JP2007201267A - Solid state imaging element and its fabrication process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit occurrence of a white scratch by reducing effectively a dark current without giving a bad influence on a performance clearing a stored charge by an overflow drain, in a solid state imaging element of a vertical overflow drain structure corresponding to colorization. <P>SOLUTION: In response to a wavelength of light, the depth of a first conductive layer (160, 162, and 164) is optimized for constituting a photodiode, a first conductive layer (162, 164) of a photodiode is shallowly formed for receiving each light of green (G) and blue (B) of short wavelength, and it eliminates a useless structure. Moreover, directly under the photodiode for the green (G) and the blue (B), additional overflow barrier layer (121, 123) is formed, and the difference is reduced in height of potentials of overflow barriers. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法し、特に、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換するフォトダイオードを具備する、縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and in particular, a solid-state imaging having a vertical overflow drain structure including a photodiode that photoelectrically converts each light of red (R), green (G), and blue (B). The present invention relates to an element and a manufacturing method thereof.

CCDを用いた固体撮像素子では、フォトダイオードにより入射光を電荷に変換し、蓄積された電荷を電圧に変換して取り出している。このような固体撮像素子を高感度化するために、フォトダイオードを縦方向に深く形成する技術が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1の技術では、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する各フォトダイオードに対し、電荷蓄積層となるN型層を深く形成すると共に、そのN型層を多段階に分けて形成して濃度プロファイルの適正化を図っている。   In a solid-state imaging device using a CCD, incident light is converted into electric charge by a photodiode, and the accumulated electric charge is converted into a voltage and taken out. In order to increase the sensitivity of such a solid-state imaging device, various techniques for deeply forming photodiodes in the vertical direction have been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the technique of Patent Document 1, an N-type layer serving as a charge storage layer is formed deeply for each photodiode that photoelectrically converts red (R), green (G), and blue (B) light. The N-type layer is formed in multiple stages to optimize the concentration profile.

また、固体撮像素子による撮像を開始する際には、フォトダイオードの電荷を空にすることが望ましい。このような固体撮像素子の構成として、全画素同時に蓄積電荷を空にすることが可能な縦型オーバーフロードレイン構造が知られている(例えば、特許文献2参照)。この縦型オーバーフロードレイン構造では、半導体基板の深さ方向にNPN構造が形成されており(これらは、バルク型の縦型トランジスタとしての機能をもつ)、基板バイアスを変化させることによって、中間のP型層によって形成されポテンシャルバリア(一般にオーバーフローバリアと呼ばれる)を消滅させると、全画素同時に蓄積電荷をクリアすることが可能である。   Further, it is desirable to empty the charge of the photodiode when imaging with the solid-state imaging device is started. As a configuration of such a solid-state imaging device, a vertical overflow drain structure capable of emptying the accumulated charge at all pixels simultaneously is known (see, for example, Patent Document 2). In this vertical overflow drain structure, an NPN structure is formed in the depth direction of the semiconductor substrate (they have a function as a bulk type vertical transistor), and an intermediate P is changed by changing the substrate bias. When the potential barrier (generally called an overflow barrier) formed by the mold layer is eliminated, the accumulated charge can be cleared simultaneously for all the pixels.

図12は、オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子における蓄積電荷をクリアするための動作を説明するためのポテンシャル特性を示す図である。
図中、T1は、オーバーフローバリア(OFB)が形成されている状態のポテンシャル特性を示し、T2は、オーバーフローバリア(OFB)が消失した状態のポテンシャル特性を示す。基板のバイアス電圧を変化させることによって、ポテンシャルカーブがT1からT2に変化し、これによって、蓄積電荷Qが一気にドレインに放出され、全画素の蓄積電荷を同時にクリアすることができる。
特開2003−86783号公報 特開2004−228140号公報
FIG. 12 is a diagram illustrating a potential characteristic for explaining an operation for clearing accumulated charges in a solid-state imaging device having an overflow drain structure.
In the figure, T1 indicates the potential characteristic in the state where the overflow barrier (OFB) is formed, and T2 indicates the potential characteristic in the state where the overflow barrier (OFB) disappears. By changing the bias voltage of the substrate, the potential curve changes from T1 to T2, whereby the accumulated charge Q is released to the drain all at once, and the accumulated charges of all the pixels can be cleared simultaneously.
JP 2003-86783 A JP 2004-228140 A

特許文献1に記載される技術では、R,G,Bの各色用のフォトダイオードの深さを一律に深くし、その上で、電荷蓄積層としてのN型層を複数回のイオン注入で形成して不純物の濃度プロファイルを制御している。しかし、本願発明者の鋭意検討によると、フォトダイオードを一律に深く形成した場合、波長の長い、赤(R)の光を受けるフォトダイオードについては感度が向上するが、波長の短い緑(G),青(B)の光を受けるフォトダイオードについては、フォトダイオードを深く形成した分の感度向上効果が必ずしも得られず、かえって、暗電流の増加による、いわゆる白傷の増加といった弊害が目立つようになることの知見が得られた。   In the technique described in Patent Document 1, the depths of the photodiodes for R, G, and B colors are uniformly increased, and then an N-type layer as a charge storage layer is formed by multiple ion implantations. Thus, the impurity concentration profile is controlled. However, according to the inventor's diligent study, when the photodiodes are uniformly formed deeply, the sensitivity is improved for the photodiodes that receive red (R) light having a long wavelength, but the green (G) that has a short wavelength. For photodiodes receiving blue (B) light, the effect of improving sensitivity due to the deep formation of the photodiodes is not necessarily obtained. On the contrary, there is a conspicuous adverse effect such as an increase in so-called white scratches due to an increase in dark current. The knowledge of becoming was obtained.

すなわち、赤色(赤外光を含む)に比べて短波長の、緑(G)、青(B)は、深さを深くしたフォトダイオードの(N型層の)最深部には到達しない割合が多く、その最深部の部分は光電変換にあまり寄与しないといえる。一方、フォトダイオードを構成するN型層が深くなった分だけ、その表面積が増大して暗電流が増加し、白傷が増加するという弊害が顕在化する場合がある。   That is, green (G) and blue (B), which have shorter wavelengths than red (including infrared light), do not reach the deepest part (of the N-type layer) of the deepened photodiode. In many cases, the deepest part does not contribute much to photoelectric conversion. On the other hand, as the N-type layer constituting the photodiode becomes deeper, its surface area increases, dark current increases, and white defects increase.

本発明はこのような考察に基づいてなされたものであり、その目的は、赤(R),緑(G),青(B)の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制することにある。   The present invention has been made on the basis of such considerations, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device including a photodiode that receives light of each color of red (R), green (G), and blue (B). The object is to effectively reduce the dark current and suppress the occurrence of white scratches.

本発明に係る上記目的は、下記構成によって実現される。
(1) 第1導電型の半導体基板(100,110)と、この半導体基板上に設けられた第2導電型のオーバーフローバリア層(120)と、このオーバーフローバリア層上に設けられた低不純物濃度層(158)と、この低不純物濃度層内に設けられた、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードと、を備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子であって、前記赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードの各々は、上層の第2導電型層(170,172)と、電荷蓄積領域として機能する下層の第1導電型層(160,162,164)と、により構成され、前記第1、第2および第3のフォトダイオードの各々における前記下層の第1導電型層(160,162,164)の深さを各々d1,d2,d3とした場合、d1>d2≧d3の関係を有し、前記第2および第3のフォトダイオードにおける前記下層の第1導電型層(162,164)の下に、該第1導電型層(162,164)の深さ(d2,d3)を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための追加のオーバーフローバリア層(121,123)が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
The above object of the present invention is realized by the following configuration.
(1) A first conductivity type semiconductor substrate (100, 110), a second conductivity type overflow barrier layer (120) provided on the semiconductor substrate, and a low impurity concentration provided on the overflow barrier layer A layer (158), and first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light provided in the low impurity concentration layer; A solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure, comprising: first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert each of the red (R), green (G), and blue (B) light. Each is constituted by an upper second conductive type layer (170, 172) and a lower first conductive type layer (160, 162, 164) functioning as a charge storage region, and the first, second and In each of the third photodiodes When the depths of the lower first conductivity type layers (160, 162, 164) are d1, d2, and d3, respectively, a relationship of d1> d2 ≧ d3 is satisfied, and the second and third photodiodes Suppresses fluctuations in the height of the overflow barrier caused by reducing the depth (d2, d3) of the first conductivity type layer (162, 164) below the lower first conductivity type layer (162, 164). An additional overflow barrier layer (121, 123) for forming a solid-state imaging device.

この固体撮像素子によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを最適化して、短波長の緑(G),青(B)の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。すなわち、長波長の赤(R)の光は、フォトダイオードを構成する第1導電型層(以下の説明では、N型とする)の深部まで到達するため、その深部で生成される電荷を有効化するためには、フォトダイオードは十分深く形成するのが望ましいが、短波長の緑(G),青(B)は、赤(R)ほどには深くまで到達しないため、その到達位置に合わせて、フォトダイオードを構成するN型層の深さを浅くする。つまり、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードのN型層の深さをd1,d2,d3としたときに、d1>d2>d3、あるいは、d1>d2=d3の関係が成立するように、各N型層の深さを調整する。
また、固体撮像素子は、受光する光の波長に応じて、各フォトダイオードを構成するN型層の深さを変化させると、フォトダイオード毎に、N型層の底部とP型のオーバーフローバリア層との間の距離が異なり、フォトダイオード毎に、蓄積電荷を完全にクリアするために必要な基板電位(以下、オーバーフロー電位という)にばらつきが生じる場合がある。つまり、フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層との間には、不純物濃度が低い低濃度層(原則的にはP型が望ましいが、これに限定されるものではなく、N型でもよく、あるいはノンドープであってもよい)が介在するが、この低濃度層は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに上昇させる(変化させる)働きをもつため、その低濃度層の厚みが厚いほど、オーバーフローバリア(OFB)のポテンシャルがより低くなる。したがって、N型層の深さを浅くした緑(G),青(B)用のフォトダイオードでは、オーバーフロードレイン電位をより高くしないと、蓄積電荷を完全にクリアできなくなる場合があり、そのことが駆動電圧の上昇や、リセット電圧のバラツキ等を発生させる要因になり得る。そこで、緑(G),青(B)用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成し、これによって、各フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層(追加のオーバーフローバリア層を含む)との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
According to this solid-state imaging device, the depth of the first conductivity type layer constituting the photodiode is optimized according to the wavelength of light to be subjected to photoelectric conversion, and short wavelengths of green (G) and blue (B ), A useless portion is removed from the photodiode that receives each light, thereby reducing a dark current and suppressing the occurrence of white scratches. That is, long-wavelength red (R) light reaches the deep portion of the first conductive type layer (hereinafter referred to as N-type) that constitutes the photodiode, so that the charge generated in the deep portion is effectively used. In order to achieve this, it is desirable that the photodiode be formed sufficiently deep, but the short wavelengths of green (G) and blue (B) do not reach as deep as red (R), so they are adjusted to their arrival positions. Thus, the depth of the N-type layer constituting the photodiode is reduced. That is, when the depths of the N-type layers of the first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light are d1, d2, and d3. In addition, the depth of each N-type layer is adjusted so that the relationship of d1>d2> d3 or d1> d2 = d3 is established.
Further, when the depth of the N-type layer constituting each photodiode is changed in accordance with the wavelength of received light, the solid-state imaging device has a bottom of the N-type layer and a P-type overflow barrier layer for each photodiode. In some cases, the substrate potential (hereinafter referred to as the overflow potential) required for completely clearing the accumulated charge varies for each photodiode. That is, a low-concentration layer having a low impurity concentration (in principle, P-type is desirable between the bottom of the N-type layer constituting the photodiode and the P-type overflow barrier layer, but this is not a limitation. This low-concentration layer extends the depletion layer according to the bias of the photodiode and smoothly raises the potential curve of the overflow drain structure, though it may be N-type or non-doped). Since the thickness of the low concentration layer is larger, the potential of the overflow barrier (OFB) is lower. Therefore, in the photodiodes for green (G) and blue (B) in which the depth of the N-type layer is reduced, the accumulated charge may not be completely cleared unless the overflow drain potential is set higher. This may cause a rise in drive voltage, variation in reset voltage, and the like. Therefore, an additional overflow barrier layer is formed immediately below the green (G) and blue (B) photodiodes, thereby forming the bottom of the N-type layer and the P-type overflow barrier layer (additional) constituting each photodiode. Variation in the distance between the first and second overflow barrier layers). Therefore, the difference in height of the overflow barrier potential between the photodiodes for the respective colors is reduced, and variations in the overflow drain potential can be suppressed.

(2) (1)記載の固体撮像素子であって、前記オーバーフローバリア層の厚みが、前記第1導電型層の厚みに対応して設定されていることを特徴とする固体撮像素子。   (2) The solid-state imaging device according to (1), wherein a thickness of the overflow barrier layer is set corresponding to a thickness of the first conductivity type layer.

この固体撮像素子によれば、第1導電型層の厚みに対応してオーバーフローバリア層の厚みが設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。   According to this solid-state imaging device, the difference in the potential height of the overflow barrier is reduced by setting the thickness of the overflow barrier layer corresponding to the thickness of the first conductivity type layer.

(3) (2)記載の固体撮像素子であって、前記第1、第2および第3のフォトダイオードにおける前記下層の第1導電型層(160,162,164)の直下の前記低濃度層(158)の厚みは、いずれも略同一(H1)であることを特徴とする固体撮像素子。   (3) The solid-state imaging device according to (2), wherein the low-concentration layer immediately below the first conductive type layer (160, 162, 164) of the lower layer in the first, second, and third photodiodes (158) The thickness of all is substantially the same (H1), The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.

この固体撮像素子によれば、各フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層(追加のオーバーフローバリア層を含む)との間に介在する低濃度層の厚みを略同一とすることによって、オーバーフロードレイン電位のばらつきを十分に抑制することができる。   According to this solid-state imaging device, the thickness of the low concentration layer interposed between the bottom of the N-type layer constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer (including the additional overflow barrier layer) is substantially the same. By doing so, variations in overflow drain potential can be sufficiently suppressed.

(4) (1)記載の固体撮像素子であって、前記第1導電型層の厚みに対応して前記オーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されていることを特徴とする固体撮像素子。   (4) The solid-state imaging device according to (1), wherein an impurity concentration of the overflow barrier layer is set corresponding to a thickness of the first conductivity type layer.

この固体撮像素子によれば、第1導電型層の厚みに対応してオーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。   According to this solid-state imaging device, the difference in potential height of the overflow barrier is reduced by setting the impurity concentration of the overflow barrier layer corresponding to the thickness of the first conductivity type layer.

(5) 赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、第1導電型の半導体基板(110)内に形成した第2導電型のオーバーフローバリア層(120)よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層(130,140)と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層(158)とを形成し、前記転送路となる不純物層(130,140)上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域(Z2)における前記低不純物濃度層(158)内に、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成する第1導電型層(160,162,164)を形成し、前記第1導電型層(160,162,164)とPN接合を形成する上層の第2導電型層(170,172)を形成する工程を含み、前記第1、第2および第3のフォトダイオードの各々における前記第1導電型層(160,162,164)の深さを各々d1,d2,d3とした場合、d1>d2≧d3の関係を有するようにし、さらに、前記第1導電型層の形成後にイオン注入を行い、前記第2および第3のフォトダイオードを構成する前記第1導電型層(162,164)の下方に、前記第1導電型層(162,164)の深さ(d2,d3)を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制する追加オーバーフローバリア層(121,123)を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。   (5) A method of manufacturing a solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure including first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light. An impurity layer (130, 140) serving as a charge transfer path in a portion above the second conductivity type overflow barrier layer (120) formed in the first conductivity type semiconductor substrate (110); A low impurity concentration layer (158) to be a photodiode is formed, a transfer electrode for controlling charge transfer is formed on the impurity layer (130, 140) to be the transfer path, and then a photo diode is completed. A diode forming step, wherein the photodiode forming step is arranged in the low impurity concentration layer (158) in the photodiode forming region (Z2) of the semiconductor substrate. The first conductive type layers (160, 162, 164) constituting the second and third photodiodes are formed, and the first conductive type layer (160, 162, 164) and the upper first layer forming the PN junction are formed. A step of forming two conductivity type layers (170, 172), and the depth of the first conductivity type layer (160, 162, 164) in each of the first, second, and third photodiodes is defined as d1 , D2, and d3, the relation of d1> d2 ≧ d3 is satisfied, and ion implantation is performed after the formation of the first conductivity type layer, thereby forming the second and third photodiodes. Additional overflow that suppresses fluctuations in the height of the overflow barrier caused by reducing the depth (d2, d3) of the first conductivity type layer (162, 164) below the one conductivity type layer (162, 164). A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising forming a barrier layer (121, 123).

この固体撮像素子の製造方法によれば、オーバーフローバリア層を形成し、電荷転送路を構成する不純物層と、フォトダイオードが後に形成される低濃度層とを形成し、転送電極を形成した後、フォトダイオード形成工程において、フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを、光の波長に応じて最適化しつつ形成する。深さが異なるN型層は、例えば、イオン注入の際の加速エネルギーを適宜、制御することによっても形成することができる。また、カウンターイオンをN型層の深部に注入することによっても、深さの制御を行える。これによって、短波長の緑(G),青(B)の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、暗電流を低減し、白傷の発生を抑制する。そして、第5の工程にて、遮光膜、平坦化層を形成し、さらにカラーフィルタ層ならびにオンチップレンズを形成して、カラー画像対応の固体撮像素子を無理なく形成することができる。
そして、このフォトダイオード形成工程においては、イオン注入によって、追加のオーバーフローバリア層を無理なく形成することができ、第1導電型層の深さの違いによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制することができる。
According to this method for manufacturing a solid-state imaging device, after forming an overflow barrier layer, forming an impurity layer constituting a charge transfer path, a low-concentration layer in which a photodiode is formed later, and forming a transfer electrode, In the photodiode forming step, the depth of the first conductivity type layer constituting the photodiode is formed while being optimized according to the wavelength of light. N-type layers having different depths can also be formed, for example, by appropriately controlling acceleration energy at the time of ion implantation. The depth can also be controlled by implanting counter ions into the deep portion of the N-type layer. As a result, useless portions are removed from the photodiodes that receive short-wavelength green (G) and blue (B) light, dark current is reduced, and occurrence of white scratches is suppressed. In the fifth step, a light shielding film and a flattening layer are formed, and further, a color filter layer and an on-chip lens are formed, so that a solid-state imaging device corresponding to a color image can be formed without difficulty.
In this photodiode forming step, an additional overflow barrier layer can be formed without difficulty by ion implantation, and the fluctuation of the height of the overflow barrier due to the difference in the depth of the first conductivity type layer is suppressed. Can do.

(6) (5)記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記追加オーバーフローバリア層(121,123)を、前記第1、第2および第3のフォトダイオードにおける前記第1導電型層(160,162,164)の直下の前記低濃度層(158)の厚みを略同一(H1)とするように形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。   (6) The method for manufacturing a solid-state imaging device according to (5), wherein the additional overflow barrier layer (121, 123) is formed by using the first conductivity type layer (the first, second, and third photodiodes). 160, 162, 164), and forming the low-concentration layer (158) directly below the same thickness (H1).

この固体撮像素子の製造方法によれば、各フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層(追加のオーバーフローバリア層を含む)との間に介在する低濃度層の厚みを略同一とすることによって、オーバーフロードレイン電位のばらつきを十分に抑制することができる。   According to this solid-state imaging device manufacturing method, the thickness of the low-concentration layer interposed between the bottom of the N-type layer constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer (including the additional overflow barrier layer) is reduced. By making them substantially the same, variations in the overflow drain potential can be sufficiently suppressed.

(7) 赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、第1導電型の半導体基板(110)内に形成した第2導電型のオーバーフローバリア層(120)よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層(130,140)と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層(158)とを形成し、前記転送路となる不純物層(130,140)上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域(Z2)における前記低不純物濃度層(158)内に、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成する第1導電型層(160,162,164)を略同じ深さで形成し、前記第1導電型層(160,162,164)とPN接合を形成する上層の第2導電型層(170,172)を形成し、次に、第2および第3のフォトダイオードを構成する前記第1導電型層(160,160)に対してカウンター不純物としての第2導電型不純物を導入し、これによって第1導電型層(160,160)の底部の導電型を打ち消し、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第1導電型層(160,162,164)を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。   (7) A method of manufacturing a solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure including first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light. An impurity layer (130, 140) serving as a charge transfer path in a portion above the second conductivity type overflow barrier layer (120) formed in the first conductivity type semiconductor substrate (110); A low impurity concentration layer (158) to be a photodiode is formed, a transfer electrode for controlling charge transfer is formed on the impurity layer (130, 140) to be the transfer path, and then a photo diode is completed. A diode forming step, wherein the photodiode forming step is arranged in the low impurity concentration layer (158) in the photodiode forming region (Z2) of the semiconductor substrate. The first conductivity type layers (160, 162, 164) constituting the second and third photodiodes are formed at substantially the same depth, and the first conductivity type layers (160, 162, 164) and the PN junction are formed. An upper second conductive type layer (170, 172) to be formed is formed, and then the first conductive type layer (160, 160) constituting the second and third photodiodes is used as a counter impurity. A second conductivity type impurity is introduced, thereby canceling the conductivity type at the bottom of the first conductivity type layer (160, 160), and the depth of the potential well region constituting the first, second and third photodiodes. Forming a first conductivity type layer (160, 162, 164) having different lengths from each other.

この固体撮像素子の製造方法によれば、一律の深さにN型層を形成した後、緑(G),青(B)用のフォトダイオードに関して、反対導電型(つまり第2導電型)のカウンター不純物(ボロン)を深部に導入して電荷を中和し、その部分のN型層を消滅させ、結果的にN型層を浅くするものである。最初のN型層の形成については、フォトダイオード毎に注入エネルギーを変える必要がなく、その後、カウンター不純物の導入工程を追加するだけでよいため(つまり、マスク変更で対応できるため)、製造時の負担を少なくすることができる。   According to this method for manufacturing a solid-state imaging device, after the N-type layer is formed at a uniform depth, the photodiodes for green (G) and blue (B) are of the opposite conductivity type (that is, the second conductivity type). Counter impurities (boron) are introduced into the deep part to neutralize the charge, and the N-type layer in that part is extinguished, resulting in a shallow N-type layer. For the formation of the first N-type layer, it is not necessary to change the implantation energy for each photodiode, and after that, it is only necessary to add a step of introducing a counter impurity (that is, it can be handled by changing the mask). The burden can be reduced.

本発明によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを最適化して、短波長の緑(G),青(B)の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。
また、各フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを最適化する際、併せて、緑(G),青(B)用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成することによって、各フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層(追加のオーバーフローバリア層を含む)との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が抑制され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
According to the present invention, the depth of the first conductivity type layer constituting the photodiode is optimized according to the wavelength of light to be subjected to photoelectric conversion, so that the short wavelengths of green (G) and blue (B) It is possible to remove useless portions from the photodiodes that receive each light, thereby reducing dark current and suppressing the occurrence of white scratches.
In addition, when optimizing the depth of the first conductivity type layer constituting each photodiode, an additional overflow barrier layer is also formed immediately below the green (G) and blue (B) photodiodes. Thus, variation in the distance between the bottom of the N-type layer constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer (including the additional overflow barrier layer) can be suppressed. Therefore, the difference in the height of the potential of the overflow barrier between the photodiodes for each color is suppressed, and variations in the overflow drain potential can be suppressed.

さらに、各フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さの制御や追加のオーバーフローバリア層の形成は、イオン注入の加速エネルギーの調整や、イオン注入の際の若干の工程の追加により、無理なく実現することが可能である。   Furthermore, the control of the depth of the first conductivity type layer constituting each photodiode and the formation of an additional overflow barrier layer cannot be achieved by adjusting the acceleration energy of ion implantation or adding a few processes during ion implantation. It is possible to realize without.

本発明によって、赤(R),緑(G),青(B)の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制することが可能となる。   According to the present invention, in a solid-state imaging device including a photodiode that receives light of each color of red (R), green (G), and blue (B), the dark charge is not adversely affected on the operation of clearing accumulated charges by the overflow drain. It is possible to effectively reduce the current and suppress the occurrence of white scratches.

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の固体撮像素子の一例(カラー対応で、縦型オーバーフロードレイン構造をもち、各フォトダイオードの深さが最適化され、かつ、追加のオーバーフローバリア層が形成されている例)の構成を示すデバイスの断面図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of a solid-state imaging device according to the present invention (example corresponding to a color, having a vertical overflow drain structure, the depth of each photodiode being optimized, and an additional overflow barrier layer being formed). It is sectional drawing of the device which shows the structure of these.

図示されるように、この固体撮像素子は、N型半導体基板(NSub)100と、N型エピタキシャル層110と、P型のオーバーフローバリア層120と、P−型の低濃度層158と、を有する。この低濃度層158は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、縦型オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに変化させる働きをする。なお、低濃度層158の導電型は、場合によってはN型でもよく、あるいは、ノンドープの層とすることもできる。   As shown in the figure, this solid-state imaging device includes an N-type semiconductor substrate (NSub) 100, an N-type epitaxial layer 110, a P-type overflow barrier layer 120, and a P-type low-concentration layer 158. . The low concentration layer 158 functions to extend the depletion layer in accordance with the bias of the photodiode and smoothly change the potential curve of the vertical overflow drain structure. Note that the conductivity type of the low-concentration layer 158 may be N-type in some cases, or may be a non-doped layer.

また、赤(R)の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層158内に形成された、下層のN型層160(深さd1)ならびに上層のP+型層170により構成される。   The photodiode that photoelectrically converts red (R) light includes a lower N-type layer 160 (depth d1) and an upper P + type layer 170 formed in the low-concentration layer 158.

なお、P型層172は反転防止のための拡散層である。また、P+型層150は素子分離用の拡散層である。また、N型の拡散層140ならびにP型の拡散層130は、転送路を構成する拡散層である。同様に、緑(G)の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層158内に形成された、下層のN型層162(深さd2)ならびに上層のP+型層170により構成される。同様に、青(B)の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層158内に形成された、下層のN型層164(深さd3)ならびに上層のP+型層170により構成される。   The P-type layer 172 is a diffusion layer for preventing inversion. The P + type layer 150 is a diffusion layer for element isolation. The N-type diffusion layer 140 and the P-type diffusion layer 130 are diffusion layers that constitute a transfer path. Similarly, a photodiode that photoelectrically converts green (G) light includes a lower N-type layer 162 (depth d2) and an upper P + type layer 170 formed in the low-concentration layer 158. Similarly, a photodiode for photoelectrically converting blue (B) light includes a lower N-type layer 164 (depth d3) and an upper P + type layer 170 formed in the low-concentration layer 158.

また、半導体基板の表面には、ゲート絶縁膜(例えばONO膜)180が形成されている。
PY1,PY2は各々、1層目ならびに2層目のポリシリコンで形成される転送電極である。また、参照符号182は転送電極間絶縁膜であり、参照符号184はオーバーコート絶縁膜である。また、転送電極PY1,PY2は、バリアメタルとしての窒化チタン(TiN)層190と、タングステン(W)からなる遮光膜192により覆われている。
A gate insulating film (for example, ONO film) 180 is formed on the surface of the semiconductor substrate.
PY1 and PY2 are transfer electrodes formed of polysilicon of the first layer and the second layer, respectively. Reference numeral 182 is an inter-transfer electrode insulating film, and reference numeral 184 is an overcoat insulating film. The transfer electrodes PY1 and PY2 are covered with a titanium nitride (TiN) layer 190 as a barrier metal and a light shielding film 192 made of tungsten (W).

半導体基板上には、BPSG膜200が形成され、その上には、平坦化層としての窒化シリコン(SiN)膜210が形成されている。この平坦化層210の上には、色付の透明レジストからなる、赤(R),緑(G),青(B)の各色のカラーフィルタ層220,222,224が形成されている。   A BPSG film 200 is formed on the semiconductor substrate, and a silicon nitride (SiN) film 210 as a planarizing layer is formed thereon. On the planarizing layer 210, color filter layers 220, 222, and 224 of red (R), green (G), and blue (B) are formed of colored transparent resists.

そのカラーフィルタ層220,222,224の上に、有機膜からなる平坦化層229を介して、オンチップレンズ230が形成されている。   An on-chip lens 230 is formed on the color filter layers 220, 222, and 224 via a planarizing layer 229 made of an organic film.

図1の固体撮像素子の特徴は、光の波長に応じて、フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の深さ(d1,d2,d3)を最適化し、短波長の緑(G),青(B)の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制する点である。   The solid-state imaging device of FIG. 1 is characterized by optimizing the depths (d1, d2, d3) of the N-type layers (160, 162, 164) constituting the photodiode according to the wavelength of light, and reducing the short wavelength green. (G), blue (B) is a point which eliminates a useless part from the photodiode which receives each light, thereby reducing a dark current and suppressing generation | occurrence | production of a white crack.

すなわち、長波長の赤(R)の光は、フォトダイオードを構成するN型層160の深部まで到達するため、その深部で生成される電荷を有効化するためには、そのN型層160を十分深く形成するのが望ましい。   That is, since the long wavelength red (R) light reaches the deep part of the N-type layer 160 constituting the photodiode, the N-type layer 160 is used in order to validate the charge generated in the deep part. It is desirable to form it sufficiently deep.

これに対し、短波長の緑(G),青(B)の光は、赤(R)の光ほどには深くまで到達しないため(あるいは、到達する割合が少ないため)、赤(R)の光を受光するフォトダイオードと同様にN型層を深くしても、感度向上には直結せず、かえって、無駄に表面積が増えて暗電流の増大を招くことになる。   On the other hand, short-wavelength green (G) and blue (B) light does not reach as deep as red (R) light (or because the arrival rate is small), so Even if the N-type layer is deepened as in the photodiode that receives light, it does not directly improve the sensitivity, but rather increases the surface area unnecessarily and increases the dark current.

そこで、短波長の緑(G),青(B)の光を受けるフォトダイオードに関しては、各光の到達位置に合わせて、フォトダイオードを構成するN型層162,164の深さを浅くする。つまり、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードのN型層の深さをd1,d2,d3としたときに、d1>d2>d3、あるいは、d1>d2=d3の関係が成立するように、各N型層(160,162,164)の深さを調整する。   Therefore, for the photodiodes that receive short-wavelength green (G) and blue (B) light, the depths of the N-type layers 162 and 164 that constitute the photodiodes are reduced in accordance with the arrival position of each light. That is, when the depths of the N-type layers of the first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light are d1, d2, and d3. In addition, the depth of each N-type layer (160, 162, 164) is adjusted so that the relationship of d1> d2> d3 or d1> d2 = d3 is established.

深さが異なるN型層(160,162,164)は、例えば、イオン注入の際の加速エネルギーを適宜、制御することによって形成することができる。また、カウンターイオンをN型層の深部に注入することによっても、拡散層の深さの制御を行うことができる。   The N-type layers (160, 162, 164) having different depths can be formed, for example, by appropriately controlling acceleration energy at the time of ion implantation. The depth of the diffusion layer can also be controlled by implanting counter ions into the deep portion of the N-type layer.

また、図1に示す固体撮像素子の構造においては、緑(G),青(B)用のフォトダイオードを構成するN型層(162,164)の直下において、追加のオーバーフローバリア層(121,123)を形成し、これによって、各フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の底部とP型のオーバーフローバリア層120ならびに追加のオーバーフローバリア層(121,123)との間の距離のばらつきを抑制し、オーバーフロードレインの電圧のばらつきを抑制している。   In the structure of the solid-state imaging device shown in FIG. 1, an additional overflow barrier layer (121, 164) is provided immediately below the N-type layers (162, 164) constituting the photodiodes for green (G) and blue (B). 123) between the bottom of the N-type layer (160, 162, 164) constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer 120 and the additional overflow barrier layer (121, 123). Variations in distance are suppressed, and variations in overflow drain voltage are suppressed.

追加のオーバーフローバリア層121,123は、オーバーフローバリア層120と同様にP型層であり、緑(G),青(B)用のフォトダイオードを構成するN型層(162,164)の直下にのみ選択的に形成される。追加のオーバーフローバリア層121,123は、イオン注入の加速エネルギーを調整することによって形成することができる。   The additional overflow barrier layers 121 and 123 are P-type layers like the overflow barrier layer 120, and are directly below the N-type layers (162 and 164) constituting the photodiodes for green (G) and blue (B). Only selectively formed. The additional overflow barrier layers 121 and 123 can be formed by adjusting the acceleration energy of ion implantation.

そして、この追加のオーバーフローバリア層121,123は、下地のオーバーフローバリア層120と一体化される。追加のオーバーフローバリア層121,123を設ける理由は、以下のとおりである。   The additional overflow barrier layers 121 and 123 are integrated with the underlying overflow barrier layer 120. The reason for providing the additional overflow barrier layers 121 and 123 is as follows.

すなわち、受光する光の波長に応じて、各フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の深さを変化させると、フォトダイオード毎に、N型層の底部とP型のオーバーフローバリア層との間の距離が異なり、フォトダイオード毎に、蓄積電荷を完全にクリアするために必要な基板電位(以下、オーバーフロー電位という)にばらつきが生じる場合がある。つまり、フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の底部とP型のオーバーフローバリア層120との間には、不純物濃度が低い低濃度層158が介在するが、この低濃度層158は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに上昇させる(変化させる)働きをもつ。そのため、低濃度層の厚みが厚いほど、オーバーフローバリア(OFB)のポテンシャルがより低くなる。したがって、N型層(162,164)の深さを浅くした緑(G),青(B)用のフォトダイオードでは、オーバーフロードレイン電位をより高くしないと、蓄積電荷を完全にクリアできなくなる場合があり、そのことが駆動電圧の上昇や、リセット電圧のバラツキ等の問題となることが生じ得る。   That is, if the depth of the N-type layer (160, 162, 164) constituting each photodiode is changed in accordance with the wavelength of received light, the bottom of the N-type layer and the P-type overflow are provided for each photodiode. The distance from the barrier layer is different, and the substrate potential (hereinafter referred to as the overflow potential) necessary for completely clearing the accumulated charge may vary for each photodiode. That is, the low concentration layer 158 having a low impurity concentration is interposed between the bottom of the N type layers (160, 162, 164) constituting the photodiode and the P type overflow barrier layer 120. 158 has a function of extending the depletion layer according to the bias of the photodiode and smoothly raising (changing) the potential curve of the overflow drain structure. Therefore, the thicker the low concentration layer, the lower the potential of the overflow barrier (OFB). Therefore, in the green (G) and blue (B) photodiodes in which the depths of the N-type layers (162, 164) are reduced, the accumulated charge may not be completely cleared unless the overflow drain potential is increased. This can cause problems such as an increase in drive voltage and variations in reset voltage.

そこで、緑(G),青(B)用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層(121,123)を形成する。これによって、各フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の底部とP型のオーバーフローバリア層120(ならびに追加のオーバーフローバリア層121,123)との間の距離を略同一(図中では、距離H1)に揃えることができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。   Therefore, an additional overflow barrier layer (121, 123) is formed immediately below the green (G) and blue (B) photodiodes. Thus, the distance between the bottom of the N-type layer (160, 162, 164) constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer 120 (and the additional overflow barrier layers 121, 123) is substantially the same (FIG. Among them, the distance H1) can be aligned. Therefore, the difference in height of the overflow barrier potential between the photodiodes for the respective colors is reduced, and variations in the overflow drain potential can be suppressed.

図2は、図1の固体撮像素子によって、各フォトダイオードにおけるオーバーフローバリアのポテンシャルの高さが略均一に制御される様子を説明するための特性図である。   FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining how the height of the potential of the overflow barrier in each photodiode is controlled substantially uniformly by the solid-state imaging device of FIG.

図2は、半導体基板の深さ方向のポテンシャルの変化を示しており、図中、PD領域(B)と記載されている範囲は、青(B)用のフォトダイオードを構成するN型層162が存在する範囲を示しており、同じく、PD領域(R)と記載されている範囲は、赤(R)用のフォトダイオードを構成するN型層160が存在する範囲を示している。   FIG. 2 shows changes in the potential of the semiconductor substrate in the depth direction. In the drawing, the range described as the PD region (B) is an N-type layer 162 that constitutes a blue (B) photodiode. Similarly, the range described as the PD region (R) indicates the range where the N-type layer 160 constituting the photodiode for red (R) exists.

また、R(S)は、赤用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示す。   R (S) represents a vertical potential curve in the red photodiode.

また、B(S1)は、図1の固体撮像素子のように、フォトダイオードを構成するN型層(160,162)の深さを最適化し、かつ、追加のオーバーフローバリア層121を形成した場合における、青用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示している。   B (S1) is a case where the depth of the N-type layers (160, 162) constituting the photodiode is optimized and the additional overflow barrier layer 121 is formed as in the solid-state imaging device of FIG. 2 shows a vertical potential curve in a blue photodiode.

また、B(S2)は、フォトダイオードを構成するN型層(160,162)の深さは最適化するが、追加のオーバーフローバリア層121は形成しない場合の、青用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示している。   B (S2) is the vertical direction of the blue photodiode when the depth of the N-type layers (160, 162) constituting the photodiode is optimized but the additional overflow barrier layer 121 is not formed. The potential curve is shown.

ポテンシャルカーブR(S)とB(S1)とを比較すると、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さはほぼ同じであり、同じ電位で蓄積電荷をクリアできる。これに対し、ポテンシャルカーブB(S2)では、オーバーフローバリアのポテンシャルの高い領域が広くなり、したがって、蓄積電荷をクリアするためには、より大きなオーバーフロードレイン電圧を印加する必要があることがわかる。   Comparing the potential curves R (S) and B (S1), the height of the potential of the overflow barrier is almost the same, and the accumulated charge can be cleared at the same potential. On the other hand, in the potential curve B (S2), it can be seen that the region having a high potential of the overflow barrier becomes wide, and therefore, it is necessary to apply a larger overflow drain voltage in order to clear the accumulated charge.

このように、図1の固体撮像素子のように、各フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の深さを最適化する際、併せて、緑(G),青(B)用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層(121,123)を形成することによって、各フォトダイオードを構成するN型層(160,162,164)の底部とP型のオーバーフローバリア層120(ならびに追加のオーバーフローバリア層121,123)との間の距離が略同一(H1)となり、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が抑制され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。   Thus, when optimizing the depth of the N-type layers (160, 162, 164) constituting each photodiode as in the solid-state imaging device of FIG. 1, green (G), blue (B ), An additional overflow barrier layer (121, 123) is formed immediately below the photodiode for the N-type layer (160, 162, 164) constituting the photodiode and a P-type overflow barrier layer 120. (And the additional overflow barrier layers 121 and 123) are substantially the same (H1), the difference in the height of the overflow barrier potential of the photodiodes for each color is suppressed, and the variation of the overflow drain potential is reduced. It becomes possible to suppress.

つまり、図1の固体撮像素子では、赤(R),緑(G),青(B)の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制するという効果が得られる。   That is, in the solid-state imaging device of FIG. 1, in the solid-state imaging device including photodiodes that receive light of each color of red (R), green (G), and blue (B), the accumulated charge clear operation by the overflow drain is adversely affected. The effect of reducing the dark current effectively and suppressing the occurrence of white scratches can be obtained.

ここで、図3〜図11を参照して、図1の固体撮像素子の製造方法について以下に説明する。図3〜図11は各々、図1の固体撮像素子の主要な製造工程毎の断面図である。   Here, with reference to FIGS. 3 to 11, a method of manufacturing the solid-state imaging device of FIG. 1 will be described below. 3 to 11 are cross-sectional views for each main manufacturing process of the solid-state imaging device of FIG.

まず、図3のように、N型の半導体基板(Nsub)100上にN型のエピタキシャル層(Nepi)110を形成し、そのN型のエピタキシャル層(Nepi)110内にイオン注入を行い、P型のオーバーフローバリア層120を形成する。   First, as shown in FIG. 3, an N type epitaxial layer (Nepi) 110 is formed on an N type semiconductor substrate (Nsub) 100, and ions are implanted into the N type epitaxial layer (Nepi) 110, and P A mold overflow barrier layer 120 is formed.

次に、図4に示すように、N型のエピタキシャル層(Nepi)110の、オーバーフローバリア層120よりも上側の部分における転送路形成領域(Z1)において、転送路となる拡散層(130,140)を形成し、続いて、素子分離用拡散層150を形成し、さらに、フォトダイオード形成領域(Z2)において、低不純物濃度層(P−層)158を形成する。   Next, as shown in FIG. 4, in the transfer path formation region (Z1) in the upper part of the overflow barrier layer 120 of the N-type epitaxial layer (Nepi) 110, diffusion layers (130, 140 serving as transfer paths). Then, the element isolation diffusion layer 150 is formed, and the low impurity concentration layer (P− layer) 158 is further formed in the photodiode formation region (Z2).

次に、図5に示すように、半導体基板の表面にゲート絶縁膜180を形成し、続いて、転送路形成領域(Z1)における、転送路となる拡散層(130,140)上に電荷転送を制御するための、第1層目/第2層目のポリシリコンからなる転送電極(PY1,PY2)を形成する。参照符号182は、転送電極間絶縁膜であり、184はオーバーコート絶縁膜である。   Next, as shown in FIG. 5, a gate insulating film 180 is formed on the surface of the semiconductor substrate, and subsequently, charge transfer is performed on the diffusion layer (130, 140) serving as a transfer path in the transfer path forming region (Z1). The transfer electrodes (PY1, PY2) made of polysilicon of the first layer / second layer for controlling the above are formed. Reference numeral 182 denotes a transfer electrode insulating film, and 184 denotes an overcoat insulating film.

次に、図6に示すように、フォトダイオード形成工程を実施する。即ち、まずフォトダイオード形成領域(Z2)における、低不純物濃度層((P−層)158内に、第1、第2および第3のフォトダイオード(各々、赤、緑、青用のフォトダイオードである)を構成する下層の同じ深さのN型層(160,160,160)を、イオン注入によって形成する。   Next, as shown in FIG. 6, a photodiode formation step is performed. That is, first, the first, second, and third photodiodes (red, green, and blue photodiodes in the low impurity concentration layer ((P− layer) 158) in the photodiode formation region (Z2), respectively. An N-type layer (160, 160, 160) having the same depth as a lower layer constituting (certain) is formed by ion implantation.

そして、さらに、そのN型層(160,160,160)とPN接合を形成する、上層の第2導電型層(170,172)を形成する。   Further, an upper second conductive type layer (170, 172) that forms a PN junction with the N-type layer (160, 160, 160) is formed.

次に、図7に示すように、第2および第3のフォトダイオードを構成するN型層(160,160)に対してカウンター不純物としてのボロン(B)を導入し、これによってN型層(160,160)の底部の導電型を打ち消し、結果的に、第1、第2および第3のフォトダイオードを構成する、深さが異なるN型層(160,162,164)を形成する。即ち、これにより、第1、第2および第3のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第1導電型層(160,162,164)が形成される。なお、図7中、X1,X2は、カウンターイオンが注入される領域を示している。これによって、第1、第2および第3のフォトダイオードの各々におけるN型層(160,162,164)の各々の深さd1,d2,d3に関し、d1>d2≧d3の関係が成立する。   Next, as shown in FIG. 7, boron (B) as a counter impurity is introduced into the N-type layers (160, 160) constituting the second and third photodiodes, whereby the N-type layer ( 160 and 160), the N-type layers (160, 162 and 164) having different depths constituting the first, second and third photodiodes are formed as a result. That is, as a result, first conductivity type layers (160, 162, 164) having different depths of potential well regions constituting the first, second and third photodiodes are formed. In FIG. 7, X1 and X2 indicate regions into which counter ions are implanted. Thus, a relationship of d1> d2 ≧ d3 is established with respect to the depths d1, d2, d3 of the N-type layers (160, 162, 164) in each of the first, second and third photodiodes.

次に、図8に示すように、ボロン(B)のイオン注入を行って、第2および第3のフォトダイオードを構成するN型層(162,164)の下方に、そのN型層(162,164)の深さ(d2,d3)を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための、追加のオーバーフローバリア層(121,123)形成する。これによって、第1、第2および第3のフォトダイオードにおけるN型層(160,162,164)の直下の低濃度層158の厚みが略同一(H1)となる。上記の工程でフォトダイオードが完成する。換言すると、第1導電型層(162,164)の厚みに対応してオーバーフローバリア層(121,123)の厚みが設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。なお、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差を低減するために、第1導電型層(162,164)の厚みに対応してオーバーフローバリア層(121,123)の不純物濃度を設定することであってもよい。   Next, as shown in FIG. 8, boron (B) is ion-implanted, and the N-type layer (162) is formed below the N-type layers (162, 164) constituting the second and third photodiodes. 164), an additional overflow barrier layer (121, 123) is formed to suppress fluctuations in the height of the overflow barrier due to the shallow depth (d2, d3). As a result, the thickness of the low concentration layer 158 immediately below the N-type layers (160, 162, 164) in the first, second, and third photodiodes becomes substantially the same (H1). The photodiode is completed through the above steps. In other words, by setting the thickness of the overflow barrier layer (121, 123) corresponding to the thickness of the first conductivity type layer (162, 164), the difference in potential height of the overflow barrier is reduced. In order to reduce the difference in potential height of the overflow barrier, the impurity concentration of the overflow barrier layer (121, 123) is set corresponding to the thickness of the first conductivity type layer (162, 164). Also good.

次に、図9に示すように、転送電極(PY1,PY2)上にバリアメタルとしての窒化チタン(TiN)膜190を形成し、続いて、遮光膜としてのタングステン(W)膜192を形成する。   Next, as shown in FIG. 9, a titanium nitride (TiN) film 190 as a barrier metal is formed on the transfer electrodes (PY1, PY2), and then a tungsten (W) film 192 as a light shielding film is formed. .

次に、図10に示すように、遮光膜192を覆うようにBPSG膜200及び窒化シリコン(SiN)膜210を形成した後、CMPまたはエッチバックにより、その窒化シリコン膜210を平坦化する。   Next, as shown in FIG. 10, after forming the BPSG film 200 and the silicon nitride (SiN) film 210 so as to cover the light shielding film 192, the silicon nitride film 210 is planarized by CMP or etch back.

次に、図11に示すように、平坦化された窒化シリコン膜210上の、第1、第2および第3のフォトダイオードが形成されている領域の各々に対応した位置に、色材を含むレジストを順次塗布して、赤(R),緑(G),青(B)のカラーフィルタ層(220,222,224)を形成する。   Next, as shown in FIG. 11, a color material is included at a position corresponding to each of the regions where the first, second, and third photodiodes are formed on the planarized silicon nitride film 210. Resist is sequentially applied to form red (R), green (G), and blue (B) color filter layers (220, 222, 224).

続いて、平坦化層229を形成し、各カラーフィルタ層(220,222,224)上に透明レジストを塗布し、リフロー処理によって表面を球状に加工してオンチップレンズ230を形成する。   Subsequently, a planarizing layer 229 is formed, a transparent resist is applied on each color filter layer (220, 222, 224), and the surface is processed into a spherical shape by a reflow process to form an on-chip lens 230.

以上説明したように、本発明によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを最適化して、短波長の緑(G),青(B)の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。   As described above, according to the present invention, the depth of the first conductivity type layer constituting the photodiode is optimized according to the wavelength of light to be subjected to photoelectric conversion, and the short wavelength green (G) , Blue (B) light, a useless portion is removed from the photodiode, thereby reducing the dark current and suppressing the occurrence of white scratches.

また、各フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さを最適化する際、併せて、緑(G),青(B)用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成することによって、各フォトダイオードを構成するN型層の底部とP型のオーバーフローバリア層(追加のオーバーフローバリア層を含む)との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。   In addition, when optimizing the depth of the first conductivity type layer constituting each photodiode, an additional overflow barrier layer is also formed immediately below the green (G) and blue (B) photodiodes. Thus, variation in the distance between the bottom of the N-type layer constituting each photodiode and the P-type overflow barrier layer (including the additional overflow barrier layer) can be suppressed. Therefore, the difference in height of the overflow barrier potential between the photodiodes for the respective colors is reduced, and variations in the overflow drain potential can be suppressed.

また、各フォトダイオードを構成する第1導電型層の深さの制御や追加のオーバーフローバリア層の形成は、イオン注入の加速エネルギーの調整や、イオン注入の際の若干の工程の追加により、無理なく実現することが可能である。   In addition, the control of the depth of the first conductivity type layer constituting each photodiode and the formation of an additional overflow barrier layer cannot be achieved by adjusting the acceleration energy of ion implantation or adding a few steps during ion implantation. It is possible to realize without.

なお、上記の実施形態においては、赤(R)、緑(G)、青(B)の三色の色検出の構成で説明しているが、三色に限らず、二色や四色以上の場合であっても本発明を適用することができる。   In the above-described embodiment, the description has been given with the configuration of color detection of three colors of red (R), green (G), and blue (B). However, the configuration is not limited to three colors, but two colors or four colors or more. Even in this case, the present invention can be applied.

本発明は、赤(R),緑(G),青(B)の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制するという効果を奏し、したがって、カラー対応の縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子およびその製造方法として有用である。   The present invention provides a solid-state imaging device having a photodiode that receives light of each color of red (R), green (G), and blue (B). This has the effect of effectively reducing the current and suppressing the occurrence of white scratches, and is therefore useful as a solid-state imaging device having a color-compatible vertical overflow drain structure and a method for manufacturing the same.

本発明の固体撮像素子の他の例(カラー対応で、縦型オーバーフロードレイン構造をもち、各フォトダイオードの深さが最適化され、かつ、追加のオーバーフローバリア層が形成されている例)の構成を示すデバイスの断面図である。Configuration of another example of solid-state imaging device of the present invention (example corresponding to color, having a vertical overflow drain structure, the depth of each photodiode being optimized, and an additional overflow barrier layer being formed) It is sectional drawing of the device which shows this. 図1の固体撮像素子によって、各フォトダイオードにおけるオーバーフローバリアのポテンシャルの高さが略均一に制御される様子を説明するための特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining how the height of the potential of the overflow barrier in each photodiode is controlled substantially uniformly by the solid-state imaging device of FIG. 1. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第1の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 1st manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第2の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 2nd manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第3の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 3rd manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第4の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 4th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第5の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 5th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第6の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 6th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第7の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 7th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第8の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 8th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第9の製造工程におけるデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the device in the 9th manufacturing process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor of FIG. オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子における蓄積電荷をクリアするための動作を説明するためのポテンシャル特性を示す図である。It is a figure which shows the potential characteristic for demonstrating the operation | movement for clearing the accumulation charge in the solid-state image sensor of an overflow drain structure.

符号の説明Explanation of symbols

110 N型エピタキシャル層
120 オーバーフローバリア層
121,123 追加のオーバーフローバリア層
130,140 電荷転送路を構成する拡散層(不純物層)
150 素子分離用拡散層
158 低濃度層(P−層)
160,162,164 フォトダイオードを構成する下層のN型層(各々の厚みd1,d2,d3)
170 フォトダイオードを構成する上層のP型拡散層
172 反転防止用P型拡散層
180 ゲート絶縁膜
182 転送電極間絶縁膜
184 オーバーコート絶縁膜
190 バリアメタルとしての窒化チタン(TiN)層
192 遮光膜としてのタングステン(W)層
200 BPSG膜
210 平坦化層としての窒化シリコン(SiN)膜
220,222,224 カラーフィルタ層
229 有機膜からなる平坦化層
230 オンチップレンズ
PY1 1層目ポリシリコンからなる転送電極
PY2 2層目ポリシリコンからなる転送電極
110 N-type epitaxial layer 120 Overflow barrier layer 121, 123 Additional overflow barrier layer 130, 140 Diffusion layer (impurity layer) constituting the charge transfer path
150 Diffusion layer for element isolation 158 Low concentration layer (P-layer)
160, 162, 164 Lower N-type layers constituting the photodiode (each thickness d1, d2, d3)
170 P-type diffusion layer of upper layer constituting photodiode 172 P-type diffusion layer for inversion prevention 180 Gate insulating film 182 Inter-transfer electrode insulating film 184 Overcoat insulating film 190 Titanium nitride (TiN) layer as a barrier metal 192 As light shielding film Tungsten (W) layer 200 BPSG film 210 Silicon nitride (SiN) film 220, 222, 224 as planarization layer Color filter layer 229 Planarization layer made of organic film 230 On-chip lens PY1 Transfer made of first layer polysilicon Electrode PY2 Transfer electrode made of second layer polysilicon

Claims (7)

第1導電型の半導体基板(100,110)と、この半導体基板上に設けられた第2導電型のオーバーフローバリア層(120)と、このオーバーフローバリア層上に設けられた低不純物濃度層(158)と、この低不純物濃度層内に設けられた、赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードと、を備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子であって、
前記赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードの各々は、上層の第2導電型層(170,172)と、電荷蓄積領域として機能する下層の第1導電型層(160,162,164)と、により構成され、前記第1、第2および第3のフォトダイオードの各々における前記下層の第1導電型層(160,162,164)の深さを各々d1,d2,d3とした場合、d1>d2≧d3の関係を有し、
前記第2および第3のフォトダイオードにおける前記下層の第1導電型層(162,164)の下に、該第1導電型層(162,164)の深さ(d2,d3)を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための追加のオーバーフローバリア層(121,123)が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
A first conductivity type semiconductor substrate (100, 110), a second conductivity type overflow barrier layer (120) provided on the semiconductor substrate, and a low impurity concentration layer (158) provided on the overflow barrier layer. ) And first, second and third photodiodes that are provided in the low impurity concentration layer and photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light. A solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure,
Each of the first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert the red (R), green (G), and blue (B) light includes an upper second conductive type layer (170, 172). A lower first conductivity type layer (160, 162, 164) functioning as a charge storage region, and the lower first conductivity type layer in each of the first, second and third photodiodes When the depths of (160, 162, 164) are d1, d2, and d3, respectively, there is a relationship of d1> d2 ≧ d3,
The depth (d2, d3) of the first conductivity type layers (162, 164) is made shallower under the lower first conductivity type layers (162, 164) in the second and third photodiodes. A solid-state imaging device, wherein an additional overflow barrier layer (121, 123) is formed to suppress fluctuations in the height of the overflow barrier due to.
請求項1記載の固体撮像素子であって、
前記オーバーフローバリア層の厚みが、前記第1導電型層の厚みに対応して設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a thickness of the overflow barrier layer is set corresponding to a thickness of the first conductivity type layer.
請求項2記載の固体撮像素子であって、
前記第1、第2および第3のフォトダイオードにおける前記下層の第1導電型層(160,162,164)の直下の前記低濃度層(158)の厚みは、いずれも略同一(H1)であることを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2,
The thicknesses of the low-concentration layers (158) immediately below the first conductive type layers (160, 162, 164) of the lower layers in the first, second, and third photodiodes are substantially the same (H1). There is a solid-state imaging device.
請求項1記載の固体撮像素子であって、
前記第1導電型層の厚みに対応して前記オーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1,
The solid-state imaging device, wherein an impurity concentration of the overflow barrier layer is set corresponding to a thickness of the first conductivity type layer.
赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、
第1導電型の半導体基板(110)内に形成した第2導電型のオーバーフローバリア層(120)よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層(130,140)と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層(158)とを形成し、前記転送路となる不純物層(130,140)上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、
前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域(Z2)における前記低不純物濃度層(158)内に、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成する第1導電型層(160,162,164)を形成し、前記第1導電型層(160,162,164)とPN接合を形成する上層の第2導電型層(170,172)を形成する工程を含み、前記第1、第2および第3のフォトダイオードの各々における前記第1導電型層(160,162,164)の深さを各々d1,d2,d3とした場合、d1>d2≧d3の関係を有するようにし、
さらに、前記第1導電型層の形成後にイオン注入を行い、前記第2および第3のフォトダイオードを構成する前記第1導電型層(162,164)の下方に、前記第1導電型層(162,164)の深さ(d2,d3)を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制する追加オーバーフローバリア層(121,123)を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
A method of manufacturing a solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure including first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light,
An impurity layer (130, 140) serving as a charge transfer path, a photodiode, and a portion above the second conductivity type overflow barrier layer (120) formed in the first conductivity type semiconductor substrate (110) Forming a low impurity concentration layer (158) to be formed, forming a transfer electrode for controlling charge transfer on the impurity layer (130, 140) to be the transfer path, and then completing a photodiode Have
In the photodiode forming step, the first conductivity type constituting the first, second and third photodiodes in the low impurity concentration layer (158) in the photodiode forming region (Z2) of the semiconductor substrate. Forming a layer (160, 162, 164) and forming an upper second conductivity type layer (170, 172) that forms a PN junction with the first conductivity type layer (160, 162, 164), When the depths of the first conductivity type layers (160, 162, 164) in the first, second, and third photodiodes are d1, d2, and d3, respectively, the relationship of d1> d2 ≧ d3 is established. To have and
Further, ion implantation is performed after the formation of the first conductivity type layer, and the first conductivity type layer (162, 164) is formed below the first conductivity type layers (162, 164) constituting the second and third photodiodes. The additional overflow barrier layer (121, 123) that suppresses the variation in the height of the overflow barrier due to the shallow depth (d2, d3) of 162, 164) is formed. .
請求項5記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記追加オーバーフローバリア層(121,123)を、前記第1、第2および第3のフォトダイオードにおける前記第1導電型層(160,162,164)の直下の前記低濃度層(158)の厚みを略同一(H1)とするように形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 5,
The additional overflow barrier layer (121, 123) is formed in the thickness of the low concentration layer (158) immediately below the first conductivity type layer (160, 162, 164) in the first, second, and third photodiodes. Are formed so as to be substantially the same (H1).
赤(R),緑(G),青(B)の各光を光電変換する第1、第2および第3のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、
第1導電型の半導体基板(110)内に形成した第2導電型のオーバーフローバリア層(120)よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層(130,140)と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層(158)とを形成し、前記転送路となる不純物層(130,140)上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、
前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域(Z2)における前記低不純物濃度層(158)内に、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成する第1導電型層(160,162,164)を略同じ深さで形成し、前記第1導電型層(160,162,164)とPN接合を形成する上層の第2導電型層(170,172)を形成し、
次に、第2および第3のフォトダイオードを構成する前記第1導電型層(160,160)に対してカウンター不純物としての第2導電型不純物を導入し、これによって第1導電型層(160,160)の底部の導電型を打ち消し、前記第1、第2および第3のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第1導電型層(160,162,164)を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
A method of manufacturing a solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure including first, second, and third photodiodes that photoelectrically convert red (R), green (G), and blue (B) light,
An impurity layer (130, 140) serving as a charge transfer path, a photodiode, and a portion above the second conductivity type overflow barrier layer (120) formed in the first conductivity type semiconductor substrate (110) Forming a low impurity concentration layer (158) to be formed, forming a transfer electrode for controlling charge transfer on the impurity layer (130, 140) to be the transfer path, and then completing a photodiode Have
In the photodiode forming step, the first conductivity type constituting the first, second and third photodiodes in the low impurity concentration layer (158) in the photodiode forming region (Z2) of the semiconductor substrate. The layers (160, 162, 164) are formed at substantially the same depth, and the first conductive type layers (160, 162, 164) and the second conductive type layers (170, 172) that form PN junctions are formed. And
Next, a second conductivity type impurity as a counter impurity is introduced into the first conductivity type layers (160, 160) constituting the second and third photodiodes, whereby the first conductivity type layer (160 , 160), the first conductivity type layers (160, 162, 164) having different depths of potential well regions constituting the first, second and third photodiodes. A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming a solid-state imaging device.
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