CN110277415A - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方式的摄像装置，具备半导体基板、配置在所述半导体基板内的多个光电变换部、配置在所述半导体基板上方的配线层以及配置在所述配线层内的至少一个电容元件。所述至少一个电容元件包括第一电极、第二电极、以及配置在所述第一电极与所述第二电极之间的电介质层。所述电介质层的至少一部分在平面视中具有配置在所述多个光电变换部中的相邻的两个光电变换部之间的沟槽形状。从由第一电极和第二电极组成的组中选择的至少一个电极具有遮光性。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置。
背景技术
以往，已知有以CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器为代表的固体摄像装置。例如，国际公开第2017/130728号以及日本特开2012-199583号公报公开了以往的图像传感器。图像传感器具备多个像素，按每个像素设置有光电变换部和读出由该光电变换部生成的信号电荷的读出电路。
发明内容
本发明的并非限定而是示例的一个方式的摄像装置具备：半导体基板，具有第一主面和所述第一主面相反侧的第二主面；多个光电变换部，配置在所述半导体基板内，将入射的光变换为信号电荷；配线层，配置在所述第一主面的上方；以及至少一个电容元件，配置在所述配线层内。所述至少一个电容元件包括第一电极、第二电极、以及配置在所述第一电极与所述第二电极之间的电介质层。所述电介质层的至少一部分在平面视中具有配置在所述多个光电变换部中的相邻的两个光电变换部之间的沟槽形状。从由所述第一电极和所述第二电极组成的组中选择的至少一个电极具有遮光性。
附图说明
图1是示意性地表示实施方式的摄像装置的平面结构的平面视图。
图2是表示实施方式的摄像装置的单位单元的电路结构的图。
图3是表示实施方式的摄像装置的多个单位单元的平面布局的图。
图4是实施方式的摄像装置的单位单元的剖视图。
图5是放大表示实施方式的摄像装置的电容元件及其附近的剖视图。
图6是用于说明实施方式的摄像装置中的电容元件对于倾斜入射光的作用效果的剖视图。
图7是放大表示实施方式的第一变形例的摄像装置的电容元件及其附近的剖视图。
图8是实施方式的第二变形例的摄像装置的单位单元的剖视图。
图9是放大表示实施方式的第三变形例的摄像装置的电容元件及其附近的剖视图。
附图标记说明
10、210 摄像装置
20 像素部
30 垂直扫描电路
40 水平扫描电路
50 垂直信号线
60 电源线
100 单位单元
101 低灵敏度像素
102 高灵敏度像素
103 开关晶体管
104 复位晶体管
105 放大晶体管
106 第一FD部
107 第二FD部
110 电容元件
111 下部电极
112 上部电极
113 电介质层
114 沟槽
115 电荷蓄积区域
120 半导体基板
130 配线层
131a、131b、131c、131d、131e 层间绝缘层
132a、132b、132c 配线
140、240 接触插塞
141 扩散区域
150 平坦化膜
160 微透镜
410、420 光电二极管
500、510、520 传输晶体管
具体实施方式
(本发明的概要)
首先，在详细说明本发明的实施方式之前，说明本发明的一个方式的概要。本发明的一个方式的概要如下。
本发明的一个方式的摄像装置，具备：半导体基板，具有第一主面和所述第一主面相反侧的第二主面；多个光电变换部，配置在所述半导体基板内，将入射的光变换为信号电荷；配线层，配置在所述第一主面的上方；以及至少一个电容元件，配置在所述配线层内。所述至少一个电容元件包括第一电极、第二电极、以及配置在所述第一电极与所述第二电极之间的电介质层。所述电介质层的至少一部分在平面视中具有配置在所述多个光电变换部中的相邻的两个光电变换部之间的沟槽形状。从由所述第一电极和所述第二电极组成的组中选择的至少一个电极具有遮光性。
这样，电容元件具有沟槽型的MIM结构，因此能够在抑制平面视中电容元件所占的面积的增加的同时，增大电容元件的电容。即，能够以有限的平面布局实现较大电容值的电容元件。
另一方面，由于电容元件具有沟槽型的MIM结构，所以配线层的膜厚增大，倾斜入射光容易入射到相邻的光电变换部。因此，本来应该由相邻的光电变换部受光的光入射，因此画质有可能劣化。
与此相对，在本方式的摄像装置中，电容元件的两个电极中的至少一个电极具有遮光性，因此能够抑制倾斜入射光向相邻的光电变换部入射。即，能够抑制倾斜入射光的串扰成分。
这样，根据本方式的摄像装置，能够抑制倾斜入射光的串扰成分，因此能够生成高画质的图像。
另外，例如，所述第一电极可以与所述多个光电变换部中的一个光电变换部连接。
由此，电容元件的第一电极与光电变换部连接，因此电容元件能够蓄积由光电变换部生成的电荷。因此，与电容元件未与光电变换部连接的情况相比，能够增大光电变换部中的电荷的饱和量。因此，能够增大能够进行光电变换的光的极限强度，因此能够抑制图像的泛白等，能够提高画质。另外，能够扩大摄像装置的动态范围。
此外，例如，根据本发明的一个方式的摄像装置还可以具备用于向所述第二电极施加恒定电位的配线。
由此，由于第二电极被保持为恒定电位，因此能够抑制蓄积在电容元件中的电荷的变动，因此能够降低噪声。
另外，例如，所述多个光电变换部包括与所述至少一个电容元件连接的第一光电变换部和第二光电变换部，在平面视中，所述第二光电变换部的面积可以比所述第一光电变换部的面积大。
由此，由于设置有面积不同的两个光电变换部，因此通过切换读出两个光电变换部，能够切换摄像装置的灵敏度。例如，在面积大的第二光电变换部中，能够在抑制噪声的影响的同时对较弱的光进行光电变换。因此，通过利用第二光电变换部，能够提高摄像装置的灵敏度。另外，在面积较小的第一光电变换部中，电荷不会饱和，能够对强光进行光电变换。因此，通过利用第一光电变换部，能够降低摄像装置的灵敏度。由此，例如，通过根据摄影环境切换读出对象的光电变换部，能够生成抑制了泛白及发黑的高画质的图像。
另外，例如，也可以所述至少一个电容元件是多个电容元件，所述多个电容元件在平面视中围绕所述第二光电变换部。
假设在电容元件未被设置为围绕光电变换部的情况下，根据供给给设置在光电变换部附近的配线的电位的变动以及配线的寄生电容，光电变换部的电位变动。由于光电变换部的电位变动，所生成的信号电荷中包含噪声成分。
与此相对，在本方式的摄像装置中，电容元件以围绕光电变换部的方式设置，因此电容元件的电极发挥电屏蔽的功能。即，能够抑制光电变换部的电位的变动，因此能够降低噪声。
另外，例如，所述沟槽形状的深度可以比所述至少一个电容元件的宽度大。
由此，能够以有限的平面布局进一步增大电容元件的电容值。
另外，例如，所述半导体基板也可以构成为所述光从所述第二主面入射到所述半导体基板。
此外，例如，本发明的一个方式的摄像装置还可以包括周边电路，所述周边电路用于控制由所述多个光电变换部生成的电荷的读出，所述至少一个电容元件包括在所述周边电路中。
由此，在像素部内形成有用于周边电路的电容元件，因此能够抑制周边电路的电路面积的增大。
在本发明中，电路、单元、装置、构件的全部或一部分、或者框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scale integration：大规模集成电路)的一个或多个电子电路来执行。LSI或IC既可以集成在一个芯片中，也可以组合多个芯片而构成。例如，除了存储元件之外的功能块可以集成在一个芯片中。在此，虽然称为LSI或IC，但称呼方式根据集成的程度而改变，也可以称为***LSI、VLSI(verylarge scale integration：特大规模集成电路)、或者ULSI(ultra large scaleintegration：极大规模集成电路)。在LSI的制造后编程的Field Programmable GateArray(FPGA)或能够在LSI内部重构接合关系或在LSI内部设置电路分区的可重构逻辑器件(reconfigurable logic device)也能够以相同的目的使用。
并且，电路、单元、装置、构件的全部或一部分的功能或动作能够通过软件处理来执行。在这种情况下，软件被记录在一个或多个ROM、光学磁盘、硬盘驱动器等非暂时性记录介质中，在由处理装置(processor)执行了软件时，由处理装置(processor)和周边装置执行由该软件指定的功能。***或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性记录介质、处理装置(processor)以及所需的硬件设备，例如接口。
以下，参照附图对实施方式进行具体说明。
另外，以下说明的实施方式均表示总括性或具体的例子。在以下的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接方式、步骤、步骤的顺序等是一例，并不是限定本发明的主旨。另外，关于以下的实施方式中的构成要素中的、表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。
另外，各图是示意图，并不一定是严密示出的图。因此，例如，在各图中，比例尺等不一定一致。另外，在各图中，对实质上相同的结构标注相同的附图标记，省略或简化重复的说明。
另外，在本说明书中，表示垂直等的要素间的关系性的用语、以及表示正方形或矩形等要素的形状的用语、以及数值范围不是仅表示严格的意思的表现，而是意味着实质上也包含同等的范围、例如百分之几左右的差异。
另外，在本说明书中，“上方”以及“下方”这样的用语不是指绝对的空间认知中的上方向(铅垂上方)以及下方向(铅垂下方)，而是作为基于层叠结构中的层叠顺序而由相对的位置关系规定的用语来使用。另外，“上方”以及“下方”这样的用语不仅适用于两个构成要素相互隔开间隔地配置的两个构成要素之间存在其他构成要素的情况，也适用于两个构成要素相互紧贴配置而两个构成要素相接的情况。
另外，在本说明书中，“厚度方向”是指摄像装置的半导体基板的厚度方向，是与半导体基板的主面垂直的方向，“平面视”是指从与半导体基板的主面垂直的方向观察时的视图。
(实施方式)
[结构]
首先，使用图1说明本实施方式的摄像装置的结构。图1是示意性地表示本实施方式的摄像装置10的平面结构的平面视。
如图1所示，摄像装置10具备像素部20、垂直扫描电路30、水平扫描电路40。在本实施方式中，摄像装置10是表面照射型的CMOS图像传感器。
如图1所示，像素部20具有二维状地排列的多个单位单元100。具体而言，多个单位单元100排列成矩阵状地排列。另外，多个单位单元100也可以排列成一维地、即直线状地排列。
多个单位单元100分别具有通过对入射的光进行光电变换而生成信号电荷的光电变换部。所生成的信号电荷的量(以下，记载为电荷量)依赖于入射的光的强度。具体而言，入射的光的强度越大，电荷量成为越大的值，光的强度越小，电荷量成为越小的值。
如图2所示，单位单元100具有低灵敏度像素101和高灵敏度像素102。另外，图2是本实施方式的摄像装置10的单位单元100的电路结构图。通过在低灵敏度像素101和高灵敏度像素102之间切换读出对象的像素，能够扩大单位单元100的能够进行光电变换的范围、即动态范围。
在像素部20中，在多个单位单元100的每行设置有与垂直扫描电路30连接的控制线。具体而言，如图2所示，在像素部20中，在多个单位单元100的每行设置有复位控制线RS、选择控制线SW、第一传输控制线TGS以及第二传输控制线TGL。
另外，在像素部20中，在多个单位单元100的每列设置有与水平扫描电路40连接的信号线。具体而言，如图2所示，在多个单位单元100的每列设置有垂直信号线50。另外，设置有与各单位单元100连接的电源线60。
关于单位单元100、各控制线以及信号线的结构以及功能等的详细情况，在后面进行说明。
垂直扫描电路30是设置在像素部20的周边的周边电路之一。周边电路是用于控制由多个光电变换部产生的电荷的读出的电路。垂直扫描电路30控制向控制线等供给的电位，所述控制线用于选择成为读出信号电荷的对象的单位单元100。具体而言，垂直扫描电路30控制向复位控制线RS、选择控制线SW、第一传输控制线TGS以及第二传输控制线TGL供给的电位。
水平扫描电路40是设置在像素部20的周边的周边电路之一。水平扫描电路40对经由针对每列设置的垂直信号线50从各单位单元100传输的信号电荷进行处理。水平扫描电路40与输出信号线(未图示)连接，依次输出从多个单位单元100各自传输的信号电荷。
接着，对多个单位单元100的详细结构进行说明。首先，使用图2对多个单位单元100的电路结构进行说明。另外，在本实施方式中，多个单位单元100具有彼此相同的电路结构。
如上所述，单位单元100具有低灵敏度像素101和高灵敏度像素102。此外，如图2所示，单位单元100具有开关晶体管103、复位晶体管104和放大晶体管105。
低灵敏度像素101包括光电二极管410、电容元件110和传输晶体管510。
光电二极管410是摄像装置10所具备的多个光电变换部中的一个。光电二极管410的阳极接地，阴极与作为电容元件110的两个电极之一的第一电极连接。另外，具体而言，第一电极是图4和图5所示的下部电极111。
设置电容元件110以蓄积由光电二极管410生成的信号电荷。由于在光电二极管410中生成的信号电荷被存储在电容元件110中，所以能够增大光电二极管410的饱和量。因此，能够扩大低灵敏度像素101的动态范围。
作为电容元件110的两个电极中的另一个的第二电极与规定的配线连接。连接有第二电极的配线例如被保持为恒定电位PVDD。即，第二电极也保持恒定电位PVDD。另外，具体而言，第二电极是图4及图5所示的上部电极112。
此时，恒定电位PVDD也可以随时间而变动。即，电位PVDD在某任意的定时，只要在多个单位单元100间成为恒定电位即可。另外，第二电极也可以接地。
传输晶体管510是用于在电容元件110的第一电极与第一FD(浮动扩散)部106之间切换导通和非导通的开关元件。传输晶体管510的漏极和源极中的一个连接到光电二极管410的阴极和电容元件110的第一电极。传输晶体管510的漏极和源极中的另一个连接到第一FD部106。传输晶体管510的栅极连接到第一传输控制线TGS。
通过垂直扫描电路30向第一传输控制线TGS供给规定的电位。当规定电位被供给给第一传输控制线TGS时，传输晶体管510被导通，即，成为导通状态。通过导通传输晶体管510，电容元件110的第一电极与第一FD部106导通。
通过这样的结构，在低灵敏度像素101中，使通过光电二极管410将入射的光进行光电变换而生成的信号电荷蓄积在电容元件110中。通过使传输晶体管510成为导通状态，存储在电容元件110中的信号电荷变为可读出状态。
高灵敏度像素102包括光电二极管420和传输晶体管520。
光电二极管420是摄像装置10所具备的多个光电变换部中的一个。光电二极管420的阳极接地，阴极与传输晶体管520的漏极和源极中的一个连接。光电二极管420构成为受光面积大于低灵敏度像素101中包括的光电二极管410的受光面积。具体而言，如图3所示，在平面视中，光电二极管420的面积大于光电二极管410的面积。
传输晶体管520是用于在光电二极管420与第二FD部107之间切换导通和非导通的开关元件。传输晶体管520的漏极和源极中的一个连接到光电二极管420的阴极。传输晶体管520的漏极和源极中的另一个连接到第二FD部107。传输晶体管520的栅极连接到第二传输控制线TGL。
通过垂直扫描电路30向第二传输控制线TGL供给规定的电位。当规定的电位被供给给第二传输控制线TGL时，传输晶体管520被导通，即，成为导通状态。通过导通传输晶体管520，光电二极管420的阴极与第二FD部107导通。
通过这样的结构，在高灵敏度像素102中，通过光电二极管420将入射的光进行光电变换，生成信号电荷。通过传输晶体管520成为导通状态，光电二极管420生成的信号电荷变为可读出状态。
开关晶体管103是用于在第一FD部106和第二FD部107之间切换导通和非导通的开关元件。开关晶体管103的漏极和源极中的一个连接到第一FD部106，漏极和源极中的另一个连接到第二FD部107。开关晶体管103的栅极连接到选择控制线SW。
复位晶体管104是用于在第一FD部106与电源线60之间切换导通和非导通的开关元件。设置复位晶体管104以复位蓄积在第一FD部106和第二FD部107中的电荷。复位晶体管104的漏极和源极中的一个连接到电源线60，漏极和源极中的另一个连接到第一FD部106。复位晶体管104的栅极连接到复位控制线RS。
放大晶体管105与未图示的恒流源一起构成源极跟随器电路。具体而言，放大晶体管105将栅极的电位变换为电压，并输出到垂直信号线50。放大晶体管105的漏极和源极中的一个连接到电源线60，漏极和源极中的另一个连接到垂直信号线50。放大晶体管105的栅极连接到第二FD部107。
第一FD部106是形成在半导体基板120(参照图4)内的浮动扩散层。第一FD部106保持在低灵敏度像素101中生成的信号电荷。
第二FD部107是形成在半导体基板120(参照图4)内的浮动扩散层。第二FD部107保持在高灵敏度像素102中生成的信号电荷。另外，在开关晶体管103被导通的情况下，第二FD部107也能够保持在低灵敏度像素101中生成的信号电荷。
在本实施方式中，传输晶体管510和520、开关晶体管103、复位晶体管104和放大晶体管105分别是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。或者，也可以是各晶体管是薄膜晶体管(TFT：Thin FilmTransistor)。
例如，各晶体管是n型的MOSFET。在供给到各晶体管的栅极的电位为高电平的情况下，各晶体管被导通，即成为导通状态。在供给到栅极的电位为低电平的情况下，各晶体管被截止，即成为非导通状态。此外，各晶体管也可以是p型的MOSFET。在这种情况下，供给给各晶体管的栅极的电位的电平与各晶体管的导通截止的关系，与n型MOSFET的情况相反。此外，在各晶体管中，也可以混合存在n型的MOSFET和p型的MOSFET。
在此，对来自单位单元100的信号电荷的读出处理进行说明。
在本实施方式中，能够切换低灵敏度像素101和高灵敏度像素102，将信号电荷作为电压信号读出。具体而言，垂直扫描电路30通过调整向与读出对象的单位单元100连接的各控制线供给的电位，从而使电压信号从单位单元100输出到垂直信号线50。
首先，说明从低灵敏度像素101读出信号电荷的情况下的动作。
首先，执行复位动作，该复位动作是对蓄积在第一FD部106和第二FD部107中的电荷进行复位的处理。具体而言，通过垂直扫描电路30向选择控制线SW以及复位控制线RS分别供给高电平的电位，使开关晶体管103以及复位晶体管104成为导通状态。由此，由于第一FD部106以及第二FD部107与电源线60导通，所以第一FD部106以及第二FD部107的电位被复位为电源电压VDDC的电位。
在复位动作之后，光电二极管410和420被曝光。通过曝光而在光电二极管410中生成的信号电荷被蓄积在电容元件110中。
另外，复位动作也可以与对光电二极管410及420的曝光同时进行。在复位动作中，传输晶体管510和520都保持在非导通状态。具体而言，在复位动作中，垂直扫描电路30将低电平电位供给到第一传输控制线TGS和第二传输控制线TGL。
接下来，在使复位晶体管104成为非导通状态之后，使传输晶体管510和开关晶体管103为导通状态。具体而言，垂直扫描电路30在向复位控制线RS供给低电平的电位之后，向第一传输控制线TGS及选择控制线SW供给高电平的电位。此时，第二传输控制线TGL被供给低电平的电位，传输晶体管520成为非导通状态。
由此，在光电二极管410中生成并蓄积在电容元件110中的信号电荷被传输到第一FD部106和第二FD部107。第一FD部106和第二FD部107的电位根据传输的电荷量而改变。由于第一FD部106和第二FD部107连接到放大晶体管105的栅极，所以第一FD部106和第二FD部107的电位的变化量，即在光电二极管410中生成的信号电荷的量被变换为电压，并且被输出到垂直信号线50。
接着，说明从高灵敏度像素102读出信号电荷的情况下的动作。
首先，以与低灵敏度像素101的情况相同的方式执行复位动作，使光电二极管410和420曝光。复位动作也可以与曝光同时进行。
接着，在使开关晶体管103成为非导通状态之后，使传输晶体管520成为导通状态。具体而言，垂直扫描电路30在向选择控制线SW供给低电平的电位之后，向第二传输控制线TGL供给高电平的电位。此时，例如，第一传输控制线TGS和复位控制线RS分别被供给低电平的电位，传输晶体管510以及复位晶体管104成为非导通状态。
由此，由光电二极管420生成的信号电荷被传输到第二FD部107。第二FD部107的电位根据传输的电荷量而变化。由于第二FD部107与放大晶体管105的栅极连接，所以第二FD部107的电位的变化量即由光电二极管420生成的信号电荷的量被变换为电压，并输出到垂直信号线50。
如上所述，在本实施方式的摄像装置10中，由于多个单位单元100分别具备低灵敏度像素101和高灵敏度像素102，所以即使在低照度以及高照度的任一环境下都能够生成图像。例如，在夜间或室内照明不充分的低照度的环境下，通过从高灵敏度像素102读出信号电荷，从而生成高画质的图像。另外，在白天的直射阳光下暴露的高照度的环境下，通过从低灵敏度像素101读出信号电荷，从而生成高画质的图像。
另外，在拍摄范围中包含低照度的区域和高照度的区域的情况下，也可以合成基于来自低灵敏度像素101的信号电荷而生成的图像和基于来自高灵敏度像素102的信号电荷而生成的图像。由此，能够生成抑制了泛白及发黑的高画质的图像。
接着，使用图3至图5，对单位单元100的平面布局及剖面结构进行说明。
图3是本实施方式的摄像装置10的多个单位单元100的平面布局图。另外，图3的目的是示出光电二极管410和420与电容元件110之间的位置关系以及它们的平面视形状，未示出摄像装置10中具有的其它构件。另外，从容易观察附图的观点出发，对光电二极管410和420以及电容元件110分别标注阴影。
图4是本实施方式的摄像装置10的单位单元100的剖视图。具体而言，图4表示图3的IV-IV线的剖面。图5是放大表示本实施方式的摄像装置10的电容元件110及其附近的主要部分放大剖视图。另外，从容易观察附图的观点出发，在图4和图5中，在配线层130中的层间绝缘层131a、131b、131c、131d、131e上没有附加表示截面的阴影线。对于后述的图6以及图7也是同样的。
如图4所示，摄像装置10具备半导体基板120和配线层130。摄像装置10所具备的多个单位单元100形成在半导体基板120以及配线层130内。此外，摄像装置10具备平坦化膜150和微透镜160。另外，也可以在配线层130与平坦化膜150之间设置滤色器。
半导体基板120例如是硅基板。虽未图示，但在半导体基板120上形成有p型或n型的阱区域，以及注入了绝缘性的元件分离区域等杂质的区域。杂质的注入例如通过离子注入等进行。注入杂质的区域被用作例如光电二极管410和420、第一FD部106和第二FD部107以及各晶体管的源极和漏极等。另外，各晶体管的栅极例如通过在半导体基板120的光入射侧的面上经由薄膜状的栅极绝缘膜而形成的导电性的金属电极(未图示)等来实现。
在半导体基板120的光入射侧的面上设置有配线层130。在本实施方式中，如图4所示，配线层130具有多层配线结构，该多层配线结构具有多个层间绝缘层131a、131b、131c、131d、131e和多个配线132a、132b、132c。
层间绝缘层131a、131b、131c、131d、131e分别是具有透光性的绝缘层。例如，层间绝缘层131a、131b、131c、131d、131e使用硅氧化物(SiOx)或硅氮化物(SiN)等形成。层间绝缘层131a、131b、131c、131d、131e例如是由有机金属气相生长法(MOCVD：Metal OrganicChemical Vapor Deposition)将绝缘性的材料成膜，并根据需要通过光刻及蚀刻等进行图案化而形成的。
在本实施方式中，如图4以及图5所示，在配线层130内形成的电容元件110具有沟槽结构。因此，层间绝缘层131a在将硅氧化膜等绝缘膜成膜于半导体基板120的表面之后，通过图案化来形成电容元件110用的沟槽以及接触插塞140用的贯通孔。
配线132a、132b、132c相当于设置于像素部20的控制线和垂直信号线等。例如，配线132a、132b、132c使用铜(Cu)或铝(Al)等金属材料形成。配线132a、132b、132c例如通过利用蒸镀法等将导电性的材料成膜，并通过光刻以及蚀刻等进行图案化而形成。
配线层130通过反复进行绝缘膜的成膜和导电膜的成膜及图案化而形成。配线层130的厚度例如为2μm等，但不限于此。
平坦化膜150例如使用具有透光性的无机材料或有机材料形成。平坦化膜150是光入射侧的面，使配置有微透镜160的面平坦。
微透镜160使用具有透光性的玻璃或树脂材料形成。微透镜160与光电二极管410和420一对一地对应，并且被设置为矩阵。微透镜160构成为将入射的光引导至对应的光电二极管410或420。
如图4所示，光电二极管410和420分别是形成在半导体基板120中的第一光电变换部和第二光电变换部的一例。具体而言，光电二极管410和420分别具有p型的钉扎区域和n型的扩散区域，所述p型的钉扎区域设置在半导体基板120的上表面的表层部分，所述n型的扩散区域与该钉扎区域接触且设置于该钉扎区域的下层部分。
如图3所示，光电二极管410和420以矩阵状交替配置。在平面视中，光电二极管410被设置为被电容元件110围绕。例如，光电二极管410的整周被电容元件110围绕。
在平面视中，光电二极管420未被单一的电容元件110围绕，但被四个电容元件110围绕。在平面视中，在光电二极管410和光电二极管420之间存在电容元件110的一部分。因此，电容元件110作为光电二极管410与光电二极管420之间的电屏蔽而发挥功能。例如，能够抑制光电二极管410的电位对光电二极管420的电位造成影响。
如图5所示，光电二极管410连接到电容元件110的下部电极111。具体而言，光电二极管410经由接触插塞140和扩散区域141连接到下部电极111。
这样，在本实施方式中，以被单一的电容元件110围绕的方式设置的光电二极管和与电容元件110的下部电极111连接的光电二极管是同一光电二极管410。
在平面视中，光电二极管420的面积大于光电二极管410的面积。即，光电二极管410是摄像装置10所具备的第一光电变换部以及第二光电变换部中的在平面视中面积较小的一方的光电变换部的一例。光电二极管420是摄像装置10所具备的第一光电变换部以及第二光电变换部的在平面视中面积较大的一方的光电变换部的一例。如上所述，在本实施方式中，电容元件110的下部电极111与面积较小的一方的光电二极管410连接。
由此，光电二极管420的受光面积大于光电二极管410的受光面积，因此即使在低照度的环境下，也能够相比于光电二极管410使更多的光入射到光电二极管420，进行光电变换。光电二极管420的面积例如为光电二极管410的面积的两倍以上，但不限于此。
如图3所示，光电二极管410的平面视形状例如为正方形，但也可以是长方形、六边形或八边形等其他多边形，或者也可以是圆形。光电二极管420的平面视形状例如为正八边形，但也可以是正方形、长方形或六边形等其他多边形，或者也可以是圆形。光电二极管410及420各自的平面视形状也可以彼此相同。
在本实施方式中，电容元件110设置在配线层130内。电容元件110具有MIM结构。MIM结构具有在包含金属的两个电极之间夹着电介质层的结构。具体而言，如图4和图5所示，电容元件110具有下部电极111、上部电极112和电介质层113。
在平面视中，电容元件110被设置为围绕摄像装置10中具备的多个光电二极管中的一个。在本实施方式中，如图3所示，电容元件110在平面视中围绕低灵敏度像素101的光电二极管410。光电二极管410位于环状的电容元件110的中央。例如，光电二极管410的外周和环状的电容元件110的内周以及外周形成为同心状。
具体而言，在平面视中，下部电极111、上部电极112及电介质层113均围绕光电二极管410。下部电极111、上部电极112以及电介质层113各自的平面视形状设置为矩形的环状。下部电极111、上部电极112以及电介质层113的线宽W例如为320nm，但不限于此。
下部电极111是电容元件110的第一电极的一例。如图4所示，下部电极111是电容元件110所具有的两个电极中靠近半导体基板120的一方的电极。即，下部电极111设置在半导体基板120与上部电极112之间。
在本实施方式中，如图5所示，下部电极111与光电二极管410连接。具体而言，下部电极111经由接触插塞140和扩散区域141连接到光电二极管410。下部电极111和光电二极管410的阴极实质上是相同电位。
下部电极111使用金属或金属化合物等导电性的材料形成。作为导电性的材料，使用钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)或铂(Pt)等金属单体、或者它们的两种以上的金属的合金。或者，作为导电性的材料，也可以使用氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)或氮化铪(HfN)等导电性的金属的氮化物。
在本实施方式中，下部电极111具有遮光性。在此，所谓遮光是指至少遮挡光的一部分，不仅意味着光的透过率为0％的情况，还意味着透过率比规定的值低。规定的值例如为10％，但不限于此。另外，下部电极111也可以具有透光性，例如，利用氧化铟锡(ITO：Indium Tin Oxide)或氧化锌(ZnO)等导电性的氧化物形成。
下部电极111是使用例如MOCVD法、原子层沉积法(ALD：Atomic LayerDeposition)或溅射法等形成。下部电极111例如在半导体基板120的上方将导电性的材料成膜为薄膜状而形成。下部电极111的膜厚例如为15nm，但不限于此。
上部电极112是电容元件110的第二电极的一例。上部电极112是电容元件110所具有的两个电极中远离半导体基板120的电极。
在本实施方式中，上部电极112覆盖电荷蓄积区域115。电荷蓄积区域115是蓄积由连接有下部电极111的光电二极管410生成的电荷的部分。具体而言，电荷蓄积区域115是由图5的虚线围绕的部分，包括下部电极111、接触插塞140、扩散区域141。
上部电极112例如完全覆盖下部电极111。具体而言，如图5所示，上部电极112以比下部电极111的上侧的端部更向侧方延伸的方式设置。即，在平面视中，下部电极111的整***于上部电极112的内侧。另外，电介质层113也同样完全覆盖下部电极111。具体而言，如图5所示，电介质层113比下部电极111的上侧的端部更向侧方延伸，不仅设置在下部电极111上，还设置在层间绝缘层131b上。
通过上部电极112覆盖电荷蓄积区域115，例如即使在配线132a的电位变动的情况下，也能够抑制电荷蓄积区域115的电位的变动。具体而言，上部电极112发挥对电荷蓄积区域115的电屏蔽的功能，因此能够将配线132a设置在电荷蓄积区域115的正上方方向。即，由于能够以在平面视中重叠的方式设置电荷蓄积区域115和配线132a，因此能够有效地利用有限的像素区域。
上部电极112与下部电极111同样，使用MOCVD法、ALD法或溅射法等形成。上部电极112例如使用与下部电极111相同的材料形成。因此，上部电极112也具有遮光性。此外，上部电极112也可以使用与下部电极111不同的材料形成。上部电极112也可以具有透光性。
电介质层113使用介电常数比氧化硅(SiO2)高的所谓high-k材料形成。具体而言，电介质层113含有铪(Hf)的氧化物或锆(Zr)的氧化物作为主成分。电介质层113含有50摩尔％以上的铪的氧化物或锆的氧化物。电介质层113使用ALD法、MOCVD法或EB(ElectronBeam)蒸镀法等形成。
电介质层113设置在下部电极111与上部电极112之间。具体而言，电介质层113与下部电极111的上表面以及上部电极112的下表面分别接触，以大致均匀的膜厚形成。电介质层113的膜厚例如为10nm以上，作为一例为20nm，但不限于此。
在本实施方式中，电容元件110具有沟槽型的MIM结构。电容元件110的电介质层113具有从上部电极112朝向下部电极111的方向、即向深度方向凹陷的沟槽形状。即，电介质层113以在上表面形成沟槽114的方式立体地构成。下部电极111、电介质层113以及上部电极112均沿着沟槽形状以大致均匀的膜厚设置。
另外，下部电极111也可以设置为下表面平坦且上表面沿着沟槽形状。另外，上部电极112也可以设置为上表面平坦且下表面沿着沟槽形状。
具体而言，如图3所示，电容元件110具有四个沟槽114。如图5所示，沟槽114是形成电介质层113与上部电极112的界面的槽。另外，四个沟槽114也可以以在平面视中形成一个矩形的环的方式连接。
例如，沟槽114的深度H大于电容元件110的宽度W。即，在剖视图中，电容元件110在深度方向上形成为长条。例如，沟槽114的深度H比配线132a与配线132b之间的距离深。另外，例如，沟槽114的深度H也可以比电容元件110的上部电极112与配线132a之间的距离深。作为一例，沟槽114的深度H为400nm，但不限于此。
通过使电容元件110具有沟槽114，能够抑制平面视中的面积的增加，并且能够增大电容元件110的电容。因此，能够增大光电二极管410的饱和量，能够实现动态范围的扩展。
另一方面，由于电容元件110具有沟槽114，所以层间绝缘层131a被厚膜化。因此，倾斜入射光有可能入射到相邻的光电二极管。即，有可能产生光的串扰。特别是，在位于远离像素部20的中央的周边的单位单元100中，倾斜入射的光的比例变多，因此容易产生光的串扰。在由于产生光的串扰而光量增加或减少以及设置了多个颜色的滤色器的情况下，发生混色等。
与此相对，在本实施方式中，电容元件110的下部电极111以及上部电极112的至少一个具有遮光性，因此，如图6中实线的箭头所示，能够抑制倾斜入射光入射到相邻的光电二极管。因此，能够抑制倾斜入射光的串扰成分。另外，图6是用于说明电容元件110对于倾斜入射光的作用效果的剖视图。
如上所述，根据本实施方式的摄像装置10，由于电容元件110以围绕光电二极管410的方式设置，所以能够实现噪声的降低。另外，由于电容元件110与光电二极管410连接，所以能够增大由光电二极管410生成的信号电荷的饱和量。因此，能够扩大动态范围。
另外，由于电容元件110为沟槽型，因此能够抑制光的串扰。由此，能够提高由摄像装置10生成的画质。
(变形例)
以下，使用图7对实施方式的第一变形例进行说明。图7是放大表示本变形例的摄像装置的电容元件110及其附近的主要部分放大剖视图。
在上述的实施方式中，如图2和图5所示，对电容元件110的第一电极即下部电极111与光电二极管410直接连接的例子进行了说明，但在本变形例中，如图7所示，在下部电极111与光电二极管410之间设置有传输晶体管500。
传输晶体管500是用于切换光电二极管410和电容元件110的下部电极111的导通和非导通的开关元件。传输晶体管500的漏极和源极中的一个连接到光电二极管410，并且其漏极和源极中的另一个连接到下部电极111。
例如，如图7所示，传输晶体管500的漏极和源极中的一个与光电二极管410共用化。传输晶体管500的漏极和源极中的另一个相当于扩散区域141，并且经由接触插塞140连接到下部电极111。传输晶体管500的栅极610设置在栅极绝缘膜620上，该栅极绝缘膜620设置在半导体基板120的表面上。经由未图示的控制线，从垂直扫描电路30向栅极610供给规定的电位。传输晶体管500根据施加到栅极610的电位来切换导通状态和非导通状态。
例如，通过导通传输晶体管500而使光电二极管410和电容元件110成为导通状态，能够增大电荷的饱和量。另外，通过截止传输晶体管500而使光电二极管410和电容元件110成为非导通状态，能够减小电荷的饱和量。
这样，通过控制传输晶体管500的导通和截止，能够切换电荷的饱和量，因此能够切换摄像装置10的动态范围。
另外，在本变形例中，电荷蓄积区域115相当于电容元件110的下部电极111、接触插塞140以及扩散区域141。因此，电容元件110的上部电极112可以不覆盖传输晶体管500的栅极610。
(其他实施方式)
以上，基于实施方式对一个或多个方式的摄像装置进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式。只要不脱离本发明的主旨，在本实施方式中实施本领域技术人员想到的各种变形的方式、以及将不同的实施方式中的构成要素组合而构筑的方式也包含在本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，以表面照射型的摄像装置为例对摄像装置10进行了说明，但也可以是背面照射型的摄像装置。
图8是实施方式的第二变形例的摄像装置210的单位单元100的剖视图。摄像装置210与实施方式的摄像装置10相比，除了设置有平坦化膜150和微透镜160的位置不同这一点以外，其他结构与摄像装置10相同。
具体而言，如图8所示，在摄像装置210中，在半导体基板120的背面侧、即在与配线层130相反侧设置有平坦化膜150以及微透镜160。光从半导体基板120的背面侧入射到设置于半导体基板120的光电二极管410及420。
在本变形例的摄像装置210中，也与实施方式同样地，光电二极管410与电容元件110连接，因此能够扩大动态范围。另外，电容元件110的电极对光电二极管410发挥电屏蔽的功能，因此能够抑制光电二极管410的电位的变动，能够降低噪声。
另外，例如，电容元件110也可以在平面视中不连续地围绕光电二极管410的周围的整体。例如，电容元件110的平面视形状也可以是一部分开放的C字形或U字形等形状。或者，电容元件110的平面视形状也可以如虚线那样为断续的环状。
另外，例如，电容元件110的上部电极112也可以不覆盖电荷蓄积区域115的全部。例如，电容元件110的下部电极111可以比上部电极112大，在平面视中，上部电极112也可以位于下部电极111的内部。另外，例如，扩散区域141也可以不被上部电极112覆盖。
另外，例如，电容元件110的上部电极112也可以代替下部电极111而与光电变换部连接。即，也可以上部电极112是与光电变换部连接的第一电极的一例，下部电极111是第二电极的一例。
图9是放大表示实施方式的第三变形例的摄像装置的电容元件110及其附近的主要部分放大剖视图。在图9所示的摄像装置中，代替接触插塞140而设置有接触插塞240。上部电极112经由接触插塞240和扩散区域141连接到光电二极管410。
在图9所示的摄像装置中，也能够使在光电二极管410中产生的电荷蓄积于电容元件110，因此能够扩大动态范围。
另外，例如，电容元件110的电介质层113也可以不是使用high-k材料的薄膜，而是硅氧化膜或硅氮化膜等绝缘膜。
另外，例如，电容元件110的下部电极111也可以与光电二极管420连接。
另外，例如，电容元件110也可以在下部电极111与光电二极管410连接的状态下，在平面视中围绕光电二极管420。即，电容元件110也可以围绕未被电连接的光电二极管。
此外，单位单元100可以具有两个低灵敏度像素101和两个高灵敏度像素102。两个低灵敏度像素101均连接到第一FD部106。两个高灵敏度像素102均连接到第二FD部107。
例如，通过使两个低灵敏度像素101各自的传输晶体管510相独立地切换导通状态和非导通状态，可以使从两个低灵敏度像素101各自读出信号电荷的定时不同。对于两个高灵敏度像素102也是同样。由此，能够使开关晶体管103、复位晶体管104、放大晶体管105、第一FD部106以及第二FD部107等在多个像素中共用化。
另外，例如，也可以在单位单元100的低灵敏度像素101的光电二极管410的正上方方向设置用于减少入射光的光量的灰度滤波器。
另外，例如，光电二极管的面积可以在像素部20内均匀。
此外，例如，摄像装置10可以具备光电晶体管、有机光电变换膜等代替光电二极管作为光电变换部。
此外，例如，电容元件110可以不连接到光电二极管410和420中的任何一个。
另外，上述的各实施方式能够在权利要求书的范围或与其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。

Claims (7)

1.一种摄像装置，其中，具备：
半导体基板，具有第一主面以及与所述第一主面相反侧的第二主面；
多个光电变换部，配置在所述半导体基板内，将入射的光变换为信号电荷；
配线层，配置在所述第一主面的上方；以及
至少一个电容元件，配置在所述配线层内，
所述至少一个电容元件包含第一电极、第二电极、以及配置在所述第一电极与所述第二电极之间的电介质层，
所述电介质层的至少一部分在平面视中具有配置在所述多个光电变换部中的相邻的两个光电变换部之间的沟槽形状，
从由所述第一电极和所述第二电极组成的组中选择的至少一个电极具有遮光性。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第一电极与所述多个光电变换部中的一个光电变换部连接。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，
还具备用于对所述第二电极施加恒定电位的配线。
4.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，
所述多个光电变换部包括：
第一光电变换部，与所述至少一个电容元件连接；以及
第二光电变换部，
在平面视中，所述第二光电变换部的面积大于所述第一光电变换部的面积。
5.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，
所述至少一个电容元件是多个电容元件，
所述多个电容元件在平面视中围绕所述第二光电变换部。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述沟槽形状的深度大于所述至少一个电容元件的宽度。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述半导体基板构成为所述光从所述第二主面入射到所述半导体基板。
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