CN101110440B - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像装置(1)包括半导体衬底(10)，光接收单元(14)以及光屏蔽膜(20)。固态成像装置(1)是背面入射型，以及将从物体入射到半导体衬底(10)的背面S2的光光电地转换为电荷，以及在光接收单元(14)处接收由光电转换产生的电荷，从而对物体进行成像。该光接收单元(14)与半导体衬底(10)形成PN结二极管。光屏蔽膜(20)被配置在半导体衬底(10)的前表面S1上从而覆盖该光接收单元(14)。光屏蔽膜(20)用于屏蔽从固态成像装置(1)的外部入射到前表面S1上的光。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置。
背景技术
日本专利特开No.2002-33469描述了背面入射型固态成像装置。在该固态成像装置中，从物体入射到半导体衬底的背面上的光在该半导体衬底内被光电转换。光接收单元接收由该转换产生的电荷从而对该物体进行成像。
除了日本专利特开No.2002-33469之外，日本专利特开No.2000-252452以及日本专利特开No.03-148172也被认为是与本发明相关的现有技术文献。
本发明人已经发现上述固态成像装置具有以下亟待解决的问题。即，在上述固态成像装置中，散射光可以从作为成像表面的背面的相对侧上的面(表面)进入其上配置有光接收单元的半导体衬底。进入半导体衬底的散射光产生了错误信号，使得成像退化。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种固态成像装置，其将入射到半导体衬底背面上的光光电转换为信号电荷，从而对物体进行成像，该固态成像装置包括：在半导体衬底中配置在该半导体衬底的前表面侧上的光接收单元，其与半导体衬底形成PN结二极管，并且接收由光电转换产生的信号电荷；以及光屏蔽膜，其配置在所述半导体衬底的前表面上从而覆盖该光接收单元，所述光接收单元被配置为防止光从该固态成像装置的外部入射到前表面上。
根据本发明的另一方面，提供了一种固态成像装置，其包括：半导体主体，其具有其上入射光的第一主要表面，所述半导体主体进一步具有与所述第一主要表面相对的第二主要表面，在所述半导体主体的第二主要表面处形成扩散区，从而产生响应于光的电信号，并且在所述扩散区上配置光屏蔽膜。
在所述固态成像装置的半导体衬底的前表面上配置光屏蔽膜。这防止了散射光从该表面进入所述半导体衬底。
本发明实现了能够提供绝佳成像的固态成像装置。
附图说明
根据以下某些优选实施例的说明以及附图，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成像装置的第一实施例的剖面；
图2示出了根据本发明的固态成像装置的第二实施例的剖面；以及
图3示出了根据本发明的固态成像装置的第三实施例的剖面。
具体实施方式
以下参考附图详细描述根据本发明的固态成像装置的优选实施例。在附图的说明中，相同的组成部分给出了相同的参考数字，并且了省略了重复的说明。
(第一实施例)
图1示出了根据本发明的固态成像装置的第一实施例的剖面。固态成像装置1包括半导体衬底(半导体主体)10，光接收单元(扩散区)14以及光屏蔽膜20。固态成像装置1是背面入射型。更具体地，位于半导体衬底10内部的固态成像装置1光电地将从物体入射到半导体衬底10的背面(第一主要表面)S2的光转换为电荷(信号电荷)，以及在光接收单元14处接收由光电转换产生的电荷，从而对物体进行成像。优选地，利用物体直接与上述背面S2相接触而进行成像。例如，该物体是手指。
本实施例中的半导体衬底10是P型硅衬底。半导体衬底10包括其中形成有光接收单元14的P型阱区域12。光接收单元14是N型杂质扩散层(第一杂质扩散层)并且与半导体衬底10形成PN结二极管。
光屏蔽膜20被配置在半导体衬底10的前表面(第二主要表面)S1上，从而覆盖该光接收单元14。此处，前表面S1被定义为半导体衬底10的元件形成面，以及背面S2被定义为与前表面S1相对的表面。光屏蔽膜20覆盖了配置有光接收单元14的全部区域。在本实施例中，特别地，光屏蔽膜20几乎覆盖了半导体衬底10的表面S1的全部区域。光屏蔽膜20用于屏蔽从固态成像装置1的外部入射到表面S1上的光。
在半导体衬底10上配置有互连层30，在该互连层30中，配置了上述光屏蔽膜20。互连层30包括互连32，34以及36。利用与互连32，34和36相同的材料形成该光屏蔽膜20。例如，在光屏蔽膜20中使用的材料包括铝，铜，钨或者钛。
栅极绝缘膜42形成在半导体衬底10的前表面S1上。栅极绝缘膜42被配置为接近于上述光接收单元14。连接到互连34的栅电极44形成在栅极绝缘膜42上。例如，分别利用二氧化硅和多晶硅形成栅极绝缘膜42和栅电极44。
此外，在光接收单元14的相对侧上，N型杂质扩散层46(第二杂质扩散层)被配置为超过栅极绝缘膜42和栅电极44。换言之，栅极绝缘膜42和栅电极44被插在N型杂质扩散层46和光接收单元14之间。N型杂质扩散层46连接到互连36。栅极绝缘膜42，栅电极44和N型杂质扩散层46与光接收单元14形成了场效应晶体管(FET)。在该FET中，栅电极44和N型杂质扩散层46分别用作复位栅极和复位漏极。此外，通过元件隔离区62，FET与其他元件绝缘。例如，元件隔离区62是局部氧化硅(LOCOS)区域或者浅槽隔离(STI)区域。
源极跟随器放大器50经由互连64连接到光接收单元14。尽管互连64也形成在互连层30中，利用图1中的电路图示出了源极跟随器放大器50和互连64。
源极跟随器放大器50包括用于选择开关的FET 52，用于检测的FET 54以及用于负载的FET 56。这些FET被配置在高电位电源端子(Vdd)和低电位电源端子(Vss)之间。具体地，用于检测的FET 54，用于选择开关的FET 52和用于负载的FET 56按照上述顺序从电源端子(Vdd)到电源端子(Vss)彼此串联连接。源极跟随器放大器50的输出端58连接到用于负载的FET 56的漏极端子(或者，连接到用于选择开关的FET 52侧上的端子)。
随后，描述固态成像装置1的操作。首先，向栅电极44施加高脉冲，以对光接收单元14的电位进行复位。其次，向栅电极44施加低脉冲，以将由光电转换产生的电荷存储在光接收单元14中。随后，光接收单元14的电位达到某一取决于存储电荷量的值，以及从源极跟随器放大器50的输出端58输出响应于光接收单元14的电位的电位。
随后，描述固态成像装置1获得的效果。在固态成像装置1中，光屏蔽膜20被配置在半导体衬底1的前表面S1上。这防止了散射光从表面S1进入半导体衬底10，其实现了能够提供绝佳成像的固态成像装置1。
通过光屏蔽膜20覆盖了配置有光接收单元14的全部区域，这使成像能够有效地防止特别是由于散射光而导致的退化。此外，在本实施例中，通过光屏蔽膜20几乎覆盖半导体衬底10的前表面S1的全部区域，这允许切实地防止了散射光进入半导体衬底10。
光屏蔽膜20被配置在互连层30中，以及由与互连32，34和36相同的材料形成。这允许在互连形成工艺中形成该光屏蔽膜20，从而便于形成该光屏蔽膜20，或者便于生产固态成像装置1。例如，允许光屏蔽膜20与电极焊盘(未示出)同时形成。
光接收单元14，栅极绝缘膜42，栅电极44和N型杂质扩散层46形成了FET。因此，可以通过简单的结构实现对光接收单元14的电位进行复位的结构。
日本专利特开No.03-148172(以下，称为文献)公开了一种固态成像装置，其中光屏蔽膜配置在半导体衬底的表面侧上。然而，该文献中的固态成像装置与利用PN结二极管作为光接收单元的固态成像装置1的不同之处在于，其使用肖特基势垒二极管作为光接收单元。该文献中描述的固态成像装置将光限制为使用红外光(具有大约5μm或者更短的波长)，由此其不能使用PN结二极管。换言之，如果该文献中的固态成像装置使用PN结二极管，则带隙增加了，由此使得光接收单元不能充分地接收红外光。
如上所述，由于该文献中公开的固态成像装置涉及检测红外光，因此其对热射线较敏感。如果成像物体是手指，则固态成像装置会受到来自整个手指的热射线的影响。因此，固态成像装置不适于对指纹进行成像。在这方面，固态成像装置1适于对指纹进行成像。
由于该文献中的固态成像装置是电荷耦合器件(CCD)类型，因此其互连层包括互连的单层。因此，限制了在互连层中配置互连的空间，这使得难以在互连层中形成光屏蔽膜。实际上，在该文献中，光屏蔽膜被配置在固态成像装置中的互连层的上部上。因此，由于与固态成像装置1的情况不同，因此不能在互连形成工艺中形成光屏蔽膜，这增加了用于形成光屏蔽膜的工艺数。
(第二实施例)
图2示出了根据本发明的固态成像装置的第二实施例的剖面。在固态成像装置2中，整体地形成光屏蔽膜20以及互连34。换言之，光屏蔽膜20是互连层30中互连的一部分，并且用作光屏蔽膜和互连。在本实施例中，光屏蔽膜20覆盖了配置有光接收单元14的整个区域。然而，如图2所示，光屏蔽膜20没有几乎覆盖半导体衬底10的前表面S1的整个区域。固态成像装置2的其他结构和操作与固态成像装置1的结构和操作相同。
由此形成了固态成像装置2，共同形成了光屏蔽膜20和互连34，从而减少了制造工艺数。固态成像装置2的其他效果与固态成像装置1的效果相同。将要理解，在本实施例中，除了互连层30中的互连34之外，可以整体地形成光屏蔽膜20和互连(例如，互连32和36)。
(第三实施例)
图3示出了根据本发明的固态成像装置的第三实施例的剖面。在固态成像装置3中，在半导体衬底10的前表面S1侧上的半导体衬底10中形成了N型杂质扩散层48(第二杂质扩散层)。N型杂质扩散层48被配置为接近于光接收单元14。此外，栅极绝缘膜42被配置为接近于半导体衬底10的前表面S1上的N型杂质扩散层48。在栅极绝缘膜42上形成栅电极44。此外，在N型杂质扩散层48的相对侧上，N型杂质扩散层46(第三杂质扩散层)被配置为超过栅极绝缘膜42和栅电极44。换言之，栅极绝缘膜42和栅电极44被插在N型杂质扩散层46和N型杂质扩散层48之间。
N型杂质扩散层48，栅极绝缘膜42，栅电极44和N型杂质扩散层46形成了FET。此外在该FET中，栅电极44和N型杂质扩散层46分别用作复位栅极和复位漏极。固态成像装置3的其他结构和操作与固态成像装置1的结构和操作相同。固态成像装置3的效果也与固态成像装置1的效果相同。此外在本实施例中，如同固态成像装置2的情况，可以整体地形成光屏蔽膜20和互连层30中的互连。
根据本发明的固态成像装置不局限于上述实施例，而是可以以各种形式改变。尽管将P型半导体衬底和N型光接收单元作为上述实施例的例子，但是也可以使用N型半导体衬底和P型光接收单元。
很明显本发明不局限于上述实施例，而是可以在不背离本发明的保护范围而是精神的情况下作出改变而是变化。

Claims (12)

1.一种固态成像装置，其光电地将入射到半导体衬底背面上的光转换为信号电荷，从而对物体进行成像，所述固态成像装置包括：
光接收单元，其在所述半导体衬底中配置在所述半导体衬底的前表面侧上，所述光接收单元与所述半导体衬底形成PN结二极管，并且接收由光电转换产生的所述信号电荷；以及
光屏蔽膜，其配置在半导体衬底的所述前表面上，从而覆盖所述光接收单元，所述光屏蔽膜被配置为防止光从所述固态成像装置的外部入射到所述前表面上，
其中所述光屏蔽膜覆盖了配置有所述光接收单元的整个区域。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述光屏蔽膜覆盖了半导体衬底的所述前表面的整个区域。
3.根据权利要求1的固态成像装置，进一步包括：互连层，其配置在该半导体衬底的所述前表面上并包括互连，其中所述光屏蔽膜由与所述互连相同的材料形成。
4.根据权利要求3的固态成像装置，其中所述光屏蔽膜被配置在所述互连层中。
5.根据权利要求4的固态成像装置，其中所述光屏蔽膜是所述互连的一部分。
6.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述半导体衬底的所述背面是与所述物体直接接触的表面。
7.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述物体是手指。
8.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述光接收单元是第一杂质扩散层。
9.根据权利要求8的固态成像装置，进一步包括：
栅极绝缘膜，其被配置为接近于所述半导体衬底的所述前表面上的所述光接收单元；
栅电极，其配置在所述栅极绝缘膜上；以及
第二杂质扩散层，在所述半导体衬底中其配置在所述半导体衬底的所述前表面侧上，所述第二杂质扩散层被配置为使得所述栅极绝缘膜和所述栅电极插在所述第二杂质扩散层和所述光接收单元之间；其中
所述光接收单元，所述栅极绝缘膜，所述栅电极和所述第二杂质扩散层形成了场效应晶体管。
10.根据权利要求8的固态成像装置，进一步包括：
第二杂质扩散层，在所述半导体衬底中其被配置为接近于所述半导体衬底的所述前表面侧上的所述光接收单元；
栅极绝缘膜，其被配置为接近于所述半导体衬底的所述前表面上的所述第二杂质扩散层；
栅电极，其配置在所述栅极绝缘膜上；以及
第三杂质扩散层，在所述半导体衬底中其配置在所述半导体衬底的所述前表面侧上，所述第三杂质扩散层被配置为使得所述栅极绝缘膜以及所述栅电极被插在所述第二杂质扩散层以及所述第三杂质扩散层之间；其中
所述第二杂质扩散层，所述栅极绝缘膜，所述栅电极以及所述第三杂质扩散层形成了场效应晶体管。
11.一种固态成像装置，其包括：
半导体主体，该半导体主体具有其上入射光的第一主要表面，所述半导体主体进一步具有与所述第一主要表面相对的第二主要表面，在所述半导体主体的所述第二主要表面处形成扩散区，从而产生响应于光的电信号，以及光屏蔽膜，其配置在所述半导体主体的所述第二主要表面上，从而覆盖所述扩散区，其中所述光屏蔽膜覆盖了配置有所述光接收单元的整个区域。
12.根据权利要求11的固态成像装置，其中所述光屏蔽膜形成在整个所述第二主要表面上。
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