CN101494229B - 固体摄像器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体摄像器件，其包括：硅层，所述硅层具有形成于其中的光电二极管和形成在所述光电二极管的表面上的正电荷累积区域；以及光波导，其形成在所述光电二极管上方，用于将入射光引导至所述光电二极管中，其中，在所述光波导中形成有绝缘层，并且所述绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。本发明的固体摄像器件提供了足够的空穴累积效应(负偏压效应)，因此能抑制在具有光波导的固体摄像器件中由界面态引起的暗电流的产生。结果，能够提供可以稳定工作且不产生任何暗电流的非常可靠的固体摄像器件。
Description
相关申请的交叉参考
本发明包含与2008年1月24日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2008-014054相关的主题，在此将该日本专利申请的全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件，其具有位于光电二极管上方且用于将入射光引导至光电二极管中的光波导。
背景技术
已知的是，在电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)固体摄像器件和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS)固体摄像器件中，光电二极管中的结晶缺陷以及形成于硅基板中的光接收部与该光接收部顶部上的绝缘层之间的界面处的界面态会引起暗电流的产生。
即，如图10A的示意性剖面图和图10B的位能图所示，用“×”表示的界面态发生在硅层51与硅层51顶部上的绝缘层52之间的界面处。在硅层51中形成有光电二极管PD。该界面态成为暗电流的发生源，使得来源于界面的电子作为暗电流而流入光电二极管PD中。
所谓的空穴累积二极管(hole accumulation diode，HAD)结构被用来控制在引起暗电流的各种原因之中由界面态引起的暗电流的产生(例如见日本专利申请公开公报No.2005-123280)。
更具体地说，如图11A的示意性剖面图和图11B的位能图所示，p型杂质被引入到硅层51的表面附近，从而形成p+半导体区域。该p+半导体区域用作适合于累积正电荷(空穴)的正电荷累积区域53。
因而，如果通过在界面处形成正电荷累积区域53来设置HAD结构，则光电二极管PD与该界面分离开。这能够抑制由界面态引起的暗电流。
为了形成HAD结构，在退火温度下注入B、BF2或其它离子，从而在界面附近形成p+半导体区域作为正电荷累积区域53。
另一方面，在现有技术的固体摄像器件中，已知的是，通过在光电转换部(光电二极管)的光接收区域上的布线层中设置具有阱结构的光波导，能提高光接收区域的集光效率(例如见日本专利申请公开公报No.2003-224249)。
该结构利用了光波导中的透明芯材料的折射率高于层间绝缘膜(SiO2)的折射率。该结构能够通过完全反射入射角大于由透明芯材料与层间绝缘膜之间的界面确定的临界角的入射光，来提高光电二极管的集光效率。
然而，为了提供上述HAD结构的更好效果，在制造具有HAD结构的固体摄像器件时要进行高浓度的离子注入。该离子注入会产生损坏从而导致缺陷。
如图12A的示意性剖面图和图12B的位能图所示，一种用于防止这种缺陷的可能方案是，形成具有负固定电荷54的绝缘层55而不是普通绝缘层52，以此作为要形成在硅层51上的绝缘层。在硅层51中形成有光电二极管PD。
如图12B所示，这能够使能带弯曲，从而使正电荷(空穴)尤其在界面附近累积。
此外，在具有光波导的前述固体摄像器件中，例如必须通过蚀刻来形成用于光波导的凹槽。
因此，如果将具有负固定电荷54的绝缘层55以不改变原样的方式应用于具有光波导的固体摄像器件，则在形成用于光波导的凹槽的期间，将会对已经预先形成的具有负固定电荷54的绝缘层55进行削减，从而会减小厚度。
如果如上所述减小了具有负固定电荷54的绝缘层55的厚度，则会减弱负固定电荷的空穴累积效应。
因此，如果将具有负固定电荷的绝缘膜应用于具有光波导的固体摄像器件，则必须提出一种能提供足够的空穴累积效应的方法。
发明内容
为了解决上面提到的问题，本发明期望提供一种固体摄像器件，当该固体摄像器件具有光波导时，能够提供足够的空穴累积效应。
本发明的一种固体摄像器件包括硅层和光波导。在所述硅层中形成有光电二极管。在所述光电二极管的表面上形成有正电荷累积区域。所述光波导形成在所述光电二极管上方，并且将入射光引导至所述光电二极管中。在所述光波导中形成有绝缘层。所述绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。
根据上述的本发明固体摄像器件的结构，由于在光波导中形成有具有5以上的介电常数和负固定电荷的绝缘层，结果，正电荷(空穴)能够累积在形成光电二极管的硅层的界面附近。这能够与硅层的正电荷累积区域一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，由于在光波导中形成有具有负固定电荷的绝缘层，结果，具有负固定电荷的绝缘层具有相对较大的体积，从而提供足够的空穴累积效应(负偏压效应)。
本发明的一种固体摄像器件包括硅层和光波导。在所述硅层中形成有光电二极管。在所述光电二极管的表面上形成有正电荷累积区域。所述光波导形成在所述光电二极管上方，并且将入射光引导至所述光电二极管中。在所述光电二极管上形成有绝缘层，所述绝缘层位于所述光波导下方。所述绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。所述光波导被形成在所述绝缘膜上。
根据上述的本发明固体摄像器件的结构，由于在光电二极管上形成有具有5以上的介电常数和负固定电荷的绝缘层，并且光波导被形成在该绝缘膜上，结果，正电荷(空穴)能够累积在形成光电二极管的硅层的界面附近。这能够与硅层的正电荷累积区域一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，由于具有负固定电荷的绝缘层被形成为比光波导更靠近光电二极管，因此能提供足够的空穴累积效应(负偏压效应)。
如上所述，本发明的各实施例提供了足够的空穴累积效应(负偏压效应)，因此能抑制在具有光波导的固体摄像器件中由界面态引起的暗电流的产生。
结果，本发明能够提供可以稳定工作且不产生任何暗电流的非常可靠的固体摄像器件。
附图说明
图1是示出了本发明实施例的固体摄像器件的示意性结构图(剖面图)；
图2是示出了图1所示的固体摄像器件的制造方法的制造过程图；
图3是示出了图1所示的固体摄像器件的制造方法的制造过程图；
图4是示出了图1所示的固体摄像器件的制造方法的制造过程图；
图5是示出了图1所示的固体摄像器件的制造方法的制造过程图；
图6是一固体摄像器件的示意性结构图(剖面图)，该固体摄像器件包括在光波导内部部分的一部分中的具有负固定电荷的绝缘膜；
图7是本发明另一个实施例的固体摄像器件的示意性结构图(剖面图)；
图8是本发明又一个实施例的固体摄像器件的示意性结构图(剖面图)；
图9是本发明再一个实施例的固体摄像器件的示意性结构图(剖面图)；
图10A和图10B是用于说明在包括光电二极管的硅层上形成有绝缘层的情况的视图；
图11A和图11B是用于说明形成有p+半导体区域以提供HAD结构的情况的视图；以及
图12A和图12B是用于说明在包括光电二极管的硅层上形成有具有负固定电荷的绝缘层的情况的视图。
具体实施方式
作为本发明的一个实施例，图1中示出了固体摄像器件1的示意性结构图(剖面图)。在本实施例中，将本发明应用于CMOS固体摄像器件(CMOS图像传感器)。
在固体摄像器件1中，在光电二极管部41的硅基板2中形成有用作光电二极管PD的电荷累积区域3。
另外，在电荷累积区域3的表面上形成有p+正电荷累积区域13。前述HAD结构包括电荷累积区域3和正电荷累积区域13。
在光电二极管部41中，隔着薄的栅极绝缘膜(未图示)在硅基板2上形成有MOS晶体管的栅极电极4。
在周边电路部42中，隔着薄的栅极绝缘膜(未图示)在硅基板2上形成有MOS晶体管的栅极电极4。虽然未图示，但在周边电路部42的硅基板2中形成有MOS晶体管的源/漏区域和半导体阱区域。该半导体阱区域用作沟道。
另外，在MOS晶体管的各个栅极电极4的侧边上形成有侧壁5。侧壁5由绝缘层构成。
在栅极电极4的更上方处，形成有由金属布线构成的布线层8。栅极电极4和不同层上的各个布线层8通过层间绝缘层6彼此绝缘。
在光电二极管部41中，第一层上的布线层8和MOS晶体管的栅极电极4通过穿过层间绝缘层6的导电插塞层(conductive plug layer)7相互电连接。
另外，在周边电路部42中，第一层上的布线层8通过穿过层间绝缘层6的导电插塞层7例如与形成在硅基板2中的MOS晶体管的源/漏区域(未图示)电连接。
各个像素包括光电二极管PD。
各个像素具有一个以上的MOS晶体管，这些晶体管包括具有图1所示栅极电极4的那种MOS晶体管。
在形成有光电二极管PD的硅基板2的上方形成有光波导21。光波 导21穿过层间绝缘层6。光波导21的内部部分包括折射率比层间绝缘层6的折射率大的透明材料。
在层间绝缘层6和光波导21的更上方处形成有钝化膜9和平坦化膜10。钝化膜9用作保护膜。
需要说明的是，能够通过在周边电路部42中设置遮光膜(未图示)，来抑制由入射光引起的MOS晶体管和其它元件的特性变化。
在平坦化膜10上形成有滤色器11。
为各个像素设置有适当颜色(例如，红(R)、绿(G)或蓝(B))的滤色器作为滤色器11。
在滤色器11上布置有球面的片上透镜(on-chip lens)12，从而收集光。
在如上述那样构成的本实施例的固体摄像器件1中，如果来自图1上方的光以大于临界角的角度入射到界面处，则作为与层间绝缘层6之间的界面的光波导21侧壁会完全反射该光。
这使得能将入射光收集到位于光波导21下方的光电二极管PD中，从而保证光的接收和检测效率。
另外，在本实施例的固体摄像器件1中，特别是光波导21的内部部分包括具有负固定电荷的绝缘层22。
将具有5以上的介电常数和足够的负固定电荷的绝缘材料用作绝缘层22。具有这种特性的材料包括铪氧化物以及含有铪、锆、铝、钽、钛、钇和镧系元素中的至少一种的绝缘材料。
这种材料包括在含有上述任何元素的氧化物和氧氮化物之中具有负固定电荷的那些材料，以及其它的具有负固定电荷的材料。
此外，铪氧化物具有20以上的介电常数。
然而，为了保证绝缘层22能起到光波导21的作用，必须选择折射率比层间绝缘层6所用材料的折射率大的材料。
例如，铪氧化物的折射率约为2，其大于层间绝缘层6所用的SiO2的折射率(1.46)。
由于包括具有负固定电荷的绝缘层22的光波导21被设置在硅基板2的顶部上，因此能带就以与图12A和图12B所示相同的方式弯曲，从而使正电荷(空穴)在界面附近累积。
需要说明的是，由于铪氧化物的折射率约为2，因此能够通过调节铪氧化物的厚度来提供防反射效果。
例如，能够利用如下所述的方法来制造本实施例的固体摄像器件1。
如图2所示，在硅基板2上形成光电二极管部41的光电二极管PD和晶体管以及周边电路部42的晶体管。
另外，在光电二极管PD的电荷累积区域3的表面上形成p+正电荷累积区域13。
接着，如图3所示，在形成有光电二极管PD的硅基板2上形成层间绝缘层6、导电插塞层7和布线层8。
即，将例如由预定厚度的SiO2膜制成的层间绝缘层6沉积在硅基板2的整个表面上。在层间绝缘层6中选择性地形成开口，从而形成到达硅基板2的接触孔。然后，将由钨或其它金属材料制成的导电材料引入到接触孔中，从而形成导电插塞层7。另外，使用导电材料在导电插塞层7上形成布线层8。
接着，如图4所示，对各个层间绝缘层6进行干式蚀刻，从而形成用于光波导21的凹槽31。
这时，如果将层间绝缘层6蚀刻至靠近硅基板2的程度，则负固定电荷能够实现更好的空穴累积效应。
接着，使用前述铪氧化物或其它绝缘材料在凹槽31中形成具有负固定电荷的绝缘层22。
然后，利用化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)方法或者回蚀(etchback)方法对表面进行整体平坦化。
在平坦化表面上依次堆叠并形成钝化膜9和平坦化膜10。
接着，为各个像素形成适当颜色的滤色器11。
此后，在滤色器11上形成片上透镜12(见图5)。
以上述方法可以制造出图1所示的固体摄像器件1。
根据本实施例的固体摄像器件1的结构，光波导21的内部部分包括具有负固定电荷的绝缘层22。这能够使能带以与图12A和图12B所示相同的方式弯曲，从而使正电荷(空穴)累积在界面(硅基板2的表面)附近。
这能够与硅基板2的正电荷累积区域13一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，根据本实施例，波导21的整个内部部分形成有具有负固定电荷的绝缘层22。这可以转变为大量的负固定电荷，从而提供足够大的空穴累积效应(负偏压效应)。
因此，本实施例能够提供可以稳定工作且不产生任何暗电流的非常可靠的固体摄像器件。
下面，图6中示出了图1所示实施例的固体摄像器件1的变型实施例。
在图1所示的固体摄像器件1中，光波导21的整个内部部分都形成有具有负固定电荷的绝缘层22。
与此相比，在图6所示的固体摄像器件20中，光波导21的内部部分的一部分，即沿侧壁的部分形成有具有负固定电荷的绝缘层22。剩余部分形成有绝缘层23，该绝缘层23是由与现有光波导所使用的材料类似的材料(折射率高的材料)制成的。
可以用作剩余部分的绝缘层23的材料有：通过等离子体化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法形成的氮化硅和通过涂敷形成的聚酰亚胺树脂。
由于形成在光波导21侧壁上的具有负固定电荷的绝缘层22具有相对较大的体积，因此这种结构也能够提供足够的空穴累积效应(负偏压效应)，因而能够抑制由界面态引起的暗电流的产生。
接下来，图7示出了本发明另一个实施例的示意性结构图(剖面图)。
在本实施例的固体摄像器件30中，在光波导21下方形成有在形成 光波导21时会使用的蚀刻阻挡膜24。
另外，光波导21的内部部分形成有与图1所示固体摄像器件1相同的具有负固定电荷的绝缘层22。
优选选择相对于层间绝缘层6的材料(例如SiO2)具有蚀刻选择性的绝缘材料来用作阻挡膜24。例如，可以使用SiN。
优选在考虑了蚀刻条件的情况下选择阻挡膜24的厚度，使得蚀刻后的厚度落入1nm～20nm的范围内。
需要说明的是，过厚的阻挡膜24会导致具有负固定电荷的绝缘层22的空穴累积效应减弱。
根据本实施例的固体摄像器件30，光波导21的内部部分形成有具有负固定电荷的绝缘层22。结果，与图1所示的固体摄像器件1相同，正电荷(空穴)能够累积在界面(硅基板2的表面)附近。
这能够与硅基板2的正电荷累积区域13一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，根据本实施例，光波导21的整个内部部分都形成有具有负固定电荷的绝缘层22。这可以转变为大量的负固定电荷，从而提供足够大的空穴累积效应(负偏压效应)。
然而，需要说明的是，阻挡膜24没有负固定电荷。因此与图1所示的固体摄像器件1相比，这使得具有负固定电荷的绝缘层22与阻挡膜24的界面相距一距离，从而使空穴累积效应(负偏压效应)稍微减弱。
接下来，图8示出了本发明又一个实施例的示意性结构图(剖面图)。
在本实施例中，在形成光波导21时要使用的蚀刻阻挡膜由具有5以上的介电常数和足够的负固定电荷的膜制成。
即，如图8所示，在本实施例的固体摄像器件40中，在硅基板2上形成有具有负固定电荷的阻挡膜25。
另一方面，光波导21的内部部分形成有绝缘层23，该绝缘层23是由与现有光波导所使用的材料类似的材料(折射率高的材料)制成的。
除了上述情况，固体摄像器件40与图7所示的固体摄像器件30具有相同的结构。
在本实施例中，铪氧化物以及含有铪、锆、铝、钽、钛、钇和镧系元素中的至少一种的绝缘材料可以用作具有5以上的介电常数和足够的负固定电荷的阻挡膜25。也可以使用硅酸铪(铪硅氧化物)。
然而，为了保证所选择的材料能够适当地用作阻挡膜25，优选选择相对于层间绝缘层6的材料具有蚀刻选择性的材料。
需要说明的是，铪氧化物的折射率约为2。因此，能够通过调节铪氧化物的厚度来提供防反射效果。
另一方面，可以用作光波导21中的绝缘层23的材料有：通过等离子体CVD方法形成的氮化硅和通过涂敷形成的聚酰亚胺树脂。
根据本实施例的固体摄像器件40的结构，具有负固定电荷的阻挡膜25被形成在光波导21下方。结果，与图1所示的固体摄像器件1相同，正电荷(空穴)能够累积在界面(硅基板2的表面)附近。
这能够与硅基板2的正电荷累积区域13一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，具有负固定电荷的绝缘层被形成为比光波导21更靠近光电二极管PD，因此能提供足够的空穴累积效应(负偏压效应)。
需要说明的是，在本实施例中，阻挡膜25由具有负固定电荷的绝缘材料形成。因此，如果形成厚的阻挡膜25则会使负固定电荷的量增加。
这使得能够通过形成一定厚度的阻挡膜25来提供足够大的空穴累积效应(负偏压效应)。
接下来，图9示出了本发明再一个实施例的示意性结构图(剖面图)。
在本实施例中，在形成光波导21时要使用的蚀刻阻挡膜和光波导中的绝缘层都由具有负固定电荷的绝缘材料制成。
即，如图9所示，在本实施例的固体摄像器件50中，在硅基板2上形成有具有负固定电荷的阻挡膜25。另外，光波导21的整个内部部分形成有具有负固定电荷的绝缘层22。
除了上述情况，固体摄像器件50与图7所示的固体摄像器件30具有相同的结构。
根据本实施例的固体摄像器件50的结构，具有负固定电荷的阻挡膜25被形成在光波导21下方。另外，光波导21的内部部分包括具有负固定电荷的绝缘层22。结果，正电荷(空穴)能够累积在界面(硅基板2的表面)附近。
这能够与硅基板2的正电荷累积区域13一起使正电荷(空穴)累积在界面附近，从而抑制由界面态引起的暗电流的产生。
另外，根据本实施例，具有负固定电荷的阻挡膜25被形成在光波导21下方，并且光波导21的整个内部部分形成有具有负固定电荷的绝缘层22。这可以转变为大量的负固定电荷，因此能提供足够大的空穴累积效应(负偏压效应)。
尽管在前述各实施例中本发明应用于CMOS固体摄像器件(CMOS图像传感器)，但本发明同样可适用于诸如CCD固体摄像器件等具有其它结构的固体摄像器件。
此外，在前述各实施例中，光电二极管PD形成在硅基板2中。然而，当光电二极管形成在硅基板上的硅外延层中而不是硅层中时，本发明同样适用。
另外，图6所示的光波导21的两层内部部分可适用于图7或图9所示的实施例。此外，光波导的内部部分可以被形成为包括三层以上(包括具有负固定电荷的绝缘层)。
本发明不限于上述实施例，在本发明的范围内可以以各种方式进行修改。
Claims (6)
1.一种固体摄像器件，其包括：
硅层，所述硅层具有形成于其中的光电二极管和形成在所述光电二极管的表面上的正电荷累积区域；以及
光波导，其形成在所述光电二极管上方，用于将入射光引导至所述光电二极管中，
其中，在所述光波导中形成有绝缘层，并且
所述绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述绝缘层被形成在所述光波导的整个内部部分中。
3.如权利要求1所述的固体摄像器件，其中，所述绝缘层由含有铪、锆、铝、钽、钛、钇、镧系元素中的至少一种的绝缘材料制成。
4.一种固体摄像器件，其包括：
硅层，所述硅层具有形成于其中的光电二极管和形成在所述光电二极管的表面上的正电荷累积区域；以及
光波导，其形成在所述光电二极管上方，用于将入射光引导至所述光电二极管中，
其中，在所述光电二极管上形成有绝缘层，所述绝缘层位于所述光波导下方，并且
所述绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。
5.如权利要求4所述的固体摄像器件，其中，所述绝缘层由含有铪、锆、铝、钽、钛、钇、镧系元素中的至少一种的绝缘材料制成。
6.如权利要求4所述的固体摄像器件，其中，在所述光波导中形成有绝缘层，并且该绝缘层具有5以上的介电常数和负固定电荷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170116 Address after: Kanagawa Japan Atsugi Asahi 4-14-1 Patentee after: SONY SEMICONDUCTOR SOLUTIONS Corp. Address before: Tokyo, Japan Patentee before: Sony Corp. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 Termination date: 20220122 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |