固态成像器件和电子设备的制作方法

本申请是申请日为2012年9月28日、发明名称为“固态成像器件和成像装置”的申请号为201280048615.0的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及适于纵向光谱(longitudinal spectroscopic)图像传感器的固态成像器件和包括有该固态成像器件的成像装置。

背景技术：

在根据相关技术的图像传感器中，滤色器通常以拜耳(Bayer)阵列的方式形成。

然而，在拜耳阵列中，由于被每个滤色器吸收的光不能够用于光电转换，所以光的利用效率可能降低了与滤色器相对应的量。

因此，为了不仅针对拜耳阵列提高滤色器光利用效率以实现高灵敏度或高分辨率的目的，已经提出了在同一像素中堆叠有多个光电二极管的纵向光谱图像传感器(例如，参考专利文献1至3)。

在使用硅衬底的纵向光谱图像传感器中，按照不同的深度将光电二极管堆叠在硅中，以通过利用光的吸收波长根据硅衬底的深度而不同来进行色彩分离。

此外，通过由杂质注入形成的且具有电荷梯度的电荷传输路径(在下文中，被称为“注入栓(implantation plug)”)，将电荷传输到硅衬底的表面，从而从形成于硅衬底的深部中的光电二极管读取电荷。

同时，利用传输栅极将累积在硅衬底的表面附近的光电二极管中的电荷读取到浮动扩散部。

在具有上述结构的纵向光谱图像传感器中，当光泄漏到注入栓或表面附近的电场累积区中时，泄漏的光产生光电转换。

然而，由于泄漏的光的波长成分不同于被与注入栓相连接的光电二极管执行光电转换的光的波长成分，所以混合了由不同波长成分的光引起的电荷，从而产生色彩混合。

因此，需要在注入栓上形成光屏蔽膜以通过防止产生色彩混合来进行优良的色彩分离。

同时，如果在注入栓上形成光屏蔽膜，那么与没有形成注入栓的单层的光电二极管的构造相比，光电二极管的开口率减小了与注入栓相对应的量，并且灵敏度降低。

即，在根据相关技术的纵向光谱图像传感器的结构中，不能够利用优良的光利用效率的优点。此外，由于开口率减小且灵敏度降低，所以不能够利用纵向光谱的优点。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：JP 2005-12007A

专利文献2：JP 2005-151077A

专利文献3：JP 2006-278446A

技术实现要素：

本发明要解决的问题

为了利用纵向光谱图像传感器的优点，期望实现在不减小光电二极管上的开口率的情况下能够防止产生色彩混合的结构。

本发明的目的在于提供具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件和包括有该固态成像器件的成像装置。

问题的解决方案

本发明的固态成像器件包括：半导体层，其表面侧成为电路形成面；两层以上的光电转换单元，它们堆叠并形成在所述半导体层中；和纵向晶体管，其栅极电极形成为从所述半导体层的表面被嵌入到所述半导体层内。

所述两层以上的光电转换单元中的一层光电转换单元形成为跨越所述纵向晶体管的栅极电极的被嵌入到所述半导体层内的部分，并连接到由所述纵向晶体管形成的沟道。

根据本发明的成像装置包括：光学系统；根据本发明的固态成像器件；和用于处理所述固态成像器件的输出信号的信号处理电路。

根据上述本发明的固态成像器件的构造，两层以上的所述光电转换单元中的一层所述光电转换单元形成为跨越所述纵向晶体管的栅极电极的被嵌入到所述半导体层内的部分，并且连接到由所述纵向晶体管形成的所述沟道。

因此，如果所述纵向晶体管导通，那么能够将由与所述纵向晶体管的沟道相连接的所述光电转换单元执行光电转换而生成的信号电荷读取到将所述半导体层的表面侧(电路形成面)。

此外，在所述纵向晶体管截止时的电荷累积时段期间内，由于没有在所述光电转换单元和所述纵向晶体管的周围形成沟道，所以没有混合通过具有不同波长的光而得到电荷，且不产生色彩混合。为此，即使不使用光屏蔽膜覆盖所述栅极电极的部分，也能够抑制所述色彩混合的产生。因此，与使用光屏蔽膜覆盖注入栓的部分的结构相比，能够通过扩大所述光屏蔽膜的开口来增加开口率。

此外，与形成有注入栓的结构相比，由于所述光电转换单元形成为跨越所述栅极电极的被嵌入到所述半导体层内的部分，所以能够通过增加所述光电转换单元的面积来提高灵敏度。

根据上述本发明的成像装置的构造，所述成像装置包括根据本发明的固态成像器件。因此，在所述固态成像器件中，即使不使用光屏蔽膜覆盖所述栅极电极的部分，也能够抑制所述色彩混合的产生。此外，能够通过增加所述光电转换单元的面积来提高灵敏度。

本发明的效果

根据上述的本发明，由于不产生色彩混合，所以色彩分离是优良的且获得具有优良的图像质量的图像。

此外，根据本发明，由于通过增加光电转换单元的面积能够提高灵敏度，所以获得高灵敏度。

因此，能够实现具有优良的图像质量和高灵敏度的固态成像器件和成像装置。

附图说明

图1是根据第一实施例的固态成像器件的示意性结构图(平面图)。

图2是根据第一实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图3是根据第二实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图4是根据第三实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图5是根据第四实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图6是根据第五实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图7是根据第六实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

图8图示了根据第六实施例的滤色器的平面阵列。

图9是根据第七实施例的成像装置的示意性结构图(框图)。

图10的A和B是根据相关技术的结构的横截面图，其中，多个光电转换单元堆叠在半导体衬底中。

图11图示了光倾斜入射到图10的A的构造中的情况。

具体实施方式

在下文中，将说明用于实施本发明的最佳实施方式(在下文中，被称为实施例)。

将以下面的顺序做出说明。

1.第一实施例(固态成像器件)

2.第二实施例(固态成像器件)

3.第三实施例(固态成像器件)

4.第四实施例(固态成像器件)

5.第五实施例(固态成像器件)

6.第六实施例(固态成像器件)

7.固态成像器件的变型例

8.第七实施例(成像装置)

1.第一实施例(固态成像器件)

图1图示了根据第一实施例的固态成像器件的示意性结构图(平面图)。

此外，图2图示了根据第一实施例的固态成像器件的主要部分的横截面图。

通过将本发明应用于CMOS型固态成像器件(CMOS图像传感器)来获得本实施例。

如图1所示，根据本实施例的固态成像器件1包括通过在半导体衬底11(例如，硅衬底)中形成像素单元(所谓的成像区域)3和外围电路单元而获得的固态成像元件，在像素单元3中，多个均含有光电转换单元的像素2规则地且二维地排列，且外围电路单元包括驱动电路等。

像素2具有光电转换单元和由MOS晶体管组成的像素晶体管。

作为像素晶体管，像素具有例如传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管中的至少一个。

外围电路单元具有垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8等。

垂直驱动电路4由例如移位寄存器构成，其选择像素驱动配线线路、将用于驱动像素的脉冲提供到所选的像素驱动配线线路并以行为单位驱动像素。即，垂直驱动电路4在垂直方向上顺序地以行为单位选择性地扫描像素单元3的像素2，并且通过垂直信号线9将基于信号电荷(其是根据每个像素2的光电转换元件(例如，光电二极管)中的光接收量而生成的)的像素信号提供到列信号处理电路5。

针对像素2的每一列配置列信号处理电路5，列信号处理电路5针对每个像素列对从一行像素中输出的信号执行诸如噪声移除等信号处理。即，列信号处理电路5执行诸如用来移除像素2特有的固定图案噪声的CDS、信号放大和AD转换等信号处理。水平选择开关(未在附图中示出)连接在列信号处理电路5的输出级与水平信号线10之间。

输出电路7对通过水平信号线10从每个列信号处理电路5顺序地提供的信号执行信号处理，并输出信号。

输入/输出端子12与外部交换信号。

图2图示了图1的固态成像器件1的一个像素2的横截面图。

根据本实施例的固态成像器件具有所谓的背面照射型结构，其中使光从与电路或配线线路相反的一侧入射到形成有光接收单元的半导体衬底。

在本实施例中，如图2所示，在半导体衬底11的深度方向上堆叠的两个光电转换单元PD1、PD2形成在一个像素中。

光电转换单元PD1、PD2中每者均由形成在半导体衬底11中的光电二极管组成。

此外，上面入射有光的光接收面形成在半导体衬底11的背面16侧。

同时，尽管未在附图中图示，包括所谓的读取电路等的电路形成在半导体衬底11的表面15侧。

两个光电转换单元PD1、PD2中的位于半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1对具有短波长的蓝色B光执行光电转换。位于表面15侧的第二光电转换单元PD2对具有长波长的红色R光执行光电转换。因此，构成了纵向光谱图像传感器。

浮动扩散部FD 24隔着传输栅极23设置在第二光电转换单元PD2(其位于半导体衬底11的表面15侧)的左侧。

在本实施例中，特别地，纵向晶体管Tr1连接到位于半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1。

纵向晶体管Tr1具有栅极电极21，栅极电极21形成为从半导体衬底11的表面15侧被嵌入到半导体衬底11的内部。

因此，第一光电转换单元PD1连接到由纵向晶体管Tr1形成的沟道。

此外，浮动扩散部(FD)22设置在半导体衬底11的表面15中，并位于纵向晶体管Tr1的栅极电极21的右侧。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11中的部分21A的背面16侧。

此外，光屏蔽膜25形成为覆盖半导体衬底11的背面(光入射面)16的没有形成第一光电转换单元PD1的部分。

这里，将参照图10和图11说明具有相关技术的如下结构的固态成像器件，以用于与本发明进行比较：多个光电转换单元堆叠在半导体衬底中。

图10的A和B中图示了具有根据相关技术的结构的固态成像器件的横截面图。

如图10的A所示，在固态成像器件中，注入栓60形成为在半导体衬底51的垂直方向上延伸，并用于从用于红色R的第二光电转换单元PD2(其形成于半导体衬底51的深处)传输电荷。

通过进行杂质的离子注入，形成了从第二光电转换单元PD2的杂质区域在半导体衬底51的垂直方向上连续地延伸的杂质区域，由此该杂质区域构成了注入栓60。

此外，由第二光电转换单元PD2获得的电荷穿过注入栓60并被累积在能够通过位于半导体衬底51的表面上的传输栅极52的电场读取的部分中。

同时，位于半导体衬底51的表面上的传输栅极54用于从形成于半导体衬底51的浅处的用于蓝色B的第一光电转换单元PD1传输电荷。

此外，光屏蔽膜56形成在半导体衬底51上方，并覆盖除了光电转换单元PD1之外的部分。

接着，图10的B图示了读取电荷时的操作。

如图10的B中的箭头所示，当读取电荷时，使左边的传输栅极54导通，且将第一光电转换单元PD1的电荷读取到左边的浮动扩散部(FD)55。

此外，如图10的B中的箭头所示，使右边的传输栅极52导通，且将第二光电转换单元PD2的注入栓60的电荷读取到右边的浮动扩散部(FD)53。

由于注入栓60形成为从半导体衬底51的深处延伸到浅处，所以随着注入栓60向浅处前进，将被吸收的光的波长变短。

为此，如果光在电荷累积期间内泄漏到注入栓60中，那么红色R的光电转换单元PD2的信号可能混合有蓝色的短波的信号等。

因此，使用光屏蔽膜56覆盖注入栓60的上侧来实现优良的色彩分离。

然而，如果固态成像元件的尺寸减小或固态成像元件的像素的数量增加而使像素尺寸减小，那么倾斜入射的光量增加。

如果倾斜入射的光量增加，如图11所示，那么倾斜入射的光入射到光屏蔽膜56的下侧的注入栓60上且从红色R光生成的电荷与从蓝色B光等具有短波长的光生成的电荷可能混合在注入栓60中。因此，在信号电荷中产生了色彩混合，且色彩分离特性劣化。

此外，由于光屏蔽膜56形成为覆盖注入栓60的上侧，所以光屏蔽膜56的开口变窄了与注入栓60相对应的量，从而开口率减小。随着开口率的减小，灵敏度也降低。

在根据图10和图11示出的相关技术的结构中，注入栓60从形成于半导体衬底51的深处的第二光电转换单元PD2一直形成到半导体衬底51的表面的附近，且具有不同吸收波长带的结构连接在一起。为此，需要形成光屏蔽膜56，但屏蔽膜56成为注入栓60上的开口率减小的原因。

同时，在根据本实施例的结构中，通过纵向晶体管Tr1读取在第一光电转换单元PD1(其形成于半导体衬底11的深处)中生成的电荷。

由于根据本实施例的结构是背面照射型结构，所以第一光电转换单元PD1形成在半导体衬底11的背面(光入射面)16侧，即形成在与表面15(电路形成面)相反的一侧。

由于传输栅极没有设置在背面(光入射面)16侧，所以通过宽泛地形成第一光电转换单元PD1，能够使开口宽度相对于开口率(即，像素尺寸)的比率最大化。因此，能够使灵敏度最大化。

此外，由于没有设置根据相关技术的结构的注入栓60，所以能够增加形成在半导体衬底11的表面15侧的第二光电转换单元PD2的面积。

此外，由于纵向晶体管Tr1用于读取，所以能够使形成于半导体衬底11的深部的第一光电转换单元PD1的深度恒定，并且第一光电转换单元PD1能够仅具有恒定的波长吸收带。因此，能够防止由根据图10中所示的相关技术的结构的注入栓60产生的色彩混合的产生。

然而，事实上，在利用纵向晶体管Tr1将电荷传输到浮动扩散部21的电荷传输期间内，形成于半导体衬底11的深部的第一光电转换单元PD1与形成在纵向晶体管Tr1周围的沟道部是连接的。为此，类似于根据相关技术的结构，在电荷传输期间内，在半导体衬底11中增加了具有不同深度的部分的光电转换成分。

然而，由于在纵向晶体管Tr1导通期间的电荷传输时段远短于电荷累积时段，所以能够忽略电荷传输期间的混合色彩成分。

在电荷累积时段期间，纵向晶体管Tr1截止，且在第一光电转换单元PD1和纵向晶体管Tr1的周围没有形成沟道。因此，没有增加半导体衬底11中的具有不同深度的部分的光电转换成分。

此外，通过使用纵向晶体管Tr1，即使在根据图10中所示的相关技术的结构中形成有注入栓60，也能够在对光电转换没有贡献的区域中扩大光电转换单元。

此外，由于不需要形成光屏蔽膜25来抑制纵向晶体管Tr1的部分中的色彩混合，所以能够提高开口率。

根据上述实施例的固态成像器件的构造，利用纵向晶体管Tr1读取由形成于半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第一光电转换单元PD1和纵向晶体管Tr1的周围形成沟道，所以没有混合由具有不同波长的光产生的信号电荷。即，不产生色彩混合。

此外，由于即使不使用光屏蔽膜25覆盖纵向晶体管Tr1的栅极电极21的部分也不会产生色彩混合，所以能够通过增加光屏蔽膜25的开口率来提高灵敏度。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第一光电转换单元PD1的面积来提高灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

2.第二实施例(固态成像器件)

图3图示了根据第二实施例的固态成像器件的示意性结构图(主要部分的横截面图)。类似于图2，图3图示了固态成像器件的一个像素的横截面图。

在根据本实施例的固态成像器件中，将固态成像元件的结构设置成所谓的表面照射型结构，其中使光从与电路或配线线路相同的一侧入射到形成有光接收单元的半导体衬底。

在本实施例中，如图3所示，要对蓝色B光执行光电转换的第一光电转换单元PD1形成在半导体衬底11中的表面15侧的部分中，要对红色R光执行光电转换的第二光电转换单元PD2形成在半导体衬底11中的背面16侧的部分中。即，位于半导体衬底11的表面15侧的第一光电转换单元PD1和位于半导体衬底11的背面16侧的第二光电转换单元PD2的排列与图2的情况相反。

此外，上面入射有光的光接收面形成在半导体衬底11的表面15侧。

此外，尽管未在附图中示出，但是包括所谓的读出电路等的电路形成在半导体衬底11的表面15侧。

浮动扩散部(FD)24隔着传输栅极23设置在位于半导体衬底11的表面15侧的第一光电转换单元PD1的左侧。

在本实施例中，特别地，纵向晶体管Tr1连接到位于半导体衬底11的背面16侧的第二光电转换单元PD2。

纵向晶体管Tr1具有栅极电极21，栅极电极21形成为从半导体衬底11的表面15侧被嵌入到半导体衬底11的内部。

因此，第二光电转换单元PD2连接到由纵向晶体管Tr1形成的沟道。

此外，浮动扩散部(FD)22设置在半导体衬底11的表面15内，并位于纵向晶体管Tr1的栅极电极21的右侧。

此外，第二光电转换单元PD2形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

此外，光屏蔽膜25形成为覆盖半导体衬底11的表面(光入射面和电路形成面)15的没有形成第一光电转换单元PD1的部分。

在根据本实施例的结构中，通过纵向晶体管Tr1读取在形成于半导体衬底11深处的第二光电转换单元PD2内生成的电荷。

通过这样的结构，与根据图10所示的相关技术的结构相比，能够增加第一光电转换单元PD1和第二光电转换单元PD2的面积。

即，由于没有设置根据图10中所示的相关技术的结构的注入栓60，与根据相关技术的结构相比，能够增加形成在半导体衬底11的表面15侧的第一光电转换单元PD1的区域及其面积。

同时，形成在背面16侧的第二光电转换单元PD2形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧，并且延伸成与光屏蔽膜25的开口几乎相同的面积。因此，能够使光电转换单元的宽度相对于像素尺寸的比率最大化，且能够获得高灵敏度。

其它构造与第一实施例的构造相同，且能够采用图1的平面图内所示的结构。

根据上述本实施例的固态成像器件的构造，使用纵向晶体管Tr1读取由形成在半导体衬底11的背面16侧的第二光电转换单元PD2执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第二光电转换单元PD2和纵向晶体管Tr1周围形成沟道，所以不产生色彩混合。

此外，由于即使不使用光屏蔽膜25覆盖纵向晶体管Tr1的栅极电极21的部分也不会产生色彩混合，所以能够通过增加光屏蔽膜25的开口率来提高灵敏度。

此外，第二光电转换单元PD2形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第二光电转换单元PD2的面积来提高灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

3.第三实施例(固态成像器件)

图4中示出了根据第三实施例的固态成像器件的示意性结构图(主要部分的横截面图)。类似于图2和图3，图4图示了固态成像器件的一个像素的横截面图。

根据本实施例的固态成像器件具有背面照射型结构，其中在半导体衬底中堆叠有三层光电转换单元。

在本实施例中，如图4所示，三层的光电转换单元从半导体衬底11的背面(光入射面)16侧开始堆叠，且绿色G的第三光电转换单元PD3设置在根据第一实施例的两个光电转换单元PD1和PD2之间。

与第一实施例相似，纵向晶体管Tr1用于从第一光电转换单元PD1中读取电荷。

在本实施例中，第二纵向晶体管Tr2用于从第三光电转换单元PD3的电荷读取。即，第三光电转换单元PD3连接到由第二纵向晶体管Tr2形成的沟道。

第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底11内的部分26A的长度短于第一纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的长度。

此外，形成在位于半导体衬底11的表面15上的部分(未图示)上的传输栅极用于从第二光电转换单元PD2的电荷读取。该传输栅极具有与图2的传输栅极23相同的构造并且将信号电荷从第二光电转换单元PD2读取到浮动扩散部FD(未图示)。

第三光电转换单元PD3形成为跨越第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底内的部分26A的背面16侧。

第一光电转换单元PD1从第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底内的部分26A的背面16侧一直形成到纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

由于其它构造与图1和图2所示的第一实施例的构造相同，所以省略了重复说明。

根据上述本实施例的固态成像器件的构造，使用纵向晶体管Tr1和Tr2读取由形成在半导体衬底11中的第一光电转换单元PD1和第三光电转换单元PD3执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1和Tr2截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第一光电转换单元PD1或第三光电转换单元PD3以及纵向晶体管Tr1的周围形成沟道，所以不产生色彩混合。

此外，由于即使不使用光屏蔽膜25覆盖纵向晶体管Tr1的栅极电极21的部分也不会产生色彩混合，所以能够通过增加光屏蔽膜25的开口率来提高灵敏度。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。此外，第三光电转换单元PD3形成为跨越第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底11内的部分26A的背面16侧。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第一光电转换单元PD1和第三光电转换单元PD3的面积来提高灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

4.第四实施例(固态成像器件)

图5示出了根据第四实施例的固态成像器件的示意性结构图(主要部分的横截面图)。与图2至图4相似，图5图示了固态成像器件的一个像素的横截面图。

与图4所示的第三实施例相似，根据本实施例的固态成像器件具有在半导体衬底中堆叠有三层光电转换单元的背面照射型结构。

在本实施例中，几乎整个部分具有与图4中所示的第三实施例的构造相同的构造。然而，局部构造与第三实施例的构造不同。

即，在本实施例中，如图5所示，第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底11内的部分26A的长度几乎与第一纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的长度相同。

此外，第一光电转换单元PD1形成为不与第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底11内的部分26A重叠。

根据上述本实施例的固态成像器件的构造，使用纵向晶体管Tr1和Tr2读取由形成于半导体衬底11中的第一光电转换单元PD1和第三光电转换单元PD3执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1和Tr2截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第一光电转换单元PD1或第三光电转换单元PD3以及纵向晶体管Tr1的周围形成沟道，所以不产生色彩混合。

此外，由于即使不使用光屏蔽膜25覆盖纵向晶体管Tr1的栅极电极21的部分也不会产生色彩混合，所以能够通过增加光屏蔽膜25的开口率来提高灵敏度。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。此外，第三光电转换单元PD3形成为跨越第二纵向晶体管Tr2的栅极电极26的被嵌入到半导体衬底11的部分26A。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第一光电转换单元PD1和第三光电转换单元PD3的面积来提高灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

这里，如果将第三实施例的构造和第四实施例的构造进行相互比较，那么本实施例的构造具有如下优点。

在第三实施例中，由于第一光电转换单元PD1的面积为大，所以能够提高红色R光的灵敏度。

在第四实施例中，由于半导体衬底中的两个纵向晶体管Tr1和Tr2的栅极电极21和26的深度几乎相同，所以能够同时形成用来在半导体衬底11中掩埋栅极电极21和26的孔。因此，与需要顺序地形成在半导体衬底11中具有不同深度的孔的第三实施例的结构相比，能够减小制作工艺的数量。

在半导体衬底中堆叠有三层光电转换单元的构造不限于如第三实施例或第四实施例的背面照射型结构，且能够应用于表面照射型结构。

5.第五实施例(固态成像器件)

图6示出了根据第五实施例的固态成像器件的示意性结构图(主要部分的横截面图)。与图2至图5相似，图6图示了固态成像器件的一个像素的横截面图。

根据本实施例的固态成像器件具有通过将在半导体衬底中堆叠有两层光电转换单元且使用纵向晶体管读取电荷的结构与布置在光入射面侧的具有滤色器功能和光电转换功能的堆叠型光电转换层进行组合而成的构造。

在本实施例中，如图6所示，第一光电转换单元PD1和第二光电转换单元PD2形成在半导体衬底11中，且纵向晶体管Tr1的栅极电极21形成为从半导体衬底11的表面15侧一直被嵌入到半导体衬底11内。

此外，蓝色B的第一光电转换单元PD1形成在半导体衬底11的背面16侧，且红色R的第二光电转换单元PD2形成在半导体衬底11的表面15侧。

第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

这个构造几乎与根据图2所示的第一实施例的构造相同。

在本实施例中，一个用于接收绿色G光并检测光的有机光电转换单元设置在半导体衬底11的背面16侧。

有机光电转换单元具有通过在位于光入射侧的第一电极31与位于半导体衬底11一侧的第二电极33之间夹持由有机光电转换材料制成的有机光电转换层32而形成的构造。

有机光电转换层32具有滤色器的功能，即吸收绿色G光、执行光电转换且透过蓝色B光和红色R光。

第一电极31和第二电极33由透明导电材料形成。

作为第一电极31和第二电极33的透明导电材料，例如，能够使用铟锡氧化物(ITO)和铟锌氧化物等。

作为使用绿色G光执行光电转换的有机光电转换层32的有机光电转换材料，例如，能够使用的有机光电转换材料包括若丹明颜料(rhodamine pigment)、部花青颜料(merocyanine pigment)和喹吖啶酮(quinacridone)等。

有机光电转换单元的第二电极33通过具有十字形部的配线层34电连接到半导体衬底11。

在半导体衬底11的背面16侧的连接到配线层34的部分中，形成有接触区30。

此外，电荷累积区29形成在半导体衬底11中，并连接到接触区30。

由有机光电转换层32执行光电转换而生成的电荷经由第二电极33和配线层34穿过接触区30，并累积在半导体衬底11中的电荷累积区29内。

通过传输栅极27，将累积在电荷累积区29内的电荷读取到形成在半导体衬底11的表面15侧的浮动扩散部(FD)28。

配线层34优选由诸如钨等具有光屏蔽性能的金属材料形成，使得配线层34起到用于电荷累积区29的光屏蔽膜的功能。

有机光电转换单元的有机光电转换层32形成为包括位于纵向晶体管Tr1的栅极电极21的背面16侧的部分和位于电荷累积区29的背面16侧的部分，从而具有比第一光电转换单元PD1的面积更大的面积。因此，与有机光电转换层形成为具有与半导体衬底中的光电转换单元的面积几乎相同的面积的构造相比，能够提高有机光电转换层32中的绿色G光的灵敏度。

根据上述本实施例的固态成像器件的构造，使用纵向晶体管Tr1读取由形成在半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第一光电转换单元PD1和纵向晶体管Tr1的周围形成沟道，所以不产生色彩混合。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第一光电转换单元PD1的面积来提高灵敏度。

此外，有机光电转换单元的有机光电转换层32形成为具有比第一光电转换单元PD1的面积更大的面积。因此，与有机光电转换层形成为具有与第一光电转换单元的面积几乎相同的面积的构造相比，能够提高有机光电转换层32中的绿色G光的灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

在上述的实施例中，作为色彩的组合，将有机光电转换单元设置为绿色G、将第一光电转换单元设置为蓝色B且将第二光电转换单元设置为红色R。然而，还能够使用其他的色彩组合。

例如，能够将有机光电转换单元设置为红色R或蓝色B且能够将半导体衬底中的两个光电转换单元设置为其他的相应色彩。

作为使用红色R光执行光电转换的有机光电转换材料，能够使用的有机光电转换材料包括酞化青颜料(phthalocyanine pigment)。

作为使用蓝色B光执行光电转换的有机光电转换材料，能够使用的有机光电转换材料包括香豆素颜料(coumarin pigment)和部花青颜料(merocyanine pigment)等。

此外，根据本发明的有机光电转换层与光电转换单元的组合还能够应用于表面照射型结构。

在这种情况下，类似于第二实施例，作为形成在半导体衬底中的光电转换单元，蓝色B的第一光电转换单元PD1和红色R的第二光电转换单元PD2从光入射面这一侧开始布置且使用纵向晶体管读取在红色R的第二光电转换单元PD2内生成的电荷。

6.第六实施例(固态成像器件)

图7示出了根据第六实施例的固态成像器件的示意性结构图(主要部分的横截面图)。图7图示了固态成像器件的两个相邻像素的横截面图。

根据本实施例的固态成像器件具有通过将在半导体衬底中堆叠有两层光电转换单元且使用纵向晶体管读取电荷的结构与根据相关技术的在半导体衬底中形成有一层光电转换单元且使用传输栅极读取电荷的结构进行组合而成的构造。

在本实施例中，如图7所示，第一光电转换单元PD1和第二光电转换单元PD2形成在半导体衬底11中，且纵向晶体管Tr1的栅极电极21形成为从半导体衬底11的表面15侧被嵌入到半导体衬底11内。

此外，蓝色B的第一光电转换单元PD1形成在半导体衬底11的背面16侧，且红色R的第二光电转换单元PD2形成在半导体衬底11的表面15侧。

第一光电转换单元PD1也形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入到半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

此外，光屏蔽膜25形成为覆盖除了半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1以外的部分。

这个构造几乎与根据图2中所示的第一实施例的构造相同。

在本实施例中，在形成有第一光电转换单元PD1和第二光电转换单元PD2的第一像素中，品红色Mg的滤色器35设置成比光屏蔽膜25更靠近光入射侧。

此外，在与第一像素相邻的第二像素中，绿色G的第三光电转换单元PD3形成在半导体衬底11中且绿色G的滤色器36设置成比光屏蔽膜25更靠近光入射侧。此外，传输栅极27和浮动扩散部FD 28设置在半导体衬底11的表面15侧，传输栅极27用来传输由第三光电转换单元PD3执行光电转换而生成的电荷，并将电荷传输到浮动扩散部FD 28。

此外，图8示出了本实施例中的滤色器的平面阵列。

如图8所示，品红色Mg的滤色器和绿色G的滤色器排列成方格图案(checkered pattern)。

滤色器的平面阵列不限于图8所示的方格阵列，且能够使用其他平面阵列。

此外，所使用的滤色器的色彩的种类不限于品红色和绿色这两种，且能够使用其他组合。

根据上述本实施例的固态成像器件的构造，使用纵向晶体管Tr1读取由形成在半导体衬底11的背面16侧的第一光电转换单元PD1执行光电转换而生成的信号电荷。

因此，在纵向晶体管Tr1截止时的电荷累积时段期间，由于没有在第一光电转换单元PD1和纵向晶体管Tr1的周围形成沟道，所以不产生色彩混合。

此外，第一光电转换单元PD1形成为跨越纵向晶体管Tr1的栅极电极21的被嵌入半导体衬底11内的部分21A的背面16侧。

因此，与形成有注入栓的结构相比，能够通过增加第一光电转换单元PD1的面积来提高灵敏度。

因此，由于根据本实施例的构造不产生色彩混合，所以能够实现具有优良的色彩分离和高灵敏度的固态成像器件。

7.固态成像器件的变型例

在根据本发明的固态成像器件中，像素单元和外围电路单元的构造不限于图1中所示的构造，且能够使用其他构造。

在上述的每个实施例中，由光电二极管组成的光电转换单元PD1、PD2和PD3形成在诸如硅衬底等半导体衬底中。

在本发明中，用于形成堆叠的多层光电转换单元的半导体层不限于半导体衬底，且能够使用形成有半导体外延层的半导体衬底或SOI衬底的氧化膜上的硅层等。

此外，在本发明中，除了硅之外，诸如Ge等半导体或化合物半导体也能够用作半导体层的材料。

根据本发明的固态成像器件能够应用于诸如数码相机或摄像机等相机系统、具有成像功能的移动手机和具有成像功能的其他装置。

8.第七实施例(成像装置)

图9示出了根据第七实施例的成像装置的示意性结构图(框图)。

如图9所示，成像装置121具有固态成像器件122、光学系统123、快门器件124、驱动电路125和信号处理电路126。

光学系统123由光学透镜等组成，并且在固态成像器件122的像素单元上形成来自对象的图像光(入射光)。因此，信号电荷在固定时段期间被累积在固态成像器件122中。光学系统123可以是包括多个光学透镜的光学透镜系统。

作为固态成像器件122，使用根据本发明的固态成像器件，例如，根据上述每个实施例的固态成像器件等。

快门器件124控制用于固态成像器件122的光照射时段和光屏蔽时段。

驱动电路125供给驱动信号以控制固态成像器件122的传输操作和快门器件124的快门操作。提供驱动电路125提供的驱动信号(时序信号)进行固态成像器件122的信号传输。

信号处理电路126执行各种信号处理。将已经被执行信号处理的视频信号存储在诸如存储器等存储介质中或输出到监视器。

根据本实施例的上述成像装置121的构造，将根据本发明的固态成像器件(例如，根据上述每个实施例的固态成像器件等)用作固态成像器件122，使得能够抑制色彩混合的产生且能够提高灵敏度。

在本发明中，成像装置的构造不限于图9所示的构造，且能够使用不同于图9中所示的构造且使用根据本发明的固态成像器件的任何构造。

注意，本发明可以包括下面的构造。

(1)一种固态成像器件，其包括：

半导体层，其表面侧成为电路形成面；

两层以上的光电转换单元，它们堆叠并形成在所述半导体层中；和

纵向晶体管，其栅极电极形成为从所述半导体层的表面被嵌入到所述半导体层内，

其中，所述两层以上的光电转换单元中的一层光电转换单元形成为跨越所述纵向晶体管的栅极电极的被嵌入到所述半导体层内的部分，并连接到由所述纵向晶体管形成的沟道。

(2)根据(1)中所述的固态成像器件，其中，所述固态成像器件具有背面照射型结构，在所述背面照射型结构中，所述半导体层的背面侧成为光入射面。

(3)根据(1)或(2)中所述的固态成像器件，其中，在电荷累积时段期间，所述纵向晶体管截止，所述纵向晶体管没有形成所述沟道，且浮动扩散部没有连接到所述光电转换单元。

(4)根据(1)至(3)中任一项所述的固态成像器件，其中，三层的光电转换单元堆叠在所述半导体层中，且为所述三层的光电转换单元之中的从所述半导体层的背面侧开始的第一层的光电转换单元和第二层的光电转换单元中的每者设置一个所述纵向晶体管。

(5)根据(1)至(3)中所述的固态成像器件，还包括：

光电转换单元，其布置在所述半导体层的光入射面侧且由有机光电转换层构成。

(6)根据(5)中所述的固态成像器件，其中，所述有机光电转换层形成在所述纵向晶体管的栅极电极的光入射面侧上。

(7)根据(1)至(3)中任一项所述的固态成像器件，其中，所述固态成像器件具有第一像素和第二像素，在所述第一像素中堆叠并形成有两层的光电转换单元，所述第二像素具有用于对与所述第一像素的所述两层的光电转换单元中的色彩不同的色彩的光执行光电转换的光电转换单元，通过二维地并规则地排列所述第一像素和所述第二像素来构成像素单元，并且在所述第一像素和所述第二像素上分别设置有具有不同吸收波长的滤色器。

(8)一种成像装置，其包括：光学系统；(1)～(7)中任一项所述的固态成像器件；以及信号处理电路，其处理所述固态成像器件的输出信号。

本发明不限于上述的实施例，且能够在不脱离本发明的主旨下采用其他的各种构造。

附图标记列表

1、122 固态成像器件

2 像素

3 像素单元

4 垂直驱动电路

5 列信号处理电路

6 水平驱动电路

7 输出电路

8 控制电路

9 垂直信号线

10 水平信号线

11 半导体衬底

12 输入/输出端子

15 表面

16 背面

21、26 栅极电极

22、24、28 浮动扩散部

23、27 传输栅极

25 光屏蔽膜

29 电荷累积区

30 接触区

31 第一电极

32 有机光电转换层

33 第二电极

34 配线层

35、36 滤色器

121 成像装置

123 光学系统

124 快门器件

125 驱动电路

126 信号处理电路

PD1 第一光电转换单元

PD2 第二光电转换单元

PD3 第三光电转换单元

Tr1 纵向晶体管

Tr2 第二纵向晶体管