TWI446525B - 固態攝像裝置及其之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明主張日本申請案JP2009-194543(申請日：2009/08/28)之優先權，內容亦參照其全部內容。
本說明書記載之實施形態係關於將複數受光層積層於光軸方向的固態攝像裝置及其之製造方法。
近年來，攝像光學系尺寸之縮小要求變為強烈，另外，對於高解像度之要求亦同時強烈。欲同時實現受光區域之縮小以及畫素數之增加，需要縮小單位畫素之尺寸。
最近，於矽基板深度方向設置複數個n型擴散層，於各，於各個擴散層儲存不同色之信號電荷的固態攝像裝置被提案。於該裝置，可以取得和單位矽面積相當之通常構成之互相重疊之3倍色資訊。但是，因為在同一矽內設置鄰接之3個信號儲存區域，於矽內進行光電轉換之電子基於熱擴散會流入橫向鄰接之信號儲存區域間。此成為再生圖像之解像度降低，混色之原因，導致畫質劣化。另外，在同一矽內設置光電轉換區域及信號掃描區域之雙方，光電轉換區域相對於單位畫素尺寸之面積變小，導致感度之降低。
另外，在設有儲存二極體及信號讀出電路的矽基板上方，設置由透明電極所挾持之3層光電轉換膜，於各個光電轉換膜儲存不同色之信號電荷的固態攝像裝置被提案。於該裝置，光電轉換膜產生之光電子係介由金屬配線暫時儲存於儲存二極體之後，由信號掃描電路被讀出。因此，可於單位畫素取得3個色信號。但是，金屬配線直接接觸於光電轉換膜，會產生kTC雜訊等。結果，於再生圖像產生大的雜訊。
實施形態之固態攝像裝置，係將取得不同色信號用的複數受光層積層於光軸方向。於各個受光層具有：光電轉換部，係接受由背面側射入之光而產生信號電荷；及讀出電晶體，被設於表面側，用於讀出上述光電轉換部產生之信號電荷。於上述複數受光層之最上層表面側介由絕緣膜被積層有半導體層。於該半導體層被設有信號掃描電路，用於對上述各讀出電晶體所讀出之信號進行處理，將上述每一受光層之不同之色信號輸出至外部。
以下參照圖面詳細說明實施形態。
(第1實施形態)
圖1表示本發明第1實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。又，雖未特別圖示，單位畫素係於X方向(紙面左右方向)及Y方向(紙面表背方向)以2維狀被陣列配置。
於圖1，成為受光層100之結晶矽係以3層於光軸A方向挾持絕緣膜互呈分離狀態被積層。於最接最接近光射入側之第1矽層係藉由光電轉換產生以藍色光為主之信號。在設於第1矽層之下層的第2矽層係藉由光電轉換產生以藍色光為主之信號。在設於第2矽層之下層的第3矽層係藉由光電轉換產生以紅色光為主之信號。
亦即，於第1矽層113之表面部(下面部)被形成讀出閘極114、構成光二極體的n型擴散層116、及構成浮置擴散層的n型擴散層115，彼等構成讀出電晶體。於矽層113之表面側(下面側)，介由第1層間絕緣膜117被接著第2矽層123。於第2矽層123之表面部(下面部)被形成讀出閘極124、構成光二極體的n型擴散層126、及構成浮置擴散層的n型擴散層125，彼等構成讀出電晶體。於矽層123之表面側(下面側)，介由第2層間絕緣膜127被接著第3矽層133。於第3矽層133之表面部(下面部)被形成讀出閘極134、構成光二極體的n型擴散層136、及構成浮置擴散層的n型擴散層135，彼等構成讀出電晶體。
於矽層133之表面側(下面側)，介由第3層間絕緣膜137被接著第4矽層(半導體層)213。於矽層213之表面部(下面部)被形成構成信號掃描電路210之各種電晶體，於矽層213之表面上被形成第4層間絕緣膜217。於層間絕緣膜217之表面上被形成由第5層間絕緣膜221以及金屬配線222構成之配線層220。於配線層220之表面上被接著支撐基板300。
於此，由矽層213、各種電晶體及層間絕緣膜217構成之信號掃描電路210，以及由層間絕緣膜221以及金屬配線222構成之配線層220，而構成信號掃描電路部200。信號掃描電路部200與受光層100係介由導孔118、128、138被連接。
圖2表示圖1之虛線包圍之貫穿導孔(via hole)部分之擴大斷面圖。貫穿導孔係貫穿結晶矽(矽層133)而設置，以使構成導孔128之金屬與矽層133不造成短路的方式於其間形成絕緣膜139。
藉由此一構造可獲得以下效果。亦即，在相當於單位畫素面積被積層3個受光層，相當於1個畫素可取得3個色信號。因此，可獲得高的色解像度之圖像。此時，各色之受光區域被設於不同之矽層，因此可防止光電子之熱擴散引起之信號電子混入不同色之鄰接畫素所導致之串訊之產生，可獲得色再現性良好之再生圖像。
另外，受光、光電轉換、來自光二極體之信號電子之讀出均於結晶矽內進行，於讀出動作不會產生信號電子之殘留。因此，殘像、kTC雜訊等不會發生，可獲得雜訊小的再生圖像。又，受光區域及信號掃描電路被設於個別之矽層，因此設於受光層之光二極體之面積可以取得較大。因此，可以增大能儲存之信號電子數，可取得充分之飽和電子數。
圖3A～3D表示圖1之構造之單位畫素由光軸之垂直方向俯瞰之平面佈局。圖3A～3C係將取得各色信號之矽層予以個別表示之圖面。圖3D表示3層之受光矽由光軸方向俯瞰之重疊圖面。
如圖3A所示，於藍(B)信號取得矽層113，係於畫素左下形成讀出電晶體(讀出閘極)114及浮置擴散層115。如圖3B所示，於綠(G)信號取得矽層123，係於畫素右下形成讀出電晶體(讀出閘極)124及浮置擴散層125。如圖3C所示，於紅(R)信號取得矽層134，係於畫素右上形成讀出電晶體(讀出閘極)134及浮置擴散層135。
在將彼等重疊之圖3D，讀出電晶體114、124、134及浮置擴散層115、125、135係位於矩形畫素之3個角部，彼等之配線不接觸。
圖4表示於光軸方向俯瞰信號掃描電路之圖。於1畫素區域內，形成和RGB之3層個別對應之電晶體13～15。亦即，於圖3之浮置擴散層115，使放大電晶體13(B)之閘極與重置電晶體15(B)之源極被連接。於浮置擴散層125，使放大電晶體13(G)之閘極與重置電晶體15(G)之源極被連接。另外，於浮置擴散層135，使放大電晶體13(R)之閘極與重置電晶體15(R)之源極被連接。
圖5表示本實施形態之單位畫素之電路構成之等效電路圖。
被設置有：光電轉換用之光二極體11、光二極體11之信號讀出用的讀出電晶體12、將讀出信號予以放大的放大電晶體13、選擇信號讀出之行的垂直選擇電晶體14、將信號電荷重置的重置電晶體15。其中，光二極體11及讀出電晶體12被形成於矽層113、123、133。讀出電晶體12之和放大電晶體13連接之部分成為浮置擴散層。
由垂直移位暫存器(未圖示)使配線於水平方向之水平位址線ADR-G、B、R被連接於對應之垂直選擇電晶體14之閘極，而決定信號之讀出之行。重置線RESET-G、B、R係被連接於對應之重置電晶體15之閘極。於讀出電晶體12之閘極被連接讀出線READ-G、B、R。
放大電晶體13之源極係被連接於VDD，汲極被連接於垂直選擇電晶體14之源極。垂直選擇電晶體14之汲極分別被連接於SIG-G、B、R。
於此一構成，讀出行之選擇電晶體14，係藉由水平位址線ADR-G、B、R傳送之行選擇脈衝而成為ON(導通)狀態。之後，藉由重置線RESET-G、B、R傳送之重置脈衝使重置電晶體15成為ON狀態，浮置擴散層之電位被重置。重置電晶體15成為OFF狀態。之後，讀出電晶體12成為ON狀態，儲存於光二極體11之信號電荷被讀出至浮置擴散層。浮置擴散層之電位係對應於被讀出之信號電荷數而被調變，調變後之信號係被讀出至垂直信號線。
圖6A、6B表示本實施形態之MOS型固態攝像裝置之每一色之畫素間距之圖。圖6A表示和上述圖4所示者同樣各色(RGB)之單位畫素佔有面積相同時之實施例之圖面。圖6B表示僅以綠信號為主而取得之畫素的單位畫素之間距設為1/2時之例。
本實施形態中，依每一色設置不同之矽受光層，因此可如圖6B所示例，依每一色設置不同間距之畫素。如此則，於本實施形態中，可依每一色個別變化取得色信號之間距，例如可以僅提高G信號之解像度，可獲得具有高解像度之亮度信號。另外，於圖6B說明僅將取得綠信號之畫素間距設為不同之例，但是對於其他色亦同樣適用。
以下參照圖7A～7L說明本實施形態之固態攝像裝置之製造方法。
首先，如圖7A所示，準備：在矽單晶基板111上介由SiO2
構成之絕緣膜112設有第1之矽層113的SOI(Silicon on Insulator)基板。
之後，於矽層113之表面部形成構成光二極體之n型擴散層116，及構成浮置擴散層的n型擴散層115。另外，於矽層113之表面上和彼等鄰接而形成由多晶矽構成之MOS閘極電極114，如此而形成上述讀出電晶體12。
之後，如圖7B所示，於矽層113之表面上沈積形成由TEOS膜等構成之第1層間絕緣膜117。
之後，如圖7C所示，準備：在矽單晶基板121上介由SiO2
構成之絕緣膜122設有第2之矽層123的SOI基板，將矽層123貼合於第1層間絕緣膜117上。
之後，如圖7D所示，由貼合之SOI基板之中僅剝離矽基板121及絕緣膜122，於絕緣膜117上僅殘留結晶矽層123。
之後，如圖7E所示，於矽層123上藉由上述同樣之方法形成光二極體126、浮置擴散層125、MOS閘極124。
之後，如圖7F所示，於矽層123上同樣形成由TEOS等構成之第2層間絕緣膜127，於其上形成第3矽層133。
之後，如圖7G所示，於結晶矽層133上藉由同樣之方法形成光二極體136、浮置擴散層135、讀出閘極134。
之後，如圖7H所示，藉由同樣之方法於矽層133上形成第3絕緣膜137及第4矽層213，於此形成n型擴散層及MOS閘極。於該矽層213形成由n型擴散層構成之S/D區域、多晶矽構成之MOS閘極。彼等係於元件動作時作為構成行選擇電晶體14、放大電晶體13、重置電晶體15之信號掃描電路而動作。於矽層213上形成由TEOS等構成之第4層間絕緣膜217。
之後，如圖7I所示，由最上層絕緣膜217之表面起形成貫穿導孔及矽貫穿導孔。具體言之為，關於B信號取得層，係形成貫穿絕緣膜217、137、127、117及矽層213、133、123之貫穿導孔，形成將閘極電極114與擴散層115予以連接的導孔118。關於G信號取得層，係形成貫穿絕緣膜217、137、127及矽層213、133之貫穿導孔，形成將閘極電極124與擴散層125予以連接的導孔128。關於R信號取得層，係形成貫穿絕緣膜217、137及矽層213之貫穿導孔，形成將閘極電極134與擴散層135予以連接的導孔138。
之後，如圖7J所示，在絕緣膜217上形成由連接於矽貫穿導孔之金屬配線221及絕緣膜222構成之配線層220。
之後，如圖7K所示，在配線層220上將支撐基板300予以接著。又，圖中省略配線層220之金屬配線之一部分。
之後，如圖7L所示，由矽層113將SOI基板之矽基板111以及絕緣膜112予以剝離，使矽層113之背面露出。在露出之矽層113之背面形成微透鏡等，而完成固態攝像裝置。
依據本實施形態，將R、G、B各色信號取得用之矽層113、123、133積層於攝像光學系之光軸方向，使彼等矽層互相藉由絕緣膜隔開而形成，如此則，可取得相當於單位畫素之3倍之色信號。於各受光矽層113、123、133上不存在配線層，因此可實現高量子效率。因此，可實現感度及解像度之提升。
另外，各色信號取得用之矽層113、123、133被以絕緣膜隔開，因此，不會產生電氣之串訊，可以取得減少混色之色信號。
另外，於各矽層113、123、133藉由光電轉換產生之信號電荷，係介由和受光矽層設於同一矽內之讀出閘極，暫時被讀出至同樣被設於同一矽層內之浮置擴散層。被讀出至浮置擴散層之信號電荷，係介由配線被傳送至和受光矽層不同之矽層，藉由信號掃描電路被讀出。因此，可增大光二極體面積，增大飽和電荷量，而且可實現無kTC雜訊、無殘像之低雜訊。
(第2實施形態)
圖8表示本發明第2實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。又，和圖1同一部分附加同一符號並省略詳細說明。
本實施形態之基本構成係和上述說明之第1實施形態同樣，本實施形態和上述說明之第1實施形態之不同點在於：成為受光層之矽層之厚度不同。
本實施形態中，以藍色光為主要受光之第1矽層113之厚度係較其他矽層123、133之厚度為薄。另外，以綠色光為主要受光之第2矽層123之厚度，係較以藍色光為受光之第1矽層113之厚度為厚，另外，較以紅色光為主要受光之第3矽層133之厚度為薄。
依據此種構成，除可獲得和第1實施形態同樣效果以外，亦可獲得以下效果。亦即，將藍信號取得用之第1矽層113之厚度設為較薄，可以減低矽層113之於長波長側之光(綠、紅)之受光效率。因此，可獲得於長波長側混色少的藍色信號。另外，將綠信號取得用之矽層123之厚度設為較矽層133薄，可以減低矽層123之於紅之受光效率。因此，可獲得於長波長側混色少的綠色信號。因此，可達成色再現性之提升。
(第3實施形態)
圖9表示本發明第3實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。又，和圖1同一部分附加同一符號並省略詳細說明。
本實施形態中，亦和如圖1所示者同樣，受光層之半導體層係以3層於光軸方向挾持絕緣膜以互相隔離狀態被積層。本實施形態和上述說明之第1實施形態之不同點在於：成為各受光層之半導體層係分別具有不同之能隙(band gap)。
於本實施形態中，以藍色光為主要受光之半導體層係第1矽層113，以綠色光為主要受光之半導體層係第2矽層123，另外，以紅色光為主要受光之半導體層係Ge層143。
依據此種構成，紅信號取得用之Ge層143之於長波長側之光(紅)之受光效率增加，因此，可實現長波長側之感度佳的攝像元件。
(第4實施形態)
圖10表示本發明第4實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。又，和圖1同一部分附加同一符號並省略詳細說明。
本實施形態中，係和如圖1所示者同樣，受光層之結晶矽係於光軸A方向挾持絕緣膜以互相隔離狀態被積層。本實施形態和上述說明之第1實施形態之不同點在於：成為各受光層之結晶矽並非3層而是2層構成。亦即，於如圖10所示實施形態中，以藍色光及綠色光為受光之第1及第2矽層係由1個結晶矽層153形成。
依據此種構成，藍色信號與綠色信號之分光特性在長波長側成為無混色良好分光特性，具有可獲得色再現性良好之再生圖像之優點。如上述說明，積層之受光矽層之數不限定於3層，可為2層或4層。
(變形例)
又，本發明不限定於上述各實施形態，例如實施形態中各種電晶體雖為n型，但彼等亦可為p型。又，信號掃描電路之電路構成不限定於圖4、5所示者，可依規格適當變更。另外，形成受光層用之半導體層不限定於矽，可使用其他半導體材料。
以上依據實施形態具體說明本發明，但是本發明並不限定於上述實施形態，在不脫離其要旨之情況下可做各種變更實施。另外，在不脫離本發明精神之情況下，可將方法以及系統之一部分予以省略、取代或變更。伴隨產生之申請專利範圍以及其之等效者亦包含於本發明之範疇內。
100．．．受光層
200．．．信號掃描電路部
113．．．矽層
114．．．讀出閘極
115．．．浮置擴散層
116．．．n型擴散層
117．．．絕緣膜
118．．．導孔
123．．．矽層
124．．．讀出閘極
125．．．浮置擴散層
126．．．光二極體
127．．．絕緣膜
128．．．導孔
133．．．矽層
134．．．讀出閘極
135．．．浮置擴散層
136．．．光二極體
137．．．絕緣膜
138．．．導孔
210．．．信號掃描電路
213．．．矽層
217．．．絕緣膜
220．．．配線層
221．．．金屬配線
222．．．絕緣膜
300．．．支撐基板
圖1表示第1實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。
圖2表示圖1之固態攝像裝置之貫穿導孔(via hole)部分之擴大斷面圖。
圖3A～3D表示圖1之構造之單位畫素之平面構造。
圖4表示圖1之構造之單位畫素對應之信號掃描電路之平面構造。
圖5表示第1實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之電路構成圖。
圖6A、6B表示第1實施形態之MOS型固態攝像裝置之每一色之畫素間距之圖。
圖7A～7L表示第1實施形態之MOS型固態攝像裝置之製造工程之斷面圖。
圖8表示第2實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。
圖9表示第3實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。
圖10表示第4實施形態之MOS型固態攝像裝置之單位畫素之構造斷面圖。
100．．．受光層
200．．．信號掃描電路部
113．．．矽層
114．．．讀出閘極
115．．．浮置擴散層
116．．．n型擴散層
117．．．絕緣膜
118．．．導孔
123．．．矽層
124．．．讀出閘極
125．．．浮置擴散層
126．．．光二極體
127．．．絕緣膜
128．．．導孔
133．．．矽層
134．．．讀出閘極
135．．．浮置擴散層
136．．．光二極體
137．．．絕緣膜
138．．．導孔
210．．．信號掃描電路
213．．．矽層
217．．．絕緣膜
220．．．配線層
221．．．金屬配線
222．．．絕緣膜
300．．．支撐基板
Claims (7)
- 一種固態攝像裝置，其特徵為包含：複數受光層，係介由絕緣膜被積層於光軸方向，分別用於取得不同之色信號者，各個受光層係具有：光電轉換部，其接受由背面側射入之光而產生信號電荷；及讀出電晶體，被設於表面側，用於讀出上述光電轉換部產生之信號電荷；半導體層，係於上述複數受光層之最上層表面側介由絕緣膜被積層；信號掃描電路，被設於上述半導體層，該電路係對上述各讀出電晶體所讀出之信號進行處理，將上述每一受光層之不同之色信號輸出至外部；及導孔，貫穿上述各絕緣膜之其中至少一個而設置，分別連接上述各受光層之讀出電晶體與上述信號掃描電路；上述受光層為2層，光係由下層側之受光層之背面側介由攝像光學系射入；下層側之受光層所產生之色信號係以藍及綠色為主波長之信號，上層側之受光層所產生之色信號係以紅為主波長之信號。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中上述導孔，係貫穿相較於形成有該導孔所連接之上述讀出電晶體的上述受光層為更上層側之上述受光層而被設置，和該上層側之上述受光層之間被施予電絕緣。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中在上述信號掃描電路之於上述受光層之相反側設有配 線層，上述導孔係介由上述配線層被連接於上述信號掃描電路。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中上述各受光層中之單位畫素間距，係依取得之每一色信號被決定。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中於上述各受光層設有：光二極體，用於儲存經由光電轉換產生之信號；讀出閘極，用於讀出儲存於光二極體之信號電荷；及浮置擴散層，用於儲存介由讀出閘極被讀出之信號電荷，將其轉換為電壓。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中於上述信號掃描電路設有：放大電晶體，用於放大上述讀出電晶體所讀出之信號電荷；垂直選擇電晶體，用於選擇上述放大電晶體所放大之信號電荷之讀出之行；及重置電晶體，用於重置上述讀出電晶體所讀出之信號電荷。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝像裝置，其中上述受光層，係全部為矽層，或者一部分為矽層其餘為Ge層者。
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