固态图像传感器、其制造方法和电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本技术涉及一种固态图像传感器、其制造方法和电子设备，尤其是一种对在制造过程中的未对准具有容忍性并且光电转换的转换效率高的固态图像传感器、其制造方法和电子设备。
【背景技术】
[0002]在使用半导体(Si)的固态图像传感器(图像传感器)中，利用半导体的p-n结的光电二极管(PD)被称作将接收的光转换成电信号的光电转换元件。利用光电二极管的元件安装在多种电子设备中，如数码相机、摄相机、监视相机、复印机和传真机。
[0003]近年来，通过包括外围电路的互补金属氧化物半导体(CMOS)过程制造的所谓的CMOS固态图像传感器频繁地用作固态图像传感器。
[0004]在这种CMOS固态图像传感器中，读出在每个像素或每行光电二极管中累积的电荷，因此在累积光电荷过程的时间之间发生差异，从而造成当被写体移动时在成像的被写体上产生的失真。为防止被写体的失真，用于在全部像素中同时执行曝光的全局快门功能是必要的。
[0005]作为构成全局快门的手段，存在提供机械快门的机械快门方式。这种方式是其中入射到固态图像传感器的光通过机械快门打开和关闭而在全部像素中同时执行曝光的方式。在光电二极管中累积的电荷按与过去的CMOS固态图像传感器相同的方式顺次读出。
[0006]然而，在机械快门方式中，机械快门是必要的，因此小型化困难，并且机械驱动限制了快门速度。
[0007]因此，为克服机械快门方式的缺点，报道了电气式全局快门方式(例如，专利文献I?3)。在电气式全局快门方式中，在光电二极管中累积的电荷对于全部像素同时和瞬时地传输到电荷累积部，并且在电荷累积部中的累积电荷通过顺次扫描每行而读出。
[0008]这里，电荷累积部需要被遮光，以防止在顺次读出累积电荷期间由于光电转换引起的噪音。因此，在全部像素区域中的光电二极管面积由于遮光区域而制成很小。此外，电荷累积部和像素电路单元靠近半导体基板的表面侧配置，存在光电二极管的开口率低的问题。
[0009]为克服该缺点，例如，专利文献4提出了一种使用电气式全局快门方式并且利用背面接收光而使得入射到光电二极管的光量不被遮光膜减少的器件。此外，在专利文献4中，通过在靠近背面侧的位置形成兼用作光电转换膜的遮光膜，可防止光入射到电荷累积部，从而防止噪音的发生。
[0010]然而，在专利文献4公开的技术中，光电二极管配置在半导体基板的背面侧的顶层面(表面)，因此难于确保光电二极管面积。
[0011]因此，例如，专利文献5和6报道了一种通过使光从半导体基板的背面侧入射并且在半导体中埋入光电二极管而使光电二极管面积最大化的技术。
[0012]引用文献列表
[0013]专利文献
[0014]专利文献1:JP 2007-503722T
[0015]专利文献2:JP 2006-311515A
[0016]专利文献3:JP 2009-268083A
[0017]专利文献4:JP 2012-004443A
[0018]专利文献5:JP 2OO5-223O^A
[0019]专利文献6:JP 2Ol2-1M97IA
【发明内容】
[0020]技术问题
[0021]图1示出专利文献5中记载的CMOS固态图像传感器的像素结构。
[0022]图1所示的CMOS固态图像传感器的像素I形成为使得光电二极管3埋入在p-型半导体基板2的基板中。光电二极管3包括在半导体基板2的正面侧的高杂质浓度的P-型半导体区域(p+区域)11和η-型半导体区域12，η-型半导体区域12由与ρ-型半导体区域11接触的高浓度杂质区域(η+区域)12Α和在朝向半导体基板2的背面侧的深度方向上形成的低杂质浓度区域(η区域)12Β构成。
[0023]然后，在半导体基板2的正面侧，用于将电荷传输到作为浮动扩散区域(FD)的η+区域4的传输晶体管的栅电极5在从基板表面到光电二极管3的深度方向上埋入。栅电极5的外周由栅绝缘膜6覆盖，如二氧化硅膜。
[0024]此外，例如，像素隔离区域8和复位晶体管的栅电极9在半导体基板2的正面侧形成。
[0025]光电二极管3的ρ+区域11形成为最大化在光电二极管3中累积的电荷容量，并且杂质浓度比P+区域11更低的P-型半导体区域(P-区域)13在栅电极5附近形成。
[0026]在这种像素结构中，在光电二极管3中累积的电荷在栅电极5周围流动，并且当高杂质浓度的P+区域11过于靠近栅电极5时产生电势壁皇，从而在电荷传输中造成麻烦。因此，这种像素结构在光电二极管3的高杂质浓度的ρ+区域11和栅电极5之间易于未对准，因此必须稀释高杂质浓度的P+区域11的浓度，或者充分远离栅电极5而重新配置ρ+区域Ilo然而，这使得光电二极管3的饱和电荷量更小。
[0027]因此，图2示出专利文献6中公开的对光电二极管3的高杂质浓度的ρ+区域11和栅电极5之间的未对准具有容忍性的像素结构。
[0028]图2Α示出像素I的截面图，图2Β示出像素I的平面图。
[0029]在这种像素结构中，如图2Β中所示，从深度方向观看，栅电极5形成为方形，并且η+区域4形成作为栅电极5内侧的浮动扩散区域(H))。由此，在光电二极管3中累积的电荷在方形的栅电极5的内侧流动，这样对光电二极管3的高杂质浓度的ρ+区域11和栅电极5之间的未对准具有容忍性。
[0030]然而，由于作为浮动扩散区域(FD)的η+区域4被栅电极5包围，因此浮动扩散区域和栅电极5之间的容量变大，从而使得用于将在浮动扩散区域中累积的电荷转换成输出电压的转换效率劣化。
[0031]本技术有鉴于上述形势完成，提供一种对在制造过程中的未对准具有容忍性并且光电转换的转换效率高的固态图像传感器。
[0032]解决问题的方案
[0033]根据本技术第一实施方案的固态图像传感器包括:在半导体基板中埋入形成的光电转换单元；保持由所述光电转换单元生成的电荷的杂质区域；和将所述电荷传输到所述杂质区域的传输晶体管。所述传输晶体管的栅电极从其上形成所述杂质区域的半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上形成。所述传输晶体管的通道部从所述深度方向观看在所述杂质区域的方向之外的两个以上方向上被所述栅电极包围。
[0034]根据本技术第一实施方案的固态图像传感器的制造方法包括以下步骤:通过在半导体基板中埋入形成光电转换单元；从所述半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上形成传输由所述光电转换单元生成的电荷的传输晶体管的栅电极；和在所述半导体基板的表面上形成保持由所述传输晶体管传输的电荷的杂质区域。所述传输晶体管的通道部从所述深度方向观看在所述杂质区域的方向之外的两个以上方向上被所述栅电极包围。
[0035]根据本技术第一实施方案的电子设备包括:固态图像传感器，它包括在半导体基板中埋入形成的光电转换单元，保持由所述光电转换单元生成的电荷的杂质区域和将所述电荷传输到所述杂质区域的传输晶体管。所述传输晶体管的栅电极从其上形成所述杂质区域的半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上形成。所述传输晶体管的通道部从所述深度方向观看在所述杂质区域的方向之外的两个以上方向上被所述栅电极包围。
[0036]根据本技术第一实施方案，光电转换单元在半导体基板中埋入形成，传输由所述光电转换单元生成的电荷的传输晶体管的栅电极从所述半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上形成，并且保持由所述传输晶体管传输的电荷的杂质区域在所述半导体基板的表面上形成。所述传输晶体管的通道部从所述深度方向观看在所述杂质区域的方向之外的两个以上方向上被所述栅电极包围。
[0037]根据本技术第二实施方案的固态图像传感器包括:在半导体基板中埋入形成的光电转换单元；保持由所述光电转换单元生成的电荷的存储单元；将所述电荷传输到所述存储单元的传输晶体管；和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极经由绝缘膜或者杂质浓度高于形成电流路径的通道部的杂质区域在所述半导体基板的深度方向上平行地彼此邻近。
[0038]根据本技术第二实施方案的固态图像传感器的制造方法包括以下步骤:通过在半导体基板中埋入形成光电转换单元；从所述半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上，平行地形成将由所述光电转换单元生成的电荷传输到存储单元的传输晶体管的栅电极和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管的栅电极；和在所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极之间形成绝缘膜或者杂质浓度高于形成电流路径的通道部的杂质区域。
[0039]根据本技术第二实施方案的电子设备包括:固态图像传感器，它包括在半导体基板中埋入形成的光电转换单元，保持由所述光电转换单元生成的电荷的存储单元，将所述电荷传输到所述存储单元的传输晶体管和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极经由绝缘膜或者杂质浓度高于形成电流路径的通道部的杂质区域在所述半导体基板的深度方向上平行地彼此邻近。
[0040]根据本技术第二实施方案，光电转换单元在半导体基板中埋入形成，将由所述光电转换单元生成的电荷传输到存储单元的传输晶体管的栅电极和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管的栅电极从所述半导体基板的表面在朝向所述光电转换单元的深度方向上平行地形成，并且绝缘膜或者杂质浓度高于形成电流路径的通道部的杂质区域在所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极之间形成。
[0041]根据本技术第三实施方案的固态图像传感器包括:在半导体基板中埋入形成的光电转换单元；保持由所述光电转换单元生成的电荷的存储单元；将所述电荷传输到所述存储单元的传输晶体管；和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极的靠近所述光电转换单元的端部在所述光电转换单元的形成面内的邻近位置配置。随着距离所述半导体基板的表面的深度变浅，所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极逐渐彼此远离。
[0042]根据本技术第三实施方案的固态图像传感器的制造方法包括以下步骤:通过在半导体基板中埋入形成光电转换单元；和从所述半导体基板的表面在朝向所述半导体基板中的光电转换单元的深度方向上，形成将由所述光电转换单元生成的电荷传输到存储单元的传输晶体管的栅电极和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管的栅电极。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极的靠近所述光电转换单元的端部在所述光电转换单元的形成面内的邻近位置配置。随着距离所述半导体基板的表面的深度变浅，所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极逐渐彼此远离。
[0043]根据本技术第三实施方案的电子设备包括:固态图像传感器，它包括在半导体基板中埋入形成的光电转换单元，保持由所述光电转换单元生成的电荷的存储单元，将所述电荷传输到所述存储单元的传输晶体管和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极的靠近所述光电转换单元的端部在所述光电转换单元的形成面内的邻近位置配置。随着距离所述半导体基板的表面的深度变浅，所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极逐渐彼此远离。
[0044]根据本技术第三实施方案，光电转换单元在半导体基板中埋入形成，并且将由所述光电转换单元生成的电荷传输到存储单元的传输晶体管的栅电极和排出由所述光电转换单元生成的不需要的电荷的放电晶体管的栅电极从所述半导体基板的表面在朝向所述光电转换单元的深度方向上形成。所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极的靠近所述光电转换单元的端部在所述光电转换单元的形成面内的邻近位置配置。随着距离所述半导体基板的表面的深度变浅，所述传输晶体管的栅电极和所述放电晶体管的栅电极逐渐彼此远离。
[0045]固态图像传感器和电子设备可以是独立的器件，或者可以是组入在另一个器件中的模块。
[0046]有益效果
[0047]根据本技术的第一至第三方面，提供了一种对在制造过程中的未对准具有容忍性并且光电转换的转换效率高的固态图像传感器。
【附图说明】
[0048]图1是示出CMOS固态图像传感器现有的像素结构的图。
[0049]图2是示出CMOS固态图像传感器现有的像素结构的图。
[0050]图3是示出本技术适用的固态图像传感器示例性的构成的方块图。
[0051]图4是示出像素的第一构成的等效电路的图。
[0052]图5是示出第一构成的像素的结构的截面图。
[0053]图6是示出第一构成的像素的结构的平面图。
[0054]图7是示出栅电极形状的变形例的图。
[0055]图8是示出像素的第二构成的等效电路的图。
[0056]图9是示出第二构成的像素的结构的截面图。
[0057]图10是示出第二构成的像素的结构的平面图。
[0058]图11是示出第三构成的像素的结构的截面图。
[0059]图12是示出第三构成的像素的结构的平面图。
[0060]图13是示出第四构成的像