible to separate the fluctuation phenomenon of the accumulated charge amount caused by the fluctuation of the barrier height of the p-well layer when extracting the electric charges. The degree of the smear phenomenon can be accurately grasped.
【0112】次に、第1の実施の形態による固体撮像装
置の第1の変形例について図5に基づき説明する。Next, a first modification of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
【0113】図5は、固体撮像装置Cと、固体撮像装置
CのVa−Va線断面に沿ったポテンシャルプロファイ
ルとを示す。FIG. 5 shows a solid-state imaging device C and a potential profile of the solid-state imaging device C along a section taken along line Va-Va.
【0114】図5に示す固体撮像装置Cにおいて、図2
の示す固体撮像装置Bと同じ構成要素には同じ符号を付
して、その詳細な説明は省略する。In the solid-state imaging device C shown in FIG.
The same reference numerals are given to the same components as those of the solid-state imaging device B shown in FIG.
【0115】図5に示す固体撮像装置Cは、n型半導体
基板1とpウェル層15との間に形成されるp型半導体
層14が、n型半導体基板1側に形成される第1のp型
半導体層14aとその上に形成される第2のp型半導体
層14bとの、少なくとも2層を含んでいる点で図2に
示す固体撮像装置Bと異なる。その他の構成要素、及び
それらの各パラメータ(p型又はn型の不純物の種類、
不純物濃度、層の厚さ等)は図2に示す実施例同様で良
い。In the solid-state imaging device C shown in FIG. 5, a p-type semiconductor layer 14 formed between the n-type semiconductor substrate 1 and the p-well layer 15 is formed on the n-type semiconductor substrate 1 side. The solid-state imaging device B shown in FIG. 2 differs from the solid-state imaging device B shown in FIG. Other components and their respective parameters (type of p-type or n-type impurity,
The impurity concentration, layer thickness, etc.) may be the same as in the embodiment shown in FIG.
【0116】第1のp型半導体層14aのp型不純物濃
度は、2×1018cm-3であり、厚さは1μmである。
第2のp型半導体層14bのp型不純物濃度は、5×1
018cm-3であり、厚さは1μmである。p型半導体層
14中におけるp型不純物濃度は、第1のp型半導体層
14a内及び第2のp型半導体層14b内において、そ
れぞれ、ほぼ均一である。The first p-type semiconductor layer 14a has a p-type impurity concentration of 2 × 10 18 cm −3 and a thickness of 1 μm.
The p-type impurity concentration of the second p-type semiconductor layer 14b is 5 × 1
0 18 cm -3 and a thickness of 1 μm. The p-type impurity concentration in the p-type semiconductor layer 14 is substantially uniform in each of the first p-type semiconductor layer 14a and the second p-type semiconductor layer 14b.
【0117】第1のp型半導体層14a及び第2のp型
半導体層14bは、好ましくは、上述のエピタキシャル
成長法により形成する。加速エネルギーを変化させて数
回以上のイオン注入を行う多重イオン注入法を用いても
良い。The first p-type semiconductor layer 14a and the second p-type semiconductor layer 14b are preferably formed by the above-described epitaxial growth method. A multiple ion implantation method in which ion implantation is performed several times or more while changing the acceleration energy may be used.
【0118】図5に、フォトダイオード3aの領域を縦
方向に切断した場合の、半導体基板1からn型半導体層
12までのVa−Vb線に沿ったポテンシャルを併せて
示す。FIG. 5 also shows the potential along the line Va-Vb from the semiconductor substrate 1 to the n-type semiconductor layer 12 when the region of the photodiode 3a is cut in the vertical direction.
【0119】n型半導体基板1は、基板電位Vsubに
設定される。The n-type semiconductor substrate 1 is set at the substrate potential Vsub.
【0120】深さ方向のポテンシャル形状は、第1のp
型半導体層14aにおいて高くなり深さ方向(厚さ方
向)にほぼ均一なポテンシャルプロファイル(ポテンシ
ャル:VB1)が形成される。第2のp型半導体層14
bにおいては、ポテンシャルの高さはさらに高くなり、
深さ方向(厚さ方向)にほぼ均一なポテンシャルプロフ
ァイル(ポテンシャル:VB2)が形成される。The potential shape in the depth direction is the first p
In the mold semiconductor layer 14a, the potential profile becomes higher and a substantially uniform potential profile (potential: VB1) is formed in the depth direction (thickness direction). Second p-type semiconductor layer 14
In b, the height of the potential becomes even higher,
A substantially uniform potential profile (potential: VB2) is formed in the depth direction (thickness direction).
【0121】pウェル15内におけるポテンシャル(V
a)はp型半導体層14におけるポテンシャル高さ(V
B1、VB2)に比べて低くなる。n型半導体層12内
におけるポテンシャルは、pウェル15内におけるポテ
ンシャル(Va)に比べてさらに低くなる。The potential (V) in the p well 15
a) is a potential height (V) in the p-type semiconductor layer 14;
B1, VB2). The potential in the n-type semiconductor layer 12 is lower than the potential (Va) in the p-well 15.
【0122】n型半導体基板1、第1及び第2のp型半
導体層14a、14b、pウェル15、n型半導体層1
2の各層間の界面付近に空乏層が形成される。N-type semiconductor substrate 1, first and second p-type semiconductor layers 14a and 14b, p-well 15, n-type semiconductor layer 1
A depletion layer is formed near the interface between the two layers.
【0123】図5に示す固体撮像装置Cにおいて、n型
半導体層12内に蓄積される電荷量に最も大きな影響を
与えるのは、n型半導体層12とn型半導体基板1との
間において最も高いポテンシャルを有する領域、すなわ
ち、第2のp型半導体領域14bのポテンシャルであ
る。In the solid-state imaging device C shown in FIG. 5, the electric charge accumulated in the n-type semiconductor layer 12 has the greatest influence between the n-type semiconductor layer 12 and the n-type semiconductor substrate 1. This is a region having a high potential, that is, a potential of the second p-type semiconductor region 14b.
【0124】第2のp型半導体領域14bにおける不純
物濃度自体が高いため、バリア高さVB2が高くなる。
上記のドーピング濃度の例によれば、ポテンシャルVa
は、約1.02eV、ポテンシャルVB1は約1.04
eV、ポテンシャルVB2は、約1.06eVである。
従来の構造(図10)におけるバリア高さVaに比べて
0.04eV程度高くなる。Since the impurity concentration itself in the second p-type semiconductor region 14b is high, the barrier height VB2 increases.
According to the above doping concentration example, the potential Va
Is about 1.02 eV and the potential VB1 is about 1.04
eV and potential VB2 are about 1.06 eV.
The height is about 0.04 eV higher than the barrier height Va in the conventional structure (FIG. 10).
【0125】さらに、第1及び第2のp型半導体層14
a、14b中においては、ポテンシャルバリアの高さV
B1、VB2は厚さ方向にほぼ均一である。第2のp型
半導体領域14bとpウェル層15との間の界面におけ
る空乏層の幅も狭くなる。バリア高さVB2が深さ方向
に均一な領域が広く、かつ、空乏層も狭いため、ポテン
シャルバリアの高さVB2に関して、電位の変動の影響
を受けにくい。Further, the first and second p-type semiconductor layers 14
a, 14b, the height V of the potential barrier
B1 and VB2 are substantially uniform in the thickness direction. The width of the depletion layer at the interface between second p-type semiconductor region 14b and p-well layer 15 is also reduced. Since the region where the barrier height VB2 is uniform in the depth direction is wide and the depletion layer is narrow, the height VB2 of the potential barrier is hardly affected by potential fluctuation.
【0126】フォトダイオード3aに電荷を蓄積する時
(露光時)に、垂直電荷転送電極3cに高い負の電圧を
印加すれば、トランスファーゲート3bにより形成され
るバリア(第2のバリア)の高さも十分高くなる。When a high negative voltage is applied to the vertical charge transfer electrode 3c when charges are accumulated in the photodiode 3a (during exposure), the height of the barrier (second barrier) formed by the transfer gate 3b is increased. Will be high enough.
【0127】加えて、画素分離層17の不純物濃度は、
第2のp型不純物層14bの不純物濃度よりも高い。In addition, the impurity concentration of the pixel separation layer 17 is
The impurity concentration is higher than the impurity concentration of the second p-type impurity layer 14b.
【0128】従って、上述の第1から第3までのバリア
高さの変動に起因する、各フォトダイオード3a間の光
電変換特性のばらつきを抑えることが可能である。Accordingly, it is possible to suppress the variation in the photoelectric conversion characteristics between the photodiodes 3a due to the above-described variation in the barrier height from the first to the third.
【0129】さらに、高濃度のp型不純物濃度を有する
第2のp型半導体層14bを形成する際に、第2のp型
半導体層14bよりもp型不純物の濃度が低い第1のp
型半導体層14aが、第2のp型半導体層14bとn型
半導体基板1との間に形成されているため、第2のp型
半導体層14b中に存在するp型不純物のn型半導体基
板1中への拡散を低減することができる。Further, when forming the second p-type semiconductor layer 14b having a high p-type impurity concentration, the first p-type impurity having a lower p-type impurity concentration than the second p-type semiconductor layer 14b is formed.
Since the type semiconductor layer 14a is formed between the second p-type semiconductor layer 14b and the n-type semiconductor substrate 1, the n-type semiconductor substrate of the p-type impurity existing in the second p-type semiconductor layer 14b 1 can be reduced.
【0130】以上説明したように、第1の実施の形態及
びその変形例による固体撮像装置B,Cにおいては、飽
和領域R2におけるフォトダイオードの光電変換特性
が、同一固体撮像装置内の各フォトダイオード間でほと
んど一定になる。As described above, in the solid-state imaging devices B and C according to the first embodiment and the modifications thereof, the photoelectric conversion characteristics of the photodiodes in the saturation region R2 are different from those in the same solid-state imaging device. Become almost constant between.
【0131】従って、上記の固体撮像装置B又は固体撮
像装置Cを用いれば、線形領域だけではなく飽和領域を
も利用することが可能となり、固体撮像装置におけるダ
イナミックレンジを広げることができる。Therefore, if the solid-state imaging device B or C is used, not only the linear region but also the saturation region can be used, and the dynamic range of the solid-state imaging device can be expanded.
【0132】尚、上記の第1の実施の形態の固体撮像装
置の変形例において、第1の(p型)半導体層14a、
第2の(p型)半導体層14b、(p)ウェル層15の
全てがp型導電型半導体層である構造について説明した
が、この構造に限定されるものではない。In the modification of the solid-state imaging device according to the first embodiment, the first (p-type) semiconductor layer 14a,
Although the structure in which the second (p-type) semiconductor layer 14b and the (p) well layer 15 are all p-type conductive semiconductor layers has been described, the present invention is not limited to this structure.
【0133】例えば、pウェル層15がn型不純物がド
ーピングされたn型半導体層であっても良い。また、第
2の半導体層14bのみがp型であり、第1の半導体層
14a及びウェル層15がn型であっても良い。要する
にフォトダイオード内に蓄積された荷電粒子にとってポ
テンシャルバリアとなる層が半導体基板とフォトダイオ
ードとの間に存在し、このポテンシャルが比較的高く、
かつ、ポテンシャルプロファイルがほぼ均一であれば良
い。For example, the p-well layer 15 may be an n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity. Further, only the second semiconductor layer 14b may be p-type, and the first semiconductor layer 14a and the well layer 15 may be n-type. In short, a layer serving as a potential barrier for charged particles accumulated in the photodiode exists between the semiconductor substrate and the photodiode, and this potential is relatively high.
In addition, it is only necessary that the potential profile be substantially uniform.
【0134】さらに、第1の実施の形態による固体撮像
装置B及びその変形例による固体撮像装置Cにおいて、
p型半導体層14の厚さとして2μmを例示した。p型
半導体層14の厚さは、2μmよりも薄くても良い。但
し、n型半導体基板1に対して高い正の電圧、例えば1
0V程度の電圧を印加した場合においても、ほぼ均一な
ポテンシャルプロファイルを有する領域が少なくとも
0.1μmから0.2μm程度は残ることが望ましい。
フォトダイオードに過剰に蓄積された電子は、ポテンシ
ャルバリア層を拡散により移動する。ほぼ均一なポテン
シャルプロファイルを有する領域が厚すぎると、電子の
引き抜きに要する時間が増大する。従って、ほぼ均一な
ポテンシャルプロファイルを有する領域の厚さは、動作
状態においてあまり厚すぎない方がよい。Further, in the solid-state imaging device B according to the first embodiment and the solid-state imaging device C according to the modified example thereof,
2 μm was exemplified as the thickness of the p-type semiconductor layer 14. The thickness of the p-type semiconductor layer 14 may be smaller than 2 μm. However, a high positive voltage, for example, 1 with respect to the n-type semiconductor substrate 1
Even when a voltage of about 0 V is applied, it is desirable that a region having a substantially uniform potential profile remains at least about 0.1 μm to 0.2 μm.
The electrons excessively accumulated in the photodiode move through the potential barrier layer by diffusion. If the region having a substantially uniform potential profile is too thick, the time required to extract electrons increases. Therefore, the thickness of the region having a substantially uniform potential profile should not be too thick in the operating state.
【0135】次に、本発明の第2の実施の形態による固
体撮像装置について、図6及び図7に基づいて説明す
る。Next, a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
【0136】図6は、第1の実施の形態における図1に
対応する平面図であり、図7は、図6のVII−VII
線に沿う断面図である。FIG. 6 is a plan view corresponding to FIG. 1 in the first embodiment, and FIG. 7 is a VII-VII of FIG.
It is sectional drawing which follows a line.
【0137】図6に示すように、第2の実施の形態によ
る固体撮像装置Dは、半導体基板51表面の2次元平面
上において、行方向及び列方向に整列して配置された複
数の画素53を含む。画素53は、光電変換素子(フォ
トダイオード)53aを含む。列方向に並ぶ複数の各光
電変換素子列53aに近接して、垂直電荷転送路65が
それぞれ垂直方向に延びている。光電変換素子53aと
垂直電荷転送路65との間に、トランスファーゲート5
3bが設けられている。As shown in FIG. 6, a solid-state imaging device D according to the second embodiment has a plurality of pixels 53 arranged in a row and a column on a two-dimensional plane of the surface of a semiconductor substrate 51. including. The pixel 53 includes a photoelectric conversion element (photodiode) 53a. The vertical charge transfer paths 65 extend in the vertical direction, respectively, near the plurality of photoelectric conversion element columns 53a arranged in the column direction. A transfer gate 5 is provided between the photoelectric conversion element 53a and the vertical charge transfer path 65.
3b is provided.
【0138】垂直電荷転送路65の一端に、水平電荷転
送路67が設けられている。水平電荷転送路67の一端
に、出力アンプ68が設けられている。At one end of the vertical charge transfer path 65, a horizontal charge transfer path 67 is provided. An output amplifier 68 is provided at one end of the horizontal charge transfer path 67.
【0139】図7に、図6のVII−VII線に沿った
断面図を示す。FIG. 7 is a sectional view taken along the line VII-VII of FIG.
【0140】図7に示すように、固体撮像装置Dは、n
型不純物がドーピングされた半導体基板(n型半導体基
板)51と、その上に形成されたp型不純物がドーピン
グされたp型半導体層54と、同じくp型不純物がドー
ピングされたpウェル層55とを含む。以下、図6を参
照しつつ、図7に基づいて固体撮像装置Dの構造につい
て詳細に説明する。As shown in FIG. 7, the solid-state imaging device D has n
A semiconductor substrate (n-type semiconductor substrate) 51 doped with a p-type impurity, a p-type semiconductor layer 54 doped with a p-type impurity formed thereon, and a p-well layer 55 similarly doped with a p-type impurity. including. Hereinafter, the structure of the solid-state imaging device D will be described in detail with reference to FIG.
【0141】固体撮像装置Dは、線L1(図6、図7)
を境界線として、撮像部Xと周辺部Yとに分けて考える
ことができる。撮像部Xに、光電変換素子53aを含む
画素53及び垂直電荷転送路65等が形成されている。
周辺部Yに、水平電荷転送路67及び出力アンプ71等
が形成されている。The solid-state imaging device D has a line L1 (FIGS. 6 and 7).
Can be considered as a boundary line, divided into an imaging unit X and a peripheral part Y. In the imaging unit X, the pixels 53 including the photoelectric conversion elements 53a, the vertical charge transfer paths 65, and the like are formed.
In the peripheral portion Y, a horizontal charge transfer path 67, an output amplifier 71, and the like are formed.
【0142】撮像部Xに第1のpウェル層55aが、周
辺部Yに第2のpウェル層55bが形成されている。第
1のpウェル層55aの不純物濃度は、第2のpウェル
層55bの不純物濃度に比べて低くなっている。A first p-well layer 55a is formed in the imaging section X, and a second p-well layer 55b is formed in the peripheral section Y. The impurity concentration of the first p-well layer 55a is lower than the impurity concentration of the second p-well layer 55b.
【0143】周辺部Yのpウェル層55bの不純物濃度
を高くする理由は、周辺部にはフォトダイオードを形成
しないため、光電変換のために必要な所定の厚さの空乏
層を形成する必要がなく、かつ、水平電荷転送路67の
下のp型不純物濃度を高くすれば、水平電荷転送路67
内を転送される電荷(電子)がpウェル層を突き抜けて
n型半導体基板51に抜ける、いわゆる電子のパンチス
ルー現象を防止することができるからである。The reason for increasing the impurity concentration of the p-well layer 55b in the peripheral portion Y is that a photodiode is not formed in the peripheral portion, so that a depletion layer having a predetermined thickness required for photoelectric conversion needs to be formed. And if the p-type impurity concentration below the horizontal charge transfer path 67 is increased, the horizontal charge transfer path 67
This is because it is possible to prevent a so-called electron punch-through phenomenon, in which electric charges (electrons) transferred inside pass through the p-well layer and pass through the n-type semiconductor substrate 51.
【0144】第1の実施の形態による固体撮像装置の場
合と同様に、p型半導体層54の不純物濃度は撮像部X
のpウェル層(第1のpウェル)55aの不純物濃度よ
りも高い。p型半導体層54は、好ましくは、深さ方向
(厚さ方向)にほぼ均一な濃度で形成されていることが
好ましい。As in the case of the solid-state imaging device according to the first embodiment, the impurity concentration of the p-type semiconductor layer
Is higher than the impurity concentration of the p-well layer (first p-well) 55a. The p-type semiconductor layer 54 is preferably formed with a substantially uniform concentration in the depth direction (thickness direction).
【0145】第1のpウェル層55a内に、n型不純物
がドーピングされた垂直電荷転送路65が形成されてい
る。第2のpウェル層67a内に、n型不純物がドーピ
ングされた水平電荷転送路67が形成されている。垂直
電荷転送路65と水平電荷転送路67との間には、n型
不純物がドーピングされ垂直電荷転送路65から水平電
荷転送路67へと電荷を転送する電荷転送部66が形成
されている。絶縁膜61を介して、垂直電荷転送路65
上に垂直電荷転送電極65aが、電荷転送部66上に電
荷転送電極66aが、水平電荷転送路67上に水平電荷
転送電極67aが形成されている。A vertical charge transfer path 65 doped with an n-type impurity is formed in the first p-well layer 55a. A horizontal charge transfer path 67 doped with an n-type impurity is formed in the second p-well layer 67a. Between the vertical charge transfer path 65 and the horizontal charge transfer path 67, there is formed a charge transfer section 66 doped with an n-type impurity and transferring the charge from the vertical charge transfer path 65 to the horizontal charge transfer path 67. The vertical charge transfer path 65 is provided via the insulating film 61.
A vertical charge transfer electrode 65a is formed on the upper part, a charge transfer electrode 66a is formed on the charge transfer part 66, and a horizontal charge transfer electrode 67a is formed on the horizontal charge transfer path 67.
【0146】第1のpウェル層55a内のフィールド領
域には、高濃度のp型不純物がドーピングされた画素分
離層が形成される。A pixel isolation layer doped with a high concentration of p-type impurity is formed in a field region in the first p-well layer 55a.
【0147】撮像部X及び周辺部Yを除く領域の少なく
とも一部の領域(電極引き出し領域)Zに、高濃度のn
型半導体層71、73が形成されている。高濃度のn型
半導体層71、73は、表面から少なくともn型半導体
基板51の表面まで形成されている。高濃度のn型半導
体層71、73により、n型半導体基板51に対して電
気的接続を形成することができ、表面側から基板バイア
スを印加することができる。At least a part (electrode lead-out area) Z of the area excluding the imaging part X and the peripheral part Y is provided with a high-density n.
Type semiconductor layers 71 and 73 are formed. The high-concentration n-type semiconductor layers 71 and 73 are formed from the surface to at least the surface of the n-type semiconductor substrate 51. The high-concentration n-type semiconductor layers 71 and 73 can form an electrical connection to the n-type semiconductor substrate 51, and can apply a substrate bias from the front side.
【0148】次に、上記の構造を有する固体撮像装置D
の製造方法について説明する。尚、基本的な製造工程
は、第1の実施の形態において説明した製造工程と同様
である。第1の実施の形態による固体撮像装置の製造方
法と同じ工程は簡単に説明し、それと異なる工程をより
詳細に説明する。Next, the solid-state imaging device D having the above structure
A method of manufacturing the device will be described. The basic manufacturing process is the same as the manufacturing process described in the first embodiment. The same steps as those in the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment will be briefly described, and the different steps will be described in more detail.
【0149】まず、n型半導体基板51を準備する。n
型半導体基板51の不純物濃度は、例えば1×1015c
m-3である。First, an n-type semiconductor substrate 51 is prepared. n
The impurity concentration of the type semiconductor substrate 51 is, for example, 1 × 10 15 c
m -3 .
【0150】n型半導体基板51上に、エピタキシャル
成長法を用いて、p型半導体層54を成長する。p型半
導体層54の不純物濃度は、1016cm-3台であり、例
えば5×1016cm-3である。厚さは例えば2μmであ
る。A p-type semiconductor layer 54 is grown on an n-type semiconductor substrate 51 by using an epitaxial growth method. The impurity concentration of the p-type semiconductor layer 54 is of the order of 10 16 cm −3 , for example, 5 × 10 16 cm −3 . The thickness is, for example, 2 μm.
【0151】好ましくは、p型半導体層54の不純物濃
度は深さ方向にほぼ等しい。深さ方向(厚さ方向)に均
一な濃度で形成するためには、p型半導体層54をエピ
タキシャル成長する方法が好ましい。Preferably, the impurity concentration of p-type semiconductor layer 54 is substantially equal in the depth direction. In order to form a uniform concentration in the depth direction (thickness direction), a method of epitaxially growing the p-type semiconductor layer 54 is preferable.
【0152】深さ方向(厚さ方向)に均一な濃度で形成
するためのその他の方法としては、いわゆる多重イオン
注入法を用いることも可能である。イオン注入法により
形成される不純物の濃度プロファイルは、概略、深さ
(厚さ)方向にガウス分布を示す。イオン注入を異なる
加速エネルギーで数回にわたって行うと、深さ方向にほ
ぼ均一な濃度分布を有するp型不純物層54を形成する
ことが可能である。As another method for forming a uniform concentration in the depth direction (thickness direction), a so-called multiple ion implantation method can be used. The concentration profile of the impurity formed by the ion implantation generally shows a Gaussian distribution in the depth (thickness) direction. When ion implantation is performed several times with different acceleration energies, it is possible to form the p-type impurity layer 54 having a substantially uniform concentration distribution in the depth direction.
【0153】次に、p型半導体層上にpウェル層55を
形成する。pウェル層55中のp型不純物の濃度は10
17cm-3台であり、例えば、2×1017cm-3である。
pウェル層15の厚さは例えば2μmである。Next, a p-well layer 55 is formed on the p-type semiconductor layer. The concentration of the p-type impurity in p-well layer 55 is 10
It is on the order of 17 cm -3 , for example, 2 × 10 17 cm -3 .
The thickness of the p-well layer 15 is, for example, 2 μm.
【0154】周辺部Yに開口を有するパターンを、例え
ば酸化膜により形成する。酸化膜により形成されたパタ
ーンをマスクとして、周辺部Yのpウェル層55をエッ
チングにより除去する。撮像部Xには、第1のpウェル
層55aが残る。A pattern having an opening in the peripheral portion Y is formed by, for example, an oxide film. Using the pattern formed by the oxide film as a mask, the p-well layer 55 in the peripheral portion Y is removed by etching. The first p-well layer 55a remains in the imaging unit X.
【0155】この時点でn型不純物のイオン注入を行
う。周辺部Yのpウェル層55がエッチングされている
ため、露出された表面付近にn型不純物濃度のピークが
くるようにイオン注入すれば良い。深さ方向に対する制
御性良くn型半導体領域71を形成できる。At this point, ion implantation of an n-type impurity is performed. Since the p-well layer 55 in the peripheral portion Y has been etched, ions may be implanted so that the peak of the n-type impurity concentration comes near the exposed surface. The n-type semiconductor region 71 can be formed with good controllability in the depth direction.
【0156】エッチングに用いた酸化膜パターンをマス
クとして、周辺部Yのp型半導体層54上に、選択成長
法により第2のpウェル層55bを形成する。第2のp
ウェル層55aの不純物濃度は、第1のpウェル層55
bの不純物濃度に比べて高い。Using the oxide film pattern used for etching as a mask, a second p-well layer 55b is formed on p-type semiconductor layer 54 in peripheral portion Y by a selective growth method. The second p
The impurity concentration of the well layer 55a is
It is higher than the impurity concentration of b.
【0157】第2のpウェル層55bのp型不純物濃度
は、2×1017cm-3である。第2のpウェル層55b
の厚さは2μmである。The p-type impurity concentration of second p-well layer 55b is 2 × 10 17 cm −3 . Second p-well layer 55b
Has a thickness of 2 μm.
【0158】次に、高濃度のp型半導体層からなる画素
分離領域を例えばイオン注入法により形成する。画素分
離層は、pウェル層55を貫通し、少なくともp型半導
体層54の表面に到達する深さまで形成する。画素分離
層におけるp型不純物濃度は、例えば5×1018cm-3
である。Next, a pixel isolation region composed of a high-concentration p-type semiconductor layer is formed by, for example, an ion implantation method. The pixel separation layer penetrates the p-well layer 55 and is formed at least to a depth that reaches the surface of the p-type semiconductor layer 54. The p-type impurity concentration in the pixel separation layer is, for example, 5 × 10 18 cm −3.
It is.
【0159】尚、画素分離層は、pウェル層55内に少
なくともp型半導体層54の表面まで到達する溝を形成
した後に、この溝の中に絶縁膜を充填することにより形
成しても良い。The pixel separation layer may be formed by forming a groove reaching at least the surface of the p-type semiconductor layer 54 in the p-well layer 55 and then filling the groove with an insulating film. .
【0160】次に、n型半導体層をイオン注入法により
形成する。Next, an n-type semiconductor layer is formed by an ion implantation method.
【0161】フォトダイオード53a用のn型半導体層
は、例えばPイオンを加速エネルギー1MeV、ドーズ
量5×1014cm-2の条件でイオン注入することにより
形成する。The n-type semiconductor layer for the photodiode 53a is formed, for example, by implanting P ions under the conditions of an acceleration energy of 1 MeV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 .
【0162】垂直電荷転送路65用のn型半導体層は、
例えばPイオンを加速エネルギー500keV、ドーズ
量1×1015cm-2の条件でイオン注入することにより
形成する。The n-type semiconductor layer for the vertical charge transfer path 65
For example, P ions are formed by ion implantation under the conditions of an acceleration energy of 500 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 .
【0163】電極引き出し領域Zに既に形成されている
n型半導体層71の上の領域に、P又はAsイオンを高
エネルギー、かつ、高濃度でイオン注入することによ
り、高濃度のn型半導体層73を形成することができ
る。By implanting P or As ions at a high energy and a high concentration into the region above the n-type semiconductor layer 71 already formed in the electrode lead region Z, a high-concentration n-type semiconductor layer is formed. 73 can be formed.
【0164】イオン注入後に、例えば600℃〜100
0℃の間の温度で、注入イオンを活性化するためのアニ
ールを行う。After the ion implantation, for example, from 600 ° C. to 100
Annealing is performed at a temperature between 0 ° C. to activate the implanted ions.
【0165】pウェル層55の上に酸化膜61を形成す
る。酸化膜の厚さは例えば1μmである。An oxide film 61 is formed on p well layer 55. The thickness of the oxide film is, for example, 1 μm.
【0166】垂直電荷転送電極65a、電荷転送電極6
6a及び水平電荷転送電極67a用の多結晶シリコン層
を堆積し、加工する。尚、第1層目の多結晶シリコン層
(1ポリ)と第2層目の多結晶シリコン層(2ポリ)と
で上記の電荷転送電極65a、66a、67aを形成す
る場合には、第1層目と第2層目の多結晶シリコン層の
間に絶縁膜が形成される。The vertical charge transfer electrode 65a, the charge transfer electrode 6
6a and a polycrystalline silicon layer for the horizontal charge transfer electrode 67a are deposited and processed. When the charge transfer electrodes 65a, 66a, and 67a are formed by the first polycrystalline silicon layer (1 poly) and the second polycrystalline silicon layer (2 poly), the first An insulating film is formed between the first and second polycrystalline silicon layers.
【0167】多結晶シリコン層上に、層間絶縁膜を形成
する。層間絶縁膜としては、例えばスパッタ法により形
成された酸化膜又窒化膜を用いる。層間絶縁膜の厚さ
は、例えば1μmである。On the polycrystalline silicon layer, an interlayer insulating film is formed. As the interlayer insulating film, for example, an oxide film or a nitride film formed by a sputtering method is used. The thickness of the interlayer insulating film is, for example, 1 μm.
【0168】次いで、例えばAlにより遮光膜が形成さ
れる。遮光膜は、フォトダイオードの受光部に開口が形
成されている。Next, a light-shielding film is formed of, for example, Al. The light-shielding film has an opening formed in the light receiving portion of the photodiode.
【0169】遮光膜の開口の上部にカラーフィルタ、マ
イクロレンズ等が形成される。A color filter, a micro lens, and the like are formed above the opening of the light shielding film.
【0170】尚、上記第1及び第2の実施の形態による
固体撮像装置において、p型半導体層は、Siに限定さ
れない。例えば、Siよりもバンドギャップの広いSi
Cを用いても良い。In the solid-state imaging devices according to the first and second embodiments, the p-type semiconductor layer is not limited to Si. For example, Si having a wider band gap than Si
C may be used.
【0171】また、半導体基板の導電型をn型とし、ウ
ェル層の導電型をp型とした固体撮像装置について説明
したが、本発明の固体撮像装置は、p型半導体基板を用
い、ウェル層の導電型をn型とした固体撮像装置に適用
することも可能である。Further, the solid-state imaging device in which the conductivity type of the semiconductor substrate is n-type and the conductivity type of the well layer is p-type has been described. It is also possible to apply the present invention to a solid-state imaging device having the n-type conductivity.
【0172】次に、本発明の第3の実施の形態による固
体撮像装置について、図8に基づき説明する。Next, a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【0173】図8に示す固体撮像装置Eは、ラインセン
サーである。The solid-state imaging device E shown in FIG. 8 is a line sensor.
【0174】図8に示すように、ラインセンサーEは、
エリアセンサーの水平電荷転送路と同様の構造を有する
1本の電荷転送路75と、電荷転送路75に近接して形
成される光電変換素子(フォトダイオード)73aと、
電荷転送路75とフォトダイオード73aとの間に形成
されたトランスファーゲート73bとを有している。As shown in FIG. 8, the line sensor E
One charge transfer path 75 having the same structure as the horizontal charge transfer path of the area sensor, a photoelectric conversion element (photodiode) 73a formed close to the charge transfer path 75,
It has a transfer gate 73b formed between the charge transfer path 75 and the photodiode 73a.
【0175】電荷転送路75は、ウェル層(W)とバリ
ア層(B)とが交互に並んだ構造を有している。フォト
ダイオード73aはトランスファーゲート73bを介し
て電荷転送路のウェル領域(W)と連絡している。ウェ
ル層(W)とバリア層(B)とは、pウェル層内に形成
されたn型半導体層である。ウェル層を形成するn型半
導体層は、バリア層を形成するn型半導体層と比べて高
いn型不純物濃度を有する。The charge transfer path 75 has a structure in which well layers (W) and barrier layers (B) are alternately arranged. The photodiode 73a is in communication with the well region (W) of the charge transfer path via the transfer gate 73b. The well layer (W) and the barrier layer (B) are n-type semiconductor layers formed in the p-well layer. The n-type semiconductor layer forming the well layer has a higher n-type impurity concentration than the n-type semiconductor layer forming the barrier layer.
【0176】一のフォトダイオード73aとそれと隣接
する別のフォトダイオード73aとに接続される一のウ
ェル層Wの間に、一のバリア層(B)、別のウェル層
(W)、別のバリア層(B)の3つの層が交互に並んで
いる。Between one well layer W connected to one photodiode 73a and another photodiode 73a adjacent to it, one barrier layer (B), another well layer (W), another barrier layer The three layers of the layer (B) are alternately arranged.
【0177】フォトダイオード73a、トランスファー
ゲート73b、電荷転送路75を形成するラインセンサ
ーの断面構造(VIII−VIII線断面)は、第1の
実施の形態による固体撮像装置B,Cの断面構造(図
2、図5参照)とほぼ同様である。図2、図5の垂直電
荷転送路は、図8の電荷転送路75では、n型半導体層
がウェル層とバリア層とを形成している点を除けば、図
8にほぼ対応する構造を有する。The cross-sectional structure (cross section taken along line VIII-VIII) of the line sensor forming the photodiode 73a, the transfer gate 73b, and the charge transfer path 75 is the cross-sectional structure of the solid-state imaging devices B and C according to the first embodiment (FIG. 2, see FIG. 5). The vertical charge transfer path of FIGS. 2 and 5 has a structure substantially corresponding to that of FIG. 8 except that the n-type semiconductor layer forms a well layer and a barrier layer in the charge transfer path 75 of FIG. Have.
【0178】電荷転送路75上に、電荷転送電極77が
形成されている。ウェル層(W)上に第1層目の多結晶
シリコン(ポリシリコン)により電荷転送電極77−
1、77−3、・・・が形成されている。On the charge transfer path 75, a charge transfer electrode 77 is formed. A charge transfer electrode 77- is formed on the well layer (W) by using a first layer of polycrystalline silicon (polysilicon).
, 77-3,... Are formed.
【0179】上記ウェル層(W)とそれと隣接するバリ
ア層(B)との上に、層間絶縁膜を介して第2層目の多
結晶シリコンにより電荷転送電極77―2、77−4、
・・・が形成されている。On the well layer (W) and the barrier layer (B) adjacent to the well layer (W), the charge transfer electrodes 77-2, 77-4,
Are formed.
【0180】ウェル層(W)上には、第1層目と第2層
目の多結晶シリコンが層間絶縁膜を介して重なった構造
を有している。第1層目の多結晶シリコンと第2層目の
多結晶シリコンとは金属配線により電気的に接続され、
信号電圧φ1が印加可能になっている。これと隣接する
第1層目の多結晶シリコンと第2層目の多結晶シリコン
とも金属配線により電気的に接続され、信号電圧φ2が
印加可能になっている。On the well layer (W), the first and second layers of polycrystalline silicon have a structure in which the layers overlap with an interlayer insulating film interposed therebetween. The first layer polycrystalline silicon and the second layer polycrystalline silicon are electrically connected by metal wiring,
The signal voltage φ1 can be applied. The adjacent first and second layers of polycrystalline silicon are also electrically connected by metal wiring, so that a signal voltage φ2 can be applied.
【0181】第1層目の多結晶シリコン層をウェル層
(W)上に形成した時点でp型の不純物をイオン注入す
れば、電荷転送路中のバリア層を第1層目の多結晶シリ
コン層をイオン注入用のマスクとして自己整合的に形成
することができる。When the p-type impurity is ion-implanted at the time when the first polycrystalline silicon layer is formed on the well layer (W), the barrier layer in the charge transfer path is formed as the first polycrystalline silicon layer. The layer can be formed in a self-aligned manner as a mask for ion implantation.
【0182】尚、一のフォトダイオード77aと接続さ
れる電荷転送路75のウェル層(W)及びそのウェル層
(W)に隣接するバリア層(B)上に第1層目の多結晶
シリコン(ポリシリコン)により電荷転送電極を形成
し、ウェル層(W)及びバリア層(B)に隣接して形成
されるウェル層(W)及びバリア層(B)上に、第2層
目の多結晶シリコン(ポリシリコン)により電荷転送電
極を形成しても良い。The first layer of polysilicon (W) is formed on the well layer (W) of the charge transfer path 75 connected to the one photodiode 77a and the barrier layer (B) adjacent to the well layer (W). A charge transfer electrode is formed of polysilicon, and a second layer of polycrystalline is formed on the well layer (W) and the barrier layer (B) formed adjacent to the well layer (W) and the barrier layer (B). The charge transfer electrode may be formed of silicon (polysilicon).
【0183】この場合には、第1層目のポリシリコンに
より形成される電荷転送電極に信号電圧φ1が、第2層
目のポリシリコンにより形成される電荷転送電極に信号
電圧φ2が印加されるようにすれば良い。In this case, signal voltage φ1 is applied to the charge transfer electrode formed of the first-layer polysilicon, and signal voltage φ2 is applied to the charge transfer electrode formed of the second-layer polysilicon. What should I do?
【0184】複数のフォトダイオード73aから転送さ
れた電荷は、電荷転送路75上を2相駆動方式により、
出力アンプ81まで転送される。出力アンプ81により
信号電圧が増幅されて外部に読み出される。The charges transferred from the plurality of photodiodes 73a are transferred on the charge transfer path 75 by a two-phase driving method.
The data is transferred to the output amplifier 81. The signal voltage is amplified by the output amplifier 81 and read out.
【0185】図8のVIII−VIII線断面は、図2
又は図5と同様の構造である。FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII of FIG.
Or it is a structure similar to FIG.
【0186】従って、線形領域R1においてのみなら
ず、飽和領域R2においても、各フォトダイオード73
a、73a、・・・の光電変換特性にはほとんどばらつ
きが生じない。Therefore, not only in the linear region R1, but also in the saturation region R2, each photodiode 73
The photoelectric conversion characteristics of a, 73a,... hardly vary.
【0187】従って、線形領域R1から飽和領域R2に
かけての広い入射光量にわたって、各フォトダイオード
間で均一な出力信号電圧を得ることができ、ラインセン
サーにおいても、そのダイナミックレンジを広げること
ができる。Therefore, a uniform output signal voltage can be obtained between the photodiodes over a wide incident light amount from the linear region R1 to the saturation region R2, and the dynamic range of the line sensor can be widened.
【0188】尚、第1から第3までの実施の形態による
固体撮像装置においては、n型半導体装置とpウェル層
との間にポテンシャルプロファイルがほぼ一定であるp
型半導体層を挿入している。In the solid-state imaging devices according to the first to third embodiments, the potential profile between the n-type semiconductor device and the p-well layer is substantially constant.
The type semiconductor layer is inserted.
【0189】また、上記のp型半導体層の代わりに、例
えばSiCからなる半導体層を用いても良い。Siの3
00Kにおけるエネルギーバンドギャップ(Eg)が、
約1.12 eVであるのに対して、SiCの300K
におけるエネルギーバンドギャップは、約3eVと広
い。従って、上記のp型半導体層の代わりにSiCから
なる層を用いると、飽和領域における光電変換特性のバ
ラツキが抑えられる。Further, instead of the above-mentioned p-type semiconductor layer, a semiconductor layer made of, for example, SiC may be used. Si 3
The energy band gap (Eg) at 00K is
About 1.12 eV, compared to 300K of SiC
Has a wide energy band gap of about 3 eV. Therefore, when a layer made of SiC is used instead of the p-type semiconductor layer, the variation in the photoelectric conversion characteristics in the saturation region can be suppressed.
【0190】以上、上記の第1から第3までの実施の形
態においては、CCD方式の固体撮像装置を例にして説
明したが、他の固体撮像装置、例えば、CMOSセンサ
においても、光電変換部(フォトダイオード)を形成す
るpウェルとn型半導体基板との間に、均一なポテンシ
ャルプロファイルを有するバリアを形成する半導体層を
挿入することにより、光電変換特性におけるダイナミッ
クレンジを広くとることができる。As described above, in the first to third embodiments, the CCD type solid-state imaging device has been described as an example. However, in other solid-state imaging devices, for example, CMOS sensors, the photoelectric conversion unit is also used. By inserting a semiconductor layer forming a barrier having a uniform potential profile between a p-well forming a (photodiode) and an n-type semiconductor substrate, a dynamic range in photoelectric conversion characteristics can be widened.
【0191】以上、本発明を実施の形態に沿って説明し
たが、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは
当業者には自明であろう。Although the present invention has been described in connection with the preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
【0192】[0192]
【発明の効果】本発明の固体撮像装置によれば、飽和領
域における各フォトダイオードの光電変換特性のバラツ
キが減少する。According to the solid-state imaging device of the present invention, the variation in the photoelectric conversion characteristics of each photodiode in the saturation region is reduced.
【0193】従って、フォトダイオードのダイナミック
レンジを広げることが可能となる。Therefore, the dynamic range of the photodiode can be expanded.
【図1】 本発明の第1の実施の形態による固体撮像装
置の平面図である。FIG. 1 is a plan view of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 図1のII−II線に沿う断面図と、この断
面図のIIa−IIa線に沿うポテンシャルエネルギー
を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 and potential energy along the line IIa-IIa in the cross-sectional view.
【図3】 本発明の第1の実施の形態による固体撮像装
置の製造工程を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の第1の実施の形態による固体撮像装
置中のフォトダイオードの光電変換特性を示す。FIG. 4 shows a photoelectric conversion characteristic of a photodiode in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の第1の実施の形態による固体撮像装
置の変形例であり、図1のII−II線に沿う断面図
と、この断面図のVa−Va線に沿うポテンシャルエネ
ルギーを示す。FIG. 5 is a modified example of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1 and a potential energy along a Va-Va line of this cross-sectional view. .
【図6】 本発明の第2の実施の形態による固体撮像装
置の平面図である。FIG. 6 is a plan view of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
【図7】 図6のVII−VII線に沿う断面図であ
る。7 is a sectional view taken along the line VII-VII in FIG.
【図8】 本発明の第3の実施の形態によるラインセン
サーの平面図である。FIG. 8 is a plan view of a line sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図9】 従来の固体撮像装置の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a conventional solid-state imaging device.
【図10】 図9のX−X線に沿う断面図と、そのXa
−Xa線に沿ったポテンシャルプロファイルである。10 is a sectional view taken along line XX of FIG.
-It is a potential profile along the Xa line.
【図11】 従来の固体撮像装置における光電変換特性
を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating photoelectric conversion characteristics in a conventional solid-state imaging device.
A,B,C,D 固体撮像装置(エリアセンサー) E 固体撮像装置(ラインセンサー) H 平坦化膜 ML マイクロレンズ CF カラーフィルタ R1 線形領域 R2 飽和領域 X 撮像部 Y 周辺部 Z 電極引き出し領域 A1、A2、A3 フォトダイオードの光電変換特性 1、51 半導体基板(n型半導体基板) 3、53 画素 3a、53a、73a 光電変換素子(フォトダイオー
ド) 3b、51b、73b トランスファーゲート 3c 垂直電荷転送電極 5、65 垂直電荷転送路 7、67 水平電荷転送路 65a 垂直電荷転送電極 66a 電荷転送電極 67a 水平電荷転送電極 11、68、81 出力アンプ 12 n型半導体層 14 p型半導体層 15 pウェル層 17 画素分離層 21 酸化膜 24 層間絶縁膜 25 遮光膜 75 電荷転送路 77 電荷転送電極A, B, C, D Solid-state imaging device (area sensor) E Solid-state imaging device (line sensor) H Flattening film ML Micro lens CF Color filter R1 Linear region R2 Saturation region X Imaging unit Y Peripheral part Z Electrode extraction region A1, A2, A3 Photoelectric conversion characteristics of photodiode 1, 51 Semiconductor substrate (n-type semiconductor substrate) 3, 53 Pixel 3a, 53a, 73a Photoelectric conversion element (photodiode) 3b, 51b, 73b Transfer gate 3c Vertical charge transfer electrode 5, 65 vertical charge transfer path 7, 67 horizontal charge transfer path 65a vertical charge transfer electrode 66a charge transfer electrode 67a horizontal charge transfer electrode 11, 68, 81 output amplifier 12 n-type semiconductor layer 14 p-type semiconductor layer 15 p-well layer 17 pixel separation Layer 21 Oxide film 24 Interlayer insulating film 25 Light shielding film 75 Charge transfer path 7 charge transfer electrodes
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA02 AA06 AA10 AB01 BA10 BA14 CA03 DA03 DA23 DA32 DB06 EA01 EA08 EA15 FA02 FA06 FA08 FA13 FA26 FA35 FA45 GB11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M118 AA02 AA06 AA10 AB01 BA10 BA14 CA03 DA03 DA23 DA32 DB06 EA01 EA08 EA15 FA02 FA06 FA08 FA13 FA26 FA35 FA45 GB11
Claims (15)
ぼフラットなバリア高さを有する第1のポテンシャルバ
リア層と、 前記第1のポテンシャルバリア層の上に形成された第2
導電型のウェル層と、 前記第2導電型ウェル層内の表面近傍領域に列方向及び
行方向に整列した行列状に配置され、前記第2導電型ウ
ェル層とともに光電変換素子を形成する第1の第1導電
型半導体層と、 前記第2導電型ウェル層内において、前記列方向に整列
した前記第1の第1導電型半導体層に行方向に近接して
形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送す
る垂直電荷転送路を形成する第2の第1導電型半導体層
と、を含む固体撮像装置。A first conductive type semiconductor substrate; a first potential barrier layer formed on the first conductive type semiconductor substrate and having a substantially flat barrier height in a depth direction; Second layer formed on the barrier layer
A first conductive type well layer and a first conductive layer formed in a matrix near the surface in the second conductive type well layer and arranged in a column direction and a row direction to form a photoelectric conversion element together with the second conductive type well layer; A first conductivity type semiconductor layer, and a second conductivity type well layer, formed in the row direction close to the first first conductivity type semiconductor layer aligned in the column direction, in the second conductivity type well layer. A second first conductivity type semiconductor layer forming a vertical charge transfer path for transferring accumulated charges.
2導電型の高不純物濃度層である請求項1に記載の固体
撮像装置。2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first potential barrier layer is a second conductivity type high impurity concentration layer.
層と前記第2導電型ウェル層との間に、前記第1のポテ
ンシャルバリア層と異なるバリア高さを有する第2のポ
テンシャルバリア層が形成される請求項1に記載の固体
撮像装置。3. A second potential barrier layer having a barrier height different from that of the first potential barrier layer is formed between the first potential barrier layer and the second conductivity type well layer. The solid-state imaging device according to claim 1.
高さは、前記第1のポテンシャルバリア層のバリア高さ
よりも低い請求項3に記載の固体撮像装置。4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein a barrier height of the second potential barrier layer is lower than a barrier height of the first potential barrier layer.
ピタキシャル成長により形成された層である請求項3又
は4に記載の固体撮像装置。5. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the second potential barrier layer is a layer formed by epitaxial growth.
ピタキシャル成長により形成された層である請求項1か
ら5までのいずれかに記載の固体撮像装置。6. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein said first potential barrier layer is a layer formed by epitaxial growth.
記光電変換素子と前記光電変換素子と対応する前記垂直
電荷転送路との外側部に形成され、少なくとも前記第1
のポテンシャルバリア層の上面にまで達している画素分
離領域が形成されている請求項1から6までのいずれか
に記載の固体撮像装置。7. The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising: a second conductive type well layer formed outside of the photoelectric conversion element and the vertical charge transfer path corresponding to the photoelectric conversion element in the second conductivity type well layer.
7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a pixel separation region reaching the upper surface of the potential barrier layer is formed.
型半導体層により形成される請求項7に記載の固体撮像
装置。8. The solid-state imaging device according to claim 7, wherein the pixel isolation region is formed of a high-concentration second conductivity type semiconductor layer.
ェル層内に形成された溝と、 前記溝内に充填された絶縁物とを含む請求項7に記載の
固体撮像装置。9. The solid-state imaging device according to claim 7, wherein the pixel isolation region includes a groove formed in the second conductivity type well layer, and an insulator filled in the groove.
シャルバリア層のポテンシャル高さが前記第2導電型ウ
ェル層のポテンシャル高さよりも高く形成され、 さらに、前記第1の第1導電型半導体層と前記第2の第
1導電型半導体層との間の前記第2導電型ウェル層上に
設けられた電圧印加手段であって、その下の領域のポテ
ンシャルを、それ以外の前記第2導電型ウェル層のポテ
ンシャル高さよりも高くなるように制御する電圧印加手
段を含む請求項8に記載の固体撮像装置。10. A potential height of the pixel isolation region and the first potential barrier layer is formed higher than a potential height of the second conductivity type well layer, and further, the first first conductivity type semiconductor layer is formed. A voltage application means provided on the second conductivity type well layer between the second conductivity type semiconductor layer and the second first conductivity type semiconductor layer. 9. The solid-state imaging device according to claim 8, further comprising a voltage application unit that controls the potential of the well layer to be higher than the potential height.
前記第1のポテンシャルバリア層のポテンシャル高さよ
りも高い請求項8に記載の固体撮像装置。11. The potential height of the separation region is:
The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the potential is higher than a potential height of the first potential barrier layer.
第1導電型半導体層からなる請求項3から5までのいず
れかに記載の固体撮像装置。12. The second potential barrier layer,
The solid-state imaging device according to claim 3, comprising a semiconductor layer of a first conductivity type.
ぼフラットなバリア高さを有する第1のポテンシャルバ
リア層と、 前記第1のポテンシャルバリア層の上に形成された第2
導電型のウェル層と、 前記第2導電型ウェル層内の表面近傍領域に列方向及び
行方向に整列した行列状に配置され、前記第2導電型ウ
ェル層とともに光電変換素子を形成する第1の第1導電
型半導体層と、 前記第2導電型ウェル層内において、列方向に整列した
前記第1の第1導電型半導体層に行方向に近接して形成
され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する垂
直電荷転送路を形成する第2の第1導電型半導体層とを
含み、 前記光電変換素子、前記垂直電荷転送路を含む撮像部に
おける前記第2導電型ウェル層の不純物濃度と、その周
辺部における前記第2導電型ウェル層の不純物濃度とが
異なる固体撮像装置。13. A first conductive type semiconductor substrate, a first potential barrier layer formed on the first conductive type semiconductor substrate and having a substantially flat barrier height in a depth direction, and the first potential Second layer formed on the barrier layer
A first conductive type well layer and a first conductive layer formed in a matrix near the surface in the second conductive type well layer and arranged in a column direction and a row direction to form a photoelectric conversion element together with the second conductive type well layer; And a first conductive type semiconductor layer formed in the second conductive type well layer and formed in the first conductive type semiconductor layer aligned in a column direction in a row direction and accumulated in the photoelectric conversion element. A second first conductivity type semiconductor layer forming a vertical charge transfer path for transferring the transferred charge, and an impurity of the second conductivity type well layer in an imaging unit including the photoelectric conversion element and the vertical charge transfer path. A solid-state imaging device in which the concentration is different from the impurity concentration of the second conductivity type well layer in a peripheral portion thereof.
記撮像部における不純物濃度よりも高い請求項13記載
の固体撮像装置。14. The solid-state imaging device according to claim 13, wherein an impurity concentration in the peripheral portion is higher than an impurity concentration in the imaging section.
ぼフラットなバリア高さを有する第1のポテンシャルバ
リア層と、 前記第1のポテンシャルバリア層の上に形成された第2
導電型のウェル層と、前記第2導電型ウェル層内の表面
近傍領域に二次元平面上の一方向に整列配置され、複数
の前記第2導電型ウェル層とともに光電変換素子列を形
成する複数の第1の第1導電型半導体層と、 前記第2導電型ウェル層内において、前記第1の第1導
電型半導体層に水平方向に近接して形成され、前記光電
変換素子に蓄積された電荷を転送する電荷転送路を形成
する第2の第1導電型半導体層と、を含む固体撮像装
置。15. A first conductivity type semiconductor substrate, a first potential barrier layer formed on the first conductivity type semiconductor substrate and having a substantially flat barrier height in a depth direction, and the first potential Second layer formed on the barrier layer
A plurality of conductive type well layers and a plurality of second conductive type well layers, which are arranged in one direction on a two-dimensional plane in a region near a surface in the second conductive type well layers and form a plurality of the second conductive type well layers; The first first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type well layer are formed in the vicinity of the first first conductivity type semiconductor layer in the horizontal direction and accumulated in the photoelectric conversion element. A second first-conductivity-type semiconductor layer forming a charge transfer path for transferring charges.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000010913A JP2001203343A (en) | 2000-01-19 | 2000-01-19 | Solid state imaging device |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004140258A (en) * | 2002-10-18 | 2004-05-13 | Sanyo Electric Co Ltd | Solid-state imaging device and method of manufacturing the same |
| JP2012044219A (en) * | 2004-06-07 | 2012-03-01 | Canon Inc | Solid-state imaging device, and camera |
-
2000
- 2000-01-19 JP JP2000010913A patent/JP2001203343A/en not_active Withdrawn
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| JP2012044219A (en) * | 2004-06-07 | 2012-03-01 | Canon Inc | Solid-state imaging device, and camera |
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