圖像拾取元件、制造圖像拾取元件的方法以及電子設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種圖像拾取元件，包括：半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部；像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)?，其中該固定電荷膜包括第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
【專利說明】圖像拾取元件、制造圖像拾取元件的方法以及電子設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及具有位于半導(dǎo)體基板上的固定電荷膜的圖像拾取元件、制造這種圖像拾取元件的方法、以及包括這種圖像拾取元件的電子設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]在固態(tài)圖像拾取裝置(圖像拾取裝置)，例如電荷耦合裝置(CXD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器中，為每個像素設(shè)置包括光電轉(zhuǎn)換部的固態(tài)圖像拾取元件(圖像拾取元件)。圖像拾取元件的光電轉(zhuǎn)換部例如由諸如硅(Si)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在光電轉(zhuǎn)換部的表面上，由于晶體結(jié)構(gòu)的破壞存在晶體缺陷和懸空鍵。由于光電轉(zhuǎn)換部中產(chǎn)生的電子-空穴對復(fù)合，晶體缺陷和懸空鍵導(dǎo)致消光(extinct1n)，或者導(dǎo)致暗電流的產(chǎn)生。
[0003]例如，國際公開N0.WO 2012/117931討論了一種背照式固態(tài)圖像拾取裝置。在該固態(tài)圖像拾取裝置中，為了抑制暗電流的產(chǎn)生，在硅基板的光接收表面(后表面)上形成具有負(fù)固定電荷的絕緣膜(固定電荷膜(fixed charge film))。在硅基板中，光敏二極管埋設(shè)為光電轉(zhuǎn)換部。在形成固定電荷膜的硅表面上，形成反型層。由該反型層釘扎硅界面，其抑制暗電流的產(chǎn)生。
[0004]此外，在硅基板中，可在彼此相鄰的像素之間設(shè)置凹槽，并且通過用絕緣膜填充該凹槽而抑制光學(xué)混色。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]通常，通過干蝕刻形成上述凹槽。然而，干蝕刻可能在硅基板的表面(特別是凹槽的壁表面和底表面)上產(chǎn)生晶體缺陷和懸空鍵，這可導(dǎo)致界面態(tài)的增加。因此，容易產(chǎn)生暗電流。
[0006]希望提供能抑制暗電流產(chǎn)生的圖像拾取元件、制造這種圖像拾取元件的方法、以及包括這種圖像拾取元件的電子設(shè)備。
[0007]根據(jù)本技術(shù)方案的實施例，所提供的圖像拾取元件包括:半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部；像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋渲性摴潭姾赡ぐǖ谝唤^緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0008]根據(jù)本技術(shù)方案的實施例，提供一種制造圖像拾取元件的方法，該方法包括在包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部且具有像素分隔凹槽的半導(dǎo)體基板的光接收表面上形成固定電荷膜，其中形成該固定電荷膜包括形成第一絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，以及形成第二絕緣膜，該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0009]根據(jù)本技術(shù)方案的實施例，所提供的電子設(shè)備設(shè)置有圖像拾取元件，該圖像拾取元件包括:半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部；像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋渲性摴潭姾赡ぐǖ谝唤^緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜提供在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0010]在根據(jù)本技術(shù)方案上述實施例的圖像拾取元件、制造圖像拾取元件的方法和電子設(shè)備中，形成在半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)壬系墓潭姾赡な前ǖ谝唤^緣膜和第二絕緣膜的層疊膜。第一絕緣膜從光接收表面到像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置。第二絕緣膜設(shè)置在光接收表面上。通過采用形成在不同區(qū)域中的兩種絕緣膜如此構(gòu)造固定電荷膜，半導(dǎo)體基板的表面的界面態(tài)(具體而言，像素分隔凹槽的壁表面和底表面)得到改善。
[0011]在根據(jù)本技術(shù)方案上述實施例的圖像拾取元件、制造圖像拾取元件的方法和電子設(shè)備中，固定電荷膜形成在半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)?，作為包括兩種形成在不同的區(qū)域中的絕緣膜的層疊膜(第一絕緣膜和第二絕緣膜)。這改善了半導(dǎo)體基板中形成的像素分隔凹槽的壁表面和底表面的界面態(tài)，因此使得可以抑制暗電流的產(chǎn)生。
[0012]應(yīng)理解，前面的總體描述和下面的詳細(xì)描述都是示范性的，并且旨在對如所要求的技術(shù)方案提供進(jìn)一步的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖包括提供對本公開的進(jìn)一步理解，并且結(jié)合在該說明書中且構(gòu)成其一部分。附圖示出了實施例，并且與說明書一起用于描述技術(shù)方案的原理。
[0014]圖1是根據(jù)本技術(shù)方案實施例的圖像拾取元件的截面圖。
[0015]圖2A是用于說明圖1所示圖像拾取元件的固定電荷膜(fixed charge film)的制造方法的截面圖。
[0016]圖2B是示出圖2A中工藝的后續(xù)工藝的截面圖。
[0017]圖2C是與圖2B中的工藝的后續(xù)工藝一起示出固定電荷膜的構(gòu)造示例的截面圖。
[0018]圖3A是用于描述圖1所示圖像拾取元件的固定電荷膜的另一個制造方法的截面圖。
[0019]圖3B是示出圖3A中工藝的后續(xù)工藝的截面圖。
[0020]圖3C是與圖3B中工藝的后續(xù)工藝一起示出固定電荷膜的另一個構(gòu)造示例的截面圖。
[0021]圖4是根據(jù)本公開的改進(jìn)的圖像拾取元件的截面圖。
[0022]圖5是根據(jù)應(yīng)用示例的固態(tài)圖像拾取裝置的功能框圖。
[0023]圖6是根據(jù)另一個應(yīng)用示例的電子設(shè)備的功能框圖。

【具體實施方式】
[0024]下文將參考附圖詳細(xì)說明本公開的實施例。應(yīng)注意，將按照下列順序進(jìn)行說明。
[0025]1.實施例(其中固定電荷膜具有多層結(jié)構(gòu)，并且采用不同的制造方法形成各層的示例)
[0026]2.改進(jìn)(其中遮光膜還設(shè)置在像素分隔凹槽中的示例)
[0027]3.應(yīng)用示例(固態(tài)圖像拾取裝置和電子設(shè)備的應(yīng)用示例)
[0028]1.實施例
[0029]圖1示出了根據(jù)本公開實施例的圖像拾取元件(圖像拾取元件10)的截面構(gòu)造。圖像拾取元件10例如可構(gòu)成圖像拾取裝置(圖像拾取裝置I)中的一個像素(例如，像素P)，圖像拾取裝置(圖像拾取裝置I)例如為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器(見圖5)。圖像拾取元件10可為背照式，并且包括光接收部20、配線層30和聚光部40。光接收部20包括光電轉(zhuǎn)換部22。聚光部40設(shè)置在光接收部20的光入射表面(光接收表面SI)側(cè)。配線層30設(shè)置在與光入射表面?zhèn)认喾磦?cè)的表面上。光接收部20包括半導(dǎo)體基板21、固定電荷膜23和保護膜24。半導(dǎo)體基板21具有凹槽(像素分隔凹槽21A)，該凹槽設(shè)置在光入射表面?zhèn)壬喜⒃O(shè)置在像素P之間。固定電荷膜23和保護膜24設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的在光入射表面?zhèn)鹊恼麄€表面上。本實施例的圖像拾取元件10部分地具有層疊結(jié)構(gòu)，其中固定電荷膜23由形成在不同區(qū)域的兩種絕緣膜(第一絕緣膜23A和第二絕緣膜23B)形成。
[0030]下文以光接收部20、配線層30和聚光部40的順序描述圖像拾取元件10的構(gòu)造。
[0031]光接收部
[0032]光接收部20包括半導(dǎo)體基板21和固定電荷膜23。在半導(dǎo)體基板21中，例如，光敏二極管可埋設(shè)為光電轉(zhuǎn)換部22。固定電荷膜23設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的后表面(光入射表面，或光接收表面SI)上。
[0033]半導(dǎo)體基板21例如可由P-型硅(Si)構(gòu)成，并且具有如上所述的像素分隔凹槽21A。像素分隔凹槽21A設(shè)置在光接收表面SI側(cè)的像素P之間，以在半導(dǎo)體基板21的厚度方向(Z方向)上延伸。像素分隔凹槽21A的深度(高度(h))可僅為允許抑制串?dāng)_的深度，并且例如可為0.25或更大以及5 μ m或更小。像素分隔凹槽21A的寬度(W)可僅為允許抑制串?dāng)_的寬度，并且例如可為10nm或更大以及1，OOOnm或更小。
[0034]在半導(dǎo)體基板21的表面(表面S2)附近，布置轉(zhuǎn)移晶體管。轉(zhuǎn)移晶體管例如可將光電轉(zhuǎn)換部22中產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到垂直信號線Lsig(見圖5)。轉(zhuǎn)移晶體管的柵極電極例如可設(shè)置在配線層30中。信號電荷可為通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子或空穴。這里，其中電子讀出為信號電荷的情況將描述為示例。
[0035]在半導(dǎo)體基板21的表面S2附近，例如，諸如復(fù)位晶體管、放大晶體管和選擇晶體管的部件可與上述轉(zhuǎn)移晶體管一起設(shè)置。這樣的晶體管的每一個例如可為金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSEFT)，并且包括在用于像素P每一個的電路中。電路的每一個例如可具有包括轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管和放大晶體管的三晶體管構(gòu)造，或者可具有除了這三個晶體管外還包括選擇晶體管的四晶體管構(gòu)造。除了轉(zhuǎn)移晶體管外的晶體管還可由像素共享。
[0036]光電轉(zhuǎn)換部22 (光敏二極管)例如可為η-型半導(dǎo)體區(qū)域，其形成在半導(dǎo)體基板21 (這里，Si基板)的厚度方向(Ζ方向)上，用于每個像素P。光電轉(zhuǎn)換部22可為ρη-結(jié)-型光敏二極管，其P-型半導(dǎo)體區(qū)域設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的前表面和后表面附近。應(yīng)注意，在半導(dǎo)體基板21中，P-型半導(dǎo)體區(qū)域還形成在像素P之間，并且上述像素分隔凹槽21Α形成在該P-型半導(dǎo)體區(qū)域中。
[0037]固定電荷膜23具有負(fù)電荷，并且具有其中第一絕緣膜23Α和第二絕緣膜23Β部分層疊的構(gòu)造(例如，見圖2C)。具體而言，第一絕緣膜23Α設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的整個后表面上，即設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI上，并且從像素分隔凹槽21Α的壁表面到底表面連續(xù)。應(yīng)注意，第一絕緣膜23A包括多層(這里，兩層(23仏和234))。第二絕緣膜23B設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的一個區(qū)域(光接收表面SI)上，其不包括像素分隔凹槽21A的內(nèi)表面(壁表面和底表面)。應(yīng)注意，第二絕緣膜23B從光接收表面SI連續(xù)地形成到像素分隔凹槽21A的壁表面的一部分。
[0038]第一絕緣膜23A例如可通過原子層沉積(ALD)或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)形成。第二絕緣膜23B例如可通過物理氣相沉積(PVD)形成。如果第一絕緣膜23A至少直接地形成在半導(dǎo)體基板21上，第一絕緣膜23A和第二絕緣膜23B可以以任何的層疊順序形成。在本實施例中，如圖2C所示，固定電荷膜23例如可具有這樣的構(gòu)造，其中第一絕緣膜23A1、第二絕緣膜23B和第一絕緣膜23A2從半導(dǎo)體基板21側(cè)開始依次層疊。作為選擇，如圖3C所示，第一絕緣膜234、第一絕緣膜23A2和第二絕緣膜23B可以該順序從半導(dǎo)體基板21側(cè)開始層疊。
[0039]第一絕緣膜23Ai和23A2的每一個例如可優(yōu)選具有Inm或更大以及25nm或更小的厚度。第一絕緣膜23A(23Ai和23A2)可優(yōu)選形成為具有2nm或更大以及10nm或更小的總厚度。這使其能改善半導(dǎo)體基板21在像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面上的釘扎性能。第二絕緣膜23B例如可優(yōu)選具有1nm或更大以及80nm或更小的膜厚度。
[0040]作為固定電荷膜23(23A和23B)的材料，可優(yōu)選采用具有固定電荷的高介電材料。該材料的具體示例可包括氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(T12)和氧化鉭(Ta2O5)。這些氧化物已經(jīng)用于諸如絕緣柵極場效晶體管的柵極絕緣膜之類的膜，并且因此已經(jīng)建立了膜形成方法。因此，可容易形成這些氧化物的膜。特別是，采用折射率相對很低的諸如HfO2 (2.05的折射率)、Ta2O5 (2.16的折射率)和T12 (2.20的折射率)的材料，為固定電荷膜23加入了抗反射效果。該材料的其它示例可包括稀土元素氧化物。稀土元素氧化物的具體示例可包括鑭(La)、鐠(Pr)、鋪(Ce)、釹(Nd)、钷(Pm)、衫(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)和釔(Y)。應(yīng)注意，硅(Si)可在不影響絕緣性的程度下加到上述氧化物。作為選擇，可采用氧化物之外的氮化物和氧氮化物，例如氮化鉿、氮化鋁、氧氮化鉿和氧氮化鋁。給固定電荷膜23增加Si或Ni改善了的熱阻以及Si界面和Si基板在工藝期間阻擋離子注入的能力。
[0041]第一絕緣膜23A(23Ai和23A2)和第二絕緣膜23B可由相同的材料構(gòu)造，但是第一絕緣膜23A和第二絕緣膜23B的材料可不同。對于采用共同制造方法的第一絕緣膜234和23A2采用相同的材料可簡化制造工藝。作為選擇，第一絕緣膜23仏和234以及第二絕緣膜23B可采用不同的材料形成。絕緣膜23仏、23^和238的每一個的優(yōu)選材料可如下。首先，第一絕緣膜23Ai的優(yōu)選材料的示例可包括Hf02、ZrO2和A1203。第一絕緣膜23A2的優(yōu)選材料的示例可包括Hf02、Zr02、Al203、Ti02和Ta205。第二絕緣膜23B的優(yōu)選材料的示例可包括Hf02、Zr02、Al203、Ti02和Ta205。特別是，對于第二絕緣膜23B采用具有高折射率的材料，其形成為比第一絕緣膜23A厚，使其能有效地獲得抗反射效果，并且通過增加進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換部22的光，改善圖像拾取元件10的靈敏度。
[0042]保護膜24設(shè)置在固定電荷膜23上，并且光接收部20的后表面通過用保護膜24填充像素分隔凹槽21A而平整。保護膜24例如可由氮化硅(Si2N3)、氧化硅(S12)和氧氮化硅(S1N)等單層膜或者這些材料的層疊膜構(gòu)造。
[0043]配線層
[0044]配線層30設(shè)置得與半導(dǎo)體基板21的表面(表面S2)接觸。配線層30包括在層間絕緣膜31中的多個配線32(例如，32A、32B和32C)。配線層30例如可粘合到由硅制成的支撐基板11。配線層30布置在支撐基板11和半導(dǎo)體基板21之間。
[0045]聚光部
[0046]聚光部40設(shè)置在光接收部20的光接收表面SI側(cè)，并且在光入射側(cè)上具有片上透鏡41。片上透鏡41作為光學(xué)功能層布置為面對每個像素P的光電轉(zhuǎn)換部22。在光接收部20 (具體而言，保護膜24)和片上透鏡41之間，從光接收部20側(cè)開始順序?qū)盈B平坦化膜43和濾色器44。此外，光屏蔽膜42設(shè)置在像素P之間的保護膜24上。
[0047]片上透鏡41具有朝著光接收部20 (具體而言，光接收部20的光電轉(zhuǎn)換部22)聚光的功能。片上透鏡41的透鏡直徑設(shè)定在與像素P的尺寸對應(yīng)的值，并且例如可為0.9μπι或更大以及8μπι或更小。此外，片上透鏡41的折射率例如可為1.5或更大以及1.9或更小。透鏡材料的示例可包括有機材料和氧化硅膜(S12)。
[0048]光屏蔽膜42可設(shè)置在像素P之間，即例如在與保護膜24的像素分隔凹槽21Α對應(yīng)的位置。光屏蔽膜42抑制由于相鄰像素之間傾斜進(jìn)入光的串?dāng)_引起的混色。光屏蔽膜42的材料示例可包括鎢(W)、招(Al)以及Al和銅(Cu)的合金。光屏蔽膜42例如可具有20nm或更大以及5，OOOnm或更小的膜厚度。
[0049]平坦化膜43例如可由氮化硅(Si2N3)、氧化硅(S12)和氧氮化硅(S1N)等任何一個的單層膜或者這些材料的任何層疊膜構(gòu)造。
[0050]濾色器44例如可為紅色(R)濾色器、綠色(G)濾色器、藍(lán)色(B)濾色器和白色濾色器(W)中的任一個，并且例如可設(shè)置為用于像素P的每一個。這些濾色器44設(shè)置成規(guī)則的顏色陣列(例如，Bayer陣列)。在圖像拾取元件10中，通過設(shè)置這些濾色器44獲得與顏色陣列對應(yīng)的色彩的光接收數(shù)據(jù)。
[0051]如上所述的圖像拾取元件10例如可如下制造。
[0052]制造方法
[0053]首先，形成包括各種晶體管和周邊電路的半導(dǎo)體基板21。對于半導(dǎo)體基板21，例如，可采用Si基板。在Si基板的表面(表面S2)附近，形成諸如轉(zhuǎn)移晶體管的晶體管和諸如邏輯電路的周邊電路。接下來，雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域通過對半導(dǎo)體基板21離子注入而形成。具體而言，η-型半導(dǎo)體區(qū)域(光電轉(zhuǎn)換部22)形成在與像素P的每一個對應(yīng)的位置，并且P-型半導(dǎo)體區(qū)域形成在像素P之間。隨后，像素分隔凹槽21Α可形成在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI的預(yù)定位置，具體而言，形成在設(shè)置在像素P之間的P-型半導(dǎo)體區(qū)域中。像素分隔凹槽21Α例如可通過干蝕刻形成為具有例如Inm的深度(h)。
[0054]接下來，固定電荷膜23形成在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI側(cè)。具體而言，首先，如圖2A所示，第一絕緣膜23Ai例如可通過ALD或MOCVD形成。第一絕緣膜23仏連續(xù)地設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI上以及從像素分隔凹槽21A的壁表面到底表面。在采用ALD時，第一絕緣膜234例如可根據(jù)下列條件形成:基板溫度為200°C至500°C，前驅(qū)體的流量為1sccm至500sccm，前驅(qū)體的輻射時間為I秒至15秒，并且臭氧(O3)的流量為5SCCm至50SCCm。在采用MOCVD時，例如可采用基板溫度100°C至600°C形成第一絕緣膜23Ap應(yīng)注意，在Si基板用作半導(dǎo)體基板21且第一絕緣膜23Ai采用ALD形成在Si基板上時，減少界面態(tài)且具有約Inm厚度的氧化硅膜允許同時形成在Si基板的表面上。
[0055]接下來，如圖2B所示，第二絕緣膜23B例如可采用PVD形成在第一絕緣膜23Ai上。用于該形成的條件例如可為0.0lPa至50Pa的壓力、500W至2，OOOff的功率、5sccm至50sccm的Ar流量以及5sccm至50sccm的氧(O2)流量。應(yīng)注意,通過遮蔽效果,通過PVD形成的第二絕緣膜23B僅形成在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI上以及壁表面的連續(xù)至像素分隔凹槽21A的光接收表面SI的一部分上。第二絕緣膜23B不形成在像素分隔凹槽21A的內(nèi)部(大部分壁表面和底表面)。
[0056]接下來，如圖2C所示，第一絕緣膜23么2例如可通過采用ALD或MOCVD形成在第二絕緣膜23B和第一絕緣膜23Ai上。第一絕緣膜23Ai覆蓋像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面。ALD和MOCVD中的條件與上文描述的條件類似。從而形成固定電荷膜23。
[0057]如上所述，在第一絕緣膜23Ai通過ALD或MOCVD形成在半導(dǎo)體基板21的整個后表面上后，第二絕緣膜23B通過PVD形成在第一絕緣膜23Ai的光接收表面SI側(cè)。具有抗反射功能的固定電荷膜(23Ap23B和23A2)允許形成在半導(dǎo)體基板21的表面部分上而不降低界面質(zhì)量，并且同時允許在凹槽中形成改善界面態(tài)的固定電荷膜(234和23A2)。
[0058]應(yīng)注意，如上所述，固定電荷膜23可以以圖2A至2C所示層疊順序之外的膜形成順序形成。具體而言，例如，固定電荷膜23可形成為如圖3A至3C所示。首先，第一絕緣膜23Ai以與上述制造工藝類似的方式通過采用ALD或MOCVD形成在從半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI到像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面的區(qū)域中。隨后，再一次采用ALD或MOCVD形成第一絕緣膜23A2。然后，通過PVD形成第二絕緣膜23B。這樣，如果至少絕緣膜通過幾乎不可能損壞膜形成表面的ALD或MOCVD直接形成在半導(dǎo)體基板21的后表面上，則對于隨后要層疊的絕緣膜可采用任何的制造方法。
[0059]接下來，作為保護膜24，例如，S12膜可通過采用例如ALD或化學(xué)氣相沉積(CVD)形成在光接收表面SI上的固定電荷膜23上。像素分隔凹槽21A填充有S12膜。隨后，例如，W膜例如可通過采用濺射或CVD形成在保護膜24上，然后通過光刻圖案化，使得形成光屏蔽膜42。接下來，平坦化膜43形成在保護膜24和光屏蔽膜42上。隨后，例如，Bayer陣列形式的濾色器44和片上透鏡41可依次形成在平坦化膜43上。因此獲得圖像拾取元件10。
[0060]圖像拾取元件的操作
[0061]在上文所述的圖像拾取元件10中，例如在圖像拾取裝置的像素P中可如下獲得信號電荷(這里，電子)。通過片上透鏡41進(jìn)入圖像拾取元件10時，光L通過濾色器44等，然后在每個像素P中由光電轉(zhuǎn)換部22檢測(吸收)，從而對紅、綠或藍(lán)色光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。關(guān)于光電轉(zhuǎn)換部22中產(chǎn)生的電子-空穴對，電子運動到半導(dǎo)體基板21 (例如，Si基板中的η-型半導(dǎo)體區(qū)域)被存儲，而空穴運動到P-型區(qū)域被放電。
[0062]功能和效果
[0063]如前所述，圖像拾取元件具有例如由諸如硅的半導(dǎo)體材料構(gòu)造的光電轉(zhuǎn)換部，在該圖像拾取元件中，由于晶體缺陷和懸空鍵存在于光電轉(zhuǎn)換部的表面上，可能容易產(chǎn)生暗電流。通過在半導(dǎo)體基板的表面上形成具有固定電荷的絕緣膜(固定電荷膜)可抑制暗電流。
[0064]此外，在圖像拾取元件中，通過在半導(dǎo)體基板的像素之間提供凹槽且用絕緣膜填充該凹槽可抑制光學(xué)混色。然而，通常，該凹槽通過干蝕刻形成，并且因此由于干蝕刻引起的損壞，晶體缺陷以及界面態(tài)容易形成在半導(dǎo)體基板的表面上。因此，盡管可抑制光學(xué)混色，但是可能容易產(chǎn)生暗電流。
[0065]凹槽中產(chǎn)生的暗電流可通過在凹槽的壁表面和底表面上形成上述固定電荷膜得到抑制。此外，產(chǎn)生暗電流抑制效果和抗反射效果二者的絕緣膜例如可采用折射率為2或更大的絕緣材料作為固定電荷膜的材料且在包括凹槽的整個后表面上形成該材料膜而實現(xiàn)。然而，固定電荷膜存在下面的問題。通常，考慮生產(chǎn)率選擇沉積速度很高的PVD。然而，PVD損壞膜形成區(qū)域，即這里的半導(dǎo)體基板的包括凹槽的整個后表面，因此降低了界面質(zhì)量。特別是，在凹槽的表面(壁表面和底表面)更容易產(chǎn)生暗電流，該表面因在形成凹槽中所用的干蝕刻而損壞。
[0066]相反，在根據(jù)本實施例的圖像拾取元件10及其制造方法中，固定電荷膜23是層疊膜(包括第一絕緣膜23A和第二絕緣膜23B)，其各層采用不同的方法形成。具體而言，首先，第一絕緣膜23Ai采用ALD或MOCVD形成在半導(dǎo)體基板21上，然后，第二絕緣膜23B采用PVD形成。隨后，第一絕緣膜23A2采用ALD或MOCVD形成。當(dāng)在如上所述通過PVD形成膜前執(zhí)行通過ALD或MOCVD形成膜(第一絕緣膜23AJ時，能防止PVD損壞膜形成表面。這是由于通過ALD或MOCVD形成的第一絕緣膜23Ai的特性。
[0067]在采用ALD或MOCVD執(zhí)行膜形成時，形成更加微小的具有高結(jié)晶度的膜。為此，第一絕緣膜23八1用作半導(dǎo)體基板21的保護膜，其在通過PVD形成第二絕緣膜23B中減少對半導(dǎo)體基板21的表面的損壞。因此，能改善光接收表面SI的界面質(zhì)量。另外，能抑制在形成像素分隔凹槽21A或者通過離子注入的雜質(zhì)滅活中由于像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面的物理損壞而產(chǎn)生的去釘扎(unpinning)性能的變壞。應(yīng)注意，考慮到膜形成時間，第一絕緣膜234的膜厚度的減小PVD對半導(dǎo)體基板21的表面損壞所需的下限可優(yōu)選為Inm或更大，并且上限可優(yōu)選為25nm或更小。
[0068]另外，第一絕緣膜23Ai和23A2采用ALD或MOCVD形成在半導(dǎo)體基板21的光入射表面?zhèn)鹊恼麄€表面(光接收表面SI以及像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面)上。而且，通過下文描述的遮蔽效果，采用PVD在光接收表面SI和壁表面的與像素分隔凹槽21A的光接收表面SI的部分上形成第二絕緣膜23B。第二絕緣膜23B中的遮蔽效果取決于像素分隔凹槽21A的深度(h)。深度(h)越深，遮蔽效果越大，從而抑制像素分隔凹槽21A的壁表面上的膜形成。允許抑制壁表面上膜形成的深度(h)可優(yōu)選為Iym或更大。當(dāng)深度(h)小于I μ m時，凹槽形狀可期望為懸垂類型(overhang type)。
[0069]如上所述，在本實施例中，固定電荷膜23，形成在半導(dǎo)體基板21的包括光電轉(zhuǎn)換部22的光接收表面?zhèn)龋纬蔀榘ㄐ纬稍诓煌瑓^(qū)域中的兩種不同絕緣膜的層疊膜(第一絕緣膜23A和第二絕緣膜23B)。具體而言，采用ALD或MOCVD在半導(dǎo)體基板21的光入射表面?zhèn)鹊恼麄€表面(光接收表面SI以及像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面)上形成第一絕緣膜23A。此外，采用PVD在光接收表面SI上形成第二絕緣膜23B。特別是，第二絕緣膜23B在形成第一絕緣膜23A后形成，并且因此能形成固定電荷膜而不損壞半導(dǎo)體基板21的表面。換言之，能提供這樣的圖像拾取裝置，其中半導(dǎo)體基板21的表面(光接收表面SI以及像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面)的界面態(tài)得到改善，并且抑制了暗電流的產(chǎn)生。
[0070]此外，在第一絕緣膜23Ai形成在半導(dǎo)體基板21上后，第一絕緣膜23A2和第二絕緣膜23B的層疊順序沒有特別限制。然而，在如圖2A至2C所示形成第二絕緣膜23B后，通過形成第一絕緣膜23A2，能防止諸如氧和氫的雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體基板21。這使其能進(jìn)一步改善界面態(tài)和光接收表面SI上的釘扎性能。
[0071]此外，與ALD和MOCVD相比，PVD提供高沉積率，并且因此能通過PVD在相對短的時間內(nèi)形成厚到某種程度的膜。因此，通過采用具有相對高折射率的材料形成第二絕緣膜23B，改善了固定電荷膜23對傾斜進(jìn)入光的抗反射性能，這使得可以抑制光電轉(zhuǎn)換部22中的混色。
[0072]應(yīng)注意，在本實施例中，固定電荷膜23構(gòu)造為使第一絕緣膜23A包括兩層，并且第二絕緣膜23B包括一層，但是這些膜的每一個可包括兩層或者三個以上的層。
[0073]2.改進(jìn)
[0074]圖4示出了根據(jù)上述實施例的改進(jìn)的圖像拾取元件(圖像拾取元件10A)的截面構(gòu)造。圖像拾取元件1A是背照式，并且具有多個像素P以類似于上述實施例的方式二維設(shè)置的結(jié)構(gòu)。在圖像拾取元件1A的光接收部20中，像素分隔凹槽21A以類似于上述實施例的方式設(shè)置在半導(dǎo)體基板21的像素P之間。固定電荷膜23形成在半導(dǎo)體基板21的光接收表面SI以及像素分隔凹槽21A的壁表面和底表面上，并且保護膜24形成在固定電荷膜23上。在聚光部50中，以與上述實施例類似的方式，平坦化膜53、光屏蔽膜52和濾色器54層疊在光接收部20和片上透鏡51之間。在本改進(jìn)的圖像拾取元件1A中，光屏蔽膜52延伸在像素分隔凹槽21A內(nèi)，這與上述實施例不同。除此外，圖像拾取元件1A具有與圖像拾取元件10類似的構(gòu)造，并且也具有類似的功能和效果。
[0075]這樣，在本改進(jìn)中，光屏蔽膜52埋設(shè)在光接收部20的像素分隔凹槽21A中。因此，能進(jìn)一步抑制有中光傾斜進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換部22引起的混色。
[0076]3.應(yīng)用示例
[0077]圖5示出了固態(tài)圖像拾取裝置(圖像拾取裝置I)的總體結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)前述實施例和改進(jìn)的任一圖像拾取元件(圖像拾取元件10和10A)用于每個像素。圖像拾取裝置I可為CMOS圖像傳感器，并且包括在半導(dǎo)體基板21上的中心部分用作圖像拾取區(qū)域的像素部la。在像素部Ia的周邊區(qū)域中，例如，可設(shè)置包括行掃描部131、系統(tǒng)控制部132、水平選擇部133和列掃描部134的周邊電路部130。
[0078]像素部Ia例如可包括二維設(shè)置在行和列中的多個單元像素P (每一個相當(dāng)于圖像拾取元件10或10A)。對于單元像素P，例如，像素驅(qū)動線Lread(具體而言，行選擇線和復(fù)位控制線)可配線用于每個像素行，并且垂直信號線Lsig可配線用于每個像素列。像素驅(qū)動線Lread傳輸用于從像素讀取信號的驅(qū)動信號，并且一端連接到行掃描部131的輸出端子，輸出端子對應(yīng)于每一行。
[0079]行掃描部131包括諸如位移寄存器和地址解碼器之類的部件。行掃描部131例如可為像素驅(qū)動部，其逐行驅(qū)動像素部Ia行的像素P。從行掃描部131選擇的像素行中的像素P的每一個輸出的信號通過垂直信號線Lsig的每一個提供到水平選擇部133。水平選擇部133例如可由諸如放大器以及為垂直信號線Lsig的每一個提供的水平選擇開關(guān)之類的部件構(gòu)成。
[0080]列掃描部134包括諸如位移寄存器和地址解碼器之類的部件，并且在順序掃描各水平選擇部133的水平選擇開關(guān)時驅(qū)動這些水平選擇開關(guān)。通過列掃描部134的該選擇性掃描，像素P的每一個通過垂直信號線Lsig的每一個傳輸?shù)男盘栱樞蜉敵龅剿叫盘柧€135，然后通過水平信號線135傳輸?shù)桨雽?dǎo)體基板21的外面。
[0081]包括行掃描部131、水平選擇部133、列掃描部134和水平信號線135的電路部分可直接形成在半導(dǎo)體基板21上，或者可布置在外部控制IC中?？梢詫⒃撾娐吩O(shè)置在通過電纜等連接的其它基板中。
[0082]系統(tǒng)控制部132接收從半導(dǎo)體基板21外部提供的時鐘以及指示操作模式的數(shù)據(jù)，并且輸出圖像拾取裝置I的內(nèi)部信息。另外，系統(tǒng)控制部132例如可包括定時發(fā)生器，其產(chǎn)生各種定時信號。系統(tǒng)控制部132可根據(jù)定時發(fā)生器產(chǎn)生的各種定時信號控制周邊電路的驅(qū)動，例如行掃描部131、水平選擇部133和列掃描部134。
[0083]如上所述的圖像拾取裝置I可應(yīng)用于具有圖像拾取功能的所有類型的電子設(shè)備。電子設(shè)備的示例可包括諸如靜態(tài)相機和攝像機的相機系統(tǒng)以及移動電話。作為示例，圖6示出了相機(電子設(shè)備2)的示意性構(gòu)造。電子設(shè)備2例如可為能攝取靜態(tài)圖像或運動圖像的攝像機。電子設(shè)備2可包括圖像拾取裝置(圖像拾取裝置I)、光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)鏡頭)310、快門單元311、信號處理部312和驅(qū)動部313。
[0084]光學(xué)系統(tǒng)310引導(dǎo)來自物體的圖像光(入射光)到圖像拾取裝置I的像素部la。光學(xué)系統(tǒng)310可包括多個光學(xué)透鏡?？扉T單元311控制圖像拾取裝置I的光照射周期和屏蔽周期。驅(qū)動部313控制快門單元311的快門操作且傳輸圖像拾取裝置I的操作。信號處理部312對從圖像拾取裝置I輸出的信號執(zhí)行各種信號處理。例如，信號處理后的圖像信號Dout可存儲在諸如存儲器的存儲介質(zhì)中，或者輸出到諸如監(jiān)視器的單元。
[0085]此外，在上述的實施例等中，背照式圖像拾取元件10和1A的構(gòu)造已被作為示例。然而，本技術(shù)方案可應(yīng)用于前照式。
[0086]此外，內(nèi)部透鏡(未示出)可設(shè)置在光接收部20和聚光部40 (或50)的濾色器44 (或54)之間。
[0087]再次，不必設(shè)置上述實施例等中的所有部件，并且可設(shè)置其它部件。
[0088]由本公開的上述示例性實施例至少可實現(xiàn)下面的構(gòu)造。
[0089](I) 一種圖像拾取元件，包括:
[0090]半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部；
[0091]像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及
[0092]固定電荷膜，提供在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋?br> [0093]其中該固定電荷膜包括第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)地設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0094](2)根據(jù)(I)所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜和該第二絕緣膜的層數(shù)不同。
[0095](3)根據(jù)(I)或(2)所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜包括兩層，并且該第二絕緣膜包括一層。
[0096](4)根據(jù)(I)至(3)任何一項所述的圖像拾取元件，其中，在該固定電荷膜中，該第一絕緣膜、該第二絕緣膜和該第一絕緣膜從該半導(dǎo)體基板側(cè)依次形成。
[0097](5)根據(jù)(I)至(4)任何一項所述的圖像拾取元件，其中，在該固定電荷膜中，該第一絕緣膜、該第一絕緣膜和該第二絕緣膜從該半導(dǎo)體基板側(cè)依次形成。
[0098](6)根據(jù)(I)至(5)任何一項所述的圖像拾取元件，其中該第二絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的該壁表面的一部分是連續(xù)的。
[0099](7)根據(jù)(I)至(6)任何一項所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜和該第二絕緣膜的每一個由氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(T12)和氧化鉭(Ta2O5)中的任何一個形成。
[0100](8) 一種制造圖像拾取元件的方法，該方法包括
[0101]在包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部且具有像素分隔凹槽的半導(dǎo)體基板的光接收表面上形成固定電荷膜，
[0102]其中形成該固定電荷膜包括
[0103]形成從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置的第一絕緣膜，以及
[0104]形成第二絕緣膜，該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0105](9)根據(jù)(8)所述的方法，其中該第一絕緣膜通過原子層沉積或金屬有機化學(xué)氣相沉積形成。
[0106](10)根據(jù)(8)或(9)所述的方法，其中該第二絕緣膜通過物理氣相沉積形成。
[0107](11) 一種設(shè)置有圖像拾取元件的電子設(shè)備，該圖像拾取元件包括:
[0108]半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部；
[0109]像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及
[0110]固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋?br> [0111]其中該固定電荷膜包括第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
[0112]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附權(quán)利要求或其等同方案的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計需要和其他因素，可以進(jìn)行各種改進(jìn)、結(jié)合、部分結(jié)合和替換。
[0113]本申請要求2013年9月27日提交的日本優(yōu)先權(quán)專利申請JP2013-202123的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像拾取元件,包括: 半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部； 像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及 固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋? 其中該固定電荷膜包括第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接受表面的一部分上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜和該第二絕緣膜的層數(shù)不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜包括兩層，并且該第二絕緣膜包括一層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中，在該固定電荷膜中，該第一絕緣膜、該第二絕緣膜和該第一絕緣膜從該半導(dǎo)體基板側(cè)依次形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中，在該固定電荷膜中，該第一絕緣膜、該第一絕緣膜和該第二絕緣膜從該半導(dǎo)體基板側(cè)依次形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中該第二絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的該壁表面的一部分是連續(xù)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像拾取元件，其中該第一絕緣膜和該第二絕緣膜的每一個由氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(T12)和氧化鉭(Ta2O5)的任何一個形成。
8.—種制造圖像拾取元件的方法，該方法包括 在包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部且具有像素分隔凹槽的半導(dǎo)體基板的光接收表面上形成固定電荷膜， 其中，形成該固定電荷膜包括 形成從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置的第一絕緣膜，以及 形成設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接受表面的一部分上的第二絕緣膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該第一絕緣膜通過原子層沉積或金屬有機化學(xué)氣相沉積形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該第二絕緣膜通過物理氣相沉積形成。
11.一種提供有圖像拾取元件的電子設(shè)備，該圖像拾取元件包括: 半導(dǎo)體基板，包括用于每個像素的光電轉(zhuǎn)換部； 像素分隔凹槽，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板中；以及 固定電荷膜，設(shè)置在該半導(dǎo)體基板的光接收表面?zhèn)龋? 其中該固定電荷膜包括第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第一絕緣膜從該光接收表面到該像素分隔凹槽的壁表面和底表面連續(xù)設(shè)置，并且該第二絕緣膜設(shè)置在該第一絕緣膜的至少對應(yīng)于該光接收表面的一部分上。
【文檔編號】H01L27/146GK104517981SQ201410481987
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】萬田周治, 檜山晉, 志賀康幸 申請人:索尼公司