固体撮像素子及びその製造方法、並びに撮像機器
【課題】安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器を提供する。
【解決手段】入射光を受光する受光領域と、遮光膜１８により入射光が遮光されたオプティカルブラック領域２ｂとを有し、受光領域とオプティカルブラック領域２ｂとでフォトセンサ３０を同一構成としており、オプティカルブラック領域２ｂにおいて、読出し電極３９ａとフォトセンサ３０との間の距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離とした。
【解決手段】入射光を受光する受光領域と、遮光膜１８により入射光が遮光されたオプティカルブラック領域２ｂとを有し、受光領域とオプティカルブラック領域２ｂとでフォトセンサ３０を同一構成としており、オプティカルブラック領域２ｂにおいて、読出し電極３９ａとフォトセンサ３０との間の距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及びその製造方法、並びに撮像機器に関するものであり、特にＯＰＢ（オプティカルブラック）領域を備えたＣＣＤ（Charge-Coupled Device）型の固体撮像素子及びその製造方法、並びに撮像機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からデジタルビデオカメラやデジタルカメラなどの撮像機器用の撮像素子として、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子が広く用いられている。これらの固体撮像素子は基本構造が半導体であることから、半導体内部で生じる熱的な電荷の励起に起因して暗電流ノイズが不可避的に発生する。そこで、暗電流ノイズによる影響を除去するため、遮光したオプティカルブラック（Optical Black）領域を受光領域に隣接して設け、この領域の垂直転送レジスタから転送される信号を黒レベルの基準とする構成が用いられる（例えば、特許文献１,２を参照）。
【０００３】
受光領域とオプティカルブラック領域とは、入射光を効率的にフォトセンサに導くための導光構造と、入射光がフォトセンサに到達しないように遮光する遮光構造とが相違し、フォトセンサ及び垂直転送レジスタは同じ半導体構造で構成されていた。例えば、ＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）と称されるＣＣＤ型の固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板に、受光領域、オプティカルプティカルブラック領域ともにＰ＋ＮＰＮ接合のフォトセンサが形成されていた。垂直転送レジスタについても同様であり、例えば、フォトセンサの電荷を読出す読出し電極と、電荷を転送する転送電極とが交互に並ぶＣＣＤ構造の垂直転送レジスタが同じ構造で構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５６７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の固体撮像素子では、オプティカルブラック領域のフォトセンサに、遮光膜とシリコン基板との隙間に入り込んで多重反射した漏れ光が侵入して光電変換され、黒レベルが変動することがあった。特に、長時間露光モード時などのように大光量撮影時にこの問題が顕著になってくる。
【０００６】
そこで、オプティカルブラック領域のフォトセンサについては電荷蓄積作用をもつＮ型拡散層を形成せず、Ｐ型拡散層のみとする構成とすることで、この問題を解決することができるとも考えられる。ところがこの構成について鋭意研究を進めてゆくと、以下のような課題が生じた。
【０００７】
オプティカルブラック領域のフォトセンサはＮ型拡散層を持たないため、Ｎ型拡散層を有する受光領域のフォトセンサのように電荷を蓄積することができない。そのため、図６に示すように、読出し電極に読出し用の高い電圧が印加されブレークダウンが発生したときに、Ｐ型拡散層から電子がチャネルストップを越えて溢れ出て隣接する垂直転送レジスタに流れ込み、黒レベルを変動させる。そのため、受光領域の信号レベルが沈んでしまい、図７に示すように、画像上部で白浮きが発生するという現象が見いだされた。すなわち、オプティカルブラック領域は受光領域よりもブレークダウンに対する耐性が低く、黒レベルが変動するおそれがあるという課題である。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子とした。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、前記オプティカルブラック領域の読出し電極の幅を、前記受光領域の読出し電極の幅よりも狭くすることによって、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、固体撮像素子を有し、前記固体撮像素子は、二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした撮像機器とした。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、半導体基板に第１導電型のウェル領域を形成する工程と、前記ウェル領域の垂直転送レジスタ形成領域に、転送チャンネルを形成する工程と、前記ウェル領域のフォトセンサ形成領域に、第２導電型の半導体領域を形成する工程と、前記転送チャネルと前記第２導電型の半導体領域との間の前記ウェル領域に第１導電型の第１半導体領域を形成する工程と、前記転送チャンネル上に、前記フォトセンサ形成領域に形成されるフォトセンサから電荷を読出す読出し電極を絶縁膜を介して形成する工程と、前記読出し電極間の、前記第２導電型の半導体領域上及び前記第１半導体領域の上部に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第１導電型の第２半導体領域を形成する工程と、前記読出し電極及び前記転送電極を含む前記半導体基板上に絶縁膜を介して遮光膜を形成する工程と、を有し、前記フォトセンサは、前記第２導電型の半導体領域と前記第２半導体領域とを有して構成され、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子の製造方法とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、オプティカルブラック領域のブレークダウンや大光量撮影時による黒レベルの変動を抑制して白浮きの問題を防止することができ、これにより安定した黒レベルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像素子を有する撮像機器の概要構成図である。
【図２】読出し電極、転送電極及びフォトセンサの配置を示す図である。
【図３】図１中に付記するII−II矢視の断面図である。
【図４】図１中に付記するIII−III矢視の断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｅ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｆ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｇ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｈ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図６】従来の問題点を説明するための図である。
【図７】従来の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像素子を備えた撮像機器の構成
２．固体撮像素子における受光領域及びオプティカルブラック領域の構成
３．固体撮像素子の製造方法
【００１６】
［１．固体撮像素子を備えた撮像機器の構成］
まず、本実施形態に係る発明を固体撮像素子を備えた撮像機器の構成を説明する。図１は、本実施形態における撮像機器Ａの概要構成図である。本実施形態の撮像機器Ａは、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラである。なお、撮像機器Ａは、デジタルスチルカメラに限定されるものではなく、デジタルビデオカメラや、あるいは携帯電話などに内蔵されるカメラユニットであってもよい。
【００１７】
図１には、撮像機器Ａにおける撮像のためのＣＣＤ型の固体撮像素子１と、この固体撮像素子１を所定タイミングで駆動させるための駆動用信号を生成するタイミングジェネレータ６とを示している。この他に、撮像機器Ａには、バッテリなどの電源部、撮像して生成した画像データ信号を記憶する記憶部、撮像機器Ａ全体を制御する制御部などがある。これらを構成する回路は、本図では別回路（固体撮像素子１以外のチップ）としているが、同一チップに設けたり、あるいはいくつかのチップに分割して設けたりすることもある。
【００１８】
固体撮像素子１は、インターライン・トランスファ方式（Interline Transfer：ＩＴ方式）の撮像素子であり、半導体基板であるＮ型シリコン基板１０をベースとし、画素部２、水平転送出力部４、処理回路５などから構成される。画素部２は、受光領域２ａと、オプティカルブラック領域２ｂとにより構成される。受光領域２ａは、入射光を受光する受光領域であり、一般的には被写体からの光を受光する撮像領域と呼ばれる。オプティカルブラック領域２ｂは、遮光膜により入射光が遮断された領域である。水平転送出力部４は、これらの領域２ａ，２ｂから転送されて来る電荷を水平転送し電圧信号に変換して出力する。水平転送出力部４から出力された信号は処理回路５により処理される。オプティカルブラック領域２ｂと水平転送出力部４には、斜線で示すように遮光膜１８が形成される。
【００１９】
受光領域２ａは、二次元配列された複数の第１フォトセンサ２０と、第１フォトセンサ２０の側方（図１の構成例では左側）に第１フォトセンサ２０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第１垂直転送レジスタ２５とを備えて構成される。すなわち、固体撮像素子１は、Ｎ型シリコン基板１０の受光領域２ａに、第１フォトセンサ２０をマトリクス状に二次元配列した画素構造を基本として構成される。この第１フォトセンサ２０はフォトダイオードにより構成される。なお、図１においては、図面の複雑化を避けるため斜線を省略しているが、第１垂直転送レジスタ２５は水平転送出力部４等と同様に遮光膜１８で覆われており、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって駆動される。
【００２０】
図２に示すように、第１垂直転送レジスタ２５には、読出し電極２９ａと転送電極２９ｂが交互に連続して配設されており、それぞれ４つの読出し電極２９ａと転送電極２９ｂとを一組として、８相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８が印加される。なお、図２におけるＶ１〜Ｖ８は、電極２９ａ，２９ｂに印加される垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８の種類を意味する。例えば、Ｖ１の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ１が印加され、Ｖ５の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ５が印加され、Ｖ８の転送電極２９ｂは、垂直転送クロックＶφ８が印加される。第１フォトセンサ２０からの信号電荷の読出しは、Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７の読出し電極２９ａに高電圧を印加することで行う。読み出した信号電荷の転送は、Ｖ１〜Ｖ８の電極２９ａ、２９ｂに垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８を印加することで、信号電荷を水平転送出力部４へ転送する。
【００２１】
オプティカルブラック領域２ｂは、受光領域２ａに隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ３０と、第２フォトセンサ３０の側方に第２フォトセンサ３０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第２垂直転送レジスタ３５とを備えて構成される。オプティカルブラック領域２ｂは、第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５の全体が遮光膜１８により覆われており、入射光が第２フォトセンサ３０に入射しないようになっている。第２垂直転送レジスタ３５は、読出し電極３９ａと転送電極３９ｂが交互に連続して配設されており、第１垂直転送レジスタ２５と同様に、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって、読出し電圧や転送電圧が印加されて駆動される。また、第２フォトセンサ３０は、フォトダイオードにより構成されており、第１フォトセンサ２０と同一構成である。
【００２２】
水平転送出力部４は、受光領域２ａの第１垂直転送レジスタ２５，２５…及びオプティカルブラック領域２ｂの第２垂直転送レジスタ３５，３５…が接続されたＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４５を備えている。この水平転送レジスタ４５は、公知の２相駆動方式によって各第１垂直転送レジスタ３５から転送される信号電荷を水平転送するように構成されており、互いに位相が異なる水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２により駆動される。この水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２は、タイミングジェネレータ６から出力される。また、水平転送出力部４には、水平転送レジスタ４５の出口に設けられたＦＤアンプ（フローティング・ディフュージョンアンプ）４８が備えられている。そして、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送された信号電荷、及び第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送された暗電荷（暗電流の電荷）が、水平走査１ライン分ずつＦＤアンプ４８に入力される。
【００２３】
ＦＤアンプ４８は、水平転送レジスタ４５から入力された信号電荷を電荷量に応じた電圧の信号（便宜的に画素信号という）に変換する。また、水平転送レジスタ４５から入力された暗電荷を電荷量に応じた電圧の信号（同様、便宜的に「黒信号」という）に変換する。そして、各垂直列の画素信号及び黒信号を水平走査１ライン分ずつ処理回路５に出力する。
【００２４】
処理回路５は、水平転送出力部４から出力された画素信号及び黒信号に基づいて、黒レベルの補償処理やＦＤリセットノイズの減算処理などを行い、受光領域２ａに入射した入射光の像（被写体の像）を生成する。
【００２５】
このような構成の固体撮像素子１においては、読出し方式に応じた時間（例えば１／６０秒）内に、各第１フォトセンサ２０において光電変換された受光量に応じた信号電荷が、後述する読出しゲート２４を介して接続された第１垂直転送レジスタ２５に読出される。読出された信号電荷と、半導体構造の熱的励起により第１垂直転送レジスタ２５内に生じた暗電荷とは第１垂直転送レジスタ２５内で混じり合い、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送される。また、半導体構造の熱的励起により第２垂直転送レジスタ３５内に生じた暗電荷は、第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送される。
【００２６】
そして、第２垂直転送レジスタ３５から転送された暗電荷を電圧変換した黒信号を基準として黒レベルが設定される。そして、処理回路５において、第１垂直転送レジスタ２５から転送され、暗電荷が付加された信号電荷を電圧信号に変換した画素信号から、上記黒信号を差し引くことにより、熱的励起状態の変動に起因した画像の明度の浮動が除去されるようになっている。
【００２７】
［２．受光領域２ａ及びオプティカルブラック領域２ｂの構成］
上述のように概要構成される固体撮像素子１にあって、図１及び図２中に付記するII−II矢視の断面図（受光領域２ａの画素の断面図）を図３に、III−III矢視の断面図（オプティカルブラック領域２ｂの画素の断面図）を図４に示す。
【００２８】
受光領域２ａの各画素は、図３に示すように、入射光を受光する第１フォトセンサ２０、読出しゲート２４、第１垂直転送レジスタ２５、チャネルストップ２８などからなる。
【００２９】
第１フォトセンサ２０は、Ｎ型シリコン基板１０のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域２１と、このＮ型半導体領域２１上に形成されたＰ型半導体領域２２とを基本的な構成要素とする。そして、これらのＰ＋ＮＰＮ接合によりＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）を構成する。Ｎ型半導体領域２１はＮ型の不純物拡散領域であり、Ｐ型半導体領域２２はＰ型の不純物拡散領域である。なお、Ｎ型半導体領域２１は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。また、Ｐ型半導体領域２２は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３０】
読出しゲート２４を挟んで、Ｐウェル領域１１上にＰ＋領域２６、このＰ＋領域２６上にＮ型の不純物拡散領域（以下、転送チャネル領域という）２７が形成される。読出しゲート２４は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度の領域である。Ｐ＋領域２６は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度の領域である。また、転送チャネル領域２７は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３１】
また、転送チャネル領域２７と隣の画素の第１フォトセンサ２０との間には、Ｐ型の不純物拡散領域が形成されチャネルストップ２８が構成される。このチャネルストップ２８は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３２】
そして、読出しゲート２４、転送チャネル領域２７及びチャネルストップ２８の上にゲート絶縁膜（不図示）を挟んで多結晶シリコンからなる読出し電極２９ａが形成され、第１垂直転送レジスタ２５が構成される。
【００３３】
第１フォトセンサ２０及び第１垂直転送レジスタ２５を覆う全面に、例えばリン・シリケートガラス（ＰＳＧ）からなる光透過性の層間絶縁膜１７が積層される。層間絶縁膜１７の上には、第１フォトセンサ２０の上方に開口部を有し、第１垂直転送レジスタ２５を覆う遮光膜（例えばＡｌ膜やＷ膜）１８が形成され、最上層には基板全面を覆って表面保護層１９が形成される。
【００３４】
一方、オプティカルブラック領域２ｂの各画素は、図４（ａ）に示すように、第２フォトセンサ３０、第２垂直転送レジスタ３５、チャネルストップ３８などから構成される。
【００３５】
オプティカルブラック領域２ｂの第２フォトセンサ３０は、受光領域２ａの第１フォトセンサ２０と同様に、Ｎ型シリコン基板のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域３１と、このＮ型半導体領域３１上に形成されたＰ型半導体領域３２とを基本的な構成要素とする。従って、オプティカルブラック領域３のブレークダウンに対する耐性を、受光領域２ａよりもブレークダウンに対する耐性と同等にすることができ、黒レベルの変動を抑制することができる。なお、Ｎ型半導体領域３１は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＮ型半導体領域である。また、Ｐ型半導体領域３２は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。
【００３６】
また、第２垂直転送レジスタ３５の形成領域では、Ｐウェル領域１１上にＰ＋領域３６、このＰ＋領域３６上に転送チャネル領域３７が形成される。Ｐ＋領域３６は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。また、転送チャネル領域３７は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＮ型半導体領域である。
【００３７】
また、転送チャネル領域３７と隣の画素の第２フォトセンサ３０との間には、チャネルストップ３８が形成される。また、転送チャネル領域３７と第２フォトセンサ３０との間にＰ＋領域３３が形成される。チャネルストップ３８は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。また、Ｐ＋領域３３は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。
【００３８】
そして、転送チャネル領域３７及びチャネルストップ３８の上に絶縁膜１７ａを挟んで多結晶シリコンからなる読出し電極３９ａが形成され、第２垂直転送レジスタ３５が構成される。第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５を覆う全面（オプティカルブラック領域全域）に、層間絶縁膜１７ｂ及び遮光膜１８が形成され、最上層に表面保護層１９が形成される。
【００３９】
ここで、上述したように、オプティカルブラック領域２ｂのフォトセンサ３０は、受光領域２ａの第１フォトセンサ２０と同様に、Ｎ型シリコン基板のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域３１を有している。そのため、オプティカルブラック領域２ｂの第２フォトセンサ３０に、遮光膜１８とＮ型シリコン基板１０との隙間に入り込んで多重反射した漏れ光が侵入して光電変換され、黒レベルが変動することがあった。
【００４０】
そこで、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂでは、オプティカルブラック領域２ｂの読出し電極３９ａについて、受光領域２ａの読出し電極２９ａと異なり、読出し電極３９ａをＮ型半導体領域３１から所定の距離ｄだけ遠ざけている。これにより、読出し時に受光領域２ａと同じように電子が垂直転送レジスタ３５へ読出されることがないようにしている。すなわち、図４（ｂ）に示すように、読出し電極３９ａ’がＮ型半導体領域３１’に近いと、Ｐ＋領域３３’のポテンシャルが下がり、Ｎ型半導体領域３１’から電荷が読出されてしまう。しかし、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂでは、読出し電極３９ａをＮ型半導体領域３１から遠ざけることで、Ｐ＋領域３３’のポテンシャルが下がり、Ｎ型半導体領域３１’から電荷が読出されないようにしている。
【００４１】
図４（ａ）に示す例では、読出し電極３９ａの直下にＰ＋領域３３を配置しないようにして、Ｐ＋領域３３のポテンシャルが下がることを抑制しているが、Ｎ型半導体領域３１から電荷が読出されなければ、読出し電極３９ａの直下にＰ＋領域３３が跨るように配置してもよい。
【００４２】
すなわち、オプティカルブラック領域２ｂにおいて、読出し電極３９ａと第２フォトセンサ３０との間の距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、第２フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離とする。このようにオプティカルブラック領域２ｂを構成することにより、オプティカルブラック領域２ｂのブレークダウンや大光量撮影時による黒レベルの変動を抑制して、白浮きの問題を防止することができる。
【００４３】
特に、オプティカルブラック領域２ｂの読出し電極３９ａの幅を、受光領域２ａの読出し電極２９ａの幅よりも狭くすることによって、距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、第２フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離としている。そのため、フォトセンサ２０，３０や垂直転送レジスタ２５，３５を同一構成で設計した後に、読出し電極３９ａの幅を狭くするだけでよく、レイアウト設計が極めて容易である。
【００４４】
［３．固体撮像素子の製造方法］
次に、固体撮像素子１の製造方法について図５Ａ〜図５Ｈ及び図４（ａ）を参照して具体的に説明する。ここでは、本実施形態における特徴部分であるオプティカルブラック領域２ｂの製造方法について説明し、受光領域２ａの製造方法については省略する。
【００４５】
まず、図５Ａに示すように、半導体基板であるＮ型シリコン基板１０を用意し、このＮ型シリコン基板１０の上部に、Ｐ型不純物をイオン注入して、Ｐウェル領域１１（第１導電型のウェル領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐウェル領域１１の不純物濃度は、例えば１×１０15〜５×１０15個／ｃｍ3程度である。
【００４６】
次いで、図５Ｂに示すように、第２フォトセンサ３０を形成する領域のＰウェル領域１１にＮ型不純物をイオン注入して、Ｎ型半導体領域３１（第２導電型の半導体領域）を形成する。ここでＮ型不純物は、例えば、ヒ素であり、Ｎ型半導体領域３１の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００４７】
次いで、図５Ｃに示すように、第２垂直転送レジスタ３５を形成する領域（垂直転送レジスタ形成領域）のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ＋領域３６を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ＋領域３６の不純物濃度は、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度である。
【００４８】
次いで、図５Ｄに示すように、第２垂直転送レジスタ３５を形成する領域（垂直転送レジスタ形成領域）のＰ＋領域３６上にＮ型不純物をイオン注入して、転送チャネル領域３７を形成する。ここでＮ型不純物は、例えば、ヒ素であり、転送チャネル領域３７の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００４９】
次いで、図５Ｅに示すように、転送チャネル領域３７とＮ型半導体領域３１との間のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ＋領域３３（第１導電型の第１半導体領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ＋領域３３の不純物濃度は、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度である。
【００５０】
次いで、図５Ｆに示すように、転送チャネル領域３７と第２フォトセンサ３０との間のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、チャネルストップ３８を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、チャネルストップ３８の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００５１】
次いで、図５Ｇに示すように、Ｎ型シリコン基板１０及び上に絶縁膜１７ａを形成した後、転送チャネル領域３７及びチャネルストップ３８の上に多結晶シリコンを選択的に形成して、読出し電極３９ａを形成する。なお、図示しないがこのとき、転送電極３９ｂも同時に形成される。
【００５２】
次いで、図５Ｈに示すように、読出し電極３９ａをマスクとして、転送チャネル領域３７間のＮ型シリコン基板１０上面にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ型半導体領域３２（第１導電型の第２半導体領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ型半導体領域３２の不純物濃度は、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度である。
【００５３】
最後に、図４（ａ）に示すように、読出し電極３９ａ及び絶縁膜１７ａ上に、絶縁膜１７ｂを形成した後、遮光膜１８を形成し、最上層に表面保護層１９を形成する。
【００５４】
一方、受光領域２ａは、第１フォトセンサ２０に入射光を導くための開口部（図３に示す符号５０参照）を有する点、読出し電極２９ａの幅が広い点を除き、オプティカルブラック領域２ｂと同様の構成でありオプティカルブラック領域２ｂと同時に形成される。すなわち、Ｐウェル領域１１が形成された後、Ｎ型半導体領域３１はＮ型半導体領域２１と同時に、Ｐ＋領域３６はＰ＋領域２６と同時に、転送チャネル領域３７は転送チャネル領域２７と同時に、Ｐ＋領域３３は読出しゲート２４と同時に形成される。また、チャネルストップ３８はチャネルストップ２８と同時に、読出し電極３９ａは読出し電極２９ａと同時に、Ｐ型半導体領域３２はＰ型半導体領域２２と同時に形成される。
【００５５】
このように、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂの製造方法では、受光領域２ａと同様の工程で受光領域２ａと同時に形成することができる。しかも、従来の読出し電極３９ａの幅を変更した場合であっても、受光領域２ａと同様に、読出し電極３９ａをマスクとしてセルフアラインによりＰ型半導体領域３２を形成することができ、工程数を増加させることがない。
【００５６】
以上、本発明の実施形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 固体撮像素子
２ 画素部
２ａ 受光領域
２ｂ オプティカルブラック領域
４ 水平転送出力部
１０ Ｎ型シリコン基板（半導体基板）
１１ Ｐウェル領域（第１導電型のウェル領域）
２０ 第１フォトセンサ
２１ Ｎ型半導体領域
２２ Ｐ型半導体領域
２４ 読出しゲート
２５ 第１垂直転送レジスタ
２９ａ，３９ａ 読出し電極
２９ｂ，３９ｂ 転送電極
３０ 第２フォトセンサ
３１ Ｎ型半導体領域（第２導電型の半導体領域）
３２ Ｐ型半導体領域（第１導電型の第２半導体領域）
３３ Ｐ＋領域（第１導電型の第１半導体領域）
３５ 第２垂直転送レジスタ
３８ チャネルストップ
４５ 水平転送レジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及びその製造方法、並びに撮像機器に関するものであり、特にＯＰＢ（オプティカルブラック）領域を備えたＣＣＤ（Charge-Coupled Device）型の固体撮像素子及びその製造方法、並びに撮像機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からデジタルビデオカメラやデジタルカメラなどの撮像機器用の撮像素子として、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子が広く用いられている。これらの固体撮像素子は基本構造が半導体であることから、半導体内部で生じる熱的な電荷の励起に起因して暗電流ノイズが不可避的に発生する。そこで、暗電流ノイズによる影響を除去するため、遮光したオプティカルブラック（Optical Black）領域を受光領域に隣接して設け、この領域の垂直転送レジスタから転送される信号を黒レベルの基準とする構成が用いられる（例えば、特許文献１,２を参照）。
【０００３】
受光領域とオプティカルブラック領域とは、入射光を効率的にフォトセンサに導くための導光構造と、入射光がフォトセンサに到達しないように遮光する遮光構造とが相違し、フォトセンサ及び垂直転送レジスタは同じ半導体構造で構成されていた。例えば、ＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）と称されるＣＣＤ型の固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板に、受光領域、オプティカルプティカルブラック領域ともにＰ＋ＮＰＮ接合のフォトセンサが形成されていた。垂直転送レジスタについても同様であり、例えば、フォトセンサの電荷を読出す読出し電極と、電荷を転送する転送電極とが交互に並ぶＣＣＤ構造の垂直転送レジスタが同じ構造で構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５６７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の固体撮像素子では、オプティカルブラック領域のフォトセンサに、遮光膜とシリコン基板との隙間に入り込んで多重反射した漏れ光が侵入して光電変換され、黒レベルが変動することがあった。特に、長時間露光モード時などのように大光量撮影時にこの問題が顕著になってくる。
【０００６】
そこで、オプティカルブラック領域のフォトセンサについては電荷蓄積作用をもつＮ型拡散層を形成せず、Ｐ型拡散層のみとする構成とすることで、この問題を解決することができるとも考えられる。ところがこの構成について鋭意研究を進めてゆくと、以下のような課題が生じた。
【０００７】
オプティカルブラック領域のフォトセンサはＮ型拡散層を持たないため、Ｎ型拡散層を有する受光領域のフォトセンサのように電荷を蓄積することができない。そのため、図６に示すように、読出し電極に読出し用の高い電圧が印加されブレークダウンが発生したときに、Ｐ型拡散層から電子がチャネルストップを越えて溢れ出て隣接する垂直転送レジスタに流れ込み、黒レベルを変動させる。そのため、受光領域の信号レベルが沈んでしまい、図７に示すように、画像上部で白浮きが発生するという現象が見いだされた。すなわち、オプティカルブラック領域は受光領域よりもブレークダウンに対する耐性が低く、黒レベルが変動するおそれがあるという課題である。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子とした。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、前記オプティカルブラック領域の読出し電極の幅を、前記受光領域の読出し電極の幅よりも狭くすることによって、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、固体撮像素子を有し、前記固体撮像素子は、二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした撮像機器とした。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、半導体基板に第１導電型のウェル領域を形成する工程と、前記ウェル領域の垂直転送レジスタ形成領域に、転送チャンネルを形成する工程と、前記ウェル領域のフォトセンサ形成領域に、第２導電型の半導体領域を形成する工程と、前記転送チャネルと前記第２導電型の半導体領域との間の前記ウェル領域に第１導電型の第１半導体領域を形成する工程と、前記転送チャンネル上に、前記フォトセンサ形成領域に形成されるフォトセンサから電荷を読出す読出し電極を絶縁膜を介して形成する工程と、前記読出し電極間の、前記第２導電型の半導体領域上及び前記第１半導体領域の上部に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第１導電型の第２半導体領域を形成する工程と、前記読出し電極及び前記転送電極を含む前記半導体基板上に絶縁膜を介して遮光膜を形成する工程と、を有し、前記フォトセンサは、前記第２導電型の半導体領域と前記第２半導体領域とを有して構成され、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子の製造方法とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、オプティカルブラック領域のブレークダウンや大光量撮影時による黒レベルの変動を抑制して白浮きの問題を防止することができ、これにより安定した黒レベルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像素子を有する撮像機器の概要構成図である。
【図２】読出し電極、転送電極及びフォトセンサの配置を示す図である。
【図３】図１中に付記するII−II矢視の断面図である。
【図４】図１中に付記するIII−III矢視の断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｅ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｆ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｇ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図５Ｈ】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図６】従来の問題点を説明するための図である。
【図７】従来の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像素子を備えた撮像機器の構成
２．固体撮像素子における受光領域及びオプティカルブラック領域の構成
３．固体撮像素子の製造方法
【００１６】
［１．固体撮像素子を備えた撮像機器の構成］
まず、本実施形態に係る発明を固体撮像素子を備えた撮像機器の構成を説明する。図１は、本実施形態における撮像機器Ａの概要構成図である。本実施形態の撮像機器Ａは、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラである。なお、撮像機器Ａは、デジタルスチルカメラに限定されるものではなく、デジタルビデオカメラや、あるいは携帯電話などに内蔵されるカメラユニットであってもよい。
【００１７】
図１には、撮像機器Ａにおける撮像のためのＣＣＤ型の固体撮像素子１と、この固体撮像素子１を所定タイミングで駆動させるための駆動用信号を生成するタイミングジェネレータ６とを示している。この他に、撮像機器Ａには、バッテリなどの電源部、撮像して生成した画像データ信号を記憶する記憶部、撮像機器Ａ全体を制御する制御部などがある。これらを構成する回路は、本図では別回路（固体撮像素子１以外のチップ）としているが、同一チップに設けたり、あるいはいくつかのチップに分割して設けたりすることもある。
【００１８】
固体撮像素子１は、インターライン・トランスファ方式（Interline Transfer：ＩＴ方式）の撮像素子であり、半導体基板であるＮ型シリコン基板１０をベースとし、画素部２、水平転送出力部４、処理回路５などから構成される。画素部２は、受光領域２ａと、オプティカルブラック領域２ｂとにより構成される。受光領域２ａは、入射光を受光する受光領域であり、一般的には被写体からの光を受光する撮像領域と呼ばれる。オプティカルブラック領域２ｂは、遮光膜により入射光が遮断された領域である。水平転送出力部４は、これらの領域２ａ，２ｂから転送されて来る電荷を水平転送し電圧信号に変換して出力する。水平転送出力部４から出力された信号は処理回路５により処理される。オプティカルブラック領域２ｂと水平転送出力部４には、斜線で示すように遮光膜１８が形成される。
【００１９】
受光領域２ａは、二次元配列された複数の第１フォトセンサ２０と、第１フォトセンサ２０の側方（図１の構成例では左側）に第１フォトセンサ２０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第１垂直転送レジスタ２５とを備えて構成される。すなわち、固体撮像素子１は、Ｎ型シリコン基板１０の受光領域２ａに、第１フォトセンサ２０をマトリクス状に二次元配列した画素構造を基本として構成される。この第１フォトセンサ２０はフォトダイオードにより構成される。なお、図１においては、図面の複雑化を避けるため斜線を省略しているが、第１垂直転送レジスタ２５は水平転送出力部４等と同様に遮光膜１８で覆われており、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって駆動される。
【００２０】
図２に示すように、第１垂直転送レジスタ２５には、読出し電極２９ａと転送電極２９ｂが交互に連続して配設されており、それぞれ４つの読出し電極２９ａと転送電極２９ｂとを一組として、８相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８が印加される。なお、図２におけるＶ１〜Ｖ８は、電極２９ａ，２９ｂに印加される垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８の種類を意味する。例えば、Ｖ１の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ１が印加され、Ｖ５の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ５が印加され、Ｖ８の転送電極２９ｂは、垂直転送クロックＶφ８が印加される。第１フォトセンサ２０からの信号電荷の読出しは、Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７の読出し電極２９ａに高電圧を印加することで行う。読み出した信号電荷の転送は、Ｖ１〜Ｖ８の電極２９ａ、２９ｂに垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８を印加することで、信号電荷を水平転送出力部４へ転送する。
【００２１】
オプティカルブラック領域２ｂは、受光領域２ａに隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ３０と、第２フォトセンサ３０の側方に第２フォトセンサ３０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第２垂直転送レジスタ３５とを備えて構成される。オプティカルブラック領域２ｂは、第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５の全体が遮光膜１８により覆われており、入射光が第２フォトセンサ３０に入射しないようになっている。第２垂直転送レジスタ３５は、読出し電極３９ａと転送電極３９ｂが交互に連続して配設されており、第１垂直転送レジスタ２５と同様に、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって、読出し電圧や転送電圧が印加されて駆動される。また、第２フォトセンサ３０は、フォトダイオードにより構成されており、第１フォトセンサ２０と同一構成である。
【００２２】
水平転送出力部４は、受光領域２ａの第１垂直転送レジスタ２５，２５…及びオプティカルブラック領域２ｂの第２垂直転送レジスタ３５，３５…が接続されたＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４５を備えている。この水平転送レジスタ４５は、公知の２相駆動方式によって各第１垂直転送レジスタ３５から転送される信号電荷を水平転送するように構成されており、互いに位相が異なる水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２により駆動される。この水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２は、タイミングジェネレータ６から出力される。また、水平転送出力部４には、水平転送レジスタ４５の出口に設けられたＦＤアンプ（フローティング・ディフュージョンアンプ）４８が備えられている。そして、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送された信号電荷、及び第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送された暗電荷（暗電流の電荷）が、水平走査１ライン分ずつＦＤアンプ４８に入力される。
【００２３】
ＦＤアンプ４８は、水平転送レジスタ４５から入力された信号電荷を電荷量に応じた電圧の信号（便宜的に画素信号という）に変換する。また、水平転送レジスタ４５から入力された暗電荷を電荷量に応じた電圧の信号（同様、便宜的に「黒信号」という）に変換する。そして、各垂直列の画素信号及び黒信号を水平走査１ライン分ずつ処理回路５に出力する。
【００２４】
処理回路５は、水平転送出力部４から出力された画素信号及び黒信号に基づいて、黒レベルの補償処理やＦＤリセットノイズの減算処理などを行い、受光領域２ａに入射した入射光の像（被写体の像）を生成する。
【００２５】
このような構成の固体撮像素子１においては、読出し方式に応じた時間（例えば１／６０秒）内に、各第１フォトセンサ２０において光電変換された受光量に応じた信号電荷が、後述する読出しゲート２４を介して接続された第１垂直転送レジスタ２５に読出される。読出された信号電荷と、半導体構造の熱的励起により第１垂直転送レジスタ２５内に生じた暗電荷とは第１垂直転送レジスタ２５内で混じり合い、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送される。また、半導体構造の熱的励起により第２垂直転送レジスタ３５内に生じた暗電荷は、第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送される。
【００２６】
そして、第２垂直転送レジスタ３５から転送された暗電荷を電圧変換した黒信号を基準として黒レベルが設定される。そして、処理回路５において、第１垂直転送レジスタ２５から転送され、暗電荷が付加された信号電荷を電圧信号に変換した画素信号から、上記黒信号を差し引くことにより、熱的励起状態の変動に起因した画像の明度の浮動が除去されるようになっている。
【００２７】
［２．受光領域２ａ及びオプティカルブラック領域２ｂの構成］
上述のように概要構成される固体撮像素子１にあって、図１及び図２中に付記するII−II矢視の断面図（受光領域２ａの画素の断面図）を図３に、III−III矢視の断面図（オプティカルブラック領域２ｂの画素の断面図）を図４に示す。
【００２８】
受光領域２ａの各画素は、図３に示すように、入射光を受光する第１フォトセンサ２０、読出しゲート２４、第１垂直転送レジスタ２５、チャネルストップ２８などからなる。
【００２９】
第１フォトセンサ２０は、Ｎ型シリコン基板１０のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域２１と、このＮ型半導体領域２１上に形成されたＰ型半導体領域２２とを基本的な構成要素とする。そして、これらのＰ＋ＮＰＮ接合によりＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）を構成する。Ｎ型半導体領域２１はＮ型の不純物拡散領域であり、Ｐ型半導体領域２２はＰ型の不純物拡散領域である。なお、Ｎ型半導体領域２１は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。また、Ｐ型半導体領域２２は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３０】
読出しゲート２４を挟んで、Ｐウェル領域１１上にＰ＋領域２６、このＰ＋領域２６上にＮ型の不純物拡散領域（以下、転送チャネル領域という）２７が形成される。読出しゲート２４は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度の領域である。Ｐ＋領域２６は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度の領域である。また、転送チャネル領域２７は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３１】
また、転送チャネル領域２７と隣の画素の第１フォトセンサ２０との間には、Ｐ型の不純物拡散領域が形成されチャネルストップ２８が構成される。このチャネルストップ２８は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度の領域である。
【００３２】
そして、読出しゲート２４、転送チャネル領域２７及びチャネルストップ２８の上にゲート絶縁膜（不図示）を挟んで多結晶シリコンからなる読出し電極２９ａが形成され、第１垂直転送レジスタ２５が構成される。
【００３３】
第１フォトセンサ２０及び第１垂直転送レジスタ２５を覆う全面に、例えばリン・シリケートガラス（ＰＳＧ）からなる光透過性の層間絶縁膜１７が積層される。層間絶縁膜１７の上には、第１フォトセンサ２０の上方に開口部を有し、第１垂直転送レジスタ２５を覆う遮光膜（例えばＡｌ膜やＷ膜）１８が形成され、最上層には基板全面を覆って表面保護層１９が形成される。
【００３４】
一方、オプティカルブラック領域２ｂの各画素は、図４（ａ）に示すように、第２フォトセンサ３０、第２垂直転送レジスタ３５、チャネルストップ３８などから構成される。
【００３５】
オプティカルブラック領域２ｂの第２フォトセンサ３０は、受光領域２ａの第１フォトセンサ２０と同様に、Ｎ型シリコン基板のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域３１と、このＮ型半導体領域３１上に形成されたＰ型半導体領域３２とを基本的な構成要素とする。従って、オプティカルブラック領域３のブレークダウンに対する耐性を、受光領域２ａよりもブレークダウンに対する耐性と同等にすることができ、黒レベルの変動を抑制することができる。なお、Ｎ型半導体領域３１は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＮ型半導体領域である。また、Ｐ型半導体領域３２は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。
【００３６】
また、第２垂直転送レジスタ３５の形成領域では、Ｐウェル領域１１上にＰ＋領域３６、このＰ＋領域３６上に転送チャネル領域３７が形成される。Ｐ＋領域３６は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。また、転送チャネル領域３７は、Ｎ型不純物（例えば、ヒ素）の濃度が、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＮ型半導体領域である。
【００３７】
また、転送チャネル領域３７と隣の画素の第２フォトセンサ３０との間には、チャネルストップ３８が形成される。また、転送チャネル領域３７と第２フォトセンサ３０との間にＰ＋領域３３が形成される。チャネルストップ３８は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。また、Ｐ＋領域３３は、Ｐ型不純物（例えば、ボロン）の濃度が、例えば、１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度のＰ型半導体領域である。
【００３８】
そして、転送チャネル領域３７及びチャネルストップ３８の上に絶縁膜１７ａを挟んで多結晶シリコンからなる読出し電極３９ａが形成され、第２垂直転送レジスタ３５が構成される。第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５を覆う全面（オプティカルブラック領域全域）に、層間絶縁膜１７ｂ及び遮光膜１８が形成され、最上層に表面保護層１９が形成される。
【００３９】
ここで、上述したように、オプティカルブラック領域２ｂのフォトセンサ３０は、受光領域２ａの第１フォトセンサ２０と同様に、Ｎ型シリコン基板のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型半導体領域３１を有している。そのため、オプティカルブラック領域２ｂの第２フォトセンサ３０に、遮光膜１８とＮ型シリコン基板１０との隙間に入り込んで多重反射した漏れ光が侵入して光電変換され、黒レベルが変動することがあった。
【００４０】
そこで、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂでは、オプティカルブラック領域２ｂの読出し電極３９ａについて、受光領域２ａの読出し電極２９ａと異なり、読出し電極３９ａをＮ型半導体領域３１から所定の距離ｄだけ遠ざけている。これにより、読出し時に受光領域２ａと同じように電子が垂直転送レジスタ３５へ読出されることがないようにしている。すなわち、図４（ｂ）に示すように、読出し電極３９ａ’がＮ型半導体領域３１’に近いと、Ｐ＋領域３３’のポテンシャルが下がり、Ｎ型半導体領域３１’から電荷が読出されてしまう。しかし、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂでは、読出し電極３９ａをＮ型半導体領域３１から遠ざけることで、Ｐ＋領域３３’のポテンシャルが下がり、Ｎ型半導体領域３１’から電荷が読出されないようにしている。
【００４１】
図４（ａ）に示す例では、読出し電極３９ａの直下にＰ＋領域３３を配置しないようにして、Ｐ＋領域３３のポテンシャルが下がることを抑制しているが、Ｎ型半導体領域３１から電荷が読出されなければ、読出し電極３９ａの直下にＰ＋領域３３が跨るように配置してもよい。
【００４２】
すなわち、オプティカルブラック領域２ｂにおいて、読出し電極３９ａと第２フォトセンサ３０との間の距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、第２フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離とする。このようにオプティカルブラック領域２ｂを構成することにより、オプティカルブラック領域２ｂのブレークダウンや大光量撮影時による黒レベルの変動を抑制して、白浮きの問題を防止することができる。
【００４３】
特に、オプティカルブラック領域２ｂの読出し電極３９ａの幅を、受光領域２ａの読出し電極２９ａの幅よりも狭くすることによって、距離ｄを、読出し電極３９ａに読出し電圧を印加したときに、第２フォトセンサ３０から電荷が読出されない距離としている。そのため、フォトセンサ２０，３０や垂直転送レジスタ２５，３５を同一構成で設計した後に、読出し電極３９ａの幅を狭くするだけでよく、レイアウト設計が極めて容易である。
【００４４】
［３．固体撮像素子の製造方法］
次に、固体撮像素子１の製造方法について図５Ａ〜図５Ｈ及び図４（ａ）を参照して具体的に説明する。ここでは、本実施形態における特徴部分であるオプティカルブラック領域２ｂの製造方法について説明し、受光領域２ａの製造方法については省略する。
【００４５】
まず、図５Ａに示すように、半導体基板であるＮ型シリコン基板１０を用意し、このＮ型シリコン基板１０の上部に、Ｐ型不純物をイオン注入して、Ｐウェル領域１１（第１導電型のウェル領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐウェル領域１１の不純物濃度は、例えば１×１０15〜５×１０15個／ｃｍ3程度である。
【００４６】
次いで、図５Ｂに示すように、第２フォトセンサ３０を形成する領域のＰウェル領域１１にＮ型不純物をイオン注入して、Ｎ型半導体領域３１（第２導電型の半導体領域）を形成する。ここでＮ型不純物は、例えば、ヒ素であり、Ｎ型半導体領域３１の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００４７】
次いで、図５Ｃに示すように、第２垂直転送レジスタ３５を形成する領域（垂直転送レジスタ形成領域）のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ＋領域３６を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ＋領域３６の不純物濃度は、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度である。
【００４８】
次いで、図５Ｄに示すように、第２垂直転送レジスタ３５を形成する領域（垂直転送レジスタ形成領域）のＰ＋領域３６上にＮ型不純物をイオン注入して、転送チャネル領域３７を形成する。ここでＮ型不純物は、例えば、ヒ素であり、転送チャネル領域３７の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００４９】
次いで、図５Ｅに示すように、転送チャネル領域３７とＮ型半導体領域３１との間のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ＋領域３３（第１導電型の第１半導体領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ＋領域３３の不純物濃度は、例えば１×１０16〜５×１０16個／ｃｍ3程度である。
【００５０】
次いで、図５Ｆに示すように、転送チャネル領域３７と第２フォトセンサ３０との間のＰウェル領域１１にＰ型不純物をイオン注入して、チャネルストップ３８を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、チャネルストップ３８の不純物濃度は、例えば１×１０17〜５×１０17個／ｃｍ3程度である。
【００５１】
次いで、図５Ｇに示すように、Ｎ型シリコン基板１０及び上に絶縁膜１７ａを形成した後、転送チャネル領域３７及びチャネルストップ３８の上に多結晶シリコンを選択的に形成して、読出し電極３９ａを形成する。なお、図示しないがこのとき、転送電極３９ｂも同時に形成される。
【００５２】
次いで、図５Ｈに示すように、読出し電極３９ａをマスクとして、転送チャネル領域３７間のＮ型シリコン基板１０上面にＰ型不純物をイオン注入して、Ｐ型半導体領域３２（第１導電型の第２半導体領域）を形成する。ここでＰ型不純物は、例えば、Ｂ（ボロン）であり、Ｐ型半導体領域３２の不純物濃度は、例えば１×１０18〜５×１０18個／ｃｍ3程度である。
【００５３】
最後に、図４（ａ）に示すように、読出し電極３９ａ及び絶縁膜１７ａ上に、絶縁膜１７ｂを形成した後、遮光膜１８を形成し、最上層に表面保護層１９を形成する。
【００５４】
一方、受光領域２ａは、第１フォトセンサ２０に入射光を導くための開口部（図３に示す符号５０参照）を有する点、読出し電極２９ａの幅が広い点を除き、オプティカルブラック領域２ｂと同様の構成でありオプティカルブラック領域２ｂと同時に形成される。すなわち、Ｐウェル領域１１が形成された後、Ｎ型半導体領域３１はＮ型半導体領域２１と同時に、Ｐ＋領域３６はＰ＋領域２６と同時に、転送チャネル領域３７は転送チャネル領域２７と同時に、Ｐ＋領域３３は読出しゲート２４と同時に形成される。また、チャネルストップ３８はチャネルストップ２８と同時に、読出し電極３９ａは読出し電極２９ａと同時に、Ｐ型半導体領域３２はＰ型半導体領域２２と同時に形成される。
【００５５】
このように、本実施形態に係るオプティカルブラック領域２ｂの製造方法では、受光領域２ａと同様の工程で受光領域２ａと同時に形成することができる。しかも、従来の読出し電極３９ａの幅を変更した場合であっても、受光領域２ａと同様に、読出し電極３９ａをマスクとしてセルフアラインによりＰ型半導体領域３２を形成することができ、工程数を増加させることがない。
【００５６】
以上、本発明の実施形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 固体撮像素子
２ 画素部
２ａ 受光領域
２ｂ オプティカルブラック領域
４ 水平転送出力部
１０ Ｎ型シリコン基板（半導体基板）
１１ Ｐウェル領域（第１導電型のウェル領域）
２０ 第１フォトセンサ
２１ Ｎ型半導体領域
２２ Ｐ型半導体領域
２４ 読出しゲート
２５ 第１垂直転送レジスタ
２９ａ，３９ａ 読出し電極
２９ｂ，３９ｂ 転送電極
３０ 第２フォトセンサ
３１ Ｎ型半導体領域（第２導電型の半導体領域）
３２ Ｐ型半導体領域（第１導電型の第２半導体領域）
３３ Ｐ＋領域（第１導電型の第１半導体領域）
３５ 第２垂直転送レジスタ
３８ チャネルストップ
４５ 水平転送レジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、
前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、
前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、
前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子。
【請求項２】
前記オプティカルブラック領域の読出し電極の幅を、前記受光領域の読出し電極の幅よりも狭くすることによって、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
固体撮像素子を有し、
前記固体撮像素子は、
二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、
前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、
前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、
前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした撮像機器。
【請求項４】
半導体基板に第１導電型のウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域の垂直転送レジスタ形成領域に、転送チャンネルを形成する工程と、
前記ウェル領域のフォトセンサ形成領域に、第２導電型の半導体領域を形成する工程と、
前記転送チャネルと前記第２導電型の半導体領域との間の前記ウェル領域に第１導電型の第１半導体領域を形成する工程と、
前記転送チャンネル上に、前記フォトセンサ形成領域に形成されるフォトセンサから電荷を読出す読出し電極を絶縁膜を介して形成する工程と、
前記読出し電極間の、前記第２導電型の半導体領域上及び前記第１半導体領域の上部に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第１導電型の第２半導体領域を形成する工程と、
前記読出し電極及び前記転送電極を含む前記半導体基板上に絶縁膜を介して遮光膜を形成する工程と、を有し、
前記フォトセンサは、前記第２導電型の半導体領域と前記第２半導体領域とを有して構成され、
前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子の製造方法。
【請求項１】
二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、
前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、
前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、
前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子。
【請求項２】
前記オプティカルブラック領域の読出し電極の幅を、前記受光領域の読出し電極の幅よりも狭くすることによって、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
固体撮像素子を有し、
前記固体撮像素子は、
二次元配列された複数のフォトセンサと、前記フォトセンサから電荷を読出す読出し電極と、読出した電荷を転送する転送電極と、前記フォトセンサの垂直列毎に設けられた垂直転送レジスタと、を有する画素部と、
前記垂直転送レジスタから転送された電荷を水平転送する水平転送レジスタと、を備え、
前記画素部は、入射光を受光する受光領域と、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域とを有し、前記受光領域と前記オプティカルブラック領域とで前記フォトセンサを同一構成としており、
前記オプティカルブラック領域において、前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした撮像機器。
【請求項４】
半導体基板に第１導電型のウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域の垂直転送レジスタ形成領域に、転送チャンネルを形成する工程と、
前記ウェル領域のフォトセンサ形成領域に、第２導電型の半導体領域を形成する工程と、
前記転送チャネルと前記第２導電型の半導体領域との間の前記ウェル領域に第１導電型の第１半導体領域を形成する工程と、
前記転送チャンネル上に、前記フォトセンサ形成領域に形成されるフォトセンサから電荷を読出す読出し電極を絶縁膜を介して形成する工程と、
前記読出し電極間の、前記第２導電型の半導体領域上及び前記第１半導体領域の上部に、前記第１半導体領域よりも不純物濃度の高い第１導電型の第２半導体領域を形成する工程と、
前記読出し電極及び前記転送電極を含む前記半導体基板上に絶縁膜を介して遮光膜を形成する工程と、を有し、
前記フォトセンサは、前記第２導電型の半導体領域と前記第２半導体領域とを有して構成され、
前記読出し電極と前記フォトセンサとの間の距離を、前記読出し電極に読出し電圧を印加したときに、前記フォトセンサから電荷が読出されない距離とした固体撮像素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２５８５９８（Ｐ２０１１−２５８５９８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２９１１４（Ｐ２０１０−１２９１１４）
【出願日】平成２２年６月４日（２０１０．６．４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月４日（２０１０．６．４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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