JP4277572B2 - Solid-state imaging device and method for manufacturing solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法に関し、特に横型オーバーフロードレイン構造を採用した固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子特有の現象の一つとしてブルーミングが挙げられる。このブルーミングとは、受光部(画素)に飽和光量を越える強い光が入射すると、受光部で光電変換された信号電荷のうち過剰な電荷が当該受光部から溢れ、その溢れた電荷が垂直転送部や周囲の受光部に漏れ込み、例えば垂直転送部に漏れ込んだ場合には、光の強いところから垂直方向(上下方向)に白い筋(縞)となって画質を損なう現象を言う。
【0003】
このブルーミングの発生を抑えるために、CCD(Charge Coupled Device)型撮像素子に代表される固体撮像素子では古くから、受光部の横にオーバーフロードレイン部を隣接して形成するとともに、受光部とオーバーフロードレイン部との間にオーバーフローコントロールゲート部を配置した横型オーバーフロードレイン構造が採用されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
この横型オーバーフロードレイン構造を採用した固体撮像素子では、オーバーフロードレイン部およびオーバーフローコントロールゲート部が受光部の横に配置される構造であることから、単位セルの面積を一定とした場合、オーバーフロードレイン部およびオーバーフローコントロールゲート部の配置スペースを余分に確保しなければならなく、その分だけ受光部の面積が小さくなるため、感度の向上を図る上で不利である。
【0005】
このような観点から、近年、固体撮像素子では、例えばN型シリコン基板等の半導体基体の内部の深い位置に、例えばP型ウェル領域をオーバーフローバリア領域として形成し、当該オーバーフローバリア領域を介して過剰な電荷を基体内部に掃き捨てる縦型オーバーフロードレイン構造を採用したものが主流となっている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−335546号公報(特に、図1、図3および段落0020)
【特許文献2】
特開2002−57318号公報(特に、図2、図5および段落0031)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子においては、受光部に溜まる信号電荷によってオーバーフローバリア領域のポテンシャルが変調を受けることになるため、図7に示すように、入射光量が増えるにしたがって受光部の取り扱い電荷量(信号出力電圧値)が増加する所謂ニー(Knee)特性を持っている。一般的に、縦型オーバーフロードレイン構造を採用する固体撮像素子では、このニー特性がある故に、素子設計において、次の2点について配慮する必要がある。
1)読み出しゲート部の幅を広くして当該読み出しゲート部のブルーミング耐性を強化する。
2)垂直転送部の取り扱い電荷量にマージンを持たせる。
【0008】
しかしながら、垂直転送部の幅と受光部の面積とはトレードオフの関係にあるため、垂直転送部の幅を拡大して取り扱い電荷量を増加させることは、受光部の面積を減少させることにつながり、取り扱い電荷量の減少や受光部の開口面積の減少を意味することになる。
【0009】
また、縦型オーバーフロードレイン構造では、半導体基板にシャッター電圧を印加し、オーバーフローバリア領域のポテンシャルを深くして不要な電荷を基板内部に捨てることにより電子シャッター動作を実現している。しかしながら、多画素高密度の固体撮像素子においては、単位セルのサイズが小さくなるに従い、オーバーフローバリア領域であるP型ウェル領域に対して近傍のP型不純物領域の不純物濃度による影響を受けやすくなり、半導体基板により高い電圧を印加しないと不要な電荷を捨てることができないため、シャッター電圧が一般的に高くなるという問題もある。
【0010】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングコントロール性に優れた受光部を有する固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明による横型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子は、基板上にエピタキシャル層を介して形成された前記基板と同導電型の光電変換領域を含む受光部と、隣り合う前記受光部間に形成されたトレンチ部内に、当該トレンチ部の前記基板と同導電型の底部で前記基板に対して電気的に接続された状態で設けられ、前記受光部からの電荷を前記半導体基板に排出するドレイン部とを備えたことを特徴としている。
【0012】
上記構成の固体撮像素子において、基板に電気的に繋がったドレイン部がトレンチ状構造であることで、オーバーフローチャネル領域のポテンシャルが受光部に溜まる信号電荷によって変調を受けにくくなる。これにより、受光部の入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部を得ることができる。
【0013】
本発明による横型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法は、基板上にエピタキシャル層を介して形成予定の前記基板と同導電型の光電変換領域を含む受光部間に、前記エピタキシャル層の表面から前記基板に入り込むようにトレンチ部を形成する第1工程と、前記トレンチ部の側壁を取り囲むように前記基板と逆導電型の不純物層を形成する第2工程と、前記不純物層によって側壁が取り囲まれた前記トレンチ部を埋めるように前記基板と同導電型の層を形成して当該層の底部にて前記基板と電気的に接続する第3工程とを少なくとも含むことを特徴としている。
【0014】
上記各工程の手順でドレイン部を形成することで、トレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を形成できる。このトレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を採用することにより、オーバーフローチャネル領域のポテンシャルが受光部に溜まる信号電荷によって変調を受けにくくなる。これにより、受光部の入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
図1は本発明の一実施形態に係る横型オーバーフロードレイン構造のCCD固体撮像素子のユニットセル(単位画素およびこれに対応する垂直転送部)の構成の概略を示す平面図であり、図2は図1のA−A′矢視の断面構造を示す断面図である。ここでは、一例として、第1導電型がN型、第2導電型がP型の場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【0017】
図1、図2において、本実施形態に係るCCD固体撮像素子が形成される半導体基体11は、例えば、イオン注入によって形成されたN+ 層13を基板表面に持つN型半導体基板12と、当該基板12上に形成されたN型エピタキシャル層(以下、「エピ層」と略記する)14とから構成されている。なお、半導体基体11としては、この構成のものに限られるものではなく、N+ 型半導体基板と当該基板上に形成されたN型エピ層とからなる構成のものであっても良い。
【0018】
この半導体基体11の表層部には、受光部15、垂直転送部16および読み出しゲート部17が形成されている。具体的には、受光部(画素)15は、N型エピ層14内に形成されたN型の光電変換領域(信号電荷蓄積領域)18と、その上に形成されたP+ 型の正電荷蓄積領域19とから構成され、半導体基体11上に行列状に配列されている。
【0019】
垂直転送部16は、エピ層14内に形成されたN型の転送チャネル20と、当該転送チャネル20の下に形成されたP型ウェル領域21と、転送チャネル20の上方の基体表面上にゲート絶縁膜23を介して形成された転送電極22とから構成され、受光部15が行列状に配置されてなる画素配列に対して各垂直列毎に配置されている。図1から明らかなように、転送電極22は、1層目の転送電極(図中、一点鎖線で示す)22−1と、2層目の転送電極(図中、二点鎖線で示す)22−2とからなる2層構造となっている。
【0020】
垂直転送部16の電極構造において、特定の相の転送クロックが印加される転送電極22は受光部15の近傍にまで延在して設けられており、この延在部分の電極が読み出しゲート部17のゲート電極に兼用されている。すなわち、読み出しゲート部17は、転送電極22の一部を兼用したゲート電極と、当該ゲート電極の下のチャネル領域とから構成されている。
【0021】
特に図1から明らかなように、垂直転送部17の転送チャネル20の転送方向(垂直方向)において隣り合う受光部(画素)15,15間における転送電極22−1,22−2の下には、本発明の特徴部分であるトレンチ状構造のN+ 型ドレイン部24が形成されている。このN+ 型ドレイン部24は、図2から明らかなように、エピ層14の表面から半導体基板12上のN+ 層13に入り込むように形成されたトレンチ部25と、このトレンチ部25の側壁を取り囲むように形成されたP型不純物層26と、トレンチ部25内に形成されたドレイン領域となるN+ 層27とから構成されている。
【0022】
このN+ 型ドレイン部24において、トレンチ部25の底部については、P型不純物層26のP層を打ち消せる程度の高濃度のN+ 層とする。P型不純物層26は、所望の厚さに形成され、受光部15のN型の光電変換領域18とN+ 型ドレイン部24との間のチャネル(オーバーフローチャネル)領域となる。また、N+ 型ドレイン部24では、N+ 層27が当該N+ 層27を覆うP型不純物層26よりも十分濃度が濃いため、ドレイン部24が半導体基板12上のN+ 層13に対して電気的に接続された形になる。これにより、半導体基板12に電気的に繋がったトレンチ状構造のN+ 型ドレイン部24を持つ横型オーバーフロードレイン構造が構成されている。
【0023】
受光部15の上方領域を除いた領域、即ち垂直転送部16および読み出しゲート部17の上は、層間絶縁膜28を介してアルミニウムやタングステン等からなる遮光膜29によって覆われている。その結果、遮光膜29によって覆われていない受光部15の上方領域が開口部30となり、当該開口部30を通して受光部15内に入射光が取り込まれることになる。
【0024】
上記構成のCCD固体撮像素子において、外部からの入射光は開口部30を通して受光部15内に取り込まれ、当該受光部15にて光電変換される。光電変換された少数キャリア(ここでは、電子)、即ち信号電荷は、光電変換領域(信号電荷蓄積領域)18に蓄積される。この蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部17によって垂直転送部16の転送チャネル20に読み出され、転送電極22に転送クロックが印加されることによって垂直転送される。
【0025】
ここで、受光部15に飽和光量以上の強い光が入射すると、受光部15で光電変換された信号電荷のうち過剰な電荷が当該受光部15から溢れ、その溢れた電荷が垂直転送部や周囲の画素に漏れ込むことによってブルーミングが発生する。このブルーミングの発生を抑えるために、本実施形態に係るCCD固体撮像素子では、半導体基板12に電気的に繋がったトレンチ状構造のN+ 型ドレイン部24を持つ横型オーバーフロードレイン構造を採用している。
【0026】
このトレンチ状構造のN+ 型ドレイン部24を持つ横型オーバーフロードレイン構造における動作原理について以下に説明する。
【0027】
N+ 型ドレイン部24が半導体基板12に電気的に繋がっているため、半導体基板12に正のバイアス電圧を印加することにより、N+ 型ドレイン部24の電位も基板電位になる。受光部15の取り扱い電荷量は、受光部15とN+ 型ドレイン部24との間のオーバーフローチャネル領域であるP型不純物層26のポテンシャルバリアによって規定され、このポテンシャルバリアを越える過剰な電荷はN+ 型ドレイン部24を通して半導体基板12に排出される。
【0028】
ここで、半導体基板12に印加するバイアス電圧(基板電圧)を調整することにより、受光部15の取り扱い電荷量を規定するP型不純物層26のポテンシャルバリアのポテンシャルが変化するため、受光部15の取り扱い電荷量およびブルーミングのコントロールが可能になる。電子シャッター動作についても、半導体基板12に対して所望のタイミングで大きな正のシャッター電圧を印加することで、受光部15に蓄積されている不要な電荷がN+ 型ドレイン部24を通して半導体基板12に排出される。
【0029】
図3は、受光部15、P型不純物層26およびN+ 型ドレイン部24のポテンシャル図である。図3において、Aはオーバーフローコントロール時を、Bは電子シャッター時をそれぞれ示している。
【0030】
上述したように、本実施形態に係るCCD固体撮像素子においては、半導体基板12に電気的に繋がったN+ 型ドレイン部24がトレンチ状構造であることにより、オーバーフローチャネル領域となるP型不純物層26のポテンシャルが受光部15に溜まる信号電荷によって変調を受けにくくなるため、受光部15の入射光量対出力信号量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部15を得ることができる。そして、縦型オーバーフロードレイン構造に比べて、入射光量対出力信号量のニー特性を小さくできることで、垂直転送部16の取り扱い電荷量にニー特性分のマージンを持たせ必要がなくなるため、より高感度、低スミア特性のCCD固体撮像素子を提供できる。
【0031】
また、トレンチ状構造のN+ 型ドレイン部24を持つ横型オーバーフロードレイン構造においては、CCD固体撮像素子の多画素・高密度化に伴って単位セルのサイズが小さくなったとしても、トレンチ状構造であることによってP型不純物層26が他の領域の不純物濃度による影響を受けにくいため、半導体基板12に高い電圧を印加しなくて済み、よって低電圧駆動の電子シャッター動作を実現できる。
【0032】
さらに、N+ 型ドレイン部24が半導体基板12に電気的に繋がったトレンチ状構造であり、半導体基板12に印加するバイアス電圧によって受光部15の取り扱い電荷量およびブルーミングのコントロールが可能であることから、従来の横型オーバーフロードレイン構造のように、基板表面側にコントロールゲート電極を設ける必要がないため、小フットプリントのオーバーフロードレイン構造、シャッタドレイン構造を形成できる。
【0033】
しかも、N+ 型ドレイン部24が垂直方向において隣り合う画素間における転送電極22(22−1,22−2)の下に設けられていることにより、その配置スペースを特別に確保する必要がなく、受光部15の受光面積に何ら影響を及ぼすことがないため、横型オーバーフロードレイン構造でありながら、N+ 型ドレイン部24を設けることによって感度低下を来すこともない。このような作用効果を奏することにより、より高密度・高精細でありながから、良好なダイナミックレンジや感度特性を持つCCD固体撮像素子を実現できることになる。
【0034】
なお、本実施形態では、N+ 型ドレイン部24を垂直方向で隣り合う画素(受光部)間に設けるとしたが、これに限られるものではなく、N+ 型ドレイン部24を非常にコンパクトに構成できることから、配置スペースを確保できるのであれば、水平方向で隣り合う画素間や、画素分離のためのチャネルストップ領域などに設けることも可能である。
【0035】
続いて、上記構成の本実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順について、図4〜図6の工程図を用いて説明する。
【0036】
先ず、図4(A)に示すように、イオン注入によって形成されたN+ 層13を基板表面に持つN型半導体基板(または、N+ 型半導体基板)12を用意する。次いで、図4(B)に示すように、N型半導体基板12上に例えば5〜8μm程度の厚みを有するエピ層14を形成する。次いで、図4(C)に示すように、エピ層14の表面から半導体基板12上のN+ 層13に入り込むようにトレンチ部25をドライエッチングによって形成する。このとき、トレンチ部25の底部がN+ 層13内で止まるように形成する。
【0037】
次いで、図4(D)に示すように、フォトレジスト31をマスクとし、高エネルギーイオン打ち込み機を用いてボロンを打ち込むことにより、トレンチ部25の側壁を取り囲むようにP型不純物層26を形成する。このとき、打ち込みエネルギーを変えた多段打ち込みを行う。一例として、エピ層14が5μmの場合、
▲1▼ボロン打ち込みエネルギー:4MeV、ドーズ量:5×1012cm-2
▲2▼ボロン打ち込みエネルギー:3MeV、ドーズ量:5×1012cm-2
▲3▼ボロン打ち込みエネルギー:2MeV、ドーズ量:5×1012cm-2
▲4▼ボロン打ち込みエネルギー:1MeV、ドーズ量:5×1012cm-2
【0038】
なお、高エネルギーイオン打ち込み後に、P型不純物層26について所望の幅プロファイルを得るために熱処理を行う場合もある。その後に、熱処理にて拡散が行われるために、ここでの熱処理は必須でない場合もある。また、高エネルギーイオン打ち込み機を使用しないで、斜めイオン打ち込みを行うことによってP型不純物層26を形成することも可能である。
【0039】
次いで、図5(A)に示すように、ウエハ表面(基体表面)にCVD(Chemical Vapor Deposition;化学蒸着)や熱酸化によりシリコン酸化膜32を形成し、フォトレジスト(図示せず)をマスクとしてトレンチ部25上のシリコン酸化膜32を選択的にエッチングして除去する。次いで、図5(B)に示すように、リンを含むドープトポリシリコン33を、トレンチ部25を埋めるように成膜してN+ 層27を形成する。次いで、図5(C)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polish;化学機械研磨)を用いて表面の不要なポリシリコン層33やマスクとして使用したシリコン酸化膜32の除去を行う。
【0040】
このN+ 型ドレイン部24を形成する工程において、ドープトポリシリコン33を使用しない方法としては、トレンチ部25にリンなどのN型不純物を含む拡散ソースのデポジションを行い、トレンチ部25の側壁表面にN+ 層27を形成する方法もある。この場合には、拡散後に拡散ソースの除去を行い、上記のように、CMPを用いて表面の不要な膜の除去を行う。
【0041】
次いで、図6(A)に示すように、受光部15(N型の光電変換領域18およびP+ 型の正電荷蓄積領域19)や垂直転送部16(N型の転送チャネル20およびP型ウェル領域21)などのシリコン内プロファイルの形成を行う。この場合、ゲート絶縁膜23を成膜してから各プロファイルを形成することも可能であるし、後に除去してよい犠牲酸化膜を形成して、その上から各種イオン打ち込みを行うことも可能である。
【0042】
次いで、図6(B)に示すように、ウエハ表面にゲート絶縁膜23を成膜し、しかるポリシリコンなどによって転送電極(ゲート電極)22を形成する。そして、図6(C)に示すように、転送電極22上に層間絶縁膜28を成膜し、さらにアルミニウムやタングステンなどによって遮光膜29を形成する。以降、図示しないが、周知の手法により、平坦化膜、パシベーション膜、カラーフィルタ、オンチップマイクロレンズ等が順次形成されることになる。
【0043】
上記各工程の手順でドレイン部を形成することにより、トレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を形成できる。このトレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を採用することにより、オーバーフローチャネル領域となるP型不純物層26のポテンシャルが受光部15に溜まる信号電荷によって変調を受けにくくなるため、受光部15の入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部15を得ることができる。
【0044】
なお、上記実施形態では、CCD固体撮像素子の画素部に適用した場合を例に挙げて説明したが、この適用例に限られるものではなく、本発明は、CCD固体撮像素子以外の電荷転送型固体撮像素子、さらにはCMOS固体撮像素子に代表されるX−Yアドレス型固体撮像素子など、固体撮像素子全般の画素部に適用可能である。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体撮像素子によれば、トレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を採用したことにより、オーバーフローチャネル領域のポテンシャルが受光部に溜まる信号電荷によって変調を受けにくくなるため、受光部の入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部を得ることができる。
【0046】
また、本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、基板上にエピタキシャル層を介して形成予定の受光部間に、エピタキシャル層の表面から基板に入り込むようにトレンチ部を形成し、このトレンチ部の側壁を取り囲むように基板と逆導電型の不純物層を形成するとともに、当該トレンチ部を埋めるように基板と同導電型の層を形成することにより、受光部の入射光量対蓄積電荷量の関係においてニー特性の少ない、ブルーミングのコントロール性に優れた受光部を得ることが可能なトレンチ状構造の横型オーバーフロードレイン構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る横型オーバーフロードレイン構造のCCD固体撮像素子のユニットセルの構成の概略を示す平面図である。
【図2】図1のA−A′矢視の断面構造を示す断面図である。
【図3】オーバーフローコントロール時Aおよび電子シャッター時Bの動作説明のためのポテンシャル図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その1)である。
【図5】本発明の一実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その2)である。
【図6】本発明の一実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その3)である。
【図7】受光部における入射光量対信号出力電圧値の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
11…半導体基体、12……半導体基板、13,27…N+ 層、14…エピタキシャル層、15…受光部、16…垂直転送部、17…読み出しゲート部、18…光電変換領域(信号電荷蓄積領域)、20…転送チャネル、22,22−1,22−2…転送電極、24…N+ 型トレンチ部、25…トレンチ部、26…P型不純物層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a method for manufacturing the solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device employing a horizontal overflow drain structure and a method for manufacturing the solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
One phenomenon unique to solid-state imaging devices is blooming. In this blooming, when strong light exceeding the saturation light quantity enters the light receiving part (pixel), excess charge overflows from the light receiving part photoelectrically converted by the light receiving part, and the overflowed charge is transferred to the vertical transfer part. If the light leaks into the surrounding light-receiving part, for example, leaks into the vertical transfer part, it means a phenomenon in which the image quality deteriorates due to white streaks (stripes) in the vertical direction (up and down direction) from where the light is strong.
[0003]
In order to suppress the occurrence of blooming, a solid-state image pickup device represented by a CCD (Charge Coupled Device) type image pickup device has long formed an overflow drain portion adjacent to the light receiving portion, and the light receiving portion and the overflow drain. A horizontal overflow drain structure in which an overflow control gate portion is disposed between the two portions is employed (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
In the solid-state imaging device adopting this horizontal overflow drain structure, since the overflow drain part and the overflow control gate part are arranged beside the light receiving part, when the area of the unit cell is constant, the overflow drain part and An extra space for the overflow control gate portion must be secured, and the area of the light receiving portion is reduced accordingly, which is disadvantageous in improving sensitivity.
[0005]
From this point of view, in recent years, in solid-state imaging devices, for example, a P-type well region is formed as an overflow barrier region at a deep position inside a semiconductor substrate such as an N-type silicon substrate, and excess is passed through the overflow barrier region. The mainstream has adopted a vertical overflow drain structure that sweeps away a large amount of charge into the substrate (see, for example, Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-335546 (in particular, FIG. 1, FIG. 3 and paragraph 0020)
[Patent Document 2]
JP 2002-57318 A (particularly FIGS. 2, 5 and paragraph 0031)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the solid-state imaging device having the vertical overflow drain structure, the potential of the overflow barrier region is modulated by the signal charge accumulated in the light receiving portion. Therefore, as shown in FIG. Has a so-called knee characteristic in which the amount of charge handled (signal output voltage value) increases. In general, a solid-state imaging device that employs a vertical overflow drain structure has this knee characteristic. Therefore, it is necessary to consider the following two points in device design.
1) The width of the read gate portion is increased to enhance the blooming resistance of the read gate portion.
2) Give a margin to the amount of charge handled by the vertical transfer unit.
[0008]
However, since the width of the vertical transfer unit and the area of the light receiving unit are in a trade-off relationship, increasing the width of the vertical transfer unit and increasing the amount of charge handled leads to a decrease in the area of the light receiving unit. This means a reduction in the amount of charge handled and a reduction in the opening area of the light receiving portion.
[0009]
In the vertical overflow drain structure, an electronic shutter operation is realized by applying a shutter voltage to the semiconductor substrate, deepening the potential of the overflow barrier region, and discarding unnecessary charges inside the substrate. However, in a multi-pixel high-density solid-state imaging device, as the unit cell size decreases, the P-type well region that is the overflow barrier region is more easily affected by the impurity concentration of the nearby P-type impurity region, If a high voltage is not applied to the semiconductor substrate, unnecessary charges cannot be discarded, and there is a problem that the shutter voltage is generally increased.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a light receiving portion with a low knee characteristic and excellent blooming controllability in the relationship between the incident light amount and the accumulated charge amount, and The object is to provide a method of manufacturing the solid-state imaging device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure according to the present invention is formed between a light receiving unit including a photoelectric conversion region of the same conductivity type as the substrate formed on an substrate via an epitaxial layer, and the adjacent light receiving unit. A drain portion provided in the trench portion in a state of being electrically connected to the substrate at the bottom of the same conductivity type as the substrate of the trench portion, and discharging the charge from the light receiving portion to the semiconductor substrate; It is characterized by having prepared.
[0012]
In the solid-state imaging device having the above-described configuration, the drain portion electrically connected to the substrate has a trench structure, so that the potential of the overflow channel region is less likely to be modulated by the signal charge accumulated in the light receiving portion. As a result, it is possible to obtain a light receiving portion with a low knee characteristic and excellent blooming controllability in the relationship between the amount of incident light and the amount of accumulated charge of the light receiving portion.
[0013]
A method of manufacturing a solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure according to the present invention includes a method of forming a surface of an epitaxial layer between light receiving portions including a photoelectric conversion region of the same conductivity type as the substrate to be formed on the substrate via an epitaxial layer. A first step of forming a trench portion so as to enter the substrate; a second step of forming an impurity layer having a conductivity type opposite to that of the substrate so as to surround a side wall of the trench portion; and the side wall surrounded by the impurity layer. And a third step of forming a layer of the same conductivity type as that of the substrate so as to fill the trench portion and electrically connecting to the substrate at the bottom of the layer .
[0014]
By forming the drain portion in the above steps, a lateral overflow drain structure having a trench structure can be formed. By adopting this lateral overflow drain structure having a trench structure, the potential of the overflow channel region is less likely to be modulated by the signal charge accumulated in the light receiving portion. As a result, it is possible to obtain a light receiving portion with a low knee characteristic and excellent blooming controllability in the relationship between the amount of incident light and the amount of accumulated charge of the light receiving portion.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a plan view showing an outline of a configuration of a unit cell (unit pixel and a vertical transfer unit corresponding to the unit cell) of a CCD solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the cross-section of AA'1 of 1 view. Here, as an example, a case where the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
[0017]
1 and 2, a semiconductor substrate 11 on which a CCD solid-state imaging device according to this embodiment is formed includes, for example, an N-
[0018]
On the surface layer portion of the semiconductor substrate 11, a light receiving portion 15, a vertical transfer portion 16, and a readout gate portion 17 are formed. Specifically, the light receiving unit (pixel) 15 includes an N-type photoelectric conversion region (signal charge storage region) 18 formed in the N-
[0019]
The vertical transfer unit 16 includes an N-
[0020]
In the electrode structure of the vertical transfer unit 16, the
[0021]
In particular, as is apparent from FIG. 1, under the transfer electrodes 22-1 and 22-2 between adjacent light receiving portions (pixels) 15 and 15 in the transfer direction (vertical direction) of the
[0022]
In the N + type drain part 24, the bottom part of the
[0023]
The region excluding the upper region of the light receiving unit 15, that is, the top of the vertical transfer unit 16 and the readout gate unit 17 is covered with a
[0024]
In the CCD solid-state imaging device having the above configuration, incident light from the outside is taken into the light receiving unit 15 through the opening 30 and is photoelectrically converted by the light receiving unit 15. The photoelectrically converted minority carriers (here, electrons), that is, signal charges are accumulated in the photoelectric conversion region (signal charge accumulation region) 18. The accumulated signal charges are read to the
[0025]
Here, when strong light exceeding the saturation light quantity is incident on the light receiving unit 15, excessive charge out of the signal charge photoelectrically converted by the light receiving unit 15 overflows from the light receiving unit 15, and the overflowed charge is transferred to the vertical transfer unit or the surrounding area. Blooming occurs by leaking into the pixels. In order to suppress the occurrence of blooming, the CCD solid-state imaging device according to the present embodiment employs a lateral overflow drain structure having an N + -type drain portion 24 having a trench-like structure electrically connected to the
[0026]
The operation principle of the lateral overflow drain structure having the trench-like N + -type drain portion 24 will be described below.
[0027]
Since the N + -type drain portion 24 is electrically connected to the
[0028]
Here, by adjusting the bias voltage (substrate voltage) applied to the
[0029]
FIG. 3 is a potential diagram of the light-receiving unit 15, the P-
[0030]
As described above, in the CCD solid-state imaging device according to this embodiment, the N + -type drain portion 24 electrically connected to the
[0031]
Further, in the horizontal overflow drain structure having the N + type drain portion 24 having a trench structure, even if the size of the unit cell is reduced with the increase in the number of pixels and the density of the CCD solid-state imaging device, the trench structure is used. As a result, the P-
[0032]
Further, since the N + -type drain portion 24 has a trench-like structure electrically connected to the
[0033]
In addition, since the N + -type drain portion 24 is provided under the transfer electrode 22 (22-1 and 22-2) between adjacent pixels in the vertical direction, it is not necessary to secure a special arrangement space. Since the light receiving area of the light receiving portion 15 is not affected at all, the N + type drain portion 24 is not lowered in sensitivity even though it has a horizontal overflow drain structure. By exhibiting such operational effects, a CCD solid-state imaging device having a good dynamic range and sensitivity characteristics can be realized, although it is of higher density and higher definition.
[0034]
In this embodiment, the N + type drain part 24 is provided between pixels (light receiving parts) adjacent in the vertical direction. However, the present invention is not limited to this, and the N + type drain part 24 is very compact. Since it can be configured, it can be provided between adjacent pixels in the horizontal direction or in a channel stop region for pixel separation as long as an arrangement space can be secured.
[0035]
Next, the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to this embodiment having the above-described configuration will be described with reference to the process diagrams of FIGS.
[0036]
First, as shown in FIG. 4A, an N-type semiconductor substrate (or N + -type semiconductor substrate) 12 having an N + layer 13 formed by ion implantation on the substrate surface is prepared. Next, as shown in FIG. 4B, an
[0037]
Next, as shown in FIG. 4D, a P-
(1) Boron implantation energy: 4 MeV, dose: 5 × 10 12 cm -2
(2) Boron implantation energy: 3 MeV, dose: 5 × 10 12 cm -2
(3) Boron implantation energy: 2 MeV, dose: 5 × 10 12 cm -2
(4) Boron implantation energy: 1 MeV, dose: 5 × 10 12 cm -2
[0038]
Note that heat treatment may be performed to obtain a desired width profile for the P-
[0039]
Next, as shown in FIG. 5A, a
[0040]
In the step of forming the N + -type drain portion 24, as a method not using the doped
[0041]
Next, as shown in FIG. 6A, the light receiving unit 15 (N-type
[0042]
Next, as shown in FIG. 6B, a
[0043]
By forming the drain part in the above steps, a lateral overflow drain structure having a trench structure can be formed. By adopting the lateral overflow drain structure of this trench structure, the potential of the P-
[0044]
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to the pixel portion of the CCD solid-state imaging device has been described as an example. However, the present invention is not limited to this application example, and the present invention is not limited to the CCD solid-state imaging device. The present invention can be applied to pixel portions of all solid-state image sensors, such as solid-state image sensors, and XY address type solid-state image sensors represented by CMOS solid-state image sensors.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device according to the present invention, by adopting the lateral overflow drain structure of the trench-like structure, the potential of the overflow channel region is less likely to be modulated by the signal charge accumulated in the light receiving portion. It is possible to obtain a light-receiving part having a low knee characteristic and excellent blooming controllability in the relationship between the amount of incident light and the amount of accumulated charge of the light-receiving part.
[0046]
Further, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a trench portion is formed between the light receiving portions to be formed on the substrate via the epitaxial layer so as to enter the substrate from the surface of the epitaxial layer. An impurity layer having a conductivity type opposite to that of the substrate is formed so as to surround the side wall of the substrate, and a layer having the same conductivity type as that of the substrate is formed so as to fill the trench portion. Therefore, it is possible to form a lateral overflow drain structure having a trench structure that can obtain a light receiving portion with less knee characteristics and excellent blooming controllability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a unit cell of a CCD solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the line AA ′ of FIG. 1;
FIG. 3 is a potential diagram for explaining operations during overflow control A and electronic shutter B;
FIG. 4 is a process diagram (part 1) illustrating a procedure of a method for manufacturing a CCD solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a process diagram (part 2) illustrating the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process diagram (part 3) illustrating the procedure of the method for manufacturing the CCD solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating a relationship between an incident light amount and a signal output voltage value in a light receiving unit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor base | substrate, 12 ... Semiconductor substrate, 13, 27 ... N + layer, 14 ... Epitaxial layer, 15 ... Light-receiving part, 16 ... Vertical transfer part, 17 ... Read-out gate part, 18 ... Photoelectric conversion area | region (Signal charge accumulation | storage) Region), 20 ... transfer channel, 22, 22-1, 22-2 ... transfer electrode, 24 ... N + type trench part, 25 ... trench part, 26 ... P type impurity layer
Claims (5)
隣り合う前記受光部間に形成されたトレンチ部内に、当該トレンチ部の前記基板と同導電型の底部で前記基板に対して電気的に接続された状態で設けられ、前記受光部からの電荷を前記半導体基板に排出するドレイン部と
を備えた横型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子。 A light receiving portion including a photoelectric conversion region of the same conductivity type as the substrate formed on the substrate via an epitaxial layer;
In the trench part formed between the adjacent light receiving parts, the bottom part of the same conductivity type as the substrate of the trench part is provided in a state of being electrically connected to the substrate, and the charge from the light receiving part is A solid-state imaging device having a horizontal overflow drain structure, comprising: a drain portion that discharges to the semiconductor substrate.
前記ドレイン部は、垂直方向において隣り合う前記受光部間に形成されている
請求項1記載の固体撮像素子。The light receiving parts are formed in a matrix,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the drain part is formed between the light receiving parts adjacent in the vertical direction.
前記ドレイン部は、水平方向において隣り合う前記受光部間に形成されている
請求項1記載の固体撮像素子。The light receiving parts are formed in a matrix,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the drain part is formed between the light receiving parts adjacent in the horizontal direction.
請求項1記載の固体撮像素子。The drain portion includes an impurity layer having a conductivity type opposite to that of the substrate formed so as to surround a sidewall of the trench portion, and the substrate formed so as to fill the trench portion surrounded by the impurity layer. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a layer of the same conductivity type.
前記トレンチ部の側壁を取り囲むように前記基板と逆導電型の不純物層を形成する第2工程と、
前記不純物層によって側壁が取り囲まれた前記トレンチ部を埋めるように前記基板と同導電型の層を形成して当該層の底部にて前記基板と電気的に接続する第3工程と
を少なくとも含む横型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法。A first step of forming a trench portion so as to enter the substrate from the surface of the epitaxial layer between light receiving portions including a photoelectric conversion region of the same conductivity type as the substrate to be formed on the substrate via an epitaxial layer;
A second step of forming an impurity layer having a conductivity type opposite to that of the substrate so as to surround a sidewall of the trench part;
Horizontal including at least a third step of connecting with said substrate and electrically at the bottom of the form a substrate and a layer of the same conductivity type the layer to fill the trench portion sidewalls surrounded by the impurity layer A method for manufacturing a solid-state imaging device having an overflow drain structure .
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