JP2005327835A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の基板表面に形成されるセンサ部よりも深い位置に別のセンサ部を設けることで、固体撮像装置の画素面積を増大させずにダイナミックレンジの拡大を可能とする。
【解決手段】入射光を光電変換する第１センサ部２１と、第１センサ部２１から読み出された信号電荷の転送を行う電荷転送部２４とを基板（半導体基板１１）に備えた固体撮像装置１であって、少なくとも第１センサ部２１の一部下方に形成した第２センサ部２６と、半導体基板１１内であり、少なくとも第１センサ部２１と第２センサ部２６との間に形成した深部チャネルストップ３２とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイナミックレンジの拡大が容易な電荷結合デバイス（ＣＣＤ）型の固体撮像装置およびその固体撮像装置の製造方法に関するものである。

従来のＣＣＤ型固体撮像装置の基本的な構成の一例を図１３および図１４によって説明する。図１３はシリコン基板中の構成を示すものであり、図１４はシリコン基板上の構成を示すものである。

図１３および図１４に示すように、シリコン基板１１１中には、電荷蓄積部となる複数のセンサ部１２１が基板表面に対して図面ｘ方向および図面ｙ方向に等間隔に配列されている。上記列方向に配列されたセンサ部１２１の一方側には読み出し部１２３が形成され、この読み出し部１２３を介して垂直電荷転送部１２４が形成されている。また、上記列方向に配列されたセンサ部１２１の他方側にはチャネルストップ１３１が形成され、このチャネルストップ１３１に連続して、上記各センサ部１２１、１２１間の図面ｘ方向にチャネルストップ１３１が延長形成されている。すなわち、チャネルストップ１３１は画素領域間を分離する。

シリコン基板１１１上には絶縁膜（図示せず）を介して４相駆動の転送電極１５１、１５２、１５３、１５４が形成されている。これらのうち、転送電極１５１、１５３は同一層のポリシリコンで形成され、転送電極１５２、１５４は同一層でかつ上記転送電極１５１、１５３とは異なる層のポリシリコン層で形成されている。したがって、転送電極１５１〜１５４は２層のポリシリコン層で形成されていることになる。各転送電極１５１〜１５４間は絶縁膜（図示せず）で電気的に分離されている。さらに転送電極１５１〜１５４およびセンサ部１２１上の一部は金属遮光膜（図示せず）で覆われており、センサ部（電荷蓄積部）１２１上に開口部１２２が設けられている。

上記固体撮像装置１００に入射した光は上記センサ部１２１上の開口部１２２からシリコン基板１１１中に入り、センサ部１２１で光電変換され、一時的にセンサ部１２１の電荷蓄積部に電荷として蓄えられる。このとき、強い光の当たっているセンサ部１２１では、電荷蓄積部から垂直電荷転送部１２４へ電荷があふれないための対応として、一定以上に溜まった電荷をセンサ部１２１の深層方向に設けたオーバーフローバリア（図示せず）を介してシリコン基板１１１側へ捨てている。このため、強い光同士の入射光量の差は撮像することが困難となっている。上記蓄積電荷部１２４に蓄えられた電荷は、転送電極１５１〜１５４に読みだし電圧を加えることで、読みだしゲート１２３を通って垂直電荷転送部１２４に読み出される。

従来のＣＣＤ型固体撮像装置は、発生した電荷が有効に蓄積されるのは、垂直電荷転送部（ＣＣＤ）に到達する光量が標準光量の３倍程度までで、それ以上の光量については、上記説明したように基板側に電荷を捨てている。
このため、被写体のハイライト部においては入射光量に応じた電荷の蓄積ができず、ほぼ同じ量の電荷が蓄積される。この結果、出力画像にコントラストがつかず、白く一様な画像となってしまう。また、その逆に、ハイライト部分に光量を合わせると、その他の部分での光量が不足して黒く潰れた画像となってしまう。

以上のように、従来構造のＣＣＤ型の固体撮像装置では、被写体のダイナミックレンジに対してＣＣＤ撮像素子のダイナミックレンジが不足しており、ＣＣＤ撮像素子のダイナミックレンジの拡大方法が求められていた。

例えば、感光部のダイナミックレンジを大きくする固体撮像装置として、１画素を構成するセル中に面積の大きな主感光部と面積の小さな補助感光部との二つの感光部を基板表面に形成し、かつ補助感光部上に直接入射光を遮光する遮光膜を設けた固体撮像装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、入射光が色分解フィルタを介して色分解された透過光をハニカム配置された二つの感度を有する各受光素子で光電変換し、隣接する受光素子の間に２列分の垂直転送路を配設し、この垂直転送路と各受光素子の間の信号読み出しゲートを介して受光素子から垂直転送路に得られた信号電荷を読み出し、さらに水平転送路を介して垂直転送路からの出力を水平方向に転送する固体撮像装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この固体撮像装置では、受光素子に、第１の所定の感度の受光素子と、第１の所定の感度の受光素子よりも低い感度を持つ第２の所定の感度の受光素子とを、平面的にレイアウトして用いている。

しかし、上記特許文献４、５に開示された固体撮像装置のいずれも、感度の異なる二つの感光部を平面的にレイアウトしているため、画素面積の増大をもたらし、画素数の拡大化、画素の高集積化を阻害することになっていた。

特開平５−１７５４７１号公報 特開２０００−１２５２０９号公報

解決しようとする問題点は、従来の画素面積を維持してダイナミックレンジを拡大することができない点である。

本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換する第１センサ部と、前記第１センサ部から読み出された信号電荷の転送を行う電荷転送部とを基板に備えた固体撮像装置であって、前記基板内であり、少なくとも前記第１センサ部の一部下方に形成した第２センサ部と、少なくとも前記第１センサ部と前記第２センサ部との間に形成した深部チャネルストップとを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、入射光を光電変換する第１センサ部と、前記第１センサ部から読み出された信号電荷の転送を行う電荷転送部とを基板に備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記基板内に、少なくとも前記第１センサ部を形成する領域の一部下方に第２センサ部を形成する工程と、少なくとも前記第１センサ部を形成する領域と前記第２センサ部との間に深部チャネルストップを形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、少なくとも前記第１センサ部の一部下方に形成した第２センサ部と、少なくとも前記第１センサ部と前記第２センサ部との間に形成した深部チャネルストップとを備えているため、固体撮像装置に入射した光は第１センサ部を通り、基板内部で光電変換される。
例えば、適正量の光が入射した画素では第１センサ部において光電変換され、強い光が入射した画素では第１センサ部がオーバーフローしても、基板深部に到達した強い光の一部が第２センサ部において光電変換され、第１センサ部に蓄積された電荷は主に電荷転送部の側面から読み出され、第２センサ部に蓄積された電荷は主に電荷転送部の底面側から読み出される。このように、両方の画素を同時に読み出す。
これにより、強い入射光が入った画素においても、入射光の強度を指数的に圧縮した形で蓄積電荷量の違いに置き換えることができる。したがって、ハイライト部においても入射光量の違いを濃淡のついた画像として出力することができるので、ダイナッミレンジを指数的に拡大することができる
という利点がある。また、第２センサ部は第１センサ部および電荷転送部の一部下方に形成されているため、画素面積を拡大させることなく、上記ダイナミックレンジの拡大を図ることができるという利点がある。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板内に、少なくとも第１センサ部を形成する領域の一部下方に第２センサ部を形成する工程と、少なくとも第１センサ部を形成する領域と前記第２センサ部との間に深部チャネルストップを形成する工程とを備えたため、少なくとも第１センサ部の一部下方に第２センサ部と、少なくとも第１センサ部と第２センサ部との間に深部チャネルストップとを形成することができる。これによって、固体撮像装置に入射した光は第１センサ部を通り、基板内部で光電変換される。
例えば、適正量の光が入射した画素では第１センサ部において光電変換され、強い光が入射した画素では第１センサ部がオーバーフローしても、基板深部に到達した強い光の一部が第２センサ部において光電変換され、第１センサ部に蓄積された電荷は主に電荷転送部の側面から読み出され、第２センサ部に蓄積された電荷は主に電荷転送部の底面側から読み出される。このように、両方の画素を同時に読み出す。
これにより、強い入射光が入った画素においても、入射光の強度を指数的に圧縮した形で蓄積電荷量の違いに置き換えることができる。したがって、ハイライト部においても入射光量の違いを濃淡のついた画像として出力することができるので、ダイナッミレンジを指数的に拡大することができる
という利点がある。また、第２センサ部は第１センサ部および電荷転送部の一部下方に形成されているため、画素面積を拡大させることなく、上記ダイナミックレンジの拡大を図ることができるという利点がある。

固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大という目的を、少なくとも第１センサ部の一部下方に第２センサ部を形成するとともに、少なくとも第１センサ部と第２センサ部との間に深部チャネルストップを形成することで、画素面積を増大させずに実現した。

本発明の固体撮像装置に係る一実施例を、図１の概略構成断面図および図２および図３の平面レイアウト図によって説明する。図１（１）は図２、図３のＡ−Ａ’線（垂直方向）断面を示す図面であり、図１（２）の半導体基板上は図２のＢ−Ｂ’線（垂直方向）断面を示し、同図１（２）の半導体基板中は図３のＢ−Ｂ’線（垂直方向）断面を示す図面であり、図２は半導体基板上に形成される構成部品の位置関係を示す図面であり、図３は半導体基板中に形成される構成部品の位置関係を示す図面である。

図１〜図３に示すように、固体撮像装置１は、複数の画素領域２が半導体基板１１表面に対して図面ｘ方向および図面ｙ方向に等間隔に配列するように形成されているもので、隣接する画素領域２はチャネルストップ３１によって分離されている。上記半導体基板１１は例えばシリコン基板が用いられている。

まず、半導体基板１１上の構成を説明する。上記半導体基板１１上には絶縁膜６１を介して４相駆動の転送電極５１、５２、５３、５４が形成されている。これらのうち、転送電極５１、５３は同一層のポリシリコンで形成され、転送電極５２、５４は同一層でかつ上記転送電極５１、５３とは異なる層のポリシリコン層で形成されている。したがって、転送電極５１〜５４は２層のポリシリコン層で形成されていることになる。各転送電極５１〜５４間は絶縁膜６２で電気的に分離されている。さらに転送電極５１〜５４および第１センサ部２１上の一部は遮光膜７１で覆われており、その遮光膜の第１センサ部（電荷蓄積部）２１上に開口部２２が設けられている。

次に半導体基板１１中の構成を説明する。上記半導体基板１１中には、電荷蓄積部となる複数の第１センサ部２１が半導体基板１１表面に対して図面ｘ方向および図面ｙ方向に等間隔に配列するように形成されている。上記第１センサ部２１は、入射光を光電変換するとともに光電変換された電荷の蓄積を行うものであり、上層にＰ型層２１１が形成され、その下層にＮ型層２１２が形成されてなる。

上記列方向に配列された第１センサ部２１の一方側には読み出し部２３が形成され、この読み出し部２３を介して垂直方向に電荷を転送する垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）２４が形成される。この垂直電荷転送部２４は下層に形成されたＰ型層とその上層に形成されたＮ型層とからなる。また、上記列方向に配列された第１センサ部２１の他方側の側部にはチャネルストップ３１が形成され、このチャネルストップ３１に連続して、上記各第１センサ部２１、２１間の図面ｘ方向における各第１センサ部２１側部にチャネルストップ３１が延長形成されている。したがって、チャネルストップ３１は画素間を分離する。

また、少なくとも上記第１センサ部２１の一部下方に第２センサ部２６が形成されているとともに、少なくとも上記第１センサ部２１と第２センサ部２６との間に深部チャネルストップ３２が形成されている。具体的には、上記垂直電荷転送部２４
の下部および上記第１センサ部２１の一部下方には第２電荷蓄積層となるものでＮ型層からなる第２センサ部２６が形成されている。また上記第１センサ部２１と上記第２センサ部２６との間および第２センサ部２６の側部には連続した状態に深部チャネルストップ３２が形成されている。そして、深部チャネルストップ３２は、上記チャネルストップ３１下部に接続されている。さらに、上記半導体基板１１の最深部、すなわち、上記第２センサ部２６および上記深部チャネルストップ３２よりも深い位置における半導体基板１１には、オーバーフローバリア層４１が形成されている。

次に、本発明の固体撮像装置１の動作を説明する。固体撮像装置１
に入射した光は開口部２２を通り第１センサ部２１に入射されて、第１センサ部２１のシリコン内部で光電変換され、電子とホールが形成される。このとき、電子は第１センサ部２１のＮ型層２１２に蓄積され、ホールは第１センサ部のＰ型層２１１から画素間のチャネルストップ３１を通して排出される。

上記固体撮像装置１では、第１センサ部２１のＮ型層２１２の下部にＮ型層からなる第２センサ部２６を設けており、第１センサ部２１に入射した光の一部が第２センサ部２６のＮ型層（電荷蓄積層）において光電変換される。この光電変換される電子の数は、入射した光の波長などによって異なるが、第１センサ部２１のＮ型層２１２で光電変換される電子数の１／１０〜１／１０００程度となる。

電荷の読み出しは、通常のＣＣＤでの読み出し動作と同様に、垂直電荷転送部２４の転送電極５１〜５４に読み出しパルスを印加することで行われる。第１センサ部２１からの読み出しパスと同等な不純物プロファイルを、第２センサ部２６からの読み出しパスに形成することは、なんら問題なく形成できるため、通常の転送電圧ではパスが開かず、読み出しパルスでパスが開くように設計することができる。したがって、読み出しは、読み出しパスでの電位変動量だけの制御なので、縦、横、深さ方向などに関係なく制御することが可能となる。

例えば、
第２センサ部２６からの読み出しにおいては、転送電極５１〜５４に読み出しパルスを印加することにより、垂直電荷転送部２４の側面からは第１センサ部２１のＮ型層２１２に蓄積された電荷を読み出し、垂直電荷転送部２４の底面からは第２センサ部２６に蓄積された電荷を読み出す。

よって、本発明の固体撮像装置１は、
例えば、適正量の光が入射した画素では第１センサ部２１において光電変換され、強い光が入射した画素では第１センサ部２１がオーバーフローしても、半導体基板１１の深部に到達した強い光の一部が第２センサ部２６において光電変換され、第１センサ部２１に蓄積された電荷は主に垂直電荷転送部２４の側面から読み出され、第２センサ部２６に蓄積された電荷は主に電荷転送部２４の底面側から読み出される。このように、適正量の光が入射した画素と強い光が入射した画素の両方の画素を同時に読み出す。

これにより、強い入射光が入った画素においても、入射光の強度を指数的に圧縮した形で蓄積電荷量の違いに置き換えることができる。したがって、ハイライト部においても入射光量の違いを濃淡のついた画像として出力することができるので、ダイナッミレンジを指数的に拡大することができる
という利点がある。言い換えると、第２センサ部２６を設ける必要性は、半導体基板１１の深くは入射した光の一部だけが到達するため、この段階で指数的に少ない光量の光が第２センサ部２６に入り、高ダイナミックレンジのための指数的な圧縮がすでに行われていることである。その電荷を第１センサ部２１とは別の第２センサ部２６で蓄積することで初めて高ダイナミックレンジとなる。そして、線形な部分を受け持っている第１センサ部２１の電荷と、すでに入射光量を圧縮した形で光電変換された第２センサ部２６の電荷を足すことで、明るい部分の中にさらに階調を表現できるようになる。

また、第２センサ部２６は第１センサ部２１および電荷転送部の一部下方に形成されているため、画素面積を拡大させることなく、上記ダイナミックレンジの拡大を図ることができるという利点がある。このように、本発明の固体撮像装置では、従来のダイナミックレンジの不足により、被写体のハイライト部分にコントラストが付かず、白く一様な画面になってしまうという問題を解決することができる。

さらに、上記固体撮像装置１において、
第１センサ部２１、第２センサ部２６ともにオーバーフローバリアとして機能しているのはＰ型層で形成されているオーバーフローバリア層４１である。２次元的には、チャネルストップ３１、深部チャネルストップ３２で囲まれている領域面積が異なるため、オーバーフローバリアが開く電圧には第１センサ部２１と第２センサ部２６とでは差異があるが、基本的には、同じバリア（電位）となっている。電子シャッター動作はＰ型層を潰すことで行うため、第１センサ部２１および第２センサ部２６ともに電子シャッター動作による電荷の掃き捨てが可能となっている。

次に、本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を、図４〜図１２の製造工程断面図によって説明する。図４〜図１２では、図面上段の（１）図に垂直方向の断面を示し、図面下段の（２）図に水平方向の断面を示す。以下に説明する固体撮像装置の製造方法は、上記実施例１で説明した固体撮像装置１を製造することができる。

図４に示すように、半導体基板（シリコン基板）１１の深部、例えば深さが３μｍ〜４μｍの位置にＰ型不純物層からなるオーバーフローバリア層４１を形成する。このオーバーフローバリア層４１は、例えばイオン注入法によって形成することができ、例えば１ＭｅＶ以上のエネルギーでホウ素イオンを注入することにより形成される。なお、イオン注入の際には、半導体基板１１上犠牲膜８１を形成しておくことが好ましい。

次に、図５に示すように、半導体基板１１中にＮ型不純物を導入することで、Ｎ型層からなる電荷蓄積部となる第２センサ部２６を形成する。この第２センサ部２６は、半導体基板１１中、深さ１μｍ程度の位置に形成され、その形成方法は、例えばイオン注入法による。このイオン注入は、Ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）もしくはヒ素（Ａｓ）を用い、１ＭｅＶ以上の注入エネルギーで、マスクを変えて、複数回に分けて行う。それにより、後に形成される第１センサ部の一部下方および垂直電荷転送部の一部下方の領域に第２センサ下部２６１が形成され、垂直電荷転送部の一部下方となる領域に上記第２センサ下部２６１上に連続するように第２センサ上部２６２が形成され、これにより、少なくとも上記第１センサ部２１の一部下方に第２センサ部２６が形成される。

具体的には、半導体基板１１上に、上記第２センサ下部２６１を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中の例えば深さが１μｍ程度の位置に、第２センサ下部２６１を形成する。その後、上記イオン注入マスクを除去した後、新たに上記第２センサ上部２６２を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中に、上記第２センサ下部上に連続した第２センサ上部２６２を形成する。なお、先に第２センサ上部２６２を形成し、その後、第２センサ下部２６１を形成してもよい。また、上記イオン注入マスクには通常のレジストマスクを用いることができる。なお、上記イオン注入において、１回のイオン注入で深さ方向に所定の長さのイオン注入領域が形成できない場合には、注入エネルギーを複数回変えてイオン注入を行うことにより、深さ方向に所定の長さのイオン注入領域を形成することができる。

次に、図６に示すように、半導体基板１１中にＰ型不純物を導入することで、Ｐ型層からなる深部チャネルストップ３２を形成する。この深部チャネルストップ３２は、半導体基板１１中、少なくとも上記第１センサ部２１と第２センサ部２６との間に形成され、具体的には、上記第２センサ下部２６１の側部領域、その後に形成される画素領域を分離するチャネルストップと接続する領域、その後形成される第１センサ部下面と上記第２センサ部２６の第２センサ下部２６１上面との間の領域、および第２センサ上部２６２の側部の領域に形成される。その形成方法は、例えばイオン注入法による。このイオン注入は、Ｐ型不純物として例えばホウ素（Ｂ）を用い、５００ｋｅＶ以上の注入エネルギーで、マスクを変えて、複数回に分けて行う。それにより、上記第２センサ下部２６１の側部領域に深部チャネルストップ部３２１が形成され、上記深部チャネルストップ部３２１上でかつ画素領域を分離するチャネルストップと接続する領域に深部チャネルストップ部３２２が形成され、第１センサ部下面と上記第２センサ下部２６１上面との間の領域に深部チャネルストップ部３２３が形成され、第２センサ上部２６２の側部の領域に深部チャネルストップ部３２４が形成される。

具体的には、半導体基板１１上に、上記深部チャネルストップ部３２１を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中の上記第２センサ下部２６１の側部領域に深部チャネルストップ部３２１を形成する。その後、上記イオン注入マスクを除去した後、新たに上記深部チャネルストップ部３２２を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、上記深部チャネルストップ部３２１上に連続するものでその後に形成される画素領域を分離するチャネルストップと接続する領域に深部チャネルストップ部３２２を形成する。その後、上記イオン注入マスクを除去した後、新たに上記深部チャネルストップ部３２３を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中の第１センサ部下面と上記第２センサ部２６の第２センサ下部２６１上面との間の領域に上記深部チャネルストップ部３２２に連続するように深部チャネルストップ部３２３を形成する。その後、上記イオン注入マスクを除去した後、さらに、上記深部チャネルストップ部３２４を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中における第２センサ上部２６２の側部の領域に上記深部チャネルストップ部３２３の一端に連続した深部チャネルストップ部３２４を形成する。なお、深部チャネルストップ部３２１〜３２４の形成順序は、上記順序に限定されることはなく、深部チャネルストップ部３２１〜３２４のいずれを先に形成しても、２番目に形成しても、３番目に形成しても、最後に形成してもよい。また、上記各イオン注入マスクには通常のレジストマスクを用いることができる。なお、上記各イオン注入において、１回のイオン注入で深さ方向に所定の長さのイオン注入領域が形成できない場合には、注入エネルギーを複数回変えてイオン注入を行うことにより、深さ方向に所定の長さのイオン注入領域を形成することができる。

次に、図７に示すように、上記半導体基板１１中にＮ型不純物を導入することで、第１センサ部２１のＮ型層２１２を形成する。このＮ型層２１２は、半導体基板１１表面側の受光領域に形成され、その形成方法は、例えばイオン注入法による。このイオン注入は、Ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）もしくはヒ素（Ａｓ）を用い、例えば１００ｋｅＶ以上の注入エネルギーで行う。

次に、上記半導体基板１１中にＰ型不純物を導入することで、画素領域間を分離するチャネルストップ３１を形成する。このチャネルストップ３１は、垂直方向の画素領域間を分離するチャネルストップ部３１１と水平方向の画素領域間を分離するチャネルストップ部（図示せず）とからなり、上記チャネルストップ部３１１は上記チャネルストップ部３２２上端に接続するように形成され、水平方向の画素領域間を分離するチャネルストップ部は上記チャネルストップ部３２３に接続するように形成され、その形成方法は、例えばイオン注入法による。このイオン注入は、Ｐ型不純物として例えば、ホウ素（Ｂ）を用い、例えば１０ｋｅＶ以上の注入エネルギーで行う。また、必要に応じて、このイオン注入は、イオン注入マスクを変えて複数回に分けて行うこともできる。また、上記イオン注入マスクには通常のレジストマスクを用いることができる。なお、このイオン注入において、１回のイオン注入で深さ方向に所定の長さのイオン注入領域が形成できない場合には、注入エネルギーを複数回変えてイオン注入を行うことにより、深さ方向に所定の長さのイオン注入領域を形成することができる。

次に、図８に示すように、上記半導体基板１１中にＰ型不純物およびＮ型不純物を別個に導入することで、第１センサ部２１の一方側に読み出し部２３を介して垂直電荷転送部２４のＰ型層とＮ型層とを形成する。上記Ｐ型層は上記Ｎ型層の下側に接合して形成され、その形成方法は、例えばイオン注入法による。このイオン注入は、Ｐ型不純物としてホウ素（Ｂ）を用い、Ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）もしくはヒ素（Ａｓ）を用い、例えば１００ｋｅＶ以上の注入エネルギーで行う。

具体的には、半導体基板１１上に、上記垂直電荷転送部２４のＰ型層を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中に垂直電荷転送部２４のＰ型層を形成する。その後、上記イオン注入マスクを除去した後、新たに上記垂直電荷転送部２４のＮ型層を形成するためのイオン注入マスク（図示せず）を形成した後、イオン注入法により、半導体基板１１中に垂直電荷転送部２４のＮ型層を上記Ｎ型層の下面に接合するように形成する。なお、先に垂直電荷転送部２４のＰ型層を形成し、その後、垂直電荷転送部２４のＰ型層を形成してもよい。また、上記イオン注入マスクには通常のレジストマスクを用いることができる。なお、上記イオン注入工程において、Ｐ型層を形成するイオン注入マスクとＰ型層を形成するイオン注入マスクとを変える必要がない場合には、最初に形成したイオン注入マスクによって、Ｐ型層およびＮ型層を形成することができる。

次に、図９に示すように、上記半導体基板１１上に転送電極下に形成される絶縁膜６１を成膜した後、転送電極５２、５４を形成する。その後、転送電極５２、５４を被覆する絶縁膜６２を形成する。さらに、再度半導体基板１１表面に転送電極下に形成される絶縁膜６３を形成した後、転送電極５１、５３を形成する。各転送電極５１、５３、転送電極５２、５４は、ＣＶＤ法によって、電極材料となる例えばポリシリコンを成膜した後、リソグラフィー技術とドライエッチング技術により電極形成膜をパターニングして形成する。

次に、図１０に示すように、上記転送電極５１〜５４をマスクにしたイオン注入法により、上記半導体基板１１の第１センサ部２１の表層にＰ型不純物を導入して、Ｎ型層２１２の上層部に電荷蓄積層となるＰ型層２１１を形成する。このようにして、Ｐ型層２１１とＮ型層２１２とからなる第１センサ部２１が形成される。

次に、図１１に示すように、上記半導体基板１１上に、上記転送電極５１〜５４を被覆するように、絶縁膜６２を完成させる。さらに、絶縁膜６２上に遮光膜７１を形成する。ついで、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって遮光膜７１を加工して第１センサ部２１上に開口部２２を形成する。上記遮光膜７１には光を透過しないように金属膜が用いられる。

次に、図１２に示すように、上記遮光膜７１、第１センサ部２１上等を被覆するように、光透過性に優れ、表面が平坦化された絶縁膜６５を形成する。この絶縁膜６５は、例えば酸化シリコン膜で形成することができる。次いで、通常のカラーフィルタを形成するプロセスにより、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタ９１Ｒ、９１Ｇ、９１Ｂを形成する。その後、各第１センサ部２１に光が効率良く入射するように、各第１センサ部２１に対応させて、上記カラーフィルタ９１Ｒ、９１Ｇ、９１上にそれぞれに対応するマイクロレンズ９２、９３、９４を形成する。

上記固体撮像装置の製造方法は、第１センサ部２１の一部下方および電荷転送部２４の一部下方に連続して形成した第２センサ部２６と、第１センサ部２１と第２センサ部２６との間および第２センサ部２６の側部とに形成した深部チャネルストップ３２とを形成することができる。これによって、固体撮像装置１に入射した光は第１センサ部２１を通り、半導体基板１１内部で光電変換される。
例えば、適正量の光が入射した画素では第１センサ部２１において光電変換され、強い光が入射した画素では第１センサ部２１がオーバーフローしても、半導体基板１１深部に到達した強い光の一部が第２センサ部２６において光電変換され、第１センサ部２１に蓄積された電荷は主に電荷転送部２４の側面から読み出され、第２センサ部２６に蓄積された電荷は主に電荷転送部２４の底面側から読み出される。このように、両方の画素を同時に読み出す。
これにより、強い入射光が入った画素においても、入射光の強度を指数的に圧縮した形で蓄積電荷量の違いに置き換えることができる。したがって、ハイライト部においても入射光量の違いを濃淡のついた画像として出力することができるので、ダイナッミレンジを指数的に拡大することができる
という利点がある。また、第２センサ部２６は第１センサ部２１および電荷転送部２４の一部下方に形成されているため、画素面積を拡大させることなく、上記ダイナミックレンジの拡大を図ることができるという利点がある。

本発明の固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法は、４相駆動の固体撮像装置をはじめとして種々の駆動方式の固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に適用するのに好適である。

本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 従来の固体撮像装置に係る一実施例を示した平面レイアウト図である。 従来の固体撮像装置に係る一実施例を示した平面レイアウト図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１１…半導体基板、２１…第１センサ部、２４…垂直電荷転送部、２６…第２センサ部、３２…深部チャネルストップ

Claims (13)

1. 入射光を光電変換する第１センサ部と、
   前記第１センサ部から読み出された信号電荷の転送を行う電荷転送部とを基板に備えた固体撮像装置であって、
   前記基板内であり、少なくとも前記第１センサ部の一部下方に形成した第２センサ部と、
   少なくとも前記第１センサ部と前記第２センサ部との間に形成した深部チャネルストップと
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２センサ部は、前記第１センサ部の一部下方および前記電荷転送部の一部下方に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第２センサ部は、前記第１センサ部の一部下方および前記電荷転送部の一部下方に連続して形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記深部チャネルストップは、前記第１センサ部と前記第２センサ部との間および前記第２センサ部の側部に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記第２センサ部は、前記基板の深部の到達した光による光電変換および前記第２センサ部で発生した電子の蓄積を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記第１センサ部に蓄積された電荷と前記第２センサ部に蓄積された電荷を同時に読み出す
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記第１センサ部に蓄積された電荷は主に前記電荷転送部の側面から読み出し、前記第２センサ部に蓄積された電荷は主に前記電荷転送部の底面側から読み出す
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
8. 入射光を光電変換する第１センサ部と、
   前記第１センサ部から読み出された信号電荷の転送を行う電荷転送部とを基板に備えた固体撮像装置の製造方法であって、
   前記基板内に、少なくとも前記第１センサ部を形成する領域の一部下方に第２センサ部を形成する工程と、
   少なくとも前記第１センサ部を形成する領域と前記第２センサ部との間に深部チャネルストップを形成する工程と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 前記第２センサ部は、前記第１センサ部の一部下方および前記電荷転送部の一部下方に形成される
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記第２センサ部は、前記第１センサ部の一部下方および前記電荷転送部の一部下方に連続して形成される
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記深部チャネルストップは、前記第１センサ部と前記第２センサ部との間および前記第２センサ部の側部に形成される
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記第２センサ部はイオン注入法によって形成される
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記深部チャネルストップはイオン注入法によって形成される
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。

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