JP4826754B2

JP4826754B2 - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子

Info

Publication number: JP4826754B2
Application number: JP2006080419A
Authority: JP
Inventors: 和伸桑沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007258423A

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比例し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、基板の第１領域に、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を形成し、前記第１領域に平面視で隣接する第２領域に、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、
前記第１領域に一方導電型の第１の不純物を導入して、一方導電型のウェルを形成する第１の工程と、前記ウェルの前記基板表面側に他方導電型の第２の不純物を導入して、他方導電型の不純物領域を形成することで、前記ウェルと前記不純物領域からなるフォトダイオードを形成する第２の工程と、前記不純物領域の前記基板表面側に前記蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量が増加するように、一方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入する第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
の工程および第２の工程では、基板に第１の不純物および第２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３の工程では、フォトダイオードの形成領域に、蓄積部に向かうポテンシャル勾配を設ける。即ち、第３の工程は、蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量が増加するように、一方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入する。これにより、蓄積部からの距離に比例して不純物濃度が変化することになり、蓄積部からの距離に比例し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つの工程のみによって、蓄積部からの距離に比例し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、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板の第１領域に、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を形成し、前記第１領域に平面視で隣接する第２領域に、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、前記第１領域に一方導電型の第１の不純物を導入して、一方導電型のウェルを形成する第１の工程と、前記ウェルの前記基板表面側に他方導電型の第２の不純物を導入して、他方導電型の不純物領域を形成することで、前記ウェルと前記不純物領域からなるフォトダイオードを形成する第２の工程と、前記不純物領域の前記基板表面側に前記蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量が減少するように、他方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入する第３の工程とを具備する。

このような構成によれば、第３の工程では、蓄積部からの距離に比例して単位面積当た
りの注入量が変化するように、他方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入す
る。これにより、蓄積部からの距離に比例して不純物濃度を変化させることができ、転送
に適したポテンシャル勾配を設けて、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せることができる。第３の工程の１つの工程のみによって
、蓄積部からの距離に比例して不純物濃度を変化させることができ、製造容易である。

また、本発明の一態様によれば、前記第３の工程は、離散的に開口穴を設けると共に、
前記開口穴の単位面積当たりの注入量を前記蓄積部からの距離に比例して変化させたマス
クを形成する工程と、前記マスクを介して前記第３の不純物を導入する工程とを具備する。

このような構成によれば、マスクを形成する工程では、開口穴の単位面積当たりの注入
量を蓄積部からの距離に比例して変化させたマスクを形成する。このマスクを介して第３
の不純物を導入することによって、蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量
が変化するように、第３の不純物を複数の位置に離散的に導入することができる。こうし
て、第３の工程の１つの工程のみによって、蓄積部からの距離に比例して不純物濃度を変
化させることができ、製造容易である。

また、本発明の一態様によれば、前記マスクは、同一径の複数の開口穴の配置密度を前
記蓄積部からの距離に比例して異ならせたものである。

このような構成によれば、同一径の複数の開口穴の配置密度を蓄積部からの距離に比例
して異ならせたマスクを用いることによって、蓄積部からの距離に比例して単位面積当た
りの注入量が変化するように、第３の不純物を複数の位置に離散的に導入することができ
、製造容易である。

また、本発明の一態様によれば、前記マスクは、複数の開口穴の径を前記蓄積部からの
距離に比例して異ならせたものである。

このような構成によれば、複数の開口穴の径を前記蓄積部からの距離に比例して異なら
せたマスクを用いることによって、蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの入量が
変化するように、第３の不純物を複数の位置に離散的に導入することができ、製造容易で
ある。

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はラインセン
サチップ４に形成された１つの受光素子２１の平面図である。図５は図４のＶ−Ｖ線に沿
った受光素子２１の断面図である。

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４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５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、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。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５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５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４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。

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４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５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。図４の破線は、不純物濃度が変化することを示し
たものであり、不純物濃度が段階的に変化することを示すものではない。本実施の形態で
は、Ｐ型不純物層１０４は、周辺部から中心部に向かって、比較的滑らかに、不純物濃度
が変化するようになっている。

図６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６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、周辺領域１０
４ｃ、中間領域１０４ｂ及び中心領域１０４ａの不純物濃度差に比例して、ポテンシャル
は低くなっていき、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
ャルが低くなっている。

なお、図４の各領域１０４ｃ〜１０４ａは、説明の便宜上記載したもので、実際には、
濃度はなだらかに変化しており、領域に分けられるものではない。ポテンシャルは、段階
的に変化するのではなく、図６に示すように、比較的滑らかに変化する。

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内の電荷量に比例して
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。

＜プロセス＞
次に、素子の製造方法について図７乃至図９を参照して説明する。図７及び図８は図４
のＶ−Ｖ線における断面構造を工程順に示す工程図である。図９はＰ型不純物層１０４の
不純物の濃度差を得るためのイオン注入時に用いるマスクの平面形状を示す平面図である
。図７及び図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Ｐ型不純物層１０４の不純物の濃度差を、１回の
イオン注入によって実現するようになっている。

Ｐ型基板１０１ａに、例えば燐（Ｐ）イオン等のＮ型不純物をイオン打ち込みして、フ
ォトダイオード形成領域ＰＤについてはＮ型ウェル１０２、変調トランジスタ形成領域に
ついてはＮ型ウェル１０３を形成する（図７（ａ））。このイオン注入は、フォトダイオ
ード形成領域については比較的深い位置まで行う。次に、図７（ｂ）に示すように、レジ
ストマスク１１１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、ボ
ロン等のＰ型不純物のイオン打ち込みを行うことによって、Ｐ型不純物層１０４を形成す
る。また、基板表面にゲート絶縁膜１１０を熱酸化によって形成する。

次に、所定のレジストマスクを用いて、変調トランジスタ形成領域中のリングゲート３
２の形成領域の下方にＰ型不純物層１０４内に、濃いＰ⁺拡散層によるキャリアポケット
１０７を形成する。

本実施の形態においては、次にＰ型不純物層１０４の不純物濃度に勾配を設定するため
の不純物導入を行う。この場合には、図７（ｃ）に示すように、レジストマスク１１２を
用いる。図９はこのレジストマスク１１２の平面形状を示している。図９に示すように、
レジストマスク１１２は、所定サイズの複数の開口穴１１２ａを有する。レジストマスク
１１２は、周辺部における開口穴１１２ａの配置密度の方が、中心側における開口穴１１
２ａの配置密度よりも高い。

レジストマスク１１２を用いて、例えば、Ｐ型不純物層１０４とは逆導電型のＮ型の不
純物を注入する。例えば、Ｎ型不純物としてリンのイオン打ち込みを行う。この場合のイ
オン注入では、リンイオンはレジストマスク１１２に設けられた各開口穴１１２ａを介し
て基板表面近傍に注入される。各開口穴１１２ａに対応する位置において、不純物は所定
の拡散係数で拡散する。不純物のドーズ量、加速エネルギ、レジストマスク１１２の膜厚
及び開口穴１１２ａの径を適宜設定することによって、不純物は、基板表面の所定深さに
おいて所定のサイズに拡散して、複数の打ち返し領域１１３が形成される。

打ち返し領域１１３は、Ｐ型不純物層１０４とは逆導電型の不純物が注入されることで
、他の部分よりもＰ型濃度が薄くなっている。不純物のドーズ量、レジストマスク１１２
の膜厚及び開口穴１１２ａの径が一定であれば、各打ち返し領域１１３のサイズは略同一
であり、打ち返し領域１１３は、開口穴１１２ａの配置密度に応じた密度で形成されるこ
とになる。即ち、単位面積当たりに占める打ち返し領域１１３の面積は、単位面積当たり
の打ち返し領域１１３の個数（開口穴１１２ａの配置密度）に対応する。Ｐ型不純物層１
０４の各部の濃度は、単位面積当たりに占める打ち返し領域１１３の面積、即ち、単位面
積当たりの注入量に比例したものとなる。開口穴１１２ａの密度がＰ型不純物層１０４の
中央よりも周辺にいくほど高いので、Ｐ型不純物層１０４の濃度は、周辺ほど薄くなる。

不純物のドーズ量、加速エネルギ、レジストマスク１１２の膜厚及び開口穴１１２ａの
径を適宜設定することによって、周辺から中央の検出素子３１のキャリアポケット１０７
側に向かって、Ｐ型不純物層１０４の不術物濃度を滑らかに変化させることができる。こ
れにより、図６に示すように、Ｐ型不純物層１０４は、周辺から中央に向かうポテンシャ
ル勾配を有する。

次に、図７（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜１１０上に、変調トランジスタＴｍのリ
ングゲート３２を形成する。次に、図８（ａ）に示すように、フォトダイオード形成領域
ＰＤが開口したレジストマスク１１４をマスクとしてＮ型不純物をイオン注入してＮ⁺拡
散層１０５を形成する。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１１５を形成し、レジストマスク１１５及びリングゲート３２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、ソース領域３７を形成する。

このように本実施の形態においては、不純物導入に用いるマスクの開口穴の密度を変化
させることで、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ＰＤ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１０７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。

＜実施例＞
ところで、イオン注入時の加速エネルギが大きい場合には、レジストの膜厚も厚くする
必要がある。そうすると、打ち返し領域の平面サイズも比較的大きくなってしまう。一方
、フォトダイオード形成領域ＰＤの平面的なサイズは、例えば、２０μｍ程度であり、濃
度差の調整を可能にするためには、打ち返し領域の平面サイズを十分に小さくする必要が
ある。これらの点を考慮して、イオン注入時の加速エネルギ、レジスト膜厚を決定する必
要がある。

下記表１は、リン（Ｐｈｏｓ）のイオン注入時の加速エネルギ、必要フォトレジスト膜
厚（Ｔ．ＰＲ）及び解像度限界（Ｌ／Ｓ）を表わしている。なお、下記表１の値は、フォ
トレジストの性能、露光波長等によって変化する。表１では、Ｉ線（λ＝３６５ｎｍ）を
用いた場合の例を示している。また、Ｐｈｏｓの加速は、シングルチャージ時（一価イオ
ン）による。

［表１］
Phos Energy(P+) Ｔ．ＰＲＬ／Ｓ
２０００ＫｅＶ４μm ２．０ｕ／２．０ｕ
５００ＫｅＶ２μm ０．６ｕ／０．６ｕ
１８０ＫｅＶ０．８μm ０．３５ｕ／０．３５ｕ
５０ＫｅＶ０．５μm ０．３ｕ／０．３ｕ
比較的平面的なサイズが大きいフォトダイオードを形成する場合には、上述した表１の
設定によって、光発生電荷をスムーズに転送するために必要な濃度差を得ることができる
。なお、比較的平面サイズが小さいフォトダイオードの場合には、光発生電荷の収集は比
較的容易であり、本実施の形態を適用する必要はない。

ところで、上記実施の形態においては、各開口穴１１２ａの径は共通で、配置密度を変
化させることで、Ｐ型不純物層１０４の各部の濃度を変化させた。打ち返し領域１１３の
単位面積当たりの注入量に応じて濃度は変化するので、開口穴１１２ａの密度を変化させ
るだけでなく、開口穴１１２ａの径を変化させることによっても、Ｐ型不純物層１０４の
濃度を周辺ほど薄くなるようにすることも可能である。

図１０はこの場合に用いるマスクの平面形状を示す平面図である。図１０に示すように
、単位面積当たりの個数は同じであっても、周辺部ほど開口穴１１６の径は大きく、中央
ほど開口穴１１６の径は小さい。これにより、単位面積当たりに占める打ち返し領域の面
積（単位面積当たりの注入量）を、検出部のキャリアポケットからの距離に比例して変化
させて、ポテンシャル勾配を設けることができる。なお、開口穴の配置密度及び開口穴の
径の両方を変化させるようにしてもよいことは明らかである。

＜第２の実施の形態＞
図１１乃至図１４は本発明の第２の実施の形態に係り、図１１は第２の実施の形態に係
る固体撮像素子を説明するための説明図である。図１１（ａ）は固体撮像素子の１センサ
セルの模式的平面構造を示し、図１１（ｂ）は図１１（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１２は図１１（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。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。

図１１及び図１２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、入射光に比例して光発生電
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１１及び図１２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Ｐ
Ｄ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。

これらの構成によって、各センサセルは、入射光に比例し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も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１１及び図１２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１２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２０
２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
２０３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１１（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１２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、光発生電荷の経路となる不純物層２０３には、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
ってポテンシャル勾配が設けられている。即ち、不純物層２０３は、Ｎ型不純物の濃度が
、転送トランジスタ側で高く、転送トランジスタから離間するほど薄くなるように形成さ
れており、これにより、ポテンシャル勾配を有する構成となっている。

図１１（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１１（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も、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、比較的滑らかに、不純物濃
度が変化す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１３及び図１４を参照して説明する。図１３及び図１
４は図１１（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１３及び
図１４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も、このようなＮ型の不純物層２０３の不純物の濃度差を、１回
のイオン注入によって実現するようになっている。

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２
０２を形成する（図１３（ａ））。このイオン注入は、フォトダイオード形成領域につい
ては比較的深い位置まで行う。次に、図１３（ｂ）に示すように、レジストマスク２２１
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。また、基板表
面にゲート絶縁膜２０８を熱酸化によって形成する。

本実施の形態においては、次にＮ型の不純物層２０３の不純物濃度に勾配を設定するた
めの不純物導入を行う。この場合には、レジストマスク２２２を用いる。レジストマスク
２２２は、平面的には、図１１（ａ）に示す打ち返し領域２０７に対応した複数の開口穴
２２２ａを有する。レジストマスク２２２は、転送トランジスタから離間するほど、開口
穴２２２ａの配置密度の方が高く、転送トランジスタに近づくにつれて開口穴２２２ａの
配置密度が小さくなる。

レジストマスク２２２を用いて、例えば、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、ボロンイオンはレジストマスク２２２に設けられた各開口穴２２２ａ
を介して基板表面近傍に注入される。各開口穴２２２ａに対応する位置において、不純物
は所定の拡散係数で拡散する。不純物のドーズ量、加速エネルギ、レジストマスク２２２
の膜厚及び開口穴２２２ａの径を適宜設定することによって、不純物は、基板表面の所定
深さにおいて所定のサイズに拡散して、複数の打ち返し領域２０７が形成される。

打ち返し領域２０７は、Ｎ型の不純物層２０３とは逆導電型の不純物が注入されること
で、他の部分よりもＮ型濃度が薄くなっている。不純物のドーズ量、レジストマスク２２
２の膜厚及び開口穴２２２ａの径が一定であれば、各打ち返し領域２０７のサイズは略同
一であり、打ち返し領域２０７は、開口穴２２２ａの配置密度に応じた密度で形成される
ことになる。即ち、単位面積当たりに占める打ち返し領域２０７の面積、単位面積当たり
の打ち返し領域２０７の個数（開口穴２２２ａの配置密度）に対応する。Ｎ型の不純物層
２０３の各部の濃度は、単位面積当たりに占める打ち返し領域２０７の面積、即ち、単位
面積当たりの注入量に比例したものとなる。開口穴２２２ａの密度がＮ型の不純物層２０
３の転送トランジスタ側よりも転送トランジスタから離間するほど高いので、Ｎ型の不純
物層２０３の濃度は、転送トランジスタから離間するほど薄くなる。

不純物のドーズ量、加速エネルギ、レジストマスク２２２の膜厚及び開口穴２２２ａの
径を適宜設定することによって、転送トランジスタに離間した端部側から転送トランジス
タ側、即ち、フローティングディフュージョン側に向かって、Ｎ型の不純物層２０３の不
術物濃度を滑らかに変化させることができる。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１３（ｄ）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。次に、図１４（ａ）に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤ
が開口したレジストマスク２２３をマスクとしてＰ型不純物をイオン注入して、ピニング
層としても機能する不純物層２０６を形成する。次に、図１４（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２２４を形成し、レジストマスク２２４
及びゲート２０５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２０４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１４（ｃ））。

このように本実施の形態においては、不純物導入に用いるマスクの開口穴の密度を変化
させることで、Ｎ型の不純物層２０３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次第に変化させている。これにより、Ｎ型の不純物層２０３の
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Ｎ型の不純物層２０３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。

また、上記各実施の形態においては、一方導電型の不純物層に、他方導電型の不純物を
導入することで、打ち返し領域を形成した。しかし、マスクの開口穴の単位面積当たりの
面積の和の変化を、第１，第２の実施の形態と逆にし、表面の不純物層と同一導電型の不
純物を導入することによっても、第１及び第２の実施の形態と同様の濃度勾配を得ること
が可能である。なお、この場合の製造工程は図７乃至図１４とは異なる。

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。ラインセンサチップ４に形成された１つの受光素子２１の平面図。図４のＶ−Ｖ線に沿った受光素子２１の断面図。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。図４のＶ−Ｖ線における断面構造を工程順に示す工程図。図４のＶ−Ｖ線における断面構造を工程順に示す工程図。Ｐ型不純物層１０４の不純物の濃度差を得るためのイオン注入時に用いるマスクの平面形状を示す平面図。マスクの平面形状を示す平面図。第２の実施の形態に係る固体撮像素子を説明するための説明図。図１１（ａ）のＡ−Ｂ線の断面図。図１１（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図。図１１（ａ）のＡ−Ｂ線における断面構造を工程順に示す工程図。

符号の説明

３１…検出素子、３２…リングゲート、１０４…Ｐ型不純物層、ＰＤ…フォトダイオ
ード形成領域、ＴＭ…変調トランジスタ形成領域。

Claims

基板の第１領域に、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を形成し、前記第１領域に平面視で隣接する第２領域に、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、
前記第１領域に一方導電型の第１の不純物を導入して、一方導電型のウェルを形成する第１の工程と、
前記ウェルの前記基板表面側に他方導電型の第２の不純物を導入して、他方導電型の不純物領域を形成することで、前記ウェルと前記不純物領域からなるフォトダイオードを形成する第２の工程と、
前記不純物領域の前記基板表面側に前記蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量が増加するように、一方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入する第３の工程と
を具備した固体撮像素子の製造方法。
基板の第１領域に、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を形成し、前記第１領域に平面視で隣接する第２領域に、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、
前記第１領域に一方導電型の第１の不純物を導入して、一方導電型のウェルを形成する第１の工程と、
前記ウェルの前記基板表面側に他方導電型の第２の不純物を導入して、他方導電型の不純物領域を形成することで、前記ウェルと前記不純物領域からなるフォトダイオードを形成する第２の工程と、
前記不純物領域の前記基板表面側に前記蓄積部からの距離に比例して単位面積当たりの注入量が減少するように、他方導電型の第３の不純物を複数の位置に離散的に導入する第３の工程と
を具備した固体撮像素子の製造方法。
前記第３の工程は、
離散的に開口穴を設けると共に、前記開口穴の単位面積当たりの注入量を前記蓄積部か
らの距離に比例して変化させたマスクを形成する工程と、
前記マスクを介して前記第３の不純物を導入する工程と
を具備した請求項１又は２のいずれか一方に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記マスクは、同一径の複数の開口穴の配置密度を前記蓄積部からの距離に比例して異
ならせたものである請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記マスクは、複数の開口穴の径を前記蓄積部からの距離に比例して異ならせたもので
ある請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
請求項１乃至５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。