CN101009294A - 固态摄像装置 - Google Patents

Abstract

一种背面入射型的固态摄像装置，其具有半导体衬底、半导体层、和光接收部分。半导体衬底具有电阻率ρ₁。半导体层位于半导体衬底的表面上。半导体层具有电阻率ρ₂。其中，ρ₂＜ρ₁。光接收部分位于半导体层中。在该固态摄像装置中，在半导体衬底的内部或者半导体层的内部对从摄像对象到半导体衬底的背面上的入射光进行光电转换，并且光接收部分对通过光电转换产生的信号电荷进行接收，从而对摄像对象进行摄像。

Description

固态摄像装置

本申请基于日本专利申请第2006-018084号，其内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明涉及一种固态摄像装置，特别涉及一种背面入射型的固态摄像装置。

背景技术

日本未决公开专利公开第2002-33469号公开了一种背面入射型的固态摄像装置。上述固态摄像装置具有半导体衬底和形成在表面层上的光接收部分。在半导体衬底的内部对从摄像对象入射到半导体衬底的背面(光接收部分的相对侧上的表面)上的光进行光电转换。随后，当光接收部分接收到通过上述光电转换产生的信号电荷时，对摄像对象执行摄像操作。

此外，除了上述的文献之外，日本未决公开专利公开第2003-338615、第2004-153175和第2005-110896号已经给出了与本发明相关的常规技术文献。

发明内容

然而，日本未决公开专利公开第2002-33469号中描述的固态摄像装置在灵敏度方面具有改进的空间。上述固态摄像装置的灵敏度被减小的原因之一是：在半导体衬底内部产生的信号电荷的一部分在它们到达形成在半导体衬底的表面层上的光接收部分之前由于复合而消失了。

解决上述问题的方法之一是可以使半导体衬底变薄，使得信号电荷可以更容易地到达光接收部分。然而，减薄半导体衬底使上述半导体衬底的机械强度降低，并且随之使固态摄像装置的机械强度也降低。

根据本发明，提供一种固态摄像装置，包括具有第一电阻率(specific resistance)的半导体衬底；位于该半导体衬底的第一表面上的半导体层，其具有小于第一电阻率的第二电阻率；以及位于该半导体层中的光接收部分，其中在该半导体衬底的内部或该半导体层的内部对从摄像对象到该半导体衬底的第二表面上的入射光进行光电转换，所述半导体衬底的第二表面在第一表面的相对侧，并且光接收部分对通过光电转换产生的电荷进行接收，从而对摄像对象进行拍摄。

上述固态摄像装置使用了这样的半导体衬底，所述半导体衬底具有的电阻率大于具有光接收部分的半导体层的电阻率。因此，使得通过光电转换产生的空穴-电子对中的对信号作出贡献的电子(信号电荷)的扩散长度(德拜长度)更长。由此，信号电荷更容易到达光接收部分。因此，改善了固态摄像装置的灵敏度，同时充分确保了半导体衬底的厚度。

根据本发明，实现了具有优良灵敏度的固态摄像装置。

附图说明

从结合附图的以下描述中，本发明的上述及其他目的、优点和特征将变得更加明显，其中：

图1示出了根据本发明的固态摄像装置的实施例的剖面图；

图2示出了图1所示的固态摄像装置的操作例子的剖面图；

图3示出了根据上述实施例的变形的固态摄像装置的剖面图；以及

图4示出了上述实施例的另一变形的剖面图。

具体实施方式

现在将要参考说明性的实施例在此描述本发明。本领域技术人员将认识到，利用本发明的讲解可以完成多种可选实施例，并且本发明并不局限于为了说明目的而示出的这些实施例。

以下，将要参考附图详细说明根据本发明的固态摄像装置的优选实施例。这里，附图中相同的元件用相同的参考数字表示，并且在附图的说明中不会重复描述。

图1示出了根据本发明的固态摄像装置的实施例的剖面图。固态摄像装置1是背面入射型的固态摄像装置，其具有半导体衬底10、半导体层20和光接收部分30。在本实施例中，半导体衬底10是P型硅衬底。上述半导体衬底10具有电阻率ρ₁(第一电阻率)。例如，ρ₁是1000Ωcm。该值优选为ρ₁≥200Ωcm，以及更优选为ρ₁≥500Ωcm。

半导体层20位于半导体衬底10的表面S1(第一表面)上。在该实施例中，半导体层20是P型硅层。半导体层20具有电阻率ρ₂(第二电阻率)。这里ρ₂＜ρ₁。例如，ρ₂是10Ωcm。优选地，5Ωcm≤ρ₂≤100Ωcm。例如，通过外延生长法形成半导体层20。

光接收部分30位于半导体层20中。具体地，光接收部分30位于半导体层20的表面层中，其中所述表面层在半导体衬底10的相对侧上。在本实施例中，光接收部分30是N型杂质扩散层。该光接收部分30与相邻的半导体层20一起形成了光电二极管。

固态摄像装置1具有这样一种结构，其中在半导体衬底10的内部或半导体层20的内部对从摄像对象到半导体衬底10的背面S2(第二表面)上的入射光进行光电转换，并且光接收部分30接收通过上述光电转换产生的信号电荷，从而对上述摄像对象进行摄像。

绝缘膜40位于半导体衬底10的背面S2上。这里，根据需要提供绝缘膜40，也就是说，并不总是需要绝缘膜40。例如，作为绝缘膜40的例子，举出了SiN膜、SiON膜或SiO₂膜、或它们的层叠膜、或树脂。通过提供绝缘膜40，可以防止杂质和污染物从背面S2进入内部。背面S2连接到地(GND)。也就是说，当固态摄像装置工作时，将GND电位作为固定电位施加到背面S2。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)50也形成在半导体层20中。也就是说，在固态摄像装置1中组合了由光接收部分30等构成的金属氧化物半导体(MOS)图像传感器以及由MOSFET50等构成的逻辑电路部分。MOSFET50包括作为源漏区的N型杂质扩散层52和栅电极54。

互连层60(在绝缘层中提供多个互连的层)位于半导体层20的表面上(在半导体衬底10的相对侧上的表面)。在上述互连层60中形成多个互连(未示出)。

将要参考图2说明固态摄像装置1的操作的例子。在该图中，作为摄像对象的手指90与固态摄像装置1的背面(半导体衬底10的背面S2)相接触。当使来自光源的光L1入射到手指90上时，使得其透射光L2入射到上述背面，其中所述的光源例如是荧光灯、发光二极管(LED)等等。此时，透射光L2被配置为包括与手指90上的指纹92的形状相关的信息。随后，在半导体衬底10的内部或半导体层20的内部对透射光L2进行光电转换。通过上述光电转换生成的信号电荷被光接收部分30接收，从而对指纹92的图像进行摄像。光L1可以是任何可见光、近红外光20或红外光。

将要说明本实施例的效果。固态摄像装置1使用了这样一种半导体衬底10，其具有的电阻率大于其中提供了光接收部分30的半导体层20的电阻率。因此，使得通过光电转换产生的空穴-电子对中的、对信号作出贡献的电子(信号电荷)的扩散长度更长。由此，信号电荷更容易到达光接收部分。因此，改善了固态摄像装置1的灵敏度，同时充分确保了半导体衬底10的厚度。

这里，上述的扩散长度(德拜长度)L_d由以下公式(1)表示。正如从该公式看到的，介质(就固态摄像装置1而言，是半导体衬底10或半导体层20)的较大电阻率导致C_B(杂质浓度)变小，由此L_d(德拜长度)变大。因此，通过半导体衬底10的电阻率ρ₁大于半导体层20的电阻率ρ₂的结构，与ρ₁等于ρ₂或ρ₁小于ρ₂的情况下的L_d相比，L_d变得更大。尤其是，当ρ₁≥200Ωcm时，L_d显著地变大。此外，当ρ₁≥500Ωcm时，L_d进一步显著地变大。

$L_d=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0\mathrm{kT}}{q^2{C}_B}}...\left(1\right)$

其中，ε：介质的介电常数，ε₀：真空的介电常数，k：波耳兹曼常数，T：电子温度，q：基本电荷，以及C_B：介质的杂质浓度。

绝缘膜40位于半导体衬底10的背面S2上。由此，可以防止污染物从背面S2进入固态摄像装置1的内部。例如，给出了钠作为上述污染物的例子。考虑到上述要点，从手指产生的汗包括了钠。因此，如上述例子所描述的，对于在手指与固态摄像装置1接触的状态下进行摄像的情况，绝缘膜40的存在变得特别重要，通过其来防止钠进入内部。此外，当绝缘膜40包括诸如SiN的氮化物膜时，通过绝缘膜40获得的上述效果变得更加显著。

半导体衬底10的背面S2被配置为连接到GND。由此，背面S2可以起到静电屏蔽的作用。

当通过外延生长法形成半导体层20时，也就是说，当所述层20是外延层时，能够容易地形成层20，所述层20具有的电阻率小于半导体衬底10的电阻率。此外，在外延层的情况下，电阻率可以急剧地从半导体衬底10的电阻率ρ₁变化到半导体层20的电阻率ρ₂。

当5Ωcm≤ρ₂≤100Ωcm时，可以容易地制造光接收部分30、MOSFET50等。这是由于可以在不做改变的情况下利用现有的器件工艺进行制造。

固态摄像装置1是背面入射型的。因此，不要求摄像对象与固态摄像装置1的表面侧(互连层60的一侧)相接触。由此，可以防止发生固态摄像装置1的损坏、特性退化、静电放电损坏等等。上述的防止有助于提高固态摄像装置1的可靠性。例如，当摄像对象是手指时，所述互连线位于带电的手指的相对侧上。因此，可以防止将由手指引起的过量静电荷施加到位子半导体层20中的各元件上(光接收部分30、MOSFET50等)。

此外，由于固态摄像装置1是背面入射型的，因此无需为了摄像对象和装置1之间的接触而暴露固态摄像装置1的表面。由此，可以防止各种杂质直接粘附到固态摄像装置1的表面。上述杂质粘附将会导致固态摄像装置1的电特性退化。

当使用近红外光或红外光作为光L1(参考图2)时，与使用可见光的情况相比，透射光L2可以被配置为从背面S2到达更深的位置。由此，通过透射光L2的光电转换引起的信号电荷可以更容易地到达光接收部分30。

根据本发明的固态摄像装置并不局限于上述实施例，而是可以作出各种变化。在上述实施例中，例如，可以通过离子注入形成半导体层20。也就是说，将杂质离子注入到半导体衬底的表面层中，从而使其电阻率较小，并且上述注入之后的表面层可以被用作半导体层20。或者，将两个具有不同电阻率的半导体衬底互相结合在一起，并且在上述结合之后可以将具有相对较小的电阻率的半导体衬底用作半导体层20。

此外，示出了这样的例子，其中直接在半导体衬底10上提供半导体层20。然而，如图3所示，可以将半导体层70(第二半导体层)插在半导体衬底10和半导体层20之间。半导体层70具有与半导体衬底10相同的导电类型。上述半导体层70具有电阻率ρ₃(第三电阻率)。其中，ρ₂＜ρ₃＜ρ₁，或者ρ₂＜ρ₁＜ρ₃。此外，可以通过外延生长法、离子注入或者利用将彼此具有不同电阻率的半导体衬底彼此结合的结构，按照与半导体层20相似的方式形成半导体层70。

此外，上述实施例的说明示出了在固态摄像装置1中形成N沟道MOSFET(图1中的MOSFFT50)，但是还可以形成P沟道MOSFET。此外，上述实施例的说明示出了P型半导体衬底、P型半导体层和N型光接收部分，但是也可以使用N型半导体衬底、N型半导体层和P型光接收部分。

此外，上述实施例表明了光接收部分30位于半导体层20的表面层中的例子。然而，如图4所示，光接收部分30可以位于半导体层20的内部中。在上述附图中，P+型杂质扩散层80位于半导体层20的表面层中，并且光接收部分30位于P+型杂质扩散层80上。也就是说，P+型杂质扩散层80、光接收部分30和半导体层20构成了嵌入型光电二极管。P+型杂质扩散层80作为屏蔽层。由此，可以使来自光接收部分30上的半导体层20表面的噪声影响变小。

此外，可以将本发明应用于电荷耦合器件(CCD)型的固态摄像装置。

很明显本发明不限于上述实施例，并且可以在不背离本发明的保护范围和精神的情况下进行变化和改变。

Claims (8)

1.一种固态摄像装置，包括：

具有第一电阻率的半导体衬底；

位于所述半导体衬底的第一表面上的半导体层，其具有小于所述第一电阻率的第二电阻率；以及

位于所述半导体层中的光接收部分，

其中在所述半导体衬底的内部或者所述半导体层的内部对从摄像对象到所述半导体衬底的第二表面上的入射光进行光电转换，其中所述第二表面在所述第一表面的相对侧上，并且所述光接收部分对通过所述光电转换产生的电荷进行接收，从而对所述摄像对象进行摄像。

2.根据权利要求1的固态摄像装置，包括：

位于所述半导体衬底的所述第二表面上的绝缘膜。

3.根据权利要求1的固态摄像装置，

其中所述半导体衬底的所述第二表面连接到地。

4.根据权利要求1的固态摄像装置，

其中所述半导体层是外延层。

5.根据权利要求1的固态摄像装置，进一步包括：

第二半导体层，其位于所述半导体衬底和所述半导体层之间，并且具有小于所述第一电阻率且大于所述第二电阻率的第三电阻率。

6.根据权利要求1的固态摄像装置，

其中所述第一电阻率是200Ωcm或更大。

7.根据权利要求6的固态摄像装置，

其中所述第一电阻率是500Ωcm或更大。

8.根据权利要求1的固态摄像装置，

其中所述第二电阻率是5Ωcm或更大和100Ωcm或更小。

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