TWI433308B - 固態成像裝置及其製造方法、和電子設備 - Google Patents

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Description

固態成像裝置及其製造方法、和電子設備
本發明相關於固態成像裝置。明確地說，本發明相關於將訊號電荷轉移至浮動擴散的CMOS固態成像裝置，以及製造該等固態成像裝置的方法。本發明也相關於使用該等固態成像裝置的電子設備。
固態成像裝置通常分類為CCD(電荷耦合裝置)固態成像裝置及CMOS(互補式金屬氧化物半導體)固態成像裝置。相較於CMOS固態成像裝置，在CCD固態成像裝置中，需要高驅動電壓以轉移訊號電荷，並需要高供應電壓。因此，就電力消耗而言，CMOS固態成像裝置比CCD固態成像裝置更有利。
因此，CMOS固態成像裝置，其比CCD固態成像裝置更有利，已廣泛地使用為可攜式設備的固態成像裝置，諸如配備有相機的行動電話及PDA(個人數位助理)。
CMOS固態成像裝置包括光二極體，且係由依據接收光產生訊號電荷的光偵測器、接收由該光偵測器所產生之該訊號電荷的浮動擴散、以及複數個MOS電晶體所組成。該等MOS電晶體包括轉移電晶體、重設電晶體、放大電晶體、並在有必要時包括選擇電晶體。此等MOS電晶體連接多佈線層中的預佈線層。在該CMOS固態成像裝置中，在該光偵測器中產生及累積的訊號電荷係在逐像素的基礎上藉由該轉移電晶體轉移至該浮動擴散。由該浮動擴散所讀取的該訊號電荷係藉由該放大電晶體放大，並選擇性地輸出至形成在該多佈線層中的垂直訊號線之一者。
與此同時，在此種CMOS固態成像裝置中，更期望較大孔在作為光偵測器使用之光二極體之上，以有效地收集入射在該光二極體上的光。
另一方面，若該浮動擴散在讀取轉移自該光偵測器之訊號電荷的同時接收光，光電轉換也在該浮動擴動中發生，其導致雜訊。因此，期望屏蔽該浮動擴散以免於光照射。
在根據相關技術之CMOS固態成像裝置中，浮動擴散係使用設置在該基材之上的多佈線層屏蔽以免於光照射。然而，相較於CCD固態成像裝置的情形，因為像素係使用與其他周邊電路之情形相同的CMOS製程形成，該等佈線層可能不能設置成緊接在該浮動擴散之上。因此，不可能減少構成光屏蔽膜的該等佈線層及浮動擴散之間的距離，也不可能防止光洩漏入該浮動擴散。
就上述問題的觀點，日本未審查專利申請案公告編號第2004-140152號揭示在其中光屏蔽係使用多層閘極膜形成的CMOS固態成像裝置。在此技術中，因為將光屏蔽配置成緊接在該浮動擴散之上，洩漏入該浮動擴散的光可能受抑制。然而，為在多層結構中形成該閘極膜，該閘極膜係以矽製成，其導致複雜製程。此外，由於該閘極的不均勻性，難以形成用於接點區域的小孔。因此，浮動擴散必須具有大面積，以形成接點區域。再者，由於該等閘極層之間的大寄生電容，該等閘極層之間的干涉也令人關注。
日本未審查專利申請案公告編號第2004-71931號揭示無須使用佈線而將浮動擴散及放大電晶體之閘極電性連接的技術。此增加佈線層佈置的自由度，且因此使該光偵測器之孔尺寸的增加變得可能。然而，根據日本未審查專利申請案公告編號第2004-71931號，浮動擴散係使用配置在多佈線層中的佈線屏蔽光，該多佈線層設置在上層中。此容許光在該光屏蔽膜及該浮動擴散之間行進，導致不充份的光屏蔽效能。
本發明有鑒於上述情況而產生。因此，需要有效地將浮動擴散屏蔽以免於光照射的固態成像裝置，且因此提供具有改善品質的影像。也需要使用該固態成像裝置的電子設備。
期望根據本發明實施例的固態成像裝置包括光偵測器、浮動擴散、複數個MOS電晶體、多佈線層、以及光屏蔽膜。
該光偵測器形成在基材上，並藉由將入射光轉變為電而產生訊號電荷。該浮動擴散組態成接收由該光偵測器所產生的該訊號電荷。該等複數個MOS電晶體包括將該訊號電荷轉移至該浮動擴散的轉移電晶體，以及將與該浮動擴散的電位對應之像素訊號輸出的放大電晶體。該多佈線層在高於基材的層中形成，並由經由接點部電性連接至該等MOS電晶體之複數佈線層組成。該光屏蔽膜由設置在高於該基材並低於該多佈線層之層中的底佈線層構成。該光屏蔽膜在至少屏蔽該浮動擴散以免受光照射的區域形成，並經由接點部電性連接至該浮動擴散。
在根據本發明實施例的固態成像裝置中，該浮動擴散藉由由該底佈線層所構成的該光屏蔽膜屏蔽而免於光照射。該底佈線層設置在低於該多佈線層且與該基材之上表面接近的位置。因此，由該底佈線層構成的該光屏蔽膜可防止光洩漏入該浮動擴散中。
在根據本發明實施例之製造固態成像裝置的方法中，首先將光偵測器及浮動擴散形成在基材上。然後，將第一絕緣層形成在該基材上。然後，將孔形成在該第一絕緣層中，使得該浮動擴散曝露。隨後，接點部藉由以金屬材料填充該孔而形成。然後，由底佈線層構成的光屏蔽膜在包括該接點部的該第一絕緣層上，在屏蔽該浮動擴散以免於光照射的區域形成。另外，將第二絕緣層形成在包括該光屏蔽膜的該第一絕緣層上。然後，將具有複數佈線層的多佈線層形成在該第二絕緣層上。
在根據本發明實施例之製造固態成像裝置的方法中，首先將光偵測器、浮動擴散、以及構成MOS電晶體之預定源極或汲極的雜質區域形成在基材上。然後，藉由移除該第一絕緣層在該浮動擴散及該雜質區之上的個別部位，形成用於曝露該浮動擴散及該雜質區的孔。然後，接點部藉由以金屬材料填充形成在該第一絕緣層中的該等孔而形成。隨後，由底佈線層構成的光屏蔽膜在包括形成在該浮動擴散上之該接點部的該第一絕緣層上，在屏蔽該浮動擴散以免於光照射的區域形成。且將由該底佈線層構成的中間膜形成在包括形成在該雜質區域上之該接點部的該第一絕緣層上。然後，將第二絕緣層形成在包括該光屏蔽膜及該中間膜的該第一絕緣層上。隨後，在該第二絕緣層中形成孔，使得該中間膜曝露。然後，接點部藉由以金屬材料填充形成在該第二絕緣層中的該孔而形成。另外，形成具有複數佈線層的多佈線層，該等複數佈線層包括連接至形成在該第二絕緣層中之該接點部的佈線。
根據本發明實施例的電子設備包括光學鏡頭、上述之該固態成像裝置、以及訊號處理電路。
根據本發明實施例，提供抑制由於雜訊而導致影像品質退化的固態成像裝置，以及使用該固態成像裝置的電子設備。
在下文中，將參考圖1至圖16描述根據本發明實施例之固態成像裝置、製造該固態成像裝置的方法、以及電子設備的範例。本發明之較佳實施例將以下列順序描述。須注意本發明未受以下描述的該等範例所限制。
1.第一實施例：固態成像裝置
1.1固態成像裝置的全體組態
1.2主組件的組態
1.3固態成像裝置的製造方法
2.第二實施例：固態成像裝置
3.第三實施例：固態成像裝置
3.1主組件的組態
3.2固態成像裝置的製造方法
4.第四實施例：固態成像裝置
5.第五實施例：電子設備
1.第一實施例：固態成像裝置
[1.1固態成像裝置的全體組態]
圖1係概要地描繪根據本發明第一實施例的固態成像裝置之全體組態的方塊圖。
根據本實施例的固態成像裝置1包括由配置在以矽形成之基材11上的複數個像素2所組成的像素部3、垂直驅動電路4、行訊號處理電路5、水平驅動電路6、輸出電路7、以及控制電路8。
像素2各者係由光偵測器及複數個MOS(金屬氧化物半導體)電晶體所組成並以規則的二維矩陣型式配置在基材11上，該光偵測器由光二極體組成。構成像素2的該等MOS電晶體可能由包括轉移電晶體、重設電晶體、選擇電晶體、及放大電晶體之四個MOS電晶體組成。該等MOS電晶體也可能由該等四個MOS電晶體之樹(不含該選擇電晶體)構成。
像素部3係由以規則二維陣列型式配置的像素2所組成。像素部3包括有效像素區域及黑參考像素區域(未圖示)。該有效像素區域作用為接收光、放大由光電轉換所產生的訊號電荷、並將該訊號電荷轉移至行訊號處理電路5。該黑參考像素區域作用為將光學黑位準作為參考黑位準輸出。通常，將此種黑參考像素區域設置在該有效像素區域的周遭。
控制電路8產生訊號，例如時鐘訊號及控制訊號，用於在垂直同步訊號、水平同步訊號、以及主時鐘訊號的基礎上控制垂直驅動電路4、行訊號處理電路5、以及水平驅動電路6的操作。將由控制電路8所產生的該等訊號輸入至垂直驅動電路4、行訊號處理電路5、及水平驅動電路6等。
垂直驅動電路4係由，例如，移位暫存器組成，並以列為單位在垂直方向上循序地選擇性地掃描像素部3中的像素2。然後，垂直驅動電路4經由垂直訊號線將像素訊號供應至行訊號處理電路5。該等像素訊號係依據接收光量在像素2的個別光二極體中產生之訊號電荷的基礎上產生。
行訊號處理電路5係針對像素2的個別行設置。行訊號處理電路5各者使用來自該黑參考區域(設置在該有效像素區域的周遭(未圖示))的訊號，在自像素2輸出的訊號上實施訊號處理，諸如雜訊降低及訊號放大，該等像素對應於以行為單位的單列。水平選擇開關(未圖示)設置在行訊號處理電路5的輸出級及水平訊號線10之間。
水平驅動電路6係由，例如，移位電晶體組成。水平驅動電路6循序地選擇行訊號處理電路5，以導致個別的行訊號處理電路5將像素訊號輸出至水平訊號線10。
輸出電路7在自個別行訊號處理電路5經由水平訊號線10循序供應的訊號上實施訊號處理，並輸出已處理訊號。
[1.2主組件的組態]
在下文中，將參考圖2至圖4描述根據本實施例的固態成像裝置之主組件的概要組態。圖2係描繪在根據本實施例的固態成像裝置1中之單像素的平面圖。圖3係沿著圖2之III-III'線取得的橫剖面圖。圖4描繪與根據本實施例之固態成像裝置1中的單像素對應的電路組態。
參考至圖2，根據本實施例的像素2各者具有光偵測器14、浮動擴散15、及複數個MOS電晶體。在本實施例中，該等MOS電晶體包括轉移電晶體Tr1、重設電晶體Tr2、放大電晶體Tr3、以及選擇電晶體Tr4。在本實施例中，將用於覆蓋浮動擴散15的光屏蔽膜24設置在浮動擴散15之上。
如圖3所描繪的，光偵測器14係由設置在以矽製成的基材13之上表面上的預定位置之光二極體所形成。光偵測器14產生對應於入射光量的訊號電荷並累積該訊號電荷。
將浮動擴散15設置在基材13的上表面上之與光偵測器14相鄰的位置。光偵測器14及浮動擴散15之間的區域係作為轉移電晶體Tr1的通道區域使用。
光偵測器14也包括在作為光入射表面使用的基材13之上表面上的預定位置形成該等MOS電晶體之源極/汲極區域的雜質區域17、18、及19，彼等將於下文描述。閘極20、21、22、及23也經由閘絕緣膜16設置在基材13上。
轉移電晶體Tr1包括由光偵測器14構成的源極、由浮動擴散15構成的汲極、以及形成在該源極及汲極之間的閘極20。如圖4所描繪的，將轉移脈衝ΦTRG供應至轉移電晶體Tr1的閘極20。結果，將累積在光偵測器14中的訊號電荷轉移至浮動擴散15。
重設電晶體Tr2具有由浮動擴散15構成的源極、由雜質區域17構成之將電壓VDD供應至其的汲極、以及形成在該源極及汲極之間的閘極21。如圖4所描繪的，將重設脈衝ΦRST供應至重設電晶體Tr2的閘極21。此導致將浮動擴散15的電位重設成與該供應電壓VDD近似的電位。
放大電晶體Tr3包括由雜質區域17構成之將電壓VDD供應至其的源極、由雜質區域18構成的汲極、以及形成在該源極及汲極之間的閘極22。如圖4所描繪的，將浮動擴散15的電位供應至放大電晶體Tr3之閘極22。此導致對應於該電位的像素訊號輸出至作為汲極使用的雜質區域18。
選擇電晶體Tr4包括由雜質區域18構成的源極、由連接至垂直訊號線VSL之雜質區域19構成的汲極、以及形成在該源極及汲極之間的閘極23。也將作為選擇電晶體Tr4之源極使用的雜質區域18使用為放大電晶體Tr3之汲極。如圖4所描繪的，將選擇脈衝ΦSEL供應至選擇電晶體Tr4的閘極23。結果，將像素訊號輸出至垂直訊號線VSL。
如圖3所描繪的，將第一絕緣層27形成在包括閘極21至23的閘絕緣膜16上。將由底佈線層M0構成的光屏蔽膜24設置在第一絕緣層27上在浮動擴散15之上的區域。此光屏蔽膜24(底佈線層M0)係由金屬製成，並藉由形成在浮動擴散15中的接點部25電性連接至浮動擴散15。在本實施例中，用於形成接點部25及光屏蔽膜24的金屬可能係，例如，鎢。可能將諸如鎢、鋁、以及銅之金屬使用為底佈線層M0。明確地說，將鎢用於底佈線層M0，其係與通常用於接點部之材料相同的材料，增加製程中的可靠性。
另外，將第二絕緣層28形成在包括光屏蔽膜24的第一絕緣層27上。將多佈線層29形成在第二絕緣層28上。在多佈線層29中，複數佈線層以其間具有層間絕緣膜的方式形成。在本實施例中，設置三佈線層M1、M2、以及M3。佈線層M1，其位於三佈線層M1至M3中的最低位置，構成垂直訊號線VSL。此垂直訊號線VSL經由穿過第二絕緣層28、第一絕緣層27、以及閘絕緣膜16形成之接點部26電性連接至構成選擇電晶體Tr4的雜質區域19。多佈線層29中的個別佈線層M1、M2、以及M3係經由接點部(未圖示)連接至閘極20、21、22、以及23等，以作為供應所需脈衝訊號的佈線使用。佈線層M1、M2、以及M3由低電阻金屬形成為佳，諸如鋁及銅。接點部26可能由鎢形成。
如上文所述，在根據本實施例的固態成像裝置1中，屏蔽浮動擴散15以免於光照射的光屏蔽膜24係由形成在高於基材13並低於多佈線層29之層中的金屬所製成。
與此同時，浮動擴散15及閘極22必須彼此電性連接。
圖5係描繪光屏蔽膜24及閘極22間的電性連接之範例的橫剖面圖。
在此範例中，浮動擴散15使用佈線M1連接至放大電晶體Tr3的閘極22，該佈線設置在多佈線層29中的佈線層M1、M2、以及M3之間的最低位置。在此情形中，如圖5所示，光屏蔽膜24係經由接點部32電性連接至佈線層M1，且閘極22係經由接點部33電性連接至佈線層M1，使得浮動擴散15及閘極22彼此電性連接。
於圖6中描繪光屏蔽膜24及閘極22之間的電性連接之其他範例。
在此範例中，將光屏蔽膜24使用為用於連接浮動擴散15及閘極22的佈線。在此情形中，如圖6所示，光屏蔽膜24在放大電晶體Tr3的閘極22之上延伸並經由接點部36連接至閘極22。使用此配置，使浮動擴散15及閘極22彼此電性連接。在本實施例中，光屏蔽膜24係由金屬形成，以也使用為連接浮動擴散15及閘極22的佈線。相較於圖5描繪的該情形，此可減少佈線層M1所佔據的區域尺寸，且因此可增加光偵測器14之孔的尺寸。
在具有上述組態的固態成像裝置1中，累積在光偵測器14中的訊號電荷係藉由轉移電晶體Tr1轉移至浮動擴散15。由浮動擴散15所讀取的該訊號電荷係藉由放大電晶體Tr3放大，並藉由選擇電晶體Tr4選擇性轉移至垂直訊號線VSL。由浮動擴散15所讀取的該訊號電荷將由重設電晶體Tr2重設為與供應電壓VDD近似的電位。
[1.3固態成像裝置的製造方法]
在下文中，將參考圖7A至圖9H描述根據本實施例之製造固態成像裝置的方法。圖7A至9C描繪在根據本實施例的固態成像裝置1之製造方法中的程序。
首先，藉由離子植入以預定傳導雜質摻雜矽基材13之上表面，或光入射表面。結果，如圖7A所描繪的，閘絕緣膜16形成在基材13上，且閘極20、21、22、以及23形成在閘絕緣膜16上的預定位置。此等閘極20、21、22、以及23係藉由將沈積在閘絕緣膜16上的多晶矽膜型樣化而形成。
然後，如圖7B所描繪的，將閘極20至23使用為遮罩，形成光偵測器14、浮動擴散15、以及作為該等個別MOS電晶體之源極及汲極使用的雜質區域17、18、以及19。
然後，如圖7C所描繪的，將第一絕緣層27形成在包括閘極20至23之閘絕緣膜16的上表面上。
隨後，如圖8D所描繪的，使孔25a穿越閘絕緣膜16及第一絕緣層27而形成，使得浮動擴散15曝露。
然後，如圖8E所描繪的，以鎢填充孔25a以形成接點部25。然後，將以鎢製造的底佈線層M0設置在第一絕緣層27上，以位於浮動擴散15之上。此底佈線層M0構成光屏蔽膜24。將以鎢形成的金屬膜形成在第一絕緣層27之整體上表面上方，且然後藉由型樣化該鎢金屬膜而形成光屏蔽膜24。期望第一絕緣層27上的光屏蔽膜24所佔據之區域大於浮動擴散15的上表面。此配置改善從各種角度入射之光的光屏蔽效果。
隨後，如圖9F所描繪的，將第二絕緣層28形成在包括光屏蔽膜24之第一絕緣層27上。
然後，如圖9G所描繪的，將用於設置接點部26的開口26a形成在第二絕緣層28的預定位置。在本實施例中，開口26a穿透第二絕緣層28、第一絕緣層27、以及閘絕緣膜16，使得作為選擇電晶體Tr4之汲極使用的雜質區域19曝露。
然後，如圖9H所描繪的，以鎢填充開口26a以形成接點區域26。
雖然未描繪於該等圖式中，將由鋁或銅形成的佈線層M1設置於在第二絕緣層28上在包括接點部26的區域。此製程之後係形成具有層間絕緣膜30於其間之佈線層M2及M3的製程，以形成具有三佈線層M1、M2、以及M3的多佈線層29。期望佈線層M1至M3具有低電阻，且係由鋁或銅所製成。
隨後，使用固態成像裝置的通用製造方法，形成平坦化層、彩色濾波層、及晶片微鏡頭等，且因此完成固態成像裝置1的製造。
在上述的製造方法中，當期望如圖5所描繪之該情形，使用佈線層M1將浮動擴散15連接至放大電晶體Tr3之閘極22時，接點部32及33於圖9G及9H所描繪的該等製程中形成。然後，藉由佈線層M1將接點部32連接至接點部33，將浮動擴散15電性連接至放大電晶體Tr3的閘極22。
在上述的製造方法中，當期望如圖6所描繪之該情形，使用光屏蔽膜24將浮動擴散15連接至放大電晶體Tr3之閘極22時，孔在圖8D所描繪的該製程中在閘極22之上形成。然後，以鎢填充設置在閘極22之上的該孔，使得接點部36形成。在此情形中，在圖8E所描繪的該製程中，將光屏蔽膜24形成為在接點部36之上延伸。因此，浮動擴散15及放大電晶體Tr3的閘極22彼此電性連接。
在本實施例中，形成光偵測器14、浮動擴散15、以及雜質區域17至19的該等製程係在閘極20至23形成之後實施。然而，該等製程的順序可能以各種方式修改，且光偵測器14、浮動擴散15、以及雜質區域17至19可能在閘極20至23形成之前形成。另外，在上述實施例中，藉由接點部26將形成在多佈線層29中的垂直訊號線VSL連接至選擇電晶體Tr4之雜質區域19。該等佈線層中的其他佈線，亦即，M1、M2、及M3可能經由藉由與上述製程相似之製程而形成的接點部連接至期望區域。
固態成像裝置1係經由上述製程製造。
根據本實施例的固態成像裝置1，將屏蔽浮動擴散15以免於光照射的光屏蔽膜24形成在低於多佈線層29的層中。結果，基材13的上表面及光屏蔽膜24之間的距離減少。此使抑制光從層間膜，諸如形成在浮動擴散及光屏蔽膜24之間的絕緣層，至浮動擴散15的洩漏變得可能。所以，可抑制在訊號電荷從光偵測器14轉移至浮動擴散15之期間由於入射在浮動擴散15上的光所導致之雜訊，其改善影像品質。
另外，根據本實施例的固態成像裝置1，寄生電容發生在浮動擴散15及光屏蔽膜24之間。此表示光屏蔽膜24的使用可增加浮動擴散15中的飽和電荷。
再者，根據相關技術，當將多佈線層29的佈線層(例如，佈線層M1)用於形成光屏蔽膜時，用於光屏蔽的佈線區域及用於其他佈線的佈線區域二者都係必要的。亦即，根據相關技術，需要在相同層中設置許多佈線區域。然而，根據本實施例的固態成像裝置1，光屏蔽膜24係由設置在低於多佈線層29之層中的底佈線層M0構成。因此，無須在多佈線層29之佈線層M1至M3中製造用於光屏蔽的佈線。結果，多佈線層29中的佈線層M1至M3所佔據之面積尺寸減少，容許光偵測器14之孔的尺寸增加。因此，在各像素2中，可增加入射在光偵測器14上的光量。
根據最近發展的技術，具有總體快門功能(同步快門功能)的CMOS固態成像裝置可能使用將訊號電荷在浮動擴散中儲存長時間週期的驅動系統。在此種CMOS固態成像裝置中，將藉由同步曝光所有像素而產生的訊號電荷同步地轉移至該浮動擴散，然後線序地輸出至垂直訊號線VSL。在此情形中，儲存在該浮動擴散中的訊號電荷未立即轉移至垂直訊號線，洩漏至該浮動擴散的光導致影像品質的顯著退化。即使在訊號電荷在該浮動擴散中儲存短時間週期的情形中，高亮度光在該浮動擴散上的入射導致影像品質退化。
相較於根據相關技術的固態成像裝置，根據本實施例之固態成像裝置1，洩漏至浮動擴散15的光可藉由光屏蔽膜24的效果而屏蔽。因此，本實施例可有利地施用至具有總體快門功能之固態成像裝置的製造，其中由於訊號電荷在該浮動擴散中的長儲存週期，導致洩漏至浮動擴散的光顯著地影響影像品質。另外，固態成像裝置1可抑制由於高亮度光入射至浮動擴散15中所導致的影像品質退化。
在上述實施例中，將設置在低於多佈線層29之層中的底佈線層M0使用為像素部3中的光屏蔽膜24。可能將底佈線層M0用於像素部3以及用於像素部3及周邊電路區域12二者。
當僅將構成光屏蔽膜24的底佈線層M0用於形成像素部3時，可使用具有通用組態的周邊電路區域12。通常，在周邊電路區域12中，基本佈置係針對基本組件製備，諸如反相器、NAND、以及NOR，並將此等組件製造在多佈線層29中。因此，當底佈線層M0僅構成像素部3時，周邊電路區域12可藉由使用根據相關技術的製程製造。明確地說，當底佈線層M0構成周邊電路區域12時，訊號延遲等可能由於與其他佈線層關聯之寄生電容的增加而發生。若顧慮此種延遲，可能僅將底佈線層M0用於製造像素部3。
再者，CMOS固態成像裝置可能設有載置在相同晶片上的各種類比電路以及A/D(數位/類比)轉換器。此種電路包括節點以及元件，諸如與浮動擴散相似地電性浮動之S/H(取樣及保持)電容器。期望充份地屏蔽此等節點及元件以免於光照射。根據本實施例中的固態成像裝置1，藉由將底佈線層M0使用為由底佈線層M0構成的光屏蔽膜，可能屏蔽周邊電路區域12中的該等節點及元件以免於光照射。從而，即使在也將底佈線層M0使用為周邊電路區域12的光屏蔽膜時，固態成像裝置1也可改善該光屏蔽性質。
另外，也可能將構成光屏蔽膜24的底佈線層M0使用為周邊電路區域12中的佈線。在此情形中，底佈線層M0係在個別區塊中使用為佈線，可增加該等個別區塊的積體度。因此，各區塊尺寸可減少，且因此可實現固態成像裝置1之尺寸縮減。
2.第二實施例：固態成像裝置
在下文中，將描述根據本發明第二實施例的固態成像裝置。圖10係描繪在根據本發明第二實施例之固態成像裝置35中的單像素之平面圖。圖11係沿著XI-XI'線取得的橫剖面圖。本實施例之固態成像裝置35的全體組態與描繪於圖1中的該固態成像裝置1的組態相似，並將省略其描述。本實施例之固態成像裝置35具有組態成與描繪於圖4中之第一實施例的像素2相似的像素2，且因此將省略其描述。在圖10及11中，將相同的參考數字用於指稱與分別顯示於圖2及圖3之組件相同或對應的組件，且將省略該等組件的描述。
根據本實施例的固態成像裝置35包括光屏蔽膜34，其係根據第一實施例之固態成像裝置1中的光屏蔽膜24的修改範例。
在本實施例的固態成像裝置35中，如圖10所描繪的，光屏蔽膜34從覆蓋浮動擴散15的區域延伸至光偵測器14周圍的區域，除了光偵測器14之孔的正上方的區域。在本實施例中，將光屏蔽膜34之覆蓋浮動擴散15的部位電性連接至光屏蔽膜34之在光偵測器14周圍的部位。然而，此等部位可能彼此分隔。
在本實施例之固態成像裝置35中，浮動擴散15及放大電晶體Tr3的閘極22係以與圖5或圖6所示之範例相似的方式彼此電性連接。
為製造根據本實施例的固態成像裝置35，將底佈線層M0型樣化，使得光屏蔽膜34在第一實施例之描繪於圖8E的製程中在光偵測器14的周圍延伸。
在固態成像裝置35中，光屏蔽膜34係在低於多佈線層29之層中形成，使得形成在光偵測器14周圍的光屏蔽膜34與基材13的距離較少。此配置防止入射光在相鄰像素上的混合。例如，可防止已穿越像素2之一者的紅色濾波器的光行進入構成具有綠色濾波器的像素2之相鄰一者的光偵測器14。因此，可避免色彩混合，且因此可改善影像品質。
在本實施例中，除了上述效果，可得到與第一實施例之效果及優點相似的效果及優點。
3.第三實施例：固態成像裝置
在下文中，將描述根據本發明第三實施例的固態成像裝置。
圖12係根據本發明第三實施例之固態成像裝置45的概要橫剖面圖。固態成像裝置45之全體組態與描繪於圖1中的第一實施例之固態成像裝置1的組態相似，且因此將省略其描述。此外，在固態成像裝置45中，單像素的平面佈置及電路組態與描繪於圖2及圖4中的第一實施例之平面佈置及電路組態相似，且將省略彼等之描述。在圖12中，將相同的參考數字用於指稱與圖3中所示之組件相同或對應的組件，且將省略該等組件的描述。
[3.1主組件的組態]
在根據本實施例的固態成像裝置45中，將構成選擇電晶體Tr4之汲極的雜質區域19經由底佈線層M0所構成的中間膜44a連接至垂直訊號線VSL。亦即，垂直訊號線VSL及雜質區域19係經由形成在第一絕緣層27中的第一接點部47、中間膜44a、以及形成在第二絕緣層28中的第二接點部46電性連接。
[3.2固態成像裝置的製造方法]
參考圖13A至圖14E，將描述根據本實施例之製造固態成像裝置45的方法。圖13A至14E描繪固態成像裝置45之製造方法中的個別製程。
在圖13A描繪之該製程之前實施的該等製程與圖7A至7C所描繪之第一實施例的該等製程相似，且因此將省略其描述。
在第一絕緣層27如圖7C所描繪地形成後，使孔25a穿越閘絕緣膜16及第一絕緣層27而形成，使得浮動擴散15曝露，如圖13A所描繪的。在此時，使孔47a穿越閘絕緣膜16及第一絕緣層27而形成，使得構成選擇電晶體Tr4的雜質區域19曝露。
然後，如圖13B所描繪的，以鎢填充形成在浮動擴散15之上的孔25a，使得接點部25形成。在此時，以鎢填充形成在雜質區域19之上的孔47a，使得第一接點部47形成。然後，以鎢製造的底佈線層M0在第一絕緣層27上形成於覆蓋浮動擴散15的區域以及包括第一接點部47之區域。將形成於覆蓋浮動擴散15之區域的底佈線層M0使用為光屏蔽膜44，並將形成於包括在第一絕緣層27上的第一接點部47之區域的底佈線層M0使用為中間膜44a。光屏蔽膜44及中間膜44a係藉由型樣化形成在第一絕緣層27之整體上表面上的鎢金屬膜而形成。期望第一絕緣層27上的光屏蔽膜44所佔據之區域大於浮動擴散15的上表面。此配置改善從各種角度入射之光的光屏蔽效果。
隨後，如圖13C所描繪的，將第二絕緣層28另外形成在包括光屏蔽膜44及中間膜44a的第一絕緣層27上。
然後，如圖14D所描繪的，在第二絕緣層28中形成孔46a，使得該中間膜44a曝露。
另外，如圖14E所描繪的，以鎢填充孔46a，使得第二接點部46形成。在此時，由鋁或銅製造的佈線層M1在包括第二接點部46之第二絕緣層28上的預定位置形成。在圖14E描繪的該範例中，佈線層M1，其經由第一接點部47連接至雜質區域19、中間膜44a、以及第二接點部46構成垂直訊號線VSL。
然後，交替地形成層間絕緣膜30及佈線層，使得具有複數佈線層(在本實施例中的三佈線層M1、M2、以及M3)的多佈線層29形成。
隨後，雖然未描繪於該等圖式中，使用固態成像裝置的通用製造方法，形成平坦化膜、彩色濾波層、及晶片微鏡頭等，且因此完成固態成像裝置45的製造。
在根據第一實施例之製造方法的製程(描繪於圖9G)中，在具有深度與第一絕緣層27及第二絕緣層28之組合厚度相等的孔形成時，有該孔之直徑隨該孔之深度增加而增加的問題。
根據本實施例之固態成像裝置的製造方法，在二步驟中形成將多佈線層29中之佈線層M1(在本實施例中的垂直訊號線VSL)連接至形成在基材13上的期望區域(在本實施例中的雜質區域19)的接點部。結果，在單步驟中形成的孔47a及46a各者可具有已縮減深度。因此，根據本實施例，可能將孔47a及46a形成在具有小厚度之各絕緣層中，且因此減少孔47a及46a各者的高寬比。因此，相較於根據第一實施例的製造方法，可形成非常小的第一接點部47及第二接點部46，此容許減少像素尺寸。當使用根據本實施例的製造方法而無意降低該像素尺寸時，各元件的積體度可增加，其容許光偵測器14之孔尺寸的增加。
在本實施例中，連接至基材13的佈線層M1構成垂直訊號線VSL。各接點部的尺寸可藉由形成接點部而更行縮減，例如，以與上述範例相似的方式將閘極連接至該多佈線層中之佈線的接點部。
在根據本實施例的固態成像裝置45中，可達成與第一實施例中的效果相似的效果。
根據本實施例之固態成像裝置的製造方法可施用至根據第二實施例的固態成像裝置。
4.第四實施例：固態成像裝置
在下文中，將描述根據本發明第四實施例的固態成像裝置。圖15A係概要地描繪根據第四實施例的固態成像裝置57之組態的橫剖面圖。本實施例之固態成像裝置57的全體組態與描繪於圖1中的該固態成像裝置1的組態相似，並將省略其描述。在圖15A中，將相同的參考數字用於指稱與圖3中所描繪之組件相同或對應的組件，且將省略該等組件的描述。固態成像裝置57具有總體快門功能，其中所有像素係同步曝光(訊號電荷同時儲存)，並包括二浮動擴散。
固態成像裝置57包括形成在基材13之上側上的光偵測器14、第一浮動據散15a及第二浮動擴散15b。
將構成第一轉移電晶體Tr1a之閘極50設置在光偵測器14及第一浮動擴散15a之間在形成於基材13的上表面上之閘絕緣膜16上。構成第二轉移電晶體Tr1b的閘極51設置在第一浮動擴散15a及第二浮動擴散15b之間在基材13的閘絕緣膜16上。
雖然未描繪於圖15A中，在本實施例中同樣設置重設電晶體、放大電晶體、及選擇電晶體等，如第一至第三實施例之情形。
第一絕緣層27形成在包括閘極50及51之閘絕緣膜16上。由底佈線層M0構成的光屏蔽膜54在第一絕緣層27上形成於包括第一浮動擴散15a正上方之區域的區域。相似地，由底佈線層M0構成的光屏蔽膜55在第一絕緣層27上形成於包括第二浮動擴散15b正上方之區域的區域。光屏蔽膜54經由形成在第一絕緣層27中的接點部52電性連接至第一浮動擴散15a。光屏蔽膜55經由形成在第一絕緣層27中的接點部53電性連接至第二浮動擴散15b。在本實施例中，光屏蔽膜54及55以及接點部52及53係由鎢製成。
將第二絕緣層28形成在包括光屏蔽膜54及55的第一絕緣層27上。另外，將包含複數佈線層(在本實施例中的三佈線層M1、M2、以及M3)的多佈線層29形成在第二絕緣層28上。位於多佈線層29的該等佈線層之最低位置的佈線層M1係藉由形成在第二絕緣層28中的接點部56電性連接至光屏蔽膜55。雖然未顯示於該圖中，將電性連接至第二浮動擴散15b的佈線層M1連接至該放大電晶體的閘極。
在具有上述組態的固態成像裝置57中，藉由同步曝光在像素2各者之光偵測器14中產生的訊號電荷係在同一時間藉由第一轉移電晶體Tr1a轉移至第一浮動擴散15a。然後，在第一浮動擴散15a中保持預定時間週期之後，該訊號電荷藉由第二轉移電晶體Tr1b逐像素地轉移至第二浮動擴散15b。藉由該放大電晶體(未圖示)將由轉移至第二浮動擴散15b之訊號電荷所導致的電壓變化放大，並將已放大的像素訊號輸出至垂直訊號線。
在本實施例的固態成像裝置57中，第一浮動擴散15a，其將訊號電荷保持長時間，係藉由光屏蔽膜54屏蔽而免於光照射，該光屏蔽膜係由設置成接近基材13之光接收表面的底佈線層M0所構成。此配置可防止入射光洩漏入浮動擴散15a，即使當訊號電荷保持在第一浮動擴散15a中時，其可抑制雜訊及影像品質的退化。
此外，將設置在第一浮動擴散15a之上的光屏蔽膜54電性連接至第一浮動擴散15a。因此，藉由增加光屏蔽膜54的尺寸，可藉由使用光屏蔽膜54的寄生電容增加第一浮動擴散15a中的飽和電荷。
另一方面，在根據本實施例的固態成像裝置57中，將設置在第二浮動擴散15b之上的光屏蔽膜55連接至多佈線層29中的佈線層M1。因此，期望光屏蔽膜55及佈線層M1之間有小的寄生電容。因此，期望光屏蔽膜55具有僅足以屏蔽第二浮動擴散15b免於光照射的尺寸。
與此同時，在本實施例中，不需要將設置在第一浮動據散15a之上的光屏蔽膜54連接至第一浮動擴散15a。在此情形中，如圖15B所描繪的，用於屏蔽第一浮動擴散15a及第二浮動擴散15b二者的光屏蔽膜58係由在浮動擴散15a及15b之上的底佈線層M0所形成。因此，當設置二浮動擴散時，接點部僅在連接至放大電晶體之閘極的位置形成。
以此方式，根據本實施例，甚至在具有總體快門功能的固態成像裝置中，可防止光洩漏入浮動擴散，其中該浮動擴散將訊號電荷保持長時間週期。
同樣在本實施例中，可達成與第一實施例中的效果相似的效果。此外，本實施例中的組態可能與第二及第三實施例中的組態組合。
在前文中，將包括配置成矩陣的像素單元之用於將對應於入射光量的訊號電荷偵測為實體量的CMOS固態成像裝置描述為第一至第四實施例之範例。然而，本發明之應用既不受限於CMOS固態成像裝置，也不受限於包括行電路之通用固態成像裝置，該等行電路用於形成於二維矩陣中之像素部中的個別像素行。
另外，本發明之應用未受限於組態成藉由偵測入射可見光量之分佈而拍攝影像的固態成像裝置。本發明也可能施用於組態成偵測紅外線、X-光、或粒子量之分佈的固態成像裝置。在更廣泛的意義上，本發明也可能施用於通用的固態成像裝置(實體量分佈偵測器)，諸如指紋感測器，其組態成偵測實體量之分佈，諸如壓力及容量，以拍攝影像。
再者，本發明之應用未受限於組態成以列為單位序列地掃描像素部中的像素單元，以從該等像素單元讀取像素訊號的固態成像裝置。本發明也可能施用至組態成選擇任意像素並在逐像素之基礎上從該等已選擇像素讀取訊號的X-Y定址固態成像裝置。
根據本發明實施例的固態成像裝置可能形成為單晶片，或形成為將訊號處理單元及光學系統封裝於其中之具有影像拍攝功能的模組之形式。
此外，本發明之應用未受限於固態成像裝置，且本發明可能施用至成像設備。此種成像設備包括相機系統，諸如數位靜態相機，及具有成像功能的電子設備，諸如行動電話。載置在該電子設備中的模組，亦即，相機模組，也可能作為成像設備使用。
5.第五實施例：電子設備
在下文中，將描述根據本發明第五實施例的電子設備。圖16概要地描繪根據本發明第五實施例之電子設備200的組態。
電子設備200係將上述之根據第一實施例的固態成像裝置1施加至其之電子設備(相機)的範例。
圖16概要地描繪根據本實施例之電子設備200的橫剖面組態。電子設備200可能係能拍攝靜態影像的數位相機。
電子設備200包括固態成像裝置1、光學鏡頭210、快門211、驅動電路212、以及訊號處理電路213。
光學鏡頭210在固態成像裝置1之成像平面上形成與來自成像物件之入射光對應的影像。結果，訊號電荷在固態成像裝置1中儲存預定時間週期。
快門211控制曝光時間及固態成像裝置1的光屏蔽時間。
驅動電路212供應用於控制固態成像裝置1之轉移操作及快門211的快門操作之驅動訊號。固態成像裝置1依據從驅動電路212供應的驅動訊號(時序訊號)轉移訊號。訊號處理電路213實施各種訊號處理。將已處理的影像訊號儲存在儲存媒體中，例如記憶體，或輸出至監視器。
在本實施例的電子設備200中，固態成像裝置1的浮動擴散係有利地藉由底佈線層所構成的光屏蔽膜屏蔽而免於光照射，使得洩漏入該等浮動擴散的光受到抑制。因此，電子設備200可抑制由於雜訊所導致的影像品質退化。
該固態成像裝置1可施用的電子設備200並未受限於相機。電子設備200也可能係成像設備，諸如數位靜態相機及用於可攜式裝置的相機模組，諸如行動電話。
雖然本實施例中，將固態成像裝置1施用至電子設備200，根據上述第二至第四實施例的固態成像裝置也可能施用至電子設備200。
本發明包含與於2009年3月5日向日本特許廳申請之日本優先權專利申請案案號第2009-052324號所揭示的主題內容相關之主題內容，該專利之教示全文以提及之方式併入本文中。
熟悉本發明之人士應能理解不同的修改、組合、次組合、及變更可能取決於設計需求及其他因素而在隨附之申請專利範圍或其等同範圍內發生。
1、35、45、57．．．固態成像裝置
2．．．像素
3．．．像素部
4．．．垂直電路
5．．．行訊號處理電路
6．．．水平驅動電路
7．．．輸出電路
8．．．控制電路
10．．．水平訊號線
11、13．．．基材
12．．．周邊電路區域
14．．．光偵測器
15．．．浮動擴散
15a．．．第一浮動擴散
15b．．．第二浮動擴散
16．．．閘絕緣膜
17、18、19．．．雜質區域
20、21、22、23、50、51．．．閘極
24、34、44、54、55、58．．．光屏蔽膜
25、26、32、33、36、52、53、56．．．接點部
25a、46a、47a．．．孔
26a．．．開口
27．．．第一絕緣層
28．．．第二絕緣層
29．．．多佈線層
30．．．層間絕緣膜
44a．．．中間膜
46．．．第二接點部
47．．．第一接點部
200．．．電子設備
210．．．光學鏡頭
211．．．快門
212．．．驅動電路
213．．．訊號處理電路
M0．．．底佈線層
M1、M2、M3．．．佈線層
Tr1．．．轉移電晶體
Tr1a．．．第一轉移電晶體
Tr1b．．．第二轉移電晶體
Tr2．．．重設電晶體
Tr3．．．放大電晶體
Tr4．．．選擇電晶體
VDD．．．供應電壓
VSL．．．垂直訊號線
ΦTRG．．．轉移脈衝
ΦRST．．．重設脈衝
ΦSEL．．．選擇脈衝
圖1概要地描繪根據本發明第一實施例之固態成像裝置的整體結構；
圖2係描繪在根據本發明第一實施例之固態成像裝置中的單像素的平面圖；
圖3係沿著線III-III'取得的橫剖面圖；
圖4描繪在根據本發明第一實施例之固態成像裝置中的單像素的電路組態；
圖5係描繪光屏蔽膜及閘極之間的電性連接之範例的橫剖面圖；
圖6係描繪光屏蔽膜及閘極之間的電性連接之另一範例的橫剖面圖；
圖7A至7C描繪製造根據本發明第一實施例之固態成像裝置的程序；
圖8D及8E描繪製造根據本發明第一實施例之固態成像裝置的程序；
圖9F至9H描繪製造根據本發明第一實施例之固態成像裝置的程序；
圖10係描繪根據本發明第二實施例之單像素的平面圖；
圖11係沿著圖10之XI-XI'線取得的橫剖面圖；
圖12係描繪根據本發明第三實施例之固態成像裝置的概要橫剖面圖；
圖13A至13C描繪製造根據本發明第三實施例之固態成像裝置的程序；
圖14D及14E描繪製造根據本發明第三實施例之固態成像裝置的程序；
圖15A及15B各者係描繪根據本發明第四實施例的固態成像裝置之組態的概要橫剖面圖；以及
圖16概要地描繪根據本發明第五實施例之電子設備的組態。
13．．．基材
14．．．光偵測器
16．．．閘絕緣膜
15．．．浮動擴散
17、18、19．．．雜質區域
20、21、22、23．．．閘極
24．．．光屏蔽膜
25、26．．．接點部
27．．．第一絕緣層
28．．．第二絕緣層
29．．．多佈線層
30．．．層間絕緣膜
M0．．．底佈線層
M1、M2、M3．．．佈線層
Tr1．．．轉移電晶體
Tr2．．．重設電晶體
Tr3．．．放大電晶體
Tr4．．．選擇電晶體
VSL．．．垂直訊號線

Claims (10)

  1. 一種固態成像裝置，包含：光偵測器，形成在基材上，該光偵測器組態成藉由將入射光轉變為電而產生訊號電荷；浮動擴散，組態成接收由該光偵測器所產生的該訊號電荷；複數個MOS(金屬氧化物半導體)電晶體，包括將該訊號電荷轉移至該浮動擴散的轉移電晶體，以及將與該浮動擴散的電位對應之像素訊號輸出的放大電晶體；多佈線層，形成在高於該基材的層中，該多佈線層係由經由接點部電性連接至該等MOS電晶體之複數佈線層組成；光屏蔽膜，構成於該多佈線層與該基材之表面之間；以及其中，寄生電容存在於該浮動擴散與該光屏蔽膜之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中該光屏蔽膜經由接點部電性連接至該放大電晶體的閘極。
  3. 如申請專利範圍第2項之固態成像裝置，其中將該光屏蔽膜形成為圍繞該光偵測器，除了該光偵測器之孔正上方的區域外。
  4. 如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中該等MOS電晶體係經由中間膜藉由接點部電性 連接至在該多佈線層中的該等佈線層，該中間膜係由該底佈線層構成。
  5. 如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中底佈線層設置在高於該基材並低於該多佈線層之層中，該光屏蔽膜形成在至少將該浮動擴散屏蔽為免受光照射的區域，該光屏蔽膜經由接點部電性連接至該浮動擴散。
  6. 一種用於製造固態成像裝置的方法，該方法包含以下步驟：在基材上形成光偵測器及浮動擴散；在該基材上形成第一絕緣層；在該第一絕緣層中形成孔，使得該浮動擴散曝露；藉由使用金屬材料填充該孔以形成接點部；在包括該接點部之該第一絕緣層上的區域形成由底佈線層構成的光屏蔽膜，該區域屏蔽該浮動擴散以免於光照射；在包括該光屏蔽膜的該第一絕緣層上形成第二絕緣層；在該第二絕緣層上形成具有複數佈線層的多佈線層；以及其中，寄生電容存在於該浮動擴散與該光屏蔽膜之間。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，另外包含以下步驟：形成該光屏蔽膜以圍繞該光偵測器，除了該光偵測器之該孔正上方的區域外。
  8. 一種用於製造固態成像裝置的方法，該方法包含以下步驟：在基材上形成光偵測器、浮動擴散、以及雜質區，該雜質區構成MOS電晶體的預定源極或汲極；藉由移除第一絕緣層在該浮動擴散及該雜質區上方的個別部位，形成用於曝露該浮動擴散及該雜質區的孔；藉由使用金屬材料填充形成在該第一絕緣層中的該等孔以形成接點部；在包括形成於該浮動擴散上的該接點部之該第一絕緣層上的區域形成由底佈線層構成的光屏蔽膜，該區域屏蔽該浮動擴散以免於光照射，並在包括形成於該雜質區上的該接點部之該第一絕緣層上形成由該底佈線層構成的中間膜；在包括該光屏蔽膜及該中間膜的該第一絕緣層上形成第二絕緣層；在該第二絕緣層中形成孔，使得該中間膜曝露；藉由使用金屬材料填充形成在該第二絕緣層中的該孔以形成接點部；形成具有複數佈線層之多佈線層，該等複數佈線層包括連接至形成在該第二絕緣層中之該接點部的佈線；以及其中，寄生電容存在於該浮動擴散與該光屏蔽膜之間。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，另外包含以下步驟：形成該光屏蔽膜，以圍繞該光偵測器，除了該光偵測 器之該孔正上方的區域外。
  10. 一種電子設備，包含：光學鏡頭；固態成像裝置，組態成接收由該光學鏡頭所收集的光，該固態成像裝置包括光偵測器，形成在基材上，該光偵測器組態成藉由將入射光轉變為電而產生訊號電荷、浮動擴散，組態成接收由該光偵測器所產生的該訊號電荷、複數個MOS(金屬氧化物半導體)電晶體，包括將該訊號電荷轉移至該浮動擴散的轉移電晶體，以及將與該浮動擴散的電位對應之像素訊號輸出的放大電晶體、多佈線層，形成在高於該基材的層中，該多佈線層係由經由接點部電性連接至該等MOS電晶體之複數佈線層組成、以及光屏蔽膜，構成於該多佈線層與該基材之表面之間；以及其中，寄生電容存在於該浮動擴散與該光屏蔽膜之間。
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