固态成像装置及制造固态成像装置的方法 【技术领域】
本发明涉及一种固态成像装置。
背景技术
一般而言，目前市场上越来越常见的商用数码相机中使用的固态成像装置必须具有一百万或更多个像素，以实现不低于胶片相机的图像质量，并且具有三百万或更多个像素的固态成像装置目前已投入实际使用。另外，需要减小商用数码相机的尺寸。因此，固态成像装置中的像素数量必须在不改变其芯片尺寸的情况下增加，或者必须同时实现像素数量的增加和芯片尺寸的减小。
行间传输隔行扫描(IT-IS：interline-transfer interlace-scan)CCD通常用作具有大量像素的固态成像装置。在这种类型的固态成像装置中，在不改变芯片尺寸的情况下增加像素数量时，用于光电转换的单位元件的尺寸相应减小。因此，降低了灵敏度和可载有的电荷数量，即饱和信号电平。为了补偿这些，已经进行了各种特性改善，使得可以在不由于单位元件尺寸减小而导致特性降低的情况下，增加像素数量。然而，若像素数量进一步增加，性能将不可避免地下降一定水平。
为了从根本上解决上述问题，已经提出了其中在多个层中布置诸如光传感器和电荷传输电极的有源器件的固态成像装置，其介绍如下。
(1)提出一种用于增加固态成像装置地灵敏度的方法，其中包括多晶硅或非晶硅的光电转换单元形成在信号电荷传输单元上，使得固态成像装置的整个表面起光接收面的作用，并且增大了所接收的光量。然而，由于多晶硅和非晶硅中电子和空穴的迁移率低于单晶硅中的，因此出现了余象(afterimage)等问题。因此，难以将这种固态成像装置投入实际使用。
(2)提出一种方法，其中硅基板的厚度通过背蚀刻减小至约几十微米，而图像通过使光从背侧进入光传感器而获取。在此方法中，由于未受到传输电极的阻挡，因此入射光量增大，并且灵敏度由此而增大。然而，由于硅基板厚度的减小存在限制，因此其应用限制为所接收的是硅对于其具有很高透射率的红外光的情况。另外，难以提高精度，因此本结构不适于具有需要以很高的密度排列的大量像素的成像装置。
(3)单个单元起光电转换单元和电荷传输单元两种作用的面阵传输(FT：frame transfer)CCD的优点还在于，其具有很大的有效电荷存储面积。然而，存在由于传输电极的光吸收导致在短波长区灵敏度降低的问题。另外，由于单个单元起光电转换单元和电荷传输单元两种作用，因此所产生的暗电流的量与IT-CCD相比更大，并且存在S/N比例低的问题。
为了解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种固态成像装置以及制造该固态成像装置的方法，该装置具有可以在不增大尺寸的情况下增加像素数量的结构。
【发明内容】
在根据本发明的固态成像装置和通过根据本发明的方法制造的固态成像装置中，电极设置在缓冲层与光传感器之间，即，位于光传感器后面。因此，例如，当使用该电极作为电荷传输电极时，不必将电荷传输电极布置在光传感器的光接收面上。在此情况下，同已知结构相比，可以增加光传感器的光接收面积。
另外，在使用该电极作为溢出泄漏电极时，可以通过向该电极施加电压去除存储在光传感器中的多余电荷。
另外，在用于制造根据本发明的固态成像装置的方法中，在硅基板的第一表面上形成电极之前，通过以低能量穿过硅基板的第一表面向硅基板中注入离子而形成溢出阻挡层，在完成固态成像装置时，溢出阻挡层处于光传感器下面。因此，与已知结构不同，不必向硅基板中深度注入离子，以形成溢出阻挡层。因此，可以可靠地控制所注入的杂质的浓度分布，并且可以减小溢出阻挡层的厚度。
【附图说明】
图1中，(A)和(B)为根据本发明实施例的固态成像装置的一部分的截面图；
图2为显示图1所示固态成像装置的一部分的平面图；
图3为根据本发明第二实施例的固态成像装置的一部分的截面图；
图4为显示根据第二实施例的固态成像装置的一部分的平面图；
图5A、5B和5C为用于制造根据本发明的固态成像装置的方法的示例的工艺图；以及
图6A、6B和6C为显示图5C所示工艺后执行的工艺的工艺图。
【具体实施方式】
接着，将在下面参照附图介绍本发明的实施例。
图1中，(A)和(B)为根据本发明实施例的固态成像装置的一部分的截面图，而图2为显示图1所示固态成像装置的一部分的平面图。图1(A)为图2沿着线A-A’截取的截面图，而图1(B)为图2沿着线B-B’截取的截面图。
如图2所示，根据本实施例的固态成像装置2包括按矩阵图形布置在半导体基板6的表面区域中的多个光传感器4，使光传感器4彼此邻近。每一行上的光传感器4通过器件分离区8彼此分开，又如图1(B)所示，而每一列上的光传感器4通过沟道停止区10彼此分开，又如图1(A)所示。沟道停止区10为通过以高浓度注入p型杂质离子而形成的p型区域。图2示出了光屏蔽膜下面的结构，其将在下面介绍。
每个光传感器4设置有用于传输在光传感器4接收光时由光传感器4产生的信号电荷的第一和第二传输电极12和14(根据本发明的电极)。第一和第二传输电极12和14设置成由每一行的光传感器4共用，并且沿着光传感器4的行延伸。另外，第一和第二传输电极12和14沿着光传感器4的列交替设置。如图1所示，根据本发明，第一和第二传输电极12和14未设置在半导体基板6的表面上，而是嵌入光传感器4的下面(后面)。
半导体基板6通过从底部按顺序叠置由硅构成的支撑基板16、由绝缘材料构成的缓冲层18、以及硅薄层20(单晶硅薄膜)而形成。硅薄层20在其表面区域具有光传感器4，而光传感器4例如，由p+区22和n型区24构成，在该p+区22中以高浓度注入了p型杂质，在该n型区24中注入了n型杂质。另外，其中以低浓度注入了p型杂质的p-区26设置在光传感器4下面，作为溢出阻挡区(overflow barrier)，而其中注入了n型杂质的n型区28例如设置在p-区26下面，作为用于传输由光传感器4产生的信号电荷的传输通道。
第一和第二传输电极12和14嵌入在缓冲层18与n型区28之间，而绝缘膜30插入在n型区28与第一和第二传输电极12和14之间。第一和第二传输电极12和14可以由例如，多晶硅或诸如铝和钨的金属构成，而绝缘膜30可以由例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化钛、碳化硅等构成。如图1(A)所示，第一和第二传输电极12和14通过绝缘层彼此分开。在本实施例中，第一传输电极12直接位于光传感器4的下面，而第二传输电极14位于沟道停止区10的下面。
在光传感器4的表面上形成抗反射膜32，以防止进入光传感器4的光的反射，使得进入光传感器4的光量增加。抗反射膜32可以由氧化硅或氮化硅构成。在与光传感器4相对应的位置处具有开口的光屏蔽膜34形成在硅薄层20上，而绝缘层设置在其间。另外，平整膜38形成在光屏蔽膜34上，而滤色片40和片上透镜(on-chip len)42与已知固态成像装置中类似地形成。
接着，将在下面介绍如上构造的固态成像装置2的操作。
在获取图像时，设置在固态成像装置2前面的机械快门(未示出)松开，使得光进入每个光传感器4。每个光传感器4进行光的光电转换以产生信号电荷，并积累所产生的信号电荷。然后，在机械快门关闭且曝光结束时，传输脉冲顺序施加于第一和第二传输电极12和14，并且去除了在曝光期间存储在传输通道中的多余电荷。
接着，向每隔一个的第一传输电极12(例如，第N个第一传输电极12，其中N为偶数)施加正电压，从而读出积累在相应的光传感器4中的信号电荷，并将其提供给作为传输通道的n型区28。在本实施例中，信号电荷通过隔行法读出，并且因此如上所述地向每隔一个的第一传输电极12施加正电压。
然后，向第一和第二传输电极12和14施加传输脉冲，使得如上所述地读出的信号电荷沿着第一和第二传输电极12和14排列的方向，朝向水平电荷传输寄存器(未示出)顺序传输。由此，由每一行上的光传感器4产生的信号电荷提供给相应的水平电荷传输寄存器。然后，信号电荷通过水平电荷传输寄存器传输，转化为电压，并作为图像信号从固态成像装置2输出。
然后，向第M个第一传输电极12(其中N为偶数)施加正电压，从而由相应的光传感器4读出信号电荷。然后，与上面相似，向第一和第二传输电极12和14施加传输脉冲，从而顺序传输信号电荷。由此，所有光传感器产生的信号电荷从光传感器4读出，并且从固态成像装置2输出表达所获取的图像的图像信号。
在根据本实施例的固态成像装置2中，传输电极没有如已知结构那样形成在硅薄层20的表面上，并且因此光传感器4的面积与已知结构相比增大。因此，足够量的光进入光传感器4。由此，即使在减小每个单位元件(像素)的尺寸，从而在不增大固态成像装置2尺寸的情况下增加像素数量时，可以实现所需的灵敏度，并且可以进一步增加固态成像装置2中的像素数量。
另外，在每个单位元件的尺寸与已知结构中相同的情况下，由于光传感器4的尺寸大，因此固态成像装置2的灵敏度比已知结构中的高。另外，光传感器4可载的电荷数增大，并且固态成像装置2的动态范围(dynamicrange)也相应增大。
此外，由于硅薄层20由单晶硅构成，因此与多晶硅和非晶硅中不同，电子和空穴的迁移率足够大。所以，不会发生余象等问题。
另外，根据本实施例，进入并通过光传感器4的光由第一和第二传输电极12和14的表面或绝缘膜30的表面反射，返回光传感器4，并由光传感器4转化为电荷。即使返回光再次通过光传感器4，其也将由抗反射膜32的顶面或底面反射，并且由光传感器4转化为电荷。由此，根据本实施例，在抗反射膜32与第一和第二传输电极12和14以及绝缘膜30中之一之间发生了光的多重反射。因此，光在光传感器4中行进的总距离增大，并且入射光的光电转换非常充分。结果，即使是在减小光传感器4的尺寸(特别是厚度)时，也可以获得足够的灵敏度，并且由此可以减小固态成像装置2的尺寸。
另外，在适当选取绝缘膜30的材料和厚度使得由绝缘膜30的表面反射的光和由传输电极的表面反射的光彼此干涉从而彼此加强时，反射光的强度进一步增大，并且可以相应地提高灵敏度。类似地，在适当选取抗反射膜32的材料和厚度使得由抗反射膜32的顶面反射的光和由抗反射膜32的底面反射的光彼此干涉从而彼此加强时，可以进一步提高灵敏度。
另外，在已知结构中，由于硅对于可见光的吸收系数随着波长的增加(朝向红色区)而减小，光传感器4的深度在几个微米至约10个微米的范围内，以保持在红光和近红外区域的灵敏度。然而，根据本实施例，光传感器4的深度没有限制。另外，在考虑了绝缘膜30和抗反射膜32的折射率和厚度以及光的波长的情况下适当进行光学设计，可以获得对于任何波长都具有很高灵敏度的固态成像装置。
在本实施例中，信号电荷通过隔行法读出。然而，也可以容易地获得其中每个光传感器4设置有三个传输电极并且信号电荷从所有的光传感器4同时读出的结构。
接着，将在下面介绍本发明的第二实施例。
图3为根据本发明第二实施例的固态成像装置的一部分的截面图，而图4为显示根据第二实施例的固态成像装置的一部分的平面图。图3为图4沿线C-C’截取的截面图。图中，与图1所示类似的部件由相同的附图标记表示，并将略去对其的说明。
参照附图，根据第二实施例的固态成像装置44在光传感器4和用于传输信号电荷的结构方面与已知的IT-IS固态成像装置类似。然而，其与已知的固态成像装置或根据以上实施例的固态成像装置2不同，根据本发明的电极起到了溢出泄漏电极的作用。
固态成像装置44具有通过叠置支撑基板16、缓冲层18和硅薄层20构成的半导体基板46，而溢出泄漏电极48(根据本发明的电极)嵌入在缓冲层18与光传感器4之间，即，在缓冲层18与硅薄层20之间。如图4所示，溢出泄漏电极48为每一列光传感器4设置，使得其沿着光传感器4的列延伸。
另外，在硅薄层20与溢出泄漏电极48相接触的表面区域中形成了n+区58。
每个光传感器4设置有第一和第二表面传输电极50和52，第一和第二表面传输电极50和52形成在硅薄层20与缓冲层18相对的一侧上。如图4所示，第一和第二表面传输电极50和52沿着光传感器4的列交替排列。另外，第一和第二表面传输电极50和52设置成由每一行的光传感器4共用，并且因此其沿着光传感器4的行延伸。如图3所示，在硅薄层20中、第一和第二表面传输电极50和52下面的位置处形成n型区54，作为电荷传输通道。另外，p+区56形成在溢出阻挡区26A与n型区54之间，而n-区60形成在电荷传输通道与光传感器4之间。如图3所示，第一和第二表面传输电极50和52由光屏蔽膜62覆盖。
在如上构造的固态成像装置44中，积累在光传感器4中的多余电荷可通过向溢出泄漏电极48施加正电压而去除。
尽管为每一列光传感器4设置了一个溢出泄漏电极48，但显然，该结构还可以是为每一行光传感器4或为每一个光传感器4设置一个溢出泄漏电极48。
使用溢出泄漏电极48可以实现像素减少、电子变焦、高性能电子快门等。
更具体而言，在固态成像装置44中，在向每隔一列上的溢出泄漏电极48施加正电压并且去除积累在相应光传感器4中的信号电荷时，可以消去每隔一列的像素，并可以获得宽度减半的图像。在已知结构中，信号电荷读出的速度通过消去每隔一行的像素来增加，从而实现其中可以以很高的帧频(frame rate)显示监视图像的取景器功能，或者进行高性能的自动聚焦和自动曝光。然而，由于仅可以以行为单位消去像素，因此所获得图像的纵横比与原始图像的不同。相比之下，若除了消去每隔一行的像素之外，还使用上述溢出泄漏电极48消去每隔一列的像素，则可以保持原始图像的纵横比。另外，由于像素的数量减少为四分之一，因此可以进一步提高帧频。
若为每个光传感器4设置一个溢出泄漏电极，则该结构还可以是，例如，由周边区域中的光传感器4产生的信号电荷被消除，而仅是由中心矩形区域中的光传感器4产生的信号电荷被读出。在执行电子变焦时，仅使用由位于特定区域中的光传感器4产生的信号电荷。因此，在上述功能用于电子变焦时，由特定区域中的光传感器4(例如，中心矩形区域中的光传感器4)产生的信号电荷可以被选择性地读出。因此，可以在短时间内获得图像。另外，对于显示移动图像的情况，其可以以很高的帧频显示。
另外，可以使用溢出泄漏电极48作为电子快门，并将与相邻的像素相对应的光传感器4的电荷存储时间设置为不同的值，来增加动态范围。更具体地说，对于两个相邻像素中的一个，存储时间设置为较长时间(其意味着在较早的时间向相应的溢出泄漏电极48施加正电压)，并且对于另一个像素，存储时间设置为较短的时间(其意味着在较晚的时间向相应的溢出泄漏电极48施加正电压)。在此情况下，若有较大量的光进入，电荷饱和发生在长存储时间的像素处，而未发生在短存储时间的像素处，并且可以在短存储时间的像素处探测到光。因此，在光量很大时，图像信号可以使用在短存储时间的像素处获得的探测结果产生。相反，在光量极小时，可以使用通过长存储时间的像素获得的探测结果，使得可以以足够的灵敏度获取图像，即使光很微弱。
另外，还可以通过以下方法增加动态范围。即，首先，获取图像，同时为所有的光传感器设置特定的存储时间。然后，建立显示每个像素处入射光量的布图数据。然后，发生电荷饱和的区域在布图数据的基础上确定。未发生电荷饱和的区域的光传感器4的存储时间未改变，而发生了电荷饱和区域中的光传感器4的存储时间减少。因此，再次获取图像时，任何区域都未发生电荷饱和，并且可以获得高品质图像。
另外，在固态成像装置44中，还在抗反射膜32与溢出泄漏电极48之间发生了光的多重反射，并且光传感器4中光行进的总距离增大。因此，光探测灵敏度比已知结构的高。
接着，将在下面介绍制造根据本发明的固态成像装置的方法的实施例。
图5A、5B和5C为用于制造根据本发明的固态成像装置的方法的示例的工艺图，而图6A、6B和6C为显示图5C所示工艺后执行的工艺的工艺图。每幅图显示出了制造固态成像装置的工艺之中相应工艺中的基板结构的一部分的截面图。图中，与图1和2所示相似的部件由相同的附图标记表示。
在本实施例中，将介绍制造上述固态成像装置2的方法的示例。首先，如图5A所示，用于彼此分开光传感器的沟槽68以固定的间隔形成在由单晶硅构成的硅基板64的第一表面66中。
接着，如图5B所示，通过用器件分离材料填充沟槽68形成器件分离区8。用于填充沟槽68的材料可以是氧化硅或氮化硅，使得其在化学机械抛光(CMP)工艺中起到停止层(这将在后面执行)并阻挡光的作用。然后，通过以高浓度选择性地注入p型杂质离子形成沟道停止区(未示出)，使得沟道停止区垂直于沟槽68延伸，而在其间沿着垂直于纸面的方向设置有缝隙。然后，通过以低能量穿过硅基板64的第一表面66注入离子形成具有低浓度p型杂质的p型区26。
接着，在硅基板64的第一表面66上形成与图1所示的绝缘膜30相对应的绝缘膜(未在图5A至5C和6A至6C中示出)，并且为每一行光传感器形成第一和第二传输电极12和14(仅，第一传输电极12在图5B中示出)，使得其沿着光传感器4的行延伸。
然后，如图5C所示，通过沉积例如，二氧化硅，在第一和第二传输电极12和14上形成缓冲层18。
然后，如图6A所示，在缓冲层18上结合，例如，由硅构成的支撑基板16。然后，放置整个基体，使得硅基板64的第二表面72面向上，并且通过CMP工艺抛光硅基板64，直至器件分离区8的底端部分(图6A中的顶端部分)在第二表面72中显露出来。因此，减小硅基板64的厚度，并获得了硅薄层20。在此工艺中，器件分离区8的底端部分用作CMP停止层。
接着，如图6B所示，通过穿过抛光过的硅基板64的第二表面72注入杂质离子，在硅基板64中形成光传感器4。
接着，在光传感器4的表面上形成抗反射膜(未在图6A至6C中示出)。然后，如图6C所示，在硅基板64的第二表面72上，在与光传感器4相对应的位置具有开口的光屏蔽膜34，其间设置有绝缘层。然后，顺序形成包括绝缘材料的平整膜38、滤色片40和片上透镜42。根据上述工艺，制得了在光传感器4后具有电极并能够提供上述效果的固态成像装置2。
在制造根据本实施例的固态成像装置2的方法中，通过穿过硅基板64的第一表面66向硅基板64中注入离子，在硅基板64的第一表面66上形成了起溢出阻挡层作用的p-区26，在完成固态成像装置2时，溢出阻挡层处于光传感器4下面。因此，不必从固态成像装置2的前表面向硅基板中以高能量深度注入离子，以形成已知结构中的溢出阻挡层。因此，可以可靠地控制所注入的杂质的浓度分布，并且可以减小溢出阻挡层的厚度。
结果，同反射光在光传感器4中行进的距离相比，由第一和第二传输电极12和14朝向光传感器4反射的光在未对光电转换起作用的溢出阻挡层中行进的距离减小。因此，反射光通过光传感器4有效转化为电荷，并且提高了光探测灵敏度。因此，光传感器4的尺寸可以减小，并且固态成像装置2中像素的数量可以相应增加。
另外，在根据本实施例的制造固态成像装置2的方法中，通过向表面区域中注入离子形成溢出阻挡层，并且不必以高能量执行离子注入。由于离子注入可以以低能量进行，因此固态成像装置2可以容易地制得。
另外，在根据本实施例的制造方法中，在抛光硅基板64以减小其厚度时，器件分离区8的底端部分用作CMP停止层。因此，抛光过的硅基板64的厚度(硅薄层20)可以精确控制。
关于其中在光传感器的后面设置电极的结构，根据上述第二实施例的固态成像装置44也可以通过与上述制造固态成像装置的方法类似的方法制得。在此情况下，可以为每一列光传感器4或者为每个光传感器4设置一个电极。
工业应用
在根据本发明的固态成像装置和通过根据本发明的方法制造的固态成像装置中，电极设置在缓冲层与光传感器之间，即，位于光传感器后面。因此，例如，在使用该电极作为电荷传输电极时，不必将电荷传输电极布置在光传感器的光接收面。另外，在使用电荷作为溢出泄漏电极时，可以通过向该电极施加电压去除存储在光传感器中的多余电荷。