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TWI387101B - 固態攝影裝置及其製造方法 - Google Patents

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TWI387101B
TWI387101B TW098103490A TW98103490A TWI387101B TW I387101 B TWI387101 B TW I387101B TW 098103490 A TW098103490 A TW 098103490A TW 98103490 A TW98103490 A TW 98103490A TW I387101 B TWI387101 B TW I387101B
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Inventor
Hirofumi Yamashita
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Toshiba Kk
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Description

固態攝影裝置及其製造方法
本發明是有關於一種固態攝影裝置及其製造方法，例如適用於金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)型固態攝影裝置等。
目前，以互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)感應器為代表的固態攝影裝置，例如用於數位靜態相機(digital still camera)、攝影機、及監視相機(surveillance camera)等的多種用途中。其中，利用單一的畫素陣列(array)來獲取多個顏色資訊的單反式攝影元件已成為主流。
然而近年來，對應於多畫素化及縮小光學尺寸(size)的要求，存在將畫素尺寸縮小的傾向。例如近年來，在數位相機(digital camera)等中廣泛被使用的CMOS感應器的畫素尺寸為1.75um至2.8um左右。此種微細畫素存在如下所述的傾向。
第一，若單位畫素的面積縮小，則單位畫素可接收的光子的數量會與單位畫素面積成比例地減少，從而相對於光散粒雜訊(shot noise)的S(Signal)/N(Noise)比降低。若無法維持S/N比，則再生畫面中的畫質會變差，存在再生圖像的品質下降的傾向。
第二，若單位畫素的面積縮小，則鄰接畫素間的串擾(crosstalk)會增大，原本各畫素僅應在各自固有的波長區域中具有感度(sensitivity)，而現在卻在原本不應具有感度的波長區域中具有感度，因此會產生混色，從而存在再生畫面上的色再現性顯著地變差的傾向。
因此，即便畫素縮小，為了維持S/N比，亦必須儘可能地不使感度降低以防止S/N比的降低；而且，即便畫素縮小，為了不使色再現性變差，亦必須儘可能地避免產生混色。
作為與以上所述的傾向相對應的構成，例如已有一種背面照射型的固態攝影裝置(例如，參照日本專利特開2006-128392號公報)。在背面照射型的固態攝影裝置中，自形成著信號掃描電路及其配線層的矽(Si)表面(表面)相反側的矽(Si)表面(背面)照射入射光。如此，在使入射光自形成著信號掃描電路及其配線層的矽(Si)表面側的相反側的矽(Si)表面入射的背面照射型的構成中，入射至畫素的光能夠到達形成於矽(Si)基板內的受光區域而不會被配線層阻擋。因此，即便在微細的畫素中亦可實現高量子效率(quantum efficiency)。從而相對於上述第一問題點，亦即，即便於畫素進一步縮小的情形時，亦可有效地抑制再生圖像的品質下降。
然而，先前的背面照射型的固態攝影裝置無法有效地解決上述第二個問題點。亦即，在背面照射型的固態攝影裝置中存在如下的傾向：入射光入射至成為受光區域的矽(Si)基板內，而不會被信號掃描電路及其配線層阻擋，另一方面，由於不會被配線層阻擋，入射光會漏射至鄰接畫素中並引起混色。
例如，若將畫素微細化，則微透鏡(microlens)、彩色濾光片(color filter)的開口間距(pitch)變小，因此，特別當入射至波長較長的R畫素的入射光經過彩色濾光片時，會產生繞射(diffraction)。於該情形時，若傾斜地入射至矽(Si)基板內的受光區域的光朝鄰接畫素方向前進，越過畫素間的邊界並入射至鄰接畫素，則於鄰接畫素中會產生光電子，因此，該光電子成為串擾並產生混色。接著，上述光漏射至鄰接的G畫素、B畫素的受光區域中並產生混色。因此，於再生畫面上，色再現性變差，從而畫質降低。
本發明的一形態的固態攝影裝置，包括：攝影區域，於半導體基板上包含光電轉換部以及信號掃描電路部，並配置著單位畫素矩陣而成；以及驅動電路區域，於上述半導體基板上配置著用以對上述信號掃描電路部進行驅動的元件驅動電路而成；上述光電轉換部設置於形成著上述信號掃描電路部的上述半導體基板表面相反側的半導體基板的背面側，上述單位畫素具備絕緣膜，該絕緣膜設置成包圍相鄰接的上述單位畫素之間的邊界部分，並對元件分離區域進行劃分。
本發明的一形態的固態攝影裝置的製造方法，包括：將第1支持基板黏接於形成著信號掃描電路一側的半導體基板的表面上；使形成著上述信號掃描電路一側的相反側的上述半導體基板的背面薄膜化；以包圍單位畫素的方式，在上述背面側的半導體基板中形成對元件分離區域進行劃分的槽；將絕緣材料埋入至上述槽中，形成絕緣膜；將第2支持基板黏接於上述半導體基板的背面側；將上述第1支持基板剝離；於上述表面側的半導體基板表面上形成信號掃描電路部；將上述第2支持基板剝離；以及於上述背面側的半導體基板表面上形成受光面。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下，參照圖式來對本發明的實施形態加以說明。再者，在該說明中，對所有圖中的共用的部分標記共用的參照符號。
[第1實施形態]
＜1.構成例＞
首先，使用圖1至圖7來對第1實施形態的固態攝影裝置的構成例加以說明。在本例中，列舉背面照射型的固態攝影裝置作為一例，以下對該背面照射型的固態攝影裝置進行說明，該背面照射型的固態攝影裝置的受光面設置於形成著信號掃描電路部的半導體基板表面相反側的半導體基板的背面側。
1-1.整體構成例
使用圖1來對本例的固態攝影裝置的整體構成例加以說明。圖1是表示本例的固態攝影裝置的整體構成例的系統方塊圖。圖1中表示了將類比數位(Analog-Digtal，AD)轉換電路配置於畫素陣列的列(column)位置時的一構成。
如圖所示，本例的固態攝影裝置10由攝影區域12與驅動電路區域14所構成。
攝影區域12是於半導體基板上包含光電轉換部以及信號掃描電路部，並配置著單位畫素矩陣而成。
光電轉換部具備單位畫素1並作為攝影部而發揮功能，該單位畫素1包含進行光電轉換及儲存的光電二極體(photodiode)。信號掃描電路部具備下述的放大電晶體(transistor)3等，讀出來自光電轉換部的信號並對該信號進行放大之後，將該信號發送至AD轉換電路15。於本例的情形時，受光面(光電轉換部)設置於形成著信號掃描電路部的半導體基板表面相反側的半導體基板的背面側。
驅動電路區域14中配置著用以對上述信號掃描電路部進行驅動的垂直移位暫存器(Vertical Shift register)13及AD轉換電路等的元件驅動電路。
再者，此處對CMOS感應器的整體構成的一部分進行了說明，但並不限於此。亦即，例如亦可為如下的構成：不按照列來並排地配置ADC電路，而是按照晶片層級(chip level)來配置ADC電路；或者不將ADC配置於感應器晶片上。
垂直移位暫存器13作為選擇部而發揮功能，將信號LS1～LSk輸出至畫素陣列12，並以行(row)為單位來對單位畫素1進行選擇。自所選擇的行中的單位畫素1經由垂直信號線VSL而分別輸出與入射光的量相對應的類比信號Vsig。
AD轉換電路(ADC)15將經由垂直信號線VSL所輸入的類比信號Vsig轉換為數位信號。
1-2.畫素陣列(攝影區域)的構成例
其次，使用圖2來對圖1中的畫素陣列(攝影區域)12的構成例加以說明。圖2是表示本例的畫素陣列的構成例的等價電路圖。在本例中，對利用單一的畫素陣列12來獲取多個顏色資訊的單反式攝影元件進行舉例說明。
如圖所示，畫素陣列12具備多個單位畫素1，上述多個單位畫素1矩陣(matrix)狀地配置於來自垂直移位暫存器13的讀出信號線與垂直信號線VSL的交叉位置。
單位畫素(PIXEL)1包括光電二極體2、放大電晶體3、讀出電晶體4、重置(reset)電晶體9、及位址(address)電晶體41。
在上述內容中，光電二極體2構成光電轉換部。放大電晶體3、讀出電晶體4、重置電晶體9、及位址電晶體41構成信號掃描電路部。
光電二極體2的陰極(cathode)已接地。
放大電晶體3是以如下方式構成，即，對來自浮動擴散層(floating diffusion)42的信號進行放大，並輸出該信號。放大電晶體3的閘極(gate)連接於浮動擴散層42，源極(source)連接於垂直信號線VSL，汲極(drain)連接於位址電晶體41的源極。利用互關聯雙倍取樣(Correlated Double Sampler，CDS)雜訊去除電路8，將經由垂直信號線VSL發送來的單位畫素1的輸出信號中的雜訊去除之後，自輸出端子81輸出該信號。
讀出電晶體4是以如下方式構成，即，對光電二極體2中的信號電荷的儲存進行控制。讀出電晶體4的閘極連接於讀出信號線TRF，源極連接於光電二極體2的陽極(anode)，汲極連接於浮動擴散層42。
重置電晶體9是以如下方式構成，即，對放大電晶體3的閘極電位進行重置。重置電晶體9的閘極連接於重置信號線RST，源極連接於浮動擴散層42，汲極與連接於汲極電源的電源端子5相連接。
位址電晶體(傳輸閘極(transfer gate))41的閘極連接於位址信號線ADR。
又，負載電晶體6的閘極連接於選擇信號線SF，汲極連接於放大電晶體3的源極，源極連接於控制信號線DC。
讀出驅動動作
上述畫素陣列構造的讀出驅動的動作如下所述。首先，藉由自垂直移位暫存器13發送來的行選擇脈衝，讀出行中的行選擇電晶體41成為接通(ON)狀態。
接著，同樣地，藉由自垂直移位暫存器13發送來的重置脈衝，重置電晶體9成為接通(ON)狀態，並被重置為與浮動擴散層42的電位接近的電壓。然後，重置電晶體9成為斷開(OFF)狀態。
接著，傳輸閘極4成為接通(ON)狀態，將儲存在光電二極體2中的信號電荷讀出至浮動擴散層42，根據所讀出的信號電荷數來對浮動擴散層42的電位進行調變。
接著，利用構成源極隨耦器(source follower)的MOS電晶體來將經調變的信號讀出至垂直信號線VSL，從而結束讀出動作。
1-3.彩色濾光片的平面構成例
其次，使用圖3，對本例的固態攝影裝置所具有的彩色濾光片406的平面構成例加以說明。圖3是佈局(layout)圖，表示了在單反式固體攝影元件構造中，為了獲得顏色信號而以何種方式配置著彩色濾光片。
圖中，表示為R的畫素是配置著主要使紅色波長區域的光透過的彩色濾光片的畫素；表示為G的畫素是配置著主要使綠色波長區域的光透過的彩色濾光片的畫素；表示為B的畫素是配置著主要使藍色波長區域的光透過的彩色濾光片的畫素。
本例中表示了可最佳地用作拜耳(Bayer)配置的彩色濾光片配置。如圖所示，相鄰接的彩色濾光片(R、G、B)是以如下的方式配置，即，在行(row)方向及列(column)方向上可取得彼此不同的顏色信號。
1-4.平面構成例
其次，使用圖4及圖5，對本例的固態攝影裝置所具有的畫素陣列12的平面構成例加以說明。此處，對背面照射型的固態攝影裝置進行舉例說明，該背面照射型的固態攝影裝置的受光面，形成在形成著信號掃描電路部15的電路的半導體基板的表面(表面側)相反側的基板表面(背面側)上，上述信號掃描電路部15由上述放大電晶體3等所構成。
平面構成例(1)
如圖4所示，於矽(Si)基板404的背面上，在行方向及列方向上矩陣狀地配置著單位畫素(PIXCEL)1。
而且，於矽(Si)基板404的背面上，以包圍相鄰接的單位畫素1之間的邊界部分的方式，設置著對元件分離區域進行劃分的元件分離絕緣膜(絕緣膜)408。因此，元件分離絕緣膜408以在行方向及列方向上包圍單位畫素1的方式而配置成格子狀。
此處，元件分離絕緣膜408是由折射率低於矽(Si)的折射率的絕緣膜而形成。例如，較理想的是利用如下的絕緣材料來形成元件分離絕緣膜408，該絕緣材料相對於波長為400nm-700nm左右的入射光的折射率為3.9以下。更具體而言，例如，利用氧化矽膜(SiO2 膜)、氮化矽膜(Si3 N4 膜)、氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料來形成元件分離絕緣膜408。
又，如圖所示，本例的單位畫素1的行方向及列方向上的畫素間距P配置為均相同。
平面構成例(2)
圖5所示的平面構成與圖4所示的上述平面構造(1)的不同點在於：元件分離絕緣膜408以包圍相鄰接的單位畫素1之間的邊界部分的方式，平面形狀為孔狀且非連續性地配置於矽基板404的背面上。同樣地，元件分離絕緣膜408以在行方向及列方向上包圍單位畫素1的方式而配置為格子狀。
再者，本實施例中表示了非連續性地配置為孔狀的平面構成例，但元件分離絕緣膜408中亦可存在連續地形成的部位。
1-5.剖面構成例
其次，使用圖6及圖7，對本例的固態攝影裝置所具有的畫素陣列12的剖面構成例加以說明。此處，對沿著圖4、圖5中的VI-VI線的剖面進行舉例說明。
如圖6所示，在矽基板404的表面上，單位畫素1具備配線層402，該配線層402設置在層間絕緣膜409中，並形成由上述放大電晶體3等所構成的信號掃描電路部15的電路。
另一方面，在矽基板404的背面上，單位畫素1包括對信號電子進行儲存的n型擴散層403、抗反射膜405、彩色濾光片406、微透鏡407、及元件分離絕緣膜408。如上所述，元件分離絕緣膜408設置於Si基板404中的畫素之間的邊界部分。如上所述，元件分離絕緣膜408是由折射率低於矽基板404的折射率的絕緣膜所形成。如下所述，n+ 型擴散層403是構成光電二極體的擴散層，該光電二極體形成信號電荷儲存區域。
接著，使用圖7，更詳細地對表面側的半導體基板404附近的單位畫素1的剖面構成例加以說明。
在圖示的剖面中，單位畫素1包括設置於矽基板404的表面上的重置電晶體4、及設置於矽基板404中的光電二極體2。本實施例中，對矽基板為n型擴散層的情形進行了例示，但上述矽基板亦可為p型擴散層。
讀出電晶體4是由設置於基板404上的層間絕緣膜409中的閘極絕緣膜22、設置於閘極絕緣膜22上的層間絕緣膜409中的閘極電極24、及以夾持閘極電極24的方式而分離地設置於矽基板404中的源極26(n+ 擴散層403)、汲極25(n+ 擴散層403)所構成。
光電二極體2是由作為源極26的n+ 擴散層與P井(well)層28所構成，該P井層28以與上述源極26接觸的方式設置在矽基板404中，且與源極26形成PN接面。
汲極25經由設置在汲極25上的層間絕緣膜409中的接觸(contact)配線層30來與配線層402電連接。而且，根據自該配線層402輸出的電信號，分別顯示單位畫素1中的畫素。其他的單位畫素的構成亦相同，因此省略詳細說明。
＜2.光學作用、效果＞
其次，使用上述圖6，對本例的固態攝影裝置的光學作用、效果加以說明。如上述1-4.1-5.中所作的說明，本例的固態攝影裝置是在矽(Si)基板404的背面上，以包圍相鄰接的單位畫素1之間的邊界部分的方式，設置著對元件分離區域進行劃分的元件分離絕緣膜(絕緣膜)408。藉由設為此種構成，可獲得如下所述的光學作用、效果。
亦即，於下述的比較例的構成中，並未設置如本例般的元件分離絕緣膜(絕緣膜)408。因此，傾斜地入射至矽(Si)的受光區域的光朝相鄰接的單位畫素方向前進，越過畫素間的邊界並入射至相鄰接的單位畫素，從而於相鄰接的單位畫素中產生光電子，藉此產生串擾及混色，再生畫面上的色再現性變差。
另一方面，如圖6所示，根據本例的構造，由於沿著傾斜方向入射的光L2會被元件分離絕緣膜408反射，故而可防止該光L2入射至相鄰接的單位畫素。因此，不會產生串擾及混色。
特別是若將畫素微細化，則微透鏡、彩色濾光片的開口間距變小，因此，當入射至波長較長的R畫素的入射光經過彩色濾光片時，會產生繞射。於該情形時，若傾斜地入射至矽(Si)基板404內的受光區域的光朝鄰接畫素方向前進，越過畫素間的邊界並入射至鄰接畫素，則會在鄰接畫素的中產生光電子，因此該光電子成為串擾並產生混色。接著，上述光漏射至相鄰接的G畫素、B畫素的受光區域中並產生混色。因此，於再生畫面上，色再現性變差，從而畫質降低。因此，本例的有效點在於：即便存在入射至R、G、B畫素的入射光，特別是存在入射至波長較長的R畫素的入射光，亦可防止串擾，從而可防止混色的產生，並可提高再生圖像上的色再現性。
此處，矽(Si)的折射率與形成於元件分離區域的元件分離絕緣膜408的折射率之間的關係，決定了在元件分離區域中，以何種程度來對入射光進行反射。以下，當將θin設為在Si中前進的光的前進方向與元件分離絕緣膜408的表面所成的角度，將nsi設為Si的折射率，並將nin設為絕緣膜408的折射率時，θin由以下的式(1)來表示。亦即
θin=ARCTAN(nin/nsi)…式(1)
根據上述式(1)可知：若元件分離絕緣膜408的折射率nin低於Si的折射率nsi，則光會相應地被反射，從而串擾會相應地減小。此處，若元件分離絕緣膜408的平面形狀如上述1-4.中的圖4所示，沿著畫素邊界，無間隙且連續地形成為格子狀，則光會完全被元件分離絕緣膜408反射。
而且，元件分離絕緣膜408的平面形狀不限於此，如圖5所示，亦可於固定距離以內，以保持間隙並包圍單位畫素的方式形成為孔狀。原因在於：若相對於入射光的波長，元件分離絕緣膜408的間隔為固定距離以下，則即便元件分離絕緣膜408之間存在間隙，入射光亦不會朝鄰接畫素前進。將入射光的波長設為λ，上述元件分離絕緣膜408之間的間隔d大致由以下的式(2)所表示。
d=1/2*λ…式(2)
於圖6所示的構造中，入射光的波長區域為可見光。其中，朝G畫素、R畫素入射的光會前進至矽(Si)基板404中的深處為止，因此可成為串擾的原因。因此，根據式(2)可知：相對於G畫素的峰值(peak)波長540nm，若位於畫素間邊界處的元件分離絕緣膜408的間隙為270nm以下’則即便存在間隙d，經由間隙朝相鄰接的單位畫素1前進的光的能量(energy)亦十分小，因此不會產生串擾。
＜3.製造方法＞
其次，使用圖8至圖16，對第1實施形態的固態攝影裝置的製造方法加以說明。於該說明中，對圖6所示的構成進行舉例說明。
(步驟1)
首先，圖8中表示了加工前的矽(Si)基板404。
(步驟2)
其次，如圖9所示，例如，將包含矽(Si)等的第1支持基板31黏接於矽(Si)基板404的形成著信號掃描電路等一側(表面側)的表面上。
(步驟3)
接著，如圖10所示，例如，藉由反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching，RIE)法等的蝕刻，使形成著信號掃描電路等的半導體基板的相反側(背面側)，即成為受光區域的一側的矽基板404的表面薄膜化。於本例的情形，在進行該工程時，將矽基板404的厚度例如減小至3～7um左右。
(步驟4(Si etg))
接著，如圖11所示，在形成著受光區域的矽基板404的表面上(背面側)的成為單位畫素的元件分離邊界的矽基板404上，例如藉由光微影法(photolithography)等來選擇性地進行蝕刻，直至到達第1支持基板31的表面上為止，從而形成槽33。
在進行該工程時，例如，對RIE等的各向異性蝕刻及光微影法時的光罩圖案(mask pattern)進行變更，藉此亦可形成如圖5所示的孔狀的開口。
(步驟5(埋入絕緣膜，形成抗反射膜))
接著，如圖12所示，例如，藉由化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法或旋塗(spin coat)等，將折射率低於矽(Si)的折射率的氧化矽膜(SiO2 膜)或氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料，埋入至上述步驟4中所形成的槽33(或者孔狀的開口)中，從而形成元件分離絕緣膜408。例如，較理想的是利用如下的絕緣材料來形成元件分離絕緣膜408，該絕緣材料相對於波長為400nm-700nm左右的入射光的折射率為3.9以下。
接著，例如，使用CVD法等來將絕緣材料堆積在元件分離絕緣膜408上，於整個基板底面上形成抗反射膜405。
(步驟6)
接著，如圖13所示，例如，將包含矽(Si)等的第2支持基板32黏接於成為受光側的矽基板404的背面側的抗反射膜405上。
(步驟7)
接著，如圖14所示，將在上述步驟2的工程中黏接於矽基板404的表面側的信號操作電路側的第1支持基板拆除。
(步驟8)
接著，如圖15所示，使第2支持基板32及矽基板404反轉，例如，使用通常的大型積體電路(Large Scale Integrated circuit，LSI)製程來在矽基板404的表面上形成p型、n型擴散層403等，從而形成光電二極體2及讀出電晶體4(未圖示)等的主動元件。
接著，例如，使用CVD法等來將氧化矽膜等堆積在矽基板404的表面側的上述已形成的構成上，從而形成層間絕緣膜409。然後，於層間絕緣膜409中形成連接上述MOS-FET等的配線層402，從而形成信號操作電路。
(步驟9)
接著，進而將第3支持基板(未圖示)黏接於上述步驟8中所形成的信號操作電路側(表面側)。
然後，如圖16所示，將相反側(表面側)的第2支持基板32拆除。
最後，使第3支持基板(未圖示)及矽基板404反轉，於矽基板404的背面上依序形成彩色濾光片406、微透鏡407。
藉由以上的製造工程來製造圖6所示的固態攝影裝置。
＜4.效果＞
根據該實施形態的固態攝影裝置及其製造方法，可獲得至少下述(1)至(2)的效果。
(1)可防止鄰接畫素間的串擾，從而可防止混色的產生，因此有利於提高再生畫面上的色再現性。
如圖6等所示，於該實施形態的固態攝影裝置的構成中，受光面具備元件分離絕緣膜408，該元件分離絕緣膜408設置成包圍相鄰接的單位畫素(PIXEL)1之間的邊界部分，並對元件分離區域進行劃分。此處，元件分離絕緣膜408是由折射率低於矽(Si)的折射率的絕緣膜所形成。例如，較理想的是利用如下的絕緣材料來形成元件分離絕緣膜408，該絕緣材料相對於波長為400nm-700nm左右的入射光的折射率為3.9以下。更具體而言，例如，藉由氧化矽膜(SiO2 膜)、氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料來形成元件分離絕緣膜408。又，如圖4所示，例如，元件分離絕緣膜408的平面形狀是以在列方向及行方向上包圍單位畫素1的方式而配置成格子狀。
根據上述構成，如圖6所示，由於沿著傾斜方向入射的光L2會被元件分離絕緣膜408反射，故而可防止該光L2入射至相鄰接的單位畫素。因此，不會產生串擾及混色，有利於提高再生畫面上的色再現性。
(2)有利點在於：即便畫素進一步縮小，亦可抑制再生圖像的品質下降。
若單位畫素的面積縮小，則單位畫素可接收到光子(photon)的數量會與單位畫素面積成比例地減少，從而相對於光散粒雜訊的S/N比降低。若無法維持S/N比，則再生畫面中的畫質會變差，再生圖像的品質下降(上述第一問題點)。
本例的固態攝影裝置為背面照射型的固態攝影裝置。因此，可自形成著信號掃描電路及其配線層的矽(Si)表面(表面)相反側的矽(Si)表面(背面)照射入射光。因此，入射至畫素的光可到達形成於矽(Si)基板內的受光區域而不會被配線層阻擋，即便在微細的畫素中亦可實現高量子效率。從而，相對於上述第一問題點具有如下的有利點，亦即，即便於畫素進一步縮小的情形時，亦可抑制再生圖像的品質下降。
又，根據上述(1)、(2)的觀點，本例於應用在背面型固態攝影裝置中的情形時更為有效。
[第2實施形態(更包括擴散層的一例)]
其次，使用圖17至圖22來對第2實施形態的固態攝影裝置及其製造方法加以說明。該實施形態是關於更包括p型擴散層55的一例，該p型擴散層55沿著元件分離絕緣膜48的側壁上而設置在半導體基板404中。在本說明中，省略與上述第1實施形態重複的部分的詳細說明。
＜平面構成例＞
首先，使用圖17及圖18來對該實施形態的畫素陣列12的平面構成例加以說明。
圖17所示的平面構成例(1)與上述第1實施形態的不同點在於更包括p型擴散層55，該p型擴散層55沿著元件分離絕緣膜48的側壁上，以包圍單位畫素1的方式，呈四角狀的平面形狀而設置於半導體基板404中。
圖18A、圖18B所示的平面構成例(2)與上述第1實施形態的不同點在於更包括p型擴散層55，該p型擴散層55沿著元件分離絕緣膜48的側壁上，以包圍單位畫素1的方式，呈圓形的平面形狀而設置於半導體基板404中。於圖18的實施例中，對元件分離的平面形狀為圓形的情形進行了圖示，但該平面形狀亦可為四角形。
又，如圖18B所示，在行(row)方向及列(column)方向上相鄰接的p型擴散層55的膜厚(元件分離絕緣膜408的間隔)例如較理想為270nm以下。較理想的是連續且不分離地分別形成p型擴散層55。原因在於：在以上述方式相鄰接的單位畫素1之間無間隙地形成p型擴散層55，藉此，p型擴散層55不僅可具有如上所述的防止暗電流的效果，而且可具有如下的效果，即在成為受光區域的n型擴散層403、與鄰接於該n型擴散層403的單位畫素1中的n型擴散層403之間防止擴散。
＜剖面構造例及光學作用、效果＞
其次，使用圖19A至圖19C來對本例的剖面構造例及其光學作用、效果加以說明。此處，列舉沿著圖17、圖18中的XIX-XIX線的剖面構造作為一例。
如圖19A所示，本例的構成與上述第1實施形態的不同點在於設置著p型擴散層55，該p型擴散層55沿著元件分離絕緣膜48的側壁上而設置於半導體基板404中。
藉由設為如本例般的構成，可獲得如下所述的光學作用、效果。
首先，如圖19B所示，由於沿著傾斜方向入射的光L2會被元件分離絕緣膜408反射，故而可防止該光L2入射至相鄰接的單位畫素。與上述第1實施形態同樣地，有利於提高再生畫面上的色再現性而不會產生串擾及混色。
此外，如圖19C所示，有利點在於：由於可防止矽(Si)基板404與元件分離絕緣膜408的界面的空乏化，故而可減少因存在於邊界面上的結晶缺陷等而產生的暗電流。
又，此時如圖所示，較理想的是在相鄰接的單位畫素1之間，彼此連續地形成p型擴散層55。原因在於：在以上述方式相鄰接的單位畫素1之間無間隙地形成p型擴散層55，藉此，p型擴散層55不僅可具有如上所述的防止暗電流的效果，而且可具有如下的效果，即在成為受光區域的n型擴散層403、與鄰接於該n型擴散層403的單位畫素1中的n型擴散層403之間防止擴散。
＜製造方法＞
其次，使用圖20至圖22來對第2實施形態的固態攝影裝置的製造方法加以說明。在本說明中，省略與上述第1實施形態重複的部分的詳細說明。
如圖20所示，在形成著受光區域的矽基板404的背面側的成為單位畫素的元件分離邊界的矽基板404上，例如藉由光微影法等來選擇性地進行蝕刻，直至到達第1支持基板31的表面上為止，從而形成槽33。
在進行該工程時，例如，對RIE等的各向異性蝕刻及光微影法時的光罩圖案進行變更，藉此亦可形成如圖18所示的孔狀的開口。
接著，如圖21所示，例如，使用固相擴散(solid phase diffusion)等的方法，將硼B或銦(In)等的p型的摻雜劑(dopant)導入至矽基板404的槽33(或者孔)中的側壁的Si表面中，從而形成p型擴散層55。
接著如圖22所示，例如藉由CVD法或旋塗等，將折射率低於矽(Si)的折射率的氧化矽膜(SiO2 膜)或氮化矽膜(Si3 N4 膜)、氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料，埋入至上述步驟中所形成的構成的槽33(或者孔狀的開口)中，從而形成元件分離絕緣膜408。然後，例如，使用CVD法等來將絕緣材料堆積於元件分離絕緣膜408上，在整個基板底面上形成抗反射膜405。
以下，使用與上述第1實施形態相同的製造工程來製造本例的固態攝影裝置。
＜效果＞
如上所述，根據該實施形態的固態攝影裝置及其製造方法，可獲得與至少上述(1)至(2)相同的效果。而且，根據本例，可獲得至少下述(3)的效果。
(3)有利點在於可減少暗電流。
本例的固態攝影裝置更包括p型擴散層55，該p型擴散層55沿著元件分離絕緣膜408的側壁上而設置於半導體基板404中。
因此，如圖19C所示，有利點在於：由於可防止矽(Si)基板404與元件分離絕緣膜408的界面的空乏化，故而可減少因存在於邊界面上的結晶缺陷等而產生的暗電流。
而且此時，如圖所示，較理想的是在相鄰接的單位畫素1之間，彼此連續地形成p型擴散層55。原因在於：藉由上述構成，在相鄰接的單位畫素1之間無間隙地形成著p型擴散層55，p型擴散層55不僅可具有如上所述的防止暗電流的效果，而且可具有如下的效果，即在成為受光區域的n型擴散層403、與鄰接於該n型擴散層403的單位畫素1中的n型擴散層403之間防止擴散。
[第3實施形態(錯開地設置著絕緣膜、p型擴散層的一例)]
其次，使用圖23至圖31來對第3實施形態的固態攝影裝置及其製造方法加以說明。該實施形態是關於如下的一例，與形成著信號掃描電路部的半導體基板的表面(表面側)相距規定的距離(d1或d2)，錯開地設置著元件分離絕緣膜408、p型擴散層55。在本說明中，省略與上述第1實施形態重複的部分的詳細說明。
＜剖面構成例(1)＞
圖23所示的剖面構成與上述第1實施形態的不同點在於：與形成著信號掃描電路部的半導體基板404的表面(表面側)相距規定的距離(d1)，於半導體基板404中錯開地設置著元件分離絕緣膜408。
換言之，圖示的構成與上述第1實施形態的不同點在於：相鄰接的單位畫素1之間的元件分離絕緣膜408，並未形成在形成著信號掃描電路的表面側的矽(Si)基板404上。
而且，如圖所示，在將元件分離絕緣膜408設置於單位畫素1的元件分離邊界區域時，若將元件分離絕緣膜408設置至形成著信號掃描電路的表面側的矽(Si)基板404的表面上為止，則設置於矽基板404的表面側的MOS-FET等的主動元件可佔有的面積會顯著地變小。因此，無法於微細畫素中形成多數個MOS-FET等的主動元件。
此處，如圖24的放大圖所示，虛線包圍並表示的主動元件(MOS-FET)是藉由設置於層間絕緣膜409中的閘極電極gate、閘極絕緣膜、以及源極或汲極S/D(n型擴散層)所構成，該源極或汲極S/D(n型擴散層)以夾持閘極電極gate的方式而分離地設置在矽基板404中。又，於主動元件(MOS-FET)之間設置著元件分離絕緣膜STI。而且，於元件分離絕緣膜408下方的半導體基板404中，以包圍汲極S/D(n型擴散層)及元件分離絕緣膜STI的方式設置著P井(P Well)442。
然而，如圖所示，於本例中，與形成著信號掃描電路部的半導體基板404的表面(表面側)相距規定的距離(d1)，於半導體基板404中錯開地設置著元件分離絕緣膜408。
因此，形成於單位畫素1中的MOS-FET等的主動元件的佈局並無任何限制，因此，可無限制地形成微細畫素。於本例的情形時，錯開的距離d1例如較佳為150nm左右至1μm左右。
＜製造方法(1)＞
其次，使用圖25及圖26，對用以製造上述剖面構成例(1)的製造方法加以說明。
首先，如圖25所示，與上述第1實施形態的不同點在於：在形成著受光區域的矽基板404的背面側的成為單位畫素的元件分離邊界的矽基板404上，例如藉由光微影法等來選擇性地進行蝕刻，以與第1支持基板31的表面上(矽基板404的表面側)相距規定的距離(d1)並在矽基板404中錯開的方式，來形成槽33。
在進行該工程時，例如，選擇比上述第1實施形態中進行蝕刻時所施加的電壓低的電壓，或選擇規定的反應物，藉此來形成保持規定的距離d1而錯開的槽33。
接著，如圖26所示，例如藉由CVD法或旋塗等，將折射率低於矽(Si)的折射率的氧化矽膜(SiO2 膜)或氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料，埋入至保持規定的距離d1而錯開的槽33(或者孔狀的開口)中，從而形成元件分離絕緣膜408。接著，例如使用CVD法等來將絕緣材料堆積於元件分離絕緣膜408上，於整個基板底面上形成抗反射膜405。
然後，使用與上述第1實施形態相同的製造工程來製造圖23所示的固態攝影裝置。
＜剖面構成例(2)＞
其次，圖27所示的剖面構成與上述第1實施形態的不同點在於：除了元件分離絕緣膜408之外，與形成著信號掃描電路部的半導體基板404的表面上(表面側)相距規定的距離(d2)，於半導體基板404中還錯開地設置著p型擴散層55。換言之，圖示的構成與上述第1實施形態的不同點在於：相鄰接的單位畫素1之間的元件分離絕緣膜408及p型擴散層55，並未形成在形成著信號掃描電路的表面側的矽(Si)基板404上。
此處，如圖28中的放大圖所示，主動元件(MOS-FET)設置於元件分離絕緣膜408的錯開的區域。又，於主動元件(MOS-FET)之間設置著元件分離絕緣膜STI。
而且，於本例中，如圖28中所示，p型擴散層55與P井(P well)442被設置成在邊界445上相連接。
因此有利點在於：在進行光電轉換時，可將電洞(hole)導通至半導體基板404側。
錯開的距離d2例如較佳為150nm左右至1μm左右。
＜製造方法(2)＞
其次，使用圖29至圖31來對用以製造上述剖面構成例(2)的製造方法加以說明。
首先，如圖29所示，與上述同樣地，在形成著受光區域的矽基板404的背面側的成為單位畫素的元件分離邊界的矽基板404上，例如藉由光微影法等來選擇性地進行蝕刻，以與第1支持基板31的表面(矽基板404的表面側)相距規定的距離(d2)並在矽基板404中斷開的方式，來形成槽33。
接著，如圖30所示，例如使用固相擴散等的方法，將硼B或銦(In)等的p型的摻雜劑導入至保持規定的距離d2而錯開的槽33(或者穴)中的側壁的Si表面中，從而形成p型擴散層55。
接著，如圖31所示，例如藉由CVD法或旋塗等，將折射率低於矽(Si)的折射率的氧化矽膜(SiO2 膜)或氧化鈦(TiO)膜等的絕緣材料，埋入至上述步驟中所形成的構成的槽33(或者孔狀的開口)中，從而形成元件分離絕緣膜408。接著，例如使用CVD法等來將絕緣材料堆積於元件分離絕緣膜408上，在整個基板底面上形成抗反射膜405。
然後，使用與上述第1實施形態相同的製造工程來製造圖27所示的固態攝影裝置。
＜效果＞
如上所述，根據該實施形態的固態攝影裝置及其製造方法，可獲得與至少上述(1)至(3)相同的效果。而且，根據本例，可獲得至少下述(4)的效果。
(4)形成於單位畫素1中的MOS-FET等的主動元件的佈局並無任何限制，因此，可無限制地形成微細畫素。
此處，當必須將元件分離絕緣膜408、p型擴散層55設置於單位畫素1的元件分離邊界區域時，若將元件分離絕緣膜408、p型擴散層55設置至形成著信號掃描電路的表面側的矽(Si)基板404的表面上為止，則設置於矽基板404的表面側的MOS-FET等的主動元件可佔有的面積會顯著地變小。因此，無法於微細畫素中形成多數個MOS-FET。
然而，如圖23、圖27所示，於本例的構成中，與形成著信號掃描電路部的半導體基板404的表面(表面側)相距規定的距離(d1、d2)，在半導體基板404中錯開地設置著元件分離絕緣膜408、p型擴散層55。換言之，於本例的構成中，相鄰接的單位畫素1之間的元件分離絕緣膜408、p型擴散層55，並未形成在形成著信號掃描電路的表面側的矽(Si)基板404上。
從而有利點在於：由於形成於單位畫素1中的MOS-FET等的主動元件的佈局並無任何限制，故而可無限制地形成微細畫素。
再者，錯開的距離d1、d2例如較佳為150nm左右至1μm左右。
[比較例(不具備元件分離絕緣膜的一例)]
其次，為了與上述第1至第3實施形態的固態攝影裝置作比較，使用圖32來對比較例的固態攝影裝置加以說明。該比較例是關於在元件分離區域中並不具備元件分離絕緣膜的一例。
如圖所示，於該比較例的構成中，在元件分離區域中並不具備上述實施形態所示的元件分離絕緣膜。
因此，在該比較例的固態攝影裝置中，自基板的背面側入射的入射光L11、L12，在單位畫素100中通過ML/CF之後產生繞射，漏射至相鄰接的單位畫素中，並成為串擾。從而不利點在於：產生混色，再生畫面上的色再現性變差，畫質降低。
如此，於比較例的構成中，由於在元件分離區域中不具備上述實施形態所示的元件分離絕緣膜，故而無法阻止在矽(Si)基板中傳播的光L11、L12的前進。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、100．．．單位畫素
2．．．光電二極體
3．．．放大電晶體
4．．．傳輸閘極
5．．．電源端子
6．．．負載電晶體
8．．．CDS雜訊去除電路
9．．．重置電晶體
10．．．固態攝影裝置
12．．．攝影區域
13．．．垂直移位暫存器
14．．．驅動電路區域
15．．．AD轉換電路
22．．．閘極絕緣膜
24．．．閘極電極
25．．．汲極
26．．．源極
28、442．．．P井
30．．．接觸配線層
31．．．第1支持基板
32．．．第2支持基板
33．．．槽
41．．．位址電晶體
42．．．浮動擴散層
55．．．p型擴散層
57、58．．．虛線
81．．．輸出端子
402．．．配線層
403．．．n型擴散層
404．．．矽基板
405．．．抗反射膜
406．．．彩色濾光片
407．．．微透鏡
408．．．元件分離絕緣膜
409．．．層間絕緣膜
445．．．邊界
d1、d2．．．距離
L1、L2、L11、L12．．．入射光
LS1、LS2、LSk．．．信號
P．．．畫素間距
RST．．．重置信號線
TRF．．．讀出信號線
VSL．．．垂直信號線
Vsig1、Vsig2、Vsigm．．．類比信號
圖1是表示本發明的第1實施形態的固態攝影裝置的整體構成例的方塊圖。
圖2是第1實施形態的固態攝影裝置的畫素陣列的等價電路圖。
圖3是表示第1實施形態的固態攝影裝置的彩色濾光片的平面圖。
圖4是表示第1實施形態的固態攝影裝置的畫素陣列的平面構成例(1)的平面圖。
圖5是表示第1實施形態的固態攝影裝置的畫素陣列的平面構成例(2)的平面圖。
圖6是沿著圖4、圖5中的VI-VI線的剖面圖。
圖7是表示第1實施形態的固態攝影裝置的單位畫素的剖面圖。
圖8是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖9是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖10是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖11是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖12是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖13是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖14是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖15是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖16是表示第1實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖17是表示第2實施形態的固態攝影裝置的畫素陣列的平面構成例(1)的平面圖。
圖18A是表示第2實施形態的固態攝影裝置的畫素陣列的平面構成例(2)的平面圖。
圖18B是表示圖18A中的虛線所包圍的部分的平面圖。
圖19A是沿著圖17、圖18中的XIX-XIX線的剖面圖。
圖19B是表示圖19A中的虛線57所包圍的部分的剖面圖。
圖19C是表示圖19A中的虛線58所包圍的部分的剖面圖。
圖20是表示第2實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖21是表示第2實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖22是表示第2實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖23是表示第3實施形態的固態攝影裝置的單位畫素的剖面構成例(1)的剖面圖。
圖24是放大地表示圖23中的單位畫素的剖面圖。
圖25是表示第3實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖26是表示第3實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖27是表示第3實施形態的固態攝影裝置的單位畫素的剖面構成例(2)的剖面圖。
圖28是放大地表示圖27中的單位畫素的剖面圖。
圖29是表示第3實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖30是表示第3實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖31是表示第3實施形態的固態攝影裝置的一製造工程的剖面圖。
圖32是表示比較例的固態攝影裝置的剖面構成例的剖面圖。
1．．．單位畫素
10．．．固態攝影裝置
12．．．攝影區域
13．．．垂直移位暫存器
14．．．驅動電路區域
15．．．AD轉換電路
LS1、LS2、LSk．．．信號
VSL．．．垂直信號線
Vsig1、Vsig2、Vsigm．．．類比信號

Claims (16)

  1. 一種固態攝影裝置，包括：攝影區域，於半導體基板上包含光電轉換部以及信號掃描電路部，並配置著單位畫素矩陣而成；以及驅動電路區域，於上述半導體基板上配置著用以對上述信號掃描電路部進行驅動的元件驅動電路而成，上述光電轉換部設置於形成著上述信號掃描電路部的上述半導體基板表面相反側的半導體基板的背面側，上述單位畫素具備絕緣膜，上述絕緣膜設置於相鄰接的上述單位畫素之間的邊界部分，且設置成包圍相鄰接的上述單位畫素之間的邊界部分，上述絕緣膜由上述半導體基板的背面側至表面側延伸，且與上述表面側相距規定的距離，錯開地設置於上述半導體基板中，構成上述信號掃描電路部的主動元件，設置於位於上述絕緣膜的下方的錯開設置區域的上述半導體基板的表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，其中上述信號掃描電路部包括具有第1導電型的擴散層的光電二極體，上述第1導電型的擴散層設置於上述半導體基板中且形成信號電荷儲存區域。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，其中上述單位畫素更具備沿著上述絕緣膜的側壁上而設置於上述半導體基板中的第2導電型的擴散層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，其中上述絕緣膜的平面形狀是以包圍上述單位畫素的方式配置為格子狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，其中上述絕緣膜的平面形狀是以包圍相鄰接的單位畫素之間的邊界部分的方式，非連續性地配置為孔狀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，更包括以行(row)為單位來對上述單位畫素進行選擇的垂直移位暫存器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，更包括將自上述單位畫素輸入的類比信號轉換為數位信號的類比數位轉換電路。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之固態攝影裝置，更包括設置於位於上述絕緣膜的下方的錯開設置區域的上述半導體基板中的第2導電型的井層，其中上述主動元件形成於上述第2導電型的井層內。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之固態攝影裝置，其中上述第2導電型的擴散層連接於上述第2導電型的井層。
  10. 一種固態攝影裝置的製造方法，包括：將第1支持基板黏接於形成著信號掃描電路一側的半導體基板的表面上；使形成著上述信號掃描電路一側的相反側的上述半導體基板的背面薄膜化；以包圍單位畫素的方式，在上述背面側的半導體基板 中形成對元件分離區域進行劃分，且與形成著上述信號掃描電路一側的上述半導體基板的表面側相距規定的距離而在上述半導體基板中錯開地設置的槽；將絕緣材料埋入至上述槽中，形成由上述半導體基板的表面上錯開設置的絕緣膜；將第2支持基板黏接於上述半導體基板的背面側；將上述第1支持基板剝離；於上述絕緣膜的下方的錯開設置的區域的上述半導體基板表面上形成信號掃描電路部的主動元件；將上述第2支持基板剝離；以及於上述背面側的半導體基板表面上形成受光面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之固態攝影裝置的製造方法，更包括將摻雜劑導入至上述槽中的側壁的半導體表面中，形成雜質擴散層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之固態攝影裝置的製造方法，其中上述絕緣膜的平面形狀是以包圍上述單位畫素的方式配置為格子狀。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之固態攝影裝置的製造方法，其中在形成對元件分離區域進行劃分的槽時，將上述槽的平面形狀以包圍上述單位畫素的方式形成為格子狀。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之固態攝影裝置的製造方法，其中在形成對元件分離區域進行劃分的槽時，將上述槽的平面形狀以包圍上述單位畫素之間的邊界部分的 方式，非連續性地形成為孔狀。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之固態攝影裝置的製造方法，更包括形成井層於位於上述絕緣膜的下方的錯開設置區域的上述半導體基板中，其中上述主動元件形成於上述井層內。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之固態攝影裝置的製造方法，其中上述雜質擴散層連接於上述井層。
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