CN104282701A - 图像拾取装置、制造图像拾取装置的方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像拾取装置，包括：光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，其中该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且该沟道区域在厚度方向上具有浓度梯度，电位梯度的曲率在该浓度梯度中没有正负号的混合。

Description

图像拾取装置、制造图像拾取装置的方法以及电子设备
技术领域
本技术方案涉及图像拾取装置、制造图像拾取装置的方法以及电子设备。
背景技术
在诸如数字照相机和摄像机之类的具有图像拾取功能的电子设备中，通常采用固态图像拾取装置，例如，电荷耦合装置(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
通常，在CMOS图像传感器中，经常采用像素共享技术以最大化光敏二极管的开口率，以产生更精细的像素尺寸。在该像素共享技术中，像素部分中除了光敏二极管之外的元件占据的面积通过在多个像素之间共享晶体管而最小化，从而保证了光敏二极管的面积。例如，通过利用像素共享技术可改善光敏二极管的诸如饱和电荷量和灵敏度的特性。
例如，日本未审查专利申请公开Nos.2010-147965、2010-212288、2007-115994和2011-049446公开了应用像素共享技术的CMOS图像传感器中各种像素部分的布置。
发明内容
同样，在典型的CMOS图像传感器中，光敏二极管和驱动像素所需的晶体管形成在同一平面上，并且必须保证光敏二极管和晶体管的每一个的最小特性。因此，在面积上存在限制。例如，当为改善光敏二极管的包括饱和电荷量和灵敏度的特性扩展光敏二极管的面积时，晶体管的区域相应减小。结果，由于晶体管产生的随机噪声增加，或者电路的增益降低。另一方面，在固定晶体管的面积时，光敏二极管的包括饱和电荷量和灵敏度的特性下降。因此，希望改善光敏二极管的包括饱和电荷量和灵敏度的特性，而不减小晶体管的面积。
希望提供能进一步改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性的图像拾取装置，以及提供制造图像拾取装置的方法以及电子设备。
根据本公开的实施例，所提供的图像拾取装置包括：光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，其中该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且该沟道区域在厚度方向上具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
根据本公开的实施例，所提供的电子设备包括：图像拾取装置；以及信号处理电路，所述信号处理电路构造为对从该图像拾取装置输出的像素信号执行预定的处理，其中该图像拾取装置包括光敏二极管和转移晶体管，所述光敏二极管设置在硅基板中并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷，所述转移晶体管设置在该硅基板上的外延层并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，所述转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且该沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
在根据本技术方案的上述实施例的图像拾取装置和电子设备中，光敏二极管和转移晶体管设置在不同层中。这消除了在必须保证光敏二极管和转移晶体管的最小特性的面积上的限制。此外，沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。这抑制了沟道区域中的电荷累积，因此改善了转移晶体管中电荷的转移特性。结果，使得可以加深光敏二极管的电位。
根据本公开的实施例，提供了制造图像拾取装置的方法。该方法包括下面的两个工序。
(A)通过执行原位掺杂外延生长，在硅基板的顶表面上形成外延层，该外延层具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布，并且该硅基板包括光敏二极管，所述光敏二极管构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷。
(B)通过转化该外延层的一部分在该外延层的一部分中形成沟道区域，该沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度，并且该部分位于该光敏二极管正上方。
在根据本技术方案的上述实施例的制造图像拾取装置的方法中，包括用于转移晶体管的沟道区域的外延层形成在硅基板的其中形成光敏二极管的顶表面上。这消除了必须保证光敏二极管和转移晶体管的最小特性的面积上限制。此外，沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。这抑制了沟道区域中的电荷累积，因此改善了转移晶体管中电荷的转移特性。因此，使得可以加深光敏二极管的电位。
根据本技术方案的上述实施例的图像拾取装置、制造图像拾取装置的方法以及电子设备，在必须保证光敏二极管和转移晶体管的最小特性的面积上没有限制。此外，使得可以加深光敏二极管的电位。因此，使得可以进一步改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性。
应理解，前面的总体描述和下面的详细描述二者都是示范性的，并且旨在提供对所要求保护的技术方案的进一步说明。
附图说明
包括附图以提供对本公开的进一步理解，并且结合在该说明书中且构成其一部分。附图示出了实施例，并且与说明书一起用于描述本技术方案的原理。
图1是示出根据本技术方案第一实施例的图像拾取装置的示意性构造示例的示意图。
图2是示出图1中像素的电路构造示例的示意图。
图3是示出图1中像素的平面内布置示例的示意图。
图4是示出图1中像素的平面内布置另一示例的示意图。
图5是示出图1中像素的截面构造示例的示意图。
图6是示出图5的图像拾取装置中光敏二极管(PD)至浮置扩散部(FD)的通道上电位分布示例的示意图。
图7是示出根据比较示例的图像拾取装置中PD至FD的通道上电位分布示例的示意图。
图8是示出制造图1中图像拾取装置的制造工艺示例的示意图。
图9是示出图8中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图10是示出图9中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图11是示出图10中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图12是示出图11中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图13是示出图12中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图14是示出图13中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图15是示出图14中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图16是示出图15中的工艺后的制造工艺示例的示意图。
图17是示出根据本技术方案第二实施例的图像拾取装置中像素的电路构造示例的示意图。
图18是示出图17中像素的截面构造示例的示意图。
图19是示出根据第一变型的像素的截面构造示例的示意图。
图20是示出根据第一变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图21是示出根据第二变型的像素的截面构造示例的示意图。
图22是示出根据第二变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图23是示出根据第二变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图24是示出根据第二变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图25是示出在图21至24的每一个中的图像拾取装置中的PD至FD的通道上电位分布示例的示意图。
图26是示出根据第三变型的像素的截面构造示例的示意图。
图27是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图28是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图29是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图30是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图31是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图32是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图33是示出根据第三变型的另一像素的截面构造示例的示意图。
图34是示出根据本技术方案第三实施例的图像拾取模块的示意性构造示例的示意图。
图35是示出根据本技术方案第四实施例的电子设备的示意性构造示例的示意图。
具体实施方式
下面，将参考附图描述本技术方案的某些实施例。应注意，描述以下面的顺序提供。
1.第一实施例(图像拾取装置)
沟道区域具有n型浓度曲线的示例
2.第二实施例(图像拾取装置)
设置有机光电转换膜的示例
3.第一变型(图像拾取装置)
栅极电极延伸到PD的示例
4.第二变型(图像拾取装置)
沟道区域具有p型浓度曲线的示例
5.第三变型(图像拾取装置)
设置元件隔离部的示例
6.第三实施例(图像拾取模块)
7.第四实施例(电子设备)
1.第一实施例
构造
图1示出了根据本技术方案第一实施例的图像拾取装置1的示意性构造示例。图像拾取装置1是CMOS型固态图像拾取装置。图像拾取装置1包括像素区域11和周边电路。在像素区域11中，多个像素12设置成行和列。图像拾取装置1例如可包括垂直驱动电路13、列处理电路14、水平驱动电路15、输出电路16和驱动控制电路17作为周边电路。
垂直驱动电路13例如可为逐行顺序选择多个像素12的电路。列处理电路14例如可为对由垂直驱动电路13选择的行中的像素12中的每一个输出的像素信号执行相关双取样(CDS)处理的电路。例如，通过执行CDS处理，列处理电路14可提取像素信号的信号电平且保存对应于像素12的每一个的光接收量的像素数据。水平驱动电路15例如可为将列处理电路14保存的像素数据顺序输出到输出电路16的电路。输出电路16例如可为放大所输入的像素数据且将所放大的像素数据输出到外部信号处理电路的电路。驱动控制电路17例如可为控制周边电路中每个模块(垂直驱动电路13、列处理电路14、水平驱动电路15和输出电路16)的驱动的电路。
图2示出了像素12的电路构造的示例。例如，像素12可包括光敏二极管PD和转移晶体管Tr1以及读出电路12A。光敏二极管PD通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷。光敏二极管PD采用无机材料构造。应注意，读出电路12A可设置为用于像素12的每一个，或者可由多个像素12共享。读出电路12A例如可包括浮置扩散部FD、复位晶体管Tr2、选择晶体管Tr3和放大晶体管Tr4。浮置扩散部FD存储光敏二极管PD中产生的电荷。转移晶体管Tr1、复位晶体管Tr2、选择晶体管Tr3和放大晶体管Tr4是CMOS晶体管。
光敏二极管PD的阴极连接到转移晶体管Tr1的源极，并且光敏二极管PD的阳极连接到基准电位线(例如，接地)。转移晶体管Tr1的漏极连接到浮置扩散部FD，并且转移晶体管Tr1的栅极连接到垂直驱动电路13。复位晶体管Tr2的源极连接到浮置扩散部FD，并且复位晶体管Tr2的漏极连接到电源线VDD和选择晶体管Tr3的漏极。复位晶体管Tr2的栅极连接到垂直驱动电路13。选择晶体管Tr3的源极连接到放大晶体管Tr4的漏极，并且选择晶体管Tr3的栅极连接到垂直驱动电路13。放大晶体管Tr4的源极连接到列处理电路14，并且放大晶体管Tr4的栅极连接到浮置扩散部FD。
当复位晶体管Tr2变化到导通状态时，复位晶体管Tr2将浮置扩散部FD的电位复位为电源线VDD的电位。选择晶体管Tr3控制从读出电路12A输出像素信号的时间。放大晶体管Tr4形成源跟随器型放大器，并且输出与光敏二极管PD中产生电荷的电平相对应的电压的像素信号。当选择晶体管Tr3变化到导通状态时，放大晶体管Tr4放大浮置扩散部FD的电位，并且输出与放大的电位对应的电压到列处理电路14。
图3和4均示出了像素12的平面内布置的示例。图5示出了像素12的一部分的截面构造的示例。图3示出了沿着图5的线A-A剖取的截面布置的示例，而图4示出了图5所示像素12的该部分顶表面布置的示例。在图3中，省略了稍后描述的外延层20。
在图3和4所示的像素12的平面内布置的示例中，读出电路12A由四个像素12共享。在此情况下，四个像素12在图3的平面内布置中具有四重旋转对称(four-fold rotational symmetry)。假设图3中的四个像素12之一是重要的像素。于是，从像素重要性的观点看，剩余三个像素12的布置对于图3中的四个像素12当中三个剩余像素12的任何一个是重要的像素时的布置是相同的。像素12的平面内布置不限于图3和4所示的布置。共享四个像素12的平面内布置也不限于图3和4所示的布置。
图像拾取装置1在像素区域11中包括硅基板10和形成在硅基板10的一个表面(该表面)上的外延层20。图像拾取装置1在像素区域11中在该硅基板10的另一个表面上还包括防反射膜25、光屏蔽膜26、滤色器27和片上透镜28。
硅基板10是n型硅基板。该n型硅基板具有n型杂质浓度，其低于光敏二极管PD的n型区域中的n型杂质浓度。该n型硅基板具有n型杂质浓度分布，该杂质浓度分布是相同的，而在厚度方向上几乎没有n型杂质的浓度梯度。外延层20是通过使硅晶体生长而形成在硅基板10上的一层。外延层20是导电类型(p型)与硅基板10的导电类型不同的硅层。该p型硅层是通过原位掺杂外延生长形成n型硅外延层并且通过注入p型杂质而从n型到p型转化导电类型而形成的反型层。"原位掺杂"是指在外延生长期间的掺杂。
对于每一个像素12，片上透镜28将入射光聚集在光敏二极管PD上。对于每一个像素12，滤色器27例如可为允许特定颜色的波长区域中的光(例如，红、绿和蓝之任一)通过的滤色器。光屏蔽膜26阻挡已经进入像素12之一的一部分光进入相邻像素12。防反射膜25防止已经通过片上透镜28和滤色器27的光反射。
像素12的每一个均包括在硅基板10中的光敏二极管PD。像素12的每一个均包括位于硅基板10的一个表面上形成的外延层20中的浮置扩散部FD和读出电路12A。换言之，在像素12的每一个中，光敏二极管PD单独地设置在与其中设置浮置扩散部FD和读出电路12A的层不同的层中。换言之，图像拾取装置1是层叠的固态图像拾取装置，其中层叠光敏二极管PD和浮置扩散部FD以及读出电路12A。
像素12的每一个在硅基板10中包括与光敏二极管PD的后表面接触的后表面钉扎层22以及与光敏二极管PD的表面(顶表面)接触的表面钉扎层23。此外，像素12的每一个包括在硅基板10中的元件隔离区域21。元件隔离区域21形成为围绕光敏二极管PD的侧面，并且例如可与光敏二极管PD的侧面接触。包括光敏二极管PD和表面钉扎层23的层叠体用作光敏二极管。光敏二极管PD的表面(顶表面)的一部分与硅基板10的低浓度n型区域(杂质区域10A)接触，而不被表面钉扎层23覆盖。换言之，硅基板10包括在硅基板10的一部分中的杂质区域10A，该部分位于光敏二极管PD正上方。杂质区域10A具有相同的n型杂质浓度分布，n型杂质在厚度方向上几乎没有浓度梯度。杂质区域10A在厚度方向上的电位分布基本上是平坦的。元件隔离区域21例如可通过在硅基板10中注入p型杂质、形成在硅基板10中的厚度方向上延伸的高浓度p型区域而形成。
像素12的每一个均包括在外延层20的转移晶体管Tr1、复位晶体管Tr2、选择晶体管Tr3和放大晶体管Tr4。下面，复位晶体管Tr2、选择晶体管Tr3和放大晶体管Tr4统称为像素晶体管Tr。转移晶体管Tr1将光敏二极管PD中产生的电荷转移到浮置扩散部FD。转移晶体管Tr1例如可包括稍后描述的栅极氧化膜24、栅极电极18G和沟道区域18C。转移晶体管Tr1也称为垂直晶体管。栅极电极18G埋设在外延层20中，并且沟道区域18C围绕栅极电极18G。像素晶体管Tr例如可包括稍后描述的栅极氧化膜24、栅极电极19G、沟道区域19C和两个源极-漏极区域19SD。
像素12的每一个包括在外延层20中的沟道区域19C和两个源极-漏极区域19SD。两个源极-漏极区域19SD形成在沟道区域19C的两侧。像素12的每一个包括位于外延层20的顶表面上以及沟道区域19C的顶表面上的栅极电极19G。例如，栅极电极19G可由多晶硅电极形成。
像素12的每一个均在外延层20中包括通过外延层20的一个沟槽20A。沟槽20A通过选择性地蚀刻外延层20而形成，并且例如可为棱柱形状或圆柱形状。沟槽20A形成在外延层20的一部分中，该部分是位于光敏二极管PD正上方的区域。硅基板10在沟槽20A的底部暴露。沟槽20A的底部在硅基板10内或者可不在其内。沟槽20A不延伸到光敏二极管PD，并且沟槽20A的底部与杂质区域10A接触。沟槽20A可优选不与表面钉扎层23和元件隔离区域21接触。
像素12的每一个均包括在外延层20包括沟槽20A的内表面的表面上的栅极氧化膜24。像素12的每一个还包括填充沟槽20A的栅极电极18G。栅极电极18G形成为填充沟槽20A。栅极电极18G埋设在外延层20中而通过外延层20。栅极电极18G的底面与杂质区域10A接触，其间插设有栅极氧化膜24。栅极电极18G例如可由多晶硅电极形成。
像素12的每一个包括在外延层20中的沟道区域18C和浮置扩散部FD。沟道区域18C控制光敏二极管PD的电荷流动，并且浮置扩散部FD与沟道区域18C接触。沟道区域18C形成在外延层20的一部分中，该部分是位于光敏二极管PD正上方的区域。沟道区域18C形成在外延层20中的沟槽20A的侧面且在该侧面附近的一部分上。沟道区域18C形成为覆盖栅极电极18G且为管状。浮置扩散部FD设置在外延层20的顶表面以及在该顶表面附近的一部分，并且例如可与沟道区域18C的一部分接触，该部分在外延层20的顶表面附近。
沟道区域18C形成在形成外延层20的工艺中。具体而言，沟道区域18C通过原位掺杂外延形成n型硅外延层然后转化除要形成沟道区域18C区域之外的区域而形成。应注意，沟道区域18C的导电类型是厚度方向上的导电类型(n型)。因此，沟道区域18C为单层。
附带地，沟道区域18C在厚度方向上具有n型杂质的浓度梯度。具体而言，在沟道区域18C中，n型杂质从光敏二极管PD侧到浮置扩散部FD侧具有更高的浓度。此外，沟道区域18C具有浓度分布，在该浓度分布中，浓度梯度在厚度方向上的曲率没有正负号的混合。因此，如图6所示，在沟道区域18C中，电位梯度的曲率没有正负号的混合，并且不存在电荷累积。换言之，沟道区域18C具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。在执行原位掺杂外延生长的过程中，通过在厚度方向上设置浓度梯度，可形成这样的电位梯度。
也可通过离子注入形成浓度梯度。然而，平顺地改变注入能量是非常困难的。因此，当通过离子注入形成浓度梯度时，电位梯度的曲率可能存在正负号混合，并且可能形成电荷累积，例如，如图7所示。该电荷累积导致电荷转移失败。
应注意，在本实施例中，除了沟道区域18C外，杂质区域10A设置在光敏二极管PD和浮置扩散部FD之间。如上所述，杂质区域10A具有相同的n型杂质浓度分布，n型杂质在厚度方向上几乎没有浓度梯度，并且杂质区域10A在厚度方向上的电位分布基本上是平坦的。换言之，电位梯度的曲率不存在正负号混合，并且在杂质区域10A中也不存在电荷累积。
制造方法
接下来，将描述制造图像拾取装置1的方法示例。图8至16顺序地示出了制造图像拾取装置1的工艺。首先，制备硅基板10(图8)。接下来，在硅基板10中形成光敏二极管PD、表面钉扎层23和元件隔离区域21(图9)。光敏二极管PD例如可形成如下。首先，通过向硅基板10中注入n型杂质，硅基板10中形成n型区域。接下来，n型杂质浓度高于n型区域的高浓度n型区域形成在比n型区域更靠近顶表面的一侧。光敏二极管PD可如此形成。此外，例如，可通过向硅基板10中注入p型杂质，在硅基板10的顶表面形成具有高p型杂质浓度的高浓度p型区域而形成表面钉扎层23。
接下来，外延层20D形成在硅基板10包括光敏二极管PD的顶表面上(图10)。在该工艺中，外延层20D通过执行原位掺杂外延而形成。此外，外延层20D形成为使n型杂质的浓度从下层到上层变得较高。例如，外延层20D可在执行原位掺杂外延生长的工艺中通过随时间增加用于掺杂的n型杂质的气体流速而形成。结果，能够形成具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度的外延层20D。应注意，外延层20D的导电类型是在厚度方向上的导电类型(n型)。因此，外延层20D是单层。
接下来，转化外延层20D的一部分。具体而言，关于外延层20D，转化除位于光敏二极管PD正上方的区域的一部分外的区域。更具体而言，关于外延层20D，转化除了位于没有形成表面钉扎层23的区域(杂质区域10A)正上方的区域之外的区域。这里，该转化是指导电类型从n型向p型的转化，通过向导电类型为n型的外延层20D中注入p型杂质。因此，具有浓度分布的沟道区域18C形成在外延层20D的位于光敏二极管PD正上方的一部分中，在该浓度分布中，厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合。此时，沟道区域18C与杂质区域10A接触。此外，沟道区域18C具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。而且，沟道区域18C的导电类型是厚度方向上的导电类型(n型)，并且沟道区域18C为单层。应注意，关于外延层20D，除了沟道区域18C之外的区域变为p型反型层18D。外延层20可因此而形成(图11)。
接下来，形成通过外延层20的沟槽20A(具体而言，沟道区域18C)(图12)。随后，沟道区域19C形成在外延层20中的预定位置，然后栅极绝缘膜24形成在包括沟槽20A的内表面的整个表面上(图13)。例如，可通过向外延层20中注入n型杂质，在外延层20的顶表面以及该顶表面附近的一部分形成n型区域，形成沟道区域19C。此外，例如，可通过使外延层20的表面经受热氧化，形成栅极绝缘膜24。
接下来，形成填充沟槽20A的栅极电极18G以及与沟道区域19C接触的栅极电极19G，其间插设有栅极绝缘膜24(图14)。随后，在外延层20中形成浮置扩散部FD和源极-漏极区域19SD(图15)。浮置扩散部FD例如可通过向外延层20注入n型杂质，在外延层20的顶表面以及该顶表面附近的一部分形成n型区域而形成。此外，源极-漏极区域19SD例如可通过向外延层20注入n型杂质，在外延层20的顶表面和该顶表面附近的一部分以及在沟道区域19C的两侧形成n型区域而形成。读出电路12A可因此形成在外延层20中。
接下来，硅基板10通过蚀刻硅基板10的后表面而薄化，然后后表面钉扎层22形成在硅基板10的后表面以及该后表面附近的一部分(图16)。后表面钉扎层22例如可通过向硅基板10的薄化的后表面注入p型杂质，在硅基板10的后表面形成具有高p型杂质浓度的高浓度p型区域而形成。最后，在硅基板10的后表面，形成防反射膜25、光屏蔽膜26、滤色器27和片上透镜28。因此制造了图像拾取装置1。
运行
接下来，将描述图像拾取装置1的运行示例。在图像拾取装置1中，首先，复位晶体管Tr2和转移晶体管Tr1变为导通状态。然后，浮置扩散部FD的电位复位到电源线VDD的电位，并且预定的电压施加到光敏二极管PD。随后，在预定的周期中，复位晶体管Tr2处于截止状态，并且转移晶体管Tr1处于导通状态。同样，当外部光通过诸如片上透镜28的光学部件进入像素区域11时，进入光的一部分在光敏二极管PD中光电转换，并且为像素12的每一个存储与进入光的强度对应的电荷量。通过施加到像素12的电压所产生的电场，所存储的电荷聚集在转移晶体管Tr1侧，然后临时存储在浮置扩散部FD中。随后，在预定的时间转移晶体管Tr1变为截止状态且选择晶体管Tr3变为导通状态时，浮置扩散部FD的电位放大，并且与该电位对应的电压输出到列处理电路14。
效果
接下来，将描述本实施例的图像拾取装置1的效果。在本实施例中，光敏二极管PD和转移晶体管Tr1提供在不同的层中。这消除了保证光敏二极管PD和转移晶体管Tr1最小特性的面积上的限制。此外，转移晶体管Tr1的沟道区域18C具有厚度方向上的电位梯度不存在正负号混合的浓度梯度。这抑制了沟道区域18C中的电荷累积，并且因此改善了转移晶体管Tr1中的电荷转移特性。结果，可以加深光敏二极管PD的电位。因此，与光敏二极管PD和转移晶体管Tr1提供在同一层中的情况相比，在图像拾取装置1中能改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性。
2.第二实施例
将描述根据本技术方案的第二实施例的图像拾取装置。应注意，与上述第一实施例相同的部件提供有与其相同的附图标记，并且这些部件的描述将适当省略。图17示出了在根据本实施例的图像拾取装置1中像素12的电路构造的示例。图18示出了图17中图像拾取装置1的截面构造的示例。在本实施例中，像素12包括三个光敏二极管PD(PDr、PDg和PDb)。为此，本实施例的构造与设置一个光敏二极管PD的上述实施例不同。三个光敏二极管PD(PDr、PDg和PDb)彼此并联连接。转移晶体管Tr6串联连接到光敏二极管PDr，并且转移晶体管Tr5串联连接到光敏二极管PDg，而转移晶体管Tr1串联连接到光敏二极管PDb。光敏二极管PDb的构造与上述实施例的光敏二极管PD的构造类似。
图像拾取装置1包括外延层20中的光敏二极管PDr。光敏二极管PDr形成在外延层20中面对光敏二极管PDb的位置。光敏二极管PDr采用无机材料构造。图像拾取装置1包括外延层20中的转移晶体管Tr6。转移晶体管Tr6形成在外延层20中相邻于光敏二极管PDr的位置。转移晶体管Tr6例如可包括栅极氧化膜24、沟道区域31C和栅极电极31G。图像拾取装置1还包括在外延层20的浮置扩散部FD2。浮置扩散部FD2通过转移晶体管Tr6连接到光敏二极管PDr。
图像拾取装置1包括在硅基板10的后表面侧的光敏二极管PDg。例如，光敏二极管PDg可形成在硅基板10的后表面和防反射膜25之间。图像拾取装置1包括在硅基板10和外延层20中延伸的电荷转移通道33。电荷转移通道33形成为在厚度方向上延伸，以将连接部分41、42和43电连接到转移晶体管Tr5。连接部分41、42和43电连接到光敏二极管PDg。图像拾取装置1包括在外延层20的转移晶体管Tr5。转移晶体管Tr5形成在外延层20中相邻于电荷转移通道33的位置。转移晶体管Tr5例如可包括栅极氧化膜24、沟道区域32C和栅极电极32G。图像拾取装置1还包括外延层20中的浮置扩散部FD3。浮置扩散部FD3通过转移晶体管Tr5和电荷转移通道33连接到光敏二极管PDg。
图像拾取装置1例如可包括硅基板10的后表面上的层间绝缘膜34、电极膜35、像素区域形成膜36、有机光电转换膜37和电极膜38。包括电极膜35、有机光电转换膜37和电极膜38的层叠体形成光敏二极管PDg。光敏二极管PDg形成在光敏二极管PDb和片上透镜28之间的区域中。换言之，在本实施例中，三个光敏二极管PD(PDr、PDg和PDb)全部设置在片上透镜28的光轴上。
有机光电转换膜37光电转换预定波长带的光，并且包括有机材料。有机光电转换膜37设置为所有像素12公用的片状膜，并且形成在整个像素区域11上。电极膜35和38的每一个都采用透光导电材料构造。透光导电材料例如可为包括Mg、Ag、Al、Cu和Au的至少一个的金属或合金。透光导电材料可为通过包括上述金属或上述合金中的Ca和Li获得的材料。透光导电材料的示例还可包括ITO和IZO。透光导电材料可仅为允许波长带上的光从中通过的材料，该波长带的光能在有机光电转换膜37中光电转换。透光导电材料例如可为允许可见光从中通过的材料。像素区域形成膜36是限定光敏二极管PDg的平面内形状的膜，并且在面对光敏二极管PDb的位置具有开口。像素区域形成膜36例如可由氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜和包括两个或更多个这些膜的层叠膜的任何一个制造。层间绝缘膜34是形成用于形成光敏二极管PDg的表面的层，并且设置为将连接部分41、42和43布线连接到光敏二极管PDg。层间绝缘膜34例如可由氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜和包括两个或跟多个这些膜的层叠膜的任何一个制成。
效果
接下来，将描述本实施例的图像拾取装置1的效果。在本实施例中，光敏二极管PDb和转移晶体管Tr1设置在不同层中，与第一实施例一样。这消除了保证光敏二极管PDb和转移晶体管Tr1的最小特性的面积上的限制。此外，转移晶体管Tr1的沟道区域18C具有厚度方向上的电位梯度不存在正负号混合的浓度梯度。这抑制了沟道区域18C中的电荷累积，因此改善了转移晶体管Tr1中的电荷特性。结果，使得可以加深光敏二极管PDb的电位。因此，与其中光敏二极管PDb和转移晶体管Tr1提供在同一层中的情况相比，在图像拾取装置1中，能改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性。
接下来，将描述上述第一实施例和第二实施例的图像拾取装置1的变型。
3.第一变型
在上述第一实施例和第二实施例中，沟槽20A的底部与杂质区域10A接触。然而，例如，如图19和20所示，沟槽20A可通过杂质区域10A而延伸到光敏二极管PD(或PDb)。在此情况下，沟槽20A的底部与光敏二极管PD(或PDb)接触。然而，还是在该情况下，沟道区域18C形成在外延层20中，而不延伸到光敏二极管PD(或PDb)。因此，沟道区域18C具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。此外，同样，杂质区域10A具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。因此，还是在本变型中，与其中光敏二极管PDb和转移晶体管Tr1设置在同一层中的情况相比，能改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性。
4.第二变型
在上述第一实施例和第二实施例及其变型(第一变型)中，沟道区域18C通过原位掺杂外延生长形成n型外延层20D然后转化除了要形成沟道区域18C的区域之外的区域而形成。然而，例如，如图21至24所示，沟道区域18C构造为p型硅外延层，该p型硅外延层通过原位掺杂外延生长而具有厚度方向上的p型杂质浓度梯度。
在此情况下，沟道区域18C具有厚度方向上的p型杂质的浓度梯度。具体而言，在沟道区域18C中，n型杂质的浓度从光敏二极管PD侧到浮置扩散部FD侧降低。此外，沟道区域18C具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。因此，如图25所示，在沟道区域18C中，电位梯度的曲率不存在正负号的混合，并且不存在电荷累积。换言之，沟道区域18C具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。在执行原位掺杂外延生长的工艺中，通过在厚度方向上设置浓度分布，可以形成这样的电位梯度。因此，还是在本变型中，与其中光敏二极管PDb和转移晶体管Tr1设置在同一层中的情况相比，能改善包括饱和电荷量和灵敏度的特性。
5.第三变型
在上述第一和第二实施例及其变型(第一变型和第二变型)中，元件隔离部分可设置在转移晶体管Tr1和像素晶体管Tr之间以及相邻的像素晶体管Tr之间。例如，如图26至33所示，元件隔离部分29可设置在转移晶体管Tr1和像素晶体管Tr之间以及相邻的像素晶体管Tr之间。元件隔离部分29设置在外延层20中。元件隔离部分29例如可为浅沟槽隔离(STI)元件分开区域，通过用例如氧化硅膜的绝缘膜填充在外延层20中形成的沟槽而设置。
在本变型中，与像素晶体管Tr相邻的部分中以及在相邻像素晶体管Tr之间几乎不存在pn-结区域。这与其中外延层20呈现在与像素晶体管Tr相邻的部分中以及在相邻像素晶体管Tr之间的情况相比，减少了扩散层容量。因此，能够改善图像拾取装置1的转换效率。结果，能够改善包括灵敏度的特性。
6.第三实施例
图34示出了根据本技术方案第三实施例的图像拾取模块2的示意性构造。图像拾取模块2包括根据上述第一和第二实施例及其变型中的任何一个所述的图像拾取装置1。图像拾取模块2还包括信号处理电路44，其对从图像拾取装置1输出的像素信号执行预定的处理。例如，图像拾取装置1和信号处理电路44可实施在单个配线基板上。信号处理电路44例如可由数字信号处理器(DSP)构造。
在本实施例中，安装根据上述第一和第二实施例及其变型的任何一个的图像拾取装置1。因此，能够提供在包括饱和电荷量和灵敏度的特性上良好的图像拾取模块2。
7.第四实施例
图35示出了根据本技术方案第四实施例的电子设备3的示意性构造。电子设备3包括根据上述第三实施例的图像拾取模块2。电子设备3还包括镜头45、显示器46和存储单元47。镜头45允许外部光进入图像拾取装置1。显示器46将图像拾取模块2的输出显示为图像。存储单元47存储图像拾取模块2的输出。应注意，电子设备3可不必包括存储单元47。在此情况下，电子设备3可包括写入单元，其在外部存储单元中写入信息。
在本实施例中，安装根据上述第三实施例的图像拾取模块2。因此，能够提供在包括饱和电荷量和灵敏度的特性上良好的电子设备3。
本技术方案已经在上面参考某些实施例及其变型进行了描述，但是不限于此，而是可进行各种变型。
从本公开的上述示例性实施例可至少实现下面的构造。
(1)一种图像拾取装置，包括：
光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及
转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，
其中该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且
该沟道区域在厚度方向上具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
(2)根据(1)所述的图像拾取装置，其中，在执行原位掺杂外延生长的过程中，通过在厚度方向上设置浓度分布而形成该沟道区域。
(3)根据(1)或(2)所述的图像拾取装置，其中该沟道区域具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。
(4)根据(1)至(3)任何一项所述的图像拾取装置，其中
该沟道区域在该厚度方向上具有一个导电类型，并且
该沟道区域是单层。
(5)根据(1)至(4)任何一项所述的图像拾取装置，其中
该外延层包括贯穿该外延层的沟槽，
该栅极电极形成为填充该沟槽，并且
该沟道区域形成在该沟槽的侧面上及临近该侧面的位置。
(6)根据(5)所述的图像拾取装置，其中
该硅基板包括设置在该硅基板的位于该光敏二极管正上方的一部分中的杂质区域，该杂质区域的浓度低于该光敏二极管的杂质浓度，并且
该沟槽的底部与该杂质区域接触。
(7)一种电子设备，包括：
图像拾取装置；以及
信号处理电路，构造为对从该图像拾取装置输出的信号执行预定的处理，
其中该图像拾取装置包括
光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷，以及
转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，
该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且
该沟道区域在厚度方向上具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
(8)一种制造图像拾取装置的方法，该方法包括：
通过执行原位掺杂外延生长在硅基板的顶表面上形成具有浓度分布的外延层，厚度方向上的电位梯度的曲率在该浓度分布中不存在正负号混合，并且该硅基板包括光敏二极管，其构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及
通过转化该外延层的一部分在该外延层中的该光敏二极管的正上方形成沟道区域，该沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
(9)根据(8)所述的制造图像拾取装置的方法，其中该沟道区域具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。
(10)根据(8)或(9)所述的制造图像拾取装置的方法，其中
该沟道区域在该厚度方向上具有一种导电类型，并且
该沟道区域是单层。
本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种变型、结合、部分结合和替换。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月1日提交的日本优先权专利申请JP2013-138264的权益，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (10)

1.一种图像拾取装置，包括：
光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及
转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，
其中该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且
该沟道区域在厚度方向上具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
2.根据权利要求1所述的图像拾取装置，其中，在执行原位掺杂外延生长的过程中，通过在厚度方向上设置浓度分布而形成该沟道区域。
3.根据权利要求2所述的图像拾取装置，其中该沟道区域具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。
4.根据权利要求3所述的图像拾取装置，其中
该沟道区域在该厚度方向上具有一个导电类型，并且
该沟道区域是单层。
5.根据权利要求4所述的图像拾取装置，其中
该外延层包括贯穿该外延层的沟槽，
该栅极电极形成为填充该沟槽，并且
该沟道区域形成在该沟槽的侧面上及临近该侧面的位置。
6.根据权利要求5所述的图像拾取装置，其中
该硅基板包括设置在该硅基板的位于该光敏二极管正上方的一部分中的杂质区域，该杂质区域的浓度低于该光敏二极管的杂质浓度，并且
该沟槽的底部与该杂质区域接触。
7.一种电子设备，包括：
图像拾取装置；以及
信号处理电路，构造为对从该图像拾取装置输出的信号执行预定的处理，
其中该图像拾取装置包括
光敏二极管，设置在硅基板中，并且构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷，以及
转移晶体管，设置在该硅基板上的外延层，并且构造为转移该光敏二极管中产生的电荷，
该转移晶体管包括栅极电极和沟道区域，该栅极电极埋设在该外延层中，且该沟道区域围绕该栅极电极，并且
该沟道区域在厚度方向上具有电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
8.一种制造图像拾取装置的方法，该方法包括：
通过执行原位掺杂外延生长在硅基板的顶表面上形成具有浓度分布的外延层，厚度方向上的电位梯度的曲率在该浓度分布中不存在正负号混合，并且该硅基板包括光敏二极管，其构造为通过执行光电转换产生与所接收光量对应的电荷；以及
通过转化该外延层的一部分在该外延层中的该光敏二极管的正上方形成沟道区域，该沟道区域具有厚度方向上的电位梯度的曲率不存在正负号混合的浓度梯度。
9.根据权利要求8所述的制造图像拾取装置的方法，其中该沟道区域具有厚度方向上的浓度梯度的曲率不存在正负号混合的浓度分布。
10.根据权利要求9所述的制造图像拾取装置的方法，其中
该沟道区域在该厚度方向上具有一种导电类型，并且
该沟道区域是单层。
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