CN110896083A - 光电转换装置和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及光电转换装置和设备。硅化合物膜以及位于硅化合物膜和半导体层之间的金属化合物膜布置在主面上方，该硅化合物膜是氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的任何一种。硅化合物膜和金属化合物膜延伸到第一沟槽中，并且金属化合物膜延伸到第二沟槽中。当从第二沟槽的底部到硅化合物膜的距离表达为“Hb”并且从主面到硅化合物膜的距离表达为“Hd”时，各个距离满足条件“Hd<Hb”。

Description

光电转换装置和设备
技术领域
本公开涉及布置在光电转换部分之间的隔离部分。
背景技术
美国专利申请公开No.2018/0219040讨论了一种图像传感器，该图像传感器具有布置在沟槽(140、1140)内的固定电荷膜(160、1160)和抗反射膜(170、1170)，所述沟槽(140、1140)设置在靠近感测区域的中心的部分上。
在美国专利申请公开No.2018/0219040中描述的技术中，存在由于沟槽(140、1140)导致光损失而因此不能充分获得灵敏度的情况。
发明内容
本公开涉及具有改善的灵敏度的光电转换装置。根据本公开的一个方面，一种光电转换装置包括半导体层，该半导体层包括多个光电转换部分和形成多个光电转换部分的各个光接收面的主面。多个光电转换部分包括第一光电转换部分、第二光电转换部分和第三光电转换部分。半导体层具有定位在第一光电转换部分和第二光电转换部分之间的第一沟槽、定位在第二光电转换部分和第三光电转换部分之间的第二沟槽。第一沟槽和第二沟槽均在主面上连续延伸。在主面上方设置硅化合物膜以及位于硅化合物膜和半导体层之间的金属化合物膜，该硅化合物膜是氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的任何一种。硅化合物膜和金属化合物膜延伸到第一沟槽中。金属化合物膜延伸到第二沟槽中。满足以下条件：
Hd<Hb；和
Wa-2×Hd>Wb，
其中，从第二沟槽的底部到硅化合物膜的距离表达为Hb，从主面到硅化合物膜的距离表达为Hd，第一沟槽的宽度表达为Wa，并且第二沟槽的宽度表达为Wb。
从以下示例性实施例的描述(参考附图)，本公开的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出光电转换装置的示意性截面图。
图2是示出光电转换装置的示意性截面图。
图3是示出光电转换装置的示意性截面图。
图4A至图4G是示出光电转换装置的制造方法的示意性截面图。
图5A至图5D是示出光电转换装置的制造方法的示意性截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述体现本公开的示例性实施例。根据本公开，可以提供用于改善光电转换装置的灵敏度的有利技术。在下面描述的示例性实施例或附图中，共同的附图标记应用于多个附图中彼此共同的配置。因此，将交叉参考多个附图来描述共同配置，并且将适当地省略具有共同附图标记的配置的描述。具有类似名称和不同附图标记的配置可以通过适当地添加“第n”(例如，第一配置、第二配置和第三配置)来彼此区分。
图1是示出光电转换装置930的光电转换区域(成像区域)的截面图。光电转换装置930包括具有多个光电转换部分101、102、103、104、105和106的半导体层100。半导体层100是单晶硅层，其厚度为1μm至10μm，或者期望地厚度为2μm至5μm。半导体层100具有背面1001，该背面1001构成多个光电转换部分101、102、103、104、105和106的各个光接收面。光电转换部分101、102、103、104、105和106中的每一个可以是光电二极管。背面1001充当半导体层100的两个主面中的一个，并且半导体层100具有充当其两个主面中的另一个的正面1002。包括栅电极400的晶体管布置在正面1002上，并且包括多个布线层410和420以及层间绝缘膜430的布线结构440布置在正面1002上。包括栅电极400的晶体管包括传输晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管，并且像素电路由这些晶体管配置。
在该示例情况下，多个光电转换部分101至106中的光电转换部分101、102、103和104以这样的方式布置：光电转换部分102和103布置在光电转换部分101和104之间。在另一种情况下，多个光电转换部分101至106可以不以直线对齐。在另一种情况下，半导体层的除了光电转换部分之外的一部分(半导体部分)可以插入在多个光电转换部分101至106中的两个之间。
光电转换装置930包括隔离部分110、120、130、140、150、160和170。
隔离部分110定位在光电转换部分101和102之间，并且隔离部分120定位在光电转换部分102和103之间。隔离部分130定位在光电转换部分103和104之间，并且隔离部分140定位在光电转换部分104和105之间。隔离部分150定位在光电转换部分101和106之间。隔离部分160定位在光电转换装置930的外围区域和光电转换部分106之间，并且隔离部分170定位在光电转换装置930的外围区域和光电转换部分105之间。
图2是包括图1中所示的光电转换装置930的隔离部分110、120和130的部分的放大图。下面将交叉参考图1和图2提供描述。另外，隔离部分140和150的配置可以与隔离部分120的配置类似，并且隔离部分160和170的配置可以与隔离部分110和130的配置类似，因此将省略其描述。
半导体层100具有连续到背面1001的沟槽，并且隔离部分110、120、130、140、150、160和170设置在对应的一个沟槽内。每个沟槽的侧面和背面1001是连续的，其中在每个沟槽中布置隔离部分110、120、130、140、150、160和170中的对应一个。
如图2中所示，隔离部分110布置在沟槽111内，隔离部分120布置在沟槽121内，并且隔离部分130布置在沟槽131内。沟槽111、121和131中的每一个从背面1001朝向正面1002延伸。充当晶体管的栅极绝缘膜的绝缘膜450和层间绝缘膜430布置在正面1002上。
形成定位在光电转换部分101和102之间的隔离部分110的沟槽111定位在光电转换部分101和102之间。
形成定位在光电转换部分102和103之间的隔离部分120的沟槽121定位在光电转换部分102和103之间。
形成定位在光电转换部分103和104之间的隔离部分130的沟槽131定位在光电转换部分103和104之间。
在光电转换部分101、102、103、104、105和106的光接收面上布置硅化合物膜300，该硅化合物膜300是氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的任何一种。硅化合物膜300的组成可以表达为“SiOxNyCz”。这里，字母x、y和z中的任何一个表示大于0的值，并且字母x、y和z中的另一个表示不小于0的值。除了硅(Si)、氧(O)、氮(N)和碳(C)之外，硅化合物膜300还可以包含氢(H)、硼(B)、氟(F)、磷(P)、氯(Cl)和氩(Ar)。如果x、y和z满足“x>0”、“x≥y≥0”和“x≥z≥0”的条件，则硅化合物膜300是氧化硅膜。如果x、y和z满足“y>0”、“y≥x≥0”和“y≥z≥0”的条件，则硅化合物膜300是氮化硅膜。如果x、y和z满足“z>0”、“z≥x≥0”和“z≥y≥0”的条件，则硅化合物膜300是碳化硅膜。例如，取决于O和N的量，氧氮化硅膜(SiON膜)可以归类为氧化硅膜或氮化硅膜。
定位在硅化合物膜300和半导体层100之间的金属化合物膜200还布置在光电转换部分101、102、103、104、105和106的光接收面上。
如图1中所示，隔离部分110、120、130、140、150、160和170中的每一个包括金属化合物膜200和硅化合物膜300中的至少一个。如图2中所示，硅化合物膜300和金属化合物膜200延伸到沟槽111中以形成隔离部分110。金属化合物膜200延伸到沟槽121中以形成隔离部分120。硅化合物膜300和金属化合物膜200延伸到沟槽131中以形成隔离部分130。在图1中，隔离部分160和170可以由硅化合物膜300和金属化合物膜200两者形成，并且隔离部分140和150可以仅由金属化合物膜200形成。可替换地，隔离部分160和170或者隔离部分140和150可以仅由金属化合物膜200或硅化合物膜300形成。
包括多个微透镜871、872和873的微透镜阵列布置在背面1001之上。多个微透镜871、872和873中的微透镜871布置在光电转换部分101和106之上。多个微透镜871、872和873中的微透镜872布置在光电转换部分102和103之上。多个微透镜871、872和873中的微透镜873布置在光电转换部分104和105之上。微透镜871、872和873中的每一个由例如树脂制成。
另一透镜阵列布置在包括多个微透镜871、872和873的微透镜阵列与半导体层100之间，该另一透镜阵列是包括多个层间透镜831、832和833的层间透镜阵列。层间透镜831、832和833中的每一个布置在诸如氮化硅膜之类的电介质膜820上。在本示例性实施例中，上凸透镜用作层间透镜831、832和833。可替换地，层间透镜831、832和833可以是下凸透镜或双凸透镜。
诸如氧化硅膜之类的绝缘膜810布置在层间透镜831、832和833与硅化合物膜300之间。诸如氧化硅膜之类的绝缘膜840布置在层间透镜831、832和833与微透镜871、872和873之间。由于绝缘膜840与包括氮化硅膜的层间透镜831、832和833的折射率之间的差异，层间透镜831、832和833收集光并会聚光。包括滤色器861、862和863的滤色器阵列布置在层间透镜831、832和833与微透镜871、872和873之间。例如，滤色器861是红色过滤器，滤色器862是绿色过滤器，并且滤色器863是蓝色过滤器。平坦化膜850布置在滤色器861、862和863与层间透镜831、832和833之间，和/或在滤色器861、862和863与微透镜871、872和873之间。例如，平坦化膜850由树脂制成。
遮光构件710布置在诸如氧化硅膜之类的绝缘膜810与硅化合物膜300之间。遮光构件710可以各自布置为与隔离部分110、130、160和170中的对应一个重叠。遮光构件710可以布置为不与隔离部分120、140和150重叠。遮光壁720布置在每个遮光构件710上。遮光壁720可以布置为穿透绝缘膜810、电介质膜820和绝缘膜840中的至少一个。遮光壁720可以布置为围绕层间透镜831、832和833。
像素的光学结构主要由微透镜872、滤色器862、层间透镜832以及光电转换部分102和103限定。然而，微透镜872、滤色器862和层间透镜832中的一些可以省略。如上所述，通过其中多个光电转换部分102和103布置在单个像素上的像素结构，焦点检测(自动聚焦)、测距、动态范围的扩展和像素信号的编码可以是可行的。隔离部分120将像素的一部分与像素的另一部分隔离，并且隔离部分110和130中的每一个将像素与其它像素隔离。这里，“隔离”是指光学隔离和电气隔离中的至少一种。需要定位在像素内的隔离部分120来提供必要且充分的隔离性能，同时减少由隔离部分120的存在引起的光损失导致的问题。
半导体基板600堆叠在半导体层100下方。各自包括栅电极500的晶体管布置在半导体基板600的表面上。布线结构540布置在半导体基板600的表面上，即，布置在半导体基板600与布线结构440之间的位置。布线结构540包括多个布线层510和520以及层间绝缘膜530。包括栅电极500的晶体管构成用于驱动包括光电转换部分的像素电路的驱动电路或者用于控制光电转换装置930的控制电路。包括栅电极500的晶体管构成用于执行从像素电路获得的模拟信号的模数(AD)转换的AD转换电路。此外，包括栅电极500的晶体管构成用于处理通过AD转换获得的数字信号的数字信号处理电路。布线结构440和540通过直接结合布线层的布线或者通过穿透半导体层100的通孔插塞彼此电连接。布线结构440和540可以通过布线结构440和540之间的凸块或者通过线接合彼此电连接。在半导体基板600仅用作支撑基板的情况下，可以省略包括栅电极500的晶体管或布线结构540。
下面将参考图2来详细描述隔离部分110、120和130的配置。在图2中，位置Ba和Bc表示沟槽111和131的底部位置，并且位置Bb表示沟槽121的底部位置。沟槽111的深度Da对应于背面1001和位置Ba之间的距离，沟槽121的深度Db对应于背面1001和位置Bb之间的距离，并且沟槽131的深度Dc对应于背面1001和位置Bc之间的距离。在本示例性实施例中，沟槽121比沟槽111和131浅，并且各个深度的关系满足条件“Db<Da”和“Db<Dc”。尽管这些条件适合于示例性实施例，但条件可以是“Da≤Db”和“Da≤Dc”。例如，深度Da和Dc中的每一个为1μm至5μm，并且深度Db为1μm至3μm。另外，沟槽111、121和131中的任何一个可以穿透半导体层100。在这种情况下，分别穿透半导体层100的沟槽111、121和131的深度Da、Db和Dc各自与半导体层100的深度匹配。此外，沟槽111、121和131的底部位置Ba、Bb和Bc与正面1002的位置一致。
图2还示出了从沟槽121的底部(位置Bb)到硅化合物膜300的距离Hb以及从背面1001到硅化合物膜300的距离Hd。图2还示出了从沟槽111的底部(位置Ba)到硅化合物膜300的距离Ha以及从沟槽131的底部(位置Bc)到硅化合物膜300的距离Hc。
通过本公开的发明人进行的研究，发现通过尽可能地增加隔离部分120的平均折射率能改善光电转换部分102和103的灵敏度。特别地，发现对于以几乎垂直于充当主面的背面1001的角度入射的光，灵敏度显着改善。当将隔离部分110和130与隔离部分120进行比较时，沟槽111、121和131中的每一个内的硅化合物膜300的体积与金属化合物膜200的体积的比率在隔离部分110和130中比在隔离部分120中大。在本示例性实施例中，硅化合物膜300不存在于沟槽121内。因此，对于隔离部分120该比率可以为零。
硅化合物膜300的折射率低于半导体层100(即，硅层)的折射率。因此，随着距离Hb增加，硅化合物膜300与隔离部分120的比率可以减小，从而可以增加隔离部分120内的平均折射率。这在硅化合物膜300的折射率低于金属化合物膜200的折射率的情况下更合适。
随着距离Hb增加，光电转换部分102和103的灵敏度可以得到改善。距离Hb大于距离Hd(Hd<Hb)，这是特性特征。在本示例性实施例中，距离Ha和Hc等于距离Hd(Ha＝Hd、Hc＝Hd)。可替换地，距离Ha和Hc可以大于距离Hd(Hd<Ha、Hd<Hc)。还期望距离Hb大于距离Ha和Hc(Ha<Hb、Hc<Hb)。
为了使距离Hb与距离Ha和Hc不同，或者为了使隔离部分120的平均折射率与隔离部分110和130的平均折射率不同，期望形成隔离部分120的层数与形成各个隔离部分110和130的层数不同。期望地，形成隔离部分120的层数应小于形成各个隔离部分110和130的层数。例如，如上所述，布置在沟槽111和131中的每一个上的硅化合物膜300没有布置在沟槽121上。利用这种配置，形成隔离部分110和130中的每一个的层数可以减少形成隔离部分120的层数和硅化合物膜300的层数。
在沟槽111和131内仅布置氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的一种膜的情况下，布置的这一种膜可以被视为用于指定上述距离Hb的硅化合物膜300。在沟槽111和131内布置氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的两种或更多种膜的情况下，布置的膜中的任何一种可以被视为用于指定上述距离Hb的硅化合物膜300。换句话说，上述距离Hb可以由例如布置在沟槽111和131内的、氧化硅膜和氮化硅膜中的被视为硅化合物膜300的氧化硅膜来指定。可替换地，上述距离Hb可以由例如布置在沟槽111和131内的、氧化硅膜和氮化硅膜中的被视为硅化合物膜300的氮化硅膜来指定。氧化硅膜和氮化硅膜中的一个可以设置在沟槽111和131内，并且氧化硅膜和氮化硅膜中的另一个可以布置在氧化硅膜和氮化硅膜中的所述一个与金属化合物膜200之间。在这种情况下，如果氧化硅膜和氮化硅膜中的一个被视为硅化合物膜300，则氧化硅膜和氮化硅膜中的另一个设置在硅化合物膜300和金属化合物膜200之间。
随着硅化合物膜300的折射率变得较低，距离Hb的改变与灵敏度的改变之间的相关性变得较大。更准确地说，随着半导体层100的折射率与硅化合物膜300的折射率之间的差异变得较大，距离Hb的改变与灵敏度的改变之间的相关性变得较大。氧化硅膜的折射率约为1.4至1.6，氮化硅膜的折射率约为1.8至2.2，碳化硅膜的折射率约为2.2至2.8，并且硅的折射率约为3至7。因此，通过沟槽111和131内的布置为硅化合物膜300的氧化硅膜来增加距离Hb的方法对于改善灵敏度特别有效。
在本示例性实施例中，硅化合物膜300不定位在沟槽121内。换句话说，距离Hb大于沟槽121的深度Db(Db<Hb)。以这种方式，期望距离Hb满足条件“Db<Hb”。这可以是可行的，如果作为硅化合物膜300的下层的膜(即，下层膜)形成为完全覆盖沟槽121的话。期望地，硅化合物膜300不应存在于沟槽121的下半部分上，并且即使在硅化合物膜300在沟槽121内延伸的情况下，距离Hb也应满足条件“Db/2<Hb”。
就改善隔离部分110和130的隔离性能而言，距离Ha和Hc不应该增加太多。如上所述，各个距离可以满足条件“Ha<Hb”和“Hc<Hb”。在本示例性实施例中，期望各个深度满足条件“Db<Da”和“Db<Dc”，并且硅化合物膜300延伸到沟槽111和131中至比沟槽121的底部的位置Bb深的位置。如果各个距离的关系近似为“Ha＝Hd”和“Hc＝Hd”，则沟槽111和131的前端的硅化合物膜300的深度表达为“Da-Hd”和“Dc-Hd”。期望沟槽121的深度Db比这些深度浅(即，“Db<Da-Hd”、“Db<Dc-Hd”)。根据这种关系，发现期望满足条件“Da-Db>Hd”和“Da-Db>Hd”。
图2还示出了沟槽111和121之间的距离Pa、沟槽121和131之间的距离Pb、沟槽111的宽度Wa、沟槽121的宽度Wb以及沟槽131的宽度Wc。宽度Wa和Wc例如是200nm至800nm。宽度Wb例如是50nm至200nm。
这里，沟槽111、121和131的宽度Wa、Wb和Wc在沟槽111、121和131的深度方向上是恒定的。然而，宽度Wa、Wb和Wc在沟槽111、121和131的深度方向上不必是恒定的。例如，宽度Wa、Wb和Wc可以朝向其底部逐渐减小。可替换地，在与沟槽111、121和131的入口部分对应的背面1001中，宽度Wa、Wb和Wc可以比其它部分的宽度窄。在沟槽的宽度在深度方向上不恒定的情况下，期望用于限定宽度Wa、Wb和Wc的深度方向上的位置(参考位置)对于宽度Wa、Wb和Wc是共同的。从背面1001到参考位置的距离表达为“Ds”。例如，可以确定参考位置以与背面1001一致(即，Ds＝0)。可替换地，例如，期望将宽度Wa、Wb和Wc中的每一个限定在距背面1001的深度为Db/2的参考位置处(Ds＝Db/2)。换句话说，如果深度Db是2μm，则沟槽111、121和131的宽度Wa、Wb和Wc可以分别限定在与距背面1001的深度为1μm对应的参考位置处(Ds＝Db/2＝1μm)。期望在参考位置处，金属化合物膜200在沟槽111和131的两个侧面上存在于沟槽111和131内，并且存在硅化合物膜300，使得硅化合物膜被两个侧面的金属化合物膜200夹着。换句话说，期望将金属化合物膜200和硅化合物膜300两者存在于沟槽111和131中的位置设定为参考位置。通常，从背面1001到作为金属化合物膜200和硅化合物膜300两者存在的位置的参考位置的距离Ds可以设定在“0≤Ds≤Db/2”的范围内。在沟槽的宽度在深度方向上不恒定的情况下，各个沟槽111、121和131的深度方向上的最大宽度可以分别被限定为宽度Wa、Wb和Wc，其是宽度Wa、Wb和Wc的另一个限定示例。除了基于参考位置和最大宽度的限定之外的宽度Wa、Wb和Wc的限定是不合适的。例如，如果沟槽111和131的最大宽度被设定为宽度Wa和Wc，而沟槽121的最小宽度被设定为宽度Wb，则宽度Wa、Wb和Wc之间的关系将不合适。
为了充分增强隔离部分110和130的隔离性能，期望硅化合物膜300延伸到比沟槽111和131的深度Da和Dc的一半(Da/2、Dc/2)深的深度处的位置。期望满足以下条件以实现该配置。即，如果具有被认为等于距离Hd的厚度的中间膜形成在沟槽111和131中的每一个的两个侧面上，则沟槽111和131中的每一个中的由硅化合物膜300和半导体层100之间的中间膜(例如，金属化合物膜200)构成的宽度是“2×Hd”。因此，沟槽111和131中的每一个中的除中间膜之外的部分的宽度分别是“Wa-2×Hd”和“Wc-2×Hd”。条件可以是“2×Hd<Wa”。然而，如果宽度“Wa”和“2×Hd”之间的差异小，则硅化合物膜300不能适当地布置在沟槽111内，使得隔离部分110的隔离性能将不足。这同样适用于宽度“Wc”。因此，如果沟槽111和131中的每一个中的除中间膜之外的部分的宽度大于沟槽121的宽度Wb，则硅化合物膜300可以适当地布置在隔离部分120中。换句话说，只要求满足条件“Wa-2×Hd>Wb”和“Wc-2×Hd>Wb”。这些条件可以变换为“Wa-Wb>2×Hd”和“Wc-Wb>2×Hd”。因此，沟槽111和131中的每一个与沟槽121之间的差异大于距离Hd的两倍。期望沟槽121完全被中间膜覆盖。为此，期望其宽度满足条件“Wb≤2×Hd”。
就改善灵敏度而言，期望减小距离Hb，并且减小沟槽121的深度Db对于减小距离Hb是有效的。期望地，沟槽121的深度Db小于由“Pa+Pb”限定的像素尺寸(即，Db<Pa+Pb)。
如果沟槽111、121和131浅，则对于光电转换部分101、102和103的隔离性能将降低，并且如果沟槽111、121和131具有宽的宽度，则光电转换部分101、102和103的灵敏度将降低。因此，期望满足条件“Da>Wa”和“Db>Wb”中的至少任一个或两者。
为了增加上述距离Hb，期望满足条件“Da>Db”和“Dc>Db”。还期望满足条件“Wa>Wb”和“Wc>Wb”。减小沟槽121的宽度使得能够减少(或消除)布置在沟槽121内的硅化合物膜300。期望地，沟槽121的宽度Wb小于沟槽111和131的宽度Wa和Wc的一半(即，“Wa/2>Wb”、“Wc/2>Wb”)。换句话说，期望沟槽111和131的宽度Wa和Wc大于沟槽121的宽度Wb的两倍(“Wa>2×Wb”、“Wc>2×Wb”)。还期望沟槽111和131的宽度Wa和Wc大于沟槽121的宽度Wb的三倍(“Wa>3×Wb”、“Wc>3×Wb”)。通过将沟槽121的宽度Wb与沟槽111和131的宽度Wa和Wc之间的差异增加到该程度，灵敏度的改善、距离Hb增加带来的效果变得更加明显。
考虑到隔离部分110和130中的每一个的特性以及隔离部分120的特性，期望沟槽121的纵横比与沟槽111和131中的每一个的纵横比不同。期望地，沟槽121的深度与宽度的纵横比Db/Wb大于沟槽111的深度与宽度的纵横比Da/Wa和沟槽131的深度与宽度的纵横比Dc/Wc(即，Da/Wa<Db/Wb、Dc/Wc<Db/Wb)。沟槽121的纵横比Db/Wb可以是10或更大。
图2还示出了背面1001上的金属化合物膜200的厚度Tm和硅化合物膜300的厚度Ts。厚度Tm可以是5nm至150nm，并且厚度Ts可以是50nm至200nm。在本示例性实施例中，由于在硅化合物膜300和半导体层100之间的区域中仅存在金属化合物膜200，因此距离Hd与厚度Tm匹配。然而，如果在硅化合物膜300和金属化合物膜200之间的区域或者在金属化合物膜200和半导体层100之间的区域中存在另一层，则距离Hd与厚度Tm不同。
为了在沟槽111和131内适当地布置金属化合物膜200，期望金属化合物膜200的厚度Tm小于沟槽111和131的宽度Wa和Wc(Tm<Wa、Tm<Wc)。为了在沟槽111和131内适当地布置硅化合物膜300，期望硅化合物膜300的厚度Ts小于沟槽111和131的宽度Wa和Wc(Ts<Wa、Ts<Wc)。为了在沟槽111和131内适当地布置硅化合物膜300，期望金属化合物膜200的厚度Tm比硅化合物膜300的厚度Ts薄(Tm<Ts)。金属化合物膜200布置在沟槽111和131的两个侧面上，并且侧面上的金属化合物膜200可以近似有厚度Tm。然后，将金属化合物膜200和硅化合物膜300适当地布置在具有宽度Wa的沟槽111内的条件是“2×Tm<Wa”。这同样适用于宽度“Wc”。将金属化合物膜200布置在具有宽度Wb的沟槽121内并且适当地布置硅化合物膜300的条件是“Wb≤2×Tm”。以这种方式，期望满足条件“Wb≤2×Tm<Wa”。还期望满足条件“2×Tm<Wa-Wb”。这是从上述条件“2×Hd<Wa-Wb”导出的公式，其中使厚度Tm等于距离Hd(Tm＝Hd)。沟槽111和131的宽度Wa和Wc可以分别宽于当在沟槽111和131的两个侧面上形成具有厚度Tm的金属化合物膜200和具有厚度Ts的硅化合物膜300时所需的沟槽的宽度。换句话说，宽度Wa和Wc可以分别满足条件“2×Tm+2×Ts<Wa”和“2×Tm+2×Ts<Wc”。以这种方式充分地增加宽度Wa和Wc抑制了沟槽111和131中的间隙的产生。
典型的关系可以表达为“Tm＝Hd<Ts<Wb<Wa＝Wc<<P1＝P2<Db<Hd<Da＝Dc”。
金属化合物膜200是单层或多层金属化合物膜。包括在金属化合物膜200中的金属化合物层是金属氧化物层、金属氮化物层和金属碳化物层中的任何一种。期望金属氧化物层用作金属化合物层，因为相对于相同的金属，金属氧化物层的透光率高于金属氮化物层的透光率和金属碳化物层的透光率。根据本示例性实施例的金属化合物膜200是包括金属化合物层220以及位于金属化合物层220和半导体层100之间的金属化合物层210的多层膜。金属化合物膜200的厚度Tm是金属化合物层220的厚度和金属化合物层210的厚度之和。金属化合物层220例如是氧化钽层、氧化钛层、氧化锆层、氧化铌层或氧化钒层。金属化合物层210例如是氧化铝层或氧化铪层。期望金属化合物层210的厚度比金属化合物层220的厚度薄。金属化合物层210可以用作用于固定半导体层100的非信号电荷的电荷固定层。金属化合物层220可以用作入射在半导体层100上的光的抗反射层。
氧化铝(Al2O3)层的折射率为1.7至1.9，或通常为1.77。氧化铪(HfO2)层的折射率为1.8至2.0，或通常为1.91。氧化钽(Ta2O5)层的折射率为2.0至2.2，或通常为2.14。氧化锆(ZrO2)层的折射率为2.1至2.3，或通常为2.21。氧化钒(V2O5)层的折射率为2.2至2.4，或通常为2.30。氧化铌(Nb2O5)层的折射率为2.2至2.4，或通常为2.33。氧化钛(TiO2)层的折射率为2.3至2.5，或通常为2.39。
在半导体层100是硅层并对可见光进行光电转换的情况下，期望金属化合物膜200具有以下结构：例如，金属化合物层210是厚度为5nm至20nm的氧化铝(Al2O3)层；并且金属化合物层220是厚度为25nm至100nm的氧化钽(Ta2O5)层。
通过尽可能地增加沟槽121在其入口部分处的中心(两个侧面之间的中间)处的层的折射率，可以改善光电转换部分102和103的灵敏度。沟槽121的入口部分由包括作为主面的背面1001的平面限定。期望在包括背面1001的平面中的沟槽121的中心(两个侧面之间的中间)处的层的折射率大于1.41，或者期望地，1.6或更大。此外，期望定位在包括背面1001的平面中的沟槽121的中心(两个侧面之间的中间)处的层的折射率大于1.91，或者期望地，2.0或更大。在包括背面1001的平面中，沟槽121的中心(两个侧面之间的中间)处的层可以满足这些条件。在沟槽121的中心处的层是氮化硅膜或碳化硅膜的情况下，沟槽121的中心处的层的折射率是1.6或更大。可替换地，在沟槽121的中心处的层是氧化锆层、氧化钒层、氧化铌层或氧化钛层的情况下，定位在沟槽121的中心处的层的折射率为1.91或更大。
在本示例性实施例中，已经描述了其中背面1001充当光接收面的背面照射型光电转换装置。在本示例性实施例中描述的技术也可应用于其中正面1002充当光接收面的正面照射型光电转换装置。在这种情况下，从其上形成有晶体管的正面1002形成沟槽，并且金属化合物膜和/或硅化合物膜布置在形成在正面1002侧的沟槽内。
图3是示出具有光电转换装置930的设备9191的示意图。除了光电转换装置930之外，设备9191还包括光学装置940、控制装置950、处理装置960、存储装置970、显示装置980和机械装置990中的至少任一个。光学系统940与光电转换装置930相关联并在光电转换装置930上形成图像。控制装置950控制光电转换装置930。处理装置960处理从光电转换装置930输出的信号。存储装置970存储由光电转换装置930获得的信息。显示装置980显示由光电转换装置930获得的信息。机械装置990基于由光电转换装置930获得的信息进行操作。机械装置990可以是使光电转换装置930在设备9191内移动或与设备9191一起移动的移动装置。通过光电转换装置930在设备9191内移动可以实现振动隔离功能(即，图像稳定器功能)。
尽管光电转换装置930可以包括电子器件910和安装构件920，但是可以不包括安装构件920。电子器件910是具有半导体层的半导体器件。电子器件910包括其中排列有光电转换部分的光电转换区域901以及其中排列有外围电路(未示出)的外围电路区域902。根据本示例性实施例的隔离部分110、120、130的配置可以应用于设备9191中的光电转换区域901。外围电路包括上述驱动电路和AD转换电路、数字信号处理电路和控制电路。尽管光电转换区域901和外围电路区域902可以布置在相同的半导体层上，但是在本示例性实施例中，光电转换区域901和外围电路区域902可以布置在相互层叠的分离的半导体层(半导体基板)上。
安装构件920包括陶瓷封装、塑料封装、印刷线路板、柔性缆线、焊料和线接合。光学系统940可以是透镜、快门、过滤器或镜子。控制装置950可以是半导体器件，诸如专用集成电路(ASIC)。处理装置960可以是半导体器件，诸如构成例如模拟前端(AFE)或数字前端(DFE)的中央处理单元(CPU)或专用集成电路(ASIC)。显示装置980可以是电致发光显示装置或液晶显示装置。存储装置970是诸如静态随机存取存储器(SRAM)和动态RAM(DRAM)的易失性存储器或者诸如闪速存储器和硬盘驱动器的非易失性存储器，并且例如是磁性器件或半导体器件。机械装置990包括可移动单元或驱动单元，诸如马达和引擎。
图3中所示的设备9191可以是电子设备，诸如具有成像功能的信息终端(例如，智能手机或可穿戴终端)或相机(例如，可更换镜头相机、紧凑相机、摄像机或监控相机)。包括在相机中的机械器件990驱动光学系统940的组件，以便执行变焦、聚焦或快门操作。设备9191可以是运输设备(移动体)，诸如车辆、船舶、飞行器或空间卫星。包括在运输设备中的机械装置990可以用作移动装置。充当运输设备的设备9191适合于运输光电转换装置930或通过成像功能辅助和/或自动化操作(驱动操作)。用于辅助和/或自动化操作(驱动操作)的处理装置960可以基于由光电转换装置930获得的信息执行用于操作充当移动装置的机械装置990的处理。设备9191可以是分析设备或医疗设备。
根据本示例性实施例的光电转换装置930可以向其设计者、制造商、分销商、购买者和/或用户提供高价值。因此，如果光电转换装置930安装在设备9191上，则也可以升级设备9191。因此，当要制造和分销设备9191时，将根据本示例性实施例的光电转换装置930安装在设备9191上对于升级设备9191是有利的。
将参考图4A至图4B和图5A至图5D来描述用于制造光电转换装置的方法。
如图4A中所示，其上形成有光电转换部分、包括栅电极400的晶体管和布线结构(未示出)的半导体基板1000被垂直翻转并结合到支撑基板(未示出)。支撑基板可以是半导体基板600。半导体基板1000包括在正面1002侧具有浅沟槽隔离(STI)结构的元件隔离部分201。半导体基板1000还在正面1002侧包括绝缘区域216，在绝缘区域216中绝缘体嵌入在比元件隔离部分201深的沟槽中。
接下来，如图4B中所示，半导体基板1000从与正面1002相对的一侧向下变薄至大约数十μm至数μm的厚度，直到绝缘区域216穿透半导体基板1000。以这种方式，形成具有正面1002和背面1001的半导体层100。用于变薄的方法的示例包括背面研磨、化学机械抛光和蚀刻。
随后，如图4C中所示，通过从背面1001侧蚀刻，在半导体层100上形成用于将像素与其它像素隔离的沟槽111和131以及用于将像素的一部分与像素的其它部分隔离的沟槽121。在通过干法蚀刻形成沟槽111、121和131的情况下，采用带来微负载效应的蚀刻条件使得能够形成薄且浅的沟槽121以及厚且深的沟槽111和131。在图4C中，沟槽111和131以沟槽111和131各自与元件隔离部分201重叠的方式形成。沟槽111和131可以以沟槽111和131各自到达元件隔离部分201的方式形成。
随后，如图4D中所示，形成金属化合物层210和220以及硅化合物膜300。可以采用原子层沉积(ALD)方法作为用于金属化合物层210的成膜方法。通过采用ALD方法，可以在具有大纵横比的沟槽上形成具有均匀厚度的金属化合物层210。金属化合物层210例如是氧化铪层、氧化铝层、氧化锆层、氧化铌层、氧化钛层或氧化钒层。
用于金属化合物层220的成膜方法的示例包括ALD方法、物理气相沉积(PVD)方法和化学真空沉积(CVD)方法。金属化合物层220可以是氧化钽层或氧化钛层。
硅化合物膜300可以任意地选自通常用于半导体装置的材料。例如，硅化合物膜300可以是氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、含碳氧化硅膜或含氟氧化硅膜。硅化合物膜300的层结构可以是包括一种材料的单层结构或包括多种材料的层叠结构。
分别基于沟槽111、131和121的宽度以及金属化合物膜200(金属化合物层210和220)和硅化合物膜300的膜厚度来确定嵌入沟槽111、131和121中的膜。
沟槽121的宽度减小到比沟槽111和131的宽度窄的宽度，并且可以形成金属化合物层210和220以及硅化合物膜300。这样做之后，仅金属化合物层210和220嵌入沟槽121中，并且金属化合物层210和220以及硅化合物膜300嵌入沟槽111和131中。可替换地，仅金属化合物层210嵌入沟槽121中，并且金属化合物层210和220以及硅化合物膜300嵌入沟槽111和131中。这样做之后，硅化合物膜300没有嵌入沟槽121中，沟槽121嵌入有金属化合物层210和220或仅嵌入有金属化合物层210，从而可以减少由隔离部分120引起的光损失。在本示例性实施例中，期望最后要嵌入沟槽121中的膜具有大于1.91的折射率。通过调节在沟槽111、121和131上形成的膜厚度可以改变要嵌入的膜的数量，并且可以任意地选择宽度、膜厚度和层数的组合。沟槽121在其入口部分中的中心(两个侧面之间的中间)处的层可以是最后要嵌入沟槽121中的层。
在本示例性实施例中，期望嵌入沟槽121中的层具有大于1.41的折射率。还期望最后嵌入沟槽121中的层具有大于1.91的折射率。折射率大于1.91的层的示例包括氧化锆层、氧化铌层、氧化钛层和氧化钽层。
接下来，在硅化合物膜300上形成其中嵌入金属化结构的沟槽。如图4E中所示，在硅化合物膜300的整个面上形成导电膜700。此时，硅化合物膜300的沟槽嵌入有导电膜700。导电膜700可以是钨膜、铝膜或铜膜。
接下来，如图4F中所示，对导电膜700执行图案化。通过光刻和蚀刻来执行图案化。图案化将导电膜700的一部分形成为遮光构件710和711，并将其另一部分形成为保护环714。遮光构件711充当光学黑像素和外围电路的遮光体。与形成遮光构件710和保护环714的同时地，在硅化合物膜300上的沟槽的内部部分上形成用于将遮光构件710和保护环714连接到半导体层100的通孔插塞713和保护环712。保护环712和714布置为在背面1001的平面图中围绕绝缘区域216的外侧。
接下来，如图4F中所示，形成绝缘膜810。绝缘膜810可以任意地选自通常用于半导体装置的材料。这种材料的示例包括氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、含碳氧化硅膜和含氟氧化硅膜。绝缘膜810的层结构可以是包括一种材料的单层结构或者包括多种材料的层叠结构。
接下来，通过蚀刻绝缘膜810的表面来形成沟槽。随后，通过PVD方法或CVD方法形成导电体，并且沟槽嵌入有导电体。此后，通过化学机械抛光方法或回蚀方法从基板的表面去除导电体。以这种方式，如图4G中所示，在绝缘膜810上形成遮光壁721。此外，可以任意地选择金属膜的层数。
接下来，如图5A中所示，在绝缘膜810上形成电介质膜820。然后通过例如光刻和蚀刻处理电介质膜820，在电介质膜820上形成层间透镜832。电介质膜820可以任意地选自通常用于半导体装置的材料。这种材料的示例包括氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、含碳氧化硅膜和含氟氧化硅膜。电介质膜820的层结构可以是包括一种材料的单层结构或包括多种材料的层叠结构。
接下来，形成绝缘膜840，并且通过蚀刻绝缘膜840的表面来形成沟槽。通过PVD方法或CVD方法，在基板的整个表面上，沟槽嵌入有导电体。通过化学机械抛光方法或回蚀方法从基板的表面去除导电体，从而在绝缘膜840中形成遮光壁722，如图5B中所示。遮光壁721和722彼此接触，并且用作图1中所示的遮光壁720。绝缘膜840可以任意地选自通常用于半导体装置的材料。这种材料的示例包括氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、含碳氧化硅膜和含氟氧化硅膜。绝缘膜840的层结构可以是包括一种材料的单层结构或者包括多种材料的层叠结构。此外，钨可以用作遮光壁722的材料。
接下来，如图5C中所示，形成平坦化膜850、滤色器862和863以及微透镜872。蓝色滤色器863覆盖遮光构件711。平坦化膜850可以任意地选自通常用于半导体装置的材料。这种材料的示例包括氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、含碳氧化硅膜、含氟氧化硅膜和树脂膜。平坦化膜850的层结构可以是包括一种材料的单层结构或包括多种材料的层叠结构。
接下来，如图5D中所示，通过干法蚀刻在半导体层100上形成开口888。在开口888的底部暴露预先布置在图1中所示的布线结构440或540上的包括铝的焊盘(未示出)。此后，将包括半导体层100的晶片切割成芯片，并且每个芯片通过线接合处理和封装处理经由开口888连接到焊盘，从而可以获得光电转换装置。
包括在本公开中的示例性实施例不仅包括以书面形式描述的项目，还包括可以从书面和附图中暗示的所有项目。可以在不脱离本公开的技术精神的范围内添加、删除或替换在本示例性实施例中描述的构成元件。
虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应该理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些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，该光电转换装置包括：
半导体层，包括多个光电转换部分和形成所述多个光电转换部分的各个光接收面的主面，
其中，所述多个光电转换部分包括第一光电转换部分、第二光电转换部分和第三光电转换部分，
其中，所述半导体层具有定位在所述第一光电转换部分和所述第二光电转换部分之间的第一沟槽、定位在所述第二光电转换部分和所述第三光电转换部分之间的第二沟槽，
其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽各自在所述主面上连续延伸，
其中，硅化合物膜以及位于所述硅化合物膜和所述半导体层之间的金属化合物膜设置在所述主面上方，所述硅化合物膜是氧化硅膜、氮化硅膜和碳化硅膜中的任何一种，
其中，所述硅化合物膜和所述金属化合物膜延伸到所述第一沟槽中，
其中，所述金属化合物膜延伸到所述第二沟槽中，以及
其中，满足以下条件：
Hd<Hb；和
Wa-2×Hd>Wb，
其中，从所述第二沟槽的底部到所述硅化合物膜的距离表达为Hb，从所述主面到所述硅化合物膜的距离表达为Hd，所述第一沟槽的宽度表达为Wa，并且所述第二沟槽的宽度表达为Wb。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Da>Wa；和
Db>Wb，
其中，所述第一沟槽的深度表达为Da，并且所述第二沟槽的深度表达为Db。
3.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Da-Db>Hd。
4.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Db<Hb。
5.根据权利要求2所述的光电转换装置，
其中，所述多个光电转换部分包括第四光电转换部分，所述半导体层具有定位在所述第三光电转换部分和所述第四光电转换部分之间的第三沟槽，以及
其中，满足以下条件：
Db<Pa+Pb，
其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽之间的距离表达为Pa，并且所述第二沟槽和所述第三沟槽之间的距离表达为Pb。
6.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Db<Da。
7.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Da/Wa<Db/Wb。
8.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Wa>2×Wb”。
9.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Tm<Wa；和
Ts<Wa，
其中，所述主面上方的所述金属化合物膜的厚度表达为Tm，并且所述主面上方的所述硅化合物膜的厚度表达为Ts。
10.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Tm<Ts。
11.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
Wb≤2×Tm<Wa。
12.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
2×Tm<Wa-Wb。
13.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中，满足以下条件：
2×Tm+2×Ts<Wa。
14.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，所述硅化合物膜包括氧化硅膜，并且
其中，所述金属化合物膜包括多层膜，该多层膜包括第一金属氧化物层和位于所述第一金属氧化物层与所述半导体层之间的第二金属氧化物层。
15.根据权利要求14所述的光电转换装置，其中，所述第一金属氧化物层是氧化钽层、氧化钛层或氧化锆层。
16.根据权利要求14所述的光电转换装置，其中，所述第二金属氧化物层是氧化铝层或氧化铪层。
17.根据权利要求14所述的光电转换装置，其中，所述第二金属氧化物层的厚度小于所述第一金属氧化物层的厚度。
18.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，包括多个透镜的透镜阵列布置在所述主面之上，并且
其中，所述多个透镜中的一个透镜布置在所述第二光电转换部分和所述第三光电转换部分之上。
19.根据权利要求18所述的光电转换装置，其中，包括多个透镜的另一透镜阵列布置在所述透镜阵列和所述半导体层之间。
20.一种包括根据权利要求1所述的光电转换装置的设备，其特征在于，该设备还包括以下中的至少任何一个：
光学装置，与所述光电转换装置相关联；
控制装置，被配置为控制所述光电转换装置；
处理装置，被配置为处理从所述光电转换装置输出的信号；
显示装置，被配置为显示由所述光电转换装置获得的信息；
存储装置，被配置为存储由所述光电转换装置获得的信息；以及
机械装置，被配置为基于由所述光电转换装置获得的信息来移动所述光电转换装置。
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