CN102044551B - 光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电转换装置和使用光电转换装置的成像系统。一种光电转换装置包括：用于输出根据光的信号的有效像素区域，以及用于输出基准信号的光学黑像素区域，其中，在光学黑像素区域中，在绝缘膜中布置插塞，并且，在插塞上方布置遮光膜并使该遮光膜与插塞连接，以使得插塞的上表面和绝缘膜的上表面形成同一个面，并且其中，在遮光膜上方或下方，布置厚度为5～15nm的钛膜。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换装置。
背景技术
CCD和CMOS光电转换装置被用于多种数字静物照相机和数字便携式摄像机。特别地，CMOS光电转换装置在功耗和多功能性方面是优越的，并且近年来应用范围在扩大。
近来，在光电转换装置中需要像素的小型化，并且，在插塞(plug)的形成过程中执行化学机械抛光(CMP处理)作为小型化过程。日本专利申请公开No.2008-218755的图1描述了执行CMP处理以形成插塞时的触头(contact)的配置。日本专利申请公开No.2008-218755应对存在光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差的问题，并且通过包含钛氮化物(titaniumnitride)层和钛层的层来形成势垒(barrier)金属层。
MitsuruOkigawa，“Low-DamagePlasmaProcessforSolid-StateImagingElement”，TheInstituteofImageInformationandTelevisionEngineersTechnicalReport，Vol.28，No.23，pp.19～22描述了在诸如蚀刻和CVD的等离子处理中产生的250～350nm的紫外线增大硅和硅氧化物(siliconoxide)膜之间的界面状态(interfacestate)并导致暗电流。
本发明的发明人发现，光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差不仅受到氢封端处理(hydrogen-terminatedtreatment)的影响，而且受到由蚀刻和等离子处理中的250～350nm的紫外线导致的损伤的影响。
鉴于以上的问题而提出本发明，并且，本发明的一个目的是提供下述这样的光电转换装置和成像系统：能够在执行小型化处理时减少光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差。
发明内容
本发明提供一种光电转换装置，该光电转换装置包括：有效像素区域，该有效像素区域用于输出根据光的信号；和光学黑像素区域，该光学黑像素区域用于输出基准信号，其中，在光学黑像素区域中，在绝缘膜中布置插塞，并且，在插塞上方布置遮光膜并使该遮光膜与插塞连接，以使得插塞的上表面和绝缘膜的上表面形成同一个面，并且，在遮光膜上方或下方，布置厚度为5～15nm的钛膜。
结合附图阅读以下描述，本发明的其它特征和优点将变得清晰，在这些附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的元件。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明进一步的特征将变得清晰。
附图说明
图1A是示出根据本发明的第一实施例的光电转换装置的结构的断面图。
图1B是图1A的虚线区域22的放大断面图。
图2是示出钛膜的膜厚与暗电流之间的关系的绘制图。
图3是示出光的消光系数与透光强度的绘制图。
图4A、图4B和图4C是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的变更结构的断面图。
图5是描述成像系统的框图。
被并入说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的光电转换装置是包括光学黑像素区域和有效像素区域的光电转换装置，并且，具有5～15nm厚度的钛膜至少被布置在遮光膜上方或下方，该遮光膜被布置在光学黑像素区域的插塞上方。根据这种配置，可以防止由于钛膜的吸氢效果导致的暗电流的增加和由于蚀刻或等离子处理导致的暗电流的增加，并且，可以减小光学黑像素区域的暗电流。
以下，将示出实施例以详细描述本发明。本发明不限于实施例。可以进行适当的修改，并且，可以组合多个实施例。关于本说明书中的“上方”和“下方”，基于在半导体基板上布置器件的主面的基板的深度方向将被称为“下”方向，而相反的方向将被称为“上”方向。虽然作为材料基板的基板将被表达为“基板”，但是这种材料基板可被加工，并且，例如，包含一个或多个半导体区域的部件、处于一系列制造处理的中间的部件或一系列制造处理之后的部件也可被称为基板。
(第一实施例)
将参照图1A和图1B描述根据本发明第一实施例的光电转换装置。图1A是示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的结构的断面图。
在图1A中，光电转换装置包含有效像素区域1和光学黑像素区域2。在有效像素区域1中布置多个像素(单位像素)，所述像素(单位像素)包含用于产生根据光的信号的光电二极管(光电转换单元)PD和用于输出PD的信号的晶体管(例如，未示出的放大MOS晶体管)。遮光膜被布置在光学黑像素区域2上的像素上方以读出黑色灰度的基准信号(黑色基准信号)。
有效像素区域1的像素和光学黑像素区域2的像素的基本配置是相同的。更具体而言，像素(单位像素)包含半导体区域11、半导体区域12、传送MOS晶体管13、浮置扩散区域(以下称为“FD区域”)14和触头插塞15。光电转换装置包含第一布线层16、第一通路插塞17、第二布线层18、第二通路插塞19、第三布线层20和钝化膜(上层)21。光电转换装置还包含用于使布线和布线层绝缘的第一绝缘膜25、第二绝缘膜26和第三绝缘膜27。
半导体区域11是第一导电类型(例如，P型)的半导体区域。半导体区域12和23是第二导电类型(例如，N型)的半导体区域，第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型。半导体区域11和12形成PN结，并且构成用作光电转换单元的光电二极管PD。当电荷是电子时，半导体区域12累积电荷。
当向传送MOS晶体管13的栅极供给用于激活的信号时，传送MOS晶体管13向FD区域14传送在光电二极管PD的半导体区域12中累积的电荷。传送MOS晶体管13也被布置在光学黑像素区域中，图1A示出传送MOS晶体管的栅电极24。
FD区域14是第二导电类型的半导体区域。通过传送MOS晶体管13向FD区域14传送电荷。FD区域14还用作传送MOS晶体管13的漏极区域。触头插塞15连接FD区域14和第一布线层16。第一布线层16通过第一通路插塞17与第二布线层18连接。第二布线层18通过第二通路插塞19与第三布线层20连接。第三布线层20(后面描述的芯层)用作遮光层。光电二极管PD的上侧的布线层20在有效像素区域1中有开口。另一方面，光学黑像素区域2被光电二极管PD的上侧的布线层20覆盖。这是有效像素区域1的像素和光学黑像素区域2的像素之间的不同点。
钝化膜21沿第三布线层20的上表面跨着有效像素区域1和光学黑像素区域2而延伸。钝化膜21由例如硅氮化物(siliconnitride)形成。钝化膜21可包含氢，并且可在热处理期间扩散氢以减少硅和硅氧化物膜之间的界面状态。更具体而言，钝化膜21用作氢封端处理中的氢供给层。这里，硅和硅氧化物膜之间的界面状态为例如包含半导体区域11的基板和栅绝缘膜之间的界面。在有效像素区域1和光学黑像素区域2的整个表面上形成钝化膜21。可以在氢封端处理之后去除钝化膜21。钝化膜21的去除有利于光路中折射率的调整，并且，可以提高对于光电转换单元的光入射率。
将参照图1B描述第二通路插塞19和第三布线层20的详细配置。图1B是图1A的虚线区域22的放大断面图。
第二通路插塞19包含第一势垒金属层19a和芯层19b，并且被布置在第三绝缘膜27上。第一势垒金属层19a包含钛层31和钛氮化物(titaniumnitride)层32。钛层31被布置为覆盖钛氮化物层32。由钛(第一材料)形成钛层(第一材料层)31。钛氮化物层32被布置为覆盖芯层19b。由钛氮化物(第二材料)形成钛氮化物层(第二材料层)32。芯层19b包含钨层33。钨层33被填充于钛氮化物层32的凹陷部分中。由钨形成钨层33。执行CMP处理以形成作为芯层19b的钨层33。因此，在第二通路插塞19中，第一势垒金属层19a和芯层19b以及第三绝缘膜27同时被露出以形成同一个面(共面)。
第三布线层20被布置在第二通路插塞上方。第三布线层20包含钛层20a、第二势垒金属层20b和芯层20c。钛层20a包含钛层34。由钛形成钛层34。钛层34沿钛氮化物层35的下表面延伸。钛层34被布置在第二通路插塞19和钛氮化物层35之间。钛层34包含5～15nm的膜厚(当膜厚被设为d时，满足关系5nm≤d≤15nm)，并且用作250～350nm的紫外线的吸收层。第二势垒金属层20b和20d包含钛氮化物层35和钛氮化物层37。钛氮化物层35沿芯层20c的下表面延伸。在钛层34和芯层20c之间形成钛氮化物层35。由钛氮化物形成钛氮化物层35。在芯层20c上方形成钛氮化物层37。由钛氮化物形成钛氮化物层37。芯层20c包含铝合金层36。在钛氮化物层35和钛氮化物层37之间形成铝合金层36。由铝合金形成铝合金层36，所述铝合金包含铝作为主要成分。
虽然还在布置在有效像素区域1中的第三布线层20下方布置由钛形成的层，但是，可以不部分地布置由钛形成的层。
第三布线层20的结构允许有效吸收向光学黑像素区域施加的250～350nm的紫外线，并且光学黑像素区域的暗电流可被减少。以下将描述细节。
如日本专利申请公开No.2008-218755中所描述的，如果光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差是由钛层的吸氢效果导致的，那么，光学黑像素区域的钛层的膜厚可被设为0。但是，本发明的发明人发现，光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差不是仅由钛层的吸氢效果导致的，由蚀刻和等离子损伤导致的暗电流的增加不能被忽视。
图2示出当钛层20a的膜厚改变时光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差。当钛层的膜厚为约10nm时，光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差为最小值。在约5～15nm之间，暗电流差逐渐增大。当膜厚为5nm或更小或者15nm或更大时，斜度是大的，并且，光学黑像素区域和有效像素区域的暗电流差大。
图3示出当光从钛层的上表面被引导时光的消光系数和透光强度。钛层是由钛制成的具有10nm厚度的钛层，与图1A和图1B所示的钛层20a类似。如图3的消光系数所示，当波长为约300nm时，钛层具有光吸收的峰值，并且，透光强度在相应的波长处表现为最小值。因此，从透光强度可以看出，钛层不透射具有250～350nm的波长的光。即使光从钛层的上表面被引导，也不容易在钛层下方透射约250～350nm的光。
更具体而言，如图3所示，图2中的现象是由钛层20a吸收250～350nm的紫外线以及由钛层的吸氢效果导致的。与有效像素区域1不同，光学黑像素区域2被包含钛层的遮光层20覆盖。因此，钛层20a吸收在形成钛层20a之后的等离子处理中产生的250～350nm的紫外线，并且，光学黑像素区域2中的像素的暗电流可被减少。由于钛层的吸氢效果，因此，如果钛层20a的膜厚为15nm或更大，那么吸氢效果的影响是大的。并且，因为在形成钛层20a之后用于减少界面状态的氢封端处理被阻止，所以暗电流增加。因此，希望钛层的膜厚为5～15nm，以在有效地吸收紫外线的同时有效执行氢封端处理。
由于在有效像素区域1中不存在遮光膜，因此由250～350nm的紫外线导致的界面状态可比光学黑像素区域2的界面状态大。但是，由于钛层的体积小，因此，用于降低界面状态的氢处理的效果比光学黑像素区域的大。这可减小有效像素区域和光学黑像素区域的暗电流差，并且可获得优异的图像质量。
例如，当不在第二通路插塞19上方布置钛层20a时，第二通路插塞19包含钛层。但是，难以通过填充通孔来形成膜厚均匀的钛层，并且，会在钛层的厚度方面导致不均匀性。在这种情况下，光学黑像素区域的暗电流会发生变化。因此，在沿第三布线层20的面上以5～15nm膜厚的范围布置钛层20a可均匀地减小光学黑像素区域中的暗电流。在本实施例中，钛层20a与第三布线层20的芯层20c具有相同的图案。相同的图案表示在沿第三布线层20的面上包含相同的面布局的配置。这种配置有利于光学黑像素区域中的暗电流的均匀减小。
如上所述，根据本实施例的配置，可以很好地平衡钛层的吸氢效果和等离子损伤的防止效果，并且，可以减小有效像素区域和光学黑像素区域的暗电流差。
(第一实施例的修改例)
图4A～4C示出根据本发明第一实施例的光电转换装置的修改例。图4A～4C是与图1B对应的断面图。与图1B相同的功能由相同的附图标记表示，而详细的描述将不被重复。
在图1B中，钛层34被布置在钛氮化物层35下方。但是，在图4A中，钛层34被布置在钛氮化物层35上方。在图4B的配置中，钛层34被布置在铝合金层36上方。在图4C中，钛层34被布置在铝合金层36下方，并且，钛层38被布置在铝合金层36上方。钛层34和38的厚度总共为5～15nm(当膜厚被设为d时，满足关系5nm≤d≤15nm)，并且，膜厚的比值无关紧要。
如图4A～4C所示，钛层被布置在第三布线层20上方或下方或者上方和下方，并且，膜厚总共为5～15nm。如第一实施例那样，这可减小有效像素区域和光学黑像素区域的暗电流差。
此外，在不背离本发明的范围的情况下，可进行各种变化。
(应用于成像系统)
将详细描述将本发明的光电转换装置作为成像装置应用于成像系统的实施例。成像系统的例子包括数字静物照相机和数字便携式摄像机。图5示出当将光电转换装置应用于作为成像系统的例子的数字静物照相机时的框图。
在图5中，附图标记501表示用于保护透镜的挡板。附图标记502表示用于在成像装置504上形成被摄体的光学图像的透镜。附图标记503表示用于改变穿过透镜502的光的量的光阑。附图标记504表示在实施例中描述的成像装置，该成像装置将通过透镜502形成的光学图像转换成图像数据。假定在成像装置504的基板上形成AD转换器。附图标记507表示信号处理单元，该信号处理单元施加各种校正或压缩通过成像装置504输出的成像数据。在图5中，附图标记508表示定时发生器，该定时发生器向成像装置504和信号处理单元507输出各种定时信号。附图标记509表示控制各种算术运算和整个数字静物照相机的总体控制&算术运算单元。附图标记510表示用于暂时存储图像数据的存储器单元。附图标记511表示用于相对于记录介质记录或读出数据的接口单元。附图标记512表示用于记录或读出成像数据的诸如半导体存储器的可去除记录介质。附图标记513表示用于与外部计算机等通信的接口单元。可从成像系统外部输入定时信号等，并且，成像系统可至少包含成像装置504和处理从成像装置输出的成像信号的信号处理单元507。虽然在本实施例中在同一基板上形成成像装置504和AD转换器，但是，可以在不同的基板上布置成像装置和AD转换器。可以在同一基板上形成成像装置504和信号处理单元507。以这种方式，本发明的光电转换装置可被应用于成像系统。将本发明的光电转换装置应用于成像系统允许低噪声图像的拍摄。
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。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这种变更方式及等同的结构和功能。
Claims (4)
1.一种光电转换装置，包括：
有效像素区域，所述有效像素区域用于输出根据光的信号，所述有效像素区域具有光电转换单元；和
光学黑像素区域，所述光学黑像素区域用于输出基准信号，所述光学黑像素区域具有光电转换单元，其中，
在所述光学黑像素区域中，在绝缘膜中布置插塞，并且，在插塞上方以及光电转换单元上方布置遮光膜的一部分并使遮光膜的所述一部分与插塞连接，以使得插塞的上表面和绝缘膜的上表面形成同一个面，
在所述有效像素区域中，布置遮光膜的另一部分并且遮光膜的所述另一部分在光电转换单元上有开口，并且其中，
厚度为5～15nm的钛膜被布置在遮光膜和插塞之间，
其中，钛膜被形成为具有与遮光膜的图案相同的图案。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
插塞和绝缘膜是通过化学机械抛光CMP处理被形成的。
3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
插塞包含芯层和势垒金属层，并且，插塞的芯层和势垒金属层与绝缘膜形成同一个面。
4.一种成像系统，包括：
根据权利要求1所述的光电转换装置；和
信号处理单元，用于处理从光电转换装置输出的成像信号。
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