CN105556674B - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背面照射型固体摄像装置，该装置增大光电二极管的存储电荷量，简化层叠型光电二极管的读出路径。通过使背面照射型固体摄像装置的光电二极管为存储门结构，从而增加存储电荷量和灵敏度。另外，在入射光方向设置将光电二极管分离的屏障区域，以对存储门施加的脉冲电压，控制屏蔽区域的屏蔽高度，从而控制在入射方向分离的层叠型光电二极管间的信号电荷的输送，简化层叠型光电二极管的读出。根据该结构，可以不降低集成度而进行全局快门，不使用滤色镜而改变光电二极管的光谱特性，改善S/N。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及背面照射型固体摄像装置的结构及其动作方法。
背景技术
固体摄像装置大致分为CCD传感器所代表的电荷转移型固体摄像元件和CMOS传感器所代表的X-Y阵列型固体摄像元件。在以下的说明中，作为固体摄像装置，针对CMOS传感器进行说明。近年来，为了同时实现伴随着多像素化的像素尺寸的缩小和高灵敏度化，背面照射型的CMOS传感器类型正在迅速变为主流。CMOS传感器的各像素单元具备产生与入射光对应的信号电荷的光电转换部(以下，称为像素)和将该光电转换部的信号电荷转换成信号电压并放大的放大部。
作为背面照射型的CMOS传感器的结构，在CMOS传感器的晶片加工完成后，将CMOS传感器晶片粘合在基板支承材料上，由传感器背面进行薄膜化处理，在背面形成滤色镜来完成。它们的结构以及制造方法的一个例子在专利文献1中示出。
在这样的背面照射型的CMOS传感器中，进行光电转换的像素部由光电二极管形成，为了抑制硅界面的影响而造成的暗信号，由光电二极管的相反导电类型的杂质区域屏蔽。因此，光电二极管的电位不能由外部来控制。由光电二极管中存储的电荷的读出使与光电二极管相邻设置的传输门下的电位进行变化来进行。伴随着像素尺寸的缩小，产生可以由光电二极管存储的信号电荷量的减少导致的画质劣化的问题。
另一方面，通常称为Foveon传感器的、层叠型光电二极管型的成像传感器为人所知(专利文献2)。该传感器构成为将与入射光的波长对应的信号电荷在存在于深度方向不同的位置的光电二极管中进行光电转换并存储，并具有用于独立地读出与入射光的波长对应的信号电荷的独立读出路径。由于对各单元设置独立读出路径，因此存在妨碍单元小型化的问题。
在专利文献3中示出通过相同的结构，使作为颜色的3原色的R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)与各个深度的光电二极管对应的层叠型光电二极管型的成像传感器的结构。在该结构中，为了独立地读出与入射光的波长对应的信号电荷，需要制作读出路径，同样存在妨碍单元小型化的问题。因此，由本申请人提出专利文献3。
在CCD传感器中，由于存在用于转移信号电荷的CCD寄存器，因此容易实现保持同时性的全局快门，但在CMOS传感器中，成为依次读出像素信号的卷帘快门模式，不能实现全局快门。因此，在CMOS传感器中，存在相对于移动的被拍摄体，发生图像变形那样的所谓卷帘快门变形的问题。为了防止该卷帘快门变形，需要重新在横向相邻地追加基本的存储区域，存在像素尺寸会变大的问题。
在近年来的微像素中，背面照射型固体摄像装置(以下，以背面照射型的CMOS传感器进行说明)被广泛地使用。背面照射型摄像装置可以通过背面使入射光向光电二极管聚光。在该结构中，由于在背面侧不存在布线层，因此通过缩短从微型透镜到光电二极管的距离，减少入射的光信号的损失从而提高光的利用率。该背面照射型固体摄像装置在形成有布线的信号电荷读出侧的表面粘贴基板支承材料，将晶片的背面侧进行CMP(ChemicalMechanical Polishing)或蚀刻，从而使晶片的厚度薄膜化。通过该薄膜化处理，得到与以往的表面照射型固体摄像装置相同的光谱灵敏度特性。
在专利文献4中提出了一种具备存储门的结构，并且所述存储门是在该背面照射型固体摄像装置的光电二极管中，为了增加电荷存储容量，在信号电荷读出侧的光电二极管表面夹着门绝缘膜的MOS型结构。在该结构中，可以增加光电二极管中的存储电荷量，但不能将多个信号电荷分离来存储。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2003-31785公报
专利文献2:US5965875
专利文献3:日本特开平7-74340公报
专利文献4:日本特开2010-141045公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种在背面照射型固体摄像装置中，使在各像素中可以独立地存储的电荷为多个的固体摄像装置。并且提供一种背面照射型固体摄像装置，该摄像装置通过采用该结构，除了实现像素数的增加之外，由同一处的像素独立地存储光谱特性不同的光电二极管的信号电荷，由同一电路独立地读出层叠方向的光电二极管的电荷，不会增加用于读出的电路面积，并且面向高集成化。在本结构中，不设置横向相邻的存储部分，也可以实现全局快门。
为了解决所述问题，还在本发明的背面照射型的CMOS传感器中，在进行光电转换的像素部的光电二极管的厚度方向的中游区域，设置与光电二极管相反导电类型的杂质区域，形成使光电二极管在上下方向分离的多个区域(以下，称为层叠型光电二极管)。由此，例如，独立地存储由入射光的波长产生的信号电荷，独立地读出存储在层叠型光电二极管中的信号电荷，通过向存储门施加的电压，可以控制电荷在上下方向层叠的光电二极管间进行转移。
根据本发明，在背面照射型的CMOS传感器中，可以增大光电二极管中的存储电荷量。由于可以由存储门控制上下方向的光电二极管间的电荷的转移，因此，可以提供一种不需要新的读出路径的层叠光电二极管型的成像传感器。另外，可以提供一种不设置横向相邻的存储部分，而实现全局快门的固体摄像装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的概略结构图。
图2是图1的实施例1的AA’的剖面结构图和与各区域对应的势阱分布的图。
图3是说明在图2所示的势阱分布中，层叠型光电二极管间的信号电荷的转移方法的图。
图4是图1的实施例1的BB’的剖面结构图和与各区域对应的势阱分布的图。
图5是说明在图4所示的势阱分布中，信号电荷的读出方法的图。
图6是说明组合图3、5所示的电荷的转移方法，层叠型光电二极管间的信号电荷的转移序列的图。
图7是说明使用本发明的第1实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的层叠型光电二极管来实现第2实施方式所涉及的全局快门模式的驱动定时的图。
图8是说明按照图7的定时，层叠型光电二极管间的信号电荷的转移序列、以及朝向浮动结的读出序列的图。
图9是本发明的第3实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的概略结构图。
图10是在本发明的第3实施方式所涉及的背面照射型中省略了滤色镜的概略结构图。
图11是本发明的第4实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的概略结构图。
图12是图11的AA’的剖面结构图和与各区域对应的势阱分布的图。
图13是说明在图12所示的本发明的第4实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的层叠型光电二极管势阱分布中，多个层叠型光电二极管间的信号电荷的转移方法的图。
图14是说明图11所示的本发明的第4实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的各层叠型光电二极管中的光谱灵敏度特性的一个例子的图。
图15是表示根据图14的各层叠型光电二极管的光谱灵敏度特性进行信号处理而得到的彩色信号的光谱特性的图。
图16是说明在本发明的第5实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的各层叠型光电二极管的势阱分布中，改变层叠光电二极管的势阱的深度，光量小时和光量大时的信号电荷的读出方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图，针对本发明的实施方式所涉及的背面照射型的CMOS传感器的结构以及动作方法进行说明。在以下的说明中，对相同的部分添加相同的符号以及处理名，最初进行详细说明，省略重复的相同部分的说明。另外，在图中的说明中由简称表示。
＜第1实施方式＞
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的CMOS传感器的一个例子的概略结构图，是表示像素部的结构的一个例子的剖面图。在图中，将CMOS传感器在基板支承材料1上使布线层向下粘贴，由CMOS传感器的晶片的背面通过CMP(Chemical MechanicalPolishing)或蚀刻进行薄膜化处理，从而形成5～10μm左右的厚度的传感器层2。在传感器层2上形成有滤色镜层3。
在p型杂质区域的Pwell层4中，配置有由n型杂质区域的光电二极管5’、5”(在以下的图中，简称为PD)形成的像素部。光电二极管构成为在厚度方向的中游区域，设置与光电二极管相反导电类型(p型)的杂质区域16，形成使光电二极管在上下方向分离的多个区域(以下，称为层叠型光电二极管)。
层叠型光电二极管在图1中，记载为布线侧的层叠型光电二极管5’和入射光侧的层叠型光电二极管5”。在以下的图中简写为PD1、PD2。PD2的入射光侧的层叠型光电二极管5”(PD2)的上部被与层叠型光电二极管相反导电类型的杂质区域6(以下，称为表面屏蔽层)屏蔽。该表面屏蔽层6构成为保持为零电位，抑制由于硅界面的影响而造成暗信号劣化。层叠型光电二极管5’、5”由Pwell层4将元件分离。Pwell层4将与保持为零电位的表面屏蔽层连结的元件进行分离。另外，为了强化元件分离，也可以在Pwell层4内不同地形成元件分离区域。
在图1的层叠型光电二极管5’(PD1)的下部(布线侧)的表面上，介由门绝缘膜7存在MOS晶体管门(以下，称为存储门8)，与存储门8相邻存在转移门9，与转移门9相邻设置有浮动结10。在浮动结10(Floating junction)中进行信号电荷量的检测，介由输出电路(未图示)、介由垂直信号线(未图示)、水平信号线(未图示)向外部输出。在存储门8或转移门9上，介由绝缘膜7’形成布线层11，作为门的驱动、信号线、电源线来使用。这是传感器层2的结构。
在图1的层叠型光电二极管5”(PD2)的上部(入射光侧)的表面屏蔽层6上形成滤色镜层3。滤色镜层3由与各像素对应形成的滤色镜12、透明层13、微型透镜14构成。入射光15介由微型透镜14向光电二极管5’、5”聚光。
图2(a)表示图1的A-A’剖面中的层叠型光电二极管5’、5”的结构，图2(b)、(c)表示沿着该A-A’剖面的势阱的分布。图2(b)、图2(c)分别表示对存储门(在以下的图中，简称为ST)8施加负电压时和施加正电压时的势阱。图中还一起示出存储门的电位。设表面屏蔽层6的电位为零，由横向的虚线表示零电位等级。
在图1中，用于在上下方向将层叠型光电二极管5’、5”分离的杂质区域16在以下的说明中被称为屏障区域16。作为屏障区域16的杂质浓度，设为某一浓度，并且该浓度兼具用于使存储在层叠型光电二极管5’、5”中的信号电荷电性分离的足够浓的浓度、和在存储门的电压变化中消除该屏障部分的电位屏障程度的淡的浓度。在图1中，示出为杂质区域16在横向连续而形成，也可以是在每个像素独立的结构。
图2(a)表示图1的A-A’剖面中的层叠型光电二极管5’、5”的结构，图2(b)、(c)表示沿着该结构的势阱的分布。图2(b)、图2(c)分别示出对存储门8施加负电压时和施加正电压时的势阱，图中，表现为ST负电压、ST正电压。设图中Pwell以及表面屏蔽层6的电位为零，由横向走行的虚线表示零电位等级。
如图2(b)所示的那样，如果使存储门8为足够的负电压(例如，-1～-2V)，则硅界面的电位成为零。即使使负电压的绝对值大于零，由于由周边部的元件分离的Pwell区域(与表面屏蔽层连结并保持为零电位)向界面注入空穴，因此光电二极管5的布线侧的表面(在图2(a)中，左侧的表面)的硅界面的电位也保持为零。将该状态称为表面钉扎。如果成为该状态，则不会受到硅界面的影响，层叠型光电二极管5’的暗信号被抑制。另一方面，层叠型光电二极管5”的入射光侧的表面(在图2(a)中，右侧的表面)部分与保持为零电位的表面屏蔽层6接触。作为在该状态下的层叠型光电二极管5’、5”与屏障区域16中的势阱的分布，成为图2(b)那样，成为通过屏障区域16的势垒将层叠型光电二极管5’、5”的势阱分离的状态。
如图1所示的那样，屏障区域16与被保持为零电位的元件分离的Pwell层连结，但如果深度方向的厚度薄，则杂质浓度变淡，因此如果连结从上下的层叠型光电二极管5’、5”向屏障区域延伸的耗尽层，则屏障区域16的电位从零开始上浮，成为图2(b)那样。将该状态称为穿通状态。这样，屏障区域16的电位由位于其两侧的层叠型光电二极管5’、5”的电位分布来决定。在图2(b)中，存储门8成为负电压(在图中，表现为ST负电压)。
层叠型光电二极管5”的入射光侧的表面(在图2(a)中，右侧的表面)部分与保持为零电位的表面屏蔽层6接触。另一方面，如果使存储门8为正电压(在图中，表现为ST正电压)，则层叠型光电二极管5’的势阱变深。随之，屏障区域16的势垒如图2(c)所示的那样大幅度地变小，可以不妨碍电荷在上下方向的光电二极管间转移。
如图2(c)所示的那样，如果使存储门8为正电压(例如，在微像素1.1um传感器中，为2.8～3.6V)，则层叠型光电二极管5’的布线侧的表面(图2(a)左侧的表面)的电位变深。光电二极管5”的入射光侧的表面(图2(a)右侧的表面)部分与保持为零电位的表面屏蔽层6接触，因此，即使存储门8的正电压变大，受到表面屏蔽层6的零电位的影响，变化也小。这样，光电二极管5的势阱由施加给存储门的电压(0～3.6V)决定，但势阱的分布可以通过增减对存储门施加的电压(0～3.6V)和保持为零电位的表面屏蔽的电位来控制饱和信号量。存储门在正电压状态下受到硅界面的影响，光电二极管5中的暗信号(暗电流)增大，但由于是想要使饱和信号量增大的明亮的摄影场景，因此不会影响画质。在明亮的摄影场景中，光散射噪声占主要。这样，在本发明的结构中，可以不降低S/N而增加存储电荷量。
图3(a)、(b)是说明电荷在层叠型光电二极管5’、5”间怎样转移的图。
图3(a)是如图2(b)所示的那样，在对转移门9施加了负电压或零电压的状态下，对存储门8施加负电压(在图中，表现为ST负电压/(TG OFF))，在层叠型光电二极管5’(图中的PD1)中没有存储信号电荷，在另一层叠型光电二极管5”(图中的PD2)中存储有信号电荷的状态。由水位来描绘，通过影线表示存储在层叠型光电二极管5’的势阱中的信号电荷的量。在以下的附图中，采用相同的表现。
图3(b)是表示层叠型光电二极管5”(图中的PD2)的信号电荷向另一层叠型光电二极管5’(图中的PD1)转移的样子的图。在对转移门9施加了负电压或零电压的状态下，对存储门8施加正电压(在图中，表现为ST正电压/(TG OFF))，使层叠型光电二极管5’(图中的PD1)的势阱变深。此时，通过使屏障区域16的势垒如图2(c)所示的那样，成为不会妨碍电荷的转移的那样的状态，从而存储在层叠型光电二极管5”中的信号电荷介由作为屏障的屏障区域16，向层叠型光电二极管5’转移。
图4(a)表示作为本发明的第1实施方式中的图1的B-B’剖面中的层叠型光电二极管5’、5”、转移门9与浮动结10的结构，图4(b)、(c)表示沿着B-B’剖面的势阱的分布。图4(b)是对存储门8施加负电压，对转移门9施加负电压或零电压时(在图中，表现为TG OFF/(ST负电压))的势阱分布，图4(c)是在将存储门8保持为负电压的状态下，对转移门9施加正电压时(在图中，表现为TG ON/(ST负电压))的势阱分布。图中，还一起显示浮动结的电位。
如图5(a)所示，在对存储门8施加负电压，对转移门9施加负电压或零电压的情况下(图中，表现为TG OFF/(ST负电压))，光电转换产生的信号电荷存储在存储门8下的层叠型光电二极管5’、5”中。
接着，如图5(b)所示的那样，如果在将存储门8保持为负电压的状态下，对转移门9施加正电压，加深转移门9下的势阱(在图中，表现为TG ON/(ST负电压))，则存储在存储门8下的层叠型光电二极管5’、5”中的信号电荷中，层叠型光电二极管5’的信号电荷向转移门9下转移，流入浮动结10。另一方面，层叠型光电二极管5”的信号电荷通过屏障区域16的势垒保持为原有的状态。
图6(a)～(d)是说明电荷在层叠型光电二极管5’、5”间怎样转移的图。与图5(a)相同，图6(a)表示在对存储门8施加负电压，对转移门9施加负电压或零电压的情况下(图中，表现为ST负电压/TG OFF)，光电转换产生的信号电荷分别存储在存储门8下的层叠型光电二极管5’、5”中的状态。
图6(b)表示如图5(b)所示的那样，通过打开转移门9，从而存储在层叠型光电二极管5’(图中的PD1)中的信号电荷流入浮动结10，在层叠型光电二极管5’中变得不存在电荷，之后，关闭转移门9(图中，表现为ST负电压/TG)的状态。层叠型光电二极管5”的信号电荷通过屏障区域16的势垒保持为原来的状态。
如图3(b)所示的那样，在对转移门施加了负电压或零电压的状态下，对存储门8施加正电压，将存储在层叠型光电二极管5”中的信号电荷介由作为屏障的屏障区域16，向层叠型光电二极管5’转移。图6(c)表示之后使存储门8返回到负电压(在图中，表现为ST正电压负电压/TG OFF)的状态。
图6(d)表示如图5(b)所示的那样，在将存储门8保持为负电压的状态下，对转移门9施加正电压，加深势阱，使存储在存储门8下的层叠型光电二极管5’(图中PD1)中的信号电荷向浮动结10传递，之后关闭转移门9(图中，表现为ST负电压/TG)之后的状态。这样，可以独立地读出存储在层叠型光电二极管5’、5”中的信号电荷。
在所述的图5(b)、图6(b)的说明中，说明为当读出来自层叠型光电二极管5’的信号电荷时，在对存储门8施加了负电压的状态下，对转移门9施加正电压，使信号电荷向浮动结10转移。也可以在该转移时不需要对存储门8施加负电压，在层叠型光电二极管5’、5”间施加不会发生电子转移的程度的正电压，与转移门的电压变化同步，使存储门8的电压进行变化。
＜第2实施方式＞
图7(a)、(b)是表示用于使用图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的CMOS传感器的层叠型光电二极管结构，实现作为第2实施方式的全局快门功能的驱动定时的图。图7(a)、(b)分别表示图入射光侧的光电二极管5”(PD2)以及存储门侧的光电二极管5’(PD1)的信号电荷量的时间变化。
图7(a)表示入射光侧的光电二极管5”(PD2)中的信号电荷量的时间变化。通过入射光进行光电转换并存储的信号电荷量伴随着时间的经过而增加。接着，在光电转换期间完成后，如图3(b)所示的那样对存储门施加正电压，通过入射光侧的光电二极管5”(PD2)，向存储门侧的光电二极管5’(PD1)进行信号电荷的转移。该信号电荷的转移在入射光侧的光电二极管5”(PD2)的所有的像素中同时进行，在图中，导致Global Shutter，表现为整体性转移(Global Shift)。
图7(b)表示存储门侧的光电二极管5’(PD1)中的信号电荷量的时间变化。在Global Shift中由PD2转移出的信号电荷被暂时存储(图中，记载为Storage)，通过打开转移门，从而如图5(b)那样被浮动结读出(图中，记载为Read Out)。该读出的定时与通常的CMOS传感器的读出相同，从像素的每条水平扫描线由端部进行行，根据距离像素的水平扫描线的端部的位置而不同。
在图7(b)中，除了PD1中的存储电荷量(在Global Shift中转移来的PD2的信号电荷量)以外，还示出在PD1中产生的入射光的红外光分量的光电转换部分。其时间变化在图中由一点锁线表示，其光电转换期间是从Read Out到下一次Read Out的期间，与PD2的光电转换期间相等。
来自PD1的读出电荷量是PD1中的存储电荷量(在Global Shift中转移来的PD2的信号电荷量)与在PD1中光电转换出的电荷量的合计。二者的光电转换期间相同，但光电转换的定时根据像素的水平扫描线位置而偏移。这样，输出图像是由可见光分量在PD2中进行光电转换的部分为Global Shutter图像、与在PD1中由红外光分量进行光电转换的部分为Rolling Shutter图像的合成图像。
一般地，为了在彩色照相机中与人的视觉敏感度相匹配，普遍安装红外截止滤光片。当是截止一般的60nm以上的光的滤光片时，当屏障区域的深度为5um左右时，在光电二极管5’(PD1)中产生的电荷量在650nm中也为两成左右。期间的内容由专利文献3的图3来推定。
如以上说明的那样，通过该入射光的红外光分量进行光电转换得到的PD1中的电荷量成为Rolling Shutter图像。为了减少该分量，通过在即将执行Global Shift之前打开转移门，从而可以将存储在PD1中的电荷遗弃到浮动结。其中，此时，在从Global Shift到Read Out的Storage期间中残留由PD1进行光电转换而产生的电荷。
图8(a)、(b)表示在图7(a)、(b)所示的、用于实现全局快门功能的驱动定时中，入射光侧的光电二极管5”(PD2)、以及存储门侧的光电二极管5’(PD1)的信号电荷量的变化。在即将进行Global Shift之前打开转移门，如图5(b)所示的那样，放弃在PD1中光电转换并存储的电荷(图中，表现为Reset)。之后，图8(a)表示关闭了转移门的状态的电荷分布。在该状态下，在PD2中光电转换得到的信号电荷按照原样存储。
接着，如图8(b)所示，表示对存储门施加正电压，进行Global Shift，信号电荷从PD2向PD1转移的状态。在此，转移门预先保持关闭的(TG OFF)的状态。
接着，如图8(c)所示，使存储门返回到负电压，进行PD2中的入射光的光电转换和PD1中的信号电荷的存储(图中，记载为Integration)。转移门被关闭(TG OFF)。
接着，按照Read Out的定时，如图5(b)所示的那样打开转移门，将在PD1中存储的电荷向浮动结转移。其中，此时，在从Global Shift到Read Out的Storage期间将在PD1中由光电转换产生的电荷相加。另一方面，在PD2中，从Global Shift结束形成屏障的定时开始，继续进行光电转换。
＜第3实施方式＞
图9是表示本发明的第3实施方式所涉及的CMOS传感器的一个例子的概略结构图，是表示像素部的结构的一个例子的剖面图。与图1的不同点在于使将光电二极管5’、5”分离的屏障区域16的厚度方向的位置发生变化的结构。与图1相同，层叠型光电二极管称为存储门侧的光电二极管5’和入射光侧的光电二极管5”，在图中，相同地标记为PD1、PD2。
在图9中，用于在上下方向将层叠型光电二极管5’、5”分离的屏障区域16的厚度方向的位置发生变化，从而可以改变入射光侧的层叠型光电二极管5”(PD2)中的光谱灵敏度特性。相对于从入射光侧的层叠型光电二极管5”上的表面屏蔽层6的界面(硅的顶部)到屏障区域16的电位变为最浅的位置(图6的中央的图中(B)所示的纵虚线位置)的距离，在层叠型光电二极管5’中进行光电转换并存储的电荷量根据入射光的波长而变化，由于距离增加而长波长侧的灵敏度提高。专利文献3的图4示出改变距离该硅表面的深度的光谱灵敏度特性的定量的模拟。
在图9中，通过用于在上下方向将层叠型光电二极管5’、5”分离的屏障区域16的厚度方向的位置发生变化，从而存储门侧的层叠型光电二极管5’(PD1)中的光谱灵敏度特性也可以相同地变化。相对于从屏障区域16的电位变为最浅的位置(图6)的中央的图中(B)所示的位置，到存储门侧的层叠型光电二极管5’的硅界面的距离，在层叠型光电二极管5’中进行光电转换并存储的电荷量根据入射光的波长而变化，由于距离增加而短波长侧的灵敏度提高。专利文献3的图5、6中示出光电二极管的光谱灵敏度特性的定量的模拟的例子，且该模拟改变从该硅表面进行光电转换并存储的区域的深度。
在图9中，通过用于在上下方向将层叠型光电二极管5’、5”分离的屏障区域16的厚度方向的位置在各像素中发生变化，从而可以使各像素的存储门侧的层叠型光电二极管5’(PD1)与入射光侧的层叠型光电二极管5”(PD2)的光谱灵敏度特性根据每个像素而发生变化。在图9中，在各像素上形成了各颜色的滤色镜12，根据各像素的滤色镜12的光谱，改变用于将层叠型光电二极管5’、5”分离的屏障区域16的厚度方向的位置。由此，在滤色镜的光谱特性与各像素的层叠型光电二极管5’、5”的光谱特性的组合中，可以增加从各颜色的层叠型光电二极管5’、5”取出的光谱特性向规定的光谱特性的校准自由度。
在图9中，在层叠型光电二极管5’、5”的上部，形成了各颜色的滤色镜12，如图10所示的那样，通过省略滤色镜，使所分离的屏障区域16的厚度方向的位置根据每个像素而变化，从而改变各像素的层叠型光电二极管5’、5”的光谱特性，即使不存在滤色镜也可以得到可见区域中的颜色信息、以及红外区域中的光学信息。
＜第4实施方式＞
图11是表示本发明的第4实施方式所涉及的CMOS传感器的一个例子的概略结构图，是表示像素部的结构的一个例子的剖面图。与图1的不同点在于，增加了一个屏障区域16，屏障区域16’和16”变为两个，随之层叠型光电二极管也变为3层，层叠型光电二极管5’、5”、5”’存在于厚度方向。该结构与专利文献3的图1、2类似。基于图11所示的层叠型光电二极管5’、5”、5”’的像素的结构与从深度方向的位置不同的三个光电二极管取得颜色信号的方式的专利文献3的图1所示的固体摄像装置类似。
图11所示的三层的层叠型光电二极管5’、5”、5”’与专利文献3的图1所示的三层的光电二极管的大的差异在于，由各光电二极管进行光电转换产生并存储的信号电荷的读出方法。即，在专利文献3的固体摄像装置中，从光电二极管读出信号电荷的路径如专利文献3的图1、图8所示的那样分别独立，在图11所示的本发明中，不具有用于读出的独立的路径。接着，针对图11所示的本发明的信号电荷的读出方法进行说明。
图12(a)表示图11的A-A’剖面中的屏障区域16’、16”、以及层叠型光电二极管5’、5”、5”’的结构，图12(b)、(c)表示与各个区域对应的势阱的分布。分别示出在对存储门8施加负电压时的状态下，与光电转换前后对应，在层叠型光电二极管5’(PD1)、5”(PD2)、5”’(PD3)中存储信号电荷之前(图12(b))、进行光电转换并存储信号电荷之后(图12(c))的势阱、以及信号电荷的存储状况。
如图12(b)所示的那样，如果使存储门为足够的负电压，则成为表面钉扎(Pinning)状态，层叠型光电二极管5’的硅界面的电位成为零(该状况与图2(b)相同)。另一方面，层叠型光电二极管5”的入射光侧的表面(在图12(a)中，右侧的表面)部分与保持为零电位的表面屏蔽层6接触。作为该状态下的层叠型光电二极管5’、5”、5”’和屏障区域16’、16”中的势阱的分布，成为图12(b)所示的那样，由于屏障区域16’、16”的势垒，层叠型光电二极管5’、5”、5”’的势阱成为被分离的状态。在图12(a)中，以表面屏蔽层6侧的硅界面为基准，将到存储门侧的硅界面的距离表现为X1，将到屏障区域16’、16”中的势阱最浅的位置的距离分别表现为X2、X3。
在图12(b)所示的势阱的分布中，由从表面层侧侵入的入射光进行光电转换而产生的信号电荷在层叠型光电二极管5’、5”、5”’的势阱中如图12(c)那样存储。根据距离表面屏蔽层表面的深度，在各层叠型光电二极管5’、5”、5”’中产生并存储的信号电荷量根据入射光的光谱而不同。即，在入射光中如果短波长分量(蓝色)多，则存储在表面屏蔽侧的层叠型光电二极管5”’(PD3)中的信号电荷量增加，如果在入射光中长波长分量(红色)多，则存储在存储门侧的层叠型光电二极管5’(PD1)中的信号电荷量增加。在入射光中如果中波长分量(绿色)多，则存储在存储门侧的层叠型光电二极管5”(PD2)中的信号电荷量增加。
图13(a)～(e)是说明电荷在层叠型光电二极管5’，5”、5”’间如何转移的图。将图12(c)的状态，即，当对存储门8施加负电压，对转移门9施加负电压或零电压时，光电转换产生的信号电荷分别存储在存储门8下的层叠型光电二极管5’、5”、5”’中的状态作为初始状态。
从图12(c)的初期状态，通过打开转移门(未图示)，从而存储在层叠型光电二极管5’(图中的PD1)中的信号电荷流入浮动结10(未图示)，在层叠型光电二极管5’中变得无电荷。这与图5(a)、(b)所示的序列相同。之后，图13(a)表示关闭转移门(在图中，表现为ST负电压/TG)的状态。层叠型光电二极管5”、5”’的信号电荷通过屏障区域16’、16”的势垒而保持原来的状态。这与图6(b)所示的序列类似。
与图3(b)所示的相同，在对转移门9施加了负电压或零电压的状态下，对存储门8施加正电压，将存储在层叠型光电二极管5”中的信号电荷介由作为屏障的屏障区域16’，向层叠型光电二极管5’转移。图13(b)表示该状态。在此，重要的是存储门8保持正电压值，虽然不存在屏障区域16’的势垒，但保存屏障区域16”的势垒，存储在层叠型光电二极管5”’中的信号电荷按照原样保存。在图13(b)中，示出为ST负电压Low正电压/TG OFF。
接着，图13(c)表示使存储门8返回负电压，对转移门9(未图示)施加正电压加深势阱，使向存储门8下的层叠型光电二极管5’(图中PD1)转移并存储的、在PD2中产生的信号电荷向浮动结10流动，之后关闭转移门9(在图中，表现为ST负电压/TG)之后的状态。
与图3(b)所示的相同，在对转移门9施加了负电压或零电压的状态下，对存储门8施加正电压，将层叠型光电二极管5”’所存储的信号电荷介由作为屏障的屏障区域16’、屏障区域16”，向层叠型光电二极管5’转移。图13(d)表示该状态。在此，重要的是存储门8保持正电压值，即，保持不会同时消除屏障区域16’与屏障区域16”的势垒的那样的高电压。在图13(d)中，与图13(b)相区别，示出为ST负电压High正电压/TG OFF。
最后，图13(e)表示使存储门8返回为负电压，对转移门9(未图示)施加正电压加深势阱，使向存储门8下的层叠型光电二极管5’(图中PD1)转移并存储的在PD3中产生的信号电荷向浮动结10转移，之后关闭转移门9(在图中，表现为ST负电压/TG)之后的状态。这是图12(b)的光电转换前的状态，在图中标记为Initial状态。这样，可以独立地读出存储在层叠型光电二极管5’、5”、5”’中的信号电荷。
在所述的图13(c)、图13(e)的说明中，说明为当读出来自层叠型光电二极管5’的信号电荷时，在向存储门8施加负电压的状态下，向转移门9施加正电压，将信号电荷向浮动结10转移。在该转移时，存储门8在返回到负电压之后不需要打开转移门，最初保持将转移门打开的状态，在使存储门的电压向负电压返回的过程中，也可以进行电荷从层叠型光电二极管5’向浮动结10的转移。另外，也可以通过使向存储门8和转移门9施加的脉冲电压同步地变化，从而进行信号电荷向浮动结10的转移。
作为图12(a)所示的、以表面屏蔽层6侧的硅界面为基准的具体的尺寸成像，如专利文献3的图6所示的那样，设X1＝8um、X2＝4um、X3＝1um时、层叠型光电二极管5’(PD1)、5”(PD2)、5”’(PD3)中的光谱灵敏度特性成为图14那样。在该计算中使用的公式是专利文献3的(公式3)。
图15表示通过对图14所示的、层叠型光电二极管5’(PD1)、5”(PD2)、5”’(PD3)中的光谱灵敏度特性进行信号处理而得到的彩色信号的光谱特性。其与专利文献3的图7所示的光谱波形相同。
在以上的说明中，关于存储门8的材质并没有特别地说明，除了通常作为门材料而使用的多结晶硅以外，可以是金属硅化物，也可以是金属材料。金属材料一般相对于入射光的反射率高，在本发明的结构中，侵入到存储门的入射光被存储门的金属膜反射，再次入射至光电二极管，可以谋求红外光的灵敏度的提高。
如在以上的说明中叙述的那样，在本发明的结构中，通过向存储门8施加的电压，控制配置在入射光的侵入方向的、层叠型光电二极管间的信号电荷的转移，介由相同的读出用的转移门，可以在浮动结读出，因此不需要如专利文献2以及3所示的以往的例子那样设置独立的读出路径，对像素单元的集成化带来大的优点。
通过根据屏障区域的位置，可以控制层叠型光电二极管的光谱灵敏度特性，从而本发明带来新的附加价值。即，通过如图1或图9所示的那样与滤色镜组合，从而成为滤色镜的光谱特性与层叠型光电二极管的光谱特性的组合，可以提供拆除了红外截止滤光片的彩色传感器。
另外，如图10或图11所示的那样，即使除去滤色镜，层叠型光电二极管的光谱灵敏度特性也不同，可以得到彩色的摄像图像。即，通过1个像素单元可以得到3原色的信息，另外，不需要重新在横向设置读出路径，因此，易于缩小单元尺寸，大大地有利于缩小元件的芯片尺寸。
在图11所示的第4实施方式中，屏障区域以两个进行了说明，还可以由3个以上的屏障区域来分离光电二极管，形成4个以上的层叠型光电二极管。
＜第5实施方式＞
图16是本发明的第5实施方式所涉及的CMOS传感器的势阱的分布。图4(b)、(c)示出了作为本发明的第1实施方式的沿着图1的B-B’剖面的势阱的分布，但在此，层叠型光电二极管5’、5’的势阱大致相同。作为本发明的第5实施方式，图16(a)～(c)表示将存储门侧的光电二极管5’(PD1)的势阱加深，使入射光侧的光电二极管5”(PD2)的势阱变浅的势阱的分布。在此，屏障区域16的势垒比零电位深。
图16(a)表示入射光量小的情况，在层叠型光电二极管5’、5”的双方中存储信号电荷，存储门侧的光电二极管5’(PD1)主要是与红外光对应的电荷，在设置有红外截止滤光片的通常的摄像系统中，产生电荷量比光电二极管5”(PD2)少。
当入射光量小时，可见光区域的光电转换电荷量主要存储在光电二极管5”(PD2)中。此时的读出如图16(b)所示的那样，通过打开转移门TG，由浮动结将存储在存储门侧的光电二极管5’(PD1)中的电荷向外部舍弃。具体而言，从与浮动结相邻的复位门(未图示)向复位漏极(未图示)遗弃。接着，如图3(b)所示的那样，对存储门施加正电压，通过光电二极管5”(PD2)向光电二极管5’(PD1)转移电荷，通过转移门向浮动结转移，进行电荷的读出。
图16(c)表示入射光量大的情况。在入射光侧的光电二极管5”(PD2)中产生并不能层叠的电荷跨越屏障区域的势垒，向存储门侧的光电二极管5’(PD1)溢出并存储。光电转换后，对存储门施加正电压，通过光电二极管5”(PD2)向光电二极管5’(PD1)转移电荷，与存储在光电二极管5’(PD1)中的电荷合流，打开转移门，从而向浮动结转移，进行聚集后的电荷的读出。
该电荷的聚集在存储门侧的光电二极管5’(PD1)中也可以如所述的那样进行，也可以通过打开转移门，使光电二极管5’(PD1)的电荷向浮动结转移之后，对存储门施加正电压，通过光电二极管5”(PD2)向光电二极管5’(PD1)转移电荷，再次打开转移门，在浮动结进行电荷的聚集。
当所述入射光量小时，可见光区域的光电转换和电荷存储只在光电二极管5”(PD2)中进行。因此，只有光电二极管5”(PD2)中的泄漏电流重叠，光电二极管5’(PD1)的泄漏电流不重叠，可以抑制S/N劣化。另一方面，当入射光量大时，电荷存储被存储在光电二极管5”(PD2)、5’(PD1)的双方中，双方的泄漏电流也重叠，但由于信号电荷量大，因此成为本来的S/N。
在以上的说明中，来自存储门侧的层叠型光电二极管的信号电荷的读出介由相同的转移门由浮动结读出，也可以对存储门侧的层叠型光电二极管设置多个转移门，根据层叠型光电二极管的层顺序，改变转移方向，也可以使来自相邻的像素的信号电荷在浮动结处合流。
在以上的说明中，入射光侧的层叠型光电二极管表面被保持为零电位的表面屏蔽层覆盖，但也可以代替该表面屏蔽层，而是门结构。作为此时的门材料，希望使用抑制入射光的吸收的透明电极材料。在该透明电极结构中，由于保持为表面钉扎状态，因此在信号电荷的存储状态下希望施加负电压，但在转移状态中，也可以施加脉冲，辅助层叠光电二极管间的转移。
在以上的说明中，以CMOS传感器进行了说明，但本发明在CCD传感器中也可以采用同样的光电二极管结构。
符号说明
1 基板支承材料
2 传感器层
3 滤色镜层
4 Pwell层
5 光电二极管(PD)
5’、5”、5”’ 层叠型光电二极管(PD1、PD2、PD3)
6 表面屏蔽层
7、7’ 门绝缘膜
8 存储门(ST)
9 转移门(TG)
10 浮动结
11 布线层
12 滤色镜
13 透明层
14 微型透镜
15 入射光
16、16’、16” 屏障(barrier)区域

Claims (3)

1.一种背面照射型固体摄像装置，矩阵状地配置着存储有被光电转换出的信号电荷的层叠型光电二极管，包括：
MOS型的存储门，背面照射型固体摄像装置中，在入射光的相反侧露出的光电二极管上部通过绝缘膜而被形成；
层叠型光电二极管，在入射光正交的面方向进行延伸，并且通过与所述光电二极管的相反导电类型的杂质区域而分离，成为存储门侧的第1光电二极管和入射光面侧的第2光电二极管的双层结构；
与所述存储门相邻而形成的转移门；
所述层叠型光电二极管通过对所述存储门施加脉冲电压，从而在所述层叠型光电二极管间转移信号电荷；
其中，所述第1光电二极管被配置为从所述第2光电二极管独立地存储信号电荷。
2.一种背面照射型固体摄像装置，矩阵状地配置着存储有被光电转换出的信号电荷的层叠型光电二极管，包括：
MOS型的存储门，背面照射型固体摄像装置中，在入射光的相反侧露出的光电二极管上部通过绝缘膜而被形成；
层叠型光电二极管，在入射光正交的面方向进行延伸，并且通过与所述光电二极管的相反导电类型的且与来自入射光侧的表面的位置所不同的杂质区域，而分离为3层以上的光电二极管；
与所述存储门相邻而形成的转移门；
所述层叠型光电二极管通过对所述存储门施加脉冲电压，从而在所述层叠型光电二极管间转移信号电荷；
其中，所述层叠型光电二极管中各所述光电二极管被配置为从彼此相互独立地存储信号电荷。
3.一种背面照射型固体摄像装置，矩阵状地配置着存储有被光电转换出的信号电荷的层叠型光电二极管，包括：
MOS型的存储门，背面照射型固体摄像装置中，在入射光的相反侧露出的所述光电二极管上部通过绝缘膜而被形成；
层叠型光电二极管，在入射光正交的面方向进行延伸，并且通过与所述光电二极管的相反导电类型的杂质区域而分离，而成为存储门侧的第1光电二极管和入射光面侧的第2光电二极管的双层结构；
与所述存储门相邻而形成的转移门；
对与配置在所述矩阵上的多个层叠型光电二极管所对应的多个存储门同时一起施加脉冲电压，在所述多个光电二极管中同时进行信号电荷从入射光侧的第2光电二极管向存储门侧的第1光电二极管的转移，从第1光电二极管对每一行使各转移门进行动作，依次进行信号电荷的读出；
其中，所述第1光电二极管被配置为从所述第2光电二极管独立地存储信号电荷。
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