CN111599828A - 用于固态成像装置的像素 - Google Patents

Abstract

[课题]本发明提供一种像素结构，在间接TOF相机用的固态成像装置，抑制杂散光向浮置扩散区(FD)的泄漏，从而提高飞行距离测定精度。[解决方法]在用于固态成像装置的像素100中，具备：光电二极管(PD)10；形成于硅基板的第二表面，一端连接于PD10的多个传输晶体管(TG)20、21；在第二表面上形成的一端和多个传输晶体管TG的另一端连接的多个浮置扩散区(FD)30、31；以及从第一表面朝向第二表面以预定深度形成并且围绕PD的周围的深沟槽隔离(B‑DTI)40，第一B‑DTI40中嵌入了遮光材料45，TG20、TG21栅极在至少一部分上具有从第二表面朝向第一表面以预定深度形成的第一垂直金属栅50。

Description

用于固态成像装置的像素

技术领域

本发明涉及一种用于间接TOF(Time of Flight：飞行时间)的成像装置以及用于其他固态成像装置中的像素。

背景技术

例如，专利文献1(日本特开第2013-98446号公报)公开了具有全局快门功能并且能够抑制白点和暗电流的固态成像元件。

专利文献1(日本特开第2013-98446号公报)中描述的固态成像元件包括半导体基板、在半导体基板上形成的光电二极管以及传输在光电二极管中累积的信号电荷的浮动扩散区域，进一步具备遮光层，该遮光层包括与覆盖半导体基板中的浮动扩散区域的半导体基体表面平行的水平遮光部分以及与半导体基体面垂直的垂直遮光部分。

另外，专利文献2(日本特开第2014-096490号公报)公开了一种能够减少杂散光影响的成像元件。

专利文献2(日本特开第2014-096490号公报)中描述的成像元件，包括：光电转换单元、用于保存光电转换单元中累积的电荷的电荷保持单元以及设置在光电转换单元彼此相邻的方向的光电转换单元的四个边中的至少两个边的遮光部，电荷保持单元设置在由两个遮光部遮光的区域，并且遮光部设置在形成有光电转换单元和电荷保持单元的基板上，当光电转换单元彼此相邻的方向为水平方向时，遮光部以在垂直方向上贯通的状态设置在基板上。

另外，专利文献3(日本特开第2017-168566号公报)公开了一种抑制杂散光对FD等电荷累积单元影响的固态成像元件。

专利文献3(日本特开第2017-168566号公报)中描述的固态成像元件具备：由多个像素构成且形成于每个像素，将入射光转换为电荷的光电转换单元、暂时保持转换的电荷的电荷累积单元以及形成于像素之间，且在基板的厚度方向上具有预定的长度的第一遮光部，电荷累积单元形成于在纵向上相邻的像素之间形成的第一遮光部与在横向上相邻的像素之间形成的第一遮光部交叉的交叉部的下方。

专利文献4(日本特开第2013-026264号公报)公开了一种能够改善光晕特性的固态成像元件。

专利文献4(日本特开第2013-026264号公报)中记载的固态成像元件包括：形成在半导体基板表面上的光电二极管、具有水平型和垂直型的栅电极以及浮置扩散区。在电荷累积且向栅电极施加电压时，垂直型栅电极在有效栅宽度Weff的方向上且在隔着垂直型栅电极的两侧的水平栅电极下的区域，形成在有电势差的位置。

[现有技术文献]

[专利文件1]日本特开第2013-098446号公报。

[专利文献2]日本特开第2014-096490号公报。

[专利文献3]日本特开第2017-168566号公报。

[专利文献4]日本特开第2013-026264号公报。

发明内容

[本发明要解决的问题]

时间飞行(TOF)相机，这是一种通过测量从光源发射的光被对象物反射并返回到相机的时间，根据已知的光的速度计算距离的方法。基于TOF方法的距离测量最初是光电二极管、短脉冲激光器和时间测量电路由离散元件组成的单点测量。然而，近年来，随着CMOS图像传感器的发展，开发了能够测量时间的图像传感器(时间飞行图像传感器)。

TOF方法通过测量光源发出的光到达传感器的时间来计算距离。作为测量该时间的方法，一种是直接测量时间的直接TOF方法，一种是间接TOF方法，该方法将与光源同步的多个时间窗口(时钟)采样的光电荷量转换为时间。间接TOF方法不需要像素内的时间计算电路，且可以相对减少像素中的元件数量，因此具有容易实现高分辨率的优点。

然而，为了实现小型而且高分辨率的TOF图像传感器，需要减少多个时间窗口之间的增益误差，减小像素大小，减少暗电流的影响，以低噪声读取。

在间接TOF相机的情况下，配置有多个传输晶体管(TG)以在多个时间窗口(时钟)中对光电二极管(PD)的电荷进行采样。为了减小多个时间窗口之间的增益误差，在时间上固定入射光的情况下，由多个TG采样并累积在相应的浮置扩散区(FD)中的电荷量理论上应该相同，但存在如下问题：诸如斜入射光的杂散光直接泄漏到FD中，从而增加了多个时间窗口之间的增益误差。特别是，由于在间接TOF相机中使用中长波长的特别是红外光作为入射光，使得入射光容易泄漏到FD中，那么采取对策以抑制杂散光影响变得非常重要。

此外，即使对于非间接TOF相机的常规的固态成像装置中，所有像素中都包括FD，在采用全局快门曝光情况下，特别是当使用背面辐照方法的传感器时，FD在表面侧形成，所以很难避免红外光泄漏到FD中。

专利文献1中描述的固态成像元件包括遮光层，其由覆盖半导体基板内浮动扩散区域的平行于半导体基板表面的水平遮光部、与半导体基体表面垂直的垂直遮光部组成，来防止从背面照射的光泄漏到浮动扩散区域。然而，在专利文献1中描述的固态成像元件的情况下，当传输栅极关闭时，光电二极管中传输晶体管正下方的电荷很有可能未传输完，并且在光电二极管之间放遮光层会导致浮动扩散区域中产生暗电流，浮动扩散区域中暗电流的产生是一个值得关注的问题。

在专利文献2所记载的固态成像元件中，在像素之间形成有嵌入金属材料制作的遮光壁，在该遮光壁的下方形成浮动扩散区域。然而，在专利文献2所描述的结构中，浮动扩散区域可能没有被充分地遮挡，浮动扩散区域本身根据收集到的杂散光进行光电转换，可能产生错误信号。(例如，在图5的结构的情况下，入射光直接泄漏到传输晶体管的浮动扩散区域侧的源极或漏极中，因此遮光是不充分的)。

专利文献3所记载的固态成像元件中，电荷累积单元设置在纵向的遮光部与横向的遮光部的交叉部的下方。从光的入射的基板的背面侧到表面侧形成遮光部，但在专利文献3中，除了遮光部以外，还具有在基板的表面侧也形成垂直晶体管的例子(见图6)。

然而，在图6的情况下，垂直晶体管的目的在于在从电荷累积单元的较深部分有效地转移电荷，而它不是用来遮光的，并且，在垂直晶体管由多晶硅制成的情况下，不能遮挡到浮动扩散区域的光，这是一个问题。

作为第二实施方式，专利文献4描述了一种固态成像元件，该固态成像元件包括具有多个垂直栅极的传输栅极。然而，专利文献4的第二实施方式旨在通过在第一垂直栅极24B和第二垂直栅极24C之间形成溢出路径来改善固态成像元件的光晕特性，由于它不是基于TOF或全局快门方式的固态成像装置，因此不存在阻止杂散光进入浮动扩散区域或提高电荷从光电二极管到浮动扩散区域的传输速度的想法。

本发明的主要目的是在用于间接TOF相机的固态成像装置中提出一种像素结构，该像素结构可以防止诸如斜入射光的杂散光泄漏到浮置扩散区中，从而提高飞行距离测量精度。

本发明的第二目的是提供一种像素结构，该像素结构可以提高用于间接TOF相机像素的传输晶体管的电荷传输速度，从而对应高的时钟频率。

(1)

根据第一发明的用于固态成像装置的像素，包括：多边形状的光电二极管，其根据从硅基板的第一表面入射的光的光量产生电荷；多个传输晶体管，其形成在硅基板的第二表面上，一端与光电二极管连接；多个浮置扩散区，其形成在硅基板的第二表面上，一端分别与多个传输晶体管的另一端连接；第一深沟槽隔离，其从硅基板的第一表面朝向第二表面以预定深度形成并且围绕光电二极管的周围，其中，在第一深沟槽隔离中嵌入了遮光材料，或者在内部形成气隙等具有光学反射功能的结构，传输晶体管的栅极在至少一部分上具有从第二表面朝向第一表面以预定深度形成的第一垂直金属栅，第一垂直金属栅的尖端与第一深沟槽隔离的尖端在同一平面上或者比第一深沟槽隔离的尖端延伸到硅基板的第一表面侧，第一垂直金属栅分别与光电二极管的一边平行，配置在比第一深沟槽隔离更靠近光电二极管侧。

另外，传输晶体管的一端或另一端是指MOS晶体管的源极或漏极。

在这种情况下，可获得以下效果。

(a)通过嵌入有遮光材料或在其内部形成气隙等具有光反射功能的结构的第一深沟槽隔离，阻挡硅基板第一表面附近的部分到浮置扩散区的杂散光。

(b)从硅基板的第二表面附近的部分到浮置扩散区的杂散光被第一垂直金属栅的栅极金属阻挡。

(c)通过将第一垂直金属栅配置在比第一深沟槽隔离更靠近光电二极管侧，从而提高了在光电二极管的第一表面附近的区域中累积的电荷向浮置扩散区的传输速度。

另外，在第一深沟槽隔离上形成有气隙的情况下，硅基板的折射率约为3.4，氧化硅膜的折射率约为1.5，与此相对，由于气隙(充满空气等气体的空间)的折射率约为1.0，因此硅基板的第一表面附近的部分经由第一深沟槽隔离的氧化硅膜入射到氧化硅膜与气隙之间的界面上的光，在该界面处被全反射。因此，形成有气隙的第一深沟槽隔离可以阻挡从硅基板的第一表面附近的部分到浮置扩散区的杂散光。

此外，也可以是，不是在第一深沟槽隔离上形成气隙，而是通过嵌入折射率比氧化硅膜低的物质等来形成在与氧化硅膜的界面处具有光反射功能的结构。

(2)

根据第二发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在根据第一发明的用于固态成像装置的像素中，每个传输栅极分别包括多个第一垂直金属栅，并且在多个第一垂直金属栅之间存在没有第一垂直金属栅的平面栅极区域。

第一垂直金属栅有利于将光电二极管的较深部位(靠近硅基板的第一表面的部分)中的电荷传输到浮置扩散区，但是将光电二极管的较浅部位(靠近硅基板的第二表面的部分)中的电荷传输到浮置扩散区时，有效栅极长度变长，因此传输速度变慢。

在根据第二发明的用于固态成像装置的像素中，具有多个第一垂直金属栅，并且在多个第一垂直金属栅之间配置了没有第一垂直金属栅的平面栅极区域，由此加速了从光电二极管的较浅部位的电荷传输速率。

特别是，在用于间接TOF相机的固态成像装置中，传输晶体管的时钟频率高达几百MHz，加快传输晶体管的电荷传输速率对提升TOF sensor深度性能很重要。

(3)

根据第三发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在根据第二发明的用于固态成像装置的像素中，多个第一垂直金属栅具有从彼此相邻的端部同时沿浮置扩散区方向延伸的延伸部。

在根据本发明的第二发明的用于固态成像装置的像素中，由于在传输晶体管的一部分中存在没有第一垂直金属栅的区域，所以存在一部分杂散光可能从光电二极管的第二表面附近的区域泄漏到浮置扩散区中，但在根据第三发明的用于固态成像装置的像素中，通过第一垂直金属栅具有从彼此接近的端部同时向浮置扩散区方向延伸的延伸部，与没有延伸部的情况相比，可以进一步阻止杂散光从光电二极管的较浅部位进入到浮置扩散区。

(4)

根据第四发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在第三发明的用于固态成像装置的像素中，多个第一垂直金属栅的彼此相邻的端部之间的距离小于浮置扩散区的面向传输栅极的边的长度。

在这种情况下，由于第一垂直金属栅的延伸部配置于浮置扩散区的面向传输晶体管的边的内侧，因此除了面向彼此的内侧的通道区域外，第一金属栅的外侧的通道区域也成为有效的通道区域，传输晶体管的传输能力增加。

(5)

根据第五发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在第一发明的固态成像装置的像素中，相对于第一深沟槽隔离，第一垂直金属栅设置在靠近浮置扩散区侧，而不是光电二极管侧。

在这种情况下，因为可以在光电二极管附近形成第一深沟槽隔离，所以可以更可靠地阻止入射光从硅基板的第一表面附近的部分到浮置扩散区的泄漏。

(6)

根据第六发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在从第一发明到第五发明的用于固态成像装置的像素中，还包括金属栅反射板，其中，金属栅反射板在硅基板的第二表面的绝缘膜上形成在与光电二极管重叠的区域中。另外，金属栅极反射板只要与光电二极管的大部分重叠地形成即可，例如，可以比光电二极管小一些或者比光电二极管大一些。

在这种情况下，可以抑制垂直入射光的透过光成分被布线之类反射带来的杂散光。

(7)

根据第七发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在从第一发明到第六发明的的用于固态成像装置的像素中，还包括第二垂直金属栅，其中，第二垂直金属栅以包围光电二极管、第一深沟槽隔离、传输晶体管以及浮置扩散区的方式配置。

在这种情况下，可以抑制从自身像素的传输晶体管和相邻像素的传输晶体管之间，通过硅基板的第二表面的区域绕回的到浮置扩散区的杂散光，以及来自像素内晶体管的发光而引起浮置扩散区电压变化。

(8)

根据第八发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在根据第七发明的用于固态成像装置的像素中，还包括第二深沟槽隔离，第二深沟槽隔离配置为包围第二垂直金属栅。

在这种情况下，可以进一步抑制从自身像素的传输晶体管和相邻像素的传输晶体管之间，通过硅基板的第二表面的区域绕回的到浮置扩散区的杂散光，以及来自像素内晶体管的发光而引起浮置扩散区电压变化。

(9)

根据第九发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在基于第八发明的用于固态成像装置的像素中，还包括第三深沟槽隔离、第三垂直金属栅及用于在像素的浮置扩散区和相邻像素的浮置扩散区之间切换输出的开关，第三深沟槽隔离和第三垂直金属栅重叠地配置在开关的周围。

在多个像素被组合并且明显地被视为一个更大像素的情况下(在下文中，被称为合并(binning))，多个像素的浮置扩散区被共同连接。并且，在某些情况下，固态成像装置具有切换打开和关闭合并的功能。在这种情况下，在相邻像素的浮置扩散区之间设置有用于输出切换的开关，以便独立地使用或者共同使用多个相邻像素。杂散光有可能泄漏到用作开关的MOS晶体管的源极和漏极中。在根据第九发明的用于固态成像装置的像素中，第三深沟槽隔离和第三垂直金属栅重叠布置在开关周围，从而可以防止杂散光泄漏到开关。

(10)

根据第十发明的用于固态成像装置的像素，也可以是在第八发明的用于固态成像装置的像素中，将第一深沟槽隔离和第二深沟槽隔离组合以形成一个宽深沟槽隔离，宽深沟槽隔离的尖端与第一垂直金属栅的尖端以及第二垂直金属栅的尖端之间存在预定的空间。

在这种情况下，形成在一个宽深沟槽隔离上的遮光膜完全覆盖浮置扩散区，并且可以防止杂散光从第一表面侧泄漏到浮置扩散区中。

附图说明

图1是从第二表面侧观察的第一实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图2是沿着图1中的面C-C'截取的第一实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性截面图。

图3是第一实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性等效电路图。

图4是从第二表面侧观察的第二实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图5是从第二表面侧观察的第三实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图6是从第二表面侧观察的第四实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图7是沿着图6中的面C-C'截取的第四实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性截面图。

图8是第五实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性截面图。

图9是从第二表面侧观察的第六实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图10是从第二表面侧观察的第七实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图11是从第二表面侧观察的第八实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图12是从第二表面侧观察的第九实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图13是沿着图12中的面C-C'截取的第九实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性截面图。

图14是从第二表面侧观察的第十实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图15是从第二表面侧观察的第十一实施方式的用于固态成像装置的像素的示意性俯视图。

图16是垂直金属栅晶体管的示意性截面图。

图17是垂直金属电容的示意截面图。

具体实施方式

以下，将参考附图描述本发明的实施方式。在下面的描述中，相同的部件标注相同的附图标记。并且，在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

[第一实施方式]

图1是从第二表面侧观察的第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图，图2是沿着图1中的面C-C'截取的第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性截面图。并且，图3是第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性等效电路图。然而，在图1和图2中，图3的示意性等效电路中除虚线包围的部分以外的元件并未图示。另外，固态成像装置的第一表面是光入射侧的表面，第二表面是与第一表面相反的一侧的表面。

第一实施方式的用于固态成像装置的像素100是用于间接TOF相机的像素。将参照图3描述用于间接TOF相机的像素的操作。在间接TOF相机的情况下，为了在多个时间窗(时钟)中对光电二极管(PD)的电荷进行采样，配置有多个传输晶体管(TG1，TG2)。由传输晶体管(TG1，TG2)采样的电荷分别累积在浮置扩散区(FD1，FD2)中，并通过源极跟随器(SF1，SF2)和选择晶体管(SEL1，SEL2)从输出端口(OUT1，OUT2)读出。

间接TOF相机中飞行时间的计算是使用FD1中存储的电荷与FD2中存储的电荷比得到。为了减少FD1中累积的电荷与FD2中累积的电荷的比的误差，在时间上入射光恒定的情况下，必须分别在TG1和TG2进行采样，使FD1和FD2中累积的电荷量相同，但由于诸如倾斜入射光之类的杂散光直接泄漏到FD1或FD2中，会产生FD1和FD2中累积的电荷量之间的误差变大的问题。特别是在间接TOF相机中，一般采用具有长波长的近红外光作为作入射光，因此使得入射光更加容易泄漏到FD中，所以采取对策以防止杂散光的影响变得很重要。

接下来，将参照图1和图2描述第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的结构。

PD10形成在P型外延层11、低浓度N型扩散层12和N型扩散层13之间，并且产生与从作为图2的下侧的面的第一表面入射的光的光量相对应的电荷。另外，虽然未在图中示出，但是P型外延层11连接到GND。

在作为图2的上侧的面的第一表面上形成有传输晶体管的栅极(第一TG20和第二TG21)和场扩散区域(第一FD30和第二FD31)，PD10所产生的电荷分别经由第一TG20和第二TG21被转移到第一FD30和第二FD31。

在图1中，第一TG20和第二TG21平行于正方形形状的PD10的两个相对的边形成，并且长方形形状的第一FD30和第二FD31形成在第一TG20和第二TG21的外侧的边上。然而，当PD10为正方形形状时，第一TG20和第二TG21有时会形成在PD10的各个角处。在这种情况下，第一FD30和第二FD31不会成为长方形形状。

此外，嵌入有遮光材料45的第一背侧深沟槽隔离(B-DTI)40从第一表面朝向第二表面以预定深度形成，并包围PD10的周围。因此，第一B-DTI40可以阻挡从硅基板的第一表面附近的部分到第一FD30和第二FD31的杂散光。作为遮光材料45，可以使用例如，Ti或W等。并且作为遮光材料45的形成方法，例如，可以使用CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法。

此外，代替在第一B-DTI40中嵌入遮光材料45，可以在遮光材料45的部分处形成气隙。在这种情况下，硅基板的折射率为大约3.5，第一B-DTI40的氧化硅膜的折射率为大约1.5，与此相对，气隙(充满诸如空气的气体的空间)的折射率为大约1.0，因此从硅基板的第一表面附近的部分经由第一B-DTI40的氧化硅膜入射到氧化硅膜与气隙之间的界面上的光在界面处被全反射。因此，形成有气隙的第一B-DTI40可以阻挡来自硅基板的第一表面附近的部分到第一FD30和第二FD31的杂散光。

或者，也可以不在第一B-DTI40上形成气隙，而是通过嵌入折射率比氧化硅膜低的物质来形成在与氧化硅膜的界面处具有光反射功能的结构。

第一TG20和第二TG21同时具备从第二表面朝向第一表面以预定深度形成的第一垂直金属栅50，并且形成T形金属栅。第一垂直金属栅50的尖端与第一B-DTI40的尖端相比延伸到第一表面，并且每个第一垂直金属栅50配置在平行于PD10的一边并且比第一B-DTI40更靠近PD10侧。

另外，图1示出有N型扩散层32和DR晶体管(drain晶体管)的栅极22。在非曝光时间期间，DR晶体管用来防止继续收集电子溢出到旁边的电子存储单元。图3的FD1和FD2中累积的电荷通过SF1和SEL1以及SF2和SEL2读取，在读取期间，用于读出PD收集到的电荷。

并且，在第一实施方式中，时间窗口(时钟)是两相的，并且第一TG20和第二TG21平行地配置在PD10的左右的边，但在时钟为三相时，TG可以平行地配置于PD10的左右和下侧的边。另外，当时钟为四相时，可以是，例如PD是六边形等多边形，TG平行于其中四边。

接下来，将描述在第一实施方式的像素结构中阻挡杂散光的效果。在没有第一B-DTI40的情况下，从第一表面入射的倾斜入射光泄漏到第一FD30或第二FD31中，并且在第一FD30和第二FD31中累积的电荷量之间误差变大。与此相对，在第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的结构中，从第一表面入射的倾斜入射光被嵌入有遮光材料45的第一B-DTI40阻挡，不会泄漏到第一FD30和第二FD31。此外，认为诸如由第一B-DTI40反射的倾斜入射光之类的杂散光会从第一B-DTI40的尖端穿过第二表面侧并且泄漏到第一FD30和第二FD31中，但在第一实施方式的像素结构中，由于形成了与第一B-DTI40的尖端相比延伸到第一表面侧的第一垂直金属栅50，因此杂散光不会从第一B-DTI40的尖端穿过第二表面侧并且泄漏到第一FD30和第二FD31中。

第一实施方式的用于固态成像装置的像素100是用于间接TOF相机的像素，但是相同的像素结构也可以用于全局快门型的固态成像装置的像素。在这种情况下，图3中的TG-FD-SF-SEL成为一个系统。然而，在全局快门型的固态成像装置中，每个像素的TG同时被打开，并被传送到FD，然后每个像素的TG被关闭，然后在FD中累积的电荷被依次读出，因此根据像素在像素阵列中的位置，转移到FD的电荷的累积时间变长。因此，如果诸如斜入射光之类的杂散光直接泄漏到FD中，则特别是在电荷累积时间长的像素中，由于杂散光带来SNR恶化。

与此相对，如果使用第一实施方式的像素结构，则可以防止诸如斜入射光的杂散光泄漏到FD中。

[第二实施方式]

图4表示第二实施方式的用于固态成像装置的像素100的从第二表面侧观察的示意性俯视图。

第二实施方式的用于固态成像装置的像素100与第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，第一TG20和第二TG21的栅极均包括多个第一垂直金属栅50，多个第一垂直金属栅50之间存在没有第一垂直金属栅50的平面门区域，其他方面与第一实施方式的用于固态成像装置的像素100相同。

第一垂直金属栅50有利于将PD10的较深部分(靠近硅基板的第一表面的部分)中的电荷转移至第一FD30和第二FD31，但是在将PD10的较浅部分(靠近硅基板的第二表面的部分)电荷转移到FD时，由于有效栅极长度变长，传输速度变慢。

但是，特别是在用于间接TOF相机的固态成像装置中，第一TG20和第二TG21的时钟频率高达几百MHz，加快第一TG20和第二TG21的电荷传输速率对提升深度性能有重要意义。

在根据第二实施方式的用于固态成像装置的像素100中，第一TG20和第二TG21设置有多个第一垂直金属栅50，并且在多个第一垂直金属栅50之间配置没有第一垂直金属栅50的平面门区域，由此加快来自PD10的较浅部分的电荷传输速度。

[第三实施方式]

图5表示第三实施方式的用于固态成像装置的像素100的从第二表面侧观察到的示意性俯视图。

第三实施方式的用于固态成像装置的像素100第二实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，多个第一垂直金属栅50具有从彼此相邻的端部同时向第一FD30或第二FD31的方向上延伸的延伸部，其他方面与第二实施方式的用于固态成像装置的像素100相同。

在第二实施方式的用于固态成像装置的像素100中，由于在第一TG20和第二TG21的一部分中存在没有第一垂直金属栅50的区域，因此从接近PD10的第二表面的区域可能有一部分杂散光会泄漏到第一FD30和第二FD31中，但是在第三实施方式的用于固态成像装置的像素100中，通过第一垂直金属栅50具有从彼此相邻的端部同时向第一FD30或第二FD31的方向上延伸的延伸部，与没有延伸部的情况相比，可以进一步阻挡从PD10的较浅部分到第一FD30或第二FD31的杂散光。

此外，在第三实施方式的用于固态成像装置的像素100中，多个第一垂直金属栅50的彼此相邻的端部之间的距离L，短于第一FD30和第二FD31面对第一TG20和第二TG21的边的长度M。在这种情况下，第一垂直金属栅50的延伸部配置在第一FD30和第二FD31的面向第一TG20和第二TG21的边的内侧，因此除了第一垂直金属栅50的彼此面对的内侧的沟道区域之外，外侧的沟道区域也变为有效沟道区域，增加了第一TG20和第二TG21的传输能力。

然而，在图5的像素结构中，由于外侧的沟道区域与第一FD30和第二FD31和浅沟道隔离(Shallow Trench Isolation)的界面相邻，所以转移电子也可能受到界面电平的影响而导致SNR恶化。这种情况下，多个第一垂直金属栅50彼此相邻的端部之间的距离L，最好大于第一FD30和第二FD31面向第一TG20和第二TG21的边的长度M，从而使得第一垂直金属栅50的外侧的沟道区域不会作为实质上的沟道发挥功能。

[第四实施方式]

图6是从第二表面侧观察的第四实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图，图7沿着图6中的面C-C'截取的第四实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性截面图。

通过比较图6和图1以及图7和图2可以看出第四实施方式的用于固态成像装置的像素100与第一实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，第一B-DTI40配置在比第一垂直金属栅50更靠近PD10侧，其他方面与第一实施方式的用于固态成像装置的像素100相同。

在图7的像素结构中，倾斜入射光不可能通过第一垂直金属栅50和第一B-DTI40之间的间隙直接泄漏到第一FD30和第二FD31，杂散光能够被有效地阻挡。另一方面，在图2的像素结构中，通过将第一垂直金属栅50配置在比第一B-DTI40更靠近PD10侧，能够提高累积在靠近PD10的第一表面的区域的电荷到第一FD30和第二FD31的传输速度。

因此，第一B-DTI40配置在比第一垂直金属栅50更靠近PD10侧还是更靠第一FD30和第二FD31侧，应该考虑取决于杂散光对的飞行时间(TOF)误差的影响，以及第一TG20和第二TG21的时钟频率等来综合判断。

在第四实施方式的用于固态成像装置的像素100中，与第二实施方式一样，也可以是，第一TG20和第二TG21的栅极均包括多个第一垂直金属栅50，在多个第一垂直金属栅极50之间设置没有第一垂直金属栅50的平面栅极区域。此外，如在第三实施方式中，多个第一垂直金属栅50可以具有从彼此相邻的端部同时沿第一FD30或第二FD31的方向延伸的延伸部。

[第五实施方式]

图8表示第五实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性截面图。

第五实施方式的用于固态成像装置的像素100与第四实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，在第二表面上的绝缘膜上的与PD10重叠的区域中形成金属栅反射板55，其他方面与第四实施方式的用于固态成像装置的像素100相同。

在这种情况下，由于入射光中透过PD10的光被金属栅反射板55反射，因此透射光被第二表面上的布线等反射，可以防止从第二表面侧泄漏到第一FD30和第二FD31。作为金属栅反射板55，可以直接使用在普通逻辑晶体管中使用的金属栅，并且不需要附加的处理步骤。作为金属栅结构中的金属材料，经常使用TiN等。

另外，在图8中，在图6中的第二表面的绝缘膜上，在与PD10重叠的区域形成有金属栅反射板55，而在图1、图4或图5的第二表面的绝缘膜上，在与PD10重叠的区域形成金属栅反射板55时也会获得相同的效果。

另外，金属栅反射板55只要形成为与PD10的大部分重叠即可，也可以例如比PD10稍小或比PD10稍大。

[第六实施方式]

图9表示从第二表面侧观察的第六实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图。

第六实施方式的用于固态成像装置的像素100与第四实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，进一步包括第二垂直金属栅51，第二垂直金属栅51以包围PD10、第一B-DTI40、第一TG20和第二TG21以及第一FD30和第二FD31的方式配置。

在这种情况下，能够抑制通过从自身像素的第一TG20和第二TG21以及相邻像素的TG之间经由硅基板的靠第二表面的区域绕回到第一FD30和第二FD30的杂散光或来自像素内的晶体管的发光引起的第一FD30和第二FD30的电压变动。

另外，在图9中，第一B-DTI40比第一垂直金属栅50更靠近PD10侧，但是如第一实施方式，即使在第一B-DTI40比第一垂直金属栅50更靠近第一FD30和第二FD31侧的情况下，也可以获得同样的效果。

[第七实施方式]

图10表示第七实施方式的用于固态成像装置的像素100的从第二表面侧观察到的示意性俯视图。

第七实施方式的用于固态成像装置的像素100相对于第六实施方式的用于固态成像装置的像素100的不同之处在于，进一步包括第二B-DTI41，第二B-DTI41配置为包围第二垂直金属栅51。

在这种情况下，能够进一步抑制通过从自身像素的第一TG20和第二TG21以及相邻像素的TG之间经由硅基板的靠第一表面的区域绕回到第一FD30和第二FD30的杂散光或来自像素内的晶体管的发光引起的FD电压变动。

[第八实施方式]

图11是从第二表面侧观察的第八实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图。

第八实施方式的用于固态成像装置的像素100是具有binning开/关切换功能的用于固态成像装置的像素100，增加了用于将多个像素的FD共同连接并输出或分别单独地输出的SW晶体管90和SW晶体管91。在图11中，92、93和94分别是SW晶体管90的源极、漏极和栅极，95、96和97分别是SW晶体管91的源极、漏极和栅极。例如，源极92连接到第一FD30，漏极93连接到第一公共输出，源极95连接到第二FD31，漏极96连接到第二公共输出，并且能够通过将栅极94和栅极97设置为高电压而打开binning，通过将将其设置为低电压来关闭Binning。

在图11中，第二B-DTI41和第二垂直金属栅51以包围PD10、第一B-DTI40、第一TG20和第二TG21以及第一FD30和第二FD31的方式配置，第三B-DTI42和第三垂直金属栅52以包围SW晶体管90和SW晶体管91的周围的方式配置。

在从第二表面侧观察的俯视图中，第二B-DTI41和第二垂直金属栅51以及第三B-DTI42和第三垂直金属栅52分别形成在同一位置，因此，它们在硅基板内部没有间隙地连接在一起，。

在这种情况下，SW晶体管90和SW晶体管91的源极92和漏极93还可以抑制由于来自自身像素和相邻像素的杂散光引起的电压变动，并且在具有binning开/关切换功能的用于固态成像装置的像素100中，可以抑制由于杂散光的影响而导致的间接TOF相机中的飞行时间误差。

[第九实施方式]

图12表示从第二表面侧观察的第九实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图；图13表示第九实施方式的用于固态成像装置的像素100的沿图12的面C-C′截取的示意性截面图。

在第九实施方式的用于固态成像装置的像素100中，将第七实施方式的用于固态成像装置的像素100的第一B-DTI40和第二B-DTI41组合成一个宽B-DTI43，在一个宽B-DTI43的尖端与第一垂直金属栅50的尖端与第二垂直金属栅51的尖端之间存在预定空间。

如图13所示，一个宽B-DTI43是梯形槽，并且当从第一表面侧观察时，遮光膜70完全覆盖第一FD30和第二FD31，可以阻止杂散光从第一表面侧泄漏到第一FD30和第二FD31。

此外，通过在一个宽B-DTI43的尖端与第一垂直金属栅50的尖端以及第二垂直金属栅51的尖端之间具有预定的空间，能够使电荷由PD10传送到第一FD30和第二FD31。

[第十实施方式]

图14(a)和图14(b)表示从第二表面侧观察的第十实施方式的用于固态成像装置的像素100的示意性俯视图。图14(a)中的用于固态成像装置的像素100类似于图1中的用于固态成像装置的像素100，但是进一步地，PD10中的上半部在第一表面侧被遮光膜70覆盖，在图14(b)中的用于固态成像装置的像素100中，进一步地，PD10中的下半部在第一表面侧被遮光膜70覆盖。

图14(a)和图14(b)是将用于图像平面相位差自动对焦的用于固态成像装置的像素100集成到间接TOF成像装置中时的、用于图像平面相位差自动对焦的用于固态成像装置的像素100的俯视图。在用于图像平面相位差自动对焦的用于固态成像装置的像素100中，在一个像素的一部分(图14(a)中的下半部，图14(b)中的上半部)中形成狭缝。然后，在图像平面相位差自动对焦中，将由在上半部分形成有狭缝的像素的输出构成的图像与由在下半部分形成有狭缝的像素的输出构成的图像进行比较，计算这些图像之间的位置偏移的距离，由此可以判断相机是否对焦，向前偏移或向后偏移。

然而，当设置遮光膜70时，如图14(a)或图14(b)所示，遮光膜70的边缘位于用于固态成像装置的像素100的中心，并且通常，由于遮光膜70的边缘具有锥形形状，在锥形形状的遮光膜70的边缘反射的光向PD10的没有遮光膜70的一侧的边(在图14(a)中的下侧的边，在图14(b)中的上侧的边)入射。

在这种情况下，若在PD10没有遮光膜70的一侧的边上设置第一TG20、第二TG21和第一FD30、第二FD31，则在边缘反射的光有可能直接泄漏到第一FD30、第二FD31。

因此，在第十实施方式的用于固态成像装置的像素100中，第一TG20、第二TG21和第一FD30、第二FD31设置在PD10的与遮光膜70的边缘正交的边(图14(a)和图14(b)的左侧和右侧的边)。

此外，在用于图像平面相位差自动对焦的像素的情况下，由于入射光产生的电荷不需要在多个时间窗口(时钟)中单独采样，因此，在图14(a)或图14(b)的用于固态成像装置的像素100中，也可以通过将第一FD30和第二FD31是共同连接，一起输出多个时间窗口(时钟)采样的电荷，增加在黑暗中的输出信号，改善对焦特性。

[第十一实施方式]

图15表示第十一实施方式的用于固态成像装置的像素100的从第二表面侧观察到的示意性俯视图。图15的用于固态成像装置的像素100类似于图1的用于固态成像装置的像素100，但还从PD10的第一表面朝向第二表面侧，形成多个平行的B-STI44。B-STI44设置的目的在于通过延长入射光的光路长度，将入射光有效地转换为电荷。

但是，当B-STI44被配置为垂直于连接第一TG20和第二TG21的线时，B-STI44反射的光可能会直接或由第一B-DTI40反射而泄漏到第一FD30、第二FD31中。

因此，在第十一实施方式的用于固态成像装置的像素100中，将B-STI44配置为与连接第一TG20和第二TG21的线平行，B-STI44反射的光不会泄漏到第一FD30或第二FD31中。

[第十二实施方式]

图16表示第十二实施方式的T型MOS晶体管110的截面图。在图16中，111是MOS晶体管的源极，112是漏极，113是栅极，114是栅极113的垂直金属栅部分。

第十二实施方式的T型MOS晶体管110能够用于需要低噪声特性的MOS晶体管，例如用于固态成像装置的像素100的源极跟随器SF1、SF2或固态成像装置所包含的列ADC电路内的MOS晶体管等。

在MOS晶体管中，由于载流子的大部分都在硅基板的表面上流动，所以容易受到在表面附近产生的1/f噪声的影响。MOS晶体管的1/f噪声功率与栅极的面积成反比。因此，为了减小MOS晶体管的噪声，需要增大栅极面积，即栅极长度和栅极宽度的乘积。但是，在通常的平面栅极中，为了增大栅极面积，需要增大MOS晶体管整体的面积，像素的面积以及固态成像装置整体的面积变大。

然而，如果使用第十二实施方式的T型MOS晶体管110，通过垂直金属栅部分114，在不增大MOS晶体管的整个面积的情况下，就能够增大MOS晶体管的栅极长度和栅极面积。而且，通过使用面积小且1/f噪声小的T型MOS晶体管110，能够实现低噪声小面积的固态成像装置。

此外，垂直金属栅部分114的因为由金属形成而电阻小，对开关的高速化也有效果。

[第十三实施方式]

图17表示第十三实施方式的MOS电容120的截面图。在图17中，121是构成MOS电容120的一个电极的N型扩散层，122是用于连接到N型扩散层的N+扩散层，123是构成MOS电容120的另一个电极的栅极，124是构成栅极123的一部分的垂直金属栅。

在现有的由平面栅极和N型扩散层构成MOS电容的情况下，由于MOS电容的电容值与栅极的面积成比例，所以大的MOS电容需要大的面积。但是，在第十三实施方式的MOS电容120的情况下，由于垂直金属栅124的侧壁构成MOS电容，所以能够以小面积构成大的MOS电容。另外，由于垂直金属栅124由金属形成，所以电阻小，对MOS电容的寄生电阻的减少也有效果。

以上介绍的实施例实施方式的用于固态成像装置的像素100是用于间接TOF相机的像素，有两个传输晶体管(TG1，TG2)以在多个时间窗(时钟)中对光电二极管(PD)的电荷进行采样。由传输晶体管(TG1，TG2)采样的电荷分别存储累积在浮置扩散区(FD1，FD2)中，并通过源极跟随器(SF1，SF2)和选择晶体管(SEL1，SEL2)从输出端口(OUT1，OUT2)读出。最终根据FD1中存储累积的电荷与FD2中存储累积的电荷比得飞行时间，测得距离。实际上也存在采用三个传输晶体管有或者四个传输晶体管以在更多时间窗(时钟)中对光电二极管(PD)的电荷进行采样，同样浮置扩散区，源极跟随器，输出端口也会相应增加，以上所有介绍的发明实例用来可以阻止入射光从FD的泄漏，从而避免引起相应的TOF深度性能恶化方法，都可以同样工作在采用更多时间窗口的间接TOF相机的像素中。

在本发明中，光电二极管(PD)10相当于“光电二极管(PD)”，第一TG20或第二TG21相当于“传输晶体管(TG)”，第一FD30或第二FD31相当于“浮置扩散区(FD)”，第一B-DTI40相当于“第一深沟道隔离(B-DTI)”，第一垂直金属栅50相当于“垂直金属栅”，用于固态成像装置的像素100相当于“用于固态成像装置的像素”，金属栅反射板55相当于“金属栅反射板”，第二垂直金属栅51相当于“第二垂直金属栅”，第二B-DTI41相当于“第二B-DTI”，SW晶体管90相当于“开关(SW)”，第三B-DTI42相当于“第三B-DTI”，第三垂直金属栅52相当于“第三垂直金属栅”，宽B-DTI43相当于“宽B-DTI”，遮光材料45相当于“遮光材料45”。

本发明的优选实施方式如上所述，但本发明并不仅限于此。可以理解为不脱离本发明的精神和范围的各种实施方式。此外，在本实施方式中，叙述了本发明的结构的作用及效果，但这些作用及效果只是一例，并不限定本发明。

符号说明

10 PD

20 第一TG

21 第二TG

30 第一FD

31 第二FD

40 第一B-DTI

41 第二B-DTI

42 第三B-DTI

43 宽B-DTI

45 遮光材料

50 第一垂直金属栅

51 第二垂直金属栅

52 第三垂直金属栅

55 金属栅反射板

90 SW晶体管

100 用于固态成像装置的像素

Claims (10)

1.一种用于固态成像装置的像素，其特征在于，包括：

多边形状的光电二极管，其根据从硅基板的第一表面入射的光的光量产生电荷；

至少一个传输晶体管，其形成在所述硅基板的第二表面上，并且一端连接到所述光电二极管；

浮置扩散区，其形成在所述硅基板的第二表面上，所述浮置扩散区的一端分别连接到各传输晶体管的另一端；以及

第一深沟槽隔离，其从所述硅基板的第一表面朝向所述第二表面以预定深度形成并包围所述光电二极管的周围；

遮光材料嵌入所述第一深沟槽隔离中，或者在所述第一深沟槽隔离内部形成具有光学反射功能的结构；

所述传输晶体管的栅极在至少一部分上具有从所述硅基板的第二表面朝向所述第一表面以预定深度形成的第一垂直金属栅；

所述第一垂直金属栅的尖端在与所述第一深沟槽隔离的尖端相同的平面上延伸或比所述第一深沟槽隔离的尖端更延伸到所述硅基板的第一表面侧；

所述第一垂直金属栅分别配置在比所述第一深沟槽隔离更靠近所述光电二极管侧。

2.根据权利要求1所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

每个传输栅极分别包括多个所述第一垂直金属栅，并且在多个所述第一垂直金属栅之间存在没有第一垂直金属栅的平面栅极区域。

3.根据权利要求2所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

多个所述第一垂直金属栅具有从彼此相邻的端部沿所述浮置扩散区方向延伸的延伸部。

4.根据权利要求3所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

多个所述第一垂直金属栅的彼此相邻的端部之间的距离短于所述浮置扩散区面向所述传输晶体管的边的长度。

5.根据权利要求1所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

相对于所述第一深沟槽隔离，所述第一垂直金属栅分别配置在所述浮置扩散区侧而不是所述光电二极管侧。

6.根据权利要求1所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

还包括金属栅反射板，所述金属栅反射板在所述硅基板的第二表面的绝缘膜上形成与所述光电二极管重叠的区域中。

7.根据权利要求1至6中的任何一项的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

还包括第二垂直金属栅，所述第二垂直金属栅以包围所述光电二极管、所述第一深沟槽隔离、所述传输晶体管和所述浮置扩散区的方式配置。

8.根据权利要求7所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

还包括第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离以包围所述第二垂直金属栅的方式配置。

9.根据权利要求8所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

还包括第三深沟槽隔离、第三垂直金属栅和用于在所述像素的所述浮置扩散区与相邻像素的浮置扩散区之间切换输出的开关，所述第三深沟槽隔离和所述第三垂直金属栅重叠地配置在所述开关的周围。

10.根据权利要求8所述的用于固态成像装置的像素，其特征在于，

所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离结合形成一个宽深沟槽隔离，所述一个宽深沟槽隔离的尖端和所述第一垂直金属栅的尖端以及所述第二垂直金属栅的尖端之间存在预定的空间。

Images