JP4535766B2 - 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、例えばＣＣＤ型固体撮像素子などの固体撮像素子およびその製造方法、これを例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラおよびカメラ付き携帯電話機などの撮像部に用いる電子情報機器に関する。

この種の固体撮像素子は、近年の高画素化の傾向に伴って、電荷転送の高速化が要求されている。これらの高画素化および電荷転送の高速化を実現するためには、電荷転送電極間の結合容量の低減化、電荷転送電極の低抵抗化および電荷転送電極の微細化が極めて重要である。また、固体撮像素子の高画素化に伴って、入射光が電荷転送領域内に漏れ出すスミアの低減化も極めて重要となっている。この従来の固体撮像素子について図６〜図８を用いて説明する。

図６は従来のＣＣＤ型固体撮像素子の構造例を示す要部平面図、図７は図６のＡＡ’線断面図、図８は図６のＢＢ’線断面図である。

図６〜図８に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子１０は、２層ポリシリコン構造であり、図示しない半導体基板表面に光電変換素子としてのフォトダイオード１１と、隣接するフォトダイオード１１から読み出された電荷を転送する電荷転送領域１２と、この電荷転送領域１２上にゲート絶縁膜１３を介して設けられたポリシリコンからなる第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５とを有しており、第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５上を覆うように、フォトダイオード１１上に開口部１１ａを有する絶縁膜１６さらに遮光膜１７が設けられている。

フォトダイオード１１は、半導体基板表面に設けられたＰ型低濃度不純物領域（Ｐ−Ｗｅｌｌ）１８と、その上に設けられたＮ型高濃度不純物層１９とを有し、表面に設けられたＰ型高濃度不純物層２０によって埋め込み構造とされている。このＣＣＤ型固体撮像素子１０では、フォトダイオード１１が正方形格子状に配置された正方形格子配列のものが広く用いられている。

電荷転送方向（図６では縦方向）に隣接するフォトダイオード１１の境界部には、Ｐ型低濃度不純物領域（Ｐ−Ｗｅｌｌ）１８上に素子分離領域２１が設けられている。

第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５は電荷転送方向に交互に配置されており、素子分離領域２１上には、電荷転送方向に直交する方向に隣接する第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５のそれぞれを電気的に接続する配線部１４ａおよび１５ａが設けられている。第２電荷転送電極１５は第１電荷転送電極１４上に端部が一部重なっており、第２電荷転送電極１５の配線部１５ａは第１電荷転送電極１４の配線部１４ａ上に一部重なっているため、それぞれの重なり部には段差が形成される。

遮光膜１７は、電荷転送方向に直交する方向に隣接する第１電荷転送電極１４を電気的に接続する配線部１４ａと、電荷転送方向に直交する方向に隣接する第２電荷転送電極１５を電気的に接続する配線部１５ａとの上に絶縁膜１６を介して設けられており、第１電荷転送電極１４と第２電荷転送電極１５との重なり部の段差を反映して、遮光膜１７にも段差が形成される。

このように構成された従来の固体撮像素子１０において、各フォトダイオード１１の縦方向の境界部に設けられた素子分離領域２１上には、第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５の配線部１４ａおよび１５ａのためのスペースがあり、感度を犠牲にしないためには、その幅を可能な限り狭くすることが好ましい。

しかしながら、図８に示す素子分離領域２１の幅を狭くすると、ポリシリコンからなる第１電荷転送電極１４および第２電荷転送電極１５の幅が狭まり、電気抵抗が増大するという問題がある。このため、従来の固体撮像素子１０では、この素子分離領域２１の配線部１４ａおよび１５ａの幅を狭くすると共に、第１電荷転送電極１４、第２電荷転送電極１５、それらの配線部１４ａおよび１５ａの膜厚を厚くして電気抵抗を低下させるようにしている。

しかしながら、ポリシリコンからなる電荷転送電極（以下、ポリシリコン電極という）の膜厚を厚くすることは、微細加工の妨げとなり、また、膜厚を厚くすることにも限界がある。将来、固体撮像素子の高画素化およびイメージサイズの大型化などが進むと、このようなポリシリコン電極の電気抵抗が問題となり、電荷転送時に高い転送効率を維持することが困難になってくる。

固体撮像素子において、電荷転送電極の電気抵抗を低下させるための方法としては、ポリシリコン電極の膜厚を厚くすることの他にも、ポリシリコン電極中に含まれるリンまたは砒素などの不純物濃度を増加させることも考えられる。しかしながら、この方法では、不純物の固溶限界以上に濃度を高めても比抵抗は下がらないため、ポリシリコン電極の膜厚を厚くする場合と同様に、固体撮像素子の高画素化およびイメージサイズの大型化、高速駆動化などに対応するためには限界がある。

そこで、電荷転送電極の電気抵抗を低下させるための他の方法として、例えば特許文献１には、ポリシリコン電極上に裏打ち金属配線（いわゆるメタル裏打ち）を設けた構造が提案されている。例えば、ＣＣＤ型固体撮像素子に裏打ち金属配線を設ける場合には、垂直電荷転送領域の上部に縦方向に金属配線が延設され、コンタクトホールを介して金属配線と各層のポリシリコン電極とが電気的に接続された構造となるようにしている。

ところで、ＣＣＤ型固体撮像素子では、通常、上記図６〜図８に示すような２層のポリシリコン層、または３層のポリシリコン層を用いて電荷転送電極が構成される。このとき、各ポリシリコン電極（電荷転送電極およびそれらの配線部）の重なり部では、その段差が大きくなる。また、電荷転送電極上には、電荷転送時の光進入を防ぐために遮光膜が形成される。この遮光膜は、例えば、アルミニュムなどをスパッタリング法により成膜し、その後、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程にてフォトダイオード上に開口部を形成することによって作製される。このとき、下層のポリシリコン電極の段差が大きいと、遮光膜のスパッタリングにおける段差カバレッジを向上させるために、遮光膜の膜厚を十分確保する必要がある。また、下層のポリシリコン電極の段差が大きいと、フォトダイオードの開口部を形成するためのフォトリソグラフィ工程において、レジスト塗布時の膜厚にばらつきが生じることなどにより、遮光膜のパターンニング精度に画素間でばらつきが発生し、フォトダイオードの感度ばらつきが生じる要因となる。

そこで、遮光膜を安定して形成する方法として、例えば特許文献２および特許文献３には、化学的機械的研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｍｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ法）によりポリシリコン電極を研磨して、ポリシリコン電極の重なり部を平坦化する方法が提案されている。
特開２００１−２２３３５２号公報 特開平１１−２６７４３号公報 特開２００３−１５８２５６号公報

上述したように、従来の固体撮像素子では、感度を犠牲にしないために素子分離領域の幅を狭くすると、ポリシリコンからなる電荷転送電極の幅が狭まり、電気抵抗が増大するという問題がある。

また、電荷転送電極の電気抵抗を低下させるためにポリシリコンからなる電荷転送電極の膜厚を厚くすると、微細加工の妨げとなり、また、膜厚を厚くすることにも限界がある。また、電荷転送電極の電気抵抗を低下させるためにポリシリコンからなる電荷転送電極中に含まれる不純物濃度を増加させる方法にも限界がある。

また、特許文献１に開示されているように、ＣＣＤ型固体撮像素子に裏打ち金属配線を設ける場合には、垂直電荷転送領域の上部に縦方向に金属配線が延設され、コンタクトホールを介して金属配線と各層のポリシリコン電極とが電気的に接続された構造となる。しかしながら、この構造では、金属配線の配置および金属配線とポリシリコン電極とを電気的に接続するコンタクトホールの配置が限定される。また、３層のポリシリコンからなる電荷転送電極（３層ポリシリコン構造）では、３層の電極が重なっているため、各層の電荷転送電極を十分に露呈させることが困難であり、全ての層のポリシリコン電極に対して裏打ち金属配線を設けることは困難である。

さらに、特許文献２および３に開示されているように、ＣＣＤ型固体撮像素子において、ポリシリコン電極をＣＭＰ法によって研磨する方法では、配線部のポリシリコン層も研磨される。これによって、従来の３層ポリシリコン構造の電荷転送電極に対してこの特許文献２および３の方法を適用することは困難である。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、電荷転送電極の低抵抗化により電荷転送速度の高速化および低消費電力化を図ると共に、電荷転送電極の段差を低減して上層に設けられる遮光膜の加工を容易化し、光電変換素子の感度特性ばらつきおよびスミアの低減を図って、固体撮像素子の高画素化および電荷転送の高速化に対応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撮像部に用いる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、半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極と、該電荷転送電極上を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子において、電荷転送方向に順次隣接する複数の電荷転送電極が互いに重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する各電荷転送電極の間に配線部は設けられておらず、当該間が当該電荷転送電極よりも上層に設けられた配線層によって電気的に接続されており、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電荷転送電極はポリシリコン層からなり、前記配線層は金属層からなる。

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電荷転送電極は、前記電荷転送方向に交互に配置された第１および第２電荷転送電極を有し、該第１電荷転送電極と第２電荷転送電極とが互いに重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１および第２電荷転送電極のそれぞれの間の配線部は設けられておらず、当該間が前記配線層によって電気的に接続されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の電荷転送電極は、前記電荷転送方向に順次繰り返し配置された第１〜第４電荷転送電極を有し、該第１〜第４電荷転送電極が順次重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１〜第４電荷転送電極のそれぞれの間に配線部は設けられておらず、当該間が前記配線層によって電気的に接続されている。

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上を覆うように、表面が平坦化された層間絶縁膜が設けられ、前記配線層は、該層間絶縁膜上に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送電極と配線層とを電気的に接続するためのコンタクト部が、該電荷転送電極と配線層の間に介在する前記層間絶縁膜に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるコンタクト部は、前記配線層と電荷転送電極間に設けられたコンタクトホールを介した埋め込み型コンタクト構造である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光膜には、前記コンタクト部のコンタクトホール径よりも大きく、該コンタクトホールを貫通可能とするコンタクト用穴が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における配線層の幅サイズは、前記遮光膜の幅サイズと同じサイズに形成されている。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送方向に交互に配置された第１および第２電荷転送電極と、該電荷転送電極を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子の製造方法において、 該光電変換素子および電荷転送領域が設けられた半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に第１電荷転送電極となる層を形成する工程と、第２電荷転送電極膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該第１電荷転送電極となる層に対する該第２電荷転送電極膜の重なり部を取り去って平坦化し、該第１電荷転送電極および第２電荷転送電極が互いに重ならないように同じ厚みに形成する工程と、該第１および第２電荷転送電極を覆うように遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１および第２電荷転送電極のそれぞれの間に配線部を設けることなく、該電荷転送電極よりも上層でかつ遮光膜の上方に、該間を電気的に接続する配線層を形成する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送方向に順次繰り返し配置された第１〜第４電荷転送電極と、該電荷転送電極上を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子の製造方法において、該光電変換素子および電荷転送領域が設けられた半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に第１および第３電荷転送電極となる層を形成する工程と、第２および第４電荷転送電極膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該第１および第３電荷転送電極となる層に対する第２および第４電荷転送電極膜の重なり部を取り去って平坦化し、該第１〜第４電荷転送電極が互いに重ならないように同じ厚みで形成する工程と、該第１〜第４電荷転送電極を覆うように遮光膜を形成する工程と、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１〜第４電荷転送電極のそれぞれの間に配線部を設けることなく、該電荷転送電極よりも上層でかつ該遮光膜の上方に、該間を電気的に接続する配線層を形成する工程とを有し、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の後に、該遮光膜を覆うように層間絶縁膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該層間絶縁膜の表面を平坦化する層間絶縁膜形成工程を更に有し、前記配線層形成工程において、平坦化した該層間絶縁膜の表面上に前記配線層を形成する。

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、前記配線層と電荷転送電極との間に介在する前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを介して該電荷転送電極と配線層とを電気的に接続するコンタクト部を形成するコンタクト部形成工程を更に有する。

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コンタクト部形成工程は、前記層間絶縁膜のコンタクトホール上にコンタクト用導電膜を成膜して該コンタクトホール内にコンタクト用導電膜材料を埋め込むと共に、該層間絶縁膜上に形成されたコンタクト用導電膜を化学的機械的研磨法を用いて除去する。

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形成工程は、前記コンタクト部形成工程において、前記コンタクトホールの外周部が貫通可能とするコンタクト用穴を前記遮光膜に形成する。

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遮光膜形成工程の前工程として、前記電荷転送電極上にエッチングストッパ用の絶縁膜を形成する工程を更に有し、前記コンタクト部形成工程において、前記層間絶縁膜および該絶縁膜に前記コンタクトホールを形成する。

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配線層の形成工程は、該配線層の幅サイズを前記遮光膜の幅サイズと同じサイズに形成する。

本発明の電子情報機器は、請求項１〜９のいずれかに記載の固体撮像素子を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。

本発明においては、２層ポリシリコン構造ＣＣＤ型固体撮像素子および３層ポリシリコン構造ＣＣＤ型固体撮像素子などの固体撮像素子において、電荷転送方向に隣接する電荷転送電極が化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）などにより研磨されて互いに順次重ならないように形成されるため、結合容量の増加を低減することが可能となる。また、複数の電荷転送電極が互いに順次重ならずに同じ厚みで形成されるため、その上層に形成される遮光膜の段差を減らして遮光膜の形成を容易化することが可能となる。これにより、遮光膜の加工ばらつきを低減し、フォトダイオードなどの光電変換素子特性のばらつきをも低減すると共にスミアを低減することが可能となる。

また、電荷転送方向と交差する方向（直交する方向を含む）に隣接する電荷転送電極の間は、電荷転送電極よりも上層に設けられた配線層によって接続されるため、配線部分を遮光膜で覆う必要がなく、遮光部の面積を減らして光電変換素子上の開口部の面積を広げ、感度低下を低減することが可能となる。

この場合に、金属配線層でも遮光されるが、金属配線層はポリシリコン層からなる配線部よりも低抵抗化できるため、幅を更に狭くすることができ、また、配線部を覆う遮光膜よりも金属配線層だけの方が幅が狭いため、開口部の面積を広げることが可能となる。

さらに、配線層を金属層として、例えばＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、ＣｕもしくはＷなどの単層膜、またはこれらとＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷまたはＷなどとの多層膜を用いることにより、電荷転送電極をより低抵抗化して電荷転送効率を向上させることが可能となる。

この配線層は、半導体製造工程に用いられるＣＭＰ法などで平坦化された層間絶縁膜上に設けることが可能であり、この配線層と電荷転送電極とのコンタクト部を埋め込み型コンタクト構造とすることにより、平坦化されて薄膜化された電荷転送電極がコンタクト部形成時のドライエッチング工程などにより削られることを防ぐことができる。

また、微細コンタクト形成技術を用いることにより、コンタクト径を例えば０．２ｕｍ程度と小さくすることができるため、電荷転送電極上のいずれの場所にも、配線層と電荷転送電極（ポリシリコン電極）とのコンタクト部を形成することができる。例えば、電荷転送電極で覆われた素子分離領域上に設置することも可能となる。

さらに、遮光膜にコンタクト用穴を設けて、ポリシリコンからなる電荷転送電極と金属からなる配線層とを接続するためのコンタクト用導電材料をコンタクト用穴内に充填する場合、配線層を、遮光膜の電荷転送方向と交差する方向のサイズと同じサイズに形成することにより、遮光膜のコンタクト用穴から光が侵入することを防ぐことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、電荷転送電極の重なりによる結合容量の増加を抑制し、金属配線の使用により電荷転送電極の低抵抗化を図り、遮光部の面積低減および遮光膜の加工ばらつきの低減により光電変換素子特性のばらつきおよびスミアを低減すると共に感度低下を抑制することができる。これにより、今後の固体撮像素子の高画素化、電荷転送速度の高速化および低消費電力化に対応することができる。

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について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の固体撮像素子の一実施形態の構造例を示す要部平面図、図２は図１のＣＣ’線断面図である。なお、ＣＣ’線方向は、電荷転送方向と交差（または直交）する方向（図１では横方向）である。

図１および図２に示すように、固体撮像素子３０は、２層ポリシリコン構造であり、図示しない半導体基板表面に光電変換素子としてのフォトダイオード３１と、隣接するフォトダイオード３１から読み出された電荷を転送するための電荷転送領域３２と、この電荷転送領域３２上にゲート絶縁膜３３を介して設けられたポリシリコン層からなる第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５とを有しており、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５上を覆うように、フォトダイオード３１上に開口部を有する遮光膜３６が設けられている。フォトダイオード３１上の全てが開口部になっている。

フォトダイオード３１は、図６〜図８に示す従来の固体撮像素子１０の場合と同様に、半導体基板表面に設けられたＰ型低濃度不純物領域（Ｐ−Ｗｅｌｌ）とその上に設けられたＮ型高濃度不純物層とを有し、Ｐ型高濃度不純物層が埋め込み構造となっている。

電荷転送方向（図１では縦方向）に隣接するフォトダイオード１０の境界部には、Ｐ型低濃度不純物領域（Ｐ−Ｗｅｌｌ）上に素子分離領域４１が設けられている。

第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５は、電荷転送方向に交互に配置されており、第１電荷転送電極３４と第２電荷転送電極３５とが互いに順次重ならないように同じ厚みで設けられている。

また、電荷転送方向と交差（または直交）する方向（図１では横方向）に隣接する第１電荷転送電極３４の間および第２電荷転送電極３５の間は、電荷転送電極３４および３５よりも上層に設けられた配線層３７によって電気的に接続されている。

遮光膜３６は、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５上に絶縁膜３８を介して設けられている。第１電荷転送電極３４と第２電荷転送電極３５とは互いに重なっておらず、段差部が無いため、遮光膜３６にも段差部は生じることなく、薄膜化することができる。

遮光膜３６上には、表面が平坦化された層間絶縁膜３９が設けられており、この層間絶縁膜３９上に金属層からなる配線層３７が設けられている。絶縁膜３８および層間絶縁膜３９には、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５上にそれぞれ各コンタクトホールがそれぞれ設けられており、この各コンタクトホール内をそれぞれ埋め込むようにコンタクト用導電膜材料が設けられて、第１電荷転送電極３４または第２電荷転送電極３５と配線層３７とを電気的に接続する埋め込み型コンタクト構造のコンタクト部４０が形成されている。

遮光膜３６には、このコンタクト用導電膜が通るコンタクト用穴３６ａが形成されている。このコンタクト用穴３６ａの径はコンタクト部４０のコンタクトホール径よりも大きい。第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５のそれぞれの各間を電気的に接続する各配線層３７が遮光膜３６よりも上層であるため、遮光膜３６は、隣接するフォトダイオード３１間の素子分離領域４１上に設けられていない。

このように構成された本実施形態の固体撮像素子３０の製造方法について、以下に、図１〜図５を用いて説明する。

図３は、図１の固体撮像素子の電荷転送電極となる層の形成工程を説明するためのＤＤ’線断面図、図４は、本実施形態の固体撮像素子の製造方法における遮光膜形成工程の一例を説明するための要部平面図、図５は、図１の固体撮像素子の電荷転送電極部研磨工程を説明するためのＤＤ’線断面図である。なお、ＤＤ’線方向は電荷転送方向（図１では縦方向）である。

まず、Ｓｉなどからなる半導体基板上にフォトリソグラフィ法によりマスクを形成し、このマスクを用いて半導体基板中にイオン注入法により不純物を添加することにより、図１および図３に示すように、Ｐ型低濃度不純物領域４２、電荷転送領域３２、光電変換素子（フォトダイオード）３１および画素分離するための素子分離領域４１を形成する。

次に、光電変換素子３１および電荷転送領域３２が設けられた半導体基板表面にゲート絶縁膜３３を形成する。即ち、基板表面の熱酸化を行うか、またはＣＶＤ法により酸化膜、窒化膜もしくはそれらの積層層を成膜することによって、厚み５０ｎ〜１００ｎｍのゲート絶縁膜３３を形成する。

さらに、ゲート絶縁膜３３上に第１電荷転送電極３４を形成する。即ち、第１電荷転送電極３４となるポリシリコン層をＣＶＤ法により厚み５０ｎｍ〜１０００ｎｍ、例えば３００ｎｍに成膜した後、フォトリソグラフィ法により第１電荷転送電極３４のパターンをパターニングしてレジストマスクを形成し、例えばドライエッチング法により選択的にポリシリコン層をエッチングすることにより、図３に示すように、第１電荷転送電極３４となる層３４ａを形成する。このとき、従来では、電荷転送方向と交差する方向（図１では横方向）に隣接する第１電荷転送電極３４の間を接続する配線部も形成されていたが、本実施形態では、第１電荷転送電極３４の間を接続する配線部は形成されない。

さらに、第２電荷転送電極膜３５となる層３５ａを成膜し、化学的機械的研磨法によって第１電荷転送電極３４ａと第２電荷転送電極膜３５ａとの重なり部を平坦化して、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５が互いに重ならないように同じ厚みで形成する。即ち、第１電荷転送電極部３４ａのエッチング時にオーバーエッチングによって失われたゲート絶縁膜３３を補うための絶縁膜を成膜し、図３に示すように、第２電荷転送電極３５となるポリシリコン層３５ａを第１電荷転送電極３４となるポリシリコン層３４ａと同様に成膜する。その後、ＣＭＰ法により第２電荷転送電極３５となるポリシリコン層３５ａおよび第１電荷転送電極部３４となるポリシリコン層３４ａを順次研磨して、任意の電荷転送電極膜厚、例えば１００ｎｍまで研磨する。

その後、フォトリソグラフィ法により第２電荷転送電極３５のパターンをパターニングしてレジストマスクを形成し、例えばドライエッチング法により選択的にポリシリコン層をエッチングすることにより、図５に示すように、第２電荷転送電極３５を形成する。このとき、従来では、電荷転送方向と交差する方向（図１では横方向）に隣接する第２電荷転送電極３５の間を接続する配線部も形成されていたが、本実施形態では、第２電荷転送電極３５の間を接続する配線部は形成されない。

これにより、図４および図５に示すように、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５が電荷転送方向（図１および図４では縦方向）に交互に配置されて重ならないように同じ厚みで設けられ、電荷転送方向と交差する方向（図１および図４では横方向）に隣接する第１電荷転送電極３４の間および第２電荷転送電極３５の間には、従来のように配線部が設けられていない第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５が形成される。なお、第２電荷転送電極３５を形成するためのエッチング工程は、ＣＭＰ法による研磨の前に行ってもよい。

さらに、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５上に、電荷転送電極３４，３５と金属配線層３７とを接続するコンタクトホール形成のためのエッチング時にオーバーエッチングを防ぐためのストッパとなる窒化膜をＣＶＤ法により形成し、必要に応じてＣＶＤ法による酸化膜を積層して、図２に示すように、５０ｎｍ〜１００ｎｍの絶縁膜３８を形成する。

その後、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５を覆うように遮光膜３６を形成する。即ち、絶縁膜３８上に、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、ＣｕもしくはＷなどの単層膜、またはこれらとＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷもしくはＷなどとの多層膜を用いて遮光膜３６となる層を成膜する。この遮光膜３６となる層は、平坦な電荷転送電極３４，３５上をカバーするため、従来のように段差部を有する電荷転送電極およびそれらの配線部を覆う遮光膜に比べて薄膜化することが可能である。その後、フォトリソグラフィ法により遮光膜３６のパターンにパターンニングしてレジストマスクを形成し、例えばドライエッチング法を用いて選択的に遮光膜３６となる層をエッチングすることにより、図２および図４に示すように遮光膜３６を形成する。

このとき、従来のパターンと異なり、本実施形態ではポリシリコン層からなる配線部が設けられていないため、図４に示すように、遮光膜３６は電荷転送電極３４および３５上にのみ形成される。このとき、電荷転送電極３４および３５と金属配線層３７とを接続するコンタクト部形成時に遮光膜３６がコンタクト用導電膜と接触しないように、十分に余裕を有するコンタクト用穴３６ａが遮光膜３６に形成される。

次に、ＣＶＤ法により層間絶縁膜３９となる層である酸化膜またはＢＰＳＧ膜などを成膜し、ＣＭＰ法を用いて表面（最も高い位置）から２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の高さまで均一に研磨することによって、図２に示すように、表面が平坦化された層間絶縁膜３９を形成する。

その後、フォトリソグラフィ法により電荷転送電極３４および３５上に、電荷転送電極３４および３５と金属配線層３７とを接続するコンタクトホールのパターンをパターンニングしてレジストマスクを形成し、例えばドライエッチング法を用いて選択的にエッチングすることにより層間絶縁膜３９にコンタクトホールを形成する。

このとき、電荷転送電極３４および３５上に積層された窒化膜（絶縁膜３８）によって選択的にエッチングを一旦停止させ、その後、窒化膜（絶縁膜３８）のみをエッチングすることなどにより、電荷転送電極膜のオーバーエッチングを極力防ぐようにする。このように、平坦化されて薄膜化された電荷転送電極３４，３５がコンタクト部形成時のドライエッチング工程などにより削られることを防ぐことができる。

その後、コンタクト部用導電膜としてＣｕ、ＷもしくはＴｉＷなどの単層膜、またはこれらとＴｉもしくはＴｉＮなどとの多層膜を成膜してコンタクトホール内を導電材料にて埋め込んだ後、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜３９上のコンタクト部用導電膜を除去することにより、図２に示すように埋め込み型コンタクト構造のコンタクト部４０をコンタクトホール内に形成する。

さらに、第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５のそれぞれの間（第１電荷転送電極３４間または第２電荷転送電極３５間）を電気的に接続する配線層３７を形成する。即ち、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、ＣｕもしくはＷなどの単層膜またはこれらとＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷもしくはＷなどとの多層膜を用いて金属配線層を成膜し、フォトリソグラフィ法により金属配線層３７のパターンにパターンニングしてレジストマスクを形成し、例えばドライエッチング法を用いて選択的に金属配線層３７となる層をエッチングすることにより、図２に示すように金属配線層３７を形成する。

このとき、金属配線層３７は、図２に示すように、遮光膜３６に開口されたコンタクト用穴３６ａから電荷転送領域３２への入光を防ぐために、遮光膜３６上において遮光膜３６の電荷転送方向（図４では縦方向）と交差（または直交）する方向（図４では横方向）のサイズと同等のサイズに形成される。コンタクト用穴３６ａの上方には金属配線層３７が形成されており、コンタクト用穴３６ａは金属配線層３７により遮光されている状態である。

以上のように作製された本実施形態の固体撮像素子３０は、電荷転送方向（図１では縦方向）に隣接する第１電荷転送電極３４と第２電荷転送電極３５とがＣＭＰ法により研磨されて互いに順次重ならないように形成されるため、結合容量の増加を低減することができる。

また、第１電荷転送電極３４と第２電荷転送電極３５とが互いに順次重ならずに同じ厚みで形成されるため、その上層に形成される遮光膜３６の段差を減らして遮光膜３６の形成を容易化することができる。これにより、遮光膜３６の加工ばらつきを低減し、フォトダイオード３１の特性ばらつきを低減すると共にスミアを低減することができる。

さらに、電荷転送方向（図１では縦方向）と交差（または直交）する方向（図１では横方向）に隣接する第１電荷転送電極３４および第２電荷転送電極３５のそれぞれの間（第１電荷転送電極３４間と、第２電荷転送電極３５間）は、電荷転送電極３４，３５よりも上層に設けられた配線層３７によって接続されるため、従来のように配線部を遮光膜で覆う必要がなく、遮光部の面積を充分に減らして開口部を広げ、感度低下を低減することができる。

さらに、配線層３７が金属層からなるため、電荷転送電極を低抵抗化して電荷転送効率を向上させることができる。また、配線層３７は、表面が平坦化された層間絶縁膜３９上に設けられており、埋め込み型コンタクト構造のコンタクト部４０によって電荷転送電極３４，３５と電気的に接続されている。

また、微細コンタクト形成技術を用いることにより、コンタクト径を例えば０．２ｕｍ程度と小さくすることができるため、電荷転送電極３４および３５上のいずれの場所にも、配線層３７と電荷転送電極（ポリシリコン電極）３４および３５とのコンタクト部４０を形成することができる。

さらに、配線層３７を、遮光膜３６の電荷転送方向と交差（または直交）する方向のサイズ（遮光膜３６の幅サイズ）と同じ幅サイズに形成する。これによって、遮光膜３６のコンタクト用穴３６ａから入射光が侵入することを防ぐことができる。

以上をまとめると、本実施形態によれば、電荷転送方向に隣接するポリシリコン電荷転送電極３４，３５がＣＭＰ法により研磨されて重ならずに略同じ厚みに形成され、電荷転送方向と交差（または直交）する方向に隣接する電荷転送電極の間が上層に設けられた金属配線層３７によって電気的に接続されている。このため、金属配線層３７は遮光膜によって覆われていないため、フォトダイオード上の開口部３１の面積を広げることができる。また、電荷転送電極３４，３５の低抵抗化により電荷転送速度の高速化および低消費電力化を図ると共に、従来のような電荷転送電極３４，３５の段差を低減して上層に設けられる遮光膜３６の加工を容易化し、光電変換素子の感度特性ばらつきおよびスミアの低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、２層ポリシリコン構造のＣＣＤ型固体撮像素子３０を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、３層ポリシリコン構造（４相駆動方式で1画素あたり４個の転送電極を所有）やそれ以上の複数層ポリシリコン構造に対しても適用可能である。３層ポリシリコン構造の場合、電荷転送方向と交差（または直交）する方向に隣接する電荷転送電極３４および３５のそれぞれの間を接続する金属配線層３７を２層構造として、上層の電荷転送電極上の配線層はフォトダイオードの開口部を遮光しないように細く形成することが好ましい。また、配線層を１層で構成する場合には、素子分離領域４１上に４本の金属配線層を設けた構造とすることができる。ここで、３層ポリシリコン構造の場合、４相駆動方式になり４個の転送電極を所有することになって、今回のＣＭＰによる方式を取る場合２層ポリシリコン構造と同じ加工方法となり、転送電極の転送方法の幅が小さくなる。

また、本実施形態では特に説明しなかったが、本実施形態の固体撮像素子３０を、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの各種の電子情報機器の撮像部に用いることができて、従来のような電荷転送電極の重なりによる結合容量の増加を抑制し、電荷転送電極の低抵抗化を図り、光電変換素子特性のばらつきおよびスミアを低減すると共に感度低下を抑制できる本発明の作用効果を奏することができ、この結果、電子情報機器の撮像部で撮像した画像の表示品位が良好で高速処理により低消費電力可能とすることができる。

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、例えばＣＣＤ型固体撮像素子などの固体撮像素子およびその製造方法、これを例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラおよびカメラ付き携帯電話機などの撮像部に用いる電子情報機器の分野において、従来のような電荷転送電極の重なりによる結合容量の増加を抑制し、電荷転送電極の低抵抗化を図り、光電変換素子特性のばらつきおよびスミアを低減すると共に感度低下を抑制することができるため、今後の固体撮像素子の高画素化、電荷転送速度の高速化および低消費電力化に対応することができる。

本発明の固体撮像素子は、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの電子情報機器の撮像部に広く利用することが可能であり、表示品位が良好な撮像画像を高速処理により低消費電力で得ることができる。

本発明の固体撮像素子の一実施形態の構造例を示す要部平面図である。 図１のＣＣ’線断面図である。 図１の固体撮像素子の電荷転送電極となる層の形成工程を説明するためのＤＤ’線断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造方法における遮光膜形成工程の一例を説明するための要部平面図である。 図１の固体撮像素子の電荷転送電極部研磨工程を説明するためのＤＤ’線断面図である。 従来のＣＣＤ型固体撮像素子の構造例を示す要部平面図である。 図６のＡＡ’線断面図である。 図６のＢＢ’線断面図である。

符号の説明

３０ 固体撮像素子
３１ 光電変換素子（フォトダイオード）の開口部
３２ 電荷転送領域
３３ ゲート絶縁膜
３４，３５ 電荷転送領域
３６ 遮光膜
３７ 金属配線層
３８ 絶縁膜
３９ 層間絶縁膜
４０ コンタクト部
４１ 素子分離領域
４２ Ｐ型低濃度不純物領域（Ｐ−Ｗｅｌｌ）

Claims (18)

1. 半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極と、該電荷転送電極上を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子において、
   電荷転送方向に順次隣接する複数の電荷転送電極が互いに重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する各電荷転送電極の間に配線部は設けられておらず、当該間が当該電荷転送電極よりも上層に設けられた配線層によって電気的に接続されている固体撮像素子。
2. 前記電荷転送電極はポリシリコン層からなり、前記配線層は金属層からなる請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の電荷転送電極は、前記電荷転送方向に交互に配置された第１および第２電荷転送電極を有し、該第１電荷転送電極と第２電荷転送電極とが互いに重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１および第２電荷転送電極のそれぞれの間の配線部は設けられておらず、当該間が前記配線層によって電気的に接続されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の電荷転送電極は、前記電荷転送方向に順次繰り返し配置された第１〜第４電荷転送電極を有し、該第１〜第４電荷転送電極が順次重ならずに同じ厚みで設けられ、該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１〜第４電荷転送電極のそれぞれの間に配線部は設けられておらず、当該間が前記配線層によって電気的に接続されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 前記遮光膜上を覆うように、表面が平坦化された層間絶縁膜が設けられ、前記配線層は、該層間絶縁膜上に設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 前記電荷転送電極と配線層とを電気的に接続するためのコンタクト部が、該電荷転送電極と配線層の間に介在する前記層間絶縁膜に設けられている請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記コンタクト部は、前記配線層と電荷転送電極間に設けられたコンタクトホールを介した埋め込み型コンタクト構造である請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記遮光膜には、前記コンタクト部のコンタクトホール径よりも大きく、該コンタクトホールを貫通可能とするコンタクト用穴が設けられている請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記配線層の幅サイズは、前記遮光膜の幅サイズと同じサイズに形成されている請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送方向に交互に配置された第１および第２電荷転送電極と、該電荷転送電極を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子の製造方法において、
    該光電変換素子および電荷転送領域が設けられた半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    該ゲート絶縁膜上に第１電荷転送電極となる層を形成する工程と、
    第２電荷転送電極膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該第１電荷転送電極となる層に対する該第２電荷転送電極膜の重なり部を取り去って平坦化し、該第１電荷転送電極および第２電荷転送電極が互いに重ならないように同じ厚みに形成する工程と、
    該第１および第２電荷転送電極を覆うように遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、
    該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１および第２電荷転送電極のそれぞれの間に配線部を設けることなく、該電荷転送電極よりも上層でかつ遮光膜の上方に、該間を電気的に接続する配線層を形成する工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
11. 半導体基板表面に設けられた複数の光電変換素子と、該光電変換素子に隣接して該半導体基板表面に設けられ、該光電変換素子から読み出された電荷を転送可能とする電荷転送領域と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送方向に順次繰り返し配置された第１〜第４電荷転送電極と、該電荷転送電極上を覆い、該光電変換素子上に開口部を有する遮光膜とを備えた固体撮像素子の製造方法において、
    該光電変換素子および電荷転送領域が設けられた半導体基板表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    該ゲート絶縁膜上に第１および第３電荷転送電極となる層を形成する工程と、
    第２および第４電荷転送電極膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該第１および第３電荷転送電極となる層に対する第２および第４電荷転送電極膜の重なり部を取り去って平坦化し、該第１〜第４電荷転送電極が互いに重ならないように同じ厚みで形成する工程と、
    該第１〜第４電荷転送電極を覆うように遮光膜を形成する工程と、
    該電荷転送方向と交差する所定方向に隣接する該第１〜第４電荷転送電極のそれぞれの間に配線部を設けることなく、該電荷転送電極よりも上層でかつ該遮光膜の上方に、該間を電気的に接続する配線層を形成する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の後に、該遮光膜を覆うように層間絶縁膜を成膜し、化学的機械的研磨法によって該層間絶縁膜の表面を平坦化する層間絶縁膜形成工程を更に有し、前記配線層形成工程において、平坦化した該層間絶縁膜の表面上に前記配線層を形成する請求項１０または１１に記載の固体撮像素子の製造方法。
13. 前記配線層と電荷転送電極との間に介在する前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを介して該電荷転送電極と配線層とを電気的に接続するコンタクト部を形成するコンタクト部形成工程を更に有する請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法。
14. 前記コンタクト部形成工程は、前記層間絶縁膜のコンタクトホール上にコンタクト用導電膜を成膜して該コンタクトホール内にコンタクト用導電膜材料を埋め込むと共に、該層間絶縁膜上に形成されたコンタクト用導電膜を化学的機械的研磨法を用いて除去する請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法。
15. 前記遮光膜形成工程は、前記コンタクト部形成工程において、前記コンタクトホールの外周部が貫通可能とするコンタクト用穴を前記遮光膜に形成する請求項１３または１４に記載の固体撮像素子の製造方法。
16. 前記遮光膜形成工程の前工程として、前記電荷転送電極上にエッチングストッパ用の絶縁膜を形成する工程を更に有し、前記コンタクト部形成工程において、前記層間絶縁膜および該絶縁膜に前記コンタクトホールを形成する請求項１３〜１５のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
17. 前記配線層の形成工程は、該配線層の幅サイズを前記遮光膜の幅サイズと同じサイズに形成する請求項１５に記載の固体撮像素子の製造方法。
18. 請求項１〜９のいずれかに記載の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器。
    

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