CN116670805A - 固态成像设备、其制造方法，及电子设备 - Google Patents

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Abstract

灵敏度得到改善。一种固态成像设备包括：第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件对从第二表面侧入射的光进行光电转换，并且电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及第一接触电极，第一接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。

Description

固态成像设备、其制造方法，及电子设备
技术领域
本技术(根据本公开的技术)涉及固态成像设备、制造固态成像设备的方法及电子设备，并且具体地涉及有效应用于分开发射可见光和红外光的固态成像设备的技术、制造固态成像设备的方法及电子设备。
背景技术
作为固态成像设备，例如，如专利文献1中所公开的，分开接收可见光和红外光的固态成像设备是已知的。专利文献1中公开的固态成像设备包括：第一半导体层，具有光入射表面并且具有可见光光电转换元件，该可见光光电转换元件对从光入射表面侧入射的可见光进行光电转换；以及第二半导体层，部署在第一半导体层的与光入射表面侧相对的一侧并具有红外光电转换元件，该红外光电转换元件对从第一半导体层的入射表面侧入射并透射通过第一半导体层的红外光进行光电转换。然后，专利文献1中公开的固态成像设备还包括电路基板单元，该电路基板单元部署在第二半导体层的与第一半导体层侧相对的一侧并且具有读出电路，该读出电路读出由可见光光电转换元件转换的信号电荷和由红外光电转换元件光电转换的信号电荷。
引文列表
专利文献
专利文献1：WO 2018/194030
发明内容
本发明要解决的问题
同时，在专利文献1中公开的固态成像设备中，多层布线层设置在第一半导体层和第二半导体层之间。在这种结构的情况下，从第一半导体层的光入射表面侧通过第一半导体层入射的光被多层布线层的布线遮挡，并且存在红外光电转换元件中的光敏性降低的可能性。因此，存在改进的空间。
本技术的目的是提供一种能够提高光敏性的固态成像设备、制造固态成像设备的方法以及包括固态成像设备的电子设备。
问题的解决方案
(1)一种根据本技术的一方面的固态成像设备包括：
第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件具有彼此相对的第一表面和第二表面并且对从第二表面侧入射的光进行光电转换，电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；
第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；
电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；
元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及
第一接触电极，穿透第一和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。
(2)一种根据本技术的一方面的制造固态成像设备的方法，包括：
在第一半导体层中形成第一光电转换元件；
在第一半导体层的与光入射表面的一侧相对的一侧堆叠第二半导体层；以及
在堆叠于第一半导体层上的第二半导体层中形成第二光电转换元件。
(3)一种根据本技术的另一方面的电子设备，包括：
固态成像设备、在固态成像设备的成像表面上形成来自被摄体的图像光的图像的光学透镜，以及对从固态成像设备输出的信号执行信号处理的信号处理电路。
附图说明
图1A是图示根据本技术的第一实施例的固态成像设备的构造示例的示意性平面布局图。
图1B是图示沿着图1A中的线II-II截取的横截面结构的构造示例的示意性截面图。
图2是图示根据本技术的第一实施例的固态成像设备的构造示例的框图。
图3是图示根据本技术的第一实施例的固态成像设备的像素和读出电路的构造示例的等效电路图。
图4是放大了图1B的一部分的示意性截面图。
图5A是放大了图4的一部分的主要部分的放大的截面图。
图5B是放大了图4的一部分的主要部分的放大的截面图。
图6A是图示晶片的平面构造的视图。
图6B是通过放大图7A中的区域B图示芯片形成区域的构造的视图。
图7A是图示制造根据本技术的第一实施例的固态成像设备的方法的示意性过程截面图。
图7B是图7A之后的示意性过程截面图。
图7C是图7B之后的示意性过程截面图。
图7D是图7C之后的示意性过程截面图。
图7E是图7D之后的示意性过程截面图。
图7F是图7E之后的示意性过程截面图。
图7G是图7F之后的示意性过程截面图。
图7H是图7G之后的示意性过程截面图。
图7I是图7H之后的示意性过程截面图。
图7J是图7I之后的示意性过程截面图。
图8是图示根据本技术的第二实施例的固态成像设备的像素和读出电路的构造示例的等效电路图。
图9是图示根据本技术的第三实施例的固态成像设备的像素和读出电路的构造示例的等效电路图。
图10是图示根据本技术第四实施例的固态成像设备的像素和读出电路的构造示例的等效电路图。
图11是图示根据本技术第五实施例的固态成像设备的构造示例的主要部分的示意性截面图。
图12是放大了图11的一部分的示意性截面图。
图13是图示根据本技术的第六实施例的固态成像设备的构造示例的主要部分的示意性截面图。
图14是图示根据本技术的第七实施例的固态成像设备的构造示例的主要部分的示意性截面图。
图15是图示根据本技术的第八实施例的固态成像设备的构造示例的主要部分的示意性截面图。
图16是图示根据本技术的第九实施例的固态成像设备的构造示例的主要部分的示意性截面图。
图17是图示根据本技术的第七实施例的电子设备的示意性构造的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本技术的实施例。
注意的是，在用于描述本技术的实施例的所有附图中，具有相同功能的组件由相同的附图标记表示，并且将省略对其的重复描述。
此外，每个图都是示意性的并且可以与实际不同。此外，以下实施例图示了用于实施本技术的技术构思的设备和方法，并且不指定如下配置。即，可以在权利要求中描述的技术范围内对本技术的技术构思进行各种修改。
此外，在以下实施例中，在空间中彼此正交的三个方向中，在同一平面中彼此正交的第一方向和第二方向分别被定义为X方向和Y方向，并且与第一方向和第二方向正交的第三方向被定义为Z方向。在以下的实施例中，后述的半导体层的厚度方向将被描述为Z方向。
[第一实施例]
在第一实施例中，将描述其中本技术被应用于作为背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的固态成像设备的示例。
<<固态成像设备的总体构造>>
首先，将描述固态成像设备1A的整体构造。
如图1A中所示，根据本技术的第一实施例的固态成像设备1A主要包括在俯视图中具有矩形二维平面形状的半导体芯片2。即，固态成像设备1A安装在半导体芯片2上。如图17中所示，固态成像设备1A经由光学透镜102从被摄体获取图像光(入射光106)，以像素为单位将形成在成像表面上的入射光106的光量转换成电信号，并输出电信号作为像素信号。
如图1A和1B中所示，其上安装有固态成像设备1A的半导体芯片2在二维平面中包括在中央部分中设置的矩形像素区域2A和布置在像素区域2A外侧以包围像素区域2A的外围区域2B。
像素区域2A是例如接收由图17中所示的光学透镜(光学系统)102会聚的光的光接收表面。然后，在像素区域2A中，多个像素3在包括X方向和Y方向的二维平面上按矩阵布置。像素3在二维平面中在彼此正交的X方向和Y方向上重复布置。
如图1A中所示，多个接合焊盘14部署在周边区2B中。多个接合焊盘14中的每一个例如在半导体芯片2的二维平面中沿着四个边布置。多个接合焊盘14中的每一个是当半导体芯片2电连接到外部设备时使用的输入-输出端子。
如图1B和4中所示，像素区域2A包括有效像素区域2A1和部署为包围有效像素区域2A1并输出光学参考黑电平的光学黑区域2A2。如图4中所示，光学黑区域2A2被后述的遮光膜72b覆盖。
如图2中所示，半导体芯片2包括逻辑电路13，逻辑电路13包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7、控制电路8等。逻辑电路13包括例如互补MOS(CMOS)电路，互补MOS(CMOS)电路包括n沟道导电金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和p沟道导电MOSFET。
垂直驱动电路4包括例如移位寄存器。垂直驱动电路4依次选择期望的像素驱动线10，将用于驱动像素3的脉冲供给所选择的像素驱动线10，并且逐行驱动每个像素3。即，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2A中的每个像素3，并且基于根据由每个像素3的光电转换元件接收到的光量生成的信号电荷的来自像素3的像素信号通过垂直信号线11被供给列信号处理电路5。
列信号处理电路5例如布置在像素3的每一列上，并且针对每个像素列对从一行的像素3输出的信号执行诸如噪声去除之类的信号处理。例如，列信号处理电路5执行诸如用于去除特定于像素的固定模式噪声的相关双采样(CDS)和模数(AD)转换之类的信号处理。
水平驱动电路6包括例如移位寄存器。水平驱动电路6向列信号处理电路5依次输出水平扫描脉冲，以依次选择列信号处理电路5中的每一个，并使列信号处理电路5中的每一个向水平信号线12输出经受信号处理的像素信号。
输出电路7对通过水平信号线12从列信号处理电路5中的每一个依次供给的像素信号执行信号处理并且输出经处理的信号。作为信号处理，例如，可以使用缓冲、黑电平调整、列变化校正、各种数字信号处理等。
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生成作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等的操作的参考的时钟信号和控制信号。然后，控制电路8将生成的时钟信号和控制信号输出到垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等。
如图3中所示，多个像素3中的相应像素3包括作为第一光电转换元件的可见光光电转换元件PDU、连接到可见光光电转换元件PDU的转移晶体管TRG1，以及暂时保持从可见光光电转换元件PDU经由转移晶体管TRG1输出的信号电荷的电荷保持区域(浮置扩散)FD。此外，在第一实施例中，多个像素3中的相应像素3还包括作为第二光电转换元件的红外光电转换元件PDI。可见光光电转换元件PDU对波长在可见光区域的光(可见光)进行光电转换，生成与接收到的光量对应的信号电荷，并保持该信号电荷。红外光电转换元件PDI对波长在红外区域的光(红外光)进行光电转换，生成与接收到的光量对应的信号电荷，并保持该信号电荷。
转移晶体管TRG1包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有由例如氧化硅膜(SiO2膜)形成的栅极绝缘膜、栅极电极24(参见图5A)以及用作源极区域和漏极区域的一对主电极区域。此外，转移晶体管TRG1可以是金属绝缘体半导体FET(MISFET)，其中栅极绝缘膜是氮化硅膜(Si3N4膜)或包括氮化硅膜和氧化硅膜的堆叠膜等。电荷保持区域FD包括后述的n型半导体区域23。
如图3中所示，在可见光光电转换元件PDU中，阳极侧电连接到转移晶体管TRG1的一个主电极区域，并且阴极侧电连接到参考电位布线(例如，接地布线)V7。转移晶体管TRG1的另一个主电极区域电连接到电荷保持区域FD，并且转移晶体管TRG1的栅极电极24电连接到像素驱动线10的第一转移晶体管驱动布线。
如图3中所示，作为读出在可见光光电转换元件PDU中生成的信号电荷的读出电路的第一读出电路15和读出在红外光电转换元件PDI中生成的信号电荷的第二读出电路16连接到多个像素3中的相应像素3。在第一实施例中，一个像素3、一个第一读出电路15和一个第二读出电路16构成一个像素单元。
虽然不限于此，但是第一读出电路15包括例如放大晶体管AMP1、选择晶体管SEL1和复位晶体管RST1。这些晶体管(AMP1、SEL1、RST1)例如由MOSFET构成。此外，这些晶体管(AMP1、SEL1和RST1)可以是MISFET。
在放大晶体管AMP1中，一个主电极区域电连接到选择晶体管SEL1的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到电源线V5。然后，放大晶体管AMP1的栅极电极电连接到复位晶体管RST1的一个主电极区域和电荷保持区域FD。
在选择晶体管SEL1中，一个主电极区域电连接到放大晶体管AMP1的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到垂直信号线VSL(11)。然后，选择晶体管SEL1的栅极电极电连接到像素驱动线10的第一选择晶体管驱动布线。
在复位晶体管RST1中，一个主电极区域电连接到放大晶体管AMP1的栅极电极和电荷保持区域FD，并且另一个主电极区域电连接到电源线V6。然后，复位晶体管RST1的栅极电极电连接到像素驱动线10的第一复位晶体管驱动布线。
当接通时，转移晶体管TRG1将可见光光电转换元件PDU的信号电荷转移到电荷保持区域FD。当接通时，复位晶体管RST1将电荷保持区域FD的信号电位复位到电源线V6的电位。选择晶体管SEL1控制来自第一读出电路15的像素信号的输出定时。
放大晶体管AMP1生成与保持在电荷保持区域FD中的信号电荷的电平对应的电压的信号作为像素信号。放大晶体管AMP1构成源极跟随器型放大器，并且输出具有与在可见光光电转换元件PDU中生成的信号电荷的电平对应的电压的像素信号。当选择晶体管SEL1接通时，放大晶体管AMP1放大电荷保持区域FD的信号电荷，并经由垂直信号线11将与信号电荷相对应的电压输出到列信号处理电路5。即，第一读出电路15输出基于从像素3的可见光光电转换元件PDU输出的信号电荷的像素信号。
如图3中所示，在红外光电转换元件PDI中，阳极侧电连接到第二读出电路16，并且阴极侧与基准电位布线V4电连接。
虽然不限于此，但是第二读出电路16包括例如转移晶体管TRG2、放电晶体管OFG、复位晶体管RST2、放大晶体管AMP2、选择晶体管SEL2以及两个电容器元件17a和17b。这些晶体管(RTG2、OFG、RST2、AMP2和SEL2)例如由MOSFET构成。此外，这些晶体管(AMP1、SEL1和RST1)可以是MISFET。
如图3中所示，在红外光电转换元件PDI中，阳极侧电连接到转移晶体管TRG2的一个主电极区域、电容器元件17a的一个电极和放电晶体管OFG的一个主电极区域，并且阴极侧电连接到参考电位布线(例如，接地布线)V4。
在转移晶体管TRG2中，一个主电极区域电连接到红外光电转换元件PDI的阳极侧、放电晶体管OFG的一个主电极区域和电容器元件17a的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到复位晶体管RST2的一个主电极区域、电容器元件17a的一个电极和放大晶体管AMP2的栅极电极。然后，转移晶体管TRG2的栅极电极电连接到像素驱动线10的第二转移晶体管驱动布线。
在放电晶体管OFG中，一个主电极区域电连接到转移晶体管TRG2的一个主电极区域、红外光电转换元件PDI的阳极区域、电容器元件17a的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到电源线V2。然后，放电晶体管OFG的栅极电极电连接到像素驱动线10的放电晶体管驱动布线。
在复位晶体管RST2中，一个主电极区域电连接到转移晶体管TRG2的另一个主电极区域、放大晶体管AMP2的栅极和电容器元件17b的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到电源线V2。然后，复位晶体管RST2的栅极电极电连接到像素驱动线10的第二复位晶体管驱动布线。
在放大晶体管AMP2中，一个主电极区域电连接到选择晶体管SEL2的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到电源线V1。然后，放大晶体管AMP2的栅极电极电连接到转移晶体管TRG2的另一个主电极区域、复位晶体管RST2的一个主电极区域和电容器元件17b的一个电极。
在选择晶体管SEL2中，一个主电极区域电连接到放大晶体管AMP2的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到垂直信号线VSL(11)。然后，选择晶体管SEL2的栅极电极电连接到像素驱动线10的第二选择晶体管驱动布线。
电容器元件17a的另一个电极和电容器元件17b的另一个电极电连接到电源线V3。
电容器元件17a暂时保持(累积)在红外光电转换元件PDI中生成的信号电荷。当转移晶体管TRG2被接通时，转移晶体管TRG2将电容器元件16a的信号电荷转移到电容器元件17b。电容器元件17b暂时保持(累积)经由转移晶体管TRG2转移的信号电荷。
当放电晶体管OFG被接通时，放电晶体管OFG将累积在电容器元件17a中的信号电荷放电。当复位晶体管RST2被接通时，复位晶体管RST2将电容器元件17b的信号电位复位为电源线V2的电位。选择晶体管SEL2控制来自第二读出电路16的像素信号的输出定时。
放大晶体管AMP2生成与累积在电容器元件17b中的信号电荷的电平对应的电压的信号作为像素信号。放大晶体管AMP2构成源极跟随器型放大器，并输出具有与在红外光电转换元件PDI中生成的信号电荷的电平对应的电压的像素信号。当选择晶体管SEL2被接通时，放大晶体管AMP2放大电容器元件17b的信号电荷并经由垂直信号线11将与该电荷信号对应的电压输出到列信号处理电路5。即，第二读出电路16输出基于从像素3的红外光电转换元件PDI输出的信号电荷的像素信号。
<<固态成像设备的具体构造>>
接下来，将描述固态成像设备1A的具体构造。
如图1B和4中所示，半导体芯片2包括彼此面对堆叠的光电转换基板单元20和电路基板单元50。在光电转换基板单元20中，形成上述像素区域2A等。电路基板单元50包括上述的逻辑电路13、焊盘14、第一读出电路15、第二读出电路16等。
<光电转换基板单元>
如图1B和4中所示，光电转换基板单元20包括具有彼此相对的第一表面21x和第二表面21y的第一半导体层21、隔着第一绝缘层25部署在第一半导体层21的第一表面21x侧的第二半导体层31，以及部署在第二半导体层31的与第一绝缘层25侧相对的一侧的第二绝缘层41。
在此，第一半导体层21的第一表面21x可以被称为元件形成表面或主表面，并且第二表面21y可以被称为光入射表面或后表面。而且，在位于第二半导体层31的相对侧的第一表面31x和第二表面31y上，有时将第一表面31x称为元件形成表面或主表面，并将第二表面31y称为光入射表面或后表面。
第一半导体层21和第二半导体层31中的每一个具有正方形形状的二维平面形状。然后，俯视图中第二半导体层31的轮廓位于第一半导体层21的轮廓的内侧。即，第二半导体层31被形成为具有比第一半导体层21的平面尺寸小的平面尺寸。因此，第二半导体层31的第一表面31x侧及侧表面侧被第二绝缘层41覆盖。然后，用第二绝缘层41填充第二半导体层31与第一半导体层21之间的段差(step)。
如图4、5A和5B中所示，光电转换基板单元20还包括在作为第一半导体层21的第二表面21y侧的光入射表面侧从光入射表面侧依次堆叠的绝缘层71、滤色器层73和微透镜层74。绝缘层71包括平坦化膜和粘合膜，以及部署在平坦化膜和粘合膜之间的遮光膜72a和72b。
绝缘层71覆盖第一半导体层21的第二表面21y。在俯视图中，绝缘层71设置在像素区域2A和外围区域2B之上。绝缘层71的平坦化膜和粘合膜包括例如氧化硅膜(SiO2膜)。
在俯视图中，遮光膜72a布置在像素区域2A的有效像素区域2A1中。在遮光膜72a中，在俯视图中的平面图案是格子状的平面图案以分隔相邻的像素3。在俯视图中，遮光膜72b设置在像素区域2A的光学黑区域2A2中。遮光膜72b是覆盖光学黑区域2A2的环形平面图案，使得在俯视图中平面图案包围有效像素区域2A1。遮光膜72a和72b包括例如其中从第一半导体层21侧起依次堆叠钛膜(Ti膜)和钨膜(W膜)的复合膜。
如图5A中所示，滤色器层73主要设置在像素区域2A的有效像素区域2A1中。滤色器层73包括例如红色(R)第一滤色器部分73a、绿色(G)第二滤色器部分73b和蓝色(B)第三滤色器部分73c。第一至第三滤色器部分73a至73c布置为与多个像素3中的相应像素3对应的矩阵。
如图4中所示，微透镜层(片上透镜层)74包括布置在像素区域2A的有效像素区域2A1中的多个微透镜部分74a。多个微透镜部分74a中的相应微透镜部分74a按与多个像素3中的相应像素3对应的矩阵。微透镜部分74a会聚照射光并且允许会聚的光有效地进入像素3。微透镜层74例如由树脂材料形成。
(第一半导体层)
如图4和5A中所示，第一半导体层21设有上述可见光光电转换元件PDU，该可见光光电转换元件PDU对从光入射表面侧入射的光中的可见光进行光电转换，该光入射表面侧是第一半导体层21的第二表面21y侧。然后，第二半导体层31设有上述红外光电转换元件PDI，该红外光电转换元件PDI对从第一半导体层21的光入射表面侧(第二表面21y侧)入射的光中的红外光进行光电转换。
可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI中的每一个布置在每个像素3中。还有，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI被布置为在俯视图中重叠。因此，第一实施例的红外光电转换元件PDI对从第一半导体层21的光入射表面侧入射并透射通过第一半导体层21和第一绝缘层25的光中的红外光进行光电转换。
在第一半导体层21中，上述转移晶体管TRG1和电荷保持区域FD与可见光光电转换元件PDU一起被设置。第一半导体层21包括例如p型硅基板。可见光光电转换元件PDU包括例如设置在第一半导体层21中的光电转换单元22。在光电转换单元22中，生成并累积与入射光量对应的信号电荷。光电转换单元22包括例如n型半导体区域，并且设置在第一半导体层21中的每个像素3中。
电荷保持区域FD主要包括例如设置在第一半导体层21的第一表面21x侧(元件形成表面侧)的表层部分中的n型半导体区域23。在半导体区域23中，暂时保持(累积)经由转移晶体管TRG1从可见光光电转换元件PDU传输的信号电荷。
转移晶体管TRG1配置在第一半导体层21的第一表面21x侧。虽然未详细图示，但是转移晶体管TRG1包括设置在第一半导体层21的第一表面21x侧的栅极绝缘膜(未图示)、设置在与第一半导体层21侧相对的一侧的栅极绝缘膜上的栅极电极24、设置在栅极绝缘膜的与栅极电极24侧相对的一侧的第一半导体层21的表面层部分中的沟道形成区域，以及部署在沟道形成区域的沟道长度方向(栅极长度方向)上的两侧并用作源极区域和漏极区域的一对主电极区域。一对主电极区域中的一个由光电转换单元22构成，并且另一个由n型半导体区域23构成。然后，在转移晶体管TRG1中，通过施加到栅极电极24的电压在沟道形成区域中形成电连接光电转换单元22和半导体区域23的沟道，并且通过可见光光电转换元件PDU(光电转换单元22)光电转换的信号电荷被转移到电荷保持区域FD(半导体区域23)。
如图5A中所示，第一半导体层21的第一表面21x侧被第一绝缘层25覆盖。然后，转移晶体管TRG1和电荷保持区域FD也被第一绝缘层25覆盖。在俯视图中，第一半导体层21和第一绝缘层25设置在像素区域2A和外围区域2B之上。
如后所述，第一绝缘层25包括但不限于覆盖第一半导体层21的第一表面21x侧的绝缘膜26和覆盖第二半导体层31的第二表面31y侧的保护膜36。作为绝缘膜26和保护膜36，例如，可以使用具有透光性的氧化硅(SiO2)膜。
(第二半导体层)
如图5A和5B中所示，第二半导体层31的第一表面31x和端部表面(侧表面)被第二绝缘层41覆盖。第二绝缘层41包括但不限于例如覆盖第一表面31x和第二半导体层31的侧表面的绝缘膜37和覆盖绝缘膜37的绝缘膜42。在俯视图中，绝缘膜37设置在像素区域2A和外围区域2B之上，与像素区域2A中的第二半导体层31的第一表面31x接触，并且与外围区域2B中的第一绝缘层25接触。绝缘膜42也设置在像素区域2A和外围区域2B之上，并且与像素区域2A和外围区域2B中的绝缘膜37接触。即，第二绝缘层41设置在像素区域2A和外围区域2B之上。
第二电极35设置在第二半导体层31的第二表面31y上以覆盖第二表面31y。然后，第二电极35在与第二半导体层31侧相对的一侧被保护膜36覆盖。第二电极35和保护膜36终止于第二半导体层31的外围的端部(参见图5B)。
第二半导体层31例如从第二绝缘层41侧起包括盖层32、光电转换层33和接触层34。盖层32、光电转换层33和接触层34具有相同的平面形状，并且其相应端部表面部署在俯视图中相同的位置。第二半导体层31是在生长基板上依次外延生长盖层32、光电转换层33和接触层34的多层体。
例如针对所有像素3共同设置盖层32，并且盖层32部署在绝缘膜37和光电转换层33之间。盖层32设有例如包括半导体区域(杂质扩散区域)的多个接触区域38。通过将带隙大于构成光电转换层33的化合物半导体材料的带隙的化合物半导体材料用于盖层32，可以抑制暗电流。对于盖层32，例如，可以使用n型磷化铟(InP)。
多个接触区域38中的每一个的相应接触区域38布置在每个像素3中，同时彼此分离。然后，第一电极39b通过在绝缘膜37中设置的开口37b分别连接到各个接触区域38。接触区域38也设置在光学黑区2A2中。
接触区域38用于从每个像素3读出在光电转换层33中生成的信号电荷，并且例如含有p型杂质。p型杂质的示例包括锌(Zn)等。以这种方式，在接触区域38和除接触区域38以外的盖层32之间形成pn结界面，并且相邻像素3被电隔离。接触区域38被构造为比盖层32的厚度厚，并且也设置在光电转换层33的厚度方向(Z方向)的一部分中。
例如针对所有像素3共同设置第一电极39b与第二电极35之间(更具体而言，盖层32与接触层34之间)的光电转换层33。光电转换层33吸收具有预定波长的光，在第一实施例中为红外光，并生成信号电荷，并且包括例如化合物半导体材料(诸如i型III-V族半导体)。构成光电转换层33的化合物半导体材料的示例包括砷化铟镓(InGaAs)、砷化铟锑(InAsSb)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)等。光电转换层33可以包括锗(Ge)。在光电转换层33中，例如，对具有红外区域中的波长的光执行光电转换。
例如，针对所有像素3共同设置接触层34。接触层34设置在光电转换层33和第二电极35之间，并与光电转换层33和第二电极35接触。接触层34是从第二电极35释放的信号电荷移动的区域，并且包括例如含有n型杂质的化合物半导体。作为n型杂质，例如可以使用磷化铟(InP)。
第二电极35设置在接触层34的光入射表面侧，以与接触层34接触，例如作为相应像素3共用的电极。第二电极35被用于释放在光电转换层33(阴极)中生成的电荷当中未被用作信号电荷的电荷。例如，在从第一电极39b读出空穴作为信号电荷的情况下，例如，可以通过第二电极35释放电子。第二电极35包括例如能够透射诸如红外光之类的入射光的导电膜。作为第二电极35，例如，可以使用氧化铟锡(ITO)或氧化铟锡(ITiO)(In2O3-TiO2)等。例如，第二电极35可以设置成格子形状，以分隔相邻的像素3。对于第二电极35，可以使用具有低透光性的导电材料。
保护膜36从与第二半导体层31侧相对的一侧覆盖第二电极35。保护膜36可以具有抗反射功能。作为保护膜36，例如，可以使用氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钽(Ta2O3)等。
绝缘膜37设置在盖层32和第二绝缘层41之间。绝缘膜37覆盖盖层32的端部表面、光电转换层33的端部表面、接触层34的端部表面和第二电极35的端部表面，并与外围区域2B中的第一绝缘层25接触(参见图5B)。绝缘膜37包括例如诸如氧化硅(SiOx)或氧化铝(Al2O3)之类的氧化物。绝缘膜37可以具有其中堆叠多个膜的堆叠结构。绝缘膜37可以包括例如硅(Si)绝缘材料，诸如氮氧化硅(SiON)、含碳氧化硅(SiOC)、氮化硅(SiN)和碳化硅(SiC)。绝缘膜37的厚度是例如大约数十nm至数百nm。
如图5B中所示，引出电极39d通过从第二半导体层31的第一表面31x侧贯通到第二表面31y侧的连接孔与第二电极35电连接和机械连接。因此，从电路基板单元50侧经由引出电极39d向第二电极35供给电压。引出电极39d例如在与第一电极39b相同的步骤中形成，并且包括与第一电极39b相同的材料。第一电极39b和引出电极39d包括例如钛(Ti)、钨(W)、氮化钛(TiN)、铂(Pt)、金(Au)、锗(Ge)、钯(Pd)、锌(Zn)、镍(Ni)和铝(Al)中的任何单一物质，或含有它们中至少一种的合金。第一电极39b和引出电极39d可以是这种构成材料的单一膜，或者可以是通过组合两种或更多种的堆叠膜。例如，第一电极39b和引出电极39d中的每一个包括钛和钨的堆叠膜，并且具有大约数十nm至数百nm的膜厚度。
第一电极39b是用于读出光电转换层33中生成的信号电荷(空穴或电子，在下文中，为了方便，将假设信号电荷是空穴而进行描述)的电压被供给到的电极(阳极)，并设置在像素区域2A中的每个像素3中。即，包括第一电极39b、光电转换层33和第二电极35的红外光电转换元件PDI设置在每个像素3中。
如图5A和5B中所示，在与第二半导体层31侧相对的侧第二绝缘层41的表面层部分(换句话说，在电路基板单元50侧的第二绝缘层41的表面层部分)中设置元件侧第一金属焊盘45a、元件侧第二金属焊盘45b、元件侧第三金属焊盘45c和元件侧第四金属焊盘45d作为元件侧金属焊盘。这些元件侧金属焊盘45a、45b、45c和45d中的每一个以每个接合表面从第二绝缘层41露出的状态嵌入第二绝缘层41中。
此外，虽然在图5A和5B中未示出，但是在电路基板单元50侧的第二绝缘层41的表面层部分中，图3中所示的元件侧第五金属焊盘45e被设置为元件侧金属焊盘。元件侧第五金属焊盘45e也以接合表面从第二绝缘层41露出的状态嵌入第二绝缘层41中。
元件侧第一至第五金属焊盘45a至45e分别电连接和机械连接到电路侧第一至第五金属焊盘65a至65e，设置为电路基板单元50的多层布线层61中的电路侧金属焊盘，如随后通过金属对金属接合描述的。元件侧第一至第五金属焊盘45a至45e包括例如铜(Cu)或以Cu为主要成分的Cu合金。
<电路基板单元>
如图4中所示，电路基板单元50包括半导体基板51和部署在位于半导体基板51相对两侧的第一表面和第二表面中的第一表面侧的多层布线层61。
在电路基板单元50的半导体基板51上，例如，多个MOSFET被构造为构成上述逻辑电路13、第一和第二读出电路15和16等的场效应晶体管。图4和5A图示了构成第一读出电路15的放大晶体管AMP1的栅极电极52。作为半导体基板51，例如，可以使用包括单晶硅的半导体基板。
如图5A和5B中所示，电路基板单元50的多层布线层61具有三层布线结构，其中布线层例如经由层间绝缘膜62堆叠成三级。
如图5A和5B中所示，从半导体基板51侧起的第三布线层，即，多层布线层61的最上层布线层，设有电路侧第一金属焊盘65a、电路侧第二金属焊盘65b、电路侧第三金属焊盘65c和电路侧第四金属焊盘65d作为电路侧金属焊盘。这些电路侧金属焊盘65a、65b、65c和65d中的每一个以每个接合表面从层间绝缘膜62露出的状态嵌入层间绝缘膜62中。
此外，虽然在图5A和5B中未图示，但是在最上层布线层中还设置了图3中示出的电路侧第五金属焊盘65e。电路侧第五金属焊盘65e也以接合表面从层间绝缘膜62露出的状态嵌入层间绝缘膜62中。
电路侧第一金属焊盘65a接合到元件侧第一金属焊盘45a，接合表面彼此面对(彼此相对)。电路侧第二金属焊盘65b接合到元件侧第二金属焊盘45b，接合表面彼此面对。电路侧第三金属焊盘65c接合到元件侧第三金属焊盘45c，接合表面彼此面对。电路侧第四金属焊盘65d接合到元件侧第四金属焊盘45d，接合表面彼此面对(彼此相对)。然后，电路侧第五金属焊盘65e也接合到元件侧第五金属焊盘45e，接合表面彼此面对。
与上述元件侧第一至第五金属焊盘45a至45e类似地，电路侧第一至第五金属焊盘65a至65e中的每一个包括例如铜(Cu)或以Cu为主要成分的Cu合金。第一和第二布线层的布线63包括例如铝(Al)或以Al为主要成分的Al合金。
如图5A中所示，电路侧第一金属焊盘65a电连接到第一布线路径64a的一个端部侧，第一布线路径64a包括在每个布线层中设置的布线63和电连接不同布线层的布线63的接触电极。然后，第一布线路径64a的另一个端部侧电连接到构成第一读出电路15的晶体管当中的放大晶体管AMP1的栅极电极52。然后，参考图3，放大晶体管AMP1的栅极电极52电连接到构成第一读出电路15的复位晶体管RST1的一个主电极区域。即，电路侧第一金属焊盘65a经由多层布线层61的第一布线路径64a电连接到第一读出电路15。
如图5A中所示，电路侧第二金属焊盘65b电连接到第二布线路径64b的一个端部侧，第二布线路径64b包括在每个布线层中设置的布线63和电连接不同布线层的布线63的接触电极。然后，第二布线路径64b的另一个端部侧电连接到例如构成第二读出电路16的晶体管当中的转移晶体管TRG2的一个主电极区域，参考图3。然后，转移晶体管TRG2的一个主电极区域电连接到放电晶体管OFG的一个主电极区域和构成第二读出电路16的电容器元件17a的一个电极。即，电路侧第二金属焊盘65b经由多层布线层61的第二布线路径64b电连接到第二读出电路16。注意的是，第二布线路径64b的另一个端部侧可以直接连接到放电晶体管OFG的一个主电极区域，或者可以直接连接到电容器元件17a的一个电极。
如图5A中所示，电路侧第三金属焊盘65c电连接到第三布线路径64c的一个端部侧，第三布线路径64c包括在每个布线层中设置的布线63和电连接不同布线层的布线63的接触电极。然后，虽然未图示，但是第三布线路径64c的另一个端部侧电连接到像素驱动线10的第一转移晶体管驱动布线。即，电路侧第三金属焊盘65c经由多层布线层61的第三布线路径64c电连接到电路基板单元50的逻辑电路13。
如图5B中所示，电路侧第四金属焊盘65d电连接到第四布线路径64d的一个端部侧，第四布线路径64d包括在每个布线层中设置的布线63和电连接不同布线层的布线63的接触电极。然后，虽然未详细图示，但是参考图3，第四布线路径64d的另一个端部侧电连接到参考电位布线V4。即，电路侧第四金属焊盘65d经由多层布线层61的第四布线路径64d电连接到电路基板单元50的参考电位布线V4。
注意的是，虽然未详细图示，但是电路侧第五金属焊盘65e类似地电连接到第五布线路径的一个端部侧，第五布线路径包括在每个布线层中设置的布线63和电连接不同布线层的布线63的接触电极。然后，参考图3，第五布线路径的另一个端部侧电连接到参考电位布线V7。即，金属焊盘65e经由多层布线层61的第五布线路径电连接到电路基板单元50的参考电位布线V7。
<导电路径>
如图5A中所示，半导体芯片2还包括穿透第一绝缘层25和第二绝缘层41并且电连接第一半导体层21的电荷保持区域FD和第二绝缘层41的元件侧第一金属焊盘45a的第一接触电极(贯通孔布线、通孔布线)44a。
另外，半导体芯片2还包括穿透第二绝缘层41并将第二半导体层31的第一电极39b(红外光电转换元件PDI的阳极侧)和第二绝缘层41的元件侧第二金属焊盘45b电连接的第二接触电极44b。
此外，半导体芯片2还包括穿透第一绝缘层25和第二绝缘层41并且电连接第一半导体层21的转移晶体管TRG1的栅极电极24和第二绝缘层41的元件侧第三金属焊盘45c的第三接触电极44c。
另外，如图5B中所示，半导体芯片2还包括穿透第二绝缘层41并且电连接第二半导体层31的引出电极39d(红外光电转换元件PDI的阴极侧)和第二绝缘层41的元件侧第四金属焊盘45d的第四接触电极44d。
此外，虽然未详细图示，但是半导体芯片2还包括穿透第一绝缘层25和第二绝缘层41并且电连接第一半导体层21的可见光光电转换元件PDU的阴极侧和和第二绝缘层41的元件侧第五金属焊盘45e(参考图3)的第五接触电极。
如图5A中所示，第一接触电极44a嵌入连接孔中，该连接孔从第二半导体层31侧的元件侧第一金属焊盘45a的底表面穿透第二绝缘层41、第二半导体层31、第二电极35、第一绝缘层25等并到达第一半导体层21的电荷保持区域FD的表面。虽然未详细图示，但是第一接触电极44a在连接孔中经由在第二半导体层31和第二电极35的相应侧壁上设置的绝缘膜与第二半导体层31和第二电极35电分离。
第一接触电极44a的一个端部侧与第一半导体层21的电荷保持区域FD电连接且机械连接。然后，当转移晶体管TRG1被接通时，电荷保持区域FD电连接到可见光光电转换元件PDU的阳极侧。
第一接触电极44a的另一个端部侧电连接且机械连接到元件侧第一金属焊盘45a。然后，元件侧第一金属焊盘45a接合到电路基板单元50的电路侧第一金属焊盘65a并且与其电连接和机械连接。然后，电路侧第一金属焊盘65a经由多层布线层61的第一布线路径64a电连接到构成第一读出电路15的放大晶体管AMP1的栅极电极52。
因此，第一半导体层21的电荷保持区域FD经由包括第一接触电极44a、元件侧第一金属焊盘45a、电路侧第一金属焊盘65a和第一布线路径64a的第一导电路径电连接到电路基板单元50的第一读出电路15。
如图5A中所示，第二接触电极44b嵌入在连接孔中，该连接孔从第二半导体层31侧的元件侧第二金属焊盘45b的底表面穿透第二绝缘层41等并到达第一电极39b的表面。
第二接触电极44b的一个端部侧电连接且机械连接到红外光电转换元件PDI的阳极侧的第一电极39b。然后，第一电极39经由接触区域38电连接到光电转换层33。
第二接触电极44b的另一个端部侧电连接且机械连接到元件侧第二金属焊盘45b。然后，将元件侧第二金属焊盘45b接合到电路基板单元50的电路侧第二金属焊盘65b。然后，电路侧第二金属焊盘65b经由多层布线层61的第二布线路径64b电连接到构成第二读出电路16的转移晶体管TRG2的一个主电极区域。
因此，第二半导体层31的红外光电转换元件PDI经由包括接触区域38、第一电极39b、第二接触电极44b、元件侧第二金属焊盘45b、电路侧第二金属焊盘65b和第二布线路径64b的第二导电路径电连接到电路基板单元50的第二读出电路16。
如图5A中所示，第三接触电极44c嵌入连接孔中，该连接孔从第二半导体层31侧的元件侧第三金属焊盘45c的底表面穿透第二绝缘层41、第二半导体层31、第二电极35、第一绝缘层25等并到达转移晶体管TRG1的栅极电极24的表面。虽然未详细图示，但是第三接触电极44c经由在连接孔中第二半导体层31和第二电极35的相应侧壁上设置的绝缘膜与第二半导体层31和第二电极35电分离。
第三接触电极44c的一个端部侧电连接且机械连接到在第一半导体层21中设置的转移晶体管TRG1的栅极电极24。
第三接触电极44c的另一个端部侧电连接且机械连接到元件侧第三金属焊盘45c。然后，将元件侧第三金属焊盘45c接合到电路基板单元50的电路侧第三金属焊盘65c。然后，电路侧第一金属焊盘65c经由多层布线层61的第三布线路径64c电连接到像素驱动线10的第一转移晶体管驱动布线。
因此，在第一半导体层21中设置的转移晶体管TRG1的栅极电极24经由包括第三接触电极44c、元件侧第三金属焊盘45c、电路侧第三金属焊盘65c和第三布线路径64c的第三导电路径电连接到电路基板单元50的逻辑电路13。
如图4和5A中所示，第一接触电极44a、第二接触电极44b和第三接触电极44c中的每一个在俯视图中部署在像素区域2A中，并且沿着第一绝缘层25和第二绝缘层41中的每一个的厚度方向(Z方向)延伸。然后，针对每个像素3设置第一至第三接触电极44a至44c中的每一个。
如图5B中所示，第四接触电极44d嵌入连接孔中，该连接孔从第二半导体层31侧的元件侧第四金属焊盘45d的底表面穿透第二绝缘层41并到达引出电极39d的表面。虽然未详细图示，但是第四接触电极44d经由在连接孔中的盖层32和光电转换层33的相应侧壁上设置的绝缘膜与盖层32和光电转换层33电分离。
第四接触电极44d的一个端部侧电连接且机械连接到引出电极39d。然后，引出电极39d电连接到在作为红外光电转换元件PDI的阴极侧的第二半导体层31的第二表面31y(光入射表面)侧设置的第二电极35。然后，第二电极35经由接触层34电连接到光电转换层33。
因此，红外光电转换元件PDI的阴极侧经由包括接触层34、第二电极35、引出电极39d、第四接触电极44d、第四元件侧金属焊盘45d、第四电路侧金属焊盘65d和第四布线路径64d的第四导电路径电连接到电路基板单元50的参考电位布线V4(参见图3)。
第四接触电极44d在俯视图中部署在像素区域2A中并且沿着每个第二绝缘层41的厚度方向(Z方向)延伸。
注意的是，电连接在第一半导体层21上设置的可见光光电转换元件PDU的阴极侧和第二绝缘层41的元件侧第五金属焊盘45e(参见图3)的第五接触电极未被图示，因此将省略包括第五接触电极的第五导电路径的描述。
作为第一至第四接触电极44a至44d和第五接触电极中的每一个，可以使用诸如钛(Ti)、钨(W)、钴(Co)或钼(Mo)之类的高熔点金属材料，并且例如使用钨(W)。
<<制造固态成像设备的方法>>
接下来，将参考图6A和6B以及图7A至7J描述制造根据第一实施例的固态成像设备1A的方法。
图6A是图示晶片的平面构造的视图，并且图6B是通过放大图6A中的区域B图示芯片形成区域的构造的视图。
此外，图7A至7J是用于描述制造固态成像设备1A的方法的示意性截面图。
在此，如图6A和6B中所示，在半导体晶片90的芯片形成区域92中制造固态成像设备1A。芯片形成区域92被划线91分隔，并且按矩阵布置多个芯片形成区域。在图6B中，图示了九个芯片形成区域92。然后，沿着划线91切割多个芯片形成区域92以形成其上安装有固态成像设备1A的半导体芯片2。在通过执行下述制造过程在每个芯片形成区域92中形成固态成像设备1A之后，芯片形成区域92被切割。
注意的是，划线91不是物理形成的。
制造根据第一实施例的固态成像设备1A的方法包括形成图7H中所示的光电转换基板单元20的步骤和形成图7I中所示的电路基板单元50的步骤。可以首先形成或者光电转换基板单元20或者电路基板单元50，或者可以在同一过程中形成。在第一实施例中，将首先描述光电转换基板单元20的形成，但是形成光电转换基板单元20和电路基板单元50的次序不限于第一实施例。
首先，如图7A中所示，在生长基板80上形成包含化合物半导体材料的第二半导体层31。例如通过在包括InP的生长基板80上依次外延生长包括n型InP的覆盖层32、包括i型InGaAs的光电转换层33和包括n型InP的接触层34而形成第二半导体层31。生长基板80的厚度是例如数百μm，并且第二半导体层31的厚度是例如数μm。作为生长基板80，例如，使用尺寸等于图6A中所示的半导体晶片90的尺寸的基板。在第二半导体层31中，生长基板80侧的表面是第一表面31x，并且与第一表面31x相对的表面是第二表面31y。
接下来，在形成第二半导体层31之后，如图7B中所示，在第二半导体层31的接触层34侧(第二表面31y侧)形成与接触层34接触的第二电极35，随后，在第二电极35的与接触层34侧相对的一侧形成覆盖第二电极35的保护膜36。例如通过溅射法形成氧化铟锡(ITO)、ITiO(In2O3-TiO2)等透明导电膜而形成第二电极35。例如通过化学气相沉积(CVD)法形成氧化硅膜而形成保护膜36。
接下来，如图7C中所示，可见光光电转换元件PDU(光电转换单元22)、转移晶体管TRG1、电荷保持区域FD等在与第二半导体层31不同的第一半导体层21的第一表面21x侧形成，随后，在第一半导体层21的第一表面21x侧形成覆盖可见光光电转换元件PDU、转移晶体管TRG1、电荷保持区域FD等的绝缘膜26。作为第一半导体层21，例如，可以使用含有硅材料的p型硅基板。作为绝缘膜26，例如可以使用通过CVD法沉积的氧化硅膜。由于光电转换单元22、转移晶体管TRG1、电荷保持区域FD、绝缘膜26等的形成在与第二半导体层31不同的第一半导体层21中执行，因此可以在上述形成第二半导体层31的步骤或形成第二电极35和保护膜36的步骤之前执行该形成，或者可以在同一过程中执行。
接下来，如图7D中所示，将第一半导体层21和第二半导体层31接合在一起。第一半导体层21和第二半导体层31以第一半导体层21的第一表面21x侧的绝缘膜26和第二半导体层31的第二表面31y侧的保护膜36彼此面对的状态接合。即，通过接合绝缘膜26和保护膜36而接合第一半导体层21和第二半导体层31。可以通过粘合剂或通过等离子体接合来执行这种接合。
通过这种接合过程，在第一半导体层21的第一表面21x侧与第二半导体层31的第二表面31y侧之间形成包括绝缘膜26和保护膜36的第一绝缘层25。
接下来，在将第一半导体层21和第二半导体层31接合在一起之后，如图7E中所示去除生长基板80。生长基板80的去除可以通过机械研磨、CMP、湿蚀刻、干蚀刻等执行。通过去除生长基板80的步骤，盖层32在第二半导体层31的第一表面31x侧的表面露出。此外，第二半导体层31经由第一绝缘层25被第一半导体层21保持。
在此，虽然未图示，但是光电转换基板单元20的制造可以包括或者可以不包括将第二半导体层31切割成具有与图6B中所示的芯片形成区域92对应的预定芯片尺寸的块的步骤。第一实施例包括将第二半导体层31切割成具有预定芯片尺寸的块的切割步骤。第二半导体层31的切割可以使用已知的光刻技术和干蚀刻技术来执行。通过执行这个切割步骤，可以参考图1B和5B形成平面尺寸小于第一半导体层21的平面尺寸的第二半导体层31。
接下来，在执行切割步骤之后，如图7F中所示，在第二半导体层31侧的第一绝缘层25的整个表面上形成绝缘膜37以覆盖第二半导体层31。例如通过CVD法形成氧化硅膜而形成绝缘膜37。
在这个步骤中，参考图5B，第二半导体层31的第一表面31x和侧表面被绝缘膜37覆盖。此外，俯视图中在第二半导体层31外侧的绝缘膜26(换句话说，从第二半导体层31露出的绝缘膜26)也被绝缘膜37覆盖。
接下来，在形成绝缘膜37之后，如图7F中所示，形成接触区域38和第一电极39b。可以通过在绝缘膜37中形成开口37b、经由开口37b向第二半导体层31的第一表面31x侧的表层部离子注入杂质、然后执行热处理以激活杂质来形成接触区域38。优选地在从盖层32朝着光电转换层33侧突出的深度处形成接触区域38。
可以通过在包括绝缘膜37的开口37b内部在内的绝缘膜37的整个表面上形成导电膜然后对该导电膜进行构图来形成第一电极39b。作为导电膜，例如，可以使用由钛和钨的堆叠膜形成并且膜厚度为大约数十nm至数百nm的导电膜。
在此，虽然未示出，但是光电转换基板单元20的制造包括形成图5B中所示的引出电极39d的步骤。可以通过形成从绝缘膜37的表面穿透第二半导体层31并到达第二电极35的连接孔37d，然后在包括连接孔37d的内侧在内的绝缘膜37的整个表面上形成导电膜、然后对导电膜进行构图来形成引出电极39d。在第一实施例中，引出电极39d在与第一电极39b相同的步骤中形成。即，形成开口37b和连接孔37d，随后形成导电膜，然后对导电膜进行构图，以形成第一电极39b和引出电极39d。作为导电膜，例如，可以使用钛(Ti)/钨(W)的堆叠膜。可以通过CVD法、物理气相沉积(PVD)法、原子层沉积(ALD)法、气相沉积法等形成堆叠膜。
接下来，如图7G中所示，在第二半导体层31侧的第一绝缘层25的整个表面上形成覆盖第二半导体层31的绝缘膜(嵌入的膜)42。在第一实施例中，第二半导体层31被切割成具有预定芯片尺寸的片。因此，通过在第一绝缘层25的第二半导体层31侧形成绝缘材料以嵌入第二半导体层31，然后通过化学机械抛光(CMP)法平坦化绝缘材料而形成绝缘膜42。因此，参考图5B，形成覆盖第二半导体层31的外围和第二半导体层31的第一表面31x侧的绝缘膜42，并且第二半导体层31和第一绝缘层25之间的段差用绝缘膜42填充。
以这种方式，由于形成绝缘膜42以填充第二半导体层31和第一绝缘层25之间的段差，因此可以防止由于其段差而引起的制造过程中的缺陷的发生。作为绝缘膜42，优选地使用因热处理而具有高流动性并且能够承受抛光元件侧金属焊盘时的应力的绝缘材料。这种绝缘材料的示例包括含磷的氧化硅(磷硅酸盐玻璃(PSG))。
通过这个过程，第一电极39b和引出电极39d被绝缘膜42覆盖。此外，包括绝缘膜42和绝缘膜37的第二绝缘层41在第二半导体层31的与第一半导体层21侧相对的一侧形成。
接下来，如图7H中所示，第一接触电极44a、第二接触电极44b和第三接触电极44c被形成为接触电极，并且元件侧第一金属焊盘45a、元件侧第二金属焊盘45b和元件侧第三金属焊盘45c被形成为元件侧金属焊盘。
可以通过形成从与第二半导体层31相对的一侧的第二绝缘层41的表面层部分穿透第二绝缘层41、第二半导体层31、第一绝缘层25等的连接孔并到达电荷保持区域FD的表面，并且在连接孔中嵌入导电材料而形成第一接触电极44a。然后，可以通过在第二绝缘层41的表面层部分中形成与第一接触电极44a的连接孔连通的凹部并在该凹部中嵌入导电材料而形成元件侧第一金属焊盘45a。
类似地，可以通过形成从与第二半导体层31相对的一侧的第二绝缘层41的表面层部分穿透第二绝缘层41且到达第一电极39b的表面的连接孔并在连接孔中嵌入导电材料而形成第二接触电极44b。然后，可以通过在第二绝缘层41的表面层部分中形成与第二接触电极44b的连接孔连通的凹部并在该凹部中嵌入导电材料而形成元件侧第二金属焊盘45b。
类似地，可以通过形成从与第二半导体层31相对的一侧的第二绝缘层41的表面层部分穿透第二绝缘层41、第二半导体层31、第一绝缘层25等且到达转移晶体管TRG1的栅极电极24的表面的连接孔并在连接孔中嵌入导电材料而形成第三接触电极44c。然后，可以通过在第二绝缘层41的表面层部分中形成与第三接触电极44c的连接孔连通的凹部并在该凹部中嵌入导电材料而形成元件侧第三金属焊盘45c。
接触电极44a、44b和44c中的每一个都在同一过程中形成。元件侧金属焊盘45a、45b和45c中的每一个在同一过程中形成。接触电极44a、44b和44c中的每一个可以与元件侧金属焊盘45a、45b和45c中的每一个分开形成，或者可以使用镶嵌方法一体形成。在第一实施例中，分开形成接触电极44a、44b和44c以及元件侧金属焊盘45a、45b和45c。
注意的是，图5B中所示的第四接触电极44d和未示出的第五接触电极在与形成接触电极44a、44b和44c的过程相同的过程中形成，并且图5B中所示的元件侧第四金属焊盘45d和图3中所示的元件侧第五金属焊盘45e在与形成金属焊盘45a、45b和45c的过程相同的过程中形成的。
此外，由于接触电极44b和44d的长度比接触电极44a和44c的长度短，因此接触电极44b和44d以及接触电极44a和44c可以在分开的过程中形成。
通过这个过程，形成包括第一半导体层21、可见光光电转换元件PDU、转移晶体管TRG1、电荷保持区域FD、第一绝缘层25、第二半导体层31、红外光电转换元件PDI、第二绝缘层41、接触电极44a至44e、元件侧金属焊盘45a至45e等的光电转换基板单元20。
接下来，将参考图7I描述电路基板单元50的制造。
图7I中所示的电路基板单元50的制造包括形成构成逻辑电路的晶体管、构成第一读出电路15的有源元件(AMP1、SEL1和TST1)以及构成半导体基板51的第一表面侧的第二读出电路16的有源元件(TRG2、RST2、OFG、AMP2和SEL2)、电容器元件(17a和17b)等。此外，电路基板单元50的制造包括在半导体基板51的第一表面上形成多层布线层61的步骤。多层布线层61包括层间绝缘膜62、经由层间绝缘膜62堆叠的多个布线层、在多个布线层的每一个中设置的布线63，以及电连接不同布线层的布线63的接触电极。此外，多层布线层61包括包含布线63和接触电极的第一至第五布线路径(64a、64b、64c和64d)，以及在最上面的布线层中形成的电路侧第一至第五金属焊盘(65a、65b和65c)。图7I未图示第四和第五布线路径、电路侧第四金属焊盘65d和电路侧第五金属焊盘65e。
接下来，如图7J中所示，将电路基板单元50和光电转换基板单元20接合在一起。电路基板单元50和光电转换基板单元20以电路基板单元50的电路侧金属焊盘(65a至65e)与光电转换基板单元20的元件侧金属焊盘(45a至45e)彼此面对的状态接合。这种接合可以通过粘合剂或通过等离子体接合来执行。
在这个步骤中，电路侧金属焊盘(65a至65e)和元件侧金属焊盘(45a至45e)被CuCu接合。然后，形成电连接光电转换基板单元20的电荷保持区域FD和电路基板单元50的第一读出电路15的第一导电路径。此外，形成电连接光电转换基板单元20的红外光电转换元件PDI和电路基板单元50的第二读出电路16的第二导电路径。此外，形成电连接光电转换基板单元20的转移晶体管TRG1的栅极电极24和电路基板单元50的逻辑电路的第三导电路径。此外，形成电连接光电转换基板单元20的红外光电转换元件PDI的阴极侧和电路基板单元50的电源线的第四导电路径。此外，形成电连接光电转换基板单元20的可见光光电转换元件的阴极侧和电路基板单元的参考电位布线V7的第五导电路径。
此外，通过这个步骤，形成包括不同的两个半导体层21和31以及半导体基板51的半导体晶片90。
接下来，通过例如CMP法等对第一半导体层21的第二表面21y侧进行研磨和抛光，以减小第一半导体层21的厚度。研磨和抛光之前第一半导体层21的厚度是例如大约600μm，但第一半导体层21被减薄至例如大约3μm至5μm的厚度。第一半导体层21的第二表面21y是背照式固态成像设备1A的光入射表面。
接下来，在第一半导体层21的第二表面21y侧依次形成包括遮光膜72a和72b的绝缘层71、滤色器层73和微透镜层74。
通过这个过程，包括光电转换基板单元20和电路基板单元50的固态成像设备1A几乎完成。
此外，通过这个过程，图6A和6B中所示的半导体晶片90几乎完成。固态成像设备1A在半导体晶片90的每个芯片形成区域92中形成。
此后，半导体晶片90的多个芯片形成区域92沿着划线91被单独切割，从而形成其上安装有固态成像设备1A的半导体芯片2。
<<第一实施例的效果>>
接下来，将描述第一实施例的主要效果。
当参考本实施例的附图进行描述时，常规的固态成像设备在第一半导体层21和第二半导体层31之间设有多层布线层。然后，使用多层布线层的布线，电连接第一半导体层21的电荷保持区域FD和电路基板单元50的第一读出电路15的导电路经被迂回(引出)到像素区域2A周围的外围区域2B。
在这种结构的情况下，从第一半导体层21的光入射表面21y侧入射并透射通过第二半导体层31的光被多层布线层的布线遮挡，这造成在第二半导体层31中设置的红外光电转换元件PDI的光敏度降低。
另一方面，如图5A中所示，根据第一实施例的固态成像设备1A包括穿透第一绝缘层25、第二半导体层31和第二绝缘层41中的每一个并且电连接第一半导体层21的电荷保持区域FD与元件侧第一金属焊盘45a的第一接触电极44a。通过使用第一接触电极44a形成电连接第一半导体层21的电荷保持区域FD和电路基板单元50的第一读出电路15的第一导电路径，不必像现有技术中那样使第一导电路径迂回到外围区域2B。因此，有可能省略传统上用于使导电路径迂回的第一半导体层21和第二半导体层31之间的布线。因此，利用根据第一实施例的固态成像设备1A，有可能减少从第一半导体层21的光入射表面21y侧入射并透射通过第一半导体层21的光被布线遮挡的现象，因此有可能提高红外光电转换元件PDI的光敏性。
此外，如图5A中所示，根据第一实施例的固态成像设备1A包括穿透第一绝缘层25、第二半导体层31和第二绝缘层41中的每一个并且电连接第一半导体层21的转移晶体管TRG1的栅极电极24与元件侧第三金属焊盘45c的第三接触电极44c。通过使用第三接触电极44c形成电连接第一半导体层21的转移晶体管TRG1的栅极电极24和电路基板单元50的逻辑电路13的第三导电路径，不必像相关技术中那样将第三导电路径迂回到外围区域2B，因此可以省略常规上被用于使导电路径迂回的第一半导体层21和第二半导体层31之间的布线。因此，利用根据第一实施方式的固态成像设备1A，有可能减少从第一半导体层21的光入射表面21y侧入射并透射通过第一半导体层21的光被布线遮挡的现象，因此有可能进一步提高红外光电转换元件PDI的光敏性。
此外，如图5B中所示，根据第一实施例的固态成像设备1A包括设置在第二半导体层31的第一绝缘层25侧的第二电极35、设置在第二半导体层31的第二绝缘层41侧、穿透第二半导体层31并电连接到第二电极35的引出电极39d，以及穿透第二绝缘层41并电连接引出电极39d和元件侧第四金属焊盘45d的第四接触电极44d。通过使用第四接触电极44d形成电连接光电转换基板单元20的红外光电转换元件PDI的阴极侧和电路基板单元50的参考电位布线V4的第四导电路径，不必像相关技术中那样将第四导电路径迂回到外围区域2B，因此可以省略第一半导体层21和第二半导体层31之间的布线。因此，利用根据第一实施例的固态成像设备1A，有可能减少从第一半导体层21的光入射表面21y侧入射并透射通过第一半导体层21的光被布线遮挡的现象，因此有可能进一步提高红外光电转换元件PDI的光敏性。
此外，虽然未详细示出，但是根据第一实施例的固态成像设备1A包括电连接在第一半导体层21中设置的可见光光电转换元件PDU的阴极侧和第二绝缘层41的元件侧第五金属焊盘45e(参见图3)的第五接触电极。通过使用第五接触电极形成电连接光电转换基板单元20的可见光光电转换元件PDI的阴极侧和电路基板单元50的参考电位布线V7的第五导电路径，可以省略第一半导体层21和第二半导体层31之间的布线。因此，利用根据第一实施例的固态成像设备1A，有可能减少从第一半导体层21的光入射表面21y侧入射并透射通过第一半导体层21的光被布线遮挡的现象，因此有可能提高红外光电转换元件PDI的光敏性。
此外，根据第一实施例的固态成像设备1A包括第一接触电极44a、第二接触电极44b、第三接触电极44c、第四接触电极44d和接触电极。因此，与如相关技术中那样使导电线路迂回到外围区域2B的情况相比，电连接光电转换基板单元20的可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI与电路基板单元50的多层布线层61的导电路径的长度可被缩短，从而可以加速固态成像设备1A的图像处理。
在制造根据第一实施例的固态成像设备1A的方法中，在堆叠第一半导体层21和第二半导体层之后，红外光电转换元件PDI在堆叠于第一半导体层21上的第二半导体层31中形成。使用诸如蚀刻掩模和杂质导入掩模之类的各种掩模形成红外光电转换元件PDI。这些掩模的错位小于接合第一半导体层21和第二半导体层时的错位。与如相关技术中那样其中形成有可见光光电转换元件PDU的第一半导体层21和其中形成有红外光电转换元件PDI的第二半导体层31彼此接合的情况相比，可以最小化可见光光电转换元件与红外光电转换元件之间的位置偏差。因此，通过制造根据第一实施例的固态成像设备1A的方法，有可能提供成品率高的固态成像设备1A。
[第二实施例]
如图8中所示，根据本技术的第二实施例的固态成像设备1B基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的构造相似的构造，并且具有与之不同的以下构造。
即，如图3中所示，在上述根据第一实施例的固态成像设备1A中，一个像素3连接到一个第一读出电路15。
另一方面，如图8中所示，在根据第二实施例的固态成像设备1B中，两个像素3连接到一个第一读出电路15。即，一个第一读出电路15由两个像素3共享。然后，虽然未在结构上示出，但一个第一接触电极44a由两个像素3共享。第一接触电极44a的一个端部侧电连接到两个像素3中的每一个的电荷保持区域FD，另一个端部侧电连接到元件侧第一金属焊盘45a。其它构造与上述第一实施例的构造基本相似。
而且在根据第二实施例的固态成像设备1B中，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果。
此外，由于与第一实施例相比可以减少第一接触电极44a的数量，因此可以进一步提高光敏性。
注意的是，虽然图8中未详细示出，但第二实施例的像素3也与上述第一实施例的像素3一样包括红外光电转换元件PDI。
此外，在第二实施例中，已经描述了一个第一读出电路15由两个像素3共享的情况，但是本技术也可以应用于一个第一读出电路15由两个或更多个像素3(即，多个像素3)共享的情况。
[第三实施例]
如图9中所示，根据本技术的第三实施例的固态成像设备1C基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的构造相似的构造，并且具有与之不同的以下构造。
即，如图3中所示，根据上述第一实施例的固态成像设备1A分别包括读出由可见光光电转换元件PDU光电转换的信号电荷的第一读出电路15和读出由红外光电转换元件PDI光电转换的信号电荷的第二读出电路16。
另一方面，如图9中所示，根据第三实施例的固态成像设备1C包括具有双输入构造的读出电路18，其读出由可见光光电转换元件PDU光电转换的信号电荷和由红外光电转换元件PDI光电转换的信号电荷。其它构造与上述第一实施例的构造基本相似。
读出电路18输出基于从像素3的可见光光电转换元件PDU输出的信号电荷的像素信号，并输出基于从像素3的红外光电转换元件PDI输出的信号电荷的像素信号。
如图9中所示，读出电路18包括放大晶体管AMP和选择晶体管SEL。此外，读出电路18包括转移晶体管TRG2、放电晶体管OFG、复位晶体管RST以及两个电容器元件17a和17b。
在转移晶体管TRG2中，一个主电极区域电连接到红外光电转换元件PDI的阳极侧、放电晶体管OFG的一个主电极区域和电容器元件17a的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到复位晶体管RST的一个主电极区域、电容器元件17b的一个电极、放大晶体管AMP的栅极电极和电荷保持区域FD。然后，转移晶体管TRG2的栅极电极电连接到像素驱动线10的第二转移晶体管驱动布线。
在放电晶体管OFG中，一个主电极区域电连接到转移晶体管TRG2的一个主电极区域、红外光电转换元件PDI的阳极区域、电容器元件17a的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到电源线V2。然后，放电晶体管OFG的栅极电极电连接到像素驱动线10的放电晶体管驱动布线。
在复位晶体管RST中，一个主电极区域电连接到转移晶体管TRG2的另一个主电极区域、放大晶体管AMP的栅极电极、电荷保持区域FD和电容器元件17b的一个电极，并且另一个主电极区域电连接到电源线V2。然后，复位晶体管RST的栅极电极电连接到像素驱动线10的复位晶体管驱动布线。
在放大晶体管AMP中，一个主电极区域电连接到选择晶体管SEL的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到电源线V1。然后，放大晶体管AMP的栅极电极电连接到转移晶体管TRG2的另一个主电极区域、复位晶体管RST的一个主电极区域、电荷保持区域FD和电容器元件17b的一个电极。
在选择晶体管SEL中，一个主电极区域电连接到放大晶体管AMP的一个主电极区域，并且另一个主电极区域电连接到垂直信号线VSL(11)。然后，选择晶体管SEL的栅极电极电连接到像素驱动线10的选择晶体管驱动布线。
电容器元件17a的另一个电极和电容器元件17b的另一个电极电连接到电源线V3。
电容器元件17a暂时保持(累积)在红外光电转换元件PDI中生成的信号电荷。当转移晶体管TRG2被接通时，转移晶体管TRG2将电容器元件16a的信号电荷转移到电容器元件17b。电容器元件17b暂时保持(累积)经由转移晶体管TRG2转移的信号电荷。
当放电晶体管OFG被接通时，放电晶体管OFG将累积在电容器元件17a中的信号电荷放电。当复位晶体管RST2被接通时，复位晶体管RST2将电容器元件17b的信号电位复位为电源线V2的电位。
放大晶体管AMP生成与保持在电荷保持区域FD中的信号电荷的电平对应的电压的信号作为像素信号。放大晶体管AMP构成源极跟随器型放大器，并输出具有与在可见光光电转换元件PDU中生成的信号电荷的电平对应的电压的像素信号。当选择晶体管SEL被接通时，放大晶体管AMP1放大电荷保持区域FD的信号电荷，并经由垂直信号线VSL(11)向列信号处理电路5输出与信号电荷对应的电压。即，读出电路18输出基于从像素3的可见光光电转换元件PDU输出的信号电荷的像素信号。
此外，放大晶体管AMP生成与累积在电容器元件17b中的信号电荷的电平对应的电压的信号作为像素信号。放大晶体管AMP2输出具有与在红外光电转换元件PDI中生成的信号电荷的电平对应的电压的像素信号。当选择晶体管SEL接通时，放大晶体管AMP放大电容器元件17b的信号电荷，并经由垂直信号线11将与信号电荷对应的电压输出到列信号处理电路5。即，读出电路18输出基于从像素3的红外光电转换元件PDI输出的信号电荷的像素信号。
如上所述，在包括具有双输入构造的读出电路18的根据第三实施例的固态成像设备1C中，也可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果。
[第四实施例]
如图10中所示，根据本技术第四实施例的固态成像设备1D基本上具有与根据上述第三实施例的固态成像设备1C相似的构造，并且具有与之不同的以下构造。
即，如图9中所示，在上述第三实施例的固态成像设备1C中，一个像素3连接到一个读出电路18。
另一方面，如图10中所示，在根据第四实施例的固态成像设备1D中，像素3和像素3a连接到一个读出电路18。其它构造与上述第三实施例的构造基本相似。
如图10中所示，像素3包括可见光光电转换元件PDU、转移晶体管TRG1、电荷保持区域FD和红外光电转换元件PDI。对于像素3，像素3a包括可见光光电转换元件PDU、转移晶体管TRG1和电荷保持区域FD，并且不包括红外光电转换元件PDI。
在根据第四实施例的固态成像设备1D中，一个读出电路18由两个像素3和3a共享。然后，虽然未在结构上示出，但是参考图5A，两个像素3和3a共享一个第一接触电极44a。第一接触电极44a的一个端部侧电连接到两个像素3和3a中的每一个的电荷保持区域FD，而另一个端部侧电连接到元件侧第一金属焊盘45a。
而且在根据第四实施例的固态成像设备1D中，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果。
[第五实施例]
如图11和12中所示，根据本技术的第五实施例的固态成像设备1E基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A相似的构造，并且第二半导体层的构造不同。
即，如图11和12中所示，在根据第五实施例的固态成像设备1E中，第二半导体层31A在俯视图中在X方向上延伸并且在Y方向上以预定间隔重复布置。在Y方向上针对每个像素3部署第二半导体层31A。第二绝缘层41嵌入在第二半导体层31A之间，并且第二半导体层31A与第一半导体层21之间的段差被第二绝缘层41填充。第一接触电极44a在俯视图中穿透第二半导体层31A之间的第一绝缘层25和第二绝缘层41，并且电连接电荷保持区域FD和元件侧第一金属焊盘45a。第三接触电极44c在俯视图中穿透第二半导体层31A之间的第一绝缘层25和第二绝缘层41，并且电连接转移晶体管TRG1的栅极电极24和元件侧第三金属焊盘45c。其它构造与上述第一实施例的构造基本相似。
而且在根据第五实施例的固态成像设备1E中，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果。
[第六实施例]
如图13中所示，根据本技术的第六实施例的固态成像设备1F基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A相似的构造，并且可见光光电转换元件和红外光电转换元件的布置不同。
即，在根据上述第一实施例的固态成像设备1A中，如图4中所示，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI被布置为在俯视图中彼此重叠。
另一方面，在根据第六实施例的固态成像设备1F中，如图13中所示，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI被布置为可见光光电转换元件PDU和红外线用光电转换元件PDI的位置偏心以在俯视图中彼此不重叠的状态。在第六实施例中，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI在俯视图中每隔一个布置于Y方向上的像素3而被布置。此外，虽然未图示，但可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI在俯视图中每隔一个布置于X方向上的像素3而被布置。
而且在根据第六实施例的固态成像设备1F中，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1E的效果相似的效果。
注意的是，同样在根据上述第五实施例的固态成像设备1E中，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI可以布置为可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI的位置偏心以在俯视图中彼此不重叠的状态。
[第七实施例]
如图14中所示，根据本技术的第七实施例的固态成像设备1G基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A相似的构造，并且具有与之不同的以下构造。
即，如图4中所示，根据上述第一实施例的固态成像设备1A包括滤色器层73。
另一方面，如图14中所示，根据第七实施例的固态成像设备1G不包括滤色器层。然后，根据第七实施例的固态成像设备1G包括相差检测像素3b。在相位差检测像素3b中，第一半导体层21的光电转换单元22的一部分被遮挡可见光的遮光膜72a覆盖。其它构造与上述第一实施例的构造基本相似。
利用根据第七实施例的固态成像设备1G，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果，并且可以通过相位差检测像素3b来检测相位差。因此，第一半导体层21的可见光光电转换元件PDU和第二半导体层31的红外光电转换元件PDI可以分担作用。
注意的是，在第七实施例中，已经描述了省略滤色器层的情况，但是可以如图1中所示的上述第一实施例中那样设置滤色器层73。
[第八实施例]
如图15中所示，根据本技术的第八实施例的固态成像设备1H基本上具有与根据上述第六实施例的固态成像设备1F的构造相似的构造，并且具有与之不同的以下构造。
即，如图13中所示，根据上述第六实施例的固态成像设备1F包括滤色器层73。
另一方面，如图15中所示，根据第八实施例的固态成像设备1H不包括滤色器层。然后，在根据第八实施例的固态成像设备1H中，设有可见光光电转换元件PDU的像素3中的微透镜部分74b和设有红外光电转换元件PDI的像素3中的微透镜部分74c具有不同的形状。
然后，根据第八实施例的固态成像设备1H包括在第一半导体层21的第一表面21x侧设置的遮光膜24a和在与第一绝缘层25的第一半导体层21侧相对的一侧(第二半导体层31侧)设置的遮光膜27a和27b。
然后，根据第八实施例的固态成像设备1H包括在第二绝缘层41的第二半导体层31侧设置的遮光膜39e和遮光膜39f。其它构造与上述第六实施例的构造基本相似。
遮光膜24a在俯视图中设置在像素3的边界部分处，并且具有遮挡可见光和红外光的功能。遮光膜24a以与转移晶体管TRG1的栅极电极24相同的过程形成，并且包括例如多晶硅膜。
遮光膜27a在俯视图中设置在像素3的边界部分处，并且具有遮挡可见光和红外光的功能。遮光膜27b部署在俯视图中与第一半导体层21的光电转换单元22重叠的位置处，并且具有遮挡可见光和红外光的功能。遮光膜27a和27b中的每一个设置在第一绝缘层25的绝缘膜26与保护膜36之间。然后，遮光膜27a和27b中的每一个在同一步骤中形成，并且包括例如铝膜或铝合金膜。
遮光膜39e设置在俯视图中像素3的边界部分处，并且具有遮挡可见光和红外光的功能。遮光膜39f部署在俯视图中与第一半导体层21的光电转换单元22重叠的位置处，并且具有遮挡可见光和红外光的功能。遮光膜39e和39f中的每一个设置在第二绝缘层41的绝缘膜37与绝缘膜42之间。然后，遮光膜39e和39f中的每一个与第一电极39b和引出电极39d在同一步骤中形成，并且例如由钛和钨的堆叠膜形成。
利用根据第八实施例的固态成像设备1H，可以获得与根据上述第六实施例的固态成像设备1F的效果相似的效果，并且由于设置了遮光膜24a、27a、27b、39e和39f，因此可以防止入射在预定像素3上的红外光泄漏到相邻像素3的红外光电转换元件PDI，并且可以增强一个像素3中的红外光电转换元件PDI的灵敏度(光电转换的准确度)。
注意的是，在第八实施例中，已经描述了设置遮光膜24a、27a、27b、39e和39f的情况。优选地包括所有遮光膜24a、27a、27b、39e和39f，但是通过包括遮光膜24a、27a、27b、39e或39f中的至少一个，可以增强一个像素3中的红外光电转换元件PDI的灵敏度(光电转换的准确度)。
此外，在第八实施例中，已经描述了省略滤色器层的情况，但是可以如图13中所示的上述第六实施例中那样设置滤色器层73。
此外，第二半导体层31的接触层34可以变厚并用作可见光截止滤光器。
[第九实施例]
如图16中所示，根据本技术的第九实施例的固态成像设备1J基本上具有与根据上述第一实施例的固态成像设备1A相似的构造，并且具有引出电极的不同构造。
即，如图5B中所示，根据上述第一实施例的固态成像设备1A的引出电极39d通过从第二半导体层31的第一表面31x侧穿透到第二表面31x侧的连接孔电连接且机械连接到第二电极35。
另一方面，如图16中所示，根据第九实施例的固态成像设备1J的引出电极39g通过从第一半导体层21的第二表面21y侧穿透到第二半导体层31的第一表面31x侧的连接孔电连接且机械连接到第二电极35，并电连接到第一半导体层21。然后，引出电极39g与遮光膜72b一体地形成。然后，虽然未详细示出，遮光膜72b被引出到像素区域2A周围的外围区域2B，并且电连接到外围区域2B中电路基板单元50的电路侧第二金属焊盘65d和65e。即，可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI中的每一个的阴极区域经由包括引出电极39g的导电路径电连接到参考电位布线(例如，接地布线)V7和V4。
利用根据第九实施例的固态成像设备1J，可以获得与根据上述第一实施例的固态成像设备1A的效果相似的效果，并且可以共享用于将可见光光电转换元件PDU和红外光电转换元件PDI的相应阴极电连接到电路基板单元50的参考电位布线的导电路径。
[第十实施例]
<<对电子设备的应用示例>>
本技术(根据本公开的技术)可以应用于例如各种电子设备，诸如成像设备(诸如数码相机或数码摄像机)、具有成像功能的移动电话或具有成像功能的其它设备。
图17是图示根据本技术的第十实施例的电子设备(例如，相机)的示意性构造的图。
如图17中所示，电子设备100包括固态成像设备101、光学透镜102、快门设备103、驱动电路104和信号处理电路105。电子设备100图示了在根据本技术的第一至第六实施例的固态成像设备1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H或1J被用作电子设备(例如，相机)中的固态成像设备101的情况下的实施例。
光学透镜102在固态成像设备101的成像表面上形成来自被摄体的图像光(入射光106)的图像。因此，信号电荷在一定时段内累积在固态成像设备101中。快门设备103控制用于固态成像设备101的光照射时段和遮光时段。驱动电路104供给用于控制固态成像设备101的传送操作和快门设备103的快门操作的驱动信号。通过从驱动电路104供给的驱动信号(定时信号)传送固态成像设备101的信号。信号处理电路105对从固态成像设备101输出的信号(像素信号)进行各种类型的信号处理。经过信号处理的图像信号被存储在诸如存储器的存储介质中或者被输出到监视器。
通过这种构造，在根据第十实施例的电子设备100中，固态成像设备101中的光反射抑制部分抑制与空气层接触的遮光膜或绝缘膜处的光反射，使得有可能抑制抖动并提高图像质量。
注意的是，可以对其应用固态成像设备1的电子设备100不限于相机，并且也可以应用于其它电子设备。例如，固态成像设备1可以应用于成像设备，诸如用于诸如移动电话或平板终端之类的移动设备的相机模块。
注意的是，本技术可以具有以下配置。
(1)
一种固态成像设备，包括：
第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件具有彼此相对的第一表面和第二表面并且对从第二表面侧入射的光进行光电转换，电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；
第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；
电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；
元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及
第一接触电极，第一接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。
(2)
根据以上(1)的固态成像设备，其中第一接触电极在第一绝缘层和第二绝缘层各自的厚度方向上延伸。
(3)
根据以上(1)或(2)的固态成像设备，还包括
像素区域，在像素区域中按矩阵布置有多个像素，其中
在俯视图中，第一接触电极部署在像素区域中。
(4)
根据以上(1)至(3)中的任一项的固态成像设备，其中第二光电转换元件对从第一半导体层的第二表面侧入射并透射通过第一半导体层的光进行光电转换。
(5)
根据以上(1)至(4)中的任一项的固态成像设备，其中
第一光电转换元件是对具有可见区域中的波长的光进行光电转换的可见光光电转换元件，并且
第二光电转换元件是对具有红外区域中的波长的光进行光电转换的红外光电转换元件。
(6)
根据以上(1)至(5)中的任一项的固态成像设备，其中
第一半导体层包含Si，以及
第二半导体层包含InGaAs、InAsSb、InAs、InSb或HgCdTe中的至少一种化合物半导体材料或者Ge。
(7)
根据以上(1)至(6)中的任一项的固态成像设备，其中第一光电转换元件和第二光电转换元件各自被部署为在俯视图中彼此重叠。
(8)
根据以上(1)至(7)中的任一项的固态成像设备，其中第一接触电极穿透第二半导体层。
(9)
根据以上(1)至(8)中的任一项的固态成像设备，其中
读出电路是第一读出电路，以及
固态成像设备还包括：
第二读出电路，第二读出电路设置在电路基板单元中并读出由第二光电转换元件光电转换的信号电荷；
元件侧第二金属焊盘，元件侧第二金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第二金属焊盘，电路侧第二金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到第二读出电路且接合到元件侧第二金属焊盘而与元件侧第二金属焊盘对置；以及
第二接触电极，第二接触电极穿透第二绝缘层并且将第二光电转换元件和元件侧第二金属焊盘电连接。
(10)
根据以上(1)至(8)中的任一项的固态成像设备，其中
读出电路具有读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷和由第二光电转换元件光电转换的信号电荷的电路构造，以及
固态成像设备还包括：
元件侧第二金属焊盘，元件侧第二金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第二金属焊盘，电路侧第二金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第二金属焊盘；以及
第二接触电极，第二接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将第二光电转换元件和元件侧第二金属焊盘电连接。
(11)
根据上述(1)至(10)中的任一项的固态成像设备，还包括：
转移晶体管，转移晶体管设置在第一半导体层中并将由第一光电转换元件光电转换的信号电荷转移到电荷保持区域；
元件侧第三金属焊盘，元件侧第三金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第三金属焊盘，电路侧第三金属焊盘设置在电路基板单元上并被接合到对置的元件侧第三金属焊盘；以及
第三接触电极，第三接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将转移晶体管的栅极电极和元件侧第三金属焊盘电连接。
(12)
根据上述(1)至(11)中的任一项的固态成像设备，还包括：
第二电极，第二电极设置在第二半导体层的第一绝缘层侧；
引出电极，引出电极设置在第二半导体层的第二绝缘层侧、穿透第二半导体层并且电连接到第二电极；
元件侧第四金属焊盘，元件侧第四金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第四金属焊盘，电路侧第四金属焊盘设置在电路基板单元上并被接合到对置的元件侧第四金属焊盘；以及
第四接触电极，第四接触电极穿透第二绝缘层并且将引出电极和元件侧第四金属焊盘电连接。
(13)
根据以上(1)至(8)中的任一项的固态成像设备，其中读出电路由多个第一光电转换元件共享。
(14)
根据以上(1)至(13)中的任一项的固态成像设备，其中第二半导体层在俯视图中彼此正交的X方向和Y方向当中的X方向上延伸，并且在Y方向上以预定间隔重复布置。
(15)
根据以上(1)至(6)中的任一项的固态成像设备，其中第一光电转换元件和第二光电转换元件被布置为第一光电转换元件和第二光电转换元件的位置偏心以在俯视图中彼此不重叠的状态。
(16)
一种制造固态成像设备的方法，包括：
在第一半导体层中形成第一光电转换元件；
在第一半导体层的与光入射表面的一侧相对的一侧堆叠第二半导体层；以及
在堆叠于第一半导体层上的第二半导体层中形成第二光电转换元件。
(17)
根据以上(16)的制造固态成像设备的方法，其中
第一光电转换元件是对具有可见区域中的波长的光进行光电转换的可见光光电转换元件，并且
第二光电转换元件是对具有红外区域中的波长的光进行光电转换的红外光电转换元件。
(18)
一种电子设备，包括固态成像设备、在固态成像设备的成像表面上形成来自被摄体的图像光的图像的光学透镜、以及对从固态成像设备输出的信号执行信号处理的信号处理电路，其中
固态成像设备包括：
第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件具有彼此相对的第一表面和第二表面并且对从第二表面侧入射的光进行光电转换，电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；
第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；
电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；
元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及
第一接触电极，第一接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。
本技术的范围不限于图示和描述的示例性实施例，而是还包括提供与本技术预期的效果等效的效果的所有实施例。而且，本技术的范围不限于由权利要求限定的本发明的特点的组合，而是可以由所有公开的相应特点当中具体特点的任何期望组合限定。
附图标记列表
1A固态成像设备
2半导体芯片
2A像素区域
2A1有效像素区域
2A2光学黑区域
3，3a，3b像素
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
10 像素驱动线
11 垂直信号线
12 水平信号线
13 逻辑电路
14 接合焊盘
15 第一读出电路
16 第二读出电路
17a，17b电容器元件
20 光电转换基板单元
21 第一半导体层
22 光电转换单元
23n型半导体区域
24 栅极电极
25 第一绝缘层
26 绝缘膜
31 第二半导体层
32 盖层
33 光电转换层
34 接触层
35 第二电极
36 保护膜
37 绝缘膜
38 接触区域
39b 第一电极
39d 引出电极
39e，39f遮光膜
41 第二绝缘层
42 绝缘膜
44a 第一接触电极
44b 第二接触电极
44c 第三接触电极
44d 第四接触电极
44e 第五接触电极
45a 元件侧第一金属焊盘
45b 元件侧第二金属焊盘
45c 元件侧第三金属焊盘
45d 元件侧第四金属焊盘
45e 元件侧第五金属焊盘
50 电路基板单元
51 半导体基板
52 栅极电极
61 多层布线层
62 层间绝缘膜
64a 第一布线路径
64b 第二布线路径
64c 第三布线路径
64d 第四布线路径
65a 电路侧第一金属焊盘
65b 电路侧第二金属焊盘
65c 电路侧第三金属焊盘
65d 电路侧第四金属焊盘
65e 电路侧第五金属焊盘
71 绝缘层
72a，72b遮光膜
73 滤色器层
74 微透镜层
AMP1，AMP2放大晶体管
FD电荷保持区
OFG放电晶体管
PDI红外光电转换元件(第二光电转换元件)
PDU可见光光电转换元件(第一光电转换元件)
RST1，RST2复位晶体管
SEL1、SEL2选择晶体管
TRG1，TRG2转移晶体管

Claims (18)

1.一种固态成像设备，包括：
第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件具有彼此相对的第一表面和第二表面并且对从第二表面侧入射的光进行光电转换，电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；
第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；
电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；
元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及
第一接触电极，第一接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第一接触电极在第一绝缘层和第二绝缘层各自的厚度方向上延伸。
3.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
像素区域，在像素区域中按矩阵布置有多个像素，其中
在俯视图中，第一接触电极部署在像素区域中。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第二光电转换元件对从第一半导体层的第二表面侧入射并透射通过第一半导体层的光进行光电转换。
5.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中
第一光电转换元件是对具有可见区域中的波长的光进行光电转换的可见光光电转换元件，并且
第二光电转换元件是对具有红外区域中的波长的光进行光电转换的红外光电转换元件。
6.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中
第一半导体层包含Si，以及
第二半导体层包含InGaAs、InAsSb、InAs、InSb或HgCdTe中的至少一种化合物半导体材料或者Ge。
7.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第一光电转换元件和第二光电转换元件各自被部署为在俯视图中彼此重叠。
8.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第一接触电极穿透第二半导体层。
9.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中
读出电路是第一读出电路，以及
固态成像设备还包括：
第二读出电路，第二读出电路设置在电路基板单元中并读出由第二光电转换元件光电转换的信号电荷；
元件侧第二金属焊盘，元件侧第二金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第二金属焊盘，电路侧第二金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到第二读出电路且接合到元件侧第二金属焊盘而与元件侧第二金属焊盘对置；以及
第二接触电极，第二接触电极穿透第二绝缘层并且将第二光电转换元件和元件侧第二金属焊盘电连接。
10.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中
读出电路具有读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷和由第二光电转换元件光电转换的信号电荷的电路构造，以及
固态成像设备还包括：
元件侧第二金属焊盘，元件侧第二金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第二金属焊盘，电路侧第二金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第二金属焊盘；以及
第二接触电极，第二接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将第二光电转换元件和元件侧第二金属焊盘电连接。
11.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
转移晶体管，转移晶体管设置在第一半导体层中并将由第一光电转换元件光电转换的信号电荷转移到电荷保持区域；
元件侧第三金属焊盘，元件侧第三金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第三金属焊盘，电路侧第三金属焊盘设置在电路基板单元上并被接合到对置的元件侧第三金属焊盘；以及
第三接触电极，第三接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将转移晶体管的栅极电极和元件侧第三金属焊盘电连接。
12.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
第二电极，第二电极设置在第二半导体层的第一绝缘层侧；
引出电极，引出电极设置在第二半导体层的第二绝缘层侧、穿透第二半导体层并且电连接到第二电极；
元件侧第四金属焊盘，元件侧第四金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第四金属焊盘，电路侧第四金属焊盘设置在电路基板单元上并被接合到对置的元件侧第四金属焊盘；以及
第四接触电极，第四接触电极穿透第二绝缘层并且将引出电极和元件侧第四金属焊盘电连接。
13.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中读出电路由多个第一光电转换元件共享。
14.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第二半导体层在俯视图中彼此正交的X方向和Y方向当中的X方向上延伸，并且在Y方向上以预定间隔重复布置。
15.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中第一光电转换元件和第二光电转换元件被布置为第一光电转换元件和第二光电转换元件的位置偏心以在俯视图中彼此不重叠的状态。
16.一种制造固态成像设备的方法，该方法包括：
在第一半导体层中形成第一光电转换元件；
在第一半导体层的与光入射表面的一侧相对的一侧堆叠第二半导体层；以及
在堆叠于第一半导体层上的第二半导体层中形成第二光电转换元件。
17.根据权利要求16所述的制造固态成像设备的方法，其中
第一光电转换元件是对具有可见区域中的波长的光进行光电转换的可见光光电转换元件，并且
第二光电转换元件是对具有红外区域中的波长的光进行光电转换的红外光电转换元件。
18.一种电子设备，包括固态成像设备、在固态成像设备的成像表面上形成来自被摄体的图像光的图像的光学透镜、以及对从固态成像设备输出的信号执行信号处理的信号处理电路，其中
固态成像设备包括：
第一半导体层，第一半导体层包含第一光电转换元件和电荷保持区域，第一光电转换元件具有彼此相对的第一表面和第二表面并且对从第二表面侧入射的光进行光电转换，电荷保持区域保持被第一光电转换元件光电转换的信号电荷；
第二半导体层，第二半导体层隔着第一绝缘层部署在第一半导体层的第一表面侧，并且包括对从第一半导体层的第二表面侧入射的光进行光电转换的第二光电转换元件；
电路基板单元，电路基板单元隔着第二绝缘层部署在第二半导体层的与第一绝缘层的一侧相对的一侧，并且包括读出由第一光电转换元件光电转换的信号电荷的读出电路；
元件侧第一金属焊盘，元件侧第一金属焊盘设置在第二绝缘层的与第二半导体层的一侧相对的一侧；
电路侧第一金属焊盘，电路侧第一金属焊盘设置在电路基板单元上并且电连接到读出电路且接合到元件侧第一金属焊盘；以及
第一接触电极，第一接触电极穿透第一绝缘层和第二绝缘层并且将电荷保持区域和元件侧第一金属焊盘电连接。
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