(57)【要約】【課題】低電源電圧化が可能であり、低消費電力で、かつ、ＳＮ比の良好な固体撮像素子とする。【解決手段】半導体基板上に形成されたＰウェル１０２、Ｐウェル中に形成されたフォトダイオード、フォトダイオード内に蓄積された光電荷を転送するための転送ゲート１０５、および転送された光電荷を受け取る拡散接合容量部１０６を画素内に有し、フォトダイオードは、第１蓄積領域１０９と、第１蓄積領域より高濃度で、より深く形成された第２蓄積領域１０８とを備え、第１蓄積領域１０９は転送ゲート１０５の端部において転送ゲート側に向かって延在しており、第２蓄積領域１０８は転送ゲートの端部において転送ゲート側に向かって延在していない。【選択図】      図１
2004342836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１導電型の半導体領域、前記半導体領域中に形成されたフォトダイオード、前記フォトダイオード内に蓄積された光電荷を転送するための転送ゲート、および転送された光電荷を受け取る拡散接合容量部を画素内に有する固体撮像素子において、
前記フォトダイオードは、第２導電型の半導体からなる第１蓄積領域と、前記第１蓄積領域と接し、且つ第２導電型の半導体からなる、前記第１蓄積領域より深く形成された第２蓄積領域とを備え、
前記第１蓄積領域は前記転送ゲートの端部において前記転送ゲート側に向かって伸びており、前記第２蓄積領域は前記転送ゲートの端部において前記転送ゲート側に向かって伸びていないことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、前記第１蓄積領域の一部は前記半導体領域の表面にまで達していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体撮像素子において、前記半導体領域を第１半導体領域としたとき、前記フォトダイオードの基板表面側に形成され、且つ前記第１蓄積領域と接する第１導電型の第２半導体領域を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子において、前記第２蓄積領域の平均飛程の深さをＲｐ１、前記第１蓄積領域の平均飛程の深さをＲｐ２、前記第２半導体領域の接合の深さをｘｊとしたときに、
Ｒｐ２≦ｘｊ＜Ｒｐ１
の関係があることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記第２蓄積領域の導電型を規定する不純物がヒ素である固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の固体撮像素子において、前記第１蓄積領域の導電型を規定する不純物がヒ素である固体撮像素子。
【請求項７】
請求項３又は４に記載の固体撮像素子において、前記第２半導体領域が、前記転送ゲートの端部から前記転送ゲート側と反対方向に離れて形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像素子を有することを特徴とするカメラ。
【請求項９】
半導体基板上に形成された第１導電型の半導体領域、前記半導体領域中に形成されたフォトダイオード、前記フォトダイオード内に蓄積された光電荷を転送するための転送ゲート、および転送された光電荷を受け取る拡散接合容量部を画素内に有し、前記フォトダイオードは、第２導電型の半導体からなる第１蓄積領域と、前記第１蓄積領域と接し、且つ第２導電型の半導体からなる、前記第１蓄積領域より深く形成された第２蓄積領域とを備えている固体撮像素子の製造方法であって、
前記転送ゲートの転送ゲート長方向をｘ軸、転送ゲート巾方向をｙ軸とし、イオン注入の方向をｘｙ平面に投影したイオン注入投影方向とｘ軸のなす角度をαとしたとき、
前記第１蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを０°≦α＜９０°、２７０°＜α≦３６０°に設定し、前記第２蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを９０°≦α≦２７０°に設定することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記第１蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを０°に設定し、前記第２蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを９０°又は２７０°に設定することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記半導体領域を第１半導体領域としたとき、前記第１蓄積領域と接する第１導電型の第２半導体領域を前記フォトダイオードの基板表面側に形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記第２半導体領域のイオン注入を前記転送ゲート端部に形成したサイドスペーサ越しに注入することによりオフセットをつけることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記第２半導体領域のイオン注入の方向を前記フォトダイオード上に前記転送ゲートのシャドウイングがおこる方向で注入することにより自己整合的に前記第２半導体領域と前記転送ゲートとの間のオフセットをつけることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法において、前記第１蓄積領域をヒ素の注入により形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項９から１３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法において、前記第２蓄積領域をヒ素の注入により形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子およびその製造方法、固体撮像素子を用いたカメラに関し、詳しくは画素毎に信号増幅部を有する固体撮像素子及びその製造方法、カメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子の代表的なものには、フォトダイオードおよびＣＣＤシフトレジスタからなるＣＣＤセンサと、フォトダイオードおよびＭＯＳトランジスタにより構成されるアクティブ画素により画素部が形成されるＣＭＯＳセンサがある。ＣＭＯＳセンサはＣＣＤと比べて、（１）消費電力が小さい、（２）周辺回路のオンチップ化が可能なため、信号処理回路を同一チップ上に形成することができ、安価かつコンパクトに固体撮像素子を製造することが可能、（３）従来のＭＯＳプロセスをベースにプロセス設計が可能であり、専用の製造ラインを持つことなく固体撮像装置を提供することが可能である、等のメリットがある。
【０００３】
上述のメリットを得るためには、電源電圧の仕様として、通常のＣＭＯＳプロセスの規格である５Ｖもしくは３．３Ｖ等の電圧から大きく逸脱しないことが望ましい。そのため、各画素のフォトダイオード内に蓄積された信号電荷を読み出す際の転送動作におけるゲート電圧に制約があり、フォトダイオードに蓄積された信号電荷の転送の設計は必ずしも容易ではない。特に、暗電流を抑制するために埋め込みフォトダイオード構造とした場合や、リセットノイズの影響をキャンセルするためにリセット時にフォトダイオードを完全空乏化する場合においては、フォトダイオードの電荷を転送するための構造を確保することは容易ではない。
【０００４】
この問題について図７の従来技術の説明図を用いて説明する。図７において、７０１は半導体基板であり、７０２は撮像領域に形成されたウェルである。ウェル７０２は、ここではＰタイプの半導体で形成されている。７０３は画素に蓄積された信号電荷をドレイン７０４に転送するための転送ゲートであり、７０５はゲート酸化膜である。フォトダイオードの蓄積領域７０７はＮタイプの半導体で形成されており、表面は濃いＰ層７０６で覆われている。濃いＰ層７０６を形成する目的は蓄積領域７０７から伸びる空乏層がゲート酸化膜７０５に届くのを防止し、暗電流を抑制することである。このような埋め込みフォトダイオードにおいては、蓄積領域７０７の電荷をドレイン７０４に転送する際には、ゲート酸化膜７０５に対して深い場所からの電荷の転送が必要となる。これを実現するためには、電荷転送用領域７０８を形成すればよい。転送に必要なゲート電圧は、電荷転送用領域７０８の濃度と巾で制約を受ける。すなわち、電荷転送用領域７０８の巾と濃度を十分に確保することができれば、所望の電源電圧において、フォトダイオード内の電荷を完全に転送することが可能であり、フォトダイオードの完全リセット、信号電荷の完全転送が可能となる。こういった構造の形成方法としては、特許文献１にその手段が提唱されている。この提案の要点および実施形態について簡単に述べると、（１）転送ゲートに対して自己整合的に電荷転送領域を形成することで、安定して製造することができる。（２）電荷転送用領域は、蓄積領域のイオン注入を行う際に矢印７０９に示すような角度を持たせ、イオン種としては燐を用い、熱拡散することで形成が可能である。（３）実施例の一つとして、フォトダイオードのｎ層（蓄積領域）と電荷転送用領域のイオン注入を角度とエネルギーの異なる２回のイオン注入により形成することで、特性の最適化が可能である。
【０００５】
上述の手段により、電荷転送用領域を濃く巾広く形成した場合、完全転送できる構造の設計が可能となる。ところが一方で別の問題が発生する。暗電流を抑制するために埋め込みフォトダイオード構造をとっているにも関わらず、電荷転送用領域の濃度、巾が大き過ぎると蓄積期間中にフォトダイオードの空乏層がゲート酸化膜界面に到達し、暗電流が激増する。この対策としては、特許文献２に示されているとおり、蓄積期間中に転送ゲート電極の電位をウェル電位よりも下げる（以下、転送ゲートＬＯＷレベル）ことにより、電荷転送用領域の上方に反転層を形成する手法がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２７４４５４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４５２１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特許文献１に開示された技術では、暗電流を抑制するために埋め込みフォトダイオード構造をとっているにも関わらず、電荷転送用領域の濃度、巾が大き過ぎると蓄積期間中にフォトダイオードの空乏層がゲート酸化膜界面に到達し、暗電流が激増する場合があった。
【０００８】
また上記の特許文献２に開示された手法は大変有効ではあるが、低消費電力化、低電圧化を達成する上では、転送ゲートＬＯＷレベルをなるべくウェル電圧に近づけることが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された第１導電型の半導体領域、前記半導体領域中に形成されたフォトダイオード、前記フォトダイオード内に蓄積された光電荷を転送するための転送ゲート、および転送された光電荷を受け取る拡散接合容量部を画素内に有する固体撮像素子において、
前記フォトダイオードは、第２導電型の半導体からなる第１蓄積領域と、前記第１蓄積領域と接し、且つ前記第１蓄積領域より高濃度の第２導電型の半導体からなる、前記第１蓄積領域より深く形成された第２蓄積領域とを備え、
前記第１蓄積領域は前記転送ゲートの端部において前記転送ゲート側に向かって伸びており、前記第２蓄積領域は前記転送ゲートの端部において前記転送ゲート側に向かって伸びていないことを特徴とする固体撮像素子である。
【００１０】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に形成された第１導電型の半導体領域、前記半導体領域中に形成されたフォトダイオード、前記フォトダイオード内に蓄積された光電荷を転送するための転送ゲート、および転送された光電荷を受け取る拡散接合容量部を画素内に有し、前記フォトダイオードは、第２導電型の半導体からなる第１蓄積領域と、前記第１蓄積領域と接し、且つ前記第１蓄積領域より高濃度の第２導電型の半導体からなる、前記第１蓄積領域より深く形成された第２蓄積領域とを備えている固体撮像素子の製造方法であって、
前記転送ゲートの転送ゲート長方向をｘ軸、転送ゲート巾方向をｙ軸とし、イオン注入の方向をｘｙ平面に投影したイオン注入投影方向とｘ軸のなす角度をαとしたとき、
前記第１蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを０°≦α＜９０°、２７０°＜α≦３６０°に設定し、前記第２蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを９０°≦α≦２７０°に設定することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。
【００１１】
本発明は、フォトダイオードの蓄積領域を深さの異なる２つの領域で構成し、浅い第１蓄積領域は転送ゲート下に電荷転送用領域を形成し、深い第２蓄積領域は転送ゲート下のゲート酸化膜付近の浅い領域には実質的に濃度を持たない構成とした。
【００１２】
また本発明は上記構成を実現する製造方法として、転送ゲートの転送ゲート長方向をｘ軸、転送ゲート巾方向をｙ軸とし、イオン注入の方向をｘｙ平面に投影したイオン注入投影方向とｘ軸のなす角度をαとしたとき、浅い第１蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを０°≦α＜９０°、２７０°＜α≦３６０°に設定し、深い第２蓄積領域を形成するイオン注入は角度αを９０°≦α≦２７０°に設定して、第１蓄積領域は転送ゲート下に電荷転送用領域を形成し、第２蓄積領域は転送ゲート下には延在しないようにした。
【００１３】
また本発明は上記構成を実現する製造方法として、浅い第１蓄積領域を形成するイオン注入は転送ゲートのゲート長方向に（好ましくは平行に）傾けて注入し、深い第２蓄積領域を形成するイオン注入は転送ゲートのゲート巾方向に（好ましくは平行に）チルトを傾けて注入する形成方法を提案するものである。
【００１４】
本発明による構成によれば、電荷転送用領域の濃度をフォトダイオードの蓄積可能な電荷量、空乏化電圧とは独立に制御することが可能であり、かつ、ゲート電極付近の濃度を薄く形成することが可能であり、また、量産バラツキの小さいプロセスが可能となる。これらの効果により、より小さい負電圧で安定して暗電流の小さい固体撮像素子を提供することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明の固体撮像装置の第１の実施形態の説明図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´断面の不純物濃度分布を示す図である。
【００１７】
図１において、１０１は半導体基板であり、１０２はｐタイプのウェル領域である。１０３は選択酸化膜であり、１０４はゲート酸化膜、１０５は転送ゲートである。フォトダイオードの電荷は転送ゲート１０５をＯＮすることにより、拡散接合容量１０６に読み出される。フォトダイオードは表面の濃いＰ層１０７、深い蓄積領域１０８、浅い蓄積領域１０９により構成された埋め込みタイプのフォトダイオードになっている。深い蓄積領域１０８は浅い蓄積領域１０９と異なり、転送ゲート１０５に向かって、上方に伸びていない。つまり、浅い蓄積領域１０９は転送ゲート１０５付近においてゲート酸化膜１０４に接するように不純物領域が存在しているのに対して、深い蓄積領域１０８はゲート酸化膜１０４に接していない。
【００１８】
また、本発明の効果を得るためには、浅い蓄積領域１０９のイオン注入の平均飛程を濃いｐ層１０７の接合深さと同等もしくはそれより浅く設計することが望ましい。
【００１９】
本発明の効果とは、上述したように、転送時に転送ゲートに与える電圧を小さく、また、蓄積時に転送ゲートに与える負電圧の絶対値をより小さく設計することが可能となること、このため、低電源電圧化が可能であり、低消費電力で、かつ、ＳＮ比の良好な固体撮像素子を提供することが可能であること、また、製造上の安定性が高く、開発要素の少ないプロセスを実現でき、さらに白傷の低減が図れることから歩留まりが向上するため、安価で高精細な固体撮像素子の提供が可能となる事である。
【００２０】
この関係を図１（ｂ）に示す。フォトダイオードの深い蓄積領域および浅い蓄積領域の形成は燐のイオン注入により行った。浅い蓄積領域１０９のイオン注入の平均飛程をＲｐ２、深い蓄積領域１０８のイオン注入の平均飛程をＲｐ１、濃いｐ層１０７とフォトダイオードの蓄積領域との接合の深さ（浅い蓄積領域１０９と深い蓄積領域１０８のドナー濃度の和が濃いｐ層１０７とウェル１０２のアクセプタ濃度の和に等しくなる深さ）をＸｊとすると、
Ｒｐ２≦Ｘｊ＜Ｒｐ１
の関係とすることにより本発明の効果はさらに効果的であり、転送時に転送ゲートに与える電圧を小さく、また、蓄積時に転送ゲートに与える負電圧の絶対値をより小さく設計することが可能となる。
【００２１】
実際には深い蓄積領域１０８も浅い蓄積領域１０９もｎタイプの半導体領域であるため、プロセス完了後の深い蓄積領域１０８と浅い蓄積領域１０９の明確な境目は無いが、以下の理由によって本発明の提案する構成においては、従来の技術とは明確に異なり、上述している本発明の効果（すなわち、転送時に転送ゲートに与える電圧を小さく、また、蓄積時に転送ゲートに与える負電圧の絶対値をより小さく設計することが可能となる。このため、低電源電圧化が可能であり、低消費電力で、かつ、ＳＮ比の良好な固体撮像素子を提供することが可能である。また、製造上の安定性が高く、開発要素の少ないプロセスを実現でき、さらに白傷の低減が図れることから歩留まりが向上するため、安価で高精細な固体撮像素子の提供が可能となる）を得ることができる。
（１）  フォトダイオードに蓄積できる電荷数や、完全空乏化するバイアスは、深い蓄積領域１０８の濃度により大きく支配され、浅い蓄積領域１０９の濃度に対する依存は小さい。その理由は表面にある濃いｐ層１０７が十分に濃いため、浅い蓄積領域１０９を形成する不純物は濃いｐ層１０７に覆われる部分では濃いｐ層に打ち消され影響が見えにくいためである。そのため、プロセス条件を微小に変更した場合のチューニング、プロセスバラツキの補正を行う場合、異なる仕様の製品に対してフォトダイオードのプロセス条件を設計しなおす場合などに、深い蓄積領域１０８の注入条件のみを見直すことで対処することが可能となり、転送ゲートＬＯＷレベルの仕様が劣化することなく、フォトダイオードのチューニング、設計が可能である。
（２）  発明者の設計および検証によれば、深い蓄積領域１０８を形成するための不純物濃度は、浅い蓄積領域１０９を形成するための不純物濃度にくらべ、２倍〜１０倍が適しており、深い蓄積領域１０８が転送ゲート電極１０５付近にも形成されてしまう場合には、その影響が大きい。そのため、深い蓄積領域１０８と浅い蓄積領域１０９を独立に設計できることによって、本発明の効果である、製造上の安定性が高く、開発要素の少ないプロセスを実現できるという効果を得る事ができる。
【００２２】
次に、本発明による第１の実施形態を実現する手段を説明する。
【００２３】
図２を用いて画素のパターンに対するイオン注入の方向について定義する。図２において、２０１は半導体基板であり、２０２はゲート酸化膜、２０３は転送ゲートである。２０４は拡散接合容量であり、２０５はフォトダイオードである。図に示した通り、基板法線方向をｚ軸とし、転送ゲートの転送ゲート長方向をｘ軸、転送ゲート巾方向をｙ軸とする。ベクトル２０６はイオン注入の方向を表している。ベクトル２０６とｚ軸のなす角度（θ）をチルト角度と定義し、ベクトル２０６をｘｙ平面に投影したベクトル２０７とｘ軸のなす角度（α）をローテーション角度と定義する。α＝０°の場合を転送ゲート下に打ち込む注入とよび、α＝９０°もしくは２７０°の場合を転送ゲートエッジに平行な注入とよぶことにする。
【００２４】
図３（ａ）は、従来の技術で既に開示されているフォトダイオードの形成方法を示す説明図である。３０１は半導体基板であり、３０２はＰタイプのウェル領域、３０３は選択酸化膜、３０４はゲート酸化膜、３０５は転送ゲートである。フォトダイオードの深い蓄積領域を形成するイオン注入の注入ベクトルをＰＤ１、浅い蓄積領域のイオン注入の注入ベクトルをＰＤ２で示した。いずれのイオン注入も同一のレジストパターン３０６を用いて注入することが可能であるが、個別のパターニングを行っても構わない。不純物の注入される部位を解りやすく説明するため、平均飛程となる部位（＝不純物濃度の等高線表示をした場合、尾根となる場所）をＲｐ１、Ｒｐ２で示した。
【００２５】
ＰＤ２は浅い蓄積領域の巾と濃度を確保するためにゲート電極下に潜り込むイオン注入することが可能である。ＰＤ２を例えば、４５°といったチルト角度（θ＝４５°）で設計する。
【００２６】
一方、ＰＤ１も７°前後のチルト角（θ＝７°）でゲート電極下に潜り込むようにイオン注入している。この場合、図中の３０７に示す部位において、ゲート電極３０５下に不純物が注入されてしまう。これにより、転送ゲートＬＯＷレベルの絶対値を増やす結果となる。また、プロセスラインの経時変化や、仕様の異なる製品に対応するために、イオン注入量を調整した場合、転送ゲートＬＯＷレベルが変化してしまうという問題が生じる。さらに、転送ゲート３０５のエッジの形状を図面では便宜上垂直に描いたが、実際にはエッチング条件により８０〜８７°程度のテーパーとなっている。このことがさらにゲートＬＯＷレベルの絶対値を増やしたり、バラツキを与える要因となる。
【００２７】
これらの問題を解決する手法として、本実施形態ではＰＤ１のイオン注入のベクトルのｘ軸成分を実質的に０とするようにローテーション角度αを設定した。図３（ｂ）は、本実施形態におけるフォトダイオードの形成方法を示す説明図である。
【００２８】
チャネリング抑制のため、チルト角度自体を０（θ＝０°）にすることは望ましくない。そのため、本実施形態ではチルト角度を７°（θ＝７°）にし、ＰＤ１のイオン注入のローテーション角度を９０°もしくは２７０°（α＝９０°もしくはα＝２７０°）とすることで転送ゲート３０５に平行なイオン注入を行い、イオン注入ベクトルのｘ軸成分を実質的に０とした。その場合のｘｚ平面の断面図は図３（ｂ）のようになる。ここで、イオン注入のベクトルはｘｚ平面への投影で表した。本実施形態によれば、ＰＤ１のイオン注入により不純物が注入される場所はＲｐ１で示すように転送ゲート３０５のある場所と無い場所で不連続になり、ゲート絶縁膜３０４に向かって不純物領域が伸びることが無い。これにより、図１で示した構造を実現することが可能である。
【００２９】
上記の製造方法により、図１（ａ）に示すように、浅い蓄積領域１０９は転送ゲート１０５の端部において転送ゲート１０５側に向かって伸び、深い蓄積領域１０８は転送ゲート１０５の端部において転送ゲート１０５側に向かって伸びないように構成することができる。ただし、上記の製造方法によっても不純物材料や熱拡散の条件によっては、転送ゲート１０５の端部から転送ゲート１０５側に向かって入り込んで深い蓄積領域１０８が形成される場合があり、また暗電流の急激な増加等の不都合を生じない範囲で深い蓄積領域１０８が転送ゲート１０５下内に入り込んでいてもよい場合もある。従って本発明はかかる構成も包含するものとする。
【００３０】
上記製造方法において、浅い蓄積領域１０９は転送ゲート１０５下に延在させるために、ローテーション角度αを０°≦α＜９０°、２７０°＜α≦３６０°に設定し、深い蓄積領域１０８は転送ゲート１０５下に延在させないように、ローテーション角度αを９０°≦α≦２７０°に設定することが望ましい。ただし、或る程度、深い蓄積領域１０８が転送ゲート１０５下内に入り込むことが許容でできる場合には、許容範囲内でローテーション角度αが９０°≦α≦２７０°の範囲外でイオン注入を行ってもよい。
【００３１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、フォトダイオードの深い蓄積領域および浅い蓄積領域の形成を燐の注入により形成した例について説明したが、本実施形態のようにフォトダイオードの深い蓄積領域４０８をヒ素の注入により形成しても良い。
【００３２】
本発明による第２の実施形態を図４を用いて説明する。４０１は半導体基板であり、４０２はｐタイプのウェル領域である。４０３は選択酸化膜であり、４０４はゲート酸化膜、４０５は転送ゲートである。フォトダイオードの電荷は転送ゲートをＯＮすることにより、拡散接合容量４０６に読み出される。フォトダイオードは表面の濃いＰ層４０７、深い蓄積領域４０８、浅い蓄積領域４０９により構成された埋め込みタイプのフォトダイオードになっている。本実施形態では、深い蓄積領域４０８はヒ素の注入により形成されている。ヒ素は燐に比べ熱拡散定数が小さいため、プロセスの熱履歴による拡散が小さくなる。このため、深い蓄積領域４０８をヒ素で形成することはＰＤ１の形成をよりシャープに、濃く形成することが可能となる。これによる利点は、より小さい空乏化電圧でより大きな飽和出力を得ることができる点にある。画素に蓄積できる信号電荷の量は、概ねフォトダイオードの蓄積領域のドナーの積分値に等しい。そのため、フォトダイオードの蓄積領域を濃く形成することが画素に蓄積できる信号電荷量の増大に効果的であり、センサの飽和出力の増大、ひいてはセンサ出力のダイナミックレンジの増大につながる。
【００３３】
しかしながら、フォトダイオードの蓄積領域を濃くすることは、フォトダイオードの完全空乏化電圧を上昇させ、フォトダイオード内の蓄積領域の自由電子をはきだすリセット動作、信号電荷転送動作時に必要な転送ゲート電圧の増大を招く。これを軽減する手段として、フォトダイオードの深い蓄積領域４０８を狭く、濃く形成することが効果的である。完全空乏化電圧は、濃度の関数であると共に、空乏層の広がる巾の関数でもある。つまり、完全空乏化時の空乏層巾が狭くなるように設計すれば、同じ電界を与えながら、空乏化電圧自体は下げることができる。よって、本実施形態によれば、深い蓄積領域の広がりをシャープに形成することができるため、積分した濃度を高く設定しても空乏化電圧の上昇を比較的小さくすることができ、センサのＤレンジを拡大しつつ、電源電圧を小さく抑えることが可能である。
【００３４】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では、フォトダイオードの深い蓄積領域および浅い蓄積領域の形成を燐の注入により形成した例について説明したが、本実施形態のようにフォトダイオードの浅い蓄積領域５０９をヒ素の注入により形成しても良い。
【００３５】
本発明による第３の実施形態を図５を用いて説明する。５０１は半導体基板であり、５０２はｐタイプのウェル領域である。５０３は選択酸化膜であり、５０４はゲート酸化膜、５０５は転送ゲートである。フォトダイオードの電荷は転送ゲートをＯＮすることにより、拡散接合容量５０６に読み出される。フォトダイオードは表面の濃いＰ層５０７、深い蓄積領域５０８、浅い蓄積領域５０９により構成された埋め込みタイプのフォトダイオードになっている。本実施形態では、浅い蓄積領域５０９はヒ素の注入により形成されている。浅い蓄積領域５０９はヒ素の拡散定数が小さいため、深さ方向の拡散が抑制され比較的浅い部分に濃度をもつことになる。よって、濃いｐ層５０７が注入される領域では濃いｐ層５０７に打ち消されるため、浅い蓄積領域５０９を形成するためのイオン注入量が空乏化電圧に与える影響がより小さくなる。本実施形態の効果は、浅い蓄積領域５０９のイオン注入を深い蓄積領域５０８と同一のマスクパターンで形成した場合により効果的である。
【００３６】
本実施形態を実現するために施したもうひとつの技術を説明する。浅い蓄積領域５０９をヒ素で形成する場合、ヒ素の熱拡散定数が小さくなるので、電荷転送用領域の巾が十分に確保できなくなる場合がある。このため本実施形態では、濃いｐ層５０７を形成する領域を転送ゲート５０５から遠ざけて形成した。具体的にはＭＯＳトランジスタのＬＤＤ構造を形成する手法と同様なやり方が可能であり、転送ゲート５０５の側壁にサイドスペーサ５１０を形成し、サイドスペーサ５１０越しに濃いｐ層５０７の注入を行うことで、濃いｐ層５０７を形成する領域を転送ゲート５０５から遠ざけて形成する構成が実現が可能である。
【００３７】
本実施形態および上述の実施形態２では蓄積領域をヒ素で形成する場合について述べた。この場合、上述の効果に加えてさらに以下の利点がある。フォトダイオードの浅い蓄積領域もしくは深い蓄積領域をヒ素で形成した場合、シリコンの格子に与える格子歪が燐で形成した場合より小さくなる。その結果、白傷の個数と程度が改善されるという効果が得られる。なお、既に述べた深い蓄積領域をヒ素で形成する技術と浅い蓄積領域をヒ素で形成する技術を合わせてフォトダイオードを形成することも可能であり、両者をヒ素で形成した場合には白傷の個数が大幅に減少する効果が得られる。
【００３８】
（第４の実施形態）
第３の実施形態では濃いｐ層を転送ゲートから遠ざける手段として、サイドスペーサによるオフセット技術を用いた。本実施形態では、他のＭＯＳ特性に影響を与えることなく、自由に電荷転送用領域の巾を設計できる手法を用いた。
【００３９】
図６は本実施形態の説明図である。図６において、６０１は半導体基板であり、６０２はｐタイプのウェル領域である。６０３は選択酸化膜であり、６０４はゲート酸化膜、６０５は転送ゲートである。フォトダイオードの電荷は転送ゲートをＯＮすることにより、拡散接合容量６０６に読み出される。フォトダイオードは表面の濃いＰ層６０７、深い蓄積領域６０８、浅い蓄積領域６０９により構成された埋め込みタイプのフォトダイオードになっている。本実施形態では、濃いｐ層６０７のイオン注入はローテーション角度を１８０°として行った。その結果、転送ゲート６０５によるシャドウイングにより濃いｐ層６０７が転送ゲート６０５の近くで注入されない部分、すなわちオフセットを自己整合的に形成することができる。イオン注入のチルト角度を任意の値とすることで濃いｐ層６０７と転送ゲート６０５のオフセット量（図中ｄ）を設計することが可能であり、バイパス領域の巾を任意の値にすることができる。濃いｐ層６０７と転送ゲート６０５のオフセット量ｄは、転送ゲート６０５の高さをＨ、チルト角度をθとすると、
ｄ＝Ｈ・ｔａｎ（θ）
の関係があり、チルト角度を調整することで電荷転送用領域の巾を調整できることがわかる。
【００４０】
これにより、電荷転送用領域の巾を他のデバイス特性に影響を与えることなく自在に設計が可能となる。
【００４１】
（第５の実施形態）
以上第１から第４の実施形態では、フォトダイオードの蓄積領域がｎタイプの場合、つまり電子蓄積タイプの例について説明した。本発明の効果はホール蓄積タイプにおいても有効であり、不純物の極性を反転することにより実現が可能である。この場合、深い蓄積領域および浅い蓄積領域の形成にはＢ、もしくＢＦ２の注入が選択可能であり、表面の濃い層（この場合はｎ層）は、燐、もしくはヒ素が選択可能である。ヒ素を用いるメリットは上述の実施形態で得られる効果と同様であり、拡散定数が小さいことによる設計性の向上および白傷の低減効果である。
【００４２】
（第６の実施形態）
次に、図８により上記第１から第５の実施形態で説明した固体撮像素子を用いた撮像システムについて説明する。図８に基づいて、本発明の固体撮像素子をカメラに適用した場合の例について詳述する。
【００４３】
図８において、８０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、８０２は被写体の光学像を固体撮像素子８０４に結像させるレンズ、８０３はレンズ８０２を通った光量を可変制御するための絞り、８０４はレンズ８０２により結像された被写体光学像を画像信号として取り込むための固体撮像素子、８０５は、固体撮像素子８０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、８０６は固体撮像素子８０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、８０７はＡ／Ｄ変換器８０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８０８は固体撮像素子８０４、撮像信号処理回路８０５、Ａ／Ｄ変換器８０６、信号処理部８０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、８０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、８１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、８１１は記録媒体に記録または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、８１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、８１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転送時に転送ゲートに与える電圧を小さく、また、蓄積時に転送ゲートに与える負電圧の絶対値をより小さく設計することが可能となる。このため、低電源電圧化が可能であり、低消費電力で、かつ、ＳＮ比の良好な固体撮像素子を提供することが可能である。また、製造上の安定性が高く、開発要素の少ないプロセスを実現でき、さらに白傷の低減が図れることから歩留まりが向上するため、安価で高精細な固体撮像素子の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態の説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。
【図２】イオン注入の方向の定義を説明する図である。
【図３】（ａ）は従来の技術によるフォトダイオードの形成方法を示す説明図、（ｂ）は本発明によるフォトダイオードの形成方法を示す説明図である。
【図４】本発明による第２の実施形態の説明図である。
【図５】本発明による第３の実施形態の説明図である。
【図６】本発明による第４の実施形態の説明図である。
【図７】従来技術の説明図である。
【図８】本発明による固体撮像素子を用いた撮像システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１  半導体基板
１０２，３０２，４０２，５０２，６０２  ｐウェル領域
１０３，３０３，４０３，５０３，６０３  選択酸化膜
１０４，３０４，２０２，４０４，５０４，６０４  ゲート酸化膜
１０５，２０３，３０５，４０５，５０５，６０５  転送ゲート
１０６，２０４，４０６，５０６，６０６  拡散接合容量
１０７，４０７，５０７，６０７  Ｐ層
１０８，４０８，５０８，６０８  蓄積領域
１０９，４０９，５０９，６０９  蓄積領域
２０５  フォトダイオード
３０６  レジストパターン
【図１】
2004342836.tif 000003
【図２】
2004342836.tif 000004
【図３】
2004342836.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004342836.tif 000008
【図７】
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【図８】
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