CN101083273A - 固态成像装置 - Google Patents

Abstract

一种固态成像装置，包括半导体衬底、光电探测器元件以及阻挡层。固态成像装置在背表面上接收光，对入射在半导体衬底的背表面上的光进行光电转换，从而获得待成像物体的图像。光电探测器元件接收由光电转换产生的信号电荷。在具有光电探测器元件的半导体衬底的区域和背表面之间，具有阻挡层。阻挡层抑制信号电荷的扩散。

Description

固态成像装置

本申请基于日本专利申请No.2006-153183，其内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明涉及固态成像装置。

背景技术

发展至今的固态成像装置包括日本特开公开No.2000-217803和日本特开公开No.2002-33469中公开的固态成像装置。根据这些文献的固态成像装置包括二维排列的多个光电探测器元件(光电晶体管)。除前述文献外，与本发明的相关技术有关的文献还包括日本特开公开No.2006-19757。

本发明人的认识如下。然而，在前述固态成像装置中，本应到达光电探测器元件中的一个光电探测器元件的信号电荷有时都会到达其它光电探测器元件(特别是相邻的光电探测器元件)。这导致调制传递函数的退化(下文中称为MTF)。

发明内容

根据本发明，提供了一种固态成像装置，用于对入射到半导体衬底的背表面上的光进行光电转换，从而获得待成像物体的图像，其包括：接收通过光电转换产生的信号电荷的光电探测器元件，其位于半导体衬底中；以及抑制信号电荷扩散的阻挡层，其位于具有光电探测器元件的半导体衬底中的区域和背表面之间。

如此构造的固态成像装置在半导体衬底中包括抑制信号电荷扩散的阻挡层。该构造降低了本应到达光电探测器元件中的一个光电探测器元件的信号电荷到达其它光电探测器元件的概率。从而改善了MTF。

因此，本发明提供了一种具有更高MTF的固态成像装置。

附图说明

通过结合附图对一定优选实施例的下述描述，本发明的上述以及其它发明目的、优点和特性将更加明显：

图1示出了根据本发明的第一实施例的固态成像装置的剖视图；

图2示出了图1所示的固态成像装置的工作的剖视图。

图3示出了根据本发明的第二实施例的固态成像装置的剖视图；

图4示出了根据本发明的第三实施例的固态成像装置的剖视图；

图5示出了根据本发明的第四实施例的固态成像装置的剖视图；

图6示出了根据实施例的固态成像装置的变形的剖视图；以及

图7A到7C示出了实施例的其它变形的剖视图。

具体实施方式

下面参考说明性实施例对本发明进行描述。所属领域的技术人员将认识到，根据本发明的讲解，能实现多种可选实施例，并且本发明并不局限于为说明性目的而示例的实施例。

下面参考附图，对根据本发明的固态成像装置的例示性实施例进行详细说明。在附图中，相同的附图标记表示功能相同的组件，并且将不再重复其描述。

第一实施例

图1示出了根据本发明的第一实施例的固态成像装置的剖视图。固态成像装置1包括半导体衬底10、光电探测器元件20以及阻挡层30。在本实施例中，半导体衬底10是P型硅衬底。固态成像装置1接收其背表面上的光，并对入射到半导体衬底10的背表面S1上的光进行光电转换，从而获得待成像物体的图像。

半导体衬底10包括以预定间隔排列的多个光电探测器元件20。具体来说，光电探测器元件20位于半导体衬底10的上表面上的表面层(与背表面S1相对)中。光电探测器元件20用于接收光电转换产生的信号电荷。在本实施例中，光电探测器元件20是N型杂质扩散层。光电探测器元件20结合与其相邻的半导体衬底10构成光电二极管。

在半导体衬底10中具有光电探测器元件20的区域D1和背表面S1之间，具有阻挡层30。更详细地，在平面图中，每个阻挡层30都位于各自相应的光电探测器元件20之间的间隔中。阻挡层30用于抑制信号电荷的扩散。在本实施例中，阻挡层30是绝缘层，如二氧化硅层。

半导体衬底10还包括MOSFET40。因此，固态成像装置1包括MOS图像传感单元以及含有MOSFET40等的逻辑电路的组合，其中该MOS图像传感单元含有光电探测器元件20等。MOSFET40包括作为源/漏区的N型杂质扩散层42、栅绝缘层43和栅电极44。

在半导体衬底10的上表面上，具有互连层50。该互连层50包括互连52。

参考图2，描述固态成像装置1的工作。在图2中，使对应于待成像物体的手指90与背表面S1接触。当来自诸如荧光灯或LED等的光源的光L1照射在手指90上时，透射光L2在背表面S1上进入。因此，透射光L2携带有手指90的指纹92的形状的信息。然后透射光L2在半导体衬底10中被光电转换。光电探测器元件20接收光电转换产生的信号电荷，从而获得指纹92的图像。这里，光L1可以是可见光、近红外光或红外光。

本实施例提供了下述有利效果。在固态成像装置1中，半导体衬底10包括抑制信号电荷扩散的阻挡层30。该构造降低了本应到达光电探测器元件中的一个光电探测器元件的信号电荷到达其它光电探测器元件的概率。结果，改善了MTF，由此改善了分辨率。

在平面图中，每个阻挡层30都位于各自相应的光电探测器元件20之间的间隔中。该构造能抑制信号电荷到达其它光电探测器元件20，而不会干扰信号电荷到达其本应到达的光电探测器元件20。

阻挡层30由绝缘层构成。该结构使包括阻挡层30的半导体衬底10的制造变得方便。例如，可采用具有部分SOI结构的衬底作为半导体衬底10。

固态成像装置1在其背表面上接收光。因此，待成像物体不会与固态成像装置1的前表面侧(互连层50侧)接触。该构造能防止固态成像装置1的损坏，以及抑制了特性退化和静态击穿。这将带来固态成像装置1更高的可靠性。例如，当待成像物体是手指，由于互连位于带电的手指的相对侧，因而可避免由手指产生的过量静电被施加到半导体衬底10中配置的元件(光电检测器元件20、MOSFET40等)上。

在采用近红外光或红外光作为光L1的情况下(参考图2)，与采用可见光时相比，透射光L2能到达背表面S1中更深的位置。因此，采用这样的光有助于使由透射光L2的光电转换产生的信号电荷到达光电探测器元件20。

同时，日本特开公开No.2006-19757公开了一种固态成像装置，其在硅衬底的背表面上包括光屏蔽层。实际上，该光屏蔽层起到阻挡光，特别是阻挡入射到背表面上的光的作用。因此，该光屏蔽层与阻挡层30具有本质区别，该阻挡层30是为了抑制光电转换产生的电子的扩散而配置的。

第二实施例

图3示出了根据本发明的第二实施例的固态成像装置的剖视图。固态成像装置2包括半导体衬底10、光电探测器元件20以及阻挡层30。在固态成像装置2中，阻挡层30的构造与图1所示的固态成像装置1中的阻挡层不同。固态成像装置2的其余部分的结构基本上与固态成像装置1中的相同。

在本实施例中，阻挡层30从半导体衬底10的背表面S1延伸到其内部。也就是说，阻挡层30的一个端部暴露在背表面S1上，而另一端部埋在半导体衬底10的内部。

固态成像装置1和固态成像装置2之间的区别可描述如下。在固态成像装置1中，本应到达光电探测器元件20中的一个光电探测器元件的信号电荷仍可能通过阻挡层30上面(阻挡层30和背表面S1之间的区域)而到达其它光电探测器元件20。与此相比，在固态成像装置2中，由于阻挡层30延伸直至半导体衬底10的背表面S1，从而阻隔了信号电荷在阻挡层30上面的路径。与固态成像装置1相比，固态成像装置2的这种结构能进一步地降低本应到达光电探测器元件中的一个光电探测器元件的信号电荷到达其它光电探测器元件的概率。除前述外，固态成像装置2提供了与固态成像装置1基本上相同的有利效果。

如在本实施例中，阻挡层30暴露在半导体衬底10的背表面S1上，其可如下形成，例如，制备包括在其中埋置的阻挡层30的半导体衬底10(参考图1所示的半导体衬底10)，然后抛光半导体衬底10的背表面S1，直至阻挡层30暴露。或者阻挡层30也可如下形成，即，在半导体衬底10的背表面S1上形成凹槽，然后用绝缘层填充该凹槽。

第三实施例

图4示出了根据本发明的第三实施例的固态成像装置的剖视图。固态成像装置3包括半导体衬底10、光电探测器元件20以及阻挡层30。在固态成像装置3中，阻挡层30的构造与图1所示的固态成像装置1中的不同。固态成像装置3的其余部分的结构基本上与固态成像装置1中的相同。

在本实施例中，阻挡层30从半导体衬底10的上表面延伸到其内部。也就是说，阻挡层30的一个端部暴露在上表面上，其另一端部埋在半导体衬底10的内部。

固态成像装置1和固态成像装置3之间的区别可描述如下。在固态成像装置1中，本应到达光电探测器元件20中的一个光电探测器元件的信号电荷仍可能通过阻挡层30下面(阻挡层30和半导体衬底10的上表面之间的区域)到达其它光电探测器元件20。与此相比，在固态成像装置3中，由于阻挡层30延伸直至半导体衬底10的上表面，因此阻隔了信号电荷在阻挡层30下面的路径。与固态成像装置1相比，固态成像装置3的这种结构能进一步地降低本应到达光电探测器元件20中的一个光电探测器元件的信号电荷到达其它光电探测器元件20的概率。除前述外，固态成像装置3提供了与固态成像装置1基本上相同的有利效果。

第四实施例

图5示出了根据本发明的第四实施例的固态成像装置的剖视图。固态成像装置4包括半导体衬底10、光电探测器元件20以及阻挡层30。在固态成像装置4中，阻挡层30的构造与图1所示的固态成像装置1中的不同。固态成像装置4的其余部分的结构基本上与固态成像装置1中的相同。

在本实施例中，阻挡层30被配置为穿透半导体衬底10。也就是说，阻挡层30的一个端部暴露在半导体衬底10的背表面S1上，其另一端部暴露在半导体衬底10的上表面上。

在固态成像装置4中，出于已在第二和第三实施例中描述过的原因，阻挡层30上面和下面的信号电荷的路径都被阻隔。与固态成像装置2和3相比，固态成像装置4的这种结构能进一步地降低本应到达光电探测器元件中的一个光电探测器元件的信号电荷到达其它光电探测器元件的概率。除前述外，固态成像装置4提供了与固态成像装置1基本上相同的有利效果。

根据本发明的固态成像装置并不局限于前述实施例，而是可以进行多种改进。下面给出几个例子，尽管在前述实施例中采用了N沟道MOSFET(图1及其它中的MOSFET40)，然而也可采用P沟道MOSFET。另外固态成像装置10包括P型半导体衬底和N型光电探测器元件，然而半导体衬底也可以是N型的，而光电探测器元件可以是P型的。此外，本发明也可适用于电荷耦合器件(CCD)型的固态成像装置。

另外，在前述实施例中，半导体衬底10的背表面S1是暴露的。然而，如图6所示，也可以在半导体衬底10的背表面S1上配置覆盖层60。配置该覆盖层60可有效地防止粘在手指上的杂质等扩散进入半导体衬底10，并防止由此导致的位于覆盖层60的相对侧的光电探测器元件20和MOSFET40的性能下降。覆盖层60可由SiO，SiN或SiON形成。举例来说，覆盖层60的厚度可以约为0.3μm。形成厚度约为0.3μm那样薄的覆盖层60，以使覆盖层厚度比入射光的波长短，从而能防止覆盖层60影响成像工作。

更进一步地，在前述实施例中，采用绝缘层作为阻挡层。然而，阻挡层的材料并不仅局限于绝缘层，只要该材料能抑制信号电荷扩散。例如，可采用P+型杂质扩散层作为阻挡层。例如，其可通过如下方法如下实现，即，在P型硅衬底12的表面层的预定区域上注入硼等，从而形成P+型杂质扩散层32(图7A)，然后在P型硅衬底12上形成P型外延层14(图7B)。通过上述工艺，可获得包括P+型杂质扩散层32的半导体衬底10a。之后，在P型外延层14中形成光电探测器元件20和N型杂质扩散层42，以及在P型外延层14上形成包括栅绝缘层43、栅电极44和互连52的互连层50，从而完成图7C所示的结构。P+型杂质扩散层32与信号电荷复合，从而抑制其扩散。

很明显，本发明并不局限于上述实施例，可以在不背离本发明的范围和精神的情况下对其进行改进和改变。

Claims (6)

1.一种固态成像装置，用于对入射在半导体衬底的背表面上的光进行光电转换，从而获得待成像物体的图像，其包括：

光电探测器元件，其配置在所述半导体衬底中，用于接收通过所述光电转换产生的信号电荷；以及

阻挡层，其配置在所述半导体衬底中的配置有所述光电探测器元件的区域和所述背表面之间，用于抑制所述信号电荷的扩散。

2.如权利要求1所述的固态成像装置，进一步包括：

多个光电探测器元件，其以预定的间隔配置；

其中在平面图中，所述阻挡层位于所述多个光电探测器元件之间的所述间隔中。

3.如权利要求1所述的固态成像装置，其中所述阻挡层是绝缘层。

4.如权利要求1所述的固态成像装置，其中所述阻挡层从所述背表面延伸到所述半导体衬底的内部中。

5.如权利要求1所述的固态成像装置，其中所述阻挡层从所述半导体衬底的与所述背表面相对的上表面延伸到所述半导体衬底的内部中。

6.如权利要求1所述的固态成像装置，其中所述阻挡层被设置为穿透所述半导体衬底。

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