固態成像設備，其製造方法，以及照相的製造方法
2023-05-08 19:32:46
固態成像設備，其製造方法，以及照相的製造方法
【專利摘要】公開了固態成像設備、其製造方法，以及照相機。固態成像設備包括具有彼此相對的第一面和第二面並且其中形成了光電轉換部分的基板；包括在第一面的一側上提供的微透鏡的光學系統；以及在第二面的一側上提供的光吸收部分，其中，所述設備具有用於檢測第一波長的光的第一類型的像素以及用於檢測比第一波長短的第二波長的光的第二類型的像素，並且所述設備對於每個第一類型的像素進一步包括基板和光吸收部分之間的第一部分，並且對於每個第二類型的像素進一步包括基板和光吸收部分之間的第二部分，對於所述第一波長的光，所述第一部分的反射率高於所述第二部分的反射率。
【專利說明】固態成像設備，其製造方法，以及照相機
【技術領域】
[0001]本發明涉及固態成像設備、其製造方法，以及照相機。
【背景技術】
[0002]在背面照明固態成像設備中，在其上面提供光電轉換部分的基板具有例如大約
3μ m的厚度，並且入射光的長波長分量(例如，綠光或紅光)被透射到表面側。
[0003]日本專利待審公開N0.2006-261372公開了其中布置了反射膜140以覆蓋包括光電轉換元件111的基板(設備層110)的結構。在日本專利待審公開N0.2006-261372中所描述的結構中，透過基板的光被反射膜140反射，並經歷光電轉換元件111的光電轉換，得到光敏度的改善。
[0004]在日本專利待審公開N0.2006-261372中所描述的結構中，透過基板的光被反射膜140朝向光電轉換元件111均勻地反射。即例如如果綠光或紅光在應該檢測藍光的像素(藍光像素)中混合，則在藍光像素中不希望地檢測到綠光或紅光。這可能降低要獲得的圖像的質量。
【發明內容】
[0005]本發明對防止固態成像設備中的相鄰像素之間的顏色混合有利。
[0006]本發明的各方面中的一個方面提供具有多個像素的固態成像設備，包括:具有第一面和與第一面相對的第二面，並且其中形成了分別對應於所述多個像素的多個光電轉換部分的基板；包括在所述基板的所述第一面的一側上與所述多個像素對應地提供的多個微透鏡的光學系統；以及，在所述基板的所述第二面的一側上與所述多個像素對應地提供並且吸收光的多個光吸收部分，其中，所述多個像素包括用於檢測第一波長的光的第一類型的像素，以及用於檢測比所述第一波長短的第二波長的光的第二類型的像素，並且對於所述第一類型的所述像素中的每個，所述固態成像設備進一步包括所述基板和對應於所述像素的所述光吸收部分之間的第一部分，並且對於所述第二類型的所述像素中的每個，進一步包括所述基板和對應於所述像素的所述光吸收部分之間的第二部分，並且，對於所述第一波長的光，所述第一部分的反射率高於所述第二部分的反射率。
[0007]本發明的各方面中的一個方面提供製造具有多個像素的固態成像設備的方法，所述固態成像設備包括具有第一面和與所述第一面相對的第二面，並且其中形成了分別對應於所述多個像素的多個光電轉換部分的基板；包括在所述基板的所述第一面的一側上與所述多個像素對應地提供的多個微透鏡的光學系統；以及，在所述基板的所述第二面的一側上與所述多個像素對應地提供並且吸收光的多個光吸收部分，並且其中，所述多個像素包括用於檢測第一波長的光的第一類型的像素，以及用於檢測比所述第一波長短的第二波長的光的第二類型的像素，該方法包括:對於所述第一類型的像素以及所述第二類型的像素中的每個，在所述基板上形成具有介電性質的第一介電膜，對於所述第一類型的像素中的每個，在所述第一介電膜上形成具有介電性質的第二介電膜，以及，對於所述第一類型的像素以及所述第二類型的像素中的每個，沉積具有絕緣性質的絕緣部分以覆蓋所述第一介電膜和第二介電膜，其中，第一介電膜的折射率低於所述基板的折射率，所述第二介電膜的折射率高於所述第一介電膜的折射率，所述絕緣部分的折射率低於所述第二介電膜的折射率，並且所述第一介電膜的光學厚度和所述第二介電膜的光學厚度各自落在所述第一波長的1/4的±30%的範圍內。
[0008]通過下列參考附圖對示例性實施例的描述，本發明的其他功能將變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是用於說明根據第一實施例的固態成像設備的布置的示例的視圖；
[0010]圖2是用於說明在根據第一實施例的固態成像設備的布置中獲得的效果的視圖；以及
[0011]圖3A到3C是用於說明根據第一實施例的製造固態成像設備的方法的示例的一部分的視圖。
【具體實施方式】
[0012](第一實施例)
[0013]將參考圖1到3C來描述根據第一實施例的固態成像設備100。圖1示意地示出了固態成像設備100的截面結構。固態成像設備100包括多個像素P，包括基板1、光學系統20，以及 光吸收部分30，並具有背面照明結構。為描述方便，將示範兩個像素P(Pe/I^P PB)。
[0014]基板I具有彼此相對的第一面SI和第二面S2，並包括與多個像素P對應地形成的多個光電轉換部分ro。例如，基板I由包含P型雜質的矽製成，而每個光電轉換部分ro都通過將η型雜質摻雜到基板I中來形成。在基板I中例如提供了用於從相應的光電轉換部分ro中讀出像素信號的MOS電晶體。圖1示出了 MOS電晶體的柵氧化膜2和柵電極3。柵氧化膜2由例如SiO2製成。柵電極3由例如多晶矽製成。通過沉積絕緣構件，在柵氧化膜2和柵電極3上提供了絕緣部分6 (層間電介質層)，並可以在絕緣部分6內布置用於電源或信號傳輸的布線圖案(未示出)。
[0015]光學系統20包括在基板I的第一面(SI)下面與像素P對應地提供的多個微透鏡ML。光學系統20還包括濾色鏡10 (10e/K和10B)，以便該多個像素P可以檢測不同波長的光組件。該多個像素P包括用於檢測第一波長的光的第一類型的像素P。#，以及用於檢測比第一波長短的波長的光的第二類型的像素PB。在此實施例中，紅光(λ Ε=大約610到780 [nm])或綠光(Ae=大約500到570 [nm]將被示範為第一波長的光，而藍光(λ B=大約430到480 [nm])將被示範為第二波長的光。
[0016]像素Pe/K代表布置了濾色鏡10e/K的像素，而像素PB代表設置了濾色鏡IOb的像素。濾色鏡10e/K透射紅光或綠光，而濾色鏡IOb透射藍光。即，像素Pe/K檢測長波長(λ G/E)的綠光或紅光，而像素Pb檢測短波長(λ B)的藍光。此外，光學系統20還可以包括由透射光的材料製成的平面化層9，並可以被形成以平面化基板I的背面。
[0017]光吸收部分30包括用於吸收光的構件，並與每個像素P對應地在第二面(S2)上方提供。光吸收部分30可以在絕緣部分6內提供。光吸收部分30可以通過例如層疊兩個構件來形成；它可以從相對於基板I的近側開始按順序包括:包括用於吸收光的構件的部分8，以及包括具有傳導性質的構件的金屬部分7。光吸收部分30可以在例如其中布置了用於信號傳輸的布線圖案的布線層中提供。金屬部分7可以是包括由例如鋁或銅製成的金屬構件的布線圖案，並可以形成用於控制信號或用於讀出信號的信號線。部分8可以作為用於使用TiN (氮化鈦)來防止金屬部分7的原子擴散的層被提供。
[0018]固態成像設備100還包括第一部分41和第二部分42。第一部分41布置在每個像素Ρ(；/κ中的光吸收部分30和基板I之間。第二部分42布置在每個像素Pb中的光吸收部分30和基板I之間。提供第一部分41以便具有大於第二部分42的反射率的對於紅光或綠光的反射率。第一部分41包括具有介電性質的介電膜4 (第一介電膜)、具有介電性質的高折射率膜5 (第二介電膜)，以及從基板I側到光吸收部分30側的絕緣部分6。另一方面，第二部分42包括介電膜4和從基板I側到光吸收部分30側的絕緣部分6。即，高折射率膜5不在像素Pb中布置，而在像素中布置。
[0019]介電膜4具有比基板I低的折射率。高折射率膜5具有比介電膜4高的折射率。絕緣部分6具有比基板I低的折射率。絕緣部分6的折射率等於或低於介電膜4的折射率。優選地，提供介電膜4和高折射率膜5，以便它們每個的光學厚度落在紅光或綠光的波長的1/4的±30%的範圍內。優選地，每個光學厚度落在該波長的1/4的±20%的範圍內，或更優選地，落在該波長的1/4的±10%的範圍內。更具體而言，介電膜4隻需由例如Si3N4(大約1.9到2.2的折射率)製成，並具有大約50到80nm的膜厚度。高折射率膜5隻需由例如多晶矽(3.9到4.2的折射率)製成，並具有大約30到45nm的膜厚度。絕緣部分6隻需包括例如由SiO2等製成的介電構件(1.4到1.5的折射率)，並具有400到IOOOnm的厚度(或可以具有IOOOnm或更大的厚度)。上文所描述的布置使得可以設計該設備以便第一部分41的對於紅光或綠光的反射率高於第二部分42的反射率。
[0020]下面將參考圖2來描述固態成像設備100的布置的操作和效果。假設nl是基板I的折射率，n4是介電膜4的折射率，d4是介電膜4的厚度，n5是高折射率膜5的折射率，d5是高折射率膜5的厚度，而n6是絕緣部分6的折射率。在此實施例中，將說明其中關係nl>n4>n6, n5>n4,並且n5>n6成立的情況。請注意,用於吸收光的材料的消光係數k (復折射率的虛分量)充分小於實分量。
[0021]背面照明固態成像設備的基板的厚度一般小於正面照明固態成像設備的基板的厚度；它具有例如大約3μπι的厚度。因此，在固態成像設備100中，從基板I的第一面SI入射的光中長波長的紅光或綠光可以到達基板I的第二面S2。在此示例中，將描述當垂直入射到像素Pm上的光混合到相鄰像素Pb中時波長λ G/E的混色光。
[0022]圖2是用於說明從第一面SI入射併到達第二面S2的光的反射或透射的示出了第一部分41和第二部分42的放大圖。令A14是從基板I到達基板I和介電膜4之間的界面S14的透射波的幅值，而R14是由界面S14朝向基板I反射的光的反射波分量。令A45是從介電膜4到達介電膜4和高折射率膜5之間的界面S45的透射波的幅值，而R45是由界面S45朝向介電膜4反射的光的反射波分量。令A56是從高折射率膜5到達高折射率膜5和絕緣部分6之間的界面S56的透射波的幅值，而R56是由界面S56朝向高折射率膜5反射的光的反射波分量。此外，還令A46是從介電膜4到達介電膜4和絕緣部分6之間的界面S46的透射波的幅值，而R46是由界面S46朝向介電膜4反射的光的反射波分量。請注意，界面S45等將代表性地被稱為「界面S」。[0023]如果反射波從高折射率構件到達低折射率構件，然後由低折射率構件反射，則不會發生相移。另一方面，如果反射波從低折射率構件到達高折射率構件，然後由高折射率構件反射，則發生180°的相移。這可以使用菲涅耳方程通過R14=A14X (nl-n4)/(nl+n4)>0來表示。類似地，可以獲得 R45=A45X (n4-n5)/(n4+n5)〈0，R56=A56X (n5_n6) / (n5+n6) >0，並且R46=A46 X (n4-n6) / (n4+n6)>0。為簡單起見,假設A45=A56=A46=A14。當每個界面S的反射率充分小於I時，此假設(或近似)成立，並在根據此實施例的結構中是適當的。
[0024]將說明在圖2的右側所示出的像素PB。從第一面SI垂直入射到像素Pb上的光(波長λ B)被基板I吸收幾乎100%。另一方面，來自像素混色光(波長λε/κ)可以到達第二面S2。如果設計在用於有效地防止光的反射的條件下滿足n4=(nlXn6)1/2，則R14=R46。如果設計?兩足d4Xη4= λ ^/jj/4，即，d4表不波長λ e/R的1/4的光程長度，則由界面S46反射的光的相位在返回到界面S14之時移位180°。因此，這些反射光分量具有相反符號以彼此抵消，而第二部分42透射混色光(波長λ e/K)。事實上，難以滿足n4=(nlXn6)1/2。然而，通過設計以滿足nl>n4>n6和d4Xn4= λ e/K/4，反射光分量R14和R46互相抵消。如此，第二部分42防止波長λ G/E的光的反射以透射光。
[0025]接下來將說明在圖2的左側所示出的像素Pe/K。如果基板1、介電膜4，以及高折射率膜5的折射率具有關係nl>n4並且n5>n4，則分量R14和R45具有相反符號。反射光分量R45小於0，發生了 180°的相移。此外，還設計滿足(14父114=入(；/1；/4。如此，這兩個反射光分量彼此加強。如果設計高折射率膜5的厚度是d5Xn5= λ g/e/4,即，d5表示波長λ G/E的1/4的光程長度，則在到達界面S14之時在界面S56處反射光分量R56的相位移位360°。結果，三個反射光分量彼此加強。如此，第一部分41反射波長λ G/E的光。
[0026]通過增大高折射率膜5的折射率n5，可以提高上文所描述的反射效率。雖然例如可以使用多晶矽來作為高折射率膜5，但是，優選地調整多晶矽中的摻雜密度(例如，
IX IO19[cm-3]或更低)，以降低多晶矽的光吸收量。
[0027]圖3A到3C是用於 說明製造固態成像設備100的方法的視圖。圖3A示出了通過在基板I上形成柵氧化膜2和柵極電極3，沉積介電構件4』、多晶矽5』，以及介電構件12』，然後形成光致抗蝕劑圖案13而獲得的結構。在形成柵電極3之後，介電構件4』、多晶矽5』，以及介電構件12』按順序形成以覆蓋基板的整個表面。然後，形成光致抗蝕劑，並且通過已知的半導體製造工藝執行圖案化，由此形成光致抗蝕劑圖案13。
[0028]圖3B示出了通過使用光致抗蝕劑圖案13作為掩膜進行蝕刻來圖案化介電構件12』，並形成介電部分12而獲得的結構。圖3C示出了通過使用介電部分12作為掩膜進行蝕刻來圖案化多晶矽5』，並形成高折射率膜5而獲得的結構。然後，只需要通過已知的半導體製造工藝來形成包括絕緣部分6和金屬部分7的布線區域。雖然可以使用與絕緣部分6的相同構件來用於介電構件12』(或介電部分12)，但是使折射率nl2至少小於高折射率膜5的折射率n5。示範了當圖案化多晶矽5』時介電部分12被用作掩膜的情況。然而，可以類似於正常曝光工藝來形成抗蝕劑圖案。
[0029]上文描述了像素Pb中的各個構件的折射率具有關係nl>n4>n6，像素Pe7li中的各個構件的折射率具有關係nl>n4並且n5>n4，並且d4Xn4= λ G/E/4且d5Xn5= λ G/E/4的情況。利用此布置，像素Pb透射波長λ G/E的光(混色光)，而像素Pe/K反射波長λ G/E的光(入射光)。這改善像素Ρ。#中的光敏度，並減少像素Pb中的來自相鄰像素的顏色混合。[0030]固態成像設備100使用其中透射的混色光被光吸收部分30吸收而不會再次被基板I反射的布置。對於光吸收部分30，可以提供部分8以具有大於金屬部分7的底部面積的底部面積。這可以防止絕緣部分6的區域中的光的不規則反射，由此防止雜散光。例如，可以提供部分8以覆蓋金屬部分7的側表面。
[0031]如上文所描述的，只需要設計設備，以便介電膜4和高折射率膜5每個的光學厚度落在紅光或綠光的波長的1/4的±30%的範圍內。可以根據結構的參數，根據需要改變光學厚度。例如，考慮到像素P的間距和每個組成構件的厚度和折射率，可以調整光學厚度，以獲得傾斜地入射的光的效果。
[0032]類似於此實施例，上文所描述的結構可以使用諸如基板1、介電膜4、高折射率膜5，以及絕緣部分6之類的介電構件和半導體來形成。因此，可以無需使用可能變為基板I的汙染源的任何金屬構件來形成該結構。這可以防止金屬在光電轉換部分ro的表面中混合，使得由於暗電流導致的噪聲降低。如上文所描述的，根據此實施例，可以改善固態成像設備100的光敏度、減少顏色混合，並減少噪聲，這對改善固態成像設備100的質量是有利的。
[0033](第二實施例)
[0034]下面將描述第二實施例。在第一實施例中，描述了關係n4>n6成立的情況。然而，設備可以被配置成將SiO2用於介電膜4，具有關係n4 < n6。在此情況下，固態成像設備100不防止界面S14對入射到像素Pb的混色光(波長Xe/K)的反射，混色光在界面S14處的透射率低於在第一實施例中的情況。另一方面，在像素Pe/K中，反射光分量Rm和R45的幅值大於在第一實施例中的情況，而界面S14和S45對入射光(波長λ e/K)的光反射的效果大於在第一實施例中的情 況。根據此實施例的結構是優選的，相對於減少由於傾斜地入射的光或雜散光而導致的顏色混合，可以優先改善光敏度。例如，如果基板I的厚度小，如果對於比較長的波長的光需要改善敏感度，或如果另外採取對抗相鄰像素之間的顏色混合的措施，則這是優選的。因此，在此實施例中，還可以獲得與在第一實施例中相同的效果。
[0035]雖然上文描述了兩個實施例，但是，本發明不僅限於它們，可以按照需要，根據目標、狀態、應用、功能，及其他規範來改變。其他實施例也可以實踐本發明。例如，在第一或第二實施例中，介電膜4不需要包括一種類型的介電構件，並可以具有包括兩種類型的介電構件的雙層結構，或包括三層或更多層的結構。在此情況下，只需要按照具有包括兩層(或三層或更多層)的結構的介電膜4的總光學厚度來設計設備，如上文所描述的。對於雙層結構，可以通過設置兩種類型的構件的折射率中的較高的折射率(M1)以具有關係
和ΜΖηδ，並設置平均折射率η4_以具有關係η4_>η6，來獲得與在第一實施例中相同的效果。此外，還可以通過設置折射率以具有關係Μ,η?，Μ,ηδ，和n4ave〈n6，來獲得與第二實施例相同的效果。作為實際經常使用的結構，可以將與絕緣部分6相同的材料用作具有兩種類型的構件中折射率較低的構件。介電膜4隻需在形成了在相應的像素中形成的每個電晶體的柵電極之後形成。
[0036]在第一或第二實施例中，示範了介電膜4具有單層結構的情況。然而，嚴格來說，介電膜4具有例如包括由Si02製成的柵氧化膜和由Si3N4等製成的介電構件的雙層結構。儘管如此，柵氧化膜的厚度是例如大約幾個納米，充分小於介電膜4的厚度。因此，在上文所描述的關係中不必考慮柵氧化膜的厚度。[0037]雖然上文描述了照相機中所包括的固態成像設備，但是，照相機在概念上不僅包括其主要用途是拍攝的設備，而且還包括另外配備有拍攝功能的設備(例如，個人計算機或可攜式終端)。照相機可包括在上面的各實施例中所示範的根據本發明的固態成像設備，以及用於處理從固態成像設備輸出的信號的處理部分。處理部分可包括例如A/D轉換器、以及用於處理從A/D轉換器輸出的數字數據的處理器。
[0038]雖然是參考示例性實施例描述本發明的，但是應該理解，本發明不僅限於所公開的示例性實施例。所述權利要求的範圍應該有最廣泛的解釋，以便包含所有這樣的修改並等效結構和功能。
【權利要求】
1.一種具有多個像素的固態成像設備，包括: 基板，具有第一面和與所述第一面相對的第二面，並且其中形成了分別對應於所述多個像素的多個光電轉換部分； 光學系統，包括在所述基板的所述第一面的一側上與所述多個像素對應地提供的多個微透鏡；以及 多個光吸收部分，在所述基板的所述第二面的一側上與所述多個像素對應地被提供，並且吸收光， 其中，所述多個像素包括用於檢測第一波長的光的第一類型的像素，以及用於檢測比所述第一波長短的第二波長的光的第二類型的像素，以及 對於所述第一類型的像素中的每個，所述固態成像設備進一步包括所述基板和對應於所述像素的所述光吸收部分之間的第一部分，並且對於所述第二類型的像素中的每個，所述固態成像設備進一步包括所述基板和對應於所述像素的光吸收部分之間的第二部分，以及 對於所述第一波長的光，所述第一部分的反射率高於所述第二部分的反射率。
2.根據權利要求1所述的設備，其中， 所述第一部分從基板側到光吸收部分側包括第一介電膜、第二介電膜，以及絕緣部分， 所述第二部分從所述基板側到所述光吸收部分側包括所述第一介電膜以及所述絕緣部分，以及 第一介電膜的折射率低於所述基板的折射率，所述第二介電膜的折射率高於第一介電膜的折射率，所述絕緣部分的折射率低於第二介電膜的折射率，並且第一介電膜的光學厚度和第二介電膜的光學厚度各自落在所述第一波長的1/4的±30%的範圍內。
3.根據權利要求1所述的設備，其中 光吸收部分是通過從相對於所述基板的近側，按順序層疊用於吸收光的構件以及具有傳導性質的構件而形成的，並且包括所述用於吸收光的構件的部分的底部面積大於包括所述具有傳導性質的構件的部分的底部面積。
4.根據權利要求3所述的設備，其中 所述包括所述用於吸收光的構件的部分覆蓋所述包括所述具有傳導性質的構件的部分的側表面。
5.一種照相機，包括: 根據權利要求1到4中的任何一個所述的固態成像設備；以及 被配置成處理從所述固態成像設備輸出的信號的處理器。
6.一種製造具有多個像素的固態成像設備的方法， 所述固態成像設備包括基板、光學系統和多個光吸收部分，所述基板具有第一面和與所述第一面相對的第二面，並且其中形成了分別對應於所述多個像素的多個光電轉換部分，所述光學系統包括在所述基板的所述第一面的一側上與所述多個像素對應地提供的多個微透鏡，並且所述多個光吸收部分與所述多個像素對應地提供在所述基板的所述第二面的一側上並且吸收光，以及 其中，所述多個像素包括用於檢測第一波長的光的第一類型的像素，以及用於檢測比第一波長短的第二波長的光的第二類型的像素，所述方法包括: 對於所述第一類型的像素以及所述第二類型的像素中的每個，在所述基板上形成具有介電性質的第一介電膜； 對於所述第一類型的像素中的每個，在第一介電膜上形成具有介電性質的第二介電膜；以及 對於所述第一類型的像素以及所述第二類型的像素中的每個，沉積具有絕緣性質的絕緣部分以覆蓋第一介電膜和第二介電膜， 其中，第一介電膜的折射率低於所述基板的折射率，第二介電膜的折射率高於第一介電膜的折射率，絕緣部分的折射率低於第二介電膜的折射率，並且第一介電膜的光學厚度和第二介 電膜的光學厚度各自落在所述第一波長的1/4的±30%的範圍內。
【文檔編號】H01L27/146GK103794615SQ201310496051
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2012年10月26日
【發明者】篠原真人, 板橋政次, 熊野秀臣 申請人:佳能株式會社