CN101281922A - 固体图像捕获设备、其制造方法、及电子信息装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固体图像捕获设备、其制造方法、及电子信息装置。提供了一种固体图像捕获装置，其中多个固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，该多个固体图像捕获装置具有沿该半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部；且对于入射对象光的电磁波，依据该半导体基板的半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部被检测；以及信号电荷分别产生，其中，槽部按下述方式设置，该槽部分别从该半导体基板的光入射面或者与该光入射面相对的基板表面到达在平面图中不相互交叠的相应光接收部的位置，其中，读出栅电极设置在每个槽部，且电学电荷转移部被提供，在驱动该读出栅电极时该电学电荷转移部能够通过相应槽的侧壁部独立地将电学电荷从该多个光接收部转移到该光入射面侧或者与该光入射面相对的基板表面侧。

Description

固体图像捕获设备、其制造方法、及电子信息装置
本非临时申请根据U.S.C 35第119(a)条主张2007年4月3日在日本提交的专利申请2007-097461的优先权，该专利申请的全部内容在此引作参考。
技术领域
本发明涉及：固体图像捕获设备(例如CMOS图像传感器、CCD图像传感器等)，其中具有不同波长的光被分离并被沿半导体基板或半导体层的厚度方向层叠的多个光接收部检测；该固体图像捕获设备的制造方法；以及使用该固体图像捕获设备作为图像输入装置用于图像捕获部的电子信息装置(例如数码相机、装备有相机的蜂窝电话装置等)。
背景技术
在CMOS图像传感器、CCD图像传感器等所代表的传统彩色固体图像捕获设备中，在多个固体图像捕获装置上布置有三或四种彩色滤光器，其中在该固体图像捕获装置中，多个光接收部(多个像素部)二维地布置成矩阵且该多个光接收部对入射光执行光电转换以产生信号电荷，且其中该三或四种彩色滤光器镶嵌式布置用于相应颜色从而对应于相应的光接收部。采用这种结构，与每个彩色滤光器相对应的颜色信号从像素部输出，且该颜色信号被计算处理以产生包含其它颜色信号的彩色图像数据。
然而，在其上镶嵌式布置有用于相应颜色的彩色滤光器的传统彩色固体图像捕获设备中，约2/3入射光被例如三原色的彩色滤光器吸收。因此，实际上，仅约1/3的剩余入射光可用于输出颜色信号，由此导致光利用效率低和灵敏度低的问题。
此外，在传统彩色固体图像捕获设备中，在每个像素部仅能得到一种颜色的颜色信号，且需要在不同像素部检测每个该三原色的信号，基于在不同像素部检测的颜色数据通过计算得到同一位置(同一像素)的其它颜色数据。
此外，在传统彩色固体图像捕获设备中，由于在每个光接收部得到的信号电荷的转移区域布置于同一表面上，因此难以扩大每个像素部的光接收区域的尺寸，产生由于像素部(光接收部)尺寸缩小而引起的光接收灵敏度下降的问题。
传统上，通过改善每个单元像素部的光接收特性来应对上述问题。然而，由于像素部尺寸的微型化，通过改善特性的这种措施已经达到极限，且上述的光接收灵敏度下降引起妨碍固体图像捕获设备进一步缩小尺寸或具有更多像素。
为了解决这些问题，例如，参考文献1提出了一种固体图像捕获设备，其中与每种颜色相对应的多个光接收部(电荷累积部)沿半导体基板的深度方向层叠，每个光接收部设置有通过高浓度杂质区域(高浓度扩散层)形成的转移路径。采用这种结构，基于半导体的光学吸收系数的波长依存性，具有与光接收部的深度相对应的波段的颜色光被分离且在光接收部被检测，不同颜色的信号电荷通过由高浓度杂质区域形成的转移路径被分别读出，使得多个信号电荷被读出。
这种传统固体图像捕获设备通过沿半导体层深度方向层叠的光接收部来分离和检测不同波长的光，具有一种像素部截面结构，其中产生例如蓝(B)、绿(G)和红(R)每种颜色光的信号电荷的光电二极管(光接收部)从光入射侧到更深的方向顺序层叠。根据该传统固体图像捕获设备，由于利用硅的光学吸收系数的波长依存性来达成在每个像素部的颜色分离，因此无需在每个像素部上方提供滤光器。此外，由于在像素部相应深度获得三原色的信号，因此获得具有高灵敏度和高分辨率的出色彩色图像，此外没有任何伪颜色的问题。
此外，参考文献2提出一种固体图像捕获设备，其中光电转换部(光接收部)设置于半导体基板一侧的表面上；设置为从基板表面的另一侧到达光电转换部的槽的内壁覆盖有栅极绝缘膜；读出栅电极嵌在该槽内；转移用累积扩散层设置为邻接形成于槽一侧上的栅极绝缘膜。采用这种结构，通过将电压施加到嵌在槽内的读出栅电极，由此读出光电转换部处的信号电荷。
在具有这种模式的该传统彩色固体图像捕获设备中，光接收部、读出栅电极、以及从光接收部读出信号电荷的转移用累积扩散层，依次从半导体基板的光入射侧沿其结构的深度方向布置，使得光入射面内几乎所有图像捕获区域均形成为光接收区域。因此，光接收灵敏度由于光接收区域的尺寸增大而改善，使得可以更进一步缩小像素尺寸。
此外，参考文献3提出一种固体图像捕获设备，其中光接收部设置于半导体基板的背侧上；布线层设置于半导体基板的前表面上；以及读出晶体管设置于该半导体基板内部，该读出晶体管用于从构成光接收部的导电区域读出信号电荷到前方的形成于半导体基板表面侧上的像素形成电路。采用这种结构，例如，在半导体基板内部设置了构成读出栅的导电区域，并读出在光接收部性获得的信号电荷。
在具有这种模式的该传统彩色固体图像捕获设备中，通过光从背侧入射的这种结构增大了光电二极管中可累积的电荷的数量，由此改善光接收灵敏度。此外，通过在半导体基板内部形成用于读出所需的晶体管和读出选择线，形成于半导体基板表面上的晶体管和布线的数目减少，使得像素尺寸可以微型化。
参考文献1：日本特开2004-273951号公报
参考文献2：日本特开2004-281499号公报
参考文献3：日本特开2005-353994号公报
发明内容
然而，每个上述传统固体图像捕获设备存在如下问题。
在上述参考文献1披露的传统彩色固体图像捕获设备中，需要在基板表面上在所有的相应颜色的像素部之间提供高浓度扩散层作为电荷转移路径和读出栅电极，从而转移从像素部输出的信号电荷。由于用于布置高浓度扩散层和读出栅电极所占据的区域，这导致固体图像捕获设备的分辨率降低。
此外，如上所述在参考文献1中披露的传统彩色固体图像捕获设备中，由于连接光接收部和读出栅电极的高浓度扩散层被设置为一直到并包括与每种颜色相对应的光接收部的深度，因此需要高读出电压来读出累积在光接收部内的每个信号电荷。因此，难以将参考文献1披露的传统彩色固体图像捕获设备直接应用于CMOS图像传感器以用于低功耗的目的。如果使用用于CMOS图像传感器的低电压来执行读出，则信号电荷将不会被全部读出且将留在光接收部，产生残留图像而降低图像质量的缺陷。
在上述参考文献2披露的传统彩色固体图像捕获设备中，由于每个像素部仅能获得一个颜色信号，需要在不同像素部检测每个三原色的信号。这种情况下，由于用于相应颜色的光接收部布置于同一表面上，因此难以扩大每个像素部内光接收区域的尺寸，且其光接收灵敏度随着光接收区域的尺寸缩小而降低。此外，采用这种结构，由于需要设置滤光器，由于滤光器吸收的光的数量，入射光的利用效率降低，出现光接收灵敏度降低的问题。
此外，如果如上所述参考文献1中提出的层叠光接收部直接应用于如上所述参考文献2披露的传统彩色固体图像捕获设备中，则构成读出栅的槽将邻接所有层叠的光接收部，使得无法独立且分离地读出每种颜色的信号电荷。
对于上述参考文献3披露的彩色固体图像捕获设备的情形，与上述参考文献2的情形类似，由于每个像素部仅能获得一种颜色信号，需要在不同像素部检测每个三原色的信号，且由于用于相应颜色的光接收部布置于同一表面上，因此难以扩大每个像素部的光接收区域的面积，且其光接收灵敏度随着光接收区域的面积缩小而降低。此外，采用这种结构，还由于需要设置彩色滤光器，且因此入射光的利用效率和光接收灵敏度降低。
此外，如果如上所述参考文献1中提出的层叠光接收部直接应用于参考文献3披露的传统彩色固体图像捕获设备中，仅距离光入射面最深的光接收部可以被读出信号电荷，使得无法独立且分离地读出每种颜色的信号电荷。
本发明解决了如上所述的传统问题。本发明的目的是提供一种具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，其不需要彩色滤光器且能够以较低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷；该固体图像捕获设备的制造方法；以及电子信息装置(例如数码相机、装备有相机的蜂窝电话装置等)，其使用该固体图像捕获设备作为图像输入装置用于图像捕获部。
提供了根据本发明的一种固体图像捕获设备，由此实现上述目的，其中多个固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，该多个固体图像捕获装置具有沿该半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部；且对于入射对象光的电磁波，依据该半导体基板的半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部被检测；以及信号电荷分别产生，其中，槽部按下述方式设置，该槽部分别从该半导体基板的光入射面或者与该光入射面相对的基板表面到达在平面图中不相互交叠的相应光接收部的位置，其中，读出栅电极设置在每个槽部，且电学电荷转移部被提供，在驱动该读出栅电极时该电学电荷转移部能够通过相应槽的侧壁部独立地将电学电荷从该多个光接收部转移到该光入射面侧或者与该光入射面相对的基板表面侧。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该电学电荷转移部按下述方式布置，该槽部布置为邻接沿相应基板平面方向的层叠的光接收部的相应层，该槽部的内壁覆盖有栅极绝缘膜，且该读出栅电极嵌在每个该槽部的内部。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，电学极性不同于该多个光接收部的电学极性的相反导电扩散层沿着覆盖该槽部的侧壁的该栅极绝缘膜设置在该侧壁上。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，累积扩散层被设置，该累积扩散层邻接位于该光入射面或者与该光入射面相对的基板表面上的该栅极绝缘膜上并与每个该光接收部分离，且沟道区设置于该相反导电扩散层内以将信号电荷从该光接收部转移到该累积扩散层。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该沟道区为电学极性不同于该光接收部的电学极性的沟道扩散层。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，低浓度沟道扩散区形成于用于形成每个该多个光接收部的区域和该沟道区相互交叠的区域。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，沿一方向沿着该基板表面相互邻接的固体图像捕获装置通过设置于槽的侧表面上的相反导电扩散层而相互分离成为分离装置，该槽具有从与该光入射面相对的该基板表面或者从该光入射面到每个该多个光接收部的深度。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该多个光接收部布置成平面图中的方形或矩形格子形状，且该槽部沿不同的两个或三个方向沿着相应边缘按下述方式布置，该槽部邻接从一形状朝外部延伸的该相应边缘使得该延伸边缘在平面图内不相互交叠，其中在该形状内，该多个光接收部在平面图内相互交叠。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该多个光接收部布置成平面图中的六角形和蜂窝结构，且该槽部沿不同的两个或三个方向沿着相应边缘按下述方式布置，该槽部邻接从一形状朝外部延伸的该相应边缘使得该延伸边缘在平面图内不相互交叠，其中在该形状内，该多个光接收部在平面图内相互交叠。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该多个光接收部布置成平面图中的方形或矩形格子形状，且该槽部沿不同的四个方向沿着边缘的相应部分按下述方式布置，该槽部邻接从一形状朝外部延伸的该边缘的相应部分使得该边缘的延伸部在平面图内不相互交叠，其中在该形状内，该多个光接收部在平面图内相互交叠。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该半导体为具有外延层的硅基板，且该多个光接收部形成有由不同导电性的半导体结形成的光电二极管。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，设置有N(N为自然数)个光接收部用作该多个光接收部，从用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部到用于检测第N波段的电磁波的第N光接收部。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部和用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部，用作该多个光接收部。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部和用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部，用作该多个光接收部。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部、用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部和用于检测第四波段的电磁波的第四光接收部，用作该多个光接收部。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，从该半导体基板的光入射侧面到该第一光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光，且从该光入射侧面到该第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，从该半导体基板的光入射侧面到该第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从该光入射侧面到该第二光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光作为耗尽层的厚度。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，从该半导体基板的光入射侧面到该第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从该光入射侧面到该第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，从该半导体基板的光入射侧面到该第一光接收部的深度在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间的范围，从该半导体基板的光入射侧面到该第二光接收部的深度在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间的范围，以及从该半导体基板的光入射侧面到该第三光接收部的深度在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间的范围，由此检测三原色。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，从该半导体基板的光入射侧面到该第一光接收部的深度在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间的范围；从该半导体基板的光入射侧面到该二光接收部的深度在大于或等于0.3μm且小于或等于0.6μm之间的范围；从该半导体基板的光入射侧面到该第三光接收部的深度在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间的范围；以及从该半导体基板的光入射侧面到该第四光接收部的深度在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间的范围，由此检测三原色和翠绿色。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，信号输出电路设置于每个该多个固体图像捕获装置内，以选择该多个固体图像捕获装置中的特定固体图像捕获装置从而输出信号，该信号输出电路是由由该半导体基板的与光入射面侧的相对侧或者该光入射面侧形成的多个晶体管形成。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，信号输出电路设置于每个该多个固体图像捕获装置内，以选择该多个固体图像捕获装置中的特定固体图像捕获装置从而输出信号，且构成该信号输出电路的该晶体管设置于该固体图像捕获装置内的杂质扩散层阱之内和之上。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该信号输出电路具有用于响应于从该光接收部电荷转移到该累积扩散层的信号电压而放大信号的放大晶体管，以及用于将该累积扩散层的信号电压复位至预定电压的复位晶体管。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，该信号输出电路的信号输出路径是由形成于该半导体基板的光入射面侧的相对侧上的布线层构成。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，所述栅极绝缘膜为氧化物膜或高介电绝缘膜。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，所述氧化物膜为氧化硅膜。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，所述高介电绝缘膜为氧化铪。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，所述读出栅电极是由包含掺杂硅材料或金属材料的材料制成。
优选地，在根据本发明的固体图像捕获设备中，所述固体图像捕获设备为CMOS图像传感器或者CCD图像传感器。
一种电子信息装置，使用根据本发明的固体图像捕获设备作为图像输入装置，由此达成上述目的。
一种固体图像捕获设备的制造方法，其中多个固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，该多个固体图像捕获装置具有沿该半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部；且对于入射对象光的电磁波，依据该半导体基板的半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部被检测；以及信号电荷产生，该方法包括：光接收部形成步骤，沿半导体基板的深度方向依次形成第一光接收部扩散层至第N光接收部扩散层(N为自然数)，该光接收部扩散层的交叠区域随其相应边缘而延伸，使得每个该光接收部扩散层具有在平面图中与其它光接收部扩散层不交叠的部分；相反导电扩散层形成步骤，在该基板表面的光入射面上形成相反导电扩散层，该相反导电扩散层具有与每个该光接收部的电学极性不同的电学极性；槽形成步骤，形成槽，该槽具有从与该光入射面相对的该基板表面到每个该光接收部的深度并布置为邻接沿相应基板平面方向的层叠的光接收部的每个边缘；槽侧面扩散层形成步骤，在该槽的侧面上形成相反导电扩散层，该相反导电扩散层具有与每个该光接收部的电学极性不同的电学极性；栅极绝缘膜形成步骤，形成栅极绝缘膜以覆盖该槽的内部；栅电极形成步骤，填充该槽的内部以形成读出栅电极；以及累积扩散层形成步骤，形成累积扩散层，该累积扩散层邻接与该光入射侧相对的该基板表面上的该栅极绝缘膜且与每个该光接收部分离，由此达成上述目的。
具有上述结构的本发明的功能在下文描述。
根据本发明的固体图像捕获设备，固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，固体图像捕获装置分别具有沿该半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部。采用这种结构，对于入射光(电磁波)，依据半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的光(电磁波)在该光接收部被检测，且信号电荷产生。因此，具有不同波长的光分量(电磁波)在相应光接收部被分离和检测，而没有设置彩色滤光器。
此外，至少具有到达光接收部的深度的槽部布置为邻接沿相应的不同基板平面方向的层叠的光接收部的相应层，且读出栅电极嵌在该槽部的内部以将传递来自光接收部的信号电荷。每个邻接相应光接收部的槽不邻接其它光接收部，且因此读出电压可以施加到读出电极，从而与邻接该读出栅电极(槽部)的光接收部独立地读出与相应光接收部的每种颜色相对应的信号电荷。此外，可以使用低读出电压来读出信号电荷，因为读出栅电极和光接收部相互邻接。此外，由于槽部形成于从与光入射面相对的基板表面到达相应光接收部的深度，且读出栅电极在基板表面上不接地，因此可以扩大光接收部的尺寸以改善其光接收效率。
如上所述，可以解决至少用于读出信号的读出电极用位置不能窄而需要为宽槽的问题、由于读出电极和光接收部或沟道之间的距离远而引起信号读出电压增加的问题、以及颜色混合的问题，其中颜色混合的问题是通过在独立的位置和方向读出相应颜色的信号来解决的。
如上所述，固体图像捕获设备的生产率可以提高，因为与固体图像捕获设备所特有的光学特性相关联的制造工艺，即，彩色滤光器形成步骤可以消除。此外，因为可以通过层叠来形成用于相应颜色信号的光接收部，因此每个像素部的光接收区域可以扩大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。
此外，由于读出栅电极形成于半导体基板的槽部的内部并沿垂直方向从与相应颜色相对应的光接收部读出，读出栅电极和光接收部相互邻接；且由于读出栅电极和沟道部之间的距离短，信号电荷可以通过低得多的读出电压被读出，由此降低功耗。此外，由于无需形成高浓度扩散层作为转移路径或者在基板表面上提供读出栅电极，因此占据面积可以更小且每个像素部内的光接收区域的尺寸可以显著更大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。
由于布线层设置于与光入射面的相对侧面上，因此无需在像素部之间布置布线层来传递从每个像素部(每个光接收部)输出的信号电荷。因此，布线层的占据面积将不会导致该固体图像捕获设备降低分辨率。此外，可以在与光入射面的相对侧上形成用于放大来自光接收部的信号电荷并用于电学复位信号电荷的晶体管。由于每个像素部的光接收部的尺寸不受用于布置该晶体管的面积的影响，将不会导致固体图像捕获设备降低其分辨率，且光接收区域的面积可以更大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。此外，注意，信号读出电路及其布线可以设置于光入射侧上(例如，位于光接收部之间；以及位于邻接的固体图像捕获装置之间)。这种情况下，槽的深度可以浅，使得制造更容易。
因此，根据本发明，可以通过不包含彩色滤光器形成步骤的简单制造方法来实现具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，该固体图像捕获设备不需要彩色滤光器且能够以低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷。此外，也可以实现使用该固体图像捕获设备作为图像输入装置用于图像捕获部的电子信息装置。
本领域技术人员在阅读和理解结合附图进行的下述详细描述时，将显见本发明的这些和其它优点。
附图说明
图1为示出根据本发明实施例1的固体图像捕获装置的示例性基本结构的纵向剖面图。
图2为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图3(A)为示出对于像素部布置成方形格子形状成为图1的固体图像捕获装置的情形中，按照光接收部沿三个不同方向延伸用于相应颜色的方式来布置的，该固体图像捕获设备的图像捕获区域的示例性基本结构的平面图。
图3(B)为示出对于像素部布置为蜂窝结构内的六边形形状成为实施例2的固体图像捕获装置的情形中，按照光接收部沿三个不同方向延伸的方式来布置的，该固体图像捕获设备的图像捕获区域的示例性基本结构的平面图。
图3(C)为示出对于像素部布置为方形格子形状成为实施例3的固体图像捕获装置的情形中，按照光接收部沿四个不同方向延伸用于相应颜色的方式来布置的，该固体图像捕获设备的图像捕获区域的示例性基本结构的平面图。
图4为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图5为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图6为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图7为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图8为用于描述图1所示的固体图像捕获设备的制造步骤的基本结构的纵向剖面图。
图9为示出图1中示为A-B-C的电学电荷转移路径中电势分布的视图。
附图标记说明
10、20、30：固体图像捕获设备
100、200、300：固体图像捕获装置
101：半导体基板
111：第一光接收部
112：第二光接收部
113：第三光接收部
121：相反导电扩散层
122：绝缘膜
131：沟道扩散层
132：相反导电扩散层
133：低浓度沟道扩散层
141：栅极绝缘膜
151、152、153：读出栅电极
161：累积扩散层
162：阱
163：放大晶体管
164：复位晶体管
171：通路接触
181、182、183、184：层间绝缘膜
191、192、193：布线层
211、311：第一光接收部(用于形成第一光接收部的区域)
212、312：第二光接收部(用于形成第二光接收部的区域)
213、313：第三光接收部(用于形成第三光接收部的区域)
314：第四光接收部(用于形成第四光接收部的区域)
251、351：用于形成第一光接收部用读出栅电极的区域
252、352：用于形成第二光接收部用读出栅电极的区域
253、353：用于形成第四光接收部用读出栅电极的区域
354：用于形成第四光接收部用读出栅电极的区域
具体实施方式
在下文将结合附图详细描述应用于CMOS图像传感器的根据本发明的固体图像捕获设备及该固体图像捕获设备的制造方法的实施例1至3，以及使用根据本发明的固体图像捕获设备及该固体图像捕获设备的制造方法的实施例1至3作为图像捕获部的固体图像捕获装置的实施例4。这种情况下，除了CMOS图像传感器，也可以采用CCD图像传感器。
实施例1
图1为示出根据本发明实施例1的固体图像捕获装置的示例性基本结构的纵向剖面图。
在图1的实施例1的固体图像捕获装置100中，描述了下述情形，固体图像捕获装置100包括多个光接收部，即，用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部111、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部112、以及用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部113。这种情况下，考虑具有不同波段的三种颜色的光，例如R(红)、G(绿)和B(蓝)三原色。下文中描述这样的情形，分别在第一波段检测蓝光，在第二波段检测绿光，且在第三波段检测红光。
在图1，实施例1的固体图像捕获设备10设置有沿半导体基板101的深度方向顺序层叠在半导体基板101上的用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部(蓝光用光接收部扩散层)111、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部(绿光用光接收部扩散层)112、以及用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部(红光用光接收部扩散层)113，该半导体基板101用于为单元像素部的固体图像捕获装置100。
尽管未在图1中示出，固体图像捕获装置100沿一方向沿着半导体基板101的平面周期性地布置。在每个固体图像捕获装置100中，对于所有入射电磁波，依据半导体基板101的材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在该光接收部被检测，且信号电荷随后产生。相反导电扩散层121设置于半导体基板101的表面(位于第一光接收部111上)上的光入射面上以抑制在表面水平出现电荷，其中该相反导电扩散层121的电学极性与光接收部扩散层的电学极性相反。
在每个固体图像捕获装置100中，具有光接收部的深度的槽(沟)从半导体基板101的光入射侧的相对表面布置，使得光接收部和槽在层叠的光接收部111至113相应层沿基板平面方向相互邻接(改变其在平面图上的位置)。在图1中示出了邻接光接收部112的槽112a和邻接光接收部113的槽113a，没有示出邻接光接收部111的槽(槽111a未示出)，因为其置于该间隔的内侧(图1)。
槽111a至113a每一个的内壁覆盖有栅极绝缘膜141(热氧化膜)，且用于读出栅电极151(图3所示)的材料(例如，金属材料)嵌在每个槽111a至113a内。沿着覆盖上述槽111a至113a的每个侧壁的栅极绝缘膜141(图1中上下方向)，电学极性与光接收部扩散层相反(相反导电类型)的沟道扩散层131(沟道区)设置为电荷传递路径，该电荷传递路径将信号电荷从每个光接收部111至113传递到累积扩散层。
此外，用于光接收部扩散层的杂质以及用于沟道扩散层131的相反电学特性的杂质电学上相互抵消，低浓度沟道扩散层133由此形成，并且低浓度沟道扩散层133设置于部分相互交叠(例如光接收部113和槽151相互交叠的深度部B)的用于形成每个光接收部111至113的区域(在图1中侧向延伸的区域)和用于形成每个槽111a至113a的区域(图1中沿上下方向延伸的区域)。
此外，电学极性与每个光接收部扩散层的电学极性相反的相反导电扩散层132从光照射表面侧到每个光接收部111至113的深度设置于槽的侧面上。沿一个方向沿着基板的平面相互邻接的光接收部111至113通过相反导电扩散层132和上述的槽111a至113a相互电学绝缘。
此外，累积扩散层161设置为邻接形成于每个槽111a至113a的侧壁上的栅极绝缘膜141并与每个光接收部111至113分离。预定读出电压施加到读出栅电极151，使得累积在光接收部111至113内的信号电荷独立地传递到相应的累积扩散层161。
在每个固体图像捕获装置100中，放大晶体管163和复位晶体管164等设置为构成电路的晶体管，该电路用于选择多个固体图像捕获装置100中的特定固体图像捕获装置100并用于从该固体图像捕获装置输出信号，其中放大晶体管163依据从每个光接收部111至113分别传递到累积扩散层161的信号电压而放大输出，且复位晶体管164将用作电荷检测部(信号电压转换部)来检测电荷传递信号电荷的累积扩散层161的该信号电压复位到预定电压。
这些晶体管形成于半导体基板101上与光入射侧相对的侧面上，形成于由杂质扩散层形成的每个阱162之内和之上。此外，由金属材料制成的布线层191至193形成于半导体基板101上与光入射侧相对的侧面上，作为信号电荷的传递路径。这些布线层191至193通过其间的层间绝缘膜181至184相互层叠，且通过设置于层间绝缘膜181至184的通孔接触，分别连接到读出栅电极151和累积扩散层161以及放大晶体管163和复位晶体管164。
因此，读出栅电极151和累积扩散层161通过由金属材料制成的相应布线层191而电连接到信号读出电路，该信号读出电路用于从每个固体图像捕获装置100选择一个像素作为像素部，并用于从该固体图像捕获装置100输出信号。
采用上述结构，固体图像捕获装置100的操作将在下文予以描述。
对于根据实施例1的固体图像捕获设备，首先，在图像捕获时，入射对象光从半导体基板101的其上形成有光接收部111至113的表面侧入射。对于入射对象光的电磁波，依据半导体基板101的半导体材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部111至113的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部111至113被检测，且信号电荷产生。例如，蓝光在第一光接收部111被检测，绿光在第二光接收部112被检测，且红光在第三光接收部113被检测。通过将电压施加到读出栅电极151，通过低浓度沟道扩散层133和沟道扩散层131，在累积扩散层161读出在相应光接收部检测的信号电荷。
首先，在此简要描述根据实施例1的固体图像捕获设备10的制造方法。
根据实施例1的固体图像捕获设备的制造方法包括：光接收部形成步骤，沿半导体基板101的深度方向依次形成用于第一光接收部111至第N光接收部(该情形中为第三光接收部113)的相应扩散层，该扩散层从其与基板平面的侧面的交点延伸(方形的长度)以具有在平面图中不相互交叠的相应层的部分；相反导电扩散层形成步骤，在光入射侧的基板表面上形成相反导电扩散层，其电学极性不同于光接收部111至113的电学极性；槽形成步骤，形成槽111a至113a，该槽具有从与光入射侧相对的基板表面到光接收部111至113的深度并布置为邻接沿着基板平面沿不同方向的基板的侧面，取决于每个层叠的光接收部111至113；槽侧面扩散层形成步骤，在槽111a至113a的侧面上形成相反导电扩散层131至133，其电学极性不同于光接收部111至113的电学极性；栅极绝缘膜形成步骤，形成栅极绝缘膜141以覆盖槽111a至113a的每一个的内壁；栅电极形成步骤，填充该槽111a至113a以形成读出栅电极151至153；以及累积扩散层形成步骤，形成累积扩散层161，该累积扩散层161邻接与光入射侧相对的基板表面上的栅极绝缘膜141且与每个光接收部111至113分离。
如此，预定杂质注入到公共间隙(槽111a至113a)的内壁以形成氧化硅膜(或者通过CVD形成的高电介质；氧化铪：HfO2/HfSiO，电压有效地施加到沟道，即使在相同的驱动电压被施加时)，且内壁的内部填充有掺杂硅(或金属材料)以形成读出栅电极151至153。
如上所述根据实施例1的固体图像捕获设备的制造方法将结合图2至8予以更详细描述。
图2和图4至8分别为用于描述根据实施例1的固体图像捕获设备的制造步骤的纵向剖面图，图3为示出示例性像素部布置的平面图和像素部的形成的平面图。
如图2所示，为了在期望深度形成用于相应颜色的期望的光接收部扩散层，在使用光学光刻技术打开抗蚀剂(未示出)，以打开用于形成检测蓝光的第一光接收部111的区域之后，杂质利用离子注入技术来注入。随后，抗蚀剂被去除以形成第一光接收部扩散层111作为最上层，该层检测蓝光。随后以类似的方式，光学光刻步骤、离子注入步骤和抗蚀剂去除步骤重复执行，从而顺序形成检测绿光的第二光接收部扩散层112作为中间层，以及检测红光的第三光接收部扩散层113作为最下层。利用光接收部111至113的扩散层和具有不同电学极性的半导体基板101的半导体结(PN结)，光电二极管(光接收部)配置成光电转换部。半导体基板101可以是部分或者全部形成有外延层的硅基板，且光电二极管(光接收部)可形成于外延层内。这种情况下，信号电荷的噪声分量可以降低，这使图像质量改善。
对于每个光接收部，检测蓝光的第一光接收部111位于距半导体基板101的光入射侧面在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间；检测绿光的第二光接收部112位于距半导体基板101的光入射侧面在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间；以及检测红光的第三光接收部113位于距半导体基板101的光入射侧面在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间。如此，第一光接收部111至第三光接收部113布置为使得三原色(R、G和B)的所有信号在一个像素部内被更精确地检测。
然而，光接收部111至113的深度依据检测波段以及半导体材料的光学吸收系数而恰当地设置，因此上述的深度范围仅仅是一般值且深度范围不限于这些值。
如上所述的光接收部111至113形成为使得光接收部的每层沿着基板平面朝远离其它光接收部的不同方向延伸。在图2，例如，最下层的第三光接收部113延伸到右侧，中间层的第二光接收部112延伸到左侧，且尽管未示出，最上层的第一光接收部111设置为延伸到前侧或者延伸到背侧。此外，使用如图3(A)所示的平面图来解释，对于光接收部111至113布置为方形或矩形格子形状的情形，光接收部111至113分别形成为使得光接收部的相应侧面朝不同基板平面方向延伸成为像素部。因此，形成光接收部111至113的区域分别布置为朝不同方向延伸，且槽布置于三个不同方向从而邻接光接收部111至113的相应延伸侧面。结果，尽管在下文描述，读出栅电极151至153及相应光接收部111至113置为独立地相互邻接用于相应颜色，由此能够分别读出不同颜色信号。
随后，如图4所示，对半导体基板101整个表面执行离子注入，且形成电学极性与光接收部111的电学极性不同的相反导电扩散层121。形成相反导电扩散层121将防止从第一光接收部111的扩散层延伸的耗尽层到达半导体基板101的表面部，由此可以控制在基板表面的界面态产生的电学电荷引起的暗电压噪声并改善图像质量。
随后，如图5所示，在例如氧化硅膜和氮化物膜的绝缘层122通过例如CVD的技术形成之后，抗蚀剂(未示出)也通过光学光刻技术在与光入射面相对的基板表面的区域被开口，其中读出栅电极将形成于该区域。在通过蚀刻技术来蚀刻绝缘膜122而移除抗蚀剂之后，对半导体基板101执行蚀刻，直至分别达到第一光接收部111至第三光接收部113的深度，由此形成槽111a至113a(槽111a未示出)。这种情况下，槽按照与用于形成第一光接收部111至第三光接收部113的区域交叠的方式来布置，其中第一光接收部111至第三光接收部113如上所述通过朝相互不同的基板平面方向延伸而形成。
此外，如图5所示，在导电杂质的材料气体的气氛下执行退火，该导电杂质的电学极性与光接收部111至113的扩散层的电学极性相反。因此，尽管半导体基板101上杂质的扩散通过绝缘层122被阻止，气相扩散发生于槽侧面，且因此沟道扩散层131仅形成于槽侧面，其中沟道扩散层131的电学极性不同于第一光接收部111至第三光接收部113的电学极性。此时，杂质扩散到槽侧面，深度一直到并包含第一光接收部111至第三光接收部113，且相反导电扩散层132同时形成。因此可以防止耗尽层从第一光接收部111到第三光接收部113延伸到槽界面，使得可以控制在槽界面产生的电学电荷引起的暗电压噪声并改善图像质量。此外，低浓度沟道扩散层133自对准地形成于用于形成第一光接收部111至第三光接收部113的区域与该槽相互交叠的位置，其中第一光接收部111至第三光接收部113如上所述是通过朝相互不同的基板平面方向延伸而形成。因此，在与第一光接收部111至第三光接收部113相对应的深度，完全耗尽所需的读出栅极电压降低，由此使得可以在低电压读出。此外，由于第一光接收部111至第三光接收部113不直接接触槽侧面，因此可以控制在槽表面的界面态产生的电学电荷引起的暗电压噪声并改善图像质量。
随后，如图6所示，在去除半导体基板101的两个表面上的绝缘层122之后，栅极绝缘膜141例如通过热氧化形成为覆盖槽111a至113a内部的侧壁(内壁)。在使用例如气相生长掺磷的多晶硅作为栅电极材料填充槽111a至113a内部之后，形成于基板表面上的不需要的栅电极材料通过蚀刻半导体基板101整个表面来去除，以形成读出栅电极151至153。这里，考虑每个读出栅电极151至153被设置为维持相互绝缘。
接着，如图7所示，在使用光学光刻技术在与光入射面相对的基板表面上打开抗蚀剂(未示出)之后，使用离子注入技术注入电学极性与光接收部111至113相同的杂质，且随后去除该抗蚀剂以形成累积扩散层161。这里，累积扩散层161需按下述方式形成，其邻接如上所述的槽侧面上的栅极绝缘膜141但是与光接收部111至113分离。此外，累积扩散层161的杂质浓度需设置为高于光接收部111至113。结果，在实施例1中，当电压施加于读出栅电极151至153时，通过形成于槽侧壁上的沟道扩散层131，可以在形成于半导体基板上的累积扩散层161读出光接收部111至113内产生的信号电荷。
此外，如图8所示，通过已知光学光刻技术和离子注入技术在光接收部111至113的与光入射面侧相对的侧面上形成多个阱162之后，通过已知技术在与光入射面相对的基板表面上形成例如放大晶体管163的多个晶体管和复位晶体管164作为与信号输出相关的信号读出电路，其中放大晶体管163用于响应于所转换的信号电压而放大相应累积扩散层161处的信号电荷，且复位晶体管164用于将相应累积扩散层161复位至预定电压。在图8，该信号读出电路内的每个晶体管设置于阱162内部或者阱上。随后，用于布线之间的绝缘的层间绝缘膜181至184、作为信号电荷的转移路径的布线层191至193、以及通路接触171通过已知技术形成于与光入射面侧相对的半导体基板101表面上，且累积扩散层161通过布线层191至193连接到放大晶体管163和复位晶体管164，由此连接读出栅电极151至153和像素选择电路(未示出)。
如上所述，制成图1所示的实施例1的固体图像捕获设备10。
图9为示意性示出图1中示为A-B-C的电荷转移路径中电势分布的电势分布图。
如图9实线所示，当读出电压未施加到读出栅电极153时，信号电荷将不会从第三光接收部113侧流出，因为沟道扩散层131和低浓度沟道扩散层133的电势高于第三光接收部113的扩散层的电势。
备选地，如图9点线所示，当信号电压施加到读出栅电极153时，由于沟道扩散层131和低浓度沟道扩散层133的电势低于第三光接收部113的电势，累积在第三光接收部113内的信号电荷将流出，并在作为信号电荷检测部的累积扩散层161被读出。
这里，对于累积在光接收部111和112的扩散层内的不同颜色的信号电荷，槽与这些光接收部111和112分离，因此信号电荷不会流出。由此可以独立地读出与每种颜色相对应的信号电荷。
依据实施例1如上所述，可以实现具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备10，其不需要滤光器且能够以低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷。
此外，尽管在如上所述实施例1中没有解释，槽111a至113a设置为从半导体基板101的与光入射面相对的基板表面到达在平面图内不相互交叠的光接收部111至113；且在驱动读出栅电极151至153时设置电学电荷转移部，该电学电荷转移部能够通过相应槽111a至113a的侧壁部将电荷从多个光接收部111至113独立地转移到与光入射面相对的基板表面侧。该电学电荷转移部设置为使得槽111a至113a将邻接分别沿不同基板平面方向的层叠光接收部111至113的每一层，且槽111a至113a的内部覆盖有栅极绝缘膜141以将读出栅电极材料嵌在每个槽111a至113a内。结果，实现了根据本发明的目的，获得具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，其不需要彩色滤光器且能够以低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷。
实施例2
在如图3(A)所示的上述实施例1中，其中光接收部111至113布置成方形或矩形格子形状，三层光接收部111至113分别形成为使得光接收部的相应侧面从中心朝不同基板平面方向延伸(按照每个光接收部在平面图中不交叠的方式，光接收部的侧面朝外围延伸)。如图3(B)所示，在实施例2中描述了下述情形，每个像素部在平面图中布置成六边形形状且多个该像素部布置成蜂窝结构(蜂巢结构)，其中每个像素部在该蜂窝结构中平移了半个周期，且三层光接收部211至213按下述方式形成，沿不同基板平面方向的相应光接收部的每个边缘延伸到远离中心的方向(光接收部的区域与相应边缘一起延伸，使得光接收部211至213在平面图中不交叠)。
光接收部211至213分别具有六边形形状且布置成蜂窝结构。光接收部211至213在平面图内相互交叠，每个光接收部211至213具有朝外部延伸的边缘使得边缘在平面图内不与其它延伸边缘交叠，且读出电极251a至253a按下述方式布置，每个读出电极251a至253a布置在沿着将与其邻接的每一延伸边缘的三个不同位置。
因此，对于像素部具有六角形形状的情形，根据实施例2的固体图像捕获装置200按下述方式形成，每个光接收部211至213具有在其光接收区域上沿不同基板平面方向一起朝外部延伸的边缘。这种情况下，槽布置在三个不同位置从而邻接光接收部211至213的延伸边缘(六角形的每个其它边缘)。采用这种结构，将成为转移晶体管的读出栅电极(电学电荷转移部)的槽部布置在相应像素部(光接收部211至213)的每个边缘，使得槽部在平面图内不相互交叠。结果，六角形形状的一个像素部外围的所有六个边缘均被槽部包围，该槽部包括邻接的将成为读出栅电极的固体图像捕获装置200。因此，可以使用槽部来分离像素，使得用于布置单元像素部的区域小得多且分辨率更高。因此，除了该固体图像捕获装置200之外，构造具有信号读出电路的固体图像捕获设备20。
在实施例2中描述了下述情形，光接收部211至213分别具有六边形形状且布置成蜂窝结构，光接收部211至213在平面图内相互交叠，每个光接收部211至213具有朝外部延伸的边缘使得边缘在平面图内不与其它延伸边缘交叠，以及读出电极251a至253a按下述方式布置，每个读出电极251a至253a布置在沿着将与其邻接的每一延伸边缘的三个不同位置。然而，本发明不限于这种结构，而可以采用下述结构，其中光接收部211至213在平面图内相互交叠，每个光接收部211至213具有朝外部延伸的边缘使得边缘在平面图内不与其它延伸边缘交叠，以及读出电极251a至253a按下述方式布置，每个读出电极251a至253a布置在沿着将与其邻接的每一延伸边缘的两个不同位置。
实施例3
在上述实施例1中，固体图像捕获设备10层叠有三层光接收部111至113以检测三原色R、G和B。在实施例3中描述一种固体图像捕获设备，其中固体图像捕获装置的光接收部层叠有四层来检测四种颜色。
在实施例3中，沿半导体基板的深度方向设置有N(N为自然数)个光接收部，这些光接收部为用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部到用于检测第N波段的电磁波的第N光接收部。在这里描述的情形中，N层为四层。在该情形中，可以与如上所述实施例1类似地层叠四层(四种颜色)的光接收部，例如用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部、用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部、以及用于检测第四波段的电磁波的第四光接收部。
对于每个光接收部，检测蓝光的第一光接收部位于距半导体基板的光入射侧面在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间；检测翠绿色光的第二光接收部位于距半导体基板的光入射侧面在大于或等于0.3μm且小于或等于0.6μm之间；检测绿光的第三光接收部位于距半导体基板的光入射侧面在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间；以及检测红光的第四光接收部位于距半导体基板的光入射侧面在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间。如此，第一光接收部至第四光接收部布置为使得三原色以及翠绿色的所有信号在一个像素部内被更精确地检测。结果，可以获得其中具有清澈天空和海洋的图像。此外，可以在半导体基板内恰当的深度位置设置检测皮肤颜色光的光接收部来替代检测翠绿色光的光接收部，从而获得清澈皮肤颜色。然而，注意，光接收部的深度依据检测波段以及半导体材料的光学吸收系数而恰当地设置，因此上述的深度范围仅仅是一般值且深度范围不限于这些值。
此外，对于根据实施例3的固体图像捕获装置300的槽部的布置，如图3(C)所示，例如，在每个像素部，每个光接收部311至314形成为在平面图中布置成方形或矩形格子形状的多个像素部，使得一部分(例如，短于一个边缘长度的一半的边缘部)从边缘朝其相应延伸方向延伸(使得延伸部不与其它部分交叠)。如此，用于形成第一光接收部311至第四光接收部314的区域沿相互不同的方向朝外部延伸和布置(在四个边缘)，且槽部351至354布置在相应四个不同方向(沿每个边缘的方向)以邻接延伸区域边缘(四边形的边缘)，使得可以按照与三原色的情形非常类似的方式分别读出四种不同颜色的颜色信号。由于像素部的外围，即该方形的所有四个侧面被槽部351至354包围，其中槽部351至354在该情形中将为读出栅电极，因此可以使用槽部351至354来分离像素，使得用于布置单元像素部的区域小得多且分辨率更高。
根据如上所述的实施例1至3，固体图像捕获装置沿基板平面方向二维地顺序布置且具有预定深度以到达每个光接收部，且槽部设置为每个槽部沿相应基板平面方向邻接相应光接收部，其中该固体图像捕获装置具有沿半导体基板101的深度方向层叠在与入射光的光学吸收系数的波长依存性相对应的深度的N层光接收部。每个槽部的内壁覆盖有栅极绝缘膜141；用于读出栅电极的材料嵌在每个槽部内；累积扩散层161设置为邻接位于与光入射侧相对的基板表面上的槽部并与每个光接收部分离。因此，可以获得具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，其不需要滤光器且能够以低电压读出与多种颜色相对应的信号电荷。
注意，每个光接收部可具有两层垂直层，使得从光入射侧面到第一光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光作为耗尽层的厚度，且从光入射侧面到第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。此外，作为光接收部的两层垂直层的另一情形，可以按下述方式布置，即，从光入射侧面到第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从光入射侧面到第二光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光作为耗尽层的厚度。再者，可以按下述方式布置，即，从光入射侧面到第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从光入射侧面到第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。这种情况下，可以按照下述方式布置，可以添加任何光接收部来替代该第一光接收部，其中该光接收部设置为与期望精确表达的颜色光相对应的光接收部深度。
实施例4
实施例4描述具有例如数码相机(例如数码摄像机、数码照相机)、图像输入相机(例如监控摄像机、门禁对话摄像机、诸如车载后视监控摄像机的车载摄像机、电视电话用相机、以及移动电话用相机)、以及图像输入装置(例如扫描仪、传真和配备有相机的移动电话装置)的电子信息装置，其使用包含实施例1至3的任一固体图像捕获装置100至300的固体图像捕获设备。
根据实施例4的电子信息装置包括下述至少之一：存储部(例如，记录介质)，在对图像数据执行预定信号处理用于记录之后，用于数据记录使用本发明实施例1至3的固体图像捕获装置获得的高质量图像数据；显示部(例如，液晶显示装置)，在进行预定信号处理用于显示之后，将该图像数据显示在显示屏幕(例如，液晶显示屏幕)；通信部(例如，收发装置)，用于在对该图像数据进行预定信号处理用于通信之后传递该图像数据；以及图像输出部，用于印刷(印字)和输出(印出)该图像信号。
如上所述根据电子信息装置(例如数码相机、各种图像输入相机、以及装备有相机的蜂窝电话装置)的实施例4，可以实现一种高性能电子信息装置，其包括具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，该固体图像捕获设备不需要滤光器且能够以低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷。
在实施例1至3中，结合应用于CMOS图像传感器来示例性描述本发明。然而，本发明不限于此，而可以应用于CCD图像传感器情形，其中CCD图像传感器在垂直转移部读出信号电荷，垂直地转移该信号电荷，并通过水平转移部在信号检测部执行信号检测。只要将垂直转移部和水平转移部设置为与光接收部侧面相对，即可应用本发明。
此外，在如上所述实施例1中描述下述情形，累积扩散层161设置为邻接与光入射面相对的基板表面上的栅极绝缘膜141并与光接收部111至113分离；沟道区131设置于相反导电扩散层内以将信号电荷从光接收部111至113转移到累积扩散层161；且沿一方向沿着基板表面相互邻接的固体图像捕获装置通过设置于槽111a至113a的侧表面上的相反导电扩散层132而相互分离成为分离装置，该槽111a至113a具有从相对侧上的基板表面侧到每个该多个光接收部111至113的深度。然而，本发明不限于此，而可以按下述方式配置，其中累积扩散层161设置为邻接位于光入射面侧上的栅极绝缘膜141并与光接收部111至113分离；沟道区131设置于相反导电扩散层内以将信号电荷从光接收部111至113转移到累积扩散层161；且沿一方向沿着基板表面相互邻接的固体图像捕获装置通过设置于槽111a至113a的侧表面上的相反导电扩散层132而相互分离成为分离装置，该槽111a至113a具有从与光入射面相对的基板表面侧到每个该多个光接收部111至113的深度。这种情况下，槽111a至113a的深度可以设置为较浅，由此使得制造方法更简单。
此外，在上述实施例1中描述下述情形，提供了一种信号输出电路，以选择多个固体图像捕获装置100中的特定固体图像捕获装置100从而输出信号，该信号输出电路是由由半导体基板101的与光入射面侧的相对侧形成的多个晶体管形成。然而，本发明不限于此，该信号输出电路可以由由半导体基板101的与光入射面侧形成的多个晶体管形成。
如上所述，使用优选实施例1至4来示例性描述本发明。然而，本发明不应完全基于上述实施例1至4来解释。应理解，本发明的范围应仅基于权利要求来解释。还应理解，基于本发明的说明书以及本发明的详细优选实施例1至4，本领域技术人员可以实施等同范围的技术。此外，应理解，在本说明书中引用的任何专利、专利申请和任何参考文献均全文在此引作说明书的参考，如同在此具体描述了其内容一样对待。
工业实用性
根据本发明，在下述领域中，固体图像捕获装置(例如CMOS图像传感器、CCD图像传感器等)，特别是通过使用沿半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部来分离和检测具有不同波长的电磁波的固体图像捕获设备；使用该固体图像捕获设备作为图像输入装置用于图像捕获部的电子信息装置(例如，数码相机(数码摄像机、数码照相机)、各种图像输入相机、扫描仪、传真和配备有相机的移动电话装置等)，固体图像捕获设备的生产率可以提高，因为与固体图像捕获设备所特有的光学特性相关联的制造工艺，即，彩色滤光器形成步骤可以消除。此外，因为可以通过层叠来形成用于相应颜色信号的光接收部，因此每个像素部的光接收区域可以扩大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。
此外，由于读出栅电极形成于半导体基板的槽部的内部并沿垂直方向从与相应颜色相对应的光接收部读出，读出栅电极和光接收部相互邻接；且由于读出栅电极和沟道部之间的距离短，信号电荷可以通过低得多的读出电压被读出，由此降低功耗。此外，由于无需形成高浓度扩散层作为转移路径或者在基板表面上提供读出栅电极，因此占据面积可以更小且每个像素部内的光接收区域的尺寸可以显著更大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。
此外，由于布线层设置于与光入射面的相对侧面上，因此无需在像素部之间布置布线层来传递从每个像素部(每个光接收部)输出的信号电荷。因此，布线层的占据面积将不会导致该固体图像捕获设备降低分辨率。此外，可以在与光入射面的相对侧上形成用于放大来自光接收部的信号电荷并用于电学复位信号电荷的晶体管。由于每个像素部的光接收部的尺寸不受用于布置该晶体管的面积的影响，将不会导致固体图像捕获设备降低其分辨率，且光接收区域的面积可以更大，由于改善的光接收灵敏度而实现高的图像质量。此外，注意，信号读出电路及其布线可以设置于光入射侧上(例如，位于光接收部之间；以及位于邻接的固体图像捕获装置之间)。这种情况下，槽的深度可以浅，使得制造更容易。
因此，根据本发明，可以通过不包含彩色滤光器形成步骤的简单制造方法来实现具有高灵敏度和高分辨率的固体图像捕获设备，该固体图像捕获设备不需要彩色滤光器且能够以低电压分别读出与多种颜色相对应的信号电荷。此外，也可以实现使用该固体图像捕获设备作为图像输入装置用于图像捕获部的电子信息装置。
各种其它变型对本领域技术人员是显而易见的且可以容易地达成，而不背离本发明的范围和精神。因此，所附权利要求的范围不应限制于说明书及此处所列举，相反，权利要求应得到宽广地解释。

Claims (31)

1.一种固体图像捕获装置，其中多个固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，所述多个固体图像捕获装置具有沿所述半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部；且对于入射对象光的电磁波，依据所述半导体基板的半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部被检测；以及信号电荷分别产生，
其中，槽部按下述方式设置，所述槽部分别从所述半导体基板的光入射面或者与所述光入射面相对的基板表面到达在平面图中不相互交叠的相应光接收部的位置，
其中，读出栅电极设置在每个槽部，且设置电学电荷转移部，在驱动所述读出栅电极时所述电学电荷转移部能够通过相应槽的侧壁部独立地将电学电荷从所述多个光接收部转移到所述光入射面侧或者与所述光入射面相对的基板表面侧。
2.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中所述电学电荷转移部按下述方式布置，所述槽部布置为邻接沿相应基板平面方向的层叠的光接收部的相应层，所述槽部的内壁覆盖有栅极绝缘膜，且所述读出栅电极嵌在每个所述槽部的内部。
3.如权利要求1或2所述的固体图像捕获设备，其中电学极性不同于所述多个光接收部的电学极性的相反导电扩散层沿着覆盖所述槽部的侧壁的所述栅极绝缘膜设置在所述侧壁上。
4.如权利要求3所述的固体图像捕获设备，其中设置累积扩散层，所述累积扩散层邻接位于所述光入射面或者与所述光入射面相对的基板表面上的所述栅极绝缘膜上并与每个所述光接收部分离，且沟道区设置于所述相反导电扩散层内以将信号电荷从所述光接收部转移到所述累积扩散层。
5.如权利要求4所述的固体图像捕获设备，其中所述沟道区为电学极性不同于所述光接收部的电学极性的沟道扩散层。
6.如权利要求4所述的固体图像捕获设备，其中低浓度沟道扩散区形成于用于形成每个所述多个光接收部的区域和所述沟道区相互交叠的区域。
7.如权利要求3所述的固体图像捕获设备，其中沿一方向沿着所述基板表面相互邻接的固体图像捕获装置通过设置于槽的侧表面上的相反导电扩散层而相互电分离成为分离装置，所述槽具有从与所述光入射面相对的所述基板表面或者从所述光入射面到每个所述多个光接收部的深度。
8.如权利要求1或2所述的固体图像捕获设备，其中所述多个光接收部布置成平面图中的方形或矩形格子形状，且所述槽部沿不同的两个或三个方向沿着相应边缘按下述方式布置，所述槽部邻接从一形状朝外部延伸的所述相应边缘使得所述延伸边缘在平面图内不相互交叠，其中在所述形状内，所述多个光接收部在平面图内相互交叠。
9.如权利要求1或2所述的固体图像捕获设备，其中所述多个光接收部布置成平面图中的六角形和蜂窝结构，且所述槽部沿不同的两个或三个方向沿着相应边缘按下述方式布置，所述槽部邻接从一形状朝外部延伸的所述相应边缘使得所述延伸边缘在平面图内不相互交叠，其中在所述形状内，所述多个光接收部在平面图内相互交叠。
10.如权利要求1或2所述的固体图像捕获设备，其中所述多个光接收部布置成平面图中的方形或矩形格子形状，且所述槽部沿不同的四个方向沿着边缘的相应部分按下述方式布置，所述槽部邻接从一形状朝外部延伸的所述边缘的相应部分使得所述边缘的延伸部在平面图内不相互交叠，其中在所述形状内，所述多个光接收部在平面图内相互交叠。
11.如权利要求1或2所述的固体图像捕获设备，其中所述半导体为具有外延层的硅基板，且所述多个光接收部形成有由不同导电性的半导体结形成的光电二极管。
12.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中设置有N(N为自然数)个光接收部用作所述多个光接收部，从用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部到用于检测第N波段的电磁波的第N光接收部。
13.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部和用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部，用作所述多个光接收部。
14.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部和用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部，用作所述多个光接收部。
15.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中设置有用于检测第一波段的电磁波的第一光接收部、用于检测第二波段的电磁波的第二光接收部、用于检测第三波段的电磁波的第三光接收部和用于检测第四波段的电磁波的第四光接收部，用作所述多个光接收部。
16.如权利要求12或13所述的固体图像捕获设备，其中从所述半导体基板的光入射侧面到所述第一光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光，且从所述光入射侧面到所述第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。
17.如权利要求12或13所述的固体图像捕获设备，其中从所述半导体基板的光入射侧面到所述第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从所述光入射侧面到所述第二光接收部的深度检测在大于或等于0.2μm且小于或等于2.0μm范围的白光作为耗尽层的厚度。
18.如权利要求12或13所述的固体图像捕获设备，其中从所述半导体基板的光入射侧面到所述第一光接收部的深度检测在大于或等于0.1μm且小于或等于0.2μm范围的紫外光，且从所述光入射侧面到所述第二光接收部的深度检测在3.0μm±0.3μm范围的红外光。
19.如权利要求14所述的固体图像捕获设备，其中从所述半导体基板的光入射侧面到所述第一光接收部的深度在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间的范围，从所述半导体基板的光入射侧面到所述第二光接收部的深度在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间的范围，以及从所述半导体基板的光入射侧面到所述第三光接收部的深度在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间的范围，由此检测三原色。
20.如权利要求15所述的固体图像捕获设备，其中从所述半导体基板的光入射侧面到所述第一光接收部的深度在大于或等于0.1μm且小于或等于0.4μm之间的范围；从所述半导体基板的光入射侧面到所述二光接收部的深度在大于或等于0.3μm且小于或等于0.6μm之间的范围；从所述半导体基板的光入射侧面到所述第三光接收部的深度在大于或等于0.4μm且小于或等于0.8μm之间的范围；以及从所述半导体基板的光入射侧面到所述第四光接收部的深度在大于或等于0.8μm且小于或等于2.5μm之间的范围，由此检测三原色和翠绿色。
21.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中信号输出电路设置于每个所述多个固体图像捕获装置内，以选择所述多个固体图像捕获装置中的特定固体图像捕获装置从而输出信号，所述信号输出电路是由所述半导体基板的与光入射面侧的相对侧或者所述光入射面侧形成的多个晶体管形成。
22.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中信号输出电路设置于每个所述多个固体图像捕获装置内，以选择所述多个固体图像捕获装置中的特定固体图像捕获装置从而输出信号，且构成所述信号输出电路的所述晶体管设置于所述固体图像捕获装置内的杂质扩散层阱之内和之上。
23.如权利要求21或22所述的固体图像捕获设备，其中所述信号输出电路具有用于响应于从所述光接收部电荷转移到所述累积扩散层的信号电压而放大信号的放大晶体管，以及用于将所述累积扩散层的信号电压复位至预定电压的复位晶体管。
24.如权利要求21或22所述的固体图像捕获设备，其中所述信号输出电路的信号输出路径是由形成于所述半导体基板的光入射面侧的相对侧上的布线层构成。
25.如权利要求2所述的固体图像捕获设备，其中所述栅极绝缘膜为氧化物膜或高介电绝缘膜。
26.如权利要求25所述的固体图像捕获设备，其中所述氧化物膜为氧化硅膜。
27.如权利要求25所述的固体图像捕获设备，其中所述高介电绝缘膜为氧化铪。
28.如权利要求2所述的固体图像捕获设备，其中所述读出栅电极是由包含掺杂硅材料或金属材料的材料制成。
29.如权利要求1所述的固体图像捕获设备，其中所述固体图像捕获设备为CMOS图像传感器或者CCD图像传感器。
30.一种电子信息装置，使用如权利要求1、2、12-15、19-22和25-29任意一项所述的固体图像捕获设备作为图像输入装置。
31.一种固体图像捕获设备的制造方法，其中多个固体图像捕获装置沿一方向沿着基板表面顺序布置，所述多个固体图像捕获装置具有沿所述半导体基板的深度方向层叠的多个光接收部；且对于入射对象光的电磁波，依据所述半导体基板的半导体基板材料的光学吸收系数的波长依存性，具有与相应光接收部的深度相对应的波段的电磁波在相应光接收部被检测；以及信号电荷产生，所述方法包括：
光接收部形成步骤，沿半导体基板的深度方向依次形成第一光接收部扩散层至第N光接收部扩散层，N为自然数，所述光接收部扩散层的交叠区域随其相应边缘而延伸，使得每个所述光接收部扩散层具有在平面图中与其它光接收部扩散层不交叠的部分；
相反导电扩散层形成步骤，在所述基板表面的光入射面上形成相反导电扩散层，所述相反导电扩散层具有与每个所述光接收部的电学极性不同的电学极性；
槽形成步骤，形成槽，所述槽具有从与所述光入射面相对的所述基板表面到每个所述光接收部的深度并布置为邻接沿相应基板平面方向的层叠的光接收部的每个边缘；
槽侧面扩散层形成步骤，在所述槽的侧面上形成相反导电扩散层，所述相反导电扩散层具有与每个所述光接收部的电学极性不同的电学极性；
栅极绝缘膜形成步骤，形成栅极绝缘膜以覆盖所述槽的内部；
栅电极形成步骤，填充所述槽的内部以形成读出栅电极；以及
累积扩散层形成步骤，形成累积扩散层，所述累积扩散层邻接与所述光入射侧相对的所述基板表面上的所述栅极绝缘膜且与每个所述光接收部分离。
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