JP5349372B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

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（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）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、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

ＣＣＤイメージセンサなどの半導体素子を用いた従来の固体撮像素子は、デジタルカメラを始め、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置など様々な用途に利用されている。また、その普及につれて、小型化、低価格化などの要請はもとより、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化が益々強まってきている。

ＣＣＤ型固体撮像素子は、受光面に縦横に配置されたフォトダイオードからなる複数の光電変換素子と、これらの光電変換素子の垂直方向の各配列に沿ってそれぞれ配置される複数の垂直ＣＣＤと、複数の垂直ＣＣＤの終端部に配置される水平ＣＣＤと、この水平ＣＣＤの終端部に配置され、水平ＣＣＤからの信号電荷を電圧信号に変換して増幅出力する信号出力部とを有している。

このようなＣＣＤ型固体撮像素子の信号出力部の構成としては、一般的にＦＤＡ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｍｐｌｙｆｉｅｒ）タイプのものが広く採用されている。

図１１は、従来の固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図であり、図１２は、図１１のＡＡ’線断面図である。

図１１および図１２に示すように、従来の固体撮像素子の信号出力部１００は、電荷転送領域１０１から転送された信号電荷を蓄積し、この信号電荷に対応して電位を保持し、その後、リセット動作により、リセット電位になる動作を繰り返すＦＤ部１０２と、電荷転送領域１０１からＦＤ部１０２への信号電荷の転送を制御する水平出力トランジスタ１０３と、そのリセット動作を制御するリセットトランジスタ１０４と、ＦＤ部１０２の信号電荷の変位を電位信号に変換して増幅することにより撮像信号を出力する出力回路１０５とを有している。

この出力回路１０５は、複数段（２〜３段）のソースフォロワ回路により構成されており、出力回路１０５を構成する初段トランジスタ１０５ａは、半導体基板１０６上のＰ型ウェル領域１０７内に形成された不純物拡散領域１０８と、この不純物拡散領域１０８上にゲート絶縁膜１０９を介して配置されたゲート電極１１０とを有している。ゲート電極１１０は層間絶縁膜１１１により埋め込まれており、層間絶縁膜１１１に形成されたコンタクト１１２により、ＦＤ部１０２とゲート電極１１０が接続されると共に、層間絶縁膜１１１上に形成された配線１１３にＦＤ部１０２およびゲート電極１１０が接続される。また、ＦＤ部１０２と不純物拡散領域１０８との間にはフィールド酸化膜１１４が埋め込まれている。

また、電荷転送領域１０１の終端部には、電荷転送領域１０１からＦＤ部１０２への信号電荷の転送を制御する水平出力トランジスタ１０３が配置されている。この水平出力トランジスタ１０３は、ゲート絶縁膜１０９を介して配置されたゲート電極１１５を有している。また、ＦＤ部１０２に対して電荷転送領域１０１と反対側には、リセットトランジスタ１０４が配置されている。リセットトランジスタ１０４は、ゲート絶縁膜１０９を介して配置されたゲート電極１１６とリセットドレイン領域１１７とを有している。

このような構成のＣＣＤ型固体撮像素子１００では、複数の光電変換素子で発生した信号電荷は、複数の垂直ＣＣＤにより水平ＣＣＤの電荷転送領域１０１に電荷転送され、電荷転送領域１０１に電荷転送された信号電荷は、更に電荷転送領域１０１によりその終端部の水平出力トランジスタゲート１１５を介してＦＤ部１０２に電荷転送される。この結果、信号電荷はＦＤ部１０２に電荷蓄積される。すると、ＦＤ部１０２は蓄積した信号電荷に対応する電位を保持し、この電位が出力回路１０５で増幅されて撮像信号として出力回路１０５から信号出力される。ＦＤ部１０２で電圧信号に変換された信号電荷は、リセットトランジスタゲート１１６によりＦＤ部１０２からリセットドレイン領域１１７に排出される。

ここで、その出力部における電荷電圧の変換についてはｄＶ＝Ｑｓｉｇ ／Ｃｐの式が成立する。但し、ｄＶ：フローティングディフュージョン領域（ＦＤ部１０２）の電圧変化量、Ｑｓｉｇ：フローティングディフュージョン領域（ＦＤ部１０２）に転送されてきた信号電荷量、Ｃｐ：ピックアップ容量である。このピックアップ容量Ｃｐは、具体的にはフローティングディフュージョン領域（ＦＤ部１０２）の半導体基板１０６との間の容量（接合容量）と、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ部１０２）に接続されている出力ＭＯＳトランジスタ（初段トランジスタ１０５ａ）のゲート電極１１０側とグランド（Ｎ型半導体基板１０６の表面部に形成されたＰ型ウェル１０７）との間の容量からなっている。

したがって、この出力部の変換効率を高めるには、そのピックアップ容量Ｃｐを小さくすることが必要であり、それには、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ部１０２）と半導体基板１０６側との接合容量を小さくすることが有効である。

一方、特許文献１では、電荷転送部を終端する出力取り出し部と、その出力取り出し部からの配線が接続される出力部のＭＯＳトランジスタとが、同じ上記素子分離領域に囲まれた単一の素子形成領域内に形成することにより、ＭＯＳトランジスタのゲ−ト電極となるポリシリコン層は、フイ−ルド酸化膜の端部のテーパー部の斜面を上下して配線される必要がなくなり、その分だけ寄生容量を低減させることができる。

また、特許文献２では、図１３に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子２００は、電荷転送領域２０１の終端側のフローティングディフュージョン領域２０２とその幅方向両側のチャンネルストップ領域２０３との間にそれぞれ低容量化用シリコン酸化領域２０４をそれぞれ設けることにより寄生容量の低減を図っている。なお、２０５はリセットドレインである。

特開平３−１１６８４０号公報 特開平１１−２９７９８２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、ＦＤ部１０２と、出力回路１０５を構成する初段トランジスタ１０５ａの不純物拡散領域１０８との間にフィールド酸化膜１１４が埋め込まれて素子分離されているため、寄生容量が大きく電圧変換効率が低下して感度特性が悪化するという問題があった。

特許文献１では、フィールド酸化膜が無くなるため、配線長は短くなるものの、膜厚が薄くなることによって、返って寄生容量の増大を招いてしまうという問題がある。

特許文献２では、工程が増加するにもかかわらず、シリコン酸化膜の誘電率低減が困難なため、寄生容量の低減効果が少ないという問題がある。

本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、簡便な方法で出力部の寄生容量を大幅に低減でき、従来構造よりも格段に高感度とすることができる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、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部から電荷転送領域を通って電荷転送されてきた各信号電荷を順次蓄積して電圧検出するフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部で検出した検出電圧に応じて増幅して撮像信号を出力する信号出力回路とを有する固体撮像素子において、該フローティングディフュージョン部に接続される該信号出力回路を構成するトランジスタのゲート電極の一部が、該半導体基板との間に空間部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における空間部上を覆う空間形成層が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における空間形成層は、前記ゲート電極がkenyoushiteirukaまたは該ゲート電極以外の膜で構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における空間形成層には、前記空間部を形成するための複数の開口部が形成されており、該複数の開口部は、平面視でマトリクス状に形成された複数の四角形および複数の円形、一または複数列に形成されたスリット形状のうちの少なくともいずれかを有している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフローティングディフュージョン部と前記トランジスタの不純物拡散領域との間の基板表面部には素子分離絶縁層として前記空間部が形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるトランジスタのゲート電極はポリシリコン配線材料により構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフローティングディフュージョン部の表面部に電気的に接続されたコンタクト手段により、前記トランジスタのゲート電極として機能する部分から延設された端部に電気的に接続されている。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記固体撮像素子を製造する固体撮像素子製造工程を有する固体撮像素子の製造方法であって、該固体撮像素子製造工程は、前記半導体基板上に空間形成層が形成されてその上に前記ゲート電極の一部が形成されているかまたは、該ゲート電極が該空間形成層を兼用しており、該空間形成層またはゲート電極に複数の開口部を形成し、該複数の開口部が形成された空間形成層またはゲート電極をマスクとして、該複数の開口部を通して該半導体基板または該半導体基板に形成された下地層をエッチングして、該半導体基板に前記空間部を形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法における固体撮像素子製造工程は、前記半導体基板上に前記フローティングディフュージョン部となる不純物拡散領域を形成した基板上に空間形成層となる膜を堆積する工程と、該空間形成層となる膜の一部に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、該複数の開口部が形成された空間形成層をマスクとして、該半導体基板の一部を該複数の開口部を通してエッチングして前記空間部を形成する空間部形成工程と、該空間形成層上に、該複数の開口部を閉塞するための空間閉塞層となる膜を堆積する空間閉塞層堆積工程と、ゲート絶縁膜を形成する領域の前記空間形成層および前記空間閉塞層となる膜をエッチング除去する空間形成層および空間閉塞層形成工程と、該ゲート絶縁膜を形成した後に、該ゲート絶縁膜および該空間閉塞層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、該ゲート絶縁膜および該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜に、該フローティングディフュージョン部の表面に電気的に接続すると共に該ゲート電極から延設された端部に電気的に接続するコンタクト手段を形成するコンタクト手段形成工程とを有する。

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空間形成層は、ＳｉＯ_２材料またはＳｉＮ材料から構成されている。

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空間部を、前記開口部を通して、ＳＦ_６ガスを含むガスを電離プラズマ状態で前記半導体基板の一部を等方エッチングすることによって形成する。

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空間閉塞層が前記複数の空間部内に入り込まないように前記開口部のサイズおよび前記空間閉塞層の材料を設定する。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法における固体撮像素子製造工程は、前記半導体基板上に素子分離領域のフィールド酸化膜を形成した後に、前記フローティングディフュージョン部となる不純物拡散領域を形成し、該フィールド酸化膜および該不純物拡散領域が形成された基板上にゲート絶縁膜を堆積する工程と、該ゲート絶縁膜の所定領域上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、該ゲート電極に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、該複数の開口部が形成されたゲート電極をマスクとして、該ゲート電極下にある前記フィールド酸化膜または該半導体基板の一部をエッチングして前記空間部を形成する空間部形成工程と、該ゲート絶縁膜および該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜に、該フローティングディフュージョン部の表面に接続すると共に該ゲート電極から延設された端部に電気的に接続するコンタクト手段を形成するコンタクト手段形成工程とを有する。

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空間部を、前記開口部を通して、ＳＦ_４ガスを含むガスを電離プラズマ状態で前記半導体基板の一部を等方エッチングすることによって形成する。

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空間部を、前記開口部を通してＨＦに浸液することにより前記フィールド酸化膜を等方エッチングすることによって形成する。

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いて、前記フィールド酸化膜および前記ゲート絶縁膜はＳｉＯ_２材料から構成されている。

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、本発明の作用を説明する。

本発明においては、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部から電荷転送領域を通って電荷転送されてきた各信号電荷を順次蓄積して電圧検出するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部で検出した検出電圧に応じて増幅して撮像信号を出力する信号出力回路とを有する固体撮像素子において、フローティングディフュージョン部に接続される信号出力回路を構成するトランジスタのゲート電極の一部が、半導体基板との間に空間部を有している。このフローティングディフュージョン部とトランジスタの不純物拡散領域との間の基板には素子分離絶縁層として空間部が形成されている。

これによって、電荷転送領域の終端部にある信号出力取り出し部であるフローティングディフュージョン部と、その出力取り出し部からの配線が接続される信号出力回路のトランジスタとの間の素子分離領域を空洞化した空間部を有するので、従来の絶縁酸化膜から空気にして誘電率を約１／３以上に大幅に低減されることにより、簡便な方法でフローティングディフュージョン部から信号出力回路に向かう部分のゲート電極と基板間の寄生容量を大幅に低減することが可能になって、従来構造よりも格段に固体撮像素子の感度特性を高感度化することが可能となる。

以上により、本発明によれば、フローティングディフュージョン部に接続される信号出力回路を構成するトランジスタのゲート電極の一部が、半導体基板との間に空間部を有しているため、従来の絶縁酸化膜を空気層に代えて誘電率を約１／３程度に大幅に低減することにより、フローティングディフュージョン領域に寄生する寄生容量を大幅に低減することができて、信号出力回路の変換効率を高めて固体撮像素子の感度特性を格段に高感度化することができる。

本発明の実施形態１における固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図である。 図１のＢＢ’線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図２の空洞部上の空間形成層に形成される複数の開口部を模式的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１および図２の固体撮像素子の製造方法の各工程（その１）を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１および図２の固体撮像素子の製造方法の各工程（その２）を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図である。 図１のＣＣ’線断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図６および図７の固体撮像素子の製造方法の各工程（その１）を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図６および図７の固体撮像素子の製造方法の各工程（その２）を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２のいずれかの固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 従来の固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図である。 図１１のＡＡ’線断面図である。 特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図である。

以下に、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１、２のいずれかを画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１のＢＢ’線断面図である。

図１および図２において、本実施形態１の固体撮像素子１は、電荷転送領域２から電荷転送された信号電荷を蓄積し、この信号電荷に対応して電位を保持し、その後、リセット動作により、リセット電位になる動作を繰り返す電荷検出領域であるフローティングディフュージョン部３（ＦＤ部３）と、電荷転送領域２からＦＤ部３への信号電荷の転送を制御する水平出力トランジスタ４と、そのリセット動作を制御するリセットトランジスタ５と、ＦＤ部３の信号電荷の変位を電位信号に変換して増幅することにより撮像信号を出力する出力回路６とを有している。

この出力回路６は、複数段（２〜３段）のソースフォロワ回路により構成されており、ＦＤ部３の信号電荷の電位変動に応じた撮像信号を増幅出力するようになっている。出力回路６を構成する初段トランジスタ６ａは、半導体基板７上のＰ型ウェル領域８内に形成された不純物拡散領域９と、この不純物拡散領域９上にゲート絶縁膜１０を介して配置されたゲート電極１１とを有している。ゲート電極１１は層間絶縁膜１２により埋め込まれており、層間絶縁膜１２に形成されたコンタクト手段としてのコンタクト１３により、ＦＤ部３とゲート電極１１が接続されると共に、層間絶縁膜１２上に形成された配線１４にＦＤ部３およびゲート電極１１が接続される。即ち、ＦＤ部３の表面部に電気的に接続されたコンタクト１３により、、初段トランジスタ６のゲート電極１１として機能する部分から延設された端部側に電気的に接続されている。

また、ＦＤ部３と不純物拡散領域９との基板間にはフィールド酸化膜の厚膜の代わりに低誘電率の空洞部（または空間部）１５を形成している。即ち、電荷転送領域２の終端部にある信号出力取り出し部としてのＦＤ部３と、そのＦＤ部３からの配線が接続される信号出力回路のトランジスタとの間の素子分離領域を空洞化した空洞部（または空間部）１５を形成している。

ＦＤ部３の不純物拡散層上にはコンタクト１３を介して出力初段トランジスタ６ａのゲート１１が繋がっている。この空洞部１５は、このゲート電極１１下にあって、信号電荷を蓄積するＦＤ部３と出力初段トランジスタ６ａの不純物拡散領域９との間の基板に設けられている。出力初段トランジスタ６ａのゲート電極１１下に、空間閉塞層２１で閉塞された状態で、更にその下側の空間形成層２２を介して空洞部１５が形成されている。空洞部１５上の空間形成層２２には複数の開口部２３が形成されている。

この複数の開口部２３の配置および形状については、まず、図３（ａ）に示すように、複数の開口部２３ａとして、開口形状が４角形でこれがマトリクス状に複数配設されている。次に、図３（ｂ）に示すように、複数の開口部２３ｂとして、開口形状が円形でこれがマトリクス状に複数配設されている。さらに、図３（ｃ）に示すように、複数の開口部２３ｃとして、開口形状がスリット形状でこれが複数本配設されている。

電荷転送領域２の終端部には、電荷転送領域２からＦＤ部３への信号電荷の転送を制御する水平出力トランジスタ４が配置されている。この水平出力トランジスタ４は、ゲート絶縁膜１０を介して配置されたゲート電極１６を有している。また、ＦＤ部３に対して電荷転送領域２と反対側には、リセットトランジスタ５が配置されている。リセットトランジスタ５は、ゲート絶縁膜１０を介して配置されたゲート電極１７とリセットドレイン領域１８とを有している。

上記構成により、複数の光電変換素子で発生した信号電荷は、複数の垂直ＣＣＤにより水平ＣＣＤの電荷転送領域２に電荷転送され、電荷転送領域２に電荷転送された信号電荷は、更に電荷転送領域２によりその終端部の水平出力トランジスタゲート１６を介してＦＤ部３に電荷転送される。これにより、信号電荷はＦＤ部３に電荷蓄積される。

次に、ＦＤ部３は蓄積した信号電荷に対応する電位を保持し、この電位がＦＤ部３からコンタクト１３を介して初段トランジスタ６ａのゲート電極１１に伝えられ、初段トランジスタ６ａから出力回路６で増幅されて撮像信号として出力回路６から出力される。

その後、ＦＤ部３で電圧信号に変換された信号電荷は、リセットトランジスタ５のゲート１７によりＦＤ部３からリセットドレイン領域１８に排出されてＦＤ部３の電位が所定電位にリセットされる。

なお、本実施形態１では、半導体基板７はＳｉ基板である。但し、半導体基板７としては、これに限定されることなく、ＧａＡｓ基板など、半導体基板７として使用可能な種々の基板を用いることができる。

ここで、上記構成の本実施形態１の固体撮像素子１の製造方法について図４および図５を参照して説明する。

図４（ａ）〜図４（ｃ）および図５（ａ）〜図５（ｃ）はそれぞれ、図１および図２の固体撮像素子１の製造方法の各工程を模式的に示す縦断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板７上にＰ型ウェル領域８を形成した後に、素子分離領域であるフィールド酸化膜１９を形成する。このフィールド酸化膜１９は、ＬＯＣＯＳ法によって形成された熱酸化膜またはＳＴＩ法（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を用いて形成されたＣＶＤ酸化膜（ＳｉＯ_２膜）などでもよい。その後、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部（ＦＤ部３）となるＮ型不純物拡散領域３ａを形成する。続いて、第１空間形成層２２となる例えばＳｉＯ_２膜２２ａを２０００〜４０００オングストロームの膜厚だけ堆積させることで形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、第１空間形成層２２となる例えばＳｉＯ_２膜２２ａの一部を、複数の開口部２３をパターニングしたフォトレジスト２４をマスクとして、０．１〜０．３μｍの幅の複数のスリット状の開口部２３ｃを形成してＳｉＯ_２膜２２ｂとする。

その後、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト２４を除去し、複数本のスリット状の開口部２３ｃが形成された第１空間形成層２２ｂをマスクとして、複数本のスリット状の開口部２３ｃを介して、半導体基板７のＰ型ウェル領域８の表面部およびＮ型不純物拡散領域３ａの端部をエッチングして空洞部１５（または空間部）を形成する。この空洞部１５（または空間部）は、ＳＦ_６ガスを電離プラズマ状態で半導体基板７のシリコン材料を等方エッチングすることによって形成する。この空洞部１５（または空間部）の位置は、ＦＤ部３と不純物拡散領域９との間の基板であって、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１下の位置である。この空洞部（または空間部）１５によって素子分離が為される。

さらに、ＳｉＯ_２膜２２ｂの開口部２３ｃを閉塞するために例えば厚さ２０００〜５０００オングストロームの空間閉塞層２１となるＳｉＯ_２膜を堆積させる。この場合、堆積膜としてはカバレッジのあまり良くない膜を選択し、空洞部１５（または空間部）内への堆積膜の入り込みを抑制する。逆に言えば、開口部２３ｃから空間閉塞層２１となるＳｉＯ_２膜が通過して空洞部１５（または空間部）内に進入しない程度の寸法の開口部２３ｃである必要がある。

続いて、図５（ａ）に示すように、トランジスタを形成するためのゲート絶縁膜を形成する領域の第１空間形成層２２ｂおよび空間閉塞層２１となるＳｉＯ_２膜を、フォトレジスト２５をマスクとして、エッチング除去する。段差抑制のために、この場合のエッチングは、等方性のエッチングが望ましい。

次に、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト２５を除去し、厚さ１００〜５００オングストロームのゲート絶縁膜１０を酸化または堆積法により形成する。その後、この上に厚さ１０００〜５０００オングストロームのポリシリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術を用い、所望の形状にポリシリコンエッチングを行うことにより、出力回路６における初段トランジスタ６ａのゲート電極１１を形成することができる。

続いて、図５（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１０および初段トランジスタ６ａのゲート電極１１が形成された基板上を覆うＢＰＳＧ膜などからなる層間絶縁膜１２を形成して、これをリフロー処理する。その後、層間絶縁膜１２に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などによって、ＦＤ部３の表面に至るコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内を埋めるようにタングステンやアルミニウムなどの金属材料を成膜する。

最後に、図５（ｃ）に示すように、成膜した金属材料のうちの不要部を、エッチングすることによって除去することで、初段トランジスタ６のゲート電極１１とＮ型不純物拡散領域（ＦＤ部３）とをコンタクト１３を介して電気的に接続した金属材料からなる配線１４を形成する。

即ち、本実施形態１の固体撮像素子１の製造方法は、半導体基板７上にＦＤ部３となる不純物拡散領域９を形成した基板上に空間形成層２２となる膜２２ａを堆積する工程と、空間形成層２２となる膜２２ａの一部に複数の開口部２３を形成する開口部形成工程と、複数の開口部２３が形成された空間形成層２２をマスクとして、半導体基板７の一部を複数の開口部２３を通してエッチングして空間部１５を形成する空間部形成工程と、空間形成層３３上に、複数の開口部２３を閉塞するための空間閉塞層２１となる膜を堆積する空間閉塞層堆積工程と、ゲート絶縁膜１０を形成する領域の空間形成層２２および空間閉塞層２１となる膜をエッチング除去する空間形成層および空間閉塞層形成工程と、ゲート絶縁膜１０を形成した後に、ゲート絶縁膜１０および空間閉塞層２１上にゲート電極１１を形成するゲート電極形成工程と、ゲート絶縁膜１０およびゲート電極１１上に層間絶縁膜１２を形成する層間絶縁膜形成工程と、層間絶縁膜１２に、ＦＤ部３の表面に電気的に接続すると共にゲート電極１１に電気的に接続するコンタクト１３を形成するコンタクト手段形成工程とを有している。

以上により、本実施形態１によれば、電荷転送領域２の終端部にある信号出力取り出し部であるＦＤ部３と、そのＦＤ部３からのコンタクト１３が接続される出力回路６の初段トランジスタ６ａとの間の素子分離領域を空洞化した空間部１５を有するので、従来の絶縁酸化膜から空気層にして誘電率を約１／３程度に大幅に低減したことにより、簡便な方法でＦＤ部３から出力回路６に向かう部分のゲート電極１１と間の基板との寄生容量を大幅に低減することができて、従来構造よりも格段に固体撮像素子１の感度特性を高感度化することができる。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の信号出力部の要部構成例を示す平面図であり、図７は、図１のＣＣ’線断面図である。なお、図６および図７では、図１および図２で用いた構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付して説明する。

図６および図７において、本実施形態２の固体撮像素子１Ａは、電荷転送領域２から電荷転送された信号電荷を蓄積するＦＤ部３と、ＦＤ部３の手前にある水平出力トランジスタ４と、ＦＤ部３の電位を所定電位にリセットするリセットトランジスタ５と、ＦＤ部３の変位を制御電圧として増幅して撮像信号を出力する出力回路６とを有している。

この出力回路６を構成する複数段のうちの初段トランジスタ６ａは、半導体基板７上のＰ型ウェル領域８内に形成された不純物拡散領域９と、この不純物拡散領域９上にゲート絶縁膜１０を介して配置されたゲート電極１１Ａとを有している。ゲート電極１１Ａは、層間絶縁膜１２により埋め込まれており、層間絶縁膜１２に形成されたコンタクト１３により、ＦＤ部３とゲート電極１１Ａが接続されると共に、層間絶縁膜１２上に形成された配線１４にＦＤ部３およびゲート電極１１Ａが接続される。また、ＦＤ部３と不純物拡散領域９との基板間にはフィールド酸化膜の厚膜の代わりに低誘電率の空洞部（または空間部）１５を形成している。この場合、ゲート電極１１Ａは、空洞部（または空間部）１５上を覆い、空間形成層を兼ねている。また、ゲート電極１１Ａ上を覆う層間絶縁膜１２は、空間閉塞層２１の機能を兼ねている。これらによって、製造工程が大幅に簡略化されている。

この空洞部１５は、このゲート電極１１Ａに形成された一列の複数の開口部２３ｄ下にあって、信号電荷を蓄積するＦＤ部３と出力初段トランジスタ６ａの不純物拡散領域９との間の基板表面部に設けられている。

ここで、上記構成の本実施形態１の固体撮像素子１の製造方法について図４および図５を参照して説明する。

図８（ａ）および図８（ｂ）、および図９（ａ）〜図９（ｃ）はそれぞれ、図６および図７の固体撮像素子１Ａの製造方法の各工程を模式的に示す縦断面図である。

まず、図８（ａ）に示すように、半導体基板７上にＰ型ウェル領域８を形成した後に、素子分離領域であるフィールド酸化膜１９を形成する。このフィールド酸化膜１９は、ＬＯＣＯＳ法によって形成された熱酸化膜またはＳＴＩ法（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を用いて形成されたＣＶＤ酸化膜（ＳｉＯ_２膜）などでもよい。その後、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部（ＦＤ部３）となるＮ型不純物拡散領域３を形成する。続いて、１００〜５００オングストロームのゲート絶縁膜１０を酸化または堆積法により形成する。

次に、図８（ｂ）に示すように、このゲート絶縁膜１０上に、厚さ１０００〜５０００オングストロームのポリシリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト２６をマスクとして、ポリシリコン膜をエッチングすることにより、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１の外形を所望の形状に形成する。

続いて、図９（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定形状にパターニングしたフォトレジスト２７をマスクとして、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１の一部をエッチング除去して、０．１〜０．３μｍの幅の開口部２３ｄを複数一列に形成する。このように、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１を直接パターニングしてゲート電極１１Ａとすることにより第２空間形成層を兼ねることができる。

さらに、フォトレジスト２７を除去し、図９（ａ）に示すように、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１Ａをマスクとして、一列の複数の開口部２３ｄの領域下にあるフィールド酸化膜１９を全てエッチング除去して、空洞部１５（または空間部）を形成する。この空洞部１５（または空間部）は、ＨＦに浸液することでシリコン材料のＳｉＯ_２を等方エッチングすることによって形成する。この空洞部１５（または空間部）の位置は、ＦＤ部３と不純物拡散領域９との間の基板であって、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１Ａ下の位置である。この空洞部（または空間部）１５によって素子分離が為される。

その後、図９（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１０および初段トランジスタ６ａのゲート電極１１Ａが形成された基板上を覆うように、ＢＰＳＧ膜などからなる層間絶縁膜１２を形成して、これをリフロー処理する。この層間絶縁膜１２により、空洞部（または空間部）１５の空間を維持したまま、一列の複数の開口部２３ｄを上から閉塞する。

さらに、層間絶縁膜１２に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などによって、ＦＤ部３の表面に至るコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内を埋めるようにタングステンやアルミニウムなどの金属材料を成膜する。

最後に、図９（ｂ）に示すように、成膜した金属材料のうちの不要部を、エッチングすることによって除去することにより、初段トランジスタ６のゲート電極１１ＡとＮ型不純物拡散領域（ＦＤ部３）とをコンタクト１３を介して電気的に接続した金属材料からなる配線１４を形成する。

即ち、本実施形態２の固体撮像素子１Ａの製造方法は、半導体基板７上に素子分離領域のフィールド酸化膜１９を形成した後に、ＦＤ部３となる不純物拡散領域を形成し、フィールド酸化膜１９およびＦＤ部３となる不純物拡散領域が形成された基板上にゲート絶縁膜１０を堆積する工程と、ゲート絶縁膜１０の所定領域上にゲート電極１１を形成するゲート電極形成工程と、ゲート電極１１に複数の開口部２３ｄを形成する開口部形成工程と、複数の開口部２３ｄが形成されたゲート電極１１Ａをマスクとして、ゲート電極１１Ａの複数の開口部２３ｄの領域下にあるフィールド酸化膜１９（フィールド酸化膜１９がない場合は半導体基板７の一部）をエッチングして空間部１５Ａを形成する空間部形成工程と、ゲート絶縁膜１０およびゲート電極１１Ａ上に層間絶縁膜１２を形成する層間絶縁膜形成工程と、層間絶縁膜１２に、ＦＤ部３の表面部に接続すると共にゲート電極１１Ａに接続するコンタクト１３を形成するコンタクト手段形成工程とを有している。

以上により、本実施形態２によれば、上記実施形態１の効果の他に、初段トランジスタ６のゲート電極１１Ａを空間形成層として兼用するため、ゲート電極１１Ａの一列の複数の開口部２３ｄの下部のみ選択的に空洞部（または空間部）１５Ａを形成することができかつ、製造工程の大幅な簡略化が可能となる。

なお、本実施形態２では、図９（ａ）に示すように、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１Ａをマスクとして、一列の複数の開口部２３ｄの領域下にあるフィールド酸化膜１９を全てエッチング除去して、空洞部１５（または空間部）を形成したが、これに限らず、図９（ｃ）に示すように、初段トランジスタ６ａのゲート電極１１Ａをマスクとして、一列の複数の開口部２３ｄの領域下にあるフィールド酸化膜１９を、１／２または１／３程度残すようにエッチングしても、空間部１５Ｂによってゲート電極１１と基板との寄生容量を大幅に低減することができて、従来構造よりも格段に固体撮像素子１の感度特性を高感度化することができる。この場合に、フィールド酸化膜１９Ａが残っている分だけ、エッチング時間が短縮されると共に、ＦＤ部３と初段トランジスタ６ａの不純物拡散領域９との間に有る程度のフィールド酸化膜１９Ａが残っていることによって素子分離層機能が高まる。

（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２のいずれかの固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図１０において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態１、２の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理（例えばデータ圧縮処理）した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号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可能とする液晶表示装置などの表示手段９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力手段９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示手段９３と、通信手段９４と、プリンタなどの画像出力手段９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器９０としては、前述したように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などの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

なお、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、固体撮像素子１または１Ａを製造する固体撮像素子製造工程を有する固体撮像素子の製造方法として、空間部２３を作製する固体撮像素子製造工程が、半導体基板７上に空間形成層２２が形成されてその上にゲート電極１１の一部が形成されているかまたは、ゲート電極１１がゲート電極１１Ａのように空間形成層２２を兼用しており、空間形成層２２またはゲート電極１１Ａに複数の開口部２３を形成し、複数の開口部２３が形成された空間形成層２２またはゲート電極１１Ａをマスクとして、複数の開口部２３を通して半導体基板７または半導体基板７に形成された下地層（フィールド酸化膜１９）を一部または全部エッチングして、半導体基板７に空間部２３を形成する場合にも、ＦＤ部３に接続される信号出力回路６を構成する初段トランジスタ６ａのゲート電極１１または１１Ａの一部が、半導体基板７との間に空間部２３を有していれば、簡便な方法で出力部（ＦＤ部３およびこれに接続される信号出力回路６）の寄生容量を大幅に低減できて、従来構造よりも格段に高感度とすることができる本発明の目的を達成することができる。

以上説明したように、本発明の好ましい実施形態１〜３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１〜３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１〜３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願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（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）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、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、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、フローティングディフュージョン部に接続される信号出力回路を構成するトランジスタのゲート電極の一部が、半導体基板との間に空間部を有しているため、従来の絶縁酸化膜を空気層に代えて誘電率を約１／３程度に大幅に低減することにより、フローティングディフュージョン領域に寄生する寄生容量を大幅に低減することができて、信号出力回路の変換効率を高めて固体撮像素子の感度特性を格段に高感度化することができる。

１、１Ａ 固体撮像素子
２ 電荷転送領域
３ フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）
４ 水平出力トランジスタ
５ リセットトランジスタ
６ 出力回路
６ａ 初段トランジスタ
７ 半導体基板
８ Ｐ型ウェル領域
９ 不純物拡散領域
１０ ゲート絶縁膜
１１、１１Ａ、１６、１７ ゲート電極
１２ 層間絶縁膜
１３ コンタクト
１４ 配線
１５、１５Ａ 空洞部（または空間部）
１８ リセットドレイン領域
１９ フィールド酸化膜
２１ 空間閉塞層
２２ 空間形成層
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 開口部
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段

Claims (17)

1. 被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部から電荷転送領域を通って電荷転送されてきた各信号電荷を順次蓄積して電圧検出するフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部で検出した検出電圧に応じて増幅して撮像信号を出力する信号出力回路とを有する固体撮像素子において、
   該フローティングディフュージョン部に接続される該信号出力回路を構成するトランジスタのゲート電極の一部が、該半導体基板との間に空間部を有している固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記空間部上を覆う空間形成層が設けられている固体撮像素子。
3. 請求項２に記載の固体撮像素子において、前記空間形成層は、前記ゲート電極が兼用しているかまたは該ゲート電極以外の膜で構成されている固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の固体撮像素子において、前記空間形成層には、前記空間部を形成するための複数の開口部が形成されており、該複数の開口部は、平面視でマトリクス状に形成された複数の四角形および複数の円形、一または複数列に形成されたスリット形状のうちの少なくともいずれかを有している固体撮像素子。
5. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記フローティングディフュージョン部と前記トランジスタの不純物拡散領域との間の基板表面部には素子分離絶縁層として前記空間部が形成されている固体撮像素子。
6. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記トランジスタのゲート電極はポリシリコン配線材料により構成されている固体撮像素子。
7. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記フローティングディフュージョン部の表面部に電気的に接続されたコンタクト手段により、前記トランジスタのゲート電極として機能する部分から延設された端部に電気的に接続されている固体撮像素子。
8. 請求項１に記載の固体撮像素子を製造する固体撮像素子製造工程を有する固体撮像素子の製造方法であって、
   該固体撮像素子製造工程は、
   前記半導体基板上に空間形成層が形成されてその上に前記ゲート電極の一部が形成されているかまたは、該ゲート電極が該空間形成層を兼用しており、
   該空間形成層またはゲート電極に複数の開口部を形成し、該複数の開口部が形成された空間形成層またはゲート電極をマスクとして、該複数の開口部を通して該半導体基板または該半導体基板に形成された下地層をエッチングして、該半導体基板に前記空間部を形成する固体撮像素子の製造方法。
9. 請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記固体撮像素子製造工程は、
   前記半導体基板上に前記フローティングディフュージョン部となる不純物拡散領域を形成した基板上に空間形成層となる膜を堆積する工程と、
   該空間形成層となる膜の一部に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、
   該複数の開口部が形成された空間形成層をマスクとして、該半導体基板の一部を該複数の開口部を通してエッチングして前記空間部を形成する空間部形成工程と、
   該空間形成層上に、該複数の開口部を閉塞するための空間閉塞層となる膜を堆積する空間閉塞層堆積工程と、
   ゲート絶縁膜を形成する領域の前記空間形成層および前記空間閉塞層となる膜をエッチング除去する空間形成層および空間閉塞層形成工程と、
   該ゲート絶縁膜を形成した後に、該ゲート絶縁膜および該空間閉塞層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
   該ゲート絶縁膜および該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、
   該層間絶縁膜に、該フローティングディフュージョン部の表面に電気的に接続すると共に該ゲート電極から延設された端部に電気的に接続するコンタクト手段を形成するコンタクト手段形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
10. 請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記空間形成層は、ＳｉＯ_２材料またはＳｉＮ材料から構成されている固体撮像素子の製造方法。
11. 請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記空間部を、前記開口部を通して、ＳＦ_６ガスを含むガスを電離プラズマ状態で前記半導体基板の一部を等方エッチングすることによって形成する固体撮像素子の製造方法。
12. 請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記空間閉塞層が前記複数の空間部内に入り込まないように前記開口部のサイズおよび前記空間閉塞層の材料を設定する固体撮像素子の製造方法。
13. 請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記固体撮像素子製造工程は、
    前記半導体基板上に素子分離領域のフィールド酸化膜を形成した後に、前記フローティングディフュージョン部となる不純物拡散領域を形成し、該フィールド酸化膜および該不純物拡散領域が形成された基板上にゲート絶縁膜を堆積する工程と、
    該ゲート絶縁膜の所定領域上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
    該ゲート電極に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、
    該複数の開口部が形成されたゲート電極をマスクとして、該ゲート電極下にある前記フィールド酸化膜または該半導体基板の一部をエッチングして前記空間部を形成する空間部形成工程と、
    該ゲート絶縁膜および該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、
    該層間絶縁膜に、該フローティングディフュージョン部の表面に接続すると共に該ゲート電極から延設された端部に電気的に接続するコンタクト手段を形成するコンタクト手段形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
14. 請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記空間部を、前記開口部を通してＨＦに浸液することにより前記フィールド酸化膜を等方エッチングすることによって形成する固体撮像素子の製造方法。
15. 請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記空間部を、前記開口部を通して、ＳＦ_４ガスを含むガスを電離プラズマ状態で前記半導体基板の一部を等方エッチングすることによって形成する固体撮像素子の製造方法。
16. 請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法において、前記フィールド酸化膜および前記ゲート絶縁膜はＳｉＯ_２材料から構成されている固体撮像素子の製造方法。
17. 請求項１〜７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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