固态摄像器件和电子装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请包含于2013年5月16日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2013-104000的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及包括例如在半导体基板中的光电二极管的固态摄像器件，还涉及所述固态摄像器件的制造方法以及含有所述固态摄像器件的电子装置。

背景技术：

诸如COMS(互补金属氧化物半导体)图像传感器等的固态摄像器件是由类似于CMOS集成电路的工艺制造的。这种固态摄像器件包括其中二维地排列有多个像素的像素阵列部。另外，通过在采用上述工艺的同时使用小型化技术，这种固态摄像器件能够容易地形成对于每个像素具有放大功能的有源结构。另外，这种固态摄像器件的优点在于：包括诸如用于驱动像素阵列部的驱动电路以及用于对来自每个像素的输出信号进行处理的信号处理电路等电路的周边电路部集成在与形成有像素的芯片(基板)相同的芯片(基板)上。因此，CMOS图像传感器已经获得了越来越多的关注，并且已经对CMOS图像传感器进行了许多研究和开发。

近年来，针对这种CMOS图像传感器，已经提出了一种固态摄像器件，其中，在一个像素中，三个光电二极管沿垂直方向层叠设置，这三个光电二极管用于分别对具有R、G和B各自波长的光进行光电转换(例如，专利文献1)。另外，已经提出了其中两个光电二极管在一个像素中层叠设置的结构(例如，专利文献2)。在这些固态摄像器件中，多个光电二极管层叠设置在半导体基板中，并因此，例如，使用所谓的垂直晶体管从部分光电二极管中读取信号电荷。此外，已经提出了这样的技术：其中，光电二极管靠近垂直晶体管(在垂直晶体管的侧面侧)层叠设置并且从垂直晶体管的侧面进行电荷传输以在垂直晶体管的底部形成所谓的溢流路径(例如，专利文献3)。

[引用列表]

[专利文献]

专利文献1：JP2009-295937A

专利文献2：JP2010-114273A

专利文献3：JP2012-199489A

技术实现要素：

技术问题

如上所述的那些在固态摄像器件中使用的垂直晶体管具有这样的栅极电极：所述栅极电极的一部分可能嵌入于例如半导体基板中。期望抑制在这种垂直晶体管的栅极电极与光电二极管之间的传输的缺陷，并且提高良品率。

期望提供能够抑制垂直晶体管中的传输缺陷并且提高良品率的固态摄像器件、制造固态摄像器件的方法以及电子装置。

技术方案

根据本发明的说明性实施方式的固态摄像器件包括：半导体基板；光电二极管，其形成在所述半导体基板中；晶体管，其具有部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极，所述晶体管被构造成经由所述栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷；以及电荷传输层，其设置在所述栅极电极与所述光电二极管之间。

根据本发明的说明性实施方式的固态摄像器件的制造方法包括：形成具有栅极电极的晶体管，所述栅极电极的部分或全部嵌入半导体基板中，所述半导体基板含有光电二极管，所述晶体管被构造成经由所述栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷；并且在所述栅极电极与所述光电二极管之间形成电荷传输层。

根据本发明的说明性实施方式的电子装置包括固态摄像器件，该固态摄像器件包括：半导体基板；光电二极管，其形成在所述半导体基板中；晶体管，其具有部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极，所述晶体管被构造成经由所述栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷；以及电荷传输层，其设置在所述栅极电极与所述光电二极管之间。

本发明的上述实施方式的固态摄像器件和电子装置均包括形成在半导体基板中的光电二极管以及晶体管，所述晶体管被构造成经由部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷。在所述光电二极管与所述栅极电极之间包括有电荷传输层，这抑制了由所述栅极电极的底面在深度方向上的位置差异而造成的信号电荷的传输的缺陷。

在根据本发明的上述实施方式的固态摄像器件的制造方法中，在半导体基板中形成光电二极管，然后，形成被构造成经由部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷的晶体管。在所述栅极电极与所述光电二极管之间形成电荷传输层，这抑制了由所述栅极电极的底面在深度方向上的位置差异而造成的信号电荷的传输的缺陷。

有益效果

根据本发明的上述实施方式的固态摄像器件和电子装置，包括：形成于半导体基板中的光电二极管，以及被构造成经由部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷的晶体管。通过包含有位于所述光电二极管与所述栅极电极之间的电荷传输层，抑制了由所述栅极电极的底面在深度方向上的位置差异而造成的信号电荷的传输的缺陷。因此，能够抑制由垂直晶体管进行的传输的缺陷，并且提高良品率。

根据本发明的上述实施方式的制造固态摄像器件的方法，在半导体基板中形成光电二极管，并且随后形成被构造成经由部分或全部嵌入所述半导体基板中的栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷的晶体管。通过在所述栅极电极与所述光电二极管之间形成电荷传输层，抑制了由所述栅极电极的底面在深度方向上的位置差异而造成的信号电荷的传输的缺陷。因此，能够抑制由垂直晶体管进行的传输的缺陷，并且提高良品率。

应当理解，前述一般性说明和下面的详细说明均是示例性的，并且旨在提供所请求保护的技术的进一步解释。

附图说明

图1为示出了根据本发明的说明性第一实施方式的固态摄像器件的概要构造的横截面示意图。

图2A为用于解释图1示出的固态摄像器件的说明性制造方法的横截面示意图。

图2B为示出了图2A示出的说明性工序之后的工序的横截面示意图。

图2C为示出了图2B示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图2D为示出了图2C示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图2E为示出了图2D示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图3A为示出了在未形成电荷传输层的情况下栅极电极与光电二极管的说明性连接构造的横截面示意图。

图3B为用于解释由栅极电极的底面位置在深度方向上的差异而造成的连接中的说明性缺陷的横截面示意图(在栅极电极的位置浅的情况下)。

图3C为用于解释由栅极电极的底面位置在深度方向上的差异而造成的连接中的说明性缺陷的横截面示意图(在栅极电极的位置深的情况下)。

图4A为示出了在图1示出的固态摄像器件中的栅极电极的说明性连接构造的横截面示意图(在栅极电极的位置浅的情况下)。

图4B为示出了在图1示出的固态摄像器件中的栅极电极的说明性连接构造的横截面示意图(在栅极电极的位置深的情况下)。

图5为示出了垂直晶体管的说明性示例的横截面示意图。

图6为示出了垂直晶体管的说明性示例的横截面示意图。

图7为示出了根据本发明的说明性第二实施方式的固态摄像器件的概要构造的横截面示意图。

图8A为用于解释图7示出的固态摄像器件的说明性制造方法的横截面示意图。

图8B为示出了图8A示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图8C为示出了图8B示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图9A为示出了图8C示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图9B为示出了图9A示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图10A为示出了图7中示出的固态摄像器件中的栅极电极的说明性连接构造的横截面示意图(在栅极电极的位置浅的情况下)。

图10B为示出了图7中示出的固态摄像器件中的栅极电极的说明性连接构造的横截面示意图(在栅极电极的位置深的情况下)。

图11出了根据本发明的说明性第三实施方式的固态摄像器件的概要构造的横截面示意图。

图12A为用于解释图11示出的固态摄像器件的说明性制造方法的横截面示意图。

图12B为示出了图12A示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图12C为示出了图12B示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图12D为示出了图12C示出的工序之后的说明性工序的横截面示意图。

图12E为示出了图12D示出的工序之后的说明性方法的横截面示意图。

图13为示出了图11中示出的固态摄像器件中的栅极电极的说明性连接构造的横截面示意图(在栅极电极的位置浅的情况下)。

图14为示出了图1示出的固态摄像器件的说明性一般构造的功能框图。

图15为示出了根据应用示例1的摄像设备的说明性构造的功能框图。

图16为示出了根据应用示例2-1的胶囊型内窥摄像机的说明性构造的功能框图。

图17为示出了根据应用示例2-2的插入型内窥摄像机的说明性构造的功能框图。

图18为示出了根据应用示例3的视觉芯片的说明性构造的功能框图。

图19为示出了根据应用示例4的生物传感器的说明性构造的功能框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的一些说明性实施方式进行详细说明。应当注意，将按照以下顺序进行说明。

1、第一实施方式(包含与半导体基板中的凹部的底面相邻的电荷传输层的固态摄像器件的示例)

2、第二实施方式(包含半导体基板中的凹部的底面与电荷传输层之间的暗电流抑制层的固态摄像器件的示例)

3、第三实施方式(在半导体基板中的凹部形成之前形成电荷传输层的固态摄像器件的示例)

4、固态摄像器件的一般构造示例

5、应用示例1至4(电子装置的示例)

1、第一实施方式

构造

图1示意性地示出了本发明的第一实施方式的固态摄像器件的横截面构造。图1示出了与下面将进行说明的像素部(图14示出的像素部1a)中的一个像素相对应的区域。在该固态摄像器件中，一个或多个光电二极管(在本示例中，两个光电二极管11A(PD1)和11B(PD2))层叠设置在可以由诸如n型硅(Si)等材料制成的半导体基板21中。半导体基板21的一个面用作电路形成面S1。未示出的多层配线层形成在电路形成面S1上。在本实施方式中，半导体基板21的与电路形成面S1相对的面用作光接收面S2，并且本实施方式具有所谓的背面照明型的器件结构。诸如未示出的片上透镜等部件设置在光接收面S2上。

例如，光电二极管11A和11B可以在形成于n型半导体基板21中的p型半导体区域中形成。例如，光电二极管11A和11B可以包括对具有彼此不同的波长的光进行光电转换的光电转换层。例如，光电二极管11A可以包括选择性地吸收红色(R)光的光电转换层，并且光电二极管11B可以包括选择性地吸收蓝色(B)光的光电转换层。这些光电二极管11A和11B分别可以包括例如n型或p型半导体层作为用于累积信号电荷的光电转换层。在本示例中，作为示例，光电二极管11A和11B分别包括累积电子作为信号电荷的n型半导体层。然而，光电二极管11A和11B分别可以包括p型半导体层，并且例如可以具有层叠设置p型和n型半导体层以形成p-n结、p-n-p结等结构。本发明中的“第一导电类型”和“第二导电类型”可以指例如p型和n型的组合或n型和p型的组合。但是，在本实施方式中，将参考其中“第一导电类型”为“n型”且“第二导电类型”为“p型”的示例进行说明。

光电二极管11A和11B分别连接至用于传输信号电荷的晶体管。在光电二极管11A和11B之中，例如，形成在半导体基板21中较深位置处(在远离半导体基板21的电路形成面S1的位置处)的光电二极管(在本示例中，光电二极管11B)连接至垂直晶体管10。

垂直晶体管10为电荷传输晶体管，并且包括栅极电极14，其中栅极电极14的至少一部分或全部嵌入于半导体基板21中。具体地，半导体基板21包括凹部H，并且栅极电极14以嵌入方式形成在在该凹部H中并且在栅极电极14与凹部H之间设置有栅极绝缘膜34。未示出的其它像素晶体管(诸如放大晶体管、复位晶体管以及选择晶体管)形成在电路形成面S1上。例如，在垂直晶体管10中，光电二极管11B可以用作源极，FD 12例如可以用作漏极，并且在栅极绝缘膜34下方的区域中可以形成有未示出的通道(有源层)。

例如，栅极电极14可以由诸如掺杂有高浓度的n型或p型杂质的多晶硅等导电材料构成。栅极电极14连接至形成在电路形成面S1上的配线层(未示出)。例如，栅极绝缘膜34可以由诸如硅氧化物膜等绝缘膜材料构成。

凹部H是通过在半导体基板21的深度方向(垂直方向、厚度方向)上在半导体基板21的一部分进行挖掘而形成的。凹部H构成了具有诸如菱柱形状或圆柱形状等形状的凹槽。例如，凹部H被设置为使得凹部H的底面Sb面对着光电二极管11B的一部分。凹部H的底面Sb可以与光电二极管11B接触，或可以位于光电二极管11B中。可替代地，凹部H的底面Sb可以远离光电二极管11B。在本示例中，作为示例示出了凹部H的底面Sb与光电二极管11B相距预定距离的情况。在凹部H的底面Sb处，栅极电极14经由电荷传输层13连接至光电二极管11B。

电荷传输层13形成在栅极电极14和光电二极管11B之间，并且构成信号电荷从光电二极管11B到栅极电极14和FD 12的传输路径的一部分。电荷传输层13可以是杂质扩散层，该杂质扩散层例如可以具有与半导体基板21中的例如光电二极管11B中的光电转换层相同的导电性。换言之，电荷传输层13可以是n型杂质扩散层。因此，电荷传输层13用作信号电荷的传输路径，并且也用作光电转换层。例如，电荷传输层13可以具有大约50nm至2000nm的厚度t。电荷传输层13的部分或全部连接至光电二极管11B中的光电转换层(n型半导体层)。

在本说明性实施方式中，电荷传输层13与凹部H的底面Sb相邻。通过在形成凹部H之后利用自对准相对于底面Sb进行离子植入来形成电荷传输层13，下面将进行详细说明。

制造方法

例如，可以如下地制造图1示出的固态摄像器件的器件结构。具体地，如图2A所示，例如，在形成有光电二极管11A和11B等的半导体基板21上通过注入CVD法等方法可以形成由诸如氮化硅(SiN)等材料制成的掩模120。通过利用掩模120的干法蚀刻或湿法蚀刻，在半导体基板21中形成凹部H。此时，不特别限制凹部H的底面Sb的位置d0(参考位置，将作为设计中心的位置)。位置d0可以设定成与光电二极管11B的表面的位置一致或者偏离于光电二极管11B的表面的位置。这样设定的一个原因是：如下文将说明的那样，电荷传输层13提高了凹部H的底面Sb的在深度方向上的位置的自由度。例如，考虑到凹部H被形成得较深的情况(稍后将进行说明)，与在本说明性实施方式中一样，位置d0可以设定在与光电二极管11B的表面F1相比较浅的区域中(在更靠近电路形成面S1的区域中)。在形成凹部H之前，例如，半导体基板21中的凹部形成区域可以利用抗蚀剂掩模而掺杂有p型杂质，并由此提前形成p型区域(未示出)。因此，垂直晶体管10具有如下构造：其中，凹部H的侧面(栅极电极14的侧面)覆盖有p型区域。

随后，如图2B所示，例如通过针对凹部H的底面Sb的离子植入，可以注入具有与光电二极管11B的导电性相同的导电性(在本示例中，n型)的杂质D。此后，如图2C所示，将掩模120从半导体基板21去除。因此，利用自对准形成了与半导体基板21中的凹部H的底面Sb相邻的例如n-型半导体区域的电荷传输层13。电荷传输层13的厚度t可以通过适当地设定诸如离子植入的剂量或注入能量等各种条件来进行调节。

随后，如图2D所示，可以例如通过热氧化硅氧化物膜将由上述材料制成的栅极绝缘膜34形成为覆盖凹部H的底面Sb和侧面。然而，这不是限制性的，并且可以使用诸如CVD法和溅射法等其它方法。

随后，如图2E所示，形成由上述材料等制成的栅极电极14。具体地，可以通过诸如LP-CVD(低压化学气相沉积)法等方法在半导体基板21上形成多晶硅膜以使所述多晶硅膜填充凹部H。在所述多晶硅膜的形成期间，所述多晶硅膜可以例如掺杂有高浓度的p型或n型杂质。此后，例如通过使用光刻法进行蚀刻，可以以预定的形状对掺杂有杂质的多晶硅膜进行图案化，并且由此形成栅极电极14。以此方式，形成了垂直晶体管10。

在将配线层形成在半导体基板21的电路形成面S1上之后，半导体基板21被研磨至具有有利的和/或改良的厚度，并且由此形成了光接收面S2。诸如片上透镜等部件可以按照需要形成在光接收面S2上。因此，完成了图1所示的固态摄像器件。

功能和效果

在本实施方式的固态摄像器件中，当光L进入光接收面S2时，光L中具有选择的波长的光(例如，蓝色光)被光电二极管11B吸收，并且经受光电转换。穿过光电二极管11B的光中的具有选择的波长的光(例如，红色光)被光电二极管11A吸收，并且经受光电转换。由光电转换产生的信号电荷(例如，电子)在预定时刻被传输至例如光电二极管11A和11B中各者的FD(浮动扩散部)。被传输的信号电荷被读出至下文将进行说明的信号线(垂直信号线Lsig)。在这些信号电荷之中，在光电二极管11B中产生的信号电荷经由垂直晶体管10的栅极电极14被传输至FD 12。

以这样的示例性方式，在多个光电二极管11A和11B层叠设置在半导体基板21中的器件结构中，使用垂直晶体管10从布置在较深位置处(在远离电路形成面S1的位置处)的光电二极管11B中读取信号电荷。例如，如图3A所示，通过在垂直晶体管10的底部(凹部H的底面Sb)将栅极电极14连接至光电二极管11B，信号电荷从光电二极管11B经由栅极电极14向FD 12传输。

然而，在这种垂直晶体管10中，栅极电极14的底面位置在深度方向上存在差异(凹部H的底面的位置的差异)，并且这些差异容易导致传输缺陷。具体地，如图3A所示，在制造过程中，即使在将凹部H的底面Sb的位置d₁₀₀(参考位置、设计中心的位置)被设定成恰好与光电二极管11B接触时，在一些情况下，凹部H可能被形成在更浅的位置处(图3B)或更深的位置处(图3C)。如图3B所示，当凹部H被形成在比位置d₁₀₀浅的位置处时(当底面Sb在位置d₁₀₁处时)，光电二极管11B距离垂直晶体管10更远。因此，在传输路径中造成了所谓的势垒，并且导致了传输电荷中的缺陷。另一方面，如图3C所示，当凹部H被形在比位置d₁₀₀深的位置处时(当底面Sb在位置d₁₀₂处时)，光电二极管11B和垂直晶体管10的接触部过大。因此，造成所谓的电势骤降(potential dip)，并且导致传输缺陷。

在本说明性实施方式中，在这种垂直晶体管10(栅极电极14)与光电二极管11B之间设置有电荷传输层13。并且在各种实施方式中，电荷传输层13可以设置成与这种垂直晶体管10(栅极电极14)和光电二极管11B接触。因此，如本文所述，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置的差异而造成的传输缺陷。具体地，如图4A所示，即使当凹部H形成在比位置d0浅的位置处时(当底面Sb在位置d1处时)，光电二极管11B经由电荷传输层13连接至垂直晶体管10。因此，抑制了在传输信号电荷过程中的缺陷。另一方面，如图4B所示，即使当凹部H形成在比位置d0深的位置处时(当底面Sb在位置d2处时)，也抑制了因上述电势骤降造成的在传输信号电荷过程中的缺陷。例如，当凹部H形成在较深位置处时，例如通过提前把将要作为凹部H的底面Sb的参照的位置d0设定在较浅的位置处，能够抑制传输的缺陷。

如上所述，本说明性实施方式包括垂直晶体管10以及形成在半导体基板21中的光电二极管11A和11B，垂直晶体管10具有部分或全部嵌入于半导体基板21中的栅极电极14。通过包含有位于光电二极管11B与栅极电极14之间的电荷传输层13，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置差异而造成的在传输信号电荷过程中的缺陷。因此，能够抑制通过垂直晶体管进行的传输的缺陷，并且能够提高良品率。

此外，在本说明性实施方式中，电荷传输层13仅形成在垂直晶体管10的底部。因此，本说明性实施方式例如还具有改进层叠的光电二极管11A和11B的光谱特性的效果。具有这样的效果的一个原因是因为可以更容易确保对红色光进行光电转换的光电二极管11A的更大的形成区域。

上述电荷传输层13能够应用于使用垂直晶体管从半导体基板中的光电二极管读取信号电荷的各种类型的器件结构。例如，如图5所示，上述电荷传输层13也可以应用于下述结构：其中，在半导体基板21中层叠设置有能够分别对红色光(Lr)、绿色光(Lg)以及蓝色光(Lb)进行光电转换的三个光电二极管(PD3、PD4以及PD5)，并且垂直晶体管(Tr1、Tr2以及Tr3)连接到相应的光电二极管。可替代地，如图6所示，上述电荷传输层13可以应用于如下结构：其中，为两个层叠的光电二极管(PD6和PD7)设置一个(共用的)垂直晶体管(Tr4)。如上所述，上述电荷传输层13可应用于使用垂直晶体管的各种类型的器件结构。

将针对根据上述第一实施方式的固态摄像器件其它说明性实施方式和变型例进行下面的说明。在下文中，与上述第一实施方式的部件相似的部件将用相同的附图标记表示，并且将适当地省略对它们的说明。

2、第二实施方式

构造

图7示意性地示出了本发明的第二实施方式的固态摄像器件的横截面构造。图7示出了与下面将进行说明的像素部(图14示出的像素部1a)中的一个像素相对应的区域。与上述第一实施方式中一样，该固态摄像器件包括半导体基板21中的一个或多个光电二极管(在本示例中，两个光电二极管11A和11B)。同样，未示出的多层配线层形成在半导体基板21的电路形成面S1上。本实施方式具有所谓的背面照射型器件结构，其中，半导体基板21的与电路形成面S1相对的面用作光接收面S2。诸如未示出的片上透镜等部件设置在光接收面S2上。

与上述第一实施方式中一样，在本实施方式中，光电二极管11A和11B同样分别连接至用于传输信号电荷的晶体管。在光电二极管11A和11B之中，光电二极管11B连接至垂直晶体管10。垂直晶体管10包括栅极电极14。栅极电极14被设置为使半导体基板21中的凹部H被部分或全部栅极电极14填充，在栅极电极14与凹部H之间具有栅极绝缘膜34。凹部H可以被设置为使凹部H的底面Sb面对光电二极管11B的一部分。栅极电极14在底面Sb处经由电荷传输层13连接至光电二极管11B。

然而，在本实施方式中，在凹部H的底面Sb与电荷传输层13之间还形成有暗电流抑制层13a。暗电流抑制层13a是呈现出与电荷传输层13的导电性不同的导电性(例如，p型)的杂质扩散层。例如，暗电流抑制层13a可以具有比电荷传输层13的厚度t充分小的约5nm至100nm的厚度。以这样的方式，在本实施方式中，从凹部H的底面Sb依次层叠设置有暗电流抑制层13a和电荷传输层13。这样的电荷传输层13和暗电流抑制层13a是通过如下方式形成的：在形成凹部H之后，使用所谓的自对准相对于底面Sb以多步骤方式进行离子植入。

制造方法

例如，可以如下地制造图7示出的固态摄像器件的器件结构。具体地，如图8A所示，例如，可以使用氮化硅的掩模120在半导体基板21中形成凹部H，掩模120可以通过类似于上述第一实施方式中的方式以CVD法形成。在半导体基板21中形成了光电二极管11A和11B。此时，如上所述不特别限制凹部H的底面Sb的位置d0。例如，考虑到凹部H被形成得较深的情况(将稍后进行说明)，位置d0可以被设定在与电二极管11B的表面F1相比较浅的区域中(在更靠近电路形成面S1的区域中)。

随后，例如，通过相对于凹部H的底面Sb以多步骤方式进行离子植入来形成电荷传输层13和暗电流抑制层13a。具体地，如图8B所示，例如，可以注入呈现出与光电二极管11B的导电性相同的导电性(例如，n型)的杂质D1。此后，注入呈现出与其相反的导电性(例如，p型)的杂质D2。此后，如图8C所示，将掩模120从半导体基板21去除。因此，利用自对准形成了电荷传输层13和暗电流抑制层13a。在本说明性实施方式中，电荷传输层13和暗电流抑制层13a的厚度也可以通过适当地设定诸如剂量和注入能量等各种条件来进行调节。

随后，如图9A所示，可以通过类似于上述第一实施方式中的方式形成由上述材料制成的栅极绝缘膜34。随后，如图9B所示，以类似于上述第一实施方式中的方式形成由上述材料制成的栅极电极14。因此，形成了垂直晶体管10。最后，在将配线层形成在半导体基板21的电路形成面S1上之后，对半导体基板21进行研磨，并且诸如片上透镜等部件可以按照需要形成在光接收面S2上。因此，完成了图7示出的固态摄像器件。

功能和效果

在本说明性实施方式的固态摄像器件中，与上述第一实施方式中一样，当光L进入光接收面S2时，具有预定波长的光分别通过光电二极管11A和11B经受光电转换。由光电转换产生的信号电荷(例如，电子)在预定时刻被传输至FD。此后，被传输的信号电荷被读取至下面将进行说明的信号线(垂直信号线Lsig)。在这些信号电荷之中，在光电二极管11B中产生的信号电荷经由垂直晶体管10的栅极电极14被传输至FD12。

在本说明性实施方式中，在垂直晶体管10(栅极电极14)与光电二极管11B之间同样设置有电荷传输层13。因此，与在上述第一实施方式中一样，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置差异而造成的传输缺陷。具体地，如图10A所示，即使当凹部H形成在比位置d0浅的位置处时(当底面Sb在位置d1处时)，光电二极管11B经由电荷传输层13连接至垂直晶体管10。因此，抑制了在传输信号电荷过程中的缺陷。另一方面，如图10B所示，即使当凹部H形成在比位置d0深的位置处时(当底面Sb在位置d2处时)，抑制了因上述电势骤降造成的在传输信号电荷过程中的缺陷。例如，当凹部H形成在较深位置处时，例如通过提前把将要作为凹部H的底面Sb的参照的位置d0设定在较浅位置处，能够抑制传输缺陷。

此外，在本说明性实施方式中，在凹部H的底面Sb和电荷传输层13之间形成有暗电流抑制层13a。因此，即使在例如造成了凹部H的挖掘损害(例如，在蚀刻期间在底面Sb中造成的损害)的情况下，仍能够抑制由挖掘损害造成的暗电流的发生。

如上所述，本说明性实施方式包括垂直晶体管10以及形成在半导体基板21中的光电二极管11A和11B，垂直晶体管10具有部分或全部嵌入于半导体基板21中的栅极电极14。通过包含有位于光电二极管11B与栅极电极14之间的电荷传输层13，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置差异而造成的在传输信号电荷过程中的缺陷。因此，能够获得与上述第一实施方式相同的效果。此外，借助于暗电流抑制层13a能够抑制由凹部H的挖掘损害而造成的暗电流的发生。

3、第三实施方式

构造

图11示意性地示出了本发明的第三实施方式的固态摄像器件的横截面构造。图11示出了与下面将进行说明的像素部(图14示出的像素部1a)中的一个像素相对应的区域。与在上述第一实施方式中一样，该固态摄像器件包括半导体基板21中的一个或多个光电二极管(在本示例中，两个光电二极管11A和11B)。同样，未示出的多层配线层形成在半导体基板21的电路形成面S1上。本说明性实施方式具有所谓的背面照明型器件结构，其中，半导体基板21的与电路形成面S1相对的面用作光接收面S2。诸如未示出的片上透镜等部件设置在光接收面S2上。

与在上述第一实施方式中一样，在本说明性实施方式中，光电二极管11A和11B也分别连接至用于传输信号电荷的晶体管。在光电二极管11A和11B之中，光电二极管11B连接至垂直晶体管10。垂直晶体管10包括栅极电极14。栅极电极14被设置成使得半导体基板21中的凹部H被部分或全部栅极电极14填充并且在栅极电极14与凹部H之间具有栅极绝缘膜34。例如，凹部H可以被设置成使得其底面Sb面对着光电二极管11B的一部分。栅极电极14在底面Sb处经由电荷传输层13连接至光电二极管11B。

然而，在本说明性实施方式中，用于形成凹部H的时序和用于形成电荷传输层13的时序与上述第一实施方式中的相应时序不同。具体地，在本实施方式中，凹部H是在形成电荷传输层13之后形成的。因此，就器件结构而言，电荷传输层13不仅仅覆盖凹部H的底面Sb，并且还覆盖凹部H的侧面的一部分。然而，电荷传输层13不是必须覆盖凹部H的侧面的一部分。换言之，电荷传输层13可以仅与底面Sb接触。在这种情况下，本实施方式中的器件结构几乎与上述第一实施方式中的器件结构(图1)相同。

制造方法

例如，可以如下地制造图11示出的固态摄像器件的器件结构。具体地，如图12A所示，例如，可以在形成有光电二极管11A和11B等的半导体基板21上形成光刻抗蚀剂121，并且对形成的光刻抗蚀剂121进行图案化。随后，如图12B所示，使用光刻抗蚀剂121作为掩模在半导体基板21中形成电荷传输层13。具体地，通过进行离子植入将杂质D注入至半导体基板21的预定深度位置中(考虑到了凹部H的底面在深度方向上的位置差异而确定的位置中)。此后，将光刻抗蚀剂121从半导体基板21剥离。随后，如图12C所示，以类似于上述第一实施方式的方式在半导体基板21中形成凹部H。此时，如上所述，凹部H的底面Sb的位置d0没有特别限制。然而，在本说明性实施方式中，位置d0可以设定在比电二极管11B的表面F1更浅的区域中(在更靠近电路形成面S1的区域中)。

随后，如图12D所示，可以通过类似于上述第一实施方式中的方式形成由上述材料制成的栅极绝缘膜34。随后，如图12E所示，以类似于上述第一实施方式中的方式形成由上述材料制成的栅极电极14。因此，形成了垂直晶体管10。最后，在将配线层形成在半导体基板21的电路形成面S1上之后，对半导体基板21进行研磨，并且诸如片上透镜等部件可以按照需要形成在光接收面S2上。因此，完成了图11示出的固态摄像器件。

以此方式，可以在假定将导致凹部H的深度差异的区域中预先通过离子植入形成电荷传输层13。

功能和效果

在本说明性实施方式的固态摄像器件中，与在上述第一实施方式中一样，当光L进入光接收面S2时，具有预定波长的光分别通过光电二极管11A和11B经受光电转换。由光电转换产生的信号电荷(例如，电子)在预定时刻被传输至FD。此后，传输的信号电荷被读取至下面将进行说明的信号线(垂直信号线Lsig)。在这些信号电荷之中，在光电二极管11B中产生的信号电荷经由垂直晶体管10的栅极电极14被传输至FD 12。

在本实施方式中，在垂直晶体管10(栅极电极14)与光电二极管11B之间也设置有电荷传输层13。因此，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置差异而造成的传输缺陷。具体地，如图13所示，即使当凹部H形成在比位置d0浅的位置处时(当底面Sb在位置d1处时)，光电二极管11B经由电荷传输层13连接至垂直晶体管10。因此，抑制了在传输信号电荷中的缺陷。另一方面，当凹部H形成在比位置d0深的位置处时(当底面Sb在位置d2处时)，通过调节例如电荷传输层13中的杂质浓度(剂量)减小了电势骤降的影响。

如上所述，本说明性实施方式包括垂直晶体管10以及形成在半导体基板21中的光电二极管11A和11B，垂直晶体管10具有部分或全部嵌入于半导体基板21中的栅极电极14。通过包含有位于光电二极管11B与栅极电极14之间的电荷传输层13，能够抑制由栅极电极14的底面在深度方向上的位置差异而造成的在传输信号电荷过程中的缺陷。因此，能够获得等同于上述第一实施方式的效果。

4、器件构造

图14示出了上述在各个实施方式中的任意固态摄像器件(在下文中称为"固态摄像器件1")的一般构造。固态摄像器件1包括作为摄像区域的像素部1a。此外，固态摄像器件1包括周边电路部130，该周边电路部可以包括例如行扫描部131、水平选择部133、列扫描部134以及系统控制部132。

像素部1a可以包括以矩阵形式二维地排列的多个单元像素(像素P)。对于像素P，例如，像素驱动线Lread(具体地，行选择线和复位控制线)可以针对各个像素行布线，并且垂直信号线Lsig可以针对各个像素列布线。像素驱动线Lread传输用于从像素中读取信号的驱动信号。像素驱动线Lread的一端连接至与行扫描部131的各行相对应的输出端。

行扫描部131由诸如移位寄存器和地址解码器等部件构成。例如，行扫描部131是可以例如基于像素行来驱动像素部1a中的各个像素P的像素驱动部。从被行扫描部131选择性地扫描的像素行中的各像素P输出的信号经由各垂直信号线Lsig被提供至水平选择部133。水平选择部133由诸如放大器和针对各垂直信号线Lsig设置的水平选择开关等部件构成。

列扫描部134由诸如移位寄存器和地址解码器等部件构成。列扫描部134在扫描水平选择部133中的各个水平选择开关的同时，顺序地驱动各个水平选择开关。通过由列扫描部134进行的选择性扫描，来自各个像素的经过各垂直信号线Lsig传输的信号被顺序地输出至水平信号线135。输出至水平信号线135的信号经由水平信号线135被传输至基板11的外部。

包括行扫描部131、水平选择部133、列扫描部134以及水平信号线135的电路部可以直接形成在基板11上，或可以设置在外部控制IC上。可以替代地，所述电路部可以形成在用电缆等连接至基板11的其它基板上。

系统控制部132接收从外部提供的时钟脉冲、用于指示操作模式的数据等。此外，系统控制部132输出诸如固态摄像器件1的内部信息等数据。系统控制部132还包括用于产生各种时序信号的时序产生器。系统控制部132基于由时序产生器产生的各种时序信号控制诸如列扫描部131、水平选择部133以及列扫描部134等周边电路的驱动。

5、应用示例1

上述固态摄像器件1可以应用于具有摄像功能的各种类型的电子装置中。这样的电子装置的示例可以包括诸如数码相机和视频摄影机等相机系统以及具有摄像功能的移动电话。图15是示出了根据应用示例1的摄像装置(摄像装置2)的一般构造的功能框图。例如，摄像装置2可以为数码相机或数字视频摄影机。摄像装置2可以包括光学系统221、快门装置222、固态摄像器件1(像素部1a)、驱动电路224、信号处理电路223以及控制部225。

光学系统221将来自物体的图像光(入射光)引导至固态摄像器件1中像素部1中。快门装置222控制固态摄像器件1上的光照射周期和固态摄像器件1的遮光周期。驱动电路224进行快门装置222的打开-关闭驱动，并且驱动固态摄像器件1(像素部1a)中的曝光操作和信号读取操作。信号处理电路223对来自固态摄像器件1的输出信号进行预定处理。预定处理的示例可以包括诸如去马赛克处理和白平衡调节处理等各种校正处理。例如，控制部225可以由微型计算机构成。控制部225控制驱动电路224的快门驱动操作和图像传感器驱动操作，并且控制信号处理电路223的信号处理操作。

在摄像装置2中，在入射光经由光学系统221和快门装置222被固态摄像器件1(像素部1a)接收时，基于所接收光量的信号电荷在各个像素P中累积。驱动电路224读取累积在各个像素P中的信号电荷，并且所读取的电信号被输出至信号处理电路223。从固态摄像器件1输出的输出信号在信号处理部23中经受预定的信号处理，并且可以作为图像信号Dout被输出至外部(例如，输出至监视器)，或可以保持在未示出的诸如存储器等的存储部(存储媒介)中。

应用示例2-1和2-2

图16是示出了根据应用示例2-1的内窥摄像机(胶囊型内窥摄像机3A)的一般构造的功能框图。胶囊型内窥摄像机3A包括光学系统231、快门装置232、固态摄像器件1(像素部1a)、驱动电路234、信号处理电路233、数据传输部235、驱动电池236以及用于感测姿态(诸如方向和角度等)的陀螺仪电路237。在这些部件之中，光学系统231、快门装置232、驱动电路234以及信号处理电路233具有与上文针对摄像设备2而说明的光学系统221、快门装置222、驱动电路224以及信号处理电路223的功能类似的功能。然而，期望地，光学系统231能够在三维空间中在多个方位(例如，在所有方位)对图像进行摄像。光学系统231由一个或多个透镜构成。然而，在本示例中，经受了信号处理电路233中的信号处理之后的图像信号D1和从陀螺仪电路237中输出的姿态感测信号D2经由数据传输部235通过无线通信而被传输到外部。

应用有上述实施方式中的固态摄像器件1的内窥摄像机不限于如上所述的胶囊型内窥摄像机。例如，如图17所示，这种内窥摄像机可以为插入型内窥摄像机(插入型内窥摄像机3B)(应用示例2-2)。插入型内窥摄像机3B包括光学系统231、快门装置232、固态摄像器件1(像素部1a)、驱动电路234、信号处理电路233以及数据传输部235，这些与上述胶囊型内窥摄像机3A的一部分构造相同。然而，在插入型内窥摄像机3B中，还设置有臂238a和驱动部238。臂238a储存在装置内部。驱动部238驱动臂238a。这样的插入型内窥摄像机3B连接至线缆239。线缆239包括用于向驱动部238传输臂控制信号CTL的配线239A以及用于传输基于摄像图像的图像信号的配线239B。

应用示例3

图18是示出了根据应用示例3的视觉芯片(视觉芯片4)的一般构造的功能框图。视觉芯片4是通过嵌入于在人眼的眼球E1的后壁(具有视觉神经的视网膜E2)的一部分中而被使用的人造视网膜。例如，视觉芯片4可以通过嵌入于视网膜E2中的神经节细胞C1、水平细胞C2和视觉细胞C3中的一者的一部分中而被使用。例如，视觉芯片4可以包括固态摄像器件1、信号处理电路241以及刺激电极部242。由于这样的构造，视觉芯片4通过固态摄像器件1获取基于入射到眼睛上的光的电信号。在信号处理电路241中对所获取的电信号进行处理，并且因此，预定的控制信号被提供至刺激电极部242。刺激电极部242具有响应于输入的控制信号向视觉神经提供刺激(电信号)的功能。

应用示例4

图19是示出了根据应用示例4的生物传感器(生物传感器5)的一般构造的功能框图。例如，生物传感器5可以是可附接至手指A的血糖水平传感器。生物传感器5包括半导体激光器251、固态摄像器件1以及信号处理电路252。例如，半导体激光器51可以是发射红外光(具有780nm或更大波长)的IR(红外线)激光器。由于这样的构造，生物传感器5借助固态摄像器件1感测根据血液中的血糖水平的激光的吸收程度，并且测量血糖水平。

上文已经参考一些实施方式和变型例对本发明进行了说明，本发明的内容不限于上述说明性实施方式等，并且可以进行各种修改。例如，在上述实施方式等中，以两个光电二极管11A和11B层叠在半导体基板21中的器件结构作为示例。然而，例如，使用有机光电转换膜的光电转换元件可以层叠在半导体基板21上。可替代地，将要形成在半导体基板21中的光电二极管的数量可以是三个或更多，或可以是一个。本发明的内容可以应用于使用垂直晶体管从光电二极管中读取信号电荷的任意装置。

已经参考作为示例的背面照明型的固态摄像器件说明了以上实施方式。然而，本发明的内容也可以应用于前面照明型的固态摄像器件。

根据本发明的上述示例实施方式和变型例能够实现至少以下构造。

(1)

一种固态摄像器件，其包括：

半导体基板；

光电二极管，所述光电二极管形成在所述半导体基板中；

晶体管，所述晶体管具有栅极电极，所述栅极电极的至少一部分嵌入所述半导体基板中，所述晶体管被构造成经由所述栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷；以及

电荷传输层，所述电荷传输层被设置成与所述栅极电极和所述光电二极管接触。

(2)

根据(1)所述的固态摄像器件，其中，所述光电二极管是在所述半导体基板的厚度方向上层叠设置的多个光电二极管中的一个。

(3)

根据(1)所述的固态摄像器件，其中，所述光电二极管包括第一导电类型的光电转换层，并且所述电荷传输层是连接至所述光电转换层的一部分的所述第一导电类型的杂质扩散层。

(4)

根据(1)所述的固态摄像器件，其中

所述栅极电极的至少一部分填充形成在所述半导体基板中的凹部，并且

所述电荷传输层的至少一部分在所述凹部的底面处连接至所述栅极电极。

(5)

根据(4)所述的固态摄像器件，其中，所述电荷传输层被形成为与所述凹部的所述底面相邻。

(6)

根据(4)所述的固态摄像器件，还包括与所述电荷传输层和所述凹部的所述底面接触的第二导电类型的暗电流抑制层。

(7)

根据(4)所述的固态摄像器件，其中，所述电荷传输层覆盖所述凹部的所述底面和所述凹部的侧面的一部分。

(8)

一种固态摄像器件的制造方法，所述方法包括步骤：

形成具有栅极电极的晶体管，所述栅极电极的至少一部分嵌入半导体基板中，所述半导体基板包含光电二极管，所述晶体管被构造成经由所述栅极电极从所述光电二极管读取信号电荷；并且

形成与所述栅极电极和所述光电二极管接触的电荷传输层。

(9)

根据(8)所述的方法，其中，所述光电二极管是在所述半导体基板的厚度方向上层叠设置的多个光电二极管中的一个。

(10)

根据(8)所述的方法，其中，

所述光电二极管包括第一导电类型的光电转换层，并且

所述电荷传输层是连接至所述光电转换层的一部分的所述第一导电类型的杂质扩散层。

(11)

根据(8)所述的方法，其中，在形成所述晶体管期间在所述半导体基板中形成凹部，并且形成所述栅极电极以填充所述凹部。

(12)

根据(11)所述的方法，其中，在形成所述凹部之后并在形成所述栅极电极之前，借助经过所述凹部的所述底面的离子植入来形成所述电荷传输层。

(13)

根据(11)所述的方法，还包括步骤：

在形成所述电荷传输层之后并在形成所述栅极电极之前，借助经过所述凹部的所述底面的离子植入来形成第二导电类型的暗电流抑制层，

其中，在形成所述凹部之后并在形成所述栅极电极之前，借助经过所述凹部的所述底面的离子植入来形成所述电荷传输层。

(14)

根据(11)所述的方法，其中，在形成所述光电二极管之后并在形成所述凹部之前，通过经过所述半导体基板中的选择区域进行离子植入来形成所述电荷传输层。

(15)一种具有根据(1)所述的固态摄像器件的电子装置。

(16)一种固态摄像器件的驱动方法，所述固态摄像器件包括：

半导体基板；

形成在所述半导体基板中的第一光电二极管；

形成在所述半导体基板中的第二光电二极管；

晶体管，所述晶体管具有栅极电极，所述栅极电极的至少一部分嵌入所述半导体基板中，以及

浮动扩散区域，所述浮动扩散区域嵌入所述半导体基板中；

其中，所述第一光电二极管的第一电荷通过所述栅极电极传输至所述浮动扩散，并且所述第二光电二极管的第二电荷通过所述栅极电极传输至所述浮动扩散区域。

(17)

根据(16)所述的方法，其中，所述光电二极管是在所述半导体基板的厚度方向上层叠设置的多个光电二极管中的一个。

(18)

根据(16)所述的方法，其中，所述光电二极管包括第一导电类型的光电转换层，并且电荷传输层是连接至所述光电转换层的一部分的所述第一导电类型的杂质扩散层。

(19)

根据(16)所述的方法，其中，在形成所述晶体管期间在所述半导体基板中形成凹部，并且形成所述栅极电极以填充所述凹部。

(20)

根据(19)所述的方法，其中，在形成所述凹部之后并在形成所述栅极电极之前，借助经过所述凹部的所述底面的离子植入来形成电荷传输层。

本领域的技术人员应当理解，可以取决于设计要求或其它因素做出各种变形、组合、子组合以及变更，只要它们落在随附权利要求或其等效物的范围内。

附图标记列表

1 固态摄像器件

11A、11B 光电二极管

21 半导体基板

12 FD

13 电荷传输层

13a 暗电流抑制层

14 栅极电极

Tr 垂直晶体管

H 凹部

Sb 底面

S1 电路形成面

S2 光接收面