JP2014033149A - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとする。
【解決手段】被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部３が２次元状に配設されたＣＣＤ型固体撮像素子１Ａにおいて、複数のセンサ部３は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）および第２センサ部（Ｂ画素のセンサ部３）が交互に配設され、長い電荷蓄積時間の第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の第２センサ部（Ｂ画素のセンサ部３）の電荷蓄積時間が設けられている。複数のセンサ部３の電荷を基板側に排出してリセットするＣＣＤ型固体撮像素子１Ａにおいて、第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）のＮ拡散層直下のＰウェル領域７内に高濃度Ｐウェル領域８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置およびカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

この種の従来のＣＣＤ型固体撮像素子は、受光面に縦および横方向に配置された複数のセンサ部（受光部）からなる光電変換素子と、この光電変換素子の垂直方向に配置される垂直電荷転送部としての複数の垂直ＣＣＤと、複数の垂直ＣＣＤの終端側に配置される水平電荷転送部としての水平ＣＣＤと、この水平ＣＣＤの終端側に配置されるフローティングディフージョン部（ＦＤ部）と、このＦＤ部の各画素毎の信号電荷の変位を増幅して各画素毎の撮像信号に順次変換する出力回路とを備えている。

従来のＣＣＤ型固体撮像装置は、発生した信号電荷が有効に蓄積されるのは、垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）に到達する電荷に対応する光量が標準光量の３倍程度までであり、それ以上の光量については、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、入射光量に応じた信号電荷の蓄積ができず、ほぼ同じ量の信号電荷が蓄積されることになる。このため、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、被写体の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い画像となってしまう。

例えば部屋の中から外を撮像した場合に、部屋の中は暗く見えて外の景色は白くなってしまう。このような場合に部屋の中か外かのいずれかに光量を合わせると、他方の色がとんでしまう。

これを解決するために、特許文献１では、マトリクス状に設けられた複数のセンサ部に、明部用の多量の光量を貯められるセンサ部と、暗部用の少量の光量しか貯められないセンサ部との２種類のセンサ部を設けることにより、撮影中で両方の光量の画像を撮影することができる。

通常の基板表面に形成される第１のセンサ部とそのセンサ部よりも深い位置に別のセンサ部を配置し、この２つのセンサ部の間に形成したチャネルストップ部を配置した構造を備えている。第１のセンサ部と第２のセンサ部に蓄積された電荷読み出しに２種類の読み出し電圧を読み出し電極に印加することにより、従来の高ダイナミックレンジの固体撮像素子を得ている。

図７は、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の平面図である、図８は、図７の縦方向のＡ−Ａ’線縦断面面であり、図９は、図７の横方向のＢ−Ｂ’線縦断面図である。

図７〜図９に示すように、従来の固体撮像素子１００は、半導体基板１０１表面に、複数の画素領域（複数のセンサ部）がＸ方向およびＹ方向に等間隔にマトリクス状に配列されている。隣接する画素領域はチャネルストップ１０２によって分離されている。上記半導体基板１０１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１０１上の構成について説明する。

半導体基板１０１上には、絶縁膜１０３を介して４相駆動の転送電極１０４〜１０７が形成されている。これらのうち、転送電極１０４、１０６は同一層のポリシリコンで形成され、転送電極１０５、１０７は同一層でかつ上記転送電極１０４、１０６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１０４〜１０７は２層のポリシリコン層で形成されている。各転送電極１０４〜１０７間は絶縁膜１０８で電気的に分離されている。さらに転送電極１０４〜１０７および第１センサ部１０９上の一部は遮光膜１１０で覆われており、その遮光膜１１０の第１センサ部（電荷蓄積部）１０９上に光取入窓の開口部１１１が設けられている。

次に、半導体基板１０１中の構成について説明する。

半導体基板１０１中には、電荷蓄積部となる複数の第１センサ部１０９が半導体基板１０１表面に対してＸ方向およびＹ方向に等間隔に配列するように形成されている。第１センサ部１０９は、入射光を光電変換すると共に、光電変換された信号電荷の蓄積を行うものであり、上層にＰ型層１０９ａが形成され、その下層にＮ型層１０９ｂが形成されている。

列方向に配列された複数の第１センサ部１０９の行方向の一方側には読み出し部が形成され、この読み出し部を介して垂直方向に信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）１１２が形成されている。

この垂直電荷転送部１１２は下層に形成されたＰ型層とその上層に形成されたＮ型層とからなっている。また、上記列方向に配列された第１センサ部１０９の他方側の側部にはチャネルストップ１０２が形成され、このチャネルストップ１０２に連続して、上記各第１センサ部１０９、１０９間のＸ方向における各第１センサ部１０９側部にチャネルストップ１０２が延長形成されている。したがって、チャネルストップ１０２は画素間を分離している。

また、少なくとも第１センサ部１０９の一部下方に第２センサ部１１３が形成されていると共に、少なくとも第１センサ部１０９と第２センサ部１１３との間に深部チャネルストップ１１４が形成されている。

具体的には、垂直電荷転送部１１２の下部および第１センサ部１０９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１１３が形成されている。また、第１センサ部１０９と第２センサ部１１３との間および第２センサ部１１３の側部には連続した状態に深部チャネルストップ１１４が形成されている。深部チャネルストップ１１４は、チャネルストップ１０２下部に接続されている。

さらに、半導体基板１０１の最深部、即ち、第２センサ部１１３および深部チャネルストップ１１４よりも深い位置における半導体基板１０１には、オーバーフローバリア層１１５が形成されている。

入射光を光電変換する第１センサ部１０９と、第１センサ部１０９から読み出された信号電荷の電荷転送を行う電荷転送部１１２とを基板（半導体基板１０１）に備えた従来の固体撮像素子１００であって、この従来の固体撮像素子１００は、少なくとも第１センサ部１０９の一部下方に形成した第２センサ部１１３と、半導体基板１０１内であり、少なくとも第１センサ部１０９と第２センサ部１１３との間に形成した深部チャネルストップ１１４とを備えている。

これによって、通常の基板表面に形成される浅い位置の第１センサ部１０９と、第１センサ部１０９よりも深い位置に別の第２センサ部１１３を設けて１画素に第１センサ部１０９と第２センサ部１１３を設けたことにより、軟らかい光による電荷は浅い側の第１センサ部１０９に溜まり、強烈光による電荷は深い側の第２センサ部１１３に溜まって、従来の固体撮像素子１００の画素面積を増大させることなくダイナミックレンジの拡大を可能としている。

特開２００５−３２７８３５号公報

特許文献１に開示されている上記従来の固体撮像素子１００では、浅い側の第１のセンサ部１０９と、深い側の第２のセンサ部１１３と、これらの２つのセンサ部１０９，１１３の間に配置された深部チャネルストップ１１４とを形成するために、マスクを何枚にも分けて製造する必要があって製造工程が複雑になるという問題がある。

また、２種類の読み出し電圧を転送電極１０４〜１０７に印加することにより、浅い側の第１のセンサ部１０９に蓄積された信号電荷と、深い側の第２のセンサ部１１３に蓄積された信号電荷とを区別して垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）１１２に読み出している。このため、最初、浅い第１のセンサ部１０９から低い電圧で信号電荷を読み出し、次に、深い第２のセンサ部１１３から高い電圧で信号電荷を読み出すが、このとき、高い電圧で浅い第１のセンサ部１０９からも電荷が読み出される虞もあって、画素特性のばらつきによる画素特性の劣化が生じることになる。しかも、２種類の読み出し電圧と、転送電圧と、電荷保持電圧との４値の電圧制御になって制御も複雑になる。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部が２次元状に配設された固体撮像素子において、該複数のセンサ部は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部および第２センサ部が２次元状に周期的に分散して配設され、長い電荷蓄積時間の該第１センサ部の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の該第２センサ部の電荷蓄積時間が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記第１センサ部および前記第２センサ部の電荷をリセットする第１シャッタ電圧が、該第２センサ部の電荷のみをリセットする第２シャッタ電圧よりも高い電圧である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数のセンサ部の電荷を基板側に排出してリセットする固体撮像素子において、前記第１センサ部の一方導電型拡散層直下の他方導電型ウェル領域内に他方導電型高濃度ウェル領域が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記他方導電型高濃度ウェル領域は、前記第１センサ部の底面部を含むように該底面部よりも広く設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記他方導電型高濃度ウェル領域は、前記第１センサ部の底面部から断面角部を介して側面下部を覆うように設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記センサ部下の領域に前記他方導電型ウェル領域よりも高い濃度の前記他方導電型高濃度ウェル領域が配設された画素と、該センサ部下の領域に該他方導電型高濃度ウェル領域が配設されいない画素とが２次元状に周期的に分散して配設され、これらの両画素は、基板側に電荷を排出する異なるシャッタ電圧の基板側への印加タイミングに応じて電荷蓄積時間が異なっている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数のセンサ部の電荷を、他方導電型ウェル領域から一方導電型ウェル領域を介して基板側に排出してリセットする固体撮像素子において、該一方導電型ウェル領域の層厚が、前記短い電荷蓄積時間の第２センサ部の下方位置でそれ以外の位置よりも厚く構成されている。

本発明の固体撮像素子は、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部が２次元状に配設された固体撮像素子において、該複数のセンサ部は、電荷蓄積量が異なる第１センサ部および第２センサ部が２次元状に周期的に分散して配設され、該第２センサ部の一方導電型拡散層の層厚が該第１センサ部の一方導電型拡散層の層厚よりも厚く構成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２センサ部の一方導電型拡散層の層厚が前記第１センサ部の一方導電型拡散層の層厚よりも厚く構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１センサ部および前記第２センサ部の各一方導電型拡散層の層厚は同一である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における２次元状に分散して配設された第１センサ部および第２センサ部または両画素は交互に配置されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子はＣＣＤ型固体撮像素子またはＣＭＯＳ型固体撮像素子である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記固体撮像素子を製造する方法であって、前記第１センサ部の一方導電型拡散層下の他方導電型ウェル領域内に他方導電型高濃度ウェル領域を、フォトマスクをマスクとして不純物イオン注入により形成する他方導電型高濃度ウェル領域形成工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における第１センサ部の底面部よりも広く設けるかまたは、該第１センサ部の底面部から断面角部を介して側面下部を覆うように、不純物イオン注入角度を所定角度傾斜させて不純物イオン注入を行うことにより前記他方導電型高濃度ウェル領域を形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記固体撮像素子を製造する方法であって、前記一方導電型ウェル領域の層厚を、前記短い電荷蓄積時間の第２センサ部の下方位置でそれ以外の位置よりも厚くなるように該一方導電型ウェル領域を前記第１センサ部および該第２センサ部の下方一面に不純物イオン注入により形成する一方導電型ウェル領域形成工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記固体撮像素子を製造する方法であって、前記第２センサ部の層厚を前記第１センサ部の層厚よりも厚くなるように、該第１センサ部および該第２センサ部の各領域にマスクを用いて不純物イオン注入を行うセンサ部形成工程を有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部が２次元状に配設された固体撮像素子において、複数のセンサ部は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部および第２センサ部が２次元状に周期的に分散して配設され、長い電荷蓄積時間の該第１センサ部の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の該第２センサ部の電荷蓄積時間が設けられている。

これによって、その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることが可能となる。

以上により、本発明によれば、その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることができる。

本発明の実施形態１におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図１のＡ画素とＢ画素の配置例の単位構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、センサ部電荷蓄積時間に対するセンサ部電荷蓄積量を示す図であり、（ｂ）は、時間に対するシャッタパルス電圧を示す図である。 図１のＣＣＤ型固体撮像素子の変形例を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２のいずれかのＣＣＤ型固体撮像素子を含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の平面図である、 図７の縦方向のＡ−Ａ’線縦断面面である。 図７の横方向のＢ−Ｂ’線縦断面図である。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態１、２および、この固体撮像装置の実施形態１、２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態１におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。

図１において、本実施形態１のＣＣＤ型固体撮像素子１Ａの各画素にはそれぞれ、Ｎ型の半導体基板２の表面部に、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数のフォトダイオード部である複数のセンサ部３が設けられ、各センサ部３に隣接してセンサ部３からの信号電荷を所定方向（垂直方向）に電荷転送するための電荷転送部４およびこの上にこれを電荷転送制御するための電荷転送電極としてのゲート電極５がゲート絶縁膜６を介して配置されている。このゲート電極５は、電荷転送機能の他にセンサ部３から電荷転送部４に信号電荷を読み出す機能も兼用している。

電荷転送部４の反対側のセンサ部３との間には、互いに対応しないフォトダイオード部であるセンサ部３と電荷転送部４が電気的に絶縁されるように、ここでは図示しないストッパ層が配置されている。

このゲート電極５上にはこれを覆うように絶縁膜を介して、入射光がゲート電極５で反射してノイズが発生するのを防ぐために、ここでは図示しない遮光膜が形成されている。

これらのゲート電極５によって遮光膜には段差部が生じている。センサ部３の上方は遮光膜が凹部になっており、その凹部の底に、光取入窓を構成する、ここでは図示しない遮光膜の開口部が形成されている。

基板表面に形成されるＡ画素のセンサ部３（第１センサ部）よりも深い位置には、Ｐウェル領域７よりも高い濃度の高濃度Ｐウェル領域８を配置している。高濃度Ｐウェル領域８は、Ａ画素のセンサ部３（第１センサ部）の直下に設けられている。Ａ画素の隣にあるＢ画素のセンサ部３（第２センサ部）の直下には、この高濃度Ｐウェル領域８は配置していない。これらのセンサ部３および高濃度Ｐウェル領域８の下方の一面にＮウェル領域９が形成されている。

要するに、複数のセンサ部３の電荷をＮウェル領域９を介して半導体基板２の裏面側に排出して複数のセンサ部３の電荷量を０にリセットするＣＣＤ型固体撮像素子１において、第１センサ部であるＡ画素のセンサ部３のＮ拡散層直下のＰウェル領域７内に高濃度Ｐウェル領域８が設けられている。高濃度Ｐウェル領域８は、第１センサ部であるＡ画素のセンサ部３の底部を含むように底部（底面）よりも面積が広く形成されている。

図２は、図１のＡ画素とＢ画素の配置例の単位構成を模式的に示す平面図である。なお、Ａ画素とＢ画素が互いに交互に隣接する配置に限定されない。例えば二つのＡ画素と二つのＢ画素とが交互に隣接する配置でもよい。要するに、Ａ画素とＢ画素がとが２次元状に周期的に分散配置されていればよい。

図２に示すように、Ａ画素とＢ画素の単位構成は、ここでは４画素を示している。Ａ画素とＢ画素は互いに交互に隣接するように配置されている。縦方向に、蓄積電荷時間が長い暗用のＡ画素ののセンサ部３次には、蓄積電荷時間が短い明用のＢ画素のセンサ部３が配列され、さらに次には、蓄積電荷時間が長い暗用のＡ画素のセンサ部３が配列されている。

また、横方向には、蓄積電荷時間が長い暗用のＡ画素のセンサ部３の次には、電荷転送部４を介して、蓄積電荷時間が短い明用のＢ画素のセンサ部３が配列され、さらにその次には、電荷転送部４を介して、蓄積電荷時間が長い暗用のＡ画素のセンサ部３が配列されている。

暗用のＡ画素のセンサ部３と明用のＢ画素のセンサ部３とが２次元状に均等（周期的）に分散されて配置されている。Ａ画素のセンサ部３だけにはその直下に高濃度Ｐウェル領域８が障壁層として設けられて、高い電圧のシャッタ電圧Ａ（第１シャッタ電圧）によりＡ画素およびＢ画素の各センサ部３の蓄積電荷が基板側に排出されるのに対して、低い電圧のシャッタ電圧Ｂ（第２シャッタ電圧）では、高濃度Ｐウェル領域８が障壁層として存在するため、Ａ画素のセンサ部３の蓄積電荷は基板側に排出されず、リセットされない。一方、明用のＢ画素ではセンサ部３の直下に高濃度Ｐウェル領域８が障壁層として設けられていないために、低い電圧のシャッタ電圧Ｂ（第２シャッタ電圧）によってＢ画素のセンサ部３の蓄積電荷のみが基板側に排出されてリセットされる。

要するに、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部３が２次元状に配設されたＣＣＤ型固体撮像素子１Ａにおいて、複数のセンサ部３は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部としてのＡ画素のセンサ部３および第２センサ部としてのＢ画素のセンサ部３が２次元状に交互に配設され、長い電荷蓄積時間の第１センサ部としてのＡ画素のセンサ部３の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の第２センサ部としてのＡ画素のセンサ部３の電荷蓄積時間が設けられている。

第１センサ部としてのＡ画素のセンサ部３および第２センサ部としてのＢ画素のセンサ部３の各電荷をリセットするシャッタ電圧Ａ（第１シャッタ電圧）が、第２センサ部としてのＢ画素のセンサ部３の電荷のみをリセットするシャッタ電圧Ｂ（第２シャッタ電圧）よりも高い電圧である。

上記構成により、本実施形態１の固体撮像素子の動作を説明する。

図３（ａ）は、センサ部電荷蓄積時間に対するセンサ部電荷蓄積量を示す図であり、図３（ｂ）は、時間軸に対するシャッタパルス電圧を示す図である。

まず、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、電荷蓄積開始前に半導体基板２のＮウェル領域９（基板側）に高い電圧のシャッタ電圧Ａ（第１シャッタ電圧）を印加して各画素Ａ，Ｂのセンサ部３の蓄積電荷をリセットする。即ち、高い電圧のシャッタ電圧Ａを印加して各画素Ａ，Ｂのセンサ部３に残っている電荷を全て、各センサ部３からＰウェル領域７、さらにＮウェル領域９を介して半導体基板２側に排出して電荷を捨ててから各画素Ａ，Ｂの各センサ部３の電荷蓄積を開始する。このシャッタ電圧Ａを基板側（基板側のＮウェル領域９）に印加するタイミングで各画素Ａ，Ｂの各センサ部３の電荷蓄積を開始している。

次に、図３（ｂ）に示すように、この蓄積時間内（この画素Ａの蓄積時間の途中）に、シャッタ電圧Ａよりも低い電圧のシャッタ電圧Ｂ（第２シャッタ電圧）を半導体基板２のＮウェル領域９（基板側）に印加することにより、Ｂ画素のみ、Ｂ画素のセンサ部３に蓄積された電荷が半導体基板２側にＮウェル領域９を介して排出されて捨てられ、残りの電荷蓄積時間内での信号電荷が蓄積されることになる。

その後、読み出し電圧を読み出し電極のゲート電極５に印加することにより、蓄積電荷の高いＡ画素（蓄積電荷時間の長いＡ画素）の電荷と、蓄積電荷の低いＢ画素（蓄積電荷時間の短いＢ画素）の電荷とをＣＣＤに画素毎に読み出して、転送駆動電圧をゲート電極５に印加して垂直方向に各画素毎の信号電荷を順次電荷転送する。垂直方向に各画素毎に電荷転送された各信号電荷を水平方向に順次電荷転送した後に、各画素毎に信号電荷を電圧変換しその変換電圧に応じて増幅して各撮像信号として順次出力する。

これによって、従来例で示したように製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジの特性を持つＣＣＤ型固体撮像素子１Ａを得ることが可能となる。

ここで、本実施形態１のＣＣＤ型固体撮像素子１Ａの製造方法について説明する。

まず、Ｎ型の半導体基板２上にゲート酸化膜６を形成した後に、複数のセンサ部３の下方における半導体基板２の深い部分一面に、基板側（基板側のＮウェル層９）への電荷掃き出し用のＮウェル層９をＮ型不純物のイオン注入によって形成し、このＮウェル層９の上にＰウェル層７をＰ型不純物のイオン注入によって形成する。

次に、半導体基板２のＰウェル層７内で、フォトレジストマスクをマスクとして、光電変換を行う複数のＡ画素およびＢ画素の複数のＮ型のセンサ部３を２次元状でマトリクス状にＮ型の不純物イオン注入により形成する。さらに、別のフォトレジストマスクをマスクとして、センサ部３間で、センサ部３の近傍位置に垂直方向に電荷転送部４をＮ型の不純物イオン注入により形成する。

その後 Ａ画素のみにセンサ部３直下の深い領域にＰ型不純物をイオン注入して高濃度Ｐウェル領域８を形成する。不純物注入方法は、フォトレジストマスクをパターン形成し、これをマスクとして不純物イオン注入を行う。このときの不純物注入種は、Ｐ型のボロン注入を実施する。

要するに、第１センサ部としてＡ画素のセンサ部３のＮ拡散層の下方のＰウェル領域７内に高濃度Ｐウェル領域８を、フォトマスクをマスクとして不純物イオン注入により形成する高濃度Ｐウェル領域形成工程を有している。この場合、第１センサ部としてＡ画素のセンサ部３の底面部よりも広く設けるように、不純物イオン注入角度を所定角度だけ傾斜させて不純物イオン注入を行うことにより高濃度Ｐウェル領域８を形成する。

続いて、電荷転送部４上にゲート酸化膜６を介して、フォトレジストマスクをマスクとしてゲート電極５を形成する。その上に絶縁膜を介して遮光膜を形成し、センサ部３上の遮光膜を光取入窓として開口する。さらに、この遮光膜の段差部を層間絶縁膜により埋め込んでその表面を平坦化する。さらに、その上に所定の色配列のカラーフィルタを形成し、このカラーフィルタ上に平坦化膜を介してマイクロレンズを形成する。これらのマイクロレンズおよびカラーフィルタはそれぞれ、センサ部３毎にそれぞれ対応して配置されている。

以上により、本実施形態１によれば、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部３が２次元状に配設されたＣＣＤ型固体撮像素子１Ａにおいて、複数のセンサ部３は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）および第２センサ部（Ｂ画素のセンサ部３）が交互に配設され、長い電荷蓄積時間の第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の第２センサ部（Ｂ画素のセンサ部３）の電荷蓄積時間が設けられている。複数のセンサ部３の電荷を基板側に排出してリセットするＣＣＤ型固体撮像素子１Ａにおいて、第１センサ部（Ａ画素のセンサ部３）のＮ拡散層直下のＰウェル領域７内に高濃度Ｐウェル領域８が設けられている。

これによって、従来例で示される第１センサ部、第２センサ部、第１センサ部と第２センサ部の間のチャネルストップ部の形成方法に比べて遥かに簡便な方法にて、従来例のようにその駆動制御をも複雑にならず、従来例のように画素特性の劣化を引き起こすこともなく、画素特性の劣化のない高いダイナミックレンジを持つ固体撮像素子１Ａを得ることができる。

なお、本実施形態１では、高濃度Ｐウェル領域８はＡ画素のセンサ部３の直下にのみ設けたが、これに限らず、図４で後述する高濃度Ｐウェル領域８ＢはＡ画素のセンサ部３の直下（底面）だけではなく、Ａ画素のセンサ部３の底面部からその周辺部までを取り囲み、下からＡ画素のセンサ部３を受けるように高濃度Ｐウェル領域をトレー状に形成してもよい。要するに、Ａ画素のセンサ部３の少なくとも断面下側角部をも高濃度Ｐウェル領域８Ｂが覆っていることから、電荷保持が確実になる。このことを図４を用いて詳細に説明する。

図４は、図１のＣＣＤ型固体撮像素子１Ａの変形例を模式的に示す縦断面図である。なお、図４では、図１の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子１Ｂでは、ＣＣＤ型固体撮像素子１Ａの構成と異なるのは、濃度Ｐウェル領域８Ｂの領域がＡ画素のセンサ部３の直下の底面だけに設けられているのではなく、Ａ画素のセンサ部３の底面から受けてその上方の周辺部までを覆って側面の一部を取り囲むように高濃度Ｐウェル領域８Ｂをトレー状に形成した点である。これを製造するには、高濃度Ｐウェル領域８Ｂの不純物イオン注入時に、不純物イオン注入角度を３０度程度に左右および前後に傾けてそれぞれ不純物イオン注入を行うと、Ａ画素のセンサ部３の底面部分から断面角部分さらに側面部分の一部をを覆って取り囲むようにトレー状の高濃度Ｐウェル領域８Ｂを形成することができる。

即ち、Ａ画素のセンサ部３の底面部から断面角部を介して４側面の一部を覆うように、不純物イオン注入角度を所定角度だけ傾斜（ここでは角度３０度）させて高濃度Ｐウェル領域８を不純物イオン注入により形成する。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２におけるＣＣＤ型固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。図５では、図１の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５において、本実施形態２のＣＣＤ型固体撮像装置１Ｃは、上記実施形態１のＣＣＤ型固体撮像素子１Ａの構成と異なるのは、高濃度Ｐウェル領域８の領域がＡ画素のセンサ部３の直下に設けられているのに代えて、Ｎウェル領域９の厚さをＢ画素のセンサ部３の直下だけそれ以外の位置に比べて厚く構成してＢ画素のセンサ部３からの電荷の基板側への掃き出しを容易にしてより低電圧でＢ画素のセンサ部３のみ信号電荷をリセットすることができるようにした点である。このように、Ｎウェル領域９の厚さをＢ画素のセンサ部３の直下でのみ厚くしてＮウェル領域９とＢ画素のセンサ部３との距離を縮小している。

要するに、高い電圧のシャッタ電圧ＡによりよりＡ画素のセンサ部３とＢ画素のセンサ部３との電荷をそれぞれリセットでき、低い電圧のシャッタ電圧Ｂにより、Ｂ画素のみ、Ｂ画素のセンサ部３に蓄積された電荷を半導体基板２側にＮウェル領域９を介して排出されて捨てられ、残りの電荷蓄積時間内で信号電荷が蓄積される。

このようにして、蓄積電荷時間が長い暗用のＡ画素と、蓄積電荷時間が短い明用のＢ画素とが交互に配列されている。暗用のＡ画素と明用のＢ画素とが均等に２次元状に分散されて配置されている。ここでは、Ｂ画素の直下だけにＮウェル領域９の厚さを厚くして、低い電圧のシャッタ電圧ＢによってＢ画素のセンサ部３の蓄積電荷だけが基板側に排出される。

以上により、本実施形態２によれば、複数のセンサ部３の電荷を、Ｐウェル領域７からＮウェル領域９を介して基板側に排出してリセットするＣＣＤ型固体撮像素子１Ｃにおいて、Ｎウェル領域９の厚さが、短い電荷蓄積時間の第２センサ部としてＢ画素のセンサ部３の下方位置で厚く構成されている。

この場合にも、電荷蓄積時間の異なるＡ画素およびＢ画素を交互に配設して、長い電荷蓄積時間のＡ画素の途中に、短い電荷蓄積時間のＢ画素のリセットタイミングを設けて、同時にＡ画素およびＢ画素の電荷蓄積を行うことができる。

これによって、従来例のようにその製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることができる。

なお、本実施形態２では、Ｎウェル領域９の厚さをＢ画素のセンサ部３の直下だけ厚く構成した場合について説明したが、これに限らず、これに加えて、上記実施形態１のように、Ａ画素のセンサ部３だけのＮ拡散層直下のＰウェル領域７内に高濃度Ｐウェル領域８を設けてもよい。

なお、本実施形態２では、Ｎウェル領域９の厚さをＢ画素のセンサ部３の直下だけそれ以外の位置に比べて厚く構成した場合について説明したが、これに限らず、これに加えてまたはこれとは別に、Ｂ画素のセンサ部３の深さをＡ画素のセンサ部３の深さに比べて深く構成してもよい。または、上記実施形態１では、高濃度Ｐウェル領域８はＡ画素のセンサ部３の直下にのみ設けたが、これに限らず、これに加えてまたはこれとは別に、Ｂ画素のセンサ部３の深さをＡ画素のセンサ部３の深さに比べて深く構成してもよい。

さらに、高濃度Ｐウェル領域８はＡ画素のセンサ部３の直下にのみ設けた上記実施形態１の構成と、Ｎウェル領域９の厚さをＢ画素のセンサ部３の直下だけ厚く構成した本実施形態２の構成とを共に設け、さらにこれに加えて、Ｂ画素のセンサ部３の深さ（層厚）をＡ画素のセンサ部３の深さ（層厚）に比べて深く構成してもよい。

なお、本実施形態１、２では、特に説明しなかったが、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部３が２次元状に配設されたＣＣＤ型固体撮像素子において、複数のセンサ部３は、電荷蓄積量が異なる第１センサ部としてのＡ画素のセンサ部３および第２センサ部としてのＢ画素のセンサ部３が２次元状に周期的に分散して配設され、Ｂ画素のセンサ部３のＮ型拡散層の層厚がＡ画素のセンサ部３のＮ型拡散層の層厚よりも厚く構成されていても、その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることができる本発明の目的を達成することができる。

なお、本実施形態１、２では、ＣＣＤ型固体撮像素子１Ａまたは１Ｂ、１Ｃについて説明し、さらにこれらの組み合わせについて説明したが、これに限らず、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用することもできる。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子は、複数の画素部のそれぞれに、画素部毎に光電変換部としてセンサ部が設けられ、センサ部に隣接して、センサ部からの信号電荷が電荷電圧変換部に電荷転送するための電荷転送トランジスタと、センサ部毎に電荷転送トランジスタにより電荷電圧変換部に電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて画素部毎の撮像信号として読み出すための読出回路とを有している。

（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２のいずれかのＣＣＤ型固体撮像素子を含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図６において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態１、２のいずれかのＣＣＤ型固体撮像素子からの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

なお、以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置およびカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、その製造工程および駆動制御が複雑にならず、画素特性の劣化を引き起こすこともなく、高ダイナミックレンジとすることができる。

１Ａ〜１Ｃ ＣＣＤ型固体撮像素子
２ Ｎ型の半導体基板
３ センサ部（フォトダイオード部）
４ 電荷転送部
５ ゲート電極
６ ゲート絶縁膜
７ Ｐウェル領域
８、８Ｂ 高濃度Ｐウェル領域
９ Ｎウェル領域
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部

Claims (17)

1. 被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部が２次元状に配設された固体撮像素子において、該複数のセンサ部は、電荷蓄積時間が異なる第１センサ部および第２センサ部が２次元状に周期的に分散して配設され、長い電荷蓄積時間の該第１センサ部の電荷蓄積時間内に、短い電荷蓄積時間の該第２センサ部の電荷蓄積時間が設けられている固体撮像素子。
2. 前記第１センサ部および前記第２センサ部の電荷をリセットする第１シャッタ電圧が、該第２センサ部の電荷のみをリセットする第２シャッタ電圧よりも高い電圧である請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数のセンサ部の電荷を基板側に排出してリセットする固体撮像素子において、前記第１センサ部の一方導電型拡散層直下の他方導電型ウェル領域内に他方導電型高濃度ウェル領域が設けられている請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記他方導電型高濃度ウェル領域は、前記第１センサ部の底面部を含むように該底面部よりも広く設けられている請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記他方導電型高濃度ウェル領域は、前記第１センサ部の底面部から断面角部を介して側面下部を覆うように設けられている請求項３に記載の固体撮像素子。
6. 前記センサ部下の領域に前記他方導電型ウェル領域よりも高い濃度の前記他方導電型高濃度ウェル領域が配設された画素と、該センサ部下の領域に該他方導電型高濃度ウェル領域が配設されいない画素とが２次元状に周期的に分散して配設され、これらの両画素は、基板側に電荷を排出する異なるシャッタ電圧の基板側への印加タイミングに応じて電荷蓄積時間が異なっている請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記複数のセンサ部の電荷を、他方導電型ウェル領域から一方導電型ウェル領域を介して基板側に排出してリセットする固体撮像素子において、該一方導電型ウェル領域の層厚が、前記短い電荷蓄積時間の第２センサ部の下方位置でそれ以外の位置よりも厚く構成されている請求項１または３に記載の固体撮像素子。
8. 被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数のセンサ部が２次元状に配設された固体撮像素子において、該複数のセンサ部は、電荷蓄積量が異なる第１センサ部および第２センサ部が２次元状に周期的に分散して配設され、該第２センサ部の一方導電型拡散層の層厚が該第１センサ部の一方導電型拡散層の層厚よりも厚く構成されている固体撮像素子。
9. 前記第２センサ部の一方導電型拡散層の層厚が前記第１センサ部の一方導電型拡散層の層厚よりも厚く構成されている請求項１、３および７のいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 前記第１センサ部および前記第２センサ部の各一方導電型拡散層の層厚は同一である請求項１、３および７のいずれかに記載の固体撮像素子。
11. 前記２次元状に周期的に分散して配設された第１センサ部および第２センサ部または両画素は交互に配置されている請求項１、６および８のいずれかに記載の固体撮像素子。
12. ＣＣＤ型固体撮像素子またはＣＭＯＳ型固体撮像素子である請求項１に記載の固体撮像素子。
13. 請求項３に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、前記第１センサ部の一方導電型拡散層下の他方導電型ウェル領域内に他方導電型高濃度ウェル領域を、フォトマスクをマスクとして不純物イオン注入により形成する他方導電型高濃度ウェル領域形成工程を有する固体撮像素子の製造方法。
14. 前記第１センサ部の底面部よりも広く設けるかまたは、該第１センサ部の底面部から断面角部を介して側面下部を覆うように、不純物イオン注入角度を所定角度傾斜させて不純物イオン注入を行うことにより前記他方導電型高濃度ウェル領域を形成する請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法。
15. 請求項７に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、前記一方導電型ウェル領域の層厚を、前記短い電荷蓄積時間の第２センサ部の下方位置でそれ以外の位置よりも厚くなるように該一方導電型ウェル領域を前記第１センサ部および該第２センサ部の下方一面に不純物イオン注入により形成する一方導電型ウェル領域形成工程を有する固体撮像素子の製造方法。
16. 請求項８または９に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、前記第２センサ部の層厚を前記第１センサ部の層厚よりも厚くなるように、該第１センサ部および該第２センサ部の各領域にマスクを用いて不純物イオン注入を行うセンサ部形成工程を有している固体撮像素子の製造方法。
17. 請求項１〜１２のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

Images