JP2015035450A

JP2015035450A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法

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Publication number: JP2015035450A
Application number: JP2013164363A
Authority: JP
Inventors: 長孝田中; Nagataka Tanaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-19
Also published as: US20150041866A1; US20150236060A1; US9053995B2; TW201507113A; KR20150017653A; CN104347651A; US9401378B2; TWI525800B; KR101588107B1

Abstract

【課題】増幅トランジスタの出力線形性を向上させること。【解決手段】本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、光電変換素子と、フローティングディフュージョンと、増幅トランジスタとを備える。光電変換素子は、入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する。フローティングディフュージョンは、光電変換素子から読み出された電荷を一時的に蓄積する。増幅トランジスタは、フローティングディフュージョンがゲート電極に接続され、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に基づく信号を出力する。また、増幅トランジスタは、空乏層の最大領域の少なくとも一部に設けられる第１濃度領域と、第１濃度領域よりも深い位置に設けられ、第１濃度領域よりも不純物濃度が高い第２濃度領域とを備える。【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。

従来、固体撮像装置は、撮像画像の各画素に対応して設けられる複数の光電変換素子を備える。各光電変換素子は、入射光を受光強度に応じた量の電荷へ光電変換して電荷蓄積領域に蓄積する。

また、固体撮像装置は、各光電変換素子の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を読出トランジスタで読み出してフローティングディフュージョンに蓄積した後、増幅トランジスタによる増幅処理を経て画像信号を得る。

増幅トランジスタは、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量（ＦＤ電圧）に応じて画像信号を増幅して出力する。このため、適切な画像信号を得るためには、増幅トランジスタの出力がＦＤ電圧に対して線形的に変化することが望ましい。

特開２００５−２８６１６８号公報特開２０１１−１１９４４１号公報特開２００９−２１２０２９号公報

本発明の一つの実施形態は、増幅トランジスタの出力線形性を向上させることのできる固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、光電変換素子と、フローティングディフュージョンと、増幅トランジスタとを備える。光電変換素子は、入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する。フローティングディフュージョンは、光電変換素子から読み出された電荷を一時的に蓄積する。増幅トランジスタは、フローティングディフュージョンがゲート電極に接続され、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に基づく信号を出力する。また、増幅トランジスタは、空乏層の最大領域の少なくとも一部に設けられる第１濃度領域と、第１濃度領域よりも深い位置に設けられ、第１濃度領域よりも不純物濃度が高い第２濃度領域とを備える。

図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、第１の実施形態に係る画素アレイの回路構成の一例を示す図である。図４Ａは、従来の増幅トランジスタの出力特性を示す図である。図４Ｂは、従来の増幅トランジスタの出力特性を示す図である。図５Ａは、従来の増幅トランジスタの概略断面図である。図５Ｂは、従来の増幅トランジスタの概略断面図である。図５Ｃは、従来の増幅トランジスタに形成される空乏層の基板方向深さとポテンシャルとの関係を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る画素アレイの概略断面図である。図７は、第１の実施形態に係る増幅トランジスタの概略断面図である。図８は、第１の実施形態に係る増幅トランジスタに形成される空乏層の基板方向深さとポテンシャルとの関係を示す図である。図９Ａは、第１の実施形態に係る増幅トランジスタの基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。図９Ｂは、第１の実施形態に係る増幅トランジスタのＦＤ電圧と変調度との関係を示すグラフである。図１０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面模式図である。図１１は、第２の実施形態に係る増幅トランジスタの概略断面図である。図１２は、第２の実施形態に係る増幅トランジスタの基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。図１３は、第３の実施形態に係る理想モデルの基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４を備えるデジタルカメラ１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、デジタルカメラ１は、カメラモジュール１１と後段処理部１２とを備える。

カメラモジュール１１は、撮像光学系１３と固体撮像装置１４とを備える。撮像光学系１３は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置１４は、撮像光学系１３によって結像される被写体像を撮像し、撮像によって得られた画像信号を後段処理部１２へ出力する。かかるカメラモジュール１１は、デジタルカメラ１以外に、例えば、カメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。

後段処理部１２は、ＩＳＰ（Image Signal Processor）１５、記憶部１６および表示部１７を備える。ＩＳＰ１５は、固体撮像装置１４から入力される画像信号の信号処理を行う。かかるＩＳＰ１５は、例えば、ノイズ除去処理、欠陥画素補正処理、解像度変換処理等の高画質化処理を行う。

そして、ＩＳＰ１５は、信号処理後の画像信号を記憶部１６、表示部１７およびカメラモジュール１１内の固体撮像装置１４が備える後述の信号処理回路２１（図２参照）へ出力する。ＩＳＰ１５からカメラモジュール１１へフィードバックされる画像信号は、固体撮像装置１４の調整や制御に用いられる。

記憶部１６は、ＩＳＰ１５から入力される画像信号を画像として記憶する。また、記憶部１６は、記憶した画像の画像信号をユーザの操作等に応じて表示部１７へ出力する。表示部１７は、ＩＳＰ１５あるいは記憶部１６から入力される画像信号に応じて画像を表示する。かかる表示部１７は、例えば、液晶ディスプレイである。

次に、図２を参照してカメラモジュール１１が備える固体撮像装置１４について説明する。図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、固体撮像装置１４は、イメージセンサ２０と、信号処理回路２１とを備える。

イメージセンサ２０は、周辺回路２２と、画素アレイ２３とを備える。また、周辺回路２２は、垂直シフトレジスタ２４、タイミング制御部２５、ＣＤＳ（相関二重サンプリング部）２６、ＡＤＣ（アナログデジタル変換部）２７、およびラインメモリ２８を備える。

画素アレイ２３は、イメージセンサ２０の撮像領域に設けられる。かかる画素アレイ２３には、撮像画像の各画素に対応する複数の光電変換素子であるフォトダイオードが、水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）へ２次元アレイ状に配置されている。そして、画素アレイ２３は、各画素に対応する各光電変換素子が入射光量に応じた信号電荷（例えば、電子）を生成する。

ここで、画素アレイ２３の回路構成について図３を参照して説明する。図３は、第１の実施形態に係る画素アレイ２３の回路構成の一例を示す図である。なお、図３に示す回路は、画素アレイ２３の中で、撮像画像の２画素に対応する部分を選択的に抜き出した回路である。

図３に示すように、画素アレイ２３は、光電変換素子ＰＤと、読出トランジスタＴＲと、フローティングディフュージョンＦＤとを備える。また、画素アレイ２３は、リセットトランジスタＲＳＴと、アドレストランジスタＡＤＲと、増幅トランジスタＡＭＰとを備える。

光電変換素子ＰＤは、入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する。光電変換素子ＰＤのカソードは、グランドに接続され、アノードは読出トランジスタＴＲのソースに接続される。

読出トランジスタＴＲは、光電変換素子ＰＤに対応して設けられ、ゲート電極に転送信号が入力された場合に、光電変換素子ＰＤによって光電変換された信号電荷を読み出して、フローティングディフュージョンＦＤへ転送する。読出トランジスタＴＲのドレインは、フローティングディフュージョンＦＤに接続される。

フローティングディフュージョンＦＤは、読出トランジスタＴＲから転送された信号電荷を一時的に蓄積する。かかるフローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＲＳＴのソースが接続される。

リセットトランジスタＲＳＴのドレインは、電源電圧線Ｖｄｄに接続される。かかるリセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤへ信号電荷が転送される前に、ゲート電極へリセット信号が入力されると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源電圧の電位にリセットする。

また、フローティングディフュージョンＦＤには、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極が接続される。増幅トランジスタＡＭＰのソースは、周辺回路２２へ信号電荷を出力する信号線に接続され、ドレインがアドレストランジスタＡＤＲのソースに接続される。アドレストランジスタＡＤＲのドレインは、電源電圧線Ｖｄｄに接続される。

そして、画素アレイ２３では、アドレストランジスタＡＤＲのゲート電極にアドレス信号が入力された場合に、増幅トランジスタＡＭＰが、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された信号電荷の量（以下、「ＦＤ電圧」と記載する）に応じて画像信号ＶＳＩＧを増幅して周辺回路２２へ出力する。

このように、固体撮像装置１４では、増幅トランジスタＡＭＰが、光電変換素子ＰＤで発生した信号電荷の量に応じて変化するＦＤ電圧に応じて画像信号ＶＳＩＧを変化させることによって、被写体像に応じた画像信号を得ることとしている。このため、被写体像に応じた適切な画像信号を得るためには、増幅トランジスタＡＭＰの出力がＦＤ電圧に対して線形的に変化することが望ましい。

しかしながら、従来の増幅トランジスタには、被写体が比較的明るい場合（以下、「明時」と記載する）に、被写体が比較的暗い場合（以下、「暗時」と記載する）と比較して、ＦＤ電圧に対する出力線形性が低下する傾向があった。

かかる点について、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、従来の増幅トランジスタの出力特性を示す図である。

ここで、図４Ａには、従来の増幅トランジスタから出力される画像信号ＶＳＩＧの電圧（以下、「ＶＳＩＧ電圧」と記載する）とＦＤ電圧との関係を示している。また、図４Ａでは、理想的な出力特性Ｌ１と実際の出力特性Ｌ２とを、それぞれ破線および実線で示している。また、図４Ｂには、図４Ａに示す出力特性Ｌ１，Ｌ２の微分値（ΔＶＳＩＧ電圧／ΔＦＤ電圧：以下、「変調度」と記載する）Ｌ１’，Ｌ２’とＦＤ電圧との関係を示している。

図４Ａに示すように、従来の増幅トランジスタの出力特性Ｌ２は、暗時においては理想的な出力特性Ｌ１に近い特性となる。すなわち、従来の増幅トランジスタは、暗時においては、ＦＤ電圧に応じて適切なＶＳＩＧ電圧を出力する。

一方、従来の増幅トランジスタの出力特性Ｌ２は、被写体が明るくなるほど、理想的な出力特性Ｌ１から離れていくことがわかる。具体的には、従来の増幅トランジスタは、被写体が明るくなるほど、理想的なＶＳＩＧ電圧よりも高いＶＳＩＧ電圧を出力する傾向にある。この結果、図４Ｂに示すように、従来の増幅トランジスタは、被写体が明るくなるほど変調度が低下することとなる。

このように、従来の増幅トランジスタでは、明時において出力特性に非線形性が生じ易かった。この要因について図５Ａ〜図５Ｃを参照して具体的に説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、従来の増幅トランジスタの概略断面図であり、図５Ａには暗時における概略断面図を、図５Ｂには明時における概略断面図をそれぞれ示している。また、図５Ｃは、従来の増幅トランジスタに形成される空乏層の基板方向深さと、ポテンシャル（ゲート電極の電位）との関係を示す図である。

図５Ａに示すように、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０は、フローティングディフュージョンに接続されるゲート電極Ｇを備える。また、増幅トランジスタＡＭＰ＿０は、半導体基板のウェル領域ＩにソースＳおよびドレインＤを備える。

増幅トランジスタＡＭＰ＿０において、ソースＳおよびドレインＤ間の基板表面には、空乏層Ｂが形成される。空乏層Ｂは、キャリアが存在しない電気的に絶縁された領域である。

暗時は、明時と比べてＦＤ電圧が高い。このため、ゲート電極Ｇおよび基板間の電位差が大きく、空乏層Ｂは、ウェル領域Ｉの表面から基板方向深さに大きく延伸する（図５ＣのＬｄおよびＤｄ参照）。

ここで、ゲート電極Ｇの静電容量をＣＧ、空乏層Ｂの静電容量をＣＢとすると、変調度（ΔＶＳＩＧ電圧／ΔＦＤ電圧）は、ＣＧ／（ＣＧ||ＣＢ）で表される。また、空乏層Ｂの静電容量ＣＢは、空乏層Ｂの幅に反比例する。したがって、空乏層Ｂが延伸するほど空乏層Ｂの静電容量ＣＢは小さくなり、ＣＢが小さくなるほど変調度は高くなる。このため、暗時は変調度が高くなる（図４ＢのＰ１参照）。

一方、図５Ｂに示すように、明時は、暗時と比べてＦＤ電圧が低い。このため、ゲート電極Ｇおよび基板間の電位差は暗時と比べて小さく、空乏層Ｂは、暗時と比べて狭くなる（図５ＣのＬｌおよびＤｌ参照）。そうすると、空乏層Ｂの幅が狭くなるほど空乏層Ｂの静電容量ＣＢは大きくなるため、変調度は低くなる。したがって、明時は変調度が低くなる（図４ＢのＰ２参照）。

このように、従来の増幅トランジスタでは、暗時における空乏層Ｂの幅と明時における空乏層の幅とが異なるため、出力特性に非線形性が生じていた。

そこで、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４では、暗時と明時とで空乏層Ｂの幅を極力異ならせないようにすることで、出力線形性が良好な増幅トランジスタＡＭＰを得ることとした。

かかる増幅トランジスタＡＭＰの構成について、図６〜図８を参照して説明する。図６は、第１の実施形態に係る画素アレイ２３の概略断面図であり、図７は、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰの概略断面図である。また、図８は、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰに形成される空乏層の基板方向深さとポテンシャルとの関係を示す図である。

図６には、光電変換素子ＰＤ、読出トランジスタＴＲ、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴおよび増幅トランジスタＡＭＰ部分の断面を模式的に示している。なお、ここでは図示を省略するが、図６に示す構造体の下層側には、多層配線層が形成された層間絶縁膜を介して支持基板が設けられる。また、図６に示す構造体の上層には、層間絶縁膜を介して所定の色の入射光を選択的に透過させるカラーフィルタが設けられ、カラーフィルタの上面には、入射光を光電変換素子ＰＤの受光部へ集光するマイクロレンズが設けられる。

図６に示すように、画素アレイ２３は、第１導電型（以下、「Ｎ型」と記載する）または第２導電型（以下、「Ｐ型」と記載する）のＳＵＢ層９１上にＰ型のウェル層９２が設けられた半導体基板１００を備える。

また、画素アレイ２３は、光電変換素子ＰＤを備える。光電変換素子ＰＤは、例えば、半導体基板１００の上面から半導体基板１００の深さ方向へ延在するＰ型の半導体領域と、Ｐ型の半導体領域の下面から半導体基板１００の深さ方向へ延在するＮ型の半導体領域とによって形成される。

また、画素アレイ２３は、読出トランジスタＴＲのゲート電極３１と、リセットトランジスタＲＳＴのゲート電極４１と、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極５１とを備える。これらのゲート電極３１，４１，５１は、それぞれゲート酸化膜３２，４２，５２を介して半導体基板１００上に設けられる。また、各ゲート電極３１，４１，５１の側面には、サイドウォール９４が設けられる。

読出トランジスタＴＲのゲート電極３１とリセットトランジスタＲＳＴのゲート電極４１との間における半導体基板１００の内部には、Ｎ型の不純物がドープされたフローティングディフュージョンＦＤが設けられる。

また、半導体基板１００の内部には、リセットトランジスタＲＳＴのドレイン４３、増幅トランジスタＡＭＰのソース５３、ドレイン５４となる各所定位置に、Ｎ型の不純物がドープされた半導体領域が設けられる。なお、光電変換素子ＰＤ、読出トランジスタＴＲおよびリセットトランジスタＲＳＴと、増幅トランジスタＡＭＰとは、ＳＴＩ９３によってそれぞれ電気的に素子分離される。

図７には、図６に示す増幅トランジスタＡＭＰの模式的な拡大図を示している。図７に示すように、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰは、ウェル層９２に、不純物濃度が低い第１濃度領域５６と、第１濃度領域５６よりも不純物濃度が高い第２濃度領域５７とを備える。

第１濃度領域５６は、ソース５３およびドレイン５４間に形成される空乏層の最大領域５５の少なくとも一部に設けられる。空乏層の最大領域５５（以下、単に「最大領域５５」と記載する）は、空乏層が延伸し得る最大の領域である。具体的には、最大領域５５は、光電変換素子ＰＤが光を受光していない場合に形成される空乏層の領域である。

空乏層は、ウェル層９２の不純物濃度が低いほど延伸し易い。したがって、最大領域５５に不純物濃度の低い第１濃度領域５６を設けることで、空乏層が延伸し難い明時であっても、空乏層が延伸し易い暗時と同じように、空乏層を大きく延伸させることができる。

最大領域５５の幅、すなわち、空乏層の最大深さは、例えば、ソース５３およびドレイン５４の最大深さ（幅）とほぼ同じ０．２μｍである。なお、空乏層は、ソース５３およびドレイン５４の最大深よりも深い位置まで形成される場合もある。第１濃度領域５６は、かかるソース５３およびドレイン５４の最大深さよりも浅い位置に設けられる。

第２濃度領域５７は、第１濃度領域５６よりも深い位置に、第１濃度領域５６に隣接して設けられる。空乏層は、ウェル層９２の不純物濃度が高いほど延伸し難い。したがって、第１濃度領域５６よりも不純物濃度の高い第２濃度領域５７を第１濃度領域５６の下部に設けることにより、空乏層の延伸を抑えることができる。

このように、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰは、第１濃度領域５６において空乏層を延伸させ易くし、第２濃度領域５７において空乏層の延伸を抑えることにより、暗時に形成される空乏層の幅と明時に形成される空乏層の幅との差を小さくすることができる（図８のＤｄおよびＤｌ参照）。このため、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰによれば、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０と比べ、出力線形性を向上させることができる。

次に、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰの基板方向深さと不純物濃度との関係について図９Ａおよび図９Ｂを参照して具体的に説明する。図９Ａは、基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。また、図９Ｂは、ＦＤ電圧と変調度との関係を示すグラフである。

ここで、図９Ａには、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０の基板方向深さと不純物濃度との関係を一点鎖線で、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰの基板方向深さと不純物濃度との関係を破線で、それぞれ示している。

また、図９Ａには、不純物濃度が１．００Ｅ＋１６（／ｃｍ３）で一定の領域と不純物濃度が１．００Ｅ＋１８（／ｃｍ３）で一定の領域とが、基板方向深さ０．２μｍにおいて隣接する理想モデルＡＭＰ＿Ｉを実線で示している。

第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰの第１濃度領域５６および第２濃度領域５７は、図９Ａに示す理想モデルＡＭＰ＿Ｉに基づいて形成される。例えば、基板方向深さ約０．４５μｍの位置に、ボロン等の不純物を１２０ＫｅＶの注入エネルギーで打ち込み、その後、アニール処理を行うことによって、不純物濃度の高い第２濃度領域５７を形成する。

ウェル層９２内に注入された不純物は、上記アニール処理によって拡散する。これにより、第２濃度領域５７よりも浅い位置に、第２濃度領域５７よりも不純物濃度の低い第１濃度領域５６が形成される。第１濃度領域５６の不純物濃度は、第２濃度領域５７の不純物濃度の少なくとも１／２以下である。

一方、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０は、不純物濃度が基板方向深さにおいて一定となるように形成される。例えば、基板方向深さ約０．０８μｍおよび約０．２８μｍの位置に、ボロン等の不純物をそれぞれ８０ＫｅＶおよび１２０ＫｅＶの注入エネルギーで打ち込み、その後、アニール処理を行うことによって、不純物濃度が大凡均等な領域を形成する。

このように、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０では、不純物濃度が一定となるようにウェル層が形成されていたため、暗時と明時において空乏層の幅に差が生じて、出力線形性が低下する要因となっていた。図９Ｂに示すように、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０の変調度は、理想モデルＡＭＰ＿Ｉと比べて傾きが大きく、変調度の線形性が低いことがわかる。

これに対し、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰの変調度は、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０と比べて傾きが小さく、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０と比較して変調度の線形性が改善されていることがわかる。

このように、第１の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰによれば、第２濃度領域５７と、この第２濃度領域５７よりも不純物濃度の低い第１濃度領域５６とを設けることで、暗時および明時における空乏層の幅の差を小さくすることができるため、出力線形性を向上させることができる。

次に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４の製造方法について図１０を参照して説明する。図１０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４の製造工程を示す断面模式図である。なお、固体撮像装置１４における画素アレイ２３以外の部分の製造方法は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様である。このため、以下では、固体撮像装置１４における画素アレイ２３部分の製造方法について説明する。

画素アレイ２３を製造する場合には、図１０の（ａ）に示すように、Ｎ型またはＰ型のＳＵＢ層９１とＰ型のウェル層９２が積層されたシリコンの半導体基板１００を用意する。

そして、ここでは図示を省略したが、ＳＵＢ層９１の下層に多層配線層を含む層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜の下層に支持基板を貼り合わせる。その後、支持基板を支持した状態で半導体基板１００の支持基板が貼り合わされた側とは逆側の表面を研削することによってウェル層９２の表面を露出させる。

続いて、ウェル層９２における素子分離領域の形成位置に、ウェル層９２の表面から所定の深さまで達するＳＴＩ９３を形成する。具体的には、ウェル層９２におけるＳＴＩ９３の形成位置に、ウェル層９２の表面から所定の深さまで達する溝（トレンチ）を形成した後、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によってトレンチの内部へ酸化シリコン膜を成膜してＳＴＩ９３を形成する。

なお、ここでは、素子分離領域としてＳＴＩ９３を設けたが、素子分離領域は、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation Of Silicon）であってもよい。また、半導体基板１００における素子分離領域の形成位置へ例えば酸素をイオン注入してアニール処理を行うことによって素子分離領域を形成してもよい。

つづいて、図１０の（ｂ）に示すように、ウェル層９２に光電変換素子ＰＤを形成する。かかる光電変換素子ＰＤは、例えば、半導体基板１００の上面における所定位置からＮ型の不純物とＰ型の不純物とを順次イオン注入してアニール処理を行うことによって形成される。

また、図１０の（ｂ）に示すように、読出トランジスタＴＲ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰの各形成位置に対応するウェル層９２の上面に、それぞれ酸化シリコンを材料とするゲート酸化膜３２，４２，５２を形成する。さらに、各ゲート酸化膜３２，４２，５２上に、それぞれポリシリコンを材料とするゲート電極３１，４１，５１を形成する。

ここでは、例えば、ウェル層９２の上面全体に所定の膜厚の酸化シリコン膜とポリシリコン層とを順次形成した後、ポリシリコン層におけるゲート電極３１，４１，５１となる位置の上面を選択的に被覆するレジストをフォトリソグラフィによって形成する。

そして、レジストをマスクとしてドライエッチングを行うことにより、不要な部分のポリシリコン層および酸化シリコン膜を除去してゲート酸化膜３２，４２，５２およびゲート電極３１，４１，５１を同時に形成する。

つづいて、図１０の（ｂ）に示すように、レジストを塗布し所望のパターンに形成した後、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴのドレイン４３、増幅トランジスタＡＭＰのソース５３およびドレイン５４の形成位置へ、ヒ素やリン等のＮ型の不純物をイオン注入してＬＤＤ拡散層８０を形成する。

その後、図１０の（ｃ）に示すように、ゲート電極３１，４１，５１の側面に既知のエッチバックによってサイドウォール９４を形成する。例えば、各ゲート電極３１，４１，５１の側面を覆うように窒化シリコン膜を形成した後、半導体基板１００の上面全体に酸化シリコン層を形成し、異方性プラズマエッチングによって酸化シリコン層をエッチバックすることによりサイドウォール９４を形成する。

また、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴのドレイン４３、増幅トランジスタＡＭＰのソース５３およびドレイン５４の形成位置にイオン注入されたＮ型の不純物をアニール処理によって活性化することにより、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴのドレイン４３、増幅トランジスタＡＭＰのソース５３およびドレイン５４を形成する。

そして、増幅トランジスタＡＭＰの形成位置に対応するウェル層９２の内部に、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７を形成する。第１濃度領域５６および第２濃度領域５７は、上述したように、第１濃度領域５６が形成される位置よりも深い位置に不純物を注入し、その後、アニール処理を行うことによって形成される。

その後、図１０の（ｃ）に示す構造体上に、層間絶縁膜、カラーフィルタ、マイクロレンズを順次形成することで画素アレイ２３が製造される。

上述してきたように、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４では、増幅トランジスタＡＭＰの形成位置に対応するウェル層９２に、不純物濃度の低い第１濃度領域５６と、第１濃度領域５６よりも不純物濃度の高い第２濃度領域５７とを設けることとした。第１濃度領域５６は、空乏層の最大領域５５の少なくとも一部に設けられ、第２濃度領域５７は、第１濃度領域５６よりも深い位置に設けられる。

これにより、ＦＤ電圧が高い暗時に形成される空乏層の幅と、ＦＤ電圧が低い明時に形成される空乏層の幅との差が小さくなるため、従来の増幅トランジスタＡＭＰ＿０と比べ、出力線形性を向上させることができる。

なお、上述した第１の実施形態では、ゲート電極５１を形成した後で、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７を形成する場合の例について説明したが、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７は、ゲート電極５１を形成する前に形成してもよい。

（第２の実施形態）
増幅トランジスタＡＭＰは、第１濃度領域５６よりも浅い領域に、第１濃度領域５６よりも不純物濃度の高い第３濃度領域を備えていてもよい。

以下、かかる点について図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、第２の実施形態に係る増幅トランジスタの概略断面図である。また、図１２は、第２の実施形態に係る増幅トランジスタの基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。

図１１および図１２に示すように、第２の実施形態に係る増幅トランジスタＡＭＰ’は、第１濃度領域５６よりも浅い領域に第３濃度領域５８を備える。かかる第３濃度領域５８は、半導体基板１００界面の界面準位に起因するノイズ信号を拾うことを阻止するためのシールド拡散層として機能する。

第３濃度領域５８は、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７と同様に、ボロン等の不純物をウェル層９２にイオン注入した後、アニール処理を行うことによって形成される。このように、増幅トランジスタＡＭＰ’は、第３濃度領域５８を備えていてもよい。

（第３の実施形態）
上述してきた各実施形態では、不純物濃度が０．２μｍの位置で切り替わる理想モデルＡＭＰ＿Ｉに基づいて、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７を形成する場合の例について説明した。しかし、第１濃度領域５６および第２濃度領域５７は、理想モデルＡＭＰ＿Ｉ以外の理想モデルに基づいて形成されてもよい。かかる点について図１３を参照して説明する。図１３は、第３の実施形態に係る理想モデルの基板方向深さと不純物濃度との関係を示すグラフである。

図１３に示すように、理想モデルＡＭＰ＿Ｉ’は、不純物濃度が１．００Ｅ＋１６（／ｃｍ３）で一定の領域と不純物濃度が１．００Ｅ＋１８（／ｃｍ３）で一定の領域とが、基板方向深さ０．２５μｍにおいて隣接する。

第３の実施形態に係る増幅トランジスタは、かかる理想モデルＡＭＰ＿Ｉ’に基づいて第１濃度領域５６および第２濃度領域５７が形成される。これにより、第１濃度領域５６は、空乏層の最大深さである０．２μｍよりも深い領域、すなわち、ソース５３およびドレイン５４が形成される領域よりも深い領域にも跨がって形成されることとなる。また、第２濃度領域５７も、上述した各実施形態における形成位置よりも深い位置に形成されることとなる。

このように、第１濃度領域５６は、空乏層の最大領域５５と、ソース５３およびドレイン５４が形成される領域よりも深い領域とに跨がって形成されてもよい。また、第１濃度領域５６は、ソース５３およびドレイン５４が形成される領域よりも深い領域に形成されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１デジタルカメラ、１１カメラモジュール、１４固体撮像装置、２０イメージセンサ、２３画素アレイ、３１，４１，５１ゲート電極、４３，５４ドレイン、５３ソース、５５最大領域、５６第１濃度領域、５７第２濃度領域、５８第３濃度領域、ＰＤ光電変換素子、ＦＤフローティングディフュージョン、ＴＲ読出トランジスタ、ＲＳＴリセットトランジスタ、ＡＭＰ増幅トランジスタ

Claims

入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子から読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンがゲート電極に接続され、前記フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に基づく信号を出力する増幅トランジスタと
を備え、
前記増幅トランジスタは、
空乏層の最大領域の少なくとも一部に設けられる第１濃度領域と、
前記第１濃度領域よりも深い位置に設けられ、前記第１濃度領域よりも不純物濃度が高い第２濃度領域と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記第１濃度領域は、
前記増幅トランジスタのソースおよびドレインの最大深さよりも浅い位置に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１濃度領域は、
前記空乏層の最大領域と、前記増幅トランジスタのソースおよびドレインの最大深さよりも深い領域とに跨がって設けられること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記増幅トランジスタは、
前記第１濃度領域よりも浅い領域に、前記第１濃度領域よりも不純物濃度が高い第３濃度領域を備えること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する光電変換素子を形成する工程と、
前記光電変換素子から読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンを形成する工程と、
前記フローティングディフュージョンがゲート電極に接続され、前記フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に基づく信号を出力する増幅トランジスタを形成する工程と
を含み、
前記増幅トランジスタを形成する工程は、
空乏層の最大領域の少なくとも一部に第１濃度領域を形成し、前記第１濃度領域よりも深い位置に、前記第１濃度領域よりも不純物濃度が高い第２濃度領域を形成する工程を含むこと
を特徴とする固体撮像装置の製造方法。