JP2013042074A - 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】電荷の転送効率を向上させることができる固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置１０は、第１の不純物層２３、第２の不純物層２４、第３の不純物層２５、およびゲート電極２８、を具備する。第１の不純物層２３は、半導体基板１１に一定の深さを有するように形成され、照射された光に応じて電荷を発生させる。第２の不純物層２４は、第１の不純物層２３の表面に、所定の方向に向かって深さが浅くなるように形成される。所定の方向は、第１の不純物層２３から第３の不純物層２５に向かう方向である。第３の不純物層３５は、半導体基板１１の表面において、第１の不純物層２３および第２の不純物層２４と離間した位置に形成され、第１の不純物層２３で発生した電荷を電圧に変換する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。

一般に、固体撮像装置の画素部は、光の照射量に応じて電荷を発生させるフォトダイオードを有する。フォトダイオード（以下、ＰＤと称する）は、例えばｐ型のシリコン基板の表面に設けられたｎ型の不純物層からなる。また、ｎ型の不純物層の表面には、この表面の結晶欠陥を抑制するためにｐ型の不純物層が形成されている。

画素部において、シリコン基板上には、ＰＤに隣接する位置にゲート電極が形成されている。さらに、シリコン基板の表面において、ゲート電極に隣接する位置には、ｎ＋型の不純物層からなるフローティングディフージョン（ＦＤ）が形成されている。

このように構成された固体撮像装置の画素部は、ゲート電極に電圧を印加し、ゲート電極下のポテンシャルを深くすることにより、ＰＤにて発生した電荷をＦＤに転送することができる。

従来、ＰＤにて発生した電荷のＦＤへの転送効率を向上させるために、ＰＤを構成するｎ型の不純物層を、電荷の転送方向に向かって階段状に深く形成した固体撮像装置が知られている。このｎ型の不純物層は、複数回のイオン注入によって形成される。この固体撮像装置によれば、ＰＤにおいて、電荷の転送方向に向かって階段状に深くなるポテンシャルが形成されるため、電荷の転送効率が向上する。

特開２０１０−２６７７０９号公報

実施形態は、電荷の転送効率を向上させることができる固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

実施形態に係る固体撮像装置は、第１の不純物層、第２の不純物層、第３の不純物層、および電極、を具備する。前記第１の不純物層は、照射された光に応じて電荷を発生させる不純物層であって、半導体基板に一定の深さを有するように形成される。前記第２の不純物層は、前記第１の不純物層の表面に、所定の方向に向かって深さが浅くなるように形成される。前記所定の方向は、前記第１の不純物層から前記第３の不純物層に向かう方向である。前記第３の不純物層は、前記第１の不純物層において発生した電荷を電圧に変換する不純物層であって、前記半導体基板の表面において、前記第１の不純物層および前記第２の不純物層と離間した位置に形成される。前記電極は、前記第１の不純物層において発生した電荷を読みだして、前記第３の不純物層に転送するための電極であって、前記半導体基板の表面上において、前記第２の不純物層と前記第３の不純物層との間に形成される。

また、実施形態に係る固体撮像装置の製造方法は、第１の不純物層を形成する工程、凹部を有するレジスト層を形成する工程、第２の不純物層を形成する工程、第３の不純物層を形成する工程、および電極を形成する工程、を具備する。前記第１の不純物層を形成する工程は、半導体基板に、一度のイオン注入によって、一定の深さを有するように不純物層を形成する工程である。凹部を有するレジスト層を形成する工程は、前記半導体基板の表面上に、所定の方向に向かって膜厚が厚くなる凹部を有するレジスト層を、前記凹部が前記第１の不純物層上に配置されるように形成する工程である。前記第２の不純物層を形成する工程は、前記レジスト層を介して前記第１の不純物層の表面にイオンを注入することにより、前記所定の方向に向かって深さが浅くなる不純物層を形成する工程である。前記レジスト層の前記凹部および前記第２の不純物層における前記所定の方向は、前記第１の不純物層から前記第３の不純物層に向かう方向である。前記第３の不純物層を形成する工程は、前記第１の不純物層および前記第２の不純物層と離間した位置に、前記第１の不純物層に光が照射されることにより発生した電荷を電圧に変換して出力する不純物層を形成する工程である。前記電極を形成する工程は、前記半導体基板の表面上において、前記第２の不純物層と前記第３の不純物層との間に、前記第１の不純物層において発生した電荷を読みだして前記第３の不純物層に転送する電極を形成する工程である。

第１の実施形態に係る固体撮像装置を模式的に示す上面図である。 画素部の構造を示す上面図である。 図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す画素部の断面図である。 図１の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、フォトダイオード層の第１、第２の不純物層を形成する工程を示す、図３に相当する断面図である。 図１の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、レジスト層を形成する工程を示す、図３に相当する断面図である。 図１の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、フォトダイオード層の第３の不純物層を形成する工程を示す、図３に相当する断面図である。 図１の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、第４の不純物層を形成する工程を示す、図３に相当する断面図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部による電荷の転送動作を説明するための説明図であり、同図（ａ）は、ゲート電極に電圧が印加されていない場合において、画素部に形成されるポテンシャルを示し、同図（ｂ）は、ゲート電極に電圧が印加されている場合において、画素部に形成されるポテンシャルを示す。 凹部を有するレジスト層を形成するためのグレーティングマスクを説明するための図であり、同図（ａ）はグレーティングマスクの部分上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙ´に沿ったグレーティングマスクの部分断面図、同図（ｃ）はグレーティングマスクの透過率特性を示す。 図９に示すグレーティングマスクを用いて凹部を有するレジスト層を形成する方法を説明するための図であって、膜厚が一定のレジスト材を露光する工程を示す、図５に相当する断面図である。 図９に示すグレーティングマスクを用いて凹部を有するレジスト層を形成する方法を説明するための図であって、露光されたレジスト材を現像する工程を示す、図５に相当する断面図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部を示す、図３に相当する断面図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置において、凹部を有するレジスト層を形成するために用いるグレーティングマスクを説明するための図であり、同図（ａ）はグレーティングマスクの部分上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙ´に沿ったグレーティングマスクの部分断面図、同図（ｃ）はグレーティングマスクの透過率特性を示す。 図１２の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、レジスト材を露光する工程を示す、図１２に相当する断面図である。 図１２の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、露光されたレジスト材を現像する工程を示す、図１２に相当する断面図である。 図１２の固体撮像装置の製造方法を示す図であって、フォトダイオード層の第３の不純物層を形成する工程を示す、図１２に相当する断面図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部による電荷の転送動作を説明するための説明図であり、同図（ａ）は、ゲート電極に電圧が印加されていない場合において、画素部に形成されるポテンシャルを示し、同図（ｂ）は、ゲート電極に電圧が印加されている場合において、画素部に形成されるポテンシャルを示す。

以下に、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置を模式的に示す上面図である。図１に示す固体撮像装置１０において、例えばシリコンからなる半導体基板１１の表面には、四角形状の撮像領域１２が設けられている。撮像領域１２は、格子状に配列された複数の画素１３によって構成されている。なお、後述するように、垂直方向（図面縦方向）において隣接する２箇所の画素１３は、セルと称する画素部１４を構成する。

また、半導体基板１１の表面において、撮像領域１２に近接する位置には、垂直走査回路１５、水平走査回路１６、および信号出力回路１７が設けられている。

垂直走査回路１５および水平走査回路１６は、画素１３を選択し、選択した画素１３から電荷を読み出すための回路である。垂直走査回路１５は、撮像領域１２を構成する一辺Ｌｐに対して平行に設けられている。また、水平走査回路１６は、撮像領域１２を構成する他の一辺Ｌｈに対して平行、すなわち、辺Ｌｐに垂直な他の一辺Ｌｈに対して平行に設けられている。

信号出力回路１７は、各画素１３から読み出された電荷を画像信号として、固体撮像装置１０の外部に出力する回路であり、この回路１０の出力端には、画像信号を増幅する増幅器１７ａが接続されている。信号出力回路１７は、撮像領域１２の一辺Ｌｈと水平走査回路１６との間に、水平走査回路１６に沿って設けられている。

このように構成された固体撮像装置１０において、垂直走査回路１５および水平走査回路１６によって画素１３が選択されると、選択された画素１３から電荷が読み出される。読み出された電荷は、信号出力回路１７に転送され、画像信号として、固体撮像装置１０の外部に出力される。

図２は、撮像領域１２に設けられた画素部１４を拡大して示す模式的な上面図である。図２に示す画素部１４、すなわちセル１４は、２画素１セルタイプの画素部１４であり、２箇所の画素１３と、トランスファーゲート部１８と、フローティングディフュージョン部１９（以下、ＦＤ部１９と称する）と、リセットゲート部２０と、アンプゲート部２１と、により構成される。

トランスファーゲート部１８は、各画素１３において発生した電荷を読み出し、ＦＤ部１９に転送する電荷読み出し部である。トランスファーゲート部１８は、各画素１３の角部に相当する領域に、各画素１３に隣接して設けられている。

ＦＤ部１９は、各画素１３から転送された電荷を電圧信号に変換し、変換された電圧信号をアンプゲート部２１を介して信号出力回路１７に出力する信号出力部である。ＦＤ部１９は、各画素１３のトランスファーゲート部１８の間に設けられている。なお、信号出力回路１７に出力された電圧信号は、画像信号として、固体撮像装置１０の外部に出力される。

リセットゲート部２０は、ＦＤ部１９に近接する位置に設けられており、ＦＤ部１９に蓄積された余剰電荷を排出する。また、アンプゲート部２１は、リセットゲート部２０に近接する位置に設けられており、ＦＤ部１９で取り出された電圧を増幅して、信号出力回路１７に転送する。

図３は、図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す画素部１４の部分断面図である。図３に示す画素部１４において、ｐ−型の半導体基板１１には、フォトダイオード層２２（以下、ＰＤ層２２と称する）が埋め込まれている。ＰＤ層２２は、半導体基板１１の表面および裏面からそれぞれ露出するように、すなわち、半導体基板１１を貫通するように形成されている。

ＰＤ層２２は、低濃度不純物層２３ｌおよび高濃度不純物層２３ｈからなるｎ型の第１の不純物層２３と、この第１の不純物層２３の表面に形成されたｐ＋型の第２の不純物層２４と、によって構成されている。なお、第１の不純物層２３の低濃度不純物層２３ｌは半導体基板１１の裏面から露出し、第２の不純物層２４は半導体基板１１の表面から露出している。

第１の不純物層２３は、半導体基板１１の裏面側から受光した光に応じて電荷を発生させる光電変換層である。この層２３に含まれる低濃度不純物層２３ｌおよび高濃度不純物層２３ｈは、それぞれ一定の深さを有するように形成されている。

第２の不純物層２４は、半導体基板１１の表面から露出するＰＤ層２２の表面の結晶欠陥を抑制するためのバリア層である。この層２４は、図２、図３に示すように、ＦＤ部１９である第３の不純物層２５に向かって、すなわち、電荷の転送方向に向かって階段状に浅くなるように形成されている。

なお、第２の不純物層２４の最も深い部分の深さは、従来の固体撮像装置に形成される第２の不純物層と同程度の深さである。従って、第２の不純物層２４は、電荷の転送方向に向かって、従来の第２の不純物層より浅くなるように形成されている。これにより、第１の不純物層２３と第２の不純物層２４との境界部分に形成される空乏層は、従来より半導体基板１１の表面側に広がる。

また、半導体基板１１の表面において、ＰＤ層２２と離間した位置には、ｎ＋型の第３の不純物層２５が形成されている。第３の不純物層２５は、ＦＤ部１９を構成する。すなわち、ＰＤ層２２において発生した電荷は、ＦＤ部１９を構成する第３の不純物層２５に転送される。

このように構成された半導体基板１１の表面上には、酸化膜２６を介して配線層２７が形成されている。この配線層２７は、トランスファーゲート部１８を構成するゲート電極２８、リセットゲート部２０を構成するリセットゲート電極２９（図１１）、アンプゲート部２１を構成するアンプゲート電極（図示せず）、および、垂直走査回路１５、水平走査回路１６および信号出力回路１７（図１）と画素部１４の所定領域とを接続する配線３０を含む。

ゲート電極２８は、半導体基板１１の表面上の酸化膜２６上において、ＰＤ層２２と第３の不純物層２５との間に対応する位置に形成されている。このゲート電極２８は、例えばポリシリコンによって形成されたものである。

他方、半導体基板１１の裏面上には、第１の平坦化層３１、カラーフィルタ層３２、第２の平坦化層３３がこの順で積層されている。さらに第２の平坦化層３３の裏面上において、ＰＤ層２２に対応する位置には、マイクロレンズ３４が形成されている。マイクロレンズ３４は、半導体基板１１の裏面側から入射される光をＰＤ層２２に集光する。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法を説明する。この製造方法は、画素部１４の製造方法に特徴があり、それ以外の各部の製造方法は、一般に知られる方法により製造される。従って、以下に、画素部１４の製造方法を、図４乃至図６を参照して説明する。図４乃至図７は、画素部１４の製造方法を示す図３に相当する断面図である。なお、図４乃至図７は、任意の一つの画素１３と、この画素１３を含む画素部１４の製造方法を示すが、同一画素部１４内の他の画素１３、および他の全ての画素部１４は、図４乃至図７に示す各工程において、同時に形成される。

まず、図４に示すように、ｐ−型の半導体基板１１に、この基板１１を貫通するようにｎ−型の低濃度不純物層２３ｌを形成し、続いて、低濃度不純物層２３ｌを形成した領域と同じ領域に、所定の深さになるように、ｎ＋型の高濃度不純物層２３ｈを形成する。これにより、半導体基板１１に、第１の不純物層２３を形成する。

低濃度不純物層２３ｌは、半導体基板１１の表面上に酸化膜２６を介して、所定領域に開口部を有するレジスト層（図示せず）を形成し、このレジスト層をマスクとして用いて１回だけイオン注入することにより形成される。高濃度不純物層２３ｈは、低濃度不純物層２３ｌを形成するときに用いたレジスト層（図示せず）をマスクとして用いて、１回だけイオン注入することにより形成される。

第１の不純物層２３が形成された後、これらを形成するためのレジスト層は除去される。

次に、図５に示すように、半導体基板１１の表面上に酸化膜２６を介して、第１の不純物層２３が形成された領域上に凹部３５ａを有するレジスト層３５を形成する。レジスト層３５の凹部３５ａは、底面の厚さが、電荷の転送方向（図中の矢印Ａ方向）に向かって階段状に厚くなるように形成する。

このレジスト層３５は、下から順に第１乃至第５のレジスト膜３５１乃至３５５によって構成されており、膜厚が一定の第１のレジスト膜３５１上に、上層ほど開口面積が大きい開口部３５２ａ、３５３ａ、３５４ａ、３５５ａを有する第２乃至第５のレジスト膜３５２、３５３、３５４、３５５を、積層することにより形成される。

なお、レジスト層３５の凹部３５ａの底面の一部は、レジスト層３５を貫通していてもよい。この場合のレジスト層３５は、第２乃至第５のレジスト層３５２乃至３５５によって構成される。

次に、図６に示すように、図５に示す工程において形成されたレジスト層３５をマスクとして用いて、第１の不純物層２３の表面に所望のイオンを注入することにより、ｐ＋型の第２の不純物層２４を形成する。

この工程において、所望のイオンは、レジスト層３５の凹部３５ａの底面を突き抜けて第１の不純物層２３の高濃度不純物層２３ｈに到達するが、その深さは、底面の厚さに依存する。すなわち、所望のイオンは、凹部３５ａの底面の厚さが薄いほど、深部に到達する。従って、底面の厚さが電荷の転送方向に向かって階段状に厚くなるように形成された凹部３５ａを有するレジスト層３５をマスクとして用いて所望のイオンを注入すると、凹部３５ａの底面の厚さに応じて、電荷の転送方向に向かって階段状に深さが浅くなる第２の不純物層２４が形成される。

このようにＰＤ層２２が形成された後、第２の不純物層２４を形成するためのレジスト層３５を除去する。続いて、図７に示すように、ＰＤ層２２と離間した半導体基板１１表面の所定領域にｎ＋型の第３の不純物層２５を形成する。

なお、第３の不純物層２５は、ＰＤ層２２が形成される前に形成されてもよい。

この後、半導体基板１１の表面上に配線層２７を形成するとともに、半導体基板１１の裏面に、第１の平坦化層３１、カラーフィルタ層３２、第２の平坦化層３３、およびマイクロレンズ３４をこの順で形成する。これにより、図３に示す画素部１４を形成することができる。

このように形成された画素部１４は、ゲート電極２８に電圧を印加することにより、ＰＤ層２２で発生した電荷をＦＤ部１９に転送する。この画素部１４による電荷の転送動作について、図８を参照して説明する。図８は、画素部１４による電荷の転送動作を説明するための説明図であり、同図（ａ）は、ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合において、画素部１４に形成されるポテンシャルを示し、同図（ｂ）は、ゲート電極２８に電圧が印加されている場合において、画素部１４に形成されるポテンシャルを示す。

図８（ａ）に示すように、ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合において、画素１３およびＦＤ部１９のポテンシャルは、これらの周囲の半導体基板１１のポテンシャルより深くなっている。また、画素１３はｐ＋型の第２の不純物層２４を有しているのに対し、ＦＤ部１９はｎ＋型の第３の不純物層２５からなるため、画素１３のポテンシャルは、ＦＤ部１９のポテンシャルより浅くなっている。さらに、ｐ＋型の第２の不純物層２４の深さが、電荷の転送方向に向かって階段状に浅くなるように形成されているため、画素１３のポテンシャルは、電荷の転送方向に向かって階段状に深くなっている。

ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルは電位障壁となるため、画素１３において発生した電荷はＦＤ部１９に転送されず、画素１３に蓄積される。なお、このとき、画素１３において発生した電荷は、ポテンシャルが深い部分から順に蓄積される。

画素１３に電荷が蓄積された状態においてゲート電極２８に電圧を印加すると、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルが深くなる。例えば、ゲート電極２８に所望の電圧を印加し、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルを、画素１３より深くかつＦＤ部１９より浅くすると、画素１３に電荷が蓄積された電荷は、ＦＤ部１９に転送される。このとき、画素１３のポテンシャルは、電荷の転送方向に向かって階段状に深くなっているため、効率よく電荷を転送させることができる。

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置１０および固体撮像装置１０の製造方法によれば、ＦＤ層２２のｐ＋型の第２の不純物層２４は、その深さが電荷の転送方向に向かって浅くなるように形成されている。これにより、ＰＤ層２２は、電荷の転送方向に向かって深くなるポテンシャルを形成する。従って、電荷の転送効率を向上させることができる固体撮像装置１０および固体撮像装置１０の製造方法を提供することができる。

また、本実施形態に係る固体撮像装置１０および固体撮像装置１０の製造方法によれば、電荷の転送方向に向かって浅くなるｐ＋型の第２の不純物層２４を、裏面照射型の固体撮像装置に適用した。裏面照射型の固体撮像装置の場合、第２の不純物層２４は半導体基板１１の表面に形成されるのに対し、入射光Ｌは、半導体基板１１の裏面側から照射される（図３）。照射された入射光Ｌのうち、特に可視光は、ＰＤ層２２の裏面付近において光電変換されるが、第２の不純物層２４は入射光Ｌから見てＰＤ層２２の深部に存在する。従って、照射された入射光Ｌの可視光に対する光電変換領域は、波長によらずほぼ一定である。従って、本実施形態に係る裏面照射型の固体撮像装置、および裏面照射型の固体撮像装置の製造方法によれば、入射光Ｌの可視光に対する受光感度を、波長によらずほぼ一定にすることができる。

これに対して、第２の不純物層を表面照射型の固体撮像装置に適用すると、第２の不純物層は半導体基板の表面に形成されるのに対し、入射光も、半導体基板の表面側から照射される。すなわち、第２の不純物層は入射光から見てＰＤ層の表層部に存在する。従って、照射された入射光の可視光に対する光電変換領域は、短波長成分（青色成分）ほど狭くなる。従って、表面照射型の固体撮像装置によれば、入射光の短波長成分に対する受光感度を劣化させる。

（第１の実施形態の変形例）
図５に示すような、凹部３５ａを有するレジスト層３５の形成方法は、上述の形成方法に限定されず、例えば、露光光の透過率が場所によって異なるグレーティングマスクを用いて同様のレジスト層３５´を形成してもよい。以下に、グレーティングマスクを用いて凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´を形成する方法について、図９乃至図１１を参照して説明する。

図９は、凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´を形成するためのグレーティングマスク３６を説明するための図であり、同図（ａ）はグレーティングマスク３６の部分上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙ´に沿ったグレーティングマスク３６の部分断面図、同図（ｃ）はグレーティングマスク３６の透過率特性を示す。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、グレーティングマスク３６は、露光光をほとんど透過させない低透過領域３７と、露光光を透過させる透過領域３８と、によって構成される。

グレーティングマスク３６は、例えばガラス等の光透過性の基板上に、露光光を遮断する複数のドットを、これらの配列密度や面積を変えて形成することにより、露光光の透過率を調整したものである。低透過領域３７は、露光光がほとんど透過しないように、複数のドットを密に配列した領域、若しくは、面積が大きい複数のドットを配列した領域である。透過領域３８は、低透過領域３７におけるドットの密度よりも低密度で、複数のドットを配列した領域、若しくは、低透過領域におけるドットの面積よりも小さい面積の複数のドットを配列した領域である。

図９（ａ）に示すように、透過領域３８は、形成される画素１３に対応した形状である。このような透過領域３８は、一枚のグレーティングマスク３６に複数設けられている。複数の透過領域３８は、画素１３の配列に応じて格子状に配列されている。

各透過領域３８は、図９（ｃ）に示すように、透過領域３８における露光光の透過率が、図９（ａ）のＹからＹ´方向に向かって階段状に低下するように形成されている。

このような透過率特性を有する透過領域３８を、図９（ａ）のＹからＹ´方向に向かって、第１の透過領域３８１、第２の透過領域３８２、第３の透過領域３８３、第４の透過領域３８４に４分割すると、第１の透過領域３８１に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、第２の透過領域３８２に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積より小さくなっている。同様に、第２の透過領域３８２に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、第３の透過領域３８３に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積より小さくなっており、第３の透過領域３８３に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、第４の透過領域３８４に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積より小さくなっている。

このように、各領域３８１乃至３８４に形成されるドットの配列密度、もしくは面積を調節することにより、図９（ｃ）に示す透過率特性を実現することができる。

以下に、このように構成されたグレーティングマスク３６を用いて凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´を形成する方法について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０および図１１は、グレーティングマスク３６を用いて凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´を形成する方法を説明するための、図５に相当する断面図である。

図１０に示すように、半導体基板１１の表面上に、酸化膜２６を介して膜厚が一定のレジスト材３９を形成する。さらに、このレジスト材３９が形成された半導体基板１１上に、グレーティングマスク３６を、ＹからＹ´に向かう方向が、電荷の転送方向に一致するように配置する。この後、配置されたグレーティングマスク３６を用いて、レジスト材３９を露光する。

露光光は、グレーティングマスク３６の透過領域３８を透過するため、透過領域３８直下のレジスト材３９に照射される。透過領域３８の透過率は、第１の透過領域３８１、第２の透過領域３８２、第３の透過領域３８３、第４の透過領域３８４の順に低くなるため、第１の透過領域３８１の直下のレジスト材３９には、第２の透過領域３８２の直下のレジスト材３９よりも多くの露光光が照射される。同様に、第２の透過領域３８２の直下のレジスト材３９には、第３の透過領域３８３の直下のレジスト材３９よりも多くの露光光が照射され、第３の透過領域３８３の直下のレジスト材３９には、第４の透過領域３８４の直下のレジスト材３９よりも多くの露光光が照射される。

このように露光されたレジスト材３９を現像すると、図１１に示すように、レジスト材３９は、露光光が多く照射された領域ほど除去される。従って、電荷の転送方向に向かって底面の厚さが階段状に厚くなる凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´が形成される。このように凹部３５ａ´を有するレジスト層３５´を形成してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る固体撮像装置４０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、画素部１４のｐ＋型の第２の不純物層４１の形状が異なる。以下に、第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の画素部１４に形成された第２の不純物層４１について、図１２を参照して説明する。

図１２は、第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の画素部１４を示す、図３に相当する断面図である。図１２に示す固体撮像装置４０において、第２の不純物層４１は、ＦＤ部１９である第３の不純物層２５に向かって、すなわち、電荷の転送方向に向かって所定の領域までスロープ状に浅くなり、その後、深さが一定になるように形成されている。

第２の不純物層４１の最も深い部分の深さは、従来の固体撮像装置に形成される第２の不純物層と同程度の深さである。従って、第２の不純物層４１は、電荷の転送方向に向かって、従来の第２の不純物層より浅くなるように形成されている。これにより、第１の不純物層２３と第２の不純物層４１との境界部分に形成される空乏層は、従来より半導体基板１１の表面側に広がる。

なお、第２の不純物層４１は、ｎ＋型の第１の不純物層２３の高濃度不純物層２３ｈが半導体基板１１から露出しないように形成されれば、全体が、電荷の転送方向に向かってスロープ状に浅くなるように形成されてもよい。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置４０の製造方法を説明する。この製造方法は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法と比較して、第２の不純物層４１を形成する方法が異なる。本実施形態において、第２の不純物層４１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法の変形例と同様に、グレーティングマスク４２を用いて形成する。従って、以下に、グレーティングマスク４２を用いた第２の不純物層４１の形成方法を、図１３乃至図１６を参照して説明する。

図１３は、第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の製造方法において、凹部４３ａを有するレジスト層４３を形成するためのグレーティングマスク４２を説明するための図であり、同図（ａ）はグレーティングマスク４２の部分上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙ´に沿ったグレーティングマスク４２の部分断面図、同図（ｃ）はグレーティングマスク４２の透過率特性を示す。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、グレーティングマスク４２に形成される透過領域４４は、形成される画素１３に対応した形状である。このような透過領域４４は、一枚のグレーティングマスク４２に複数設けられている。複数の透過領域４４は、画素１３の配列に応じて格子状に配列されている。これらの点は、図９に示すグレーティングマスク３６と同様である。

しかし、本実施形態に係る固体撮像装置４０の製造方法に適用されるグレーティングマスク４２は、図９に示すグレーティングマスク３６と比較して、各透過領域４４の透過率特性が異なる。

図１３（ｃ）に示すように、各透過領域４４は、この領域４４における露光光の透過率が、図１３（ａ）のＹからＹ´方向に向かって所定領域までスロープ状に低下し、その後一定になるように形成されている。

以下、透過領域４４において、透過率がスロープ状に低下する領域を第１の透過領域４４１、透過率が一定の領域を第２の透過領域４４２、と称して説明する。

第１の透過領域４４１に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、図１３（ａ）のＹからＹ´方向に向かって除々に小さくなっている。第２の透過領域４４２に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、場所によらず一定である。そして、第１の透過領域４４１と第２の透過領域４４２との境界部分において、第２の透過領域４４２の境界部分に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積は、第１の透過領域４４１の境界部分に形成される複数のドットの配列密度若しくは面積に一致している。

このように、各領域４４１、４４２に形成されるドットの配列密度、もしくは面積を調節することにより、図１３（ｃ）に示す透過率特性を実現することができる。

以下に、このように構成されたグレーティングマスク４２を用いて第２の不純物層４１を形成する方法を、図１４乃至図１６を参照して説明する。図１４乃至図１６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の製造方法において、第２の不純物層４１の形成方法を説明するための、図１２に相当する断面図である。

図１４に示すように、ｎ型の第１の不純物層２３が形成された半導体基板１１の表面上に、酸化膜２６を介して膜厚が一定のレジスト材４５を形成する。さらに、このレジスト材４５が形成された半導体基板１１上に、図１３に示すグレーティングマスク４２を、ＹからＹ´に向かう方向が、電荷の転送方向に一致するように配置する。この後、配置されたグレーティングマスク４２を用いて、レジスト材４５を露光する。

露光光は、グレーティングマスク４２の透過領域４４を透過するため、透過領域４４直下のレジスト材４５に照射される。透過領域４４の透過率は、第１の透過領域４４１においてはＹからＹ´に向かってスロープ状に低下し、第２の透過領域４４２においては一定である。従って、第１の透過領域４４１の直下のレジスト材４５には、ＹからＹ´に向かってスロープ状に露光量が低下するように露光光が照射され、第２の透過領域４４２の直下のレジスト材４５には、場所によらず露光量が一定になるように露光光が照射される。

このように露光されたレジスト材４５を現像すると、図１５に示すように、レジスト材４５は、露光光が多く照射された領域ほど除去される。従って、電荷の転送方向に向かって所定領域までの底面の厚さはスロープ状に厚くなり、その後の底面の厚さは一定である凹部４３ａを有するレジスト層４３が形成される。

次に、図１６に示すように、図１５に示す工程において形成されたレジスト層４３をマスクとして用いて、第１の不純物層２３の表面に所望のイオンを注入することにより、ｐ＋型の第２の不純物層４１を形成する。

この工程において、所望のイオンは、凹部４３ａの底面の厚さが薄いほど、深部に到達する。従って、図１５に示すような凹部４３ａを有するレジスト層４３をマスクとして用いて所望のイオンを注入すると、凹部４３ａの底面の厚さに応じて、電荷の転送方向に向かって所定領域までスロープ状に深さが浅くなり、その後深さが一定になる第２の不純物層４１が形成される。

この後の第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の製造方法は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法と同様であるため、説明を省略する。

このように形成された第２の実施形態に係る固体撮像装置４０の画素部１４は、ゲート電極２８に電圧を印加することにより、ＰＤ層２２で発生した電荷をＦＤ部１９に転送する。この画素部１４による電荷の転送動作について、図１７を参照して説明する。図１７は、画素部１４による電荷の転送動作を説明するための説明図であり、同図（ａ）は、ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合において、画素部１４に形成されるポテンシャルを示し、同図（ｂ）は、ゲート電極２８に電圧が印加されている場合において、画素部１４に形成されるポテンシャルを示す。

図１７（ａ）に示すように、ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合において、画素１３およびＦＤ部１９のポテンシャルは、これらの周囲の半導体基板１１のポテンシャルより深くなっている。また、画素１３はｐ＋型の第２の不純物層４１を有しているのに対し、ＦＤ部１９はｎ＋型の第３の不純物層２５からなるため、画素１３のポテンシャルは、ＦＤ部１９のポテンシャルより浅くなっている。さらに、ｐ＋型の第２の不純物層４１の深さが、電荷の転送方向に向かって所定領域までスロープ状に浅くなっており、その後一定になるように形成されているため、画素１３のポテンシャルは、電荷の転送方向に向かって所定領域までスロープ状に深くなっており、その後一定になっている。

ゲート電極２８に電圧が印加されていない場合、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルは電位障壁となるため、画素１３において発生した電荷はＦＤ部１９に転送されず、画素１３に蓄積される。なお、このとき、画素１３において発生した電荷は、ポテンシャルが深い部分から順に蓄積される。

画素１３に電荷が蓄積された状態においてゲート電極２８に電圧を印加すると、図１７（ｂ）に示すように、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルが深くなる。例えば、ゲート電極２８に所望の電圧を印加し、ゲート電極２８の直下の半導体基板１１のポテンシャルを、画素１３より深くかつＦＤ部１９より浅くすると、画素１３に電荷が蓄積された電荷は、ＦＤ部１９に転送される。このとき、画素１３のポテンシャルは、電荷の転送方向に向かって階段状に深くなっているため、効率よく電荷を転送させることができる。

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置４０および固体撮像装置４０の製造方法であっても、ＰＤ層２２のｐ＋型の第２の不純物層４１は、その深さが電荷の転送方向に向かって浅くなるように形成されている。従って、電荷の転送効率を向上させることができる固体撮像装置４０および固体撮像装置４０の製造方法を提供することができる。

また、本実施形態に係る固体撮像装置４０および固体撮像装置４０の製造方法であっても、電荷の転送方向に向かって浅くなるｐ＋型の第２の不純物層４１を、裏面照射型の固体撮像装置に適用した。従って、本実施形態に係る裏面照射型の固体撮像装置４０および裏面照射型の固体撮像装置４０の製造方法であっても、入射光Ｌ（図１２）の可視光に対する受光感度を、波長によらずほぼ一定にすることができる。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、本実施形態に係る固体撮像装置１０、４０は裏面照射型の固体撮像装置であったが、実施形態において説明したＰＤ層２２の第２の不純物層２４、４１を、表面照射型の固体撮像装置に対して適用してもよい。なお、裏面照射型の固体撮像装置は、半導体基板１１の表面上に配線層２７が形成されるとともに、光は半導体基板１１の裏面側から照射されるものであるが、表面照射型の固体撮像装置は、半導体基板の表面上に配線層が形成されるとともに、光も半導体基板の表面側から照射されるものである。

また、画素部１４に含まれる画素数は２画素に限定されず、画素部に含まれる画素数は、例えば４画素でもよい。

１０、４０・・・固体撮像装置
１１・・・半導体基板
１２・・・撮像領域
１３・・・画素
１４・・・画素部（セル）
１５・・・垂直走査回路
１６・・・水平走査回路
１７・・・信号出力回路
１７ａ・・・増幅器
１８・・・トランスファーゲート部
１９・・・フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）
２０・・・リセットゲート部
２１・・・アンプゲート部
２２・・・フォトダイオード層（ＰＤ層）
２３・・・第１の不純物層
２３ｌ・・・低濃度不純物層
２３ｈ・・・高濃度不純物層
２４、４１・・・第２の不純物層
２５・・・第３の不純物層
２６・・・酸化膜
２７・・・配線層
２８・・・ゲート電極
２９・・・リセットゲート電極
３０・・・配線
３１・・・第１の平坦化層
３２・・・カラーフィルタ層
３３・・・第２の平坦化層
３４・・・マイクロレンズ
３５、３５´、４３・・・レジスト層
３５１・・・第１のレジスト膜
３５２・・・第２のレジスト膜
３５２ａ・・・開口部
３５３・・・第２のレジスト膜
３５３ａ・・・開口部
３５４・・・第２のレジスト膜
３５４ａ・・・開口部
３５５・・・第２のレジスト膜
３５５ａ・・・開口部
３５ａ、３５ａ´、４３ａ・・・凹部
３６、４２・・・グレーティングマスク
３７・・・低透過領域
３８、４４・・・透過領域
３８１、４４１・・・第１の透過領域
３８２、４４２・・・第２の透過領域
３８３・・・第３の透過領域
３８４・・・第４の透過領域
３９、４５・・・レジスト材

Claims (8)

1. 半導体基板に、一定の深さを有するように形成され、照射された光に応じて電荷を発生させる第１の不純物層と、
   この第１の不純物層の表面に、所定の方向に向かって深さが浅くなるように形成された第２の不純物層と、
   前記半導体基板の表面において、前記第１の不純物層および前記第２の不純物層と離間した位置に形成され、前記第１の不純物層において発生した電荷を電圧に変換する第３の不純物層と、
   前記半導体基板の表面上において、前記第２の不純物層と前記第３の不純物層との間に形成され、前記第１の不純物層において発生した電荷を読みだして、前記第３の不純物層に転送する電極と、
   を具備し、
   前記第２の不純物層における前記所定の方向は、前記第１の不純物層から前記第３の不純物層に向かう方向であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２の不純物層は、前記所定の方向に向かって、階段状に深さが浅くなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２の不純物層は、前記所定の方向に向かって、スロープ状に深さが浅くなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 第１の不純物層は、前記半導体基板の裏面側から照射された光に応じて電荷を発生させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板に、一度のイオン注入によって、一定の深さを有するように第１の不純物層を形成する工程と、
   前記半導体基板の表面上に、所定の方向に向かって膜厚が厚くなる凹部を有するレジスト層を、前記凹部が前記第１の不純物層上に配置されるように形成する工程と、
   このレジスト層を介して前記第１の不純物層の表面にイオンを注入することにより、前記所定の方向に向かって深さが浅くなる第２の不純物層を形成する工程と、
   前記第１の不純物層および前記第２の不純物層と離間した位置に、前記第１の不純物層に光が照射されることにより発生した電荷を電圧に変換して出力する第３の不純物層を形成する工程と、
   前記半導体基板の表面上において、前記第２の不純物層と前記第３の不純物層との間に、前記第１の不純物層において発生した電荷を読みだして前記第３の不純物層に転送する電極を形成する工程と、
   を具備し、
   前記レジスト層の前記凹部および前記第２の不純物層における前記所定の方向は、前記第１の不純物層から前記第３の不純物層に向かう方向であることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
6. 前記レジスト層を形成する工程は、前記レジスト層の前記凹部を、前記所定の方向に向かって、階段状に膜厚が厚くなるように形成する工程であり、
   前記第２の不純物層を形成する工程は、前記第２の不純物層を、前記所定の方向に向かって、階段状に深さが浅くなるように形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記レジスト層を形成する工程は、前記レジスト層の前記凹部を、前記所定の方向に向かって、スロープ状に膜厚が厚くなるように形成する工程であり、
   前記第２の不純物層を形成する工程は、前記第２の不純物層を、前記所定の方向に向かって、スロープ状に深さが浅くなるように形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 第１の不純物層は、前記半導体基板の裏面側から照射された光に応じて電荷を発生させることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。

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