CN102334188A - 固态成像元件及其制造方法以及电子信息设备 - Google Patents

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Abstract

彩色滤光器使用简单制造方法形成，且对于像素分离电极的偏置施加允许低照度中的灵敏度得到改善。在固态成像元件中，其中多个单元像素部分二维地布置在更靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，每个单元像素部分具有用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分，相邻单元像素部分形成为相同颜色以允许彩色滤光器的对准精度的减小。像素分离电极在相邻单元像素部分中形成，且信号电荷在低照度期间通过施加偏置共享，由此改善有效发光二极管面积。

Description

固态成像元件及其制造方法以及电子信息设备
技术领域
本发明涉及：由用于对入射光执行光电转换且获取入射光的图像的半导体元件构成的固态成像元件；制造该固态成像元件的方法；以及诸如数码相机（例如，数码摄像机或数码静拍相机（digital still camera））、图像输入相机（例如，监控相机）、扫描仪、传真机、电视电话设备以及装配有相机的蜂窝电话设备的电子信息设备，该电子信息设备包括作为在其成像部分中使用的图像输入设备的固态成像元件。
背景技术
CCD图像传感器和CMOS图像传感器通常已知为用于将来自物体的图像光转换成电信号的固态成像元件。其中，CMOS图像传感器包括：用于通过光照射产生信号电荷的多个光接收部分（多个光电二极管）以及用于将在光接收部分产生的信号电荷读取为成像信号的放大晶体管（MOS晶体管），它们均在公共基板上提供。CMOS图像传感器因而具有低功耗、通过使用诸如系统LSI的标准CMOS处理技术的低成本性能以及多用途的优点。
在这种CMOS图像传感器中，随着近年来像素尺寸不断减小的趋势，确保低照度中的灵敏度是重要的。专利文献1公开了装配有高灵敏度像素和低灵敏度像素的常规固态成像元件。
图8是部分成像区域的平面图，示出在专利文献1中公开的常规固态成像元件中用于改善低照度下的灵敏度的像素布置。
如图8所示，专利文献1中公开的常规固态成像元件包括由大写字母R、G和B指示的大面积像素和由小写字母r、g和b指示的小面积像素，即，以方格形式布置的高灵敏度光电转换元件和低灵敏度光电转换元件。当来自相同颜色的相邻的高和低灵敏度光电转换元件的成像信号被合成和获得时，合成信号可以看作是来自位于两个像素质心（在图8中以点“●”指示）的单个像素的信号，导致虚拟方格形式布置的图像信号。相同颜色的大面积像素和小面积像素配对且它们以拜尔布置的方式布置。因此，动态范围可以扩展，而在纵向方向和横向方向基本没有分辨率的降低。
在CMOS图像传感器中，一般已知在合成图像中使用诸如R、G和B（分别是红色、绿色和蓝色）的三个基色的彩色滤光器（color filter）。这在专利文献2等中介绍。
图9(a)和9(c)均是关键部分的平面图，按阶段示出专利文献2中公开的常规固态成像元件的彩色滤光器形成步骤。
首先，如图9(a)所示，以在三个基色R、G和B的拜尔布置中布置G（绿色）的方式在被4个像素共享的像素区域200上形成G滤光器201。接下来，如图9(b)所示，以在三个基色R、G和B的拜尔布置中布置R（红色）的方式形成R滤光器202。然后，如图9(c)所示，以在三个基色R、G和B的拜尔布置中布置B（蓝色）的方式形成B滤光器203。因此，形成布置在二维拜尔布置中的2×2单元的像素阵列（被4个单元共享）。
专利文献1：日本专利特开No.2004-336469
专利文献2：日本专利特开No.2000-294758。
发明内容
本发明解决的问题
然而，在专利文献1中公开的常规固态成像元件中，必须在不同的步骤中形成高灵敏度光电转换元件和低灵敏度光电转换元件，带来制造可行性的问题。
在专利文献2中公开的常规固态成像元件中，根据像素的微型化，由于串扰等的问题，在相应滤光器的交叠部分中需要高精度，这将带来导致制造限制的问题。
本发明旨在解决上述常规问题。本发明的一个目的是提供一种固态成像元件和用于制造该固态成像元件的方法。在该固态成像元件中，像素分离电极布置在像素分离区域中且给定电压施加于像素分离电极以允许相邻像素共享信号电荷。因此，不必像常规所做的那样在不同步骤中形成高灵敏度光电转换元件和低灵敏度光电转换元件；它们可以更容易地制造；且低照度中的灵敏度可以明显改善。本发明的另一目的是提供一种诸如装配有相机的蜂窝电话设备的电子信息设备，其包括作为其成像部分中使用的图像输入设备的固态成像元件。
本发明旨在解决上述常规问题。本发明的目的是提供一种固态成像元件和制造该固态成像元件的方法。在固态成像元件中，像素分离电极布置在像素分离区域中且电压施加于像素分离电极以允许相邻像素共享信号电荷。因此，即使像素的微型化发展，它仍允许多个像素作为一个像素且彩色滤光器的面积扩大，由此允许在相应彩色滤光器的交叠部分中的明显减小的精度。本发明的另一目的是提供一种诸如装配有相机的蜂窝电话设备的电子信息设备，其包括作为其成像部分中使用的图像输入设备的固态成像元件。
解决问题的方式
提供根据本发明的固态成像元件，其中，多个单元像素部分二维地布置在较靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，每个单元像素部分具有用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分，该固态成像元件包括：导电性与光接收部分的导电性相反的相反导电类型的半导体区域；以及其上的像素分离电极，其中相反导电类型半导体区域和像素分离电极布置在彼此相邻的4个单元像素部分之间，其中给定电压施加于像素分离电极以允许信号电荷被4个单元像素部分共享，由此实现上述目的。
而且，提供根据本发明的固态成像元件，其中，用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分提供在较靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，且多个单元像素部分二维地布置，每个单元像素部分设置有与光接收部分相邻的电荷传输部分以用于传输来自光接收部分的信号电荷，其中：光接收部分在平面图中以方形或矩形形成；导电性与光接收部分的导电性相反的相反导电类型的半导体区域与其上的像素分离电极布置在4个单元像素部分之间，这4个单元像素部分与光接收部分的不接触电荷传输部分的两侧相邻且彼此相邻；并且给定电压施加于像素分离电极以允许信号电荷被4个单元像素部分共享，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的固态成像元件中，4个单元像素部分是相邻的2×2单元。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，相反导电类型的半导体区域和其上的像素分离电极在平面图中是在4个单元像素部分之间形成的十字形状。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，以对应于每个由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分的方式，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器在像素区域上方以给定颜色布置形成，其间夹置有层间绝缘膜。当这定义为主权利要求时，根据本发明的固态成像元件，其中多个单元像素部分二维地布置在较靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，每个单元像素部分设置有用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分，以对应于每个由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分的方式，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器在像素区域上方以给定颜色布置形成，其间夹置有层间绝缘膜，这4个单元像素部分与光接收部分的两侧相邻且彼此相邻，由此实现上述目的。利用权利要求1和作为从属权利要求的权利要求2，仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，导电类型与光接收部分的导电类型相反的半导体区域以及其上的像素分离电极布置在相邻的4个单元像素部分之间。而且，给定电压施加于像素分离电极。因此，信号电荷可以在4个单元像素部分间共享。仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，光接收部分在平面图中以方形或矩形形成，导电性与光接收部分的导电性相反的相反导电类型的半导体区域以及其上的像素分离电极布置在4个单元像素部分之间，这4个单元像素部分与光接收部分的不接触电荷传输部分的两侧相邻且彼此相邻，且给定电压施加于像素分离电极以允许信号电荷被4个单元像素部分共享。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，给定颜色布置使得单元像素部分中拜尔布置的颜色在4个像素单元中被替换，且当两个G像素布置在一个对角方向时，R像素和B像素布置在另一对角方向；且R像素和B像素的布置顺序交替地相反，且两个G像素的对角方向也交替地相反。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，共享浮置扩散部分的4个像素部分构成为一个单元，且光接收部分的信号电荷被传输到浮置扩散部分。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，4个单元像素部分的拜尔布置的颜色被替换，且与所述单元像素部分的顶部和底部以及左边和右边相邻的4个单元像素部分构成为相同颜色的单元像素部分。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，在低照度期间，当给定电压施加于像素分离电极时，在对应于由4个单元像素部分组成的相同颜色滤光器的相邻单元像素部分中聚集的信号电荷从电荷传输部分传输，集成为一个像素，且在高照度期间，给定电压不施加于像素分离电极，使得4个单元像素部分变得彼此独立且信号电荷从对应于单元像素部分的电荷传输部分传输。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，在低照度期间，对于对应于由4个单元像素部分组成的相同颜色滤光器的每个相邻单元像素部分，电荷在一个点处从电荷传输部分传输。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，相同颜色的滤光器在由相邻4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分上方形成。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，像素分离电极由栅极氧化物膜和其上的多晶硅电极组成。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，电荷传输部分提供在光接收部分的一个角部。
仍优选地，在根据本发明的固态成像元件中，固态成像元件是CMOS型固态成像元件，其中从光接收部分传输到浮置扩散部分的信号电荷被转换成电压信号、被放大且然后输出为成像信号。
提供用于制造根据本发明的固态成像元件的方法，该方法包括：相反导电类型的半导体区域形成步骤：在4个单元像素部分之间形成导电类型与光接收部分的导电类型相反的相反导电类型半导体区域，这4个单元像素部分与光接收部分的不接触电荷传输部分的两侧相邻且彼此相邻；以及像素分离电极步骤：在相反导电类型半导体区域上方形成作为像素分离电极的多晶硅电极，其间夹置有栅极氧化物膜，由此实现上述目的。
优选地，在用于制造根据本发明的固态成像元件的方法中，彩色滤光器形成步骤：以对应于每个由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分的方式，在像素区域上方以给定颜色布置以任意顺序连续形成红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器，其间夹置有层间绝缘膜。
根据本发明的电子信息设备包括作为其成像部分中的图像输入设备的根据本发明的固态成像元件。
将在此后描述具有上述结构的本发明的功能。
在本发明中，导电类型与光接收部分的导电类型相反的半导体区域以及其上的像素分离电极布置在相邻的4个单元像素部分之间。而且，给定电压施加于像素分离电极。因此，信号电荷可以在4个单元像素部分间共享。为了对应于由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分中的每一个，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器在像素区域上方以给定颜色布置形成，其间夹置有层间绝缘膜。
因而，像素分离电极布置在像素分离区域中，给定电压施加于像素分离电极，且信号电荷可以被相邻像素共享。因此，不必像常规所做的那样在不同步骤中形成高灵敏度光电转换元件和低灵敏度光电转换元件，且它们可以更容易地制造。同时，低照度中的灵敏度可以明显改善，这允许在较暗地方中较容易地成像。
而且，像素分离电极布置在像素分离区域中，电压施加于像素分离电极，且信号电荷被相邻像素共享。因此，既使像素的微型化发展，它仍允许多个像素作为一个像素且彩色滤光器的面积被放大，由此允许相应彩色滤光器的交叠部分中的较小的精度。
如上所述，具有相同颜色滤光器的相邻4个单元像素部分的形成允许彩色滤光器的较小的对准精度。像素分离电极在相邻4个单元像素部分中形成以允许信号电荷通过在低照度期间施加偏置而共享。由此，有效光电二极管面积可以增加且在黑暗的低照度期间的灵敏度可以明显改善。
发明效果
根据具有上述结构的本发明，电压施加于像素分离电极，且信号电荷可以被相邻像素共享。由于这些限定，可以通过偏置控制像素分离区域获得依照照度的灵敏度。另外，制造彩色滤光器中的对准精度可以降低。因此，本发明的固态成像元件在其光电二极管特性方面是极好的，这允许它用于诸如摄像机、数码相机和装配有相机的蜂窝电话设备这样的各式各样的电子信息设备中。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例1的CMOS图像传感器中的单元像素部分的示例的平面图。
图2是矩阵布置的图1中的图像单元像素部分的平面图，每个图像单元像素部分被4个像素共享。
图3是沿着图2的线A-A’的纵向剖面图。
图4是沿着图2的线A-A’的剖面电势图。图4(a)是在高照度期间栅电极处于OFF状态的情况的剖面电势图。图4(b)是在低照度期间栅电极处于ON状态的情况的剖面电势图。
图5(a)是示出在高照度操作中电荷在光电二极管之间传输的方向的像素布置平面。图5(b)是示出在低照度操作中电荷在光电二极管之间传输的方向的像素布置平面。
图6(a)至6(c)是示出根据本发明的固态成像元件的彩色滤光器形成步骤的制造过程的平面图。
图7是示出作为本发明的实施例2具有固态成像设备的电子信息设备的示意性结构的示例的框图，该电子信息设备在其成像部分中包括根据本发明的实施例1的固态成像元件。
图8是部分成像区域的平面图，示出用于在专利文献1中公开的常规固态成像元件中改善低照度的灵敏度的像素布置。
图9(a)至9(c)均是关键部件的平面图，示出在专利文献2中公开的常规固态成像元件的彩色滤光器形成步骤。
参考标号的描述
1                      单元像素部分
2，21，22         光电二极管
3                         传输晶体管
4                         浮置扩散部分（FD）
5                         图像单元像素部分
6                         相邻单元像素部分
7                         像素分离电极
8                         宏单元像素部分
11                       元件分离区域
12                       像素分离区域
13                       硅基板的表面
14                       栅极氧化物膜
15                       多晶硅膜
30                        固态成像元件（CMOS图像传感器）
31                        绿色滤光器
32                         红色滤光器
33                         蓝色滤光器
34                         像素区域
90                         电子信息设备
91                         固态成像装置
92                         存储部分
93                         显示部分
94                         通信部分
95                         图像输出部分。
具体实施方式
此后，将参考附图详细描述实施例1：其中本发明的固态成像元件应用于CMOS图像传感器，和实施例2：其中具有固态成像元件的根据实施例1的CMOS图像传感器用作诸如装配有相机的蜂窝电话设备这样的电子信息设备的成像部分的图像输入设备。
（实施例1）
图1是示出根据本发明的实施例1的CMOS图像传感器中的单元像素部分的示例的平面图。
在图1中，根据实施例1作为固态成像元件30的CMOS图像传感器中的单元像素部分1包括：用于接收入射光和对入射光执行光电转换的光接收部分（光电二极管2）；作为与光电二极管2相邻的电荷传输部分的电荷传输晶体管3；以及用于临时聚集通过电荷传输晶体管3传输的信号电荷且将其转换成电压信号的浮置扩散部分4。根据电压信号的电压电平，电压信号被放大晶体管放大，且成像信号被输出到信号线。
浮置扩散部分4被共享为要被传输的图像单元像素部分5的像素信号的目的地，且相应的像素信号可以独立地通过电荷传输晶体管3的操作时序连续传输。浮置扩散部分4被4个像素共享。
图像单元像素部分5被4个像素共享，且颜色在拜尔布置中在R、G和B中交替地替换。当两个G像素布置在对角方向（从右上到左下）时，R像素和B像素布置在相反的对角线方向（从左上到右下）。R像素和B像素的布置顺序交替地反转，且两个G像素的布置也在相反的对角方向交替。
图2是以矩阵布置的图1中图像单元像素部分5的平面图，每个图像单元像素部分5被4个像素共享。
如图2所示，在图像单元像素部分5（每个被4个像素共享）的布置（此处是3×3布置）中，拜尔布置中每个单元像素部分1的颜色被替换，使得在相应图像单元像素部分5中彼此相邻的单元像素部分1的颜色在纵向方向以及横向方向相同。然后，例如形成由点划线环绕的4个单元像素部分1组成的相邻单元像素部分6。点划线环绕的相邻单元像素部分6由相同颜色即G颜色（或R或B颜色）组成。像素分离电极7在平面图中沿着4个像素的边界线以十字形状（此处，它在端部是T形的）在像素分离区域（导电性与光接收部分相反的区域）上形成。从宏观角度来看，可以看到宏单元像素部分8，其被实线环绕且是拜尔布置（或者从拜尔布置修改的颜色布置）的2×2单元，具有由3个基色R、G和B中的4个相同颜色形成的大面积。在这种情况下，在平面图中与十字形状的像素分离电极7相邻的单元像素部分1具有大面积和相同颜色的彩色滤光器。
将描述拜尔布置中的相应单元像素部分1的颜色被替换以收集彼此靠近的4个相同颜色的情况。
关于在两个图像单元像素部分5（每个被4个像素共享）中拜尔布置中相应单元像素部分1的颜色，在第一行（水平方向），对角方向的两个G颜色的方向交替地变化。具体而言，布置从右上到左下的两个G颜色变化为从左上到右下的两个G颜色。因此，两个B颜色可以并靠地彼此面对。
关于在两个图像单元像素部分5（每个被4个像素共享）中拜尔布置中相应单元像素部分1的颜色，在第一列（垂直方向），对角方向的两个G颜色的方向交替地变化。具体而言，布置从右上到左下的两个G颜色变化为从左上到右下的两个G颜色。而且，对角方向从左上到右下的R和B颜色线变化为在对角方向从右上到左下的B和R的颜色线。因此，两个B颜色可以在右侧垂直地彼此面对。
而且，关于在两个图像单元像素部分5（每个被4个像素共享）中拜尔布置中相应单元像素部分1的颜色，在第二列（垂直方向），对角方向的两个G颜色的方向交替地变化。具体而言，布置从左上到右下的两个G颜色变化为从右上到左下的两个G颜色。而且，在对角方向从右上到左下的R和B颜色线变化为在对角方向从左上到右下的B和R的颜色线。因此，两个B颜色可以在左侧垂直地彼此面对。
因此，4个B颜色可以以4个B颜色彼此相邻的这种方式聚集。类似地，4个R颜色可以以4个R颜色彼此相邻的这种方式聚集，且4个G颜色可以以4个G颜色彼此相邻的这种方式聚集。总之，拜尔布置中相应单元像素部分1的颜色的替换允许4个相同颜色彼此相邻地聚集。
作为固态成像元件30的CMOS图像传感器，在半导体基板（或半导体层）的前表面侧上具有用于聚集光照射产生的信号电荷的电荷聚集区域（作为光接收部分的光电二极管2）以及以二维布置的多个单元像素部分1，每个单元像素部分包括用于将光电二极管2的信号电荷传输到浮置扩散部分4的电荷传输晶体管3。在CMOS图像传感器中，多个光电二极管2中的每一个在平面图中以方形或矩形形成，像素分离电极7布置在单元像素部分1之间，与光电二极管2的不邻接电荷传输晶体管3的两侧相邻，且给定电压施加于像素分离电极7。因此，信号电荷可以与光电二极管不邻接电荷传输晶体管3的两侧相邻在单元像素部分1之间共享。做出2×2单元（4个像素）扩展以形成在低照度具有相应R、G和B的颜色的获取的图像，且相同颜色的4个单元像素部分1集成为大面积的一个像素。因此，有效光电二极管大小可以扩展到4倍，且聚集的信号电荷的数量可以乘以4。
图3是沿着图2的线A-A’的纵向剖面图。
如图3所示，在相邻像素中，元件分离区域11位于不同颜色的像素之间（光电二极管21和光电二极管22之间），且像素分离区域12位于相同颜色的像素之间（光二极管21和光电二极管21之间）。
元件分离区域11典型地使用STI（浅沟槽隔离）方法形成，且像素分离区域12通过不同于光电二极管21的导电类型的离子注入形成。另外，在靠近像素分离区域12的硅基板的表面13的一侧上，形成由栅极氧化物膜14和其上的多晶硅膜15组成的栅电极（像素分离电极7）。例如，栅极氧化物膜14的膜厚度可以是60至70埃，且多晶硅膜15的膜厚可以是1500至2000埃。
将参考图4和5详细描述在具有上述结构的相邻像素间共享信号电荷的操作。
图4是沿着图2的线A-A’的剖面电势图。图4(a)是栅电极在高照度中处于OFF状态的情况的剖面电势图。图4(b)是在低照度期间栅电极处于ON状态的情况的剖面电势图。
当照射光时，信号电荷聚集在光电二极管21和22中，且信号电荷通过CMOS图像传感器的典型电荷传输和放大操作被转换成像素信号（成像信号）。在高照度期间，如图4(a)所示，栅电极（像素分离电极7）处于OFF状态。因此，像素分离区域12位于光电二极管21和相邻光电二极管21之间。聚集在光电二极管21和相邻光电二极管21之间的每个信号电荷（表示为图中的电子e-）被独立且连续传输。另一方面，在低照度期间，如图4(b)所示，栅电极（像素分离电极7）处于ON状态。因此，耗尽层从靠近硅基板的表面13的一侧（紧挨栅电极（像素分离电极7）下方）扩展，且使用虚线示出的势垒从光电二极管21和相邻光电二极管21之间消失，导致光电二极管21和相邻光电二极管21的信号电荷（在图中表示为电子e-）被共享。在这种状态下，施加于栅电极（像素分离电极7）的栅极电压根据光电二极管2的电势深度判断，且它一般对应于2.5V至3.0V。
图5(a)是示出在高照度操作中电荷在光电二极管之间传输的方向的像素布置平面。图5(b)是示出在低照度操作中电荷在光电二极管之间传输的方向的像素布置平面。
在高照度期间，如图5(a)所示，栅电极（像素分离电极7）处于OFF状态。因此，在光电二极管21和相邻光电二极管21中聚集的4个单元像素部分1的相应信号电荷在与被点划线环绕的相同颜色的相邻单元像素部分6的单元像素部分1中的每一个相邻的电荷传输晶体管3的方向传输。
在低照度期间，如图5(b)所示，栅电极（像素分离电极7）处于ON状态。因此，相同颜色的相邻4个像素（4个单元像素部分1）的相应信号电荷聚集在一起以同时在被点划线环绕的相同颜色的相邻单元像素部分6的右上角的一个点中的电荷传输晶体管3的方向传输。
在此阶段，因为4个像素的信号电荷被位于一点的电荷传输晶体管3传输，输出图像根据电荷传输晶体管3输出，以每两个像素的节距传输出去。因为传输操作通过中央部分的成像区域的外围中的外围电路（例如，驱动器电路）的一系列操作执行，在本发明的描述中将省略其解释。
如前所述，在低照度期间，与通过4个像素共享的图像单元像素部分5从4个像素部分1以某一时间序列4次连续读取信号相比，相同颜色的相邻4个像素的信号电荷的读取通过右上的一个点处的电荷传输晶体管3一次完成。而且，使用较宽面积接收光且信号可以以较快速率读取。因此，变得更难以引入噪声，在较暗周期期间聚集的信号电荷的精度改善，且快门速度可以在低照度期间设置为较快，由于相机抖动引起的影响减小，且可以在低照度期间获取更清晰的图像。
另外，因为在低照度期间相邻4个像素集成在一起，与对位于分离位置（诸如每隔一个位置）的信号电荷执行像素叠加相比，可以获得更清晰的图像。
图6(a)至6(c)是示出根据本发明的固态成像元件的彩色滤光器形成步骤的制造过程的平面图。
首先，如图6(a)所示，在像素区域34（其上二维地布置有多个单元像素部分1）上方形成绿色滤光器31。在拜尔布置中的每个绿色位置，绿色滤光器31在比4个相邻光电二极管21的区域更大尺寸的实线区域上方以对应于该区域的方式形成，其间夹置有层间绝缘膜。绿色滤光器31布置在正好对角线的方向。因为相邻像素部分具有相同的颜色，绿色滤光器31具有4倍大的面积，且交叠的限制明显减小。
接下来，如图6(b)所示，在像素区域34（其上二维地布置有多个单元像素部分1）上方形成红色滤光器32。在拜尔布置中的红色位置，红色滤光器32在比4个相邻光电二极管22的区域更大尺寸的实线区域上方以对应于该区域的方式形成，其间夹置有层间绝缘膜。因为相邻像素部分具有相同的颜色，红色滤光器32具有4倍大的面积，且交叠的限制明显减小。
然后，如图6(c)所示，在像素区域34（其上二维地布置有多个单元像素部分1）上方形成蓝色滤光器33。在拜尔布置中的蓝色位置，蓝色滤光器33在比4个相邻光电二极管23的区域更大尺寸的实线区域上方以对应于该区域的方式形成，其间夹置有层间绝缘膜。与绿色滤光器31相似，红色滤光器32和蓝色色滤光器33可以在相同颜色区域中大范围地形成。因为相邻像素部分具有相同的颜色，蓝色滤光器33具有4倍大的面积，且交叠的限制明显减小。
而且，将详细描述用于制造根据实施例1的固态成像元件30的方法中的彩色滤光器形成布置。
首先，从包含绿色色素的负型抗蚀剂（resist）获得的负型染料的绿色抗蚀剂膜施加到作为层间绝缘膜的平面膜上。绿色抗蚀剂膜以给定图案曝光和显影，且在对应于拜尔布置的绿色像素的位置形成单层绿色滤光器31。
接下来，施加从包含红色色素的负型抗蚀剂获得的负型染料的红色抗蚀剂膜。红色抗蚀剂膜以给定图案曝光和显影，且在对应于拜尔布置的红色像素的位置形成红色滤光器32。
然后，施加从包含蓝色色素的负型抗蚀剂获得的负型染料的蓝色抗蚀剂膜。蓝色抗蚀剂膜以给定图案曝光和显影，且在对应于拜尔布置的蓝色像素的位置形成单层蓝色滤光器33。这样，可以形成由绿色滤光器31、红色滤光器32和蓝色滤光器33组成的感兴趣的彩色滤光器。
此后将简要地描述用于制造根据实施例1的固态成像元件30的方法。作为示例，用于制造固态成像元件30的方法包括以下步骤：相反导电类型半导体区域形成步骤，在与光电二极管2不接触电荷传输晶体管3的两侧相邻且彼此相邻的4个单元像素部分1之间形成导电类型与光电二极管2相反的相反导电类型的半导体区域；像素分离电极步骤，在相反导电类型的半导体区域上方形成作为像素分离电极7的多晶硅电极15，其间夹置有栅极氧化物膜14；以及彩色滤光器形成步骤，以对应于每个由相邻4个单元像素部分1组成的相邻单元像素部分的方式，在像素区域34上方以给定颜色布置以任意顺序连续形成红色色滤光器32、绿色滤光器31和蓝色滤光器33，其间夹置有层间绝缘膜。
根据如上所述的实施例1，由栅极氧化物膜14和多晶硅电极15组成的像素分离电极7布置在与光电二极管2不接触电荷传输晶体管3的两侧相邻的4个像素之间。根据入射光的量，给定偏置电压施加于像素分离电极7，因而允许相邻像素之间的信号电荷被相同颜色的4个像素共享。在这种情况下，共享的4个像素可以看作是有效扩展的光电二极管2。而且，通过使用相应的颜色形成相邻像素，对应于相应颜色的信号电荷可以被认为通过共享而增加。这样，通过存在或不存在向像素分离电极7施加的偏置电压，可以相互切换高照度和低照度，所以可以大范围地使用动态范围。
在形成具有不同颜色的彩色滤光器的常规步骤中，作为像素尺寸减小的结果，必须增加滤光器之间的对准精度。然而，通过形成具有相同颜色的相邻4个像素，即使像素的微型化进步，多个像素可以被分组为一个且彩色滤光器的面积可以扩大。因此，彩色滤光器形成步骤的对准余量可以改善，且彩色滤光器的交叠区域中的精度减小，由此大大允许较小的对准精度。
如上所述，根据光照度的灵敏度可以通过像素分离区域中的偏置控制而切换。另外，彩色滤光器的制造中的对准精度可以减小。因此，根据实施例1的固态成像元件30具有极好的光电二极管特性，且它可以广泛地用于可以使用固态成像元件的电子信息设备，诸如摄像机、数码相机、装配有相机的蜂窝电话设备等。
（第二实施例）
图7是示出具有固态成像设备的电子信息设备的示意性结构的示例的框图，作为本发明的实施例2，该电子信息设备在其成像部分中包括根据本发明的实施例1的固态成像元件30。
在图7中，根据本发明的实施例2的电子信息设备90包括：固态成像装置91，用于对来自根据实施例1的固态成像元件30的成像信号执行各种信号处理，以获得彩色图像信号；存储部分92（例如，记录介质），用于在对用于记录的来自固态成像装置91的彩色图像信号执行预定信号处理之后数据记录该彩色图像信号；显示部分93（例如液晶显示装置），用于在对用于显示的来自固态成像装置91的彩色图像信号执行预定信号处理之后在显示屏（例如液晶显示屏）上显示该彩色图像信号；通信部分94（例如，发射和接收设备），用于在对用于通信的来自固态成像装置91的彩色图像信号执行预定信号处理之后对该彩色图像信号进行传送；以及图像输出部分95（例如，打印机），用于在为了打印而执行预定信号处理之后打印来自固态成像装置91的彩色图像信号。没有任何限制地，电子信息设备90可以包括存储部分92、显示部分93、通信部分94以及诸如打印机的图像输出部分95其中任意一个。
作为电子信息设备90，包括图像输入设备的电子信息设备是可以想到的，诸如数码相机（例如，数码摄像机或数码静拍相机）、图像输入相机（例如，监控相机、门话（door phone）相机、装配在车辆中用于后视监控的相机或电视电话相机）、扫描仪、传真机、装配有相机的蜂窝电话设备以及便携式数字助理（PDA）。
因此，根据本发明的实施例2，来自传感器模块91的彩色图像信号可以被：适当地显示在显示屏上；使用图像输出部分95打印在纸张上；经由有线或无线电作为通信数据适当地传送；通过执行预定数据压缩处理适当地存储在存储部分92；以及可以适当地执行其他的各种数据处理。
尽管在上面的实施例1中没有特别描述，具有与光接收部分的导电性相反的导电性的相反导电类型的半导体区域以及其上的像素分离电极布置在彼此相邻的4个单元像素部分之间。而且，给定电压施加于像素分离电极。因此，信号电荷可以被4个单元像素部分共享。同时，以对应于由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分中的每一个的方式，在像素区域上方以给定颜色布置形成红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器，其间夹置有层间绝缘膜。因此，像素分离电极布置在像素分离区域且给定电压施加于像素分离电极以允许相邻像素共享信号电荷。由此，可以实现本发明的下述目的：不必像常规做的那样在不同的步骤中形成高灵敏度光电转换元件和低灵敏度光电转换元件；它们可以更容易地制造；且低照度中的灵敏度可以显著改善。另外，像素分离电极布置在像素分离区域上方且电压施加于像素分离电极以允许相邻像素共享信号电荷。由此，可以实现本发明的下述目的：即使像素的微型化发展，仍允许多个像素作为一个且彩色滤光器的面积扩大，由此允许相应彩色滤光器的交叠部分中的明显减小的精度。
如上所述，本发明通过使用优选实施例1和2示例。然而，本发明不应解读为仅基于上述实施例1和2。应当理解，本发明的范围应仅基于权利要求解释。还应当理解，本领域技术人员可以基于本发明的描述和来自本发明的详细优选的实施例1和2的描述的公共知识实现等价的技术范围。而且，应当理解，在本说明书中引用的任何专利、任何专利申请和任何参考应通过引用的方式结合在本说明书中，就好像其内容在此处被具体描述。
工业应用性
本发明可以应用于以下领域：由用于对入射光执行光电转换且获取入射光的图像的半导体元件构成的固态成像元件；用于制造该固态成像元件的方法；以及诸如数码相机（例如数码摄像机或数码静拍相机）、图像输入相机（例如，监控相机）、扫描仪、传真机、电视电话设备以及装配有相机的蜂窝电话设备这样的电子信息设备，该电子信息设备包括作为在其成像部分中使用的图像输入设备的固态成像元件。根据本发明，电压施加于像素分离电极，且信号电荷可以被相邻像素共享。由于这些限定，通过像素分离区域的偏置控制，可以获得根据照度的灵敏度。另外，在彩色滤光器的制造中的对准精度可以减小。因此，本发明的固态成像元件在其光电二极管特性方面是极好的，这允许它用在诸如摄像机、数码相机和装配有相机的蜂窝电话设备这样的各式各样的电子信息设备中。

Claims (17)

1.一种固态成像元件，其中多个单元像素部分二维地布置在较靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，每个单元像素部分具有用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分，
该固态成像元件包含：导电性与光接收部分的导电性相反的相反导电类型的半导体区域；以及其上的像素分离电极，其中相反导电类型的半导体区域和像素分离电极布置在彼此相邻的4个单元像素部分之间，其中给定电压施加于像素分离电极以允许信号电荷被4个单元像素部分共享。
2.一种固态成像元件，其中用于通过光照射产生信号电荷的光接收部分提供在较靠近半导体基板或半导体层的前表面的一侧上，且多个单元像素部分二维地布置，每个单元像素部分设置有与光接收部分相邻的电荷传输部分以用于传输来自光接收部分的信号电荷，
其中：
光接收部分在平面图中以方形或矩形形成；
导电性与光接收部分的导电性相反的相反导电类型的半导体区域与其上的像素分离电极布置在4个单元像素部分之间，这4个单元像素部分与光接收部分不接触电荷传输部分的两侧相邻且彼此相邻；以及
给定电压施加于像素分离电极以允许信号电荷被4个单元像素部分共享。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中4个单元像素部分是相邻的2×2单元。
4.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中相反导电类型的半导体区域和其上的像素分离电极在平面图中是在4个单元像素部分之间形成的十字形状。
5.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中，以对应于每个由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分的方式，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器在像素区域上方以给定颜色布置形成，其间夹置有层间绝缘膜。
6.根据权利要求5所述的固态成像元件，其中给定颜色布置使得单元像素部分中的拜尔布置的颜色在4个像素单元中被替换，且当两个G像素布置在一个对角方向时，R像素和B像素布置在另一对角方向；且R像素和B像素的布置顺序交替地相反，且两个G像素的对角方向也交替地相反。
7.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中共享浮置扩散部分的4个单元像素部分构成为一个单元，且光接收部分的信号电荷被传输到浮置扩散部分。
8.根据权利要求7所述的固态成像元件，其中4个单元像素部分的拜尔布置的颜色被替换，且与所述单元像素部分的顶部和底部以及左边和右边相邻的4个单元像素部分构成为相同颜色的单元像素部分。
9.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中：
在低照度期间，当给定电压施加于像素分离电极时，集成为一个像素的对应于由4个单元像素部分组成的相同颜色滤光器的相邻单元像素部分中聚集的信号电荷从电荷传输部分传输，并且
在高照度期间，没有给定电压施加于像素分离电极，使得4个单元像素部分变得彼此独立且信号电荷从对应于单元像素部分的电荷传输部分传输。
10.根据权利要求9所述的固态成像元件，其中，在低照度期间，对于对应于由4个单元像素部分组成的相同颜色滤光器的每个相邻单元像素部分，电荷在一个点处从电荷传输部分传输。
11.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中相同颜色的滤光器在由相邻4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分上方形成。
12.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中像素分离电极由栅极氧化物膜和其上的多晶硅电极组成。
13.根据权利要求2所述的固态成像元件，其中电荷传输部分提供在光接收部分的一个角部。
14.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其中固态成像元件是CMOS型固态成像元件，其中从光接收部分传输到浮置扩散部分的信号电荷被转换成电压信号、被放大且然后输出为成像信号。
15.一种用于制造根据权利要求1或2的固态成像元件的方法，该方法包含：
相反导电类型半导体区域形成步骤：在4个单元像素部分之间形成导电类型与光接收部分的导电类型相反的相反导电类型半导体区域，这4个单元像素部分与光接收部分不接触电荷传输部分的两侧相邻且彼此相邻；以及
像素分离电极步骤：在相反导电类型半导体区域上方形成作为像素分离电极的多晶硅电极，其间夹置有栅极氧化物膜。
16.根据权利要求15所述的用于制造固态成像元件的方法，彩色滤光器形成步骤：以对应于每个由4个单元像素部分组成的相邻单元像素部分的方式，在像素区域上方以给定颜色布置以任意顺序连续形成红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器，其间夹置有层间绝缘膜。
17.一种电子信息设备，包含作为其成像部分中的图像输入设备的、根据权利要求1至14其中任一项所述的固态成像元件。
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