摄像元件及摄像装置的制作方法

本发明涉及摄像元件及摄像装置。

背景技术：

专利文献1的公报中公开了下述的固态成像元件。

在半导体衬底上设有包含光电转换部及信号扫描电路部并配置像素矩阵而成的摄像区域。摄像区域包括：元件分离绝缘膜，其以与相邻的像素之间的边界部分对应并包围各像素的方式设置；mosfet，其设置在半导体衬底的表面上且在元件分离绝缘膜的下方区域；以及第1导电型的第1扩散层，其设置在半导体衬底内的元件分离绝缘膜的附近区域。元件分离绝缘膜以自形成有信号扫描电路部的半导体衬底的表面偏离的方式设置在半导体衬底中，且到达半导体衬底的背面。mosfet包括栅极电极和形成在半导体衬底内且在栅极电极上方的第1导电型的第2扩散层。第1扩散层与第2扩散层接触，在半导体衬底的垂直方向上第1扩散层的沿着与垂直方向正交的第1方向的宽度的中心位于第2扩散层的沿着第1方向的宽度的中心附近。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5547260号

技术实现要素：

近年来要求多像素化的固态成像元件。但是，以往的固态成像元件由于将第1扩散层和第2扩散层沿着半导体衬底的表面配置，因此如果多像素化则受光面积变小。如果受光面积变小，则通过光电转换产生的电荷量减少、可能导致灵敏度变差。

本发明第1技术方案的摄像元件包括：光电转换部，其对透射过微透镜而入射的光进行光电转换，生成电荷；蓄存部，其对由所述光电转换部生成的电荷进行蓄存；以及传输部，其将由所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄存部。所述光电转换部、所述传输部和所述蓄存部沿着所述微透镜的光轴方向设置。

本发明第2技术方案的摄像元件具有与微透镜的光轴相交叉的第1面和第2面，且在所述第1面与所述第2面之间包括：光电转换部，其对透射过所述微透镜而入射的光进行光电转换，生成电荷；蓄存部，其对由所述光电转换部生成的电荷进行蓄存；以及传输部，其将由所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄存部。在所述微透镜的光轴方向上，所述光电转换部设置于所述第1面侧，所述蓄存部设置于所述第2面侧，所述传输部设置于所述光电转换部和所述蓄存部之间。

本发明第3技术方案的摄像装置具有摄像元件和基于从摄像元件输出的信号生成图像数据的生成部。摄像元件包括：光电转换部，其对透射过微透镜而入射的光进行光电转换，生成电荷；蓄存部，其对由所述光电转换部生成的电荷进行蓄存；以及传输部，其将由所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄存部。所述光电转换部、所述传输部和所述蓄存部沿着所述微透镜的光轴方向设置。

本发明第4技术方案的摄像装置具有摄像元件和基于从摄像元件输出的信号生成图像数据的生成部。摄像元件具有与微透镜的光轴相交叉的第1面和第2面，且在所述第1面与所述第2面之间包括：光电转换部，其对透射过所述微透镜而入射的光进行光电转换，生成电荷；蓄存部，其对由所述光电转换部生成的电荷进行蓄存；以及传输部，其将由所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄存部。在所述微透镜的光轴方向上，所述光电转换部设置于所述第1面侧，所述蓄存部设置于所述第2面侧，所述传输部设置于所述光电转换部和所述蓄存部之间。

附图说明

图1是表示第1实施方式的固态成像元件100的概略构成图。

图2是表示第1实施方式的像素20的等价电路的图。

图3是第1实施方式的像素20的剖视图。

图4的(a)是说明第1实施方式的环状传输栅极的横剖视图，(b)是表示从布线面侧观察的配置例的图，(c)是表示其他配置例的图。

图5的(a)是说明第1实施方式的环状栅极电极附近的详细构造的剖视图，(b)至(d)分别是(a)的b-b线、c-c线、d-d线剖视图，(e)、(f)是说明在传输栅极导通时形成的反转层的横剖视图。

图6是说明第1实施方式的工序的图。

图7是说明图6之后的第1实施方式的工序的图。

图8是说明图7之后的第1实施方式的工序的图。

图9是说明图8之后的第1实施方式的工序的图。

图10是说明传输栅极电极的变形例的与图5对应的图。

图11是第2实施方式的像素20的剖视图。

图12是第3实施方式的像素20的剖视图。

图13的(a)是第4实施方式的像素20的剖视图，(b)是第5实施方式的像素20的剖视图。

图14的(a)是第6实施方式的像素20的剖视图，(b)是第7实施方式的像素20的剖视图。

图15是第4实施方式的变形例的像素20的剖视图。

图16的(a)是第8实施方式的像素20的剖视图，(b)是第9实施方式的像素20的剖视图。

图17的(a)是第10实施方式的像素20的剖视图，(b)是第11实施方式的像素20的剖视图。

图18是说明本发明的摄像装置的框图。

具体实施方式

《第1实施方式》

(元件的概略构成)

图1是表示本实施方式的固态成像元件100的概略构成的图。

固态成像元件100包括在受光面(入射面)上排列像素20而成的摄像部30。从垂直扫描电路31经由垂直控制线32向上述像素20供给驱动信号。另外，像素20以列为单位与垂直信号线21连接。这些垂直信号线21分别与像素电流源22连接。

另一方面，从像素20向垂直信号线21分时输出的噪声输出和信号输出，经由列放大器23依次输入至cds电路24(相关双采样电路)。该cds电路24求出两个输出的差生成真实信号输出。该真实信号输出由来自水平扫描电路33的驱动信号水平扫描，依次输出至水平信号线25。该水平信号线25的信号输出经由输出放大器26输出至输出端子27。

(像素20的等价电路)

图2是表示上述像素20的等价电路的图。

像素20设有光电二极管(pd1)。pd1借助由传输驱动信号(传输栅极电压)进行栅极控制的传输晶体管(tg：以下也称为传输栅极)4与浮置扩散部(fd)8连接。fd8与放大晶体管(amp)11的栅极电极连接。另外，fd8借助由重置驱动信号(重置栅极电压)进行栅极控制的重置晶体管(rst：以下也称为重置栅极)13与基准电位vdd连接。放大晶体管11的漏极与电位vdd连接，源极借助由选择驱动信号(选择栅极电压)进行栅极控制的选择晶体管(sel：以下也称为选择栅极)12与垂直信号线21连接。

传输晶体管4的传输栅极电压经由传输布线4h供给。重置晶体管13的重置栅极电压经由重置布线13h供给。选择晶体管12的选择栅极电压经由选择布线12h供给。传输布线4h、重置布线13h、及选择布线12h形成在与形成有pd1、fd8的衬底相同的衬底内的布线区域203(布线层)。

其他构成与图1相同，在此处省略重复说明。

(像素20的元件构造)

图3是表示像素20的元件构造的一部分的剖视图。入射光从图3的上方入射。

固态成像元件100形成于半导体衬底200。半导体衬底200是单片半导体衬底。半导体衬底200由从图3的上方(受光面侧)朝向下方(布线区域侧)层叠的大致三个层构成。最上方形成有氧化膜201，最下方形成有布线区域203，在氧化膜201和布线区域203之间形成有扩散区域202。此外，将扩散区域202称为半导体区域。布线区域203中除了布线以外的区域是氧化层。此外，氧化膜及氧化层主要是由将半导体衬底氧化了的区域构成的膜及层。

(半导体区域202)

半导体衬底200的半导体区域(扩散区域)202中形成有在衬底厚度方向(光入射的方向)较长的纵长形状的pd1、和在衬底的面方向上配置的信号读取电路300。半导体区域202具有较薄层状的基部区域202k和从基部区域202k延伸至光入射的受光面侧的凸区域202t。在凸区域202t形成有pd1，在基部区域202k形成有信号读取电路300。pd1和信号读取电路300通过向p型区域的规定部位以适当浓度选择性地注入p型杂质和n型杂质而形成。

在半导体区域202中形成有通过光电转换将入射的光转换为电荷的pd1、和用于将由pd1光电转换得到的电荷作为像素信号输出至垂直信号线21的信号读取电路300。

在半导体区域202中形成的信号读取电路300构成为包括：将pd1的电荷传输至fd8的传输晶体管4；对传输来的电荷进行蓄存、转换为电压的fd8；使fd8的输出电压放大的放大晶体管11；以及对fd8进行重置的重置晶体管13。

传输晶体管4在栅极电极4g被施加栅极电压时将由pd1产生的电荷传输至fd8。传输栅极电极4g是在pd1的外周的氧化膜201形成的环状电极。传输栅极电极4g和半导体区域202之间设有绝缘膜202s(氧化膜)。环状的传输栅极电极4g如后所述。

传输晶体管4是在p-n结部形成有在栅极电极4g被施加了栅极电压时将由pd1光电转换得到的电荷传输至fd8的传输通路(沟道)的晶体管。作为传输通路的p区域1b在光入射的方向上配置于pd1和fd8之间。换言之，从光入射的受光面侧朝向布线区域侧配置有pd1、p区域1b和fd8。

fd8是对从传输晶体管4传输来的电荷蓄存、转换为电压的电容器，设置在pd1下方的半导体衬底基部区域202k中。光电转换产生的电荷利用fd8的电容器转换为电压，该电压成为放大晶体管11的栅极电压。由于由pd1产生的电荷q除以fd8的容量c得到的值是像素20的像素信号的基础，因此减小fd8的容量有助于提高摄像元件的灵敏度。

放大晶体管11对施加于栅极电极11g的fd8的电压进行放大。放大晶体管11放大了的电压被输出至未图示的层叠的另一半导体衬底的选择电路。

此外，在未图示的半导体衬底形成的选择电路，包含将从放大晶体管11输出的像素信号输出至垂直信号线21的选择晶体管12。

重置晶体管13在栅极电极13g被施加栅极电压时将蓄存在fd8中的电荷放出，重置为基准电位vdd。

(环状传输栅极电极4g)

图4的(a)是说明传输栅极电极4g的形状的图，是从受光面侧观察像素20的内部构造的示意图。向右下倾斜的阴影线是p区域，纵向阴影线是多晶硅区域。图4的(a)的传输栅极电极4g以包围p区域(图3的1b)的四周的方式配置。在与光入射的方向相交叉的方向上，作为传输通路的p区域位于传输栅极电极4g的之间。传输栅极电极4g和p区域之间设有绝缘膜202s。

pd1从p型半导体区域202的基部区域202k朝向受光面突出。在棱柱形状的pd1的周围由多晶硅以环状形成传输栅极电极4g。

参照图5说明pd1与栅极电极4g的电连接关系。(b)示出(a)的b-b截面，(c)示出(a)的c-c截面，(d)示出(a)的d-d截面。pd1与栅极电极4g的电连接关系形成为在栅极电极4g被施加了电压时，pd1的p型光电转换区域1c与p型半导体区域1b连接。即，在栅极电极被施加了电压时，在c-c截面上，在p型光电转换区域1c的外周全周形成有反转层，但如(e)所示，在b-b截面上，在n型光电转换区域1a的内侧残留有p型区域。由于该p型区域的残留，在传输栅极电极被施加了栅极电压时，p型区域1b、1c被固定为gnd电位。

由图5的(b)、(d)可知，pd1与栅极电极4g的电连接关系形成为，即使在栅极电极4g未被电压时，p型光电转换区域1c也与p型半导体区域1b连接。

图4的(b)是从布线面侧观察在p型半导体区域202的基部区域202k中形成的信号读取电路300的配置例的示意图。向左下倾斜的阴影线是n区域，纵向阴影线是多晶硅区域，点区域是氧化膜。

重置栅极电极13g在其被施加栅极电压时，将蓄存于fd8的电荷放出，重置为基准电位vdd。基于被施加于栅极电极11g的fd8的电压控制放大晶体管11，将fd8的电压放大。gnd端子是将p型半导体区域202设为gnd电位的端子。此外，也可以配置有用于将像素信号向信号读取电路300输出的选择晶体管。

图4的(c)是表示在p型半导体区域202的基部区域202k中形成的信号读取电路300的其他配置例的示意图。向左下倾斜的阴影线是n区域，纵向阴影线是多晶硅区域，点区域是氧化膜。

重置栅极电极13g在其被施加栅极电压时将fd8重置为基准电位vdd。基于施加于栅极电极11g的fd8的电压控制放大晶体管11，将fd8的电压放大。gnd端子是用于将p型半导体区域202设为gnd电位的端子。

(布线区域203)

返回图3进行说明。在布线区域203形成有用于将上述的fd8与放大晶体管11的栅极电极11g连接起来的布线11h、和向重置晶体管13的栅极电极13g供给栅极电压的重置布线13h。

(氧化膜201)

在作为氧化膜201的表面即半导体衬底200的背面的受光面(入射面)形成有遮光膜450。遮光膜450设置为用于防止光入射到信号读取电路300等。遮光膜450具备在供光朝向pd1入射的部位形成有从受光面凹陷而成的研钵状的光入射区域400的棱锥部451。pd1在光入射区域400的底部贯穿棱锥部451延伸至受光面侧。光入射区域400的受光面的范围即棱锥部451的受光面侧端部的轮廓成为摄像元件100的开口401。遮光膜450防止入射到光入射区域400的光向信号读取电路300等入射。遮光膜450遮挡半导体区域202的至少一部分。另外，遮光膜450还具有向传输栅极电极4g供给栅极电压的传输布线(图2中以附图标记4h表示)的功能。这一点在后文说明。

(pd1的详细内容)

参照图3详细地说明pd1。

pd1是将n型杂质选择性地注入p型半导体区域202的规定区域而形成的p-n结的光电转换部。pd1形成为棱柱形状。在棱柱的内部形成有n型光电转换区域1a，在与n型光电转换区域1a的下方接触的部位形成有p型光电转换区域1b，在n型光电转换区域1a的表面形成有p+区域1c。由n型光电转换区域1a和p型光电转换区域1b形成p-n结的光电转换部。此外，pd1不限定于棱柱形状，只要是沿着光入射的方向延伸的立体形状即可。例如，可以是圆柱、椭圆柱、棱锥、圆锥、椭圆锥、球体、椭圆体和多面体等。

pd1的表面区域1c的p+区域防止光电转换区域1a的耗尽层到达表面。由于能够防止耗尽层达到表面，因此防止在半导体界面产生的暗电流流入光电转换区域1a。

以与p型光电转换区域1b的下部接触的方式形成n型电荷蓄存区域8。为了方便，将该n型电荷蓄存区域作为fd8来进行说明。

如果传输晶体管4的栅极电极4g被施加栅极电压，则能够在p型光电转换区域1b表面形成作为反转层的n型的沟道。在该沟道中流通电流，在fd8中蓄存电荷。

pd1形成为从形成有信号读取电路300的半导体区域202向受光面侧突出。换言之，pd1形成于从形成有信号读取电路300的半导体区域202的基部区域202k向受光面侧延伸突出的凸区域202t。即，在图3中，pd1是从形成有信号读取电路300的基部区域202k向受光面侧延伸的凸形状。换言之，pd1的至少一部分具有沿着光入射的方向延伸的凸部。pd1的至少一部分相对于后述的遮光膜底部452所具有的开口部452a朝向光入射的方向延伸，且相对于遮光部452位于受光面侧。此外，pd1的至少一部分也可以相对于反射膜450或开口401朝向光入射的方向延伸。

此外，凸形状的pd1的延在方向是未图示的微透镜的光轴方向。光入射的方向也是微透镜的光轴方向。

半导体区域202的凸区域202t从衬底表面侧朝向在受光面侧的氧化膜201中形成的研钵状凹部突出。在规定研钵状的凹部形状的面上形成有遮光膜450。凹部的遮光膜450是上述的棱锥部451，且在棱锥部451的上表面上即凹部上层叠有氧化层。凹部作为光路区域400使用。入射到光路区域400的光由遮光膜450的棱锥部451反射，从pd1的侧面1d入射。

对光路区域400中层叠有氧化膜例如氧化层的情况进行了说明，但只要可见光成分的透射率大于或等于规定值，则光路区域400内部的材质不限定于氧化层。

也可以将光路区域400内部设为中空状。光路区域400的形状不限定于矩形。例如，光路区域400的形状也可以是圆、椭圆、多边形、圆环。

遮光膜450具有在棱锥部451的最下端与受光面平行地形成的底部452。形成有pd1的半导体区域202的凸区域202t贯穿该底部452、即经由在底部452形成的开口部452a朝向受光面延伸。入射到光路区域400的光被遮光膜450底部的遮光膜452遮挡，防止光向氧化膜201下方的半导体区域202入射。

换言之，在光路区域400的内周倾斜面上形成有反射膜451，在光路区域400的底部形成有遮光膜452。反射膜451及遮光膜452例如能够通过pvd(physicalvapordeposition：物理气相沉积)由反射率高的铝等形成。只要反射膜451由反射率高的材料形成且遮光膜452由光透射率低的材料形成即可，反射膜451和遮光膜452可以是相同的材料，也可以是不同的材料。

在光路区域400的上表面设有彩色滤光片和微透镜。也可以省略彩色滤光片。

对以上说明的固态成像元件100的光电转换动作进行说明。

在固态成像元件100的受光面上以矩阵状排列有像素。抵达摄像元件100的光由对应于各个像素设置的微透镜会聚。会聚的光由彩色滤光片进行波长选择，从开口401入射到光路区域400。入射光的一部分从pd1的面1e入射到内部。入射到光路区域400的光中的除了从面1e入射到pd1的光以外的光，即入射到pd1的外侧面1d与反射膜(遮光膜450的棱锥部)451之间的光路区域400光，由反射膜451反射，从侧面1d入射到pd1。pd1将从面1e和侧面1d入射的光光电转换为电荷。由此，pd1更高效地自入射的光产生电荷。

入射到光路区域400的底部的光被遮光膜452遮挡。遮光膜452防止入射光入射到形成有信号读取电路300的半导体区域202。由此，能够减少向读取电路300入射的光产生的噪声。如上所述，由于pd1为凸形状，因此遮光膜452在pd1朝向光的入射方向延伸的部分具有开口部452a。

如果在利用传输晶体管4和重置晶体管13将pd1和fd8重置之后经过了规定的蓄存时间的时刻使传输晶体管4导通，则在由蓄存于pd1的电荷产生的检测电流的作用下，电荷蓄存于fd8。蓄存于fd8的电荷被转换为电压，施加于放大晶体管11的栅极电极而被放大。放大了电压从形成于未图示的衬底的选择晶体管12作为像素信号被选择并输出至垂直信号线21。

从pd1向fd8流动的检测电流沿着半导体衬底的厚度方向流动。即，被垂直传输。

在专利文献1的固态成像元件中，将电荷作为像素信号取出的信号读取电路300，在传输电路、放大电路和选择电路之间沿着半导体衬底表面传输信号。

对于第1实施方式的固态成像元件1来说，从pd1到fd8的信号路径为衬底厚度方向，能够与之相应地减小传输晶体管4的衬底表面方向的尺寸。即，能够实现像素小型化。

以上说明的第1实施方式的固态成像元件的作用效果如下所述。

(1)固态成像元件100具有半导体区域202，在该半导体区域202形成有：对入射的光进行光电转换而生成电荷的pd(光电转换区域)1；以及包含从pd1传输电荷的fd(电荷传输区域)8的读取电路300。半导体区域202即pd1的至少一部分，设置为朝向设置于受光面侧的光路区域(入射区域)400突出。

基于上述的pd1构造，由于入射光从pd1的面1e和侧面1d入射，因此pd1的受光面积变大。因而s/n比增大，灵敏度提高。另外，能够防止曝光时间缩短导致的s/n比变差，防止与像素微小化相伴的s/n比变差。因此，即使是例如1000至10000帧的高速读取的固态成像元件，也能够获得噪声少的高画质图像。

(2)pd1贯穿光路区域400的底部延伸至受光面侧。在光路区域400的底部形成有遮光膜452，以使从pd1的侧面1d入射的光的一部分沿着pd1的侧面1d在光路区域内入射到下方，避免光从受光面侧入射到形成有读取电路300的半导体区域202。

因此，即使采用能够使光从pd1的侧面入射的构造，也能够减少光向读取电路300的入射，抑制噪声的产生。

(3)包含n型区域1a、p型区域1b和p+区域1c的pd1，自包含fd8的读取电路300的形成面向受光面侧延伸。fd8与p型区域1b的正下方接触。因此，由pd1产生的电荷被从pd1垂直传输至fd8。即，不使用与半导体衬底的面平行的横向传输方式，而是以半导体衬底厚度方向的信号路径进行电荷传输。其结果，与将pd1的电荷横向传输至fd8的现有技术的固态成像元件相比能够使像素小型化。

(4)第1实施方式的固态成像元件100的传输栅极电极4g是包围pd1的p型区域1b的环状。因此，实际上增大了栅极宽度，提高传输效率。而且，栅极电极形状相对于pd1的光轴呈点对称形状，能够使制造工序稳定。

对以上说明的固态成像元件100的制造方法进行说明。此外，在以下的说明中，省略对在各工序中使用的掩膜形状和抗蚀剂涂布等工序的说明。

图6的(a)：为了制造固态成像元件100而准备n型半导体衬底501。

图6的(b)：在n型半导体衬底的上表面形成元件分离氧化膜502。

图6的(c)：在n型半导体衬底的上表面侧形成p型区域503。

图6的(d)：用多晶硅在p型区域503的上表面形成栅极电极504。

图6的(e)：在p型区域503的上表面形成源极区域505和漏极区域506。此外，形成gnd触点区域507。

图6的(f)：在p型区域503的上表面堆积氧化膜508。

图7的(a)：在完成图6的(f)的工序而得到的中间制品c1的氧化膜508的上表面接合支承衬底509。

图7的(b)：使完成图7的(a)的工序而得到的中间制品c2的正反面反转。

图7的(c)：对在图7的(b)中反转得到的中间制品c3的n型区域501进行研磨使其薄膜化。

图7的(d)：将薄膜化得到的中间制品c4从上层的n型区域501到p型区域503的上层为止蚀刻为凸状。凸状部511是经过之后的工序成为pd1的区域。

图7的(e)：在蚀刻为凸状的中间制品c5的上表面形成氧化膜512。

图7的(f)：在形成有氧化膜512的中间制品c6的凸状部511的最下端部的外周全周，由多晶硅形成环状栅极电极513(4g)。

图8的(a)：在完成图7的(f)的工序得到的中间制品c7的上表面形成反射防止膜氮化膜514。

图8的(b)：在完成图8的(a)的工序得到的中间制品c8的上表面形成氧化膜515。

图8的(c)：对完成图8的(b)的工序得到的中间制品c9的氧化膜515进行蚀刻，在凸状部511的外周部形成棱锥状的凹部516。

图8的(d)：在完成图8的(c)的工序得到的中间制品c10的氧化膜上表面，利用金属材料蒸镀遮光膜517(450、451、452)。遮光膜517还作为传输晶体管的栅极电压的布线层4h使用。

图8的(e)：在完成图8的(d)的工序得到的中间制品c11的遮光膜517的上表面形成氧化膜518。在氧化膜518的上表面接合支承衬底519。

图8的(f)：使完成图8的(e)的工序得到的中间制品c12的正反面反转，在上表面形成各种布线520、521。

图9：将完成图8的(f)的工序得到的中间制品c13的支承衬底519除去后反转。得到图3中说明的固态成像元件100。

《第1实施方式的变形例》

图10的(a)表示第1实施方式的变形例的固态成像元件100r。

在第1实施方式中使传输栅极电极4g形成为环状，而在第1实施方式的变形例中如图10的(c)至(e)所示，形成为コ字状栅极4gk、l字状栅极4gl、单面栅极4gi中的某一个。为了进行比较，在图10的(b)中示出环状栅极4g。

如图10的(a)所示，在未形成栅极电极的pd1的左侧面部，凸区域202t的p+区域1c、p型区域1b与基部区域202k的p型区域202p电连接。因此，在栅极导通时p型区域1b也固定为gnd电位。

在施加了栅极电压时，在p型区域1b周围形成的反转层的形状与栅极形状对应。如图10的(g)至(i)所示，在コ字状栅极4gk中反转层成为コ字状，在l字状栅极4gl中成为l字状，在单面栅极4gi中成为一条直线状。为了进行比较，在图10的(f)中示出环状栅极4g的反转层。

第1实施方式的变形例的固态成像元件100r能够发挥与第1实施方式相同的作用效果。

《其他实施方式》

在以上说明的固态成像元件100中，将fd8配置于pd1的正下方，使电荷传输沿着衬底厚度方向进行。即，固体元件100是沿着纵向传输电荷的构造。以下将电荷纵向传输的方式称为纵向传输方式或垂直传输方式，对这些传输方式的其他实施方式进行说明。

通常，摄像元件的内部量子效率取决于光电二极管的形成位置和由光的波长决定的光吸收深度。对于在硅表面侧形成有光电二极管的表面照射型像素来说，越为短波长光，内部量子效率越高，越为长波长光，内部量子效率越低。反之，对于背面照射型的像素，由于在硅衬底的较深区域形成光电二极管，因此越为长波长光，内部量子效率越高，越为短波长光，内部量子效率越低。

并不是要将光电二极管形成为某固定深度，只要针对各波长以最合适深度形成光电二极管，则无论是表面照射型还是背面照射型，都能够提高内部量子效率。但是，如果光电二极管形成在硅衬底的较深区域，则由于难以进行完全传输，因此以往很难实现。

具有以下说明的第2实施方式至第5实施方式的构造的固态成像元件，能够通过使用垂直型传输栅极构造实现与光波长相应的深度的光电二极管而实现灵敏度提高。

《第2至第3实施方式》

在第1实施方式中，从受光面到pd为止的深度位置与选择波长的光无关，是固定的。在第2实施方式中，将从入射面(受光面)到pd为止的深度位置设为与所选择波长的光相应的位置，即与rgb像素相应的位置。此外，在第2实施方式中，采用垂直型传输栅极构造从pd向fd传输电荷。

例如，对于彩色滤光片为拜耳排列的表面照射型像素来说，按照r像素、g像素、b像素的顺序将光电二极管形成在硅层的距离衬底表面较深的位置，垂直型传输栅极61r、61g、61b的栅极长度也与之相应地改变。对于背面照射型像素来说，以b像素、g像素、r像素这样相反的顺序将光电二极管形成在距离衬底表面较深的位置，栅极长度也设为与之相应的长度。

《第2实施方式》

图11的固态成像元件100a是背面照射型。在由si层651和布线层652构成的半导体衬底600上按拜耳排列设置有rgb像素。pd1配置在与rgb的波长相应的深度，pd1的电荷利用垂直型传输栅极61r、61g、61b传输至fd8。

具体来说，在r像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第1深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。在g像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第2深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。在b像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第3深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。第1深度位置(r像素)＜第2深度位置(g像素)＜第3深度位置(b像素)。

在rgb的各像素中，在pd1与fd8之间进行电荷传输的垂直型传输栅极61r、61g、61b(以下作为代表以附图标记61表示)设置在si层651内。栅极长度为传输栅极61r＜传输栅极61g＜传输栅极61b。

在布线层652设有垂直型传输栅极61的栅极电极652v和向栅极电极652v供给栅极控制信号的布线层652h。另外，还设有将fd8的电位向未图示的放大晶体管传输的布线653h。此外，布线层652的除了布线以外的区域是sio2等氧化膜652s。

《第3实施方式》

图12的固态成像元件100b是表面照射型。是将图11的背面照射型的固态成像元件100a替换为表面照射型的元件的构造。

具体来说，在r像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第4深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。在g像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第5深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。在b像素的si层651内，在距离si层651的表面651a为第6深度的位置形成有pd1，在si层651的表面651a形成有fd8。第4深度位置(r像素)＞第5深度位置(g像素)＞第6深度位置(b像素)。

在rgb各像素中，在pd1与fd8之间传输电荷的垂直型传输栅极61r、61g、61b(以下作为代表以附图标记61表示)设置在si层651内。栅极长度为传输栅极61r＞传输栅极61g＞传输栅极61b。

对于与图10相同的部位标记同一附图标记，省略详细的说明。

图11、图12中示出的第2及第3实施方式的固态成像元件100a、100b具有下述作用效果。

(1)对于图11及图12中所示的变形例的固态成像元件100a和100b，像素内的光电二极管的形成深度和垂直型传输栅极的栅极长度对应于彩色滤光片的各种颜色而不同。即使按每个颜色而在不同的深度形成pd1，也使垂直型传输栅极长度最优并将传输栅极与pd1相邻配置，从而能够避免传输特性恶化，提高内部量子效率。

《第4实施方式》

图13的(a)是说明第4实施方式的固态成像元件100c的图。该固态成像元件100c是将在第2实施方式中示出的垂直传输栅极61的纵截面形状设为梯形形状的构造。以下进行说明。

通常，就为了提高针对蓝色光的灵敏度而形成的光电转换部的深度位置而言，在si衬底厚度为2.0至3.0μm的情况下，需要在从衬底厚度的一半以下到入射表面为止的位置形成光电转换部(参照日本特开2014-1499898号公报、日本特开2014-225560号公报)。因此，需要将传输栅极部形成在si衬底的一半以上的深度，即形成为1.0至1.5μm的长度。

但是，在像这样传输栅极较长的晶体管构造中很难对蓄存于光电转换部的电荷进行完全传输。即，在通常的氧化膜构造的垂直型传输用晶体管中，在光电转换部和栅极之间形成反转层，电荷会停滞在光电转换部与栅极部之间的界面上。其结果，传输工序后残存的电荷会返回光电转换部，这成为传输回退的原因。该传输残留成为残像的形成原因。

此外，如上述的通常构造所示，在栅极氧化膜厚度相同且在构造上栅极宽度也恒定的情况下，与栅极电极端部相比，栅极电极中央部更长地导通，因此在截止时，传输中途的电荷会在栅极中央附近稍作滞留，这成为传输回退的原因。

为了解决上述问题，将从光电转换部向电荷蓄存部传输电荷的垂直传输栅极的截面形状设为越从光电转换部靠近电荷蓄存部则栅极截面积越大的形状。

例如，图13的(a)中示出的背面照射型的固态成像元件100c包括：光电转换部(pd)1；形成为垂直型的纵截面形状为梯形、横截面形状为矩形的垂直传输栅极部62；以及对由垂直传输栅极部62传输的电荷进行蓄存的电荷蓄存部(fd)8。另外，垂直传输栅极部62的上底部的氧化膜62u的厚度比分布于梯形的腰部和电荷蓄存部8的氧化膜62l的厚度大。

此外，附图标记71是微透镜，72是彩色滤光片，81是p型半导体区域，91是布线层。

根据第4实施方式的固态成像元件100c，能够获得与第1实施方式同样的作用效果。此外，垂直传输栅极部62的截面积随着从光电转换部1向电荷蓄存部8接近而变大，且垂直传输栅极部62的上底部的氧化膜62u的厚度，比分布于梯形的腰部和电荷蓄存部8的氧化膜62l的厚度大。由此，位于蓄存电荷传输路径上的势垒被缓和，蓄存电荷传输特性提高。另外，能够减少传输残留、传输回退，还能够防止伪色、残像。

换言之，垂直传输栅极部62上底部的氧化膜62u与分布于梯形的腰部和电荷蓄存部8的氧化膜62l相比，栅极氧化膜较厚，因此与fd侧端部相比，在pd侧端部处的栅极导通时间较短，另外，在fd侧使截面积(栅极宽度)增大，从而在栅极截止时，反转层从pd侧开始灭失，能够减少电荷向pd侧返回。

《第5实施方式》

对于图13的(b)中示出的固态成像元件100d，取代图13的(a)的梯形垂直传输栅极部62，使用纵截面形状为直角三角形、横截面形状为矩形的垂直传输栅极部62a。垂直传输栅极部62a上底部的氧化膜62u的厚度比位于梯形的腰部和电荷蓄存部8的氧化膜62l的厚度大。

上述第5实施方式的固态成像元件100d能够发挥第1实施方式的作用效果、第4实施方式的作用效果。

《第4及第5实施方式的变形例》

对于第4实施方式的固态成像元件100c的pd1的距离半导体区域表面的深度位置和传输栅极长度，能够采用图11的第2实施方式中说明的方式。在应用于第5实施方式的固态成像元件100d的表面照射型的固态成像元件的情况下，rgb像素的pd1的距离半导体区域表面的深度位置和传输栅极长度能够采用图12的第3实施方式说明的方式。

如果按照上述方式按每个波长控制pf形成深度位置和栅极长度，则能够发挥与第2实施方式同样的作用效果。

《第6实施方式》

图14的(a)是说明第6实施方式的背面照射型的固态成像元件100e的图。固态成像元件100e是在图13的(a)的固态成像元件100c的一个像素设置一对pd1l、pd1r的所谓2pd型元件。即，固态成像元件100e具备一对pd1l、pd1r和与一对pd1l、pd1r对应的fd8l、8r。pd1l的电荷被从传输栅极62bl传输至fd8l。pd1r的电荷被从传输栅极62br传输至fd8r。传输栅极62bl、br的纵截面形状为梯形，横截面形状为矩形，路径截面积随着从pd1l、1r向fd8l、8r接近而变大。另外，垂直传输栅极部62a上底部的氧化膜62u的厚度，比位于梯形的腰部和电荷蓄存部8的氧化膜62l的厚度大。

因此，在第6实施方式中，也能够获得与第4实施方式相同的作用效果。

根据上述第6实施方式的固态成像元件100e，能够减少传输残留、传输回退。其结果，能够防止伪色、残像。

光电二极管增加为四个、八个、……的情况下也同样。

《第7实施方式》

图14的(b)是表示第7实施方式的固态成像元件100f的图。该固态成像元件100f是将图14的(a)的传输栅极62bl、br的纵截面形状形成为直角三角形的构造。其他构造与第6实施方式相同，省略说明。

《第6及7实施方式的变形例》

如第6及7实施方式的变形例所示，在第6及第7实施方式中示出的固态成像元件100e、100f这样的2pd方式的像素构造中，在使光电二极管深度对应于波长而变化的情况下，需要使p型分离深度也形成为相同的深度。但是，很难在硅较深的区域形成良好的p型分离构造。如果硅较深的区域p型分离不充分，则在表面照射型元件中在长波长光下分离特性变差，在背面照射型元件中相反地在短波长光下分离特性变差。因此，为了针对不同的波长的光也能够实现高光瞳分割聚光率，优选按照不同波长将pd位置设置在距离硅层表面规定的深度位置。

即，对于第6实施方式的固态成像元件100e的pd1距离半导体区域表面的深度位置和传输栅极长度，优选采用图11的第2实施方式中说明的方式。另外，在应用于第7实施方式的固态成像元件100f的表面照射型的固态成像元件的情况下，对于rgb像素的pd1距离半导体区域表面的深度位置和传输栅极长度，优选采用图12的第3实施方式中说明的方式。

如上所述，通过使用垂直型传输栅极构造实现与光波长相应深度的光电二极管，能够提高灵敏度，另外，通过对应于光波长来调整光电二极管开口率，能够提高分离特性。如果采用上述构造，则能够实现即使是形成于硅层深部的光电转换部也能够完全传输的晶体管构造，能够实现高光瞳分割聚光率。

《第4实施方式的变形例》

对于图15中示出的固态成像元件100g，在p-外延层81的上表面附近形成有p+区域81a。pd1与该p+区域81a接触。因此，能够使得pd1的接合容量增加，提高饱和电子数。

此外，对于与图13的(a)相同的部位标注同一附图标记，省略说明。

第4实施方式至第7实施方式的固态成像元件还包括下述构造。

(1)一种固态成像元件，其为背面照射型的固态成像元件，包括：光电转换部，其按不同像素而形成在不同深度；栅极部，其为了读取由光电转换部光电转换得到的信号，在深度方向上具有锥形角地形成；垂直型晶体管，其在与作为传输路径的上述光电转换部对应的深度形成有栅极部；浮置扩散部，其对从垂直型晶体管传输来的电荷进行蓄存；以及包含规定的晶体管的像素晶体管。

(2)在(1)的元件中，垂直型晶体管为以光电转换部附近部的短边为上底、以硅表面附近为下底的梯形构造。

(3)在(1)的元件中，垂直型晶体管的梯形构造为，梯形的腰与下底在传输通路侧所成的角度是75±10度。

(4)在(1)的元件中，垂直型晶体管的梯形构造的上底部位于光电转换部附近，位于不贯穿光电转换部的深度。

(5)在(1)的元件中，对于垂直型晶体管的梯形构造，在将从像素端到上底部的中心位置为止的距离设为j，将像素间距设为pt时，满足j/pt＞1/2。

(6)在(1)的元件中，对于垂直型晶体管的梯形构造，在将从浮置扩散部到从上底部的中心位置向下底引出的垂线的垂足为止的距离设为h，将光电转换部宽度设为w时，满足w/2＜h。

(7)在(1)的元件中，垂直型晶体管的梯形构造的上底部的氧化膜的厚度比位于梯形的腰部和浮置扩散部的氧化膜的厚度大。

(8)在(1)的元件中，垂直型晶体管的梯形构造的上底部的氧化膜的厚度l1，与位于梯形的腰部和浮置扩散部的氧化膜的厚度l2的比l1/l2为l1/l2＞4。

(9)在(1)的元件中，垂直型晶体管的梯形构造的上底部a1与下底部a2的比a1/a2为0≤a1/a2≤5。

(10)在(1)的元件中，在一个像素内具有两个pd的构造的情况下，在将像素间距设为pt，将从像素左端到左上底部的中心位置设为j1，将像素右端到右上底部的中心位置设为j2的情况下，j1/pt＞1/4且j2/pt＞1/4。

以上说明的第1实施方式至第7实施方式的固态成像元件，是在半导体衬底20形成的固态成像元件100至100f，也能够记载为将光电转换部1(对入射光进行光电转换并生成电荷)、蓄存部8(对由光电转换部1生成的电荷进行蓄存)和传输通路(将由光电转换部1生成的电荷传输至蓄存部8)沿着入射光入射的方向即沿着微透镜的光轴方向配置的固态成像元件。

另外，以上说明的第1实施方式至第7实施方式的固态成像元件具备半导体衬底200，所述半导体衬底200具有与入射光入射的方向相交叉的第1面和第2面，且在第1面和第2面之间配置有：光电转换部1，其对入射光进行光电转换，生成电荷；蓄存部8，其对由光电转换部1生成的电荷进行蓄存；以及传输通路，其将由光电转换部1生成的电荷传输至蓄存部8。上述光电转换部1在入射光入射的方向上配置在第1面侧，蓄存部8相对于光电转换部配置在第2面侧，传输通路配置在光电转换部1与蓄存部8之间。

根据上述固态成像元件，由于能够将光电转换部、传输通路和蓄存部沿着半导体衬底的厚度方向配置，因此能够更高密度地安装像素。

特别是，如第1实施方式的固态成像元件100所示，将蓄存部8配置于光电转换部1的正下方，将蓄存部8和电荷传输通路配置在俯视观察元件时的光电转换部1的范围内，这样的构造例能够更高效地实现像素的高密度安装。

另外，在第1实施方式的固态成像元件100中，采用纵长的光电转换部1，以光不仅从其面1e入射还从侧面1d入射的方式设置光路区域400，因此光电转换效率也较高。

《第8至第11实施方式》

上述第1至第7实施方式的固态成像元件对pd与fd之间的电荷进行垂直传输。以下第8实施方式至第11实施方式的固态成像元件是按各像素具有存储器部的全局电子快门方式的固态成像元件，对存储器部与fd之间的电荷进行垂直传输。

为了实现全局电子快门，需要将蓄存于pd的电荷在传输至存储器的同时传输至pd。但是，如果同时传输至fd，则会在从fd读取之前蓄存来自si界面的暗电流，sn比变差。为了解决这一问题，在日本特开2012-9697号公报中提出了一种在像素部的被遮光的区域形成蓄存存储器的构造。但是，如果形成遮光区域来形成蓄存存储器，则由于相邻的pd的面积缩减，会导致灵敏度降低。

第8至第11实施方式的固态成像元件是具有全局电子快门的mos型固态成像元件，其构成为能够维持pd面积，且能够抑制从pd传输到fd的期间的存储器部的暗电流蓄存。

《第8实施方式》

图16的(a)是表示第8实施方式的表面照射型的固态成像元件100h的像素截面的一部分的图。半导体衬底200是半导体区域202和布线层203的双层构造。在半导体区域202形成有在n型衬底上形成的p型区域中掺杂有n型离子的n型区域，由此形成有n-p结的pd1。在半导体区域202的表面的pd1的侧方形成有n+区域的fd8。在半导体区域202的fd8的正下方形成有存储器部81。fd8与向未图示的放大晶体管的栅极电极供给电压信号的放大栅极布线11h连接。栅极布线11h设置于布线层203。

在pd1和存储器部81之间设置有第1传输栅极141。在与第1传输栅极141一起将fd8夹在中间的位置设置有第2传输栅极142。第1及第2传输栅极141、142是沿着衬底垂直方向延伸的沟槽型传输栅极。

如果向第1传输栅极141输入栅极信号，则pd1的电荷穿过半导体区域202的pwell区域被传输至存储器部81，电荷蓄存于存储器部81。如果向第2传输栅极142输入栅极信号，则存储器部81的电荷穿过半导体区域202的pwell区域被传输至fd8，电荷蓄存于fd8中。从存储器部81朝向fd8的电荷传输是朝向入射面的方向的垂直传输。

《第9实施方式》

图16的(b)是表示第9实施方式的背面照射型的固态成像元件100h的像素截面的一部分的图。对于与图16的(a)相同的部位标注同一附图标记并省略说明。为了防止光向存储器部81入射，在受光面侧的受光面形成有遮光膜455。

《第10实施方式》

图17的(a)是表示第10实施方式的表面照射型的固态成像元件100j的像素截面的一部分的图。对于与图16的(a)同样的部位标注同一附图标记，省略说明。

为了防止从si界面发生的暗电流混入，pwell区域分割形成为p型离子浓度较高的pd部91和p型离子浓度较低的fd部92。在fd部92设置有用于向p型浓度较低的pwell区域施加偏置电压的偏置电极93。

如果从偏置电极93向fd部92的pwell区域施加偏置电压，则电荷被从存储器部81传输至fd8。

此外，对于与图16的(a)同样的部位标注同一附图标记，省略说明。

《第11实施方式》

图17的(b)是表示第11实施方式的背面照射型的固态成像元件100k的像素截面的一部分的图。对于与图17的(a)同样的部位标注同一附图标记，省略说明。为了防止光向存储器部81入射，在背面侧形成有遮光膜455。

第8至第11实施方式的固态成像元件能够发挥下述作用效果。

(1)对于第8及第9实施方式的固态成像元件100h、100i来说，能够进行利用沟槽型传输栅极142的纵方向传输，从而能够在fd8的下部形成暂时蓄存电荷的存储器部81。由于将存储器部81埋入，因此具有防止蓄存来自si界面的暗电流成分的效果。

(2)对于第8及第9实施方式的固态成像元件100h、100i，在沟槽型传输栅极141与142之间的半导体区域中，在fd8的正下方配置有存储器部81。因此能够防止来自受光面的入射光入射至存储器部81，降低噪声。

(3)对于第9及第11实施方式的背面照射型的固态成像元件100i、100k，通过在存储器部81的背面侧形成遮光膜455，能够实现存储器部81的遮光，降低漏光引起的噪声。

(4)对于第10及第11实施方式的固态成像元件100j、100k，从偏置电极93向p型离子浓度较低的fd部81的pwell区域施加偏置电位，能够使耗尽层区域扩大至存储器部81和fd8之间，使存储器部81与fd8接合而传输电荷。具有进一步抑制传输时的si界面上的暗电流的效果。

如上所述，利用第8至第11实施方式的固态成像元件，能够实现可成为sn比良好的全局电子快门的固态成像元件。

第8实施方式至第11实施方式的固态成像元件还包括下述构造。

(1)一种固态成像元件，其包括：pd1；进行电荷检测的fd8；暂时保存由pd1蓄存的电荷的存储器部81；用于从pd1向存储器部81传输的埋入型传输栅极141；以及用于从存储器部8向fd8传输的埋入型传输栅极142，存储器部81的至少一部分形成在fd的下部。

(2)在(1)的元件中，是在背面侧形成遮挡朝向存储器部81入射的入射光的遮光膜455的背面照射型固态成像元件。

(3)一种固态成像元件，其包括：pd1；进行电荷检测的fd8；暂时保存由pd1蓄存的电荷的存储器部81；用于从pd1向存储器部81传输的埋入型传输栅极141；在从fd8到pd1的区域形成的p型或n型well区域；成为将存储器部81与fd8接合的区域的p型或n型well区域；以及对将存储器部81与fd8接合的区域的p型或n型well电位进行控制的p型或n型well偏置电极93，存储器部81的至少一部分形成在fd8的下部。

(4)在(3)的元件中，是在背面侧具有遮挡向存储器部81入射的入射光的遮光膜455的背面照射型固态成像元件。

本发明的固态成像元件不限定于以上说明的实施方式或变形例，以下的固态成像元件也包含在本发明中。也参照图进行说明。

(1)在半导体衬底200上形成的固态成像元件具备半导体衬底，该半导体衬底具有与光入射的方向相交叉的第1面和第2面，并在第1面和第2面之间具有：光电转换部1，其对入射的光进行光电转换，生成电荷；蓄存部8，其对由光电转换部1生成的电荷进行蓄存；以及传输通路4，其将由光电转换部1生成的电荷传输至蓄存部8。光电转换部1在光入射的方向上配置在第1面侧，蓄存部8相对于光电转换部1配置在第2面侧，传输通路4配置在光电转换部1与蓄存部8之间。

光电转换部1、蓄存部8和传输通路4配置在半导体衬底200的第1面和第2面之间。第1面是与光入射的方向相交叉的方向。光电转换部1、蓄存部8和传输通路4配置在光入射的方向上，有助于实现像素的小型化。

(2)在上述(1)的元件中，第1面是光入射的受光面。

(3)在上述(1)的元件中，半导体衬底200具有从平板状的基部区域202k沿着入射的光的受光面的方向延伸的凸形状的凸区域202t，光电转换部1在凸区域202t中向受光面侧延伸。

(4)在上述(3)的元件中，对蓄存部8的输出进行放大的放大晶体管11设置在基部区域202k的第2面侧。

(5)在上述(1)的元件中，传输通路具有将光电转换部1的电荷传输至蓄存部8的传输晶体管4，传输晶体管4的栅极电极4g是设置在第1面侧且包围蓄存部8的周围的环状电极。

(6)在上述(5)的元件中，在光电转换部1的周围设有对从设置于受光面的开口401向光电转换部1入射的光进行引导的入射光路400。入射光路400设有开口401，由将光向蓄存部8的入射遮挡的遮光膜450划分出，遮光膜450是向传输晶体管4的栅极电极4g传送驱动信号的布线路径。

由于在光路区域400中行进的光从多个方向入射至光电转换部1，因此能够增加利用光产生的电荷。即，能够增大量子效果。

(7)在上述(1)至(6)的元件中，在从光入射的半导体衬底200的受光面观察光电转换部1和蓄存部8时，光电转换部1与蓄存部8重叠配置。由此，能够实现像素的小型化。

(8)在上述(1)至(6)的元件中，在光入射的半导体衬底200的受光面上形成有光的开口401，在从开口401观察光电转换部1和蓄存部8时，光电转换部1与蓄存部8在开口401的范围内重叠配置。由此，能够实现像素的小型化。

(9)在上述(4)的元件中，在与半导体衬底202不同的另一半导体衬底上形成有选择由放大晶体管11放大了的信号的选择部12，另一半导体衬底层叠在半导体衬底202上。

另外，本发明如图18所示，也可以作为摄像装置1600来实施，该摄像装置1600具备上述各实施方式、变形例的摄像元件100和基于从摄像元件100输出的信号生成图像数据的生成部1500。

下述优先权基础申请的公开内容作为引用内容被引入本说明书中。

日本专利申请2015年第195346号(申请日：2015年9月30日)

附图标记说明

1…光电二极管、1a…n型光电转换区域、1b…p型光电转换区域、1c…表面区域、1d…侧面、1e…面、4…传输晶体管、4g…传输栅极电极、4h…传输布线、8…浮置扩散部、11…放大晶体管、12…选择晶体管、13…重置晶体管、20…像素、21…垂直信号线、61、61r、61g、61b、62、141、142…垂直传输栅极、81…存储器部、91…pd部、92…fd部、93…偏置电极、100至100k…固态成像元件、200…半导体衬底、201…氧化膜、202…半导体区域、203…布线区域、202k…基部区域、202t…凸区域、400…光路区域、401…开口、450、452…遮光膜、451…反射膜。