固态成像元件和电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种适于所谓的纵向分光型的固态成像元件和包括固态成像元件的电子设备。
【背景技术】
[0002]CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器可以举例说明安装在数码摄像机、数码相机、智能手机和移动电话等中的固态成像元件。在CMOS图像传感器中，光电荷蓄积在充当光电转换元件的光电二极管的pn结电容中；如此蓄积的光电荷通过M0S晶体管被读出。
[0003]现有的固态成像单元通常使用其中红色、绿色和蓝色像素配置在平面上的像素阵列，其通过执行像素之间的插值处理而造成与颜色信号的生成相关联的伪色。因此，对其中沿着同一像素的纵向方向层叠有红色、绿色和蓝光电转换区域的纵向分光型固态成像元件进行了研究。例如，在专利文献1中，公开了一种固态成像元件，其中在半导体基板内层叠有蓝色和红光电二极管，并且在半导体基板的光接收面侧(背面侧或第一面侧)设置有使用有机光电转换膜的绿色光电转换元件。
[0004][引用文献列表]
[0005][专利文献]
[0006]专利文献1:日本未审查专利申请公开N0.2011-29337
【发明内容】
[0007]专利文献1描述了在绿色光电转换元件中产生的电荷经由贯穿半导体基板的导电插头蓄积在半导体基板的配线层侧(正面侧或第二面侧)的η-型半导体区域中。导电插头对将电荷从半导体基板的第一面侧的光电转换元件顺利地传输到半导体基板的第二面侧从而增强诸如转换效率等特性是必不可少的，并且对导电插头的构成的研究仍然有一定的余地。
[0008]因此，希望提供一种允许增强特性的固态成像元件和包括所述固态成像元件的电子设备。
[0009]根据本公开实施方案的第一固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的至少一个光电转换元件；与所述至少一个光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；和设置在所述半导体基板的第二面上的放大晶体管和浮动扩散部，其中所述至少一个光电转换元件经由所述贯通电极与所述放大晶体管的栅极和所述浮动扩散部连接。
[0010]在根据本公开实施方案的第一固态成像元件中，将在半导体基板的第一面侧的光电转换元件中产生的电荷经由贯通电极传输到半导体基板的第二面侧，以蓄积在浮动扩散部中。放大晶体管将光电转换元件中产生的电荷量调制成电压。
[0011]根据本公开实施方案的第二固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的光电转换元件；与所述光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；设置在所述贯通电极和所述半导体基板之间的分离槽；和填充所述分离槽并具有绝缘性能的介电层。
[0012]在根据本公开实施方案的第二固态成像元件中，贯通电极和半导体基板通过分离槽和介电层彼此分隔开。因此，减小了在贯通电极和半导体基板之间产生的电容，从而提高了诸如转换效率等特性。
[0013]根据本公开实施方案的第三固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的光电转换元件；与所述光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；设置在所述贯通电极和所述半导体基板之间的分离槽；覆盖所述分离槽的外侧面的外侧介电层；覆盖所述分离槽的内侧面的内侧介电层；和设置在所述外侧介电层和所述内侧介电层之间的间隙。
[0014]在根据本公开实施方案的第三固态成像元件中，贯通电极和半导体基板通过分离槽、外侧介电层、内侧介电层和间隙彼此分隔开。因此，减小了在贯通电极和半导体基板之间产生的电容，从而提高了诸如转换效率等特性。
[0015]根据本公开实施方案的第一电子设备设置有固态成像元件，并且所述固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的至少一个光电转换元件；与所述至少一个光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；和设置在所述半导体基板的第二面上的放大晶体管和浮动扩散部，其中所述至少一个光电转换元件经由所述贯通电极与所述放大晶体管的栅极和所述浮动扩散部连接。
[0016]根据本公开实施方案的第二电子设备设置有固态成像元件，并且所述固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的光电转换元件；与所述光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；设置在所述贯通电极和所述半导体基板之间的分离槽；和填充所述分离槽并具有绝缘性能的介电层。
[0017]根据本公开实施方案的第三电子设备设置有固态成像元件，并且所述固态成像元件包括:设置在半导体基板的第一面侧的光电转换元件；与所述光电转换元件连接并且设置在所述半导体基板的第一面和第二面之间的贯通电极；设置在所述贯通电极和所述半导体基板之间的分离槽；覆盖所述分离槽的外侧面的外侧介电层；覆盖所述分离槽的内侧面的内侧介电层；和设置在所述外侧介电层和所述内侧介电层之间的间隙。
[0018]在根据本公开各个实施方案的第一到第三电子设备中，通过根据本公开各个实施方案的第一到第三固态成像元件进行成像。
[0019]按照根据本公开实施方案的第一固态成像元件或根据本公开实施方案的第一电子设备，光电转换元件经由贯通电极与放大晶体管的栅极和浮动扩散部连接。这使得可以将在半导体基板的第一面侧的光电转换元件中产生的电荷经由贯通电极顺利地传输到半导体基板的第二面侧，从而增强特性。
[0020]按照根据本公开实施方案的第二固态成像元件或根据本公开实施方案的第二电子设备，贯通电极和半导体基板通过分离槽和介电层彼此分隔开。这使得可以减小在贯通电极和半导体基板之间产生的电容，从而增强诸如转换效率等特性。
[0021]按照根据本公开实施方案的第三固态成像元件或根据本公开实施方案的第三电子设备，贯通电极和半导体基板通过分离槽、外侧介电层、内侧介电层和间隙彼此分隔开。这使得可以减小在贯通电极和半导体基板之间产生的电容，从而增强诸如转换效率等特性。
【附图说明】
[0022]图1是根据本公开第一实施方案的固态成像元件的构成的断面图。
[0023]图2是其中配置有四个图1所示的固态成像元件的构成的平面图。
[0024]图3是图1所示的固态成像元件的制造方法按照步骤顺序的断面图。
[0025]图4是接着图3的过程的断面图。
[0026]图5是接着图4的过程的断面图。
[0027]图6是接着图5的过程的断面图。
[0028]图7是接着图6的过程的断面图。
[0029]图8是接着图7的过程的断面图。
[0030]图9是根据本公开第二实施方案的固态成像元件的构成的断面图。
[0031]图10是图9所示的固态成像元件的制造方法按照步骤顺序的断面图。
[0032]图11是接着图10的过程的断面图。
[0033]图12是接着图11的过程的断面图。
[0034]图13是接着图12的过程的断面图。
[0035]图14是接着图13的过程的断面图。
[0036]图15是接着图14的过程的断面图。
[0037]图16是接着图15的过程的断面图。
[0038]图17是接着图16的过程的断面图。
[0039]图18是接着图17的过程的断面图。
[0040]图19是根据变形例1的固态成像元件的构成的断面图。
[0041]图20是根据本公开第三实施方案的固态成像元件的构成的断面图。
[0042]图21是图20所示的固态成像元件的制造方法按照步骤顺序的断面图。
[0043]图22是接着图21的过程的断面图。
[0044]图23是根据本公开第四实施方案的固态成像元件的构成的断面图。
[0045]图24是图20所示的固态成像元件的制造方法的过程的断面图。
[0046]图25是根据变形例2的固态成像元件的构成的断面图。
[0047]图26是固态成像单元的功能框图。
[0048]图27是根据应用例的电子设备的功能框图。
【具体实施方式】
[0049]以下，参照附图详细说明本公开的一些实施方案。需要指出的是，按照以下顺序进行说明。
[0050]1.第一实施方案(固态成像元件；其中贯通电极由半导体构成并且在贯通电极的外围的分尚槽具有间隙的例子)
[0051]2.第二实施方案(固态成像元件；其中贯通电极由金属构成并且在贯通电极的外围的分尚槽具有间隙的例子)
[0052]3.变形例1 (其中在分离槽的外侧面设置有热氧化膜的例子)
[0053]4.第三实施方案(固态成像元件；其中贯通电极由半导体构成并且在贯通电极的外围的分离槽填充有介电层的例子)
[0054]5.第四实施方案(固态成像元件；其中贯通电极由金属构成并且在贯通电极的外围的分离槽填充有介电层的例子)
[0055]6.变形例2 (其中在分离槽的外侧面设置有热氧化膜的例子)
[0056]7.固态成像单元的整体构成例
[0057]8.应用例(电子设备的例子)
[0058](第一实施方案)
[0059]图1示出了根据本公开第一实施方案的固态成像元件10的断面构成。例如，固态成像元件10可以构成作为在用于诸如数码相机和摄像机等的电子设备中的诸如CMOS图像传感器等固态成像单元(后述的)中的成像像素区域的像素部。
[0060]固态成像元件10可以例如是所谓的纵向分光型，其中一个光电转换元件20以及两个光电二极管PD1和PD2沿着半导体基板30的厚度方向层叠。光电转换元件20设置在半导体基板30的第一面(背面)30A侧。光电二极管PD1和PD2设置在半导体基板30内以沿着半导体基板30的厚度方向层叠。
[0061]光电转换元件20以及光电二极管PD1和PD2选择性地检测彼此不同的波长范围的光以对如此检测到的光进行光电转换。更具体地，光电转换元件20获得绿色(G)的颜色信号。光电二极管PD1和PD2通过吸收系数的差异分别获得蓝色(B)和红色(R)的颜色信号。这允许固态成像元件10在不使用滤色片的情况下在一个像素中获得多种颜色信号。
[0062]需要指出的是，在本实施方案中，对其中将通过光电转换产生的电子空穴对的电子作为信号电荷读出的情况(其中N-型半导体区域充当光电转换层的情况)进行说明。此外，在附图中，“P”和“N”后的“ + (加)”表示P-型或N-型杂质浓度较高，而“++”表示P-型或N-型杂质浓度高于“+”中的杂质浓度。
[0063]例如，可以在半导体基板30的第二面(正面)30B上设置有浮动扩散部(浮动扩散部层)FD1、FD2和FD3、垂直晶体管(传输晶体管)Trl、传输晶体管Tr2、放大晶体管(调制器)AMP、复位晶体管RST和多层配线40。例如，多层配线40可以具有其中配线层41、42和43层叠在绝缘膜44中的构成。
[0064]需要指出的是，在附图中，半导体基板30的第一面30A侧和第二面30B侧分别被称为光入射侧S1和配线层侧S2。
[0065]例如，光电转换元件20可以具有其中下部透明电极21、光电转换膜22和上部透明电极23从半导体基板30的第一面30A侧按顺序层叠的构成。透明电极21对于各光电转换元件20是分隔开的。光电转换膜22和透明电极23被设置成由多个光电转换元件20共享的连续层。例如，可以在半导体基板30的第一面30A和透明电极21之间设置有具有固定电荷的膜24、具有绝缘性能的介电层25和层间绝缘膜26。在透明电极23上设置有保护膜27。在保护膜27