CN101552279B - 光电转换器件、其设计和制造方法以及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电转换器件、其设计和制造方法以及成像系统。光电转换器件包括：多个光电转换单元；包含具有第一折射率的第一绝缘膜和具有第二折射率的第二绝缘膜的第一抗反射部分；以及包含元件隔离部分和第三绝缘膜的第二抗反射部分，所述元件隔离部分包含具有第三折射率的绝缘体，所述第三绝缘膜具有所述第二折射率，其中，第一抗反射部分减少光电转换单元中的进入光电转换单元的光的反射，并且，第二抗反射部分减少元件隔离部分中的进入元件隔离部分的光的反射。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换器件、成像系统、光电转换器件设计方法和光电转换器件制造方法。
背景技术
近年来，诸如CMOS传感器的光电转换器件被用于诸如数字静态照相机和数字摄像机的2D图像输入装置以及诸如传真装置和扫描仪的1D图像读取装置中。在光电转换器件中，在二维或一维地排列的多个光电二极管上形成对象图像。光电二极管产生与光对应的电荷，从而产生图像信号。光电转换器件需要增大光电二极管的灵敏度。
根据在日本专利公开No.2000-012822中公开的技术，在每一光电二极管上形成抗反射膜，以减少被每一光电二极管的表面反射的光的量。根据日本专利公开No.2000-012822，多个光电二极管能有效地产生与光对应的电荷，从而增大光电二极管的灵敏度。
近来，光电转换器件在预定的芯片面积中需要较大数量的像素。必须减少单位像素占用的面积。在一些情况下，需要使得光电转换器件小型化。通过减少由单位像素占用的面积来减少用于形成预定数量的像素的芯片面积。
当在半导体衬底中形成STI(Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)元件隔离部分时，能减小多个光电二极管之间的间隔。利用这种布置，能减小由单位像素占用的面积，从而容易地增加在预定的芯片面积中的像素的数量。由于能减小单位像素占用的面积而不用减小光电二极管的面积，因此能减小用于形成预定数量的像素的芯片面积。
随着单位像素占用的面积减小，需要进一步减小光电二极管(光电转换单元)的尺寸以及元件隔离部分的尺寸。元件隔离部分的尺寸受到在光电转换器件中使用的电源电压的限制。与减小光电二极管的尺寸相比，减小元件隔离部分的尺寸更困难。当减小单位像素占用的面积时，光电二极管的尺寸的收缩率有时变得比元件隔离部分的尺寸的收缩率高。随着单位像素占用的面积减小，光电二极管的绝对面积减小，并且单位像素中的光电二极管占用的相对面积也会减小。
本发明人已发现以下问题。随着单位像素占用的面积减小，光电二极管的(绝对和相对)面积减小，并且相邻的光电二极管之间的间隔有时减小。在这种情况下，布置在光电二极管和滤色器之间的线(line)之间的间隔也会减小。如果线之间的间隔减小，那么穿过它的光发生衍射，从而增大不进入光电二极管而进入元件隔离部分的光的比率。进入元件隔离部分的光中的大部分常常被元件隔离部分的上面(upper face)反射。替代性地，光从元件隔离部分的上面进入里面，被侧面或底面反射，并从元件隔离部分的上面向上离开。不仅光电二极管的面积减小，而且进入光电二极管的光的比率也减小。结果，光电二极管的灵敏度会大大降低。
发明内容
本发明的目的是，光电转换进入元件隔离部分的光，以产生电荷并使用它们作为信号。
根据本发明的第一方面，提供一种光电转换器件，该光电转换器件包括：被布置在半导体衬底中的多个光电转换单元；包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的第一抗反射部分，所述第一绝缘膜被布置在光电转换单元上并具有第一折射率，所述第二绝缘膜被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率；以及包含元件隔离部分和第三绝缘膜的第二抗反射部分，所述元件隔离部分被布置在半导体衬底上、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体，所述第三绝缘膜比第二绝缘膜厚、被布置在元件隔离部分上、并具有所述第二折射率，其中，第一抗反射部分减少光电转换单元中的进入光电转换单元的光的反射，并且，第二抗反射部分减少元件隔离部分中的进入元件隔离部分的光的反射。
根据本发明的第二方面，提供一种光电转换器件，该光电转换器件包括：被布置在半导体衬底上的多个光电转换单元；被布置在光电转换单元上并具有第一折射率的第一绝缘膜；被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率的第二绝缘膜；被布置在半导体衬底上、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体的元件隔离部分；以及比第二绝缘膜厚、被布置在元件隔离部分上、并具有所述第二折射率的第三绝缘膜，其中，第二折射率比第一折射率高并且比第三折射率高。
根据本发明的第三方面，提供一种成像系统，该成像系统包括：根据本发明的第一方面的光电转换器件；在光电转换器件的图像感测表面上形成图像的光学系统；以及处理从光电转换器件输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
根据本发明的第四方面，提供一种成像系统，该成像系统包括：根据本发明的第二方面的光电转换器件；在光电转换器件的图像感测表面上形成图像的光学系统；以及处理从光电转换器件输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
根据本发明的第五方面，提供一种光电转换器件的设计方法，该光电转换器件包括：被布置在半导体衬底中的多个光电转换单元；第一抗反射部分，包含被布置在光电转换单元上并具有第一折射率的第一绝缘膜，并包含被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率的第二绝缘膜；以及第二抗反射部分，包含被布置在半导体衬底上、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体的元件隔离部分，并包含被布置在元件隔离部分上、并具有所述第二折射率的第三绝缘膜，该方法包括：第一步骤，获得当以与第二绝缘膜的厚度相同的厚度在元件隔离部分上形成第三绝缘膜时的元件隔离部分中的反射率(reflectance)；以及第二步骤，获得第三绝缘膜的厚度，以将元件隔离部分中的反射率设为比在第一步骤中获得的反射率低。
根据本发明的第六方面，提供一种光电转换器件的制造方法，该光电转换器件具有半导体衬底，在所述半导体衬底中，布置有用于产生与光对应的电荷的多个光电转换单元，该方法包括：第一步骤，在半导体衬底上形成将所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第一折射率的绝缘体的元件隔离部分；第二步骤，在所述多个光电转换单元上形成具有第二折射率的第一绝缘膜；第三步骤，在第一绝缘膜上形成具有第三折射率的第二绝缘膜；以及第四步骤，以被确定为将元件隔离部分中的反射率设为低于当以与第二绝缘膜的厚度相同的厚度在元件隔离部分上形成具有第三折射率的第三绝缘膜时获得的反射率的厚度，在元件隔离部分上形成第三绝缘膜。
本发明可光电转换进入元件隔离部分的光，以产生电荷并使用它们作为信号。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是显示根据本发明实施例的光电转换器件的电路布置的电路图；
图2是显示根据本发明实施例的光电转换器件的截面结构的截面图；
图3是显示像素的阵列的平面图；
图4是显示每一部分的折射率的示图；
图5是显示根据本发明实施例的光电转换器件的截面结构的截面图；
图6是显示根据本发明实施例的光电转换器件设计方法(制造方法)的流程图；
图7是显示氮化硅膜的厚度及其透射率(transmittance)之间的关系的曲线图；以及
图8是显示应用有根据本发明实施例的光电转换器件的成像系统的配置的框图。
具体实施方式
本发明针对在数字静态照相机、数字摄像机等中使用的光电转换器件及其制造方法。在以下的描述中，给定目标的“减少反射”意味着通过调整多重反射条件来减小目标的反射率。
将参照图1至3解释根据本发明实施例的光电转换器件200的示意性布置。图1是显示根据本发明实施例的光电转换器件200的电路布置的电路图。图2是显示根据本发明实施例的光电转换器件200的光电转换单元的截面结构的截面图。图3是显示像素P的阵列的平面图。图2显示沿图3中的线A-A′取得的截面。
光电转换器件200具有像素阵列区域220和周边区域210。
周边区域210位于像素阵列区域220的周围。在周边区域210中布置控制电路等。控制电路包含用于控制多个像素P的电路和用于从像素P输出信号的电路。控制电路包含例如用于扫描像素P的行的垂直扫描电路VSR、用于从各列上的像素P读出信号的读出电路RC、以及用于扫描读出电路的列的水平扫描电路HSR。读出电路包含例如用于放大来自像素P的信号的电路、以及用于向后级输出读出的信号的输出线和开关。在周边区域210中，控制电路包含晶体管，所述晶体管中的每一个包含布置在半导体衬底SB(参见图2)中的源极或漏极区域以及布置在半导体衬底SB上的栅电极。
在像素阵列区域220中，二维地(沿行方向和列方向)排列多个像素P(参见图1和图3)。在与一个像素P对应的区域PR(参见图2)中，布置半导体衬底SB，线131和133，层间膜130、132和134，滤色器20，第一抗反射部分106，第二抗反射部分126，半导体区域5，平坦化层21和微透镜22。
如图1所示，每一像素P包含复位晶体管25、光电转换单元27、传输门(transfer gate)9、浮置扩散(以下被称为FP)7和放大晶体管29。复位晶体管25包含布置在半导体衬底SB中的源极或漏极区域以及布置在半导体衬底SB上的栅电极。复位晶体管25将FD 7复位。光电转换单元27被布置在光接收区域101中的半导体衬底SB中(参见图2)。光电转换单元27通过光电转换产生与入射光(例如，入射光IR1)对应的电荷并积累它们。光电转换单元27例如为光电二极管，并包含电荷积累区域103和保护层105。电荷积累区域103积累通过光电转换产生的电荷。保护层105被形成为防止电荷积累区域103从表面露出，以保护电荷积累区域103。
传输门9被布置在半导体衬底SB上。传输门9将在光电转换单元27中积累的电荷传输到FD 7。FD 7被布置在半导体衬底SB中。FD 7将电荷转换成电压(信号)。放大晶体管29包含布置在半导体衬底SB中的源极或漏极区域以及布置在半导体衬底SB上的栅电极。放大晶体管29与连接到列信号线SL的电流源负载(未示出)一起执行源极跟随器操作，由此放大从FD 7输入的信号，并将放大的信号输出到列信号线SL。以此方式，从像素P读出信号。
每一元件隔离部分127包含绝缘体，并且绝缘体由例如氧化硅形成。元件隔离部分127被布置在元件隔离区域102中的半导体衬底SB中。元件隔离部分127将包含于每一像素P中的多个元件25、27、7、9、29等电隔离，并将像素相互电隔离。例如，元件隔离部分127将多个光电转换单元27电隔离。由半导体衬底中的元件隔离部分127限定的区域将被称为有源区域。在半导体衬底SB中与元件隔离部分127的侧部和下部相邻地形成用作对于信号电荷的势垒的导电类型的半导体区域5。例如，当光电转换单元27的电荷积累区域103被形成为n型半导体区域以积累电子的负电荷作为信号电荷时，半导体区域5的导电类型为p型。
线131和133被布置在半导体衬底SB之上。线131和133用作用于将信号从垂直扫描电路VSR供给到每一像素P的布线(wiringline)和用于传送从每一像素P输出的信号的布线(例如，列信号线SL)。线131和133由金属形成。为了便于描述，在图2中没有示出第三层以及随后层的线。
层间膜130、132和134被布置在半导体衬底SB之上。层间膜130、132和134被布置为使线131和133与另外的层绝缘。层间膜130、132和134中的每一个由诸如氧化硅的绝缘体形成。
滤色器20被布置在半导体衬底SB，线131和133，以及层间膜130、132和134之上。滤色器20被布置在各光电转换单元27之上。滤色器20在预定的波长(参见后面将描述的表1)处具有光谱透射率峰值。
还可在层间膜134和滤色器20之间布置氧氮化硅膜、氮化硅膜、层间透镜、平坦化层等。
第一抗反射部分106具有包含第一绝缘膜107和第二绝缘膜108的多层结构。第一绝缘膜107被布置在半导体衬底SB上。第二绝缘膜108被布置在半导体衬底SB上。第一抗反射部分106减少光电转换单元27中的进入光电转换单元27的光(例如，入射光IR1)的反射。第一绝缘膜107形成于多个光电转换单元27上，并且还可用作例如晶体管的栅绝缘膜。第二绝缘膜108形成于第一绝缘膜107上。第一绝缘膜107具有第一折射率n1，并且第二绝缘膜108具有第二折射率n2。第二折射率n2采取层间膜130的折射率和光电转换单元27的折射率之间的值。第二折射率n2比第一折射率n1高，并采取第一折射率n1和光电转换单元27的折射率之间的值。第二绝缘膜108具有第一厚度d1。第一厚度d1采取足以在光电转换单元27中减少已穿过滤色器20并进入光电转换单元27的光的反射的值。
第一抗反射部分106减小光电转换单元27中的反射率。更具体而言，由于以下原因，通过适当地设定第二绝缘膜108的厚度，在光电转换单元27中减少进入光电转换单元27的光的反射。当第一绝缘膜107还用作晶体管(例如，图1所示的传输门9、复位晶体管25或放大晶体管29)的栅绝缘膜时，根据晶体管的性能所需要的电特性来设定第一绝缘膜107的厚度。相反，第二绝缘膜108的厚度具有高的设计自由度。光电转换单元27中的反射率表示最终反射到层间膜130的光与已穿过层间膜130并进入光电转换单元27的光的比率。在第一抗反射部分106中，第一绝缘膜107由例如氧化硅形成，并且第二绝缘膜108由例如氮化硅形成。
第二抗反射部分126具有包含元件隔离部分127和第三绝缘膜128的多层结构。元件隔离部分127被布置在半导体衬底SB中。第三绝缘膜128被布置在半导体衬底SB上。第二抗反射部分126减少元件隔离部分127中的进入元件隔离部分127的光(例如，入射光IR2)的反射。结果，光能进入元件隔离部分127周围的半导体区域(在半导体衬底中与元件隔离部分127相邻的区域：例如，半导体区域5)。第三绝缘膜128形成于元件隔离部分127上。元件隔离部分127包含具有第一折射率n1的绝缘体，并且第三绝缘膜128具有第二折射率n2。第二折射率n2采取层间膜130的折射率和半导体区域5的折射率之间的值。第二折射率n2采取第一折射率n1和半导体区域5的折射率之间的值。第三绝缘膜128具有第二厚度d2。第二厚度d2比第一厚度d1大。第二厚度d2采取足以在元件隔离部分127中减少已穿过滤色器20并进入元件隔离部分127的光的反射的值。在这种情况下，元件隔离部分127的绝缘体的折射率被设为第一折射率n1，但是也可被设为与第一折射率n1不同的第三折射率n3。能在形成元件隔离部分127时适当地设定折射率，因此能容易地由具有与第一折射率n1不同的折射率的材料形成元件隔离部分127。
第二抗反射部分126减小元件隔离部分127中的反射率。更具体而言，通过适当地设定第三绝缘膜128的厚度，来减少元件隔离部分127中的进入元件隔离部分127的光的反射。这是由于元件隔离部分127的厚度根据元件隔离部分127的元件隔离性能所需要的电特性被设定，而第三绝缘膜128的厚度具有高的设计自由度。元件隔离部分127中的反射率表示最终反射到层间膜130的光与已穿过层间膜130并进入元件隔离部分127的光的比率。在第二抗反射部分126中，元件隔离部分127的绝缘体由例如氧化硅形成，并且第三绝缘膜128由例如氮化硅形成。
半导体区域5被布置在半导体衬底SB中。半导体区域5被布置为覆盖元件隔离部分127的下部。半导体区域5以比阱区域104的浓度高的浓度包含导电类型与阱区域104的导电类型相同的杂质。当光电转换单元27的电荷积累区域103被形成为n型半导体区域以积累电子的负电荷作为信号电荷时，阱区域104和半导体区域5的导电类型为p型。半导体区域5具有如下功能：形成对于电荷的势垒，以减少在光电转换单元27中积累的电荷向相邻像素P的光电转换单元27的泄漏。
半导体区域5还可具有减少来自元件隔离部分127的缺陷的泄漏电流的功能。半导体区域5还可既具有减少电荷向相邻像素的泄漏的功能，又具有减少泄漏电流的功能。
可进一步形成以比阱区域104的浓度高的浓度包含导电类型与阱区域104的导电类型相同的杂质的其它半导体区域110和111。半导体区域110和111具有如下功能：形成对于电荷的势垒，以减少电荷向相邻的光电转换单元27的泄漏。
平坦化层21被布置在半导体衬底SB之上。平坦化层21被形成为覆盖滤色器20，并且其上表面通过CMP等被平坦化。平坦化层21由例如与抗蚀剂类似的树脂形成。
微透镜22被布置在半导体衬底SB之上。微透镜22将入射光(例如，入射光IR1和入射光IR2)引导至线131之间的间隔。被引导至线131之间的间隔的光的一部分(例如，入射光IR1)被引导至光电转换单元27。剩余部分(例如，入射光IR2)衍射，并被引导至元件隔离部分127。
随着单位像素P占用的面积A1(参见图3)减小，光电转换单元27的尺寸L2和元件隔离部分127的尺寸L1两者均减小。元件隔离部分127的尺寸L1受到在光电转换器件200中使用的电源电压的限制。与减小光电转换单元27的尺寸L2相比，减小元件隔离部分127的尺寸L1更困难。当减小单位像素P占用的面积A1时，光电转换单元27的尺寸L2的收缩率变得比元件隔离部分127的尺寸L1的收缩率高。随着单位像素P占用的面积A1减小，光电转换单元27的绝对面积A2减小，并且光电转换单元27在单位像素P中占用的相对面积(A2/A1)也会减小。
随着单位像素P占用的面积减小，光电转换单元27的(绝对和相对)面积减小，并且，相邻的光电转换单元27之间的间隔DP(参见图2)有时减小。在这种情况下，垂直布置在光电转换单元27和滤色器20之间的线131之间的间隔DL也会减小。本发明人执行的模拟的结果揭示，随着线131之间的间隔DL减小，在衍射时不进入光电转换单元27而进入元件隔离部分127的光与已穿过线131之间的间隔的光的比率增大。
将检查如下情况：单位像素占用的面积减小，并且光电转换单元27中的进入光电转换单元27的光的反射率和元件隔离部分127中的进入元件隔离部分127的光的反射率均不减小。在这种情况下，光电转换单元27的面积减小，并且，进入光电转换单元27的光与已穿过滤色器20的光的比率也减小。结果，光电转换单元27的灵敏度会减小。在大多数情况下，进入元件隔离部分127的光被元件隔离部分127的侧面127c或底面127b反射，并且从元件隔离部分127的上面127a向上离开。被元件隔离部分127反射的光可在被布线等反射的同时进入远处的像素。
相反，根据本实施例，第一抗反射部分106减少光电转换单元27中的进入多个光电转换单元27的光(例如，入射光IR1)的反射。更具体而言，被引导至线131之间的间隔的光中的在衍射时被引导至光电转换单元27的光实际上穿过第一抗反射部分106，并被引导至光电转换单元27。第二抗反射部分126减少元件隔离部分127中的进入元件隔离部分127的光(例如，入射光IR2)的反射。更具体而言，被引导至线131之间的间隔的光中的在衍射时被引导至元件隔离部分127的光实际上穿过第二抗反射部分126，并且，所述光的至少一部分通过光电转换单元27被光电转换成电荷。转换的电荷作为用作信号的电荷被引导至光电转换单元27的电荷积累区域103。由此，光电转换单元27不仅能捕获与进入光电转换单元27本身的光(例如，入射光IR1)对应的电荷，而且还能捕获与进入元件隔离部分127的光(例如，入射光IR2)对应的电荷。即使当在减小单位像素P占用的面积时增加不进入光电转换单元27而进入元件隔离部分127的光的比率时，这也能抑制光电转换单元27的灵敏度的降低。半导体区域5还可被布置为容易地捕获与进入元件隔离部分127的光对应的电荷。
将详细解释第二抗反射部分126。
进入具有上述结构的光电转换器件200的光(例如，入射光IR1和入射光IR2)以给定的概率到达与光接收区域101相邻的元件隔离区域102。在光接收区域101中，光电转换单元27被布置。在元件隔离区域102中，元件隔离部分127被布置。已到达元件隔离区域102的入射光IR2在元件隔离部分127的上面127a和底面127b之间被反复反射，并以预定概率穿过底面127b。换句话说，第二抗反射部分126减小元件隔离区域102中的光的反射。已穿过元件隔离部分127的底面127b的光的至少一部分通过光电转换单元27被光电转换，并被引导至光电转换单元27的电荷积累区域103。
例如，通过计算获得当具有550nm的波长的光进入线131之间的间隔DL约为1μm并且线131距光电转换单元27的表面27a的高度约为0.8μm的结构时的一个像素区域(参见图2的区域PR)的光强度分布。结果揭示，约10％的入射光到达与光接收区域101相邻的元件隔离区域102。如果所有的已到达元件隔离区域102的光能被收集并被引导至光电转换单元27，那么光电转换单元27的灵敏度能被改善约10％。
将解释图2所示的第一厚度d1和第二厚度d2的确定方法。将例示如下情况：光电转换单元27和半导体区域5由硅形成，层间膜130、第一绝缘膜107和元件隔离部分127由氧化硅膜形成，并且第二绝缘膜108和第三绝缘膜128由氮化硅膜形成。
第二绝缘膜108(氮化硅膜)的折射率“2.00”为层间膜130(氧化硅)的折射率“1.46”和光电转换单元27(硅)的折射率“3.0至5.9”之间的值(参见图4)。第二绝缘膜108(氮化硅膜)具有第一厚度d1。第一厚度d1采取足以减少光电转换单元27中的已穿过滤色器20的光的反射的值。
例如，当第一绝缘膜107的厚度为7.5nm并且穿过滤色器20的光的波长为550nm时，第二绝缘膜108的厚度(图2所示的第一厚度d1)被设为50nm(参见下面的表1)。在这种情况下，光电转换单元27中的反射率为9％(表1中没有示出)。
同时，第三绝缘膜128(氮化硅膜)的折射率“2.00”为层间膜130(氧化硅)的折射率“1.46”和半导体区域5(硅)的折射率“3.0至5.9”之间的值(参见图4)。第三绝缘膜128(氮化硅膜)具有第二厚度d2。第二厚度d2比第一厚度d1大。第二厚度d2采取足以减少元件隔离部分127中的已穿过滤色器20的光的反射的值。确定第二厚度d2的值，使得元件隔离区域102中的元件隔离部分127中的反射率变得低于当第三绝缘膜128的厚度与第二绝缘膜108类似地被设为第一厚度d1时获得的反射率。
例如，当元件隔离部分127的厚度为300nm并且穿过滤色器20的光的波长为550nm时，第三绝缘膜128的厚度被设为50nm的第一厚度d1(参见下面的表1)。在这种情况下，元件隔离部分127中的反射率为63％。此外，第三绝缘膜128的厚度(图2所示的第二厚度d2)被设为130nm，使得元件隔离部分127中的多重反射的反射率变得比63％低(参见下面的表1)。在这种情况下，元件隔离区域102中的元件隔离部分127中的反射率为15％。
类似地，获得了当元件隔离部分127的厚度被设为300nm和100nm并且穿过滤色器20的光的波长被设为500nm、550nm和600nm时元件隔离区域102中的元件隔离部分127中的反射率。表1显示在第二绝缘膜108和第三绝缘膜128的厚度彼此相等的情况与它们彼此不同的情况(例如，第三绝缘膜128的厚度比第二绝缘膜108的厚度大的情况)之间比较的结果。
<表1>
如表1所示，通过将第三绝缘膜128的厚度(图2所示的第二厚度d2)设为比第二绝缘膜108的厚度(图2所示的第一厚度d1)大，元件隔离区域102中的元件隔离部分127中的反射率被减小。
应当注意，只要元件隔离部分127中的反射率变得低于当第三绝缘膜128的厚度与第二绝缘膜108类似地被设为第一厚度d1时获得的反射率，那么第二厚度d2也可被设为比第一厚度d1小。
当元件隔离部分127具有300nm的厚度时，它也可采用例如STI元件隔离结构或LOCOS(硅局部氧化，LOCal Oxidation of Silicon)元件隔离结构。当元件隔离部分127具有100nm的厚度时，它也可采用例如梯形台面(mesa)隔离型元件隔离结构或在沟槽中堆叠绝缘膜的元件隔离结构。
如表1所示，在穿过滤色器20的光具有500nm、550nm和600nm的波长的前提下已检查了反射率。但是，波长不限于此。当使用与多种颜色对应的滤色器时，也可使用穿过与各颜色对应的滤色器的光束的波长的平均值或穿过与任意颜色对应的滤色器的光的波长，来检查反射率。穿过滤色器的光的波长也可以为滤色器的光谱透射率处于峰值的波长。
如图5所示，沿与沿图3中的线A-A′取得的截面垂直的方向沿线B-B′取得的截面的结构与沿线A-A′取得的截面的结构(参见图2)类似。即，本实施例能类似地被应用于沿线B-B′取得的截面。包含于第一抗反射部分106中的第二绝缘膜108和包含于第二抗反射部分126中的第三绝缘膜128也可通过在像素阵列区域220中全部(entirely)形成它们而被同时形成，并且也可由连续膜形成。但是，执行用于选择性蚀刻或另外形成第二绝缘膜108或第三绝缘膜128的处理，以使得它们的厚度彼此不同。如图5所示，也可从FD 7(参见图1)去除连续膜。这有助于在FD 7上形成接触插塞(contact plug)。不仅可从FD 7上的区域、而且可从形成另一接触的区域(例如，晶体管的源极或漏极区域上的区域)去除该连续膜。该连续膜还能在形成接触时被用作蚀刻停止膜。
第二绝缘膜108和第三绝缘膜128也可由相同的材料(例如，氮化硅)或不同的材料形成，只要它们具有类似的折射率(与第二折射率n2类似)即可。
也可考虑衍射的影响而设计第三绝缘膜128的尺寸L1(参见图3)。在线131之间的间隔DL约为1μm并且线131距光电转换单元27的表面27a的高度为500nm或更小的结构中，衍射光进入的位置可被视为与光电转换单元27的表面27a的末端分开500nm或更小的位置。表面27a是封闭表面。
假定具有500nm的尺寸L1的第三绝缘膜128被布置在几乎为正方形的光电转换单元27的周围，该正方形的一边为1.6μm长。在这种情况下，氮化硅膜是一边为2.6μm长的正方形。这是由于0.5μm×2(两侧)+1.6μm＝2.6μm。由此，当元件隔离部分127具有300nm的厚度时，进行蚀刻处理，从而以130nm的厚度对于每个光电转换单元27将第三绝缘膜128形成为2.6μm的正方形。此外，执行蚀刻处理，以在光电转换单元27上将第二绝缘膜108蚀刻成1.6μm的正方形、50nm厚。通过光刻法执行该蚀刻处理，因此光掩模被事先设计，以对于所有的光电转换单元27执行相同的蚀刻处理。
由于没有在周边区域210(参见图1)中布置多个光电转换单元27，因此也可以不形成第三绝缘膜128。
代替第三绝缘膜128，也可在元件隔离部分127上形成通过调整成膜条件和密度而使其折射率从单晶硅的值5.5减小到小于4.0的多晶硅或多孔硅。多晶硅或多孔硅膜需要对于已穿过滤色器20的光实现95％或更大的高透射率。出于这个原因，调整多晶硅或多孔硅膜的厚度，使得元件隔离部分127中的反射率变得低于当第三绝缘膜128的厚度与第二绝缘膜108类似地被设为第一厚度d1时获得的反射率。例如，调整膜厚度，以将元件隔离部分127中的反射率设为小于50至63％(参见表1)。
将参照图6解释根据本发明实施例的光电转换器件200的设计(制造)方法。图6是显示根据本发明实施例的光电转换器件200的设计和制造方法的流程图。
图6显示当在光电转换器件中布置第二和第三绝缘膜时的膜厚度设计次序，在所述光电转换器件中，设计了覆盖有第一绝缘膜的多个光电转换单元27、其它元件、元件隔离部分。
在步骤S1中，工艺设计数据被输入到计算机(未示出)的输入单元(未示出)。工艺设计数据是用于诸如工艺CAD的工艺设计程序的图案数据。工艺设计数据包含布置像素阵列区域220和周边区域210并且在像素阵列区域220中布置多个光电转换单元27的信息(设计期间的光电转换器件的信息)。输入单元接受用于形成第一和第二绝缘膜的第一指令。输入单元将工艺设计数据和第一指令供给到CPU(未示出)。CPU经由输入单元获取工艺设计数据(图案数据)。CPU基于第一指令如下改变工艺设计数据。更具体而言，CPU改变工艺设计数据，以在多个光电转换单元27上形成具有第一折射率n1的第一绝缘膜107(第二步骤)，并以第一厚度d1在第一绝缘膜107上形成具有第二折射率n2的第二绝缘膜108(第三步骤)。CPU改变工艺设计数据，以在像素阵列区域220中布置第一抗反射部分106。
在步骤S2中，输入单元接受用于临时形成元件隔离部分127、半导体区域5和第三绝缘膜128的第二指令。输入单元将第二指令供给到CPU。CPU基于第二指令如下改变工艺设计数据。更具体而言，CPU改变工艺设计数据，从而以第三厚度d3形成具有第一折射率n1的元件隔离部分127(第一步骤)，并以第一厚度d1在元件隔离部分127上形成具有第二折射率n2的第三绝缘膜128。基于第二指令，CPU还改变工艺设计数据，以形成与元件隔离部分127相邻的半导体区域5(第五步骤)。输入单元接受用于形成线131和层间膜130的第三指令。输入单元将第三指令供给到CPU。基于第三指令，CPU改变工艺设计数据，以在第二绝缘膜108和第三绝缘膜128上形成层间膜130(第六步骤)，并在层间膜130上形成线131。CPU通过使用式(1)至(4)计算光电转换单元27中的反射率R1和元件隔离部分127中的反射率R2：
R1＝(r1-r0exp(-iε1))÷(1-r1r0exp(-iε1))...(1)
这里，r1和r0是第一绝缘膜107的上面107a和底面107b上的反射率。
ε1＝4πn1d1cosθ/λ...(2)
这里，θ是光的入射角，λ是光的波长。
R2＝(r3-r2exp(-iε2))÷(1-r3r2exp(-iε2))...(3)
这里，r3和r2是元件隔离部分127的上面127a和底面127b上的反射率。
ε2＝4πn1d1cosθ/λ...(4)
这里，θ是光的入射角，λ是光的波长。
在步骤S3中，CPU改变第三绝缘膜128的厚度，使得元件隔离部分127中的反射率变得比R2低。CPU将第三绝缘膜128的厚度变为例如第二厚度d2。
在步骤S4中，CPU对于在改变之后具有厚度d2的第三绝缘膜128计算元件隔离部分127中的反射率。更具体而言，CPU通过在式(3)和(4)中用d2代替d1来计算反射率R21，而不是R2。CPU确定新计算的反射率R21是否比在步骤S2中计算的反射率R2低。如果CPU确定反射率R21比反射率R2低，那么过程前进到步骤S5。如果CPU确定反射率R21等于或高于反射率R2，那么过程返回步骤S3。
CPU还可在屏幕上显示反射率R21和R2，并且经由输入单元从观看屏幕的用户(设计者)接受表示反射率R21是否比反射率R2低的信息。在这种情况下，用户直接确定反射率R21是否比反射率R2低。基于接受的表示反射率R21是否比反射率R2低的信息，CPU能确定反射率R21是否比反射率R2低。
通过重复步骤S3和S4的循环，CPU确定第二厚度d2。结果，第二厚度d2被设为元件隔离部分127中的反射率变得低于当第三绝缘膜128的厚度与第二绝缘膜108类似地被设为第一厚度d1时获得的反射率的值。
在步骤S5中，CPU改变工艺设计数据，以在元件隔离部分127上以第二厚度d2形成第三绝缘膜128(第四步骤)。
通过参照‘H.Kubota，“Applied Optics”，pp.95-97，Iwanami，Tokyo，1959’形成上述的式(1)至(4)：
Rx＝(rx-R[x-1]exp(-iεx))/(1-rxR[x-1]exp(-iεx))
εx＝4πnxdxcosθ/λ
这里，rx是x层的上面的反射率，nx是x层的折射率，dx是x层的厚度，θ是光的入射角，λ是光的波长，R[x-1]是x层下的复数(complex)型反射率。
可以如表1所示离散地或如图7所示连续地表示通过式(1)至(4)计算的反射率R1和R2。图7是显示氮化硅膜的厚度与其透射率之间的关系的曲线图。在图7中，横坐标轴表示氮化硅膜的厚度，纵坐标轴表示透射率(＝100％-反射率)。
在图7中，粗的曲线与元件隔离部分相对薄的情况对应，虚的曲线与元件隔离部分相对厚的情况对应。如从图7明显可见的那样，透射率即反射率根据厚度而周期性改变。在图7中，从与高透射率对应的厚度选择可实现的值。一般地，考虑到至第一布线层(即，最下面的布线层)的距离，将厚度设为10nm至200nm的值。在本实施例中，从表1选择的厚度是在概念上与图7中的A和B对应的最小厚度。
图8显示应用根据本发明的光电转换器件的成像系统的例子。
如图8所示，成像系统90主要包含光学系统、图像感测装置86和信号处理单元。光学系统主要包含快门(shutter)91、透镜92和光阑(stop)93。图像感测装置86包含光电转换器件200。信号处理单元主要包含感测信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理器97、存储器87、外部I/F 89、定时发生器98、总体控制/运算单元99、记录介质88和记录介质控制I/F 94。信号处理单元可以不包含记录介质88。
快门91在光路上被布置在透镜92的前面，以控制曝光。
透镜92将入射光折射，以在图像感测装置86的光电转换器件200的光电转换区域中形成对象图像。
光阑93在光路上被插入在透镜92和光电转换器件200之间。光阑93调整在穿过透镜92之后被引导至光电转换器件200的光的量。
图像感测装置86的光电转换器件200将在像素阵列区域220的图像感测表面(像素阵列)上形成的对象图像转换成图像信号。图像感测装置86的光电转换器件200从像素阵列读出图像信号，并将其输出。
感测信号处理电路95与图像感测装置86连接，并处理从图像感测装置86输出的图像信号。
A/D转换器96与感测信号处理电路95连接。A/D转换器96将从感测信号处理电路95输出的处理的图像信号(模拟信号)转换成图像信号(数字信号)。
图像信号处理器97与A/D转换器96连接。图像信号处理器97对从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)执行诸如校正的各种运算处理，从而产生图像数据。图像信号处理器97将图像数据供给到存储器87、外部I/F 89、总体控制/运算单元99、记录介质控制I/F94等。
存储器87与图像信号处理器97连接，并存储从图像信号处理器97输出的图像数据。
外部I/F 89与图像信号处理器97连接。从图像信号处理器97输出的图像数据经由外部I/F 89被传输到外部设备(例如，个人计算机)。
定时发生器98被连接到图像感测装置86、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97。定时发生器98向图像感测装置86、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97供给定时信号。图像感测装置86、感测信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97同步于定时信号而操作。
总体控制/运算单元99被连接到定时发生器98、图像信号处理器97和记录介质控制I/F 94，并对它们所有进行控制。
记录介质88可拆卸地与记录介质控制I/F 94连接。从图像信号处理器97输出的图像数据经由记录介质控制I/F 94被记录在记录介质88上。
利用该布置，只要光电转换器件200能获得高质量的图像信号，它就能提供高质量的图像(图像数据)。
在上述的实施例中，阱区域104为p型，但是也可为n型。在这种情况下，与电荷积累区域103相比，n型阱区域104被更轻地掺杂。阱区域104的导电类型与半导体区域5、110和111的导电类型相反。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (15)
1.一种光电转换器件，包括：
被布置在半导体衬底中的多个光电转换单元；
包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的第一抗反射部分，所述第一绝缘膜被布置在光电转换单元上并具有第一折射率，所述第二绝缘膜被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率；以及
包含元件隔离部分和第三绝缘膜的第二抗反射部分，所述元件隔离部分被布置在所述半导体衬底中、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体，所述第三绝缘膜比第二绝缘膜厚、被布置在所述元件隔离部分上、并具有第二折射率，
其中，第一抗反射部分减少所述光电转换单元中的进入所述光电转换单元的光的反射，以及
第二抗反射部分减少所述元件隔离部分中的进入所述元件隔离部分的光的反射。
2.根据权利要求1的光电转换器件，其中，
层间膜被布置在第三绝缘膜上，
半导体区域被布置在所述半导体衬底中覆盖所述元件隔离部分的下部的位置处，以及
第二折射率采取所述层间膜的折射率和所述光电转换单元或所述半导体区域的折射率之间的值。
3.根据权利要求2的光电转换器件，其中，
第一绝缘膜、所述元件隔离部分的绝缘体、和所述层间膜由氧化硅形成，以及
第二绝缘膜和第三绝缘膜由氮化硅形成。
4.根据权利要求1的光电转换器件，其中，
第三折射率等于第一折射率。
5.根据权利要求1的光电转换器件，其中，
滤色器被布置在所述多个光电转换单元中的一个之上，
第二绝缘膜的厚度采取足以减少所述光电转换单元中的已穿过所述滤色器的光的反射的值，以及
第三绝缘膜的厚度采取足以减少所述元件隔离部分中的已穿过所述滤色器的光的反射的值。
6.一种成像系统，包括：
权利要求1中限定的光电转换器件；
在所述光电转换器件的图像感测表面上形成图像的光学系统；和
处理从所述光电转换器件输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
7.一种光电转换器件，包括：
被布置在半导体衬底中的多个光电转换单元；
被布置在所述光电转换单元上并具有第一折射率的第一绝缘膜；
被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率的第二绝缘膜；
被布置在所述半导体衬底中、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体的元件隔离部分；和
比第二绝缘膜厚、被布置在所述元件隔离部分上、并具有所述第二折射率的第三绝缘膜，
其中，第二折射率比第一折射率高并且比第三折射率高。
8.根据权利要求7的光电转换器件，其中，
层间膜被布置在第三绝缘膜上，
半导体区域被布置在所述半导体衬底中覆盖所述元件隔离部分的下部的位置处，以及
第二折射率采取所述层间膜的折射率和所述光电转换单元或所述半导体区域的折射率之间的值。
9.根据权利要求8的光电转换器件，其中，
第一绝缘膜、所述元件隔离部分的绝缘体、和所述层间膜由氧化硅形成，以及
第二绝缘膜和第三绝缘膜由氮化硅形成。
10.根据权利要求7的光电转换器件，其中，
第三折射率等于第一折射率。
11.根据权利要求7的光电转换器件，其中，
滤色器被布置在所述多个光电转换单元中的一个之上，
第二绝缘膜的厚度采取足以减少所述光电转换单元中的已穿过所述滤色器的光的反射的值，以及
第三绝缘膜的厚度采取足以减少所述元件隔离部分中的已穿过所述滤色器的光的反射的值。
12.一种成像系统，包括：
权利要求7中限定的光电转换器件；
在所述光电转换器件的图像感测表面上形成图像的光学系统；和
处理从所述光电转换器件输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
13.一种设计光电转换器件的方法，所述光电转换器件包括：被布置在半导体衬底中的多个光电转换单元；第一抗反射部分，包含被布置在所述光电转换单元上并具有第一折射率的第一绝缘膜，并包含被布置在第一绝缘膜上并具有第二折射率的第二绝缘膜；以及第二抗反射部分，包含被布置在所述半导体衬底中、使所述多个光电转换单元电隔离、并包含具有第三折射率的绝缘体的元件隔离部分，并包含被布置在所述元件隔离部分上并具有所述第二折射率的第三绝缘膜，所述方法包括：
第一步骤，获得当以与第二绝缘膜的厚度相同的厚度在所述元件隔离部分上形成第三绝缘膜时在所述元件隔离部分中的反射率；和
第二步骤，获得第三绝缘膜的厚度，以将所述元件隔离部分中的反射率设为比在第一步骤中获得的反射率低。
14.一种制造光电转换器件的方法，所述光电转换器件具有半导体衬底，在所述半导体衬底中布置用于产生与光对应的电荷的多个光电转换单元，所述方法包括：
第一步骤，在所述半导体衬底中形成将所述多个光电转换单元电隔离并包含具有第一折射率的绝缘体的元件隔离部分；
第二步骤，在所述多个光电转换单元上形成具有第二折射率的第一绝缘膜；
第三步骤，在第一绝缘膜上形成具有第三折射率的第二绝缘膜；以及
第四步骤，以被确定为将所述元件隔离部分中的反射率设为低于当以与第二绝缘膜的厚度相同的厚度在所述元件隔离部分上形成具有第三折射率的第三绝缘膜时获得的反射率的厚度，在所述元件隔离部分上形成第三绝缘膜。
15.根据权利要求14的方法，还包括：
第五步骤，在第一步骤之前在所述半导体衬底中的部分处形成半导体区域，使得所述半导体区域覆盖要形成所述元件隔离部分的区域的下部；和
第六步骤，在第四步骤之后在第三绝缘膜上形成层间膜，
其中，第三折射率采取所述层间膜的折射率与所述光电转换单元和所述半导体区域中的一个的折射率之间的值。
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