專利名稱:固態(tài)攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種MOS固態(tài)攝像裝置。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)上,作為固態(tài)攝像裝置,CCD(電荷耦合裝置)固態(tài)攝像裝置和MOS固態(tài)攝像裝置已經(jīng)是公知的。CCD固態(tài)攝像裝置的優(yōu)點是因為高靈敏度和低的暗輸出(dark output)而獲得高信噪比。由于該優(yōu)點,CCD固態(tài)攝像裝置在傳統(tǒng)上主導(dǎo)了照相機市場。然而,CCD固態(tài)攝像裝置的缺點是由于其結(jié)構(gòu)在讀取圖像信號時需要很長時間,在這種結(jié)構(gòu)中積聚在像素圖像檢測部分中的信號電荷借助于垂直CCD和水平CCD以有序方式轉(zhuǎn)移到最終輸出部分,之后轉(zhuǎn)換成電信號。
圖8A和圖8B示出傳統(tǒng)MOS固態(tài)攝像裝置的實施例。圖8A是像素部分的頂視圖,圖8B是沿著線A-B的像素部分的橫截面圖。在P-型硅基底的半導(dǎo)體基底101中,像素部分包括N-型圖像檢測部分102、P++型表面層103、N+型漏極區(qū)104、隔離區(qū)105和N-型LDD(輕摻雜漏極)部分108。在半導(dǎo)體基底101的表面上,形成了為二氧化硅膜的絕緣薄膜106。在絕緣薄膜106上,形成了柵電極107、二氧化硅側(cè)壁109、層間電介質(zhì)薄膜111和光屏蔽薄膜112等。傳輸晶體管包括圖像檢測部分102的一部分、半導(dǎo)體基底101的一部分、漏極區(qū)104和柵電極107。盡管未示出,但是在光屏蔽薄膜112上形成了層間電介質(zhì)薄膜、濾色鏡和微透鏡等。一旦向柵電極107施加預(yù)先確定的電壓,積聚在圖像檢測部分102中的電荷就會通過存在于半導(dǎo)體基底101表面上的通道并轉(zhuǎn)移至漏極區(qū)104。
圖9示出了像素部分中電路的實施例。傳輸晶體管的漏極區(qū)104連接到讀出電路上,如放大晶體管118和復(fù)位晶體管119。在垂直信號線VSL上,依照從圖像檢測部分102轉(zhuǎn)移至漏極區(qū)104的電荷數(shù)量的信號出現(xiàn)并被讀取到最終輸出部分。因為MOS固態(tài)攝像裝置不包括電荷轉(zhuǎn)移部分,如垂直CCD和水平CCD),所以MOS固態(tài)攝像裝置的優(yōu)點是MOS固態(tài)攝像裝置讀取圖像需要的時間比包括電荷轉(zhuǎn)移部分的CCD固態(tài)攝像裝置需要的更短。
然而,對于傳統(tǒng)MOS固態(tài)攝像裝置的制造,因為會使用CMOS邏輯過程而沒有任何修改,所以沒有采取用來改善靈敏度并降低暗輸出的適當措施,所以導(dǎo)致低的信噪比。相應(yīng)地,制造MOS固態(tài)攝像裝置中存在的挑戰(zhàn)在于改進信噪比。
作為改進信噪比的技術(shù),如圖10中的固態(tài)攝像裝置中所示,已經(jīng)提供了抗反射薄膜110以覆蓋圖像檢測部分102整個表面(如參考日本公開專利No.10-256610)。已經(jīng)考慮到提供抗反射薄膜110會允許降低圖像檢測部分102表面上的反射,這是由于絕緣薄膜106和半導(dǎo)體基底101中不同的折射率造成的,并借此獲得高信噪比。
然而,實際上,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使通過在圖像檢測部分102的整個表面上提供抗反射薄膜110來增加接收的光數(shù)量,也不會獲得理想的信噪比。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的目的是提供一種能夠獲得高信噪比的MOS固態(tài)攝像裝置。
固態(tài)攝像裝置包括布置在半導(dǎo)體基底上的多個像素,每個像素各自包括用于根據(jù)接收光量積聚電荷的圖像檢測部分;多個抗反射薄膜,每個抗反射薄膜的面積都比圖像檢測部分表面積小并形成在各圖像檢測部分上;以及具有多個開口的層間電介質(zhì)薄膜,每個開口的面積等于或大于圖像檢測部分的表面積的面積,所述開口形成在抗反射薄膜上方。
固態(tài)攝像裝置進一步包括用于將像素彼此隔離的隔離區(qū),其中隔離區(qū)和抗反射薄膜之間的間隙等于或大于0.2μm。
固態(tài)攝像裝置進一步包括多個傳輸晶體管,每個傳輸晶體管都鄰近圖像檢測部分,其中傳輸晶體管的柵電極和抗反射薄膜之間的間隙等于或大于0.2μm。
在MOS固態(tài)攝像裝置中,抗反射薄膜的面積等于或大于圖像檢測部分表面積的70%。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置中,抗反射薄膜并不形成在圖像檢測部分和柵電極之間的邊界周圍,也不形成在圖像檢測部分和元件隔離區(qū)之間的邊界周圍,且面積小于圖像檢測部分的表面積。盡管以上述方式形成抗反射薄膜,半導(dǎo)體基底的表面缺陷的數(shù)目增加能得到抑制,還能借此抑制暗輸出的增加。
通常,微透鏡提供在圖像檢測區(qū)域的上方,由聚光透鏡收集的光以定點(pinpointed)方式聚集到圖像檢測區(qū)域中。因此,與在圖像檢測區(qū)域整個表面上提供抗反射薄膜的情況相比,僅在由微透鏡收集的光進入的位置上提供抗反射薄膜能阻止接收光數(shù)量的降低。因此,根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置能獲得高靈敏度、低的暗輸出和高信噪比。
另外,如果抗反射薄膜的面積等于或大于圖像檢測區(qū)域表面積的70%,在固態(tài)攝像裝置用于帶有可互換鏡頭的照相機時可能發(fā)生的像素靈敏度的波動能得到抑制,從而實現(xiàn)了高的圖像質(zhì)量。
通過如下對本發(fā)明的詳細說明和附圖,本發(fā)明的這些和其它目的、特征、方面和優(yōu)點將會更加顯而易見。
圖1A是依照本發(fā)明的一個實施方式的固態(tài)攝像裝置的頂視圖;圖1B是沿著圖1A中線A-B的橫截面圖;圖2是示出抗反射薄膜和元件隔離區(qū)之間的間隙S1的距離與暗輸出的關(guān)系圖;圖3是示出抗反射薄膜和柵電極之間的間隙S2的距離與暗輸出的關(guān)系圖;圖4是依據(jù)像素位置通過照相機鏡頭的光的入射角度差的圖;圖5是固態(tài)攝像裝置芯片的頂視圖;圖6是依據(jù)照相機鏡頭、進入角落像素的光的入射角差的圖;圖7示出了圖像檢測部分面積與抗反射薄膜面積的比例和中心位置上像素靈敏度與在外圍內(nèi)部及離中心最遠位置上的像素靈敏度的比例之間的關(guān)系;圖8A是傳統(tǒng)固態(tài)攝像裝置傳統(tǒng)頂視圖;圖8B是沿著圖8A所示傳統(tǒng)固態(tài)攝像裝置的線A-B的橫截面圖;圖9是像素部分電路的實施例的圖;圖10是另一種傳統(tǒng)固態(tài)攝像裝置的剖視圖。
具體實施例方式
(第一實施方式)圖1A和圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的MOS固態(tài)攝像裝置中像素部分的頂視圖和沿著圖1A中線A-B的橫截面圖。在P-型硅基底的半導(dǎo)體基底1中,像素部分包括N-—型圖像檢測部分2、P++—型表面層3、N+型漏極區(qū)4、隔離區(qū)5和N—型LDD(輕摻雜漏極)部分8。在半導(dǎo)體基底1的表面上形成了為二氧化硅薄膜的絕緣薄膜6。在絕緣薄膜6上,形成了抗反射薄膜10、柵電極7、二氧化硅側(cè)壁9、層間電介質(zhì)薄膜11、光屏蔽薄膜12等??狗瓷浔∧?0的面積小于圖像檢測部分2的表面積。圖1A中示出的粗線圈起的面積是光屏蔽薄膜12的開口。光屏蔽薄膜12的開口面積大于圖像檢測部分2的表面積。
在固態(tài)攝像裝置中,傳輸晶體管包括圖像檢測部分2的一部分、半導(dǎo)體基底1的一部分、漏極區(qū)4和柵電極7。一旦向柵電極107施加預(yù)先確定的電壓,積聚在圖像檢測部分2中的電荷就會通過存在于半導(dǎo)體基底1表面上的通道并轉(zhuǎn)移至漏極區(qū)4。在漏極區(qū)4中,轉(zhuǎn)移的電荷得到臨時積聚。盡管未示出,但是在光屏蔽薄膜12上形成了層間電介質(zhì)薄膜、濾色鏡和微透鏡等。
除了包括圖像檢測部分2的一部分、半導(dǎo)體基底1的一部分、漏極區(qū)4和柵電極7的傳輸晶體管以外,像素部分包括讀出電路,如放大晶體管和復(fù)位晶體管(參見圖9)。依照漏極區(qū)4所保持電荷數(shù)量的電壓被施加到放大晶體管門上,放大晶體管向垂直信號線VSL輸出信號,該信號以對應(yīng)于施加到門中電壓的量級的放大程度得到放大。出現(xiàn)在垂直信號線VSL上的信號被讀取到最終輸出部分,并向外輸出。在放大晶體管中,其源電極通過負荷MOS晶體管和負荷電阻器連接到GND上,形成源隨動電路。提供復(fù)位晶體管以便周期性地以給定間隔向電源釋放由漏極區(qū)4保持的信號電荷。
這里將說明相應(yīng)部分的雜質(zhì)含量。形成圖像檢測部分2以實施光電轉(zhuǎn)換,其雜質(zhì)含量優(yōu)選接近1015至1016cm-3。圖像檢測部分2的深度(N-型雜質(zhì)的擴散深度)優(yōu)選接近0.5至2.0μm。如圖1B所示,提供具有形成在圖像檢測部分2表面上的淺P-型雜質(zhì)層(表面層103)的內(nèi)埋型光電二極管能夠減少暗輸出。然而,表面層3不是根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置中的主要部件。
允許與金屬線歐姆連接的漏極區(qū)4的雜質(zhì)含量優(yōu)選等于或大于1020m-3。作為漏極區(qū)4的深度(N-型雜質(zhì)的擴散深度),大約為0.2至0.4μm是合適的。LLD部分8的雜質(zhì)含量比漏極區(qū)4及其N-型雜質(zhì)含量更低,例如1018至1019cm-3的雜質(zhì)含量是合適的。
使用其折射率處于半導(dǎo)體基底1和絕緣薄膜6的折射率之間且可以是薄膜形式的抗反射薄膜10材料。如果半導(dǎo)體基底1是折射率大約為3.49的硅基底且絕緣薄膜6是折射率大約為1.46的二氧化硅薄膜,那么用于抗反射薄膜10的適當材料是二氧化硅、二氧化硅氮化物、氧化鈰、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋯或上述材料的混合物。在這些材料中,特別地,包含氮化硅的材料是合適的。用于光屏蔽薄膜12的材料并不限于特定材料,只要該材料具有光屏蔽效應(yīng)即可,通常使用鋁、鎢和硅化物。
抗反射薄膜10可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。在多層結(jié)構(gòu)的情況下,所使用的上述材料中多種薄膜可以是薄片狀或這些薄膜和二氧化硅薄膜可以是薄片狀。因為能夠抗反射的波長取決于材料和抗反射薄膜10的薄膜厚度而變化,所以,抗反射薄膜的薄膜厚度并不限于是均勻厚度。例如,如果絕緣薄膜6是二氧化硅薄膜且抗反射薄膜10是氮化硅薄膜,厚度為10至30nm的絕緣薄膜6和厚度為40至60nm的抗反射薄膜10就能夠使波長為550nm的反射以最有效的方式得到抑制。
如上所述,根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置包括在圖像檢測部分2的抗反射薄膜10,其表面積小于圖像檢測部分2的面積??狗瓷浔∧?0形成在圖像檢測部分2的中心部分上,且不形成在圖像檢測部分2和其外圍之間的邊界上。
圖2示出了暗輸出和圖1A和圖1B中所示抗反射薄膜10和隔離區(qū)5之間的間隙S1(μm)的距離之間的關(guān)系。當間隙S1的距離等于或大于0.2μm時,暗輸出能得到抑制,達到在抗反射薄膜10形成在隔離區(qū)5上時(參見圖10)所得到的暗輸出結(jié)果的5%或更低。從這些結(jié)果判斷,優(yōu)選間隙S1的距離為0.2μm或更大。
類似的,圖3示出了暗輸出和抗反射薄膜10與柵電極7之間的間隙S2(μm)的距離的關(guān)系。如果間隙S2的距離等于或大于0.2μm時,暗輸出就能得到抑制,可以達到在抗反射薄膜10形成在柵電極7上時所得到的暗輸出結(jié)果的5%或更低。從這些結(jié)果判斷,優(yōu)選間隙S2的距離為0.2μm或更大。
傳統(tǒng)上,已經(jīng)考慮到,在圖像檢測部分2的表面上形成抗反射薄膜10以覆蓋圖像檢測部分的整個表面將能以最有效的方式抑制從開口13射入光線的反射(參見圖10)。因此,已經(jīng)提供了面積大于開口13的抗反射薄膜10。同時,已經(jīng)考慮到提供上述抗反射薄膜10將增加接收光線的數(shù)量,并借此改進信噪比。
然而,本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn),如果形成抗反射薄膜10以覆蓋圖像檢測部分2的整個表面,那么通過形成抗反射薄膜10產(chǎn)生的應(yīng)力增加了半導(dǎo)體基底1上圖像檢測部分2和隔離區(qū)5之間邊界周圍和圖像檢測部分2和柵電極7之間邊界周圍的表面缺陷,借此增加暗輸出。特別是,如果表面缺陷增加,則表面缺陷中的自由電荷作為暗電荷(dark electrons)流入圖像檢測部分2中,導(dǎo)致暗輸出的增加。
因此,在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置中,形成抗反射薄膜10,通過避免在圖像檢測部分2和柵電極10之間的邊界周圍面積和圖像檢測部分2和隔離區(qū)5之間的邊界周圍面積上形成抗反射薄膜,使得抗反射薄膜的面積比圖像檢測部分2更小。通過以上述方式形成的抗反射薄膜10可以防止表面缺陷數(shù)量的增加,并因此防止暗輸出的增加。
通常,微透鏡提供在圖像檢測部分2的上方,由微透鏡收集的光線以定點方式射入圖像檢測部分中。因此,與在圖像檢測部分2整個表面上提供抗反射薄膜的情況相比,如果僅在由微透鏡收集的光進入的位置上提供抗反射薄膜10,則接收光的數(shù)量不會降低。這樣,就實現(xiàn)了具有高靈敏度、低的暗輸出和高信噪比的固態(tài)攝像裝置。
盡管在本實施方式中,半導(dǎo)體基底1是P-型基底,但是半導(dǎo)體基底1可以是N-型基底,其中N-型圖像檢測部分2和N-型漏極區(qū)4都包括在具有植入的P-型雜質(zhì)的P-型阱區(qū)中。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置為其中具有傳輸晶體管的MOS固態(tài)攝像裝置,并可以是包括在各像素部分的讀出電路中的放大晶體管的主動型并可以是不包括放大晶體管的被動型。
(第二實施方式)下面將說明根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的固態(tài)攝像裝置,其包括具有適合于在帶有可互換鏡頭的照相機中使用的尺寸的抗反射薄膜10。根據(jù)本實施方式的固態(tài)攝像裝置與第一實施方式中描述的并在圖1A和圖1B中所示的固態(tài)攝像裝置有相同的結(jié)構(gòu)。第二實施方式的固態(tài)攝像裝置與第一實施方式中固態(tài)攝像裝置的不同之處是,其抗反射薄膜10的面積等于或大于圖像檢測部分2的表面積的70%。
圖4圖解了包括微透鏡15a和15b及圖像檢測部分2a和2b的像素部分和照相機鏡頭20。在圖4中,在以矩陣方式放置在圖5中所示芯片的像素區(qū)域30中的像素部分中,在位置A和B的像素部分分別放置在圍繞中心部分的位置上和離中心最遠在外圍內(nèi)部中的位置上。提供有像素部分的外圍電路(垂直掃描電路、水平掃描電路等)的外圍電路區(qū)域40是圖5中像素區(qū)域30周圍的外圍區(qū)域。如圖4中粗線箭頭所示,通過照相機鏡頭20射入各像素部分中的光入射角取決于像素部分放置的位置而變化。更特別地,當微透鏡位置從中心部分向外圍靠近時,入射角相對于微透鏡中心軸線的傾斜角度增加。
在帶有可互換的鏡頭的照相機中,可根據(jù)用途目的更換照相機鏡頭20。更換照相機鏡頭20的影響將會更加明顯,特別地,在外圍內(nèi)部和離中心部分最遠的像素中。圖6示出了在圖5所示的位置B中的像素部分。在圖6中,粗實線示出了當?shù)谝徽障鄼C鏡頭裝配到照相機主體上時射入微透鏡15b中入射光的方向,虛線示出了當與第一照相機鏡頭不同的第二照相機鏡頭裝配到照相機主體上時射入微透鏡15b中的入射光的方向。
在圖6中,通過第一照相機鏡頭的入射光由微透鏡15b聚集到圖像檢測部分2的中心部分。因為在圖像檢測部分2表面的中心部分上提供抗反射薄膜10,所以,與不提供抗反射薄膜10的情況相比,如果使用第一照相機鏡頭,接收光的數(shù)量會增加。
另一方面,如果使用第二照相機鏡頭,通過第二照相機鏡頭的光聚集到沿著圖像檢測部分2和其外圍之間邊界的部分。如果不在沿著圖像檢測部分2和其外圍之間的邊界的部分上配設(shè)抗反射薄膜8,當使用第二照相機鏡頭時射入光的數(shù)量大體上與不提供抗反射薄膜10使用第二照相機鏡頭時射入的光相同,并且少于使用第一照相機鏡頭時的射入光。
對于通常鏡頭一可互換型單反照相機,可以使用各種照相機鏡頭。通常,入射角的基準角度設(shè)定在2°至8°的范圍內(nèi)。相對于基準角度射入離中心最遠的角落像素的入射光角度取決于照相機鏡頭類型。入射光的角度最多可以增加5°并且最多可以降低5°。通常,在位置B處像素的接收光數(shù)量需要等于或大于在位置A處像素的接收光數(shù)量的90%。圖7顯示了探索用于抗反射薄膜10的尺寸的實驗結(jié)果,其能滿足要求。在圖7中,縱軸表示離像素區(qū)域中心最遠的角落像素(在位置B處的像素區(qū)域)與在中心部分周圍的像素(在位置A處的像素區(qū)域)的靈敏度比。水平軸表示抗反射薄膜與圖像檢測部分2表面的面積比。在圖7中,連續(xù)線示出了當射入到位置B上像素的入射光的角度是參考(基準)角度時,抗反射薄膜面積與圖像檢測部分表面積的比和在中心位置上像素靈敏度與在離中心最遠的外圍內(nèi)部位置上像素靈敏度的比之間的關(guān)系。點線示出了當射入到位置B上像素的入射光的角度從參考角度增大了5°并從參考角度降低了5°時,抗反射薄膜面積與圖像檢測部分表面積的比和在中心位置上像素靈敏度與在離中心最遠的外圍內(nèi)部位置上像素靈敏度的比之間的關(guān)系。
實驗結(jié)果表明,當抗反射薄膜10的面積等于或大于圖像檢測部分2表面積的70%時,可以實現(xiàn)位置B處像素截面的靈敏度為位置A處像素截面的靈敏度的90%或更大。根據(jù)本實施方式的固態(tài)攝像裝置滿足了這種條件,因此抑制了像素靈敏度的波動并獲得了高的畫面質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像裝置可用于需要在即使低光照強度下實現(xiàn)高信噪比和高圖像質(zhì)量的照相機,如高級單反數(shù)碼照相機;可用于消費者和專業(yè)用途的數(shù)字照相機的固態(tài)攝像裝置;并且可用于主要攝像高分辨率的移動圖像、用于廣播的固態(tài)攝像裝置。
雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細進行了說明,但是前述說明在所有方面僅僅是示意性的且并非是限制性的。應(yīng)當理解,在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以有多種其它改進和變化。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)攝像裝置,包括多個布置在半導(dǎo)體基底上的像素,每個像素均包括用來根據(jù)接收的光量積聚電荷的圖像檢測部分;多個抗反射薄膜,每個抗反射薄膜的面積都小于圖像檢測部分的表面積,并形成在每個圖像檢測部分上;以及具有多個開口的層間電介質(zhì)薄膜,每個開口的面積等于或大于圖像檢測部分的表面積,所述開口形成在抗反射薄膜上方。
2.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像裝置,其特征在于還包括用來將像素彼此隔離的隔離區(qū),其中隔離區(qū)和抗反射薄膜之間的間隙等于或大于0.2μm。
3.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像裝置,其特征在于還包括多個轉(zhuǎn)換晶體管,每個轉(zhuǎn)換晶體管鄰近圖像檢測部分,其中轉(zhuǎn)換晶體管的柵電極和抗反射薄膜之間的間隙等于或大于0.2μm。
4.如權(quán)利要求1所述的MOS固態(tài)攝像裝置,其特征在于抗反射薄膜面積等于或大于圖像檢測部分表面積的70%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有高信噪比的MOS固態(tài)攝像裝置。在形成于半導(dǎo)體基底內(nèi)部的圖像檢測部分(2)的表面上,提供了其面積小于圖像檢測部分(2)表面積、具有涂覆于其間的絕緣薄膜(6)的抗反射薄膜(10)??狗瓷浔∧?10)被形成為未覆蓋圖像檢測部分(2)和外圍區(qū)域之間的邊界部分。每個抗反射薄膜(10)與柵電極(7)之間的間隙S1的距離和抗反射薄膜(10)與元件隔離區(qū)域(5)之間的間隙S2的距離優(yōu)選等于或大于0.2μm。當抗反射薄膜(10)面積等于或大于圖像檢測部分(2)表面積的70%時,即使用于帶有可互換鏡頭的照相機,也能抑制像素靈敏度的波動。
文檔編號H04N5/365GK1855519SQ200610068289
公開日2006年11月1日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者稻垣誠, 井垣和明, 佐伯幸作 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社