固体摄像装置和电子设备的制作方法

本申请是申请日为2016年1月22日、发明名称为“固体摄像装置和电子设备”的申请号为201680004605.5专利申请的分案申请。

本技术涉及固体摄像装置和电子设备，且更具体地，涉及能够改善饱和特性的固体摄像装置和电子设备。

背景技术：

通常，人们已经知晓一种设置有传输栅极电极的固体图像传感器，该传输栅极电极是通过将平面栅极电极和垂直栅极电极一体地形成而获得的。

作为这样的固体图像传感器中的一者，曾经提议了将垂直栅极电极沿栅极宽度方向不均匀地安置的固体图像传感器(例如，参见专利文献1)。根据这种构造，可以控制溢出路径的电位，并且可以改善光晕特性(bloomingcharacteristic)。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开第2013-26264号

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题

然而，上述构造不能解决当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少的现象。因此，不能获得足够的饱和特性。

本技术是鉴于这种状况而被实现的，并且本发明的目的在于改善饱和特性。

解决技术问题的技术方案

根据本技术的一个方面的固体摄像装置设置有：光电二极管，其被形成在基板上；浮动扩散部，其积累从所述光电二极管读取的信号电荷；多个垂直栅极电极，各所述垂直栅极电极在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间的区域中、从所述基板的表面沿深度方向而被形成；以及溢出路径，其被形成在夹于所述多个垂直栅极电极之间的区域中。

在所述基板上还可以设置有平面栅极电极，所述平面栅极电极被形成得跨越所述光电二极管和所述浮动扩散部，并且所述垂直栅极电极可以与所述平面栅极电极一体地形成。

所述溢出路径可以被形成在比所述多个垂直栅极电极所达到的深度浅的区域中。

还可以设置有驱动电路，所述驱动电路向所述多个垂直栅极电极施加预定电压，并且在机械快门从打开状态关闭的时刻，所述驱动电路可以向所述多个垂直栅极电极施加比此前施加的负电压更大的负电压。

根据本技术的一个方面的电子设备设置有固体摄像装置，所述固体摄像装置包括：光电二极管，其被形成在基板上；浮动扩散部，其积累从所述光电二极管读取的信号电荷；多个垂直栅极电极，各所述垂直栅极电极在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间的区域中、从所述基板的表面沿深度方向而被形成；以及溢出路径，其被形成在夹于所述多个垂直栅极电极之间的区域中。

根据本技术的一个方面，在光电二极管与浮动扩散部之间的区域中、从基板的表面沿深度方向形成有多个垂直栅极电极，并且在夹于多个垂直栅极电极之间的区域中形成有溢出路径。

本发明的有益效果

根据本技术的一个方面，能够改善饱和特性。

附图说明

图1是图示了机械快门的操作与饱和信号量之间的关系的图。

图2是图示了本技术的cmos图像传感器的构造示例的框图。

图3是图示了像素的构造示例的平面图。

图4是图示了像素的构造示例的剖面图。

图5是图示了像素的构造示例的另一个剖面图。

图6是图示了图4中的剖面的电位的图。

图7是图示了图5中的剖面的电位的图。

图8是图示了当机械快门进行操作时的各个信号的时序图。

图9是图示了溢出路径的调制状态的图。

图10是图示了像素的另一个构造示例的平面图。

图11是图示了像素的另一个构造示例的剖面图。

图12是图示了像素的又一个构造示例的平面图。

图13是图示了像素的又一个构造示例的剖面图。

图14是图示了像素的再一个构造示例的平面图。

图15是图示了像素的再一个构造示例的剖面图。

图16是图示了像素的另外一个构造示例的平面图。

图17是图示了本技术的电子设备的构造示例的框图。

图18是图示了使用图像传感器的使用示例的图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本技术的实施例进行说明。

机械快门的操作与饱和信号量之间的关系

通常，在配备有机械快门和电子快门这两者的照相机中，如图1所示，会出现当机械快门进行操作时图像传感器的各像素的饱和信号量qs随时间而减少的现象。在图1的示例中，在机械快门关闭后的100ms处，饱和信号量减少了预定的信号量qd。

当机械快门关闭时，光就不会进入光电二极管。因此，光电二极管中所产生的电子与漏出到光电二极管外部(具体地，漏出到浮动扩散部侧)的扩散电流成分之间的平衡状态将会被打破。使用这种布置，就会出现上述现象。结果，不能获得足够的饱和特性，并且动态范围会发生劣化。

因此，在下文中，将会说明用于缓和在机械快门关闭之后饱和信号量的减少的构造。

cmos图像传感器的构造示例

图2是图示了互补金属氧化物半导体(cmos：complementarymetaloxidesemiconductor)图像传感器的主要构造示例的图。图2所示的cmos图像传感器10是应用本技术的固体摄像装置的示例。cmos图像传感器10被配置为背面照射型图像传感器。同时，不言而喻，本技术也可以被应用到具有其他构造的图像传感器。

cmos图像传感器10是由像素阵列12和周边电路部形成的，在像素阵列12中，像素11以二维的方式规则地排列着。像素11包括光电转换元件(光电二极管)和多个像素晶体管。上述构造被形成在未图示的半导体基板(芯片)上。

例如，多个像素晶体管包括传输晶体管、复位晶体管和放大晶体管这三个晶体管。此外，多个像素晶体管也可以包括四个晶体管，即，上述的三个晶体管加上选择晶体管。

周边电路部由控制电路13、垂直驱动电路14、列信号处理电路15、水平驱动电路16和输出电路17形成。

控制电路13基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟来产生用作垂直驱动电路14、列信号处理电路15和水平驱动电路16的操作基准的时钟信号和控制信号。控制电路13将这些信号供应给垂直驱动电路14、列信号处理电路15和水平驱动电路16。

垂直驱动电路14例如是由移位寄存器形成的。垂直驱动电路14对像素阵列12中的像素11以行为单位沿垂直方向顺序地进行选择性扫描。然后，垂直驱动电路14将各像素11的像素信号通过垂直信号线vsl而供应给列信号处理电路15，所述像素信号基于与光电二极管中的受光量对应地产生的信号电荷。

列信号处理电路15是对应于像素11的各列而被布置的。列信号处理电路15通过使用来自各像素列的黑基准像素(形成在有效像素区域周围的像素)的信号而对从一行的像素11输出的像素信号执行诸如噪声消除等信号处理。具体地，列信号处理电路15执行诸如用于去除像素11所固有的固定模式噪声的相关双采样(cds：correlateddoublesampling)和信号放大等信号处理。在列信号处理电路15的输出级上设置有水平选择开关(未图示)，且该水平选择开关被连接至水平信号线18。

水平驱动电路16例如是由移位寄存器形成的。水平驱动电路16通过顺序地输出水平扫描脉冲来依次选择列信号处理电路15中的各者。然后，水平驱动电路16将来自各个列信号处理电路15的像素信号输出到水平信号线18。

输出电路17对从列信号处理电路15通过水平信号线18顺序地供应过来的信号执行信号处理，然后输出该信号。

像素的构造示例

接着，将参照图3至图5对像素11的构造示例进行说明。图3是图示了像素11的构造示例的平面图。图4是沿着图3所示的像素11的线a-a’而剖取的剖面图，并且图5是沿着图3所示的像素11的线b-b’而剖取的剖面图。

在像素11中，光电二极管(pd：photodiode)32被形成在半导体基板31上。

像素11还设置有垂直晶体管(tr)，该垂直晶体管(tr)读取pd32中所产生的信号电荷。该垂直晶体管tr是由传输栅极电极33和浮动扩散部(fd：floatingdiffusion)34形成的。

传输栅极电极33是通过将平面栅极电极33a以及垂直栅极电极33b-1和33b-2一体地形成而被获得的。平面栅极电极33a在半导体基板31上被形成得跨越pd32和fd34。垂直栅极电极33b-1和33b-2在平面栅极电极33a下方的处于pd32与fd34之间的区域中、从半导体基板31的表面沿深度方向被形成得具有柱形形状。

fd34在半导体基板31的表面上被形成在隔着传输栅极电极33而与pd32相对的位置中。fd34积累通过传输栅极电极33从pd32读取的信号电荷。

而且，在夹于垂直栅极电极33b-1与垂直栅极电极33b-2之间的区域中形成有溢出路径35。溢出路径35被形成在比垂直栅极电极33b-1和33b-2所达到的深度浅的区域中。溢出路径35是由注入至夹于垂直栅极电极33b-1与垂直栅极电极33b-2之间的区域中的杂质形成的。

在垂直晶体管tr中，在读取时，向传输栅极电极33施加正电压，据此，传输栅极电极33正下方的电位发生改变。然后，积累在pd32中的信号电荷经过传输栅极电极33的垂直栅极电极33b-1和33b-2周围的区域，以被传输到fd34。换言之，执行了横向读取。

而且，溢出路径35用作当在pd32中积累信号电荷时将超过pd32的饱和信号量的信号电荷(过剩电荷)传输到fd34的路径。

图6图示了在图3中的线a-a’方向上的电位剖面。

如图6所示，当向传输栅极电极33施加负电压时，由于施加给垂直栅极电极33b-1和33b-2(tg)的电位的影响，所以夹于垂直栅极电极33b-1与垂直栅极电极33b-2之间的区域的电位变得低于在线a-a’方向上在上述区域周围的电位。换言之，能够对溢出路径35进行调制，并且pd32和fd34彼此电连接。

以这种方式，因为溢出路径35被形成在夹于垂直栅极电极33b-1与垂直栅极电极33b-2之间的区域中，所以可以在两个方向上对溢出路径35进行调制。

图7图示了在图3中的线b-b’方向上的电位剖面。

如图7所示，在传输栅极电极33(tg)下方的电荷传输路径的区域(即溢出路径35)的电位高于pd32和fd34的电位。当向传输栅极电极33施加负电压时，由于施加给垂直栅极电极33b-1和33b-2的电位的影响，所以溢出路径35的电位变得高于在线b-b’方向上在该溢出路径周围的电位。变得更高的该电位用作溢出屏障。

当机械快门进行操作时的溢出路径的调制

在这里，参照图8和图9来说明当机械快门进行操作时的溢出路径35的调制。同时，这里还做出如下假设：cmos图像传感器10被安装在设置有机械快门的照相机上。

图8图示了当照相机的机械快门进行操作时垂直同步信号(v时序)、机械快门的驱动信号、全局快门的驱动信号和传输栅极电极33的偏压(tg偏压)的时序图。图8中的各信号是基于由控制电路13产生的控制信号的输出。而且，图9图示了根据机械快门的操作的溢出路径的调制状态。

如图8所示，在cmos图像传感器10中，在垂直同步信号的一帧周期内扫描有效像素区域。

当在机械快门处于打开的状态下输出通向全局快门的触发脉冲时，开始进行曝光。此时，由垂直驱动电路14向传输栅极电极33(垂直栅极电极33b-1和33b-2)施加预定的负电压。换言之，如图9中的左侧所示，在pd32与fd34之间形成了预定电位的溢出屏障。利用这种布置，就可以保持pd32中所产生的电子与从pd32向fd34侧泄漏的扩散电流成分之间的平衡状态。

然后，在时刻tc处，在机械快门从打开状态关闭的时刻，由垂直驱动电路14向传输栅极电极33(垂直栅极电极33b-1和33b-2)施加比此前所施加的负电压更大的负电压。换言之，如图9中的右侧所示，在pd32与fd34之间形成了比图9中的左侧所示的状态的电位更高的电位的溢出屏障。

如上所述，因为可以在两个方向上对形成在夹于垂直栅极电极33b-1与垂直栅极电极33b-2之间的区域中的溢出路径35进行调制，所以可以使溢出屏障的调制程度变得更高。换言之，能够动态地控制溢出屏障的电位。利用这种布置，就能够防止当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少，并且能够改善饱和特性。

变形例

虽然前面已经说明了在由两个垂直栅极电极夹着的区域中形成有溢出路径的构造示例，但是垂直栅极电极的数量不限于两个。因此，在下文中，将会说明设置有不少于三个垂直栅极电极的构造示例。

变形例1

图10和图11图示了像素11的另一个构造示例。图10是图示了像素11的该构造示例的平面图。图11是图10所示的像素11的与图3的剖面图对应的剖面图。

同时，在图10和图11中，用相同的附图标记来指定与图3和图4中的构造类似的构造，并且省略这些构造的说明。

通过将平面栅极电极51a以及垂直栅极电极51b-1、51b-2和51b-3一体地形成来获得传输栅极电极51。平面栅极电极51a在半导体基板31上被形成得跨越pd32和fd34。垂直栅极电极51b-1、51b-2和51b-3在平面栅极电极51a下方的处于pd32与fd34之间的区域中、从半导体基板31的表面沿深度方向被形成得具有柱形形状。

在夹于垂直栅极电极51b-1与垂直栅极电极51b-2之间的区域中形成有溢出路径52-1。而且，在夹于垂直栅极电极51b-2与垂直栅极电极51b-3之间的区域中形成有溢出路径52-2。溢出路径52-1和52-2被形成在比垂直栅极电极51b-1、51b-2和51b-3所达到的深度浅的区域中。溢出路径52-1是由注入至夹于垂直栅极电极51b-1与垂直栅极电极51b-2之间的区域中的杂质形成的。而且，溢出路径52-2是由注入至夹于垂直栅极电极51b-2与垂直栅极电极51b-3之间的区域中的杂质形成的。

利用这种构造，能够在两个方向上对形成在夹于垂直栅极电极51b-1与垂直栅极电极51b-2之间的区域中的溢出路径52-1进行调制，并且能够在两个方向上对形成在夹于垂直栅极电极51b-2与垂直栅极电极51b-3之间的区域中的溢出路径52-2进行调制，因而可以使溢出屏障的调制程度变得更高。结果，就能够防止当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少，并且能够改善饱和特性。

变形例2

图12和图13图示了像素11的又一个构造示例。图12是图示了像素11的该构造示例的平面图。图13是图12所示的像素11的与图3的剖面图对应的剖面图。

同时，在图12和图13中，用相同的附图标记来指定与图3和图4中的构造类似的构造，并且省略这些构造的说明。

通过将平面栅极电极61a以及垂直栅极电极61b-1、61b-2和61b-3一体地形成来获得传输栅极电极61。平面栅极电极61a在半导体基板31上被形成得跨越pd32和fd34。垂直栅极电极61b-1、61b-2和61b-3在平面栅极电极61a下方、从半导体基板31的表面沿深度方向被形成得具有柱形形状。

在夹于垂直栅极电极61b-1、垂直栅极电极61b-2和垂直栅极电极61b-3之间的区域中形成有溢出路径62。溢出路径62被形成在比垂直栅极电极61b-1、61b-2和61b-3所达到的深度浅的区域中。溢出路径62是由注入至夹于垂直栅极电极61b-1、垂直栅极电极61b-2和垂直栅极电极61b-3之间的区域中的杂质形成的。

利用这种构造，因为可以在三个方向上对形成在夹于垂直栅极电极61b-1、垂直栅极电极61b-2和垂直栅极电极61b-3之间的区域中的溢出路径62进行调制，所以可以使溢出屏障的调制程度变高很多。结果，能够防止当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少，并且能够改善饱和特性。

变形例3

图14和图15图示了像素11的再一个构造示例。图14是图示了像素11的该构造示例的平面图。图15是图14所示的像素11的与图3的剖面图对应的剖面图。

同时，在图14和图15中，用相同的附图标记来指定与图3和图4中的构造类似的构造，并且省略这些构造的说明。

通过将平面栅极电极71a以及垂直栅极电极71b-1、71b-2和71b-3一体地形成来获得传输栅极电极71。平面栅极电极71a在半导体基板31上被形成得跨越pd32和fd34。垂直栅极电极71b-1、71b-2和71b-3在平面栅极电极71a下方、从半导体基板31的表面沿深度方向被形成得具有柱形形状。

在夹于垂直栅极电极71b-1、垂直栅极电极71b-2和垂直栅极电极71b-3之间的区域中形成有溢出路径72。溢出路径72被形成在比垂直栅极电极71b-1、71b-2和71b-3所达到的深度浅的区域中。溢出路径72是由注入至夹于垂直栅极电极71b-1、垂直栅极电极71b-2和垂直栅极电极71b-3之间的区域中的杂质形成的。

利用这种构造，因为可以在三个方向上对形成在夹于垂直栅极电极71b-1、垂直栅极电极71b-2和垂直栅极电极71b-3之间的区域中的溢出路径72进行调制，所以可以使溢出屏障的调制程度变高很多。结果，能够防止当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少，并且能够改善饱和特性。

变形例4

图16图示了像素11的另外一个构造示例。图16是图示了像素11的该构造示例的平面图。

同时，在图16中，用相同的附图标记来指定与图3中的构造类似的构造，并且省略这些构造的说明。

通过将平面栅极电极81a以及垂直栅极电极81b-1、81b-2、81b-3和81b-4一体地形成来获得传输栅极电极81。垂直栅极电极81b-1、81b-2、81b-3和81b-4是通过组合图12和图13中的垂直栅极电极61b-1、61b-2和61b-3以及图14和图15中的垂直栅极电极71b-3而被获得的。

利用这种构造，因为可以在四个方向上对形成在夹于垂直栅极电极81b-1、垂直栅极电极81b-2、垂直栅极电极81b-3和垂直栅极电极81b-4之间的区域中的溢出路径82进行调制，所以可以使溢出屏障的调制程度变高很多。结果，能够防止当机械快门进行操作时饱和信号量随时间而减少，并且能够改善饱和特性。

电子设备的构造示例

接着，将对设置有本技术的固体摄像装置的电子设备的构造示例进行说明。

本技术的固体摄像装置可以被安装在例如下列电子设备上：诸如数码照相机和摄影机等照相机系统、具有摄像功能的移动电话、和具有摄像功能的其他设备。

图17图示了作为配备有本技术的固体摄像装置的电子设备的示例的能够摄取静止图像的照相机的构造示例。

图17中的照相机100设置有固体摄像装置101、光学系统102、快门装置103、驱动电路104和信号处理电路105。

含有上述实施例(包括变形例)中的像素11的cmos图像传感器10可以被应用到固体摄像装置101。

光学系统(光学镜头)102在固体摄像装置101的摄像表面上形成来自被摄体的图像光(入射光)的图像。利用这种布置，能够在一定时间内在固体摄像装置101的各像素中积累信号电荷。同时，光学系统102也可以由包括多个光学镜头的光学镜头组形成。

快门装置103被设置在固体摄像装置101与光学系统102之间。被配置为机械快门的快门装置103控制固体摄像装置101的光照周期和遮光周期。

驱动电路104将驱动信号(时序信号)供应给固体摄像装置101和快门装置103。然后，驱动电路104利用所供应的驱动信号来控制固体摄像装置101向信号处理电路105的信号输出操作以及快门装置103的快门操作。换言之，在本示例中，利用从驱动电路104供应过来的驱动信号，执行从固体摄像装置101到信号处理电路105的信号传输。

信号处理电路105对从固体摄像装置101传输过来的信号进行各种信号处理。将已被实施过各种信号处理的该信号(图像信号)存储在诸如存储器等存储介质(未图示)中，并将该信号输出到监视器(未图示)。

如上所述，通过使用含有上述实施例中的像素11的cmos图像传感器10来作为固体摄像装置101，能够改善饱和特性。换言之，可以改善动态范围，因而可以使通过照相机100的摄像而获得的图像成为高色阶(highgradation)图像。

同时，设置有应用了本技术的固体摄像装置(图像传感器)的电子设备除了可以具有上述构造之外，还可以具有其他构造。

图像传感器的使用示例

最后，将对应用了本技术的图像传感器的使用示例进行说明。

图18是图示了上述的图像传感器的使用示例的图。

上述图像传感器例如可以被用于如下文所述的对诸如可见光、红外光、紫外光和x射线等光进行感测的各种情况中。

·拍摄图像以供观赏的装置：诸如数码照相机和具有照相机功能的便携式装置等。

·用于交通用途的装置：诸如为了例如自动停车等安全驾驶和识别驾驶员状况等，对汽车的前方、后方、周围和内部进行摄影的车载传感器；对行驶车辆和道路进行监控的监控相机；以及对车辆之间的距离进行测量的测距传感器。

·用于诸如电视、冰箱和空调等家用电器的装置：这类装置对用户的姿态进行摄影并根据该姿态来执行装置操作。

·用于医疗和保健用途的装置：诸如内窥镜(endoscope)和通过接收红外光来执行血管造影(angiography)的装置等。

·用于安保用途的装置：诸如安保监控用的照相机和身份认证用的照相机等。

·用于美容护理用途的装置：诸如对皮肤进行摄影的皮肤状况测量装置和对头皮进行摄影的显微镜等。

·用于运动用途的装置：诸如用于运动用途的动作照相机和可穿戴式照相机等。

·用于农业用途的装置：诸如用于监视田地和农作物的状态的照相机等。

同时，本技术的实施例不限于上述这些实施例，且在不偏离本技术的范围的情况下，可以做出各种改变。

此外，本技术可以具有下列构造。

(1)一种固体摄像装置，所述固体摄像装置包括：

光电二极管，所述光电二极管被形成在基板上；

浮动扩散部，所述浮动扩散部积累从所述光电二极管读取的信号电荷；

多个垂直栅极电极，各所述垂直栅极电极在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间的区域中、从所述基板的表面沿深度方向而被形成；以及

溢出路径，所述溢出路径被形成在夹于所述多个垂直栅极电极之间的区域中。

(2)根据(1)所述的固体摄像装置，其还包括：

平面栅极电极，所述平面栅极电极被形成得在所述基板上跨越所述光电二极管和所述浮动扩散部，

其中，所述垂直栅极电极与所述平面栅极电极被一体地形成。

(3)根据(1)或(2)所述的固体摄像装置，其中，

所述溢出路径被形成在比所述多个垂直栅极电极所达到的深度浅的区域中。

(4)根据(1)至(3)中任一项所述的固体摄像装置，进一步包括：

驱动电路，所述驱动电路向所述多个垂直栅极电极施加预定电压，

其中，在机械快门从打开状态关闭的时刻，所述驱动电路向所述多个垂直栅极电极施加比此前施加的负电压更大的负电压。

(5)一种电子设备，所述电子设备包括：

固体摄像装置，所述固体摄像装置包括：

光电二极管，所述光电二极管被形成在基板上；

浮动扩散部，所述浮动扩散部积累从所述光电二极管读取的信号电荷；

多个垂直栅极电极，各所述垂直栅极电极在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间的区域中、从所述基板的表面沿深度方向而被形成；以及

溢出路径，所述溢出路径被形成在夹于所述多个垂直栅极电极之间的区域中。

附图标记列表

10cmos图像传感器

11像素

13控制电路

14垂直驱动电路

32光电二极管(pd)

33传输栅极电极

33a平面栅极电极

33b-1、33b-2垂直栅极电极

34浮动扩散部(fd)

35溢出路径

100照相机

101固体摄像装置