TWI278108B - Back-illuminated type solid-state imaging device and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

1278108 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於背面入射型固體攝影裝置，特別係關於背 面入射型之CMOS固體攝影裝置及其製造方法。 【先前技術】

以往，作為CMOS固體攝影裝置，曾有為提高光之利用效 率以謀求高感度化而採用由基板背面側入射光線之背面入 射型之CMOS固體攝影裝置之提案。在此背面入Z型之 CMOS固體攝影裝置中，在半導體基板之表面側形成構成晝 素之MOS電晶體，以面臨基板背面側方式形成作為光電變 換70件之受光部，且在基板表面側形成多層配線而構成可 由基板背面側入射光線。此情形，係利用研磨與形成半導 體基板之多層配線表面側相反側之背面而製作。 為穩定地研磨半導體基板，包含容許範圍在内，以呈現 10 μπι程度之基板厚度較為理想。又，從紅色感度之點言 之’也以此程度之基板厚度較為理想。在此，藍色光等入 射於背面側之矽半導體基板後會在較淺處被施行光電變 換，故就光電子而言，有必要將1 ο μιη程度之距離移動至表 面側之電荷蓄積部。 例如，近年來之畫素間距在4 0爪以下也屢見不鮮，達到 如此微細晝素之間距時，高寬比（=基板厚/畫素間距）會變得 如3以上之非常大值。高寬比增大時，除了該種形狀之光電 ’交換元件難以製作之外’在光電子移動至電荷蓄積部以前 之期間中會闖入相鄰之晝素而成為串訊之原因。在此，所 105129.doc 1278108 謂串訊’係指鄰接畫素之信號混入本來之晝素之信號中之 意。串訊增加時，解像度會降低，或在各畫素貼設有彩色 濾、光器之單板式之CMOS固體攝影裝置之情形，混色會相當 嚴重。

作為此對策，在專利文獻1中，提議在背面入射型之CMOS 固肢攝衫t置中，在半導體基板内形成電場。藉由形成電 %，可使光電子容易向基板之深度方向移動，可使串訊減 少0

作為另一以往例，曾有非專利文獻1之發表。 [專利文獻1]曰本特開2003-3 386 15號公報 [非專利文獻 1] 2003 IEEE Workshop 〇n Charge_Coupled Devices and Advanced Image Sensors 之 Sessi〇n 發表之

Process and Pixels for High Perfomance Imager in SOI-COMS Technology(著者：Xinyu zheng，

Michael Wood, ChrisWrigley5 and Bedebrate Pain) [發明所欲解決之問題] 而，在上述半導體基板内形成電場，以減少串訊之專矛 文獻1所載之方法在㈣上雖佳，但在其具體例之實施例汽 揭示之範圍中，對其所形成之電場強度卻有限制。利用差 晶層之濃度陡度形成電場之情形’無法形切之帶隙之^ V以上之電位差。X ’在基板f面設有電極之情形，直接相 用專利文獻1之圖7、圖8之構造時，為使電流不在背面電和 與P型半導體井區域之間流動，對背面電極只能施加小㈣ 壓。 105129.doc 1278108 另—方面，在非專利文獻1尹，在SOI(semic〇nduct〇r⑽ lnsuIat°r:含半導體絕緣體）基板上形成晝素電路，而在下 側之矽基板形成光電二極體。在此論文中，光之入射面並 非：面而係表面。故當然不會發生上述之問題，並無用來 將1月面側所產生之光雷早引宴$矣 电于W V至表面侧之方法之有關記 載。 曰又，在背面入射型之0河08固體攝影裝置中，透過重置電 晶體執行電子快門動作’難以形成同時驅動所有畫素之電

、1另外，也期望更進一步提高背面入射型之CM0S 固體攝影裝置之感度。 本發明係鑑於上述之點，可提供 # λ 捉仏J確只產生收集信號電 何（例如電子、電洞等）用之電場 Αι 勿Α σ呆衣降低串訊之背面入 射型固體攝影裝置。 本發明係用於提供可形成同時 北 取U吋驅動所有畫素之電子快門 之月面入射型固體攝影裝置及 ία 』功得進一步提高感度之電 千快門之背面入射型固體攝影裝置。 又，本發明係用於提供此等 0 U體攝影裝置之製造方法。 【發明内容】 本發明之背面入射型固體攝影梦 L人 僻〜衣置之特徵在於在半導體 暴扳上介隔以絕緣膜包含具有 .體膜之構成，在半導體 基板形成構成畫素之光電變換元仕 如 ^ ^ 換7^件，在前述半導體膜形成 構成旦素之至少一部份之電晶 , 在半導體基板之背面側 形成被施加電壓之背面電極所構成者。 本發明可在上述背面入射型固 霞攝影裝置中，採用利用 105129.doc 078108 ., 在背面電極之施加電壓中，可連接來自表背兩面 之高電阻基板形成半導體基板之構成。 进層 本發明可在此背面入射型固體攝影裝 「 Μ叉光期門 甲之背面電極之電壓作為第丨極性之電壓。 /曰 “ $月口J隹〜θ叫八耵尘EJ筱獬影裝置中，採用在北

:極與半導體基板之間形成電荷注入防止膜(例師 荷為電子之情形為電子注入防止膜’信號電荷為電；：; 形為電洞注入防止膜）之構成。 j 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用在浐 、、彖膜下之半導體基板，形成導電型與光電變換 苦狂 、^丨卞I電何 畜積W相反之浮動型之半導體層之構成。 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中， ^ ^ 休用在絕 二、下之半導體基板，形成導電型與光電變換元件之電荷 苗積部相反之半導體層，在半導體層被施加與背面電極相 同之電壓之構成。 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用在絕 、、彖膜下之半導體基板，形成導電型與光電變換元件之電荷 蓄積部相反之第丨半導體層，在第丨半導體層下，形成導= 型與作為光電變換元件之一部分之該第丨半導體層相反之 第2半導體層之構成。 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用固體 攝衫裝置與外部之介面係包含凸塊與對背面電極之金屬線 接合部雙方構成。 〃 ' 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用將第2 105129.doc 1278108 * 極性之電壓施加至背面電極’以重置光電變換元件之構成。 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用在半 導體膜形成構成晝素之轉送電晶體之構成。 本發明可在上述背面入射型固體攝影裝置中，採用在半 導體基板形成構成畫素之轉送電晶體，將光電變換元件形 成埋入型之構成。

本發明係背面電極之電壓作為第丨極性之電壓，可在背面 私極14半導體基板之間具有電荷注人防止膜之上述背面入 射型固體攝影裝置中’㈣在半導體基板施行電荷倍增之 本發明<背面入射型固體攝影裝置之製造方法之特徵在 於包含利用在半導體基板上介隔以絕緣膜具有半導體膜之 基板，在半導體基板形成構成晝素之光電變換元件之年 驟；在半導體膜形成構成晝素之至少一部份之電晶體之二 驟，及在半導體基板之背面側形成被施加電壓之背面電極 之步驟者。 在本發明之上述背面入射型固體攝影裝置之製造方 中可利用在背面電極之施加電壓中可連接來自基板表北 兩面之耗盡層之高電阻基板形成半導體基板。 、月 在本兔日月之上述背面入射型m體攝影裝置之製造方 中’包含在形成背面電極前，在半導體基板之背面二 荷注入防止臈(例如信號電荷為電子之情形為電子注V 止膜u %何為電洞之情形為電洞注人防止膜）之步驟。 在本發明之上述背面入射型固體攝影裝置之製造方 105129.doc I278i〇8 · 中’包含在絕緣膜下之半導體基板，形成導電型與光電變 換元件之電荷蓄積部相反之半導體膜之步驟。 在本發明之上述背面入射型固體攝影裝置之製造方法 中，可在半導體膜形成含構成晝素之轉送電晶體之電晶體。 在本發明之上述背面入射型固體攝影裝置之製造方法 中，包含在半導體基板，形成構成畫素之電晶體中之轉送 電晶體，將光電變換元件形成埋入型之步驟。

[發明之效果] 依據本發明之背面人射型固體攝影裝置，由於在絕緣膜 下之半導體基板形成構成晝素之光電變換元件，在絕緣膜 、之半體膜形成構成晝素之至少—部份之電晶體，在半 導體基板之背面側形成被施加電壓之背面電極所構成，故 將所需之電壓，例如以雷孚盔 匕 弘子為k唬電何牯，將負電壓施加 至为面：極’ U電洞為信號電荷時，將正電壓施加至背面 電極’糟以使光電變換元件可確實產生收集信號電荷用之 電場，降低對鄰接畫素之串訊。 由於採用利用高雷阳其士 ， 门尾阻基板形成上述半導體基板，藉背面 電極之施加電壓連接爽自矣此 接不自表月兩面之耗盡層之構成，故可 確實執行在高電阻基柘 丞板内之先電變換，使其確實產生收隼 信號電荷用之電場。 $ 由於使用受光期間φ 此 1中之月面笔極之電壓作為第1極性之 電麼’例如以電子為作卢 琥屯何呀，作為負電壓，以電洞為 信號電荷時，作為正雷厭，益ιν戌、卜 ^ 藉使光電變換元件可確實產 生收集信號電荷用之電場。 l05I29.doc -10· 1278108 由於在背面電極與半導體基板之間形成電荷注入防止 膜，故將第1極性之電壓施加至背面電極時，可防止電荷由 背面電極注入半導體基板。 由於在絕緣膜下之半導體基板，形成導電型與光電變換 凡件之電荷蓄積部相反之浮動型之半導體層，故將第他性 之電壓施加至背面電極而使其產生電場時，可阻止電流流 動’且可藉此浮動型之半導體層使來自界面之電荷再耦 合，抑制暗電流。

心對上述導電型相反之半導體層施加與背面電極相同 之电堡’故可使半導體基板產生電場，並阻止電流流動。 由於在上述導電型相反之第1半導體層下，形成導電型盘 此相反之第2半導體層，故可使半導體基板產生之電場接^ 於垂直，可降低信號電荷之收集不均。 由於利用凸塊與金屬線接合部執行固體攝影裝置與外部 之介面動作，故介面動作容易執行。 ^ =第2極性之電壓施加至f面電極，例如^子為信 何時’將負電壓施加至背面電極，以電洞為信 日1·，將正電壓施加至背面電極，故。电 ^ ^ ^ 里直尤包交換元件， 亦即可將所有晝素所蓄積之信號電 執行同時驅動所有畫素之電子快⑽作電極側’ 触由：在絕緣膜上之半導體層形成包含轉送電晶曰 粗，故可幻個光電變換元件與包 曰曰 體構成畫素。 电日日奴之多數電晶 晶體，故可以1 由於在絕緣膜下之半導體基板形成轉送電 1〇5ΐ29·ς}0· 1278108 個光電ϋ換7L件與包含轉送電晶體之多數電晶體構成晝 、 自於將光電變換元件形成埋入型，故可使來自界 面之電荷再耦合，抑制暗電流。 由於採用以背面電極之電壓作為第咕性之電壓，在半導 -:板施行電子倍增之構成，故可提供雜訊少而感度提高 之背面入射型固體攝影裝，置。 ，依據本發明之背面入射型固體攝影裝置之製造方法，可

製造使上述光電變換元件可確實產生收集信號電荷用之電 場，降低對鄰接畫素之串訊等可靠性優異之背面入射型固 體攝影裝置。 【實施方式】 以下，參知、圖式，說明本發明實施型態。 圖1係表示本發明之背面入射型固體攝影裝置，即背面入 射型之CMOS固體攝影裝置之全體構成。本實施型能之 CMOS固體攝影裝置i係具備晝素部2、控制電路3、垂直驅 動電路4、行部5、水平驅動電路7、及輸出電路_構成。 在畫素部2中，2維地規則排列著複數（含多數）畫素丨丨，例 如將其排列成2維行列狀。控制電路3係接收指示動作模態 等指令之資料’且輸出含固體攝影裝置之資料之資料。垂 直驅動電路4係選擇畫素部2中之畫素丨丨之列’經由未圖示 之橫方向之控制配線將必要之驅動脈衝供應至該列之畫$ 11。 旦’、 在此 圖示。 ’垂直信號線12雖為晝素11之一部份 所選擇之列之晝素11之輸出經由垂直 ’但特別予以 k滅線12被送 105129.doc •12- 1278108 ::5二在，5，對應於晝素11之行排列著行信號處理 二嫩仃部5,接收1列份之晝素11之信號，對該信號施 則咖Samling :除去固定®形雜訊之處 虎放大或類比/數位（AD)變換等之處理。 ^平《 %路7係依序選擇行信號處理電路6，將其信號 v出至？信號線13。輸出電路8係處理被讀出至水平信號 線13之仏被亚加以輸出。例如，既有僅施行緩衝處理之情 形，也有在其之前施行黑位準調整、行誤差補正、信號放 大、色相關處理等之情形。 圖2係1畫素之等效電路之例。在本實施型態中，光電變 換元件，例如光電二極體PD係被連接至重置電晶㈣之源 。光電—極PD與重置電晶體15之源極間之所謂浮動擴 散區FD係被連接至放大電晶體16之閘極。，電性連接於 放大電晶體16之閑極之節點稱為浮動擴散區FD。重置電晶 體15之汲極係被連接至被供應電源電壓之電源配線 17^間極係被連接至被供應重置脈衝之重置配線18。放 大電晶體16之汲極係被連接至電源配線17，其源極係被連 接至選擇電晶體19之汲極。在選擇電晶體19之閘極連接選 擇配線20。另—方面’選擇電晶㈣线極係被連接至垂 直信號線12，汲極連接於此垂直信號線12之作為定電流源 之負荷電晶體21被設置作為行信號處理電路6(參照圖1)之 口I5刀。在負街電晶體21之閘極連接負荷配線22。 在此晝素電路中，在光電二極體PD被施行光電變換。光 電一極體PD之信號電荷，在本例中為電子係通過浮動擴散 105l29.doc 13 1278108 :FD破轉达至放大電晶體i6之閘極。選擇電晶體μ通 二二應於浮動擴散區FD之電位之信號經由放大電晶體 而被輸出至垂直信號線12 重置電晶體15係將浮動擴散區FD之信號電荷（電子） 在包源配線17而將浮動擴散區FD之信號電荷重置。各：

向配線18、20在同—列之畫素中共通，被垂直 I 所控制。 7电峪4

在行信號處理電路6之—#彳八a ^ L • ^ θ ⑷知/、有形成疋電流源之負荷 / 通過選擇列之選擇電晶體19而構成源及輸出 裔，使其向垂直信號線12輸出。 圖3係表示本發明之CM〇s固體攝影裝置之第1實施型態 素要4之剖面構造。本實施型態之cm〇s固冑攝影裝置 係利用在石夕半導體基板3 j上介著絕緣膜Μ ,例如介著埋入 石夕氧化膜而具有料導體膜33之所謂SQI基板34所構成。 在本實施型態中，在S0I基板34之絕緣膜32上之半導體臈 • 33 ’形成重置電晶體。、放大電晶體16及選擇電晶體μ之 各電晶體。艮P，利用形成於第i導電型，在本例為p型之半 導體膜33之第2導電型之„型之源極•沒極區域％、37與介 著閘極絕緣膜形成之閘極電極41形成重置電晶心，利用 型之源極•汲極區域37、38與介著閘極絕緣膜形成之閑極 電極42形成放大電晶體16，利用n型之源極•汲極區域 39與介著閘極絕緣臈形成之閘極電極“形成選擇電晶體 19 〇 在 絕緣膜32下側之半導體基板31係以高電阻基板形成 105129.doc -14- 1278108 其表面之一部份形成作為光電二極體PD之電荷蓄積層之第 2‘電型，在本例為n型半導體區域45。在絕緣膜32下側之 他部之矽基板表面形成第1導電型之Ρ型之半導體層46。此ρ 型半導體層46可降低來自界面之暗電流。光電二極體pD2n 型$半導體區域45之接觸部附近係以高雜質濃度區域，例如 1〇 ^ Cm·3程度之高雜質濃度區域47形成，其周邊係以低雜 質濃度區域，例如10i8 cm-3程度之低雜質濃度區域判形 成回電阻基板3 1係利用在後述之背面電極之施加電壓中 可連接來自基板表背兩面之耗盡層之高電阻基板所製成。 系巴緣膜32下之ρ型半導體層46具有例如1〇ls 程度之 低雜貝浪度。半導體基板，即高電阻基板3丨之低雜質濃度 在1016 cm-3程度以下，較好為1〇12 em.3〜1〇15 cm_3之範圍， 在本例中，為1〇13 cm-3程度之低雜質濃度。冑冑阻基板31 在本例中為η型，但使用p型也無妨。高電阻基板31之厚度 =如可設定於10μιη程度。在高電阻基板31之背面側，形成 向雜質濃度，例如l〇19cm·3程度之ρ型半導體層49。另外， 在基板为面側之ρ型半導體層49上介著電子注入防止膜5〇 而形成背面電極，在本例中形成透明電極5丨。電子注入防 止膜50可使用例如以真空蒸鍍法形成之三硫化銻，或利用 电水C VD法形成之ρ型非晶質碳化物。透明電極5 1例如可使 用濺射法形成之ΙΤΟ(銦與錫之氧化物）。 晝素11之電晶體15、16及19係反映圖2之配線圖而被配 線，源極•汲極區域如上所述，係局部共用。即，採用下 列圖2之電路連接：以露出光電二極體pD之η型半導體區域 105129.doc 15 1278108 45方式，除去絕緣膜32及半導體膜33之一部分，並經由内 部配線連接η型半導體區域45之高雜質區域47與重置電晶 體1 5之源極•沒極區域3 6、及放大電晶體16之閘極電極4 2 等。 其次，說明第1實施型態之背面入射型之CMOS固體攝影 裝置之動作。 此CMOS固體攝影裝置係使光L由基板背面側經透明電 極51而入射於光電二極體pd之高電阻基板31内。 絕緣膜32下之p型半導體層46係呈現浮動型。在透明電極 5 1，經由端子BCK被施加負電壓，例如-2 V。在此，電壓〇 係CMOS固體攝影裝置之GND端子之電壓，或晝素電晶體 15、16、19之體偏壓或圖2之負荷電晶體21用之GND電壓。 光電二極體PD之η型半導體區域45之電壓雖由浮動擴散 區FD剛被重置電晶體丨5重置後之電源電壓附近之值，因光 電子之流入而變成下降之失常之值，但仍被限制於正值。 該結構係由於將重置電晶體15設定於臨限值電壓為_〇3 ν 以下之耗盡型’藉以在浮動擴散區FD之電壓接近於時， 使浮動擴龍FD之電子可通過重置電晶體15流出至電源配 線1 7所致。 · 南電阻基板31之厚度為1〇陣程度，由於濃度較淡，故可 藉施加至此透明電極51之負電壓而耗盡化，也就是 高電阻基板31中會產生電場。葬 一 每精此屯％，向電阻基板31中 產生之電子•電洞對中，雷、;合 έ向基板月面側移動，電 會向光電二極體PD之η型丰莫雕p 孓牛V體區域45,特別是向其高雜質 105129.doc 1278108 濃度區域47移動。也就是說，上述所謂之負電屋與其稱為 負電塵，不如應該說是本質上可使基极31耗盡化之電麼。 在此，P型半導體層46呈現浮動型，由於畫素u無施加〇v 之偏壓之p型半導體層，故正常電壓不會流至p型半導體層 46與背面之透明電極51間。因此，如·2 v等絕對值較大： 電塵可施加至透明電極51之端子職，可使高電阻基板Μ 產生使電子集中至光電二極體PD之η型半導體區域45所需 之充分大小之電場。

依據第1實施型態之背面入射型之CM〇s@體攝影裝置， 由於利用SOI基板在絕緣膜上之半導體層形成晝素電晶 體，以絕緣膜下之半導體基板作為高電阻基板，在其表面 之一部分形成光電二極體之n型半導體區域，在他部之表面 形成汙動型之P型半導體層，在高電阻基板之背面側形成透 明電極’故對此施加負電壓時’可在高電阻基板内產生使 光電一極體之η型半導體區域收集光電子用之大電場。因 此，可使光電子更確實移動至電荷蓄積層之η型半導體區 域，故可降低對鄰接晝素之串訊。 ^ 人由於在鬲電阻基板之背面側之ρ型半導體層與透明 電極之間形成電子注入防止臈即使施加負電壓，也可 方止电子由透明电極注入高電阻基板内。又，s〇i基板之絕 緣膜可兼作為防止電洞對高電阻基板之注人之電洞注入防 止層。

#圖4¼表不本發明之背面入射型之匸“〇8固體攝影裝置之 第2貝^型怨之晝素要部之剖面構造。本實施型態之CMOS 105129.doc -17· 1278108 固體攝影裝置係在前述圖3之實施型態中，由基板表面側之 P型半導體層46之下之一部分型半導體區域45之下形成 雜質濃度低於η型半導體區域45之}半導體區域54，省略基 板背面側之透明電極51，並在基板背面側之電子注入防止 膜50上形成兼作為將畫素之交界遮光之遮光膜之背面電極 55 ’以構成可通過ρ +半導體區域56將與背面電極55相同之 電壓施加至基板表面側之ρ型半導體層46。η_半導體區域54 之雜質濃度例如可設定為10i6 cm·3程度。背面電極55例如 可利用職射法形成之鋁（A1)膜等之金屬膜形成。 其他之構成與圖3相同，故在對應之部分附以同一符號而 省略重複之說明。 依據第2實施型態之背面入射型之CMOS固體攝影裝置， 由ρ型半導體層46之下之一部分至光電二極體pd之η型半導 體區域45之下設置η-半導體區域54,故電子可被η-半導體區 域54收集，再被η型半導體區域45收集。因此，可增加收集 電子之面積’並可進一步減少光電子進入鄰接晝素所引起 之混色。又，藉η-半導體區域54在高電阻基板31產生之電 場比圖3更接近於垂直，可使電場方向均勻化，可減少電子 收集之不均。 又’由於設有兼作為遮光膜之金屬膜形成之背面電極 55 ’故與僅設有透明電極之情形相比，可降低背面電極55 之電阻。又，在各晝素形成彩色濾光器之情形，可阻檔通 過彩色濾光器之交界部之光而防止此原因之混色。 由於將與背面電極55相同之電壓施加至基板表面側之ρ 105129.doc -18- 1278108 型半導體層46，故可穩定p型半導體層46之電位。 此外，可發揮確實產生使光電二極體PI)收集光電子用之 電場，並可減少對鄰接畫素之混色等與圖3之第丨實施型態 同樣之效果。 在圖4之構成中，也可留下圖2之透明電極51而採用形成 透明電極51與兼作為遮光膜之背面電極乃雙方之構成（泉 照圖9)。 乂 將與背面電極55相同之電壓施加至圖4之（1) η-半導體區 域54、（2)將畫素之交界遮光之背面電極55、⑺基板表面側 之Ρ型半導體層46之3種構成要素並無必要同時實施，可依 製品需要適宜地選擇（1)〜(3)中之哪一要素。 、例如，在圖4之構成中，可採用省略η_半導體區域Μ之構 成、使基板表面側之ρ型半導體層56浮動型之構成、設置圖 3之透明電極51取代背面電極55之構成。又，在圖3之構成 中’可採用將與透明電極51相同之電壓施加至基板表面側 之Ρ型半導體層46之構成。 狀，、人·利用圖5〜圖9，說明本發明之背面入射型固體攝影 置製逅方法之貫施型態。本例係適用於具有圖4所示 之η半導體區域54、兼作為遮光膜之背面電極55之背面入 射型之CMOS固體攝影裝置之製造之情形。 首先如圖5A所不，準備在作為高電阻基板之矽半導體 基板31上"著絶緣膜（即所謂埋人石夕氧化膜阳而具有第1導 私型例如ρ型之矽半導體膜33之§〇1基板％。在此$⑺基板 34之半導體膜33上，形忐办丨丄 凡成例如矽氧化膜構成之保護氧化膜 105129.doc -19- 1278108 61後’介著光阻劑遮罩62而在絕緣膜32τ之半導體基㈣ 之所要區域’即除了其後預期形成之光電二極體之η型半導 體區域之區域以外之所要區域，離子注入_雜質而 型半導體層46。 、其次，如圖5Β所示’在保護氧化膜61上重新介著光阻劑 遮罩63而在比半導體基板31之？型半導體層钧稍深處之所 要區域，離子注入η型雜質而形成構成光電二極體1)〇之一部 份之η-半導體區域54。 其-人，如圖5C所不，介著光阻劑遮罩以而選擇地蝕刻除 去SOI基板34之半導體膜33之不要部份。 其次，如圖6A所示，形成利用通常之s〇I製程之M〇s電 曰曰體。即，在P型半導體膜33形成閘極絕緣膜67，並形成例 如利用多晶矽之閘極電極41、42、43後，以離子注入法形 成源極·汲極區域36、37、38、39,而形成重置電晶體15、 放大電晶體16及選擇電晶體19。在閘極電極41、42、以 表面形成層間絕緣膜68。 其-人，如圖6B所不，介著光阻劑遮罩的而選擇地蝕刻除 去絕緣膜32之所要區域而形成開口7〇八、7〇B。 其久，如圖6C所示，介著光阻劑遮罩7 1而在對應於開口 70 A之η-半‘體區域54之界面附近以鄰接於p型半導體層46 方式’利用離子注入形成作&光電二極體pD之電荷蓄積層 之η型半導體區域48。 其-人’如圖7Α所不’以覆蓋含電晶體15、16、19之全面 方式形成層間絕緣膜72。 105129.doc -20- 1278108 其-人’如圖7B所示，介著光阻劑遮罩73而在層間絕緣膜 72形成連通至n型半導體區域48之接觸孔74。而，離子注入 Γ7 /辰度之η型雜貝而在n型半導體區域48形成用於取得歐姆 接觸之η型向雜質區域47。利用型半導體區域判及η型高 雜質區域47形成作為光電二極體PD之電荷蓄積層之η型半 導體區域4 5。

又’雖因圖式空間所限而未予以圖示，但也同時形成通 往n 5L閘極笔極及η型源極•汲極區域之接觸區域。 其久，如圖7C所示，介著光阻劑遮罩76而在層間絕緣膜 72形成通往ρ型半導體區域46之接觸孔”。而，離子注入高 /辰度之Ρ型雜質而在ρ型半導體區域46形成用於取得歐 觸之Ρ型高雜質區域56。 /又’雖因圖式空間所限而未予以圖*，但也同時形成通 彺Ρ型閘極電極及ρ型源極•汲極區域之接觸區域。 其-人’如圖8Α所示，利用通常之配線步驟形成例如利用 CU膜之多層配線78。在圖中為了簡化，僅顯示以分別連接 至各11型向雜質區域47及P型高雜質區域56方式而介著埋入 導線層79所形成之a Cu配線，但實際上係介著層 而形成多層配線。 、 田其次，如圖8B所示，將高電阻基板31由背面研磨至所要 厚度後，在向電阻基板3 1之背面，即界面附近離子注入p 型雜質而％成抑帝J暗電流狀高雜質濃度之？型半導體層 49。此時’實際上係制未圖示之基板支持材料將上下: 轉而加以製造，此與以往例相同。 105129.doc -21 - 1278108 其—人，如圖9所示，在P型半導體層49上逐次形成電子注 入防止膜5〇、透明電極51及兼作為遮光膜之背面電極55。 其後，形成彩色濾光器、晶片上微透鏡等而得目的之背面 入射型之CMOS固體攝影裝置。

依據本發明之背面入射型之CMOS固體攝影裝置之製造 方法’可製造可確實產生收集在光電二極體PD之高電阻基 板31 j生之電子用之電場、可謀求降低對鄰接畫素之串訊 等可靠性優異之背面人射型之CMOS S]體攝影裝置。 如此所製造之背面入射型之c M 〇 s固體攝影裝置係如圖 1〇所不方式被安裝。即’在含多層配線78等之半導體基板 31之背面形成背面電極55 ’再形成彩色濾光器及晶片上微 透鏡等81之圖9U刪固體攝影裝置82係、利用凸塊84將多 層配線78側連接至封裝體底面或電路基板以，且介著金屬 線接合85連接背面電極55與封裝體底面或電路基板83間。 半導體基板31係被樹脂封裝㈣86封裝於封裝體底面或電 路基板83。如此’可利用凸塊料與金屬線接合雙方執： CMOS固體攝影裝置82與外部之介面連接。 又，雖未圖示，但也可在圖1G中，將封裝體底面或電路 基板83置換成信號處理晶片，且將⑽sg]體攝影裝置Μ 以CM〇S影像感應器晶片之狀態，在其多層配線層之表面側 形成對應於晝素之微型墊，介著微型墊重疊接合於信號處 理晶片，以構成CMOS固體攝影裝置。 处 上述圖3所示之CMOS固體攝影梦署可 辦〜戒置可利用由圖5〜圖9之 衣4方法中刪除不要之步驟之方3制、生 外心万式製造，且可施行種種變 105129.doc -22 - 1278108 形。例如，也可將圖6C之利用通常之s〇I製程之電晶體形成 與光電二極體形成之順序顛倒。又，可因應製造方法之需 要，將電晶體與光電二極體之一部分之離子注入步驟共通 化。 在上述實施型態之CMOS固體攝影裝置中，係以丨個光電 一極肖豆與3個電晶體構成1畫素，但此外，也可以1個光電二 極體與追加轉送電晶體之4電晶體構成丨晝素。圖u、圖 係表示其實施型態。 圖11係表示本發明之背面入射型之CMOS固體攝影裝置 之第3貝型悲之晝素要部之剖面構造。本實施型態係在 S 01基板3 4之半導體膜3 3側追加形成轉送電晶體91所構 成。即’在半導體膜33形成轉送電晶體91、重置電晶體15、 選擇電晶體19及放大電晶體16。在此晝素中，將光電二極 體PD之η型半導體區域45之高雜質區域47連接至轉送電晶 體9 1之源極，將轉送電晶體9 1之汲極連接至重置電晶體j 5 之源極。將轉送電晶體9 1與重置電晶體丨5之連接中點之浮 動擴散區FD連接至放大電晶體16之閘極。放大電晶體16之 源極連接至垂直信號線，其汲極連接至選擇電晶體19之源 極。又，重置電晶體1 5之汲極及選擇電晶體19之汲極係連 接至供應電源Vdd之電源配線。 其他之構成可採用與圖3、圖4等前述各種實施型態同樣 之構成，故省略詳細說明。 圖12係表示本發明之背面入射型之CMOS固體攝影裝置 之第4實施型態之晝素要部之剖面構造。本實施型態係在 105129.doc -23- 1278108 S〇I基板34之高電阻基板31側追加形成轉送電晶體91所構 成。即，在SOI基板34之半導體膜33側形成重置電晶體15、 選擇電晶體19及放大電晶體16。另一方面，在高電阻基板 31之P型半導體層46下形成作為光電二極體PD之電荷蓄積 層之n型半導體區域45，再於P型半導體井區域93内之界面 側形成η型源極•汲極區域94，在光電二極體PD2n型半導 體區域45與1!型源極•汲極區域94間之高電阻基板”上介 耆閘極絕緣膜形成閘極電極95而在此形成轉送電晶體“所 構成。光電二極體PD及各電晶體91、15、16、19之配線與 圖11相同。又，在此閘極電極95之正下方形成有被調整p型 雜質濃度之通道區域。 在本汽施型態中，由於在光電二極體PD之η型半導體區 域45之界面側形成有高雜質濃度之Ρ型半導體層46,故被形 成作為所為HAD(Hole Accumulation Diode :電洞蓄積型二 極體）之埋入型光電二極體PD。 其他之構成可採用與圖3、圖4等前述各種實施型態同樣 之構成，故省略詳細說明。 匕在上述實施型態中，雖將負電壓固定而施加至背面電極 (指透明電極51或背面電極55)，此外，也可構成不將施加電 壓=定而施行電子快門動作。例如，t時地將正電壓施加 至月面私極，藉以將蓄積於光電二極體pD之電荷（電子）排 出至月面電極，以同時將光電二極體PD重置，使其施行所 謂電子快門動作。 又，在上述實施型態中，將施加至背面電極之負電壓再 105129.doc -24· 1278108 ;;大在=增大至-4〇v程度時，高電阻基板31之電場會增 使電子^立3=表面側移動之期間會發生電子雪崩現象，可 °㈢。即’可發生電子倍增而使感度例如提高至 數十倍。因此’可提供雜訊少之高感度之背面入射型之 CMOS固體攝影裝置。 耵1之 :子L 會在豎層於配線上側之疊層膜（以之 膜車乂為有名）中發生，但採用如本實施型態之方式時，也會

發生同樣之現象。疊層膜因使用非晶f膜，故缺陷較多， 暗電流較大’殘像也較大。在背面人射❹，由於使用例 如早晶石夕’缺陷較少，故可發揮暗電流較少，殘像也較少 之效果。 在上述實施型態中，採用利用電子作為信號電荷之構 成，但也可利用電洞作為信號電荷。也可將上述之構成中 之半導體基板、半導體層、光電二極體等之導電型反轉， 且利用相反極性之電晶體形成晝素電晶體。 如上所述，依據本發明之實施型態中，由於採用利用S0I 基板，將光電二極體與電晶體部分離後，⑨置背面電極而 施加電壓之構成，故即使使用高寬比較高之光電二極體， 也可確實形成電場，提供可降低對鄰接晝素之串訊之背面 入射型之CMOS固體攝影裝置。且可藉控制施加至背面電極 之電壓，提供可執行全晝素同時之電子快門動作之背面入 射型之CMOS固體攝影裝置。又，可以矽基板施行電子倍 增，提供雜訊少而可提高感度之背面入射型之CM〇s固體攝 影裝置。 105129.doc -25- 1278108 【圖式簡單說明】 ® 1係表示本_日月$香 ^ ^ ^ ^" 入射型固體攝影裝置之實施型 〜、您王肢之概略構成圖。 圖2係對應於圖1之1畫素之等效電路圖。 型:之發明之f面人射型固體攝影裝置之第1實施 孓心之畫素主要部之剖面圖。 圖4係表示本發日月结^ 型能之佥+ U 入射型固體攝影裝置之第2實施 玉心之畫素主要部之剖面圖。 圖5A〜C係表示本發明 ^ ^ 之月面入射型固體攝影裝置之製 造方法之一例之製程圖（其丨）。 衣 圖6 Α〜C係表示本發明匕 、土古、知月之月面入射型固體攝影裝置之製 仏万/套之一例之製程圖（其2)。 ® 7 A〜C係表示本發明之择 、土古土* 天月之月面入射型固體攝影裝置之製 仏方法之一例之製程圖（其3)。 圖8 A、B係表示本發明昔 月义月面入射型固體攝影裝置之 造方法之一例之製程圖（其4)。 、 圖9係表示本發明之背面入射型固體攝影裝置之製造方 法之一例之製程圖（其5)。 圖1 0係表示安裝本發明皆 月之月面入射型固體攝影裝置之狀 態之一例之構造圖。 圖」’丁、表不本务明之背面入射型固體攝影裝置之第3實 施型態之畫素主要部之剖面圖。 圖12係表示本發明夕呰 ^月之月面入射型固體攝影裝置之第4實 施型悲之畫素主要部之剖面圖。 105129.doc -26 - 1278108 【主要元件符號說明】 1 背面入射型之< 2 晝素部 3 控制部 4 垂直驅動電路 5 行部 6 行信號處理電】 7 水平驅動電路 8 輸出電路 11 畫素 12 垂直信號線 13 水平信號線 PD 光電變換元件 15 重置電晶體 16 放大電晶體 17 電源配線 18 重置配線 19 選擇電晶體 20 選擇配線 21 負荷電晶體 22 負荷配線 31 半導體基板（高 32 絕緣膜 33 半導體膜 105129.doc -27· 1278108 34 SOI基板 36 〜39 源極•沒極區域 41 〜43 閘極電極 45 電荷蓄積層 47 接觸用之高雜質區域 48 η型半導體區域 46 Ρ型半導體層 49 Ρ型半導體層 50 電子注入防止膜 51 透明電極 54 η型半導體區域 55 兼作為遮光膜之背面 91 轉送電晶體 105129.doc -28-

Claims (1)

1. J278J08 、申請專利範園： 一種背面入射型固體攝影裝¥ 輝7衣置，其特徵在於： 具備在半導體基板上介陪、 之構 成； 丨隔从絕緣膜具有半導體層 件； 在別述4導體基板上形成有構成晝素 之光電變換 在前述半導體膜上形成構成前述畫素之至少 電晶體； 在則述半導體基板之背面側形成有被施 電極所構成者。 电i之月面 2.如：求们之背面入射型固體攝影裝置，其中 中前述半導體基板係利用在前述背面電極之施加電壓 3如杜* 5 囬疋粍进層之向電阻基板所形成。 口月’項2之背面入射型固體攝影裝置，其中 者受光期間中之前述背面電極之電壓係第1極性之電· h求項3之背面入射型固體攝影裝置，其中 在則述背面電極與前述半導體基板之 入防止犋。 *小取有电锜注 5.如請，之背面入射型固體攝影裝置，其中 在所述絕緣膜下之半導 光電變換元件之W 战有W型與前述 6·如請求項丨之背畜積目反之’予動型之半導體層。 ^用面入射型固體攝影裝置，其中 在所述絕緣膜下之半導體基板，形成有導電型 105129.doc 1278108 光包文換兀件之電荷蓄積部相反之半導體層； $別述半導體層被施加與前述背面電極相同之電壓。 士明求項1之背面入射型固體攝影裝置，其中 一 “述、吧緣膜下之半導體基板，形成有導電型與前述 光電變換元件之電荷蓄積部相反之第1半導體層； 在別述第1半導體層下，形成導電型與作為光電變換元 件之σ卩分之该第1半導體層相反之第2半導體層。 8·如睛求項丨之背面入射型固體攝影裝置，其中 兩固體攝影裝置與外部之介面係包含凸塊與對前述背面 包極之金屬線接合部雙方者。 9·如凊求項1之背面入射型固體攝影裝置，其中 將第2極性之電壓施加至前述背面電極，以重置前述光 電變換元件。 10·如睛求項丨之背面入射型固體攝影裝置，其中 在岫述半導體膜形成構成畫素之轉送電晶體。 η.如請求項1之背面入射型固體攝影裝置，其中 在則述半導體基板形成構成晝素之轉送電晶體； 將w述光電變換元件形成為埋入型。 月长項3之背面入射型固體攝影裝置，其中 在呵述半導體基板施行電荷倍增。 13· 一種背面入射型固體攝影裝置之製造方法，其特徵在於 包含： 利用在半導體基板上介隔以絕緣膜具有半導體膜之基 體， 105129.doc l278l〇8 在前述半導體基板形成構成晝素之光電變換元件之步 驟； 在刚述半^r體膜形成構成晝素之至少一部份之電晶體 之步驟；及 在w述半導體基板之背面側形成被施加電壓之背面電 極之步驟者。 4.如凊求項13之背面入射型固體攝影裝置之製造方法，其 中 利用在可述背面電極之施加電壓中可連接來自基板表 1月兩面之耗盡層之高電阻基板形成前述丰導體基板者。 I5’如％求項14之背面入射型固體攝影裝置之製造方法，其中 I3在形成丽述背面電極前，在前述半導體基板之背 面形成電荷注入防止膜之步驟者。 16.如明求項14之背面入射型固體攝影裝置之製造方法，其中 、，包含在前述絕緣膜下之半導體基板，形成導電型與前 述光電變換元件之電符 何畜積σ卩相反之半導體膜之步驟 者。 17·如=項14之背面人射型固體攝影裝置之製造方法，其中 在别述半導體臈形成含查 體者。 褥成旦常之轉迗電晶體之電晶 18 ·如明求項14之背面入射型固體攝f彡穿w _ t包含 土 u菔攝&衣置之製造方法，其 在則述半導體基板，形成構成晝素之電 電晶體，將前述弁雷姓 日日 '"中之轉送 將⑴述先電變換元件形成埋入型之步驟者。 I05I29.doc