固體攝像裝置的制造方法
【專利說明】固體攝像裝置
[0001]本申請享受2014年6月9日提交的日本專利申請2014-118335的優先權，該日本專利申請的全部內容在本申請中被引用。
技術領域
[0002]本發明的實施方式涉及固體攝像裝置。
【背景技術】
[0003]伴隨著固體攝像裝置的小型化及高畫質化的要求，像素逐漸微細化。由于像素的微細化，向像素的入射光量減少，特別是在低照度時，白斑或漏電流等導致的畫質劣化變得醒目。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的課題在于，提供一種固體攝像裝置，能夠在抑制畫質劣化的同時，實現像素的微細化。
[0005]—個實施方式的固體攝像裝置，具備:像素，在半導體基板上設有光電變換部，該光電變換部蓄積進行光電變換而得的電荷；光柵，從所述光電變換部的光入射面的相反面對所述光電變換部的電勢進行控制；電壓變換部，將從所述光電變換部讀出的信號電荷變換為電壓；以及變換電容控制部，對所述電壓變換部的變換電容進行控制。
[0006]另一實施方式的固體攝像裝置，具備:像素，設有第I光電變換部和第2光電變換部，該第I光電變換部設置在光入射面側，該第2光電變換部設置在所述光入射面的相反面側；以及光柵，對所述第2光電變換部的電勢進行控制。
[0007]此外，另一實施方式的固體攝像裝置，具備:像素，在半導體基板上設有光電變換部，該光電變換部蓄積進行光電變換而得的電荷；光柵，從所述光電變換部的光入射面的相反面對所述光電變換部的電勢進行控制；以及定時控制電路，基于所述像素的入射光量，控制向所述光柵施加的電壓。
[0008]根據上述結構的固體攝像裝置，能夠在抑制畫質劣化的同時，實現像素的微細化。
【附圖說明】
[0009]圖1是表示第I實施方式的固體攝像裝置的概略結構的框圖。
[0010]圖2是表示圖1的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的拜耳排列的像素的結構例的電路圖。
[0011]圖3(a)是表示圖2的像素的結構例的截面圖，圖3(b)是表示圖3(a)的結構例中的電勢分布的圖。
[0012]圖4 (a)是表示圖3 (a)的結構的低照度時的狀態的截面圖，圖4 (b)是表示圖4(a)的狀態的電勢分布的圖。
[0013]圖5 (a)是表示圖3 (a)的結構的高照度時的狀態的截面圖，圖5 (b)是表示圖5 (a)的狀態的電勢分布的圖。
[0014]圖6是表示第2實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫2X縱4像素的像素的結構例的電路圖。
[0015]圖7(a)是表示圖6的像素的第I讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖，圖7(b)是表示圖6的像素的第2讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0016]圖8是表示第3實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的拜耳排列的像素的結構例的電路圖。
[0017]圖9(a)是表示圖8的像素的結構例的截面圖，圖9 (b)是表示圖9(a)的結構例中的電勢分布的圖。
[0018]圖10(a)是表示圖9(a)的結構的低照度時的狀態的截面圖，圖10(b)是表示圖10(a)的狀態的電勢分布的圖。
[0019]圖11(a)是表示圖9(a)的結構的高照度時的狀態的截面圖，圖11(b)是表示圖11(a)的狀態的電勢分布的圖。
[0020]圖12(a)是表示圖8的像素的第I讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖，圖12(b)是表示圖8的像素的第2讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0021]圖13是表示第4實施方式的固體攝像裝置的概略結構的框圖。
[0022]圖14是表示圖13的像素的讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0023]圖15(a)是表示第5實施方式的固體攝像裝置的像素的結構例的截面圖，圖15(b)是表示圖15(a)的結構例中的電勢分布的圖。
[0024]圖16(a)是表示圖15(a)的結構的電荷蓄積時的狀態的截面圖，圖16(b)是表示圖15(a)的狀態的電勢分布的圖。
[0025]圖17是表示圖15(a)的像素的讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0026]圖18(a)是表示第6實施方式的固體攝像裝置中應用的切換晶體管的結構例的電路圖，圖18(b)是表示圖18(a)的切換晶體管的布局結構例的平面圖。
[0027]圖19是表示第7實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖。
[0028]圖20是表示第8實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖。
[0029]圖21是表示第9實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖。
[0030]圖22是表示第10實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖。
[0031]圖23(a)是表示第11實施方式的固體攝像裝置中應用的切換晶體管的結構例的電路圖，圖23(b)是表示圖23(a)的切換晶體管的布局結構例的平面圖。
[0032]圖24(a)是表示第12實施方式的固體攝像裝置中應用的切換晶體管的結構例的電路圖，圖24(b)是表示圖24(a)的切換晶體管的布局結構例的平面圖。
[0033]圖25(a)是表示第13實施方式的固體攝像裝置中應用的切換晶體管的結構例的電路圖，圖25(b)是表示圖25(a)的切換晶體管的布局結構例的平面圖。
[0034]圖26(a)是表示第14實施方式的固體攝像裝置中應用的切換晶體管的結構例的電路圖，圖26(b)是表示圖26(a)的切換晶體管的布局結構例的平面圖。
[0035]圖27(a)是表示第15實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖，圖27(b)是表示圖27(a)的分割晶體管的布局結構例的平面圖。
[0036]圖28(a)是表示第16實施方式的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫IX縱4像素的像素的結構例的電路圖，圖28(b)是表示圖28(a)的分割晶體管的布局結構例的平面圖。
[0037]圖29是表示圖28的像素的第I讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0038]圖29是表示圖28的像素的第2讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0039]圖30是表示圖28的像素的第3讀出動作時的各部分的電壓波形的時序圖。
[0040]圖32是表示應用了第17實施方式的固體攝像裝置的數字攝像機的概略結構的框圖。
[0041]圖33是表示應用了第18實施方式的固體攝像裝置的攝像機模塊的概略結構的截面圖。
【具體實施方式】
[0042]根據本發明的一個實施方式，具備:像素，在半導體基板上設有光電變換部，該光電變換部蓄積進行光電變換而得的電荷；光柵，從所述光電變換部的光入射面的相反面對所述光電變換部的電勢進行控制；電壓變換部，將從所述光電變換部讀出的信號電荷變換為電壓；以及變換電容控制部，對所述電壓變換部的變換電容進行控制。
[0043]以下，參照附圖詳細說明實施方式的固體攝像裝置。另外，本發明不限于這些實施方式。
[0044](第I實施方式)
[0045]圖1是表示第I實施方式的固體攝像裝置的概略結構的框圖。另外，該固體攝像裝置可以使用背面照射型CMOS傳感器。
[0046]在圖1中，在固體攝像裝置中設有像素陣列部I。在像素陣列部I中，設置有用于蓄積進行光電變換而得的電荷的光電變換部的像素PC在行方向RD及列方向CD上配置m(m為正整數)行Xn(n為正整數)列而成為矩陣狀。另外，光電變換部可以使用光電二極管。在此，在各像素PC的光電變換部的光入射面的相反面設有光柵TPG。光柵TPG能夠對光電變換部的光入射面的相反面的電勢進行控制。此外，在該像素陣列部I中，在行方向RD設有用于進行像素PC的讀出控制的水平控制線Hlin，在列方向CD設有用于傳送從像素PC讀出的信號的垂直信號線Vlin。另外，像素PC可以形成由2個綠色用像素Gr、Gb和I個紅色用像素R和I個藍色用像素B構成的拜耳排列。
[0047]此外，在固體攝像裝置中設置有:垂直掃描電路2，沿垂直方向對作為讀出對象的像素PC進行掃描；負載電路3，通過在與像素PC之間進行源極跟隨動作，從而按每個列將像素信號從像素PC讀出到垂直信號線Vlin ;列ADC電路4，實施用于僅提取各像素PC的信號成分的CDS處理，并且變換為數字信號；線存儲器5，按照每個列存儲由列ADC電路4檢測出的各像素PC的信號成分；水平掃描電路6，沿水平方向對作為讀出對象的像素PC進行掃描；基準電壓發生電路(DAC) 7，將基準電壓VREF輸出到列ADC電路4 ;以及定時控制電路8，對各像素PC的讀出或蓄積的定時進行控制。在此，定時控制電路8能夠將光柵TPG的電壓控制為，在各像素PC的光電變換部的入射光量小的情況下，與大的情況相比，光電變換部的電勢變淺。另外，向定時控制電路8輸入主時鐘MCK。基準電壓VREF可以使用鋸齒波。
[0048]并且，通過由垂直掃描電路2沿垂直方向對像素PC進行逐行掃描，從而在行方向RD選擇像素PC。并且，在負載電路3中，通過在與該像素PC之間按每個列進行源極跟隨動作，從而將從像素PC讀出的像素信號經由垂直信號線Vlin傳送，并發送給列ADC電路4。此夕卜，在基準電壓發生電路7中，作為基準電壓VREF設定鋸齒波，并發送給列ADC電路4。并且，在列ADC電路4中，直到從像素PC讀出的信號電平和復位電平與鋸齒波的電平一致為止進行時鐘的計時動作，從而變換為數字信號。通過取得此時的信號電平和復位電平的差值，從而由CDS檢測出各像素PC的信號成分，并經由線存儲器5作為輸出信號Sout輸出。
[0049]在此，在低照度時，能夠將光柵TPG的電壓控制為使各像素PC的光電變換部的電勢變淺，在高照度時，能夠將光柵TPG的電壓控制為使各像素PC的光電變換部的電勢變深。因此，在低照度時，能夠使各像素PC的光電變換部的表面側產生釘扎(Pinning)，能夠減少白斑或漏電流等導致的畫質劣化。在高照度時，能夠使各像素PC的電荷蓄積電容增大，能夠使各像素PC的飽和電子數增大，所以能夠減少光散粒噪聲所導致的畫質劣化。
[0050]圖2是表示圖1的固體攝像裝置的2像素I單元結構中的橫2 X縱2像素的像素的結構例的電路圖。
[0051 ] 在圖2中，在拜耳排列BH中，對于綠色用像素Gr設置有光電變換部PD_Gr，對于藍色用像素B設置有光電變換部PD_B，對于紅色用像素R設置有光電變換部PD_R，對于綠色用像素Gb設置有光電變換部PD_Gb。對光電變換部PD_Gr設置有光柵TPGpr，對光電變換部PD_B設置有光柵TPGb，對光電變換部PD_R設置有光柵TPGr，對光電變換部PD_Gb設置有光柵TPGpb。此外，在拜耳排列BH中，設置有行選擇晶體管TRadrA、TRadrB、放大晶體管TRampA、TRampB、復位晶體管 TRrstA、TRrstB 及讀出晶體管 TGpr、TGb、TGr、TGpb0 此外，在放大晶體管TRampA、復位晶體管TRrstA、讀出晶體管TGpr、TGb的連接點，作為電壓變換部形成有浮動擴散區FDA。在放大晶體管TRampB、復位晶體管TRrstB、讀出晶體管TGr、TGpb的連接點，作為電壓變換部形成有浮動擴散區FDB。在此，通過由光電變換部PD_Gr、PD_B共用浮動擴散區FDA而構成2像素I單元，通過由光電變換部PD_R、PD_Gb共用浮動擴散區FDB而構成2像素I單元。
[0052]并且，光電變換部PD_Gr經由讀出晶體管TGpr與浮動擴散區FDA連接，光電變換部PD_B經由讀出晶體管TGb與浮動擴散區FDA連接。放大晶體管TRampA的柵極與浮動擴散區FDA連接，放大晶體管TRampA的漏極經由行選擇晶體管TRadrA與電源電位VDD連接，放大晶體管TRampA的源極與垂直信號線Vlinl連接。此外，浮動擴散區FDA經由復位晶體管TRrstA與電源電位VDD連接。
[0053]光電變換部PD_R經由讀出晶體管TGr與浮動擴散區FDB連接，光電變換部PD_Gb經由讀出晶體管TGpb與浮動擴散區FDB連接。放大晶體管TRampB的柵極與浮動擴散區FDB連接，放大晶體管TRampB的漏極經由行選擇晶體管TRadrB與電源電位VDD連接，放大晶體管TRampB的源極與垂直信號線Vlin2連接。此外，浮動擴散區FDB經由復位晶體管TRrstB與電源電位VDD連接。另外，能夠經由水平控制線Hl in對行選擇晶體管TRadrA、TRadrB、復位晶體管TRrstA、TRrstB及讀出晶體管TGpr、TGb、TGr、TGpb的柵極及光柵TPGpr、TPGb,TPGr、TPGpb輸入信號。
[0054]圖3(a)是表示圖2的像素的結構例的截面圖，圖3 (b)是表示圖3(a)的結構例中的電勢分布的圖，圖4(a)是表示圖3(a)的結構的低照度時的狀態的截面圖，圖4(b)是表示圖4(a)的狀態的電勢分布(最深的電勢截面)的圖，圖5(a)是表示圖3(a)的結構的高照度時的狀態的截面圖，圖5(b)是表示圖5(a)的狀態的電勢分布(最深的電勢截面)的圖。另外，在圖3(a)?圖5(a)中示出了圖1的藍色用像素B的概略結構。
[0055]在圖3(a)中，在半導體層HO的表面上形成有絕緣膜Zl，在半導體層HO的背面上形成有絕緣膜Z2。另外，半導體層HO的材料例如可以從S1、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、InGaAsP, GaP, GaN及ZnSe等中選擇。絕緣膜Zl、Z2的材料例如可以使用硅氧化膜。通過從半導體層HO的表面到背面形成擴散層H1，從而形成光電變換部PD_B。在擴散層Hl的背面側形成有釘扎層(pinning layer) H4。通過在半導體層HO的表面側與擴散層Hl分離地形成擴散層H2，從而形成浮動擴散區FDA。此外，通過在半導體層HO的表面側與擴散層H2分離地形成擴散層H3，從而擴散層H3與電源電位VDD連接。另外，半導體層HO可以設定為P型。擴散層Hl可以設定為n_型。擴散層H2、H3可以設定為n+型。釘扎層H4可以設定為P+型。通過在擴散層Hl上經由絕緣膜Zl形成柵極電極Gl，從而形成光柵TPGb。通過在擴散層Hl、H2間經由絕緣膜Zl形成柵極電極G2，從而形成讀出晶體管TGb。另外，在柵極電極Gl、G2間，可以設定I μπι以下的間隔，也可以使柵極電極Gl、G2的端部重合。通過在擴散層Η2、Η3間經由絕緣膜Zl形成柵極電極G3，從而形成復位晶體管TRrstA。另夕卜，柵極電極Gl?G3的材料例如可以使用多晶娃，也可以使用Cu、Al、W等金屬。在擴散層Hl的背面側經由絕緣膜Z2形成藍色濾光器FB，在藍色濾光器FB上形成微透鏡ML。
[0056]并且，對于由微透鏡ML聚光的入射光LI，通過藍色濾光器FB選擇藍色光并入射至擴散層H1。然后，如圖4(a)及圖5(a)所示，在擴散層Hl中入射光LI而變換為電荷e，蓄積到擴散層H1。另外，通過用金屬等反射率高的材料形