固体摄像装置的制造方法
【专利说明】固体摄像装置
[0001]本申请享受2014年6月9日提交的日本专利申请2014-118335的优先权，该日本专利申请的全部内容在本申请中被引用。
技术领域
[0002]本发明的实施方式涉及固体摄像装置。
【背景技术】
[0003]伴随着固体摄像装置的小型化及高画质化的要求，像素逐渐微细化。由于像素的微细化，向像素的入射光量减少，特别是在低照度时，白斑或漏电流等导致的画质劣化变得醒目。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的课题在于，提供一种固体摄像装置，能够在抑制画质劣化的同时，实现像素的微细化。
[0005]—个实施方式的固体摄像装置，具备:像素，在半导体基板上设有光电变换部，该光电变换部蓄积进行光电变换而得的电荷；光栅，从所述光电变换部的光入射面的相反面对所述光电变换部的电势进行控制；电压变换部，将从所述光电变换部读出的信号电荷变换为电压；以及变换电容控制部，对所述电压变换部的变换电容进行控制。
[0006]另一实施方式的固体摄像装置，具备:像素，设有第I光电变换部和第2光电变换部，该第I光电变换部设置在光入射面侧，该第2光电变换部设置在所述光入射面的相反面侧；以及光栅，对所述第2光电变换部的电势进行控制。
[0007]此外，另一实施方式的固体摄像装置，具备:像素，在半导体基板上设有光电变换部，该光电变换部蓄积进行光电变换而得的电荷；光栅，从所述光电变换部的光入射面的相反面对所述光电变换部的电势进行控制；以及定时控制电路，基于所述像素的入射光量，控制向所述光栅施加的电压。
[0008]根据上述结构的固体摄像装置，能够在抑制画质劣化的同时，实现像素的微细化。
【附图说明】
[0009]图1是表示第I实施方式的固体摄像装置的概略结构的框图。
[0010]图2是表示图1的固体摄像装置的2像素I单元结构中的拜耳排列的像素的结构例的电路图。
[0011]图3(a)是表示图2的像素的结构例的截面图，图3(b)是表示图3(a)的结构例中的电势分布的图。
[0012]图4 (a)是表示图3 (a)的结构的低照度时的状态的截面图，图4 (b)是表示图4(a)的状态的电势分布的图。
[0013]图5 (a)是表示图3 (a)的结构的高照度时的状态的截面图，图5 (b)是表示图5 (a)的状态的电势分布的图。
[0014]图6是表示第2实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横2X纵4像素的像素的结构例的电路图。
[0015]图7(a)是表示图6的像素的第I读出动作时的各部分的电压波形的时序图，图7(b)是表示图6的像素的第2读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0016]图8是表示第3实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的拜耳排列的像素的结构例的电路图。
[0017]图9(a)是表示图8的像素的结构例的截面图，图9 (b)是表示图9(a)的结构例中的电势分布的图。
[0018]图10(a)是表示图9(a)的结构的低照度时的状态的截面图，图10(b)是表示图10(a)的状态的电势分布的图。
[0019]图11(a)是表示图9(a)的结构的高照度时的状态的截面图，图11(b)是表示图11(a)的状态的电势分布的图。
[0020]图12(a)是表示图8的像素的第I读出动作时的各部分的电压波形的时序图，图12(b)是表示图8的像素的第2读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0021]图13是表示第4实施方式的固体摄像装置的概略结构的框图。
[0022]图14是表示图13的像素的读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0023]图15(a)是表示第5实施方式的固体摄像装置的像素的结构例的截面图，图15(b)是表示图15(a)的结构例中的电势分布的图。
[0024]图16(a)是表示图15(a)的结构的电荷蓄积时的状态的截面图，图16(b)是表示图15(a)的状态的电势分布的图。
[0025]图17是表示图15(a)的像素的读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0026]图18(a)是表示第6实施方式的固体摄像装置中应用的切换晶体管的结构例的电路图，图18(b)是表示图18(a)的切换晶体管的布局结构例的平面图。
[0027]图19是表示第7实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图。
[0028]图20是表示第8实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图。
[0029]图21是表示第9实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图。
[0030]图22是表示第10实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图。
[0031]图23(a)是表示第11实施方式的固体摄像装置中应用的切换晶体管的结构例的电路图，图23(b)是表示图23(a)的切换晶体管的布局结构例的平面图。
[0032]图24(a)是表示第12实施方式的固体摄像装置中应用的切换晶体管的结构例的电路图，图24(b)是表示图24(a)的切换晶体管的布局结构例的平面图。
[0033]图25(a)是表示第13实施方式的固体摄像装置中应用的切换晶体管的结构例的电路图，图25(b)是表示图25(a)的切换晶体管的布局结构例的平面图。
[0034]图26(a)是表示第14实施方式的固体摄像装置中应用的切换晶体管的结构例的电路图，图26(b)是表示图26(a)的切换晶体管的布局结构例的平面图。
[0035]图27(a)是表示第15实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图，图27(b)是表示图27(a)的分割晶体管的布局结构例的平面图。
[0036]图28(a)是表示第16实施方式的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横IX纵4像素的像素的结构例的电路图，图28(b)是表示图28(a)的分割晶体管的布局结构例的平面图。
[0037]图29是表示图28的像素的第I读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0038]图29是表示图28的像素的第2读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0039]图30是表示图28的像素的第3读出动作时的各部分的电压波形的时序图。
[0040]图32是表示应用了第17实施方式的固体摄像装置的数字摄像机的概略结构的框图。
[0041]图33是表示应用了第18实施方式的固体摄像装置的摄像机模块的概略结构的截面图。
【具体实施方式】
[0042]根据本发明的一个实施方式，具备:像素，在半导体基板上设有光电变换部，该光电变换部蓄积进行光电变换而得的电荷；光栅，从所述光电变换部的光入射面的相反面对所述光电变换部的电势进行控制；电压变换部，将从所述光电变换部读出的信号电荷变换为电压；以及变换电容控制部，对所述电压变换部的变换电容进行控制。
[0043]以下，参照附图详细说明实施方式的固体摄像装置。另外，本发明不限于这些实施方式。
[0044](第I实施方式)
[0045]图1是表示第I实施方式的固体摄像装置的概略结构的框图。另外，该固体摄像装置可以使用背面照射型CMOS传感器。
[0046]在图1中，在固体摄像装置中设有像素阵列部I。在像素阵列部I中，设置有用于蓄积进行光电变换而得的电荷的光电变换部的像素PC在行方向RD及列方向CD上配置m(m为正整数)行Xn(n为正整数)列而成为矩阵状。另外，光电变换部可以使用光电二极管。在此，在各像素PC的光电变换部的光入射面的相反面设有光栅TPG。光栅TPG能够对光电变换部的光入射面的相反面的电势进行控制。此外，在该像素阵列部I中，在行方向RD设有用于进行像素PC的读出控制的水平控制线Hlin，在列方向CD设有用于传送从像素PC读出的信号的垂直信号线Vlin。另外，像素PC可以形成由2个绿色用像素Gr、Gb和I个红色用像素R和I个蓝色用像素B构成的拜耳排列。
[0047]此外，在固体摄像装置中设置有:垂直扫描电路2，沿垂直方向对作为读出对象的像素PC进行扫描；负载电路3，通过在与像素PC之间进行源极跟随动作，从而按每个列将像素信号从像素PC读出到垂直信号线Vlin ;列ADC电路4，实施用于仅提取各像素PC的信号成分的CDS处理，并且变换为数字信号；线存储器5，按照每个列存储由列ADC电路4检测出的各像素PC的信号成分；水平扫描电路6，沿水平方向对作为读出对象的像素PC进行扫描；基准电压发生电路(DAC) 7，将基准电压VREF输出到列ADC电路4 ;以及定时控制电路8，对各像素PC的读出或蓄积的定时进行控制。在此，定时控制电路8能够将光栅TPG的电压控制为，在各像素PC的光电变换部的入射光量小的情况下，与大的情况相比，光电变换部的电势变浅。另外，向定时控制电路8输入主时钟MCK。基准电压VREF可以使用锯齿波。
[0048]并且，通过由垂直扫描电路2沿垂直方向对像素PC进行逐行扫描，从而在行方向RD选择像素PC。并且，在负载电路3中，通过在与该像素PC之间按每个列进行源极跟随动作，从而将从像素PC读出的像素信号经由垂直信号线Vlin传送，并发送给列ADC电路4。此夕卜，在基准电压发生电路7中，作为基准电压VREF设定锯齿波，并发送给列ADC电路4。并且，在列ADC电路4中，直到从像素PC读出的信号电平和复位电平与锯齿波的电平一致为止进行时钟的计时动作，从而变换为数字信号。通过取得此时的信号电平和复位电平的差值，从而由CDS检测出各像素PC的信号成分，并经由线存储器5作为输出信号Sout输出。
[0049]在此，在低照度时，能够将光栅TPG的电压控制为使各像素PC的光电变换部的电势变浅，在高照度时，能够将光栅TPG的电压控制为使各像素PC的光电变换部的电势变深。因此，在低照度时，能够使各像素PC的光电变换部的表面侧产生钉扎(Pinning)，能够减少白斑或漏电流等导致的画质劣化。在高照度时，能够使各像素PC的电荷蓄积电容增大，能够使各像素PC的饱和电子数增大，所以能够减少光散粒噪声所导致的画质劣化。
[0050]图2是表示图1的固体摄像装置的2像素I单元结构中的横2 X纵2像素的像素的结构例的电路图。
[0051 ] 在图2中，在拜耳排列BH中，对于绿色用像素Gr设置有光电变换部PD_Gr，对于蓝色用像素B设置有光电变换部PD_B，对于红色用像素R设置有光电变换部PD_R，对于绿色用像素Gb设置有光电变换部PD_Gb。对光电变换部PD_Gr设置有光栅TPGpr，对光电变换部PD_B设置有光栅TPGb，对光电变换部PD_R设置有光栅TPGr，对光电变换部PD_Gb设置有光栅TPGpb。此外，在拜耳排列BH中，设置有行选择晶体管TRadrA、TRadrB、放大晶体管TRampA、TRampB、复位晶体管 TRrstA、TRrstB 及读出晶体管 TGpr、TGb、TGr、TGpb0 此外，在放大晶体管TRampA、复位晶体管TRrstA、读出晶体管TGpr、TGb的连接点，作为电压变换部形成有浮动扩散区FDA。在放大晶体管TRampB、复位晶体管TRrstB、读出晶体管TGr、TGpb的连接点，作为电压变换部形成有浮动扩散区FDB。在此，通过由光电变换部PD_Gr、PD_B共用浮动扩散区FDA而构成2像素I单元，通过由光电变换部PD_R、PD_Gb共用浮动扩散区FDB而构成2像素I单元。
[0052]并且，光电变换部PD_Gr经由读出晶体管TGpr与浮动扩散区FDA连接，光电变换部PD_B经由读出晶体管TGb与浮动扩散区FDA连接。放大晶体管TRampA的栅极与浮动扩散区FDA连接，放大晶体管TRampA的漏极经由行选择晶体管TRadrA与电源电位VDD连接，放大晶体管TRampA的源极与垂直信号线Vlinl连接。此外，浮动扩散区FDA经由复位晶体管TRrstA与电源电位VDD连接。
[0053]光电变换部PD_R经由读出晶体管TGr与浮动扩散区FDB连接，光电变换部PD_Gb经由读出晶体管TGpb与浮动扩散区FDB连接。放大晶体管TRampB的栅极与浮动扩散区FDB连接，放大晶体管TRampB的漏极经由行选择晶体管TRadrB与电源电位VDD连接，放大晶体管TRampB的源极与垂直信号线Vlin2连接。此外，浮动扩散区FDB经由复位晶体管TRrstB与电源电位VDD连接。另外，能够经由水平控制线Hl in对行选择晶体管TRadrA、TRadrB、复位晶体管TRrstA、TRrstB及读出晶体管TGpr、TGb、TGr、TGpb的栅极及光栅TPGpr、TPGb,TPGr、TPGpb输入信号。
[0054]图3(a)是表示图2的像素的结构例的截面图，图3 (b)是表示图3(a)的结构例中的电势分布的图，图4(a)是表示图3(a)的结构的低照度时的状态的截面图，图4(b)是表示图4(a)的状态的电势分布(最深的电势截面)的图，图5(a)是表示图3(a)的结构的高照度时的状态的截面图，图5(b)是表示图5(a)的状态的电势分布(最深的电势截面)的图。另外，在图3(a)?图5(a)中示出了图1的蓝色用像素B的概略结构。
[0055]在图3(a)中，在半导体层HO的表面上形成有绝缘膜Zl，在半导体层HO的背面上形成有绝缘膜Z2。另外，半导体层HO的材料例如可以从S1、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、InGaAsP, GaP, GaN及ZnSe等中选择。绝缘膜Zl、Z2的材料例如可以使用硅氧化膜。通过从半导体层HO的表面到背面形成扩散层H1，从而形成光电变换部PD_B。在扩散层Hl的背面侧形成有钉扎层(pinning layer) H4。通过在半导体层HO的表面侧与扩散层Hl分离地形成扩散层H2，从而形成浮动扩散区FDA。此外，通过在半导体层HO的表面侧与扩散层H2分离地形成扩散层H3，从而扩散层H3与电源电位VDD连接。另外，半导体层HO可以设定为P型。扩散层Hl可以设定为n_型。扩散层H2、H3可以设定为n+型。钉扎层H4可以设定为P+型。通过在扩散层Hl上经由绝缘膜Zl形成栅极电极Gl，从而形成光栅TPGb。通过在扩散层Hl、H2间经由绝缘膜Zl形成栅极电极G2，从而形成读出晶体管TGb。另外，在栅极电极Gl、G2间，可以设定I μπι以下的间隔，也可以使栅极电极Gl、G2的端部重合。通过在扩散层Η2、Η3间经由绝缘膜Zl形成栅极电极G3，从而形成复位晶体管TRrstA。另夕卜，栅极电极Gl?G3的材料例如可以使用多晶娃，也可以使用Cu、Al、W等金属。在扩散层Hl的背面侧经由绝缘膜Z2形成蓝色滤光器FB，在蓝色滤光器FB上形成微透镜ML。
[0056]并且，对于由微透镜ML聚光的入射光LI，通过蓝色滤光器FB选择蓝色光并入射至扩散层H1。然后，如图4(a)及图5(a)所示，在扩散层Hl中入射光LI而变换为电荷e，蓄积到扩散层H1。另外，通过用金属等反射率高的材料形