(57)【要約】【課題】カラー対応の縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制する。【解決手段】光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の深さを最適化し、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードの第１導電型層（１６２，１６４）を浅く形成し、無駄な部分をなくす。また、併せて、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）を形成し、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差を低減する。【選択図】図１
2007201267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板（１００，１１０）と、この半導体基板上に設けられた第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）と、このオーバーフローバリア層上に設けられた低不純物濃度層（１５８）と、この低不純物濃度層内に設けられた、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードと、を備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子であって、
前記赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードの各々は、上層の第２導電型層（１７０，１７２）と、電荷蓄積領域として機能する下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）と、により構成され、前記第１、第２および第３のフォトダイオードの各々における前記下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の深さを各々ｄ１，ｄ２，ｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ２≧ｄ３の関係を有し、
前記第２および第３のフォトダイオードにおける前記下層の第１導電型層（１６２，１６４）の下に、該第１導電型層（１６２，１６４）の深さ（ｄ２，ｄ３）を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記オーバーフローバリア層の厚みが、前記第1導電型層の厚みに対応して設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記第１、第２および第３のフォトダイオードにおける前記下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の直下の前記低濃度層（１５８）の厚みは、いずれも略同一（Ｈ１）であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記第1導電型層の厚みに対応して前記オーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、
第１導電型の半導体基板（１１０）内に形成した第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層（１３０，１４０）と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層（１５８）とを形成し、前記転送路となる不純物層（１３０，１４０）上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、
前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域（Ｚ２）における前記低不純物濃度層（１５８）内に、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成する第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を形成し、前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）とＰＮ接合を形成する上層の第２導電型層（１７０，１７２）を形成する工程を含み、前記第１、第２および第３のフォトダイオードの各々における前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の深さを各々ｄ１，ｄ２，ｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ２≧ｄ３の関係を有するようにし、
さらに、前記第１導電型層の形成後にイオン注入を行い、前記第２および第３のフォトダイオードを構成する前記第１導電型層（１６２，１６４）の下方に、前記第１導電型層（１６２，１６４）の深さ（ｄ２，ｄ３）を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制する追加オーバーフローバリア層（１２１，１２３）を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６】
請求項５記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記追加オーバーフローバリア層（１２１，１２３）を、前記第１、第２および第３のフォトダイオードにおける前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の直下の前記低濃度層（１５８）の厚みを略同一（Ｈ１）とするよう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７】
赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、
第１導電型の半導体基板（１１０）内に形成した第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層（１３０，１４０）と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層（１５８）とを形成し、前記転送路となる不純物層（１３０，１４０）上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、
前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域（Ｚ２）における前記低不純物濃度層（１５８）内に、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成する第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を略同じ深さで形成し、前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）とＰＮ接合を形成する上層の第２導電型層（１７０，１７２）を形成し、
次に、第２および第３のフォトダイオードを構成する前記第１導電型層（１６０，１６０）に対してカウンター不純物としての第２導電型不純物を導入し、これによって第１導電型層（１６０，１６０）の底部の導電型を打ち消し、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法し、特に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換するフォトダイオードを具備する、縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤを用いた固体撮像素子では、フォトダイオードにより入射光を電荷に変換し、蓄積された電荷を電圧に変換して取り出している。このような固体撮像素子を高感度化するために、フォトダイオードを縦方向に深く形成する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の技術では、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する各フォトダイオードに対し、電荷蓄積層となるＮ型層を深く形成すると共に、そのＮ型層を多段階に分けて形成して濃度プロファイルの適正化を図っている。
【０００３】
また、固体撮像素子による撮像を開始する際には、フォトダイオードの電荷を空にすることが望ましい。このような固体撮像素子の構成として、全画素同時に蓄積電荷を空にすることが可能な縦型オーバーフロードレイン構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。この縦型オーバーフロードレイン構造では、半導体基板の深さ方向にＮＰＮ構造が形成されており（これらは、バルク型の縦型トランジスタとしての機能をもつ）、基板バイアスを変化させることによって、中間のＰ型層によって形成されポテンシャルバリア（一般にオーバーフローバリアと呼ばれる）を消滅させると、全画素同時に蓄積電荷をクリアすることが可能である。
【０００４】
図１２は、オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子における蓄積電荷をクリアするための動作を説明するためのポテンシャル特性を示す図である。
図中、Ｔ１は、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）が形成されている状態のポテンシャル特性を示し、Ｔ２は、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）が消失した状態のポテンシャル特性を示す。基板のバイアス電圧を変化させることによって、ポテンシャルカーブがＴ１からＴ２に変化し、これによって、蓄積電荷Ｑが一気にドレインに放出され、全画素の蓄積電荷を同時にクリアすることができる。
【特許文献１】特開２００３−８６７８３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２８１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載される技術では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色用のフォトダイオードの深さを一律に深くし、その上で、電荷蓄積層としてのＮ型層を複数回のイオン注入で形成して不純物の濃度プロファイルを制御している。しかし、本願発明者の鋭意検討によると、フォトダイオードを一律に深く形成した場合、波長の長い、赤（Ｒ）の光を受けるフォトダイオードについては感度が向上するが、波長の短い緑（Ｇ），青（Ｂ）の光を受けるフォトダイオードについては、フォトダイオードを深く形成した分の感度向上効果が必ずしも得られず、かえって、暗電流の増加による、いわゆる白傷の増加といった弊害が目立つようになることの知見が得られた。
【０００６】
すなわち、赤色（赤外光を含む）に比べて短波長の、緑（Ｇ）、青（Ｂ）は、深さを深くしたフォトダイオードの（Ｎ型層の）最深部には到達しない割合が多く、その最深部の部分は光電変換にあまり寄与しないといえる。一方、フォトダイオードを構成するＮ型層が深くなった分だけ、その表面積が増大して暗電流が増加し、白傷が増加するという弊害が顕在化する場合がある。
【０００７】
本発明はこのような考察に基づいてなされたものであり、その目的は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る上記目的は、下記構成によって実現される。
（１）  第１導電型の半導体基板（１００，１１０）と、この半導体基板上に設けられた第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）と、このオーバーフローバリア層上に設けられた低不純物濃度層（１５８）と、この低不純物濃度層内に設けられた、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードと、を備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子であって、前記赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードの各々は、上層の第２導電型層（１７０，１７２）と、電荷蓄積領域として機能する下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）と、により構成され、前記第１、第２および第３のフォトダイオードの各々における前記下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の深さを各々ｄ１，ｄ２，ｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ２≧ｄ３の関係を有し、前記第２および第３のフォトダイオードにおける前記下層の第１導電型層（１６２，１６４）の下に、該第１導電型層（１６２，１６４）の深さ（ｄ２，ｄ３）を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【０００９】
この固体撮像素子によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを最適化して、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。すなわち、長波長の赤（Ｒ）の光は、フォトダイオードを構成する第１導電型層（以下の説明では、Ｎ型とする）の深部まで到達するため、その深部で生成される電荷を有効化するためには、フォトダイオードは十分深く形成するのが望ましいが、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）は、赤（Ｒ）ほどには深くまで到達しないため、その到達位置に合わせて、フォトダイオードを構成するＮ型層の深さを浅くする。つまり、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードのＮ型層の深さをｄ１，ｄ２，ｄ３としたときに、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、あるいは、ｄ１＞ｄ２＝ｄ３の関係が成立するように、各Ｎ型層の深さを調整する。
また、固体撮像素子は、受光する光の波長に応じて、各フォトダイオードを構成するＮ型層の深さを変化させると、フォトダイオード毎に、Ｎ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層との間の距離が異なり、フォトダイオード毎に、蓄積電荷を完全にクリアするために必要な基板電位（以下、オーバーフロー電位という）にばらつきが生じる場合がある。つまり、フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層との間には、不純物濃度が低い低濃度層（原則的にはＰ型が望ましいが、これに限定されるものではなく、Ｎ型でもよく、あるいはノンドープであってもよい）が介在するが、この低濃度層は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに上昇させる（変化させる）働きをもつため、その低濃度層の厚みが厚いほど、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）のポテンシャルがより低くなる。したがって、Ｎ型層の深さを浅くした緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードでは、オーバーフロードレイン電位をより高くしないと、蓄積電荷を完全にクリアできなくなる場合があり、そのことが駆動電圧の上昇や、リセット電圧のバラツキ等を発生させる要因になり得る。そこで、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成し、これによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層（追加のオーバーフローバリア層を含む）との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
【００１０】
（２）  （１）記載の固体撮像素子であって、前記オーバーフローバリア層の厚みが、前記第1導電型層の厚みに対応して設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【００１１】
この固体撮像素子によれば、第１導電型層の厚みに対応してオーバーフローバリア層の厚みが設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。
【００１２】
（３）  （２）記載の固体撮像素子であって、前記第１、第２および第３のフォトダイオードにおける前記下層の第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の直下の前記低濃度層（１５８）の厚みは、いずれも略同一（Ｈ１）であることを特徴とする固体撮像素子。
【００１３】
この固体撮像素子によれば、各フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層（追加のオーバーフローバリア層を含む）との間に介在する低濃度層の厚みを略同一とすることによって、オーバーフロードレイン電位のばらつきを十分に抑制することができる。
【００１４】
（４）  （１）記載の固体撮像素子であって、前記第1導電型層の厚みに対応して前記オーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【００１５】
この固体撮像素子によれば、第１導電型層の厚みに対応してオーバーフローバリア層の不純物濃度が設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。
【００１６】
（５）  赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、第１導電型の半導体基板（１１０）内に形成した第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層（１３０，１４０）と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層（１５８）とを形成し、前記転送路となる不純物層（１３０，１４０）上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域（Ｚ２）における前記低不純物濃度層（１５８）内に、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成する第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を形成し、前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）とＰＮ接合を形成する上層の第２導電型層（１７０，１７２）を形成する工程を含み、前記第１、第２および第３のフォトダイオードの各々における前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の深さを各々ｄ１，ｄ２，ｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ２≧ｄ３の関係を有するようにし、さらに、前記第１導電型層の形成後にイオン注入を行い、前記第２および第３のフォトダイオードを構成する前記第１導電型層（１６２，１６４）の下方に、前記第１導電型層（１６２，１６４）の深さ（ｄ２，ｄ３）を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制する追加オーバーフローバリア層（１２１，１２３）を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【００１７】
この固体撮像素子の製造方法によれば、オーバーフローバリア層を形成し、電荷転送路を構成する不純物層と、フォトダイオードが後に形成される低濃度層とを形成し、転送電極を形成した後、フォトダイオード形成工程において、フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを、光の波長に応じて最適化しつつ形成する。深さが異なるＮ型層は、例えば、イオン注入の際の加速エネルギーを適宜、制御することによっても形成することができる。また、カウンターイオンをＮ型層の深部に注入することによっても、深さの制御を行える。これによって、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、暗電流を低減し、白傷の発生を抑制する。そして、第５の工程にて、遮光膜、平坦化層を形成し、さらにカラーフィルタ層ならびにオンチップレンズを形成して、カラー画像対応の固体撮像素子を無理なく形成することができる。
そして、このフォトダイオード形成工程においては、イオン注入によって、追加のオーバーフローバリア層を無理なく形成することができ、第１導電型層の深さの違いによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制することができる。
【００１８】
（６）  （５）記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記追加オーバーフローバリア層（１２１，１２３）を、前記第１、第２および第３のフォトダイオードにおける前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）の直下の前記低濃度層（１５８）の厚みを略同一（Ｈ１）とするように形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【００１９】
この固体撮像素子の製造方法によれば、各フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層（追加のオーバーフローバリア層を含む）との間に介在する低濃度層の厚みを略同一とすることによって、オーバーフロードレイン電位のばらつきを十分に抑制することができる。
【００２０】
（７）  赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードを備える縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子の製造方法であって、第１導電型の半導体基板（１１０）内に形成した第２導電型のオーバーフローバリア層（１２０）よりも上側の部分に、電荷の転送路となる不純物層（１３０，１４０）と、フォトダイオードとなる低不純物濃度層（１５８）とを形成し、前記転送路となる不純物層（１３０，１４０）上に電荷転送を制御するための転送電極を形成した後に、フォトダイオードを完成させるフォトダイオード形成工程を有し、前記フォトダイオード形成工程が、前記半導体基板の前記フォトダイオード形成領域（Ｚ２）における前記低不純物濃度層（１５８）内に、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成する第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を略同じ深さで形成し、前記第１導電型層（１６０，１６２，１６４）とＰＮ接合を形成する上層の第２導電型層（１７０，１７２）を形成し、次に、第２および第３のフォトダイオードを構成する前記第１導電型層（１６０，１６０）に対してカウンター不純物としての第２導電型不純物を導入し、これによって第１導電型層（１６０，１６０）の底部の導電型を打ち消し、前記第１、第２および第３のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第１導電型層（１６０，１６２，１６４）を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【００２１】
この固体撮像素子の製造方法によれば、一律の深さにＮ型層を形成した後、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードに関して、反対導電型（つまり第２導電型）のカウンター不純物（ボロン）を深部に導入して電荷を中和し、その部分のＮ型層を消滅させ、結果的にＮ型層を浅くするものである。最初のＮ型層の形成については、フォトダイオード毎に注入エネルギーを変える必要がなく、その後、カウンター不純物の導入工程を追加するだけでよいため（つまり、マスク変更で対応できるため）、製造時の負担を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを最適化して、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。
また、各フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを最適化する際、併せて、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成することによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層（追加のオーバーフローバリア層を含む）との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が抑制され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
【００２３】
さらに、各フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さの制御や追加のオーバーフローバリア層の形成は、イオン注入の加速エネルギーの調整や、イオン注入の際の若干の工程の追加により、無理なく実現することが可能である。
【００２４】
本発明によって、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の一例（カラー対応で、縦型オーバーフロードレイン構造をもち、各フォトダイオードの深さが最適化され、かつ、追加のオーバーフローバリア層が形成されている例）の構成を示すデバイスの断面図である。
【００２６】
図示されるように、この固体撮像素子は、Ｎ型半導体基板（ＮＳｕｂ）１００と、Ｎ型エピタキシャル層１１０と、Ｐ型のオーバーフローバリア層１２０と、Ｐ−型の低濃度層１５８と、を有する。この低濃度層１５８は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、縦型オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに変化させる働きをする。なお、低濃度層１５８の導電型は、場合によってはＮ型でもよく、あるいは、ノンドープの層とすることもできる。
【００２７】
また、赤（Ｒ）の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層１５８内に形成された、下層のＮ型層１６０（深さｄ１）ならびに上層のＰ＋型層１７０により構成される。
【００２８】
なお、Ｐ型層１７２は反転防止のための拡散層である。また、Ｐ＋型層１５０は素子分離用の拡散層である。また、Ｎ型の拡散層１４０ならびにＰ型の拡散層１３０は、転送路を構成する拡散層である。同様に、緑（Ｇ）の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層１５８内に形成された、下層のＮ型層１６２（深さｄ２）ならびに上層のＰ＋型層１７０により構成される。同様に、青（Ｂ）の光を光電変換するフォトダイオードは、低濃度層１５８内に形成された、下層のＮ型層１６４（深さｄ３）ならびに上層のＰ＋型層１７０により構成される。
【００２９】
また、半導体基板の表面には、ゲート絶縁膜（例えばＯＮＯ膜）１８０が形成されている。
ＰＹ１，ＰＹ２は各々、１層目ならびに２層目のポリシリコンで形成される転送電極である。また、参照符号１８２は転送電極間絶縁膜であり、参照符号１８４はオーバーコート絶縁膜である。また、転送電極ＰＹ１，ＰＹ２は、バリアメタルとしての窒化チタン（ＴｉＮ）層１９０と、タングステン（Ｗ）からなる遮光膜１９２により覆われている。
【００３０】
半導体基板上には、ＢＰＳＧ膜２００が形成され、その上には、平坦化層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２１０が形成されている。この平坦化層２１０の上には、色付の透明レジストからなる、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色のカラーフィルタ層２２０，２２２，２２４が形成されている。
【００３１】
そのカラーフィルタ層２２０，２２２，２２４の上に、有機膜からなる平坦化層２２９を介して、オンチップレンズ２３０が形成されている。
【００３２】
図１の固体撮像素子の特徴は、光の波長に応じて、フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の深さ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を最適化し、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制する点である。
【００３３】
すなわち、長波長の赤（Ｒ）の光は、フォトダイオードを構成するＮ型層１６０の深部まで到達するため、その深部で生成される電荷を有効化するためには、そのＮ型層１６０を十分深く形成するのが望ましい。
【００３４】
これに対し、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の光は、赤（Ｒ）の光ほどには深くまで到達しないため（あるいは、到達する割合が少ないため）、赤（Ｒ）の光を受光するフォトダイオードと同様にＮ型層を深くしても、感度向上には直結せず、かえって、無駄に表面積が増えて暗電流の増大を招くことになる。
【００３５】
そこで、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の光を受けるフォトダイオードに関しては、各光の到達位置に合わせて、フォトダイオードを構成するＮ型層１６２，１６４の深さを浅くする。つまり、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を光電変換する第１、第２および第３のフォトダイオードのＮ型層の深さをｄ１，ｄ２，ｄ３としたときに、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、あるいは、ｄ１＞ｄ２＝ｄ３の関係が成立するように、各Ｎ型層（１６０，１６２，１６４）の深さを調整する。
【００３６】
深さが異なるＮ型層(１６０，１６２，１６４)は、例えば、イオン注入の際の加速エネルギーを適宜、制御することによって形成することができる。また、カウンターイオンをＮ型層の深部に注入することによっても、拡散層の深さの制御を行うことができる。
【００３７】
また、図１に示す固体撮像素子の構造においては、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードを構成するＮ型層（１６２，１６４）の直下において、追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）を形成し、これによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の底部とＰ型のオーバーフローバリア層１２０ならびに追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）との間の距離のばらつきを抑制し、オーバーフロードレインの電圧のばらつきを抑制している。
【００３８】
追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３は、オーバーフローバリア層１２０と同様にＰ型層であり、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードを構成するＮ型層（１６２，１６４）の直下にのみ選択的に形成される。追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３は、イオン注入の加速エネルギーを調整することによって形成することができる。
【００３９】
そして、この追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３は、下地のオーバーフローバリア層１２０と一体化される。追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３を設ける理由は、以下のとおりである。
【００４０】
すなわち、受光する光の波長に応じて、各フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の深さを変化させると、フォトダイオード毎に、Ｎ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層との間の距離が異なり、フォトダイオード毎に、蓄積電荷を完全にクリアするために必要な基板電位（以下、オーバーフロー電位という）にばらつきが生じる場合がある。つまり、フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の底部とＰ型のオーバーフローバリア層１２０との間には、不純物濃度が低い低濃度層１５８が介在するが、この低濃度層１５８は、フォトダイオードのバイアスに応じて空乏層を伸長させ、オーバーフロードレイン構造のポテンシャルカーブを滑らかに上昇させる（変化させる）働きをもつ。そのため、低濃度層の厚みが厚いほど、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）のポテンシャルがより低くなる。したがって、Ｎ型層（１６２，１６４）の深さを浅くした緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードでは、オーバーフロードレイン電位をより高くしないと、蓄積電荷を完全にクリアできなくなる場合があり、そのことが駆動電圧の上昇や、リセット電圧のバラツキ等の問題となることが生じ得る。
【００４１】
そこで、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）を形成する。これによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の底部とＰ型のオーバーフローバリア層１２０（ならびに追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３）との間の距離を略同一（図中では、距離Ｈ１）に揃えることができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４２】
図２は、図１の固体撮像素子によって、各フォトダイオードにおけるオーバーフローバリアのポテンシャルの高さが略均一に制御される様子を説明するための特性図である。
【００４３】
図２は、半導体基板の深さ方向のポテンシャルの変化を示しており、図中、ＰＤ領域（Ｂ）と記載されている範囲は、青（Ｂ）用のフォトダイオードを構成するＮ型層１６２が存在する範囲を示しており、同じく、ＰＤ領域（Ｒ）と記載されている範囲は、赤（Ｒ）用のフォトダイオードを構成するＮ型層１６０が存在する範囲を示している。
【００４４】
また、Ｒ（Ｓ）は、赤用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示す。
【００４５】
また、Ｂ（Ｓ１）は、図１の固体撮像素子のように、フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２）の深さを最適化し、かつ、追加のオーバーフローバリア層１２１を形成した場合における、青用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示している。
【００４６】
また、Ｂ（Ｓ２）は、フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２）の深さは最適化するが、追加のオーバーフローバリア層１２１は形成しない場合の、青用のフォトダイオードにおける縦方向のポテンシャルカーブを示している。
【００４７】
ポテンシャルカーブＲ（Ｓ）とＢ（Ｓ１）とを比較すると、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さはほぼ同じであり、同じ電位で蓄積電荷をクリアできる。これに対し、ポテンシャルカーブＢ（Ｓ２）では、オーバーフローバリアのポテンシャルの高い領域が広くなり、したがって、蓄積電荷をクリアするためには、より大きなオーバーフロードレイン電圧を印加する必要があることがわかる。
【００４８】
このように、図１の固体撮像素子のように、各フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の深さを最適化する際、併せて、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）を形成することによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６２，１６４）の底部とＰ型のオーバーフローバリア層１２０（ならびに追加のオーバーフローバリア層１２１，１２３）との間の距離が略同一（Ｈ１）となり、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が抑制され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４９】
つまり、図１の固体撮像素子では、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制するという効果が得られる。
【００５０】
ここで、図３〜図１１を参照して、図１の固体撮像素子の製造方法について以下に説明する。図３〜図１１は各々、図１の固体撮像素子の主要な製造工程毎の断面図である。
【００５１】
まず、図３のように、Ｎ型の半導体基板（Ｎｓｕｂ）１００上にＮ型のエピタキシャル層（Ｎｅｐｉ）１１０を形成し、そのＮ型のエピタキシャル層（Ｎｅｐｉ）１１０内にイオン注入を行い、Ｐ型のオーバーフローバリア層１２０を形成する。
【００５２】
次に、図４に示すように、Ｎ型のエピタキシャル層（Ｎｅｐｉ）１１０の、オーバーフローバリア層１２０よりも上側の部分における転送路形成領域（Ｚ１）において、転送路となる拡散層（１３０，１４０）を形成し、続いて、素子分離用拡散層１５０を形成し、さらに、フォトダイオード形成領域（Ｚ２）において、低不純物濃度層（Ｐ−層）１５８を形成する。
【００５３】
次に、図５に示すように、半導体基板の表面にゲート絶縁膜１８０を形成し、続いて、転送路形成領域（Ｚ１）における、転送路となる拡散層（１３０，１４０）上に電荷転送を制御するための、第１層目／第２層目のポリシリコンからなる転送電極（ＰＹ１，ＰＹ２）を形成する。参照符号１８２は、転送電極間絶縁膜であり、１８４はオーバーコート絶縁膜である。
【００５４】
次に、図６に示すように、フォトダイオード形成工程を実施する。即ち、まずフォトダイオード形成領域（Ｚ２）における、低不純物濃度層（（Ｐ−層）１５８内に、第１、第２および第３のフォトダイオード（各々、赤、緑、青用のフォトダイオードである）を構成する下層の同じ深さのＮ型層（１６０，１６０，１６０）を、イオン注入によって形成する。
【００５５】
そして、さらに、そのＮ型層（１６０，１６０，１６０）とＰＮ接合を形成する、上層の第２導電型層（１７０，１７２）を形成する。
【００５６】
次に、図７に示すように、第２および第３のフォトダイオードを構成するＮ型層（１６０，１６０）に対してカウンター不純物としてのボロン（Ｂ）を導入し、これによってＮ型層（１６０，１６０）の底部の導電型を打ち消し、結果的に、第１、第２および第３のフォトダイオードを構成する、深さが異なるＮ型層（１６０，１６２，１６４）を形成する。即ち、これにより、第１、第２および第３のフォトダイオードを構成するポテンシャル井戸の領域の深さが相互に異なる第１導電型層（１６０，１６２，１６４）が形成される。なお、図７中、Ｘ１，Ｘ２は、カウンターイオンが注入される領域を示している。これによって、第１、第２および第３のフォトダイオードの各々におけるＮ型層（１６０，１６２，１６４）の各々の深さｄ１，ｄ２，ｄ３に関し、ｄ１＞ｄ２≧ｄ３の関係が成立する。
【００５７】
次に、図８に示すように、ボロン（Ｂ）のイオン注入を行って、第２および第３のフォトダイオードを構成するＮ型層（１６２，１６４）の下方に、そのＮ型層（１６２，１６４）の深さ（ｄ２，ｄ３）を浅くしたことによるオーバーフローバリアの高さの変動を抑制するための、追加のオーバーフローバリア層（１２１，１２３）形成する。これによって、第１、第２および第３のフォトダイオードにおけるＮ型層（１６０，１６２，１６４）の直下の低濃度層１５８の厚みが略同一（Ｈ１）となる。上記の工程でフォトダイオードが完成する。換言すると、第１導電型層（１６２，１６４）の厚みに対応してオーバーフローバリア層（１２１，１２３）の厚みが設定されることで、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差が低減される。なお、オーバーフローバリアのポテンシャル高さの差を低減するために、第１導電型層（１６２，１６４）の厚みに対応してオーバーフローバリア層（１２１，１２３）の不純物濃度を設定することであってもよい。
【００５８】
次に、図９に示すように、転送電極（ＰＹ１，ＰＹ２）上にバリアメタルとしての窒化チタン（ＴｉＮ）膜１９０を形成し、続いて、遮光膜としてのタングステン（Ｗ）膜１９２を形成する。
【００５９】
次に、図１０に示すように、遮光膜１９２を覆うようにＢＰＳＧ膜２００及び窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２１０を形成した後、ＣＭＰまたはエッチバックにより、その窒化シリコン膜２１０を平坦化する。
【００６０】
次に、図１１に示すように、平坦化された窒化シリコン膜２１０上の、第１、第２および第３のフォトダイオードが形成されている領域の各々に対応した位置に、色材を含むレジストを順次塗布して、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のカラーフィルタ層（２２０，２２２，２２４）を形成する。
【００６１】
続いて、平坦化層２２９を形成し、各カラーフィルタ層（２２０，２２２，２２４）上に透明レジストを塗布し、リフロー処理によって表面を球状に加工してオンチップレンズ２３０を形成する。
【００６２】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換の対象となる光の波長に応じて、フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを最適化して、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の各光を受けるフォトダイオードから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。
【００６３】
また、各フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さを最適化する際、併せて、緑（Ｇ），青（Ｂ）用のフォトダイオードの直下において追加のオーバーフローバリア層を形成することによって、各フォトダイオードを構成するＮ型層の底部とＰ型のオーバーフローバリア層（追加のオーバーフローバリア層を含む）との間の距離のばらつきを抑制することができる。したがって、各色用のフォトダイオードの、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が低減され、オーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制することが可能となる。
【００６４】
また、各フォトダイオードを構成する第１導電型層の深さの制御や追加のオーバーフローバリア層の形成は、イオン注入の加速エネルギーの調整や、イオン注入の際の若干の工程の追加により、無理なく実現することが可能である。
【００６５】
なお、上記の実施形態においては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色の色検出の構成で説明しているが、三色に限らず、二色や四色以上の場合であっても本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色の光を受けるフォトダイオードを具備する固体撮像素子において、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることなく、暗電流を効果的に低減し、白傷の発生を抑制するという効果を奏し、したがって、カラー対応の縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子およびその製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の固体撮像素子の他の例（カラー対応で、縦型オーバーフロードレイン構造をもち、各フォトダイオードの深さが最適化され、かつ、追加のオーバーフローバリア層が形成されている例）の構成を示すデバイスの断面図である。
【図２】図１の固体撮像素子によって、各フォトダイオードにおけるオーバーフローバリアのポテンシャルの高さが略均一に制御される様子を説明するための特性図である。
【図３】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第１の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図４】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第２の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図５】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第３の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図６】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第４の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図７】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第５の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図８】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第６の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図９】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第７の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図１０】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第８の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図１１】図１の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第９の製造工程におけるデバイスの断面図である。
【図１２】オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子における蓄積電荷をクリアするための動作を説明するためのポテンシャル特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１０  Ｎ型エピタキシャル層
１２０  オーバーフローバリア層
１２１，１２３  追加のオーバーフローバリア層
１３０，１４０  電荷転送路を構成する拡散層（不純物層）
１５０  素子分離用拡散層
１５８  低濃度層（Ｐ−層）
１６０，１６２，１６４  フォトダイオードを構成する下層のＮ型層（各々の厚みｄ１，ｄ２，ｄ３）
１７０  フォトダイオードを構成する上層のＰ型拡散層
１７２  反転防止用Ｐ型拡散層
１８０  ゲート絶縁膜
１８２  転送電極間絶縁膜
１８４  オーバーコート絶縁膜
１９０  バリアメタルとしての窒化チタン（ＴｉＮ）層
１９２  遮光膜としてのタングステン（Ｗ）層
２００  ＢＰＳＧ膜
２１０  平坦化層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜
２２０，２２２，２２４  カラーフィルタ層
２２９  有機膜からなる平坦化層
２３０  オンチップレンズ
ＰＹ１  １層目ポリシリコンからなる転送電極
ＰＹ２  ２層目ポリシリコンからなる転送電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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