(57)【要約】【課題】転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】ｎ型半導体基板１上に転送電極１１の直下におけるゲート絶縁膜４の膜厚３４は転送電極１３の直下における絶縁膜４の膜厚３５より大きく、信号電荷を転送する垂直ＣＣＤ領域はｎ型拡散層７、８、９より形成され、ｎ型拡散層７は転送電極１１の直下に形成され、ｎ型拡散層８、９は転送電極１３の直下に形成され、ｎ型拡散層８の一端部が転送電極１３の電荷転送と逆方向の端部と一致し、ｎ型拡散層９の一端部が転送電極１３の電荷転送方向の端部と一致し、ｎ型拡散層７のピンニング電圧とｎ型拡散層９のピンニング電圧が等しくなるように設定することにより、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を向上することができる。【選択図】図３
2007234684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置であって、
前記垂直ＣＣＤが、
ｎ型半導体基板に形成されるｐ型ウエルと、
前記ｐ型ウエル中に形成されるｐ型拡散層と、
前記ｐ型拡散層の上に形成される信号電荷の垂直電荷転送領域であるｎ型拡散層と、
前記ｎ型半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記ｎ型拡散層上に前記絶縁膜を介して形成される１または複数の第１の転送電極と、
前記第１の転送電極間と交互に形成される１または複数の第２の転送電極と
を有し、前記第１の転送電極直下における絶縁膜の膜厚は前記第２の転送電極の直下における絶縁膜の膜厚より大きく、前記ｎ型拡散層が、前記第１の転送電極の直下に形成される第１のｎ型拡散層と、前記第２の転送電極の直下に形成される第２のｎ型拡散層及び第３のｎ型拡散層に分割され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致し、前記第１のｎ型拡散層及び前記第２のｎ型拡散層並びに前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度を第１のｎ型拡散層のピンニング電圧と前記第３のｎ型拡散層のピンニング電圧が等しくなるように設定することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度において、前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度において、前記第３のｎ型拡散層、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層の順に不純物濃度が高いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度において、前記第３のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層、前記第１のｎ型拡散層の順に不純物濃度が高いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置であって、
前記垂直ＣＣＤが、
ｎ型半導体基板に形成されるｐ型ウエルと、
前記ｐ型ウエル中に形成されるｐ型拡散層と、
前記ｐ型拡散層の上に形成される信号電荷の垂直電荷転送領域であるｎ型拡散層と、
前記ｎ型半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記ｎ型拡散層上に前記絶縁膜を介して形成される１または複数の第１の転送電極と、
前記第１の転送電極間と交互に形成される１または複数の第２の転送電極と
を有し、前記第１の転送電極直下における絶縁膜の膜厚は前記第２の転送電極の直下における絶縁膜の膜厚より大きく、前記ｎ型拡散層が、前記第１の転送電極の直下から前記第２の転送電極下部の所定の位置までに形成される第１のｎ型拡散層と、前記第２の転送電極下部に形成される第２のｎ型拡散層に分割され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致し、前記第１のｎ型拡散層及び前記第２のｎ型拡散層の不純物濃度を第１のｎ型拡散層のピンニング電圧と前記第２のｎ型拡散層のピンニング電圧が等しくなるように設定することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１のｎ型拡散層の不純物濃度よりも前記第２のｎ型拡散層の不純物濃度の方が高いことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記垂直電荷転送領域と水平ＣＣＤの水平電荷転送領域との境界部分において、前記垂直転送領域の最終の転送電極が前記第１の転送電極であることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、
前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、
ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、
前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、
前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、
前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｐ型不純物種を追加イオン注入し、前記第３のｎ型拡散層より不純物濃度の低い第２のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程と
を有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、
前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、
ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、
前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、
前記ｐ型拡散層中に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、
前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｎ型不純物種をイオン注入し、第２のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして選択的にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層および前記第２のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程と
を有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、
前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、
ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、
前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、
前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第２のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程と
を有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下から前記第２の転送電極下部の所定の位置までに形成され、前記第２のｎ型拡散層が前記第２の転送電極下部に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、
前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、
ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、
前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、
前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、
前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の転送電極と前記第２の絶縁膜をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｐ型不純物種を追加イオン注入し、第２のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンと前記第１の転送電極と前記第２の絶縁膜をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程と
を有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷を転送する構成の固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置はディジタルスチルカメラやビデオカメラなど民生用、業務用に広く利用されている。これらカメラの小型化や多画素化を実現するために、固体撮像装置の画素縮小化が益々要求されている。そのためには、飽和電荷量と転送効率を向上させると共に、フォトダイオード及び転送チャネルを微細化する必要がある。従来の固体撮像装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあるが、画素の微細化の要求を実現しつづけることはできない。
【０００３】
以下に従来の固体撮像装置の構造およびその課題について図２３〜図２９を用いて説明する。
図２４は、従来の固体撮像装置における垂直ＣＣＤの模式的な断面構造図である。
【０００４】
図２４において、ｎ型半導体基板２０１内にｐ型ウエル２０２が形成され、ｐ型ウエル２０２中にｐ型拡散層２１０が形成されている。ｐ型拡散層２１０の直上に信号電子を転送するチャネルである垂直ＣＣＤが、ｎ型拡散層２０７とｎ型拡散層２０８が隣り合うように接して形成されている。ｐ型拡散層２１０は、垂直ＣＣＤとｎ型半導体基板２０１を分離する領域として機能する。また、ｎ型半導体基板２０１の表面にゲート絶縁膜２０４が形成され、その上に第１層の転送電極２１１、第２層の転送電極２１３が形成されている。ｎ型拡散層２０７は転送電極２１１の下部及び転送電極２１３下部の一部に形成され、ｎ型拡散層２０８は、転送電極２１３下部のみに形成される。ｎ型拡散層２０８の一端は、転送電極２１３の端部の直下になるように形成される。また、ｎ型拡散層２０８の不純物濃度は、ｎ型拡散層２０７の不純物濃度より低い。絶縁膜２０４の膜厚は、転送電極２１１下部と転送電極２１３下部で異なり、転送電極２１１下部の絶縁膜厚２３４は、転送電極２１３下部の絶縁膜厚２３５より厚い。これは、転送電極２１１を形成するときに生じる段差であり、詳細の説明は後述する。上記のように、従来の構造では、垂直ＣＣＤにおける電荷の転送効率を向上させるため、転送電極２１３下部の垂直ＣＣＤ領域であるｎ型拡散層を不純物濃度の異なる２つのｎ型拡散層２０７と２０８で構成し、転送電極２１３下部での転送電界を強化して転送効率をかろうじて維持している。
【特許文献１】特許第３３６６６５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構造では垂直ＣＣＤの飽和電荷量を十分確保することができない欠点がある。以下にその理由について説明する。
まず、従来の発明において、図２４に示すような転送電極２１１下部の絶縁膜厚２３４と転送電極２１３下部の絶縁膜厚２３５に差があることを説明する。
【０００６】
図２３は、従来の固体撮像装置の製造工程を表す工程断面図であり、図２４に示す従来の固体撮像装置の転送電極２１１及び転送電極２１３までを形成する際の模式的な工程概略図である。上記の絶縁膜の段差が生じる過程について図２３を用いて説明する。また、図２３中に示す符号は、図２４の構成図と対応している。まず、図２３（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板２０１内にｐ型ウェル２０２を形成し、その上部にｐ型拡散層２１０を形成する。その後、ｎ型半導体基板２０１の表面に垂直ＣＣＤ転送チャネルのｎ型拡散層２０７を形成する。次に図２３（ｂ）に示すように、ｎ型拡散層２０７上に絶縁膜２０４を熱酸化、または熱ＣＶＤ法、あるいは両方を用いて形成する。次に、その上部に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極２１１が形成される所定領域にレジストパターン２３６を形成する。次に図２３（ｃ）に示すように、レジストパターン２３６をマスクにして転送電極２１１の領域２３７の部分を絶縁膜２０４が完全に露出するまでをドライエッチングする。ドライエッチングをする際、絶縁膜２０４の表面も削られてしまい、エッチングされる領域の絶縁膜厚２３５は転送電極２１１下の絶縁膜厚２３４より小さくなってしまう。その後、レジストパターン２３６を除去し転送電極２１１が形成される。次に図２３（ｄ）に示すように、絶縁膜２１２、転送電極２１３が形成される。以上のように、上記過程で、転送電極２１１下部の絶縁膜厚２３４と転送電極２１３下部の絶縁膜厚２３５には必然的に差が生じる。
【０００７】
次に、従来の構造では、垂直ＣＣＤの飽和電荷量を十分に確保することができない理由について、図２５、２６を用いて説明する。また、図２５、２６中に示す符号は、図２４の垂直ＣＣＤの断面図と対応している。
【０００８】
図２５は、従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図である。図２５中の実線２４７は図２４での鎖線２３１に沿った転送電極２１１下におけるｎ型拡散層２０７の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線、破線２４８は図２４での鎖線２３０に沿った転送電極２１３下におけるｎ型拡散層２０７の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線である。また、電圧２４９は転送電極２１１下のｎ型拡散層２０７の電位がピンニングする時の電圧、電圧２５０は転送電極２１３下のｎ型拡散層２０７の電位がピンニングする時の電圧を示している。図２５より、転送電極２１１下のピンニング電圧２４９の絶対値は、転送電極２１３下のピンニング電圧２５０の絶対値より大きい。これは、各転送電極下におけるｎ型拡散層の不純物濃度が同じであっても、転送電極２１１下部と転送電極２１３下部の絶縁膜厚が異なるために生じる。
【０００９】
図２６は、従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における深さ方向の模式的な電位分布図であり、図２４における転送電極２１１下部の深さ方向（破線２３１の方向）の電位分布と転送電極２１３下部の深さ方向（破線２３０の方向）の電位分布図である。また、電位分布は図２４に示す断面図の各拡散層に対応しており、ｎ型拡散層の２０７は垂直ＣＣＤである。図２６の電位位置２４２はゲート電圧０Ｖ時の転送電極２１１下の最小電位、電位２４３は転送電極２１３下の最小電位で、電位２４４はピンニング時の転送電極２１１下及び転送電極２１３下の最小電位である。ピンニング時の電位２４４とゲート電圧０Ｖ時の電位２４３で決まる転送電極２１３下の電位振幅２４５は、電位２４４と電位２４２との差で決まる転送電極２１１下の電位振幅２４６よりも小さい。これは、転送電極２１３下と転送電極２１１下のｎ型拡散層２０７の不純物濃度が同一であっても、転送電極２１１下部と転送電極２１３下部の絶縁膜厚が異なるために生じる。従って、垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量は、転送電極２１３下の電位振幅２４５によって律速され、十分な飽和電荷量を確保することができない。
【００１０】
また、従来の構造は、垂直ＣＣＤの飽和電荷量を増加させる上で大きな欠点を有する。この理由を図２７、２８、２９を用いて説明する。
図２７は、従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な平面図である。図２７に示す領域２２７は垂直ＣＣＤ領域、領域２２８は水平ＣＣＤ領域を表す。図２７中の電極２５３、２５１は垂直ＣＣＤの転送電極で、特に電極２５１は垂直ＣＣＤ領域における最終の転送電極である。電極２２３、２２４は水平ＣＣＤの転送電極である。
【００１１】
図２８は、従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な断面図であり、図２７中の破線２２５における垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤ繋ぎ部の断面図である。図２８において、ｎ型半導体基板２０１内にｐ型ウエル２０２が形成され、その上部にｐ型拡散層２１０が形成されている。更にその上部に垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層２０７、２０８が隣りあうように接して形成されている。また、ｎ型半導体基板２０１の表面にゲート絶縁膜２０４が形成され、その上部に垂直ＣＣＤ領域の転送電極２１１、２５３、２５１、水平ＣＣＤ領域の転送電極２２３、２２４が形成されている。
【００１２】
垂直ＣＣＤのｎ型拡散層２０７は転送電極２１１、２５１の下部及び転送電極２５３下部の一部に形成される。ｎ型拡散層２０８は転送電極２５３の直下のみに形成され、ｎ型拡散層２０８の一端は、転送電極２５３端部の直下になるように形成される。ｎ型拡散層２０８の不純物濃度はｎ型拡散層２０７より低く、転送電極２５３下部は濃度が異なる２つの拡散層から構成されている。また、絶縁膜２０４の膜厚は、図２４の垂直ＣＣＤの断面構造と同様の理由で、転送電極２１１、２５１、２２４下部の絶縁膜厚と転送電極２５３、２２３下部の絶縁膜厚は異なる。また、水平ＣＣＤ領域はｎ型拡散層２２６、２２９より形成され、ｎ型拡散層２２６の不純物濃度はｎ型拡散層２２９の不純物濃度より低く設定されている。
【００１３】
次に図２９より飽和電荷量を向上する時に生じる課題について説明する。
図２９は、従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な電荷転送時の電位分布図であり、図２８の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの繋ぎ部における電荷転送時の電位分布を模式的に示した図である。各転送電極、拡散層、垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤの領域は図２８の断面図の構成に対応している。従来構造において、垂直ＣＣＤの飽和電荷量を増加させる手段として大きく２つに区分けされる。一方は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ全体の飽和電荷量を増大させる方法で、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤのｎ型拡散層の不純物濃度を高くする方法である（以下、第１の方法と記す）。また、他方は垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤを切り分けて垂直ＣＣＤのみ飽和電荷量を増大させる方法で、垂直ＣＣＤのみｎ型拡散層の不純物濃度を高くする方法である（以下、第２の方法と記す）。図２９中の実線で示す電位分布２９１は従来構造の電荷転送時の電位分布で、電位２９２は転送電極２５１下部の垂直ＣＣＤの空乏化電位、電位２９３は転送電極２２３下部の水平ＣＣＤの空乏化電位、電位２９４は転送電極２２４下部の水平ＣＣＤの空乏化電位であり、電位差２９６は空乏化電位２９２と空乏化電位２９３の電位差を示し、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷転送する時の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの電位差を表す。また、点線で示す電位分布２８１は、第１の方法における電荷転送時の電位分布であり、図２９中の電位差２５５は従来の電荷転送時の電位分布２９１と第１の方法における電荷転送時の電位分布２８１の電位差を示し、電位２８４は水平ＣＣＤ領域の転送電極２２４下部の空乏化電位を示す。また、破線で示す電位分布２７１は、第２の方法における電荷転送時の電位分布であり、図２９中の電位差２５６は従来の電荷転送時の電位分布２９１と第２の方法における電荷転送時の電位分布２７１の電位差を示し、電位２７２は転送電極２５１下部の垂直ＣＣＤの空乏化電位、電位差２７６は電位２７２と電位２９３の電位差を示し、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷転送する時の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの電位差を表す。また、電位２９７は固体撮像装置の電源電位を示す。
【００１４】
次に飽和を増加させる第１及び第２の方法における課題について説明する。垂直ＣＣＤの飽和電荷量を増大させるため、第１の方法によって、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤのｎ型拡散層２０７、２０８、２２６、２２９の不純物濃度を高くすると、点線の電位分布２８１のように垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ全体に渡り電位が電位差２５５だけ深くなる。その結果、水平ＣＣＤの電位が電源電位の２９７より深くなるので、固体撮像装置が動作をしない。また、第２の方法によって、垂直ＣＣＤの飽和電荷量を増大させるために、水平ＣＣＤのｎ型拡散層の不純物濃度を変えず垂直ＣＣＤのｎ型拡散層２０７、２０８の不純物濃度だけを高くすると、破線の電位分布２７１に示すように垂直ＣＣＤ領域である転送電極２１１、２５３、２５１下部における電位が電位差２５６だけ深くなるが、水平ＣＣＤの電位２９４は変わらない。そのため、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷転送するための電位差は、電位差２９６から電位差２７６へ小さくなる。これによって、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの電荷転送が劣化する。
【００１５】
以上のように、従来の構造において、飽和電荷量を増量させると固体撮像装置の動作不良や垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの転送効率の劣化を招く。特に画素の微細化を行う場合には、単位体積当りの飽和電荷量を向上させる必要があるので、上記課題は顕著になる。
【００１６】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。また、本発明は、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる固体撮像装置製造する際に、マスク位置の変動や不純物濃度の変動等による固体撮像装置の特性バラツキを容易に低減できる上記固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の固体撮像装置は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置であって、前記垂直ＣＣＤが、ｎ型半導体基板に形成されるｐ型ウエルと、前記ｐ型ウエル中に形成されるｐ型拡散層と、前記ｐ型拡散層の上に形成される信号電荷の垂直電荷転送領域であるｎ型拡散層と、前記ｎ型半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記ｎ型拡散層上に前記絶縁膜を介して形成される１または複数の第１の転送電極と、前記第１の転送電極間と交互に形成される１または複数の第２の転送電極とを有し、前記第１の転送電極直下における絶縁膜の膜厚は前記第２の転送電極の直下における絶縁膜の膜厚より大きく、前記ｎ型拡散層が、前記第１の転送電極の直下に形成される第１のｎ型拡散層と、前記第２の転送電極の直下に形成される第２のｎ型拡散層及び第３のｎ型拡散層に分割され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致し、前記第１のｎ型拡散層及び前記第２のｎ型拡散層並びに前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度を第１のｎ型拡散層のピンニング電圧と前記第３のｎ型拡散層のピンニング電圧が等しくなるように設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の固体撮像装置は、請求項１記載の固体撮像装置において、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度のうち、前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の固体撮像装置は、請求項１記載の固体撮像装置において、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度のうち、前記第３のｎ型拡散層、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層の順に不純物濃度が高いことを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の固体撮像装置は、請求項１記載の固体撮像装置において、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層の不純物濃度のうち、前記第３のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層、前記第１のｎ型拡散層の順に不純物濃度が高いことを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の固体撮像装置は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置であって、前記垂直ＣＣＤが、ｎ型半導体基板に形成されるｐ型ウエルと、前記ｐ型ウエル中に形成されるｐ型拡散層と、前記ｐ型拡散層の上に形成される信号電荷の垂直電荷転送領域であるｎ型拡散層と、前記ｎ型半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記ｎ型拡散層上に前記絶縁膜を介して形成される１または複数の第１の転送電極と、前記第１の転送電極間と交互に形成される１または複数の第２の転送電極とを有し、前記第１の転送電極直下における絶縁膜の膜厚は前記第２の転送電極の直下における絶縁膜の膜厚より大きく、前記ｎ型拡散層が、前記第１の転送電極の直下から前記第２の転送電極下部の所定の位置までに形成される第１のｎ型拡散層と、前記第２の転送電極下部に形成される第２のｎ型拡散層に分割され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致し、前記第１のｎ型拡散層及び前記第２のｎ型拡散層の不純物濃度を第１のｎ型拡散層のピンニング電圧と前記第２のｎ型拡散層のピンニング電圧が等しくなるように設定することを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の固体撮像装置は、請求項３記載の固体撮像装置において、前記第１のｎ型拡散層の不純物濃度よりも前記第２のｎ型拡散層の不純物濃度の方が高いことを特徴とする。
【００２３】
請求項７記載の固体撮像装置は、請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記垂直電荷転送領域と水平電荷転送領域との境界部分での前記垂直転送領域の最終の転送電極が前記第１の転送電極であることを特徴とする。
【００２４】
請求項８記載の固体撮像装置の製造方法は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｐ型不純物種を追加イオン注入し、前記第３のｎ型拡散層より不純物濃度の低い第２のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程とを有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする。
【００２５】
請求項９記載の固体撮像装置の製造方法は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、前記ｐ型拡散層中に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、前記第１の転送電極をマスクにして前記ｎ型半導体基板の主面に選択的にｎ型不純物種をイオン注入し、第２のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして選択的にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層および前記第２のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程とを有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする。
【００２６】
請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンと前記第１の転送電極をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第２のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程とを有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下から前記第２の転送電極下部の所定の位置までに形成され、前記第２のｎ型拡散層が前記第２の転送電極下部に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする。
請求項１１記載の固体撮像装置の製造方法は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤより成る固体撮像装置の製造方法であって、前記垂直ＣＣＤ部分を製造するに際し、ｎ型半導体基板にｐ型ウエルを形成する工程と、前記ｐ型ウエル中にｐ型拡散層を形成する工程と、前記ｐ型拡散層上に第１のｎ型拡散層を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第１の転送電極を形成する工程と、前記第１の転送電極を酸化し第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の転送電極と前記第２の絶縁膜をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｐ型不純物種を追加イオン注入し、第２のｎ型拡散層を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンと前記第１の転送電極と前記第２の絶縁膜をマスクにして選択的に前記ｎ型半導体基板の主面にｎ型不純物種を追加イオン注入し、前記第１のｎ型拡散層、前記第２のｎ型拡散層より不純物濃度の高い第３のｎ型拡散層を形成する工程と、前記ｎ型半導体基板上に第２の転送電極を形成する工程とを有し、前記第１のｎ型拡散層が前記第１の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層及び前記第３のｎ型拡散層が前記第２の転送電極の直下に形成され、前記第２のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送と逆方向の端部と一致し、前記第３のｎ型拡散層の一端部が前記第２の転送電極の電荷転送方向の端部と一致することを特徴とする。
【００２７】
以上により、固体撮像装置の画素を縮小化したとしても、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る固体撮像装置によると、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる。また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法によると、マスク位置の変動や不純物濃度の変動等による固体撮像装置の特性バラツキを容易に低減できる上記固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的な平面図である。また、図２は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的な断面図であり、図１の断面線２１に沿った画素部の断面構成図である。図３は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部の模式的な断面図であり、図１の断面線２２に沿った転送チャネル部の断面構成図である。図１、２、３における同一の符号は同じ構成要素を表す。図１、２、３を用いて本発明の構成を説明する。
【００３０】
図１において、フォトダイオードであるｎ型拡散層３で光電変換され蓄積された信号電子は、転送電極１３に読出しパルスを印加することにより、読み出し電圧を制御するｐ型拡散層５を経由し垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層８、９に読み出される。垂直ＣＣＤは、ｎ型拡散層７，８，９の３つで構成され、読み出された信号電荷は、１層目の転送電極１１、２層目の転送電極１３に順次電圧を印加することにより転送される。
【００３１】
各部位における拡散層の構成は、図２、３の断面図を用いて詳細を説明する。
図２の画素部断面図において、ｎ型半導体基板１上にｐ型ウエル２が形成され、フォトダイオードであるｎ型拡散層３がｐ型ウエル２内に選択的に形成されている。ｎ型拡散層３に接して真上には、暗電流を防止するため高濃度のｐ型拡散層１５がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。また、電荷を転送するための垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層９がｎ型半導体基板１の表面に選択的に形成されている。ｎ型拡散層９とｐ型拡散層１５の間で、両方に接するようにｎ型半導体基板１の表面にｐ型拡散層６が形成されている。ｐ型拡散層６は、ｐ型ウェル２を介してｎ型拡散層９とｎ型拡散層３の間に形成されており、チャネルストップの役目を果たす。ｎ型拡散層９とｐ型拡散層６が接している反対のｐ型拡散層１５の端にそれぞれ接するようにｐ型拡散層５がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。ｐ型拡散層５は、ｎ型拡散層３から信号電荷を読み出す制御領域の役目を果たす。ｐ型拡散層１０はｐ型ウェル２の内部でｎ型拡散層９の直下に位置し、ｐ型拡散層６とｐ型拡散層５でｎ型拡散層９を取り囲むように形成され、垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層９とｎ型半導体基板１を分離する領域として機能する。また、ｎ型半導体基板１の表面にゲート絶縁膜４が形成され、その上に転送電極１３が形成されている。１４は転送電極１３の絶縁膜、１６は光の反射防止を目的とする高屈折率膜、１７はフォトダイオード以外への光入射を防止する遮光膜、１８は平坦化膜、１９は光を効率よくフォトダイオードに入射させるための層内レンズ、２０は全面を保護する保護膜である。
【００３２】
次に図３の断面図を用いて垂直ＣＣＤの構成を説明する。
図３の断面構造において、ｎ型半導体基板１内にｐ型ウエル２が形成されている。ｐ型ウエル２内でｎ型半導体基板１の表面にｎ型拡散層７が形成されている。ｎ型拡散層７の一方の端でｎ型拡散層８がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。ｎ型拡散層７の他方の端とｎ型拡散層８のｎ型拡散層７と接する反対側の端とそれぞれ接するようにｎ型拡散層９がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。
【００３３】
垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層７、８、９での不純物濃度は、ｎ型拡散層９が最も高くなるように構成する。さらに、ｎ型拡散層７、８についても、ｎ型拡散層７、８の順に高くなるように構成しても良い。ｐ型ウエル２内で、ｎ型拡散層７、８、９での直下にｐ型拡散層１０が形成されている。ｐ型拡散層１０は、垂直ＣＣＤとｎ型半導体基板１を分離する領域である。ｎ型半導体基板１の表面にゲート絶縁膜４が形成され、その上に第１層の転送電極１１、第２層の転送電極１３が形成されている。転送電極１１は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層７の上部に形成されている。転送電極１３は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層８、９の上部に渡って形成されている。転送電極１３の一方の端部の直下はｎ型拡散層９の端部と一致し、転送電極１３の反対側の直下の端部は、ｎ型拡散層８の端部と一致する。転送電極の絶縁膜４の膜厚は、転送電極１１下部と転送電極１３下部で異なり、転送電極１１下部の絶縁膜厚３４は、転送電極１３下部の絶縁膜厚３５より大きい。また、転送電極１１を絶縁するために絶縁膜１２が形成され、同様に転送電極１３の絶縁膜１４が形成されている。その上部にフォトダイオード以外への光入射を防止する遮光膜１７、平坦化膜１８が形成され、本実施例である固体撮像装置が構成される。
【００３４】
以下では、本実施形態により、飽和電荷量を向上させ、かつ転送効率を劣化させない理由について図４〜７を用いて説明する。
図４は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における深さ方向の模式的な電位分布図である。図４中の実線４７は図３での鎖線３１に沿った深さ方向での転送電極１１下におけるｎ型拡散層７の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線、破線４８は図３での鎖線３０に沿った深さ方向での転送電極１３下におけるｎ型拡散層９の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線である。また、電圧４９は、各電極下のｎ型拡散層７、９がピンニングした時のゲート電圧を示している。図３での電極１３の下におけるｎ型拡散層９の不純物濃度は、電極１３の下におけるｎ型拡散層９のピンニング電圧が電極１１の下におけるｎ型拡散層７のピンニング電圧と同じになるように、ｎ型拡散層７よりも高い不純物濃度に設定されている。そのため、空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線４７のゲート電圧依存性及び空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線４８のゲート電圧依存性のピンニングする電圧４９は一致する。ピンニング電圧は、ゲート電極１１、１３で揃うので暗電流の増大は起こらない。
【００３５】
図５は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における深さ方向の模式的な電位分布図であり、図３に示す転送電極１１下の鎖線３１に沿った深さ方向の電位分布、ならびに転送電極１３下の鎖線３０に沿った深さ方向での電位分布を示す。また、図５中の付与番号は図４と同じものである。実線４０は転送電極１１下のｎ型拡散層７の電位分布で、破線４１は転送電極１３下の電位分布を表す。電極１１下と電極１３下のピンニング電圧を合わせるように、ｎ型拡散層９の不純物濃度をｎ型拡散層７の不純物濃度より大きく形成したことにより、電極１３下のピンニング時の最小電位４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位４３との電位差４６は、電極１１下のピンニング時の最小電位４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位４２との電位差４５より大きくできる。これにより、垂直ＣＣＤでの電位振幅を大きくすることができ取り扱い電荷量を増加できる。
【００３６】
次に図６に本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な飽和状態の電荷蓄積図を示す。図６では、転送電極１１及び１３の２つのゲート電極に渡って電荷が蓄積されている。７５は電荷が蓄積されている状態での電位、７３は電荷が蓄積されていない状態での電位を示す。電荷は隣接しない電極下の電位と電位差７４となるまで蓄積できる。図６中の電位７０は転送電極１１下の空乏化電位、電位７２は転送電極１３下の空乏化電位、電位差７１は電位７０と電位７２の電位差を示している。転送電極１３下部のｎ型拡散層９のピンニング電圧を転送電極１１のｎ型拡散層７のピンニング電圧に一致するように、転送電極１３下部のｎ型拡散層９の不純物濃度を転送電極１１下部のｎ型拡散層７の不純物濃度より高く設定することで、転送電極１３下の電位７２を転送電極１１下の電位７０より深く形成することができる。これにより取り扱い飽和電荷量を大幅に向上することができる。
【００３７】
次に電荷転送に弊害があるかを転送シミュレーションによって確認した。
図７は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な電荷転送時の電位分布図である。電荷シミュレーションは、転送電極１３下部の転送区間８１において電荷転送を実施した。垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層７、８、９を完全に空乏化し、電荷転送方向３３と逆方向の電極１１にピンニング電圧よりの高い負の電圧（以下、Ｌと記す）を印加し、転送方向の電極１１の電圧を０Ｖとし、転送電極１３の印加電圧を０ＶからＬに可変させ、転送区間８１における転送時間が最も短くなる最小転送時間を求めた。その結果、従来構造における最小転送時間と本実施形態における最小転送時間は共に９．６２ｐｓｅｃと等しく、電荷転送に弊害はなかった。図７を用いてその理由を以下に説明する。
【００３８】
図７において、８０は点電荷、矢印８７は点電荷の流れである。８４は転送電極１３のゲート電圧が０Ｖ時の電位分布、８２は転送電極１３のゲート電圧がＬ時の電位分布、また点線８３は従来構造の転送電極１３のゲート電圧が０Ｖ時の電位分布を示す。また、電位差８６は電位分布８４と電位分布８３の電位差である。転送電極１３のゲート電圧を０ＶからＬまで変更すると、ゲート電圧に応じて電位分布８４は電位分布８２まで推移し、その過程で転送電極１３下の転送電界が強化され電荷８０が矢印８７のように転送され、あるゲート電圧を印加した時の転送時間が最小となる。従来構造においても同様で、転送電極１３のゲート電圧を０ＶからＬまで変更すると、ゲート電圧に応じて電位分布８３は電位分布８２まで推移し、その過程で転送電極１３下の転送電界が強化されることにより電荷８０が転送され、あるゲート電圧時での転送時間が最小となる。従って、従来構造の電位と本実施形態の構造では電位差８６が生じるが、最小となる転送時間は転送電極１３に印加する電圧に依存し最小の転送時間は同じになる。
【００３９】
以上のように、転送電極１３下のｎ型拡散層９のピンニング電圧を転送電極１１下のｎ型拡散層７のピンニング電圧と一致するように、ｎ型拡散層９の不純物濃度をｎ型拡散層７より高く設定すれば、転送効率を劣化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができる。
【００４０】
なお、転送電極１１下のｎ型拡散層７、転送電極１３下のｎ型拡散層８、９の不純物濃度において、不純物濃度をｎ型拡散層９、８、７の順に高くなるように構成してもよい。この場合、転送電極１３下のｎ型拡散層８の不純物濃度をｎ型拡散層７の不純物濃度より高くすることで飽和電荷量を向上することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図８〜１１を用いて説明する。
【００４１】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な平面図であり、画素部で蓄積された電荷を転送する垂直ＣＣＤと垂直ＣＣＤから信号電荷を受け取る水平ＣＣＤとの繋ぎ部における平面図である。図８中の２７は垂直ＣＣＤ領域、２８は水平ＣＣＤ領域を表す。図８中の１１３、１１１は垂直ＣＣＤの転送電極で、特に１１１は垂直ＣＣＤ領域における最終の転送電極である。２３、２４は水平ＣＣＤの転送電極である。
【００４２】
図９は本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な断面図であり、図８中の破線２５における垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤ繋ぎ部の断面図である。図９において、ｎ型半導体基板１内にｐ型ウエル２が形成されている。ｐ型ウエル２内でｎ型半導体基板１の表面にｎ型拡散層７が形成されている。ｎ型拡散層７の一方の端でｎ型拡散層８がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。ｎ型拡散層７の他方の端とｎ型拡散層８のｎ型拡散層７と接する反対側の端とがそれぞれ接するようにｎ型拡散層９がｎ型半導体基板１の表面に形成されている。
【００４３】
垂直ＣＣＤであるｎ型拡散層７、８、９での不純物濃度は、ｎ型拡散層９が最も高なるように構成する。さらに、ｎ型拡散層７、８についても、ｎ型拡散層７、８の順に高くなるように構成しても良い。ｐ型ウエル２内で、ｎ型拡散層７、８、９での直下にｐ型拡散層１０が形成されている。ｐ型拡散層１０は、垂直ＣＣＤとｎ型半導体基板１を分離する領域である。また、水平ＣＣＤ領域はｎ型拡散層２６、２９により形成され、ｎ型拡散層２６の不純物濃度はｎ型拡散層２９の不純物濃度より低く設定されている。ｎ型半導体基板１の表面にゲート絶縁膜４が形成され、その上部に垂直転送の転送電極１１、１１３、１１１、水平転送の電極２３、２４が形成されている。転送電極１１及び１１１は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層７の上部に形成されている。転送電極１１３は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層８、９の上部に渡って形成されている。転送電極１１３における一方の端部の直下はｎ型拡散層９の端部と一致し、転送電極１１３における反対側の直下の端部は、ｎ型拡散層８の端部と一致する。転送電極の絶縁膜４の膜厚は、転送電極１１、１１１、２４下部と転送電極１１３、２３下部で異なり、転送電極１１、１１１、２４下部の絶縁膜厚１３４は、転送電極１１３、２３下部の絶縁膜厚１３５より大きい。また、転送電極１１、１１１を絶縁するために絶縁膜１２が形成され、同様に転送電極１１３の絶縁膜１４が形成されている。その上部にフォトダイオード以外への光入射を防止する遮光膜１７、平坦化膜１８が形成され、本実施例である固体撮像装置が構成される。転送電極１１及び１１１は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層７の上部に形成されている。転送電極１１３は、ゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層８、９の上部に渡って形成されている。転送電極１１３における一方の端部の直下はｎ型拡散層９の端部と一致し、転送電極１３における反対側の直下の端部は、ｎ型拡散層８の端部と一致する。
【００４４】
第２の実施形態の特徴は、垂直ＣＣＤ領域の最終の転送電極は転送電極１１１でゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層７の上部に形成され、その手前の転送電極は転送電極１１３でゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層８、９の上部に渡って形成され、転送電極１１３における一方の端部の直下はｎ型拡散層９の端部と一致し、転送電極１１３における反対側の直下の端部は、ｎ型拡散層８の端部と一致するように構成するところにある。実施形態１では、実施形態２の構造の境界を定義していない。上記構造によると、従来構造における飽和増大と共に生じる課題を解決し、大幅に飽和電荷量を向上することができる。その理由を図１０、１１より説明する。
【００４５】
図１０は本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な電荷転送時の電位分布図であり、図９の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの繋ぎ部における電荷転送時の電位を模式的に表した図である。各転送電極、拡散層、垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤの領域は図９の断面図の符号と一致している。図１０中の９１は本実施形態の転送電極１１３下部の垂直ＣＣＤのｎ型拡散層８、９の電位、点線で示す電位１００は転送電極１１３下のｎ型拡散層８、９の不純物濃度を本実施形態の濃度より低く設定した転送電極１１３下部の垂直ＣＣＤのｎ型拡散層８、９の電位分布、点線で示す電位１０１は転送電極１１３下のｎ型拡散層８、９の不純物濃度を本実施形態の濃度より高く設定した転送電極１１３下部の垂直ＣＣＤのｎ型拡散層８、９の電位分布である。また、電位９２は垂直ＣＣＤ最終の転送電極１１１下部に形成されたｎ型拡散層７の電位であり、電位９３は水平ＣＣＤの転送電極２３下部の電位、電位９４は水平ＣＣＤの転送電極２４下部の電位、破線で示す電位９７は固体撮像装置の電源電位を示している。また、電位差９６は垂直ＣＣＤ最終の転送電極１１１下部の電位９２と水平ＣＣＤの転送電極２３下部の電位９３との電位差を示しており、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの電荷転送に大きな影響を与える。垂直ＣＣＤの電極１１３下部のｎ型拡散層８、９の不純物濃度の設定を変更すると、電極１１３下部のｎ型拡散層８、９の電位分布は９１，１００，１０１のように変動する。垂直ＣＣＤの最終の転送電極１１１下部に形成されたｎ型拡散層７の電位９２は、転送電極１１１下部のｎ型拡散層７の不純物濃度は変更しないため電位は一定となる。水平ＣＣＤの転送電極２３下におけるｎ型拡散層２６の電位９３も同様に、転送電極２３下部のｎ型拡散層２６の不純物濃度は変更しないため電位は一定となる。従って、図９に示す本実施形態のように、垂直ＣＣＤ領域の最終の転送電極は転送電極１１１でゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層７の上部に形成され、その手前の転送電極は転送電極１１３でゲート絶縁膜４を介してｎ型拡散層８、９の上部に渡って形成されるように構成することで、転送電極１１３下部のｎ型拡散層８、９の不純物濃度の設定を変更しても、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの繋ぎ部における電位９２、電位９３、電位差９６を維持することができ、そのため、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの電荷転送効率も劣化させることなく一定に維持できる。また、水平ＣＣＤの転送電極２４下部の電位９４は、ｎ型拡散層２９の不純物濃度を変更しないため電位は一定であり、電源電位９７より深くならない。このため、固体撮像装置の動作不良は発生しない。
【００４６】
次に図１１を用いて飽和電荷量の向上について説明する。図１１は本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な飽和状態の電荷蓄積図を示す。図１１では転送電極１１及び１１３の２つのゲート電極に渡って電荷が蓄積されている。また、各転送電極、拡散層、垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤの領域は図９、１０の符号と一致している。電位９９は電荷が蓄積されている状態での電位、電位９８は電荷が蓄積されていない状態での電位を示す。隣接しない電極下の電位と電位差７４となるまで電荷が蓄積できる。図１１中の電位１０３は転送電極１１下の空乏化電位、電位１０４は転送電極１１３下の空乏化電位、電位差１０５は電位１０３と電位１０４の電位差を示している。転送電極１１３下部のｎ型拡散層９のピンニング電圧を転送電極１１のｎ型拡散層７のピンニング電圧に一致するように、転送電極１１３下部のｎ型拡散層９の不純物濃度を転送電極１１下部のｎ型拡散層７の不純物濃度より高く設定することで、転送電極１１３下の電位１０４を転送電極１１下の電位１０３より深く形成することができる。これにより取り扱い飽和電荷量を大幅に向上することができる。
【００４７】
以上のように、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置は、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの電荷の転送効率を劣化させず、垂直ＣＣＤの飽和電荷量を大幅に向上させることができる。
【００４８】
なお、転送電極１１１下のｎ型拡散層７、転送電極１１３下のｎ型拡散層８、９の不純物濃度において、不純物濃度をｎ型拡散層９、８、７の順に高くなるように構成してもよい。この場合、転送電極１１３下のｎ型拡散層８の不純物濃度をｎ型拡散層７の不純物濃度より高くすることで飽和電荷量を向上することができる。
（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施形態である固体撮像装置の製造方法について図１２を用いて説明する。図１２は本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図である。まず、図１２（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板３０１内にｐ型ウェル３０２を形成する。次にｐ型ウェル３０２内にｐ型拡散層３０３を形成し、その後ＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層３０４を形成する。次に図１２（ｂ）に示すように、ｎ型拡散層３０４上に絶縁膜３０５を熱ＣＶＤ法で形成する。更にその上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極３０６が形成される所定領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜３０５が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。その後、レジストパターンを除去し転送電極３０６が形成される。
【００４９】
次に図１２（ｃ）に示すように、転送電極３０６をマスクにして矢印で示すイオン注入３０７のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層３０８を形成する。よって、ｎ型拡散層３０８の両端は転送電極３０６の端部と一致する。ｎ型不純物種の追加イオン注入は、転送電極３０６をマスクとするので、マスク合わせズレに起因する拡散層の位置ズレは発生しない。そのため、ｎ型拡散層３０８は後工程で形成される転送電極３１３下にのみ精度良く形成される。
【００５０】
次に図１２（ｄ）に示すように、電荷転送方向を３３３としたとき、レジストパターン３１０の一端が電荷転送方向３３３の転送電極３０６の上部にかかる位置に形成し、また、レジストパターン３１０の他端は転送電極３０６とレジストパターン転送方向３３３と逆方向の転送電極３０６との間に位置するように形成する。次に転送電極３０６とレジストパターン３１０をマスクにして矢印で示すイオン注入３０９のようにｐ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層３１１を形成する。そのため、ｎ型拡散層３１１の一端は転送電極３０６の位置により決定される。また、ｎ型拡散層３１１の他端は、後工程で形成される転送電極３１３下の中央付近に形成されれば良く高い精度で制御する必要はない。よって、これらの製造法でｎ型拡散層３１１を形成することで、リソグラフィ工程のマスク合わせを非常に容易にすることができる。その後、形成したレジストパターン３１０を除去する。これらの過程によってＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層３０４、３１１、３０８が形成される。
【００５１】
次に図１２（ｅ）に示すように、ｎ型半導体基板３０１を熱酸化し絶縁膜３１２を形成する。その後、ｎ型半導体基板３０１の表面全体に多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極３１３が形成される所定の領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜３１２が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。上記過程によって、転送電極３１３が形成される。最後に図１２（ｆ）に示すように、遮光膜３１５、平坦化膜３１６を形成して固体撮像装置を製造する。
【００５２】
上記の第３の実施形態による製造法によると、電荷転送ＣＣＤチャネルとして機能するｎ型拡散層３０８や３１１の位置変動を抑制し特性バラツキを大幅に低減することができる。また、第３の実施形態により製造した固体撮像装置は、飽和電荷量を顕著に向上することができる。図１６を用いてその理由を以下に説明する。
【００５３】
図１６は本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図を示す。図１６中の３４７は図１２（ｆ）での鎖線３３１に沿った深さ方向での転送電極３０６下におけるｎ型拡散層３０４の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線、３４８は図１２（ｆ）での鎖線３３０に沿った深さ方向での転送電極３１３下におけるｎ型拡散層３０８の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線である。また、電圧３４９は、各転送電極下のｎ型拡散層３０４、３０８がピンニングした時のゲート電圧を示している。図１２（ｆ）での電極３１３の下に形成されたｎ型拡散層３０８の不純物濃度は、電極３１３の下に形成されたｎ型拡散層３０８のピンニング電圧が転送電極３０６の下に形成されたｎ型拡散層３０４のピンニング電圧と同じになるように、ｎ型拡散層３０４の不純物濃度よりも高く設定されている。そのため、空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線３４７及び３４８のゲート電圧依存性のピンニング電圧３４９は一致する。転送電極３０６下と転送電極３１３下のピンニング電圧を合わせるように、ｎ型拡散層３０８の不純物濃度をｎ型拡散層３０４の不純物濃度より大きく形成したことにより、転送電極３１３下のピンニング時の最小電位３４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位３４３との電位差３４６は、電極３０６下のピンニング時の最小電位３４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位３４２との電位差３４５より大きくできる。これにより、垂直ＣＣＤにおける取り扱い電荷量を増加できる。また、ピンニング電圧は、ゲート電極３０６、３１３下で揃うので暗電流の増大は起こらない。
【００５４】
以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、飽和電荷量を顕著に向上することができる固体撮像装置が得られ、また、マスク位置の変動を抑制して固体撮像装置の特性バラツキを大幅に低減し上記の固体撮像装置を作製することができる。
（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態である固体撮像装置の製造方法について図１３を用いて説明する。図１３は本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図である。まず、図１３（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板４０１にｐ型ウェル４０２を形成する。次にｐ型ウェル４０２内にｐ型拡散層４０３を形成する。
【００５５】
次に図１３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより垂直ＣＣＤチャネルが形成される所定領域以外にレジストパターン４１７を形成し、レジストパターン４１７をマスクにして矢印で示すイオン注入４１８のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層４０４を形成する。次に図１３（ｃ）に示すように、レジストパターン４１７を除去した後、ｎ型拡散層４０４上に絶縁膜４０５を熱ＣＶＤ法で形成する。更にその上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極４０６が形成される所定領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜４０５が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。次にレジストパターンを除去し転送電極４０６が形成される。次に図１３（ｄ）に示すように、転送電極４０６をマスクにして矢印で示すイオン注入４０７のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層４０８を形成する。よって、拡散層４０８の両端は転送電極４０６の端部と一致する。ｎ型不純物種の追加イオン注入は、転送電極４０６をマスクとするので、マスク合わせズレに起因するような拡散層の位置ズレは発生しない。そのため、拡散層４０８は後工程で形成される転送電極４１３下のみ精度良く形成することができる。次に図１３（ｅ）に示すように、電荷転送方向を４３３としたとき、レジストパターン４１０の一端が電荷転送方向４３３と逆方向の転送電極４０６の上部にかかるように形成し、また、レジストパターン４１０の他端は転送電極４０６と電荷転送方向４３３と逆方向の転送電極４０６との間に位置するように形成する。次に転送電極４０６とレジストパターン４１０をマスクにして矢印で示すイオン注入４０９のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層４１１を形成する。そのため、ｎ型拡散層４１１の一端は転送電極４０６の位置により決定される。また、ｎ型拡散層４１１の他端は、後工程で形成される転送電極４１３下の中央付近に形成されれば良く高い精度で制御する必要はない。よって、これらの製造法でｎ型拡散層４１１を形成すると、リソグラフィ工程のマスク合わせを非常に容易にすることができる。次に形成したレジストパターン４１０を除去する。これらの過程によってＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層４０４、４０８、４１１が形成される。次に図１３（ｆ）に示すように、ｎ型半導体基板４０１を熱酸化し絶縁膜４１２を形成する。その後、ｎ型半導体基板４０１の表面全体に多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極４１３が形成される所定の領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜４１２が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。上記過程によって、転送電極４１３が形成される。最後に図１３（ｇ）に示すように、遮光膜４１５、平坦化膜４１６を形成して固体撮像装置を製造する。
【００５６】
上記の第４の実施形態による製造法によると、垂直ＣＣＤとして機能するｎ型拡散層４０４、４０８を別々に形成できる。そのため、追加イオン注入する場合と異なり不純物濃度の拡散を抑制することができ、狙いの不純物濃度に対して精度良く拡散層を形成できる。従って、特性バラツキを大幅に低減した固体撮像装置を製造することができる。また、垂直ＣＣＤとして機能するｎ型拡散層４０８や４１１の位置変動を抑制し特性バラツキを大幅に低減することができる。また、第４の実施形態により製造した固体撮像装置は、飽和電荷量を顕著に向上することができる。図１７を用いてその理由を説明する。
【００５７】
図１７は本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図を示す。図１７中の４４７は図１３（ｇ）での鎖線４３１に沿った深さ方向での転送電極４０６下におけるｎ型拡散層４０４の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線、４４８は図１３（ｇ）での鎖線４３０に沿った深さ方向での転送電極４１３下におけるｎ型拡散層４１１の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線である。また、電圧４４９は、各電極下のｎ型拡散層４０４、４１１がピンニングした時のゲート電圧を示している。図１３（ｇ）での電極４１３の下におけるｎ型拡散層４１１の不純物濃度は、電極４１３の下におけるｎ型拡散層４１１のピンニング電圧が電極４０６の下におけるｎ型拡散層４０４のピンニング電圧と同じになるように、ｎ型拡散層４０４の不純物濃度よりも高く設定されている。そのため、空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線４４７及び４４８のゲート電圧依存性のピンニング電圧４４９は一致する。電極４０６下と電極４１３下のピンニング電圧を合わせるように、ｎ型拡散層４１１の不純物濃度をｎ型拡散層４０４の不純物濃度より大きく形成したことにより、電極４１３下のピンニング時の最小電位４４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位４４３との電位差４４６は、電極４０６下のピンニング時の最小電位４４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位４４２との電位差４４５より大きくできる。これにより、垂直ＣＣＤにおける取り扱い電荷量を増加できる。また、ピンニング電圧は、ゲート電極４０６、４１３下で揃うので暗電流の増大は起こらない。
【００５８】
以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、飽和電荷量を顕著に向上することができる固体撮像装置が得られ、また、マスク位置の変動や不純物濃度の変動を抑制して固体撮像装置の特性バラツキを大幅に低減し上記の固体撮像装置を作製することができる。
（第５の実施形態）
次に本発明の第５の実施形態である固体撮像装置の製造方法について図１４を用いて説明する。図１４は本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図である。まず、図１４（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板５０１にｐ型ウェル５０２を形成する。次にｐ型ウェル５０２内にｐ型拡散層５０３を形成し、その後ＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層５０４を形成する。
【００５９】
次に図１４（ｂ）に示すように、ｎ型拡散層５０４上に絶縁膜５０５を熱ＣＶＤ法で形成する。更にその上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極５０６が形成される所定領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜５０５が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。ドライエッチングをする際、絶縁膜５０４の表面も削られてしまい、エッチングされる領域の絶縁膜厚５３７は転送電極５１１下の絶縁膜厚５３６より小さくなってしまう。次にレジストパターンを除去し転送電極５０６が形成される。次に図１４（ｃ）に示すように、電荷転送方向を５３３としたとき、レジストパターン５０９の一端が電荷転送方向５３３と逆方向の転送電極５０６の上部にかかるように形成し、また、５０９の他端は転送電極５０６と転送方向５３３の逆方向の転送電極５０６との間に位置するように形成する。次に転送電極５０６とレジストパターン５０９をマスクにして矢印で示すイオン注入５０７のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層５０８を形成する。そのため、ｎ型拡散層５０８の一端は転送電極５０６の位置により決定される。また、ｎ型拡散層５０８の他端は、後工程で形成される転送電極５１３下の中央付近に形成されれば良く高い精度で制御する必要はない。よって、これらの製造法で拡散層５０８を形成すると、リソグラフィ工程のマスク合わせを非常に容易にすることができる。その後、形成したレジストパターン５０９を除去する。これらの過程によって垂直ＣＣＤチャネルとして機能するｎ型拡散層５０４、５０８が形成される。次に図１４（ｄ）に示すように、ｎ型半導体基板５０１を熱酸化し絶縁膜５１２を形成する。その後、ｎ型半導体基板５０１の表面全体に多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極５１３が形成される所定の領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜５１２が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。上記過程によって、転送電極５１３が形成される。最後に図１４（ｅ）に示すように、遮光膜５１５、平坦化膜５１６を形成して固体撮像装置を製造する。
【００６０】
上記の第５の実施形態による製造法によると、電荷転送ＣＣＤチャネルとして機能するｎ型拡散層５０８の位置変動を抑制し特性バラツキを大幅に低減することができる。また、第５の実施形態により製造した固体撮像装置は、飽和電荷量を顕著に向上することができる。また、第５の実施形態により製造した固体撮像装置は、電荷転送を強化することができる。その理由を図１８、１９を用いて以下に説明する。
【００６１】
まず、図１８より、飽和電荷量を顕著に向上する理由を説明する。
図１８は本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図を示す。図１８中の実線５４７は図１４（ｅ）での鎖線５３１に沿った深さ方向での転送電極５０６下におけるｎ型拡散層５０４の空乏化電位のゲート電圧依存性、破線５４８は図１４（ｅ）での鎖線５３０に沿った深さ方向での転送電極５１３下におけるｎ型拡散層５０８の空乏化電位のゲート電圧依存性である。また、電圧５４９は、各電極下のｎ型拡散層５０４、５０８がピンニングした時のゲート電圧を示している。図１４（ｅ）での転送電極５１３の下におけるｎ型拡散層５０８の不純物濃度は、転送電極５１３の下におけるｎ型拡散層５０８のピンニング電圧が転送電極５０６の下におけるｎ型拡散層５０４のピンニング電圧と同じになるように、ｎ型拡散層５０４の不純物濃度よりも高く設定されている。そのため、空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線５４７及び５４８のゲート電圧依存性のピンニング電圧５４９は一致する。転送電極５０６下と転送電極５１３下のピンニング電圧を合わせるように、ｎ型拡散層５０８の不純物濃度をｎ型拡散層５０４の不純物濃度より大きく形成したことにより、転送電極５１３下のピンニング時の最小電位５４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位５４３との電位差５４６は、転送電極５０６下のピンニング時の最小電位５４４とゲート電圧０Ｖ時の最小電位５４２との電位差５４５より大きくできる。これにより、垂直ＣＣＤにおける取り扱い電荷量を増加できる。また、ピンニング電圧は、転送電極５０６、５１３下で揃うので暗電流の増大は起こらない。
【００６２】
次に、図１９より電荷転送を強化することができる理由を説明する。
図１９は本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な電荷転送時の電位分布図であり、各転送電極に電圧を印加し、転送区間５８１において電荷転送方向５３３に電荷転送を行うときの電荷転送模式図である。また、図１９の各転送電極、各拡散層は図１４（ｅ）の構成に対応している。電荷転送は、転送電極５０６１に負の高い電圧（以下、Ｌと記す）、転送電極５０６２に０Ｖを印加し、転送電極５１３に０ＶからＬまで印加電圧を可変させ実施する。転送電極５１３下部の点線は転送電極の印加電圧が０Ｖの転送初期における電位分布を示し（電位５２３，５２４を含む点線）、転送電極５１３下部の実線は転送電極の印加電圧がＬの転送末期における電位分布（電位５２５，５２６を含む実線）を表す。図１９中の電位５２１は転送電極５０６１下部の電位、電位５２２は転送電極５０６２下の電位を示している。また、電位５２３は転送初期における転送電極５１３下のｎ型拡散層５０４の電位、電位５２４は転送電極５１３下でｎ型拡散層５０８の電位であり、電位５２５は転送末期における転送電極５１３下のｎ型拡散層５０４の電位、電位５２６は転送電極５１３下でｎ型拡散層５０８の電位である。電位差５２８は電位５２３と電位５２４との電位差、電位差５２７は電位５２１と電位５２５の電位差、電位差５３４は電位５２５と電位５２２との電位差、電位差５３５は電位５２１と電位５２２との電位差を表している。本実施形態の構造では、転送電極５１３下の点線で示される電位分布のように、転送電極５１３下部のｎ型拡散層５０８の不純物濃度をｎ型拡散層５０４より高く設定することで、電位５２４を電位５２３より深くし電位差５２８を設けることができ、そのため、転送電極５１３の印加電圧が０Ｖでも、電位差５２８により電荷転送を促進することができる。
【００６３】
また、転送電極５１３に電圧Ｌを印加した転送末期の電位分布を実線で示す。電位差５３４は転送電極５０６と転送電極５１３下部の絶縁膜厚に差があるとき、電位差５３５は絶縁膜厚に差がないときの、転送区間５８１における電位差である。よって、本実施形態の構造では、転送電極５１３下の絶縁膜厚５３７を、転送電極５０６１の絶縁膜厚５３６より小さくすることで、電位差５２７を設け電位差５３４を電位差５３５より大きくすることができる。これにより、転送末期の電荷転送を強化し電荷の転送残りを抑制することができる。
【００６４】
以上のように、本発明の第５の実施形態によれば、飽和電荷量を顕著に向上でき、かつ垂直ＣＣＤの電荷転送を強化することができる固体撮像装置が得られ、また、マスク位置の変動を抑制して固体撮像装置の特性バラツキを大幅に低減する上記の固体撮像装置を作製することができる。
（第６の実施形態）
次に本発明の第６の実施形態である固体撮像装置の製造方法について図１５を用いて説明する。図１５は本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図である。まず、図１５（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板６０１にｐ型ウェル６０２を形成する。次にｐ型ウェル６０２内にｐ型拡散層６０３を形成し、その後ＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層６０４を形成する。次に図１５（ｂ）に示すように、ｎ型拡散層６０４上に絶縁膜６０５を熱ＣＶＤ法で形成する。更にその上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極６０６が形成される所定領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜６０５が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。次にレジストパターンを除去し転送電極６０６が形成される。
【００６５】
次に図１５（ｃ）に示すように、ｎ型半導体基板６０１を熱酸化し転送電極６０６の周囲に絶縁膜６１２を形成する。
次に図１５（ｄ）に示すように、転送電極６０６、絶縁膜６１２をマスクにして矢印で示すイオン注入６０７のようにｐ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層６０８を形成する。よって、拡散層６０８の両端は絶縁膜を形成した転送電極６０６の端部と一致する。ｎ型不純物種の追加イオン注入は、転送電極６０６をマスクとするので、マスク合わせズレに起因する拡散層の位置ズレは発生しない。そのため、拡散層６０８は後工程で形成される転送電極６１３下にのみ精度良く形成される。
【００６６】
次に図１５（ｅ）に示すように、転送方向を６３３としたとき、レジストパターン６１０の一端が転送方向６３３の逆方向における転送電極６０６の上部にかかる位置に形成され、また、レジストパターン６１０の他端は転送電極６０６と転送方向６３３の逆方向の転送電極６０６との間に位置するように形成する。次に転送電極６０６とレジストパターン６１０をマスクにして矢印で示すイオン注入６０９のようにｎ型不純物種を追加イオン注入しｎ型拡散層６１１を形成する。そのため、ｎ型拡散層６１１の一端は転送電極６０６のエッジの位置により決定される。また、ｎ型拡散層６１１の他端は、後工程で形成される転送電極６１３下の中央付近に形成されれば良く高い精度で制御する必要はない。よって、これらの製造法で拡散層６１１を形成すると、リソグラフィ工程のマスク合わせを非常に容易することができる。次に形成したレジストパターン６１０を除去する。これらの過程によってＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層６０４、６０８、６１１が形成される。
【００６７】
次に図１５（ｆ）に示すように、ｎ型半導体基板６０１の表面全体に多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより転送電極６１３が形成される所定の領域にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクにして絶縁膜６１２が完全に露出するまでドライエッチングを実施する。上記過程によって、転送電極６１３が形成される。最後に図１５（ｇ）に示すように、遮光膜６１５、平坦化膜６１６を形成して固体撮像装置を製造する。
【００６８】
上記の第６の実施形態により製造した固体撮像装置は、飽和電荷量を顕著に向上することができる。また、電荷転送ＣＣＤチャネルとして機能するｎ型拡散層６０８や６１１の位置変動を抑制し特性バラツキを大幅に低減することができる。また、ｎ型拡散層の不純物濃度の変動及び熱拡散による拡散層の広がりを抑制し、電荷の転送弊害を抑制することができる。
【００６９】
まず、飽和電荷量を顕著に向上することの理由として、第６の実施形態による垂直ＣＣＤの断面を示す図１５（ｇ）を用いて説明する。第６の実施形態による構成は、転送電極６１３下のｎ型拡散層６１１のピンニング電圧を転送電極６０６下のｎ型拡散層６０４のピンニング電圧に一致させるように、ｎ型拡散層６１１の不純物濃度をｎ型拡散層６０４の不純物濃度より高く設定している。そのため、電極６１３下のピンニング時の最小電位とゲート電圧０Ｖ時の最小電位との電位差は、電極６０６下のピンニング時の最小電位とゲート電圧０Ｖ時の最小電位との電位差より大きくできる。これにより、垂直ＣＣＤにおける取り扱い電荷量を顕著に増加することができる。次に、製造工程に起因する転送弊害を抑制できる理由について、図２０、２１、２２を用いて説明する。
【００７０】
最初に、第６の実施形態の製造法による特徴及び効果を説明する。図２０は本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図、図２１は本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図である。
【００７１】
まず、図２０を用いて第３の実施形態における固体撮像装置の製造フロー概略を説明する。
図２０（ａ）に示すようにｎ型半導体基板にｐ型ウェルを形成し、ｐ型ウェル内にｐ型拡散層を形成後、ＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層６５１を形成する。次にｎ型半導体基板表面に絶縁膜６５４を形成し、その上部に転送電極６６０を形成する。次に図２０（ｂ）に示すように、転送電極６６０をマスクにして、ｎ型不純物種６５５を追加イオン注入する。その後、高温での熱処理を行い、ｎ型拡散層６５２を形成する。その際、ｎ型拡散層６５２はｎ型拡散層６５１より不純物濃度が大きいため、不純物濃度差による拡散が生じる。また、ｎ型拡散層６５２は、高温で熱処理するため、熱拡散し拡散層が広がりやすい。そのため、ｎ型拡散層６５２がｎ型拡散層６５１に広がり、転送電極６６０端の下部におけるｎ型拡散層６５１とｎ型拡散層６５２の境界は６５６のように、ｎ型拡散層６５１に食い込む場合がある。次に図２０（ｃ）に示すように、ｐ型不純物種をイオン追加注入し拡散層６５３を形成する。次に転送電極６６０を絶縁する絶縁膜６５７を形成し、その後、転送電極６６１を形成する。
【００７２】
次に図２１を用いて第６の実施形態における固体撮像装置の製造フロー概略を説明する。
図２１（ａ）に示すようにｎ型半導体基板にｐ型ウェルを形成し、ｐ型ウェル内にｐ型拡散層を形成後、ＣＣＤ転送チャネルとして機能するｎ型拡散層６７１を形成する。次にｎ型半導体基板表面に絶縁膜６７４を形成し、その上部に転送電極６８０を形成する。ここまでは図２０（ａ）に示す第３の実施形態の製造フローと同じである。次に、ｎ型半導体基板を高温で熱処理し、転送電極６８０を絶縁する絶縁膜６７７を形成する。次に図２１（ｂ）に示すように、転送電極６８０、絶縁膜６７７をマスクにして、ｎ型不純物種６７５を追加イオン注入する。その後、高温での熱処理を行い、ｎ型拡散層６７２を形成する。その際、図２０（ａ）と同様に、ｎ型拡散層６７２は不純物濃度差による拡散及び熱拡散の影響で拡散層が広がりやすい。しかし、図２１（ｂ）では、絶縁膜６７７を形成した後に、ｎ型不純物種６７５を追加イオン注入しｎ型拡散層６７２を形成するため、絶縁膜の膜厚だけｎ型拡散層６７２の広がりを抑制することができる。従って、転送電極６８０端の下部におけるｎ型拡散層６７１とｎ型拡散層６７２の境界は６７６のようにｎ型拡散層６７１に食い込まず、転送電極６８０下にｎ型拡散層６７２は形成されない。次に図２１（ｃ）に示すように、ｐ型不純物種をイオン追加注入しｎ型拡散層６７３を形成する。その後、転送電極６８１を形成する。以上のように、第６の実施形態における製造法によると、追加イオン注入によるｎ型拡散層の広がりを抑制することができる。
【００７３】
次に図２２を用いて、第６の実施形態による製造法で作製した固体撮像装置によって、転送弊害を抑制できる理由について説明する。図２２は本発明の第３及び６の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な電荷転送時の電位分布図で、図２２（ａ）は図２０（ｃ）の構成での電荷転送の模式的な電位分布図であり、図２２（ｂ）は図２１（ｃ）の構成での電荷転送の模式的な電位分布図である。図２２（ａ）、（ｂ）の各転送電極及び各拡散層は、図２０、２１の構成に対応している。図２２（ａ）において、転送電極６６０端の下部の電位６２１には電位のディップが見られる。これは、図２１（ｃ）に示すように、ｎ型拡散層６５２がｎ型拡散層６５１に広がり、転送電極６６０端の下部における拡散層６５１の不純物濃度が高くなったためである。電位６２１のような電位ディップは電荷転送時に電荷をトラップするため転送弊害の原因になる。一方、図２２（ｂ）においては、転送電極６８０端の下部の電位６２２には電位ディップは見られない。これは、転送電極６８０の下部のｎ型拡散層６７１に追加イオン注入によるｎ型拡散層６７６が広がってないためである。よって、上記のように第６の実施形態による製造法にすることで、追加イオン注入によるｎ型拡散層６７６の広がりを抑制することで電位ディップの発生をなくし、垂直ＣＣＤの転送効率の劣化を大幅に低減することができる。
【００７４】
以上のように、本発明の第６の実施形態によれば、飽和電荷量を顕著に向上し、垂直ＣＣＤの電荷転送の弊害を抑制することができる固体撮像装置が得られる。また、マスク位置の変動を抑制して固体撮像装置の特性バラツキを大幅に低減し上記の固体撮像装置を作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、固体撮像装置の画素を縮小化したとしても、転送効率を悪化させることなく飽和電荷量を大幅に向上することができ、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷を転送する構成の固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的な平面図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的な断面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部の模式的な断面図
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における深さ方向の模式的な電位分布図
【図６】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な飽和状態の電荷蓄積図
【図７】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な電荷転送時の電位分布図
【図８】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な平面図
【図９】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な断面図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な電荷転送時の電位分布図
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な飽和状態の電荷蓄積図
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における模式的な電荷転送時の電位分布図
【図２０】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を模式的に表す工程断面図
【図２２】本発明の第３及び６の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な電荷転送時の電位分布図
【図２３】従来の固体撮像装置の製造工程を表す工程断面図
【図２４】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部の模式的な断面構造図
【図２５】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における空乏化電位のゲート電圧依存性を示す図
【図２６】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ部における深さ方向の模式的な電位分布図
【図２７】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な平面図
【図２８】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとのつなぎ部における模式的な断面図
【図２９】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの繋ぎ部における模式的な電荷転送時の電位分布図
【符号の説明】
【００７７】
１    ｎ型半導体基板
２    ｐ型ウェル
３    ｎ型拡散層
４    ゲート絶縁膜
５    ｐ型拡散層
６    ｐ型拡散層
７、８、９    ｎ型拡散層
１０    ｐ型拡散層
１１    転送電極
１２、１４    絶縁膜
１３    転送電極
１５    ｐ型拡散層
１６    高屈折率層
１７    遮光膜
１８    平坦化膜
１９    層内レンズ
２０    保護膜
２１、２２    断面線
２３    転送電極
２４    転送電極
２５    破線
２６    ｎ型拡散層
２７    垂直ＣＣＤ領域
２８    水平ＣＣＤ領域
２９    ｎ型拡散層
３０、３１    鎖線
３３    電荷転送方向
３４、３５    膜厚
４０、４１    電位の分布
４２、４３、４４    電位
４５、４６    電位差
４７、４８    空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線
４９    電圧
７０、７２、７３、７５    電位
７１、７４    電位差
８０    点電荷
８１    転送区間
８２、８３、８４    電位分布
８６    電位差
８７    点電荷の流れ
９１、９２、９３，９４、９８、９９、１００、１０１、１０３、１０４    電位
９６、１０５    電位差
９７    電位
１１１    転送電極
１１３    転送電極
１３４、１３５    絶縁膜厚
２０１    ｎ型半導体基板
２０２    ｐ型ウェル
２０４    ゲート絶縁膜
２０７、２０８    ｎ型拡散層
２１０    ｐ型拡散層
２１１    転送電極
２１３    転送電極
２２３    電極
２２４    電極
２２５    破線
２２６、２２９    ｎ型拡散層
２２７    垂直ＣＣＤ領域
２２８    水平ＣＣＤ領域
２３０、２３１    破線
２３４、２３５    絶縁膜厚
２３６    レジストパターン
２３７    領域
２４２、２４３、２４４    電位
２４５、２４６    電位振幅
２４７、２４８    ｎ型拡散層の空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線
２４９、２５０    電圧
２５１    電極
２５３    電極
２５５、２５６    電位差
２７１，２８１、２９１    電位分布
２７２、２８４、２９２、２９３、２９４    空乏化電位
２７６、２９６    電位差
２９７    電源電位
３０１、４０１、５０１、６０１    ｎ型半導体基板
３０２、４０２、５０２，６０２    ｐ型ウェル
３０３、４０３、５０３，６０３    ｐ型拡散層
３０４、４０４、５０４，６０４、３０８、４０８、５０８，６０８、３１１、４１１、６１１    ｎ型拡散層
３０５、４０５、５０５，６０５    絶縁膜
３０６、４０６、５０６，６０６    転送電極
３０７、４０７、５０７，６０７、３０９、４０９、４１８、６０９    イオン注入
３１０、４１０、４１７、５０９、６１０    レジストパターン
３１２、４１２、５１２、６１２、    絶縁膜
３１３、４１３、５１３、６１３    転送電極
３１５、４１５、５１５、６１５    遮光膜
３１６、４１６、５１６、６１６    平坦化膜
３３０、３３１、４３０、４３１、５３０、５３１    鎖線
３３３、４３３、５３３、６３３    電荷転送方向
３４２、３４３、３４４、４４２、４４３、４４４、５４２、５４３、５４４  
電位
３４５、３４６、４４５、４４６、５４５，５４６    電位差
３４７、３４８、４４７、４４８、５４７、５４８    空乏化電位のゲート電圧依存性を表す線
３４９、４４９、５４９    電圧
５２１〜５２６    電位
５２７、５２８、５３４，５３５    電位差
５３６    絶縁膜厚
５８１    転送区間
５０６１、５０６２    転送電極
６５１、６７１、６５２、６７２、６５３、６７３    ｎ型拡散層
６２１、６２２    電位
６５４、６７４    絶縁膜
６５５、６７５    ｎ型不純物種
６５６、６７６    境界
６５７、６７７    絶縁膜
６６０、６８０    転送電極
６６１、６８１    転送電極
【図１】
2007234684.tif 000003
【図２】
2007234684.tif 000004
【図３】
2007234684.tif 000005
【図４】
2007234684.tif 000006
【図５】
2007234684.tif 000007
【図６】
2007234684.tif 000008
【図７】
2007234684.tif 000009
【図８】
2007234684.tif 000010
【図９】
2007234684.tif 000011
【図１０】
2007234684.tif 000012
【図１１】
2007234684.tif 000013
【図１２】
2007234684.tif 000014
【図１３】
2007234684.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007234684.tif 000018
【図１７】
2007234684.tif 000019
【図１８】
2007234684.tif 000020
【図１９】
2007234684.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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