CN102376726B - 固态摄像器件、其制造方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种背侧照射型固态摄像器件、其制造方法和包含该固态摄像器件的电子装置。该固态摄像器件包括：像素区域，所述像素区域中的像素布置成二维矩阵，每个所述像素具有光电转换部和多个像素晶体管；用于隔离所述像素的元件隔离区域，其设置在所述像素区域中，所述元件隔离区域包括通过外延生长设置在沟槽中的半导体层；和光接收表面，其位于半导体基板的与多层布线层相对的后表面侧。该固态摄像器件能抑制白点和暗电流的产生、抑制混色的发生以及提高灵敏度。

Description

固态摄像器件、其制造方法和电子装置
相关申请的交叉参考
本申请包含与2010年8月9日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2010-179073的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种固态摄像器件、其制造方法和诸如相机等包括固态摄像器件的电子装置。
背景技术
CMOS固态摄像器件作为固态摄像器件(图像传感器)得到了广泛普及。例如，CMOS固态摄像器件用于诸如数码相机、数码摄影机和具有相机功能的移动电话等各种个人数字助理。
CMOS固态摄像器件是由多个布置成二维矩阵的像素形成，每个像素单元都具有多个像素晶体管和用作光接收部的光电二极管。像素晶体管的数目通常是4个(即，传输晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管)，或者是上述四个晶体管中的除选择晶体管之外的其它三个晶体管。或者，多个光电二极管可共享这些像素晶体管。为了通过向这些像素晶体管施加所需脉冲电压来读出信号电流，需要通过多层布线连接像素晶体管的端子。
在背侧照射型固态摄像器件中，在半导体基板的形成有光电二极管和像素晶体管的表面上布置多层布线层，该多层布线层包含多层的布线，在所述多层布线层之间设置有至少一个层间绝缘膜，在多层布线层侧粘合支撑基板，并随后减小半导体基板的厚度。即，从半导体基板的后表面侧对半导体基板进行抛磨以获得所需的厚度。接下来，在抛磨的表面上形成滤色器和片上透镜，从而形成了背侧照射型固态摄像器件。
在背侧照射型固态摄像器件中，由于形成了光从基板的后表面侧入射到光电二极管的结构，所以增加了数值孔径(numericalaperture)，从而实现了具有高灵敏度的固态摄像器件。
此外，在固态摄像器件中，对于用于使各个像素彼此隔离的元件隔离区域，例如，存在有由杂质扩散层形成的元件隔离区域、由沟槽结构形成的元件隔离区域或由选择氧化(局部硅氧化，LOCOS)层形成的元件隔离区域。与选择氧化层相比，杂质扩散层和沟槽结构适用于精密加工处理。
对于CMOS固态摄像器件的相关文献，例如，存在有日本未审查专利申请No.2003-31785、2005-302909、2005-353955和2007-258684。日本未审查专利申请No.2003-31785公开了一种背侧照射型CMOS固态摄像器件的基本结构，在该CMOS固态摄像器件中，布线形成在半导体基板的形成有光电二极管的表面侧，且允许可见光入射到另一表面侧。日本未审查专利申请No.2005-302909公开了用作CMOS固态摄像器件的元件隔离区域的浅沟槽隔离(STI)结构。日本未审查专利申请No.2005-353955公开了如下结构：在背侧照射型CMOS固态摄像器件中，遮光层布置在后表面侧。日本未审查专利申请No.2007-258684公开了下述结构：在背侧照射型CMOS固态摄像器件中，在光接收表面上形成具有固定负电荷的膜，以便抑制界面上的暗电流的产生。对于固态摄像器件的元件隔离区域，还公开了由沟槽(其内部保持中空)形成的结构(参见日本未审查专利申请No.2004-228407)。
在背侧照射型固态摄像器件中，由于光从半导体基板的形成有光电二极管的后表面侧入射，所以光电转换多发生在后表面侧。因此，需要抑制在后表面侧邻近区域中所光电转换的电荷(例如，电子)泄漏到邻近像素而引起的混色的发生。
另外，当通过杂质扩散层(其通过从基板表面侧进行离子注入及退火处理而形成)在邻近光电二极管之间形成元件隔离区域时，由于高能离子注入的散射的原因，注入的杂质在基板后表面侧的更深位置处的横向上更多地扩散。因此，小型像素的在基板后表面附近的横向方向上的电场很弱，因此难以抑制由所光电转换的电荷泄露到邻近像素所引起的混色的发生。
因此，目前研究出下述方法：通过杂质扩散层(其是通过离子注入方法从基板的后表面注入杂质而形成)形成元件隔离区域，随后进行激光退火等方法来激活硅的最外层表面，以便不对先前形成的多层布线产生损伤。然而，无法轻易地同时实现杂质热扩散的抑制和离子注入所引起的晶体缺陷的恢复。
此外，还研究出了另外一种方法，在该方法中，通过形成在基板后表面中的沟槽来形成用于物理隔离各个像素的元件隔离区域，以便抑制电荷泄露到邻近像素中。然而，如同上述情形，由于不能对先前形成的多层布线进行加热，所以难以消除由于沟槽的形成而导致产生白点和暗电流的起因。也就是说，存在的问题在于p型杂质层没有将沟槽的内壁置于空穴钉扎状态，不能通过退火等方法恢复上述缺陷。
此外，电荷泄露到邻近像素导致灵敏度下降。
鉴于上述问题，期望提供一种能抑制白点和暗电流的产生、抑制混色的发生并提高灵敏度的固态摄像器件及其制造方法。
此外，还期望提供一种诸如相机等包括上述固态摄像器件的电子装置。
发明内容
本发明的实施例提供了一种固态摄像器件，所述固态摄像器件包括：像素区域，所述像素区域中的像素布置成二维矩阵，每个所述像素具有光电转换部和多个像素晶体管；和用于隔离所述像素的元件隔离区域，其设置在所述像素区域中，所述元件隔离区域包括通过外延生长设置在沟槽中的半导体层。另外，所述固态摄像器件形成为其光接收表面设置在半导体基板的与多层布线层相对的后表面侧的背侧照射型固态摄像器件。
在上述固态摄像器件中，通过外延生长在沟槽中填充半导体层以形成元件隔离区域。由于其是由外延生长层形成，所以半导体层没有离子注入所引起的注入缺陷，从而用作具有与信号电荷反性的电荷的钉扎层。不同于离子注入的情况，由于通过外延生长层形成半导体层，所以即使在基板的较深位置处也不存在在横向上扩散的杂质，基板的后表面的电场强度能够保持为高，并能够增强元件隔离区域的隔离能力。
本发明的一个实施例提供了一种固态摄像器件的制造方法，所述制造方法包括：从半导体基板的表面形成具有预定深度的沟槽；通过外延生长在所述沟槽中填充半导体层来形成元件隔离区域；通过在所述半导体基板中形成像素来形成像素区域，所述像素区域中的由所述元件隔离区域隔离的所述像素布置成二维矩阵，每个所述像素具有光电转换部和多个像素晶体管；在所述半导体基板的所述表面上形成多层布线层，在所述多层布线层中布置有多层布线，在所述多层布线层之间设置有至少一个层间绝缘膜；在所述多层布线层上粘合支撑基板；和减小所述半导体基板的厚度，使得所述元件隔离区域暴露于所述半导体基板的后表面，且所述半导体基板的所述后表面用作光接收表面。
在本发明实施例的固态摄像器件的制造方法中，包括下述步骤：通过利用外延生长在沟槽中填充半导体层来形成元件隔离区域；和减小半导体基板的厚度，使得元件隔离区域暴露于半导体基板的后表面，且半导体基板的后表面用作光接收表面。通过上述步骤，沟槽中的半导体层具有与上述信号电荷反极性的电荷的钉扎功能，从而能够形成具有高隔离能力的元件隔离区域。
本发明的一个实施例提供了一种电子装置，所述电子装置包括：固态摄像器件；光学系统，其将入射光引导至所述固态摄像器件的光电转换部；和信号处理电路，其处理所述固态摄像器件的输出信号。所述固态摄像器件可以是上述实施例的固态摄像器件。
在上述电子装置中，由于使用本发明实施例的固态摄像器件，所以在固态摄像器件的元件隔离区域中，能够获得与信号电荷反极性的电荷的钉扎功能和高的元件隔离能力。
在本发明实施例的固态摄像器件中，由于通过外延生长形成在沟槽中的半导体层用作钉扎层，所以能够抑制元件隔离区域中白点和暗电流的产生。由于增强了元件隔离区域的隔离能力，所以能够防止经过光电转换的电荷泄露到邻近像素中，抑制混色的产生并提高灵敏度。
通过本发明实施例的固态摄像器件的制造方法，能够制造抑制白点和暗电流产生、抑制混色产生并提高灵敏度的固态摄像器件。
由于本发明实施例的电子装置包括本发明实施例的固态摄像器件，所以能够提供诸如高精度相机等可抑制白点和暗电流产生、抑制混色产生并提高灵敏度的电子装置。
附图说明
图1是表示应用到本发明的各个实施例的固态摄像器件的一个示例的示意结构图；
图2是表示本发明的第一实施例的固态摄像器件的示意结构图；
图3A～图3C均是表示第一实施例的固态摄像器件的制造方法的一个示例的剖面图(部分1)；
图4A～图4C均是表示第一实施例的固态摄像器件的制造方法的一个示例的剖面图(部分2)；
图5A～图5B均是表示第一实施例的固态摄像器件的制造方法的一个示例的剖面图(部分3)；
图6是表示第一实施例的固态摄像器件的制造方法的一个示例的剖面图(部分4)；
图7A和图7B均是表示一个通过外延生长在沟槽中形成具有空洞的p型半导体层的示例的剖面图；
图8是表示本发明实施例的元件隔离区域的形成方法的示意剖面图；
图9A是表示本发明第二实施例的固态摄像器件的重要部分的示意结构图；
图9B是图9A所示的元件隔离区域的放大剖面图；
图10A是表示本发明第三实施例的固态摄像器件的重要部分的示意结构图；
图10B是图10A所示的元件隔离区域的放大剖面图；
图11A是表示本发明第四实施例的固态摄像器件的重要部分的示意结构图；
图11B是图11A所示的元件隔离区域的放大剖面图；
图12A是表示本发明第五实施例的固态摄像器件的重要部分的示意结构图；
图12B是图12A所示的元件隔离区域的放大剖面图；
图13是表示本发明第六实施例的固态摄像器件的重要部分的示意结构图；
图14是表示本发明第七实施例的电子装置的示意结构图。
具体实施方式
在下文中，将说明用于实施本发明的方式(这些实施方式均称为“实施例”)。以下述顺序进行说明。
1.CMOS固态摄像器件的示意结构示例
2.第一实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
3.第二实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
4.第三实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
5.第四实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
6.第五实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
7.第六实施例(固态摄像器件的结构示例及其制造方法的示例)
8.第七实施例(电子装置的结构示例)
1.CMOS固态摄像器件的示意结构示例
图1是表示应用到本发明各个实施例的MOS固态摄像器件的一个示例的示意结构图。如图1所示，本实施例的固态摄像器件1包括像素区域(所谓的摄像区域)3和外围电路部，像素区域3中的多个均具有光电转换部的像素2在诸如硅基板等半导体基板11中规则地布置成二维矩阵。可将具有一个光电转换部和多个像素晶体管的单元像素可用作像素2。此外，也可将所谓的多个光电转换部共享除传输晶体管之外的像素晶体管的共享像素结构(即，多个光电转换区域共享浮动扩散部和放大晶体管的像素结构)用作像素2。像素晶体管的数目可以是4(传输晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管)，也可以使用上述四个晶体管中的除选择晶体管之外的其它三个晶体管。
外围电路部包括诸如垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8等所谓的逻辑电路。
控制电路8接收输入时钟和用于指示操作模式等的数据，并输出固态摄像器件的内部信息等数据。也就是说，在控制电路8中，例如，基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生时钟信号和控制信号，垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6基于所产生的时钟信号和控制信号进行操作。此外，例如，将这些信号输入到垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6。
例如，垂直驱动电路4是由移位寄存器形成，其选择像素驱动布线、向所选择的信号驱动布线提供用于驱动像素的脉冲，并以行为单位驱动像素。也就是说，垂直驱动电路4在垂直方向上以行为单元顺序选择性地扫描像素区域3中的各个像素2。此外，垂直驱动电路4通过对应的垂直信号线9向列信号处理电路5提供基于信号电荷的像素信号，该信号电荷是根据各个像素2中的诸如光电二极管等光电转换元件所接收的光量而产生。
例如，像素2的各列均布置有列信号处理电路5，所有像素列上的列信号处理电路5对一行像素2所输出的信号进行诸如噪声移除等信号处理。也就是说，列信号处理电路5进行诸如CDS(用于移除像素2特有的固定模式噪声(fixedpatternnoise))、信号放大和AD转换等信号处理。在列信号处理电路5的输出级与水平信号线10之间连接有水平选择开关(未图示)。
例如，水平驱动电路6是由移位寄存器形成，其通过顺序输出水平扫描脉冲来顺序选择各个列信号处理电路5，并使各个列信号处理电路5向水平信号线10输出像素信号。
输出电路7对列信号处理电路5通过水平信号线10所顺序提供的信号进行信号处理，并输出所处理的信号。例如，输出电路7可仅进行缓冲，或可进行黑电平调节(black-leveladjustment)、列变化校正、以及各种数字信号处理等。输入/输出端子12与外界交换信号。
2.第一实施例
固态摄像器件的结构示例
图2表示本发明第一实施例的固态摄像器件(背侧照射型CMOS固态摄像器件)。第一实施例的固态摄像器件21具有位于减小厚度的硅半导体基板22中的像素区域，在该像素区域中，多个均具有光电二极管PD(用作光电转换部)和多个像素晶体管的单元像素规则地布置成二维矩阵。在半导体基板22的厚度方向上的整个区域中，光电二极管PD是由第一导电类型(本实施例中，为n型)的电荷存储区域23(其具有光电转换功能和电荷存储功能)和第二导电类型(本实施例中，为p型)的半导体区域25和24(其用于抑制暗电流在前表面和后表面这两个界面上产生)形成。形成的光电二极管PD在像素晶体管下方延伸。像素晶体管形成在p型半导体阱区域26中，p型半导体阱区域26形成在半导体基板22的表面22a侧。在附图中，传输晶体管Tr1代表性地表示像素晶体管。传输晶体管Tr1是由作为源极的光电二极管PD、由n型半导体区域形成的且作为漏极的浮动扩散部FD和形成在栅极介电膜27上的传输栅电极28形成，栅极介电膜27设置在半导体基板22上。
在半导体基板22的表面侧形成多层布线层33，多层布线层33中布置有多层布线32，在多层布线层33之间设置至少一个层间绝缘膜31，支撑基板35粘合到多层布线层33。布线32的布置并没有具体限制，其也可形成在光电二极管PD上。半导体基板22的与多层布线层33相对的后表面22b用作光接收表面，在基板的后表面22b上形成诸如抗反射膜(未图示)等绝缘膜、和用于防止光入射到邻近像素的遮光层(未图示)等。此外，还形成有滤色器36和片上透镜37。通过片上透镜37来自半导体基板22的后表面22b侧的光照射光电二极管PD。
此外，在本实施例中，在半导体基板22中形成沟槽42，通过外延生长在沟槽42中填充半导体层43，从而形成用于使像素彼此隔离的元件隔离区域41。半导体层43是由与光电二极管PD的n型电荷存储区域23具有相反导电类型的p型半导体层形成。通过外延生长形成的半导体层43并不完全填充沟槽，使得在半导体层中具有空洞44，空洞44在深度方向上延伸，并在减小半导体基板22的厚度时暴露于后表面。
如稍后说明的制造方法所示，在通过外延生长在沟槽42中形成p型半导体层43以形成元件隔离区域41，并通过退火来激活p型半导体层43及恢复沟槽42的界面所导致的损伤之后，形成了像素和多层布线层33。
优选地，光电二极管PD的n型电荷存储区域23具有如下浓度分布，即，杂质浓度在半导体基板22的表面22a侧为高，并从表面22a侧到后表面22b侧逐渐降低。当获得上述浓度分布时，在后表面22b的邻近区域中所光电转换的电荷可向表面22a侧移动。
根据第一实施例的固态摄像器件21，通过外延生长在沟槽42中填充p型半导体层43，从而形成元件隔离区域41。通过外延生长形成的p型半导体层43不具有由离子注入引起的注入缺陷，从而能够用作空穴钉扎层(holepinninglayer)。此外，由于在形成多层布线层之前通过退火处理来处理沟槽42，所以恢复了对沟槽42的蚀刻损伤。如上所述，在元件隔离区域41中，由于沟槽42不具有蚀刻损伤，且p型半导体层43形成为钉扎层，所以能够在不对布线32产生任何热的不利影响的情况下抑制了白点和暗电流在元件隔离区域41的界面处的产生。此外，与离子注入的情况不同的是，由于p型半导体层43是通过外延生长形成，p型半导体层43即使在基板侧的深度位置处也不在横向方向上扩散，从而维持了均匀的杂质浓度，后表面22b的邻近区域中的电场强度能够保持为高。由此，能够增强元件隔离区域41的隔离能力，防止光电转换的电荷泄漏到邻近像素中，并抑制混色的产生。
此外，在元件隔离区域41中，由于空洞44在深度方向上延伸并暴露于后表面22b，邻近的像素通过该空洞44彼此物理隔离。因此，能够基本上防止光电二极管PD中的电荷泄露到邻近的像素中。由于抑制了电荷在后表面22b侧泄漏到邻近像素中，所以能够抑制混色的产生，从而能够提高灵敏度。
由于在元件隔离区域41中形成空洞44，即使倾斜的入射光入射到该空洞44上，入射光也会由于折射率的差异而在空洞44和p型半导体层43之间的界面处受到反射。由于通过该反射防止了光泄露到邻近像素中，所以在邻近像素中不会进行光电转换，从而能够抑制混色的产生。此外，由于入射光在空洞44和p型半导体层43之间的界面上受到反射，并进入相应的光电二极管PD，所以能够提高灵敏度。
在光电二极管PD的n型电荷存储区域23中，当形成上述杂质浓度分布(即，杂质浓度从后表面侧到前表面侧逐渐增加)时，在后表面邻近区域中所光电转换的电荷沿着该杂质浓度分布移动到前表面侧，并被存储。因此，当读出该电荷时，能够提高电荷传输到浮动扩散部FD的效率。
根据本实施例，能够提供一种如下背侧照射型固态摄像器件，即，该背侧照射型固态摄像器件抑制了混色的产生，并能够获得具有大动态范围的高灵敏度、高质量图像。
固态摄像器件的制造方法的示例
将参考图3A～图6说明第一实施例的固态摄像器件21的制造方法的一个示例。在此示例中，如图3A所示，首先制备p型硅半导体基板22。
接下来，如图3B所示，通过表面22a侧将n型杂质51离子注入到半导体基板22中，随后以预定温度进行退火处理，由此形成n型半导体区域52，n型半导体区域52用作随后形成的光电二极管的电荷存储区域。优选地，通过下述方式形成n型半导体区52：通过改变注入能量和剂量来多次进行离子注入，并通过退火处理获得如下杂质浓度分布，即，杂质浓度从表面22a开始在深度方向上逐渐减小。n型半导体区52形成在与像素区相对应的区域中。优选地，n型半导体区52形成为比半导体基板22的在后续步骤中减少后的厚度更深，即，比随后形成有光电二极管的活性层61的深度d1更深。
接下来，如图3C所示，在半导体基板22中形成沟槽42，沟槽42从表面22a起的深度比随后形成有光电二极管的活性层61的深度d1更深。沟槽42形成在与元件隔离区域相对应的位置处。
接下来，如图4A所示，通过外延生长在沟槽42中填充高浓度p型半导体层43，从而形成元件隔离区域41。通过外延生长p型半导体层43，在p型半导体层43中形成在深度方向上延伸的空洞44。
为了通过外延生长在沟槽42中填充具有空洞44的p型半导体层43，可使用下列方法。例如，如图7A所示，在通过各向异性蚀刻(干式蚀刻)形成沟槽42A(由点划线表示)之后，在表面22a上形成由氧化硅膜54和氮化硅膜55构成的层叠绝缘膜56，使用层叠绝缘膜56作为掩膜对沟槽42A进行各向同性蚀刻。通过该各向同性蚀刻，形成在各上部边缘处具有倾斜壁部53的沟槽42B。接下来，如图7B所示，当从沟槽42B的内侧表面开始进行外延生长时，倾斜壁部53闭合，从而使用具有在深度方向延伸的空洞44的p型半导体层43填充沟槽42B。
作为另一种方法，通过示例的方式说明用于在内部形成空洞44的外延生长的条件。
基板温度：750℃～850℃
腔室压力：10～760Torr
SiH2Cl2(DCS)的流动速率：10～100sccm
HCl的流动速率：10～300sccm
H2的流动速率：10～50slm
B2H6(100ppm/H2)的流动速率：0.01～10sccm
接下来，例如，进行约800℃的退火处理，以激活填充在沟槽42中的p型半导体层43，并对沟槽界面进行晶体恢复。也可以通过随后步骤中所进行的加热处理来进行该退火处理。如图8所示，通过该退火处理，所填充的p型半导体层43的p型杂质扩散到基板22侧，p型半导体层43基本上覆盖沟槽界面，从而消除了蚀刻损伤对沟槽42的影响。
接下来，如图4B所示，在n型半导体区域52的如下部分中形成p型半导体阱区域26，即，该部分位于与元件隔离区域41所隔离的各个像素相对应的表面侧处。在n型电荷存储区域23的表面中形成p型半导体区域25，从而形成光电二极管PD，n型电荷存储区域23用作光电转换部和电荷存储部，其是由各个像素的n型半导体区域52形成。p型半导体区域25还用作用于抑制暗电流的累积层。此外，在p型半导体阱区域26中，通过n型半导体区域形成浮动扩散部FD，在栅极介电膜27上形成传输栅电极28，从而形成传输晶体管Tr1。当形成传输晶体管Tr1时，同时在p型半导体阱区域26的其它部分中形成诸如复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr4等均具有一对源极/漏极区域和栅电极的其它像素晶体管。如上所述，形成以二维矩阵形式布置有像素的像素区域。此外，在像素区域的外围形成由CMOS晶体管组成的外围电路部(未图示)。
接下来，如图4C所示，在半导体基板22的表面上形成多层布线层33，在多层布线层33中布置有多层布线32，在多层布线层33之间设置有至少一个层间绝缘膜31。
接下来，如图5A所示，在多层布线层33上粘合例如由硅基板形成的支撑基板35。
接下来，如图5B所示，通过从半导体基板22的后表面侧抛磨半导体基板22来减小半导体基板22的厚度，从而获得具有厚度d1的活性层61。也就是说，半导体基板22的厚度减小到活性层61的位置，使得元件隔离区域41的空洞44暴露于半导体基板22的后表面22b。
接下来，如图6所示，减小厚度的半导体基板22的后表面22b形成为光接收表面，形成光电二极管PD的p型半导体区域24形成在后表面22b(其用作光电二极管PD的n型电荷存储区域23的光接收表面)中。p型半导体区域24还用作抑制暗电流的累积层。隔着诸如抗反射膜等绝缘膜62在后表面22b上方的进行遮光的位置处(即，在图中，与元件隔离区域41相对应的位置)形成遮光层63。此外，在设置在半导体基板22上的平坦化膜64上形成滤色器36和片上透镜37，从而获得所期望的固态摄像器件21。
本实施例的固态摄像器件的制造方法包括通过外延生长在沟槽42中填充p型半导体层43，从而形成元件隔离区域41。由于通过外延生长填充p型半导体层43，所以不会产生离子注入缺陷，因此形成的p型半导体层43是优良的空穴钉扎层。从而，能够制造如下背侧照射型固态摄像器件21，即，该背侧照射型固态摄像器件21能够抑制白点和暗电流的产生、抑制混色产生并提高灵敏度。
由于p型半导体层43通过外延生长形成为其内部具有空洞44，所以即使倾斜的入射光入射到p型半导体层43上，由于p型半导体层43和空洞44之间的折射率差异的原因，入射光而在该p型半导体层43和空洞44之间界面处受到反射。因此，能够防止入射光泄露到邻近像素中，能够抑制混色的产生。由于减小了半导体基板22的厚度，使得空洞44暴露于后表面22b，所以能够进一步抑制混色的产生。
在沟槽42中形成p型半导体层43时，由于能够形成空洞44，所以能够通过使用代替自下而上方向上生长的横向方向上的生长来进行外延生长，基本上能够降低外延生长所需的时间。由于空洞44暴露于后表面22b，所以能够进一步防止由空洞44的深度和尺寸的变化以及下侧的p型杂质浓度的变化所导致的隔离性能的变化。此外，当空洞44在后表面22b侧暴露时，能够通过测量空洞44的线宽来检测空洞44的形成度(degreeofformation)。
由于通过对半导体基板22进行表面处理来形成沟槽42，并通过后表面处理来暴露空洞44，所以能够抑制元件隔离区域41与后表面22b上的诸如片上透镜等聚光结构之间的刻蚀未对准(lithographicmisalignment)。由于通过硅的p型半导体层43的外延生长回填沟槽42，所以即使向该沟槽42应用热循环，也不会产生任何内部应力，从而不会产生由于应力集中到沟槽42的角部而导致的晶体缺陷。
3.第二实施例
固态摄像器件的结构示例
图9A和图9B表示本发明第二实施例的固态摄像器件(背侧照射型CMOS固态摄像器件)。在第二实施例的固态摄像器件67中，以如下方式形成用于隔离像素的元件隔离区域68：通过外延生长在沟槽42中设置p型半导体层43，并在p型半导体层43内部的空洞44中填充绝缘膜69。通过填充绝缘膜69使得内部没有形成空洞。如图9A所示，绝缘膜69能够形成在空洞44中，同时能够形成在表面22a的包含光电二极管PD的整个表面上方。或者，如图9B所示，绝缘膜69也能够仅形成在空洞44中。
能够将诸如氧化硅膜或氮化硅膜等绝缘膜用作绝缘膜69。此外，也能够将具有固定负电荷的绝缘膜用作绝缘膜69。对于具有固定负电荷的绝缘膜，例如，可使用由下述材料制成的膜：二氧化铪(HfO2)、三氧化二铝(Al2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、三氧化二镧(La2O3)或三氧化二钇(Y2O3)。此外，对于具有固定负电荷的绝缘膜，例如，还可使用由下述金属制成的氧化膜：Zn、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti等。对于具有固定负电荷的绝缘膜的形成方法，例如，可使用原子层沉积(atomiclayerdeposition，ALD)法或金属有机化学气相淀积(metal-organicchemicalvapordeposition，MOCVD)法。当使用具有固定负电荷的绝缘膜时，可使用一种膜或包含多种膜的层叠体。例如，可使用包含两种膜的层叠体作为具有固定负电荷的绝缘膜。
由于图9A和图9B中所示的其他结构与第一实施例中的结构类似，所以使用相同的附图标记表示与图2所示的元件相对应的元件，并省略重复说明。
在第二实施例的固态摄像器件67的制造方法的一个示例中，在图5B所示的减小半导体基板的厚度的步骤之后，通过形成绝缘膜69来填充暴露于后表面的空洞44的内部。包括减少半导体基板的厚度的步骤及其先前步骤的过程以及在通过形成绝缘膜69来填充空洞44内部的步骤之后所进行的过程均与上述第一实施例的固态摄像器件的制造方法中的这些过程(见图3A～图5B及图6)类似。
根据第二实施例的固态摄像器件67，具有空洞44的p型半导体层43形成在沟槽42中，并在空洞44中进一步填充绝缘膜69，从而形成元件隔离区域68。由于绝缘膜69填充在空洞44中，所以进一步使邻近像素彼此电绝缘，由此能够抑制所光电转换的电荷泄露到邻近像素中。此外，由于填充的绝缘膜69与p型半导体层43具有不同的折射率，所以即使倾斜的入射光入射到绝缘膜69，入射光也不会在穿过元件隔离区域68之后在邻近像素中进行光电转换。也就是说，倾斜的入射光在硅和绝缘膜之间的界面处受到反射，不会从像素向外侧泄露，因此不会产生混色。
当将具有固定负电荷的绝缘膜用作绝缘膜69时，能够通过元件隔离区域68的p型半导体层43来增强空穴钉扎状态。此外，如图9A所示，当具有固定负电荷的绝缘膜形成为延伸到光电二极管PD的光接收表面上时，能够增强光电二极管PD和p型半导体区域24的绝缘膜之间的界面处的空穴钉扎状态。因此，能够进一步抑制白点和暗电流的产生。
此外，在第二实施例的固态摄像器件67及其制造方法中，也能够获得与第一实施例类似的效果。
4.第三实施例
固态摄像器件的结构示例
图10A和图10B表示本发明第三实施例的固态摄像器件(背侧照射型CMOS固态摄像器件)。以如下方式形成第三实施例的固态摄像器件71：用于隔离像素的元件隔离区域72具有通过外延生长设置在沟槽42中的p型半导体层43，且隔着绝缘膜69在p型半导体层43内部的沟槽42中填充遮光层73。在上述情况下，可将氧化硅膜、氮化硅膜或具有固定负电荷的膜用作绝缘膜69。当使用具有固定负电荷的绝缘膜时，可使用一种膜或包含多种膜的层叠体。例如，该层叠膜可由两种膜形成。如图10A所示，绝缘膜69能够形成在空洞44的内部，同时能够形成为在基板22的表面处的包含光电二极管PD的整个表面上方延伸。或者，如图10B所示，绝缘膜69也能够仅形成在空洞44中。
能够将金属膜用作遮光层73。此外，在第三实施例中，由于遮光层73设置在元件隔离区域72中，可省略图6所示的位于基板后表面上方的遮光层63。
由于图10A和图10B所示的其他结构与第一实施例中的结构类似，所以使用相同的附图标记表示与图2所示的元件相对应的元件，并省略重复说明。
在第三实施例的固态摄像器件71的制造方法的一个示例中，在图5B所示的减少半导体基板的厚度的步骤之后，通过形成绝缘膜69和遮光层73来填充暴露于后表面的空洞44的内侧。包括减少半导体基板22的厚度的步骤及其先前步骤的过程以及通过形成绝缘膜69和遮光层73来填充空洞44内部之后所进行的过程均与上述第一实施例的固态摄像器件的制造方法中的这些过程(见图3A～5B及图6)类似。另外，还省略了遮光层的形成。
根据第三实施例的固态摄像器件，具有空洞44的p型半导体层43形成在沟槽42中，并隔着绝缘膜69在空洞44中进一步填充遮光层73，从而形成元件隔离区域72。由于遮光层73形成为元件隔离区域72的中心核，所以通过遮光层73进一步防止电荷泄露到邻近像素中，或者通过遮光层73处的反射，防止了倾斜的入射光进入邻近像素。由此，由于进一步增强了元件隔离区域72的隔离能力，所以能够抑制混色的产生，能够提高灵敏度。
同时，通过p型半导体层，能够抑制元件隔离区域72中白点和暗电流的产生。
如同第二实施例的情况，当将具有固定负电荷的绝缘膜用作绝缘膜69时，能够进一步增强空穴钉扎状态，并能够进一步抑制白点和暗电流的产生。
此外，在第三实施例的固态摄像器件及其制造方法中，也能够获得与第一实施例类似的效果。
5.第四实施例
固态摄像器件的结构示例
图11A和图11B表示本发明第四实施例的固态摄像器件(背侧照射CMOS固态摄像器件)。以如下方式形成第四实施例的固态摄像器件75：用于隔离像素的元件隔离区域76具有通过外延生长设置在沟槽42中的p型半导体层43，并在p型半导体层43的空洞44中填充遮光层73。金属膜可用作该遮光层73。
由于图11A和图11B所示的其他结构与第一实施例中的结构类似，使用相同的附图标记表示与图2所示的元件相对应的元件，并省略重复说明。
在第四实施例的固态摄像器件75的制造方法的一个示例中，在图5B所示的减少半导体基板的厚度的步骤之后，通过形成遮光层73来填充暴露于后表面的空洞44的内部。包括减少半导体基板的厚度的步骤及其先前步骤的过程以及在通过形成遮光层73来填充空洞44内部的步骤之后所进行的过程均与上述第一实施例的固态摄像器件的制造方法中的这些过程(见图3A～5B及图6)类似。
根据第四实施例的固态摄像器件75，具有空洞44的p型半导体层43形成在沟槽42中，并在空洞44中进一步填充遮光层73，从而形成元件隔离区域68。通过遮光层73进一步防止电荷泄露到邻近像素中。或通过遮光层73处的反射，防止倾斜的入射光进入到邻近像素。由此，由于进一步增强了元件隔离区域76的隔离能力，所以能够抑制混色的产生，能够提高灵敏度。
同时，通过p型半导体层43，能够抑制元件隔离区域76中白点和暗电流的产生。
此外，在第四实施例的固态摄像器件及其制造方法中，也能够获得与第一实施例类似的效果。
6.第五实施例
固态摄像器件的结构示例
图12A和图12B表示本发明第五实施例的固态摄像器件(背侧照射型CMOS固态摄像器件)。以如下方式形成第五实施例的固态摄像器件77：用于隔离像素的元件隔离区域78具有通过外延生长设置在沟槽42中的p型半导体层43，并在p型半导体层43内部形成空洞44。此时，形成的空洞44被限定在p型半导体层43中，且在减小半导体基板22厚度时不暴露于后表面22b。
由于图12A和图12B所示的其他结构与第一实施例中的结构类似，所以使用相同的附图标记表示与图2所示的元件相对应的元件，并省略重复说明。
在第五实施例的固态摄像器件77的制造方法的一个示例中，在图5B所示的减小半导体基板的厚度的步骤中，在不使空洞44暴露于后表面的位置处停止减小半导体基板的厚度。减小半导体基板的厚度之前的步骤与图3A～5A所示的步骤相同，在半导体基板的厚度减小至不暴露空洞44之后所进行的步骤与图6所示的步骤相同。
根据第五实施例的固态摄像器件77，具有空洞44的p型半导体层43形成在沟槽42中，且元件隔离区域78形成为使得将空洞44限定在元件隔离区域78中而不被暴露。如同第一实施例，在上述元件隔离区域78中，能够通过空洞44使邻近像素彼此物理隔离。由此，由于防止了电荷泄露到邻近像素中，并进一步增强了元件隔离区域78的隔离能力，所以能够抑制混色的产生，能够提高灵敏度。
同时，通过p型半导体层43，能够抑制元件隔离区域78中白点和暗电流的产生。
此外，在第五实施例的固态摄像器件及其制造方法中，也能够获得与第一实施例类似的效果。
7.第六实施例
固态摄像器件的结构示例
图13表示本发明第六实施例的固态摄像器件(背侧照射型CMOS固态摄像器件)。本实施例涉及所谓的像素共享型固态摄像器件，在该像素共享型固态摄像器件中，多个光电二极管共享除传输晶体管之外的像素晶体管。在本实施例中，将说明4像素共享型固态摄像器件。
在第六实施例的固态摄像器件80中，4个像素(一行上的两个像素和另一行上的两个像素)的光电二极管PD(PD1～PD4)形成单个共享单元(所谓的4像素共享单元)，而且多个共享单元布置成二维阵列形式，从而形成像素区域。在单个共享单元中，四个光电二极管PD(PD1～PD4)共享一个浮动扩散部FD。此外，像素晶体管包括复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3、选择晶体管Tr4和四个传输晶体管Tr1(Tr11～Tr14)，在像素晶体管中，晶体管Tr2～Tr4被共享。由于4像素共享结构的等效电路是众所周知的，所以省略其说明。
浮动扩散部FD布置在四个光电二极管PD1～PD4之间的中心处。传输晶体管Tr11～Tr14具有公共浮动扩散部FD和各自的传输栅电极81(811～814)，传输栅电极81(811～814)布置在浮动扩散部FD和各自的光电二极管PD之间。
四个像素所共享的复位晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管Tr4形成在晶体管形成区域，该晶体管形成区域位于形成有光电二极管PD1～PD4的所谓的光电二极管形成区域的下方。
复位晶体管Tr2是由一对源极/漏极区82和83以及复位栅电极86形成。放大晶体管Tr3是由一对源极/漏极区83和84以及放大栅电极87形成。选择晶体管Tr4是由一对源极/漏极区84和85以及选择栅电极88形成。公共浮动扩散部FD通过布线(未图示)连接到复位晶体管Tr2的一个源极/漏极区82和放大晶体管Tr3的放大栅电极87。
光电二极管PD1～PD4与共享像素晶体管Tr2～Tr4周围的元件隔离区域89是由第一至第四实施例中所述的元件隔离区域41、68、72和76中的一个元件隔离区域形成。
可将第一至第四实施例中所述的制造方法中的一个制造方法用作第六实施例的固态摄像器件80的制造方法的一个示例。
根据第六实施例的4像素共享型固态摄像器件80，在背侧照射型器件中，由于元件隔离区域89是由元件隔离区域41、68、72、76和77中的一个元件隔离区域形成，所以能够抑制白点和暗电流的产生，抑制混色的产生，并提高灵敏度。此外，也可获得与第一至第四实施例类似的效果。
尽管上述各个实施例的固态摄像器件形成为将电子用作信号电荷、将n型导电类型用作第一导电类型以及将p型导电类型用作第二导电类型，但本发明也可以应用到将空穴用作信号电荷的固态摄像器件。在这种情况下，将n型导电类型用作第二导电类型，将p型导电类型用作第一导电类型。
8.第七实施例
电子装置的结构示例
本发明的任一实施例的固态摄像器件均适用于包括诸如数码相机或数码摄像机等照相系统、具有摄像功能的蜂窝式电话和具有摄像功能的其它装置的电子装置。
图14示出了作为本发明第七实施例的电子装置的一个示例的相机。例如，本实施例的相机是能够摄取静态图像或动态图像的摄像机。本实施例的相机91包括固态摄像器件92、将入射光引导至固态摄像器件92的光接收传感器部的光学系统93、快门器件94、用于驱动固态摄像器件92的驱动电路95和用于处理固态摄像器件92的输出信号的信号处理电路96。
将上述实施例的固态摄像器件中的一个固态摄像器件应用到固态摄像器件92。光学系统(光学透镜)93能够使来自物体的图像光(入射光)在固态摄像器件92的成像表面上形成图像。由此，在一定时段内将信号电荷存储在固态摄像器件92中。光学系统93可以是具有多个光学透镜的光学透镜系统。快门器件94控制固态摄像器件92的光照射时间和遮光时间。驱动电路95提供驱动信号，所提供的驱动信号用于控制固态摄像器件92的传输操作和控制快门器件94的快门操作。通过驱动电路95所供应的驱动信号(时序信号)，固态摄像器件92进行信号传输。信号处理电路96进行各种信号处理。由上述信号处理所处理的图像信号存储在诸如存储器等存储媒体中，或输出到监视器。
根据第七实施例的电子装置，在背侧照射型固态摄像器件92中，能够抑制白点和暗电流的产生，抑制混色的产生，并提高灵敏度。根据本实施例，能够提供抑制混色产生并获得具有较大的动态范围的高灵敏度、高质量图像的电子装置。例如，本实施例能够提供具有改善图像质量的相机。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims (9)

1.一种具有背侧照射型结构的固态摄像器件，其包括：
像素区域，所述像素区域中的像素布置成二维矩阵，每个所述像素具有光电转换部和多个像素晶体管；
元件隔离区域，其设置在所述像素区域中，并用于隔离所述像素，所述元件隔离区域包括通过外延生长设置在沟槽中的半导体层；和
光接收表面，其位于半导体基板的与多层布线层相对的后表面侧，
其中，在所述半导体层中具有空洞，所述空洞暴露于所述半导体基板的后表面，暴露于所述半导体基板的所述后表面的所述空洞填充有绝缘膜或遮光层，或者隔着绝缘膜填充有遮光层。
2.如权利要求1所述的固态摄像器件，其中，所述元件隔离区域中的所述半导体层的导电类型与形成所述光电转换部的电荷存储区域的导电类型相反。
3.如权利要求1所述的固态摄像器件，其中，所述绝缘膜是具有固定负电荷的膜。
4.一种固态摄像器件的制造方法，其包括：
从半导体基板的表面形成具有预定深度的沟槽；
通过外延生长在所述沟槽中填充半导体层，以形成元件隔离区域；
在所述半导体基板中形成像素，以形成像素区域，所述像素区域中的由所述元件隔离区域隔离的所述像素布置成二维矩阵，每个所述像素具有光电转换部和多个像素晶体管；
在所述半导体基板的所述表面上形成多层布线层，在所述多层布线层中布置有多层布线，在所述多层布线层之间设置有至少一个层间绝缘膜；
在所述多层布线层上粘合支撑基板；和
减小所述半导体基板的厚度，使得所述元件隔离区域暴露于所述半导体基板的后表面，且所述半导体基板的所述后表面用作光接收表面，
其中，在所述半导体层中具有空洞，在减小所述半导体基板的所述厚度之后，在所述空洞中填充绝缘膜或遮光层，或者隔着绝缘膜在所述空洞中填充遮光层。
5.如权利要求4所述的固态摄像器件的制造方法，其中，所述元件隔离区域中的所述半导体层的导电类型与形成所述光电转换部的电荷存储区域的导电类型相反。
6.如权利要求5所述的固态摄像器件的制造方法，其中，所述沟槽形成为比形成有所述光电转换部的活性层的深度更深，在减小所述半导体基板的厚度时，厚度的减小进行到所述活性层的使所述空洞暴露于所述半导体基板的所述后表面的位置。
7.如权利要求4所述的固态摄像器件的制造方法，其中，使用具有固定负电荷的膜形成所述绝缘膜。
8.如权利要求4-6中任一权利要求所述的固态摄像器件的制造方法，其还包括：在形成所述元件隔离区域之后，紧接着以预定温度进行退火。
9.一种电子装置，其包括：
固态摄像器件；
光学系统，其将入射光引导至所述固态摄像器件的光电转换部；和
信号处理电路，其处理所述固态摄像器件的输出信号，
其中，所述固态摄像器件是权利要求1-3中任一权利要求所述的固态摄像器件。
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