JP5706212B2

JP5706212B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器

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Publication number: JP5706212B2
Application number: JP2011073661A
Authority: JP
Inventors: 英嗣小山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012209416A

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、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

従来、増幅型固体撮像素子としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に走査回路を有し、その走査回路により画素データを読み出す増幅型固体撮像素子が提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。

上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常、１画素部内に光電変換部、リセット部、増幅部および画素選択部を形成する必要がある。このため、ＡＰＳ型イメージセンサには、通常、フォトダイオードからなる光電変換部の他に、３〜４個のＭＯＳトランジスタが用いられている。

ところが、１画素部当たり３〜４個のＭＯＳトランジスタが必要であれば、画素サイズの小型化の制約となるため、１画素部当たりのトランジスタの数を低減する方法が例えば特許文献１などに提案されている。

図１０は、従来の増幅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１０において、従来の増幅型固体撮像素子１００は、Ｐ型基板１０１の上部にＰ型ウェル１０２が設けられている。Ｐ型ウェル１０２内の各画素部毎に、表面酸化膜１０３下の表面高濃度拡散層１０４により埋め込まれ、入射光を光電変換して信号電荷を発生させる埋め込みフォトダイオード１０５と、この埋め込みフォトダイオード１０５に蓄積された信号電荷を電荷検出部１０６に転送するために電荷転送制御電圧が印加されるゲート１０７ａが、埋め込みフォトダイオード１０５と電荷検出部１０６間のチャネル領域上に表面酸化膜１０３を介して設けられた電荷転送トランジスタ１０７と、電荷検出部１０６に転送された信号電荷に対応した検出電圧を基準電圧にリセットするためにリセット制御電圧が印加されるゲート１０８ａが、電荷検出部１０６とＶＤＤ電源電位が印加されている拡散層１０９間のチャネル領域上に表面酸化膜１０３を介して設けられたリセットトランジスタ１０８とを有している。これらの表面高濃度拡散層１０４、埋め込みフォトダイオード１０５および各トランジスタ１０７，１０８の周囲は素子分離酸化膜１０３（例えばＳＴＩなど）によって画素部毎に素子分離されている。

ここでは、既存技術のため明記しないが、電荷検出部１０６からソースフォロワ回路などの増幅器（増幅トランジスタ回路）が接続されており、電荷検出部１０６に転送された信号電荷に対応した検出電圧に応じて増幅トランジスタが検出電圧を増幅して画素毎の撮像信号を出力する。フォトダイオード１０５は埋め込み型であり、フォトダイオード１０５からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化できて、高画質の画像信号を得ることが可能となることが知られている。

この電荷検出部１０６において、フォトダイオード１０５からの信号電荷△Ｑsigを電圧信号△Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、電荷検出部１０６の容量をＣFDとすると、
η＝Ｇ・△Ｖsig／△Ｑsig＝Ｇ／ＣFD
となる。ここで、Ｇは、増幅器（増幅トランジスタ）のゲインであり、通常、ソースフォロワ回路を用いた場合、１より若干小さい値（〜０.９）を示す。電荷電圧変換効率ηを大きくするには電荷検出部１０６の容量ＣFDを小さくする必要がある。この電荷検出部１０６の容量ＣFDは、電荷検出部１０６に接続された電荷転送トランジスタ１０７のドレイン側接合容量と増幅器（増幅トランジスタ）の入力容量および基板(この場合Ｐウエル１０２)とのジャンクション容量、配線間のカップリング容量の総和である。変換電圧信号Ｖsig=Ｑsig（信号電荷）／電荷検出部１０６の容量ＣFDであるので、電荷検出部１０６の容量ＣFDが小さければ小さいほど、変換電圧Ｖの値が大きくなって電荷電圧変換率ηがよくなる。

したがって、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオード１０５および電荷転送トランジスタ１０７の数が多くなるほど、電荷検出部１０６に接続された電荷転送トランジスタ１０７のドレイン側接合容量とＰウエル１０２とのジャンクション容量、ならびに配線間のカップリング容量が増加し、これによって、電荷電圧変換率ηが低下するという問題がある。

特許文献１には、上記電荷検出部１０６の容量ＣFDを低減するために、電荷検出部１０６とＰウエル１０２とのジャンクション容量を下げる方法が提案されている。この事例として、図１１に示すように、従来の増幅型固体撮像装置１００Ａにおいて、電荷検出部１０６の高濃度拡散層下に連続して直に低濃度拡散層１０６Ａ（電界緩和層Ｎ−）を形成している。

特開２００４−２８９１３４号公報

上記特許文献１に開示されている従来の構成では、上記電荷検出部１０６の高濃度拡散層のＮ＋濃度１０²⁰ /ｃｍ³、Ｐウエル濃度10¹⁶ /cm³、低濃度拡散層１０６ＡのＮ−濃度10¹⁶/cm³とした場合、図１０では電荷検出部１０６とＰウエル１０２間の空乏層は０．６６μｍであったのを、図１１では０．８６μｍとなって、空乏層の幅が１．３倍と増え、電荷検出部１０６とＰ型基板１０１とのジャンクション容量は、空乏層の幅に反比例するため、７７パーセントに低減できるものの、電荷検出部１０６とＰ型基板１０１とのジャンクション容量が７７パーセントにしか低減できない。このときのＰＮ逆バイアス電圧を３．０Ｖとしている。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素サイズが小さくなって感度が下がっても上記電荷検出部の容量を更に低減することにより電荷電圧変換率を更に向上させて更なる高画質の画像信号を得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、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に設けられて複数の画素部が構成された固体撮像素子において、該画素部毎に、該受光部の第１導電型光電変換部と、該第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部とを有し、第１導電型基板の上部に第２導電型ウエルが設けられ、該第２導電型ウエル内に該第１導電型光電変換部および該第１導電型信号検出部が設けられており、該第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化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。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型信号検出部の下方位置で、前記第１導電型基板と前記第２導電型ウエルの境界部を含む位置に、該第１導電型信号検出部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型拡散層が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における低濃度の第１導電型拡散層は、前記第１導電型信号検出部との間に前記第２導電型ウエルが介在するように、該第１導電型信号検出部下から深さ方向に離れた位置に深部電界緩和層として設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型光電変換部の下方の第２導電型ウエルが完全に空乏化されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型光電変換部の下方の第２導電型ウエルと前記第１導電型基板の間の境界の深さ位置が、当該第２導電型ウエルに中性領域が存在する場合に比べて浅く形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは、その周囲の第２導電型ウエルよりも深さが浅く不純物濃度が薄く設定されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルと前記第１導電型基板との境界において、該第１導電型信号検出部側に平坦部から突出した断面突出部が形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型光電変換部の下方の第２導電型ウエルと前記第１導電型基板との境界は平坦部から凹んだ段差部になっている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型信号検出部に電荷転送された信号電荷に対応した信号電圧に応じて信号を増幅して出力する増幅器をさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型はＮ型であり、前記第２導電型はＰ型である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型光電変換部は、該第１導電型光電変換部の表面側に設けられた第２導電型表面高濃度拡散層と、該第１導電型光電変換部の前記第１導電型基板側に設けられた前記第２導電型ウエルとにより囲まれた埋め込み型フォトダイオードで構成されている。

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の製造方法において、入射光を光電変換して撮像する第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部となる領域の下方領域に第１導電型不純物をイオン注入して、前記第１導電型基板と前記第２導電型ウエルの境界部を含む位置に該第１導電型信号検出部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型拡散層を形成する第１導電型拡散層形成ステップ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の製造方法において、入射光を光電変換して撮像する第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部となる領域の下方領域以外の領域に第２導電型不純物をイオン注入した後に熱拡散処理して回路用第２導電型ウェルを形成することにより、該回路用第２導電型ウェルと第１導電型基板との境界の断面構造として該第１導電型信号検出部側に突出した断面突出部を形成する回路用第２導電型ウェル形成ステップと、該第１導電型光電変換部となる領域下に、第２導電型不純物をイオン注入して光電変換部用第２導電型ウェルを形成することにより、該光電変換部用第２導電型ウェルと該第１導電型基板との境界の断面構造として該第１導電型基板側に凹んだ断面段差部を形成する光電変換部用第２導電型ウェル形成ステップと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、画素部毎に、受光部の第１導電型光電変換部と、第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部とを有し、第１導電型基板の上部に第２導電型ウエルが設けられ、第２導電型ウエル内に第１導電型光電変換部および第１導電型信号検出部が設けられており、第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化されている。

これによって、第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化されていることにより、第１導電型信号検出部のジャンクション容量Ｃを大幅に下げることができ、画素サイズが小さくなりかつ、上記第１導電型信号検出部のジャンクション容量Ｃを更に低減することにより電荷電圧変換率を更に向上させて更なる高画質の画像信号を得ることが可能となる。

以上により、本発明によれば、第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化されていることにより、第１導電型信号検出部のジャンクション容量Ｃを大幅に下げることができて、画素サイズが小さくなっても、上記第１導電型信号検出部のジャンクション容量Ｃを更に低減することにより電荷電圧変換率を更に向上させて更なる高画質の画像信号を得ることができる。

本発明の実施形態１の２次元増幅型固体撮像素子における深部電界緩和層Ｎ−のイオン注入平面視パターンを含む要部構成例を模式的に示す平面図である。図１のＡＡ’線縦断面図である。図２の２次元増幅型固体撮像素子における電荷検出部からＮ型基板の深さ方向へのポテンシャル図である。本発明の実施形態２の２次元増幅型固体撮像素子における深部電界緩和層Ｎ−のイオン注入平面視パターンを含む要部構成例を模式的に示す平面図である。図１のＢＢ’線縦断面図である。本発明の実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子における要部構成例を模式的に示す縦断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、図６の２次元増幅型固体撮像素子を製造する方法を説明するための各工程（その１）までの要部縦断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、図６の２次元増幅型固体撮像素子を製造する方法を説明するための各工程（その２）までの要部縦断面図である。本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子のいずれか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。従来の増幅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。従来の増幅型固体撮像素子の別の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。

以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１〜３および、この固体撮像素子の実施形態１〜３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。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の２次元増幅型固体撮像素子における深部電界緩和層Ｎ−のイオン注入平面視パターンを含む要部構成例を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＡＡ’線縦断面図である。

図１において、本実施形態１の２次元増幅型固体撮像素子１は、第１導電型（ここではＮ型）光電変換部としてのフォトダイオード６が複数個、平面視行列方向に２次元状でマトリクス状に配列されている。各フォトダイオード６は、平面視４角形の右下側の１角から１辺に沿って所定幅で突出しており、フォトダイオード６の突出部に、電荷転送トランジスタ８と、電荷検出部７と、リセットトランジスタ９と、ＶＤＤ電源電位が接続される拡散層１０とがこの順に配置されている。これらによって、平面視Ｌ字状に形成されている。フォトダイオード６の平面視右側で、電荷転送トランジスタ８と、電荷検出部７と、リセットトランジスタ９と、ＶＤＤ電源電位が接続される拡散層１０との配置の上側に、電荷検出部７に電荷転送された信号電荷に対応した検出電圧に応じて信号を増幅して信号出力する増幅トランジスタを含む増幅器１３が配置されている。電荷検出部７の深さ方向下方位置には、ジャンクション容量ＣFDを低減して、電荷電圧変換率を大幅に向上させるために、電荷検出部７の平面視外形よりも大きく点線で囲った深部電界緩和層１２が設けられている。

図２において、本実施形態１の２次元増幅型固体撮像素子１は、Ｎ型基板２の上部側にＰ型ウェル３を設けている。Ｐ型ウェル３内の各画素部毎に、表面酸化膜４下の表面高濃度拡散層５により埋め込まれ、入射光を光電変換して信号電荷を発生させるＮ型光電変換部としての埋め込みフォトダイオード６と、この埋め込みフォトダイオード６に蓄積された信号電荷を電荷検出部７に転送するために電荷転送制御電圧が印加されるゲート８ａが、埋め込みフォトダイオード６と電荷検出部７との間のチャネル領域上に表面酸化膜４を介して設けられた電荷転送トランジスタ８と、電荷検出部７に転送された信号電荷に対応した検出電圧を基準電圧にリセットするためにリセット制御電圧が印加されるゲート９ａが、電荷検出部７とＶＤＤ電源電位が印加されている拡散層１０との間のチャネル領域上に表面酸化膜４を介して設けられたリセットトランジスタ９とを有している。これらの表面高濃度拡散層５、埋め込みフォトダイオード６および各トランジスタ８，９の平面視周囲は素子分離酸化膜１１（例えばＳＴＩなど）によって画素部毎に素子分離されている。

電荷検出部７からソースフォロワ回路などの増幅器（増幅トランジスタ回路）が接続されており、電荷検出部７に転送された信号電荷に対応した検出電圧に応じて増幅トランジスタが撮像信号を増幅して信号出力する。

電荷検出部７下に対応したＰ型ウェル３の底部を含む位置であって電荷検出部７路の間にＰ型ウェル３が介在するように深部電界緩和層１２が設けられており、これによって、電荷検出部７の容量ＣFDを大幅に削減することができて電荷電圧変換率ηを向上させて高画質の画像信号を得ることができる。要するに、電荷検出部７下から深さ方向に離れた位置に深部電界緩和層１２が設けられている。

従来例では、Ｐ側基板であったが、本実施形態１ではＮ型基板２を採用し、電荷検出部７の下方位置に深部電界緩和層１２としてＮ−層を高エネルギーでＮ型不純物をイオン注入することにより形成している。

一定のＰＮ逆バイアス電位が電荷検出部７、Ｐ型ウエル３およびＮ型基板２に印加された場合、電荷検出部７とＰ型ウエル３との間に空乏層が広がり、Ｐ型ウエル３と深部電界緩和層１２間にも空乏層が広がり、仮に、Ｐ型ウエル３内に発生した空乏層によってＰ型ウエル３内のＧＮＤ電位を持つ中性領域が消滅すれば、結局、電荷検出部７と中性領域（この場合はＮ型基板２）との空乏層は、上記に述べたおのおのの空乏層の総和となって、電荷検出部７とＮ型基板２とのジャンクション容量を大幅に低減できる。

ここで、例えば各層のＰ層またはＮ層の密度をそれぞれ、電荷検出部７のＮ＋濃度１０²⁰ /ｃｍ³、その下のＰ型ウエル３の濃度10¹⁶ /cm³、深部電界緩和層１２のＮ−濃度１０¹⁶/ｃｍ³とした場合に、電荷検出部７とＰ型ウエル３との間のＰＮ接合のＰ型ウエル３側の空乏層は０．６μｍである。また、電荷検出部７側は高濃度のため、空乏層の発生は少なく０．０６μｍである。また、Ｐ型ウエル３と深部電界緩和層１２のＮ−層との間のＰＮ接合のＰ型ウエル３側の空乏層は０．４３μｍ、深部電界緩和層１２側の空乏層は０．４３μｍとなる。ただし、ＰＮの逆バイアス電位は３Ｖとしている。

電荷検出部７の下方のＰ型ウエル３は、電荷検出部７からの空乏層と深部電界緩和層１２からの空乏層が広がり（この場合、０．６μｍと０．４３μｍ）、これにより、Ｐ型ウエル３の中性領域が完全になくなると、Ｐ型ウエル３は完全に空乏化する。

その条件とは、図２の電荷検出部７と深部電界緩和層１２に挟まれたＰ型ウエル３の深さ方向の距離が約１．０μｍ以下であることである。この条件下で、第１導電型信号検出部としてのＮ型の電荷検出部７と、第１導電型基板としてのＮ型基板２との間に第２導電型ウエルとしてのＰ型ウエル３が設けられている場合に、電荷検出部７の下方位置で、Ｎ型基板２とＰ型ウエル３の境界部を含む位置に、電荷検出部７のＮ型不純物濃度よりも低濃度のＮ−層（第１導電型拡散層）が設けられることにより、Ｐ型ウエル３は完全に空乏化されている。

図３は、図２の２次元増幅型固体撮像素子１における電荷検出部７からＮ型基板２の深さ方向へのポテンシャル図である。

図３に示すように、電荷検出部７と中性領域（この場合はＮ型基板２）との距離は、電荷検出部７とＰ型ウエル３との間の空乏層の０．６６μｍと、Ｐ型ウエル３と深部電界緩和層１２との間の空乏層の０．８６μｍの和となり、従来の場合に比べてジャンクション容量Ｃが、０．６６μｍ / １．５２μｍ＝０．４３で４３パーセントに低減したことになり、従来より大幅にジャンクション容量Ｃの低減が可能となり、電荷電圧変換率が大幅に向上する。

次に、例えば、各層のＰ層またはＮ層の密度をそれぞれ、電荷検出部７のＮ＋濃度１０²⁰/ｃｍ³、その下方のＰ型ウエル３の濃度10¹⁶/cm³、深部電界緩和層１２のＮ−濃度１０¹⁵/ｃｍ³とした場合、電荷検出部７とＰ型ウエル３との間のＰＮ接合のＰ型ウエル３側の空乏層は０．６μｍである。電荷検出部７側は高濃度のため空乏層発生は少なく０．０６μｍである。また、Ｐ型ウエル３と深部電界緩和層１２のＮ−層との間のＰＮ接合のＰ型ウエル３側の空乏層は０．１８μｍ、深部電界緩和層１２側の空乏層は１．８４μｍとなる。ただし、ＰＮの逆バイアス電位は３Ｖとしている。

電荷検出部７下のＰ型ウエル３は、電荷検出部７からの空乏層と深部電界緩和層１２からの空乏層が広がり（この場合、０．６μｍと０．１８μｍ）、これにより、Ｐ型ウエル３の中性領域が完全に無くなるとＰ型ウエル３は完全に空乏化する。その条件とは、図２の電荷検出部７と深部電界緩和層１２に挟まれたＰ型ウエル３の深さ方向の距離が約０．７８um以下である。

電荷検出部７と中性領域（この場合はＮ型基板２）との距離は、電荷検出部７とＰ型ウエル３との間の空乏層の０．６６μｍと、Ｐ型ウエル３と深部電界緩和層１２との間の空乏層の２．０２umの和となり、従来の場合に比べてジャンクション容量Ｃが、０．６６μｍ / ２．６８μｍ＝０．２５で２５パーセントに低減したことになり、従来の場合よりも大幅にジャンクション容量Ｃの低減が可能となって、電荷電圧変換率ηを大幅に向上させることができる。

また、電荷検出部７の下以外は深部電界緩和層１２を不純物イオン注入をしないため、Ｐ型ウエル３の中性領域が十分に確保され、従来の場合と変わらない動作が保証され得ることになる。

以上により、本実施形態１によれば、Ｎ型基板２の上部にＰ型ウエル３が設けられ、Ｐ型ウエル３内に埋め込みフォトダイオード６および電荷検出部７が設けられており、電荷検出部７の下方のＰ型ウエル３は完全に空乏化されている。

このように、電荷検出部７とＮ型基板２に挟まれたＰ型ウエル３を空乏化することにより、電荷検出部７のジャンクション容量Ｃを大幅に下げ、ひいては画素サイズが小さくかつ電荷電圧変換率ηを向上させて高画質の画像信号を得ることができる。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２の２次元増幅型固体撮像素子における深部電界緩和層Ｎ−のイオン注入平面視パターンを含む要部構成例を模式的に示す平面図である。図５は、図４のＢＢ’線縦断面図である。なお、図４および図５では、図１および図２の構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付して説明する。

図４および図５において、本実施形態２の２次元増幅型固体撮像素子１Ａは、光電変換部としてのフォトダイオード６が複数個、平面視行列方向に２次元状でマトリクス状に配列されている。各フォトダイオード６は、平面視４角形の右下側の１角から１辺に沿って所定幅で突出しており、フォトダイオード６の突出部に、電荷転送トランジスタ８と、電荷検出部７と、リセットトランジスタ９と、ＶＤＤ電源電位が接続される拡散層１０とがこの順に配置されている。これによって、平面視Ｌ字状に形成されている。フォトダイオード６の平面視右側で、電荷転送トランジスタ８と、電荷検出部７と、リセットトランジスタ９と、ＶＤＤ電源電位が接続される拡散層１０との配置の上側に、電荷検出部７に転送された信号電荷に対応した検出電圧に応じて信号を増幅して信号出力する増幅トランジスタを含む増幅器１３が配置されている。電荷検出部７の深さ方向下方位置には、ジャンクション容量Ｃを低減して、電荷電圧変換率を大幅に向上させるために、電荷検出部７の平面視外形と略同一サイズの深部電界緩和層１２Ａが設けられている。

上記実施形態１では、埋め込みフォトダイオード６下のＰ型ウエル３には中性領域が存在したが、本実施形態２では、埋め込みフォトダイオード６下のＰ型ウエル３Ａは完全に空乏化している。要するに、上記実施形態１のＰ型ウエル３とＮ型基板２との境界位置が、本実施形態２のＰ型ウエル３ＡとＮ型基板２との境界位置よりも深く形成されている。即ち、本実施形態２のＰ型ウエル３ＡとＮ型基板２との境界位置が、上記実施形態１のようにＰ型ウエル３に中性領域が存在する場合に比べて上記実施形態１のＰ型ウエル３とＮ型基板２との境界位置よりも圧倒的に浅く形成されている。これによって、隣接した画素部間のクロストーク低減に効果がある。このように、Ｐ型ウエル３ＡとＮ型基板２の境界が上記実施形態１の場合よりも浅いため、深部電界緩和層１２Ａのイオン注入位置が浅く制御もし易く、イオン注入エネルギーも低エネルギーで済み、電荷検出部７と深部電界緩和層１２Ａに挟まれたＰ型ウエル３の深さ方向の距離も上記実施形態１の場合よりも少なく、完全空乏化させるのにプロセス的に有利である。要するに、上記実施形態１でのイオン注入が２段必要な場合であっても、深部電界緩和層１２Ａの深さ位置が浅い分だけ１段のイオン注入で済む。

以上により、本実施形態２によれば、第１導電型光電変換部としての埋め込みフォトダイオード６と第１導電型基板としてのＮ型基板２との間の第２導電型ウエルとしてのＰ型ウェル３Ａが完全に空乏化されるように、本実施形態２のＰ型ウエル３ＡとＮ型基板２との境界位置が設定されているため、本実施形態２のＰ型ウエル３ＡとＮ型基板２との境界位置は、上記実施形態１のＰ型ウエル３とＮ型基板２との境界位置に比べて圧倒的に浅く形成されている。これによって、隣接した画素部間のクロストークが低減すると共に、深部電界緩和層１２Ａの深さ位置が浅く、そのイオン注入エネルギーも少なくて済み、深部電界緩和層１２Ａのサイズも平面視で狭くても良く、上記実施形態１の場合よりもＰ型ウエル３Ａを完全空乏化させるのに有利である。

したがって、電荷検出部７とＮ型基板２に挟まれたＰ型ウエル３Ａをより確実に空乏化することにより、電荷検出部７のジャンクション容量Ｃを大幅に下げることができて、ひいては画素サイズが小さくかつ電荷電圧変換率ηを向上させて高画質の画像信号を得ることができる。

なお、上記実施形態１、２では、固体撮像素子の製造方法については特に説明しなかったが、入射光を光電変換して撮像する第１導電型光電変換部としての埋め込みフォトダイオード６から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部としての電荷検出部７となる領域の下方領域に、第２導電型ウエルとしてのＰ型ウエル３または３Ａが完全に空乏化するように所定距離だけ離間して第１導電型不純物をイオン注入して、第１導電型基板としてのＮ型基板２または２ＡとＰ型ウエル３または３Ａとの境界部を含む位置に電荷検出部７の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型拡散層としての深部電界緩和層１２または１２Ａを形成する第１導電型拡散層形成ステップを有している。

（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子における要部構成例を模式的に示す縦断面図である。なお、図６では、図２の構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付して説明する。

図６に示すように、本実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子１ＢにおけるＰ型ウェル３Ｂにおいて、回路用Ｐウエル１４Ａとフォトダイオード用Ｐウエル１５の形成を別々に行っている。このＰ型ウェル３Ｂのウェル構造も各画素部のクロストーク低減に効果がある。

第１導電型信号検出部としての信号検出部７の下方の第２導電型ウエルとしての回路用Ｐウエル１４Ａは、その周囲の第２導電型ウエルとしてのフォトダイオード用Ｐウエル１５よりも深さが浅く不純物濃度が薄く設定されている。信号検出部７の下方の第２導電型ウエルとしての回路用Ｐウエル１４ＡとＮ型基板２Ｂの境界が信号検出部７側に突出している。要するに、回路用Ｐウエル１４Ａにおいて、Ｎ型基板２Ｂの領域が、電荷検出部７側の上方に平坦部２２Ｂから突出した突出部２１Ｂが形成される。また、フォトダイオード用Ｐ型ウェル１５において、Ｎ型基板２Ｂとの境界の平坦部２２Ｂから凹んで段差部２３Ｂが生じて深くなっている。これらの場合に、信号検出部７と突出部２１Ｂ間のＰ型ウエル３Ｂの回路用Ｐウエル１４Ａは完全に空乏化されている。また、埋め込みフォトダイオード６とＮ型基板２Ｂとの間の第２導電型ウエル３Ｂのフォトダイオード用Ｐウエル１５も完全に空乏化されている。

これによれば、上記実施形態１，２のような深部電界緩和層１２，１２Ａの形成のために深い部分へのＮ型不純物のイオン注入の必要性がなくなって、製造工程がより容易になる。

ここで、本実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子１Ｂの製造方法について説明する。

図７（ａ）〜図７（ｃ）および図８（ａ）〜図８（ｃ）は、図６の２次元増幅型固体撮像素子１Ｂを製造する方法を説明するための各工程までの要部縦断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、Ｎ型基板２Ｂの表面側に素子分離用酸化膜１１（例えばＳＴＩなど）を表面酸化膜と共に形成する。素子分離用酸化膜１１は、前述した表面高濃度拡散層５、埋め込みフォトダイオード６および各トランジスタ８，９などの平面視周囲を各画素部（単位画素部）毎に素子分離する。

次に、図７（ｂ）に示すように、各トランジスタ８，９の下方の回路用Ｐ型ウェル１４を形成するためにＰ型不純物をイオン注入する。この場合のイオン注入領域は、電荷検出部７となる領域の下方領域２ａ以外の領域にイオン注入する。即ち、電荷検出部７となる領域およびその下方領域２ａには、Ｐ型不純物のイオン注入は行わない。

続いて、図７（ｃ）に示すように、電荷検出部７となる領域の下方領域２ａ以外に薄く形成された回路用Ｐ型ウェル１４に対して熱処理を行って回路用Ｐ型ウェル１４を拡散処理する。これによって、両側の回路用Ｐ型ウェル１４間の下方領域２ａが無くなって互いに一体化して回路用Ｐ型ウェル１４Ａを形成する。この回路用Ｐ型ウェル１４Ａの下方領域２ａに対応する位置において、Ｎ型基板２Ｂの領域が、電荷検出部７となる領域側に平坦部２２Ｂから突出した突出部２１Ｂが形成される。

その後、図８（ａ）に示すように、前述した表面高濃度拡散層５および埋め込みフォトダイオード６を形成する領域下にフォトダイオード用Ｐ型ウェル１５を形成するためにＰ型不純物を更にイオン注入する。このフォトダイオード用Ｐ型ウェル１５において、Ｎ型基板２Ｂとの境界の平坦部２２Ｂから凹んで段差部２３Ｂが生じて深くなる。

さらに、図８（ｂ）に示すように、電荷転送トランジスタ８のゲート８ａおよびリセットトランジスタ９のゲート９ａ、その他、ここでは図示していないが、増幅トランジスタのゲートを所定位置に形成する。

最後に、図８（ｃ）に示すように、イオン注入により、表面高濃度拡散層５、埋め込みフォトダイオード６、電荷検出部７および拡散層１０を形成する。これによって、本実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子１Ｂを製造することができる。

要するに、本実施形態３の２次元増幅型固体撮像素子１Ｂの製造方法は、入射光を光電変換して撮像する第１導電型光電変換部としての埋め込みフォトダイオード６から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部としての電荷検出部７となる領域直下の下方領域以外の領域に第２導電型不純物をイオン注入した後に熱拡散処理して回路用第２導電型ウェルとしての回路用Ｐ型ウェル１４Ａを形成することにより、回路用第２導電型ウェル１４ＡとＮ型基板２Ｂとの境界の断面構造として電荷検出部７側に突出した断面突出部２１Ｂを形成する回路用第２導電型ウェル形成ステップと、埋め込みフォトダイオード６となる領域下に、第２導電型不純物をイオン注入して光電変換部用第２導電型ウェルとしてのフォトダイオード用Ｐ型ウェル１５を形成することにより、フォトダイオード用Ｐ型ウェル１５とＮ型基板２Ｂとの境界の断面構造としてＮ型基板２Ｂ側に凹んだ断面段差部２３Ｂを形成する光電変換部用第２導電型ウェル形成ステップとを有している。

以上により、本実施形態３によれば、上記実施形態１，２のように深部電界緩和層１２，１２Ａを形成せずに、電荷検出部７とＮ型基板２Ｂに挟まれたＰ型ウエル３Ｂを空乏化することができる。これによって、電荷検出部７のジャンクション容量Ｃを大幅に下げ、ひいては画素サイズが小さくかつ電荷電圧変換率ηを向上させて高画質の画像信号を得ることができる。

（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子のいずれか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９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１〜３の固体撮像素子のいずれか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力部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、本実施形態１〜３では、特に詳細には説明しなかったがが、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に設けられて複数の画素部が構成された固体撮像素子において、画素部毎に、該受光部の第１導電型光電変換部と、第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部とを有し、第１導電型基板の上部に第２導電型ウエルが設けられ、第２導電型ウエル内に第１導電型光電変換部および第１導電型信号検出部が設けられており、第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化されていることによって、画素サイズが小さくなりかつ上記電荷検出部の容量を更に低減することにより電荷電圧変換率を更に向上させて更なる高画質の画像信号を得ることができる本発明の目的を達成することができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４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１〜４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１〜４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、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、画素サイズが小さくなっても、上記電荷検出部の容量を更に低減することにより電荷電圧変換率を更に向上させて更なる高画質の画像信号を得ることができる。

１、１Ａ、１Ｂ２次元増幅型固体撮像素子
２、２Ａ、２ＢＮ型基板
３、３Ａ、３ＢＰ型ウェル
４表面酸化膜
５表面高濃度拡散層
６埋め込みフォトダイオード
７電荷検出部
８電荷転送トランジスタ
８ａ、９ａゲート
９リセットトランジスタ
１０拡散層
１１素子分離酸化膜
１２、１２Ａ深部電界緩和層
１３増幅トランジスタを含む増幅器
１４，１４Ａ回路用Ｐ型ウェル
１５フォトダイオード用Ｐ型ウェル

Claims

入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に設けられて複数の画素部が構成された固体撮像素子において、
該画素部毎に、該受光部の第１導電型光電変換部と、該第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部とを有し、
第１導電型基板の上部に第２導電型ウエルが設けられ、該第２導電型ウエル内に該第１導電型光電変換部および該第１導電型信号検出部が設けられており、該第１導電型信号検出部の下方の第２導電型ウエルは完全に空乏化されており、
該第１導電型信号検出部の下方位置で、該第１導電型基板と該第２導電型ウエルの境界部を含む位置に、該第１導電型信号検出部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型拡散層が設けられている固体撮像素子。
前記低濃度の第１導電型拡散層は、前記第１導電型信号検出部との間に前記第２導電型ウエルが介在するように、該第１導電型信号検出部下から深さ方向に離れた位置に深部電界緩和層として設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１導電型光電変換部の下方の第２導電型ウエルが完全に空乏化されている請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１導電型光電変換部の下方の第２導電型ウエルと前記第１導電型基板の間の境界の深さ位置が、当該第２導電型ウエルにＧＮＤ電位を持つ中性領域が存在する場合に比べて浅く形成されている請求項３に記載の固体撮像素子。
前記第１導電型信号検出部に電荷転送された信号電荷に対応した信号電圧に応じて信号を増幅して出力する増幅器をさらに有する請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１導電型はＮ型であり、前記第２導電型はＰ型である請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１導電型光電変換部は、
該第１導電型光電変換部の表面側に設けられた第２導電型表面高濃度拡散層と、該第１導電型光電変換部の前記第１導電型基板側に設けられた前記第２導電型ウエルとにより囲まれた埋め込み型フォトダイオードで構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法において、
入射光を光電変換して撮像する第１導電型光電変換部から電荷転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１導電型信号検出部となる領域の下方領域に第１導電型不純物をイオン注入して、前記第１導電型基板と前記第２導電型ウエルの境界部を含む位置に該第１導電型信号検出部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型拡散層を形成する第１導電型拡散層形成ステップを有する固体撮像素子の製造方法。
請求項１〜７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。