(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置であって、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記拡散領域が、前記受光部に接する前記半導体基板表面の領域を含むように形成されている請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記拡散領域が、前記受光部底面に接する領域であって、前記受光部の形成幅の１０〜１００％の幅を有する領域を避けるように形成されている請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域を形成した後に、前記ゲート電極を形成する工程と、前記受光部および前記電荷排出部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。
【請求項５】
前記拡散領域を、前記受光部に接する前記半導体基板表面の領域を含むように形成する請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
前記拡散領域を、前記受光部底面に接する領域であって、前記受光部の形成幅の１０〜１００％の幅を有する領域を避けるように形成する請求項５に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号の読み出しにＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタを用いたＭＯＳ型固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は、信号の読み出し方式によって大きく二種類に分類される。信号電荷を順次転送するＣＣＤ（charge coupled device；電荷結合素子）型と、各画素に形成されたＭＯＳトランジスタを含む読み出し回路を用いて１画素づつ信号を読み出すＭＯＳ型である。近年、ＭＯＳ型固体撮像装置、特に、ＣＭＯＳ（complementary MOS）プロセスによって画素部と周辺回路とを集積化したいわゆるＣＭＯＳ型固体撮像装置は、低電圧・低消費電力であり、周辺回路とワン・チップ化できるという長所を有するため、ＰＣ用小型カメラなどの携帯機器の画像入力素子として注目されている。
【０００３】
図４に従来のＭＯＳ型固体撮像装置の構造を示す。この固体撮像装置の各画素は、受光部と、受光部で発生した電気信号を増幅して出力するためのアンプ回路とを備えている。受光部４２は、ｐ型半導体基板４１内に形成されたｎ型拡散領域であって、基板との接合によりフォトダイオードを形成している。入射光によって生じた電子・正孔対は、受光部４２と半導体基板４１との間のｐｎ接合部に形成される空乏層で分離され、電子は受光部４２に蓄積される。この電荷蓄積により生じる受光部４２の電位変化が、アンプ回路で増幅されて出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像装置の高画素化および小型化が進むに伴って、その感度の向上が課題となっている。固体撮像装置の感度向上を図るには、受光部の面積を増大させて光電変換される入射光量を増大させればよい。しかし、受光部面積を増大させると、受光部と基板との間の接合面積が増大するため、フォトダイオードの電荷蓄積容量が増大する。電荷蓄積容量が増大すると電荷を電圧に変換する際の変換率が低下し、結果として固体撮像装置の十分な感度向上を実現することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、高感度の固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための方法としては、第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置において、前記受光部と前記半導体基板との接合部に形成される空乏層の幅が、前記半導体基板表面に接する領域よりも、前記受光部底面の少なくとも一部を含む前記半導体基板内の領域で大きくする方法がある。
【０００７】
このような構成によれば、半導体基板内部の領域において受光部−基板間の接合部における空乏層を広げてフォトダイオードの電荷蓄積容量の低減することができる。よって、この固体撮像装置によれば、小さい容量で電荷・電圧変換できるため高い変換率が得られ、感度を向上させることができる。また、半導体基板の深さ方向に空乏層を広げるため、長波長側の分光感度を向上させることができる。また、半導体基板表面の領域では受光部−基板間の接合部における空乏層幅が狭いので、暗電流の増大を抑制することができる。
【０００８】
前記構成においては、前記空乏層の幅が、前記受光部底面の少なくとも一部を含む前記半導体基板内の領域で、前記半導体表面に接する領域の１．５〜１０倍であることが好ましい。この好ましい例によれば、固体撮像装置の高感度化と、暗電流の抑制とを確実に両立することができる。
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置であって、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減し、高感度の固体撮像装置とすることができる。また、受光部と半導体基板との接合部に形成される空乏層を半導体基板の深さ方向に広げ、長波長側の分光感度を向上させることができる。また、この固体撮像装置は、ｐ型ウェル（第１導電型の拡散領域）形成のためのマスクを受光部下の一部の領域を避けたパターンとすれば、慣用のＣＭＯＳプロセスによって製造することが可能である。
【００１１】
前記固体撮像装置においては、前記拡散領域が、前記受光部に接する前記半導体基板表面の領域を含むように形成されていることが好ましい。受光部と半導体基板との接合部に形成される空乏層が半導体基板表面において増大することを回避して、暗電流の増大を抑制することができるからである。
【００１２】
また、前記固体撮像装置においては、前記拡散領域が、前記受光部の底面に接する領域であって、前記受光部の形成幅の１０〜１００％の幅を有する領域を避けるように形成されていることが好ましい。拡散領域を、受光部に接する半導体基板表面の領域を含むように形成することが容易となるからである。
【００１３】
前記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域を形成した後に、前記ゲート電極を形成する工程と、前記受光部および前記電荷排出部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
このような構成にしたことにより、受光部と半導体基板との間で形成されるｐｎ接合の接合容量、すなわちフォトダイオードの電荷蓄積容量を低減して、高感度の固体撮像装置を製造することができる。また、受光部と半導体基板との接合部に形成される空乏層を半導体基板の深さ方向に広げて、長波長側の分光感度に優れた固体撮像装置とすることができる。また、この製造方法は、ｐ型ウェル（第１導電型の拡散領域）形成用のマスクを受光部下の一部の領域を避けたパターンとすれば、慣用のＣＭＯＳプロセスと同様の操作により実施できる。
【００１５】
前記製造方法においては、前記拡散領域を、前記受光部に接する前記半導体基板表面の領域を含むように形成することが好ましい。暗電流の増大を抑制することができるからである。
【００１６】
また、前記製造方法においては、前記拡散領域を、前記受光部底面に接する領域であって、前記受光部形成幅の１０〜１００％の幅を有する領域を避けるように形成することが好ましい。拡散領域を、受光部に接する半導体基板表面の領域を含むように形成することが容易となるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の参考例）
図１は、参考例に係る固体撮像装置の画素部の構造の一例を示す断面図である。本固体撮像装置は受光部の電圧を増幅して出力する方式を採用しており、各画素は、受光部と、アンプ用、リセット用および選択用の３個のトランジスタとを含んでいる。リセット用トランジスタは受光部をソースとするトランジスタであり、そのドレインである電荷排出部が電源電圧と電気的に接続されている。アンプ用トランジスタは、ゲートが受光部と、ドレインが電源電圧と、ソースが選択用トランジスタのドレインと各々電気的に接続されている。また、選択用トランジスタは、ソースが出力線に接続されている。
【００１８】
各トランジスタの役割を簡単に説明すると、アンプ用トランジスタは、別の領域に設けられた負荷用トランジスタ（図示せず。）とソースフォロワアンプ回路を形成し、受光部の電圧を増幅して出力線に読み出す機能を果たす。選択用トランジスタは、アンプ用トランジスタの出力を取り出すスイッチであって信号を読み出す画素を選択する機能を果たす。また、リセット用トランジスタは、受光部が保持している信号電荷を、一定時間毎に電荷排出部に排出する機能を果たす。
【００１９】
以下、図１に断面図として示した受光部周辺の領域の構造について詳細に説明する。この領域の半導体基板１１内には受光部１２および電荷排出部１４が形成されており、受光部１２と電荷排出部１４との間の半導体基板１１上に絶縁膜１５を介してリセット用トランジスタのゲート電極１６が形成されている。また、図示を省略しているが、半導体基板１１の上方には、更に、層間絶縁膜、受光部上に開口を有する金属遮光膜、表面保護膜などが形成されている。
【００２０】
半導体基板１１は、リセット用トランジスタなどのｎＭＯＳに要求される閾値電圧を得られる範囲の不純物濃度を有するｐ型半導体基板であれば特に限定するものではない。しかし、ｐ型半導体基板１１の不純物濃度が低いと、受光部１２との接合部に形成される空乏層１７の幅が、半導体基板表面に接する領域で大きくなるため、暗電流の増大を招くおそれがある。したがって、ｐ型半導体基板１１の不純物濃度は、１．５×１０15ｃｍ-3以上（比抵抗１０Ω・ｃｍ以下）、更には３×１０15〜５×１０15ｃｍ-3程度（比抵抗３〜５Ω・ｃｍ程度）であることが好ましい。
【００２１】
また、ｐ型半導体基板１１としては、表層部にｐ型ウェルを形成した半導体基板を使用することもできる。ｐ型ウェルの不純物濃度は、ｎＭＯＳに要求される閾値電圧を得られる範囲であれば特に限定するものではないが、暗電流低減の観点から１×１０17ｃｍ-3以上、更には１．５×１０17〜３×１０17ｃｍ-3であることが好ましい。また、このとき使用する半導体基板は、ｐ型ウェルを形成し得るものであれば、その導電型および不純物濃度については特に限定するものではない。
【００２２】
受光部１２は、ｐ型半導体基板１１内に形成されたｎ型不純物拡散領域であり、半導体基板１１とのｐｎ接合によってフォトダイオードを形成している。受光部１２の不純物濃度は、光電変換が可能であってアンプ回路と電気的に接続し得る範囲であれば特に限定されるものではないが、好ましくは１０20ｃｍ-3以上である。また、受光部１２の拡散深さは０．２〜０．４μｍ程度が適当である。
【００２３】
本参考例の固体撮像装置には、ｐ型半導体基板１１内の受光部１２底面の少なくとも一部に接する領域に、ｐ-型拡散領域１３が形成されている。このｐ-型拡散領域１３を設けることにより、受光部−基板間のｐｎ接合部における空乏層幅を増大させてフォトダイオードの電荷蓄積容量の低減を図り、固体撮像装置の高感度化を実現することができる。また、ｐ-型拡散領域１３の不純物濃度および受光部１２とｐ-型拡散領域１３との間の接合面積により、フォトダイオードの電荷蓄積容量を調整して標準感度を調整することができる。
【００２４】
ｐ-型拡散領域１３の不純物濃度は、ｐ型半導体基板１１（またはｐ型ウェル）より低い不純物濃度であれば特に限定されるものではなく、好ましくは１×１０15ｃｍ-3以下、更に好ましくは４×１０14〜６×１０14ｃｍ-3程度である。このｐ-型拡散領域１３の不純物濃度を低くする程、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減することができる。
【００２５】
このような不純物濃度とすることにより、受光部１２とｐ-型拡散領域１３との接合部における単位面積当たりの接合容量は、受光部１２とｐ型半導体基板１１との接合部よりも小さくなる。換言すれば、受光部１２とｐ-型拡散領域１３との接合部に形成される空乏層幅は、受光部１２とｐ型半導体基板１１との接合部よりも大きくなる。受光部１２とｐ-型拡散領域１３との接合部における空乏層幅（図１のａ）は０．６〜２．０μｍ程度、更には１．２〜１．８μｍ程度であることが好ましい。一方、受光部１２とｐ型半導体基板１１との接合部における空乏層幅（図１のｂ）は０．２〜１．０μｍ程度とするのが適当である。
【００２６】
受光部１２とｐ-型拡散領域１３との接合面積が大きい程、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減することができる。しかし、半導体基板表面においては、暗電流の増大を招くおそれがあるため、受光部１２とｐ-型拡散領域１３との接合が形成されないことが好ましい。よって、ｐ-型拡散領域１３は、受光部１２と接する半導体基板表面の領域を避け、その全体が受光部下に埋設されていることが好ましい。したがって、ｐ-型拡散領域１３は、その形成幅ｃが、受光部１２の形成幅ｄと同等かそれよりも小さいことが好ましく、具体的には、受光部の形成幅の１０〜１００％、更には４０〜８０％であることが好ましい。また、形成面積でいえば、受光部１２の形成面積の１０〜１００％、更には２０〜６５％であることが好ましい。
【００２７】
また、ｐ-型拡散領域１３の拡散深さは、０．８〜２．０μｍ程度が適当である。
【００２８】
次に、本参考例に係る固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。
【００２９】
まず、熱酸化によってｐ型シリコン基板１１上に絶縁膜を形成する。絶縁膜上に、減圧ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を堆積する。エッチングによってポリシリコン膜の一部を除去することによりゲート電極１６を形成する。
【００３０】
次に、半導体基板１１の一部およびゲート電極１６を被覆するようにレジストを形成し、半導体基板１１内の適当な領域に、半導体基板の導電型が逆転しない範囲でｎ型不純物をイオン注入してｐ-拡散領域１３を形成する。このイオン注入は、例えば、ｎ型不純物としてリンを用いて、加速電圧を５０〜８００ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０11〜１×１０13ｃｍ-2として実施される。
【００３１】
レジストを除去した後、ゲート電極１６をマスクとしてｎ型不純物をイオン注入し、受光部１２および電荷排出部１４を形成し、リセット用トランジスタを形成する。このとき、受光部１２は、その底面の少なくとも一部がｐ-型拡散領域に接するように形成される。また、好ましくは、受光部１２は、ｐ-拡散領域１３と同等かまたはそれより大きい寸法となるように調整され、ｐ-拡散領域１３は受光部１２によって半導体基板１１内に埋め込まれる。このイオン注入は、例えば、ｎ型不純物としてヒ素を用いて、加速電圧を４０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2として実施される。
【００３２】
更に、層間絶縁膜、金属配線などが形成され、受光部および電荷排出部が、半導体基板の別の領域に形成されたアンプ用トランジスタなどと、図１に示すように電気的に接続される。特に限定するものではないが、層間絶縁膜としては減圧ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜が、金属配線としてはアルミニウム膜が使用される。更に、受光部の上方に相当する部分に開口を有する金属遮光膜、表面保護膜などが適宜形成される。金属遮光膜にはアルミニウム膜が、表面保護膜にはプラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン窒化膜が使用できる。
【００３３】
なお、上記製造方法において使用される熱酸化やＣＶＤ法などの成膜方法、エッチング方法などは、基本的に常法に従って実施すればよい。
【００３４】
（第２の参考例）
図２は、参考例に係る固体撮像装置の別の一例を示す断面図である。この固体撮像装置の各画素の構造は、図２に断面図として示した受光部周辺の領域の構造を除いては第１の参考例と同様である。以下、受光部周辺の領域について詳細に説明する。この領域は、半導体基板２１内に受光部２２および電荷排出部２４が形成されており、受光部２２と電荷排出部２４との間の半導体基板２１上に絶縁膜２５を介してリセット用トランジスタのゲート電極２６が形成されている。また、図示を省略しているが、半導体基板２１の上方には、更に、層間絶縁膜、受光部上に開口を有する金属遮光膜、表面保護膜などが形成されている。
【００３５】
半導体基板２１としては、第１の参考例と同様に、ｐ型半導体基板またはｐ型ウェルを形成した半導体基板を使用することができる。また、受光部２２は、第１の参考例と同様に、好ましくは、不純物濃度１×１０20ｃｍ-3以上、拡散深さ０．２〜０．４μｍ程度のｎ型拡散領域である。
【００３６】
本参考例においては、ｐ型半導体基板２１内の受光部２２底面の少なくとも一部に接する領域に、ｎ-型拡散領域２３が形成されている。このｎ-型拡散領域２３は、受光部２２とともに、半導体基板２１とのｐｎ接合によってフォトダイオードを構成している。ｎ-型拡散領域２３を設けることにより、受光部と基板との間のｐｎ接合の空乏層幅を増大させてフォトダイオードの電荷蓄積容量の低減し、固体撮像装置の高感度化を実現している。また、ｎ-型拡散領域２３の不純物濃度およびｎ-型拡散領域２３と半導体基板２１との間の接合面積によって、フォトダイオードの電荷蓄積容量を適宜調整し、標準感度を調整できる。
【００３７】
ｎ-型拡散領域２３の不純物濃度は、受光部２２の不純物濃度よりも低ければ特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０16ｃｍ-3以下、更に好ましくは５×１０15〜８×１０15ｃｍ-3である。なお、このｎ-型拡散領域２３の不純物濃度が低い程、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減することができる。
【００３８】
このような不純物濃度とすることにより、ｎ-型拡散領域２３と半導体基板２１との接合部における単位面積当たりの接合容量は、受光部２２と半導体基板２１との接合部よりも小さくなる。換言すれば、ｎ-型拡散領域２３と半導体基板２１との接合部に形成される空乏層幅は、受光部２２と半導体基板２１との接合部よりも大きくなる。ｎ-型拡散領域２３と半導体基板２１との接合部における空乏層幅（図２のａ）は０．８〜２．５μｍ程度、更には１．２〜２．０μｍ程度であることが好ましい。一方、受光部２２と半導体基板２１との接合部における空乏層幅（図２のｂ）は、０．２〜１．０μｍ程度とするのが適当である。
【００３９】
ｎ-型拡散領域２３と半導体基板２１との接合面積が大きい程、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減することができる。しかし、半導体基板表面においては、暗電流の増大を招くおそれがあるため、受光部２２とｎ-型拡散領域２３との接合が形成されないことが好ましい。よって、ｎ-型拡散領域２３は、受光部２２と接する半導体基板表面の領域を避け、その全体が受光部２２下に埋設されていることが好ましい。したがって、ｎ-型拡散領域２３は、その形成幅ｅが、受光部２２の形成幅ｄと同等かそれよりも小さいことが好ましく、具体的には、受光部２２の形成幅の１０〜１００％、更には４０〜８０％であることが好ましい。また、形成面積でいえば、受光部２２の形成面積の１０〜１００％、更には２０〜６５％であることが好ましい。
【００４０】
また、ｎ-型拡散領域２３の拡散深さは、０．８〜２．０μｍ程度が適当である。
【００４１】
本参考例に係る固体撮像装置は、ｐ-型拡散領域を形成する工程に代えて、ｎ-型拡散領域を形成する工程を実施することを除いては、第１の参考例において説明した製造方法と同様にして製造することができる。
【００４２】
絶縁膜２５およびゲート電極２６を形成した半導体基板２１上にレジストを形成した後、ｎ型不純物をイオン注入して、半導体基板２１内の適当な領域にｎ-型拡散領域２３を形成する。このイオン注入は、例えば、ｎ型不純物としてリンを用いて、加速電圧を５０〜８００ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０12〜１×１０15ｃｍ-2として実施される。
【００４３】
レジストを除去した後、ゲート電極２６をマスクとしてｎ型不純物をイオン注入し、受光部２２および電荷排出部２４を形成する。このとき、受光部２２は、その底面の少なくとも一部がｎ-型拡散領域２３に接するように形成される。また、好ましくは、受光部２２はｎ-型拡散領域２３と同等かまたはそれより大きい寸法となるように調整され、ｎ-型拡散領域２３は受光部２２によって半導体基板２１内に埋め込まれる。このイオン注入は、例えば、ｎ型不純物としてヒ素を用いて、加速電圧を４０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2として実施される。
【００４４】
更に、層間絶縁膜、金属配線、受光部の上方に相当する部分に開口を有する金属遮光膜、表面保護膜などが適宜形成され、固体撮像装置が得られる。
【００４５】
なお、上記製造方法において使用される熱酸化やＣＶＤ法などの成膜方法、エッチング方法などは、基本的に常法に従って実施すればよい。
【００４６】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置は、画素部と周辺回路（例えば、画素選択のための走査回路、タイミング発生回路、ノイズキャンセル回路など）とをＣＭＯＳプロセスを用いて集積化したＣＭＯＳ型固体撮像装置である。本固体撮像装置は、同一半導体基板内にｎＭＯＳとｐＭＯＳとを有しており、そのため半導体基板には、ｐＭＯＳを形成する領域にはｎ型ウェルが、ｎＭＯＳを形成する領域にはｐ型ウェルが各々形成されている。
【００４７】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構造を示す断面図である。各画素は、第１の参考例と同様に、受光部と、アンプ用、リセット用および選択用の３個のトランジスタとを含んでいる。これら各部材間の接続および各部材の機能は、第１の参考例で説明した通りである。
【００４８】
以下、図３に断面図として示した、受光部周辺の領域の構造について詳細に説明する。この領域の半導体基板３１には、ｎＭＯＳであるリセット用トランジスタを形成するためのｐ型ウェル３３が形成されている。この半導体基板３１内に受光部３２および電荷排出部３４が形成されており、受光部３２と電荷排出部３４との間の半導体基板３１上には絶縁膜３５を介してリセット用トランジスタのゲート電極３６が形成されている。
【００４９】
半導体基板３１は、ｐ型ウェルおよびｎ型ウェルの形成が可能な範囲の不純物濃度を有するｐ型半導体基板であれば、特に限定するものではない。好ましくは不純物濃度が２×１０15ｃｍ-3以下（比抵抗が５Ω・ｃｍ以上）、更に好ましくは不純物濃度が１×１０15〜１．５×１０15ｃｍ-3程度（比抵抗が１０〜１５Ω・ｃｍ程度）のｐ-型半導体基板が使用できる。
【００５０】
受光部３２は、ｐ-型半導体基板３１内に形成されたｎ型不純物拡散領域であり、半導体基板３１とのｐｎ接合によりフォトダイオードを形成している。受光部３２の不純物濃度は、光電変換が可能であってアンプ回路と電気的に接続し得る範囲であれば特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０20ｃｍ-3以上である。また、受光部３２の拡散深さは０．２〜０．４μｍ程度が適当である。
【００５１】
少なくともゲート電極３６の下方に位置する領域を含む半導体基板３１表層部には、前述したようにｐ型ウェル３３が形成されている。ｐ型ウェル３３の不純物濃度は、ｐ-型半導体基板３１の不純物濃度よりも高く、リセット用トランジスタなどのｎＭＯＳに要求される閾値電圧を得られる範囲であれば特に限定するものではない。しかし、ｐ型ウェル３３の不純物濃度が低過ぎると、半導体基板表面において受光部３２との接合部に形成される空乏層の幅が大きくなり、暗電流の増大を招くおそれがある。よって、ｐ型ウェル３３の不純物濃度は１×１０17ｃｍ-3以上、更には１．５×１０17〜３×１０17ｃｍ-3程度とすることが好ましい。また、ｐ型ウェル３３の拡散深さは、１．０μｍ程度が適当である。
【００５２】
ｐ型ウェル３３は、受光部３２底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように形成されている。つまり、受光部３２底部の少なくとも一部は、ｐ型ウェル３３よりも不純物濃度の低いｐ-型の領域と接している。このように、受光部３２との接合部における半導体基板の不純物濃度を一部の領域において低く調整することにより、受光部と基板との間のｐｎ接合部における空乏層幅を増大させてフォトダイオードの電荷蓄積容量の低減を図り、固体撮像装置の高感度化を実現することができる。また、ｐ型ウェル３３が形成されていない基板領域（以下、「ｐ-型領域」とする。）と受光部３２との接合面積によって、フォトダイオードの電荷蓄積容量を適宜調整し、標準感度の調整を図ることができる。
【００５３】
受光部３２とｐ-型領域３１との接合部における単位面積当たりの接合容量は、受光部３２とｐ型ウェル３３との接合部よりも小さくなる。換言すれば、受光部３２とｐ型領域３１との接合部に形成される空乏層幅は、受光部３２とｐ型ウェル３３との接合部よりも大きくなる。受光部３２とｐ-型領域３１との接合部における空乏層幅（図３のａ）は１．０〜３．０μｍ程度、更には１．５〜２．０μｍ程度であることが好ましい。一方、受光部３２とｐ型ウェル３３との接合部における空乏層幅（図３のｂ）０．２〜０．５μｍ程度とするのが適当である。
【００５４】
受光部３２とｐ-型領域３１との接合面積が大きい程、フォトダイオードの電荷蓄積容量を低減することができる。しかし、半導体基板表面においては、暗電流の増大を招くおそれがあるため、受光部３２とｐ-型領域３１との接合が形成されないことが好ましい。よって、ｐ型ウェル３３は、少なくとも半導体基板表面の受光部３２と接する領域を含むように形成されることが好ましい。この場合、受光部３２底面のｐ-型領域と接する部分の幅ｆは、受光部３２の形成幅ｄの１０〜１００％、更には４０〜８０％の寸法とすることが好ましい。また、受光部３２底面のｐ-型領域と接する部分の面積は、受光部３２底面の１０〜１００％、更には２０〜６５％であることが好ましい。
【００５５】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。
【００５６】
まず、ｐ-型シリコン基板３１にｐ型不純物をイオン注入し、ｐ型ウェル３３を形成する。このイオン注入は、受光部３２となる領域の少なくとも一部の上方を避けるように実施される。このイオン注入は、例えば、ｐ型不純物としてホウ素を用いて、加速電圧を４００ｋｅＶ、ドーズ量を４×１０12ｃｍ-2、加えてホウ素を加速電圧５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０12ｃｍ-2として実施される。
【００５７】
次に、ｐ型シリコン基板３１上に熱酸化によって絶縁膜を形成した後、減圧ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を堆積し、エッチングによってその一部を除去してゲート電極３６を形成する。次いで、このゲート電極３６をマスクとしてｎ型不純物をイオン注入し、受光部３２および電荷排出部３４を形成する。このとき、受光部３２は、その底面の少なくとも一部が、ｐ型ウェル３３が形成されていない半導体基板内の領域（ｐ-型領域３１）に接するように形成される。また、好ましくは、受光部３２は、半導体基板表面においてはｐ型ウェル３３と接するように形成される。このイオン注入は、例えば、ｎ型不純物としてヒ素を用いて、加速電圧を４０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2として実施される。
【００５８】
更に、層間絶縁膜、金属配線などが形成され、受光部および電荷排出部は、半導体基板の別の領域に形成されたアンプ用トランジスタなどと、図３に示すように電気的に接続される。更に、受光部の上方に相当する部分に開口を有する金属遮光膜、表面保護膜などが適宜形成される。
【００５９】
なお、上記製造方法において使用される熱酸化やＣＶＤ法などの成膜方法、エッチング方法などは、基本的に常法に従って実施すればよい。
【００６０】
【実施例】
（参考例１）
図１と同様の構造を有する固体撮像装置を作製した。半導体基板として不純物濃度５×１０15ｃｍ-3（比抵抗３Ω・ｃｍ）のｐ型シリコン基板を使用し、このｐ型シリコン基板上に熱酸化によってシリコン酸化膜を形成した。シリコン酸化膜上に減圧ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を堆積した後、これをエッチングによりパターニングしてゲート電極を形成した。次に、加速電圧を６００ｋｅＶ、ドーズ量を２×１０11ｃｍ-2としてリンをイオン注入し、ｐ-型拡散領域を形成した。形成されたｐ-型拡散領域の不純物濃度は２×１０15ｃｍ-3であった。次に、ゲート電極をマスクとして、加速電圧を４０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2としてヒ素をイオン注入し、受光部および電荷排出部を形成した。形成された受光部の面積は６０μｍ2であり、不純物濃度は２×１０20ｃｍ-3であった。上記受光部および電荷排出部を、図１に示すように、半導体基板の別の領域に形成したアンプ用トランジスタおよび選択用トランジスタ、電源電圧と電気的に接続して固体撮像装置を得た。
【００６１】
上記製造方法において、受光部とｐ-型拡散領域との接合面積を受光部面積の３０％（試料Ｎｏ．１）および６０％（試料Ｎｏ．２）に調整し、２種の固体撮像装置を作製した。これら固体撮像装置について空乏層幅を検討したところ、基板内部の受光部−ｐ-型拡散領域間（図１のａ）で約１．６μｍ、基板表面の受光部−基板間（図１のｂ）で約０．８μｍであった。
【００６２】
また、各々の固体撮像装置について、フォトダイオード容量および入射光量１０lux（色温度３２００Ｋ）に対する出力電圧を評価したところ、試料Ｎｏ．１においてはフォトダイオード容量１６．８ｆＦ、出力電圧１００ｍＶであり、試料Ｎｏ．２においてはフォトダイオード容量９．６ｆＦ、出力電圧１６０ｍＶであった。なお、出力電圧は、アンプ用トランジスタの容量を２ｆＦ、電源電圧を５．０Ｖとして測定した。
【００６３】
（参考例２）
ｐ-型拡散領域に代えてｎ-型拡散領域を形成したこと以外は、参考例１と同様にして、図２と同様の構造を有する固体撮像装置を作製した。ｎ-型拡散領域の形成は、加速電圧を６００ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０12ｃｍ-2としたリンのイオン注入によって実施した。また、形成されたｎ-型拡散領域の不純物濃度は１×１０16ｃｍ-3であった。
【００６４】
受光部とｎ-型拡散領域との接合面積を受光部面積の３０％（試料Ｎｏ．３）および６０％（試料Ｎｏ．４）に調整し、２種の固体撮像装置を作製した。これら固体撮像装置について空乏層幅を検討したところ、基板内部のｎ-型拡散領域−基板間（図２のａ）で約２．０μｍ、基板表面の受光部（ｎ+型拡散領域）−基板間（図２のｂ）で約０．８μｍであった。
【００６５】
また、各々の固体撮像装置について、フォトダイオード容量および入射光量１０lux（色温度３２００Ｋ）に対する出力電圧を評価したところ、試料Ｎｏ．３においてはフォトダイオード容量１５ｆＦ、出力電圧１１０ｍＶであり、試料Ｎｏ．４においてはフォトダイオード容量９ｆＦ、出力電圧１７０ｍＶであった。なお、出力電圧は、アンプ用トランジスタの容量を２ｆＦ、電源電圧を５．０Ｖとして測定した。
【００６６】
（実施例１）
図３と同様の構造を有する固体撮像装置を作製した。半導体基板として不純物濃度１．５×１０15ｃｍ-3（比抵抗１０Ω・ｃｍ）のｐ型シリコン基板を使用した。このｐ型シリコン基板に、加速電圧４００ｋｅＶ、ドーズ量４×１０12ｃｍ-2としてホウ素をイオン注入し、加えて加速電圧５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０12ｃｍ-2としてホウ素をイオン注入して、ｐ型ウェルを形成した。ｐ型ウェルの不純物濃度は２×１０17ｃｍ-3であった。図３に示すように、ｐ型ウェルは、後に形成される受光部底面の少なくとも一部を避けるように形成した。次に、ｐ型シリコン基板上に熱酸化によってシリコン酸化膜を形成し、シリコン酸化膜上に減圧ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を堆積した後、これをエッチングによりパターニングしてゲート電極を形成した。ゲート電極をマスクとして、加速電圧を４０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０15ｃｍ-2としてヒ素をイオン注入し、受光部および電荷排出部を形成した。形成された受光部の面積は６０μｍ2であり、不純物濃度は２×１０20ｃｍ-3であった。上記受光部および電荷排出部を、図３に示すように、半導体基板の別の領域に形成したアンプ用トランジスタおよび選択用トランジスタ、電源電圧と電気的に接続し固体撮像装置を得た。
【００６７】
上記製造方法において、受光部底面においてｐ型ウェルと接していない部分の面積、すなわち受光部とｐ-型領域との接合面積を、受光部面積の６０％（試料Ｎｏ．５）および８０％（試料Ｎｏ．６）に調整し、２種の固体撮像装置を作製した。これら固体撮像装置について、受光部−基板間に形成される空乏層幅を検討したところ、基板内部の受光部−ｐ-型領域間（図３のａ）で約１．２μｍ、基板表面の受光部−ｐ型ウェル間（図３のｂ）で約０．２μｍであった。
【００６８】
また、各々の固体撮像装置について、フォトダイオード容量および入射光量１０lux（色温度３２００Ｋ）に対する出力電圧を評価したところ、試料Ｎｏ．５においてはフォトダイオード容量２０ｆＦ、出力電圧９５ｍＶであり、試料Ｎｏ．６においてはフォトダイオード容量１０ｆＦ、出力電圧１５５ｍＶであった。なお、出力電圧は、アンプ用トランジスタの容量を２ｆＦ、電源電圧を５．０Ｖとして測定した。
【００６９】
（比較例）
ｐ-型拡散領域を形成しないこと以外は参考例１と同様にして、図４と同様の構造を有する固体撮像装置を得た。受光部−基板間に形成される空乏層幅を検討したところ、基板内部および基板表面のいずれにおいても約１．０μｍであった。また、フォトダイオード容量および入射光量１０lux（色温度３２００Ｋ）に対する出力電圧を評価したところ、フォトダイオード容量２５ｆＦ、出力電圧７０ｍＶであった。なお、出力電圧は、アンプ用トランジスタの容量を２ｆＦ、電源電圧を５．０Ｖとして測定した。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置され、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域を形成することにより、高感度の固体撮像装置とすることができる。
【００７１】
また、本発明の製造方法は、第１導電型の半導体基板内に形成された第２導電型の受光部および電荷排出部と、前記受光部と前記電荷排出部との間の前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記受光部と電気的に接続したアンプ回路とを含む画素が複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板内に、前記ゲート電極の下方に位置する領域を含み、且つ、前記受光部底面の少なくとも一部に接する領域を避けるように、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の拡散領域を形成した後に、前記ゲート電極を形成する工程と、前記受光部および前記電荷排出部を形成する工程とを含むことにより、高感度の固体撮像装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例に係る固体撮像装置の１画素の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の参考例に係る固体撮像装置の１画素の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の１画素の構造を示す断面図である。
【図４】従来の固体撮像装置の１画素の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１、２１、４１            ｐ型半導体基板
３１                        ｐ-型半導体基板
１２、２２、３２、４２      受光部
１３                        ｐ-型拡散領域
２３                        ｎ-型拡散領域
３３                        ｐ型ウェル
１４、２４、３４、４４      電荷排出部
１５、２５、３５、４５      絶縁膜
１６、２６、３６、４６      ゲート電極
１７、２７、３７、４７      空乏層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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