TWI452682B

TWI452682B - 光電轉換裝置

Info

Publication number: TWI452682B
Application number: TW099142612A
Authority: TW
Inventors: 工藤正稔; 林良之; 齊藤和宏; 加藤太朗; 福元嘉彥
Original assignee: 佳能股份有限公司
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US8471301B2; CN102104052A; EP2333834A3; US20110140219A1; CN102104052B; TW201125113A; JP2011124522A; EP2333834A2

Description

光電轉換裝置

本發明涉及光電轉換裝置中的光電轉換區域的結構。

作為光電轉換裝置的各像素的光電轉換區域，下述這樣的配置是已知的，在該配置中，包含通過第一和第二導電型半導體區域之間的PN接面形成的光電二極體並且在該光電二極體上佈置由矽氧化物膜等形成的層間絕緣膜。所述層間絕緣膜可具有設置在其上的保護絕緣膜或濾色器等，或者可與空氣直接接觸。具有這種結構的光電轉換裝置常常展現輸出關於入射光的波長具有漣波的特性作為其光譜特性。當入射光在光電轉換區域和層間絕緣膜之間以及在層間絕緣膜和形成在層間絕緣膜上的膜之間的介面處經受多重反射並且具有與層間絕緣膜的折射率不同的折射率時，出現漣波。更具體地，由於層間絕緣膜在晶片內的膜厚分佈導致佈置在該晶片上的像素的位置之間的多重反射的影響發生變化，因此出現漣波。

為了減少漣波，如在日本專利公開No. 6-125068中描述的那樣，存在用於通過使用一種結構和另一結構使光學干涉的影響隨機化來減少漣波的方案，其中，在所述一種結構中，基礎(foundation)圖案被附著到絕緣膜上來改變絕緣膜表面的高度，在所述另一結構中，在絕緣膜上設置島狀金屬層。

另外，在日本專利公開No. 2005-072097中，公開了一種光電轉換裝置，在該光電轉換裝置中，為了減少在絕緣膜的下側的介面處的反射，通過蝕刻在半導體基板的表面中形成凹陷和凸起。

但是，在日本專利公開No. 6-125068中公開的前一結構的情況下，由於保護絕緣膜的表面的形狀根據位置而不同，因此，保護特性會受影響。另外，由於保護絕緣膜自身的厚度根據位置而改變，因此，保護特性對於晶片上的每個位置而不同，這是不希望的。此外，在設置島狀金屬層的情況下，光電轉換區域中的孔徑較小，這也是不希望的。

至於日本專利公開No. 2005-072097，沒有清楚地描述凹陷和凸起的具體尺寸。漣波的影響可能不會根據凹陷和凸起的尺寸而減小。

本發明提供在不改變保護絕緣膜的結構的情況下減少漣波的光電轉換裝置。

根據本發明的一形態的光電轉換裝置包括：複數光電轉換區域；佈置在複數光電轉換區域上的層間絕緣膜；被佈置為與層間絕緣膜接觸並且折射率與層間絕緣膜的折射率不同的保護絕緣膜；被佈置在複數光電轉換區域中的每一個的受光表面中的凹陷；以及嵌入嵌入凹陷中的嵌入區域。當對於複數光電轉換區域中的每一個光電轉換區域的入射光的波長由λ表示並且嵌入區域的折射率由n表示時，凹陷的深度d由運算式dλ/4n表示。

參照附圖閱讀示範性實施例的以下描述，本發明的其他特徵將變得清晰。

以下參照附圖描述本發明的實施例。在以下的實施例中，描述使用電洞作為信號載子的情況。當使用電子作為信號載子時，n型半導體區域變為p型半導體區域，並且，p型半導體區域變為n型半導體區域。在以下的描述中，對於半導體基板使用矽。

第一實施例

圖1是根據第一實施例的光電轉換裝置中的光電轉換區域中的每一個和各光電轉換區域之上的部分的平面圖。圖2是沿圖1的線II-II切取的示意性斷面圖。圖3是圖2所示的斷面的放大示意圖。在圖1～3中，相同的部件被賦予相同的附圖標記。這裏的光電轉換區域是PN接面光電二極體。根據本發明第一實施例的光電轉換裝置具有在半導體基板上佈置複數像素的配置，所述複數像素中的每一個包含光電轉換區域。

雖然第一半導體區域100可以為n型或p型，但是，第一半導體區域100由具有相對低的雜質濃度的區域形成。這裏，第一半導體區域100為n型半導體區域。對於第一半導體區域100，例如，可以使用半導體基板自身。這裏的術語“半導體基板”指的是用作材料基板的半導體基板。

第二半導體區域101是佈置在第一半導體區域100上的嵌入的n型半導體區域。

第三半導體區域102是佈置在第二半導體區域101上的n型半導體區域，並且可通過例如外延生長而形成。第三半導體區域102具有比第二半導體區域101的雜質濃度低的雜質濃度並且其中的信號載子是少數(minority)載子。

第四半導體區域103由n型半導體區域形成，並使相鄰的光電轉換區域相互分開。第四半導體區域103被設置在各光電轉換區域周圍，並且最好是完全包圍光電轉換區域。另外，各像素的光電轉換區域最好是在底部被第二半導體區域101覆蓋以及在側部被第四半導體區域103包圍。

第五半導體區域105由p型半導體區域形成，並且可收集作為信號載子的電洞。在該區域中，信號載子是多數(majority)載子。第五半導體區域105是用於建立到未示出的讀出電路的電連接的區域。在第五半導體區域105之上設置接觸孔106，並且，第五半導體區域105通過金屬電極107與讀出電路連接，其中接觸孔106被金屬電極107填充。對於讀出電路，例如，可以使用由金屬氧化物半導體(MOS)電晶體形成的源極跟隨器。在那種情況下，第五半導體區域105與放大MOS電晶體的閘極電連接。第三半導體區域102和第五半導體區域105的表面一起形成光電轉換區域的受光表面。

第一層間絕緣膜108被佈置在光電轉換區域上，並且可由例如通過常壓或次常壓(subatmospheric pressure)化學氣相沉積(CVD)獲得的硼磷矽酸鹽(boro-phospho silicate)玻璃(BPSG)膜形成。作為第二層間絕緣膜109，可以使用通過電漿CVD獲得的SiO₂ 膜。雖然這裏的層間絕緣膜具有二層結構，但是，可以有單個層或多個層。第一和第二層間絕緣膜108和109的折射率基本上相等，即，第一和第二絕緣膜108和109中的每一個的折射率n₁ 為例如1.46。

保護絕緣膜110根據需要被設置，並且可通過使用通過電漿CVD獲得的SiON(矽氧氮化物(silicon oxynitride))、SiN(矽氮化物(silicon nitride))和/或SiO₂ 等被形成為單層或多層膜。保護絕緣膜110具有與第二層間絕緣膜109接觸的部分，並且，與第二層間絕緣膜109接觸的部分的折射率至少不同於第二層間絕緣膜109的折射率。作為替代，整個保護絕緣膜110可具有與第一和第二層間絕緣膜108和109的折射率不同的折射率。作為保護絕緣膜110的替代，可以設置濾色器或微透鏡，或者，可以不設置任何部件，而使第二層間絕緣膜109直接暴露於空氣中。在任何情況下，第二層間絕緣膜109都與具有不同折射率的構件形成介面。

在光電轉換區域的受光表面中設置凹陷111。可通過蝕刻或通過使用矽的局部氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)方法的熱氧化製程形成凹陷111。

嵌入區域112被佈置為使得其被嵌入凹陷111。對於嵌入區域112，可以使用通過LOCOS方法形成的所謂的LOCOS區域。當對於嵌入區域112使用矽氧化物時，嵌入區域112的折射率n₂ 基本上與第一和第二層間絕緣膜108和109的折射率相同。

當如後面描述的那樣由λ表示入射光的波長並且由n表示嵌入區域112的折射率時，凹陷111的深度d是滿足以下的關係的值：

從不設置凹陷111的區域測量這裏的深度d。另外，在用於可見光的光電轉換裝置的情況下，入射光的波長範圍在較短波長側為360～400 nm，並且，在較長波長側為760～830 nm。由於至少可用較短波長側的光實現效果，因此入射光的波長可被確定為360 nm。如果需要在整個可見光的波長範圍上實現效果，那麼入射光的波長可被確定為830 nm。如果對於光電轉換區域設置濾色器，那麼其自身顏色的濾色器的峰值波長可被用作入射光的波長。如果濾色器具有拜耳圖案(Bayer pattern)，那麼通過藍色濾色器的光的峰值波長可被用作λ。

如果在用於可見光的光電轉換裝置的情況下嵌入凹陷111中的嵌入區域112由矽氧化物構成並且如果光電轉換區域被佈置在矽基板上，那麼凹陷111的深度d可以為滿足運算式0.06d0.15 μm的值。通過該範圍中的深度d，產生相位與從不設置凹陷111的區域反射的光的相位相反的反射光，並且，這兩種類型的光相互抵消，這允許減少漣波。

下面，參照圖3描述由凹陷111導致的漣波減少。

入射光通過保護絕緣膜110以及第一和第二層間絕緣膜108和109，並且入射到光電轉換區域上。此時，由於在第三半導體區域102與第一層間絕緣膜108之間以及在第二層間絕緣膜109與第二層間絕緣膜109上的構件之間的介面處出現的多重反射，所以獲得輸出關於波長具有漣波的特性作為光譜特性。如果受光表面如在現有技術中那樣是平面的，那麼在像素輸出中直接反映輸出具有漣波的特性。相反，當設置了凹陷111時，使得能夠在單個光電轉換區域內使光路徑長度彼此不同。

圖4是示出凹陷中的一個的示意性斷面圖。入射到凹陷上的光由箭頭150、151和152指示。箭頭150指示從不設置凹陷的區域反射的光，箭頭152指示從凹陷的底表面反射的光，箭頭151表示從凹陷的側壁反射的光。

通過設置凹陷，可使得對於光電轉換區域的入射光的各光線的光路徑長度彼此不同。通過使得光路徑長度彼此不同，從光電轉換區域與第一層間絕緣膜之間的介面反射的光的光線可能具有相位差，並由此通過干涉來相互抵消。即，可通過干涉的效果來減少輸出的漣波。

當入射光的波長由λ表示並且嵌入凹陷中的嵌入區域的折射率由n表示時，如果相位膜厚度為λ/4n，那麼反射光的相位變得與從不設置凹陷的區域反射的光的相位相反。即，當凹陷的深度d為λ/4n時，干涉的效果最大，因此，漣波減少效果大。

當在半導體區域的表面中設置凹陷時，通常難以使得凹陷的側壁完全垂直，這意味著所形成的凹陷有些呈錐形(tapered)。因此，當各凹陷的底表面具有大於等於λ/4n的深度時，在從底表面到深度與受光表面的深度相同(即，深度為零)的區域的某處一定存在深度為λ/4n的區域，並且，從該區域反射的光具有相反的相位。這使得能夠減少輸出的漣波。尤其是當如本實施例中那樣通過LOCOS方法形成凹陷時，可以提供被稱為“鳥嘴”的逐漸的傾斜面，其成功地加寬通過反射產生相反相位的光的區域。

但是，如果深度為λ或更大，那麼暗電流的影響會大，這是不希望的。因此，半導體基板中的凹陷的深度d最好是在λ/4ndλ的範圍中。

圖7示出當改變凹陷的底表面的面積時漣波的量。漣波的量被正規化，以使得當不在光電轉換區域中佈置凹陷時漣波的量的值為1。當凹陷的面積與光電轉換區域的整個表面面積的比率R約為0.5時，相互干涉的成分的比率為1:1，由此以最大的量減少漣波。這是由於具有相反相位的反射光的量可被設為接近於從不設置凹陷的區域反射的光的量。為了允許相互抵消的具有相反相位的兩類反射光的量彼此接近，所述比率R最好為0.5，但是，只要所述比率R在0.4R0.6的範圍中，即可實現大的效果。作為實現這種配置的方式，如圖2中所示，最好是用一定的間距以重複的圖案佈置要被設置在第三半導體區域中的凹陷。這裏，通過使用凹陷的開口的面積來確定凹陷的面積。

當如在本實施例中那樣通過使用隔離方法的方案來形成光電轉換區域中的凹陷時，能夠同時提供凹陷以及週邊電路中的電晶體的形成和元件隔離，由此成功地省略附加的製造步驟。雖然沒有示出，但是，可以執行使用LOCOS方法的元件隔離來隔離像素。也可通過使用蝕刻的方法(例如淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)方法)來有效地形成凹陷。

現在，描述要在光電轉換區域中的何處佈置凹陷。光電轉換區域的受光表面中的凹陷最好是被佈置在與第五半導體區域105分開1.0 μm或更大的距離的位置處，以使第五半導體區域105被第三半導體區域102包圍。通過這種配置，可以抑制在凹陷111與嵌入區域112之間的介面處產生的暗電流。通過阻止形成光電轉換區域的PN接面的空乏層與凹陷的邊緣接觸，也可成功地抑制暗電流。

第二實施例

圖5是根據本實施例的光電轉換區域的示意性斷面圖。對於具有與第一實施例的功能類似的功能的部件賦予相同的附圖標記，並因此省略對其的詳細描述。

本實施例的特徵在於，設置這樣的結構，在該結構中，在被嵌入在凹陷111中的嵌入區域112上佈置折射率比第一層間絕緣膜108的折射率高的膜。該膜為例如具有2.0的折射率n的矽氮化物膜513。矽氮化物膜513用作抗反射膜。通過矽氮化物膜513，可以抑制在第一層間絕緣膜108與光電轉換區域之間的介面處的反射，這實現高的靈敏度以及漣波減少。

第三實施例

圖6是根據本實施例的光電轉換區域的示意性斷面圖。對於具有與第一和第二實施例的功能類似的功能的部件賦予相同的附圖標記，並因此省略對其的詳細描述。

本實施例的特徵在於，設置這樣的結構，在該結構中，通過濕式蝕刻等去除當形成凹陷111時形成的絕緣膜；在該結構中，在複數光電轉換區域之上形成矽氧化物膜613作為第一絕緣膜；以及，在該結構中，直接在矽氧化物膜613上形成折射率比矽氧化物膜613的折射率高的第二絕緣膜(例如矽氮化物膜614)。通過根據本實施例的結構，可以對於像素的整個表面實現抗反射效果，由此獲得比第二實施例中的靈敏度還高的靈敏度。

雖然已參照各實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限於上述配置。例如，作為矽氧化物膜613的替代，嵌入凹陷111中的嵌入區域可以是有機膜或矽氮化物膜。另外，第一層間絕緣膜108和嵌入凹陷111中的絕緣體可由不同的材料形成。

此外，所述配置可包含傳送電晶體，所述傳送電晶體向浮置擴散傳送在光電轉換區域中產生的電荷。

本發明被應用於在掃描器等中使用的光電轉換裝置。

雖然已參照示範性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限於所公開的示範性實施例。所附權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋以包含所有的這種變更方式以及等同的結構和功能。

100．．．第一半導體區域

101．．．第二半導體區域

102．．．第三半導體區域

103．．．第四半導體區域

105．．．第五半導體區域

106．．．接觸孔

107．．．金屬電極

108．．．第一層間絕緣膜

109．．．第二層間絕緣膜

110．．．保護絕緣膜

111．．．凹陷

112．．．嵌入區域

150,151,152．．．光

513．．．矽氮化物膜

613．．．矽氧化物膜

614．．．矽氮化物膜

圖1是根據本發明第一實施例的光電轉換區域的平面圖。

圖2是根據本發明第一實施例的光電轉換區域的示意性斷面圖。

圖3是根據本發明第一實施例的光電轉換區域的放大示意性斷面圖。

圖4是示出根據本發明第一實施例的基板的凹陷和凸起部分處的光路徑長度的差異的示意性斷面圖。

圖5是根據本發明第二實施例的光電轉換區域的示意性斷面圖。

圖6是根據本發明第三實施例的光電轉換區域的示意性斷面圖。

圖7是示出根據本發明第一實施例的像素中的凹陷的面積的比率與漣波減少效果之間的關係的示圖。

105．．．第五半導體區域

106．．．接觸孔

107．．．金屬電極

112．．．嵌入區域

Claims

一種光電轉換裝置，包括：複數光電轉換區域；層間絕緣膜，該層間絕緣膜被佈置在該些複數光電轉換區域上；保護絕緣膜，該保護絕緣膜被佈置為與該層間絕緣膜接觸並且具有與該層間絕緣膜的折射率不同的折射率；凹陷，該凹陷被佈置在該些複數光電轉換區域中的每一個的受光表面中；以及嵌入區域，該嵌入區域被嵌入該凹陷中，其中，當對於該些複數光電轉換區域中的每一個的入射光的波長由λ表示並且該嵌入區域的折射率由n表示時，該凹陷的深度d由運算式d>λ/4n表示，及其中該些複數光電轉換區域包含用以收集信號載子之半導體區域，其中接觸孔被設置於用以收集信號載子之該半導體區域之上，且金屬電極被填充入該接觸孔中，用以收集信號載子之該半導體區域通過該金屬電極與讀出電路電連接，及用以收集信號載子之該半導體區域不設置凹陷。
如申請專利範圍第1項的光電轉換裝置，還包括：抗反射膜，該抗反射膜被佈置在該些複數光電轉換區域中的每一個的受光表面和該凹陷的表面上，並且具有比該層間絕緣膜的折射率高的折射率。
如申請專利範圍第1項的光電轉換裝置，其中，該嵌入區域包含第一絕緣膜和第二絕緣膜，該第二絕緣膜被佈置為與該第一絕緣膜接觸並具有比該第一絕緣膜的折射率高的折射率。
如申請專利範圍第1項的光電轉換裝置，其中，該凹陷和該嵌入區域由矽的局部氧化(LOCOS)方法形成。
如申請專利範圍第1項的光電轉換裝置，其中，該些複數光電轉換區域中的每一個通過包含第一半導體區域和第二半導體區域來被配置，該第二半導體區域與該第一半導體區域一起形成PN接面，其中，該第二半導體區域與讀出電路電連接，以及其中，該凹陷被該第一半導體區域包圍。
如申請專利範圍第1至5項中的任一項的光電轉換裝置，其中，用一定的間距、以重複的圖案佈置該凹陷。
如申請專利範圍第6項的光電轉換裝置，其中，該凹陷的深度d在λ/4ndλ的範圍中。
如申請專利範圍第6項的光電轉換裝置，還包括：濾色器，該濾色器與該些複數光電轉換區域中的每一個對應，其中，入射光的波長是通過該濾色器的光的峰值波長。
如申請專利範圍第8項的光電轉換裝置，其中，該濾色器具有Bayer圖案，並且，入射光的波長是通過藍色濾色器的光的峰值波長。
一種用於可見光的光電轉換裝置，包括：複數光電轉換區域，該些複數光電轉換區域被佈置在矽基板上；矽氧化物膜，該矽氧化物膜被佈置在該些複數光電轉換區域上；保護絕緣膜，該保護絕緣膜被佈置為與該矽氧化物膜接觸並且具有與該矽氧化物膜的折射率不同的折射率；凹陷，該被佈置在該些複數光電轉換區域中的每一個的受光表面中；以及矽氧化物嵌入區域，該矽氧化物嵌入區域被嵌入該凹陷中，其中，該凹陷的深度d在0.06d0.15μm的範圍中，及其中該些複數光電轉換區域包含用以收集信號載子之半導體區域，其中接觸孔被設置於用以收集信號載子之該半導體區域之上，且金屬電極被填充入該接觸孔中，用以收集信號載子之該半導體區域通過該金屬電極與讀出電路電連接，及用以收集信號載子之該半導體區域不設置凹陷。