固态成像装置及其制造方法以及电子设备 分案申请说明
本申请是申请号为 201010124361.9、 申请日为 2010 年 02 月 26 日、 发明名称为 “固 态成像装置及其制造方法以及电子设备” 、 并要求于 2009 年 03 月 05 日递交的日本在先专 利申请 JP2009-052324 的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及固态成像装置。具体而言， 本发明涉及将信号电荷转移到浮动扩散部 的 CMOS 固态成像装置， 以及用于制造该固态成像装置的方法。本发明还涉及采用该固态成 像装置的电子设备。背景技术
固态成像装置通常被分类为 CCD( 电荷耦合器件 ) 固态成像装置和 CMOS( 互补金 属氧化物半导体 ) 固态成像装置。相比 CMOS 固态成像装置， 在 CCD 固态成像装置中， 需要 高驱动电压来转移信号电荷， 并且需要高电源电压。因此， 考虑到功耗问题， CMOS 固态成像 装置优于 CCD 固态成像装置。 因此， 优于 CCD 固态成像装置的 CMOS 固态成像装置已经被广泛地用作诸如配备有 相机的移动电话和 PDA( 个人数字助理 ) 之类的移动设备所用的固态成像装置。
CMOS 固态成像装置包括光电二极管， 并由用于在接收光时产生信号电荷的光电检 测器、 接收由光电二极管产生的信号电荷的浮动扩散部、 以及多个 MOS 晶体管构成。MOS 晶 体管包括转移晶体管、 重置晶体管、 放大晶体管， 并根据需要还包括选择晶体管。这些 MOS 晶体管连接到多层布线层中的预定布线层。在 CMOS 固态成像装置中， 光电检测器中产生并 蓄积的信号电荷基于以像素为单位来由转移晶体管转移到浮动扩散部。 由浮动扩散部读取 的信号电荷由放大晶体管放大并选择性地输出到形成在多层布线层中的竖直信号线中的 一个。
同时， 在这样的 CMOS 固态成像装置中， 更期望具有位于用作光电检测器的光电二 极管上方的较大开口， 以有效地收集入射到光电二极管上的光。
另一方面， 如果浮动扩散部在读取从光电检测器转移的信号电荷的同时接收光， 则也在浮动扩散部中发生光电转换， 这导致了噪声。因此， 期望对浮动扩散部进行遮光。
在根据现有技术的 CMOS 固态成像装置中， 利用布置在衬底上方的多层布线层来 对浮动扩散部进行遮光。但是， 与 CCD 固态成像装置的情况相比， 因为使用如同在其他周边 电路的情况下的 CMOS 处理来形成像素， 所以布线层可能不能布置在紧接着浮动扩散部的 上方。 因此， 不能减小构成遮光膜的布线层与浮动扩散部之间的距离， 并且不能防止光泄漏 到浮动扩散部中。
考虑到以上问题， 日本未经审查的专利申请公开 No.2004-140152 揭示了一种 CMOS 固态成像装置， 其中利用多层栅极电极膜来形成遮光部。 在此技术中， 因为遮光板布置 在紧接着浮动扩散部的上方， 所以可以抑制光泄漏到浮动扩散部中。 但是， 为了形成多层结
构中的栅极电极膜， 栅极电极膜由硅化物制成， 这导致了复杂的制造处理。此外， 由于栅极 电极的不平整， 难以形成用于接触区域的小开口。因此， 为了形成接触区域， 浮动扩散部需 要具有较大面积。此外， 由于栅极电极层之间较大的寄生电容导致栅极电极层之间的干扰 也成为所关心的问题。
日本未经审查的专利申请 No.2004-71931 揭示了一种技术， 其中放大晶体管 和浮动扩散部的栅极电极在没有布线的情况下电连接。这提高了布线层的布局方面的 自由度， 从而可以增大光电检测器的开口的尺寸。但是， 根据日本未经审查的专利申请 No.2004-71931， 利用布置在上层的多层布线层中配置的布线来对浮动扩散部进行遮光。 这 使得光在遮光膜和浮动扩散部之间行进， 导致不足的遮光效果。 发明内容 已经考虑到以上情况进行了本发明。因此， 存在对于能有效地对浮动扩散部进行 遮光从而使图像具有改善的质量的固态成像装置的需求。 还存在对于利用该固态成像装置 的电子设备的需求。
期望根据本发明的固态成像装置包括光电检测器、 浮动扩散部、 多个 MOS 晶体管、 多层布线层、 以及遮光膜。
光电检测器形成在衬底上， 并通过将入射光转换为电来产生信号电荷。浮动扩散 部被配置为接收由所述光电检测器产生的所述信号电荷。MOS 晶体管包括将所述信号电荷 转移到所述浮动扩散部的转移晶体管和输出与所述浮动扩散部的电位相对应的像素信号 的放大晶体管。 多层布线层形成在高于所述衬底的层中， 并且包括经由接触部分与所述 MOS 晶体管电连接的多个布线层。 遮光膜由布置在高于所述衬底并低于所述多层布线层的层中 的底布线层构成。所述遮光膜形成在对至少所述浮动扩散部进行遮光的区域中， 并且经由 接触部分电连接到所述浮动扩散部。
在根据本发明的实施例的固态成像装置中， 通过由底布线层构成的遮光膜对浮动 扩散部进行遮光。 底布线层布置在低于多层布线层并且靠近衬底的上表面的位置处。 因此， 由底布线层构成的遮光膜可以防止光泄漏到浮动扩散部中。
在根据本发明的实施例的一种固态成像装置的制造方法中， 首先在衬底上形成光 电检测器和浮动扩散部。然后， 在所述衬底上形成第一绝缘层。然后， 在所述第一绝缘层中 形成开口， 使得将所述浮动扩散部暴露。随后， 通过用金属材料填充所述开口来形成接触 部分。然后， 在包括所述接触部分的所述第一绝缘层上的对所述浮动扩散部进行遮光的区 域处， 由底布线层形成遮光膜。 此外， 在包括所述遮光膜的所述第一绝缘层上形成第二绝缘 层。然后， 在所述第二绝缘层上形成具有多个布线层的多层布线层。
在根据本发明的实施例的一种固态成像装置的制造方法中， 首先在衬底上形成光 电检测器、 浮动扩散部和掺杂区域， 所述掺杂区域构成 MOS 晶体管的预定源极或漏极。然 后， 通过去除在所述浮动扩散部和所述掺杂区域上方的第一绝缘层的各部分， 来形成用于 使所述浮动扩散部和所述掺杂区域暴露的开口。然后， 通过用金属材料填充形成在所述第 一绝缘层中的所述开口来形成接触部分。随后， 在包括形成在所述浮动扩散部上的所述接 触部分的所述第一绝缘层上的对所述浮动扩散部进行遮光的区域处， 由底布线层形成遮光 膜。 还在包括形成在所述掺杂区域上的所述接触部分的所述第一绝缘层上形成由所述底布
线层构成的中间膜。然后， 在包括所述遮光膜和所述中间膜的所述第一绝缘层上形成第二 绝缘层。随后， 在所述第二绝缘层中形成开口使得将所述中间膜暴露。然后， 通过用金属 材料填充形成在所述第二绝缘层中的所述开口来形成接触部分。此外， 形成具有多个布线 层的多层布线层， 所述布线层包括与形成在所述第二绝缘层中的所述接触部分电连接的布 线。
根据本发明的实施例的一种电子设备包括光学透镜、 上述固态成像装置和信号处 理电路。
根据本发明的实施例， 提供了对由噪声引起的图像质量的劣化进行抑制的固态成 像装置， 并提供了利用该固态成像装置的电子设备。 附图说明
图 1 示意性地图示了根据本发明的第一实施例的固态成像装置的整体结构的剖 图 2 是图示根据本发明的第一实施例的固态成像装置中的单个像素的平面视图 ； 图 3 是沿着线 III-III′所取的剖视图 ；视图 ；
图 4 图示了根据本发明的第一实施例的固态成像装置中的单个像素的电路构造 ；
图 5 是图示遮光膜和栅极电极之间的电连接的示例的剖视图 ；
图 6 是图示遮光膜和栅极电极之间的电连接的另一个示例的剖视图 ；
图 7A 至 7C 图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理 ；
图 8D 和 8E 图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理 ；
图 9F 至 9H 图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理 ；
图 10 是图示根据本发明的第二实施例的单个像素的平面图 ；
图 11 是沿着图 10 中的线 XI-XI′所取的剖视图 ；
图 12 是图示根据本发明的第三实施例的固态成像装置的示意性剖视图 ；
图 13A 至 13C 图示了根据本发明的第三实施例制造固态成像装置的处理 ；
图 14D 和 14E 图示了根据本发明的第三实施例制造固态成像装置的处理 ；
图 15A 和 15B 是分别图示了根据本发明的第四实施例制造固态成像装置的构造的 示意性横截面图 ； 并且
图 16 示意性地图示了根据本发明的第五实施例的电子设备的构造。 具体实施方式
以下， 将参照图 1 至图 16 详细说明根据本发明的实施例的固态成像装置、 固态成 像装置的制造方法以及电子设备。 将以下述顺序来对本发明的优选实施例进行说明。 注意， 本发明不限于下述示例 ：
1. 第一实施例 ： 固态成像装置
1.1 固态成像装置的总体构造
1.2 主要部件的构造
1.3 固态成像装置的制造方法
2. 第二实施例 ： 固态成像装置3. 第三实施例 ： 固态成像装置
3.1 主要部件的构造
3.2 固态成像装置的制造方法
4. 第四实施例 ： 固态成像装置
5. 第五实施例 ： 电子设备
1. 第一实施例 ： 固态成像装置
[1.1 固态成像装置的总体构造 ]
图 1 是图示根据本发明的第一实施例的固态成像装置的总体构造的框图。
根据本实施例的固态成像装置 1 包括 ： 由布置在由硅形成的衬底 11 上的多个像素 2 形成的像素部分 3、 竖直驱动电路 4、 列信号处理电路 5、 水平驱动电路 6、 输出电路 7 和控 制电路 8。
每个像素 2 都包括光电检测器， 光电检测器包括光电二极管和多个 MOS( 金属氧 化物半导体 ) 晶体管， 并且像素 2 以规则的二维阵列排列在衬底 11 上。构成像素 2 的 MOS 晶体管可以由四个 MOS 晶体管组成， 包括转移晶体管、 重置晶体管、 选择晶体管和放大晶体 管。MOS 晶体管还可以由四个晶体管的树 (tree) 构成 ( 不包括选择晶体管 )。 像素部分 3 由排列为规则二维阵列的像素 2 构成。像素部分 3 包括有效像素区域 和黑基准像素区域 ( 未示出 )。 有效像素区域用于接收光、 将通过光电转换产生的信号电荷 放大、 并将信号电荷转移到列信号处理电路 5。 黑基准像素区域用于输出作为基准黑电平的 光学黑电平。通常， 这样的黑基准像素区域围绕有效像素区域的外周部设置。
控制电路 8 产生诸如时钟信号和控制信号之类的信号， 以基于竖直同步信号、 水 平同步信号和主时钟信号来控制竖直驱动电路 4、 列信号处理电路 5 和水平驱动电路 6 的操 作。由控制电路 8 产生的信号被输入到竖直驱动电路 4、 列信号处理电路 5、 和水平驱动电 路 6 等。
竖直驱动电路 4 由例如移位寄存器构成， 并选择性地以行为单位相继地沿着竖直 方向扫描像素部分 3 中的像素 2。然后， 竖直驱动电路 4 将像素信号通过竖直信号线供应 到列信号处理电路 5。基于在像素 2 的各个光电二极管中根据接收光的量而产生的信号电 荷， 来产生像素信号。
列信号处理电路 5 为像素 2 的各列设置。每个列信号处理电路 5 利用来自黑基准 像素区域 ( 其围绕有效像素区域 ( 未示出 ) 的外周部设置 ) 的信号， 以列为单位对从像素 2 输出的与单行对应的信号执行诸如降噪和信号放大之类的信号处理。水平选择开关 ( 未 示出 ) 设置在列信号处理电路 5 的输出段和水平信号线 10 之间。
水平驱动电路 6 由例如移位寄存器构成。水平驱动电路 6 相继地选择列信号处理 电路 5 以使各列信号处理电路 5 将像素信号输出到水平信号线 10。
输出电路 7 对从各列信号处理电路 5 通过水平信号线 10 相继地供应的信号执行 信号处理， 并输出处理后的信号。
[1.2 主要部件的构造 ]
以下， 将参照图 2 至图 4 对根据本实施例的固态成像装置的主要部件的示意性构 造进行说明。图 2 是图示根据本实施例的固态成像装置 1 中的单个像素的平面视图。图 3 是沿着图 2 中的线 III-III′所取的剖视图。图 4 图示了在根据本实施例的固态成像装置
1 中与单个像素相对应的电路构造。
参照图 2， 根据本实施例的每个像素 2 具有光电检测器 14、 浮动扩散部 15、 以及多 个 MOS 晶体管。在本实施例中， MOS 晶体管包括转移晶体管 Tr1、 重置晶体管 Tr2、 放大晶体 管 Tr3、 以及选择晶体管 Tr4。在本实施例中， 用于覆盖浮动扩散部 15 的遮光膜 24 设置在 浮动扩散部 15 上方。
如图 3 所示， 光电检测器 14 由布置在由硅制成的衬底 13 的上表面上的预定位置 处的光电二极管形成。光电检测器 14 产生与入射光的量相对应的信号电荷， 并蓄积信号电 荷。
浮动扩散部 15 布置在衬底 13 的表面上与光电检测器 14 相邻的位置处。光电检 测器 14 和浮动扩散部 15 之间的区域用作转移晶体管 Tr1 的沟道区。
光电检测器 14 还包括位于衬底 13 的用作光入射表面的上表面上的预定位置处的 掺杂区域 17、 18 和 19， 掺杂区域 17、 18 和 19 形成 MOS 晶体管的源极 / 漏极区， 其将在下文 进行说明。栅极电极 20、 21、 22 和 23 也隔着绝缘膜 16 布置在衬底 13 上。
转移晶体管 Tr1 包括由光电检测器 14 构成的源极、 由浮动扩散部 15 构成的漏极、 以及形成在源极和漏极之间的栅极电极 20。如图 4 所示， 转移脉冲 φTRG 被供应到转移晶 体管 Tr1 的栅极电极 20。结果， 光电检测器 14 中蓄积的信号电荷被转移到浮动扩散部 15。 重置晶体管 Tr2 具有由浮动扩散部 15 构成的源极、 由被供应有电源电压 VDD 的掺 杂区域 17 构成的漏极、 以及形成在源极和漏极之间的栅极电极 21。如图 4 所示， 重置脉冲 φRST 被供应到重置晶体管 Tr2 的栅极电极 21。这使得浮动扩散部 15 的电位被重置为大 约是电源电压 VDD 的电位。
放大晶体管 Tr3 包括由被供应有电源电压 VDD 的掺杂区域 17 构成的源极、 由掺杂 区域 18 构成的漏极、 以及形成在源极和漏极之间的栅极电极 22。如图 4 所示， 浮动扩散部 15 的电位被供应到放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22。这使得与该电位相对应的像素信号被 输出到用作漏极的掺杂区域 18。
选择晶体管 Tr4 包括由掺杂区域 18 构成的源极、 由连接到竖直信号线 VSL 的掺杂 区域 19 构成的漏极、 以及形成在源极和漏极之间的栅极电极 23。 用作选择晶体管 Tr4 的源 极的掺杂区域 18 也用作放大晶体管 Tr3 的漏极。如图 4 所示， 选择脉冲 φSEL 被供应到选 择晶体管 Tr4 的栅极电极 23。结果， 像素信号被输出到竖直信号线 VSL。
如图 3 所示， 第一绝缘层 27 形成在包括栅极电极 21 至 23 的栅极绝缘膜 16 上。 由 底布线层 M0 构成的遮光膜 24 在浮动扩散部 15 上方的区域中布置在第一绝缘层 27 上。此 遮光膜 24( 底布线层 M0) 由金属制成， 并通过形成在浮动扩散部 15 中的接触部分 25 电连 接到浮动扩散部 15。在本实施例中， 用于形成接触部分 25 和遮光膜 24 的金属可以是例如 钨。对于底布线层 M0， 可以使用诸如钨、 铝和铜之类的金属。具体而言， 将作为与通常用于 接触部分相同的材料的钨用于底布线层 M0 提高了制造处理的可靠性。
此外， 第二绝缘层 28 形成在包括遮光膜 24 的第一绝缘层 27 上。多层布线层 29 形成在第二绝缘层 28 上。在多层布线层 29 中， 形成多个布线层， 并且布线层之间形成有中 间绝缘膜。在本实施例中， 设置了三个布线层 M1、 M2 和 M3。三个布线层 M1 到 M3 中位于最 下层位置的布线层 M1 构成竖直信号线 VSL。该竖直信号线 VSL 经由接触部分 26( 其形成为 穿过第二绝缘层 28、 第一绝缘层 27 和栅极绝缘膜 16) 电连接到构成选择晶体管 Tr4 的掺杂
区域 19。多层布线层 29 中的各布线层 M1、 M2 和 M3 经由接触部分 ( 未示出 ) 连接到栅极 电极 20、 21、 22 和 23 等， 以用作根据需要供应脉冲信号的布线。布线层 M1、 M2 和 M3 优选地 由诸如铝和铜之类的低阻抗金属形成。接触部分 26 可以由钨形成。
如上所述， 在根据本实施例的固态成像装置 1 中， 对浮动扩散部 15 进行遮光的遮 光膜 24 由形成在高于衬底 13 且低于多层布线层 29 的层中的金属制成。
而且， 需要使浮动扩散部 15 和栅极电极 22 彼此电连接。
图 5 是图示遮光膜 24 和栅极电极 22 之间的电连接的示例的剖视图。
在此示例中， 利用多层布线层 29 中的布线层 M1、 M2 和 M3 中布置在最下层位置的 布线层 M1 使浮动扩散部 15 连接到放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22。在此情况下， 如图 5 所 示， 遮光膜 24 经由接触部分 32 电连接到布线层 M1， 并且栅极电极 22 经由接触部分 33 由电 连接到布线层 M1， 由此浮动扩散部 15 和栅极电极 22 彼此电连接。
在图 6 中图示了遮光膜 24 和栅极电极 22 之间的电连接的另一个示例。
在此示例中， 遮光膜 24 用作用于将浮动扩散部 15 和栅极电极 22 连接的布线。在 此示例中， 如图 6 所示， 遮光膜 24 在放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22 的上方延伸， 并经由接 触部分 36 连接到栅极电极 22。利用此配置， 浮动扩散部 15 和栅极电极 22 彼此电连接。在 本实施例中， 遮光膜 24 由金属形成， 以还用作将浮动扩散部 15 和栅极电极 22 连接的布线。 这与图 5 图示的情况相比， 可以增大由布线层 M1 占用的区域的尺寸， 并从而可以增大光电 检测器 14 的开口的尺寸。
在具有以上构造的固态成像装置 1 中， 光电检测器 14 中的信号电荷通过转移晶体 管 Tr1 转移到浮动扩散部 15。由浮动扩散部 15 读取的信号电荷通过放大晶体管 Tr3 放大 并通过选择晶体管 Tr4 选择性地转移到竖直信号线 VSL。 由浮动扩散部 15 读取的信号电荷 通过重置晶体管 Tr2 重置为与大约是电源电压 VDD 的电位。
[1.3 固态成像装置的制造方法 ]
以下， 将参照图 7A 至图 9H 对根据本实施例的固态成像装置的制造方法进行说明。 图 7A 至图 9H 图示了根据本实施例的固态成像装置 1 的制造方法中的处理。
首先， 通过离子注入工艺用预定导电类型的杂质对衬底 13 的上表面 ( 即光入射表 面 ) 进行掺杂。结果， 如图 7A 所示， 在衬底 13 上形成栅极绝缘膜 16， 并在栅极绝缘膜 16 上 的预定位置处形成栅极电极 20、 21、 22 和 23。 通过对沉积在栅极绝缘膜 16 上的多晶硅膜进 行图案化来形成这些栅极电极 20、 21、 22 和 23。
然后， 如图 7B 所示， 将栅极电极 20 至 23 用作掩模， 形成光电检测器 14、 浮动扩散 部 15 以及用作各 MOS 晶体管的源极和漏极的掺杂区域 17、 18 和 19。
然后， 如图 7C 所示， 在包括栅极电极 20 至 23 的栅极绝缘膜 16 的上表面上形成第 一绝缘层 27。
随后， 如图 8D 所示， 形成穿过栅极绝缘膜 16 和第一绝缘层 27 的开口 25a， 使得将 浮动扩散部 15 暴露。
然后， 如图 8E 所示， 用钨填充开口 25a， 以形成接触部分 25。然后， 将由钨制成的 底布线层 M0 布置在第一绝缘层 27 上， 以位于浮动扩散部 15 的上方。此底布线层 M0 构成 遮光膜 24。 由钨成的金属膜形成在第一绝缘层 27 的整个上表面上， 然后通过对钨金属膜进 行图案化来形成遮光膜 24。期望的是， 由遮光膜 24 在第一绝缘层 27 上占用的区域大于浮动扩散部 15 的上表面。此配置提高了对于从各种角度入射的光的遮光效果。
随后， 如图 9F 所示， 在包括遮光膜 24 的第一绝缘层 27 上形成第二绝缘层 28。
然后， 如图 9G 所示， 在第二绝缘层 28 的预定位置处形成用于提供接触部分 26 的 开口 26a。在本实施例中， 开口 26a 穿透第二绝缘层 28、 第一绝缘层 27 和栅极绝缘膜 16， 使 得将用作选择晶体管 Tr4 的漏极的掺杂区域 19 暴露。
然后， 如图 9H 所示， 用钨填充开口 26a， 以形成接触部分 26。
虽然在图中未示出， 将由铝或铜形成的布线层 M1 布置在第二绝缘层 28 上包括接 触部分 26 的区域。此处理之后跟着如下处理 ： 形成布线层 M2 和 M3 并且两者之间具有中间 绝缘膜 30， 以形成具有三个布线层 M1、 M2 和 M3 的多层布线层 29。期望的是， 布线层 M1 至 M3 具有低阻抗并且由铝或铜制成。
随后， 利用固态成像装置的通用制造方法， 来形成平坦化层、 颜色过滤层、 片上微 透镜等， 从而完成固态成像装置 1 的制造。
在上述制造方法中， 当期望如图 5 所示的情况那样利用布线层 M1 将浮动扩散部 15 连接到放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22 时， 在如图 9G 和 9H 所示的处理中形成接触部分 32 和 33。然后， 通过经由布线层 M1 将接触部分 32 连接到接触部分 33， 使浮动扩散部 15 电连 接到放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22。 在上述制造方法中， 当期望如图 6 所示的情况那样利用遮光膜 24 将浮动扩散部 15 连接到放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22 时， 在如图 8D 所示的处理中在栅极电极 22 上方形成 开口。然后， 用钨填充设置在栅极电极 22 上方的开口， 从而形成接触部分 36。在此情况下， 在如图 8E 所示的处理中将遮光膜 24 形成为在接触部分 36 上方延伸。因此， 浮动扩散部 15 和放大晶体管 Tr3 的栅极电极 22 彼此电连接。
在本实施例中， 在形成栅极电极 20 至 23 之后执行形成光电检测器 14、 浮动扩散 部 15 和掺杂区域 17 至 19 的处理。但是， 可以以各种方式修改处理的顺序， 并且可以在形 成栅极电极 20 至 23 之前形成光电检测器 14、 浮动扩散部 15 和掺杂区域 17 至 19。此外， 在上述实施例中， 形成在多层布线层 29 中的竖直信号线 VSL 通过接触部分 26 连接到选择 晶体管 Tr4 的掺杂区域 19。可以使布线层 ( 即， M1、 M2 和 M3) 中的其他布线通过由与上述 那些处理相似的处理形成的接触部分来连接到期望的区域。
通过以上处理制造固态成像装置 1。
根据本实施例的固态成像装置 1， 用于对浮动扩散部 15 进行遮光的遮光膜 24 形成 在低于多层布线层 29 的层中。结果， 衬底 13 的上表面和遮光膜 24 之间的距离减小。这使 得可以抑制光从诸如形成在浮动扩散部和液晶面板 42 之间的绝缘层之类的层间膜泄漏到 浮动扩散部 15 中。因此， 在将信号电荷从光电检测器 14 转移到浮动扩散部 15 期间由于入 射到浮动扩散部 15 上的光引起的噪声可以得到抑制， 这提高了图像质量。
此外， 根据本实施例的固态成像装置 1， 在浮动扩散部 15 和遮光膜 24 之间产生寄 生电容。这表示遮光膜 24 的使用可以增大浮动扩散部 15 中的饱和电荷。
此外， 根据现有技术， 当多层布线层 29 的布线层 ( 例如， 布线层 M1) 被用于形成遮 光膜时， 用于遮光的布线区域和用于其他布线的布线区域两者都是需要的。 即， 根据现有技 术， 需要在相同层中设置大量布线区域。 但是， 根据本实施例中的固态成像装置 1， 由设置在 低于多层布线层 29 的层中的底布线层 M0 来构成遮光膜 24。因此， 不需要在多层布线层 29
的布线层 M1 至 M3 中制造用于遮光的布线。结果， 由多层布线层 29 中布线层 M1 至 M3 占用 的区域的尺寸减小， 允许光电检测器 14 的开口的尺寸的增大。因此， 在每个像素 2 中入射 到光电检测器 14 上的光量可以得到增大。
根据近年来研发的技术， 具有全局快门功能 ( 同时快门功能 ) 的 CMOS 固态成像装 置可以采用其中将信号电荷较长时间段地存储在浮动扩散部中的驱动系统。在这种 CMOS 固态成像装置中， 通过全部像素的同时曝光产生的信号电荷被同时转移到浮动扩散部， 并 接着线顺次地 (line-sequentially) 输出到竖直信号线 VSL。 在此情况下， 存储在浮动扩散 部中的信号电荷并不立即转移到竖直信号线， 泄漏到浮动扩散部中的光引起图像质量的显 著劣化。即使在信号电荷短时间段地存储在浮动扩散部中， 高亮度光入射在浮动扩散部中 也将导致图像质量的劣化。
与根据现有技术的固态成像装置相比， 根据本实施例中的固态成像装置 1， 可以通 过遮光膜 24 的效果来对光泄漏到浮动扩散部 15 中进行抑制。 因此， 本实施例可以有利地应 用于具有全局快门功能的固态成像装置的制造， 在具有全局快门功能的固态成像装置中， 由于信号电荷在浮动扩散部中较长的存储时间段， 光泄漏到浮动扩散部中将显著影响图像 质量。此外， 固态成像装置 1 能够抑制由于高亮度的光入射到浮动扩散部 15 中引起的图像 质量的劣化。 在以上实施例中， 布置在低于多层布线层 29 的层中的底布线层 M0 被用作像素部 分 3 中的遮光膜 24。底布线层 M0 可以用于像素部分 3 以及用于像素部分 3 和周边电路区 域 12 两者。
当构成遮光膜 24 的底布线层 M0 仅用于形成像素部分 3 时， 可以使用具有通用构 造的周边电路区域 12。通常， 在周边电路区域 12 中， 对于逆变器、 NAND 和 NOR 之类的每个 基本部件准备基本布局， 并且在多层布线层 29 中制造这些部件。因此， 当底布线层 M0 仅构 成像素部分 3 时， 可以通过采用根据现有技术的处理来制造周边电路区域 12。 具体而言， 当 底布线层 M0 构成周边电路区域 12 时， 可能由于与其他布线层相关的寄生电容导致信号延 迟等的发生。如果担心这样的延迟， 则底布线层 M0 可以仅用于制造像素部分 3。
此外， CMOS 固态成像装置可以设置有安装在相同芯片上的各种模拟电路和 A/ D( 模拟 / 数字 ) 转换器。这样的电路包括诸如与浮动扩散部相似地电浮动的 S/H( 采样保 持 ) 电容器之类的节点和元件。理想地， 对这些节点和元件进行充分的遮光。根据本实施 例中的固态成像装置 1， 可以通过将底布线层 M0 用作由底布线层 M0 构成的遮光膜， 来对在 周边电路区域 12 中的节点和元件进行遮光。因此， 即使在底布线层 M0 还用作用于周边电 路区域 12 的遮光膜时， 固态成像装置 1 也可以提高遮光性。
此外， 构成遮光膜 24 的底布线层 M0 也可以用作周边电路区域 12 中的布线。在此 情况下， 底布线层 M0 用作各模块中的布线， 其能够提高各模块的集成程度。因此， 每个模块 的尺寸可以得到减小， 并且可以实现固态成像装置 1 的尺寸减小。
2. 第二实施例 ： 固态成像装置
以下， 将对根据本发明的第二实施例的固态成像装置进行说明。图 10 是图示在 根据本发明的第二实施例的固态成像装置 35 中的单个像素的平面视图。图 11 是沿着线 XI-XI′所取的剖视图。在本实施例中的固态成像装置 35 的总体构造与如图 1 所示的固态 成像装置 1 的总体构造相似， 并且将省略其说明。本实施例中的固态成像装置 35 具有与如
图 4 所示的第一实施例中的像素 2 相似地构造的像素 2， 因此将省略其说明。在图 10 和图 11 中， 相同的附图标记用于表示分别与图 2 和图 3 中所示的那些部件相同或相应的部件。
根据本实施例的固态成像装置 35 包括遮光膜 34， 遮光膜 34 是根据第一实施例的 固态成像装置 1 中遮光膜 24 的修改方案的示例。
如图 10 所示， 在本实施例的固态成像装置 35 中， 遮光膜 34 从覆盖浮动扩散部 15 的区域延伸到围绕光电检测器 14 的区域， 但光电检测器 14 的开口正上方的区域除外。在 本实施例中， 遮光膜 34 的覆盖浮动扩散部 15 的部分电连接到遮光膜 34 的围绕光电检测器 14 的部分。但是， 这些部分可以彼此分离。
在本实施例中的固态成像装置 35 中， 浮动扩散部 15 和放大晶体管 Tr3 的栅极电 极 22 以与如图 5 或图 6 所示的示例相同的方式彼此电连接。
为了制造根据本实施例的固态成像装置 35， 在如第一实施例的图 8E 所示的处理 中， 对底布线层 M0 进行图案化， 使得遮光膜 34 在光电检测器 14 周围延伸。
在固态成像装置 35 中， 遮光膜 34 形成在低于多层布线层 29 的层中， 使得形成在 光电检测器 14 周围的遮光膜 34 更靠近衬底 13。 此配置防止了入射在相邻像素上的光的混 合。例如， 可以防止已经经过像素 2 中的一个像素的红色过滤器的光进行到构成像素 2 中 具有绿色过滤器的相邻的一个像素的光电检测器 14 中。因此， 可以避免颜色的混合， 从而 可以提高图像质量。 在本实施例中， 除了以上效果之外， 可以获得与第一实施例中相似的效果和优点。
3. 第三实施例 ： 固态成像装置
以下， 将对根据本发明的第三实施例的固态成像装置进行说明。
图 12 是根据本发明的第三实施例的固态成像装置 45 的示意性剖视图。固态成像 装置 45 的总体构造与如图 1 所示的第一实施例中的固态成像装置 1 的总体构造相似， 因而 将省略其说明。 此外， 在固态成像装置 45 中， 单个像素的平面布局电路构造与如图 2 和图 4 所示的第一实施例中的那些相似， 并将省略其说明。在图 12 中， 相同的附图标记用于表示 与图 3 中所示的那些部件相同或相应的部件。
[3.1 主要部件的构造 ]
在根据本实施例的固态成像装置 45 中， 构成选择晶体管 Tr4 的漏极的掺杂区域 19 经由由底布线层 M0 构成的中间膜 44a 连接到竖直信号线 VSL。即， 竖直信号线 VSL 和掺杂 区域 19 经由形成在第一绝缘层 27 中的接触部分 47、 中间膜 44a 和形成在第二绝缘层 28 中 的接触部分 46 而电连接。
[3.2 固态成像装置的制造方法 ]
参照图 13A 和图 14E， 将对根据本实施例的固态成像装置 45 的制造方法进行说明。 图 13A 至图 14E 图示了固态成像装置 45 的制造方法中的各处理。
在图 13A 所示的处理之前执行的处理与如图 7A 至 7C 所示的第一实施例中的处理 相似， 因此将省略其说明。
在如图 7C 所示形成第一绝缘层 27 之后， 如图 13A 所示， 开口 25a 形成为穿过栅极 绝缘膜 16 和第一绝缘层 27， 从而暴露浮动扩散部 15。同时， 开口 47a 形成为穿过栅极绝缘 膜 16 和第一绝缘层 27， 从而暴露构成选择晶体管 Tr4 的掺杂区域 19。
然后， 如图 13B 所示， 用钨填充形成在浮动扩散部 15 上方的开口 25a， 使得形成接
触部分 25。 同时， 用钨填充形成在掺杂区域 19 上方的开口 47a， 使得形成第一接触部分 47。 然后， 在第一绝缘层 27 上覆盖浮动扩散部 15 的区域和包括第一接触部分 47 的区域处形成 由钨制成的底布线层 M0。 形成在覆盖浮动扩散部 15 的区域处的底布线层 M0 被用作遮光膜 44， 并且形成在第一绝缘层 27 上包括第一接触部分 47 的区域处的底布线层 M0 被用作中间 膜 44a。通过对形成在第一绝缘层 27 的整个上表面上的钨金属膜进行图案化， 来形成遮光 膜 44 和中间膜 44a。理想地， 在第一绝缘层 27 上由遮光膜 44 占用的区域大于浮动扩散部 15 的上表面。此配置提高了对于从各种角度入射的光的遮光效果。
随后， 如图 13C 所示， 在包括遮光膜 44 和中间膜 44a 的第一绝缘层 27 上进一步形 成第二绝缘层 28。
然后， 如图 14D 所示， 在第二绝缘层 28 中形成开口 46a， 使得将中间膜 44a 暴露。
此外， 如图 14E 所示， 用钨填充开口 46a， 使得形成第二接触部分 46。同时， 在包括 第二接触部分 46 的第二绝缘层 28 上的预定位置处， 形成由铝或铜制成的布线层 M1。在如 图 14E 所示的示例中， 经由第一接触部分 47、 中间膜 44a 和第二接触部分 46 连接到掺杂区 域 19 的布线层 M1 构成竖直信号线 VSL。
然后， 交替地形成中间绝缘膜 30 和布线层， 使得形成具有多个布线层的多层布线 层 29( 在本实施例中为三个布线层 M1、 M2 和 M3)。
随后， 虽然附图中未图示， 但是利用通用的固态成像装置的制造方法， 来形成平坦 化层、 颜色过滤器层、 片上微透镜等， 从而完成固态成像装置 45 的制造。
在根据第一实施例中的制造方法的处理 ( 如图 9G 所示 ) 中， 在形成深度等于第一 绝缘层 27 和第二绝缘层 28 的合计厚度的开口时， 存在开口的直径随着开口深度的增大而 增大的问题。
根据本实施例中的固态成像装置的制造方法， 将多层布线层 29 中的布线层 M1( 本 实施例中的竖直信号线 VSL) 连接到形成在衬底 13 上的期望区域 ( 本实施例中的掺杂区 域 19) 的接触部分以两个步骤来形成。结果， 均在单个步骤中形成的开口 47a 和 46a 每个 可以具有减小的深度。 因此， 根据本实施例， 可以在每个均具有较小厚度的绝缘层中形成开 口 47a 和 46a， 从而可以减小开口 47a 和 46a 每个的高宽比。因此， 与根据第一实施例的制 造方法相比， 第一接触部分 47 和第二接触部分 46 可以形成为非常小， 这允许像素尺寸的减 小。当在不试图减小像素尺寸的情况下采用根据本实施例的制造方法时， 可以提高每个元 件的集成程度， 这允许光电检测器 14 的开口的尺寸的增大。
在本实施例中， 连接到衬底 13 的布线层 M1 构成竖直信号线 VSL。 通过例如以与以 上示例相似的方式形成将栅极电极连接到多层布线层中的布线的接触部分， 每个接触部分 的尺寸可以得到进一步减小。
在根据本实施例的固态成像装置 45 中， 可以实现与第一实施例中相似的效果。
根据本实施例的固态成像装置的制造方法可以应用于根据第二实施例的固态成 像装置。
4. 第四实施例 ： 固态成像装置
以下， 将描述根据本发明的第四实施例的固态成像装置。图 15A 是示意性地图示 根据第四实施例的固态成像装置 57 的构造的剖视图。本实施例中的 57 的总体构造类似于 如图 1 所示的固态成像装置 1 的总体构造， 并将省略其说明。在图 15A 中， 相同的附图标记用于表示与图 3 中所示的那些部件相同或相应的部件， 并将省略其说明。固态成像装置 57 具有其中全部像素被同时曝光 ( 信号电荷被同时存储 ) 的全局快门功能， 并包括两个浮动 扩散部。
固态成像装置 57 包括形成在衬底 13 的上侧的光电检测器 14、 第一浮动扩散部 15a 和第二浮动扩散部 15b。
构成第一转移晶体管 Tr1a 的栅极电极 50 在光电检测器 14 和第一浮动扩散部 15a 之间被布置在形成在衬底 13 的上表面上的栅极绝缘膜 16 上。构成第二转移晶体管 Tr1b 的栅极电极 51 在第一浮动扩散部 15a 和第二浮动扩散部 15b 之间被布置在位于衬底 13 上 的栅极绝缘膜 16 上。
虽然图 15A 中未图示， 但是同样在本实施例中， 如同第一至第三实施例那样， 设置 重置晶体管、 放大晶体管、 选择晶体管等。
第一绝缘层 27 形成在包括栅极电极 50 和 51 的栅极绝缘膜 16 上。由底布线层 M0 构成的遮光膜 54 在包括第一浮动扩散部 15a 正上方区域的区域处形成在第一绝缘层 27 上。相似地， 由底布线层 M0 构成的遮光膜 55 在包括第二浮动扩散部 15b 正上方区域的区 域处形成在第一绝缘层 27 上。遮光膜 54 经由形成在第一绝缘层 27 中的接触部分 52 电连 接到第一浮动扩散部 15a。遮光膜 55 经由形成在第一绝缘层 27 中的接触部分 53 电连接到 第二浮动扩散部 15b。在本实施例中， 遮光膜 54 和 55 以及接触部分 52 和 53 由钨制成。
第二绝缘层 28 形成在包括遮光膜 54 和 55 的第一绝缘层 27 上。此外， 包括多个 布线层 ( 在本实施例中为三个布线层 M1、 M2 和 M3) 的多层布线层 29 形成在第二绝缘层 28 上。 在多层布线层 29 中的布线层中位于最下层位置的布线层 M1 通过形成在第二绝缘层 28 中的接触部分 56 电连接到遮光膜 55。虽然图中未示出， 但是电连接到第二浮动扩散部 15b 的布线层 M1 连接到放大晶体管的栅极电极。
在具有以上构造的固态成像装置 57 中， 通过同时曝光在每一个像素 2 的光电检测 器 14 中产生的信号电荷同时通过第一转移晶体管 Tr1a 转移到第一浮动扩散部 15a。 然后， 在保存在第一浮动扩散部 15a 中达预定时间段之后， 由第二转移晶体管 Tr1b 以像素为单位 将信号电荷转移到第二浮动扩散部 15b。由转移到第二浮动扩散部 15b 的信号电荷引起的 电压波动通过放大晶体管 ( 未示出 ) 放大， 并且放大后的像素信号被输出到竖直信号线。
在本实施例的固态成像装置 57 中， 通过由布置为靠近衬底 13 的光接收表面的底 布线层 M0 构成的遮光膜 54 来对较长时间地保存信号电荷的第一浮动扩散部 15a 进行遮 光。即使当信号电荷保存在第一浮动扩散部 15a 中时， 此配置也可以防止入射光泄漏到第 一浮动扩散部 15a 中， 这可以抑制噪声和图像质量的劣化。
此外， 布置在第一浮动扩散部 15a 上方的遮光膜 54 电连接到第一浮动扩散部 15a。 因此， 通过增大遮光膜 54 的尺寸， 可以利用遮光膜 54 的寄生电容来增大第一浮动扩散部 15a 中的饱和电荷。
另一方面， 在根据本实施例的固态成像装置 57 中， 布置在第二浮动扩散部 15b 上 方的遮光膜 55 连接到多层布线层 29 中的布线层 M1。因此， 期望遮光膜 55 和布线层 M1 之 间的寄生电容较小。因此， 期望遮光膜 55 具有仅足以对第二浮动扩散部 15b 进行遮光的尺 寸。
同时， 在本实施例中， 不需要将布置在第一浮动扩散部 15a 上方的遮光膜 54 连接到第一浮动扩散部 15a。在此情况下， 如图 15B 所示， 用于对第一浮动扩散部 15a 和第二浮 动扩散部 15b 进行遮光的遮光膜 58 由位于浮动扩散部 15a 和 15b 上方的底布线层 M0 形 成。 因此， 当设置两个浮动扩散部时， 仅在要连接到放大晶体管的栅极电极的位置处形成接 触部分。
这样， 根据本实施例， 即使在具有全局快门功能的固态成像装置 ( 其中浮动扩散 部较长时间段地保存信号电荷 ) 中， 也可以防止光泄漏到浮动扩散部中。
此外， 在本实施例中， 可以实现与第一实施例相似的效果。此外， 在
本实施例中的构造可以与第二和第三实施例中的那些构造进行组合。
在前文中， 将包括以矩阵进行排列以用于检测与入射光的量相对应的信号电荷的 像素单元的 CMOS 固态成像装置作为第一至第四实施例的示例进行了说明。但是， 本发明的 应用即不限于 CMOS 固态成像装置， 也不限于通常包括用于以二维矩阵形成的像素部分中 的各像素列的列电路的固态成像装置。
此外， 本发明的应用不限于被配置通过检测入射可见光的量的分布来拍摄图像的 固态成像装置。本发明还可以以用于被配置为检测红外辐射、 x 射线、 或粒子的分布的固态 成像装置。更宽泛而言， 本发明还可以一般地应用于如下配置的固态成像装置 ( 物理量分 布检测器 ) ： 检测诸如压力和电容之类的物理量的分布以拍摄图像。 此外， 本发明的应用不限于被配置为以行为单位相继地扫描像素部分中的像素单 元来从像素单元读取像素信号的固态成像装置。 本发明还可以以用于被配置为选择任意像 素并基于以像素为单位从所选择的像素读取信号的 X-Y 地址固态成像装置。
根据本发明的实施例的固态成像装置可以形成为一个芯片或其中封装有信号处 理单元和光学系统的具有图像拍摄功能的模组的形式。
此外， 本发明的应用不限于固态成像装置， 并且本发明可以以用于成像设备。 这样 的成像设备包括相机系统 ( 例如数字静态相机 ) 和具有成像功能的电子设备 ( 例如移动电 话 )。安装在电子设备内的模组， 即相机模具， 也可以用作成像设备。
5. 第五实施例 ： 电子设备
以下， 将对根据本发明的第五实施例的电子设备进行说明。图 16 示意性地图示了 根据本发明的第五实施例的电子设备 200 的构造。
电子设备 200 是上述根据第一实施例的固态成像装置 1 所应用的电子设备 ( 相 机 ) 的示例。
图 16 示意性地图示了根据本实施例的电子设备 200 的剖视结构。电子设备 200 可以是能够拍摄静态图像的数字相机。
电子设备 200 包括固态成像装置 1、 光学透镜 210、 快门 211、 驱动电路 212、 以及信 号处理电路 213。
光学透镜 210 在固态成像装置 1 的成像平面上形成了与来自成像对象的入射光相 对应的图像。结果， 信号电荷被存储在固态成像装置 1 中达预定的时间段。
快门 211 控制固态成像装置 1 的曝光时间和遮光时间。
驱动电路 212 供应用于控制固态成像装置 1 的转移操作和快门 211 的快门操作的 驱动信号。 固态成像装置 1 根据从驱动电路 212 供应的驱动信号 ( 定时信号 ) 来转移信号。 信号处理电路 213 执行各种信号处理。处理后的图像信号被存储在诸如存储器之类的存储
介质中或被输出到监视器。
在本实施例的电子设备 200 中， 通过由底布线层构成的遮光膜对固态成像装置 1 的浮动扩散部进行有利的遮光， 由此抑制了光泄漏到浮动扩散部中。因此， 电子设备 200 可 以抑制由于噪声引起图像质量的劣化。
可以应用固态成像装置 1 的电子设备 200 不限于相机。电子设备 200 也可以是诸 如数字静态相机之类的成像设备， 和用于诸如移动电话之类的移动设备的相机模组。
虽然在本实施例中， 将固态成像装置 1 应用于电子设备 200， 但是根据上述第二至 第四实施例的固态成像装置也可以应用于电子设备 200。
本 申 请 包 含 与 2009 年 3 月 5 日 递 交 给 日 本 专 利 局 的 日 本 在 先 专 利 申 请 JP 2009-052324 中揭示的主题相关的主题， 其全文通过引用结合于此。
本领域的技术人员应该理解， 只要各种修改、 组合、 子组合和替换落在所附权利要 求或其等同方案内， 就可以根据设计要求和其他因素进行这些修改、 组合、 子组合和替换。