CN103367375A - 固体摄像装置及其制造方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固体摄像装置及其制造方法以及电子设备。所述固体摄像装置包括：半导体基板；形成于所述半导体基板的第一面上的电路；设置于所述半导体基板的第二面上的格子图形；以及半导体层，其形成于所述格子图形内且具有这样的形状：该形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。所述电子设备包括上述固体摄像装置以及信号处理电路，所述信号处理电路对来自上述固体摄像装置的输出信号进行处理。根据本发明，能够改善聚光特性，从而提高像素灵敏度。

Description

固体摄像装置及其制造方法以及电子设备
技术领域
本技术涉及一种固体摄像装置、一种用于制造该固体摄像装置的方法以及一种配备了该固体摄像装置的电子设备。
背景技术
在前照射型固体摄像装置中，提出了这样一种构造：其中，通过选择性外延生长而在光电二极管（PD）上生长了小平面化（faceted）的Si1-xGex（其中，0<x<1）（例如，参照JP 2011-155248A）。通过这种构造，能够提高固体摄像装置的聚光特性以及主要在红光区域和红外线区域中的像素灵敏度。
此外，目前已经提出了背照射型固体摄像装置以提高像素灵敏度。
发明内容
如上所述，存在着提高固体摄像装置中的像素灵敏度的需求。
本技术的实施方式提供了一种提高了像素灵敏度的固体摄像装置、一种用于制造该固体摄像装置的方法以及一种电子设备。
本技术的实施方式的固体摄像装置设置有：半导体基板；电路，其形成于半导体基板的第一面上；以及格子图形，其设置于半导体基板的第二面上。此外，设置有半导体层，该半导体层形成于所述格子图形内且具有这样的形状：所述形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
而且，本技术的实施方式的电子设备配置有上述固体摄像装置和信号处理电路，该信号处理电路对来自上述固体摄像装置的输出信号进行处理。
本技术的实施方式的固体摄像装置的制造方法包括：在半导体基板的第一面上形成电路，以及在所述半导体基板的第二面上形成格子图形。此外，所述方法还包括在所述格子图形内外延生长半导体层，所述半导体层具有这样的形状：所述形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
根据本技术的实施方式的固体摄像装置，形成于所述半导体基板的第二面上的所述半导体层具有这样的形状：所述形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小，因而改善了聚光特性。因此，在所述固体摄像装置以及配置有所述固体摄像装置的电子设备中，像素灵敏度得以提高。
此外，根据本技术的实施方式的固体摄像装置的制造方法，在所述半导体基板的第二面上外延生长所述半导体层。因为所述半导体层具有在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小的形状，因而改善了聚光特性。因此，能够制造出提高了像素灵敏度的固体摄像装置。
根据本技术的实施方式，能够提供一种提高了像素灵敏度的固体摄像装置、一种用于制造所述固体摄像装置的方法以及一种配置有所述固体摄像装置的电子设备。
附图说明
图1是表示第一实施方式的固体摄像装置的构造的平面图；
图2是表示第一实施方式的固体摄像装置中的像素阵列的构造的平面图；
图3A是图示了第一实施方式的固体摄像装置的构造的横截面图，而图3B是图3A中所示的B部分的局部放大图；
图4是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图5是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图6是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图7是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图8是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图9是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图10是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图11是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图12是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图13是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图14是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图15A是图示了相关技术的固体摄像装置中的周边电路的构造的横截面图，而图15B和图15C是图示了第一实施方式的固体摄像装置中的周边电路的构造的横截面图；
图16A是图示了第一实施方式的变形例的固体摄像装置中的像素阵列的构造的横截面图，而图16B是图示了第一实施方式的变形例的固体摄像装置中的周边电路的构造的横截面图；
图17是图示了第二实施方式的固体摄像装置的构造的横截面图；
图18是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图19是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图20是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图21是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图22是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图23是图示了第三实施方式的固体摄像装置的构造的横截面图；
图24是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图25是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图26是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图27是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图28是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；
图29是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图；并且
图30是图示了电子设备的构造的图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的优选实施方式。注意，在本申请的说明书和附图中，用相同的附图标记来表示功能和结构基本相同的各构成元件，并省略了对这些构成元件的重复说明。
下文中，将说明用于实施本技术的示例性实施方式。然而，本技术不限于以下的实例。
下面将按照下列顺序进行说明。
1、固体摄像装置的第一实施方式
2、第一实施方式的固体摄像装置的制造方法
3、固体摄像装置的第二实施方式
4、第二实施方式的固体摄像装置的制造方法
5、固体摄像装置的第三实施方式
6、第三实施方式的固体摄像装置的制造方法
7、电子设备
1、固体摄像装置的第一实施方式
[固体摄像装置的概略构造]
图1图示了作为应用了本技术的实施方式的固体摄像装置的实例的CMOS固体摄像装置1。图1的构造是后文中所述的各实施方式的固体摄像装置所共用的构造。而且，在本例中，将固体摄像装置描述为在半导体基板的与形成有电路的表面（前表面）相反的一侧具有光入射面，该固体摄像装置也称作背照射型CMOS固体摄像装置。
如图1所示，本例中的固体摄像装置1包括像素阵列3（也称作成像区域）和周边电路，在像素阵列3中，在诸如硅基板之类的半导体基板11上以二维阵列状规则地排列有多个包含光电变换器的像素2。包含单个光电变换器和多个像素晶体管的单位像素可应用为像素2。或者，其中多个光电变换器共用单个像素晶体管组（传输晶体管除外）的像素共用结构也可应用为像素2。如稍后所述，上述多个像素晶体管可以是具有传输晶体管、复位晶体管和放大晶体管的3晶体管构造，或者是还附加了选择晶体管的4晶体管构造。
周边电路可包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7以及控制电路8。
控制电路8接收输入时钟以及用于指示诸如工作模式之类的指令的数据，还输出诸如固体摄像装置的内部信息等数据。换言之，控制电路8基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟而生成控制信号和时钟信号，所述控制信号和时钟信号用作诸如垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等电路的操作基准。然后，控制电路8将这些信号输入至诸如垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等电路中。
垂直驱动电路4包括例如移位寄存器，并且通过选择像素驱动线并向所选择的像素驱动线上提供用于驱动像素的脉冲从而以行为单位对像素进行驱动。换言之，垂直驱动电路4在垂直方向上依次以行为单位选择性地扫描像素阵列3中的像素2。然后，垂直驱动电路4通过垂直信号线9将像素信号提供给列信号处理电路5，所述像素信号基于根据在各像素2的光电变换器（例如光电二极管）处接收到的光强度所生成的信号电荷。
例如，与每列像素2对应地布置有列信号处理电路5，且列信号处理电路5对从像素2的各行输出的信号进行处理从而例如去除各像素列的噪声。换言之，列信号处理电路5进行诸如下列之类的信号处理：用于消除像素2所固有的固定模式噪声的CDS(相关双采样)；信号放大；以及AD转换。水平选择开关（未图示）被设置为连接于列信号处理电路5的输出级与水平信号线10之间。
水平驱动电路6包括例如移位寄存器，水平驱动电路6通过依次输出水平扫描脉冲而依次选择各个列信号处理电路5，并且使得来自各个列信号处理电路5的像素信号被输出给水平信号线10。
输出电路7对从各个列信号处理电路5经由水平信号线10依次提供过来的信号进行处理然后输出。例如，在某些情况下，输出电路7可仅仅对信号进行缓冲，而在其它情况下，输出电路7可执行黑电平调整、列不平衡校正以及各种数字信号处理。输入/输出端子12与外部设备交换信号。
[像素阵列的概略构造：平面图]
接下来，将说明本例的固体摄像装置的像素阵列的构造。图2图示了应用于本例的包含4像素共用单元的像素阵列的构造。如图2所示，在每个4像素共用单元中布置有四个像素的光电二极管PD（PD1至PD4），这些光电二极管PD（PD1至PD4）以二维阵列状布置着从而形成像素阵列。
4像素共用单元的总共四个光电二极管PD（2个水平×2个垂直）共用一个浮动扩散部FD。此外，4像素共用单元包括四个光电二极管PD1至PD4、用于这四个光电二极管PD1至PD4的四个传输栅极电极31至34、以及一个浮动扩散部FD。
传输晶体管Tr11至Tr14由相应的光电二极管PD1至PD4、浮动扩散部FD以及相应的传输栅极电极31至34构成。浮动扩散部FD布置于由四个光电二极管PD1至PD4围绕的中央处，而各个传输栅极电极31至34布置于与各个光电二极管PD1至PD4的中央侧的角部对应的位置处。
而且，在图2中，在4像素共用单元的上方和下方布置有选择晶体管Tr23、放大晶体管Tr22以及复位晶体管Tr21。
选择晶体管Tr23包括一对源极/漏极区域26、27以及选择栅极电极36。放大晶体管Tr22包括一对源极/漏极区域25、26以及放大栅极电极35。复位晶体管Tr21包括一对源极/漏极区域28、29以及复位栅极电极37。上述各栅极电极例如由多晶硅膜制成。FD与放大晶体管Tr22的放大栅极电极35和复位晶体管Tr21的源极区域27连接。
在4像素共用单元的光电二极管PD1至PD4之间设置有隔离区域38。而且，在选择晶体管Tr23、放大晶体管Tr22以及复位晶体管Tr21之间设置有隔离区域39。
在隔离区域38、39的上面布置有格子图形40。而且，在4像素共用单元中形成有由格子图形40包围的光电变换区域21至24。
在4像素共用单元中，在光电二极管PD1至PD4之间的隔离区域38的上面布置有格子图形40。与在4像素共用单元的内部的情况类似地，在相邻的4像素共用单元相互毗邻（与4像素共用单元的左方和右方毗邻）的部分中，在光电二极管PD1至PD4之间的隔离区域38的上面也布置有格子图形40。此外，格子图形40在相互毗邻的4像素共用单元之间是连续地形成的。
在隔离区域39中，在4像素共用单元的相应的晶体管之间也布置有格子图形40。此外，在相邻的4像素共用单元相互毗邻的部分中在上方和下方（在4像素共用单元的上方和下方）以跨越隔离区域39的方式连续地形成有格子图形40。
[像素阵列的概略构造：横截面图]
接下来，将说明本例的固体摄像装置中的像素阵列的横截面构造。
图3A和图3B表示图2所示的像素阵列的沿着线A-A截取的横截面构造。图3A是固体摄像装置的像素阵列的主要横截面构造，而图3B是图3A中所示的B部分的局部放大图。
图3A和图3B所示的本例的固体摄像装置50是被称作背照射型固体摄像装置的固体摄像装置，该固体摄像装置中，半导体基板52的一侧（该图的下方）的表面是其中形成有布线层（trace layer）51、像素晶体管和逻辑电路或其它周边电路（未图示）的电路面，而另一侧（该图的上方）的表面为光入射面。在以下说明中，将上述电路面指定为半导体基板52的第一面或前面，而将上述光入射面指定为该半导体基板的第二面或背面。
如图3A所示，半导体基板52在第一面的表面上设置有第一导电型（p型）半导体区域49。此外，在对应于图2中的隔离区域38的位置处，设置有从第一面至第二面的表面连续形成的p型半导体区域48。而且，在由p型半导体区域48包围的区域中形成有第二导电型（n型）半导体区域42。
在半导体基板52的第二面上还设置有格子图形40和突起半导体层43。格子图形40形成在隔离区域38中所包含的p型半导体区域48的上面。格子图形40之间的区域是光电变换区域21、23。
格子图形由给定厚度的绝缘层形成。在图3A和图3B中，格子图形包括由SiO2制成的第一绝缘层45和由SiN制成的第二绝缘层46。如先前的图2所示，格子图形连续地形成在像素阵列中的隔离区域38、39的上面。
突起半导体层43由带隙比硅的带隙小的材料制成，所述材料例如为Ge、Si1-xGex（其中0<x<1）、InGaAs、GaAs、InP或InSb等。如果采用用于光吸收层的Si材料，可能导致红外线区域中的灵敏度低或不灵敏的问题。上述那些材料所具有的光吸收系数比硅的光吸收系数大，这在红光波长区域中尤其如此。因此，采用了这些材料的光电二极管对红光区域至红外线区域范围内的光非常敏感。
突起半导体层43不仅可以应用上述那些材料，例如还可应用具有黄铜矿结构的化合物半导体。潜在的适用的具有黄铜矿结构的化合物半导体包括CuInGaSe2、CuAlS2，CuAlSe2、CuAlTe2、CuGaS2、CuGaSe2、CuGaTe2、CuInS2、CuInSe2、CuInTe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgAlTe2、AgGaS2、AgGaSe2、AgGaTe2、AgInS2、AgInSe2以及AgInTe2。
突起半导体层43由上述材料的外延生长层形成。而且，半导体层43是具有如下形状的小平面化外延生长层：该形状在与半导体基板52的表面平行的平面内的横截面面积随着距半导体基板52的距离的增大而减小。
因为在半导体基板52的表面上在各隔离区域的上面形成有格子图形40，故在那部分中未形成有外延生长层。换言之，在已经形成格子图形40后，通过在半导体基板52的上面形成外延生长层，由此在格子图形40之间形成自对准的、小平面化的半导体层43。
将要成为光电二极管的光吸收区域优选仅包括光吸收系数高的半导体层43的区域。而且，在采用较深的光电二极管PD的情况下，半导体层43以及在其下方的半导体基板52内的半导体区域（n型半导体区域42和p型半导体区域49）均可包含在光电二极管PD中。
由半导体层43光电转换得到的信号电荷被形成于半导体基板52的第一面上的传输晶体管传输至浮动扩散部FD。在此时，n型半导体区域42变为电荷传输路径，并且信号电荷从半导体层43传输至半导体基板52的第一面所在的那一侧。
而且，还以覆盖着格子图形40和半导体层43的方式形成有第三绝缘层44。第三绝缘层44由具有固定负电荷（fixed negative charge）的膜形成。可适用的具有固定负电荷的材料包括氧化铪、氧化铝、氧化锆、氧化钽以及氧化钛。除了上述材料之外，具有固定负电荷的膜还可以由以下材料形成：氧化镧、氧化镨、氧化铈、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铥、氧化镱、氧化镥、氧化钇、氮化铝膜、氮氧化铪膜或者氮氧化铝膜。还可将硅（Si）或氮（N）添加至具有固定负电荷的膜中，只要不损害绝缘性能即可。在不损害该膜的绝缘性能的范围内，可适当地确定浓度。通过以此方式添加硅（Si）或氮（N），提高膜的耐热性以及提高在制造工艺的过程中的对离子注入的阻止能力就成为可能。
如图3B所示，格子图形40被形成为其宽度B小于隔离区域38的宽度（换言之，p型半导体区域48的宽度A）。此外，格子图形40被形成为使得p型半导体区域48的表面在格子图形40的任一侧露出。因此，半导体层43的端部被形成为与p型半导体区48相邻接。
由具有固定负电荷的膜制成的第三绝缘层44形成在半导体层43的表面上。因此，空穴在半导体层43的与第三绝缘层44相邻接的表面上累积。换言之，半导体层43的表面变为p型，因而半导体层43呈现出具有半导体层43A和在该半导体层43A表面上形成的p型半导体层43B的结构。
通过以此方式将半导体层43的表面变为p型，半导体基板52的p型半导体区域48就与p型半导体层43B形成连续的p型区域。此外，半导体层43A和p型半导体层43B被包含在具有空穴累积二极管（HAD，hole-accumulated diode）结构的光电二极管PD中。而且，通过在p型半导体层43B与p型半导体区域48之间建立起导电连续性，能够抑制在半导体层43的表面处产生的暗电流。
此外，如图3A所示，在半导体基板52的第一面上设置有布线层51。布线层51是由一些部件构成的层叠结构，这些部件例如是形成于半导体基板52的第一面上的各种元件和各种电路，且有多条布线和多个层间绝缘层覆盖着这些部件。半导体基板52在布线层51的表面处粘合于支撑基板（未图示）。
在半导体基板52的第二面上形成有覆盖第三绝缘层44的层间膜53。层间膜53例如由防反射膜、保护膜或平坦化膜形成。
在层间膜53中形成有遮光膜57。遮光膜57形成于像素阵列的隔离区域上方。在图3A中，遮光膜57形成于将要成为隔离区域的p型半导体区域48的上方。
在层间膜53的上面布置有与各像素对应的滤色器54。在滤色器54的上面形成有平坦化膜55，且在平坦化膜55的上面形成有与各像素对应的片上透镜（on-chip lens）56。
通过以上的构造，能够提高背照射型固体摄像装置中的聚光特性和像素灵敏度（主要在长波长区域中）。具体来说，通过在PD区域下方的背侧表面上形成格子图形，通过选择性地外延生长而形成了小平面化的SiGe层。因为将要成为光电变换器的半导体层是小平面化的（faceted），故而改善了光入射至PD的聚光性，这使得能够提高像素灵敏度且抑制混色。
而且，通过在半导体基板的上面形成由带隙比硅的带隙小的材料制成的半导体层，就使得能够在相对较浅的区域中吸收长波长的光（包含红外线区域中的光），从而使得能够形成比普通的背照射型图像传感器更浅的PD。换言之，以上所述的情形有助于像素的小型化。
注意，在采用具有黄铜矿结构的p型化合物半导体作为半导体层43的情况下，可省略具有固定负电荷的膜。在此情况下，在光电二极管PD中包含有由p型化合物半导体制成的半导体层43和半导体基板52的n型半导体区域42。此外，在半导体层43处产生的信号电荷（电子）被传输给半导体基板52的n型半导体区域42，并且被半导体基板52的第一面上的栅极电极传输至浮动扩散部FD。
2、第一实施方式的固体摄像装置的制造方法
接下来将说明上述第一实施方式的固体摄像装置的制造方法。图4至图14是第一实施方式的固体摄像装置的制造工艺图，更具体地，这些图图示了其中形成有光电变换器的区域的制造工艺。注意，图4、图6至图12以及图14图示了沿图2的线A-A截取的横截面构造。而且，图5和图13图示了沿图2的线B-B截取的横截面构造。
首先，如图4和图5所示，通过采用根据相关技术的公知的固体摄像装置制造方法，形成半导体基板52的结构和布线层51的结构。
如图4所示，在半导体基板52的第一面的表面上形成p型半导体区域49。如图5所示，在栅极电极下方未形成有p型半导体区域49。进而，如图4和图5所示，在隔离区域中，将p型半导体区域48形成得从半导体基板52的第一面向下至给定深度。形成p型半导体区域48所达到的深度等于或大于最终被减薄化后的半导体基板52的厚度。
此外，形成n型半导体区域42。n型半导体区域42形成于将成为像素阵列中的隔离区域的p型半导体区域48之间。
而且，如图5所示，在半导体基板52的第一面上先形成有栅极绝缘层然后在栅极绝缘层上形成栅极电极61。此外，在半导体基板52的第一面上形成各种电路（未图示）。然后，还形成用于将栅极电极61连接至布线层51的接触部62以及多层布线（未图示）。
接下来，如图6所示，在布线层51的上面粘合支撑基板63，并且将半导体基板52反转。随后，如图7所示，通过研磨半导体基板52的第二面直至让p型半导体区域48和n型半导体区域42露出，从而减薄化半导体基板52。
接下来，在p型半导体区域48的上面形成第一绝缘层45和第二绝缘层46。例如，可以在半导体基板52的第二面上形成5nm的SiO2作为第一绝缘层45。随后，可以在该SiO2上形成10nm的SiN作为第二绝缘层46。随后，通过光刻法抗蚀剂图形化和蚀刻过程，让SiO2和SiN仅留在p型半导体区域48的上面。于是，在像素阵列的各隔离区域上面形成了格子图形40。格子图形40被形成为使得其宽度比将要成为隔离区域的p型半导体区域48窄。
接下来，如图9所示，在n型半导体区域42的上面形成具有小平面化表面的突起半导体层43。利用先前所述的带隙比硅的带隙小的材料，通过公知的小平面化外延生长来形成突起半导体层43。
通过上述外延生长，就能够根据条件在任意角度和多个平面方向上形成小平面。
例如，在生长温度为750°C，压力为10 Torr，气体为SiH2Cl2（100sccm）、HCL（25sccm）和GeH4（50sccm至100sccm），且硼浓度为采用B2H6的140sccm时，可形成由Si1-xGex（其中0<x<1）制成的外延层。例如，在约500°C下，可进行30至60分钟的外延生长。
而且，在如上所述由具有黄铜矿结构的化合物半导体形成半导体层43的情况下，可使用诸如分子束外延法（MBE）、金属有机化学气相沉积法（MOCVD）和液相外延法（LPE）等方法。例如，半导体层43的形成温度可以为200°C至500°C。
接下来，如图10所示，以覆盖格子图形40和半导体层43的方式形成第三绝缘层44。第三绝缘层44由具有固定负电荷的膜形成。通过在半导体层43的上面用具有固定负电荷的膜形成第三绝缘层44，在半导体层43的表面上形成了p型半导体层，从而形成HAD结构。
接下来，如图11所示，在半导体基板52的第二面上形成层间膜53。然后，如图12所示，在层间膜53的上面粘合支撑基板65，并将半导体基板52反转。此外，去除了粘合至布线层51的支撑基板63，使得布线层51露出。
随后，如图13所示，通过堆叠布线（例如连接至接触部62的布线64等）和层间绝缘层，形成布线层51。
接下来，如图14所示，在布线层51的上面粘合支撑基板66，并且将半导体基板52反转。随后，去除支撑基板65，从而使层间膜53露出。随后，在层间膜53中形成遮光膜57。此外，在层间膜53的上面，形成与各像素对应的滤色器54。在滤色器54的上面形成平坦化膜55，并且在平坦化膜55的上面形成与各像素对应的片上透镜56。
通过以上工艺，能够制造出本例的固体摄像装置。
通过上述制造方法，首先，在隔离区域上形成了用于抑制外延生长的格子图形，然后，在半导体基板52上形成具有小平面化表面的外延生长层。因此，能够在由隔离区域围绕的区域内通过外延生长层来形成自对准的半导体层43。而且，通过形成比隔离区域的宽度小的格子图形，用具有固定负电荷的膜在外延生长层的表面上形成的p型半导体层就变得与隔离区域中的p型半导体区域相连接。因而，就能够形成具有HAD结构的光电二极管PD。
[周边电路的构造]
图15A、图15B和图15C表示在像素阵列附近形成的周边电路的横截面构造。
图15A是将本技术的第一绝缘层45、第二绝缘层46和第三绝缘层44应用至典型的固体摄像装置中的周边电路的构造。图15B和图15C是上述的根据本实施方式的固体摄像装置所适用的周边电路的构造。
如图15A所示，在半导体基板52的第二面上形成了第一绝缘层45和第二绝缘层46。此处，未利用第一绝缘层45和第二绝缘层46形成格子图形，而是第一绝缘层45和第二绝缘层46形成于周边电路的整个表面上。此外，在第二绝缘层46上形成有第三绝缘层44。在第三绝缘层44上另外还形成有层间膜53和平坦化膜55。遮光膜57形成于层间膜53中且覆盖周边电路的整个表面。注意，在图15A至图15C中，省略了对形成于半导体基板52的第一面上的布线层的图示。
用于周边电路的半导体基板52由n型半导体区域71来实现。此外，在半导体基板52的第一面的表面处，形成有将要成为晶体管（未图示）的源极/漏极的p型半导体区域72。
如图15A所示，在第二面上形成具有固定负电荷的膜（第三绝缘层44）的情况下，由于该膜的存在而在半导体基板52的第二面的表面上累积的空穴会影响p型半导体区域72。
如果在半导体基板52上直接形成有具有固定负电荷的膜（第三绝缘层44），则在去除该膜的工艺过程中将会损伤半导体基板52。为此原因，在不去除具有固定负电荷的膜的情况下，在p型半导体区域72和第二面之间形成有具有扩散的n型杂质的n型半导体区域73。n型半导体区域73抑制了累积在半导体基板52的第二面的表面上的空穴对于p型半导体区域72施加的影响。
相比之下，在本实施方式中，在半导体基板52上形成了由SiO2制成的第一绝缘层45和由SiN制成的第二绝缘层46。通过这种构造，即使在去除由具有固定负电荷的膜制成的第三绝缘层44的情况下，通过第一绝缘层45和第二绝缘层46仍然保护了半导体基板52使其免受损伤。
因此，如图15B所示，就能够去除第三绝缘层44。通过去除第三绝缘层44，能够省略在半导体基板52上形成n型半导体区域73。例如，可通过光刻法抗蚀剂图形化和使用氢氟酸的湿法蚀刻来完成第三绝缘层44的去除。因此，在制造工艺中，可省略掉在半导体基板52上形成n型半导体区域73的工艺。
而且，如图15C所示，能够获得这样的构造：其中，不仅去除了第三绝缘层44，而且还去除了第一绝缘层45和第二绝缘层46。在第一绝缘层45和第二绝缘层46由SiO2和SiN制成的情况下，与上述的具有固定负电荷的材料不同的是，能够在不会损伤半导体基板52的同时完成去除过程。因此，通过去除第一绝缘层45、第二绝缘层46和第三绝缘层44，可省略在半导体基板52上形成n型半导体区域73的工艺。
[变形例]
接下来将说明上述第一实施方式的变形例。
图16A和图16B图示了第一实施方式的变形例的固体摄像装置的构造。图16A图示了像素阵列的沿图2的线A-A截取的横截面构造。图16B图示了周边电路的横截面构造。
在上述第一实施方式中，由于形成了由具有固定负电荷的膜制成的第三绝缘层，因而由外延生长层制成的突起半导体层的表面变为p型。在下述变形例中，在外延生长层的表面上形成p型半导体层的方法不同于上述的第一实施方式。因此，在以下说明中，仅说明该构造的与上述的第一实施方式不同的部分，而省略对该构造的与第一实施方式类似的部分的说明。
如图16A所示，在突起半导体层43的表面上形成p型半导体层74。类似于前述的第一实施方式，半导体层43由外延生长层构成。通过原位（in-situ）掺杂外延生长，形成了p型半导体层74。以此方式，半导体层43和p型半导体层74被包含在具有空穴累积二极管（HAD）结构的光电二极管PD中。
通过根据以下方法来实施用于形成突起半导体层43的工艺，可以作为第一实施方式的制造方法的一部分而制造出上述构造。
根据与第一实施方式类似的方法，在形成格子图形40后，通过小平面化外延生长在半导体基板52上形成半导体层43。随后，用于形成半导体层43的工艺的最后部分涉及通过原位掺杂外延生长而在半导体层43的表面上形成p型半导体层74。p型半导体层74可以具有1.0×1017（1/cm3）的杂质浓度，且厚度为5nm。
相比于通过杂质扩散（诸如离子注入等）形成的p型半导体层，通过原位掺杂外延生长形成的p型半导体层74具有非常低的杂质扩散。因此，与基于离子注入的普通方法相比，能够提高光电二极管PD的饱和信号电荷（Qs）。
如上所述，通过在半导体层43的表面上形成p型半导体层74，能够省略第一实施方式中为了使半导体层43的表面变为p型而必须形成具有固定负电荷的膜的步骤。因此，在第二绝缘层46上未形成具有固定负电荷的膜。
而且，如图16B所示，与格子图形40一样地，在其中形成有第一绝缘层45和第二绝缘层46的周边电路处未形成半导体层43和p型半导体层74。因此，与前述图15B一样，能够省略在半导体基板52上形成n型半导体区域73（图15A）的步骤。于是，在制造工艺中，就能够省略用于在半导体基板52上形成n型半导体区域73的工艺。
3、固体摄像装置的第二实施方式
接下来将说明固体摄像装置的第二实施方式。在第二实施方式中，格子图形及其周边构造不同于上述第一实施方式的固体摄像装置的构造。因此，在以下的第二实施方式的说明中，仅说明与前述第一实施方式不同的格子图形及其周边构造，而省略了对该构造的与第一实施方式类似的部分的说明。
图17图示了第二实施方式的固体摄像装置的构造。图17是图示了沿图2的线A-A截取的横截面构造的图。
如图17所示，在第二实施方式的固体摄像装置中，通过在半导体基板52的第二面上形成的沟槽84而实现了格子图形。通过沟槽84，形成了如前述图2所示的围绕着像素的格子图形40。
在半导体基板52中，沟槽84被形成于将要成为隔离区域的p型半导体区域48中。沟槽84被形成至如下的深度处：该深度等于或大于外延生长半导体层81的厚度。于是，当形成半导体层81时，在不将沟槽84埋入到外延生长层下方的情况下，就能够阻隔半导体基板52的第二面上的外延生长层的各部分间的连接。而且，沟槽84被形成至这样的深度：该深度足够浅而不会影响形成于半导体基板52的第一面上的各种晶体管及其它元件的构造。
半导体层81从半导体基板52的第二面开始连续地形成至沟槽84内（在壁上和底面上）。半导体层81可由与前述第一实施方式的光电二极管PD中所包含的半导体层43（图3A和图3B）类似的材料来实现。由于该半导体层是沿沟槽84的壁连续形成的，因此，就能够在沟槽84的壁上进行光电变换。而且，由于外延生长的速度在沟槽84内部变慢，因此，半导体层81在沟槽84内部的厚度小于半导体层81在半导体基板52上的厚度。
在半导体层81上形成有绝缘层82。绝缘层82由具有固定负电荷的膜形成。绝缘层82从形成于半导体基板52的第二面上的半导体层81的表面到半导体层81的在沟槽84内的表面连续形成。
此外，空穴由于以具有固定负电荷的膜构成的绝缘层82而累积在半导体层81中，从而在半导体层81的表面上形成了p型半导体层。于是，形成了具有HAD结构的光电二极管PD。
而且，在沟槽84的底面上，在半导体层81中形成有包含离子注入的p型杂质的p型扩散区域83。由于p型扩散区域83的存在，半导体层81的各毗邻部分之间的连接被分离。而且，p型半导体区域48和形成于半导体层81的表面上的p型半导体层通过p型扩散区域83而连接起来。
注意，沟槽84与p型半导体区域48的相对宽度是不重要的。沟槽84可以比p型半导体区域48宽，且沟槽84可以被形成为延伸至n型半导体区域42内。然而，宽度较窄的沟槽84是优选的，因为这就增大了半导体基板52上的由外延生长层构成的半导体层81的表面面积，从而提高了光电变换器所占用的表面面积的比例。
此外，在采用具有黄铜矿结构的p型化合物半导体作为半导体层81的情况下，可以省略具有固定负电荷的膜。此外，在沟槽84的底面上也可以不形成p型扩散区域83。在此情况下，由p型化合物半导体构成的半导体层81和n型半导体区域42被包含于光电二极管PD中。此外，在半导体层43处生成的信号电荷（电子）被传输至半导体基板52的n型半导体区域42，并被半导体基板52的第一面上的栅极电极传输至浮动扩散部FD。
通过如上文中第二实施方式所述的那样在半导体基板52中形成沟槽，能够以如第一实施方式中的在半导体基板52上形成绝缘层的方法以外的方法来形成格子图形。格子图形被构造为能够通过围绕光电变换区域来抑制将要成为光电二极管PD的半导体层的外延生长，从而使小平面化外延生长成为可能。例如，如果设置有绝缘层（SiN），则不会发生外延生长，这就使小平面化外延生长成为可能。类似地，如果设置有沟槽，则沟槽内的外延生长足够慢于半导体基板上的外延生长，从而使得小平面化外延生长成为可能。这样，围绕光电变换区域的格子图形不是受到特别限制的，而是也可以采用除绝缘层或沟槽以外的构造，只要所述构造能够实现选择性的外延生长即可。
4、第二实施方式的固体摄像装置的制造方法
接下来，说明上述第二实施方式的固体摄像装置的制造方法。图18至图22是第二实施方式的固体摄像装置的制造工艺图，更具体地，这些图图示了其中形成有光电变换器的区域的制造工艺。注意，图18至图22图示了沿图2的线A-A截取的横截面构造。
首先，根据与前述第一实施方式的方法类似的方法，通过研磨半导体基板52的第二面直至露出p型半导体区域48和n型半导体区域42，将半导体基板52减薄化。图18表示了该状态。
接下来，如图19所示，进行光刻法抗蚀剂图形化以形成抗蚀剂层85。抗蚀剂层85被形成为具有开口的图形：这些开口使得将要成为隔离区域的p型半导体区域48上方的区域露出。
随后，如图20所示，通过抗蚀剂层85中的开口对p型半导体区域48进行干式蚀刻，从而在半导体基板52中形成沟槽84。
接下来，如图21中所示，在半导体基板52的整个表面（包括沟槽84的内表面）上，通过外延生长形成半导体层81。在沟槽84内所供给的用于外延生长的前驱气体（precursor gas）的量小于半导体基板52的顶面处的前驱气体的量。因此，形成于沟槽84内的半导体层81比形成于半导体基板52的顶面处的半导体层81薄。
此外，p型杂质被离子注入到在沟槽84的底面上形成的半导体层81内。通过此工艺，形成p型扩散区域83，该p型扩散区域83隔断了相邻像素中的半导体层81的部分之间的连接。
半导体层81的外延生长可以在与前述第一实施方式类似的条件下进行。
接下来，如图22所示，在半导体层81上形成绝缘层82。从形成于半导体基板52的第二面上的半导体层81的表面至半导体层81的在沟槽84内的表面连续地形成绝缘层82。通过在半导体层81上以具有固定负电荷的膜形成绝缘层82，在半导体层81的表面上形成了p型半导体层，从而形成空穴累积二极管（HAD）结构。
随后，根据与第一实施方式中的图11及其后续图的方法类似的方法，可以制造出本例的固体摄像装置。
5、固体摄像装置的第三实施方式
接下来将说明固体摄像装置的第三实施方式。除了在将要成为格子图形的沟槽内形成的遮光单元以外，第三实施方式具有与第二实施方式类似的构造。因此，在以下的第三实施方式的说明中，省略了对与第二实施方式类似的构造的部分的说明。
图23图示了第三实施方式的固体摄像装置的构造。图23是图示了沿图2的线A-A截取的横截面构造。
如图23所示，在第三实施方式的固体摄像装置中，包含于格子图形中的沟槽被填充有遮光单元91。
形成于半导体基板52中的沟槽的构造类似于上述第二实施方式的构造。形成于沟槽内的半导体层81和绝缘层82也类似于上述第二实施方式中的那样。
遮光单元91被形成于在沟槽内形成的绝缘层82上。此外，遮光单元91被形成为从沟槽底面突起至比半导体层81高的位置。例如，遮光单元91可由诸如Al、Ti或W等材料制成。
通过设置遮光单元91，能够遮挡相邻像素之间的斜的入射光。例如，能够遮挡透过半导体基板52上的半导体层81并入射在邻接像素的沟槽壁上的半导体层81上的斜的入射光。因此，能够防止相邻像素间的混色。当这种构造与在层间膜53中形成的遮光膜57结合时，该构造在防止由于斜的入射光引起的混色方面特别有效。
6、第三实施方式的固体摄像装置的制造方法
接下来将说明上述第三实施方式的固体摄像装置的制造方法。图24至图28是第三实施方式的固体摄像装置的制造工艺图，更具体地，图示了其中形成有光电变换器的区域的制造工艺。注意，图25至图28是沿图2的线A-A截取的横截面构造的图。
首先，进行前述的第二实施方式的制造方法，直至图22中所示的用于形成绝缘层82的工序。随后，如图24所示，形成由诸如SiO2等材料制成的掩模层92以覆盖绝缘层82。在半导体基板52的整个表面（包括沟槽内部）上形成掩模层92后，通过诸如化学机械研磨（CMP）等技术对掩模层92的上面进行平坦化。
接下来，如图25所示，进行光刻法抗蚀剂图形化以形成抗蚀剂层93。抗蚀剂层93被形成为具有开口的图形，这些开口使得将要成为隔离区域的p型半导体区域48上方的区域露出。因此，形成了具有使得将要形成有遮光单元91的区域（或者换言之，将要形成有沟槽的区域）露出的开口的图形。
接下来，如图26所示，以抗蚀剂层93作为掩模，通过干式蚀刻去除掩模层92。利用在掩模层92与绝缘层82之间具有高选择性的方法，对掩模层92进行蚀刻。于是，从掩模层92的顶面到处于半导体基板52中的沟槽底面处的绝缘层82的顶面形成了沟槽94。
接下来，在去除抗蚀剂层93后，如图27所示，在沟槽94内且在掩模层92的上面形成遮光材料层95。随后，如图28所示，利用CMP或另一技术向下研磨遮光材料层95直到使掩模层92露出的位置。于是，就能够形成遮光单元91。而且，在这种状态下，通过额外地研磨遮光单元91和掩模层92，能够形成所期望高度的遮光单元96。
随后，根据与第一实施方式中的图11及其后续图的方法类似的方法，可以制造出本例中的固体摄像装置。
注意，在上述制造方法中，CMP法本身可能不足以将遮光单元91向下研磨至比半导体层81和绝缘层82更低的位置。因此，当期望在更低位置处形成遮光单元91时，例如，可以先通过CMP法将遮光单元91向下研磨至图28中的状态，随后，附加地进行湿法蚀刻。通过湿法蚀刻，遮光单元91被向下去除至给定高度。通过依次去除硬掩模层（SiO2），如图29所示，就能够将遮光单元96形成得向下形成至比半导体层81低的位置处。以此方式，可以形成具有在任意位置处的高度的遮光单元91。
7、电子设备
接下来将说明具有前述固体摄像装置的电子设备的实施方式。
前述固体摄像装置例如可适用于诸如数码相机、摄像机、或其它相机系统、具有摄像功能的移动电话或者具有摄像功能的其它设备等电子设备。图30绘出了这种电子设备的实例，该图图示了将固体摄像装置应用于能够拍摄静止图像或视频的相机的情况下的概略构造。
本例的相机100被配置有：固体摄像装置101；光学系统102，其将入射光引导至固体摄像装置101的光传感器部；快门103，其设置于固体摄像装置101和光学系统102之间；以及驱动电路104，其驱动固体摄像装置101。另外，相机100被配置有信号处理电路105，信号处理电路105对来自固体摄像装置101的输出信号进行处理。
前述的各实施方式和变形例的固体摄像装置可适用于固体摄像装置101。光学系统（光学透镜）102将来自拍摄对象的图像光（入射光）聚焦至固体摄像装置101的成像面（未图示）上。于是，在固体摄像装置101内，在固定期间内累积信号电荷。注意，光学系统102还可以被构造成包含多个光学透镜的光学透镜组。快门103控制入射光对固体摄像装置101的照射期间或者遮光期间。
驱动电路104将驱动信号供给至固体摄像装置101和快门103。通过所供给的驱动信号，驱动电路104控制从固体摄像装置101向信号处理电路105的信号输出以及快门103的快门操作。换言之，在本例中，根据从驱动电路104供给的驱动信号（时序信号），从固体摄像装置101向信号处理电路105传输信号。
信号处理电路105对从固体摄像装置101传输来的信号进行各种信号处理。然后，将处理后的信号（图片信号）存储于存储器或其他存储介质（未图示）中或者输出至监视器（未图示）。
根据诸如上述相机100等电子设备，能够提供这样的电子设备：在该电子设备中，由于固体摄像装置101中的来自光电变换膜的信号电荷的优异传输效率，图像质量得以改善。
注意，可以类似于第一实施方式中的周边电路，来构造出第二实施方式和第三实施方式中的周边电路。
而且，在前述的第二实施方式和第三实施方式中，如前述第一实施方式的变形例中那样，未形成具有固定负电荷的膜，而是可以通过原位掺杂外延生长在半导体层81的表面上形成p型半导体层。在此情况下，周边电路可以类似于第一实施方式的变形例而被构造出来。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。
此外，本技术还可以构造出如下实施方案。
（1）一种固体摄像装置，其包括：
半导体基板；
电路，其形成于所述半导体基板的第一面上；
格子图形，其设置于所述半导体基板的第二面上；以及
半导体层，其形成于所述格子图形内且具有这样的形状：所述形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
（2）根据（1）所述的固体摄像装置，其中，在所述半导体层的表面上形成有p型半导体层。
（3）根据（2）所述的固体摄像装置，其中，所述p型半导体层由覆盖所述半导体层的具有固定负电荷的膜形成。
（4）根据（2）所述的固体摄像装置，其中，所述p型半导体层是通过添加p型杂质来形成的。
（5）根据（1）至（4）中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形是通过形成于所述半导体基板上的绝缘层来实现的。
（6）根据（1）至（5）中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形形成于像素之间的隔离区域上。
（7）根据（6）所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形的宽度小于像素之间的所述隔离区域的宽度。
（8）根据（1）至（4）中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形是形成于所述半导体基板的隔离区域中的沟槽。
（9）根据（8）所述的固体摄像装置，其中，在所述沟槽内形成有遮光单元。
（10）根据（8）所述的固体摄像装置，其中，所述半导体层形成于所述沟槽的内表面上，并且在所述沟槽内的所述半导体层的一部分中形成有p型杂质扩散层。
（11）根据（1）至（10）中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述半导体层是外延生长层。
（12）根据（1）至（11）中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述半导体层是从由Ge、Si1-xGex（这里0<x<1）、InGaAs、GaAs、InP、InSb、SiGe以及具有黄铜矿结构的半导体层组成的群组中选出的至少一种或多种。
（13）一种固体摄像装置的制造方法，该方法包括：
在半导体基板的第一面上形成电路；
在所述半导体基板的第二面上形成格子图形；并且
在所述格子图形内外延生长半导体层，所述半导体层具有这样的形状：所述形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
（14）一种电子设备，其包括：
根据（1）至（12）中任一项所述的固体摄像装置；以及
信号处理电路，其对来自所述固体摄像装置的输出信号进行处理。
本申请包含与2012年4月4日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2012-085602中公开的内容相关的主题，将其全部内容通过引用并入此处。

Claims (15)

1.一种固体摄像装置，其包括：
半导体基板；
电路，所述电路形成于所述半导体基板的第一面上；
格子图形，所述格子图形设置于所述半导体基板的第二面上；以及
半导体层，所述半导体层形成于所述格子图形内并且具有如下形状：该形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在所述半导体层的表面上形成有p型半导体层。
3.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述p型半导体层由覆盖所述半导体层的具有固定负电荷的膜形成。
4.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述p型半导体层是通过添加p型杂质来形成的。
5.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述p型半导体层与所述半导体基板中的p型半导体区域电连接。
6.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形是通过形成于所述半导体基板上的绝缘层来实现的。
7.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形形成于像素之间的隔离区域上。
8.如权利要求7所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形的宽度小于像素之间的所述隔离区域的宽度。
9.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述格子图形是形成于所述半导体基板的隔离区域中的沟槽。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，其中，在所述沟槽内形成有遮光单元。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，其中，在所述沟槽的内表面上形成有所述半导体层，并且在所述半导体层的位于所述沟槽内的一部分中形成有p型杂质扩散层。
12.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述半导体层是外延生长层。
13.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置，其中，所述半导体层是从由Ge、Si1-xGex、InGaAs、GaAs、InP、InSb、SiGe以及具有黄铜矿结构的半导体层组成的群组中选出的至少一种或多种，这里0<x<1。
14.一种固体摄像装置的制造方法，其方法包括：
在半导体基板的第一面上形成电路；
在所述半导体基板的第二面上形成格子图形；以及
在所述格子图形内外延生长半导体层，所述半导体层具如下形状：该形状在与所述半导体基板的表面平行的平面内的横截面面积随着距所述半导体基板的距离的增大而减小。
15.一种电子设备，其包括：
权利要求1至13中任一项所述的固体摄像装置；以及
信号处理电路，其对来自所述固体摄像装置的输出信号进行处理。
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