CN103443921B - 背照式固态图像感测元件及其制造方法和成像装置 - Google Patents
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Abstract
一种背照式固态图像感测元件（22a），其中光被滤光器（52）散射，与入射到每个像素上的光的颜色无关地将每个像素的表面侧（60-1，60R-1）的表面积形成为相同，而散射的红光所入射的像素的反面侧（60R-4）的表面积被形成为大于绿色光或蓝色光所入射的像素的反面侧（60-R）的表面积。
Description
技术领域
本发明涉及背照式固态图像感测元件、制造背照式固态图像感测元件的方法、以及成像装置。
背景技术
例如，在具有原色（R（红色）、G（绿色）和B（蓝色））彩色滤光器并获取彩色图像的固态成像装置中，半导体衬底上布置了用于红色检测的像素（作为光电转换元件的光电二极管）、用于绿色检测的像素以及用于蓝色检测的像素。在各个像素上，层叠有微透镜（顶部透镜），并且被各个微透镜聚集的入射光通过相应的彩色滤光器进入与微透镜对应的像素。
近来，随着像素数量的增加，具有一千万或更多像素的固态图像感测元件已变为常态。为此，每个像素都被小型化，并且每个像素的尺寸也大致具有入射光波长的级别。然而，就光学原理而言，不可能使透镜焦点处于等于或小于入射光波长的距离内。为此，不可能将红光、绿光和蓝光中具有最长波长的红光聚集到等于或小于大约700nm的波长的距离内。因此，很可能的是，红光将泄漏至相邻像素，从而导致混色或串扰。
为此，在现有技术中，如在专利文献1中所描述的那样，像素的光接收面积被设置成按R像素、G像素和B像素的顺序减小，由此用于接收具有长波长光的红色（R）像素的面积较大，从而混色或串扰减少。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.2010-129548
发明内容
本发明所要解决的技术问题
类似于专利文献1中公开的现有技术，如果根据入射光分量的波长来区别地设置各像素的尺寸（光接收面积），可以减少混色和串扰。然而，如果像素的尺寸取决于入射光分量的颜色，则各个颜色之间会出现诸如从像素（光电二极管）读取所获取的图像信号的特性（读电压）、以及每个像素的饱和特性之类的特性的差异，而这是个问题。
本发明的一个目的涉及背照式固态图像感测元件、背照式固态图像感测元件的制造方法以及成像装置，其能够减少接收长波长光的像素与相邻像素的串扰，而不改变每个像素的诸如读取特性和饱和特性之类的特性。
解决问题的手段
根据本发明的背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于包括：半导体衬底，其中多个光电二极管布置成二维阵列，并且按照从光进入的后表面侧至前表面侧的方式形成多个光电二极管中的每一个；彩色滤光器，其层叠在半导体衬底的后表面侧上以使光分散；微透镜，其针对各个光电二极管层叠在彩色滤光器的后表面侧以便聚集入射光，从而使得入射光进入相应光电二极管的后表面侧；以及信号读取单元，其形成在半导体衬底的前表面侧上，以便读取由光电二极管根据光分量的接收量而检测到的所获取的图像信号；其中，与由彩色滤光器分散并进入光电二极管的光分量的颜色无关地将各个光电二极管的前表面侧的面积都形成为彼此相等，而分散的红光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于绿光分量或蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
根据本发明的成像装置的特征在于包括上述背照式固态图像感测元件。
本发明的有益效果
根据本发明，能够减少接收长波长光的像素与相邻像素的串扰，而不改变每个像素（光电二极管）的诸如读取特性和饱和特性之类的特性。
附图说明
图1是根据本发明实施例的成像装置的功能框图。
图2是图示出图1所示的背照式固态图像感测元件的后表面侧上布置的彩色滤光器的示例的示图。
图3示出了沿图2的线IIIA-IIIA截取的示意截面图（图3A）以及比较图（图3B）。
图4是图示出用于形成具有图3A所示的不同杂质浓度的n型区域的掩模的示图。
图5是代替图3A的实施例的另一实施例的示意截面图。
图6是图示出代替图4A的另一实施例的掩模的示图。
具体实施方式
下文将参考附图来描述本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例的具有固态图像感测元件的数码相机（成像装置）的功能配置框图。数码相机10包括成像光学系统21、以及布置在成像光学系统21的下一级的成像元件芯片22。成像光学系统21包括成像透镜21a、光圈21b、机械快门（未示出）等。也存在不具有机械快门的型号。
成像元件芯片22包括信号读取单元，其包括用于获取彩色图像并且是CCD类型、CMOS类型等的背照式固态图像感测元件22a、对背照式固态图像感测元件22a输出的模拟图像数据执行诸如自动增益控制（AGC）或相关双采样之类的模拟处理的模拟信号处理单元（AFE）22b、以及用于将从模拟信号处理单元22b输出的模拟图像数据转换成数字图像数据的模数转换器（A/D）22c。
数码相机10还包括用于根据来自下文将要描述的系统控制单元（CPU）29的指令来执行对固态图像感测元件22a、模拟信号处理单元22b和A/D22c的驱动控制的驱动单元（包括定时发生器TG）24，以及用于根据来自CPU29的指令而发射光的闪光灯25。驱动单元24可被集成地安装在成像元件芯片22中。
本实施例的数码相机10还包括：用于接收从A/D22c输出的数字图像数据并执行诸如内插、白平衡处理或RGB至YC转换之类的已知图像处理的数字信号处理单元26，用于将图像数据压缩成JPEG格式之类的图像数据或者对JPEG格式之类的图像数据进行解压缩的压缩/解压缩单元27，用于显示菜单或显示镜头图像或获取图像的显示单元28，用于总体控制整个数码相机的系统控制单元（CPU）29，诸如帧存储器之类的内部存储器30，用于执行相对于记录介质32（记录介质32用于存储JPEG图像数据等）的接口处理的介质接口（I/F）单元31，以及用于将上述单元进行彼此连接的总线34。而且，系统控制单元29被连接至操作单元33以允许用户输入指令。
图2是图示出图1所示的背照式固态图像感测元件22a的一部分后表面侧光接收表面的彩色滤光器阵列的示图。在本实施例的背照式固态图像感测元件22a中，三原色的彩色滤光器R、G和B被布置成拜耳（Bayer）阵列。
图3A是沿图2的线IIIA-IIIA截取的示意截面图。在本实施例的背照式固态图像感测元件22a中，在p型半导体衬底51的后表面侧（光入射侧被称为后表面侧）上，层叠有与各个像素相对应的彩色滤光器（R、G和B）52，并且在彩色滤光器52上，层叠有与各个像素相对应的微透镜53。与各个像素相对应的微透镜53通过相同的制造工艺被形成为相同的形状和尺寸。在本实施例中，例如，使用了具有例如3μm至4μm的厚度的p型半导体衬底51。然而，可以使用具有不同厚度的衬底。
在p型半导体衬底51的前表面侧上，形成了用于从每个像素读取所获取的图像信号的信号读取单元54（信号读取电路）。由于图3A所示的示例的背照式固态图像感测元件22a是CMOS类型的，所以在图3A中，示出了由CMOS类型的晶体管构成的信号读取单元54的三个布线层。
在彩色滤光器52和微透镜53之间，层叠了透明的平面薄膜55，并且即使在p型半导体衬底51和彩色滤光器52之间，也布置了透明的平面薄膜、氧化膜56等。即使在p型半导体衬底51的前表面侧上，也布置了绝缘层57等，并且布置了用于防止由于暗电流引起的白缺陷的前表面的高浓度p型层（未示出）等。
从与p型半导体衬底51的各个像素相对应的彩色滤光器R、G和B正下方（半导体衬底51的后表面侧正下方）至p型半导体衬底51的前表面侧（布置有信号读取单元54的前表面侧），针对每个像素布置了n型区域60。
该n型区域60由n型区域60-1、60-2、60-3和60-4构成，它们形成了四层结构并具有从半导体衬底51的前表面侧至后表面侧依次降低的杂质浓度。优选地，第一层的n型区域60-1的每单位面积的n型杂质离子注入浓度可被设置成1e12/cm2或更大，并且第二至第四层的n型区域的离子注入浓度可被设置成小于1e12/cm2。
在其上层叠了R、G和B彩色滤光器的各个像素中，布置了n型区域60。在本实施例中，只有其上层叠有R滤光器的像素的n型区域（标记有参考标号“60R”）的结构不同于其它具有B滤光器和G滤光器的像素的n型区域60的结构。
其上层叠有R滤光器的像素的n型区域60R具有由四层60R-1、60R-2、60R-3和60R-4构成的结构，类似于其它n型区域60，这四层具有从半导体衬底51的前表面侧至后表面侧依次减小的n型杂质浓度。在图3A所示的示例中，各个n型区域层60-i（i=1，2，3或4）的厚度相同。然而，本发明并不限于此。
作为n型区域60R的从前表面侧算起的第一层并具有最高n型杂质浓度的层60R-1（即，用于读取所获取的图像信号的n型区域60R-1）的面积（从半导体衬底的前表面侧或后表面侧看到的面积）等于其它颜色的n型区域60的从前表面侧算起的第一层60-1的面积。在本实施例中，从前表面侧算起的第二层60R-2和60-2的面积同样等于第一层60R-1和60-1的面积。
然而，在本实施例中，作为n型区域60R的从前表面侧算起的第三层和第四层并且具有低杂质浓度的层60R-3和60R-4的面积比其它颜色的n型区域60从前表面侧算起的第三层和第四层的那些层60-3和60-4的面积宽。图3B是用于与图3A比较的示图，在图3B中，其上层叠了R滤光器的像素的所有n型区域具有相同面积，并且具有与其他颜色像素的面积相同的面积。
由于每个微透镜53的焦点被做成落入半导体衬底51的后表面与对应于n型区域60或60R的第四层60-4或60R-4的后表面侧大约一半程度的深度之间的范围内，所以如果第四层60R-4的面积被设置为宽于相邻像素的面积，则可以减少其中在R光聚集至n型区域层时R光泄漏至n型区域层60-4的相邻像素中的串扰。
通过在具有低杂质浓度的第四层60R-4和第三层60R-3中进行光电转换而获取的信号电荷（电子）移动至具有高杂质浓度的层60R-2和60R-1，并且累积在第一层60R-1中。
如果第一层60R-1被制成具有与第四层60R-4相同的宽度面积，则第一层60R-1的面积不同于其它n型区域60的第一层60-1的面积。由此，在从第一层读取所获取的图像信号的情况下，出现了这样的问题，即，其中其上层叠了R滤光器的像素与具有其它颜色（G和B）滤光器的其他像素之间的诸如读取特性和饱和特性之类的特性变得不同。
然而，在本实施例中，由于用于接收入射光的第四层60R-4和第三层60R-3的面积被设置成宽于蓝色检测像素和绿色检测像素的面积，并且用于读取所获取的图像信号的红色检测像素的第一层60R-1的面积被设置成等于其它颜色的第一层60-1的面积，所以读取特性、饱和特性等变得一样。而且，如上所述，由于远离用于读取信号的第一层60R-1并具有较宽面积的层60R-4和60R-3的杂质浓度被设置成较低，所以对第一层的读取特性、饱和特性等的影响降低。
而且，如果第一层60-1和60R-1的厚度被设置为至少大约1μm或更厚，则具有较大面积的第四层60R-4对第一层60R-1的影响被消除，由此第一层60R-1具有与其它颜色的第一层60-1的读取特性、饱和特性等相同的读取特性、饱和特性等。
图4是图示出用于通过在图3A所示的固态图像感测元件22a的p型半导体衬底51中注入离子而形成具有不同杂质浓度的四层的n型区域60-i和60R-i（i是介于1和4之间的整数）的掩模的示图。在图4中，白色矩形部分是通孔，通过这些通孔，从前表面侧施加了n型杂质。写入矩形部分的R、G和B表示了相应的彩色滤光器R、G和B。
图4A示出了用于形成相对于半导体衬底51的后表面侧较浅的层60-4、60-3，60R-4和60R-3的掩模65，而图4B示出了用于形成相对于半导体衬底51的后表面侧较深的层60-1、60-2、60R-1和60R-2的掩模66。在从半导体衬底51的前表面侧执行离子注入的情况下，为了形成与前表面侧最接近的层60-1和60R-1，杂质以高浓度低能量注入，并且为了形成距离前表面最深的层60-4和60R-4，杂质以低浓度高能量注入。
在掩模66中，R、G和B的各个孔66R、66G和66B的开口面积相同；而在掩模65中，用于R的孔65R的开口面积宽于用于G和B的各个孔65G和65B的开口面积。因此，变得能够使红色检测像素的n型区域60R的第三层和第四层的面积宽于第一层和第二层的面积。
图5是根据代替图3A的实施例的本发明另一实施例的背照式固态图像感测元件的示意截面图。与图3A的实施例的一个不同之处在于n型区域60R的第二层60R-2的面积也被设置得较宽，而仅仅第一层60R-1具有与其它n型区域60的面积相同的面积。
即使在该实施例中，也可以防止红光的串扰等。与在光电二极管（像素）的光接收表面侧上集成布置信号读取单元的前照式固态图像感测元件相比，在背照式固态图像感测元件中，光接收表面中的光电转换元件的比例较高，以至于光敏感度较高，并且半导体衬底较厚。由于入射光穿透半导体衬底的距离随着波长的增大而变大，所以与前照式类型相比，在背照式类型中，尤其是红光串扰会成为问题。
然而，类似于图3A和图5的实施例，如果n型区域60R的面积被设置成其宽度能够到达与半导体衬底的后表面侧光入射表面相比较深的位置，则即使不太可能在半导体衬底中被吸收的红光在半导体衬底中传播至超过焦点，也可以在n型区域60R中吸收这些红光并执行对红光的光电转换。因此，可以减少串扰和混色。
图6是图示出根据取代图4A的实施例的本发明另一实施例的掩模的示图。虽然用于在信号读取电路侧形成n型区域60-1和60R-1的掩模与图4B的掩模相同，但是作为用于通过离子注入形成相对于前表面较深的区域（即，相对于后表面较浅的区域）的层的掩模，采用了图6所示的掩模。
在图4A的掩模65中，各个孔的面积（或矩形的边的长度）被设置成使得孔65R的面积大于孔65G的面积（孔65G的面积与孔65B的面积相同）。然而，在本实施例的掩模67中，按各入射光分量的波长的大小顺序设置各个孔的面积，由此孔67R的面积大于孔67G的面积，孔67G的面积大于孔67B的面积。与此类似，优选地，各孔的面积的大小关系遵循通过各个颜色的滤光器的入射光分量的中心波长的波长比。因此，不仅可以减少红光的串扰，而且可以减少绿光的串扰。
如上所述，由于用于接收入射光的红光的光电二极管的光接收面积被设置成宽于用于接收其它颜色的光的光电二极管的光接收面积，并且用于读取所获取的图像信号的一部分光电二极管的面积被设置成对于每个颜色都相等，所以可以减少红光的串扰，而不改变每个颜色的读取特性、饱和特性等。
而且，在上述实施例中，已经描述了包括半导体衬底上的布置成正方形网格阵列（二维阵列的示例）的像素（光电二极管）以及布置成拜耳阵列的彩色滤光器的背照式固态图像感测元件。然而，本发明并不限于此。本发明甚至可应用至所谓的蜂窝像素阵列，其中奇数像素行相对于偶数像素行偏移1/2个像素间隔，并且可应用至其中彩色滤光器阵列是例如纵向条纹阵列或横向条纹阵列的元件。
并且，在图3A的实施例中，第三层60R-3和第四层60R-4的面积被设置成较宽。然而，即使仅仅第四层60R-4的面积被设置成较宽，也可以获取本发明的效果。
而且，在图3和图5的实施例中，n型区域60和60R具有四层结构。然而，n型区域可具有两层结构、三层结构或任意其它结构，并且如果光电二极管的用于接收红光的光入射表面侧层的面积被设置成宽于其它颜色的面积，则可以获取与上述实施例的效果相同的效果。
如上面说明的那样，根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于包括：半导体衬底，其中多个光电二极管布置成二维阵列，并且按照从光进入的后表面侧至前表面侧的方式形成多个光电二极管中的每一个；彩色滤光器，其层叠在半导体衬底的后表面侧上以使光分散；微透镜，其针对各个光电二极管层叠在彩色滤光器的后表面侧以便聚集入射光，从而使得入射光进入相应光电二极管的后表面侧；以及信号读取单元，其形成在半导体衬底的前表面侧上，以便读取由光电二极管根据光分量的接收量而检测到的所获取的图像信号；其中，与由彩色滤光器分散并进入光电二极管的光分量的颜色无关地将各个光电二极管的前表面侧的面积都形成为彼此相等，而分散的红光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于绿光分量或蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，绿光分量进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于蓝光分量进入的光电二极管的后表面侧的面积。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，每个光电二极管被形成为后表面侧上的杂质浓度低于前表面侧上的杂质浓度。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，利用杂质浓度从后表面侧向前表面侧依次增大的多个层来形成每个光电二极管。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层仅仅是最靠近后表面侧的层。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层是除了最靠近前表面侧的层之外的层。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，多个层中最靠近前表面侧的层的厚度被形成为至少1μm或更大。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，在光电二极管中，以每单位面积1e12/cm2或更大的离子注入浓度来形成最靠近前表面侧的层。
根据实施例，背照式固态图像感测元件及其制造方法的特征在于，在光电二极管中，以每单位面积小于1e12/cm2的离子注入浓度来形成除了最靠近前表面侧的层之外的层。
根据实施例，成像装置的特征在于包括在以上任意一个配置中阐述的背照式固态图像感测元件。
根据上述实施例，变得能够减少接收长波长光的像素与相邻像素的串扰，而不改变每个像素（光电二极管）的诸如读取特性和饱和特性之类的特性。
工业应用性
由于可以降低特别是红光的串扰，所以根据本发明的背照式固态图像感测元件对于诸如数码相机、配置有相机的便携手机、配置有相机的电子设备以及用于内窥镜的成像装置之类的用于获取高质量对象图像的设备是有用的。
本申请基于2011年3月25日提交的日本专利申请No.2011-67891，其内容通过引用并入本文。
参考标号及符号的说明
10：成像装置（数码相机）
22：成像元件芯片
22a：背照式固态图像感测元件
51：p型半导体衬底
52：彩色滤光器层
53：微透镜
54：信号读取单元
60：n型区域
60-1：第一层（具有最高杂质浓度）
60-2：第二层（具有第二高杂质浓度）
60-3：第三层（具有第二低杂质浓度）
60-4：第四层（具有最低杂质浓度）
60R：用于红色检测的像素的n型区域
60R-1：第一层（具有最高杂质浓度）
60R-2：第二层（具有第二高杂质浓度）
60R-3：第三层（具有第二低杂质浓度）
60R-4：第四层（具有最低杂质浓度）
65，66，67：掩模
65R，65G，65B：掩模孔
66R，66G，66B：掩模孔
67R，67G，67B：掩模孔
Claims (19)
1.一种背照式固态图像感测元件，包括：
半导体衬底，其中多个光电二极管布置成二维阵列，并且按照从光进入的后表面侧至前表面侧的方式形成多个光电二极管中的每一个；
彩色滤光器，其层叠在半导体衬底的后表面侧上以使光分散；
微透镜，其针对各个光电二极管层叠在彩色滤光器的后表面侧以便聚集入射光，从而使得入射光进入相应光电二极管的后表面侧；以及
信号读取单元，其形成在半导体衬底的前表面侧上，以便读取由光电二极管根据光分量的接收量而检测到的所获取的图像信号，
其中，与由彩色滤光器分散并进入光电二极管的光分量的颜色无关地将各个光电二极管的前表面侧的面积都形成为彼此相等，而分散的红光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于绿光分量或蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
2.根据权利要求1所述的背照式固态图像感测元件，其中绿光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
3.根据权利要求1或2所述的背照式固态图像感测元件，其中每个光电二极管被形成为后表面侧上的杂质浓度低于前表面侧上的杂质浓度。
4.根据权利要求3所述的背照式固态图像感测元件，其中利用杂质浓度从后表面侧向前表面侧依次增大的多个层来形成每个光电二极管。
5.根据权利要求4所述的背照式固态图像感测元件，其中多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层仅仅是最靠近后表面侧的层。
6.根据权利要求4所述的背照式固态图像感测元件，其中多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层是除了最靠近前表面侧的层之外的层。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的背照式固态图像感测元件，其中多个层中最靠近前表面侧的层的厚度被形成为1μm或更大。
8.根据权利要求4至6中的任一项所述的背照式固态图像感测元件，其中在光电二极管中，以每单位面积1e12/cm2或更大的离子注入浓度来形成最靠近前表面侧的层。
9.根据权利要求4至6中的任一项所述的背照式固态图像感测元件，其中在光电二极管中，以每单位面积小于1e12/cm2的离子注入浓度来形成除了最靠近前表面侧的层之外的层。
10.一种成像装置，包括根据权利要求1所述的背照式固态图像感测元件。
11.一种制造背照式固态图像感测元件的方法，所述背照式固态图像感测元件包括：半导体衬底，其中多个光电二极管布置成二维阵列，并且按照从光进入的后表面侧至前表面侧的方式形成多个光电二极管中的每一个；层叠在半导体衬底的后表面侧上以使光分散的彩色滤光器；微透镜，其针对各个光电二极管层叠在彩色滤光器的后表面侧以便聚集入射光，从而使得入射光进入相应光电二极管的后表面侧；以及信号读取单元，其形成在半导体衬底的前表面侧上，以便读取由光电二极管根据光分量的接收量而检测到的所获取的图像信号，所述方法包括：
与由彩色滤光器分散并进入光电二极管的光分量的颜色无关地将各个光电二极管的前表面侧的面积都形成为彼此相等，而将分散的红光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积形成为大于绿光分量或蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
12.根据权利要求11所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中绿光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积被形成为大于蓝光分量所进入的光电二极管的后表面侧的面积。
13.根据权利要求11或12所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中每个光电二极管被形成为后表面侧上的杂质浓度低于前表面侧上的杂质浓度。
14.根据权利要求13所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中利用杂质浓度从后表面侧向前表面侧依次增大的多个层来形成每个光电二极管。
15.根据权利要求14所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层仅仅是最靠近后表面侧的层。
16.根据权利要求14所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中多个层至少由三层构成，并且具有较大面积的层是除了最靠近前表面侧的层之外的层。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中多个层中最靠近前表面侧的层的厚度被形成为1μm或更大。
18.根据权利要求14至16中的任一项所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中在光电二极管中，以每单位面积1e12/cm2或更大的离子注入浓度来形成最靠近前表面侧的层。
19.根据权利要求14至16中的任一项所述的制造背照式固态图像感测元件的方法，其中在光电二极管中，以每单位面积小于1e12/cm2的离子注入浓度来形成除了最靠近前表面侧的层之外的层。
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