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CN102365741B - 背面入射型固体摄像元件 - Google Patents

背面入射型固体摄像元件 Download PDF

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CN102365741B
CN102365741B CN201080014112.2A CN201080014112A CN102365741B CN 102365741 B CN102365741 B CN 102365741B CN 201080014112 A CN201080014112 A CN 201080014112A CN 102365741 B CN102365741 B CN 102365741B
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illuminated solid
light
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imaging device
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宫崎康人
村松雅治
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Abstract

该背面入射型固体摄像元件是具备在背面侧具有光入射面的半导体基板(4)、以及设置于半导体基板(4)的与光入射面为相反侧的光检测面的电荷传送电极(2)的背面入射型固体摄像元件，光检测面具有凹凸面。由于光检测面具有凹凸面，因而相对于入射光的相位，由凹凸面反射的光具有分散了的相位差，所以，这些干涉光彼此抵销，抑制了多重干涉现象。因此，根据该背面入射型固体摄像元件，可取得高品质的图像。

Description

背面入射型固体摄像元件
技术领域
本发明涉及一种背面入射型固体摄像元件。
背景技术
已知有BT(Back-illuminated Thinning)-CCD作为将基板的光入射面侧薄膜化的背面入射型固体摄像元件。根据非专利文献1，入射至BT-CCD的被检测光，与入射后的被检测光由BT-CCD的检测侧的面反射的光之间产生干涉(多重干涉(etalon)现象)，影响近红外区域的检测特性。为了抑制该多重干涉现象，同文献中，增大光感应区域的厚度，还在光感应区域设置反射防止膜。
非专利文献
非专利文献1：“Etaloning in Back-Illuminated CCDs”，ROPERSCIENTIFIC TECHINICAL NOTE、ROPER SCIENTIFIC发行，2000年，No.7
发明内容
发明所要解决的问题
但是，现有的BT-CCD的解决方法，牺牲由薄膜化产生的检测灵敏度的提高这一BT-CCD本来的优点，本质上未提高图像品质。
本发明是有鉴于这样的问题而完成的发明，其目的在于提供一种抑制由多重干涉现象造成的图像劣化并可以提高图像品质的背面入射型固体摄像元件。
解决问题的技术手段
为了解决上述的问题，本发明所涉及的背面入射型固体摄像元件的特征在于，其是具备在背面侧具有光入射面的半导体基板、以及设置于半导体基板的与光入射面为相反侧的光检测面的电荷传送电极的背面入射型固体摄像元件，光检测面具有凹凸面。
由于光检测面具有凹凸面，因而相对于入射光的相位，由凹凸面反射的光具有分散了的相位差，所以，这些光彼此抵销，抑制多重干涉现象。因此，根据该背面入射型固体摄像元件，可取得高品质的图像。
凹凸面优选为仅形成于光检测面。即，光入射面不具有凹凸。其原因在于，在光入射面侧形成凹凸面的情况下，在该表面产生散射，画质劣化。
凹凸面内的各凹凸的图案，优选为在背面入射型固体摄像元件的各像素内相同。在各个像素中的凹凸图案(平面形状和深度)不同的情况下，存在因干涉而显现固定噪声图案的可能性。本发明中，由于在各像素内凹凸图案相同，因而可抑制这样的固定噪声图案的产生。还有，此处相同并非数学上严密的相同，而是指实质上相同，若形状的尺寸的误差、或深度的误差在±10％以内，则图案为相同。
发明的效果
根据本发明的背面入射型固体摄像元件，可取得高品质的图像。
附图说明
图1是实施方式所涉及的背面入射型固体摄像元件100的立体图。
图2是从与光入射方向为相反侧看背面入射型固体摄像元件100的底面图。
图3是显示形成于表面侧(与光入射面(背面)为相反侧)的摄像区域10与水平移位寄存器20的图。
图4是将1个像素沿XZ平面切割的该像素的纵剖面图。
图5是仅选择显示半导体基板4的说明图。
图6是显示背面入射型固体摄像元件的制造方法的图。
图7是作为比较例的像素的剖面图。
图8是显示相对于各波长(nm)的透过率(％)、反射率(％)及吸收率(％)的关系的图。
图9是显示不同的厚度(17.00μm、17.06μm)的Si中的波长(nm)与量子效率(％)的关系的图。
图10是图9所示的图的局部放大图。
图11是显示入射光的波长(nm)、实施方式的背面入射型固体摄像元件(构造1)及比较例的背面入射型固体摄像元件(构造2)的输出(规格化的输出：最大值＝1.0)的关系的图。
图12是显示实施方式所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案A)。
图13是显示图12的照片的放大照片的图。
图14是显示图13的照片的放大照片的图。
图15是显示实施方式的变形例所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案B)。
图16是显示图15的照片的放大照片的图。
图17是显示图16的照片的放大照片的图。
图18是显示实施方式的变形例所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案C)。
图19是显示图18的照片的放大照片的图。
图20是显示图19的照片的放大照片的图。
图21是用于说明电荷传送电极2的构造的摄像区域的平面图。
图22是图21所示的像素中的B-B箭头剖面图。
符号的说明
100…背面入射型固体摄像元件、L…入射光、1…保护膜、2…电荷传送电极、3…绝缘层、4…半导体基板、5…反射防止膜、4A…N型半导体层、4B…隔离区域、4C…P型半导体基板、4D…累积层。
具体实施方式
以下，对实施方式所涉及的背面入射型固体摄像元件100进行说明。还有，对相同要素标以相同符号，省略重复的说明。
图1是实施方式所涉及的背面入射型固体摄像元件100的立体图。还有，同图中，为了便于说明，显示由彼此正交的X轴、Y轴及Z轴构成的三维正交坐标系。
背面入射型固体摄像元件100是将半导体基板的背面侧用KOH水溶液等蚀刻而薄膜化了的BT-CCD(电荷结合元件)，在蚀刻后的中央区域形成凹部TD，在凹部TD的周围存在厚的框部。凹部TD的侧面102a、102b、102c、102d，相对于底面101成钝角倾斜。还有，也可由蚀刻除去该框部，成为整个区域薄膜化了的背面入射型固体摄像元件。
半导体基板的薄膜化了的中央区域是光感应区域(摄像区域)，来自对象物的光像L沿Z轴的负方向入射至该光感应区域。半导体基板的凹部TD的底面101构成光入射面。在光感应区域形成有作为像素的由多个垂直移位寄存器构成的摄像用的CCD。
图2是从与光入射方向为相反侧看背面入射型固体摄像元件100的底面图。在对应于薄膜化了的半导体基板的底面101的区域，形成摄像区域10。入射至摄像区域10的光像转换成二维电荷像，该电荷沿Y轴的负方向传送。在摄像区域10的电荷传送方向的终端，设置有水平移位寄存器20，在垂直方向上传送来的各像素的电荷，沿X轴方向依次传送。在背面入射型固体摄像元件100的框部设置有多个电极垫。
主要的电极垫是用于对电荷传送电极施加二相的传送电压的电极垫P1V、P2V，用于对电荷传送电极施加二相的传送电压的电极垫P1H、P2H，用于将半导体基板接地的电极垫SS，用于读出在水平方向传送的电荷的电极垫SG、OG、OD、RG、RD，且输出可从电极垫OS取出。其它的电极垫只要根据规格适当设置即可，但本例中具备用于发挥对水平移位寄存器20的电荷传送栅极的功能的电极垫TG，用于输入测试用信号的电极垫ISV、ISH，用于发挥这些测试用信号的电荷传送栅极的功能的电极垫1G1V、1G2V、1G1H、1G2H。作为CCD的电荷传送方式，已知有帧传送方式、交错传送方式、全帧传送方式等。这样的CCD的构造多数已知，但并没有特别的限定，作为一例，针对全帧传送方式的CCD进行说明。
图3是显示形成于表面侧(与光入射面(背面)为相反侧)的摄像区域10与水平移位寄存器20的图。还有，同图是模式图，记载有在X轴方向上延伸的各传送电极的形状为长方形，且在它们之间存在间隙，但实际上它们重合，另外，形状也可采用各种各样的形态。
摄像区域10是排列有多个垂直移位寄存器n1～nN(N为2以上的整数)、即垂直电荷传送用CCD而成的。还有，实际的摄像区域是摄像区域10的中央区域，周边的像素根据需要进行遮光。垂直方向的像素沿Y轴排列，各电荷传送电极m1～mM(M为2以上的整数)沿X轴延伸。对电荷传送电极m1～mM施加来自电极垫P1V、P2V的二相的传送电压，将存储于电荷传送电极m1～mM正下方的半导体区域的电荷在垂直方向(Y轴负方向)上传送。还有，在构成各垂直移位寄存器n1～nN的垂直CCD通道(半导体电荷传送区域)之间，形成有与流动于该CCD通道的电荷为相反的导电类型的隔离区域，隔离区域抑制来自不同的像素列的电荷的相互混合。
在垂直方向的电荷传送的最终位置设置有传送栅极电极mT，依赖于来自电极垫TG的电压，电荷从摄像区域10经传送栅极电极mT的正下方的电势流入水平移位寄存器20内。水平移位寄存器20是沿X轴排列有在水平方向(X轴正方向)传送电荷的水平电荷传送用CCD的水平移位寄存器，在沿X轴方向延伸的半导体电荷传送区域HSR上，设置有电荷传送电极h1～hK(K为2以上的整数)，这些电荷传送电极沿X轴方向排列。
对电荷传送电极h1～hK，施加来自电极垫P1H、P2H的二相的传送电压，将存储于电荷传送电极h1～hK的正下方的半导体区域的电荷在水平方向(X轴方向)上传送。在X轴的电荷传送的最终位置，设置有电荷读出电路。电荷读出电路具备连接于电极垫SG的位于水平移位寄存器的终端的信号栅极区域。在该信号栅极区域旁边，经由MOS-FET构造的晶体管Q1设置有浮动扩散区域FD。浮动扩散区域FD经由重置晶体管Q2连接于重置漏极电极垫RD，另外，连接于输出晶体管Q3的栅极电极。输出晶体管Q3的一个端子，连接于溢流漏极电极垫OD，另一个构成输出端子OS。在输出端子OS，连接有负荷电阻R。在晶体管Q2的栅极电极连接有重置栅极电极垫RG。
对电极垫OG、OD、RD始终施加适当的高电平。在信号读出时，使电极垫SG及电极垫RG为高电平，使浮动扩散区域FD的电位为重置用的电极垫RD的重置电位，之后，通过使电极垫RG为低电平，从而使输出信号为浮动电平。接着，通过使电极垫SG为低电平，从而在信号栅极区域暂时存储的信号电荷，流入浮动扩散区域FD内，从电极垫OS取出的输出信号成为对应于存储电荷量的信号电平。
其余的构成用于进行测试动作，从电极垫ISV、ISH输入测试信号，对电极垫IG1V、IG2V、IG1H、IG2H赋予适当的电位，进行测试动作。电极垫ISV连接于电连接于半导体基板的电极mV，电极垫IG1V、IG2V连接于CCD通道上经由绝缘膜设置的栅极电极mG1、mG2。向它们输入适当的信号，在获得与正常的情况不同的输出的情况下，判定为异常。
还有，图3中的各CCD通道nN与数个传送电极mM的交叉区域，构成各像素(参照图21的像素PIXEL)。
图4是将一个像素沿XZ平面切割的该像素的纵剖面图。
入射光L从半导体基板的背面(光入射面)入射。即，半导体基板具有光入射面。该像素从基板表面侧依次具备保护膜1、电荷传送电极2(＝图3所示的各电荷传送电极m1～mM)、绝缘层3、由Si构成的半导体基板4、反射防止膜5。半导体基板4具备P型半导体基板4C、形成于P型半导体基板4C上的N型半导体层4A、形成于P型半导体基板4C的背面侧的累积层4D，及形成于CCD通道的两侧的隔离区域4B。P型半导体基板4C与N型半导体层4A接触而形成PN结，构成埋入通道型CCD。还有，也可省略N型半导体层4A(PN结)，在该情况下，该CCD作为表面通道型CCD发挥功能。
本例中，保护膜1由BPSG(Boro-Phospho Silicate Glass，硼磷硅玻璃)构成，电荷传送电极2由多晶硅构成，绝缘层3由SiO2构成，隔离区域4B及累积层4D均由添加有高浓度的P型杂质的Si构成。还有，在像素中，半导体的导电类型，即使交换P型与N型也可发挥功能。高浓度是指杂质浓度比P型半导体基板4C的杂质浓度高，优选为1×19cm3以上的浓度。
此处，上述的背面入射型固体摄像元件具备设置于半导体基板4的与光入射面为相反侧的光检测面的电荷传送电极2，光检测面(N型半导体层4A的Z轴负方向的表面)具有凹凸面。当然，N型半导体层4A的Z轴正方向的表面、同样地P型半导体基板4C的Z轴负方向的表面、绝缘层3的两面、电荷传送电极2的两面，具有凹凸面。
这样，由于光检测面具有凹凸面，因而相对于入射光的相位，由凹凸面反射的光具有分散了的相位差，所以，这些光彼此抵销，抑制了多重干涉现象。因此，根据该背面入射型固体摄像元件，可取得高品质的图像。还有，图7显示作为比较例的像素的剖面，半导体基板的光检测面平坦。图7所示的构造除了未形成有凹凸面这一点外，与图4所示的相同。
图4所示的实施方式中，凹凸面仅形成于光检测面。即，作为光入射面的半导体基板4的背面不具有凹凸而平坦。这是因为在光入射面侧形成凹凸面的情况下，在该表面产生散射，画质劣化。
光像L在从背面入射至半导体基板4的情况下，在半导体基板4内进行光电转换，产生载体。该载体存储于电荷传送电极2下的区域，通过施加传送电压，向Y轴方向传送。此处，对形成于半导体基板4的光检测面的凹凸面进行说明。
图5是仅选择显示半导体基板4的说明图。凹部的最深部与凸部的顶点或顶面之间的距离(沿半导体基板的厚度方向的距离)为D1，邻接的凹部的最深部间的最短距离为T1。还有，凸部是相对于凹部具有相对的高度的形状，在平坦面上形成多个凹部的情况下，使该平坦面为凸部的顶面。相反的，在从平坦面竖立设置多个突起的情况下，凹部的最深部为平坦面。
在本例的凹凸构造中，距离T1在面内相等，所形成的凹凸图案具有周期性。还有，距离T1也可作为邻接的凸部间的最短距离。光像L从基板背面入射，但此处对光像L中照射于以实线显示的凹部的最深部的背面侧的成分，及照射于以虚线显示的凸部的顶点或顶面的成分进行考虑。这些成分间，产生相当于距离D1的光学的相位差。若半导体基板4的厚度(平均)为d，入射光的波长为λ，硅的折射率为n，入射角为θ，自然数为m，则在d＝17μm，λ＝850nm，n＝4，θ＝0°，m＝160的情况下，由干涉式(2nd/cosθ＝mλ，从表面的垂线取得入射角θ的情况)，相位反转所需要的半导体基板4的厚度为0.06μm以上。另外，对干涉的抑制有效的距离D1的范围优选为0.06～1μm。
另外，凹凸面内的各凹凸的图案，在背面入射型固体摄像元件的各像素内相同。在各个像素的凹凸图案(平面形状与深度)不同的情况下，存在由干涉显现固定噪声图案的可能性。本发明中，由于在各像素内凹凸图案相同，因而可抑制这样的固定噪声图案的产生。还有，此处相同并非数学上严密的相同，而是指实质上相同，若形状的尺寸的误差或深度的误差在±10％以内，则图案为相同。
图6是显示上述的背面入射型固体摄像元件的制造方法的图。
首先，准备P型半导体基板4。接着，热氧化半导体基板4的表面，形成由SiO2构成的第1绝缘层31，接着，在第1绝缘层31上以溅射法等形成由SiNx构成的第2绝缘层32(图6(a))。再有，使用光刻胶对第2绝缘层32进行图案化以使其具有多个开口，使开口正下方的第1绝缘层31的区域露出于外部(图6(b))。之后，通过使第2绝缘层32为掩模，选择性地氧化第1绝缘层31的表面，从而使其厚度增加(图6(c))。接着，由蚀刻除去第2绝缘层32，进而，由蚀刻除去第1绝缘层31。由此，在作为半导体基板4的光检测面的区域形成有多个凹部DP(图6(d))。
还有，可使用高温的磷酸作为SiNx的蚀刻液，且可使用氢氟酸作为SiO2的蚀刻液，但当然也可以由使用CF4等的干蚀刻除去SiNx。还有，由于在基底侧使用SiO2，因而若预先将多个开口形成于由SiNx构成的第2绝缘层32，则对第1绝缘层31进行湿蚀刻时，上部的第2绝缘层32被剥离而除去。
接着，在形成有多个凹部DP的区域上图案化形成掩模RE(图6(c))。该掩模RE可由使用适当的抗蚀剂而图案化了的无机绝缘层构成，也可以由液状的光刻胶自身构成，也可为干薄膜那样的抗蚀剂薄片。在使掩模RE附着于半导体基板4的状态下，在基板表面使用离子注入法或扩散法添加P型杂质而形成隔离区域4B，之后，通过进行热氧化，在隔离区域4B上形成绝缘层3。这些工序的顺序也可相反。还有，进行热氧化的情况下，掩模RE使用具有耐热性的无机材料，或者，在掩模RE由抗蚀剂构成的情况下，进行将其置换成具有耐热性的无机材料的图案化。
接着，除去掩模RE，进而，进行热氧化。由此，由SiO2构成的绝缘层3也在硅的光检测面上形成，且沿凹部DP的形状而形成有栅极绝缘膜。经由该绝缘层3向半导体基板内部离子注入N型杂质，在绝缘层3的正下方区域形成N型半导体层4A。由于当初的半导体基板为P型半导体基板4C，因而在它们之间形成PN结。接着，在绝缘层3上形成由Al等的金属或多晶硅构成的电荷传送电极2，在其上形成由BPSG构成的保护膜1。
接着，如图4所示，在半导体基板4的背面侧，添加高浓度的P型杂质而形成累积层4D，接着，在累积层4D上形成反射防止膜5。反射防止膜5由介电体多层膜构成，层叠例如Si及Ge的氧化物而成。由以上的工序，完成上述的背面入射型固体摄像元件，但实际上由于邻接的电荷传送电极2为重复的构造，因而下层的电荷传送电极2的形成后，经由作为隔离物的绝缘层形成上层的电荷传送电极2。
图21是用于说明本例的电荷传送电极2(mp+1～mp+17…)的构造的摄像区域的平面图，显示在X轴方向延伸的多个电荷传送电极，及在Y轴方向延伸的CCD通道nN(nk+1～nk+4)(其中，p、k为整数)。以同图的虚线PIXEL包围的区域相当于1个像素。图4是显示该像素的A-A箭头剖面图的图。
另外，该像素的B-B箭头剖面图显示于图22。在上层的电极mp+6、mp+8、mp+10的正下方，形成有低浓度的N型半导体区域4A′。低浓度是指比N型半导体区域4A低的杂质浓度。该低浓度的N型半导体区域4A′以杂质浓度比N型半导体区域4A低的方式形成。作为杂质浓度的控制方法，存在使这些形成时期与杂质添加量不同的方法，及在低浓度侧将绝缘层3的厚度增厚，并经由其进行离子注入的方法等。
此处，对比较例(图7的构造)的多重干涉现象(干涉)进行说明。
图8是显示相对于各波长(nm)的透过率(％)、反射率(％)及吸收率(％)的关系的图。
通常，在可见光的摄像中，干涉并不成为大问题，但在背面入射型固体摄像元件中，波长比700nm的后半长而到达近红外区域时，由干涉而使透过率(％)、反射率(％)及吸收率(＝QE)(％)在每个波长大幅地振动。还有，吸收率伴随波长的增加而降低。在该光谱曲线的振动现象中，数nm规模的振动成分起因于Si的干涉，100nm规模的振动成分起因于电荷传送电极(多晶硅)或绝缘层(SiO2)的干涉。近年来，要求近红外带域的摄像，希望减少这样的干涉成分。
图9是显示不同的厚度(17.00μm、17.06μm)的Si的波长(nm)与量子效率(QE)(％)的关系的图。图10是图9所示的图的局部放大图。波长的增加的同时量子效率降低，但因厚度的差异，产生相位反转，平均值的光谱变动减小。即，根据上述的实施方式所涉及的背面入射型固体摄像元件，由于光检测面具有凹凸面，因而光谱变动减小。
图11是显示入射光的波长(nm)、实施方式的背面入射型固体摄像元件(构造1)与比较例的背面入射型固体摄像元件(构造2)的输出(规格化的输出：最大值＝1.0)的关系的图。实施方式中，光谱的振动被抑制，相对于此，比较例中，光谱大幅地振动。
图12是显示上述实施方式所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案A)。图13是图12的照片的放大照片，图14是显示图13的照片的放大照片的图。还有，凹部的深度为0.1μm。图案A中，圆形的凹部的开口的直径为1μm，邻接的凹部的中心间的距离T1为2μm，凹部的间隔距离为1μm。
图15是显示上述实施方式的变形例所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案B)。还有，凹部的深度为0.1μm。图案B与图案A相比凹部的密度降低。图16是显示图15的照片的放大照片的图，图17是显示图16的照片的放大照片的图。图案B中，圆形的凹部的开口的直径为1μm，邻接的凹部的中心间的距离T1为3μm，凹部的间隔距离为2μm。
图18是显示上述实施方式的变形例所涉及的固体摄像元件表面的凹凸构造的电子显微镜照片的图(凹凸的图案C)。还有，凹部的深度为0.1μm。图案C是使凹部的形状为沿Y轴的半圆筒面形状(槽形状)的图案。图19是显示图18的照片的放大照片的图，图20是显示图19的照片的放大照片的图。图案C中，线状的凹部的宽度为1μm，邻接的凹部的中心间的距离T1为3μm，凹部的间隔距离为2μm。
如上所述，形成凹部，从而可抑制多重干涉现象，由此，能够提供抑制了由多重干涉现象造成的图像劣化且可提高图像品质的背面入射型固体摄像元件。还有，本发明并不限于上述实施方式，例如，作为半导体材料，也可使用GaAs或GaN等的化合物半导体。另外，作为光感应区域的像素，也可采用MOS型的影像传感器的光电二极管。

Claims (6)

1.一种背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
具备：
在背面侧具有光入射面的半导体基板；以及
设置于所述半导体基板的与所述光入射面为相反侧的光检测面的电荷传送电极，
所述背面入射型固体摄像元件为电荷耦合元件，
所述光检测面的设置有所述电荷传送电极的区域具有凹凸面，
所述半导体基板为Si。
2.如权利要求1所述的背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
所述半导体基板的所述凹凸面仅形成于所述半导体基板的所述光检测面。
3.如权利要求1所述的背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
所述凹凸面内的各凹凸的图案，在所述背面入射型固体摄像元件的各像素内相同。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
所述电荷传送电极的两面具有凹凸面。
5.如权利要求1～3中任意一项所述的背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
所述半导体基板的所述光检测面与所述电荷传送电极之间存在绝缘层，所述绝缘层的两面具有凹凸面。
6.如权利要求1所述的背面入射型固体摄像元件，其特征在于，
在将所述凹凸面的凹部的最深部与凸部的顶点或顶面之间的、沿所述半导体基板的厚度方向的距离设为D1时，距离D1为0.06～1μm。
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