本发明涉及一种半导体装置、半导体装置的制造方法、固态成像装置以及电子设备。
背景技术：
对于诸如固态成像装置等半导体装置的发展趋势而言，除了在平面方向进行小型化/集成化之外，通过在三维方向上的层叠来增加设备的功能并改善设备的特性最近也引起了人们的广泛关注。对于在三维方向上的层叠，将利用贯穿半导体基板的贯通电极进行电气连接的tcv技术用于半导体基板(半导体芯片)的前表面与后表面之间、多个半导体基板之间、半导体基板与由不同材料形成的膜之间的电气连接。
在使用tcv技术的半导体装置中，贯通电极与半导体基板内的元件之间的耦合或因贯通电极的侧表面的损伤层而产生的暗电流会使设备特性劣化，因此，在贯通电极与半导体基板之间需要足够的分离结构。例如，作为分离结构，已知使用钉扎膜并利用空孔(vacancy)来减小电容或使用低介电常数材料的暗电流抑制结构(例如，参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开：2015-38931
技术实现要素：
技术问题
然而，在专利文献1中所述的传统技术中，具有足够的分离结构和暗电流抑制机构的贯通电极需要大的面积，这会占据半导体基板内另一元件的面积。特别地，在包括贯通电极和晶体管组合的半导体装置中，由于放大特性和噪声特性取决于晶体管的尺寸，所以晶体管特性会劣化。此外，贯通电极与半导体基板之间的对地电容和贯通电极与晶体管之间的配线电容增大。
本发明的目的是为了提供一种能够使半导体基板内另一元件的被贯通电极占据的面积最小化的半导体装置、半导体装置的制造方法、固态成像装置以及包括该固态成像装置的电子设备。
解决问题的技术方案
为了实现上述目的，提供了本发明的半导体装置，所述半导体装置包括：半导体元件，其设置在半导体基板的第一表面侧上；贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将在半导体元件中获得的电荷引入半导体基板的第二表面侧；以及放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷而输出电信号，其中，放大晶体管将贯通电极用作栅电极，并在贯通电极周围包括源极区域和漏极区域。
此外，为了实现上述目的，提供了本发明的半导体装置的制造方法，半导体装置包括：半导体元件，其设置在半导体基板的第一表面侧上；贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将在半导体元件中获得的电荷引入半导体基板的第二表面侧；以及放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷而输出电信号，所述制造方法包括：将贯通电极用作放大晶体管的栅电极；并在贯通电极周围形成放大晶体管的源极区域和漏极区域。
此外，为了实现上述目的，提供了本发明的固态成像装置，所述固态成像装置包括：光电转换元件，其设置在半导体基板的第一表面侧；贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将通过光电转换元件的光电转换而获得的电荷引入半导体基板的第二表面侧；以及放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷而输出电信号，放大晶体管将贯通电极用作栅电极，并在贯通电极周围包括源极区域和漏极区域。此外，为了实现上述目的，提供了本发明的电子设备，所述电子设备包括具有上述构造的固态成像装置。
本发明的有利效果
根据本发明，由于贯通电极也用作放大晶体管的栅电极，因此，可以使半导体基板内另一元件的被贯通电极占据的面积最小化。应该注意，本发明不必受限于具有在此描述的效果，并且可以产生在此描述的任一种效果。此外，在此描述的效果仅仅是示例而不是限制性的，并且可以产生附加的效果。
附图说明
图1a是示出实施例1的固态成像装置的断面图，图1b是沿图1a的线a-a截取的断面图。
图2是示出实施例1的固态成像装置中的像素的等效电路的电路图。
图3是示出实施例2的固态成像装置的断面图。
图4a是示出实施例3的固态成像装置的断面图，图4b是沿图4a的线b-b截取的断面图。
图5是示出实施例4的固态成像装置的断面图。
图6a是实施例5的第一示例的固态成像装置的断面图，图6b是实施例5的第二示例的固态成像装置的断面图。
图7a、图7b和图7c是根据实施例6的固态成像装置的制造方法的流程图(第1部分)。
图8a和图8b是根据实施例6的固态成像装置的制造方法的流程图(第2部分)。
图9a是参考例的固态成像装置的平面图，图9b是沿图9a的线c-c截取的侧断面图。
图10a是实施例7的固态成像装置的平面图，图10b是实施例7的固态成像装置的侧断面图。
图11a是实施例8的固态成像装置的平面图，图11b是实施例8的固态成像装置的侧断面图。
图12a是实施例9的固态成像装置的平面图，图12b是实施例9的固态成像装置的侧断面图。
图13a是实施例10的第一示例的固态成像装置的平面图，图13b是实施例10的第二示例的固态成像装置的平面图。
图14a是实施例11的第一示例的固态成像装置的平面图，图14b是实施例11的第二示例的固态成像装置的侧断面图。
图15a是实施例12的固态成像装置的平面图，图15b是实施例12的固态成像装置的侧断面图。
图16a是实施例13的固态成像装置的平面图，图16b是实施例13的固态成像装置的侧断面图。
图17a是实施例14的固态成像装置的平面图，图17b是实施例14的固态成像装置的侧断面图。
图18a是实施例15的固态成像装置的平面图，图18b是实施例15的固态成像装置的侧断面图。
图19a是实施例16的固态成像装置的平面图，图19b是实施例16的固态成像装置的侧断面图。
图20a是实施例17的固态成像装置的平面图，图20b是实施例17的固态成像装置的侧断面图。
图21a是实施例18的固态成像装置的平面图，图21b是实施例18的固态成像装置的侧断面图。
图22a、图22b、图22c是根据实施例19的固态成像装置的制造方法的流程图(第1部分)。
图23a和图23b是根据实施例19的固态成像装置的制造方法的流程图(第2部分)。
图24a和图24b是根据实施例19的固态成像装置的制造方法的流程图(第3部分)。
图25a和图25b是根据实施例19的固态成像装置的制造方法的流程图(第4部分)。
图26是示出作为根据本发明的电子设备的示例的成像设备的构造的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施例。本发明的技术不限于实施例，并且实施例中的各种数值、材料等都是示例。在以下描述中，相同元件或具有相同功能的元件由相同的符号表示，并且将省略重复的描述。应该注意，将按以下顺序给出描述。
1.本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备的总体描述
2.实施例1(根据本发明的一种模式的固态成像装置)
3.实施例2(实施例1的变形例)
4.实施例3(实施例1的变形例)
5.实施例4(实施例1的变形例)
6.实施例5(实施例1至实施例4的变形例)
7.实施例6(实施例1的固态成像装置的制造方法)
8.参考例(组合设置贯通电极与晶体管时的基本构造)
9.实施例7(放大晶体管的沟道结构)
10.实施例8(使用纵向2色光谱(verticaldichroicspectroscopy)的电子转换型背照式固态成像装置)
11.实施例9(实施例8的变形例)
12.实施例10(实施例9的变形例)
13.实施例11(实施例8的变形例)
14.实施例12(具有高性能的晶体管操作和分离特性的固态成像装置)
15.实施例13(实施例12的变形例)
16.实施例14(实施例7至实施例12的变形例)
17.实施例15(实施例7至实施例12的变形例)
18.实施例16(实施例1至实施例12的变形例)
19.实施例17(用作波长转换元件的固态成像装置)
20.实施例18(实施例17的变形例)
21.实施例19(实施例7的固态成像装置的制造方法)
22.本发明的电子设备(成像设备的示例)
<本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备的总体描述>
在本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，半导体基板可以具有使用硅基板的构造。此外，可以使用诸如包括但不限于硅材料的化学复合材料和有机半导体材料等各种半导体材料作为半导体基板的构成材料。此外，可以提供将光电转换元件形成在半导体基板中的构造或者可以提供未将光电转换元件形成在半导体基板中的构造。
在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，半导体元件可以具有包括被夹在两个透明电极之间的光电转换膜的构造，透明电极层叠在半导体基板的第一表面侧。可替代地，半导体元件可以具有包括形成在另一半导体基板上的半导体元件的构造，另一半导体基板设置在半导体基板的第一表面侧。
在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，贯通电极可以被构造成包括被设置成贯穿半导体基板的电导体和将电导体与半导体基板彼此电气分离的分离层。电导体的构成材料不仅可以是一种金属材料，而且还可以是几种金属材料的组合。例如，电导体包括一种以上诸如磷掺杂非晶硅(pdas：phosphorusdopedamorphoussilicon)等的掺杂硅材料和诸如铝、钨、钛、钴、铪或钽等的金属材料(导电性材料)。
此外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，分离层可以被构造成包括覆盖电导体的侧壁的绝缘膜。此外，绝缘膜的膜厚可以被构造成根据半导体基板在深度方向上的位置而不同。此外，绝缘膜材料可以包括很多层。
此外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，放大晶体管的源极区域和漏极区域可以被构造成均由绝缘膜附近存在的扩散层形成，并且扩散层在深度方向上的半导体基板的部分或整个区域中形成。
另外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，提供了在半导体基板的平坦表面上形成的平面晶体管。平面晶体管可以具有其中平面晶体管的栅极氧化膜的膜厚和放大晶体管的栅极氧化膜的膜厚彼此不同的构造。可替代地，平面晶体管可以具有其中平面晶体管的栅极氧化膜的构成材料和放大晶体管的栅极氧化膜的构成材料彼此不同的构造。
另外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，提供了包括电导体并设置在贯通电极顶部的帽电极。帽电极可以被构造成延伸到放大晶体管的源极区域、漏极区域或沟道区域附近。
另外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，电导体可以被构造成包括在长度方向上的至少一层，并且被构造成由至少一种类型电导体材料形成。例如，电导体可以被构造成包括用作放大晶体管的栅电极的第一电导体和与第一电导体相连续的第二电导体。
此外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，第一电导体可以被构造成具有用于按期望设定放大晶体管的操作范围的功函数。另外，将第一电导体与半导体基板彼此分离开的绝缘膜可以被构造成比将第二电导体与半导体基板彼此分离开的绝缘膜薄，并且将第一电导体与半导体基板彼此分离开的绝缘膜由介质常数比将第二电导体与半导体基板彼此分离开的绝缘膜的材料的介电常数高的材料形成。另外，第二电导体可以被构造成具有比第一电导体的直径小的直径，并且由导电性材料形成。
此外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，第一电导体周围的绝缘膜和第二电导体周围的绝缘膜可以被构造成彼此的膜厚不同。此外，第二电导体周围的绝缘膜可以被构造成由低介电常数绝缘膜形成。
此外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，第二电导体周围的绝缘膜与介于绝缘膜与第二电导体之间的空孔一起有利地具有包括将第二电导体与半导体基板彼此电气分离的分离结构。另外，施加到第一电导体周围的绝缘膜的固定电荷量和施加到第二电导体周围的绝缘膜的固定电荷量可以被构造成彼此不同。
另外，在包括上述有利构造的本发明的半导体装置及其制造方法、固态成像装置以及电子设备中，放大晶体管的栅电极可以被构造成使断面形状为包括圆形或矩形的多边形。
作为本发明的半导体装置，可以举例说明以下固态成像装置，其中，各自包括作为半导体元件示例的光电转换元件的像素(单位像素)在第一方向(行方向)和第二方向(列方向)上以二维矩阵的方式布置。然而，本发明的半导体装置不限于固态成像装置。具体地，本发明的技术适用于以下所有半导体装置，这些半导体装置各自包括被设置成在半导体基板的厚度方向上贯通半导体基板的贯通电极和基于由贯通电极引入的电荷而输出电信号的放大晶体管。作为示例，使用压电传感器元件的半导体装置可以例示为设置在半导体基板的第一表面侧的半导体元件。
在本说明书中，将固态成像装置描述为本发明的半导体装置的示例。在固态成像装置中，与将包括光电转换元件的像素布置成二维矩阵的像素阵列相比，广泛采用了包括以平面方式布置的r(红)、g(绿)和b(蓝)的滤色器的滤光器结构。然而，这种滤光器结构可能会导致伪色。
为了解决伪色这个问题，在过去，采用了将对具有相应波长的红、绿和蓝光进行光电转换的光电转换区域在相同像素的垂直方向(光轴方向)上层叠的结构(例如，参见日本专利申请特开第2006-120921号)。另外，采用了将光电转换区域设置在半导体基板外部的结构，例如，将光电转换元件设置在半导体基板的上部并且使光电转换信号累积在半导体基板中的结构(例如，参见日本专利申请特开第2010-278086号和2011-138927号)。
在将如上所述的结构应用于背照式固态成像装置的情况下，需要在半导体的前表面侧的背面上形成接触部分，该接触部分将从光电转换膜获得的电荷连接到半导体基板。背面侧的半导体基板的前表面(不能进行高温处理的表面)通常具有高界面状态。此外，高浓度杂质区域被扩散并且耗尽层区域变大，从而使暗电流相对增大。因此，在过去，背照式固态成像装置设置有贯通电极，贯通电极针对半导体基板上的每个像素，并且将来自光电转换元件的电荷经由贯通电极传递到半导体基板的前表面侧(例如，参见日本专利申请特开第2011-29337号)。
顺便提及，通常，在贯通电极中，贯通电极的中心部分由导电性材料形成，并且在由导电性材料形成的中心部分与半导体基板之间形成绝缘膜。贯通电极贯通半导体基板并连接到调制晶体管和浮动扩散(浮动扩散层)。为此，在贯通电极与半导体基板之间会产生电容。如果该电容很大，则用于将来自光电转换元件的电荷转换成电信号的转换效率会降低。为了减小该电容，将增加贯通电极与半导体基板之间的距离视为相对容易的措施。然而，在这种情况下，像素平坦表面中的贯通电极的比例增加，因此元件面积增大。
在下文中，将基于实施例对作为本发明的半导体装置的示例的固态成像装置以及固态成像装置的驱动方法进行描述。每个实施例具有以下构造。
实施例1：根据本发明的一种模式的固态成像装置
放大晶体管的源极区域和漏极区域的构造
实施例2：实施例1的变形例/放大晶体管的源极区域和漏极区域的构造
实施例3：实施例1的变形例/贯通电极的形状
实施例4：实施例1的变形例/另一半导体基板的布置
实施例5：实施例1至实施例4的变形例/减小贯通电极的电容
实施例6：实施例1的固态成像装置的制造方法
参考例：组合设置贯通电极与晶体管的基本构造
实施例7：放大晶体管的沟道结构
实施例8：使用纵向2色光谱的电子转换型背照式固态成像装置
实施例9：实施例8的变形例/贯通电极配线的背面侧结构
实施例10：实施例9的变形例/贯通电极配线的背面侧结构
实施例11：实施例8的变形例/没有贯通电极配线的结构
实施例12：具有高性能的晶体管操作和分离特性的固态成像装置
实施例13：实施例12的变形例/贯通电极的形状
实施例14：实施例7至实施例12的变形例/源极区域和漏极区域的布置
实施例15：实施例7至实施例12的变形例/源极区域和漏极区域的布置
实施例16：实施例1至实施例12的变形例/侧表面沟道和前表面沟道晶体管的组合
实施例17：用作波长转换元件的固态成像装置
实施例18：实施例17的变形例/跨过贯通电极形成复位晶体管的示例
实施例19：实施例7的固态成像装置的制造方法
实施例1
实施例1涉及根据本发明的一种形态的固态成像装置。图1a示出了实施例1的固态成像装置的断面图，图1b示出了沿图1a的线a-a截取的断面图。此外，图2示出了实施例1的固态成像装置中的像素的等效电路图。图1a示出了一个像素(单位像素)10的断面结构。
在图1a中，光电转换元件13隔着层间绝缘膜12层叠在半导体基板(半导体芯片)11的第一表面侧上。例如，光电转换元件13包括两个透明电极131、132和夹在这两个透明电极131、132之间的光电转换膜133。为了将通过光电转换元件13中的光电转换而获得的电荷引入(转移)到半导体基板11的第二表面侧，半导体基板11包括被设置成在厚度方向上贯穿半导体基板11的贯通电极14。
配线层16隔着栅极氧化膜(绝缘膜)15设置在半导体基板11的第二表面侧。在配线层16中，形成有用于形成像素的元件，例如，复位晶体管21的栅电极21g、放大晶体管22的栅电极22g和选择晶体管23的栅电极23g。在半导体基板11的第二表面侧的表层部上，形成对应于复位晶体管21、放大晶体管22和选择晶体管23的扩散层31～34。
扩散层31成为复位晶体管21的漏极区域。扩散层32成为复位晶体管21的源极区域且也成为浮动扩散(浮动扩散层)fd。浮动扩散fd是将电荷转换成电压的电荷-电压转换单元(电荷检测单元)。扩散层33成为放大晶体管22的源极区域且也成为选择晶体管23的漏极区域。扩散层34成为选择晶体管23的源极区域。
此外，在配线层16中形成各种配线。具体地，在配线层16中形成复位控制线41和选择控制线42，所述复位控制线41将复位控制信号rst传输到复位晶体管21的栅电极21g，所述选择控制线42将选择控制信号sel传输到选择晶体管23的栅电极23g。此外，在配线层16中形成垂直信号线43、配线44和配线45等，所述垂直信号线43传输从放大晶体管22输出的像素信号，所述配线44将放大晶体管22的栅电极22g和浮动扩散fd彼此电气连接，所述配线45将固定电位施加到复位晶体管21的漏极区域。
换句话说，如图2的电路图所示，复位控制信号rst经由复位控制线41被施加到复位晶体管21的栅电极21g。选择控制信号sel经由选择控制线42被施加到选择晶体管23的栅电极23g。例如，从垂直扫描单元(行扫描单元)(未示出)以包括布置成矩阵(以二维矩阵)的像素10的像素阵列的像素行为单位输出复位控制信号rst和选择控制信号sel。
放大晶体管22的栅电极22g经由配线46电气连接到光电转换元件13，且还经由配线44电气连接到浮动扩散fd。放大晶体管22的漏极区域经由配线48电气连接到电源电位vdd的电源线47。选择晶体管23的源极区域连接到垂直信号线43。
在图2的电路示例中，例如，n型mosfet被用作复位晶体管21、放大晶体管22和选择晶体管23这三个晶体管。然而，这里举例说明的三个晶体管21～23的导电类型的组合仅仅是一个示例，本发明不限于此。换句话说，也可以适当地采用使用p型mosfet的组合。此外，选择晶体管23可以采用连接在电源电位vdd与放大晶体管22的漏极区域之间的电路构造。
在具有上述电路构造的像素10中，当复位控制信号rst被施加到复位晶体管21的栅电极21g时，复位晶体管21进入导通状态，并且复位晶体管21通过将浮动扩散fd的保持电荷丢弃到具有固定电位的配线45来复位浮动扩散fd。放大晶体管22输出具有与浮动扩散fd的电位对应的电平的电信号。当选择控制信号sel被施加到选择晶体管23的栅电极23g时，选择晶体管23进入导通状态，并且在像素10被设置为选择状态的情况下，选择晶体管23将从放大晶体管22提供的电信号输出到垂直信号线43。
这里，当假设半导体基板11的第二表面(即，其上形成有包括用于形成像素的元件和各种配线的配线层16的基板面)为前表面时，实施例1的固态成像装置是光电转换元件13层叠在背面(第一表面)侧的背照式固态成像装置。
在具有上述构造的背照式固态成像装置中，用于将通过光电转换元件13中的光电转换而获得的电荷引入到半导体基板11的第二表面侧的贯通电极14也用作放大晶体管22的栅电极22g。具体地，贯通电极14具有使该贯通电极的侧壁覆盖有绝缘膜141且使电导体142嵌入至该贯通电极的中心部分的结构。中心部分的电导体142用作放大晶体管22的垂直栅电极。同时，电导体142也用作贯通电极，用于将从光电转换元件13提供的光电转换电流从半导体基板11的背面侧供应到半导体基板的前表面侧。绝缘膜141被构造为将电导体142与半导体基板11彼此电气分离的分离层。
图1b示出了贯通电极14的断面图。图1b是沿图1a的线a-a截取的断面图。如图1b所示，在该实施例中，贯通电极14的断面形状为圆形。这里，“圆形”包括正圆形的情况以及大致圆形的情况，并且允许存在由设计或制造引起的各种变化。
在放大晶体管22中，用作源极区域的扩散层33形成在半导体基板11的前表面侧，而用作漏极区域的扩散层35形成在半导体基板11的背面侧。以这种方式，在半导体基板11的前表面侧和背面侧形成源极区域和漏极区域，使得贯通电极14能够充当放大晶体管22。在该示例的情况下，放大晶体管22是垂直晶体管。电源电位vdd从电源线47经由配线48被施加到放大晶体管22的漏极区域(扩散层35)。
在上述像素10的像素结构中，光电转换元件13的光电转换膜133可以由例如包括罗丹明类染料、部花青类染料或喹吖啶酮在内的有机光电转换材料形成。此外，形成在半导体基板11的平坦表面上的平面晶体管(复位晶体管21和选择晶体管23)的栅极氧化膜15、作为垂直晶体管的放大晶体管22的栅极氧化膜(即，贯通电极14的侧壁的绝缘膜141)的膜厚可以彼此不同。
对于栅极氧化膜的构成材料也是如此。换句话说，平面晶体管的栅极氧化膜15和放大晶体管22的栅极氧化膜的构成材料可以彼此不同。例如，平面晶体管的栅极氧化膜15可以由诸如氧化硅膜、正硅酸乙酯(teos：tetraethylorthosilicate)、氮化硅膜或氮氧化硅膜等构成材料形成，并且栅极氧化膜可以包括空隙。
放大晶体管22的栅极氧化膜(绝缘膜141)的构成材料如下。换句话说，构成材料包括一种以上的以下材料：硅氧化物、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化镧、氧化镨、氧化铈、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铥、氧化镱、氧化镥、氧化钇、氮化铝膜、铪氧氮化物膜、氧氮化铝膜等。
在贯通电极14中，中心部分的电导体142的构成材料例如包括诸如一种以上磷掺杂非晶硅(pdas：phosphorusdopedamorphoussilicon)等的掺杂硅材料和诸如铝、钨、钛、钴、铪或钽等的金属材料(导电性材料)。换句话说，电导体142的构成材料不仅可以是一种金属材料，而且可以是几种金属材料的组合。
可以使用硅基板作为半导体基板11。然而，半导体基板11的材料包括但不限于硅材料，半导体基板11使用诸如化合物材料和有机半导体材料等的各种半导体材料也是可行的。另外，在半导体基板11内，可以形成或不形成作为光电转换元件的光电二极管。在不形成光电二极管的情况下，可以使半导体基板11的厚度变薄，从而可以减小贯通电极14的电容。通过减小该电容，可以提高将来自光电转换元件13的电荷转换为电信号的转换效率。
实施例2
实施例2是实施例1的变形例。图3示出了实施例2的固态成像装置的断面图。在实施例1中，对于使用贯通电极14形成的放大晶体管22而言，其源极区域设置在半导体基板11的前表面侧，其漏极区域设置在半导体基板11的背面侧。然而，放大晶体管22的源极区域和漏极区域不限于实施例1中的这些位置，并且它们可以由扩散层33和扩散层35形成，所述扩散层33和扩散层35存在于绝缘膜141附近并在深度方向上形成在半导体基板11的一部分或全部区域中。
实施例2具有放大晶体管22的源极区域和漏极区域都被设置在半导体基板11的前表面侧的构造。以这种方式，当放大晶体管22的漏极区域设置在半导体基板11的前表面侧时，在该漏极区域中，电源电位vdd的电源线可以与另一电源电位vdd的电源线共同使用。因此，与放大晶体管22的漏极区域设置在半导体基板11的背面侧的情况相比，可以减小面积。
实施例3
实施例3是实施例1的变形例。图4a示出了实施例3的固态成像装置的断面图，图4b示出了沿图4a的线b-b截取的断面图。在实施例1中，贯通电极14的断面形状是圆形。与此相比，在实施例3中，贯通电极14的横截面形状是矩形(实际上，是角为圆形的圆角矩形)。
另外，在放大晶体管22中，用作源极区域的扩散层33和用作漏极区域的扩散层35形成在贯通电极14的短边的两侧并从半导体基板11的前表面侧通向向该半导体基板的背面侧。应该注意，这里扩散层33、35形成为从半导体基板11的前表面侧通向其背面侧，但是如实施例1中所示的那样，扩散层中的一者可以设置在前表面侧，而另一扩散层可以设置在背面侧。
以这种方式，当提供贯通电极14的断面形状被设为矩形，并且用作源极区域的扩散层33和用作漏极区域的扩散层35形成在贯通电极14的短边的两侧的结构时，可以使贯通电极14的侧壁的结晶面方位均匀。这可以抑制暗电流/白点特性或提高与沟道长度/宽度的设计有关的自由度。
应该注意，贯通电极14的断面形状不限于矩形，并且可以采用除正圆、椭圆和矩形之外的各种形状。此外，在贯通电极14的深度方向(长度方向)上，形状可以根据贯通电极的深度位置而不同。
实施例4
实施例4是实施例1的变形例。图5示出了实施例4的固态成像装置的断面图。在实施例4中，光电转换元件13设置在半导体基板11的第一表面侧(背面侧)上，并且半导体基板17设置在半导体基板11的第二表面侧(前表面侧)上。复位晶体管21和使用贯通电极14作为栅电极的放大晶体管22形成在半导体基板11的背面侧，即光电转换元件13侧。此外，选择晶体管23形成在前表面侧处的半导体基板17上。半导体基板11和半导体基板17经由连接电极44(例如凸块)彼此电气连接。
以这种方式，当使用不同于主半导体基板11的半导体基板17，并且在半导体基板17上形成用于形成像素10的元件(在该实施例中，选择晶体管23)时，，可以使待形成的像素10的区域的尺寸减小未形成的选择晶体管23的尺寸。这能够使像素10进一步小型化。
实施例5
实施例5是实施例1至实施例4的变形例。图6a示出了实施例5的第一示例的固态成像装置的断面图，图6b示出了实施例5的第二示例的固态成像装置的断面图。
在实施例5的第一示例中，贯通电极14形成为使得电导体142在半导体基板11的深度方向上具有恒定的厚度，并且电导体142周围的绝缘膜141具有在半导体基板11的深度方向上变化的膜厚。因此，绝缘膜141的断面形状具有锥形形状，该形状在半导体基板11的一表面侧具有小的膜厚且在该半导体基板的另一表面侧具有大的膜厚。例如，锥形的角度在90°～70°的范围内。在第一示例的贯通电极14的情况下，贯通电极14具有其中贯通电极的外径(厚度)在半导体基板11的深度方向上变化的形状。
同时，在实施例5的第二示例的贯通电极14的情况下，贯通电极14的外径在半导体基板11的深度方向上恒定。在贯通电极14的外径恒定的情况下，电导体142形成为使得该电导体的厚度在半导体基板11的深度方向上变化。因此，电导体142周围的绝缘膜141形成为使得该绝缘膜的膜厚在半导体基板11的深度方向上变化。
以这种方式，在任一第一示例的贯通电极14和第二示例的贯通电极14的情况下，绝缘膜141均具有在半导体基板11的一表面侧具有小的膜厚且在该半导体基板的另一表面侧具有大的膜厚的形状。以这种方式，当电导体142周围的绝缘膜141的膜厚在半导体基板11的深度方向上变化(即膜厚根据深度方向上的位置而不同)时，可以减小贯通电极14的整体电容，从而可以提高将来自光电转换元件13的电荷转换为电信号的转换效率。
实施例6
实施例6涉及实施例1的固态成像装置的制造方法。图7a～8b示出了根据实施例6的固态成像装置的制造方法的流程图。另外，实施例2至实施例5的固态成像装置也可以通过将下面待描述的制造方法与半导体装置的已知制造方法结合来制造。
在下文中，将描述在半导体基板11中形成第一导电类型的阱、第二导电类型的光电二极管等(未示出)之后的处理。作为半导体基板11的材料，除了硅材料之外，还可以使用诸如化合物材料和有机半导体材料等的各种半导体材料。
在图7a的工序中，通过干法蚀刻等形成用于贯通电极14的通孔51，并且形成栅极氧化膜(绝缘膜)15。通孔51也可以用作用于提高半导体基板11的前表面侧与背面侧之间的重叠精度的标记。此外，通孔51也可以与用于转移的垂直晶体管同时形成，如日本专利申请特开第2008-66742号中所述。放大晶体管22的源极区域(扩散层33)和漏极区域(扩散层35)可以在形成通孔51之前形成。实施例3的固态成像装置的源极区域(扩散层33)和漏极区域(扩散层35)可以通过对通孔51的侧壁进行成角度的离子注入来形成。
接着，在图7b的工序中，将作为放大晶体管22的栅电极的贯通电极14的电导体142的材料(即金属材料(导电性材料))嵌入通孔51中，并且同时将该材料沉积在半导体基板11的平坦表层部。
接着，在图7c的工序中，复位晶体管21的栅电极21g、放大晶体管22的栅电极22g和选择晶体管23的栅电极23g通过干法蚀刻加工形成。随后，形成侧壁、将用作源极区域和漏极区域的扩散层31、扩散层32、扩散层34等，并进行退火处理。然后，沉积层间绝缘膜53，并形成配线层16。
接着，在图8a的工序中，将支撑基板、另一半导体基体等(未示出)接合到半导体基体11的前表面侧，并将其倒置。随后，在使半导体基板11薄化以露出贯通电极14之后，形成绝缘膜142以避免半导体基体11与贯通电极14之间的短路。对于绝缘膜142的形成，例如，可以使用日本专利申请特开第2012-175067号中所述的技术。
接着，在图8b的工序中，层叠具有负固定电荷的膜54。这里，也可以层叠具有两种以上负固定电荷的膜。随后，沉积层间绝缘膜，通过干法蚀刻形成触点，并且层叠光电转换元件13(参照图1)。可以在光电转换元件13的上部形成氮化硅膜等保护膜。随后，形成平坦膜等光学构件，并且形成片上透镜。
<参考例>
这里，将在不使用本发明的技术的情况下组合设置贯通电极14和形成像素10的晶体管的基本构造作为参考例描述。图9a示出了参考例的固态成像装置的平面图，图9b示出了其侧断面图。图9b是沿图9a的线c-c截取的侧断面图。
在利用贯通电极14进行电气连接的tcv技术中，在组合设置贯通电极14和形成像素10的晶体管的情况下，由于放大特性和噪声特性取决于晶体管的尺寸，所以晶体管特性会恶化。此外，贯通电极与半导体基板之间的对地电容以及贯通电极与晶体管之间的配线电容会增大。
作为形成像素10的晶体管，图9a和9b举例说明了复位浮动扩散fd的复位晶体管21和输出通过浮动扩散fd中的电荷-电压转换而获得的电信号(像素信号)的放大晶体管22。
在参考例的固态成像装置中，贯通电极14和放大晶体管22彼此分开地设置，从而保证了贯通电极14与放大晶体管22之间足够的分离结构。然后，放大晶体管22的栅电极22g和贯通电极14通过配线61彼此电气连接。
实施例7
实施例7涉及与参考例的固态成像装置对应的固态成像装置，即，在使用本发明的技术的情况下的固态成像装置。图10a示出了实施例7的固态成像装置的平面图，图10b示出了其侧断面图。
实施例7的固态成像装置的结构与实施例1的固态成像装置的结构基本相同。然而，实施例1的固态成像装置具有以下结构，对于使用贯通电极14形成的放大晶体管22，用作源极区域的扩散层33(在下文中，某些情况下称为“源极区域33”)设置在半导体基板11的前表面侧，用作漏极区域的扩散层35(在下文中，某些情况下称为“漏极区域35”)设置在半导体基板11的背面侧。
与此相比，实施例7的固态成像装置具有以下构造，源极区域33和漏极区域35都设置在半导体基板11的前表面侧。换句话说，实施例7的固态成像装置是垂直晶体管，在该垂直晶体管中，源极区域33、漏极区域35和沟道区域形成在贯通电极14的侧面上的半导体的一部分处，并且沟道宽度被设定为半导体基板11的深度方向(垂直方向)。
这里，为了便于理解，举例说明了一种最简单的在基板的前表面侧附近形成源极区域33、漏极区域35和沟道区域的分离方式和电导体142的构造，但是位置关系及构造不限于此。
从图9a和9b与图10a和10b之间的比较可以明显看出，在实施例7中，未设置放大晶体管22的栅电极22g以及将栅电极22g与贯通电极14电气连接的配线61。取而代之，在贯通电极14的侧表面上设置位于放大晶体管22的栅电极22g附近的源极区域33和漏极区域35以及用于二者的配线62和配线63，而这在参考例中出于分离贯通电极14和半导体基板11的目的是要被避免的。
因此，可以利用不必要的元件的面积或最初未使用的面积，并且可以设计具有较小面积的像素10。此外，由于不再需要参考例中的固态成像装置中的栅电极22g和配线61～63，从而可以减小放大晶体管22的配线电容。此外，放大晶体管22的沟道宽度沿贯通电极14的两侧表面在半导体基板11的深度方向上形成。因此，放大晶体管22的沟道宽度可以自由地设计、扩展，而没有诸如布局所占面积增大等缺点，因此，可以获得有利的晶体管特性。此外，针对放大晶体管22的沟道长度，如图10a所示，可以使用贯通电极14的外周。因此，与普通表面(平坦表面)晶体管相比，沟道长度可以设计得大且具有良好的面积效率。
实施例8
实施例8涉及使用纵向2色光谱的电子转换型背照式固态成像装置。图11a示出了实施例8的固态成像装置的平面图，图11b示出了其侧断面图。
实施例8的固态成像装置具有第一半导体基板71和第二半导体基板72彼此接合的结构。在第一半导体基板71中，形成有光电转换元件(例如，光电二极管pd1)，该光电转换元件对来自附图下方的具有相对长波长的光进行光电转换。此外，在第一半导体基板71中，形成复位浮动扩散fd的复位晶体管21、贯通电极14、将贯通电极14的电导体142用作栅电极的放大晶体管22及其配线73。虽然为了简单起见未进行图示，但是在第一半导体基板71中，进一步形成有用于保持、读取、放大和选择在光电二极管pd1中被光电转换的电荷(电子)的多个晶体管。
第二半导体基板72以位于第一半导体基板71的光入射方向(图的下方)的方式接合到第一半导体基板71。在第二半导体基板72中，光电转换元件(例如，光电二极管pd2)以不同于第一半导体基板71的工序形成。在第二半导体基板72中，进一步形成将在光电二极管pd2中被光电转换的电荷读取到浮动扩散fd的读取晶体管74及其配线。虽然为了简单起见而未示出，但是在第二半导体基板72中，进一步形成了片上透镜、用于获得期望的波长特性的滤波器等。
在具有上述构造的实施例8的固态成像装置中，形成在第二半导体基板72中的浮动扩散fd以及用作放大晶体管22的栅电极的贯通电极14形成在放大晶体管22的近场区域，并且经由配线73彼此电气连接。因此，实施例8的固态成像装置成为使用纵向2色光谱的电子转换型背照式固态成像装置。
在使用纵向2色光谱的电子转换型背照式固态成像装置中，在形成于下侧第二半导体基板72中的光电二极管pd2中光电转换具有相对短波长的光。在光电二极管pd2中被光电转换的电荷由读取晶体管74读取并保持在浮动扩散fd中。然后，当因保持在浮动扩散fd中且对应于入射光量的电荷而改变贯通电极14的电位时，与通过光电转换而获得的电荷对应的电信号(像素信号)可以被读取到第一半导体基板71。
在具有上述构造的实施例8的固态成像装置中，在第一半导体基板71中进行贯通电极14的电位(即，与短波长侧上的受光量对应的电位)的放大或选择驱动。相应地，下侧第二半导体基板72能够由少量的元件构成，因此能够广泛地设定光电二极管pd2的受光面积。此外，针对上侧第一半导体基板71所需的元件，贯通电极14也用作放大晶体管22的栅电极。因此，像素10的面积效率良好，并且也可以有利地确保晶体管特性。
应该注意，这里已经将形成有n型沟道晶体管的情况作为示例进行了描述，但是根据第一半导体基板71和第二半导体基板72内的元件的构造或设计，可以形成p型构造晶体管。作为针对此的源极区域和漏极区域，可以想到使用n型半导体、p型半导体和金属作为构成材料。此外，对于第一半导体基板71和第二半导体基板72，材料不一定限于通常使用的硅材料，并且诸如化合物材料和有机半导体材料等任何其他半导体材料也是可行的。
实施例9
实施例9是实施例8的变形例。图12a示出了实施例9的固态成像装置的平面图，图12b示出了其侧断面图。
实施例8具有以下构造，配线73连接到第一半导体基板71的形成有放大晶体管22的表面侧上的贯通电极14。与此相比，实施例9具有将配线73从短波长侧的第二半导体基板72连接到贯通电极14的构造。相应地，复位晶体管21可以形成在与第一半导体基板71的形成有放大晶体管22的表面不同的表面上，或者可以形成在第二半导体基板72上，因此可以提高形成像素10的元件布局的自由度。
实施例10
实施例10是实施例9的变形例。图13a示出了实施例10的固态成像装置的平面图，图13b示出了其侧断面图。
实施例9具有以下构造，复位晶体管21的源极区域(扩散层32)和第二半导体基板72侧上的浮动扩散fd经由贯通电极14的配线73彼此电气连接。与此相比，实施例10具有以下构造，第二半导体基板72侧的浮动扩散fd被用作复位晶体管21的源极区域(扩散层32)。相应地，由于可以消除贯通电极14的配线73或避免接触，所以可以进一步提高形成像素10的元件布局的自由度。
实施例11
实施例11是实施例8的变形例。图14a示出了实施例11的固态成像装置的平面图，图14b示出了其侧断面图。
没有必要在所有区域中将贯通电极14和第一半导体基板71彼此完全绝缘。当贯通电极14和第一半导体基板71彼此部分未绝缘且彼此电气连接时，贯通电极14的电位可以在不使用贯通电极14的配线73的情况下被固定。
实施例11具有以下构造，放大晶体管22的漏极区域35和源极区域33在贯通电极14的圆周方向上并不对角地设置，而是例如，在圆弧上沿3点钟方向和6点钟方向)设置，并且贯通电极14和第一半导体基板71侧的浮动扩散fd在10点30分方向上彼此电气连接。这里，“3点钟方向”、“6点钟方向”和“10点30分的方向”除了精确地指示“3点钟方向”、“6点钟方向”和“10点30分的方向”的情况之外，允许存在大致指示6点钟方向和10点30分的方向的情况以及由设计或制造引起的各种变化。浮动扩散fd成为复位晶体管21的源极区域，并且与具有固定电位的漏极区域(扩散层31)和栅电极21g一起形成mos晶体管。
在具有上述构造的实施例11的固态成像装置中，当将复位晶体管21置于导通状态时，贯通电极14的电位被复位到漏极区域35的固定电位。以这种方式，当贯通电极14和第一半导体基板71彼此部分不绝缘且彼此电气连接时，贯通电极14的电位可以在不使用贯通电极14的配线73的情况下被固定。
实施例12
实施例12涉及具有高性能的晶体管操作和分离特性的固态成像装置。图15a示出了实施例12的固态成像装置的平面图，图15b示出了其侧断面图。这里，将以形成n型沟道晶体管的情况为例。然而，本发明不限于n型沟道晶体管的形成。
在贯通电极14中，处于其中心的电导体142包括在长度方向上的至少一层，并且该电导体142由至少一种类型的导电性材料形成。具体地，例如，电导体142包括第一电导体142a和与第一电导体142a相连续的第二电导体142b。第一电导体142a用作放大晶体管22的栅电极，并且第一电导体142a具有理想地设定放大晶体管22的驱动范围的功函数。第二电导体142b具有比第一电导体142a的直径更小的直径，并且由功函数比第一电导体142a的功函数更高的导电性材料形成。
在将电导体142和半导体基板11彼此分离开的绝缘膜141中，第一电导体142a周围的上绝缘膜141a和第二电导体142b周围的下绝缘膜141b的膜厚彼此不同。具体地，上绝缘膜141a比下绝缘膜141b薄，并且上绝缘膜141a由介电常数比下绝缘膜141b的介电常数更高的的材料(高介电常数膜)形成。
此外，在第二电导体142b下侧的大部分的周围，下绝缘膜141b由低介电常数绝缘膜形成，并且形成分离结构，该分离结构通过在第二电导体142b与半导体基板11之间介入空孔75而将第二电导体142b和半导体基板11彼此电气分离。换句话说，由于第二电导体142b具有比第一电导体142a的直径更小的直径，所以因此而获得的自由区域可用于分离。相应地，作为放大晶体管22的晶体管操作，可以获得有利的放大特性，并且可以在小面积内抑制半导体基板11与贯通电极14之间的耦合。因此，可以减小贯通电极14的电容。
为了抑制从损伤层的侧面产生混叠(aliasing)，有利的是将固定电荷施加到由低介电常数绝缘膜形成的下绝缘膜141b，以增强累积。可替代地，使施加到第一电导体142a周围的上绝缘膜141a的固定电荷量和施加到第二电导体142b周围的下绝缘膜141b的固定电荷量彼此不同。另外，在半导体基板11侧，当根据需要掺杂p型杂质时，可以增强抑制暗电流的效果。在图12b中，区域76是掺杂有p型杂质的累积掺杂区域。
从以上描述中可以获得以下作用和效果。
1.在放大晶体管22中，可以在变化电位的驱动范围内进行稳定且良好的放大操作。通过具有用于在驱动范围内进行操作的功函数的放大晶体管22的栅电极(第一电导体142a)、由高介电常数膜形成的上绝缘膜141a、沟道形状/浓度的控制以及晶体管的电容变化的抑制可以实现这种作用和效果。
2.除了放大晶体管22以外，可以抑制半导体基板11内的元件之间的耦合，抑制贯通电极14的电容，或者抑制暗电流的产生。通过贯通电极14的侧面与半导体基板11之间充分的分离(膜厚、低介电常数)、侧面的半导体区域中充分的累积掺杂、具有功函数的电导体、固定电荷的施加等可以实现这些。
这里，对半导体材料没有特别限制，但是可以将包括至少si、ge、ga、in或zn的半导体作为代表性材料来举例说明。作为另一构成元素，可以将al、p、s、cl、cu、as、se、cd、sn、sb等作为示例说明。
施加有固定电荷的由低介电常数绝缘膜形成的下绝缘膜141b没有特别限制，但是可以举例说明以下材料：氧化铪、氧化铝、氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化镧、氧化镨、氧化铈、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铥、氧化镱、氧化镥、氧化钇、氮化铝膜、铪氧氮化物膜和氧氮化铝。
将贯通电极14的侧面和半导体基板11彼此电气分离的分离结构没有特别限制，并且除了空孔75以外，该分离结构还可以通过多孔材料、teos、氧化硅膜、氮化硅膜、施加有固定电荷的低介电常数绝缘膜等来实现。
贯通电极14的电导体142的材料没有特别限制，可以将bdas硅、pdas硅、包括至少cu、al、ni、w、co、mo、ti或ts的材料等作为示例。
实施例13
实施例13是实施例12的变形例。图16a示出了实施例13的第一示例的固态成像装置的平面图，图16b示出了实施例12的第二示例的固态成像装置的平面图。
除了正圆之外，贯通电极14的形状可以是如图16a所示的椭圆。可替代地，可以采用如16b所示的诸如包括正方形的多边形等任意形状。此外，在半导体基板11的深度方向上，该形状可以在所有区域中相同或者可以在每个深度位置不同。当使用多边形作为用作放大晶体管22的栅电极的贯通电极14，并且在具有较高载流子迁移率的面方位方向上设计沟道长度时，可以实现晶体管特性的进一步改善。
实施例14
实施例14是实施例7至实施例12的变形例。图17a示出了实施例14的第一示例的固态成像装置的侧断面图，图17b示出了实施例14的第二示例的固态成像装置的侧断面图。
针对放大晶体管22的源极区域33和漏极区域35的布置，在实施例7至实施例9中，源极区域33和漏极区域35都设置在半导体基板11的表面附近。与此相比，实施例11具有以下构造，从控制放大晶体管22的沟道宽度或沟道长度的角度来看，如图17a所示，源极区域33、漏极区域35和沟道区域在深度方向上形成在半导体基板11的整个区域上(对应于实施例3)。可替代地，如图17b所示，实施例11具有以下构造，源极区域33、漏极区域35和沟道区域在半导体基板11的深度方向上的不同深度位置处形成。
实施例15
实施例15是实施例7至实施例12的变形例。图18a示出了实施例15的固态成像装置的平面图，图18b示出了实施例15的固态成像装置的侧断面图。
针对放大晶体管22的源极区域33和漏极区域35的布置，在实施例7至实施例9中，源极区域33和漏极区域35在贯通电极14的圆周方向上对角地设置，即，源极区域33和漏极区域35彼此相对布置，并且二者之间夹着贯通电极14。与此相比，如图18a和图18b所示，实施例12具有以下构造，源极区域33和漏极区域35在贯通电极14的圆周方向上不对角地设置。从放大晶体管22的沟道长度的角度来看，在贯通电极14的圆周方向上，源极区域33与漏极区域35之间的位置关系可以任意地设定。
实施例16
实施例16是实施例1至实施例12的变形例。图19a示出了实施例16的固态成像装置的平面图，图19b示出了实施例16的固态成像装置的侧断面图。
实施例1至实施例12中的每个实施例的放大晶体管22具有晶体管结构，其中，贯通电极14用作放大晶体管22的栅电极，圆周方向上的源极区域33与漏极区域35之间的侧表面沟道用作放大晶体管22的沟道。与此相比，实施例13具有以下构造，由电导体形成且设置在贯通电极14的顶部的帽电极81延伸到源极区域33、漏极区域35或沟道区域附近。
由于帽电极81延伸，放大晶体管22成为包括帽电极81、源极区域33和漏极区域35的前表面沟道晶体管。此外，可以使用源极区域33与漏极区域35之间的圆周方向上的侧表面沟道在半导体基板11的深度方向上形成沟道长度。
实施例17
实施例17涉及用作波长转换元件的固态成像装置。图20a示出了实施例17的固态成像装置的平面图，图20b示出了实施例17的固态成像装置的侧断面图。
实施例8具有以下构造，贯通电极14连接到第二半导体基板72侧的浮动扩散fd，第二半导体基板72与其上形成有贯通电极14的第一半导体基板71不同。然而，贯通电极14连接的目的地不一定是不同的第二半导体基板72，并且可以是配线、电导体或设置在第一半导体基板71的放大晶体管22的相反侧的不同类型的半导体。
实施例17具有以下构造，贯通电极14要连接的目的地是光电转换元件82，该光电转换元件82设置在与第一半导体基板71对应的半导体基板11的放大晶体管22的相反侧。例如，光电转换元件82包括两个透明电极821、822和夹在这两个透明电极821、822之间的光电转换膜823。在光电转换元件82中，进行与光电转换膜823的吸收波长对应的光电转换。应该注意，在半导体基板11中形成有发光元件83。发光元件83的输入端连接到放大晶体管22的输出端，并且发光元件83被放大晶体管22驱动发光。
在实施例17的固态成像装置中，随着通过光电转换元件82的光电转换所产生的载流子的存储，贯通电极14的电位会变化。由于贯通电极14的电位发生变化，所以半导体基板11的前表面侧的放大晶体管22的输出端子的电压发生变化。因此，通过放大晶体管22的输出端子的电压来驱动发光元件83发光。结果，在发光元件83中，发射具有与由光电转换膜823吸收的光量对应的光量的不同波长的光。
如上所述，实施例17的固态成像装置具有作为波长转换元件的功能，该波长转换元件接收光电转换元件82中的入射光，将入射光转换成具有与由光电转换膜823吸收的光量对应的光量的不同波长的光，并且发射所得到的光。
实施例18
实施例18是实施例17的变形例。图21a示出了实施例18的固态成像装置的平面图，图21b示出了实施例18的固态成像装置的侧断面图。
实施例18具有以下构造，在半导体基板11的区域中形成光电二极管pd1，而不是实施例14的发光元件83，并且跨过贯通电极14进一步形成复位晶体管21。换句话说，实施例18的半导体基板11的构造与实施例8的第一半导体基板71的构造相同。因此，实施例18也是实施例8的变形例。
以这种方式，实施例18的固态成像装置具有以下构造，在形成有光电二极管pd1的半导体基板11中，贯通电极14要连接的目的地是光电转换元件82。根据具有该结构的实施例18的固态成像装置，可以实现在垂直方向上分散光的固态成像装置。
实施例19
实施例19涉及实施例7的固态成像装置的制造方法。图22～25示出了根据实施例19的固态成像装置的制造方法的流程图。此外，实施例8至实施例18的固态成像装置也可以通过将下面描述的制造方法与已知的半导体装置的制造方法结合来制造。
首先，在图22a的工序中，通过蚀刻半导体基板11而形成作为贯通电极14的晶体管单元的沟槽91。接着，在图22b的工序中，在沟槽91中形成作为分离层的绝缘膜141，沟槽中嵌入有导电性材料，从而形成电导体142。此外，在电导体142的顶部形成帽电极81。
接着，在图22c的工序中，沟道单元被掩模93覆盖，在其上进行注入，并且形成放大晶体管22的源极区域33和漏极区域35。应该注意，源极区域33和漏极区域35可以在进行布线之前通过注入而形成，或者可以通过在沟槽91的侧面上以倾斜方向进行注入来形成，以便在形成沟槽91之后，仅对源极区域33和漏极区域35的侧面进行注入。此外，源极区域33和漏极区域35可以通过对高掺杂材料进行退火并且通过固相扩散进行掺杂来形成，高掺杂材料选择性地仅沉积在沟槽91的两个侧面上或者高掺杂材料通过选择性蚀刻而留下。沟道也可以通过与源极区域33和漏极区域35的形成方法相同的方法形成，其中，只有目标浓度不同。
接着，在图23a的工序中，在电导体142上形成触点和配线94，并且涂覆层间绝缘膜95等。接着，在图23b的工序中，将粘合材料面接合到支撑基板96，从与晶体管形成面相反的方向均匀地蚀刻半导体基板11，并且使基板的膜厚尽可能地薄。接着，在图24a的工序中，选择性地蚀刻半导体基板11的目标部分以露出电导体142。随后，在图24b的工序中，将分离层97嵌入到被选择性蚀刻的部分中。
接着，在图25a的工序中，进行选择性蚀刻并从在前一工序被嵌入的分离层97中再次露出电导体142。随后，在图25b的工序中，将电导体98嵌入以便进行电气连接。尽管省略了后续工序的说明，但是根据待制造的器件可沉积绝缘膜、粘合材料、电极材料等并将它们电气连接到期望的元件。
这里，省略除贯通电极14的主要处理和制造工序以外的工序。然而，在形成沟槽之前或之后，可以根据需要进行阱的掺杂或用于增强累积的掺杂、或杂质激活、用于缺陷恢复的退火工艺、氧化膜形成工艺等。
根据该制造方法，分别形成晶体管形成单元和从背面侧传输电压的部分。这使得易于单独形成良好构造的晶体管形成单元和除了晶体管单元以外的良好构造的其他构造的，如实施例7所示，并且可以获得高器件特性。
在上文，已经将固态成像装置作为半导体装置的示例对本发明的技术进行了描述。当将本发明的技术应用于固态成像装置时，贯通电极14也用作放大晶体管22的栅电极，并且可以获得使像素的平坦表面中的贯通电极14的比例能够减小的作用和效果。另外，在除了固态成像装置以外的半导体装置中，当贯通电极14也用作放大晶体管22的栅电极时，可以获得以下作用和效果，即能够使半导体基板11内诸如放大晶体管22等另一元件的被贯通电极14占据的面积最小化。
<本发明的电子设备>
上述实施例1至实施例5和实施例7至实施例19的固态成像装置可以用作所有电子设备的成像单元(图像拍摄单元)，所述所有电子设备包括诸如数码相机和摄像机等成像设备、诸如移动电话等具有成像功能的便携式终端设备、以及使用作为图像读取单元的固态成像装置的复印机。应该注意，在某些情况下，提供给电子设备等的上述模块类形式(即，相机模块)被认为是成像设备。
[成像设备]
图26是示出作为根据本发明的电子设备的示例的成像设备的构造的框图。如图26所示，根据该实施例的成像设备100包括：包括透镜组等的光学系统101、成像单元102、作为相机信号处理单元的dsp电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107、以及电源系统108。dsp电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108经由总线109相互连接。
光学系统101获取来自被摄体的入射光(图像光)，并在成像单元102的成像表面上形成图像。成像单元102将由光学系统101在成像表面上形成图像所用的入射光量逐个像素地转换为电信号，并把电信号作为像素信号输出。dsp电路103执行常规的相机信号处理，例如，白平衡处理、去马赛克处理和伽马校正处理。
帧存储器104用于在dsp电路103的信号处理过程中适当地存储数据。显示装置105包括诸如液晶显示装置或有机电致发光(el：electroluminescence)显示装置等的面板显示装置，并显示由成像单元102拍摄的运动图像或静止图像。记录装置106将由成像单元102拍摄的运动图像或静止图像记录在诸如便携式半导体存储器、光盘或硬盘驱动器(hdd：harddiskdrive)等的记录介质上。
操作系统107在用户的操作下对成像设备100的各种功能发出操作命令。电源系统108适当地将使dsp电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107运行的各种电力提供给这些供应目标。
在具有上述构造的成像设备100中，上述实施例1至实施例5或实施例7至实施例19中每个实施例的固态成像装置均能够用作成像单元102。
应该注意，本发明可以采取以下构造。
[1]一种半导体装置，其包括：
半导体元件，其设置在半导体基板的第一表面侧；
贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将在半导体元件中获得的电荷引入半导体基板的第二表面侧；以及
放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷输出电信号，放大晶体管将贯通电极用作栅电极，并在贯通电极周围包括源极区域和漏极区域。
[2]根据[1]所述的半导体装置，其中
贯通电极包括
电导体，其被设置成贯通半导体基板，以及
分离层，其将电导体和半导体基板彼此电气分离。
[3]根据[2]所述的半导体装置，其中
分离层由绝缘膜形成，该绝缘膜覆盖电导体的侧壁。
[4]根据[2]或[3]所述的半导体装置，其中
绝缘膜的膜厚根据半导体基板在深度方向上的位置而不同。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的半导体装置，其中
放大晶体管的源极区域和漏极区域均由扩散层形成，扩散层存在于绝缘膜附近，并且在深度方向上的半导体基板的一部分区域或整个区域上形成。
[6]根据[1]所述的半导体装置，进一步包括：
平面晶体管，其形成在半导体基板的平坦表面上，其中
平面晶体管的栅极氧化膜的膜厚和放大晶体管的栅极氧化膜的膜厚不同。
[7]根据[1]所述的半导体装置，进一步包括：
平面晶体管，其形成在半导体基板的平坦表面上，其中
平面晶体管的栅极氧化膜的构成材料和放大晶体管的栅极氧化膜的构成材料不同。
[8]根据[1]所述的半导体装置，进一步包括：
帽电极，其由电导体形成并且设置在贯通电极的顶部，帽电极被设置成延伸到放大晶体管的源极区域、漏极区域或沟道区域附近。
[9]根据[1]所述的半导体装置，其中
电导体包括在长度方向上的至少一层，并由至少一种类型的电导体材料形成。
[10]根据[9]所述的半导体装置，其中
电导体包括第一电导体和第二电导体，第一电导体用作放大晶体管的栅电极，第二电导体与第一电导体相连续。
[11]根据[10]所述的半导体装置，其中
第一电导体具有用于按期望设定放大晶体管的工作范围的功函数。
[12]根据[11]所述的半导体装置，其中
将第一电导体和半导体基板彼此分离开的绝缘膜比将第二电导体和半导体基板彼此分离开的绝缘膜薄，并且将第一电导体和半导体基板彼此分离开的绝缘膜由具有比将第二电导体和半导体基板彼此分离开的绝缘膜的材料高的介电常数的材料形成。
[13]根据[10]～[12]中任一项所述的半导体装置，其中
第二电导体具有比第一电导体的直径小的直径，并由导电性材料形成。
[14]根据[10]～[12]中任一项所述的半导体装置，其中
第一电导体周围的绝缘膜的膜厚和第二电导体周围的绝缘膜的膜厚不同。
[15]根据[14]所述的半导体装置，其中
第二电导体周围的绝缘膜由低介电常数绝缘膜形成。
[16]根据[15]所述的半导体装置，其中
第二电导体周围的绝缘膜与介于第二电导体与绝缘膜之间的空孔一起形成分离结构，分离结构将第二电导体和半导体基板彼此电气分离。
[17]根据[16]所述的半导体装置，其中
施加到第一电导体周围的绝缘膜的固定电荷量与施加到第二电导体周围的绝缘膜的固定电荷量彼此不同。
[18]半导体装置的制造方法，半导体装置包括
半导体元件，其设置在半导体基板的第一表面侧，
贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将半导体元件中获得的电荷引入到半导体基板的第二表面侧，以及
放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷输出电信号，所述方法包括：
将贯通电极用作放大晶体管的栅电极；并且
在贯通电极周围形成放大晶体管的源极区域和漏极区域。
[19]一种固态成像装置，其包括：
光电转换元件，其设置在半导体基板的第一表面侧；
贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板设置，并将通过光电转换元件的光电转换而获得的电荷引入到半导体基板的第二表面侧；以及
放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷输出电信号，放大晶体管将贯通电极用作栅电极并在贯通电极周围包括源极区域和漏极区域。
[20]一种电子设备，其包括
固态成像装置，其包括
光电转换元件，其设置在半导体基板的第一表面侧，
贯通电极，其被设置成沿着半导体基板的厚度方向贯通半导体基板，并将通过光电转换元件的光电转换而获得的电荷引入到半导体基板的第二表面侧，以及
放大晶体管，其基于由贯通电极引入的电荷输出电信号，放大晶体管将贯通电极用作栅电极并在贯通电极周围包括源极区域和漏极区域。
附图标记列表
10像素(单位像素)
11、17半导体基板
12层间绝缘膜
13、82光电转换元件
14贯通电极
15栅极氧化膜(绝缘膜)
16配线层
21复位晶体管
22放大晶体管
23选择晶体管
31～35扩散层
41复位控制线
42选择控制线
43垂直信号线
71第一半导体基板
72第二半导体基板
74读取晶体管
81帽电极
83发光元件
131、132、821、822透明电极
133、823光电转换膜
141绝缘膜(栅极氧化物膜)
142电导体