CN107104117B - 固态成像装置、制造固态成像装置的方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本技术方案旨在提供减少阴影和像素间颜色混合的固态成像装置。本发明还提供制造固态成像装置的方法。本技术方案还涉及固态成像装置，其能提供采用该固态成像装置的电子设备、制造该固态成像装置的方法以及电子设备。该固态成像装置包括：基板；像素，每个像素包括形成在该基板中的光电转换单元；以及形成在基板的光入射面侧上的彩色滤光片层。该固态成像装置还包括装置分离部，其形成为按照各个像素划分该彩色滤光片层和该基板，并且其折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率。

Description

固态成像装置、制造固态成像装置的方法以及电子设备
本申请是申请号为201380039288.7、申请日为2013年7月18日、发明名称为“固态成像装置、制造固态成像装置的方法以及电子设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本技术方案涉及固态成像装置、制造固态成像装置的方法以及电子设备，特别涉及背照式固态成像装置、制造该固态成像装置的方法以及采用该固态成像装置的电子设备。
背景技术
在传统的固态成像装置中，对应于各个像素的聚光片上透镜设置在基板的光入射面侧上。由片上透镜聚集的光进入形成在基板中的各个像素的光接收单元，并且在该光接收单元处生成根据光量的信号电荷。
进入固态成像装置的大部分光线因设置在成像设备等中的成像光学系统而在像素区域的周边发生较大倾斜。因此，在固态成像装置中形成的像素区域的周边中的像素处，由对应的片上透镜聚集的光没有进入光接收单元的中心部分。
考虑到该问题，专利文件1公开了一种技术方案，相较于光接收单元的间距，与各个像素的光接收单元相对应的片上透镜的间距朝着像素区域的周边变窄。采用这样的设置执行阴影纠正。由于片上透镜的间距在像素区域的中心区域和像素区域的周边区域中不相同，倾斜进入的光可聚集到像素区域的周边的每个光接收单元的中心部分。
同样，为了改善入射光的光电转换效率和灵敏度，近来已经提出了所谓的背照式固态成像装置。在背照式固态成像装置中，驱动电路形成在半导体基板的表面侧上，并且半导体基板的背面用作光接收面。由于互连层设置在背照式固态成像装置中基板的与光接收面相对的侧上，基板中形成的光接收单元和设置在基板的光入射侧上的片上透镜的表面之间的距离变得较小，并且因此提高了灵敏度。
专利文件2公开了一种背照式固态成像装置，其中沟槽形成至与基板的光接收面(背面)距预定距离的深度处从而减少了颜色混合，并且通过在沟槽中埋入绝缘材料而使光敏二极管区域彼此隔离。由于各个光敏二极管区域通过埋设在沟槽中的绝缘材料而彼此隔离，一个光敏二极管区域中产生的电子不会泄漏到相邻的光敏二极管区域中并且可减少颜色混合。
引用列表
专利文件
专利文件1：JP 01-213079 A
专利文件2：JP 2010-225818 A
发明内容
本发明要解决的技术问题
在背照式固态成像装置中，彩色滤光片通常形成在基板的光接收面侧上，并且片上透镜形成在彩色滤光片上，与前照式固态成像装置一样。在背照式固态成像装置中，从片上透镜的表面到基板的光接收面的距离比前照式固态成像装置短，并且因此如前所述提高了灵敏度。然而，在背照式固态成像装置中像素区域的周边可能发生由倾斜入射光引起的阴影，或者可能由于进入彩色滤光片之间的相邻像素的倾斜光而引起颜色混合。
考虑到上面的各方面，本公开旨在提供减少阴影和像素间颜色混合的固态成像装置。本公开还旨在提供制造固态成像装置的方法以及采用该固态成像装置的电子设备。
解决问题的技术方案
本公开的固态成像装置包括：基板；像素，每个像素包括形成在该基板中的光电转换单元；以及形成在该基板的光入射面侧上的彩色滤光片层。本公开的固态成像装置还包括装置分离部，其形成为按照各个像素划分该彩色滤光片层和该基板，并且其折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率。
由于装置分离部形成在本公开的固态成像装置的彩色滤光片层和基板中，相邻像素光学上或电学上彼此隔离。由于装置分离部设计为使其折射率低于彩色滤光片层和基板的折射率，防止了倾斜光进入相邻像素，并且使进入该装置分离部的光聚集到各个像素的光电转换单元中。
根据本公开的另一实施例的成像装置包括：半导体基板，具有作为光入射面侧的第一侧和与该第一侧相对的第二侧；多个像素，每个像素包括形成在该基板中的光电转换单元；以及装置分离部，形成为划分各个像素，该装置分离部包括：固定电荷膜，其布置在所述半导体基板的第一侧处，并且从该第一侧朝向所述半导体基板的第二侧延伸；背面侧绝缘膜，其布置在所述半导体基板的第一侧处，其中，该背面侧绝缘膜的至少一部分直接布置在包括于所述半导体基板中的光电转换单元之上；以及绝缘膜，其中，所述装置分离部延伸到在该半导体基板中的p-阱区内。
本公开的制造固态成像装置的方法包括：在基板中形成光电转换单元的步骤，该光电转换单元对应于各个像素；以及在基板的光入射面侧上形成彩色滤光片层的步骤。本公开的制造固态成像装置的方法还包括在按照各个像素划分彩色滤光片和基板的区域中形成装置分离部的步骤，该装置分离部的折射率低于彩色滤光片层和基板的折射率，在形成该彩色滤光片层之前或之后形成该装置分离部。
根据本公开的另一实施例的制造固态成像装置的方法包括：在具有作为光入射面侧的第一侧和与该第一侧相对的第二侧的基板中形成光电转换单元，该光电转换单元对应于各个像素；以及在一个区域中形成装置分离部，以按照各个像素划分该基板；其中，形成装置分离部包括：将固定电荷膜布置在所述半导体基板的第一侧处，并且将该固定电荷膜从该第一侧朝向所述半导体基板的第二侧延伸；将背面侧绝缘膜布置在所述半导体基板的第一侧处，其中，该背面侧绝缘膜的至少一部分直接布置在包括于所述半导体基板中的光电转换单元之上；以及将绝缘膜布置在所述装置分离部中，其中，所述装置分离部延伸到在该半导体基板中的p-阱区内。
通过本公开的制造固态成像装置的方法，使各个像素彼此隔离的装置分离部形成在彩色滤光片层和基板中。因此，相邻像素彼此光学上和电学上隔离。该装置分离部设计为使其折射率低于彩色滤光片层和基板的折射率。从而防止了倾斜光进入相邻像素。
本公开的电子设备包括上述的固态成像装置和处理从该固态成像装置输出的输出信号的信号处理电路。
本发明的有益效果
根据本公开，获得了减少阴影和相邻像素之间颜色混合的固态成像装置。利用该固态成像装置，可获得改善了图像质量的电子设备。
附图说明
图1是示出根据本公开的第一实施例的整个CMOS(互补金属氧化物半导体)型固态成像装置的示意图；
图2是根据本公开的第一实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图3A至3C是示出制造根据本公开的第一实施例的固态成像装置的方法的工艺流程图(第一半)；
图4D和4E是示出制造根据本公开的第一实施例的固态成像装置的方法的工艺流程图(第二半)；
图5是根据本公开的第二实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图6是根据本公开的第三实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图7A和7B是示出制造根据本公开的第三实施例的固态成像装置的方法的工艺流程图；
图8是示出制造根据本公开的第三实施例的固态成像装置的方法的另一个示例的流程图；
图9是根据本公开的第四实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图10是根据本公开的第五实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图11是根据本公开的第六实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图12是根据本公开的第七实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图13是根据本公开的第八实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图14是根据本公开的第九实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图15是根据本公开的第十实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图；
图16是根据本公开的第十一实施例的固态成像装置的像素区域中结构的截面图。
附图标记列表
1、30、40、50、60、70、80、90、100、110 固态成像装置
2 像素
3 像素区域
4 垂直驱动电路
5 列信号处理电路
6 水平驱动电路
7 输出电路
8 控制电路
9 垂直信号线
10 水平信号线
11、12 基板
13 阱区
14 N-型半导体区域
15 P-型半导体区域
16、32 光电转换单元
17 源极/漏极区域
18 层间绝缘膜
19 互连
20 互连层
21 连接过孔
22 栅极电极
23、61 彩色滤光片层
23a、29a 开口
24 沟槽部分
25 绝缘膜
26、26a 沟槽内固定电荷膜
27、33、43、52、82 装置分离部
28 背面侧固定电荷膜
29、44 硬掩模
31 P-型半导体区域
34 像素分离部
71 波纹面
81 不透光膜
83 光吸收部分
91、101 高折射材料部分
111 片上透镜
200 电子设备
201 固态成像装置
203 光学透镜
204 快门装置
205 驱动电路
206 信号处理电路
具体实施方式
下面参考图1至16描述根据本公开实施例的固态成像装置、制造该固态成像装置的方法以及电子设备的示例。本公开的实施例将以下面的顺序说明。然而，本公开不限于下面描述的示例。
1.第一实施例：固态成像装置
1-1.整个固态成像装置的结构
1-2.主要部件的结构
1-3.制造方法
2.第二实施例：像素分离部设置在基板上的示例
3.第三实施例：装置分离部为中空的(第一)示例
3-1.主要部件的结构
3-2.制造方法
3-3.修改方案
4.第四实施例：装置分离部为中空的(第二)示例
5.第五实施例：彩色滤光片层制得较厚的示例
6.第六实施例：设置有光散射结构的示例
7.第七实施例：设置有光吸收部分的示例
8.第八实施例：设置有高折射材料部分的(第一)示例
9.第九实施例：设置有高折射材料部分的(第二)示例
10.第十实施例：设置有片上透镜的示例
11.第十一实施例：电子设备
<1.第一实施例：固态成像装置>
[1-1.整个固态成像装置的结构]
首先，描述根据本公开第一实施例的固态成像装置。图1是根据本公开的第一实施例的CMOS固态成像装置的整个结构的示意图。
本实施例的固态成像装置1设计为包括形成有设置在由硅制造的基板11上的像素2的像素区域3、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。
如稍后所描述，像素2设计为包括像素晶体管和形成有光敏二极管的光电转换单元，并且像素2以二维阵列规则地布置在基板11中。形成像素2的像素晶体管例如可为转移晶体管、复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管。
像素区域3形成有像素2，像素2以二维阵列规则地布置。像素区域3包括有效像素区域和黑色基准像素(black reference pixel)区域(未示出)，有效像素区域实际接收光、放大通过光电转换产生的信号电荷并且将信号电荷读出至列信号处理电路5，黑色基准像素区域用于输出用作黑电平基准的光学黑色。黑色基准像素区域通常形成在有效像素区域的外周界。
根据垂直同步信号、水平同步信号和主时钟，控制电路8产生时钟信号、控制信号等以用作操作垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等的基准。由控制电路8产生的时钟信号和控制信号等输入到垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6等中。
垂直驱动电路4例如形成有位移寄存器，并且在由箭头指示的垂直方向上逐行按顺序选择性地扫描像素区域3中的各个像素2。然后，通过垂直信号线9、将基于按照各个像素2的光敏二极管接收到的光量而产生的信号电荷的像素信号提供给列信号处理电路5。
列信号处理电路5设置为例如用于各列像素2，并且每个列信号处理电路5通过纠正双取样执行诸如降噪和号放大的信号处理从而基于由每个对应行的像素2输出的信号计算每个对应像素列中复位电平和信号电平之差。水平选择开关(未示出)设置在列信号处理电路5和水平信号线10的输出级之间。
水平驱动电路6例如以位移寄存器形成，其通过按顺序输出水平扫描脉冲而按顺序选择各个列信号处理电路5，并且导致各个列信号处理电路5输出像素信号至水平信号线10。
输出电路7在通过水平信号线10从各个列信号处理电路5按顺序提供的信号上执行信号处理，并且输出经处理的信号。
[1-2.主要部件的结构]
图2示出了该实施例的固态成像装置1的像素区域3的截面结构。该实施例的固态成像装置1例如是背照式CMOS固态成像装置。在下面的描述中，第一导电类型是n-型，并且第二导电类型是p-型。
如图2所示，该实施例的固态成像装置1包括基板12和互连层20，基板12包括设置为用于各个像素2的光电转换单元16和像素晶体管Tr，互连层20设置在基板12的表面侧上。该实施例的固态成像装置1还包括光谱单元(在下文称为彩色滤光片层23)，其设置在基板12的背面侧上。该实施例的固态成像装置1还包括装置分离部27，其使像素2彼此隔离。
基板12形成有由硅制造的半导体基板，并且例如具有1至6μm的厚度。基板12形成有例如第一导电类型或n-型的半导体基板，并且在基板12上形成有像素晶体管Tr的表面区域中形成阱区13，该阱区13例如形成有第二导电类型或p-型的杂质区域。在p-型阱区13中形成n-型源极/漏极区域17，该n-型源极/漏极区域17用于形成各个像素晶体管Tr。像素区域3中设置的像素2是以二维矩阵方式布置的，并且每两个相邻的光电转换单元16由装置分离部27彼此电隔离。尽管图2中没有示出，外围电路单元形成在像素区域3的周边区域中。
光电转换单元16以一一对应的关系形成为用于各个像素2。光电转换单元16形成有在基板12的表面侧上形成的p-型半导体区域15以及设置为从基板12的背面的深度到p-型半导体区域15的深度的n-型半导体区域14。在每个光电转换单元16中，光敏二极管的主要部分形成有位于p-型半导体区域15和n-型半导体区域14之间的pn结。
在这些光电转换单元16中的每一个中，按照入射光量产生信号电荷，并且该信号电荷累积在n-型半导体区域14中。由于p-型半导体区域15设置在基板12的表面中，抑制了基板12的表面中暗电流的产生。
每个像素晶体管Tr形成有设置在基板12的表面侧上的源极/漏极区域17以及通过图中没有示出的栅极绝缘膜而设置在基板12的表面上的栅极电极22。每个源极/漏极区域17形成有设置在对应阱区13中的高密度n-型半导体区域，并且通过从基板12的表面离子注入n-型杂质而形成。
栅极电极22例如由多晶硅制造。转移晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管等形成为驱动像素2的像素晶体管Tr，但是图2仅示出像素晶体管Tr为转移晶体管。从而，图2所示的源极/漏极区域17相当于漏极区域，其为用于形成转移晶体管的浮置扩散区域。
彩色滤光片层23例如由有机材料制造，并且通过具有稍后描述的负固定电荷的背面侧固定电荷膜28和背面侧绝缘膜38而设置在基板12的背面侧上。背面侧固定电荷膜28的材料将稍后描述。背面侧绝缘膜38可由折射率低于彩色滤光片层23和基板12的折射率的材料制造，并且可由SiO2或SIN等制造。
彩色滤光片层23设置为用于各个光电转换单元16，并且选择性通过R(红)、G(绿)或B(蓝)色光的滤光片层设置为用于每个像素2。所希望波长的光透射通过彩色滤光片层23，并且透射的光进入基板12中的光电转换单元16。
装置分离部27形成有形成为从彩色滤光片层23的表面延伸到基板12中预定深度的沟槽部分24以及依次埋设在沟槽部分24中的负固定电荷容纳膜(在下文称为沟槽内固定电荷膜26)和绝缘膜25。装置分离部27形成栅格状图案，并且设计为彼此隔离像素2。
沟槽部分24形成为从彩色滤光片层23的表面延伸到基板12中形成有像素晶体管Tr的源极/漏极区域17的阱区13，但是不到达源极/漏极区域17。
沟槽内固定电荷膜26形成为覆盖沟槽部分24在基板12的侧面上的内壁表面。在该实施例中，背面侧固定电荷膜28和沟槽内固定电荷膜26以绝缘膜形成，该绝缘膜包含的固定电荷(该实施例中为负固定电荷)与光电转换单元16中保存的信号电荷具有相同的极性。此外，在该实施例中，形成装置分离部27的沟槽内固定电荷膜26由折射率低于形成基板12和彩色滤光片层23材料的材料制造。
包含负固定电荷的绝缘膜例如可为氧化铪(HfO2)膜、氧化铝(Al2O3)膜、氧化锆(ZrO2)膜、氧化钽(Ta2O5)膜或氧化钛(TiO2)膜。形成该绝缘膜的方法示例包括化学气相沉积技术(CVD技术)、溅射技术和原子层沉积技术(ALD技术)等。通过采用原子层沉积法，可同时形成约1nm且在膜形成期间降低界面状态的SiO2膜。上述之外材料的示例包括氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)和氧化钷(Pm2O3)等。这样材料的示例还包括氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化]铽(Tb2O3)和氧化镝(Dy2O3)等。这样材料的示例还包括氧化钬(Ho2O3)、氧化铥(Tm2O3)氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)和氧化钇(Y2O3)等。此外，上述包含负固定电荷的绝缘膜可用氮化铪膜、氮化铝膜、氧氮化铪膜或氧氮化铝膜形成。
硅(Si)或氮(N)可加到包含负固定电荷的绝缘膜中而不会降低绝缘性。添加的硅或氮的密度基于不降低膜的绝缘特性而确定。由于硅(Si)或氮(N)以这样的方式加到绝缘膜中，可改善工艺期间绝缘膜的耐热性和离子注入阻挡能力。
关于上述包含负固定电荷的绝缘膜，折射率低于形成基板12材料的绝缘膜可形成沟槽内固定电荷膜26。沟槽内固定电荷膜26的材料例如可为HfO2或Ta2O5。
在该实施例中，由于包含负固定电荷的绝缘膜(沟槽内固定电荷膜26和背面侧固定电荷膜28)形成在沟槽部分24的内壁表面上和基板12的背面上，反转层形成在与包含负固定电荷的这些绝缘膜接触的表面上。为此，具有极性与信号电荷相反的电荷(该实施例中的空穴)的反转层形成在基板12中形成的沟槽部分24的内壁表面上以及基板12的背面上，并且该反转层抑制暗电流的产生。
绝缘膜25形成为填充覆盖有沟槽内固定电荷膜26的沟槽部分24。绝缘膜25由折射率低于形成基板12、彩色滤光片层23和固定电荷膜的材料的绝缘材料制造，并且可用SiO2或SiN等形成。
尽管在该实施例中沟槽部分24填充有绝缘膜25，但是沟槽内固定电荷膜26可设计为很厚，并且沟槽部分24可仅用沟槽内固定电荷膜26填充。在此情况下，沟槽内固定电荷膜应由折射率低于彩色滤光片层23的材料制造。
作为选择，沟槽内固定电荷膜26可仅填充基板12中形成的沟槽部分24，并且彩色滤光片层23之间的沟槽部分24可不填充有任何东西。
互连层20形成在基板12的表面侧上，并且设计为包括互连19(该实施例中为四层)，其中层间绝缘膜18插设在这些互连19之间。再者，互连19设置为一个位于另一个之上，并且互连19和像素晶体管Tr根据需要通过层间绝缘膜18中形成的连接过孔21而连接。
在具有上述结构的固态成像装置1中，用光照射基板12的背面侧，透射通过彩色滤光片层23的光由光电转换单元16进行光电转换。这样，产生信号电荷。由光电转换单元16产生的信号电荷通过基板12的表面侧上形成的像素晶体管Tr而作为像素信号从垂直信号线输出，垂直信号线(未示出)形成有互连层20中的预定互连19。
在该实施例中，沟槽部分24中形成的沟槽内固定电荷膜26和绝缘膜25的折射率低于基板12和彩色滤光片层23的折射率。从而，在该实施例的固态成像装置1中形成聚光管结构，其核心部分为基板12中形成的彩色滤光片层23和光电转换单元16，覆层(cladding)为装置分离部27。
通过该实施例的固态成像装置1中的该设置方案，进入装置分离部27的光由折射率高于装置分离部27的彩色滤光片层23和基板12吸收。同样，在光入射面中，进入彩色滤光片层23的光不进入装置分离部27。因此，倾斜进入预定彩色滤光片层23的光不进入相邻像素2的彩色滤光片层23。
此外，在该实施例的固态成像装置1中，光电转换单元16通过基板12中的装置分离部27而彼此电隔离。从而，由光电转换单元16产生的信号电荷不会泄漏到相邻像素2的光电转换单元16中。因此，可抑制颜色混合。
如上所述，该实施例中形成的装置分离部27用于在彩色滤光片层23之中彼此光学隔离像素2，并且在光电转换单元16之中彼此电隔离像素2。
再者，在装置分离部27中，沟槽部分24中埋设的诸如绝缘膜25的绝缘部分优选设计为与光入射面中的彩色滤光片层23的表面齐平或者从彩色滤光片层23的表面(光入射面)突出。由于装置分离部27防止彩色滤光片层23在相邻像素2之间彼此连接，可确保彩色滤光片层23之中的光学隔离。
再者，在该实施例的固态成像装置1中，在固态成像装置1的入射面边界上，光可被各个像素2分开。从而，没有必要通过传统固态成像装置中采用的半球片上透镜进行聚光。在传统固态成像装置结合在诸如相机的成像设备中的情况下，需要根据光学系统的特性对片上透镜、彩色滤光片层和光电转换单元的适宜位置进行纠正，该位置是设置用于在固态成像装置上形成图像的。
另一方面，在该实施例中，光可在固态成像装置1的入射面边界上被像素2分开。因此，上述纠正或瞳孔纠正是不必要的。因此，在该实施例中，不需要根据成像设备中光学系统的设定而改变固态成像装置1的设计。再者，利用该实施例的固态成像装置1，兼容性范围变得较宽，并且在可互换透镜成像设备的情况下或者在眼睛瞳孔距离随着变焦镜头的焦距而变化的情况下容许透镜具有较高的设计自由度。
[1-3.制造方法]
接下来，描述制造该实施例的固态成像装置1的方法。图3A至4E是示出制造该实施例的固态成像装置1的方法的工艺流程图。
首先，如图3A所示，在光电转换单元16和像素晶体管Tr形成在基板12中后，层间绝缘膜18和互连19交替地形成在基板12的表面上以形成互连层20。在图3A至4E所示的工艺流程中，仅示出了靠近基板12表面的互连层20。在基板12中形成的、诸如光电转换单元16和源极/漏极区域17的杂质区域例如是从基板12的表面侧、通过注入预定杂质的离子而形成的。
用硅基板形成的支撑基板(未示出)被结合到互连层20的最上层，并且基板12被翻转以使其上侧朝下。至此的制造过程与传统的背照式固态成像装置的制造过程相同。尽管图中没有示出，在基板12被翻转以使其上侧朝下后，抛光基板12的背面侧以将基板12的厚度减小到所希望的厚度。
如图3A所示，然后，固定电荷膜28a和绝缘膜38a形成在基板12的整个背面上，并且例如由SiN制造的硬掩模29形成在绝缘膜38a上。硬掩模29如下形成：通过低温CVD在基板12的背面上形成SiN层，然后通过采用光刻技术在SiN层上执行刻蚀以仅在各个像素2的光电转换单元16上留下SiN层。这样，完成了硬掩模29并且该硬掩模29在待形成装置分离部27的区域的紧上方具有开口29a。
如图3B所示，然后形成沟槽部分24。沟槽部分24通过在基板12上执行刻蚀直至沟槽达到借助硬掩模29的预定深度或者达到该实施例中阱区13处的深度而形成。在这一点上，通过硬掩模29的开口29a暴露的固定电荷膜28a和绝缘膜38a也经受刻蚀。结果，背面侧固定电荷膜28和背面侧绝缘膜38形成在基板12的背面上与各个光电转换单元34对应的区域中。
如图3C所示，然后，沟槽内固定电荷膜26a和绝缘膜25依次形成在沟槽部分24中。在该阶段，首先通过采用CVD、溅射技术或ALD等形成沟槽内固定电荷膜26a从而覆盖沟槽部分24的内壁表面。该阶段中形成的沟槽内固定电荷膜26a是为了形成图2所示的沟槽内固定电荷膜26。其后，通过采用SOG(旋涂玻璃)或CVD形成填充沟槽部分24的绝缘膜25。在该实施例中，SiO2用作绝缘膜25。
在这一点上，沟槽内固定电荷膜26a和绝缘膜25还形成在硬掩模29的表面上。因此，在形成沟槽内固定电荷膜26a和绝缘膜25后，通过采用CMP(化学机械抛光)对形成在硬掩模表面上的沟槽内固定电荷膜26a和绝缘膜25进行抛光直至暴露硬掩模29。这样，如图3C所示，沟槽内固定电荷膜26a和绝缘膜25形成在沟槽部分24中。
如图4D所示，然后通过湿法刻蚀去除用作硬掩模29的SiN膜。在该阶段，沟槽内固定电荷膜26a的从基板12背面突出的部分也与硬掩模29一起被去除，如图4D所示。结果，沟槽内固定电荷膜26仅保留在基板12中形成的沟槽部分24中。在这一点上，因为背面侧绝缘膜38形成在基板12的背面侧上，所以背面侧固定电荷膜28没有被去除。
如图4E所示，然后通过采用光刻技术、按照各个像素2形成所希望的彩色滤光片层23。在此情况下，彩色滤光片层23形成为填充由基板12以及从基板12的背面突出的沟槽内固定电荷膜26和绝缘膜25形成的凹入部分，如图4E所示。
其后，通过采用CMP对彩色滤光片层23抛光，例如直至暴露绝缘膜25的表面上形成的沟槽内固定电荷膜26。结果，完成了如图2所示的固态成像装置1。尽管在该实施例中彩色滤光片层23被抛光至暴露沟槽内固定电荷膜26，但是抛光可继续直至彩色滤光片层23的表面变得比沟槽内固定电荷膜26的表面更加靠近基板12。
在该实施例的固态成像装置1中，尽管形成为从彩色滤光片层23延伸到基板12的沟槽部分24是通过一个过程形成的，但是本技术方案不限于此。例如，使基板12中光电转换单元16彼此隔离的装置分离部27可通过与形成使彩色滤光片层23彼此隔离的装置分离部27的工艺过程不同的过程形成。
然而，在基板12中的装置分离部27通过与形成彩色滤光片层23的装置分离部27过程不同的过程形成的情况下，在基板12和彩色滤光片层23之间的边界表面中可能存在装置分离部27之间的错位。在此情况下导致了灵敏度损耗和颜色混合降级。通过该实施例的固态成像装置的制造方法，形成装置分离部27的沟槽部分24是通过一个刻蚀过程形成的。从而，与基板12中的装置分离部27通过与形成彩色滤光片层23的装置分离部27过程不同的过程形成的情况相比，可以使工艺差(装置分离部27中的错位)较小，并且可使制造过程数较少。
因为在该实施例中可使工艺差较小，所以与基板12中的装置分离部27通过与形成彩色滤光片层23的装置分离部27的过程不同的过程形成的情况相比，可更加有效地防止灵敏度损耗和颜色混合降级。
尽管在该实施例中n-型半导体基板用作基板12，但是例如包括杂质浓度朝着表面侧变得较高的n-型外延层的半导体基板可用作基板12。此外，包括杂质浓度朝着表面侧变得较低的p-型外延层的半导体基板可用作基板12。由于这样的半导体基板用作基板12，可容易地由转移晶体管形成电场。从而，甚至在形成有光电转换单元32的半导体层很厚的情况下，也可防止信号电荷转移失败。
<2.第二实施例：像素分离部设置在基板上的示例>
图5是根据本公开的第二实施例的固态成像装置的主要部分的截面图。该实施例的固态成像装置30与第一实施例的区别在于不形成沟槽内固定电荷膜和背面侧固定电荷膜。因此，在图5中，与图2所示相同的部件由与图2所示相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置30的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置30中，每个光电转换单元32在基板12的背面和表面上形成有高密度p-型半导体区域31和15以及在两个p-型半导体区域31和15之间形成的n-型半导体区域14。就是说，在该实施例的固态成像装置30中，p-型半导体区域31和15以及n-型半导体区域14的pn结形成主要的光敏二极管。
再者，在该实施例的固态成像装置30中，形成有p-型半导体区域的像素分离部34形成为在基板12中彼此隔离光电转换单元32，如图5所示。像素分离部34形成为从基板12的背面延伸到阱区13的深度，该阱区13中例如形成像素晶体管Tr的源极/漏极区域17。
在该实施例中，装置分离部33形成在设计为在基板12中彼此隔离光电转换单元32的像素分离部34内。就是说，在基板12中，装置分离部33的侧部边缘表面覆盖有形成像素分离部34的p-型半导体区域。在该实施例中，装置分离部33还形成为延伸到形成有像素晶体管Tr的源极/漏极区域17的阱区13的深度处。
在形成互连层20前，可通过从基板12的表面以高密度注入p-型杂质的离子而形成像素分离部34和p-型半导体区域31。作为选择，可在互连层20形成在基板12的表面上后、通过从基板12的背面侧以高浓度注入p-型杂质的离子而形成像素分离部34和p-型半导体区域31，该基板12被翻转以使其上侧朝下，并且基板12经受膜薄化处理。
在该实施例的固态成像装置30中，装置分离部33形成有形成为从彩色滤光片层23延伸到基板12中预定深度处的沟槽部分24和埋设在沟槽部分24中的绝缘膜25。该绝缘膜25可由与第一实施例的绝缘膜25相同的材料制造。就是说，在该实施例的固态成像装置30中，包含负固定电荷的绝缘膜不形成在装置分离部27的内壁表面和基板12的背面上。
在该实施例的固态成像装置30中，因为p-型半导体区域31和15形成在基板12的背面和表面上，所以可减少基板12的界面中产生的暗电流。此外，由于形成装置分离部33的沟槽部分24由p-型半导体区域(像素分离部34和阱区13)围绕，可减少沟槽部分24的内壁表面中产生的暗电流。
如上所述，在该实施例中，沟槽部分24由形成像素分离部34和阱区13的p-型半导体区域围绕，并且p-型半导体区域31还形成在基板12的背面上。从而，在该实施例中，在基板12的界面中，可通过极性与光电转换单元32产生的信号电荷极性相反的层来减少暗电流，并且不需要形成包含负固定电荷且覆盖沟槽部分24的内壁表面和基板12背面的绝缘膜。
因为在该实施例的固态成像装置30中不需要形成包含负固定电荷的绝缘膜，所以在图3C和4E所示的第一实施例的过程中可跳过形成包含负固定电荷的绝缘膜的过程。在该实施例中，装置分离部33还形成为从彩色滤光片层23延伸到基板12中的预定深度处，并且因此可获得与第一实施例相同的效果。
在该实施例中，包含负固定电荷的绝缘膜也可形成在沟槽部分24的内壁表面和基板12的背面上，与第一实施例一样。在此情况下，包含负固定电荷的绝缘膜的空穴阻塞(hole pinning)效果变得较强，并且因此，暗电流减少效果也变得较强。在该实施例中包含负固定电荷的绝缘膜形成在沟槽部分24的内壁表面和基板12的背面上的情况下，可使形成像素分离部34的p-型半导体区域和形成光电转换单元32的p-型半导体区域31中的杂质密度较低。
再者，在该实施例中，诸如ITO膜的导电膜可通过绝缘膜埋设在沟槽部分24中，并且负电位可被施加至导电膜。在此情况下，在沟槽部分24的内壁表面中产生空穴，并且因此可减少暗电流。
<3.第三实施例：装置分离部为中空的(第一)示例>
接下来，描述根据本公开的第三实施例的固态成像装置。图6是该实施例的固态成像装置40的主要部件的截面图。该实施例与第二实施例的区别在于不提供覆盖沟槽部分24的内壁表面的沟槽内固定电荷膜和绝缘膜。因此，在图6中，与图2和5所示相同的部件由与图2和5中所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置40的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此这里将不重复其说明。
[3-1.主要部件的结构]
在该实施例的固态成像装置40中，沟槽部分24是中空的，并且未填充的沟槽部分24形成装置分离部43。在该实施例的固态成像装置40中，沟槽部分24形成在形成有p-型半导体区域的像素分离部34中，与第二实施例一样。由于沟槽部分24形成在形成有p-型半导体区域的像素分离部34中，可减少沟槽部分24的内壁表面中产生的暗电流。
[3-2.制造方法]
接下来，描述制造该实施例的固态成像装置40的方法。图7A和7B是示出制造该实施例的固态成像装置40方法的工艺流程图。
首先，如图7A所示，在光电转换单元16、像素分离部34和像素晶体管Tr形成在基板12中后，层间绝缘膜18和互连19交替地形成在基板12的表面上以形成互连层20。在图7A和7B所示的工艺流程图中，仅示出了靠近基板12表面的互连层20。基板12中形成的诸如光电转换单元16、像素分离部34和源极/漏极区域17的杂质区域是通过从基板12的表面侧注入预定杂质的离子而形成的。
形成有硅基板的支撑基板(未示出)被结合到互连层20的最上层，并且基板12被翻转以使其上侧朝下。至此的制造工艺与传统的背照式固态成像装置的制造过程相同。尽管图中没有示出，但是在基板12被翻转以使其上侧朝下后，抛光基板12的背面侧以将基板12的厚度减小至所希望的厚度。在薄化基板12后，可通过从基板12的背面侧以希望的深度注入p-型杂质的离子而形成像素分离部34。
其后，如图7A所示，待成为背面侧固定电荷膜28的固定电荷膜28a形成在基板12的背面上，并且彩色滤光片层23形成在固定电荷膜28a上。固定电荷膜28a通过采用CVD、溅射技术或ALD等形成。利用光刻技术按照各个像素形成彩色滤光片层23。因为在该实施例中不执行如图4D所示的去除彩色滤光片层23之间的固定电荷膜的过程，所以图4D所示的背面侧绝缘膜38是不必要的。
然后，如图7B所示，在彩色滤光片层23上形成硬掩模44，该硬掩模形成有无机膜，具有位于待形成沟槽部分24的区域的紧上方的开口部分44a。硬掩模44如下形成：在彩色滤光片层23上形成SiN层，然后采用光刻技术执行刻蚀以在各个像素2的光电转换单元16上留下SiN层。
然后借助硬掩模44执行刻蚀以形成沟槽部分24。沟槽部分24通过在基板12上执行刻蚀直至沟槽达到借助硬掩模44的预定深度或者达到该实施例中阱区13处的深度而形成。此时，通过硬掩模29的开口29a暴露的固定电荷膜28a也经受刻蚀。结果，背面侧固定电荷膜28形成在基板12的背面上与各个光电转换单元34对应的区域中。其后，去除硬掩模44，并且完成图6所示的该实施例的固态成像装置40。
尽管图中没有示出，但是可根据需要形成钝化膜以覆盖沟槽部分24的内壁表面和彩色滤光片层23的表面。钝化膜例如可通过采用低温CVD形成。
在该实施例的固态成像装置40中，装置分离部43形成有中空沟槽部分24。因此，在封装时，该中空沟槽部分24填充有空气。空气的折射率低于由有机材料制造的彩色滤光片层23和由硅制造的基板12。从而，在该实施例中，与第一实施例一样形成聚光管结构，其核心部分为光电转换单元16和彩色滤光片层23，覆层为沟槽部分24(装置分离部43)。
因此，倾斜进入预定彩色滤光片层23表面的光不进入彩色滤光片层23之中相邻像素2的彩色滤光片层23。此外，基板12中的光电转换单元16产生的信号电荷不会泄漏到相邻像素2的光电转换单元16中。如上所述，该实施例中形成的装置分离部43用于在彩色滤光片层23之中彼此光学隔离像素2，并且在光电转换单元16之中彼此电隔离像素2，与第一实施例一样。
由于在该实施例的固态成像装置40中不需要在沟槽部分24中埋设固定电荷膜，可减少过程数。尽管在该实施例中去除了形成为硬掩模44的SiO2层，但当适当地选择形成硬掩模44的无机膜的材料和厚度时、硬掩模44可保留为低反射涂层。在此情况下，用作硬掩模44的无机膜可由单一材料制造，或者可形成有由不同材料制造的膜的膜堆叠，例如SiO2膜和SiN膜的膜堆叠。
[3-3.修改方案]
接下来，描述根据第三实施例的上述固态成像装置40的制造方法的另一个示例作为修改方案。图8是示出根据该修改方案的制造固态成像装置40的方法中一个过程的示意图。
在该修改方案中，直至在基板的背面上形成固定电荷膜为止的过程与第三实施例中的相同，并且形成沟槽部分24的过程与第三实施例中的不同。因此，这里不重复直至在基板12的背面上形成背面侧固定电荷膜28为止的过程的说明。
如图8所示，在该修改方案中，待成为背面侧固定电荷膜28的固定电荷膜28a形成在基板12的背面上，然后通过采用光刻技术、在形成沟槽部分24的区域的紧上方形成具有开口23a的彩色滤光片层23。这样，彩色滤光片层23形成在一个像素与另一个像素的间隔处。由于如图8所示形成的彩色滤光片层23用作掩模，在背面侧固定电荷膜28和基板12上执行刻蚀以完成图6所示的固态成像装置40。
如上所述，通过采用彩色滤光片层23作为掩模且在执行彩色滤光片层23的图案化后形成沟槽部分24，可减少过程数。
<4.第四实施例：装置分离部为中空的(第二)示例>
接下来，描述根据本公开的第四实施例的固态成像装置。图9是该实施例的固态成像装置50的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置50与根据第三实施例的固态成像装置40的区别在于：不形成像素分离部，并且设置沟槽内固定电荷膜51以覆盖沟槽部分24的内壁表面的。因此，在图9中，与图2和6所示相同的部件由与图2和6中所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置50的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置50中，装置分离部52形成有形成为从彩色滤光片层23的表面延伸到基板12中的阱区13的沟槽部分24和设置为覆盖沟槽部分24的沟槽内固定电荷膜51。在该实施例中，沟槽内固定电荷膜51还形成在彩色滤光片层23的表面上。
在以与图7B相同的方式形成沟槽部分24后，该沟槽内固定电荷膜51形成为覆盖沟槽部分24的内壁表面和彩色滤光片层23的表面。在该实施例中，沟槽内固定电荷膜51由折射率低于彩色滤光片层23的折射率的材料制造且包含负固定电荷。
在该实施例的固态成像装置50中，形成有p-型半导体区域的像素分离部不形成在基板12中，而是沟槽部分24的内壁表面覆盖有沟槽内固定电荷膜51。从而，可抑制沟槽部分24的界面中暗电流的产生。
在该实施例中，尽管形成有p-型半导体区域的像素分离部不设置在基板12中，但可形成像素分离部，并且沟槽部分24可形成在像素分离部中，与第三实施例一样。在此情况下，提高了沟槽内固定电荷膜51的空穴阻塞(hole pinning)效果，并且更加有效地限制了暗电流的产生。除了上述效果外，该实施例可实现与第一至第三实施例相同的效果。
<5.第五实施例：彩色滤光片层制得较厚的示例>
接下来，描述根据本公开的第五实施例的固态成像装置。图10是该实施例的固态成像装置60的主要部分的截面图。该实施例的固态成像装置60与第一实施例在彩色滤光片层61的结构上不同。因此，在图10中，与图2所示相同的部件由图2所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置60的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例中，彩色滤光片层61的厚度大于根据第一实施例的固态成像装置1的彩色滤光片层23的厚度，并且为1μm或更大。尽管彩色滤光片层的厚度在传统的固态成像装置中约为500nm，但是该实施例的固态成像装置60中的彩色滤光片层61具有1μm或更大的厚度，这远大于传统的固态成像装置。
彩色滤光片层61中的颜料浓度可与第一实施例中的彩色滤光片层23中的颜料浓度基本上相同，或者可低于第一实施例的彩色滤光片层23中的颜料浓度。由于以这样的方式调整了彩色滤光片层61中的颜料浓度，在该实施例中还可调整光谱灵敏度。
在该实施例中，装置分离部27形成为从彩色滤光片层61的表面延伸到基板12中形成阱区13的深度处，与第一实施例一样。
该实施例的固态成像装置60可通过在例如第一实施例中图3A所示的过程中将硬掩模29的厚度调整至1μm或更大而制造。在该实施例的固态成像装置60中，像素2也通过从彩色滤光片层61延伸到基板12的区域中的装置分离部27而彼此隔离。从而，在该实施例的固态成像装置60中形成聚光管结构，其核心部分为基板12中形成的彩色滤光片层61和光电转换单元16，覆层为装置分离部27。
在该实施例的固态成像装置60中，彩色滤光片层61制得较厚，从而在光入射面中进入装置分离部27的光由形成核心部分的彩色滤光片层61充分吸收后进入光电转换单元16。从而，在该实施例的固态成像装置60中改善了光谱特性。使用该实施例的固态成像装置60，可实现与第一实施例相同的效果。
<6.第六实施例：设置有光散射结构的示例>
接下来，描述根据本公开的第六实施例的固态成像装置。图11是该实施例的固态成像装置70的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置70与第一实施例的固态成像装置1的区别在于，波纹面71形成在基板12的用作光入射面的背面中。因此，在图11中，与图2所示相同的部件由与图2所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。
在该实施例的固态成像装置70中，基板12的用作光入射面的背面被处理为具有如图11所示的微小凹入和凸起，从而在基板12的背面中形成波纹面71。基板12的背面中形成的波纹面71也设计为具有增加入射光的入射角的形状。该波纹面71在基板12和彩色滤光片层23之间形成光散射结构。
在该实施例的固态成像装置70中，在互连层20形成在基板12的表面上后，支撑基板被结合到互连层20的在基板12的侧面上的表面上，并且基板12被翻转以使其上侧朝下。然后形成波纹面71，而基板12经受膜薄化处理。在基板12经受膜薄化处理时，基板12的背面例如通过CMP被抛光至预定深度。此时，利用预定的磨料，在膜薄化处理中执行粗糙抛光。结果，波纹面71可形成在基板12的背面中，如图11所示。
由于在该实施例的固态成像装置70中基板12的光入射面是波纹面71，入射光的入射角变得较大。在波纹面71设计为使垂直进入基板12的光入射面的光例如弯曲45度的情况下、光电转换单元16中的光程长度为光垂直进入情况下形成的光程长度的1.4倍。由于入射光的入射角以这样的方式改变，可增加光电转换单元16中的光程长度，且特别是可改善对长波长(例如红光)的灵敏度。除了上面的效果外，使用该实施例的固态成像装置70还可实现与第一实施例相同的效果。
尽管在该实施例的固态成像装置70中基板12的背面是波纹面71，但是彩色滤光片层23的光入射面可为波纹面，并且如果光散射结构形成在光电转换单元16的光入射侧上，则可实现与该实施例的相同效果。
由于在该实施例中位于光电转换单元16和彩色滤光片层23之间的表面是波纹面71，已通过彩色滤光片层23的入射光的入射角在进入光电转换单元16之前通过波纹面71得以增加。从而，仅光进入光电转换单元16后的光程可变得较长，而不改变入射光在彩色滤光片层23中的光谱通道。
上述波纹面71在长波长光被光电转换的情况下有效地增加了光电转换单元16中的光程长度。因此，波纹面71可设置为仅用于红色像素2，但是波纹面71可不被设置为用于绿和蓝色像素。
<7.第七实施例：设置有光吸收部分的示例>
接下来，描述根据本公开的第七实施例的固态成像装置。图12是该实施例的固态成像装置80的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置80在装置分离部82和形成在装置分离部82上的光吸收部分83的结构上与第一实施例的固态成像装置1不同。因此，在图12中，与图2所示相同的部件由图2所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置80的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置80中，装置分离部82形成有沟槽部分24以及依次埋设在沟槽部分24中的沟槽内固定电荷膜26、绝缘膜25和不透光膜81形成。沟槽内固定电荷膜26形成为覆盖沟槽部分24的在基板12侧面上的内壁表面，并且绝缘膜25形成在沟槽部分24中从而覆盖沟槽内固定电荷膜26。绝缘膜25设计为使其厚度不填充整个沟槽部分24。不透光膜81形成为填充具有形成于其内的沟槽内固定电荷膜26和绝缘膜25的沟槽部分24。
沟槽内固定电荷膜26和绝缘膜25可由与第一实施例相同的材料制造。不透光膜81可由诸如铝或钨的光学不透明金属材料制造。
装置分离部82可如下形成：形成沟槽内固定电荷膜26和绝缘膜25，刻蚀绝缘膜25中的中间区域，并且用所希望的金属材料填充所形成的沟槽，与第一实施例中的过程一样，如图3A至4E所示。
光吸收部分83形成在装置分离部82上，并且由多晶硅或诸如黄铜矿基材料的光吸收材料制造。
该光吸收部分83可如下形成：在形成装置分离部82后、在包括装置分离部82的整个表面上形成光吸收材料层，并且通过光刻技术执行刻蚀以使得光吸收材料层仅保留在装置分离部82上。在由光吸收材料制造的光吸收部分83形成在装置分离部82上后，彩色滤光片层23以与图4E所示的过程相同的方式形成，从而完成该实施例的固态成像装置80。
在该实施例中，彩色滤光片层23的光入射面基本上与光吸收部分83的表面齐平，或者比光吸收部分83的表面更加靠近基板12。
在该实施例的固态成像装置80中，由于光吸收部分83形成在装置分离部82的光入射面侧上，可减少进入装置分离部82的光量。从而，可改善彩色滤光片层23中的光谱特性。
此外，在该实施例的固态成像装置80中，由金属材料制造的不透光膜81设置在装置分离部82的沟槽部分24中。使用该设置，可进一步改善相邻像素2之间的光谱特性，并且相应地可进一步减少颜色混合。除了上面的效果外，该实施例可实现与第一实施例相同的效果。
在该实施例的固态成像装置80中，预定电位可被施加到由金属材料制造的不透光膜81上。由于负电位被施加到不透光膜81上，例如在基板12的沟槽部分24的内壁表面中产生空穴，并且因此可增强减少暗电流的效果。
<8.第八实施例：设置有高折射材料部分的(第一)示例>
接下来，描述根据本公开的第八实施例的固态成像装置。图13是该实施例的固态成像装置90的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置90与第一实施例的固态成像装置1的区别在于高折射材料部分91形成在彩色滤光片层23上。因此，在图13中，与图2相同的部件由与图2所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置90的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置90中，由折射率高于装置分离部27的材料制造的高折射材料部分91形成在彩色滤光片层23上。高折射材料部分91例如可用透镜材料形成。高折射材料部分91的厚度可为几百纳米，并且例如可约等于装置分离部27在与基板12的平面方向平行的方向上的宽度。
装置分离部27形成为从高折射材料部分91的光入射面延伸到基板12中阱区13的深度处。就是说，在该实施例中，高折射材料部分91通过相邻像素2之间的装置分离部27而彼此隔离。
在形成图13所示高折射材料部分91的情况下，首先以与图3A至4E所示第一实施例的过程相同的方式形成彩色滤光片层23，并且部分地去除彩色滤光片层23以使彩色滤光片层23的表面变得比装置分离部27的表面更加靠近基板12。其后，透镜材料被施加到彩色滤光片层上以完成图13所示的固态成像装置90。
在该实施例的固态成像装置90中，像素2在从高折射材料部分91延伸到基板12的区域中通过装置分离部27彼此隔离。从而，在该实施例的固态成像装置90中形成聚光管结构，其核心部分为高折射材料部分91、彩色滤光片层23和形成在基板12中的光电转换单元16，覆层为装置分离部27。
在该实施例的固态成像装置90中，从光入射面到基板的距离较长，这是因为设置了高折射材料部分91。因此，进入装置分离部27的光由形成核心部分的彩色滤光片层23充分吸收后进入光电转换单元16。从而，在该实施例的固态成像装置90中改善了光谱特性。使用该实施例的固态成像装置90，也可实现与第一实施例相同的效果。
<9.第九实施例：设置有高折射材料部分的(第二)示例>
接下来，描述根据本公开的第九实施例的固态成像装置。图14是该实施例的固态成像装置100的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置100与第一实施例的固态成像装置1的区别在于，分别具有矩形截面形状的高折射材料部分101均形成在彩色滤光片层23上。因此，在图14中，与图2所示相同的部件由与图2所用的相同附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置100的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置100中，形成在彩色滤光片层23上的每个高折射材料部分101具有矩形截面形状并且设置为用于各个像素2。相邻的高折射材料部分101通过沟槽部分101a彼此隔离。高折射材料部分101的材料可为与传统固态成像装置所用的透镜材料相同的材料。
在该实施例的固态成像装置100中形成聚光管结构，其核心部分为高折射材料部分101、彩色滤光片层23和光电转换单元16，覆层为相邻高折射材料部分101和装置分离部27之间的沟槽部分101a。从而，使用该实施例的固态成像装置1，也可实现与第八实施例相同的效果。
<10.第十实施例：设置有片上透镜的示例>
接下来，描述根据本公开的第十实施例的固态成像装置。图15是该实施例的固态成像装置110的主要部件的截面图。该实施例的固态成像装置110与第一实施例的固态成像装置1的区别在于片上透镜111设置在彩色滤光片层23上。因此，在图15中，与图2所示相同的部件由与图2所用相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的说明。再者，该实施例的固态成像装置110的整个结构与图1所示的结构相同，并且因此，这里将不重复其说明。
在该实施例的固态成像装置110中，设置在彩色滤光片层23上的片上透镜111设计为具有球形表面以使入射光聚集在每个对应的像素2中。可在以与图3A至4E所示第一实施例的过程相同的方式形成彩色滤光片层23之后、通过与制造传统固态成像装置的片上透镜相同的方法制造片上透镜111。
在该实施例的固态成像装置110中，入射光可聚集在每个对应的像素2中，这是因为设置了片上透镜111。从而，可改善聚光效率，并且可提高灵敏度。除了上述效果外，可实现与第一实施例相同的效果。
在上述第一至第十实施例中，第一导电类型是n-型，第二导电类型是p-型，电子用作信号电荷。然而，本公开也可应用于空穴用作信号电荷的情况。在此情况下，应调换每个实施例中的导电类型。本公开的固态成像装置不限于上述第一至第十实施例，而是可为不脱离本公开的范围的情况下的其各种结合。
本公开不必一定应用于感应可见入射光的分布且将该分布捕获为图像的固态成像装置，而是也可应用于将红外线或X射线的分布捕获为图像的固态成像装置。
此外，本公开不限于逐行按顺序扫描像素区域中各单元像素且从各单元像素读取像素信号的固态成像装置。本公开也可应用于X-Y选址型固态成像装置，其逐一选择所希望的像素，并且逐一从选择的像素读取信号。固态成像装置可为单芯片的形式，或者可为模块形式，该模块通过封装像素单元和信号处理单元或者光学系统而形成且具有成像功能。
本公开的固态成像装置可用在成像设备中，这里，成像设备是相机系统，例如，数字照相机或数字摄像机或具有成像功能的电子设备，例如，便携式电话装置。上述安装在电子设备上的模块或者相机模块在某些情况下是成像设备。
<11.第十一实施例：电子设备>
接下来，描述根据本公开的第十一实施例的电子设备。图16是根据本公开的第十一实施例的电子设备200的结构示意图。
根据该实施例的电子设备200包括固态成像装置201、光学透镜203、快门装置204、驱动电路205和信号处理电路206。该实施例的电子设备200表示这样的实施例：其中，本公开的上述第一实施例的固态成像装置1用作电子设备(数字照相机)中的固态成像装置201。
光学透镜203聚集来自物体的图像光(入射光)且在固态成像装置201的成像表面上形成图像。因此，信号电荷保存在固态成像装置201中达一定的时间周期。快门装置204控制固态成像装置201的曝光周期和避光周期。驱动电路205提供用于控制固态成像装置201的信号转移操作和快门装置204的快门操作的驱动信号。根据从驱动电路205提供的驱动信号(定时信号)，固态成像装置201执行信号转移。信号处理电路206在从固态成像装置201输出的信号上执行各种信号处理。经受信号处理的视频信号保存在诸如存储器的存储介质中或者被输出给监控器。
在该实施例的电子设备200中，改善了固态成像装置201的聚光特性和灵敏度，并且相应地可改善图像质量。尽管第一实施例的固态成像装置1用作该实施例中的固态成像装置201，但是也可采用根据第二至第十实施例中的任何一个固态成像装置。
本公开还可实施为下述结构。
(1)
一种固态成像装置，包括：
基板；
多个像素，每个像素包括形成在该基板中的光电转换单元；
彩色滤光片层，设置在该基板的光入射面侧上；以及
装置分离部，形成为按照各个像素划分该彩色滤光片层和该基板，该装置分离部的折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率。
(2)
如(1)所述的固态成像装置，其中该装置分离部包括从该彩色滤光片层延伸至该基板的沟槽部以及埋设在该沟槽部中的绝缘膜，该绝缘膜由折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率的材料制成。
(3)
如(2)所述的固态成像装置，其中该装置分离部还包括在该沟槽部的内壁表面和该绝缘膜之间的薄膜，该薄膜形成为覆盖该沟槽部的该内壁表面，该薄膜包含极性与该光电转换单元中存储的信号电荷的极性相反的固定电荷，该薄膜由折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率的材料制成。
(4)
如(1)至(3)中任何一项所述的固态成像装置，其中该装置分离部从该彩色滤光片层的光入射面突出。
(5)
如(1)至(4)中任何一项所述的固态成像装置，还包括形成在该彩色滤光片层上的高折射材料部分，该高折射材料部分由折射率高于该装置分离部的折射率的材料制成，该高折射材料部分按照各个像素而被划分。
(6)
如(1)至(5)中任何一项所述的固态成像装置，其中该装置分离部被设置在形成为按照各个像素划分该基板的像素分离部的区域中。
(7)
如(1)至(6)中任何一项所述的固态成像装置，还包括在该光电转换单元的光入射面侧上的光散射结构。
(8)
如(1)至(7)中任何一项所述的固态成像装置，其中该彩色滤光片层的厚度为1μm或更大。
(9)
如(2)至(8)中任何一项所述的固态成像装置，其中金属材料经由该绝缘膜而被埋设在该沟槽部中。
(10)
如(9)所述的固态成像装置，其中该金属材料用作不透光膜。
(11)
如(1)至(10)中任何一项所述的固态成像装置，其中光吸收部分形成在该装置分离部的光入射面侧上。
(12)
如(1)至(11)中任何一项所述的固态成像装置，其中片上透镜形成在该彩色滤光片层上。
(13)
如(1)所述的固态成像装置，其中该装置分离部形成有从该彩色滤光片层延伸至该基板的沟槽部。
(14)
如(1)至(13)中任何一项所述的固态成像装置，还包括形成为覆盖该沟槽部的内壁表面的薄膜，该薄膜包含负的固定电荷，该薄膜由折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率的材料制成。
(15)
一种制造固态成像装置的方法，包括：
在基板中形成光电转换单元的步骤，该光电转换单元对应于各个像素；
在该基板的光入射面侧上形成彩色滤光片层的步骤；以及
在按照各个像素划分该彩色滤光片层和该基板的区域中形成装置分离部的步骤，该装置分离部的折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率，在形成该彩色滤光片层之前或之后形成该装置分离部。
(16)
如(15)所述的方法，其中在同一步骤中形成该装置分离部的按照各个像素划分该彩色滤光片层的部分以及该装置分离部的按照各个像素划分该基板的剩余部分。
(17)
如(15)或(16)所述的方法，其中
形成该装置分离部的步骤包括：
在形成该彩色滤光片层之前，通过在该基板的该光入射面侧上形成掩模并且借助于该掩模在该基板上执行刻蚀来形成沟槽部的步骤，该掩模在与形成有该装置分离部的区域对应的部分中具有开口；
在形成于该基板中的该沟槽部中以及该掩模的该开口中形成绝缘膜的步骤；以及
移除该掩模的步骤，并且
在移除该掩模后，在凹入部分中形成该彩色滤光片层，该凹入部分由该基板和设计为从该基板突出的该绝缘膜形成。
(18)
如(15)或(16)所述的方法，其中形成该装置分离部的步骤包括在形成该彩色滤光片层后、通过在该彩色滤光片层上形成掩模并且借助于该掩模在该彩色滤光片层和该基板上执行刻蚀来形成沟槽部的步骤，该掩模在与形成有该装置分离部的区域对应的部分中具有开口。
(19)
如(15)或(16)所述的方法，其中形成该装置分离部的步骤包括在形成该彩色滤光片层后，将按照各个像素设置的、在相邻像素之间分离设置的彩色滤光片层设为掩模而在该基板上执行刻蚀的步骤。
(20)
一种电子设备，包括：
固态成像装置；和
信号处理电路，构造为处理从该固态成像装置输出的输出信号，
该固态成像装置包括：基板；像素，每个像素包括形成在该基板中的光电转换单元；彩色滤光片层，设置在该基板的光入射面侧上；以及装置分离部，形成为按照各个像素划分该彩色滤光片层和该基板，该装置分离部的折射率低于该彩色滤光片层和该基板的折射率。

Claims (18)

1.一种成像装置，包括：
半导体基板，具有作为光入射面侧的第一侧和与该第一侧相对的第二侧；
多个像素，每个像素包括形成在该半导体基板中的光电转换单元；以及
装置分离部，形成为划分各个像素，该装置分离部包括：
固定电荷膜，其布置在所述半导体基板的第一侧处，并且从该第一侧朝向所述半导体基板的第二侧延伸；
背面侧绝缘膜，其布置在所述半导体基板的第一侧处，其中，该背面侧绝缘膜的至少一部分直接布置在包括于所述半导体基板中的光电转换单元之上；
绝缘膜；以及
彩色滤光片层，设置在所述半导体基板的光入射面侧上，
其中，所述装置分离部延伸到在该半导体基板中的p-阱区内，
其中，所述装置分离部包括形成为从所述彩色滤光片层延伸至所述半导体基板的沟槽部分，以及埋设在所述沟槽部分中的绝缘膜，所述绝缘膜由折射率低于所述彩色滤光片层和所述半导体基板的折射率的材料制成。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中该固定电荷膜处于所述沟槽部分的内壁表面与所述绝缘膜之间，所述固定电荷膜形成为覆盖该沟槽部分的内壁表面，所述固定电荷膜包含极性与存储在光电转换单元中的信号电荷的极性相反的固定电荷，所述固定电荷膜由折射率低于该彩色滤光片层和该半导体基板的折射率的材料制成。
3.根据权利要求2所述的成像装置，其中该装置分离部从该彩色滤光片层的光入射面突出。
4.根据权利要求3所述的成像装置，还包括形成在该彩色滤光片层上的高折射材料部分，该高折射材料部分由折射率高于该装置分离部的折射率的材料制成，该高折射材料部分按照各个像素而被划分。
5.根据权利要求4所述的成像装置，其中该装置分离部被设置在形成为按照各个像素划分该半导体基板的像素分离部的区域中。
6.根据权利要求5所述的成像装置，还包括在该光电转换单元的光入射面侧上的光散射结构。
7.根据权利要求6所述的成像装置，其中该彩色滤光片层的厚度为1μm或更大。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其中金属材料经由该绝缘膜而被埋设在该沟槽部分中。
9.根据权利要求8所述的成像装置，其中该金属材料用作不透光膜。
10.根据权利要求9所述的成像装置，其中光吸收部分形成在该装置分离部的光入射面侧上。
11.根据权利要求10所述的成像装置，其中片上透镜形成在该彩色滤光片层上。
12.根据权利要求1所述的成像装置，其中该装置分离部形成有从该彩色滤光片层延伸至该半导体基板的沟槽部分。
13.一种制造固态成像装置的方法，包括：
在具有作为光入射面侧的第一侧和与该第一侧相对的第二侧的半导体基板中形成光电转换单元，该光电转换单元对应于各个像素；
在一个区域中形成装置分离部，以按照各个像素划分该半导体基板；以及
在所述半导体基板的光入射面侧上设置彩色滤光片层，
其中，形成该装置分离部的步骤包括：
将固定电荷膜布置在所述半导体基板的第一侧处，并且将该固定电荷膜从该第一侧朝向所述半导体基板的第二侧延伸；
将背面侧绝缘膜布置在所述半导体基板的第一侧处，其中，该背面侧绝缘膜的至少一部分直接布置在包括于所述半导体基板中的光电转换单元之上；以及
将绝缘膜布置在所述装置分离部中，其中，所述装置分离部延伸到在该半导体基板中的p-阱区内，
其中，所述装置分离部包括形成为从所述彩色滤光片层延伸至所述半导体基板的沟槽部分，以及埋设在所述沟槽部分中的绝缘膜，所述绝缘膜由折射率低于所述彩色滤光片层和所述半导体基板的折射率的材料制成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在同一步骤中形成该装置分离部的按照各个像素划分该彩色滤光片层的部分以及该装置分离部的按照各个像素划分该半导体基板的剩余部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中
形成该装置分离部的步骤包括：
在形成该彩色滤光片层之前，通过在该半导体基板的该光入射面侧上形成掩模并且借助于该掩模在该半导体基板上执行刻蚀来形成沟槽部分的步骤，该掩模在与形成有该装置分离部的区域对应的部分中具有开口；
在形成于该半导体基板中的该沟槽部分中以及该掩模的该开口中形成绝缘膜的步骤；以及
移除该掩模的步骤，并且
在移除该掩模后，在凹入部分中形成该彩色滤光片层，该凹入部分由该半导体基板和设计为从该半导体基板突出的该绝缘膜形成。
16.根据权利要求14所述的方法，其中形成该装置分离部的步骤包括在形成该彩色滤光片层后、通过在该彩色滤光片层上形成掩模并且借助于该掩模在该彩色滤光片层和该半导体基板上执行刻蚀来形成沟槽部分的步骤，该掩模在与形成有该装置分离部的区域对应的部分中具有开口。
17.根据权利要求14所述的方法，其中形成该装置分离部的步骤包括在形成该彩色滤光片层后，将按照各个像素设置的、在相邻像素之间分离设置的彩色滤光片层设为掩模而在该半导体基板上执行刻蚀的步骤。
18.一种电子设备，包括：
根据权利要求1-12中任一项所述的成像装置；和
信号处理电路，构造为处理从该成像装置输出的输出信号。
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