专利名称：固态摄像器件的制造方法、固态摄像器件和电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态摄像器件的通过成膜过程形成光电转换部的制造方法、通过该方法获得的固态摄像器件以及具有该固态摄像器件的电子装置。
背景技术：
在具有多个依次布置的光电转换部的固态摄像器件中，存在具有层叠结构的固态摄像器件，以便增强光接收灵敏度并提高像素的密度，在该层叠结构中，光电转换部设置在驱动电路的上方。对于此类固态摄像器件的制造方法，目前提出了下述层叠方法。首先，将杂质引入由硅基板构成的第一基板的表面，以形成光接收元件。接下来， 在第一基板的背面侧形成到达光接收元件的沟槽，且在第一基板的背面侧上形成通过沟槽连接到光接收元件的电极。另一方面，在第二基板的主表面侧上形成电荷传输部和电极。此后，第一基板和第二基板彼此层叠，使得形成在第一基板的背面侧上的电极与形成在第二基板的一个主表面侧的电极相对并相互连接。由此，可获得具有层叠结构的固态摄像器件， 在该层叠结构中，形成在第二基板上的电荷传输部设置在第一基板(其正面侧设置有光接收元件)的背面侧(以上内容请参见日本专利公开申请No. JP特开平1-20M65)。此外，近几年来，还提出了一种使用化合物半导体来替换单晶硅的固态摄像器件。 此类固态摄像器件通过下述方法制造在该方法中，通过成膜过程形成由化合物半导体组成的半导体薄膜。例如，该制造方法可根据下述步骤执行。首先，在半导体基板上形成电路部，在电路部的上侧形成图案化的下部电极层。接着，通过溅射法在下部电极层的上侧形成半导体薄膜，以像素为单位对半导体薄膜进行蚀刻，并形成覆盖半导体薄膜的透明电极。由此，可获得具有层叠结构的固态摄像器件，在该层叠结构中，具有半导体薄膜的光吸收层设置在电路部上形成的下部电极层上(以上内容请参见国际申请WO 2008/093834)。然而，在通过上述半导体薄膜的成膜过程来制造固态摄像器件的方法中，作为光吸收层的半导体薄膜形成在半导体基板的形成有电路部和下部电极层的上侧。因此，很难获得具有高结晶度以及良好光电转换效率的半导体薄膜。此外，例如，在为了获得具有较好结晶度的半导体薄膜而以高温进行成膜过程或在成膜过程之后进行结晶化退火的情况下， 设置在半导体薄膜下方的电路部和下部电极层会受到加热的影响而受损(例如溶解)。
发明内容
鉴于此，本发明旨在提供一种固态摄像器件的制造方法，其中具有良好结晶度的半导体薄膜的光电转换部可层叠地形成在驱动电路和电极的上侧，而不会受到驱动电路和电极的影响。另外还需要通过该制造方法获得的固态摄像器件以及具有该固态摄像器件的电子装置。本发明的一个实施例提供了一种固态摄像器件的制造方法。在该制造方法中，首先，在第一基板上形成用作光电转换部的半导体薄膜。另一方面，在第二基板的表面侧上形成驱动电路。此后，使所述第一基板和所述第二基板彼此层叠，使得所述半导体薄膜连接到所述驱动电路。随后，从所述半导体薄膜移除所述第一基板，使得所述半导体薄膜保留在所述第二基板一侧上。在上述制造方法中，半导体薄膜形成在不同于设有驱动电路的第二基板的第一基板上。因此，可以在不影响第二基板上的驱动电路的情况下，在所需处理温度下进行半导体薄膜的成膜过程并在所需处理温度下进行结晶化退火，从而获得具有良好结晶度的半导体薄膜。接着，通过层叠将具有较好结晶度的半导体薄膜移到设有驱动电路的第二基板上。本发明的另一实施例提供了一种固态摄像器件，所述固态摄像器件具有通过上述制造方法获得的结构。因此，所述固态摄像器件包括驱动电路，其以阵列状态形成在基板的表面侧上；和光电转换部，其包括半导体薄膜，所述半导体薄膜在设有所述驱动电路的所述基板上层叠成与所述驱动电路相连接。具体地说，所述半导体薄膜是通过成膜过程获得， 且所述半导体薄膜层叠在设有所述驱动电路的所述基板上。本发明的又一实施例提供了包含具有上述结构的固态摄像器件的电子装置。如上所述，根据本发明的实施例，能够获得具有层叠结构的固态摄像器件，在该层叠结构中，在不影响驱动电路的情况下，包括具有良好结晶度的半导体薄膜的光电转换部层叠地形成在驱动电路的上侧。由此，能够获得具有优异光电转换效率和良好成像特性的固态摄像器件，且可以获得具有该固态摄像器件的电子装置。
图1是应用有本发明的固态摄像器件的整体框图；图2A 图2D是表示本发明第一实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图 (部分1)；图2E 图2G是表示本发明第一实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图 (部分2)；图3A 图3C是说明本发明第二实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图 (部分1)；图3D 图3F是说明本发明第二实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图 (部分2)；图4表示第一实施例或第二实施例的固态摄像器件中设置的驱动电路的一个示例；图5是表示本发明实施例的变化例1的结构的主要部分剖面图；图6是表示本发明实施例的变化例2的结构的主要部分剖面图；图7表示变化例1或变化例2的固态摄像器件中设置的驱动电路的示例；图8是表示本发明实施例的变化例3的结构的主要部分剖面图；图9表示变化例3的固态摄像器件中设置的驱动电路示例；
图10表示通过变化例3的驱动电路进行的信号电荷的读出；及图11是本发明第三实施例的电子装置的框图。
具体实施例方式下面参照附图详细说明本发明的实施例。说明将按照下面的顺序进行。1.固态摄像器件的整体结构示例2.第一实施例(通过连接半导体薄膜和驱动电路形成的层叠结构的示例)3.第二实施例(通过连接半导体薄膜上的像素电极和驱动电路形成的层叠结构的示例)4.应用到第一和第二实施例的像素电路的示例5.变化例1 (将半导体薄膜连接到第二基板的扩散层的示例)6.变化例2(将半导体薄膜上的像素电极连接到第二基板的扩散层的示例)7.应用到变化例1和2的像素电路的示例8.变化例3 (像素电路具有全局快门功能的示例)9.应用到变化例3的像素电路的示例(设置有全局快门功能的示例)10.第三实施例(电子装置的实施例)注意，在下述实施例和变化例中，使用相同附图标记表示相同的构成元件，并略去对相同元件的重复说明。1.固态摄像器件的整体结构示例图1表示由本发明各实施例的制造方法所制造的作为固态摄像器件示例的 MOS(金属氧化物半导体)型固态摄像器件的整体结构。图1所示的固态摄像器件1在例如由单晶硅组成的基板3的主表面侧上具有摄像区域5，在摄像区域5中，二维地顺序布置有多个均包含光电转换部的像素。摄像区域5中的每个像素设置有光电转换部和像素电路，该光电转换部具有半导体薄膜(所谓的光电二极管)，该像素电路具有多个晶体管(所谓的MOS晶体管)、电容元件等。在下文中，通过适用于各实施例和变化例的结构举例说明像素电路的结构。此外，在每一像素的结构中，在多个光电转换部之间共用一个像素电路的一部分。在上述摄像区域5的周边设置有诸如垂直驱动电路6、列信号处理电路7、水平驱动电路8和系统控制电路9等外围电路。垂直驱动电路6例如是由用于选择像素驱动线11的移位寄存器构成，且垂直驱动电路6将用于驱动像素的脉冲提供给所选择的像素驱动线11，从而以行为单位驱动排列在摄像区域5中的像素。具体来说，垂直驱动电路6以行为单位并在垂直方向上顺序执行像素的选择性扫描。此外，通过与像素驱动线11垂直地布置的垂直信号线，将基于信号电荷的像素信号提供给列信号处理电路7，所述信号电荷根据像素中接收的光量产生。例如以各像素列为单位配置列信号处理电路7，列信号处理电路7以各像素列为单位对输出自一列像素的信号执行诸如噪声移除等信号处理。具体地说，列信号处理电路7执行用于移除像素所特有的固定模式噪声的⑶S(相关双采样，correlated double sampling)、信号放大、AD(模拟/数字)转换等。水平驱动电路8例如是由移位寄存器组成，水平驱动电路8顺序输出水平扫描脉冲，从而顺序选择列信号处理电路7，并使像素信号从列信号处理电路7输出。系统控制电路9接收输入时钟和用于指示操作模式等的数据，并输出固态摄像器件1的内部信息等数据。具体地说，系统控制电路9基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生控制信号和时钟信号，所产生的控制信号和时钟信号用作垂直驱动电路6、列信号处理电路7、水平驱动电路8等的操作基准。上述外围电路6 9和设置在成像区域5中的像素电路构成用于驱动像素的驱动电路。2.第一实施例固态摄像器件的制造方法图2A 图2G是表示本发明第一实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图，每一附图均表示与排列在上述图1所示的摄像区域5中的像素之中的三个像素相对应的区域。根据图2A 图2G，下文将说明第一实施例的固态摄像器件的制造方法。首先，如图2A所示，制备第一基板21。该第一基板21是由例如单晶硅(Si)、单晶砷化镓(GaAs)、单晶磷化铟αηΡ)等单晶材料形成的基板。在第一基板21上方形成作为光电转换部的半导体薄膜23。这里，在由单晶材料形成的第一基板21上，半导体薄膜23相对第一基板21外延生长，从而初步形成具有晶体结构的半导体薄膜23。通过外延生长形成的半导体薄膜23的材料示例包括feJnP、AUnP、GaInAs、 AlInAs和具有黄铜矿结构(chalcopyrite structure)的化合物半导体材料。具有黄铜矿结构的半导体材料是能够用于获得高光吸收系数和在宽波长范围内获得高灵敏度的材料，且该半导体材料可优选作为用于光电转换的半导体薄膜23的形成材料。具有黄铜矿结构的半导体材料可使用元素周期表中IV族元素周围的元素，即使用诸如Cu、Al、Ga、In、 S和％等元素。此类半导体材料的示例包括CufeInS混合晶体、CuAlGaInS混合晶体和 CuAWalnSk混合晶体。对于半导体薄膜23，以适当的成分选择如下材料该材料的晶格常数不会与充当用于成膜过程的基板的第一基板21的晶格常数失配，且通过该材料，可获得能在所需波长范围内实现光电转换的带隙。此外，通过CVD (化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)法或MBE (分子束外延，Molecular Beam Epitaxy)法进行半导体薄膜23的外延生长，在CVD法或MBE法中， 使用包含用于构成半导体薄膜23的元素的膜形成气体。在这个外延生长中，基板温度影响所形成的半导体薄膜23的晶体状态。因此，对于用于形成半导体薄膜23的各材料来说，在成膜过程中设定基板温度很重要。下面说明第一基板21的组成材料与半导体薄膜23的组成材料的组合示例(1) (3)以及半导体薄膜23的各组成材料所适用的基板温度的示例。(1)使用GaAs基板作为第一基板21的情况(Ga0』2In0 48)P :500 600 °C(Ala53Ina47)P 约 650°C(2)使用MP基板作为第一基板21的情况(Ga0 47In0 53)As :450 600°C(Al0.47In0.53) As 约 600 "C
6
(3)使用Si基板作为第一基板21的情况Cu (Ga0521%JS2400 600 0C
Cu (Al0.MGa0.23! .53) S2400 600 °C
Cu (Al0.^Ga0.64) (S][.^Se072) 400 600°C此外，上述半导体薄膜23可以通过下述过程形成在初期，以适当的成分形成晶格常数不与充当用于成膜过程的基板的第一基板21的晶格常数失配的材料膜，此后，逐渐改变成分，以获得所需带隙。另外，如果有必要，还可以执行用于增强结晶度的退火处理。另外，该半导体薄膜23可形成为P型、I型或N型。在半导体薄膜23形成为I型的情况下， 通过进行诸如离子注入等杂质引入，使半导体薄膜23具有P型或N型导电类型。接下来，如图2B所示，在半导体薄膜23中形成隔离区域25，以便以像素为单位隔离半导体薄膜23，从而形成光电转换部23a。这里，例如，通过光刻法(lithography method)在半导体薄膜23上形成掩模图案，并在该掩模图案上执行离子注入并随后进行退火处理，从而形成在深度方向上穿透半导体薄膜23的杂质层，该杂质层即为隔离区域25。 在此示例中，在半导体薄膜23是P型的情况下，通过离子注入引入N型杂质，在半导体薄膜 23是N型的情况下，通过离子注入引入P型杂质。在离子注入之后，移除掩模图案。注意， 也可通过在沟槽内填充绝缘膜来形成隔离区域25。在此情况下，形成与半导体薄膜23的导电类型无关的STI (浅沟道隔离，Shallow Trench Isolation)区域。另一方面，如图2C所示，制备第二基板31。优选地，使用例如单晶硅基板等已受到适当处理的基板作为第二基板31。在此第二基板31的表面侧上形成像素电路和包括该像素电路的驱动电路，每个像素电路包括晶体管Tr、电容元件(未图示)和用于连接这些元件的布线。在此情况下，首先，例如在第二基板31的表面层中形成隔离区域33，以在表面侧上以像素为单位隔离半导体基板31。在由隔离区域33隔离的各个像素区域中形成扩散层， 该扩散层分别用作源/漏极区域35和电容元件的下部电极。这里，在形成在上述第一基板 21上的半导体薄膜23是N型的情况下，隔离区域33形成为P型，而源/漏极区域35形成为N型，且源/漏极区域35之间的区域设定为低浓度P型。另一方面，在形成在上述第一基板21上的半导体薄膜23是P型的情况下，隔离区域33形成为N型，而源/漏极区域35 形成为P型，且源/漏极区域35之间的区域设定为低浓度N型。 此外，第二基板31的表面侧覆盖有栅极绝缘膜37，在栅极绝缘膜37上形成有用于构成栅电极39的电极层、电容元件的上部电极以及用于连接这些电极的布线。由此，在第二基板31的表面侧上形成晶体管Tr和电容元件(未图示)。注意，使用多晶硅或诸如铝、 钨或钼等具有良好导电性的金属材料形成包括栅电极39的电极层。此后，在第二基板31上形成具有平坦表面的层间电介质膜41，在层间电介质膜41 中的必要部分中形成接触孔41a。这里，接触孔41a形成为到达晶体管Tr的栅电极39。接下来，通过接触孔41a与栅电极39相连接的像素电极43以图案化方式形成在层间电介质膜41上。像素电极43图案化成与光电转换部23a(其是由形成在第一基板21 上的半导体薄膜23组成)一一对应。优选地，像素电极43图案化成其形状基本上与光电转换部23a的平面形状相同。该像素电极43是由诸如铝、钨或钼等具有良好导电性的金属材料形成。
此后，在必要时，填充像素电极43之间间隙(间隔)以形成绝缘膜45。通过前述步骤，在第二基板31的表面侧上的像素区域中分别形成包括晶体管Tr、电容元件、布线和像素电极43的像素电路。虽然稍后将通过电路图说明像素电路的电路结构，但在这里图示了放大晶体管。此外，在第二基板31的表面侧上以及具体地在以阵列状态设置有像素电极 43的摄像区域的外部，通过上述相同的步骤，形成外围电路，该外围电路包括晶体管Tr、电容元件和与像素电极43处于相同层的布线。像素电路和外围电路一起组成驱动电路。此外，在第二基板31的表面侧上形成驱动电路的上述步骤可以通过常规半导体处理来进行，且对上述步骤的顺序没有限制。另外，栅电极39和像素电极43等可通过所谓的镶嵌工艺(damascene process)来形成。在此情况下，栅电极39和像素电极43可使用诸如铜(Cu)等适于蚀刻的金属材料形成。随后，如图2D所示，通过对准第一基板21和第二基板31，将第一基板21和第二基板31布置成彼此相对，使得第一基板21的光电转换部23a和第二基板31的像素电极43 彼此面对，并彼此一一对应。在此情况下，如图2E所示，第一基板21和第二基板31彼此层叠，使得光电转换部23a和像素电极43彼此接合。这里，光电转换部23a和像素电极43通过诸如表面激活接合法(surface activation bonding method)禾口力口热力口压法(warming and pressing method)等已知方法直接彼此结合。此外，在此示例中，第一基板21和第二基板31以下述方式彼此层叠在将用于构成光电转换部23a的半导体薄膜23广泛地连接到用于构成驱动电路(像素电路)的像素电极43的情况下，使第一基板21和第二基板31彼此层叠。由此， 确保能够通过像素电极23有效地提取光电转换部23a中由光电转换获得的电荷。因此，在层叠步骤中，重要的是，第一基板21和第二基板31在保持对准状态的同时彼此层叠，使得光电转换部23a和像素电极43不会出现失配准(out of registration)。接下来，如图2F所示，将第一基板21从半导体薄膜23上移除，使得形成有光电转换部23a的半导体薄膜23保留在第二基板31 —侧。此时，第一基板21受到研磨或湿式蚀刻。由此，光电转换部23a暴露于第二基板31上侧。在上述步骤之后，如图2G所示，在用于构成光电转换部23a的半导体薄膜23上形成保护膜51。可使用具有钝化特性的材料膜形成保护膜51，或者也可使用具有固定电荷以用于补偿半导体薄膜23表面中的缺陷能级(defect level)的材料膜形成保护膜51。具有钝化特性的材料膜的示例包括通常使用的氧化硅膜、氮化硅膜和氮氧化硅膜。另一方面，具有固定电荷的材料膜例如是在半导体薄膜23是N型的情况下具有固定负电荷的材料膜，和在半导体薄膜23是P型的情况下具有固定正电荷的材料膜。具有固定负电荷的材料膜的示例包括金属氧化物膜和硅材料膜。在金属氧化物膜的情况下，优选使用例如过渡金属氧化物膜等自身具有固定负电荷的材料。此类金属氧化物的具体且优选示例包括氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)和氧化钽(Ta2O5)。在硅材料膜的情况下，优选使用自身具有固定负电荷的材料，优选使用包含诸如硼或磷等杂质的氧化硅膜。此类材料的具体示例包括含硼的氧化硅(BSG)、含磷的氧化硅(PSG)以及含硼和磷的氧化硅(BPSG)。优选地，通过执行使用有机金属或有机硅烷气体的成膜过程，将上述具有固定负电荷的材料膜形成为含碳的膜，从而可进一步增加膜中的固定负电荷(参见日本公开专利串请 No. 2010-67736)。除此以外，例如，使用透明电极材料膜作为具有固定负电荷的材料膜。在半导体薄膜23是P型的情况下，向具有透明电极材料膜的保护膜51施加负电压，从而保护膜51能够用作具有固定负电荷的膜。另外，例如，使用透明电极材料膜作为具有固定正电荷的材料膜。在半导体薄膜23 是N型的情况下，向具有透明电极材料膜的保护膜51施加正电压，从而该保护膜51能够用作具有固定正电荷的膜。此外，上述保护膜51可具有单层结构或层叠结构。在层叠结构的情况下，可以通过将具有钝化特性的膜层叠在具有固定电荷的材料膜的顶部，由此形成层叠结构。接下来，在保护膜51上方形成图案与光电转换部23a相对应的具有滤色器的滤色器层53，且进一步形成片上透镜55。通过前述步骤，获得了固态摄像器件la。固态摄像器件的结构由上述方式获得的固态摄像器件Ia在第二基板31的表面侧上具有包括像素电路的驱动电路，每个像素电路具有晶体管Tr和像素电极43。第二基板31对应于图1所示的基板3。此外，半导体薄膜23在第二基板31上设置成与用于构成像素电路的像素电极43 相连接。在此实施例中，半导体薄膜23是在不同于第二基板31的第一基板21上执行成膜过程所形成的膜，且通过层叠转移到第二基板31的设置有驱动电路(包括像素电路)的一侧。在半导体薄膜23中，通过隔离区域25设置有多个光电转换部23a，每个光电转换部23a 和每个像素电极43 —一对应地彼此接合。此外，隔着具有钝化特性或具有固定电荷的保护膜51，滤色器层53和片上透镜55 依次设置在半导体薄膜23的上侧。第一实施例的作用和效果在上述第一实施例中，在第一基板21上，而不是在设置有驱动电路(包括像素电路)的第二基板31上，形成半导体薄膜23。因此，能够在不对第二基板31上的通过使用金属材料所形成的驱动电路产生影响的情况下，通过所需高温下的外延生长以及所需高温下的结晶化退火进行膜的形成，获得具有较好结晶度的各种半导体薄膜23。接着，通过层叠将半导体薄膜23转移到设置有驱动电路的半导体基板31上，从而能够将由半导体薄膜23构成的光电转换部23a层叠在驱动电路的上侧。由此，可以获得如下固态摄像器件在该固态摄像器件中，由具有良好结晶度的半导体薄膜构成的光电转换部层叠在具有高可靠性的驱动电路的上侧。由此，例如，具有能够获得高光吸收系数及在宽波长范围内获得高灵敏度的黄铜矿结构的半导体薄膜23可形成为具有良好的结晶度，以用作光电转换部23a。此外，还能够获得具有优异的光电转换效率和良好的成像特性的固态摄像器件，且能够获得具有该固态摄像器件的电子装置。3.第二实施例固态摄像器件的制造方法图3A 3F是表示本发明第二实施例的固态摄像器件的制造方法的步骤剖面图。 在下文中根据
本发明第二实施例的固态摄像器件的制造方法。首先，如图3A所示，在由单晶材料形成的第一基板21上，通过外延生长形成半导体薄膜23，并形成隔离区域25，以将半导体薄膜23隔离成光电转换部23a。到这一步骤为止，使用与上述第一实施例中的图2A和图2B所述的相同方法。在这种情况下，与第一实施例类似，特别重要的是，在通过外延生长形成半导体薄膜23时，适当地设置成膜过程时的基板加热温度，并由此获得具有良好结晶度的半导体薄膜23。在上述步骤之后，在第二实施例中，在被隔离的光电转换部23a上，以图案化形式形成像素电极61。通过诸如铝、钨或钼等具有良好导电性的金属材料形成像素电极。通过使用金属材料膜的成膜过程并对金属材料膜进行图案化来形成像素电极61。形成的每一像素电极61都优选地图案化为具有广泛地覆盖光电转换部23a的形状，更优选地，形成的每一像素电极61都图案化成具有覆盖光电转换部23a的整个表面的形状。这样，确保了能够通过像素电极61有效地提取光电转换部23a中的由光电转换获得的电荷。此外，在像素电极61之间的间隙(间隔)中填入绝缘膜63，从而使像素电极61彼此隔离。此外，像素电极61可具有埋入布线结构。在这种情况下，形成绝缘膜63，该绝缘膜 63形成有沟槽图案，该沟槽图案填充有金属材料，以形成像素电极61。以与上述第一实施例中图2C描述的相同方式执行图:3B所示的步骤，从而在第二基板31的表面侧形成具有通过布线互联的晶体管Tr和其它元件的驱动电路。驱动电路的一部分是设置在摄像区域中的像素电路，且具有以像素为单位受到图案化的像素电极43。 将每个像素电极43图案化成其形状与形成在第一基板21上的各光电转换部23a的形状一一对应。这与上述第一实施例中是相同的。然而，在此应注意的是，第二实施例中形成的各像素电极43无需图案化成其形状与光电转换部23a的平面形状大体相同，但是与光电转换部23a相比可具有稍微小的平面形状。接下来，如图3C所示，第一基板21和第二基板31彼此相对且对准，使得第一基板 21的像素电极61和第二基板31的像素电极43彼此面对，且彼此一一对应。在此情况下，如图3D所示，第一基板21和第二基板31彼此层叠，使得像素电极61 和像素电极43互相接合。在这种情形下，像素电极61和像素电极43通过诸如表面激活接合法和加热加压法等已知方法直接彼此结合。由此，通过像素电极61将用于构成光电转换部23a的半导体薄膜连接到用于构成驱动电路的像素电极43，由此使第一基板21和第二基板31彼此层叠。此外，在层叠步骤中，重要的是，在使第一基板21和第二基板31保持对准状态的同时使它们彼此层叠，使得像素电极61和像素电极43—一对应且不会出现失配准。以与上述第一实施例相同的方式执行随后的过程。具体地，首先，如图3E所示，将第一基板21从半导体薄膜23上移除，使得形成有光电转换部23a的半导体薄膜23保留在第二基板31 —侧，且光电转换部23a暴露于第二基板31上侧。此后，如图3F所示，在用于构成光电转换部23a的半导体薄膜23上方形成由材料膜形成的保护膜51，该材料膜至少具有钝化特性或用于补偿半导体薄膜23表面中缺陷能级的固定电荷。接下来，在保护膜51上方，形成具有滤色器的滤色器层53，并进一步形成片上透镜55，滤色器形成为具有对应于光电转换部23a的图案。通过上述步骤，获得固态摄像器件lb。固态摄像器件的结构除像素电极43和61具有层叠结构之外，由此获得的固态摄像器件Ib与第一实施例中的固态摄像器件Ia相同。具体地，在第二实施例采用的结构中，在设置在第二基板31 —侧的像素电极43上还层叠有像素电极61，且光电转换部23a设置在像素电极61的上侧。在两种像素电极中， 设置在第二基板31 —侧上的像素电极43仅需要设置为与光电转换部23a —一对应，而且其平面形状可小于光电转换部23a的平面形状。另一方面，设置在光电转换部23a —侧上的像素电极61设置为与光电转换部23a—一对应，且其平面形状与光电转换部23a的平面形状大体相同。第二实施例的作用和效果即使在上述第二实施例中，半导体薄膜23仍形成在第一基板21上，而不是在设置有驱动电路(包括像素电路)的第二基板31上形成。因此，如同上述第一实施例，能够在不对第二基板31上的驱动电路产生影响的情况下，通过进行所需高温下的外延生长以及所需高温下的结晶化退火，获得具有较好结晶度的各种半导体薄膜。此外，能够通过层叠， 将具有良好结晶度的半导体薄膜23转移到设置有驱动电路的第二基板31上。由此，可以获得如下固态摄像器件在该固态摄像器件中，由具有良好结晶度的半导体薄膜构成的光电转换部层叠在具有高可靠性的驱动电路的上侧。由此，例如，具有能够获得高光吸收系数及在宽波长范围内获得高灵敏度的黄铜矿结构的半导体薄膜23可形成为具有良好的结晶度，以用作光电转换部23a。此外，还能够获得具有优异光电转换效率和良好成像特性的固态摄像器件，且能够获得具有该固态摄像器件的电子装置。此外，具体地，在第二实施例中，在层叠第一基板21和第二基板31之前，在第一基板21上彼此隔离的光电转换部23a上形成像素电极61。因此，广泛地覆盖光电转换部23a 的像素电极61可以在不受层叠位置精确度影响的情况下设置。由此，完全能够形成通过像素电极61从光电转换部23a可有效地提取电荷的固态摄像器件lb。4.应用于第一和第二实施例的像素电路的示例图4是表示第一实施例的固态摄像器件Ia或第二实施例的固态摄像器件Ib中设置的像素电路的示例的主要部分电路图。注意，像素电路是设置在摄像区域中的电路，而且是用于构成设置在固态摄像器件la、lb中的驱动电路的一部分的电路。如电路图所示，每个光电转换部23a具有互连的三个晶体管Trl Tr3。这些晶体管是复位晶体管扑1、放大晶体管Tr2和选择晶体管Tr3。在这些晶体管中，放大晶体管 Tr2对应于上述第一和第二实施例中剖面图所示的晶体管(Tr)。光电转换部23a通过像素电极连接到放大晶体管Tr2的栅电极。复位晶体管Trl的栅电极连接到复位线11-1 (该复位线11_1是像素驱动线11之一)，复位晶体管Trl的源/漏极区域中一者连接到光电转换部23a，而另一者连接到电源电压Vdd。放大晶体管Tr2的栅电极连接到光电转换部23a和复位晶体管Trl之间的节点， 放大晶体管Tr2的源/漏极区域中一者连接到电源电压Vdd，而另一者连接到选择晶体管 Tr3的源/漏极区域。选择晶体管Tr3的栅电极连接到选择线11_2 (该选择线11_2是像素驱动线11之一)，选择晶体管Tr3的源/漏极区域中一者连接到放大晶体管Tr2，而另一者连接到垂直信号线13。在上述像素电路中，通过施加来自复位线11-1的复位信号RST来复位光电转换部 23a中的信号电荷。此后，通过施加来自选择线11-2的选择信号SEL，使来自共用同一选择线11-2的像素的光电转换部的信号电荷被顺序读出到垂直信号线13。5.变化例1图5是表示作为第一实施例的变化例的固态摄像器件Ia'的结构的主要部分剖面图。除结合到光电转换部23a的像素电极43都连接到用于构成像素电路的晶体管Tr的源/漏极区域35之外，图5所示的固态摄像器件Ia'在结构上与上述第一实施例中相同。除在第一实施例中图2C所述的驱动电路形成步骤中元件和布线的布局发生变化之外，具有上述结构的固态摄像器件Ia'可以以与上述第一实施例相同的方式制造。因此， 可获得与第一实施例等同或类似的效果。6.变化例2图6是表示作为第二实施例的变化例的固态摄像器件Ib'的结构的主要部分剖面图。除结合到光电转换部23a的像素电极43和61连接到用于构成像素电路的晶体管Tr 的源/漏极区域35，图6所示的固态摄像器件lb’在结构上与上述第二实施例中相同。除在第二实施例中图IBB所述的驱动电路形成步骤中元件和布线的布局发生变化之外，具有上述结构的固态摄像器件Ib'可以以与上述第二实施例相同的方式制造。因此， 可获得与第二实施例等同或类似的效果。7.应用于变化例1和2的像素电路示例图7是表示变化例1的固态摄像器件Ia'或变化例2的固态摄像器件中Ib'中设置的像素电路的示例的主要部分电路图。注意，像素电路是设置在摄像区域中的电路，而且是用于构成设置在固态摄像器件la' Ub'中的驱动电路的一部分的电路。图7所示的像素电路与上述图4所述的像素电路的不同之处在于除上述三个晶体管Trl Tr3之外，还新增加传输晶体管Tr4，从而设置有四个晶体管Trl Tr4。在这四个晶体管Trl Tr4中，增加的传输晶体管Tr4对应于变化例1和2的剖面图中所示的晶体管(Tr)。光电转换部23a通过像素电极连接到传输晶体管Tr4的源/漏极区域中一者ο传输晶体管Tr4设置在光电转换部23a和复位晶体管Trl之间。传输晶体管Tr4 的栅电极连接到传输线11-3，传输线11-3是像素驱动线11之一。此外，传输晶体管Tr4的源/漏极区域中一者连接到光电转换部23a。另外，传输晶体管Tr4的源/漏极区域中另一者在浮动扩散部FD处连接到放大晶体管Tr2的栅电极，并连接到复位晶体管Trl。在上述像素电路中，通过施加来自复位线11-1的复位信号RST，来复位浮动扩散部FD处的信号电荷。此后，通过施加来自传输线11-3的传输信号TG，使来自共用传输线 11-3的像素的光电转换部23a的信号电荷被顺序读出。随后，通过施加来自选择线11-2的选择信号SEL，使来自共用选择线11-2的像素的信号电荷被顺序读出到垂直信号线13。8.变化例3图8是表示作为第二实施例的变化例的固态摄像器件lb"的结构的主要部分剖面图。除结合到光电转换部23a的像素电极43和61连接到晶体管Tr的源/漏极区域35 和相邻晶体管Tr的栅电极39 (这两个晶体管Tr用于构成像素电路)之外，图8所示的固态摄像器件lb"在结构上与上述第二实施例中相同。除在第二实施例中图IBB所述的驱动电路形成步骤中元件和布线的布局发生变化之外，具有上述结构的固态摄像器件lb"可以以与上述第二实施例相同的方式制造。因此，可获得与第二实施例等同或类似的效果。然而，在此应注意的是，在驱动电路形成步骤中，例如如图8所示，如果需要，在第二基板31的上侧上形成多层布线。在此情况下，在第二基板31上方隔着栅极绝缘膜37 形成包括栅电极39的电极层之后，形成第一层间电介质膜41-1，接着在第一层间电介质膜 41-1上形成中间布线层39'，使用第二层间电介质膜41-2覆盖这个结构，并在中间布线层 39'上形成具有图案的像素电极43。与其它实施例类似，可以通过普通的半导体处理来形成具有中间布线层39'的多层布线结构，也可以使用镶嵌工艺来形成多层布线结构。注意， 如果需要，此类多层布线结构也可以应用到第一实施例、第二实施例及其变化例1和2。9.应用到变化例3的像素电路的示例图9是表示变化例3的固态摄像器件lb"中设置的部分像素电路的主要部分电路图，其示出了具有全局快门功能的像素电路的示例。注意，像素电路是设置在摄像区域中的电路，而且是用于构成设置在固态摄像器件lb"中的驱动电路的一部分的电路。另外，本发明所使用的具有全局快门功能的像素电路并不限于图9所示的结构，也可以进行各种变化。图9所示的像素电路与上述图7所示的像素电路的不同点在于除上述四个晶体管Trl Tr4之外，进一步增加第二放大晶体管Tr5和第二复位晶体管Tr6，从而设置了六个晶体管Trl Tr6。在这六个晶体管Trl Tr6中，复位晶体管Trl和第二放大晶体管 Tr5对应于变化例3的剖面图所示的晶体管(Tr)。第二放大晶体管Tr5设置在光电转换部23a和传输晶体管Tr4之间以及复位晶体管Trl和传输晶体管Tr4之间。第二放大晶体管Tr5的栅电极连接到光电转换部23a和复位晶体管Trl之间的节点。此外，第二放大晶体管Tr5的源/漏极区域中一者连接到电压源Vdd，而另者连接到传输晶体管Tr4的源/漏极区域。第二复位晶体管Tr6设置在传输晶体管Tr5和放大晶体管Tr2之间。复位晶体管 Tr6的栅电极连接到第二复位线11-4，第二复位线11-4是像素驱动线11之一。此外，第二复位晶体管Tr6的源/漏极区域中一者连接到电压源Vdd，而另一者在浮动扩散部FD处连接到传输晶体管Tr4和放大晶体管Tr2之间的节点。电容元件C的一个电极连接到浮动扩散部FD，而另一电极接地。在此像素电路中，全局快门具有如下构造包括浮动扩散部FD和电容元件C的两个部分用作记录部。在此情况下，通过将来自第二复位线11-4的第二复位信号RST2施加到第二复位晶体管Tr6，同时复位所有像素中的浮动扩散部FD。此后，同时读出所有像素中来自光电转换部23a的电荷。以此方式，实现全局快门功能。图10是表示与共用垂直信号线13的三个像素相对应的信号电荷的读出的图表。 如图所示，通过施加来自复位线11-1的复位信号ST1，同时复位所有像素的光电转换部23a 中的信号电荷。此后，同时开始所有像素中光电转换部23a的曝光时间。接着，当预定曝光时间结束时，对于所有像素来说，通过施加来自传输线11-3的传输信号TG，光电转换部23a 中由光电转换获得的信号电荷同时保持在电容元件C中。此后，以共用选择线11-2的像素为单位，通过施加来自选择线11-2的选择信号SEL，电容元件C中保持的信号电荷被读出到垂直信号线13。在此示例中，选择信号SEL(I)、SELQ)和SELC3)从选择线11_2被顺序施加到共用垂直信号线13的三个像素，且信号电荷以不同的时序被读出到垂直信号线13。
10.第三实施例本发明的上述任一实施例的固态摄像器件可应用到诸如照相系统(例如，数码相机和摄像机、具有摄像功能的蜂窝式电话以及其它具有摄像功能的装置)等电子装置中。图11示出了作为本发明实施例的电子装置示例的使用固态摄像器件的相机的框图。此实施例的相机例如是能够感应静态图像和移动图像的摄像机。此实施例的相机91 包括固态摄像器件1、用于将入射光引导至固态摄像器件1的光接收部的光学系统93、快门装置94、用于驱动固态摄像器件1的驱动电路95和用于处理来自固态摄像器件1的输出信号的信号处理电路96。固态摄像器件1可使用上述实施例和变化例中的任一固态摄像器件(la、la'、 IbUb'、lb")。光学系统(光学透镜)93聚集来自物体的图像光(入射光)，以便在固态摄像器件1的成像平面上形成图像。由此，经过预定时段，信号电荷累积在固态摄像器件1 内。光学系统93可以是具有多个光学透镜的光学透镜系统。快门装置94控制固态摄像器件1的光照射时段和光屏蔽时段。驱动电路95提供用于驱动固态摄像器件1的传输操作和快门装置的快门操作的驱动信号。驱动电路95提供的驱动信号(时序信号)使固态摄像器件1执行信号传输。信号处理电路96执行各种信号处理。通过信号处理获得的图像信号存储在诸如存储器等存储媒介中，或输出到监视器。根据上述实施例的电子装置，由于使用了具有良好光电转换效率的固态摄像器件 1，所以能够获得具有高图像质量的图像。本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。
权利要求
1.一种固态摄像器件的制造方法，其包括以下步骤在第一基板上形成半导体薄膜，所述半导体薄膜用作光电转换部； 在第二基板的表面侧上形成驱动电路；通过将所述第一基板和所述第二基板彼此相对地布置来层叠所述第一基板和所述第二基板，使得所述半导体薄膜连接到所述驱动电路；以及从所述半导体薄膜移除所述第一基板，使得所述半导体薄膜保留在所述第二基板一侧上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述半导体薄膜的所述形成步骤中，在具有单晶材料的所述第一基板上通过外延生长形成所述半导体薄膜。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述层叠步骤之前，在所述半导体薄膜中形成隔离区域，以将所述半导体薄膜隔离成多个所述光电转换部，且在所述层叠步骤中，将隔离的各个所述光电转换部连接到所述驱动电路。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述半导体薄膜的所述形成步骤之后，在所述半导体薄膜上形成像素电极，且在所述层叠步骤中，通过所述像素电极将各个所述驱动电路连接到所述半导体薄膜。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在隔离的各个所述光电转换部上，形成一个覆盖所述光电转换部的整个表面的所述像素电极。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的方法，其中，在所述第一基板的所述移除步骤之后，在所述半导体薄膜的上侧形成保护膜。
7.如权利要求6所述的方法，其中，将具有固定电荷的材料膜形成为所述保护膜。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将透明电极形成为所述具有固定电荷的材料膜。
9.如权利要求1所述的方法，其中，将全局快门电路形成为所述驱动电路。
10.一种固态摄像器件，其包括驱动电路，其形成在基板的表面侧上；和光电转换部，其包括半导体薄膜，所述半导体薄膜在设有所述驱动电路的所述基板上层叠成与所述驱动电路相连接，其中，所述半导体薄膜是通过成膜过程获得。
11.一种电子装置，其包括 固态摄像器件；光学系统，其用于将入射光引导至所述固态摄像器件的摄像区域；和信号处理电路，其用于处理所述固态摄像器件的输出信号，其中，所述固态摄像器件包括驱动电路，其以阵列状态形成在基板的表面侧上；及光电转换部，其包括半导体薄膜，所述半导体薄膜在连接到所述驱动电路的状态下层叠在设有所述驱动电路的所述基板上，所述半导体薄膜是通过成膜过程获得。
全文摘要
本发明涉及一种固态摄像器件的制造方法、通过该方法获得的固态摄像器件以及具有该固态摄像器件的电子装置。所述固态摄像器件的制造方法包括在第一基板上形成半导体薄膜，所述半导体薄膜用作光电转换部；在第二基板的表面侧上形成驱动电路；通过将所述第一基板和所述第二基板彼此相对地布置来层叠所述第一基板和所述第二基板，使得所述半导体薄膜连接到所述驱动电路；以及从所述半导体薄膜移除所述第一基板，使得所述半导体薄膜保留在所述第二基板一侧上。通过本发明的上述制造方法，可获得具有优异光电转换效率和良好成像特性的固态摄像器件。
文档编号H01L27/146GK102569313SQ20111039269
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月1日 优先权日2010年12月8日
发明者吉原郁夫, 太田一生 申请人:索尼公司