(57)【要約】【課題】微細化を進めても電荷読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供する【解決手段】電荷を蓄積するｎ型不純物拡散層１ａを有する光電変換素子１と、ｎ層１ａに蓄積された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路２と、ｎ層１ａと垂直電荷転送路２との間に設けられ、電荷を垂直電荷転送路２に読み出すための電荷読出し部３とを半導体基板内に有する固体撮像素子の製造方法であって、ｎ層１ａを形成するためのイオン注入を、半導体基板表面に対して垂直な方向、又は、前記垂直な方向を、光電変換素子１から電荷読出し部３を介して垂直電荷転送路２に向かう方向（点Ｂ’から点Ｂに向かう方向）に所定角度傾けた方向で行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を蓄積する不純物拡散層を有する光電変換素子と、前記不純物拡散層に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記不純物拡散層と前記電荷転送路との間に設けられ、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを半導体基板内に有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記不純物拡散層を形成するためのイオン注入を、前記半導体基板表面に対して垂直な方向、又は、前記垂直な方向を、前記光電変換素子から前記電荷読出し部を介して前記電荷転送路に向かう方向に所定角度傾けた方向で行う固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記光電変換素子、前記電荷転送路、及び前記電荷読出し部を前記半導体基板内に形成した後、前記不純物拡散層に蓄積された電荷の読み出し動作を制御するための読み出し電極を、前記電荷読出し部表面上方から前記光電変換素子の一部上方までに渡って形成する固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
電荷を蓄積する不純物拡散層を有する光電変換素子と、前記不純物拡散層に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記不純物拡散層と前記電荷転送路との間に設けられ、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを半導体基板内に有する固体撮像素子であって、
前記不純物拡散層と前記電荷読出し部との境界面が、前記半導体基板表面に対して垂直な方向、又は、前記垂直な方向を、前記光電変換素子から前記電荷読出し部を介して前記電荷転送路に向かう方向に所定角度傾けた方向に向かって形成されている固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３記載の固体撮像素子であって、
前記電荷読出し部表面上方から前記光電変換素子の一部上方までに渡って形成された、前記不純物拡散層に蓄積された電荷の読み出し動作を制御するための読み出し電極を備える固体撮像素子。
【請求項５】
請求項３又は４記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷を蓄積する不純物拡散層を有する光電変換素子と、前記不純物拡散層に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記不純物拡散層と前記電荷転送路との間に設けられ、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを半導体基板内に有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図５に示す固体撮像素子は、半導体基板内の垂直方向とこれに直交する水平方向に正方格子状に配列された多数の光電変換素子１１と、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子１１からなる光電変換素子列に対応してその右側部に設けられ、該光電変換素子列の各光電変換素子１１に蓄積された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路１２と、光電変換素子１１に蓄積された電荷を該光電変換素子１１に対応する垂直電荷転送路１２に読み出すための電荷読出し部１３と、垂直電荷転送路１２を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送路１４と、水平電荷転送路１４を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部１５とを備える。
【０００３】
図６は、図５に示すＡ−Ａ’線断面模式図である。
図６に示すように、ｎ型シリコン基板上に形成されたｐウェル層１６内に、光電変換素子１１、垂直電荷転送路１２、及び電荷読出し部１３が形成されている。光電変換素子１１は、ｐウェル層１６表面に形成されたｐ型不純物拡散層（以下、ｐ層という）１１ｂと、その下に形成されたｎ型不純物拡散層（以下、ｎ層という）１１ａとから構成されている。ｐ層１１ｂは、光電変換素子１１の表面準位を安定させて暗電流を防ぐためのものである。ｎ層１１ａは、光電変換素子１１で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積層として機能する。
【０００４】
垂直電荷転送路１２と光電変換素子１１との間には、ｐ層からなる電荷読出し部１３が形成されている。光電変換素子１１の電荷読出し部１３と隣接する部分以外の周囲にはｐ層からなる素子分離層１７が形成されている。垂直電荷転送路１２上方と、電荷読出し部１３表面上方とには、ｎ層１１ａに蓄積された電荷の垂直電荷転送路１２への読み出し動作を制御するための読み出しパルスを電荷読出し部１３に印加するための読み出し電極と、垂直電荷転送路１２での電荷転送動作を制御するための転送パルスを垂直電荷転送路１２に印加するための転送電極とを兼ねた転送電極１９が形成されている。
【０００５】
特許文献１，２には、ｎ層１１ａを形成するためのイオン注入を、ｐウェル層１６表面に対して垂直な方向を、平面視において垂直電荷転送路１２から電荷読出し部１３を介して光電変換素子１１に向かう方向（図５，６中の点Ａから点Ａ’に向かう方向，Ａ−Ａ’方向ともいう）に所定角度傾けた方向で行うものとし、この所定角度を変えた複数回のイオン注入を行ってｎ層１１ａを形成することで、光電変換素子の特性ばらつきの少ない固体撮像素子を製造することを可能にした方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２７４００２号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１，２に開示された方法でｎ層１１ａを形成すると、電荷読出し部１３の実効的な幅が狭くなってしまうという問題がある。例えば、電荷読出し部１３をイオン注入によって形成した後に、図５に示した矢印の方向からイオン注入を行ってｎ層１１ａを形成した場合を考える。この場合、ｎ層１１ａを形成するためのイオンが電荷読出し部１３の一部分（符号２０で示した部分）にも注入される可能性があり、この部分２０がｎ層となってしまう。このため、電荷読出し部１３のＡ−Ａ’方向の実効的な幅が狭くなってしまう。
【０００８】
近年、画素サイズの微細化により、電荷読出し部の幅も微細化されてきており、短チャネル効果によって電荷読出し部のしきい値電圧が低下している。しきい値電圧が低下すると、電荷の読み出しがしやすくなり、読み出したくないときでも電荷が読み出される可能性がある。このような事態を避けるために、電荷読出し部の不純物濃度を高くすることが有効であるが、不純物濃度を高くすると、ｎ層１１ａから電荷を読み出すのに必要な読み出し電圧が上昇してしまう。
【０００９】
このように短チャネル効果によるしきい値電圧の低下は、読み出し電圧の上昇につながってしまう。更なる微細化を進めた場合、この短チャネル効果はより顕著なものとなり、読み出し電圧の上昇が懸念される。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細化を進めても電荷読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な固体撮像素子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】
【００１１】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、電荷を蓄積する不純物拡散層を有する光電変換素子と、前記不純物拡散層に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記不純物拡散層と前記電荷転送路との間に設けられ、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを半導体基板内に有する固体撮像素子の製造方法であって、前記不純物拡散層を形成するためのイオン注入を、前記半導体基板表面に対して垂直な方向、又は、前記垂直な方向を、前記光電変換素子から前記電荷読出し部を介して前記電荷転送路に向かう方向に所定角度傾けた方向で行う。
【００１２】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換素子、前記電荷転送路、及び前記電荷読出し部を前記半導体基板内に形成した後、前記不純物拡散層に蓄積された電荷の読み出し動作を制御するための読み出し電極を、前記電荷読出し部表面上方から前記光電変換素子の一部上方までに渡って形成する。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、電荷を蓄積する不純物拡散層を有する光電変換素子と、前記不純物拡散層に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記不純物拡散層と前記電荷転送路との間に設けられ、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを半導体基板内に有する固体撮像素子であって、前記不純物拡散層と前記電荷読出し部との境界面が、前記半導体基板表面に対して垂直な方向、又は、前記垂直な方向を、前記光電変換素子から前記電荷読出し部を介して前記電荷転送路に向かう方向に所定角度傾けた方向に向かって形成されている。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記電荷読出し部表面上方から前記光電変換素子の一部上方までに渡って形成された、前記不純物拡散層に蓄積された電荷の読み出し動作を制御するための読み出し電極を備える。
【００１５】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、微細化を進めても電荷読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態で説明する固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いられるものである。
図１は、本発明の実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子の部分拡大模式図である。図３は、図２に示すＢ−Ｂ’線断面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、ｎ型シリコン基板とその上に形成されたｐウェル層６とから構成される半導体基板内の垂直方向とこれに直交する水平方向に正方格子状に配列された多数の光電変換素子１と、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子１からなる光電変換素子列に対応してその右側部に設けられ、該光電変換素子列の各光電変換素子１に蓄積された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路２と、光電変換素子１に蓄積された電荷を該光電変換素子１に対応する垂直電荷転送路２に読み出すための電荷読出し部３と、垂直電荷転送路２を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送路４と、水平電荷転送路４を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部５とを備える。
【００１８】
図３に示すように、ｎ型シリコン基板上に形成されたｐウェル層６内に、光電変換素子１、垂直電荷転送路２、及び電荷読出し部３が形成されている。光電変換素子１は、ｐウェル層６表面に形成されたｐ層１ｂと、その下に形成されたｎ層１ａとから構成されている。ｐ層１ｂは、光電変換素子１の表面準位を安定させて暗電流を防ぐためのものである。ｎ層１ａは、光電変換素子１で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積層として機能する。
【００１９】
垂直電荷転送路２と光電変換素子１との間には、ｐ層からなる電荷読出し部３が形成されている。図２に示すように、光電変換素子１の電荷読出し部３と接する部分以外の周囲にはｐ層からなる素子分離層７が形成されている。垂直電荷転送路２上方には、垂直電荷転送路２での電荷転送動作を制御するための転送パルスを垂直電荷転送路２に印加するための転送電極９，１０が垂直方向に交互に配列されている。
【００２０】
転送電極９は、電荷読出し部３表面の上方と、電荷読出し部３表面に隣接する光電変換素子１の一部領域上方にも形成されている。転送電極９は、ｎ層１ａに蓄積された電荷の垂直電荷転送路２への読み出し動作を制御するための読み出しパルスを電荷読出し部３に印加するための読み出し電極としても機能する。
【００２１】
このように構成された固体撮像素子のｎ層１ａの製造方法について説明する。
ｐウェル層６内に垂直電荷転送路２、素子分離層７、及び電荷読出し部３をイオン注入等により形成した後、図３中の矢印で示したように、ｐウェル層６表面に垂直な方向にイオン注入を行ってｎ層１ａを形成し、その後、ｎ層１ａの表面にイオン注入を行ってｐ層１ｂを形成する。次に、図２に示した形状の転送電極９及び転送電極１０をゲート絶縁膜８上に形成して、図３に示す素子を製造する。
【００２２】
このようにｎ層１ａを形成することで、ｎ層１ａ形成のためのイオン注入時に電荷読出し部３の一部がｎ層になってしまうのを防ぐことができる。このため、微細化によって小さくなった電荷読出し部３の幅を、ｎ層１ａを形成することによって更に小さくしてしまうのを防ぐことができ、読み出し電圧の上昇を防ぐことができる。尚、ｐウェル層６表面に垂直な方向からイオン注入を行ってｎ層１ａを形成するため、何らかの要因でｎ層１ａの形成位置が電荷読出し部３から遠ざかる方向にずれてしまった場合、電荷読出し部３とｎ層１ａとの間に隙間が発生してしまう。上述した製造方法では、このような隙間の発生を考慮して、転送電極９を、電荷読出し部３表面の上だけでなく、電荷読出し部３表面の端部より光電変換素子１側にもはみ出させて形成している。このため、イオン注入位置のずれなどによって上記隙間が発生した場合でも、電荷の読み出しを問題なく行うことができ、歩留まりの低下を防ぐことができる。
【００２３】
ｎ層１ａを形成するためのイオン注入を、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向を、平面視において垂直電荷転送路２から電荷読出し部３を介して光電変換素子１に向かう方向（図２中の点Ｂから点Ｂ’に向かう方向，Ｂ−Ｂ’方向ともいう）に所定角度傾けた方向で行った場合、図６に示したように、電荷読出し部３とｎ層１ａとの境界面は、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ−Ｂ’方向に傾けた方向に形成されることになる。これに対し、ｎ層１ａを形成するためのイオン注入を、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向で行った場合、図３に示したように、電荷読出し部３とｎ層１ａとの境界面は、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向に形成されることになる。このように、本実施形態の固体撮像素子は、電荷読出し部３とｎ層１ａとの境界面の形成方向が、従来の固体撮像素子と異なっている。この境界面がｐウェル層６表面に対して垂直な方向に形成されていることで、製造工程に起因する電荷読出し部３の幅の縮小が防止されており、読み出し電圧の上昇が抑制された微細化された素子を実現することができる。
【００２４】
尚、このような効果は、ｎ層１ａを形成するためのイオン注入を、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向を、平面視において光電変換素子１から電荷読出し部３を介して垂直電荷転送路２に向かう方向（図２中の点Ｂ’から点Ｂに向かう方向、以下、Ｂ’−Ｂ方向という）に所定角度傾けた方向で行うことでも得ることができる。
【００２５】
図４は、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に所定角度傾けた方向でイオン注入を行ってｎ層１ａを形成したときのＢ−Ｂ’線断面模式図である。図４において図３と同じ構成には同一符号を付してある。
図４に示す素子は、ｐウェル層６内に垂直電荷転送路２、素子分離層７、及び電荷読出し部３をイオン注入等により形成した後、図４中の矢印で示したように、ｐウェル層６表面に垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に所定角度傾けた方向にイオン注入を行ってｎ層１ａを形成し、その後、ｎ層１ａの表面にイオン注入を行ってｐ層１ｂを形成する。次に、図２に示した形状の転送電極９及び転送電極１０をゲート絶縁膜８上に形成して、図４に示す素子を製造する。
【００２６】
このような製造方法によれば、ｎ層１ａの形成後、電荷読出し部３とｎ層１ａとの間には、隙間３ａが発生してしまうが、上述した製造方法では、このような隙間の発生を考慮して、転送電極９を、電荷読出し部３表面の上だけでなく、電荷読出し部３表面の端部より光電変換素子１側にもはみ出させて形成している。このため、隙間３ａがあっても電荷の読み出しを問題なく行うことができ、歩留まりの低下を防ぐことができる。尚、この隙間３ａは、ｐウェル層６の一部分であり、その上方には転送電極９が形成されていることから、ｎ層１ａに蓄積された電荷を垂直電荷転送路２に読み出すための領域として機能する。このため、隙間３ａは、電荷読出し部３の一部と言うことができる。
【００２７】
隙間３ａが電荷読出し部３の一部であると定義すると、ｎ層１ａを形成するためのイオン注入を、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に傾けた方向で行った場合、図４に示したように、電荷読出し部３とｎ層１ａとの境界面は、ｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に傾けた方向に形成されているということができる。つまり、この境界面がｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に傾けた方向に形成されていることで、製造工程に起因する電荷読出し部３の幅の縮小が防止されており、読み出し電圧の上昇が抑制された微細化された素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】発明の実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図
【図２】図１に示す固体撮像素子の部分拡大模式図
【図３】図２に示すＢ−Ｂ’線断面模式図
【図４】ｐウェル層６表面に対して垂直な方向をＢ’−Ｂ方向に所定角度傾けた方向でイオン注入を行ってｎ層１ａを形成したときのＢ−Ｂ’線断面模式図
【図５】従来の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図
【図６】図５に示すＡ−Ａ’線断面模式図
【符号の説明】
【００２９】
１  光電変換素子
１ａ  ｎ型不純物拡散層
２  垂直電荷転送路
３  電荷読出し部
【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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