图像感测设备和固态图像感测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本文中所描述的实施例一般涉及图像感测设备和固态图像感测装置。
【背景技术】
[0002] 在固态图像感测装置中广泛使用诸如CMOS(互补金属氧化物半导体）图像传感器 和CCD(电荷耦合器件）图像传感器之类的固态图像感测设备。固态图像感测设备通过使 用杂质扩散区域将通过光电转换所生成的信号电荷转换成信号电压。信号电荷是通过光电 转换所生成的。杂质区通常被称为浮置扩散区域（FD区域）。
[0003] 每次固态图像感测设备获取每一帧的图像时，该固态图像感测设备通过使用重置 晶体管来将FD区域重置（初始化）为预定的电势。当通过重置晶体管重置FD区域时，生 成了随机热噪声（kTC噪声）。通过使用相关双采样方法来移除kTC噪声。
[0004] 最近，在这些固态图像感测设备中，在提高光利用效率并且使像素小型化方面特 别注意层压式（laminated)图像感测设备。例如，在层压式图像感测设备中，诸如有机光电 转换膜之类的光电转换膜被层压在硅衬底的光接收表面上。在层压式图像感测设备中，因 为形成在硅衬底上的光电转换膜未保持信号电荷，所以kTC噪声由后者重置方法的相关双 采样来移除。然而，在后者重置方法的相关双采样中，存在kTC噪声的移除不充足的问题。
[0005]为了解决该问题，提议了在光电转换膜中对信号电荷充电并且通过使用前者重置 方法的相关双采样来移除kTC噪声的层压式图像感测设备。
[0006] 然而，在层压式图像感测设备中，当存储在光电转换膜中的信号电荷被转移到FD区域时，存在信号电荷未被完全地转移的情况。因此，在具有实际长度的传输时间中，存在 非转移残余信号电荷存在的情况。
【附图说明】
[0007] 图1是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的示例性总的配置的框图。 图2是示出了包括在本实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性电 路的绘图。 图3是设置在本实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的截面图。 图4是示出了存储电极的示例性形状的图像像素10的俯视图。 图5是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的制造方法的绘图。 图6是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的制造方法的绘图。 图7是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的制造方法的绘图。 图8是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的制造方法的绘图。 图9是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的制造方法的绘图。 图10是示出了设置在本实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性结 构的绘图。 图11是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的示例性操作的流程图。 图12是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的操作的时序图。 图13是示出了在本实施例中的固态图像感测装置1的操作的每个步骤中的图像像素 的内部节点的电势的示例的绘图。 图14是示出了转移时间的公式中的模型的绘图。 图15是表示各种类型的半导体材料的示例性迀移率的表格。 图16是示出了被用于通过使用有限元法来计算电势分布的模型的绘图。 图17是示出了当存储信号电荷时计算图像像素10中的电势分布的示例性结果的绘 图。 图18A是示出了图17中所示的线A1到A2上的电势分布的轮廓的绘图。 图18B是示出了图17中所示的线B1到B2上的电势分布的轮廓的绘图。 图19是示出了当转移信号电荷时计算图像像素10中的电势分布的示例性结果的绘 图。 图20是示出了图19中所示的图像像素10中的电势分布的轮廓的绘图。 图21是表示本实施例中的固态图像感测装置1的示例性性能的表格。 图22是示出了存储电极的形状的修改示例的图像像素10的平面图。
【具体实施方式】
[0008] 根据某些实施例，图像感测设备具有集电极、第二绝缘层、存储电极、第三绝缘层、 半导体层、光电转换层和上电极。第二绝缘层被设置在集电极之上。第二绝缘层具有第一 开口。存储电极被设置在第二绝缘层之上。存储电极具有与第一开口重叠的第二开口。第 三绝缘层覆盖存储电极。第三绝缘层具有与第二开口重叠的第三开口。半导体层覆盖第二 绝缘层和第三绝缘层。半导体层被埋入第一开口、第二开口和第三开口中。光电转换层被 设置在半导体层之上。上电极被设置在光电转换层之上。
[0009] 参照附图，下面将描述图像感测设备和固态图像感测装置的实施例。在下面的描 述中，在实施例中的固态图像感测装置的组成元素之间的电连接可以是直接连接或间接连 接。例如，可通过直接地连接被包括在组成元素中的部件来执行直接连接。例如，可通过经 由另一任意导电构件来间接地连接被包括在组成元素中的部件来执行间接连接。
[0010] 下面说明书中的附图是为了描述固态图像感测装置的配置。每个示出的部件的参 数（尺寸、厚度、长度等等）与固态图像感测装置的实际参数不同。
[0011] 图1是示出了本实施例中的固态图像感测装置1的示例性总的配置的框图。固态 图像感测装置1具有图像像素阵列2、垂直扫描器3、水平扫描器4和控制器5。图像像素阵 列2包括以矩阵形式设置的多个像素10。像素10是图像感测设备的具体示例。
[0012] 在图像像素阵列2的行方向中，设置了选择信号线3-AU3-A2、…、3-An(n是自然 数）。这些选择信号线3-AU3-A2、…、3-An被用于传输从垂直扫描器3输出的选择信号 SEL。在下面的描述中，选择信号线3-Ai(i是自然数，大于或等于1，并且小于或等于η)表 不选择信号线3_A1、3_A2、…、3_An中的一个。
[0013] 在图像像素阵列2的行方向中，与选择信号线3-AU3-A2、…、3-An平行地设置了 控制信号线3-BU3-B2、…、3-Bn。这些控制信号线3-BU3-B2、…、3-Bn被用于传输从垂 直扫描器3输出的重置信号RST。在下面的描述中，控制信号线3-Bi表示选择信号线3-B1、 3-B2、…、3_Bn中的一个。
[0014] 在图像像素阵列2的列方向中，设置了图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m(m是自 然数）。这些图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m被用于将从图像像素10输出的图像像素信 号传输到水平扫描器4。在下面的描述中，图像像素信号线4-j(j是自然数，大于或等于1， 并且小于或等于m)表示图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m中的一个。图像像素10被设置 在选择信号线3-AU3-A2、…、3-An与图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m交叉的交叉区域 处。
[0015] 垂直扫描器3按行来驱动设置在图像像素阵列2中的图像像素10。例如，垂直扫 描器3具有移位寄存器。垂直扫描器3输出选择信号SEL和重置信号RST。选择信号SEL 被用于按行来选择设置在图像像素阵列2中的图像像素10。重置信号RST被用于按行来控 制设置在图像像素阵列2中的图像像素10。就是说，垂直扫描器3按行在垂直方向上顺序 地选择并扫描图像像素10,并且经选择的图像像素10经由图像像素信号线4-j将图像像素 信号输出至水平扫描器4。图像像素信号是基于由每一个图像像素10的光电转换器所生成 的信号电荷的信号。光电转换器根据所接收的光的量来生成信号电荷。例如，光电转换器 是被设置在面向彼此的两个电极之间的光电转换膜。
[0016] 水平扫描器4针对从图像像素阵列2中的每一个图像像素10输出的图像像素信 号执行信号处理。水平扫描器4具有列放大器和信号处理器。列放大器放大从每一个图像 像素10输出的图像像素信号。信号处理器处理由列放大器所放大的图像像素信号。水平 扫描器4执行CDS(相关双采样）、信号放大以及A/D(模拟/数字）转换。CDS被用于移除 图像像素10所特有的固定图案噪声。
[0017] 控制器5控制固态图像感测装置1的总的操作。在本实施例中，控制器5主要执 行对驱动图像像素10的控制。在包括图像像素晶体管的电路初始化之后，控制器5根据由 光电转换器所生成的信号电荷的量来读取图像像素信号。
[0018] 图2是示出了包括在本实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例 性电路的绘图。在图2中所示的具体示例中，每一个图像像素10具有光电转换器PEC和图 像像素电路21。图像像素电路21具有多个图像像素晶体管（被称为"M0S晶体管"）。电 压（VB31、VB33和VB42)被施加至图像像素10中的光电转换器PEC的每个电极。 具体地，图像像素10中的图像像素电路21具有重置晶体管RX、放大晶体管AX和选择 晶体管SX的三个晶体管。预定的电源电压被施加至放大晶体管AX的漏极。放大晶体管AX 的源极被连接至选择晶体管SX的漏极。选择晶体管SX的源极被连接至图像像素信号线 4-j。从垂直扫描器3输出的选择信号SEL被施加至选择晶体管SX的栅极。预定的电源电 压被施加至重置晶体管RX的漏极。重置晶体管RX的源极被连接至放大晶体管AX的栅极。 从垂直扫描器3输出的重置信号RST被施加至重置晶体管RX的栅极。放大晶体管AX的栅 极和重置晶体管RX的源极被连接至浮置扩散区域（FD区域）。稍后将描述FD区域。 电压VB31、VB33和VB42分别被施加至存储电极31、集电极（collectingelectrode) 33 和上电极42。稍后将描述存储电极31、集电极33和上电极42。图像像素10可具有进一步 包括转移晶体管的四个晶体管。
[0019] 图3是设置在本实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的截面图。图4 是示出了存储电极的示例性形状的图像像素10的俯视图。固态图像感测装置1可以是层 压式CMOS图像传感器。图3是在图4中所示的线Ql-Q2上的截面图。 图像像素10具有半导体衬底20、层间绝缘膜30(第一绝缘层）、存储电极31、第二绝缘 层32a、第三绝缘层32b、集电极33、接触插头34、半导体层35、光电转换层（光电转换膜）41 和上电极42。存储电极31、集电极33、第二绝缘层32a和第三绝缘层32b被设置在层间绝 缘膜30和半导体层35之间。存储电极31、第二绝缘层32a、第三绝缘层32b、集电极33、半 导体层35、光电转换层41和上电极42被包括在图2中所示的光电转换器PEC中。
[0020] 图像像素10可具有多个光电转换器。例如，除了光电转换层41之外，图像像素10 可进一步具有诸如ro(光电二极管）之类的光电转换器。在此情况中，光电转换层41接收 预定波长范围的光并执行光电转换。而且，形成在半导体衬底20上的光电转换器接收另一 波长范围的光并执行光电转换。在图像像素10具有多个光电转换器的情况中，采用一种图 像像素共用（share)结构（大家都这么叫）。在图像像素共用结构中，光电转换器共用除了 转移晶体管之外的图像像素晶体管，并且光电转换器共用FD区域。
[0021] 图3中所示的固态图像感测装置1是背面照射类型（大家都这么叫）的CMOS图 像传感器。具体地，上电极42被设置在半导体衬底20的背面上。上电极42(图3中所示 的上电极42的上表面F1)是光接收表面。半导体衬底20的正面（图3中所示的半导体衬 底20的下表面F2)是形成有包括读出电路的电路的电路形成表面。本实施例中的固态图 像感测装置1不限于背面照射类型的CMOS图像传感器。固态图像感测装置1可以