專利名稱：光電轉換器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電轉換器件中的光電轉換區域的結構。
背景技術：
作為光電轉換器件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結形成的光電二極管并且在該光 電二極管上布置由硅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器件常常表現 輸出關于入射光的波長具有波紋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界面處經受多重反射并 且具有與層間絕緣膜的折射率不同的折射率時，出現波紋。更具體地，由于層間絕緣膜在芯 片內的膜厚分布導致布置在該芯片上的像素的位置之間的多重反射的影響發生變化，因此 出現波紋。為了減少波紋，如在日本專利公開No. 6-125068中描述的那樣，存在用于通過使 用一種結構和另一結構使光學干涉的影響隨機化來減少波紋的方案，其中，在所述一種結 構中，基底(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器件，在該光電 轉換器件中，為了減少在絕緣膜的下側的界面處的反射，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，由于保護絕緣 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，由于保護絕緣膜自身的 厚度根據位置而改變，因此，保護特性對于芯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。至于日本專利公開NO. 2005-072097，沒有清楚地描述凹陷和凸起的具體尺寸。波 紋的影響可能不會根據凹陷和凸起的尺寸而減小。
發明內容
本發明提供在不改變保護絕緣膜的結構的情況下減少波紋的光電轉換器件。根據本發明的一個方面的光電轉換器件包括多個光電轉換區域；布置在多個光 電轉換區域上的層間絕緣膜；被布置為與層間絕緣膜接觸并且折射率與層間絕緣膜的折射 率不同的保護絕緣膜；被布置在多個光電轉換區域中的每一個的受光表面中的凹陷；以及 埋入凹陷中的埋入區域。當對于多個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表示并且埋入區域的折射率由η表示時，凹陷的深度d由表達式d彡λ/如表示。參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。
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波紋減少效 果之間的關系的示圖。
具體實施例方式以下參照附圖描述本發明的實施例。在以下的實施例中，描述使用空穴作為信號 載流子的情況。當使用電子作為信號載流子時，η型半導體區域變為ρ型半導體區域，并且， P型半導體區域變為η型半導體區域。在以下的描述中，對于半導體基板使用硅。第一實施例圖1是根據第一實施例的光電轉換器件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。這里的光 電轉換區域是PN結光電二極管。根據本發明第一實施例的光電轉換器件具有在半導體基 板上布置多個像素的配置，所述多個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η型或ρ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。這里，第一半導體區域100為η型半導體區域。對于第一半 導體區域100，例如，可以使用半導體基板自身。這里的術語“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是布置在第一半導體區域100上的埋入的η型半導體區域。第三半導體區域102是布置在第二半導體區域101上的η型半導體區域，并且可 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 的雜質濃度并且其中的信號載流子是少數(minority)載流子。第四半導體區域103由η型半導體區域形成，并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，并且優選地完全包圍光電轉換區域。 另外，各像素的光電轉換區域優選地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ρ型半導體區域形成，并且可收集作為信號載流子的空穴。 在該區域中，信號載流子是多數(majority)載流子。第五半導體區域105是用于建立到未 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，并且，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。 對于讀出電路，例如，可以使用由金屬氧化物半導體(M0Q晶體管形成的源極跟隨器。在那 種情況下，第五半導體區域105與放大MOS晶體管的柵極電連接。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被布置在光電轉換區域上，并且可由例如通過常壓或準常 壓(subatmospheric pressure)化學氣相沉積(CVD)獲得的硼磷硅酸鹽(boro-phospho silicate)玻璃(BPSG)膜形成。作為第二層間絕緣膜109，可以使用通過等離子體CVD獲 得的SiO2膜。雖然這里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Ii1為例如1. 46。保護絕緣膜110根據需要被設置，并且可通過使用通過等離子體CVD獲得的 SiON(硅氧氮化物(silicon oxynitride))、SiN(硅氮化物(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，并且， 與第二層間絕緣膜109接觸的部分的折射率至少不同于第二層間絕緣膜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直接暴露于空氣中。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界面。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硅的局部氧 化(local oxidation of silicon, LOCOS)方法的熱氧化工藝形成凹陷111。埋入區域112被布置為使得其被埋入凹陷111。對于埋入區域112，可以使用通過 L0C0S方法形成的所謂的L0C0S區域。當對于埋入區域112使用硅氧化物時，埋入區域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。當如后面描述的那樣由λ表示入射光的波長并且由η表示埋入區域112的折射 率時，凹陷111的深度d是滿足以下的關系的值d 彡 λ /4η ... 1。從不設置凹陷111的區域測量這里的深度d。另外，在用于可見光的光電轉換器件 的情況下，入射光的波長范圍在較短波長側為360 400nm，并且，在較長波長側為760 830nm。由于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360nm。如 果需要在整個可見光的波長范圍上實現效果，那么入射光的波長可被確定為830nm。如果 對于光電轉換區域設置濾色器，那么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)，那么通過藍色濾色器的光的峰值波長可被 用作入。如果在用于可見光的光電轉換器件的情況下埋入凹陷111中的埋入區域112由硅 氧化物構成并且如果光電轉換區域被布置在硅基板上，那么凹陷111的深度d可以為滿足 表達式0. 06 < d < 0. 15μ m的值。通過該范圍中的深度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，并且，這兩種類型的光相互抵消，這允許減少波紋。下面，參照圖3描述由凹陷111導致的波紋減少。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，并且入射到 光電轉換區域上。此時，由于在第三半導體區域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上的構件之間的界面處出現的多重反射，所以獲 得輸出關于波長具有波紋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，那么在像素輸出中直接反映輸出具有波紋的特性。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，可使得對于光電轉換區域的入射光的各光線的光路長度彼此不 同。通過使得光路長度彼此不同，從光電轉換區域與第一層間絕緣膜之間的界面反射的光 的光線可能具有相位差，并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 波紋。當入射光的波長由λ表示并且埋入凹陷中的埋入區域的折射率由η表示時，如果 相位膜厚度為λ /4η，那么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 /4η時，干涉的效果最大，因此，波紋減少效果大。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于等于λ /4η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/ 的區域，并且，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波 紋。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，那么暗電流的影響會大，這是不希望的。因此，半導 體基板中的凹陷的深度d優選地在λ的范圍中。圖7示出當改變凹陷的底表面的面積時波紋的量。波紋的量被歸一化，以使得當 不在光電轉換區域中布置凹陷時波紋的量的值為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波紋。 這是由于具有相反相位的反射光的量可被設為接近于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優選為0. 5，但 是，只要所述比率R在0. 4 < R < 0. 6的范圍中，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，優選地用一定的間距以重復的圖案布置要被設置在第三半導體區域 中的凹陷。這里，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外圍電路中的晶體管的形成和元件隔離，由此成功地省略附加 的制造步驟。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布置凹陷。光電轉換區域的受光表面中的 凹陷優選地被布置在與第五半導體區域105分開1. 0 μ m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與埋入 區域112之間的界面處產生的暗電流。通過阻止形成光電轉換區域的PN結的耗盡層與凹 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。對于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，并因此省略對其的詳細描述。本實施例的特征在于，設置這樣的結構，在該結構中，在被埋入在凹陷111中的埋 入區域112上布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η的硅氮化物膜513。硅氮化物膜513用作抗反射膜。通過硅氮化物膜513，可以抑 制在第一層間絕緣膜108與光電轉換區域之間的界面處的反射，這實現高的靈敏度以及波 紋減少。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。對于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，并因此省略對其的詳細描述。本實施例的特征在于，設置這樣的結構，在該結構中，通過濕法蝕刻等去除當形成 凹陷111時形成的絕緣膜；在該結構中，在多個光電轉換區域之上形成硅氧化物膜613作為 第一絕緣膜；以及，在該結構中，直接在硅氧化物膜613上形成折射率比硅氧化物膜613的 折射率高的第二絕緣膜(例如硅氮化物膜614)。通過根據本實施例的結構，可以對于像素 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，本發明不限于上述配置。例如，作 為硅氧化物膜613的替代，埋入凹陷111中的埋入區域可以是有機膜或硅氮化物膜。另外， 第一層間絕緣膜108和埋入凹陷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晶體管，所述傳送晶體管向浮置擴散傳送在光電轉換 區域中產生的電荷。 本發明被應用于在掃描儀等中使用的光電轉換器件。 雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限于所公開的示例 性實施例。所附權利要求的范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。
權利要求
1.一種光電轉換器件，包括 多個光電轉換區域；層間絕緣膜，所述層間絕緣膜被布置在所述多個光電轉換區域上； 保護絕緣膜，所述保護絕緣膜被布置為與所述層間絕緣膜接觸并且具有與所述層間絕 緣膜的折射率不同的折射率；凹陷，所述凹陷被布置在所述多個光電轉換區域中的每一個的受光表面中；以及 埋入區域，所述埋入區域被埋入所述凹陷中，其中，當對于所述多個光電轉換區域中的每一個的入射光的波長由λ表示并且所述 埋入區域的折射率由η表示時，所述凹陷的深度d由表達式d彡λ / 表示。
2.根據權利要求1的光電轉換器件，還包括抗反射膜，所述抗反射膜被布置在所述多個光電轉換區域中的每一個的受光表面和所 述凹陷的表面上，并且具有比所述層間絕緣膜的折射率高的折射率。
3.根據權利要求1的光電轉換器件，其中，所述埋入區域包含第一絕緣膜和第二絕緣 膜，所述第二絕緣膜被布置為與所述第一絕緣膜接觸并具有比所述第一絕緣膜的折射率高 的折射率。
4.根據權利要求1的光電轉換器件，其中，所述凹陷和所述埋入區域由硅的局部氧化 LOCOS方法形成。
5.根據權利要求1的光電轉換器件，其中，所述多個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，所述第二半導體區域與所述第一半導體區 域一起形成PN結，其中，所述第二半導體區域與讀出電路電連接，以及 其中，所述凹陷被所述第一半導體區域包圍。
6.根據權利要求1 5中的任一項的光電轉換器件，其中，用一定的間距、以重復的圖 案布置所述凹陷。
7.根據權利要求6的光電轉換器件，其中，所述凹陷的深度d在λ的范圍中。
8.根據權利要求6的光電轉換器件，還包括濾色器，所述濾色器與所述多個光電轉換區域中的每一個對應， 其中，入射光的波長是通過所述濾色器的光的峰值波長。
9.根據權利要求8的光電轉換器件，其中，所述濾色器具有Bayer圖案，并且，入射光的 波長是通過藍色濾色器的光的峰值波長。
10.一種用于可見光的光電轉換器件，包括多個光電轉換區域，所述多個光電轉換區域被布置在硅基板上； 硅氧化物膜，所述硅氧化物膜被布置在所述多個光電轉換區域上； 保護絕緣膜，所述保護絕緣膜被布置為與所述硅氧化物膜接觸并且具有與所述硅氧化 物膜的折射率不同的折射率；凹陷，所述被布置在所述多個光電轉換區域中的每一個的受光表面中；以及 硅氧化物埋入區域，所述硅氧化物埋入區域被埋入所述凹陷中， 其中，所述凹陷的深度d在0. 06≤d≤0. 15 μ m的范圍中。
全文摘要
本發明涉及光電轉換器件。一種光電轉換器件包括多個光電轉換區域；被布置在多個光電轉換區域上的層間絕緣膜；被布置為與層間絕緣膜接觸并具有與層間絕緣膜的折射率不同的折射率的保護絕緣膜；被布置在多個光電轉換區域中的每一個的受光表面中的凹陷；以及被埋入在凹陷中的埋入區域。當對于多個光電轉換區域中的每一個的入射光的波長由λ表示并且埋入區域的折射率由n表示時，凹陷的深度d由表達式d≥λ/4n表示。
文檔編號H01L27/146GK102104052SQ20101058045
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月9日 優先權日2009年12月14日
發明者加藤太朗, 工藤正稔, 林良之, 福元嘉彥, 齊藤和宏 申請人:佳能株式會社