CN1776917A - 固态成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态成像设备，其包括：光电转换部件，其为每个像素提供，并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷；电路区域，读取由光电转换部件积累的信号电荷；多层膜，包括绝缘膜和布线膜，该多层膜放置在与第一表面相对的衬底的第二表面；和传输防止膜，至少设置在多层膜的布线膜和衬底之间。

Description

固态成像设备
技术领域
本发明涉及背面照明型固态成像设备，在该设备中，光电转换部件的光接收表面设置在衬底的背面。具体地，本发明涉及适合在采用MOS工艺制造的CMOS图像传感器中使用的固态成像设备。
背景技术
最近，在诸如CCD图像传感器和CMOS图像传感器的固态成像设备中，随着设备尺寸和所安装设备尺寸的减小，芯片面积减小了，每像素的单位面积的减小成为必要。因此，在从芯片衬底的前部接收光的固态成像设备中，在芯片衬底中设置了电极和线路，光被这些电极和线路所阻挡，因而不可能有令人满意的光收集特性。作为解决该难题的技术，制造了背面照明型固态成像设备，在该设备中，光从没有设置电极和线路的衬底的背面接收，并且光电转换在衬底中执行以提高光收集特性。例如，参考日本未审查专利申请JP2003-338615(专利文件1)。
图1是剖视图，示出了在过去的背面照明型固态成像设备(CMOS图像传感器)的典型结构的示例。
在该固态成像设备中，光电转换部件(光电二极管)的光接收部分12和元件隔离区域14设置在半导体衬底10中，MOS晶体管的栅极氧化物膜16、栅极电极18、接触(未示出)、布线膜22和26、层间绝缘膜24和28、绝缘覆盖膜30等均设置在半导体衬底10之上以及其上方。
在这种背面照明型设备中，光从背面接收，在光接收部分12上入射的光在半导体衬底10中进行光电转换。从背面接收的光并不是全部在衬底10中进行光电转换，如箭头A所示，入射光的一部分到达衬底10的前表面，并进一步传输经过衬底10的前表面上方的上层。传输经过上层的光被位于衬底10上方的上层并由金属构成的布线膜26反射。如箭头B所示，部分反射光线再次进入光电转换部件。
当该反射光返回并进入光最初传送经过的光电转换部件时，基本上不会造成不利影响。然而，当反射光线进入不同于最初的光电转换部件的另一个光电转换部件时，则颜色分离特性可能降低，并可能发生闪烁等情况。
在这些情况下，提出了一种技术，其中允许栅极电极或者栅极氧化物膜起到金属反射膜或者电介质反射膜的作用，以防止反射光线的不利影响。
发明内容
然而，采用MOS工艺来让栅极氧化物膜作为反射膜是困难的。这种方法在专利文件1中没有公开，并且也是不可行的。
而且，尽管可以允许栅极电极起到反射膜的作用，但只有该方法是不够的。例如，如图1所示，如果光经过光电二极管，那么由位于上层中的布线层所反射的光很有可能会再进入另外一个像素。
这就需要背面照明型固态成像设备，它能够防止从衬底背面进入、传输经过光电转换部件并被布线层所反射的光不适当地进入另外一个光电转换部件，并且在该设备中能够获得高质量的图像。
根据本发明的实施例，固态成像设备包括：为每个像素提供并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷的光电转换部件；读取由光电转换部件积累的信号电荷的电路区域；包括绝缘膜和布线膜的多层膜，该多层膜设置在与第一表面相对的衬底的第二表面上，以及至少设置在衬底和多层膜的布线膜之间的传输防止膜。
根据本发明的另一个实施例，固态成像设备包括：为每个像素提供并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷的光电转换部件；包括绝缘膜和布线膜的多层膜，该多层膜设置在与第一表面相对的衬底的第二表面上，以及设置在衬底的第二表面之上并比布线膜更接近衬底位置的传输防止膜。
附图说明
图1是剖视图，示出了在过去的固态成像设备的结构的示例；
图2是剖视图，示出了本发明的示例1的固态成像设备的结构的示例；
图3是电路图，示出了在图2所示固态成像设备中的像素晶体管电路配置的示例；
图4是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图5是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图6是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图7是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图8是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图9是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图10是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图11是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图12是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例；
图13是剖视图，示出了本发明的示例2的固态成像设备的结构的示例；
图14是剖视图，示出了本发明的示例3的固态成像设备的结构的示例；
图15是应用于固态成像装置的本发明的方框图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，在背面照明型的CMOS固态成像设备中，在硅衬底和位于多层膜的最底层中的布线膜之间提供了传输防止膜，传输防止膜防止从硅衬底背面进入并传输经过硅衬底的光到达布线膜。因此，可以防止布线膜所反射的光不适当地进入另外一个像素并进行光电转换。具体地，可以使用硅化物膜，该硅化物膜通过将钴膜等设置在硅衬底的表面和多晶硅电极膜的表面上进行热处理而形成。可选地，可以在多层膜的最底层中提供伪金属布线膜作为反射膜，或者可以将光吸收膜用作层间绝缘膜。
示例1
图2是剖视图，示出了根据本发明的示例1的固态成像设备的结构的示例，图3是电路图，示出了在图2所示固态成像设备中的电路区域(像素晶体管电路)配置的示例。图4到12是剖视图，示出了制造图2所示固态成像设备的方法的具体示例。
首先，如图3所示，在根据本示例的固态成像设备中，为每个像素提供了：光电二极管(PD)100，用作光电转换部件；复位晶体管110，用于对光电二极管100中积累的电荷进行复位；放大器晶体管120，用于放大并输出对应于所积累的电荷数量的像素信号；传输晶体管130，用于选择将光电二极管100中积累的信号电荷传输到放大器晶体管120的栅极的定时；以及选择晶体管140，用于选择要读取信号电荷的像素。此外，这样的像素电路的配置可以是与过去相同的配置，或者是另外一个电路配置，例如，可以使用不包括传输晶体管的配置。
参考图2，上述光电转换部件(光电二极管)和MOS晶体管设置在由半导体衬底210中的元件隔离区域214所隔离的区域中作为基本构件。光电二极管的光接收部分212接收从半导体衬底210的背面进入的光，并进行光电转换。在该示例中，光电二极管有空穴积累二极管(HAD)结构，在该结构中，在用作电子积累层的n型层的光接收表面上，提供了用作空穴积累区域的p型层。传输晶体管相邻于光电二极管放置；而栅极电极218设置衬底上，在它们之间具有栅极氧化物膜216。光电二极管所产生的信号电荷被传输到浮置扩散部件(漏极)220。
此外，在栅极氧化物膜216和栅极电极218的上表面形成硅化物膜222(CoSi2等)，硅化物膜222是由将例如钴的金属与硅层合金化来形成。在此之上，还提供了接触(未示出)、布线膜226和230、层间绝缘膜228和232、绝缘覆盖层234等。
在该固态成像设备中，由于用作传输防止膜的硅化物膜222设置在半导体衬底210的上表面(前表面)和布线膜226和230之间，所以从半导体衬底210的背面进入并传输经过光电转换部件的光被硅化物膜222向着光电转换部件反射。因此，可以防止光传送到布线膜226和230，并且防止光从布线膜226和230反射。
现在参考图4到图12描述如图2所示的形成硅化物膜的方法。
首先，参考图4，将p型阱层320形成在用于在n型半导体衬底310中形成光电二极管部件和浮动扩散(FD)部件的区域中。在硅衬底310的上表面上形成元件隔离区域330、栅极氧化物膜340和栅极电极(多晶硅膜)350。然后，对光阻材料层360执行构图，并且将n型离子注入光电二极管部件，以形成光电二极管的n型层370。
如图5所示，对光阻材料层380进行构图，并且通过离子注入在FD部件中形成薄的n型层390。此外，如图6所示，氧化物膜400沉积在整个表面上。然后，如图7所示，执行回蚀刻处理，以形成侧壁410。
随后，如图8所示，执行对光阻材料层480的构图，并且将高密度离子注入FD部件，以形成LDD结构。如图9所示，执行对光阻材料层490的构图，并且将p型离子浅注入到光电二极管部件中。从而生成带有HAD结构的光电二极管部件。
下一步，如图10所示，通过对整个表面进行溅镀形成Co膜430。通过随后的退火，如图11所示，在Co膜430和硅衬底310的Si相互接触的部分和在Co膜430和栅极电极350的多晶Si相互接触的部分形成CoSi2膜440。此外，在Co膜430和栅极氧化物膜340的SiO2相互接触的部分，没有形成CoSi2。因此，在Si和多晶Si区域形成硅化物膜440。因此，如图12所示，执行湿法蚀刻，以去掉栅极氧化物膜340上的Co膜。随后，执行和过去相同的步骤完成固态成像设备，这些步骤并不直接与本发明相关。因此，省略了有关的描述。
因此，在光电二极管部件和源极/漏极部件的表面形成硅化物膜。如图2箭头C所示，可以阻挡从衬底背面进入的光。从而，传输经过硅衬底的光没有被位于上层的布线膜反射，并且不在另外一个像素的光接收部分进行光电转换。因此，可以防止颜色分离特性的降低或者发生闪烁。此外，该示例1仅仅是一个例子，本发明中所使用的硅化物膜当然不局限于硅化钴等，并且可以形成硅化钨等。此外，硅化物膜的位置和形成方法也不限于以上描述的示例。
示例2
图13是剖视图，示出了根据本发明的示例2的固态成像设备的结构的示例。相同的参考标号用于表示与图2中相同的元件。
在示例2中，在上述硅化物膜的位置，设置了光遮挡伪布线膜500，作为防止光线传送的膜。
如图13所示，光遮挡伪布线膜500设置在其中设置了拥有原始功能的布线膜的各层之下的最下层中。在其下设置有层间绝缘膜501。伪布线膜500不是由诸如多晶硅的传输光的物质构成，而是由诸如钨或铝的金属、或者由合金构成。如图13所示，在对应于光电二极管的光接收区域的图案中形成伪布线膜500。在示例2中，如箭头D所示，从衬底背面进入并传输经过衬底的光在接近光电二极管的位置被反射，并可以防止光不适当的进入另外一个像素。此外，作为光遮挡伪布线膜的材料，可以使用上述的硅化钨或者硅化钴。
示例3
图14是剖视图，示出了根据本发明的示例3的固态成像设备的结构的示例。相同的参考标号用于表示与图2中相同的元件。
在示例3中，作为避免光传送的膜，使用了拥有光吸收特性的层间膜。
如图14所示，层间绝缘膜510和520分别设置在硅衬底和第一布线膜层之间和在第一布线膜层和第二布线膜层之间。这些层间绝缘膜510和520用作光吸收膜。具体地，例如，可以使用碳化硅(SiC)。
通过提供层间绝缘膜510和520，如图14中箭头E所示，即使从背面进入的光到达衬底的前面，光也会被层间绝缘膜510和520吸收，从而防止了光不适当的进入另外一个像素。
在示例1到3中，传输防止膜主要在衬底和最底层中的布线膜之间提供。然而，应该理解的是，即使是当传输防止膜设置在最底层中的布线膜之上的层中，也能获得令人满意的效果。例如，传输防止膜可以设置在最底层和次最底层中的布线膜之间。
本领域技术人员应该理解的是，只要在权利要求或者其等价特征的范围内，基于设计需要和其他范围，可以进行各种修改，合并，子合并以及改变。
同样，本发明可以用于固态成像装置，例如照相机或者照相机模块，如图15所示。固态成像装置可以包括基于信号电荷处理图像信号的信号处理部分601，和使入射光进入成像区域的光学***602。在该情况下，固态成像装置能够捕获高质量的图像。
根据本发明的实施例，在光电转换部件的光接收表面设置在衬底的第一表面(背面)的背面照明型的固态成像设备(或装置)中，防止光传送的传输防止膜设置在位于衬底上部的布线膜和衬底之间。因此，可以防止从衬底背面进入并传输经过衬底的光被布线膜反射而不适当的进入另一个像素。从而，能够避免图像质量的降低。
此外，固态成像设备的电路区域可以包括放大器晶体管，选择晶体管和复位晶体管，还可以包括传输晶体管。由不适当反射的光所造成的图像质量的降低能够避免，而不受限于电路局域的结构。因此，固态成像设备能够容易地应用于各种像素结构。
此外，光电转换部件可以有包括n型层和p型层的空穴积累二极管(HAD)结构。因此，能够获得更高质量的图像。
此外，传输防止膜可以是硅化物膜。因此，能够获得适当的传输防止功能(反射膜)。此外，如果硅化物膜是通过将金属膜设置在硅衬底的表面和由多晶硅构成的电极膜的表面上并进行加热处理形成的，则可以容易地在最佳区域中形成传输防止膜。
此外，传输防止膜可以是光遮挡金属膜或者合金膜。因此，能够获得适当的传输防止功能(反射膜)。此外，如果光遮挡金属膜或者合金膜是在对应于光电传输部件的光接收区域的图案中形成的，则金属膜或者合金膜能够仅仅设置在必要的区域中，因此，能够有效地防止光传输。
此外，传输防止膜可以是吸收光的层间膜。因此，能够获得适当的传输防止功能(反射膜)，并能够避免由不适当的反射造成的图像质量的降低。
本发明包含的主题内容涉及2004年10月20日在日本专利局申请的日本专利申请JP2004-306182，在此引入其全部内容作为参考。

Claims (12)

1.一种固态成像设备，包括：
光电转换部件，为每个像素提供，并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷；
电路区域，读取由所述光电转换部件所积累的信号电荷；
多层膜，包括绝缘膜和布线膜，所述多层膜设置在与所述第一表面相对的所述衬底的第二表面上；和
传输防止膜，至少设置在所述衬底和所述多层膜的布线膜之间。
2.根据权利要求1的固态成像设备，其中电路区域包括：
放大器晶体管，用于放大并输出对应于所述光电转换部件中所积累的电荷数量的像素信号；
选择晶体管，用于选择要读取信号电荷的像素；
复位晶体管，用于对所述光电转换部件中积累的电荷进行复位。
3.根据权利要求2的固态成像设备，其中电路区域还包括传输晶体管，用于选择将所述光电转换部件中积累的信号电荷传输到放大器晶体管的定时。
4.根据权利要求1的固态成像设备，其中光电转换部件包括：
n型层，积累作为信号电荷的电子，和
p型层，设置在n型层表面区域并积累空穴。
5.根据权利要求1的固态成像设备，其中传输防止膜是硅化物膜。
6.根据权利要求5的固态成像设备，其中所述衬底是硅衬底，由多晶硅构成的栅极电极设置在所述硅衬底上，两者之间有栅极绝缘膜，所述硅化物膜是通过将金属膜设置在硅衬底的表面和多晶硅电极膜的表面上并进行加热处理形成的。
7.根据权利要求1的固态成像设备，其中传输防止膜是光遮挡金属膜或者合金膜。
8.根据权利要求7的固态成像设备，其中所述光遮挡金属膜或者合金膜是在对应于所述光电传输部件的光接收区域的图案中形成的。
9.根据权利要求1的固态成像设备，其中传输防止膜可以是吸收光的层间膜。
10.一种固态成像设备，包括：
光电转换部件，为每个像素提供，并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷；
多层膜，包括绝缘膜和布线膜，所述多层膜设置在与所述第一表面相对的所述衬底的第二表面上；和
传输防止膜，设置在所述衬底的第二表面的上方，并且在比所述布线膜更接近衬底的位置。
11.根据权利要求10的固态成像设备，其中所述传输防止膜是反射膜。
12.一种固态成像装置，包括：
光电转换部件，为每个像素提供，并将在衬底的第一表面上入射的光转换为信号电荷；
多层膜，包括绝缘膜和布线膜，所述多层膜设置在与所述第一表面相对的所述衬底的第二表面上；和
传输防止膜，设置在所述衬底的第二表面上方，并且在比所述布线膜更接近衬底的位置；
信号处理部分，基于所述信号电荷来处理图像信号。
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