JP2007258424A - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を増大させることなく、高感度の固体撮像素子を得る。
【解決手段】基板に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードと、前記フ
ォトダイオードに発生した光発生電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された光
発生電荷の電荷量を検出する検出部とを形成する固体撮像素子の製造方法であって、前記
フォトダイオードの形成領域において、前記基板に一方導電型の第１の不純物を導入して
前記光発生電荷の転送経路となる第１の不純物層を形成する第１の工程と、前記フォトダ
イオードの形成領域において、前記基板表面に、前記蓄積部からの距離に応じて膜厚が段
階的に変化する絶縁膜を形成する第２の工程と、前記フォトダイオードの形成領域におい
て、前記絶縁膜を介して前記第１の不純物層に他方導電型の第２の不純物を導入して第２
の不純物層を形成する第３の工程とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ−Ｙアドレス型のイメージセンサ、特にラインセンサ等に好適な固体撮像
素子の製造方法及び固体撮像素子に関する。

従来より、固体撮像装置として、ＣＣＤ(Charge coupled device)センサ、ＣＭＯＳセ
ンサなどがあり、固体撮像装置であるラインセンサは、スキャナ、複写機等に広く利用さ
れている。固体撮像装置は、光を受けて電荷を発生させるフォトダイオードを有し、光電
変換素子として機能する。例えば、フォトダイオードにおいて発生した光発生電荷の量は
、転送ゲートを介してフォトダイオードが形成された領域（以下、フォトダイオード形成
領域）の一辺に隣接して設けられたＣＣＤ等の電荷転送部に転送される。電荷転送部は、
光発生電荷を転送し、転送された光発生電荷は、読取手段により画像信号として読み取ら
れる。

そして、光発生電荷の読み出し効率を高くするための固体撮像装置が提案されている（
例えば、特許文献１参照）。その提案に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域
内のポテンシャル傾斜を、転送ゲートに近いほどポテンシャル井戸が深くなるように構成
する。転送ゲートに近いほどポテンシャル井戸が深いため、固体撮像装置では、フォトダ
イオードに発生したキャリアがより短時間で転送ゲートまで転送されることになり、高速
の電荷読み出しが可能となって、結果として読み出し効率が高くなる。
特開２００２−２３１９２６号公報

ところで、特許文献１の提案においては、フォトダイオード形成領域において転送ゲー
トに向かって濃度差を有する不純物プロファイルに設定する。これにより、転送ゲートに
向かうポテンシャル勾配を形成して、キャリアの高速転送を可能にしている。

即ち、転送ゲートからの距離に応じて不純物濃度を変化させる必要がある。このため、
特許文献１の装置では、不純物の注入範囲を変えながら、複数回の不純物注入を行う必要
があり、マスク工程及び不純物注入工程の回数が増加してしまうという問題があった。

本発明は、１回のマスク工程及び不純物注入工程によって、転送ゲートに向かって濃度
差を有する不純物プロファイル設計を可能にすることができる固体撮像素子の製造方法及
び固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板に、入射光に応じた光発生電荷を発生す
るフォトダイオードと、前記フォトダイオードに発生した光発生電荷が転送される蓄積部
と、前記蓄積部に蓄積された光発生電荷の電荷量を検出する検出部とを形成する固体撮像
素子の製造方法であって、前記フォトダイオードの形成領域において、前記基板に一方導
電型の第１の不純物を導入して前記光発生電荷の転送経路となる第１の不純物層を形成す
る第１の工程と、前記フォトダイオードの形成領域において、前記基板表面に、前記蓄積
部からの距離に応じて膜厚が段階的に変化する絶縁膜を形成する第２の工程と、前記フォ
トダイオードの形成領域において、前記絶縁膜を介して前記第１の不純物層に他方導電型
の第２の不純物を導入して第２の不純物層を形成する第３の工程とを具備する。

このような構成によれば、フォトダイオードは、入射光に応じた光発生電荷を発生する
。発生した光発生電荷は、蓄積部に転送され、検出部によって電荷量が検出される。第１
の工程では、基板に第１の不純物が導入されて、フォトダイオードが形成される。第２の
工程では、フォトダイオードの形成領域に、蓄積部からの距離に応じて膜厚が段階的に変
化する絶縁膜を形成する。第３の工程では、フォトダイオードの形成領域において、絶縁
膜を介して第１の不純物層に他方導電型の第２の不純物を導入して第２の不純物層を形成
する。第２の不純物層は、膜厚が段階的に変化する絶縁膜を介して基板に導入されるので
、絶縁膜が薄いほど、第２の不純物層の膜厚は厚く濃度は濃く、絶縁膜が厚いほど、第２
の不純物層の膜厚は薄く濃度も薄い。また、第２の不純物は、第１の不純物とは逆導電型
であるので、膜厚が厚く濃度が濃い第２の不純物層に対応した第１の不純物層では、一方
導電型の濃度は薄くなる。これにより、蓄積部からの距離に応じて第１の不純物層の不純
物濃度を段階的に変化させることができる。即ち、第１の不純物層は、蓄積部からの距離
に応じてポテンシャルが変化する。このポテンシャル勾配によって、フォトダイオードに
発生した光発生電荷は、短時間でスムーズに蓄積部まで転送される。これにより、高速転
送が可能であると共に、発生した光発生電荷の大部分を蓄積部に転送させることができ、
結果的に、高感度の固体撮像素子が得られる。第３の工程の１つの不純物導入工程によっ
て、蓄積部からの距離に応じて不純物濃度を変化させてポテンシャル勾配を得ることがで
き、製造容易である。

また、本発明の一態様によれば、前記第２の工程は、基板表面の第１の領域に絶縁膜を
形成する工程と、前記第１の領域の一部の第２の領域から絶縁膜を除去する工程と、前記
第１の領域に絶縁膜を形成し、２種類の膜厚部分を有する絶縁膜を形成する工程と、前記
第２の領域の一部の第３の領域から絶縁膜を除去する工程と、前記第１の領域に絶縁膜を
形成し、３種類の膜厚部分を有する絶縁膜を形成する工程と、を含む。
このような構成によれば、絶縁膜の形成と絶縁膜の除去とを、対象となる領域をずらし
ながら繰り返すことによって、膜厚が異なる絶縁膜を形成することができる。

また、本発明の一態様によれば、前記第１及び第２の領域は、前記フォトダイオードの
形成領域と周辺回路の形成領域とを含む。

このような構成によれば、周辺回路では検出部等と異なる膜厚の絶縁膜が必要である。
従って、周辺回路に用いる絶縁膜と検出部等に必要な絶縁膜との形成工程を利用すること
で、製造工程数を増加させることなく、フォトダイオードの形成領域において、膜厚が異
なる絶縁膜を形成することができる。

また、本発明に係る固体撮像素子は、上記固体撮像素子の製造方法を用いて製造したも
の。

このような構成によれば、高感度の撮像が可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を有するラインセンサが組み込ま
れた画像情報読取装置の構成を説明するための説明図である。図２は図１の画像情報読取
装置の読み取り機構を説明するための概略断面図である。なお、本実施の形態においては
、固体撮像素子をラインセンサに用いる例を説明するが、本発明はマトリクス状にセンサ
セルが配置されたセンサアレイ等の各種イメージセンサに適用可能である。

図１に示すように、画像情報読取装置１は、ラインセンサユニット２を有する。ライン
センサユニット２は、細長い板状の基板３上に、基板３の長手軸方向に直線状に並べて配
置された複数のラインセンサチップ４を有する。複数のラインセンサチップ４は、それぞ
れ複数の受光素子を有しており、複数のラインセンサチップ４が直線状に並べられたとき
に、互いに複数の受光素子が直線状に並ぶように、基板３上に配置されている。

ラインセンサユニット２には、複数のレンズ５が設けられている。複数のレンズ５は、
各レンズがラインセンサチップ４の各受光素子に対応した位置に位置するように、ライン
センサチップ４上に配置される。複数のレンズ５は、例えば複数のセルフォックレンズア
レイである。更に、ラインセンサユニット２には、光源装置としての細長いランプ６が設
けられている。そして、基板３上には、複数のラインセンサチップ４からの画像信号を順
次外部の画像信号処理回路（図示せず）に出力する出力回路７が設けられている。

画像情報読取装置１内には、図示しない搬送装置も設けられており、ラインセンサユニ
ット２は、その搬送装置によって基板３の長手軸方向に直交する方向Ｌ１に移動可能とな
っている。ラインセンサユニット２の移動に伴って、画像情報読取装置１のガラス板等の
透明板（図示せず）に密着して置かれた画像情報の読取対象の媒体である紙１１の表面か
らの反射光を、直線状に並んだ複数のラインセンサチップ４が受光する。

図２に示すように、ランプ６からの光は紙１１の表面で反射され、ラインセンサユニッ
ト２は、紙１１からの反射光をレンズ５を通してラインセンサチップ４によって受光しな
がら、紙１１の画像情報記録面に対して所定の距離を保ちつつ、所定の方向Ｌ１に沿って
移動する。その結果、ラインセンサユニット２は、紙１１を走査しながら、画像情報を読
み取ることができる。

図３はラインセンサチップ４の構成を説明するための模式的平面図である。ラインセン
サチップ４は、複数の受光素子２１を有する。複数の受光素子２１は、所定の間隔をおい
て、一列に、すなわち直線状にラインセンサチップ４の表面上に形成されて配置されてい
る。直線状に配置するとは、受光素子を一列に配置することに限らず、受光素子を三列に
並べることを含む。受光素子を三列に配置した場合は、白色光を照射することで、ＲＧＢ
センサとしての読み取りも可能である。

更に、ラインセンサチップ４は、タイミング信号発生回路としてのタイミングジェネレ
ータ（ＴＧ）２２と、各受光素子２１を駆動するための駆動回路２３と、各受光素子２１
からの画素信号を走査して読み出す走査回路２４と、走査回路２４からの画素信号を増幅
して出力する増幅器２５とを有する。増幅器２５からの出力信号は、上述した出力回路７
に供給される。

また、画像情報読取装置１には、図示しない制御部も設けられており、制御部は、各種
制御信号を発生するようになっている。制御部からの各種制御信号は、ラインセンサユニ
ット２、搬送装置（図示せず）に供給される。各種制御信号を受信したラインセンサユニ
ット２は、内部で所定の駆動信号を生成して、各ラインセンサチップ４を駆動し、画像信
号を読み出して出力する。こうして、画像情報読取装置１は、紙１１の画像情報を読み取
ることができる。

次に、ラインセンサチップ４の各受光素子の構造について説明する。図４（ａ）は受光
素子の１センサセルの模式的平面構造を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ｂ線におけ
るポテンシャルの変化を示している。また、図５は図４（ａ）のＡ−Ｂ線の断面図である
。本実施の形態は、光発生電荷を蓄積する蓄積部としてのフローティングディフュージョ
ンを有するＣＭＯＳセンサに適用した例について説明する。

図４及び図５は、１つのセンサセルを示している。各センサセルは、フォトダイオード
、転送部及び検出部を有している。フォトダイオードは、入射光に応じて光発生電荷を発
生する。転送部は、フォトダイオードによって発生した光発生電荷を転送する。検出部は
、転送部によって転送された光発生電荷を蓄積するフローティングディフュージョンを含
み、フローティングディフュージョンに蓄積された光発生電荷に基づく電位を出力する。
図４及び図５ではフォトダイオードが形成されるフォトダイオード形成領域ＰＤ及び転送
部が形成される転送部形成領域ＴＴと検出部が形成される検出部形成領域のうちフローテ
ィングディフュージョンＦＤとのみを示している。なお、図及びその説明中、Ｎ，Ｐの添
え字の−，＋はその数によって不純物濃度のより薄い部分（添え字−−）から濃い部分（
添え字＋＋）であることを示している。

これらの構成によって、各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積
し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力することができる。なお、本実
施の形態においては光発生電荷として正孔、電子のいずれを用いてもよいが、電子を用い
る例で説明する。

検出部には、フローティングディフュージョンＦＤ及びフローティングディフュージョ
ンＦＤに蓄積された光発生電荷に基づく電位を出力するための図示しない出力トランジス
タが形成される。

図４及び図５に示すように、各センサセルは、フォトダイオード形成領域ＰＤに対応し
て検出部のフローティングディフュージョンＦＤが配置されている。フォトダイオード形
成領域ＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間には、フォトダイオード形成領
域ＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに光発生電荷を転送するための転送部形
成領域ＴＴが設けられている。転送部形成領域ＴＴには、転送トランジスタを構成する転
送ゲート２０５が形成されている。

図５に示すように、センサセルは、基板２０１上に形成される。フォトダイオード形成
領域ＰＤには、基板２０１上にはＰ型ウェル２０２が形成されており、Ｐ型ウェル２０２
には、Ｎ型の不純物層２０３，２０４が形成されている。Ｐ型ウェル２０２と不純物層２
０３とによりフォトダイオードが形成される。光電変換素子を構成する不純物層２０３は
光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルとして機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤの基板
表面側には、Ｐ型ウェル２０２に電気的に接続された不純物層２０６が形成されている。
この不純物層２０６は、ピニング層として機能する。

フォトダイオード形成領域ＰＤにおいては、基板２０１の表面に開口領域が形成され、
不純物層２０３はこの開口領域の下方に形成されている。図４（ａ）に示すように、フォ
トダイオード形成領域ＰＤは、例えば略矩形状に形成される。

一方、検出部には、基板表面近傍にフローティングディフュージョンＦＤとなる不純物
層２０４が形成されている。

フォトダイオードの開口領域下方においては、基板２０１と不純物層２０３との境界面
から空乏層が不純物層２０３の全体及びその周囲に広がる。空乏領域において、開口領域
を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は不純物層
２０３に収集される。不純物層２０３に蓄積された電荷は、転送部形成領域ＴＴを介して
フローティングディフュージョンＦＤに転送されて保持される。

図５に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤとフローティングディフュージョン
ＦＤとの間に、基板表面側において、転送部形成領域ＴＴが形成される。転送部形成領域
ＴＴは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁膜２０８を介し
て転送ゲート２０５を有する。

本実施の形態においては、ゲート絶縁膜２０８は、転送ゲート２０５の下方だけでなく
、少なくともフォトダイオード形成領域ＰＤにおいても、基板表面に形成されている。そ
して、本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて基板表面に形成
されるゲート絶縁膜２０８は、膜厚が段階的に変化するように構成される。即ち、ゲート
絶縁膜２０８は、転送トランジスタから離間したフォトダイオード形成領域ＰＤの一端側
から転送トランジスタ側に向かって膜厚が段階的に厚くなるように形成される。

図５では、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて、ゲート絶縁膜２０８の膜厚が３段
階に変化する例を示している。転送トランジスタから最も離間したフォトダイオード形成
領域ＰＤの一端側において最も薄い領域２０８ａが形成され、転送トランジスタに最も近
い位置において最も厚い領域２０８ｃが形成され、フォトダイオード形成領域ＰＤの中央
には中間の厚さの領域２０８ｂが形成される。なお、図５では３段階にゲート絶縁膜２０
８の膜厚が変化する例を示したが、２段階以上であればよい。

後述するように、本実施の形態においては、不純物層２０６は、ゲート絶縁膜２０８を
介して不純物を導入することで形成される。このため、注入される不純物の一部はゲート
絶縁膜２０８に残り、ゲート絶縁膜２０８の膜厚が厚いほど、ゲート絶縁膜２０８を超え
て基板内に注入される不純物は減少する。

このため、本実施の形態においては、不純物層２０６の膜厚及び濃度も段階的に変化す
る。即ち、不純物層２０６は、転送トランジスタから離間したフォトダイオード形成領域
ＰＤの一端側から転送トランジスタ側に向かって膜厚及び濃度が段階的に薄くなるように
形成される。即ち、不純物層２０６は、転送トランジスタから最も離間したフォトダイオ
ード形成領域ＰＤの一端側において最も厚く濃度も濃い領域２０６ａを有し、転送トラン
ジスタに最も近い位置において膜厚が最も薄く濃度も薄い領域２０６ｃを有し、フォトダ
イオード形成領域ＰＤの中央には中間の厚さ及び濃度の領域２０６ｂを有する。

そして、本実施の形態においては、不純物層２０３の導電型（図５ではＮ型）に対して
、不純物層２０６は逆導電型（図５ではＰ型）で構成される。従って、不純物層２０３の
濃度は、不純物層２０６の膜厚及び濃度に応じて、段階的に変化する。即ち、不純物層２
０３は、膜厚が厚く濃度が濃い不純物層２０６の領域２０６ａに対向する領域（領域２０
３ａ）において最も濃度が薄く、膜厚が薄く濃度も薄い領域２０６ｃに対向する領域（領
域２０３ｃ）において最も濃度が濃く、中間の膜厚及び濃度の領域２０６ｂに対向する領
域（領域２０３ｂ）において中間の濃度となる。

即ち、不純物層２０３は、転送トランジスタから離間したフォトダイオード形成領域Ｐ
Ｄの一端側から転送トランジスタ側に向かってＮ型不純物の濃度が段階的に濃くなるよう
に形成されている。これにより、不純物層２０３は、転送トランジスタから離間したフォ
トダイオード形成領域ＰＤの端部側から転送トランジスタに向かって段階的に変化するポ
テンシャル勾配を有する構成となっている。

図４（ｂ）はこのような不純物濃度の変化によるポテンシャルの変化を示している。図
４（ｂ）に示すように、転送トランジスタに近いほど、ポテンシャルが小さくなっている
。このように、本実施の形態においては、不純物層２０３は、周辺部から転送トランジス
タ側（フローティングディフュージョン側）に向かって、段階的に不純物濃度が変化し、
ポテンシャル勾配が形成されるようになっている。

＜プロセス＞
次に、素子の製造方法について図６乃至図８を参照して説明する。図６乃至図８は図４
（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図である。図６乃至図８において
、基板上の矢印はイオン打ち込みを行うことを示している。

本実施の形態においては、このような不純物層２０６の不純物の厚みの差及び濃度差を
、１回のイオン注入によって実現するようになっている。なお、図６乃至図８では不純物
層２０３の濃度が３段階に変化する例を示すが、図６乃至図８の手法を用いることによっ
て、２段階以上の濃度差を適宜設けることができることは明らかである。

図６乃至図８の紙面左側は、図５に示す固体撮像素子の形成領域を示し、紙面右側は、
固体撮像素子の周辺に形成される周辺回路の形成領域を示している。基板２０１に、例え
ばボロンイオン等のＰ型不純物をイオン打ち込みしてＰ型ウェル２０２を形成する。次に
、固体撮像素子形成領域を覆うマスク２２１を用いて、基板２０１の周辺回路形成領域に
、不純物をイオン打ち込みする（図６（ａ））。次に、図６（ｂ）に示すように、フォト
ダイオード形成領域が開口したマスク２２２を用いて、フォトダイオード形成領域の基板
表面側において、例えば、リン等のＮ型不純物のイオン打ち込みを行うことによって、Ｎ
型の不純物層２０３を形成する。

次に、基板表面の全域にゲート絶縁膜となる絶縁膜２２３を熱酸化によって形成する。
フォトダイオード形成領域ＰＤにおけるゲート絶縁膜２０８の厚さを段階的に変化させる
ために、フォトダイオード形成領域及び周辺回路形成領域については、一旦絶縁膜２２３
を除去する。即ち、図７（ａ）に示すように、転送トランジスタ形成領域から最も離間し
たフォトダイオード形成領域の一端からの所定領域及び周辺回路形成領域において開口し
たマスク２２４を用いたエッチングによって、絶縁膜２２３を除去する。

次に、熱酸化等の処理によって、全面に再度絶縁膜を形成する（図示省略）。この状態
では、マスク２２４が開口した領域における絶縁膜は薄く、他の部分の絶縁膜は厚く形成
されている。更に、転送トランジスタ形成領域側のフォトダイオード形成領域の一端から
の所定領域及び周辺回路形成領域において開口したマスク（エッジが図７（ｂ）の絶縁膜
２０８ｂのエッジに一致する図示しないマスク）を用いたエッチングによって、絶縁膜を
除去する（図示省略）。次に、熱酸化等の処理によって、全面に再度絶縁膜を形成する。
こうして、この場合には、周辺回路系製領域及び転送トランジスタ形成領域から最も離間
したフォトダイオード形成領域の一端からの所定領域において最も薄い絶縁膜２０８ａが
形成され、転送トランジスタ形成領域側のフォトダイオード形成領域の一端からの所定領
域及び転送ゲート２０５の下方には最も厚い絶縁膜２０８ｃが形成され、絶縁膜２０８ａ
，２０８ｃ相互間には中間の厚さの絶縁膜２０８ｂが形成される。なお、絶縁膜２０８ｄ
の膜厚は絶縁膜２０８ａの膜厚と同様である。

ところで、固体撮像素子を構成する転送ゲート２０５下方の絶縁膜の膜厚としては、例
えば、５０ｎｍ程度の膜厚が必要である。これに対し、周辺回路に採用されるトランジス
タでは、３Ｖ系であればゲート絶縁膜の膜厚は約７ｎｍ程度であり、５Ｖ系であればゲー
ト絶縁膜の膜厚は約１３．５ｎｍ程度である。

一般的には、基板上に、固体撮像素子と周辺回路とを同時に形成することから、もとも
と、２種類のゲート絶縁膜を形成する必要がある。従って、不純物層２０３に２段階の濃
度差を設ける場合には、従来と同様の工程によって、フォトダイオード形成領域において
２段階に膜厚が変化するゲート絶縁膜を形成することが可能である。また、複数の電源電
圧を採用する素子もあり、この場合にも、工程数を増加させることなく、フォトダイオー
ド形成領域において３段階以上に膜厚が変化するゲート絶縁膜を形成することが可能であ
る。

次に、図７（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜２０８上に、転送トランジスタのゲート
２０５を形成する。また、周辺回路形成領域においては、周辺回路用のトランジスタを構
成するゲート電極２２５が形成される。次に、ピニング層としても機能する不純物層２０
６を形成する。即ち、この場合には、図８（ａ）に示すように、フォトダイオード形成領
域が開口したレジストマスク２２６を用いて、Ｎ型の不純物層２０３とは逆導電型のＰ型
の不純物を注入する。例えば、Ｐ型不純物としてボロンのイオン打ち込みを行う。

この場合のイオン注入では、ボロンイオンはフォトダイオード形成領域の基板表面に形
成された絶縁膜２０８ａ〜２０８ｃを介して基板表面近傍に注入される。この場合におい
て、注入された不純物の基板深さ方向の拡散が均一であるものとすると、基板表面に形成
されている絶縁膜２０８の厚さの変化に従って、絶縁膜２０８の下層の不純物層２０３に
注入される不純物の量も変化する。また、注入された不純物の濃度も、基板表面に形成さ
れている絶縁膜２０８の厚さに応じて変化する。従って、この不純物注入によって形成さ
れる不純物層２０６は、膜厚が最も薄い絶縁膜２０８ａの下方において最も厚さが厚く濃
度も濃い領域２０６ａが形成される。同様に、不純物層２０６は、最も膜厚が厚い絶縁膜
２０８ｃの下方において、最も膜厚が薄く濃度も薄い領域２０６ｃが形成される。中間の
膜厚の絶縁膜２０８ｂの下方には、中間の厚さ及び濃度の領域２０６ｂが形成される。

不純物層２０３とは逆導電型の不純物２０６によって不純物層２０３の濃度は薄くなる
。この場合には、厚さが厚く濃度も濃い領域２０６ａに対応する領域２０３ａおいて、最
も濃度が薄くなり、厚さ及び濃度が中間の領域２０６ｂに対応する領域２０３ｂの濃度は
中間の値となり、厚さが薄く濃度も薄い領域２０６ｃに対応する領域２０３ｃは、最も濃
度が濃くなる。こうして、領域２０３ａから２０３ｃに向かって、段階的に濃度が濃くな
る不純物層２０３が形成される。

即ち、不純物層２０３の濃度は、転送トランジスタから離間するほど側薄くなり、転送
トランジスタに近づくほど濃くなる。これにより、Ｎ型の不純物層２０３は、転送トラン
ジスタから離間したフォトダイオード形成領域の端部側から転送トランジスタ側に向かう
ポテンシャル勾配を有する。

次に、図８（ｂ）に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤを覆うレジストマスク
２２７を形成し、レジストマスク２２７及びゲート２０５，２２５をマスクとしてリンを
用いたＮ型不純物の注入を行って、フローティングディフュージョンとなる不純物層２０
４及びソース・ドレイン領域２２８，２２９を形成する。こうして、不術物層２０３が濃
度勾配を有して構成された固体撮像素子が得られる（図８（ｃ））。

このように本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域において、基板表面の
絶縁膜の厚さを変化させることで、ピニング層としても機能する不純物層の厚さ及び濃度
を段階的に変化させるようになっている。これにより、光発生電荷の転送路となる不純物
層を、転送トランジスタから離間する端部から転送トランジスタに向けて濃度を段階的に
変化させている。こうして、不純物層に、転送トランジスタから離間する端部から転送ト
ランジスタ側に向かうポテンシャル勾配を発生させて、光発生電荷がスムーズに移動する
ことを可能にしている。こうして、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した光発
生電荷を不純物層からフローティングディフュージョンに短時間で移動させることができ
る。光発生電荷の高速転送が可能であるので、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発
生した光発生電荷の略全てをフローティングディフュージョンに転送させることができ、
結果的に高感度のセンサが得られる。このように、本実施の形態においては、１回のイオ
ン注入工程によって、光発生電荷の移動をスムーズにさせる濃度変化を生じさせることが
可能である。

＜第２の実施の形態＞
図９及び図１０は本発明の第２の実施の形態に係り、図９は第２の実施の形態に係る固
体撮像素子の平面図である。図１０は図９のＶ−Ｖ線に沿った受光素子２１の断面図であ
る。

本実施の形態は、光発生電荷を蓄積する蓄積部としてのフローティングディフュージョ
ンであるキャリアポケットを有し、光発生電荷の検出部として閾値変調型のＭＯＳトラン
ジスタを採用した例について説明する。本実施の形態においても、複数のセンサセルが基
板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有する素子及びライン
上に配列された素子のいずれにも適用可能である。

受光素子２１は、平面的には、形状が略方形状である。方形形状の受光素子２１の略中
央部には、検出部としての検出素子３１が形成されている。例えば、検出素子３１として
は、閾値変調方式の変調トランジスタＴｍが採用される。検出素子３１が形成される変調
トランジスタ形成領域ＴＭの周囲には、フォトダイオードが、環状（リング状）に形成さ
れている。図９においては、フォトダイオードが形成される領域を、フォトダイオード形
成領域ＰＤとして示している。

図１０に示すように、各受光素子２１は、基板１０１のＰ型基板１０１ａ上に形成され
る。フォトダイオード形成領域ＰＤでは、Ｐ型基板１０１ａ上に、基板の深い位置にＮ^-
のＮ型ウェル１０２が形成されている。一方、変調トランジスタ形成領域ＴＭでは、Ｐ型
基板１０１ａ上に、基板の比較的浅い位置にＮ^-のＮ型ウェル１０３が形成されている。
なお、本実施の形態では、光発生電荷として正孔が用いられる。

図１０に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤのＮ型ウェル１０２上及び変調ト
ランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル１０３上には、Ｐ型不純物層１０４が形成され、そ
のＰ型不純物層１０４は蓄積ウェルとして機能する。また、基板表面には略全面に渡って
、Ｎ⁺拡散層１０５が形成されている。Ｎ⁺拡散層１０５は、Ｎ^-のＮ型ウェル１０２と物
理的に接していて、且つ、電気的に接続されている。

Ｎ⁺拡散層１０５は、受光素子毎に形成されており、隣り合う受光素子２１とは分離さ
れている。具体的には、図１０に示すように、隣り合う受光素子２１同士は、分離層ＩＳ
としてのＰ型基板１０１ａのＰ型不純物層によって分離される。

フォトダイオードは、光電変換素子としての機能を有する。フォトダイオード形成領域
ＰＤは、基板１０１下方に形成されたＮ型ウェル１０２と、該Ｎ型ウェル１０２の上方に
形成されたＰ型不純物層１０４とを含む。Ｎ型ウェル１０２と、Ｐ型不純物層１０４との
境界領域には空乏領域が形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤの基板表面側には開
口領域が設けられており、フォトダイオード形成領域ＰＤの空乏領域において、開口領域
を介して入射した光による光発生電荷が生じる。発生した光発生電荷はＰ型不純物層１０
４に蓄積される。

変調トランジスタ形成領域ＴＭに形成される検出素子３１としては、例えば、Ｎチャネ
ルディプレッションＭＯＳトランジスタ等の変調トランジスタＴｍが採用される。変調ト
ランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル１０３上には、基板１０１表面にゲート絶縁膜１１
０を介して略リング状（図９では８角形）のゲート（以下、リングゲート又は単にゲート
ともいう）３２が形成されている。リングゲート３２の下には、変調トランジスタＴｍの
チャネルを構成するＮ⁺拡散層１０５がある。

本実施の形態においては、ゲート絶縁膜１１０は、フォトダイオード形成領域ＰＤにお
いて、膜厚が段階的に変化する。即ち、フォトダイオード形成領域内の領域１０４ａにお
いて膜厚が最も薄く、領域１０４ｃにおいて膜厚が最も厚く、領域１０４ｂは中間の膜厚
である。即ち、ゲート絶縁膜１１０は、フォトダイオード形成領域ＰＤの周辺から変調ト
ランジスタＴｍに向かうにつれて、膜厚が厚くなるように構成されている。

また、本実施の形態においては、Ｎ⁺拡散層１０５は、ゲート絶縁膜１１０を介してイ
オン注入によって形成されており、Ｎ⁺拡散層１０５は、フォトダイオード形成領域ＰＤ
において、膜厚及び濃度が段階的に変化する。即ち、フォトダイオード形成領域内の領域
１０４ａにおいて膜厚が最も厚く濃度も濃く、領域１０４ｃにおいて膜厚が最も薄く濃度
も薄く、領域１０４ｂは中間の膜厚及び濃度である。即ち、フォトダイオード形成領域Ｐ
Ｄの周辺から変調トランジスタＴｍに向かうにつれて、膜厚が薄くなると共に濃度も薄く
なるように構成されている。

Ｐ型不純物層１０４とは逆導電型のＮ⁺拡散層１０５の膜厚及び濃度が段階的に変化す
ることから、Ｐ型不純物層１０４は、フォトダイオード形成領域ＰＤの周辺から変調トラ
ンジスタＴｍに向かうにつれて、段階的に濃度が濃くなるように変化する。

リングゲート３２の開口部分の中央の基板表面にはＮ⁺⁺拡散層が形成されてソース領域
（以下、単にソースともいう）３７が形成されている。変調トランジスタ形成領域ＴＭの
Ｎ型ウェル１０３上のＰ型不純物層１０４内には、リングゲート３２のリング形状に沿っ
て形成されたリング状の、Ｐ⁺拡散によるフローティングディフュージョン領域であるＰ
型の高濃度不純物領域のキャリアポケット１０７が形成されている。蓄積部としてのキャ
リアポケット１０７を含むＰ型不純物層１０４を含む蓄積ウェルが変調用ウェルとして機
能する。また、リングゲート３２の周囲のＮ⁺拡散層１０５は、ドレイン領域（以下、単
にドレインともいう）３８を構成する。

以上のように、変調トランジスタＴｍは、リングゲート３２と、リングゲート３２の中
央部のソース領域３７と、リングゲート３２の周囲のドレイン領域３８によって構成され
る。

また、図９に示すように、リングゲート３２の所定位置には、基板１０１表面近傍にＮ
⁺層のゲートコンタクト領域３３が形成される。ソース領域３７の所定位置には、基板１
０１表面近傍にＮ⁺層のソースコンタクト領域３４が形成される。ドレイン領域３８の所
定位置には、基板１０１表面近傍にＮ⁺層のドレインコンタクト領域３５が形成される。
なお、図１０に示すように、ソースコンタクト領域３４は、配線層１０８に接続され、ド
レインコンタクト領域３５は、配線層１０９に接続されている。

フォトダイオードの開口領域から入射した光によって発生した電荷（光発生電荷）は、
ゲート３２の下方のＰ型不純物層１０４に転送されて、この部分に形成されたキャリアポ
ケット１０７に蓄積される。キャリアポケット１０７に蓄積された光発生電荷によって変
調トランジスタＴｍの閾値電圧が変化する。これにより、入射光に対応した信号（画素信
号）を、トランジスタＴｍのソース領域３７から取り出すことができるようになっている
。

なお、基板表面には、図示しない層間絶縁膜を介して、各種配線層が形成され、上述し
た配線層１０８等と接続されている。

本実施の形態においては、光発生電荷の経路となるＰ型不純物層１０４には、フォトダ
イオード形成領域ＰＤからキャリアポケット１０７側に向かってポテンシャル勾配が設け
られている。即ち、Ｐ型不純物層１０４は、Ｐ型不純物の濃度が、周辺部から中心部に向
かって高くなるように形成されている。なお、図９の破線は、不純物濃度が変化する境界
を示している。

図１１は検出素子３１からの所定方向についてのポテンシャルの変化を示す説明図であ
る。図１１に示すように、Ｐ型不純物層１０４の周辺部から中心部に向かって、段階的に
不純物濃度を高くして、ポテンシャルを段階的に低くする。そして、高濃度不純物領域の
キャリアポケット１０７のところで最もポテンシャルを低くするようになっている。

このような構成によれば、フォトダイオード形成領域ＰＤは、周辺から中央の検出素子
３１に向うポテンシャル勾配を有する。このポテンシャル勾配によって、光発生電荷をキ
ャリアポケット１０７に移動させ易くなっている。フォトダイオードの周辺部からも効率
よく電荷を収集することができ、フォトダイオード形成領域ＰＤに発生した光発生電荷を
キャリアポケット１０７に短時間で収集することができる。

次に、受光素子２１の動作例を説明する。
まず、受光素子２１において、リングゲート３２に高い電圧を印加して、蓄積ウェルと
してのＰ型不純物層１０４内の電荷をＰ型基板１０１ａを通して掃き出すことによって、
リセット動作が行われる。

このリセット動作直後には、蓄積ウェル内には電荷はないので、蓄積ウェルが空の状態
における変調トランジスタＴｍの出力電圧を検出する。この出力電圧の検出動作が、ノイ
ズ成分の検出動作である。

次に、受光素子２１のフォトダイオード形成領域ＰＤに光が当っていれば、Ｐ型不純物
層１０４内に光発生電荷が生じる。この電荷の発生が所定時間継続され、その期間が、蓄
積期間となる。

蓄積期間の間に、光量に応じた光発生電荷がＰ型不純物層１０４内に保持される。更に
、光発生電荷はＰ型不純物層１０４内をキャリアポケット１０７まで移動する。変調トラ
ンジスタＴｍは、キャリアポケット１０７内に電荷が保持されることにより、バックゲー
トバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット１０７内の電荷量に応じてチ
ャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタＴｍの出力電圧は、キャリ
アポケット１０７内の電荷量に応じたもの、すなわち、フォトダイオード形成領域ＰＤの
受光量を示す電圧となる。この電圧の検出動作が、信号成分の検出動作となる。
ノイズ成分の電圧信号と信号成分の電圧信号は、それぞれ図示しないサンプルホールド
回路によりサンプルホールドされて、コンデンサに蓄積され、比較される。従って、いわ
ゆるＣＤＳ機能を有するラインセンサの受光素子が、実現される。

なお、本実施の形態に係る固体撮像素子においても、ゲート絶縁膜の膜厚を変化させる
手法は、図６乃至図８と同様であり、特に工程数を増加させることなく、１回のイオン注
入工程によって、Ｐ型不純物層１０４に濃度勾配を設けることができる。

このように本実施の形態においても、ピニング層としても機能する拡散層を形成するた
めの１回の不純物注入工程によって、Ｐ型不純物層１０４を周辺から中央のキャリアポケ
ット１０７に向けて濃度を次第に変化させている。これにより、Ｐ型不純物層１０４の周
辺から中央のキャリアポケット１０７に向かうポテンシャル勾配を発生させて、光発生電
荷がスムーズに移動することを可能にしている。こうして、フォトダイオード形成領域Ｐ
Ｄにおいて発生した光発生電荷をＰ型不純物層１０４の周辺から中央のキャリアポケット
１０７に短時間で移動させることができる。光発生電荷の高速転送が可能であるので、フ
ォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した光発生電荷の略全てをキャリアポケット１
０７に転送させることができ、結果的に高感度のセンサが得られる。このように、本実施
の形態においては、１回のイオン注入工程によって、光発生電荷の移動をスムーズにさせ
る濃度変化を生じさせることが可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範
囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を有するラインセンサが組み込まれた画像情報読取装置の構成を説明するための説明図。 図１の画像情報読取装置の読み取り機構を説明するための概略断面図。 ラインセンサチップ４の構成を説明するための模式的平面図。 第１の実施の形態に係る固体撮像素子を示す説明図である。 図４（ａ）のＡ−Ｂ線の断面図。 図４（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図。 図４（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図。 図４（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子の平面図。 図９のＶ−Ｖ線に沿った受光素子２１の断面図。 は検出素子３１からの所定方向についてのポテンシャルの変化を示す説明図。

符号の説明

２０３…不純物層、２０５…ゲート、２０６…不純物層、２０８…ゲート絶縁膜。

Claims (4)

1. 基板に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードと、前記フォトダイオ
   ードに発生した光発生電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された光発生電荷の
   電荷量を検出する検出部とを形成する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記フォトダイオードの形成領域において、前記基板に一方導電型の第１の不純物を導
   入して前記光発生電荷の転送経路となる第１の不純物層を形成する第１の工程と、
   前記フォトダイオードの形成領域において、前記基板表面に、前記蓄積部からの距離に
   応じて膜厚が段階的に変化する絶縁膜を形成する第２の工程と、
   前記フォトダイオードの形成領域において、前記絶縁膜を介して前記第１の不純物層に
   他方導電型の第２の不純物を導入して第２の不純物層を形成する第３の工程と
   を具備した固体撮像素子の製造方法。
2. 前記第２の工程は、
   基板表面の第１の領域に絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１の領域の一部の第２の領域から絶縁膜を除去する工程と、
   前記第１の領域に絶縁膜を形成し、２種類の膜厚部分を有する絶縁膜を形成する工程と
   前記第２の領域の一部の第３の領域から絶縁膜を除去する工程と
   前記第１の領域に絶縁膜を形成し、３種類の膜厚部分を有する絶縁膜を形成する工程と
   を含む請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記第１及び第２の領域は、前記フォトダイオードの形成領域と周辺回路の形成領域と
   を含む請求項２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれ１つに記載の固体撮像素子の製造方法を用いて製造した固体撮
   像素子。

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