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JP6788738B2 - Solid-state image sensor and manufacturing method of solid-state image sensor - Google Patents
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Solid-state image sensor and manufacturing method of solid-state image sensor Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置、および、固体撮像装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor and a method for manufacturing the solid-state image sensor.

従来、フォトダイオード部からの信号電荷を、電荷保持部へ完全に電荷転送したのち、行ごとに順次電荷検出部へ完全に電荷転送して、グローバルシャッタ動作を実現し、ノイズや残像をより抑制した画像を得ることができる固体撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, the signal charge from the photodiode section is completely transferred to the charge holding section, and then the charge is completely transferred to the charge detection section in sequence line by line to realize global shutter operation and further suppress noise and afterimages. There is known a solid-state image sensor capable of obtaining an electric charge (see, for example, Patent Document 1).

日本国特許公開公報「特開2004−111590号公報(2004年04月08日公開)」Japanese Patent Publication "Japanese Patent Laid-Open No. 2004-111590 (published April 08, 2004)"

しかしながら、上述のような従来技術は、シリコン/シリコン酸化膜界面準位で発生するノイズ電荷が、電荷保持期間中に前記電荷保持部に蓄積され、行ごとの読み出しタイミングの違いによる画像ノイズ差の原因となるという問題がある。 However, in the conventional technique as described above, the noise charge generated at the silicon / silicon oxide film interface state is accumulated in the charge holding portion during the charge holding period, and the difference in image noise due to the difference in the read timing for each row is caused. There is a problem that causes it.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ノイズ電荷を抑制することができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing noise charges.

上記の課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に設けられた複数の単位画素を備えた固体撮像装置であって、上記単位画素の各々が、光を信号電荷に光電変換することによって電荷を生成するフォトダイオード部と、上記フォトダイオード部に隣接し第1のゲート電極で覆われた第1の電荷転送部と、上記第1のゲート電極で覆われ、上記第1の電荷転送部により上記フォトダイオード部から転送された電荷を保持する第1導電型半導体領域を含む電荷保持部と、上記電荷保持部に隣接し第2のゲート電極部で覆われた第2の電荷転送部と、上記フォトダイオード部に第1のゲート電極と異なる部分で隣接し第3のゲート電極で覆われた電荷排出部と、を備え、上記フォトダイオード部、第1の電荷転送部、電荷保持部、第2の電荷転送部、および電荷排出部の半導体表面が全て第2導電型半導体領域で覆われている構成である。 In order to solve the above problems, the solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device provided with a plurality of unit pixels provided on a semiconductor substrate, and each of the unit pixels converts light into a signal charge. A photodiode section that generates electric charge by photoelectric conversion, a first charge transfer section adjacent to the photodiode section and covered with a first gate electrode, and a first gate electrode covered with the first gate electrode. A charge holding portion including a first conductive semiconductor region that holds the charge transferred from the photodiode section by the charge transfer section 1, and a second gate electrode section adjacent to the charge holding section and covered with a second gate electrode section. A charge transfer unit and a charge discharge unit which is adjacent to the photodiode unit at a portion different from the first gate electrode and is covered with a third gate electrode, and the photodiode unit and the first charge transfer unit are provided. The semiconductor surfaces of the charge holding portion, the second charge transfer portion, and the charge discharging portion are all covered with the second conductive semiconductor region.

本発明の一態様によれば、ノイズ電荷が抑制される。 According to one aspect of the present invention, noise charge is suppressed.

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention. 固体撮像装置の撮像部における単位画素の構成を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structure of the unit pixel in the image pickup part of a solid-state image sensor. 単位画素の断面図である。It is sectional drawing of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第1ステップを示す図である。It is a figure which shows the 1st step of the manufacturing process of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第2ステップを示す図である。It is a figure which shows the 2nd step of the manufacturing process of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第3ステップを示す図である。It is a figure which shows the 3rd step of the manufacturing process of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第4ステップを示す図である。It is a figure which shows the 4th step of the manufacturing process of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第5ステップを示す図である。It is a figure which shows the 5th step of the manufacturing process of a unit pixel. 単位画素の製造工程の第6ステップを示す図である。It is a figure which shows the 6th step of the manufacturing process of a unit pixel.

〔固体撮像装置1の構造〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施形態では、P型層のMOSと、N型層のMOSと、の異なる二つの電界効果トランジスタを、相互に特性を補うように接続した固体撮像装置の一例であるCMOS撮像装置を用いて説明する。
[Structure of solid-state image sensor 1]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the present embodiment, a CMOS image sensor, which is an example of a solid-state image sensor in which two different field-effect transistors, a P-type layer MOS and an N-type layer MOS, are connected so as to complement each other's characteristics is used. explain.

図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置1の概略構成を示す図である。固体撮像装置1は、複数行および複数列に配列された複数の単位画素10を備えている。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a solid-state image sensor 1 according to an embodiment of the present invention. The solid-state image sensor 1 includes a plurality of unit pixels 10 arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.

また、固体撮像装置1は、各単位画素10からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直走査回路3と、各単位画素からの信号電荷を水平方向に転送する水平走査回路4と、を備えている。 Further, the solid-state imaging device 1 includes a vertical scanning circuit 3 that vertically transfers the signal charge from each unit pixel 10, and a horizontal scanning circuit 4 that transfers the signal charge from each unit pixel in the horizontal direction. There is.

なお、図1では固体撮像装置1の行および列の一部のみを示しているが、固体撮像装置1の各行および各例には数十から数千の単位画素10が配列されている。 Although only a part of the rows and columns of the solid-state image sensor 1 is shown in FIG. 1, dozens to thousands of unit pixels 10 are arranged in each row and each example of the solid-state image sensor 1.

垂直走査回路3および水平走査回路4は、例えばシフトレジスタによって構成され、不図示の制御回路が発するパルス信号に応じて、走査を行う。垂直制御線5を介して各単位画素10には、各単位画素を駆動するためのパルス信号が送られる。なお、各単位画素10において、パルス信号が流れる配線は、行方向および列方向のいずれに配されていてもよい。 The vertical scanning circuit 3 and the horizontal scanning circuit 4 are composed of, for example, shift registers, and perform scanning in response to a pulse signal emitted by a control circuit (not shown). A pulse signal for driving each unit pixel is sent to each unit pixel 10 via the vertical control line 5. In each unit pixel 10, the wiring through which the pulse signal flows may be arranged in either the row direction or the column direction.

各単位画素10からの出力信号は、垂直信号線6から水平信号線7へと伝達された後、水平走査回路4からの水平選択信号により駆動されて、出力バッファ8へ供給される。なお、垂直信号線6と水平信号線7との間に、各単位画素10からの出力信号に対して、ノイズを取り除く回路や、増幅回路、アナログデジタル変換回路などが適宜に配設されていてもよい。 The output signal from each unit pixel 10 is transmitted from the vertical signal line 6 to the horizontal signal line 7, then driven by the horizontal selection signal from the horizontal scanning circuit 4 and supplied to the output buffer 8. A circuit for removing noise, an amplifier circuit, an analog-digital conversion circuit, and the like are appropriately arranged between the vertical signal line 6 and the horizontal signal line 7 for the output signal from each unit pixel 10. May be good.

図2は、固体撮像装置1の撮像部2における単位画素10の構成を示す等価回路図である。単位画素10は、図2に示すように、光を信号電荷に光電変換し、光電変換により発生させた電荷を第1導電型(n型)半導体領域に蓄積するフォトダイオード部130を備えている。 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of the unit pixel 10 in the image pickup unit 2 of the solid-state image pickup device 1. As shown in FIG. 2, the unit pixel 10 includes a photodiode unit 130 that photoelectrically converts light into signal charges and stores the charges generated by the photoelectric conversion in the first conductive type (n type) semiconductor region. ..

フォトダイオード部130は、第1導電型(n型)半導体領域と、第2導電型(p型)半導体領域と、を備えている。フォトダイオード部130は、入射した光を第1導電型半導体領域と、第2導電型半導体領域と、の空乏層で電子と正孔とに変換する。フォトダイオード部130では、発生した電子と正孔とがそれぞれ、電子は第1導電型半導体領域へ、正孔は第2導電型半導体領域へと流れ蓄積される。 The photodiode unit 130 includes a first conductive type (n type) semiconductor region and a second conductive type (p type) semiconductor region. The photodiode unit 130 converts the incident light into electrons and holes in the depletion layer of the first conductive semiconductor region and the second conductive semiconductor region. In the photodiode section 130, the generated electrons and holes flow and accumulate in the first conductive semiconductor region and the holes flow into the second conductive semiconductor region, respectively.

なお、以下の記載において、n型及びNは、第1導電型を表しており、p型及びPは、第2導電型を表している。 In the following description, n-type and N represent the first conductive type, and p-type and P represent the second conductive type.

また、単位画素10は、フォトダイオード部130に隣接する転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aと、転送ゲート部103Aによってフォトダイオード部130から転送される信号電荷を保持する電荷保持部131と、を備えている。また、単位画素10は、電荷保持部131に隣接する読出選択用トランジスタ(第2の電荷転送部)103Bと、リセットトランジスタ135とを備えている。 Further, the unit pixel 10 has a transfer gate unit (first charge transfer unit) 103A adjacent to the photodiode unit 130 and a charge holding unit 131 that holds the signal charge transferred from the photodiode unit 130 by the transfer gate unit 103A. And have. Further, the unit pixel 10 includes a read selection transistor (second charge transfer unit) 103B adjacent to the charge holding unit 131, and a reset transistor 135.

また、単位画素10は、垂直選択線142に接続されたゲートを有する垂直選択用トランジスタ140と、電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン150と、フローティングディフュージョン150の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ160と、を備えている。 Further, the unit pixel 10 is a vertical selection transistor 140 having a gate connected to the vertical selection line 142, a floating diffusion 150 which is an example of a charge injection unit having a function of a charge storage unit, and a potential of the floating diffusion 150. It includes an amplification transistor 160 having a source follower configuration, which is an example of a detection element that detects a change.

また、単位画素10は、電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン150を備えたFDA(Floating Diffusion Amplifier)構成の画素信号生成部170と、電荷排出部180と、を備えている。 Further, the unit pixel 10 includes a pixel signal generation unit 170 having an FDA (Floating Diffusion Amplifier) configuration including a floating diffusion 150, which is an example of a charge injection unit having a function of a charge storage unit, and a charge discharge unit 180. I have.

また、図2に示すように、固体撮像装置1の単位画素10は、出力信号線200が接続される信号処理回路201を列ごとにそなえている。 Further, as shown in FIG. 2, the unit pixel 10 of the solid-state image sensor 1 includes a signal processing circuit 201 to which the output signal line 200 is connected for each column.

フォトダイオード部130のカソードには転送ゲート部103Aのソースが接続されている。読出選択用トランジスタ103Bは、ドレインが蓄積部であるフローティングディフュージョン150に接続されている。 The source of the transfer gate unit 103A is connected to the cathode of the photodiode unit 130. The read selection transistor 103B is connected to a floating diffusion 150 whose drain is a storage unit.

電荷排出部180は、ソース部がフォトダイオード部130に接続されており、トランジスタON状態ではフォトダイオード部130に蓄積された全電荷がドレイン部に排出される。また、電荷排出部180はトランジスタOFF状態ではフォトダイオード部130で生成された信号電荷のうち、画像形成に寄与しない過剰電荷を排出するようにチャネル部のポテンシャルが設定されている。 The source unit of the charge discharge unit 180 is connected to the photodiode unit 130, and when the transistor is ON, all the charges accumulated in the photodiode unit 130 are discharged to the drain unit. Further, the charge discharge unit 180 is set to the potential of the channel unit so as to discharge the excess charge that does not contribute to image formation among the signal charges generated by the photodiode unit 130 in the transistor OFF state.

リセットトランジスタ135は、ソースがフローティングディフュージョン150に接続され、ドレインが電源VDDに接続され、ゲートにはリセットパルスが入力される。リセットトランジスタ135は、電気的に導通すると、フローティングディフュージョン150に保持されていた電荷がリセットトランジスタ135を介して電源VDDに流出し、フローティングディフュージョン150の電位状態を初期のレベルに復帰させるように構成されている。 In the reset transistor 135, the source is connected to the floating diffusion 150, the drain is connected to the power supply VDD, and the reset pulse is input to the gate. When electrically conducted, the reset transistor 135 is configured so that the electric charge held in the floating diffusion 150 flows out to the power supply VDD via the reset transistor 135 to return the potential state of the floating diffusion 150 to the initial level. ing.

増幅用トランジスタ160は、ゲートがフローティングディフュージョン150に接続され、ドレインが電源VDDに、ソースが垂直選択用トランジスタ140のドレインに接続されている。 In the amplification transistor 160, the gate is connected to the floating diffusion 150, the drain is connected to the power supply VDD, and the source is connected to the drain of the vertical selection transistor 140.

垂直選択用トランジスタ140は、ドレインが増幅用トランジスタ160に接続され、ソースが出力信号線200に、ゲートが、垂直選択信号が入力される垂直選択線142に接続されている。 In the vertical selection transistor 140, the drain is connected to the amplification transistor 160, the source is connected to the output signal line 200, and the gate is connected to the vertical selection line 142 to which the vertical selection signal is input.

単位画素10の垂直選択用トランジスタ140がONになると、フローティングディフュージョン150に読み出された信号電荷が、増幅用トランジスタ160で増幅され、出力信号線200に出力される。 When the vertical selection transistor 140 of the unit pixel 10 is turned on, the signal charge read by the floating diffusion 150 is amplified by the amplification transistor 160 and output to the output signal line 200.

続いて、図3を参照して、単位画素10の断面構造について説明する。図3は、単位画素10の断面図である。図3に示すように、単位画素10には、シリコンからなる半導体基板100(n型のSi基板)の内に基板側ポテンシャルバリアを形成するp型層であるp型ウェル(埋め込み半導体層)101が形成されている。Subsequently, the cross-sectional structure of the unit pixel 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the unit pixel 10. As shown in FIG. 3, in the unit pixel 10, a p-type well (embedded semiconductor layer) which is a p-type layer forming a substrate-side potential barrier in a semiconductor substrate 100 (n - type Si substrate) made of silicon. 101 is formed.

p型ウェル101の上には、n型層であるn型ウェル132と、n型ウェル132に隣接する第1の半導体ウェル領域102(p型層)と、が形成されている。An n - type well 132, which is an n-type layer, and a first semiconductor well region 102 (p-type layer) adjacent to the n - type well 132 are formed on the p-type well 101.

一方で、図3に示すように、単位画素10の基板表面は、全てゲート酸化膜119で覆われている。また、ゲート酸化膜119の上には、電荷排出部180のゲート電極(第3のゲート電極)111、転送ゲート部103Aと電荷保持部131とに共通のゲート電極(第1のゲート電極)109、読出選択用トランジスタ103Bのゲート電極(第2のゲート電極)110、および、リセットトランジスタ135のゲート電極112が形成されている。 On the other hand, as shown in FIG. 3, the substrate surface of the unit pixel 10 is entirely covered with the gate oxide film 119. Further, on the gate oxide film 119, the gate electrode (third gate electrode) 111 of the charge discharging portion 180, the gate electrode (first gate electrode) 109 common to the transfer gate portion 103A and the charge holding portion 131. , The gate electrode (second gate electrode) 110 of the read selection transistor 103B and the gate electrode 112 of the reset transistor 135 are formed.

電荷排出部180のゲート電極(第3のゲート電極)111、転送ゲート部103Aと電荷保持部131とに共通のゲート電極(第1のゲート電極)109、読出選択用トランジスタ103Bのゲート電極(第2のゲート電極)110、および、リセットトランジスタ135のゲート電極112は、例えばポリシリコンによって単層もしくは2層構造に形成されている。読出選択用トランジスタ103Bのゲート電極(第2のゲート電極)110には、読出パルスが入力される。リセットトランジスタ135のゲート電極112には、リセットパルスが入力される。 The gate electrode (third gate electrode) 111 of the charge discharging unit 180, the gate electrode (first gate electrode) 109 common to the transfer gate unit 103A and the charge holding unit 131, and the gate electrode (third) of the read selection transistor 103B. The gate electrode (2) 110 and the gate electrode 112 of the reset transistor 135 are formed in a single-layer or two-layer structure by, for example, polysilicon. A read pulse is input to the gate electrode (second gate electrode) 110 of the read selection transistor 103B. A reset pulse is input to the gate electrode 112 of the reset transistor 135.

また、転送ゲート部103Aと電荷保持部131とに共通のゲート電極(第1のゲート電極)109には、ストレージパルスが入力される。 Further, a storage pulse is input to the gate electrode (first gate electrode) 109 common to the transfer gate unit 103A and the charge holding unit 131.

また、電荷排出部180のゲート電極(第3のゲート電極)111には、グローバルリセットパルスが入力される。 Further, a global reset pulse is input to the gate electrode (third gate electrode) 111 of the charge discharging unit 180.

また、ゲート電極111、ゲート電極109、ゲート電極110、及びゲート電極112には、それぞれ、信号線OFG,TRX、TRG,及び、RSTが接続されている。 Further, signal lines OFG, TRX, TRG, and RST are connected to the gate electrode 111, the gate electrode 109, the gate electrode 110, and the gate electrode 112, respectively.

図3の断面図にも示すように、単位画素10は、フォトダイオード部130と、転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aと、電荷保持部131と、読出選択用トランジスタ(第2の電荷転送部)103Bと、増幅用トランジスタ(図示せず)と、フローティングディフュージョンN領域114と、電荷排出部180とを備えて形成されている。As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the unit pixel 10 includes a photodiode unit 130, a transfer gate unit (first charge transfer unit) 103A, a charge holding unit 131, and a read / selection transistor (second charge transfer unit). A charge transfer unit) 103B, an amplification transistor (not shown), a floating diffusion N + region 114, and a charge discharge unit 180 are provided.

フォトダイオード部130は、フォトダイオード表面P層113と、フォトダイオードN領域104と、を備えて形成されている。また、フォトダイオード表面P層113に隣接する領域であって、フォトダイオードN領域104の表面側には、ゲートオーバーラップ部表面P層105が形成されている。フォトダイオード部130は、入射した光を空乏層で電子と正孔とに変換する。フォトダイオード部130では、空乏層で発生した電子と正孔とが、電子はフォトダイオードN領域104へ、正孔はフォトダイオード表面P層113へと流れ蓄積される。The photodiode portion 130 is formed to include a photodiode surface P + layer 113 and a photodiode N region 104. Further, a gate overlap portion surface P - layer 105 is formed on the surface side of the photodiode N region 104, which is a region adjacent to the photodiode surface P + layer 113. The photodiode unit 130 converts the incident light into electrons and holes in the depletion layer. In the photodiode section 130, electrons and holes generated in the depletion layer flow and accumulate in the photodiode N region 104 for electrons and in the photodiode surface P + layer 113.

フォトダイオード部130と、読出選択用トランジスタ103Bとの間には、転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aと、電荷保持部131とが水平方向に並べて形成されている。 A transfer gate unit (first charge transfer unit) 103A and a charge holding unit 131 are formed horizontally side by side between the photodiode unit 130 and the read / selection transistor 103B.

転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aは、フォトダイオード部130に隣接し、基板表面には例えばポリシリコンによって、上述したゲート電極109が配設されている。 The transfer gate portion (first charge transfer portion) 103A is adjacent to the photodiode portion 130, and the gate electrode 109 described above is arranged on the substrate surface by, for example, polysilicon.

また、図3に示すように、電荷保持部131に隣接する領域には、ゲート下表面P層103が形成されている。Further, as shown in FIG. 3, a surface P - layer 103 under the gate is formed in a region adjacent to the charge holding portion 131.

また、図3に示すように、ゲート下表面P層103に隣接して表面側にフローティングディフュージョンN領域114が形成されている。また、図3に示すように、リセットトランジスタ135のn領域に隣接した位置にもドレイン部N領域115が形成されている。Further, as shown in FIG. 3, a floating diffusion N + region 114 is formed on the surface side adjacent to the surface P layer 103 under the gate. Further, as shown in FIG. 3, a drain portion N + region 115 is also formed at a position adjacent to the n region of the reset transistor 135.

フローティングディフュージョン150は、図3に示すように、フローティングディフュージョンN領域114を備えて形成されている。As shown in FIG. 3, the floating diffusion 150 is formed to include a floating diffusion N + region 114.

また、図3に示すように、単位画素10は、素子分離領域120によって他の画素単位と区切られている。 Further, as shown in FIG. 3, the unit pixel 10 is separated from other pixel units by the element separation region 120.

電荷保持部131は、フォトダイオード部130から、転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aを介して転送された電荷を第1導電型半導体領域に保持する機能を有している。電荷保持部131の基板表面には例えばポリシリコンによって、上述したゲート電極109が配設されている。 The charge holding unit 131 has a function of holding the electric charge transferred from the photodiode unit 130 via the transfer gate unit (first charge transfer unit) 103A in the first conductive semiconductor region. The above-mentioned gate electrode 109 is arranged on the substrate surface of the charge holding portion 131, for example, by polysilicon.

電荷保持部131は、基板表面側から、第2導電型半導体領域である電荷保持部表面P層108と、第1導電型半導体領域である電荷保持部N領域107と、第2導電型半導体領域である電荷保持部下P層106との三層構造を有している。換言すれば、電荷保持部131は、基板表面側(ゲート酸化膜119側)から電荷保持部表面P層108によって、基板裏面側(換言すれば半導体基板100側)から電荷保持部下P層106によって挟まれた電荷保持部N領域107を備えて形成されている。 From the surface side of the substrate, the charge holding portion 131 includes a charge holding portion surface P layer 108 which is a second conductive semiconductor region, a charge holding portion N region 107 which is a first conductive semiconductor region, and a second conductive semiconductor region. It has a three-layer structure with the P layer 106 under the charge holding portion. In other words, the charge holding portion 131 is formed by the charge holding portion surface P layer 108 from the substrate front surface side (gate oxide film 119 side) and by the charge holding portion lower P layer 106 from the substrate back surface side (in other words, the semiconductor substrate 100 side). It is formed to include a sandwiched charge holding portion N region 107.

このように、電荷を保持する電荷保持部N領域107の上下を電荷保持部表面P層108と、電荷保持部下P層106とで囲むことで、P層とN層の中性領域である空乏層の伸びが抑制される。これにより、P層とN層との接合容量が増加し、電荷保持部131で保持することが可能な電荷量を効率的に増やすことができる。 In this way, by surrounding the upper and lower sides of the charge holding portion N region 107 that holds the charge with the charge holding portion surface P layer 108 and the charge holding portion lower P layer 106, the depletion is a neutral region between the P layer and the N layer. Layer elongation is suppressed. As a result, the junction capacitance between the P layer and the N layer is increased, and the amount of charge that can be held by the charge holding unit 131 can be efficiently increased.

また、単位画素10は、電荷排出部180のゲート電極111にグローバルリセットパルスを入力し全画素のフォトダイオード部130の電荷を全て同時に排出(グローバルリセット動作)した後、一定期間フォトダイオード部130を露光した後に、フォトダイオード部130で蓄積された信号電荷をゲート電極(第1のゲート電極、第1の転送ゲート電極)109にストレージパルスを入力して電荷保持部131に全画素同時に転送させることにより、蓄積時間差を生じることのない電子シャッタ機能であるグローバルシャッタ機能を実現させることができる。 Further, the unit pixel 10 inputs a global reset pulse to the gate electrode 111 of the charge discharge unit 180 to simultaneously discharge all the charges of the photodiode units 130 of all the pixels (global reset operation), and then causes the photodiode unit 130 to operate for a certain period of time. After the exposure, the signal charge accumulated in the photodiode unit 130 is input to the gate electrode (first gate electrode, first transfer gate electrode) 109 as a storage pulse to be transferred to the charge holding unit 131 at the same time for all pixels. Therefore, it is possible to realize a global shutter function which is an electronic shutter function that does not cause a difference in storage time.

上述したように、単位画素10の基板表面は、ドレイン部N領域115フローティングディフュージョンN領域114を除き第2導電型(p型)半導体領域103、105、113、108で覆われている。このように、単位画素10には、ゲート電極(第3のゲート電極)111、フォトダイオード部130、ゲート電極(第1のゲート電極、第1の転送ゲート電極)109、電荷保持部131、および、ゲート電極(第2のゲート電極)110に繋がるゲート酸化膜119が形成されている。As described above, the substrate surface of the unit pixel 10 is covered with the second conductive type (p-type) semiconductor regions 103, 105, 113, and 108 except for the drain portion N + region 115 floating diffusion N + region 114. As described above, the unit pixel 10 includes a gate electrode (third gate electrode) 111, a photodiode portion 130, a gate electrode (first gate electrode, first transfer gate electrode) 109, a charge holding portion 131, and the like. , A gate oxide film 119 connected to the gate electrode (second gate electrode) 110 is formed.

これらの構成によれば、単位画素10の内部で発生するノイズ電子が第2導電型(p型)半導体領域103、105、113、108に存在するホールでトラップされる。よって、単位画素10の内部で発生したノイズ電子が画素出力に混ざるのを防ぐことができる。 According to these configurations, noise electrons generated inside the unit pixel 10 are trapped in holes existing in the second conductive type (p-type) semiconductor regions 103, 105, 113, and 108. Therefore, it is possible to prevent noise electrons generated inside the unit pixel 10 from being mixed in the pixel output.

また、フォトダイオード部130の第2導電型半導体表面領域であるフォトダイオード表面P層113の不純物濃度を濃度C1、電荷保持部131の第2導電型半導体表面領域である電荷保持部表面P層108の不純物濃度を濃度C2、ゲート電極(第2のゲート電極)110の直下の読出選択用トランジスタ103Bの不純物濃度を濃度C3(より一般には、フォトダイオード部130及び電荷保持部131以外の半導体表面の第2導電型半導体表面領域の濃度C3)とした場合の、各濃度C1,C2,C3の関係は、C1 > C2 > C3となるように構成されている。この構成によれば、ゲート電極の有無や、半導体表面のゲート酸化膜119の直下にN型半導体領域が有るか否かなど各部分の構造の違い応じて、各部分に必要なホール濃度分布が形成される。以上の作用により、電荷保持部から読み出しタイミングのずれによる行ごとのノイズ変化を抑制することができる。Further, the impurity concentration of the photodiode surface P + layer 113, which is the second conductive semiconductor surface region of the photodiode portion 130, is the concentration C1, and the charge holding portion surface P layer, which is the second conductive semiconductor surface region of the charge holding portion 131. The impurity concentration of 108 is the concentration C2, and the impurity concentration of the read-selection transistor 103B directly under the gate electrode (second gate electrode) 110 is the concentration C3 (more generally, the semiconductor surface other than the photodiode portion 130 and the charge holding portion 131). The relationship between the respective concentrations C1, C2, and C3 when the density C3) of the second conductive semiconductor surface region is set to C1>C2> C3. According to this configuration, the hole concentration distribution required for each part is determined according to the difference in the structure of each part such as the presence or absence of the gate electrode and whether or not there is an N-type semiconductor region directly under the gate oxide film 119 on the semiconductor surface. It is formed. By the above action, it is possible to suppress the noise change for each line due to the deviation of the reading timing from the charge holding unit.

〔単位画素10の製造方法について〕
次に、図4〜図9を用いて単位画素10の製造方法について説明する。以下に説明する単位画素10の製造方法は、例えば、イオン注入を行うイオン注入部と、フォトマスクを設定するフォトマスク設定部とを備えた本実施形態に係る半導体製造装置によって実行される。
[Manufacturing method of unit pixel 10]
Next, a method of manufacturing the unit pixel 10 will be described with reference to FIGS. 4 to 9. The method for manufacturing the unit pixel 10 described below is executed by, for example, the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment, which includes an ion implantation unit for implanting ions and a photomask setting unit for setting a photomask.

単位画素10は、半導体基板100の上に、p型ウェル101が形成され、p型ウェル101の上にn型ウェル132と、n型ウェル132に隣接する第1の半導体ウェル領域102と、が形成され、ゲート酸化膜119で全面が覆われた半導体の表面に、フォトレジスト190をフォトマスクとして配置して、n型ウェル132、および、第1の半導体ウェル領域102内にイオン注入することにより形成される。The unit pixel 10 has a p-type well 101 formed on the semiconductor substrate 100, an n - type well 132 on the p-type well 101, and a first semiconductor well region 102 adjacent to the n - type well 132. , Is formed and the photoresist 190 is arranged as a photomask on the surface of the semiconductor whose entire surface is covered with the gate oxide film 119, and ions are implanted into the n - type well 132 and the first semiconductor well region 102. It is formed by doing.

(第1ステップ)
図4は、単位画素10の製造工程の第1ステップを示す図である。この第1ステップでは、まず、フォトダイオード部130を形成する領域外の半導体表面をフォトレジスト190Aで覆う。そして、n型ウェル132にイオン注入を行い、フォトダイオードN領域104、および、ゲートオーバーラップ部表面P層105を同一のフォトマスクによって形成する。
(1st step)
FIG. 4 is a diagram showing a first step in the manufacturing process of the unit pixel 10. In this first step, first, the surface of the semiconductor outside the region forming the photodiode portion 130 is covered with the photoresist 190A. Then, n - ions are implanted into the mold well 132, the photodiode N region 104, and the gate overlap portion surface P - layer 105 is formed of the same photomask.

(第2ステップ)
次に、図5に示す単位画素10の製造工程の第2ステップにおいて、電荷保持部131を形成するイオン注入工程を行う。まず、電荷保持部131を形成する領域外の半導体表面をフォトレジスト190Bで覆う。そして、第1の半導体ウェル領域102にイオン注入を行う。
(Second step)
Next, in the second step of the manufacturing process of the unit pixel 10 shown in FIG. 5, an ion implantation step of forming the charge holding portion 131 is performed. First, the surface of the semiconductor outside the region forming the charge holding portion 131 is covered with the photoresist 190B. Then, ions are implanted into the first semiconductor well region 102.

このイオン注入工程は、イオン注入により電荷保持部下P層106を形成する第1の工程と、当該第1の工程の後に、イオン注入により電荷保持部N領域107を形成する第2の工程と、当該第2の工程の後に、イオン注入により電荷保持部表面P層108を形成する第3の工程とを含んでおり、上記第1の工程、上記第2の工程、及び上記第3の工程は同一のフォトマスクを用いて実行される。 This ion injection step includes a first step of forming the charge holding portion lower P layer 106 by ion injection, and a second step of forming the charge holding portion N region 107 by ion injection after the first step. After the second step, a third step of forming the charge holding portion surface P layer 108 by ion injection is included, and the first step, the second step, and the third step are described. Performed using the same photomask.

(第3ステップ)
電荷保持部131を形成した後、図6に示す単位画素10の製造工程の第3ステップにおいて、リセットトランジスタ135のゲート電極112部分をフォトレジスト190Cで覆い、リセットトランジスタ135のゲート電極112が形成される領域外にイオン注入を行う。これにより、ゲート下表面P層103が形成される。ゲート下表面P層103は、上述した転送ゲート部103A、読出選択用トランジスタ103B、電荷排出部180として構成されている。
(Third step)
After forming the charge holding portion 131, in the third step of the manufacturing process of the unit pixel 10 shown in FIG. 6, the gate electrode 112 portion of the reset transistor 135 is covered with the photoresist 190C to form the gate electrode 112 of the reset transistor 135. Ion implantation is performed outside the region. As a result, the surface P - layer 103 under the gate is formed. The lower surface P - layer 103 of the gate is configured as the transfer gate portion 103A, the read / selection transistor 103B, and the charge discharge portion 180 described above.

(第4ステップ)
ゲート下表面P層103を形成した後、図7に示す単位画素10の製造工程の第4ステップにおいて、リセットトランジスタ135が形成される領域外をフォトレジスト190Dで覆ってイオン注入を行い、リセットトランジスタN領域116を形成する。
(4th step)
After the surface P - layer 103 under the gate is formed, in the fourth step of the manufacturing process of the unit pixel 10 shown in FIG. 7, the outside of the region where the reset transistor 135 is formed is covered with the photoresist 190D, and ion implantation is performed to reset. The transistor N region 116 is formed.

また、単位画素10には、ゲート酸化、ポリシリコンデポ、ゲート電極フォトリソグラフィ、ドライエッチング工程によりゲート電極111、ゲート電極109、ゲート電極110、及びゲート電極112が形成される(図示せず)。 Further, in the unit pixel 10, a gate electrode 111, a gate electrode 109, a gate electrode 110, and a gate electrode 112 are formed by gate oxidation, polysilicon depot, gate electrode photolithography, and dry etching steps (not shown).

(第5ステップ)
続いて、図8に示す単位画素10の製造工程の第5ステップにおいて、フォトレジスト190Eと、ゲート電極111、ゲート電極109、ゲート電極110、および、ゲート電極112とをフォトマスクとして用いて、イオン注入を行い、フォトダイオード部130のフォトダイオード表面P層113を形成する。
(Fifth step)
Subsequently, in the fifth step of the manufacturing process of the unit pixel 10 shown in FIG. 8, the photoresist 190E and the gate electrode 111, the gate electrode 109, the gate electrode 110, and the gate electrode 112 are used as photomasks to form ions. Implantation is performed to form the photodiode surface P + layer 113 of the photodiode portion 130.

(第6ステップ)
こうして、フォトダイオード部130が形成された後、図9に示す単位画素10の製造工程の第6ステップにおいて、フォトレジスト190Fと、ゲート電極111、ゲート電極109、および、ゲート電極110とをフォトマスクとして用いて、イオン注入を行い、フローティングディフュージョンN領域114、および、素子分離領域(レイン部N領域)120を形成する。
(6th step)
After the photodiode portion 130 is formed in this way, in the sixth step of the manufacturing process of the unit pixel 10 shown in FIG. 9, the photoresist 190F, the gate electrode 111, the gate electrode 109, and the gate electrode 110 are photomasked. Ion implantation is performed to form a floating diffusion N + region 114 and an element separation region (rain portion N + region) 120.

〔付記事項〕
ところで、電荷保持部N領域107と、電荷保持部下P層106、および、電荷保持部表面P層108との位置関係がずれると、読出選択用トランジスタ(第2の電荷転送部)103Bへの転送特性が急激に悪化する。上述した製造方法によれば、電荷保持部下P層106、電荷保持部N領域107、および、電荷保持部表面P層108は、同一のフォトレジストをフォトマスクとして用いたイオン注入により形成される。これによって、電荷保持部下P層106、電荷保持部N領域107、および、電荷保持部表面P層108の互いの形成領域がずれることが無く、製造バラツキによる転送特性の悪化を回避することができる。
[Additional notes]
By the way, when the positional relationship between the charge holding portion N region 107, the charge holding portion lower P layer 106, and the charge holding portion surface P layer 108 is deviated, the transfer to the read selection transistor (second charge transfer unit) 103B is performed. The characteristics deteriorate sharply. According to the manufacturing method described above, the charge holding portion lower P layer 106, the charge holding portion N region 107, and the charge holding portion surface P layer 108 are formed by ion implantation using the same photoresist as a photomask. As a result, the formed regions of the charge holding portion lower P layer 106, the charge holding portion N region 107, and the charge holding portion surface P layer 108 do not shift from each other, and deterioration of transfer characteristics due to manufacturing variations can be avoided. ..

〔まとめ〕
本発明の態様1に係る固体撮像装置1は、半導体基板100に設けられた複数の単位画素10を備えた固体撮像装置1であって、上記単位画素10の各々が、光を信号電荷に光電変換することによって電荷を生成するフォトダイオード部130と、上記フォトダイオード部に隣接し第1のゲート電極109で覆われた転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aと、上記第1のゲート電極109で覆われ、上記転送ゲート部(第1の電荷転送部)103Aにより上記フォトダイオード部130から転送された電荷を保持する電荷保持部N領域(第1導電型半導体領域)107を含む電荷保持部131と、上記電荷保持部131に隣接し第2のゲート電極110で覆われた読出選択用トランジスタ103Bと、上記フォトダイオード部130に第1のゲート電極と異なる部分で隣接し第3のゲート電極111で覆われた電荷排出部180と、を備え、上記フォトダイオード部130、転送ゲート部103A、電荷保持部131、読出選択用トランジスタ103B、および電荷排出部180の半導体表面が全て第2導電型半導体領域103、105、113、108で覆われている。
[Summary]
The solid-state imaging device 1 according to the first aspect of the present invention is a solid-state imaging device 1 provided with a plurality of unit pixels 10 provided on the semiconductor substrate 100, and each of the unit pixels 10 photoelectrically converts light into a signal charge. A photodiode section 130 that generates an electric charge by conversion, a transfer gate section (first charge transfer section) 103A adjacent to the photodiode section and covered with a first gate electrode 109, and the first gate. Charges including the charge holding portion N region (first conductive semiconductor region) 107 which is covered with the electrode 109 and holds the charge transferred from the photodiode section 130 by the transfer gate section (first charge transfer section) 103A. The holding portion 131, the read-selection transistor 103B adjacent to the charge holding portion 131 and covered with the second gate electrode 110, and the photodiode portion 130 adjacent to the third gate electrode at a portion different from the first gate electrode. A charge discharging part 180 covered with a gate electrode 111 is provided, and the semiconductor surface of the photodiode part 130, the transfer gate part 103A, the charge holding part 131, the read selection transistor 103B, and the charge discharging part 180 are all second. It is covered with conductive semiconductor regions 103, 105, 113, 108.

上記の構成によれば、電荷排出部180を通じて全画素のフォトダイオード部130の電荷を全て同時に排出(グローバルリセット動作)した後、一定期間フォトダイオード部130で蓄積された信号電荷を第1のゲート電極109により電荷保持部131に全画素同時に転送させることにより、蓄積時間差を生じることのない電子シャッタ機能であるグローバルシャッタ機能を実現させることができる。 According to the above configuration, after all the charges of the photodiode units 130 of all pixels are simultaneously discharged (global reset operation) through the charge discharge unit 180, the signal charges accumulated in the photodiode unit 130 for a certain period of time are used as the first gate. By simultaneously transferring all the pixels to the charge holding unit 131 by the electrode 109, it is possible to realize the global shutter function, which is an electronic shutter function that does not cause a difference in storage time.

また、この構成によれば、単位画素10の内部で発生するノイズ電子が第2導電型(p型)半導体領域103、105、113、108に存在するホールでトラップされる。よって、単位画素10の内部で発生したノイズ電子が画素出力に混ざるのを防ぐことができる。 Further, according to this configuration, noise electrons generated inside the unit pixel 10 are trapped in holes existing in the second conductive type (p type) semiconductor regions 103, 105, 113, and 108. Therefore, it is possible to prevent noise electrons generated inside the unit pixel 10 from being mixed in the pixel output.

また、上記電荷保持部N領域(第1導電型半導体領域)107は、基板表面側及び基板裏面側から第2導電型半導体領域(電荷保持部表面P層,電荷保持部下P層)108,106によって挟まれていてもよい。この構成によれば、電荷保持部131は、電荷を保持するN層がP層で挟まれているため、P層とN層の中性領域である空乏層の伸びが抑制される。これにより、P層とN層との接合容量が増加し、電荷保持部131で保持することが可能な電荷量を効率的に増やすことができる。 Further, the charge holding portion N region (first conductive semiconductor region) 107 is formed by the second conductive semiconductor region (charge holding portion surface P layer, charge holding portion lower P layer) 108, 106 from the substrate front surface side and the substrate back surface side. May be sandwiched between. According to this configuration, in the charge holding portion 131, since the N layer holding the charge is sandwiched between the P layers, the elongation of the depletion layer, which is the neutral region of the P layer and the N layer, is suppressed. As a result, the junction capacitance between the P layer and the N layer is increased, and the amount of charge that can be held by the charge holding unit 131 can be efficiently increased.

本発明の態様2に係る固体撮像装置1は、上記の態様1において、上記フォトダイオード部130のフォトダイオード表面P層113の濃度C1と、上記電荷保持部131の電荷保持部表面P層108、および、電荷保持部下P層106の濃度C2と、それ以外の半導体表面のP層の濃度C3との濃度の関係がC1>C2>C3である構成としてもよい。In the solid imaging apparatus 1 according to the second aspect of the present invention, in the above aspect 1, the density C1 of the photodiode surface P + layer 113 of the photodiode section 130 and the charge holding portion surface P layer 108 of the charge holding section 131 The relationship between the concentration C2 of the P layer 106 under the charge holding portion and the concentration C3 of the P layer on the other semiconductor surface may be C1>C2> C3.

上記の構成によれば、ゲート電極の有無や、第2導電型(p型)半導体領域103、105、113、108の直下にN型半導体領域が有るか否かなど各部分の構造の違い応じて、各部分に必要なホール濃度分布が形成される。これにより、電荷保持部131から読み出しタイミングのずれによる行ごとのノイズ変化を抑制することができる。 According to the above configuration, the structure of each part differs depending on the presence or absence of the gate electrode and whether or not there is an N-type semiconductor region directly under the second conductive type (p-type) semiconductor regions 103, 105, 113, 108. Therefore, the required hole concentration distribution is formed in each part. As a result, it is possible to suppress a noise change for each row due to a deviation in the reading timing from the charge holding unit 131.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.

1 固体撮像装置
2 撮像部
3 垂直走査回路
4 水平走査回路
5 垂直制御線
6 垂直信号線
7 水平信号線
8 出力バッファ
10 単位画素
135 リセットトランジスタ
140 垂直選択用トランジスタ
100 半導体基板
101 p型ウェル
102 第1の半導体ウェル領域
103 ゲート下表面P
103A 転送ゲート部(第1の電荷転送部)
103B 読出選択用トランジスタ(第2の電荷転送部)
104 フォトダイオードN領域
105 ゲートオーバーラップ部表面P
106 電荷保持部下P層
107 電荷保持部N領域
108 電荷保持部表面P層
109 ゲート電極(第1のゲート電極)
110 ゲート電極(第2のゲート電極)
111 ゲート電極(第3のゲート電極)
112 ゲート電極
113 フォトダイオード表面P
114 フローティングディフュージョンN領域
115 ドレイン部N領域
116 リセットトランジスタN領域
119 ゲート酸化膜
120 素子分離領域
130 フォトダイオード部
131 電荷保持部
132 n型ウェル
135 リセットトランジスタ
140 垂直選択用トランジスタ
142 垂直選択線
150 フローティングディフュージョン
160 増幅用トランジスタ
170 画素信号生成部
180 電荷排出部
190、190A、190B、190C、190D、190E、190F フォトレジスト
200 出力信号線
201 信号処理回路
Vdd 電源
1 Solid-state imaging device 2 Imaging unit 3 Vertical scanning circuit 4 Horizontal scanning circuit 5 Vertical control line 6 Vertical signal line 7 Horizontal signal line 8 Output buffer 10 Unit pixel 135 Reset transistor 140 Vertical selection transistor 100 Semiconductor substrate 101 p-type well 102 Semiconductor well region 103 Gate lower surface P - layer 103A Transfer gate unit (first charge transfer unit)
103B Read selection transistor (second charge transfer unit)
104 Photodiode N region 105 Gate overlap surface P - layer 106 Charge holding part lower P layer 107 Charge holding part N region 108 Charge holding part surface P layer 109 Gate electrode (first gate electrode)
110 Gate electrode (second gate electrode)
111 Gate electrode (third gate electrode)
112 Gate electrode 113 Photodiode surface P + layer 114 Floating diffusion N + area 115 Drain part N + area 116 Reset transistor N area 119 Gate oxide film 120 Element separation area 130 Photodiode part 131 Charge holding part 132 n - type well 135 Reset Transistor 140 Vertical selection transistor 142 Vertical selection line 150 Floating diffusion 160 Amplification transistor 170 Pixel signal generator 180 Charge discharge unit 190, 190A, 190B, 190C, 190D, 190E, 190F photodiode 200 Output signal line 201 Signal processing circuit Vdd Power supply

Claims (2)

半導体基板に設けられた複数の単位画素を備えた固体撮像装置であって、
上記単位画素の各々が、
光を信号電荷に光電変換することによって電荷を生成するフォトダイオード部と、
上記フォトダイオード部に隣接し第1のゲート電極で覆われた第1の電荷転送部と、
上記第1のゲート電極で覆われ、上記第1の電荷転送部により上記フォトダイオード部から転送された電荷を保持する第1導電型半導体領域を含む電荷保持部と、
上記電荷保持部に隣接し第2のゲート電極で覆われた第2の電荷転送部と、
上記フォトダイオード部に上記第1のゲート電極と異なる部分で隣接し第3のゲート電極で覆われた電荷排出部と、
を備え、
上記フォトダイオード部、上記第1の電荷転送部、上記電荷保持部、上記第2の電荷転送部、および上記電荷排出部の半導体表面が全て第2導電型半導体領域で覆われており、
上記フォトダイオード部の上記第2導電型半導体表面領域の濃度C1と、上記電荷保持部の上記第2導電型半導体表面領域の濃度C2と、上記第1の電荷転送部、上記第2の電荷転送部および上記電荷排出部の上記第2導電型半導体表面領域の濃度C3との関係がC1>C2>C3であることを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state image sensor equipped with a plurality of unit pixels provided on a semiconductor substrate.
Each of the above unit pixels
A photodiode section that generates an electric charge by photoelectrically converting light into an electric charge,
A first charge transfer section adjacent to the photodiode section and covered with a first gate electrode,
A charge holding portion that is covered with the first gate electrode and includes a first conductive semiconductor region that holds the charge transferred from the photodiode section by the first charge transfer section.
A second charge transfer unit adjacent to the charge holding unit and covered with a second gate electrode,
A charge discharging part adjacent to the photodiode part at a portion different from the first gate electrode and covered with the third gate electrode,
With
The semiconductor surfaces of the photodiode section, the first charge transfer section, the charge holding section, the second charge transfer section, and the charge discharging section are all covered with the second conductive semiconductor region.
The density C1 of the second conductive semiconductor surface region of the photodiode section, the concentration C2 of the second conductive semiconductor surface region of the charge holding section, the first charge transfer section, and the second charge transfer. A solid-state imaging device characterized in that the relationship between the portion and the concentration C3 of the second conductive semiconductor surface region of the charge discharging portion is C1>C2> C3.
前記半導体表面は、さらに、ゲート酸化膜で覆われている、請求項1に記載の固体撮像装置。The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the semiconductor surface is further covered with a gate oxide film.
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