CN101404288A - 固态成像装置及其制造方法以及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固态成像装置及其制造方法以及成像设备，其中，该固态成像装置包括：形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号的多个传感器部；形成在半导体衬底中以位于传感器部旁边的外围电路部；以及形成在传感器部的光入射侧上以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层。

Description

固态成像装置及其制造方法以及成像设备
相关申请的交叉参考
本发明包括于2007年10月3日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-259501的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及具有空穴累积二极管的固态成像装置及其制造方法以及成像设备。
背景技术
诸如CCD(电荷耦合器件)和CMOS图像传感器的固态成像装置广泛用于摄像机、数码照相机等中。灵敏度和噪音减少方面的改进是所有类型的固态成像装置中的重要问题。
具体地，当将从光接收表面的衬底界面中的微小缺陷产生的电荷(电子)作为信号输入时被检测为非常小电流的暗电流、或即使在不存在入射光的情况下不存在由入射光的光电转换所产生的纯信号电荷而仍会由于传感器部与上层之间的界面上的界面状态而产生的暗电流是在固态成像装置中将要减少的噪音。
例如，作为抑制由界面状态所引起的暗电流的产生的技术，如图9B所示使用在传感器部(例如，光电二极管)12上具有由P+层形成的空穴累积层23的嵌入型光电二极管结构。此外，在本说明书中，将嵌入型光电二极管结构称为HAD(空穴累积二极管)结构。如图9A所示，在不设置HAD结构的结构中，由于界面状态而产生的电子作为暗电流流向光电二极管。另一方面，如图9B所示，在HAD结构中，电子从界面的产生被形成在界面上的空穴累积层23抑制。另外，即使从界面产生电荷(电子)，电荷(电子)也不会流向电荷累积部(传感器部12的N+层中的势阱)，而是流向其中存在许多空穴的P+层的空穴累积层23。因此，可以消除电荷(电子)。因此，由于可以防止由于界面而产生的电荷被检测为暗电流，所以可以抑制由界面状态所引起的暗电流。
抑制暗电流的方法可以被用在CCD与CMOS图像传感器中，并且不仅可以用于已知的顶部发光型图像传感器，还可以用于背部照明的图像传感器(例如，参考JP-A-2003-338615)。
作为HAD结构的形成方法，常见的是通过形成在衬底上的热氧化硅层或CVD氧化硅层来执行用于形成P+层的杂质的离子注入(例如，硼(B)或二氟化硼(BF2))，以通过退火来活化(activate)注入的杂质，随后在界面附近形成p型区域。然而，为了活化掺杂质的杂质，在700℃以上的高温中的热处理是必要的。因此，使用离子注入形成空穴累积层难以在400℃以下进行低温处理。同样，在需要避免高温长时间活化以抑制掺杂剂的扩散的情况下，执行离子注入和退火的空穴累积层的形成方法并不是优选的。
此外，例如，当用低温等离子CVD方法形成在传感器部的上层上所形成的二氧化硅或氮化硅时，与光接收表面与高温下形成的层之间的界面相比，界面状态有所减少。界面状态的减少增加了暗电流。
如上所述，在需要避免高温下的离子注入和退火处理的情况下，不仅不能通过已知离子注入形成空穴累积层，而且还进一步增加了暗电流。为了解决这个问题，必需用不基于相关技术中的离子注入的另一种方法来形成空穴累积层。
作为实例，存在一种在传感器部的上层上形成具有负固定电荷的方法。在这个方法中，通过具有负固定电荷的层所引起的电场在传感器部的光接收表面侧的界面上形成空穴累积层。因此，抑制了从界面产生的电荷(电子)。此外，即使从界面产生了电荷(电子)，电荷(电子)也不会流向电荷累积部(传感器部中的势阱)，而是流向其中存在许多空穴的空穴累积层。因此，可以消除电荷(电子)。因此，由于可以防止在传感器部中检测到由界面上的电荷产生的暗电流，所以抑制了由界面状态所引起的暗电流。因此，通过使用具有负固定电荷的层，可以在无需离子注入和退火的情况下形成HAD结构。例如，具有负固定电荷的层可由二氧化铪(HfO2)层形成。
然而，如上所述，当将其中在光接收表面上形成具有负固定电荷的层的配置应用于(例如)背部照明的CCD或CMOS图像传感器时，如图10所示，在传感器部12的整个光接收表面12s上形成具有负固定电荷的层22。因此，不仅在需要形成HAD的像素区域中而且在外围电路部14上的半导体衬底11的表面上形成空穴累积层23(P+层)。
例如，当在外围电路部14中存在阱区域、扩散层、电路等(在附图中作为实例示出了扩散层15)，以便在半导体衬底11的背面上产生负电位，并且将具有正电荷的空穴被拉向负电位以被扩散。因此，由于被拉的正电荷，所以不能获得所要的负电位，而是输出从设计值向正侧偏压的电位。因此，使用该电位的传感器部的施加电压受到了不利影响，从而出现像素特征变化的问题。
发明内容
将要解决的问题在于，由于在外围电路部中不能获得所要的负电位而是输出从设计值朝向正电位偏压的电位，所以使用该电位的传感器部的施加电压受到了不利影响，从而引起像素特征变化。
鉴于上述问题，需要通过消除在外围电路部中具有负固定电荷的层的影响使外围电路部正常操作。
根据本发明的第一实施例，固态成像装置包括：多个传感器部，形成在半导体衬底中，以将入射光转换为电信号；外围电路部，形成在半导体衬底中，以位于传感器部旁边；以及具有负固定电荷的层，形成在传感器部的光入射侧的半导体衬底上，以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层。在外围电路部与具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
在根据本发明第一实施例的固态成像装置中，由于在外围电路部与具有负固定电荷的层之间形成了N型杂质区域，所以半导体衬底的界面上所产生的空穴的运动被N型杂质区域阻止。因此，由于阻止了空穴运动到外围电路部中，所以形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位变化被抑制。
根据本发明的第二实施例，固态成像装置包括：多个传感器部，形成在半导体衬底中，以将入射光转换为电信号；外围电路部，形成在半导体衬底中，以位于传感器部旁边；以及具有负固定电荷的层，形成在传感器部的光入射侧上，以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层。
在根据本发明第二实施例的固态成像装置中，由于在传感器部的光入射侧上形成了在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，所以在外围电路部中不形成具有负固定电荷的层。因此，由于在外围电路部中不形成由具有负固定电荷的层所产生的空穴累积层，所以空穴不会聚集在外围电路部中，并且由于空穴不会运动到外围电路部中，所以形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位也不会出现变化。
根据本发明的第三实施例，具有形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号的多个传感器部、形成在半导体衬底中以位于传感器部旁边的外围电路部、以及形成在传感器部的光入射侧上以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层的固态成像装置的制造方法包括以下步骤：在外围电路部与具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
在根据本发明第三实施例的固态成像装置中，由于在外围电路部与具有负固定电荷的层之间了形成N型杂质区域，所以在半导体衬底的界面上产生的空穴的运动被N型杂质区域阻止。因此，由于阻止了空穴运动到外围电路部中，所以形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位变化被抑制。
根据本发明的第四实施例，具有形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号的多个传感器部、形成在半导体衬底中以位于传感器部旁边的外围电路部、以及形成在传感器部的光入射侧上以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层的固态成像装置的制造方法包括以下步骤：形成具有负固定电荷的层；以及去除外围电路部上的具有负固定电荷的层。
在根据本发明第四实施例的方法中，由于在传感器部的光入射侧上形成了在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，所以在外围电路部中不形成具有负固定电荷的层。因此，由于在外围电路部中不形成由具有负固定电荷的层所产生的空穴累积层，所以空穴不会聚集在外围电路部中，并且由于空穴不会运动到外围电路部中，所以形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位也不会出现变化。
根据本发明的第五个实施例，成像设备包括：汇聚光学部，汇聚入射光；固态成像装置，接收汇聚光学部上汇聚的光并对所接收的光执行光电转换；以及信号处理部，处理光电转换得到的信号。该固态成像装置包括：多个传感器部，形成在半导体衬底中，以将入射光转换为电信号；外围电路部，形成在半导体衬底中，以位于传感器部旁边；以及具有负固定电荷的层，形成在传感器部的光入射侧上，以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层。在外围电路部与具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
在根据本发明第五实施例的成像设备中，使用了根据本发明实施例的固态成像装置。因此，即使形成了在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，仍使用能够抑制形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位变化的固态成像装置。
根据本发明的第六实施例，成像设备包括：汇聚光学部，汇聚入射光；固态成像装置，接收汇聚光学部上汇聚的光并对所接收的光执行光电转换；以及信号处理部，处理光电转换得到的信号。该固态成像装置包括：多个传感器部，形成在半导体衬底中，以将入射光转换为电信号；外围电路部，形成在半导体衬底中，以位于传感器部旁边；以及具有负固定电荷的层，形成在传感器部的光入射侧上，以在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层。
在根据本发明第六实施例的成像设备中，使用了根据本发明实施例的固态成像装置。因此，即使形成了在传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，仍使用其中抑制了形成在外围电路部中以产生负电位的阱区、扩散层、电路等的电位变化的固态成像装置。
在根据本发明第一实施例的固态成像装置中，在外围电路部的电路与具有负固定电荷的层之间形成了N型杂质区域。因此，由于可以防止在半导体衬底的界面上所产生的空穴运动到外围电路部中，所以存在可以抑制外围电路部中所形成的电路的电位变化的优点。因此，在不会使外围电路部的电位波动的情况下，通过在传感器部的光接收表面上所形成的具有负固定电荷的层产生的空穴累积层，可以减少传感器部的暗电流。
在根据本发明第二实施例的固态成像装置中，在外围电路部中不形成具有负固定电荷的层。因此，由于可以防止在外围电路部的半导体衬底的界面上产生空穴，所以存在在外围电路部中所形成的电路的电位不会发生变化的优点。因此，在不会使外围电路部的电位波动的情况下，通过传感器部的光接收表面上所形成的具有负固定电荷的层所产生的空穴累积层，可以减少传感器部的暗电流。
在根据本发明第三实施例的固态成像装置的制造方法中，在外围电路部的电路与具有负固定电荷的层之间形成了N型杂质区域。因此，由于可以防止在半导体衬底的界面上所产生的空穴运动到外围电路部中，所以存在可以抑制外围电路部中所形成的电路的电位变化的优点。因此，可以在不会使外围电路部的电位波动的情况下，通过传感器部的光接收表面上所形成的具有负固定电荷的层所产生的空穴累积层来减少传感器部的暗电流。
在根据本发明第四实施例的固态成像装置的制造方法中，在外围电路部中不形成具有负固定电荷的层。因此，由于可以防止在外围电路部的半导体衬底的界面上产生空穴，所以存在外围电路部中所形成的电路的电位不会发生变化的优点。因此，在不会使外围电路部的电位波动的情况下，通过在传感器部的光接收表面上所形成的具有负固定电荷的层所产生的空穴累积层，可以减少传感器部的暗电流。
在根据本发明第五和第六实施例的成像设备中，根据本发明实施例的固态成像装置(能够在不会使外围电路部的电位波动的情况下减少传感器部的暗电流)用作成像设备。因此，存在可以记录高质量图像的优点。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例(第一实例)的固态成像装置的示意性配置的截面图；
图2是示出了根据本发明实施例(第二实例)的固态成像装置的示意性配置的截面图；
图3A～图3C是示出了在根据本发明实施例(第一实例)的固态成像装置的制造方法中的制造过程的截面图；
图4是示出了在根据本发明实施例(第一实例)的固态成像装置的制造方法中的制造过程的截面图；
图5A和图5B是示出了根据第一实例的制造方法的变形中的制造过程的截面图；
图6A～图6C是示出了根据本发明实施例(第二实例)的固态成像装置的制造方法中的制造过程的截面图；
图7A和图7B是示出了根据本发明实施例(第二实例)的固态成像装置的制造方法中的制造过程的截面图；
图8是示出了根据本发明实施例的成像设备的框图；
图9A和图9B是示出了光接收部的示意性配置的截面图，其示出了抑制由于界面状态产生的暗电流技术；以及
图10是示出了形成了具有负固定电荷的层的已知固态成像装置的示意性配置的截面图，用于解释已知固态成像装置的问题。
具体实施方式
以下将参考示出了示意性配置的图1的截面图来描述根据本发明的实施例(第一个实例)的固态成像装置。
如图1所示，固态成像装置1包括在半导体衬底(或半导体层)11中对入射光执行光电转换的传感器部12。在传感器部12的侧部上，设置了其中形成有其间插入了像素分离区域13的阱区、扩散层、电路等(在附图中作为实例示出了扩散层15)的外围电路部14。将用半导体衬底11来进行以下解释。在传感器部(包括稍后将描述的空穴累积层23)12的光接收表面12s上，形成界面状态降低层21。例如，界面状态降低层21由二氧化硅(SiO2)层形成。在界面状态降低层21上，形成具有负固定电荷的层22。因此，空穴累积层23形成在传感器部12的光接收表面12s的一侧。因此，至少在传感器部12上，界面状态降低层21形成为以下膜厚度，其中，使得空穴累积层23通过具有负固定电荷的层22形成在传感器部12的光接收表面12s的一侧。例如，将该膜厚度设为等于或大于一个原子层并且等于或小于100nm。
在固态成像装置1是COMS图像传感器的情况下，例如，设置被配置为包括晶体管(诸如，转移晶体管、重置晶体管、放大晶体管和选择晶体管)的像素电路来作为外围电路部14。此外，包括执行读取在由多个传感器部12形成的像素阵列部的读取线上的信号的操作的驱动电路、传输读取信号的垂直扫描电路、移位寄存器或地址解码器、水平扫描电路等。
此外，在固态成像装置1为CCD图像传感器的情况下，例如，设置将通过传感器部光电转换的信号电荷读取到垂直转移栅的读取栅和沿垂直方向传输读取信号电荷的垂直电荷转移部来作为外围电路部14。另外，包括水平电荷转移部等。
此外，在半导体衬底11中与光入射侧相对的一侧上，形成被配置为包括设置在多个层上的配线51的配线层53和用于使配线51的层之间以及每个层的配线51之间绝缘的绝缘层52。
例如，具有负固定电荷的层22由二氧化铪(HfO2)层、氧化铝(Al2O3)层、氧化锆(ZrO2)层、氧化钽(Ta2O5)层或氧化钛(TiO2)层形成。这些种类的层已用作绝缘栅场效应晶体管的栅绝缘层等。因此，由于层形成方法已知，所以可以容易地形成这些层。层形成方法的实例包括化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法。此处，优选地使用原子层沉积方法，因为可以在膜形成期间将降低界面状态的SiO2层的厚度形成为1nm。此外，作为除以上所述材料之外的材料，还可以涉及氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。此外，具有负固定电荷的层22也可以由氮化铪层、氮化铝层、氧氮化铪层或氧氮化铝层形成。
具有负固定电荷的层22可以具有在不会不利影响绝缘特性的范围中添加的硅(Si)或氮(N)。将浓度适当地确定在不会不利影响层的绝缘特性的范围中。因此，能够通过添加硅(Si)或氮(N)在处理期间提高层的热阻或防止离子注入的能力。
在外围电路部14与具有负固定电荷的层22之间的半导体衬底11中形成N型杂质区域16。例如，N型杂质区域16由N型杂质(诸如磷(P)和砷(As))形成，并且通过使用(例如)离子注入形成。例如，N型杂质区域具有与通道阻挡相等的杂质分布。
在具有负固定电荷的层22上形成绝缘层41，并且在位于外围电路部14上的绝缘层41上形成光屏蔽层42。尽管未示出，但是光屏蔽层42产生其中光不会入射到传感器部12上的区域，并且传感器部12的输出确定了图像中的黑色程度。此外，由于光屏蔽层42防止了光入射到外围电路部14上，所以抑制了入射到外围电路部上的光所引起的特性变化。另外，形成使入射光能够从其透过的绝缘层43。绝缘层43的表面优选地为平坦的。另外，在绝缘层43上形成抗反射层(未示出)、滤色层44和汇聚透镜45。
在根据第一实施例的固态成像装置1中，由于在外围电路部14与具有负固定电荷的层22之间形成了N型杂质区域16，所以在半导体衬底11的界面上所产生的空穴的运动被N型杂质区域16阻止。因此，由于阻止了空穴运动到外围电路部14中，所以抑制了形成在外围电路部14中以产生负电位的阱区、扩散层15、电路等的电位变化。因此，可以在不使外围电路部14的电位波动的情况下，通过形成在传感器部12的光接收表面12s上的具有负固定电荷的层22产生的空穴累积层23来减少传感器部12的暗电流。
接下来，参考示出了示意性配置的图2的截面图来描述根据本发明实施例(第二实例)的固态成像装置。
如图2所示，固态成像装置2包括在半导体衬底(或半导体层)11中对入射光执行光电转换的传感器部12。在传感器部12的侧部上，设置了其中形成有其间插入有像素分离区域13的阱区、扩散层、电路等(在附图中作为实例示出了扩散层15)的外围电路部14。将用半导体衬底11来进行以下解释。在传感器部(包括稍后将描述的空穴累积层23)12的光接收表面12s上，形成界面状态降低层21。例如，界面状态降低层21由二氧化硅(SiO2)层形成。在界面状态降低层21上，形成具有负固定电荷的层22。因此，空穴累积层23形成在传感器部12的光接收表面12s的一侧上。因此，至少在传感器部12上，界面状态降低层21形成为以下膜厚度，其中，使得空穴累积层23通过具有负固定电荷的层22形成在传感器部12的光接收表面12s的一侧上。例如，将该膜厚度设为等于或大于一个原子层并且等于或小于100nm。
在固态成像装置2是COMS图像传感器的情况下，例如，设置被配置为包括晶体管(诸如，转移晶体管、重置晶体管、放大晶体管和选择晶体管)的像素电路来作为外围电路部14。此外，包括执行读取在由多个传感器部12形成的像素阵列部的读取线上的信号的操作的驱动电路、传输读取信号的垂直扫描电路、移位寄存器或地址解码器、水平扫描电路等。
此外，在固态成像装置2为CCD图像传感器的情况下，例如，设置将通过传感器部光电转换的信号电荷读取到垂直转移栅的读取栅和沿垂直方向传输读取信号电荷的垂直电荷转移部来作为外围电路部14。另外，包括水平电荷转移部等。
此外，在半导体衬底11中与光入射侧相对的一侧上，形成被配置为包括设置在多个层上的配线51的配线层53和用于使配线51的层之间以及每个层的配线51之间绝缘的绝缘层52。
例如，具有负固定电荷的层22由二氧化铪(HfO2)层、氧化铝(Al2O3)层、氧化锆(ZrO2)层、氧化钽(Ta2O5)层或氧化钛(TiO2)层形成。这些种类的层已用作绝缘栅场效应晶体管的栅绝缘层等。因此，由于层形成方法已知，所以可以容易地形成这些层。层形成方法的实例包括化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法。此处，优选地使用原子层沉积方法，因为可以在膜形成期间将降低界面状态的SiO2层的厚度形成为1nm。此外，作为除以上所述材料之外的材料，还可以涉及氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。此外，具有负固定电荷的层22也可以由氮化铪层、氮化铝层、氧氮化铪层或氧氮化铝层形成。
具有负固定电荷的层22可以具有在不会不利影响绝缘特性的范围中添加的硅(Si)或氮(N)。将浓度适当地确定在不会不利影响层的绝缘特性的范围中。因此，能够通过添加硅(Si)或氮(N)在处理期间提高层的热阻或提高防止离子注入的能力。
仅在传感器部12上形成具有负固定电荷的层22，以使空穴累积层23形成在传感器部12的光接收表面12s上而不是在外围电路部14(光入射侧面)上。
在具有负固定电荷的层22上形成绝缘层41，并且在位于外围电路部14上的绝缘层41上形成光屏蔽层42。尽管未示出，但是光屏蔽层42产生其中光不会入射到传感器部12上的区域，并且传感器部12的输出确定了图像中的黑色程度。此外，由于光屏蔽层42防止了光入射到外围电路部14上，所以抑制了入射到外围电路部上的光所引起的特性变化。另外，形成使入射光能够从其透过的绝缘层43。绝缘层43的表面优选地为平坦的。另外，在绝缘层43上形成抗反射层(未示出)、滤色层44和汇聚透镜45。
在第二实例的固态成像装置2中，由于在传感器部12的光接收表面12s上形成了形成空穴累积层23的具有负固定电荷的层22，所以具有负固定电荷的层22不形成在外围电路部14中。因此，由于在外围电路部14中不形成由具有负固定电荷的层22所产生的空穴累积层23，所以空穴不会聚集在外围电路部14中，并且由于空穴不会运动到外围电路部14中，所以形成在外围电路部14中以产生负电位的阱区、扩散层15、电路等的电位不会发生变化。因此，可以在不使外围电路部14的电位波动的情况下，通过形成在传感器部12的光接收表面12s上的具有负固定电荷的层22所产生的空穴累积层23来减少传感器部12的暗电流。
另外，在第一和第二实例中，可以在形成具有负固定电荷的层22之后，马上通过该层中存在的固定负电荷来将界面的邻近部分用作空穴累积层23。因此，抑制了由传感器部12与界面状态降低层21之间的界面上的界面状态所产生的暗电流。即，抑制了从界面产生的电荷(电子)。另外，即使从界面产生了电荷(电子)，但是电荷(电子)也不会流向电荷累积部(传感器部12中的势阱)，而是流向其中存在许多空穴的空穴累积层23，因此，可以使电荷(电子)被去除。因此，由于可以防止在传感器部12中检测到由界面上的电荷产生的暗电流，所以抑制了由界面状态所引起的暗电流。另外，由于在传感器部12的光接收表面12s上形成了界面状态降低层21，所以进一步抑制了由界面状态产生电子。因此，抑制了由于界面状态而产生的电子作为暗电流流向传感器部12。
在以上每个实例中，已阐述了背部照明的固态成像装置，该装置包括：多个像素部，每个均具有用以将入射光转换为电信号的传感器部12；以及配线层53，在传感器部12中，提供在由像素部形成的半导体衬底11的表面上并接收从与其上形成有配线层53的表面相对的一侧上入射的光。在本发明实施例中的配置还可以应用于顶部发光型固态成像装置，其中入射光从形成配线层等的一侧入射到传感器部上。
接下来，将参考示出了主要部分的图3A～图4的制造过程的截面图来描述根据本发明实施例(第一实例)的固态成像装置的制造方法。在图3A～图4中，示出了固态成像装置1的制造过程作为实例。
如图3A所示，在半导体衬底(或半导体层)11中形成对入射光执行光电转换的传感器部12、用于分离传感器部12的像素分离区域13、以及外围电路部14，其中，阱区、扩散层、电路等(在附图中作为实例示出了扩散层15)经形成为在外围电路部14与传感器部12之间插入有像素分离区域13。随后，在与光入射侧相对的半导体衬底11的一侧上，形成被配置为包括设置在多个层上的配线51的配线层53和用于使配线51的层之间以及每个层的配线51之间绝缘的绝缘层52。已知制造方法用作如上配置的制造方法。
随后，在传感器部12的光接收表面12s上(事实上，在半导体衬底11上)形成界面状态降低层21。例如，界面状态降低层21由二氧化硅(SiO2)层形成。随后，在界面状态降低层21上形成具有负固定电荷的层22。因此，在传感器部12的光接收表面侧上形成空穴累积层23。因此，至少在传感器部12上，界面状态降低层21需要被形成为以下膜厚度，其中，使空穴累积层23通过具有负固定电荷的层22形成在传感器部12的光接收表面12s的一侧上。例如，将该膜厚度设为等于或大于一个原子层并且等于或小于100nm。
例如，具有负固定电荷的层22由二氧化铪(HfO2)层、氧化铝(Al2O3)层、氧化锆(ZrO2)层、氧化钽(Ta2O5)层或氧化钛(TiO2)层形成。这些种类的层已用作绝缘栅场效应晶体管的栅绝缘层等。因此，由于层形成方法已知，所以可以容易地形成这些层。例如，可以将化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法用作层形成方法。此处，优选地使用原子层沉积方法，因为可以在膜形成期间将降低界面状态的SiO2层的厚度形成为1nm。
此外，作为除以上所述材料之外的材料，还可以使用氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。此外，具有负固定电荷的层22也可以由氮化铪层、氮化铝层、氧氮化铪层或氧氮化铝层形成。例如，也可以通过使用化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法来形成这些层。
此外，具有负固定电荷的层22可以具有在不会不利影响绝缘特性的范围中添加的硅(Si)或氮(N)。将浓度适当地确定在不会不利影响层的绝缘特性的范围中。因此，能够通过添加硅(Si)或氮(N)在处理期间提高层的热阻或防止离子注入的能力。
随后，如图3B所示，通过将N型杂质注入到外围电路部14与具有负固定电荷的层22之间的半导体衬底11中来形成N型杂质区域16。作为N型杂质区域16的制造方法的特定实例，在具有负固定电荷的层22上形成保护层61，然后通过使用平版印刷术在外围电路部14上的保护层61中形成开口62。伺候，通过使用保护层61作为用于离子注入的掩膜来执行N型杂质向外围电路部14上的半导体衬底11中的离子注入，以在外围电路部14与具有负固定电荷的层22之间的半导体衬底11中形成N型杂质区域16。
由于N型杂质区域16具有与(例如)通道阻挡相同的杂质分布，所以N型杂质区域16防止了在半导体衬底11的界面上所产生的空穴运动到半导体衬底11中，从而抑制了形成在半导体衬底11中的阱区(未示出)的电位或扩散层15的电位变化。然后，去除保护层61。
然后，如图3C所示，在具有负固定电荷的层22上形成绝缘层41，然后，在绝缘层41上形成光屏蔽层42。例如，绝缘层41由二氧化硅层形成。此外，例如，光屏蔽层42由具有光屏蔽性质的金属层形成。因此，例如，可以通过在具有负固定电荷的层22上形成其间插入有绝缘层41的光屏蔽层42来防止光屏蔽层42的金属与由氧化铪层形成的具有负固定电荷的层22反应。此外，由于当蚀刻光屏蔽层时绝缘层42充当了蚀刻终止层，所以可以防止对具有负固定电荷的层22的蚀刻伤害。
尽管未示出，但是光屏蔽层42产生了光不会入射到传感器部12上的区域，并且传感器部12的输出确定了图像中的黑色程度。此外，由于光屏蔽层42防止了光入射到外围电路部14上，所以抑制了入射到外围电路部上的光所引起的特征变化。
随后，如图4所示，在绝缘层41上形成用于减少由光屏蔽层42所引起的程度差异的绝缘层43。绝缘层43的表面优选地为平坦的且由(例如)涂覆绝缘层形成。
随后，通过已知制造技术在位于传感器部12上的绝缘层43上形成抗反射层(未示出)和滤色层44，然后在滤色层44上形成汇聚透镜45。在此情况下，可以在滤色层44与汇聚透镜45之间形成光透射绝缘层(未示出)，以防止在透镜处理时对滤色层44的机械伤害。因而，形成了固态成像装置1。
在固态成像装置的制造方法(第一制造方法)的第一实例中，由于在外围电路部14与具有负固定电荷的层22之间形成了N型杂质区域16，所以在半导体衬底11的界面上所产生的空穴的运动被N型杂质区域16阻止。因此，由于阻止了空穴运动到外围电路部14中，所以抑制了形成在外围电路部14中的阱区、扩散层15、电路等的电位变化。因此，可以在外围电路部14中得到所要负电位。
因此，可以在不使外围电路部14的电位波动的情况下，通过形成在传感器部12的光接收表面12s上的具有负固定电荷的层22所产生的空穴累积层23来减少传感器部12的暗电流。即，由于形成了空穴累积层23，所以抑制了从界面产生的电荷(电子)。即使从界面产生了电荷(电子)，电荷(电子)也不会流向电荷累积部(传感器部12中的势阱)，而是流向其中存在许多空穴的空穴累积层23。因此，可以去除电荷(电子)。因此，由于可以防止在传感器部中检测到由界面上的电荷产生的暗电流，所以抑制了由界面状态所引起的暗电流。另外，由于在传感器部12的光接收表面上形成了界面状态降低层21，所以进一步抑制了由于界面状态产生电子。因此，抑制了由于界面状态而产生的电子作为暗电流流向传感器部12。
如以所述，可以在形成具有负固定电荷的层22之前或者在形成具有负固定电荷的层22之后形成N型杂质区域16。
例如，如图5A所示，在形成界面状态降低层21(未示出)之前，以与上述同样的方式，通过使用在外围电路部14上设置开口64的保护层63，在半导体衬底11上形成用于离子注入的掩膜，然后通过使用离子注入方法，在外围电路部14上的半导体衬底11中形成N型杂质区域16。随后，尽管未示出，但是在去除保护层63之后，顺序形成界面状态降低层21和具有负固定电荷的层22。
在此情况下，由于离子被注入到半导体衬底11中，所以在半导体衬底11中会出现离子注入伤害。然而，由于半导体衬底11中形成N型杂质区域16的一部分是没有形成阱区、扩散层等的区域，所以即使发生离子注入伤害，但是也不会有实际伤害的。
可选地，例如，如图5B所示，在形成界面状态降低层21之后，以与上述同样的方式，通过使用在外围电路部14上设置开口66的保护层65，形成用于离子注入的掩膜，然后，通过使用离子注入方法，在外围电路部14上的半导体衬底11中形成N型杂质区域16。随后，尽管未示出，但是在去除保护层65之后，在界面状态降低层21上形成具有负固定电荷的层22。
在此情况下，由于在离子注入时，界面状态降低层21充当了缓冲层，所以减少了对半导体衬底11的离子注入伤害。
因此，还可以在形成具有负固定电荷的层22之前形成N型杂质区域16。
接下来，将参考示出了主要部分的图6A～图7B的制造过程的截面图来描述根据本发明实施例(第二实例)的固态成像装置的制造方法。在图6A～图7B中，作为实例示出了固态成像装置2的制造过程。
如图6A所示，在半导体衬底(或半导体层)11中形成对入射光执行光电转换的传感器部12、用于分离传感器部12的像素分离区域13、以及外围电路部14，其中阱区、扩散层、电路等(在附图中作为实例示出了扩散层15)经形成为其中在外围电路部14与传感器部12之间插入有像素分离区域13。随后，在与光入射侧相对的半导体衬底11的一侧上，形成被配置为包括设置在多个层上的配线51的配线层53和用于使配线51的层之间以及每个层的配线51之间绝缘的绝缘层52。已知制造方法用作根如上配置的制造方法。
随后，在传感器部12的光接收表面12s上(事实上，在半导体衬底11上)形成界面状态降低层21。例如，界面状态降低层21由二氧化硅(SiO2)层形成。随后，在界面状态降低层21上形成具有负固定电荷的层22。因此，在传感器部12的光接收表面12s的一侧上形成空穴累积层23。因此，至少在传感器部12上，界面状态降低层21需要被形成为以下膜厚度，其中，使空穴累积层23通过具有负固定电荷的层22形成在传感器分12的光接收表面12s的一侧上。例如，将该膜厚度设为等于或大于一个原子层并且等于或小于100nm。
例如，具有负固定电荷的层22由二氧化铪(HfO2)层、氧化铝(Al2O3)层、氧化锆(ZrO2)层、氧化钽(Ta2O5)层或氧化钛(TiO2)层形成。这些种类的层已用作绝缘栅场效应晶体管的栅绝缘层等。因此，由于层形成方法是已知的，所以可以容易地形成这些层。例如，可以将化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法用作层形成方法。此处，优选地使用原子层沉积方法，因为可以在膜形成期间将降低界面状态的SiO2层的厚度形成为1nm。
此外，作为除以上所述的材料之外的材料，还可以使用氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。此外，具有负固定电荷的层22也可以由氮化铪层、氮化铝层、氧氮化铪层或氧氮化铝层形成。例如，也可以通过使用化学汽相沉积方法、溅镀方法和原子层沉积方法来形成这些层。
此外，具有负固定电荷的层22可以具有在不会不利影响绝缘特性的范围中添加的硅(Si)或氮(N)。将浓度适当地确定在不会不利影响层的绝缘特性的范围中。因此，能够通过添加硅(Si)或氮(N)在处理期间提高层的热阻或防止离子注入的能力。
随后，如图6B所示，在具有负固定电荷的层22上形成保护层67，然后通过使用平版印刷术去除在外围电路部14上的保护层67。
然后，如图6C所示，通过将保护层67(参考图6B)用作蚀刻掩膜，去除在外围电路部14上的具有负固定电荷的层22。
在去除具有负固定电荷的层22的过程中使用干蚀刻的情况下，将用于干蚀刻的保护层用作保护层67。此外，例如，为了干蚀刻，使用了氩和六氟化硫(SF6)作为蚀刻气体。在具有负固定电荷的层22的情况下，能够使用上述蚀刻气体进行蚀刻。此外，也可以将用于蚀刻其他金属氧化物的蚀刻气体用来执行干蚀刻。随后，去除保护层67。
在上述干蚀刻中，由于在具有负固定电荷的层22的底部上形成了二氧化硅层的界面状态降低层21，所以半导体衬底11不会受到离子的直接冲击。因此，减少了对半导体衬底11的蚀刻伤害。
在去除具有负固定电荷的层22的过程中使用湿蚀刻的情况下，将用于湿蚀刻的保护层用作保护层67。此外，例如，为了进行湿蚀刻，将氟酸和氟化铵用作了蚀刻溶剂。在具有负固定电荷的层22的情况下，能够使用上述蚀刻溶剂进行蚀刻。此外，还可以将用于蚀刻其他金属氧化物的蚀刻溶剂用来执行湿蚀刻。随后，去除保护层67。
在上述湿蚀刻中，由于在具有负固定电荷的层22的底部上形成了二氧化硅层的界面状态降低层21，所以抑制了蚀刻溶剂从外围部渗到像素区域。
随后，如图7A所示，在具有负固定电荷的层22上形成绝缘层41，然后，在绝缘层41上形成光屏蔽层42。例如，绝缘层41由二氧化硅层形成。此外，例如，光屏蔽层42由具有光屏蔽性质的金属层形成。因此，例如，可以通过在具有负固定电荷的层22上形成其间插入有绝缘层41的光屏蔽层42来防止光屏蔽层42的金属与由氧化铪层形成的具有负固定电荷的层22反应。此外，由于当蚀刻光屏蔽层时绝缘层42充当了蚀刻阻止层，所以可以防止对具有负固定电荷的层22的蚀刻伤害。
尽管未示出，但是光屏蔽层42产生了其中光不会入射到传感器部12上的区域，且传感器部12的输出确定了图像中的黑色程度。此外，由于光屏蔽层42防止了光入射到外围电路部14上，所以抑制了入射到外围电路部上的光所引起的特征变化。
随后，如图7B所示，在绝缘层41上形成用于减少由光屏蔽层42所引起的程度差异的绝缘层43。绝缘层43的表面优选地为平坦的且由(例如)涂覆绝缘层形成。
随后，通过已知制造技术在位于传感器部12上的绝缘层43上形成抗反射层(未示出)和滤色层44，然后在滤色层44上形成汇聚透镜45。在此情况下，可以在滤色层44与汇聚透镜45之间形成光透射绝缘层(未示出)，以防止在透镜处理时对滤色层44的机械伤害。因此，形成了固态成像装置2。
在固态成像装置的制造方法的第二实例中，由于去除了外围电路部14上具有负固定电荷的层22，所以在外围电路部14上不会形成具有负固定电荷的层22。因此，由于在外围电路部14中不会形成由具有负固定电荷的层22所产生的空穴累积层23，所以空穴不会聚集在外围电路部14中，并且由于空穴不会运动到外围电路部14中，所以形成在外围电路部14中以产生负电位的阱区、扩散层15、电路等的电位不会发生变化。
因此，可以在不使外围电路部14的电位波动的情况下，通过形成在传感器部12的光接收表面12s上的具有负固定电荷的层22所产生的空穴累积层23来减少传感器部12的暗电流。即，由于形成了空穴累积层23，所以抑制了从界面产生的电荷(电子)。即使从界面产生了电荷(电子)，电荷(电子)也不会流向电荷累积部(传感器部12中的势阱)，而是流向其中存在许多空穴的空穴累积层23。因此，可以去除电荷(电子)。因此，由于可以防止在传感器部中检测到由界面上的电荷产生的暗电流，所以抑制了由界面状态所引起的暗电流。另外，由于在传感器部12的光接收表面上形成了界面状态降低层21，所以进一步抑制了由于界面状态产生的电子。因此，抑制了由于界面状态而产生的电子作为暗电流流向传感器部12。
上述实例中的固态成像装置1和2中的每个均包括：多个像素部，每个均具有用以将入射光转换为电信号的光接收部；以及配线层，提供在由像素部形成的半导体衬底的表面上，并且每个设备还可以应用于背部照明的固态成像装置，该背部照明的固态成像装置具有在每个光接收部中接收从与形成配线层的表面相对一侧入射的光的配置。当然，固态成像装置1和2中的每个还可以应用作为顶部发光型固态成像装置，其中，在光接收表面侧面上形成配线层，并且通过将入射在光接收部上的入射光的光学路径设为不形成配线层的区域，不会阻挡入射光入射到光接收部上。
接下来，参考图8的框图来描述根据本发明实施例(实例)的成像设备。成像设备的实例包括摄像机、数码照相机和移动电话的相机。
如图8所示，成像设备100包括设置在成像部101中的固态成像装置(未示出)。在成像部101的汇聚侧上设置对图像进行成像的成像光学系统102。具有用于驱动成像部101的驱动电路的信号处理部103、对在固态成像装置中被光电转换为图像的图像进行处理的信号处理电路等连接至成像部101。此外，可以将由信号处理部处理的图像信号存储在图像存储部(未示出)中。在成像设备100中，上述实施例中所述的固态成像装置1～2可用作固态成像装置。
在根据本发明实施例的成像设备100中，根据本发明实施例的固态成像装置1或2能够在不改变外围电路部的电位的情况下减少传感器部的暗电流，这样做的优点在于可以记录高质量的图像。
另外，根据本发明实施例的成像设备100并不限于具有上述配置，而是就可以应用于具有任何种类配置的成像设备，只要该成像设备使用固态成像装置。
此外，固态成像装置1或2可以被形成为单芯片型的设备或者模块型的设备，其中，成像部和信号处理部或光学系统被共同封装并具有成像功能。此外，本发明不仅可以应用于固态成像装置，还可以应用于成像设备。在此情况下，可以在成像设备中得到改进图像质量的效果。此处，例如，成像设备指的是具有成像功能的相机或便携式装置。此外，“成像”不仅包括在相机正常拍照时的图像成像，而且还包括广义上的指纹等的检测。
本领域技术人员应了解，根据设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或等同物的范围内。

Claims (8)

1.一种固态成像装置，包括：
多个传感器部，形成在半导体衬底中，以将入射光转换为电信号；
外围电路部，形成在所述半导体衬底中，以位于所述传感器部旁边；以及
具有负固定电荷的层，形成在所述传感器部的光入射侧上，以在所述传感器部的所述光接收表面上形成空穴累积层。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：
多个像素部，每个均具有将入射光转换为电信号的所述传感器部；以及
配线层，设置在形成有所述像素部的所述半导体衬底的表面上，
其中，所述固态成像装置是背部照明的固态成像装置，其在所述传感器部中接收从与其上形成有所述配线层的所述表面相对的一侧入射的光。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，
其中，在位于所述传感器部的所述光入射侧的所述半导体衬底上的所述传感器部的所述光接收表面上形成所述具有负固定电荷的层，以及
在所述外围电路部与所述具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，还包括：
多个像素部，每个均具有将入射光转换为电信号的所述传感器部；以及
配线层，设置在形成有所述像素部的所述半导体衬底的表面上，
其中，所述固态成像装置是背部照明的固态成像装置，其在所述传感器部中接收从与其上形成有所述配线层的所述表面相对的一侧入射的光。
5.一种固态成像装置的制造方法，所述固态成像装置具有形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号的多个传感器部、形成在所述半导体衬底中以位于所述传感器部旁边的外围电路部、以及形成在所述传感器部的光入射侧上以在所述传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，所述方法包括以下步骤：
在所述外围电路部与所述具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
6.一种固态成像装置的制造方法，所述固态成像装置具有形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号的多个传感器部、形成在所述半导体衬底中以位于所述传感器部旁边的外围电路部、以及形成在所述传感器部的光入射侧上以在所述传感器部的光接收表面上形成空穴累积层的具有负固定电荷的层，所述方法包括以下步骤：
形成所述具有负固定电荷的层；以及
去除所述外围电路部上的所述具有负固定电荷的层。
7.一种成像设备，包括：
汇聚光学部，汇聚入射光；
固态成像装置，接收所述汇聚光学部上汇聚的所述光并对所接收的光执行光电转换；以及
信号处理部，处理光电转换得到的信号，
其中，所述固态成像装置包括：
多个传感器部，形成在半导体衬底中以将入射光转换为电信号；
外围电路部，形成在所述半导体衬底中以位于所述传感器部旁边；以及
具有负固定电荷的层，形成在所述传感器部的光入射侧上，以在所述传感器部的所述光接收表面上形成空穴累积层。
8.根据权利要求7所述的成像设备，
其中，在位于所述传感器部的所述光入射侧的所述半导体衬底上的所述传感器部的所述光接收表面上形成所述具有负固定电荷的层，以及
在所述外围电路部与所述具有负固定电荷的层之间形成N型杂质区域。
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