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CN105934826B - 固态图像传感器、成像装置和电子设备 - Google Patents

固态图像传感器、成像装置和电子设备 Download PDF

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CN105934826B CN201580005763.8A CN201580005763A CN105934826B CN 105934826 B CN105934826 B CN 105934826B CN 201580005763 A CN201580005763 A CN 201580005763A CN 105934826 B CN105934826 B CN 105934826B
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Abstract

本技术涉及一种能够切换固态图像传感器的所有像素中的FD转换效率的固态图像传感器、成像装置和电子设备。光电二极管对入射光进行光电转换。浮动扩散(FD)累积通过所述光电二极管获得的电荷。附加电容部MIM的容量增加到其上的作为第二FD的FD2将电容增加到FD。所述附加电容部MIM由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述FD和第二FD的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电二极管的基板的表面上的金属遮光膜形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。FD和FD+FD2之间的切换允许切换FD转换效率。本技术适用于CMOS图像传感器。

Description

固态图像传感器、成像装置和电子设备
技术领域
本技术涉及一种固态图像传感器、成像装置和电子设备，更具体地，涉及一种能够在所有像素中切换FD转换效率的固态图像传感器、成像装置和电子设备。
背景技术
已经提出了一种具有切换设置在各像素中的浮动扩散(FD)的转换效率的特征的固态图像传感器(图像传感器)(参考专利文献1)。
因为FD转换效率由与FD的寄生电容的倒数成比例的值来定义，所以转换效率的切换通过寄生电容的切换来实现。
根据专利文献1的技术基于典型的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，并且提供了用于在具有第一容量的第一FD和具有大于第一容量的第二容量的第二FD之间切换的栅极。为了使转换效率更高，关闭栅极使得第一FD的寄生电容最小化，反之，为了使转换效率更低，打开栅极使得第一FD和第二FD彼此连接，从而寄生电容最大化。
此外，专利文献1的技术提出了组合像面位相差检测用(ZAF)像素以切换FD转换效率。
在具有像面位相差检测的图像传感器中，用于自动聚焦的像面位相差检测用(ZAF)像素埋入通常像素阵列中。相比于通常像素，ZAF像素设有用于遮挡入射光的一部分的遮光配线层。由于遮光性能，所以遮光配线层的面积比其他通常配线大。
在专利文献1的技术中，ZAF遮光配线层用于形成寄生电容，作为用于切换FD转换效率的第二容量，并且转换效率的切换通过切换寄生电容的利用来实现。
[引用文献列表]
[专利文献]
专利文献1：日本专利申请特开No.2014-112580
发明内容
[发明所要解决的问题]
为了最大化通常像素中的感度，通过在光电二极管的表面上聚焦设置在像素表面上的微透镜来进行优化。相比之下，在ZAF像素中，由于位相差检测特性，所以通过在遮光膜的表面上聚焦微透镜来进行优化。
注意，由于ZAF用的遮光配线层设置在远离光电二极管表面的位置，所以微透镜的最佳曲率在通常像素和ZAF像素中是不同的。因此，如果试图优化两种像素中的微透镜，那么需要针对不同的像素生产具有不同曲率的微透镜，这增加了过程数量并且导致高成本。如果优先考虑过程数量(优先考虑低成本)且具有相同曲率的微透镜用于所有像素，那么通常像素的感度特性和ZAF像素的位相差检测特性中的至少一种会被牺牲。
此外，由于ZAF用的遮光配线层用于形成将要被切换的寄生电容，所以与其同样的容量不能形成在不具有遮光配线层的通常像素中。因此，专利文献1的技术仅可以适用于仅作为固态图像传感器内的一部分的ZAF像素，不能适用于通常像素。
鉴于前述情况获得了本技术，特别地，本技术能够在所有像素中切换FD转换效率。
[解决问题的方案]
根据本技术一个方面的固态图像传感器是前面照射型固态图像传感器，包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
具有所述光电转换部的各像素设有所述电荷累积部和所述附加电容部，并且当电荷累积在指定像素的电荷-电压转换部中时，设置在所述指定像素中的电荷累积部可以将包含由所述附加电容部累积的附加容量的电荷容量增加到所述电荷-电压转换部。
还可以包括被构造成切换到其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此电连接的状态以及其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此未电连接的状态中的任一种的切换单元。
所述金属层可以是由金属制成的遮光膜。
所述金属层可以是由钨制成的遮光膜。
所述遮光膜可以被形成以构成像面位相差检测用像素。
当在所述基板的位于光的光源侧的表面上设置多晶硅层时，所述遮光膜可以形成在所述基板上的多晶硅上。
所述遮光膜可以形成在由设置在所述基板的位于光的光源侧的表面上的所述多晶硅层构成的传输栅极上。
所述遮光膜可以遮挡所述光电转换部的上部、下部、左部和右部中的任一个。
所述配线层可以比一般配线的配线层更接近第二电极。
所述固态图像传感器是全局快门形式的，所述固态图像传感器还可以包括被构造成存储全局快门形式所需的各像素的像素信号的存储单元，并且所述遮光膜可以遮挡所述存储单元。
第一电极可以设置在与所述存储单元上的遮光膜相对的位置。
根据本技术一个方面的成像装置是包括前面照射型固态图像传感器的成像装置，所述成像装置包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
根据本技术一个方面的电子设备是包括前面照射型固态图像传感器的电子设备，所述电子设备包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
在本技术的一个方面中，包括前面照射型固态图像传感器，通过光电转换部对入射光进行光电转换，通过光电转换获得的电荷由电荷-电压转换部累积，通过电荷累积部将容量增加到所述电荷-电压转换部，通过附加电容部将容量增加到所述电荷累积部，所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
[发明效果]
根据本技术的一个方面，可以在固态图像传感器的所有像素中切换FD转换效率。
附图说明
图1是示出了固态图像传感器的构成例的图。
图2是用于说明基板上的各像素的构成例的图。
图3是用于说明图1的像素阵列上的各像素的构成例的图。
图4是用于说明形成在图3的基板上的金属遮光膜的构成例的图。
图5是用于说明形成在由图4的遮光膜构成的层上的FD配线层的构成的图。
图6是用于说明图3至图5的各层的叠层的断面的图。
图7是用于说明作为形成在图3的基板上的金属遮光膜的另一个构成例的第一变形例的图。
图8是用于说明作为其中FD配线层形成在比前述FD配线层更接近基板的层中的构成例的第二变形例的图。
图9是用于说明当图1的像素阵列是全局快门型时各像素的构成例的图。
图10是用于说明形成在图9的基板上的金属遮光膜的构成例的图。
图11是用于说明形成在由图10的遮光膜构成的层上的FD配线层的构成的图。
图12是用于说明图9至图11的各层的叠层的断面的图。
图13是用于说明形成在由图10的遮光膜构成的层上的FD配线层的另一个构成的图。
图14是用于说明在图13的情况下的截面的图。
图15是用于说明包括本技术适用的固态图像传感器的成像装置和电子设备的构成的图。
图16是示出了固态图像传感器的使用例的图。
具体实施方式
下面将参照附图说明本技术适用的实施方案。
<第一实施方案>
<固态图像传感器的构成例>
首先，将说明本技术适用的固态图像传感器的构成例。图1是示出了根据实施方案的本技术适用的固态图像传感器的构成例的图。
固态图像传感器11是由互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等构成的前面照射型图像传感器，并且被构造成通过从被写体接收光、在其上进行光电转换并生成图像信号来拍摄图像。
注意，前面照射型图像传感器是具有以下构成的图像传感器，其中来自被写体的光入射到其上的光接收面(即，用于聚焦光的微透镜(片上透镜)和具有用于驱动各像素的晶体管等的配线的配线层)设置在从被写体接收光的光电二极管上。
固态图像传感器11包括像素阵列单元21、垂直驱动单元22、列处理单元23、水平驱动单元24、系统控制单元25、像素驱动线26、垂直信号线27、信号处理单元28和数据存储单元29。
在固态图像传感器11中，像素阵列单元21形成在未示出的半导体基板(芯片)上，并且垂直驱动单元22至系统控制单元25进一步集成到半导体基板上。
像素阵列单元21由具有用于生成并存储与从被写体入射的光量相对应的电荷量的光电转换元件的像素构成，在图1中，构成像素阵列单元21的像素在水平方向(行方向)和垂直方向(列方向)上二维排列。
例如，在像素阵列单元21中，针对由配置在行方向的像素构成的每个像素行，像素驱动线26沿着行方向配线，并且针对由配置在列方向的像素构成的每个像素列，垂直信号线27沿着列方向配线。
垂直驱动单元22包括移位寄存器、地址解码器等，并且被构造成经由像素驱动线26将信号等供给到各像素，以行单位等同时驱动像素阵列单元21的所有像素。
列处理单元23经由垂直信号线27从像素阵列单元21的每个像素列的像素读出信号，然后进行去噪处理、相关双采样处理和模拟/数字(A/D)转换处理等，从而生成像素信号。
水平驱动单元24包括移位寄存器、地址解码器等，并且被构造成顺次选择与列处理单元23的像素列相对应的单位电路。作为水平驱动单元24的选择性扫描的结果，受到列处理单元23针对各单位电路所进行的信号处理的像素信号被顺次输出到信号处理单元28。
系统控制单元25包括用于生成各种时序信号的时序发生器，并且被构造成基于由时序发生器生成的时序信号来进行垂直驱动单元22、列处理单元23和水平驱动单元24的驱动控制。
信号处理单元28在必要时将数据临时存储到数据存储单元29中，对从列处理单元23供给的像素信号进行诸如计算处理等信号处理，并且输出由像素信号构成的图像信号。
<像素的电路构成>
接着，将说明上述像素阵列单元21的各像素的电路构成。图2是示出了像素阵列单元21中设置的一个像素的电路构成例的电路图。
在图2中，像素阵列单元21的像素包括光电二极管61、传输栅极部62、电荷-电压转换部63、容量开关64、电荷累积部65、复位栅极部66、放大晶体管67和选择晶体管68。
光电二极管61例如是由p-n结的光电二极管构成的光电转换元件，并且被构造成接收来自被写体的光，通过光电转换生成与所接收的光量相对应的电荷量，并且存储所产生的电荷。
在光电二极管61和电荷-电压转换部63之间设有传输栅极部62，并且其被构造成根据施加到传输栅极部62的栅电极的驱动信号TRG，将存储在光电二极管61中的电荷传输到电荷-电压转换部63。
例如，在图2中，传输栅极部62、容量开关64、复位栅极部66和选择晶体管68由n-通道的MOS晶体管构成。
驱动信号TRG、FDG、RST和SEL分别被供给到传输栅极部62的栅电极至选择晶体管68。这些驱动信号是在高电平下处于激活状态(ON状态)且在低电平下处于非激活状态(OFF状态)的脉冲信号。
因此，例如，在传输栅极部62处，当供给到传输栅极部62的栅电极的驱动信号TRG处于激活状态而打开传输栅极部62时，在光电二极管61中累积的电荷被传输到电荷-电压转换部63。
电荷-电压转换部63是浮动扩散区域(FD)，其经由传输栅极部62将从光电二极管61传输的电荷转换为诸如电压信号等电信号，然后输出所得的信号。
电荷-电压转换部63与复位栅极部66连接，并且还经由放大晶体管67和选择晶体管68与垂直信号线27连接。此外，电荷-电压转换部63还经由容量开关64与电荷累积部65连接。电荷累积部65是将电荷转换成诸如电压信号等电信号的浮动扩散区域(FD)，并且还包括后述的附加电容部MIM。注意，电荷累积部65是浮动扩散区域(FD)，但是因为电荷累积部65与包含后述的附加电容部MIM的容量一起操作，所以由电容的电路符号表示。
根据驱动信号FDG打开或关闭容量开关64，由此将电荷-电压转换部63和电荷累积部65之间的连接切换成电连接状态和未电连接状态中的任一种状态。
具体地，驱动信号FDG被供给到容量开关64的栅电极，并且当打开驱动信号FDG时，容量开关64正下方的电位变深，电荷-电压转换部63和电荷累积部65彼此电连接。
反过来，当关闭驱动信号FDG时，容量开关64正下方的电位变浅，电荷-电压转换部63和电荷累积部65彼此未电连接。
因此，通过打开和关闭驱动信号FDG，可以将容量增加到电荷-电压转换部63并且可以改变像素的感度。具体地，当累积的电荷的变化量由ΔQ表示并且在电荷变化量为ΔQ时电压的变化量和电容分别由ΔV和C表示的时候，ΔV＝ΔQ/C的关系成立。
对于电荷-电压转换部63的电容为CFD且电荷累积部65的容量为CFD2，在驱动信号FDG处于ON状态的同时，被读出信号电平的像素的区域中的电容C由CFD+CFD2表示。相比之下，当关闭驱动信号FDG时，电容C变为CFD，并且因此提高了相对于电荷变化量的电压感度(电压变化量：FD转换效率)。
如上所述，在固态图像传感器11中，像素的感度通过打开或关闭驱动信号FDG而适宜地改变。例如，当打开驱动信号FDG时，电荷累积部65与电荷-电压转换部63电连接，因此，从光电二极管61传输到电荷-电压转换部63的电荷的一部分除了累积在电荷-电压转换部63中之外，还累积在电荷累积部65中。
复位栅极部66是用于必要时初始化(复位)从电荷-电压转换部63至电荷累积部65的各区域的元件，并且具有与电源电压VDD的电源连接的漏极和与电荷-电压转换部63连接的源极。驱动信号RST作为复位信号施加到复位栅极部66的栅电极。
当驱动信号RST进入激活状态时，复位栅极部66变为导通状态，并且电荷-电压转换部63等的电位被复位到电源电压VDD的水平。换句话说，电荷-电压转换部63等被初始化。
放大晶体管67具有与电荷-电压转换部63连接的栅电极和与电源电压VDD的电源连接的漏极，并且用作读出通过在光电二极管61处的光电转换而获得的电荷的源跟随电路的输入单元。具体地，放大晶体管67具有经由选择晶体管68与垂直信号线27连接的源极，因此构成了与垂直信号线27的一端连接的恒定电流源和源跟随电路。
选择晶体管68在放大晶体管67的源极和垂直信号线27之间连接，并且驱动信号SEL作为选择信号供给到选择晶体管68的栅电极。当驱动信号SEL进入激活状态时，选择晶体管68变为导通状态，并且具有选择晶体管68的像素进入选择状态。当像素进入选择状态时，从放大晶体管67输出的信号经由垂直信号线27由列处理单元23读出。
此外，对于像素，作为图1中的像素驱动线26，多条驱动线例如针对各像素行配线。因此，驱动信号TRG、FDG、RST和SEL从垂直驱动单元22经由作为像素驱动线26的驱动线供给到像素内。
<像素的物理结构>
接着，将参照图3至图6对上述像素的物理结构进行说明。注意，参照图2说明的部件和与其对应的部件将由相同的名称和附图标记标明，并且将适宜地省略其说明。
图3是基板上的元件隔离层、多晶硅和触头形成在其中的像素的第一层的俯视图。注意，在图3至图5中，朝向图纸面的方向是入射光的入射方向，并且图3中的光电二极管(PD)61是光接收面。
另外，图4是作为第一层的上层(是相对于入射光的入射方向在光源侧的层)并且形成有遮光膜的第二层的俯视图。在下文中，第二层也将被称为遮光膜层。
此外，图5是作为第二层的上层并且形成有用于连接触头的配线的第三层的俯视图。在下文中，第三层也将被称为配线层。
此外，图6示出了在第一层至第三层层叠的状态下的像素的A-A’断面和B-B’断面，其中图6的右上部示出了在通常像素情况下的图6的左上部的A-A’断面。
此外，图6的右下部示出了像面位相差检测用像素(ZAF像素)的侧断面，即，图6的左下部的B-B’断面。图6中的侧断面示出了图3中所示的作为最下层的第一层、图4中所示的第二层和图5中所示的第三层在图中向上依序的叠层。
此外，在图6的右上部和右下部的断面中，在图中从上向下的方向是入射光的入射方向。图3至图5中的黑色正方形表示(阱)触头(电极)的位置，图6中的带有纵线部的圆圈表示对应于连接配线的触头的位置。
此外，在图3至图6的各图的左上部示出了一个像素的第一层的俯视图，图3至图6的各图的右部示出了在水平方向和垂直方向的2×2像素的四个像素的俯视图。此外，在图3至图6的各图的右部的四个像素51-1～51-4之中，右下的像素51-4是ZAF像素，而其他的像素51-1～51-3是通常像素。
首先，将参照图3的左上部说明一个像素的第一层的物理构成。图3中的像素51由元件隔离层D包围，并且在其大致下半部分的区域设有光电二极管61。
在图3中的光电二极管61的上部设有传输栅极部(TRG)62，并且传输栅极部62被打开和关闭以将累积在光电二极管61中的电荷传输到由浮动扩散区域(浮动扩散(FD))构成的电荷-电压转换部63。
在图3中的电荷-电压转换部63的左侧设有用于控制构成第二浮动扩散区域(FD)的电荷累积部65和电荷-电压转换部63之间的电连接的容量开关64。因此，容量开关64在打开和关闭之间切换，使得电荷累积部65和电荷-电压转换部63彼此电连接和未电连接。
在图3中的电荷-电压转换部63的右侧设有用于排出累积在电荷累积部65和电荷-电压转换部63中的电荷的复位栅极部66。因此，容量开关64在打开和关闭之间切换，使得电荷累积部65和电荷-电压转换部63彼此电连接和未电连接。
在图3中的复位栅极部66的右侧设有放大晶体管67。如图5和图6所示，放大晶体管67通过纵线部表示的配线91电连接，放大从电荷-电压转换部63供给的电信号，然后将放大的信号输出到选择晶体管68。
在图3中的放大晶体管67的右侧设有选择晶体管68。当驱动信号SEL进入激活状态时，选择晶体管68变为导通状态，并且从放大晶体管67输出的信号经由与垂直信号线27连接的触头SO输出。
图3的右部示出了作为像素51-1～51-4的2×2像素(水平方向×垂直方向)的四个像素，每一个都是图3的左部中所示的像素51。在水平方向和垂直方向像素51以这种方式配置，从而形成像素阵列单元21。
接着，参照图4说明用作通过相对于光接收面在入射光的光源侧在第一层上堆叠而形成的遮光膜层的第二层。
由图4的右部中的斜线表示的范围是遮光膜71。遮光膜71例如由钨制成。由钨制成的遮光膜是用于抑制电荷耦合器件(CCD)图像传感器中的垂直传输路径上的光入射(拖尾)的一般结构。然而，尽管遮光膜在CCD中用于抑制拖尾，但是遮光膜71也用于实现像面位相差检测用像素。
具体地，图4的右部中的两个垂直像素×两个水平像素的右下部的像素51-4是像面位相差检测用像素(ZAF像素)。其他像素51-1～51-3是通常像素，其中在光电二极管61上方的遮光膜71具有开口的布置。相比之下，像面位相差检测用像素(ZAF像素)具有其中光电二极管61的一部分被遮光膜71遮挡的布置。在图4中，示出了光电二极管61的上侧被遮光膜71遮挡的构成例。
另外，由于遮光膜71形成了形成在第一层和第三层之间的由金属层构成的第二层，所以在形成触头的位置，未设置遮光膜71，以防止电气短路的发生。
接着，将参照图5说明第三层的构成。
第三层是由图5中的纵线部表示的FD配线91和用于形成附加电容部MIM以将附加容量增加到电荷累积部65(即，第二FD)的电极91a形成在其中的FD配线层。在图5的纵线部中，在对应于由图3和图4中的黑色正方形表示的触头的位置处的圆圈表示触头电连接的地方。此外，在纵线部所示的第三层中，呈长方形形状的电极91a在面向电极91a的位置处与设置在第三层下方的第二层中的遮光膜71配对，并且一起形成附加电容部MIM。附加电容部MIM的容量增加到电荷累积部65的容量，如上所述，FD转换效率因而降低。
具体地，分别在图6的右上部和右下部中的由虚线包围的A2-A’和B2-B’的范围内，电极91a和遮光膜71在图6中的垂直方向上彼此相对，并且这样的构成形成了附加电容部MIM。另外，电极91a经由触头65a连接，从而增加第一层中的浮动扩散层(n+)的电荷累积部65的容量，并且容量开关64打开，从而与作为浮动扩散区域的电荷-电压转换部63连接。这使得FD转换效率降低。
相比之下，分别在图6的右上部和右下部中的A1-A2和B1-B2的范围内，由于不存在遮光膜71并且未形成附加电容部MIM，所以FD配线91经由触头63a与形成为第一层中的浮动扩散区域(n+)的电荷-电压转换部63连接。在这种情况下，除非打开容量开关64，否则电荷-电压转换部63仅具有它自己的容量，因此FD转换效率不会降低。
结果，如上所述形成的电荷-电压转换部63和电荷累积部65通过容量开关64彼此电连接和未电连接，并且这能够切换像素信号的FD转换效率(感度)。此外，利用这种构成，由于根据电荷累积部65和附加电容部MIM的容量总和是否增加到电荷-电压转换部63的容量中来切换FD转换效率，所以在不区别通常像素和像面位相差检测用像素的情况下，这允许在所有像素中统一切换FD转换效率。
此外，在通常像素中，为了最大化感度，例如，调整如图6的右上部和右下部所示的微透镜ML的曲率，从而在光电二极管61的表面(Si表面)上聚焦。在像面位相差检测用像素(ZAF像素)的情况下，在遮光膜71的位置(高度)聚焦会最大化像面位相差检测用像素的特性。因此，如果遮光膜71和光电二极管61的表面(Si表面)在高度方面相差很大，那么需要不同曲率以适合微透镜的曲率而用于通常像素和像面位相差检测用像素，从而使通常像素和像面位相差检测用像素分别满足上述特性。因此，有必要增加用于加工的过程数量，或者为了不增加过程数量而牺牲任何特性。
然而，如图6的右上部和右下部所示，作为遮光膜71被形成为接近光电二极管61(作为使用遮光膜71形成像面位相差检测用像素的结果)的结果，可以用所有具有相同曲率的微透镜ML将特性最大化，从而抑制由于加工不同曲率的微透镜时发生的过程数量的增加而造成的成本增加。
另外，考虑到光倾斜入射，有利的是，在光电二极管61上直接形成遮光膜71以形成像面位相差检测用像素(ZAF像素)。具体地，如果由金属制成的遮光膜71形成在不同于光电二极管61的高度的上层中，那么光倾斜入射可以不受遮光膜71遮挡，并且可以穿过遮光膜71和Si表面之间的间隙，然后进入光电二极管61。相比之下，如图6的右上部和右下部所示，由于遮光膜71直接形成在光电二极管61上，所以倾斜光不会进入光电二极管61。
如上所述，在FD配线91直接下方的层中未设有由遮光膜71构成的金属层，但是仅在形成用于将附加容量增加到电荷累积部65的附加电容部MIM的遮光膜71上方设有电极91a。
利用这种构成，附加电容部MIM的容量增加到电荷-电压转换部63的电荷容量，从而允许电荷累积部65的容量被设置为更大值，并且电荷-电压转换部63和电荷累积部65通过容量开关64彼此电连接和未电连接，这实际上允许在具有不同扩散电容的浮动扩散区域之间的切换。
结果，通过容量开关64使电荷-电压转换部63和电荷累积部65彼此电连接，容量增加且FD转换效率降低。相比之下，通过容量开关64使电荷-电压转换部63和电荷累积部65彼此未电连接，容量减小且转换效率增加。作为以这种方式切换FD转换效率的结果，可以切换感度。
在其中第三层的电极91a的下方的遮光膜71覆盖多晶硅栅极的构成的情况下，还可以增加附加电容部MIM的容量。具体地，由于遮光膜71形成为遵循下层形状的凹凸的形状，所以在存在多晶硅栅极的部分，遮光膜71和电极91a之间的距离变小。结果，例如，如图6的右上部和右下部所示，在设置了传输栅极部62的栅电极的情况下，遮光膜71和电极91a之间的距离越短，附加电容部MIM的容量越大。虽然多晶硅栅极在本文中作为例子，但是从基板(Si)的表面朝向上层上升的任意结构都可以产生类似的效果。例如，可以使用诸如Locos等氧化物膜元件隔离。
此外，由于遮光膜71不仅配置在通常像素中，而且配置在像面位相差检测用像素(ZAF像素)中，所以电荷-电压转换部63周边的结构在通常像素和像面位相差检测用像素中是共同的，这使得通常像素和像面位相差检测用像素的FD转换效率基本上彼此相同。
因此，除了遮挡像面位相差检测用像素(ZAF像素)的光电二极管61的那部分以外，通常像素和像面位相差检测用像素(ZAF像素)具有共同的布置，这使得所有像素中的转换效率是相同的。结果，防止了由于像素之间的转换效率的差异而可能会在后续处理中发生的缺点。
此外，如果仅在像面位相差检测用像素中设有遮光膜71，那么因为像面位相差检测用像素的数量比通常像素的数量少且像面位相差检测用像素因此将散布在像素阵列单元21中，所以遮光膜71将被设置为较小的尺寸。由于当遮光膜71被设置为较小尺寸时，遮光膜71将会处于电浮动状态，所以产生用于形成电荷累积部65的容量的效果将不能够发生。为了防止遮光膜71变为电浮动状态，遮光膜71需要被固定到电源、GND等。如果仅在像面位相差检测用像素中改变配线布置，那么存在的担忧是，由电荷-电压转换部63和电荷累积部65产生的容量(转换效率)不同于通常像素的容量，这是不可取的。为了防止上述缺点，在通常像素中也设有遮光膜71，从而仅可能通过遮光膜71提取到像素阵列的外侧，并且施加一定电位到像素阵列21的外侧，从而遮光膜71将不会变成电浮动状态。
<第一变形例>
以上已经说明了在像面位相差检测用像素的形成中，设置遮光膜71以遮挡如图7的左上部所示的光电二极管61的上部的例子。然而，只要可以形成像面位相差检测用像素，遮光膜71就可以以遮挡光电二极管61的其他部分的方式设置。具体地，如图7的右上部所示，可以设置遮光部71使得光电二极管61的下部被遮挡。可选择地，如图7的左下部和右下部所示，可以设置遮光部71使得各自的光电二极管61的右部和左部被遮挡。
<第二变形例>
虽然以上已经说明了在与FD配线91相同的金属配线层中设有传输栅极部62的栅电极的例子，但是例如，如图8所示在电荷-电压转换部63和电荷累积部65处，FD配线层101可以用作配线层，并且可以使用一般配线91代替上述FD配线91用于传输栅极部62的栅电极，从而形成附加电容部MIM的电极101a形成在接近遮光膜71的层中。
在图8中，左部示出了对应于图6的右上部的通常像素的侧断面，并且右部示出了对应于图6的右下部的像面位相差检测用像素的侧断面，都示出了使用一般配线91代替上述FD配线91且FD配线101形成在比上述FD配线91更接近遮光膜71的位置的例子。
利用这种构成，由于形成附加电容部MIM的电极101a配置在更接近遮光膜71的位置，所以附加电容部MIM的容量增加，与用作第二浮动扩散区域的电荷累积部65的容量一起获得更大的容量，使得FD转换效率进一步降低，从而允许利用它们之间较大的差异在两个FD转换效率之间切换。
此外，如同FD配线101，在不改变其他一般配线91和遮光膜71之间的距离的情况下，仅FD配线101可以在接近遮光膜71的位置进行配线。这使得除了FD配线101以外的一般配线91和遮光膜71之间的容量不被改变。结果，可以在防止发生诸如由一般配线91和遮光膜71之间的容量增加导致的晶体管的动作延迟等失败的同时仅增加附加电容部MIM的容量。
<第二实施方案>
虽然以上已经说明了典型的前面照射型CMOS图像传感器的例子，但是图像传感器可以是所谓的全局快门形式的前面照射型CMOS图像传感器，其设有针对各像素的存储器且被构造成同时读出所有像素中的像素信号。
图9至图12是示出了分别对应于图3至图6的全局快门形式的前面照射型CMOS图像传感器的第一层至第三层和其侧断面的图。注意，在图9至图12中，具有与图3至图6中的部件相同作用的部件将由相同的名称和附图标记标明，并且将适宜地省略其说明。
因此，图9至图12与图3至图6的不同之处在于，在图3至图6中像素51示出在像素单位中，而在图9至图12中像素示出为像素151。
此外，各像素151设有用于向存储器171(图12)打开和关闭栅极的传输栅极部(TRG2)161和用于复位光电二极管61的溢出式栅极部(OFG)162，该存储器在像素单位中同时存储由光电二极管(PD)61累积的电荷的信号。
配置传输栅极部161以覆盖存储器171。传输栅极部161和溢出式栅极部162由作为在高电平下处于激活状态(ON状态)且在低电平下处于非激活状态(OFF状态)的脉冲信号的未示出的驱动信号TRG2和OFG分别驱动。
在各像素151中，如图10所示的像素151-1至151-4，遮光膜71形成为第二层，即，包括光电二极管61的第一层的上层。同样在第二层中，就防止短路来说，在触头的周边未设有遮光膜71。注意，像素151中的遮光膜71例如由钨制成，并且在全局快门形式的CMOS图像传感器中抑制了在存储器171(图12)上的光入射(PLS＝paraSitic light senSitivity：类似于拖尾的现象)。
此外，如图11所示，由FD配线91构成的第三层形成在由遮光膜71构成的第二层上，并且第三层的一部分形成电极91a。
在这种构成中，在由图12所示的C-C’断面中的点线围绕的C2-C’的范围内，电极91a和遮光膜71彼此相对，从而形成附加电容部MIM。另外，电极91a经由触头65a连接，并且附加电容部MIM的容量因此增加到由作为第一层的浮动扩散区域(n+层)构成的电荷累积部65。
相比之下，在图12所示的C1-C2的范围内，FD配线91经由触头63a连接，并且电荷-电压转换部63用作作为第一层的浮动扩散区域(n+层)。然而，在电荷-电压转换部63中，由于遮光膜71未形成在FD配线91对面的位置，所以没有形成附加电容部MIM，电荷累积部65仅具有它自己的容量。
如上所述形成的电荷-电压转换部63和电荷累积部65通过容量开关64彼此电连接和未电连接，并且这能够切换像素信号的FD转换效率(感度)。
结果，同样在全局快门形式的CMOS图像传感器中，可以在所有像素中实现FD转换效率的切换。
<第三变形例>
虽然以上说明了如下例子：遮光膜71与设置在第三层中的电极91a彼此相对，从而形成附加电容部MIM，使得电荷累积部65的容量增加，但是只要电极91a与遮光膜71相对，电极91a就可以设置在另一个区域中，例如如图13所示，可以形成电极91b代替电极91a。
具体地，在全局快门形式的CMOS图像传感器的像素151中，由于作为占用相对较大面积的存储器171上的多晶硅栅极(TRG2)的传输栅极部161存在于光电二极管61上，所以电极91b形成为在其上的层。
在这种构成中，如由图14所示的D-D’断面中的点线围绕的D2-D’的范围所示，电极91b和遮光膜71彼此相对，从而形成附加电容部MIM。另外，电极91b经由触头65a连接，并且容量因此增加到由作为第一层的浮动扩散区域(n+层)构成的电荷累积部65的容量中。
相比之下，在图14所示的D1-D2的范围内，FD配线91经由触头63a连接，并且第一层的电荷-电压转换部63用作浮动扩散区域(n+层)。然而，在电荷-电压转换部63中，由于遮光膜71未形成在FD配线91对面的位置，所以没有形成附加电容部MIM，并且由于在电荷累积部65未连接的情况下容量不会增加，所以电荷-电压转换部63仅具有它自己的电容。
此外，如图14所示，当在传输栅极部171上设有电极91b时，电极91b和遮光膜71之间的距离比图12中所示的电极91a和遮光膜71之间的距离近，附加电容部MIM的附加容量也增加。结果，如上所述形成的电荷-电压转换部63和电荷累积部65通过容量开关64彼此电连接和未电连接，并且这能够切换变化较大的两种类型的像素信号的FD转换效率(感度)。
结果，在电极91b以这种方式形成的全局快门形式的CMOS图像传感器中，也可以在所有像素中实现FD转换效率的切换。
<电子设备的应用例>
上述固态图像传感器例如适用于各种电子设备，包括诸如数码相机和数码摄像机等成像装置、具有成像功能的便携式电话和具有成像功能的其他装置。
图15是示出了作为本技术适用的电子设备的成像装置的构成例的图。
图15中所示的成像装置201包括光学系统202、快门203、固态图像传感器204、驱动电路205、信号处理电路206、监视器207和存储器208，并且能够拍摄静止图像和运动图像。
光学系统202包括一个或多个透镜，并且被构造成将光(入射光)从被写体引导到固态图像传感器204，然后将光聚焦到固态图像传感器204的光接收面上。
快门203配置在光学系统202和固态图像传感器204之间，并且在驱动电路205的控制下控制光到固态图像传感器204的光照射期间和遮光期间。
固态图像传感器204由上述固态图像传感器11或者由包含固态图像传感器11的封装构成。固态图像传感器204根据经由光学系统202和快门203聚焦在光接收面上的光而在一定期间累积信号电荷。累积在固态图像传感器204中的信号电荷根据从驱动电路205供给的驱动信号(时序信号)被传输。
驱动电路205输出用于控制固态图像传感器204的传输操作和快门203的快门操作的驱动信号，以驱动固态图像传感器204和快门203。
信号处理电路206对从固态图像传感器204输出的信号电荷进行各种信号处理。通过信号处理电路206的信号处理获得的图像(图像数据)被供给到用于显示的监视器207或供给到用于存储(记录)的存储器208。
在具有这种构成的成像装置201中，也可以通过应用固态图像传感器11代替前述固态图像传感器204而在所有像素中实现FD转换效率的切换。
<固态图像传感器的使用例>
图16是示出了上述固态图像传感器11的使用例的图。
上述固态图像传感器11例如可以用在感测诸如可见光、红外光、紫外光和X-光等光的各种情况中，如下：
-供拍摄欣赏用图像的装置，例如，数码相机和具有相机功能的便携式装置，
-供交通使用的装置，例如，诸如自动停止等安全驾驶以及用于识别驾驶员的状态等在汽车的前方、后方、周围、车内等成像的车载传感器、用于监视运行车辆和道路的监控相机和用于测量车辆之间的距离等的测距传感器，
-供家用电器使用的装置，例如，成像用户的手势并根据手势而操作装置的电视机、冰箱和空调，
-供医疗和卫生保健使用的装置，例如，内视镜和用于接收血管造影术用的红外光的装置，
-供安全使用的装置，例如，用于预防犯罪的监控相机和用于个人认证的相机，
-供美容护理使用的装置，例如，被构造成成像皮肤的皮肤测试装置和用于成像头皮的显微镜，
-供运动使用的装置，例如，运动用的运动相机和穿戴式相机，
-供农业使用的装置，例如，用于监视田地和作物状态的相机。
本技术还可以具有以下构成。
(1)一种前面照射型固态图像传感器，包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
(2)根据权利要求(1)所述的固态图像传感器，其中具有所述光电转换部的各像素设有所述电荷累积部和所述附加电容部，并且当电荷累积在指定像素的电荷-电压转换部中时，设置在所述指定像素中的电荷累积部将包含由所述附加电容部累积的附加容量的电荷容量增加到所述电荷-电压转换部。
(3)根据权利要求(2)所述的固态图像传感器，还包括被构造成切换到其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此电连接的状态以及其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此未电连接的状态中的任一种的切换单元。
(4)根据权利要求(1)所述的固态图像传感器，其中所述金属层是由金属制成的遮光膜。
(5)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中所述金属层是由钨制成的遮光膜。
(6)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中所述遮光膜被形成以构成像面位相差检测用像素。
(7)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中当在所述基板的位于光的光源侧的表面上设置多晶硅层时，所述遮光膜形成在所述基板上的多晶硅上。
(8)根据权利要求(7)所述的固态图像传感器，其中所述遮光膜形成在由设置在所述基板的位于光的光源侧的表面上的所述多晶硅层构成的传输栅极上。
(9)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中所述遮光膜遮挡所述光电转换部的上部、下部、左部和右部中的任一个。
(10)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中所述配线层比一般配线的配线层更接近第二电极。
(11)根据权利要求(4)所述的固态图像传感器，其中所述固态图像传感器是全局快门形式的，所述固态图像传感器还包括被构造成存储全局快门形式所需的各像素的像素信号的存储单元，其中所述遮光膜遮挡所述存储单元。
(12)根据权利要求(11)所述的固态图像传感器，其中第一电极设置在与所述存储单元上的遮光膜相对的位置。
(13)一种包括前面照射型固态图像传感器的成像装置，所述成像装置包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
(14)一种包括前面照射型固态图像传感器的电子设备，所述电子设备包括：被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对。
附图标记列表
11 固态图像传感器 21 像素阵列单元
51 像素 61 光电二极管
62 传输栅极部 63 电荷-电压转换部
64 容量开关 65 电荷累积部
66 复位栅极部 67 放大晶体管
68 选择晶体管 71 遮光膜
91 FD配线 91 电极
151 像素 161 传输栅极部
162 溢出式栅极部

Claims (12)

1.一种前面照射型固态图像传感器，包括：
被构造成进行入射光的光电转换的光电转换部；
被构造成累积通过光电转换获得的电荷的电荷-电压转换部；
被构造成将容量增加到所述电荷-电压转换部的电荷累积部；和
被构造成将容量增加到所述电荷累积部的附加电容部，其中
所述附加电容部由第一电极和第二电极构成，所述第一电极由其中形成有与所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部的端子电连接的配线的配线层形成，所述第二电极由设置在其上形成有所述光电转换部的基板的表面上的金属层形成，所述基板的该表面更接近光的光源，所述金属层设置为比所述配线层更接近所述基板并且与所述配线层相对，
具有所述光电转换部的各像素设有所述电荷累积部和所述附加电容部，并且当电荷累积在指定像素的所述电荷-电压转换部中时，设置在所述指定像素中的所述电荷累积部将包含由所述附加电容部累积的附加容量的电荷容量增加到所述电荷-电压转换部，并且
所述前面照射型固态图像传感器还包括被构造成切换到其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此电连接的状态以及其中所述电荷-电压转换部和所述电荷累积部彼此未电连接的状态中的任一种的切换单元。
2.根据权利要求1所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述金属层是由金属制成的遮光膜。
3.根据权利要求2所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述金属层是由钨制成的遮光膜。
4.根据权利要求2所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述遮光膜被形成以构成像面位相差检测用像素。
5.根据权利要求2所述的前面照射型固态图像传感器，其中当在所述基板的位于光的光源侧的表面上设置多晶硅层时，所述遮光膜形成在所述基板上的多晶硅上。
6.根据权利要求5所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述遮光膜形成在由设置在所述基板的位于光的光源侧的表面上的所述多晶硅层构成的传输栅极上。
7.根据权利要求2所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述遮光膜遮挡所述光电转换部的上部、下部、左部和右部中的任一个。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述配线层比一般配线的配线层更接近所述第二电极。
9.根据权利要求2至7中任一项所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述固态图像传感器是全局快门形式的，
所述固态图像传感器还包括被构造成存储全局快门形式所需的各像素的像素信号的存储单元，其中
所述遮光膜遮挡所述存储单元。
10.根据权利要求9所述的前面照射型固态图像传感器，其中所述第一电极设置在与所述存储单元上的所述遮光膜相对的位置。
11.一种包括根据权利要求1-10中任一项所述的前面照射型固态图像传感器的成像装置。
12.一种包括根据权利要求1-10中任一项所述的前面照射型固态图像传感器的电子设备。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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