CN106463517A - 固态摄像装置、其制造方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够进一步降低反射率的固态摄像装置、制造该固态摄像装置的方法以及电子设备。固态摄像装置设置有半导体基板和防反射结构，在半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元，防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从光入射面侧入射在半导体基板上。通过执行利用不同的处理条件以多个阶段挖掘半导体基板的光入射面的处理来形成防反射结构。在防反射结构中，在预定高度的第一突起之间形成有比第一突起低的第二突起。例如，本发明可应用于CMOS图像传感器。

Description

固态摄像装置、其制造方法和电子设备
技术领域
本发明涉及固态摄像装置、制造该固态摄像装置的方法及电子设备，并特别地涉及能够进一步降低反射率的固态摄像装置、制造该固态摄像装置的方法以及电子设备。
背景技术
通常，例如，在诸如数字相机和数字摄像机等具有摄像功能的电子设备中使用诸如电荷耦合器件(CCD)/互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等固态图像传感器。
例如，通过像素中包括的作为光电转换单元的光电二极管(PD)对入射在CMOS图像传感器上的入射光进行光电转换。接着，通过传输晶体管将由PD生成的电荷传输至浮动扩散部(FD)，并且通过放大晶体管输出与PD中积累的电荷相一致的电平的像素信号。
在常规固态图像传感器中，存在着如下情形：入射在固态图像传感器上的光在固态图像传感器中被反射，且由于被成像在图像中的反射光而出现耀斑和重影。例如，被片上透镜和各颜色的像素的硅表面反射的光被密封玻璃表面和红外辐射截止滤光片表面反射，并再次入射至光电转换单元上，从而出现耀斑。另外，例如，被红色像素的硅表面和片上透镜表面反射的红光被红外辐射截止滤光片的多重涂覆表面反射，并再次入射至光电转换单元上，从而出现看上去像红球的重影。
为防止光在硅表面上的这种反射以减少耀斑和重影的出现，周期性地布置有微细凹凸结构的结构(即，所谓的蛾眼结构(moth-eye structure))是已知的。在蛾眼结构中，折射率逐渐地变化，从而可降低反射率。
例如，在专利文献1提出的所谓的蛾眼结构中，微细凹凸结构设置在形成有光电二极管的硅层的光接收面侧的界面上，以作为用于防止入射光的反射的结构。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开号2013-33864
发明内容
技术问题
当通过干法刻蚀来处理上述蛾眼结构时，可通过设定长的处理时间来形成深的凹部。然而，在通过这种处理来形成具有深的凹部的蛾眼结构时，担心处理损害增加，例如，黑特性劣化。而且，担心由于由蛾眼结构导致的增加的凹凸性而在后处理中出现诸如残留物等麻烦。因此，需要避免这种担心，以进一步降低反射率。
鉴于这种情况实现本发明，且本发明的目的在于进一步降低反射率。
技术方案
根据本发明的一个方面的固态摄像装置设置有半导体基板和防反射结构，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元，所述防反射结构是设置在光入射面侧上的结构，且在所述防反射结构中形成有不同高度的多种类型的突起，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
根据本发明的一个方面的制造固态摄像装置的方法包括：通过执行利用不同的处理条件以多个阶段挖掘半导体基板的光入射面的处理来形成防反射结构，其中，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元。
根据本发明的一个方面的电子设备设置有固态摄像装置，该固态摄像装置设置有半导体基板和防反射结构，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
在本发明的一个方面中，作为形成有不同高度的多种类型的突起的结构的防反射结构设置在光入射面侧上，光从所述光入射面侧入射至所述半导体基板上，在半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元。此外，通过执行利用不同的处理条件以多个阶段挖掘半导体基板的光入射面的处理来形成防反射结构。
技术效果
根据本发明的一个方面，可进一步降低反射率。
附图说明
图1是示出根据本发明的固态摄像装置的示意构造的视图。
图2是示出根据第一实施例的像素的截面构造示例的视图。
图3是示出防反射结构的视图。
图4是示出常规防反射结构的视图。
图5是示出光入射面上的反射率的视图。
图6是示出制造固态摄像装置的方法的视图。
图7是示出制造固态摄像装置的方法的视图。
图8是示出防反射结构的变形例的视图。
图9是示出根据本发明的作为电子设备的摄像装置的构造示例的框图。
具体实施方式
在下文中将说明本发明的实施方式(在下文中，称为实施例)。同时，将按照以下顺序给出说明。
1.固态摄像装置的示意构造示例
2.根据该实施例的像素结构
3.电子设备的应用示例
在下文中，将参照附图说明应用有本发明的技术的具体实施例。
1.固态摄像装置的示意构造示例
图1示出根据本发明的固态摄像装置的示意构造。
在图1的固态摄像装置1的构造中，由例如作为半导体的硅(Si)形成的半导体基板12包括像素阵列单元3和位于像素阵列单元3周围的外围电路单元，在像素阵列单元3中以二维阵列图案布置有像素2。外围电路单元包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8等。
像素2包括作为光电转换元件的光电二极管，且还包括多个像素晶体管。多个像素晶体管由四个MOS晶体管形成，例如，它们分别为传输晶体管、选择晶体管、复位晶体管和放大晶体管。
像素2也可具有共用像素结构。像素共用结构由多个光电二极管、多个传输晶体管、一个共用浮动扩散部(浮动扩散区)以及其它的(对于每种类型，一个的)共用像素晶体管形成。也就是说，在共用像素的构造中，由多个单元像素组成的这些光电二极管和传输晶体管共用其它的(对于每种类型，一个的)像素晶体管。
控制电路8接收输入时钟和用于给出操作模式等的命令的数据，并输出固态摄像装置1的内部信息等的数据。也就是说，基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟，控制电路8生成时钟信号和控制信号，以作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6的操作基准。接着，控制电路8将所生成的时钟信号和控制信号输出到垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等。
例如，由移位寄存器形成的垂直驱动电路4选择像素驱动配线10，将用于驱动像素2的脉冲供应至所选择的像素驱动配线10，并以行为单位驱动像素2。也就是说，垂直驱动电路4沿垂直方向顺序地以行为单位扫描像素阵列单元3中的像素2，并通过垂直信号线9将基于根据由每个像素2的光电转换单元接收的光量生成的信号电荷的像素信号供应至列信号处理电路5。
对于各像素列，针对每个列的像素2布置的列信号处理电路5对从一列的像素2输出的信号执行诸如去除噪声等信号处理。例如，列信号处理电路5执行诸如相关双采样(CDS)等信号处理，以移除像素和AD转换特有的固定模式噪声。
例如，由移位寄存器形成的水平驱动电路6通过顺序地输出水平扫描脉冲来顺序地选择每个列信号处理电路5，并将来自每个列信号处理电路5的像素信号输出至水平信号线11。
输出电路7对通过水平信号线11从每个列信号处理电路5顺序地供应的信号执行信号处理，并将其输出。例如，存在输出电路7仅执行缓冲的情况，或者存在其执行钳位电平调节(block level adjustment)、列差异校正(column variation correction)和各种类型的数字信号处理的情况。输入/输出端子13与外部通信以交换信号。
以上述方式形成的固态摄像装置1是被称为列AD型固态摄像装置的CMOS图像传感器，在该AD型固态摄像装置中，针对每个像素列布置有用于执行CDS处理和AD转换处理的列信号处理电路5。
固态摄像装置1也是背面照射型MOS固态摄像装置，其中光从半导体基板12的与形成有像素晶体管的表面相对的背面侧入射。
2.根据本实施例的像素结构
图2是示出根据本实施例的像素2的截面构造示例的视图。
如图2所示，固态摄像装置1由彼此堆叠的半导体基板21、防反射膜22、平坦化膜23、滤色器层24和片上透镜层25形成。图2示出三个像素2-1至2-3的截面。
半导体基板21是通过将单晶的高纯度硅切成薄片而获得的硅晶片，例如，在该半导体基板中，针对像素2-1至2-3分别形成光电转换单元31-1至31-3，这些光电转换单元均通过光电转换将入射光转换成电荷并对其进行积累。
例如，防反射膜22具有通过堆叠固定电荷膜和氧化膜获得的堆叠结构，例如，可以使用通过原子层沉积(ALD)方法获得的高k绝缘薄膜。具体地，可使用铪氧化物(HfO2)、铝氧化物(Al2O3)、钛氧化物(TiO2)和锶钛氧化物(STO)等。在图2的示例中，防反射膜22由彼此堆叠的铪氧化物膜32、铝氧化物膜33和硅氧化物膜34形成。
此外，遮光膜35形成在防反射膜22上的充当像素2之间的边界的区域中。可将遮光材料用作遮光膜35的材料；例如，使用钛(Ti)、钛氮化物(TiN)、钨(W)、铝(Al)、钨氮化物(WN)等的单层金属膜。可选地，也可将这类金属的堆叠膜(例如，钛和钨的堆叠膜和钛氮化物和钨的堆叠膜)用作遮光膜35。
例如，通过沉积传输光的绝缘材料形成的平坦化膜23使表面平坦化。例如，可将诸如树脂等有机材料用作平坦化膜23的材料。
滤色器层24由针对每个像素2布置的多个滤色器36形成，每个滤色器36传输预定颜色的光。例如，用于传输三基色(红色、绿色和蓝色)的光的滤色器36布置成所谓的拜耳阵列。例如，如图所示，针对像素2-1布置用于传输红色(R)的光的滤色器36-1，针对像素2-2布置用于传输绿色(G)的光的滤色器36-2并针对像素2-3布置用于传输蓝色(B)的光的滤色器36-3。例如，通过旋转涂覆含有诸如着色剂和染料等颜料的感光树脂来形成滤色器层24。
片上透镜层25由针对每个像素2布置的多个片上透镜37形成，每个片上透镜37将光聚集在光电转换单元31上；如图所示，分别针对像素2-1至2-3布置片上透镜37-1至37-3。例如，片上透镜37由诸如苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物树脂或硅氧烷树脂等树脂材料形成。
固态摄像装置1以上述方式形成，并且对于各个像素，从图2的上侧入射至固态摄像装置1上的光被片上透镜37聚集，进而通过滤色器36在光谱上被分散成各个颜色。接着，对于每个像素2，通过光电转换单元31对透过平坦化膜23和防反射膜22而入射至半导体基板21上的光进行光电转换。
在下文中，适当地将固态摄像装置1的入射有光的一侧上的表面(图2中的上表面)称为光入射面。在半导体基板21的光入射面上设置有由半导体基板21的光入射面上的微细凹凸结构(所谓的蛾眼结构)形成的防反射结构41，以用于防止入射在半导体基板21上的入射光的反射。例如，在图2示出的构造示例中，针对像素2-1至2-3分别设置防反射结构41-1至41-3，并且在像素2-1至2-3之间的像素间区域中设置平坦表面。
下面，参照图3对防反射结构41进行说明。
图3以放大的方式示出形成在半导体基板21的光入射面上的防反射结构41。图3的下侧示出防反射结构41的平面图，且图3的上侧示出沿平面图中的A-A'获得的截面图。
在设置在半导体基板21的光入射面上的防反射结构41构造中，折射率由于由不同高度的多种类型的突起形成的结构而逐渐变化。在图3的示例中，在该构造中，折射率由于设置不同高度的两种类型的突起42和43而以两个级别变化。具体地，在防反射结构41的构造中，以200nm的间隔形成高度为250nm的多个突起42，并在突起42之间形成高度为125nm的突起43。
例如，如图4所示，常规防反射结构41'仅由相同高度的突起42形成，并在突起42之间形成平坦表面。另一方面，在图3中的防反射结构41的结构中，在按照与常规防反射结构41'相同的仅形成突起42的处理条件进行处理时，在突起42之间的平坦位置中形成突起43。
通过以这种方式构造防反射结构41，在光入射面上，折射率以两个级别变化，使得与常规防反射结构41'相比，可降低半导体基板21的光入射面上的反射率。
例如，参照图5对光入射面上的反射率进行说明。
在图5中，沿横坐标和纵坐标分别绘制了入射至光入射面上的光的波长和光入射面上的反射率。
图5中的实线表示具有平坦结构而没有形成蛾眼结构的光入射面上的反射率。另外，图5中的虚线表示设置有如图4所示的仅形成有相同高度的突起42的常规防反射结构41'的光入射面上的反射率。另外，图5的短划线表示设置有如图3所示的本实施例的防反射结构41(也就是说，由不同高度的两种类型的突起42和43形成的防反射结构41)的光入射面上的反射率。
如图5所示，借助防反射结构41，与常规防反射结构41'相比，能够显著降低所有波长的反射率。同时，虽然示出了普通防反射结构41'与具有平坦结构的光入射面相比也使反射率降低，但是反射率对于入射光的所有波长不小于5％。相比之下，事实证明，借助防反射结构41，在550nm至600nm的入射光波长区域附近，可将反射率限制至1％或更低。
因此，通过能够以这种方式降低反射率的防反射结构41，能够抑制入射在半导体基板21上的入射光的反射，从而能够改善像素2的灵敏度，进而提高由固态摄像装置1获取的图像的质量。
按照上述方式构造固态摄像装置1，并可通过以具有不同处理条件的多个阶段挖掘半导体基板21的光入射面的处理来制造由不同高度的多种类型的突起形成的防反射结构41。
下面，参照图6和图7对制造固态摄像装置1的方法进行说明。
首先，如图6的最上面的阶段所示，在第一步骤中，将由硅氧化物(SiO2)等形成的硬掩膜层51沉积在当形成光电转换单元31之后被从后表面侧薄化的半导体基板21的背面上，并将抗蚀剂52涂敷至硬掩膜层上。
在第二步骤中，显影与形成有突起42的区域相对应的图案，并且如图6的第二阶段所示，将该区域之外的部分中的抗蚀剂52移除。据此，在抗蚀剂52的形状中保留有与形成有突起42的区域相对应的图案。
在第三步骤中，在第一处理条件下，以预定的离子量设定执行干法刻蚀，然后根据抗蚀剂52的图案将硬掩膜层51移除，并对半导体基板21的背面进行处理。据此，如图6的第三阶段所示，对半导体基板21的背面进行挖掘，并且根据半导体基板21的晶体结构形成V截面形凹部。
在第四步骤中，在不同于第一处理条件的第二处理条件下执行干法刻蚀，例如，相比于第一处理条件，第二处理条件被设定为增加离子量。以此方式，通过利用不同的处理条件以两个步骤执行刻蚀，如图6的第四阶段所示，形成了由不同高度的两种类型的突起42和43形成的微细凹凸结构。
下面，如图7的最上面的阶段所示，在第五步骤中，移除硬掩膜层51和抗蚀剂52。
在第六步骤中，如图7的第二阶段所示，在包括形成在半导体基板21的背面上的微细凹凸结构的整个表面上堆叠铪氧化物膜32、铝氧化物膜33和硅氧化物膜34，从而沉积防反射膜22。
在第七步骤中，如图7的第三阶段所示，将遮光膜35形成在防反射膜22上的充当像素2之间的边界的区域中。
接着，在第八步骤中，如图7的第四阶段所示，沉积平坦化膜23，并堆叠滤色器层24和片上透镜层25，从而制成固态摄像装置1。
如上所述，在固态摄像装置1中，能够提供防反射结构41，其中，通过利用不同处理条件以两个步骤进行刻蚀来形成不同高度的两种类型的突起42和43。
这时，在固态摄像装置1中，例如能够防止如上所述的在设定长的处理时间时所担忧的麻烦(例如，黑特性的劣化以及残留物)的出现。也就是说，与在深处形成微细凹凸结构的凹部的构造相比，固态摄像装置1可具有更优良的特性。换言之，固态摄像装置1可降低反射率，而无需形成微细凹凸结构的深凹部。
据此，例如，固态摄像装置1可防止如上所述的耀斑或重影的出现，并且可获取更高质量的图像。
尽管在上述实施例中，防反射结构41由不同高度的两种类型的突起42和43形成，但是其也可由不同高度的两种以上类型的突起形成。例如，能够形成具有不同高度的三种以上类型的突起的防反射结构41。
图8示出防反射结构的变形例。
在图8示出的防反射结构41A的构造中，在半导体基板21的光入射面上形成有不同高度的三种类型的突起42、43和44。也就是说，防反射结构41A被构造成在高突起42和低突起43之间形成有中等高度的突起44。
通过按照这种方式设置不同高度的三种类型的突起42、43和44，在防反射结构41A的构造中，折射率以三个级别变化，并且可进一步降低反射率。
同时，尽管在本实施例中对将防反射结构41设置在半导体基板21的光入射面上的构造进行了说明，但是也可将防反射结构41设置在光入射面之外的位置中，只要将防反射结构设置在入射在半导体基板21的光的入射侧上即可。例如，能够设置如下防反射结构，在该防反射结构中，在半导体基板21的光入射面侧上的平坦化膜23的表面、滤色器层24的表面以及片上透镜层25的表面上形成不同高度的多个突起。
3.电子设备的应用示例
本发明的技术的应用不局限于应用至固态摄像装置。也就是说，通常可将本发明的技术应用至将固态摄像装置用于诸如摄像装置(例如，数字相机和摄像机)等的图像捕获单元(光电转换单元)的电子设备、具有摄像功能的移动终端设备和将固态摄像装置用于图像读取单元的复印机。固态摄像装置可具有形成为一个芯片的形式，或者可具有集成地封装有摄像单元和信号处理器或光学系统的具有摄像功能的模块形式。
图9是示出根据本发明的作为电子设备的摄像装置的构造示例的框图。
图9中的摄像装置200设置有由透镜组等形成的光学单元201、采用图1的固态摄像装置1的构造的固态摄像装置(摄像装置)202以及作为相机信号处理电路的数字信号处理器(DSP)电路203。摄像装置200还设置有帧存储器204、显示单元205、记录单元206、操作单元207以及供电单元208。DSP电路203、帧存储器204、显示单元205、记录单元206、操作单元207以及供电单元208经由总线209彼此连接。
光学单元201捕获来自物体的入射光(图像光)并在固态摄像装置202的成像表面上形成图像。固态摄像装置202将入射的光量在像素单元中转换成电信号，进而将其作为像素信号输出，其中，入射光的图像通过光学单元201形成在固态摄像装置的成像表面上。对于固态摄像装置202，可使用图1的固态摄像装置1，也就是说，可使用抑制光入射面上的反射率的固态摄像装置。
例如，由诸如液晶面板和有机电致发光(EL)面板等面板显示装置形成的显示单元205显示通过固态摄像装置202获取的运动图像或静止图像。记录单元206在诸如硬盘或半导体存储器等存储介质中存储由固态摄像装置202获取的运动图像或静止图像。
在使用者的操作下，操作单元207发出关于摄像装置200的各种功能的操作命令。供电单元208适当地向供应目标供应用作DSP电路203、帧存储器204、显示单元205、记录单元206和操作单元207的操作电源的各种电源。
如上所述，通过将上述固态摄像装置1用作固态摄像装置202，能够防止入射光的反射。因此，在诸如摄像机和数字相机以及用于诸如手机等移动装置的相机模块等摄像装置200中，能够提高所获取图像的质量。
同时，本技术也可具有以下构造。
(1)一种固态摄像装置，所述固态摄像装置包括：
半导体基板，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元；以及
防反射结构，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
(2)根据上述(1)所述的固态摄像装置，其中，通过执行利用不同处理条件以多个阶段挖掘所述半导体基板的光入射面的处理来形成所述防反射结构。
(3)根据上述(1)或(2)所述的固态摄像装置，其中，所述防反射结构是在预定高度的第一突起之间形成有比所述第一突起低的第二突起的结构。
(4)根据上述(3)所述的固态摄像装置，其中，所述防反射结构是通过如下方式形成的：
在所述半导体基板的所述光入射面上形成与设置所述第一突起的位置相对应的图案的掩膜；
在第一处理条件下，执行挖掘所述半导体基板的所述光入射面的处理；并且
在形成所述第二突起的不同于所述第一处理条件的第二处理条件下，执行进一步挖掘所述光入射面的处理。
(5)一种制造方法，所述方法包括以下步骤：
通过执行利用不同处理条件以多个阶段挖掘半导体基板的光入射面的处理来形成防反射结构，其中，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元。
(6)一种电子设备，所述电子设备包括：
固态摄像装置，其包括：
半导体基板，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元；以及
防反射结构，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
同时，本实施例不局限于上述实施例，并且在不背离本发明的范围的情况下可进行各种变化。
附图标记列表
1 固态摄像装置 2 像素
3 像素阵列单元 12 半导体基板
21 半导体基板 22 防反射膜
23 平坦化膜 24 滤色器膜
25 片上透镜层 31 光电转换单元
32 氧化铪膜 33 氧化铝膜
34 氧化硅膜 35 遮光膜
36 滤色器 37 片上透镜
41 防反射结构 42-44 突起
51 硬掩膜层 52 抗蚀剂
200 摄像装置 202 固态摄像装置

Claims (6)

1.一种固态摄像装置，其包括：
半导体基板，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元；以及
防反射结构，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，通过执行利用不同处理条件以多个阶段挖掘所述半导体基板的光入射面的处理来形成所述防反射结构。
3.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述防反射结构是在预定高度的第一突起之间形成有比所述第一突起低的第二突起的结构。
4.根据权利要求3所述的固态摄像装置，其中，所述防反射结构通过如下方式形成的：
在所述半导体基板的所述光入射面上形成与设置所述第一突起的位置相对应的图案的掩膜；
在第一处理条件下，执行挖掘所述半导体基板的所述光入射面的处理；并且
在形成所述第二突起的不同于所述第一处理条件的第二处理条件下，执行进一步挖掘所述光入射面的处理。
5.一种制造方法，其包括以下步骤：
通过执行利用不同处理条件以多个阶段挖掘半导体基板的光入射面的处理来形成防反射结构，其中，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元。
6.一种电子设备，其包括：
固态摄像装置，其包括：
半导体基板，在所述半导体基板中针对多个像素中的每个像素形成有光电转换单元；以及
防反射结构，所述防反射结构是设置在光入射面侧上且形成有不同高度的多种类型的突起的结构，光从所述光入射面侧入射在所述半导体基板上。
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