JP2010129705A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素面積に占める光電変換部の面積の割合を増大させる。
【解決手段】画素４は、フォトダイオードＰＤからの電荷を受け取るフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤから前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する転送スイッチＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットスイッチＲＥＳと、読み出し行を選択するための選択スイッチＳＥＬとを有する。スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬのうちの少なくとも１つのスイッチがマイクロメカニカルスイッチである。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関するものである。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、増幅型などの固体撮像素子が使用されている。このような固体撮像素子では、光電変換部と１つ以上のスイッチとを有する画素を備えている。例えば、下記特許文献１に開示された固体撮像素子は、光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を受け取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の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットスイッチと、読み出し行を選択するための選択スイッチとを有している。

このような従来の固体撮像素子では、画素のいずれのスイッチもトランジスタで構成されている。例えば、特許文献１に開示された固体撮像素子では、転送スイッチ、リセットスイッチ及び選択スイッチのいずれもがトランジスタで構成されている。
特開２００５−１４２５０３号公報

しかしながら、前記従来の固体撮像素子では、画素の各スイッチがトランジスタで構成されているため、各スイッチにおいて所望のスイッチング特性を得るためには、スイッチ用トランジスタのサイズをある程度大きくせざるを得ない。その分、画素における光電変換部の面積が小さくなってしまう。特に、前記従来の固体撮像素子では、高解像度化を図るべく画素サイズを小さくしようとすると、画素面積に占めるスイッチ用トランジスタの面積の割合が大きく増大してしまい、画素面積に占める光電変換部の面積の割合が大きく低下してしまう。その結果、光電変換部に取り込む光量が大きく低下したり、光電変換部の飽和電子数がかなり少なくなったりすることで、感度やダイナミックレンジが大きく低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画素面積に占める光電変換部の面積の割合を増大させることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、光電変換部と１つ以上のスイッチとを有する画素を備えた固体撮像素子であって、前記１つ以上のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチがマイクロメカニカルスイッチであるものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記マイクロメカニカルスイッチは薄膜で構成された可動部を有するものである。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記マイクロメカニカルスイッチは片持ち梁構造体を有するものである。

第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記マイクロメカニカルスイッチは、オン時に２つの半導体領域間を電気的に短絡させる経路を形成するものである。

第５の態様による固体撮像素子は、前記第４の態様において、前記マイクロメカニカルスイッチの付近において、前記２つの半導体領域間に、それらの間の電荷移動を阻止する分離部が形成されたものである。

第６の態様による固体撮像素子は、前記第４又は第５の態様において、前記２つの半導体領域のうちの一方の半導体領域は、前記光電変換部を構成する電荷蓄積層であるものである。

第７の態様による固体撮像素子は、前記第４乃至第６のいずれかの態様において、前記２つの半導体領域のうちの他方の半導体領域は、フローティングディフュージョンであるものである。

第８の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第７のいずれかの態様において、前記マイクロメカニカルスイッチは、静電力により駆動されるように構成されたものである。

第９の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第８のいずれかの態様において、前記マイクロメカニカルスイッチは互いに接離する２つの接点部を有し、前記２つの半導体領域のうちの一方の半導体領域と前記２つの接点部のうちの一方の接点部との間を電気的に接続する経路の少なくとも一部をなす金属膜の少なくとも一部が、前記一方の半導体領域上に形成されたものである。

第１０の態様による固体撮像素子は、前記第９の態様において、前記２つの半導体領域のうちの他方の半導体領域と前記２つの接点部のうちの他方の接点部との間を電気的に接続する経路の少なくとも一部をなす金属膜の少なくとも一部が、前記他方の半導体領域上に形成されたものである。

第１１の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第１０のいずれかの態様において、前記画素は、前記光電変換部からの電荷を受け取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の電位に応じた信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットスイッチと、読み出し行を選択するための選択スイッチとを有し、前記少なくとも１つのスイッチは、前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチのうちの１つ以上であるものである。

第１２の態様による固体撮像素子の製造方法は、前記第１乃至第１１のいずれかの態様による固体撮像素子を製造する製造方法であって、前記マイクロメカニカルスイッチの可動部の下側に位置する第１の犠牲層を形成する段階と、前記第１の犠牲層上に前記可動部を形成する段階と、前記可動部上に第２の犠牲層を形成する段階と、前記第１及び第２の犠牲層を除去する段階と、を備えたものである。

本発明によれば、画素面積に占める光電変換部の面積の割合を増大させることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子１を示す概略構成図である。この固体撮像素子１は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置として構成されている。

図１に示すように、この固体撮像素子１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、垂直走査回路２と、水平走査回路３と、２次元状に配置された複数の画素４と、周知のＣＤＳ回路等を含む読み出し回路５と、出力アンプ６とを有している。各画素４のフォトダイオードＰＤ（図１では図示せず。図２参照）が出力する電気信号が垂直走査回路２によって読み出し回路５に行単位で取り出され、水平走査回路３によって列単位で出力アンプ６を介して出力端子７に画像信号として出力されるようになっている。

図２は、図１中の１つの画素４を示す回路図である。本実施の形態では、各画素４は、図２に示すように、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する転送スイッチＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットスイッチＲＥＳと、読み出し行を選択するための選択スイッチＳＥＬとを有し、図２に示すように接続されている。

本実施の形態では、画素４の増幅トランジスタＡＭＰはｎＭＯＳトランジスタである。一方、本実施の形態では、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子とは異なり、転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬは、それぞれマイクロメカニカルスイッチである。図２において、アースは、後述するＰウエル３２に供給される基準電位を示す。Ｖｄｄはこの基準電位を基準とした電源電圧であり、電源配線２４によって供給される。なお、図１では、電源配線２４の図示を省略している。

図１及び図２に示すように、転送スイッチＴＸの駆動電極（制御電極）４０（後述する図４及び図５参照。）は、行毎に制御線２２に共通に接続されている。制御線２２は、垂直走査回路２からの転送スイッチＴＸを制御する制御信号φＴＸを、転送スイッチＴＸに供給する。リセットスイッチＲＥＳの駆動電極（制御電極）は、行毎に制御線２１に共通に接続されている。制御線２１は、垂直走査回路２からのリセットスイッチＲＥＳを制御する制御信号φＲＳＴを、リセットスイッチＲＥＳに供給する。選択スイッチＳＥＬの駆動電極（制御電極）は、行毎に制御線２０に共通に接続されている。制御線２０は、垂直走査回路２からの選択スイッチＳＥＬを制御する制御信号φＳＥＬを、選択スイッチＳＥＬに供給する。各画素の選択スイッチＳＥＬの一方の接点部（増幅トランジスタＡＭＰと反対側の接点部）は、列毎に垂直信号線２３に共通に接続されている。垂直信号線２３は、読み出し回路５に接続されている。

フォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送スイッチＴＸは、制御信号φＴＸにより指令された所定期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットスイッチＲＥＳは、制御信号φＲＳＴにより指令された所定期間にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電圧Ｖｄｄに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択スイッチＳＥＬの他方の接点部に接続されている。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じた信号を、選択スイッチＳＥＬを介して垂直信号線２３に出力する。選択スイッチＳＥＬは、制御信号φＳＥＬにより指令された所定期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線２３に接続する。

垂直走査回路２は、画素４の行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＳＴ，φＴＸをそれぞれ出力する。また、水平走査回路２２は、水平走査のための制御信号を読み出し回路５に供給する。なお、図面において制御信号に付した（ｎ）は、その制御信号がｎ行目の信号であることを示している。

図３は、図１中の１つの画素４を模式的に示す概略平面図である。図４は、図１中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。図５は、図４に対応する概略断面図である。図４は転送スイッチＴＸのオフ状態を示し、図５は転送スイッチＴＸのオン状態を示している。実際には、フォトダイオードＰＤの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。

図３において、符号５０，５３〜５５は、Ｎ型のシリコン基板３１上に形成されたＰ型ウエル３２（図４及び図５参照）に形成されたＮ型不純物拡散領域である。拡散領域５０はフローティングディフュージョンＦＤを構成している。拡散領域５３は、電源配線２４により電源電圧Ｖｄｄが印加される電源拡散部である。また、符号６３は、ポリシリコンによる増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極である。

フォトダイオードＰＤは、図４及び図５に示すように、Ｐ型ウエル３２中に設けられたＮ型の電荷蓄積層３３で構成され、空乏化防止層の無いフォトダイオードとして構成されている。もっとも、電荷蓄積層３３の表面側に高濃度のＰ型層からなる空乏化防止層を設け、フォトダイオードＰＤを埋め込み型フォトダイオードとして構成してもよい。フォトダイオードＰＤは、入射する光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層３３に蓄積する。フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３に蓄積された電荷は、転送スイッチＴＸがオン状態とされることによってフローティングディフュージョンＦＤに転送される。

転送スイッチＴＸは、オン時に、２つの半導体領域としてのフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３及びフローティングディフュージョンＦＤ間を電気的に短絡させる経路を形成するマイクロメカニカルスイッチとして、構成されている。その具体的な構造については、後に詳述する。転送スイッチＴＸは、その駆動電極４０に制御線２２を介して印加される制御信号φＴＸにより駆動される。

増幅トランジスタＡＭＰは、電源拡散部５３をドレイン、拡散領域５４をソースとするＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタＡＭＰのゲート６３は、配線７０によって、フローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続されている。そして、増幅トランジスタＡＭＰは、そのゲート６３の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、増幅トランジスタＡＭＰは、フォトダイオードＰＤで生成・蓄積された電荷の量に応じた電気信号を出力する。

リセットスイッチＲＥＳは、オン時に、２つの半導体領域としての電源拡散部５３及びフローティングディフュージョンＦＤ間を電気的に短絡させる経路を形成するマイクロメカニカルスイッチとして、構成されている。リセットスイッチＲＥＳは、オン状態にされることで、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている電荷をリセットする。リセットスイッチＲＥＳは、その駆動電極に制御線２１を介して印加される制御信号φＲＳＴにより駆動される。

選択スイッチＳＥＬは、２つの半導体領域としての増幅トランジスタＡＭＰのソース（拡散領域５４）及び拡散領域５４間を電気的に短絡させる経路を形成するマイクロメカニカルスイッチとして、構成されている。拡散領域５５には、垂直信号線２３が接続されている。選択スイッチＳＥＬは、オン状態にされることで、増幅トランジスタＡＭＰの出力を垂直信号線２３に出力する。すなわち、増幅トランジスタＡＭＰと選択スイッチＳＥＬによって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。選択スイッチＳＥＬは、その駆動電極に制御線２０を介して印加される制御信号φＳＥＬにより駆動される。

ここで、図３乃至図５を参照して、転送スイッチＴＸの構造について説明する。なお、以下に説明する材料等は例示であり、その材料等に限定されるものでない。転送スイッチＴＸは、図３中のＡ−Ａ’線の方向に延びた１本の帯板状の梁部４２と、固定側の駆動電極４０と、固定側の接点部３９とを備えている。

半導体領域（Ｐ型ウエル３２及び拡散領域）上に、基板保護用の絶縁膜としてのＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）３５が形成されている。ＳｉＯ_２膜３５の一部が除去され、そこに金属膜としてのＡｌ膜からなるコンタクト部３６，３７が形成されている。コンタクト部３６は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３上に配置され、電荷蓄積層３３と接触して電気的に接続されている。コンタクト部３７は、フローティングディフュージョンＦＤ上に配置され、フローティングディフュージョンＦＤと接触して電気的に接続されている。コンタクト部３６上には、ＳｉＯ_２膜３５上にも及ぶようにＡｌ膜からなる中継電極３８が形成されている。コンタクト部３７上には、ＳｉＯ_２膜３５上にも及ぶようにＡｌ膜からなる固定側の接点部３９が形成されている。固定側の駆動電極４０は、コンタクト部３６，３７間においてＳｉＯ_２膜３５上に形成されている。駆動電極４０は、制御信号φＴＸを供給する制御線２２を構成するＡｌ膜がそのまま連続して延びることによって、構成されている。中継電極３８の一部上及び接点部３９の一部上を除いて、固定側の駆動電極４０などの上には保護用絶縁膜としてのＳｉＯ_２膜４１が形成されている。

梁部４２は、空気等の基体が封入されるかあるいは真空とされた空隙Ｓ内に配置されている。空隙Ｓの上側及び側方は、ＳｉＯ_２膜４７により囲まれている。梁部４２の固定端（図４及び図５中の左側端）は、中継電極３８から立ち上がる立ち上がり部を持つ脚部４３を介して、基板３１側に固定されている。梁部４２の図４及び図５中の右側端は、自由端となっている。したがって、本実施の形態では、梁部４２は片持ち梁構造体からなる可動部となっている。梁部４２は、図４及び図５中の上下方向に撓み得る板ばね部となっている。梁部４２には、図４及び図５に示すように適宜段差が形成されることで、捻れ等が生じないようになっている。

梁部４２は、中間層のＡｌ膜４５を下層のＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）４４と上層のＳｉＮ膜４６で挟み込む形で積層された３層の薄膜で構成されている。梁部４２の自由端側において固定側の接点部３９と対向するＡｌ膜４５の部分４５ａが、ＳｉＮ膜４４に形成された開口から下側に露出され、その部分４５ａが固定側の接点部３９と接離する可動側の接点部となっている。梁部４２の中間において固定側の駆動電極４０と対向するＡｌ膜４５の部分４５ｂが、可動側の駆動電極となっている。

本実施の形態では、脚部４３は、梁部４２を構成するＳｉＮ膜４４，４６及びＡｌ膜４５がそのまま連続して延びることによって構成されている。Ａｌ膜４５は、脚部４３においてＳｉＮ膜４４に形成された開口を介して中継電極３８に電気的に接続されている。

以上の説明からわかるように、可動側の接点部４５ａ及び可動側の駆動電極４５ｂが、中継電極３８及びコンタクト部３６を介してフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３に電気的に接続されている。また、固定側の接点部３９が、コンタクト部３７を介してフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続されている。

本実施の形態では、転送スイッチＴＸは、静電力を駆動力として作動する。制御信号φＴＸとして、可動側の駆動電極４５ｂの電位（すなわち、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３の電位）に対して電位差が大きくなるような電位を、固定側の駆動電極４０に印加すると、駆動電極４５ｂ，４０間に大きな静電力が作用し、梁部４２のバネ力（内部応力）に抗して、梁部４２が基板３１側へ引き寄せられて、それに伴い梁部４２が変形する。そして、梁部４２が図５に示すように基板３１側に当接した位置で停止する。このとき、可動側の接点部４５ａが固定側の接点部３９と当接して両者の間が電気的に接続されるようになっている。したがって、図５に示す状態では、転送スイッチＴＸはオン状態となり、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３とフローティングディフュージョンＦＤとの間が、コンタクト部３６→中継電極３８→Ａｌ膜４５→接点部４５ａ→接点部３９→コンタクト部３７の経路で、電気的に短絡される。

一方、制御信号φＴＸとして、可動側の駆動電極４５ｂの電位（すなわち、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３の電位）に対して電位差が十分に小さくなるような電位を、固定側の駆動電極４０に印加すると、駆動電極４５ｂ，４０間に静電力がほとんど作用しなくなり、梁部４２のバネ力（内部応力）によって、図４に示す状態に戻り、可動側の接点部４５ａが固定側の接点部３９から離れる。したがって、図４に示す状態では、前述した経路が開放され、転送スイッチＴＸはオフ状態となり、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３とフローティングディフュージョンＦＤとの間の電気的な接続が遮断される。

なお、固定側の駆動電極４０に印加する電位は、Ｐ型ウエル３２の電位を基準とした電位を印加すればよい。このとき、固定側の駆動電極４０に印加する電位は、パルス電位としてもよい。また、転送スイッチＴＸをオフする場合は、固定側の駆動電極４０に逆バイアスを一瞬印加してもよいし、高周波電位を印加してもよい。転送スイッチＴＸをオンする場合は、電極間４０，４５ｂ間の電位差を一瞬高くなるようにし、オンしてからは、オフしない程度に小さい電位差でオン状態を保持するようにしてもよい。そうすれば、消費電力を低減することが可能となる。

また、本実施の形態では、転送スイッチＴＸの付近において、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３とフローティングディフュージョンＦＤとの間に、それらの間の電荷の移動を阻止する分離部としての高濃度のＰ型層３４が形成されている。このＰ型層３４によって、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３とフローティングディフュージョンＦＤとの間のリークが低減されるので、好ましい。もっとも、本発明では、このような分離部は必ずしも設ける必要はない。また、前記分離部としては、高濃度のＰ型層３４に代えて、例えば、ＬＯＣＯＳ分離やＳＴＩ（shallow trench isolation）分離を用いてもよい。なお、本実施の形態では、前記分離部（ここでは、高濃度のＰ型層３４）を、転送スイッチＴＸの付近にのみ設けているが、電荷蓄積層３３とフローティングディフュージョンＦＤとの間に全体的に設けてもよい。

なお、本実施の形態では、前述したように、梁部４２の自由端側をフォトダイオードＰＤ側とし、接点部３９，４５ａをフォトダイオードＰＤ側に配置している。逆に、梁部４２の自由端側をフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３側とし、接点部３９，４５ａをフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３側に配置してもよい。

本実施の形態では、リセットスイッチＲＥＳの構造及び選択スイッチＳＥＬの構造は、転送スイッチＴＸの構造と同様であるので、それらの説明は省略する。なお、図３において、符号８４は、リセットスイッチＲＥＳの付近において、フローティングディフュージョンＦＤと電源拡散部５３との間に、それらの間の電荷の移動を阻止する分離部として形成された高濃度のＰ型層である。また、符号９４は、選択スイッチＳＥＬの付近において、拡散領域５４と拡散領域５５との間に、それらの間の電荷の移動を阻止する分離部として形成された高濃度のＰ型層である。Ｐ型層８４，９４は、前述したＰ型層３４に対応している。

図６は、本実施の形態による固体撮像素子１の動作の一例を示すタイミングチャートである。本実施の形態による固体撮像素子１は、図６に示すように、基本的に一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に駆動されるので、その詳細な説明は省略する。なお、図６では、ｎ行目のみについて記載している。

図６において、蓄積期間は、メカニカルシャッタ（図示せず）が開いている期間である。蓄積期間において、入射光に応じて光電変換された信号電荷はフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３に蓄えられる。ｎ行目の読み出し期間において、ｎ行目の転送スイッチＴＸがオンすると、ｎ行目の画素４の電荷蓄積層３３に蓄えられていた信号電荷は、当該画素４のフローティングディフュージョンＦＤに転送される。読み出し回路５は、図６中の期間［１］においてダークレベルを読み出し、図６中の期間［２］において真の光信号レベルにダークレベルが重畳したレベルを読み出す。そして、読み出し回路５は、これらの両レベルの差分を取って真の光信号レベルを得る相関二重サンプリング処理を行う。そして、読み出し回路５は、図６中の水平走査期間において、ｎ行目の画素４の真の光信号レベルを各列の画素毎に出力する。

次に、本実施の形態による固体撮像素子１の製造方法の一例について、図７乃至図１４を参照して説明する。図７乃至図１４は、この製造方法の各工程をそれぞれ模式的に示す概略断面図であり、図４に対応している。

まず、従来の固体撮像素子と同様に半導体製造プロセスを利用して、図４中のＳｉＯ_２膜３５及びコンタクト部３６，３７の直下までの構造を有する基板（基板３１上のＰ型ウエル３２に各拡散領域が形成され、更に増幅トランジスタＡＭＰのゲート６３などが形成されたもの）を用意する。

次に、この基板上にＳｉＯ_２膜３５を形成した後、フォトリソエッチング法により、そのＳｉＯ_２膜３５のコンタクト部３６，３７の箇所に開口３５ａを形成する（図７）。

次いで、その上にＡｌ膜を蒸着又はスパッタ法等によりデポした後に、フォトリソエッチング法により、そのＡｌ膜をコンタクト部３６，３７の形状にパターニングする。引き続いて、この状態の基板上に、Ａｌ膜をデポした後に、フォトリソエッチング法により、そのＡｌ膜を中継電極３８、固定側の駆動電極４０、固定側の接点部３９、配線２２及びその他の配線の形状にパターニングする。その後、ＳｉＯ_２膜４１を形成した後、フォトリソエッチング法により、中継電極３８及び接点部３９の一部が露出するようにそのＳｉＯ_２膜４１をパターニングする（図８）。

次に、犠牲層としてのレジスト１０１を塗布し、そのレジスト１０１をフォトリソグラフィーによりパターニングする（図９）。次いで、犠牲層としてのレジスト１０２を塗布し、梁部４２の段差等の形状に合わせて、そのレジスト１０２をフォトリソグラフィーによりパターニングする。引き続いて、接点部４５ａの高さ位置を設定するための犠牲層としてのレジスト１０３を形成し、そのレジスト１０３をフォトリソグラフィーによりパターニングする（図１０）。レジスト１０１〜１０３によって、梁部（可動部）４２の下側に位置する第１の犠牲層が構成されている。

その後、梁部４２及び脚部４３となるべきＳｉＮ膜４４をプラズマＣＶＤ法等により形成した後、フォトリソエッチング法によりパターニングし、それらの形状とする（図１１）。このとき、脚部４３におけるコンタクト部及び接点部４５ａに相当する箇所には、ＳｉＮ膜４４に開口を形成しておく。

引き続いて、梁部４２及び脚部４３となるべきＡｌ膜４５を蒸着又はスパッタ法等によりデポした後に、フォトリソエッチング法によりパターニングし、それらの形状とする（図１２）。

次に、梁部４２及び脚部４３となるべきＳｉＮ膜４６をプラズマＣＶＤ法等により形成した後、フォトリソエッチング法によりパターニングし、それらの形状とする（図１３）。

次いで、梁部４２の上側に位置する第２の犠牲層としてのレジスト１０４を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングする。引き続いて、この状態の基板上に、ＳｉＯ_２膜４７を形成する（図１４）。このＳｉＯ_２膜４７には、犠牲層（レジスト１０１〜１０４）を除去するための開口（図示せず）を適当に形成しておく。

その後、犠牲層（レジスト１０１〜１０４）をプラズマアッシング法等により除去する（図４）。

引き続いて、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、２層目の配線層の形成、層間絶縁膜の形成、３層目の配線層の形成、平坦化層の形成、カラーフィルタの形成、平坦化層の形成及びマイクロレンズの形成などの、各工程を順次経ることによって、本実施の形態による固体撮像素子１が完成する。

図１５は、本実施の形態による固体撮像素子１と比較される比較例による固体撮像素子の１つの画素４を示す回路図であり、図２に対応している。図１６は、この比較例による固体撮像素子の１つの画素４を模式的に示す概略平面図であり、図３に対応している。図１５及び図１６において、図２及び図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

この比較例による固体撮像素子が本実施の形態による固体撮像素子１と基本的に異なる所は、本実施の形態では、各画素４の転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬがそれぞれマイクロメカニカルスイッチであるのに対し、この比較例では、各画素４の転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬがそれぞれＭＯＳトランジスタである点のみである。

この比較例では、Ｐ型ウエル３２に形成されたＮ型不純物拡散領域５１，５２が、配線７１によって互いに接続され、全体として１つのフローティングディフュージョンＦＤを構成している。Ｎ型不純物拡散領域５１，５２は、配線７１によって増幅トランジスタＡＭＰのゲート６３に接続されている。図１６において、６１，６２，６４は、ポリシリコンで構成された各トランジスタのゲートである。

この比較例では、転送スイッチＴＸは、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層３３をソース、フローティングディフュージョンＦＤの一部を構成する拡散領域５１をドレインとするｎＭＯＳトランジスタである。転送スイッチＴＸは、そのゲート６１に印加される制御信号φＴＸにより駆動される。

また、この比較例では、リセットスイッチＲＥＳは、電源拡散部５３をドレイン、フローティングディフュージョンＦＤの一部を構成する拡散領域５２をソースとするｎＭＯＳトランジスタである。リセットスイッチＲＥＳは、そのゲート６２に供給される制御信号φＲＳＴにより駆動される。

さらに、この比較例では、選択スイッチＳＥＬは、拡散領域５４をドレイン、拡散領域５５をソースとするｎＭＯＳトランジスタである。選択スイッチＳＥＬは、そのゲート６４に供給される制御信号φＳＥＬにより駆動される。

この比較例では、各画素４の転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬがそれぞれＭＯＳトランジスタがトランジスタで構成されているため、各スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬにおいて所望のスイッチング特性を得るためには、それらのトランジスタのサイズをある程度大きくせざるを得ない。したがって、この比較例では、図１６に示すように、画素４におけるフォトダイオードＰＤの面積が小さくなっている。特に、この比較例では、高解像度化を図るべく画素サイズを小さくしようとすると、画素面積に占めるスイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬをなすトランジスタの面積の割合が大きく増大してしまい、画素面積に占めるフォトダイオードＰＤの面積の割合が大きく低下してしまう。その結果、この比較例では、フォトダイオードＰＤに取り込む光量が大きく低下したり、フォトダイオードＰＤの飽和電子数がかなり少なくなったりすることで、感度やダイナミックレンジが大きく低下してしまう。

これに対し、本実施の形態では、各画素４の転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬがそれぞれマイクロメカニカルスイッチである。マイクロメカニカルスイッチは、前述したように、接点部４５ａ，３９の接離に従った導電体による短絡経路の開閉によってオン・オフするので、サイズが小さくても、所望のスイッチング特性を十分に得ることができる。したがって、本実施の形態では、図３に示すように、各スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬの面積を小さくすることによりフォトダイオードＰＤの面積を大きくすることができている。このように、本実施の形態によれば、画素面積に占めるフォトダイオードＰＤの面積の割合を増大させることができる。その結果、本実施の形態によれば、フォトダイオードＰＤに取り込む光量を大きくしたり、フォトダイオードＰＤの飽和電子数を多くしたりすることができ、ひいては、感度やダイナミックレンジを向上させることができる。

また、前記比較例では、各スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬがそれぞれＭＯＳトランジスタがトランジスタで構成されているため、リークの問題がある。例えば、オフしているはずのスイッチがオフできず、リークが発生したり、オンする際に例えば転送スイッチのゲートに電圧を印加する際にリークが発生したりすることにより、そのリーク成分がノイズや擬似信号が発生してしまい、画質の低下原因となってしまう。

これに対し、本実施の形態では、各スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬがそれぞれマイクロメカニカルスイッチである。マイクロメカニカルスイッチは、トランジスタスイッチに比べて、リークが発生し難い。したがって、本実施の形態によれば、リークを低減して画質の向上を図ることができる。特に、本実施の形態では、各スイッチＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬの付近に、前述した分離部としての高濃度のＰ型層３４が形成されているので、より一層リークを低減して画質の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態において、転送スイッチＴＸ、リセットスイッチＲＥＳ及び選択スイッチＳＥＬのうちのいずれか１つ又は２つのスイッチのみをマイクロメカニカルスイッチとし、残りのスイッチをトランジスタとしてもよい。

また、前記実施の形態では、マイクロメカニカルスイッチとして片持ち梁構造体を有するスイッチが採用されているが、本発明では、マイクロメカニカルスイッチの構造はこれに限らない。例えば、両持ち梁構造体を有するマイクロメカニカルスイッチを採用してもよい。

また、前記実施の形態では、マイクロメカニカルスイッチとして駆動力を静電力とするものが採用されているが、本発明では、マイクロメカニカルスイッチはこれに限らない。例えば、圧電素子を利用した圧電駆動のマイクロメカニカルスイッチを採用してもよい。

さらに、特開２００６−７３７３３号公報に開示されているような固体撮像素子では、列方向に順次並んだ所定数の画素毎に単位セルをなし、単位セル毎に、当該単位セルに属する前記所定数の画素が、１組のフローティングディフュージョン、増幅トランジスタ、リセットスイッチ及び選択スイッチを共有している。このような固体撮像素子についても、本発明を適用することができる。

さらにまた、特開２００７−１５７９１２に開示されているような固体撮像素子では、各画素が、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第１の転送スイッチ、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第２の転送スイッチを有している。このような固体撮像素子についても、本発明を適用することができる。この場合、例えば、前記第１及び第２の転送スイッチをマイクロメカニカルスイッチとすればよい。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子を示す概略構成図である。 図１中の１つの画素を示す回路図である。 図１中の１つの画素を模式的に示す概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。 他の動作状態を示す、図４に対応する概略断面図である。 図１に示す固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の工程を模式的に示す概略断面図である。 図７に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図８に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図９に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図１０に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図１１に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図１２に示す工程に引き続く工程を示す図である。 図１３に示す工程に引き続く工程を示す図である。 比較例による固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 比較例による固体撮像素子の１つの画素を模式的に示す概略平面図である。

符号の説明

４ 画素
３３ 電荷蓄積層
ＰＤ フォトダイオード
ＡＭＰ 増幅トランジスタ
ＲＥＳ リセットスイッチ
ＴＸ 転送スイッチ
ＳＥＬ 選択スイッチ
ＦＤ フローティングディフュージョン

Claims (12)

1. 光電変換部と１つ以上のスイッチとを有する画素を備えた固体撮像素子であって、前記１つ以上のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチがマイクロメカニカルスイッチであることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記マイクロメカニカルスイッチは薄膜で構成された可動部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記マイクロメカニカルスイッチは片持ち梁構造体を有することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 前記マイクロメカニカルスイッチは、オン時に２つの半導体領域間を電気的に短絡させる経路を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記マイクロメカニカルスイッチの付近において、前記２つの半導体領域間に、それらの間の電荷移動を阻止する分離部が形成されたことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
6. 前記２つの半導体領域のうちの一方の半導体領域は、前記光電変換部を構成する電荷蓄積層であることを特徴とする請求項４又は５記載の固体撮像素子。
7. 前記２つの半導体領域のうちの他方の半導体領域は、フローティングディフュージョンであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 前記マイクロメカニカルスイッチは、静電力により駆動されるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像素子。
9. 前記マイクロメカニカルスイッチは互いに接離する２つの接点部を有し、
   前記２つの半導体領域のうちの一方の半導体領域と前記２つの接点部のうちの一方の接点部との間を電気的に接続する経路の少なくとも一部をなす金属膜の少なくとも一部が、前記一方の半導体領域上に形成された、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 前記２つの半導体領域のうちの他方の半導体領域と前記２つの接点部のうちの他方の接点部との間を電気的に接続する経路の少なくとも一部をなす金属膜の少なくとも一部が、前記他方の半導体領域上に形成されたことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
11. 前記画素は、前記光電変換部からの電荷を受け取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の電位に応じた信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットスイッチと、読み出し行を選択するための選択スイッチとを有し、
    前記少なくとも１つのスイッチは、前記転送スイッチ、前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチのうちの１つ以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の固体撮像素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する製造方法であって、
    前記マイクロメカニカルスイッチの可動部の下側に位置する第１の犠牲層を形成する段階と、
    前記第１の犠牲層上に前記可動部を形成する段階と、
    前記可動部上に第２の犠牲層を形成する段階と、
    前記第１及び第２の犠牲層を除去する段階と、
    を備えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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