CN102104052A

CN102104052A - 光电转换器件

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Publication number: CN102104052A
Application number: CN201010580456.1A
Authority: CN
Inventors: 工藤正稔; 林良之; 齐藤和宏; 加藤太朗; 福元嘉彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: US8471301B2; CN102104052B; EP2333834A2; TWI452682B; US20110140219A1; JP2011124522A; TW201125113A; EP2333834A3

Abstract

本发明涉及光电转换器件。一种光电转换器件包括：多个光电转换区域；被布置在多个光电转换区域上的层间绝缘膜；被布置为与层间绝缘膜接触并具有与层间绝缘膜的折射率不同的折射率的保护绝缘膜；被布置在多个光电转换区域中的每一个的受光表面中的凹陷；以及被埋入在凹陷中的埋入区域。当对于多个光电转换区域中的每一个的入射光的波长由λ表示并且埋入区域的折射率由n表示时，凹陷的深度d由表达式d≥λ/4n表示。

Description

光电转换器件

技术领域

本发明涉及光电转换器件中的光电转换区域的结构。

背景技术

作为光电转换器件的各像素的光电转换区域，下述这样的配置是已知的，在该配置中，包含通过第一和第二导电型半导体区域之间的PN结形成的光电二极管并且在该光电二极管上布置由硅氧化物膜等形成的层间绝缘膜。所述层间绝缘膜可具有设置在其上的保护绝缘膜或滤色器等，或者可与空气直接接触。具有这种结构的光电转换器件常常表现输出关于入射光的波长具有波纹的特性作为其光谱特性。当入射光在光电转换区域和层间绝缘膜之间以及在层间绝缘膜和形成在层间绝缘膜上的膜之间的界面处经受多重反射并且具有与层间绝缘膜的折射率不同的折射率时，出现波纹。更具体地，由于层间绝缘膜在芯片内的膜厚分布导致布置在该芯片上的像素的位置之间的多重反射的影响发生变化，因此出现波纹。

为了减少波纹，如在日本专利公开No.6-125068中描述的那样，存在用于通过使用一种结构和另一结构使光学干涉的影响随机化来减少波纹的方案，其中，在所述一种结构中，基底(foundation)图案被附着到绝缘膜上来改变绝缘膜表面的高度，在所述另一结构中，在绝缘膜上设置岛状金属层。

另外，在日本专利公开No.2005-072097中，公开了一种光电转换器件，在该光电转换器件中，为了减少在绝缘膜的下侧的界面处的反射，通过蚀刻在半导体基板的表面中形成凹陷和凸起。

但是，在日本专利公开No.6-125068中公开的前一结构的情况下，由于保护绝缘膜的表面的形状根据位置而不同，因此，保护特性会受影响。另外，由于保护绝缘膜自身的厚度根据位置而改变，因此，保护特性对于芯片上的每个位置而不同，这是不希望的。此外，在设置岛状金属层的情况下，光电转换区域中的孔径较小，这也是不希望的。

至于日本专利公开N0.2005-072097，没有清楚地描述凹陷和凸起的具体尺寸。波纹的影响可能不会根据凹陷和凸起的尺寸而减小。

发明内容

本发明提供在不改变保护绝缘膜的结构的情况下减少波纹的光电转换器件。

根据本发明的一个方面的光电转换器件包括：多个光电转换区域；布置在多个光电转换区域上的层间绝缘膜；被布置为与层间绝缘膜接触并且折射率与层间绝缘膜的折射率不同的保护绝缘膜；被布置在多个光电转换区域中的每一个的受光表面中的凹陷；以及埋入凹陷中的埋入区域。当对于多个光电转换区域中的每一个光电转换区域的入射光的波长由λ表示并且埋入区域的折射率由n表示时，凹陷的深度d由表达式d≥λ/4n表示。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的光电转换区域的平面图。

图2是根据本发明第一实施例的光电转换区域的示意性断面图。

图3是根据本发明第一实施例的光电转换区域的放大示意性断面图。

图4是示出根据本发明第一实施例的基板的凹陷和凸起部分处的光路长度的差异的示意性断面图。

图5是根据本发明第二实施例的光电转换区域的示意性断面图。

图6是根据本发明第三实施例的光电转换区域的示意性断面图。

图7是示出根据本发明第一实施例的像素中的凹陷的面积的比率与波纹减少效果之间的关系的示图。

具体实施方式

以下参照附图描述本发明的实施例。在以下的实施例中，描述使用空穴作为信号载流子的情况。当使用电子作为信号载流子时，n型半导体区域变为p型半导体区域，并且，p型半导体区域变为n型半导体区域。在以下的描述中，对于半导体基板使用硅。

第一实施例

图1是根据第一实施例的光电转换器件中的光电转换区域中的每一个和各光电转换区域之上的部分的平面图。图2是沿图1的线II-II切取的示意性断面图。图3是图2所示的断面的放大示意图。在图1～3中，相同的部件被赋予相同的附图标记。这里的光电转换区域是PN结光电二极管。根据本发明第一实施例的光电转换器件具有在半导体基板上布置多个像素的配置，所述多个像素中的每一个包含光电转换区域。

虽然第一半导体区域100可以为n型或p型，但是，第一半导体区域100由具有相对低的杂质浓度的区域形成。这里，第一半导体区域100为n型半导体区域。对于第一半导体区域100，例如，可以使用半导体基板自身。这里的术语“半导体基板”指的是用作材料基板的半导体基板。

第二半导体区域101是布置在第一半导体区域100上的埋入的n型半导体区域。

第三半导体区域102是布置在第二半导体区域101上的n型半导体区域，并且可通过例如外延生长而形成。第三半导体区域102具有比第二半导体区域101的杂质浓度低的杂质浓度并且其中的信号载流子是少数(minority)载流子。

第四半导体区域103由n型半导体区域形成，并使相邻的光电转换区域相互分开。第四半导体区域103被设置在各光电转换区域周围，并且优选地完全包围光电转换区域。另外，各像素的光电转换区域优选地在底部被第二半导体区域101覆盖以及在侧部被第四半导体区域103包围。

第五半导体区域105由p型半导体区域形成，并且可收集作为信号载流子的空穴。在该区域中，信号载流子是多数(majority)载流子。第五半导体区域105是用于建立到未示出的读出电路的电连接的区域。在第五半导体区域105之上设置接触孔106，并且，第五半导体区域105通过金属电极107与读出电路连接，其中接触孔106被金属电极107填充。对于读出电路，例如，可以使用由金属氧化物半导体(MOS)晶体管形成的源极跟随器。在那种情况下，第五半导体区域105与放大MOS晶体管的栅极电连接。第三半导体区域102和第五半导体区域105的表面一起形成光电转换区域的受光表面。

第一层间绝缘膜108被布置在光电转换区域上，并且可由例如通过常压或准常压(subatmospheric pressure)化学气相沉积(CVD)获得的硼磷硅酸盐(boro-phospho silicate)玻璃(BPSG)膜形成。作为第二层间绝缘膜109，可以使用通过等离子体CVD获得的SiO₂膜。虽然这里的层间绝缘膜具有二层结构，但是，可以有单个层或多个层。第一和第二层间绝缘膜108和109的折射率基本上相等，即，第一和第二绝缘膜108和109中的每一个的折射率n₁为例如1.46。

保护绝缘膜110根据需要被设置，并且可通过使用通过等离子体CVD获得的SiON(硅氧氮化物(silicon oxynitride))、SiN(硅氮化物(silicon nitride))和/或SiO₂等被形成为单层或多层膜。保护绝缘膜110具有与第二层间绝缘膜109接触的部分，并且，与第二层间绝缘膜109接触的部分的折射率至少不同于第二层间绝缘膜109的折射率。作为替代，整个保护绝缘膜110可具有与第一和第二层间绝缘膜108和109的折射率不同的折射率。作为保护绝缘膜110的替代，可以设置滤色器或微透镜，或者，可以不设置任何部件，而使第二层间绝缘膜109直接暴露于空气中。在任何情况下，第二层间绝缘膜109都与具有不同折射率的构件形成界面。

在光电转换区域的受光表面中设置凹陷111。可通过蚀刻或通过使用硅的局部氧化(local oxidation of silicon，LOCOS)方法的热氧化工艺形成凹陷111。

埋入区域112被布置为使得其被埋入凹陷111。对于埋入区域112，可以使用通过LOCOS方法形成的所谓的LOCOS区域。当对于埋入区域112使用硅氧化物时，埋入区域112的折射率n₂基本上与第一和第二层间绝缘膜108和109的折射率相同。

当如后面描述的那样由λ表示入射光的波长并且由n表示埋入区域112的折射率时，凹陷111的深度d是满足以下的关系的值：

d≥λ/4n …1。

从不设置凹陷111的区域测量这里的深度d。另外，在用于可见光的光电转换器件的情况下，入射光的波长范围在较短波长侧为360～400nm，并且，在较长波长侧为760～830nm。由于至少可用较短波长侧的光实现效果，因此入射光的波长可被确定为360nm。如果需要在整个可见光的波长范围上实现效果，那么入射光的波长可被确定为830nm。如果对于光电转换区域设置滤色器，那么其自身颜色的滤色器的峰值波长可被用作入射光的波长。如果滤色器具有拜耳图案(Bayer pattern)，那么通过蓝色滤色器的光的峰值波长可被用作λ。

如果在用于可见光的光电转换器件的情况下埋入凹陷111中的埋入区域112由硅氧化物构成并且如果光电转换区域被布置在硅基板上，那么凹陷111的深度d可以为满足表达式0.06≤d≤0.15μm的值。通过该范围中的深度d，产生相位与从不设置凹陷111的区域反射的光的相位相反的反射光，并且，这两种类型的光相互抵消，这允许减少波纹。

下面，参照图3描述由凹陷111导致的波纹减少。

入射光通过保护绝缘膜110以及第一和第二层间绝缘膜108和109，并且入射到光电转换区域上。此时，由于在第三半导体区域102与第一层间绝缘膜108之间以及在第二层间绝缘膜109与第二层间绝缘膜109上的构件之间的界面处出现的多重反射，所以获得输出关于波长具有波纹的特性作为光谱特性。如果受光表面如在现有技术中那样是平面的，那么在像素输出中直接反映输出具有波纹的特性。相反，当设置了凹陷111时，使得能够在单个光电转换区域内使光路长度彼此不同。

图4是示出凹陷中的一个的示意性断面图。入射到凹陷上的光由箭头150、151和152指示。箭头150指示从不设置凹陷的区域反射的光，箭头152指示从凹陷的底表面反射的光，箭头151表示从凹陷的侧壁反射的光。

通过设置凹陷，可使得对于光电转换区域的入射光的各光线的光路长度彼此不同。通过使得光路长度彼此不同，从光电转换区域与第一层间绝缘膜之间的界面反射的光的光线可能具有相位差，并由此通过干涉来相互抵消。即，可通过干涉的效果来减少输出的波纹。

当入射光的波长由λ表示并且埋入凹陷中的埋入区域的折射率由n表示时，如果相位膜厚度为λ/4n，那么反射光的相位变得与从不设置凹陷的区域反射的光的相位相反。即，当凹陷的深度d为λ/4n时，干涉的效果最大，因此，波纹减少效果大。

当在半导体区域的表面中设置凹陷时，通常难以使得凹陷的侧壁完全垂直，这意味着所形成的凹陷有些呈锥形(tapered)。因此，当各凹陷的底表面具有大于等于λ/4n的深度时，在从底表面到深度与受光表面的深度相同(即，深度为零)的区域的某处一定存在深度为λ/4n的区域，并且，从该区域反射的光具有相反的相位。这使得能够减少输出的波纹。尤其是当如本实施例中那样通过LOCOS方法形成凹陷时，可以提供被称为“鸟嘴”的逐渐的倾斜面，其成功地加宽通过反射产生相反相位的光的区域。

但是，如果深度为λ或更大，那么暗电流的影响会大，这是不希望的。因此，半导体基板中的凹陷的深度d优选地在λ/4n≤d≤λ的范围中。

图7示出当改变凹陷的底表面的面积时波纹的量。波纹的量被归一化，以使得当不在光电转换区域中布置凹陷时波纹的量的值为1。当凹陷的面积与光电转换区域的整个表面面积的比率R约为0.5时，相互干涉的成分的比率为1∶1，由此以最大的量减少波纹。这是由于具有相反相位的反射光的量可被设为接近于从不设置凹陷的区域反射的光的量。为了允许相互抵消的具有相反相位的两类反射光的量彼此接近，所述比率R优选为0.5，但是，只要所述比率R在0.4≤R≤0.6的范围中，即可实现大的效果。作为实现这种配置的方式，如图2中所示，优选地用一定的间距以重复的图案布置要被设置在第三半导体区域中的凹陷。这里，通过使用凹陷的开口的面积来确定凹陷的面积。

当如在本实施例中那样通过使用隔离方法的方案来形成光电转换区域中的凹陷时，能够同时提供凹陷以及外围电路中的晶体管的形成和元件隔离，由此成功地省略附加的制造步骤。虽然没有示出，但是，可以执行使用LOCOS方法的元件隔离来隔离像素。也可通过使用蚀刻的方法(例如浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)方法)来有效地形成凹陷。

现在，描述要在光电转换区域中的何处布置凹陷。光电转换区域的受光表面中的凹陷优选地被布置在与第五半导体区域105分开1.0μm或更大的距离的位置处，以使第五半导体区域105被第三半导体区域102包围。通过这种配置，可以抑制在凹陷111与埋入区域112之间的界面处产生的暗电流。通过阻止形成光电转换区域的PN结的耗尽层与凹陷的边缘接触，也可成功地抑制暗电流。

第二实施例

图5是根据本实施例的光电转换区域的示意性断面图。对于具有与第一实施例的功能类似的功能的部件赋予相同的附图标记，并因此省略对其的详细描述。

本实施例的特征在于，设置这样的结构，在该结构中，在被埋入在凹陷111中的埋入区域112上布置折射率比第一层间绝缘膜108的折射率高的膜。该膜为例如具有2.0的折射率n的硅氮化物膜513。硅氮化物膜513用作抗反射膜。通过硅氮化物膜513，可以抑制在第一层间绝缘膜108与光电转换区域之间的界面处的反射，这实现高的灵敏度以及波纹减少。

第三实施例

图6是根据本实施例的光电转换区域的示意性断面图。对于具有与第一和第二实施例的功能类似的功能的部件赋予相同的附图标记，并因此省略对其的详细描述。

本实施例的特征在于，设置这样的结构，在该结构中，通过湿法蚀刻等去除当形成凹陷111时形成的绝缘膜；在该结构中，在多个光电转换区域之上形成硅氧化物膜613作为第一绝缘膜；以及，在该结构中，直接在硅氧化物膜613上形成折射率比硅氧化物膜613的折射率高的第二绝缘膜(例如硅氮化物膜614)。通过根据本实施例的结构，可以对于像素的整个表面实现抗反射效果，由此获得比第二实施例中的灵敏度还高的灵敏度。

虽然已参照各实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于上述配置。例如，作为硅氧化物膜613的替代，埋入凹陷111中的埋入区域可以是有机膜或硅氮化物膜。另外，第一层间绝缘膜108和埋入凹陷111中的绝缘体可由不同的材料形成。

此外，所述配置可包含传送晶体管，所述传送晶体管向浮置扩散传送在光电转换区域中产生的电荷。

本发明被应用于在扫描仪等中使用的光电转换器件。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这种变更方式以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种光电转换器件，包括：

多个光电转换区域；

层间绝缘膜，所述层间绝缘膜被布置在所述多个光电转换区域上；

保护绝缘膜，所述保护绝缘膜被布置为与所述层间绝缘膜接触并且具有与所述层间绝缘膜的折射率不同的折射率；

凹陷，所述凹陷被布置在所述多个光电转换区域中的每一个的受光表面中；以及

埋入区域，所述埋入区域被埋入所述凹陷中，

其中，当对于所述多个光电转换区域中的每一个的入射光的波长由λ表示并且所述埋入区域的折射率由n表示时，所述凹陷的深度d由表达式d≥λ/4n表示。

2.根据权利要求1的光电转换器件，还包括：

抗反射膜，所述抗反射膜被布置在所述多个光电转换区域中的每一个的受光表面和所述凹陷的表面上，并且具有比所述层间绝缘膜的折射率高的折射率。

3.根据权利要求1的光电转换器件，其中，所述埋入区域包含第一绝缘膜和第二绝缘膜，所述第二绝缘膜被布置为与所述第一绝缘膜接触并具有比所述第一绝缘膜的折射率高的折射率。

4.根据权利要求1的光电转换器件，其中，所述凹陷和所述埋入区域由硅的局部氧化LOCOS方法形成。

5.根据权利要求1的光电转换器件，其中，所述多个光电转换区域中的每一个通过包含第一半导体区域和第二半导体区域来被配置，所述第二半导体区域与所述第一半导体区域一起形成PN结，

其中，所述第二半导体区域与读出电路电连接，以及

其中，所述凹陷被所述第一半导体区域包围。

6.根据权利要求1～5中的任一项的光电转换器件，其中，用一定的间距、以重复的图案布置所述凹陷。

7.根据权利要求6的光电转换器件，其中，所述凹陷的深度d在λ/4n≤d≤λ的范围中。

8.根据权利要求6的光电转换器件，还包括：

滤色器，所述滤色器与所述多个光电转换区域中的每一个对应，

其中，入射光的波长是通过所述滤色器的光的峰值波长。

9.根据权利要求8的光电转换器件，其中，所述滤色器具有Bayer图案，并且，入射光的波长是通过蓝色滤色器的光的峰值波长。

10.一种用于可见光的光电转换器件，包括：

多个光电转换区域，所述多个光电转换区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个光电转换区域上；

保护绝缘膜，所述保护绝缘膜被布置为与所述硅氧化物膜接触并且具有与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个光电转换区域中的每一个的受光表面中；以及

硅氧化物埋入区域，所述硅氧化物埋入区域被埋入所述凹陷中，

其中，所述凹陷的深度d在0.06≤d≤0.15μm的范围中。