專利名稱：固態(tài)成像裝置及其生產方法以及成像設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及例如帶有CMOS傳感器的固態(tài)成像裝置及其生產方法以及 成像設備。
背景技術：
近來，為了在例如移動電話等的移動設備上安裝照相功能的目的，提高 了使固態(tài)成像裝置緊湊的要求。
在固態(tài)成像裝置例如CMOS成像傳感器等中，通常采用這樣的結構， 其中光電二極管(PD)以固定的間隔布置，例如，以方格形形式，以采樣入 射光。
因此，出現(xiàn)了這樣的問題，隨著如上所述的固態(tài)成像裝置的體積減小以 及單元像素由于增加像素數(shù)量而且小型化，PD的面積減少，且固態(tài)成像裝 置的特性降低，例如飽和信號量、靈敏度降低。
過去，為了防止固態(tài)成像裝置的這種特性上的降低，采取了這樣的方法， 其中通過減小單元像素中的晶體管的面積來抑制PD面積上的減少。然而， 通過減少晶體管的面積保持PD的面積的方法來保持固態(tài)成像裝置的特性的 做法是有限制的。
曰本未審查專利申請公開No. 63-100879和No. 2004-128193描述了 CMOS成像傳感器，其中除PD和電荷轉移晶體管之外的像素電路由相鄰單 元像素共享(例如，見jPNo. 63-100879的第4頁、圖4和JPNo. 2004-128193 的
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段和圖2)。
在上述的CMOS成像傳感器中，每個單元像素的晶體管數(shù)量和配線數(shù) 量可得以減少，因此，可以保證相對大的PD面積，從而能夠適應單元像素 的小型化。
然而，在上述JP公開中所描述的結構中，每個單元像素中，PD和相鄰 單元像素共享的電路區(qū)域混合在一起。在此情況下，因為共享區(qū)域設置在相 鄰單元像素之間，所以在相鄰單元像素中PD所占據(jù)的相對位置在相鄰單元像素之間不同。
因此，在平面構造中，PD并不是設置成方格形，而是呈不均勻的間隔。 當PD沒有均勻地間隔布置時，空間上以不均勻的間隔采樣入射光。在 此情況下，出現(xiàn)下面的問題。
a) 需要校正采樣信號，從而與PD以均勻間隔布置的情況相比，信號處 理變得復雜。
b) 如果PD的布置根據(jù)CMOS傳感器的類型而不同，則信號處理也必 須相應地改變。
c) 當顯示具有淺色和深色的條形圖案的圖像時，尤其是在條形的延伸 方向相對于像素的布置傾斜時，難以再現(xiàn)條形的間隔、顏色等。
很可能不能采用典型的信號處理IC,并且限制了系統(tǒng)結構。
e)在遠離光軸的周邊部分的像素中，光傾斜入射，從而由PD不均勻間 隔布置引起的陰影在輸出方式上不同。例如，甚至在白色物體成像時，其上 邊緣和下邊緣也是著色的，而且著色成不同的顏色，從而陰影的校正變得困
因為出現(xiàn)上述的不便，優(yōu)選以均勻的間隔進行入射光的采樣。 為了解決上述問題，過去已經采取了下面的方法。
1) 在PD周圍均勻地布置晶體管，使得PD均勻地間隔布置。
2) 提供額外的空間，使得PD均勻地間隔布置。
3) 對于以不均勻的間隔布置的PD,適當縮小光開口，并且以均勻的間 隔布置光入射區(qū)域。
關于上述方法1)，在幾乎所有各式各樣的固態(tài)成像裝置例如CMOS傳 感器等中，因為極難以完全相等的間隔布置PD，所以導致PD的面積減少， 并且降低了像素電路的例如變換增益等的特性。
關于上述方法2)，同樣，其導致減少PD的面積，并且降低像素電路的 特性。
在上述方法3)中，具有引起靈敏度下降的不便。
作為CMOS的另一個實例，在日本未審查專利申請公開No. 2003-31785 中，本申請人提出了后表面入射型CMOS傳感器。所提出的后表面入射型 CMOS傳感器從后側面接收光，如圖1所示。在圖1中，通過借助CMP (化學機械拋光)拋光由硅等制造的基板， 形成約10-20iim厚的硅部分204。柵極電極212和配線層211經由層間絕緣 層形成在硅部分204的一個表面(即前表面)側上，并且由此形成4冊極/配線 部分203。此外，支撐基板201借助粘合劑202連接到柵極/配線部分203上。 彩色濾光片206和芯片上透鏡207形成在硅部分204的另 一個表面(后表面) 側上，且一Si02膜205夾在中間。
在硅部分204中形成例如n型的雜質區(qū)域214和光電轉換區(qū)域213,所 述雜質區(qū)域214成為柵極電極212的源極和漏極區(qū)域，每個光電轉換區(qū)域213 都包括構成PD的p型雜質區(qū)域和n型雜質區(qū)域，并且作為光入射區(qū)域的例 如n型的雜質區(qū)域205形成在硅部分204的后表面?zhèn)壬?，以與光電轉換區(qū)域 213的n型雜質區(qū)域連接。此外，p型雜質區(qū)域216在硅部分204的后表面 側上形成為遍布于表面上。
利用上述的構造，與現(xiàn)有技術的CMOS形成對比，采用前表面入射型 的像素結構，其中使得配線層側為前表面?zhèn)炔⑶胰肷涔鈴呐渚€層側入射，在 圖1所示的實例中，入射光從與配線層211相對的表面?zhèn)?即后表面?zhèn)?入 射，即，采用了后表面入射型結構。當采用后表面入射型結構時，從箭頭200 所示的入射光和像素結構可見，能夠避免由配線層211上的暈映(vignetting) 引起的聚光限制，并且由此提高聚光效率。
然而，在后表面入射型結構中，只存在將PD設置成均勻間隔的設計。 這是因為除非PD均勻地間隔布置，否則就會發(fā)生上述的問題。因此，難于 同時實現(xiàn)像素電路的共享以及將PD均勻地間隔設置，與在前表面入射型結 構中的情況相同。

發(fā)明內容
本發(fā)明考慮到上述的和其它的問題，并且意在避'免當像素電路由多個光 接收區(qū)域共享時由于光接收區(qū)域設置成不均勻間隔而使信號處理變?yōu)閺碗s。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，固態(tài)成像裝置包括半導體基板，具有第一表面 和與該第一表面相對的第二表面；多個光接收區(qū)域，形成在該半導體基板上，
分別具有形成在該半導體基板的第 一表面?zhèn)炔糠种械牡?一表面?zhèn)葏^(qū)域和形 成在該半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种械牡诙砻鎮(zhèn)葏^(qū)域；以及像素電路， 形成在該半導體基板的該第一表面?zhèn)壬?，并且由所述多個光接收區(qū)域共享。該半導體基板的該第二表面?zhèn)扰c形成有該像素電路的該第一表面?zhèn)认鄬?，?第二表面?zhèn)茸鳛樵摴饨邮諈^(qū)域的光入射側。形成在該半導體基板的該第二表 面?zhèn)炔糠种械脑摴饨邮諈^(qū)域的該第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻的間隔布置，而 形成在該半導體基板的該第一表面?zhèn)炔糠种械脑摴饨邮諈^(qū)域的該第一表面 側區(qū)域以不均勻的間隔布置，并且在該半導體基板中該光接收區(qū)域的該第二 表面?zhèn)葏^(qū)域和該第 一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接，使得該光接收區(qū)域從該半導體基 板的該第二表面?zhèn)妊由斓皆摰?一表面?zhèn)取?br> 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，成像設備包括固態(tài)成像裝置；成像光學 單元，將來自成像物體的光引導到該固態(tài)成像裝置；以及信號處理單元，處 理從該固態(tài)成像裝置輸出的圖像信號。該固態(tài)成像裝置包括半導體基板， 具有第一表面和與該第一表面相對的第二表面；多個光接收區(qū)域，形成在該 半導體基板上，分別具有形成在該半導體基板的第 一表面?zhèn)炔糠种械牡?一表 面?zhèn)葏^(qū)域和形成在該半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种械牡诙砻鎮(zhèn)葏^(qū)域；以 及像素電路，形成在該半導體基板的該第一表面?zhèn)壬希⑶矣伤龆鄠€光接 收區(qū)域共享。該半導體基板的該第二表面?zhèn)扰c形成有該像素電路的該第 一表 面?zhèn)认鄬?，該第二表面?zhèn)茸鳛樵摴饨邮諈^(qū)域的光入射側。形成在該半導體基 板的該第二表面?zhèn)炔糠种械脑摴饨邮諈^(qū)域的該第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻 的間隔布置，而形成在該半導體基板的該第 一表面?zhèn)炔糠种械脑摴饨邮諈^(qū)域 的該第 一表面?zhèn)葏^(qū)域以不均勻的間隔布置，并且在該半導體基板中該光接收 區(qū)域的該第二表面?zhèn)葏^(qū)域和該第 一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接，使得該光接收區(qū)域 從該半導體基板的該第二表面?zhèn)妊由斓皆摰?一表面?zhèn)取?br> 根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，提供固態(tài)成像裝置的生產方法。該生產方 法包括如下步驟從半導體基板的第一表面?zhèn)茸⑷氲谝粚щ婎愋偷碾s質，以 在該半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种幸越凭鶆虻拈g隔形成光接收區(qū)域的 第二表面?zhèn)葏^(qū)域；在該半導體基板的第一表面?zhèn)炔糠种行纬善骷指魠^(qū)域； 在該半導體基板的該第一表面上形成柵極電極；在該光接收區(qū)域的該第二表 面區(qū)域上從該半導體基板的該第一表面?zhèn)茸⑷氲诙щ婎愋碗s質，以在該半 導體基板的該第 一 表面?zhèn)炔糠种幸圆痪鶆虻拈g隔形成該光接收區(qū)域的第一 表面?zhèn)葏^(qū)域；在該半導體基板的該第一表面上形成層間絕緣層和配線層；以 及從相對于該半導體基板的該第一表面的該第二表面?zhèn)任g刻該半導體基板， 以暴露在該半導體基板的該第二表面?zhèn)炔糠种幸越凭鶆虻拈g隔布置的該光接收區(qū)域的該第二表面?zhèn)葏^(qū)域。從該半導體基板的該第 一表面?zhèn)茸⑷腚s質 以便形成該光接收區(qū)域的該第二表面?zhèn)葏^(qū)域的步驟在形成該器件分隔區(qū)域 的步驟前執(zhí)行。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置和成像設備中，像素電 路由多個光接收區(qū)域共享，并且固態(tài)成像裝置構造為這樣的后表面入射型裝 置，其中半導體基板的與形成有像素電路的第 一表面?zhèn)认鄬Φ牡诙砻鎮(zhèn)茸?為光接收區(qū)域的光入射側。特別是，在半導體基板的第一表面?zhèn)炔糠种?，?光接收區(qū)域的第 一 表面?zhèn)纫圆痪鶆虻拈g隔布置，從而可以相對容易設置要形 成在半導體基板的第 一表面?zhèn)壬系南袼仉娐?，并且在半導體基板的第二表面 側部分中，光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻的間隔布置。就是說， 在半導體基板中光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域和第 一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接， 使得光接收區(qū)域從半導體基板的第二表面?zhèn)妊由斓降谝槐砻鎮(zhèn)?。換言之，在 半導體基板中，以與相鄰光接收區(qū)域不同的形狀形成各光接收區(qū)域，使其從 半導體基板的第二表面?zhèn)妊由斓降?一表面?zhèn)?，并且在半導體基板的第 一表面 側以不均勻的間隔布置，而在半導體基板的第二表面?zhèn)壬闲纬蔀榻凭鶆虻?間隔，由此可以避免降低圖像質量及使信號處理復雜化。
此外，根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的生產方法，具有上述構造的 固態(tài)成像裝置可以相對容易生產。特別是，因為在相對早的步驟中通過從半 導體基板的第一表面?zhèn)茸⑷腚s質形成光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域，作為半 導體基板的后表面?zhèn)壬系墓馊肷鋮^(qū)域，所以區(qū)域中雜質濃度的變化可以在后 續(xù)的加熱步驟中通過擴散雜質來抑制。此外，通過在形成器件分隔區(qū)域的步
驟前從半導體基板的第 一表面?zhèn)葓?zhí)行注入第 一導電類型雜質的步驟，雜質不 通過器件分隔區(qū)域，從而作為光入射區(qū)域的光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域可 以形成具有更均勻雜質濃度。
根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置和成像設備，在像素電路由多個光接 收區(qū)域共享的情況下，可以避免由于光接收區(qū)域以不均勻的間隔布置31起的 圖像質量的變壞和信號處理的復雜。
此外，根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置，可以相對容易得生產避免信 號處理復雜化的固態(tài)成像裝置，特別是，能夠在構成光接收區(qū)域的雜質區(qū)域 中抑制雜質濃度的變化。


圖1是描繪現(xiàn)有后表面入射型固態(tài)成像裝置的結構的示意性截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的示意性平面圖。 圖3是固態(tài)成像裝置的像素電路的示意性構造圖。
圖4是描繪在圖3所示像素電路設置在平面表面上時固態(tài)成像裝置的示 范性構造的示意性平面圖。
圖5A是圖4的平面圖的一部分的示意性平面圖。 圖5B是圖5A中沿AA，線的截面圖。
圖6A、圖6B和圖6C是根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的生產方法 的第一部分的生產工藝圖。
圖7A、圖7B和圖7C是固態(tài)成像裝置的生產方法的第二部分的生產工
'藝圖。
圖8是固態(tài)成像裝置的生產方法的第三部分的生產工藝圖。 圖9是固態(tài)成像裝置的生產方法的第四部分的生產工藝圖。 圖IO是固態(tài)成像裝置的生產方法的第五部分的生產工藝圖。 圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置的主要部分的示意性 平面構造圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置的主要部分的示意性 平面構造圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置的像素部分的示意性 平面構造圖。.
圖14是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置的像素部分的示意性 平面構造圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的固態(tài)成像裝置的像素部分的示意性 平面構造圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明實施例的成像設備的示意性構造圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖描述本發(fā)明優(yōu)選實施例的實例。本發(fā)明不限于下述的 實例。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置的示意性平面圖。如圖2所示，固態(tài)成像裝置10包括像素部分1、垂直驅動電路2、列單元3、水平驅動電 路4、控制電路5、水平總線6和輸出電路7。這些部分安裝在基板(未示出) 上。
在像素部分l中，多個像素設置成行列狀態(tài)。此外，為每行像素設置在 行方向上延伸的像素驅動配線(未示出)，并且為每列像素設置在列方向延 伸的垂直信號線(未示出)。
像素部分1的各像素由像素驅動配線驅動。像素的信號是模擬信號，并 且輸出到垂直信號線。
控制電路5接收輸入時鐘和指示操作模式等的數(shù)據(jù)，并且輸出數(shù)據(jù)，例 如固態(tài)成像裝置10的內部信息。此外，控制電路5提供驅動垂直電路2、水 平驅動電路4、列單元3和輸出電路7所需的時鐘和脈沖。
垂直驅動電路2選擇像素驅動配線，并且給選通的像素驅動配線提供驅 動像素的脈沖。通過驅動像素驅動配線，與該像素驅動配線相關的一行像素 同時^皮驅動。
在列單元3中，列電路布置為對應于像素的列。列電路從像素部分1的 垂直信號線接收像素部分1中各列的像素信號。列單元3執(zhí)行相關雙采樣 (CDS-Correlated Double Sampling )，這是對接收的像素信號的固定圖案噪聲 去除處理、信號放大處理、AD轉換處理等。
水平驅動電路4依次選擇列單元3的列電路，并且將存儲在列電路中的 信號引導到水平總線6。
輸出電路7處理來自水平總線6的信號，并且輸出所處理的信號。例如， 有時只進行緩沖，而有時進行處理，如黑色電平調節(jié)、列變化校正、各種類 型的數(shù)字信號處理等。
圖3描繪了在固態(tài)成像裝置10的像素中像素電路的示范性結構。在該 實例中，四套光接收單元61 (61a-61d)和轉移晶體管62 ( 62a-62d )共享一 套復位晶體管67、放大晶體管64和選擇晶體管65，構成了像素電路，其中 每個光接收單元61都包括光電二極管(PD)等，并且構成光接收區(qū)域。
包括作為光電轉換元件的PD等的光接收單元6la-61d分別經由轉移晶 體管62a-62d與浮置擴散(FD， floating diffusion ) 63連接。浮置擴散63是 節(jié)點，包括對應于轉移晶體管62a-62d的漏極的兩個擴散層、放大晶體管64 的柵極，以及連接這些擴散層和柵極的配線。轉移晶體管62a-62d將光接收單元61a-61d的光電子轉移到浮置擴散63。因為放大晶體管64的柵極電壓 是浮置擴散63的電壓，如果選擇晶體管65導通，則放大晶體管64輸出對 應于浮置擴散63的電勢的信號到垂直信號線68。復位晶體管67通過釋放浮 置擴散63的電子到電源(Vdd)配線66來復位浮置擴散63。
圖4描繪了當圖3所示的像素電路設置在平面表面上時固態(tài)成像裝置10 的示范性構造。這里，為了可視性，除浮置擴散63的配線69之外的金屬配 線和這些金屬配線之間的接觸被省略了。在圖4中，圖2中行的方向由箭頭 x表示，而圖2中列的方向由箭頭y表示。如圖4所示，光接收單元對61a、 61b和光接收單元對61c、 61d分別基本上對稱地設置在箭頭y表示的列方向 上，并且浮置擴散63、復位晶體管67、接觸單元70和光接收單元61a、 61b、 61c、 61d的轉移晶體管62a、 62b、 62c、 62d設置在這樣設置的光接收單元 61a、 61b、 61c, 61d之間。具體地講，它們設置在光接收單元61a和光接收 單元61b之間，以及光接收單元61c和光接收單元61d之間，即，相對列方 向每隔一個各光接收單元之間的空間設置一個。在此情況下，光接收單元61b 和光接收單元61c的間隔Dl與光接收單元61c和光接收單元61d的間隔D2 是不同的，從而光接收單元設置成不均勻間隔。
下面，將參照圖5A和圖5B描述像素電路的截面結構。圖5A描繪了圖 4的示意性平面圖的一部分，而圖5B描繪了沿圖5A的AA，線的截面結構。 在圖5A和圖5B中，與圖4中的部分相對應的部分由相同的參考標記表示， 并且省略重復性的描述。在圖5A中，為了方便起見，圖4所示的平面結構 圖橫向旋轉90度。在圖5B中，省略了配線、支撐基板、彩色濾光片、芯片 上透鏡等，并且僅描繪了由硅等組成的半導體基板11和轉移晶體管62a-62d。
本發(fā)明的特征在于在相鄰像素之間，光接收單元61a-61d在深度方向 上的形狀不同。在所描繪的實例中，在半導體基板11的形成像素電路的第 一表面IIA側上的部分中，第二導電類型雜質區(qū)域21a-21d (例如p型)和 第 一類型雜質區(qū)域20a-20d (例如n型)以由器件分隔區(qū)域18分隔的不均勻 的間隔形成，作為光接收區(qū)域的第一表面?zhèn)葏^(qū)域。另一方面，在半導體基板 11的位于形成像素電^^的第一表面11A的相對側并且作為光入射側的第二 表面IIB側上的部分中，具有相對低的濃度并且與第一導電類型雜質區(qū)域 20a-20d連接的第 一導電類型雜質區(qū)域17a-17d (例如rf型)以不均勻間隔形 成，作為光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域，并且由此形成光接收區(qū)域61aAld。此時，如虛線Ca-Cd所示，光接收單元61a-61d的第一表面IIA側區(qū)域 (即第二導電類型雜質區(qū)域21a-21d和第一類型雜質區(qū)域20a-20d)與第二 表面IIB側區(qū)域(即第一導電類型雜質區(qū)域17a-17d)的結部分是不同的形 狀，取決于第一表面11A側部分中的雜質區(qū)域的布置位置和第二表面11B 側部分中雜質區(qū)域的布置位置。就是說，在該實例中，在相鄰像素之間結部 分Ca-Cd形成不同的結位置和面積，也就是說，在半導體基板ll內，雜質 區(qū)域彼此連接并且彎曲。通過如此適當?shù)剡x4奪結的位置，光接收單元61a-61d 可以在半導體基板11的作為光入射側的第二表面11B側的部分上近似均勻 地間隔布置，即使其在第一表面IIA側部分中是不均勻間隔布置的，從而像 素的空間采樣以近似均勻間隔進行。
因此，過去通過犧牲像素的特性或者彎曲光路所要解決的問題，在本發(fā) 明中通過逐個像素地彎曲光電轉換電子的路徑得以解決。
應當注意的是，雜質區(qū)域的層數(shù)不限于所示的一個，并且可以是兩個或 四個或更多。然而，優(yōu)選在各像素中p型區(qū)域和n型區(qū)域的結表面近似地具 有相同的形狀和面積。此外，p型和n型可以顛倒。
當在相鄰像素之間光接收單元深度方向上的結構不同時，根據(jù)結構的差 別，存在產生陰影的可能性。就是說，在圖5B中，當光以如箭頭La-Ld所 示從第二表面IIB側傾斜進入時，根據(jù)第一導電類型雜質區(qū)域口a-17d與由 虛線Ca-Cd圍繞的結部分之間的相對位置差，具有光到達或者不到達第一導 電類型雜質區(qū)域17a-17d上的第一導電類型雜質區(qū)域20a-20d的可能性。在 所描繪的實例中，光不到達第一導電類型雜質區(qū)域20c和20d,如區(qū)域Mc 和20d中的箭頭Lc和Ld的尖端所示。
為了避免這樣的不同，重要的是在半導體基板ll的第二表面IIB側部 分中，在以近似均勻間隔布置的第一導電類型雜質區(qū)域17a-17d中有效完成 光電轉換，并且大量的光不傳播通過區(qū)域17a-17d。因此，優(yōu)選第一導電類 型雜質區(qū)域17a-17d在半導體基板11的深度方向上從第二表面IIB延伸l|im 或更多。此外，為了通過電場耗盡區(qū)域17a-17d以將光電轉換的電子轉移到 第一表面11A側，優(yōu)選距第二表面11B的深度"ts"為5(im或更小。
接下來，參照圖6A至圖10的生產工藝圖來描述根據(jù)本發(fā)明實施例的固 態(tài)成像裝置10的生產方法。將僅取圖5B所示的一部分區(qū)域作為實例關于要 點進4亍描述。工藝(1):
該實例是這樣的情況，采用SOI(絕緣體上半導體)基板，并且如圖6A 所示，硅部分通過由埋入的氧化膜等組成的絕緣膜12形成在由硅等組成的 基板13上，該硅部分可以用作半導體基板11。就是說，在根據(jù)本發(fā)明實施 例的固態(tài)成像裝置中的半導體基板可以是提供在部分基板中的半導體區(qū)域。 當采用SOI基板時，硅部分即半導體基板11的厚度"t"優(yōu)選相對很厚，例 如約為4fim，并且半導體基板11可以是具有例如約10"cn^的低雜質濃度 的第一導電類型，iT型。
當通過熱氧化在半導體基板11的表面上形成薄絕緣膜14后，第二導電 類型雜質區(qū)域15通過注入例如硼等p型雜質例如形成在1.8pm深或者更深 的區(qū)域中。當進行離子注入到距表面相對很深的區(qū)域時，優(yōu)選采用能夠處理 兆電子伏的高能離子注入設備。第二導電類型雜質區(qū)域15形成為其平面形 狀呈例如格子形狀，并且均勻間隔布置。
工藝(2):
如圖6B所示，在距半導體基板11的第一表面11A1.8pm深或者更深的 區(qū)域中，注入第二導電類型雜質(例如硼等)，同時避開在后續(xù)工藝中將成 為光接收單元的上部分的區(qū)域(即第一表面IIA側區(qū)域)，由此形成和第二 導電類型雜質區(qū)域15連接的第二導電類型雜質區(qū)域16。
.因為光接收單元的第一表面?zhèn)葏^(qū)域要均勻地間隔布置，所以在相鄰像素 之間，具有在上述工藝(1)中在注入深位置的第二導電類型雜質區(qū)域15的 結部分形狀不同，即結位置和結面積不同。
工藝(3):
接下來，如圖6C所示，在深度沒有到達絕緣層14的區(qū)域中，即在距第 一表面IIA約為1.8(mi至3.5pm的深度上，通過進行n型的第一導電類型
的n—型第一導電類型雜質區(qū)域17。同樣，在此情況下，與上述的第二導電類 型雜質區(qū)域15 —樣，采用能夠處理兆電子伏的高能離子注入設備進行雜質 注入。
在上述工藝(1)中形成的第一導.電類型雜質區(qū)域15的格子形狀的開口 部分處進行離子注入，使得以均勻的間隔布置第 一 導電類型雜質區(qū)域17 。 然而，在此情況下，因為在相鄰像素之間第一表面IIA側區(qū)域中的像素的構造是不同的，所以在相鄰像素間由離子注入引起的對像素表面附近的損 害不同。因此，為了減小相鄰像素間像素表面附近的損害程度上的差別，作 為離子注入所用的離子，優(yōu)選采用小原子量的離子，例如磷。
另一方面，為了聚集電子到光接收單元的第一表面IIA側，即到配線電
路側，優(yōu)選構造成雜質濃度朝著第一表面IIA側增加。因此，適于離子注入 時朝著第一表面IIA側增加幾倍的用量。
這里，關于離子注入到如此深的區(qū)域，也可以考慮這樣的方法，在一次 性曝光第二表面11B (即后表面)后，以相對低的能量從后表面?zhèn)冗M行離子 注入。然而，在本實施例中，在上述工藝(3)中，從第一表面IIA側，即 從半導體基板ll的前表面?zhèn)纫韵鄬Ω叩哪芰窟M行離子注入。其原因如下。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置中，在相鄰像素之間光接收單元的 第一表面?zhèn)葏^(qū)域與第二表面?zhèn)葏^(qū)域的結位置是不同的。正因為如此，如果雜 質(例如磷等)濃度存在局部差異，則相鄰像素間存在靈敏度、飽和度、殘 影等方面變化的可能性。為了抑制這樣的變化，優(yōu)選還在離子注入后擴散雜 質，從而局部濃度差變小，并且濃度共享變得和緩。為了達此目的，在注入 后進行相對強的熱處理，然而，如果進行這樣的熱處理工藝，則其它的離子 也被擴散，從而在器件分隔區(qū)域(具體內容如下所述)形成前，執(zhí)行離子注 入工藝到光接收單元的后表面?zhèn)葏^(qū)域，即第二表面?zhèn)葏^(qū)域。
此時，可以采用執(zhí)行以后續(xù)形成器件分隔區(qū)域的相對強的熱處理工藝， 用于擴散作為第二表面IIB側區(qū)域的第一導電類型雜質區(qū)域17的雜質，從 而具有避免另外增加工藝的優(yōu)點。
在該階段執(zhí)行離子注入意味著離子注入不可避免地從第一表面11A側 進行。在上述工藝(1)至(3)中，離子注入執(zhí)行到比最終注入面積略狹小 的面積，并且借助于后續(xù)形成器件分隔區(qū)域時的熱處理工藝實現(xiàn)的擴散，實 現(xiàn)緩和重疊的分布。因此，產生在水平方向上緩和的濃度梯度，并且易于將 電子運動到光接收單元的第一表面IIA側區(qū)域。
此外，在從第一表面IIA側注入雜質時，如果在形成器件分隔區(qū)域后進 行離子注入，則注入深度造成在雜質通過器件分隔區(qū)域的部分和雜質通過器 件分隔區(qū)域以外區(qū)域的部分之間的不同。如果所有的像素以相同的布局設 置，則問題相對小，然而，當構造為由多個像素共享一個電路時，如在本發(fā) 明實施例的固態(tài)成像裝置中，因為相鄰像素的布局即布置方式是不同的，所以如上所述離子注入深度上的變化會？ 1起相鄰像素間產生靈敏度、飽和度等 特性上的變化。因此，當從第一表面IIA側進行離子注入時，還是由于上述 原因，優(yōu)選在形成器件分隔區(qū)域前進行離子注入。
工藝(4):
接下來，如圖7A所示，形成器件分隔區(qū)域18。這里，采用淺槽隔離(STI， Shallow Trench isolation),其中溝槽形成在硅等制成的半導體基板11中，并 且例如Si02埋入溝槽中。因為它要經過接近950。C的熱處理，所以如上所述， 在前述工藝中注入的離子更多地擴散。
工藝(5):
其后，如圖7B所示，柵極電極19通過絕緣層14形成。 工藝(6):
如圖7C所示，形成光接收單元的第一表面IIA側區(qū)域中的結構。例如， 離子注入此例中為n型的第 一導電類型的砷等，以形成第一導電類型雜質區(qū) 域20。然后，盡管沒有示出，但是形成柵極電極19的側壁，并且離子注入 此例中為p型的第二導電類型的硼等，以及通過約850。C的輕熱處理使其激 活但不擴散。盡管沒有示出，但是在此工藝中還形成晶體管的源極和漏極。
工藝(7):
如圖8所示，配線層23和24通過層間絕緣層22形成在柵極電極19之 上，并且硅等制成的支撐基板32借助于光敏苯并環(huán)丁烯(BCB, benzocyclobutene )樹脂等粘合劑31粘接。
工藝(8):
其后，翻轉半導體基板ll,即SOI基板，通過拋光和蝕刻去除SOI的 基板13和由埋入的氧化膜形成的絕緣層12,以露出第二表面IIB。此外， 薄保護氧化膜形成在第二表面11B的表面，并且如圖9所示，離子注入硼等 到第二表面IIB側上的表面，以及借助激光退火等進行激活，以形成p型的 第二導電類型雜質層26。此外，上面再形成氧化膜40。
工藝(9):
其后，如圖10所示，由氮化硅膜等組成的保護膜41形成在第二表面11B 上的氧化膜40上，此外，形成彩色濾光片42和芯片上透鏡43。彩色濾光片 42和芯片上透鏡43以近似均勻的間隔形成在對應于第二導電類型雜質區(qū)域 21和第一導電類型雜質區(qū)域20和17的位置，這構成了光接收單元。這里，在本發(fā)明中，均勻的間隔不需要是完全嚴格的均勻間隔，并且如 果從實際角度看這樣的均勻程度沒問題，更具體地講，如果不需要用于校正 光接收單元的間隔變化的特殊信號處理，則這樣的均勻程度就是足夠的。
此外，在根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置中，光接收單元的第 一表面 側區(qū)域和第二表面?zhèn)葏^(qū)域之間，即光接收單元的前表面?zhèn)葏^(qū)域和后表面?zhèn)葏^(qū) 域之間的布置是不同的，然而，優(yōu)選選擇最優(yōu)的布置作為它們的相對位置關 系。作為實例，如在上述的實施例中,.當像素以四個像素單元設置時，可以 采用下面的方法選擇最優(yōu)的布置。
假設光接收單元(例如PD )的前表面?zhèn)葏^(qū)域的幾何重心以不均勻間隔
布置在坐標軸上pl、 p2、 p3和p4點的位置，并且光接收單元的后表面?zhèn)葏^(qū) 域的幾4可重心以均勻間隔布置在坐標軸上ql、 q2、 q3和q4點的位置。在此 情況下，為了確定光接收單元的前表面?zhèn)葏^(qū)域和后表面?zhèn)葏^(qū)域之間的幾何重 心關系.，pl-ql、 p2-q2、 p3 - q3和p4 - q4的最大j直pi — qi和最小4直pj — qj (每個i和j是l、 2、 3、 4之一)僅需滿足pi-qi = -(pj-qj)。這意味著使 PD的前表面?zhèn)群秃蟊砻鎮(zhèn)戎g的幾何重心的最大偏差值最小9
在圖5B的實例中，幾何重心的偏差的最大值和最小值由光接收單元61b 和61c給出，并且光接收單元61a和61d給出最大值和最小值之間.的值。如 果左右翻轉，則光接收單元61b和光接收單元61c為相同的形狀，然而，如 果它們保持原位，則光接收單元61b和光接收單元61c的形狀相對于入射光 Lb和入射光Lc是不同的，從而光接收單元61b和光接收單元61c在形狀上 是不同的。
應當注意的是，很明顯該方法可以應用到除像素以四個像素單元設置的 情況之外的情況。
至此，已經以列方向上四個像素共享的構造為實例進行了描述；然而， 也已經提出了像素共享方法中的各種其它構造。例如，已經知道了在列方向 上的兩個相鄰像素共享的構造，如圖11所示，并且也已經知道了列方向上 的兩個像素和行方向上的兩個像素即在兩行和兩列上的四個像素共享的構 造，如圖12所示。在圖11和圖12中，與圖4相對應的部分由相同的參考 標記表示，并且省略重復的描述。本發(fā)明同樣可以應用到多個像素共享像素 電路的各種固態(tài)成像裝置，包括圖11和圖12的情況。應當注意的是，在圖 ll所示的實例中，配線69設置在光接收單元之上，然而，因為本發(fā)明的固
16態(tài)成像裝置構造為后表面入射型裝置，所以應當不存在問題。在已知的前表 面入射型裝置中，不會采用配線跨越PD的構造，因為入射光會受到阻擋。 然而，通過采用后表面入射型構造，如上所述，可以增加配線設置上的自由 度，使得小型化像素和電路成為可能。
圖13描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置從后表面?zhèn)燃吹诙砻?11B側看光接收單元的示范性平面構造。如圖13所示，在該實例中，以近 似均勻的間隔布置第一導電類型雜質區(qū)域17，該第一導電類型雜質區(qū)域17 為光接收單元61的第二表面?zhèn)?1B區(qū)域和入射側區(qū)域。作為一個實例，如 圖13所示，示出了單CCD照相機中采用的彩色固態(tài)成像裝置中的對應于綠 (G)、紅(R)和藍(B)各顏色的第一導電類型雜質區(qū)域17的布置實例。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)成像裝置中，以近似均勻的間隔 進行光接收單元的第二表面?zhèn)葏^(qū)域即.后表面?zhèn)葏^(qū)域的布置不需要完全嚴格， 如果從實際角度看這樣的均勻程度沒問題，則這樣的布置就是足夠的。就是 說，即使間隔稍微變化，如果后續(xù)的信號處理、采樣可以如均勻間隔所進行 的一樣進行，也不會有問題。
此外，盡管優(yōu)選光接收單元61的第二表面11B側區(qū)域即第一導電類型 雜質區(qū)域17的形狀和面積都相同，但是，如果它們以均勻間隔布置，則形 狀和面積都不需要必須相同。
例如，在圖14中，假設觸點從后表面?zhèn)嚷淙雙阱等，則構造使得觸點 部分70設置在各個第一導電類型雜質區(qū)域17之間， 一平面形狀的實例被提 供，其中省略了部分第一導電類型雜質區(qū)域17。當采取這樣的平面形狀時， 在精確的意義上，重心位置不是均勻間隔的。然而，如果在陸續(xù)的信號處理 中其采樣可以與如均勻間隔的 一樣進行，即使采取這樣的構造也不會有問題。
同樣，例如，為了校準光譜靈敏度，也可以如圖15所示對應彩色濾光 片位置使第一導電類型雜質區(qū)域17即后表面?zhèn)葏^(qū)域的面積不同。在圖15所 示的實例中，盡管第一導電類型雜質區(qū)域17的各自面積是不同的，但是它 們的重心位置均勻間隔排列。
例如，當難于獲得藍靈敏度時，如圖15所示，只有對應于藍色濾光片 的光接收單元61，在該實例中為第一導電類型雜質區(qū)域17B,具有增加的面 積，并且由此可以提高藍光靈敏度。如圖16所示，采用根據(jù)本發(fā)明實施例的上述固態(tài)成像裝置，能夠制造
根據(jù)本發(fā)明實施例的成像設備100。
圖16所示的成像設備100構造為具有手提電話、數(shù)碼相機和攝像頭功 能以及其它成像功能的電子設備。成像設備100包括成像光學單元101、固 態(tài)成像裝置102、信號處理單元103,以及臨時存儲單元105、顯示裝置106、 記錄裝置107、操作單元108和電源單元109，它們通過傳輸總線104與信 號處理單元103連接。
成像光學單元101包括各種透鏡、快門、光圈等，并且引導成像物光到 固態(tài)成像裝置102。固態(tài)成像裝置102是根據(jù)本發(fā)明上述實施例的固態(tài)成像 裝置，并且光電轉換通過成像光學單元101獲得的成像.物光以作為信號輸出。 信號處理單元103包括用于處理數(shù)字信號等的DSP (數(shù)字信號處理器)，并 且對固態(tài)成像裝置102輸出的圖像信號進行格式化處理等，以轉換成為用于 顯示和記錄的數(shù)據(jù)。
臨時存儲單元105包括RAM (隨機存取存儲器)等，并且臨時存儲由 信號處理單元103處理的圖像數(shù)據(jù)。顯示裝置106包括液晶顯示器等，并且 顯示由信號處理單元103處理的圖像數(shù)據(jù)。記錄裝置107包括閃存、EPROM (可擦可編程只讀存儲器)、HD(硬盤)等，并且記錄圖像數(shù)據(jù)。操作單元 108包括用于從外部輸入控制成像設備IOO運行的控制信號的快門按鈕、各 種功能鍵、指針等。電源單元109給成像設備100的上述的單元提供操作動 力。
'通過構造采用根據(jù)上述實施例的固態(tài)成像裝置的成像設備100，能夠進 行以均勻間隔采樣的信號處理，從而成為能夠避免信號處理復雜化。
應當注意的是，成像設備100的構造不限于上述構造，并且可以采用各 種其它的構造。.
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置和成像設備，由于為多個像素提 供公共像素電路并且隨著像素的小型化而增加像素的數(shù)量，通過以近似均勻 間隔布置光接收單元的后表面?zhèn)葏^(qū)域形成后表面入射型裝置，因此可以以均 勻間隔對入射光進行采樣。
此外，擴展了信號處理單元例如DSP的選擇范圍，并且避免陰影校正 和其它信號處理復雜化。由此，信號處理簡單化，而圖像變?yōu)榍逦４送猓?由于以均勻間隔采樣，沒有降低像素的特性，并且可以成像為相對清晰的圖像。
如上所述，即使由于像素共享的布局使得PD以不均勻間隔布置，入射
光也可以以均勻間隔采樣。
因此，與PD以不均勻間隔布置的已知固態(tài)成像裝置相比，可以獲得下 面的優(yōu)點。
a)信號處理簡單、便捷，因此，可以提供相對清晰的圖像。 b )不必對于每個CMOS傳感器產品設計信號處理單元，例如DSP系統(tǒng)， 并且不必基于像素設置使信號處理單元的系統(tǒng)不同。
c) 在成像條形圖案時，條形間隔和著色方式的再現(xiàn)性是令人滿意的。
d) 因為很多選擇可以適合于信號處理IC,所以使設備構造方法多樣化。
當成像白色物體時，不會發(fā)生上邊緣和下邊緣被著色并且以不同的顏色著色 使得校正變得困難的情況，并且避免信號處理變得復雜。
同樣，在已知的固態(tài)成像裝置中，相對于解決由像素電路共享和以不均 勻間隔布置光接收單元引起的不便的方法，當應用本發(fā)明時，產生下面的效果。
f) 不必要對開口的形狀進行限制，并且可以避免減少光接收單元的面 積。 .
g) 可以避免引起降低像素電路的特性，例如變換增益等。
h) 與前表面入射型裝置相比，因為光接收單元的面積可以得到保持， 所以可以避免靈敏度的降低。
i) 盡管每次對于例如不同像素尺寸重新設計固態(tài)成像裝置如CMOS傳 感器等時，必需例如重新選擇不同折射系數(shù)的材料和重新設計層中透鏡的形 狀，但是這樣的復雜工作變?yōu)椴恍枰恕?br> 本領域的技術人員應當理解的是，在所附權利要求及其等同特征的范圍 內，根據(jù)設計需要和其它因素，可以進行各種修改、結合、部分結合和替換。
本發(fā)明包含2007年5月24日提交日本專利局的有關日本專利申請JP 2007-138081的主題事項，其全部內容引用合并于此作為參考。
權利要求
1、 一種固態(tài)成像裝置，包括半導體基板，具有第 一表面和與所述第一表面相對的第二表面；多個光接收區(qū)域，形成在所述半導體基板上，分別具有形成在所述半導 體基板的第 一表面?zhèn)炔糠种械牡?一表面?zhèn)葏^(qū)域和形成在所述半導體基板的 第二表面?zhèn)炔糠种械牡诙砻鎮(zhèn)葏^(qū)域；以及像素電路，形成在所述半導體基板的所述第一表面?zhèn)壬?，并且由所述?個光接收區(qū)域共享，其中所述半導體基板的所述第二表面?zhèn)扰c形成有所述像素電路的所述第一 表面?zhèn)认鄬?，所述第二表面?zhèn)茸鳛樗龉饨邮諈^(qū)域的光入射側，并且其中形成在所述半導體基板的所述第二表面?zhèn)炔糠种械乃龉饨邮諈^(qū)域的 所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻的間隔布置，而形成在所述半導體基板的所 述第一表面?zhèn)炔糠种械乃龉饨邮諈^(qū)域的所述第一表面?zhèn)葏^(qū)域以不均勻的 間隔布置，并且在所述半導體基板中所述光接收區(qū)域的所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域 和所述第一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接，使得所述光接收區(qū)域從所述半導體基板的 所述第二表面?zhèn)妊由斓剿龅?一表面?zhèn)取?br> 2、 根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述光接收區(qū)域的所述 第二表面?zhèn)葏^(qū)域距所述半導體基板的所述第二表面的深度為lpm至5^m。
3、 根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中通過從所述半導體基板 的所述第一表面?zhèn)冗M行離子注入，形成所述光接收區(qū)域的所述第二表面?zhèn)葏^(qū) 域。
4、 根據(jù)權利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中改變能量執(zhí)行幾次所述 離子注入，并且所述第 一表面?zhèn)葏^(qū)域的濃度高于所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域的濃度。
5、 根據(jù)權利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中在形成器件分隔區(qū)域前 執(zhí)4亍所述離子注入。
6、 一種成像設備，包括 固態(tài)成像裝置；成像光學單元，將來自成像物體的光引導到所述固態(tài)成像裝置；以及 信號處理單元，處理從所述固態(tài)成像裝置輸出的圖像信號，其中所述固態(tài)成像裝置包括半導體基板，具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面； 多個光接收區(qū)域，形成在所述半導體基板上，分別具有形成在所述半導體基板的第一表面?zhèn)炔糠种械牡谝槐砻鎮(zhèn)葏^(qū)域和形成在所述半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种械牡诙砻鎮(zhèn)葏^(qū)域；以及像素電路，形成在所述半導體基板的所述第一表面?zhèn)壬希⑶矣伤?述多個光接收區(qū)域共享，其中所述半導體基板的所述第二表面?zhèn)扰c形成有所述像素電路的所述第一 表面?zhèn)认鄬?，所述第二表面?zhèn)茸鳛樗龉饨邮諈^(qū)域的光入射側，并且其中形成在所述半導體基板的所述第二表面?zhèn)炔糠种械乃龉饨邮諈^(qū)域的 所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻的間隔布置，而形成在所述半導體基板的所 述第 一表面?zhèn)炔糠种械乃龉饨邮諈^(qū)域的所述第 一表面?zhèn)葏^(qū)域以不均勻的 間隔布置，并且在所述半導體基板中所述光接收區(qū)域的所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域 和所述第一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接，使得所述光接收區(qū)域從所述半導體基板的 所述第二表面?zhèn)妊由斓剿龅谝槐砻鎮(zhèn)取?br> 7、 一種固態(tài)成像裝置的生產方法，包括如下步驟 從半導體基板的第一表面?zhèn)茸⑷氲谝粚щ婎愋偷碾s質，以在所述半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种幸越凭鶆虻拈g隔形成光接收區(qū)域的第二表面?zhèn)?區(qū)域；在所述半導體基板的第 一表面?zhèn)炔糠种行纬善骷指魠^(qū)域；在所述半導體基板的所述第一表面上形成柵極電極；從所述半導體基板的所述第一表面?zhèn)茸⑷朐谒龉饨邮諈^(qū)域的所述第 二表面區(qū)域上的第二導電類型雜質，以在所述半導體基板的所述第一表面?zhèn)?部分中以不均勻的間隔形成所述光接收區(qū)域的第 一表面?zhèn)葏^(qū)域；在所述半導體基板的所述第 一表面上形成層間絕緣層和配線層；以及從所述半導體基板的與所述第一表面相對的所述第二表面?zhèn)任g刻所述 半導體基板，以露出在所述半導體基板的所述第二表面?zhèn)炔糠种幸越凭鶆?的間隔布置的所述光接收區(qū)域的所述第二表面?zhèn)葏^(qū)域，其中從所述半導體基板的所述第一表面?zhèn)茸⑷腚s質以便形成所述光接收區(qū) 域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域的步驟在形成所述器件分隔區(qū)域的步驟前執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像裝置及其生產方法以及成像設備。在該固態(tài)成像裝置中，形成在半導體基板上的第一表面?zhèn)壬系南袼仉娐酚啥鄠€光接收區(qū)域共享。半導體基板的第二表面?zhèn)茸鳛楣饨邮諈^(qū)域的光入射側。形成在半導體基板的第二表面?zhèn)炔糠种械墓饨邮諈^(qū)域的第二表面?zhèn)葏^(qū)域以近似均勻的間隔布置，而形成在半導體基板的第一表面?zhèn)炔糠种械墓饨邮諈^(qū)域的第一表面?zhèn)葏^(qū)域以不均勻的間隔布置，并且在半導體基板中第二表面?zhèn)葏^(qū)域與第一表面?zhèn)葏^(qū)域相應連接，使得光接收區(qū)域從半導體基板的第二表面?zhèn)妊由斓降谝槐砻鎮(zhèn)取?br> 文檔編號H01L27/14GK101312204SQ200810108810
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月26日 優(yōu)先權日2007年5月24日
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