固態(tài)成像元件和電子設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及一種適于所謂的縱向分光型的固態(tài)成像元件和包括固態(tài)成像元件的電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器可以舉例說(shuō)明安裝在數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)和移動(dòng)電話等中的固態(tài)成像元件。在CMOS圖像傳感器中，光電荷蓄積在充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管的pn結(jié)電容中；如此蓄積的光電荷通過(guò)M0S晶體管被讀出。
[0003]現(xiàn)有的固態(tài)成像單元通常使用其中紅色、綠色和藍(lán)色像素配置在平面上的像素陣列，其通過(guò)執(zhí)行像素之間的插值處理而造成與顏色信號(hào)的生成相關(guān)聯(lián)的偽色。因此，對(duì)其中沿著同一像素的縱向方向?qū)盈B有紅色、綠色和藍(lán)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域的縱向分光型固態(tài)成像元件進(jìn)行了研究。例如，在專利文獻(xiàn)1中，公開(kāi)了一種固態(tài)成像元件，其中在半導(dǎo)體基板內(nèi)層疊有藍(lán)色和紅光電二極管，并且在半導(dǎo)體基板的光接收面?zhèn)?背面?zhèn)然虻谝幻鎮(zhèn)?設(shè)置有使用有機(jī)光電轉(zhuǎn)換膜的綠色光電轉(zhuǎn)換元件。
[0004][引用文獻(xiàn)列表]
[0005][專利文獻(xiàn)]
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)N0.2011-29337

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]專利文獻(xiàn)1描述了在綠色光電轉(zhuǎn)換元件中產(chǎn)生的電荷經(jīng)由貫穿半導(dǎo)體基板的導(dǎo)電插頭蓄積在半導(dǎo)體基板的配線層側(cè)(正面?zhèn)然虻诙鎮(zhèn)?的η-型半導(dǎo)體區(qū)域中。導(dǎo)電插頭對(duì)將電荷從半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件順利地傳輸?shù)桨雽?dǎo)體基板的第二面?zhèn)葟亩鰪?qiáng)諸如轉(zhuǎn)換效率等特性是必不可少的，并且對(duì)導(dǎo)電插頭的構(gòu)成的研究仍然有一定的余地。
[0008]因此，希望提供一種允許增強(qiáng)特性的固態(tài)成像元件和包括所述固態(tài)成像元件的電子設(shè)備。
[0009]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第一固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊闹辽僖粋€(gè)光電轉(zhuǎn)換元件；與所述至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；和設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第二面上的放大晶體管和浮動(dòng)擴(kuò)散部，其中所述至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)由所述貫通電極與所述放大晶體管的柵極和所述浮動(dòng)擴(kuò)散部連接。
[0010]在根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第一固態(tài)成像元件中，將在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件中產(chǎn)生的電荷經(jīng)由貫通電極傳輸?shù)桨雽?dǎo)體基板的第二面?zhèn)龋孕罘e在浮動(dòng)擴(kuò)散部中。放大晶體管將光電轉(zhuǎn)換元件中產(chǎn)生的電荷量調(diào)制成電壓。
[0011]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第二固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件；與所述光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；設(shè)置在所述貫通電極和所述半導(dǎo)體基板之間的分離槽；和填充所述分離槽并具有絕緣性能的介電層。
[0012]在根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第二固態(tài)成像元件中，貫通電極和半導(dǎo)體基板通過(guò)分離槽和介電層彼此分隔開(kāi)。因此，減小了在貫通電極和半導(dǎo)體基板之間產(chǎn)生的電容，從而提高了諸如轉(zhuǎn)換效率等特性。
[0013]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第三固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件；與所述光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；設(shè)置在所述貫通電極和所述半導(dǎo)體基板之間的分離槽；覆蓋所述分離槽的外側(cè)面的外側(cè)介電層；覆蓋所述分離槽的內(nèi)側(cè)面的內(nèi)側(cè)介電層；和設(shè)置在所述外側(cè)介電層和所述內(nèi)側(cè)介電層之間的間隙。
[0014]在根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第三固態(tài)成像元件中，貫通電極和半導(dǎo)體基板通過(guò)分離槽、外側(cè)介電層、內(nèi)側(cè)介電層和間隙彼此分隔開(kāi)。因此，減小了在貫通電極和半導(dǎo)體基板之間產(chǎn)生的電容，從而提高了諸如轉(zhuǎn)換效率等特性。
[0015]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第一電子設(shè)備設(shè)置有固態(tài)成像元件，并且所述固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊闹辽僖粋€(gè)光電轉(zhuǎn)換元件；與所述至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；和設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第二面上的放大晶體管和浮動(dòng)擴(kuò)散部，其中所述至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)由所述貫通電極與所述放大晶體管的柵極和所述浮動(dòng)擴(kuò)散部連接。
[0016]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第二電子設(shè)備設(shè)置有固態(tài)成像元件，并且所述固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件；與所述光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；設(shè)置在所述貫通電極和所述半導(dǎo)體基板之間的分離槽；和填充所述分離槽并具有絕緣性能的介電層。
[0017]根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第三電子設(shè)備設(shè)置有固態(tài)成像元件，并且所述固態(tài)成像元件包括:設(shè)置在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件；與所述光電轉(zhuǎn)換元件連接并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板的第一面和第二面之間的貫通電極；設(shè)置在所述貫通電極和所述半導(dǎo)體基板之間的分離槽；覆蓋所述分離槽的外側(cè)面的外側(cè)介電層；覆蓋所述分離槽的內(nèi)側(cè)面的內(nèi)側(cè)介電層；和設(shè)置在所述外側(cè)介電層和所述內(nèi)側(cè)介電層之間的間隙。
[0018]在根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施方案的第一到第三電子設(shè)備中，通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施方案的第一到第三固態(tài)成像元件進(jìn)行成像。
[0019]按照根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第一固態(tài)成像元件或根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第一電子設(shè)備，光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)由貫通電極與放大晶體管的柵極和浮動(dòng)擴(kuò)散部連接。這使得可以將在半導(dǎo)體基板的第一面?zhèn)鹊墓怆娹D(zhuǎn)換元件中產(chǎn)生的電荷經(jīng)由貫通電極順利地傳輸?shù)桨雽?dǎo)體基板的第二面?zhèn)?，從而增?qiáng)特性。
[0020]按照根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第二固態(tài)成像元件或根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第二電子設(shè)備，貫通電極和半導(dǎo)體基板通過(guò)分離槽和介電層彼此分隔開(kāi)。這使得可以減小在貫通電極和半導(dǎo)體基板之間產(chǎn)生的電容，從而增強(qiáng)諸如轉(zhuǎn)換效率等特性。
[0021]按照根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第三固態(tài)成像元件或根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的第三電子設(shè)備，貫通電極和半導(dǎo)體基板通過(guò)分離槽、外側(cè)介電層、內(nèi)側(cè)介電層和間隙彼此分隔開(kāi)。這使得可以減小在貫通電極和半導(dǎo)體基板之間產(chǎn)生的電容，從而增強(qiáng)諸如轉(zhuǎn)換效率等特性。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是根據(jù)本公開(kāi)第一實(shí)施方案的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0023]圖2是其中配置有四個(gè)圖1所示的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的平面圖。
[0024]圖3是圖1所示的固態(tài)成像元件的制造方法按照步驟順序的斷面圖。
[0025]圖4是接著圖3的過(guò)程的斷面圖。
[0026]圖5是接著圖4的過(guò)程的斷面圖。
[0027]圖6是接著圖5的過(guò)程的斷面圖。
[0028]圖7是接著圖6的過(guò)程的斷面圖。
[0029]圖8是接著圖7的過(guò)程的斷面圖。
[0030]圖9是根據(jù)本公開(kāi)第二實(shí)施方案的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0031]圖10是圖9所示的固態(tài)成像元件的制造方法按照步驟順序的斷面圖。
[0032]圖11是接著圖10的過(guò)程的斷面圖。
[0033]圖12是接著圖11的過(guò)程的斷面圖。
[0034]圖13是接著圖12的過(guò)程的斷面圖。
[0035]圖14是接著圖13的過(guò)程的斷面圖。
[0036]圖15是接著圖14的過(guò)程的斷面圖。
[0037]圖16是接著圖15的過(guò)程的斷面圖。
[0038]圖17是接著圖16的過(guò)程的斷面圖。
[0039]圖18是接著圖17的過(guò)程的斷面圖。
[0040]圖19是根據(jù)變形例1的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0041]圖20是根據(jù)本公開(kāi)第三實(shí)施方案的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0042]圖21是圖20所示的固態(tài)成像元件的制造方法按照步驟順序的斷面圖。
[0043]圖22是接著圖21的過(guò)程的斷面圖。
[0044]圖23是根據(jù)本公開(kāi)第四實(shí)施方案的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0045]圖24是圖20所示的固態(tài)成像元件的制造方法的過(guò)程的斷面圖。
[0046]圖25是根據(jù)變形例2的固態(tài)成像元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0047]圖26是固態(tài)成像單元的功能框圖。
[0048]圖27是根據(jù)應(yīng)用例的電子設(shè)備的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本公開(kāi)的一些實(shí)施方案。需要指出的是，按照以下順序進(jìn)行說(shuō)明。
[0050]1.第一實(shí)施方案(固態(tài)成像元件；其中貫通電極由半導(dǎo)體構(gòu)成并且在貫通電極的外圍的分尚槽具有間隙的例子)
[0051]2.第二實(shí)施方案(固態(tài)成像元件；其中貫通電極由金屬構(gòu)成并且在貫通電極的外圍的分尚槽具有間隙的例子)
[0052]3.變形例1 (其中在分離槽的外側(cè)面設(shè)置有熱氧化膜的例子)
[0053]4.第三實(shí)施方案(固態(tài)成像元件；其中貫通電極由半導(dǎo)體構(gòu)成并且在貫通電極的外圍的分離槽填充有介電層的例子)
[0054]5.第四實(shí)施方案(固態(tài)成像元件；其中貫通電極由金屬構(gòu)成并且在貫通電極的外圍的分離槽填充有介電層的例子)
[0055]6.變形例2 (其中在分離槽的外側(cè)面設(shè)置有熱氧化膜的例子)
[0056]7.固態(tài)成像單元的整體構(gòu)成例
[0057]8.應(yīng)用例(電子設(shè)備的例子)
[0058](第一實(shí)施方案)
[0059]圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)第一實(shí)施方案的固態(tài)成像元件10的斷面構(gòu)成。例如，固態(tài)成像元件10可以構(gòu)成作為在用于諸如數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)等的電子設(shè)備中的諸如CMOS圖像傳感器等固態(tài)成像單元(后述的)中的成像像素區(qū)域的像素部。
[0060]固態(tài)成像元件10可以例如是所謂的縱向分光型，其中一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件20以及兩個(gè)光電二極管PD1和PD2沿著半導(dǎo)體基板30的厚度方向?qū)盈B。光電轉(zhuǎn)換元件20設(shè)置在半導(dǎo)體基板30的第一面(背面)30A側(cè)。光電二極管PD1和PD2設(shè)置在半導(dǎo)體基板30內(nèi)以沿著半導(dǎo)體基板30的厚度方向?qū)盈B。
[0061]光電轉(zhuǎn)換元件20以及光電二極管PD1和PD2選擇性地檢測(cè)彼此不同的波長(zhǎng)范圍的光以對(duì)如此檢測(cè)到的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。更具體地，光電轉(zhuǎn)換元件20獲得綠色(G)的顏色信號(hào)。光電二極管PD1和PD2通過(guò)吸收系數(shù)的差異分別獲得藍(lán)色(B)和紅色(R)的顏色信號(hào)。這允許固態(tài)成像元件10在不使用濾色片的情況下在一個(gè)像素中獲得多種顏色信號(hào)。
[0062]需要指出的是，在本實(shí)施方案中，對(duì)其中將通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的電子作為信號(hào)電荷讀出的情況(其中N-型半導(dǎo)體區(qū)域充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換層的情況)進(jìn)行說(shuō)明。此外，在附圖中，“P”和“N”后的“ + (加)”表示P-型或N-型雜質(zhì)濃度較高，而“++”表示P-型或N-型雜質(zhì)濃度高于“+”中的雜質(zhì)濃度。
[0063]例如，可以在半導(dǎo)體基板30的第二面(正面)30B上設(shè)置有浮動(dòng)擴(kuò)散部(浮動(dòng)擴(kuò)散部層)FD1、FD2和FD3、垂直晶體管(傳輸晶體管)Trl、傳輸晶體管Tr2、放大晶體管(調(diào)制器)AMP、復(fù)位晶體管RST和多層配線40。例如，多層配線40可以具有其中配線層41、42和43層疊在絕緣膜44中的構(gòu)成。
[0064]需要指出的是，在附圖中，半導(dǎo)體基板30的第一面30A側(cè)和第二面30B側(cè)分別被稱為光入射側(cè)S1和配線層側(cè)S2。
[0065]例如，光電轉(zhuǎn)換元件20可以具有其中下部透明電極21、光電轉(zhuǎn)換膜22和上部透明電極23從半導(dǎo)體基板30的第一面30A側(cè)按順序?qū)盈B的構(gòu)成。透明電極21對(duì)于各光電轉(zhuǎn)換元件20是分隔開(kāi)的。光電轉(zhuǎn)換膜22和透明電極23被設(shè)置成由多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件20共享的連續(xù)層。例如，可以在半導(dǎo)體基板30的第一面30A和透明電極21之間設(shè)置有具有固定電荷的膜24、具有絕緣性能的介電層25和層間絕緣膜26。在透明電極23上設(shè)置有保護(hù)膜27。在保護(hù)膜27