JP7039205B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び撮像装置に関する。
特許文献１には、固体撮像装置の画素に複数の光電変換部を配し、それらの間に配される不純物領域の濃度に分布を持たせることで、光電変換部間の分離構造を適切なものとし、所望の信号を得る構造が開示されている。
特開２０１４－２０４０４３号公報
特許文献１に記載の固体撮像装置では、光の波長によっては、複数の光電変換部間での信号の分離性能が不十分となる可能性がある。
実施の形態の一様態は、信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を有する、第１光電変換部と、信号電荷を収集する前記第１導電型の第２半導体領域を有する、第２光電変換部と、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第３半導体領域と、を有する半導体基板、を有し、
前記半導体基板の第１面に対する平面視において、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に配され、前記第１半導体領域は、第４半導体領域と、前記第４半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第４半導体領域よりも不純物濃度の低い第５半導体領域と、を有し、前記第２半導体領域は、第６半導体領域と、前記第６半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第６半導体領域よりも不純物濃度の低い第７半導体領域と、を有し、前記第３半導体領域は、第８半導体領域と、前記第８半導体領域よりも不純物濃度の低い第９半導体領域と、を有し、前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第３半導体領域の不純物濃度が最小値を示す位置を第１の位置とし、前記第１半導体領域の不純物濃度が最大値を示す位置を第２の位置としたときに、前記第１の位置は、前記第９半導体領域に含まれ、前記第２の位置は、前記第４半導体領域に含まれ、前記第１の位置は、前記第４半導体領域が形成される深さに位置し、前記第１の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第１の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲と、前記第２の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第２の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲とが重なる固体撮像装置に関する。
複数の光電変換部間での信号の分離性能における、波長依存性を改善することができる。
撮像装置を模式的に示すブロック図である 固体撮像装置を模式的に示すブロック図である 固体撮像装置の画素の一部の上面図を模式的に示す図である 固体撮像装置の一部の断面、不純物濃度、及び信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である 比較例の固体撮像装置の一部の断面、不純物濃度、及び信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である 光電変換ユニットの波長毎における、光の入射角に対する出力信号を示す図である 固体撮像装置の一部の断面を模式的に示す図である 固体撮像装置の一部の断面を模式的に示す図である 固体撮像装置の一部の断面を模式的に示す図である 図４に記載の固体撮像装置の一部の製造方法を説明する図である 物体の結像関係を模式的に示す図である 位相差方式の焦点検出を模式的に示す図である
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。本発明に係る実施の形態は、以下に説明される形態のみに限定されるものではない。例えば、以下のいずれかの実施の形態の一部の構成が他の実施の形態に追加されもよく、他の実施の形態の一部の構成が置換されてもよい。
なお、各図は、構成を説明する目的で記載されたものであり、図示された各部材の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、各図において、同一の部材または同一の構成要素には同一の参照番号を付しており、以下、重複する内容については説明を省略する。
本件において、ある領域の位置や深さが、ＡからＢの間にある、とは、ある領域の位置や深さが、ＡやＢの場合も含む。同様に、位置や深さの範囲が、ＣからＤまでの範囲とは、位置や深さがＣ及びＤの場合も含む。
また、本明細書において、深さ方向における不純物濃度やポテンシャルの極大値を含むピークとは、Ｘ軸を深さ方向、Ｘ軸に垂直なＹ軸を不純物濃度やポテンシャルとした場合に、グラフのＹ軸の正の方向に凸の部分を指す。同様に、深さ方向おける不純物濃度やポテンシャルの極小値を含むピークとは、Ｘ軸を深さ方向、Ｘ軸に垂直なＹ軸を不純物濃度やポテンシャルとした場合に、グラフのＹ軸の負の方向に凸の部分を指す。
具体的には、深さ方向おける不純物濃度やポテンシャルの極大値を含むピークとは、該グラフにおいて、深さ方向（グラフのＸ軸）における該極大値の両側で、変曲点を示す位置同志の間（変曲点に対応する位置を含む）の部分を指す。なお、対象とする範囲にて、深さ方向における該極大値の片側または両側に変曲点がない場合には、該範囲の変曲点がない側の境界位置を、該ピークの端とする。
同様に、深さ方向おける不純物濃度やポテンシャルの極小値を含むピークとは、該グラフにおいて、深さ方向（グラフのＸ軸）における該極小値の両側で、変曲点を示す位置同志の間（変曲点に対応する位置を含む）の部分を指す。対象とする範囲にて深さ方向における該極小値の片側または両側に変曲点がない場合には、上記同様、該範囲の変曲点がない側の境界位置を、該ピークの端とする。
（実施の形態１）
本実施の形態に示す固体撮像装置は、例えば、図１に示すような撮像装置に用いることができる。撮像装置として、ここではカメラを例として説明する。撮像装置において、被写体１００１から発せられた光はレンズ１００２と絞り１００３を通過し、固体撮像装置１００に到達する。光は固体撮像装置１００で電気信号に変換され、信号処理部１００７に入力される。撮像装置は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部１０１３を有する。
また、撮像装置は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１０１２、記録媒体２０１２に記録、読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１０１１を有する。なお、記録媒体２０１２は、撮像装置に内蔵されていてもよいが、着脱可能であってもよい。
更に、撮像装置は、各種演算を行い、撮像装置全体を制御する全体制御・演算部２１８、固体撮像装置１００と信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１００８を有する。
図２は本実施形態に係る固体撮像装置の概略を示す図である。図２において固体撮像装置１００は、画素アレイ１０１、垂直選択回路１０２、列回路１０３、水平選択回路１０４、及びシリアルインターフェイス１０５を有する。
画素アレイ１０１は、複数の画素を有し、例えば、複数の画素は行列状に配されている。複数の画素それぞれは、光電変換ユニットを有する。光電変換ユニットは、複数の光電変換部を有していてもよい。
垂直選択回路１０２は、走査線１０６を介して画素アレイ１０１における所定の行を選択し、選択された行に含まれる光電変換部から信号が垂直出力線１０７に出力される。垂直出力線１０７は列ごともしくは複数の列ごと、もしくは１つの列に複数設けることができる。
列回路１０３は垂直出力線１０７に読み出された信号が入力される。列回路１０３では信号の増幅、アナログデジタル変換、ノイズ除去等の処理を行うことができる。水平選択回路１０４は列回路１０３に保持された信号を順次選択し、不図示の水平出力線へ出力する。シリアルインターフェイス１０５は例えば動作モードを外部から決定するために外部との通信を行なう。
固体撮像装置１００は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、列回路１０３にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ、或いは制御回路等を備えてもよい。タイミングジェネレータは、図１のタイミング発生部１００８が兼ねてもよい。また、制御回路は、図１の全体制御・演算部１００９が兼ねてもよい。
図２のブロック図は本明細書に記載の実施の形態全てに適用可能である。また垂直、水平は便宜的につけた名称であり、入れ替えることも可能である。
本実施の形態の固体撮像装置１００の構成について、図４から図６を用いて説明する。
撮像装置１００の複数の画素のうち一部の上面の概略図を図４に示す。図３では、２行、２列に配された４つの光電変換ユニット２０１を示す。１つの光電変換ユニット２０１に含まれる光電変換部は、１つのマイクロレンズ２０２からの光を受光する。また、１つの光電変換ユニット２０１は光電変換部ＰＤを複数有する。図４においては、２つの光電変換部、例えば、光電変換部ＰＤ１及び光電変換部ＰＤ２を有する例を示す。
なお、固体撮像装置１００は、１つの光電変換ユニット２０１内に２つの光電変換部を有する構成に限定されず、例えば、１つの光電変換ユニット２０１内に４つの光電変換部、または９つの光電変換部を有していてもよい。
転送トランジスタのゲートである転送ゲート２０５、及び転送ゲート２０６は、各々光電変換部ＰＤ１、光電変換部ＰＤ２で発生した信号電荷を、浮遊拡散部２０７に転送する。浮遊拡散部２０７は複数の光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２で共有されていてもよい。
図４（ａ）～（ｆ）を用いて、本実施の形態の固体撮像装置について説明する。
図４（ａ）は本実施の形態の２つの光電変換ユニットの断面構造を示す。半導体基板３００は、信号電荷が電子である複数の光電変換部ＰＤ１乃至ＰＤ４を有する。光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２は、マイクロレンズ２０２ａを通過した光をそれぞれ受光する。光電変換部ＰＤ３及びＰＤ４は、マイクロレンズ２０２ｂを通過した光をそれぞれ受光する。なお、ここでは、平面視においてマイクロレンズと該マイクロレンズに対応する光電変換部とが重なる場合を示すが、画素アレイ１０１の位置によってマイクロレンズと光電変換部の位置は平面視において、ずれていてもよい。
また、ここでは信号電荷が電子の場合について説明するが、固体撮像装置は、この形態に限定されず、信号電荷が正孔であってもよい。信号電荷が正孔の場合には、各半導体領域に反対導電型の半導体領域を用いればよい。
図４（ａ）において、半導体基板３００は、第１導電型であるＮ型の半導体領域３０３、３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ、及び３０７ｂ、第２導電型であるＰ型の半導体領域３０４、３０５、３３０８、及び３０９を有する。Ｐ型の半導体領域３０４と複数のＮ型の半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ、３０７ｂとは、それぞれＰＮ接合を構成している。Ｐ型の半導体領域３０４は半導体領域３０３上に配され、半導体領域３０３は、例えばＮ型半導体基板を用いることができる。ここでは、半導体領域３０３としてＮ型半導体基板を用いる例を示すが、半導体領域３０３として、Ｐ型半導体基板を用いてもよい。
光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２は、それぞれ第１導電型であるＮ型の半導体領域３０６ａ、Ｎ型の半導体領域３０６ｂを有し、光電変換部ＰＤ３及びＰＤ４は、それぞれ、第１導電型であるＮ型の半導体領域３０７ａ、Ｎ型の半導体領域３０７ｂを有する。具体的には、Ｐ型の半導体領域３０４とＮ型半導体領域３０６ａとで光電変換部ＰＤ１が、Ｐ型の半導体領域３０４とＮ型半導体領域３０６ｂとで光電変換部ＰＤ２が構成される。光電変換部ＰＤ３及びＰＤ４についても同様に、Ｐ型の半導体領域３０４とＮ型の半導体領域３０７ａ、Ｐ型の半導体領域３０４とＮ型の半導体領域３０７ｂとで、それぞれ光電変換部ＰＤ３及び光電変換部ＰＤ４が構成される。
Ｎ型の半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ、及び３０７ｂは、電子に対してポテンシャルが低く、信号電荷を収集する領域となる。更に、図４（ｆ）に示すように、Ｎ型の半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ、及び３０７ｂの入射面側にＰ型の半導体領域３１１を配して、いわゆる埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。Ｐ型の半導体領域３１１の不純物の濃度は、半導体領域３０４、３０５、３０９、及び３１０より高い。ここで、ある領域の不純物濃度とは、正味の不純物濃度のことであり、所謂ＮＥＴ不純物濃度を指す。
マイクロレンズ２０２と半導体基板３００との間には、カラーフィルター３０１と、積層された複数の配線層３０２ａ及び絶縁層３０２ｂを有する多層配線層３０２と、が配されている。ここでは異なる高さに配された３つの配線層３０２ａを図示している。
本実施の形態において、Ｎ型の半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ及び３０７ｂは、それぞれ異なる深さに配された二つの半導体領域を有する例を示す。具体的には、半導体領域３０６ａは、半導体領域３０６ａ－１及び半導体領域３０６ａ－１より不純物濃度の低い半導体領域３０６ａ－２を有する。半導体領域３０６ａ－１及び半導体領域３０６ａ－２は、一つの半導体領域として一体的に形成されていてもよく、もしくは複数の製造プロセス条件で深さ方向に積層されるように形成されていてもよい。同様に半導体領域３０６ｂ、３０７ａ、及び３０７ｂも、不純物濃度の異なる２つの半導体領域を有する。
光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２は、同一のマイクロレンズ２０２ａにより集光された光を受光し、第１光電変換ユニットに含まれる。光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２は、一方向、図４（ａ）のＸ方向において互いに隣り合っている。光電変換部ＰＤ３及びＰＤ４は、同一のマイクロレンズ２０２ｂにより集光された光を受光し、第２光電変換ユニットに含まれる。光電変換部ＰＤ３及びＰＤ４は、一方向、図４（ａ）のＸ方向において互いに隣り合っている。
光電変換部ＰＤ１に含まれるＮ型の半導体領域３０６ａ及び光電変換部ＰＤ２に含まれるＮ型の半導体領域３０６ｂの間には、Ｐ型の半導体領域３０８及びＰ型の半導体領域３０９が配される。Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９は、Ｎ型の半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの間で、電子に対するポテンシャル障壁として機能する。第２光電変換部も、同様の構成を有する。
光電変換部ＰＤ２及びＰＤ３は、それぞれ、異なるマイクロレンズ２０２ａ及び２０２ｂにより集光された光を受光する。光電変換部ＰＤ２及びＰＤ３は、Ｘ方向において互いに隣り合って配される。光電変換部ＰＤ２が有するＮ型の半導体領域３０６ｂと，光電変換部ＰＤ３に含まれるＮ型の半導体領域３０７ａの間には、Ｐ型の半導体領域３０５が配される。Ｐ型の半導体領域３０５は、Ｎ型の半導体領域３０６ｂ及びＮ型の半導体領域３０７ａの間で、光電変換部ＰＤ２及びＰＤ３の信号電荷である電子に対する、ポテンシャル障壁として機能する。
図４（ａ）は、半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０８、及び３０９を含む断面における固体撮像装置１００の一部の概略図である。図４（ａ）において、半導体基板３００は、多層配線層３０２及びマイクロレンズ２０２等が配される第１面と、第１面と反対側の第２面を有する。図４（ａ）において、第１面から第２面に向かう方向（－Ｚ方向）を深さ方向とする。
図４（ａ）に記載の断面において、半導体領域３０６ａにおいて、不純物濃度が半導体領域３０６ａ－１より低い半導体領域３０６ａ－２は、半導体領域３０６ａ－１より深い位置に配されている。図４（ａ）に配される断面において、Ｎ型の半導体領域３０６ａ－２は、Ｐ型の半導体領域３０４とＰＮ接合を形成する。また、半導体領域３０６ａの不純物濃度は、深さ方向において極大値を有し、この極大値を示す領域は半導体領域３０６ａ－１に含まれる。半導体領域３０６ａ－１における不純物濃度の極大値は、半導体基板３００の第１面から半導体領域３０６ａ－２と半導体領域３０４が成すＰＮ接合の最も深い位置との間で、最大値である。
図４（ａ）に記載の断面において、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９は、深さ方向で、第１面から半導体領域３０６ａ－２と半導体領域３０４とが成すＰＮ接合までの間で、不純物濃度が極小値を有する。この最小値を示す領域は、半導体領域３０９に含まれる。半導体領域３０９の不純物濃度の極小値は、第２部分３０８の不純物濃度の極小値よりも小さい。
図４（ａ）及び図４（ｆ）に記載の固体撮像装置の断面における、深さ方向に対する、不純物の濃度、及び信号電荷に対するポテンシャルを図４（ｄ）及び図４（ｇ）にそれぞれ示す。
半導体領域３０６ａ－１の不純物濃度が極大値を含むピークを示す領域Ｃｎと、半導体領域３０９の不純物濃度が極小値を含むピークを示す領域Ｃｐとは、深さ方向と垂直なＸ方向において、重なる部分を有する。
更に、図４（ａ）の断面において、半導体領域３０６ａ－１は、深さ方向で、信号電荷である電子に対するポテンシャルが極小値を有するピークとなる領域Ｐｎ（ポテンシャルが低い領域）を有する。Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９は、深さ方向で、第１面から半導体領域３０６ａ－２と半導体領域３０４とが成すＰＮ接合までの間で、信号電荷である電子に対するポテンシャルが極小値を含むピークとなる領域Ｐｐを有する。この極小値を有するピークを含む領域は、半導体領域３０９に含まれる。深さ方向の、第１面から半導体領域３０６ａ－２と半導体領域３０４とが成すＰＮ接合までの間において、半導体領域３０９の信号電荷に対するポテンシャルの極小値は、第２部分３０８の信号電荷に対するポテンシャルの極小値よりも小さい。
半導体領域３０６ａ－１において信号電荷に対するポテンシャルが極小値を含むピークを示す領域と、半導体領域３０９の不純物濃度が極小値を含むピークを示す領域とは、深さ方向と垂直なＸ方向において重なる部分を有する。
ここでは、半導体領域３０９は、半導体基板３００の深さ方向において、半導体領域３０８に対して浅い側に配されている。
図４（ｂ）と（ｃ）に、図４（ａ）のＭ－Ｎ、および、Ｏ－Ｐにおける固体撮像装置１００の一部の断面のポテンシャルを模式的に示す。また、図４（ｄ）及び図４（ｇ）に、図４（ａ）及び図４（ｆ）のＱ－Ｒ間の不純物の濃度、Ｓ－Ｔ間の不純物の濃度、Ｑ－Ｒ間の信号電荷に対するポテンシャル、及びＳ－Ｔ間の信号電荷に対するポテンシャルを、それぞれ示す。
図４（ｄ）及び図４（ｇ）に示すように、本実施の形態の固体撮像装置では、Ｎ型領域３０６ａにおいて、相対的に浅い位置（第１面側）に、不純物濃度の極大値を示す領域、及び信号電荷（電子）に対するポテンシャルの極小値を示す領域がある。また、半導体領域３０８より浅い位置（第１面側）に位置するＰ型の半導体領域３０９において、不純物濃度の極小値を示す領域、及び信号電荷に対するポテンシャルの極小値を示す領域がある。
よって、Ｍ－Ｎ間、および、Ｏ－Ｐ間でのポテンシャルは図４（ｂ）、（ｃ）のようになる。Ｍ－Ｎは、半導体領域３０６ａ－１及び３０６ｂ－１を通り、Ｎ型の半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの不純物濃度が高く、信号電荷に対するポテンシャル深さが深い位置（深さ）にある。Ｍ－Ｎにおいて、Ｐ型の半導体領域３０９は、半導体領域３０６ａ－１及び３０６ｂ－１の間に配されている。
また、Ｏ－Ｐは、Ｎ型の半導体領域３０６ａ－２及び３０６ｂ－２を通り、Ｎ型の半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの不純物濃度が相対的に低く、信号電荷に対するポテンシャル深さが浅い位置（深さ）にある。Ｏ－Ｐ間において、半導体領域３０９より不純物濃度の高い半導体領域３０８が、半導体領域３０６ａ－２及び３０６ｂ－２の間に配されている。
Ｍ－Ｎにおいて、１つのマイクロレンズ２０２ａに対応して配される光電変換部ＰＤ１及び光電変換部ＰＤ２の間には、半導体領域３０９が配される。また、異なるマイクロレンズ２０２ａ及び２０２ｂに対応する光電変換部ＰＤ２及び光電変換部ＰＤ３の間には半導体領域３０５が配される。図４（ｂ）に示すように、信号電荷に対する半導体領域３０９のポテンシャルｈ２は、信号電荷に対する半導体領域３０５のポテンシャルｈ１より低い。
光電変換部ＰＤ１及び光電変換部ＰＤ２で生成した信号電荷は、それぞれの半導体領域３０６ａ及び３０６ｂに収集される。図４（ｅ）には、図４（ａ）及び図４（ｆ）の固体撮像装置１００の一部の光電変換ユニット２０１において、一方の光電変換部（ここではＰＤ１またはＰＤ３）への光の入射量が他の光電変換部（ＰＤ２またはＰＤ４）より多い場合の様子を模式的に示している。
信号電荷に対する半導体領域３０９のポテンシャルｈ２は、信号電荷に対する半導体領域３０５のポテンシャルｈ１より低い。よって、光電変換部ＰＤ１において光電変換により生成された信号電荷が飽和電荷量に達し、その後、光電変換部ＰＤ１で電荷が生成されると、同じマイクロレンズ２０２ａに対応する光電変換部ＰＤ２に、光電変換部ＰＤ１から信号電荷が漏れだす。すなわち、光電変換ユニット２０１内の１つの光電変換部で信号電荷が飽和電荷量に達した場合、異なる光電変換ユニットの光電変換部ではなく、同一光電変換部内の光電変換部に信号電荷が漏れだす。
半導体領域３０９を信号電荷のリークパスとすることで、１つの光電変換ユニット内で発生した信号電荷を、半導体領域３０５及び３０９の信号電荷に対するポテンシャルが等しい場合に比べ、より精度よく検出することができる。
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置１００の効果の一例について、比較例を用いて説明する。図５（ａ）に、比較例としての光電変換装置１００の一部の断面の概略図を示す。なお、図４と同じ機能を有する部分には同じ番号を付している。
比較例に係る固体撮像装置１００の、本実施の形態に係る固体撮像装置１００と異なる点について、説明する。図５（ａ）に示すように、比較例に係る固体撮像装置１００は、図４（ａ）に示す固体撮像装置１００に対し、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９の配置が異なる。
図５（ａ）において、Ｐ型の半導体領域３０８が２つのＮ型の半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの間に配されている。また、不純物の濃度が半導体領域３０８より低い半導体領域３０９が、深さ方向で半導体領域３０８の間に配されている。半導体領域３０８は、Ｐ型の半導体領域３０４と接していてもよい。図４（ｄ）に示すように、Ｎ型半導体領域３０６ａ、３０６ｂ、３０７ａ、及び３０７ｂにおける、不純物の濃度、及びポテンシャルに関しては、図４（ａ）に示す構成と同様である。
一方、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９の不純物の濃度及び信号電荷に対するポテンシャルの分布は、図４（ａ）に示す固体撮像装置１００のものと異なる。
より詳しくは、図４（ａ）の構成では、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９において、不純物濃度の極小値を示す領域が、半導体基板３００の第１面側に形成される。よって、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９において、信号電荷に対するポテンシャルの最小値が、半導体基板３００の第１面側に位置する。
つまり、光電変換部ＰＤ１で生成される信号電荷のリークパスとなる領域が、光電変換部ＰＤ１において信号電荷に対するポテンシャルが極小値を示す領域の近傍に配される。例えば、深さ方向での、半導体領域３０６ａにおける不純物濃度の極大値を含むピークを示す領域と、及び半導体領域３０８及び３０９の不純物濃度の極小値を含むピークを示す領域は、深さ方向と垂直な方向において、少なくとも一部重なる。
また、半導体領域３０６ａは、深さ方向で信号電荷に対するポテンシャルの極小値を含むピークを示す領域を有する。半導体領域３０８及び３０９は、深さ方向で信号電荷に対するポテンシャルの極小値を含むピークを示す領域を有する。この２つの領域は、深さ方向に垂直な方向で少なくとも一部重なる。
一方、図５（ａ）に示す比較例の構成では、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９において、Ｐ型を付与する不純物の濃度の極小値を含むピークが、Ｎ型の半導体領域３０６ａ－１及び３０６ｂ－１より深い位置に形成される。よって、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９において、信号電荷に対するポテンシャルの最小値を含むピークが、Ｎ型の半導体領域３０６ａ－１及び３０６ｂ－１より深い位置に形成される。
つまり、光電変換部ＰＤ１で生成される信号電荷のリークパスとなる領域が、光電変換部ＰＤ１において信号電荷に対するポテンシャルが極小値を示す領域から離れ、ポテンシャルが高い領域の近傍に配される。例えば、Ｎ型の半導体領域３０６ａにおける深さ方向での不純物濃度の極大値を含むピークを示す領域と、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９における深さ方向での不純物濃度の極小値を含むピークを示す領域は、深さ方向に垂直な方向において重ならない。また、Ｎ型の半導体領域３０６ａの、深さ方向で信号電荷に対するポテンシャルの極小値を含むピークを示す領域と、Ｐ型の半導体領域３０９の、深さ方向で信号電荷に対するポテンシャルの極小値を含むピークを示す領域は、深さ方向と垂直な方向で重ならない。
図５（ｂ）及び（ｃ）には、図５（ａ）のＥ－Ｆ間、および、Ｇ－Ｈ間での比較例に係る固体撮像装置１００のポテンシャルを模式的に示す。また、図５（ｄ）には、上から順に図５（ａ）のＩ－Ｊ間のＮ型を付与する不純物濃度、Ｉ－Ｊ間の信号電荷に対するポテンシャル、Ｋ－Ｌ間のＰ型を付与する不純物濃度、Ｋ－Ｌ間の信号電荷に対するポテンシャルを示す。図５（ｄ）に示すように、比較例では、Ｎ型の半導体領域３０６ａにおいて、相対的に浅い位置（半導体基板３００の第１面側）に不純物濃度の極大値を示す領域、及び信号電荷に対するポテンシャルの極小値を示す領域がある。一方、Ｐ型の半導体領域３０８及び３０９においては、相対的に深い位置（半導体領域３０４側）に不純物濃度の極小値を示す領域、及び信号電荷に対するポテンシャルの極小値を示す領域がある。
このような構造のため、Ｅ－Ｆ間、および、Ｇ－Ｈ間での比較例に係る固体撮像装置１００のポテンシャルは図５（ｂ）及び（ｃ）に示すようなものとなる。つまり、半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの不純物濃度が高く、信号電荷に対するポテンシャルが深い位置（深さ）において、光電変換部ＰＤ１とＰＤ２の間の領域の信号電荷に対するポテンシャル障壁が高い。一方で、半導体領域３０６ａ及び３０６ｂの不純物濃度が低く、信号電荷に対するポテンシャルが浅い位置（深さ）において、光電変換部ＰＤ１とＰＤ２の間の領域の信号電荷に対するポテンシャル障壁が低い。
比較例の光電変換装置１００では、光電変換部ＰＤ１とＰＤ２の間、または、光電変換部ＰＤ３とＰＤ４の間の領域において、半導体基板３００の深い位置（半導体領域３０４側）に信号電荷に対するポテンシャルの最小値を含むピークが存在する。また、Ｎ型の半導体領域３０６、３０７において、半導体基板３００の浅い位置（第１面側）に信号電荷に対するポテンシャルの深い領域が存在する。
そのため、光電変換部ＰＤ１またはＰＤ３で生じた信号電荷のうち、特に半導体基板３００の深い位置で発生した信号電荷は、ポテンシャル障壁の小さい半導体領域３０９領域を通って、隣り合う光電変換部ＰＤ２またはＰＤ４に移動する場合がある。すなわち、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の間に配される半導体領域３０８及び３０９において、信号電荷に対するポテンシャルが最小値を含むピークとなる領域（ここでは半導体領域３０９）がリークパスとなる。ここで、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の間とは、深さ方向については、半導体基板の第１面から、半導体領域３０６ａ－２と半導体領域３０４が形成するＰＮ接合の最も深い部分までを指す。
比較例の固体撮像装置１００では、リークパスとなる半導体領域３０９が、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の、信号電荷に対するポテンシャルが極小値を含むピークを示す領域より、他の領域に近い。すなわち、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の、信号電荷に対するポテンシャルが相対的に高い領域の近傍にリークパスとなる半導体領域３０９が配されている。
この場合、リークパス近傍の半導体領域３０６ｂ－１で光電変換により生成された信号電荷は、ポテンシャルの低い半導体領域３０６ａ－１に収集されるが、一部はリークパスを通って半導体領域３０６ｂ－２に移動する。これにより、光電変換部ＰＤ１に入射した光が、光電変換部ＰＤ１の信号電荷が飽和電荷量に達する前に光電変換部ＰＤ２に蓄積され、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の間の分離性能が低下する。
一方、本実施形態の固体撮像装置では、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の、信号電荷に対するポテンシャルが低く、信号電荷が収集される半導体領域３０６ａ－１の近傍にリークパスとなる半導体領域３０９が配されている。
この場合、半導体領域３０６ａ－１は半導体領域３０６ａ－２よりポテンシャルが低いため、信号電荷が生成する位置からリークパスまでのポテンシャル勾配よりも、電荷が生成する位置から信号電荷を収集する領域までのポテンシャル勾配の方が大きい。よって、本実施の形態の固体撮像装置１００では、比較例の構成に比べ、信号電荷が半導体領域３０６ａ－１に収集される確率が高くなる。すなわち、信号電荷がリークパスを通って半導体領域３０６ｂ－１に移動するよりも、半導体領域３０６ａ－１に収集される確率が高くなる。よって、光電変換部ＰＤ１と光電変換部ＰＤ２の分離性能を、比較例に対し向上させることができる。
ここで、固体撮像装置１００への入射光が光電変換される半導体基板３００の深さは、光の波長によって異なる。具体的には、波長が相対的に長い光ほど、深い位置で光電変換される確率が高い。
よって、比較例のようにリークパスとなる半導体領域３０９が半導体基板３００の深い位置にある場合、波長の長い光（半導体領域３０９に近い領域で光電変換される光）は、隣り合う光電変換部に信号電荷が移動することがある。一方、半導体領域３０６ａにおいて、半導体基板３００の半導体領域３０９が配される深さより浅い領域で光電変換により生成した信号電荷は、半導体領域３０６ａ－１に収集される。この領域で発生した信号電荷が半導体領域３０９を通って隣り合う光電変換部に移動する確率は低い。よって、波長により、半導体領域３０９を通って、隣に配される光電変換部に信号電荷が移動する確率が異なる、すなわち、波長によって、光電変換部間での分離性能が異なる。
一方、本実施の形態の固体撮像装置１００では、リークパスとなる半導体領域３０９が、光電変換部の、信号電荷に対するポテンシャルが低く、信号電荷が収集される半導体領域３０６ａ－１の近傍に配されている。よって、例えば、半導体基板３００の深い位置である半導体３０６ｂ－１で生成された信号電荷は、半導体領域３０９を通って隣りの光電変換部ＰＤ２に移動せず半導体領域３０６ａ－１に収集される確率が高い。よって、波長の長い光（半導体領域３０６ｂ－１と同じ深さで光電変換される光）に起因する信号電荷が隣の光電変換部に移動する確率は、比較例より低い。
本実施の形態の固体撮像装置１００において、半導体領域３０６ａ－１の信号電荷に対するポテンシャルは最小値を含むピークを有し、半導体領域３０９の信号電荷に対するポテンシャルより十分低い。よって、半導体基板３００の浅い領域（半導体領域３０６ａ－１）で主に光電変換される波長の短い光に起因する信号電荷は、光電変換部ＰＤ２に移動するより半導体領域３０６ａ－１に収集される確率が高い。よって、波長の短い光に起因する信号電荷であっても、隣りの光電変換部ＰＤ２に移動する確率は低い。光電変換部ＰＤ１で生成される信号電荷が飽和電荷量を超えると、光電変換部ＰＤ１で生成された電荷は、半導体領域３０９を通って光電変換部ＰＤ２に移動する。
よって、本実施の形態の構成とすることで、波長に対する、複数の光電変換部（ここでは光電反感部ＰＤ１とＰＤ２またはＰＤ３とＰＤ４）の間の信号電荷の分離性能を比較例の構成より向上することができる。すなわち、光電変換部間での信号電荷の移動量の入射光の波長に対する依存性を低減することができる。よって、複数の光電変換部でそれぞれ生成された信号電荷を個別の信号として読みだす、または処理する場合においても、十分な分離性能とすることができる。
図６（ａ）に、比較例の光電変換部に関する入射角度依存性を、図６（ｂ）に、本実施の形態の光電変換部に関する入射角度依存性を示す。横軸が光の入射角度を示す。縦軸に光電変換部からの出力信号値を示す。また、入射光の波長を変化させて実験を行った様子を示す。
図６において、実線Ｒ＿Ａは、波長がおおむね６００ｎｍ程度の赤色光を入射させた場合の、光電変換部ＰＤ１からの出力信号値を示す。実線Ｒ＿Ｂは、同様の波長での、光電変換部ＰＤ２からの出力信号値を示す。同様に、破線Ｇ＿Ａ及び破線Ｇ＿Ｂは波長がおおむね５５０ｎｍ程度の緑色光を入射させた場合の、それぞれ光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２からの出力信号を示す。また、破線Ｂ＿Ａ及び破線Ｂ＿Ｂは、波長がおおむね４５０ｎｍ程度の青色光を入射させた場合の、それぞれ光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２からの出力信号値を示す。
図６（ａ）に示すように、比較例の固体撮像装置１００では、赤色光を受光した場合の電荷の隣の光電変変換部への移動量が、緑色光や青色光を受光した場合に対して大きいため、受光する光の波長によって異なる特性となる。このように、光の波長（色）によって、隣り合う光電変換部の間での分離性能が異なってしまう。
よって、比較例の固体撮像装置１００を有する撮像装置において、例えば、倍率色収差の大きい撮影レンズを用いて撮像する場合、撮像装置の周辺部において、出力信号が色毎に異なってしまう。よって、オートフォーカス性能や撮像信号に不具合が生じる。
一方、図６（ｂ）に示すように、本実施の形態の固体撮像装置１００では、異なる波長の光を受光した場合でも、光電変換部からの出力信号が、光の波長によらず、おおむね同様の分布を示す。すなわち、本実施の形態の構成とすることで、比較例に比べ、光の波長（色）に対する、隣り合う光電変換部の間での分離性能の依存性が低減されている。よって、本実施の形態の固体撮像装置１００を有する撮像装置において、オートフォーカス、および、撮像信号の性能を向上させることができる。
よって、以下の構成とすることで、上記効果が得られる。例えば、半導体基板３００の深さ方向において半導体領域３０６ａ－１の不純物濃度が極大値を示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの深さ範囲を範囲Ｒｃｎとする。また、該深さ方向において半導体領域３０９の不純物濃度が極小値を示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの深さ範囲を範囲Ｒｃｐとする。この時、深さ範囲Ｒｃｎと深さ範囲Ｒｃｐとは、少なくとも一部が重なる。
また、該深さ方向において半導体領域３０９の信号電荷に対するポテンシャルが極小値を示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの深さ範囲を範囲Ｒｐｎとする。また該深さ方向において半導体領域３０６ａ－１において信号電荷に対するポテンシャルが極小値を示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの範囲を範囲Ｒｐｐとする。この時、該断面の深さ方向と垂直な方向において、範囲Ｒｐｎと範囲Ｒｐｐは、少なくとも一部重なる。
このように構成することで、光電変換部ＰＤ１の信号電荷に対するリークパスとして機能する領域を、光電変換部ＰＤ１の信号電荷が収集される領域の近傍に配することができる。
また、該断面の深さ方向において半導体領域３０６の不純物濃度の最大値を含むピークを示す深さ範囲と、半導体領域３０８及び３０９の不純物濃度の最小値を含むピークを示す深さ範囲が、少なくとも一部重なってもよい。更に、該深さ方向において、半導体領域３０６の、信号電荷に対するポテンシャルが極小値を含むピークを示す深さ範囲と、半導体領域３０８及び３０９の、信号電荷に対するポテンシャルが極小値を含むピークを示す深さ範囲が、少なくとも一部重なってもよい。
図４（ａ）及び図４（ｆ）に示す構成においては、例えば、以下の構成であってもよい。半導体領域３０６の不純物濃度が極大値を示す領域の深さが、半導体基板３００の第１面から１．２μｍの深さまでの間にある。更に、半導体領域３０８及び３０９の不純物濃度の極小値を示す領域の深さが、該第１面の深さが０．２μｍの深さから１．２μｍの深さまでの間にある。
また、半導体領域３０６において光電変換部ＰＤ１の信号電荷に対するポテンシャルの最小値を示す領域の深さが、半導体基板３００の第１面から１．０μｍの深さまでの間にある。更に、半導体領域３０８及び３０９において該信号電荷に対するポテンシャルの最小値を示す領域の深さが、該第１面からの深さが０．２μｍの深さから１．０μｍの深さまでの間にある。
固体撮像装置１００が、上記構成を有することで、図５に記載の比較例に比べ、光の波長（色）に対する、隣り合う光電変換部の間での分離性能の依存性が低減されている。よって、本実施の形態の固体撮像装置１００を有する撮像装置において、オートフォーカス、および、撮像信号の性能を向上させることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２について、図７を用いて説明する。実施の形態１と同様の構成、機能、材料を有する部分については説明を省略する。
本実施の形態の固体撮像装置１００は、以下の点で実施の形態１の固体撮像装置１００と異なる。本実施の形態の撮像装置１００は、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部のＮ型の半導体領域において、不純物の濃度及び信号電荷に対するポテンシャルの、半導体基板３００の深さ方向における分布が異なる。また、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部の間を分離するＰ型の半導体領域において、不純物の濃度及び信号電荷に対するポテンシャルの、半導体基板３００の深さ方向における分布が異なる。
例えば、Ｎ型の半導体領域３０６において、不純物の濃度が高い半導体領域３０６ａ－１が、半導体領域３０６の中間深さに配される。すなわち、図７（ａ）に示すように、半導体領域３０６ａ－１は、半導体基板３００の深さ方向において、半導体領域３０６ａ－１より不純物の濃度が低い半導体領域３０６ａ－２の間に配される。
これにより、半導体領域３０６において信号電荷に対するポテンシャルが低い領域が、半導体基板３００の第１面側ではなく、深い位置に形成することができる。よって、光電変換によって生じる信号電荷が、半導体基板３００の第１面側の表層に蓄積されなくなるため、出力信号における暗電流の影響を低減することができる。
また、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の間の領域で、不純物の濃度が低い半導体領域３０９が、半導体基板３００の第１面側ではなく、半導体領域３０９より濃度の高い半導体領域３０８の間に配されている。さらに、半導体領域３０９の不純物濃度の深さ方向の極小値は、Ｎ型の半導体領域３０６における不純物濃度の極大値示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの深さ範囲にある。また、半導体領域３０９の信号電荷に対するポテンシャルの深さ方向の極小値は、半導体領域３０６の、信号電荷に対するポテンシャルの極小値示す深さより０．５μｍ浅い位置から０．５μｍ深い位置までの深さ範囲にある。すなわち、光電変換部ＰＤ１で生成される信号電荷のリークパスとして機能する領域が、光電反感部ＰＤ１の信号電荷を蓄積する領域の近傍に配される。
よって、実施の形態１で説明したように、入射光の波長による、光電変換部の間での分離性能の違いを低減することができる。このようにして、暗電流の影響を低減しながら、光電変換部の間での良好な分離性能を得ることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態について、図８を用いて説明する。なお、実施の形態１または２と同様の部分については説明を省略する。
本実施の形態の固体撮像装置１００は、以下の点で実施の形態１または２の固体撮像装置１００と異なる。本実施の形態の固体撮像装置１００において、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部のＮ型の半導体領域において、不純物濃度及び信号電荷に対するポテンシャルの、半導体基板３００の深さ方向における分布が異なる。また、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部の間を分離するＰ型の半導体領域において、不純物濃度及び信号電荷に対するポテンシャルの、半導体基板３００の深さ方向における分布が異なる。
具体的には、Ｎ型の半導体領域３０６において不純物の濃度が極大を含むピークを有する半導体領域３０６ａ－１が、半導体基板３００の深さ方向において、光電変換部ＰＤ１の深い位置に配されている。図７（ａ）に示すように、半導体領域３０６ａ－１は、半導体領域３０６ａ－１より不純物の濃度が薄い半導体領域３０６ａ－２より深い位置配されている。
これにより、光電変換部の半導体領域３０６において、信号電荷に対するポテンシャルが低い位置は、実施の形態２の構成と比べても、さらに深い位置となる。よって、光電変換によって生じる信号電荷が、光電変換部よりの深い位置に蓄積されるため、比較的波長の長い光、例えば９００ｎｍの波長の光に起因する信号電荷を、より効率的に蓄積できるようになる。つまり、比較的波長の長い光に対する光電変換部の感度を向上させることができる。
また、不純物の濃度が低い半導体領域３０９が、半導体基板３００の第１面側になく、半導体領域３０９より不純物の濃度が高い半導体領域３０８より深い位置に配置されている。さらに、その深さは、実施の形態１または２同様に、光電変換部で生成される信号電荷のリークパスとして機能する領域が、光電反感部の信号電荷を蓄積する領域の近傍に配される。そのため、実施の形態１及び２で説明したように、入射光の波長による、光電変換部の間での分離性能の違いを低減することができる。
このようにして、長波長の光に対する感度を向上しながら、光電変換部の間の分離性能を良好なものとすることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態について、図９（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。なお、実施の形態１、２、または３と同様の部分については説明を省略する。
本実施の形態の固体撮像装置１００は、画素の多層配線層３０２は、半導体基板３００の、光が入射する側ではなく、光が入射する面（受光面）と逆側に配された、裏面照射型の固体撮像装置である。
図９（ａ）に示す固体撮像装置１００は、カラーフィルター３０１及びマイクロレンズ２０２が、半導体基板３００の第１面側（図４（ａ）において多層配線層３０２が配される側）ではなく、第２面側に配される点で、他の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態では、受光面が半導体基板３００の第１面ではなく、第２面となる。
また、図９（ｂ）に示す固体撮像装置１００は、半導体基板３００において、Ｐ型の半導体領域３０４より深い位置のＮ型の半導体領域３０３を有さない。また、多層配線層３０２が、半導体基板３００の第１面側（図４（ａ）においてマイクロレンズ２０２が配される側）ではなく、第２面側に配される。これらの点で、他の実施の形態と異なる。
図９（ａ）及び（ｂ）、どちらの構成であっても、多層配線層３０２は、半導体基板３００の受光面と反対側の面に配される。このような構成とすることで、様々な角度で画素に入射する光が、配線層３０２によって反射されることなく、効率的にフォトダイオードへ到達する。よって、固体撮像装置１００の感度を向上することができる。
各半導体領域における、不純物の濃度の分布や、信号電荷に対するポテンシャルの分布については、実施の形態１にて説明した構成とである。すなわち、半導体領域３０８よりも、不純物の濃度が低い半導体領域３０９が、半導体基板３００において、半導体領域３０８より１面側に配されている。
また、信号電荷を収集する領域であるＮ型の半導体領域３０６ａ－１及び３０６ｂ－１が、これらの半導体領域より不純物濃度が低い半導体領域３０６ａ－２及び３０６ｂ－２より、半導体基板３００の第１面側に配されている。同様に、信号電荷を収集する領域であるＮ型の半導体領域３０７ａ－１及び３０７ｂ－１が、これらの半導体領域より不純物濃度が低い半導体領域３０７ａ－２及び３０７ｂ－２より、半導体基板３００の第１面側に配されている。
また、第１乃至第３の実施の形態と同様に、光電変換部で生成される信号電荷のリークパスとして機能する領域が、光電反感部の信号電荷を蓄積する領域の近傍に配される
よって、実施の形態１乃至３で説明したように、入射光の波長による、光電変換部の間での分離性能の違いを低減することができる。このようにして、様々な角度で入射する光に対して、良好な感度持ち、かつ光電変換部の間の分離性能を良好なものとすることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図１０を用いて、実施の形態１の図４（ａ）で示した固体撮像装置１００の製造方法について説明する。ここでは、簡単のため、１つのマイクロレンズ２０２ａに対応する１つの光電変換ユニットの部分のみについて説明するが、他の光電変換ユニットも、同様にして形成される。また、半導体基板３００としてＮ型の半導体基板を用いる例について説明する。
Ｎ型の半導体基板において、図１０（ａ）に示すように、Ｐ型の半導体領域３０４となる領域にＰ型を付与する不純物であるボロン（Ｂ）を注入する。半導体領域３０４は、光電変換部の信号電荷の収集深さを規定するポテンシャル障壁を形成する。Ｎ型の半導体基板と、後に形成されるＮ型の半導体領域３０６に対して、十分な濃さの不純物濃度とすることで、発生する信号電荷に対する、ポテンシャル障壁とすることができる。これにより、Ｎ型の半導体基板において半導体領域３０４より深い側の領域がＮ型の半導体領域３０３となる。
ボロンの注入条件としては、ボロンのドーズ量を１Ｅ１１ｃｍ－３から１Ｅ１２ｃｍ－３とすることが好ましいが、Ｎ型の半導体基板における不純物の濃度や、半導体領域３０６の濃度に応じて、適宜変更することができる。また、可視領域の波長の光を光電変換する固体撮像装置の場合、半導体領域３０４は、半導体基板の表面から３μｍから５μｍの深さに形成されることが多い。その場合には、加速電圧を３０００～４０００ｋｅＶとすることができる。
また、光電変換部の、近赤外領域の波長の光に対する感度を高める場合には、さらに深い位置に形成することが好ましく、例えば、波長９００ｎｍの光に対する感度を高める場合、半導体基板の表面から３０μｍ以上の深さに形成することができる。
次に、半導体基板に、Ｐ型を付与する不純物を半導体基板の表面の領域Ｒ１及び領域Ｒ２を通過させて注入することで、それぞれ、半導体領域３０５と半導体領域３０８及び３０９とを形成する。Ｐ型の半導体領域３０５は、隣り合う画素（光電変換ユニット）間の分離領域として機能する。半導体領域３０８及び３０９は、それぞれ１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部の間の信号電荷を分離する領域、および、信号電荷の移動経路となる領域として機能する。なお、領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、半導体基板の不純物が注入される面において規定される領域である。
半導体領域３０８は、光電変換部の電荷収集領域の深さ（半導体領域３０６と半導体領域３０４が形成するＰＮ接合の一番深い部分）に応じて、加速電圧や濃度を異なる条件として何度か不純物注入を行って形成してもよい。ここでは、Ｐ型を付与する不純物としてボロンを、領域Ｒ１を通過させて注入する。例えば、電荷収集領域の深さが約３μｍの光電変換部を形成する場合、半導体領域３０８の最も深い領域への注入としては、２０００～３０００ｋｅＶで注入を行う。
その後、半導体領域３０９となる領域の手前の深さまで信号電荷に対する分離領域を形成するために、例えば２～１０回に分けて不純物注入を行う（図１０（ｂ））。その際、ボロンを注入する深さの間隔が広い、すなわち、各注入時の加速電圧の差が大きいと、深さ方向で隣り合う領域の間で、ボロンの濃度が低い領域が形成されてしまい、その領域を通って信号電荷が漏れることがある。そのため、各注入時の加速電圧の差を小さくし、深い領域から浅い領域まで均一な不純物濃度となるように形成することが好ましい。
なお、半導体領域３０８の形成工程において、領域Ｒ２を介してボロンが注入されることで、半導体領域３０５の一部、すなわち、半導体領域３０８と同じ深さに形成される部分が、同時に形成される。
次に、図１０（ｃ）に示すように、Ｐ型を付与する不純物としてボロンを、領域Ｒ１を通過させて注入することで、半導体領域３０９を形成する。Ｐ型の半導体領域３０９は、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換部の間の信号電荷の移動領域、すなわちリークパスとして機能する。そのため、半導体領域３０９を形成するためのボロン注入時の濃度及び加速電圧は、半導体領域３０８を形成するためのボロン注入時の濃度、予備加速電圧より低くする。具体的には、領域３０８に注入するボロンの濃度に対して、約１／２～１／１０の濃度で注入を行うことが好ましい。
加速電圧は、半導体領域３０９を形成する領域の深さを考慮し、例えば、約５０ｋｅＶ～２００ｋｅＶとすることができる。半導体領域３０９を形成する際にも何度かに分けて注入を行ってもよい。より詳細なポテンシャル設計を行うことが可能となる。
ここで、図示していないが、半導体領域３０９形成後、一部が形成されたＰ型の半導体領域３０５と平面視で重なる領域（領域Ｒ２）を通過させて、半導体基板にＰ型を付与する不純物、例えばボロンを、形成されている半導体領域３０５上に注入する。この時、Ｐ型を付与する不純物、例えばヒ素の注入は、例えば半導体領域３０９形成時と同じ加速電圧で行うことができる。これにより、図４（ａ）に記載の半導体領域３０５が形成される。
半導体領域３０９形成後、Ｎ型を付与する不純物を半導体基板３００の領域Ｒ３及びＲ４を通過させて注入することで、半導体領域３０６ａ及び３０６ｂを形成することができる。Ｎ型の半導体領域３０６ａ及び３０６ｂは、光電変換部の信号電荷を生成、収集、蓄積する領域として機能する。
半導体領域３０６ａ及び３０６ｂは、Ｎ型を付与する不純物を、半導体基板の深さ方向において、何度かに分けて注入することで、より詳細なポテンシャル設計を行うことができる。本実施の形態では、半導体領域３０６ａ及び３０６ｂを、２回に分けてＮ型を付与する不純物の注入を行うことで形成する場合を例に説明する。
本実施の形態では、図４（ａ）と同様に、リークパスとなる半導体領域３０９が、比較的浅い領域に形成されるため、光電変換部において比較的浅い領域に電荷が蓄積されるよう、濃度差をつける。まず、Ｎ型を付与する不純物であるヒ素（Ａｓ）を、領域Ｒ３及び領域Ｒ４を通過させて、半導体基板のある程度深い領域に低濃度で注入する。次に、このヒ素がドープされた領域より浅い領域に、ヒ素を、領域Ｒ３及び領域Ｒ４を通過させて、より濃い濃度で注入する。
１回目のヒ素の注入としては、約４００～５００ＫｅＶ程度の加速電圧で、濃度を１Ｅ１２ｃｍ－３から１０Ｅ１２ｃｍ－３で行うことで、深さ方向における長さが約３μｍの半導体領域３０６を形成することができる。ヒ素注入時の加速電圧及び濃度は、対象とする光の波長に応じて適宜変更することが好ましい。
２回目のヒ素の注入としては、１回目のヒ素注入時の濃度及び加速電圧より高い濃度及び低い加速電圧とすることができる。これにより、１回目のヒ素の注入により形成される半導体領域より、半導体基板において浅い領域に、ヒ素がより高濃度で注入された領域を形成することができる。
２回目のヒ素の注入は、加速電圧を約５０～３００ＫｅＶとすることができるが、これに限定されず、よりヒ素の濃度の低い領域よりも半導体基板の深さ方向において、光電変換部の不純物がドープされる面側に形成されればよい。２回目のヒ素の注入により、信号電荷を蓄積する領域を形成し、例えば、２回目のヒ素の注入時の濃度を、１．２Ｅ１２ｃｍ－３から２０Ｅ１２ｃｍ－３とすることができる。
１回目のＮ型を付与する不純物注入時と、２系目のＮ型を付与する不純物注入時の濃度比は任意に設定することができるが、濃度比を大きくすることで、２回目に注入で不純物が注入される、比較的浅い領域の信号電荷に対するポテンシャルを深くできる。よって、より多くの信号電荷を溜めることができるようになる。一方、信号電荷に対するポテンシャルが大きすぎると信号電荷の読出し回路への転送が不十分となる可能性がある。よって、２回目のＮ型を付与する不純物（ここではヒ素）の濃度は、これらを考慮して設定することが好ましい。
この後、不図示のゲート絶縁層、ゲート電極層等を形成し、浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）を形成するためのＮ型を付与する不純物の注入などを行う。その後、図４（ａ）に記載の多層配線層３０２を、絶縁層の形成と導電層の形成を繰り返すことで行い、カラーフィルター３０１、マイクロレンズ２０２を形成する。
これらの工程において、半導体基板が加熱されることがある。この加熱処理により、半導体基板に注入された不純物は拡散するため、不純物注入時の濃度や加速電圧は、この拡散や、注入の角度等を考慮して設定する。このようにして、半導体領域３０６ａ－１、３０６ａ－２、３０６ｂ－１、３－６ｂ－２、３０５、３０８、及び３０９が形成される（図１０（ｄ））。
また、図４（ｆ）に示すように、更に半導体基板の最も浅い部分にＰ型の半導体領域３１１を配する場合には、例えばＮ型を付与する不純物の半導体基板への注入後、第２導電型を付与する不純物を注入する。例えば、不図示の浮遊拡散部の形成後に、ボロンを、半導体領域３０８及び３０９となる領域に注入する濃度よりも高い濃度、低い加速電圧で注入する。具体的には、ボロンを、加速電圧９ｋｅＶ、濃度４Ｅ１３ｃｍ－３で、少なくとも第２領域及び第３領域の一部を通過させて注入する。半導体領域３１１を配することで、半導体基板３００の表面における暗電流の発生を抑制することができ、光電変換部の特性をより向上することができる。
本実施の形態では、半導体領域３０８及び３０９を形成するためのＰ型を付与する不純物の注入を、半導体領域３０６及び３０７を形成するためのＮ型を付与する不純物の注入前に行う例について示したが、逆であってもよい。例えば、半導体基板の領域Ｒ３及びＲ４を通過させてＮ型を付与する不純物を半導体基板に注入した後、領域Ｒ１及びＲ２を通過させてＰ型を付与する不純物を半導体基板に注入してもよい。
（実施の形態６）
実施の形態１乃至４で説明した固体撮像装置１００は、撮像装置、また撮像面における焦点検出を行なう装置に用いることができる。本実施の形態では、実施の形態１乃至４のいずれかで説明した固体撮像装置１００を有する撮像装置において、撮像面において位相差検出による撮像時の焦点検出を行なう一例を説明する。
図１、図１１、及び図１２を用いて説明する。図１１は撮影レンズ９００の射出瞳から出た光束が固体撮像装置１００に入射する概念図である。光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２に対応して、マイクロレンズ２０２及びカラーフィルター３０１が設けられている。光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２は、１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する複数の光電変換部である。ここでは、マイクロレンズ２０２を有する光電変換ユニットに対して、撮影レンズの射出瞳９０２から出た光束の中心を光軸９０３とする。
射出瞳９０２から出た光は、光軸９０３を中心として固体撮像装置１００に入射する。射出瞳９０２の一部の領域９０４を通過する光の最外周の光線を、光線９０６及び光線９０７で示す。また、射出瞳９０２の一部の領域９０５を通過する光の最外周の光線を、光線９０８及び光線９０９で示す。この図からわかるように、射出瞳９０２から出る光束のうち、光軸９０３を境にして、上側の光束はＰＤ１に入射し、下側の光束はＰＤ２に入射する。つまり、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２は、各々、撮影レンズの射出瞳９０２の別の領域の光を受光している。
この特性を生かして、位相差の検知を行う。画素内の領域において、撮像領域を上面から見た際に、１つのマイクロレンズ２０２で集光される光が入射する複数の光電変換部に対し、一方の光電変換部から得られるデータを第１ラインとし、他方の光電変換部から得られるデータを第２ラインとする。そしてライン間の相関データを求めれば位相を検知できる。
例えば、図１１において、１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する光電変換部のうち下側に配された光電変換部のデータを第１ラインとし、上側に配された光電変換部のデータを第２ラインとする。この場合、光電変換部ＰＤ１は第１ラインのデータのうちの１画素分の出力となり、光電変換部ＰＤ２は第２ラインのデータのうちの１画素分の出力となる。
図１２は点光源を結像したときのラインデータを示す。図１２（ａ）はピントがあった状態における第１ラインと第２ラインのデータである。横軸は、画素位置を表し、縦軸は出力を表す。ピントがあっている場合は第１ラインと第２ラインは重なる。図１２（ｂ）はピントがあっていない場合のラインデータである。このときは、第１ラインと第２ラインは位相差をもち、画素位置がずれている。このずれ量１２０１を算出すると、ピントがあっている状態とどれだけずれているかがわかる。このような方法で位相を検知し、レンズを駆動することによってピントをあわすことができる。
次に、これらの画素配置における画像データ生成について述べる。前述のように、固体撮像装置１００の光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２のそれぞれの出力に対応する信号を用いて位相差を検出する計算を行うことで、焦点の検出が出来る。また、１つのマイクロレンズ２０２により集光された光が入射する光電変換部の出力を加算して得られる信号を処理することで撮影画像に対応するデータを生成することができる。例えば、図１の信号処理部１００７において、固体撮像装置１００から読みだした光電変換部ＰＤ１の出力から、位相差を検出することで焦点を検出できる。また、信号処理部１００７において、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２からの信号が加算された信号を処理することで、撮像画像に対応する信号を生成することができる。
ここで、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の出力の加算は、固体撮像装置１００において加算され、加算後の信号が信号処理部１００７に出力されてもよい。例えば、複数の光電変換部の間で、浮遊拡散部を共通にすることで、複数の光電変換部の出力の加算後の信号を得ることができる。また、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の出力の加算は、信号処理部１００７で行われてもよい。例えば、光電変換部ＰＤ１及びＰＤ２の出力が、個別に信号処理部１００７に出力され、信号処理部１００７において加算されてもよい。
よって、撮像装置は、マイクロレンズ２０２を通った光に基づく光電変換部の個別の出力を用いて焦点検出を行い、マイクロレンズ２０２を通った光から複数の光電変換部の出力の加算を用いて撮像を行うことができる。
ただし、一方の光電変換部が飽和した状態では、光電変換部の信号は各々の光電変換部で単独で得られた出力とは異なる。したがって、光電変換部の信号は信頼性が低いと判断される場合がある。このような場合には位相検知は行わない、もしくは位相検知を停止させるというシーケンスを採用することもできる。つまり光電変換部の信号、もしくは蓄積可能な電荷に応じて撮像装置の像面で位相差検出を行なうか否かを判定して動作させることができる。
ところで、図１１では撮像素子の中心付近の画素について説明したが、実際に光電変換部間の入射光量に大きな差がつくのは、撮像素子の周辺部の画素の方が顕著である。よって、撮像領域の中心よりも端部に焦点検出用の画素を配しすることで、焦点検出の精度を向上することができる。
このように、実施形態１乃至４の固体撮像装置は、１つのマイクロレンズで集光された光を受光する複数の光電変換部からの出力が、個別に処理される場合と、加算されて処理される場合と、を有する撮像装置において、顕著な効果を奏する。
実施の形態１乃至４のいずれかに示す構成とすることで、光電変換部の信号を個別に処理する場合には、光電変換部間の分離性能を十分なものとすることができる。一方、光電変換部の出力を加算して処理する場合には、１つの光電変換部で飽和電荷量を超えた場合に、他の光電変換ユニットに信号電荷が漏れ出す前に、同じ光電変換ユニット内の光電変換部に漏れ出す。よって、１つの光電変換ユニット内の光電変換部の出力を加算して用いる場合に、精度の低下を抑制することができる。そのような固体撮像装置、及び撮像装置において、光の波長に対する、光電変換部間での分離性能の差を低減することで、より正確な処理が可能となる。例えば、図１１及び１２に示す焦点検出を行う場合には、光の波長による光電変換部間の分離性能の差を低減できることで、色毎の焦点検出結果がずれる量を低減でき、より正確に焦点を検出することができる。
なお、固体撮像装置１００及び撮像装置は、１つのマイクロレンズに対応する複数の光電変換部からの出力を用いて、焦点検出と撮像の両方を行う場合に限らない。１つのマイクロレンズに対応する複数の光電変換部の出力を、個別に処理する場合と、加算して処理する場合の両方を有する固体撮像装置及び撮像装置であれば、上記効果を得ることができる。たとえば、１つのマクロレンズに対応して複数の光電変換部を設け、ダイナミックレンジを向上するような場合にも、光の波長に依存した分離性能の差が低減できるため、各画素間でのバラツキを低減することができる。

Claims (12)

  1. 信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を有する、第１光電変換部と、
    信号電荷を収集する前記第１導電型の第２半導体領域を有する、第２光電変換部と、
    前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第３半導体領域と、
    を有する半導体基板、を有し、
    前記半導体基板の第１面に対する平面視において、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に配され、
    前記第１半導体領域は、第４半導体領域と、前記第４半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第４半導体領域よりも不純物濃度の低い第５半導体領域と、を有し、
    前記第２半導体領域は、第６半導体領域と、前記第６半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第６半導体領域よりも不純物濃度の低い第７半導体領域と、を有し、
    前記第３半導体領域は、第８半導体領域と、前記第８半導体領域よりも不純物濃度の低い第９半導体領域と、を有し、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第３半導体領域の不純物濃度が最小値を示す位置を第１の位置とし、前記第１半導体領域の不純物濃度が最大値を示す位置を第２の位置としたときに、
    前記第１の位置は、前記第９半導体領域に含まれ、
    前記第２の位置は、前記第４半導体領域に含まれ、
    前記第１の位置は、前記第４半導体領域が形成される深さに位置し、
    前記第１の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第１の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲と、前記第２の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第２の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲とが重なる固体撮像装置。
  2. 信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を有する、第１光電変換部と、
    信号電荷を収集する前記第１導電型の第２半導体領域を有する、第２光電変換部と、
    前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第３半導体領域と、
    を有する半導体基板、を有し、
    前記半導体基板の第１面に対する平面視において、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に配され、
    前記第１半導体領域は、第４半導体領域と、前記第４半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第４半導体領域よりも不純物濃度の低い第５半導体領域と、を有し、
    前記第２半導体領域は、第６半導体領域と、前記第６半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第６半導体領域よりも不純物濃度の低い第７半導体領域と、を有し、
    前記第３半導体領域は、第８半導体領域と、前記第８半導体領域よりも不純物濃度の低い第９半導体領域と、を有し、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第３半導体領域の、前記第１光電変換部の前記信号電荷に対するポテンシャルが最小値を示す位置を第１の位置とし、前記第１半導体領域の、前記信号電荷に対するポテンシャルが最小値を示す位置を第２の位置としたときに、
    前記第１の位置は、前記第９半導体領域に含まれ、
    前記第２の位置は、前記第４半導体領域に含まれ、
    前記第１の位置は、前記第４半導体領域が形成される深さに位置し、
    前記第１の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第１の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲と、前記第２の位置より０．５μｍ浅い位置から前記第２の位置より０．５μｍ深い位置までの深さ範囲とが重なる固体撮像装置。
  3. 信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を有する、第１光電変換部と、
    信号電荷を収集する前記第１導電型の第２半導体領域を有する、第２光電変換部と、
    前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第３半導体領域と、
    を有する半導体基板、を有し、
    前記半導体基板の第１面に対する平面視において、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に配され、
    前記第１半導体領域は、第４半導体領域と、前記第４半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第４半導体領域よりも不純物濃度の低い第５半導体領域と、を有し、
    前記第２半導体領域は、第６半導体領域と、前記第６半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第６半導体領域よりも不純物濃度の低い第７半導体領域と、を有し、
    前記第３半導体領域は、第８半導体領域と、前記第８半導体領域よりも不純物濃度の低い第９半導体領域と、を有し、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第１半導体領域の不純物濃度が最大値を示す位置である第２の位置が、前記第１面からの深さが０μｍから１．２μｍまでの間にあり、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第３半導体領域の不純物濃度の最小値を示す位置である第１の位置が、前記第１面からの深さが０．２μｍから１．２μｍまでの間にあり、
    前記第１の位置は、前記第９半導体領域に含まれ、
    前記第２の位置は、前記第４半導体領域に含まれ、
    前記第１の位置は、前記第４半導体領域が形成される深さに位置する固体撮像装置。
  4. 信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を有する、第１光電変換部と、
    信号電荷を収集する前記第１導電型の第２半導体領域を有する、第２光電変換部と、
    前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第３半導体領域と、
    を有する半導体基板、を有し、
    前記半導体基板の第１面に対する平面視において、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に配され、
    前記第１半導体領域は、第４半導体領域と、前記第４半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第４半導体領域よりも不純物濃度の低い第５半導体領域と、を有し、
    前記第２半導体領域は、第６半導体領域と、前記第６半導体領域よりも前記第１面から離れた位置に配され、前記第６半導体領域よりも不純物濃度の低い第７半導体領域と、を有し、
    前記第３半導体領域は、第８半導体領域と、前記第８半導体領域よりも不純物濃度の低い第９半導体領域と、を有し、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第１半導体領域の、前記第１光電変換部の前記信号電荷に対するポテンシャルが最小値を示す位置である第２の位置が、前記第１面からの深さが０μｍから１．０μｍまでの間にあり、
    前記第１面から前記第１面と反対側の第２面に向かう深さ方向において、前記第３半導体領域の、前記第１光電変換部の前記信号電荷に対するポテンシャルが最小値を示す位置である第１の位置が、前記第１面からの深さが０．２μｍから１．０μｍまでの間にあり、
    前記第１の位置は、前記第９半導体領域に含まれ、
    前記第２の位置は、前記第４半導体領域に含まれ、
    前記第１の位置は、前記第４半導体領域が形成される深さに位置する固体撮像装置。
  5. 前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部が、１つのマイクロレンズを通った光を受光するように、前記半導体基板及び前記マイクロレンズが配されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記マイクロレンズは、前記半導体基板の前記第１面側に配される請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記マイクロレンズは、前記半導体基板の前記第２面側に配される請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び前記第３半導体領域を含む断面の前記深さ方向において、前記第１半導体領域と前記半導体基板の前記第１面の間に位置する前記第２導電型の第１０半導体領域を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記半導体基板の前記第１面側に配されている多層配線層を有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記半導体基板の前記第２面側に配されている多層配線層を有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  11. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記マイクロレンズを通った光に基づく前記第１光電変換部の出力を用いて焦点検出を行い、前記マイクロレンズを通った光に基づく前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部の出力の加算を用いて撮像を行う信号処理部と、
    を有する撮像装置。
  12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置からの出力に基づいて撮像画像に対応する信号を生成する信号処理部と、
    を有する撮像装置。
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