CN1838423B - 固态图像拾取器件和使用其的电子装置及制造其的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种背照明型固态图像拾取器件(1041)，包括在半导体衬底(1042)的一个表面上形成的以读取来自形成在半导体衬底(1042)上的光电转换元件(PD)的信号的读取电路(Tr1，Tr2)，其中通过在光电转换元件(PD)中形成的电场把在至少一部分读取电路(Tr1，Tr2)下形成的光电转换区(1052c1)中产生的电荷(e)收集到在光电转换元件(PD)的半导体衬底(1042)的一个表面上形成的电荷累积区(1052a)中。由此，在不降低饱和电荷量(Qs)和灵敏度的情况下，该固态图像拾取器件和摄像机能够使得像素尺寸变得非常小。

Description

固态图像拾取器件和使用其的电子装置及制造其的方法

技术领域

本发明主要涉及一种固态图像拾取器件，更具体地涉及一种背照明型CMOS(互补金属氧化物半导体)固态图像拾取器件，其中从衬底背面引入入射光，以及使用这样的固态图像拾取器件的电子装置和制造这样的固态图像拾取器件的方法。

背景技术

到目前为止CMOS固态图像拾取器件被称为固态图像拾取器件。该CMOS固态图像拾取器件包括光电二极管和多个晶体管即MOS(金属氧化物半导体)晶体管以形成一个像素、多个像素排列成预定图案。该光电二极管是用于响应该处接收光的量而产生和积累信号电荷的光电转换元件。该MOS晶体管是构造读取电路以从光电二极管读取信号电荷的元件。

图1是示出了现有技术的表面照明型CMOS固态图像拾取器件的例子的示意图，其应用到图像传感器。图1示出了像素的主要部分。如图1中所示，CMOS固态图像拾取器件1001包括第一导电型例如n型的硅衬底1002，在其上形成了第二导电型例如P型半导体阱区1003，P型像素分离区1004形成在衬底1002的表面上以把每个像素和由光电二极管PD和多个MOS晶体管例如电荷读取晶体管Tr1、复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管(它们全部通常都用附图标记Tr2表示)构成的单元像素1005分开。以两维方式排列多个像素1005。

如图1所示，光电二极管PD由通过以预定深度在n型半导体衬底1002的表面上注入离子而形成的第一导电类型例如n型半导体区1006和形成在n型半导体区1006的表面上的重掺杂p型半导体区即p型累积层1007，以抑制暗电流。光电二极管PD的n型半导体区1006由在与p⁺累积层1007邻接的表面上的重掺杂n型电荷累积区(n⁺电荷累积区)1006a和具有比n型电荷累积区1006a的杂质浓度更低的杂质浓度的n型半导体区1006b构成。

上述各个MOS晶体管Tr1和Tr2的构造如下。即，在n型半导体衬底1002的表面上形成P型半导体阱区1009以与光电二极管PD和重掺杂n型半导体区邻接，即通过注入离子在该p型半导体阱区1009内形成源/漏区1010和1014。

电荷读取晶体管Tr1由n⁺源/漏区1010、光电二极管PD的n⁺电荷累积区1006a和在这两个区1010和1006a之间的衬底表面上通过栅极绝缘层1011形成的栅电极1012构成。该n⁺源/漏区1010成为所谓的浮动扩散区(FD)，沟道区1008直接形成在栅电极1012的下面。

晶体管Tr2例如复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管类似地由成对的n⁺源/漏区1014和在n+源/漏区1014和1014之间的p型半导体阱区1009上通过栅绝缘膜形成的栅电极1015形成。

在与读取电路区1018对应的、其上形成有半导体衬底1002的两个晶体管Tr1和Tr2的p型半导体阱区1009下面形成由p型半导体区形成的像素分离区1019。

上述各个MOS晶体管Tr1和Tr2的电路布线1016由穿过层间绝缘层1017的多层布线形成。因为它阻挡从衬底表面侧引入的光，仅在读取电路区1018内形成布线1016，且不在光电二极管PD上形成该布线1016。虽然未示出，在该多层布线层上通过偏振膜形成彩色滤光器和芯片上的微透镜。

在该CMOS固态图像拾取器件1001中，光L从半导体衬底1002的表面侧引入到光电二极管PD中，与在光电二极管PD中光电转换的光量对应的信号电荷e(在这个例子中为电子)在n⁺电荷累积区1006a中积累，且因此积累的信号电荷通过由各个MOS晶体管Tr1和Tr2形成的读取电路读出。

在另一方面，本发明的受让人以前提出了一种背照明型CMOS固态图像拾取器件，其中从衬底的背面引入光(见引用专利参考1)。如图2中所示，p型像素分离区1023形成在例如，n型硅半导体衬底1022上，且光电二极管PD和多个MOS晶体管Tr1、Tr2形成在各个像素区上以由此形成单元像素1025，许多像素1025排列成两维矩阵的形式。像素分离区1023由例如从衬底表面到衬底背面的p型半导体区形成。光电二极管PD由被p型像素分离区和其中形成每个MOS晶体管的相对深的p型半导体阱区环绕的n型半导体衬底1022、和在衬底表面和背面的用于抑制所谓暗流的重掺杂p型半导体区即p⁺型累积层1026和1027构成。光电二极管PD的n型半导体衬底1022由在衬底表面上的重掺杂n⁺型电荷累积区1022a和延伸到衬底背面且它的杂质浓度低于n⁺电荷累积区的杂质浓度的n型半导体区1022b构成。形成延伸到衬底背表面的n型半导体区1022b以在相应于其中形成有各个MOS晶体管的所谓读取电路区的p型半导体阱区1024下面延伸。

多个MOS晶体管Tr1和Tr2可以由四个MOS晶体管形成，例如如上所述类似的电荷读取晶体管、复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管。在图2中，电荷读取晶体管由附图标记Tr1表示，而其它复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管由附图标记Tr2表示。该电荷读取晶体管Tr1由n⁺源/漏区1029、光电二极管PD的n⁺电荷累积区1022a和通过栅绝缘膜在两个区1029和1022a之间的衬底表面上形成的栅电极1030构成。该n⁺源/漏区1029形成所谓的浮动扩散(FD)。沟道区1034刚好形成在栅电极1030下面。

虽然未部分地示出，晶体管Tr2如其它复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管类似地由成对源/漏区1031和1032，和通过栅绝缘膜在源/漏区1031和1032之间的P型半导体阱区1024上形成的栅电极1033构成。虽然未示出，通过用作平面化膜的绝缘膜在衬底背面上形成彩色滤光器和芯片上的微透镜。

在背照明型CMOS固态图像拾取器件1021中，从半导体衬底1022的背面将光引入到光电二极管PD中，相应于在光电二极管PD中光电转换的接收光的量的信号电荷在n⁺电荷累积区1022a中累积，通过各个MOS晶体管Tr1和Tr2形成的读取电路读出这些信号电荷。

近年来，广泛使用视频摄像机和电子摄像机，且这些摄像机使用CCD(电荷耦合器件)型和放大型固态图像拾取器件。在这些固态图像拾取器件中，放大型固态图像拾取器件(CMOS图像传感器)包括图像拾取像素单元，其中一个半导体芯片具有以二维形式设置在其上的多个像素和设置在图像拾取像素单元外部的周边电路单元。

图像拾取像素单元的每个像素在其中形成有FD(浮动扩散)单元和多种CMOS晶体管如传输晶体管和放大晶体管。通过光电二极管光电转换在每个像素上的入射光以产生信号电荷。通过传输晶体管把信号电荷传输到FD单元以及通过放大晶体管检测在该FD单元的电势变化，由此把所检测的电势变化转换和放大成电信号，且把每个像素的信号从信号线输出到周围的电路单元。

并且，周围的电路单元包括对来自图像拾取像素单元的像素信号进行预定信号处理，例如CDS(相关复式取样)、增益控制和A/D(模数)转换的信号处理电路，和通过驱动图像拾取像素单元的每一个像素来控制像素信号输出的驱动控制电路，例如垂直和水平扫描器和定时脉冲发生器(TG)。

为了生产小CMOS照像机模块，研发了一种连接CMOS固态图像拾取器件和信号处理器件作为一个芯片的方法。为了改善灵敏度和明暗特征，发展了一种所谓的背照明型CMOS图像传感器，其具有从表面相对的背面引入光的结构，其中在表面中形成了用于从光电转换元件读取信号的读取电路。

图3是示出了图像传感器的设置的示意性截面图，其中安装了上述背照明型CMOS固态图像拾取器件。

如图3所示，例如在插入结构(中间衬底)103上安装具有图像拾取像素单元的传感器芯片101和具有周围电路单元如信号处理电路的信号处理芯片102。

在传感器芯片101中，在支撑衬底70上形成层间绝缘体60，布线层61埋入到层间绝缘体60中。在布线层61上形成半导体层52，在半导体层52的表面上形成表面绝缘层51。

在半导体层52中形成用作光电转换元件的光电二极管54和测试电极53等。布线层61的一部分也用作通过栅绝缘膜形成在半导体层52上的栅电极，由此构造出CMOS晶体管55。

并且，形成半导体层穿透布线56以穿过半导体层52连接到布线层61，除去靠近形成半导体层穿透布线56的部分表面绝缘膜51的部分，并形成焊盘电极57以连接到半导体层穿透布线56。

具有上述布置的传感器芯片101是所谓的背照明型CMOS固态图像拾取器件，其中光从表面绝缘膜51一侧照射到形成在半导体层52中的光电二极管54上以产生信号电荷，由此产生的信号电荷积累在光电二极管54中。该CMOS晶体管55具有把累积在光电二极管54中的信号电荷传输到FD单元以放大或复位电信号的功能。

在上述布置中，通过降低半导体衬底的背表面厚度得到半导体层，且为了稳定衬底的形状，该半导体层具有其中半导体衬底连接到支撑衬底70的结构。

在插入结构103上安装上述传感器芯片101，在该插入结构中通过适当的装置如连接层在光照明侧的相对边的支撑衬底70的表面上形成布线80和用于绝缘布线80的绝缘层81。该布线80和焊盘电极57通过布线连接82a电连接。

另一方面，例如，通过倒装芯片连接，其上形成有周围电路单元的信号处理芯片102通过凸块安装在插入结构(interposer)103上。

在其它在每个插入结构103a上安装的衬底上安装具有上述装置的电子器件，和通过适当方法如引线接合82b电连接这些电子器件。

将会描述制造图像传感器的方法，其中在安装衬底上安装上述相关技术的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

如图4A所示，在由硅等制成的半导体衬底50的表面上形成由氧化硅制成的绝缘膜51，其在后面的工艺中会成为表面绝缘膜，且在绝缘膜51的上层上形成具有由硅等制成的半导体层52的SOI(绝缘体上的半导体)衬底，由此形成测试电极53。

然后，如图4B所示，通过注入导电杂质离子在半导体层52中形成光电二极管54。并且，通过栅绝缘膜在半导体层52的表面上形成栅电极，该栅电极连接到光电二极管54等以由此形成CMOS晶体管55。并且，形成覆盖该CMOS晶体管的层间绝缘体60。在那时，在层间绝缘体60中形成布线层61，同时它埋入到层间绝缘体60中以连接到晶体管、半导体层52等。

然后，如图4C中所示，支撑衬底70连接到层间绝缘体60的上层。

然后，如图4D所示，通过从支撑衬底70连接到绝缘膜51的侧面的相对侧的表面来抛光半导体衬底50，从而除去半导体衬底50，直到露出绝缘膜51。暴露在表面上的绝缘膜51将会被称作“表面绝缘膜”。在下面的工艺中，为了附图的方便起见，相对于图4C会颠倒上和下的关系。

然后，如图4E所示，通过除去表面绝缘膜51的一部分形成穿过半导体层52连接到布线层61的穿透布线56(penetrating wiring)，并形成焊盘电极57以连接到穿透布线56。

如上所述，形成了相关技术的背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)101。

上述背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)101通过适当的装置例如连接层安装在光照明面的相对面的支撑衬底70的表面的插入结构103上，并通过引线连接82a连接。

另一方面，其中形成有周围电路单元的信号处理芯片102利用倒装芯片接合通过凸块安装在插入结构103上，背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)101和信号处理芯片102通过形成在插入结构103上的布线连接。在这种情况下，能够制造该图像传感器，其中上述相关技术的背照明型CMOS固态图像拾取器件安装在插入结构上。

在具有上述装置的背照明型CMOS固态图像拾取器件(摄像传感器)中，由于焊盘电极必须足够大以通过引线接合连接，不可避免地会增加芯片面积。同样，由于能在芯片内形成的电极数量是有限的以及使用高电阻的引线接合，会降低信号从传感器芯片到信号处理器件的传输速度。

另一方面，发展了一种具有电极从光照明面的对面的表面引出(led out)的布置的背照明型CMOS固态图像拾取器件。在这种情况下，当光照明面定向为向上方向时，该背照明型CMOS固态图像拾取器件从由相对表面形成的电极的表面侧安装在安装衬底上。

引用的专利参考文献1和2已经描述了电极形成在光照明表面的相对表面上的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

[引用的专利参考文献1]：日本特开专利申请No.2003-31785的官方专利公报。

[引用的专利参考文献2]：日本特开专利申请No.2003-273343的官方专利公报。

近年来，在固态图像拾取器件中，为了以高集成度集成大量像素以满足高分辨率的要求，希望像素微型化。如图1所示，在上述表面照明型CMOS固态图像拾取器件1001的情况下，由于在每个像素区中光电二极管PD和多个晶体管Tr1和Tr2如电荷读取晶体管设置在同一平面上，存在一个像素1005的面积增大的趋势。由于这个原因，很难使得像素尺寸非常小。当像素尺寸被做得非常小时，由于减小了光电二极管PD的面积，出现了问题，其中降低了饱和电荷量(Qs)和降低了灵敏度。

另一方面，如图2所示，在上述背照明型CMOS固态图像拾取器件1021中，由于从衬底的背面引入光L到该CMOS固态图像拾取器件1021，与表面照明型CMOS固态图像拾取器件相比可能会增加光接收区，由此可以增加灵敏度。然而，如图2所示，在背照明型CMOS固态图像拾取器件1021中，希望有效地收集电荷e到在衬底表面上的n⁺电荷累积区1022a，该电荷在相应于由多个MOS晶体管形成的读取电路的下部分(即P型半导体阱区1024的下部分)的光电转换区部分1022C中产生，由此抑制饱和电荷量(Qs)降低。

发明内容

鉴于上述方面，本发明想要提供一种固态图像拾取器件，其中在不降低饱和电荷量(Qs)和灵敏度的情况下，像素尺寸可被制造得非常小。

并且，本发明旨在提供一种包括上述固态图像拾取器件的摄像机。

并且，本发明旨在提供一种简单而容易地制造背照明型CMOS固态图像拾取器件的方法，其中该固态图像拾取器件具有电极从光照明面的对面的表面引出的结构。

根据本发明的一个方面，提供一种背照明型固态图像拾取器件和摄像机，其中用于从形成在衬底上的光电转换元件读取信号的读取电路形成在所述衬底的一个表面上，入射光从半导体衬底的另一个表面引入到背照明型固态图像拾取器件。该固态图像拾取器件和摄像机包括光电转换区和电荷累积区，其中光电转换区形成在读取电路的至少一部分下以产生电荷，该电荷累积区形成在衬底的一个表面处的光电转换元件上，其中通过在光电转换元件内形成的电场将电荷收集到电荷累积区。

在根据本发明的固态图像拾取器件和摄像机中，在光电转换元件内的光电转换区和电荷累积区在它们之间形成了电势分布以使得电势从光电转换区到电荷累积区升高。

并且，在根据本发明的固态图像拾取器件和摄像机中，光电转换元件具有电势从衬底的另一个表面到一个表面沿着衬底深度方向增加的电势分布。

根据本发明的另一个方面，提供一种制造背照明型固态图像拾取器件和摄像机的方法，其中用于从形成在衬底上的光电转换元件读取信号的读取电路形成在衬底的一个表面上，从半导体衬底的另一个表面将入射光引入到背照明型固态图像拾取器件。制造固态图像拾取器件和摄像机的方法包括在读取电路的至少一部分下形成光电转换区以产生电荷、在衬底的一个表面处的光电转换元件上形成电荷累积区、和通过光电转换元件内部形成的电场把电荷收集到电荷累积区的步骤。

在根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法中，该光电转换元件具有电势从衬底的另一个表面到一个表面沿着衬底深度方向增加的电势分布。

并且，在根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法中，在光电转换元件的半导体阱区的半导体衬底的另一面上的光电转换元件具有电势从半导体衬底的另一个表面到半导体衬底的一个表面增加的电势分布。

根据本发明的另一方面，提供一种制造包括半导体阱区的固态图像拾取器件和摄像机的方法。在根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法中，半导体阱区具有与光电转换元件接触的部分，该部分具有从半导体衬底的另一面到半导体衬底的一面逐渐或逐步降低的杂质浓度。

根据本发明的另一方面，提供制造一种包括像素分离区以分离光电转换元件的固态图像拾取器件的方法。在根据本发明制造固态图像拾取器件的方法中，像素分离区具有从半导体衬底的另一个表面到半导体衬底的一个表面逐渐或逐步降低的杂质浓度。

在根据本发明制造固态图像拾取器件的方法中，在光电转换元件内的光电转换部分和电荷累积区之间形成电势从光电转换区到电荷累积区增加的电势分布。

并且，在根据本发明制造固态图像拾取器件的方法中，光电转换元件具有电势从衬底的另一个表面到一个表面在衬底深度方向上增加的电势分布。

根据本发明的另一方面，提供一种制造背照明型固态图像拾取器件和照像机的方法，其中连接多个像素的埋入布线形成在其中形成有包含光电转换元件和场效应晶体管的多个像素的半导体层的一个表面上，半导体层的另一个表面用作光电转换元件的光接收部分。固态图像拾取器件和摄像机的制造方法包括以下步骤：在半导体衬底的一个主平面上形成多个包含光电转换元件和场效应晶体管的像素的步骤，在半导体衬底的一个主平面上形成连接到多个像素的埋入布线的步骤，连接支撑衬底到半导体衬底的一个主平面的步骤，从连接表面的对面降低支撑衬底的厚度的步骤，形成穿过支撑衬底的穿透布线以使得穿透布线连接到埋入布线的步骤，以及从半导体衬底的另一主平面减小半导体衬底的厚度以提供半导体层，直到光电转换元件能够接收来自半导体衬底的另一主表面的光的步骤。

上述的根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法，是制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中连接到多个像素的埋入布线形成在半导体层的一个平面上，在该半导体层中形成包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素，半导体层的另一平面变成光电转换元件的光接收表面。

首先，在半导体衬底的一个主平面上形成包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素，进一步形成连接到多个像素的埋入布线。

然后，支撑衬底连接到半导体衬底的一个主平面，从支撑衬底连接到半导体衬底的一个主平面的表面的对面降低支撑衬底的厚度，形成穿过支撑衬底的穿透布线以连接到埋入布线。

然后，从半导体衬底的另一主平面减小半导体衬底的厚度以提供半导体层，直到光电转换元件能够接收来自半导体衬底的另一主平面的光。

并且，根据本发明的固态图像拾取器件的制造方法还包括在穿透布线形成工艺后在穿透布线的表面上形成从支撑衬底表面突出的突出电极的步骤。

并且，根据本发明制造固态图像拾取器件的方法，该半导体衬底是SOI(绝缘体上的半导体)衬底，该衬底具有通过绝缘层形成在主衬底上的半导体层，在减小半导体衬底的厚度的工艺中从半导体衬底的另一主表面除去主衬底直到露出绝缘层。

根据本发明的另一方面，提供一种制造背照明型固态图像拾取器件和摄像机的方法，其中连接到多个像素的埋入布线形成在半导体层的一个平面上，在该平面上形成有多个包含光电转换元件和场效应晶体管和场效应晶体管的像素，半导体层的另一平面变成光电转换元件的光接收表面。制造固态图像拾取器件和摄像机的方法包括以下步骤：在半导体衬底的一个主平面上形成多个包含光电转换元件和场效应晶体管的像素的步骤，在半导体衬底的一个主平面上形成连接到多个像素的埋入布线的步骤，形成从支撑衬底一个主表面到达至少预定深度的支撑布线的步骤，连接半导体衬底的一个主平面到支撑衬底的一个主平面的步骤，从半导体衬底的另一主平面减小半导体衬底的厚度以提供半导体层，直到光电转换元件能够接收来自半导体衬底的另一平面的光的步骤，形成连接布线以连接衬底布线和埋入布线的步骤，和从支撑衬底的另一表面减小支撑衬底的厚度直到暴露支撑衬底布线以使得支撑衬底布线形成为穿透支撑衬底的穿透布线的步骤。

上述根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法是制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中连接到多个像素的埋入布线形成在半导体层的一个平面上，在该半导体层中形成包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素，半导体层的另一平面变成光电转换元件的光接收表面。

首先，在半导体衬底的一个主表面上形成包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素，和进一步形成连接到多个像素的埋入布线。

然后，支撑衬底连接到半导体衬底的一个主平面，从支撑衬底连接到半导体衬底的一个主平面的表面的对面减小该支撑衬底的厚度，并形成穿过支撑衬底的穿透布线以连接到埋入布线。

然后，从半导体衬底的另一主平面侧减小半导体衬底的厚度以提供半导体层，直到光电转换元件能够接收来自半导体衬底的另一主平面侧的光。

本发明也是一种背照明型固态图像拾取器件和摄像机，其中在半导体层的一个平面上形成连接到多个像素的埋入布线和穿过支撑衬底连接到埋入布线的穿透布线，其中包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素形成在该半导体层上，半导体层的另一平面变成光电转换元件的光接收表面。

并且，根据本发明的制造固态图像拾取器件和摄像机的方法还包括形成突出电极的步骤，在形成作为穿透布线的支撑衬底布线的工艺之后，在穿透布线的表面上形成从支撑衬底表面突出的突出电极。

并且，根据本发明的制造固态图像拾取器件和摄像机的方法，该半导体衬底是SOI衬底，其中半导体层通过绝缘层形成在主衬底上，在从半导体衬底的另一主表面减小半导体衬底的厚度的工艺中除去主衬底直到露出绝缘膜。

根据本发明的固态图像拾取器件和摄像机，固态图像拾取器件和摄像机由背照明型固态图像拾取器件构成，其中通过形成在光电转换元件内部的电场把从形成在读取电路的至少一部分下面的光电转换区部分产生的电荷收集到光电转换元件的电荷累积区，由此增加饱和电荷量。另一方面，由于提供在读取电路下的部分形成为光电转换元件，可以增加光从衬底的另一表面引入的入射光区，由此可以改善固态图像拾取器件和摄像机的灵敏度。因此，在不降低饱和电荷量和灵敏度的情况下，根据像素集成度的增加，可以使得像素尺寸变得非常小。

在光电转换元件内部的上述光电转换区部分和电荷累积区之间形成电势从光电转换区部分到电荷累积区增加的电势分布，由此电荷可以从光电转换区部分移动并有效地在电荷累积区累积。

电势的电势分布在光电转换元件的深度方向朝着衬底的另一平面或一个平面增加，由此可以有效地把在光电转换元件中产生的电荷移动和累积在位于一个平面上的电荷累积区中。

根据本发明制造固态图像拾取器件和摄像机的方法，由于在支撑衬底连接到半导体衬底以保持足够的强度之后，减小了半导体衬底的厚度，且减小支撑衬底的厚度以形成穿透布线，有可能简单而容易地制造背照明型CMOS固态图像拾取器件和具有该电极从光照明表面的对面表面引出的布置的摄像机。

附图说明

图1是示出了根据现有技术的表面照明型CMOS固态图像拾取器件的主要部分的布置的示意图；

图2是示出了根据现有技术的背照明型CMOS固态图像拾取器件的主要部分的布置的示意图；

图3是示出了根据现有技术的具有背照明型CMOS固态图像拾取器件的电子器件的布置的示意性截面图；

图4A-4E是根据现有技术的例子示出了背照明型CMOS固态图像拾取器件的制造工艺的各自的截面图；

图5是示出了根据本发明实施例的固态图像拾取器件的主要部分的布置的示意图；

图6是示出了根据本发明实施例的摄像机的示意性截面图；

图7是示出了安装有根据本发明的第一实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的电子器件的布置的示意性截面图；

图8是示出了根据本发明的第一实施例的传感器布置的结构图，其中安装有背照明型CMOS固态图像拾取器件；

图9是示出了根据本发明第一实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的像素布置的等效电路图；

图10A至10G是分别地示出了根据本发明第一实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的制造工艺的截面图；

图11是示出了根据本发明的第二实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的示意性截面图；

图12A至12G是示出了根据本发明第二实施例的背照明型固态图像拾取器件的制造工艺的截面图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的第一实施例。

图5是示出了根据本发明实施例的固态图像拾取器件的主要部分的布置的示意图。

如图5所示，背照明型CMOS固态图像拾取器件1040包括第一导电类型，例如n型硅半导体衬底1042，在其上形成由第二导电类型例如p型半导体区形成的以分开各个像素的像素分离区。在每个分开的区域，形成由光电二极管PD和多个MOS晶体管构成的单元像素1045，例如，四个MOS晶体管，电荷读取晶体管Tr1、复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管(它们全部被通称为“Tr2”)。以XY矩阵方式(即以两维方式)设置大量的单元像素1045。

多个MOS晶体管Tr1和Tr2组成了用于从光电二极管PD读取信号电荷的读取电路。在p型半导体阱区1046上形成构成这个读取电路的多个MOS晶体管，半导体阱区1046以像素分离区1043可以连接到半导体衬底1042的一个表面即衬底的表面的方式形成。电荷读取晶体管Tr1由在p型半导体阱区1046中形成的重掺杂n⁺源/漏区1047，和在光电二极管PD的衬底表面上形成的n型电荷累积区，以及通过栅绝缘膜在两个区1046和1047之间的衬底表面上形成的栅电极1048构成。该n⁺源/漏区1047成为所谓的浮动扩散(FD)。虽然未局部地示出，晶体管Tr2如另一复位晶体管、放大晶体管和垂直选择晶体管类似地由n⁺源/漏区1049和通过栅绝缘膜在p型半导体阱区1046上形成的栅电极1050构成。在通过层间绝缘体1062形成各个晶体管的半导体衬底上，形成多层布线层1063，其通过形成读取电路的电路布线1061而提供。

光电二极管PD由从衬底的一个表面延伸到另一表面即从半导体表面经过半导体背表面延伸到形成有读取电路的p型半导体阱区1046(即读取电路区)的下面的n⁺半导体区1052、在n型半导体区1052的表面的界面上形成的重掺杂p型半导体区即所谓的P⁺型累积层1053、和形成在n型半导体区的背面的界面上的重掺杂p型半导体区即所谓的P⁺累积层1054构成。构成光电二极管PD的n型半导体区1052由形成在半导体表面上的重掺杂n型电荷累积区1052a、具有比电荷累积区1052a更高的杂质浓度且从电荷累积区1052a延伸到衬底背面的n型区1052b、和延伸到p型半导体阱区1046的下面的n型半导体区1052c构成。电荷读取晶体管的栅电极1048的下部分形成为n型半导体区1052b。

然后，在这个实施例中，特别是在构成光电二极管PD的n型半导体区1052中，在衬底深度方向形成朝衬底表面移动光电转换电荷e的电场。并且，形成电场以把正好形成在p型半导体阱区1046下的光电转换区即n型半导体区1052c1的电荷向n型电荷累积区1052a移动。

特别地，在n型半导体区1052上形成电势从衬底背面到衬底表面增加的电势分布。在这种情况下，在n型半导体区1052b上除了p型半导体阱区1046的下面之外，形成电势从衬底背表面到在衬底表面上的n型电荷累积区1052a增加的电势分布。在p型半导体阱区1046下的n型半导体区1052c上形成电势从衬底背面到形成在p型半导体阱区1046下的表面上的区1052c1增加的电势分布。

并且，在基本横向的方向上形成电势从包括在p型半导体阱区1046下的n型半导体区1052c1的区附近到n型电荷累积区1052a增加的电势分布。

作为形成上述电势分布的例子，可以通过控制n型半导体区1052的杂质浓度形成电势分布。对于衬底深度方向，可以逐渐或逐步地形成上述的电势分布，在这个实施例中，逐步地增加从衬底背面到衬底表面的n型半导体区1052的n型杂质浓度。对于从包括在p型半导体阱区1046下形成的n型半导体区1052c1的附近区到n型电荷累积区1052a的基本横向方向，可以逐渐或逐步形成上述电势分布，在这个实施例中，从在p型半导体阱区下形成的n型半导体区1052c1到n型电荷累积区1052a逐步增加n型杂质浓度。

例如，可以通过剂量高于10¹²cm^-2的杂质浓度形成该n型电荷累积区1052a，以及可以通过剂量选择为约10¹¹到10¹²cm^-2的范围的杂质浓度形成n型半导体区1052c1。

作为形成上述电势分布的另一例子，在除了n型电荷累积区1052a以外的其他n型半导体区1052b和1052c的n型杂质浓度的情况下，可以通过从衬底背面到衬底表面逐渐或逐步地降低p型像素分离区1043的p型杂质浓度来形成上述衬底深度方向的电势分布。同样，在n型半导体区1052b和1052c的n型杂质浓度基本相同的情况下，可以通过朝n型电荷累积区1052a逐渐或逐步地降低邻接n型半导体区1052c1的p型半导体阱区1046的部分的p型杂质浓度来形成上述的基本上横向方向的电势分布。

如所述的，在电荷读取晶体管Tr1的栅电极1048下的区也构成光电二极管PD的n型半导体区1052b。然而，在栅电极1048下形成能够得到预定阈值电压的沟道区1055。在光接收和累积期间，在p型半导体阱区1046下的n型半导体区1052中的电荷e也移动和累积到n型电荷累积区1052a。在那种情况下，为了防止电荷e通过在栅电极1048下的n型区部分1056泄漏到成为电荷读取晶体管Tr1的浮动扩散(FD)的源/漏区1047中，设置栅电极1048下的n型区部分1056中的杂质浓度使得可以形成势垒。

同样，在n型电荷累积区1052a中，为了有效地把累积的信号电荷e传输到电荷读取晶体管Tr1，形成了电势朝着电荷读取晶体管Tr1的面增加的电势分布。为此，使得n型电荷累积区1052a的杂质浓度恒定，而p⁺累积层1053的杂质浓度朝着电荷读取晶体管Tr1降低。在这个实施例中，累积层1053形成在高浓度区1053a和低浓度区1053b的两个区之间。

虽然未示出，通过绝缘膜在衬底背面上形成彩色滤光器和芯片上微透镜。同样，例如为了加固，由硅衬底形成的支撑衬底可以建立在多层布线层1063上。在这种情况下，可以构造目标背照明型CMOS固态图像拾取器件1041。

然后，将会描述根据本实施例的上述背照明型CMOS固态图像拾取器件1041的操作。从衬底的背面把入射光L引入到作为光电转换元件的光电二极管PD中。该入射光L被引入到包括p型半导体阱区1046的下部分的光电二极管PD的整个区中，且通过在光电二极管PD中的n型半导体区1052对光进行光电转换以由此产生信号电荷(在这个实施例中为电子)e。通过在n型半导体区1052中形成的电场，即电势朝向n型电荷累积区1052a增加的电势分布，把由此产生的信号电荷e移动到衬底表面的pn结部分。特别地，在n型半导体区1052b中产生的信号电荷通过上述电场移动到衬底表面的pn结部分，并在n型电荷累积区1052a中累积。同样，在p型半导体阱区1046下的n型半导体区1052c中产生的信号电荷通过上述电场移动到在p型半导体阱区1046的下部分上形成的pn结，即，n型半导体区1052c1。并且，这些信号电荷通过朝向n型电荷累积区1052a的电场，即电势从n型半导体区1052c1到n型电荷累积区1052a增加的电势分布，有效地移动到在衬底表面上形成的pn结部分，并在n型电荷累积区中累积。

根据这个实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件1041，由于根据这个实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件1041的形成读取电路的p型半导体阱区1046的下部分也形成为光电二极管PD，可以使得从背面能被引入的入射光的面积比现有技术中表面照明型CMOS固态图像拾取器件的面积大，由此能够读出更多的信号电荷，由此可以增加灵敏度。同样，由于从在p型半导体阱区1046下的n型半导体区1052c1到n型电荷累积区1052a形成电场，能够在n型电荷累积区1052a中有效地累积n型电荷半导体区1052c1中的信号电荷，并由此可以累积更多的信号电荷。因此，有可能增加饱和电荷量(Qs)。

图6是示出了根据本发明实施例的摄像机的截面图。根据本发明的摄像机是能够拍摄真实移动画面的视频摄像机。

如图6中所示，根据本实施例的摄像机包括半导体图像传感器/模块2011、光学系统2210、快门装置2211、驱动电路2212和信号处理电路2213。

该光学系统2210能够在半导体图像传感模块2011的图像拾取屏幕上聚焦来自物体图像的光(入射光)，由此在一定周期内在半导体图像传感器模块2011内累积信号电荷。

快门装置2211能够控制照射到半导体图像传感器模块2011上的时间周期，和从照明光遮蔽半导体摄像传感器2011的时间周期。

驱动电路2212为半导体图像传感器模块2011的控制传输操作提供驱动信号，也为快门装置2211的控制快门操作提供驱动信号。半导体图像传感器模块2011能够相应于由驱动电路2212提供的驱动信号(定时信号)来传输电荷。信号处理电路2213进行多种信号处理。以适当的信号处理方式处理的视频信号可以存储在适当的纪录媒体例如存储器中，或者它可以被输出到监视器。

由此，根据该实施例，即使根据像素集成度的增加减小像素尺寸，有可能提供具有高灵敏度和大动态范围的CMOS固态图像拾取器件。

下面将参考附图描述根据本发明实施例的CMOS固态图像拾取器件的制造方法。

将描述本发明的第二实施例。

图7是示出了电子装置的设置的示意性截面图，其中该电子装置中安装有根据本发明第一实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

如图7中所示，例如在插入结构(中间衬底)3上安装传感器芯片1a和其上设置有周围电路如信号处理电路的信号处理芯片2，该传感器芯片是其上具有图像像素单元的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

传感器芯片1a具有形成在支撑衬底30上的层间绝缘体20，和埋入该层间绝缘体中的埋入布线层21。在埋入布线层21上形成半导体层12，在半导体层12的表面上形成表面绝缘层11。

在半导体层12中形成光电二极管14和对准标记13等。对准标记13是当在半导体衬底50的背面上进行构图时的标记。同样，埋入布线层21的一部分成为通过栅绝缘膜形成在半导体层12上的栅电极，由此形成CMOS晶体管15。

并且，形成穿过支撑衬底30连接到布线层21的支撑衬底穿透布线31。在支撑衬底穿透布线31上形成从支撑衬底30的表面突出的凸出电极(凸块)32。该凸块(微凸块)32是通过适当方法如电镀形成在比通常使用引线接合的焊盘电极更小的焊盘上形成的凸出状金属电极。

具有上述布置的传感器芯片1a是所谓的背照明型CMOS固态图像拾取器件，其中当光从表面绝缘层11照射到在半导体层12中形成的光电二极管14上时，在光电二极管14中产生和累积信号电荷。CMOS晶体管15具有把在光电二极管中累积的信号电荷传输给FD单元以放大信号或复位信号的功能。

在上述布置中，通过降低半导体衬底的背面的厚度得到半导体层，为了稳定衬底的形状，其具有粘接到支撑衬底30的结构。

如上所述，根据本实施例的CMOS固态图像拾取器件是背照明型固态图像拾取器件，其中在半导体层的一个表面上形成连接到多个像素的埋入布线，其中包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素形成在半导层中，半导体层的另一表面成为光电转换元件的光接收面。

上述传感器芯片1a安装在插入结构3上，在该插入结构中通过倒装芯片接合从光照明面的对面的支撑衬底30的面形成布线40和用于绝缘布线40的绝缘层41，方式为通过从绝缘层的开口部分暴露的一部分布线表面而提供的面能够连接凸块。

另一方面，例如，通过倒装芯片接合通过凸块在插入结构上安装其上形成有周围电路单元的信号处理芯片2。

例如，当它们在使用时，在每个插入结构的另一安装衬底上安装具有上述布置的电子装置，和通过引线接合42电连接电子装置。

例如，在插入结构上形成其中上述传感器芯片(CMOS固态图像拾取器件)和信号处理芯片连接作为一个芯片的功能评价(function evaluation)电极焊盘。

图8是示出了根据这里的实施例的具有CMOS固态图像拾取器件的图像传感器的布置的框图，和图9是示出了根据本实施例的CMOS固态图像拾取器件的像素的布置的等效电路图。

如图8所示，根据本实施例的图像传感器由图像像素单元112、V选择装置114、和H选择装置116、定时脉冲发生器(TG)118、S/H/CDS(采样保持/相关复式取样)电路120、AGC(自动增益控制)单元122、A/D(模数)转换单元124和数字放大单元126等构成。

例如，在图7中图像像素单元112、V选择装置114、H选择装置116、S/H/CDS电路120可以集成在一个芯片上作为传感器芯片1a，以及剩余的电路单元可以集成在信号处理芯片2上。可选择地，仅仅图像像素单元112可以形成在传感器芯片1a上。

图像像素单元112具有大量的以二维方式排列的像素。如图9中所示，每个像素包括光电二极管(PD)200，其是相应于接收光的量产生和累积信号电荷的光电转换元件。每个像素进一步包括四个MOS晶体管，即用于把通过该光电二极管200光电转换和累积的信号电荷传输到浮动扩散单元(FD单元)210的传输晶体管220，用于复位FD单元210的电压的复位晶体管230，用于输出相应于FD单元210的电压的输出信号的放大晶体管240，和用于输出该放大晶体管240的输出信号到垂直信号线260的选择(寻址)晶体管250。

在具有上述布置的像素中，通过传输晶体管220把光电二极管200光电转换的信号电荷传输到FD单元210。由于FD单元210连接到放大晶体管240的栅极，放大晶体管240与在图像拾取像素单元112外部提供的恒定电流源270一起构成了源跟随晶体管，当激活寻址晶体管250时，与FD单元210的电压相应的电压被输出到垂直信号线260。同样，复位晶体管230把FD单元210的电压复位到不依赖于信号电荷的恒定电压(在图9中的驱动电压Vdd)。

同样，多种用于驱动和控制各个MOS晶体管的驱动布线在水平方向上连接到图像像素单元112。通过V选择装置114在垂直方向上在水平线(像素线)单元处依次选择图像像素部分112的各个像素，通过来自定时脉冲发生器118的多种脉冲信号控制各个像素的MOS晶体管，由此通过垂直信号线260在每个像素列读出各个像素的信号到S/D/CDS单元120。

S/H/CDS单元120(图8中所示)是这样的单元，其中在图像拾取像素单元113的每个像素列处提供S/H/CDS电路，且它影响对从图像拾取像素单元112的每个像素列读出的像素信号的信号处理如CDS(相关复式取样)。

H选择装置116把像素信号从S/H/CDS单元120输出到AGC单元122。

AGC单元122影响H选择装置116所选择的来自S/H/CDS120单元的像素信号的预定增益控制，并把相应像素信号输出到A/D转换单元124。

A/D转换单元124把来自AGC单元122的模拟形式的像素信号转换为数字信号，并把数字信号输出到数字放大单元126。

数字放大单元126对从A/D转换单元124输出的数字信号进行必要的放大和缓冲影响，并从外部输出(未示出)输出这样处理的数字信号。

定时脉冲发生器118提供多种时间信号到除了上述图像拾取像素单元112的每个像素之外的各个单元。

与现有技术不同，在从像素输出的信号输出到像素周围电路之后，在不需要把输出信号从形成在芯片周围的焊盘电极输入到信号处理装置的情况下，具有上述布置的CMOS图像传感器能够把从CMOS图像传感器的像素输出的信号通过在像素单元或多个像素单元处的微凸块直接输入到信号处理装置。因此，能够提供高性能和高容量的器件，其中器件中的信号处理速度很快，图像传感器和信号处理器件集成为一个芯片。

将会描述根据本发明的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

首先，如图10A所示，例如，通过适当方法如热氧化方法或CVD(化学汽相沉积)方法在由硅等制成的半导体衬底10的表面上沉积由氧化硅形成并在随后工艺中会成为表面绝缘膜的绝缘膜11。

并且，例如，通过适当方法如接合方法或外延生长方法在绝缘层11的上层上沉积由适当材料例如硅形成的半导体层12，且它用作SOI(绝缘体上的半导体)衬底。在这个阶段，提前在半导体层12上形成对准标记13。

然后，如图10B所示，通过在n型半导体层12上注入p型导电杂质离子来形成pn结，由此在半导体层12中形成用作光电转换元件的光电二极管14。并且，栅电极通过栅绝缘膜形成在半导体层12的表面上并连接到光电二极管14等以形成CMOS晶体管15，由此形成具有上述布置的多个像素。

并且，例如形成覆盖CMOS晶体管的层间绝缘体20。在那时，埋入布线层21埋入到层间绝缘体20中以连接到晶体管和半导体层12等。

然后，如图10C所示，由适当材料如硅衬底或绝缘树脂衬底形成的支撑衬底30通过适当的方法如使用热固树脂作为粘结剂的热压接合连接到层间绝缘体20的上层。

然后，如图10D所示，通过适当方法如机械研磨从键合表面的对面减小支撑衬底30的厚度。

然后，如图10E所示，形成穿透支撑衬底30的支撑衬底穿透布线31以连接到埋入布线层21。例如该支撑衬底穿透布线31可以通过在光刻工艺期间构图形成光刻胶膜的方式形成，并通过适当方法例如干蚀刻来蚀刻以形成开口部分，该开口部分到达在支撑衬底上的埋入布线层21，由此通过低电阻金属如铜掩埋在支撑衬底30上的开口部分。

然后，如图10F中所示，通过适当方法如金属电镀处理在支撑衬底穿透布线31的表面上形成从支撑衬底30的表面凸出的凸块32。

然后，如图10G所示，例如减小半导体衬底10的厚度直到光电二极管14能够接受来自SOI衬底的半导体衬底10的侧面的光。例如，使用绝缘膜11作为阻挡层，通过机械研磨或湿法蚀刻处理从半导体衬底10的背面减小半导体衬底10的厚度直到暴露出绝缘膜11。结果，留下SOI衬底的半导体层12。这里，暴露在表面上的绝缘膜11会被称作“表面绝缘膜”。为了附图的方便和为了更清楚地理解本发明，在图10G中的上和下的关系相对于图10F相反。

如此，形成根据本实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)1a。

并且，优选应该在通过CVD方法减小半导体衬底10的厚度得到的半导体衬底(半导体层12)的背面上沉积绝缘膜。该绝缘膜不仅用作保护背面的硅表面，也用作对于入射光的抗反射膜。

通过倒装芯片接合通过凸块32在插入结构上安装这样形成的背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)1a，以使得入射光表面朝上。例如，在插入结构的布线上的平台和凸块以及在传感器芯片的支撑衬底上的凸块可以在低于传感器芯片和信号处理器芯片内部使用的布线的熔点的温度下、也可以在凸块能够以高稳定性电连接在一起的温度下压合在一起。同样，传感器芯片可以作为一个模块直接安装在信号处理芯片上。同样在这种情况下，类似地如上所述传感器芯片可以直接安装在信号处理芯片上。

另一方面，类似地其中形成有周围电路单元的信号处理芯片2也可以通过倒装芯片接合经过凸块安装在插入结构上。因此，背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)1a和信号处理芯片2通过形成在插入结构3上的布线连接在一起。

以这种方式，可以制造图像传感器，其中安装有根据本实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件。并且，在通过倒装芯片接合把背照明型CMOS固态图像拾取器件安装在插入结构上之后，通过使用对准标记13可以测试传感器芯片的电路。

如上所述，根据本实施例的制造背照明型CMOS固态图像拾取器件的方法，由于在通过把支撑衬底接合到半导体衬底保持足够的强度之后，半导体衬底的厚度被减小，并通过减小支撑衬底的厚度形成了穿透布线，没有从半导体衬底的背面引出电极，而可以从支撑衬底引出电极。由此，可能简单而容易地制造具有电极从背照明表面的对面的表面引出的装置的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

同样，由于可以在光成为入射光的表面的对面的支撑衬底上形成电极，可以增加电极布置的自由度，并由此可能在不减小CMOS摄像传感器的开口率的情况下，在像素下的部分上和在像素的周围部分下的部分上形成大量的微凸块。

如上所述，由于减小半导体衬底的表面的厚度，通过凸块将安装的衬底如插入结构和其它半导体芯片如信号处理芯片连接在一起，可能制造具有高性能和高容量的器件。

对于半导体衬底，优选提前在衬底如SOI衬底中形成氧化膜。优选这样的半导体衬底，因为在湿法蚀刻工艺中在SOI衬底中的氧化膜可以用作停止层以减小半导体衬底的厚度，且在半导体衬底的厚度减小后可以得到均匀和平坦的半导体衬底。

下面将描述本发明的第三实施例。

图11是示出了电子装置的布置的示意性截面图，其中安装了根据本发明实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

与第二实施例类似，传感器芯片1b，其是其上设置有图像拾取像素单元的背照明型CMOS固态图像拾取器件，和其上设置有例如信号处理电路的周围电路的信号处理芯片2例如安装在插入结构(中间衬底)3上。

如图11所示，在支撑衬底30上形成层间绝缘体20，埋入布线层21埋入在层间绝缘体20内。在埋入布线层21的上层上形成半导体层12，在半导体层12的表面上形成表面绝缘膜(11，19)。

在半导体层12中形成光电二极管14、对准标记13等。同样，埋入布线层21的一部分成为穿过栅绝缘膜形成在半导体层12上的栅电极。形成穿过半导体层12连接到埋入布线层21的半导体层穿透布线16。

并且，形成穿透支撑衬底30的支撑衬底穿透布线31，并在支撑衬底穿透布线31的表面上形成从支撑衬底30的表面凸出的凸出电极(凸块)32。

另一方面，例如形成半导体层绝缘层穿透布线17，其通过半导体层12和层间绝缘体20连接到支撑衬底穿透布线31。半导体层穿透布线16和半导体层绝缘层穿透布线17通过形成在表面绝缘膜11上的连接布线18连接在一起。

如本实施例所述，支撑衬底穿透布线31通过半导体层绝缘层穿透布线17、连接布线18和半导体层穿透布线16连接到埋入布线层21，本发明并不局限于此，支撑衬底穿透布线31可以通过上述元件或不通过上述元件直接连接到埋入布线层21。

具有上述结构的传感器芯片1b具有这样的布置，其中当光从表面绝缘膜(11，19)的侧面照射到形成在半导体层12中的光电二极管14上时，在光电二极管14中产生和累积信号电荷。该传感器芯片1b是背照明型固态图像拾取器件，其中连接到多个像素的埋入布线形成在半导体层的一个表面上，其中包括光电转换元件和场效应晶体管的多个像素形成在该半导体层中，半导体层的表面成为光电转换元件的光接收面。

上述芯片传感器1b安装在插入结构3上，其中通过倒装芯片接合从光照明面的对面的支撑衬底30的面上形成布线40和用于绝缘布线层40的绝缘层41，方式为通过暴露从绝缘层的开口部分的布线表面的一部分而提供的平台可以与凸块连接。

另一方面，例如，通过倒装芯片接合，其上形成有周围电路单元的信号处理芯片2通过凸块安装在插入结构3上。

在每个插入结构处在另一安装衬底上安装具有上述结构的电子装置，例如当它们在使用时，通过引线接合42电连接该电子装置。

其中安装根据本实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的图像传感器的布置和像素的布置与第一实施例的布置类似。

将会描述根据本实施例的背照明型CMOS固态图像拾取器件的方法。

首先，如图12A中所示，例如，通过适当方法如热氧化方法或CVD(化学气相沉积)方法，在由硅等制成的半导体衬底10的表面上沉积由氧化硅形成且在后面的工艺中会成为表面绝缘膜的绝缘膜11。

并且，通过适当方法例如接合方法或外延生长法，在绝缘膜11的上层上沉积由合适的材料如硅形成的半导体层12，且它用作SOI(绝缘体上的半导体)衬底。在这个阶段，提前在半导体层12上形成对准标记13。

然后，如图12B中所示，通过注入导电杂质离子在半导体层12中形成光电二极管14作为光电转换元件。并且，栅电极通过栅绝缘膜形成在半导体层12的表面上且连接到光电二极管14等以形成CMOS晶体管15，由此形成具有上述布置的多个像素。

并且，例如，形成覆盖CMOS晶体管的层间绝缘体20。在那时，埋入布线层21埋入到层间绝缘体20中以连接到晶体管和半导体层12等。

另一方面，形成成为支撑衬底穿透布线的支撑衬底布线31，该穿透布线从由硅衬底或绝缘树脂衬底形成的支撑衬底的一个主平面的表面到达至少预定深度。然后，如图12C中所示，支撑衬底30从其上形成有支撑衬底布线31的表面的一侧连接到层间绝缘体20的上层。

然后，如图12D中所示，例如，减小半导体衬底10的厚度，直到光电二极管14能够接收来自SOI衬底的半导体衬底10的侧面的光。例如，绝缘膜11用作停止层，通过机械研磨或湿法蚀刻处理从半导体衬底10的背面减小半导体衬底10的厚度，直到暴露出绝缘膜11。结果，剩下了SOI衬底的半导体层12。为了绘图的方便起见，和为了更清楚地理解本发明，图12D中上和下的关系相对于图12C相反。

然后，如图12E中所示，形成了连接布线，支撑衬底布线31和埋入布线层21可以通过该布线连接在一起。

更具体地，例如形成了穿过半导体层12连接到埋入布线层21的半导体层穿透布线16，形成了穿过半导体层12和层间绝缘体20连接到支撑衬底穿透布线31的半导体层绝缘层穿透布线17，和形成了连接布线18，半导体层穿透布线16和半导体层绝缘层穿透布线17通过该布线18连接在一起。在此之后，形成会成为保护膜的表面绝缘膜19。

接着，如图12F中所示，通过适当方法如机械研磨从连接表面的对面减小支撑衬底30的厚度，直到露出支撑衬底布线31，支撑衬底布线31用作穿透支撑衬底30的支撑衬底穿透布线。

然后，如图12G中所示，通过适当处理如金属电镀处理在支撑衬底穿透布线31的表面上形成从支撑衬底30的表面凸出的凸块32。

如上所述，根据本实施例可以得到背照明型CMOS固态图像拾取器件1b(传感器芯片)。

以光接收面向上方向的方式，通过倒装芯片接合经过凸块32在插入结构3上安装由此形成的背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)1b。通过倒装芯片接合在插入结构3上也类似地安装信号处理芯片2，背照明型CMOS固态图像拾取器件(传感器芯片)1b和信号处理芯片2通过形成在插入结构3上的布线连接在一起。

以这种方式，可以制造安装了依据本实施例的背发光型CMOS固态图像拾取器件的图像传感器。

本实施例中，形成在半导体衬底上的埋入布线和在支撑衬底内的穿透电极没有直接连接，但是在半导体衬底的背面的厚度减小后，穿透电极和埋入布线可以通过布线连接。根据这个方法，由于穿透电极和埋入布线通过信号处理器件和形成在支撑衬底背面上的微凸块连接，以使得不需要进行引线接合，能够大大减小形成为一个芯片的背照明型CMOS固态图像拾取器件尺寸。

如上所述，根据这个实施例的制造背照明型CMOS固态图像拾取器件的方法，由于在通过把支撑衬底接合到半导体衬底而保持足够强度之后减小半导体衬底的厚度，和通过减小支撑衬底的厚度形成穿透布线，可能简单而容易地制造具有电极从光照明表面的对面引出的结构的背照明型CMOS固态图像拾取器件。

如上所述，在安装有根据本实施例的CMOS固态图像拾取器件的CMOS图像传感器中，可能通过在像素的每个单元或在多个像素的每个单元处的微凸块直接把从像素输出的信号输入到信号处理器件。因此，可能提供具有高容量的高性能器件，其中在器件中的信号处理速度很高，且图像传感器和信号处理器件作为一个芯片形成。同样，由于该图像传感器不需要通过引线接合连接到芯片或晶片，可以减小芯片的尺寸，可以增加晶片的产量和减小芯片的成本。

本发明并不局限于上述实施例。

例如，当SOI衬底用作在上述实施例中的半导体衬底时，本发明并不局限于于此，可以使用一般的半导体衬底，可以从形成有光电二极管和晶体管的表面的对表面减小该半导体衬底的厚度。

并且，可以在整个芯片区上形成从支撑衬底的表面凸出的凸块。例如，独立凸块可以形成在CMOS图像传感器的每个像素处并连接到适当元件如插入结构，由此可以在每个像素处读出信号电荷。

并且，在不脱离本发明的本质的情况下可以对本发明进行多种修改。

根据本发明的固态图像拾取器件和摄像机，该固态图像拾取器件和摄像机由背照明型固态图像拾取器件构成，其中从读取电路的至少一部分下形成的光电转换区部分产生的电荷通过在光电转换元件中形成的电场被收集到光电转换元件的电荷累积区，由此可以增加饱和电荷量。在另一方面，由于在读取电路下提供的部分也形成作为光电转换元件，可以增加从衬底的另一表面引入的光的入射光区域，由此可以改善固态图像拾取器件和摄像机的灵敏度。因此，在不降低饱和电荷量和灵敏度的情况下，随着像素集成度的增加，可能使得像素尺寸变得非常小。

在光电转换元件内的上述光电转换区部分与电荷累积区之间形成电势从光电转换区部分到电荷累积区增加的电势分布，由此电荷可以从光电转换区部分移动并在电荷累积区有效地累积。

形成电势在光电转换元件的衬底深度方向朝向衬底的另一平面或一个平面增加的电势分布，由此在光电转换元件内产生的电荷可以有效地移动和累积在依赖于一个平面的电荷累积区中。

同样，根据本发明的固态图像拾取器件和摄像机的制造方法，由于在支撑衬底接合到半导体衬底以保持足够的强度之后，减小半导体衬底的厚度，以及减小支撑衬底的厚度以形成穿透布线，可能能够简单而容易地制造背照明型CMOS固态图像拾取器件和具有电极从光照明面的对面表面引出的结构的摄像机。

本领域的技术人员应当理解，取决于设计需要或其它因素，本发明可以进行多种修改、组合和子组合以及变动，只要它们在所附权利要求或它们的等同物的范围内。

Claims (19)

1.一种背照明型固态图像拾取器件，在该背照明型固态图像拾取器件中用于读取来自形成在衬底上的光电转换元件的信号的读取电路形成在所述衬底的一个表面上，从所述半导体衬底的另一表面引入入射光到所述背照明型固态图像拾取器件，且该背照明型固态图像拾取器件包括：

光电转换区，形成在所述读取电路的至少一部分下以产生电荷；和

电荷累积区，形成在所述衬底的一个表面处的所述光电转换元件上，其中通过形成在所述光电转换元件内的电场以及通过从所述读取电路之下的部分的光电转换区到所述电荷累积区形成的横向方向上的电场把电荷收集到所述电荷累积区。

2.如权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中在所述光电转换元件内的所述光电转换区和所述电荷累积区之间形成了电势分布以使得电势从所述光电转换区到所述电荷累积区升高。

3.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其中所述光电转换元件具有电势沿着所述衬底深度方向从所述衬底的另一个表面到一个表面增加的电势分布。

4.一种制造背照明型固态图像拾取器件的方法，在该背照明型固态图像拾取器件中，用于读取来自形成在衬底上的光电转换元件的信号的读取电路形成在所述衬底的一个表面上，从所述半导体衬底的另一个表面将入射光引入到所述背照明型固态图像拾取器件，且该制造背照明型固态图像拾取器件的方法包括以下步骤：

在所述读取电路的至少一部分下形成光电转换区以产生电荷；

在所述衬底的一个表面处的所述光电转换元件上形成电荷累积区；和

通过形成在所述光电转换元件内部的电场以及通过从所述读取电路之下的部分的光电转换区到所述电荷累积区形成的横向方向上的电场把电荷收集到所述电荷累积区。

5.根据权利要求4的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述光电转换元件具有沿着所述衬底深度方向其电势从所述衬底的另一表面到一个表面增加的电势分布。

6.根据权利要求4的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中在光电转换元件的半导体阱区的半导体衬底的另一面上的光电转换元件具有电势从半导体衬底的另一个表面到半导体衬底的一个表面增加的电势分布。

7.根据权利要求4的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述背照明型固态图像拾取器件包括半导体阱区，且所述半导体阱区具有与所述光电转换元件接触的部分，该部分具有从所述半导体衬底的另一个表面到所述半导体衬底的一个表面逐渐或逐步降低的杂质浓度。

8.根据权利要求4的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述背照明型固态图像拾取器件包括像素分离区以分离所述光电转换元件，且所述像素分离区具有从所述半导体衬底的另一个表面到所述半导体衬底的一个表面逐渐或逐步降低的杂质浓度。

9.如权利要求4所述制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中在所述光电转换元件内的所述光电转换部分和所述电荷累积区在它们之间形成从所述光电转换部分到所述电荷累积区增加的电势分布。

10.如权利要求4所述制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述光电转换元件具有电势在衬底深度方向上从所述衬底的另一个表面到一个表面增加的电势分布。

11.如权利要求4所述制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中从所述读取电路之下的部分的光电转换区到所述电荷累积区逐步增加杂质浓度。

12.一种制造背照明型固态图像拾取器件的方法，在该背照明型固态图像拾取器件中，连接到多个像素的埋入布线形成在其中形成有包含光电转换元件和场效应晶体管的多个像素的半导体层的一个表面上，所述半导体层的另一个表面用作所述光电转换元件的光接收部分，该制造背照明型固态图像拾取器件的方法包括以下步骤：

在半导体衬底的一个主平面上形成多个包含所述光电转换元件和所述场效应晶体管的像素的步骤；

在所述半导体衬底的一个主平面上形成连接到所述多个像素的埋入布线的步骤；

连接支撑衬底到所述半导体衬底的一个主平面的步骤；

从连接表面的对面降低所述支撑衬底的厚度的步骤；

形成穿过所述支撑衬底的穿透布线的步骤以使得所述穿透布线连接到所述埋入布线；和

从所述半导体衬底的另一主平面减小所述半导体衬底的厚度以提供所述半导体层，直到所述光电转换元件能够接收来自所述半导体衬底的另一主表面的光的步骤。

13.根据权利要求12的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，还包括在所述穿透布线形成步骤后，在所述穿透布线的表面上形成从所述支撑衬底的表面凸出的凸出电极的步骤。

14.根据权利要求12的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述半导体衬底是具有通过绝缘层在主衬底上形成的半导体层的SOI衬底，在所述用于从所述半导体衬底的另一主平面减小所述半导体衬底的厚度的所述工艺中除去所述主衬底直到露出所述绝缘层。

15.一种制造背照明型固态图像拾取器件的方法，在该背照明型固态图像拾取器件中，连接到多个像素的埋入布线形成在其上形成有包含光电转换元件和场效应晶体管的多个像素的半导体层的一个表面上，半导体层的另一个表面变成光电转换元件的光接收部分，该制造背照明型固态图像拾取器件的方法包括以下步骤：

在半导体衬底的一个主平面上形成包含所述光电转换元件和所述场效应晶体管的多个像素的步骤；

在所述半导体衬底的一个主平面上形成连接到所述多个像素的埋入布线的步骤；

形成从支撑衬底的一个主平面的表面延伸预定深度的支撑衬底布线的步骤；

将所述半导体衬底的所述一个主平面连接到所述支撑衬底的一个主平面的步骤；

从所述半导体衬底的另一主平面减小所述半导体衬底的厚度以提供所述半导体层，直到所述光电转换元件能够接收来自所述半导体衬底的另一主表面的光的步骤；

形成连接布线以连接所述支撑衬底布线和所述埋入布线的步骤；和

从所述支撑衬底的另一平面减小所述支撑衬底的厚度，直到暴露出所述支撑衬底布线以使得所述支撑衬底布线形成为穿透所述支撑衬底的穿透布线。

16.如权利要求15所述的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，还包括在所述形成所述支撑衬底布线作为所述穿透布线的工艺之后，在所述穿透布线的表面上形成从所述支撑衬底表面凸出的凸出电极的步骤。

17.根据权利要求15的制造背照明型固态图像拾取器件的方法，其中所述半导体衬底是具有通过绝缘层在主衬底上形成的半导体层的SOI衬底，在所述用于从所述半导体衬底的另一主平面减小所述半导体衬底的厚度的所述工艺中除去所述主衬底直到露出所述绝缘层。

18.一种包括背照明型固态图像拾取器件的摄像机，其中在该背照明型固态图像拾取器件中，用于读取来自形成在衬底上的光电转换元件的信号的读取电路形成在所述衬底的一个表面上，从所述半导体衬底的另一表面引入入射光到所述背照明型固态图像拾取器件，该摄像机包括：

在所述读取电路的至少一部分下形成以产生电荷的光电转换区；和

在所述衬底的一个表面的所述光电转换元件上形成的电荷累积区，其中通过形成在所述光电转换元件内的电场以及通过从所述读取电路之下的部分的光电转换区到所述电荷累积区形成的横向方向上的电场把电荷收集到所述电荷累积区。

19.一种制造包括背照明型固态图像拾取器件的摄像机的方法，其中在该背照明型固态图像拾取器件中，用于读取来自形成在衬底上的光电转换元件的信号的读取电路形成在所述衬底的一个表面上，从所述半导体衬底的另一个表面将入射光引入到所述背照明型固态图像拾取器件，该制造摄像机的方法包括以下步骤：

在所述读取电路的至少一部分下形成光电转换区以产生电荷；

在所述衬底的一个表面处的所述光电转换元件上形成电荷累积区；和

通过形成在所述光电转换元件内部的电场以及通过从所述读取电路之下的部分的光电转换区到所述电荷累积区形成的横向方向上的电场把电荷收集到所述电荷累积区。

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