CN102396066A - 固态摄像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固态摄像设备，在该固态摄像设备中，进行光电转换的传感器部和包括传感器部用的信号线的多层布线形成于半导体基板；该固态摄像设备包括有效像素部和光学黑体部，有效像素部被构造成使得光入射到传感器部，光学黑体部被遮挡使得光不入射到传感器部；该固态摄像设备具有位于半导体基板的背面侧的受光面。光学黑体部包括传感器部、第一遮光膜和第二遮光膜，第一遮光膜形成为比传感器部接近半导体基板的背面侧，第二遮光膜形成为比传感器部接近半导体基板的正面侧。

Description

固态摄像设备
技术领域
本发明涉及一种固态摄像设备(solid-state image sensingapparatus)的结构。
背景技术
日本特开2007-305675号公报公开了一种用于减少红外光施加于光学黑体部(以下称为OB部)的影响的技术。此外，日本特开2008-016733号公报公开了一种用于防止从背面入射型固态摄像设备中的半导体基板的正面侧入射到有效像素部的光的不利影响的技术。
尽管可以由遮光膜来遮挡红外光，但是红外光比可见光难以吸收从而红外光具有比可见光的穿透距离(penetrationdistance)长的穿透距离。因此，倾斜地入射到受光面的有效像素部的红外光透过半导体基板、由与受光面相反的面反射、并且入射到OB部中的传感器部。在该情况下，在OB部中发生光电转换，于是在正常情况下在OB部中要被检测的黑电平(blacklevel)可能不能被正确地检测。
此外，为了提高开口率(aperture ratio)，提出了另一种背面入射型固态摄像设备。在该设备中，进行光电转换的传感器部以及包括用于驱动传感器部的信号线的多层布线形成于半导体基板的正面侧。该设备具有位于半导体基板的背面侧的受光面。然而，尽管该结构能够提高开口率，但是造成红外光较大量地入射到OB部的问题。
图4是示出传统的背面入射型固态摄像元件的概略配置的剖视图。如图4所示，用于遮挡OB部的遮光膜30形成于传感器部11的上方并且对有效像素部41内的像素开口。红外光入射到半导体基板10的受光面。于是，如图4所示，经常发生如下情况：倾斜地入射到半导体基板10的红外光L透过半导体基板10，由位于受光面相反侧的绝缘层20的内面反射，并且入射到OB部42内的像素的传感器部11。
红外光比可见光难吸收，但不是不能被吸收。特别是具有大约800nm至1300nm的波长的红外光在一定程度上被硅吸收。因此，当红外光入射到OB部42内的像素的传感器部11时，红外光被传感器部11吸收并且在OB部42中发生光电转换。
作为上述现象的对策，可以通过将IR截止滤波器放置于固态摄像元件的前方而形成诸如相机等摄像设备。以此方式使用IR截止滤波器不仅可以防止红外光入射到OB部而且还可以防止红外光入射到有效像素部。然而，能够截止宽波长范围中的光的IR截止滤波器非常昂贵，所以使用该滤波器增加了摄像设备的成本。另外，使用IR截止滤波器的对策不能适用于例如不能采用IR截止滤波器的摄像设备(例如，使用红外光的监视相机或通过使用红外光增强分辨率的摄像设备)。
发明内容
鉴于上述问题完成了本发明，本发明防止红外光入射到光学黑体部。
根据本发明，提供一种固态摄像设备，在所述固态摄像设备中，进行光电转换的传感器部形成于半导体基板；所述固态摄像设备包括有效像素部和光学黑体部，所述有效像素部被构造成使得光入射到所述传感器部，所述光学黑体部被遮挡使得所述光不入射到所述传感器部；所述固态摄像设备具有位于所述半导体基板的背面侧的受光面，其中，所述光学黑体部包括所述传感器部、第一遮光膜和第二遮光膜，所述第一遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的背面侧，所述第二遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的正面侧。
此外，根据本发明，提供一种固态摄像设备，在所述固态摄像设备中，进行光电转换的传感器部形成于半导体基板；所述固态摄像设备包括有效像素部和光学黑体部，所述有效像素部被构造成使得光入射到所述传感器部，所述光学黑体部被遮挡使得所述光不入射到所述传感器部；所述固态摄像设备具有位于所述半导体基板的背面侧的受光面，其中，所述光学黑体部包括所述传感器部、遮光膜和多层布线，所述遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的背面侧，所述多层布线形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的正面侧，所述多层布线以遮挡入射到所述传感器部的光的方式形成。
从下面参照附图对示例性实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图；
图2A和图2B是示出根据本发明的第二实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图；
图3是示出根据本发明的第三实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图；
图4是示出传统的固态摄像设备的结构的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。注意，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且省略它们的重复说明。
(第一实施方式)
图1是示出根据本发明的第一实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图。本实施方式中的固态摄像设备1是CMOS型固态摄像设备。在本实施方式中，半导体基板(硅基板)10包括P型阱区12，进行光电转换的传感器部11形成于P型阱区12。传感器部11由N型杂质扩散层(第一杂质扩散层)形成并且与半导体基板10形成PN结二极管。各像素的传感器部11通过由部分地埋设在半导体基板10中的SiO2层所形成的元件分离层(未示出)而彼此分离。绝缘层20形成于半导体基板10的正面侧，即，形成于传感器部11的下方。包括传感器部11用的信号线的多层布线21形成于绝缘层20内。
固态摄像设备1是背面入射型固态摄像设备并且在来自被摄体的光入射到半导体基板10的背面(受光面)时通过传感器部11对所述光进行光电转换而对被摄体进行摄像。在像素区域形成大量的像素。像素区域包括有效像素部31和光学黑体(OB)部32。有效像素部31用于通过将光引导到传感器部11并且对所述光进行光电转换而获得图像信号。光学黑体部32被遮挡以防止光入射到传感器部11，从而获得图像信号的黑电平基准。尽管未示出，有效像素部31用作像素区域的主要部分并且光学黑体部32形成于像素区域的边缘。
用于遮挡光学黑体部32以防止光入射到传感器部11的遮光膜30(第一遮光膜)在光学黑体部32中形成于半导体基板10的背面侧(受光面侧)，用于检测黑电平。片上透镜(on-chip lens)50形成于半导体基板10的背面侧(受光面侧)的遮光膜30。如果本实施方式中的固态摄像元件用作彩色固态摄像元件，则将彩色滤波器(未示出)放置在片上透镜50的下方。注意，各像素均包括包含晶体管的晶体管部，所述晶体管形成在除了图1所示的剖面以外的部分中，用于读出由传感器部11光电转换的信号电荷并且用于将该信号电荷转换成电压并且将该电压取出作为信号。
在本实施方式中，遮光膜24(第二遮光膜)在光学黑体部32中形成于半导体基板10的正面侧存在的绝缘层20内。包括传感器部11用的信号线的多层布线21形成于半导体基板10的下方(在半导体基板10的正面侧)的绝缘层20内。多层布线21中的一层同时用作上述遮光膜24。遮光膜24由与布线21的材料相同的材料制成。该材料的示例是铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)和钛(Ti)。
接着将说明通过形成如本实施方式中的固态摄像设备1所产生的效果。在固态摄像设备1的OB部的正面侧，上述遮光膜24形成于半导体基板10的正面侧存在的绝缘层20内。这使得可以防止来自有效像素部中的位于半导体基板10的背面侧的没有遮光膜30的区域、透过半导体基板10、被半导体基板10的正面侧存在的绝缘层20的正面侧的内面反射的红外光入射到光学黑体部32中的传感器部11。这进而使得可以正确地检测光学黑体部32中的黑电平，从而获得满意的摄像图像。
以该方式，遮光膜24仅形成于光学黑体部的内部。由此，红外光在不被遮光膜24反射并且不变成杂散光的情况下到达半导体基板10下方的绝缘层20的位于正面侧的内面。此外，即使当被内面反射的红外光入射到光学黑体部32时，红外光也被形成于包括布线层的绝缘层20内的遮光膜24遮挡，从而防止红外光入射到光学黑体部32中的传感器部11。在本实施方式中，遮光膜24形成在绝缘层20内并且由与布线21的材料相同的材料制成。这使得可以在布线形成过程中形成遮光膜24，由此便于形成遮光膜24，进而便于制造固态摄像设备1。
日本特开2007-305675号公报使用在半导体基板的界面处形成低反射涂层的对策来应对来自开口区域的红外光被半导体基板的界面处的内面反射并且入射到光学黑体部的问题。对于背面入射型固态摄像设备来说，可以使用该对策。不过，背面入射型固态摄像设备具有较高的开口率，所以红外光容易以较高的强度较大量地入射到光学黑体部。日本特开2007-305675号公报中的使用低反射涂层的对策仅通过减少反射可能性不能完全防止反射。另外，因为用于抑制反射的低反射涂层的光学厚度是一定的，所以对于宽波长范围的红外光来说不能获得满意的效果。
此外，日本特开2008-016733号公报提出如下对策：在半导体基板的正面侧以覆盖整个受光部的方式形成遮光膜，从而防止从外部入射到背面入射型固态摄像设备的光的不利影响。然而，利用日本特开2008-016733号公报提出的对策，对于来自受光面侧、透过半导体基板、由与受光面相反的面反射并且入射到传感器部的光来说不能获得满意效果，这是本发明所要解决的问题。另外，当遮光膜由与布线层的材料相同的材料制成时，上述对策甚至可能增大反射可能性并且可能促使红外光入射到光学黑体部。
(第二实施方式)
图2A是示出根据本发明的第二实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图。在本实施方式的固态摄像设备2中，在有效像素部31和光学黑体部32之间的边界处形成遮光虚假像素部33。此外，遮光膜24形成于遮光膜30的遮光区域的内侧。即，遮光膜24的遮光区域比遮光膜30的遮光区域窄，所以，传感器部11被遮光膜30遮挡并且传感器部11未被遮光膜24遮挡的区域是遮光虚假像素部33。固态摄像设备2的其它配置和操作与固态摄像设备1相同。
图2B是示出遮光膜24没有形成于形成光学黑体部32的遮光膜30的遮光区域的内侧的情况的剖视图，用于与图2A所示的配置进行比较。在图2B所示的配置中，根据红外光的入射角，入射到有效像素部31的边缘的红外光可能会在不能到达半导体基板10下方的绝缘层20的正面侧的内面的情况下由遮光膜24的背面侧(受光面侧)的面反射，并且作为杂散光入射到传感器部。
由此，图2A所示的结构甚至可以防止以较大入射角入射到有效像素部31的光直接入射到遮光膜30和遮光膜24之间的位置从而防止所述光变成杂散光。这使得可以可靠地遮挡光学黑体部32。尽管在本实施方式中遮光膜24以比遮光膜30的遮光区域窄一个像素的长度形成于该遮光区域的内侧，但是遮光膜24可以以比该遮光区域窄大于一个像素的长度形成于该遮光区域的内侧。当例如彩色滤波器(未示出)使用四个2×2像素(所谓的Bayer阵列)表示一组颜色时，为了便于信号处理，遮光膜24可以以比该遮光区域窄两个像素的长度形成于该遮光区域的内侧。此外，在经由多个通道读出从固态摄像设备输出的信号的配置中，遮光膜24可以以比遮光膜30的遮光区域窄输出通道数量的整数倍的长度形成于该遮光区域的内侧，以使OB部中的信号处理在输出通道中均衡。
(第三实施方式)
图3是示出根据本发明的第三实施方式的固态摄像设备的结构的剖视图。在固态摄像设备3中，多层布线21同时用作光学黑体部32中的位于半导体基板10的正面侧的遮光膜。固态摄像设备3的其它配置和操作与固态摄像设备1相同。
如果遮光膜由单层布线形成，则遮光膜具有与有效像素部31中的布线形状显著不同的布线形状，所以在有效像素部31和光学黑体部32之间产生配线阻抗和容量的不同。因此，由于有效像素部31和光学黑体部32之间的电气特性的不同可能会造成诸如难以正确地检测黑电平等问题。为克服该问题，在本实施方式中，多层布线21为光学黑体部32中的传感器部11遮挡红外反射光(来自有效像素部31并且由半导体基板10的正面侧的绝缘层20的内面反射的红外光)。该配置使得可以减少或消除有效像素部31和光学黑体部32之间的布线形状的差异，从而使它们的电气特性匹配。使用多层布线21还可以产生遮光方向性。例如，关于光从有效像素部31入射到半导体基板10的正面侧的绝缘层20的内面，通过堆叠多个布线而将反射面积设定得小，以减少在被布线层反射时预期变成杂散光的成分。此外，关于光从半导体基板10下方的绝缘层20的正面入射到光学黑体部32，可以采用通过将反射面积设定得大来遮光的配置。
如上所述，根据上述实施方式，可以遮挡由背面入射型固态摄像设备的半导体基板的正面侧的绝缘层20的内面反射而入射到光学黑体部的传感器部的红外光。这进而使得可以基于与光学黑体部相关的特性正确地确定黑电平基准。还可以抑制诸如使图像着色以确定黑电平以及改变图像的亮度等问题的发生。这进而使得可以形成具有良好摄像特性的固态摄像元件。
另外，可以减少摄像设备的IR截止滤波器的成本或可以省略该滤波器。此外，即使在不能采用IR截止滤波器的摄像设备中，通过抑制与被反射的红外光相关的问题的发生也能够获得满意的图像。此外，因为在布线形成过程中使用布线层形成遮光膜，所以不会增加步骤的数量。
本发明不限于上述实施方式，而是能够变型成多种形式。例如，即使通过仅在OB部的有效像素部附近形成遮光膜24，也能够获得遮挡来自有效像素部的红外光的效果。此外，尽管示例性示出了P型半导体基板和N型受光部，但是可以采用N型半导体基板和P型受光部。
虽然已经参照示例性实施方式说明了本发明，但可以理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施方式。所附的权利要求书的范围符合最宽泛的解释，以涵盖所有的这种变型、等同结构和功能。
本申请要求2009年5月12日提交的日本专利申请No.2009-115919的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。

Claims (7)

1.一种固态摄像设备，在所述固态摄像设备中，进行光电转换的传感器部形成于半导体基板；所述固态摄像设备包括有效像素部和光学黑体部，所述有效像素部被构造成使得光入射到所述传感器部，所述光学黑体部被遮挡使得所述光不入射到所述传感器部；所述固态摄像设备具有位于所述半导体基板的背面侧的受光面，
其中，
所述光学黑体部包括所述传感器部、第一遮光膜和第二遮光膜，所述第一遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的背面侧，所述第二遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的正面侧。
2.根据权利要求1所述的固态摄像设备，其特征在于，包括所述传感器部用的信号线的多层布线形成于所述半导体基板的正面侧。
3.根据权利要求2所述的固态摄像设备，其特征在于，所述第二遮光膜由与所述布线的材料相同的材料制成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的固态摄像设备，其特征在于，所述第二遮光膜遮挡来自所述有效像素部、由所述半导体基板的正面侧存在的绝缘层的内面反射并且朝向所述光学黑体部中的所述传感器部行进的光。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的固态摄像设备，其特征在于，在所述有效像素部和所述光学黑体部之间的边界处形成虚假像素部，在所述虚假像素部中，所述传感器部被所述半导体基板的背面侧的所述第一遮光膜遮挡并且所述传感器部未被所述半导体基板的正面侧的所述第二遮光膜遮挡。
6.一种固态摄像设备，在所述固态摄像设备中，进行光电转换的传感器部形成于半导体基板；所述固态摄像设备包括有效像素部和光学黑体部，所述有效像素部被构造成使得光入射到所述传感器部，所述光学黑体部被遮挡使得所述光不入射到所述传感器部；所述固态摄像设备具有位于所述半导体基板的背面侧的受光面，
其中，
所述光学黑体部包括所述传感器部、遮光膜和多层布线，所述遮光膜形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的背面侧，所述多层布线形成为比所述传感器部接近所述半导体基板的正面侧，所述多层布线以遮挡入射到所述传感器部的光的方式形成。
7.根据权利要求6所述的固态摄像设备，其特征在于，所述多层布线遮挡来自所述有效像素部、由所述半导体基板的正面侧存在的绝缘层的内面反射并且朝向所述光学黑体部中的所述传感器部行进的光。
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