JP2009129931A - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】画素の微細化に際しても更なる集光効率向上を図り、小型で高感度な固体撮像素子を得る。
【解決手段】遮光膜１０の最表面の高さ位置がフォトダイオード４の最表面の高さ位置とほぼ同一高さに形成されているため、基板表面に段差がなくなり、集光も容易になると共に、斜め光も有効に受光部に取り込むことができて、フォトダイオード４の感度劣化を抑制することができる。また、本実施形態の固体撮像素子２０の製造方法によれば、遮光膜１０のフォトダイオード４上をＣＭＰ法などにより遮光膜１０に開口部ａを設けるため、ドライエッチング法を用いて遮光膜の開口部を形成する従来技術に生じていたような、基板内へのプラズマダメージ混入を抑制できて、白傷が少ない固体撮像素子を作製することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、 この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、車載用後方監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

近年、民生用のデジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話機などに対する要望が高まっており、それらに搭載されるＣＣＤ型イメージセンサなどの固体撮像素子における高画素化が急速に進んでいる。

例えば、ＣＣＤ型イメージセンサは、入射光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部として複数のフォトダイオード（受光部）が半導体基板の表面部にマトリックス状に設けられ、このフォトダイオードに隣接して、対応するフォトダイオードにより生成された信号電荷を所定方向に電荷転送する電荷転送部が設けられ、その電荷転送部上にこれを駆動させるための電荷転送電極（ゲート電極）が設けられている。さらに、電荷転送電極などにより反射された光が受光部に入射されるのを防ぐために、電荷転送電極上を覆い、フォトダイオード上を開口させるように遮光膜が設けられている。さらに、その半導体基板の上方には、各フォトダイオード（受光部）毎に、赤、青および緑のいずれかの色の光を選択的に透過させるカラーフィルタが設けられ、さらにその上には、各フォトダイオード（受光部）にそれぞれ入射光を集光させるためのオンチップレンズ（マイクロレンズ）がそれぞれ設けられている。

このような従来の固体撮像素子に対して、画質を向上させることが非常に強く要請されており、その画質向上の要請に応えるためには、画素数を増やして解像度を高くすることと、固体撮像素子の感度を向上させることが必要である。そのため、従来の固体撮像素子では、画素の配列密度を高くしつつ、さらに画素を小型化させる必要がある。

ところが、画素サイズを縮小させた場合、単位画素に入射される光量が減少し、その結果、各画素において受光部の感度特性が低下したり、フォトダイオード自体の受光面積が縮小化されるため、従来の固体撮像素子の感度特性や飽和特性に劣化が生じるという不具合が顕在化してくる。

このような不具合を防ぐために、固体撮像素子の感度を向上させるという目的で、遮光膜の開口部を大きくして各受光部の開口を大きくすると、一般的に、電荷転送部への入射光の混入によるスミアが発生しやすくなるため、各受光部の開口を大きくすることには限界がある。

そこで、フォトダイオードへの集光効率を向上させ、スミア発生を抑制する方法として、従来から、オンチップレンズ（マイクロレンズ）と受光部（フォトダイオード）との間の層内に、光透過性材料膜からなる、もう一つのレンズ（層内レンズ）を形成することによって、フォトダイオードへの集光効率をさらに向上させることが行われている。

この層内レンズは、光電変換が行われる各受光部の直上において、層間膜中に形成されるレンズであり、オンチップレンズと同様に、この層内レンズに入射された入射光を層内レンズの上面側または／および下面側の界面で屈折させて、各受光部（フォトダイオード）にそれぞれ導くというものである。

しかしながら、近年、従来の固体撮像素子では、画素の微細化が進む一方であり、特に画素ピッチが２μｍ以下となるような微細なものも提案されていることから、理想的な層内レンズやオンチップレンズを形成することは容易ではなく、これらの方法だけでは、高い集光効率を得ることが困難となってきている。

その対策の一つとして、例えば特許文献１には、図７に示すような従来の固体撮像素子の構造が提案されている。

図７は、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。

図７において、従来の固体撮像素子１００は、基板１０１に溝が形成され、その溝内の底面側に電荷転送部１０２とチャネルストップ層１０３とが互いに隣接して形成されている。さらに、その溝内の底面上に、フォトダイオード１０４の表面と同じ高さになるように、ゲート絶縁膜１０５を介して電荷転送電極１０６が形成されている。その電荷転送電極１０６上に遮光膜１０７が形成されている。

この従来の固体撮像素子１００の構造によれば、電荷転送電極１０６とフォトダイオード１０４との段差が小さくなり、オンチップレンズと基板１０１との距離が小さくなるため、集光効率の高い固体撮像素子が得られる。
特開２００２-２４６５８３号公報

上述したように、従来の固体撮像素子において、画素サイズを縮小させた場合、単位画素に入射される光量が減少し、固体撮像素子の感度特性や飽和特性に劣化が生じる。また、感度を向上させるために遮光膜の開口部を大きくして受光部上の開口部を大きくすると、電荷転送部への入射光の混入によるスミアが発生しやすくなる。さらに、画素の微細化が進むにつれて、理想的な層内レンズやオンチップレンズを形成することは容易ではなく、高い集光効率を得ることが困難となっている。

また、上記特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子１００では、遮光膜１０７の一部が受光部（フォトダイオード１０４）上に張り出しているため、受光部への斜め入射光が遮光膜１０７に妨げられることになり、その分、固体撮像素子１００の感度が低下し、Ｆ値依存性が解消されない。

さらに、遮光膜は、従来から一般に、フォトリソグラフィー法を用いて形成されたフォトレジスト膜をマスクとして、エッチングによって形成されるが、この際に、露光装置の精度に依存して、少なくとも数十ｎｍ程度のアライメントずれが、フォトダイオード部に対して発生する。このアライメントずれに関しては、固体撮像素子の感度やスミアに対して敏感に影響を与えるため、固体撮像素子を高性能化または小型化させるための妨げになっている。

これらの問題は、画素が微細化されるほど深刻となり、いずれにしても、従来の固体撮像素子の構造では、高い感度特性を維持して素子を微細化することには、限界があるということが懸念される。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素の微細化に際しても更なる集光効率向上を図ることができて、小型で高感度な固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部が半導体基板表面に設けられ、隣接する各受光部間の電荷転送路に溝が形成され、該溝の底面部に、対応する受光部からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部が設けられ、少なくとも該電荷転送部を含む溝の底面部上に絶縁膜を介して電荷転送電極が設けられ、絶縁膜を介して該電荷転送電極上を覆い、該受光部上を開口した遮光膜が設けられた固体撮像素子であって、該溝内にのみ該電荷転送電極および該遮光膜が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における受光部上の基板表面と前記遮光膜の最も高い表面とが略同一高さに設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の受光部上の遮光膜が除去されて、該複数の受光部上にそれぞれ各開口部がそれぞれ形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送電極上の遮光膜の少なくとも中央表面は、前記受光部の表面よりも低い高さに形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光膜の最も高い表面は前記受光部上の基板表面側にはみ出していない。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における溝の深さは、前記溝の底面上の前記絶縁膜、前記電荷転送電極、前記絶縁膜および前記遮光膜の積層膜の厚み以上の深さに設定されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における溝の深さは、４００ｎｍ±１００ｎｍとされている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、複数の受光部に平坦化膜を介してそれぞれ対応するように、入射光を該複数の受光部に集光させるためのオンチップレンズが設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送電極は、ＣＣＤ型イメージセンサの各列毎の複数の受光部から前記電荷転送部への各信号電荷の読み出しと、該電荷転送部による所定方向の電荷転送とを兼ねた電極である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送電極は、ＣＭＯＳ型イメージセンサの複数の受光部からそれぞれ各電荷転送先のフローティングディヒュージョン部にそれぞれ信号電荷を読み出すためのトランスファトランジスタの電極である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面部に電荷転送路に溝を形成する溝形成工程と、該溝以外の半導体基板の表面部に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部を形成すると共に、該溝の底面部に、対応する受光部からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部を形成するイオン注入工程と、該溝の底面部上に絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極工程と、該電荷転送電極上に絶縁膜を介して遮光膜の最も高い表面を、該受光部上の最も高い基板表面と同一高さに形成すると共に、該遮光膜を該複数の受光部上でそれぞれ開口する遮光膜形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における遮光膜形成工程は、基板全面に遮光膜を堆積する遮光膜成膜工程と、前記複数の受光部上の遮光膜を除去して該複数の受光部上に開口部をそれぞれ形成して、前記溝内の遮光膜の最も高い表面を、該受光部上の最も高い基板表面と同一高さに形成する遮光膜除去工程とを有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における遮光膜除去工程は、前記複数の受光部上の遮光膜を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨して該複数の受光部上にそれぞれ開口部を形成する遮光膜研磨工程である。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明の固体撮像素子にあっては、半導体基板に形成された溝の底面部に電荷転送部が形成され、その溝内に電荷転送電極および遮光膜が形成されており、受光部への斜め入射光についても遮光膜によって遮られることがないため、高い集光効率が得られ、感度劣化が生じない。また、電荷転送電極および遮光膜と受光部との段差がほとんどなくなるため、平坦化膜を薄膜化することが可能となって、オンチップレンズと基板との距離が飛躍的に短くなる。このため、層内レンズがなくても、容易に受光部上に集光させることが可能となる。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法にあっては、半導体基板の表面に電荷転送路に沿って所定方向に溝を形成し、溝の底面部に電荷転送部を形成し、溝内の電荷転送部上に電荷転送電極を形成し、さらにこの上に絶縁膜を介して遮光膜を基板表面と同一高さに形成する。この遮光膜を基板表面と同一高さに形成する際に、基板全面に遮光膜を形成し、各受光部（フォトダイオード）上の遮光膜だけを化学的機械研磨（ＣＭＰ）法などにより研磨するなどして除去して、基板表面と同一高さに形成すると共に、各受光部（フォトダイオード）上に開口部を形成する。

この本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、各受光部の表面上には遮光膜が形成されず、溝内には確実に遮光膜が充填される。よって、固体撮像素子の感度ばらつきが小さく、受光部以外の領域に光が入射されることにより発生するスミアも抑えられ、素子の微細化を図ることが可能となる。また、遮光膜の開口部をエッチングによって形成する従来技術に比べて、受光部表面上へのエッチングによるダメージ混入も小さくなり、白傷が少ない固体撮像素子を製造することが可能となる。

さらに、フォトリソグラフィー法を用いて形成したフォトレジスト膜をマスクとして遮光膜の開口部を形成する従来技術の場合に比べて、露光装置の精度に依存する受光部と遮光膜の開口部とのアライメントずれも生じることなく、固体撮像素子の感度低下やスミア発生を抑制することが可能となる。

以上により、本発明によれば、半導体基板に形成された溝内だけに電荷転送電極および遮光膜が形成されて基板表面に段差がなくなるため、平坦化膜を薄膜化することができて、オンチップレンズと受光部表面との距離が飛躍的に短くなって、更なる画素の微細化に際して、微細化時に形成が困難になる層内レンズがなくても容易に受光部上に集光させることができる。また、このように、基板表面に段差がなくなることから、画素の微細化に対応して、受光部への斜め光に対しても効果的に集光を行い、受光量をより確保することができる。さらに、複数の受光部上の遮光膜を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法などにより研磨するなどして除去して複数の受光部上にそれぞれ開口部を形成するようにしたため、露光装置の精度に依存する受光部と遮光膜の開口部とのアライメントずれも生じることなく、固体撮像素子の感度低下やスミア発生を抑制することができる。これによって、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。

以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態をＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の１画素部およびその周辺部分の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’方向の縦断面図である。

図１および図２において、ａは遮光膜の開口部、Ｖは列方向の垂直転送路を示している。入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部（受光部）としての各フォトダイオード４が、半導体基板１の表面部にマトリックス状に設けられている。隣接する各フォトダイオード４間に溝３が行列方向に形成され、溝３が形成された列方向の垂直転送路Ｖには、対応するフォトダイオード４により生成された信号電荷を電荷転送するための電荷転送部５が設けられ、この電荷転送部５を少なくとも含む溝３の底面上には、電荷転送電極としてのゲート電極８が設けられている。さらに、そのゲート電極８上を覆い、各フォトダイオード４上に開口部ａを有する遮光膜１０が設けられている。

図２に示すように、本実施形態の固体撮像素子２０は、ｎ型半導体基板１上に低濃度ｐ型ウェル領域２が形成されている。光電変換部としてのフォトダイオード４は、ｐ型ウェル領域２の深部まで選択的に形成されたｎ型シリコン領域によって構成されている。

低濃度ｐ型ウェル領域２の表面側には、電荷転送路に沿って溝３が形成され、その隣接する溝３の間にフォトダイオード４が形成されている。その溝３内の底面側には、例えばｎ型シリコン領域によって構成された電荷転送部５と、隣のフォトダイオード４との素子分離のためのチャネルストップ層６とが互いに隣接して形成されている。また、この溝３内の底面上、即ち、電荷転送部５およびチャネルストップ層６上には、ゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極としてのゲート電極８が形成され、そのゲート電極８の上面および側壁には、例えば熱酸化膜などの絶縁膜９を介して、例えばタングステン（Ｗ）膜などの遮光膜１０が設けられている。

遮光膜１０の最も高い表面の高さは、複数のフォトダイオード４上の遮光膜１０が除去されて、フォトダイオード４上の最も高い基板表面とほぼ同一高さに形成されている。このため、各受光部への斜め入射光に対して、受光部としてのシリコン基板層のフォトダイオード４が遮光膜１０によって遮られることがなく、斜め光も有効に受光部（フォトダイオード４）に取り込むことが可能となり、これによって、感度劣化が抑制される。さらに、電荷転送電極としてのゲート電極８および遮光膜１０と受光部（フォトダイオード４）との段差がほとんどなくなるため、平坦化膜を薄膜化することが可能となって、図示しないオンチップレンズと基板１との距離も短くなる。このため、画素の微細化に際して形成が難しくなっている層内レンズを設けなくても、容易に入射光を受光部（フォトダイオード４）に集光させることができる。このとき、電荷転送電極としてのゲート電極８および遮光膜１０の少なくとも中央部の最も高い表面は、フォトダイオード４上の最も高い基板表面よりも低い高さ位置に形成される。また、この場合、遮光膜１０の最も高い表面はフォトダイオード４上の最も高い基板表面側にはみ出していない。

溝３の深さは、溝３の底面上のゲート絶縁膜７、ゲート電極８、絶縁膜９および遮光膜１０の積層膜の厚み以上の深さに設定されており、４００ｎｍ±１００ｎｍとされている。

また、ここでは図示していないが、複数のフォトダイオード４上に相間絶縁膜およびその上の平坦化膜を介して各フォトダイオード４にそれぞれ対応するように、入射光を複数のフォトダイオード４上に集光させるためのオンチップレンズが設けられている。

以下に、本実施形態の固体撮像素子２０の製造方法について、図２〜図６の要部縦断面図を用いて詳細に説明する。

まず、図３に示すように、例えばｎ型シリコンからなる半導体基板１にｐ型ウェル領域２を形成し、その表面に、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、例えば深さが４００ｎｍの溝３を所定の電荷転送方向に形成する。

次に、図４のイオン注入工程に示すように、ｐ型ウェル領域２に選択的にｎ型不純物を導入して各フォトダイオード４となるｎ型シリコン領域をそれぞれ形成する。溝３の底面部には電荷転送部５を形成する。フォトダイオード４の方が電荷転送部５よりも、領域深さが深く形成される。また、フォトダイオード４に対応した電荷転送部５と、隣のフォトダイオード４との間には、ｐ型不純物を導入して画素分離部としてのチャネルストップ層６を形成する。これらのプロセスについては従来から一般的に用いられているプロセスと同様であるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。

その後、図５のゲート電極形成工程に示すように、半導体基板１の表面に、例えば膜厚３０ｎｍの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜７を成膜する。さらに、半導体基板１上の溝３内において図１の垂直転送部Ｖに対応する位置に、例えば膜厚２００ｎｍのポリシリコンからなるゲート電極８を形成する。この場合、ゲート電極８と共にゲート絶縁膜７も同様に形成する。このゲート電極８およびその上の遮光膜１０の最も高い表面は、フォトダイオード４上の基板表面（最も高い表面）よりも低い高さ位置に形成される、なお、図５には示していないが、図１の水平転送部Ｈに対応する位置にもゲート電極８を形成する。さらに、フォトダイオード４を構成するｎ型シリコン領域の表面側に、選択的に、図示しない高濃度ｐ型領域を形成する。このように、フォトダイオード４を構成するｎ型シリコン領域の表面側に高濃度ｐ型領域（暗電流防止層）を形成する。この方法は、暗電流を防止するために従来から行われているため、ここでは、その詳細な説明は省略する。

次に、図６の遮光膜形成工程に示すように、例えば基板全面を熱酸化して、ゲート電極８上面および側壁にも、厚み５０ｎｍ程度の酸化膜などの絶縁膜９を形成した後、例えばＣＶＤ法などによって膜厚１００ｎｍのタングステン（Ｗ）膜などの遮光膜１０を基板全面に成膜する。この遮光膜１０の材料としては、タングステン（Ｗ）膜の他に、アルミニウム（Ａｌ）膜や、遮光性が良好な高融点金属であるチタン（Ｔｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）またはそれらの複合膜などを使用することができる。

続いて、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いて、ゲート電極８上に比べて凸部となっているフォトダイオード４上の遮光膜部分１０ａを従来のアライメントずれなく研磨除去して、溝３内にのみ遮光膜１０が残るように平坦化させることにより、図２に示すように、遮光膜１０の最も高い表面の高さを、フォトダイオード４上の基板表面とほぼ同一高さに形成することができる。

その後、図示しないが、プラズマＣＶＤ法などにより、シリコンナイトライドなどの平坦化膜としてのパッシベーション膜を形成し、さらにその上に、フォトダイオード４毎に対応するように各色のカラーフィルタ（モザイク状の例えばベイヤー色配列）や、さらにその上のオンチップレンズなどを順次形成して本実施形態の固体撮像素子２０を得ることができる。

このように、本実施形態の固体撮像素子２０の製造方法は、半導体基板１の表面側に電荷転送路に沿って溝３を形成する溝形成工程と、互いに隣接する溝３の間の半導体基板表面に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部（フォトダイオード４）を形成すると共に、溝３の底面部に、対応する受光部（フォトダイオード４）からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部５を形成するイオン注入工程と、溝３の底面部上に絶縁膜７を介して電荷転送電極としてのゲート電極８を形成する電荷転送電極工程と、このゲート電極８上に絶縁膜９を介して遮光膜１０の最も高い表面を、受光部（フォトダイオード４）上の基板表面と同一高さに形成すると共に、遮光膜１０を複数の受光部（フォトダイオード４）上でそれぞれ開口する遮光膜形成工程とを有している。

この遮光膜形成工程は、基板全面に遮光膜１０を堆積する遮光膜成膜工程と、複数の受光部（フォトダイオード４）上の遮光膜１０を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨除去して複数の受光部（フォトダイオード４）上にそれぞれ開口部ａを形成して、溝３内の遮光膜１０の最も高い表面を、受光部（フォトダイオード４）上の基板表面と同一高さに形成する遮光膜研磨工程とを有している。これによって、フォトリソグラフィー法を用いて形成したフォトレジスト膜をマスクとして遮光膜１０の開口部ａを形成する従来技術の場合に比べて、露光装置の精度に依存する受光部と遮光膜１０の開口部ａとのアライメントずれも生じることなく、固体撮像素子２０の感度低下やスミア発生を抑制することができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子２０によれば、遮光膜１０の最表面の高さ位置がフォトダイオード４の最表面の高さ位置とほぼ同一高さに形成されているため、基板表面に段差がなくなり、集光も容易になると共に、斜め光も有効に受光部に取り込むことができて、フォトダイオード４の感度劣化を抑制することができる。また、本実施形態の固体撮像素子２０の製造方法によれば、遮光膜１０のフォトダイオード４上をＣＭＰ法などにより遮光膜１０に開口部ａを設けるため、ドライエッチング法を用いて遮光膜の開口部を形成する従来技術に生じていたような、基板内へのプラズマダメージ混入を抑制できて、白傷が少ない固体撮像素子を作製することができる。

なお、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態の固体撮像装置２０を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態の固体撮像装置２０を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

また、上記実施形態では、本発明の固体撮像素子２０をＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合について説明している。この場合、電荷転送電極としてのゲート電極８は、溝３内の底面（少なくとも電荷転送部５を含む底面）上に設けられ、ＣＣＤ型イメージセンサの各列毎の複数の受光部としてのフォトダイオード４から電荷転送部５への各信号電荷の読み出しと、電荷転送部５による所定方向（垂直方向または水平方向）の電荷転送とを兼ねた電極である。これに限らず、本発明の固体撮像素子２０をＣＭＯＳ型イメージセンサに適用することもできる。この場合、電荷転送電極としてのゲート電極８は、溝３内の底面（少なくとも電荷転送部５を含む底面）上に設けられ、ＣＭＯＳ型イメージセンサの複数の受光部としての各フォトダイオード４からそれぞれ各信号電荷転送先のフローティングディヒュージョン部ＦＤにそれぞれ信号電荷を読み出すためのトランスファトランジスタのゲート電極であってもよい。

ここで、ＣＭＯＳ型イメージセンサについて簡単に説明する。この各画素部にはそれぞれ、その半導体基板の表面層として、光電変換部としての複数のフォトダイオード（受光部）がマトリクス状に形成されている。このフォトダイオードに隣接して、信号電荷がフローティングディヒュージョン部ＦＤに転送されるための電荷転送トランジスタの電荷転送部が設けられている。この電荷転送部は、溝３の底面側に設けられ、この溝３の底面（少なくとも電荷転送部５を含む底面）上には、ゲート絶縁膜を介して引き出し電極であるゲート電極８が上記溝３内に設けられている。さらに、このフォトダイオード（受光部）毎にフローティングディフュージョン部ＦＤに電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素部毎の撮像信号として信号線に読み出すための読出回路を有している。

このＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合の固体撮像素子は、ＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合の固体撮像素子と同様に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部としてのフォトダイオード４が半導体基板表面に設けられ、隣接する各フォトダイオード４間の電荷転送路に溝３が形成され、この溝３の底面部に、対応するフォトダイオード４からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部５が設けられ、少なくとも電荷転送部５を含む溝３の底面部上に絶縁膜７を介してゲート電極８が設けられ、このゲート電極８上を覆い、フォトダイオード４上を開口した遮光膜１０が設けられた固体撮像素子であって、溝３内にのみゲート電極８および遮光膜１０が外部にはみ出すことなく設けられている。これによって、画素の微細化に際しても更なる集光効率向上を図り、小型で高感度な固体撮像素子を得ることができる本発明の目的を達成することができる。

ＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合の固体撮像素子の製造方法についても、上記実施形態の固体撮像素子２０の製造方法の場合と同様に、半導体基板１の表面側に電荷転送路に沿って溝３を形成する溝形成工程と、互いに隣接する溝３の間の半導体基板表面に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数のフォトダイオード４を形成すると共に、溝３の底面部に、対応するフォトダイオード４からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部５を形成するイオン注入工程と、溝３の底面部上に絶縁膜７を介してゲート電極８を形成する電荷転送電極工程と、このゲート電極８上に絶縁膜９を介して遮光膜１０の最も高い表面を、フォトダイオード４上の最も高い基板表面と同一高さに形成すると共に、遮光膜１０を複数のフォトダイオード４上で各開口部をそれぞれ開口する遮光膜形成工程とを有している。

この遮光膜形成工程についても、上記実施形態の固体撮像素子２０の製造方法の場合と同様に、基板全面に遮光膜１０を堆積する遮光膜成膜工程と、複数のフォトダイオード４上の遮光膜１０を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法などにより研磨するなどして除去して複数のフォトダイオード４上にそれぞれ開口部を形成して、溝３内の遮光膜１０の最も高い表面を、フォトダイオード４上の最も高い基板表面と同一高さに形成する遮光膜研磨工程とを有している。これによって、フォトリソグラフィー法を用いて形成したフォトレジスト膜をマスクとして遮光膜１０の開口部を形成する従来技術の場合に比べて、露光装置の精度に依存する受光部と遮光膜１０の開口部とのアライメントずれも生じることなく、固体撮像素子２０の感度低下やスミア発生を抑制することができる。

その後、図示しないが例えばフローティングディフュージョン部にコンタクトプラグにより接続された１層目のメタル配線、たとえばアルミニウム配線を形成し、さらに、層間絶縁膜を介して、その上に２層目のメタル配線を形成して、ＣＭＯＳイメージセンサ構造を得る。

ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとＣＣＤイメージセンサの特徴について簡単に説明する。

ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサのように、垂直転送部により各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送し、垂直転送部からの信号電荷を水平転送部により水平方向に電荷転送するＣＣＤを使用せず、メモリデバイスのようにアルミニュウム配線などで構成される選択制御線によって、画素毎に受光部から信号電荷を読み出してそれを電圧変換し、その変換電圧に応じて信号増幅した撮像信号を、選択された画素から順次読み出すようになっている。一方、ＣＣＤイメージセンサは、ＣＣＤの駆動のために正負の複数の電源電圧を必要とするが、ＣＭＯＳイメージセンサは、単一電源で駆動が可能であり、ＣＣＤイメージセンサに比べ、低消費電力化や低電圧駆動が可能である。さらに、ＣＣＤイメージセンサの製造には、ＣＣＤ独自の製造プロセスを用いているために、ＣＭＯＳ回路で一般的に用いられる製造プロセスをそのまま適用することが難しい。これに対して、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＭＯＳ回路で一般的に用いられる製造プロセスを使用しているために、表示制御用のドライバー回路や撮像制御用のドライバー回路、ＤＲＡＭなどの半導体メモリ、論理回路などの製造で多用されているＣＭＯＳプロセスにより、論理回路やアナログ回路、アナログデジタル変換回路などを同時に形成してしまうことができる。つまり、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体メモリ、表示制御用のドライバー回路および撮像制御用のドライバー回路と同一の半導体チップ上に形成することが容易であり、また、その製造に対しても、半導体メモリや表示制御用のドライバー回路および撮像制御用のドライバー回路と生産ラインを共有することが容易にできる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、 この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えば民生用のデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、車載用後方監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、半導体基板に形成された溝内だけに電荷転送電極および遮光膜が形成されて基板表面に段差がなくなるため、平坦化膜を薄膜化することができて、オンチップレンズと受光部表面との距離が飛躍的に短くなって、更なる画素の微細化に際して、微細化時に形成が困難になる層内レンズがなくても容易に受光部上に集光させることができる。また、このように、基板表面に段差がなくなることから、画素の微細化に対応して、受光部への斜め光に対しても効果的に集光を行い、受光量をより確保することができる。さらに、複数の受光部上の遮光膜を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法などにより研磨するなどして除去して複数の受光部上にそれぞれ開口部を形成するようにしたため、露光装置の精度に依存する受光部と遮光膜の開口部とのアライメントずれも生じることなく、固体撮像素子の感度低下やスミア発生を抑制することができる。これによって、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子の１画素部の要部構成例を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’方向の要部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像素子の第１製造工程（溝形成工程）について説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像素子の第２製造工程（イオン注入工程）について説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像素子の第３製造工程（ゲート電極形成工程）について説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像素子の第４製造工程（遮光膜形成工程）について説明するための要部縦断面図である。 従来の固体撮像素子の構成例を示す要部縦断面図である。

符号の説明

１ ｎ型半導体基板
２ ｐ型ウェル領域
３ 溝
４ フォトダイオード（ｎ型シリコン領域）
５ 電荷転送部
６ チャネルストップ層（画素分離部）
７ ゲート絶縁膜
８ ゲート電極（電荷転送電極）
９ 絶縁膜
１０ 遮光膜
１０ａ フォトダイオード上の遮光膜部分（除去される部分）
２０ 固体撮像素子
Ｖ 垂直転送部
Ｈ 水平転送部
ａ 遮光膜の開口部

Claims (14)

1. 入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部が半導体基板表面に設けられ、隣接する各受光部間に溝が形成され、該溝の底面部に、対応する受光部からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部が設けられ、少なくとも該電荷転送部を含む溝の底面部上に絶縁膜を介して電荷転送電極が設けられ、絶縁膜を介して該電荷転送電極上を覆い、該受光部上を開口した遮光膜が設けられた固体撮像素子であって、該溝内にのみ該電荷転送電極および該遮光膜が設けられている固体撮像素子。
2. 前記受光部上の基板表面と前記遮光膜の最も高い表面とが略同一高さに設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の受光部上の遮光膜が除去されて、該複数の受光部上にそれぞれ各開口部がそれぞれ形成されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記電荷転送電極上の遮光膜の少なくとも中央表面は、前記受光部の表面よりも低い高さに形成されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 前記遮光膜の最も高い表面は前記受光部上の基板表面側にはみ出していない請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 前記溝の深さは、前記溝の底面上の前記絶縁膜、前記電荷転送電極、前記絶縁膜および前記遮光膜の積層膜の厚み以上の深さに設定されている請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記溝の深さは、４００ｎｍ±１００ｎｍとされている請求項１または６に記載の固体撮像素子。
8. 前記複数の受光部に平坦化膜を介してそれぞれ対応するように、入射光を該複数の受光部に集光させるためのオンチップレンズが設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
9. 前記電荷転送電極は、ＣＣＤ型イメージセンサの各列毎の複数の受光部から前記電荷転送部への各信号電荷の読み出しと、該電荷転送部による所定方向の電荷転送とを兼ねた電極である請求項１に記載の固体撮像素子。
10. 前記電荷転送電極は、ＣＭＯＳ型イメージセンサの複数の受光部からそれぞれ各電荷転送先のフローティングディヒュージョン部にそれぞれ信号電荷を読み出すためのトランスファトランジスタのゲート電極である請求項１に記載の固体撮像素子。
11. 半導体基板の表面部に電荷転送路に溝を形成する溝形成工程と、
    該溝以外の半導体基板の表面部に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部を形成すると共に、該溝の底面部に、対応する受光部からの信号電荷を電荷転送するための電荷転送部を形成するイオン注入工程と、
    該溝の底面部上に絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極工程と、
    該電荷転送電極上に絶縁膜を介して遮光膜の最も高い表面を、該受光部上の最も高い基板表面と同一高さに形成すると共に、該遮光膜を該複数の受光部上でそれぞれ開口する遮光膜形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
12. 前記遮光膜形成工程は、
    基板全面に遮光膜を堆積する遮光膜成膜工程と、
    前記複数の受光部上の遮光膜を除去して該複数の受光部上に開口部をそれぞれ形成して、前記溝内の遮光膜の最も高い表面を、該受光部上の最も高い基板表面と同一高さに形成する遮光膜除去工程とを有する請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法。
13. 前記遮光膜除去工程は、前記複数の受光部上の遮光膜を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨して該複数の受光部上にそれぞれ開口部を形成する遮光膜研磨工程である請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法。
14. 請求項１〜１０のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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