CN116057953A - 固态摄像元件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够实现高饱和性能和最大传输性能的固态摄像元件。固态摄像元件包括以二维阵列状排列的多个单位像素。多个单位像素分别包括对入射光进行光电转换的光电转换单元和被堆叠在光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上并具有检测存储在光电转换单元处的电荷的检测节点的配线层。在多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，检测节点的中心与光电转换单元的光接收中心基本一致。

Description

固态摄像元件和电子设备
技术领域
本公开涉及固态摄像元件和包括该固态摄像元件的电子设备。
背景技术
例如，根据专利文献1，在单位像素中布置具有不同面积的两个像素，即，较大像素和较小像素，并且在小面积像素上设置减光部，从而像素具有不同的灵敏度。以这种方式，存储在小面积像素的光电转换元件的电荷存储单元处的电荷量增加到其面积比以上，并且动态范围扩大。
在该示例中，大面积像素和小面积像素的传输电极位置(检测节点电极位置)位于单位像素的边缘或光电转换区域的边缘，使得光电转换后的电荷在电荷检测期间朝向上述边缘传输。该电极位置分别为从光学中心远离像素尺寸的至少10％。
近年来，对具有足够高的分辨率以识别前方约200米处的远方标志上的数值且具有至少60fps的帧速率的车载相机存在需求。为此，必须在增加像素数量的同时缩短水平消隐周期(读出时间)，并且最重要的是，必须缩短像素的信号电荷传输时间。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP 2017-163010A
发明内容
技术问题
鉴于上述情况，当将传输电极设置在光电转换区域的边缘时，传输所产生的电荷需要时间，电荷不能在期望的时间内传输。当电势处于无梯度区域时，平均传输时间最差，并且由“距离的平方/扩散系数D”表示。当电势加深以增加饱和电荷量时，在传输路径的电势梯度中产生电势袋(potential pocket)，并且电荷更有可能被捕获。根据袋的高度和温度，电荷从中逸出也需要时间，因此，从使饱和性能和传输性能最大化的角度来看，在边缘处设置传输电极是不利的。
在包括较大像素和较小像素的结构中，用于产生朝向传输栅极的电势梯度的结构(光电转换区域的形状)在较大像素和较小像素之间不对称，从而由于电荷传输的不对称性而导致传输缺陷和传输时间延迟，并且较大像素和较小像素之间的灵敏度比和灵敏度阴影(sensitivity shading)会防止与光量和波长的相关性恒定。由于最终通过与灵敏度比的增益相乘来合成较大像素和较小像素的输出，因此相对于光量的输出线性必须是恒定的。
鉴于上述情况，本公开的目的是提供一种能够实现高饱和性能和最大传输性能的固态摄像元件和电子设备。
问题的解决方案
根据本公开的一个方面的固态摄像元件包括以二维阵列状排列的多个单位像素，所述多个单位像素分别包括：光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，并且在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
根据本公开的另一方面的电子设备包括固态摄像元件，所述固态摄像元件包括以二维阵列状排列的多个单位像素，所述多个单位像素分别包括：光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，并且在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
附图说明
图1是根据本公开第一实施方案的固态摄像元件的总体结构的示意图。
图2是根据本公开第一实施方案的固态摄像元件中的像素区域的平面图。
图3是根据本公开第一实施方案的单位像素的等效电路图。
图4是根据本公开第一实施方案的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图5是沿着箭头A-B截取的根据本公开第一实施方案的大面积像素的垂直截面图。
图6是根据本公开第二实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图7是沿着箭头A1-B1截取的根据本公开第二实施方案的大面积像素的垂直截面图。
图8是根据本公开第三实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图9是沿着箭头A2-B2截取的根据本公开第三实施方案的大面积像素的垂直截面图。
图10是根据本公开第四实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图11是沿着箭头A3-B3截取的根据本公开第四实施方案的小面积像素的垂直截面图。
图12是根据本公开第五实施方案的单位像素的等效电路的电路图。
图13是根据本公开第五实施方案的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图14是沿着箭头A4-B4截取的根据本公开第五实施方案的小面积像素的垂直截面图。
图15是根据本公开第六实施方案的小面积像素的垂直截面图。
图16是根据本公开第七实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图17是沿着箭头A5-B5截取的根据本公开第七实施方案的大面积像素的垂直截面图。
图18是根据本公开第八实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图19是沿着箭头A6-B6截取的根据本公开第八实施方案的小面积像素的垂直截面图。
图20是根据本公开第九实施方案的固态摄像元件中的大面积像素和小面积像素中的像素晶体管的布置的平面图。
图21是沿着箭头A7-B7截取的根据本公开第九实施方案的大面积像素和小面积像素的垂直截面图。
图22是根据本公开第十实施方案的RGGB型大面积像素和小面积像素的平面图。
图23是根据本公开第十实施方案的RCCB型大面积像素和小面积像素的平面图。
图24是根据本公开第十实施方案的RYYCy型大面积像素和小面积像素的平面图。
图25是根据本公开第十实施方案的RCCC型大面积像素和小面积像素的平面图。
图26是根据本公开第十实施方案的RGB/BLK型大面积像素和小面积像素的平面图。
图27是根据本公开第十实施方案的RGB/IR型大面积像素和小面积像素的平面图。
图28是根据本公开第十实施方案的RGB/偏光型大面积像素和小面积像素的平面图。
图29是根据本公开第十实施方案的RGB/偏光/IR型大面积像素和小面积像素的平面图。
图30是根据本公开第十一实施方案的电子设备的示意图。
具体实施方式
将参照附图说明本公开的实施方案。在以下说明中将被参照的附图中，将由相同或相似的附图标记表示相同或相似的部分，并且不再重复它们的说明。然而，应当注意，附图是示意性的，并且厚度和平面尺寸之间的关系以及装置或部件的厚度比可能与实际情况不符。因此，应当考虑以下说明来确定具体厚度和尺寸。另外，应当理解，一些部分在附图之间具有不同的尺寸关系和比例。
这里，“第一导电类型”是指p型和n型中的一种，并且“第二导电类型”是指p型和n型中的不同于“第一导电类型”的另一种。具有附在“n”和“p”后的“+”和“-”的半导体区域表明，该半导体区域与没有“+”或“-”的半导体区域相比具有相对较高和较低的杂质密度。然而，这并不一定意味着具有相同附图标记“n”的半导体区域具有完全相同的杂质密度。
另外，在以下说明中限定的诸如上下等方向仅仅是为了简洁起见而提供的定义，并不旨在限制本公开中的技术思想。例如，应当理解，当将物体旋转90度并进行观察时，上下方向被解释为左右方向，并且当将物体旋转180度并进行观察时，上下位置颠倒。
这里所述的有益效果仅仅是示例性的，而非限制性的，并且可以产生其他有益效果。
<第一实施方案>
(固态摄像元件的总体构成)
将说明根据本公开第一实施方案的固态摄像元件1。图1是根据本公开第一实施方案的固态摄像元件1的总体的示意图。
图1中的固态摄像元件1是背面照射型互补金属氧化物半导体(CMOS：complementary metal oxide semiconductor)图像传感器。固态摄像元件1通过光学透镜获取来自物体的图像光，将形成在摄像表面上的图像的入射光的光量以像素为单位转换为电信号，并将电信号作为像素信号输出。
如图1所示，根据第一实施方案的固态摄像元件1包括基板2、像素区域3、垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8。
像素区域3包括在基板2上以二维阵列状规则排列的多个单位像素9。单位像素9包括图2所示的大面积像素91和小面积像素92。
垂直驱动电路4可以包括移位寄存器，选择期望的像素驱动配线10，将用于驱动单位像素9的脉冲提供给所选择的像素驱动配线10，并且以行为单位驱动单位像素。更具体地，垂直驱动电路4以行为单位在垂直方向上依次选择性地扫描像素区域3中的单位像素9，并通过垂直信号线11将基于根据单位像素9的光电转换单元中的接收光量而产生的信号电荷的像素信号提供给列信号处理电路5。
例如，列信号处理电路5针对单位像素9的各列设置，以基于像素列对从一行单位像素9输出的信号执行诸如噪声去除等信号处理。例如，列信号处理电路5执行诸如用于去除像素特有的固定模式噪声的相关双采样(CDS：correlated double sampling)和模数(AD：analog-digital)转换等信号处理。
水平驱动电路6可以包括移位寄存器，向列信号处理电路5依次输出水平扫描脉冲以按顺序选择各列信号处理单元5，并且从各列信号处理器5向水平信号线12输出已经经过信号处理的像素信号。
输出电路7对从列信号处理电路5通过水平信号线12依次提供的像素信号执行信号处理，并输出作为结果的像素信号。信号处理的示例包括缓冲、黑电平调节、列变化校正和各种数字信号处理。
控制电路8基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟信号而产生作为例如垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6的操作的基准的时钟信号或控制信号。控制电路8还将产生的时钟信号或控制信号输出到例如垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6。
图2是图1所示的固态摄像元件1中的像素区域3的平面图。如图2所示，单位像素9具有包括大面积像素91和小面积像素92的子像素结构，并具有以马赛克图案排列的多个大面积像素91和小面积像素92。如图2示意性所示，用于红色的大面积像素91被标记为“R”，用于蓝色的大面积像素91被标记为“B”，并且用于绿色的大面积像素91被标记为“G”。大面积像素91和小面积像素92的排列模式不限于图2中的排列模式，并且像素可以以各种模式排列。
在图2中，大面积像素91和小面积像素92在行方向和列方向上以相等的间距排列。大面积像素91和小面积像素92通过像素间遮光部(RDTI)31电隔离。RDTI 31形成为格子图案，以包围各大面积像素91和各小面积像素92。
(单位像素的等效电路)
图3示出了单位像素9的等效电路。
单位像素9包括用于大面积像素91的光电二极管(SP1)91a、用于小面积像素92的光电二极管(SP2)92a、传输晶体管(TGL)93a、转换效率调节晶体管(FDG和FCG)93b和93c、复位晶体管(RST)93d、放大晶体管(AMP)93e、选择晶体管(SEL)93f和电荷存储电容器单元93g。传输晶体管(TGL)93a、转换效率调节晶体管(FDG和FCG)93b和93c、复位晶体管(RST)93d、放大晶体管93e和选择晶体管(SEL)93f是像素晶体管，并且可以是MOS晶体管。
用于大面积像素91的光电二极管91a构成对入射光执行光电转换的光电转换单元。光电二极管91a的阳极接地。光电二极管91a的阴极连接到传输晶体管93a的源极。
传输晶体管93a的漏极连接到由浮动扩散区域构成的电荷存储单元93h。传输晶体管93a响应于施加到栅极的传输信号而将电荷从光电二极管91a传输到电荷存储单元93h。
电荷存储单元93h存储从光电二极管91a通过传输晶体管93a传输的电荷。根据存储在电荷存储单元93h处的电荷量而对电荷存储单元93h的电位进行调制。
转换效率调节晶体管93b的源极连接到电荷存储单元93h。转换效率调节晶体管93b的漏极连接到转换效率调节晶体管93c和复位晶体管93d的源极。转换效率调节晶体管93b响应于施加到栅极的转换效率调节信号来调节电荷转换效率。
另一方面，用于小面积像素92的光电二极管92a构成对入射光执行光电转换的光电转换单元。光电二极管92a的阳极接地。光电二极管92a的阴极连接到电荷存储电容器单元93g。电源电位(FC-VDD)被施加到电荷存储电容器单元93g。转换效率调节晶体管93c的漏极连接到光电二极管92a的阴极和电荷存储电容器单元93g。
当转换效率调节晶体管93b和93c截止时，电荷存储电容器单元93g存储从光电二极管92a产生的电荷。响应于施加到转换效率调节晶体管93b和93c的栅极的转换效率调节信号，从光电二极管92a产生的电荷和存储在电荷存储电容器单元93g处的电荷被传输到电荷存储单元93h。
电源电位(VDD)被施加到复位晶体管93d的漏极。复位晶体管93d响应于施加到栅极的复位信号而将存储在电荷存储电容器单元93g处的电荷和存储在电荷存储单元93h处的电荷初始化(复位)。
电荷存储单元93h和传输晶体管93a的漏极连接到放大晶体管93e的栅极。放大晶体管93e的漏极连接到选择晶体管93f的源极。电源电位(VDD)被施加到放大晶体管93e的源极。放大晶体管93e放大电荷存储单元93h的电位。
选择晶体管93f的漏极连接到垂直信号线11。选择晶体管93f响应于选择信号而选择单位像素9。当选择单位像素9时，与由放大晶体管93e放大后的电位相对应的像素信号通过垂直信号线11输出。
(像素晶体管的布置)
图4是大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。
传输晶体管(TGL)93a、转换效率调节晶体管(FDG和FCG)93b和93c以及复位晶体管(RST)93d被设置在配线21中。放大晶体管(AMP)93e和选择晶体管(SEL)93f被设置在配线22中。配线21和放大晶体管(AMP)93e例如通过接合线连接。配线22和配线23电分离。
(单位像素的截面结构)
图5是沿着图4中的箭头A-B截取的大面积像素91的垂直截面图。在下文中，将固态摄像元件1的各部件在光入射表面侧(图5中的下侧)的表面称为“背面”，并且将固态摄像元件1的各部件在与光入射表面侧相反的一侧(图5中的上侧)的表面称为“前面”。
如图5所示，在大面积像素91中，光电二极管91a形成在基板2上。滤色器41和片上透镜42按该顺序布置在半导体基板2的背面上。配线层43堆叠在基板2的前面上。
基板2可以是由硅(Si)制成的半导体基板。光电二极管91a由n型半导体区域91a1和形成在基板2的前面侧的p型半导体区域91a2之间的pn结构成。在光电二极管91a中，产生与通过n型半导体区域2a的入射光量相对应的信号电荷，并且所产生的信号电荷被存储在n型半导体区域91a1处。造成在基板2的界面处产生暗电流的电子被空穴吸收，从而暗电流减小，该空穴是从基板2的背面起在深度方向上形成的p型半导体区域2b和形成在前面上的p型半导体区域2c的多数载流子。
大面积像素91通过形成在p型半导体区域2b中的RDTI 31电隔离。如图5所示，RDTI31从基板2的背面起在深度方向上形成。RDTI 31具有嵌入其中用于提高遮光性能的绝缘膜。
片上透镜42收集照射光，并使收集的光通过滤色器41高效地进入基板2中的光电二极管91a。片上透镜42可以由不具备光吸收特性的绝缘材料制成。
滤色器41对应于期望让各单位像素9接收的光的波长而形成。滤色器41透射任意光波长的光，并使透射的光进入基板2中的光电二极管91a。
配线层43形成在基板2的前面侧，并且包括像素晶体管(其中，图5中仅示出了传输晶体管93a、转换效率调节晶体管93b和复位晶体管93d)以及配线21和23。配线层43设置有由浮动扩散区域构成的电荷存储单元93h。
在具有上述构成的固态摄像元件1中，光从基板2的背面照射，照射的光透过片上透镜42和滤色器41，并且透过的光被光电二极管91a光电转换，从而产生信号电荷。然后，所产生的信号电荷通过形成在配线层43中的像素晶体管而作为像素信号输出到由配线21、22和23形成的图1所示的垂直信号线11上。
根据第一实施方案，电荷存储电容器单元93g不是基板2内部的存储层，而是被放置在配线层43中。高密度p型被注入到堆叠的层之间的边界，以隔离这些层。以这种方式，与平面布局布置相比，可以使光电转换区域最大化。
根据第一实施方案，大面积像素91的光接收中心是由RDTI 31包围的区域的中心。检测节点中心是指传输晶体管93a的栅电极的中心。检测节点是用于检测存储在光电二极管91a处的电荷的节点。
在该示例中，光接收中心的位置与检测节点中心的位置基本一致。这里，措词“基本一致”是指其中穿过大面积像素91的光接收表面的中心的法线和穿过检测节点中心的法线完全一致的情况，以及其中这些线被认为实质上一致的其他情况。可能存在不影响一致性的精度的差异。例如，差异在像素尺寸的10％以内的范围可以被称为基本一致。例如，如果像素尺寸为3μm，且检测节点中心距光接收中心的距离为0.3μm，则该状态可以是基本一致。
应当注意，为了提供与设置在中央的传输晶体管93a的传输栅电极相邻的浮动扩散(FD：floating diffusion)区域和像素晶体管，必须设置高密度p型半导体区域2c，以隔离下面的光电转换区域中的n型半导体区域2a和FD扩散层的n型半导体区域2d。无论是否存在FC电容，都必须将FD扩散层放置在中央附近。
<根据第一实施方案的作用和效果>
如上所述，根据第一实施方案，在作为检测节点的传输晶体管93a导通的瞬间，由光电二极管91a通过光电转换产生的电荷在传输晶体管93a附近经受与电源电压相对应的电场，并且由于传输晶体管93a的栅电极的位置与光电二极管91a的光接收中心位于同一位置，因此能够在尽可能短的时间内高效地进行传输。
根据第一实施方案，电势最深的区域是光电转换区域的中央，即，传输晶体管93a的栅电极的正下方。电荷只需要从最深点基本上在垂直方向上移动，而不需要水平地移动，这使得在电势梯度中难以形成袋。
因此，根据第一实施方案，通过匹配光接收中心和传输中心，可以实现高饱和性能和最大传输性能，并且在包括大面积像素和小面积像素的结构中，可以抑制灵敏度阴影，可以减少着色，并且可以提高SN比。
<第二实施方案>
接下来，将说明第二实施方案。第二实施方案是第一实施方案的变形。
图6是根据第二实施方案的固态摄像元件1A中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。在图6中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第二实施方案，使用平面型传输晶体管93a1。
(单位像素的截面结构)
图7是沿着箭头A1-B1截取的图6中的大面积像素91的垂直截面图。在图7中，用相同的附图标记表示与图5中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第二实施方案，检测节点中心是平面型传输晶体管93a1的栅电极的中心。在该示例中，光接收中心的位置和检测节点中心的位置甚至比根据第一实施方案的情况更加一致。
<根据第二实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第二实施方案，传输晶体管93a1的栅电极的中心进一步与光电二极管91a的光接收中心一致，从而可以缩短传输时间。
<第三实施方案>
接下来，将说明第三实施方案。第三实施方案是第一实施方案的变形。
图8是根据第三实施方案的固态摄像元件1B中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。在图8中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第三实施方案，将垂直型晶体管用于传输晶体管93a2。
(单位像素的截面结构)
图9是沿着箭头A2-B2截取的图8中的大面积像素91的垂直截面图。在图9中，用相同的附图标记表示与图5中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第三实施方案，检测节点中心是垂直传输晶体管93a2的栅电极的中心。在该示例中，光接收中心的位置和检测节点中心的位置甚至比根据第一实施方案的情况更加一致。
<根据第三实施方案的作用和效果>
如上所述，根据第三实施方案，传输晶体管93a2的栅电极的中心进一步与光电二极管91a的光接收中心一致，从而进一步促进了在深度方向上的传输，并且可以缩短传输时间。
<第四实施方案>
接下来，将说明第四实施方案。第四实施方案是第一实施方案的变形。
图10是根据第四实施方案的固态摄像元件1C中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。在图10中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第四实施方案，在小面积像素92中，检测节点中心是与扩散层直接接触的直接连接型。
(单位像素的截面结构)
图11是沿着箭头A3-B3截取的图10中的小面积像素92的垂直截面图。在图11中，用相同的附图标记表示与图5中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
如图11所示，小面积像素92具有形成在基板2上的光电二极管92a。滤色器61和片上透镜62按该顺序布置在半导体基板2的背面上。配线层43堆叠在基板2的前面上。
光电二极管92a包括n型半导体区域92a1和形成在基板2的前面侧的p型半导体区域92a2之间的pn结。在光电二极管92a中，产生与通过n型半导体区域2e的入射光量相对应的信号电荷，并且所产生的信号电荷被存储在n型半导体区域92a1处。造成在基板2的界面处产生暗电流的电子被空穴吸收，从而暗电流减小，该空穴是从基板2的背面起在深度方向上形成的p型半导体区域2f和形成在前面上的p型半导体区域2g的多数载流子。
小面积像素92通过形成在p型半导体区域2f中的RDTI 31电隔离。如图11所示，RDTI 31从基板2的背面起在深度方向上形成。RDTI 31具有嵌入其中用于提高遮光性能的绝缘膜。
片上透镜62收集照射光，并使收集的光通过滤色器61高效地进入基板2中的光电二极管92a。
配线层43形成在基板2的前面侧，并且包括像素晶体管(其中，图11中仅示出了转换效率调节晶体管93b和放大晶体管93e)以及配线21和24。
根据第四实施方案，连接到光电二极管92a的作为检测节点中心的金属51布置在配线层43中。在这种情况下，检测节点中心是与扩散层直接接触的直接连接型。因此，不必使用POLY电极。
<根据第四实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第四实施方案，检测节点中心与光电二极管92a的光接收中心一致，从而可以缩短传输时间。
<第五实施方案>
接下来，将说明第五实施方案。第五实施方案是第一实施方案的变形。
<单位像素的等效电路>
图12是根据第五实施方案的单位像素9的等效电路图。在图12中，用相同的附图标记表示与图3中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第五实施方案，传输晶体管(TGS)93i被插入小面积像素92的光电二极管(SP2)92a与电荷存储电容器单元(FC)93g和转换效率调节晶体管(FCG)93c之间。光电二极管92a的阴极连接到传输晶体管93i的源极。
传输晶体管93i的漏极连接到由浮动扩散区域构成的电荷存储单元93j。传输晶体管93i响应于施加到栅极的传输信号而将电荷从光电二极管92a传输到电荷存储单元93j。
(像素晶体管的布置)
图13是根据第五实施方案的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。
传输晶体管(TGL)93a、转换效率调节晶体管(FDG和FCG)93b和93c、复位晶体管(RST)93d以及传输晶体管(TGS)93i被设置在配线21中。放大晶体管(AMP)93e和选择晶体管(SEL)93f被设置在配线22中。配线21和放大晶体管(AMP)93e通过接合线连接。放大晶体管(AMP)93e也被设置在配线24中。
(单位像素的截面结构)
图14是沿着箭头A4-B4截取的图13中的小面积像素92的垂直截面图。在图14中，用相同的附图标记表示与图11中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
在根据第五实施方案的固态摄像元件1D中，连接到光电二极管92a的作为检测节点中心的传输晶体管(TGS)93i被设置在配线层43中。
<根据第五实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第五实施方案，传输晶体管93i的栅电极与光电二极管92a的光接收中心一致，从而可以缩短传输时间。
<第六实施方案>
接下来，将说明第六实施方案。第六实施方案是第五实施方案的变形。
图15是沿着箭头A4-B4截取的根据第六实施方案的图13中的小面积像素92的垂直截面图。在图15中，用相同的附图标记表示与图14中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
在根据第六实施方案的固态摄像元件1E中，传输晶体管93i1是具有垂直栅极(VG：vertical gate)的垂直晶体管。检测节点中心是作为垂直晶体管的传输晶体管93i1的栅电极的中心。在这种情况下，光接收中心的位置和检测节点中心的位置甚至比根据第五实施方案的情况更加一致。
<根据第六实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第六实施方案，传输晶体管93i1的栅电极的中心与光电二极管92a的光接收中心更加一致，从而进一步促进了在深度方向上的传输，并且可以缩短传输时间。
<第七实施方案>
接下来，将说明第七实施方案。第七实施方案是第一实施方案的变形。
图16是根据第七实施方案的固态摄像元件1F中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。在图16中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第七实施方案，与第一实施方案不同的是，沿着箭头A5-B5截取大面积像素91。
(单位像素的截面结构)
图17是沿着箭头A5-B5截取的图16中的大面积像素91的垂直截面图。在图17中，用相同的附图标记表示与图5中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
如图17所示，作为像素内电容器的电荷存储电容器单元93g位于包括p型半导体区域2c和n型半导体区域2h的光电转换区域的上部(背面)处的配线层43中，从而布局可以比平面布置更具有面积效率。
<第八实施方案>
接下来，将说明第八实施方案。第八实施方案是第七实施方案的变形。
图18是根据第八实施方案的固态摄像元件1G中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。在图18中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第八实施方案，电荷存储电容器单元93g是金属-绝缘体-金属(MIM：metal-insulator-metal)电容器71。随着以这种方式改变绝缘膜的种类，可以容易地增加电容值。
(单位像素的截面结构)
图19是沿着箭头A6-B6截取的图18中的小面积像素92的垂直截面图。在图19中，用相同的附图标记表示与图11中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
金属-绝缘体-金属(MIM)电容器71连接到光电二极管92a的上部。为了提供与设置在中央的传输栅电极相邻的浮动扩散(FD)区域和像素晶体管，必须注入高密度p型半导体区域，以隔离下面的光电转换区域中的n型半导体区域和FD扩散层中的n型半导体区域。
<根据第八实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第八实施方案，作为像素内电容器的电荷存储电容器单元93g是MIM电容器71，并且随着改变绝缘膜的种类，可以容易地增加电容值。
<第九实施方案>
接下来，将说明第九实施方案。第九实施方案是第一实施方案的变形。
图20是根据第九实施方案的固态摄像元件1H中的大面积像素91和小面积像素92中的像素晶体管的布置的平面图。图21是沿着箭头A7-B7截取的图20中的大面积像素91和小面积像素92的垂直截面图。在图20中，用相同的附图标记表示与图4中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。在图21中，用相同的附图标记表示与图5和图11中相同的部分，并且将不再提供其详细说明。
根据第九实施方案，大面积像素91包括n型半导体区域81和被设置为与n型半导体区域81形成pn结的p型半导体区域82。小面积像素92包括n型半导体区域84和被设置为与n型半导体区域84形成pn结的p型半导体区域85。
小面积像素92的pn结的深度位置86被定位为比大面积像素91的pn结的深度位置83更靠近配线层43侧。小面积像素92的pn结的深度位置86被定位为比RDTI 31的深度端部更靠近光入射侧。
RDTI 31的深度位置没有特别限制。该位置可以根据硅的厚度而改变，或者该DTI可以是从前面侧蚀刻的FDTI或贯通DTI。对于任何DTI，形成小面积像素92的pn结的深度位置86只需要比大面积像素91的pn结的深度位置83更浅，且比RDTI 31的深度端部更深。
<根据第九实施方案的作用和效果>
如先前所述，根据第九实施方案，对于大面积像素91，p型半导体区域82可以用于钉扎在背面的硅界面处出现的缺陷能级。因此，可以减小暗电流。除了暗电流减小之外，在小面积像素92中，即使由于更微细的抗蚀剂形状而不能针对n型半导体区域84的深度进行高能注入，并且不能进行耗尽，也可以通过至少用RDTI 31包围中性区域来防止电荷流出到相邻的大面积像素91。
<第十实施方案>
接下来，将说明第十实施方案。图22至图29是用于示出根据第十实施方案的滤色器颜色之间的关系的平面图。
图22是RGGB型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图22所示，多个大面积像素91R、91Gr、91B和91Gb以马赛克图案排列。多个小面积像素92R、92Gr、92B和92Gb以马赛克图案排列。如图22示意性所示，用于红色的大面积像素91R的后缀为“R”，用于蓝色的大面积像素91B的后缀为“B”，用于略带红色的绿色的大面积像素91Gr的后缀为“Gr”，并且用于略带蓝色的绿色的大面积像素91Gb的后缀为“Gb”。
大面积像素91R的滤色器41对应于期望接收的红光的波长而形成。大面积像素91R的滤色器41透射红光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。大面积像素91Gr和91Gb的滤色器41透射绿光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。大面积像素91B的滤色器41透射蓝光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。
另一方面，小面积像素92R的滤色器61透射红光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。小面积像素92Gr和92Gb的滤色器61透射绿光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。小面积像素92B的滤色器61透射蓝光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。
图23是RCCB型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图23所示，多个大面积像素91R、91C和91B以马赛克图案排列。多个小面积像素92R、92C和92B也以马赛克图案排列。
大面积像素91C的滤色器41对应于期望接收的诸如近透明光等光的波长而形成。小面积像素92C的滤色器61对应于期望接收的诸如近透明光等光的波长而形成。
图24是RYYCy型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图24所示，多个大面积像素91R、91Y和91Cy以马赛克图案排列。多个小面积像素92R、92Y和92Cy也以马赛克图案排列。
大面积像素91Y的滤色器41对应于期望接收的黄光的波长而形成。大面积像素91Y的滤色器41透射期望接收的黄光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。
大面积像素91Cy的滤色器41对应于期望接收的青光的波长而形成。大面积像素91Cy的滤色器41透射青光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。
另一方面，小面积像素92Y的滤色器61对应于期望接收的黄光的波长而形成。小面积像素92Y的滤色器61透射黄光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。
小面积像素92Cy的滤色器61对应于期望接收的青光的波长而形成。小面积像素92Cy的滤色器61透射青光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。
图25是RCCC型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图25所示，多个大面积像素91R和91C以马赛克图案排列。多个小面积像素92R和92C以马赛克图案排列。
图26是RGB/BLK型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图26所示，多个大面积像素91R、91Gr、91B和91Gb以马赛克图案排列。多个小面积像素92BLK以马赛克图案排列。
小面积像素92BLK的滤色器61透射黑光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。
图27是RGB/IR型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图27所示，多个大面积像素91R、91Gr、91B和91Gb以马赛克图案排列。多个小面积像素92IR以马赛克图案排列。
小面积像素92IR的滤色器61对应于期望接收的红外光的波长而形成。小面积像素92IR的滤色器61透射红外光波长的光，并使透射的光进入光电二极管92a。
图28是RGB/偏光型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图28所示，多个大面积像素91R、91Gr、91B和91Gb以马赛克图案排列。多个小面积像素92P以马赛克图案排列。
小面积像素92P的滤色器61使期望接收的光偏光，并使光进入光电二极管92a。
图29是RGB/偏光/IR型大面积像素91和小面积像素92的平面图。如图29所示，多个大面积像素91R、91Gr、91B、91Gb和91IR以马赛克图案排列。多个小面积像素92P以马赛克图案排列。
大面积像素91IR的滤色器41对应于期望接收的红外光的波长而形成。大面积像素91IR的滤色器41透射红外光波长的光，并使透射的光进入光电二极管91a。
应当注意，滤色器41和61的颜色没有特别限制，并且颜色的种类也没有限制。大面积像素91和小面积像素92之间的颜色组合没有限制。小面积像素92处的IR或偏光只需要存在于阵列布置的一部分中。
<其他实施方案>
如先前所述，已经参照第一至第十实施方案说明了本公开，但是构成本公开一部分的说明和附图不应被解释为限制特征。应当理解，根据第一至第十实施方案所公开的技术内容的要点，各种替代实施方案、实施例和操作特征对于本领域技术人员而言是显而易见的。可以在不产生矛盾的范围内适当地组合根据第一至第十实施方案的公开特征。例如，可以组合根据多个不同实施方案的公开特征，并且可以组合根据同一实施方案的多个不同变形的特征。
<电子设备的示例性应用>
接下来，将说明根据本公开第十一实施方案的电子设备。图30是根据本公开第十一实施方案的电子设备100的示意图。
根据第十一实施方案的电子设备100包括固态摄像元件101、光学透镜102、快门装置103、驱动电路104和信号处理电路105。根据第十一实施方案，根据本公开第一实施方案的固态摄像元件1被用作电子设备100(诸如相机等)的固态摄像元件101。
光学透镜102基于来自物体的图像光(入射光106)在固态摄像元件101的摄像表面上形成图像。以这种方式，信号电荷在固定时段内存储在固态摄像元件101中。快门装置103控制对固态摄像元件101的光照射周期和遮光周期。驱动电路104提供控制固态摄像元件101的传输操作和快门装置103的快门操作的驱动信号。由驱动电路104提供的驱动信号(时序信号)控制固态摄像元件101的信号传输。信号处理电路105对从固态摄像元件101输出的信号(像素信号)执行各种信号处理。已经经过信号处理的视频信号存储在诸如存储器等存储介质中或输出到监视器。
以这种方式，根据第十一实施方案的电子设备100能够在固态摄像元件101中减少光学混色，从而可以提高视频信号的图像质量。
应当注意，可以使用固态摄像元件1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G或1H的电子设备100不限于相机，并且固态摄像元件也可以用于任何其他电子设备。例如，固态摄像元件可以用于摄像装置，例如，用于诸如移动电话等移动设备的相机模块等。
同样地，根据第十一实施方案，根据第一至第十实施方案的固态摄像元件1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G和1H中的任一者被用作电子设备的固态摄像元件101，但是也可以使用其他构成。
本公开还可以如下构造。
(1)
一种固态摄像元件，其包括以二维阵列状排列的多个单位像素，
所述多个单位像素分别包括：
光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和
配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，
其中，
在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
(2)
根据(1)所述的固态摄像元件，其中，所述多个单位像素包括大面积像素和小面积像素，并且
在所述大面积像素和所述小面积像素之中的两者或一者中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
(3)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是平面型节点。
(4)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是垂直晶体管。
(5)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是直接连接型节点。
(6)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有存储由所述光电转换单元产生的电荷的电荷存储单元。
(7)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有对从所述光电转换单元输出的电荷执行信号处理的像素晶体管。
(8)
根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有像素内电容器。
(9)
根据(8)所述的固态摄像元件，其中，所述像素内电容器是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。
(10)
根据(2)所述的固态摄像元件，其中，所述光电转换单元具有第一导电类型的第一电极区域和第二导电类型的第二电极区域，所述第二电极区域被设置为与所述第一电极区域形成pn结，并且
所述小面积像素的所述pn结的深度位置比所述大面积像素的所述pn结的深度位置更靠近所述配线层侧。
(11)
根据(10)所述的固态摄像元件，其还包括像素间遮光部，所述像素间遮光部在所述小面积像素和所述大面积像素之间进行绝缘和遮光，其中，
所述小面积像素的所述pn结的深度位置比所述大面积像素的所述pn结的深度位置更靠近所述配线层侧，并且比所述像素间遮光部的深度端部更靠近所述光入射侧。
(12)
根据(1)所述的固态摄像元件，其中，所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素包括滤色器，所述滤色器对应于不同的光波长并被设置在所述光电转换单元的所述光入射侧。
(13)
根据(1)所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点的中心包括用于传输存储在所述光电转换单元处的电荷的传输栅电极。
(14)
根据(1)所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点的中心包括金属。
(15)
一种电子设备，其包括固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括以二维阵列状排列的多个单位像素，
所述多个单位像素分别包括：
光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和
配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，
其中，
在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
附图标记列表
1A、1B、1C、1E、1F、1G、1H固态摄像元件
2基板
2a、2d、2e、2h、81、84、91a1、92a1 n型半导体区域
2b、2c、2f、2g、82、85、91a2、92a2 p型半导体区域
3像素区域
4垂直驱动电路
5列信号处理电路
6水平驱动电路
7输出电路
8控制电路
9单位像素
10 像素驱动配线
11 垂直信号线
12 水平信号线
21、22、23、24配线
41、61 滤色器
42、62 片上透镜
43 配线层
51 金属
70MIM(金属-绝缘体-金属)电容器
86 位置
91 大面积像素
91a、92a光电二极管
91B、91C、91Cy、91Gr、91Gb、91IR、91R、91Y大面积像素
92、92B、92BLK、92C、92Cy、92Gb、92Gr、92IR、92P、92R、92Y小面积像素
93a、93a1、93a2、93i、93i1传输晶体管
93b、93c转换效率调节晶体管
93d 复位晶体管
93e 放大晶体管
93f 选择晶体管
93g 电荷存储电容器单元
93h、93j电荷存储单元
100 电子设备
101 固态摄像元件
102 光学透镜
103 快门装置
104 驱动电路
105 信号处理电路
106 入射光

Claims (15)

1.一种固态摄像元件，其包括以二维阵列状排列的多个单位像素，
所述多个单位像素分别包括：
光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和
配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，
其中，
在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
2.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，所述多个单位像素包括大面积像素和小面积像素，并且
在所述大面积像素和所述小面积像素之中的两者或一者中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
3.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是平面型节点。
4.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是垂直晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点是直接连接型节点。
6.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有存储由所述光电转换单元产生的电荷的电荷存储单元。
7.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有对从所述光电转换单元输出的电荷执行信号处理的像素晶体管。
8.根据权利要求1或2所述的固态摄像元件，其中，所述配线层具有像素内电容器。
9.根据权利要求8所述的固态摄像元件，其中，所述像素内电容器是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。
10.根据权利要求2所述的固态摄像元件，其中，所述光电转换单元具有第一导电类型的第一电极区域和第二导电类型的第二电极区域，所述第二电极区域被设置为与所述第一电极区域形成pn结，并且
所述小面积像素的所述pn结的深度位置比所述大面积像素的所述pn结的深度位置更靠近所述配线层侧。
11.根据权利要求10所述的固态摄像元件，其还包括像素间遮光部，所述像素间遮光部在所述小面积像素和所述大面积像素之间进行绝缘和遮光，其中，
所述小面积像素的所述pn结的深度位置比所述大面积像素的所述pn结的深度位置更靠近所述配线层侧，并且比所述像素间遮光部的深度端部更靠近所述光入射侧。
12.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素包括滤色器，所述滤色器对应于不同的光波长并被设置在所述光电转换单元的所述光入射侧。
13.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点的中心包括用于传输存储在所述光电转换单元处的电荷的传输栅电极。
14.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，所述检测节点的中心包括金属。
15.一种电子设备，其包括固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括以二维阵列状排列的多个单位像素，
所述多个单位像素分别包括：
光电转换单元，其对入射光进行光电转换；和
配线层，其被堆叠在所述光电转换单元的与光入射侧表面相反的表面上，并具有检测存储在所述光电转换单元处的电荷的检测节点，
其中，
在所述多个单位像素之中的至少一部分单位像素中，
所述检测节点的中心与所述光电转换单元的光接收中心基本一致。
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