JPH05206435A - Solid state image sensor - Google Patents

Solid state image sensor

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Publication number
JPH05206435A
JPH05206435A JP9234292A JP3429292A JPH05206435A JP H05206435 A JPH05206435 A JP H05206435A JP 9234292 A JP9234292 A JP 9234292A JP 3429292 A JP3429292 A JP 3429292A JP H05206435 A JPH05206435 A JP H05206435A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate electrode
polysilicon
gate
solid
induction transistor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9234292A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mutsumi Suzuki
睦 鈴木
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH05206435A publication Critical patent/JPH05206435A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To reduce the parasitic resistance of gate electrode to a negligible level even if the gate polysilicon in an electrostatic induction transistor is made extremely thin. CONSTITUTION:In the solid state imaging element employing an electrostatic induction transistor for storing charges below a polysilicon gate electrode 108 as a unit pixel, a thin part and a thick part 107 are formed in the gate electrode 108 in order to drastically reduce the parasitic resistance.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、画素として静電誘導ト
ランジスタを用いた固体撮像装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device using a static induction transistor as a pixel.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体撮像装置に静電誘導トランジ
スタを用いる技術が注目されている。図5、図6は従来
の静電誘導トランジスタを画素として用いた固体撮像装
置の一例であり、図6はその構成を示す平面図であり、
図5は図6の線A−A' についての縦断面図である。
2. Description of the Related Art In recent years, a technique using a static induction transistor in a solid-state image pickup device has attracted attention. 5 and 6 show an example of a solid-state imaging device using a conventional static induction transistor as a pixel, and FIG. 6 is a plan view showing the configuration thereof.
FIG. 5 is a vertical sectional view taken along the line AA ′ in FIG.

【0003】図5および図6において、P- 基板401
上に形成されたN- エピタキシャル層402には、深い
+ 拡散層403および浅いN+ 拡散層404が形成さ
れており、かつこれら両者の間に静電誘導トランジスタ
のソース部407が設けられている。更に前記ソース部
407上のソースコンタクト部412上に設けられるソ
ースアルミニウム電極配線411を介して深いN+ 拡散
層403側にはフィールド酸化膜405が、浅いN+
散層404側にはゲート酸化膜406がそれぞれN-
ピタキシャル層402上に形成されており、しかも前記
フィールド酸化膜405上には深いN+ 拡散層403と
ソース部407にまたがって薄膜化したゲート電極40
8が、前記ゲート酸化膜406上には浅いN+ 拡散層4
04とソース部407にまたがってゲート電極408が
それぞれ形成されている。そしてフィールド酸化膜40
5上に形成されたゲート配線409も含めて前記ゲート
電極408上にはそれぞれPSG(Phospho Silicate G
lass)層が形成されている。そして、上記の構成におい
て浅いN+ 拡散層404は静電誘導トランジスタのドレ
インとして作用するものである。なお、413は単位画
素を示す。
Referring to FIGS. 5 and 6, a P substrate 401 is provided.
A deep N + diffusion layer 403 and a shallow N + diffusion layer 404 are formed in the N epitaxial layer 402 formed above, and a source portion 407 of the static induction transistor is provided between them. There is. Further, a field oxide film 405 is provided on the deep N + diffusion layer 403 side and a gate oxide film is provided on the shallow N + diffusion layer 404 side through the source aluminum electrode wiring 411 provided on the source contact portion 412 on the source portion 407. 406 are respectively formed on the N epitaxial layer 402, and on the field oxide film 405, the gate electrode 40 is thinned over the deep N + diffusion layer 403 and the source portion 407.
8 is a shallow N + diffusion layer 4 on the gate oxide film 406.
04 and the source portion 407, the gate electrode 408 is formed respectively. And the field oxide film 40
PSG (Phospho Silicate G) on the gate electrode 408 including the gate wiring 409 formed on the gate electrode 408.
lass) layer is formed. The shallow N + diffusion layer 404 in the above structure acts as the drain of the static induction transistor. In addition, 413 shows a unit pixel.

【0004】次に、上記の構成の従来の固体撮像装置の
一画素としての動作をNチャネルデバイスを例にとり説
明する。
Next, the operation of one pixel of the conventional solid-state image pickup device having the above structure will be described by taking an N-channel device as an example.

【0005】まず、P- 基板401、ソース電極41
1、およびドレイン404に所定の電圧、例えばそれぞ
れ−5V、0V、+5Vを負荷する。次にゲート電極4
08を+1Vとし、熱的に発生してゲート電極直下にた
くわえられたホールをP- 基板に放出される。次にゲー
ト電極408を−10Vとする。このバイアス状態で
は、ゲート電極408直下のN- エピタキシャル層40
2はかなりの部分が空乏化する。ここに光が入射するこ
とでホールとエレクトロンが発生する。エレクトロンは
ドレイン404ににげてしまうが、大部分のホールはゲ
ート電極408直下にたくわえられることになる。所定
の時間、例えば1/30秒たくわえた後、ゲート電極4
08の電圧を−2Vとすることで、静電誘導トランジス
タのドレインからソースに電流が流れる。この電流は、
ゲート電極408下にたくわえられたホールに依存する
量となる。この電流をキャパシタにたくわえることで、
ゲート電極下にたくわえられたホールの数十倍〜数百倍
もの電荷増幅が可能である。扱う電荷量が多くなると、
外部増幅回路のノイズの影響をうけにくくなるため、極
微弱光を撮像する固体撮像素子として適している。
First, the P substrate 401 and the source electrode 41
1 and the drain 404 are loaded with a predetermined voltage, for example, −5V, 0V, and + 5V, respectively. Next, the gate electrode 4
08 is set to + 1V, and holes generated immediately below the gate electrode are thermally generated and released to the P substrate. Next, the gate electrode 408 is set to −10V. In this bias state, the N epitaxial layer 40 immediately below the gate electrode 408 is formed.
In the case of 2, a considerable part is depleted. When light is incident on this, holes and electrons are generated. Although electrons are transferred to the drain 404, most of the holes are stored directly below the gate electrode 408. After holding for a predetermined time, for example 1/30 seconds, the gate electrode 4
By setting the voltage of 08 to -2 V, current flows from the drain to the source of the static induction transistor. This current is
The amount depends on the holes stored under the gate electrode 408. By storing this current in the capacitor,
It is possible to amplify the charge several tens to several hundreds times that of the holes stored under the gate electrode. As the amount of charge handled increases,
Since it is less susceptible to the noise of the external amplifier circuit, it is suitable as a solid-state image sensor for capturing extremely weak light.

【0006】この動作から明らかなように、一画素内で
の光感度が高い場所は、ゲート電極部分である。ゲート
電極408はなるべく光が透過しやすいように、薄膜化
(〜1000オングストローム)されている。
As is apparent from this operation, the place where the photosensitivity is high in one pixel is the gate electrode portion. The gate electrode 408 is made thin (up to 1000 angstrom) so that light can be transmitted as easily as possible.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の固体撮像装置においては、受光部上のゲートポリ
シリコンの膜厚を薄くすればするほど、ゲートポリシリ
コンでの吸収がなくなり、光感度が増加する。しかしな
がら、ゲートポリシリコンは、静電誘導トランジスタの
ゲート電極の役目をなしているため、むやみに薄くする
と、ゲート電極の寄生抵抗が大きくなりすぎ、必要とさ
れる動作速度が確保できなくなるという問題点があっ
た。
However, in the above-mentioned conventional solid-state image pickup device, the thinner the thickness of the gate polysilicon on the light receiving portion, the less the absorption in the gate polysilicon, and the light sensitivity. To increase. However, since the gate polysilicon serves as the gate electrode of the static induction transistor, if it is made too thin, the parasitic resistance of the gate electrode becomes too large, and the required operating speed cannot be secured. was there.

【0008】本発明は、この様な従来の技術の問題点に
鑑みてなされたもので、静電誘導トランジスタのゲート
ポリシリコンを極端に薄くした場合でも、ゲート電極の
寄生抵抗を無視できる程度に小さくすることのできる固
体撮像装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems of the conventional technique. Even when the gate polysilicon of the static induction transistor is extremely thin, the parasitic resistance of the gate electrode can be ignored. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be reduced in size.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的は、固体撮像
素子を構成する静電誘導トランジスタのゲート電極をト
レンチ構造とすることにより達成できる。
The above object can be achieved by forming the gate electrode of the static induction transistor constituting the solid-state image pickup device into a trench structure.

【0010】すなわち、本発明の固体撮像素子は、ポリ
シリコンゲート電極108の下に電荷を蓄積する静電誘
導トランジスタを単位画素とする固体撮像素子におい
て、前記ゲート電極108に薄肉部と導電性物質である
ポリシリコンからなる厚肉部107を形成したことを特
徴とする。
That is, the solid-state image pickup device of the present invention is a solid-state image pickup device in which a unit pixel is an electrostatic induction transistor that accumulates charges under the polysilicon gate electrode 108. The thick portion 107 made of polysilicon is formed.

【0011】本明細書において、トレンチ構造とは、半
導体基板に溝(トレンチ)を形成し、その部分に絶縁物
か導電性物質を埋め込む構造のことを意味する。そし
て、本発明に係る静電誘導トランジスタの一実施例の断
面を示す図1において、符号107aがトレンチ構造を
示している。なお、107は本発明においては導電性物
質であるポリシリコンであって、薄膜化されたゲートポ
リシリコン電極108と電気的に接続されている。
In the present specification, the trench structure means a structure in which a trench is formed in a semiconductor substrate and an insulating material or a conductive material is embedded in the groove. Further, in FIG. 1 showing a cross section of an embodiment of the static induction transistor according to the present invention, reference numeral 107a indicates a trench structure. In the present invention, reference numeral 107 denotes polysilicon, which is a conductive material, and is electrically connected to the thinned gate polysilicon electrode 108.

【0012】図1は本発明に係る静電誘導トランジスタ
の断面図であって、P- 基板101上に形成されたN-
エピタキシャル層102と、前記N- エピタキシャル層
102上に形成されたトレンチ107aを有するソース
部112の反対側に形成されたそれぞれトレンチ部10
7aを有する深いN+ 拡散層103と浅いN+ 拡散層1
04と、上記両拡散層103、104上に形成されたゲ
ート酸化膜106と、前記ゲート酸化膜106上に形成
されたトレンチ107aに埋め込んだポリシリコン10
7を有するゲートポリシリコン電極108と、前記深い
+ 拡散層103上に形成された、上面にゲート配線1
09が形成されたフィールド酸化膜105と、前記ゲー
トポリシリコン電極108上に形成され、前記深いN+
拡散層103側と浅いN+ 拡散層104側との間にソー
スコンタクト部113上にソース配線111を有するP
SG膜110を有する構成とされて、固体撮像素子の単
位画素114として用いられるものである。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a static induction transistor according to the present invention, which is an N formed on a P substrate 101.
Each of the trench portions 10 formed on the opposite side of the epitaxial layer 102 and the source portion 112 having the trench 107 a formed on the N epitaxial layer 102.
Deep N + diffusion layer 103 and shallow N + diffusion layer 1 having 7a
04, the gate oxide film 106 formed on the diffusion layers 103 and 104, and the polysilicon 10 embedded in the trench 107a formed on the gate oxide film 106.
A gate polysilicon electrode 108 having a gate electrode 7 and a gate wiring 1 formed on the deep N + diffusion layer 103 on the upper surface.
09 is formed on the field oxide film 105 and the gate polysilicon electrode 108, and the deep N +
P having the source wiring 111 on the source contact portion 113 between the diffusion layer 103 side and the shallow N + diffusion layer 104 side.
It is configured to have the SG film 110 and is used as the unit pixel 114 of the solid-state imaging device.

【0013】ゲート電極の構造をトレンチ構造とした、
すなわち薄肉部に厚肉部107を形成したゲートポリシ
リコン電極108の裏面から見た斜視図を図3に示す。
図3においてゲート電極108の四周には導電性のポリ
シリコンの厚肉部107が形成されており、また中央部
にはソース部112に隣接する厚肉部107が形成され
ており、これらの厚肉部107が抵抗値を下げる作用を
示し、この外周厚肉部107と内周厚肉部107の間に
形成された薄肉部が光を通して画素として機能する作用
を示す。
The structure of the gate electrode is a trench structure,
That is, FIG. 3 shows a perspective view of the gate polysilicon electrode 108 in which the thick wall portion 107 is formed in the thin wall portion as viewed from the back surface.
In FIG. 3, a thick portion 107 of conductive polysilicon is formed on the four sides of the gate electrode 108, and a thick portion 107 adjacent to the source portion 112 is formed in the central portion. The thin portion 107 has the effect of lowering the resistance value, and the thin portion formed between the outer peripheral thick portion 107 and the inner thick portion 107 functions as a pixel through which light passes.

【0014】[0014]

【作用】上記構成の固体撮像素子においては、薄膜化し
たゲートポリシリコン電極108の周囲にトレンチ10
7a内に埋め込んだ導電性のポリシリコン107を配し
たため、ゲート電極108の寄生抵抗が低減できる。本
発明によれば、ゲートポリシリコン108の膜厚を極端
に薄くした場合でも、ゲート電極108の寄生抵抗を無
視できる程度に小さくすることが可能である。
In the solid-state image sensor having the above structure, the trench 10 is formed around the thinned gate polysilicon electrode 108.
Since the conductive polysilicon 107 embedded in 7a is arranged, the parasitic resistance of the gate electrode 108 can be reduced. According to the present invention, even when the thickness of the gate polysilicon 108 is extremely thin, the parasitic resistance of the gate electrode 108 can be reduced to a negligible level.

【0015】[0015]

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。図1および2は本発明の固体撮像素子の画素に用い
る静電誘導トランジスタの一実施例を説明する図面であ
って、図2はその構成を示す平面図であり、図1は図2
の線B−B' についての縦断面図である。
The present invention will be described in detail below with reference to examples. 1 and 2 are drawings for explaining an embodiment of a static induction transistor used for a pixel of a solid-state image pickup device of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing its configuration, and FIG.
It is a longitudinal cross-sectional view about line BB 'in FIG.

【0016】図1および図2において、101は不純物
濃度1×1013〜1×1014cm-3のP型Si基板であ
る。102は不純物濃度1×1013〜1×1014cm-3
N型エピタキシャル層、103は深いN+ 拡散層(拡散
深さ3μm)、104は浅いN+ 拡散層、(拡散深さ1
μm)、105は膜厚7000オングストロームのフィ
ールド酸化膜、106は膜厚600オングストロームの
ゲート酸化膜、107は、幅1μm、深さ0.6μmのト
レンチ溝107a内に埋め込んだポリシリコンである。
In FIGS. 1 and 2, 101 is a P-type Si substrate having an impurity concentration of 1 × 10 13 to 1 × 10 14 cm -3 . 102 is an N-type epitaxial layer having an impurity concentration of 1 × 10 13 to 1 × 10 14 cm −3 , 103 is a deep N + diffusion layer (diffusion depth 3 μm), 104 is a shallow N + diffusion layer, (diffusion depth 1
μm), 105 is a field oxide film having a film thickness of 7,000 Å, 106 is a gate oxide film having a film thickness of 600 Å, and 107 is polysilicon embedded in a trench groove 107a having a width of 1 μm and a depth of 0.6 μm.

【0017】また、108が膜厚200オングストロー
ムまで薄膜化されたゲートポリシリコン、109が膜厚
4000オングストロームのポリシリコンゲート配線、
110が層間絶縁用のPSG膜(膜厚5000オングス
トローム)、111がソースAl電極である。
Further, 108 is a gate polysilicon thinned to a film thickness of 200 Å, 109 is a polysilicon gate wiring having a film thickness of 4000 Å,
110 is a PSG film for interlayer insulation (thickness: 5000 angstrom), and 111 is a source Al electrode.

【0018】次に本実施例の製造工程を以下に説明す
る。図4(a)〜(c)および図5(a),(b)が、
製造各工程での断面を示している。図4(a)が浅いN
+ 拡散層を形成した後での断面構造である。まず不純物
濃度1×1013cm-3〜1×1014cm-3のP- 基板101
上に、不純物濃度1×1013cm-3〜1×1014cm-3のN
- エピタキシャル層102を8μm〜10μmの膜厚で
形成する。次に深いN+ 拡散層103を表面不純物濃度
1×1020cm-3、拡散深さ3μmで形成する。さらにフ
ィールド酸化膜105を形成し、不必要部分をエッチン
グ除去後、イオン注入にて、浅いN+ 拡散層104を形
成する。この時点での断面を図4(a)に示す。浅いN
+ 拡散層104は、表面不純物濃度1×1020cm-3、拡
散深さ1μmの条件で形成する。
Next, the manufacturing process of this embodiment will be described below. 4 (a) to (c) and FIGS. 5 (a) and (b),
The cross section in each manufacturing step is shown. Figure 4 (a) is shallow N
+ Cross-sectional structure after forming the diffusion layer. First, the P substrate 101 having an impurity concentration of 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 14 cm −3.
On top of this, an impurity concentration of 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 14 cm −3 N
- forming an epitaxial layer 102 with a thickness of 8Myuemu~10myuemu. Next, a deep N + diffusion layer 103 is formed with a surface impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 and a diffusion depth of 3 μm. Further, a field oxide film 105 is formed, and after removing unnecessary portions by etching, a shallow N + diffusion layer 104 is formed by ion implantation. A cross section at this point is shown in FIG. Shallow N
The + diffusion layer 104 is formed under the conditions that the surface impurity concentration is 1 × 10 20 cm −3 and the diffusion depth is 1 μm.

【0019】この後、図4(b)に示した様に、浅いN
+ 拡散層内に、トレンチ107aを0.6μmの深さまで
堀り込んで形成する。堀り込んだ後厚さ2000オング
ストロームに酸化した後の断面を図4(b)に示す。
After this, as shown in FIG. 4B, a shallow N
In the + diffusion layer, the trench 107a is formed by digging up to a depth of 0.6 μm. FIG. 4B shows a cross section after being dug and then oxidized to have a thickness of 2000 angstroms.

【0020】次に、リンを高濃度に加えたポリシリコン
106を全面につけ、さらに平坦化のためのフォトレジ
ストを全面に塗布する。この状態でエッチバックを行な
い、不必要なポリシリコンを除いた断面を図4(c)に
示す。エッチバック工程により、トレンチ内にのみポリ
シリコンを残す。
Next, polysilicon 106 having a high concentration of phosphorus is applied to the entire surface, and a photoresist for planarizing is applied to the entire surface. Etching back is performed in this state, and a cross section from which unnecessary polysilicon is removed is shown in FIG. The etch back process leaves the polysilicon only in the trenches.

【0021】図5(a)には、この後、極端に薄膜化し
たゲートポリシリコン108、およびゲート配線109
を形成した断面を示す。これらは、各々リンを高濃度に
加えたポリシリコンの成膜と、リソグラフィードライエ
ッチングにて形成する。ゲートポリシリコン108の膜
厚は200オングストローム、ゲート配線109の膜厚
は4000オングストロームである。図5(b)に、最
終工程まで進んだ本実施例の静電誘導トランジスタの断
面を示す。工程的には、PSG膜110が層間絶縁膜と
して5000オングストロームに推積され、スルーホー
ル、コンタクトホールが穿設された後Al配線が形成さ
れる。
In FIG. 5A, after that, the gate polysilicon 108 and the gate wiring 109 are extremely thinned.
The cross section which formed is shown. These are formed by film formation of polysilicon to which phosphorus is added at a high concentration and lithographic dry etching. The gate polysilicon 108 has a film thickness of 200 angstroms, and the gate wiring 109 has a film thickness of 4000 angstroms. FIG. 5B shows a cross section of the static induction transistor of this example which has advanced to the final step. In terms of process, the PSG film 110 is deposited as an interlayer insulating film to 5000 angstroms, a through hole and a contact hole are formed, and then an Al wiring is formed.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上のように本発明の固体撮像装置によ
れば、ゲートポリシリコンの膜厚を200オングストロ
ームというような極く薄い膜厚にしても、寄生抵抗は無
視できるレベルであり、静電誘導トランジスタの動作速
度に問題はでない。具体的には、従来技術でゲートポリ
シリコンの膜厚を200オングストローム程度に薄膜化
した場合、寄生抵抗は1700Ωとなるのに対し、本発
明を用いれば170Ωと桁違いに小さくすることができ
る。
As described above, according to the solid-state image pickup device of the present invention, the parasitic resistance is negligible even if the gate polysilicon film has an extremely thin film thickness of 200 Å. There is no problem in the operating speed of the induction transistor. Specifically, when the thickness of the gate polysilicon is reduced to about 200 angstroms by the conventional technique, the parasitic resistance becomes 1700Ω, whereas the present invention can reduce the parasitic resistance to 170Ω, which is an order of magnitude smaller.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の固体撮像装置の一実施例の構成を示す
断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a solid-state imaging device of the present invention.

【図2】本発明の固体撮像装置の一実施例の構成を示す
平面図
FIG. 2 is a plan view showing the configuration of an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.

【図3】本発明の固体撮像装置の一実施例に使用するゲ
ート電極の裏面の斜視図
FIG. 3 is a perspective view of the back surface of a gate electrode used in one embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.

【図4】本発明の固体撮像装置の一実施例の製造工程を
説明する断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.

【図5】図4に続く断面図FIG. 5 is a sectional view following FIG.

【図6】従来の固体撮像装置の一例の構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of a conventional solid-state imaging device.

【図7】従来の固体撮像装置の一例の構成を示す平面図FIG. 7 is a plan view showing the configuration of an example of a conventional solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 P型Si基板 102 N型エピタキシャル層 103 深いN+ 拡散層 104 浅いN+ 拡散層 105 フィールド酸化膜 106 ゲート酸化膜 107 トレンチに埋め込んだポリシリコン 107a トレンチ 108 ゲートポリシリコン電極 109 ゲート配線 110 PSG膜 111 ソースAl電極 113 ソースコンタクト 114 単位画素101 P-type Si substrate 102 N-type epitaxial layer 103 Deep N + diffusion layer 104 Shallow N + diffusion layer 105 Field oxide film 106 Gate oxide film 107 Polysilicon embedded in a trench 107a Trench 108 Gate polysilicon electrode 109 Gate wiring 110 PSG film 111 source Al electrode 113 source contact 114 unit pixel

フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/804 H04N 1/028 Z 9070−5C 5/335 C 4228−5C 9171−4M H01L 29/80 S Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location H01L 29/804 H04N 1/028 Z 9070-5C 5/335 C 4228-5C 9171-4M H01L 29/80 S

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ゲート電極の下に電荷を蓄積する静電誘
導トランジスタを単位画素とする固体撮像装置におい
て、 前記ゲート電極に薄肉部と厚肉部を形成したことを特徴
とする固体撮像装置。
1. A solid-state imaging device including a static electricity induction transistor for accumulating charges under a gate electrode as a unit pixel, wherein a thin portion and a thick portion are formed on the gate electrode.
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