JP3326798B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電荷結合素子（以下、ＣＣＤと呼
ぶ）に代表される電荷転送装置を用いた固体撮像装置は
その低雑音特性等が得られる点から広く使用されるよう
になってきている。

【０００３】以下、図面を参照しながら従来の固体撮像
装置に用いられている構造について説明する。

【０００４】図２４はいわゆるＣＣＤ型固体撮像装置の
平面図である。固体撮像装置は光電変換素子部１、垂直
ＣＣＤ転送電極部２、水平ＣＣＤ転送電極部３及び出力
部４から構成されている。

【０００５】光電変換素子部１に被写体から発っせられ
た光が入射すると、光によって光電変換素子部１内に電
子−正孔対が発生する。このようにして発生した電子は
光電変換素子部１より垂直ＣＣＤ転送電極部２に送られ
る。垂直ＣＣＤ転送電極部２には、垂直ＣＣＤ転送電極
部２の長手方向に配列された各光電変換素子部１の電子
が同時に送り込まれる。さらに、垂直ＣＣＤ転送電極部
２に取り出された電子は、水平ＣＣＤ転送電極部３に送
られる。水平ＣＣＤ転送電極部３には、水平ＣＣＤ転送
電極部３の長手方向と垂直に配列された各垂直ＣＣＤ転
送電極２の電子が同時に送り込まれる。

【０００６】このようにして水平ＣＣＤ転送電極部３に
取り出された電子は出力部４を通して出力される。この
出力信号は画像の再生回路を通ってディスプレイ等の出
力媒体から被写体の画像として出力される。

【０００７】図２５に光電変換素子部１及び垂直ＣＣＤ
転送電極部２を通るＡ−Ａ’線での固体撮像装置の断面
図を示す。

【０００８】ｎ型基板５上に形成された所定範囲の深さ
と濃度を有したｐ層６がある。ｐ層６の内部の所定領域
にｎ層７の光電変換素子が形成されている。また、ｐ層
６にあってｎ層７と離間した位置に高濃度のｐ層８が形
成されている。ｐ層８内に垂直ＣＣＤである転送チャン
ネルとなるｎ層９が設けられている。

【０００９】ｎ層７に蓄積された信号電荷はｎ層９に読
み出され、ｎ層９内であって紙面に垂直な方向に信号電
荷は転送される。

【００１０】ｎ層７上に形成された高濃度ｐ層１０は、
Ｓｉ−ＳｉＯ₂の界面準位に起因する暗電流の発生を防
止するために形成されている。

【００１１】ｐ層６と基板５の間には基板に正電位、ｐ
層６に負電位となる逆バイアス電圧Ｖｓｕｂが電源１１
によって印加されている。すなわち、ｐ層８と基板５の
間に逆バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加されている。このた
めｎ層７で形成された光電変換素子下のｐ層６は空乏化
する。ｐ層６が空乏化すると、ｎ層７に蓄積することの
できる電荷量より過剰となった電荷を基板５側に排出す
る。このようにしてブルーミング現象を防止することが
行なわれている。

【００１２】また、更にｎ型基板５にパルス電圧を印加
することによってｎ層７内の信号電荷をすべて基板５側
に排出する、いわゆる電子シャッタの動作を行なうこと
が可能となる。

【００１３】基板５の表面上には、ＳｉＯ₂等の絶縁膜
１２が形成されている。絶縁膜１２上には垂直ＣＣＤ部
２を構成しているｐ層８とｎ層９上、及びｎ層７とｐ層
８の間隙領域を含む領域上に垂直ＣＣＤ転送電極１３が
形成されている。さらに、固体撮像装置を物理的な衝撃
から保護するために転送電極１３の側壁及び上面に絶縁
膜１２を形成している。

【００１４】垂直ＣＣＤ転送電極１３は、ｎ層７に蓄積
された電子を垂直ＣＣＤ転送チャンネルとなるｐ層８あ
るいはｐ層９に読み出させるための電極として作用して
いる。

【００１５】以上のようにブルーミング現象を防止した
り、電子シャッタ動作を行なうためには、ｐ層６が所定
範囲の濃度と深さを有していることが必要である。

【００１６】図２６に、図２５の光電変換素子部１を通
るＢ−Ｂ’線に沿った不純物濃度分布を示す。また、図
２７に、図２６の不純物濃度のネット値を示す。両図面
において、縦軸は不純物の濃度を示す。横軸は基板表面
からの距離を示す。縦軸の上側にｐ型不純物原子の濃度
を示し、縦軸の下側にｎ型不純物原子の濃度を示す。

【００１７】図２６の破線１４，１５，１６，１７はそ
れぞれ図２５のｐ層１０、ｐ層６、基板５、ｎ層７の不
純物濃度を示している。

【００１８】図２７の実線１８は、図２６の各々の不純
物濃度のネット値を示している。斜線１９の領域は光電
変換素子のｎ層７のネット不純物分布であって、ｎ層に
蓄積される有効ドナーの総量を示している。

【００１９】光電変換素子であるｎ層７の不純物濃度１
７は、基板５表面で最も高濃度であり、基板５内部に行
くにつれて濃度が低下する。ｎ層７の上部には暗電流を
低減するためにｐ層１０が形成されている。ｐ層１０の
不純物濃度１４は、ｎ層７の濃度より高濃度で、基板５
内部への広がりが少ない。このためｎ層７はネット不純
物１９になる。

【００２０】ｐ層６は、不純物濃度は低いが、その分布
状態は広く分布している。すなわち、基板５表面を濃度
の極大点として基板５内部に行くにつれて、徐々にその
濃度が減少する。

【００２１】固体撮像素子ではブルーミング現象を生じ
させないように、光電変換素子に蓄積された電子を垂直
ＣＣＤ転送電極部に読みだした後、光電変換素子のｎ層
７がほぼ完全に空乏化させる必要がある。このため、ネ
ット不純物濃度１９に示された有効ドナーの総量がｎ層
７に蓄積できる電荷量の上限にしておくことが必要であ
る。すなわち、有効ドナーの総量が光電変換素子の飽和
特性の上限値を決定することになる。

【００２２】ネット不純物濃度１９は不純物濃度１７に
基板５の不純物濃度１６を加えた値から、ｐ層１０の不
純物濃度１４とｐ層６の不純物濃度１５を差し引いたも
のである。各々のプロセス上の制約からネット不純物濃
度１９は、不純物濃度１４と不純物濃度１７によって決
まる。不純物濃度１７は基板５表面での濃度が最も高く
なっている。この濃度が最も高くなっている部分を逆導
電型のｐ層１０の不純物濃度１４によって補償してい
る。

【００２３】図２８〜図３１に従来のＣＣＤ型固体撮像
装置の断面工程図を示す。ｎ型基板５の主面上にｐ型不
純物であるボロンをイオン注入する。この後、高温の熱
処理によってｐ層６を形成する。この後、通常のフォト
リソグラフィを用いて垂直ＣＣＤ転送チャネルとなる領
域以外にレジストパターンを形成する。レジストパター
ンをマスクとしてボロンをイオン注入しｐ層８を形成す
る。この後、再度、フォトリソグラフィを用いて垂直Ｃ
ＣＤ転送チャネルとなるｐ層８内のｎ層９を形成する領
域以外にレジストパターンを形成する。レジストパター
ンをマスクとしてリンをイオン注入しｎ層９を形成す
る。この後、基板５主面に絶縁膜１２を熱酸化により堆
積する。さらに、絶縁膜１２上に垂直ＣＣＤ転送電極１
３となる電極材料を形成する（図２８）。

【００２４】さらに、電極材料上にフォトリソグラフィ
を用いて転送電極１３となる領域より広い領域にレジス
トパターン２０を形成する。レジストパターン２０をマ
スクに電極材料をドライエッチングを施し、絶縁膜１２
が露出するまでエッチングする。次にレジストパターン
２０をマスクにさらに絶縁膜２０を保護膜としてリンの
イオン注入を行なう。このイオン注入によって光電変換
素子となるｎ層７が形成される（図２９）。

【００２５】この後、レジストパターン２０を除去す
る。基板５表面には絶縁膜１２と転送電極１３より広い
領域の電極材料が形成されている。次に、転送電極１３
となる領域以外にレジストパターンを形成し、このレジ
ストパターンをマスクに電極材料をドライエッチングす
る。以上の工程で転送電極１３が形成される。この時、
光電変換素子より電子が垂直ＣＣＤ転送チャンネルに読
み出されるｎ層７とｐ層８の間隙上に転送電極１３が設
けられていなければならない。このため転送電極１３作
製時のドライエッチングでは、もともと光電変換素子と
なるｎ層７の側壁端と転送電極１３の側壁端が一致して
いるため、転送電極１３の一方の側壁端を短くして所定
の長さに形成する（図３０）。

【００２６】次に、この転送電極１３の一端およびレジ
ストをマスクにボロンをイオン注入する。これによって
ｎ層７上に暗電流を防止するためのｐ層１０が形成され
る（図３１）。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の電荷
転送装置では以下のような欠点があった。

【００２８】不純物濃度１７は基板５表面での濃度が最
も高くなっており、この濃度が最も高くなっている部分
を逆導電型のｐ層１０の不純物濃度１４によって補償し
ている。このため、光電変換素子として導入されたｎ層
７の不純物濃度１７の内、比較的濃度の低い領域を光電
変換素子として用いている。すなわち、濃度の低い光電
変換素子では、そこに蓄積できる有効ドナー総量が少な
くなり飽和電荷量を十分に高くとることができない。

【００２９】このため、不純物濃度１７に導入される不
純物の導入量を増やしている。また、導入された不純物
を高温熱処理によって基板深部へ拡散させて、光電変換
素子の体積を増加させることが行なわれる。

【００３０】しかし、高温熱処理を行なうと基板５表面
と垂直な方向に不純物濃度１７が広がる。このためｐ層
８とｎ層７の間隙部や、垂直ＣＣＤ転送チャンネルであ
るｎ層９へも拡散してしまう。

【００３１】ｎ層７の端部と垂直ＣＣＤ転送電極１２と
の位置関係は、転送電極１２を形成する時に行なわれる
露光工程でのマスクの位置合わせ精度と拡散によって形
成されるｎ層７の拡散領域によって定まる。このため高
温での熱拡散によって形成される位置を制御することが
極めて困難である。ｎ層７の端部と垂直ＣＣＤ転送電極
１２との位置の制御性が悪いと、光電変換素子より垂直
ＣＣＤ転送チャンネルに取り出す読み出しの際に光電変
換素子に信号となる電子が取り残されてしまう。

【００３２】このように取り残された電子は、残像現象
を生じさせる原因となり、著しく画質を劣化させる。

【００３３】一方、導入量を増加した時、イオン注入時
の欠陥が増加し、いわゆる白キズが増加する。このため
歩留まりが低下する。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置は
上記問題点を解決するために、半導体基板に、信号電荷
を蓄積する光電変換素子部の主たる一導電型不純物が分
布した第１領域と、第１領域の基板表面側に逆導電型不
純物が分布した第２領域とを備え、第１領域の一導電型
不純物の基板深さ方向の濃度極大部が、第２領域の基板
内部側の端部よりも基板深くにある。

【００３５】また、半導体基板に、信号電荷を蓄積する
光電変換素子部の主たる一導電型不純物が分布した第１
領域と、第１領域の基板表面側に逆導電型不純物が分布
した第２領域とを備え、第１領域の基板表面側の端部
が、第２領域の逆導電型不純物の基板深さ方向の濃度極
大部よりも基板深くにある。

【００３６】

【００３７】

【作用】以上述べたように本発明による固体撮像装置で
は、光電変換素子となるｎ層を高加速エネルギーのイオ
ン注入を用いて実現するため、不純物濃度分布は基板内
部に最も濃度の高い領域を持たせることができる。

【００３８】このため、光電変換素子に蓄積できる有効
ドナー総量が増加し飽和電荷量を十分に高くすることが
できる。

【００３９】

【００４０】

【００４１】また、光電変換素子のｎ層上には、暗電流
防止用のｐ層が形成されている。イオン注入によって基
板内部に光電変換素子となるｎ層の濃度の極大値を形成
されている。このため基板表面でのｐ層の不純物濃度の
ネット値は、従来の固体撮像素子のｐ層の濃度より高濃
度にすることができる。このため低い暗電流特性を有す
る光電変換素子を備えた固体撮像装置を得ることができ
る。

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００４８】図１に本発明の第一の実施例の固体撮像装
置の断面図を示す。この実施例は図２５で示した従来の
固体撮像装置と全く同じ構成をしている。

【００４９】ｎ型基板５上に形成された所定範囲の深さ
と濃度を有したｐ層６がある。ｐ層６の内部の所定領域
にｎ層７の光電変換素子が形成されている。また、ｐ層
６にあってｎ層７と離間した位置に高濃度のｐ層８が形
成されている。ｐ層８内に垂直ＣＣＤである転送チャン
ネルとなるｎ層９が設けられている。ｎ層７に蓄積され
た信号電荷はｎ層９に読み出され、ｎ層９内であって紙
面に垂直な方向に信号電荷は転送される。ｎ層７上であ
って基板５の表面に高濃度のｐ層１０が形成されてい
る。ｐ層１０は、Ｓｉ−ＳｉＯ₂の界面準位に起因する
暗電流の発生を防止するために形成されている。

【００５０】基板５の表面上には、ＳｉＯ₂等の絶縁膜
１２が形成されている。絶縁膜１２上には垂直ＣＣＤ部
２を構成しているｐ層８とｎ層９上、及びｎ層７とｐ層
８の間隙領域を含む領域上に垂直ＣＣＤ転送電極１３が
形成されている。さらに、固体撮像装置を物理的な衝撃
から保護するために転送電極１３の側壁及び上面に絶縁
膜１２を形成している。

【００５１】垂直ＣＣＤ転送電極１３は、ｎ層７に蓄積
された電子をｐ層８を経由して垂直ＣＣＤ転送チャンネ
ルとなるｎ層９に読み出させるための電極としても作用
している。

【００５２】図２に、図１に示されたｐ層１０と光電変
換素子のｎ層７、ｐ層６及び基板５を通るＡ−Ａ’線に
沿った基板内の不純物濃度分布を示す。また、図３に、
図２の不純物濃度分布のネット不純物分布を示す。

【００５３】本発明では図１に示されているように固体
撮像装置の断面形状については、従来のそれと全く同じ
であるが、形成されている不純物層の不純物濃度分布が
異なっている。このことについてより詳細に説明してい
く。

【００５４】両図面において、縦軸は不純物濃度を示
す。横軸は基板５表面からの距離を示す。横軸より上側
すなわち縦軸の上側にｐ型不純物の濃度を示し、横軸よ
り下側すなわち縦軸の下側にｎ型不純物の濃度を示す。

【００５５】図２の破線２１，２２，２３，２４はそれ
ぞれ図１のｐ層６、基板５、ｎ層７、ｐ層１０の不純物
濃度を示している。

【００５６】図３の実線２５は、図２の各々の不純物濃
度を合成した値（以下、ネット値と呼ぶ）を示してい
る。斜線２６の領域は光電変換素子のｎ層７のネット不
純物濃度である。ｎ層７に蓄積される有効ドナーの総量
を示している。

【００５７】光電変換素子であるｎ層７の不純物濃度２
３は、基板５の内部に最も高濃度すなわち濃度が極大と
なる点が存在する。基板５表面では、ｎ層７の不純物濃
度は低く、基板５内部に行くにつれて濃度が高くなる。
このように基板５内部にｎ層７の不純物濃度の極大値が
存在し、極大値となる深さよりさらに基板内部に行くに
つれてｎ層７の不純物濃度は低下する。従来の固体撮像
装置ではｎ層７の不純物濃度は、基板５表面あるいは暗
電流を低減するｐ層１０の不純物濃度が分布している深
さ程度に浅い領域に極大となる領域を持つように形成さ
れている。

【００５８】ｎ層７の上部には暗電流を低減するために
ｐ層１０が形成されている。ｐ層１０の不純物濃度２４
は、ｎ層７の濃度より高濃度で、基板５内部への広がり
が少なくなるように形成されている。

【００５９】さらに、ｐ層６は基板５内部にあって、光
電変換素子のｎ層７の基板５内部の深部にある端部に少
なくとも重なるように形成されている。その不純物濃度
２１は、ｎ層７と重なり合った部分より濃度が高くなり
始め、さらに基板５深部に極大値を持つように分布して
いる。従来の固体撮像装置ではｐ層６の不純物濃度は、
基板５表面あるいは暗電流を低減するｐ層１０の不純物
濃度が分布している深さ程度に浅い領域に極大となる領
域を持つように形成されている。またその不純物濃度の
分布状態は低濃度で基板５のかなり深部にまで及んでい
る。

【００６０】本発明の固体撮像装置と従来のそれとの不
純物濃度の分布状態の相違により、光電変換素子に蓄積
される有効ドナーの総量に大きな違いが生じる。

【００６１】すなわち、ネット不純物濃度２６で示され
る有効ドナーの総量は、次のようにして求められる。不
純物濃度２３に基板５の不純物濃度２２を加えた値か
ら、ｐ層１０の不純物濃度２４とｐ層６の不純物濃度２
１を差し引いた値から求められる。

【００６２】従来の固体撮像装置では、光電変換素子の
ｎ層７の不純物濃度は、基板５表面あるいは暗電流を低
減するｐ層１０の不純物濃度が分布している深さ程度の
浅い領域に極大となる領域を持つように形成されてい
る。このため、光電変換素子となるｎ層７の内、最も不
純物濃度の高い領域は、基板５の表面に形成された高濃
度で、分布状態の浅いｐ層１０によって打ち消されてし
まう。このため光電変換素子に蓄積される有効ドナーの
絶対量は低下することになる。さらに、ｐ層６の不純物
濃度が低濃度であるが基板５深部にまで深く分布してい
るため光電変換素子のｎ層７の濃度は全体に低くなって
しまう。このため光電変換素子に蓄積される有効ドナー
の絶対量は低下することになる。

【００６３】一方、本発明の固体撮像装置では、光電変
換素子であるｎ層７は、基板５表面あるいは暗電流を低
減するｐ層１０の不純物濃度が分布している深さ程度に
浅い領域では不純物濃度は極端に低くなるように形成さ
れている。このため、光電変換素子となるｎ層７が、基
板５の表面に形成された高濃度の不純物濃度２４すなわ
ち分布状態の浅いｐ層１０によって打ち消される濃度は
殆ど問題にならない程度である。このため光電変換素子
に蓄積される有効ドナーの絶対量は従来の場合と比べて
問題にならない程度低下するのみである。

【００６４】さらに、ｐ層６の不純物濃度２１は、基板
５の深部に不純物濃度２１が形成されている。不純物濃
度２１の端部は光電変換素子のｎ層７の端部と重なるよ
うに分布している。ここでも、不純物濃度２１と重なり
合う不純物濃度２３の領域では、そのｎ型不純物の濃度
は極端に低くなるように形成されている。このため、光
電変換素子となるｎ層７が、不純物濃度２１によって打
ち消される濃度は殆ど問題にならない程度である。この
ため光電変換素子に蓄積される有効ドナーの絶対量は従
来の場合と比べて問題にならない程度低下するのみであ
る。このようにｐ層６とｎ層７を重ねる時、不純物濃度
２１には次のような制限が加えられる。第１に重なりが
ない場合には、図３で示されるネット不純物濃度の実線
２５が図４に示すような形状になる。有効ドナーが蓄積
される領域が基板５深部に突起状に突き出た領域ができ
る。このような形状の光電変換素子では、ネット不純物
濃度２６が不純物濃度２１によって打ち消されることが
ないため、実質的なネット不純物濃度２６が大きくな
る。ネット不純物濃度２６が大きくなると有効ドナー総
量が大きくなる。

【００６５】また、重なり合う領域が浅い場合には、重
なり合う領域の不純物濃度２１の最大値ａの濃度が、基
板５の不純物濃度ｂより大きくなくてはならない。すな
わちａの濃度はｎ層７の不純物濃度の分布端部での不純
物濃度６の濃度を示している。もし、ａの値がｂの値よ
り小さい場合には、図４に示されたネット不純物濃度の
実線２５のように基板５深部で不純物濃度は突起形状と
なる。

【００６６】逆にａの値が極端にｂの値より大きい場合
には、実線２５のｐ側の盛り上がりの壁が高くなる。す
なわち、ｎ層７と基板５との間に形成される電位障壁が
高くなる。電位障壁が高いと、基板５に印加すべき電圧
を高くすることでブルーミング現象を防止することがで
きる。

【００６７】しかし、不純物濃度２１の分布が、急峻で
あってｎ層７とｐ層６の重なり合う領域が浅く、ａの値
が極端にｂの値より大きくかつｐ層６の厚さが薄い場合
には、ネット不純物濃度２６が不純物濃度２５によって
打ち消される量が少なくなるためネット不純物濃度２６
は高くなる。このため有効ドナー総量は大きくなる。ま
た、基板５に印加すべき電圧は低くても十分な効果が得
られる。

【００６８】ｎ層７の不純物濃度２３の極大点は、ｐ層
１０とｐ層６の不純物濃度２１，２４と全く重ならない
領域に持っている。このように不純物濃度２３を形成す
ることによって有効ドナーの総量を多くすることができ
る。

【００６９】このようにｎ層７の不純物濃度２３は、ｐ
層１０及びｐ層６の不純物濃度２１，２４とそれぞれ端
部でのみ重なり合っている。すなわち、ｐ層１０の不純
物濃度２４とｐ層６の不純物濃度２１とは重なり合うこ
とがなく、両者をｎ層７の不純物濃度２３によって連続
している。このような不純物濃度分布を造ることで、光
電変換素子のｎ層７に蓄積される有効ドナーの総量を顕
著に増加させることができる。

【００７０】一方、ネット不純物濃度２５において、光
電変換素子のｎ層７に蓄積される有効ドナー総量を示す
斜線２６の面積は、従来の総量を示す斜線１９の面積よ
り大きくなっている。

【００７１】このため、光電変換素子の飽和特性の上限
値が従来のものより大きくなり、固体撮像素子の飽和電
荷量、すなわちダイナミックレンジを大幅に向上させる
ことができる。

【００７２】ここで、基板５の濃度は、約１０¹⁵ｃｍ^-3
である。ｐ層１０の濃度は、１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3で、
その拡散長は０.５ミクロンである。また、ｐ層６の濃
度は、約１０¹⁵ｃｍ^-3で、その領域は基板５表面から
１.５ミクロンから拡散長３.０ミクロンである。ｎ層７
の濃度は、１０¹⁶〜１０¹⁷ｃｍ^-3で、その拡散長は１.
８ミクロンである。よってｎ層７とｐ層６の重なり合う
領域は０.３ミクロンとなる。

【００７３】図５に、第２の実施例である固体撮像装置
内の不純物濃度を示す。具体的には、図１に示されたｐ
層１０と光電変換素子のｎ層７、ｐ層６及び基板５を通
るＡ−Ａ’線に沿った基板内の不純物濃度を示す。

【００７４】図６に、図５の不純物濃度のネット値を示
す。本発明では図１に示されているように固体撮像装置
の断面形状については、従来のそれと全く同じである
が、形成されている不純物層の不純物濃度分布が異なっ
ている。このことについてより詳細に説明していく。

【００７５】両図面において、縦軸、横軸は図２、３と
全く同じものを示す。図５の破線２７，２８，２９，３
０はそれぞれ図１のｐ層６、基板５、ｎ層７、ｐ層１０
の不純物濃度を示している。

【００７６】図６の実線３１は、図２の各々の不純物濃
度のネット値を示している。斜線３２の領域は光電変換
素子のｎ層７のネット不純物濃度である。ｎ層７に蓄積
される有効ドナーの総量を示している。

【００７７】光電変換素子であるｎ層７の不純物濃度２
９は、基板５の内部に最も高濃度すなわち濃度が極大と
なる点が存在する。基板５表面では、ｎ層７の不純物濃
度は低く、基板５内部に行くにつれて濃度が高くなる。
このように基板５内部にｎ層７の不純物濃度の極大値が
存在し、極大値となる深さよりさらに基板内部に行くに
つれてｎ層７の不純物濃度は低下する。以上のようにｎ
層７の不純物濃度の分布は第１の実施例と同じである。

【００７８】また、ｎ層７の上部には暗電流を低減する
ためにｐ層１０が形成されている。ｐ層１０の不純物濃
度３０は、ｎ層７の濃度より高濃度で、基板５内部への
広がりが少なくなるように形成されているのも第１の実
施例と同じである。

【００７９】第１の実施例と異なる点は、ｐ層６が従来
の固体撮像装置の不純物濃度１５と同じように低濃度
で、基板５表面から基板５深部にまで形成されている点
である。

【００８０】すなわち、不純物濃度６は、基板５表面に
濃度の極大値を持つ。またその分布状態は基板５深部に
広がっている。ｐ層６の拡散深さはｎ層７の拡散深さよ
り深くまで形成されている。

【００８１】本発明の固体撮像装置と従来のそれとの不
純物濃度の分布状態の相違は、光電変換素子に蓄積され
る有効ドナーの総量に大きな違いが生じる。

【００８２】すなわち、ネット不純物濃度３２で示され
る有効ドナーの総量は、次のようにして求められる。不
純物濃度２９に基板５の不純物濃度２８を加えた値か
ら、ｐ層１０の不純物濃度３０とｐ層６の不純物濃度２
７を差し引いた値から求められる。

【００８３】従来の固体撮像装置では、光電変換素子の
ｎ層７の不純物濃度は、基板５表面あるいは暗電流を低
減するｐ層１０の不純物濃度が分布している深さ程度の
浅い領域に極大となる領域を持つように形成されてい
る。このため、光電変換素子となるｎ層７の内、最も不
純物濃度の高い領域は、基板５の表面に形成された高濃
度で、分布状態の浅いｐ層１０によって打ち消されてし
まう。このため光電変換素子に蓄積される有効ドナーの
絶対量は低下することになる。さらに、ｐ層６の不純物
濃度が低濃度であるが基板５深部にまで深く分布してい
るため光電変換素子のｎ層７の濃度は全体に低くなって
しまう。このため光電変換素子に蓄積される有効ドナー
の絶対量は低下することになる。

【００８４】一方、本発明の固体撮像装置では、光電変
換素子であるｎ層７は、基板５表面あるいは暗電流を低
減するｐ層１０の不純物濃度が分布している深さ程度に
浅い領域では不純物濃度は極端に低くなるように形成さ
れている。このため、光電変換素子となるｎ層７が、基
板５の表面に形成された高濃度の不純物濃度３０すなわ
ち分布状態の浅いｐ層１０によって打ち消される濃度は
殆ど問題にならない程度である。このため光電変換素子
に蓄積される有効ドナーの絶対量は従来の場合と比べて
問題にならない程度低下するのみである。しかし、第１
の実施例においてはｐ層６の不純物濃度２７が、基板５
の深部に形成されている。不純物濃度２７の端部は光電
変換素子のｎ層７の端部と重なるように分布している。
このため、光電変換素子となるｎ層７が、不純物濃度２
７によって打ち消される濃度は殆ど問題にならない程度
であった。これと比較すると第２の実施例では、ｐ層６
が基板５表面から拡散されて形成されている点で従来の
固体撮像装置と同じである。このため、第１の実施例よ
りは光電変換素子に蓄積される有効ドナーの絶対量は少
なくなる。従来の場合と比べた場合には、第２の実施例
でも問題にならない程度有効ドナーの総量が低下するの
みである。

【００８５】また、第２の実施例ではｎ層７のみが従来
の固体撮像装置と異なる部分である。第１の実施例では
ｎ層７とｐ層６の重なり合う領域が問題となったが、第
２の実施例では従来のプロセスで容易に形成することが
できる。

【００８６】ネット不純物濃度３１において、光電変換
素子のｎ層７に蓄積される有効ドナー総量を示す斜線３
２の面積は、従来の総量を示す斜線１５の面積より大き
くなっている。

【００８７】このため、光電変換素子の飽和特性の上限
値が従来のものより大きくなり、固体撮像素子の飽和電
荷量を大きくすることができる。

【００８８】ここで、基板５の濃度は、１０¹⁵ｃｍ^-3で
ある。ｐ層１０の濃度は、１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3で、そ
の拡散長は０.５ミクロンである。また、ｐ層６の濃度
は、約２×１０¹⁴ｃｍ^-3で、その領域は基板５表面から
拡散長５.５ミクロンである。ｎ層７の濃度は、１０¹⁶
〜１０¹⁷ｃｍ^-3で、その拡散長は１.８ミクロンであ
る。よってｎ層７とｐ層６の重なり合う領域は１.８ミ
クロンとなる。

【００８９】以上のような条件で固体撮像装置を形成す
ると、従来の固体撮像装置ではその飽和電荷量が４×１
０⁴／画素程度であったのが、１.２×１０⁵／画素程度
の値が得られる。

【００９０】図７に他発明の第１の実施例である固体撮
像装置の断面構造を示す。この図は従来技術の図２５に
示された固体撮像装置に対応した領域の断面図である。

【００９１】ｎ型基板５上に形成された所定範囲の深さ
と濃度を有したｐ層３３が形成されている。ｐ層３３に
ｎ層の光電変換素子７の一部の領域が形成されている。
また、ｐ層３３には高濃度のｐ層８が形成され、ｐ層８
内に垂直ＣＣＤ転送チャンネルとなるｎ層９が設けられ
ている。さらに、光電変換素子７の底部に接して高濃度
で厚さの薄いｐ層３４が形成されている。ｐ層３４はｐ
層３３とそれと隣合うｐ層３３で挟まれたｎ型基板５に
形成されている。光電変換素子７の上には高濃度のｐ層
１０が形成されている。また、ｐ層８は、ｎ層７及びｐ
層１０と離間して形成されている。

【００９２】ｎ型基板５上には、少なくとも光電変換素
子７の所定領域を除く領域にＳｉＯ₂等の絶縁膜１２を
介して垂直ＣＣＤ転送電極１３が形成されている。

【００９３】光電変換素子のｎ層７は低濃度で厚いｐ層
３３と、高濃度で厚さの薄いｐ層３４の２つの領域上に
形成されている。

【００９４】光電変換素子のｎ層７に蓄積された信号電
荷はｎ層９に読み出され、ｎ層９内であって紙面に垂直
な方向に信号電荷は転送される。

【００９５】光電変換素子のｎ層７上に形成された高濃
度ｐ層１０は、Ｓｉ−ＳｉＯ₂の界面準位に起因する暗
電流の発生を防止するために形成されている。

【００９６】以上のようにこの発明の固体撮像装置で、
従来の固体撮像装置と異なっている構成は、光電変換素
子のｎ層７が、低濃度で厚いｐ層２３と、高濃度で厚さ
の薄いｐ層３４の２つの領域上に少なくとも形成されて
いる点である。

【００９７】ここで、基板５の濃度は１０¹⁵ｃｍ^-3のも
のを用いた。また、ｐ層３３の濃度は１０¹⁵ｃｍ^-3で、
その拡散長は３ミクロンである。ｎ層７の濃度は１０¹⁶
〜１０¹⁷ｃｍ^-3で、その拡散長は１.８ミクロンであ
る。また、ｐ層１０の濃度は１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3で、
その拡散長は０.５ミクロンである。ｐ層８の濃度は３
×１０¹⁷ｃｍ^-3で、その拡散長は１.２ミクロンであ
る。ｎ層９の濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3で、その拡散長は
０.８ミクロンである。ｐ層３４の濃度は４×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3で、その拡散長は１.５ミクロンである。

【００９８】ｐ層３４は、光電変換素子であるｎ層７の
垂直ＣＣＤ転送部であるｎ層９から離れた位置に形成さ
れている。ｐ層３４は光電変換素子のｎ層７の長辺に沿
って形成されている。ｐ層３４の長辺方向への長さは３
ミクロンである。この長さが、さらに長く光電変換素子
のｎ層７の長辺に沿って形成されていると電子シャッタ
を動作させるための印加電圧を低くすることができる。
すなわち、ｎ層７に蓄積された信号電荷を全て基板５に
排出するために基板５に印加すべきパルス電圧を低くす
ることができる。

【００９９】また、光電変換素子のｎ層７とｐ層３４
の、垂直ＣＣＤ転送部であるｎ層９から最も離れた端部
がこの実施例では一致している。ｎ層７の端部よりｐ層
３４の端部が隣接するｐ層３３にまで伸びて形成されて
いても同様の効果を得ることができる。このように、端
部を形成するのにその位置関係に余裕があるため製造上
のマージンが大きくなる。

【０１００】一方、ｎ層７の端部よりｐ層３４の端部が
短くなる場合には、ｎ層７が基板５と直接接触すること
となり、ｎ層７には信号電荷が蓄積できなくなる。

【０１０１】さらに、ｐ層３４の基板５深部方向への厚
さは、１.５ミクロンである。この厚さは固体撮像装置
の電子シャッタを動作させるときにｎ層７に印加すべき
パルス電圧の値を左右する。すなわち、この厚さより薄
い場合には、ｎ層７と基板５の間に生じる電位障壁が低
くなる。このため基板５に印加すべき電圧を低くするこ
とができる。

【０１０２】また、この厚さより厚く形成されている場
合には、ｎ層７と基板５の間に生じる電位障壁が高くな
る。このため基板５に印加すべき電圧を高くする必要が
ある。

【０１０３】ｐ層３３とｎ型基板５の間にはｎ型基板５
に正電位、ｐ層３３に負電位となる逆バイアス電圧Ｖｓ
ｕｂが印加される。

【０１０４】ブルーミング現象を防止するために正電圧
Ｖｓｕｂをｎ型基板５に印加したときに、図７で示され
たＣ−Ｃ’線、及びＤ−Ｄ’線に沿った電位分布を図
８，９に示す。

【０１０５】図８はこの発明の固体撮像装置がブルーミ
ング現象を減少させるのに効果があることを詳細に説明
するための図である。

【０１０６】図８の破線３６は、図７で示されたＣ−
Ｃ’線、及び実線３７はＤ−Ｄ’線に沿った電位分布を
示す。領域１０，７，３３，５はそれぞれ高濃度ｐ層１
０、光電変換素子のｎ層７，低濃度で厚いｐ層３３，ｎ
型基板５の深さ方向の厚さを示している。

【０１０７】Ｖｓｕｂの電位が印加された時、低濃度で
厚いｐ層３３内での極小電位３８の値が高濃度で厚さの
薄いｐ層３４の極小電位３９の値よりも高くなってい
る。

【０１０８】光電変換素子のｎ層７では、電位の井戸を
形成している。このためｎ層７及びその周辺で発生した
電荷は、この電位の井戸を形成するポテンシャルに沿っ
て移動する。この結果電位の井戸内に電荷が蓄積されて
いく。さらに蓄積される電荷が多くなり、極小電位３８
を越える電位を持つ電荷がでてくると、過剰電荷となっ
てｐ層３３の電位分布に沿って移動する。この結果、過
剰電荷はｎ型基板５へ排出される。

【０１０９】ブルーミング現象は、光電変換素子のｎ層
７に高輝度の光が入射したときに生じる現象である。す
なわち、入射した光によって光電変換素子内に瞬時に多
量の電子が生じる。光電変換素子内には一定容量の電子
しか蓄積することができない。そこで瞬時に生じた電子
の量が多量で光電変換素子に蓄積される容量より多い場
合には、隣接した垂直ＣＣＤの転送チャンネル内に過剰
な電子が流入することによってが生じる。このような現
象をブルーミング現象と呼ばれている。

【０１１０】図８から、光電変換素子内の電位分布は、
図８に示される破線３６と実線３７の２つのタイプの分
布を示す。光電変換素子のｎ層７で形成された電子は、
電位の井戸内に蓄積されていく。その蓄積量が多くなる
と、光電変換素子のｎ層７の２つの分布形状の内、より
電位の低い方の電位分布の部分から電子がｐ層３３へ流
れていく。実線３７で示される分布状態の極小電位３８
は破線３６の極小電位３９より低いため、実線３７の電
位分布を持つ領域から最初に電子がｐ層３３へ流れてい
く。

【０１１１】図９はこの発明の固体撮像装置が電子シャ
ッタの動作を行なうのに有効な構成であることを詳細に
説明するための図である。

【０１１２】電子シャッタは光電変換素子のｎ層７に蓄
積された全ての信号電荷をｎ型基板５に排出することで
ある。図９は電子シャッタの動作を行わせた時の基板５
内の電位分布である。すなわち電子シャッタの動作は光
電変換素子のｎ層７に蓄積された電子が全て基板５に排
出することである。蓄積された電子が完全に排出されな
ければ電子シャッタを動作させた時に、光電変換素子単
位に各々異なる電荷量が内部に蓄積された（取り残され
た）状態となる。このため取り残された電荷によって固
定パターンを発生させることになる。

【０１１３】電子シャッタを動作させるためにｎ型基板
５に図８より更に高い正電圧Ｖｓｕｂを印加されてい
る。

【０１１４】図９に、図７のＣ−Ｃ’線、及びＤ−Ｄ’
線に沿った電位分布をそれぞれ破線４０及び実線４１に
示す。

【０１１５】図９の領域１０，７，３３，５はそれぞれ
高濃度ｐ層１０、光電変換素子のｎ層７，低濃度で厚い
ｐ層３３，ｎ型基板５の深さ方向の厚さを示している。

【０１１６】Ｖｓｕｂの電位が印加されると、高濃度で
厚さの薄いｐ層３４の極小電位４２が低濃度で厚いｐ層
３３の極小電位４３よりも高くなっており、かつ極小電
位４２はｎ層７の電位４４よりも低くなっている。この
ため、光電変換素子のｎ層７に蓄積された信号電荷は、
電位の低い破線４２に沿って移動する。この時、光電変
換素子のｎ層７内の極小電位４４より破線４２の電位が
低くなっているため、光電変換素子に蓄積された信号電
荷が全てｎ型基板５に排出される。

【０１１７】図１０はこのようになる理由を説明するた
めのＶｓｕｂに対する電位の関係を示す図である。

【０１１８】図１０中の実線４５及び破線４６はそれぞ
れ低濃度で厚いｐ層３３、及び高濃度で厚さの薄いｐ層
３４内の極小電位のＶｓｕｂ電圧依存性を示している。

【０１１９】実線４５はＶｓｕｂ電位が高くなるにつれ
て、ｐ層３３内の極小電位が徐々に高くなる。

【０１２０】一方、破線４６はＶｓｕｂ電位が高くなる
につれて、ｐ層３４内の極小電位が急激に高くなる。

【０１２１】この差はｐ層３３とｐ層３４を比較した場
合、ｐ層３３の不純物濃度がｐ層３４の不純物濃度より
低く、かつその厚さが厚くなっている点に起因する。す
なわち、ｐ層３４は逆に不純物濃度は高く、かつその厚
さが薄く形成されている。

【０１２２】したがって、光電変換素子のｎ層７の蓄積
電荷量のＶｓｕｂ電位依存性は、図１０の交点４７以下
では実線４５によって、また交点４７以上では破線４６
で決定される。すなわち、光電変換素子の蓄積電荷量は
図１１に示すようなＶｓｕｂ電位依存性を持つ。これよ
り光電変換素子に蓄積されている間、すなわち図８で示
された状態が図１１の領域４８に相当している。

【０１２３】電子シャッタを動作させて信号電荷を排出
する時には図９に示された状態、すなわち図１１で示さ
れた実線よりも高電圧の時の状態で動作させる。このよ
うにすることで、高い飽和電荷量を持つ光電変換素子を
低いＶｓｕｂとなるパルス電圧で電子シャッタの動作を
行なうことができる。

【０１２４】これより、ブルーミングの発生を防止する
ためには、領域４８のように最大蓄積電荷量の変化がＶ
ｓｕｂ電位に対して緩やかなＶｓｕｂ電位依存性領域で
行うのがよい。

【０１２５】このような領域で用いることで、カメラ一
体型ＶＴＲのＶｓｕｂ電位調整が容易となる。また、こ
のようなＶｓｕｂ電位領域で用いることで光電変換素子
の最大蓄積電荷量の減少を少なくすることができる。

【０１２６】その一方で電子シャッタを動作させる時
は、領域４９のように最大蓄積電荷量の変化がＶｓｕｂ
に対して急峻なＶｓｕｂ依存性を有する領域で用いるの
がよい。

【０１２７】というのも電子シャッタを動作させる電位
は、ブルーミングの発生を防止する時に印加される電位
に更にクロック電圧を加えて実現する。

【０１２８】この発明の固体撮像装置では従来の固体撮
像装置で電子シャッタを動作させる時に、印加されるク
ロック電圧より低い電圧で電子シャッタを動作させるこ
とができる。

【０１２９】すなわち、従来の固体撮像装置で電子シャ
ッタを動作させる時に、印加されるクロック電圧は、３
０ボルトであるのに対してこの実施例の固体撮像装置で
は１８ボルトという低い電圧で電子シャッタを動作させ
ることができる。

【０１３０】このように光電変換素子のｎ層７に接して
低濃度で厚いｐ層３３と高濃度で厚さの薄いｐ層３４を
形成することによって、ブルーミングを防止するための
ビデオカメラのＶｓｕｂ電位の調整を容易にでき、また
光電変換素子の最大蓄積電荷量（飽和電荷量）を高くす
ることができる。また、電子シャッタを動作させるのに
低いクロック電圧で実現することができる。

【０１３１】さらに、高濃度で浅いｐ層３４を図７の破
線３５で示すように光電変換素子のｎ層７内に一部が重
なるように形成する。すなわち、破線３５に示すような
位置に形成することで、高濃度で薄いｐ層３４と接する
ｎ層７の厚さが実質上薄くなる。このため、光電変換素
子の信号電荷を読み出す際に、光電変換素子のｎ層７が
空乏化した状態となる。よってそこに発生する電位分布
は読み出し側に深くなるため、残像の発生を防止するこ
とがより容易になる。

【０１３２】次に他発明の第２の実施例の固体撮像装置
について図１２を用いて説明する。

【０１３３】図１２の断面図は従来技術（図２４）のＡ
−Ａ’線に沿った断面図である。ｎ型基板５上に形成さ
れた所定範囲の深さと濃度を有したｐ層３３が形成され
ている。ｐ層３３にｎ層７の光電変換素子の一部の領域
が形成されている。また、ｐ層３３には高濃度のｐ層８
が形成され、ｐ層８内に垂直ＣＣＤである転送チャンネ
ルとなるｎ層９が設けられている。さらに、光電変換素
子のｎ層７の底部の一部に接して高濃度で厚さの薄いｐ
層３４が形成されている。ｐ層３４はｐ層３３とそれと
隣合うｐ層３３で挟まれたｎ型基板５に形成されてい
る。光電変換素子のｎ層７の上には高濃度のｐ層１０が
形成されている。また、ｐ層８は、ｐ層７及びｐ層１０
と離間して形成されている。

【０１３４】ｎ型基板５上には、少なくとも光電変換素
子のｎ層７の所定領域を除く領域にＳｉＯ₂等の絶縁膜
１２を介して垂直ＣＣＤの転送電極１３が形成されてい
る。

【０１３５】ここで他発明の第１の実施例と異なる部分
は、高濃度で厚さの薄いｐ層３４が垂直ＣＣＤ転送チャ
ンネルとなるｐ層８の読み出し側に形成されていること
である。

【０１３６】すなわち光電変換素子のｎ層７内の高濃度
で厚さの薄いｐ層３４に接した部分を低濃度で厚いｐ層
３３に接した部分よりもやや深く形成する。光電変換素
子のｎ層７の形状は鍵型となり、その短辺の先端にｐ層
３４が形成されている。これによって、光電変換素子の
ｎ層７が空乏化されたとき、光電変換素子の読み出し側
の電位が高くなる。このため、読み出し時に光電変換素
子の電荷が容易に移動することができる。このため残像
の発生を防止することがより容易になる。

【０１３７】ここで、図７の固体撮像装置についてその
駆動方法を図８、９を参照しながら説明する。

【０１３８】図７において、ｐ層８は電気的に接地され
ている。基板５には正電圧が印加されている。このた
め、ｐ層８、３３、３４と基板５の間は、逆バイアス状
態となっている。この時の信号電荷蓄積期間における電
位分布を図７のＣ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線に沿った電位分
布として示したのが上記したように図８である。

【０１３９】この期間では、ｐ層３３の極小電位３８
が、ｐ層３４の極小電位３９よりも深い。このため、光
電変換素子のｎ層７で過剰電荷となったなった電子が極
小電位３８に沿って移動し、基板５に排出されなければ
ならない。このためには、基板５へ所定の電圧を印加す
ればよい。

【０１４０】一方、電子シャッタの動作を行なわせる期
間での電位分布を図７のＣ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線に沿っ
た電位分布として示したのが上記したように図９であ
る。

【０１４１】この期間では信号電荷蓄積期間よりも更に
高い電圧を基板５に印加する必要がある。更に高い電圧
を基板５に印加することで、ｎ層７に蓄積されていた信
号電荷をすべてｎ型基板５へ排出することができる。こ
のためには、ｎ層７の極大電位４４よりも、ｐ層３４の
極小電位４２の方が、高い電位にする必要がある。

【０１４２】ｐ層３３を低濃度で、その分布の厚さを厚
くし、ｐ層３４を高濃度で、深く形成することによっ
て、従来より低い電圧で電子シャッタの動作をさせるこ
とができる。この時、ｐ層３３の極小電位４３の電位
は、ｐ層３４の極小電位４２よりも低くなっている。す
なわち、基板５に印加するＶｓｕｂ電位を高くして行く
と、ｐ層３３の極小電位４３がｐ層３４の極小電位４２
を追い越すことができる。

【０１４３】このようにして、基板５に印加する電位が
低くとも、電位シャッタを動作させることができる。

【０１４４】次に他発明の第３の実施例を図１３を用い
て説明する。図１３の断面図は従来技術（図２４）のＢ
−Ｂ’線に沿った断面図である。ｎ型基板５上に形成さ
れた所定範囲の深さと濃度を有したｐ層３３が形成され
ている。ｐ層３３とその隣合うｐ層３３で挟まれた領域
はｎ型基板５である。ｐ層３３と隣合うｐ層３３に挟ま
れたｎ型基板５にはｐ層３４が形成されている。ｐ層３
３とｐ層３４の各々の一部の領域に光電変換素子のｎ層
７が連続して形成されている。隣合う光電変換素子の間
は分離用のｐ層５２が形成されている。

【０１４５】この発明を、本発明の第１、２の実施例と
比較したとき、ｐ層３３内のｐ層８および、ｐ層８内の
転送チャンネルとなるｎ層９が設けられていない構成で
ある。

【０１４６】さらに、光電変換素子のｎ層７の底部の一
部に接して高濃度で厚さの薄いｐ層３４が形成されてい
る。光電変換素子のｎ層７の上には高濃度のｐ層１０が
形成されている。

【０１４７】ｎ型基板５上には、少なくとも光電変換素
子のｎ層７の所定領域を除く領域にＳｉＯ₂等の絶縁膜
１２を介して垂直ＣＣＤの転送電極５０が形成されてい
る。さらに垂直ＣＣＤの転送電極５１が絶縁膜１２を介
して形成されている。

【０１４８】高濃度で厚さの薄いｐ層３４は光電変換素
子とその隣合う光電変換素子間の分離部に１個形成され
ている。すなわち、ｐ層３４が２個の光電変換素子に対
して共通に形成されている。

【０１４９】こうすることによって高濃度で厚さの薄い
ｐ層３４の形成個数を光電変換素子の個数の半分にする
ことができる。また、光電変換素子と接する高濃度で厚
さの薄いｐ層３４の面積を小さくすることができるので
ブルーミングの発生を防止することが容易になる。

【０１５０】図１４は図７のＣ−Ｃ’線、及びＤ−Ｄ’
線にに沿った深さ方向の不純物原子濃度分布である。５
３，５４，５５，５６，５７はそれぞれ高濃度ｐ層１
０，光電変換素子のｎ層７，高濃度で厚さの薄いｐ層３
４，低濃度で厚いｐ層３３，ｎ型基板５の不純物濃度で
ある。

【０１５１】ｐ層３４を高濃度で厚さの薄い層である不
純物濃度５５として形成するためには、光電変換素子の
ｎ層７の不純物濃度５４を基板５表面よりも基板内部に
不純物原子濃度の極大値を有するように形成する。この
ような構造にすることで光電変換素子のｎ層７内のネッ
ト不純物濃度の減少を少なくできる。このため、光電変
換素子の特性を劣化することがない。このとき低濃度で
厚いｐ層３３の不純物濃度５６も高濃度で厚さの薄いｐ
層３４と同様に基板表面よりも基板内部にその不純物原
子濃度分布の極大値を有する構造とすることによって、
低濃度で厚いｐ層３３と高濃度で厚さの薄いｐ層３４の
不純物濃度５５との独立性が保ち易く不純物濃度の制御
がより容易になる。

【０１５２】以上のような構造を形成するには、高濃度
で厚さの薄いｐ層３４を形成するときにホウ素等の不純
物を２００ＫｅＶ以上の加速エネルギーで注入すること
によって実現することできる。

【０１５３】このように形成された光電変換素子周辺の
ネット不純物濃度分布は図１５のようになる。５８，５
９，６０，６１はそれぞれ高濃度ｐ層１０，光電変換素
子のｎ層７，高濃度で厚さの薄いｐ層３４，ｎ型基板５
のネット不純物濃度を示す。６２，６３はそれぞれ低濃
度で厚いｐ層３３，ｎ型基板５のネット不純物濃度を示
している。このとき低濃度で厚いｐ層３３も高濃度で厚
さの薄いｐ層３４と同様に２００ＫｅＶ以上の加速エネ
ルギーで注入することによって不純物濃度分布制御がよ
り容易になる。

【０１５４】図１６〜図１９に上記本発明の第１の実施
例の固体撮像装置の断面工程図を示す。比抵抗２０オー
ム・ｃｍであるｎ型基板５の主面のほぼ全面にｐ型不純
物であるボロンをイオン注入する。ここでボロンのイオ
ン注入は、注入量約５×１０¹¹／ｃｍ²で行なう。この
イオン注入によって基板５表面にボロンが導入される。

【０１５５】この後、基板５を熱処理することによって
ｐ層６を形成する。上記本発明の第２の実施例の固体撮
像装置では、イオンを基板５表面に導入し、熱拡散させ
て不純物濃度が広範囲に分布するようにしている。すな
わち基板５を高温で熱処理することによってイオン注入
されたボロンを拡散させてｐ層６を形成する。

【０１５６】ｐ層６は、基板表面にイオンが導入された
が高温の熱処理によってイオンを広範囲に拡散させるた
め、不純物濃度はｐ層６の領域内で広範囲に分布するよ
うに形成させている。

【０１５７】この後、通常のフォトリソグラフィを用い
て垂直ＣＣＤ転送チャネルとなる領域以外にレジストパ
ターンを形成する。レジストパターンをマスクとしてボ
ロンをイオン注入しｐ層８を形成する。

【０１５８】この後、先のレジストパターンを酸素系の
ガスを用いてドライエッチングを行い除去する。さらに
再度、フォトリソグラフィを用いて垂直ＣＣＤ転送チャ
ネルとなるｐ層８内のｎ層９を形成する領域以外にレジ
ストパターンを形成する。

【０１５９】レジストパターンをマスクとしてリンをイ
オン注入しｎ層９を形成する。この後、レジストパター
ンを酸素系のドライエッチングを用いて除去する。

【０１６０】次に基板５主面に絶縁膜１２を熱酸化によ
り形成する。ここでは、絶縁膜１２として酸化膜を用い
ている。

【０１６１】さらに、絶縁膜１２上に垂直ＣＣＤ転送電
極１３となる電極材料を形成する。さらに、電極材料上
にレジストを塗布する（図１６）。

【０１６２】次に、フォトリソグラフィを用いて転送電
極１３となる領域より広い領域以外の領域、すなわち光
電変換素子となるｎ層７が形成されるべき領域のレジス
トを通常のフォトリソグラフィを用いて除去し、レジス
トパターン２０を形成する。レジストパターン２０をマ
スクに電極材料にドライエッチングを施し、絶縁膜１２
が露出するまでエッチングする。

【０１６３】次にレジストパターン２０および電極材料
をマスクにさらに絶縁膜１２を保護膜としてリンのイオ
ン注入を行なう。このイオン注入によって光電変換素子
となるｎ層７が形成される（図１７）。

【０１６４】ここでリンのイオン注入は、加速エネルギ
３６０〜８００ｋｅＶ、注入量１.２×１０¹²〜３.４×
１０¹²／ｃｍ²で行なう。

【０１６５】以上のことから、従来のように光電変換素
子に導入される不純物の導入量を増やす必要がない。導
入量を増加させるためには、相当時間のロスを生じるこ
ととなる。このため固体撮像装置を形成する時のスルー
プットが低下することがない。

【０１６６】また、導入された不純物を高温熱処理によ
って基板深部へ拡散させて、光電変換素子の体積を増加
させる必要がない。このため高温熱処理によって誘起さ
れる基板内の欠陥が生じることがない。さらに、他の拡
散層から不純物が拡散され、所望の不純物濃度をもたせ
るよう制御する必要がない。また、高温熱処理を行なう
ことで光電変換素子が拡散し広がって、垂直ＣＣＤ転送
チャンネルや転送チャンネルと光電変換素子との間隙に
まで拡散することがない。

【０１６７】また、光電変換素子の端部と垂直ＣＣＤ転
送電極の端部との位置関係は、高温の熱処理を行なうこ
とによって、その拡散層の位置を制御することが困難と
なることがない。このため両者の位置関係を容易に得る
ことができる。このことは固体撮像装置のブルーミング
現象を生じることを防止でき、飽和特性が低下すること
による画質の劣化をとどめることができる。

【０１６８】この後、レジストパターン２０を除去す
る。基板５表面には絶縁膜１２と転送電極１３より広い
領域の電極材料が形成されている。次に、転送電極１３
となる領域にレジストパターンを形成し、このレジスト
パターンをマスクに電極材料をドライエッチングする。
以上の工程で転送電極１３が形成される（図１８）。

【０１６９】この時、光電変換素子より電子が垂直ＣＣ
Ｄ転送チャンネルに読み出されるｎ層７とｐ層８の間隙
上に転送電極１３が設けられていなければならない。こ
のため転送電極１３作成時のドライエッチングでは、も
ともと光電変換素子となるｎ層７の側壁端と転送電極１
３の側壁端が一致しているため、転送電極１３の一方の
側壁端を短くして所定の長さに形成する。

【０１７０】次に、基板５主面に絶縁膜１２を堆積す
る。この転送電極１３とレジストパターンをマスクにボ
ロンをイオン注入する。これによってｎ層７上に暗電流
を防止するためのｐ層１０が形成される（図１９）。

【０１７１】なお、ここの説明はｎ型光電変換素子の例
であったが、ｐ型光電変換素子の場合も同様の効果があ
ることはもちろんである。

【０１７２】また、導電型の極性を逆にして 印加電圧
の極性を逆にしても同様の効果があることももちろんで
ある。

【０１７３】また、注入イオン種はここに上げた物に限
定する必要がないのは当然である。図２０〜図２３に上
記他発明の第１の実施例の固体撮像装置の断面工程図を
示す。

【０１７４】ｎ型基板５の主面にｐ層３３となる領域以
外の領域にレジストパターンを形成する。すなわち光電
変換素子の下に形成された高濃度で薄いｐ層３４の領域
の基板５上にレジストパターンを形成する。次にレジス
トパターンをマスクにして基板５全面にｐ型不純物であ
るボロンをイオン注入する。

【０１７５】この後、レジストパターンを酸素系のドラ
イエッチングを用いて除去する。次にｐ層３３となる領
域に新たにレジストパターン６４を形成する。すなわち
光電変換素子の下に形成された高濃度で薄いｐ層３４の
領域以外の基板５上にレジストパターン６４を形成す
る。次にこのレジストパターン６４をマスクにｎ型基板
５にｐ型不純物であるボロンをイオン注入する（図２
０）。

【０１７６】この後、レジストパターン６４を酸素系の
ドライエッチングを用いて除去する。

【０１７７】上記２つのボロンのイオン注入工程では、
その注入順序が入れ替わってもかまわない。

【０１７８】この時、ｐ層３３とｐ層３４の拡散層端部
が重なり合うと、重なり合った部分の不純物濃度が高く
なり、またその厚さも厚くなる。このため、重なり合っ
た部分は基板へ信号電荷を排出する場合には寄与しな
い。

【０１７９】また、ｐ層３３とｐ層３４の拡散層端部が
重なり合わずに形成されていると、その重なり合わない
間隙の部分のｐ型不純物濃度が低くなる。このため飽和
電荷量は低下してしまうかあるいは印加すべきＶｓｕｂ
電圧が低下することとなる。

【０１８０】この後、フォトリソグラフィを用いて垂直
ＣＣＤ転送チャネルとなる領域以外にレジストパターン
を形成する。レジストパターンをマスクとしてボロンを
イオン注入しｐ層８を形成する。

【０１８１】この後、レジストパターンを酸素系のガス
を用いてドライエッチングを行い除去する。さらに再
度、フォトリソグラフィを用いて垂直ＣＣＤ転送チャネ
ルとなるｐ層８内のｎ層９を形成する領域以外にレジス
トパターンを形成する。

【０１８２】レジストパターンをマスクとしてリンをイ
オン注入しｎ層９を形成する。この後、レジストパター
ンを酸素系のドライエッチングを用いて除去する。

【０１８３】次に基板５主面に絶縁膜１２を熱酸化によ
って形成する。ここでは、絶縁膜１２として酸化膜を用
いている。

【０１８４】この酸化膜の膜厚は、後の工程で形成され
る光電変換素子のイオン注入のマスクとして用いられる
ため、高精度に膜厚が制御されていなければならない。

【０１８５】さらに、絶縁膜１２上に垂直ＣＣＤ転送電
極１３となる電極材料を形成する。さらに、電極材料上
にフォトリソグラフィを用いて転送電極１３となる領域
より広い領域以外の領域にレジストパターン６５を形成
する。レジストパターン６５をマスクに電極材料をドラ
イエッチングを施し、絶縁膜１２が露出するまでエッチ
ングする（図２１）。

【０１８６】次にレジストパターン６５および電極材料
をマスクにさらに絶縁膜１２を保護膜としてリンのイオ
ン注入を行なう。このイオン注入によって光電変換素子
となるｎ層７が形成される。

【０１８７】ｐ層７の不純物濃度の分布は、基板５に形
成されている領域で高く、ｐ層３３に形成されている領
域では低くなる。すなわち、基板５に形成されている光
電変換素子のｎ層７は、基板５のｎ型不純物濃度とイオ
ン注入されたｎ型不純物濃度の和で決まる。これに対し
て、ｐ層３３に形成されている光電変換素子のｎ層７
は、ｐ層３３のｐ型不純物濃度とイオン注入されたｎ型
不純物濃度の和で決まる。

【０１８８】このように、１つの光電変換素子のｎ層７
内で不純物濃度の異なる領域が形成される。

【０１８９】さらに、高濃度の薄いｐ層３４は光電変換
素子となるｎ層７の拡散層底部に形成されるように制御
されている。

【０１９０】上記した固体撮像装置の他発明の第２の実
施例では、高濃度で薄いｐ層３４は、転送電極１３側に
形成される。

【０１９１】この時もｐ層３４とｎ層７が重なり合った
領域では、その不純物濃度はｎ層７とｐ層３４の不純物
濃度の和となる。

【０１９２】ここでは光電変換素子のｎ層７は高濃度で
厚さの薄いｐ層３４に接した部分を低濃度で厚いｐ層３
３に接した部分よりもやや深く形成する。光電変換素子
のｎ層７の形状は鍵型となり、その短辺の先端にｐ層３
４が形成されている。これによって、光電変換素子のｎ
層７が空乏化されたとき、光電変換素子の読み出し側の
電位が高くなる。このため、読み出し時に光電変換素子
の電荷が容易に移動できるようになる。

【０１９３】このように鍵型のｎ層は、ｐ層３４とｎ層
７との接合面が、ｐ層３３とｎ層７との接合面より深く
なるように形成されている。すなわち、ｐ層３４を形成
するときに、イオン注入するボロンの加速エネルギを、
ｐ層３３を形成する時のイオン注入の加速エネルギより
も高くして行なう。従って、ｎ層７の基板５の深さ方向
への厚さが厚くすることによって、その部分の電位を高
くなる。

【０１９４】以上のことから、従来のように光電変換素
子に導入される不純物の導入量を増やす必要がない。導
入量を増加させるためには、相当時間のロスを生じるこ
ととなる。このため固体撮像装置を形成する時にスルー
プットが低下することがない。

【０１９５】また、導入された不純物を高温熱処理によ
って基板深部へ拡散させて、光電変換素子の体積を増加
させる必要がない。このため高温熱処理によって誘起さ
れる基板内の欠陥が生じることがない。さらに、他の拡
散層から不純物が拡散され、所望の不純物濃度をもたせ
るよう制御する必要がない。また、高温熱処理を行なう
ことで光電変換素子が拡散し広がって、垂直ＣＣＤ転送
チャンネルや転送チャンネルと光電変換素子との間隙に
まで拡散することがない。

【０１９６】また、光電変換素子の端部と垂直ＣＣＤ転
送電極の端部との位置関係は、高温の熱処理を行なうこ
とによって、その拡散層の位置を制御することが困難と
なることがない。このため両者の位置関係を容易に得る
ことができる。このことは固体撮像装置のブルーミング
現象を生じることを防止でき、画質の劣化をとどめるこ
とができる。

【０１９７】この後、レジストパターン６５を除去す
る。基板５表面には絶縁膜１２と転送電極１３より広い
領域の電極材料が形成されている。次に、転送電極１３
となる領域にレジストパターンを形成し、このレジスト
パターンをマスクに電極材料をドライエッチングする。
以上の工程で転送電極１３が形成される（図２２）。

【０１９８】この時、光電変換素子より電子が垂直ＣＣ
Ｄ転送チャンネルに読み出されるｎ層７とｐ層８の間隙
上に転送電極１３が設けられていなければならない。こ
のため転送電極１３作成時のドライエッチングでは、も
ともと光電変換素子となるｎ層７の側壁端と転送電極１
３の側壁端が一致しているため、転送電極１３の一方の
側壁端を短くして所定の長さに形成する。

【０１９９】次に、基板５主面に絶縁膜１２を堆積す
る。この転送電極１３とレジストパターンをマスクにボ
ロンをイオン注入する。これによってｎ層７上に暗電流
を防止するためのｐ層１０が形成される（図２３）。

【０２００】以上述べたように、本発明の固体撮像装置
の製造方法では、光電変換素子となるｎ層を高加速エネ
ルギのイオン注入を用いて実現するため、不純物濃度分
布は基板内部に最も濃度の高い領域を持たせることがで
きる。

【０２０１】このため、光電変換素子に蓄積できる有効
ドナー総量が増加し飽和電荷量を十分に高くすることが
できる。

【０２０２】イオン注入によって光電変換素子を形成す
るため、光電変換素子の端部と垂直ＣＣＤ転送電極との
位置関係は、転送電極１２を形成する時に行なわれる露
光工程でのマスクの位置合わせ精度によって定まる。こ
のため高温での熱拡散によって形成される位置を制御す
る必要がなく、光電変換素子の端部と垂直ＣＣＤ転送電
極との位置の制御性が高い。このため固体撮像装置は残
像現象を生じ難くなり、画質が劣化するのを防止でき
る。

【０２０３】また、イオン注入によって光電変換素子を
形成するｎ層の不純物濃度分布において、その濃度の極
大値が基板内部にすることができる。このため光電変換
素子に蓄積される有効ドナー総量が多くなる。したがっ
て高い飽和特性を有する光電変換素子を備えた固体撮像
装置を得ることができる。

【０２０４】また、光電変換素子のｎ層上には、暗電流
防止用のｐ層が形成されている。イオン注入によって基
板内部に光電変換素子となるｎ層の濃度の極大値を形成
されている。このため基板表面でのｐ層の不純物濃度の
ネット値は、従来の固体撮像素子のｐ層の濃度より高濃
度にすることができる。このため低い暗電流特性を有す
る光電変換素子を備えた固体撮像装置を得ることができ
る。

【０２０５】本発明の固体撮像装置の製造方法では、光
電変換素子の不純物濃度は基板深部での濃度が最も高く
なっている。このため従来行なわれていたような光電変
換素子に導入される不純物の導入量を増やす必要がな
い。導入量を増加させるためには、相当時間のロスを生
じることとなる。このため固体撮像装置を形成する時の
スループットが低下することがない。さらに、白きずに
よる歩留まりの低下を防止することができる。

【０２０６】また、導入された不純物を高温熱処理によ
って基板深部へ拡散させて、光電変換素子の面積を増加
させる必要がない。このため高温熱処理によって誘起さ
れる基板内の欠陥が生じることがない。さらに、他の拡
散層から不純物が拡散され、所望の不純物濃度をもたせ
るよう制御する必要がない。また、高温熱処理を行なう
ことで光電変換素子が拡散し広がって、垂直ＣＣＤ転送
チャンネルや転送チャンネルと光電変換素子との間隙に
まで拡散することがない。

【０２０７】なお、ここでの説明はｎ型光電変換素子の
例であったが、ｐ型光電変換素子の場合も同様の効果が
あることはもちろんである。

【０２０８】

【発明の効果】本発明によれば、光電変換素子を構成す
る主たる不純物が形成する領域（第１領域）と、暗電流
を低減する層を構成する主たる不純物が形成する領域
（第２領域）との重なりが小さくなり、光電変換素子に
蓄積される信号電荷量を決定する有効ドナーの絶対量が
従来と比べて飛躍的に大きくなって、飽和電荷量が十分
に大きくなる。また、これら第１領域および第２領域を
それぞれ形成するためのイオン注入の注入量が低減され
る。これらのイオン注入量が多いといわゆる白キズを発
生する確率が増加するため、イオン注入量の低減は製造
技術上の価値が非常に高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の固体撮像装置を説明す
るための断面図

【図２】本発明の第１の実施例の固体撮像装置の不純物
濃度を説明するための図

【図３】本発明の第１の実施例の固体撮像装置のネット
不純物濃度を説明するための図

【図４】本発明の第１の実施例の固体撮像装置のネット
不純物濃度を説明するための図

【図５】本発明の第２の実施例の固体撮像装置の不純物
濃度を説明するための図

【図６】本発明の第２の実施例の固体撮像装置のネット
不純物濃度を説明するための図

【図７】他発明の第１の実施例の固体撮像装置を説明す
るための断面図

【図８】他発明の第１の実施例のブルーミング現象を説
明するための電位分布図

【図９】他発明の第１の実施例の電子シャッタの動作を
説明するための電位分布図

【図１０】他発明の第１の実施例の基板電位とを説明す
るための図

【図１１】他発明の第１の実施例の最大蓄積電荷量を説
明するための図

【図１２】他発明の第２の実施例の固体撮像装置を説明
するための断面図

【図１３】他発明の第３の実施例の固体撮像装置を説明
するための別の断面図

【図１４】他発明の第１の実施例の固体撮像装置の不純
物濃度を説明するための図

【図１５】他発明の第１の実施例の固体撮像装置のネッ
ト不純物濃度を説明するための図

【図１６】本発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図１７】本発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図１８】本発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図１９】本発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図２０】他発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図２１】他発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図２２】他発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図２３】他発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を
説明するための図

【図２４】従来の固体撮像装置を説明するための平面図

【図２５】従来の固体撮像装置を説明するための断面図

【図２６】従来の固体撮像装置の不純物濃度を説明する
ための図

【図２７】従来の固体撮像装置のネット不純物濃度を説
明するための図

【図２８】従来の固体撮像装置の製造方法を説明するた
めの断面図

【図２９】従来の固体撮像装置の製造方法を説明するた
めの断面図

【図３０】従来の固体撮像装置の製造方法を説明するた
めの断面図

【図３１】従来の固体撮像装置の製造方法を説明するた
めの断面図

【符号の説明】

５ 基板 ６ ｐ層 ７ ｎ層 ８ ｐ層 ９ ｐ層 １２ 絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺川 澄雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−170968（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−131566（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217656（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−171668（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/148 H01L 21/339 H01L 29/762 H04N 5/335

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に、信号電荷を蓄積する光電
   変換素子部の主たる一導電型不純物が分布した第１領域
   と、前記第１領域の前記基板表面側に逆導電型不純物が
   分布した第２領域とを備え、前記第１領域の一導電型不
   純物の前記基板深さ方向の濃度極大部が、前記第２領域
   の前記基板内部側の端部よりも前記基板深くにあること
   を特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 半導体基板に、信号電荷を蓄積する光電
   変換素子部の主たる一導電型不純物が分布した第１領域
   と、前記第１領域の前記基板表面側に逆導電型不純物が
   分布した第２領域とを備え、前記第１領域の前記基板表
   面側の端部が、前記第２領域の逆導電型不純物の前記基
   板深さ方向の濃度極大部よりも前記基板深くにあること
   を特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 半導体基板に、信号電荷を蓄積する光電
   変換素子部の主たる一導電型不純物が分布した第１領域
   と、前記第１領域の前記基板表面側に逆導電型不純物が
   分布した第２領域とを備え、前記第１領域の一導電型不
   純物の前記基板深さ方向の濃度極大部が、前記第２領域
   の前記基板内部側の端部よりも前記基板深くにあり、前
   記第１領域の前記基板表面側の端部が、前記第２領域の
   逆導電型不純物の前記基板深さ方向の濃度極大部よりも
   前記基板深くにあることを特徴とする固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記第２領域の逆導電型不純物の前記基
   板深さ方向の濃度極大部の濃度が１×１０¹⁸〜１×１０
   ¹⁹ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１ないし請求項
   ３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記第１領域は、前記基板に加速エネル
   ギー２００ｋｅＶ以上で前記一導電型不純物をイオン注
   入し、形成したものであることを特徴とする請求項１な
   いし請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記基板に逆導電型の拡散層をさらに備
   え、前記拡散層の逆導電型不純物の前記基板深さ方向の
   濃度極大部が、前記第１領域の一導電型不純物の前記基
   板深さ方向の濃度極大部よりも前記基板深くにあること
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載
   の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 前記基板に逆導電型の拡散層をさらに備
   え、前記拡散層内に前 記第１領域及び前記第２領域が設
   けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５
   のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 前記基板に一導電型の転送チャンネルを
   さらに備え、前記転送チャンネルと前記第１領域とが離
   間していることを特徴とする請求項１ないし請求項７の
   いずれかに記載の固体撮像装置。
9. 【請求項９】 前記第２領域が暗電流防止層であること
   を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載
   の固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 前記第１領域及び前記第２領域は、各
    々の前記濃度極大部を形成する主たる不純物導入条件に
    よって前記一導電型不純物又は前記逆導電型不純物が分
    布した領域であることを特徴とする請求項１ないし請求
    項９のいずれかに記載の固体撮像装置。