CN101106148B - 固态图像拾取器件 - Google Patents

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Abstract

固态图像拾取器件1是背表面入射类型的，并包括半导体衬底10、半导体层20和光接收单元30。固态图像拾取器件1将入射到半导体衬底10的背表面S2上的光光电转换为信号电荷，以对物体成像。半导体衬底10具有电阻率ρ1。半导体层20设置在半导体衬底10的表面S1上。半导体层20具有电阻率ρ2。其中，ρ2＞ρ1。光接收单元30形成在半导体层20中。光接收单元30接收由光电转换产生的信号电荷。

Description

固态图像拾取器件
技术领域
本发明涉及固态图像拾取器件。
背景技术
日本专利特开No.2002-33469描述了背表面入射类型的固态图像拾取器件。在该固态图像拾取器件中，从物体入射到半导体衬底的背表面上的光，在半导体衬底中被光电转换。由该转换产生的电荷由光接收单元接收以对物体成像。
除了日本专利特开No.2002-33469的日本专利特开No.2000-217803已知为与本发明相关的现有技术文档。
本发明人公认如下。在日本专利特开No.2002-33469中描述的固态图像拾取器件留下了在剩余电荷的容易释放的方面的改进的余地。在这方面，整个衬底的电阻率需要被减少以容易地释放剩余电荷。然而，这使得当在衬底中形成光接收单元时，难以在现有器件工艺中没有修改地直接使用平台。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了固态图像拾取器件，其将入射到半导体衬底的背表面上的光光电转换为信号电荷，以对物体成像，该固态图像拾取器件包括：第一半导体层，其形成半导体衬底的部分或全部，并具有第一电阻率；第二半导体层，其提供在半导体衬底的前表面上，并具有高于第一电阻率的第二电阻率；以及光接收单元，其提供在第二半导体层内，并接收由光电转换产生的信号电荷。
该固态图像拾取器件设有具有相对较低电阻率(第一电阻率)的第一半导体层。这使得剩余电荷可以容易地从半导体衬底的表面释放。另一方面，其上设有光接收单元的第二半导体层具有比第一半导体层更高的电阻率(第二电阻率)。与其中第一和第二半导体层都具有第一电阻率的情况不同，当在第二半导体衬底上形成光接收单元时，在现有器件工艺中的平台可以被直接使用。
根据本发明的另一方面，提供有固态图像拾取器件，其包括：第一导电型的第一半导体层，其具有第一和第二主表面部分；第二导电型的多个扩散区域，其形成在第一半导体层的第一主表面部分中；以及所述第一导电型的第二半导体层，其形成在第一半导体层的第二主表面部分上，并接收入射到其上的光，该第二半导体层在电阻率上低于第一半导体层。
本发明实现了这样的固态图像拾取器件，其可以容易地生产并具有能够容易地释放剩余电荷的结构。
附图说明
本发明的以上和其他目标、优点和特征从结合附图的特定的优选实施例的以下描述将变得更加明显，在附图中：
图1A和1B是说明根据本发明的固态图像拾取器件的第一实施例的截面图；
图2A和2B是说明在图1中的固态图像拾取器件的操作的一个例子的截面图；
图3A和3B是说明根据本发明的固态图像拾取器件的第二实施例的截面图；
图4A和4B是说明根据实施例中的一个修改的固态图像拾取器件的截面图；以及
图5A和5B是说明根据实施例中的另一修改的固态图像拾取器件的截面图。
具体实施方式
根据本发明的固态图像拾取器件的优选实施例在下面参考附图进行详细地描述。在附图的说明中，相同构成元件被给予相同的参考数字以省略重复的说明。
(第一实施例)
图1A是说明根据本发明的固态图像拾取器件的第一实施例的截面图。固态图像拾取器件1是背表面入射类型，其包括半导体衬底10(第一半导体层)、半导体层20(第二半导体层)和光接收单元30。固态图像拾取器件1以这样的方式对物体成像，即使得入射到半导体衬底10的背表面S2上的光，在半导体衬底10或半导体层20中光电转换为信号电荷。
在本发明中的半导体衬底10是p+型硅衬底。半导体衬底10具有电阻率ρ1(第一电阻率)。电阻率ρ1是例如0.01Ωcm，以及优选的为ρ1≤0.1Ωcm。半导体衬底10的厚度优选不大于上述光的吸收长度，该上述光也就是在图像拾取中使用的光。例如，如果以光述的波长是1μm，吸收长度大约是100μm。
半导体层20设置在半导体层10的前表面S1上。本发明中的半导体层20是p型硅层。半导体层20具有电阻率ρ2(第二电阻率)。其中，ρ2＞ρ1。电阻率ρ2是例如10Ωcm。优选地，5Ωcm≤ρ2≤100Ωcm。半导体层20例如通过外延生长方法来形成。
光接收单元30在半导体层20中形成。特别地，光接收单元30设置在半导体层20的前表面(或半导体衬底10的相对侧上的表面)侧上的表面层中。光接收单元30接收由以上光电转换产生的信号电荷。本发明中的光接收单元30是n型杂质扩散层。光接收单元30和与之邻近的半导体层20形成光电二极管。
MOSFET50也在半导体层20中形成。也就是说，固态图像拾取器件1包括由光接收单元30形成的MOS图像传感器以及由MOSFET 50形成的逻辑电路单元。MOSFET 50包括起到源区和漏区作用的n型杂质扩散层52，以及栅电极54。
互连层60设置在半导体层20的表面上。互连(未显示)形成在互连层60中。
参考图2A来描述固态图像拾取器件1的操作的一个例子。在图中，作为要被成像的目标的手指90与半导体衬底10的背表面S2接触。当使得来自光源例如荧光灯或LED的光L1入射到手指90上时，透射的光L2入射到背表面S2上。这样，透射光L2包括关于手指90的指纹92的信息。透射光L2在半导体衬底10或半导体层20中被光电转换为信号电荷。光接收单元30接收由光电转换产生的信号电荷，以拾取指纹92的图像。顺便说一下，任何的可见光、近红外光或红外光，可以被用作光L1。在固态图像拾取器件1操作的同时，优选对半导体衬底10施加固定电势(例如，接地电势)。图1B和2B说明了其中图1A和2A中的半导体衬底10连接到地的例子。
本发明的效果描述如下。具有小电阻率ρ1的半导体衬底10设置在固态图像拾取器件1上。这使得当手指与背表面S2相接触时由静电放电(ESD)引入的剩余电荷从连接到固定电势(例如接地电势)的半导体衬底10容易地释放，使得在固态图像拾取器件1中的电路元件(MOSFET 50等)免于被静电击穿。如果ρ1≤0.1Ωcm，可以获得显著的效果。
在其上设有光接收单元30的半导体层20具有比半导体衬底10的电阻率更高的电阻率ρ2。这与半导体衬底10和半导体层20都具有电阻率ρ1的情况不同，使得当光接收单元30和MOSFET 50形成在半导体层20上时，没有修改地使用在现有器件工艺中的平台。这是因为电阻率ρ2可以被设置到现有器件工艺的可用范围内的值，因为电阻率ρ2的值不需要跟随被减少的电阻率ρ1。如果5Ωcm≤ρ2≤100Ωcm，特别优选没有修改地使用现有器件工艺。如果不能使用现有器件工艺，产生这样的问题，即阻止使用标准逻辑工艺，以及阻止使用例如标准宏的电路部件。然而，根据本实施例，可以避免这样的问题。
部分由光电转换产生的信号电荷，由于在达到光接收单元30之前的再结合而消失。在这方面，如果半导体衬底10的厚度不大于用于图像拾取的光的吸收长度，只要固态图像拾取器件1具有超高的灵敏度，则再结合信号电荷的比率可以被充分降低。
对半导体衬底10施加固定电势，以允许剩余电荷被更容易地释放。这进一步抑制了静电击穿的发生。
当通过外延生长方法形成半导体层20时，或当半导体层20由外延层形成时，容易地形成具有比半导体衬底10更高的电阻率的半导体层20。半导体衬底10的电阻率ρ1可以被急剧地改变为半导体层20的电阻率ρ2。
(第二实施例)
图3A是说明根据本发明的固态图像拾取器件的第二实施例的截面图。固态图像拾取器件2也是背表面入射类型，其包括半导体衬底10、半导体层20和光接收单元30。固态图像拾取器件2在半导体衬底10的结构上不同于固态图像拾取器件1。在固态图像拾取器件2中的半导体衬底10是p型或p-型硅衬底。p+型杂质扩散层12(第一半导体层)在半导体衬底10的背表面S2的侧上的表面层上。p+型杂质扩散层12具有上述的电阻率ρ1。也就是说，在固态图像拾取器件1中，整个半导体衬底10利用第一半导体层形成，而在固态图像拾取器件2中，仅仅部分半导体衬底10由第一半导体层形成。p+型杂质扩散层12的电阻率ρ1小于半导体衬底10的电阻率ρ3。半导体衬底10的电阻率ρ3可以小于半导体层20的电阻率ρ2，或半导体衬底10的电阻率ρ3可以高于半导体层20的电阻率ρ2。固态图像拾取器件2的其他结构和操作与固态图像拾取器件1相同。并且在图3A中，固定电势优选施加到半导体衬底10，尤其优选将该固定电势施加到p+型杂质扩散层12。图3B说明了其中p+型杂质扩散层12连接接地的例子。
当如在固态图像拾取器件1中那样整个半导体衬底10对应于第一半导体层时，整个半导体衬底10的厚度从如上所述减少再组合信号电荷的比率的观点来说需要被减少。另一方面，半导体衬底10的厚度从充分确保半导体衬底10的强度或固态图像拾取器件的强度的观点来说需要被增加。
本发明可以满足这些对立的需求。也就是说，其中仅仅在部分半导体衬底10处设置第一半导体层的结构，使得即使整个半导体衬底10的厚度增加也可以降低再组合信号电荷的比例，只要第一半导体层布置在半导体衬底10的背表面S2的附近。特别地，优选在半导体层20的侧上的第一半导体层的面(参考图3A和3B)和半导体衬底10的背表面S2之间的距离d1不大于用于图像拾取的光的吸收长度。在本实施例中，距离d1等于p+型杂质扩散层12的厚度。固态图像拾取器件2的其他效果和固态图像拾取器件1的效果相同。
根据本发明的固态图像拾取器件不局限于上述实施例，而是可以以多种方式进行修改。除了在以上实施例中描述的那些结构之外的结构，各种结构作为半导体衬底10的结构，只要至少部分半导体衬底10由具有电阻率ρ1的第一半导体层形成。例如，如在图4A中所示，半导体衬底10可以包括：p+型硅衬底14，其对应于第一半导体层；以及外延层15，其设置在硅衬底14上。外延层15是p型或p-型硅层。
可选择地，如在图5A中所示，半导体衬底10可以包括硅衬底16和顺序淀积在其上的外延层17和18。硅衬底16是p型或p-型。外延层17是p+型硅层，并对应于第一半导体层。外延层18是p型或p-型硅层。也就是说，硅衬底10的电阻率高于外延层17的电阻率，以及外延层18的电阻率高于外延层17的电阻率。在这样的情况下，在图5A中的距离d2表示“在半导体层20的侧上的第一半导体层的面和半导体衬底10的背表面S2之间的距离”。在图5A中，不需要提供外延层18。在这种情况下，作为第一半导体层的外延层17布置在表面S1的侧上的半导体衬底10的表面层上。并且在图4A和5A中，优选将固定电势施加到半导体衬底10，尤其优选将固定电势施加到第一半导体层(到图4A中的p+型硅衬底14，以及到图5A中的外延层17)。图4B示出了其中在图4A中的p+硅衬底14连接接地的例子。图5B说明图5Z中的外延层17连接接地的例子。
虽然以上实施例显示其中提供N沟道MOSFET 50的例子，可以提供P沟道MOSFET来代替MOSFET 50，或者除了MOSFET 50之外提供P沟道MOSFET。
虽然在以上实施例中例示了p型半导体衬底、p型半导体层和n型光接收单元，可以使用n型半导体衬底、n型半导体层和n型光接收单元。
在半导体衬底中除去第一半导体层的部分可以是具有1000Ωcm或更大的电阻率的高阻半导体层。该部分对应于在图3A和3B中的半导体衬底10(除了其中形成p+型杂质扩散层12的部分)、在图4A和4B中的外延层15、以及在图5A和5B中的硅衬底16和外延层18。
本发明可以合适地施加到电荷耦合器件(CCD)类型的固态图像拾取器件。明显，本发明不局限于以上各实施例，但是可以进行修改和改变而不偏离本发明的保护范围和精神。

Claims (17)

1.一种固态图像拾取器件，将入射到半导体衬底的背表面上的光光电转换为信号电荷以对物体成像，该固态图像拾取器件包括：
第一半导体层，形成所述半导体衬底的部分或全部，并具有第一电阻率；
第二半导体层，设置在所述半导体衬底的前表面上，并具有高于所述第一电阻率的第二电阻率；以及
光接收单元，设置在所述第二半导体层中，并接收由光电转换产生的所述信号电荷。
2.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，在所述第二半导体层侧上的所述第一半导体层的面和所述半导体衬底的所述背表面之间的距离，不大于所述光的吸收长度。
3.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述第一半导体层形成所述半导体衬底的全部。
4.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述第一半导体层形成部分所述半导体衬底。
5.根据权利要求4所述的固态图像拾取器件，其中，所述第一半导体层是在所述半导体衬底的所述背表面侧上的表面层上形成的杂质扩散层。
6.根据权利要求4所述的固态图像拾取器件，其中，所述半导体衬底包括：对应于所述第一半导体层的硅衬底；以及设置在所述硅衬底上的外延层。
7.根据权利要求4所述的固态图像拾取器件，其中，所述半导体衬底包括硅衬底和外延层，该外延层设置在所述硅衬底上、并对应于所述第一半导体层。
8.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，预定的固定电势被施加到所述半导体衬底。
9.根据权利要求8所述的固态图像拾取器件，其中，所述固定电势为接地电势。
10.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述第二半导体层是外延层。
11.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述第一电阻率为0.1Ωcm或更小。
12.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述第二电阻率为大于等于5Ωcm且小于等于100Ωcm。
13.根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中，所述半导体衬底进一步包括：第三半导体层，其具有高于第一电阻率的第三电阻率；以及第四半导体层，其具有高于第一电阻率的第四电阻率，并且所述第一半导体层插入在所述第三半导体层和所述第四半导体层之间。
14.一种固态图像拾取器件，包括：
第一导电型的第一半导体层，其具有第一和第二主表面部分；
第二导电型的多个扩散区域，其形成在所述第一半导体层的所述第一主表面部分中；以及
所述第一导电型的第二半导体层，其形成在所述第一半导体层的所述第二主表面部分之上，并接收入射到其上的光，所述第二半导体层在电阻率上低于所述第一半导体层。
15.根据权利要求14所述的固态图像拾取器件，进一步包括所述第一导电型的第三半导体层，该第三半导体层插入在所述第一和第二半导体层之间，所述第二半导体层在电阻率上低于所述第三半导体层。
16.根据权利要求15所述的固态图像拾取器件，其中，所述第三半导体层在电阻率上低于所述第一半导体层。
17.根据权利要求15所述的固态图像拾取器件，其中，所述第三半导体层在电阻率上高于所述第一半导体层。
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