CN102214667A - 固态摄像装置及其制造方法、电子设备和相机模块 - Google Patents

固态摄像装置及其制造方法、电子设备和相机模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了固态摄像装置及其制造方法、电子设备和相机模块，其中该固态摄像装置包括：光电转换部；电荷接收部，从光电转换部向其传送电荷；以及光控制膜，在光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。

Description

固态摄像装置及其制造方法、电子设备和相机模块
技术领域
本发明涉及固态摄像装置及其制造方法，并涉及包括该固态摄像装置的电子设备(诸如相机)以及相机模块。
背景技术
固态摄像装置(图像传感器)包括CCD图像传感器(其包括用于读出信号电荷的电荷耦合器件(CDD))和CMOS图像传感器(每个像素都包括一个光电转换部和多个像素晶体管)。它们用于各种便携式终端设备，诸如数码相机、数码摄像机和具有相机的移动电话。
CCD图像传感器包括二维配置的用作光电转换部(光电二极管)的光接收部，其将输入光转换为信号电荷并存储信号电荷，并且通过垂直CCD寄存器部和水平CCD寄存器部传送所存储的信号电荷。在这种类型的固态摄像装置中，入射光由于绝缘膜、表面保护层或平坦化层的硅氧化物系类材料与硅基板之间的折射率的差异而从硅基板的表面反射。从而，到达光接收部的光量减少，并且灵敏度降低。因此，固态摄像装置在光接收部的上方设置有氮化硅防反射层，并且多重反射效果被用于减少入射光的反射，从而增强灵敏度。
随着固态摄像装置中像素数量的增加，光接收面积减小，并且遮光膜的开口宽度减小到小于或等于进入光电二极管或光接收部的光的波长的尺寸。从而，入射光通过衍射而扩散到除光接收部之外的区域。这会是灵敏度降低和发生拖影(smear)的原因。
如果遮光膜的开口宽度小于入射光的波长，则入射光通过菲聂耳衍射扩散到除光接收部之外的区域。从而，在除光接收部之外的区域中生成的电荷流入垂直CCD寄存器部以生成导致噪声的拖影。此外，由于入射光扩散到除光接收部之外的区域，所以降低了灵敏度。
该现象不仅发生在CCD图像传感器中，而且还发生在CMOS图像传感器中，尤其在电荷存储部设置在光接收部一侧以实现全局光闸功能的CMOS图像传感器中。在具有全局光闸功能的CMOS图像传感器中，临时存储电荷的电荷存储部可以通过浮置扩散部或者设置在光接收部和浮置扩散部之间的存储部来限定。在这些CMOS图像传感器中，如果光接收部的开口宽度减小到小于或等于入射光的波长的尺寸，则如上所述，入射光通过衍射扩散到除光接收部之外的区域。这会是灵敏度降低和发生噪声的原因。
例如，已经在日本未审查专利申请公开第05-206425号和第2008-41847号中提出了通过在光接收部的开口端部反转入射光的相位来减少入射光的衍射效应的CCD图像传感器。
例如在日本未审查专利申请公开第2007-95792号中公开的用于CMOS图像传感器的结构是已知的，其中，硅基板附近的波导结构的正锥状通过波导的下端被改变为用于进入硅基板的光接收部的光的全反射的倒锥状，使得集光效率增强。日本未审查专利申请公开第2009-252949号公开了用于CMOS图像传感器的结构，其中，通过在具有用作光接收部的光电转换部的半导体基板上方配线的镶嵌处理来形成铜配线和上覆较宽的扩散防止金属配线。
发明内容
在日本未审查专利申请公开第05-206425号和第2008-41847号中，通过仅从光接收部的开口端去除覆盖光接收部的硅基板表面的防反射层来改变入射光的光学路径长度。为了实现该结构，执行形成用于图样化的抗蚀剂掩模以及用于去除防反射层的湿蚀刻或干蚀刻的附加步骤。步骤数量的增加使得制造成本增加。
虽然近年来主要通过干蚀刻来执行防反射膜的去除，但伴随着用于增加像素数量的固态摄像装置中像素的微小化，众所周知，等离子体处理中的等离子体损坏降低了固态摄像装置的性能。
在日本未审查专利申请公开第2007-95792号中，在硅基板的上部形成高折射率区域，从而可以通过高折射率区域与绝缘层之间的界面处的反射来收集光。在该结构中，高折射率区域被形成为朝向光接收部的倒锥形的形状来用于全内反射，从而增强了灵敏度。然而，由于倒锥状的高折射率区域具有改变锥状的高度，所以难以防止通过片上(on-chip)透镜进入的光被衍射以进入硅基板。
在日本未审查专利申请公开第2009-252949号中提出的结构中，公开了通过镶嵌处理形成的金属配线。铜配线和上覆较宽的扩散防止配线在它们相邻的配线部之间形成倒锥形开口。然而，通过绝缘夹层的存在而增加了通过配线形成的倒锥状与接收光的硅基板之间的距离，因此，倒锥形开口不能防止衍射光进入硅基板。
另一方面，在背照式CMOS图像传感器中，由于将衍射光扩散到相邻像素而会引起不期望的混色。
因此，期望提供一种固态摄像装置，其可以通过伴随像素的微小化的入射光的衍射效应减小扩散到除光电转换部之外的区域的光的强度，因此可以增强灵敏度并减少诸如拖影和混色的噪声，以及期望提供该固态摄像装置的制造方法。
还期望提供包括该固态摄像装置的电子设备(诸如相机)和相机模块。
根据本发明实施方式的一种固态摄像装置包括：光电转换部；电荷接收部，从光电转换部向其传送电荷；以及光控制膜，在光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
由于该固态摄像装置包括在光电转换部的上方并具有倒锥形开口的光控制膜，所以可以通过进入开口并以直线传播的光与在开口的边缘处衍射并沿着倒锥形面传播的光之间的光学路径差来减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
根据本发明实施方式的一种固态摄像装置的制造方法包括以下步骤：在半导体基板中，形成光电转换部和电荷接收部，其中从光电转换部向该电荷接收部传送电荷。该方法还包括以下步骤：形成光控制膜，其在光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
该方法包括在光电转换部的上方形成并具有倒锥形开口的光控制膜的步骤。光控制膜可以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
根据本发明实施方式的电子设备包括：固态摄像装置；光学系统，将入射光引导至固态摄像装置的光电转换部；以及信号处理电路，处理从固态摄像装置输出的信号。该固态摄像装置包括：光电转换部；电荷接收部，从光电转换部向其传送电荷；以及光控制膜，在光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
电子设备的固态摄像装置包括在光电转换部的上方并具有倒锥形开口的光控制膜。光控制膜通过进入开口并以直线传播的光与在开口的边缘处衍射并沿着倒锥形面传播的光之间的光学路径差来减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
根据本发明实施方式的相机模块包括：固态摄像装置；光学系统，将入射光引导至固态摄像装置的光电转换部；以及信号处理电路，处理从固态摄像装置输出的信号。该固态摄像装置包括：光电转换部；电荷接收部，从光电转换部向其传送电荷；以及光控制膜，在光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
相机模块的固态摄像装置包括在光电转换部的上方并具有倒锥形开口的光控制膜。光控制膜通过进入开口并以直线传播的光与在开口的边缘处衍射并沿着倒锥形面传播的光之间的光学路径差来减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
在固态摄像装置中，可以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度，因此，增强了灵敏度，并且可以减少诸如拖影和混色的噪声。
本发明实施方式的制造固态摄像装置的方法可以制造灵敏度增强且诸如拖影和混色的噪声减少的固态摄像装置。
在根据本发明实施方式的电子设备中，可以增强固态摄像装置的灵敏度，并且可以减少诸如拖影和混色的噪声。
在根据本发明实施方式的相机模块中，可以增强固态摄像装置的灵敏度，并且可以减少诸如拖影和混色的噪声。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的固态摄像装置的主要部分的示意性截面图；
图2是示出了进入遮光膜的开口的光的状态的截面图；
图3是用于确定倒锥形开口的形状的等式的表示；
图4A至图4C是倒锥形开口的示例性结构的示意性截面图；
图5是根据本发明第一实施方式的固态摄像装置的制造方法的示图；
图6是根据第一实施方式的固态摄像装置的制造方法的示图；
图7A至图7C是根据第一实施方式的固态摄像装置的另一制造方法的示图；
图8是形成防反射层的可选步骤的示图；
图9是根据本发明第二实施方式的固态摄像装置的主要部分的示意性截面图；
图10是根据第二实施方式的固态摄像装置的制造方法的示图；
图11是根据第二实施方式的固态摄像装置的制造方法的示图；
图12是根据本发明第三实施方式的固态摄像装置的主要部分的示意性截面图；
图13是根据本发明第四实施方式的固态摄像装置的主要部分的示意性截面图；
图14是根据本发明第五实施方式的固态摄像装置的主要部分的示意性截面图；以及
图15是根据本发明第七实施方式的电子设备的示意性框图。
具体实施方式
现在将描述本发明的实施方式。将以如下顺序给出描述：
1.第一实施方式(固态摄像装置的结构和制造方法)
2.第二实施方式(固态摄像装置的结构和制造方法)
3.第三实施方式(固态摄像装置的结构)
4.第四实施方式(固态摄像装置的结构)
5.第五实施方式(固态摄像装置的结构)
6.第六实施方式(固态摄像装置的结构)
7.第七实施方式(电子设备的结构)
8.第八实施方式(相机模块的结构)
1.第一实施方式
固态摄像装置的结构
根据第一实施方式的固态摄像装置是CCD图像传感器。CCD图像传感器通常包括多个用作光接收部的光电转换部、对应于光电转换部的每条线配置的具有CCD结构的垂直传送寄存器部、具有CCD结构的水平传送寄存器部以及输出部。
图1示出了作为CCD图像传感器的根据本发明第一实施方式的固态摄像装置。图1是示出了在摄像区域中以二维阵列(以矩阵形式)配置的多个像素中的一个的示意性截面图。
第一实施方式的固态摄像装置1包括形成在第一导电半导体基板2中的第二导电半导体阱区域3以及各个半导体阱区域3中用作光接收部的光电转换部4。光电转换部4包括其中执行光电转换并存储电荷的第一导电半导体区域5、以及减小第一导电半导体区域5的表面处的暗电流的高掺杂的第二导电半导体区域6。光电转换部4是所谓的光电二极管。
在本实施方式中，第一导电型是n型，第二导电型是p型。因此，在本实施方式中，在n型半导体基板2中形成p型半导体阱区域3，并且在p型半导体阱区域3中形成光电转换部4。
P型半导体阱区域3还设置有接近光电转换部4的n型埋入沟道区域7以及围绕光电转换部4的p型沟道停止区域8。如以下所描述，埋入沟道区域7接收来自光电转换部4的电荷，并在垂直方向上传送电荷，由此用作电荷接收区域。第二p型半导体阱区域9紧接地形成在埋入沟道区域7的下方。光电转换部4和埋入沟道区域7之间的区域用作将光电转换部4的电荷读出到埋入沟道区域7的电荷读出区域11。在半导体基板2的表面上隔着栅极绝缘膜12设置垂直传送栅电极13以覆盖读出区域11、埋入沟道区域7和沟道停止区域8。沿着电荷传送方向配置多个垂直传送栅电极13。
埋入沟道区域7和埋入沟道区域7上方的垂直传送栅电极13限定具有CCD结构的垂直传送寄存器部15，并且读出区域11和读出区域11上方的读出栅电极限定读出栅极部16。读出栅电极兼做垂直传送栅电极13。单位像素包一个光电转换部4和对应的垂直传送寄存器部15。以二维阵列(以矩阵形式)规则地配置多个单位像素，以限定摄像区域。
在本实施方式中，具有倒锥形开口19的用作光控制膜的遮光膜21形成在整个表面上方所形成的绝缘夹层18上以覆盖垂直传送栅电极13。绝缘夹层18还用作光电转换部4上方的防反射膜，并且例如由硅氮化物制成。以开口19对应于光电转换部4进行定位的方式来形成遮光膜21；因此，遮光膜21形成在除上覆光电转换部4的区域之外的整个表面的上方。遮光膜21伸出到上覆盖光电转换部4的区域，因此，开口19的下端具有比光电转换部4小的面积。
在包括开口19的内部的遮光膜21的整个表面的上方形成绝缘夹层22，并且在对应于光电转换部4的区域中在绝缘夹层22上形成层内透镜23。层内透镜23由折射率与覆盖层内透镜23的表面保护层23的材料的折射率不同的绝缘材料制成。此外，在形成平面化膜25之后，设置滤色器26和片上微透镜27。
在本实施方式的固态摄像装置1中，入射光穿过片上微透镜27、滤色器26、平坦化层25和表面保护层24。光进一步穿过层内透镜23以会聚，并通过遮光膜21的开口19进入光电转换部4。光在光电转换部4中进行电转换以生成用作信号电荷的电荷或电子，并且这些电子被存储在半导体区域5中。当读出栅极脉冲被施加给兼做垂直传送栅电极13的读出栅电极时，半导体区域5中的电荷被读出到垂直传送寄存器部15。垂直传送寄存器部15中的电荷通过施加给垂直传送栅电极13的脉冲垂直驱动电压而在垂直方向上被传送至具有CCD结构的水平传送寄存器部(未示出)。水平传送寄存器中的电荷通过水平驱动脉冲在水平方向上传送，并且电荷在输出部中被转换为电压并作为像素信号被输出。
如果通过遮光膜21的开口19进入的光扩散到除光电转换部之外的区域并进入垂直传送寄存器部以转换为电信号，则该信号相对于存储在半导体区域5中的电荷而作为噪声。换句话说，由扩散到除光电转换部之外的区域的光所产生的拖影成分作为了噪声。因此，鉴于要提高CCD图像传感器的特性，重要的是防止光进入除光电转换部之外的区域。
第一实施方式的特征在于具有倒锥形开口19的遮光膜21。图2示出了光进入遮光膜21的开口19的情况。如图2所示，在开口19中以直线传播的光La的光学路径a与沿着开口19的锥形面的衍射光Lb的光学路径b之间的差(光学路径差)产生了包括除光电转换部之外的区域的区域c中的相位差。衍射光Lb的强度在该区域c中减小。从而，可以防止进入光电转换部的光在水平方向上扩散。
通过使用以下等式可以确定开口19的倒锥状：
1 / 2 λ ( n - 1 ) = ( d 2 + ( y - x ) / 2 ) 2 - d
该等式表示图3所示进入遮光膜21的倒锥形开口19的光L在开口19的上边缘(x面)处衍射并且正好在下边缘(y面)处反转光的相位的条件。在图3中，由d(nm)表示遮光膜的厚度或者倒锥形部的高度；通过x(nm)表示开口19的上直径；通过y(nm)表示开口19的下直径；通过n表示限定开口19的材料的折射率，即，绝缘夹层22的折射率；以及通过λ(nm)表示入射光L的波长。
优选针对用于固态摄像装置的光具有充分遮光特性的遮光膜21由钨(W)、铝(Al)、钽(Ta)、钌(Ru)等制成。
设置遮光膜21的厚度，使得通过开口19衍射的光可以在开口19内原样传播。遮光膜21的厚度还依赖于所期望的遮光特性。例如，钨(W)遮光膜优选具有大约100nm至300nm的厚度。小于100nm的厚度不能够提供充分的遮光特性。相反，大于300nm的厚度形成大的阶梯高度，因此，上覆盖遮光膜21的层不被平坦化。
当具有550nm波长的光通过具有1.45折射率的绝缘夹层22进入具有200nm厚度d的遮光膜21的开口19时，根据上述等式，可以使衍射最小的倒锥角θ为48°。
由于根据片上微透镜27和层内透镜23的形状而改变入射角分布，所以当形状的倒锥角θ具有±10°(θ＞0°)的容限时，根据上述等式获得的最适当的形状可以产生有效的作用。
优选地，考虑下述用于形成遮光膜21的处理，遮光膜21具有至少包括具有不同蚀刻特性的两个层的多层结构。在这种情况下，遮光膜21优选具有倒锥形截面或者具有对应于遮光膜21的层的多个阶梯(多阶梯形状)的截面。对于具有多阶梯形状的截面，通过利用开口19的底面和连接遮光膜21中的开口19的最上和最下边缘的倾斜线所形成的角度来限定根据上述等式获得的倒锥角θ。
遮光膜21中开口19的倒锥形有效地减小了具有长波长的衍射光的强度。在本实施方式中，对于红色、绿色和蓝色像素形成具有相同倒锥形的开口19，即，对于红光波长的具有倒锥形的开口19。在这种情况下，通过控制倒锥角θ，可以根据红光的波长形成开口19，而不需要改变遮光膜21的厚度。
图4A至图4C示出了具有倒锥形开口的遮光膜21的截面的实例。图4A所示的开口具有梯形截面。图4B所示的开口具有包括凹状侧壁以及开口的底面与连接开口的上下边缘的倾斜线之间的倒锥角θ的截面。图4C所示的开口通过多个层20来限定，并且具有包括开口的底面与连接开口的上下边缘的倾斜线之间的倒锥角θ的多阶梯截面。可以如下形成具有图4C所示截面的开口。形成具有不同蚀刻特性的多层。更具体地，以蚀刻率的减小顺序形成多层，然后，使这些层进行干蚀刻或湿蚀刻以形成直径向下减小的阶梯。例如，对于包括W下层和Al上层的膜，可以通过利用氯气蚀刻Al层，随后利用氟类气体蚀刻W层来形成期望的形状。
在第一实施方式的CCD图像传感器1中，遮光膜21具有倒锥形的开口19。倒锥形可以确保入射光传播到光电转换部4，因此，其可以防止衍射光扩散到除光电转换部4之外的区域。因此，可以增强CCD图像传感器的灵敏度。此外，防止衍射光进入垂直传送寄存器部，因此，可以减少拖影。本实施方式产生了显著效果，尤其在包括大量微小化像素的固态摄像装置中。由于这种固态摄像装置可以减小扩散到除光电转换部之外的区域的衍射光的强度，所以可以增强灵敏度并且可以减少拖影。
固态摄像装置的制造方法
图5(A)至图6(E)示出了制造根据第一实施方式的固态摄像装置1或CCD图像传感器的示例性方法。首先，如图5(A)所示，在n型硅半导体基板2中形成p型半导体阱区域3。p型半导体阱区域3进行n型杂质和p型杂质的离子注入，以形成包括n型半导体区域5和p型半导体区域6的光电转换部4。光电转换部用作光接收部。p型半导体阱区域3在其中设置有n型埋入沟道区域7、p型沟道停止层8和紧接着埋入沟道区域7下方的第二p型半导体阱区域9。通过热氧化在半导体基板2的表面上方形成氧化硅栅极绝缘膜12以具有大约50nm的厚度。
随后，通过化学气相沉积(CVD)在栅极绝缘膜12上形成多晶硅层，并且例如通过溅射进一步形成硅化钨(WSi)层。在要形成电极的区域上通过由光刻形成的正抗蚀剂掩模来选择性地蚀刻WSi层和多晶硅层，因此，如图5(B)所示形成垂直传送栅电极13。垂直传送栅电极13(其部分用作读出电极)被设置在包括读出区域11、埋入沟道区域7和p型沟道停止区域8的区域上方。
随后，如图5(C)所示，通过热氧化和CVD在整个表面上形成氧化硅层(未示出)以覆盖垂直传送栅电极13，然后，通过真空CVD形成防反射膜18以覆盖光电转换部4。例如，防反射膜18可以为硅氮化物(SiN)膜或硅氮氧化物(SiON)膜。防反射膜18形成在覆盖光电转换部4的整个表面上方。此外，通过CVD在防反射膜18的整个表面上方形成氧化硅层(未示出)。然后，在整个表面的上方，通过溅射沉积诸如钨(W)的遮光膜的材料，并且进一步通过CVD连续沉积以形成具有足够作为遮光膜的厚度的材料层。通过溅射形成的钨层增强了对下层的粘附性。
随后，通过光刻在遮光膜的材料层上形成正抗蚀剂掩模。如图6(D)所示，通过抗蚀剂掩模选择性地蚀刻材料层，使得材料层覆盖光电转换部4的部分被去除，以形成用作在对应于光电转换部4的区域中具有倒锥形开口19的光控制膜的遮光膜21。
例如，如图7A至图7C所示，可通过蚀刻处理形成倒锥形开口19。具体地，在形成用于遮光膜21的材料层(第一材料层)之后，如图7A所示，在第一材料层上形成具有与第一材料层不同的蚀刻特性的另一材料层或第二材料层31。第二材料层31可以由硅氮氧化物形成。
然后，如图7B所示。通过抗蚀剂掩模执行各向异性干蚀刻，使得选择性地去除第二材料层31的整个厚度和第一材料层21A的一定深度。
随后，如图7C所示，通过抗蚀剂掩模，利用选择性的各向同性蚀刻去除第一材料层的剩余深度。可通过干式处理或湿式处理来执行各向同性蚀刻。由此，可以通过选择性地蚀刻附加形成的第二材料层31来形成倒锥形开口19。
尽管如图6(D)所示，在实施方式中在形成遮光膜21之前形成防反射层18，但如图8所示，防反射层18可以在形成遮光膜21之后形成。
随后，如图6(E)所示，例如，通过CVD由BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)形成绝缘夹层22，随后在大约800℃进行回流。此外，例如，通过现有技术在绝缘夹层22上由氮化硅形成层内透镜23。然后，依次形成表面保护层24、平坦化层25、滤色器26和片上微透镜27(均未示出)，以完成所期望的固态摄像装置1。
在本实施方式的固态摄像装置的制造方法中，可以形成具有倒锥形开口19的遮光膜21。由于该开口可以防止衍射光进入垂直寄存器部，所以CCD图像传感器1可以减少拖影并表现出增强的灵敏度。
2.第二实施方式
固态摄像装置的结构
根据第二实施方式的固态摄像装置是CMOS图像传感器。CMOS图像传感器通常包括摄像区域和外围电路区域。摄像区域包括多个像素，每一个均包括用作光接收部的光电转换部。单位像素可以包括一个光电转换部和多个像素晶体管(MOS晶体管)。可选地，可以应用像素共有结构，其中，光电转换部共有除传送晶体管和浮置扩散部之外的像素晶体管。像素晶体管可包括传送晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管这四个晶体管，或者除选择晶体管之外的三个晶体管。
图9示出了根据本发明的第二实施方式的作为CMOS图像传感器的固态摄像装置。图9是示出了在摄像区域中以二维阵列(以矩阵形式)配置的多个像素中的一个的示意性截面图。
第二实施方式的固态摄像装置41具有每一个都设置在半导体阱区域43中的像素，其中半导体阱区域43形成在第一导电硅半导体基板42中。像素包括用作光接收部的光电转换部44和多个晶体管。例如，以矩阵形式以二维阵列规则地配置多个单位像素以限定摄像区域。在本实施方式中，p型半导体阱区域43形成在n型半导体基板42中，并且多个像素形成在半导体阱区域43中以限定摄像区域。
光电转换部44包括执行光电转换和存储电荷的n型半导体区域45、以及减小n型半导体区域45的表面处的暗电流的高掺杂p型半导体区域46。通过所谓的光电二极管来限定光电转换部44。在本实施方式中，像素晶体管包括传送晶体管Tr1、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管(后三个没有示出)这四个晶体管。传送晶体管Tr1被设置为接近光电转换部44。
元件隔离区域48形成在p型半导体阱区域43上以将像素彼此分离并划分像素。可通过浅槽隔离(STI)结构、通过硅的局部氧化形成的氧化膜(LOCOS氧化膜)、在高掺杂p型半导体区域上形成绝缘膜的结构或者高掺杂p型半导体区域来限定元件隔离区域48。在本实施方式中，元件隔离区域48由LOCOS氧化膜制成。在p型半导体阱区域43中形成比p型半导体阱区域43更加高掺杂的p型半导体区域49，以围绕元件隔离区域48。
传送晶体管Tr1包括作为源极的光电转换部44、作为漏极的n型半导体区域的浮置扩散部51、以及栅极绝缘膜52上的传送栅电极53。浮置扩散部51是电荷从光电转换部44向其传送的区域，因此用作电荷接收区域。
然后，在本实施方式中，在光电转换部44的上方设置光波导55。光波导55形成在防反射层54上，防反射层54形成在整个表面上方以覆盖传送栅电极53和另一像素晶体管的栅电极。此外，光波导55形成在多层配线层64中，该多层配线层64包括设置在第二绝缘夹层58(稍后进行描述)中的多层配线63。除了对应于光电转换部44和光波导55的区域之外，在层间绝缘层58的整个区域中形成配线63。在光波导55的下端，第一绝缘夹层56被形成为具有倒锥形开口57的光控制膜的第一材料层。
更具体地，光波导55由填充第一绝缘夹层56中的倒锥形开口57和形成在第二绝缘夹层58中的正锥形开口59的绝缘材料61形成。绝缘材料61具有比第二绝缘夹层58和第一绝缘夹层56高的折射率。第二绝缘夹层58对应于第二材料层。开口57形成在第一绝缘夹层56中，使得开口57的下端具有小于光电转换部44的面积。
在光波导55中，第二绝缘夹层58与填充开口59的绝缘材料61之间的界面用作进入光波导55的光被全反射的全反射面。第一绝缘夹层56的开口57的倒锥形(即，用作光波导55的光控制膜的下端的形状)满足减小扩散到除光电转换部44之外的区域的衍射光的强度的要求，并且可以通过上述等式获得。具有倒锥形开口的第一绝缘夹层的其他结构特性与在第一实施方式中描述的遮光膜21的结构特征相同，所以省略相同的描述。
在包括光波导55的第二绝缘夹层58上隔着表面保护层和平坦化层(均未示出)而形成滤色器66和片上微透镜67。
在本实施方式的固态摄像装置41中，光通过片上微透镜67从上侧进入光波导55。光波导55的直径减小，以在第一绝缘夹层56的上表面的水平面处变得最小，然后增大，直到防反射层54。进入光波导55的光通过防反射层54被引导至光电转换部44，并在其中进行光电转换以生成电荷(本实施方式中为电子)。通过向传送晶体管的传送栅电极53施加传送栅极脉冲，存储在光电转换部44中的电荷被传送到浮置扩散部51，并在其中被转换为电压。电压通过放大晶体管和选择晶体管作为输出信号被输出。
在第二实施方式的CMOS图像传感器41中，光导板55下端处第一绝缘夹层56的开口57具有倒锥形形状。该形状防止入射光扩散到除光电转换部44之外的区域。换句话说，可以减小扩散到除光电转换部44之外的区域的衍射光的强度。因此，可以增强CMOS图像传感器的灵敏度。此外，减小了由衍射到浮置扩散部51的光所得到的光噪声，使得可以减小相对于像素信号的噪声。
固态摄像装置的制造方法
图10(A)至图11(D)示出了根据第二实施方式的固态摄像装置41或CMOS图像传感器的制造方法的示例性方法。如图10(A)所示，在n型硅半导体基板42中形成p型半导体阱区域43。在p型半导体阱区域43中形成例如LOCOS氧化膜的元件隔离区域48和用作光接收部的光电转换部44。形成p型半导体区域49以围绕元件隔离区域48。针对传送晶体管的浮置扩散部51以及其他像素晶体管的元件和漏极区域形成n型半导体区域。在基板表面的栅极绝缘膜52上形成像素晶体管的栅电极(包括传送栅电极53)，由此形成包括传送晶体管Tr1的像素晶体管。
随后，在整个表面上方形成例如由硅氮化物形成的防反射层54，以覆盖传送栅电极53和其他栅电极，并且在防反射层54上形成用作第一材料层的第一绝缘夹层56。此外，在用作第二材料层的第二绝缘夹层58中形成多层配线层64(其中，配置多层配线63)。优选地，在光波导的形成时，第一绝缘夹层56与第二绝缘夹层58和防反射层54具有不同的蚀刻特性，即，具有可以确保蚀刻选择性的特性。
例如，第一绝缘夹层56可以由硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)形成，第二绝缘夹层58可以由未掺杂的等离子体硅氧化物形成，并且防反射层54可以通过真空处理由硅氮化物(SiN)形成。对于第一材料层，可以代替第一绝缘夹层56使用非绝缘的钨(W)层。
可以根据上述等式设置第一绝缘夹层56或者第一材料层的钨层的厚度。优选地，通过化学机械抛光(CMP)平坦化第二绝缘夹层58。
然后，如图10(B)所示，通过光刻在多层配线层64的第二绝缘夹层58上形成正抗蚀剂掩模，并且通过掩模选择性地蚀刻第二绝缘夹层58以形成具有正锥形截面的开口59。该开口59形成在对应于光电转换部44的位置处。
在上述操作之后，如图11(C)所示，选择性地蚀刻第一材料层的第一绝缘夹层56等，以形成具有倒锥形截面的开口57。通过上述各向同性蚀刻执行第一绝缘夹层56的选择性蚀刻，使得开口57可以具有倒锥形，其在第一绝缘夹层56与防反射层54之间的界面处的直径大于第二绝缘夹层58与第一绝缘夹层56之间的界面处的直径。可以通过干式处理或者使用化学溶液的湿式处理执行各向同性蚀刻。第一绝缘夹层56用作光控制膜。
可以通过灰化(ashing，磨光)来去除抗蚀剂掩模。灰化可以在第二绝缘夹层58的选择性蚀刻之后或者在第一绝缘夹层56的选择性蚀刻之后执行。
然后，如图11(D)所示，例如，通过化学气相沉积(CVD)，开口57和59填充有折射率比第一绝缘夹层56和第二绝缘夹层58的折射率大的材料61以形成光波导55。可以组合原子层沉积(ALD)和CVD来沉积光波导55的材料61，以防止劣化光学特性的光波导55中空隙的生成。
作为CVD或者ALD和CVD的组合的可选，可以通过涂覆有机材料并热处理这些材料以形成具有高折射率的部分，或者通过组合CVD、ALD和有机材料涂覆来使材料61填充开口57和59。
随后，通过现有处理(未示出)，在包括光波导55和多层配线层66的表面上按顺序形成表面保护层、平坦化层(均未示出)、滤色器66和片上微透镜67，由此完成期望的CMOS图像传感器41。
在本实施方式的固态摄像装置的制造方法中，可以在光波导55的下端处形成用作光控制膜的具有倒锥形开口57的第一绝缘夹层56。由于该开口可以防止衍射光进入浮置扩散部51，所以CMOS图像传感器41可以减小噪声并显示出增强的灵敏度。
3.第三实施方式
固态摄像装置的结构
图12示出了作为CMOS图像传感器的根据本发明第三实施方式的固态摄像装置。本实施方式的CMOS图像传感器具有全局光闸功能。第三实施方式的固态摄像装置71具有与第二实施方式的固态摄像装置41相同的基本结构。在图12中，对应于图9所示的部分由相同的参考标号表示，并且将省略相同的描述。可以参照图10(A)至图11(D)所示第二实施方式的方法来制造第三实施方式的固态摄像装置71。
本实施方式的固态摄像装置71被配置为使得在均匀地曝光所有像素之后，在所有像素来自光电转换部44的信号电荷被同时传送至浮置扩散部51并且在浮置扩散部51中保持预定时间段。在固态摄像装置71中，存储在所有像素的光电转换部44中的信号电荷被同时传送至对应的浮置扩散部51并保持在那里。然后，信号电荷被转换为电压，并且通过像素线逐一地输出电压。因此，浮置扩散部51被配置为具有存储功能的保持部并对应于电荷接收区域。在具有全局光闸功能的固态摄像装置中，浮置扩散部51长时间保持电荷，因此，由进入浮置扩散部51的衍射光所引起的噪声显著地影响装置。
在第三实施方式的固态摄像装置71中，由于形成了在光波导55的下端具有倒锥形开口57的第一绝缘夹层56，所以可以防止通过开口57衍射的光扩散到除光电转换部44之外的区域。因此，防止衍射光进入长时间保持电荷的浮置扩散部51，因此可以有效地减小相对于像素信号的噪声。此外，由于防止了衍射光扩散到除光电转换部44之外的区域，所以可以增加灵敏度。
4.第四实施方式
固态摄像装置的结构
图13示出了作为CMOS图像传感器的根据本发明第四实施方式的固态摄像装置。本实施方式的CMOS图像传感器具有全局光闸功能。第四实施方式的固态摄像装置73在光电转换部44和浮置扩散部51之间包括电荷保持部(所谓的存储部)74，以临时保持光电转换部44的信号电荷。电荷保持部74包括在p型半导体阱区域43中与光电转换部44相邻的n型半导体区域75以及n型半导体区域75上的栅电极76，它们之间具有栅极绝缘膜52。可以以与浮置扩散部51的n型半导体区域相同的处理来形成n型半导体区域75。
电荷保持部74的n型半导体区域74保持从光电转换部44传送的信号电荷，由此对应于电荷接收部。光波导55形成在光电转换部44的上方，并且具有倒锥形开口57的第一绝缘夹层56或第一材料层在光波导55的下端处被形成为光控制膜。
其他部件与前述第二和第三实施方式的相同。图13中的这些部分由与图9和图12相同的参考标号来表示，并且将省略相同的描述。第四实施方式的固态摄像装置可以参照图10(A)至图11(D)所示第二实施方式的方法来制造。
在第四实施方式的固态摄像装置73中，在将所有像素曝光相同的时间段之后，向电荷保持部74的栅电极76施加读出栅极脉冲，并且每个像素的光电转换部44的信号电荷被读出并临时保持在电荷保持部74的n型半导体区域75中。然后，照常向传送栅电极53施加传送栅极脉冲，使得电荷保持部74中保持的信号电荷通过像素线传送至浮置扩散部51，并且将选择晶体管导通以读出像素信号。
在第四实施方式的固态摄像装置73中，由于在光波导55的下端形成具有倒锥形开口57的第一绝缘夹层56，所以可以防止通过开口57衍射的光扩散到除光电转换部44之外的区域。在具有全局光闸功能的固态摄像装置73中，防止衍射光进入长时间保持电荷的电荷保持部74的n型半导体区域75，因此可以有效地减小相对于像素信号的噪声。此外，由于防止了衍射光扩散到除光电转换部44之外的区域，所以可以增加灵敏度。
在第二至第四实施方式的固态摄像装置中，可以在光波导55的上方设置层内透镜。层内透镜可以形成在多层配线层64的第二绝缘夹层58中。通过设置层内透镜，可以进一步提高集光效率以增加灵敏度。
5.第五实施方式
固态摄像装置的结构
图14示出了作为CMOS图像传感器的根据本发明第五实施方式的固态摄像装置。本实施方式的CMOS图像传感器是背照型。图14示出了对应于背照式CMOS图像传感器的两个像素的等效部分中的部件。
第五实施方式的固态摄像装置81包括摄像区域83(其中，多个像素配置在硅半导体基板82中以及其上)和设置在摄像区域83周围的外围电路区域(未示出)。单位像素84包括用作光接收部的光电转换部(以下称为光电二极管)PD和多个像素晶体管Tr。光电二极管PD跨越半导体基板82的厚度形成，并且是包括第一半导体区域85(在本实施方式中为n型)和从基板的正面延伸到背侧的第二半导体区域86(在本实施方式中为p型)的pn结型。延伸到基板两面的p型半导体区域86兼做用于控制暗电流的空穴电荷存储区域。
通过元件隔离区域87使每一个都包括光电二极管PD的像素晶体管Tr的像素84分离。每个元件隔离区域87都由p型半导体区域形成并接地。每个像素晶体管Tr都包括在接近半导体基板82的表面82A形成的p型半导体阱区域88中的n型源极和漏极区域(未示出)以及基板表面上的源极和漏极区域之间的栅电极89，它们之间具有栅极绝缘膜。图14示出了一个像素晶体管作为代表，并且通过栅电极89示意性示出了像素晶体管Tr。图中所示的像素晶体管Tr是具有浮置扩散部的传送晶体管。
在半导体基板82的表面82A上，形成包括配置在绝缘夹层91中的多个配线92的多层配线层93。由于光L没有进入多层配线层93，所以可以任意设计配线92的布局。
在基板82的背面82B(其是光点二极管PD的光接收面94)上形成绝缘层。在本实施方式中，绝缘层是防反射层96。防反射层96包括具有不同折射率的多个层，并且在本实施方式中，包括具有负固定电荷的膜98和氧化硅膜97这两层。例如，具有负固定电荷的膜98可以由氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)或氧化钛(TiO2)制成。这些材料的膜实际上用作绝缘栅极电场效应晶体管的栅极绝缘膜，并且可以通过成膜方法容易地形成。示例性方法包括化学气相沉积、溅射和原子层沉积。优选地，应用原子层沉积，因为能够减小界面态的SiO2层可以在绝缘膜的形成期间同时形成为大约1nm的厚度。此外，可以使用其他材料，包括氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)和氧化钇(Y2O3)。此外，具有负固定电荷的膜98可以由氮化铪、氮化铝、氮氧化铪或氮氧化铝制成。
在防反射层96上，对应于像素的边界形成具有倒锥形开口100的遮光膜99。遮光膜99的开口100的倒锥形具有可以减小扩散到除光电二极管PD之外的区域的衍射光的强度的条件，并且可以根据上述等式确定。具有倒锥形开口100的遮光膜99的其他结构特性与第一实施方式描述的遮光膜21的相同，并且将省略相同的描述。
遮光膜99可以由任何遮光材料制成，并且优选由诸如铝(Al)、钨(W)或铜(Cu)的金属制成。这些金属具有高遮光性，并且例如可以通过蚀刻来精确加工。
在防反射层96和遮光膜99的上方形成平坦化层101，并且在平坦化层101上顺序形成片上滤色器102和片上微透镜103。片上微透镜103由诸如树脂的有机材料制成。平坦化层101也由诸如树脂的有机材料制成。片上滤色器102可以以Beyer阵列配置。通过基板82的背面82B进入的光L通过片上微透镜103被收集并被每个光电二极管PD接收。
在第五实施方式的固态摄像装置81中，遮光膜99被设置为非常接近于对应于像素界面的光接收面94，使得可以从相邻像素阻挡没有通过片上微透镜103收集的光。因此，像素边界处的遮光膜99防止光进入相邻像素，从而减少了光学混色。此外，由于遮光膜99的倒锥形开口100满足从上述等式获得的要求，所以可以防止通过开口100衍射的光扩散到除光电二极管PD之外的区域。因此，可以在以高密度包括微小化像素的固态摄像装置中进一步减少光学混色。此外，由于防止了衍射光扩散到除光电转换部或光电二极管之外的区域，所以可以增强灵敏度。
6.第六实施方式
固态摄像装置的结构
现在将描述根据本发明第六实施方式的固态摄像装置。在前述第一至第五实施方式中，光控制膜中的开口针对红色、绿色和蓝色像素的每一个具有相同的倒锥形形状，即，对应于红光波长的形状。在第六实施方式的固态摄像装置中，光控制膜中的倒锥形开口根据通过滤色器分离的各种颜色成分具有不同的倒锥角。
更具体地，在第六实施方式的固态摄像装置中，光控制膜的开口根据红色、绿色和蓝色的各种颜色的波长具有不同的倒锥角。当光控制膜具有均匀厚度时，用于红光、绿光和蓝光的各倒锥角θR、θG和θB具有关系θR＞θG＞θB。
在第六实施方式的固态摄像装置中，红色、绿色和蓝色像素具有在光控制膜中具有不同倒锥形形状的开口。对应于红光、绿光和蓝光的各个波长，根据上述等式确定倒锥形形状。从而，可以减小扩散到除对应光电转换部之外的区域中的每种颜色的衍射光的强度。因此，可以根据红光、绿光和蓝光的波长来优化光的强度。从而，在以高密度包括微小化像素的固态摄像装置中，不仅可以增强灵敏度，而且可以减少拖影、噪声和光学混色。
CMOS图像传感器的每个单位像素都可以包括非共有的单位像素，每一个都包括一个光电二极管和多个像素晶体管，例如，三个或四个晶体管。可选地，其可以为共有像素型，其中，多个光电转换部共有一个浮置扩散部和一个像素晶体管。
尽管根据上述实施方式的固态摄像装置使用电子作为信号电荷，并且第一导电型是指n型以及第二导电型是指p型，但本发明还可以应用于使用空穴作为信号电荷的固态摄像装置。在这种情况下，n型是第二导电型，而p型是第一导电型。
7.第七实施方式
电子设备的结构
例如，根据上述实施方式的固态摄像装置可以应用于诸如数码相机和数码摄像机的相机系统和移动电话的电子设备、以及具有摄像功能的其他设备。
图15示出了作为本发明电子设备的实例的第七实施方式的相机。本实施方式的相机是能够拍摄静态图片和移动图像的摄像机。本实施方式的相机111包括固态摄像装置112、引导进入固态摄像装置112的光电转换部的光的光学系统113和光闸装置114。相机111还包括操作固态摄像装置112的驱动电路115以及处理从固态摄像装置112输出的信号的信号处理电路116。
上述固态摄像装置中的任意一种都可以用作本实施方式的固态摄像装置112。光学系统(光学透镜)113将来自对象的图像光(入射光)聚焦到固态摄像装置112的摄像面上。从而，信号电荷在一定时间段内被存储在固态摄像装置112中。光学系统113可以包括多个光学透镜。光闸装置114控制固态摄像装置112被光照射的时间以及其被遮光的时间。驱动电路115提供用于控制固态摄像装置112的传送操作和光闸装置114的开闭操作的信号。固态摄像装置112根据从驱动电路115提供的驱动信号(定时信号)来传送信号。信号处理电路116处理各种信号。所处理的图像信号被存储在诸如存储设备的存储介质中，或者被输出至监视器。
在诸如第七实施方式的相机的电子设备中，固态摄像装置112包括在光电转换部的上方并具有倒锥形开口的光控制膜。该开口可以防止衍射光进入与光电转换部相邻的电荷接收部。从而，可以减少诸如拖影和混色的噪声并且可以增强灵敏度。因此，电子设备可以提供高质量图像并显示出高性能。
8.第八实施方式
相机模块的结构
本发明第八实施方式的相机模块可以包括分别如图15所示的光学系统113、固态摄像装置112和信号处理电路116。相机模块可以包括具有透镜系统的透镜筒。例如，相机模块可以被用作诸如数码相机和摄像机的相机系统和移动电话的电子设备、以及具有摄像功能的其他电子设备中的部件。
在第八实施方式的相机模块中，可以防止固态摄像装置中的拖影和混色。因此，相机模块的使用可以实现提供高质量图像的高性能电子设备。
本申请包含于2010年4月2日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-086162所涉及的主题，其全部内容结合于此作为参考。
本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，均应包含在所附权利要求及其等同物的范围之内。

Claims (15)

1.一种固态摄像装置，包括：
光电转换部；
电荷接收部，从所述光电转换部向其传送电荷；以及
光控制膜，在所述光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除所述光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述光控制膜包括遮光膜。
3.根据权利要求1所述的固态摄像装置，还包括：光波导，在所述光电转换部的上方，其中，所述光控制膜设置在所述光波导的下端处。
4.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述倒锥形开口具有包括多个阶梯的形状。
5.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，对于与通过滤色器分离的各种颜色成分相对应的多个像素的每一个设置所述倒锥形开口，并且所述倒锥形开口根据颜色成分而具有不同的倒锥角。
6.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述倒锥形开口的下端的面积小于所述光电转换部的面积。
7.一种固态摄像装置的制造方法，包括以下步骤：
在半导体基板中形成光电转换部和电荷接收部，其中从所述光电转换部向所述电荷接收部传送电荷；以及
形成光控制膜，所述光控制膜在所述光电转换部的上方并具有倒锥形开口，以减小扩散到除所述光电转换部之外的区域的衍射光的强度。
8.根据权利要求7所述的固态摄像装置的制造方法，其中，所述光控制膜由遮光材料形成。
9.根据权利要求7所述的固态摄像装置的制造方法，还包括在所述光电转换部的上方形成光波导的步骤。
10.根据权利要求7所述的固态摄像装置的制造方法，其中，形成所述光控制膜的步骤包括以下子步骤：形成要用作所述光控制膜并具有蚀刻特性的第一材料层；在所述第一材料层的表面上形成具有不同于所述第一材料层的蚀刻特性的第二材料层；通过各向异性地蚀刻所述第二材料层的整个厚度和所述第一材料层的一定深度而形成开口；以及将所述第二材料层用作掩模通过各向同性蚀刻在所述第一材料层中形成倒锥形开口。
11.根据权利要求7所述的固态摄像装置的制造方法，其中，形成所述光控制膜的步骤包括以下子步骤：以宽度不同的多个开口限定所述倒锥形开口的方式形成多个层，其中，每一层都具有宽度彼此不同的一个开口。
12.根据权利要求7所述的固态摄像装置的制造方法，其中，以对于与通过滤色器分离的各个颜色成分相对应的多个像素的每一个形成开口并且所述开口根据颜色成分具有不同的倒锥角的方式，执行形成所述光控制膜的步骤。
13.一种电子设备，包括：
根据权利要求1所述的固态摄像装置；
光学系统，将入射光引导至所述固态摄像装置的光电转换部；以及
信号处理电路，处理从所述固态摄像装置输出的信号。
14.一种相机模块，包括：
根据权利要求1所述的固态摄像装置；
光学系统，将入射光引导至所述固态摄像装置的光电转换部；以及
信号处理电路，处理从所述固态摄像装置输出的信号。
15.一种固态摄像装置，包括：
光电转换部，根据所入射的光生成电荷；以及
遮光膜，在所述光电转换部的上方并且具有开口，所述开口在所述遮光膜的光入射侧的面积比另一侧的面积小。
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