具有受光元件的半导体装置的制作方法

本发明涉及具有受光元件的半导体装置。

背景技术：

作为半导体装置之一的cmos图像传感器通常在受光部具有作为受光元件的、一维或二维地配置的像素阵列。受光部的像素阵列的像素利用由具有pn结的光电二极管形成的光检测器来构成。在各像素中，入射光若在半导体衬底内部被吸收则生成载流子，所生成的载流子在该光电二极管的耗尽层部重新复合，产生作为输出的电压或电流。此时，入射光在pn结的上层膜处产生反射、干涉，因而，产生与上层膜的膜厚偏差对应的输出的偏差，成为实用上的问题。而且存在由于光的倾斜入射所致的串扰的问题。另外，在期望的pn结以外的场所产生的载流子可能会成为暗电流的产生源。

作为改善这些问题的对策，提出了如下方法：利用金属布线层将除了受光元件区域以外的其他区域遮光，从而抑制光干涉和暗电流的产生。(例如，参照专利文献1)

专利文献1：日本特开2010-45280号公报

技术实现要素：

但是，在引出用于进行内部电路与传感器部的电连接的布线的部分，无法完全遮光。此外，若遮光金属宽度大，则由于上层膜的应力迁移而产生空隙；若金属布线间隔窄，则由于小凸起而发生短路。因此，本发明的课题在于提供一种具有受光元件的半导体装置，其能够在不依赖于金属布线的情况下对不需要的光进行遮光。

为了解决上述课题，本发明如下构成光检测半导体装置的受光部分。

一种具有受光元件的半导体装置，受光元件由基于pn结的光电二极管构成，该pn结由第1导电型半导体衬底和形成于所述第1导电型半导体衬底的上表面的第2导电型层区域形成，该具有受光元件的半导体装置的特征在于，在所述光电二极管上设置氧化膜，在所述光电二极管与相邻的光电二极管之间，为了进行遮光，隔着埋入氧化膜设置由单晶硅形成的soi层。

通过使用上述手段，利用soi层对除受光元件区域以外的其他区域进行遮光，能够抑制光的反射、干涉、倾斜入射和抑制暗电流的产生。另外，由于不使用遮光用布线，因而能够确保布线布局的自由度。

附图说明

图1是本发明的具有受光元件的半导体装置的俯视图。

图2是本发明第1实施例中的具有受光元件的半导体装置沿着图1的a-a线的剖视图。

图3是表示相对于各波长的si的光吸收的图。

图4是本发明第2实施例中的具有受光元件的半导体装置在与沿着图1的a-a线的截面相对应的位置上的剖视图。

图5是本发明第3实施例中的具有受光元件的半导体装置在与沿着图1的a-a线的截面相对应的位置上的剖视图。

图6是本发明第4实施例中的具有受光元件的半导体装置在与沿着图1的a-a线的截面相对应的位置上的剖视图。

图7是本发明第5实施例中的具有受光元件的半导体装置在与沿着图1的a-a线的截面相对应的位置上的剖视图。

标号说明

1：具有受光元件的半导体装置；10：soi衬底；11：p型半导体衬底；12：埋入氧化膜；13：soi层；21：n型层区域；22：高浓度n型半导体区域；23：高浓度p型半导体区域；31：绝缘氧化膜；41：阴电极；42：阳电极；51：光电二极管；l1：入射光。

具体实施方式

下面使用附图对具体实施方式进行说明。

【实施例1】

图1是本发明第1实施例中的具有受光元件的半导体装置的俯视图。在n型层区域21的周围形成由p型半导体衬底11构成的p型层区域，在p型层区域的周围形成p型杂质浓度高的高浓度p型半导体区域23，在其部分区域设置阳电极42。在n型层区域21中形成n型杂质浓度高的高浓度n型半导体区域22，在其部分区域设置阴电极41。

并且，如下文所述，在相邻的n型层区域21之间的区域，在由p型半导体衬底11形成的p型层区域和p型杂质浓度高的高浓度p型半导体区域23的表面，按照至少覆盖它们的方式，隔着氧化膜设置用于进行遮光的soi层13。

图2是本发明第1实施例中的具有受光元件的半导体装置的剖视图，其是沿着图1的a-a的剖视图。从半导体衬底11的表面直到规定的深度间隔开地形成多个n型层区域21。在n型层区域21的上表面形成n型杂质浓度高的高浓度n型半导体区域22，经由该n型半导体区域22连接阴电极41。在n型层区域21与相邻的n型层区域21之间配置由p型半导体衬底11构成的p型层区域，在其上表面形成p型杂质浓度高的高浓度p型半导体区域23，尽管在本剖视图中未示出，但经由该p型半导体区域23连接阳电极42。

通过n型层区域21与半导体衬底11的pn结，形成光电二极管51。通过按照阴电极41的电位高于阳电极42的电位的方式施加偏压，耗尽层在半导体衬底11扩展，光电二极管51作为用于取入光生成的电荷的光感测区域发挥功能。

在半导体衬底11、n型层区域21、高浓度n型半导体区域22和高浓度p型半导体区域23上形成埋入氧化膜12。并且，在间隔开的多个n型层区域21之间，隔着由二氧化硅形成的埋入氧化膜12设置由单晶硅形成的soi层13。在soi层13和被开口而露出的埋入氧化膜12上形成绝缘氧化膜31，上述的阴电极41和阳电极42被设于在绝缘氧化膜31中开孔的接触孔内。

soi层13可以是将半导体衬底11作为支承衬底、利用埋入氧化膜12而从半导体衬底11分离出的单晶硅层，或者也可以是利用埋入氧化膜12而与半导体衬底11粘在一起的单晶硅层。

另外，在图2中省略了上层的布线等，由于不需要为了遮光用途而使用布线，因而布线布局的自由度高。

对于soi层13的厚度没有特别限制，但是，若相对于soi层13的开口宽度不具有一定程度的soi层13的厚度(＝高度)，则无法有效地吸收倾斜入射的光，串扰的抑制不充分。在截至目前的测量结果中，优选soi层厚度>soi层开口宽度＊1.73。该厚度是soi层13能够吸收仰角小于60度的倾斜入射光的厚度。另外，也需要同时考虑后述的soi层13的厚度与所吸收的光的波段之间的关系。在soi层13的厚度大于例如1μm的情况下，从应力的方面考虑，不优选利用多晶硅膜来替换soi层13。这是由于，多晶硅膜通常由cvd形成，膜厚越厚，所形成的膜的应力越大。

在光l1入射到本结构的具有受光元件的半导体装置1中时，光l1透过绝缘氧化膜31以及埋入氧化膜12，照射光l1的各波长成分按照光能量到达半导体衬底11，产生载流子。若载流子扩散至到达pn结的耗尽层区域，则得到电压或电流形式的输出。

照射光l1在si(硅)中的光吸收遵循下述朗伯定律。

log10(j1/j0)＝-αl

j0：入射到介质之前的光的强度

j1：在介质中移动时的光的强度

l：光的到达深度

α：吸收系数

图3是表示相对于各波长的si(硅)的光吸收的图。纵轴表示到达光相对于入射光的强度比，横轴表示光的到达深度，光的波长越短，在硅中越会被吸收而容易衰减。入射光l1在配置有soi层13的区域被soi层13吸收，不会到达半导体衬底11。即，具有一定厚度的soi层13发挥遮光的作用，这种情况下，不必考虑上层膜的反射，不会引起暗电流源载流子的产生。

soi层13的厚度能够根据期望的波长的光进行调整。例如，在仅遮挡紫外光的情况下设soi层13的厚度为0.05μm至1μm，在遮挡波长比可见光短的光的情况下设soi层13的厚度为10μm～100μm，在遮挡红外光的情况下设soi层13的厚度为100μm～1000μm。

另外，在本发明的具有受光元件的半导体装置的制造中，准备在p型半导体衬底11上隔着埋入氧化膜12形成了soi层13的soi衬底，在蚀刻除去了soi层13的开口部形成光电二极管51。在蚀刻除去soi层13时，埋入氧化膜12发挥蚀刻阻挡层的作用，能够容易地进行终点检测。

【实施例2】

图4是本发明第2实施例中的具有受光元件的半导体装置的截面，其是与沿着图1的a-a线的截面对应的剖视图。对于与图2相对应的部分附以相同编号。其与图2所示的第1实施例的不同点在于，为了排除光的倾斜入射的影响，soi层13的开口区域比光电二极管51的区域狭窄。即为下述结构：n型层区域21的端部被soi层13覆盖，这两者有重叠。

【实施例3】

图5是本发明第3实施例中的具有受光元件的半导体装置的截面，其是与沿着图1的a-a线的截面对应的剖视图。对于与图2相对应的部分附以相同编号。其与图2所示的第1实施例的不同点在于，在与soi层13相同的开口区域对埋入氧化膜12进行了蚀刻。从而，在n型层区域21上直接形成绝缘氧化膜31。本结构在用于排除埋入氧化膜12与绝缘氧化膜31的界面处的光反射对于输出所带来的影响方面是有效的。

对于soi层13的厚度没有特别限制，但是，若相对于soi层13的开口宽度不具有一定程度的高度，则倾斜入射的光的吸收比例不足，串扰的抑制不充分。在截至目前的测量结果中，优选(soi层厚度+埋入氧化膜厚度)>soi层开口宽度＊1.73。此处，soi层13的开口宽度在结构上等于埋入氧化膜的开口宽度。

【实施例4】

图6是本发明第4实施例中的具有受光元件的半导体装置的截面，其是与沿着图1的a-a线的截面对应的剖视图。对于与图2相对应的部分附以相同编号。其与图2所示的第1实施例的不同点在于，在与soi层13相同的开口区域对埋入氧化膜12进行了蚀刻，且soi层13的开口区域比光电二极管51的区域狭窄。这是为了排除光的倾斜入射的影响、以及埋入氧化膜12与绝缘氧化膜31的界面处的光反射对于输出所带来的影响。

【实施例5】

图7是本发明第5实施例中的具有受光元件的半导体装置的截面，其是与沿着图1的a-a线的截面对应的剖视图。对于与图2相对应的部分附以相同编号。其与图2所示的第1实施例的不同点在于，为了排除光的倾斜入射的影响，使soi层13的截面形成为梯形。该结构能够通过在进行soi层13的蚀刻时的条件设定下减弱各向异性强度的程度来达成。该结构可通过与各向异性蚀刻组合、或者仅使用各向异性蚀刻来达成。

对于soi层13的厚度没有特别限制，但是，若相对于soi层13的开口宽度不具有一定程度的厚度(＝高度)，则倾斜入射的光的吸收比例不足，串扰的抑制不充分。在截至目前的测量结果中，优选soi层厚度>soi层开口宽度＊1.73。