CN102122664A - 固体摄像元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体摄像元件及其制造方法，所述固体摄像元件包括设置在半导体层中的光接收元件部、设置在半导体层上方由具有折射率n0的材料制成的绝缘层、以及设置在光接收元件部上方并且被绝缘层围绕的天线结构。所述天线结构由具有比绝缘层的折射率高的折射率的材料制成。已进入天线结构和绝缘层中的光的能量被集中在光接收元件部中。即使子像素(光接收元件部)的尺寸减小，本发明的固体摄像元件仍可确定地避免敏感度下降和混色发生。
Description
相关申请的交叉引用
本申请包含与2009年12月11日向日本专利局提交的日本专利申请JP2009-281313中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及固体摄像元件及其制造方法。
背景技术
在以CMOS图像传感器为代表的半导体图像传感器中，期望的是将构成像素的子像素的尺寸减小以增加在图像区域中的像素的数量，所述子像素包括接收红光的子像素、接收绿光的子像素和接收蓝光的子像素。然而，像素的数量的增加减小了像素的尺寸，并且相应地减小了子像素的光接收元件部的尺寸。从而，光接收元件部的敏感度降低，从而使得确保所期望的信噪(S/N)比变得困难。不仅敏感度降低，而且混色变得明显，所述混色即为入射光泄漏至在邻近子像素中的光接收元件部的现象。
发明内容
在例如日本未经审查的专利申请公开公报No.9-148549中，通过使用片上微透镜以提高聚光效率而避免了敏感度的降低和混色。然而，这种方法对于尺寸约为0.9μm的子像素是不够的。
因此，期望的是提供一种即使子像素(光接收元件部)的尺寸减小仍可确定地避免敏感度下降和混色发生的固体摄像元件，以及提供一种用于制造该固体摄像元件的方法。
本发明提供了一种固体摄像元件，其包括(A)设置在半导体层中的光接收元件部、(B)由具有折射率n0的材料制成的设置在半导体层上方的绝缘层，以及(C)设置在光接收元件部上方并且被绝缘层围绕的天线结构。所述天线结构由具有比所述绝缘层的折射率n0高的折射率n1的材料制成。进入所述天线结构和所述绝缘层中的光的能量被集中在所述光接收元件部中。
本发明提供了一种用于制造固体摄像元件的方法。所述方法包括步骤：(a)在半导体层中形成光接收元件部；(b)在半导体基板的整个表面上方形成第一绝缘层；(c)在第一绝缘层上形成遮光层以围绕光接收元件部；(d)将遮光层用作蚀刻掩模以选择性地去除第一绝缘层；(e)形成第二绝缘层，以使得由遮光层和第一绝缘层围绕的空间存在于光接收元件部上方；(f)通过在整个表面上方形成介电材料层而在所述空间中形成天线结构。
在本发明的实施方式的固体摄像元件中，将由绝缘层围绕的天线结构设置在光接收元件部上。天线结构由具有比绝缘层的材料的折射率高的折射率的材料制成。因此，进入天线结构和绝缘层中的光的能量被集中在光接收元件部中。从而，即使光接收元件部的尺寸减小，仍可确定地避免敏感度的下降和混色的发生。因为设置在光接收元件部上的结构将光的能量集中在光接收元件部中，故将所述结构称为天线结构。在用于制造固体摄像元件的方法中，遮光层的存在使得由绝缘层(第二绝缘层)围绕的天线结构以自对准的方式形成。当形成绝缘层(第二绝缘层)和天线结构时，这可以提高定位的精度。
附图说明
图1A和1B分别是根据第一实施方式和第三实施方式的固体摄像元件的截面图；
图2A～2C是光能在对比例的固体摄像元件中传播的仿真结果的图示，并且图2D～2F是光能在根据第一实施方式的固体摄像元件中传播的仿真结果的图示；
图3A是用于包括具有不同直径和高度的盘状天线结构的根据第二实施方式的固体摄像元件的红色混色比的测量结果的图表，并且图3B是包括具有不同直径的盘状天线结构的根据第三实施方式的固体摄像元件的类似于图3A的图表；
图4A～4F是光能在根据第二实施方式的包括具有不同直径的盘状天线结构的固体摄像元件中传播的仿真结果的图示；
图5是光能在根据第二实施方式的固体摄像元件的盘状天线结构中传播的仿真结果的图示；
图6A和6B是图示用于制造根据本发明的第四实施方式的固体摄像元件的方法的示意截面图；
图7A和7B是继图6B之后图示用于制造根据第四实施方式的固体摄像元件的方法的示意截面图；
图8A和8B是继图7B之后图示用于制造根据第四实施方式的固体摄像元件的方法的示意截面图；
图9A和9B是图示用于制造根据本发明的第五实施方式的固体摄像元件的方法的示意截面图；
图10A和10B是继图9B之后图示用于制造根据第五实施方式的固体摄像元件的方法的示意截面图；
图11A是用于根据第六实施方式的固体摄像元件的红色混色比的测量结果的图表，所述固体摄像元件包括由具有不同折射率的材料制成的天线结构，并且图11B是与图11A类似的根据第七实施方式的固体摄像元件的图表，在所述固体摄像元件中介于半导体层的表面和天线结构的底部之间的距离是可变的；
图12A～12D是当具有540nm的波长的光进入微透镜中、穿过滤色器和绝缘中间层并且还穿过天线结构时，光能在根据第七实施方式的固体摄像元件中传播的仿真结果的图示；
图13A是根据本发明的第八实施方式的固体摄像元件的示意截面图，并且图13B是天线结构的顶部和天线结构的延伸部之间的位置关系的示意图；
图14是用于在根据第八实施方式的固体摄像器件中的红色混色比的测量结果的图表；并且
图15A和15B是光能在用于比较的固体摄像元件中传播的仿真结果的图示。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的实施方式。然而，本发明不限于下面所公开的实施方式，并且所述实施方式中使用的数值和材料仅仅是举例。将以下列顺序进行说明：
1.本发明的固体摄像元件的一般描述
2.第一实施方式(固体摄像元件)
3.第二实施方式(第一实施方式的变化)
4.第三实施方式(第一实施方式的另一种变化)
5.第四实施方式(第三实施方式的变化)
6.第五实施方式(第三实施方式的另一种变化)
7.第六实施方式(第一实施方式的另一种变化)
8.第七实施方式(第一实施方式的另一种变化)
9.第八实施方式(第一实施方式的另一种实施方式和多种描述)
固体摄像元件的一般描述及其制造方法
在根据本发明的实施方式的固体摄像元件或通过根据本发明的实施方式的方法所制造的固体摄像元件(两者均可称为根据本发明的实施方式的固体摄像元件)中，从确保已穿过天线结构和绝缘层的光的能量集中的观点来看，优选的是，以光进入天线结构的方向所投射的天线结构的投影处于光接收元件部内。优选地，使天线结构相对于光接收元件部而定位，使得穿过天线结构的中心的光进入光接收元件部的中心。穿过天线结构的中心的天线结构的法线不必穿过光接收元件部的中心。换句话说，光接收元件部和天线结构之间的位置关系可根据包括多个光接收元件部的固体摄像器件的光接收元件部的位置而改变。天线结构的平面形状和尺寸可根据固体摄像器件的光接收元件部的位置而改变。
优选地，天线结构为具有0.2～0.4μm的直径、优选地具有0.2～0.3μm的直径的柱状(或盘状)。或者，天线结构可以为柱形(例如，圆柱或多棱柱的形状)，并且在垂直于高度的方向所截取的天线结构的截面的面积为1×10-14～4×10-14πm2。天线结构的高度可为0.1～0.8μm，并且优选地为0.2～0.5μm。
根据本发明的实施方式的固体摄像元件还会包括在天线结构上方的绝缘中间层、在绝缘中间层上的滤色器以及在滤色器上的微透镜。
在根据本发明的实施方式的固体摄像元件中，天线结构具有从其顶部以平行于半导体层的表面的方向延伸的延伸部。
在根据本发明的实施方式的固体摄像元件中，绝缘层(或第二绝缘层)可由具有折射率n0的材料构成，并且天线结构可由具有折射率n1的材料构成。优选地，折射率之间的差(n1-n0)为0.25以上。在此示例中，天线结构的材料可从包括氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铪(HfOx)和氧化钽(Ta2O5)的组中选择，或所述材料可以是其中分散有微粒的透明介电材料，例如是其中分散有TiOx微粒的硅氧烷。例如，TiOx粒子可具有1×10-8～3×10-8m的粒子尺寸。通过改变TiOx粒子的含量，可控制分散有TiOx的硅氧烷的折射率。绝缘层(包括下面所述的第一和第二绝缘层)的材料的例子包括诸如SiO2的SiOx材料(形成氧化硅膜的材料)、NSG(不掺杂的硅酸盐玻璃)、BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)、PSG(磷硅酸盐玻璃)、BSG(硼硅酸盐玻璃)、AsSG(砷硅酸盐玻璃)、SbSG(锑硅酸盐玻璃)和SOG(旋转涂覆玻璃)、SiN、SiON、SiOF、SiC、SiOC、SiCN、诸如具有例如3.5以下介电常数k(＝ε/ε0)的有机SOG的低介电常数的绝缘材料、聚酰亚胺树脂和碳氟树脂(例如碳氟化合物、非晶态四氟乙烯、聚四氟乙烯、氟代芳醚、氟代聚酰亚胺、聚对二甲苯、苯环丁烯、无定形碳、环全氟化碳聚合物、环碳氟化合物聚合物、氟代富勒烯)以及诸如Silk(道氏化学公司(Dow Chemical Co.)的商品名，具有低介电常数的绝缘中间层材料)和Flare((霍尼韦尔电子材料公司(Honeywell Electronic Materials Co.)的商品名)的聚烯丙基醚(PAE)。
优选地，天线结构的顶部具有平坦的表面。
优选地，半导体层的表面和天线结构的底部之间的距离L为0.2μm以下。
优选地，防反射膜形成于半导体层的表面上。防反射膜可由HfOx、Ta2O5、SiON、SiN等形成。防反射膜可包括单个层或多个层。在此示例中，将天线结构设置在防反射膜上，或隔着绝缘层或第二绝缘层设置在防反射膜的上方。
在本发明的实施方式的固体摄像元件中，可将遮光层设置为围绕天线结构，在所述遮光层和所述天线结构之间夹有绝缘层(或第二绝缘层)。更具体地，天线结构可以被环状遮光层如此围绕，即它们被绝缘层(或第二绝缘层)隔开。遮光层的材料例如包括钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)和钌(Ru)。
在根据本发明的实施方式的固体摄像元件中，可将用于驱动光接收元件部的驱动电路设置在半导体层的与天线结构相反的一侧。该固体摄像元件是后发射类型。然而，根据另一实施方式的固体摄像器件可以是不限于后发射类型的前发射类型。驱动电路可具有已知的配置。
在制造根据本发明的实施方式的固体摄像元件中，可在步骤(f)中通过涂敷以形成介电材料层。在此示例中，可通过涂敷包含TiOx粒子的硅氧烷溶液，随后进行烘干以执行形成介电材料层的步骤(f)。可通过旋转涂敷执行所述涂敷。
在本发明的实施方式中，半导体层可由Si制成。具体地，半导体层可以是硅半导体基板、可通过外延生长在半导体基板上形成、或可以是具有所谓SOI(绝缘硅)结构的硅层。或者，半导体层可由从包括Ge、SiGe、GaAs、GaP、InGaP和InP中所选择的至少一种材料制成。光接收元件部具有已知的CCD或CMOS图像传感器结构。滤色器和微透镜可具有已知的结构。
一组固体摄像元件可组成单板固体彩色摄像器件，例如组成CCD图像传感器或CMOS图像传感器。可以各种方式布置固体摄像元件，这些方式包括拜耳阵列、行间阵列、G条带RB方格阵列、G条带RB全方格阵列、互补颜色方格阵列、条带阵列、斜条带图形、基色差异阵列、色场序列差异阵列、帧颜色序列差异阵列、MOS类型排列、变化的MOS类型排列、帧交织阵列和场交织阵列。
第一实施方式
在第一实施方式中，将描述固体摄像元件。图1A是根据第一实施方式的固体摄像元件的示意截面图。固体摄像元件为后发射类型，并且包括(A)形成于半导体层11中的光接收元件部21、(B)设置于半导体层11上方的绝缘层32和(C)设置于光接收元件部21上方并被封闭在绝缘层32中的天线结构41。
在本实施方式的固体摄像元件中，绝缘中间层(未图示)形成于天线结构41和绝缘层32的上方。虽然绝缘中间层不是必须设置的，但从增强滤色器的粘和性的观点来看优选地设置绝缘中间层。滤色器(片上滤色器)33形成于绝缘中间层上，并且将微透镜(片上微透镜)34设置在滤色器33上。绝缘中间层从绝缘层32整体地延伸。在以下描述中，在一些情况中可将绝缘中间层和绝缘层32一起称为绝缘层32。
天线结构41由具有比绝缘层32的材料的折射率n0高的折射率n1的介电材料制成，这样可将已进入天线结构41和绝缘层32中的光能集中在光接收元件部21中。更具体地，将天线结构41设置于在半导体层11中的光接收元件部21和绝缘层32之间，使得天线结构41被封闭在绝缘层32中。以光进入天线结构41的方向所投射的天线结构41的投影处于光接收元件部21内。
具体地，天线结构41为具有0.3μm的直径R1和0.2μm的高度H1的柱状(盘状)。将天线结构相对于光接收元件部21定位，使得穿过天线结构41的中心的光进入光接收元件部21的中心。64nm厚的HfOx防反射膜31形成于半导体层11的表面上，并且将天线结构41设置在防反射膜31上。半导体层11的表面和天线结构41的底部之间的距离L为0.2μm以下。天线结构41和绝缘层32之间的折射率的差(n1-n0)为0.25以上。在本实施方式中，绝缘层32可由具有1.46的折射率n0的SiO2制成。在防反射膜31上的绝缘层32具有0.3μm的厚度。天线结构41可由具有1.9的折射率n1的SiONa制成。如上所述，天线结构41为具有平坦的顶部和平滑而弯曲的外围的柱状(盘状)。
半导体层11由硅半导体基板制成，并且光接收元件部21具有已知的CMOS图像传感器结构。将光接收元件部21抽象地表示在附图中。包括光接收元件部21的子像素的尺寸为0.9μm×0.9μm。在固体摄像元件中，将子像素以拜耳阵列布置。包括CMOS图像传感器的单板固体彩色摄像器件由一组固体摄像元件所限定而成。此外，将驱动光接收元件部21的驱动电路(未图示)设置在半导体层11的与天线结构41相反的一侧。半导体层11的这一侧由其中形成有布线37的平坦化层36覆盖。在本实施方式中，驱动电路是一种包括传输栅极的MOS开关。滤色器33具有0.43μm的厚度。整个微透镜34具有0.75μm的厚度，并且微透镜的透镜部分具有0.3μm的厚度。光接收元件部21、滤色器33、微透镜34、驱动电路、布线和其他元件可具有已知的结构。
制备这样的固体摄像元件：一个具有与第一实施方式相同的结构(实施例)；另一个除了没有形成天线结构以外，具有与第一实施方式相同的结构(对比例)。
图2D、2E和2F图示了当具有540nm的波长的光已进入微透镜34并且已穿过滤色器33、绝缘层32和天线结构41时，光能在实施例的固体摄像元件中传播的仿真结果。图2A、2B和2C图示了当具有540nm的波长的光已进入微透镜34并且已穿过滤色器33和绝缘层32时，光能在对比例的固体摄像元件中传播的仿真结果。图2A～2F的图像每个尺寸为1.8μm×1.8μm。固体摄像元件以拜耳阵列布置。接收绿光的子像素设置在图像中的左上部和右下部；接收红光的子像素设置在图像中的右上部；并且接收蓝光的子像素设置在图像中的左下部。
图2A和2D图示了介于绝缘层32或天线结构41与防反射膜31之间的界面的状态；图2B和2E图示了从半导体层11的表面起1.5μm的深度处的状态；并且图2C和2F图示了从半导体层11的表面起3.0μm的深度处的状态。在图2A～2F中，区域越明亮，光能越高。同样的情况适用于图4A～4F和15A以及15B。
在对图2D～2F与图2A～2C的比较中，实施例的固体摄像元件说明光能在天线结构41和防反射膜31之间的界面处的传播小于对比例(见图2A和2D)，并且光能到达了在半导体层11内部的更小的区域(见图2B和2E)。这表明天线结构41的存在使得光能可穿过光接收元件部的中心区域而传播。
以已进入像素的具有540nm波长的光来测量红色和蓝色的混色比，所述像素包括接收绿光的子像素、接收红光的子像素和接收蓝光的子像素。红色混色比指的是由接收红光的子像素所接收的光的量相对于由接收绿光的子像素所接收的光的量的百分比，并且蓝色混色比指的是由接收蓝光的子像素所接收的光的量相对于由接收绿光的子像素所接收的光的量的比率。在表1中表示了该结果。从表1中清楚地看出，在具有天线结构41的实施例的固体摄像元件中，已进入接收绿光的子像素的540nm的光比邻近的接收红光和蓝光的子像素漏光少；从而，与对比例的固体摄像元件相比降低了混色的发生率。
表1
实施例 对比例
红色混色比 5％ 9％
蓝色混色比 19％ 26％
即使将光接收元件部21的尺寸减小，天线结构41的存在仍确保了在光接收元件部21中的光能的集中并且防止敏感度的降低。而且，可确定地避免在邻近的子像素的光接收元件部21中的混色。
例如，图15A图示了光能在子像素尺寸为1.75μm×1.75μm且不具有天线结构的固体摄像元件中传播的仿真结果，并且图15B图示了光能在子像素尺寸为0.9μm×0.9μm且不具有天线结构的固体摄像元件中传播的仿真结果。在图15A中所示的图像尺寸为3.5μm×3.5μm，并且在图15B中所示的图像尺寸为1.8μm×1.8μm。固体摄像元件以拜耳阵列如此排列，即接收绿光的子像素设置在图像中的左上部和右下部、接收红光的子像素设置在图像中的右上部并且接收蓝光的子像素设置在图像中的左下部。图15A和15B表示出如果子像素尺寸减小，那么由于微透镜效果的降低，光能变得易于泄漏至邻近子像素中。
例如，日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-095792公开了包括位于光接收元件部上方的光波导结构的固体摄像元件。在该公开文献中，光波导结构的目的是防止进入光接收元件部的光的损耗，并且将光在光波导结构内部全部反射。另一方面，本发明的实施方式的固体摄像元件不具有光波导结构并且完全不同于日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-095792中公开的固体摄像元件。在本发明的实施方式的固体摄像元件中，天线结构41和绝缘层32的侧面在它们的边界处具有折射率差Δn(＝n1-n0)。因此，在边界的法线方向上的光的电场矢量被放大以提高光强，并且被放大的光能到达边界下面或进入接近所述边界的光接收元件部中。因为天线结构41的顶部具有平坦的表面，则天线结构41不具有集中或扩散光的透镜效果。
可通过以下方法制造第一实施方式的固体摄像元件。
步骤100
首先，通过已知的处理在硅半导体基板的前侧形成驱动电路、周边电路、平坦化层36、布线37等。随后，通过蚀刻或研磨硅半导体基板的后侧而使硅半导体基板的厚度减小。然后，通过已知的方法在硅半导体基板(对应于半导体层11)的后侧中形成光接收元件部21。
步骤110
随后，通过溅射在硅半导体基板的后侧(半导体层11的表面)上形成防反射膜31。
步骤120
然后，通过CVD在防反射膜的整个表面上方形成用于天线结构41的介电材料层。通过光刻和蚀刻将介电材料层图形化为盘状的天线结构41。
步骤130
通过CVD在基板的整个表面上方形成绝缘层32，然后将绝缘层32平坦化。于是形成绝缘层以封闭天线结构41，并且同时在天线结构41和绝缘层31的上方形成绝缘中间层。然后，通过已知的方法在绝缘中间层(绝缘层32)上形成滤色器33和微透镜34。于是，完成了根据第一实施方式的固体摄像元件。
第二实施方式
在第二实施方式中，对第一实施方式的固体摄像元件进行了变化。对于第二实施方式，以包括具有不同直径R1和高度H1的盘状的天线结构41的固体摄像元件来测量红色混色比。在图3A中图示了该结果。在图3A中，由黑方块表示的数据A代表每个包括具有0.2μm的高度H1的天线结构的样品的结果；由黑菱形表示的数据B代表每个包括具有0.1μm的高度H1的天线结构的样品的结果；并且由黑三角形表示的数据C代表每个包括具有0.5μm的高度H1的天线结构的样品的结果。如图3A所示，天线结构41可具有0.2～0.4μm的直径R1，更优选地具有0.2～0.3μm的直径R1。优选地，天线结构41为柱状，并且在垂直于高度的方向上截取的天线结构41的截面的面积为1×10-14～4×10-14πm2。柱状的例子包括圆柱和多棱柱(例如，其底具有六条边以上，例如是规则六棱柱、规则八棱柱和规则十棱柱)。优选地，高度H1为0.2μm以下。当入射光具有540nm的波长λ时，在天线结构41中的光的波长为λ/n1＝540/1.9＝284(nm)，并且天线结构41的优选的直径R1约等于λ/n1的值。
图4A～4F表示光能在根据第二实施方式的包括具有不同直径R1的盘状的天线结构的固体摄像元件中传播的仿真结果。图4A图示了当直径R1为200nm时的结果；图4B图示了当直径R1为250nm时的结果；图4C图示了当直径R1为300nm时的结果；图4D图示了当直径R1为350nm时的结果；图4E图示了当直径R1为400nm时的结果；并且图4F图示了当直径R1为450nm时的结果。这些结果表明天线结构41可具有0.2～0.4μm的直径R1，更优选地具有0.2～0.3μm的直径R1。此外，在天线结构41具有500nm的直径R1的条件下，对在入射处具有540nm的波长λ的光的能量传播进行仿真。在图5中图示了该结果。如图5所示，在具有折射率差的平面上(具体地为介于天线结构41的侧面和绝缘层32之间的界面处)将光能集中。
第三实施方式
在第三实施方式中，对第一实施方式的固体摄像元件进行了变化。在第三实施方式中，如图1B的示意截面图所示，围绕天线结构41设置钨(W)遮光层35，在天线结构41和钨(W)遮光层35之间夹有绝缘层32。更具体地，天线结构41被环状的遮光层35如此围绕，即它们被绝缘层32隔开。制备根据第三实施方式的固体摄像元件的样品。在样品中，环状的遮光层35具有0.2μm的高度和0.2μm的宽度(厚度)，并且天线结构41的侧面和遮光层35的侧面之间的距离为0.15μm。天线结构41具有0.2μm的高度H1。以包括具有不同直径R1的盘状的天线结构41的样品测量红色混色比。在图3B中图示了该结果。在图3B中也一起图示了与第一实施方式具有相同结构的固体摄像元件的红色混色比。在图3B中，由黑方块表示的数据A代表根据第三实施方式的固体摄像元件的结果，并且由黑菱形表示的数据B代表与第一实施方式具有相同结构的固体摄像元件的结果。图3B表示遮光层35的存在降低了泄漏至邻近子像素中的光能，于是可以确保避免混色。
第四实施方式
在第四实施方式中，制造了第三实施方式的变化例的固体摄像元件。现将参照图6A和6B、7A和7B以及8A和8B的示意截面图描述根据第四实施方式的用于制造固体摄像元件的方法。
步骤400
首先，在半导体层11中形成光接收元件部21。更具体地，以与在第一实施方式的步骤100中相同的方式在硅半导体基板的前侧通过已知的处理形成驱动电路、周边电路、平坦化层36、布线37等。随后，通过蚀刻或研磨硅半导体基板的后侧以减小硅半导体基板的厚度。然后，通过已知的方法在硅半导体基板(对应于半导体层11)的后侧中形成光接收元件部21。随后，通过溅射在硅半导体基板的后侧(半导体层11的表面)上形成防反射膜31。
步骤410
如图6A所示，通过CVD在整个表面上方形成SiO2第一绝缘层51。
步骤420
在第一绝缘层51上形成遮光层35以围绕光接收元件部21。更具体地，通过CVD在第一绝缘层51上形成厚度达到0.2μm的钨(W)层35A。然后，通过由光刻形成的蚀刻掩模而将钨层35A干式蚀刻为遮光层35。将蚀刻掩模去除以回到如图6B所示的状态。
步骤430
随后，如图7A所示，将遮光层35用作蚀刻掩模而选择性地将第一绝缘层51干式蚀刻。第一绝缘层51仍然在遮光层35下。
步骤440
第二绝缘层52在整个表面上如此形成，即使得由遮光层35和第一绝缘层51围绕的空间53存在于光接收元件部21上方。更具体地，如图7B所示，通过CVD在整个表面上方由SiO2保形地形成第二绝缘层52，厚度例如达到0.15μm。
步骤450
随后，如图8A所示，在整个表面上方形成介电材料层41A以在空间53中形成天线结构41。更具体地，制备了其中分散有TiOx微粒的硅氧烷溶液。TiOx粒子的含量以重量计为例如40％。通过诸如旋转涂敷的涂敷法将溶液涂敷，然后将所述溶液烘干(加热)以形成天线结构41。天线结构41可以图形化，也可以不图形化。如果未将天线结构41图形化，那么延伸部42从天线结构41延伸。
步骤460
然后，通过CVD在整个表面上方形成SiO2绝缘中间层32A，并随后使得SiO2绝缘中间层32A平坦化。于是，绝缘层(第二绝缘层52)形成为围绕天线结构41，并且在天线结构41和绝缘层(第二绝缘层52)的上方形成绝缘中间层32A。然后，通过已知的方法在绝缘中间层32A上形成滤色器33和微透镜34。于是，如图8B所示，完成了根据第四实施方式的固体摄像元件。
在第四实施方式的方法中，形成了遮光层35。这使得第二绝缘层52和天线结构41以自对准的方式形成。于是，可容易地实现第二绝缘层52和天线结构41的精确对准。在第一实施方式的方法中，当在步骤120中通过蚀刻将介电材料层图形化为天线结构41时，可能损坏半导体层和其他元件，从而可能增加在不接收光期间作为噪声的输出的暗电流。另一方面，为形成在第四实施方式中的天线结构，在步骤430中，仅在位于光接收元件部21上方的第一绝缘层51的部分中形成开口。于是，可被损坏的区域限于光接收元件部，从而可减小暗电流。因此，可灵活地设计固体摄像元件的制造工艺。在第四实施方式的方法的步骤450中，如同第一实施方式一样，可在表面上方通过CVD形成用于天线结构41的介电材料层。
第五实施方式
在第五实施方式中，通过第一实施方式的方法的变化制造根据第三实施方式的固体摄像元件。现将参照图9A和9B以及10A和10B的示意截面图描述根据第五实施方式的方法。
步骤500
首先，在半导体层中形成光接收元件部，并且以与第四实施方式的步骤400中相同的方式还形成防反射膜31。
步骤510
随后，通过CVD在整个表面上方形成SiO2第一绝缘层61。
步骤520
在第一绝缘层61上形成遮光层35以围绕光接收元件部21。更具体地，在第一绝缘层61上通过CVD形成厚度达到0.2μm的钨(W)层35A。然后，通过由光刻形成的蚀刻掩模而将钨层35A干式蚀刻为遮光层35。去除蚀刻掩模以回到如图9A所示的状态。
步骤530
随后，在整个表面上方通过CVD形成SiO2第二绝缘层62，并且然后以不同于第四实施方式的方法的步骤430而将SiO2第二绝缘层62平坦化。于是如图9B所示，将遮光层35嵌入第二绝缘层62中。
步骤540
然后，如图10A所示，使用在第二绝缘层62上通过光刻形成的蚀刻掩模而对第二绝缘层62和第一绝缘层61进行干式蚀刻，这样第二绝缘层62仍然在遮光层35的顶部及侧面上。于是，在光接收元件部21上方形成由第二绝缘层62和第一绝缘层61围绕的空间63。
步骤550
随后，如图10B所示，在整个表面上方形成介电材料层41A，以与在第四实施方式的步骤450中相同的方式而在空间63中形成天线结构41。如在第一实施方式中一样，可在整个表面上方通过CVD形成用于天线结构41的介电材料层。天线结构41可以图形化，也可以不图形化。如果未将天线结构41图形化，那么延伸部42从天线结构41延伸。
步骤560
然后，在整个表面上方通过CVD而形成SiO2绝缘中间层，并且然后将SiO2绝缘中间层平坦化。于是，绝缘层(第一绝缘层61和第二绝缘层62)形成为围绕天线结构41，并且在天线结构41和绝缘层(第二绝缘层62)上方形成绝缘中间层。然后，在绝缘中间层上通过已知的方法形成滤色器33和微透镜34。于是，完成了根据第五实施方式的固体摄像元件。
在第一实施方式的方法中，当在步骤120中通过蚀刻将介电材料层图形化为天线结构41时，会损坏半导体层和其他元件，从而会增加在不接收光期间作为噪声的输出的暗电流。另一方面，为形成在第五实施方式中的天线结构，在步骤540中，仅在位于光接收元件部21上方的第二绝缘层62和第一绝缘层61的部分中形成开口。于是，可被损坏的区域限于光接收元件部，从而可减小暗电流。于是，可灵活地设计固体摄像元件的制造工艺。
第六实施方式
在第六实施方式中，对第一实施方式的固体摄像元件进行变化。对于第六实施方式的固体摄像元件，以包括由具有不同折射率n1的材料制成的天线结构41的固体摄像元件来测量红色混色比。在图11A中图示了该结果。绝缘层32由SiO2制成。天线结构41具有0.3μm的直径R1和0.2μm的高度H1。图11A图示了当天线结构41具有1.7以上的折射率n1并且(n1-n0)的值为0.25以上时，红色混色比是稳定的并且低的。具有1.7以上的折射率n1的材料的例子包括氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铪(HfOx)、氧化钽(Ta2O5)和其中分散有微粒的透明介电材料(例如其中分散有TiOx微粒的硅氧烷)。
第七实施方式
在第七实施方式中，对第一实施方式的固体摄像元件进行变化。对于第七实施方式的固体摄像元件，以半导体层11的表面和天线结构41的底部之间的距离L是可变的固体摄像元件来测量红色混色比。在图11B中图示了该结果。天线结构41具有0.3μm的直径R1和0.2μm的高度H1。图11B的水平轴代表半导体层11的表面和天线结构41的底部之间的距离L。图11B表示了半导体层11的表面和天线结构41的底部之间的优选的距离L为0.2μm以下。当入射光具有540nm的波长λ时，在天线结构41中的光的波长为λ/n1＝540/1.9＝284(nm)，并且优选的距离L约低于或等于λ/n1。
图12A～12D图示了当具有540nm的波长的光进入微透镜34并穿过滤色器33、绝缘层32和天线结构41时，光能在以上测量中所使用的固体摄像元件中传播的仿真结果。图12A图示了当距离L为0nm时的结果；图12B图示了当距离L为50nm时的结果；图12C图示了当距离L为100nm时的结果；并且图12D图示了当距离L为200nm时的结果。
图12A～12D表示了当距离L增加时，光被扩散，因此较少地集中在光接收元件部21的中心。
第八实施方式
在第八实施方式中，对第一实施方式的固体摄像元件进行变化。图13A是根据第八实施方式的固体摄像元件的示意截面图，并且图13B是天线结构的顶部和天线结构的延伸部之间的位置关系的示意图。如图13A和13B所示，第八实施方式的固体摄像元件的天线结构41具有与半导体层11的表面平行的从天线结构41的顶部延伸的延伸部42。在图13B中，由点线表示天线结构41所设置的位置，并且由点划线表示光接收元件部21所设置的位置。
现将描述用于制造第八实施方式的固体摄像元件的方法。
步骤800
首先，形成驱动电路、周边电路、平坦化层36、布线37等，并且还以与在第一实施方式的步骤100中相同的方式而形成光接收元件部21。随后，以与在第一实施方式的步骤110中相同的方式在硅半导体基板的后侧(半导体层11的表面)上通过溅射而形成防反射膜31。
步骤810
然后，在整个表面上方通过CVD形成厚度达到0.2μm的绝缘层32。在位于光接收元件部21的上方的绝缘层32的部分中，通过光刻和蚀刻形成开口，在所述开口中将要形成天线结构。
步骤820
随后，在绝缘层32上并且在开口中通过CVD形成用于天线结构41的介电材料层。通过形成用于天线结构41的介电材料层，在绝缘层32中的开口中形成盘状的天线结构41。同时，可形成从天线结构41的顶部延伸的延伸部42。
步骤830
随后，在整个表面上方形成绝缘中间层32A，并且通过已知的方法在绝缘中间层32A上形成滤色器33和微透镜34。于是完成了第八实施方式的固体摄像元件。
在第一实施方式的方法中，当在步骤120中通过蚀刻将介电材料层图形化为天线结构41时，会损坏半导体层和其他元件，从而会增加在不接收光期间作为噪声的输出的暗电流。另一方面，为形成在第八实施方式中的天线结构，在步骤810中，仅在位于光接收元件部21上方的绝缘层32的部分中通过蚀刻形成开口。于是，会被损坏的区域限于光接收元件部，从而可减小暗电流。因此，可灵活地设计固体摄像元件的制造工艺。
对于第八实施方式的固体摄像元件，以多个样品测量混色比，每个所述样品包括具有如第一实施方式的0.3μm的直径R1和0.2μm的高度H1的天线结构41。在图14中图示了该结果。在图14中也一起图示了与第一实施方式具有相同的结构的固体摄像元件的红色混色比。在图14中，由黑方块表示的数据A代表第八实施方式的固体摄像元件的结果，并且由黑菱形表示的数据B代表与第一实施方式具有相同的结构的固体摄像元件的结果。图14表示出在第八实施方式中的红色混色比与第一实施方式中的红色混色比相比基本上没有变化。
可对第八实施方式的固体摄像元件设置在第三至第五实施方式中所述的遮光层。
虽然已参照优选的实施方式描述了本发明，本发明不限于公开的实施方式。可恰当地改变固体摄像元件的结构和用于制造固体摄像元件的方法以及所使用的材料。虽然以上实施方式描述了后发射固体摄像元件，所述固体摄像元件也可以是前发射类型。虽然在以上的实施方式中，将CMOS图像传感器描述为本发明的固体摄像元件的例子，仍然可将本发明应用于诸如CCD图像传感器的任何类型的固体摄像器件中。同样，可将固体摄像元件应用于诸如光电二极管的具有光接收元件部的光学部件中。
本领域的技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求及其等同物的范围内，根据设计需要和其它因素可出现各种变化、组合、子组合和替代。
Claims (16)
1.一种固体摄像元件，其包括：
(A)光接收元件部，其设置在半导体层中；
(B)绝缘层，其由具有折射率n0的材料制成，所述绝缘层设置在所述半导体层上方；以及
(C)天线结构，其设置在所述光接收元件部上方并且被所述绝缘层围绕，所述天线结构由具有比所述绝缘层的折射率n0高的折射率n1的材料制成，
其中，已进入所述天线结构和所述绝缘层中的光的能量被集中在所述光接收元件部中。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，以光进入所述天线结构的方向所投射的所述天线结构的投影处于所述光接收元件部内。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构为具有0.2～0.4μm的直径的柱状。
4.如权利要求1所述的固体摄像元件，还包括：
绝缘中间层，其位于所述天线结构和所述绝缘层上方，
滤色器，其位于所述绝缘中间层上，以及
微透镜，其位于所述滤色器上。
5.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构具有从其顶部以平行于所述半导体层的表面的方向延伸的延伸部。
6.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述折射率n0和n1满足(n1-n0)≥0.25的关系。
7.如权利要求6所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构的材料包括从氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽中选出的至少一个。
8.如权利要求6所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构的材料包括其中分散有微粒的透明介电材料。
9.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构具有平坦的顶部。
10.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述天线结构设置为其底部和所述半导体层的所述表面之间的距离为0.2μm以下。
11.如权利要求1所述的固体摄像元件，还包括在所述半导体层的所述表面上的防反射膜。
12.如权利要求1所述的固体摄像元件，还包括隔着所述绝缘层围绕所述天线结构的遮光层。
13.如权利要求1所述的固体摄像元件，还包括用于驱动所述光接收元件部的驱动电路，所述驱动电路设置在所述半导体层的与所述天线结构相反的一侧。
14.一种用于制造固体摄像元件的方法，其包括步骤：
(a)在半导体层中形成光接收元件部；
(b)在所述半导体层的整个表面上方形成第一绝缘层；
(c)在所述第一绝缘层上形成遮光层以围绕所述光接收元件部；
(d)将所述遮光层用作蚀刻掩模以选择性地去除所述第一绝缘层；
(e)形成第二绝缘层，以使得由所述遮光层和所述第一绝缘层围绕的空间存在于所述光接收元件部的上方；并且
(f)通过在所述整个表面上方形成介电材料层而在所述空间中形成天线结构。
15.如权利要求14所述的方法，其中，通过涂敷形成所述介电材料层。
16.如权利要求15所述的方法，其中，通过涂敷其中分散有TiOx微粒的硅氧烷溶液以形成涂层，并烘干所述涂层而形成所述介电材料层。
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