TW201801298A - 具有受光構件的半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有遮擋無用光的受光構件的半導體裝置。藉由在P型半導體基板(11)的上表面形成多個光電二極體(51),在光電二極體(51)的表面上經由嵌入氧化膜(12)設置絕緣氧化膜(31),且在光電二極體(51)與鄰接的光電二極體之間經由嵌入氧化膜(12)設置SOI層(13),來遮擋斜入射等的無用光。

Description

具有受光構件的半導體裝置
本發明是有關於一種具有受光構件的半導體裝置。
作為半導體裝置之一的互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)影像感測器(image sensor)通常在受光部具有呈一維或二維配置的畫素陣列作為受光構件。受光部的畫素陣列的畫素由包含具有PN接合的光電二極體(photo diode)的光檢測器構成。在各畫素中,若入射光在半導體基板內部被吸收則生成載子(carrier),所生成的載子藉由所述光電二極體的空乏層部而再結合,產生成為輸出的電壓或電流。此時,入射光經PN接合的上層膜反射,而引起干涉,故而引起與上層膜的膜厚不均相對應的輸出的不均,從而成為實用上的問題。又,因光的斜入射而產生的串擾(cross talk)成為問題。此外,產生於所需的PN接合以外的場所的載子有可能成為暗電流的產生源。
作為改善該些問題的對策,已提出有利用金屬配線層遮擋除受光構件區域以外的其他區域,抑制光干涉及暗電流的產生的方法。(例如,參照專利文獻1) [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-45280號公報
[發明所欲解決的問題] 但是,在引出用以進行內部電路與感測部的電性連接的配線的部分,無法完全遮光。此外,若遮光金屬寬度大,則會因上層膜的應力遷移(stress migration)而產生空隙(void),或者若金屬配線間隔窄,則會因小丘(hillock)而發生短路(short)。因此,在本發明中,課題在於提供一種具有不藉由金屬配線即可遮擋無用光的受光構件的半導體裝置。 [解決問題的手段]
為了解決所述問題,本發明是以如下方式構成光檢測半導體裝置的受光部分。
具有受光構件的半導體裝置設為包括藉由PN接合可達成的光電二極體,所述光電二極體包括第1導電型半導體基板、以及形成於所述第1導電型半導體基板的上表面的第2導電型層區域,所述具有受光構件的半導體裝置的特徵在於:在所述光電二極體上設置氧化膜,在所述光電二極體與鄰接的光電二極體之間,經由嵌入氧化膜而設置有包含單晶矽的絕緣體上的矽(silicon on insulator,SOI)層以進行遮光。 [發明的效果]
藉由使用所述方法,利用SOI層遮擋除受光構件區域以外的其他區域,可抑制光的反射、干涉、斜入射及抑制暗電流的產生。又,由於不使用遮光用配線,故而可確保配線布局的自由度。
以下,利用圖式,對用以實施發明的形態進行說明。
[實施例1] 圖1是本發明的第1實施例的具有受光構件的半導體裝置的平面圖。在N型層區域21的周圍形成有包含P型半導體基板11的P型層區域,在P型層區域的周圍形成有P型雜質濃度高的高濃度P型半導體區域23,在其一部分區域內設置有陽極電極(anode electrode)42。在N型層區域21內形成有N型雜質濃度高的高濃度N型半導體區域22,在其一部分區域內設置有陰極電極(cathode electrode)41。
並且,如後所述,在相鄰的N型層區域21之間的區域內,在包含P型半導體基板11的P型層區域及P型雜質濃度高的高濃度P型半導體區域23的表面上以至少覆蓋該些區域的方式,經由氧化膜而設置有SOI層13以進行遮光。
圖2是本發明的第1實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖,是沿圖1的A-A的剖面圖。自半導體基板11的表面至規定的深度相間隔地形成有多個N型層區域21。在N型層區域21的上表面形成有N型雜質濃度高的高濃度N型半導體區域22,且經由所述高濃度N型半導體區域22連接有陰極電極41。與相鄰的N型層區域21之間配置有包含P型半導體基板11的P型層區域,在其上表面形成有P型雜質濃度高的高濃度P型半導體區域23,且在本剖面圖中雖未揭示,但經由所述高濃度P型半導體區域23連接有陽極電極42。
藉由N型層區域21與半導體基板11的PN接合,形成有光電二極體51。藉由以陰極電極41的電位高於陽極電極42的電位的方式施加偏壓(bias),而使空乏層鋪展在半導體基板11上,光電二極體51作為用以擷取光所生成的電荷的光感知區域而發揮作用。
在半導體基板11、N型層區域21、高濃度N型半導體區域22及高濃度P型半導體區域23上形成有嵌入氧化膜12。而且,在相間隔的多個N型層區域21之間經由包含二氧化矽的嵌入氧化膜12而設置有包含單晶矽的SOI層13。在SOI層13及經開口而露出的嵌入氧化膜12上形成有絕緣氧化膜31,但所述陰極電極41及陽極電極42設置於在絕緣氧化膜31中開設的接觸孔(contact hole)內。
SOI層13亦可為將半導體基板11設為支撐基板,藉由嵌入氧化膜12而與半導體基板11分離的單晶矽層,或者亦可為藉由半導體基板11及嵌入氧化膜12而黏合的單晶矽層。
再者,在圖2中,已省略上層的配線等,但由於無需使用配線用於遮光,故而配線布局的自由度高。
關於SOI層13的厚度並無特別限制,但是若SOI層13相對於SOI層13的開口寬度無某種程度的厚度(=高度),則無法有效吸收斜入射的光,從而串擾的抑制變得不充分。在迄今為止的測定結果中,理想的是SOI層厚度>SOI層開口寬度*1.73。其是可使SOI層13吸收仰角未達60度的斜入射光的厚度。再者,關於下述SOI層13的厚度與所吸收的光的波帶(waveband)的關係亦需一併考慮。當SOI層13的厚度例如超過1 μm時,就應力的方面而言不宜使用多晶矽膜來代替SOI層13。其原因在於,多晶矽膜通常是藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)而形成,膜厚越厚,所形成的膜的應力越大。
當光L1入射至具有本構造的受光構件的半導體裝置1時,光L1會透過絕緣氧化膜31及嵌入氧化膜12,照射光L1的各波長成分隨著光能,抵達至半導體基板11,從而產生載子。當載子擴散,抵達至PN接合的空乏層區域時,作為電壓或電流而獲得輸出。
照射光L1在Si(矽)中的光吸收遵循以下的朗伯定律(Lambert's law)。 Log10 (J1/J0)=-αL J0:入射至介質之前的光的強度 J1:已移動介質時的光的強度 L:光的抵達深度 α:吸收係數
圖3是表示針對各波長的Si(矽)的光吸收的示意圖。縱軸表示抵達光相對於入射光的強度比,橫軸表示光的抵達深度,光的波長越短,越容易在矽中被吸收而衰減。入射光L1在配置有SOI層13的區域內被SOI層13吸收,而不抵達至半導體基板11。即,具有固定厚度的SOI層13發揮遮光的作用,此時,無需考慮上層膜的反射,不會引起暗電流源載子的產生。
SOI層13的厚度可根據所需的波長的光而調整。例如,當僅遮擋紫外光時,將SOI層13的厚度設為0.05 μm至1 μm,當遮擋波長短於可見光的光時,將SOI層13的厚度設為10 μm~100 μm,當遮擋紅外光時,將SOI層13的厚度設為100 μm~1000 μm。
再者,在本發明的具有受光構件的半導體裝置的製造中,準備在P型半導體基板11上經由嵌入氧化膜12而形成有SOI層13的SOI基板,在已蝕刻去除SOI層13的開口部形成光電二極體51。在蝕刻去除SOI層13時嵌入氧化膜12發揮蝕刻阻止(etching stopper)的作用,從而可容易地進行終點探測。
[實施例2] 圖4是本發明的第2實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面,是對應於沿圖1的A-A線的剖面的剖面圖。對與圖2相對應的部分標註相同的編號。與圖2所示的第1實施例的不同點是SOI層13的開口區域窄於光電二極體51的區域,以排除光的斜入射的影響。即,是N型層區域21的端部被SOI層13覆蓋而使兩者重疊的構造。
[實施例3] 圖5是本發明的第3實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面,是對應於沿圖1的A-A線的剖面的剖面圖。對與圖2相對應的部分標註相同的編號。與圖2所示的第1實施例的不同點是在與SOI層13相同的開口區域內對嵌入氧化膜12進行蝕刻。因此,在N型層區域21上直接形成絕緣氧化膜31。本構造可有效排除嵌入氧化膜12與絕緣氧化膜31的界面上的光的反射對輸出所造成的影響。
關於SOI層13的厚度並無特別限制,但若相對於SOI層13的開口寬度而無某種程度的高度,則吸收斜入射的光的比例會不足,從而串擾的抑制變得不充分。在迄今為止的測定結果中,理想的是(SOI層厚度+嵌入氧化膜厚度)>SOI層開口寬度*1.73。此處,SOI層13的開口寬度在構造上等於嵌入氧化膜的開口寬度。
[實施例4] 圖6是本發明的第4實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面,是對應於沿圖1的A-A線的剖面的剖面圖。對與圖2相對應的部分標註相同的編號。與圖2所示的第1實施例的不同點是在與SOI層13相同的開口區域對嵌入氧化膜12進行蝕刻,SOI層13的開口區域窄於光電二極體51的區域。其目的在於排除光的斜入射的影響、以及嵌入氧化膜12與絕緣氧化膜31的界面上的光的反射對輸出所造成的影響。
[實施例5] 圖7是本發明的第5實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面,是對應於沿圖1的A-A線的剖面的剖面圖。對與圖2相對應的部分標註相同的編號。與圖2所示的第1實施例的不同點是將SOI層13的剖面設為梯形,以排除光的斜入射的影響。所述構造可藉由在進行SOI層13的蝕刻時的條件設定中,減弱各向異性的強度的程度來達成。所述構造亦可藉由與各向異性蝕刻組合起來,或僅使用各向異性蝕刻來達成。
關於SOI層13的厚度亦無特別限制,但若相對於SOI層13的開口寬度而無某種程度的厚度(=高度),則吸收斜入射的光的比例會不足,從而串擾的抑制變得不充分。在迄今為止的測定結果中,理想的是SOI層厚度>SOI層開口寬度*1.73。
1‧‧‧具有受光構件的半導體裝置
10‧‧‧SOI基板
11‧‧‧P型半導體基板
12‧‧‧嵌入氧化膜
13‧‧‧SOI層
21‧‧‧N型層區域
22‧‧‧高濃度N型半導體區域
23‧‧‧高濃度P型半導體區域
31‧‧‧絕緣氧化膜
41‧‧‧陰極電極
42‧‧‧陽極電極
51‧‧‧光電二極體
L1‧‧‧入射光
圖1是本發明的具有受光構件的半導體裝置的平面圖。 圖2是沿圖1的A-A線的本發明的第1實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖。 圖3是表示針對各波長的Si的光的吸收的示意圖。 圖4是與沿圖1的A-A線的剖面相對應的位置上的本發明的第2實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖。 圖5是與沿圖1的A-A線的剖面相對應的位置上的本發明的第3實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖。 圖6是與沿圖1的A-A線的剖面相對應的位置上的本發明的第4實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖。 圖7是與沿圖1的A-A線的剖面相對應的位置上的本發明的第5實施例的具有受光構件的半導體裝置的剖面圖。
1‧‧‧具有受光構件的半導體裝置
10‧‧‧SOI基板
11‧‧‧P型半導體基板
12‧‧‧嵌入氧化膜
13‧‧‧SOI層
21‧‧‧N型層區域
22‧‧‧高濃度N型半導體區域
23‧‧‧高濃度P型半導體區域
31‧‧‧絕緣氧化膜
41‧‧‧陰極電極
51‧‧‧光電二極體
L1‧‧‧入射光

Claims (5)

  1. 一種具有受光構件的半導體裝置,包括多個藉由PN接合的光電二極體,所述光電二極體包括形成於第1導電型半導體基板的上表面的第2導電型層區域以及所述第1導電型半導體基板,所述具有受光構件的半導體裝置的特徵在於包括: SOI層,在所述光電二極體與鄰接的光電二極體之間,經由嵌入氧化膜設置於所述第1導電型半導體基板上,包含單晶矽;以及 氧化膜,設置於所述光電二極體及所述SOI層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的具有受光構件的半導體裝置,其中所述SOI層的厚度大於所遮擋的光的抵達深度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的具有受光構件的半導體裝置,其中俯視時所述SOI層與所述光電二極體重合。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的具有受光構件的半導體裝置,其中所述氧化膜包含所述嵌入氧化膜及形成於所述嵌入氧化膜上的絕緣氧化膜。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的具有受光構件的半導體裝置,其中所述氧化膜包含所述絕緣氧化膜。
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