JP2005135960A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一画素内の異感度のフォトダイオードが各々の読み出し電極に対して同様のプロファイルを有するハニカム構造の固体撮像素子を製造する。
【解決手段】 第１導電型の半導体基板内部に第２導電型のウエルを形成する。第２導電型のウエル内に、第１の方向からイオン注入を行い、第１導電型の第１及び第２の不純物層を形成し、それぞれ対応する第１及び第２のフォトダイオードを形成する。その際、それらの読み出し電極をそれぞれ第１及び第２の垂直転送電極とし、第１の方向にのびるベクトルの半導体基板の主面への正射影ベクトルの向きを第３の方向と呼ぶと、第１の垂直転送電極の縁と第３の方向とのなす角、及び第２の垂直転送電極の縁と第３の方向とのなす角とを実質的に等しくする。第２導電型のウエル内に、第２の方向からイオン注入を行い、第１及び第２の不純物層の上方に、第２導電型の第３の不純物層を形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、受光部の各画素に複数の異なる特性の光電変換素子（フォトダイオード）を有する固体撮像素子、及びその製造方法に関する。

固体撮像素子として、電荷結合装置（ＣＣＤ）を用いて信号電荷を転送するＣＣＤ固体撮像素子や感光素子からの画像信号をＭＯＳトランジスタで増幅した後出力するＭＯＳ型固体撮像素子等が知られている。感光素子としては、主にフォトダイオードが用いられ、受光領域内に多数の画素が行列状に配置される。感光素子の配列は、行方向および列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列される場合や行方向および列方向に１つおきに位置をずらして(例えば１／２ピッチずつずらして)配列されるハニカム配列がある。

受光部に異なる感度で受光を行う高感度受光部（高感度フォトダイオード）と低感度受光部（低感度フォトダイオード）を備えた固体撮像素子が提案されている。（たとえば、特許文献１参照。）これら感度の異なるフォトダイオードから得られる信号を合成することで、広いダイナミックレンジをもつ画像信号を実現することが可能である。

特願２００２−０１６８３５号

本発明の目的は、同一画素内に感度の異なる２つのフォトダイオードを備えるハニカム構造の固体撮像素子であって、２つのフォトダイオードが各々の読み出し電極に対して同様の不純物分布のプロファイルを有する固体撮像素子及びその製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）第１導電型の半導体基板の主面から、第１導電型とは逆の第２導電型の不純物を添加して第２導電型のウエルを形成する工程と、（ｂ）前記ウエル内に、ほぼ菱形状の画素領域をハニカム状に残すように列方向に蛇行する第１導電型の複数の垂直ＣＣＤチャネルを形成する工程と、（ｃ）複数の前記垂直ＣＣＤチャネルの上方を覆うように、複数の垂直転送電極を形成する工程と、（ｄ）前記垂直転送電極をマスクの一部として、前記ウエル内の画素領域に、第１導電型の不純物を前記主面の法線方向と交差する第１の方向からイオン注入することによって、各画素領域内に第１及び第２の不純物層を形成する工程と、（ｅ）前記第１及び第２の不純物層の間に第２導電型の分離用不純物層を形成する工程と、（ｆ）前記ウエル内に、第２導電型の不純物を前記主面の法線方向と交差する第２の方向からイオン注入することによって、前記第１、第２及び分離用不純物層の上方に、第２導電型の埋め込み用不純物層を形成する工程とを有し、前記第１及び第２の不純物層に蓄積された信号電荷はそれぞれ、前記複数の垂直転送電極のうちの第１の垂直転送電極、及び第２の垂直転送電極の下方の前記垂直ＣＣＤチャネルに読み出され、前記工程（ｄ）において、前記第１の方向の前記主面への正射影の向きを第３の方向と呼ぶとき、前記第１の垂直転送電極の縁と前記第３の方向とのなす角と、前記第２の垂直転送電極の縁と前記第３の方向とのなす角とを実質的に等しくし、前記工程（ｆ）において、前記第２の方向の前記主面への正射影の向きを第４の方向と呼ぶとき、前記第１の垂直転送電極の縁と前記第４の方向とのなす角と、前記第２の垂直転送電極の縁と前記第４の方向とのなす角とを実質的に等しくする固体撮像素子の製造方法が提供される。

上記の製造方法によれば、１画素内の感度の異なる２つのフォトダイオードが、各々の読み出し電極に対して同様の不純物分布のプロファイルを有するハニカム構造の固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明の他の観点によれば、行方向及び列方向にハニカム配列された複数のほぼ菱形状の画素領域、列方向の前記画素領域に沿って配置された複数の垂直転送チャネル、及び前記複数の垂直転送チャネルの端部に設けられた水平転送チャネルとを備える半導体基板と、前記複数の垂直転送チャネル上方に形成された複数の垂直転送電極と、前記複数の水平転送チャネル上方に形成された複数の水平転送電極とを有し、前記画素領域は、相対的に感度の高い第１の光電変換素子を構成する第１導電型の第１の不純物層と、相対的に感度の低い第２の光電変換素子を構成する第１導電型の第２の不純物層と、前記第１及び第２の不純物層の上方に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型の埋め込み用不純物層とを含み、前記第１の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第１の光電変換素子の読み出し電極である第１の電極の下方の領域を含む領域に形成され、前記第２の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第２の光電変換素子の読み出し電極である第２の電極の下方の領域を含む領域に形成され、前記埋め込み用不純物層は、前記第１及び第２の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、前記第１の光電変換素子の読み出し電圧と、前記第２の光電変換素子の読み出し電圧とがほぼ等しい固体撮像素子が提供される。

更に、本発明の他の観点によれば、行方向及び列方向にハニカム配列された複数のほぼ菱形状の画素領域、列方向の前記画素領域に沿って配置された複数の垂直転送チャネル、及び前記複数の垂直転送チャネルの端部に設けられた水平転送チャネルとを備える半導体基板と、前記複数の垂直転送チャネル上方に形成された複数の垂直転送電極と、前記複数の水平転送チャネル上方に形成された複数の水平転送電極とを有し、前記画素領域は、相対的に感度の高い第１の光電変換素子を構成する第１導電型の第１の不純物層と、相対的に感度の低い第２の光電変換素子を構成する第１導電型の第２の不純物層と、前記第１及び第２の不純物層の上方に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型の埋め込み用不純物層とを含み、前記第１の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第１の光電変換素子の読み出し電極である第１の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、前記第２の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第２の光電変換素子の読み出し電極である第２の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、前記埋め込み用不純物層は、前記第１の電極の下方の領域及び前記第２の電極の下方の領域を含む領域に形成され、前記第１及び第２の光電変換素子の電荷読み出し時にブルーミングを抑止することのできる固体撮像素子が提供される。

これらの固体撮像素子は、１画素内の感度の異なる２つのフォトダイオードが、各々の読み出し電極に対して同様の不純物分布のプロファイルを有するハニカム構造の固体撮像素子である。

本発明によれば、同一画素内に感度の異なる２つのフォトダイオードを備えるハニカム構造の固体撮像素子であって、２つのフォトダイオードが各々の読み出し電極に対して同様の不純物分布のプロファイルを有する固体撮像素子及びその製造方法を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ固体撮像素子の構造及びその製造方法の一部を説明するための概略的な平面図及び断面図である。

図１（Ａ）を参照する。各画素３０は、遮光膜の開口部８を通過して入射する光の量に応じた信号電荷を生成、蓄積するフォトダイオード４２を含んで形成される。画素３０の右側に、垂直ＣＣＤチャネル２が配置される。垂直ＣＣＤチャネル２の上方には、垂直転送電極４０，４１が形成される。フォトダイオード４２で生成、蓄積された信号電荷は、垂直転送電極４０，４１に印加される駆動信号（転送電圧）によって、垂直ＣＣＤチャネル２内を、全体として列方向（垂直方向、図の下方向）に転送される。素子分離領域１は、列方向（垂直方向）に存在する複数の画素３０及び列方向（垂直方向）に延在する垂直ＣＣＤチャネル２に沿って設けられ、それらを隣の列のそれらと電気的に分離する。図中の矢印Ｘ、Ｙ方向については後述する。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。たとえばシリコン基板であるｎ型の半導体基板１８の一表面に、ｐ型ウエル１７が形成されている。ｐ型ウエル１７の表面近傍に、ｎ型不純物層４２ａが形成され、フォトダイオード４２を構成している。ｐ⁺型不純物層１２は、フォトダイオード４２（ｎ型不純物層４２ａ）を基板表面から離して埋め込む埋め込み領域である。

ｎ型不純物層４２ａの近傍に、ｎ型の不純物が添加された領域である垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。

半導体基板１８表面上にはゲート絶縁膜１１が形成され、その上にたとえばポリシリコンで形成された垂直転送電極４０，４１が形成される。垂直転送電極４０，４１は、垂直ＣＣＤチャネル２の上方を覆うように配置される。図中左側部分におけるｎ型不純物層４２ａと垂直転送電極４１の下方の垂直ＣＣＤチャネル２と両者の間のｐ型ウエル１７が、フォトダイオード４２から垂直ＣＣＤチャネル２への読み出しトランジスタを構成する。

垂直転送電極４０，４１の上方に、絶縁膜を介して遮光膜９が形成される。遮光膜９は画素３０内のフォトダイオード４２上方に開口部８を有し、受光部に入射する光は、開口部８からフォトダイオード４２に入射する。

ｎ型不純物層４２ａ及びｐ⁺型不純物層１２は、それぞれｎ型、ｐ型の不純物をイオン注入することにより形成される。イオン注入は、垂直転送電極４０，４１を形成した後、それらをマスクとして自己整合的に行われる。

ｎ型不純物層４２ａ及びｐ⁺型不純物層１２の不純物濃度プロファイル形成のためのイオン注入は、シリコン結晶に対するチャネリングの防止を目的とするとともに、両者が形成される位置をコントロールするため、半導体基板１８（シリコン基板）の法線方向から数度傾いた所定の方向から行う。たとえばｎ型不純物層４２ａを形成する際には、図１（Ａ）において半導体基板１８の法線方向（紙面手前方向）から傾けて矢印Ｘ方向からイオン注入を行い、ｐ⁺型不純物層１２を形成する際には、逆方向に傾けた矢印Ｙ方向からイオン注入を行う。

矢印Ｘ方向からｎ型不純物のイオン注入を行うことにより、図１（Ｂ）に示すように、ｎ型不純物層４２ａが、垂直転送電極４１の下部領域に入り込むように形成される。一方、矢印Ｙ方向からｐ型不純物のイオン注入を行うことにより、ｐ⁺型不純物層１２が、垂直転送電極４１の端部から離れた位置に形成される。図１（Ｂ）においては、これらの様子を矢印で示してある。

このようにｎ型不純物層４２ａとｐ⁺型不純物層１２の形成位置を制御することにより、フォトダイオード４２に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤチャネル２に読み出すための電圧（空乏化電圧）の低減や、大光量入射時に垂直ＣＣＤチャネル２に電荷が溢れ出てしまうブルーミング現象の抑制が可能となる。

なお、ｎ型不純物層４２ａ及びｐ⁺型不純物層１２を形成する際の不純物のイオン注入においては、フォトダイオード４２で生成された信号電荷の読み出し電極である垂直転送電極４１に対して、注入方向を定めている。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ高感度受光部（高感度フォトダイオード）と低感度受光部（低感度フォトダイオード）が同一画素内に形成されている固体撮像素子の概略的な平面図及び断面図である。

図２（Ａ）に、固体撮像素子の受光部の一部を概略的に示す。図２（Ａ）には、複数の画素３０が示されている。各画素３０は、異なる面積の受光領域を有し、感度の異なる２つのフォトダイオードである高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５、更に両フォトダイオード間に設けられたフォトダイオード間素子分離領域７を含んで形成される。高感度フォトダイオード６は相対的に広い面積を有し、主たる感光部を構成する。低感度フォトダイオード５は相対的に狭い面積を有し、従たる感光部を構成する。後述するが、高感度フォトダイオード６上方の遮光膜の開口率は、低感度フォトダイオード５上方のそれよりも大きい。高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する。フォトダイオード間素子分離領域７は、１画素内にある２つのフォトダイオード（高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５）を電気的に分離する。

画素３０の右側に、垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。垂直ＣＣＤチャネル２の上方に、垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４及び垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３が形成されている。

垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４は、高感度フォトダイオード６から垂直ＣＣＤチャネル２への電荷読み出しを制御する。また、垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３は、低感度フォトダイオード５から垂直ＣＣＤチャネル２への電荷読み出しを制御する。両垂直転送電極３，４には駆動信号（転送電圧）が印加され、各画素３０から垂直ＣＣＤチャネル２に読み出された信号電荷を、全体として垂直方向（図２（Ａ）においては、下方向）に転送する。ただし、高感度フォトダイオード６から読み出された信号電荷と、低感度フォトダイオード５から読み出された信号電荷とは、別々に転送される。

素子分離領域１は、列方向（垂直方向）に存在する複数の画素３０及び列方向（垂直方向）に延在する垂直ＣＣＤチャネル２に沿って設けられ、それらを隣の列のそれらと電気的に分離する。

受光部においては、２つの垂直転送電極３，４の上方が、開口部８を有する遮光膜９で覆われている。遮光膜９は、受光部において、画素３０以外の領域に光が入射することを防止する。遮光膜９の開口部８は、各画素３０の上方に形成される。また、高感度フォトダイオード６上方の開口率は高く、低感度フォトダイオード５上方の開口率は低くなるように形成される。受光部に入射した光は、開口部８を通って各画素３０に入射する。

なお、図示した構成はハニカム構造の画素配列であり、図示した複数の画素３０は、縦方向及び横方向に半ピッチずれた位置に配置されている。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。たとえばｎ型の半導体基板１８の一表面に、ｐ型ウエル１７が形成されている。ｐ型ウエル１７の表面近傍に、２つのｎ型不純物層５ａ，６ａが形成され、フォトダイオードを構成している。相対的に大きな（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａは、高感度フォトダイオード６を構成し、相対的に小さな(低感度フォトダイオード)ｎ型不純物層５ａは、低感度フォトダイオード５を構成する。フォトダイオード間素子分離領域７は、ｐ型不純物を添加することによって形成され、前述のように、（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａと（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａとを電気的に分離する。ｐ⁺型不純物層１２は、２つのフォトダイオード５，６を基板表面から離して埋め込む埋め込み領域である。

フォトダイオードを構成するｎ型不純物層５ａ，６ａの近傍に、ｎ型の不純物が添加された領域である垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。

半導体基板１８表面上には、たとえば熱酸化による酸化シリコン膜、その上にたとえばＣＶＤによる窒化シリコン膜、たとえばこの窒化シリコン膜表面を熱酸化して得られる酸化シリコン膜が、下からこの順に積層されたＯＮＯ膜で作られたゲート絶縁膜１１が形成され、その上にたとえばポリシリコンで形成された垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４及び垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３が形成される。各垂直転送電極３，４は、垂直ＣＣＤチャネル２の上方を覆うように配置されている。（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａと垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４の下方の垂直ＣＣＤチャネル２と両者の間のｐ型ウエル１７が、高感度フォトダイオード６から垂直ＣＣＤチャネル２への読み出しトランジスタを構成する。また、（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａと垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３の下方の垂直ＣＣＤチャネル２と両者の間のｐ型ウエル１７が、低感度フォトダイオード５から垂直ＣＣＤチャネル２への読み出しトランジスタを構成する。このため、２つのフォトダイオード５，６（ｎ型不純物層５ａ，６ａ）からの信号電荷は、それぞれ異なる方向へ読み出される。

各垂直転送電極３，４の上方に、絶縁膜を介して遮光膜９が、たとえばタングステンにより形成される。遮光膜９は画素３０内の２つのフォトダイオード５，６上方に開口部８を有し、受光部に入射する光１９は、開口部８から２つのフォトダイオード５，６に入射する。フォトダイオード間素子分離領域７を形成することにより、２つのフォトダイオード５，６の各々に一旦蓄積された電荷がその後混合することを防止することができる。

図３（Ａ）は、図２（Ａ）に示す受光部を有する固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、図３（Ｂ）は、固体撮像素子を含んだ固体撮像装置の主要部を示す概略的なブロック図である。

図３（Ａ）を参照する。固体撮像素子は、たとえばハニカム配列され、各々２つのフォトダイオードを含む複数の画素３０、垂直ＣＣＤチャネル２（及びその上方の垂直転送電極３，４）を含んで構成される垂直ＣＣＤ部、垂直ＣＣＤ部に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、ＣＣＤを駆動するための配線を有する駆動部６５、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力電荷信号を増幅する増幅回路部６７を含んで構成される。

画素３０において、高感度または低感度フォトダイオードのいずれかに入射した光量に応じて発生、蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤチャネル２に読み出され、垂直ＣＣＤチャネル２内を、全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。信号電荷は、駆動部６５から供給される駆動信号（転送電圧）によって垂直ＣＣＤチャネル２内を転送される。垂直ＣＣＤチャネル２の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平ＣＣＤ部６６は、水平ＣＣＤチャネル及びその上方の水平転送電極を含んで構成される。）の水平ＣＣＤチャネル内を水平方向に転送され、増幅回路部６７で増幅されて外部に取り出される。

図３（Ｂ）を参照する。半導体チップで構成され、受光部と周辺回路領域とを含み、画素内の２種類のフォトダイオードごとに入射した光量に応じて信号電荷を発生して、発生した信号電荷に基づく画像信号をそれぞれ別々に転送し、供給する固体撮像素子５１、固体撮像素子５１を駆動するための駆動信号（転送電圧等）を発生し、固体撮像素子５１に供給する駆動信号発生装置５２、固体撮像素子５１から供給される２種類の画像信号（高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５に由来する画像信号）にノイズ低減、ホワイトバランス、データ圧縮等の処理を行う出力信号処理装置５３、出力信号処理装置５３に接続され、画像信号を記憶する、たとえば記憶カードである記憶装置５４、画像信号を表示する、たとえば液晶表示装置である表示装置５５、画像信号を外部に伝送するインターフェイスである伝送装置５６、必要に応じて画像信号を表示するテレビジョン５７を含んで、固体撮像装置は構成される。

駆動信号発生装置５２から固体撮像素子５１に供給される信号は、水平ＣＣＤ駆動信号、垂直ＣＣＤ駆動信号、出力アンプ駆動信号及び基板バイアス信号等である。また、高感度フォトダイオード６の蓄積電荷を読み出す信号と、低感度フォトダイオード５の蓄積電荷を読み出す信号を供給する。

記憶装置５４は、出力信号処理装置５３から画像信号を受け、記憶する２つの領域を有する。一方の領域は、高感度フォトダイオード６に基づく画像信号を記憶し、他方の領域は低感度フォトダイオード５に基づく画像信号を記憶する。

受光部に高感度フォトダイオード６と低感度フォトダイオード５とを用いることで、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。

しかし、図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して既述したように、高感度フォトダイオード６と低感度フォトダイオード５を同一画素３０内に備えるハニカム構造の固体撮像素子の場合、一方の垂直転送電極３によって低感度フォトダイオード５からの信号電荷を、他方の垂直転送電極４によって高感度フォトダイオード６からの信号電荷を読み出す構造になる。このため読み出し電極が２つ必要である。

低感度フォトダイオード５及び高感度フォトダイオード６の形成されているｐ型ウエル１７の上方において、これら２つの読み出し電極（垂直転送電極３，４）の縁は、半導体基板１８の法線方向から見たとき、ｐ型ウエル１７をほぼ菱形状に露出させるように形成されている。したがって、不純物のイオン注入を行い、高感度フォトダイオード６（ｎ型不純物層６ａ）及び低感度フォトダイオード５（ｎ型不純物層５ａ）を形成する際には、たとえばどちらか一方の読み出し電極に対して不純物のイオン注入の方向を決定してイオン注入を行い、感度の異なる２つのフォトダイオード（高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５）を形成すると、それらはそれぞれの読み出しゲートに対して、不純物分布プロファイルに差を生じてしまう。このため垂直ＣＣＤチャネル２に読み出す電圧やブルーミングの抑制などにおいて、両者間で大きな差が生じることがある。

そこで本願発明者らは、まず、感度の異なる２つのフォトダイオードを同一画素内に備える固体撮像素子において、表示の白傷を防止するために、２つのフォトダイオードを形成し、その上方にｐ^＋型不純物層を埋め込み形成して２つのフォトダイオードを半導体基板表面から離すことを考えた。また、ｐ^＋型不純物層による各フォトダイオードの信号電荷の読み出し電圧の増大を防止するため、ｐ^＋型不純物層を各読み出し電極の下方の領域以外の領域に形成することを考えた。更に、感度の異なる２つのフォトダイオードのそれぞれの読み出し電圧がほぼ等しくなるように２つのフォトダイオードを形成することを考えた。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施例による固体撮像素子の製造方法を説明するための概略的な平面図及び断面図である。

図４（Ａ）を参照する。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板１８を準備し、その表面から逆導電型であるｐ型の不純物、たとえばホウ素をイオン注入し、ｐ型ウエル１７を形成する。

ｐ型ウエル１７の表面近傍にｎ型不純物、たとえばリン、ヒ素またはアンチモンをイオン注入し、ほぼ菱形状の画素領域をハニカム状に残すように列方向に蛇行する垂直ＣＣＤチャネル２を形成する。イオン注入は、たとえば加速エネルギ１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ、ドーズ量５．０×１０^１１〜１．０×１０^１４ｃｍ^−２で行う。

また、ｐ型不純物、たとえばホウ素、ガリウム、またはインジウムをイオン注入することで、素子分離領域（素子分離領域１は、図４（Ｂ）に現れる。）を形成する。イオン注入は、たとえば加速エネルギ５０ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１１〜１．０×１０^１３ｃｍ^−２で行う。

半導体基板１８表面上にゲート絶縁膜１１を形成する。ゲート絶縁膜１１は、たとえば熱酸化によるシリコン酸化膜（厚さはたとえば５０Å〜３００Å）、その上にたとえばＣＶＤで形成されたシリコン窒化膜（厚さはたとえば１００Å〜１０００Å）、たとえばこのシリコン窒化膜表面を熱酸化して得られるシリコン酸化膜（厚さはたとえば１０〜２００Å）が、下からこの順に積層されたＯＮＯ膜でつくられる。

更に、垂直ＣＣＤチャネル２上方を覆うように、たとえばポリシリコンで垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３及び垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４を形成する。２つの垂直転送電極３，４は、たとえばゲート絶縁膜１１上にＣＶＤでポリシリコンを１０００Å〜１００００Åの厚さに堆積し、フォトリソグラフィとエッチングでポリシリコンをパターニングすることによって作製される。

図４（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に続く固体撮像素子の製造工程を説明するための平面図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の４Ｃ−４Ｃ線に沿った断面図である。

ｎ型不純物層６ａ（高感度フォトダイオード６）及びｎ型不純物層５ａ（低感度フォトダイオード５）をイオン注入法でｐ型ウエル１７内の画素領域に形成する。ｎ型不純物、たとえばリン、ヒ素、またはアンチモンを、垂直転送電極３，４をマスクの一部として、半導体基板１８の法線方向と交差する方向から画素領域に注入する。この際、注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が、イオン注入位置における２つの垂直転送電極３，４の縁に対して実質的に等しい角度となるように注入する。たとえば正射影方向が図４（Ｂ）に示した矢印Ｕ方向（垂直転送電極３，４が全体として延在する方向、すなわち水平方向に沿い、かつ垂直転送電極３，４下方に入り込むように、図中左から右に向かう方向）となるようにイオン注入を行う。イオン注入は、たとえば加速エネルギ２５０ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１１〜２．０×１０^１３ｃｍ^−２、チルト角（半導体基板１８の法線方向から傾ける角）７°で行う。後述するフォトダイオード間素子分離領域上にはレジストマスクを形成し、イオン注入を防ぐ。

なお、ここで「実質的に等しい」とは、装置の性能等に基づく誤差の範囲で等しい、という意味とともに、高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５に蓄積された信号電荷を読み出す２つの読み出し電圧がほぼ等しくなるような両角度間の関係をいう。たとえば、ｎ型不純物層５ａ（低感度フォトダイオード５）をｎ型不純物層６ａ（高感度不純物層６）よりも読み出し電極の深くまで入り込むように形成し、ｎ型不純物層５ａ（低感度フォトダイオード５）に生じるナローチャンネル効果を考慮した上で、両読み出し電圧をほぼ等しくするような角度でイオン注入を行う意を含む。

続いて、フォトダイオード間素子分離領域７を形成する。フォトダイオード間素子分離領域７の形成に当たっては、ｐ型不純物、たとえばホウ素、ガリウム、またはインジウムを、たとえば加速エネルギ５０ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１１〜１．０×１０^１３ｃｍ^−２でイオン注入する。

ｎ型不純物層５ａ，６ａを埋め込むｐ⁺型不純物層１２をイオン注入法で形成する。ｐ型不純物、たとえばホウ素、ガリウム、またはインジウムを、半導体基板１８の法線方向と交差する方向から注入する。この際、注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が、イオン注入位置における２つの垂直転送電極３，４の縁に対して実質的に等しい角度となるように注入する。たとえば正射影方向が図４（Ｂ）に示した矢印Ｖ方向（垂直転送電極３，４が全体として延在する方向、すなわち水平方向に沿い、かつ垂直転送電極３，４下方に入り込まないように、図中右から左に向かう方向）となるようにイオン注入を行う。イオン注入は、たとえば加速エネルギ１ｋｅＶ〜１００ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１２〜１．０×１０^１６ｃｍ^−２、チルト角７°で行う。

ｎ型不純物層６ａ（高感度フォトダイオード６）及びｎ型不純物層５ａ（低感度フォトダイオード５）を、ｎ型不純物の注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が、イオン注入位置における２つの垂直転送電極３，４の縁に対して実質的に等しい角度となるように調整して形成することにより、ｎ型不純物層６ａ（高感度フォトダイオード６）は自身の読み出し電極である垂直転送電極４の下方に入り込むように形成され、ｎ型不純物層５ａ（低感度フォトダイオード５）は自身の読み出し電極である垂直転送電極３の下方に入り込むように形成される。

また、ｐ型不純物の注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が、イオン注入位置における２つの垂直転送電極３，４の縁に対して実質的に等しい角度となるように調整してイオン注入することにより、ｐ⁺型不純物層１２は、２つの垂直転送電極３,４の双方の端部から離れた位置に形成される。図４（Ｃ）には、この様子を矢印で示した。

図４（Ｄ）を参照する。垂直転送電極３，４の表面を熱酸化して、それらの上に、たとえば厚さが１００Å〜１０００Åのシリコン酸化膜１５を形成する。

垂直転送電極３，４上方に、シリコン酸化膜１５を介してたとえばタングステンで遮光膜９を形成する。遮光膜９の厚さは、たとえば５００Å〜５０００Åである。パターニングにより遮光膜９の開口部８を形成する。

以上のような工程を含んで、第１の実施例によるハニカム構造の固体撮像素子が製造される。

２つのｎ型不純物層５ａ，６ａがそれぞれの読み出し電極（垂直転送電極３，４）の下方に入り込むように形成されていること、またはｐ⁺型不純物層１２が２つの垂直転送電極３,４の双方の端部から離れた位置に形成されている（垂直転送電極３，４の下方を含まない領域に形成されている）ことによって、図４（Ｄ）に概略を示す固体撮像素子においては、２つの読み出し電極（垂直転送電極３，４）の双方について、空乏化電圧を低減させることができる。

なお、ｎ型不純物層５ａ，６ａ、またはｐ⁺型不純物層１２を形成する際のイオン注入のチルト角は３°〜２８°であることが望ましい。

上述の工程の他に、図３（Ａ）に示したような水平ＣＣＤ部６６、駆動部６５及び増幅回路部６７等を形成して固体撮像素子を得る。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第２の実施例による固体撮像素子の製造方法を説明するための概略的な平面図及び断面図である。第２の実施例による製造方法により、ブルーミング防止に効果のある固体撮像素子を製造する。第２の実施例による固体撮像素子の製造方法が第１の実施例によるそれと異なるところは、ｎ型不純物層５ａ，６ａ及びｐ⁺型不純物層１２を形成するに当たってのイオン注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が逆である点である。その他の点については、第１の実施例による固体撮像素子の製造方法と等しい。

図５（Ａ）は、第１の実施例の図４（Ｂ）を用いて説明した工程に相当する工程を説明するための平面図である。第１の実施例においては、半導体基板１８上への正射影方向が矢印Ｕ方向となる方向からｎ型不純物をイオン注入して、ｎ型不純物層５ａ，６ａを形成し、矢印Ｖ方向となる方向からｐ型不純物をイオン注入してｐ⁺型不純物層１２を形成した。第２の実施例においては、半導体基板１８上への正射影方向が矢印Ｖ方向となる方向からｎ型不純物をイオン注入して、ｎ型不純物層５ａ，６ａを形成し、矢印Ｕ方向となる方向からｐ型不純物をイオン注入してｐ⁺型不純物層１２を形成する。

ｎ型不純物層５ａ，６ａの形成においても、ｐ^＋型不純物層１２の形成においても、イオン注入方向の半導体基板１８上への正射影方向が、イオン注入位置における２つの垂直転送電極３，４の縁に対して実質的に等しい角度となるように調整してイオン注入を行う。ここで「実質的に等しい」とは、装置の性能等に基づく誤差の範囲で等しいという意味とともに、ブルーミングの抑止がほぼ同程度に行われるような両角度間の関係をいう。

図５（Ｂ）は、上記のイオン注入による不純物層の形成後、遮光膜９とその開口部８の形成までを第１の実施例と同様に行い作製した固体撮像素子の図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿った概略的な断面図である。

ｎ型不純物層５ａ，６ａは、ともに垂直転送電極３，４の下方領域には形成されていない。（下方領域以外の領域に形成されている。）また、ｐ⁺型不純物層１２は、垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３の下方領域及び垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４の下方領域を含む領域に形成されている。

第２の実施例による固体撮像素子は、フォトダイオードと垂直ＣＣＤチャネル２との分離が強化された固体撮像素子である。上記のような構造を備えることで、大光量入射時においてもフォトダイオードで発生した信号電荷が垂直ＣＣＤチャネルに溢れにくくなり、ハニカム構造の固体撮像素子において、同一画素内に形成された感度の異なる２つのフォトダイオードのブルーミング現象を防止、調整することが可能となる。

なお、実施例における各領域の導電型をすべて逆にしてもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

上述した固体撮像素子及びその製造方法は、ハニカム構造のデジタルカメラ全般及びその製造方法に用いることができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ固体撮像素子の構造及びその製造方法の一部を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ高感度受光部（高感度フォトダイオード）と低感度受光部（低感度フォトダイオード）が同一画素内に形成されている固体撮像素子の概略的な平面図及び断面図である。 （Ａ）は、図２（Ａ）に示す受光部を有する固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は、固体撮像素子を含んだ固体撮像装置の主要部を示す概略的なブロック図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施例による固体撮像素子の製造方法を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第２の実施例による固体撮像素子の製造方法を説明するための概略的な平面図及び断面図である。

符号の説明

１ 素子分離領域
２ 垂直ＣＣＤチャネル
３ 垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）
４ 垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）
５ 低感度フォトダイオード
５ａ （低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層
６ 高感度フォトダイオード
６ａ （高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層
７ フォトダイオード間素子分離領域
８ 開口部
９ 遮光膜
１１ ゲート絶縁膜
１２ ｐ⁺型不純物層
１５ シリコン酸化膜
１７ ｐ型ウエル
１８ 半導体基板
１９ 光
３０ 画素
４０、４１ 垂直転送電極
４２フォトダイオード
４２ａ ｎ型不純物層
５１ 固体撮像素子
５２ 駆動信号発生装置
５３ 出力信号処理装置
５４ 記憶装置
５５ 表示装置
５６ 伝送装置
５７ テレビジョン
６５ 駆動部
６６ 水平ＣＣＤ部
６７ 増幅回路部

Claims (13)

1. （ａ）第１導電型の半導体基板の主面から、第１導電型とは逆の第２導電型の不純物を添加して第２導電型のウエルを形成する工程と、
   （ｂ）前記ウエル内に、ほぼ菱形状の画素領域をハニカム状に残すように列方向に蛇行する第１導電型の複数の垂直ＣＣＤチャネルを形成する工程と、
   （ｃ）複数の前記垂直ＣＣＤチャネルの上方を覆うように、複数の垂直転送電極を形成する工程と、
   （ｄ）前記垂直転送電極をマスクの一部として、前記ウエル内の画素領域に、第１導電型の不純物を前記主面の法線方向と交差する第１の方向からイオン注入することによって、各画素領域内に第１及び第２の不純物層を形成する工程と、
   （ｅ）前記第１及び第２の不純物層の間に第２導電型の分離用不純物層を形成する工程と、
   （ｆ）前記ウエル内に、第２導電型の不純物を前記主面の法線方向と交差する第２の方向からイオン注入することによって、前記第１、第２及び分離用不純物層の上方に、第２導電型の埋め込み用不純物層を形成する工程と
   を有し、
   前記第１及び第２の不純物層に蓄積された信号電荷はそれぞれ、前記複数の垂直転送電極のうちの第１の垂直転送電極、及び第２の垂直転送電極の下方の前記垂直ＣＣＤチャネルに読み出され、
   前記工程（ｄ）において、前記第１の方向の前記主面への正射影の向きを第３の方向と呼ぶとき、前記第１の垂直転送電極の縁と前記第３の方向とのなす角と、前記第２の垂直転送電極の縁と前記第３の方向とのなす角とを実質的に等しくし、
   前記工程（ｆ）において、前記第２の方向の前記主面への正射影の向きを第４の方向と呼ぶとき、前記第１の垂直転送電極の縁と前記第４の方向とのなす角と、前記第２の垂直転送電極の縁と前記第４の方向とのなす角とを実質的に等しくする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記工程（ｄ）において、前記第１及び第２の不純物層がそれぞれ前記第１及び第２の垂直転送電極の下方に入り込むようにイオン注入が行われ、前記工程（ｆ）において、前記埋め込み用不純物層が前記第１及び第２の垂直転送電極の下方に入り込まないようにイオン注入が行われ、前記第１及び第２の不純物層に蓄積された信号電荷を読み出す２つの読み出し電圧をほぼ等しくする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記工程（ｄ）において、前記第１及び第２の不純物層がそれぞれ前記第１及び第２の垂直転送電極の下方に入り込まないようにイオン注入が行われ、前記工程（ｆ）において、前記埋め込み用不純物層が前記第１及び第２の垂直転送電極の下方に入り込むようにイオン注入が行われ、前記第１及び第２の不純物層に蓄積された信号電荷を読み出す際のブルーミングを抑止する請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記第１及び第２の垂直転送電極が全体として延在する方向と前記第３の方向とが平行である請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記第１及び第２の垂直転送電極が全体として延在する方向と前記第４の方向とが平行である請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 前記第３の方向と前記第４の方向とが反対向きである請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 前記第１の方向と前記半導体基板の法線方向とのなす角が３°〜２８°である請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
8. 前記第２の方向と前記半導体基板の法線方向とのなす角が３°〜２８°である請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
9. 前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型である請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 行方向及び列方向にハニカム配列された複数のほぼ菱形状の画素領域、列方向の前記画素領域に沿って配置された複数の垂直転送チャネル、及び前記複数の垂直転送チャネルの端部に設けられた水平転送チャネルとを備える半導体基板と、
    前記複数の垂直転送チャネル上方に形成された複数の垂直転送電極と、
    前記複数の水平転送チャネル上方に形成された複数の水平転送電極と
    を有し、
    前記画素領域は、相対的に感度の高い第１の光電変換素子を構成する第１導電型の第１の不純物層と、相対的に感度の低い第２の光電変換素子を構成する第１導電型の第２の不純物層と、前記第１及び第２の不純物層の上方に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型の埋め込み用不純物層とを含み、
    前記第１の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第１の光電変換素子の読み出し電極である第１の電極の下方の領域を含む領域に形成され、
    前記第２の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第２の光電変換素子の読み出し電極である第２の電極の下方の領域を含む領域に形成され、
    前記埋め込み用不純物層は、前記第１及び第２の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、
    前記第１の光電変換素子の読み出し電圧と、前記第２の光電変換素子の読み出し電圧とがほぼ等しい固体撮像素子。
11. 前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型である請求項１０に記載の固体撮像素子。
12. 行方向及び列方向にハニカム配列された複数のほぼ菱形状の画素領域、列方向の前記画素領域に沿って配置された複数の垂直転送チャネル、及び前記複数の垂直転送チャネルの端部に設けられた水平転送チャネルとを備える半導体基板と、
    前記複数の垂直転送チャネル上方に形成された複数の垂直転送電極と、
    前記複数の水平転送チャネル上方に形成された複数の水平転送電極と
    を有し、
    前記画素領域は、相対的に感度の高い第１の光電変換素子を構成する第１導電型の第１の不純物層と、相対的に感度の低い第２の光電変換素子を構成する第１導電型の第２の不純物層と、前記第１及び第２の不純物層の上方に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型の埋め込み用不純物層とを含み、
    前記第１の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第１の光電変換素子の読み出し電極である第１の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、
    前記第２の不純物層は、前記複数の垂直転送電極のうち、第２の光電変換素子の読み出し電極である第２の電極の下方の領域を含まない領域に形成され、
    前記埋め込み用不純物層は、前記第１の電極の下方の領域及び前記第２の電極の下方の領域を含む領域に形成され、
    前記第１及び第２の光電変換素子の電荷読み出し時にブルーミングを抑止することのできる固体撮像素子。
13. 前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型である請求項１２に記載の固体撮像素子。

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