CN103404124A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的固体摄像装置(101)具备：基板(318)；多个下部电极(311)，以分别电分离的方式，呈矩阵状被配置在基板(318)的上方；极薄绝缘膜(310)，完全覆盖多个下部电极(311)，且被平坦化；光电转换膜(308)，被形成在极薄绝缘膜(310)的上方，将光转换为信号电荷；上部电极(307)，被形成在光电转换膜(308)的上方；以及信号读出电路(220)，被形成在基板(318)上，通过检测在多个下部电极(311)的每一个中发生的电流或电压的变化，从而生成与信号电荷对应的读出信号，极薄绝缘膜(310)能够传导电子以及空穴的至少一方。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及，将图像作为电信号来输出的固体摄像装置。
背景技术
CMOS(Complementary Metal Oxide Secmiconductor：互补金属氧化物半导体)以及MOS(Metal Oxide Secmiconductor：金属氧化物半导体)面型图像传感器(以下，将两者一起称为CMOS图像传感器)、以及电荷耦合元件(Charge Coupled Devices)面型图像传感器(以下，称为CCD图像传感器)，对输入光信息进行光电转换，从生成图像信号。这样的图像传感器，作为功能元件，利用于数字静止照相机、数字视频照相机、网络照相机、以及移动电话用相机等的多方面的摄像设备。
以往的图像传感器具有的结构为，在半导体基板的最表面上，将具有光电转换部(光电二极管)和读出电路部的像素配置为二维的阵列状。因此，光电转换部的面积，在光入射面，按照读出电路部的面积而被削减。据此，以往的图像传感器具有的问题是，开口率降低。
为了解决该问题，专利文献1中报告了，包括具有光吸收率的材料被层叠在基板上的结构的光电转换部、和被形成在基板上的读出电路的层叠传感器。
对于专利文献1所记载的层叠传感器，各个像素的光电转换部包括，像素电极、具有被层叠在其上方(光入射口侧)的有机材料的光电转换膜、以及被形成在其上面的对电极。进而，该层叠传感器具备，用于将因入射光而发生的正负某一方的电荷群作为电流信号，来提取到光电转换部之外的电荷阻挡层。该电荷阻挡层，传导信号电荷，阻挡其相反的符号的电荷。并且，该电荷阻挡层，与像素电极相对，或者，与像素电极直接接触。在这样的光电转换部的结构中，在与该像素电极接触的电荷阻挡层以及有机光电转换膜内，因在像素电极的角部发生的应力集中和端部台阶而产生缺陷。其结果为，专利文献1所记载的层叠传感器具有的实用上的重大问题是，发生大的噪声信号。
专利文献2公开用于解决该问题的技术。在专利文献2中，该电荷阻挡层由多个种类的金属氧化物的混合物形成。进而，为了将该电荷阻挡层成为非晶相，而将膜形成温度设为低温(零度)。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特许第4444371号公报
专利文献2：日本特开2009－272528号公报
发明概要
发明要解决的问题
然而，通过这样的方法而形成的电荷阻挡膜是，在物理上以及化学上非常不稳定的。也就是说，由于是在极端低温下形成的膜，因此实用上的大问题是，在后工序的退火、以及回流等的高温工序后(1)发生向多结晶的相变化、(2)化学组成发生变化。
发明内容
鉴于所述以往技术的实际情况，本发明的目的在于提供一种固体摄像装置，能够确保像素电极的周围的材料的稳定性，并且，能够抑制光电转换膜发生缺陷。
用于解决问题的手段
为了解决所述以往技术的问题，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置具备：基板；多个第一电极，以分别电分离的方式，呈矩阵状被配置在所述基板的上方；由绝缘体构成的绝缘体层，覆盖所述多个第一电极，该绝缘体层的上面被平坦化；光电转换膜，被形成在所述绝缘体层的上方，将光转换为信号电荷；第二电极，被形成在所述光电转换膜的上方；以及信号读出电路，被形成在所述基板上，通过检测按照所述信号电荷而在所述多个第一电极的每一个第一电极中发生的电流或电压的变化，从而生成读出信号，所述绝缘体层，通过隧道效应能够传导电子以及空穴的至少一方。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，绝缘体层为平坦，因此，能够抑制被形成在其上的光电转换膜发生缺陷。进而，绝缘体层能够传导光电转换膜内发生的电子以及空穴的某一方，因此，通过被设置在基板的读出电路，能够检测电流或电压信号。并且，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，对于第一电极(像素电极)的周围的材料，不需要使用特殊的材料，因此，能够确保第一电极的周围的材料的稳定性。
并且，也可以是，所述第一电极上的所述绝缘体层的厚度为0.5nm以上且15nm以下。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，通过量子隧道效应能够传导光电转换膜内发生的电子以及空穴的某一方。
并且，也可以是，所述绝缘体层的表面粗糙度为1nm以下。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，能够将在被形成在第一电极上的极薄绝缘膜进行隧道传导的电荷的隧道概率，与部位无关而成为一定。
并且，也可以是，所述绝缘体层包含硅氧化物、铝氧化物、钛氧化物、以及硅氮化物之中的至少一个。
通过利用这样的材料，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，能够容易由绝缘体覆盖第一电极。并且，能够将该绝缘体薄化以及平坦化，以能够进行电荷的隧道传导。
并且，也可以是，所述绝缘体层包含，构成所述第一电极的金属的氧化物。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，能够基于第一电极本身，形成各个像素间的绝缘分离膜，因此，能够实现材料成本削减和工序的简略化。
并且，也可以是，所述第一电极的厚度为15nm以下。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，对第一电极进行图案化后，在其上部层叠绝缘体层时，能够将因图案化后的第一电极的台阶而发生的绝缘体层的台阶，在全局的区域(150nm)成为15nm以下。进而，通过将该绝缘体层平坦化为2nm左右的厚度，从而能够将在图案化后的第一电极的角部附近发生的局部的台阶，实际上成为1nm以下。其结果为，该固体摄像装置，能够消除因光电转换膜内的电极角部的台阶而引起的缺陷。据此，该固体摄像装置，能够降低漏电流以及暗电流，因此能够生成良好的画质的输出信号。
并且，也可以是，所述固体摄像装置还具备供电层，该供电层，被形成在所述第一电极与所述基板之间、并且在相邻的所述第一电极之间的区域，能够提供独立于所述第一电极的电位。
并且，也可以是，所述固体摄像装置，在所述光电转换膜进行光电转换的曝光工作时，以及在所述信号读出电路生成所述读出信号的读出工作时，向所述供电层提供用于排斥所述信号电荷的电位。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，能够一边保持各个像素间的绝缘体层的表面的平坦性，一边抑制各个像素间的电荷的漏泄。因此，该固体摄像装置，能够拍摄混色少的质量良好的图像。
并且，也可以是，所述绝缘体层具有一种电特性，即，传导作为电子以及空穴之中的一方的第一电荷、阻挡作为另一方的第二电荷，在所述光电转换膜发生的第二电荷，被积蓄在所述绝缘体层的所述光电转换膜侧的界面，所述信号读出电路，通过检测按照被积蓄的所述第二电荷而发生的电位变化，从而生成所述读出信号。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，不需要以往技术中设置在基板侧电路的独立的信号电荷积蓄用的电容。据此，该固体摄像装置，能够实现电路部的简化以及细微化。进而，该固体摄像装置，也能够消除该电容部中发生的漏电流。
并且，也可以是，所述固体摄像装置，在检测出所述电位变化后，进行初始化工作，该初始化工作是指，将所述第一电荷从所述第一电极经由所述绝缘体层注入到所述界面，从而中和积蓄在所述界面的所述第二电荷的工作。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，不需要从第二电极侧注入与信号电荷相反符号的电荷。该固体摄像装置，不直接驱动因大面积而大电容的第二电极，而能够复位各个像素的信号电荷，因此能够将复位工作高速化。
并且，也可以是，所述信号读出电路具备：放大晶体管，该放大晶体管的栅极端子连接于所述第一电极，通过放大在所述第一电极发生的电流或电压的变化，从而生成所述读出信号；以及复位晶体管，连接于所述第一电极，向所述第一电极提供复位信号，所述固体摄像装置还具备反馈放大器，该反馈放大器，将所述读出信号反馈到所述复位信号，所述固体摄像装置，在所述初始化工作后，在所述读出信号由所述反馈放大器反馈到所述复位信号的状态下，进行以锥形状的栅极电压来将所述复位晶体管逐渐成为断开的复位工作。
根据这样的结构，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置，能够将复位时的因复位晶体管的开关而引起的kTC噪声，减少到以往技术的1／10以下。
并且，也可以是，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置的制造方法，在所述固体摄像装置的制造方法中，以图案化来形成所述第一电极，以绝缘膜覆盖所述第一电极，以回蚀法来将所述绝缘膜平坦化，从而形成所述绝缘体层。
根据这样的制造方法，不使第一电极的角部露出，而能够形成平坦化的绝缘体层。据此，能够抑制被形成在其上部的光电转换膜发生缺陷，因此能够实现非常低的漏电流。
并且，也可以是，本发明的实施方案之一涉及的固体摄像装置的制造方法，在所述固体摄像装置的制造方法中，以图案化来形成多个电极层，该多个电极层，以分别电分离的方式，呈矩阵状被配置在所述基板的上方，以第一绝缘膜来覆盖所述电极层，通过对所述第一绝缘膜和所述电极层同时进行回蚀，来将该第一绝缘膜以及该电极层平坦化，从而形成第二绝缘膜以及所述第一电极，在所述第二绝缘膜和所述第一电极上堆积第三绝缘膜，从而形成由所述第二绝缘膜和所述第三绝缘膜构成的所述绝缘体层。
根据这样的制造方法，在各个第一电极间，能够形成绝缘性非常高的第二绝缘膜，因此能够提高各个第一电极间的绝缘性。进而，在形成该第二绝缘膜之前局部除去电极层，从而形成第一电极。据此，能够抑制因氧化时的体积膨胀而第一电极的表面***。因此，在第一电极表面、以及像素间的第二绝缘膜全面中，能够实现高的平坦性。
而且，本发明，除了能够作为这样的固体摄像装置来实现以外，还能够作为将固体摄像装置中包含的特征单元作为步骤的固体摄像装置的驱动方法来实现。
进而，本发明，能够作为实现这样的固体摄像装置的功能的一部分或全部的半导体集成电路(LSI)来实现，或能够作为具备这样的固体摄像装置的摄像装置(摄像机)来现能。
发明效果
如上所述，本发明，能够提供能够确保像素电极的周围的材料的稳定性，并且能够抑制光电转换膜发生缺陷的固体摄像装置。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1涉及的固体摄像装置的结构的方框图。
图2是示出本发明的实施例1涉及的某1像素的信号读出电路的电路图。
图3是本发明的实施例1涉及的包含像素部的光电转换膜的3像素的区域的截面图。
图4是本发明的实施例1涉及的包含从上部电极到供电层为止的层的光电转换部的截面放大图。
图5是示出本发明的实施例1涉及的固体摄像装置的主要的信号的时间变化的时序图。
图6是将本发明的实施例1涉及的固体摄像装置和以往的固体摄像装置的暗电流水平作为偏置电压的函数来描绘的图表。
图7是示出本发明的实施例2涉及的某1像素的信号读出电路的电路图。
图8是示出本发明的实施例2涉及的固体摄像装置的主要的信号的时间变化的时序图。
图9是将本发明的实施例2涉及的固体摄像装置和以往的固体摄像装置的暗电流水平作为偏置电压的函数来描绘的图表。
图10A是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第一制造方法的图。
图10B是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第一制造方法的图。
图10C是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第一制造方法的图。
图10D是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第一制造方法的图。
图11A是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第二制造方法的图。
图11B是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第二制造方法的图。
图11C是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第二制造方法的图。
图11D是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第二制造方法的图。
图11E是示出本发明的实施例3涉及的固体摄像装置的第二制造方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明涉及的固体摄像装置的实施方式。而且，对于本发明，虽然利用以下的实施例以及附图进行说明，但是，其目的为举例示出，而不意图本发明由此限定。以下的实施例所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等，是一个例子，而不是限定本发明的宗旨。本发明，仅由权利要求书限定。因此，对于以下的实施例的构成要素中的、示出本发明的最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，为了实现本发明的问题而并不一定需要，但是，被说明为构成更优选的形态的要素。
(实施例1)
本发明的实施例1涉及的固体摄像装置，在光电转换部的像素电极上具备，平坦化后的极薄绝缘膜。并且，该极薄绝缘膜，能够传导电子以及空穴的至少一方。据此，本发明的实施例1涉及的固体摄像装置，能够确保像素电极的周围的材料的稳定性，并且，能够抑制光电转换膜发生缺陷。
对于本发明的实施例1涉及的固体摄像装置，利用图1至图5进行说明。
首先，说明本发明的实施例1涉及的固体摄像装置的整体结构。
图1是示出本发明的实施例1涉及的固体摄像装置101的结构的方框图。该固体摄像装置101具备：像素阵列102；行信号驱动电路103a和103b；列反馈放大器电路104，按每个列配置具有放大和反馈功能的电路；噪声消除电路105，包含被配置在各个列的列放大器和噪声消除器；水平驱动电路106；以及输出级放大器107。在此，列反馈放大器电路104，接受来自像素阵列102的输出信号，且进行反馈。因此，信号的流程方向成为，如图1示出，相对于像素阵列102而双方向。
并且，像素阵列102包括，呈矩阵状配置的多个像素110、按每个列设置的多个列信号线204、以及按每个行设置的多个行选择线。多个列信号线204的每一个，与被配置在对应的列的多个像素110连接。多个行选择线的每一个，与被配置在对应的行的多个像素110连接。
图2是示出固体摄像装置101中包含的某1个像素110的信号读出电路220和其周边电路的电路图。如图2示出，像素110具备，光电转换部201、以及信号读出电路220。并且，固体摄像装置101具备，列信号线204、反馈放大器205、初始化晶体管207、列选择晶体管208、列放大电路209、晶体管210、以及电容211和212。在此，对于列信号线204、反馈放大器205、初始化晶体管207、列选择晶体管208、列放大电路209、晶体管210、以及电容211和212，按每个列被设置，被包含在图1示出的列反馈放大器电路104以及噪声消除电路105等中。
光电转换部201，对入射光进行光电转换，从而生成与入射光量对应的信号电荷。
信号读出电路220，生成与光电转换部201所生成的信号电荷对应的读出信号。该信号读出电路220包括，放大晶体管202、选择晶体管203、复位晶体管206、以及FD部(浮动扩散部)215。
放大晶体管202，检测在光电转换部201发生的信号电荷量。
选择晶体管203，对是否将放大晶体管202检测出的信号传递给列信号线204进行控制。
复位晶体管206，将用于对光电转换部201以及FD部215进行复位的复位信号提供给FD部215。
反馈放大器205，将读出信号反馈到复位信号。具体而言，在对光电转换部201进行复位时，复位晶体管206成为导通状态。此时，反馈放大器205，向选择晶体管203的输出信号赋予需要的增益，并进行反馈，从而消除放大晶体管202的输入部的噪声。
初始化晶体管207，对是否经由复位晶体管206向光电转换部201施加接地电位(以下，GND)进行控制。
列选择晶体管208，对是否将像素输出信号VPIXO传递给列放大电路209的输入端子进行控制。
晶体管210、电容211以及212串联连接。晶体管210，对是否向电容211施加偏置电压VNCB进行控制。
列放大电路209所放大的信号，输入到由晶体管210、电容211以及212构成的差分电路。而且，该差分电路，通过差分工作来检测相当于信号的电压。
图3是固体摄像装置101的3像素的区域的截面图。而且，对于实际的像素110，例如，在像素阵列102，排列1000万像素。
如图1示出，固体摄像装置101具备，微透镜301、红色滤色器302、绿色滤色器303、蓝色滤色器304、保护膜305、平坦化膜306、上部电极307(第二电极)、光电转换膜308、电子阻挡层309、极薄绝缘膜310、下部电极311(第一电极)、绝缘膜312、供电层313、布线层314、基板318、阱319、STI区域(浅槽隔离区域)320、以及层间绝缘层321。
基板318是，半导体基板，例如是硅基板。
对于微透镜301，为了对入射光效率地进行聚光，在固体摄像装置101的最表面，按每个像素110而被形成。
红色滤色器302、绿色滤色器303以及蓝色滤色器304，为了拍摄彩色图像而被形成。并且，红色滤色器302、绿色滤色器303以及蓝色滤色器304，被形成在各个微透镜301的正下面、并且在保护膜305内。为了形成涉及到1000万像素而没有聚光不均匀以及颜色不均匀的微透镜301以及滤色器组，这样的光学元件被形成在平坦化膜306上。平坦化膜306，例如，由SiN构成。
上部电极307，被形成在平坦化膜306下的像素阵列102的全面中。该上部电极307，使可见光透过。例如，上部电极307由ITO(Indium TinOxide：铟锡氧化物)构成。
光电转换膜308，将光转换为信号电荷。具体而言，光电转换膜308，被形成在上部电极307下，由具有高光吸收率的有机分子构成。并且，光电转换膜308的厚度为，例如500nm。并且，光电转换膜308，利用真空蒸镀法而被形成。所述有机分子，在波长400nm至700nm的可见光全域内，具有高光吸收率。
电子阻挡层309，被形成在光电转换膜308下，传导因入射光的光电转换而发生的空穴，并且，阻止来自下部电极311的电子注入。该电子阻挡层309，被形成在具有高平坦度的极薄绝缘膜310上。
极薄绝缘膜310，相当于本发明的绝缘体层。该极薄绝缘膜310，完全覆盖多个下部电极311，并且，被平坦化。并且，极薄绝缘膜310，由绝缘体构成，但是，由于其膜厚非常薄，因此，通过隧道效应而能够传导电子以及空穴的至少一方。
多个下部电极311，呈矩阵状被配置在基板318的上方。并且，多个下部电极311，分别电分离。具体而言，下部电极311，被形成在极薄绝缘膜310内，收集光电转换膜308中发生的空穴。该下部电极311，例如由TiN构成。并且，下部电极311，被形成在平坦化后的厚度100nm的绝缘膜312上。
并且，各个下部电极311，以0.2μm的间隔而被分离。而且，极薄绝缘膜310被埋入在该分离区域。
进而，在该分离区域的下方、并且在绝缘膜312下，配置供电层313。该供电层313，例如由Cu构成。具体而言，供电层313，被形成在相邻的下部电极311之间的区域、并且在下部电极311与基板318之间。并且，向供电层313，能够提供独立于下部电极311的电位。具体而言，在光电转换膜308进行光电转换的曝光工作时，以及，在信号读出电路220生成读出信号的读出工作时，向供电层313，提供用于排斥信号电荷的电位。例如，在信号电荷为空穴的情况下，施加正电压。据此，能够防止空穴从相邻像素混入到各个像素。而且，这样的电压施加的控制，例如，由固体摄像装置101具备的控制部(不图示)进行。
供电层313与布线层314连接。并且，布线层314，与FD部215以及放大晶体管202的栅极端子连接。进而，FD部215，与复位晶体管206的源极端子电连接。并且，复位晶体管206的源极端子和FD部215，共享扩散区域。这样的晶体管、没有图示却被形成在同一像素内的选择晶体管203、以及FD部215，都被形成在同一P型的阱319内。并且，该阱319，被形成在基板318。也就是说，图2示出的信号读出电路220，被形成在基板318上，通过检测多个下部电极311各自发生的电流或电压的变化，从而生成与信号电荷对应的读出信号。并且，放大晶体管202，通过放大在下部电极311发生的电流或电压的变化，从而生成读出信号。
并且，各个晶体管，通过由SiO2构成的STI区域320而电分离。
图4是包含从上部电极307到供电层313为止的层的光电转换部201的截面放大图。
极薄绝缘膜310，例如由SiO2构成。极薄绝缘膜310的总厚度t1，比下部电极311的厚度t2(＝15nm)厚2nm。因此，下部电极311上的极薄绝缘膜310的厚度t3为2nm。据此，向上部电极307施加正电压的偏压，从而能够将在光电转换膜308发生的空穴，通过隧道效应传导来高效率地收集到下部电极311。
而且，极薄绝缘膜310的厚度t3为，能够将在光电转换膜308内发生的电子以及空穴的某一方通过量子隧道效应来传导的厚度即可。例如，极薄绝缘膜310的厚度t3为，0.5nm以上且15nm以下即可。
并且，优选的是，下部电极311的厚度t2为，15nm以下。
据此，对下部电极311进行图案化后，在其上部层叠极薄绝缘膜310时，能够将因图案化后的下部电极311的台阶而发生的极薄绝缘膜310的台阶，在全局的区域(150nm)成为15nm以下。进而，通过将极薄绝缘膜310平坦化为2nm左右的厚度，从而能够将在图案化后的下部电极311的角部附近发生的局部的台阶，实际上成为1nm以下。其结果为，固体摄像装置101，能够消除因光电转换膜308内的电极角部的台阶而引起的缺陷。据此，该固体摄像装置101，能够降低漏电流以及暗电流，因此能够生成良好的画质的输出信号。
进而，极薄绝缘膜310和电子阻挡层309的界面被平坦化处理。例如，极薄绝缘膜310具有rms值为0.5nm的高平坦度。其结果为，以往技术的问题的因下部电极311的角部的台阶而引起的缺陷，不会在电子阻挡层309以及光电转换膜308内发生。据此，固体摄像装置101，能够抑制因这样的缺陷而引起的漏电流。
而且，为了实现这样的效果，优选的是，极薄绝缘膜310的表面粗糙度为1nm以下。进而，根据这样的结构，能够将在被形成在下部电极311上的极薄绝缘膜310进行隧道传导的电荷的隧道概率，与部位无关而成为一定。
并且，在所述说明中，描述了极薄绝缘膜310由SiO2构成的例子，但也可以由绝缘性高、能够控制极薄绝缘膜310的膜厚的其他的材料构成。例如，也可以是，极薄绝缘膜310，由铝氧化物、钛氧化物、硅氮化物、或他们的化合物构成。通过利用这样的材料，从而能够确实由绝缘体覆盖下部电极311。并且，能够将该绝缘体薄化以及平坦化，以能够进行电荷的隧道传导。
并且，极薄绝缘膜310，可以包含构成下部电极311的金属的氧化物。例如，也可以是，下部电极311由TiN构成，极薄绝缘膜310由钛氧化物构成。据此，能够基于下部电极311本身，形成各个像素间的绝缘分离膜(极薄绝缘膜310)，因此，能够实现材料成本削减和工序的简略化。
以下，说明固体摄像装置101的工作。而且，对于以下示出的控制信号的生成，例如，由固体摄像装置101具备的控制部(不图示)进行。
图5是图2示出的各个节点的电压的时序图。并且，图5示出从光电转换部201到列放大电路209的输出端子为止的路径的电压。
摄像工作包括(1)初始化、(2)复位、(3)曝光、(4)读出的不同的四个工作模式的期间。
在所有的期间中，向上部电极307施加固定电压VM(＝15V)。据此，对于信号输出，仅检测所有的光电转换部201的输出信号、即下部电极311侧的电位VAG即可。以下，详细说明各个期间的工作内容。
首先，在初始化期间，进行工作的开始和各个节点的复位。在初始化期间开始的同时，通过将栅极电压VSEL、栅极电压VRST、以及栅极电压VINITON成为High，从而将选择晶体管203、复位晶体管206以及初始化晶体管207分别成为导通状态。根据该设定，初始化电压VM准确地被施加到光电转换部201，并且，放大晶体管202的输入电压VAG准确地被设定为从复位晶体管206提供的电压(实施例1的GND)。
接着，在复位期间，固体摄像装置101，在读出信号由反馈放大器205反馈到复位信号的状态下，进行以锥形状的栅极电压来将复位晶体管206逐渐成为断开的复位工作。具体而言，通过将栅极电压VINITON降低为Low，从而将初始化晶体管207成为断开状态。进而，花费1μsec以上的时间，以锥形状来将复位晶体管206的栅极电压VRST逐渐降低为Low。通过进行该锥形复位工作，从而完全消除经由反馈放大器205反馈连接的复位晶体管206的噪声。
接着，在曝光期间，从复位晶体管206完全成为断开状态的时刻开始，入射光被光电转换后的信号电荷被积蓄到FD部215。因此，电压VAG增加，据此，信号电压VPIXO也增加。
在读出期间，在曝光期间结束后，为了将信号电压VPIXO提供给列放大电路209，将列选择晶体管208的输入电压VSH成为High。根据该工作，与信号电压VPIXO的变化量ΔVAG对应的变化量ΔVSIG出现在电压VSIG中。如此，作为变化量ΔVSIG的入射光的信息被读出。
该实施例1涉及的固体摄像装置101，与具有以往构造的像素的元件相比，能够将像素电极的近旁的缺陷密度降低到1／10。据此，固体摄像装置101，如图6示出，能够大幅度地改进每一像素的暗电流(空穴数)。而且，在图6中，随着积蓄时间的增大，两个装置的暗电流都增加，但是，与以往装置相比，实施例1涉及的固体摄像装置101，能够将暗电流大幅度地抑制到1／6。
如上所述，本发明的实施例1涉及的固体摄像装置101，能够防止因像素电极的角部和台阶而引起的缺陷的发生。据此，固体摄像装置101，能够确保电极周围的材料的稳定性，因此能够降低起因于该缺陷的漏电流。
进而，本发明的实施例1涉及的固体摄像装置101，从该电极注入与信号电荷相反符号的电荷，来消除信号电荷，因此，能够实现基板电路的简化和漏电流的减少化。
进而，固体摄像装置101，消除光电转换部201内的信号电荷后，一边对复位晶体管206进行反馈，一边将该复位晶体管206逐渐断开。据此，固体摄像装置101，能够实现能够没有kTC噪声(复位噪声)地消除光电转换部201内的电荷这样的新的效果。
(实施例2)
接着，利用图7至图8说明本发明涉及的实施例2。而且，实施例2涉及的固体摄像装置101的方框图，与实施例1示出的图1同样。
而且，以下，主要说明与实施例1不同之处，省略重复说明。并且，在各个图中，对于与实施例1同样的要素附加同一符号。
图7是示出本发明的实施例2涉及的固体摄像装置101中包含的某1像素的信号读出电路220和其周边电路的电路图。
本发明的实施例2涉及的固体摄像装置101，与实施例1不同之处是，光电转换部701的结构，以及向初始化晶体管707施加偏置电压VINIT。
光电转换部701具有，按照入射光量发生电荷、且暂时存储发生的电荷的功能。
初始化晶体管707，对是否经由复位晶体管206向光电转换部701施加偏置电压VINIT进行控制。
并且，基本上，光电转换部701的结构，与图3以及图4示出的结构相同。但是，下部电极311上的极薄绝缘膜310的厚度t3，比实施例1厚。例如，厚度t3为5nm。据此，极薄绝缘膜310具有，传导作为电子以及空穴之中的一方的第一电荷、阻挡作为另一方的第二电荷这电特性。因此，在光电转换膜308发生的第二电荷，积蓄在极薄绝缘膜310的光电转换膜308侧的界面。信号读出电路220，通过检测按照该积蓄的第二电荷而发生的电位变化，从而生成读出信号。
具体而言，通过向上部电极307施加偏置电压，在光电转换膜308发生的空穴移动到下部电极311侧。但是，如上所述，实施例2的极薄绝缘膜310，在下部电极311上为5nm而厚。据此，以向下部电极311通常赋予的偏置电压(≈15至20V)，发生的空穴不回通过隧道效应而被传导，而被积蓄在电子阻挡层309和极薄绝缘膜310的界面。随着与该入射光成比例的空穴电荷的积蓄，光电转换部701的输出信号、即下部电极311的电位发生变化。信号读出电路220，将该电位变化作为读出信号来读出。
根据这样的结构，在固体摄像装置101中，不需要以往技术中被设置在基板侧电路的独立的信号电荷积蓄用的电容。据此，该固体摄像装置101，能够实现电路部的简化、以及细微化。进而，该固体摄像装置101，也能够消除在该电容部发生的漏电流。
图8是示出图7示出的各个节点电压的时序图。并且，图8示出从光电转换部701到列放大电路209的输出端子为止的路径的电压。
并且，图8示出的工作，相对于图5示出的工作，初始化期间的工作不同。
在初始化期间，进行工作的开始和各个节点的复位。并且，固体摄像装置101，在电位变化的检测后的初始化期间，将第一电荷从下部电极311经由极薄绝缘膜310，注入到极薄绝缘膜310的光电转换膜308侧的界面。据此，固体摄像装置101，中和积蓄在该界面的第二电荷。
具体而言，在初始化期间开始的同时，通过将栅极电压VSEL、栅极电压VRST、以及栅极电压VINITON成为High，从而将选择晶体管203、复位晶体管206以及初始化晶体管207分别成为导通状态。接着，负电压ΔVINIT被施加，以作为初始化晶体管707的漏极电压VINIT。根据该设定，初始化电压VM＋|ΔVINIT|准确地被施加到光电转换部701。据此，经由极薄绝缘膜310，电子通过隧道传导而被注入。根据该电子，在前框中积蓄在电子阻挡层309和极薄绝缘膜310的界面的空穴信号电荷被中和。接着，通过将初始化晶体管707的漏极电压VINIT设定为GND，初始化电压VM准确地被施加到光电转换部701，并且，放大晶体管202的输入电压VAG准确地被设定为从复位晶体管206提供的电压(GND)。
根据这样的结构，在固体摄像装置101中，不需要从上部电极307侧注入与信号电荷相反符号的电荷。也就是说，该固体摄像装置101，不直接驱动因大面积而大电容的上部电极307，而能够复位各个像素的信号电荷，因此能够将复位工作高速化。
而且，以后的工作，与实施例1同样。
该实施例2涉及的固体摄像装置101，与具有以往构造的像素的元件相比，能够将像素电极的近旁的缺陷密度降低到1／20。据此，固体摄像装置101，如图9示出，能够大幅度地改进每一像素的暗电流(空穴数)。而且，在图9中，随着积蓄时间的增大，两个装置的暗电流都增加，但是，与以往装置相比，实施例2涉及的固体摄像装置101，能够将暗电流大幅度地抑制到1／10。
(实施例3)
在本发明的实施例3中，说明所述的实施例1涉及的固体摄像装置101的制造方法。而且，实施例2涉及的固体摄像装置101的制造方法也同样。
首先，说明第一制造方法。
图10A至图10D是，示出到固体摄像装置101的电极部为止的第一制造方法的、固体摄像装置101的制造过程中的截面图。
首先，如图10A示出，利用Si－CMOS过程形成固体摄像装置101的基底电路。接着，在基底电路上形成布线层314，在其上形成平坦化后的绝缘膜312。然后，在其上，以全面堆积由用于形成下部电极311的TiN构成的电极层311A。
接着，通过光刻以及干蚀刻，将电极层311A图案化为被配置在各个电极内的形状，从而形成下部电极311(图10B)。
接着，以比下部电极311的表面台阶充分厚的方式堆积由SiO2构成的绝缘膜310A，从而由绝缘膜310A覆盖下部电极311(图10C)。
然后，通过CMP(Chemical Mechanical Polishing)，一边准确地监视绝缘膜310A的厚度，一边将该绝缘膜310A研磨到比下部电极311的厚度稍微厚的所希望的膜厚。据此，形成最终的极薄绝缘膜310(图10D)。如此，以回蚀法来将绝缘膜310A平坦化，从而形成极薄绝缘膜310。
在该工序后，形成电子阻挡层309，通过真空蒸镀来形成光电转换膜308。进而，通过溅射法来形成上部电极307，通过溅射法来形成平坦化膜306。最后，依次形成滤色器(红色滤色器302、绿色滤色器303以及蓝色滤色器304)、以及微透镜301。
接着，说明第二制造方法。
图11A至图11E是，示出到固体摄像装置101的电极部为止的第二制造方法的、固体摄像装置101的制造过程中的截面图。
首先，如图11A示出，通过与所述的第一制造方法同样的方法，形成到绝缘膜312。然后，在其上，以全面堆积用于形成下部电极311的由TiN构成的电极层311B。在此，将电极层311B的厚度成为，估计到以下的CMP工序中要被削去的量的厚度。例如，电极层311B的厚度为，比15nm厚的25nm。
接着，通过光刻以及干蚀刻，将电极层311B图案化为被配置在各个电极内的形状，从而形成多个电极层311C(图11B)。在此，多个电极层311C，被配置为矩阵状，且分别电分离。
接着，以比图案化后的电极层311C的表面台阶充分厚的方式堆积由SiO2构成的绝缘膜310B，从而由绝缘膜310B覆盖电极层311C(图11C)。
然后，通过CMP，一边准确地监视绝缘膜310B的厚度，一边进行研磨，直到电极层311C的厚度成为所希望的膜厚为止。如此，对绝缘膜310B和电极层311C同时进行回蚀，从而将该绝缘膜310B以及该电极层311C平坦化。据此，形成绝缘膜310C以及下部电极311(图11D)。在该工序中，电极层311C和绝缘膜310B同时被削去，稍微发生台阶，但是，没有实用上的问题。
接着，在绝缘膜310C和下部电极311上，堆积绝缘膜310D。具体而言，通过原子层蒸镀来蒸镀Al2O3，从而形成绝缘膜310D。据此，形成由绝缘膜310C和绝缘膜310D构成的、最终的极薄绝缘膜310(图11E)。
在该工序后，与所述第一制造方法同样，依次形成电子阻挡层309、光电转换膜308、上部电极307、平坦化膜306、滤色器(红色滤色器302、绿色滤色器303以及蓝色滤色器304)、以及微透镜。
以上，说明了本发明的实施例涉及的固体摄像装置，但是，本发明不仅限于该实施例。
并且，典型而言，所述实施例涉及的固体摄像装置中包含的各个处理部，被实现为作为集成电路的LSI。可以将它们分别单芯片化，也可以将它们单芯片化，使得包含一部分或全部。
并且，集成电路化不仅限于LSI，而可以以专用电路或通用处理器来实现。也可以利用在制造LSI后能够编程的FPGA(Field ProgrammableGate Array∶现场可编程门阵列)、或可重构LSI内部的电路单元的连接或设定的可重构处理器。
并且，在所述的截面图中，直线性地记载各个构成要素的角部以及边，但是，因制造上的理由，而角部以及边呈圆形的构成要素也包含在本发明中。
并且，也可以组合所述实施例涉及的固体摄像装置、以及其变形例的功能中的至少一部分。
并且，在上述利用了的数字都是为了具体说明本发明而示出的例子，本发明不仅限于以例子来示出的数字。进而，高／低所表示的逻辑水平或导通／断开所表示的开关状态，是为了具体说明本发明而示出的例子，通过举例的逻辑水平或开关状态的不同的组合，也能够得到同等的结果。并且，晶体管等的n型以及p型等，是为了具体说明本发明而示出的例子，通过将他们反转，也能够得到同等的结果。并且，在上述中示出的各个构成要素的材料都是为了具体说明本发明而示出的例子，本发明不仅限于以例子来示出的材料。并且，构成要素间的连接关系是为了具体说明本发明而示出的例子，实现本发明的功能的连接关系不仅限于此。
并且，在所述说明中，示出利用了MOS晶体管的例子，但是，也可以利用其他的晶体管。
进而，在不脱离本发明的要旨的范围内所进行的本领域的技术人员能够想到的各种变形也包含在本发明中。
工业实用性
本发明，能够适用于固体摄像装置。并且，本发明，能够适用于监视照相机、网络照相机、车载照相机、数字照相机、以及移动电话等。
符号说明
101 固体摄像装置
102 像素阵列
103a、103b 行信号驱动电路
104 列反馈放大器电路
105 噪声消除电路
106 水平驱动电路
107 输出级放大器
110 像素
201、701 光电转换部
202 放大晶体管
203 选择晶体管
204 列信号线
205 反馈放大器
206 复位晶体管
207、707 初始化晶体管
208 列选择晶体管
209 列放大电路
210 晶体管
211、212 电容
215 FD部(浮动扩散部)
220 信号读出电路
301 微透镜
302 红色滤色器
303 绿色滤色器
304 蓝色滤色器
305 保护膜
306 平坦化膜
307 上部电极
308 光电转换膜
309 电子阻挡层
310 极薄绝缘膜
310A、310B、310C、310D 绝缘膜
311 下部电极
311A、311B、311C 电极层
312 绝缘膜
313 供电层
314 布线层
318 基板
319 阱
320 STI区域(浅槽隔离区域)
321 层间绝缘层

Claims (13)

1.一种固体摄像装置，具备：
基板；
多个第一电极，以分别电分离的方式，呈矩阵状被配置在所述基板的上方；
由绝缘体构成的绝缘体层，覆盖所述多个第一电极，该绝缘体层的上面被平坦化；
光电转换膜，被形成在所述绝缘体层的上方，将光转换为信号电荷；
第二电极，被形成在所述光电转换膜的上方；以及
信号读出电路，被形成在所述基板上，通过检测按照所述信号电荷而在所述多个第一电极的每一个第一电极中发生的电流或电压的变化，从而生成读出信号，
所述绝缘体层，通过隧道效应能够传导电子以及空穴的至少一方。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述第一电极上的所述绝缘体层的厚度为0.5nm以上且15nm以下。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，
所述绝缘体层的表面粗糙度为1nm以下。
4.如权利要求1至3的任一项所述的固体摄像装置，
所述绝缘体层包含硅氧化物、铝氧化物、钛氧化物、以及硅氮化物之中的至少一个。
5.如权利要求1至3的任一项所述的固体摄像装置，
所述绝缘体层包含，构成所述第一电极的金属的氧化物。
6.如权利要求1至5的任一项所述的固体摄像装置，
所述第一电极的厚度为15nm以下。
7.如权利要求1至6的任一项所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置还具备供电层，
该供电层，被形成在所述第一电极与所述基板之间、并且在相邻的所述第一电极之间的区域，能够提供独立于所述第一电极的电位。
8.如权利要求7所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置，在所述光电转换膜进行光电转换的曝光工作时，以及在所述信号读出电路生成所述读出信号的读出工作时，向所述供电层提供用于排斥所述信号电荷的电位。
9.如权利要求7所述的固体摄像装置，
所述绝缘体层具有一种电特性，即，传导作为电子以及空穴之中的一方的第一电荷、阻挡作为另一方的第二电荷，
在所述光电转换膜发生的第二电荷，被积蓄在所述绝缘体层的所述光电转换膜侧的界面，
所述信号读出电路，通过检测按照被积蓄的所述第二电荷而发生的电位变化，从而生成所述读出信号。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置，在检测出所述电位变化后，进行初始化工作，该初始化工作是指，将所述第一电荷从所述第一电极经由所述绝缘体层注入到所述界面，从而中和积蓄在所述界面的所述第二电荷的工作。
11.如权利要求10所述的固体摄像装置，
所述信号读出电路具备：
放大晶体管，该放大晶体管的栅极端子连接于所述第一电极，通过放大在所述第一电极发生的电流或电压的变化，从而生成所述读出信号；以及
复位晶体管，连接于所述第一电极，向所述第一电极提供复位信号，
所述固体摄像装置还具备反馈放大器，
该反馈放大器，将所述读出信号反馈到所述复位信号，
所述固体摄像装置，在所述初始化工作后，在所述读出信号由所述反馈放大器反馈到所述复位信号的状态下，进行以锥形状的栅极电压来将所述复位晶体管逐渐成为断开的复位工作。
12.一种固体摄像装置的制造方法，是权利要求1至11的任一项所述的固体摄像装置的制造方法，
以图案化来形成所述第一电极，
以绝缘膜覆盖所述第一电极，
以回蚀法来将所述绝缘膜平坦化，从而形成所述绝缘体层。
13.一种固体摄像装置的制造方法，是权利要求1至11的任一项所述的固体摄像装置的制造方法，
以图案化来形成多个电极层，该多个电极层，以分别电分离的方式，呈矩阵状被配置在所述基板的上方，
以第一绝缘膜来覆盖所述电极层，
通过对所述第一绝缘膜和所述电极层同时进行回蚀，来将该第一绝缘膜以及该电极层平坦化，从而形成第二绝缘膜以及所述第一电极，
在所述第二绝缘膜和所述第一电极上堆积第三绝缘膜，从而形成由所述第二绝缘膜和所述第三绝缘膜构成的所述绝缘体层。
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