TW201413925A - 固體攝像裝置及電子機器 - Google Patents

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Abstract

本發明係構成固體攝像裝置，其包含：光電轉換部，其形成於基板之光入射側之上；第1電荷儲存部，其儲存該光電轉換部中所產生之信號電荷；第2電荷儲存部，其形成於與光入射側相反之側之基板內之將入射光聚光之聚光區域以外之區域中，且與第1電荷儲存部沿基板之深度方向積層而形成；及浮動擴散部，其形成於與光入射側相反之側之基板內之聚光區域以外之區域中，且將信號電荷轉換成電壓。

Description

固體攝像裝置及電子機器
本技術係關於固體攝像裝置。又，本技術係關於具備固體攝像裝置之電子機器。
作為固體攝像裝置，例如有將儲存於光電轉換元件即光電二極體之pn接合電容中之光電荷，經由MOS電晶體而讀取之CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互補金屬氧化物半導體)型影像感測器。
在該CMOS型影像感測器中，係以每個像素、每列等對光電二極體所儲存之光電荷執行讀取動作。因此，在無法使儲存光電荷之曝光期間於全部像素中一致而被攝體移動之情形等中，攝像時會產生失真。
因此，實施於全部像素中以同一曝光時間進行攝像之全局曝光。
且，作為實現全局曝光之一種方法，廣泛使用利用機械遮光機構之機械快門方式。
在機械快門方式中，係藉由機械性地開閉機械快門，而使曝光期間於全部像素中一致。接著，機械快門關閉而實質上變為未儲存光電荷之狀態後，依序讀取信號。
但，在機械快門方式中，因必需機械遮光機構，故難以小型化。又，因機械驅動速度有限度，故同時性較電性方法遜色。
又，亦使用不採用機械快門方式，而是藉由電性控制同時驅動全部像素以實現全局曝光之全局快門方式。具體而言，藉由以全部像素列同時重置驅動像素陣列之光電二極體，而以像素陣列整體同時開始信號電荷之儲存。接著，藉由向浮動擴散區等之電荷儲存部以全部像素列同時傳送驅動，而使信號電荷之儲存在像素陣列整體中同時結束。
另，已儲存於電荷儲存部之信號電荷之讀取係以列依序掃描進行。
在採用該全局快門方式之情形時，必須於電荷儲存部之上層設置遮光膜等。其係因若於依序讀取信號之期間內光入射至電荷儲存部，則其會作為雜訊而附加至信號，故而用以防止其。
但，在設置有遮光膜之情形時，光電二極體之開口面積變小，致使靈敏度下降，且飽和靈敏度亦下降。又，因電荷儲存部設置於自光入射之光電二極體於橫向上相對距離較近之位置，故有時在信號讀取中，因光之衍射現象或散射現象等，造成光洩漏且入射至儲存部而雜訊增加。該等飽和靈敏度下降或雜訊增加之結果係致使畫質劣化。
再者，若藉由形成於矽基板上之浮動擴散層而構成電荷儲存部，則因矽基板與氧化膜之界面之結晶缺陷而易產生暗電流，於浮動擴散層中保持電荷時，根據讀取像素之順序，影響信號位準之暗電流產生差。該暗電流之差在依據重置位準之雜訊去除時無法消除。
作為解決無法去除上述暗電流差之問題點之技術，有人提出於像素內除了浮動擴散層，搭載有儲存電荷之記憶體部之構成(例如，參照專利文獻1或專利文獻2)。記憶體部暫時保持光電二極體所儲存之光電荷。為將光電二極體所儲存之光電荷傳送至記憶體部，而設置傳送閘極。
然而，在設置此種記憶體部之構造中，由於進而有必要亦對記 憶體部進行遮光，而相對於像素面積，遮光之面積變大，開口面積進一步變小，故進而致使靈敏度下降，且飽和靈敏度亦下降。
另一方面，作為擴大相對於入射光之像素之開口面積之機構，有背面照射型之固定攝像裝置。在背面照射型之固體攝像裝置中，因於光入射面(背面)之相反側之基板面(表面)上形成以電晶體或配線等構成之電路，而有在光入射側可獲得較大之像素開口之特長，故可進行微細化。
然而，在背面照射型之固體攝像裝置中，在追加全局快門功能之情形時，為防止光進入至半導體基板之表面側，而採用於光入射側形成遮光膜之構成。該情形時，若形成較大之遮光膜，則結果致使像素之開口面積變小而難以微細化。
作為解決該問題之機構，有人提出於矽基板之外部設置有電容器之構造(例如，參照專利文獻3。)。但，在該構造中，自電容器產生之暗電流較大，從而無法獲得高畫質者。
再者，有人提出藉由對背面照射型之固體攝像裝置之光電轉換膜利用吸收係數較高者而兼用作遮光膜，結果具有全局快門功能之構成(例如，參照專利文獻4)。
根據該構成，藉由於基板之光入射側設置光電轉換膜，可防止光入射至儲存部而變為漏光雜訊。
在該構成中，存在暫時儲存光電轉換膜所產生之電荷之第1儲存部、及用以在曝光後依序讀取信號之期間中保持信號之第2儲存部。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特表2007-503722號公報
[專利文獻2]日本專利特開2006-311515號公報
[專利文獻3]日本專利特開平4-281681號公報
[專利文獻4]日本專利特開2012-4443號公報
然而，在設置有上述光電轉換膜之構成中，因將第1儲存部與第2儲存部配置於基板之橫向，故像素難以微細化。
因此，期望提供可使像素微細化，謀求提高靈敏度與飽和電荷量，且降低漏光雜訊而實現良好畫質之固體攝像裝置及具備該固體攝像裝置之電子機器。
本技術之一實施形態之固體攝像裝置具備：基板；光電轉換部，其形成於該基板之光入射側之上，且產生與光量相應之信號電荷；及第1電荷儲存部，其形成於光入射側之基板內，且儲存光電轉換部所產生之信號電荷。
又，具備：第2電荷儲存部，其形成於與光入射側相反之側之基板內之將入射光聚光之聚光區域以外之區域中，且與第1電荷儲存部沿上述基板之深度方向積層而形成。
進而具備：浮動擴散部，其形成於與光入射側相反之側之基板內之聚光區域以外之區域中，且將信號電荷轉換成電壓。
本技術之一實施形態之電子機器係具備光學透鏡、上述本技術之一實施形態之固體攝像裝置、及處理來自固體攝像裝置之輸出信號之信號處理電路者。
根據上述本技術之一實施形態之固體攝像裝置之構成，由於藉由於基板之光入射側之上形成有光電轉換部，而不必於基板內設置光電轉換部，故可使像素微細化。
再者，因與第1電荷儲存部沿基板之深度方向積層而形成有第2電荷儲存部，故可謀求像素進一步微細化。
此外，藉由設置有第1電荷儲存部、第2電荷儲存部、及浮動擴散部，可將儲存於第1電荷儲存部之信號電荷在傳送至浮動擴散部 前，暫時傳送至第2電荷儲存部且予以保持。藉此，可實現全局快門方式之全部像素同時曝光。
再者，根據上述本技術之一實施形態之固體攝像裝置之構成，因第2電荷儲存部與浮動擴散部形成於將入射光聚光之聚光區域以外之區域中，故向第2電荷儲存部與浮動擴散部之入射光量降低。藉此，由於因光之入射而產生之漏光雜訊減少，故可獲得較高之S/N比。
根據上述本技術之一實施形態之電子機器之構成，因具備本技術之固體攝像裝置，故在固體攝像裝置中，謀求像素之微細化，實現全部像素同時曝光，而可獲得較高之S/N比。
根據上述本技術之一實施形態之固體攝像裝置及具備固體攝像裝置之電子機器，因可謀求像素之微細化，故可謀求小型化或多像素化。且，藉由謀求多像素化，可提供高解析度之圖像。
又，因可實現全部像素同時曝光，故可防止拍攝動態之被攝體時產生失真。且，因不設置遮光膜亦可實現全部像素同時曝光，故與設置有遮光膜之情形相比較，可擴大開口，從而謀求提高靈敏度與提高飽和電荷量。
又，因漏光雜訊減少而可獲得較高之S/N比，故可實現良好之畫質。
因此，根據本技術之一實施形態之固體攝像裝置、及具備固體攝像裝置之電子機器，可實現高靈敏度與高飽和電荷量，且可提供高解析度且具有良好畫質之圖像。
1‧‧‧固體攝像裝置
2‧‧‧像素
3‧‧‧像素區域
4‧‧‧垂直驅動電路
5‧‧‧行信號處理電路
6‧‧‧水平驅動電路
7‧‧‧輸出電路
8‧‧‧控制電路
9‧‧‧垂直信號線
10‧‧‧水平信號線
11‧‧‧基板
12‧‧‧基板
13‧‧‧井區域
15‧‧‧固體攝像裝置
16‧‧‧固體攝像裝置
17‧‧‧固體攝像裝置
21‧‧‧固體攝像裝置
23‧‧‧彩色濾光片層
24‧‧‧晶載透鏡
25‧‧‧第2電荷儲存部
26‧‧‧p型半導體層
27‧‧‧第1傳送閘極電極
28‧‧‧閘極絕緣膜
29‧‧‧汲極(釋放部)
30‧‧‧第2重置閘極電極
32‧‧‧第2傳送閘極電極
33‧‧‧第1重置閘極電極
34‧‧‧浮動擴散部(FD)
35‧‧‧汲極(重置部)
45‧‧‧放大閘極電極
46‧‧‧選擇閘極電極
50‧‧‧光電轉換部
51‧‧‧像素分離部(光電轉換部側像素分離部)
52‧‧‧第1電荷儲存部
53‧‧‧像素分離部/P型半導體層
55‧‧‧抗蝕劑層
56‧‧‧抗蝕劑層
57‧‧‧透明電極
58‧‧‧p型半導體層
59‧‧‧絕緣膜
60‧‧‧中間層
68‧‧‧障壁層
69‧‧‧絕緣層
200‧‧‧電子機器
210‧‧‧光學透鏡
211‧‧‧快門裝置
212‧‧‧驅動電路
213‧‧‧信號處理電路
〈011〉‧‧‧方向
〈100〉‧‧‧基板
A‧‧‧區域
a‧‧‧晶格常數
B‧‧‧區域
EC‧‧‧傳導帶下端
EF‧‧‧費米能級
EV‧‧‧價電子帶上端
k‧‧‧吸光係數
L‧‧‧光
MFC‧‧‧質流控制器
OCL‧‧‧晶載透鏡
P‧‧‧像素尺寸
Tr1‧‧‧第1傳送電晶體
Tr2‧‧‧第2傳送電晶體
Tr3‧‧‧第1重置電晶體
Tr4‧‧‧第2重置電晶體
Tr5‧‧‧放大電晶體
Tr6‧‧‧選擇電晶體
Vdd‧‧‧電源電壓
ΦRST‧‧‧重置脈衝
ΦRST1‧‧‧第1重置脈衝
ΦRST2‧‧‧第2重置脈衝
ΦSEL‧‧‧選擇脈衝
ΦTRG1‧‧‧第1傳送脈衝
ΦTRG2‧‧‧第2傳送脈衝
θ1‧‧‧傾斜角度(傾斜角)
圖1係第1實施形態之固體攝像裝置之概略構成圖(俯視圖)。
圖2係第1實施形態之固體攝像裝置之像素區域之剖面圖。
圖3係第1實施形態之固體攝像裝置之像素之等價電路圖。
圖4係顯示多種半導體材料之光子能與光吸收係數之關係之圖。
圖5係針對黃銅礦材料顯示晶格常數與能帶隙之關係之圖(其1)。
圖6係針對黃銅礦材料顯示晶格常數與能帶隙之關係之圖(其2)。
圖7係顯示各種矽化物系材料中光子能與吸光係數k之關係之圖。
圖8係說明A、B像素中各部之配置之圖。
圖9係顯示已進行模擬之固體攝像裝置之構造之圖。
圖10係顯示在圖9之構造之固體攝像裝置中，模擬光傳輸之情況之結果之圖。
圖11係第1實施形態之固體攝像裝置之驅動方法之時序圖。
圖12係顯示第1實施形態之固體攝像裝置之動作之圖。
圖13A係顯示第1實施形態之固體攝像裝置之製造方法之製造步驟圖。
圖13B係表示圖13A後續之步驟之圖。
圖13C係表示圖13B後續之步驟之圖。
圖14A係表示圖13C後續之步驟之圖。
圖14B係表示圖14D後續之步驟之圖。
圖14C係表示圖14E後續之步驟之圖。
圖14D係表示圖14F後續之步驟之圖。
圖15係顯示光電轉換部之形成所使用之MOCVD裝置之圖。
圖16係顯示光電轉換部之形成所使用之MBE裝置之圖。
圖17A係顯示第1實施形態之固體攝像裝置之其他製造方法之製造步驟圖。
圖17B係表示圖17A後續之步驟之圖。
圖17C係表示圖17B後續之步驟之圖。
圖18係顯示於傾斜基板上形成有光電轉換部時之原子排列之 圖。
圖19係對第1實施形態之第1變化例之固體攝像裝置之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
圖20A係顯示圖19之基板與光電轉換部之垂直方向之剖面能帶構造之圖。
圖20B係顯示圖19之基板與光電轉換部之垂直方向之剖面能帶構造之圖。
圖21係顯示圖19之光電轉換部之水平方向之剖面能帶構造之圖。
圖22係對第1實施形態之第2變化例之固體攝像裝置之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
圖23係對第1實施形態之第3變化例之固體攝像裝置之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
圖24係第2實施形態之固體攝像裝置之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
圖25係第2實施形態之固體攝像裝置之像素之等價電路圖。
圖26係第2實施形態之固體攝像裝置之驅動方法之時序圖。
圖27係顯示第2實施形態之固體攝像裝置之動作之圖。
圖28係第3實施形態之電子機器之概略構成圖(方塊圖)。
以下，說明用以實施本技術之最佳形態(以下，記述為實施形態)。
另，說明係按照以下順序進行。
1.第1實施形態(固體攝像裝置)
2.對第1實施形態之第1變化例
3.對第1實施形態之第2變化例
4.對第1實施形態之第3變化例
5.對第1實施形態之第4變化例
6.第2實施形態(固體攝像裝置)
7.第3實施形態(電子機器)
<1.第1實施形態>
圖1中顯示第1實施形態之固體攝像裝置之概略構成圖(俯視圖)。
本實施形態係將本技術應用於CMOS型影像感測器之情形。
如圖1所示，本實施形態之固體攝像裝置1之構成係具有：像素區域3，其係由排列於包含矽之基板11上之複數個像素2構成；垂直驅動電路4；行信號處理電路5；水平驅動電路6；輸出電路7；及控制電路8。
像素2係由包含光電二極體之光電轉換部、與複數個像素電晶體構成，且於基板11上以2維陣列狀規則地排列複數個。
作為構成像素2之像素電晶體，可例舉傳送電晶體、重置電晶體、選擇電晶體、及放大電晶體。
像素區域3係由以2維陣列狀規則排列之複數個像素2構成。像素區域3係由放大將入射光進行光電轉換而產生之信號電荷，且讀取至行信號處理電路5之有效像素區域、及用以輸出成為黑位準之基準之光學黑色之黑基準像素區域(未圖示)構成。黑基準像素區域通常形成於有效像素區域之外周部。
控制電路8基於垂直同步信號、水平同步信號、及主時脈，而產生成為垂直驅動電路4、行信號處理電路5、及水平驅動電路6等之動作之基準之時脈信號或控制信號等。且，控制電路8所產生之時脈信號或控制信號等係輸入至垂直驅動電路4、行信號處理電路5、及水平驅動電路6等。
垂直驅動電路4係由例如位移暫存器構成，且以列單位依序沿垂 直方向選擇掃描像素區域3之各像素2。接著，將基於各像素2之光電二極體中與受光量相應而產生之信號電荷之像素信號，通過垂直信號線9供給至行信號處理電路5。
行信號處理電路5例如配置於像素2之每行，且將自1列量之像素2輸出之信號，根據每像素行中來自黑基準像素區域(未圖示，形成於有效像素區域之外周部)之信號，而進行雜訊去除或信號放大等之信號處理。於行信號處理電路5之輸出段，於其與水平信號線10之間設置有水平選擇開關(未圖示)。
水平驅動電路6係由例如位移暫存器構成，且藉由依序輸出水平掃描脈衝，而依序選擇行信號處理電路5之各者，且使像素信號自行信號處理電路5之各者輸出至水平信號線10。
輸出電路7對自行信號處理電路5之各者通過水平信號線10所供給之信號，進行信號處理且輸出。
其次，對本實施形態之固體攝像裝置1之各像素2之構成進行說明。
本實施形態之固體攝像裝置1係將半導體基板之表面側作為電路形成面，且將半導體基板之背面側作為光入射面之背面照射型構造之固體攝像裝置。
圖2中顯示本實施形態之固體攝像裝置1之像素區域3之概略剖面圖。又，圖3中顯示本實施形態之固體攝像裝置1之各像素2之等價電路圖。另，在圖2中，以電路圖顯示構成各像素2之像素電晶體之一部分。
如圖2所示，本實施形態之固體攝像裝置1具備第1電荷儲存部52、第2電荷儲存部25、浮動擴散部34、及形成有複數個像素電晶體之基板12。
又，本實施形態之固體攝像裝置1於基板12之表面側具備未圖示 之配線層。再者，於成為基板12之光入射面之背面側，具備積層而形成之光電轉換部50、p型半導體層58、透明電極57、彩色濾光片層23、及晶載透鏡24。
基板12係以n型半導體基板(例如n型之矽基板)構成，例如，形成為3μm~5μm之厚度。
又，形成構成各像素2之雜質區域之像素區域3係作為第2導電型(本實施形態中為p型)之井區域13。且，各像素2係由形成於基板12之像素分離部53劃分。像素分離部53係以自基板12之背面側形成為期望之深度之高濃度之p型半導體層形成，且係以電性分離鄰接之像素之方式設置。
接著，於p型井區域13內，形成構成各像素2之第1電荷儲存部52或第2電荷儲存部25、浮動擴散部34、及構成各像素電晶體之源極/汲極區域29、35。
又，各像素2具備第1傳送電晶體Tr1、第2傳送電晶體Tr2、第1重置電晶體Tr3、第2重置電晶體Tr4、放大電晶體Tr5、及選擇電晶體Tr6之6個像素電晶體。
第1電荷儲存部52係以自基板12之背面側(光入射側)形成至特定深度之n型半導體層構成。第1電荷儲存部52形成於對應之每個像素內，且在各像素中，形成於像素分離部53所劃分之單位像素之區域內全域。
該第1電荷儲存部52係作為儲存後述之光電轉換部50所產生之信號電荷之儲存部發揮功能。
又，第1電荷儲存部52較佳係採用以使n型雜質濃度自基板之背面側朝向深度方向變高之方式分佈雜質之構成。藉由採用此種構成，對第1電荷儲存部52，可採用沿基板12之深度方向電勢電位變高之電勢梯度。藉此，因電勢梯度而於基板內產生內部電場，且藉由該內部 電場，自光電轉換部50移動而至之信號電荷(本實施形態中為電子)於第1電荷儲存部52內自動移動至基板12表面側。
第2電荷儲存部25係以形成於基板12之表面側(與光入射側相反之側)之n型半導體層構成。第2電荷儲存部25在基板12之深度方向(厚度方向)中，配置於與第1電荷儲存部52重疊之位置。即，第2電荷儲存部25在基板12之深度方向，形成於第1電荷儲存部52之表面側。此時，構成第1電荷儲存部52之n型半導體層、與構成第2電荷儲存部25之n型半導體層係介隔p型井區域13，電性分離而配置有各個n型半導體層彼此。
又，為使自第1電荷儲存部52向第2電荷儲存部25之信號電荷之讀取為更完全者(即，為減少傳送殘留)，期望使第2電荷儲存部25之雜質濃度比第1電荷儲存部52之雜質濃度更高。
又，於較構成第2電荷儲存部25之n型半導體層更表面側上，以與第2電荷儲存部25相接之方式形成有較薄之p型半導體層26。藉由該p型半導體層26，可抑制產生構成形成於基板12之表面側之配線層(未圖示)之氧化膜與基板之界面所引起之暗電流。
另，在圖2中，在2個像素之各者內，於像素之右側與像素之左側上形成有第2電荷儲存部25及p型半導體層26。該等層25、26係遍及像素之周邊部整周而形成，且在圖2未顯示之位置上，分別形成於像素之右側與像素之左側之部分連接而一體化。
浮動擴散部34形成於基板12之表面側。浮動擴散部34係以高濃度之n型半導體層構成。
此外，構成各像素電晶體之源極/汲極區域形成於基板12之表面側。在圖2中，代表顯示構成第1重置電晶體Tr3與第2重置電晶體Tr4之各者之汲極35、29。
關於構成各像素電晶體之源極/汲極區域，亦與浮動擴散部34相 同，係以高濃度之n型半導體層構成。浮動擴散部34及構成各像素電晶體之源極/汲極區域亦形成於沿基板12之深度方向與第1電荷儲存部52重疊之位置，且以介隔p型之井區域13，而使n型半導體層彼此不連接之方式形成。
第1傳送電晶體Tr1係以成為源極之第1電荷儲存部52、成為汲極之第2電荷儲存部25、及第1傳送閘極電極27構成。構成第1傳送電晶體Tr1之第1傳送閘極電極27採用自基板12之表面側沿深度方向所形成之縱型閘極電極，且形成為貫通第2電荷儲存部25而到達第1電荷儲存部52之深度。該第1傳送閘極電極27係藉由於自基板12形成為期望之深度之溝槽部內介隔閘極絕緣膜28嵌入電極材料而形成。
另，圖2中雖未顯示，但形成第1傳送閘極電極27之情形時，可於溝槽之側面及底面形成較薄之p型半導體層。藉由於溝槽之側面及底面形成較薄之p型半導體層，可抑制溝槽部與基板12之界面中產生之暗電流。
接著，於第1傳送閘極電極27上，以圖3所示之方式連接有供給第1傳送脈衝ΦTRG1之配線。於第1傳送電晶體Tr1中，藉由對第1傳送閘極電極27施加期望之第1傳送脈衝ΦTRG1，可將儲存於第1電荷儲存部52之信號電荷讀取至第2電荷儲存部25。該情形時，沿第1傳送閘極電極27形成通道，從而信號電荷沿第1傳送閘極電極27移動至第2電荷儲存部25。
第2傳送電晶體Tr2係以成為源極之第2電荷儲存部25、成為汲極之浮動擴散部34、及第2傳送閘極電極32構成。構成第2傳送電晶體Tr2之第2傳送閘極電極32係於源極/汲極間之基板12表面，介隔包含例如矽氧化膜之閘極絕緣膜28而形成。
接著，於第2傳送閘極電極32上，以圖3所示之方式連接有供給第2傳送脈衝ΦTRG2之配線。在第2傳送電晶體Tr2中，藉由對第2傳送 閘極電極32施加期望之第2傳送脈衝ΦTRG2，可將儲存於第2電荷儲存部25之信號電荷讀取至浮動擴散部34。
第1重置電晶體Tr3係以成為源極之浮動擴散部34、連接於電源電壓Vdd之汲極(重置部)35、及第1重置閘極電極33構成。構成第1重置電晶體Tr3之第1重置閘極電極33係於源極/汲極間之基板12表面上，介隔包含例如矽氧化膜之閘極絕緣膜28而形成。
接著，於第1重置閘極電極33上，以圖3所示之方式連接有供給第1重置脈衝ΦRST1之配線。在第1重置電晶體Tr3中，藉由對第1重置閘極電極33施加期望之第1重置脈衝ΦRST1，浮動擴散部34之電位重置成電源電壓Vdd。
第2重置電晶體Tr4係以成為源極之第1電荷儲存部52、連接於電源電壓Vdd之汲極(釋放部)29、及第2重置閘極電極30構成。構成第2重置電晶體Tr4之第2重置閘極電極30採用自基板12之表面側沿深度方向所形成之縱型之閘極電極，且形成為貫通汲極29而到達第1電荷儲存部52之深度。該第2重置閘極電極30係藉由於自基板12之表面側形成為期望之深度之溝槽部內，介隔閘極絕緣膜28嵌入電極材料而形成。
接著，於第2重置閘極電極30上，以圖3所示之方式連接有供給第2重置脈衝ΦRST2之配線。在第2重置電晶體Tr4中，藉由對第2重置閘極電極30施加期望之第2重置脈衝ΦRST2，第2電荷儲存部25之電位重置成電源電壓Vdd。該情形時，沿第2重置閘極電極30形成通道，從而信號電荷沿第2重置閘極電極30被釋放至汲極(釋放部)29。
放大電晶體Tr5係以連接於電源電壓Vdd之汲極、兼用作選擇電晶體Tr6之汲極之源極、及放大閘極電極45構成。如圖3所示，放大電晶體Tr5之源極/汲極間之放大閘極電極45連接於浮動擴散部34。
該放大電晶體Tr5構成有將電源電壓Vdd作為負載之源極隨耦電 路，且自放大電晶體Tr5輸出與浮動擴散部34之電位變化相應之像素信號。
選擇電晶體Tr6係以兼用作放大電晶體Tr5之源極之汲極、連接於垂直信號線9之源極、及選擇閘極電極46構成。如圖3所示，於選擇電晶體Tr6之源極/汲極間之選擇閘極電極46上，連接有供給選擇脈衝ΦSEL之配線。藉由於各像素內將選擇脈衝ΦSEL供給至選擇閘極電極46，放大電晶體Tr5所放大之像素信號經由選擇電晶體Tr6輸出至垂直信號線9。
另，在圖2所示之剖面構成中，以電路圖顯示放大電晶體Tr5及選擇電晶體Tr6，且雖省略剖面構成之圖示，但實際上在基板12之深度方向，形成於與第1電荷儲存部52重疊之位置。又，構成放大電晶體Tr5及選擇電晶體Tr6之源極/汲極區域亦具有與例如構成第1重置電晶體Tr3之源極/汲極區域相同之構成。
於基板12之表面側上，雖省略圖示，但介隔層間絕緣膜而形成有積層為複數層之配線層。經由該等配線層，對各像素電晶體供給期望之脈衝，且讀取各像素2之信號電荷。
光電轉換部50係以可產生與入射之光量相應之信號電荷之光電轉換材料構成，且積層而形成於基板12之背面側，並以被覆包含n型半導體層之第1電荷儲存部52之上表面之方式，設置於像素區域整體。
又，光電轉換部50採用兼用作遮光膜之構成。即，採用入射至光電轉換部50之光於此處進行光電轉換，而不入射至基板12側之構成。又，在光電轉換部50中，亦形成有像素分離部(以下，為光電轉換部側像素分離部51)，且於每個像素中劃分光電轉換部50。
作為構成此種光電轉換部50之材料，可使用黃銅礦構造之化合物半導體。例如，可使用CuInSe2。
圖4中顯示各種半導體材料之光子能與光吸收係數之關係。如圖4所示，CuInSe2之光吸收係數較其他材料更高，尤其與矽單晶(圖4中X-Si)相比較，高約2位數。因此，包含CuInSe2之光電轉換部不僅有作為光電轉換部之功能，亦可較好地實現遮蔽可視光之功能。
使用為光電轉換部50之材料係可視光線之吸收係數較包含矽之基板12更高，且若為顯現光電轉換功能之材料，則可為單晶、多晶、非晶質之任一結晶構造。
又，作為構成光電轉換部50之黃銅礦材料，亦可使用CuInSe2以外之其他黃銅礦材料。因其他黃銅礦材料亦與CuInSe2同樣吸收係數較高，故即使使用其他黃銅礦材料，亦可兼用作光電轉換部與遮光部。例如，有包含含有銅-鋁-銀-鎵-銦-硫-硒(CuAlAgGaInSSe)系混晶、或銅-鋁-銀-鎵-銦-鋅-硫-硒(CuAlAgGaInZnSSe)系混晶之黃銅礦系化合物半導體之光電轉換膜等。
此時，為減少結晶缺陷，期望使光電轉換部50之光電轉換膜與基板晶格匹配。
關於黃銅礦材料，於圖5及圖6中顯示晶格常數與能帶隙之關係。如圖5所示，存在各種黃銅礦材料。
其中，如圖6所示，CuAlGaInSSe系混晶因可以成為使其晶格常數與矽之晶格常數5.43Å晶格匹配之異質磊晶之方式控制組成，故可減少結晶缺損。
因此，可使CuAlGaInSSe系混晶於包含矽之基板12上作為單晶薄膜而磊晶成長，從而可減少異質界面上產生之不匹配錯位等之結晶缺陷。
此種結晶缺陷於能帶隙中形成較深之態位，為釋出該態位所捕獲之電子或電洞等之載子，而以附加至信號之形態成為暗電流(雜 訊)。尤其，在較深之態位中，因截至釋出之時間常數較長，故於實用上雜訊之產生會是問題。
因此，藉由利用晶格匹配之異質磊晶減少結晶缺陷，可抑制產生暗電流，而減少雜訊。
又，構成光電轉換部50之黃銅礦材料，其導電型可為p型、n型、i型之任一者。惟為使光電轉換部50所產生之信號電荷移動至第1電荷儲存部52側，較佳以光電轉換部50內之電勢電位變化之方式使雜質濃度發生變化。如本實施形態，將電子使用為信號電荷之情形時，藉由以電勢電位朝向基板12變高之方式構成光電轉換部50，光電轉換部50所產生之信號電荷沿電勢梯度移動，且儲存於第1電荷儲存部52。
作為構成光電轉換部50之其他材料，亦可使用矽化物系之材料。圖7中顯示多種矽化物系材料之光子能與吸光係數k之關係。
光吸收係數α對於吸光係數k與波長λ，顯示α=4πk/λ之關係。因此，由圖7可知，CoSi、CrSi、HfSi、IrSi、MoSi、NiSi、PdSi、ReSi、TaSi、TiSi、WSi、ZrSi等之矽化物系材料與矽相比，其光吸收係數α更高。
此外，β-矽化鐵材料(β-FeSi2)之光吸收係數與矽相比高2位數左右(參照H.Katsumata,et al.,J.Appl.Phys.8(10),5995(1996))。又，如為β-矽化鐵材料(β-FeSi2)，可使其磊晶成長於矽基板上(參照John E.Mahan,et al.,Appl.Phys.Lett.56(21),2126(1990))。因此，藉由使用β-矽化鐵材料(β-FeSi2)，可形成顯現光電轉換功能與遮光功能之兩者之光電轉換部50。
再者，關於矽化鋇系材料(BaSi2)或Ba1-xSrxSi2，吸收係數亦比矽高約2位數。又，SiGe、Mg2SiGe、SrSi2、MnSi1.7、CrSi2、NiSi系、CuSi系、CoSi系、PtSi系等之矽化物系材料亦同樣吸收係數較高。因 此，藉由使用矽化物系材料，可形成亦作為遮光膜發揮功能之光電轉換部50。
此外，FeS2或CdTe或CuS等之無機材料亦吸收係數較高，適合作為光電轉換部50之材料。
再者，光電轉換部50係除上述無機材料外，亦可使用有機材料而形成。有機材料亦吸收係數較高，而可成為兼用作遮光與光電轉換之材料。
例如，在包含喹吖啶酮系色素或香豆素系色素之有機材料、或其他有機材料中，有吸收係數較矽高2位數以上之有機材料。藉由以該等有機材料形成光電轉換部50，可兼用作光電轉換部與遮光部。
另，在本實施形態中，因於光電轉換部50之光入射側設置有彩色濾光片層23，故在以有機材料構成光電轉換部50之情形時，亦可使用遍及可視光全域具有靈敏度之材料。又，於各像素中，亦可以使彩色濾光片層23吸收與透過之光之波長對應之波長之光之方式構成光電轉換部50。
然而，有機材料係電子遷移率較低之材料。因此，在使用有機材料構成光電轉換部50之情形時，亦可不形成分離各像素之光電轉換部50之光電轉換部側像素分離部51。又，在使用有機材料構成光電轉換部50之情形時，可藉由將有機材料塗佈於基板12而形成。
p型半導體層58形成於光電轉換部50之透明電極57側。
該p型半導體層58係以使光電轉換部50所產生之電洞進入p型半導體層58且沿橫向(沿著光電轉換部50之膜面)流動之方式，而具有較高之雜質濃度。
於光電轉換部50之光入射側之面上，藉由形成有高濃度之p型半導體層58，而抑制產生暗電流。
又，p型半導體層58係於各像素間，以介隔構成光電轉換部側像 素分離部51之p型半導體層而連結之方式形成。因此，光電轉換部50所產生之信號電荷(電子)流動於基板12側，且電洞自光電轉換部50移動至p型半導體層58，並可在光電轉換部50上沿橫向移動。
透明電極57形成於光電轉換部50上部之光入射面側，且形成於像素區域整面上。透明電極57係以對可視光區域之波長具有光透過性之電極材料形成，例如，可以氧化銦錫(ITO)膜、氧化銦鋅膜、或氧化鋁鋅(AZO)膜、氧化鋅膜等之透明導電膜構成。
該透明電極57接地於接地電位，且以防止藉由電洞儲存形成之電荷之方式構成。
又，藉由透明電極57所形成之外部電場，可將光電轉換部50所產生之信號電荷聚集於第1電荷儲存部52。
如此，在本實施形態中，於光電轉換部50之下層形成有包含n型半導體層之第1電荷儲存部52，且於光電轉換部50之上層形成有接地於接地電位之透明電極57。藉此，在光電轉換部50中，與入射之光量相應而產生之信號電荷(電子)移動於第1電荷儲存部52側，與信號電荷之產生同時產生之電洞移動於透明電極57側。
彩色濾光片層23形成於光電轉換部50之上部，例如，於每個像素中配置有選擇性透過R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)之光之濾光層。又，該等濾光層係以例如拜耳排列配置於每個像素中。
在彩色濾光片層23中，透過所需之波長之光，且所透過之光入射至基板12上之光電轉換部50。
另，在本實施形態中，雖採用各像素透過R、G、B之任一者之光之構成，但並未限定於此。作為構成彩色濾光片層23之材料，亦可使用透過其他藍綠色、黃色、品紅色等之光之有機材料，且可根據樣式進行多種選擇。
晶載透鏡24形成於彩色濾光片層23之上部，且形成於每個像素 內。在晶載透鏡24中，入射之光聚光，且聚光之光經由彩色濾光片層23而高效地入射至光電轉換部50。另，在本實施形態中，晶載透鏡24係採用使入射之光聚光於光電轉換部50之中心位置之構成。
在本實施形態之固體攝像裝置1中，尤其第2電荷儲存部25與浮動擴散部34係在基板12之表面側，形成於像素之周邊部。
另一方面，於基板12之表面側之像素之中央部上，形成有第1重置電晶體Tr3之汲極(重置部)35及第2重置電晶體Tr4之汲極(釋放部)29。
於像素之中央部，藉由以晶載透鏡24進行聚光，而聚集大部分之入射光。
於該像素之中央部配置釋放部29及重置部35等，且於其周邊部上配置第2電荷儲存部(儲存部)25、或浮動擴散部34、放大電晶體Tr5、選擇電晶體Tr6等。藉此，可減小全局快門動作時產生之漏光雜訊之不良影響。
即，若光入射於第2電荷儲存部(儲存部)25或浮動擴散部34等，則變為漏光雜訊，但即使光入射至釋放部29及重置部35等，對漏光雜訊之影響仍較小。
此處，圖8A中顯示像素之水平方向之位置與光電場強度之關係，圖8B中顯示基板之表面側之像素內之平面配置之概略圖。
如圖8A所示，晶載透鏡24之聚光之光電場強度係中心部最高，且於周邊部中變得較小。其中，將自最大強度1至強度1/e之範圍作為聚光區域。
又，如圖8B所示，於像素之中央部，配置有釋放部29及重置部35，且於像素之周邊部上，配置有儲存部25、浮動擴散部(FD)34、放大電晶體Tr5、及選擇電晶體Tr6。
再者，於圖8B中以虛線表示圖8A之聚光區域(強度1/e~1)。
接著，如圖8B所示，在表示聚光區域之虛線內，藉由放入釋放部29及重置部35等，可有效降低漏光雜訊。
另，因在像素區域3之端部之像素中傾斜入射之光增加，故期望與先前之固體攝像裝置相同，進行適當之瞳修正，而使上述之聚光區域成為各像素之中央部。
此處，在本實施形態之固體攝像裝置1中，模擬光傳輸之情況
對圖2所示之構造進行簡化，而採用圖9所示之構造之固體攝像裝置。
具體而言，統一基板12內之各部，而於縱向分割成2個區域，將上側作為積體部，將下側作為儲存部與釋放部/重置部。儲存部配置於像素之周邊部，釋放部及重置部配置於像素之中央部。
在圖9所示之構造之固體攝像裝置中，將像素尺寸P設為1.75μm，將光電轉換部設為厚度為0.75μm之CuInGaS2膜，將基板12內之積體部之厚度設為1.5μm，將儲存部與釋放部及重置部之厚度設為1.5μm。又，將晶載透鏡OCL之厚度設為500nm。接著，模擬經由晶載透鏡OCL使600nm之波長之光沿垂直方向入射之情形之光之傳輸之情況。
圖10中顯示對圖9所示之構造之固體攝像裝置進行模擬之結果。
如圖10所示，可知光集中於像素之中央部之釋放部及重置部，且於儲存部幾乎未入射光。
接著，與將儲存部配置於像素之中央部之情形相比較，可知藉由於像素之周邊部配置儲存部，儲存部之吸收量降低至1/6。該點表示具有使漏光雜訊下降約-16dB之程度之效果。
本實施形態之固體攝像裝置1具體可採用例如以1000nm之厚度形成包含與基板12之n型矽區域晶格匹配之CuAlGaInSSe系混晶之光電轉換部50，且以100nm之厚度形成透明電極57之構成。
在本實施形態之固體攝像裝置1中，入射之光在光電轉換部50中進行光電轉換，且於光電轉換部50中產生與入射光相應之信號電荷。所產生之信號電荷移動於基板12內，且儲存於第1電荷儲存部52。
儲存於第1電荷儲存部52之信號電荷係全部像素同時地傳送至第2電荷儲存部25，且於每列中，傳送至浮動擴散部34。
關於該驅動方法之細節，將後述。
在本實施形態之固體攝像裝置1中，第1電荷儲存部52、及暫時保持信號電荷之第2電荷儲存部25係沿基板12之深度方向積層而形成。因此，可縮小像素面積，而可使像素微細化。
又，儲存於第1電荷儲存部52之信號電荷係可以縱型電晶體所構成之第1傳送電晶體Tr1讀取。縱型電晶體因沿基板12之深度方向讀取信號電荷，故與如通常之平面電晶體般沿基板12之水平方向讀取信號電荷之構成相比較，佔有面積較小。因此，可使像素進一步微細化。
又，在本實施形態之固體攝像裝置1中，第1電荷儲存部52與第2電荷儲存部25係沿基板12之深度方向積層，且第1電荷儲存部52之信號電荷係以包含縱型電晶體之第1傳送電晶體Tr1傳送。因此，第2電荷儲存部25之形成位置為像素之周邊部、且與第1電荷儲存部52重疊之位置即可，從而像素電晶體之佈局自由度較高。藉由於像素之周邊部形成第2電荷儲存部25，如上所述，可減小在全局快門動作時產生之漏光雜訊之不良影響。
又，在本實施形態之固體攝像裝置1中，因第1電荷儲存部52、及構成各像素電晶體之半導體層係形成於沿基板12之深度方向重疊之位置，故可獲得較寬之第1電荷儲存部52之面積。藉此，可謀求提高飽和電荷量。
再者，期望亦可於第1儲存部52之上方，例如於透明電極57與彩色濾光片層23之間形成遮光膜。
(驅動方法)
繼而，說明本實施形態之固體攝像裝置1之驅動方法。
圖11中顯示本實施形態之固體攝像裝置1之驅動方法之時序圖。此處，以第n列之像素之讀取之時序為例進行說明。
又，於圖12之剖面圖中顯示本實施形態之固體攝像裝置1之動作。
首先，全部像素同時地開始供給第1重置脈衝ΦRST1，而導通第1重置電晶體Tr3。藉此，儲存於浮動擴散部34之信號電荷釋放於電源電壓Vdd側，且重置浮動擴散部34。此處，儲存於浮動擴散部34之信號電荷係前一幀所讀取之信號電荷。
其後，全部像素同時地停止供給第1重置脈衝ΦRST1，而斷開第1重置電晶體Tr3。
繼而，全部像素同時地開始供給第1傳送脈衝ΦTRG1，而導通第1傳送電晶體Tr1。藉此，儲存於第1電荷儲存部52之信號電荷傳送至第2電荷儲存部25。
其後，全部像素同時地停止供給第1傳送脈衝ΦTRG1，而斷開第1傳送電晶體Tr1。
在本實施形態中，全部像素同時地讀取至第2電荷儲存部25之信號電荷在各列之讀取之前，為保持於第2電荷儲存部25之狀態。
繼而，全部像素同時地開始供給第2重置脈衝ΦRST2，而導通第2重置電晶體Tr4。藉此，將殘留於第1電荷儲存部52之信號電荷、或自斷開第1傳送電晶體Tr1之時點至導通第2重置電晶體Tr4之時點之期間內所儲存之信號電荷釋放於電源電壓Vdd側，而進行重置。
其後，全部像素同時地停止供給第2重置脈衝ΦRST2，而斷開第2重置電晶體Tr4，藉此開始下一幀之曝光。
至此之一連串動作係全部像素同時地進行者。
在本實施形態中，藉由全部像素同時地斷開第2重置電晶體Tr4，而開始全局曝光，且藉由全部像素同時地導通第1傳送電晶體Tr1，而結束全局曝光。即，自斷開第2重置電晶體Tr4時至繼而導通第1傳送電晶體Tr1之期間為曝光期間。在曝光期間中，於光電轉換部50中產生與入射至光電轉換部50之光量相應之信號電荷。且，光電轉換部50所產生之信號電荷沿基板12內之電勢電位進行移動，並儲存於第1電荷儲存部52。
其次，於每列中開始讀取。在n列之信號電荷之讀取中，當輪到n列之動作時，開始供給第2傳送脈衝ΦTRG2，而導通第2傳送電晶體Tr2。藉此，於n列像素中，將儲存於第2電荷儲存部25之信號電荷傳送至浮動擴散部34。
其後，停止供給第2傳送脈衝ΦTRG2，而斷開第2傳送電晶體Tr2。
繼而，開始供給選擇脈衝ΦSEL，而導通選擇電晶體Tr6。藉此，將對應於浮動擴散部34之電位之輸出作為像素信號而提取至行信號處理電路5(參照圖1)。在行信號處理電路5中，藉由取得先前取得之重置信號與該像素信號之差分，而進行相關雙重採樣。藉此，於行信號處理電路5中，獲得已去除kTc雜訊之像素信號。
其後，停止供給選擇脈衝ΦSEL，而斷開選擇電晶體Tr6，並結束n列之像素之讀取。
在結束第n列之像素之讀取後，進行第n+1列之像素之讀取，且依序進行全部列之像素之讀取。
如此，可進行本實施形態之固體攝像裝置1之驅動。
在本實施形態之固體攝像裝置1中，如圖12所示，入射之光L係於光電轉換部50中進行光電轉換，此處所產生之信號電荷(電子)移動至第1電荷儲存部52，且主要儲存於第1電荷儲存部52。又，光電轉換 部50所產生之電洞移動至透明電極57。
接著，在曝光期間內，第1電荷儲存部52所儲存之信號電荷係藉由導通第1傳送電晶體Tr1，而如圖12之「電子(讀取時)」之箭頭所示，全部像素同時地傳送至第2電荷儲存部25。傳送至第2電荷儲存部25之信號電荷儲存於第2電荷儲存部25。
儲存於第2電荷儲存部25之信號電荷係於每列之時序傳送至浮動擴散部34。
且，於讀取時，對應於浮動擴散部34之信號電荷之量之像素信號係通過選擇電晶體Tr6而輸出至垂直信號線9。
又，於電子釋放時，藉由導通第2重置電晶體Tr4，而如圖12之「電子(釋放時)」之箭頭所示，全部像素同時地將第1電荷儲存部52之信號電荷釋放至第2重置電晶體Tr4之汲極(釋放部)29。
(製造方法)
其次，對製造本實施形態之固體攝像裝置1之方法進行說明。
本實施形態之固體攝像裝置1可例如以如下所說明之方式進行製造。
首先，於n型之基板12上，藉由離子注入例如p型之雜質，而形成p型之井區域13。
其後，如圖13A所示，藉由於基板12之表面側離子注入n型之摻雑物即V族之P(磷)等，而形成第2電荷儲存部25、浮動擴散部34、及各像素電晶體之源極/汲極區域29、35。
其後，於第2電荷儲存部25之表面側，藉由高濃度地離子注入p型雜質，而形成較薄之p型半導體層26。
該等步驟可利用通常之CMOS型固體攝像裝置之製造過程執行。
其次，於基板12之表面側貼合包含矽等之支持基板(未圖示)，且以使基板12之背面側向上之方式令基板12反轉。
其後，如圖13B所示，使用例如CVD法，一面於基板12之背面側摻雑n型之雜質，一面使成為第1電荷儲存部52之n型半導體層磊晶成長至所需之厚度。
其次，如圖13C所示，於第1電荷儲存部52之n型半導體層之上部，形成將形成像素分離部53之區域開口之抗蝕劑層55。該抗蝕劑層55係可使用通常之光微影技術而形成。且，藉由介隔抗蝕劑層55將p型之雜質例如以成為較構成p型之井區域13之雜質濃度更高之濃度之方式進行離子注入，而形成像素分離部53。構成像素分離部53之p型半導體層形成為至少可於每像素中分離第1電荷儲存部52之深度。
繼而，如圖14A所示，去除第1電荷儲存部52上之抗蝕劑層55。
其次，如圖14B所示，於第1電荷儲存部52之上部，藉由使例如黃銅礦系材料磊晶成長，而形成光電轉換部50。
在本實施形態中，作為使黃銅礦系之化合物半導體磊晶成長之方法，可使用分子束磊晶(MBE)法、有機金屬氣相沈積(MOCVD)法、及液相磊晶(LPE)法。另，若為磊晶成長之方法，則基本上可為任意成膜方法。
然而，構成基板12之矽之晶格常數為51.45nm，CuAlGaInSSe系混晶可包含對應於該晶格常數之材料，且以與基板12晶格匹配之方式形成光電轉換部50。因此，例如，可使CuGaInS膜作為光電轉換部50而磊晶成長於基板12上。
使用MOCVD法形成光電轉換部50之情形時，例如可使用圖15所示之MOCVD裝置。
於基板12上使光電轉換部50之結晶成長時，如圖15所示，將基板載置於基座(碳製)上。基座係以高頻率加熱裝置(RF線圈)加熱，且以可控制基板12之溫度之方式，設置有熱電對及其溫度控制機構。作為一般之基板溫度，為可進行熱分解之400~1000℃之溫度範圍，為降 低基板溫度，例如可以水銀燈等對基板表面照射光，而輔助原料之熱分解。
接著，藉由以氫吹洗有機金屬原料，而成為飽和蒸汽壓狀態，從而將各原料分子輸送至反應管。此處，藉由以質流控制器(MFC)控制流動於各原料之氫流量，而調整原料之平均單位時間所輸送之摩爾比。藉此，在包含矽之基板12上，藉由將有機金屬原料熱分解且提取為結晶而發生結晶成長，從而可形成光電轉換部50。原料之摩爾量比因與所形成之結晶之組成比具有相關性，故藉由控制該原料之平均單位時間所輸送之原料之摩爾比，可控制磊晶成長之光電轉換部50之組成比。
使用MOCVD法形成光電轉換部50之情形時，作為銅之有機金屬原料，可使用例如乙醯丙酮銅(Cu(C5H7O2)2)。此外，亦可使用環戊二烯銅三乙酯(h5-(C2H5)Cu：P(C2H5)3)。又，作為鎵(Ga)之有機金屬原料，例如可使用三甲基鎵(Ga(CH3)3)。又，作為鋁(Al)之有機金屬原料，可使用例如三甲基鋁(Al(CH3)3)。又，作為銦(In)之有機金屬原料，例如可使用三甲基銦(In(CH3)3)。又，作為硒(Se)之有機金屬原料，例如可使用二甲基硒(Se(CH3)2)。又，對硫(S)之有機金屬原料，例如可使用二甲基硫(S(CH3)2)。此外，對鋅(Zn)之有機金屬原料，例如可使用二甲基鋅(Zn(CH3)2)。
另，環戊二烯銅三乙酯(h5-(C2H5)Cu：P(C2H5)3)或乙醯丙酮銅(Cu(C5H7O2)2)又或三甲基銦(In(CH3)3)等之原料於室溫下為固相狀態。此種情形時，亦可加熱原料而使其成為液相狀態，或雖為固相狀態但僅在使其成為高溫且提高蒸汽壓之狀態下使用。
此處，不必將有機金屬原料規定為該等原料，若為有機金屬，則同樣可使用為MOCVD成長之原料。例如，亦可將三乙基鎵(Ga(C2H5)3)、三乙基鋁(Al(C2H5)3)、三乙基銦(In(C2H5)3)、二乙基硒 (Se(C2H5)2)、二乙基硫(S(C2H5)2)及二乙基鋅(Zn(C2H5)2)使用為原料。
再者，MOCVD成長之原料未必為有機金屬，亦可為氣體系。例如，作為Se原料亦可使用硒化氫(H2Se)，或作為S原料亦可使用硫化氫(H2S)。
使用MBE法形成光電轉換部50之情形時，例如可使用圖16所示之MBE裝置。
使用MBE法形成光電轉換部50時，在圖16所示之MBE裝置中，將用以構成光電轉換部50之各單體原料放入存在於超高真空中之各克努森單元內，且將該等原料加熱至適當溫度。藉此，藉由產生分子束，且照射於基板12上，而可形成所需之結晶成長層。作為放入克努森單元內之單體原料，可使用鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、硒(Se)、及硫(S)。此時，在如硫(S)之蒸汽壓特別高之原料之情形時，有缺乏分子束量之穩定性之狀況。該情形時，亦可使用閥門分餾單元，而使分子束量穩定化。再者，如氣體源MBE，亦可使一部分原料成為氣體源。該情形時，例如，作為Se原料可使用硒化氫(H2Se)，作為硫(S)原料可使用硫化氫(H2S)。
另，使用MOCVD法或MBE法形成光電轉換部50之情形時，例如藉由與結晶成長同時，逐漸降低n型之摻雑物即Zn之濃度，可形成能帶沿結晶成長之方向傾斜之光電轉換部50。藉此使光電轉換部50內之帶傾斜，而使光電轉換部50所產生之信號電荷容易移動至基板12側。
並非必須摻雑n型之摻雑物，藉由控制例如III族原子與I族原子之供給量，亦可以濃度之變化而使帶傾斜。
接著，此種光電轉換部50係以於基板12上進行晶格匹配之方式而形成。該情形時，因可使異質界面中產生之不匹配錯位減少，故使光電轉換部50之結晶性良好。藉此，由於結晶缺陷減少，故可抑制產生暗電流，而可防止由白點引起之畫質劣化。又，因可實現高靈敏度 化，故即使於較暗之攝像環境(例如夜間)，仍可進行高畫質之攝影。
此處，晶格不匹配可以| △a/a |(△a：光電轉換部之晶格常數與基板之常數之差，a：基板之晶格常數)表示，在晶格匹配之情形時，△a/a=0。另，在本實施形態中，「晶格匹配」之定義係包含在結晶成長所形成之光電轉換部50之厚度於臨界膜厚以內之條件下接近晶格匹配之狀態。即，若於臨界膜厚以內，則即使不完全晶格匹配，亦可成為不會產生不匹配錯位之結晶性良好之狀態。
又，「臨界膜厚」之定義係以「Matthew與Blakeslee之公式」(J.W.Matthews and A.E.Blakeslee,J.Cryst.Growth 27(1974)118-125.)、或「People與Bean之公式」(R.People and J.C.Bean,Appl.Phys.Lett.47(1985)322-324.)予以規定。
在藉由以上形成包含磊晶結晶之光電轉換部50後，如圖14C所示，對光電轉換部50之上部注入p型之雜質，而形成p型半導體層58。
其次，如圖14D所示，於p型半導體層58之上部形成將形成光電轉換部側像素分離部51之區域開口之抗蝕劑層56。接著，藉由介隔該抗蝕劑層56，離子注入p型之摻雑物即Ga、In、As或P，而形成於每個像素內分離光電轉換部50之光電轉換部側像素分離部51。藉由如此進行摻雑物之濃度控制，可以在像素間成為電勢障壁之方式，形成光電轉換部側像素分離部51。
其後，藉由於例如400℃~1000℃下進行退火處理，可使各半導體層之雜質活性化。
其後，於基板12之表面側形成各像素電晶體，且於基板12之背面側形成透明電極57、彩色濾光片層23、及晶載透鏡24。
如此，可製造本實施形態之固體攝像裝置。
本實施形態之固體攝像裝置1亦可以上述方法以外之方法製造。
繼而，說明本實施形態之固體攝像裝置1之其他製造方法。
首先，與圖13A~圖14A所示之各步驟相同，於基板12上形成所需之半導體層。
其後，如圖17A所示，在基板12之形成有第1電荷儲存部52之背面側上部中，僅於形成光電轉換部側像素分離部51之部分上選擇性地形成絕緣膜59。即，以劃分鄰接之像素之間之方式形成絕緣膜59。
絕緣膜59例如可以矽氧化膜、矽氮化膜構成。在本實施形態中，因光電轉換部側像素分離部51形成於與形成於基板12側之像素分離部20相同之位置上，故在形成於基板12側之像素分離部20上部形成絕緣膜59。該絕緣膜59係可在基板12之背面側整面上形成例如矽氧化膜後，藉由使用光微影技術進行圖案加工而形成，其膜厚為例如50~100nm。
其次，藉由於基板12之背面側使用MOCVD法、MBE法等使上述之化合物半導體磊晶成長，而如圖17B所示，形成光電轉換部50。在該製造方法中，因於基板12之背面側形成有劃分像素間之絕緣膜59，故在基板12之背面側，於未形成絕緣膜59之基板12之露出部分，光電轉換部50選擇性地結晶成長。此處，以使膜厚較絕緣膜59之膜厚更厚之方式而形成光電轉換部50。藉此，光電轉換部50係以對應於各像素之方式而形成，且於鄰接之光電轉換部50間設置溝槽。
另，此時，藉由與結晶成長同時，逐漸降低n型之摻雑物即Zn之濃度，可形成沿結晶成長之方向帶傾斜之光電轉換部50。並非必須摻雑n型之摻雑物，藉由控制例如III族原子與I族原子之供給量，亦可以濃度之變化而使帶傾斜。
其次，在基板12之背面側中，藉由使黃銅礦構造之化合物半導體側向成長，而如圖17C所示，形成光電轉換部側像素分離部51及p型半導體層58。具體而言，在包含較多Ga、In、As、P等之p型雜質之條件下，使黃銅礦構造之化合物半導體側向成長。藉此，因橫向上 結晶成長較快，故與於鄰接之光電轉換部50間之溝槽中嵌入p型之化合物半導體同時，於光電轉換部50上部形成高濃度之p型半導體層58。
此處，在圖2所示之剖面構成圖中，省略圖示光電轉換部50之選擇成長時所使用之絕緣膜59。
又，在MOCVD法及MBE法中，藉由結晶成長時之壓力控制，可控制進行側向成長或選擇成長。
在本實施形態中，例如，光電轉換部側像素分離部51及p型半導體層58之雜質濃度係以成為1×1017~1×1019cm-3之方式而形成。如此，形成於每像素中分離光電轉換部50之光電轉換部側像素分離部51、及光電轉換部50之光入射側之p型半導體層58。
其後，於基板12之表面側形成各像素電晶體，且於基板12之背面側形成透明電極57、彩色濾光片層23、及晶載透鏡24。
藉此可製造本實施形態之固體攝像裝置。
在該製造方法中，因藉由側向成長而形成光電轉換部側像素分離部51或p型半導體層58，故與以離子注入或退火等之製程形成之情形比較，不會產生離子注入時之損傷或退火時對配線層之不良影響等。藉此，可減少製造步驟中之損傷。
另，製造本實施形態之固體攝像裝置之方法並非限定於上述2種製造方法。
例如，亦可在圖14B所示之步驟後，形成抗蝕劑層56且形成光電轉換部側像素分離部51後，藉由對光電轉換部50之光入射面側離子注入p型雜質，而形成p型半導體層58。即，亦可在形成p型半導體層58前，形成光電轉換部側像素分離部51。
然而，在本實施形態中，已對使用主面為(100)面之矽基板，且於該主面上使化合物半導體磊晶成長而形成光電轉換部之情形進行說 明。即，在本實施形態中係針對使用{100}基板之情形進行說明。但，本技術並非限定於此。
在無離子性之無極性之矽基板上，作為離子性元素之材料，使上述化合物半導體磊晶成長之情形時，有時會產生所謂逆相區之缺陷。即，陽離子與陰離子局部性地成為逆相而成長，而產生逆相區。
因此，作為矽基板亦可使用傾斜基板。藉由於傾斜基板上進行磊晶成長，可抑制產生逆相區。例如，因藉由使用將包含矽之{100}基板之面方向於<011>方向上傾斜之傾斜基板，而使已產生逆相區之區域與結晶成長一同自行消失，故可提高結晶性。作為傾斜基板，可使用例如傾斜角度為1~10度之基板。
此處，圖18中顯示在傾斜基板之矽基板上形成有光電轉換部時之原子排列。
在圖18中，例如I族原子為銅(Cu)原子，III族原子為鎵(Ga)原子或銦(In)原子，VI族原子為硫(S)原子或硒(Se)原子等。在圖18中，以白色四角形之標記表示之「I族或III族原子列」係顯示在垂直於紙面之方向上，I族原子與III族原子交替排列。
圖18係顯示在矽基板上自VI族原子開始成長之情形，且I族或III族之陽離子(正離子性原子)與VI族之陰離子(負離子性原子)之間之逆相區消失之情形。
如圖18所示，例如作為矽基板，使用將{100}基板於<011>方向上以傾斜角度(傾斜角)θ1傾斜之傾斜基板。
於傾斜基板即矽基板上，規則排列I族或III族之陽離子(正離子性原子)與VI族之陰離子(負離子性原子)，而形成光電轉換部50之膜。
此時，如區域B(以一點鏈線劃分之區域)，陽離子與陰離子局部性地成為逆相而成長，從而有時產生逆相區。
然而，如圖18所示，因於傾斜基板之表面進行結晶成長，故產 生逆相區之區域B係以三角形狀封閉。且，在區域B之上方，以僅變為不產生逆相區之區域A之方式進行磊晶成長。如此，可抑制產生逆相區。
另，具體而言，圖18雖然係顯示傾斜角度(傾斜角)θ1為6度之情形，但若為具有上述之1~10度之範圍之傾斜角度之傾斜基板，則有效果。
根據上述本實施形態之固體攝像裝置1之構成，因藉由於基板12上積層而形成有光電轉換部50，不必於基板12內設置光電轉換部，故可實現像素之微細化。
再者，因形成於基板12之背面側之第1電荷儲存部52、及形成於基板12之表面側之各像素電晶體係於基板12之深度方向上積層而形成，故可謀求像素進一步微細化。
因可謀求像素之微細化，故可謀求固體攝像裝置1之小型化或多像素化。且，藉由謀求多像素化，可提供高解析度之圖像。
此外，在本實施形態中，因採用遍及像素區域3之整面而形成之光電轉換部50兼用作遮光部之構成，故入射光不會到達基板12，從而抑制產生雜訊。
且，根據本實施形態之固體攝像裝置1之構成，設置有第1電荷儲存部52與第2電荷儲存部25。藉此，可全部像素同時地將第1電荷儲存部52所儲存之信號電荷傳送至第2電荷儲存部25，且在暫時保持於第2電荷儲存部25後，於每列中傳送至浮動擴散部34，而讀取至垂直信號線。
因此，在實現像素微細化之固體攝像裝置1中，由於可進行全局快門操作，故可實現全部像素同時曝光，而消除焦面失真。
又，因即使不設置遮光膜仍可進行全部像素同時曝光，故與設置有遮光膜之情形比較，可擴大開口，而謀求提高靈敏度與提高飽和 電荷量。
此外，在本實施形態中，藉由單獨設置重置儲存於第1電荷儲存部18之信號電荷之第2重置電晶體Tr4，而可於讀取期間結束前，開始下一幀之曝光期間。此種效果特別對動畫攝影有效。
再者，根據本實施形態之固體攝像裝置1之構成，第2電荷儲存部25及浮動擴散部34形成於像素之周邊部。藉此，自由晶載透鏡24形成之聚光區域即像素之中央部，分離出第2電荷儲存部(儲存部)25或浮動擴散部34。藉此，因減少由光入射產生之漏光雜訊，故可獲得較高之S/N比。
又，因於聚光區域即像素之中央部形成有釋放部29或重置部35，故藉由其等，可釋放成為漏光雜訊之電荷，藉此亦可減少漏光雜訊。
因此，可實現具有全局快門功能，暗電流較小，且kTC雜訊較小之固體攝像裝置1。
且，根據本實施形態之固體攝像裝置1之構成，與具有全局快門功能之先前之CMOS影像感測器比較，可使像素微細化，而可實現較高之解析度。又，因不存在由信號讀取時產生之衍射光或散射光洩漏且進入儲存部所引起之雜訊附加，且成為背面照射型，故靈敏度或飽和靈敏度較高而可提供高畫質之攝像。
根據本實施形態，可實現具有高靈敏度與高飽和電荷量，且能提供高解析度且具有良好畫質之圖像之固體攝像裝置1。
<2.對第1實施形態之第1變化例>
在第1實施形態中，如圖2所示，於光電轉換部50之上部形成有p型半導體層58。
與此相對，亦可省略p型半導體層58。
又，可省略光電轉換部50之上層之透明電極57。
再者，亦可省略於每個像素中分離光電轉換部50之光電轉換部側像素分離部51。
以下，作為第1變化例，說明省略p型半導體層、透明電極、光電轉換部側像素分離部之情形。
圖19中顯示對第1實施形態之第1變化例之固體攝像裝置15之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
在圖19中，於與圖2對應之部分標註相同符號而省略重複說明。
在該第1變化例之固體攝像裝置15中，如圖19所示，於光電轉換部50上形成有絕緣層69，且於該絕緣層69上形成有彩色濾光片層23。
即，省略圖2所示之光電轉換部50之上部之p型半導體層58，且取代圖2之透明電極57而形成有絕緣層69。
再者，如圖19所示，遍及鄰接之像素而連續形成有光電轉換部50，且亦省略圖2中於每個像素中分離光電轉換部50之光電轉換部側像素分離部51。
如此不於每個像素中分離光電轉換部50之情形時，例如將構成光電轉換部50之CuInGaS光電轉換膜作為p型半導體或載子濃度較低之本徵半導體即可。
此時，為沿基板12之表面之橫向，交替形成有n型(第1儲存部52)與p型(p型半導體層53)之構造，且於基板12內進行像素分離。藉此，因形成能量障壁，故其上之CuInGaS光電轉換膜中亦產生能量障壁。
其他構成因與圖2所示之第1實施形態之固體攝像裝置1相同，故省略重複說明。
此處，關於上述之能量障壁，參照垂直方向及水平方向之剖面能帶構造而進行說明。
圖20A及圖20B中顯示圖19之基板12與光電轉換部50之垂直方向之剖面能帶構造。圖20A顯示p型半導體層53之部分(像素之端之部分) 之剖面能帶構造，圖20B顯示第1儲存部52之部分(像素之中央)之剖面能帶構造。
又，圖21中顯示圖19之光電轉換部50之水平方向之剖面能帶構造。
如圖20A所示，在像素之端之部分中，因CuInGaS與p型矽相接，且費米能級EF位於矽之價電子帶上端EV附近，故CuInGaS中亦不會產生較大之能帶之彎曲。因此，傳導帶下端EC存在於較費米能級EF更靠向高能量側(存在於接近真空態位之側)。
另一方面，如圖20B所示，於像素中央，CuInGaS與n型矽相接，且費米能級EF位於矽之傳導帶下端EC附近。因此，於CuInGaS產生較大之能帶彎曲，且CuInGaS之傳導帶下端EC存在於接近費米能級EF之位置(低能量側)(存在於距離真空態位較遠之位置)。此處，費米能級EF之能量為0eV。
因此，在CuInGaS膜內，成為如圖21所示之水平方向剖面能帶構造。此時，對於以光電轉換產生之電子，因像素端之部分變為能量障壁，故電子聚集於像素之中央。
再者，如圖20A及圖20B所示，藉由朝向基板12側之內部電場之傾斜、或對基板12之p型矽與n型矽之pn接合施加逆向偏壓，而將電子運送至n型矽側。
另一方面，對於以光電轉換產生之電洞，因像素之中央變為能量障壁，故電洞聚集於像素之端之部分。
再者，藉由對矽基板之p型矽與n型矽之pn接合施加反向偏壓，而將電洞運送至p型矽側。
因此，CuInGaS中之像素分離與上部之透明電極並非必需。
根據該第1變化例之固體攝像裝置15之構成，無需光電轉換部50之像素分離部與透明電極。藉此，可降低透明電極部分之材料成本、 或簡化製造步驟而降低步驟數或製造成本。
另，在第1變化例中，雖然省略圖2之p型半導體層58與透明電極57兩者，但亦可僅省略p型半導體層58或透明電極57之任一者。
<3.對第1實施形態之第2變化例>
如第1實施形態，於基板12上形成光電轉換部50之情形時，為易於使光電轉換部50所產生之信號電荷自光電轉換部50側移動至基板12側，可設置用以減小電勢障壁之中間層。以下，作為第2變化例，說明設置有中間層之情形。
圖22中顯示與第1實施形態對應之第2變化例之固體攝像裝置16之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
在圖22中，於與圖2對應之部分標註相同符號而省略重複說明。
在該第2變化例之固體攝像裝置16中，如圖22所示，於基板12與光電轉換部50之間形成有中間層60。該中間層60可以其電子親和力為基板12之電子親和力與光電轉換部50之電子親和力之間之材料形成。例如，最佳係以使中間層60之電子親和力為矽基板12之電子親和力、與光電轉換部50之電子親和力之間之正中間之電子親和力之方式形成。
具體而言，中間層60可以CuGa0.64In0.36S2構成，其膜厚可設為5nm。中間層60為臨界膜厚以內即可。例如，以CuGa0.64In0.36S2構成中間層60之情形時，與基板12之晶格不匹配△a/a=5.12×10-3。此時，若膜厚為5nm，則與上述之「Matthew與Blakeslee之公式」或「People與Bean之公式」所規定之臨界膜厚相比較小。
此外，以p型半導體構成光電轉換部50之情形時，中間層60可以n型半導體構成。尤其，以p型之黃銅礦層構成光電轉換部50之情形時，中間層60較佳係以II-VI族半導體構成(參照參考文獻1~3)。
參考文獻1：Takeshi Yagioka and Tokio Nakada,Apllied Physics Express 2 (2009)072201
參考文獻2：S.P.Grindle,A.H.Clark,S.Rezaie-Serej,E.Falconer,and J.McNeily,and L.L.Kazmerski,J.AppL Phys.51(10).(1980)5464
參考文獻3：T.Makada,N.Okano,Y.Tanaka,H.Fukuda,and A.Kunioka,First WCOEC；Dec.5-9,1994；Hawaii
該情形時，可於構成光電轉換部50之p型黃銅礦層與包含矽之基板12之界面內夾持ZnS層或CdS層又或ZnO層作為中間層60。又，以n型半導體層構成光電轉換部50之情形時，中間層60可以p型半導體層構成。
又，在該第2變化例之固體攝像裝置16中，省略圖2所示之光電轉換部50之上部之p型半導體層58。
其他構成因與圖2所示之第1實施形態之固體攝像裝置1相同，故省略重複說明。
根據該第2變化例之固體攝像裝置16之構成，藉由於基板12與光電轉換部50之間形成中間層60，可減小電勢障壁，而易於使信號電荷自光電轉換部50側移動至基板12側。
<4.對第1實施形態之第3變化例>
圖23中顯示對第1實施形態之第3變化例之固體攝像裝置17之主要部分之概略剖面圖。
在圖23中，於與圖2對應之部分標註相同符號，而省略重複說明。
在該第3變化例之固體攝像裝置17中，如圖23所示，於光電轉換部50與透明電極57之間，形成有阻障層68。即，為取代形成圖2之p型半導體層58，而於光電轉換部50與透明電極57之間形成阻障層68之構成。
阻障層68係為防止載子自透明電極57向光電轉換部50側注入， 而設置於透明電極57與光電轉換部50上部之間。阻障層68可以能防止電子之注入之材料形成，例如可以氧化鋅(ZnO)膜、氧化鎳(NiO)膜、氧化銅(Cu2O)膜、或鑽石(C)膜等形成。
又，在該第3變化例之固體攝像裝置17中，省略圖2所示之光電轉換部50之上部之p型半導體層58。
其他構成因與圖2所示之第1實施形態之固體攝像裝置1相同，故省略重複說明。
根據該第2變化例之固體攝像裝置17之構成，藉由於光電轉換部50與透明電極57之間形成阻障層68，可防止電子自透明電極57向光電轉換部50側注入。
<5.對第1實施形態之第4變化例>
在第1實施形態中，以p型半導體層構成光電轉換部側像素分離部51。
與此相對，亦可以不包含p型之雜質之半導體形成光電轉換部側像素分離部51。
雖未圖示，但將以不包含p型之雜質之半導體形成光電轉換部側像素分離部51之情形作為對第1實施形態之第4變化例進行說明。
在該第4變化例中，以不包含p型雜質之半導體形成光電轉換部側像素分離部51。
該情形時，光電轉換部側像素分離部51可以能帶隙較寬之黃銅礦系之化合物半導體形成。因藉由以使光電轉換部50與光電轉換部側像素分離部51之能帶隙差為kT=27meV以上之方式形成光電轉換部側像素分離部51，於像素間形成電勢障壁，故可使像素間電性分離。
利用能帶隙差進行像素分離之情形時，光電轉換部側像素分離部51在圖17C所示之步驟中，於不包含p型雜質之條件下，使黃銅礦系之化合物半導體側向成長。具體而言，例如，以銅-鋁-鎵-銦- 硫-硒之組成比為1.0：0.36：0.64：0：1.28：0.72、或1.0：0.24：0.23：0.53：2.0：0之方式，形成光電轉換部側像素分離部51。藉由如此控制組成，可於像素間形成電勢障壁，且形成光電轉換部側像素分離部51。
其後，藉由以包含較多Ga、In、As、P等之雜質之條件使黃銅礦系之化合物半導體結晶成長，而形成p型半導體層58。
如上所述，即使對光電轉換部側像素分離部51採用不包含p型雜質之構成，仍可進行像素間之分離。
<6.第2實施形態(固體攝像裝置)>
圖24中顯示第2實施形態之固體攝像裝置21之概略構成圖(主要部分之剖面圖)。
本實施形態之固體攝像裝置21亦為將半導體基板之表面側作為電路形成面，且將半導體基板之背面側作為光入射面之背面照射型構造之固體攝像裝置。
本實施形態之固體攝像裝置21採用未形成第1實施形態之固體攝像裝置1之第2重置電晶體Tr4之構成。
在本實施形態之固體攝像裝置21中，如圖24所示，各像素係以第1傳送電晶體Tr1、第2傳送電晶體Tr2、重置電晶體Tr3、放大電晶體Tr5、及選擇電晶體Tr6構成。
又，在本實施形態之固體攝像裝置21中，因未形成第1實施形態之固體攝像裝置1之第2重置電晶體Tr4，故亦未形成圖2所示之構成第2重置電晶體Tr4之汲極(釋放部)29。
其他構成因與第1實施形態之固體攝像裝置1相同，故標註相同符號，而省略重複說明。
在本實施形態中，固體攝像裝置21之平面構造可採用與圖1所示之平面構造相同之構造。
圖25中顯示本實施形態之固體攝像裝置21之像素之等價電路圖。
如圖25所示，在本實施形態中，重置電晶體Tr3係其源極作為浮動擴散部34，且汲極35連接於電源電壓Vdd。又，於重置電晶體Tr3之閘極電極33上，經由配線而施加重置脈衝ΦRST。
(驅動方法)
繼而，說明本實施形態之固體攝像裝置21之驅動方法。
圖26中顯示本實施形態之固體攝像裝置21之驅動方法之時序圖。此處，以第n列之像素之讀取時序為例進行說明。
又，於圖27之剖面圖中顯示本實施形態之固體攝像裝置21之動作。
首先，全部像素同時地開始供給重置脈衝ΦRST，與此同時，開始供給第1傳送脈衝ΦTRG1及第2傳送脈衝ΦTRG2，而同時導通重置電晶體Tr3、第1傳送電晶體Tr1及第2傳送電晶體Tr2。藉此，儲存於浮動擴散部34之信號電荷釋放至電源電壓Vdd側，重置浮動擴散部34。與此同時，因第2電荷儲存部25、第1電荷儲存部52亦電性連接於電源電壓Vdd，故第2電荷儲存部25、第1電荷儲存部52亦被重置。
此處，重置前儲存於浮動擴散部34之信號電荷係前一幀所讀取之信號電荷。又，儲存於第1電荷儲存部52之信號電荷係在前一幀中曝光期間結束後光電轉換部50所產生之信號電荷。
其後，全部像素同時地停止供給重置脈衝ΦRST、第1傳送脈衝ΦTRG1、及第2傳送脈衝ΦTRG2，而斷開重置電晶體Tr3、第1傳送電晶體Tr1、及第2傳送電晶體Tr2。且，藉由斷開第1傳送電晶體Tr1而開始曝光期間。
其次，全部像素同時地開始供給第1傳送脈衝ΦTRG1，而導通第1傳送電晶體Tr1。藉此，結束曝光期間，且將儲存於第1電荷儲存部 52之信號電荷傳送至第2電荷儲存部25。
其後，藉由全部像素同時地停止供給第1傳送脈衝ΦTRG1，而斷開第1傳送電晶體Tr1。
在本實施形態中，全部像素同時地讀取至第2電荷儲存部25之信號電荷係直至各列之讀取時，為保持於第2電荷儲存部25之狀態。
至此之一連串動作係全部像素同時地進行者。
在本實施形態中，藉由全部像素同時地斷開重置電晶體Tr3、第1傳送電晶體Tr1、及第2傳送電晶體Tr2，而開始全局曝光。且藉由全部像素同時地導通第1傳送電晶體Tr1，而結束全局曝光。即，自斷開第1傳送電晶體Tr1時至導通第1傳送電晶體Tr1之期間為曝光期間。在曝光期間中，以光電轉換部50產生與入射至光電轉換部50之光量相應之信號電荷。且，光電轉換部50所產生之信號電荷沿基板12內之電勢電位移動，並儲存於第1電荷儲存部52。
其次，於每列中開始讀取。在n列之信號電荷之讀取中，當輪到進行n列之動作時，開始供給第2傳送脈衝ΦTRG2，而導通第2傳送電晶體Tr2。藉此，於n列像素中，將儲存於第2電荷儲存部25之信號電荷傳送至浮動擴散部34。
其後，停止供給第2傳送脈衝ΦTRG2，而斷開第2傳送電晶體Tr2。
繼而，開始供給選擇脈衝ΦSEL，而導通選擇電晶體Tr6。藉此，將對應於浮動擴散部34之電位之輸出作為像素信號而提取至行信號處理電路5(參照圖1)。在行信號處理電路5中，藉由取得先前取得之重置信號與該像素信號之差分，而進行相關雙重採樣。藉此，於行信號處理電路5中，獲得已去除kTc雜訊之像素信號。
其後，停止供給選擇脈衝ΦSEL，而斷開選擇電晶體Tr6，並結束n列之像素之讀取。
在結束第n列之像素之讀取後，進行第n+1列之像素之讀取，且依序進行全列像素之讀取。
如此，可進行本實施形態之固體攝像裝置21之驅動。
在本實施形態之固體攝像裝置21中，如圖27所示，入射之光L於光電轉換部50中進行光電轉換，此處所產生之信號電荷(電子)移動至第1電荷儲存部52，且主要儲存於第1電荷儲存部52。又，光電轉換部50所產生之電洞移動至透明電極57。
接著，在曝光期間內，第1電荷儲存部52所儲存之信號電荷藉由導通第1傳送電晶體Tr1，而如圖27之「電子(讀取時/釋放時)」之箭頭所示，全部像素同時地傳送至第2電荷儲存部25。傳送至第2電荷儲存部25之信號電荷係以第2電荷儲存部25予以儲存。
儲存於第2電荷儲存部25之信號電荷係於每列之時序傳送至浮動擴散部34。
且，於讀取時，對應於浮動擴散部34之信號電荷之量之像素信號通過選擇電晶體Tr6而輸出至垂直信號線9。
又，於電子釋放時，藉由導通第1傳送電晶體Tr1，而如圖12之「電子(讀取時/釋放時)」之箭頭所示，全部像素同時地將第1電荷儲存部52之信號電荷釋放至第2電荷儲存部25。此時，因亦導通第2傳送電晶體Tr2及第1重置電晶體Tr3，故釋放至第2電荷儲存部25之信號電荷進而通過浮動擴散部34與汲極(重置部)35釋放。
(製造方法)
本實施形態之固體攝像裝置21與第1實施形態之固體攝像裝置1比較，因只是未設置第2重置電晶體Tr4之各部，故可採用上述第1實施形態之製造方法進行製造。
在第1實施形態所說明之製造方法之具體例中，已說明以黃銅礦材料形成光電轉換部50之情形之製造方法。
此處，作為製造方法之其他具體例，說明以矽化物材料形成光電轉換部50之情形之製造方法。
首先，作為基板12，準備矽基板。
其次，於該基板12上形成包含矽化物材料之光電轉換部50。
作為形成矽化物材料之方法，例舉以下2種方法。
(1)係預先於矽基板上蒸鍍矽化物用之金屬材料(鐵、鎳、鈷、鋇等)，其後以退火處理形成矽化物之方法。
(2)係以MBE法或MOCVD法等使矽化物材料結晶成長之方法。
使用該等2種方法之任一者，例如使矽化鈷以300nm之厚度形成於矽基板上而作為光電轉換部50。因該材料系與矽之吸收係數相比大1位數以上，故可兼用作遮光部與光電轉換部。
另，除矽化物以外，例如FeS2亦吸收係數較高，而可獲得相同之效果。
根據上述本實施形態之固體攝像裝置21之構成，藉由於基板12上積層形成光電轉換部50，而不必於基板12內設置光電轉換部，從而可使像素微細化。
再者，因形成於基板12之背面側之第1電荷儲存部52、及形成於基板12之表面側之各像素電晶體係沿基板12之深度方向積層而形成，故可謀求像素進一步微細化。
因可謀求像素之微細化，故可謀求固體攝像裝置21之小型化或多像素化。且，藉由謀求多像素化，可提供高解析度之圖像。
此外，在本實施形態中，因採用遍及像素區域之整面而形成之光電轉換部50兼用作遮光部之構成，故入射光不會到達基板12，從而可抑制產生雜訊。
且，根據本實施形態之固體攝像裝置21之構成，設置有第1電荷儲存部52與第2電荷儲存部25。藉此，可將第1電荷儲存部52所儲存之 信號電荷全部像素同時地傳送至第2電荷儲存部25，且在暫時保持於第2電荷儲存部25後，於每列中傳送至浮動擴散部34，且讀取至垂直信號線。
因此，在實現像素微細化之固體攝像裝置21中，由於可進行全局快門操作，故可實現全部像素同時曝光，而消除焦面失真。
又，因即使不設置遮光膜亦可進行全部像素同時曝光，故與設置有遮光膜之情形比較，可擴大開口，而謀求提高靈敏度與提高飽和電荷量。
又，根據上述之本實施形態之固體攝像裝置21之構成，因可同時重置浮動擴散部34、第2電荷儲存部25、及第1電荷儲存部52，故具有簡化電路構成而減少偏差，且亦減少雜訊之效果。
又，在本實施形態之固體攝像裝置21中，因未單獨設置用以重置第1電荷儲存部52之重置電晶體，故可實現像素面積縮小化。
再者，根據本實施形態之固體攝像裝置21之構成，第2電荷儲存部25及浮動擴散部34係形成於像素之周邊部。藉此，自由晶載透鏡24形成之聚光區域即像素之中央部，分離出第2電荷儲存部(儲存部)25或浮動擴散部34。藉此，因減少由光入射產生之漏光雜訊，故可獲得較高之S/N比。
又，因於聚光區域即像素之中央部形成有重置部35，故藉由重置部35，可釋放成為漏光雜訊之電荷，藉此亦可減少漏光雜訊。
因此，可實現具有全局快門功能，暗電流較小，且kTC雜訊較小之固體攝像裝置21。
且，根據本實施形態之固體攝像裝置21之構成，與具有全局快門功能之先前之CMOS影像感測器比較，可使像素微細化，實現較高之解析度。又，因不存在由信號讀取時產生之衍射光或散射光洩漏且進入儲存部所引起之雜訊附加，且為背面照射型，故靈敏度或飽和靈 敏度較高而可提供高畫質之攝像。
根據本實施形態，可實現具有高靈敏度與高飽和電荷量，且能提供高解析度且具有良好畫質之圖像之固體攝像裝置21。
另，對上述之第2實施形態之構成，亦可採用進行上述之對第1實施形態之第1變化例~第4變化例之相同之變化之構成。
又，第1變化例~第4變化例之構成係若可進行組合，則可組合複數個變化例之構成。
再者，在本技術之固體攝像裝置中，亦可於光電轉換膜之上層設置防反射膜。
作為防反射膜，例如若使SiN或HfO以~λ/(4n)之厚度成膜，則較為有效。此處，n為防反射膜之折射率，λ為光之波長。
上述之各實施形態及變化例皆為將電子作為載子之負極性之光電荷讀取之構成。
本技術亦可應用於將電洞作為載子之正極性之光電荷讀取之構成，該情形時，作為n型與p型皆反轉之構造，摻雑亦為逆導電型即可。
本技術並非限於應用於固體攝像裝置，亦可應用於攝像裝置。 此處，所謂攝像裝置意指數位靜態相機或數位攝像機等之相機系統、或行動電話等之具有攝像功能之電子機器。
<7.第3實施形態(電子機器)>
其次，對第3實施形態之電子機器進行說明。
圖28中顯示第3實施形態之電子機器之概略構成圖(方塊圖)。
如圖28所示，本實施形態之電子機器200具有第1實施形態之固體攝像裝置1、光學透鏡210、快門裝置211、驅動電路212、及信號處理電路213。
光學透鏡210使來自被攝體之像光(入射光)成像於固體攝像裝置1 之攝像面上。藉此，於固體攝像裝置1內儲存一定期間之信號電荷。
快門裝置211控制對固體攝像裝置1之光照射期間及遮光期間。
驅動電路212係在固體攝像裝置1中，供給控制信號電荷之傳送動作及快門裝置211之快門動作之驅動信號。藉由自驅動電路212供給之驅動信號(時序信號)，進行固體攝像裝置1之信號傳送。
信號處理電路213進行各種信號處理。已進行信號處理之影像信號係記憶於記憶體等之記憶媒體或輸出至監視器。
在本實施形態之電子機器200中，因可謀求固體攝像裝置1中像素之微細化，故可謀求電子機器200之小型化或高解析度化。又，因在固體攝像裝置1中可全部像素同時曝光，而可獲得較高之S/N比，故可謀求提高畫質。
作為可應用固體攝像裝置1之電子機器200，並非限定於數位攝像機，可應用於數位靜態相機、以及適於行動電話等之移動機器之相機模組等之攝像裝置。
在上述本實施形態之電子機器中，使用第1實施形態之固體攝像裝置1作為固體攝像裝置。
本技術之電子機器並非限定於使用第1實施形態之固體攝像裝置1之構成，若為本技術之固體攝像裝置，則可使用任意之固體攝像裝置。
又，本技術之電子機器之構成並非限定於圖28所示之構成，若為使用本技術之固體攝像裝置之構成，則亦可採用圖28所示以外之構成。
另，本揭示亦可採取如以下之構成。
(1)一種固體攝像裝置，其具備：基板；光電轉換部，其形成於上述基板之光入射側之上，且產生與光量相應之信號電荷；第1電荷儲存部，其形成於上述光入射側之上述基板內，且儲存上述光電轉換 部所產生之信號電荷；第2電荷儲存部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之將入射光聚光之聚光區域以外之區域，且與上述第1電荷儲存部沿上述基板之深度方向積層而形成；及浮動擴散部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域以外之區域，且將上述信號電荷轉換成電壓。
(2)如上述技術方案(1)之固體攝像裝置，其中上述聚光區域係光電場強度直至峰值光電場強度之1/e之範圍。
(3)如上述技術方案(1)或(2)之固體攝像裝置，其中進而具備：重置部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域，且用以重置上述浮動擴散部。
(4)如上述技術方案(1)至(3)中任一項之固體攝像裝置，其中進而具備：釋放部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域，且自上述第1電荷儲存部釋放電荷。
(5)如上述技術方案(1)至(4)中任一項之固體攝像裝置，其中進而具備：縱型閘極電極，其自上述第1電荷儲存部向上述第2電荷儲存部傳送上述信號電荷。
(6)如上述技術方案(4)或(5)之固體攝像裝置，其中進而具備：縱型閘極電極，其自上述第1電荷儲存部向上述釋放部釋放電荷。
(7)如上述技術方案(1)至(6)中任一項之固體攝像裝置，其中具有藉由上述基板內之內部電場，而使上述光電轉換部所產生之上述信號電荷聚集於上述第1電荷儲存部之構成。
(8)如上述技術方案(1)至(7)中任一項之固體攝像裝置，其中具有藉由因透明電極而引起之外部電場，而使上述光電轉換部所產生之上述信號電荷聚集於上述第1電荷儲存部之構成。
(9)如上述技術方案(1)至(8)中任一項之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部兼用作遮光部。
(10)如上述技術方案(1)至(9)中任一項之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部具有以黃銅礦構造之化合物半導體形成之光電轉換膜。
(11)如上述技術方案(10)之固體攝像裝置，其中上述光電轉換膜係以包含銅-鋁-鎵-銦-硫-硒系混晶之黃銅礦構造之化合物半導體形成。
(12)如上述技術方案(1)至(9)中任一項之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部具有以矽化物系材料形成之光電轉換膜。
(13)如上述技術方案(10)或(11)之固體攝像裝置，其中上述光電轉換膜係在上述基板上，以與上述基板晶格匹配之方式而形成。
(14)如上述技術方案(13)之固體攝像裝置，其中上述基板為傾斜基板。
(15)如上述技術方案(1)至(14)中任一項之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部與上述基板相比電子親和力較大，且進而具備：中間層，其形成於上述光電轉換部與上述基板之間，且係以使電子親和力為上述基板之電子親和力與上述光電轉換部之電子親和力之間之方式形成。
(16)如上述技術方案(1)至(9)中任一項之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部具有以有機材料形成之光電轉換膜。
(17)如上述技術方案(10)或(11)之固體攝像裝置，其中包含：像素分離部，其係以於上述光電轉換部之間成為電勢障壁之方式，由進行摻雑之濃度控制或組成控制之化合物半導體形成，且分離鄰接之像素之間。
(18)如上述技術方案(1)至(17)中任一項之固體攝像裝置，其中具有複數個像素，其包含上述光電轉換部、上述浮動擴散部、上述第1電荷儲存部、及上述第2電荷儲存部，且上述複數個像素係以2維矩陣狀排列，儲存於上述第1電荷儲存部之信號電荷係全部像素同時地傳 送至上述第2電荷儲存部且以上述第2電荷儲存部予以保持，保持於上述第2電荷儲存部之信號電荷於像素之每列傳送至上述浮動擴散部。
(19)一種電子機器，其具備如上述技術方案(1)至(18)中任一項之固體攝像裝置、及處理來自上述固體攝像裝置之輸出信號之信號處理電路。
本技術並非限定於上述實施形態，在不脫離本技術之主旨之範圍內可採取其他多種構成。
本申請案係基於2012年9月25日在日本專利廳申請之日本專利申請案第2012-210938號而主張優先權者，該申請案之全部內容以引用之方式併入本申請案。
若為本領域技術人員，則可根據設計上之要求或其他因素，設想多種修正、組合、子組合、及變更，且可理解，該等係包含於附加之申請專利範圍與其均等物之範圍內者。
1‧‧‧固體攝像裝置
12‧‧‧基板
13‧‧‧井區域
23‧‧‧彩色濾光片層
24‧‧‧晶載透鏡
25‧‧‧第2電荷儲存部
26‧‧‧p型半導體層
27‧‧‧第1傳送閘極電極
28‧‧‧閘極絕緣膜
29‧‧‧汲極(釋放部)
30‧‧‧第2重置閘極電極
32‧‧‧第2傳送閘極電極
33‧‧‧第1重置閘極電極
34‧‧‧浮動擴散部(FD)
35‧‧‧汲極(重置部)
50‧‧‧光電轉換部
51‧‧‧像素分離部(光電轉換部側像素分離部)
52‧‧‧第1電荷儲存部
53‧‧‧像素分離部/P型半導體層
57‧‧‧透明電極
58‧‧‧p型半導體層
Tr1‧‧‧第1傳送電晶體
Tr2‧‧‧第2傳送電晶體
Tr3‧‧‧第1重置電晶體
Tr4‧‧‧第2重置電晶體
Tr5‧‧‧放大電晶體
Tr6‧‧‧選擇電晶體
Vdd‧‧‧電源電壓
ΦSEL‧‧‧選擇脈衝

Claims (19)

  1. 一種固體攝像裝置，其包含：基板；光電轉換部，其形成於上述基板之光入射側之上，且產生與光量相應之信號電荷；第1電荷儲存部，其形成於上述光入射側之上述基板內，且儲存上述光電轉換部所產生之信號電荷；第2電荷儲存部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之將入射光聚光之聚光區域以外之區域，且與上述第1電荷儲存部沿上述基板之深度方向積層而形成；及浮動擴散部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域以外之區域，且將上述信號電荷轉換成電壓。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述聚光區域係光電場強度達峰值光電場強度之1/e之範圍。
  3. 如請求項1之固體攝像裝置，其進而包含：重置部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域中，且用以重置上述浮動擴散部。
  4. 如請求項1之固體攝像裝置，其進而包含：釋放部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域中，且自上述第1電荷儲存部釋放電荷。
  5. 如請求項1之固體攝像裝置，其進而包含：縱型閘極電極，其自上述第1電荷儲存部向上述第2電荷儲存部傳送上述信號電荷。
  6. 如請求項4之固體攝像裝置，其進而包含：縱型閘極電極，其自上述第1電荷儲存部向上述釋放部釋放電荷。
  7. 如請求項1之固體攝像裝置，其具有藉由上述基板內之內部電場，而使上述光電轉換部所產生之上述信號電荷聚集於上述第1電荷儲存部之構成。
  8. 如請求項1之固體攝像裝置，其具有藉由因透明電極而引起之外部電場，而使上述光電轉換部所產生之上述信號電荷聚集於上述第1電荷儲存部之構成。
  9. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部兼用作遮光部。
  10. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部包含以黃銅礦構造之化合物半導體形成之光電轉換膜。
  11. 如請求項10之固體攝像裝置，其中上述光電轉換膜係以包含銅-鋁-鎵-銦-硫-硒系混晶之黃銅礦構造之化合物半導體形成。
  12. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部包含以矽化物系材料形成之光電轉換膜。
  13. 如請求項10之固體攝像裝置，其中上述光電轉換膜係在上述基板上，以與上述基板晶格匹配之方式形成。
  14. 如請求項13之固體攝像裝置，其中上述基板為傾斜基板。
  15. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部與上述基板相比電子親和力較大，且進而包含：中間層，其形成於上述光電轉換部與上述基板之間，且以電子親和力介於上述基板之電子親和力與上述光電轉換部之電子親和力之間之方式形成。
  16. 如請求項1之固體攝像裝置，其中上述光電轉換部包含以有機材料形成之光電轉換膜。
  17. 如請求項10之固體攝像裝置，其中包含：像素分離部，其係以於上述光電轉換部之間成為電勢障壁之方式，由經摻雑之濃度 控制或組成控制之化合物半導體形成，且分離鄰接之像素之間。
  18. 如請求項1之固體攝像裝置，其中包含複數個像素，該等像素包含上述光電轉換部、上述浮動擴散部、上述第1電荷儲存部、及上述第2電荷儲存部，且上述複數個像素係以2維矩陣狀排列；儲存於上述第1電荷儲存部之信號電荷係全部像素同時地被傳送至上述第2電荷儲存部，且以上述第2電荷儲存部予以保持；保持於上述第2電荷儲存部之信號電荷係依每列像素被傳送至上述浮動擴散部。
  19. 一種電子機器，其包含：光學透鏡；固體攝像裝置，其包含：基板；光電轉換部，其形成於上述基板之光入射側之上，且產生與光量相應之信號電荷；第1電荷儲存部，其形成於上述光入射側之上述基板內，且儲存上述光電轉換部所產生之信號電荷；第2電荷儲存部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之將入射光聚光之聚光區域以外之區域，且與上述第1電荷儲存部沿上述基板之深度方向積層而形成；及浮動擴散部，其形成於與上述光入射側相反之側之上述基板內之上述聚光區域以外之區域，且將上述信號電荷轉換成電壓；及信號處理電路，其處理來自上述固體攝像裝置之輸出信號。
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