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TW202133460A - 受光元件、攝像元件及攝像裝置 - Google Patents

受光元件、攝像元件及攝像裝置 Download PDF

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TW202133460A
TW202133460A TW110100724A TW110100724A TW202133460A TW 202133460 A TW202133460 A TW 202133460A TW 110100724 A TW110100724 A TW 110100724A TW 110100724 A TW110100724 A TW 110100724A TW 202133460 A TW202133460 A TW 202133460A
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TW110100724A
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Inventor
井本努
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日商索尼半導體解決方案公司
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Abstract

本發明之受光元件具有感測器基板(102)及電路基板(101)。感測器基板(102)供設置受光區域(103)、一對電壓施加電極及入射面電極(104)。受光區域(103)將入射之光光電轉換為信號電荷。一對電壓施加電極被交替施加電壓，該電壓使受光區域(103)產生將信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場。入射面電極(104)設於受光區域(103)之光入射面，被施加接地電位以下之電壓。電路基板(101)設於感測器基板(102)之與光入射面對向之面。電路基板(101)供設置處理電荷累積電極中累積之信號電荷的像素電晶體。

Description

受光元件、攝像元件及攝像裝置
本發明係關於受光元件、攝像元件及攝像裝置。
利用間接ToF(Time of Flight：飛行時間)方式之測距系統所使用之受光元件，具備以矩陣狀排列複數個受光像素之像素陣列。各受光像素具備：受光區域，其將入射之光光電轉換為信號電荷；及一對電極，其被交替施加電壓，該電壓使受光區域產生將信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場。(例如參照專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2011-86904號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，受光像素若進一步微細化，會導致電荷收集效率降低。
因此，本發明提案一種可使電荷收集效率增大之受光元件、攝像元件及攝像裝置。 [解決問題之技術手段]
根據本發明，提供一種受光元件。受光元件具有感測器基板與電路基板。感測器基板供設置受光區域、一對電壓施加電極及入射面電極。受光區域將入射之光光電轉換為信號電荷。一對電壓施加電極被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場。入射面電極設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓。電路基板設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面。電路基板供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。
以下，對本發明之實施形態基於圖式進行詳細說明。另，以下各實施形態中，對相同部位附加相同符號而省略重複說明。
[1.固體攝像元件之構成例] 本技術可應用於例如構成藉由間接ToF(Time of Flight：飛行時間)方式進行測距之測距系統之固體攝像元件、或具有此種固體攝像元件之攝像裝置等。
例如，測距系統可應用於搭載於車輛且測定與處於車外之對象物相隔之距離的車載用系統、或測定與使用者之手等之對象物相隔之距離且基於該測定結果辨識使用者之手勢的手勢辨識用系統等。該情形下，可將手勢辨識之結果用於例如汽車導航系統之操作等。
圖1係顯示本發明之受光元件之一例之固體攝像元件之構成例的圖。圖1所示之固體攝像元件11為背面照射型之CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator：電流輔助光子解調器)感測器，且設於具有測距功能之攝像裝置。
固體攝像元件11具備電路基板101、及積層於電路基板101上之感測器基板102。於感測器基板102設置以矩陣狀排列複數個受光像素(以下簡稱為「像素」)之像素陣列部21。
於電路基板101設置周邊電路。周邊電路部供設置例如垂直驅動部22、行處理部23、水平驅動部24、及系統控制部25。垂直驅動部22例如包含處理於各像素中經光電轉換之信號電荷的像素電晶體等。另，此處，為容易地理解電路基板101之構成要件與感測器基板102之構成要件的連接關係，而將各構成要件記載於同一平面上。
如此，藉由將像素陣列部21之像素設於感測器基板102，將像素電晶體設於電路基板101，從而固體攝像元件11可實現電荷收集效率之提高與消耗電力之降低。關於此點會參照圖3進行後述。
於固體攝像元件11進而亦設有信號處理部26及資料儲存部27。另，信號處理部26及資料儲存部27可搭載於與固體攝像元件11相同之基板上，亦可配置於攝像裝置之與固體攝像元件11不同之基板上。
像素陣列部21為於列方向及行方向、即以矩陣狀2維配置有像素的構成，該像素生成與接收到之光量對應之電荷，且輸出與該電荷對應之信號。即，像素陣列部21具有複數個像素，該像素將入射之光進行光電轉換，且輸出與其結果獲得之電荷對應之信號。
此處，列方向是指像素列之像素之排列方向(即水平方向)，行方向是指像素行之像素之排列方向(即垂直方向)。即，列方向在圖中為橫方向，行方向在圖中為縱方向。
像素陣列部21中，對於矩陣狀之像素排列，於每像素列沿列方向配置有像素驅動線28，且於各像素行沿行方向配置有2條垂直信號線29。例如像素驅動線28傳送自像素讀取信號時用以進行驅動的驅動信號。另，圖1針對像素驅動線28顯示1條配線，然而並非限定於1條。像素驅動線28之一端連接於與垂直驅動部22之各列對應之輸出端。
垂直驅動部22由移位暫存器或位址解碼器等構成，且全體像素同時或以列單位等驅動像素陣列部21之各像素。即，垂直驅動部22構成控制垂直驅動部22之系統控制部25，且構成控制像素陣列部21之各像素之動作的驅動部。
對應於垂直驅動部22之驅動控制而自像素列之各像素輸出之信號，通過垂直信號線29被輸入行處理部23。行處理部23對自各像素通過垂直信號線29而輸出之信號進行特定之信號處理，且暫時保持信號處理後之像素信號。
具體而言，行處理部23作為信號處理而進行雜訊去除處理或AD(Analog to Digital：類比-數位)轉換處理等。
水平驅動部24由移位暫存器或位址解碼器等構成，依序選擇與行處理部23之像素行對應之單位電路。藉由該水平驅動部24之選擇掃描，依序輸出行處理部23對每個單位電路進行信號處理後之像素信號。
系統控制部25由生成各種時序信號之時序產生器等構成，且基於該時序產生器所生成之各種時序信號，進行垂直驅動部22、行處理部23、及水平驅動部24等之驅動控制。
信號處理部26至少具有運算處理功能，基於自行處理部23輸出之像素信號進行運算處理等之各種信號處理。資料儲存部27於信號處理部26進行信號處理時，暫時儲存該處理所需之資料。
[2.像素之構成例] 其次，對設於像素陣列部21之像素之構成例進行說明。設於像素陣列部21之像素例如以圖2所示之方式構成。
圖2顯示設於像素陣列部21之1個像素51之剖面，該像素51接收自外部入射至受光區域103之光、特別是紅外光而進行光電轉換，且輸出與其結果獲得之電荷對應之信號。
像素51例如具有：感測器基板102，其包含矽基板，即由P型半導體區域構成之P型半導體基板；及形成於感測器基板102上、作為攝像光學系統之一例之晶載透鏡62。感測器基板102積層於電路基板101上。
電路基板101設置後述之傳送電晶體、重置電晶體、放大電晶體及選擇電晶體等之像素電晶體。關於電路基板101之電路構成之一例，參照圖4予以後述。
感測器基板102之圖中，於上側之表面、即受光區域103之供來自外部之光入射之側的面(以下亦稱為入射面)上，形成有使自外部入射之光聚光而入射至受光區域103內之晶載透鏡62。
又，像素51中，於受光區域103之入射面上之像素51之端部分，形成有用以防止鄰接之像素間混色之像素間遮光部63-1及像素間遮光部63-2。
再者，感測器基板102藉由於受光區域103之光入射面，設置施加接地電位以下之電壓的入射面電極104，而可提高電荷收集效率。關於此點參照圖6予以後述。
於受光區域103內之與入射面相反之面側、即圖中下側之面的內側部分，形成有氧化膜64、及稱為分接頭(Tap)之信號提取部65-1及信號提取部65-2。
該例中，於與受光區域103之入射面為相反側之面附近的像素51之中心部分形成有氧化膜64，於該氧化膜64之兩端分別形成有信號提取部65-1及信號提取部65-2。
此處，信號提取部65-1具有N型半導體區域之N+半導體區域71-1及N-半導體區域72-1、P型半導體區域之P+半導體區域73-1及P-半導體區域74-1。
即，於與受光區域103之入射面為相反側之面的表面內側部分中、氧化膜64之圖中鄰接於右側之位置，形成有N+半導體區域71-1。又，於N+半導體區域71-1之圖中上側，以覆蓋該N+半導體區域71-1之方式(以包圍之方式)形成有N-半導體區域72-1。
再者，於與受光區域103之入射面為相反側之面的表面內側部分，N+半導體區域71-1之圖中鄰接於右側之位置，形成有P+半導體區域73-1。又，於P+半導體區域73-1之圖中上側，以覆蓋該P+半導體區域73-1之方式(以包圍之方式)形成有P-半導體區域74-1。
另，此處雖未圖示，但更詳細而言，自與感測器基板102之面垂直之方向觀察受光區域103時，以P+半導體區域73-1及P-半導體區域74-1為中心，以包圍該等P+半導體區域73-1及P-半導體區域74-1之周圍之方式，形成有N+半導體區域71-1及N-半導體區域72-1。
同樣地，信號提取部65-2具有供體雜質之濃度較N型半導體區域之N+半導體區域71-2及N+半導體區域71-2為低的N-半導體區域72-2、及受體雜質濃度較P型半導體區域之P+半導體區域73-2及P+半導體區域73-2為低的P-半導體區域74-2。此處，供體雜質可舉出例如相對於Si之磷(P)或砷(As)等之元素週期表中屬於5族之元素。受體雜質可舉出例如相對於Si之硼(B)等之元素週期表中屬於3族之元素。
即，於與受光區域103之入射面為相反側之面的表面內側部分中、氧化膜64之圖中鄰接於左側之位置，形成有N+半導體區域71-2。又，於N+半導體區域71-2之圖中上側，以覆蓋該N+半導體區域71-2之方式(以包圍之方式)形成有N-半導體區域72-2。
再者，於與受光區域103之入射面為相反側之面的表面內側部分中、N+半導體區域71-2之圖中鄰接於左側之位置，形成有P+半導體區域73-2。又，於P+半導體區域73-2之圖中上側，以覆蓋該P+半導體區域73-2之方式(以包圍之方式)形成有P-半導體區域74-2。
另，此處雖未圖示，但更詳細而言，自與感測器基板102之面垂直之方向觀察受光區域103時，以P+半導體區域73-2及P-半導體區域74-2為中心，以包圍該等P+半導體區域73-2及P-半導體區域74-2之周圍之方式，形成有N+半導體區域71-2及N-半導體區域72-2。
以下，在無須特別區別信號提取部65-1及信號提取部65-2之情形下，亦簡稱為信號提取部65。
以下，在無須特別區別N+半導體區域71-1及N+半導體區域71-2之情形下，亦簡稱為N+半導體區域71；在無須特別區別N-半導體區域72-1及N-半導體區域72-2之情形下，亦簡稱為N-半導體區域72。
再者，以下，在無須特別區別P+半導體區域73-1及P+半導體區域73-2之情形下，亦簡稱為P+半導體區域73；在無須特別區別P-半導體區域74-1及P-半導體區域74-2之情形下，亦簡稱為P-半導體區域74。
又，受光區域103中，於N+半導體區域71-1與P+半導體區域73-1之間，藉由氧化膜等形成有用於分離該等區域之分離部75-1。同樣地，於N+半導體區域71-2與P+半導體區域73-2之間，藉由氧化膜等形成有用於分離該等區域之分離部75-2。以下，在無須特別區別分離部75-1及分離部75-2之情形下，亦簡稱為分離部75。
設於受光區域103之N+半導體區域71係作為檢測部發揮功能，用於檢測自外部入射至像素51之光之光量、即因受光區域103藉由光電轉換而產生之信號載子之量。又，P+半導體區域73係作為用於將多數載子電流注入受光區域103之注入接觸部發揮功能，亦即對受光區域103直接施加電壓而使受光區域103內產生電場者。
像素51中，於N+半導體區域71-1直接連接有未圖示之浮動擴散區域即FD(Floating Diffusion)部(以下亦特別稱為FD部A)，該FD部A經由未圖示之放大電晶體等而連接於垂直信號線29。
同樣地，於N+半導體區域71-2直接連接有與FD部A不同之另一FD部(以下亦特別稱為FD部B)，該FD部B經由未圖示之放大電晶體等而連接於垂直信號線29。此處，FD部A與FD部B連接於互不相同之垂直信號線29。
如要例如藉由間接ToF方式測定與對象物相隔之距離之情形時，自設有固體攝像元件11之攝像裝置向對象物射出紅外光。且，當該紅外光於對象物反射而作為反射光返回攝像裝置時，固體攝像元件11之受光區域103接收入射之反射光(紅外光)而進行光電轉換。
此時，垂直驅動部22使像素51驅動，將與藉由光電轉換所得之電荷對應之信號分配至FD部A與FD部B。另，如上述，像素51亦可不藉由垂直驅動部22驅動，而是經由垂直信號線29或其他於垂直方向較長之控制線，由另外設置之驅動部或水平驅動部24等驅動。
例如在某時序，垂直驅動部22經由接點等對2個P+半導體區域73施加電壓。具體而言，例如垂直驅動部22對P+半導體區域73-1施加1.5 V之電壓，對P+半導體區域73-2施加0 V之電壓。
其後，於受光區域103中之2個P+半導體區域73之間產生電場，自P+半導體區域73-1向P+半導體區域73-2流動電流。該情形，受光區域103內之電洞(hole)向P+半導體區域73-2之方向移動，藉此電子向P+半導體區域73-1之方向移動。
因此，在如此之狀態下來自外部之紅外光(反射光)經由晶載透鏡62入射至受光區域103內，且該紅外光於受光區域103內經光電轉換而被轉換為成對之電子與電洞時，所獲得之電子會藉由P+半導體區域73間之電場被導向P+半導體區域73-1之方向，而朝N+半導體區域71-1內移動。
該情形下，由光電轉換產生之電子被用作為信號載子，用以檢測與入射至像素51之紅外光之量、即紅外光之受光量對應之信號。
藉此，於N+半導體區域71-1中會累積與移動至N+半導體區域71-1內之電子對應之電荷，且該電荷經由FD部A、放大電晶體、垂直信號線29等而由行處理部23予以檢測。
即，N+半導體區域71-1之累積電荷被傳送至直接連接於該N+半導體區域71-1之FD部A，經由放大電晶體或垂直信號線29而由行處理部23讀取出與被傳送至FD部A之電荷對應之信號。且，對於讀取出之信號，於行處理部23實施AD轉換處理等之處理，將其結果獲得之像素信號供給至信號處理部26。
該像素信號為表示與由N+半導體區域71-1檢測出之電子對應之電荷量、即FD部A中累積之電荷量的信號。換言之，像素信號可說是表示像素51接收到之紅外光之光量的信號。
又，在其後之時序，藉由垂直驅動部22經由接點等對2個P+半導體區域73施加電壓，以產生與至此在受光區域103內產生之電場相反方向之電場。具體而言，例如對P+半導體區域73-2施加1.5 V之電壓，對P+半導體區域73-1施加0 V之電壓。
藉此，於受光區域103之2個P+半導體區域73之間產生電場，電流自P+半導體區域73-2向P+半導體區域73-1流動。
在如此之狀態下來自外部之紅外光(反射光)經由晶載透鏡62入射至受光區域103內，且該紅外光於受光區域103內經光電轉換而轉換被為成對之電子與電洞時，所獲得之電子會藉由P+半導體區域73間之電場被導向P+半導體區域73-2之方向，而朝N+半導體區域71-2內移動。
藉此，於N+半導體區域71-2中會累積與移動至N+半導體區域71-2內之電子對應之電荷，且該電荷經由FD部B、放大電晶體、垂直信號線29等而由行處理部23予以檢測。
即，N+半導體區域71-2之累積電荷被傳送至直接連接於該N+半導體區域71-2之FD部B，經由放大電晶體或垂直信號線29而由行處理部23讀取出與被傳送至FD部B之電荷對應之信號。且，對於讀取出之信號，於行處理部23中實施AD轉換處理等之處理，將其結果獲得之像素信號供給至信號處理部26。
如此，當獲得在相同之像素51中以互不相同之期間進行光電轉換而得之像素信號時，信號處理部26便基於該等像素信號算出表示與對象物相隔之距離的距離資訊，且向後段輸出。
如此將信號載子分配至互不相同之N+半導體區域71，且基於與該等信號載子對應之信號算出距離資訊之方法，稱作間接ToF方式。
又，圖2中自上朝下方向、即與受光區域103之面垂直之方向觀察像素51之信號提取部65之部分時，例如如圖3所示，為P+半導體區域73之周圍被N+半導體區域71包圍之構造。另，圖3中，與圖2之情形對應之部分附加相同之符號，適當省略其說明。
圖3所示之例中，於像素51之中央部分形成有未圖示之氧化膜64，於自像素51之中央略靠端側之部分形成有信號提取部65。特別是，此處於像素51內形成有2個信號提取部65。
且，各信號提取部65中，於其中心位置以矩形狀形成有P+半導體區域73，以該P+半導體區域73為中心，P+半導體區域73之周圍被矩形狀包圍，更詳言之為被矩形框形狀之N+半導體區域71包圍。即，N+半導體區域71係以包圍P+半導體區域73之周圍之方式形成。
又，像素51中，於像素51之中心部分、即箭頭A11所示之部分，以將自外部入射之紅外光聚光之方式形成有晶載透鏡62。換言之，自外部入射至晶載透鏡62之紅外光藉由晶載透鏡62被聚光於箭頭A11所示之位置，即圖2之氧化膜64之圖2中上側之位置。
此處，間接ToF方式之測距所使用之一般像素中，將信號提取部65與像素電晶體設於感測器基板102之相同層內。因此，像素若進一步微細化，信號提取部65與像素電晶體之距離會變得接近，而自信號提取部65向像素電晶體側產生電流之洩漏導致電荷收集效率降低。
具體而言，如上述，像素對一對P+半導體區域73交替施加特定之電壓，於P+半導體區域73-1與P+半導體區域73-2之間依序流動雙向之電流，而對FD部A與FD部B分配藉由光電轉換獲得之電荷。
然而，當像素進一步微細化，從而信號提取部65與像素電晶體之距離變近時，原本應於P+半導體區域73-1與P+半導體區域73-2之間流動之電流之一部分會洩漏至像素電晶體之Pwell區域。
由此，像素不僅消耗電力增大，且為了將電荷向信號提取部65引導而導致受光區域中產生之電場強度減弱，其結果，由N+半導體區域71補足之電荷減少，故電荷收集效率降低。
對此，本發明之像素51中，將像素電晶體設於電路基板101，將包含信號提取部65之受光區域103設於電路基板101上積層之感測器基板102。
如此，像素51中，由於將信號提取部65與像素電晶體設於積層之不同之基板，故即使將像素51於面方向微細化，信號提取部65與像素電晶體之距離仍不會變短。
因此，像素51在被微細化之情形下，藉由防止電流自信號提取部65向像素電晶體洩漏，可降低消耗電力，且可提高電荷收集效率。
[3.像素之電路構成例] 其後，參照圖4說明本發明之像素之電路構成例。圖4係顯示本發明之像素之電路構成例之圖。
如圖4所示，像素51中，於感測器基板102設置包含N+半導體區域71-1及P+半導體區域73-1等之信號提取部65-1。於電路基板101設置成為與信號提取部65-1對應之像素電晶體的傳送電晶體721A、FD722A、重置電晶體723A、放大電晶體724A、及選擇電晶體725A。
又，像素51中，於感測器基板102設置包含N+半導體區域71-2及P+半導體區域73-2等之信號提取部65-2。於電路基板101設置成為與信號提取部65-2對應之像素電晶體的傳送電晶體721B、FD722B、重置電晶體723B、放大電晶體724B、及選擇電晶體725B。
垂直驅動部22對P+半導體區域73-1施加特定之電壓MIX0，對P+半導體區域73-2施加特定之電壓MIX1。上述之例中，電壓MIX0及MIX1之一者為1.5 V，另一者為0 V。P+半導體區域73-1及73-2為被施加特定電壓之電壓施加電極。
N+半導體區域71-1及71-2係電荷累積電極，其檢測入射至受光區域103之光經光電轉換而生成之電荷，且累積該電荷。
當供給至閘極電極之驅動信號TRG成為作用狀態時，傳送電晶體721A對其回應而成為導通狀態，將N+半導體區域71-1中累積之電荷傳送至FD722A。當供給至閘極電極之驅動信號TRG成為作用狀態時，傳送電晶體721B對其回應而成為導通狀態，將於N+半導體區域71-2中累積之電荷傳送至FD722B。
FD722A暫時保持自N+半導體區域71-1供給之電荷。FD722B暫時保持自N+半導體區域71-2供給之電荷。FD722A與參照圖2說明之FD部A對應，FD722B與FD部B對應。
當供給至閘極電極之驅動信號RST成為作用狀態時，重置電晶體723A對其回應而成為導通狀態，將FD722A之電位重置為特定位準(重置電壓VDD)。當供給至閘極電極之驅動信號RST成為作用狀態時，重置電晶體723B對其進行回應而成為導通狀態，將FD722B之電位重置為特定位準(重置電壓VDD)。另，當重置電晶體723A及723B成為作用狀態時，傳送電晶體721A及721B亦同時成為作用狀態。
放大電晶體724A因其源極電極經由選擇電晶體725A連接於垂直信號線29A，從而構成連接於垂直信號線29A之一端的定電流源電路部726A之負載MOS與源極隨耦器電路。放大電晶體724B因其源極電極經由選擇電晶體725B連接於垂直信號線29B，從而構成連接於垂直信號線29B之一端的定電流源電路部726B之負載MOS與源極隨耦器電路。
選擇電晶體725A連接於放大電晶體724A之源極電極與垂直信號線29A之間。當供給至閘極電極之選擇信號SEL成為作用狀態時，選擇電晶體725A對其回應而成為導通狀態，將自放大電晶體724A輸出之像素信號輸出至垂直信號線29A。
選擇電晶體725B連接於放大電晶體724B之源極電極與垂直信號線29B之間。當供給至閘極電極之選擇信號SEL成為作用狀態時，選擇電晶體725B對其回應而成為導通狀態，將自放大電晶體724B輸出之像素信號輸出至垂直信號線29B。
像素51之傳送電晶體721A及721B、重置電晶體723A及723B、放大電晶體724A及724B、以及選擇電晶體725A及725B，例如由垂直驅動部22控制。
如此，像素51中，由於將信號提取部65設於感測器基板102，將像素電晶體設於電路基板101，故可防止電流自信號提取部65向像素電晶體洩漏，藉此可提高電荷收集效率。
又，像素51中，包含信號提取部65之受光區域103例如由GaAs、InGaAs等之III-V族化半導體形成。藉此，像素51可藉由直接遷移型能帶構造而提高量子效率、提高感度、以及藉由基板薄膜化而實現感測器低矮化。
又，包含信號提取部65之受光區域103例如可由Ge、GaSb等形成。該情形，像素51可藉由高電子遷移率而提高電子收集效率、及藉由低電洞遷移率而降低消耗電力。
[4.電路基板與感測器基板之連接態樣] 其後，參照圖5說明電路基板與感測器基板之連接態樣。圖5係顯示本發明之電路基板與感測器基板之連接態樣之圖。
圖5中，用白圈顯示Cu-Cu接合部MIX，其將向受光區域103之P+半導體區域73施加特定電壓之感測器基板102側之配線、與電路基板101側之配線相連接。又，用黑圈顯示Cu-Cu接合部DET，其將與受光區域103之N+半導體區域71連接之感測器基板102側之配線、與電路基板101側之配線相連接。
如圖5所示，像素51中，於像素陣列21之外側在2個部位設置Cu-Cu接合部MIX。又，Cu-Cu接合部DET於每個像素51設置2個部位。藉此，像素51與於每個像素設置Cu-Cu接合部MIX之情形相比較，因Cu-Cu接合部MIX之數量減少故微細化變得容易。另，Cu-Cu接合部MIX可由TCV(Through Chip Via：晶片穿孔)構成。又，Cu-Cu接合部MIX、DET亦可由凸塊構成。
[5.入射面電極及像素分離區域] 其後，參照圖6說明本發明之入射面電極及像素分離區域。圖6係本發明之入射面電極及像素分離區域之說明圖。如圖6所示，像素51中，例如，於受光區域103內若使電流自信號提取部65-1向信號提取部65-2流動時，經光電轉換之電荷會藉由因電流而產生之電場，如箭頭所示，自信號提取部65-2被導向信號提取部65-1。
此處，在像素51於光入射面之面方向之微細化進展下，信號提取部65-1與信號提取部65-2之間隔會縮小，但受光區域103之厚度(深度)方向之長度不會減小。
因此，像素51在經微細化之情形下，即使電流自信號提取部65-1向信號提取部65-2流動，仍難以充分地將電場擴展至受光區域103之光入射面附近。其結果，像素51難以有效率地於受光區域103之光入射面附近將經光電轉換之電荷導向信號提取部65-2，而電荷收集效率降低。
因此，像素51中，於受光區域103之光入射面設置入射面電極104。入射面電極例如連接於設於電路基板101之接地(ground)配線或負電壓產生電路，被施加0 V或負電壓。
因此，像素51中，當電流自信號提取部65-1向信號提取部65-2流動時，電流亦自信號提取部65-1向入射面電極104流動。藉此，藉由自信號提取部65-1向入射面電極104流動之電流而產生之電場，如箭頭所示，像素51可有效率地將光入射面附近經光電轉換之電荷，導向信號提取部65-2。
如此，由於像素51於光入射面具備被施加接地電位以下之電壓的入射面電極104，故即使被微細化，仍可將光入射面附近經光電轉換之電荷導向信號提取部65-1，而提高電荷收集效率。
另，由於入射面電極104必須使入射光透過，故採用透明電極。例如，入射面電極104係例如藉由積層於受光區域103之光入射面的負固定電荷膜，而形成於光入射面的電洞累積層。
又，入射面電極104亦可為於受光區域103之光入射面摻雜有P型雜質之P型導電層。又，入射面電極104亦可為積層於受光區域103之光入射面之ITO(Indium Tin Oxide：氧化銦錫)膜等無機電極膜。又，入射面電極104亦可為積層於受光區域103之光入射面，具有透光性且厚膜(例如50 nm以下)的W膜等金屬膜。
像素51在設置上述任一入射面電極104之情形下，皆可藉由自信號提取部65向入射面電極104流動之電流而產生之電場，有效率地將光入射面附近經光電轉換之電荷導向信號提取部65。
又，像素51於受光區域103與鄰接之像素51之受光區域103之間，具備將鄰接之受光區域電性分離之像素分離區域105。像素分離區域105例如為形成於各像素51之間的DTI(Deep Trench Isolation：深槽隔離)。
像素分離區域105自受光區域103之光入射面到達朝向與受光區域103之光入射面對向之面的中途部。該像素分離區域105設置為，將對每個像素51設置之、以矩陣狀排列複數個受光區域103的像素陣列21按每個受光區域103予以劃分。
藉此，由於各像素51可藉由像素分離區域105於受光區域103內捕陷經光電轉換之電荷，故可抑制因電荷洩漏至鄰接之像素51而產生電性混色。其後，說明該像素分離區域103之構成例。
[6.像素分離區域之構成例] 圖7A~圖7C係顯示本發明之像素分離區域之構成例之圖。如圖7A所示，像素分離區域105A例如由SiO2 等之絕緣體106構成。藉此，像素51如上述，可藉由像素分離區域105A抑制像素51間之電性混色。又，藉由像素分離區域105將入射至受光區域103之光予以，可抑制入射光向鄰接之像素51洩漏而導致之光學性混色。
又，如圖7B所示，像素分離區域105B亦可由表面設有SiO2 等之絕緣膜107的金屬108構成。由於金屬108作為遮光膜發揮功能，故藉由像素分離區域105B，可抑制入射光向鄰接之像素51洩漏而導致之光學性混色。
又，如圖7C所示，像素分離區域105C亦可由表面設有負固定電荷膜109之SiO2 等的絕緣體106構成。藉由像素分離區域105C，可一方面使負固定電荷膜109維持受光區域103之電場分佈，一方面抑制在像素分離區域105C之表面產生暗電流或白點。
又，圖7A~圖7C所示之像素分離區域105A、105B、105C可設為電性浮動狀態(非固定狀態)。該情形時，像素51中，由於自信號提取部65流向入射面電極104之電流更均勻地流動於受光區域103內，故即使像素51微細化，仍可將所需之電場形成至入射面電極104附近。
又，可對像素分離區域105B之金屬108、及像素分離區域105C之負固定電荷膜109，施加接地電位以下之電壓。該情形時，像素51中，由於像素分離區域105B、105C附近之受光區域103中之Si被釘扎為P型，故可抑制在像素分離區域105B、105C之表面產生暗電流或白點。
如上述，像素51因藉由像素分離區域105A、105B、105C而抑制光學性混色或電性混色，故可提高亮度圖像或距離圖像之解析度，且減少暗電流等引起之雜訊。又，像素51在背景光較強之情形下，亦可藉由將施加於入射面電極104之電壓設為接近0 V而降低感度。
[7.像素分離區域之變化例] 其後，參照圖8~圖10說明像素分離區域之變化例及配置例。圖8係本發明之變化例1之像素分離區域之說明圖。圖9係本發明之變化例2之像素分離區域之說明圖。圖10係顯示本發明之像素分離區域之配置例之圖。
如圖8所示，變化例1之像素51A具備像素分離區域110，其自受光區域103之光入射面到達與感測器基板102之光入射面對向之面。像素分離區域110例如由SiO2 等絕緣體構成。像素分離區域110由於是以貫通感測器基板102之正背面之方式設置，故可更加確實地抑制與鄰接之像素51A之間產生光學性混色或電性混色。
又，如圖9所示，變化例2之像素51B所具備之像素分離區域110A雖然是以貫通感測器基板102之正背面之方式設置，但其構成與圖8所示之像素分離區域110不同。
像素分離區域110A由表面設有SiO2 等之絕緣膜107之金屬108構成。該像素分離區域110A例如如圖10所示，設於以矩陣狀排列之複數個俯視呈矩形狀之受光區域103之角部，將入射面電極104與接地配線或負電壓產生電路連接。
像素分離區域110A例如可藉由受光區域103之與光入射面對向之面側之低電阻配線、或電路基板101上之低電阻配線，將感測器基板102之接地(ground)端子、與各入射面電極104之間連接。藉此，抑制入射面電極104因配線電阻所致之電壓降低。
又，將像素分離區域110A設於俯視呈矩形狀之受光區域103之角部之情形下，於受光區域103之俯視下之角部以外之外周，例如設置圖6所示之像素分離區域105。
因此，各受光區域103於俯視下之外周中除角部以外之幾乎全部的外周，由自受光區域103之光入射面延伸至深度方向之中途部的像素分離區域105包圍。
藉此，由於自信號提取部65流向入射面電極104之電流之大多均勻地流動於受光區域103內，故即使像素51微細化，仍可將所需之電場形成至入射面電極104附近。
另，本說明書所記載之效果僅為例示而非限定者，亦可有其他效果。
另，本技術亦可採用如下構成。 (1) 一種受光元件，其具有感測器基板及電路基板；且 上述感測器基板供設置： 受光區域，其將入射之光光電轉換為信號電荷； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。 (2) 如上述(1)之受光元件，其中 上述入射面電極， 為藉由積層於上述光入射面之負固定電荷膜而形成於上述入射面之電洞累積層。 (3) 如上述(1)之受光元件，其中 上述入射面電極係P型導電層， 其於上述光入射面摻雜有P型雜質。 (4) 如上述(1)之受光元件，其中 上述入射面電極係無機電極膜， 其積層於上述光入射面。 (5) 如上述(1)之受光元件，其中 上述入射面電極係厚膜之金屬膜， 其積層於上述光入射面，且具有透光性。 (6) 如上述(1)~(6)中任一者之受光元件，其具有： 像素分離區域，其設於以矩陣狀排列之複數個上述受光區域之間，將鄰接之上述受光區域電性分離。 (7) 如上述(6)之受光元件，其中 上述像素分離區域係 自上述光入射面，到達朝向上述受光區域之與上述入射面對向之面的中途部。 (8) 如上述(7)之受光元件，其中 上述像素分離區域係 將以矩陣狀排列複數個上述受光區域之像素陣列按每個受光區域予以劃分，且電性浮動。 (9) 如上述(6)之受光元件，其中 上述像素分離區域係 自上述光入射面，到達上述感測器基板之與上述入射面對向之面。 (10) 如上述(9)之受光元件，其中 上述像素分離區域係 設置於以矩陣狀排列之複數個俯視呈矩形狀之上述受光區域之角部，將上述入射面電極與接地配線或負電壓產生電路連接。 (11) 如上述(6)~(10)中任一者之受光元件，其中 上述像素分離區域由絕緣體構成。 (12) 如 (6)~(10)中任一者之受光元件，其中 上述像素分離區域由表面設有絕緣膜之金屬構成。 (13) 如 (6)~(10)中任一者之受光元件，其中 上述像素分離區域由表面設有負固定電荷膜之絕緣體構成。 (14) 一種攝像元件，其具有感測器基板及電路基板；且 上述感測器基板供設置： 像素陣列，其以矩陣狀排列將入射之光光電轉換為信號電荷之複數個受光區域； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生就每個上述受光區域將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。 (15) 一種攝像裝置，其具有： 攝像光學系統、 感測器基板、及 電路基板；且 上述感測器基板供設置： 像素陣列，其以矩陣狀排列將入射之光光電轉換為信號電荷之複數個受光區域； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生就每個上述受光區域將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。
11:固體攝像元件 21:像素陣列部 22:垂直驅動部 23:行處理部 24:水平驅動部 25:系統控制部 26:信號處理部 27:資料儲存部 28:像素驅動線 29:垂直信號線 29A:垂直信號線 29B:垂直信號線 51:像素 51A:像素 61:基板 62:晶載透鏡 63-1:像素間遮光部 63-2:像素間遮光部 64:氧化膜 65-1:信號提取部 65-2:信號提取部 71:N+半導體區域 71-1:N+半導體區域 71-2:N+半導體區域 72-1:N-半導體區域 72-2:N-半導體區域 73:P+半導體區域 73-1:P+半導體區域 73-2:P+半導體區域 74-1:P-半導體區域 74-2:P-半導體區域 75-1:分離部 75-2:分離部 101:電路基板 102:感測器基板 103:受光區域 104:入射面電極 105:像素分離區域 105A:像素分離區域 105B:像素分離區域 105C:像素分離區域 106:絕緣體 107:絕緣膜 108:金屬 109:負固定電荷膜 110:像素分離區域 110A:像素分離區域 441:分離區域 441-1:分離區域 441-2:分離區域 471:分離區域 471-1:分離區域 471-2:分離區域 631:反射構件 721:傳送電晶體 721A:傳送電晶體 721B:傳送電晶體 722:FD 722A:FD 722B:FD 723:重置電晶體 723A:重置電晶體 723B:重置電晶體 724:放大電晶體 724A:放大電晶體 724B:放大電晶體 725:選擇電晶體 725A:選擇電晶體 725B:選擇電晶體 726A:定電流源電路部 726B:定電流源電路部 A11:箭頭 DET:Cu-Cu接合部 DET0:Cu-Cu接合部 DET1:Cu-Cu接合部 MIX:Cu-Cu接合部 MIX0:電壓 MIX1:電壓 RST:驅動信號 SEL:選擇信號 TRG:驅動信號
圖1係顯示本發明之受光元件之一例之固體攝像元件之構成例的圖。 圖2係顯示本發明之像素之構成例之圖。 圖3係顯示本發明之像素之信號提取部之部分構成例的圖。 圖4係顯示本發明之像素之電路構成例之圖。 圖5係顯示本發明之電路基板與感測器基板之連接態樣之圖。 圖6係本發明之入射面電極及像素分離區域之說明圖。 圖7A係顯示本發明之像素分離區域之構成例之圖。 圖7B係顯示本發明之像素分離區域之構成例之圖。 圖7C係顯示本發明之像素分離區域之構成例之圖。 圖8係本發明之變化例1之像素分離區域之說明圖。 圖9係本發明之變化例2之像素分離區域之說明圖。 圖10係顯示本發明之像素分離區域之配置例之圖。
51:像素
62:晶載透鏡
63-1:像素間遮光部
63-2:像素間遮光部
64:氧化膜
65-1:信號提取部
65-2:信號提取部
71-1:N+半導體區域
71-2:N+半導體區域
72-1:N-半導體區域
72-2:N-半導體區域
73-1:P+半導體區域
73-2:P+半導體區域
74-1:P-半導體區域
74-2:P-半導體區域
75-1:分離部
75-2:分離部
101:電路基板
102:感測器基板
103:受光區域
104:入射面電極
MIX0:電壓
MIX1:電壓
DET0:Cu-Cu接合部
DET1:Cu-Cu接合部

Claims (15)

  1. 一種受光元件，其包含感測器基板及電路基板；且 上述感測器基板供設置： 受光區域，其將入射之光光電轉換為信號電荷； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。
  2. 如請求項1之受光元件，其中 上述入射面電極係電洞累積層， 其藉由積層於上述光入射面之負固定電荷膜，而形成於上述入射面。
  3. 如請求項1之受光元件，其中 上述入射面電極係P型導電層， 其係於上述光入射面摻雜有P型雜質。
  4. 如請求項1之受光元件，其中 上述入射面電極係無機電極膜， 其積層於上述光入射面。
  5. 如請求項1之受光元件，其中 上述入射面電極係厚膜之金屬膜， 其積層於上述光入射面，且具有透光性。
  6. 如請求項1之受光元件，其包含： 像素分離區域，其設於以矩陣狀排列之複數個上述受光區域之間，將鄰接之上述受光區域電性分離。
  7. 如請求項6之受光元件，其中 上述像素分離區域係 自上述光入射面，到達朝向上述受光區域之與上述入射面對向之面的中途部。
  8. 如請求項7之受光元件，其中 上述像素分離區域係 將以矩陣狀排列複數個上述受光區域之像素陣列按每個上述受光區域予以劃分，且電性浮動。
  9. 如請求項6之受光元件，其中 上述像素分離區域係 自上述光入射面，到達上述感測器基板之與上述入射面對向之面。
  10. 如請求項9之受光元件，其中 上述像素分離區域係 設置於以矩陣狀排列之複數個俯視呈矩形狀之上述受光區域之角部，將上述入射面電極與接地配線或負電壓產生電路連接。
  11. 如請求項6之受光元件，其中 上述像素分離區域由絕緣體構成。
  12. 如請求項6之受光元件，其中 上述像素分離區域由表面設有絕緣膜之金屬構成。
  13. 如請求項6之受光元件，其中 上述像素分離區域由表面設有負固定電荷膜之絕緣體構成。
  14. 一種攝像元件，其包含感測器基板及電路基板， 上述感測器基板供設置： 像素陣列，其以矩陣狀排列將入射之光光電轉換為信號電荷之複數個受光區域； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生就每個上述受光區域將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。
  15. 一種攝像裝置，其包含： 攝像光學系統、 感測器基板、及 電路基板；且 上述感測器基板供設置： 像素陣列，其以矩陣狀排列將入射之光光電轉換為信號電荷之複數個受光區域； 一對電壓施加電極，其被交替施加電壓，該電壓使上述受光區域產生就每個上述受光區域將上述信號電荷分時地分配至一對電荷累積電極之電場；及 入射面電極，其設於上述受光區域之光入射面，被施加接地電位以下之電壓；且 上述電路基板係 設於上述感測器基板之與上述光入射面對向之面，且供設置處理上述電荷累積電極中累積之上述信號電荷的像素電晶體。
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