JP6743181B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本明細書に記載された技術は、固体撮像素子に関するものである。

画素が２次元状に配置されたMOS型固体撮像素子において、ローリングシャッター方式を用いた場合、高速に動く被写体を撮影する際に画像歪が発生してしまう。そこで、画像歪を無くすために、画素の撮像開始時と終了時を全画素で同時に行うグローバルシャッター方式を用いることが提案されている。

グローバルシャッター動作のためには、画素内に光電変換を行う光電変換部とは別に、撮像終了時から電荷読み出し時までの間、一時的に電荷を保持しておく電荷保持部が必要となる。光電変換部と電荷保持部のレイアウトとの関係は、例えば特許文献１に提案されている。

電荷保持部を備えたグローバルシャッター方式の固体撮像素子においては、電荷保持部に電荷が保持される期間に画素領域に光が入射した場合でも、電荷保持部において光電変換が行われないことが求められる。そこで、例えば、上方からの入射光を遮るために、特許文献１に例示されているような、金属からなる遮光膜が電荷保持部の上方に設けられる。

しかし、電荷保持部の上方に設けられた遮光膜では、斜めに電荷保持部に入射する光を遮ることは難しい。半導体基板内部では光は直進してしまうため、遮光膜によって斜め入射光を遮るためには、電荷保持部の深さに応じて、電荷保持部の上方から光電変換部の上方に向かう方向に遮光膜を広げ、光電変換部の一部まで遮光膜で覆わなくてはならない。さらに、遮光膜端では光が回折するために、半導体基板に垂直に入射された光でも半導体基板中では斜めに進む光成分を持ってしまう。この斜めに進む光が電荷保持部に入射されてしまうことによる寄生信号は、光学的クロストークと呼ばれている。光学的クロストークの抑制はグローバルシャッター素子の画質改善のためには必須である。特許文献２には、トレンチ内に埋め込まれた絶縁膜を設け、半導体基板と絶縁膜との間の屈折率差によって半導体基板内部で入射光を反射させることが提案されている。

特開２００９−２７２３７４号公報 特開２０１１−２３３５８９号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、いずれも光学的クロストークを効果的に低減することは難しい。

本明細書に開示された技術は、光学的クロストークを大幅に低減できる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本明細書に開示された固体撮像素子は、複数の画素が配置された撮像領域を備えている。前記画素の各々には、半導体基板に設けられ、光電変換により電荷を発生させる受光部と、前記半導体基板に設けられ、前記受光部で生じた電荷を蓄積する電荷保持部と、前記電荷保持部上に設けられ、前記受光部で生じた電荷を前記電荷保持部へと転送させるゲート電極と、前記半導体基板のうち、前記受光部と前記電荷保持部との間の領域に形成された第１のトレンチと、前記第１のトレンチ内に設けられた第１の絶縁膜と、前記半導体基板のうち、互いに隣接する画素の受光部の間の領域に形成された第２のトレンチと、前記第２のトレンチ内に設けられた第２の絶縁膜と、前記受光部と前記電荷保持部との境界の端部に前記第１の絶縁膜に接して設けられ、前記受光部から前記電荷保持部への電荷の転送経路となる転送部と、前記電荷保持部、前記転送部及び前記ゲート電極上を覆う遮光膜とが設けられている。平面視において、前記受光部から前記電荷保持部へと向かう方向の、前記遮光膜の端から前記転送部を挟んで前記電荷保持部に至るまでの距離は、前記遮光膜の端から前記第１のトレンチを挟んで前記電荷保持部に至るまでの距離よりも長い。

本明細書に開示された固体撮像素子によれば、光学的クロストークを大幅に低減しうる。

図１は、本開示の実施形態に係る固体撮像素子の画素回路の構成を示す回路図である。 図２は、実施形態に係る固体撮像素子を模式的に示す平面図である。 図３は、実施形態に係る固体撮像素子における画素の構成を示す平面図である。 図４は、図３に示す固体撮像素子のIV−IV線での断面を示す断面図である。 図５は、図３に示す固体撮像素子のV−V線での断面を示す断面図である。 図６Ａは、実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。 図６Ｂは、実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。 図７は、実施形態の第１の変形例に係る固体撮像素子を示す平面図である。 図８は、実施形態の第２の変形例に係る固体撮像素子を示す平面図である。 図９は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。 図１０Ａは、埋め込みトレンチ比率と寄生信号との関係を示す図である。 図１０Ｂは、埋め込みトレンチ比率と残像との関係を示す図である。 図１０Ｃは、埋め込みトレンチ比率と蓄積領域の暗電流との関係を示す図である。 図１１は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。 図１２は、電荷保持部１０１の位置と寄生信号の大きさとの関係を示す図である。 図１３は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。 図１４Ａは、受光部１００の突出部分の位置４０４と寄生信号との関係を示す図である。 図１４Ｂは、受光部１００の突出部分の位置４０４と残像との関係を示す図である。 図１５Ａは、固体撮像素子において、転送部２０１のｐ型層３１２のｐ型不純物濃度を変化させた場合の寄生信号の変化を示す図である。 図１５Ｂは、固体撮像素子において、転送部２０１のｐ型層３１２のｐ型不純物濃度を変化させた場合の残像の変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態）
図１は、本開示の実施形態に係る固体撮像素子の画素回路の構成を示す回路図である。図２は、本実施形態の固体撮像素子を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態の固体撮像素子における画素の構成を示す平面図であり、図４は、図３に示す固体撮像素子のIV−IV線での断面を示す断面図であり、図５は、図３に示す固体撮像素子のV−V線での断面を示す断面図である。図３では、構成が理解しやすいように、遮光膜２０４の下に設けられた部材も示している。

本実施形態の固体撮像素子は、複数の画素が例えば行列状に配置された撮像領域（図示せず）を備えている。各画素には、図１に示すように、光電変換により電荷を発生させる受光部１００と、受光部１００で生じた電荷を蓄積する電荷保持部１０１と、受光部１００で生じた電荷の電荷保持部１０１への転送を制御する第１の電荷転送トランジスタ１０４と、電荷保持部１０１に蓄積された電荷の転送を制御する第２の電荷転送トランジスタ１０５とが設けられている。また、各画素には、一端（ドレイン）が第１の電源VDD1に接続され、他端（ソース）が受光部１００及び第１の電荷転送トランジスタ１０４に接続されたグローバルリセットトランジスタ１０３と、ゲート電極が電荷電圧変換部１０２を挟んで第２の電荷転送トランジスタ１０５に接続されたソースフォロワートランジスタ１０７と、一端が第２の電源VDD2に接続され、他端が電荷電圧変換部１０２を挟んで第２の電荷転送トランジスタ１０５に接続されたリセットトランジスタ１０６と、ソースフォロワートランジスタ１０７のソースに接続された出力行セレクトトランジスタ１０８とが設けられている。ソースフォロワートランジスタ１０７のドレインには、第３の電源VDD3が接続されている。

図２に示すように、複数の画素は行列状に配置されている。同一行の画素内に設けられた複数のグローバルリセットトランジスタ１０３のゲート電極は、信号線１１３に共通に接続されていてもよい。第１の電荷転送トランジスタ１０４の動作は、これに対応する信号線１１４によって制御される。第２の電荷転送トランジスタ１０５の動作は、これに対応する信号線１１５によって制御される。リセットトランジスタ１０６の動作は、これに対応する信号線１１６によって制御される。出力行セレクトトランジスタ１０８の動作は、これに対応する信号線１１８によって制御される。

図３に示すように、受光部１００は、例えばｐ型層（第１及び第２の表面ｐ型層３００、３０１）とｎ型層３１０とで構成され、ｎ型層３１０に電子を蓄える埋め込み型フォトダイオードであってもよいが、光電変換により生じた電子又はホールを蓄える機能を有していれば、その構成は限定されない。電荷保持部１０１は、電荷を保持できる構成を有していればよく、例えば１×１０^２０／ｃｍ^３程度のｎ型不純物を含むｎ型層３１０（フローティング拡散層）により構成されていてもよい。

グローバルリセットトランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０６、第１の電荷転送トランジスタ１０４及び第２の電荷転送トランジスタ１０５の導電型はｎチャネル型であってもよいし、ｐチャネル型であってもよい。

グローバルリセットトランジスタ１０３がｎチャネル型の場合、第１の電源VDD1の電圧が例えば３．３Ｖ程度であり、ゲート電極に高電圧が印加されるとグローバルリセットトランジスタ１０３が導通し、受光部１００がリセットされる。第１の電源VDD1の電圧は、受光部１００の空乏化時の静電ポテンシャルよりも高ければよい。

光電変換時にはグローバルリセットトランジスタ１０３のゲート電極に低い電圧を印加し、第１の電源VDD1との間の静電ポテンシャルを制御することで、受光部１００において過剰に発生した信号電荷を第１の電源VDD1へと掃出し、受光部１００から電荷保持部１０１へ信号電荷があふれ出さないようにする、アンチブルーミング機能を持たせてもよい。ただし、ｎ型半導体基板を用いる場合は、必ずしもグローバルリセットトランジスタ１０３にアンチブルーミング機能を持たせる必要は無く、受光部１００とｎ型半導体基板間の静電ポテンシャルを０Ｖになるようにｐ型不純物の濃度を制御することで、縦型オーバーフロードレインによるアンチブルーミング機能を持たせることもできる。

信号電荷が電子である場合、第１の電荷転送トランジスタ１０４がオフの期間、受光部１００と電荷保持部１０１との間に−０．３Ｖ程度の静電ポテンシャルを形成し、電子の転送を防いでもよい。受光部１００から電荷を転送する際には、第１の電荷転送トランジスタ１０４のゲート電極２０２に高電圧を印加し、受光部１００と電荷保持部１０１の間の静電ポテンシャルを、受光部１００の空乏時の静電ポテンシャルの最大値よりも高くなるようにする。

図２に示すように、列ごとに設けられた信号線Pixoutは縦方向に延びており、信号線１１５は横方向に延びている。信号線１１３、１１４は、信号線Pixoutに対して平行に配置されていてもよい。他の信号線や電源配線の延びる方向は、レイアウトに応じて適宜変更可能である。なお、電荷電圧変換部１０２、リセットトランジスタ１０６、ソースフォロワートランジスタ１０７、出力行セレクトトランジスタ１０８や、各トランジスタを制御するための信号線１１３、１１４、１１６、１１８、第１の電源VDD1、第２の電源VDD2、第３の電源VDD3にそれぞれ対応した電源配線１２１、１２２、１２３は、複数の画素で共有されてもよい。出力行セレクトトランジスタ１０８は、電源配線１２１、１２２、１２３が互いに独立した配線である場合には、不要である。

次に、固体撮像素子の動作を説明する。まず、グローバルリセットトランジスタ１０３のゲート電極に高電圧を印加することにより、受光部１００で生じた電荷を全て掃き出す。その後、光電変換を開始する。ある露光時間が過ぎた後、全画素内の第２の電荷転送トランジスタ１０５とリセットトランジスタ１０６を導通状態にして電荷保持部１０１の電荷を全て掃き出す。その後、第２の電荷転送トランジスタ１０５を非導通状態にして、第１の電荷転送トランジスタ１０４のゲート電極に高電圧を印加することで、受光部１００から電荷保持部１０１へと信号電荷を転送する。ここで、グローバルリセットトランジスタ１０３による電荷の掃出しと、第１の電荷転送トランジスタ１０４による電荷の転送を全ての画素で同時に行うことで、画素の撮像開始時と終了時を全画素で同時に行うグローバルシャッター動作が実現される。

次に、特定行のリセットトランジスタ１０６を介して電荷電圧変換部１０２の電圧を第２の電源の電圧にリセットした後に、選択された行の第２の電荷転送トランジスタ１０５を介して、電荷保持部１０１から電荷電圧変換部１０２へと信号を転送する。次いで、選択された行の出力行セレクトトランジスタ１０８により該当行のソースフォロワートランジスタ１０７の出力のみを信号線Pixoutへと読み出す。行を変えながら、上記の電荷電圧変換部１０２のリセットから出力信号の読み出しまでを行い、２次元配置されたすべての画素の出力を読み出す。ここでは、グローバルリセットトランジスタ１０３によりグローバルリセット動作を行う例を説明したが、グローバルリセットトランジスタ１０３が無くても、縦型オーバーフロードレインを形成し、光電変換を行う前にすべての画素の第１の電荷転送トランジスタ１０４のゲート電極２０２を高い電圧にすることで、受光部１００の電荷を掃き出すことは可能である。この場合、露光時間後、上述した動作を行えばよい。

次に、本実施形態の固体撮像素子のより具体的な構成を説明する。

図３〜図５に示すように、半導体基板において、ｎ型の基板領域（図示せず）上に設けられ、基板領域と受光部１００とを電気的に分離するｐ型層３０４と、ｐ型層３０４上のｎ型層３０３及びｐ型層３０５が設けられている。

半導体基板に設けられた受光部１００は、ｎ型層３０３と、ｎ型層３０３上に設けられたｎ型層３０２と、ｎ型層３０２上に設けられた第１の表面ｐ型層３００及び第２の表面ｐ型層３０１とにより構成されている。受光部１００の平面形状は特に限定されないが、図３では、四辺形状である例を示している。

電荷保持部１０１（すなわちｎ型層３１０）は、ｎ型層３１０の下に設けられたｐ型層（第１のｐ型不純物領域）３１１と、受光部１００との間に設けられたｐ型層とによって、受光部１００と電気的に分離されている。なお、第１の表面ｐ型層３００のｐ型不純物濃度は、１×１０^１８〜１０^２０／ｃｍ^３程度であり、第１の表面ｐ型層３００よりも不純物濃度の低い第２の表面ｐ型層３０１のｐ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３程度である。ｎ型層３０２のｎ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度であり、ｎ型層３０３のｎ型不純物濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１７／ｃｍ^３程度である。ｐ型層３０４のｐ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度である。ｐ型層３０５のｐ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度である。ｎ型層３１０のｎ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度である。ｐ型層３１１のｐ型不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度である。ｐ型層（第２のｐ型不純物領域）３１２の不純物濃度はｐ型層３０１、３１１の不純物濃度よりも低く、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度である。

本実施形態の固体撮像素子では、半導体基板のうち、受光部１００と電荷保持部１０１（ｎ型層３１０）との間の領域に形成された第１のトレンチ２００と、半導体基板のうち、互いに隣接する画素の受光部１００、１００ａの間の領域に形成された第２のトレンチ２００ａとが設けられている。第１のトレンチ２００内及び第２のトレンチ２００ａ内には、シリコン酸化物等、半導体基板よりも屈折率の低い材料からなる第１の絶縁膜１６０、第２の絶縁膜１５０がそれぞれ埋め込まれている。ここで、受光部１００と電荷保持部１０１との間の電気的分離、及び互いに隣接する受光部１００と受光部１００ａとの間の電気的分離が確保されていれば、第１の絶縁膜１６０及び第２の絶縁膜１５０内に金属層等が設けられていてもよい。

第１のトレンチ２００及び第２のトレンチ２００ａの深さは例えば５０〜３００ｎｍ程度であり、幅は１００〜３００ｎｍ程度であってもよい。第１のトレンチ２００及び第２のトレンチ２００ａの深さは、ｎ型層３１０の深さと同程度であってもよい。

受光部１００、１００ａと電荷保持部１０１の外周を囲む第３のトレンチ２００ｂと、第３のトレンチ２００ｂ内に形成された第３の絶縁膜１７０とが形成されていてもよい。第３のトレンチ２００ｂ内に半導体基板よりも屈折率の低い絶縁膜を形成することにより、半導体基板と当該絶縁膜との界面で斜め光を反射させ、受光部１００に入射する光を増やすことができる。また、電荷保持部１０１に入射する斜め光をより低減することができる。

受光部１００と電荷保持部１０１との境界の端部には、第１の絶縁膜１６０に接して設けられ、受光部１００から電荷保持部１０１への電荷の転送経路となる転送部２０１が設けられている。受光部１００の平面形状が四辺形の場合、転送部２０１は、電荷保持部１０１に面したコーナー部に設けられることになる。転送部２０１は第１のトレンチ２００が形成されない領域であるので、斜め光に対する電荷保持部１０１の遮光性が、第１のトレンチ２００が設けられる領域に比べて劣る。入射光強度は、受光部１００の中心から離れるに従って落ちるので、転送部２０１を上記位置に配置することにより、転送部２０１において光電変換が発生する量を抑制し、寄生信号を小さくし、画質に対する影響を抑制することができる。また、第１の絶縁膜１６０により入射光を反射させることができない転送部２０１を受光部１００の中心から離すことにより、入射光量の減少を抑えることもできる。

平面視において、転送部２０１は、電荷保持部１０１の中心から見て、電荷電圧変換部１０２に接する辺と反対側（電荷電圧変換部１０２から離れた位置）に設けられていてもよい。この構造により、ｎ型層３１０のうち転送部２０１に隣接する部分の幅が、ｎ型層３１０のうち第１のトレンチ２００に隣接する部分の幅よりも狭くなり、空乏化時の静電ポテンシャルが低くなる場合でも、静電ポテンシャルが低い部分から高い部分を介して第２の電荷転送トランジスタ１０５へと接続されることにより、電荷転送が阻害されにくくなる。

また、電荷保持部１０１上には、ゲート絶縁膜を挟んで第１の電荷転送トランジスタ１０４のゲート電極２０２が設けられる。ゲート電極２０２上には、転送部及びゲート電極２０２を覆う遮光膜２０４が設けられている。遮光膜２０４は、例えばタングステン等の金属により構成されていてもよい。また、電荷保持部１０１と電荷電圧変換部１０２との間の領域上には、ゲート絶縁膜を挟んで第２の電荷転送トランジスタ１０５のゲート電極２０３が設けられている。

図３に示す例では、遮光膜２０４の平面形状は四辺形であるが、この形に限定されない。遮光膜２０４は少なくとも電荷保持部１０１の上方全体と転送部２０１の上方全体を覆っていればよい。遮光膜２０４により、電荷保持部１０１で光電変換が行われるのを防ぐことができる。

また、本実施形態の固体撮像素子では、平面視において、受光部１００から電荷保持部１０１へと向かう方向（図３の左から右へ向かう方向）の、遮光膜２０４の端から転送部２０１を挟んで電荷保持部１０１に至るまでの距離は、遮光膜２０４の端から第１のトレンチ２００を挟んで電荷保持部１０１に至るまでの距離よりも長くなっている。この構成により、遮光膜２０４の端部から回折によって回り込む光を電荷保持部１０１に入射させにくくすることができるので、光学的クロストークを生じにくくすることができる。ｎ型層３０２と電荷保持部１０１との距離を大きくすることにより、ｐ型層３１２のｐ型不純物濃度を低くしても例えば−０．３Ｖよりも低い静電ポテンシャルによって受光部１００と電荷保持部１０１とを電気的に分離することが可能となる。転送部２０１におけるｐ型層３１２の幅は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下程度であることが好ましい。電荷保持部１０１のうち、第１のトレンチ２００に隣接する部分の幅をできるだけ大きくすることで、電荷保持部１０１に蓄積できる電荷量を大きくすることができる。

なお、電荷保持部１０１の平面面積が小さくなると、蓄積できる電荷量が減ってしまうため、遮光膜２０４の端から第１のトレンチ２００を挟んで電荷保持部１０１に至るまでの距離は、後述のように適切な値にすることが好ましい。

電荷保持部１０１（ｎ型層３１０）のうち、転送部２０１に接する部分に含まれるｎ型不純物の濃度は、電荷保持部１０１の他の部分に含まれるｎ型不純物の濃度よりも高くてもよい。図３に示す例では、転送部２０１と接する電荷保持部１０１のコーナー部が凹んだ形状となっているので、電荷保持部１０１内でｎ型不純物濃度が均一であると、電荷保持部１０１のうち転送部２０１に接する部分は、その幅が狭いため、蓄積できる電荷量が小さくなる。電荷保持部１０１のうち、転送部２０１に接する部分に含まれるｎ型不純物の濃度を高くすることにより、第１のトレンチ２００に隣接するｎ型層３１０より空乏化時の静電ポテンシャルを低くする条件を保つ範囲で、電荷保持部１０１に保持可能な電荷量を増やすことができる。

また、図４、５に示すように、第１のトレンチ２００、第２のトレンチ２００ａを囲むようにｐ型層３１３が設けられていてもよい。ｐ型層３１３には、例えば１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３程度のｐ型不純物が含まれる。ｐ型層３１３が設けられることにより、第１のトレンチ２００、第２のトレンチ２００ａにおいて、第１の絶縁膜１６０と半導体基板との界面、及び第２の絶縁膜１５０と半導体基板との界面にそれぞれ発生する暗電流を抑制することができる。

転送部２０１において、ｐ型層３１２に含まれるｐ型不純物濃度をｐ型層３０１、３１１に含まれるｐ型不純物濃度よりも低くしてもよい。この構成により、ｐ型層３１２とｎ型層３０２とにより形成される空乏領域を電荷保持部１０１の方へ延伸させ、ｐ型層３１２に入射した斜め光によって生じる電荷を受光部１００へと移動しやすくすることができる。これにより、電荷保持部１０１への電荷の移動を防止し、電荷移動による電子的クロストークを抑制することができる。さらに、ｐ型層３１２のｐ型不純物濃度が低いことにより、第１の電荷転送トランジスタ１０４による受光部１００から電荷保持部１０１への電荷の転送を容易にすることができる。

なお、本実施形態では、第１の電荷転送トランジスタ１０４のゲート電極２０２が電荷保持部１０１の上方を覆っているが、ゲート電極２０２は、半導体基板のうち受光部１００と電荷保持部１０１との間であって、ｐ型層３１２の上方に設けられていてもよい。その場合、電荷保持部１０１の上方には別の印加電圧を与えられたゲート電極を配置してもよいし、ゲート電極が設けられていなくてもよい。

なお、電荷保持部１０１のｎ型層３１０とゲート電極２０２下のゲート絶縁膜との間に、１×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度のｐ型不純物を含むｐ型層が設けられていてもよい。これにより、ゲート絶縁膜から発生する暗電流を抑制することができる。

図６Ａ、図６Ｂは、本実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。

固体撮像素子を作製するには、図６Ａに示すように、例えばｎ型不純物を含むシリコン等の半導体基板を準備する。次いで、公知のイオン注入法を用いて半導体基板内にｐ型層３０４、ｐ型層３０５、ｐ型層３１１を形成する。ｐ型層３０４上のｐ型層３０５が設けられない部分はｎ型層３０３となる。次いで、ｎ型不純物イオン及びｐ型不純物イオンを適宜半導体基板に注入することで、第１の表面ｐ型層３００、第２の表面ｐ型層３０２、ｐ型層３１２、３００ａ、３１３及びｎ型層３０２、３１０、３０２ａをそれぞれ形成する。これにより、受光部１００及び電荷保持部１０１とが形成される。次に、第１のトレンチ２００、第２のトレンチ２００ａ、第３のトレンチ２００ｂを形成した後、第１のトレンチ２００内に第１の絶縁膜１６０を、第２のトレンチ２００ａ内に第２の絶縁膜１５０を、第３のトレンチ２００ｂ内に第３の絶縁膜１７０をそれぞれ埋め込む。なお、第１のトレンチ２００、第２のトレンチ２００ａ及び第３のトレンチ２００ｂの形成は、上記ｐ型層やｎ型層を形成する前に行ってもよい。

次いで、図６Ｂに示すように、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、公知の方法によりゲート絶縁膜上にポリシリコン等からなるゲート電極２０２、２０３を形成する。続いて、スパッタリング等の公知の方法により、ゲート電極２０２上に、転送部２０１及び電荷保持部１０１上を覆うタングステン等の金属からなる遮光膜２０４を形成する。以上の方法により、本実施形態の固体撮像素子が形成できる。

図７は、本実施形態の第１の変形例に係る固体撮像素子を示す平面図である。同図では、ゲート電極２０２の図示は省略している。図７に示すように、受光部１００のうち、転送部２０１に接する部分は、電荷保持部１０１に面した他の部分から突出していてもよい。

この構成によれば、第１のトレンチ２００が設けられない領域に受光部１００を広げているので、遮光膜２０４の端部から回り込む光を受光部１００に入射させやすくすることができる。このため、後述するように、寄生信号を低減することができる。また、残像の発生を効果的に抑えることができる。

図８は、本実施形態の第２の変形例に係る固体撮像素子を示す平面図である。同図に示すように、遮光膜２０４のうち、転送部２０１の上方に設けられた部分は、第１のトレンチ２００の上方に設けられた部分に比べて受光部１００側に突出していてもよい。

第１のトレンチ２００が設けられていない転送部２０１では、斜め光や回折光が入射しやすくなっているが、本変形例では、遮光膜２０４を突出させることにより、転送部２０１に光が入射するのを効果的に抑えながら、受光部１００に入射する光を遮らないようにしている。このため、本変形例に係る固体撮像素子によれば、感度を落とすことなく光学的クロストークの低減を図ることができる。

図９は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、埋め込みトレンチ比率と寄生信号、残像、蓄積領域での暗電流との関係をそれぞれ示す図である。ここで、埋め込みトレンチ比率は、（第１のトレンチ２００の長さ）／（第１のトレンチ２００が延びる方向の受光部１００の長さ）で求められる値であるとする。

本願発明者らは、第１のトレンチ２００の長さを変更した複数の固体撮像素子を作製し、寄生信号や残像等を測定した。寄生信号は、次の方法で測定した。まず、グローバルリセットトランジスタ１０３のゲート電極に高い電圧を印加し、受光部１００に光電変換により生じた電荷が蓄積されない状態にしたまま光を照射し、第１の電荷転送トランジスタ１０４をオフにしたまま、電荷保持部１０１に蓄積された電荷を第２の電荷転送トランジスタ１０５により信号線１１６に出力させる。ここで出力された信号から、光を照射しないで同じ動作をさせた信号を差し引くことにより、電荷保持部１０１で光電変換される寄生信号を測定した。

また、残像は、次の方法で測定した。まず、受光部１００にて光電変換された電荷がある一定量蓄積されるような光を照射し、通常の手順で信号を信号線に読み出した。次いで、光を照射しない状態で、再度通常の手順で信号を信号線に読み出し、このときに検出された信号量を残像とした。

この結果、図１０Ａに示すように、埋め込みトレンチ比率が５０％までは寄生信号が低減していき、埋め込み比率が５０％以上では寄生信号が６５％程度低減できることが分かった。

しかし、残像は埋め込みトレンチ比率が５０％を超えると発生し、トレンチ比率が大きくなる程大きくなっていた。また、蓄積領域（電荷保持部１０１）の暗電流は、埋め込みトレンチ比率が３０％を超えると発生し、埋め込みトレンチ比率が５０％を超えると緩やかに増加していくことが分かった。

以上の結果から、埋め込みトレンチ比率を最適な値にすることで、寄生信号を抑えつつ、残像や暗電流を低いレベルに保つことができることが確認できた。図９に示す固体撮像素子の例では、埋め込みトレンチ比率の最適値は約５０％であると考えられる。

図１１は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。図１２は、電荷保持部１０１の位置と寄生信号の大きさとの関係を示す図である。図１２は、電荷保持部１０１の端部位置４０３を図１１に示す１〜５の位置に変化させた場合での寄生信号をそれぞれ測定した結果を示す。

図１２に示す結果から、電荷保持部１０１の端部位置を遮光膜２０４の端部から遠ざけることにより、寄生信号の生成を低減できることが分かった。

図１３は、効果の測定に用いられる固体撮像素子を示す平面図である。図１４Ａは、受光部（図中の電荷変換部）１００の突出部分の位置４０４と寄生信号との関係を示す図であり、図１４Ｂは、受光部１００の突出部分の位置４０４と残像との関係を示す図である。なお、受光部１００の突出部分は、具体的にはｎ型層３０２の転送部２０１への突出部分を意味する。

図１４Ａ、１４Ｂに示す結果から、受光部１００（ｎ型層３０２）の突出部分を電荷保持部１０１に近づけることにより、寄生信号が低減されるとともに、残像も低減できることが分かった。

図１５Ａは、固体撮像素子において、転送部２０１のｐ型層３１２のｐ型不純物濃度を変化させた場合の寄生信号の変化を示す図であり、図１５Ｂは、固体撮像素子において、転送部２０１のｐ型層３１２のｐ型不純物濃度を変化させた場合の残像の変化を示す図である。

図１５Ａに示す結果から、ｐ型層３１２の不純物濃度が高くなるにつれて寄生信号は少しずつ大きくなることが確認できた。また、図１５Ｂに示す結果から、ｐ型層３１２の不純物濃度が所定値以上になると、残像が発生することが確認できた。以上の結果から、ｐ型層３１２のｐ型不純物濃度は低い方が好ましいと言える。

以上の結果から、本実施形態の固体撮像素子及びその変形例によれば、電荷保持部１０１に入射される光を遮光膜２０４、第１の絶縁膜１６０、第２の絶縁膜１５０により遮りながら、受光部１００から電荷保持部１０１への電荷の転送が可能となるので、グローバルシャッター方式の長所を活かしつつ、優れた画質を実現することができる。

なお、以上の実施形態及びその変形例は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本明細書に開示された固体撮像素子は、カメラ等種々の撮像装置に用いられる。

１００、１００ａ 受光部
１０１ 電荷保持部
１０２ 電荷電圧変換部
１０３ グローバルリセットトランジスタ
１０４ 第１の電荷転送トランジスタ
１０５ 第２の電荷転送トランジスタ
１０６ リセットトランジスタ
１０７ ソースフォロワートランジスタ
１０８ 出力行セレクトトランジスタ
１１３、１１４、１１６、１１８ 信号線
１２１、１２２、１２３ 電源配線
１５０ 第２の絶縁膜
１６０ 第１の絶縁膜
１７０ 第３の絶縁膜
２００ 第１のトレンチ
２００ａ 第２のトレンチ
２００ｂ 第３のトレンチ
２０１ 転送部
２０２、２０３ ゲート電極
２０４ 遮光膜
３００ 第１の表面ｐ型層
３００ａ、３０４、３０５、３１２、３１３ ｐ型層
３０１ 第２の表面ｐ型層
３０２、３１０、３０２ａ、３０３、３１０ ｎ型層

Claims (5)

1. 複数の画素が配置された撮像領域を備えた固体撮像素子であって、
   前記画素の各々には、
   半導体基板に設けられ、光電変換により電荷を発生させる受光部と、
   前記半導体基板に設けられ、前記受光部で生じた電荷を蓄積する電荷保持部と、
   前記電荷保持部上に設けられ、前記受光部で生じた電荷を前記電荷保持部へと転送させ るゲート電極と、
   前記半導体基板のうち、前記受光部と前記電荷保持部との間の領域に形成された第１のトレンチと、
   前記第１のトレンチ内に設けられた第１の絶縁膜と、
   前記半導体基板のうち、互いに隣接する画素の受光部の間の領域に形成された第２のトレンチと、
   前記第２のトレンチ内に設けられた第２の絶縁膜と、
   前記受光部と前記電荷保持部との境界の端部に前記第１の絶縁膜に接して設けられ、前記受光部から前記電荷保持部への電荷の転送経路となる転送部と、
   前記電荷保持部、前記転送部及び前記ゲート電極上を覆う遮光膜とが設けられており、
   平面視において、前記受光部から前記電荷保持部へと向かう方向の、前記遮光膜の端から前記転送部を挟んで前記電荷保持部に至るまでの距離は、前記遮光膜の端から前記第１のトレンチを挟んで前記電荷保持部に至るまでの距離よりも長く、
   前記電荷保持部のうち、前記受光部から前記電荷保持部へと向かう方向において、前記転送部に接する部分に含まれるｎ型不純物の濃度は、前記第１のトレンチに接する部分に含まれるｎ型不純物の濃度よりも高い固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記受光部のうち、前記転送部に接する部分は、前記電荷保持部に面した他の部分から突出していることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像素子において、
   前記遮光膜のうち、前記転送部の上方に設けられた部分は、前記第１のトレンチの上方に設けられた部分に比べて前記受光部側に突出していることを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
   前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも低いことを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
   前記電荷保持部は、第１のｐ型不純物領域上に形成されたｎ型不純物領域により構成されており、
   前記転送部は、前記第１のｐ型不純物領域よりもｐ型不純物濃度の低い第２のｐ型不純物領域により構成されていることを特徴とする固体撮像素子。