CN103765584A - 固态图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种固态图像传感器包括具有光电转换部分的半导体层和布置于所述半导体层的第一面侧的布线结构，并从所述半导体层的第二面侧接收光。所述布线结构包括反射部分和绝缘膜，所述反射部分具有朝向所述半导体层反射从第二面向第一面透过所述半导体层的光的反射表面，所述绝缘膜位于所述反射表面与第一面之间。所述传感器包含第一介电膜和第二介电膜，第一介电膜被布置为接触第一面，第二介电膜被布置于所述绝缘膜与第一介电膜之间，并具有与第一介电膜和所述绝缘膜的折射率不同的折射率。

Description

固态图像传感器

技术领域

本发明涉及固态图像传感器。

背景技术

美国专利No.7,755,123描述了其中基板的厚度被减小以允许光电传感器容易地检测入射在后表面上的光的后侧照射成像装置。本说明书所附的图8引用了美国专利No.7,755,123的图1C中描述的后侧照射成像装置。美国专利No.7,755,123中描述的成像装置包括朝向光电传感器110反射入射在半导体装置基板104的后表面上并透过半导体装置基板104的后表面的光子的辐射（radiation）反射器128。

但是，利用美国专利No.7,755,123中描述的布置，作为半导体装置基板104与介电层118之间的界面（interfacial surface）的前侧106f朝向辐射反射器128反射被辐射反射器128朝向光电传感器110反射的光子。因此，在界面106f与辐射反射器128之间发生多重反射。并且，当界面106f与辐射反射器128之间的距离在图像感测表面之上不均匀时，返回到光电传感器110的光子的量变动，由此导致灵敏度变动。

发明内容

本发明提供有利于提高灵敏度并消除灵敏度变动的技术。

本发明的方面之一提供一种固态图像传感器，所述固态图像传感器包括具有多个光电转换部分的半导体层和布置于所述半导体层的第一面侧的布线结构，并从所述半导体层的第二面侧接收光，其中，所述布线结构包括反射部分和绝缘膜，所述反射部分具有朝向所述半导体层反射从第二面向第一面透过所述半导体层的光的反射表面，所述绝缘膜位于所述反射表面与第一面之间，以及，所述固态图像传感器包含第一介电膜和第二介电膜，第一介电膜被布置为接触第一面，第二介电膜被布置于所述绝缘膜与第一介电膜之间，并具有与第一介电膜和所述绝缘膜的折射率不同的折射率。

从（参照附图）对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。

附图说明

图1A和图1B是示出根据第一实施例的固态图像传感器的布置的示图；

图2是示出根据第一实施例的固态图像传感器的布置的示图；

图3是示出根据第一实施例的固态图像传感器的功能的示图；

图4是例示第一面的反射率的波长依赖性的曲线图；

图5是例示反射结构部分的反射率的曲线图；

图6是例示包含反射表面的表面的反射率与反射结构部分的反射率之间的关系的曲线图；

图7是示出根据第二实施例的固态图像传感器的布置的示图；以及

图8是用于解释美国专利No.7,755,123中描述的固态成像装置的示图。

具体实施方式

以下将参照图1A和1B以及图2至图6描述根据本发明的第一实施例的固态图像传感器100。图1A是固态图像传感器100的沿与其图像感测表面垂直的平面获取的截面图，并且，为了简化的目的，仅示出两个像素。注意，图像感测表面是其上布置像素阵列的表面。通过排列多个像素形成像素阵列。图1B是固态图像传感器100的抗反射层114的沿与其图像感测表面垂直的平面（与图1A不同）获取的截面的放大图。图2是固态图像传感器100的沿作为与其图像感测表面平行的平面的图1A中的A-A′平面获取的截面图。固态图像传感器100可被配置为例如MOS图像传感器或CCD图像传感器。

固态图像传感器100具有半导体层101，该半导体层101具有第一面120和第二面121。例如，可通过硅基板配置半导体层101。固态图像传感器100还具有布置于半导体层101的第一面120侧的布线结构WS、以及布置于半导体层101的第二面121侧的滤色器层107。滤色器层107可包含第一滤色器107a、第二滤色器107b和第三滤色器107c（未示出）。在这种情况下，第一滤色器107a可以是蓝色滤色器，第二滤色器107b可以是绿色滤色器，而第三滤色器107c可以是红色滤色器。例如，可通过Bayer矩阵限定第一滤色器107a、第二滤色器107b和第三滤色器107c的布置。

固态图像传感器100还可具有排列于滤色器层107上的多个微透镜108。固态图像传感器100还可在半导体层101的第二面121与滤色器层107之间具有平坦化层106。例如，平坦化层106可用作滤色器层107的下层（underlying）膜。在图像感测时，光经由微透镜108变得入射在光电转换部分102上。在这种情况下，每个微透镜108被布置于半导体层101的第二面121侧，并且布线结构WS被布置于半导体层101的第一面120侧。被配置为从与其上布置布线结构的第一面侧相对的第二面侧接收光的固态图像传感器可被称为后侧照射固态图像传感器。

在半导体层101中形成多个光电转换部分102。半导体层101和每个光电转换部分102由相反导电类型的杂质半导体区域形成，并且它们形成p-n结（光电二极管）。光电转换部分102是具有与要作为信号被读出的电荷的极性相同的极性的载流子是多数载流子的区域。在半导体层101中，可形成使相邻的光电转换部分102相互隔离的元件隔离部分103。元件隔离部分103可具有导电类型与光电转换部分102的导电类型相反的杂质半导体区域和/或绝缘体。在这种情况下，绝缘体可以是LOCOS隔离、STI隔离等。

通过多个像素区域PR配置固态图像传感器100的图像感测区域，所述多个像素区域PR以格子图案（grid pattern）排列，在所述多个像素区域PR之间不形成任何间隙，并且，所述多个光电转换部分102中的每一个被布置于所述多个像素区域PR中的相应一个上。每个像素区域PR被限定为使得每个像素区域PR的面积具有通过将图像感测区域的面积除以像素的数量（光电转换部分102的数量）所获得的值。

固态图像传感器100还包含在半导体层101的第一面120上形成以读出光电转换部分102的信号的多个晶体管Tr。每个晶体管Tr包含由例如多晶硅制成的栅电极104。在图1A和图3中，没有示出形成晶体管Tr的源极、漏极、栅极氧化物膜等。当固态图像传感器100被配置为MOS图像传感器时，所述多个晶体管Tr可包含例如向浮置扩散（未示出）传送在光电转换部分102上积累的电荷所需要的传送晶体管。

布线结构WS包含层叠布线部分109和层间介电膜105。层叠布线部分109可包含第一布线层、第二布线层110、第三布线层111和第四布线层112，该第一布线层包含具有反射表面140的反射部分113。层间介电膜105可由例如硅氧化物膜形成。层间介电膜105包含反射表面140与第一面120之间的部分。反射表面140朝向光电转换部分102反射透过滤色器107a、107b和107c、入射在光电转换部分102上、透过光电转换部分102、并进一步通过第一面120的光。形成层叠布线部分109的反射部分（第一布线层）113、第二布线层110、第三布线层111和第四布线层112可包含例如铝、铜和钨之一作为主要成分。

通过使用形成层叠布线部分109的布线层的一部分作为反射部分113，可避免对于形成布线部分所需要的附加层的需求。通过用形成层叠布线部分109的所述多个布线层中的与半导体层101的第一面120最靠近的第一布线层形成反射部分113，可缩短反射表面140与光电转换部分102之间的距离，由此消除杂散光。结果，可以提高灵敏度，并且可消除混色。

固态图像传感器100包含被布置为接触第一面120以消除光在第一面120上的反射的抗反射层114。抗反射层114可由例如多个介电膜形成。由于抗反射层114被包含，因此，可抑制被反射部分113朝向光电转换部分102反射的光被第一面120再次反射。由此，与没有任何抗反射层114的情况相比，可通过反射部分113向光电转换部分102返回更大量的光。

图1B示出抗反射层114的布置例子。形成抗反射层114的多个介电膜可包含被布置为接触第一面120的第一介电膜1141、以及具有与第一介电膜1141的折射率不同的折射率的第二介电膜1142。在图1B中，第一介电膜1141和第二介电膜1142相互接触，但可在第一介电膜1141和第二介电膜1142之间布置另一介电膜。第一介电膜1141和第二介电膜1142可具有比半导体层101的折射率低的折射率。第二介电膜1142可具有比第一介电膜1141的折射率高的折射率。并且，第二介电膜1142可具有比层间介电膜105的折射率高的折射率。第一介电膜1141可具有与层间介电膜105的折射率相等的折射率。第一介电膜1141和层间介电膜105的折射率可彼此相等或彼此不同。

第一介电膜1141和第二介电膜1142中的至少一个或优选两个可具有比层间介电膜105的厚度小的厚度。抗反射层114的厚度（该厚度等于或大于第一介电膜1141和第二介电膜1142的厚度之和）可比层间介电膜105的厚度小。注意，层间介电膜105的厚度指示层间介电膜105的位于第二面120与反射表面140之间的部分的厚度。第一介电膜1141和第二介电膜1142的厚度可彼此相等或彼此不同。当第二介电膜1142和第一介电膜1141具有不同的厚度时，抗反射功能的性能主要依赖于较厚膜的折射率。当第二介电膜1142的厚度被设为大于第一介电膜1141的厚度且第二介电膜1142具有比第一介电膜1141的折射率高的折射率时，可以提高抗反射效果。

以下将在半导体层101的厚度为3μm的假设下描述半导体层101的光吸收以及反射部分（第一布线层）113和抗反射层114的效果，以提供实际的例子。第二面121与第一面120之间的半导体区域对入射在第二面121上的光的吸收比（对入射在第二面121上的光之比）依赖于光的波长而不同。以下将检查其中光垂直入射在第二面121上的情况。在这种情况下，到通过第二面121的光到达第一面120为止，透过蓝色滤色器107a的450nm的波长的光线中的大多数被吸收。另一方面，透过绿色滤色器107b的550nm的波长的光线中的约87%被吸收。并且，透过红色滤色器107c的620nm的波长的光线中的约70%被吸收。此时，如图3所示，反射部分113朝向第一面120反射没有被吸收的光线116。抗反射层114可具有其中作为第一介电膜1141的10nm厚的硅氧化物膜和作为第二介电膜1142的50nm厚的硅氮化物膜依次被布置在第一面120上的布置。图4例示在第一面120上形成抗反射层114的情况下（实曲线）和没有任何抗反射层114的情况下（虚曲线）的第一面120的反射率的波长依赖性。在图4中，横轴绘出光的波长，而纵轴绘出第一面120的反射率。

在没有任何抗反射层114的情况下，当被反射部分113的反射表面140反射的光到达第一面120时，它被第一面120反射，并进一步被反射表面140反射。通过重复这种反射，在反射表面140与第一面120之间发生多重反射。令λ为光的波长，d为层间介电膜105的上表面130与反射表面140之间的距离（介质的厚度），并且n为作为上表面130与反射表面140之间的介质的层间介电膜105的折射率。并且，令R₁为第一面120的反射率，R₂为包含反射表面140并与第一面120平行的平面的反射率，并且R为包含第一面120和反射表面140的反射结构部分RS的反射率。由于在反射表面140与第一面120之间发生光的多重反射，因此反射率R依赖于λ、d、n、R₁和R₂。反射率R可由下式表达：

$R=\frac{R_1+R_2-2\sqrt{R_1\·R_2}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\right)}{1+R_1\·R_2-2\sqrt{R_1\·R_2}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\right)}...\left(1\right)$

图5例示反射结构部分RS的反射率R。横轴绘出介质的厚度d，而纵轴绘出反射率R。并且，实曲线表示抗反射层114被包含时的反射率R，而虚曲线表示抗反射层114不被包含时的反射率R。在该例子中，反射率R₂是90%，光的波长λ是550nm。如从图5可以看出的那样，当在第一面120上形成抗反射层114时，由介质的厚度d的变化导致的反射率R的变化比没有任何抗反射层114的情况小。因此，通过形成抗反射层114，可减少被反射结构部分RS返回到光电转换部分102的光的量的变化。由此，可消除由介质的厚度d的不均匀性、即第一面120与反射部分113之间的距离的不均匀性所导致的灵敏度变动。

在图5所示的例子中，反射率R₂为90%。但是，反射率R₂只需要取可使得反射结构部分RS的反射率R等于或大于零的值。当反射率R为零时，没有光返回到光电转换部分102，并且不能指望灵敏度提高。

以下将描述反射率R与R₂之间的关系。图6例示反射率R与R₂之间的关系。在图6中，光的波长λ为550nm，并且层间介电膜105的折射率n为1.46。并且，当抗反射层114不被包含时，作为λ＝550nm处的反射率，第一面120的反射率R₁是22%（参见图4）。

从式（1），当介质的厚度d与λ/4n（＝94.2nm）的偶数倍对应时，反射结构部分RS的反射率R取最小值；当厚度d与λ/4n的奇数倍对应时，反射率R取最大值。图6示出代表厚度d为作为λ/4n的偶数倍的565nm时的反射率R的实曲线、以及代表厚度d为作为λ/4n的奇数倍的471nm时的反射率R的虚曲线。如图6所示，当介质的厚度d为565nm时，存在使得反射结构部分RS的反射率R为零的反射率R₂的值。这意味着，被第一面120反射的光和被反射部分113反射的光相互抵消。反射率R₁可依赖于抗反射层114的布置而取各种值。

从图6和式（1），当反射率R₁和R₂满足R₂>R₁时，可设定[反射率R>0]。这不依赖于波长λ和层间介电膜105的折射率n。即，当反射率R₂比反射率R₁的最大值大时，R>0成立以提高灵敏度。在这种情况下，当不在第一面120上形成抗反射层114时，反射率R₁取最大值。图4中的虚曲线代表不在第一面120上形成抗反射层114时的反射率。如从图4可以看出的那样，短波长（蓝色）处的反射率高。透过蓝色滤色器107a的蓝色范围中的光线几乎都不到达第一面120，并且被光电转换部分102光电转换，只需要考虑透过绿色滤色器107b和红色滤色器107c的光线。由此，要被考虑的波长λ可以为约480nm或更高。当λ＝480nm时，不在第一面120上形成抗反射层114时的反射率R₁为25%（参见图4）。

包含反射部分113的反射表面140并与第一面120平行的平面的反射率R₂依赖于层间介电膜105的材料、反射部分113的材料、以及反射表面140的面积与像素区域PR的面积之比。令R₀为反射表面140的反射率（该反射率基于反射部分113的材料和层间介电膜105的材料被决定）且S为与第一面120平行的平面上的一个像素区域PR中的反射表面140的面积与一个像素区域PR的面积之比，则[反射率R₂＝R₀·S]成立。

因此，如果满足不等式（2），则反射结构部分RS的反射率R可被设为比零大：

R₂＝R₀·S>0.25             …（2）

当反射部分113由铝形成且层间介电膜105由硅氧化物形成时，反射部分130与层间介电膜105之间的界面即反射表面140的反射率R₀约为90%。在这种情况下，当与第一面120平行的平面上的一个像素区域RP中的反射表面140的面积与一个像素区域PR的面积之比被设为27.8%或更大时，可满足不等式（2）。结果，反射结构部分RS的反射率R变得比零大，并且可提高灵敏度。

如上所述，通过在第一面120上形成抗反射层114，可消除第一面120与反射表面140之间的多重反射，由此提高灵敏度。并且，由于多重反射被消除，因此可消除灵敏度不均匀性。

在以上的例子中，半导体层101的厚度为3μm。但是，半导体层101的厚度可例如为2μm或更大。反射部分113的反射表面140的形状可为凹表面形状，使得光被会聚于相应的光电转换部分102上。在以上的例子中，在最靠近第一面120的第一布线层上形成反射部分113，但它可形成于另一布线层上。并且，可在出于布线的目的而形成的层以外的层上形成反射部分。在这种情况下，由于可自由选择用于形成反射部分的材料，因此有利于提高反射率。作为用于形成反射部分的材料的主要成分，可以使用铝、铜和钨以外的材料。可通过使用多个介电膜形成反射部分。作为替代方案，反射部分可被形成为真空空间或填充有气体的空间。通过将每个微透镜的焦点位置设于第一面120与反射部分113之间的位置处，可以抑制被反射部分113反射的光的扩展。由此，可以设定被反射部分113反射并被返回到光电转换部分102的光的高比率，由此提高灵敏度。并且，可在第二面121上形成抗反射层，由此增大入射在半导体层101上的光的量。

以下将参照图1B描述其它的细节。第二介电膜1142可具有位于栅电极104与层间介电膜105之间的部分。第一介电膜1141可具有位于栅电极104与层间介电膜105之间的部分。各个介电膜的位于栅电极104与层间介电膜105之间的部分可消除栅电极104的表面对光的反射。各个介电膜的位于栅电极104与层间介电膜105之间的部分以及各个介电膜的覆盖光电转换部分102的部分可具有不同的厚度。第一介电膜1141可具有位于栅电极104与半导体层101之间的部分。该部分可用作栅绝缘膜。第一介电膜1141可在形成栅电极104之前及之后被形成，以具有位于栅电极104与层间介电膜105之间的部分和位于栅电极104与半导体层101之间的部分。

图1B例示包含于元件隔离部分103中的绝缘体1031。在图1B中，绝缘体1031从第一面120突出。在元件隔离部分103中形成的典型的绝缘体1031是硅氧化物。第二介电膜1142可具有位于绝缘体1031与层间介电膜105之间的部分。并且，第一介电膜1141可具有位于绝缘体1031与层间介电膜105之间的部分。各个介电膜的位于绝缘体1031与层间介电膜105之间的部分可消除半导体层101的第一面120对光的反射。特别地，当元件隔离部分103的绝缘体1031从第一面120突出时，在绝缘体1031的附近消除反射表面140与第一面120之间的光的干涉成分，由此消除灵敏度不均匀性。当绝缘体1031在多个像素区域之上形成周期性三维结构时，可更多地消除灵敏度不均匀性。

以下将参照图7描述根据本发明的第二实施例的固态图像传感器200。在本实施例中没有提到的项目可遵从第一实施例。在第二实施例中，被布置为接触第一面120的抗反射膜214具有分别与多个滤色器107a、107b和107c对应的多个部分，并且这些部分具有根据相应的滤色器的颜色的厚度。由此，可提高每个颜色的像素的灵敏度。

令λ₁、λ₂和λ₃为第一滤色器107a、第二滤色器107b和第三滤色器107c展现最大透射率的波长，并且m为硅氮化物的折射率。抗反射膜214包含在包含第一滤色器107a的像素中形成的第一部分、在包含第二滤色器107b的像素中形成的第二部分、以及在包含第三滤色器107c的像素中形成的第三部分。第一部分可包含在第一面120上形成的10nm厚的硅氧化物膜、以及在该硅氧化物膜上形成的λ₁/4m厚的硅氮化物膜。第二部分可包含在第一面120上形成的10nm厚的硅氧化物膜、以及在该硅氧化物膜上形成的λ₂/4m厚的硅氮化物膜。第三部分可包含在第一面120上形成的10nm厚的硅氧化物膜、以及在该硅氧化物膜上形成的λ₃/4m厚的硅氮化物膜。

例如，假定红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）像素的滤色器的最大透射率的波长λ₁、λ₂和λ₃分别为610nm、530nm和450nm，并且硅氮化物的折射率m为2.0。此时，红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）像素的抗反射膜214（第一、第二和第三部分）的优选厚度分别为76nm、66nm和56nm。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求2011年9月1日提交的日本专利申请No.2011-191074和2012年8月10日提交的日本专利申请No.2012-178923的益处，在此通过引用而并入它们的全部内容。

Claims (11)

1.一种固态图像传感器，所述固态图像传感器包括具有多个光电转换部分的半导体层和布置于所述半导体层的第一面侧的布线结构，并从所述半导体层的第二面侧接收光，其中

所述布线结构包括反射部分和绝缘膜，所述反射部分具有朝向所述半导体层反射从第二面向第一面透过所述半导体层的光的反射表面，所述绝缘膜位于所述反射表面与第一面之间，以及

所述固态图像传感器包含第一介电膜和第二介电膜，第一介电膜被布置为接触第一面，第二介电膜被布置于所述绝缘膜与第一介电膜之间，并具有与第一介电膜和所述绝缘膜的折射率不同的折射率。

2.根据权利要求1的传感器，其中，多个像素区域，所述多个像素区域以格子图案被布置，在所述多个像素区域之间没有任何间隙，

所述多个光电转换部分中的每一个被布置于所述多个像素区域中的相应像素区域中，以及

令R₀为所述反射表面的反射率，并且S为在与第一面平行的平面中的一个像素区域中占据的反射表面的面积，则所述布线结构满足：

R₀·S>0.25。

3.根据权利要求1或2的传感器，满足以下中的至少一个：

（1）第二介电膜的折射率比第一介电膜的折射率高；

（2）第二介电膜的折射率比所述绝缘膜的折射率高；

（3）第二介电膜比第一介电膜厚；以及

（4）第一介电膜和第二介电膜比所述绝缘膜薄。

4.根据权利要求1至3中任一项的传感器，其中，晶体管的栅电极形成在第一面与所述绝缘膜之间，并且第二介电膜具有位于所述栅电极与所述绝缘膜之间的部分。

5.根据权利要求4的传感器，其中，第一介电膜包括位于所述栅电极与所述半导体层之间的部分。

6.根据权利要求1至5中任一项的传感器，其中，所述半导体层包括含有绝缘体的元件隔离部分，并且第二介电膜包括位于所述元件隔离部分与所述绝缘膜之间的部分。

7.根据权利要求1至6中任一项的传感器，其中，第一介电膜和所述绝缘膜由硅氧化物制成。

8.根据权利要求1至7中任一项的传感器，其中，第二介电膜由硅氮化物制成。

9.根据权利要求1至8中任一项的传感器，其中，所述反射部分被形成为具有铝、铜和钨之一作为主要成分，并且具有比通过第一面获得的反射率高的通过所述反射表面获得的反射率。

10.根据权利要求1至9中任一项的传感器，其中，所述反射表面相对于第一面形成凹表面。

11.根据权利要求1至10中任一项的传感器，还包含被布置于第二面侧的多个滤色器，

其中，第二介电膜具有根据相应的滤色器的颜色的厚度。

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