CN1716628A - 固态成像装置、相机及制造固态成像装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制由工艺中的金属污染所引起的晶体缺陷并能够抑制暗电流从而提高量子效率的背照明固态成像装置、含有其的相机及其制造方法，该方法具有如下步骤：形成包括衬底、第一导电类型外延层和第一导电类型杂质层的结构，第一导电类型外延层形成在衬底上并具有第一杂质浓度，而第一导电类型杂质层形成在边界区中并具有比外延层的第一杂质浓度高的第二杂质浓度；在外延层中形成存储由光电转换所产生的电荷的第二导电类型区；在外延层上形成互连层；以及除去衬底。

Description

固态成像装置、相机及制造固态成像装置的方法
技术领域
本发明涉及一种从与形成有互连层(interconnection layer)的表面相反的一侧接收光的背照明型(back illumination type)(背照明的)固态成像装置、含有其的相机及其制造方法。
背景技术
近年来，在改进用于接收光的开口率(aperture ratio)和改进互连层的灵活性方面，背照明型固态成像装置已众所周知，其在具有互连层的其表面侧上形成半导体层并从其背表面侧照射光从而取得图象。作为背照明型固态成像装置，已提出了电荷耦合器件(CCD)型和金属氧化物半导体(MOS)型。例如，在日本待审专利公开(Kokai)No.2002-151673中公开了CCD型，而在日本待审专利公开(Kokai)No.2003-31785中公开了MOS型。
如果在背照明型固态成像装置的制造工艺中，金属侵入形成有光接收单元的半导体层，那么由于金属的原因会出现晶体缺陷，从而产生所谓的“白色划痕(white scratch)”的图象缺陷。为抑制图象缺陷，背照明型固态成像装置的制造工艺不得不考虑怎样在工艺中进行侵入半导体层的金属的吸集(gettering)。通常在半导体层的有源极的外侧处形成用于吸集金属的吸集层(gettering layer)。
发明内容
在用于背照明固态成像装置的制造工艺中，吸集层的形成会受到限制。例如，当利用SOI衬底的硅层制造背照明固态成像装置时，如果通过氧化硅层在与硅层相对的硅衬底上形成吸集层，那么氧化硅层会起阻挡层的作用，并且不能够对侵入硅层的金属进行吸集。
另一方面，抑制由作为半导体层的光入射表面(背表面)的边界的耗尽所引起的暗电流的发生和灵敏度的恶化是很重要的。因此，不得不考虑该工艺使得提高半导体层的边界部分处的多数载流子的浓度。
本发明提供一种制造固态成像装置的方法，该方法能够抑制由工艺中金属污染所引起的晶体缺陷，并能够抑制暗电流以改善量子效率。
本发明要提供一种固态成像装置，该装置能够抑制暗电流以改善量子效率，并能够提供一种用于其的相机。
根据本发明的一个实施例，提供有一种制造固态成像装置的方法，包括如下步骤：形成含有衬底、第一导电类型外延层和第一导电类型杂质层的结构，第一导电类型外延层形成在包括吸集层的衬底上以具有第一杂质浓度，而第一导电类型杂质层形成在含有衬底和边界区中以具有比外延层的第一杂质浓度高的第二杂质浓度，该边界区包括衬底和外延层的边界、一部分面对边界的衬底以及一部分面对边界的外延层；在外延层中形成存储由光电转换所产生的电荷的第二导电类型区；在外延层上形成互连层；以及除去衬底。
根据本发明的一个实施例，提供有一种固态成像装置，其中第一导电类型的外延层在其第一表面上形成有互连层，并在外延层的第二表面处接收光，固态成像装置包括第二导电类型区和第一导电类型杂质层，第二导电类型区形成在具有第一杂质浓度的外延层中并存储由光电转换所产生的电荷，第一导电类型杂质层形成为比第二导电类型区更靠近外延层的第二表面侧并具有比第一杂质浓度高的第二杂质浓度，其中第二杂质浓度具有朝向第二表面侧增长的浓度梯度。
根据本发明的一个实施例，提供有一种相机，具有：固态成像装置，其中第一导电类型的外延层在其第一表面上形成有互连层，并在外延层的第二表面侧接收光；光学系统，把光聚焦在固态成像装置的第二表面上；以及信号处理电路，针对来自固态成像装置的输出信号进行预定的信号处理，其中固态成像信号包括第二导电类型区和第一导电类型杂质层，第二导电类型区形成在具有第一杂质浓度的外延层中并存储由光电转换所产生的电荷，第一导电类型杂质层形成为比第二导电类型区更靠近外延层的第二表面侧并具有比第一杂质浓度高的第二杂质浓度，其中第二杂质浓度具有朝向第二表面增加的浓度梯度。
根据制造本发明一个实施例的固态成像装置的方法，能够抑制由工艺中的金属污染所引起的晶体缺陷并能够抑制暗电流以提高灵敏度。
根据本发明实施例的固态成像装置和相机，能够减少光所产生的载流子的损耗并能够改善量子效率。
附图说明
将参考附图更详细地介绍本发明实施例的这些特征，其中：
图1是根据本实施例的固态成像装置的截面图；
图2是p型外延层中从第二表面到p+型区的电势(potential)的示图；
图3A至3G是制造根据本实施例的固态成像装置的工艺的截面图；
图4是利用衬底的露出表面作为参考位置的深度方向的p型杂质浓度的示图；以及
图5是根据本实施例的相机配置的示图。
具体实施方式
将参照附图介绍本发明的优选实施例。本实施例将利用这些例子来描述，其利用电子作为信号电荷、p型作为第一导电类型、以及n型作为第二导电类型。应注意，如果利用空穴作为信号电荷，那么可以使上述极性相反。
图1是根据本实施例的固态成像装置的截面图。在本实施例中，将介绍称为CMOS图象传感器的MOS型固态成像装置。
在本实施例中，硅的p型外延层10用作衬底。p型外延层10的厚度取决于固态成像装置的类型和应用，并对于可见光优选为4至6μm，或对于近红外线辐射优选为6至10μm。此外，p型外延层10的p型杂质浓度(第一杂质浓度)也取决于固态成像装置的类型和应用，并优选大约1×1014至5×1016cm-3。
p型外延层10在其第一表面(表面)上方形成有互连层36。制造根据本实施例的固态成像装置，使得从与形成有互连层36的表面相反的第二表面(背表面)接收光。即，制造了背照明固态成像装置(back-illuminatedsolid-state imaging device)。
p型外延层10在其第二表面内形成有包含p型杂质的p+型杂质层(第一导电类型杂质层)11。p+型杂质层11的p型杂质浓度(第二杂质浓度)高于p型外延层10。在下面说明中，根据本实施例的固态成像装置能够通过p+型杂质层11抑制暗电流的发生并改善量子效率。
在p型外延层10的每个像素内形成n型区12。通过主要由p型外延层10和n型区12之间的pn结所形成的光电二极管把p型外延层10的入射光转换成电信号，并把信号电荷存储在n型区12中。
在p型外延层10的第一表面内，即在n型区12上，形成将用于埋入光电二极管(buried photo diode)的p+型区13。p+型区13具有与p+型杂质层11相似的功能。
在p型外延层11的第一表面内形成n型区14和n型区15。n型区14成为浮置扩散区(floating diffusion)，而n型区15成为除了转移晶体管(transfer transistor)以外的晶体管的源极或漏极。此外，在p型外延层10的第一表面处形成使像素区分区的p型区16，从而防止信号电荷泄漏到相邻的像素。
通过栅极绝缘膜31在p型外延层10的第一表面上形成转移晶体管的栅极电极32和除了转移晶体管以外的晶体管的栅极电极33。应注意，图1仅仅示出了除了转移晶体管以外的单个晶体管，但其数量并不限于此。
在p型外延层10的第一表面上形成其中叠置互连34和层间绝缘膜35的互连层36，使得覆盖晶体管。互连34由例如铝形成，而层间绝缘膜35由例如氧化硅形成。图1示出了两层互连，然而互连层36可以是三层或四层互连。
支撑衬底(supporting substrate)40形成在互连36的表面上以改善p型外延层10的强度。支撑衬底40优选由硅形成，从而防止由与p外延层10的热膨胀系数的差异所引起的弯曲(warp)，还可以由石英玻璃(silica grass)构成。应注意，如果确实保证p型外延层10的强度，那么也可以不形成支撑衬底40。
通过未示出的氧化硅(silicon oxide)膜在p型外延层10的第二表面上形成氮化硅(silicon nitride)的钝化膜51。钝化膜51在其表面上形成有在彼此上相继堆叠的滤色器52和片上透镜(on-chip lens)53。应注意的是，附图中省略了图示，在未示出的氧化硅膜和钝化膜51之间还可以设置打开各自像素的屏蔽膜(shield film)。
对于上述固态成像装置，p型外延层10通过片上透镜53和滤色器52用来自第二表面(背表面)的光照明。因此，通过入射光在p型外延层10中产生电子并存储在n型区12内，而没有捕获在边界(第二表面)附近。
如果通过施加电压给栅极电极32导通转移晶体管，那么就会使存储在n型区12内的电子被转移到要成为浮置扩散区的n型区14。在附图中已省略，n型区14连接到放大晶体管的栅极电极，并且n型区14的电势由放大晶体管放大并输出。
在读取操作之后，将成为浮置扩散区的n型区14的电势重置为电源电势，即存储在n型区14中的电子被消耗。
图2是p型外延层10中从第二表面到的p+型区13的电势的示图。
p型外延层10具有在从第二表面的p+杂质层11向n型区12的深度方向上升高的电势。并且，从n型区12到p+型区13电势下降。
在本实施例中，p型外延层10在第二表面处没有势阱(potential-well)。如果电势阱形成在第二表面处，那么由光电转换所产生的电子可以存储在第二表面中。从而，会不能完全读出或消耗第二表面中所存储的电子，从而引起暗电流和量子效率的恶化。
利用本实施例，p型外延层10在第二表面中不形成有势阱，使得由光电转换所产生的电子有效地存储在具有最高电势的n型区12内。可以完全读出或消耗n型区12内所存储的电子，从而可以抑制暗电流及可以改善量子效率。
为形成图2中所示的电势分布，p+型杂质层11形成在第二表面上，使得比p型外延层10具有更高的浓度并使得在边界的第二表面处具有最大的杂质浓度。
接着，将参照图3A至3G来介绍制造根据本实施例的固态成像装置的方法。
如图3A中所示，衬底20进行IV族元素的碳离子的离子注入从而在距衬底20表面的预定深度处形成吸集层(gettering layer)21。应注意，还可以利用除碳以外的Si、Ge或其它IV族元素来进行离子注入。衬底20是例如由切克劳斯基(Czochralski：CZ)工艺所形成的单晶硅衬底。在离子注入之前，可以在衬底20上形成氧化硅膜作为用于防止由离子注入所引起的污染或沟道效应的污染阻挡膜(contamination prevention film)。在其中利用电子作为信号的装置的情况下，衬底20是p型衬底。要注入的碳的总量大约为1×1014至1×1016cm-2，以能够预期吸集效果。并且，吸集层21必须要相对深地来形成，使得不会形成在衬底20的表面处。例如，利用大约100至300keV的相对较高的能量来进行离子注入。通过较深地形成吸集层21，则可以保证满意的在后序工艺中所形成的p型外延层10的结晶度。
然后，如图3B中所示，衬底20进行硼的p型杂质的离子注入，从而在比吸集层21靠近表面侧的其表面内形成p+型杂质层22。
在衬底20的表面上形成污染阻挡膜的情况下，可以除去污染阻挡膜，随后用外延生长法形成p型外延层10，如图3C中所示。p型外延层10的厚度和p型杂质浓度取决于上述固态成像装置的类型和应用。应注意，在形成p型外延层10之前可以进行热处理(退火)，以便改善衬底20表面的结晶度。碳注入引起衬底20结晶度的恶化，所以进行退火来改善其结晶度，由此提高了在衬底20上所形成的p型外延层10的结晶度。
p+型杂质层22形成在衬底20的表面上，使得p+型杂质层22中的p型杂质从p型外延层10与衬底20之间的边界扩散到p型外延层10侧。由于这样，从边界向预定深度形成了含有比p型外延层10高的浓度的p型杂质的p+型杂质层11。以这种方式所形成的p+型杂质层11具有浓度梯度，使得杂质浓度向着作为p型杂质的供给源的p+型杂质层22增加。在边界区中所形成的p+型杂质层11和22对应于本发明的第一导电类型杂质层。边界区包括衬底20与p型外延层10的边界、面对边界的一部分衬底20和一部分p型外延层10。
然后，如图3D中所示，p型外延层10形成有电路。例如，形成了要成为光电二极管的n型区12和p+型区13、要成为浮置扩散区的n型区14、以及要成为晶体管的源极或漏极的n型区15。并且，通过热氧化在p型外延层10上形成栅极绝缘膜31，另外，形成了晶体管的栅极电极32和33。值得注意的是，可以改变形成它们的过程，并且可以在形成栅极电极32和33之后再形成n型区14和n型区15。
随后，如图3E中所示，在p型外延层10上形成互连层36使得覆盖晶体管。在形成互连36时，反复形成互连34和层间绝缘膜35从而形成多层互连。
然后，如图3F中所示，硅的支撑衬底40形成在互连层36上。可以通过流入硅或键合硅衬底来形成支撑衬底40。
然后，如图3G中所示，除去衬底20。衬底20的厚度大约为600至800μm。因此，利用研磨器(grinder)使衬底20研磨去几个100μm，利用湿法蚀刻去除残留的几个10μm。此时，从其背表面侧除去含有吸集层21和p+型杂质层22的衬底20。此外，还除去了p+型杂质层11的表面部分，使得露出p+型杂质层的内部作为去除界面(removing interface)。在监控厚度的同时，利用氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)和醋酸(CH3COOH)的混合溶液进行湿法蚀刻。
图4是利用衬底20的露出表面作为参考位置(0)的深度方向的p型杂质浓度的示图。
如图4中所示，p+型杂质层22掺杂以高浓度的p型杂质，使得在p+型杂质层22中有p型杂质的最大浓度。如上所述，通过从p+型杂质层22扩散p型杂质所形成的p+型杂质层11具有浓度梯度，使得p型杂质浓度从p型外延层10侧向p+型杂质层22侧增加。应注意，p+型杂质层22中的p型杂质在吸集层21中扩散得比在p+型杂质层11中扩散的少。
从背表面侧除去包括吸集层21和p+型杂质层22的衬底20，并通过露出p+型杂质层11的内部形成去除界面，从而剩余的p+型杂质层11具有浓度梯度，使得靠近去除界面侧p型杂质浓度升高，并且在去除界面处存在最大的浓度。在p+型杂质层22和p+型杂质层11的边界即衬底20和p型外延层10的边界中结晶度低，因而优选部分地除去p+型杂质层11的整个表面以露出其内部并形成去除界面。
在随后的步骤中，p型外延层10在其上依序形成钝化膜51、滤色器52和片上透镜(on-chip lens)53以形成图1所示的固态成像装置。
如上所述，用制造根据本实施例的固态成像装置的方法，吸集层21靠近p型外延层10的光入射表面侧形成并保留直到除去衬底20的步骤。因此，p型外延层10上形成半导体区和互连层的步骤中，如图3D和3E中所示，通过吸集层21可以有效地捕获侵入p型外延层10的金属，并能抑制由金属污染引起的晶体缺陷。
结果，可以制造具有少量的暗电流和白色划痕的固态成像装置。此外，所制造的固态成像装置没有吸集层21，使得其不会受来自具有低结晶度的吸集层21的暗电流的影响。
另外，通过选择形成p型外延层10的温度、生长速度和其它条件，可以形成具有所希望的浓度梯度的p+型杂质层11。并由于该浓度梯度，使由光电转换所产生的电子有效地存储在n型区12中，从而可制造高量子效率的固态成像装置。
此外，p型杂质在p型外延层10的边界(第二表面)处具有最大浓度，从而能够抑制边界附近的暗电流。
上述固态成像装置可以用于摄象机、数码获取相机、电内窥镜照相机或其它相机。
图5是利用该固态成像装置的相机的配置图。
相机60具有固态成像装置61、光学系统62、驱动电路63和信号处理电路64。固态成像装置61是根据本实施例的背照明固态成像装置。
光学系统62使来自主体的成像光即入射光聚焦在固态成像装置61的成像表面(第二表面)上。结果，在固态成像装置61的每个光电二极管中，按照入射光的总量入射光被转换成信号电荷。并在n型区12中，信号电荷被存储一预定时长。
驱动电路63向固态成像装置61提供各种驱动信号。从而，读出固态成像装置61的每个n型区12中所存储的信号电荷。此外，通过驱动固态成像装置61输出信号。
信号处理电路64对来自固态成像装置61的输出信号进行各种信号处理。由利用信号处理电路64进行信号处理之后，把输出信号存储在存储器或其它存储介质中。
以这种方式，通过把上述固态成像装置应用于相机60，例如摄象机或数码获取相机，可以抑制暗电流并能改善量子效率。结果，可以实现改进了图象品质的相机。
本发明不局限于上述实施例。
本实施例介绍了称为CMOS图象传感器的MOS型固态成像装置，但还可以应用于CCD型固态成像装置。吸集层21的形成可以用除碳以外的其它杂质例如磷的离子注入来进行。在形成吸集层21之前可以形成p+型杂质层22。
此外，如果通过多步形成p型外延层10，那么可以在形成p型外延层10的中间形成p+型杂质层22。在这种情况下，在形成p+型杂质层22之后再次形成p型外延层10(在大约1100℃的温度)。因此，p+型杂质层22中的p+型杂质扩散在p型外延层10中从而形成p+型杂质层11。结果，通过至少两次热步骤形成p型外延层10，从而更加生长了吸集层21中的晶体缺陷，由此可改进吸集能力。
另外，可以在形成p型外延层10之后形成p+型杂质层22。在这种情况下，例如，形成p+型杂质层22并随后退火，从而改进p型外延层10的结晶度，结果，p+型杂质层22中的p型杂质扩散到p型外延层10从而形成p+型杂质层11。
在本实施例中，利用了p型外延层10。如果利用空穴作为信号电荷，可以使用例如n型外延层。在这种情况下，可以使各自杂质区的极性反向。例如，可以使用n+型杂质层来取代p+型杂质层11。
本领域技术人员应明白，可以根据设计需要或其它因素出现各种修改、组合、附属组合和替换，只要它们在公开的权利要求或其等效物的范围内。
本发明含有涉及2004年6月30日在日本专利局申请的日本专利申请No.JP2004-193278的主题，此处引入其全文供参考。

Claims (16)

1.一种制造固态成像装置的方法，包括步骤：
形成包括衬底、第一导电类型外延层和第一导电类型杂质层的结构，所述第一导电类型外延层形成在包括吸集层的衬底上以具有第一杂质浓度，并且所述第一导电类型杂质层形成在包括所述衬底与所述外延层的边界、一部分面对所述边界的所述衬底以及一部分面对所述边界的所述外延层的边界区中以具有比所述外延层的所述第一杂质浓度高的第二杂质浓度；
在所述外延层中形成存储由光电转换所产生的电荷的第二导电类型区；
在所述外延层上形成互连层；以及
除去所述衬底。
2.如权利要求1中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中，在形成所述结构的步骤中，所述第一导电类型杂质层形成为具有其中杂质浓度从所述外延层侧向所述衬底侧增加的浓度梯度。
3.如权利要求2中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中，在除去所述衬底的步骤中，部分地除去形成在所述外延层中的所述第一导电类型杂质层的整个表面。
4.如权利要求1中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中形成所述结构的步骤包括步骤：
在所述衬底中形成所述吸集层；
在所述衬底中掺杂第一导电类型杂质；以及
在掺杂所述第一导电类型杂质之后，在所述衬底上形成所述外延层，
其中所述衬底中所掺杂的所述第一导电类型杂质在所述外延层中扩散从而在所述边界区中形成所述第一导电类型杂质层。
5.如权利要求1中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中形成所述结构的步骤包括步骤：
在所述衬底中形成所述吸集层；
在所述衬底上形成所述外延层；以及
在形成所述外延层之间或之后，在所述衬底中掺杂所述第一导电类型杂质，
其中所述衬底中掺杂的所述第一导电类型杂质扩散到所述外延层内部从而在所述边界区中形成所述第一导电类型杂质层。
6.如权利要求1中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中，通过在所述衬底中掺杂IV族元素形成所述吸集层。
7.如权利要求6中所阐述的制造固态成像装置的方法，其中通过在所述衬底中掺杂碳形成所述吸集层。
8.如权利要求1中所阐述的制造固态成像装置的方法，还包括形成所述互连层的步骤之后并在除去所述衬底的步骤之前，在所述互连层上形成支撑衬底。
9.一种固态成像装置，其中第一导电类型外延层在其第一表面上形成有互连层，并在所述外延层的第二表面处接收光，所述固态成像装置包括：
第二导电类型区，其形成在具有第一杂质浓度的所述外延层中并存储由光电转换所产生的电荷，以及
第一导电类型杂质层，其形成为比所述第二导电类型区更靠近所述外延层的所述第二表面侧并具有比第一杂质浓度高的第二杂质浓度，
其中所述第二杂质浓度具有朝向所述第二表面侧增加的浓度梯度。
10.如权利要求9中所阐述的固态成像装置，确定所述第二杂质浓度为使得在所述第二表面处为最大浓度。
11.如权利要求9中所阐述的固态成像装置，其中通过在所述衬底中掺杂IV族元素形成所述吸集层。
12.如权利要求11中所阐述的固态成像装置，其中通过在所述衬底中掺杂碳形成所述吸集层。
13.一种相机，包括：
固态成像装置，其中第一导电类型的外延层在其第一表面上形成有互连层，并在所述外延层的第二表面侧接收光；
光学系统，其把光聚焦在所述固态成像装置的第二表面上；以及
信号处理电路，其针对来自所述固态成像装置的输出信号进行预定的信号处理，
其中所述固态成像信号包括
第二导电类型区，其形成在具有第一杂质浓度的外延层中并存储由光电转换所产生的电荷，及
第一导电类型的杂质层，其形成为比所述第二导电类型区更靠近所述外延层的所述第二表面侧并具有比所述第一杂质浓度高的第二杂质浓度，
其中所述第二杂质浓度具有朝向所述第二表面而增加的浓度梯度。
14.如权利要求13中所阐述的相机，确定所述第二杂质浓度为使得在所述第二表面处为最大浓度。
15.如权利要求13中所阐述的相机，其中通过在所述衬底中掺杂IV族元素形成所述吸集层。
16.如权利要求15中所阐述的相机，其中通过在所述衬底中掺杂碳形成所述吸集层。
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