JP4763242B2 - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は。画像撮像のために受光量に応じて電圧を出力する固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に、CMOS型イメージセンサに適用して好適なものである。   The present invention. The present invention relates to a solid-state imaging device that outputs a voltage in accordance with the amount of received light for imaging and a manufacturing method thereof, and is particularly suitable for application to a CMOS image sensor.

固体撮像素子は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話、監視用カメラ、車載カメラ等様々な分野で使用されており、電荷結合素子(以下、CCDと称す)がよく知られている。また、CCDとは異なる構造を持つ固体撮像素子として、CMOSイメージセンサ、特に、非特許文献1に開示されているように、Active Pixel Sensor型(又は画素内増幅型センサ。以下APSと称す)CMOSイメージセンサが知られている。   Solid-state imaging devices are used in various fields such as digital video cameras, digital still cameras, mobile phones with cameras, surveillance cameras, and in-vehicle cameras. Charge-coupled devices (hereinafter referred to as CCDs) are well known. . Further, as a solid-state imaging device having a structure different from that of a CCD, as disclosed in Non-Patent Document 1, a CMOS image sensor, an active pixel sensor type (or an in-pixel amplification type sensor, hereinafter referred to as APS) CMOS is disclosed. Image sensors are known.

CMOSイメージセンサは、信号処理に用いるCMOSと同一プロセスで作成できるため、周辺回路との混載が容易で、供給電源が1種類で済み、消費電力が低く、高速応答が可能であり、CCD特有のスミアという偽画像が発生しないという長所がある。一方、CCDに比べて画質が劣ると考えられてきたため、現在までの所、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラのように画質が重視される用途においては、CCDの後塵を拝することが多い。   Since a CMOS image sensor can be created in the same process as a CMOS used for signal processing, it can be easily mixed with peripheral circuits, only one type of power supply is required, low power consumption, and high-speed response is possible. There is an advantage that a false image called smear does not occur. On the other hand, since it has been considered that the image quality is inferior to that of a CCD, so far, in applications where the image quality is important, such as a digital video camera or a digital still camera, the back of the CCD is often used.

CMOSイメージセンサの用途を拡げるためには、その画質を改善することが最重要課題の1つである。そのためには、様々な特性を改善する必要があるが、中でも暗電流と呼ばれる光が当たっていない時に発生する電流を抑制することが特に重要と考えられる。
CMOSイメージセンサの動作は、通常初期化(リセット)時に逆バイアスを印加することによって電荷をフォトダイオードに蓄積させる。次いで、MOS型リセット素子をOFF状態にすることにより、フォトダイオードを電源から切り離す。そして、光が当たることにより発生する電流によって、フォトダイオードに蓄積された電荷を減少させ、相関検出回路等を用いることで、初期化時と露光時間後の保持電荷の差を検出する。
In order to expand the application of CMOS image sensors, improving the image quality is one of the most important issues. For that purpose, it is necessary to improve various characteristics, but it is considered to be particularly important to suppress a current that is generated when light called a dark current is not being irradiated.
In the operation of the CMOS image sensor, a charge is accumulated in the photodiode by applying a reverse bias during normal initialization (reset). Next, the photodiode is disconnected from the power supply by turning off the MOS type reset element. Then, the charge accumulated in the photodiode is reduced by a current generated by the exposure to light, and a correlation detection circuit or the like is used to detect the difference between the retained charge at the time of initialization and after the exposure time.

ここで、暗電流が大きい場合、明るい光が入射しない状態でも、フォトダイオードに蓄積された電荷が減少するので、露光時間を長くとると、画像の黒い部分に白っぽいムラや傷ができる。また、画素毎に暗電流特性がばらつくことで固定ノイズが増加し、また暗電流がランダムに変動する成分はランダムノイズの一部となり、画質を劣化させる要因となる。   Here, when the dark current is large, the charge accumulated in the photodiode is reduced even when bright light is not incident. Therefore, if the exposure time is increased, whitish unevenness and scratches can be formed on the black portion of the image. In addition, since the dark current characteristic varies from pixel to pixel, the fixed noise increases, and the component in which the dark current fluctuates randomly becomes part of the random noise, which causes deterioration in image quality.

従来から、CMOSイメージセンサの暗電流を減らすために、フォトダイオード部に着目して構造を工夫する試みは色々なされてきた。例えば、特許文献1には、暗電流の主要な発生源の1つであるLOCOS(Local Oxidation of Silicon)端から距離Lだけ隔ててアクティブ領域に空乏層を形成する方法が開示されている。また、特許文献2には、表面をフォトダイオードのn型とは反対の導電型のp+層で覆い、空乏層をできるだけ基板内部に配置する方法が開示されている。また、非特許文献2には、ストレスを発生させる製造工程の条件を工夫する方法が開示されている。また、非特許文献3には、異方性ドライエッチングの基板表面へのダメージを軽減する法が開示されている。これらの対策は、程度の差はあるが、それぞれ暗電流を減らす上で効果的であった。
特開平10−98176号公報 特開平2−87668号公報 Eric Fossum “ Active Pixel Sensors: Are CCD’s Dinasauers?”, CCD and Solid state Optical Sensors III Proc.SPIE, 2−14, 1993、 Eric Fossum “CMOS Imager Sensor Electronic Camera−On−A−Chip”, IEEE Trans.Elec.Dev.,Vol.44, 1689−1698, 1997 IEEE Trans.Elec.Dev, Vol.43, No.11(1996) p1989 International Symposium on Plasma Process−Induced Damage(1996) p198−201
Conventionally, in order to reduce the dark current of the CMOS image sensor, various attempts have been made to devise the structure by paying attention to the photodiode portion. For example, Patent Document 1 discloses a method of forming a depletion layer in an active region at a distance L from a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) end, which is one of the main sources of dark current. Patent Document 2 discloses a method in which the surface is covered with a p + layer having a conductivity type opposite to the n-type of the photodiode, and the depletion layer is disposed inside the substrate as much as possible. Non-Patent Document 2 discloses a method for devising conditions of a manufacturing process that generates stress. Non-Patent Document 3 discloses a method for reducing damage to the substrate surface by anisotropic dry etching. These measures were effective in reducing the dark current, although to some extent.
JP-A-10-98176 Japanese Patent Laid-Open No. 2-87668 Eric Fossum “Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinauers?”, CCD and Solid state Optical Sensors III Proc. SPIE, 2-14, 1993, Eric Fossum “CMOS Imager Sensor Electronic Camera-On-A-Chip”, IEEE Trans. Elec. Dev. , Vol. 44, 1689-1698, 1997 IEEE Trans. Elec. Dev, Vol. 43, no. 11 (1996) p1989 International Symposium on Plasma Process-Induced Damage (1996) p198-201

しかしながら、上記の対策は、光電流を発生するフォトダイオードに着目したものであり、フォトダイオードに接する素子、例えばリセット素子に着目して暗電流対策を施すことは行われていなかった。
そこで、本発明の目的は、フォトダイオード及びフォトダイオードに近接する素子における暗電流発生箇所と発生量をできるだけ定量的に把握した上で、今まで明確に対策の施されていなかったフォトダイオード近接素子由来の暗電流の抑制を行い、既存CMOSプロセスへの変更が少ないシンプルで現実的な対策で暗電流を減少させることが可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することである。
However, the above countermeasure is focused on a photodiode that generates a photocurrent, and no dark current countermeasure has been taken by focusing on an element in contact with the photodiode, for example, a reset element.
Accordingly, an object of the present invention is to know the location and amount of dark current generation in a photodiode and an element adjacent to the photodiode as quantitatively as possible, and to the photodiode proximity element that has not been clearly treated until now. It is to provide a solid-state imaging device capable of reducing the dark current with a simple and practical measure that suppresses the dark current derived from the source, and has few changes to the existing CMOS process, and a manufacturing method thereof.

上述した課題を解決するために、請求項1記載の固体撮像素子によれば、光検知のためのフォトダイオードと、該フォトダイオードを初期化するために電荷を供給するリセット用素子と、前記フォトダイオードの電位を検出するための素子と、画素の選択をするための素子と、半導体基板を選択的に酸化させて形成した素子分離領域と、を画素内に有する固体撮像素子において、前記リセット用素子が非対称型構造のMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)であり、前記露光制御用素子と前記リセット用素子とに挟まれた第1の導電型の高濃度不純物領域を、該高濃度不純物領域より低濃度の第1の導電型の不純物領域で、前記高濃度不純物領域端と素子分離領域端を含むように覆う構成を備え、前記高濃度不純物領域を覆う前記低濃度の不純物領域の前記リセット用素子側の端部は、前記高濃度不純物領域の端部を越えて前記リセット用素子のゲート下側に入り込んだ位置であって、且つ、暗電流が最小となる前記リセット用素子の前記高濃度不純物領域側のゲート端近傍の位置にあることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, according to the solid-state imaging device according to claim 1, a photodiode for detecting light, a resetting device for supplying a charge for initializing the photodiode, and the photo In the solid-state imaging device having an element for detecting the potential of the diode, an element for selecting the pixel, and an element isolation region formed by selectively oxidizing the semiconductor substrate in the pixel, the reset The element is a MOS transistor (metal oxide film semiconductor element) having an asymmetric structure , and the high-concentration impurity region of the first conductivity type sandwiched between the exposure control element and the reset element is the high-concentration impurity region. The low-concentration first conductivity type impurity region covers the high-concentration impurity region and the element isolation region end so as to include the low-concentration impurity region. End of the reset element side of the impurity region, the high beyond the end of the doped region at a position that has entered the gate lower side of the reset element, and the dark current is minimized The reset element is located near the gate end on the high-concentration impurity region side.

また、請求項2記載の固体撮像素子によれば、請求項1の固体撮像素子において、該半導体基板がシリコンであることを特徴とする。
また、請求項3記載の固体撮像素子によれば、請求項1の固体撮像素子において、高濃度不純物領域端を覆うための不純物領域を形成する元素がリンであることを特徴とする。
According to a solid-state image pickup device according to claim 2, in the solid-state image pickup device according to claim 1, the semiconductor substrate is silicon.
The solid-state imaging device according to claim 3 is characterized in that, in the solid-state imaging device according to claim 1, the element forming the impurity region for covering the edge of the high- concentration impurity region is phosphorus.

また、請求項4記載の固体撮像素子によれば、光検知のためのフォトダイオードと、該フォトダイオードを初期化するために電荷を供給するリセット用素子と、前記フォトダイオードの電位を検出するための素子と、画素の選択をするための素子と、露光を制御するための素子と、半導体基板を選択的に酸化させて形成した素子分離領域と、を画素内に有する固体撮像素子において、前記リセット用素子が非対称型構造のMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)であり、前記露光制御用素子と前記リセット用素子とに挟まれた第1の導電型の高濃度不純物領域を、該高濃度不純物領域より低濃度の第1の導電型の不純物領域で、前記高濃度不純物領域端と素子分離領域端を含むように覆う構成を備え、前記高濃度不純物領域を覆う前記低濃度の不純物領域の前記リセット用素子側の端部は、前記高濃度不純物領域の端部を越えて前記リセット用素子のゲート下側に入り込んだ位置であって、且つ、暗電流が最小となる前記リセット用素子の前記高濃度不純物領域側のゲート端近傍の位置にあることを特徴とする。 According to the solid-state imaging device of claim 4, the photodiode for detecting light, the resetting device for supplying a charge for initializing the photodiode, and the potential of the photodiode are detected. In the solid-state imaging device, the pixel includes: an element for selecting a pixel; an element for controlling exposure; and an element isolation region formed by selectively oxidizing a semiconductor substrate. The reset element is a MOS transistor (metal oxide film semiconductor element) having an asymmetric structure , and the high-concentration impurity region of the first conductivity type sandwiched between the exposure control element and the reset element is the high-concentration impurity region. The first conductive type impurity region having a lower concentration than the impurity region is configured to cover the high concentration impurity region end and the element isolation region end so as to cover the high concentration impurity region. End of the reset element side of the impurity regions of the concentration is a position that has entered the gate lower side of the high concentration impurity regions end the reset element beyond the, and, a dark current is minimized The reset element is located near the gate end on the high-concentration impurity region side.

また、請求項記載の固体撮像素子によれば、請求項の固体撮像素子において、該半導体基板がシリコンであることを特徴とする。
また、請求項記載の固体撮像素子によれば、請求項の固体撮像素子において、高濃度不純物領域端を覆うための不純物領域を形成する元素がリンであることを特徴とする。
The solid-state imaging device according to claim 5 is characterized in that in the solid-state imaging device according to claim 4 , the semiconductor substrate is silicon.
According to the solid-state imaging device of claim 6, the element forming the impurity region for covering the edge of the high-concentration impurity region is phosphorus in the solid-state imaging device of claim 4 .

また、請求項7記載の固体撮像素子の製造方法によれば、第1導電型の半導体基板に当該半導体基板を選択的に酸化させて素子分離領域を形成する工程と、該半導体基板に第2導電型の不純物を導入して感光部を形成する工程と、該半導体基板に第1導電型の不純物を導入して該感光部を初期化するための素子であるMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)のウェルを形成する工程と、該半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に前記初期化素子のゲート電極を形成する工程と、第2導電型の前記初期化素子の拡散層を形成する工程と、前記初期化素子の感光部側の拡散層と前記素子分離領域端を覆う領域に、第2導電型で該拡散層より低いドーズ量のイオン注入を行う工程と、を含み、前記イオン注入を行う工程でイオン注入を行う前記領域は、前記初期化素子のゲート直下には入り込まず、その端部は、前記初期化素子のゲート端よりも僅かに外側の位置であって且つ暗電流が最小となる当該ゲート端近傍の位置にあることを特徴とする。 According to the method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 7, the step of selectively oxidizing the semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor substrate to form an element isolation region, and the second step A step of forming a photosensitive portion by introducing a conductivity type impurity; and a MOS transistor (metal oxide semiconductor device) which is an element for introducing a first conductivity type impurity into the semiconductor substrate to initialize the photosensitive portion. ), A step of forming an insulating film on the semiconductor substrate, a step of forming a gate electrode of the initialization element on the insulating film, and a step of forming the initialization element of the second conductivity type. A step of forming a diffusion layer, a step of ion implantation of a second conductivity type with a dose lower than the diffusion layer into a region covering the diffusion layer on the photosensitive portion side of the initialization element and the end of the element isolation region; In the ion implantation step. The region for injection, does not enter the gate immediately below the initialization element, its end, the gate and the dark current a slightly outer position than the gate terminal of the initialization element is minimized It is in the position near the end.

また、請求項8記載の固体撮像素子の製造方法によれば、請求項の固体撮像素子の製造方法において、第1導電型の半導体基板に第2導電型の不純物を導入して感光部を形成する工程と、初期化素子の感光部側の拡散層と素子分離領域端を覆う領域の第2導電型イオン注入を同一工程で行うことを特徴とする。 According to a method for manufacturing a solid-state image pickup device according to claim 8, in the method for manufacturing a solid-state image pickup device according to claim 7 , the second conductive type impurity is introduced into the first conductive type semiconductor substrate to form the photosensitive portion. The step of forming and the second conductivity type ion implantation of the region covering the diffusion layer on the photosensitive portion side of the initialization element and the end of the element isolation region are performed in the same step.

以上説明したように、本発明によれば、主要な暗電流の発生箇所の1つと考えられるリセットMOSのようなフォトダイオードに接する素子の拡散層端に関して、拡散層端及び素子分離領域端近傍領域で急峻な電界勾配を持つ空乏層を形成しないようにする対策を施すことにより、CMOSイメージセンサの暗電流を削減し、その画質を改善することができる。また、本発明の製造方法では、従来のCMOSプロセスの一部の工程を変更又は追加するだけで作成することが可能である。   As described above, according to the present invention, with respect to the diffusion layer end of the element in contact with the photodiode such as the reset MOS, which is considered as one of the main dark current generation locations, the diffusion layer end and the element isolation region end vicinity region By taking measures to prevent the formation of a depletion layer having a steep electric field gradient, the dark current of the CMOS image sensor can be reduced and the image quality can be improved. In addition, the manufacturing method of the present invention can be created by changing or adding a part of the conventional CMOS process.

以下、3トランジスタ型のCMOSイメージセンサをシリコン基板上に形成する場合を例にとって、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明はこの構造に限られるものではなく、他のピクセル構造においても、フォトダイオードに近接して電荷を保持する機能を持つMOS型素子の高濃度拡散層の空乏層が表面に露出している部分の暗電流を抑制するために適用することが可能である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by taking a case where a 3-transistor CMOS image sensor is formed on a silicon substrate as an example. The present invention is not limited to this structure. In other pixel structures, the depletion layer of the high-concentration diffusion layer of the MOS type element having a function of holding charges in the vicinity of the photodiode is exposed on the surface. The present invention can be applied to suppress dark current in a portion where the current is present.

図1は、APS型CMOSイメージセンサのピクセル部の一例を示す回路図である。
図1において、APS型CMOSイメージセンサには、光検出用フォトダイオード11、フォトダイオード11を初期化するためのMOS型リセット素子12、フォトダイオード11の電荷及び電位を出力電圧に変換するためのソースフォロワー素子13および画素(ピクセル)選択用素子14が設けられている。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a pixel portion of an APS type CMOS image sensor.
In FIG. 1, an APS type CMOS image sensor includes a photodetection photodiode 11, a MOS type reset element 12 for initializing the photodiode 11, and a source for converting the charge and potential of the photodiode 11 into an output voltage. A follower element 13 and a pixel selection element 14 are provided.

図2は、APS型CMOSイメージセンサのピクセルレイアウトの一例を示す平面図、図3は、図2のラインAに沿ったMOS型リセット素子の断面構造の一例を示す図、図4は、図2のラインBに沿ったフォトダイオードとMOS型リセット素子の断面構造の一例を示す図である。なお、図4では、図2のコンタクト18の構造は省略してある。
図2〜4において、P型シリコン基板31上には、フィールド領域16で囲まれたアクティブ領域15が形成されている。ここで、フィールド領域16には、LOCOS法にて形成された素子分離領域33が形成され、アクティブ領域15にはコンタクト18が形成されている。
2 is a plan view showing an example of a pixel layout of the APS type CMOS image sensor, FIG. 3 is a view showing an example of a cross-sectional structure of the MOS type reset element along the line A in FIG. 2, and FIG. It is a figure which shows an example of the cross-section of a photodiode and MOS type | mold reset element along line B of FIG. In FIG. 4, the structure of the contact 18 in FIG. 2 is omitted.
2 to 4, an active region 15 surrounded by a field region 16 is formed on a P-type silicon substrate 31. Here, an element isolation region 33 formed by the LOCOS method is formed in the field region 16, and a contact 18 is formed in the active region 15.

そして、図1の光検出用フォトダイオード11に対応して、フォトダイオード用n型領域41がP型シリコン基板31上に形成されている。また、MOS型リセット素子12、ソースフォロワー素子13および画素選択用素子14にそれぞれ対応して、アクティブ領域15に跨るように配置されたゲート電極42a〜42cが形成されている。なお、ゲート電極42a〜42cは、例えば、ゲート酸化膜44を介してP型シリコン基板31上に配置されたポリシリコンゲートで構成することができる。   A photodiode n-type region 41 is formed on the P-type silicon substrate 31 in correspondence with the photodetection photodiode 11 shown in FIG. In addition, gate electrodes 42 a to 42 c arranged so as to straddle the active region 15 are formed corresponding to the MOS reset element 12, the source follower element 13, and the pixel selection element 14, respectively. Note that the gate electrodes 42 a to 42 c can be constituted by, for example, a polysilicon gate disposed on the P-type silicon substrate 31 with the gate oxide film 44 interposed therebetween.

ここで、P型シリコン基板31には、フォトダイオード用n型領域41と所定間隔だけ隔ててPウェル領域32が形成されている。そして、ゲート電極42aの両側には、MOS型リセット素子12のソース部およびドレイン部にそれぞれ対応するn+拡散層34、43がそれぞれ形成され、n+拡散層34はフォトダイオード用n型領域41上に延伸されている。そして、フォトダイオード用n型領域41上に延伸されたn+拡散層34は、メタル配線19を介してゲート電極42bに接続されている。   Here, a P-well region 32 is formed on the P-type silicon substrate 31 with a predetermined distance from the photodiode n-type region 41. On both sides of the gate electrode 42a, n + diffusion layers 34 and 43 respectively corresponding to the source and drain portions of the MOS reset element 12 are formed. The n + diffusion layer 34 is formed on the n-type region 41 for the photodiode. Has been stretched. The n + diffusion layer 34 extended on the photodiode n-type region 41 is connected to the gate electrode 42 b through the metal wiring 19.

なお、フォトダイオード用n型領域41には、ドーパント不純物のドーズ量とイオン注入の加速エネルギーが最適化されたn型領域を使用することができる。あるいは、プロセス工程数を少なくするために、PMOS形成用のNウェルを用いることも可能である。そして、フォトダイオード用n型領域41とP型シリコン基板31との間にできる空乏層で発生する光電流を、入射光強度の検出に利用することができる。
また、図2のレイアウトはマスクの設計の際に使用されるものなので、実際の固体撮像素子を上から眺めた場合は、フォトダイオード用n型領域41端は素子分離領域の下に隠れている。
The n-type region 41 for the photodiode can be an n-type region in which the dopant impurity dose and the ion implantation acceleration energy are optimized. Alternatively, an N well for forming a PMOS can be used to reduce the number of process steps. The photocurrent generated in the depletion layer formed between the photodiode n-type region 41 and the P-type silicon substrate 31 can be used for detecting the incident light intensity.
Further, since the layout of FIG. 2 is used when designing a mask, when an actual solid-state imaging device is viewed from above, the end of the n-type region 41 for the photodiode is hidden under the device isolation region. .

図5および図6は、暗電流の発生箇所を推定するために用いたピクセルレイアウト例(フォトダイオード用n型領域41のあるパターン)を示す平面図、図7は、図6パターンの場合の図2のラインBに対応するフォトダイオード11とMOS型リセット素子12の断面構造の一例を示す図である。
図5の系列は、フォトダイオード用n型領域41a〜41cがNウェルで構成され、フォトダイオード用n型領域41a〜41cの面積と周囲長を小さいものから大きいものへと変化させている。
FIG. 5 and FIG. 6 are plan views showing pixel layout examples (patterns with n-type regions 41 for photodiodes) used for estimating the dark current generation location, and FIG. 7 is a diagram in the case of the pattern of FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a photodiode 11 and a MOS-type reset element 12 corresponding to line 2 of FIG.
In the series of FIG. 5, the n-type regions 41 a to 41 c for photodiodes are configured by N wells, and the areas and peripheral lengths of the n-type regions 41 a to 41 c for photodiodes are changed from small to large.

また、図6の系列では、図2のフォトダイオード用n型領域41に対応したNウェルがなく、図7に示すように、Pウェル32がフォトダイオード11の領域まで延伸されている。また、フォトダイオード11の領域まで延伸されたPウェル32上で、高濃度のn+拡散層34a〜34cが大きく拡張され、Pウェル32とn+拡散層34a〜34cとの間の空乏層を用いて光電変換をするフォトダイオード構造になっている。これらのピクセルについても、n+拡散層34a〜34cの周囲長と面積を小さいものから大きいものへ変化させている。
図5および図6の各ピクセル構造のフォトダイオード11及びMOS型リセット素子12の拡散層(ソース)部の面積及び周囲長と各ピクセル毎の暗電流の測定結果を表1に示す。
In the series of FIG. 6, there is no N well corresponding to the n-type region 41 for the photodiode of FIG. 2, and the P well 32 extends to the region of the photodiode 11 as shown in FIG. 7. Further, the high concentration n + diffusion layers 34a to 34c are greatly expanded on the P well 32 extended to the region of the photodiode 11, and a depletion layer between the P well 32 and the n + diffusion layers 34a to 34c is used. It has a photodiode structure that performs photoelectric conversion. Also for these pixels, the perimeter and area of the n + diffusion layers 34a to 34c are changed from small to large.
Table 1 shows the measurement results of the area and peripheral length of the diffusion layer (source) portion of the photodiode 11 and the MOS type reset element 12 of each pixel structure of FIGS. 5 and 6 and the dark current for each pixel.

Figure 0004763242
Figure 0004763242

また、図5のフォトダイオード用n型領域41a〜41cとP型シリコン基板31で空乏層が形成された時のフォトダイオード用n型領域41a〜41bの面積と暗電流の関係を図8、周囲長と暗電流の関係を図9に示す。また、図6のn+拡散層34a〜34cとPウェル32で空乏層が形成された時のn+拡散層34a〜34cの面積と暗電流の関係を図10、周囲長と暗電流の関係を図11に示す。   8 shows the relationship between the area of the photodiode n-type regions 41a to 41b and the dark current when the depletion layer is formed in the photodiode n-type regions 41a to 41c and the P-type silicon substrate 31 of FIG. FIG. 9 shows the relationship between the length and the dark current. FIG. 10 shows the relationship between the area of the n + diffusion layers 34a to 34c and the dark current when the depletion layer is formed by the n + diffusion layers 34a to 34c and the P well 32 in FIG. 11 shows.

図8〜図11において、フォトダイオード用n型領域41a〜41cまたはn+拡散層34a〜34cの面積および周囲長にほぼ比例して、ピクセルの暗電流が増加していることが判る。以上の測定結果を元に、ピクセル内の各空乏層の暗電流の発生率を推定する。
まず、図6のn+拡散層34a〜34cとPウェル32で空乏層が形成されたフォトダイオード(以下、拡散層型フォトダイオードと称す。)に関して、以下のモデル式を仮定した。
8 to 11, it can be seen that the dark current of the pixel increases almost in proportion to the area and the peripheral length of the photodiode n-type regions 41 a to 41 c or the n + diffusion layers 34 a to 34 c. Based on the above measurement results, the dark current generation rate of each depletion layer in the pixel is estimated.
First, the following model formula was assumed for the photodiode in which a depletion layer was formed by the n + diffusion layers 34a to 34c and the P well 32 in FIG. 6 (hereinafter referred to as a diffusion layer type photodiode).

dark=IPDn+bulk+IPDn+surf+Ioffset ・・・(1)
PDn+bulk=Gn+bulk×AreaPDn+×Dn+bottom
+Gn+bulk×PeriPDn+×Wn+side×Dn+side・・・(2)
PDn+surf=Gn+surf×PeriPDn+×Wn+surf ・・・(3)
offset≒Irstsrc=Irstsrcbulk+Irstsrcsurf ・・・(4)
rstsrcbulk=Gn+bulk×Arearstsrc×Dn+bottom
+Gn+bulk×Perirstsrc×Wn+side×Dn+side・(5)
rstsrcsurf=Gn+surf×Perirstsrc×Wn+surf ・・・(6)
I dark = I PDn + bulk + I PDn + surf + I offset (1)
I PDn + bulk = Gn + bulk × Area PDn + × Dn + bottom
+ G n + bulk × Peri PDn + × W n + side × D n + side (2)
I PDn + surf = G n + surf × Peri PDn + × W n + surf (3)
I offset ≒ I rstsrc = I rstsrcbulk + I rstsrcsurf (4)
I rstsrcbulk = G n + bulk × Area rstsrc × D n + bottom
+ G n + bulk × Peri rstsrc × W n + side × D n + side (5)
I rstsrcsurf = G n + surf × Peri rstsrc × W n + surf (6)

ここで、(1)式のIdarkはピクセル全体で発生している暗電流、IPDn+bulkは拡散層型フォトダイオードのP型シリコン基板31内部の空乏層で発生する暗電流、IPDn+surfは拡散層型フォトダイオードの周囲の空乏層表面(Si/SiO2界面)で発生する暗電流、Ioffsetは拡散層型フォトダイオード以外の領域で発生する暗電流である。IrstsrcはMOS型リセット素子12のソース領域の空乏層で発生する暗電流を表す。Ioffsetに影響を与える因子としては、他にも拡散層型フォトダイオードのコンタクト周辺で発生する暗電流やMOS型リセット素子12のチャンネルリーク電流等色々な要因があるが、MOS型リセット素子12のソース領域の空乏層の暗電流に比べて小さいと想定されるので、この解析においては無視することにした。 Here, I dark in the equation (1) is dark current generated in the entire pixel, I PDn + bulk is dark current generated in the depletion layer inside the P-type silicon substrate 31 of the diffusion layer type photodiode, and I PDn + Surf is a dark current generated on the surface of the depletion layer (Si / SiO 2 interface) around the diffusion layer type photodiode, and I offset is a dark current generated in a region other than the diffusion layer type photodiode. I rstsrc represents a dark current generated in the depletion layer in the source region of the MOS reset element 12. There are various other factors that affect I offset , such as dark current generated around the contact of the diffusion layer type photodiode and channel leakage current of the MOS type reset element 12. Since it is assumed to be smaller than the dark current of the depletion layer in the source region, it was ignored in this analysis.

n+bulkはn+拡散層34a〜34cのP型シリコン基板31内部の空乏層で発生する単位体積当りの暗電流発生率、Gn+surfはn+拡散層34a〜34cのSiとSiO2界面の空乏層で発生する単位面積当りの暗電流発生率である。これらの値は、n+拡散層34a〜34cの濃度、Pウェル領域32の濃度およびアニール等のプロセス条件によって変化する。 G n + bulk is the dark current generation rate per unit volume generated in the depletion layer inside the P-type silicon substrate 31 of the n + diffusion layers 34a to 34c, and G n + surf is the Si and SiO 2 interface of the n + diffusion layers 34a to 34c. The dark current generation rate per unit area generated in the depletion layer. These values vary depending on the concentration of n + diffusion layers 34a to 34c, the concentration of P well region 32, and process conditions such as annealing.

AreaPDn+とPeriPDn+はそれぞれ拡散層型フォトダイオードの面積と周囲長で、図12(a)の太点線で囲まれた面積と長さに対応するので、試作で使用したマスクから測った。ArearstsrcとPerirstsrcはMOS型リセット素子12のソース領域の面積と周囲長を表し、図12(b)の太点線に挟まれた領域の面積と長さに対応する。ただし、この周囲長は、(5)式および(6)式に代入する際に、拡散層型フォトダイオードとMOS型リセット素子12の互いの境界長は除いて解析する方が適切と考えられる。また、Perirstsrcはさらに、MOS型リセット素子12のゲート端部を除くことが適切である。なお、表1の周囲長(Perimeter)には、これらの補正後の値を記入している。 Area PDn + and Peri PDn + are respectively the area and perimeter of the diffusion layer type photodiode, and correspond to the area and length surrounded by the thick dotted line in FIG. 12A, and were measured from the mask used in the prototype. Area rstsrc and Peri rstsrc represent the area and perimeter of the source region of the MOS reset element 12, and correspond to the area and length of the region sandwiched between the thick dotted lines in FIG. However, it is considered that it is more appropriate to analyze this peripheral length by excluding the mutual boundary length between the diffusion layer type photodiode and the MOS type reset element 12 when substituting into the expressions (5) and (6). In addition, it is appropriate that Peri rstsrc further excludes the gate end of the MOS reset element 12. It should be noted that these corrected values are entered in the perimeter of Table 1 (Perimeter).

n+bottomはn+拡散層の底の空乏層幅を表す。Wn+sideとDn+sideはn+拡散層34a〜34cの横方向の空乏層幅とその深さであり、Wn+surfはn+拡散層34a〜34cの表面部分の空乏層幅である。ここで、空乏層の幅及び深さを推定するために、測定サンプル作成に用いたプロセスフローとレイアウトに基づき、プロセスシミュレーションでCMOSイメージセンサのピクセル構造を作成した。次に、デバイスシミュレーションを用いてそのポテンシャル分布及び電子、ホールの分布から空乏層幅を推定した。 D n + bottom represents the depletion layer width at the bottom of the n + diffusion layer. W n + side and D n + side are the depletion layer width and depth in the lateral direction of the n + diffusion layers 34a to 34c, and W n + surf is the depletion layer width of the surface portion of the n + diffusion layers 34a to 34c. . Here, in order to estimate the width and depth of the depletion layer, the pixel structure of the CMOS image sensor was created by process simulation based on the process flow and layout used for creating the measurement sample. Next, the width of the depletion layer was estimated from the potential distribution and the electron and hole distribution using device simulation.

図13は、デバイスシミュレーションで得られたn+拡散層−pウェル型ピクセルのポテンシャル分布と空乏層幅の関係を示す図である。なお、図13の実線の等高線は等ポテンシャル面を表す。また、P型シリコン基板31内の点線は空乏層と中性領域の境界を表す。
図13において、上記で定義した空乏層幅や深さDn+bottom、Wn+side、Dn+side、Wn+surfが図示されている。だだし、側面の空乏層の形状は単純な図形では表現できないが、モデル式を簡単化するために長方形近似にしたので、面積がほぼ等しくなる様にDn+sideとWn+sideの値は選んだ。
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the potential distribution of the n + diffusion layer-p well type pixel and the depletion layer width obtained by device simulation. Note that the solid contour lines in FIG. 13 represent the equipotential surface. A dotted line in the P-type silicon substrate 31 represents a boundary between the depletion layer and the neutral region.
In FIG. 13, the depletion layer width and depth D n + bottom , W n + side , D n + side , and W n + surf defined above are shown. However, the shape of the depletion layer on the side cannot be expressed by a simple figure, but since the model formula is simplified to a rectangle approximation, the values of D n + side and W n + side are set so that the areas are almost equal. Chose.

このピクセル構造の場合には、MOS型リセット素子12のソース領域と拡散層型フォトダイオードの領域がほぼ同じ構造なので、バルクと表面の暗電流発生率及び空乏層幅が共通になる。このため、モデル式の結果と測定結果をフィッティングさせることにより、暗電流発生率を推定することができる。このようにして得られたパラメータGn+bulk、Gn+surfの値を表2に示す。 In the case of this pixel structure, since the source region of the MOS type reset element 12 and the region of the diffusion layer type photodiode are substantially the same structure, the dark current generation rate and the depletion layer width of the bulk and the surface are common. For this reason, the dark current generation rate can be estimated by fitting the result of the model formula and the measurement result. Table 2 shows values of the parameters G n + bulk and G n + surf thus obtained.

Figure 0004763242
Figure 0004763242

次に図5のフォトダイオード用n型領域41a〜41cに対応したNウェルとP型シリコン基板31の空乏層を用いたフォトダイオード(以下、Nウェル型フォトダイオードと称す。)に関して、図6の拡散型フォトダイオードの場合と同様に、以下のモデル式を仮定した。
dark=IPDnwbulk+IPDnwsurf+Ioffset ・・・(7)
PDnwbulk=Gnwbulk×AreaPDnw×Dnwbottom
+Gnwbulk×PeriPDnw×Wnwside×Dnwside・・・(8)
PDnwsurf=Gnwsurf×PeriPDnw×Wnwsurf ・・・(9)
offset≒Irstsrc ・・・(10)
Next, a photodiode using an N well corresponding to the photodiode n-type regions 41a to 41c in FIG. 5 and a depletion layer of the P-type silicon substrate 31 (hereinafter referred to as an N-well photodiode) is shown in FIG. As in the case of the diffusion type photodiode, the following model formula was assumed.
I dark = I PDnwbulk + I PDnwsurf + I offset (7)
I PDnwbulk = G nwbulk × Area PDnw × D nwbottom
+ G nwbulk × Peri PDnw × W nwside × D nwside (8)
I PDnwsurf = G nwsurf × Peri PDnw × W nwsurf (9)
I offset ≒ I rstsrc (10)

ここで、Idarkはピクセル全体の暗電流、IPDnwbulkはNウェル型フォトダイオードのP型シリコン基板31内部の空乏層で発生する暗電流、IPDnwsurfはフォトダイオード用n型領域41a〜41cの周囲の空乏層表面で発生する暗電流である。このIoffsetは拡散層型フォトダイオードが形成されたピクセルのIoffsetとは異なる値となるが、暗電流発生率Gn+bulkとGn+surfは共通と考えられる。これらの値は既に求められているので、MOS型リセット素子12の周囲長と面積から容易に計算することができる。 Here, I dark is the dark current of the entire pixel, I PDnwbulk is the dark current generated in the depletion layer inside the P-type silicon substrate 31 of the N-well photodiode, and I PDnwsurf is the periphery of the n-type regions 41a to 41c for the photodiode. Dark current generated on the surface of the depletion layer. The I offset is different from the I offset of the pixel in which the diffusion layer type photodiode is formed, but the dark current generation rates G n + bulk and G n + surf are considered to be common. Since these values have already been obtained, they can be easily calculated from the peripheral length and area of the MOS reset element 12.

nwbulkはNウェル型フォトダイオードのP型シリコン基板31内部の空乏層で発生する単位体積当りの暗電流発生率、GnwsurfはNウェル型フォトダイオードの表面(SiとSiO2の界面)空乏層で発生する単位面積当りの暗電流発生率である。これらの値はNウェル濃度、P基板濃度、アニール等のプロセス条件によって変化する。 G nwbulk is the dark current generation rate per unit volume generated in the depletion layer inside the P-type silicon substrate 31 of the N-well photodiode, and G nwsurf is the depletion layer on the surface of the N-well photodiode (interface between Si and SiO 2). This is the dark current generation rate per unit area. These values vary depending on process conditions such as N-well concentration, P-substrate concentration, and annealing.

AreaPDnwとPeriPDnwはそれぞれNウェル型フォトダイオードの面積と周囲長であり、図14(a)に太点線で表されている領域に対応し、前と同様に試作で使用したマスクから求めた。Dnwbottomはフォトダイオード用n型領域41a〜41cの底の空乏層幅、WnwsideとDnwsideはフォトダイオード用n型領域41a〜41cの横方向の空乏層幅とその深さ、Wnwsurfはフォトダイオード用n型領域41a〜41cの表面部分の空乏層幅である。空乏層の幅及び深さは、拡散層型フォトダイオードの時と同様に、プロセス及びデバイスシミュレーションから推定した。 Area PDnw and Peri PDnw are the area and perimeter of the N-well photodiode, respectively, corresponding to the area represented by the thick dotted line in FIG. 14 (a), and obtained from the mask used in the prototype as before. . D nwbottom is the depletion layer width at the bottom of the n-type regions 41a to 41c for photodiodes, W nwside and D nwside are the width and depth of the depletion layer in the lateral direction of the n-type regions 41a to 41c for photodiodes, and W nwsurf is the photo This is the depletion layer width of the surface portions of the diode n-type regions 41a to 41c. The width and depth of the depletion layer were estimated from the process and device simulation as in the case of the diffusion layer type photodiode.

図15は、デバイスシミュレーションで得られたNウェル−P基板型ピクセルのポテンシャル分布と空乏層幅の関係を示す図である。
図15において、側面の空乏層の形状はやはり単純な図形では表現できないが、長方形近似で誤差が大きくならないようにするため、面積がほぼ等しくなるようにDnwsideとWnwsideの値を選んだ。これらの値を用いてモデル式と測定結果のフィッティングを行い、測定値を満足する暗電流発生率パラメータを得た。得られたパラメータGnwbulk、Gnwsurfの値を表2に示す。
以上の方法でモデル式のパラメータが全て得られたことにより、各成分ごとの暗電流の発生率を推定することができる。
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the potential distribution and the depletion layer width of the N well-P substrate type pixel obtained by device simulation.
In FIG. 15, the shape of the side depletion layer cannot be represented by a simple figure, but the values of D nwside and W nwside are selected so that the areas are almost equal in order to prevent the error from being increased by rectangular approximation. Using these values, the model equation and the measurement result were fitted to obtain a dark current generation rate parameter satisfying the measurement value. Table 2 shows the values of the parameters G nwbulk and G nwsurf obtained.
By obtaining all the parameters of the model formula by the above method, the dark current generation rate for each component can be estimated.

図16は、ピクセル種類毎の暗電流発生箇所の解析結果を示す図である。
図16において、バルク領域よりも表面(SiとSiO2界面)の空乏層の方が、暗電流の発生率が大きいことが判る。また、n+拡散層34a〜34cの空乏層の方が、フォトダイオード用n型領域41a〜41cとP型シリコン基板31の間の空乏層より暗電流の発生率が大きいことが理解できる。図2のn+拡散層34よりもフォトダイオード用n型領域41の方が周囲長も面積も大きいので、通常フォトダイオード11の暗電流対策が重要視される。フォトダイオード11の暗電流対策も勿論重要であるが、MOS型リセット素子12の拡散層34端は、暗電流発生率が極めて大きく、周囲長が短くても影響は大きいので、MOS型リセット素子12の暗電流対策を施すことが暗電流削減にとって効果的であると考えられる。
FIG. 16 is a diagram illustrating an analysis result of a dark current generation location for each pixel type.
In FIG. 16, it can be seen that the depletion layer on the surface (Si-SiO2 interface) has a higher dark current generation rate than the bulk region. In addition, it can be understood that the depletion layer of the n + diffusion layers 34 a to 34 c has a higher dark current generation rate than the depletion layer between the photodiode n-type regions 41 a to 41 c and the P-type silicon substrate 31. Since the peripheral length and area of the photodiode n-type region 41 are larger than those of the n + diffusion layer 34 of FIG. Of course, the countermeasure against dark current of the photodiode 11 is important, but the end of the diffusion layer 34 of the MOS reset element 12 has a very large dark current generation rate, and the influence is great even if the peripheral length is short. It is considered that the dark current countermeasure is effective for reducing the dark current.

拡散層34端表面の暗電流発生率が大きい理由として、以下の原因が推定できる。
先ず第1に、素子分離領域33を形成する際に、LOCOSのような素子分離構造の端部はストレスが発生し易く欠陥密度が大きくなる。n+拡散層34の空乏層は、イオン注入エネルギーが比較的低いために、LOCOS端のような素子分離領域33の端部近傍に形成される。ここで欠陥とは、シリコン基板とシリコン酸化膜界面のダングリングボンド、シリコン原子の空孔、格子間原子、又は意図しない不純物原子の混入、転位等の色々な結晶構造や配列上の誤りが考えられる。これらの欠陥は、シリコンのバンドギャップ間のエネルギー準位にその不純物準位を形成し、ショックレイ・リード・ホール型の電子・ホール対生成を媒介する。
The reason why the dark current generation rate on the end surface of the diffusion layer 34 is large can be estimated as follows.
First, when the element isolation region 33 is formed, stress is easily generated at the end of the element isolation structure such as LOCOS, and the defect density is increased. The depletion layer of the n + diffusion layer 34 is formed in the vicinity of the end portion of the element isolation region 33 such as the LOCOS end because the ion implantation energy is relatively low. Here, defects are considered to be various crystal structures and misalignments such as dangling bonds at the interface between the silicon substrate and the silicon oxide film, vacancies in silicon atoms, interstitial atoms, unintended impurity atoms, dislocations, etc. It is done. These defects form an impurity level in the energy level between the band gaps of silicon, and mediate the generation of electron-hole pairs of Shockley-Lead-Hole type.

第2に、n+拡散層34とPウェル32で形成される接合は、フォトダイオード用n型領域41とP型シリコン基板31で形成される接合と比較して不純物濃度勾配が急峻となる。このため、n+拡散層34とPウェル32で形成される接合では、バンドギャップ間の不純物準位等を介してのトンネリング現象が発生しやすく、価電子帯の電子が伝導帯に抜けることにより、電子・ホール対を生成する。他にも、n+拡散層34が高濃度であることに起因して、アニールにより充分活性化しきれなかった原子やクラスターが残り、欠陥の増加を引き起こし易いことも挙げられる。   Second, the junction formed by the n + diffusion layer 34 and the P well 32 has a steep impurity concentration gradient as compared to the junction formed by the photodiode n-type region 41 and the P-type silicon substrate 31. For this reason, in the junction formed by the n + diffusion layer 34 and the P well 32, a tunneling phenomenon is easily generated via an impurity level between the band gaps, and electrons in the valence band escape to the conduction band. Generate electron-hole pairs. In addition, due to the high concentration of the n + diffusion layer 34, atoms and clusters that could not be fully activated by annealing remain, and it is easy to cause an increase in defects.

以上の原因により、拡散層型フォトダイオードの周囲とMOS型リセット素子12のソース領域端は、無視できない暗電流発生源であることが理解できる。フォトダイオード1に関しては、拡散層型フォトダイオードを採用しなければ問題ないが、MOS型リセット素子12のようにフォトダイオード11に直接繋がっているにも拘わらず、暗電流の発生源となる構造は暗電流対策の上で課題の1つであることが認識できた。そこで、フォトダイオード11に直接繋がるMOS型リセット素子12を通常のMOSトランジスタとして設計することを止めて、特殊構造に変更することを考えた。   For the above reasons, it can be understood that the periphery of the diffusion layer type photodiode and the end of the source region of the MOS type reset element 12 are dark current generation sources that cannot be ignored. As for the photodiode 1, there is no problem if a diffusion layer type photodiode is not used, but a structure that is a source of dark current is connected to the photodiode 11 like the MOS type reset element 12. It was recognized that this was one of the challenges for dark current countermeasures. Therefore, the MOS type reset element 12 directly connected to the photodiode 11 is stopped from being designed as a normal MOS transistor and considered to be changed to a special structure.

図17は、本発明の拡散層端カバー構造を含むピクセルレイアウトの一例を示す平面図、図18は、本発明の拡散層端カバー構造の図17のラインAに沿った断面構造の一例を示す図、図19は、本発明の拡散層端カバー構造の図17のラインBに沿った断面構造の一例を示す図である。
図17〜図19において、MOS型リセット素子12´は非対称型構造をとり、n+拡散層34と素子分離領域端を広く覆うように配置された拡散層カバー領域171がP型シリコン基板31に形成されている。ここで、拡散層カバー領域171の不純物濃度はn+拡散層34より低く設定することが好ましい。これにより、pn接合による空乏層のできる位置をn+拡散層34及び素子分離領域33端から離すことが可能となるとともに、pn接合の不純物濃度勾配を緩くして電界勾配を緩和することが可能となり、暗電流の発生を抑制することができる。なお、MOS型リセット素子12´がn型MOSトランジスタの場合、例えば、リンのような不純物をゲート電極42aに平行な方向にn+拡散層34全体と素子分離領域33端を覆うように広くイオン注入して拡散させて、拡散層カバー領域171を形成することができる。
17 is a plan view showing an example of a pixel layout including the diffusion layer end cover structure of the present invention, and FIG. 18 shows an example of a cross-sectional structure taken along line A in FIG. 17 of the diffusion layer end cover structure of the present invention. FIG. 19 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure taken along line B in FIG. 17 of the diffusion layer end cover structure of the present invention.
17 to 19, the MOS type reset element 12 ′ has an asymmetric structure, and a diffusion layer cover region 171 is formed on the P type silicon substrate 31 so as to widely cover the n + diffusion layer 34 and the end of the element isolation region. Has been. Here, the impurity concentration of the diffusion layer cover region 171 is preferably set lower than that of the n + diffusion layer 34. As a result, the position where the depletion layer is formed by the pn junction can be separated from the end of the n + diffusion layer 34 and the element isolation region 33, and the electric field gradient can be reduced by relaxing the impurity concentration gradient of the pn junction. The generation of dark current can be suppressed. When the MOS reset element 12 'is an n-type MOS transistor, for example, an impurity such as phosphorus is ion-implanted widely so as to cover the entire n + diffusion layer 34 and the end of the element isolation region 33 in a direction parallel to the gate electrode 42a. Then, the diffusion layer cover region 171 can be formed by diffusing.

ただし、拡散層カバー領域171が設けられたMOS型リセット素子12´はソース領域が深くなり、ゲート電極42a直下のチャンネルパンチスルーを起す原因となる。一方、チャンネルパンチスルーを防ぐために、ゲート電極42aを広げたり、チャンネル不純物濃度を増やしたりすると、電流駆動力が低下する。このため、n+拡散層34を覆うように拡散層カバー領域171を配置する方法では、ソース/ドレイン領域をできるだけ浅く形成して、ゲート電極42aのチャンネル支配力を強化する方向に考える通常のMOS設計指針に反することになる。   However, the MOS-type reset element 12 ′ provided with the diffusion layer cover region 171 has a deep source region, which causes channel punch-through immediately below the gate electrode 42a. On the other hand, if the gate electrode 42a is widened or the channel impurity concentration is increased in order to prevent channel punch-through, the current driving force is reduced. For this reason, in the method of disposing the diffusion layer cover region 171 so as to cover the n + diffusion layer 34, a normal MOS design is considered in which the source / drain regions are formed as shallow as possible to enhance the channel control power of the gate electrode 42a. It will be against the guidelines.

しかし、MOS型リセット素子12´は、外部からの制御信号に応じて、ONの場合にフォトダイオード11に電荷を供給する役割と、OFFの場合にリーク電流が発生しないように電荷を遮断する役割を果たせば良い。また、フォトダイオード11の容量からみて、電流駆動力はそれ程必要ない。また、MOS型リセット素子12´は通常動作では常にドレイン側に高電圧が印加される。従って、MOS型リセット素子12´は、ソース領域を深くしても、拡散層カバー領域171が設けられた構造による短所は余り大きな問題にならず、暗電流の発生を抑えることのできる長所が生かす方が、価値があると考えられる。   However, the MOS-type reset element 12 ′ serves to supply charge to the photodiode 11 when turned on and to block charge so as not to generate a leakage current when turned off in accordance with an external control signal. You can do it. Further, in view of the capacitance of the photodiode 11, the current driving force is not so much required. Further, in the MOS type reset element 12 ', a high voltage is always applied to the drain side in normal operation. Therefore, in the MOS type reset element 12 ′, even if the source region is deepened, the disadvantage due to the structure in which the diffusion layer cover region 171 is provided is not a big problem, and the advantage that the generation of dark current can be suppressed is utilized. Is considered more valuable.

図20は、デバイスシミュレーションで得られたゲート電極42aと拡散層カバー領域171との間の距離が0.2μの場合のポテンシャル分布を示す図である。
図20において、ポテンシャル分布は、MOS型リセット素子12´のソース側が深くチャンネル方向にせり出した分布をしているので、拡散層カバー領域171を形成するためのマスク端の位置を調整することが重要である。MOS型リセット素子12´のゲート長に比べてマスクがチャンネル側に寄り過ぎると、パンチスルーにより、MOS型リセット素子12´が動作しなくなるので、ゲート電極42aと拡散層カバー領域171との間の距離を慎重に最適化することが必要となる。
FIG. 20 is a diagram showing a potential distribution when the distance between the gate electrode 42a and the diffusion layer cover region 171 obtained by device simulation is 0.2 μm.
In FIG. 20, since the potential distribution is a distribution in which the source side of the MOS type reset element 12 ′ protrudes deeply in the channel direction, it is important to adjust the position of the mask edge for forming the diffusion layer cover region 171. It is. If the mask is too close to the channel side compared to the gate length of the MOS type reset element 12 ′, the MOS type reset element 12 ′ does not operate due to punch-through, so that the gap between the gate electrode 42 a and the diffusion layer cover region 171 is not affected. It is necessary to carefully optimize the distance.

以上説明したように、上述した実施形態では、CMOSイメージセンサの暗電流の発生源を解析することにより、その中で少なからぬ暗電流発生源であるフォトダイオード11に接する素子のトランジスタ拡散層の表面空乏層からの暗電流を防ぐためのMOS構造について、NMOS型のMOS型リセット素子12´とフォトダイオード用n型領域41を例に挙げて説明した。   As described above, in the above-described embodiment, by analyzing the generation source of the dark current of the CMOS image sensor, the surface of the transistor diffusion layer of the element in contact with the photodiode 11 which is a considerable dark current generation source among them. The MOS structure for preventing dark current from the depletion layer has been described by taking the NMOS type MOS reset element 12 ′ and the photodiode n type region 41 as examples.

ただし、本発明は上記構造に対してのみ有効という訳ではなく、MOS型リセット素子12´以外のMOSトランジスタがフォトダイオード11に接する構造、あるいはn型とp型を反転させたピクセル構造などに適用するようにしてもよい。また、n+拡散層34端をカバーするためのn型ドーパントとしてはリンが一番好ましいが、砒素等を用いるようにしてもよい。   However, the present invention is not effective only for the above structure, and is applied to a structure in which a MOS transistor other than the MOS type reset element 12 'is in contact with the photodiode 11, or a pixel structure in which n-type and p-type are inverted. You may make it do. Also, phosphorus is the most preferable n-type dopant for covering the end of the n + diffusion layer 34, but arsenic or the like may be used.

また、上記説明の中のピクセル内の複数の素子の機能を1素子が兼ねる場合でも、ピクセル内に別の機能素子が含まれる場合でもよい。また、基板がシリコン以外でも、シリコンゲルマニウム基板又はシリコン基板上のシリコンゲルマニウムエピタキシャル層、又はシリコンカーバイド基板、又はシリコン基板上のシリコンカーバイドエピタキシャル層でもよく、電荷を一定期間保持する領域にMOSトランジスタの拡散層がある場合にも、同様に対処することが可能である。   In addition, even when one element serves as a function of a plurality of elements in the pixel in the above description, another functional element may be included in the pixel. In addition, the substrate may be a silicon germanium substrate, a silicon germanium epitaxial layer on a silicon substrate, a silicon carbide substrate, or a silicon carbide epitaxial layer on a silicon substrate. If there is a layer, it is possible to deal with it similarly.

本発明の実施例1として、CMOSトランジスタのNウェルと、フォトダイオード11用のn型ウェルと、MOS型リセット素子12´の拡散層端を覆うn型拡散層カバー領域171とをそれぞれ別々に形成する場合を説明する。
図21は、本発明の実施例1の製造工程を示すフローチャートである。
図21において、実線で囲まれた工程は、標準CMOSプロセス、点線で囲まれた工程はCMOSイメージセンサ用プロセス、1点鎖線で囲われたプロセスは実施例1で追加されたプロセスである。
As Example 1 of the present invention, an N well of a CMOS transistor, an n type well for the photodiode 11, and an n type diffusion layer cover region 171 covering the diffusion layer end of the MOS reset element 12 ′ are formed separately. The case where it does is demonstrated.
FIG. 21 is a flowchart showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
In FIG. 21, a process surrounded by a solid line is a standard CMOS process, a process surrounded by a dotted line is a process for a CMOS image sensor, and a process surrounded by a chain line is a process added in the first embodiment.

この製造工程には、素子分離領域形成工程(P1)、Pウェル形成工程(P2)、Nウェル形成工程(P3)、フォトダイオード用Nウェル形成工程(P4)、拡散層端型カバー領域形成工程(P5)、ゲート酸化工程(P6)、ポリシリコンゲート形成工程(P7)、LDD用イオン注入/サイドウォール形成工程(P8)、ソース/ドレイン拡散層形成工程(P9)、シリサイド層形成工程(P10)、層間絶縁層およびコンタクト形成工程(P11)および配線工程(P12)が設けられている。   The manufacturing process includes an element isolation region forming step (P1), a P well forming step (P2), an N well forming step (P3), a photodiode N well forming step (P4), and a diffusion layer end type cover region forming step. (P5), gate oxidation step (P6), polysilicon gate formation step (P7), LDD ion implantation / sidewall formation step (P8), source / drain diffusion layer formation step (P9), silicide layer formation step (P10) ), An interlayer insulating layer and contact formation step (P11), and a wiring step (P12).

図22〜図33は、本発明の実施例1の製造工程を示す断面図である。
図22において、P型シリコン基板31の熱酸化を行うことにより、ストレス緩和用シリコン酸化膜222をP型シリコン基板31上に形成する。そして、CVDなどの方法により、P型シリコン基板31上の全面にシリコン窒化膜221を成膜し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてシリコン窒化膜221をパターニングすることにより、フィールド領域16上のシリコン窒化膜221を除去する。そして、シリコン窒化膜221をマスクとして、P型シリコン基板31の選択酸化を行うことにより、素子分離領域33をP型シリコン基板31に形成するとともに、フィールド領域16で囲まれたアクティブ領域15を形成する(図21のP1)。そして、素子分離領域33がP型シリコン基板31に形成されると、シリコン窒化膜221およびストレス緩和用シリコン酸化膜222をP型シリコン基板31から除去する。さらに、イオン注入用スクリーン酸化膜231をP型シリコン基板31上に形成する。
22 to 33 are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of Example 1 of the present invention.
In FIG. 22, the stress-reducing silicon oxide film 222 is formed on the P-type silicon substrate 31 by performing thermal oxidation of the P-type silicon substrate 31. Then, a silicon nitride film 221 is formed on the entire surface of the P-type silicon substrate 31 by a method such as CVD, and the silicon nitride film 221 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique, thereby forming a film on the field region 16. The silicon nitride film 221 is removed. Then, by selectively oxidizing the P-type silicon substrate 31 using the silicon nitride film 221 as a mask, the element isolation region 33 is formed on the P-type silicon substrate 31 and the active region 15 surrounded by the field region 16 is formed. (P1 in FIG. 21). When the element isolation region 33 is formed on the P-type silicon substrate 31, the silicon nitride film 221 and the stress relaxation silicon oxide film 222 are removed from the P-type silicon substrate 31. Further, a screen oxide film 231 for ion implantation is formed on the P-type silicon substrate 31.

次に、図23に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、フォトダイオード部を覆うフォトレジスト232aをP型シリコン基板31上に形成する。そして、フォトレジスト232aをマスクとして、Pウェル形成のためのB(ボロン)イオン注入233をP型シリコン基板31に行うことにより、Pウェル領域32を形成する(図21のP2)。   Next, as shown in FIG. 23, a photoresist 232a covering the photodiode portion is formed on the P-type silicon substrate 31 by using a photolithography technique. Then, B (boron) ion implantation 233 for forming a P well is performed on the P-type silicon substrate 31 using the photoresist 232a as a mask, thereby forming a P well region 32 (P2 in FIG. 21).

次に、図24に示すように、PなどのN型不純物のイオン注入241をP型シリコン基板31に行うことにより、CMOSトランジスタ用のNウェルを形成する(図21のP3)。なお、CMOSトランジスタ用のNウェルを形成する場合、APS型CMOSイメージセンサのピクセル全体がフォトレジスト232bで保護されるので、CMOSトランジスタ形成用のN型不純物がピクセルに注入されることはない。そして、CMOSトランジスタ用のNウェルがP型シリコン基板31に形成されると、フォトレジスト232bをP型シリコン基板31から除去する。   Next, as shown in FIG. 24, an N well for a CMOS transistor is formed by performing ion implantation 241 of an N type impurity such as P on the P type silicon substrate 31 (P3 in FIG. 21). When forming the N well for the CMOS transistor, the entire pixel of the APS type CMOS image sensor is protected by the photoresist 232b, so that the N type impurity for forming the CMOS transistor is not implanted into the pixel. When the N well for the CMOS transistor is formed on the P-type silicon substrate 31, the photoresist 232b is removed from the P-type silicon substrate 31.

次に、図25に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、フォトダイオード部が露出されるようにパターニングされたフォトレジスト232cをP型シリコン基板31上に形成する。そして、フォトレジスト232cをマスクとして、PなどのN型不純物のイオン注入251をP型シリコン基板31に行うことにより、イメージセンサ用のフォトダイオード用n型領域41を形成する(図21のP4)。そして、フォトダイオード用n型領域41がP型シリコン基板31に形成されると、フォトレジスト232cをP型シリコン基板31から除去する。   Next, as shown in FIG. 25, a photoresist 232c patterned so as to expose the photodiode portion is formed on a P-type silicon substrate 31 by using a photolithography technique. Then, using the photoresist 232c as a mask, ion implantation 251 of N-type impurities such as P is performed on the P-type silicon substrate 31 to form an n-type region 41 for a photodiode for an image sensor (P4 in FIG. 21). . When the photodiode n-type region 41 is formed on the P-type silicon substrate 31, the photoresist 232 c is removed from the P-type silicon substrate 31.

次に、図26に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、MOS型リセット素子12´の拡散層34の端部が露出されるようにパターニングされたフォトレジスト232dをP型シリコン基板31上に形成する。そして、フォトレジスト232dをマスクとして、PなどのN型不純物のイオン注入261をP型シリコン基板31に行うことにより、拡散層カバー領域171を形成する(図21のP5)。そして、拡散層カバー領域171がP型シリコン基板31に形成されると、フォトレジスト232dをP型シリコン基板31から除去する。   Next, as shown in FIG. 26, a photoresist 232d patterned so as to expose the end of the diffusion layer 34 of the MOS reset element 12 'is exposed on the P-type silicon substrate 31 by using a photolithography technique. To form. Then, using the photoresist 232d as a mask, ion implantation 261 of N-type impurities such as P is performed on the P-type silicon substrate 31 to form a diffusion layer cover region 171 (P5 in FIG. 21). When the diffusion layer cover region 171 is formed on the P-type silicon substrate 31, the photoresist 232 d is removed from the P-type silicon substrate 31.

この時、素子分離領域33から拡散層カバー領域171のマスク端までの距離は、リソグラフィー精度にも依存するが、0.3〜0.4μ以上あればよい。また、図17に示すMOS型リセット素子12´のゲート電極42aの端部とマスク端の距離Xは、プロセス終了時にゲート電極42aの端部まで拡散層カバー領域171が拡散して、拡散層34の端部が充分覆われるような条件にすることが望ましい。この場合、ドーパント種、その濃度及びアニールによる拡散距離に依存するが、例えばリンの場合は、ゲート端とマスク端の距離を0.1〜0.3μ付近とすることが好ましい。   At this time, the distance from the element isolation region 33 to the mask end of the diffusion layer cover region 171 may be 0.3 to 0.4 μm or more, depending on the lithography accuracy. Further, the distance X between the end of the gate electrode 42a and the mask end of the MOS reset element 12 ′ shown in FIG. 17 is diffused by the diffusion layer cover region 171 to the end of the gate electrode 42a at the end of the process. It is desirable to make the conditions so that the end of the substrate is sufficiently covered. In this case, although it depends on the dopant species, the concentration thereof, and the diffusion distance by annealing, for example, in the case of phosphorus, it is preferable that the distance between the gate end and the mask end is set to about 0.1 to 0.3 μm.

次に、図27に示すように、スクリーン酸化膜231一旦除去した後、P型シリコン基板31表面の熱酸化を行うことにより、P型シリコン基板31表面にゲート酸化膜44を形成する(図21のP6)。
次に、図28に示すように、CVDなどの方法によりポリシリコン層を積層し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてポリシリコン層をパターニングすることにより、ゲート電極42aをP型シリコン基板31上に形成する(図21のP7)。
Next, as shown in FIG. 27, after removing the screen oxide film 231 once, the surface of the P-type silicon substrate 31 is thermally oxidized to form a gate oxide film 44 on the surface of the P-type silicon substrate 31 (FIG. 21). P6).
Next, as shown in FIG. 28, a polysilicon layer is stacked by a method such as CVD, and the polysilicon layer is patterned using a photolithography technique and an etching technique, whereby the gate electrode 42a is placed on the P-type silicon substrate 31. (P7 in FIG. 21).

次に、図29に示すように、素子分離領域33およびゲート電極42aをマスクとして、P型シリコン基板31内にPなどのN型不純物のイオン注入291を行うことにより、ゲート電極42aの両側にLDD領域302を形成する。
さらに、CVDなどの方法により、酸化珪素膜または窒化珪素膜などの絶縁膜をゲート電極42aが形成されたP型シリコン基板31上に積層し、この絶縁膜の異方性エッチングを行うことにより、ゲート電極42aの側壁にサイドウォール292を形成する(図21のP8)。
次に、図30に示すように、素子分離領域33、ゲート電極42aおよびサイドウォール292をマスクとして、高ドーズ量のAs(砒素)のイオン注入301をP型シリコン基板31内に行うことにより、サイドウォール292の両側に高濃度不純物拡散層34、43をそれぞれ形成する(図21のP9)。
Next, as shown in FIG. 29, ion implantation 291 of an N-type impurity such as P is performed in the P-type silicon substrate 31 using the element isolation region 33 and the gate electrode 42a as a mask, thereby forming both sides of the gate electrode 42a. An LDD region 302 is formed.
Further, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is stacked on the P-type silicon substrate 31 on which the gate electrode 42a is formed by a method such as CVD, and anisotropic etching of the insulating film is performed. Sidewalls 292 are formed on the side walls of the gate electrode 42a (P8 in FIG. 21).
Next, as shown in FIG. 30, a high dose As (arsenic) ion implantation 301 is performed in the P-type silicon substrate 31 using the element isolation region 33, the gate electrode 42a, and the sidewall 292 as a mask. High-concentration impurity diffusion layers 34 and 43 are formed on both sides of the side wall 292 (P9 in FIG. 21).

次に、図31に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、高濃度不純物拡散層34を覆うフォトレジスト232eをP型シリコン基板31上に形成する。そして、スパッタなどの方法により、フォトレジスト232eが形成されたP型シリコン基板31上にTiを成膜する。そして、Tiが成膜されたP型シリコン基板3の熱処理を行うことにより、ゲート電極42aおよび高濃度不純物拡散層43のシリコンをTiと反応させ、ゲート電極42aおよび高濃度不純物拡散層43上に金属シリサイド311を形成する。そして、ゲート電極42aおよび高濃度不純物拡散層43上に金属シリサイド311が形成されると、未反応のTiをP型シリコン基板31から除去する(図21のP10)。   Next, as shown in FIG. 31, a photoresist 232 e that covers the high-concentration impurity diffusion layer 34 is formed on the P-type silicon substrate 31 by using a photolithography technique. Then, Ti is deposited on the P-type silicon substrate 31 on which the photoresist 232e is formed by a method such as sputtering. Then, by performing heat treatment on the P-type silicon substrate 3 on which Ti is formed, the silicon of the gate electrode 42a and the high-concentration impurity diffusion layer 43 is reacted with Ti, so that the gate electrode 42a and the high-concentration impurity diffusion layer 43 are formed on the gate electrode 42a and the high-concentration impurity diffusion layer 43. A metal silicide 311 is formed. When the metal silicide 311 is formed on the gate electrode 42a and the high-concentration impurity diffusion layer 43, unreacted Ti is removed from the P-type silicon substrate 31 (P10 in FIG. 21).

これにより、MOS型リセット素子12´のドレインとゲート上に金属シリサイド311を形成することが可能となるとともに、MOS型リセット素子12´のソースには、金属シリサイド311が形成されないようにすることができる。そして、ゲート電極42aおよび高濃度不純物拡散層43上に金属シリサイド311が形成されると、フォトレジスト232eをP型シリコン基板31から除去する。   As a result, the metal silicide 311 can be formed on the drain and gate of the MOS reset element 12 ′, and the metal silicide 311 is not formed on the source of the MOS reset element 12 ′. it can. Then, when the metal silicide 311 is formed on the gate electrode 42 a and the high concentration impurity diffusion layer 43, the photoresist 232 e is removed from the P-type silicon substrate 31.

次に、図32に示すように、CVDなどの方法により、P型シリコン基板31上に層間絶縁膜321を堆積する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて層間絶縁膜321をパターニングすることにより、高濃度不純物拡散層43上の金属シリサイド311を露出させるコンタクトホール322を層間絶縁膜321に形成する(図21のP11)。   Next, as shown in FIG. 32, an interlayer insulating film 321 is deposited on the P-type silicon substrate 31 by a method such as CVD. Then, by patterning the interlayer insulating film 321 using a photolithography technique and an etching technique, a contact hole 322 exposing the metal silicide 311 on the high concentration impurity diffusion layer 43 is formed in the interlayer insulating film 321 (FIG. 21). P11).

次に、図33に示すように、スパッタなどの方法により、コンタクトホール322が形成された層間絶縁膜321にメタル層を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてメタル層をパターニングすることにより、コンタクト331を介して高濃度不純物拡散層43上の金属シリサイド311に接続されたメタル配線332を形成する(図21のP12)。   Next, as shown in FIG. 33, a metal layer is formed on the interlayer insulating film 321 in which the contact holes 322 are formed by a method such as sputtering. Then, by patterning the metal layer using the photolithography technique and the etching technique, the metal wiring 332 connected to the metal silicide 311 on the high concentration impurity diffusion layer 43 through the contact 331 is formed (P12 in FIG. 21). ).

実施例1では、フォトダイオード用n型領域41とMOS型リセット素子12´に設けられた拡散層カバー領域171とを別々に形成する方法について説明したが、拡散層カバー領域171の不純物濃度と深さについてはかなり許容範囲が広い。このため、工程数を減らすために、フォトダイオード用n型領域41とMOS型リセット素子12´のn型カバー領域171を同時に形成することも可能である。   In the first embodiment, the method of separately forming the photodiode n-type region 41 and the diffusion layer cover region 171 provided in the MOS reset element 12 ′ has been described. However, the impurity concentration and depth of the diffusion layer cover region 171 are described. There is a fairly wide tolerance for this. For this reason, in order to reduce the number of steps, it is also possible to simultaneously form the n-type region 41 for the photodiode and the n-type cover region 171 of the MOS-type reset element 12 ′.

フォトダイオード11用に最適化されたPウェル領域32のために、MOS型リセット素子12´のリーク電流が増加する場合には、拡散層カバー領域171の位置(例えば、図17のX)を調整することができる。あるいはMOS型リセット素子12´のゲート長を広げて、リーク電流を目標レベル以下になるように調整することも可能である。MOS型リセット素子12´のゲート長を広げたくない場合には、工程数は増加するが、MOS型リセット素子12´のチャンネルに追加の不純物イオン注入を行うようにしてもよい。
MOS型リセット素子12のゲート端と拡散層カバー領域171との間の距離(図17のX)を変えて試作した場合の暗電流の変化率を表3に示す。
When the leakage current of the MOS reset element 12 ′ increases due to the P-well region 32 optimized for the photodiode 11, the position of the diffusion layer cover region 171 (for example, X in FIG. 17) is adjusted. can do. Alternatively, the gate length of the MOS-type reset element 12 ′ can be widened to adjust the leak current to be equal to or lower than the target level. If it is not desired to increase the gate length of the MOS type reset element 12 ', the number of processes is increased, but additional impurity ion implantation may be performed on the channel of the MOS type reset element 12'.
Table 3 shows the change rate of the dark current when the prototype is manufactured by changing the distance (X in FIG. 17) between the gate end of the MOS type reset element 12 and the diffusion layer cover region 171.

Figure 0004763242
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ここで、MOS型リセット素子12のゲート端と拡散層カバー領域171との間の距離(図17のX)を0.70μから0.15μまで近づけていくと暗電流は順調に減少していくが、それ以上MOS型リセット素子12´のゲート端に拡散層カバー領域171を近づけると却って暗電流が増加することが判る。特に、拡散層カバー領域171が0.15μだけゲート電極42c内まで入り込んだ場合は、光応答が無くなりイメージセンサとして動作しなくなった。従って、拡散層カバー領域171を最適な距離に持ってくることが、暗電流を抑制して且つ正常な動作をさせる上で重要であることが理解できる。   Here, as the distance between the gate end of the MOS type reset element 12 and the diffusion layer cover region 171 (X in FIG. 17) is reduced from 0.70 μ to 0.15 μ, the dark current decreases smoothly. However, it can be seen that dark current increases when the diffusion layer cover region 171 is brought closer to the gate end of the MOS type reset element 12 '. In particular, when the diffusion layer cover region 171 enters the gate electrode 42c by 0.15 μm, the optical response is lost and the image sensor does not operate. Therefore, it can be understood that bringing the diffusion layer cover region 171 to the optimum distance is important for suppressing the dark current and operating normally.

実施例2では、フォトダイオード用n型領域41とMOS型リセット素子12´の拡散層カバー領域171は同一工程で形成するようにしたが、周辺回路素子のPMOSトランジスタのNウェルの形成工程とは別工程で形成した。CMOSイメージセンサプロセスをできるだけ標準CMOSプロセス互換とするとともに、工程数をより一層減らす場合には、PMOS領域のNウェルを形成するためのイオン注入工程(図24のイオン注入241)にて、フォトダイオード用n型領域41とMOS型リセット素子12´の拡散層カバー領域171を形成することも可能である。   In the second embodiment, the photodiode n-type region 41 and the diffusion layer cover region 171 of the MOS reset element 12 ′ are formed in the same process. What is the process for forming the N well of the PMOS transistor of the peripheral circuit element? It was formed in a separate process. In order to make the CMOS image sensor process compatible with the standard CMOS process as much as possible and further reduce the number of steps, a photodiode is used in an ion implantation step (ion implantation 241 in FIG. 24) for forming an N well in the PMOS region. It is also possible to form the n-type region 41 for use and the diffusion layer cover region 171 of the MOS-type reset element 12 ′.

実施例1から3は、MOS型リセット素子12´がフォトダイオード11に接するピクセルに関するものであったが、露光制御用素子がフォトダイオード11に接する場合についても、本発明は同様に効果があると考えられる。
図34は、本発明の実施例4の場合の拡散層カバー領域343を含むピクセルレイアウトの一例を示す平面図である。
Examples 1 to 3 relate to a pixel in which the MOS type reset element 12 ′ is in contact with the photodiode 11, but the present invention is also effective when the exposure control element is in contact with the photodiode 11. Conceivable.
FIG. 34 is a plan view showing an example of a pixel layout including the diffusion layer cover region 343 in the case of the fourth embodiment of the present invention.

図34において、P型シリコン基板上には、光検出用フォトダイオード11、フォトダイオード11を初期化するためのMOS型リセット素子12、フォトダイオード11の電荷及び電位を出力電圧に変換するためのソースフォロワー素子13および画素選択用素子14が設けられている。ここで、フォトダイオードはシリコン酸化膜界面に露出して形成しても、又、表面を異なる導電型の層で覆い、基板内部に空乏層を埋め込んで形成しても構わない。また、光検出用フォトダイオード11とMOS型リセット素子12との間には露光制御用素子341が設けられ、露光制御用素子341にはゲート電極42dが設けられている。   34, on a P-type silicon substrate, a photodetection photodiode 11, a MOS-type reset element 12 for initializing the photodiode 11, and a source for converting the charge and potential of the photodiode 11 into an output voltage A follower element 13 and a pixel selecting element 14 are provided. Here, the photodiode may be formed exposed at the interface of the silicon oxide film, or may be formed by covering the surface with a layer of a different conductivity type and embedding a depletion layer inside the substrate. An exposure control element 341 is provided between the photodetection photodiode 11 and the MOS reset element 12, and the exposure control element 341 is provided with a gate electrode 42d.

また、MOS型リセット素子12のゲート電極42aと露光制御用素子341のゲート電極42dとの間には、浮遊拡散領域(FD)342が設けられ、浮遊拡散領域342は、メタル配線19´を介してソースフォロワー素子13のゲート電極42bに接続されている。また、MOS型リセット素子12のゲート電極42aと露光制御用素子341のゲート電極42dとの間には、浮遊拡散領域342が覆われるように配置された拡散層カバー領域343がP型シリコン基板に形成されている。   Further, a floating diffusion region (FD) 342 is provided between the gate electrode 42a of the MOS reset element 12 and the gate electrode 42d of the exposure control element 341, and the floating diffusion region 342 is interposed via the metal wiring 19 '. Are connected to the gate electrode 42 b of the source follower element 13. Further, a diffusion layer cover region 343 arranged so as to cover the floating diffusion region 342 is formed on the P-type silicon substrate between the gate electrode 42a of the MOS reset element 12 and the gate electrode 42d of the exposure control element 341. Is formed.

そして、露光制御用素子341が、フォトダイオード11に蓄積した電荷を露光制御用素子341とMOS型リセット素子12の間の浮遊拡散領域342に転送する。そして、浮遊拡散領域342の電位をソースフォロワー素子13で読み出すことにより、フォトダイオード11に入射した光を検出することができる。ここで、浮遊拡散領域342の幅は長くは設計されず、又浮遊拡散領域342に電荷が保持される時間は短いので、浮遊拡散領域342で発生する暗電流は通常はそれ程問題にはならない。   Then, the exposure control element 341 transfers the charge accumulated in the photodiode 11 to the floating diffusion region 342 between the exposure control element 341 and the MOS type reset element 12. Then, the light incident on the photodiode 11 can be detected by reading the potential of the floating diffusion region 342 with the source follower element 13. Here, the width of the floating diffusion region 342 is not designed to be long, and since the time for which electric charges are held in the floating diffusion region 342 is short, the dark current generated in the floating diffusion region 342 is not usually so much of a problem.

しかし、動く被写体を撮像する場合には、露光のタイミングがずれると、被写体が変形して撮像される。この問題を解決する1つの手段として、露光制御用素子341を全画素同時にONにして浮遊拡散領域342に電荷を転送しておき、順次読み出す方法がある。この場合、後の順番で読み出されるピクセルには、浮遊拡散領域342への迷光に起因する光電流と浮遊拡散領域342の暗電流によるオフセットが加算され、画質に悪影響を与える。このため、迷光を防ぐための遮光構造は当然必須であるが、浮遊拡散領域342に拡散層カバー領域343を設けることにより、浮遊拡散領域342の暗電流の発生をさらに抑制することができる。   However, when a moving subject is imaged, the subject is deformed and imaged when the exposure timing is shifted. As one means for solving this problem, there is a method in which the exposure control elements 341 are simultaneously turned on to transfer charges to the floating diffusion region 342 and sequentially read them out. In this case, the pixel read in the later order is added with the offset due to the photocurrent caused by stray light to the floating diffusion region 342 and the dark current of the floating diffusion region 342, which adversely affects the image quality. For this reason, a light shielding structure for preventing stray light is essential, but by providing the diffusion layer cover region 343 in the floating diffusion region 342, generation of dark current in the floating diffusion region 342 can be further suppressed.

ここで、浮遊拡散領域342に拡散層カバー領域343を設けると、露光制御用素子341が深いドレイン部を持つことになるので、実施例2で記述したマスク位置の調整、及びMOS型露光制御素子341のゲート長調整、及びチャンネル不純物イオン注入調整を組み合わせて、リーク電流の低減と暗電流の低減及び電荷転送残り削減の最適化を行うことが好ましい。   Here, if the diffusion layer cover region 343 is provided in the floating diffusion region 342, the exposure control element 341 has a deep drain portion. Therefore, the mask position adjustment described in the second embodiment and the MOS type exposure control element are described. Preferably, the gate length adjustment of 341 and the channel impurity ion implantation adjustment are combined to optimize reduction of leakage current, reduction of dark current, and reduction of residual charge transfer.

Active Pixel Sensor型CMOSイメージセンサのピクセル部の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the pixel part of an Active Pixel Sensor type | mold CMOS image sensor. Active Pixel Sensor型CMOSイメージセンサのピクセルレイアウトの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the pixel layout of an Active Pixel Sensor type | mold CMOS image sensor. 図2のラインAに沿ったMOS型リセット素子の断面構造の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a MOS reset element along line A in FIG. 2. 図2のラインBに沿ったフォトダイオードとMOS型リセット素子の断面構造の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a photodiode and a MOS reset element along line B in FIG. 2. 暗電流の発生箇所を推定するために用いたピクセルレイアウト例(フォトダイオード用Nウェルのあるパターン)を示す平面図である。It is a top view which shows the pixel layout example (pattern with an N well for photodiodes) used in order to estimate the generation | occurrence | production location of a dark current. 暗電流の発生箇所を推定するために用いたピクセルレイアウト例(フォトダイオード用Nウェルの無いパターン)を示す平面図である。It is a top view which shows the pixel layout example (pattern without an N well for photodiodes) used in order to estimate the generation | occurrence | production location of a dark current. 図6パターンの場合の、図2のラインBに対応するフォトダイオードとMOS型リセット素子の断面構造の一例を示す図である。6 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a photodiode and a MOS type reset element corresponding to the line B in FIG. 2 in the case of the pattern of FIG. Nウェルのn−層とp基板で空乏層を形成したフォトダイオードの面積と暗電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the area and dark current of the photodiode which formed the depletion layer with the n <-> layer of N well, and the p board | substrate. Nウェルのn−層とp基板で空乏層を形成したフォトダイオードの周囲長と暗電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the circumference of the photodiode which formed the depletion layer with the n- layer of N well, and the p board | substrate, and dark current. 拡散層のn+層とPウェルのp−層で空乏層を形成したフォトダイオードの面積と暗電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the area of the photodiode which formed the depletion layer in the n + layer of the diffused layer, and the p- layer of P well, and dark current. 拡散層のn+層とPウェルのp−層で空乏層を形成したフォトダイオードの周囲長と暗電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the surrounding length of the photodiode which formed the depletion layer in the n + layer of the diffused layer, and the p- layer of P well, and dark current. 拡散層のn+層とPウェルのp−層で空乏層を形成したフォトダイオードの面積と周囲長を示す平面図である。It is a top view which shows the area and peripheral length of the photodiode which formed the depletion layer in the n + layer of the diffused layer, and the p- layer of P well. デバイスシミュレーションで得られたn+拡散層−Pウェル型ピクセルのポテンシャル分布と空乏層幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the potential distribution and depletion layer width | variety of the n + diffusion layer-P well type | mold pixel obtained by device simulation. Nウェルのn−層とp基板で空乏層を形成したフォトダイオードの面積と周囲長を示す平面図である。It is a top view which shows the area and peripheral length of the photodiode which formed the depletion layer with the n <-> layer of N well, and the p board | substrate. デバイスシミュレーションで得られたNウェル−p基板型ピクセルのポテンシャル分布と空乏層幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the potential distribution of an N well-p board | substrate type pixel obtained by device simulation, and the depletion layer width. ピクセル種類毎の暗電流発生箇所の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the dark current generation location for every pixel kind. 本発明の拡散層端カバー構造を含むピクセルレイアウトの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the pixel layout containing the diffused layer end cover structure of this invention. 本発明の拡散層端カバー構造の図17のラインAに沿った断面構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure along the line A of FIG. 17 of the diffusion layer end cover structure of this invention. 本発明の拡散層端カバー構造の図17のラインBに沿った断面構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure along the line B of FIG. 17 of the diffusion layer end cover structure of this invention. デバイスシミュレーションで得られたゲート端と拡散層端カバー構造のマスク間距離が0.2μの場合のポテンシャル分布を示す図である。It is a figure which shows potential distribution in case the distance between masks of the gate end and diffusion layer end cover structure obtained by device simulation is 0.2 μm. 本発明の実施例1の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程の素子分離領域形成時の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure at the time of element isolation region formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のPウェル形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of P well formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のNウェル形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of N well formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のフォトダイオード用n型ウェル形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of the n-type well formation for photodiodes of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程の拡散層端n型カバー構造形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of diffusion layer edge n-type cover structure formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のゲート酸化時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of the gate oxidation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のポリシリコンゲート形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of the polysilicon gate formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のLDD用イオン注入及びサイドウォール形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing about the structure at the time of the ion implantation for LDD of the manufacturing process of Example 1 of this invention, and sidewall formation. 本発明の実施例1の製造工程のソース/ドレイン拡散層形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of the source / drain diffused layer formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程のシリサイド層形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of the silicide layer formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程の被覆層及びコンタクト形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing of the structure at the time of the formation of the coating layer and contact of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の製造工程の配線層形成時の構成を断面図である。It is sectional drawing at the time of wiring layer formation of the manufacturing process of Example 1 of this invention. 本発明の実施例4の場合の拡散層端カバー構造を含むピクセルレイアウトの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the pixel layout containing the diffused layer end cover structure in the case of Example 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 フォトダイオード
12、12´ MOS型リセット素子
13 ソースフォロワー素子
14 選択素子
15 アクティブ領域
16 フィールド領域
18 コンタクト
19 メタル配線
31 P型シリコン基板
32 Pウェル領域
33 素子分離領域(LOCOS)
34 n+拡散層(MOS型リセット素子ソース部)
41 フォトダイオード用n型領域
42a〜42c ゲート電極
43 n+拡散層(MOS型リセット素子ドレイン部)
44 ゲート酸化膜
171 拡散層カバー領域
221 シリコン窒化膜
222 ストレス緩和用シリコン酸化膜
231 イオン注入用スクリーン酸化膜
232 フォトレジスト
233 Pウェル用B(ボロン)イオン注入
241 Nウェル用P(リン)イオン注入
251 フォトダイオード用NウェルP(リン)イオン注入
261 拡散層端n型カバー構造用P(リン)イオン注入
291 LDD用P(リン)イオン注入
292 サイドウォール
301 拡散層形成用As(砒素)イオン注入
302 低濃度ドレイン拡張部(LDD)
311 シリサイド
321 層間絶縁膜
322 コンタクトホール
331 コンタクト部
332 メタル配線層
341 露光制御素子
342 浮遊拡散領域(FD)
343 露光制御用素子とMOS型リセット素子の間の高濃度不純物端を覆うカバー領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Photodiode 12, 12 'MOS type reset element 13 Source follower element 14 Selection element 15 Active area 16 Field area 18 Contact 19 Metal wiring 31 P type silicon substrate 32 P well area 33 Element isolation area (LOCOS)
34 n + diffusion layer (MOS type reset element source part)
41 n-type regions 42a to 42c for photodiodes gate electrode 43 n + diffusion layer (MOS-type reset element drain portion)
44 Gate oxide film 171 Diffusion layer cover region 221 Silicon nitride film 222 Stress relaxation silicon oxide film 231 Ion implantation screen oxide film 232 Photoresist 233 P well B (boron) ion implantation 241 N well P (phosphorus) ion implantation 251 N-well P (phosphorus) ion implantation for photodiode 261 P (phosphorus) ion implantation for diffusion layer edge n-type cover structure 291 P (phosphorus) ion implantation 292 for LDD Side wall 301 As (arsenic) ion implantation for forming a diffusion layer 302 Low concentration drain extension (LDD)
311 Silicide 321 Interlayer insulating film 322 Contact hole 331 Contact portion 332 Metal wiring layer 341 Exposure control element 342 Floating diffusion region (FD)
343 Cover region covering high-concentration impurity edge between exposure control element and MOS type reset element

Claims (8)

光検知のためのフォトダイオードと、該フォトダイオードを初期化するために電荷を供給するリセット用素子と、前記フォトダイオードの電位を検出するための素子と、画素の選択をするための素子と、半導体基板を選択的に酸化させて形成した素子分離領域と、を画素内に有する固体撮像素子において、
前記リセット用素子が非対称型構造のMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)であり、
前記リセット用素子のフォトダイオード側の第1の導電型の高濃度不純物領域を、該高濃度不純物領域より低濃度の第1の導電型の不純物領域で、前記高濃度不純物領域端と前記素子分離領域端とを含むように覆う構成を備え、
前記高濃度不純物領域を覆う前記低濃度の不純物領域の前記リセット用素子側の端部は、前記高濃度不純物領域の端部を越えて前記リセット用素子のゲート下側に入り込んだ位置であって、且つ、暗電流が最小となる前記リセット用素子の前記高濃度不純物領域側のゲート端近傍の位置にあることを特徴とする固体撮像素子。
A photodiode for detecting light, a resetting element for supplying a charge to initialize the photodiode, an element for detecting the potential of the photodiode, and an element for selecting a pixel; In a solid-state imaging device having an element isolation region formed by selectively oxidizing a semiconductor substrate in a pixel,
The reset element is an asymmetric MOS transistor (metal oxide semiconductor element),
The high-concentration impurity region of the first conductivity type on the photodiode side of the resetting element is an impurity region of the first conductivity type having a lower concentration than the high-concentration impurity region, and the element isolation from the end of the high-concentration impurity region. Comprising a region covering the region end,
The end of the low-concentration impurity region covering the high-concentration impurity region on the resetting element side is a position where the end of the high-concentration impurity region passes under the gate of the resetting element. The solid-state imaging device is located near the gate end on the high-concentration impurity region side of the resetting device that minimizes dark current.
請求項1の固体撮像素子において、該半導体基板がシリコンであることを特徴とする固体撮像素子。   2. The solid-state image pickup device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is silicon. 請求項1の固体撮像素子において、高濃度不純物領域端を覆うための不純物領域を形成する元素がリンであることを特徴とする固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the element forming the impurity region for covering the edge of the high concentration impurity region is phosphorus. 光検知のためのフォトダイオードと、該フォトダイオードを初期化するために電荷を供給するリセット用素子と、前記フォトダイオードの電位を検出するための素子と、画素の選択をするための素子と、露光を制御するための素子と、半導体基板を選択的に酸化させて形成した素子分離領域と、を画素内に有する固体撮像素子において、
前記リセット用素子が非対称型構造のMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)であり、
前記露光制御用素子と前記リセット用素子とに挟まれた第1の導電型の高濃度不純物領域を、該高濃度不純物領域より低濃度の第1の導電型の不純物領域で、前記高濃度不純物領域端と素子分離領域端を含むように覆う構成を備え、
前記高濃度不純物領域を覆う前記低濃度の不純物領域の前記リセット用素子側の端部は、前記高濃度不純物領域の端部を越えて前記リセット用素子のゲート下側に入り込んだ位置であって、且つ、暗電流が最小となる前記リセット用素子の前記高濃度不純物領域側のゲート端近傍の位置にあることを特徴とする固体撮像素子。
A photodiode for detecting light, a resetting element for supplying a charge to initialize the photodiode, an element for detecting the potential of the photodiode, and an element for selecting a pixel; In a solid-state imaging device having an element for controlling exposure and an element isolation region formed by selectively oxidizing a semiconductor substrate in a pixel,
The reset element is an asymmetric MOS transistor (metal oxide semiconductor element),
A high-concentration impurity region of the first conductivity type sandwiched between the exposure control element and the resetting element is replaced with the first-concentration impurity region having a lower concentration than the high-concentration impurity region. It has a structure covering so as to include the region end and the element isolation region end,
The end of the low-concentration impurity region covering the high-concentration impurity region on the resetting element side is a position where the end of the high-concentration impurity region passes under the gate of the resetting element. The solid-state imaging device is located near the gate end on the high-concentration impurity region side of the resetting device that minimizes dark current.
請求項4の固体撮像素子において、該半導体基板がシリコンであることを特徴とする固体撮像素子。   5. The solid-state image pickup device according to claim 4, wherein the semiconductor substrate is silicon. 請求項4の固体撮像素子において、高濃度不純物領域端を覆うための不純物領域を形成する元素がリンであることを特徴とする固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the element forming the impurity region for covering the edge of the high concentration impurity region is phosphorus. 第1導電型の半導体基板に当該半導体基板を選択的に酸化させて素子分離領域を形成する工程と、
該半導体基板に第2導電型の不純物を導入して感光部を形成する工程と、
該半導体基板に第1導電型の不純物を導入して該感光部を初期化するための素子であるMOSトランジスタ(金属酸化膜半導体素子)のウェルを形成する工程と、
該半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜上に前記初期化素子のゲート電極を形成する工程と、
第2導電型の前記初期化素子の拡散層を形成する工程と、
前記初期化素子の感光部側の拡散層と前記素子分離領域端を覆う領域に、第2導電型で該拡散層より低いドーズ量のイオン注入を行う工程と、を含み、
前記イオン注入を行う工程でイオン注入を行う前記領域は、前記初期化素子のゲート直下には入り込まず、その端部は、前記初期化素子のゲート端よりも僅かに外側の位置であって且つ暗電流が最小となる当該ゲート端近傍の位置にあることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
Forming a device isolation region by selectively oxidizing the semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor substrate;
Introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor substrate to form a photosensitive portion;
Forming a well of an MOS transistor (metal oxide semiconductor element) which is an element for initializing the photosensitive portion by introducing a first conductivity type impurity into the semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode of the initialization element on the insulating film;
Forming a diffusion layer of the initialization element of the second conductivity type;
Performing ion implantation of a dose amount lower than that of the diffusion layer in the second conductivity type into a region covering the diffusion layer on the photosensitive portion side of the initialization element and the end of the element isolation region,
The region where ion implantation is performed in the step of performing ion implantation does not enter directly under the gate of the initialization element, and its end is located slightly outside the gate end of the initialization element and A method for manufacturing a solid-state imaging device, wherein the solid-state imaging device is located near the gate end where the dark current is minimized.
請求項7の固体撮像素子の製造方法において、第1導電型の半導体基板に第2導電型の不純物を導入して感光部を形成する工程と、初期化素子の感光部側の拡散層と素子分離領域端を覆う領域の第2導電型イオン注入を同一工程で行うことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。   8. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 7, wherein a step of forming a photosensitive portion by introducing a second conductive type impurity into a first conductive type semiconductor substrate, a diffusion layer on the photosensitive portion side of the initialization element, and the device A method of manufacturing a solid-state imaging device, wherein the second conductivity type ion implantation of the region covering the edge of the separation region is performed in the same step.
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