固体摄像元件以及摄像系统的制作方法

1.本发明涉及固体摄像元件以及摄像系统。
2.本技术基于2020年3月25日向日本提交的特愿2020-054149号并主张优先权，将其内容引用于此。


背景技术：

3.摄像元件在各种领域中被利用。其中之一为能够测距的摄像系统。
4.这样的摄像系统一般具备生成向被摄体照射的光的光源、以及摄像元件。摄像元件作为对来自被摄体的反射光进行摄像的摄像传感器起作用。
5.作为与上述摄像元件相关的课题，存在由于外部光而引起的噪声。作为降低该噪声的对策之一，正在研究使用太阳光中几乎不包含的从近红外至短波长红外的波段(优选为太阳光中几乎不包含的1350nm～1400nm程度)的光。由此，能够使包含太阳光在内的较多外部光的影响几乎成为零。
6.使用这种波段的光来构建能够测距的摄像系统，需要能够将该波段的光高效地进行光电转换的摄像元件，可以考虑使用具有较高吸收系数的锗(ge)等来构成。
7.在专利文献1中公开了在含有ge以及硅(si)的层上形成光电二极管的器件。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：美国专利申请公开第2017/0040362号说明书


技术实现要素：

11.发明要解决的课题
12.专利文献1所记载的器件具有形成有光电二极管的第一半导体、以及形成于硅基板的第二半导体。在第一半导体中通过光电转换而产生的电荷向第二半导体移动而进行电荷电压转换，但并没有对电荷具体如何传送进行说明，仅例示出使用了导电体布线与扩散层的公知的互联。
13.在摄像元件中，在光电二极管中产生的电荷有时被向多个电荷蓄积区域分配驱动。在专利文献1中还记载了传送至第二半导体的电荷被向2个电荷蓄积区域分配驱动的tof(time of flight)方式的光传感器。
14.但是，在专利文献1所记载的器件中，在第一半导体与第二半导体通过例示的上述方式接合的情况下，在光电二极管与进行分配的栅极之间存在扩散层，因此实际上分配驱动有可能无法良好地进行。
15.鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种固体摄像元件，能够高效地利用近红外至短波长红外的波段的光，且能够良好地进行分配驱动。
16.用于解决课题的手段
17.本发明的第一方式的固体摄像元件具备第一半导体、以及具有与第一半导体不同
组成且与第一半导体电连接的第二半导体。
18.第一半导体具有通过入射光来进行光电转换的光电二极管、对通过光电转换而产生的电荷进行蓄积的多个第一电荷蓄积部、以及使通过光电转换产生的电荷向第一电荷蓄积部中的某个移动的传送控制器。
19.第二半导体具有能够蓄积电荷的第二电荷蓄积部、以及对第二电荷蓄积部的电位进行检测的电位探测器。
20.固体摄像元件进一步具备将第一电荷蓄积部的电位复位为规定电位的复位器。
21.本发明的第二方式的摄像系统具备射出具有规定的波长分布的射出光的光源部、以及第一方式的固体摄像元件。
22.发明的效果
23.根据本发明的上述方式，能够高效地利用近红外至短波长红外的波段的光，且能够良好地进行分配驱动。
附图说明
24.图1是本发明的一个实施方式的固体摄像元件的示意图。
25.图2是该固体摄像元件的变形例的示意图。
26.图3是表示使用了多个该固体摄像元件的摄像元件的一个例子的图。
27.图4是表示使用了该固体摄像元件的摄像系统的一个例子的图。
28.图5是本发明的变形例的固体摄像元件的局部示意图。
29.图6是本发明的变形例的固体摄像元件的局部示意图。
30.图7是本发明的变形例的固体摄像元件的局部示意图。
31.图8是本发明的变形例的固体摄像元件的局部示意图。
32.图9是本发明的变形例的固体摄像元件的局部示意图。
33.图10是本发明的变形例的固体摄像元件的示意图。
34.图11是本发明的变形例的固体摄像元件的示意图。
具体实施方式
35.参照图1至图4对本发明的一个实施方式进行说明。
36.图1是表示本实施方式的固体摄像元件1的构成的示意图。固体摄像元件1通过第一半导体10与第二半导体30电连接而构成。第一半导体10与第二半导体30的构成元素的组成不同，且具有相互不同的晶格常数。
37.第一半导体10构成为，具有公知的光电二极管(pd、photodiode)11，对入射的光进行光电转换，并能够蓄积信号电荷。根据第一半导体10的杂质浓度等，也能够省略光电二极管11。在该情况下，在第一半导体10中光电二极管11所占的几何学区域具有光电转换的功能。
38.第一半导体10构成为，至少在光电二极管11的部分中，含有较多对近红外至短波长红外的波段、特别是1350nm～1400nm程度的波段的光的吸收特性优异的元素或者化合物。作为这种物质，典型的是ge，此外还能够例示gesi(锗硅)等锗化合物、gasb(锑化镓)等。以下，将这些物质通称为“ge等”。
39.第一半导体10的物理构造无特别限制，可以是整体由ge单体或者ge等混晶形成的均匀组成，也可以具有ge等与硅等其他物质交替地层叠的构成。
40.以下，以第一半导体10为p型的情况为前提进行说明，但在第一半导体10为n型的情况下能够进行同样的说明。另外，在半导体为p型的情况下，在图中有时附加“p”。同样，在为n型的情况下有时附加“n”，在为p 型半导体区域的情况下有时附加“p ”，在为n 型半导体区域的情况下有时附加“n ”。
41.第一半导体10具有多个第一电荷蓄积部12。本实施方式的第一电荷蓄积部12例如是n 型半导体区域。在第一半导体10设置有包括第一电荷蓄积部12a和第一电荷蓄积部12b的2个第一电荷蓄积部12。在光电二极管11与各个第一电荷蓄积部12之间设置有传送栅极(传送控制器)13。传送栅极(传送控制器)13使通过光电二极管的光电转换而产生的电荷向多个第一电荷蓄积部12中的某个移动。传送栅极13的构造为公知，例如是mos(metal oxide semiconductor)构造。
42.第二半导体30是主要进行信号处理的半导体，例如由硅形成。第二半导体30通过经由了扩散层的互联而与第一半导体10电连接。
43.第二半导体30具有第二电荷蓄积部33、复位晶体管(复位器)35的漏极32、电位检测节点31(电位探测器)、复位晶体管(复位器)35的复位栅极34。各第二电荷蓄积部33与未图示的读出电路连接。电位检测节点31(电位探测器)检测第二电荷蓄积部33的电位。复位晶体管(复位器)35的复位栅极34对第二电荷蓄积部33与漏极32之间的电荷移动进行控制。
44.复位晶体管(复位器)35将第一电荷蓄积部12的电位复位为规定电位。复位晶体管35例如也可以是fet(field effect transistor)。
45.第二电荷蓄积部33、漏极32、电位检测节点31、以及复位栅极34与各第一电荷蓄积部12a以及12b对应地设置，电位检测节点31构成为能够检测对应的第二电荷蓄积部33的电位。
46.在如上述那样构成的本实施方式的固体摄像元件1中，通过对各传送栅极13施加作为控制信号的电压，由此在光电二极管11中产生的电荷被向第一电荷蓄积部12a、12b中的任一方传送。根据控制信号，电荷的传送目的地随时间变更，由此进行电荷的分配驱动。
47.在固体摄像元件1中，在光电二极管11中产生的电荷在第一半导体10内被进行了分配驱动之后，被传送至由作为扩散层的第一电荷蓄积部12(12a、12b)及对应的第二电荷蓄积部33、将第一电荷蓄积部12与第二电荷蓄积部33连接的连接线(未图示)、以及第二半导体30内的栅极电极构成的静电电容。因此，进入到静电电容的电荷此后不被分配。
48.一般来说，在通过容量比较大的静电电容来进行电荷分配动作时，容易产生特性的问题。特别是，在产生高速的分配的情况下，来自静电电容的电荷移动时间成为问题，因此有时难以实现良好的分配特性。
49.在本实施方式的固体摄像元件1中，分配驱动在第一半导体10内进行。因此，不会产生来自较大静电电容的电荷移动这样的问题。作为其结果，能够良好地进行分配驱动。
50.通过以上，本实施方式的固体摄像元件1具备第一半导体10，该第一半导体10具有作为传送控制器的传送栅极13以及作为传送目的地的第一电荷蓄积部12。由此，在将异质的半导体、即第一半导体10及第二半导体30进行异质结接合的构成中能够实现良好的分配驱动。
51.在固体摄像元件1中，以ge等为主要物质而构成第一半导体10的光电二极管11。由此，成为能够作为使用近红外至短波长红外的波段、特别是1350nm～1400nm程度的波段的光的多栅型的tof传感器而良好地动作的构造。
52.在本实施方式中，能够适当地设定第一电荷蓄积部的数量。即，在上述例子中，说明了具有2个第一电荷蓄积部的例子，但也可以设置有3个以上的电荷蓄积部。
53.图2表示本实施方式的变形例的固体摄像元件1a的示意图。在固体摄像元件1a中，代替传送栅极13而将p 型半导体区域15设置在光电二极管11与第一电荷蓄积部12之间。在各p 型半导体区域15连接有电压信号产生部16，基于电压信号产生部16的信号，在光电二极管11中产生的电荷被向第一电荷蓄积部12a、12b中的任一方传送。
54.即，固体摄像元件1a的传送控制器17具有p 型半导体区域15以及电压信号产生部16，通过公知的current assisted的方法来进行分配驱动。
55.在本实施方式的固体摄像元件中，传送控制器不限定于栅极电极，在这种构成中也能够同样地起到上述效果。
56.在图2中，p 型半导体区域15设置在光电二极管11与第一电荷蓄积部12之间，但p 型半导体区域15只要位于第一电荷蓄积部12附近即可，关于配置也可以具有自由度。
57.另外，在图2中，在第一半导体10中，光电二极管11形成在不与第二半导体对置的一侧，示出了表面照射型(fsi，front side illumination)的固体摄像元件。在本说明书中记载的所有固体摄像元件都能够采用表面照射型以及背面照射型(bsi，back side illumination)中的任一种构成，能够根据用途、与其他构成之间的关系等而适当地选择。
58.本实施方式的固体摄像元件能够单独使用，但也可以以二维矩阵状配置多个而构成具有多个像素的摄像元件。
59.在图3中将这样的摄像元件的一个例子作为框图而示出。摄像元件40具有二维地排列了多个固体摄像元件1的受光区域41。摄像元件40具备控制电路50、垂直驱动电路60、水平驱动电路70、ad转换电路80、以及输出电路90，但这仅为一个例子，也可以考虑规格等而适当地组合公知的各种构成。
60.在摄像元件40中，对于配置于受光区域41的固体摄像元件的数量、配置方式也能够适当地设定。多个固体摄像元件可以无间隙地二维排列。此时，也可以在单个半导体晶片上形成二维排列的多个固体摄像元件。
61.图4示意地表示应用了本实施方式的固体摄像元件的摄像系统的一个例子。图4所示的摄像系统100具备具有光源101的光源部110、以及具有摄像传感器121的受光部120。
62.光源部110具备光源101、以及根据需要对从光源101发出的光的波长进行调整的滤波器等，将具有规定波长以及波段(波长分布)的射出光l1朝向被摄体o射出。射出光l1可以是近红外至短波长红外的波长区域的光(例如，1350nm～1400nm程度的波段)。射出光l1由被摄体o反射而产生的反射光l2向受光部120的摄像传感器121入射。作为摄像传感器121能够使用单个或者多个本实施方式的固体摄像元件。
63.在摄像系统100中，通过将射出光l1的波长分布设为1350nm～1400nm程度的波段，由此即使在室外使用也能够几乎不受外部光的影响而适当地进行基于tof法的测距等。
64.以上，参照附图对本发明的一个实施方式进行了详细叙述，但具体构成不限定于该实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围的构成的变更、组合等。
65.例如，也可以如图5所示的变形例那样，复位晶体管35的漏极32以及复位栅极34设置于第一半导体10。在该情况下，与第二半导体30仅是经由高电阻的栅极电极进行电容耦合，因此被分配的电荷仅在第一半导体10内的移动。作为其结果，复位电压等的设定自由度变大，此外，也不会经由作为扩散层的第二电荷蓄积部33而混入噪声，能够实现特性的改善。
66.复位晶体管的构成并不限定于图5所示的例子。
67.图6所示的变形例的复位晶体管(复位器)35a不具有复位栅极34，而具有电压信号产生部36。当根据电压信号产生部36的信号而漏极32的施加电压上升时，漏极32周边的耗尽层与第一电荷蓄积部12a的耗尽层相连，能够将第一电荷蓄积部12a的电位设定为由耦合耗尽层的电位分布决定的特性的电压。即，能够使第一电荷蓄积部12a复位。由此，不使用复位栅极34那样的fet栅极就能够使第一电荷蓄积部的电位复位。另外，为了控制性良好地进行复位动作，也能够使各第一电荷蓄积部与漏极32的杂质浓度具有差异。另外，也能够以相同目的在各第一电荷蓄积部与漏极32之间形成适当的杂质区域。
68.图7是在固体摄像元件1a设置有复位晶体管35a的图。在该情况下，也能够得到与上述相同的效果。固体摄像元件1a具有传送控制器17，并通过外部施加电压进行分配驱动。因此，若设置复位晶体管35a，则成为在第一半导体10不存在fet栅极的构成。作为其结果，能够使制造工序大幅度简化，使制造成本显著降低。
69.图8是对第一半导体10附加了将信号电荷(在第一半导体10为p型的情况下为电子)释放的漏极构造38的例子。漏极构造38具有电压信号产生部39。当从电压信号产生部39对漏极构造38施加与第一半导体10成为反向偏置状态的电压时，第一电荷蓄积部12a的不需要的电荷被向漏极构造38排出。作为其结果，能够预先除掉不需要的电荷而改善分配信号的s/n比。
70.图9是对固体摄像元件1a附加了漏极构造38的图。在该情况下也不需要在第一半导体10形成fet栅极。
71.在图8以及图9的任一个中，漏极构造38都与复位晶体管35a组合。在该情况下，也可以由漏极构造38与复位晶体管35a共用一部分构造。
72.另外，可以如图10所示的变形例的固体摄像元件1b那样，在第一半导体10设置经由栅极与光电二极管11连接的电荷排出部18。在该情况下，在第一半导体10中不进行电荷的分配驱动的期间，能够将在光电二极管11中产生的由于入射的光而产生的电荷、由于暗电流而产生的电荷适当地排出。另外，在图10中由于难以在同一面中表示，因此省略了一方的第一电荷蓄积部12b以及所对应的第二半导体30的各部。
73.图11是将固体摄像元件1b的传送栅极13置换为具有p 型半导体区域15以及电压信号产生部16的传送控制器17，并将电荷排出部18的栅极置换为p 型半导体区域18a以及电压信号产生部18b的例子。在该情况下也是，成为在第一半导体10不存在fet栅极的构成，能够得到上述优点。
74.电荷排出部18也可以与复位晶体管、漏极构造组合。
75.附图标记说明
76.1、1a、1b 固体摄像元件
77.10 第一半导体
78.11 光电二极管
79.12、12a、12b 第一电荷蓄积部
80.13 传送栅极(传送控制器)
81.17 传送控制器
82.30 第二半导体
83.31 电位检测节点(电位探测器)
84.33 第二电荷蓄积部
85.35、35a 复位晶体管(复位器)
86.40 摄像元件
87.100 摄像系统
88.110 光源部
89.l1 射出光