CN109997229A - 固态成像元件及其制造方法以及成像设备 - Google Patents

固态成像元件及其制造方法以及成像设备 Download PDF

Info

Publication number
CN109997229A
CN109997229A CN201780072855.7A CN201780072855A CN109997229A CN 109997229 A CN109997229 A CN 109997229A CN 201780072855 A CN201780072855 A CN 201780072855A CN 109997229 A CN109997229 A CN 109997229A
Authority
CN
China
Prior art keywords
holding unit
charge holding
photomask
photoelectric conversion
perforation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780072855.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109997229B (zh
Inventor
荒川伸一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Semiconductor Solutions Corp
Original Assignee
Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Semiconductor Solutions Corp filed Critical Sony Semiconductor Solutions Corp
Publication of CN109997229A publication Critical patent/CN109997229A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109997229B publication Critical patent/CN109997229B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14638—Structures specially adapted for transferring the charges across the imager perpendicular to the imaging plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures

Abstract

本发明的目的是在具有全局快门功能的背照式CMOS图像传感器中降低光学噪声并提高图像质量。根据本发明的固态成像元件包括半导体基板；光电转换单元，光电转换来自半导体基板背面的入射光；电荷保持单元，临时保持光电转换单元产生的电荷；第一贯通遮光膜，贯穿半导体基板的正面和背面以将光电转换单元和电荷保持单元相互分隔；第一旁路部，在半导体基板的正面外侧由半导体材料形成，跨过第一贯通遮光膜将光电转换单元和电荷保持单元相互连接；和控制单元，控制从光电转换单元经由第一旁路部到电荷保持单元的电荷传输。在半导体基板的厚度方向上，第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在前侧方向上与电荷保持单元的前端部大致相等或者更长。

Description

固态成像元件及其制造方法以及成像设备
技术领域
本发明涉及固态成像元件、固态成像元件的制造方法和成像设备。
背景技术
固态成像设备大致分为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。
CMOS图像传感器的快门系统分为两种系统，即机械快门系统和电子快门系统。诸如带有相机的移动电话等安装在移动设备上的CMOS图像传感器近年来已非常普及，为了缩小设备的尺寸，这样的CMOS图像传感器主要采用电子快门系统。
电子快门系统根据曝光系统可分为卷帘快门系统和全局快门系统。卷帘快门系统依次逐行读出信号。这种按顺序逐行读出信号的系统由于在一帧内的行之间出现的读取时间差而出现“konnyaku phenomenon(日语，意思是卷帘快门失真现象)”。相反，全局快门系统在读取中对整个帧执行同时曝光，因此即使在拍摄快速移动的对象时也不会导致图像失真。
为了实现各个像素中的存储的同时性，全局快门系统的CMOS图像传感器包括用于每个像素的电荷保持元件(电容器)，同时将在光电转换元件中产生的电荷传输到该电荷保持元件以保持在该元件中，从而实现全局快门拍摄。然而，在电荷保持期间发生光泄漏到电荷保持元件中可能引起光学噪声，这可能导致图像质量的劣化。
专利文献1和2中公开了在背照射型CMOS图像传感器中实现全局快门系统并抑制上述光学噪声的技术。在这些文献中的每一个中公开的固态成像元件包括遮光金属，其从光入射侧覆盖电荷保持元件，从而提供了如下结构：在该结构中，遮光金属沿着电荷保持元件和光电转换单元之间的区域延伸。
引用列表
专利文献
专利文献1：
日本专利申请特开第2013-65688号
专利文献2：
日本专利申请特开第2014-96390号
发明内容
技术问题
在上述专利文献1的固态成像元件中，在电荷保持单元和光电转换单元之间延伸的遮光膜没有贯穿硅基板。因此，倾斜入射光的一部分在靠近硅基板的背面的位置可能入射到电荷保持单元上，这可能致使光电转换产生的电荷在电荷保持单元中转变成光学噪声。
在上述专利文献2中的固态成像元件能够使延伸为用于在电荷保持元件和光电转换单元之间传输电荷的触点(contact)的遮光膜具有贯通型金属遮光膜结构，以防止光泄漏到电荷保持区域并抑制虚像的产生。然而，遗憾的是，专利文献2中公开的技术在硅外部设置有金属配线以连接光电转换单元和电荷保持单元，这种配置容易将噪声传递至金属配线上，这有可能导致图像质量特征劣化
本发明是鉴于上述问题而做出的，旨在降低光学噪声并改善全局快门背面照射型CMOS图像传感器中的图像质量。
技术问题的解决方案
本发明的一个方面提供一种固态成像元件，包括：半导体基板；光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
本发明的另一方面提供一种固态成像元件的制造方法，包括：在半导体基板上形成光电转换单元的步骤，所述光电转换单元光对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；形成临时保持由所述光电转换单元产生的电荷的电荷保持单元的步骤；形成第一贯通遮光膜的步骤，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元彼此分隔；形成第一旁路部的步骤，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；和形成控制电极的步骤，所述控制电极控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
本发明的另一方面提供一种成像设备，包括固态成像元件和处理来自所述固态成像元件的信号的信号处理电路，其中所述固态成像元件包括：半导体基板；光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
需要注意的是，上述固态成像元件可以在与另一个设备组合的状态下由多种方式实现，可以与其他方法一起实现等。此外，本发明还可以实现为包括固态成像元件的成像设备，上述固态成像元件的方法。
本发明的有益效果
本发明能够降低光学噪声并改善全局快门系统背面照射型CMOS图像传感器中的图像质量。需要注意的是，本说明书中所描述的效果是为了提供示例性说明而不是限制性的。还可以考虑其他附加效果。
附图说明
图1为示出了第一实施例的固态成像元件的配置原理的图。
图2为示出了像素的配置示例的电路图。
图3为示出了像素的平面配置示例的图。
图4是图示了图3的像素配置示例中A-A截面的截面图。
图5为示出了沿图3中的A-A线截取的旁路部的形状的具体示例的图。
图6为示出了固态成像元件的制造方法示例的流程图。
图7为示出了固态成像元件的制造方法示例的流程图。
图8为示出了固态成像元件的制造方法示例的流程图。
图9为示出了固态成像元件的制造方法示例的流程图。
图10为示出了固态成像元件的制造方法示例的流程图。
图11为示出了第二实施例的像素的平面配置示例的图。
图12为图11的像素配置示例中A-A截面的截面图。
图13为示出了第三实施例的像素的平面配置示例的图。
图14为图13的像素配置示例中A-A截面的截面图。
图15为示出了第四实施例的像素的平面配置示例的图。
图16为图15的像素配置示例中A-A截面的截面图。
图17为示出了第五实施例的像素的平面配置示例的图。
图18为图17的像素配置示例中A-A截面的截面图。
图19为示出了第六实施例的像素的与图3中的A-A截面对应的配置示例截面图。
图20为示出了第七实施例的像素的平面配置示例的图。
图21为图20的像素的配置示例的A-A截面的截面图。
图22为示出了成像设备配置的框图。
具体实施方式
在下文中，本发明以下面的顺序进行说明。
(A)第一实施例
(B)第二实施例
(C)第三实施例
(D)第四实施例
(E)第五实施例
(F)第六实施例
(G)第七实施例
(A)第一实施例
图1示出了本实施例的固态成像元件100的示意性配置。
固态成像元件100由CMOS固态成像元件实现，包括像素阵列单元121、垂直驱动单元122、列处理单元123、水平驱动单元125、输出单元127和驱动控制单元124。
像素阵列单元121包括排列成阵列的多个像素10。像素10通过与像素10的行数对应的多个水平信号线HSLn连接到垂直驱动单元122，并通过与像素10的列数对应的多个垂直信号线VSLm连接到列处理单元123。即，像素阵列单元121中包括的多个像素10被布置在水平信号线HSLn和垂直信号线VSLm彼此相交的每个点处。
垂直驱动单元122通过水平信号线HSLn将用于驱动单个像素10的驱动信号(传输信号，选择信号，复位信号等)依次提供至像素阵列单元121中包含的多个像素10的各行。
列处理单元123通过垂直信号线VSLm对从每个像素10输出的像素信号应用相关双采样(CDS)处理，从而提取像素信号的信号电平并获得与像素10接收的光量相对应的像素数据。
针对像素阵列单元121中包含的多个像素10的每一列，水平驱动单元125依次向列处理单元123提供用于使列处理单元123输出从各像素10获得的像素数据的驱动信号。
像素数据基于水平驱动单元125的驱动信号定时地从列处理单元123提供给输出单元127，并且输出单元127例如将像素数据放大并且输入至位于后级的图像处理电路。
驱动控制单元124控制驱动固态成像元件100内的每个组件。例如，驱动控制单元124根据每个组件的驱动周期产生时钟信号，并将产生的时钟信号提供给每个组件。
图2为示出了像素10的配置示例的电路图。
如图2所示，像素10包括PD11、第一传输晶体管12、第二传输晶体管13、电荷保持单元14、浮动扩散部(FD)15、放大晶体管16、选择晶体管17以及复位晶体管18。以下，有时将第一传输晶体管12、第二传输晶体管13、电荷保持单元14、放大晶体管16、选择晶体管17和复位晶体管18统称为像素晶体管。
PD11接收发射到像素10的光，产生并积累对应于光量的电荷。
第一传输晶体管12根据从垂直驱动单元122提供的传输信号而被驱动。当第一传输晶体管12接通时，在PD 11中积累的电荷被传输至电荷保持单元14。
第二传输晶体管13是根据垂直驱动单元122提供的传输信号而被驱动的。当第二传输晶体管13接通时，在电荷保持单元14中积累的电荷被传输至FD 15。
电荷保持单元14是积累通过第一传输晶体管12从PD 11传输而来的电荷的电容器。
FD 15是具有预定电容的浮动扩散部区域，并且形成在连接第二传输晶体管13与用作放大晶体管16的控制电极的栅极的点处。FD 15积累通过第二传输晶体管13从电荷保持单元14传输而来的电荷。
放大晶体管16连接到电源VDD，并输出与FD 15中积累的电荷对应的电平的像素信号。
选择晶体管17是根据从垂直驱动单元122提供的选择信号而被驱动的。当选择晶体管17接通时，从放大晶体管16输出的像素信号变为准备状态，以通过选择晶体管17被读出至垂直信号线VSLm。
复位晶体管18是根据从垂直驱动单元122提供的复位信号而被驱动的。当复合晶体管18接通时，FD 15中积累的电荷通过复位晶体管18放电到电源VDD，并且FD 15被复位。
具有如上所述配置的像素10的固态成像元件100采用全局快门系统。因此，固态成像元件100可以在所有像素10中同时将电荷从PD 11传输到电荷保持单元14，使得所有的像素10能够同时曝光，并避免图像出现失真。
图3为示出了像素10的平面配置示例的图。图4为图3像素配置示例中A-A截面的截面图。像素10具有背面照射型结构。
图3所示的像素10具有平面布置，包括：作为光电转换单元的PD11，其光电转换来自半导体基板20的背面的入射光；临时保持由PD 11产生的电荷的电荷保持单元14；以及FD15。在下文中，在像素10中，形成半导体基板20的PD 11的区域将被称为PD区域，在半导体基板20中形成电荷保持单元14的区域有时被称为电荷保持区域。
像素10具有如下构造：配线层21、半导体基板20、遮光层22、平坦化层23、滤色器层24和片上透镜25从图4的底部依次堆叠。注意，滤色器层24可以直接堆叠在半导体基板20或遮光层22上，而无需设置平坦化层23。
固态成像元件100具有背面照射型CMOS图像传感器的结构，入射光射到作为正面20F的相对表面的背面20R，半导体基板20的配线层21叠置在正面20F上。
配线层21具有嵌入在层间绝缘膜21b中的多个配线21a，用于执行半导体基板20的PD11的电荷读出等。在配线层21的下侧，例如，配置了基板支撑材料(图中未示出)。
配线层21包括构成第一传输晶体管12的栅极电极32。栅极电极32相对于半导体基板20隔着绝缘氧化膜(图中未示出)布置。预定电压施加到栅极电极32将使得积累在PD 11中的电荷被传输至电荷保持单元14。
半导体基板20包括构成PD 11的N型区域和构成电荷保持单元14的N型区域。构成PD 11的N型区域和构成电荷保持单元14的N型区域形成在半导体基板20的正面20F附近的位置处。这使得能够在PD 11和电荷保持单元14的背面侧以及电荷保持单元14的正面侧设置P型区域的表面钉扎层。
半导体基板20包括围绕像素10的周围形成的像素间分离区域34，其将像素10与另一相邻像素10分开。
遮光层22具有如下配置：高介电常数材料膜36中嵌入由具有光屏蔽特性的材料所形成的背面遮光膜35。例如，背面遮光膜35中包括诸如钨(W)、铝(Al)和铜(Cu)等材料，并连接至GND(图中未示出)。高介电常数材料膜36包括诸如二氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)等材料。
半导体基板20包括设置在像素10的PD11和电荷保持单元14之间作为第一贯通遮光膜的贯通遮光膜37。贯通遮光膜37通过在半导体基板20中设置的通孔的整个内表面上沉积高介电常数材料膜并在通孔中填充遮光材料而形成。高介电常数材料膜和具有遮光性能的材料类似于上述背面遮光膜35的情况。贯通遮光膜37贯穿半导体基板20的正面和背面，并具有将PD 11和电荷保持单元14彼此分开的结构。贯通遮光膜37的前侧端部形成为在半导体基板20的厚度方向上与电荷保持单元14的前侧端部大致相同，或者在前侧方向上比电荷保持单元14的前侧端部更长。凭借贯通遮光膜37的这种构造，从半导体基板20的背面20R侧入射至PD11的入射光不会倾斜地入射到电荷保持单元14上。
在图3中，电荷保持单元14的至少一部分位于隔着贯通遮光膜37与PD 11相对的一侧，并且PD 11的形成范围的至少一部分和电荷保持单元14的形成范围在贯通遮光膜37的延伸方向上彼此重叠。在该重叠部分中设置旁路部(bypass part)38，能够使PD11与电荷保持单元14之间的连接长度最小化。
在半导体基板20中，像素10和另一相邻像素之间的像素间分离区域34包括贯通遮光膜39。贯通遮光膜39的结构和材料与上述贯通遮光膜37的情况类似。贯通遮光膜39贯通半导体基板20的正面和背面，并将像素10与另一个像素分隔开。通过这种构造，从半导体基板20的背面20R侧入射到像素10的PD11的入射光不会倾斜地入射到相邻的另一个像素10上。
遮光层22包括用于覆盖电荷保持单元14的背面侧的背面遮光膜35。背面遮光膜35沿着半导体基板20的背面20R侧的背面20R形成于设有电荷保持单元14的位置处。背面遮光膜35的PD 11侧边缘部分与贯通遮光膜37的背面侧端部连续。背面遮光膜35的另一边缘部分与贯通遮光膜39的背面侧端部连续。换句话说，除了面向半导体基板20的正面20F的一侧之外，背面遮光膜35和贯通遮光膜37和39的存在使得电荷保持单元14被光学封闭。需要注意的是，高介电常数材料膜被设置为以较小的厚度包裹在半导体基板20中形成的贯通遮光膜37和39。进一步地，背面遮光膜35与半导体基板20之间也可以设置高介电常数材料膜。这使得在高介电常数膜覆盖贯通遮光膜37和39的外侧的情况下，连续地形成高介电常数材料膜。
旁路部38在半导体基板20正面20F的外侧连接PD 11和电荷保持单元14。旁路部38包括掺杂有N型杂质的半导体材料，并且在设置有贯通遮光膜37的位置处延伸跨越半导体基板20的正面20F。构成旁路部38的半导体材料除了硅之外还包括SiGe或InGaAs等。简而言之，旁路部38分别形成在包括贯通遮光膜37、PD11以及电荷保持单元14的形成范围的位置及区域内。旁路部38包括沿着正面与栅极电极32接触的、掺杂有P型杂质的P型区域38b(如图5所示)。P型区域38b作为通道区域以连接在掺杂有N型杂质的N型区域38a(参考图5)与栅极电极32之间，从而作为电荷传输路径以将电荷从PD11传输至电荷保持单元14。
图5示出了沿图3中的A-A线截取的旁路部38的形状的具体示例。在图5的(a)所示的具体示例中，旁路部38具有在与半导体基板20的正面20F大致正交的方向上延伸的锥形侧表面，且具有长边面向半导体基板20侧的梯形横截面形状。在图5的(b)所示的具体示例中，旁路部38的基本形状与图5(a)所示的具体示例的情况类似，不同之处在于，该形状在旁路部38的两侧包括凹入半导体基板20的正面20F中的沟槽部。在图5(c)所示的具体示例中，旁路部38的基本形状与图5(a)所示的具体示例的情况类似，不同之处在于，旁路部38的梯形横截面形状的短边上设有圆角。如这些具体示例所示，形成具有钝角的角部能够避免电场集中，从而提高传输效率。
在半导体基板20的正面20F的外侧形成作为控制单元的栅极电极32，其控制从PD11经由旁路部38至电荷保持单元14的电荷传输。栅极电极32可以通过采用多晶硅栅极或使用高k绝缘膜的金属栅极等实现。栅极电极32沿着旁路部38的前侧和侧表面形成，并且设置为延伸跨越贯通遮光膜37的位置和形状。预定电压施加到栅极电极32将使得在PD11中积累的电荷能够被传输至电荷保持单元14。
半导体基板20的与电荷保持单元14相对应的正面20F包括存储栅极40。向存储栅极40施加电压将改变电荷保持单元14的电位，从而提高从PD 11到电荷保持单元14的电荷传输效率。这能够抑制电荷传输期间的噪声和残像。
如上所述构造的固态成像元件100能够抑制光泄漏到电荷保持单元14中并且能够减少传输时的噪声分量，其与传统结构相比，取得了非常优秀的特性。
接下来，将描述固态成像元件100制造方法的示例。图6至图10为示出了固态成像元件100制造方法示例的流程图。
首先，利用光刻技术在半导体基板20正面20F上的将要设置旁路部38的位置处形成抗蚀剂R(图6的(a))。接下来，进行干法刻蚀以均匀地蚀刻掉半导体基板20正面20F上没有覆盖电阻R的部分(图6的(b))。接下来，进行干法刻蚀以均匀地刻蚀未被电阻R覆盖的半导体基板20的正面20F(图6(b))。只要能够获得适合于旁路部38的厚度，就足以确定任何深度的刻蚀深度。具体示例的厚度可以在50nm至300nm的范围内。在刻蚀掉半导体基板20的正面20F之后，剥离并移除抗蚀剂R。该处理在半导体基板20正面20F剩下的突起上形成堤台(embankment)形状的旁路部38。需要注意的是，上述图5的(b)所示的楔形形状是通过在应用干法刻蚀时根据处理条件局部加深处理端部而形成的。需要注意的是，干法刻蚀中使用等离子体所产生的损伤可以在加工后通过1000℃或更高温度下的高温热处理恢复。
接下来，执行适合于旁路部38、PD 11和电荷保持单元14的离子注入(图6的(c))。执行离子注入是为了实现第一导电型(在本实施例中为N+型)的旁路部38、PD 11和电荷保持单元14。此外，尽管图中未示出，但也执行适合于像素晶体管的离子注入。需要注意的是，对于与电荷保持单元14和PD 11的形成区域对应的半导体基板20的正面20F和背面20R，允许通过离子注入来形成第二导电型的钉扎层(在本实施例中为P+型)，以抑制半导体基板20的正面20F和背面20R上电荷的产生。
接着，将绝缘氧化膜堆叠在半导体基板20(图中未示出)的正面20F上，并且在其上方的预定位置处形成像素晶体管的栅极电极。在此之上，依次堆叠配线层21的多个配线21a和层间绝缘膜21b(图7的(d))。此后，尽管图中未示出，但也允许将基板支撑材料(支撑基板等)粘合到配线层21的正面侧，将整个表面翻转，从背面20R侧抛光和研磨至靠近半导体基板20的PD11的背面的部分，以实现半导体基板20的薄化。需要注意的是，基板支撑材料可包括逻辑电路，存储元件等。在这种情况下，形成从半导体基板20贯通到基板支撑材料的贯通电极，以便将配线层21的预定配线21a与逻辑电路、存储元件等电连接。
接下来，通过光刻在半导体基板20的背面20R上形成抗蚀剂R(图7的(e))，然后，执行干法刻蚀以形成从半导体基板20背面20R侧贯通至正面20F侧的通孔H(图7的(f))。在形成通孔H之后，剥离并移除抗蚀剂R。此后，将高介电常数材料沉积在通孔H的内侧表面H1上和半导体基板20的背面20R的平坦部20a上(图8的(g))。高介电常数材料可以由例如氧化物膜(SiO2)、氧化铪(HfOx)、氧化钽(TaOx)、氧化锆(ZrOx)之类的单膜或用这些材料堆叠的层叠膜形成。之后，在通孔H中填充金属材料以形成贯通遮光膜37和39，与此同时，将金属材料堆叠在半导体基板20的背面20R的平坦部20a上以形成背面遮光膜35(图8的(h))。金属材料的示例包括钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)之类的单膜或这些材料的层叠膜。
接下来，通过光刻在背面遮光膜35上形成抗蚀剂R，然后进行干法刻蚀以去除背面遮光膜35的必须要去除的部分，从而形成开口(图8的(i))。在本实施例中，开口形成在与PD区域对应的位置处，即，形成在PD11的形成区域。
接下来，形成用于平坦化背面遮光膜35上凹凸的平坦化层23，在该层的上方依次形成滤色器层24和片上透镜25(图9的(j))。例如平坦化层23是通过使用旋转涂布法在背面遮光膜35上沉积热塑性树脂并随后进行热固化处理而形成的。滤色器层24是通过如下方式形成的：通过使用诸如旋转涂布法等涂布方法涂布包括诸如颜料或染料的着色材料和感光树脂的涂布液以形成涂布膜，并且随后使用光刻在涂布膜上应用图案化处理。片上透镜25通过在滤色器层24上沉积正性光致抗蚀剂膜然后对该膜进行处理而形成。
通过执行上述步骤，可以生产具有全局快门功能的第一实施例的固态成像元件100。
需要注意的是，虽然上述制造方法通过光刻和干法刻蚀形成旁路部38，但旁路部38也可以通过气相外延法形成。图10的(a)至(c)为示出了通过气相外延法形成旁路部38的制造方法的流程图。
在这种情况下，在半导体基板20的正面20F上形成绝缘膜F。接下来，执行光刻以对抗蚀剂R进行图案化以使其在绝缘膜F上的将设置旁路部38的位置处具有开口，并且执行干法刻蚀以刻蚀并去除未被抗蚀剂R覆盖的绝缘膜F，以形成开口(图10的(a))。绝缘膜F通常通过使用SiO和SiN形成。但是，只要在气相外延沉积时可以确保选择性，则没有限制。随后，通过湿法处理或氢还原除去半导体基板20的正面20F上的自然氧化物，以进行诸如硅等半导体材料的外延沉积(图10的(b))。例如，通过使用Si-H-Cl气体进行Si外延沉积，并且可以通过调节H/Cl的比率来控制生长速率和形状。通过应用气相外延实现上述在图5的(c)所示的小平面(facet)形状的形成。在这种情况下，根据处理条件获得多个Si平面，从而形成小平面。之后，去除绝缘膜F，使旁路部38形成在半导体基板20的正面20F上的预定位置处(图10的(c))。利用该过程，通过在半导体基板20的正面20F上的选择性外延生长，将旁路部38形成为以堤台形状形成的堆叠式突起。
(B)第二实施例
本实施例的固态成像元件200的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于，在像素中的PD、电荷保持单元、旁路部等的位置关系和形状不同。
相应地，下面将主要描述固态成像元件200的像素210的PD 211，电荷保持单元214，旁路部238等的位置关系和形状，其他组件的详细描述将被省略。在下文中，附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“2”。需要注意的是，PD 211、电荷保持单元214、旁路部238等的基本功能类似于PD 11、电荷保持单元14、旁路部38等的功能。
图11为示出了像素210的平面配置示例的图。图12为图11的像素210配置示例中A-A截面的截面图。
在图11中，第一传输晶体管212的整个栅极电极232与PD 211设置在相对于贯通遮光膜237的同一侧，并且栅极电极232处于与PD 211相邻同时与PD211的结构部分重叠的位置关系。栅极232包括凹陷部232a，该凹陷部232a不与PD 211相邻并且在面向贯通遮光膜237的一侧具有部分凹陷的角部作为切口部。因此，栅极电极232设置在不与旁路部238上的贯通遮光膜237对应的位置处。
旁路部238连接栅极电极232和电荷保持单元214，并且在半导体基板220的正面220F的外侧延伸跨越贯通遮光膜237。旁路部238形成在包括凹陷部232a的边缘部分的范围内，并跨过贯通遮光膜237朝向电荷保持单元214侧延伸。
在图11中，电荷保持单元214的至少一部分位于隔着贯通遮光膜237与栅极电极232相对的一侧，并且栅极电极232的形成范围的至少一部分和电荷保持单元214的形成范围在贯通遮光膜237的延伸方向上彼此重叠。
该配置使得旁路部238具有电荷传输路径的作用，其通过形成在栅极电极232下方的通道将电荷从PD 211传输到电荷保持单元214。
(C)第三实施例
本实施例的固态成像元件300的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于像素中栅极电极的形状。
相应地，下面将主要描述固态成像元件300的像素310的栅极电极332的形状，其他组件的详细描述将被省略。附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“3”。需要注意的是，栅极电极332的基本功能类似于栅极电极32的功能。
图13为示出了像素310的平面配置示例的图。图14为图13的像素310的配置示例中A-A截面的截面图。
类似于栅极电极32，栅极电极332沿着旁路部338的前侧和侧表面形成，并且设置为延伸跨越贯通遮光膜337的位置和形状。因此，应用预定电压施加到栅极332时使积累在PD 311中的电荷被传输到电荷保持单元314。
栅极电极332包括在半导体基板320的厚度方向上在PD 311侧沿着贯通遮光膜337的侧表面延伸的贯通部332a。掺杂有P型杂质的P型区域也形成在如下区域中：该区域包括旁路部338和PD 311的与贯通部332a接触的表面。因此，设置贯通部332a将扩展通过向栅极电极332施加预定电压而形成的通道范围，从而提高电荷传输效率。此外，由贯通部332a形成的通道的存在使得能够高效地在PD 311的深位置处传输电荷。
贯通部332a可以具有从栅极电极332的主体延伸的平板构件的形状，或者从栅极332的主体以梳齿形状延伸的多个柱状构件的形状。贯通部332a的长度根据PD311的电位设计而适当地设定。
贯通部332a和半导体基板320之间的部分包括栅极绝缘膜，使得能够抑制光的透射，并且有助于减少对电荷保持单元314的光学噪声。此外，栅极电极332使用金属材料形成金属栅极，这能够改善PD 311和电荷保持单元314之间的光屏蔽特性，从而进一步降低对电荷保持单元的光学噪声。金属电极的材料示例包括钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)或钴(Co)的单体，或这些材料的层叠结构。当然，在栅极332的材料之中，允许仅将贯通部332a形成为金属栅极，而将其它部分形成为硅栅极。
(D)第四实施例
本实施例的固态成像元件400的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于电荷保持单元和浮动扩散部之间的结构。
相应地，下面将主要描述固态成像元件400的像素410的电荷保持单元414和浮动扩散部415之间的结构，其他组件的详细描述将被省略。在下文中，附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“4”。需要注意的是，电荷保持单元414和浮动扩散部415的基本功能分别类似于电荷保持单元14和浮动扩散部15的功能。
图15为示出了像素410的平面配置示例的图。图16为图15的像素410的配置示例的A-A截面的截面图。
电荷保持单元414和浮动扩散部415之间的部分包括作为第二贯通遮光膜的贯通遮光膜441。类似于贯通遮光膜437等，贯通遮光膜441通过在半导体基板420中设置的通孔的整个内表面上沉积高介电常数材料膜并且在通孔中填充遮光材料而形成。
贯通遮光膜441贯穿半导体基板420的正面和背面，并且具有将电荷保持单元414和浮动扩散部415彼此分隔开的结构。在半导体基板420的厚度方向上，贯通遮光膜441前侧端部被形成为与电荷保持单元414的前侧端部大致相同，或者在前侧方向上长于电荷保持单元414的前侧端部。
通过设置贯通遮光膜441，可以改善电荷保持单元414和浮动扩散部415之间的光屏蔽特性，从而抑制从浮动扩散部415侧到电荷保持单元414的噪声的影响。
需要注意的是，电荷保持单元414可以具有也设置在与电荷保持单元414的浮动扩散部415相对的一侧的、包括与贯通遮光膜441相似的贯通遮光膜的结构。也就是说，电荷保持单元414的整个外周可以被贯通遮光膜包围。以这种方式用贯通遮光膜屏蔽电荷保持单元414的周围可以进一步增强电荷保持单元414的光屏蔽特性，从而进一步抑制光学噪声的影响。
电荷保持单元414和浮动扩散部415通过作为第二旁路部的旁路部442相互连接，第二旁路部在半导体基板420的正面420F的外侧延伸跨越贯通遮光膜441。旁路部442形成在包括贯通遮光膜441、电荷保持单元414和浮动扩散部415各自的形成范围的位置和范围内。旁路部442包括掺杂有N型杂质的半导体材料。第二传输晶体管13的栅极电极叠置在旁路部442的正面侧。对该栅极电极施加预定电压使得积累在PD 411中的电荷被传输到电荷保持单元414。也就是说，旁路部442用作将电荷从电荷保持单元414传输到浮动扩散部415的电荷传输路径。
(E)第五实施例
本实施例的固态成像元件500的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于电荷保持单元正面侧设置的遮光膜。
相应地，下面将主要描述固态成像元件500的正面遮光膜543的形状，其他组件的详细描述将被省略。在下文中，附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“5”。
图17为示出了像素510的平面配置示例的图。图18为图17的像素510的配置示例的A-A截面的截面图。
正面遮光膜543是通过覆盖电荷保持单元514的前侧来遮挡光的构件。设置与贯通遮光膜539连续的正面遮光膜543，这能够抑制从贯通遮光膜539侧的光入射。正面遮光膜543被形成为覆盖包括形成于半导体基板520与配线层521之间的多个构件(存储栅极540、旁路部538和传输电极532等)在内的电荷保持单元514的前侧。正面遮光膜543覆盖的范围可以在不会电气干扰到用于连接半导体基板52和配线521a的接触部的范围内扩大或缩小。在正面遮光膜543、电荷保持单元514和各种构件(存储栅极540，旁路部538，传输电极532等)之间设置有高介电常数材料薄膜。通过这种配置，可以进一步改善电荷保持单元514的光屏蔽特性。
(F)第六实施例
本实施例的固态成像元件600的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于以凸起的形状形成的旁路部的形成范围。
相应地，下面将主要描述固态成像元件600的旁路部638的形成范围。其他组件的详细描述将被省略。在下文中，附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“6”。
图19为示出了与图3中A-A截面对应的像素610配置示例的截面图。
旁路部638的形状被设置为，在半导体基板620的正面620F上的PD611的形成范围中以及在延伸跨越贯通遮光膜637的位置处延伸。例如，PD611的整个正面被形成为具有与旁路部638的正面基本相同程度的凸起形状。这增加了PD 611的体积，带来了增大PD 611的饱和电荷量的优点。
(G)第七实施例
本实施例的固态成像元件700的配置与上述固态成像元件100的配置类似，不同之处在于它采用了如下的FD积累配置：其中，不设置电荷保持单元，并且PD的电荷直接传输到浮动扩散部。
相应地，下面将主要描述电荷从PD 711传输至固态成像元件700的浮动扩散部715的相关结构。其他组件的详细描述将被省略。在下文中，附图标记需要时在固态成像元件100配置的附图标记前加“7”。
图20为示出了像素710的平面配置示例的图。图21为图20的像素710的配置示例的A-A截面的截面图。
在本实施例中，浮动扩散部715被设置为通过旁路部738接收和保持从PD 711传输的电荷的构造。即，浮动扩散部715的至少一部分位于隔着贯通遮光膜737与PD711相对的一侧，并且PD711的形成范围的至少一部分和浮动扩散部715的形成范围在贯通遮光膜737的延伸方向上相互重叠。形成在该重叠部分中的旁路部738用作从PD 711到浮动扩散部715的电荷传输路径。在浮动扩散部715中积累的电荷作为像素信号通过触点744和配线745而被输出。
如上所述配置的固态成像元件700，能够省略通常占据大面积的电荷保持单元，从而在芯片尺寸方面具有优势。
(C)第八实施例
图22是示出包括固态成像元件100的成像设备800的配置的框图。图中所示的成像设备800是电子设备的示例。
需要注意的是，在本发明中，成像设备表示使用固态成像元件作为图像拍摄单元(光电转换单元)的一般电子设备，例如包括数码照相机、数字摄像机等成像设备，或者例如具有成像功能的移动电话等移动终端设备。显然，在图像拍摄单元中使用固态成像元件的电子设备还包括在图像读取单元中使用固态成像元件的复印机。此外，成像设备可以是包括固态成像元件的模块，以便安装在上述电子设备上。
在图22中，成像设备800包括包含透镜组的光学系统811、固态成像元件100、作为用于处理固态成像元件100的输出信号的信号处理电路的数字信号处理器(DSP)813、帧存储器814、显示单元815、记录单元816、操作系统817、供电系统818和控制单元819。
DSP 813、帧存储器814、显示单元815、录音单元816、操作系统817、供电系统818和控制单元819相互连接，以便能够通过通信总线彼此交换数据和信号。
光学系统811捕获来自对象的入射光(图像光)并在固态成像元件100的成像表面上形成图像。固态成像元件100以像素为单位生成与通过光学系统811在成像表面上形成的接收入射光的量相对应的电信号，并输出所产生的电信号作为像素信号。该像素信号被输入到DSP 813，并且在经过多种适当的图像处理之后产生的图像数据被存储在帧存储器814中，记录在记录单元816的记录介质上，或者输出到显示单元815。
显示单元815是诸如液晶显示装置或有机电致发光(EL)显示装置的面板型显示装置，并显示由固态成像元件100拍摄的运动图像和静止图像以及其他信息。记录单元816将由固态成像元件100拍摄的运动图像和静止图像记录在诸如数字通用光盘(DVD)，硬盘(HD)或半导体存储器等记录介质上。
操作系统817接收来自用户的各种操作，并通过通信总线向单元813、814、815、816、818和819中的各者发送对应于用户操作的操作命令。供电系统818产生各种电源电压作为驱动电源，并且将上述电压提供给合适的供电目标(813、814、815、816、817和819中的每一个)。
控制单元819包括执行算法处理的CPU、存储成像设备800的控制程序的ROM、用作CPU的工作区域的RAM等。控制单元819使CPU执行存储在ROM中的控制程序，同时将RAM用作工作区，以便通过通信总线控制813、814、815、816、817和818中的每一个。此外，控制单元819控制时序生成器(图中未示出)产生各种时序信号并执行控制以将所述时序信号提供给每个单元。
需要注意的是，本发明不限于上述每个实施例，并且可以包括：包含上述实施例中公开的各构成的相互替换或它们的组合的各种变型的构造、包含现有技术与上述实施例中公开的各构成的相互替换或它们的组合的各种变型的构造等。此外，本发明的技术范围不限于上述实施例，它还涵盖了权利要求中描述的技术方案及其等同方案。
此外，本发明也可以如下地构造。
(1)
一种固态成像元件，包括：
半导体基板；
光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；
电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；
第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；
第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及
控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；
其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
(2)
如(1)所述的固态成像元件，其中，所述控制单元控制设置在所述第一旁路部上的与所述第一贯通遮光膜对应的位置处的控制电极，以此控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输。
(3)
如(1)所述的固态成像元件，其中，所述控制单元控制设置在所述第一旁路部上的不与所述第一贯通遮光膜对应的位置处的控制电极，以此控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输。
(4)
如(2)或(3)所述的固态成像元件，其中，所述控制电极包括贯通部，所述贯通部在所述光电转换单元侧沿着所述第一贯通遮光膜的侧面在所述半导体基板的厚度方向上延伸。
(5)
如(4)所述的固态成像元件，其中，所述贯通部包含金属材料。
(6)
如(1)至(5)中任一项所述的固态成像元件，其中，所述第一旁路部包括通过刻蚀所述半导体基板的正面而残留的堤台形状的突起部。
(7)
如(1)至(5)中任一项所述的固态成像元件，其中，所述第一旁路部包括通过在所述半导体基板的正面上的选择性外延生长而层叠形成的堤台形状的突起部。
(8)
如(7)所述的固态成像元件，其中，所述光电转换单元的正面被形成为具有与所述第一旁路部的正面基本相同程度的凸起形状。
(9)
如(1)至(8)中任一项所述的固态成像元件，所述固态成像元件还包括遮光膜，所述遮光膜覆盖所述第一旁路部的跨越所述第一贯通遮光膜的部位的前侧和所述电荷保持单元的前侧。
(10)
如(1)至(9)中任一项所述的固态成像元件，其中，所述电荷保持单元被贯通遮光膜包围。
(11)
如(1)至(10)中任一项所述的固态成像元件，所述固态成像元件还包括：
浮动扩散部，所述浮动扩散部保持从所述电荷保持单元传输来的电荷；
第二贯通遮光膜，所述第二贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述电荷保持单元和所述浮动扩散部相互分隔；和
第二旁路部，所述第二旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第二贯通遮光膜将所述电荷保持单元和所述浮动扩散部相互连接。
(12)
如(1)至(10)中任一项所述的固态成像元件，其中，所述电荷保持单元包括电容器。
(13)
如(1)至(10)中任一项所述的固态成像元件，其中，所述电荷保持单元包括浮动扩散部。
(14)
一种固态成像元件的制造方法，包括：
在半导体基板上形成光电转换单元的步骤，所述光电转换单元光对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；
形成临时保持由所述光电转换单元产生的电荷的电荷保持单元的步骤；
形成第一贯通遮光膜的步骤，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元彼此分隔；
形成第一旁路部的步骤，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；和
形成控制电极的步骤，所述控制电极控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；
其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
(15)
一种成像设备，包括固态成像元件和处理来自所述固态成像元件的信号的信号处理电路，其中，
所述固态成像元件包括：半导体基板；光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以此将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输，并且
所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
附图标记的列表
10 像素
11 PD
12 第一传输晶体管
13 第二传输晶体管
14 电荷保持单元
15 浮动扩散部(FD)
16 放大晶体管
17 选择晶体管
18 复位晶体管
20 半导体基板
20F 正面
20R 背面
20a 平坦部
21 配线层
21a 配线
21b 层间绝缘膜
22 遮光层
23 平坦化层
24 滤色器层
25 片上透镜
32 栅极电极
34 像素间分离区域
35 背面遮光膜
36 高介电常数材料膜
37 贯通遮光膜
38 旁路部
39 贯通遮光膜
40 存储栅极
100 固态成像元件
121 像素阵列单元
122 垂直驱动单元
123 列处理单元
124 驱动控制单元
125 水平驱动单元
127 输出单元
200 固态成像元件
210 像素
211 PD
212 第一传输晶体管
214 电荷保持单元
220 半导体基板
220F 正面
232 栅极电极
232a 凹陷部
237 贯通遮光膜
238 旁路部
300 固态成像元件
310 像素
311 PD
314 电荷保持单元
320 半导体基板
332 栅极电极
332a 贯通部
337 贯通遮光膜
338 旁路部
400 固态成像元件
410 像素
411 PD
414 电荷保持单元
415 浮动扩散部
420 半导体基板
437 贯通遮光膜
440 存储栅极
441 贯通遮光膜
442 旁路部
500 固态成像元件
510 像素
511 PD
514 电荷保持单元
520 半导体基板
521 配线层
521a 配线
532 传输电极
538 旁路部
539 贯通遮光膜
543 正面遮光膜
600 固态成像元件
610 像素
611 PD
620 半导体基板
620F 正面
638 旁路部
639 贯通遮光膜
700 固态成像元件
710 像素
711 PD
715 浮动扩散部
737 贯通遮光膜
738 旁路部
744 触点
745 配线
800 成像设备
811 光学系统
813 DSP
814 帧存储器
815 显示单元
816 记录单元
817 操作系统
818 供电系统
819 控制单元
H 通孔
H1 内侧表面
HSLn 水平信号线
R 抗试剂
VSLm 垂直信号线

Claims (15)

1.一种固态成像元件，包括：
半导体基板；
光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；
电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；
第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；
第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及
控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；
其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
2.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述控制单元控制设置在所述第一旁路部上的与所述第一贯通遮光膜对应的位置处的控制电极，以此控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输。
3.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述控制单元控制设置在所述第一旁路部上的不与所述第一贯通遮光膜对应的位置处的控制电极，以此控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输。
4.如权利要求2所述的固态成像元件，其中
所述控制电极包括贯通部，所述贯通部在所述光电转换单元侧沿着所述第一贯通遮光膜的侧面在所述半导体基板的厚度方向上延伸。
5.如权利要求4所述的固态成像元件，其中
所述贯通部包含金属材料。
6.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述第一旁路部包括通过刻蚀所述半导体基板的正面而残留的堤台形状的突起部。
7.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述第一旁路部包括通过在所述半导体基板的正面上的选择性外延生长而层叠形成的堤台形状的突起部。
8.如权利要求7所述的固态成像元件，其中
所述光电转换单元的正面被形成为具有与所述第一旁路部的正面基本相同程度的凸起形状。
9.如权利要求1所述的固态成像元件，所述固态成像元件还包括遮光膜，所述遮光膜覆盖所述第一旁路部的跨越所述第一贯通遮光膜的部位的前侧和所述电荷保持单元的前侧。
10.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述电荷保持单元被贯通遮光膜包围。
11.如权利要求1所述的固态成像元件，所述固态成像元件还包括：
浮动扩散部，所述浮动扩散部保持从所述电荷保持单元传输来的电荷；
第二贯通遮光膜，所述第二贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述电荷保持单元和所述浮动扩散部相互分隔；和
第二旁路部，所述第二旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第二贯通遮光膜将所述电荷保持单元和所述浮动扩散部相互连接。
12.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述电荷保持单元包括电容器。
13.如权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述电荷保持单元包括浮动扩散部。
14.一种固态成像元件的制造方法，包括：
在半导体基板上形成光电转换单元的步骤，所述光电转换单元光对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；
形成临时保持由所述光电转换单元产生的电荷的电荷保持单元的步骤；
形成第一贯通遮光膜的步骤，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以将所述光电转换单元和所述电荷保持单元彼此分隔；
形成第一旁路部的步骤，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；和
形成控制电极的步骤，所述控制电极控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输；
其中，所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
15.一种成像设备，包括固态成像元件和处理来自所述固态成像元件的信号的信号处理电路，其中，
所述固态成像元件包括：半导体基板；光电转换单元，所述光电转换单元对来自所述半导体基板的背面的入射光进行光电转换；电荷保持单元，所述电荷保持单元临时保持所述光电转换单元产生的电荷；第一贯通遮光膜，所述第一贯通遮光膜贯穿所述半导体基板的正面和背面，以此将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互分隔；第一旁路部，所述第一旁路部包含半导体材料并设置在所述半导体基板的正面外侧，以跨过所述第一贯通遮光膜将所述光电转换单元和所述电荷保持单元相互连接；以及控制单元，所述控制单元控制从所述光电转换单元经由所述第一旁路部到所述电荷保持单元的电荷传输，并且
所述第一贯通遮光膜的前侧端部被形成为在所述半导体基板的厚度方向上具有与所述电荷保持单元的前侧端部大致相同的长度，或者被形成为在前侧方向上具有比所述电荷保持单元的所述前侧端部更长的长度。
CN201780072855.7A 2016-12-01 2017-11-09 固态成像元件及其制造方法以及成像设备 Active CN109997229B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-233931 2016-12-01
JP2016233931 2016-12-01
PCT/JP2017/040359 WO2018100998A1 (ja) 2016-12-01 2017-11-09 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、及び、撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109997229A true CN109997229A (zh) 2019-07-09
CN109997229B CN109997229B (zh) 2023-06-20

Family

ID=62241476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780072855.7A Active CN109997229B (zh) 2016-12-01 2017-11-09 固态成像元件及其制造方法以及成像设备

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10777594B2 (zh)
JP (1) JP6967530B2 (zh)
KR (1) KR102476411B1 (zh)
CN (1) CN109997229B (zh)
WO (1) WO2018100998A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200408690A1 (en) * 2019-06-28 2020-12-31 Quantum-Si Incorporated Optical and electrical secondary path rejection
CN112768482A (zh) * 2021-01-20 2021-05-07 联合微电子中心有限责任公司 一种背照式全局快门像素结构及其制造方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020009883A (ja) * 2018-07-06 2020-01-16 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、測距モジュール、および、電子機器
JP7280034B2 (ja) * 2018-12-03 2023-05-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、および電子機器
TWI685958B (zh) * 2018-12-13 2020-02-21 力晶積成電子製造股份有限公司 影像感測器及其製造方法
JP6929266B2 (ja) * 2018-12-17 2021-09-01 キヤノン株式会社 光電変換装置、光電変換システム、移動体
JP7346071B2 (ja) * 2019-04-26 2023-09-19 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム、および、移動体
JP2021114538A (ja) * 2020-01-20 2021-08-05 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像素子および撮像装置
JPWO2022019307A1 (zh) * 2020-07-22 2022-01-27
CN112117291B (zh) * 2020-10-30 2022-11-18 联合微电子中心有限责任公司 一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4426121A1 (de) * 1993-07-23 1995-01-26 Hyundai Electronics Ind Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
DE19648063A1 (de) * 1996-05-16 1997-11-20 Lg Semicon Co Ltd Maske zum Mustern einer Mikrolinse
US6093936A (en) * 1995-06-07 2000-07-25 Lsi Logic Corporation Integrated circuit with isolation of field oxidation by noble gas implantation
JP2011119711A (ja) * 2009-11-06 2011-06-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
CN102446935A (zh) * 2010-10-07 2012-05-09 索尼公司 固体摄像器件、固体摄像器件的制造方法和电子装置
JP2012230943A (ja) * 2011-04-25 2012-11-22 Panasonic Corp Ｘ線センサーと、その製造方法と、ｘ線センサーを用いたｘ線診断装置
CN103000644A (zh) * 2011-09-16 2013-03-27 索尼公司 固体摄像器件、固体摄像器件的制造方法和电子装置
JP2014022795A (ja) * 2012-07-13 2014-02-03 Sony Corp 撮像素子、撮像方法
WO2014141898A1 (ja) * 2013-03-12 2014-09-18 ソニー株式会社 固体撮像素子、製造方法、および電子機器
JP2015053411A (ja) * 2013-09-09 2015-03-19 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、および電子機器
WO2016136486A1 (ja) * 2015-02-27 2016-09-01 ソニー株式会社 固体撮像装置及び電子機器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5601615B2 (ja) 2009-10-22 2014-10-08 日本電気硝子株式会社 蓄電デバイス用負極活物質及びその製造方法
JP2011216673A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4426121A1 (de) * 1993-07-23 1995-01-26 Hyundai Electronics Ind Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
KR950004522A (ko) * 1993-07-23 1995-02-18 김주용 차폐용 플레이트를 갖는 반도체소자 제조방법
US6093936A (en) * 1995-06-07 2000-07-25 Lsi Logic Corporation Integrated circuit with isolation of field oxidation by noble gas implantation
DE19648063A1 (de) * 1996-05-16 1997-11-20 Lg Semicon Co Ltd Maske zum Mustern einer Mikrolinse
JP2011119711A (ja) * 2009-11-06 2011-06-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
CN102446935A (zh) * 2010-10-07 2012-05-09 索尼公司 固体摄像器件、固体摄像器件的制造方法和电子装置
JP2012230943A (ja) * 2011-04-25 2012-11-22 Panasonic Corp Ｘ線センサーと、その製造方法と、ｘ線センサーを用いたｘ線診断装置
CN103000644A (zh) * 2011-09-16 2013-03-27 索尼公司 固体摄像器件、固体摄像器件的制造方法和电子装置
JP2013065688A (ja) * 2011-09-16 2013-04-11 Sony Corp 固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器
JP2014022795A (ja) * 2012-07-13 2014-02-03 Sony Corp 撮像素子、撮像方法
WO2014141898A1 (ja) * 2013-03-12 2014-09-18 ソニー株式会社 固体撮像素子、製造方法、および電子機器
JP2015053411A (ja) * 2013-09-09 2015-03-19 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、および電子機器
WO2016136486A1 (ja) * 2015-02-27 2016-09-01 ソニー株式会社 固体撮像装置及び電子機器

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200408690A1 (en) * 2019-06-28 2020-12-31 Quantum-Si Incorporated Optical and electrical secondary path rejection
US11804499B2 (en) * 2019-06-28 2023-10-31 Quantum-Si Incorporated Optical and electrical secondary path rejection
CN112768482A (zh) * 2021-01-20 2021-05-07 联合微电子中心有限责任公司 一种背照式全局快门像素结构及其制造方法
CN112768482B (zh) * 2021-01-20 2023-03-24 联合微电子中心有限责任公司 一种背照式全局快门像素结构及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190086660A (ko) 2019-07-23
WO2018100998A1 (ja) 2018-06-07
KR102476411B1 (ko) 2022-12-12
US20190371846A1 (en) 2019-12-05
JP6967530B2 (ja) 2021-11-17
US10777594B2 (en) 2020-09-15
CN109997229B (zh) 2023-06-20
JPWO2018100998A1 (ja) 2019-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109997229A (zh) 固态成像元件及其制造方法以及成像设备
US11743614B2 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus with a charge storage unit electrically connected to each of a lower electrode of a phase difference detection pixel, an adjacent pixel and a normal pixel via a capacitance, wherein the capacitance connected to the adjacent pixel is greater than a capacitance connected to the normal pixel
US11024660B2 (en) Solid-state imaging device, method of manufacturing solid-state imaging device, and electronic apparatus
CN101964352B (zh) 固体摄像器件、其制造方法和电子装置
US7550813B2 (en) Photoelectric converting film stack type solid-state image pickup device, and method of producing the same
CN102867834A (zh) 固体摄像装置、电子设备和固体摄像装置的制造方法
US8916916B2 (en) Imaging device, method of manufacturing the same, and electronic apparatus
KR20180121330A (ko) 촬상 소자, 적층형 촬상 소자 및 고체 촬상 장치, 및, 고체 촬상 장치의 구동 방법
US20140016012A1 (en) Solid state imaging device
CN103404124A (zh) 固体摄像装置
US11329093B2 (en) Photoelectric conversion apparatus, equipment including photoelectric conversion apparatus, and manufacturing method of photoelectric conversion apparatus
WO2011141974A1 (ja) 固体撮像素子及びその製造方法
KR102427639B1 (ko) 이미지 센싱 소자
US10381389B2 (en) Solid state imaging device, manufacturing method of solid state imaging device, and imaging system
JP6148530B2 (ja) 固体撮像装置及びカメラ
CN104347658B (zh) 成像装置、电子设备以及制造成像装置的方法
JP6141065B2 (ja) 固体撮像装置及び撮像システム
US9484373B1 (en) Hard mask as contact etch stop layer in image sensors
US20240055445A1 (en) Pixel cell circuitry for image sensors
US9263495B2 (en) Image sensor and fabricating method thereof
US7135362B2 (en) Isolation layer for CMOS image sensor and fabrication method thereof
JP6087681B2 (ja) 固体撮像装置及び撮像システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant