光检测元件、层叠式光检测元件和固态光检测装置的制作方法

本发明涉及摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置。

背景技术：

1、近年来，层叠式摄像元件作为用于构成图像传感器等的摄像元件而受到关注。层叠式摄像元件具有包括夹在两个电极之间的光电转换层(光接收层)的结构。另外，层叠式摄像元件需要具有如下结构：其能够累积且传输基于光电转换而在光电转换层中产生的信号电荷。在过去的结构中，需要能够把信号电荷累积和传输至fd(floating drain：浮动漏极)电极中的结构，并且需要高速传输以防止信号电荷的延迟。

2、用于解决上述问题的摄像元件(光电转换元件)例如在日本专利申请特开no.2016-63165中已经被公开。该摄像元件包括：

3、累积用电极，其形成在第一绝缘层上；

4、第二绝缘层，其形成在累积用电极上；

5、半导体层，其以覆盖累积用电极和第二绝缘层的方式而被形成；

6、收集电极，其形成得与半导体层接触，并形成得远离累积用电极；

7、光电转换层，其形成在半导体层上；以及

8、上电极，其形成在光电转换层上。

9、把有机半导体材料用于光电转换层的摄像元件能够对特定颜色(波长带)进行光电转换。此外，在固态摄像装置中使用该摄像元件的情况下，该特征就使得能够获得包括了在过去的固态摄像装置中不可能实现的层叠子像素的结构(层叠式摄像元件)(例如，参见日本专利申请特开no.2011-138927)。在上述结构中，子像素包括片上彩色滤光片层(occf：on-chip color filter layer)和摄像元件的组合，并且子像素呈二维形式排列着。还有一个优点是：不需要去马赛克处理，并且因此不会产生伪色。在下面的说明中，为了方便起见，设置于半导体基板之上或半导体基板上方的包括光电转换单元的摄像元件可以被称为“第一类型摄像元件”。为了方便起见，用于构成第一类型摄像元件的光电转换元件可以被称为“第一类型光电转换单元”。为了方便起见，设置于半导体基板中的摄像元件可以被称为“第二类型摄像元件”。为了方便起见，用于构成第二类型摄像元件的光电转换单元可以被称为“第二类型光电转换单元”。

10、图81示出了过去的层叠式摄像元件(层叠固态摄像装置)的构造示例。在图81所示的示例中，第三光电转换单元343a和第二光电转换单元341a(它们是用于构成作为第二类型摄像元件的第三摄像元件343和第二摄像元件341的第二类型光电转换单元)层叠在一起，并形成在半导体基板370中。另外，作为第一类型光电转换单元的第一光电转换单元310a布置在半导体基板370的上方(具体地，第二摄像元件341的上方)。这里，第一光电转换单元310a包括第一电极321、含有有机材料的光电转换层323、以及第二电极322。第一光电转换单元310a用于构成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。第二光电转换单元341a和第三光电转换单元343a基于吸收系数的差异分别对例如蓝光和红光进行光电转换。另外，第一光电转换单元310a对例如绿光进行光电转换。

11、通过第二光电转换单元341a和第三光电转换单元343a中的光电转换而产生的电荷被临时累积在第二光电转换单元341a和第三光电转换单元343a中。随后，纵型晶体管(示出了栅极部345)和传输晶体管(示出了栅极部346)将电荷分别传输到第二浮动扩散层(floating diffusion)fd2和第三浮动扩散层fd3。电荷进一步被输出到外部读取电路(未示出)。这些晶体管以及浮动扩散层fd2和fd3也形成在半导体基板370上。

12、通过第一光电转换单元310a中的光电转换而产生的电荷经由接触孔部361和布线层362而被累积到形成于半导体基板370上的第一浮动扩散层fd1中。另外，第一光电转换单元310a还经由接触孔部361和布线层362连接到将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部352。此外，第一浮动扩散层fd1是复位晶体管(示出了栅极部351)的一部分。附图标记371表示元件分离区域。附图标记372表示在半导体基板370的表面上形成的氧化膜。附图标记376和381表示层间绝缘层。附图标记383表示绝缘层。附图标记314表示芯片上微透镜。

13、引用列表

14、专利文献

15、专利文献1：日本专利申请特开no.2016-63165

16、专利文献2：日本专利申请特开no.2011-138927

技术实现思路

1、要解决的问题

2、然而，在日本专利申请特开no.2016-63165中公开的技术中，存在如下制约：累积用电极和形成在累积用电极上的第二绝缘层必须形成为相同的长度，并且对累积用电极与收集电极之间的间隔有着详细的规定等。因此，制作过程可能变得很复杂，并且制造产量可能降低。此外，尽管存在着关于用于构成半导体层的材料的一些参考文献，但是它们都并未提及更具体的这些材料的组分和构成。另外，关于半导体层的迁移率与所累积电荷的相关方程也有所提及。然而，关于如何改进电荷传输的事宜，例如，对于所产生的电荷的传输而言很重要的关于半导体层的迁移率的事宜以及关于半导体层和与该半导体层相邻的光电转换层部分之间的能级关系的事宜，都没有提及。

3、因此，本发明的目的是提供这样的摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置：尽管它们具有简单的构造和结构，但是累积在光电转换层中的电荷的传输特性是优异的。

4、解决问题的技术方案

5、用于实现上述目的的根据本发明第一方面、第二方面和第三方面的摄像元件包括：光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层。

6、此外，在根据本发明第一方面的摄像元件中，无机氧化物半导体材料层包括选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。

7、此外，在根据本发明第二方面的摄像元件中，用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的lumo值e1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的lumo值e2满足以下表达式。注意，以下表达式的值可以为零或负值。

8、e1-e2<0.2ev

9、此外，在根据本发明第三方面的摄像元件中，用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/v·s以上。

10、用于实现上述目的的本发明层叠式摄像元件包括至少一个上述根据本发明第一～第三方面的摄像元件。

11、用于实现上述目的的本发明第一方面的固态摄像装置包括多个上述根据本发明第一～第三方面的摄像元件。另外，用于实现上述目的的本发明第二方面的固态摄像装置包括多个上述本发明层叠式摄像元件。

12、注意，在以下的说明中，根据本发明第一方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第一方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第一方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第一方面的摄像元件等”。另外，根据本发明第二方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第二方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第二方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第二方面的摄像元件等”。此外，根据本发明第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第三方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第三方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第三方面的摄像元件等”。

13、本发明的有益效果

14、在根据本发明第一方面的摄像元件等中，规定了用于构成无机氧化物半导体材料层的材料。此外，在根据本发明第二方面的摄像元件等中，规定了用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分的材料的lumo值e1与用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的lumo值e2之间的预定关系。此外，在根据本发明第三方面的摄像元件等中，规定了用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率。因此，尽管构造和结构简单，但是也能够提供其中累积于光电转换层中的电荷的传输特性优异的摄像元件。此外，根据本发明第一至第三方面的摄像元件等具有无机氧化物半导体材料层和光电转换层的两层结构，并且这能够防止电荷累积期间的再结合。能够增加累积于光电转换层中的电荷去往第一电极的传输效率，并且能够抑制暗电流的产生。注意，本说明书中所述的有益效果仅是说明性的而不是限制性的。另外，还可以有其他有益效果。