固态图像拾取单元和电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本技术方案涉及固态图像拾取单元。此外，本技术方案涉及包括固态图像拾取单兀的电子设备。
【背景技术】
[0002]固态图像拾取单元的示例是CMOS(互补金属氧化物半导体)型图像传感器，其通过MOS晶体管读取作为光电转换装置的光电二极管的pn结电容中累积的光电荷。
[0003]在该CMOS型图像传感器中，读取光电二极管中累积的光电荷的操作在每个像素上或每个行等上执行。因此，不允许光电荷累积在所有像素中的曝光时间段彼此一致，并且在物体运动等情况下，在图像拾取期间发生失真。
[0004]因此，执行全局曝光，其中图像拾取在相同的曝光时间在所有的像素上执行。
[0005]然后，作为一种实现全局曝光的方法，广泛地采用使用机械遮光装置的机械快门系统。
[0006]在机械快门系统中，所有像素中的曝光时间段通过机械地打开和关闭机械快门而彼此一致。然后，在机械快门关闭后顺序读取信号导致光电荷没有充分累积的状态。
[0007]然而，在机械快门系统中，机械遮光装置是必须的；因此，小型化很困难。而且，机械驱动速度有其限度；因此，同时性低于电气方法。
[0008]而且，也采用全局快门系统，其中所有像素通过电气控制同时驱动而不采用机械快门系统来实现全局曝光。更具体而言，信号电荷在整个像素阵列中的累积通过同时在所有像素行中的像素阵列的光电二极管上执行复位驱动而同时开始。然后，信号电荷在整个像素阵列中的累积通过在所有像素行中对诸如浮置扩散的电荷累积部同时执行转移驱动而同时终止。
[0009]应注意，电荷累积部中累积的信号电荷的读取通过行顺次扫描而实现。
[0010]在采用全局快门系统的情况下，必须提供遮光膜等在电荷累积部之上。在顺序读取信号的时间段中光进入电荷累积部时，光作为噪声增加到信号中；因此，遮光膜等提供为防止这一情况的发生。
[0011]然而，在提供遮光膜的情况下，减小了光电二极管的开口区域而导致灵敏度降低和饱和灵敏度的降低。而且，因为电荷累积部提供在相对靠近光电二极管的位置，此处光横向进入，所以，在信号读取期间，光可能通过光衍射现象或光散射现象等而泄漏，从而进入累积部，因此导致噪声增加。作为饱和灵敏度降低和噪声增加的结果，导致图像质量下降。
[0012]此外，当电荷累积部由硅衬底上形成的浮置扩散层构成时，暗电流容易在硅衬底和氧化物膜之间的界面上由晶体缺陷产生；然而，当电荷保持在浮置扩散层中时，施加到信号电平的暗电流差由读取像素的顺序引起。该暗电流上的差不允许由复位电平的噪声去除消除。
[0013]作为解决上述暗电流差不允许去除问题的技术，已经提出了一种构造，其中除了在像素中的浮置扩散层外包括累积电荷的存储部(例如，参见PTLl和PTL 2)。存储部暂时保存光电二极管中累积的光电荷。转移栅极提供为转移光电二极管中累积的光电荷到存储部。
[0014]然而，在这样的提供存储部的构造中，还必须遮蔽存储部使其不受光，并且增加了相对于像素面积的遮光面积，而进一步减小了开口面积；因此，导致灵敏度上的进一步降低，并且降低了饱和灵敏度。
[0015]另一方面，相对于入射光扩大像素开口面积的装置是背照式固态图像拾取单元。在背照式固态图像拾取单元中，由晶体管和配线等构成的电路形成在与光入射表面(后表面)相反的衬底表面(前表面)上；因此，因为保证了像素在光入射侧的大开口的优点，所以进行小型化是可能的。
[0016]难以避免的是，在全局快门功能加到背照式固态图像拾取单元的情况下，为了防止光进入半导体衬底的前表面侧，采用遮光膜形成在光入射侧的构造。在此情况下，在形成大遮光膜时，减小了像素的开口面积，因此导致小型化的困难。
[0017]作为消除这样的问题的方式，已经提出了电容器提供在硅衬底之外的构造(例如，参见PTL 3) ο然而，在该构造中，电容器产生的暗电流很大；因此，不能获得高图像质量。
[0018]此外，已经提出了这样的构造，其中具有高吸收系数的光电转换膜用于背照式固态图像拾取单元的光电转换膜以兼作遮光膜，因此具有全局快门功能(例如，参见PTL 4)。
[0019]在该构造中，通过在衬底的光入射侧提供光电转换膜能够防止进入累积部的光引起污点噪声(smear noise)。
[0020]该构造包括暂时保存由光电转换膜产生的电荷的第一累积部和用于在曝光后顺序读取信号的时间段中保存信号的第二累积部。
[0021]引用列表
[0022]专利文件
[0023]PTL 1:日本未审查专利申请(公开的PCT申请的日文翻译)N0.2007-503722
[0024]PTL 2:日本未审查专利申请公开N0.2006-311515
[0025]PTL 3:日本未审查专利申请公开Νο.Η4-281681
[0026]PTL 4:日本未审查专利申请公开N0.2012-4443
【发明内容】
[0027]然而，在提供上述光电转换膜的构造中，第一累积部和第二累积部设置为沿着衬底的横向方向；因此，像素的小型化是困难的。
[0028]因此，希望提供一种固态图像拾取单元，其能小型化像素，实现灵敏度和饱和电荷量的改善，且通过减少污点噪声而获得合适的图像质量，并且希望提供包括这样固态图像拾取单元的电子设备。
[0029]本技术方案实施例的固态图像拾取单元包括:衬底；光电转换部，形成在衬底的光入射侧，并且根据光量产生信号电荷；以及第一电荷累积部，形成在衬底中的光入射侧，并且累积由光电转换部产生的信号电荷。
[0030]固态图像拾取单元还包括:第二电荷累积部，形成在集光区域之外的区域中，该集光区域中入射光聚集在衬底中与光入射侧相反的一侧，并且形成为与第一电荷累积部在衬底的深度方向上层叠在一起。
[0031]固态图像拾取单元还包括浮置扩散部，形成在衬底的与光入射侧相反侧的集光区域之外的区域中且将信号电荷转换成电压。
[0032]本技术方案实施例的电子设备包括光学透镜、本技术方案实施例的上述固态图像拾取单元、以及处理来自固态图像拾取单元的输出信号的信号处理电路。
[0033]根据本技术方案实施例的上述固态图像拾取单元的构造，因为光电转换部形成在衬底的光入射侧，所以不必提供光电转换部在衬底中；因此，像素的小型化是可实现的。
[0034]而且，因为第二电荷累积部形成为与第一电荷累积部在衬底深度方向上层叠在一起，所以实现了像素的进一步小型化。
[0035]此外，通过提供第一电荷累积部、第二电荷累积部和浮置扩散部，允许第一电荷累积部中累积的信号电荷在转移到浮置扩散部之前转移到第二电荷累积部以被第二电荷累积部暂时保存。因此，全局快门系统中所有像素同时曝光是可能的。
[0036]而且，根据本技术方案实施例的上述固态图像拾取单元的构造，第二电荷累积部和浮置扩散部形成在其中聚集入射光的集光区域之外的区域中；因此，减少了第二电荷累积部和浮置扩散部上的光入射量。从而，允许减少由光进入产生的污点噪声，因此获得高S/N比。
[0037]根据本技术方案实施例的上述电子设备的构造，包括本技术方案的固态图像拾取单元；因此，在固态图像拾取单元中，实现了像素的小型化，并且所有像素上的同时曝光是可能的；因此，获得高S/N比。
[0038]根据本技术方案实施例的固态图像拾取单元和包括固态图像拾取单元的电子设备，允许实现像素的小型化；因此，允许实现尺寸减小和像素数增加。于是，通过实现像素数的增加允许提供高清晰度图像。
[0039]而且，所有像素的同时曝光是可能的；因此，允许防止拾取运动物体的图像时失真的产生。于是，因为不提供遮光膜的情况下，也能实现所有像素的同时曝光，所以，与提供遮光膜的情况相比，通过扩大开口能够实现灵敏度上的改善以及饱和电荷量上的改善。
[0040]此外，因为减少了污点噪声以获得高S/N比，所以能够实现良好的图像质量。
[0041]因此，根据本技术方案实施例的固态图像拾取单元和包括固态图像拾取单元的电子设备，能够实现高灵敏度和高饱和电荷量，并且能够提供具有高清晰度和良好图像质量的图像。
【附图说明】
[0042]图1是第一实施例的固态图像拾取单元的示意性构造图(平面图)。
[0043]图2是第一实施例的固态图像拾取单元的像素区域中的截面图。
[0044]图3是第一实施例的固态图像拾取单元的像素的等效电路图。
[0045]图4是示出各种半导体材料中光子能量和光吸收系数之间关系的示意图。
[0046]图5是示出黄铜矿材料的晶格常数和带隙之间关系的示意图(N0.1)。
[0047]图6是示出黄铜矿材料的晶格常数和带隙之间关系的示意图(N0.2)。
[0048]图7是示出各种硅化物-基材料的光子能量和消光系数k之间关系的示意图。
[0049]图8中的A和B是描述像素中各部件布置的示意图。
[0050]图9是示出模拟的固态图像拾取单元构造的示意图。
[0051]图10是示出用图9中的构造模拟固态图像拾取单元中光透射结果的示意图。
[0052]图11是第一实施例的固态图像拾取单元的驱动方法的时序图。
[0053]图12是示出第一实施例的固态图像拾取单元操作的示意图。
[0054]图13A是示出第一实施例的固态图像拾取单元的制造方法的制造工艺图。
[0055]图13B是示出图13A后续工艺的示意图。
[0056]图13C是示出图13B后续工艺的示意图。
[0057]图14D是示出图13C后续工艺的示意图。
[0058]图14E是示出图14D后续工艺的示意图。
[0059]图14F是示出图14E后续工艺的示意图。
[0060]图14G是示出图14F后续工艺的示意图。
[0061]图15是示出用于形成光电转换部的MOCVD设备的示意图。
[0062]图16是示出用于形成光电转换部的MBE设备的示意图。
[0063]图17A是示出第一实施例的固态图像拾取单元的另一个制造方法的制造工艺图。
[0064]图17B是示出图17A后续工艺的示意图。
[0065]图17C是示出图17B后续工艺的示意图。
[0066]图18是示出光电转换部形成在偏衬底上时原子排列的示意图。
[0067]图19是第一实施例的第一修改示例的固态图像拾取单元的示意性构造图(主要部分的截面图)。
[0068]图20A是示出在图19的衬底和光电转换部的垂直方向上的断面带结构的示意图。
[0069]图20B是示出在图19的衬底和光电转换部的垂直方向上的断面带结构的示意图。
[0070]图21是示出图19的光电转换部的水平方向上断面带结构的示意图。
[0071]图22是第一实施例的第二修改示例的固态图像拾取单元的示意性构造图(主要部分的截面图)。
[0072]图23是第一实施例的第三修改示例的固态图像拾取单元的示意性构造图(主要部分的截面图)。
[0073]图24是第二实施例的固态图像拾取单元的示意性构造图(主要部分的截面图)。
[0074]图25是第二实施例的固态图像拾取单元的像素的等效电路图。
[0075]图26是第二实施例的固态图像拾取单元的驱动方法的计时图。
[0076]图27是示出第二实施例的固态图像拾取单元操作的示意图。
[0077]图28是第三实施例的电子设备的示意性构造图(模块示意图)。
【具体实施方式】
[0078]下面将描述实施本技术方案的某些最佳方式(在下文称为“实施例”)。
[0079]应注意，描述将以下面的顺序给出。
[0080]1.第一实施例(固态图像拾取单元)
[0081]2.第一实施例的第一修改示例
[0082]3.第一实施例的第二修改示例
[0083]4.第一实施例的第三修改示例
[0084]5.第一实施例的第四修改示例
[0085]6.第二实施例(固态图像拾取单元)
[0086]7.第三实施例(电子设备)
[0087](1.第一实施例)
[0088]图1示出了第一实施例的固态图像拾取单元的示意性构造图(平面图)。
[0089]在该实施例中，本技术方案应用于CMOS型图像传感器。
[0090]如图1所示，该实施例的固态图像拾取单元I包括:由硅制造的衬底11上设置的多个像素2构成的像素区域3、垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8。
[0091]像素2包括光电转换部，该光电转换部包括光电二极管和多个像素晶体管，并且多个像素2以二维阵列规则地设置在衬底11上。
[0092]构成像素2的像素晶体管的示例可包括转移晶体管、复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管。
[0093]像素区域3包括规则地设置成二维阵列的多个像素2。像素区域3包括有效像素区域和黑基准像素区域，有效像素区域中通过入射光上执行光电转换产生的信号被放大且读至列信号处理电路5，而黑基准像素区域(未示出)用于输出光学黑色作为黑水平的基准。黑基准像素区域典型地形成在有效像素区域的外周边。
[0094]控制电路8根据垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生时钟信号和控制信号等，作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等的操作基准。然后，控制电路8产生的时钟信号和控制信号等输入到垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等。
[0095]垂直驱动电路4例如可以包括位移寄存器，并且在垂直方向逐行地顺序选择且扫描像素区域3的各像素2。然后，基于根据每个像素2的光电二极管接收的光量产生的信号电荷的像素信号通过垂直信号线9提供到列信号处理电路5。
[0096]列信号处理电路5可设置为用于像素2的每个列，并且由来自黑基准像素区域(其未示出，但是形成在有效像素区域的外周边)的信号在属于一个行的像素2输出的信号逐像素列地执行诸如噪声去除和信号放大的信号处理。水平选择开关(未示出)提供在列信号处理电路5在列信号处理电路5和水平信号线10之间的输出段中。
[0097]水平驱动电路6例如可包括位移寄存器，并且通过从各列信号处理电路5到水平信号线10顺序输出水平扫描脉冲到输出像素信号而顺序选择各列信号处理电路5。
[0098]输出电路7在通过水平信号线10从各列信号处理电路5提供的信号上执行信号处理以输出该信号。
[0099]接下来，将在下面描述该实施例的固态图像拾取单元I的每个像素2的构造。
[0100]该实施例的固态图像拾取单元I是具有背照式构造的固态图像拾取单元，其中半导体衬底的前表面用作电路形成表面，并且半导体衬底的后表面用作光接收表面。
[0101]图2示出了该实施例的固态图像拾取单元I的像素区域3中的示意性截面图。而且，图3示出了该实施例的固态图像拾取单元I的每个像素2的等效电路图。应注意，构成每个像素2的某些像素晶体管的电路图示出在图2中。
[0102]如图2所示，该实施例的固态图像拾取单元I包括第一电荷累积部52、第二电荷累积部25、浮置扩散部34和其中形成多个像素晶体管的衬底12。
[0103]而且，该实施例的固态图像拾取单元I包括未示出的配线层，其位于衬底12的前表面侧上。此外，该实施例的固态图像拾取单元I在用作衬底12的光接收表面的后表面上包括层叠形成的光电转换部50、p-型半导体层58、透明电极57、滤色器层23和芯片上透镜24。
[0104]衬底12包括η-型半导体衬底(例如，η-型硅衬底)，并且可形成有例如3 μπι至5 μπι的厚度。
[0105]而且，其中形成构成各像素2的杂质区域的像素区域3用作第二导电类型(该实施例中的P-型)阱区13。然后，各像素2由衬底12中形成的像素隔离部53分隔。像素隔离部53由高浓度P-型半导体层形成，其形成