专利名称：固体摄像器件、固体摄像器件制造方法以及电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体摄像器件、用于制造该固体摄像器件的方法、以及用作设有该固体摄像器件的照相机等的电子装置。
背景技术：
作为固体摄像器件(图像传感器)，已知的有互补型金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)固体摄像器件。由于能够在低电压和低电力消耗下对CMOS固体摄像器件进行驱动，因而CMOS固体摄像器件已经被用在数码照相机、数码摄像机、各种移动终端装置(例如装配有照相机的手机)等装置中。CMOS固体摄像器件中的每个像素包括作为受光的光电转换部的光电二极管和用于输出信号的多个像素晶体管。一般地，输出信号被累积在硅基板中的杂质扩散层(该杂质扩散层被称作浮动扩散部(FD))中，然后被放大晶体管放大，之后被输出。近来，作为用于使图像传感器的动态范围加宽的技术，公开了这样一种技术该技术中，除了设有浮动扩散部(FD)以外，在基板上还形成有电容元件，并且在这些电容元件中也累积电荷。该项技术公开于《Japanese Journal of Applied Physics》，vol. 47，No. 7， pp. 5390-5395，(2008)(《日本应用物理杂志》，第47卷，第7期，第5390-5395页，2008年) 以及《Technical Digest of VLSI Circuit Technology)), pp. 180-181，(2009) ( ((VLSI 电路工艺的技术汇编》，第180-181页，2009年)中，这里，每个像素都包括有光电二极管、用于输出信号的多个像素晶体管和用于累积电荷的电容元件。图18图示了上述《VLSI电路工艺的技术汇编》第180-181页(2009年)中所公开的设有电容元件的像素的布局。在该CMOS固体摄像器件中，在一个像素111内形成有光电二极管PD和多个像素晶体管(即，传输晶体管Trl、复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3、列选择晶体管Tr4和电容选择晶体管Trf)。T表示传输栅极电极，FD表示浮动扩散部，S表示电容选择栅极电极，R表示复位栅极电极，SF表示放大栅极电极，X表示列选择栅极电极。另外，在像素111中形成有用于累积电荷的电容元件112。电容元件112的一端连接至复位晶体管Tr2与电容选择晶体管Tr5 二者的共用源极/漏极区域113，而电容元件112的另一端接地或者与电源VDD连接。垂直信号线(未图示)与列选择晶体管Tr4 一侧的源极/漏极区域114连接。另外，另一方面，例如在日本专利第4123415号、日本专利申请公开公报特开第 2003-31785号和第2006-245499号中公开了这样一种背面照射型CMOS固体摄像器件其中，为了实现CMOS固体摄像器件的高灵敏度而将布线形成在半导体基板正面侧上，并利用从半导体基板背面侧入射的光来进行图像摄取。在背面照射型CMOS固体摄像器件的情形下，如日本专利第4123415号的图4所示，不管入射到光电二极管上的光是怎么样的，可以将半导体基板正面的布线层置于光电二极管的正上方。另外，近来，日本专利申请公开公报特开第2002-44527号和第2006-49361号等中公开了这样一种模块该模块中，将CMOS固体摄像器件芯片和逻辑LSI芯片三维地层叠着。 在该技术中，通过使用凸块连接(bump connection)，将固体摄像器件芯片层叠到安装有A/ D转换器或存储器的芯片上，从而实现小型化。图19图示了其中层叠有第一半导体芯片116和第二半导体芯片117的CMOS固体摄像器件115，第一半导体芯片116包括按照二维阵列形状排列有多个像素的摄像区域，并且第二半导体芯片117上形成有逻辑电路。在第二半导体芯片117中，形成有存储器118 和模拟/数字转换器(以下称作A/D转换器)等。另外，在第二半导体芯片117中，形成有区域119以及其他电路，第一半导体芯片116将会被层叠在该区域119中。另外，日本专利申请公开公报特开第2008-147333号等还公开了一种CMOS固体摄像器件在该器件中，从光电转换部中透过的光被反射从而再次入射到光电转换部上。在如图18所示具有附加了上述电容元件112的像素布局的固体摄像器件中，一个像素内电容元件112所占的面积是非常大的。一般地，随着时代的发展，配置有光电二极管和用于输出信号的多个像素晶体管的像素的尺寸已经逐渐小型化。另一方面，为了增大受光灵敏度，必须要增大光电二极管的面积。在这些情况下，在具有图18所示像素的固体摄像器件中，由于在一个像素中必须设置有电容元件112，因而必须相对地减小光电二极管 PD的面积。于是，存在受光灵敏度降低的问题。另外，必须要用到重新形成电容元件112的步骤。另外，在其中层叠有如图19所示的半导体芯片116和117的固体摄像器件中，存在下列问题会出现由于噪声(该噪声来自其中形成有诸如A/D转换器等逻辑电路的第二半导体芯片117)而导致的串扰，或者会产生由于光入射而导致的噪声。例如，在逻辑电路的第二半导体芯片117中，因在晶体管处生成的热载流子而导致的发光会入射到固体摄像器件的第一半导体芯片116的光电二极管上，从而产生噪声。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是期望提供一种固体摄像器件及这种固体摄像器件的制造方法，这种固体摄像器件能够提高背面照射型固体摄像器件中光电转换部的面积效率并能够减少干扰噪声。本发明的另一目的是期望提供一种适合用作具有上述固体摄像器件的照相机等的电子装置。本发明的一个实施例提供了一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括多个像素，每个所述像素包括形成在基板的正面侧的光电转换部和形成在所述基板的正面侧的像素晶体管，这里所述基板的背面侧被设定为所述光电转换部的受光面；以及作为无源元件或有源元件的元件，该元件设置在所述基板的正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方。本发明实施例的固体摄像器件被构造成背面照射型固体摄像器件。另外，由于作为该固体摄像器件的组件中的一部分的无源元件或有源元件被设置在所述基板的正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方，因而能够增大光电转换部的面积。在其中把具有摄像区域的第一半导体芯片和形成有逻辑电路的第二半导体芯片层叠起来的结构中，减小了由来自所述第二半导体芯片的噪声引起的串扰或者诸如由光入射导致的噪声等干扰噪声。本发明的另一实施例提供了一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤在半导体基板上形成多个像素，每个所述像素包括形成在所述半导体基板的正面侧的光电转换部和形成在所述半导体基板的正面侧的像素晶体管，其中所述半导体基板的背面侧被设定为所述光电转换部的受光面。另外，所述方法还可以包括如下步骤形成作为无源元件或有源元件的元件，该元件设置在所述半导体基板的正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方。在本发明实施例的固体摄像器件制造方法中，由于所述半导体基板的背面侧用作受光面并且包括了形成所述无源元件或所述有源元件(所述无源元件或所述有源元件设置于所述半导体基板的正面侧且被叠加在所述光电转换部上方)的步骤，因而能够增大光电转换部的面积。另外，在其中把所述第一半导体芯片与所述第二半导体芯片层叠起来的结构中，可以形成能够屏蔽来自所述第二半导体芯片的干扰噪声的第一半导体芯片。本发明的又一实施例提供了一种电子装置，所述电子装置包括固体摄像器件； 光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像器件的光电二极管；以及信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像器件的输出信号进行处理。所述固体摄像器件包括多个像素，每个所述像素包括形成在基板的正面侧的光电转换部和形成在所述基板的正面侧的像素晶体管，这里所述基板的背面侧被设定为所述光电转换部的受光面；以及设置在所述基板的正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方的无源元件或有源元件。在本发明的电子装置中，由于设置有本发明的上述固体摄像器件，因而能够增大该固体摄像器件中光电转换部的面积，并且在第一半导体芯片与第二半导体芯片被构造得层叠起来的情况下，能够减小来自所述第二半导体芯片的干扰噪声。在本发明的固体摄像器件中，能够提高光电转换部的面积效率，从而可以提供减小了干扰噪声的背面照射型固体摄像器件。在本发明的固体摄像器件制造方法中，能够提高光电转换部的面积效率，从而可以制造出减小了干扰噪声的背面照射型固体摄像器件。在本发明的电子装置中，能够提高固体摄像器件中光电转换部的面积效率，从而能减少干扰噪声。因此，能够提供高质量的诸如照相机等电子装置。
图1是图示了适用于本发明各实施例的固体摄像器件的示例的示意性结构图。图2是图示了本发明第一实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性截面图。图3是图示了本发明第一实施例的主要部件的示意性截面图。图4是图示了本发明第一实施例的主要部件的示意性平面图。图5是图示了本发明第二实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性截面图。图6是图示了本发明第二实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性平面图。图7是第二实施例的单位像素的等效电路图。图8是图示了本发明第三实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性平面图。
图9是为了说明本发明第四实施例的固体摄像器件而提供的固体摄像器件的电路结构图。图10是图示了本发明第六实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性平面图。图11是图示了本发明第七实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性截面图。图12是图示了本发明第八实施例的固体摄像器件的主要部件的示意性结构图。图13A 图13E是用于说明本发明第九实施例的固体摄像器件制造方法的制造工序图。图14是图示了通过本发明第九实施例的制造方法而得到的固体摄像器件的示意性截面图。图15A 图15C是用于说明本发明第十一实施例的固体摄像器件制造方法的制造
工序图。图16是图示了通过本发明第十一实施例的制造方法而得到的固体摄像器件的示意性截面图。图17是图示了本发明第十二实施例的电子装置的示意性结构图。图18是图示了相关技术的固体摄像器件示例的示意性结构图。图19是图示了相关技术的固体摄像器件另一示例的示意性结构图。
具体实施例方式下面说明用于实现本发明的实施方案(以下称作实施例)。另外，按照下面的顺序进行说明。1. MOS固体摄像器件的示意性结构的示例2.第一实施例(固体摄像器件的结构示例)3.第二实施例(固体摄像器件的结构示例)4.第三实施例(固体摄像器件的结构示例)5.第四实施例(固体摄像器件的结构示例)6.第五实施例(固体摄像器件的结构示例)7.第六实施例(固体摄像器件的结构示例)8.第七实施例(固体摄像器件的结构示例)9.第八实施例(固体摄像器件的结构示例)10.第九实施例(固体摄像器件制造方法的示例)11.第十实施例(固体摄像器件制造方法的示例)12.第十一实施例(固体摄像器件制造方法的示例)13.第十二实施例(电子装置的结构示例)1. CMOS固体摄像器件的示意性结构的示例图1图示了适用于本发明各实施例的MOS固体摄像器件示例的示意性结构。如图 1所示，本示例的固体摄像器件1被构造成包括像素区域(所谓的摄像区域)3以及周边电路部，在像素区域3中，多个包括光电转换部的像素2规则地按照二维阵列形状而被布置在半导体基板11 (例如硅基板)上。作为像素2，可使用由一个光电转换部和多个像素晶体管组成的单位像素。另外，作为像素2，可使用所谓的像素共用结构，在该像素共用结构中，多个光电转换部共用除了传输晶体管之外的其他像素晶体管。多个像素晶体管可由包括传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管的四个晶体管组成或者由除了选择晶体管之外的三个晶体管组成。 周边电路部被构造成包括所谓的逻辑电路，例如垂直驱动电路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等。 控制电路8接收输入时钟和用于指示操作模式等的数据，并输出固体摄像器件的内部信息等数据。换句话说，控制电路8根据垂直同步信号、水平同步信号和主时钟来生成作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等的操作基准的时钟信号或控制信号。另外，控制电路8将这些信号输入至垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等中。垂直驱动电路4例如由移位寄存器构成，从而对像素驱动用布线进行选择，并且把用于驱动像素的脉冲提供给所选择的像素驱动用布线，以便逐行地驱动像素。也就是说， 垂直驱动电路4沿垂直方向依次逐行地对像素区域3中的像素2进行选择性地驱动。另外， 基于信号电荷(该信号电荷是在各个像素2的作为光电转换部的例如光电二极管中根据所接收到的光量而生成的)的像素信号经由垂直信号线9而被馈送给列信号处理电路5。列信号处理电路5例如设置在像素2的每一列中，从而以像素列为单位对从一行内的像素2输出的信号进行诸如噪声消除处理等信号处理。也就是说，列信号处理电路5进行例如如下的信号处理用于消除像素2所特有的固定模式噪声(fixed pattern noise) 的CDS (相关双采样)处理；信号放大；或者A/D转换等。在列信号处理电路5的输出端与水平信号线10之间设有与列信号处理电路5的输出端相连接的水平选择开关(未图示)。水平驱动电路6例如由移位寄存器组成，从而通过依次输出水平扫描脉冲来依次选择各个列信号处理电路5，并且把像素信号从各个列信号处理电路5输出至水平信号线 10。输出电路7对通过水平信号线10从各个列信号处理电路5依次提供的信号进行信号处理，然后输出该处理过的信号。例如，在某些情况下可以仅进行缓存，而在其他一些情况下可以进行诸如黑电平调节或列差异修正等各种类型的数字信号处理等。输入/输出端子12与外部进行信号交换。2.第一实施例固体摄像器件的结构示例图2 图4图示了本发明第一实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图2图示了与按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域中的单位像素对应的区域的示意性结构。图3图示了图2中的主要部件的示意性截面结构。图4图示了图3的示意性平面图，即示意性平面布局。在第一实施例的固体摄像器件21中，第二导电型半导体阱区域23形成在第一导电型硅半导体基板22中，并且作为光电转换部的光电二极管PD自基板正面沿深度方向形成在半导体阱区域23中。在本实施例中，第一导电型被设为η型，而第二导电型被设为ρ 型。光电二极管PD被构造成包括η型半导体区域M以及也能够抑制基板正面侧的暗电流的P型半导体区域20。在ρ型半导体阱区域23的正面侧形成有多个像素晶体管Tr，这些像素晶体管Tr构成了读出光电二极管PD的信号电荷用的读出电路。在本实施例中，多个像素晶体管Tr由传输晶体管Trl、复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr4这四个晶体管组成。传输晶体管Trl被形成得包括光电二极管PD、作为浮动扩散部FD的η型半导体区域25、以及传输栅极电极31。复位晶体管Tr2被形成得包括一对η型源极/漏极区域沈和27以及复位栅极电极32。放大晶体管Tr3被形成得包括一对η型源极/漏极区域27和 28以及放大栅极电极33。选择晶体管Tr4被形成得包括一对η型源极/漏极区域观和四以及选择栅极电极34。尽管未图示，但浮动扩散部FD是通过稍后说明的布线而被连接至放大栅极电极 33和作为复位晶体管Tr2的实际源极区域的η型源极/漏极区域26。作为复位晶体管Tr2 和放大晶体管Tr3每一者的实际漏极区域的η型源极/漏极区域27与电源VDD连接。作为选择晶体管Tr4的实际源极区域的η型源极/漏极区域四与垂直信号线连接。在相邻像素之间或者在单位像素内，设有元件隔离区域40。光电二极管PD和多个像素晶体管Trl Tr4可通过所谓的前端处理工艺 (front-end process)而形成在半导体基板22中。另一方面，在半导体基板22的正面上形成有多层布线层38，在该多层布线层38中形成有多层的布线37，并且这些层的布线37之间是被层间绝缘膜36隔开的。在本实施例中，形成了两层布线37。多层布线层38是利用所谓的后端处理工艺(back-end process) 而形成的。附图标记50表示用于将所需像素晶体管连接至所需布线的连接导体。另外，在本实施例中，在基板的正面侧形成有元件39，该元件39作为叠加在光电二极管PD上方的无源元件或有源元件。该无源元件是通过利用多层布线层38的层间绝缘膜36和布线37而被同时形成的。作为无源元件，可以使用像素内或周边电路侧的电容元件、电阻元件或电感元件等。上述有源元件是利用通过后端处理工艺而形成的布线37或层间绝缘膜36等予以形成的。作为有源元件，可以使用构成像素的像素晶体管等。该晶体管例如可形成为薄膜晶体管。在完成上述后端处理工艺之后，在半导体基板22的正面侧粘接支撑基板90 (例如，硅基板等)，并通过对半导体基板22的背面进行研磨来减薄该半导体基板22。该半导体基板的被减薄至光电二极管PD附近的背面形成为受光面35。在与光电二极管PD的受光面35面对着的界面处形成有用于抑制暗电流的ρ型半导体区域89。在受光面35侧设置绝缘膜94，然后在该绝缘膜94上形成滤色器91和片上透镜92，由此完成了本实施例的背面照射型固体摄像器件21。另外，在此结构中可省略ρ型半导体区域89和片上透镜92。根据第一实施例的固体摄像器件21，由于利用后端处理工艺将诸如无源元件或有源元件等元件39设置得叠加在光电二极管PD的正上方，因而能够提高像素的光电二极管 PD的面积效率。由于光电二极管PD的面积效率的提高而得到了高灵敏度，所以能够使像素小型化且高集成化，从而能够提供高质量的固体摄像器件。3.第二实施例固体摄像器件的结构示例图5和图6图示了本发明第二实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。与上述图3类似，图5中图示了与按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域中的单位像素对应的区域中主要部件的示意性截面结构。图6图示了主要部件的示意性平面图，即示意性平面布局。首先，参照图7来说明本实施例中的单位像素的等效电路的示例。本实施例中的单位像素41被构造成包括作为光电转换部的光电二极管PD和五个像素晶体管。这五个像素晶体管包括传输晶体管Trl、复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3、列选择晶体管Tr4和电容选择晶体管Tr5。这里，可以使用例如η沟道MOS晶体管作为像素晶体管Trl Tr5。光电二极管PD与传输晶体管Trl连接。传输晶体管Trl通过浮动扩散部FD而被连接至电容选择晶体管Tr5。通过向传输晶体管Trl的栅极施加传输脉冲ΦΤ，把在光电二极管PD中经光电转换而产生的并且被累积在该光电二极管PD中的信号电荷(这里，是电子)传输至浮动扩散部FD。电容选择晶体管Tr5连接至由复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和列选择晶体管 Tr4组成的串联电路。浮动扩散部FD与放大晶体管Tr3的栅极连接。电源VDD与复位晶体管Tr2的源极及放大晶体管Tr3的漏极(即共用源极/漏极区域)连接。列选择晶体管 Tr4的源极与垂直信号线9连接。另外，电荷存储用电容元件42连接在电容选择晶体管Tr5 和复位晶体管Tr2这二者的中心连接点与电源VDD之间。将电容选择脉冲ΦΞ施加至电容选择晶体管Tr5的电容选择栅极；将复位脉冲ΦΙ 施加至复位晶体管Tr2的复位栅极；并且将列选择脉冲Φ X施加至列选择晶体管Tr4的列选择栅极。这里，电容选择晶体管Tr5的源极(传输晶体管Trl的漏极)被配置为浮动扩散部FD。在将信号电荷从光电二极管PD传输给浮动扩散部FD之前，分别将复位脉冲ΦΙ 和电容选择脉冲Φ S施加至复位栅极和电容选择栅极。因此，浮动扩散部FD的电位和电荷存储用电容元件42的电容被复位。通过向列选择晶体管Tr4的栅极施加列选择脉冲ΦΧ，使列选择晶体管Tr4处于接通状态，从而选择像素。当接收强光时，从光电二极管PD溢出的电荷越过传输晶体管Trl及电容选择晶体管Tr5的沟道下的势垒(potential barrier)而被存储到浮动扩散部FD和电容元件42 中。此时，尚未达到饱和的光电子仍存储在光电二极管PD中。在完成上述存储之后，电容选择晶体管Tr5断开，从而使存储在浮动扩散部FD中的信号电荷和存储在电容元件42中的信号电荷分隔开。这时，浮动扩散部FD的信号电荷(其包括由于晶体管的变化而导致的噪声)被读取。接着，将传输晶体管Trl接通，使得累积在光电二极管PD中的信号电荷传输至浮动扩散部FD。在完成该传输之后，传输晶体管Trl断开，从而读取浮动扩散部FD的信号。该信号是前述噪声和信号的总和。接下来，将传输晶体管Trl和电容选择晶体管Tr5 接通，使得全部电荷都累积在浮动扩散部FD和电容元件42中，并读取浮动扩散部FD和电容元件42的信号。以此方式，数次读取的信号电荷被放大晶体管Tr3转换成电荷电压，并通过列选择晶体管Tr4将该电荷电压作为像素信号输出至垂直信号线9。另外，单位像素的等效电路不限于上述示例，而可以使用其他的等效电路。类似于上述实施例，在第二实施例的固体摄像器件44中，第二导电型半导体阱区域23形成在第一导电型硅半导体基板22中，并且作为光电转换部的光电二极管PD自基板正面沿深度方向形成在半导体阱区域23中。在本实施例中，第一导电型被设为η型，而第二导电型被设为P型。光电二极管PD被构造成包括η型半导体区域M以及也能抑制基板正面侧的暗电流的P型半导体区域20。在ρ型半导体阱区域23的正面侧形成有多个像素晶体管。在本实施例中，如图6的等效电路所示那样，多个像素晶体管由包括传输晶体管Trl、复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr4的四个晶体管组成。光电二极管PD和多个像素晶体管Trl Tr4可通过所谓的前端处理工艺而形成在半导体基板22中。另一方面，在半导体基板22的正面上形成有多层布线层38，在该多层布线层38中形成了多层的布线37，并且在这些层的布线37之间设有层间绝缘膜36。在本示例中，形成了两层布线37。多层布线层38是利用所谓的后端处理工艺而形成的。另外，在本实施例中，在基板的正面侧形成有电容元件42以作为叠加在光电二极管PD上方的无源元件。电容元件42是电荷存储用电容元件，其用于存储从光电二极管PD 漏出的电荷。该电容元件42是利用多层布线层38的层间绝缘膜36和布线37而被同时形成的。布线37可形成为Cu、Al或W等的金属布线。在本示例中，布线37由Cu布线37A以及形成在Cu布线37A的上表面及下表面上的阻挡金属37B形成。阻挡金属37B是利用能够防止Cu扩散并且不透光的金属形成的。电容元件42是利用第一层的布线37和层间绝缘膜36以及第二层的布线37形成的。在布线37包括了三个以上的层的情况下，优选利用靠近光电二极管PD的两层布线37且位于这两层布线37之间的层间绝缘膜36来形成电容元件42，这是因为从光电二极管PD漏出的电荷能够容易传输至该电容元件42。层间绝缘膜36可利用氧化硅膜(SiO2)或氧氮化硅膜(SiON)等予以形成，或者可利用包括铪或钽等的所谓高介电膜予以形成。特别地，要形成有电容元件42的那部分的层间绝缘膜36可由高介电膜形成，而其他层间绝缘膜36可由具有低介电常数的氧化硅膜或氧氮化硅膜等形成。把高介电膜用于电容元件42，从而能够增大每单位面积的电容。在完成后端处理工艺之后，尽管未图示，但在层间绝缘膜36上粘接诸如硅基板等支撑基板，并通过对半导体基板22的背面进行研磨来减薄该半导体基板22。该半导体基板的被减薄至光电二极管PD附近的背面形成为受光面35。在与光电二极管PD的受光面35 面对着的界面处形成了用于抑制暗电流的P型半导体区域89。在受光面35侧形成有滤色器和片上透镜，由此完成了本实施例的背面照射型固体摄像器件。因为其他结构与第一实施例中所述的那些结构相同，所以在图5和图6中，对应于图3和图4的部件用相同的附图标记表示，并且不再赘述。在第二实施例的固体摄像器件44中，利用多层布线层38在光电二极管PD的正上方设置有构成单位像素41的电荷存储用电容元件42，从而能够提高像素中的光电二极管 PD的面积效率。由于电容元件42是通过使用金属布线而形成在光电二极管PD上，因而如图5中的虚线所示，从背面照射并且从光电二极管PD中透过的光L在电容元件42的电极 (由金属制成的布线37)上被反射从而再次入射至光电二极管PD。于是，能够提高光利用率。由于光电二极管PD的面积效率的提高从而得到了高灵敏度，因而能够使像素小型化且高集成化。因此，能够提供高质量的固体摄像器件。根据本实施例，在不增大电容元件42的布局面积的情况下，能够根据作为电极的布线37的尺寸和层间绝缘膜36的厚度自由地设定电容值。当电容元件42的介电膜(作为层间绝缘膜36)由高介电膜形成时，能够增大每谷面积(valley area)的电容值。因为设有电荷存储用电容元件42，所以可将饱和信号量设为较大的值，从而能够提供动态范围变宽了的固体摄像器件。另外，构成电容元件42的两层布线37可通过如下方式配置而成将两层金属布线组合起来；或者将作为一层布线的金属布线以及作为另一层布线的多晶硅布线组合起来； 或者将两层多晶硅布线组合起来。4.第三实施例固体摄像器件的结构示例图8图示了本发明第三实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图8图示了与按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域中的单位像素对应的区域的示意性平面图，即示意性平面布局。第三实施例的固体摄像器件46是通过如下方式构造而成在光电二极管PD上设置具有所谓梳齿状电极的电容元件42且使该电容元件42叠加在该光电二极管PD上方。也就是说，通过使用多层布线层38中的同一层(例如，第一层的布线37)来形成电容元件42 的一对彼此相面对的梳齿状电极47A和47B，并且电容元件42由梳齿状电极47A和47B以及位于梳齿状电极47A与47B之间的层间绝缘膜36(未图示)构成。因为其他结构与第一实施例中所述的那些结构相同，所以在图8中，对应于图4的部件用相同的附图标记表示， 并且不再赘述。在第三实施例的固体摄像器件46中，具有利用同一层布线37而形成的梳齿状电极47A和47B的梳齿型电容元件42被设置在光电二极管PD的正上方。因此，类似于第二实施例所述的那样，由于光电二极管PD的面积效率的提高从而得到了高灵敏度，因而能够使像素小型化且高集成化，从而能够提供高质量的固体摄像器件。另外，因为设有电荷存储用电容元件42，所以可将饱和信号量设为较大的值，从而能够提供动态范围变宽了的固体摄像器件。5.第四实施例固体摄像器件的结构示例图9图示了本发明第四实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图9图示了本实施例的固体摄像器件的概略等效电路。如图9所示，第四实施例的固体摄像器件48是通过如下方式来实现的按照二维阵列形状布置像素2，每个像素2都包含光电二极管PD和多个像素晶体管。类似于上述实施例，多个像素晶体管由四个晶体管构成，这四个晶体管包括含有传输晶体管和复位晶体管但仅被代表性地图示出来的放大晶体管52以及作为选择晶体管的开关元件53。在本实施例中，逐列地读取按照二维阵列形状布置的像素2的输出，并把这些输出作为数字信号输出至A/D转换器M。另外，在每个水平行处通过来自垂直驱动电路4的驱动信号对像素2进行驱动，并通过垂直信号线9输出像素信号。当通过来自水平驱动电路6的信号将开关元件55接通时，来自A/D转换器M的像素信号就通过水平信号线10而输出。另外，在本实施例中，A/D转换器M中所包含的电容元件被形成为是上述的通过利用图5和图8所示的布线37和层间绝缘膜36而形成的电容元件，并且该电容元件被构造成位于光电二极管PD上方。其他结构与上述固体摄像器件的结构相同，因此不再赘述。在第四实施例的固体摄像器件48中，由于A/D转换器M中所包含的电容元件设置在光电二极管PD上方，这样就减小了对周边电路的占用面积，从而能够提高光电二极管 PD的面积效率。另外，当在另一个半导体芯片中形成该A/D转换器时，能够实现具有较小尺寸的固体摄像器件48的半导体芯片。因此，能够使像素小型化且高集成化，从而能提供高质量的固体摄像器件。第四实施例示出了这样的示例该示例中，A/D转换器中所包含的电容元件被设置在光电二极管PD的正上方。除此之外，也可以使用其中把构成信号处理电路的例如相关双采样电路(⑶S)中所包含的电容元件设置在光电二极管PD正上方的结构。该结构也能得到与第四实施例相同的效果。第四实施例的变形例在本变形例的固体摄像器件中，尽管未图示，但每个像素都设有A/D转换器，每个 A/D转换器的电容元件是利用层间绝缘膜36和布线37而设置在对应的A/D转换器的区域上。另一方面，如图5和图8所示那样，通过利用层间绝缘膜36和布线37而形成的电荷存储用电容元件42位于每个光电二极管PD上方。其他结构与上述固体摄像器件的结构相同， 因此不再赘述。在本变形例的固体摄像器件中，由于对于每个像素来说A/D转换器的电容元件都设置在对应的A/D转换器的区域上，因而能够提高光电二极管PD的面积效率，从而能够提高灵敏度特性。因此，能够使像素小型化且高集成化，从而能够提供高质量的固体摄像器件。6.第五实施例固体摄像器件的结构示例尽管未图示，但本发明第五实施例的固体摄像器件，即背面照射型固体摄像器件是通过设置有每个像素的光电二极管PD的全局快门操作(glcAal shutter operation)所必需的电荷存储用电容元件而构造成的。在进行全局快门操作的固体摄像器件中，如下元件是必要的该元件把在电荷累积期间内累积到所有像素的光电二极管PD中的电荷同时排出，并把在电荷累积期间内所累积的剩余电荷存储起来。在本实施例中，图5和图8图示的电容元件被构造成该电荷存储用元件。该电容元件连接在光电二极管PD与浮动扩散部 FD之间以作为存储器进行工作。其他结构与上述固体摄像器件的结构相同，因此不再赘述。在第五实施例的固体摄像器件中，可实施全局快门操作，并能够提高光电二极管 PD的面积效率。因此，能够使像素小型化且高集成化，从而能够提供高质量的固体摄像器件。7.第六实施例固体摄像器件的结构示例图10图示了本发明第六实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图10图示了与按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域中的单位像素对应的区域中主要部件的示意性平面图，即示意性平面布局。第六实施例的固体摄像器件57通过如下方式构造而成在光电二极管PD上设置作为无源元件的电感元件58和/或电阻元件59且使该电感元件58和/或电阻元件59叠加在该光电二极管PD上方。电感元件58和电阻元件59是由上述布线37 (例如，同一层的布线37)予以形成。电感元件58和电阻元件59可用作读取例如光电二极管PD的输出用的电路。电感元件58和电阻元件59可以是周边电路或像素中的电感元件或电阻元件。因为其他结构与第一实施例中所述的那些结构相同，所以在图10中，对应于图4的部件用相同的附图标记表示，并且不再赘述。另外，为了提高电感特性，可将通过用诸如Mi^e等磁性
13材料包围铜布线而形成的层叠电感元件用作上述电感元件58。由于通过布线37可形成作为无源元件的各种元件，因而在半导体器件中不常用的磁性层AFexOy (A是Mn、Co、Ni、Cu、 &i、Ba、Sr、Pb或Y等)也可用于电感元件58。在第六实施例的固体摄像器件57中，因为读取光电二极管PD的输出用的电路所使用的电感元件58和/或电阻元件59被设置在光电二极管PD的正上方，所以能够提高光电二极管PD的面积效率，从而能够提高灵敏度特性。因此，能够使像素小型化且高集成化， 从而能够提供高质量的固体摄像器件。8.第七实施例固体摄像器件的结构示例图11图示了本发明第七实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图11是图示了与按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域中的单位像素对应的区域中主要部件的示意性截面结构。第七实施例的固体摄像器件61通过如下方式构造而成在光电二极管PD上设置作为有源元件的晶体管62且使该晶体管62叠加在该光电二极管PD上方。晶体管62可形成得是利用后端处理工艺而形成的薄膜晶体管。薄膜晶体管62包括由多晶硅或非晶硅等制成的半导体薄膜63、栅极绝缘膜(例如，栅极氧化物膜)64和栅极电极65，并且通过在半导体薄膜63中形成源极区域和漏极区域来构成薄膜晶体管62。栅极电极65可通过金属布线或多晶硅予以形成。除了可以采用硅以外，可将ZnO等的化合物半导体薄膜用作半导体薄膜63。薄膜晶体管62可以是用作读取光电二极管PD的输出用的电路的晶体管，即像素晶体管。在薄膜晶体管62是像素晶体管的情况下，可以使用从在四个晶体管情况下排除了传输晶体管Trl以后的其他晶体管(例如，复位晶体管Tr2、放大晶体管和选择晶体管)的一部分或全部之中选择出来的晶体管。在薄膜晶体管62上方形成了多层的布线37，且在薄膜晶体管62与这些层的布线 37之间设有层间绝缘膜。因为其他结构与第一实施例中所述的那些结构相同，所以在图11 中，对应于图3的部件用相同的附图标记表示，并且不再赘述。在第七实施例的固体摄像器件61中，由于利用薄膜晶体管62而形成的像素晶体管的一部分或者全部被设置在光电二极管PD的正上方，因而能够提高光电二极管PD的面积效率，从而能够提高灵敏度特性。因此，能够使像素小型化且高集成化，从而能够提供高质量的固体摄像器件。9.第八实施例固体摄像器件的结构示例图12图示了本发明第八实施例的固体摄像器件，即背面照射型CMOS固体摄像器件。图12是概略地图示了本实施例的固体摄像器件的示意性结构图。第八实施例的固体摄像器件67是通过如下方式来实现的通过使用焊接凸块等而形成的连接，将第一半导体芯片68和第二半导体芯片69三维地层叠并组装起来，第一半导体芯片68包括按照二维阵列形状布置有多个像素的摄像区域，第二半导体芯片69至少包括逻辑电路。第一半导体芯片68是包含背面照射型CMOS固体摄像器件的所谓传感器芯片。第二半导体芯片69是包含用于构成周边电路的存储器LSI、逻辑LSI和A/D转换器等的所谓逻辑芯片。
第一半导体芯片68是通过在摄像区域中按照二维阵列形状布置有多个像素(各像素包括光电二极管PD和多个像素晶体管)而形成的。在基板的正面侧形成有被层间绝缘膜36隔开的多层布线37。在成为受光面35的基板背面侧上形成了滤色器71和片上透镜72。第二半导体芯片69是通过在半导体基板72上形成存储器LSI 74、A/D转换器75和逻辑LSI等而构造成的。第二半导体芯片69具有用作被减薄的第一半导体芯片68的支撑基板的功能。在本实施例中，使用通过后端处理工艺形成的布线，在与受光面35相反的基板正面中形成有作为上述有源元件或无源元件的电路元件76且使该电路元件76叠加在光电二极管PD上方。与上述实施例类似地，作为有源元件，可以使用晶体管(例如，像素晶体管)。与上述实施例类似地，作为无源元件，可以使用电容元件(例如，电荷存储用电容元件或者A/D转换器中所包含的电容元件)或相关双采样电路(correlated double sampling circuit)等。另外，与上述实施例类似地，作为无源元件，可以使用电感元件和/或电阻元件。在传感器芯片和逻辑芯片的层叠结构中，由于所谓的串扰(S卩，从逻辑LSI产生的噪声影响着固体摄像器件)而生成的光或者由于逻辑LSI等中所包含的晶体管内的热载流子而生成的光会入射至固体摄像器件，从而变成噪声。然而，在第八实施例的固体摄像器件67中，在与受光面35相反的基板正面侧中形成了作为有源元件或无源元件的元件76且使其叠加在光电二极管PD上方。对于光电二极管PD来说由第二半导体芯片69生成的诸如电噪声和光噪声等干扰噪声可被元件76屏蔽。 这时，用于有源元件或无源元件的金属被配置为具有高的光反射率的金属，从而更可靠地进行上述屏蔽。表1列出了一些金属对于具有各种波长的光的反射率。表 1金属的反射率(％ )
权利要求
1.一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括多个像素，每个所述像素包括形成在基板正面侧的光电转换部和形成在所述基板正面侧的像素晶体管，这里所述基板背面侧被设定为所述光电转换部的受光面；以及作为无源元件或有源元件的元件，该元件设置在所述基板正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述无源元件是电容元件，所述电容元件是通过使用设在所述基板正面侧的布线及层间绝缘膜来形成的。
3.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，所述电容元件是用于存储从所述光电转换部传输过来的电荷的电容元件。
4.如权利要求2所述的固体摄像器件，其中，所述电容元件是构成模拟/数字转换电路的电容元件。
5.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述无源元件是电感元件和/或电阻元件。
6.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述有源元件是晶体管元件。
7.如权利要求6所述的固体摄像器件，其中，所述晶体管元件是像素晶体管。
8.如权利要求1所述的固体摄像器件，还包括第一半导体芯片，所述第一半导体芯片包括摄像区域，所述多个像素按照二维阵列形状布置在所述摄像区域中；以及第二半导体芯片，所述第二半导体芯片至少包括逻辑电路， 其中，所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片层叠着。
9.一种固体摄像器件制造方法，所述方法包括如下步骤在半导体基板上形成多个像素，每个所述像素包括形成在所述半导体基板正面侧的光电转换部和形成在所述半导体基板正面侧的像素晶体管，这里所述半导体基板的背面侧被设定为所述光电转换部的受光面；以及形成作为无源元件或有源元件的元件，该元件设置在所述半导体基板正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方。
10.如权利要求9所述的方法，在所述形成多个像素的步骤之后，还包括如下步骤在所述半导体基板的正面上形成被层间绝缘膜隔开的多层布线，然后通过使用所述布线和所述层间绝缘膜来形成所述无源元件。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述无源元件是电容元件。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述无源元件是电感元件和/或电阻元件。
13.如权利要求9所述的方法，在所述形成多个像素的步骤之后，还包括如下步骤在所述半导体基板的正面上形成所述有源元件，然后形成被层间绝缘膜隔开的多层布线。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述有源元件是晶体管元件。
15.一种电子装置，所述电子装置包括 固体摄像器件；光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像器件的光电二极管；以及信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像器件的输出信号进行处理，其中，所述固体摄像器件由权利要求1 8任一项所述的固体摄像器件构成。
全文摘要
本发明公开了固体摄像器件、固体摄像器件制造方法以及电子装置。所述固体摄像器件包括多个像素，每个所述像素包括形成在基板正面侧的光电转换部和形成在所述基板正面侧的像素晶体管，这里所述基板背面侧被设定为所述光电转换部的受光面；以及作为无源元件或有源元件的元件，该元件设置在所述基板正面侧并且被叠加在所述光电转换部上方。根据本发明的固体摄像器件及其制造方法，能够提高光电转换部的面积效率、减少干扰噪声，从而能够提供减小了干扰噪声的背面照射型固体摄像器件。因此，本发明能够提供高质量的诸如照相机等电子装置。
文档编号H04N5/335GK102201417SQ201110065569
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年3月24日
发明者清田幸弘, 马渕圭司 申请人:索尼公司