JP2015035449A

JP2015035449A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法

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Publication number: JP2015035449A
Application number: JP2013164362A
Authority: JP
Inventors: 基宏前田; Motohiro Maeda; 長孝田中; Nagataka Tanaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-19
Also published as: KR20150017651A; TW201507117A; US20150042854A1; US9331122B2; KR101583904B1; CN104347649A; TWI534997B

Abstract

【課題】フローティングディフュージョンへ転送されずに光電変換素子内に残る信号電荷を低減す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。【解決手段】本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、第１導電型の半導体領域と、第２導電型の半導体領域とを備える。第１導電型の半導体領域は、撮像画像の画素毎に設けられる。第２導電型の半導体領域は、第１導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって光電変換素子を構成し、光電変換素子の中央から信号電荷転送用の転送ゲート側へ向かうにつれて、第２導電型の不純物濃度が低くなる。【選択図】図４

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。

従来、デジタルカメラやカメラ機能付き携帯端末等の電子機器は、固体撮像装置を有するカメラモジュールを備える。固体撮像装置は、撮像画像の各画素に対応して２次元に配列された複数の光電変換素子を備える。各光電変換素子は、入射光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換し、各画素の輝度を示す信号電荷として蓄積する。

固体撮像装置では、各光電変換素子に蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョンと呼ばれる電荷保持部へ転送して電圧に変換し、変換した電圧を増幅して画像信号として出力する。

かかる固体撮像装置では、光電変換素子からフローティングディフュージョンへ信号電荷の転送を行う場合に、一部の信号電荷が転送されずに光電変換素子内に残ることがある。転送されずに光電変換素子内に残った信号電荷は、撮像画像中に残像となって現れることがあり、画質劣化の原因となる。

特開２００５−３３２９２５号公報

本発明の一つの実施形態は、フローティングディフュージョンへ転送されずに光電変換素子内に残る信号電荷を低減す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。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、第１導電型の半導体領域と、第２導電型の半導体領域とを備える。第１導電型の半導体領域は、撮像画像の画素毎に設けられる。第２導電型の半導体領域は、前記第１導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって光電変換素子を構成し、前記光電変換素子の中央から信号電荷転送用の転送ゲート側へ向かうにつれて、第２導電型の不純物濃度が低くなる。

第１実施形態に係る固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図。第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。第１実施形態に係る画素アレイの回路構成の一例を示す説明図。第１実施形態に係る光電変換素子を受光面側から見た説明図。図４に示すＡ−Ａ´線による断面図。第１実施形態に係る光電変換素子の第１導電型の半導体領域における不純物濃度分布を示す説明図。第１実施形態に係る光電変換素子および一般的な光電変換素子のポテンシャル障壁の分布を示す説明図。一般的な光電変換素子における信号電荷転送中のポテンシャル障壁の分布を示す説明図。第１実施形態に係る光電変換素子の信号電荷転送中におけるポテンシャル障壁の分布を示す説明図。第１実施形態に係る光電変換素子の形成工程を示す説明図。第２実施形態に係る光電変換素子および転送ゲートの断面を示す説明図。第３実施形態に係る光電変換素子を受光面側から見た説明図。図１２に示すＢ−Ｂ´線による断面図。第３実施形態に係る光電変換素子のポテンシャル障壁の分布を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置、カメラモジュールおよび固体撮像装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置１４を備えるデジタルカメラ１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、デジタルカメラ１は、カメラモジュール１１と後段処理部１２とを備える。

カメラモジュール１１は、撮像光学系１３と固体撮像装置１４とを備える。撮像光学系１３は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置１４は、撮像光学系１３によって結像される被写体像を撮像し、撮像によって得られた画像信号を後段処理部１２へ出力する。かかるカメラモジュール１１は、デジタルカメラ１以外に、例えば、カメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。

後段処理部１２は、ＩＳＰ（Image Signal Processor）１５、記憶部１６および表示部１７を備える。ＩＳＰ１５は、固体撮像装置１４から入力される画像信号の信号処理を行う。かかるＩＳＰ１５は、例えば、ノイズ除去処理、欠陥画素補正処理、解像度変換処理等の高画質化処理を行う。

そして、ＩＳＰ１５は、信号処理後の画像信号を記憶部１６、表示部１７およびカメラモジュール１１内の固体撮像装置１４が備える後述の信号処理回路２１（図２参照）へ出力する。ＩＳＰ１５からカメラモジュール１１へフィードバックされる画像信号は、固体撮像装置１４の調整や制御に用いられる。

記憶部１６は、ＩＳＰ１５から入力される画像信号を画像として記憶する。また、記憶部１６は、記憶した画像の画像信号をユーザの操作等に応じて表示部１７へ出力する。表示部１７は、ＩＳＰ１５あるいは記憶部１６から入力される画像信号に応じて画像を表示する。かかる表示部１７は、例えば、液晶ディスプレイである。

次に、図２を参照してカメラモジュール１１が備える固体撮像装置１４について説明する。図２は、第１実施形態に係る固体撮像装置１４の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、固体撮像装置１４は、イメージセンサ２０と、信号処理回路２１とを備える。

ここでは、イメージセンサ２０が、入射光を光電変換する光電変換素子の入射光が入射する面側に配線層が形成される所謂表面照射型ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである場合について説明する。

なお、本実施形態に係るイメージセンサ２０は、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサに限定するものではなく、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等といった任意のイメージセンサであってもよい。

イメージセンサ２０は、周辺回路２２と、画素アレイ２３とを備える。また、周辺回路２２は、垂直シフトレジスタ２４、タイミング制御部２５、ＣＤＳ（相関二重サンプリング部）２６、ＡＤＣ（アナログデジタル変換部）２７、およびラインメモリ２８を備える。

画素アレイ２３は、イメージセンサ２０の撮像領域に設けられる。かかる画素アレイ２３には、撮像画像の各画素に対応する複数の光電変換素子が、水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）へ２次元アレイ状（マトリックス状）に配置されている。そして、画素アレイ２３は、各画素に対応する各光電変換素子が入射光量に応じた信号電荷（例えば、電子）を発生させて蓄積する。

タイミング制御部２５は、垂直シフトレジスタ２４に対して動作タイミングの基準となるパルス信号を出力する処理部である。垂直シフトレジスタ２４は、アレイ（行列）状に配置された複数の光電変換素子の中から信号電荷を読み出す光電変換素子を行単位で順次選択するための選択信号を画素アレイ２３へ出力する処理部である。

画素アレイ２３は、垂直シフトレジスタ２４から入力される選択信号によって行単位で選択される各光電変換素子に蓄積された信号電荷を、各画素の輝度を示す画素信号として光電変換素子からＣＤＳ２６へ出力する。

ＣＤＳ２６は、画素アレイ２３から入力される画素信号から、相関二重サンプリングによってノイズを除去してＡＤＣ２７へ出力する処理部である。ＡＤＣ２７は、ＣＤＳ２６から入力されるアナログの画素信号をデジタルの画素信号へ変換してラインメモリ２８へ出力する処理部である。ラインメモリ２８は、ＡＤＣ２７から入力される画素信号を一時的に保持し、画素アレイ２３における光電変換素子の行毎に信号処理回路２１へ出力する処理部である。

信号処理回路２１は、ラインメモリ２８から入力される画素信号に対して所定の信号処理を行って後段処理部１２へ出力する処理部である。信号処理回路２１は、画素信号に対して、例えば、レンズシェーディング補正、傷補正、ノイズ低減処理等の信号処理を行う。

このように、イメージセンサ２０では、画素アレイ２３に配置される複数の光電変換素子が入射光を受光量に応じた量の信号電荷へ光電変換して蓄積し、周辺回路２２が各光電変換素子に蓄積された信号電荷を画素信号として読み出すことによって撮像を行う。

次に、図３を参照して、画素アレイ２３の回路の構成および動作について簡単に説明する。図３は、第１実施形態に係る画素アレイ２３の回路構成の一例を示す説明図である。なお、図３に示す回路は、画素アレイ２３の中で、撮像画像の１画素に対応する部分を選択的に抜き出した回路である。

図３に示すように、画素アレイ２３は、光電変換素子ＰＤ、転送トランジスタＴＲ、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴ、アドレストランジスタＡＤＲを備える。なお、ここでは、１画素に対して１つの光電変換素子ＰＤを設けているが、１画素に対して、複数の光電変換素子ＰＤを設け、複数の光電変換素子ＰＤによって１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する構成であってもよい。

光電変換素子ＰＤは、カソードがグランドに接続され、アノードが転送トランジスタＴＲのソースに接続されるフォトダイオードである。転送トランジスタＴＲのドレインは、フローティングディフュージョンＦＤに接続される。

そして、転送トランジスタＴＲは、ゲート電極に転送信号が入力されると、光電変換素子ＰＤによって光電変換された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。フローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＲＳＴのソースが接続される。

また、リセットトランジスタＲＳＴのドレインは、電源電圧線Ｖｄｄに接続される。かかるリセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤへ信号電荷が転送される前に、ゲート電極へリセット信号が入力されると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源電圧の電位にリセットする。

また、フローティングディフュージョンＦＤには、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極が接続される。かかる増幅トランジスタＡＭＰのソースは、ＣＤＳ２６に接続され、ドレインがアドレストランジスタＡＤＲのソースに接続される。また、アドレストランジスタＡＤＲのドレインは、電源電圧線Ｖｄｄに接続される。

画素アレイ２３では、アドレストランジスタＡＤＲのゲート電極にアドレス信号が入力されると、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されている信号電荷の電荷量に応じて増幅された信号が増幅トランジスタＡＭＰからＣＤＳ２６へ出力される。

本実施形態の画素アレイ２３が備える各光電変換素子ＰＤは、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤ内に残る信号電荷を低減することができる構成を備える。以下、かかる光電変換素子ＰＤの構成について、図４〜図６を参照して説明する。

図４は、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤを受光面側から見た説明図であり、図５は、図４に示すＡ−Ａ´線による断面図であり、図６は、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤの第１導電型の半導体領域４における不純物濃度分布を示す説明図である。

図５に示すように、光電変換素子ＰＤは、例えば、シリコン（Ｓｉ）ウェハ等の半導体基板１００上に設けられる第１導電型（ここでは、「Ｎ型」とする）半導体（ここでは、Ｓｉとする）領域３１を備える。かかるＮ型のＳｉ領域３１は、撮像画像の画素毎に設けられる。

さらに、光電変換素子ＰＤは、Ｎ型のＳｉ領域３１上に設けられる第２導電型（ここでは、「Ｐ型」とする）Ｓｉ領域４を備える。このように、光電変換素子ＰＤは、Ｎ型のＳｉ領域３１とＰ型のＳｉ領域４とのＰＮ接合によって形成されるフォトダイオードである。

なお、光電変換素子ＰＤの横には、信号電荷転送用の転送トランジスタＴＲを介してフローティングディフュージョンＦＤが設けられる。フローティングディフュージョンＦＤは、光電変換素子ＰＤの周囲に設けられるＰ型のＳｉによって形成された素子分離領域３２の所定位置にＮ型の不純物をイオン注入して形成される。

また、転送トランジスタＴＲは、光電変換素子ＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間における素子分離領域３２の上面に、ゲート絶縁膜３３を介して設けられる転送ゲートＴＧを備える。かかる転送ゲートＴＧへ所定の転送電圧を印加することによって、光電変換素子ＰＤからフローティングディフュージョンＦＤへ信号電荷が転送される。

このとき、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤ内に残る信号電荷を低減できるように、第１実施形態では、光電変換素子ＰＤのＰ型のＳｉ領域４における不純物濃度および深さが調整されている。

具体的には、Ｐ型のＳｉ領域４は、図４および図５に示すように、光電変換素子ＰＤの受光領域における中央から受光領域の外周側へ向かうにつれて、光電変換素子ＰＤの受光面と直交する方向の厚さが小さく、つまり、深さが浅くなるように形成される。なお、ここでの受光領域における中央とは、光電変換素子ＰＤを受光面側からみた受光領域の中央であり、外周側とは、光電変換素子ＰＤを受光面側からみた受光領域における外周側のことである。

図４および図５には、一例として、第１のＰ型領域４１、第２のＰ型領域４２、第３のＰ型領域４３、第４のＰ型領域４４、第５のＰ型領域４５という５つのＰ型領域によって、Ｐ型のＳｉ領域４を構成している。なお、Ｐ型のＳｉ領域を構成するＰ型領域の数は、これに限定されるものではない。

さらに、Ｐ型のＳｉ領域４は、図６に示すように、光電変換素子ＰＤの受光領域における中央から受光領域の外周側へ向かうにつれて、Ｐ型の不純物濃度が低くなるように形成される。

すなわち、Ｐ型のＳｉ領域４の中では、第１のＰ型領域４１におけるＰ型の不純物濃度が最も高く、第５のＰ型領域４５におけるＰ型の不純物濃度が最も低い。また、Ｐ型のＳｉ領域４の中では、第１のＰ型領域４１が最も深く形成され、第５のＰ型領域４５が最も浅く形成される。

これにより、光電変換素子ＰＤでは、内部におけるポテンシャル障壁の分布が、例えば、平底鍋形状となるように調整されるので、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤ内に残る信号電荷を低減することができる。以下、かかる光電変換素子ＰＤがもたらす作用効果について、図７〜図９を参照して説明する。

以下では、光電変換素子ＰＤによる作用効果を明確にする観点から、Ｐ型のＳｉ領域の深さおよび濃度分布が均等となるように形成された一般的な光電変換素子と、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤとを対比しながら説明する。

図７は、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤおよび一般的な光電変換素子のポテンシャル障壁の分布を示す説明図である。なお、図７には、転送ゲートＴＧに転送電圧が印加されていない状態のポテンシャル障壁の分布を示しており、第１実施形態の光電変換素子ＰＤのポテンシャル障壁の分布を太線で示し、一般的な光電変換素子のポテンシャル障壁の分布を点線で示している。

また、図８は、一般的な光電変換素子における信号電荷転送中のポテンシャル障壁の分布を示す説明図であり、図９は、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤの信号電荷転送中におけるポテンシャル障壁の分布を示す説明図である。

図７に点線で示すように、Ｐ型のＳｉ領域の深さおよび濃度分布が均等となるように形成された一般的な光電変換素子では、Ｎ型のＳｉ領域の周囲を囲むＰ型の素子分離領域の影響によって、ポテンシャル障壁が受光領域の周辺から中央へ向かうにつれて高くなる。

つまり、一般的な光電変換素子では、ポテンシャル障壁の分布が受光面と逆側の面側へ凸となる円錐形状となり、光電変換素子における転送ゲートＴＧの近傍に、ポテンシャル障壁が比較的低い部分ができることになる。

このため、図８に示すように、一般的な光電変換素子では、転送ゲートＴＧへ転送電圧を印加した場合、受光領域における中央と転送ゲートＴＧ側の外周との間に、ポテンシャル障壁を十分に高めることができないバリア１０１が生じる。したがって、一般的な光電変換素子では、かかるバリア１０１が障害となり、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子内に信号電荷が残ることがある。

これに対し、第１実施形態の光電変換素子ＰＤでは、前述のように、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、Ｐ型のＳｉ領域４を浅く、且つ、Ｐ型の不純物濃度が薄くなるように形成されている。

このため、光電変換素子ＰＤでは、図７に示すように、ポテンシャル障壁が平底鍋形状となる。つまり、光電変換素子ＰＤでは、一般的な光電変換素子に比べて、受光領域におけるポテンシャル障壁が平坦、且つ、高い状態となる。

このように、光電変換素子ＰＤでは、転送ゲートＴＧに転送電圧が印加されていない状態で、受光領域における転送ゲートＴＧ近傍のポテンシャル障壁が一般的な光電変換素子よりも高められている。

これにより、光電変換素子ＰＤでは、図９に示すように、転送ゲートＴＧへ転送電圧を印加した場合、受光領域における中央と転送ゲートＴＧ側の外周との間にバリア１０１（図８参照）が生じることを抑制することができる。したがって、光電変換素子ＰＤによれば、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに、光電変換素子ＰＤ内に残る信号電荷を低減することができる。

また、第１実施形態では、図４に示すように、光電変換素子ＰＤと転送ゲートＴＧとの間に、Ｎ型のＳｉ領域３１が設けられる。これにより、光電変換素子ＰＤでは、図７に示すように、受光領域における転送ゲートＴＧの近傍に、ポテンシャル障壁がさらに高い部分が形成されるので、光電変換素子ＰＤからフローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の転送性能がさらに向上する。

しかも、光電変換素子ＰＤが備えるＰ型のＳｉ領域４は、受光領域の外周から中央へ向かうにつれて、深さが深くなるように形成されるので、Ｐ型のＳｉ領域の深さが均等な一般的な光電変換素子よりも、ＰＮ接合の面積を増大させることができる。これにより、光電変換素子ＰＤは、一般的な光電変換素子よりも蓄積可能な信号電荷（飽和電子数）を増大させることができるので、明時における光電変換効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、光電変換素子ＰＤにおける受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、Ｐ型のＳｉ領域４を浅く、且つ、Ｐ型の不純物濃度が薄くなるように形成される場合について説明したが、Ｐ型のＳｉ領域４の深さを均一にしてもよい。

ただし、Ｐ型のＳｉ領域４の深さを均一にする場合であっても、Ｐ型の不純物濃度については、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて薄くなるようにする。かかる構成によっても、前述した一般的な光電変換素子に比べて、受光領域におけるポテンシャル障壁を高めることができるので、フローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の転送性能を向上させることができる。

次に、図１０を参照して、第１実施形態に係る固体撮像装置１４の製造方法について説明する。なお、固体撮像装置１４の製造工程の中で、光電変換素子ＰＤの形成工程以外の製造工程は、一般的な固体撮像装置と同様であるため、ここでは、光電変換素子ＰＤの形成工程について説明する。

図１０は、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤの形成工程を示す説明図である。光電変換素子ＰＤを形成する工程では、図１０の（ａ）に示すように、半導体基板１００における光電変換素子ＰＤの形成領域を除く領域に、例えば、ボロン等のＰ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことにより、Ｐ型の素子分離領域３２を形成する。

続いて、素子分離領域３２上面の所定位置に、例えば、酸化Ｓｉを材料とするゲート絶縁膜３３を形成し、ゲート絶縁膜３３の上面に、ポリＳｉを材料とする転送ゲートＴＧを形成する。

その後、転送ゲートＴＧを挟んで両側に、例えば、リン等のＮ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行う。これにより、各光電変換素子ＰＤの形成位置に、Ｎ型のＳｉ領域３１が形成されるとともに、転送ゲートＴＧを挟んでＮ型のＳｉ領域３１とは逆側にフローティングディフュージョンＦＤが形成される。

続いて、Ｎ型のＳｉ領域３１の上面における中央に開口１０が設けられたマスクＭを形成し、マスクＭ越しにＮ型のＳｉ領域３１へ、例えば、ボロン等のＰ型の不純物をイオン注入して第１のＰ型領域４１を形成する。

その後、図１０の（ｂ）に示すように、マスクＭにおける開口１０を拡張し、マスクＭ越しにＮ型のＳｉ領域３１へ第１のＰ型領域４１よりも不純物の濃度が低くなるように、Ｐ型の不純物をイオン注入して第２のＰ型領域４２を形成する。このとき、第１のＰ型領域４１形成時と同じエネルギーをＰ型の不純物へ与えてイオン注入を行う。

続いて、図１０の（ｃ）に示すように、マスクＭにおける開口１０をさらに拡張し、マスクＭ越しにＮ型のＳｉ領域３１へ第２のＰ型領域４２よりも不純物の濃度が低くなるように、Ｐ型の不純物をイオン注入して第３のＰ型領域４３を形成する。このとき、第１のＰ型領域４１形成時と同じエネルギーをＰ型の不純物へ与えてイオン注入を行う。

その後、図１０の（ｄ）に示すように、マスクＭにおける開口１０をさらに拡張し、マスクＭ越しにＮ型のＳｉ領域３１へ第３のＰ型領域４３よりも不純物の濃度が低くなるように、Ｐ型の不純物をイオン注入して第４のＰ型領域４４を形成する。このとき、第１のＰ型領域４１形成時と同じエネルギーをＰ型の不純物へ与えてイオン注入を行う。

さらに、図１０の（ｅ）に示すように、マスクＭにおける開口１０を拡張し、マスクＭ越しにＮ型のＳｉ領域３１へ第４のＰ型領域４４よりも不純物の濃度が低くなるように、Ｐ型の不純物をイオン注入して第５のＰ型領域４５を形成する。このとき、第１のＰ型領域４１形成時と同じエネルギーをＰ型の不純物へ与えてイオン注入を行う。

これにより、深さが均一で、光電変換素子ＰＤの中央から外周へ向かうにつれてＰ型の不純物濃度が薄くなるように、第１のＰ型領域４１、第２のＰ型領域４２、第３のＰ型領域４３、第４のＰ型領域４４、および第５のＰ型領域４５が形成される。

最後に、アニール処理を行ってＰ型の不純物を熱拡散させる。これにより、Ｐ型の不純物濃度が濃い領域ほど、不純物が深い位置まで拡散して、光電変換素子ＰＤの中央から外周へ向かうにつれて深さが浅くなるＰ型のＳｉ領域４が形成される。

このように、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤの形成工程では、１枚のマスクＭを使用し、マスクＭの開口１０を順次拡張し、Ｐ型の不純物の濃度を順次薄くしてイオン注入することによってＰ型のＳｉ領域４を形成する。

したがって、光電変換素子ＰＤの形成に用いるマスクＭの枚数が増大することを抑制しつつ、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、Ｐ型の不純物濃度が薄くなるＰ型のＳｉ領域４を形成することができる。

また、第１〜第５のＰ型領域４１〜４５を形成する際のイオン注入では、いずれも均一なエネルギーをＰ型の不純物へ与えてイオン注入を行い、イオン注入処理における処理条件の設定を簡略化することができる。

そして、均等な深さの第１〜第５のＰ型領域４１〜４５を形成した後に、アニール処理を行うだけで、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、深さが浅くなるＰ型のＳｉ領域４を容易に形成することができる。

なお、第１〜第５のＰ型領域４１〜４５におけるＰ型の不純物の各濃度は、予め試験を行い、最終的に形成される光電変換素子ＰＤにおけるポテンシャル障壁の分布が、図７に太線で示す平底鍋形状となるように調整しておく。

上述したように、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤでは、Ｎ型のＳｉ領域３１とＰＮ接合するＰ型のＳｉ領域４が、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、受光面と直交する方向の深さが順次浅く、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるように形成される。

これにより、第１実施形態に係る各光電変換素子ＰＤは、Ｐ型の不純物濃度および深さが均一な他の光電変換素子にくらべて、ポテンシャル障壁の分布を平底鍋形状とすることができる。かかる光電変換素子ＰＤによれば、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤ内に残る信号電荷を低減することができるとともに、飽和電子数を増大させることで明時の光電変換効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、第２実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子および転送ゲートの構成が異なる点を除き、第１実施形態で説明したものと同様の構成である。このため、ここでは、図１１を参照して、第２実施形態に係る光電変換素子ＰＤａおよび転送ゲートＴＧａについて説明する。

図１１は、第２実施形態に係る光電変換素子ＰＤａおよび転送ゲートＴＧａの断面を示す説明図である。なお、図１１に示す構成要素のうち、図５に示す構成要素と同一の構成要素については、図５に示す符号と同一の符号を付している。

図１１に示すように、光電変換素子ＰＤａは、Ｎ型のＳｉ領域５と、Ｎ型のＳｉ領域５の内部に設けられるＰ型のＳｉ領域６とを備える。Ｐ型のＳｉ領域６は、光電変換素子ＰＤａの受光領域における中央から外周へ向かうにつれて、受光面と直交する方向の厚さが順次薄くなり、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるように形成される第１〜第５のＰ型領域６１、６２、６３、６４、６５を備える。

なお、第１〜第５のＰ型領域６１、６２、６３、６４、６５は、第１実施形態における第１〜第５のＰ型領域４１〜４５を形成する場合よりも大きなエネルギーによってＰ型不純物のイオン注入を行う点以外は、図１０に示す工程と同様に形成することができる。

このように、Ｎ型のＳｉ領域５の内部に、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて厚さが順次薄くなり、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるＰ型のＳｉ領域６を設けることによっても、光電変換素子ＰＤａのポテンシャル障壁の分布を平底鍋形状にすることができる。したがって、光電変換素子ＰＤａによれば、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに、光電変換素子ＰＤａ内に残る信号電荷を低減することが可能である。

しかも、光電変換素子ＰＤａでは、Ｐ型のＳｉ領域６の受光面側と、受光面側とは逆側の面側との双方にＰＮ接合が形成されるので、飽和電子数をより一層増大させることにより、明時の光電変換効率をさらに向上させることができる。

また、光電変換素子ＰＤａにおけるＮ型のＳｉ領域５は、Ｐ型のＳｉ領域６の受光面側に設けられるＮ型の第１の領域５１と、Ｐ型のＳｉ領域６の受光面側とは逆側に設けられるＮ型の第２の領域５２とを備える。

そして、Ｎ型の第２の領域５２は、Ｎ型の第１の領域５１よりも、Ｎ型の不純物濃度が薄くなるように形成される。これにより、Ｎ型の第２領域５２とＰ型のＳｉ領域６との接合部に蓄積される信号電荷が半導体基板１００側へ漏出することを抑制することができる。

さらに、第２実施形態では、転送ゲートＴＧａを素子分離領域３２の内部へ埋め込んだ埋め込みゲートを採用している。これにより、Ｎ型の第１領域５１側に比べて信号電荷の転送が困難なＮ型の第２領域５２からも、フローティングディフュージョンＦＤへ効率的に信号電荷の転送を行うことができる。

また、光電変換素子ＰＤａは、Ｎ型のＳｉ領域５の受光面上に、Ｐ型のＳｉ層６０をさらに備える。これにより、Ｎ型のＳｉ領域５で光の入射とは無関係に生じる電荷（電子）を、Ｐ型のＳｉ層６０における正孔と再結合させることができる。したがって、光電変換素子ＰＤａによれば、暗電流を低減することができる。

上述したように、第２実施形態に係る光電変換素子ＰＤａは、Ｎ型のＳｉ領域５の内部に、受光領域の中央から外周へ向かうにつれて、受光面と直交する方向の厚さが順次薄く、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるように形成されるＰ型のＳｉ領域６を備える。

したがって、光電変換素子ＰＤａによれば、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤａ内に残る信号電荷を低減することができるとともに、飽和電子数をさらに増大させることで明時の光電変換効率をより一層向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、第３実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子の構成が異なる点を除き、第１実施形態で説明したものと同様の構成である。このため、ここでは、図１２〜図１４を参照して、第３実施形態に係る光電変換素子ＰＤｂについて説明する。

図１２は、第３実施形態に係る光電変換素子ＰＤｂを受光面側から見た説明図であり、図１３は、図１２に示すＢ−Ｂ´線による断面図であり、図１４は、第３実施形態に係る光電変換素子ＰＤｂのポテンシャル障壁の分布を示す説明図である。なお、図１２および図１３に示す構成要素のうち、図５に示す構成要素と同一の構成要素については、図５に示す符号と同一の符号を付している。

図１２および図１３に示すように、光電変換素子ＰＤｂは、受光領域の中央から受光面の外周のうち、転送ゲートＴＧ側の外周とは逆側の外周を除く外周側へ向かうにつれて、受光面と直交する方向の深さが順次浅くなり、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるＰ型のＳｉ領域７を備える。

かかるＰ型のＳｉ領域７は、第１〜第５のＰ型領域７１、７２、７３、７４、７５によって構成される。つまり、Ｐ型のＳｉ領域７の中では、第１のＰ型領域７１が最も深く、Ｐ型の不純物濃度が最も高い領域となり、第５のＰ型領域７５が最も浅く、Ｐ型の不純物濃度が最も薄い領域となる。

なお、第１〜第５のＰ型領域７１、７２、７３、７４、７５は、図１０に示すマスクＭの開口１０の位置を、受光面における転送ゲートＴＧとは逆側に寄せて形成し、順次開口１０を拡張する以外は、図１０に示す工程と同様にして形成することができる。

かかる光電変換素子ＰＤｂのポテンシャル障壁の分布は、図１４に示すように、受光領域における転送ゲートＴＧとは逆側の外周から中央へ向かうにつれて、ポテンシャル障壁が徐々に高くなるような勾配となる。なお、受光領域の中央から転送ゲートＴＧへかけてのポテンシャル障壁の分布は、第１実施形態と同様となる。

これにより、光電変換素子ＰＤｂでは、第１実施形態に係る光電変換素子ＰＤと同様に、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤｂ内に残る信号電荷を低減することができる。さらに、光電変換素子ＰＤｂでは、転送ゲートＴＧから受光領域の中央よりも遠い領域に蓄積される信号電荷が、転送ゲートＴＧとは逆側の外周から中央へ向かうポテンシャル障壁の勾配によって、フローティングディフュージョンＦＤへ転送され易くなる。

したがって、光電変換素子ＰＤｂによれば、例えば、受光面積が極端に広い場合や、大気圏外の宇宙で使用される場合であっても、フローティングディフュージョンＦＤへ転送されずに光電変換素子ＰＤｂ内に残る信号電荷を低減することができる。

上述したように、第３実施形態に係る光電変換素子ＰＤｂは、受光領域の中央から受光面の外周のうち、転送ゲートＴＧ側の外周とは逆側の外周を除く外周側へ向かうにつれて、順次浅く、且つ、Ｐ型の不純物濃度が順次薄くなるＰ型のＳｉ領域７を備える。

光電変換素子ＰＤｂによれば、転送ゲートＴＧから受光領域の中央よりも遠い領域に蓄積される信号電荷が、フローティングディフュージョンＦＤへ転送され易くなり、受光面積が極端に広い場合や宇宙で使用される場合に、信号電荷の転送性能が向上する。

なお、上述した実施形態では、第１〜第５のＰ型領域４１〜４５、６１〜６５、７１〜７５が、受光面からみて矩形状である場合について説明したが、受光面からみて同心円形状となるように形成してもよい。これにより、ポテンシャル障壁は、フローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の転送効率がより向上するような理想的な平底鍋形状の分布となる。

また、図１１に示すＰ型のＳｉ層６０に代えて、図５に示すＰ型のＳｉ領域４を設けてもよい。かかる構成とすれば、第２実施形態の光電変換素子ＰＤａにおけるＰＮ接合の面積をさらに増大させることで、飽和電子数をさらに増大させることができるので、明時の光電変換効率が向上する。

また、図５に示す光電変換素子ＰＤ、および、図１３に示す光電変換素子ＰＤｂにおけるＮ型のＳｉ領域３１の内部に、図１１に示すＰ型のＳｉ領域６を設けてもよい。かかる構成によっても、ＰＮ接合の面積がさらに増大するので、飽和電子数をより一層増大させることができ、明時の光電変換効率が向上する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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、発明の要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。

１デジタルカメラ、１１カメラモジュール、１２後段処理部、１３撮像光学系、１４固体撮像装置、１５ＩＳＰ、１６記憶部、１７表示部、２０イメージセンサ、２１信号処理回路、２２周辺回路、２３画素アレイ、２４垂直シフトレジスタ、２５タイミング制御部、２６ＣＤＳ、２７ＡＤＣ、２８ラインメモリ、ＰＤ、ＰＤａ、ＰＤｂ光電変換素子、ＦＤフローティングディフュージョン、ＴＲ転送トランジスタ、ＴＧ転送ゲート、１００半導体基板、３１、５Ｎ型のＳｉ領域、４、６、７Ｐ型のＳｉ領域

Claims

撮像画像の画素毎に設けられる第１導電型の半導体領域と、
前記第１導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって光電変換素子を構成し、前記光電変換素子の中央から信号電荷転送用の転送ゲート側へ向かうにつれて、第２導電型の不純物濃度が低くなる第２導電型の半導体領域と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記第２導電型の半導体領域は、
第２導電型の不純物濃度が高い領域ほど、前記光電変換素子の受光面と直交する方向の厚さが大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第２導電型の半導体領域は、
前記第１導電型の半導体領域の内部に設けられ、
前記第１導電型の半導体領域は、
前記第２導電型の半導体領域よりも前記光電変換素子の受光面側に設けられる第１の領域と、
前記第２導電型の半導体領域よりも前記光電変換素子の受光面とは逆側に設けられる第２の領域と
を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
前記第２導電型の半導体領域は、
前記光電変換素子の中央から該光電変換素子の受光面における外周側へ向かうにつれて、前記第２導電型の不純物濃度が低くなる
請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
撮像画像の画素毎に設けられる第１導電型の半導体領域を形成する工程と、
前記第１導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって光電変換素子を構成し、前記光電変換素子の中央から信号電荷転送用の転送ゲート側へ向かうにつれて、第２導電型の不純物濃度が低くなる第２導電型の半導体領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。