CN110137189A - 具有隔离部分的光电转换装置与成像系统和移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有隔离部分的光电转换装置与成像系统和移动体。一种光电转换装置具有隔离结构。第一隔离部分和第二隔离部分设置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间。第一隔离部分从半导体层的第一面延伸到对应于从半导体层的第一面到第二面的长度的至少四分之一的位置。第二隔离部分从半导体层的第二面延伸到对应于从第一面到第二面的长度的至少四分之一的位置。

Description

具有隔离部分的光电转换装置与成像系统和移动体
技术领域
实施例的一个公开方面涉及光电转换装置、成像系统和移动体。
背景技术
在光电转换装置中，已经讨论了元件之间的各种隔离结构。日本专利申请公开No.2014-204047讨论了一种隔离结构，其包括从半导体基板的第一面穿透半导体基板的凹槽。
日本专利申请公开No.2017-199875讨论了基于这些地方设置不同的隔离结构。
随着光电转换装置的像素的小型化，隔离结构也需要小型化。
发明内容
本公开旨在提供一种具有精细隔离结构的光电转换装置。
根据实施例的一个方面，光电转换装置包括半导体层以及第一隔离部分和第二隔离部分。第一光电转换元件和第二光电转换元件设置在半导体层中。半导体层包括第一面和与第一面相反放置的第二面。第一隔离部分设置在半导体层中，包括绝缘体，并且从第一面延伸到对应于从第一面到第二面的长度的至少四分之一的位置。第二隔离部分设置在半导体层中，并从第二面延伸到对应于从第二面到第一面的长度的至少四分之一的位置。第一隔离部分和第二隔离部分设置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间。
根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本公开的另外的特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据第一示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图2A和图2B是各自示出根据第二示例性实施例的光电转换装置的示意性平面图。
图3A和图3B是各自示出根据第二示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图4A和图4B是各自示出根据第三示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图5A和图5B是各自示出根据第四示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图6A和图6B是各自示出根据第五示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图7A和图7B是各自示出根据第五示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图8A和图8B是各自示出根据第六示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。
图9A至图9H是示出用于制造光电转换装置的方法的示例的示意性截面图。
图10A至图10F是各自示出隔离部分的示意性截面图。
图11是示出成像系统的示意图。
图12A和图12B是各自示出移动体的示意图。
具体实施方式
下面将描述多个示例性实施例。每个示例性实施例的组件可以添加到另一个示例性实施例或者用另一个示例性实施例的组件替换。此外，本公开不限于下面描述的示例性实施例。在以下描述中，P型半导体区域是第一导电类型半导体区域，并且N型半导体区域是第二导电类型半导体区域。
下面将描述第一示例性实施例。图1是示出根据本示例性实施例的光电转换装置的示意性截面图。光电转换装置1000是互补金属氧化物半导体(CMOS)型图像传感器。图1示出了图像传感器的一部分，其中省略了图像传感器的布线层和光学元件。
光电转换装置1000至少包括半导体层100。半导体层100包含例如硅。半导体层100包括第一面P1和与第一面P1相反的第二面P2。第一面P1和第二面P2也可以说是半导体层100的前表面和后表面，或者硅和其他构件之间的界面。第一面P1和第二面P2包括除半导体层100的隔离部分的凹槽之外的平坦面部分。从第一面P1到第二面P2的距离(长度)是D1。将描述图1中所示的两个虚拟面。第三面P3是这样的虚拟面，其位于第一面P1和第二面P2之间，沿着第一面P1，并且位于对应于距第一面P1的距离D1的四分之一的位置处。第四面P4是位于第三面P3和第二面P2之间并且沿着第一面P1的虚拟面。第四面P4位于对应于距第二面P2的距离D1的四分之一的位置处。“面”不限于平坦面，并且可以包括弯曲面。
在图1中，例如，半导体层100是N型半导体层。在半导体层100中，设置第一光电转换元件PD1和第二光电转换元件PD2。半导体区域101和102是N型半导体区域并且可以累积产生的电荷。这里，“电荷”是指要用作信号的电荷。至少半导体区域101和102以及半导体层100中的每一个与另一个P型半导体区域形成P-N结并且用作光电转换元件。在描述中，半导体区域101被视为光电转换元件PD1，并且半导体区域102被视为光电转换元件PD2。当使用光电转换装置1000时，光从第二面P2侧入射，并且由光产生的电荷累积在半导体区域101或102中。
在半导体层100的第一面P1侧，对应于第一光电转换元件PD1设置栅电极TR1以及半导体区域105和107。类似地，在半导体层100的第一面P1侧，对应于第二光电转换元件PD2设置栅电极TR2以及半导体区域106和108。栅电极TR1和TR2是用于传输电荷的传输晶体管的栅电极。第一层110可以用作栅极绝缘膜。第一层110包含例如氧、氮和铪。半导体区域105和106相对于栅电极TR1和TR2布置在半导体区域101和102的相反侧，并分别接收从栅电极TR1和TR2传输的电荷。半导体区域105和106也称为“浮置扩散区域”。半导体区域107和108分别从栅电极TR1和TR2的下方延伸到浮置扩散区域105和106的下方，并且可以用作沟道停止层(channel stopper)。光电转换装置1000的单个像素至少包括光电转换元件和传输晶体管。
在图1中，在第一光电转换元件PD1和第二光电转换元件PD2之间，设置第一隔离部分1和第二隔离部分2。隔离部分也称为元件隔离部分。第一隔离部分1设置在半导体层100中并且从第一面P1至少延伸到对应于距第一面P1的距离D1的四分之一的位置。还可以说，第一隔离部分1从第一面P1延伸到通过距第一面P1的距离D1的四分之一的位置。还可以说，第一隔离部分1从第三面P3朝向第一面P1延伸。在本示例性实施例中，第一隔离部分1从比第一面P1更靠近第二面P2的位置朝向第一面P1延伸通过第三面P3并且延伸到第一面P1。第二隔离部分2设置在半导体层100中并且从第二面P2至少延伸到对应于距第二面P2的距离D1的四分之一的位置。还可以说，第二隔离部分2从第二面P2延伸到通过距第二面P2的距离D1的四分之一的位置。还可以说，第二隔离部分2从第四面P4延伸到第二面P2。
然后，第一隔离部分1包括凹槽10中的部分11和12。第二隔离部分2包括凹槽20中的部分21和22。凹槽10和20设置在半导体层100中，凹槽10由第一面P1形成，凹槽20由第二面P2形成。第一隔离部分1和第二隔离部分2中的每一个至少包含绝缘体。部分11包含硼硅酸盐玻璃(BSG)，并且，部分12包含多晶硅。半导体区域113包括从BSG热扩散的硼。半导体区域113可以具有减少在凹槽10中产生的暗电流的功能。部分21包含例如氧化铝，并且，部分22包含例如氧化铪。部分21和22可以用作固定电荷层。第二层111是第二隔离部分2的部分21的延伸，并且，第三层112是第二隔离部分2的部分22的延伸。
下面将描述本示例性实施例的效果。即使以第一隔离部分1从第一面P1延伸到第二面P2的方式设置第一隔离部分1，也可以将光电转换元件彼此隔离。然而，在凹槽10形成有半导体层100的厚度、即距离D1的深度的情况下，难以使凹槽10的宽度精细。如果像素的宽度W1是1μm，则期望凹槽10的宽度W2应该是0.2μm或更小，以确保光接收面积。同时，根据待检测的光的波长确定距离D1，因此不能随着像素的小型化而变小。例如，在用于可见光的光电转换装置的情况下，距离D1为3μm或更小。因此，期望凹槽10的深度应该为约3μm。因此，随着像素的小型化，凹槽10的纵横比变高。在从第一面P1到第二面P2类似地设置第二隔离部分2的情况下也会出现类似的问题。作为响应，如在本示例性实施例中，分别具有距离D1的四分之一或更多的长度L1和L2的第一隔离部分1和第二隔离部分2设置在两个光电转换元件之间，由此可以在保持隔离性能的同时获得具有精细隔离结构的光电转换装置。
期望第一隔离部分1和第二隔离部分2的长度L1和L2中的每一个应该是距离D1的四分之一或更多且四分之三或更小。更期望第二隔离部分2的长度L2应该为距离D1的四分之一，并且第一隔离部分1的长度L1应该大于或等于第二隔离部分2的长度。如果这两个部分接触，则应该更清楚地定义距离关系。例如，如果第二隔离部分2的长度应该是距离D1的四分之一，则第一隔离部分1的长度应该大于D1的四分之三(使得两者可以彼此接触)。这种配置实现了足够的隔离性能，同时增加了光电转换元件的光接收面积的大小。
在图1中，第一隔离部分1和第二隔离部分2接触，并且第二隔离部分2成形为部分地咬入第一隔离部分1。在沿第三面P3的面处存在第一隔离部分1和第二隔离部分2。在该面的截面图中，第二隔离部分2被第一隔离部分1包围。更具体地，第二隔离部分2的第一面P1侧的端部与隔离部分1的部分12接触。换句话说，第一隔离部分1朝向第二面P2延伸超过第三面P3，并且第二隔离部分2朝向第一面P1延伸超过第四面P4。这种配置使得两个光电转换元件能够进一步电隔离。
在图1中，第一面P1上的第一隔离部分1的宽度W2大于第二面P2上的第二隔离部分2的宽度W3。这样的配置可以增加光电转换元件上的光入射面积的大小，从而有助于提高灵敏度。第一面P1或第二面P2上的宽度表示任何截面处的长度(图1)，并且指的是这些元件之间的最小宽度。
在图1中，假设距离D1＝2400nm，如果第一隔离部分1具有1300nm的长度和120nm的宽度，则第二隔离部分2可以具有1200nm的长度和100nm的宽度。在这种情况下，假设第一隔离部分1和第二隔离部分2的重叠部分为100nm。即使在像素尺寸为约1μm的精细像素中，这种关系也可以提供精细的隔离。此外，利用这种宽度关系，第一隔离部分1可以处理位置偏移，作为用于形成第二隔离部分2的蚀刻停止层(etching stopper)。
下面将描述第二示例性实施例。图2A至图3B是示出根据本示例性实施例的光电转换装置的示意图。根据本示例性实施例的光电转换装置也是CMOS型图像传感器，但是在例如传输晶体管的结构方面与根据第一示例性实施例的光电转换装置不同。在本示例性实施例的描述中，具有与图1中的功能类似的功能的组件用相同的符号表示，并且这里不再描述。
图2A是根据本示例性实施例的光电转换装置1001的示意性平面图。在图2A中，光电转换装置1001具有这样的配置，其中分别包括单个光电转换元件的像素布置成四行和四列，并且在列方向上彼此相邻的两个像素共享一些元件。
图2A是示出第三隔离部分3、活性区域200和栅电极投影在第一面P1(参见图3A和3B)上的形状的示意性平面图。在活性区域200中，放置包括光电转换元件的元件。在以下描述中，第一隔离部分1和第三隔离部分3将被描述为单独的部分，但是第一隔离部分1包括第三隔离部分3。
栅电极TR10和TR11是传输晶体管的栅电极。半导体区域201和203可以用作浮置扩散区域。栅电极TR10将在光电转换元件(图2A中未示出)中产生的电荷传输到半导体区域201。类似地，栅电极TR11将在光电转换元件中产生的电荷传输到半导体区域203。半导体区域201和203通过例如接触插塞和布线电连接到栅电极TR13。栅电极TR13是放大晶体管的栅电极。从作为放大晶体管的源极的半导体区域207读取基于来自两个光电转换元件的电荷的信号。栅电极TR12是复位晶体管的栅电极。栅电极TR12的导通基于供应给半导体区域205的电压来复位半导体区域203、半导体区域201和栅电极TR13。半导体区域201和栅电极TR13电连接到半导体区域203。栅电极TR14是选择晶体管的栅电极。栅电极TR14的导通将供应给半导体区域206的任何电压(例如，在这种情况下的电源电压)供应给放大晶体管。半导体区域202和204是连接设置有晶体管的阱和接触插塞的部分。将接地电位供应给半导体区域202和204。
现在参照图3A和图3B，将描述光电转换装置1001的截面结构。图3A是沿图2A中的线A-B截取的光电转换装置1001的示意性截面图。图3B是沿图2A中的线C-D截取的光电转换装置1001的示意性截面图。光电转换装置1001包括类似于图1中的半导体层100。在光电转换元件之间，设置第一隔离部分1和第二隔离部分2。光电转换装置1001包括第三隔离部分3，第三隔离部分3设置成在第一面P1的垂线(未示出)上与第一隔离部分1接触并且在第一隔离部分1和第一面P1之间。换句话说，在第一面P1的垂线上，第三隔离部分3、第一隔离部分1和第二隔离部分2从第一面P1朝向第二面P2依次布置。这种配置使得元件能够更强地隔离。
第三隔离部分3包含绝缘体，并且由半导体层100中的凹槽30和凹槽30中的部分31形成。部分31包含例如氧化硅。在第三隔离部分3周围，设置半导体区域132。半导体区域132是P型的，并且可以具有减少凹槽30中产生的暗电流混合成电荷作为信号的功能。
下面将描述图3A和图3B中所示的光电转换装置1001的细节。在半导体层100中，至少设置光电转换元件PD11、PD12和PD13。半导体区域221、223和225是N型半导体区域，并且是分别用于累积在光电转换元件PD11、PD12和PD13中产生的电荷的区域。光电转换元件PD11包括半导体区域221。光电转换元件PD12包括半导体区域223。光电转换元件PD13包括半导体区域225。如第一示例性实施例中那样，在本说明书中，每个半导体区域偶尔被视为光电转换元件。半导体区域220、222和224是P型半导体区域，并且可以用作晶体管的阱。半导体区域226、227和228是第一导电类型半导体区域，并且是形成晶体管的沟道的区域。在图3A和图3B中，相比于栅电极TR13，栅电极TR10和TR11在半导体层100内部进一步延伸超过第一面P1。利用具有这种形状的栅电极TR10，半导体区域223的电荷经由形成沟道的半导体区域228传输到半导体区域201。类似地，对于栅电极TR11，半导体区域225的电荷经由半导体区域226传输到半导体区域203。
在本示例性实施例中，如第一示例性实施例中那样，第一隔离部分1和第二隔离部分2也设置在光电转换元件PD11和PD12之间以及在光电转换元件PD12和PD13之间。如第一示例性实施例中那样，第一隔离部分1设置在半导体层100中并且至少从第三面P3朝向第一面P1延伸。在本示例性实施例中，第一隔离部分1延伸到第一隔离部分1与第三隔离部分3接触的位置。类似地，第二隔离部分2也设置在半导体层100中并且至少从第四面P4延伸到第二面P2。因此，如第一示例性实施例那样，根据本示例性实施例的配置可以提供具有精细隔离结构的光电转换装置。
图2B是示出图3A中所示的第五面P5上的配置的示意性平面图。图2B示出了第二隔离部分2的形状，并示出了活性区域200和第二隔离部分2的部分21和22。第二隔离部分2设置在栅格中，并且光电转换元件放置在每个活性区域200中。图2B所示的像素PIX1包括至少一个光电转换元件，并且对应于图2A所示的像素PIX1。同样在本示例性实施例中，在两个光电转换元件之间设置第一隔离部分1和第二隔离部分2使得第五面P5上的第二隔离部分2的宽度W3'能够更窄，如图2B所示。
现在参照图3A和图3B，在第二面P2侧，设置第四膜230、滤色器层231和包括多个透镜的微透镜层232。这些组件是已知技术，因此这里不再详细描述。该配置也可以应用于第一示例性实施例。
在本示例性实施例中，已经提供了在传输晶体管的结构方面与根据第一示例性实施例的不同的CMOS型图像传感器的描述。此外，在本示例性实施例中，已经提供了对除了根据第一示例性实施例的隔离结构之外还设置第三隔离部分的配置的描述。这样的配置也可以提供如第一示例性实施例中那样的具有精细隔离结构的光电转换装置。
下面将描述第三示例性实施例。参照图4A，下面将描述根据本示例性实施例的光电转换装置。图4A是对应于图3A的光电转换装置1002的示意性截面图。在图4A的描述中，与图3A中的组件类似的组件用相同的符号表示，并且这里不再描述。根据本示例性实施例的光电转换装置1002与图3A中的光电转换装置1001的不同之处在于，第一隔离部分301和第二隔离部分302彼此分离，并且在第一隔离部分301和第二隔离部分302之间设置半导体区域300。半导体区域300可以是例如P型半导体区域，并且可以用作抵抗在光电转换元件中产生和累积的电荷的势垒。半导体区域300与第一隔离部分301和第二隔离部分302接触。利用这样的配置，可以将第一隔离部分301和第二隔离部分302形成为比第一和第二示例性实施例中的第一隔离部分和第二隔离部分更浅，使得第一隔离部分301和第二隔离部分302的宽度能够进一步变窄。特别地，第二隔离部分302的宽度变窄导致光电转换元件的面积和体积增加。这可以提高灵敏度。此外，减少了由于形成第一隔离部分301或第二隔离部分302而导致的缺陷和损坏。因此，可以减少由例如缺陷产生的暗电流。第一隔离部分301和第二隔离部分302的结构类似于根据上述其他示例性实施例的结构，因此这里不再描述。
图4B是示出本示例性实施例的变型的示意图。图4B中的光电转换装置1003与图4A所示的光电转换装置1002的不同之处在于，未设置与第一隔离部分301接触的第三隔离部分3。这样的配置使得第一面P1上的隔离部分的宽度变窄。因此，可以使形成区域宽。
同样在图4A中的光电转换装置1002中，如果在首先形成第三隔离部分3之后形成第一隔离部分301，则可以获得如图4B所示的结构。更具体地，看起来仿佛在第一面P1侧的两个光电转换元件之间仅设置了第一隔离部分301。
参照图5A，将描述第四示例性实施例。图5A是光电转换装置1004的示意性截面图。光电转换装置1004具有适当地组合和修改了图1和图4A中的配置的配置。在图5A的描述中，类似于图1和图4A中的组件的组件用相同的符号表示，并且这里不再描述。
在图5A中，如图1中那样，半导体层100包括第一光电转换元件PD1和第二光电转换元件PD2。在图5A中，半导体层100还包括第三光电转换元件PD3和第四光电转换元件PD4。第三光电转换元件PD3包括第二导电类型半导体区域103，并且电荷通过栅电极TR3从半导体区域103传输到半导体区域106。第四光电转换元件PD4包括第二导电类型半导体区域104，并且电荷通过栅电极TR4从半导体区域104传输到半导体区域105。也就是说，第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4的对共享半导体区域105，并且第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3的对共享半导体区域106。在本示例性实施例中，这些对还共享其他晶体管，例如放大晶体管和复位晶体管(未示出)。半导体区域411、412、413和414是P型半导体区域，并且可以用作光电转换元件的一部分。在图5A中，微透镜层232的单个微透镜对应于至少两个光电转换元件设置。利用这种配置，可以获得用于焦点检测的信号。
在图5A中，在半导体层100的第一光电转换元件PD1和第二光电转换元件PD2之间，设置第一隔离部分301和第二隔离部分302。第一隔离部分301和第二隔离部分302彼此分开设置，并且在第一隔离部分301和第二隔离部分302之间设置半导体区域300。该隔离结构类似于图4A中的隔离结构。
在图5A中，在设置于半导体层100中的第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3之间，设置第四隔离部分4。类似地，在第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4之间，设置第四隔离部分4。每个第四隔离部分4设置在半导体层100中并且从第二面P2延伸到第四面P4。与第二隔离部分302一样，第四隔离部分4包括凹槽40以及部分41和42。
也就是说，在图5A中的光电转换装置1004中，第四隔离部分4设置在对应于单个微透镜设置的多个光电转换元件之间。第一隔离部分301和第二隔离部分302设置在对应于单个微透镜设置的多个光电转换元件和对应于另一个微透镜设置的多个光电转换元件之间。
这样的配置有助于将从微透镜层232入射的光产生的电荷引导到每个光电转换元件，从而提高了焦点检测的精度。期望将每个第四隔离部分4的第二面P2上的位置(图5A中的水平方向上的位置)与相应微透镜的焦点位置对准。该配置提高了焦点检测的精度。
在本示例性实施例中，第二隔离部分302从第二面P2延伸穿过第四面P4，并且第四隔离部分4从第二面P2延伸到第四面P4。也就是说，第二隔离部分302比第四隔离部分4长。另外，第二面P2上的第四隔离部分4的宽度W4比第二隔离部分302的宽度W3窄。以这种方式，使设置在不共享单个微透镜的第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的隔离部分的隔离特性高于设置在共享单个微透镜的第二光电转换元件和第三光电转换元件之间的隔离部分的隔离特性。因此，可以获得具有高精度的图像信号。
根据本示例性实施例的光电转换装置1004包括在与第四隔离部分4相对的第一面P1侧的半导体区域400。半导体区域400可以是例如P型半导体区域，并且可以用作抵抗在光电转换元件中产生和累积的电荷的势垒。设置半导体区域400增强了焦点检测信号的隔离性能，从而进一步提高了焦点检测的精度。第二面P2上的第四隔离部分4的宽度W4窄于第一面P1上的半导体区域400的宽度W5。这种配置提高了灵敏度，同时保持了隔离性能。半导体区域400距第一面P1的长度可以短于第一隔离部分1距第一面P1的长度。
此外，在图5A中，第四隔离部分4和半导体区域400是分离的，但是可以彼此接触。采用第四隔离部分4和半导体区域400分离的配置，例如，即使第二光电转换元件PD2变得饱和并且电荷溢出，电荷也移动到第三光电转换元件PD3。这使得能够将到第一光电转换元件PD1中的电荷混合进一步减小。
接下来，图5B示出了光电转换装置1005，其是本示例性实施例的变型。在图5B中，图5A中所示的第四隔离部分4被半导体区域401替换。用半导体区域401替换第四隔离部分4，即不存在第四隔离部分4，尽管焦点检测的精度降低了，但是提高了灵敏度。
参照图6A至图7B，下面将描述第五示例性实施例。首先，将描述图6A中的光电转换装置1006。图6A是光电转换装置1006的示意性截面图。光电转换装置1006具有适当地组合和修改了图4A和图5A中的配置的配置。在图6A的描述中，类似于图4A和图5A中的组件的组件用相同的符号表示，并且这里不再描述。
在图6A中，在半导体层100中，如图5A中那样设置第一光电转换元件PD1至第四光电转换元件PD4。图6A中的光电转换元件的结构类似于图4A中所示的光电转换元件的结构，因此这里不再详细描述。对应于图4A中的半导体区域221和223的图6A中的部分由“PD1”至“PD4”表示。同样在图6A中，第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4被设置用于单个微透镜，并且，第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3被设置用于单个微透镜。利用根据本示例性实施例的光电转换装置1006，还可以获得用于焦点检测的信号。
在图6A中，在第一光电转换元件PD1和第二光电转换元件PD2之间，设置第一隔离部分301和第二隔离部分302。第一隔离部分301和第二隔离部分302分开设置，并且在第一隔离部分301和第二隔离部分302之间设置半导体区域300。该隔离结构类似于图5A中的隔离结构。在图6A中，在第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3之间以及在第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4之间，还设置有第四隔离部分500和第五隔离部分501。第四隔离部分500和第五隔离部分501分开设置，并且在第四隔离部分500和第五隔离部分501之间设置半导体区域502。半导体区域502可以是例如P型半导体区域，并且可以用作抵抗在光电转换元件中产生和累积的电荷的势垒。
第四隔离部分500设置在半导体层100中，从第二面P2延伸穿过第四面P4，并且具有与第二隔离部分302的长度相等的长度。第五隔离部分501设置在半导体层100中，至少从第三面P3朝向第一面P1延伸，并且具有与第一隔离部分301的长度相等的长度。在本示例性实施例中，第四隔离部分500具有与第二隔离部分302的结构等同的结构，并且，第五隔离部分501具有与第一隔离部分301的结构等同的结构。因此，这里不描述第四隔离部分500和第五隔离部分501。
作为势垒的半导体区域502的阻挡功能低于半导体区域300的阻挡功能。例如，半导体区域502具有比半导体区域300低的杂质浓度。即，第一光电转换元件和第二光电转换元件之间的隔离性能高于第二光电转换元件和第三光电转换元件之间的隔离性能。如第四示例性实施例中那样，这种配置增强了焦点检测信号的隔离性能，从而进一步提高了焦点检测的精度。已经示出了半导体区域502具有低于半导体区域300的杂质浓度的情况。可替代地，半导体区域502的宽度可以窄于半导体区域300的宽度，或者半导体区域502的长度(从第一面P1到第二面P2的长度)可以短于半导体区域300的长度，或者这些配置可以组合在一起。
现在参照图6B，将描述本示例性实施例的变型。图6B是光电转换装置1007的示意性截面图。在图6B中，图6A中所示的第五隔离部分501被半导体区域503替换，并且未设置半导体区域502。半导体区域503可以是例如P型半导体区域，并且可以用作抵抗在光电转换元件中产生和累积的电荷的势垒。半导体区域503设置为与第三隔离部分3的下部接触。例如，由于没有形成第五隔离部分501，所以可以减少由于形成第五隔离部分501而产生的暗电流。
现在参照图7A，将描述本示例性实施例的另一变型。图7A是光电转换装置1008的示意性截面图。在图7A中，图6B中所示的第四隔离部分500被半导体区域504替换。半导体区域504可以是例如P型半导体区域，并且可以用作抵抗在光电转换元件中产生和累积的电荷的势垒。由于没有形成第四隔离部分500，所以可以减少由于形成第四隔离部分500而导致的暗电流。另外，提高了光电转换元件的灵敏度。
半导体区域503投影到第一面P1上的宽度W6窄于半导体区域504投影到第二面P2上的宽度W7。
现在参照图7B，将描述本示例性实施例的另一变型。图7B是光电转换装置1009的示意性截面图。在图7B中，图7A所示的半导体区域503被图6A所示的第五隔离部分501替换。与图6A相比，由于没有形成第四隔离部分500，所以可以减少由于形成第四隔离部分500而产生的暗电流。另外，提高了光电转换元件的灵敏度。
现在参照图8A和图8B，将描述根据第六示例性实施例的光电转换装置。图8A是光电转换装置1010的示意性截面图。图8B是光电转换装置1011的示意性截面图。图8A示出了这样的结构，其中，在图5A中的光电转换装置1004中，包括微透镜层232的组件设置有相对于光电转换元件的位置在X轴方向上偏移的组件。在图8A中，与图6A中的组件类似的组件用相同的符号表示，并且位置偏移的组件用带撇号的相同的符号表示。位置偏移的组件是微透镜层232'、滤色器层231'、第二隔离部分302'、第四隔离部分4'和半导体区域300'。例如，如果第一隔离部分301和那些偏移的组件被投影到第一面P1上，则应理解偏移的组件(例如第二隔离部分302)的中心位置不同于图6A中的那些。
将这些组件从其原始位置偏移的量的关系是微透镜层232'≥滤色器层231'≥第二隔离部分302'≥第四隔离部分4'≥半导体区域300'。当使用光电转换装置1010时，基于光电转换元件的位置，可以根据入射光的角度改变这些偏移量。当检查或测量偏移量时，基于例如布置有光电转换装置1010的光电转换元件的区域的中心处的像素和位于中心的像素周边的像素的位置，检查或测量第一面P1侧的元件和第二面P2侧的元件的位置的偏移量。中心处的像素和周边中的像素的位置指的是布置有光电转换装置1010的光电转换元件的区域中的像素的位置、包括有效像素的区域中的像素的位置、或以用于收集光电转换装置1010上的光的光学系统的光轴位置为中心的像素的位置。
在X轴方向上设置在第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4之间的第四隔离部分4'的偏移量大于在X轴方向上设置在第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3之间的第四隔离部分4'的偏移量。这样的配置使得焦点检测信号具有更高的精度。此外，根据滤色器层231'的颜色，可以将其中设置有第四隔离部分4'的像素和未设置第四隔离部分4'的像素组合在一起。
接下来，图8B示出了这样的结构，其中，在图7B中的光电转换装置1009中，包括微透镜层232的组件设置有相对于光电转换元件的位置在X轴方向上偏移的组件。在图8B中，与图7B中的组件类似的组件用相同的符号表示，并且位置偏移的组件用带撇号的相同的符号表示。位置偏移的组件是微透镜层232'、滤色器层231'、第二隔离部分302'、半导体区域504'和半导体区域300'。将这些组件从其原始位置偏移的量的关系是微透镜层232'≥滤色器层231'≥第二隔离部分302'≥半导体区域504'≥半导体区域300'。细节类似于图8A中所示的细节。
在图8B中，在X轴方向上设置在第一光电转换元件PD1和第四光电转换元件PD4之间的半导体区域504'的偏移量等于在X轴方向上设置在第二光电转换元件PD2和第三光电转换元件PD3之间的半导体区域504'的偏移量。然而，如图8A中的第四隔离部分4'中那样，半导体区域504'的偏移量可以彼此不同，或者可以存在未设置半导体区域504'的像素。
(制造方法的示例)
参照图9A至图9H，下面将描述制造光电转换装置的方法的示例。图9A至图9H是用于制造光电转换装置的方法的步骤中的结构的示意性截面图。图9A至图9H示出了用于制造图4A中所示的光电转换装置1002的方法。为了便于描述，偶尔用相同的符号表示在进行处理之前和之后的构件。
在图9A中，第一隔离部分1形成在基板900中。基板900包括第一面P1和第六面P6，并且包含例如硅。形成第一隔离部分1的方法如下。首先，利用各向异性干法蚀刻从第一面P1侧去除基板900的一部分，从而形成凹槽。例如，凹槽的深度为800nm，最小宽度为150nm。第一隔离部分1的凹槽具有750nm或更大的深度。此外，如果所得到的半导体层100的厚度为约3μm，则取决于所得到的半导体层100的厚度，第一隔离部分1的凹槽可以形成为达到2400nm。凹槽可以形成为使得最小宽度为150nm或更小。
然后，通过原子层沉积(ALD)方法在凹槽中形成BSG膜。然后，通过低压化学气相沉积(LPCVD)方法形成多晶硅膜。随后，通过热处理将硼热扩散到基板900，从而形成钉扎层。钉扎层可以通过在凹槽中形成膜之前通过离子注入将硼注入到基板900中而形成。BSG膜的形成是可选的。通过瞬态电磁法(TEM)方法可能无法观察通过ALD方法形成的BSG膜。在用BSG膜和多晶硅膜填充凹槽之后，通过例如化学机械平坦化(CMP)方法去除形成在基板900上的BSG膜和多晶硅膜，从而平坦化基板900。在这个过程中，由于平坦化处理，存在基板中的全局凹陷和突起存在于第一面P1上的可能性。尽管在上面的描述中凹槽包含BSG膜和多晶硅膜，但是凹槽可以包含氧化硅或氮化硅。此时，多晶硅处于电浮置状态，并且在这种情况下，钉扎层连接到任何电位，例如，接地电位。
接下来，在图9B中，在基板900中形成第三隔离部分3。第三隔离部分3具有浅沟槽隔离(STI)结构。通过一般半导体工艺中的蚀刻来部分地去除基板900和第一隔离部分1以形成凹槽。随后，通过离子注入将硼注入到基板900中以形成钉扎层。通过热处理在凹槽的内壁上形成氧化硅膜。通过化学气相沉积(CVD)方法形成氧化硅膜。在用氧化硅膜填充凹槽之后，通过CMP方法去除在基板900上形成的氧化硅膜，从而平坦化基板900。可以同时执行BSG膜和多晶硅膜的去除以及氧化硅膜的去除。这里，第三隔离部分3具有300nm的深度和200nm的宽度。尽管在上面的描述中凹槽包含氧化硅，但是凹槽可以包含氮化硅。
现在参照图9C，通过离子注入将磷或硼注入到基板900中以形成半导体区222、223和300。在形成半导体区222、223和300之前、之后或同时，形成包含例如多晶硅的栅电极。随后，在基板900的第一面P1侧形成多层布线结构901(图9D)。多层布线结构901包括：多个绝缘层，所述多个绝缘层包含例如氧化硅或氮化硅；多个布线层，所述多个布线层包含导体，例如铝或铜；以及插塞，所述插塞包含导体，例如钨或多晶硅。
随后，支撑基板906设置在第七面P7侧(图9E)。支撑基板906包括例如包含氧化硅的部分904和包含硅的部分905。将基板900和多层布线结构901接合到支撑基板906的方法可以是粘合剂接合，或者可以适当地使用其他已知方法。然而，考虑到对布线结构的影响，希望用400℃或更低的工艺进行接合。
使用支撑基板906作为支撑，从第六面P6侧减薄基板900，从而获得图9F所示的结构。在图9F中，第二面P2出现在基板907上。通过诸如CMP方法、干法蚀刻或湿法蚀刻的任何方法来进行减薄。减薄的基板907的厚度可以达到1至10μm。考虑到光电转换元件的光接收灵敏度和基板907的机械强度，期望基板907的厚度应该为约2至5μm。特别地，在用于可见光的光电转换装置包括精细像素的情况下，期望基板907的厚度应该为约2.4μm。该厚度使得50％的700nm入射光能够被光电转换。
如图9G所示，从第二面P2侧在基板900中形成第二隔离部分2。形成第二隔离部分2的方法如下。首先，通过例如各向异性干法蚀刻从第二面P2侧去除基板900的一部分，从而形成凹槽。例如，凹槽的深度为1200nm，最小宽度为150nm。第二隔离部分2的凹槽也具有750nm或更大的深度。此外，如果所得到的半导体层100的厚度为约3μm，则取决于所得到的半导体层100的厚度，第二隔离部分2的凹槽可以形成为达到2400nm。凹槽可以形成为使得最小宽度为150nm或更小。
然后通过ALD方法在凹槽中形成氧化铝膜。然后形成氧化铪膜。这些膜可用作固定电荷层。这些固定电荷层能够例如抑制在凹槽表面上产生的暗电流。固定电荷层也形成在基板900的第二面P2上。虽然在上面的描述中凹槽包含氧化铝和氧化铪，但是可以选择诸如氧化钽、氧化钛、氧氮化铪或氧氮化铝的任何材料。另外，该材料的示例包括氧化镧、氧化镨、氧化锆、氧化铈和氧化钕。此外，诸如TaO、AlO、HfO、SiO、SiCNO和HfAlO的材料可以适当地组合在一起。
随后，在第二面P2侧，形成包括保护层和平坦化层的第四膜230，该保护层包含诸如氧化硅或氮化硅的无机绝缘体，该平坦化层包含有机材料，并且形成滤色器层231。然后形成微透镜层232。利用这些步骤，制造了半导体设备。
在形成第一隔离部分1和第二隔离部分2的凹槽时，每过几秒重复保护膜形成步骤和蚀刻步骤的Bosch工艺。在通过干法蚀刻处理第二隔离部分2的凹槽时，可以使用第一隔离部分1来检测端子。可替代地，可以基于基板900的膜厚度指定蚀刻时间来执行蚀刻。
在如图5A所示的具有不同深度的凹槽形成为第一隔离部分1和第二隔离部分2的凹槽的情况下，可以使用相同的蚀刻掩模(未示出)同时形成凹槽。使用微负载(microloading)效应在蚀刻条件下蚀刻基板900使得能够在蚀刻掩模的掩模图案的宽开口下方形成深槽并且在掩模图案的窄开口下方形成浅槽。微负载效应是开口宽度越小、蚀刻速度越低的现象。通过设置蚀刻掩模的掩模图案，可以在简单的步骤中形成具有不同深度的凹槽。还可以使用反微负载效应在蚀刻条件下蚀刻基板900。在这种情况下，可以在蚀刻掩模的掩模图案的窄开口下方形成深槽，并在掩模图案的宽开口下方形成浅槽。当然，也可以在不同的步骤中形成深槽和浅槽。
(隔离部分的形状)
参照图10A至图10F，描述了隔离部分的形状。图10A至图10F中描述的隔离部分的结构应用于示例性实施例中描述的任何隔离部分。
图10A是示出例如图3A中的第一隔离部分1和第三隔离部分3的示意性截面图。第一隔离部分1包括凹槽10、包含BSG的部分11、以及包含多晶硅的部分12。在第一隔离部分1周围设置半导体区域113。在第三隔离部分3中，在凹槽30中设置包含氧化硅的部分31，并且在凹槽30周围设置半导体区域132。这里，在形成第一隔离部分1后，形成第三隔离部分3。看起来仿佛第三隔离部分3的部分31和第一隔离部分1的部分11是一体的。部分12远离线30B朝向第二面P2定位。这是因为当形成凹槽30时，在半导体层100之前去除部分12。这里，第一面P1在其表面上包括在凹槽30和部分31之间的边界处的凹陷。
图10B是示出例如图1中的第二隔离部分2的示意性截面图。第二隔离部分2包括凹槽20、包含氧化铝的部分21、以及包含氧化铪的部分22。部分21和22从凹槽20延伸到第二面P2上，从而分别形成第二层111和第三层112。第四膜230包括例如氧化硅膜。可以在部分22中设置间隙23。
图10C和图10D是各自示出例如图1中的第一隔离部分1和第二隔离部分2彼此接触的部分的示意性截面图。为了便于理解，图10C和图10D还示出了第一面P1和第二面P2。在图10C中，部分12包含多晶硅。在图10D中，部分12包含氮化硅。如图10C中的区域A1所示，第二隔离部分2咬入第一隔离部分1，并且，第二隔离部分2的端部延伸到部分12。可以理解，第二隔离部分2的端部的末端是圆形的。这是因为如果使用半导体层100的硅的蚀刻条件来形成第二隔离部分2的凹槽，则硅的蚀刻速率和多晶硅的蚀刻速率彼此接近，从而图10C中的部分12被刮掉了。相反，在图10D中的区域A2中，第二隔离部分2的末端位于部分11和12之间的边界处并且具有平坦形状。这是因为图10D中的部分12的氮化硅在硅的蚀刻条件下几乎不被蚀刻。
图10E和图10F是各自示出例如图1中的第一隔离部分1和第二隔离部分2彼此接触的部分的示意性截面图。图10E对应于图10C，并且，图10F对应于图10D。图10E和图10F各自示出了第一隔离部分1和第二隔离部分2以偏移方式彼此接触的情况。同样在这些情况下，在区域A3中，第二隔离部分2的末端是尖的，并且，在区域A4中，第二隔离部分2的末端在部分12附近是平坦的且在凹槽10的边界附近是尖的。
下面将描述第七示例性实施例，即成像系统的示例性实施例。成像系统的示例包括数字静态照相机、数字摄像机、照相机头、复印机、传真机、移动电话、智能电话、车载照相机和观察卫星。图11示出了作为成像系统的示例的数字静态照相机的框图。
在图11中，屏障1101保护透镜1102。透镜1102在成像设备1104上形成被摄体的光学图像。光圈1103改变透过透镜1102的光量。成像设备1104包括在任何上述示例性实施例中描述的光电转换装置。
信号处理单元1107对从成像设备1104输出的像素信号执行校正处理和数据压缩处理，并获取图像信号。在图11中，定时发生单元1108将各种定时信号输出到成像设备1104和信号处理单元1107。整体控制单元1109控制整个数字静态照相机。帧存储器单元1110临时地存储图像数据。接口单元1111在记录介质中记录数据或从记录介质读取数据。诸如半导体存储器的可附接和可拆卸的记录介质1112用于在其中记录成像数据或从其读取成像数据。接口单元1113与例如外部计算机通信。
成像系统需要至少包括成像设备1104和用于处理从成像设备1104输出的像素信号的信号处理单元1107。在这种情况下，其他组件设置在系统外部。
如上所述，在成像系统的示例性实施例中，根据第二示例性实施例的成像设备用作成像设备1104。这样的配置使得数字化成像信号能够精确地输出到成像系统外部。
下面将描述第八示例性实施例。图12A示出了关于车载照相机的成像系统的示例。成像系统2000包括成像设备2010。成像设备2010包括在任何上述示例性实施例中描述的光电转换装置。成像系统2000包括：图像处理单元2030，其对由成像设备2010获取的多条图像数据执行图像处理；以及视差计算单元2040，其从由成像系统2000获取的多条图像数据计算视差(视差图像之间的相位差)。此外，成像系统2000包括：距离测量单元2050，其基于所计算的视差计算距目标对象的距离；以及碰撞确定单元2060，其基于所计算的距离确定是否存在碰撞的可能性。视差计算单元2040和距离测量单元2050是用于获取关于距目标对象的距离的距离信息的距离信息获取单元的示例。也就是说，距离信息包括视差、散焦量和距目标对象的距离。使用这些距离信息中的任何一个，碰撞确定单元2060可以确定碰撞的可能性。距离信息获取单元可以由专门为距离信息获取单元设计的硬件实现，或者可以由软件模块实现。可替代地，距离信息获取单元可以由现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现。另外可替代地，距离信息获取单元可以通过这些的组合来实现。
成像系统2000连接到车辆信息获取设备2310，并且可以获取车辆信息，例如车辆的速度、偏航率和转向角。此外，成像系统2000连接到控制电子控制单元(ECU)2410，其基于碰撞确定单元2060的确定结果产生用于在车辆中产生制动力的控制信号。此外，成像系统2000还连接到警报装置2420，警报装置2420基于碰撞确定单元2060的确定结果向驾驶员发出警报。例如，作为碰撞确定单元2060的确定结果，如果碰撞的可能性高，则控制ECU 2410执行车辆控制，例如施加制动，返回油门踏板或抑制引擎输出以避免碰撞并减少损坏。警报装置2420通过发出诸如声音的警报、在汽车导航系统的屏幕上显示警报信息、或向座椅安全带或转向器提供振动来警告用户。
在本示例性实施例中，成像系统2000拍摄车辆的周边，例如前方或后方。图12B示出了在成像系统2000拍摄车辆的前方的情况下的成像系统2000的示例。在以上描述中，已经描述了执行车辆控制以避免与另一车辆碰撞的示例。可替代地，本示例性实施例还适用于通过跟随另一车辆自动驾驶车辆的控制，或者用于自动驾驶车辆以便停留在车道中的控制。此外，成像系统不仅可以应用于诸如汽车的车辆，还可以应用于诸如船舶、飞机或工业机器人的移动体(移动设备)。另外，成像系统不仅可以应用于移动体，还可以应用于广泛使用物体识别的装置，例如智能交通系统(ITS)。
根据每个示例性实施例的光电转换装置不限于示例性实施例中描述的CMOS型图像传感器，并且可以应用于设置有至少两个光接收元件(光电转换元件)的半导体设备。此外，关于根据每个示例性实施例的半导体区域，第一导电类型是P型，并且，第二导电类型是N型。可替代地，第一导电类型也可以是N型，并且，第二导电类型也可以是P型。
根据本公开，可以提供一种具有精细隔离结构的光电转换装置。
虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种光电转换装置，其特征在于，包括：
半导体层，包括第一面和与第一面相反放置的第二面，并且包括第一光电转换元件和第二光电转换元件；
第一隔离部分，设置在所述半导体层中，包括绝缘体，并且从第一面延伸到对应于从第一面到第二面的长度的至少四分之一的位置；以及
第二隔离部分，设置在所述半导体层中，包括绝缘体，并且从第二面延伸到对应于从第一面到第二面的长度的至少四分之一的位置，
其中，第一隔离部分和第二隔离部分设置在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，第一隔离部分是通过从第一面去除所述半导体层的一部分而设置的，并且
其中，第二隔离部分是通过从第二面去除所述半导体层的一部分而设置的。
3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二隔离部分在第二面上的宽度窄于第一隔离部分在第一面上的宽度。
4.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二隔离部分距第二面的长度短于第一隔离部分距第一面的长度。
5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第一隔离部分和第二隔离部分彼此接触。
6.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，在第一隔离部分和第二隔离部分之间，设置第一半导体区域作为抵抗在第一光电转换元件和第二光电转换元件中产生的电荷的势垒。
7.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第一隔离部分包括第三隔离部分，第三隔离部分在第一面侧包括浅沟槽隔离(STI)结构。
8.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第一隔离部分至少包含多晶硅，并且第二隔离部分至少包含氧化铪。
9.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第一隔离部分至少包含氮化硅，并且第二隔离部分至少包含氧化铪。
10.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二隔离部分包含氧化铝。
11.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，在第一隔离部分和第二隔离部分投影到第一面上的情况下，第一隔离部分的中心位置和第二隔离部分的中心位置相互不同。
12.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，所述半导体层还包括第三光电转换元件，
其中，第二光电转换元件位于第一光电转换元件和第三光电转换元件之间，并且
其中，对应于第二光电转换元件和第三光电转换元件设置单个微透镜。
13.根据权利要求12所述的光电转换装置，其中，在第二光电转换元件和第三光电转换元件之间，设置第二半导体区域作为抵抗在第二光电转换元件和第三光电转换元件中产生的电荷的势垒。
14.根据权利要求13所述的光电转换装置，其中，第一隔离部分被设置成使得第一隔离部分延伸到比第二半导体区域更靠近第二面的位置。
15.根据权利要求12所述的光电转换装置，还包括第四隔离部分，第四隔离部分设置在所述半导体层中的第二光电转换元件和第三光电转换元件之间，并且至少从第二面朝向第一面延伸。
16.根据权利要求15所述的光电转换装置，其中，第二隔离部分被设置成使得第二隔离部分延伸到比第四隔离部分更靠近第一面的位置。
17.根据权利要求15所述的光电转换装置，其中，第四隔离部分在第二面上的宽度窄于第二隔离部分在第二面上的宽度。
18.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，在从第一面到第二面的长度为3μm或更小的情况下，第一隔离部分在第一面上的宽度为150nm或更小，并且第二隔离部分在第二面上的宽度为150nm或更小。
19.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至18中任一项所述的光电转换装置；以及
信号处理单元，被配置为处理从光电转换装置输出的信号。
20.一种移动体，其特征在于，包括：
根据权利要求1至18中任一项所述的光电转换装置；
距离信息获取单元，被配置为基于来自光电转换装置的信号从视差图像获取关于距目标对象的距离的距离信息；以及
控制单元，被配置为基于距离信息控制移动体。
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