專利名稱：固態成像裝置及其制造方法、以及攝像機的制作方法
技術領域：
本發明涉及固態成像裝置、制造該裝置的方法、以及包括該固態成像裝置的攝像機(camera)ο
背景技術：
已知在固態成像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體(CMOS)圖像傳感器中，在用作光敏接收器(photoreceiver)的光電二極管(photodiode)中的晶體缺陷、以及光敏接收器與光敏接收器上的絕緣膜之間的每個界面處的界面態起到暗電流(dark current)的源的作用。為了抑制由于界面態而產生暗電流，有效地使用嵌入式(buried)光電二極管結構。嵌入式光電二極管包括用于抑制暗電流的η型半導體區和淺P型半導體區(空穴積累區)，P型半導體區具有高雜質濃度并設置在η型半導體區的表面上，即設置在η型半導體區和絕緣膜之間的界面附近。制造嵌入式光電二極管的方法通常包括注入用作P型雜質的B離子或BF2離子；以及進行退火以在構成光電二極管的η型半導體區和絕緣膜之間的界面附近形成P型半導體區。然而，在通過已知的離子注入形成嵌入式光電二極管的情況下，在高達700°C或更高的溫度下的熱處理對于雜質的激活是必要的。因此，在400°C或更低溫度的低溫工藝中，難以通過離子注入形成P型半導體區。此外，考慮到雜質擴散的抑制，通過離子注入和高溫下長時段的激活退火來形成P型半導體區的方法是不期望的。在CMOS圖像傳感器中，每`個像素包括光電二極管和各種晶體管，諸如讀取晶體管(read transistor)、復位晶體管(reset transistor)、以及放大晶體管(amplifyingtransistor)。用光電二極管光電轉換的信號用晶體管處理。每個像素覆蓋有包括多個金屬引線(lead)子層的布線層。布線層覆蓋有濾色器和芯片上透鏡(on-chip lens)，濾色器確定入射在光電二極管上的光的波長，芯片上透鏡將光會聚在光電二極管上。在CMOS圖像傳感器中，像素上的引線不利地阻擋光，從而降低靈敏度。當從引線反射的光入射在相鄰像素上時，造成色混(color mixture)等。因此，日本未審專利申請公開No. 2003-31785公開了一種背面照射固態成像裝置,其光電轉換從包括光電二極管和各種晶體管的硅襯底的背面入射的光，硅襯底具有通過拋光其背面而減小的厚度。如上所述，光電二極管包括用于抑制暗電流的淺P型半導體區(空穴積累區)，該P型半導體區具有高雜質濃度。在背面照射固態成像裝置中，空穴積累區設置在襯底的正面和背面的每個處。然而，離子注入限制了具有高雜質濃度的淺P型半導體區的形成。因此，為了抑制暗電流，在P型半導體區中的雜質濃度的進一步增加加深了 P型半導體區。深P型半導體區會降低轉移柵極(transfer gate)的讀取能力，因為光電二極管的pn結遠離轉移柵極。

發明內容
考慮到上述問題，期望提供一種能夠抑制由于至少界面態引起的暗電流的固態成像裝置、制造該裝置的方法、以及包括該固態成像裝置的攝像機。根據本發明一實施例的固態成像裝置包括具有第一表面和第二表面的襯底，光入射在該第二表面側；設置在該第一表面側的布線層；形成在該襯底中且包括第一導電類型的第一區的光電檢測器(photodetector);設置在該襯底的第一表面上且與該光電檢測器相鄰的轉移柵極，該轉移柵極傳輸在光電檢測器中積累的信號電荷；以及設置在該襯底的第一表面上且疊置在該光電檢測器上的至少一個控制柵極，該控制柵極控制該第一表面附近該光電檢測器的電勢。根據本發明一實施例的制造固態成像裝置的方法，該固態成像裝置包括具有第一表面和第二表面的襯底，設置在該第一表面側的布線層，光入射在該第二表面側，該方法包括步驟在該襯底中形成包括第一導電類型的第一區的光電檢測器；形成在該襯底的第一表面上的區域處且與該光電檢測器相鄰的轉移柵極；以及形成在該襯底的第一表面上的區域處且疊置在該光電檢測器上的控制柵極。根據本發明一實施例的攝像機包括固態成像裝置，該固態成像裝置具有襯底，該襯底具有第一表面和第二表面，光入射在該第二表面側，以及設置在該第一表面側的布線層；將入射光引導到第二表面側的光學系統；以及處理該固態成像裝置的輸出信號的信號處理電路；其中該固態成 像裝置還包括設置在該襯底中且包括第一導電類型的第一區的光電檢測器，設置在該襯底的第一表面上且與該光電檢測器相鄰的轉移柵極，該轉移柵極傳輸在該光電檢測器中積累的信號電荷；以及設置在該襯底的第一表面上且疊置在該光電檢測器上的控制柵極，該控制柵極控制該第一表面附近該光電檢測器的電勢。根據本發明一實施例，該控制柵極可以控制該第一表面附近該光電檢測器的電勢，因此抑制暗電流的產生。此外，信號電荷積累在第一導電類型的第一區中和光電檢測器的第一表面附近，因此提高了轉移柵極讀取信號電荷的能力。根據本發明一實施例的固態成像裝置包括設置在光電檢測器的光接收表面上方的透明導電膜；以及設置在光接收表面和透明導電膜之間的絕緣膜，該絕緣膜具有50nm或更小的厚度。根據本發明一實施例的固態成像裝置包括設置在光電檢測器的光接收表面上方的透明導電膜；以及設置在光接收表面和透明導電膜之間的層疊膜，該層疊膜包括至少兩類子膜，其中與光接收表面接觸的子膜是具有50nm或更小厚度的硅氧化物子膜。根據本發明一實施例的制造固態成像裝置的方法包括步驟在形成于襯底中的光電檢測器的光接收表面上形成絕緣膜，該光電檢測器包括第一導電類型的第一區，該絕緣膜具有50nm或更小的厚度；以及在該絕緣膜上形成透明導電膜。根據本發明一實施例的制造固態成像裝置的方法包括步驟在具有第一導電類型的第一區的光電檢測器的光接收表面上形成層疊絕緣膜，該光電檢測器形成于襯底中，該層疊絕緣膜包括至少兩類子膜且包括與該光接收表面接觸的硅氧化物子膜，該硅氧化物子膜具有50nm或更小的厚度；以及在該層疊絕緣膜上形成透明導電膜。根據本發明一實施例的攝像機包括將入射光引導到固態成像裝置的光電檢測器的光學系統；以及處理固態成像裝置的輸出信號的信號處理電路；其中該固態成像裝置包括設置在該光電檢測器的光接收表面上方的透明導電膜，以及設置在該光接收表面和該透明導電膜之間的絕緣膜，該絕緣膜具有50nm或更小的厚度。
根據本發明一實施例的攝像機包括將入射光引導到固態成像裝置的光電檢測器的光學系統；以及處理該固態成像裝置的輸出信號的信號處理電路；其中該固態成像裝置包括設置在該光電檢測器的光接收表面上方的透明導電膜，以及設置在該光接收表面和該透明導電膜之間的層疊膜，該層疊膜包括至少兩類子膜，其中與光接收表面接觸的子膜是具有50nm或更小厚度的硅氧化物子膜。
根據本發明一實施例，該透明導電膜可以控制光電檢測器的光接收表面的電勢， 從而抑制暗電流的產生。此外，因為設置在該光接收表面和該透明導電膜之間的絕緣膜的厚度設置為50nm或更小，絕緣膜和透明導電膜的組合形成抗反射膜。可替換地，在層疊絕緣膜的情況，與光接收表面接觸的硅氧化物子膜的厚度設置為50nm或更小，絕緣膜和透明導電膜的組合形成抗反射膜。所得抗反射膜改善了光電檢測器中的光吸收系數，從而提高靈敏度。
根據本發明一實施例的固態成像裝置包括設置在光電檢測器的光接收表面上且具有負固定電荷的膜。優選地，具有負固定電荷的膜是至少部分晶化的絕緣膜。
根據本發明一實施例的攝像機包括將入射光引導到固態成像裝置的光電檢測器的光學系統；以及處理固態成像裝置的輸出信號的信號處理電路；其中該固態成像裝置包括設置在該光電檢測器的光接收表面上且具有負固定電荷的膜。
根據本發明一實施例，所述膜設置在光電檢測器的光接收表面上且具有負固定電荷，從而在光電檢測器的表面上形成空穴積累狀態，且抑制由于界面態引起的暗電流的產生。


圖1是根據本發明第一至第六實施例的固態成像裝置的示意框圖2是像素部分的單位像素的示意電路圖3是固態成像裝置的示意剖面圖4是根據第一實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖5是示出根據第一實施例的固態成像裝置的操作中的偏壓示例的表；
圖6A和6B每個是剖面圖，示出根據第一實施例的固態成像裝置的制造工藝的示例；
圖7A和7B每個是剖面圖，示出根據第一實施例的固態成像裝置的制造工藝的示例；
圖8A-8C每個是剖面圖，示出根據第一實施例的固態成像裝置的制造工藝的另一示例；
圖9A-9C每個是剖面圖，示出根據第一實施例的固態成像裝置的制造工藝的另一示例；
圖10示出攝像機的示 意構造；
圖11是根據第二實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖12是表，示出根據第二實施例的固態成像裝置的操作中的偏壓示例；
圖13是根據第三實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖14是根據第四實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖15是曲線圖，示出根據第四實施例的固態成像裝置的光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，吸收系數通過模擬確定；
圖16是強度曲線圖，示出根據第四實施例的固態成像裝置的光電二極管中具有 450nm波長的光的吸收系數；
圖17是強度曲線圖，示出根據第四實施例的固態成像裝置的光電二極管中具有 550nm波長的光的吸收系數；
圖18是曲線圖，示出根據第四實施例的固態成像裝置的光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，硅氧化物膜的厚度固定到20nm，透明導電膜(ΙΤ0膜)的厚度變化；
圖19是曲線圖，示出根據第四實施例的固態成像裝置的光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，硅氧化物膜的厚度固定到160nm，ITO膜的厚度變化；
圖20是根據第五實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖21A-2ID每個是工藝圖(I)，示出制造根據第四實施例的固態成像裝置的方法；
圖22E-22G每個是工藝圖(2)，示出制造根據第四實施例的固態成像裝置的方法；
圖23A-23D每個是工藝圖(I )，示出制造根據第五實施例的固態成像裝置的方法；
圖24E-24G每個是工藝圖(2)，示出制造根據第五實施例的固態成像裝置的方法；
圖25是根據第六實施例的固態成像裝置的襯底的局部剖面圖26是曲線圖，示出根據第六實施例的包括鉿氧化物膜的固態成像裝置的藍和綠光電二極管中光的吸收系數；
圖27A和27B每個是有或沒有熱處理的鉿氧化物膜的TEM照片；
圖28是曲線圖，示出包括鉿氧化物膜的MOS電容器的平帶電壓Vfb與熱處理時間的相關性；
圖29是曲線圖，示出 包括鉿氧化物膜的MOS電容器的平帶電壓Vfb與熱處理溫度的相關性；
圖30A-30C每個是工藝圖(1)，示出制造根據第六實施例的固態成像裝置的方法；
圖31D和31E每個是工藝圖(2)，示出制造根據第六實施例的固態成像裝置的方法；以及
圖32F和32G每個是工藝圖(3)，示出制造根據第六實施例的固態成像裝置的方法。
具體實施方式
下面參照附圖描述本發明的實施例。
圖1是根據本發明一實施例的固態成像裝置的示意框圖。
固態成像裝置包括像素部分11和外圍電路，像素部分11和外圍電路設置在相同的半導體襯底上。在該實施例中，外圍電路包括垂直選擇電路12、取樣保持相關雙取樣(S/ H CDS)電路13、水平選擇電路14、時序發生器(timing generator, TG) 15、自動增益控制 (AGC)電路16、A/D轉換器電路17、以及數字放大器18。
像素部分11包括以矩陣排列的許多單位像素，如下所述。尋址線等沿像素的行延伸。信號線等沿像素的列延伸。
垂直選擇電路12以一行接一行為基礎連續選擇像素。垂直選擇電路12以一列接一列為基礎讀取像素信號，并且通過垂直信號線將像素信號發送到S/Η⑶S電路13。S/H ⑶S電路13進行從像素的列讀取的像素信號的信號處理，諸如⑶S。
水平選擇電路14連續讀取存儲在S/Η⑶S電路13中的像素信號，然后將像素信號輸出到AGC電路16。AGC電路16以預定增益放大從水平選擇電路14輸送的信號，然后將所得信號輸出到A/D轉換器電路17。
A/D轉換器電路17將模擬信號轉換成數字信號，然后將信號輸出到數字放大器 18。數字放大器18適當地放大從A/D轉換器電路17輸送的數字信號，然后從焊盤(pad) (端子(terminal))輸出信號。
垂直選擇電路12、S/Η⑶S電路13、水平選擇電路14、AGC電路16、A/D轉換器電路17、以及數字放大器18的操作基于從時序發生器15輸送的各種時序信號。
圖2是像素部分11中的單位像素的示例的示意電路圖。
單位像素包括例如作為光電換能器的光電二極管21。單位像素還包括四個晶體管，即轉移晶體管22、放大晶體管23、尋址(address)晶體管24、以及復位(reset)晶體管 25,作為每單個光電二極管21的有源元件。
光電二極管21將入射光光電·轉換成與光量對應的電荷(在該情況為電子)。轉移晶體管22連接于光電二極管21和浮置擴散(FD)區之間。通過驅動線26將驅動信號發送給柵極(轉移柵極)導致通過光電二極管21光電轉換的電子傳輸到浮置擴散區。
浮置擴散區連接到放大晶體管23的柵極。放大晶體管23經過尋址晶體管24連接垂直信號線27，并且與設置在像素部分外的恒流源組合構成源跟隨器(source follower). 尋址信號通過驅動線28發送到尋址晶體管24的柵極。當尋址晶體管24導通時，放大晶體管23放大浮置擴散區的電勢，并且輸出與該電勢對應的電壓到垂直信號線27。從每個像素輸出的電壓通過垂直信號線27發送到S/Η⑶S電路13。
復位晶體管25連接在電源Vdd和浮置擴散區之間。通過驅動線29將復位信號發送到復位晶體管25的柵極將浮置擴散區的電勢復位到電源Vdd的電勢。以行排列的像素的晶體管的這些操作同時進行，因為以行排列的轉移晶體管22、尋址晶體管24、以及復位晶體管25的柵極是連接的。
圖3是固態成像裝置的像素部分和外圍電路部分的示意剖面圖。根據該實施例的固態成像裝置從與布線層38位于的第一表面側相反的第二表面側接收光。
襯底30是例如η型娃襯底且對應于根據本發明一實施例的襯底。襯底30包括多個光電檢測器31，其每個構成單位像素。每個光電檢測器31對應于圖2所示的光電二極管 21。每個光電檢測器31由襯底30中的ρη結形成。襯底30通過以一方式減小硅晶片的厚度而形成，這樣光入射在襯底背側。襯底30的厚度取決于固態成像裝置的類型。在固態成像裝置用于可見光的情況，襯底30具有2-6 μ m的厚度。在固態成像裝置用于近紅外線的情況，襯底30具有6-10 μ m的厚度。
遮光膜33設置在襯底30的第二表面側(背側和光入射側)和由硅氧化物構成的絕緣膜32上。遮光膜33具有位于每個光電檢測器31上的開口 33a。遮光膜33被覆蓋以氮化硅構成的保護膜34。
保護膜34被覆蓋以濾色器35，其僅透射具有預定波長的光。使入射光會聚在每個光電檢測器31上的微透鏡36設置在濾色器35上。
在襯底30的第一表面側形成各種晶體管。襯底30的像素部分包括圖2所示的晶體管22-25 (圖3中未示出)。襯底30的外圍電路部分包括P阱和η阱(未示出)。這些阱包括CMOS電路。
包括多個金屬引線子層的布線層38設置在襯底30的第一表面(正面)上。支承襯底39設置在布線層38上，粘合層(未示出)設置在其間。設置支承襯底39以增加襯底30 的強度。支承襯底39例如是硅襯底。
圖4是襯底30的像素部分的局部剖面圖。
在襯底30的每個光電檢測器31中形成η型電荷積累區41 (第一導電類型區域)。 為了使存儲電荷的部分靠近第一表面側，優選地以一方式形成電荷積累區41從而雜質濃度隨著更接近第一表面側而增大。此外，為了有效地引進入射光，電荷積累區41可以以這樣的方式形成，即電荷積累區41的面積隨著更接近第二表面側而增大。
在襯底30中電荷積累區41被P阱42包圍。在襯底30的第二表面側和像素部分的整個表面上形成淺P型空穴積累區43 (第二導電類型區域)。在襯底30的第一表面側和每個光電檢測器31上形成淺P型空穴積累區44 (第二導電類型區域)。空穴積累區43和 44分別形成在電荷積累區41的第一和第二表面側，從而構成嵌入式光電二極管形成的每個光電檢測器31。
在襯底30的第一表面側形成由硅氧化物構成的元件隔離絕緣膜40。在襯底30的第一表面側形成η型浮置擴散區45。在浮置擴散區45和電荷積累區41之間形成ρ型區 46以將浮置擴散區45與電荷積累區41電分隔開。
轉移晶體管22的轉移柵極51形成在襯底30的第一表面上，柵極絕緣膜(未示出) 設置于其間。轉移柵極51位于與光電檢測器31相鄰且形成在P型區46上面。轉移柵極 51例如由多晶硅構成。
控制柵極52形成在襯底30的第一表面上，柵極絕緣膜(未示出)設置于其間。控制柵極52疊置在光電檢測器31的整個表面上。控制柵極52例如由多晶硅構成。考慮到可加工性和電阻，優選控制柵極52具有與轉移柵極51的厚度相當的厚度。光入射在第二表面側且因此不被設置在光電檢測器31的第一表面側的絕緣膜32遮擋。
除了像素中的轉移晶體管22之外，晶體管即圖2所示的放大晶體管23、尋址晶體管24和復位晶體管25形成在形成于襯底30的第一表面側的P阱42上。
下面參照圖4和5描述根據該實施例的固態成像裝置的操作。圖5是表，示出固態成像裝置的操作期間的偏壓(bias)示例。
在電荷積累周期，光沿圖中所示的箭頭指示的方向入射，然后被光電檢測器(光電二極管)31光電轉換以產生響應于入射光的量的信號電荷。信號電荷在電荷積累區41中漂移且在空穴積累區44附近的電荷積累區41中積累。在電荷積累周期中向轉移柵極51 施加負電壓導`致轉移晶體管22的截止狀態。向控制柵極52施加負電壓導致空穴在襯底30 的界面(第一表面)附近的積累，從而減小暗電流。
施加到控制柵極52的負電壓響應于控制柵極52下面的雜質濃度和柵極氧化物膜的厚度而變化。例如，在通過O. 25 μ m生成工藝形成具有I X IO1Vcm3的ρ型雜質濃度的空穴積累區44的情況，約-1V的電壓的施加可以充分地抑制暗電流的產生。
在讀操作中，向轉移柵極51施加正電壓導致轉移晶體管22的導通狀態。在光電檢測器31中積累的信號電荷轉移到浮置擴散區45。正電壓例如等于電源電壓(3. 3V或 2. 7V)。
在讀操作中，與積累中相同的負電壓(例如-1V)基本上施加給控制柵極52。可替換地，在讀操作中，約+ IV的正電壓可施加給控制柵極52。在這種情況下，積累的信號電荷接近第一表面側，從而提高轉移柵極51的讀能力。讀出所需的時間周期遠短于積累周期。 因此，由于向控制柵極52施加正電壓而引起的暗電流低。
浮置擴散區45的電勢根據傳輸的信號電荷的量而變化。浮置擴散區45的電勢通過放大晶體管23被放大。響應于該電勢的電壓輸出到垂直信號線27 (參見圖2)。
在復位操作中，向復位晶體管25的柵極施加正電壓使浮置擴散區45的電壓復位到電源電壓Vdd。在這種情況下，負電壓施加給轉移柵極51，導致轉移晶體管22的截止狀態。此外，負電壓施加給控制柵極52。
重復上述積累操作、讀取操作和復位操作。
下面描述制造固態成像裝置的方法。在該實施例中，將描述同時形成轉移柵極51 和控制柵極52的示例性方法。
如圖6A所示，通過淺槽隔離(STI)在襯底30上形成元件隔離絕緣膜40。然后，通過離子注入形成η型電荷積累區41、ρ阱42、ρ型空穴積累區44、以及ρ型區46。所述區域的形成順序沒有限制。
如圖6Β所示，通過熱氧化在襯底30上形成由硅氧化物構成的柵極絕緣膜60。隨后，通過化學氣相沉積(CVD)在柵極絕緣膜60上形成由多晶硅構成的電極層50。由多晶硅構成的電極層具有IOOnm至300nm的厚度。雜質在膜形成期間被引入到多晶硅中。
如圖7A所示，用抗蝕劑掩模蝕刻電極層50以形成轉移柵極51和控制柵極52。此時，同時形成其它晶體管的柵極(參見圖2)。
如圖7B所示，在整個表面上沉積硅氧化物或硅氮化物以用絕緣膜61填充轉移柵極51和控制柵極52之間的間隙。
由此，形成了轉移柵 極51和控制柵極52。下面將參照圖3描述形成柵極之后的工藝。在襯底30的第一表面側重復形成絕緣膜和引線以形成布線層38。然后，支承襯底39 結合到布線層38。
通過化學機械拋光(CMP)拋光襯底30的背側以減小襯底30的厚度。進行離子注入以及然后的激活退火以在襯底30的第二表面上形成ρ型空穴積累區43 (參見圖4)。優選地，激活退火時的溫度不超過溫度上限，因為在形成布線層之后進行激活退火。為了滿足要求，優選采用對布線層沒有熱影響的激光退火。
通過CVD在襯底30上形成由硅氧化物構成的絕緣膜32。遮光膜33形成且構圖在絕緣膜32上。通過CVD在遮光膜33上形成由硅氮化物構成的保護膜34。然后，形成濾色器35和微透鏡36。
因此，制成了根據該實施例的背側照射型固態成像裝置。
參照圖8和9描述形成每個是單層的轉移柵極51和控制柵極52的另一示例性方法。在圖8和9中，省略襯底的結構。
以與上述相同的方式通過淺槽隔離(STI)在襯底30上形成元件隔離絕緣膜40。 然后，通過離子注入形成η型電荷積累區41、ρ阱42、ρ型空穴積累區44和ρ型區46 (參見圖6Α)。所述區域的形成順序沒有限制。
如圖8Α所示，通過熱氧化在襯底30上形成由硅氧化物構成的柵極絕緣膜60。隨后，通過化學氣相沉積(CVD)在柵極絕緣膜60上形成由多晶硅構成的電極層50。由多晶硅構成的電極層具有IOOnm至300nm的厚度。在膜形成期間雜質被引入到多晶娃中。隨后， 通過CVD在電極層50上沉積硅氧化物膜62a和硅氮化物膜62b以形成包括硅氧化物膜62a 和娃氮化物膜62b的硬掩模62。
如圖8B所示，用光刻形成的抗蝕劑掩模構圖硬掩模62以在硬掩模62中形成具有寬度Wl的開口。寬度Wl的最小值取決于光刻分辨率的限制。
如圖8C所示,在硬掩模62中的開口的側壁上形成側壁絕緣膜63。通過在包括硬掩模62中的開口的內表面的整個表面上用CVD沉積硅氧化物膜且回蝕該硅氧化物膜來形成側壁絕緣膜63。側壁絕緣膜63的形成導致具有比取決于光刻分辨率限制的寬度Wl更小的寬度W2的開口。
如圖9A所示，用硬掩模62和側壁絕緣膜63干蝕刻電極層50以形成轉移柵極51 和控制柵極52。轉移柵極51和控制柵極52之間的間隙的寬度基本等于寬度W2。根據需要，間隙下的部分襯底30經歷離子注入。
如圖9B所示，在轉移柵極51、控制柵極52、以及間隙的整個表面上通過CVD相繼形成硅氧化物膜64a和硅氮化物膜64b以完成嵌入式絕緣膜64。
如圖9C所示，形成在硬掩模62上的嵌入式絕緣膜64被回蝕從而僅留下形成在轉移柵極51和控制柵極52之間的間隙中的嵌入式絕緣膜64。
隨后的步驟與上面相同。在該實施例中，作為示例描述了形成每個是單層的轉移柵極51和控制柵極52的方法，但不限于此。例如，在形成控制柵極52之后，通過氧化在控制柵極52的表面上形成硅氧化物膜，然后可以形成轉移柵極51。供選地，可以預先形成轉移柵極51，通過氧化在轉移柵極51的側壁上形成硅氧化物膜之后，可以形成控制柵極52。 當預先形成轉移柵極51時，可以用轉移柵極51作為用于離子注入的掩模來形成空穴積累區44。
圖10是包括固態成像裝置的攝像機的示意框圖。
攝像機100包括上述固態成像裝置101、光學系統102和信號處理電路103。根據本發明實施例的攝像機可以是包括固態成像裝置101、光學系統102和信號處理電路103的攝像機模塊。
光學系統102將來自目標的光(入射光)聚焦在固態成像裝置101的成像區域上。 入射光在固態成像裝置101的光電檢測器31中被轉化成與入射光量對應的信號電荷。信號電荷在光電檢測器31中積累預定時間周期。
信號處理電路103進 行從固態成像裝置101供給的輸出信號的信號處理且輸出圖像信號。
下面將描述根據該實施例的固態成像裝置、制造該固態成像裝置的方法、以及該攝像機的優點。
在根據該實施例的固態成像裝置中，控制柵極52設置在襯底30的第一表面上且疊置在光電檢測器31上。向控制柵極52施加負電壓導致空穴在襯底30的第一表面附近積累，從而降低暗電流。
因此，即使當空穴積累區44具有低ρ型雜質濃度時，也能夠抑制暗電流。因此，光電檢測器31的ρη結能夠靠近第一表面側，從而提高轉移柵極51的讀能力。能夠讀取的信號電荷的量能夠增加，從而改善了動態范圍。
在過去，為了抑制暗電流，會需要將空穴積累區44中的ρ型雜質濃度增加到約 lX1018/cm3。在該實施例中，空穴積累區44中的ρ型雜質濃度可以減小到約IXlOlfVcm3tj 為了進一步降低空穴積累區44中的雜質濃度，可以增大施加到控制柵極52的負電壓。
根據制造上述實施例的固態成像裝置的方法，能夠制造包括轉移柵極51和控制柵極52的固態成像裝置。特別地，當同時形成轉移柵極51和控制柵極52時，能夠用較小增加的制造步驟數制造固態成像裝置。
攝像機包括上述固態成像裝置。因此，可以制造具有低暗電流和寬動態范圍的攝像機。
第二實施例
圖11是根據第二實施例的固態成像裝置的襯底30的像素部分的局部剖面圖。與第一實施例中相同的元件用相同的附圖標記表示，不再重復多余的描述。
兩個控制柵極，即第一控制柵極52-1和第二控制柵極52-2形成在襯底30的第一表面上，柵極絕緣膜(未示出)設置在其間。第一控制柵極52-1位于轉移柵極51和第二控制柵極52-2之間。第一和第二控制柵極52-1和52-2疊置在光電檢測器31上。第一和第二控制柵極52-1和52-2例如由多晶硅構成。考慮到可加工性和電阻，第一和第二控制柵極52-1和52-2的每個優選具有與轉移柵極51的厚度相當的厚度。光入射在第二表面側且因此不被位于第一表面側的第一和第二控制柵極52-1和52-2阻擋。此外，三個或更多控制柵極可位于光電檢測器31上。
上述固態成像裝置以與第一實施例相同的方式制造。例如，轉移柵極51以及第一和第二控制柵極52-1和52-2可以以與第一實施例相同的方式同時形成。供選地，在形成第一控制柵極52-1之后，在第一控制柵極52-1的表面上通過氧化形成硅氧化物膜，然后轉移柵極51和第二控制柵極52-2可以形成在第一控制柵極52- 1的兩側。
下面將參照圖11和12描述根據該實施例的固態成像裝置的操作。圖12是表，示出固態成像裝置的操作期間偏壓的示例。
在電荷積累周期，光沿圖中所示箭頭指示的方向入射，然后通過光電檢測器(光電二極管)31被光電轉換從而產生響應于入射光量的信號電荷。信號電荷在電荷積累區41 中漂移且積累在空穴積累區44附近的電荷積累區41中。在電荷積累周期中向轉移柵極51 施加負電壓導致轉移晶體管22的截止狀態。向第一和第二控制柵極52-1和52-2施加負電壓導致空穴在襯底30的界面(第一表面)附近的積累，從而減少暗電流。
施加給第一和第二控制柵極52-1和52-2的負電壓響應于控制柵極52下面的雜質濃度和柵極氧化物膜的厚度而變化。例如，在通過O. 25 μ m生成工藝形成具有I X IO16/ cm3的ρ型雜質濃度的空穴積累區44的情況下，施加約-1V的電壓可以充分抑制暗電流的產生。信號電荷積累在空穴積累區44附近的電荷積累區41中。
在讀操作(讀I)中，正電壓(例如約+ IV)施加到第一控制柵極52-1上。因此，基于與CCD相同的原理，電荷積累區41中的信號電荷聚集在第一控制柵極52-1下方。
正電壓施加到轉移柵極51。負電壓施加到第一控制柵極52-1 (參見讀2)，導致轉移晶體管22的導通狀態。聚集在第一控制柵極52-1下面的信號電荷傳輸到浮置擴散區 45。施加到轉移柵極51的正電壓例如等于電源電壓(3. 3V或2. 7V)。向第一控制柵極52_1 施加負電壓導致電場沿水平方向施加到襯底30，從而有效地將信號電荷傳輸到浮置擴散區 45。
浮置擴散區45的電勢根據傳輸的信號電荷的量而變化。浮置擴散區45的電勢通過放大晶體管23被放大。響應于該電勢的電壓輸出到垂直信號線27 (參見圖2).
在復位操作中，向復位晶體管25的柵極施加正電壓使浮置擴散區45的電壓復位到電源電壓Vdd。在該情況下，負電壓施加到轉移柵極51，導致轉移晶體管22的截止狀態。 此外，負電壓施加到第一和第二控制柵極52-1和52-2。
重復上述積累操作、讀取操作和復位操作。
在該實施例中，在光電檢測器31上形成多個第一和第二控制柵極52-1和52_2。 第一和第二控制柵極52-1和52-2的順序導通/截止導致產生沿水平方向的電場，從而有效地傳輸電荷。
在過去，從電荷的有效讀出的立場，當在襯底30中水平產生電場時，會需要改變電荷積累區41中沿水平方向的雜質濃度。在該情況，在電荷積累區41的雜質濃度低的區域電勢阱較淺，從而減小了積累的電荷量和動態范圍。在該實施例中，不需要沿水平方向的濃度梯度；因此，沒有觀察到動態范圍的減小。該實施例對于包括大像素的固態成像裝置特別有效。
根據制造固態成像裝置的方法，能夠制造包括轉移柵極51以及第一和第二控制柵極52-1和52-2的固態成像裝置。特別地，當同時形成轉移柵極51以及第一和第二控制柵極52-1和52-2時，能夠以較少增加的制造步驟數制造該固態成像裝置。
攝像機包括上述固態成像裝置。因此，可以制造具有低的暗電流和寬的動態范圍的攝像機。
第三實施例
圖13是根據第三實施例的固態成像裝置的襯底30的像素部分的局部剖面圖。與第一實施例中相同的元件用相同的附圖標記表示，不再重復多余的描述。
控制柵極52形成在襯底30的第一表面上，柵極絕緣膜(未示出)設置于其間。在該實施例中，控制柵極52部分交迭光電檢測器31。空穴積累區44不形成在控制柵極52之下。即，形成接著轉移柵極51的僅定位控制柵極52的區域和僅定位空穴積累區44的區域。 供選地，空穴積累區44可形成在光電檢測器31的整個表面上。此外，控制柵極52和空穴積累區44可以相反地布置。
以與第一實施例中相同的方式制造上述固態成像裝置。例如，可以用與第一實施例中相同的方式同時形成轉移柵極51和控制柵極52。供選地，在形成控制柵極52之后，通過氧化在控制柵極52的表面上形成硅氧化物膜，然后可以形成轉移柵極51。供選地，形成轉移柵極51，且在通過氧化在轉移柵極51的側壁上形成硅氧化物膜之后，可以形成控制柵極52。可在形成轉移柵極51和控制柵極52之前形成空穴積 累區44。供選地，用轉移柵極 51和控制柵極52作為掩模，空穴積累區44可通過離子注入形成。
下面參照圖13描述根據該實施例的固態成像裝置的操作。固態成像裝置操作期間的偏壓不例與第一實施例中相同(參見圖5)。
在電荷積累周期，光沿圖中所示箭頭指示的方向入射，且然后通過光電檢測器(光電二極管)31被光電轉換從而產生響應于入射光量的信號電荷。信號電荷在電荷積累區41 中漂移且積累在電荷積累區41的第一表面側。在電荷積累周期中向轉移柵極51施加負電壓導致轉移晶體管22的截止狀態。負電壓施加到控制柵極52。由于空穴積累區44和控制柵極52，空穴積累在光電檢測器31的第一表面附近，從而減少暗電流。
在讀操作中，向轉移柵極51施加正電壓導致轉移晶體管22的導通狀態。積累在光電檢測器31中的信號電荷傳輸到浮置擴散區45。正電壓例如等于電源電壓(3. 3V或 2. 7V)。
在讀操作中，與積累時相同的負電壓(例如-1V)基本施加到控制柵極52。供選地， 在讀操作中，約十IV的正電壓可施加到控制柵極52。在該情況下，信號電荷靠近第一表面側，從而提高了轉移柵極51的讀能力。讀取所需的時間周期遠短于積累周期。因此，由于向控制柵極52施加正電壓而引起的暗電流較低。
浮置擴散區45的電勢根據傳輸的信號電荷量而變化。浮置擴散區45的電勢通過放大晶體管23被放大。響應于該電勢的電壓輸出到垂直信號線27 (參見圖2)。
在復位操作中，向復位晶體管25的柵極施加正電壓使浮置擴散區45的電壓復位到電源電壓Vdd。在該情況下，負電壓施加到轉移柵極51，導致轉移晶體管22的截止狀態。 此外，負電壓施加到控制柵極52。
重復上述積累操作、讀取操作和復位操作。
根據該實施例的固態成像裝置，即使當控制柵極52部分交迭光電檢測器31，也可以實現與第一實施例中相同的效果，即可以減小暗電流和提高讀能力。此外，通過設置控制柵極52，可以僅在部分光電檢測器31中形成空穴積累區44。
當空穴積累區44形成在僅部分光電檢測器31中時，空穴積累區44可以用轉移柵極51和控制柵極52作為掩模通過離子注入以自對準方式形成。可在光電檢測器31的整個表面上形成空穴積累區44。
攝像機包括上述固態成像裝置。因此，可以制造具有低暗電流和寬動態范圍的攝像機。
根據上述第一至第三實施例，可以制造具有低暗電流和改善的讀能力的固態成像裝置和攝像機。
第四實施例
圖14是根據第四實施例的固態成像裝置的像素部分的局部剖面圖。與第一實施例中相同的元件用相同的附圖標記表示，不再重復多余的描述。
根據該實施例的固態成像裝置包括在構成作為光電轉換器的光電二極管的光電檢測器31的光接收表面上的透明導電膜74，即在第一導電類型的區域(η型電荷積累區)41 的光接收表面上，單層絕緣膜71設置在其間。固態成像裝置以這樣的方式構造使得負電壓施加到透明 導電膜74。透明導電膜74起到控制柵極的作用，其控制光接收表面的電勢。透明導電膜74被覆蓋以平坦化膜76，絕緣膜例如硅氧化物膜75設置在其間。平坦化膜76被覆蓋以濾色器35。濾色器35被覆蓋以芯片上微透鏡36。透明導電膜74通過硅氧化物膜75連接到引線77 (也起遮光膜的作用)。引線77從成像部分81 (對應于像素部分11)延伸到外圍電路部分82。
在這個實施例中，透明導電膜74下面的絕緣膜71的厚度dl，即該實施例中硅氧化物膜的厚度dl，設置在50nm或更小，從而具有透明導電膜74的該結構有利地在光電二極管中具有優良的光吸收系數。優選地，是絕緣膜71的硅氧化物膜的厚度dl設定在50nm或更小，適應于硅氧化物膜的厚度dl優化透明導電膜74的厚度d2。絕緣膜71可以是氮氧化硅膜和硅氧化物膜。
在透明導電膜74是含有銦和錫的氧化物膜，即銦錫氧化物(ITO)膜的情況下，形成由透明導電膜(ΙΤ0膜)74和絕緣膜(硅氧化物膜)71構成的抗反射膜，因為透明導電膜 (ΙΤ0膜)74具有約2. O的折射率，絕緣膜(硅氧化物膜)71具有約1. 45的折射率。透明導電膜74可以是包含鋅的氧化物膜即氧化鋅膜以及ITO膜。
絕緣膜71的厚度dl可以是50nm或更小，在1. Onm至50nm的范圍，優選30nm或更小，更優選地15nm至30nm。當優化硅氧化物膜(厚度dl)和ITO膜(厚度d2)時，絕緣膜 71的較薄厚度dl改善了透射率，從而導致固態成像裝置的更高靈敏度。超過50nm的厚度增大反射分量。小于1. Onm的厚度降低絕緣性能。
根據第四實施例，透明導電膜74形成在構成光電二極管的光電檢測器31的光接收表面上，具有單層結構的絕緣膜71設置于其間。向透明導電膜74施加負電壓導致光電二極管表面上的空穴積累狀態。換言之，空穴積累在光電二極管的表面上，從而抑制由于界面態導致的暗電流分量。此外，當折射率低于透明導電膜74的折射率的絕緣膜71的厚度 dl設定在50nm或更小時，絕緣膜71設置在透明導電膜74之下，形成透明導電膜74和絕緣膜71構成的抗反射膜。因此，即使當設置透明導電膜74時，靈敏度不減小。因此，根據該實施例，可以制造具有低暗電流和高靈敏度的固態成像裝置。
以與嵌入式光電二極管相同的方式，通過在光電二極管的表面上形成透明導電膜，絕緣膜設置于其間，且施加負電壓到透明導電膜以在光電二極管的表面上形成空穴積累態，可以抑制由于界面而導致的暗電流。然而，該結構中有缺點。透明導電膜的形成增加了堆疊在光電二極管上的層數，從而增大了從上面的層之間的界面反射的反射分量，或者增大了透明導電膜諸如ITO膜中較短波長的 光的吸收。盡管能夠降低暗電流，但由于這些光學缺點而會降低靈敏度。
相反，根據該實施例，透明導電膜74下面的單層絕緣膜71例如硅氧化物膜或氮氧化硅膜的厚度dl設定為50nm或更小，然后適應于厚度dl優化 透明導電膜74的厚度d2，從而達到界面處暗電流的抑制和靈敏度的改善之間的平衡。
具體地，當透明導電膜74下面的絕緣膜71 (在該實施例中為硅氧化物膜)的厚度設定在50nm或更小時，光電二極管中的光吸收系數的優勢參照圖15-19得到證實。
下面描述如圖14所示的裝置結構，包括在絕緣膜(硅氧化物膜)71上的透明導電膜(ΙΤ0膜)74。圖15是曲線圖，示出光電二極管中的光吸收系數，吸收系數通過用透明導電膜(ITO) 74的厚度d2和絕緣膜(硅氧化物膜)71的厚度dl作為參數的模擬來確定。
在圖15中，光電二極管的深度采用4μπι。水平軸表示光電二極管中450nm光的吸收系數，藍光的吸收系數。縱軸表示光電二極管中550nm光的吸收系數，綠光的吸收系數。 兩種吸收系數都繪出。圖中圖例所示的“Ox”意指是設置在透明導電膜(ΙΤ0膜)74下面的絕緣膜的硅氧化物膜的厚度。相關于圖中用曲線(細線)表示的硅氧化物膜的厚度，ITO膜的厚度以IOnm的步幅從Onm改變到lOOnm。圖例中的術語“無IT0”的曲線意指娃氧化物膜的厚度單獨從Onm改變到200nm而沒有形成ITO膜的情況下的數據。
設置在透明導電膜(ITO膜)之上的上膜固定。設置在透明導電膜(ITO膜)74上的絕緣膜(硅氧化物膜)75采用IOOnm厚度。平坦化膜76采用由包含硅(Si)、氧(O)和碳 (C)的材料構成，具有1. 5的折射率，且具有I μ m的厚度。濾色器35采用由具有約1. 6至1.7的折射率的材料構成。
圖15示出適應于設置在透明導電膜(ITO膜)74之下的絕緣膜(硅氧化物膜)的厚度dl，ITO膜的最優厚度d2的存在，以實現藍光和綠光吸收系數之間的平衡。該曲線圖證實即使在設定最佳ITO膜厚時，藍光和綠光的最大吸收系數取決于設置在ITO膜下面的硅氧化物膜的厚度dl。光電二極管中光的吸收系數優選存在于實線表示的框內(光電二極管中藍光和綠光每個的吸收系數的范圍為約73%或更大)。更優選地，藍光和綠光的吸收系數每個是80%或更大。與具有硅氧化物膜而沒有ITO膜的結構相比，在具有ITO膜的結構中， 會要求設置在ITO膜下面的至少硅氧化物膜具有50nm或更小的厚度dl以保持光電二極管中光吸收系數的優勢。ITO膜優選具有30nm或更小的厚度從而包括ITO膜的結構與不包括 ITO膜的結構相比在光電二極管中的光吸收系數方面具有優勢。
圖16和17每個是強度曲線圖，示出光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，設置在 ITO膜下面的硅氧化物膜的厚度dl和ITO膜的厚度d2改變。圖16示出光電二極管中具有450nm波長的藍光的吸收系數。圖17示出光電二極管中具有550nm波長的綠光的吸收系數。圖16和17顯示，為了增加藍光和綠光的吸收系數，設置在ITO膜下面的硅氧化物膜的較小的厚度dl是優選的。在圖16和17中，白區域84和85是最佳區域。
此外，圖18是曲線圖，示出光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，設置在ITO膜下面的硅氧化物膜的厚度dl是20nm。圖19是曲線圖，示出光電二極管中藍光和綠光的吸收系數，設置在ITO膜下面的硅氧化物膜的厚度dl是160nm。當圖19所示硅氧化物膜的厚度 dl是160nm時，ITO膜的厚度d2的藍光峰值與厚度d2的綠光峰值不同。即，藍光和綠光的吸收系數沒有良好地平衡。另一方面，如圖18所示，當硅氧化物膜的厚度dl小時，通過優化ITO膜的厚度d2實現藍光和綠光的吸收系數之間的平衡。
根據本發明的該實施例，包括根據第四實施例的固態成像裝置的攝像機可具有低的暗電流和改善的靈敏度。
在第四實施例中，單層結構的硅氧化物膜或氮氧化硅膜形成為透明導電膜74下面的絕緣膜71。可替換地，包括至少兩類子膜的層疊膜可形成為絕緣膜。下面描述該情況的實施例。
第五實施例
圖20是根據 第五實施例的固態成像裝置的像素部分的局部剖面圖。另外，在該實施例中，固態成像裝置是背面照射型。與第一實施例相同的元件用相同的附圖標記表示，不再重復多余的描述。
根據該實施例的固態成像裝置包括在光電檢測器31的光接收表面上的透明導電膜74，即在第一導電類型的區域(η型電荷積累區)41的光接收表面上，層疊的絕緣膜83設置在其間，光電檢測器31構成作為光電轉換器的光電二極管。在該實施例中，層疊的絕緣膜83具有兩層結構，包括下絕緣子膜72 (硅氧化物(SiO2)子膜)和上絕緣子膜73 (氮化硅 (SiN)子膜)。固態成像裝置以負電壓施加到透明導電膜74上的方式配置。透明導電膜74 起控制柵極的作應，其控制光接收表面的電勢。下絕緣子膜(硅氧化物膜)72形成得接觸光電檢測器的光接收表面。透明導電膜74被覆蓋以平坦化膜76，絕緣膜例如硅氧化物膜75 設置在其間。平坦化膜76被覆蓋以濾色器35。濾色器35被覆蓋以芯片上微透鏡36。透明導電膜74穿過硅氧化物膜75連接到引線77 (也起遮光膜的作用)。引線77從成像部分 81 (對應于像素部分11)延伸到外圍電路部分82。
在兩絕緣子膜72和73中，上絕緣子膜73 (氮化硅子膜)具有約2. O的折射率。透明導電膜74諸如ITO膜具有約2. O的折射率。因此，上絕緣子膜具有與透明導電膜基本相同的光學屬性。因此，透明導電膜(ΙΤ0膜)74的厚度d2實際上被視為具有基本相同折射率的透明導電膜(ΙΤ0膜)74和上絕緣子膜(氮化硅子膜)73的總厚度。具有約2. O折射率的鉿氧化物(HfO2)子膜可用作上絕緣子膜73來代替氮化硅子膜。
在該實施例中，透明導電膜74下面的下絕緣子膜(硅氧化物子膜)72的厚度dl設定為50nm或更小，如第四實施例那樣。優選地，下絕緣子膜(硅氧化物子膜)72的厚度dl 設定為50nm或更小，適應于絕緣子膜(硅氧化物子膜)的厚度dl優化透明導電膜的有效厚度d2。氮氧化硅子膜可用作下絕緣子膜72來代替硅氧化物子膜。氧化鋅膜也和ITO膜一樣可用作透明導電膜74。
當上絕緣子膜73是鉿氧化物(HfO2子膜)時，下絕緣子膜(硅氧化物子膜)72的厚度dl可減小到約O. 5nm。因此，厚度dl可以是50nm或更小，在1. 0nm-50nm的范圍，優選 30nm或更小，更優選15nm_30nm。
當對于根據該實施例的包括層疊絕緣膜83的結構測量圖15所示的數據時，ITO膜的厚度d2被有效地視為ITO膜74和由氮化硅或鉿氧化物構成的上絕緣子膜73的總厚度。 因此，在第五實施例中，也觀察到與圖15相同的趨勢。
根據第五實施例，透明導電膜74形成在構成光電二極管的光電檢測器31的光接收表面上，層疊絕緣膜83設置在其間，層疊絕緣膜83包括由硅氧化物構成的下絕緣子膜 72，如第四實施例那樣。向透明導電膜74施加負電壓導致光電二極管的表面上的空穴積累狀態。換言之，在光電二極管的表面上積累空穴，從而抑制由于界面態造成的暗電流分量。 此外，在透明導電膜74下面的硅氧化物子膜的厚度dl設定在50nm或更小的情況下，即使當使用透明導電膜74時，也不會降低靈敏度。因此，可以制造具有低暗電流和高靈敏度的固態成像裝置。
根據本發明該實施例，包括根據第五實施例的固態成像裝置的攝像機能夠有低的暗電流和改善的靈敏度。
圖21A-22G示出制造根據第四實施例的固態成像裝置的方法的實施例。圖 21A-22G每個是示意剖面圖，示出成像部分81和外圍電路部分82。
如圖21A所示，具有預定厚度的單層絕緣膜71和具有預定厚度的透明導電膜74 層疊在襯底30的背面，襯底30包括在成像部分81中的具有光電二極管和布線層的像素以及在外圍電路部分82中的預定外圍電路，絕緣膜71和透明導電膜74設置在光電二極管和外圍電路側的整個表面上。絕緣膜71優選具有小的厚度。
在該實施例中，考慮到耐`受電壓和吸收系數，形成具有單層結構和15nm厚度的絕緣膜(硅氧化物膜)71。在絕緣膜(硅氧化物膜)71上形成具有50nm厚度的作為透明導電膜74的ITO膜。作為絕緣膜71的硅氧化物膜可通過例如用SiH4和O2作為源氣體的等離子體增強CVD或用四乙氧基硅烷(TEOS)的等離子體增強CVD形成。作為透明導電膜74的 ITO膜可用ITO靶通過濺射形成。在該情況下，會需要適應于下絕緣膜(硅氧化物膜)71的厚度dl優化透明導電膜(ΙΤ0膜)74的厚度d2。如上所述，絕緣膜(硅氧化物膜)的厚度dl 是15nm。因此，透明導電膜(ΙΤ0膜)74的厚度適應于厚度dl優化為50nm。當然，當硅氧化物膜的厚度dl改變時，ITO膜的厚度d2也適應于厚度dl而改變。
如圖21B所示，選擇性地蝕刻ITO膜74，從而在期望的部分上留下ITO膜74，SP， 僅在形成像素的成像部分81上。
如圖21C所示，在透明導電膜(ΙΤ0膜)74和外圍電路部分82側的整個表面上形成具有預定厚度的絕緣膜(硅氧化物膜)75。在該實施例中，通過等離子體增強CVD形成具有約150nm厚度的絕緣膜(硅氧化物膜)75。
如圖21D所示，在絕緣膜(硅氧化物膜)75中形成用于施加偏壓給透明導電膜(ΙΤ0 膜)74的引線的接觸孔86。
如圖22E所示，在包括接觸孔86的整個表面上形成起遮光膜和引線作用的金屬膜 77a。金屬膜77a可具有多層結構。多層結構可以是Al/TiN/Ti結構，最上層由Al構成。
如圖22F所示，構圖金屬膜77a，以形成朝外圍電路部分82延伸并且還起遮光膜作用的引線77。
如圖22G所示，在整個表面上形成具有預定厚度的平坦化膜76。在該實施例中，主要由硅(Si)、氧(O)和碳(C)組成的絕緣材料以這樣的方式施加，即所得膜具有約I μ m的厚度，然后所得膜被退火以形成平坦化膜76。在平坦化膜76上形成濾色器35。此外，在其上形成用于聚集光的芯片上微透鏡36。從而，制造了根據第四實施例的目標固態成像裝置。
圖23A-24G示出制造根據第五實施例的固態成像裝置的方法的實施例。圖 23A-24G每個是示意剖面圖，示出成像部分81和外圍電路部分82。
如圖23A所示，在襯底30的背面層疊具有預定厚度的層疊絕緣膜83和具有預定厚度的透明導電膜74，襯底30包括在成像部分81中的具有光電二極管和布線層的像素以及在外圍電路部分82中的預定外圍電路，層疊絕緣層83和透明導電膜74設置在光電二極管和外圍電路側的整個表面上。
在該實施例中，形成具有約15nm厚度的硅氧化物子膜作為下絕緣子膜72。作為上絕緣子膜73的氮化硅子膜形成在其上以形成層疊絕緣膜83。此外，作為透明導電膜74 的ITO膜形成在其上。作為下絕緣子膜72的硅氧化物子膜可通過例如用SiH4和O2作為源氣體的等離子體增強CVD或用四乙氧基硅烷(TEOS)的等離子體增強CVD形成。作為上絕緣子膜73的氮化硅子膜可通過用SiH4和NH3或者用SiH4和N2作為氣體源的等離子體增強 CVD形成。作為透明導 電膜74的ITO膜可通過用ITO靶的濺射形成。上絕緣子膜(氮化硅子膜)73和透明導電膜(ΙΤ0膜)74的總厚度d2會需要適應于下絕緣子膜(硅氧化物子膜) 72的厚度來優化。下絕緣子膜(硅氧化物子膜)72優選具有小的厚度。在該情況下，下絕緣子膜(硅氧化物子膜)72具有約15nm的厚度。適應于下絕緣子膜72的厚度，上絕緣子膜 (氮化硅子膜)73的厚度優化為約30nm，透明導電膜(ΙΤ0膜)優化為約20nm。當然，當絕緣子膜(硅氧化物子膜)72的厚度dl改變時，上絕緣子膜(氮化硅子膜)73和透明導電膜(ΙΤ0膜)的厚度也改變。
如圖23B所示，選擇性地蝕刻透明導電膜(ΙΤ0膜)74以在期望部分留下ITO膜74， 即僅在形成像素的成像部分81上。
如圖23C所示，在透明導電膜(ITO膜)74和外圍電路部分82側的整個表面上形成具有預定厚度的絕緣膜(硅氧化物膜)75。在該實施例中，通過等離子體增強CVD形成具有約150nm厚度的絕緣膜(硅氧化物膜)75。
如圖23D所示，在絕緣膜(硅氧化物膜)75中形成用于施加偏壓給透明導電膜(ΙΤ0 膜)74的引線的接觸孔86。
如圖24E所示，在包括接觸孔86的整個表面上形成起遮光膜和引線作用的金屬膜 77a。金屬膜77a可具有多層結構。多層結構可以是Al/TiN/Ti結構，最上層由Al構成。
如圖24F所示，構圖金屬膜77a以形成朝外圍電路部分82延伸并且還起遮光膜作用的引線77。
如圖24G所示，在整個表面上形成具有預定厚度的平坦化膜76。在該實施例中，主要由硅(Si)、氧(O)和碳(C)構成的絕緣材料以這樣的方式施加，即所得膜具有約I μ m的厚度，然后所得膜被退火以形成平坦化膜76。在平坦化膜76上形成濾色器35。此外，用于聚集光的芯片上微透鏡36形成在其上。從而，制造了根據第五實施例的目標固態成像裝置。
根據制造該實施例的固態成像裝置的方法，能夠制造實現由于界面態而導致的暗電流與高靈敏度之間的良好平衡的背面照射CMOS固態成像裝置。
在第六實施例中，可以使用這樣的結構，其中圖14和20的每個所示的固態成像裝置還包括用于抑制暗電流的P型半導體區(空穴積累區)，P型半導體區形成在構成光電二極管的η型半導體區的光接收表面上。嵌入式光電二極管的組合減小了施加給透明導電膜的負電壓，且減小了在界面P型半導體區中的雜質濃度，從而獲得如已知技術中那樣抑制暗電流的效果。
此外，第四、第五、或第六實施例可以與第一、第二、或第三實施例組合。
在第四、第五和第六實施例中，提供了背面照射型CMOS圖像傳感器。可替換地，可以提供正面照射型CMOS圖像傳感器。此外，還可以提供CXD 圖像傳感器。
如上所述，根據第四、第五和第六實施例，可以制造實現低暗電流和改善的靈敏度之間的良好平衡的攝像機。
第六實施例
下面描述根據本發明第六實施例的固態成像裝置。
圖25是根據第六實施例的固態成像裝置的像素部分的局部剖面圖。在該實施例中，固態成像裝置也是背面照射型。與第一實施例相同的元件用相同的附圖標記表示，不再重復多余的描述。
根據該實施例的固態成像裝置包括具有預定厚度d3和負固定電荷的膜，例如至少部分結晶的絕緣膜92，該膜設置在光電檢測器31的光接收表面(即襯底的第二表面側) 上，光電檢測器31構成起光電轉換器作用的光電二極管，換言之，該膜設置在第一導電類型區(η型電荷積累區)41的光接收表面上。至少部分結晶的絕緣膜92是由選自鉿、鋯、鋁、 鉭、鈦、釔、鑭系元素等的元素的氧化物構成的絕緣膜。至少部分結晶的絕緣膜92在絕緣膜中具有至少部分結晶的區域。
至少部分結晶的絕緣膜92可具有3nm-100nm的厚度。在小于3nm的厚度，該膜不易于結晶。從實際觀點出發，厚度的上限可為約lOOnm。不需要更大的厚度。考慮到光學性能諸如透射率，數十納米的厚度是較佳的。
在結晶的絕緣膜92和光電檢測器31的光接收表面之間的界面處形成具有預定厚度d3的絕緣膜93 (在該實施例中為硅氧化物膜)。作為結晶的絕緣膜92的鉿氧化物膜在預定溫度經歷結晶退火以在膜中產生負電荷。所得的結晶的絕緣膜92具有控制光電檢測器31的光接收表面的電勢的電致控制功能。
結晶的絕緣膜92被覆蓋以平坦化膜95，具有預定厚度的絕緣膜94諸如硅氧化物膜設置在其間。平坦化膜95被覆蓋以濾色器35。濾色器35被覆蓋以芯片上微透鏡36。 遮光膜97設置在與成像部分81 (對應于像素部分11)相鄰的外圍電路部分82中在絕緣膜 (硅氧化物)94上。
結晶的絕緣膜92例如鉿氧化物膜具有約2. O的折射率。設置在結晶的絕緣膜92 上的絕緣膜(硅氧化物膜)94具有約1. 45的折射率。因此，形成結晶的絕緣膜(鉿氧化物膜) 92和絕緣膜(硅氧化物膜)94構成的抗反射膜。
根據第六實施例的固態成像裝置，在光電檢測器31的光接收表面上形成具有負固定電荷的膜，例如至少部分結晶的絕緣膜92，從而導致在光電二極管的表面上的空穴積累狀態。這可以抑制由于界面態造成的暗電流分量。此外，空穴積累狀態可以產生在光電二極管的表面上，而沒有已知的用于形成空穴積累層的離子注入或退火，或者盡管是低劑量， 因此抑制了由于界面態導致的暗電流。此外，通過具有負固定電荷的膜例如結晶的絕緣膜 92 (例如鉿氧化物膜)和結晶的絕緣膜92上的絕緣膜(硅氧化物膜)94構成抗反射膜，由此實現了低按電流和高靈敏度。
根據本發明的實施例，包括根據第六實施例的固態成像裝置的攝像機可具有低暗電流和改善的靈敏度。
下面進一步詳細地描述該實施例。上述光電二極管，即具有設置在第一導電類型的第一區域(η型電荷積累區)的表面側的第二導電類型的第二區域(ρ型電荷積累區)的嵌入式光電二極管結構，通過在界面附近形成空穴積累區抑制了因為界面態而由載流子生成 (carrier generation)導致的暗電流。當空穴積累狀態不能通過離子注入形成時,表面附近的空穴積累狀態不通過光電二極管中的雜質剖面分布(profile)(摻雜劑剖面分布)形成，而是通過光電二極管的上層中的固定電荷形成。與光電檢測器接觸的膜優選具有較低的界面態密度，因為暗電流被減小。即，需要形成具有低界面態密度和在膜中具有負固定電荷的膜。
通過原子層沉積而沉積的鉿氧化物適于作為形成具有低界面態密度和在膜中具有負固定電荷的膜的材料。
在低功耗LSI中，為了實現低漏電流，近來已經研究了每個具有數納米厚度的鉿氧化物膜。此外，已知鉿氧化物的結晶增大了漏電流。通常，用于柵極絕緣膜且每個具有數納米厚度的鉿氧化物膜大約在500°C結晶。因此，為了提高耐熱性，采用通過將Si引入到鉿氧化物中來提高結晶溫度的方法。然而，在鉿氧化物膜不用于柵極絕緣膜，而是形成在圖像傳感器的光電二極管表面上的情況，漏電流特性不產生問題。
為了獲得低反射膜 結構，如圖26所示，鉿氧化物(HfO2)膜優選具有約50nm的厚度。圖26是曲線圖，示出光電二極管結構的吸收系數與厚度的相關性，光電二極管結構具有硅氧化物(SiO2)膜、鉿氧化物(HfO2)膜、硅氧化物(SiO2)膜、以及濾色器，其順序形成在光電二極管上，鉿氧化物膜的厚度以IOnm的步幅從IOnm改變到lOOnm。縱軸表示綠光電二極管中光的吸收系數(％)。水平軸表示藍光電二極管中光的吸收系數(％)。在約50nm厚度，藍光電二極管中光的吸收系數是90%或更大，綠光電二極管中光的吸收系數是80%或更大。
如上所述，發現過去沒有用于已知MOS-LSI的厚鉿氧化物膜具有低結晶溫度，在約300°C開始結晶。圖27A和27B每個是有或沒有在320°C熱處理16小時的鉿氧化物膜的 TEM照片。圖27A是沒有熱氧化處理的鉿氧化物膜的TEM照片。圖27B是熱氧化處理之后的鉿氧化物膜的TEM照片。在圖27A和27B的每個中，硅氧化物膜202、鉿氧化物膜203和用作保護膜的硅氧化物膜204順序層疊在硅襯底201上。圖27B顯示，鉿氧化物膜203在熱處理之后完全結晶。在圖27A所示的沒有經歷熱處理的鉿氧化物膜203中，結晶被限制在膜的局部區域。
圖28示出在通過熱處理結晶期間鉿氧化物膜中固定電荷的屬性。圖29示出包括具有IOnm厚的鉿氧化物(HfO2)膜和硅氧化物(SiO2)膜的層疊膜的MOS電容器的C-V特性， 層疊膜起柵極絕緣膜的作用。圖28示出MOS電容器的平帶電壓Vfb的測量結果，熱處理溫度固定在320°C，熱處理時間改·變。圖28顯示，平帶電壓Vfb隨著熱處理時間延長而朝較高電壓偏移。即，該結果表明在鉿氧化物膜中負電荷量的增大。
類似地，圖29示出MOS電容器的平帶電壓Vfb的屬性，熱處理時間固定在一小時， 熱處理溫度改變。在該情況下，結果表明平帶電壓Vfb隨著熱處理溫度增大而朝較高電壓移動。即，該結果表明鉿氧化物膜中負電荷量的增大。
使用具有例如50nm厚度的厚鉿氧化物膜能夠實現低反射結構，且能夠降低結晶溫度以增大絕緣膜中負電荷的量。因此，鉿氧化物膜適于固態成像裝置。如上所述，發現具有IOnm或更大厚度的鉿氧化物膜在400°C或更低溫度的熱處理導致結晶鉿氧化物膜的形成。此外，發現隨著熱處理時間或熱處理溫度增加，即隨著結晶進行，在鉿氧化物膜中形成負電荷。對于用于MOS-LSI和柵極絕緣膜的已知應用，由于結晶引起的大量負電荷和漏電流增大是不利的特性。然而，在該實施例中，鉿氧化物膜對于固態成像裝置的光電二極管的表面上空穴的積累是顯著有效的。通過在400°C或更低溫度下的低溫工藝，鉿氧化物膜的使用導致光電二極管的表面上空穴積累狀態的形成，從而抑制暗電流。
在該實施例中，已經描述了鉿氧化物膜。可替換地，由選自鋯、鋁、鉭、鈦、釔、鑭系元素等的元素的氧化物構成的絕緣膜也能夠在膜中形成負固定電荷。在光接收表面上形成這些氧化物絕緣膜之一導致光電二極管表面上空穴積累狀態的形成，從而抑制暗電流。
圖30A-32G示出制造根據第六實施例的固態成像裝置的方法的實施例。圖 30A-32G每個是示意剖面圖，示出成像部分81和外圍電路部分82。
多個像素以二維陣列形成在圖30A所示的半導體襯底30的成像部分81中。邏輯電路等形成在外圍電路部分82中。
如圖30B所示，在成像部分81和外圍電路部分82的整個表面上通過ALD形成鉿氧化物膜92。鉿氧化物膜92具有約2. O的折射率。因此，膜厚度的適當調整導致抗反射效果的獲得。優選地，形成具有50nm-60nm厚度的鉿氧化物膜92。此外，當通過ALD形成鉿氧化物膜92時，在襯底30的表面即光電二極管的表面與鉿氧化物膜92之間的界面處形成具有約Inm厚度的硅氧化物膜93。
如圖30C所示，鉿氧化物膜92經歷結晶退火以在鉿氧化物膜中形成負固定電荷。
如圖30D所示，硅氧化物膜94且然后遮光膜97形成在鉿氧化物膜92上。通過形成硅氧化物膜94，鉿氧化物膜92不直接接觸遮光膜97，從而抑制了鉿氧化物膜92和遮光膜97由于其接觸而反應。此外，在蝕刻遮光膜97期間，硅氧化物膜94能夠防止鉿氧化物膜92的表面被蝕刻。遮光膜97優選由具有合意的遮光能力的鎢(W)構成。
如圖31E所示，遮光膜97被選擇性去除，使得成像部分81被部分覆蓋以遮光膜 97，且使得外圍電路部分82被完全覆蓋以遮光膜97。處理過的遮光膜97在光電二極管中形成遮光區。圖像的黑度級(black level)由光電二極管的輸出確定。此外，遮光膜97抑制了由于入射在外圍電路部分82上的光造成的性能變化。
如圖32F所示，形成平坦化膜95以平整由于遮光膜97造成的隆起。
如圖32G所示，在平坦化膜95上在成像部分81側形成濾色器35。此外，聚集光的芯片上微透鏡36形成在其上。從而，制造了根據第六實施例的目標固態成像裝置。
本發明不限于實施例的描述。
例如，在實施例中描述的值和材料用作示例。本發明不限于此。
此外，可以進行各種修改而不偏離本發明的范圍。
本領域普通技術人員將理解，在所附權利要求書及其等價物的范圍內，可以根據設計需要和其他因素產生各種修改、組合、子組合、以及替換。
本發明包含與2006年3月17向日本專利局提交的日本專利申請JP2006-048173 相關的主題，在此引用其全部內容作為參考 。
權利要求
1.一種固態成像裝置，包括 襯底，具有位于前端的第一表面和后端的第二表面； 光電檢測器，形成在該襯底中且在該第二表面上包括光接收表面； 膜，設置在該第二表面或該第二表面上方且具有負固定電荷，該具有負固定電荷的膜在該光電檢測器的光吸收表面上形成空穴積累區，以抑制暗電流；以及布線層，設置在該第一表面之上。
2.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該具有負固定電荷的膜是至少部分結晶的絕緣膜。
3.如權利要求2所述的固態成像裝置，其中該至少部分結晶的絕緣膜由選自鉿、鋯、鋁、鉭、鈦、釔、鑭系元素的元素的氧化物構成，且在該絕緣膜中具有至少部分結晶的區域。
4.如權利要求3所述的固態成像裝置，其中該至少部分結晶的絕緣膜具有3nm-100nm的厚度。
5.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中在用于可見光時，該襯底具有2-6μ m的厚度。
6.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中在用于近紅外線時，該襯底具有6-10μ m的厚度。
7.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該襯底是η型硅襯底，該光電檢測器由該襯底中的ρη結形成。
8.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中在該襯底的第一表面形成η型浮置擴散區，并且在該浮置擴散區和電荷積累區之間形成P型區。
9.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該具有負固定電荷的膜由選自鉿、鋯、鋁、鉭、鈦、釔、鑭系元素的元素的氧化物構成。
10.如權利要求1所述的固態成像裝置，還包括設置在該光接收表面和該具有負固定電荷的膜之間的絕緣膜。
11.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該絕緣膜由硅氧化物形成。
12.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中 該光電檢測器形成于該成像裝置的成像區，外圍電路形成于該成像裝置的外圍電路區；以及 該具有負固定電荷的膜設置在該成像區之上作為抗反射膜，以及設置在該外圍電路區之上以抑制外圍電路區中的暗電流。
13.如權利要求1所述的固態成像裝置，還包括在該外圍電路區中設置在該具有負固定電荷的膜之上的遮光膜。
14.如權利要求13所述的固態成像裝置，還包括設置在該具有負固定電荷的膜和該遮光膜之間的絕緣膜。
15.如權利要求13所述的固態成像裝置，還包括設置在該光接收表面和該具有負固定電荷的膜之上的絕緣膜，該絕緣膜設置在該成像區和該外圍電路區之上。
16.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該具有負固定電荷的膜通過原子層沉積形成。
17.如權利要求1所述的固態成像裝置，其中該具有負固定電荷的膜是鉿氧化物膜，該鉿氧化物膜在預定溫度經歷結晶退火以在膜中產生負電荷。
18.一種攝像機，包括光學系統；以及 固態成像裝置，接收來自該光學系統的入射光； 其中該固態成像裝置包括 (a)襯底，具有位于前端的第一表面和后端的第二表面； (b)光電檢測器，形成在該襯底中且在第二表面上包括光接收表面； (C)膜，設置在該第二表面或該第二表面上方且具有負固定電荷，該具有負固定電荷的膜在該光電檢測器的光吸收表面上形成空穴積累區；以及(d)布線層,設置在該第一表面之上。
19.如權利要求18所述的攝像機，其中該具有負固定電荷的膜是至少部分結晶的絕緣膜。
20.如權利要求18所述的攝像機，其中該具有負固定電荷的膜由選自鉿、鋯、鋁、鉭、鈦、釔、鑭系元素的元素的氧化物構成。
21.如權利要求18所述的攝像機，還包括設置在該光接收表面和該具有負固定電荷的膜之間的絕緣膜。
22.如權利要求21所述的攝像機，其中該絕緣膜由硅氧化物形成。
23.如權利要求18所述的攝像機，其中該光電檢測器形成于該成像裝置的成像區，夕卜圍電路形成于該成像裝置的外圍電路區，該具有負固定電荷的膜設置在該成像區和該外圍電路區之上。
24.如權利要求18所述的攝像機，還包括設置在外圍電路區中前述膜之上的遮光膜。
25.如權利要求24所述的攝像機，還包括設置在該具有負固定電荷的膜和該遮光膜之間的絕緣膜。
26.如權利要求25所述的攝像機，還包括設置在該光接收表面和該具有負固定電荷的膜之上的絕緣膜，并且該絕緣膜設置在該成像區和該外圍電路區之上。
27.如權利要求18所述的攝像機，其中該具有負固定電荷的膜通過原子層沉積形成。
28.如權利要求18所述的攝像機，其中該具有負固定電荷的膜是鉿氧化物膜，該鉿氧化物膜在預定溫度經歷結晶退火以在膜中產生負電荷。
全文摘要
本發明提供一種固態成像裝置，包括具有第一表面和第二表面的襯底，光入射在第二表面側；設置在第一表面側的布線層；形成在襯底中且包括第一導電類型的第一區的光電檢測器；設置在襯底的第一表面上且鄰近光電檢測器的轉移柵極，轉移柵極傳輸積累在光電檢測器中的信號電荷；設置在襯底的第一表面且疊置在光電檢測器上的至少一個控制柵極，控制柵極控制第一表面附近該光電檢測器的電勢。
文檔編號H04N5/335GK103050501SQ20121055142
公開日2013年4月17日 申請日期2007年2月25日 優先權日2006年2月24日
發明者丸山康, 山口哲司, 安藤崇志, 檜山晉, 大岸裕子 申請人:索尼株式會社