CN101997017B - 固体摄像装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背面照射型的固体摄像装置及其制造方法，在SOI基板的半导体层的表面上，形成具有与像素图形对应的开口的掩膜，并使用上述掩膜从上述半导体层的表面侧向该层内离子注入第二导电型的杂质，从而形成第二导电型的光电转换部，并且由未被离子注入的部分形成像素分离区域。接着，在去除上述掩膜之后，在上述半导体层的表面部形成用于读出由上述光电转换部得到的光信号的信号扫描电路。接着，在上述半导体层的表面侧接合支承基板之后，从上述半导体层剥离上述半导体基板及埋入绝缘膜。

Description

固体摄像装置及其制造方法
相关申请的交叉引用 
本申请基于2009年8月25日提出的日本在先申请2009-194544号并要求享受其优先权，这里其全部内容以引用的方式并入于此。 
技术领域
本发明涉及使光从形成了光电转换部的半导体基板的背面侧入射的背面照射型的固体摄像装置及其制造方法。 
背景技术
以CMOS传感器为首的固体摄像装置目前以数字静止照相机、摄录机以及监视摄像机等多种用途使用。并且最近，为了抑制与像素尺寸的缩小相伴的S/N下降，提出了背面照射型的固体摄像装置。在该装置中，向像素入射的光不受布线层的阻碍而能够到达在Si内形成的受光区域。因此，在微细的像素中也能够实现高量子效率。 
在背面照射型的固体摄像装置中，入射至作为受光区域的Si内的入射光生成光电子。该光电子的一部分由于热扩散漏入相邻像素中，成为串扰。因此，为了降低串扰，构成为：通过在相邻像素间设置p阱(像素分离区域)来产生扩散电位差，从而抑制光电子扩散。 
但是这种结构存在如下的问题。像素间分离p阱是通过使用了掩膜的离子注入，从Si基板的表面侧以高能量有选择地注入B(硼)离子来形成的。此时，需要使p阱的宽度极其窄。因此，对于离子注入掩膜，需要使开口宽度窄，并且足够厚以便经得住高能量。但是，难以做出厚掩膜和狭窄的开口，并且有时在窄的开口部分的一部分上残留掩膜材料。此时，p阱未形成到Si基板的光入射面，而发生由光电子扩散造成的串扰。结果，再生画面上混色增加，因此仅能获得颜色再现性劣化的再生图像。 
此外，来自基板表面侧的离子注入造成的像素分离p阱因离子的散射而在基板背面侧变宽。并且，像素分离的宽度在光的入射侧变宽这一点成 为使串扰增大的重要原因。 
发明内容
本发明鉴于上述情况，其目的在于，提供一种能够防止伴随着背面照射型的像素的微细化的串扰的增加、能够实现颜色再现性的提高的背面照射型的固体摄像装置及其制造方法。 
本发明的一个技术方案涉及一种背面照射型的固体摄像装置的制造方法，包括以下步骤：针对在半导体基板上隔着埋入绝缘膜形成了半导体层的基板，在上述半导体层中以第一浓度均匀掺杂第一导电型的杂质，并且在该层的背面侧以比上述第一浓度高的第二浓度掺杂第一导电型的杂质，在上述半导体层的表面上形成掩膜，该掩膜具有与像素图形对应的开口；使用上述掩膜以从上述半导体层的表面侧到达背面的方式向该层内离子注入第二导电型的杂质，通过该离子注入，形成宽度从上述基板的表面侧向背面侧变宽的渐宽状的、作为上述像素的第二导电型的光电转换部，并且将未被离子注入的部分作为像素分离区域仍保持为第一导电型，并且将上述半导体层的背面附近保持为第一导电型；在去除上述掩膜之后，在上述半导体层的表面部形成信号扫描电路，该信号扫描电路用于读出由上述光电转换部得到的光信号；在形成了上述信号扫描电路的上述半导体层的表面侧，粘结支承基板；在粘结了上述支承基板之后，从上述半导体层去除上述半导体基板以及埋入绝缘膜。 
根据本发明涉及的背面照射型的固体摄像装置及其制造方法，能够防止伴随着背面照射型的像素的微细化的串扰的增加，能够实现颜色再现性的提高。 
附图说明
图1是表示有关第一实施方式的背面照射型的MOS型固体摄像装置的元件结构的截面图。 
图2是表示图1的固体摄像装置的滤色器配置例的图。 
图3是表示图1的固体摄像装置的电路结构的图。 
图4A～图4F是表示图1的固体摄像装置的制造工序的截面图。 
图5A、图5B是用于说明比较例的问题的工序截面图。 
图6A、图6B是表示有关第二实施方式的背面照射型的MOS型固体摄像装置的制造工序的截面图。 
具体实施方式
实施方式是一种背面照射型的固体摄像装置的制造方法，在SOI基板的半导体层的表面上，形成具有与像素图形对应的开口的掩膜，并使用上述掩膜将第二导电型的杂质从上述半导体层的表面侧向该层内进行离子注入，从而形成第二导电型的光电转换部，并且在未进行离子注入的部分形成像素分离区域。接着，在将上述掩膜去除之后，在上述半导体层的表面部形成信号扫描电路，该信号扫描电路用于读出由上述光电转换部得到的光信号。接着，在上述半导体层的表面侧接合支承基板之后，将上述半导体基板及埋入绝缘膜从上述半导体层剥离。 
以下，参照附图说明实施方式的细节。 
(第一实施方式) 
图1是表示有关第一实施方式的背面照射型的MOS型固体摄像装置的像素部分的结构的截面图。 
在Si层(半导体基板)13的内部，形成有相当于单位像素的多个p型层(光电转换部)16。这些p型层16由n型层(像素分离区域)17按每个像素来分离。n型层17在Si层13的背面(上面)侧比表面(下面)侧宽度窄。此外，n型层17在Si层13的背面附近，在整个背面上较浅地形成。 
在Si层13的表面侧，在p型层16形成有信号扫描电路，该信号扫描电路包括电荷蓄积层21及读出晶体管22、还有未图示的放大晶体管、垂直选择晶体管以及复位晶体管等。在Si层13的表面上，设有由与信号扫描电路电连接的布线23及层间绝缘膜24构成的布线层20。并且，在布线层20上接合有支承基板30。 
在Si层13的背面侧形成有Si氮化膜41，在该Si氮化膜41上，与各像素对应地设有滤色器42。并且，在各滤色器42上设有微透镜43。滤色器42的排列例如如图2所示，为拜耳配置。 
在图2中，表示为R的像素是配置了主要使红的波长区域的光透射的滤色器的像素。表示为G的像素是配置了主要使绿的波长区域的光透射的 滤色器的像素。表示为B的像素是配置了主要使蓝的波长区域的光透射的滤色器的像素。像这样，相邻的像素配置有滤色器以取得不同的颜色信号。 
在图3中表示图1的固体摄像装置的电路结构的一部分。 
在摄像区域内，以二维状排列了单位像素51。单位像素51包括用于光电转换的光电二极管52、读出光电二极管52的信号的读出晶体管53、将读出的信号进行放大的放大晶体管54、选择将信号读出的线的垂直选择晶体管55、以及将信号电荷复位的复位晶体管56。这里，严格地讲，单位像素51的大小由光电二极管52决定，由读出晶体管53、放大晶体管54、垂直选择晶体管55以及复位晶体管56构成信号扫描电路。另外，在图3中为了使说明简单而将像素配置设为2×2，但实际上排列比其更多的单位像素。 
从垂直晶体管61向水平方向布线的水平地址线63与对应的垂直选择晶体管55的栅极连接，决定着读出信号的线。读出线62与对应的读出晶体管53的栅极连接。复位线64与对应的复位晶体管56的栅极连接。此外，垂直选择晶体管55和复位晶体管56的共通连接端与电源端65连接。 
放大晶体管54的源极与垂直信号线66连接。在垂直信号线66的一端设有负载晶体管67。在垂直信号线66的另一端经由CDS噪声去除电路68与水平信号线69连接。另外，晶体管53、54、55、56、67是p型晶体管。 
在这种结构中，读出行的选择晶体管55通过从垂直移位寄存器61发送的行选择脉冲而成为导通状态。接着，同样地通过所发送的复位脉冲，复位晶体管56成为导通状态，浮动扩散层的电位被复位。然后，复位晶体管56成为截止状态。接着，读出晶体管53成为导通状态。于是，蓄积在光电二极管52的信号电荷被读出至浮动扩散层，浮动扩散层的电位按照读出的信号电荷数被调制。被调制的信号由构成源极跟随器的放大晶体管54读出至垂直信号线66。 
下面，参照图4A～图4F说明本实施方式的固体摄像装置的制造方法。 
首先，如图4A所示，准备在Si基板(半导体基板)11上隔着硅氧化膜等埋入绝缘膜12形成了Si层(半导体层)13的SOI基板10。在该SOI基板10的Si层13的整体中掺杂P(磷)等n型杂质。 
接着，如图4B所示，在Si层13的表面上，形成具有像素图形的开口 的像素分离图形用的掩膜15。该掩膜15例如通过电子束平板印刷术来形成即可。掩膜15的厚度足够厚，开口部(像素图形)的面积比遮蔽部(像素分离图形)的面积大。 
接着，如图4C所示，通过使用掩膜15将B(硼)向Si层13进行离子注入，在Si层13内形成p型层(光电转换部)16。此时，通过Si层13内的离子的散射，p型层16的宽度在内部(背面侧)比基板表面部更宽。离子注入了B的区域成为p型扩散层，另一方面，由掩膜15遮蔽而未被离子注入B的Si区域仍为n型扩散层。该仍为n型扩散层的部分成为像素间分离的n阱(像素分离区域)17。像素分离区域17与光电转换部16相反，在内部(背面侧)比基板表面部更窄。 
信号电荷与以往相比极性不同而成为空穴。在此，将离子注入的最大深度设定在比Si层13的背面靠跟前，从而能够将Si层13的背面部18的浅区域仍保持为n型层。该背面部18的n型层对于防止暗电流是有效的。 
接着，如图4D所示，在将掩膜15去除之后，在Si层13的表面部形成电荷蓄积层21及读出晶体管22的栅极等。另外，虽然未图示，但在Si层13形成图3的各MOS晶体管。此外，所有MOS晶体管是p沟道型。 
接着，如图4E所示，在形成了电荷蓄积层21及各种晶体管等的Si层13的表面部上，形成由布线23及层间绝缘膜24构成的布线层20。接着，在布线层20上接合支承基板30。 
接着，如图4F所示，从Si层13剥离Si基板11及埋入绝缘膜12。其后，在Si层13的背面隔着Si氮化膜41形成滤色器42，进而形成微透镜43等，从而获得上述图1所示的结构。 
这里，将本实施方式的效果与现有方法比较说明。 
图5A、图5B中作为比较例表示通过现有方法形成像素分离区域的工序。在现有方法中，如图5A所示，准备在Si基板91上隔着埋入绝缘膜92形成了Si层93的SOI基板90，并在Si层93的整体中掺杂n型杂质。进而，在Si层93的与埋入绝缘膜92的边界附近形成p型层94。 
接着，如图5B所示，形成具有像素分离图形的开口的掩膜95之后，将B进行离子注入，从而形成用于像素分离的p型层(像素分离区域)97。这里，形成p型层97时的离子注入掩膜95需要开口宽度窄，并且要足够 厚以能够作为高能量离子注入的掩膜耐受。但是，在厚的掩膜95中难以作出细的开口。若要在厚的掩膜95中形成窄的开口，则如图5B所示，在开口部分会残留一部分掩膜材料，不能向Si的深的位置进行离子注入。在该情况下，p型层97不形成至Si层93的光入射面，因此会发生由光电子扩散造成的串扰。其结果，再生画面上的混色增加，因而只能获得颜色再现性劣化的再生图像。 
相对于此，在本实施方式中，成为像素间的分离区域的n阱不是通过n型杂质的离子注入来形成，而是形成为基于p型杂质的离子注入的反转图形。即，通过事先在掺杂为n型的Si层13中向光电二极管部分注入选择性的高能量B离子，来形成p型层16。此时，由不反转为p型而仍是n型的部分形成像素分离区域。 
B离子注入时的掩膜的开口能够取为足够宽，因此不会发生离子注入时的掩膜材料残留在掩膜开口部分的问题。因此，成为像素分离的n阱良好地分离形成至光照射面侧，不会发生通过光生成的电荷的热扩散造成的串扰。因此，能够获得在再生画面上颜色再现性良好的图像。 
另外，在本实施方式中，使光电二极管的极性与以往不同是因为在以相同能量进行了离子注入的情况下，B(硼)的离子射程比在n型扩散层形成时使用的P(磷)的离子射程长。即，若离子射程长，则能够将光电二极管形成至深的位置，所以由此反转形成的n阱可以分离形成至光照射面侧。另外，当P等的离子也能够从Si层的表面离子注入到背面的情况下，也可以与以往同样使电荷蓄积部为n型，使像素分离区域为p型。 
此外，在图5A、5B的例子中，通过离子注入时的扩散，像素分离层在离基板表面较深的位置(接近背面的部分)较宽。在该情况下，从基板背面侧入射的光在像素分离层被进行光电转换，其电荷进入相邻的光电转换部。这成为使串扰增大的要因。 
相对于此，在本实施方式中，通过离子注入形成电荷蓄积部，因此电荷蓄积部在接近基板背面的位置较宽，作为其反转图形的像素分离层在接近基板背面的位置，宽度较窄。在该情况下，从基板背面侧入射的光很少在像素分离层被进行光电转换，因此能够抑制串扰的发生。 
像这样，根据本实施方式，构成为使光从形成了信号扫描电路及其布 线层的Si表面侧的相反侧即Si背面入射，因此向像素入射的光不受布线层的阻碍而能够到达在Si内形成的受光区域。因此，在细微的像素中也能够实现高量子效率，即使缩小像素也能够维持高S/N比。 
除此之外，在本实施方式中，通过对n型Si层13离子注入p型杂质，对电荷蓄积区域和反转图形进行像素分离。因此，即使缩小像素尺寸而缩小了像素间元件分离宽度，作为在像素间形成的像素分离区域的阱不在Si基板的深度方向上间断而形成至光照射面侧表面。因此，不发生由于电荷的热扩散发生的串扰，结果，能够实现颜色再现性高且析像度高的再生图像。 
即，即使缩小像素尺寸也能够可靠地进行像素间分离，能够防止与背面照射型的像素微细化相伴的串扰增加，结果能够实现颜色再现性的提高。 
(第二实施方式) 
图6A、图6B是表示有关第二实施方式的背面照射型的MOS型固体摄像装置的制造工序的截面图。另外，对于与图4A～图4F相同的部分赋予相同的符号，并省略其详细的说明。 
本实施方式与前面说明的第一实施方式的不同点是在SOI基板10的Si层13的背面预先形成n阱。 
如图6A所示，准备在Si基板11上隔着埋入绝缘膜12形成了Si层13的SOI基板，在Si层13中掺杂n型杂质。这里，在Si层13的整体中以规定浓度(第一浓度)均匀地掺杂n型杂质，在Si层13的底部14以高浓度(第二浓度)掺杂n型杂质。具体而言，在绝缘膜12上形成n+型的Si层14之后，在其上形成n型的Si层13即可。此外，也可以在SOI基板10的Si层13中通过高能量的离子注入来形成n+层14。 
接着，如图6B所示，在Si层13的表面上形成像素分离图形的掩膜15之后，将B进行离子注入。此时，B也可以到达Si层13的背面。由于Si层13的背面为n+型，因此即使p型杂质以某种程度掺杂，基板背面也维持n型。 
其后与第一实施方式相同，通过进行信号扫描电路的形成、布线层20的形成、支承基板30的接合、滤色器42以及微透镜43的形成，完成上述图1所示的结构的固体摄像装置。 
像这样在本实施方式中，当然可以得到与前面的第一实施方式相同的效果，而且还可以得到如下的效果。即，通过在形成掩膜15之前在Si层13的底部14掺杂高浓度的n型杂质，不需要在将p型杂质进行离子注入时严格控制离子注入深度。因此，存在形成作为光电转换部的p阱时的工艺灵活性增大的优点。 
(变形例) 
另外，本发明并不限定于上述的各实施方式。在实施方式中，将光电转换部设为p型，将像素分离区域设为n型，但它们的关系也可以相反。此外，信号扫描电路的电路结构并不限定于图3，也可以根据规格适当变更。进而，滤波器配置并不限于拜耳配置，也可以根据规格适当变更。 
此外，用于形成光电转换部的半导体基板并不一定限于Si，也能够使用其他的半导体材料。此外，在不脱离本发明的主旨的范围内，可进行各种变形并实施。 
在此描述了一些实施方式，但这些实施方式只是例示，本发明的范围并不受其限制。事实上，能够通过不同的形式体现在此描述的方法和系统，而且，在不脱离本发明的主旨的范围内可以对这些方法和系统的形式进行各种省略、替代和变更。本申请的权利要求书涵盖了不脱离本发明的主旨的范围内的这些形式及其变更。 

Claims (4)

1.一种背面照射型的固体摄像装置的制造方法，包括以下步骤：
针对在半导体基板上隔着埋入绝缘膜形成了半导体层的基板，在上述半导体层中以第一浓度均匀掺杂第一导电型的杂质，并且在该层的背面侧以比上述第一浓度高的第二浓度掺杂第一导电型的杂质，
在上述半导体层的表面上形成掩膜，该掩膜具有与像素图形对应的开口；
使用上述掩膜以从上述半导体层的表面侧到达背面的方式向该层内离子注入第二导电型的杂质，通过该离子注入，形成宽度从上述基板的表面侧向背面侧变宽的渐宽状的、作为上述像素的第二导电型的光电转换部，并且将未被离子注入的部分作为像素分离区域仍保持为第一导电型，并且将上述半导体层的背面附近保持为第一导电型；
在去除上述掩膜之后，在上述半导体层的表面部形成信号扫描电路，该信号扫描电路用于读出由上述光电转换部得到的光信号；
在形成了上述信号扫描电路的上述半导体层的表面侧，粘结支承基板；
在粘结了上述支承基板之后，从上述半导体层去除上述半导体基板以及埋入绝缘膜。
2.如权利要求1所述的背面照射型的固体摄像装置的制造方法，其中，
从上述半导体层去除上述半导体基板以及埋入绝缘膜之后，在上述半导体层的背面侧与上述各像素对应地设置滤色器以及微透镜。
3.如权利要求1所述的背面照射型的固体摄像装置的制造方法，其中，
为了在上述半导体层的表面侧接合上述支承基板，在上述半导体层的表面上形成包括与上述信号扫描电路电连接的布线以及绝缘膜的布线层，在该布线层上接合上述支承基板。
4.一种背面照射型的固体摄像装置的制造方法，包括以下步骤：
针对在硅基板上隔着硅氧化膜形成了n型的硅层的基板，在上述硅层中以第一浓度均匀掺杂n型的杂质，并且在该层的背面侧以比上述第一浓度高的第二浓度掺杂n型的杂质，
在上述硅层的表面上形成掩膜，该掩膜具有与像素图形对应的开口；
使用上述掩膜以从上述硅层的表面侧到达背面的方式向该层内离子注入p型杂质，通过该离子注入，形成宽度从上述基板的表面侧向背面侧变宽的渐宽状的、作为上述像素的p型的光电转换部，并且将上述掩膜下的未被上述离子注入的部分保持为n型作为n型的像素分离区域，并且将上述硅层的背面附近保持为n型；
在去除上述掩膜之后，在上述硅层的表面部形成信号扫描电路，该信号扫描电路用于读出由上述光电转换部得到的光信号；
在形成了上述信号扫描电路的上述硅层的表面侧，粘结支承基板；
在粘结了上述支承基板之后，从上述硅层去除上述硅基板以及硅氧化膜；
在通过去除上述硅层及硅氧化膜而露出的上述硅层的背面侧，与上述各像素对应地设置滤色器以及微透镜。
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