传感器、固体摄像器件、摄像装置及其制造方法

专利名称：传感器、固体摄像器件、摄像装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于检测入射光的波长和强度的传感器。本发明还涉及 固体摄像器件、使用该固体摄像器件的摄像装置以及摄像装置制造方法。
背景技术：
人们已经进行了利用单个光电二极管来获取与三原色(RGB)有关的 信息的尝试(例如，见USP No. 5, 965, 875)。
USPNo. 5， 965,875中所说明的光电二极管具有这样的像素布置，其 中各个像素包括在硅基板上由具有不同深度0.2 ^m、0.6 pm和2 |im的三 个扩散层形成的堆叠结构。因此，各个像素具有各层深度不同的三层结 构。这些层被设计成根据硅的透射特性来分别透射和接收不同波长的光， 即光的三原色(RGB:红(R)、绿(G)和蓝(B))。
例如，所有波长的RGB从硅基板表面入射到像素上，它们都被顶层 吸收，除了被顶层吸收的B以外的RG被中间层吸收，并且除了被顶层 和中间层吸收的BG以外的R被底层吸收。然后，从被中间层吸收的RG 中减去被底层吸收的R的值，从而获得G的值。随后，从RGB的值中 减去R的值和G的值，从而获得B的值。
光电二极管被如上所述地构造而成，因此尽管只有单个芯片，也能 够产生通过直接吸收光的各原色而获得的图像。
上述光电二极管被设计成沿深度方向从RGB中获取各个元素。然 而，光电二极管可能不会改变用于捕获电子的位置，并且光电二极管的 电路结构可能很复杂，这会导致缺乏设计自由度。另外，每个像素连续地产生与各个颜色有关的独立信息数据，因而难以在连续产生数据的部
分中将正确信息与噪声区分开来并难以获得RGB特性。因此，可能需要 复杂的软件来确定RGB特性。
考虑到上述情况，已经提出了一种具有与入射光对应的单个光电二 极管的传感器，该传感器具有用于通过改变栅极电压来控制光电二极管 的势阱深度(potential depth)的结构(例如，见日本专利申请公开公报No. 2005-10114)。该传感器改变栅极电压，使得用于捕获由入射到光电二极 管上的光所产生的电子的深度能够响应于栅极电压而变化，从而确定入 射光的波长和强度。
然而，日本专利申请公开公报No. 2005-10114中所说明的传感器被 设计成使光入射到设有电极和电路部分的摄像器件前侧上。也就是说， 电路等被形成在摄像器件的光接收侧上。因此，入射光的开口面可能比 较窄，这导致所接收到的光量降低。另外，这还会导致灵敏度降低。此 外，透明电极的使用使得在诸如紫外光或蓝光区域等较短波长区域处的 光灵敏度严重降低。

发明内容
因此，期望提供一种能够用单个光电二极管进行高灵敏度分光测量 的传感器，并提供固体摄像器件、摄像装置以及摄像装置制造方法。
根据本发明的实施例，提供了一种传感器，所述传感器包括半导 体层；在所述半导体层中形成的光电二极管；在所述光电二极管上方形 成的掺杂有杂质的多晶硅层；以及向所述多晶硅层施加栅极电压的栅极 电极。在所述半导体层的一个表面侧上设有布线层，并且光入射到所述 半导体层的另一个表面侧上。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种固体摄像器件，所述固体 摄像器件包括像素和由二维布置的所述像素形成的像素区域。所述像素 包括半导体层、在半导体层中形成的光电二极管、在所述光电二极管上
方形成的掺杂有杂质的多晶硅层和向所述多晶硅层施加栅极电压的栅极 电极。在所述半导体层的一个表面侧上设有布线层，并且光入射到所述 半导体层的另一个表面恻上。根据本发明的再一个实施例，提供了一种包括光学单元、固体摄像 器件和信号处理单元的摄像装置。所述固体摄像器件包括像素和由二维 布置的所述像素形成的像素区域。所述像素包括半导体层、在半导体层 中形成的光电二极管、在所述光电二极管上方形成的掺杂有杂质的多晶 硅层和向所述多晶硅层施加栅极电压的栅极电极。在所述半导体层的一 个表面侧上设有布线层，并且光入射到所述半导体层的另一个表面侧上。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种摄像装置制造方法，所述 方法包括以下步骤在半导体层中形成光电二极管；在所述光电二极管 上方形成掺杂有杂质的多晶硅层；以及形成向所述多晶硅层施加栅极电 压的栅极电极。将布线层设置在所述半导体层的一个表面侧上，并且光 入射到所述半导体层的另一个表面侧上。
本发明各实施例的传感器包括在半导体层一个表面侧上的布线层， 并且光入射到所述半导体层另一个表面侧上。因而，在光电二极管上方 未形成任何布线层或者透明电极。因此，能够在延伸至紫外光区域的宽 波长范围内以高灵敏度来确定分光特性。此外，可以根据所得到的分光 特性来获取彩色图像。因此，本发明上述实施例的固体摄像器件和摄像 装置可以在宽波长范围内具有高灵敏度。
根据本发明的上述各实施例，使用单个光电二极管就能实现分光特 性的高灵敏度确定。


图1示出了用于获得入射到半导体表面上的光的波长信息的基本原 理图。
图2示出了吸收系数a与入射到半导体上的光能量的波长依赖关系 曲线图。
图3示出了本发明实施例的固体摄像器件的框图。
图4示出了本发明实施例的固体摄像器件的电路结构的示意图。
图5示出了本发明实施例的固体摄像器件的像素区域和周边电路区 域的结构的剖面图。图6示出了图5所示半导体层的结构的示例的剖面图。
图7示出了背照射型和前照射型摄像器件的量子效率与波长之间关
系的曲线图。
图8A和图8B示出了本发明实施例的固体摄像器件制造方法的剖面 图，其中图8A和图8B示出了不同的步骤。
图9A 图9C示出了本发明实施例的固体摄像器件制造方法的剖面 图，其中图9A、图9B和图9C示出了不同的步骤。
图IO示出了本发明实施例的固体摄像器件制造方法的剖面图。
图11示出了本发明实施例的固体摄像器件制造方法的剖面图。
图12示出了本发明实施例的固体摄像器件制造方法的剖面图。
图13示出了本发明实施例的摄像装置的结构的示意图。
具体实施例方式
在说明本发明实施例的具体示例之前，先对本发明进行概述。
根据本发明的实施例，提供一种能够进行分光测量的摄像器件。入 射到半导体装置上的光进入该半导体装置中，并且要受到光电转换的光 的波长根据与该装置表面相距的深度而变化。利用光的这种特性，将栅 极电极安装在该半导体装置中的传感器上，对用于累积从光子转换而成 的电子的量子阱结构的势阱进行可变控制，从而测量光谱特性。另外， 使用这样的传感器作为像素，可以构造成用于从所测量出来的光谱特性 获取彩色图像的固体摄像器件。
首先，参照图1来说明用于获取入射到半导体表面上的光的波长信 息的基本原理。
如果光入射到半导体上，则光能量hv使半导体中产生电子-空穴对。 这里，h表示普朗克常数(Planck，s constant), v表示光的频率。
这种现象是由光与半导体之间的相互作用引起的，并且取决于半导 体的类型和光的波长。例如，如果半导体是硅(Si)半导体，则该半导体具 有约1.1 V的带隙Eg(禁带)。因而，对于满足lw〉Eg的入射光，会出现电子从价带到导带的激发，从而使光变成电子。这时，用于hV()-hc/^:Eg
的光的波长(X())被称为基本吸收端，其提供了将会在半导体内受到光电转
换的光的波长上限。例如，在Si的情况下，X(^1.0pm。
另外，如图1所示，从发生吸收的区域来看，实际入射到半导体上 的光的强度为(l-R》Ic，其中，Io表示入射光的强度，R表示半导体表面 上的光的反射率。如果I是在距离半导体表面的深度为x位置处的光的 强度，且(I + dl)是在(x + dx)位置处的光的强度，则可以定义出满足dl--a小dx的吸收系数a。如果求该方程的积分，则得到如下的方程
I=Io(1-R)e-ffx (1)
方程(l)表示在半导体深度方向上的光强度分布，其中，有效吸收区域 可以几乎达到X(^l/a。
其次，图2示出了吸收系数a (cm")与入射到半导体上的光能量(eV)的 波长依赖关系。光子的能量越大(波长越短)，则吸收系数a的值也越大。此 外，有效吸收区域变浅。换句话说，较短波长的光在半导体表面附近的位置 处几乎被全部吸收并受到光电转换。相反，较长波长的光能够到达距离半导 体表面的较深位置处并受到光电转换。
根据本发明的实施例，测量通过改变势阱深度所产生的电流，该势阱深 度能够收集由入射到半导体装置上的光产生的电子(或者空穴)。这种方法能 够获得入射光的波长信息。
例如，如果入射的是单色光，则能够通过计算来确定光从半导体表面到 深度(位置)W时所产生的电流。如果光入射到半导体上，则光的强度以指数 形式下降。因此，在某一深度x处的光的强度O可以用如下的方程表示
在上述公式中，C)。表示入射光的强度(W/cm2), a表示吸收系数(cm—1)。 据此，光到达深度W时的吸收率可以用如下的方程表示<formula>formula see original document page 9</formula>
(3)
进而，光到达深度W时所产生的电流可以用如下的方程定义:<formula>formula see original document page 9</formula>
(4)
其中，S表示光接收部的表面积(cm2)， hv表示光能量(J)， q表示电 子伏特(J)。
如果两个不同波长？w和、的光分别以强度A和A2同时入射，则由 从半导体表面到电子捕获位置Wi的区域中所产生的电子而引起的电流 为电流I1o
接着，如果测量由从半导体表面到电子捕获位置W2的区域中所产生 的电子而引起的电流，并得到电流12，则上述方程(4)可以通过区分各光 波长的如下方程来表示
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
在方程(5)中，A!和A2表示入射光的强度(W/cm2)， S表示光接收部 的表面积(cm2)， Wi和W2表示电子捕获位置(cm)， 0^和012表示对各个波 长的吸收系数(cm—1)， h表示当电子捕获位置为Wi时所测量到的电流值 (A)， 12表示当电子捕获位置为W2时测量到的电流值(A)。另外，在方程 (5)中，v!表示可以用Vi = c/、来表示的频率，V2表示可以用v2 = C/ 12来 表示的频率。这里，c表示光速，S表示光接收部的面积，hv表示光能量， q表示电子伏特。除了入射光的强度Ai和A2以外的这些参数是已知值。 可以通过解出这两个方程的联立方程来计算入射光的强度Ai和A2。例如，该联立方程可以表示如下:
A，= A2=
I， Z-I2X WZ-XY
I2 Z-"X WZ-XY
(6)
方程(6)中的各个参数表示如下:
Y=
Sq (1 -e-"iW" Sq(l -e_"iW2)
z=
Sq(1 -e-一)
Sq(1 -e-ff2W2) h V2
(7)
例如，如果将入射光分离为三个不同波长的光，会使得在方程(4)中 增加一项关于电子捕获位置W3时的电流l3。随后，可以进行与在两个波 长的情况下相同的计算，从而将进入的光分离为三个不同的波长。
同样地，如果入射的是100个不同波长的光，则使电子捕获位置改 变100次来进行测量。
下面详细说明本发明的实施例。
下面参照图3中的框图和图4中的电路图来说明本发明的实施例。 换句话说，图3和图4中示出了装配有列并行模拟数字转换器 (analog-digital converter, ADC)的CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传 感器。
如图3和图4所示，固体摄像器件10包括像素区域11、垂直扫描 电路18、列并行ADC 15、用于生成斜波(ramp wave)的数字模拟转换器 (digital-analog converter, DAC) 19、逻辑控制电路20和数字输出低压差 分信号(low-voltage differential signaling, LVDS)接口 (I/F) 16。
像素区域11包括多个像素12。在这种情况下，例如，像素12可以 在平面内以矩阵形式布置着。此外，像素12具有传感器功能或其它功能， 并且包括光电二极管、掺杂有杂质的多晶硅层和向该多晶硅层施加栅极电压的栅极电极。另外，像素区域11包括每列像素12的像素驱动线25 和每行像素12的垂直信号线24。像素区域11中的各个像素12可以通过 在列方向上延伸的像素驱动线25而被驱动。此外，来自像素12的信号 是可以输出到在行方向上延伸的垂直信号线24的模拟信号。
列并行ADC 15包括比较器21和计数器23。比较器21将从DAC 19 生成的斜波与来自各个像素12的模拟信号进行比较。另外，计数器23 可以是对由比较器21完成上述比较所需要的时间段进行计数并保持其结 果的可逆计数器。
具有内置锁相环(phase locked loop， PLL) 17且作为可逆计数器的计 数器23能够以高速工作从而生成高速计数时钟。
另外，布置有用于从像素区域11依次读取信号的控制电路，该控制 电路包括用于生成内部时钟的逻辑控制电路20以及用于控制行寻址和行 扫描的垂直扫描电路18。
数字输出LVDS接口 16处理来自列并行ADC 15的信号，然后将结 果输出。例如，可以只进行缓存，或者可以进行黑电平的调整、行变化 的校正和各种数字信号的处理等。
此外，可以布置有用于各种信号处理但未在附图中详细示出的其它 附加电路。
在本实施例中，如上所述，列并行ADC15由比较器21和计数器(可 逆计数器)23构成。但是，可逆计数器可以优选是能够以一个计数控制 时钟进行高速工作的非同步可逆计数器(asynchronous up-down counter)。
由于可逆计数器具有诸如电路简单和高速工作等很多优点，因此可 逆计数器具有用于本实施例的优选结构。可选地，替代可逆计数器的是，
可以双重设置计数器，或者计数器可以不是列并行计数器，并且计数器 可以由双重存储装置(doubled memory device)形成。
接着，图5示出了本实施例的固体摄像器件的像素区域和周边电路部。
如图5所示，通过利用化学机械研磨(chemical mechanical polishing,
1CMP)方法对晶片进行研磨，形成由硅(Si)或其它类似物制成的且厚度约
为10 nm 20 pm的半导体层31。厚度的优选范围对于可见光而言为5 pm~15 pm，对于红外光而言为15 pm~50 pm,对于紫外光而言为3 pm~7 Hm。在半导体层31的一侧上，在由Si02或其它类似物制成的绝缘层32 与遮光膜33之间形成有掺杂有杂质的多晶硅(polycrystalline silicon, poly-Si)层35。此外，在掺杂有杂质的多晶硅层35上形成有栅极电极Vg。 这里，栅极电极Vg由与层35相同的掺杂有杂质的多晶硅制成。
遮光膜33不同于布线，并且被布置成只考虑光学因素。在遮光膜 33中形成有开口 33A。此外，在遮光膜33上形成有例如由氮化硅膜(SiN) 制成的钝化膜34。另外，在开口 33A上方形成有微透镜36。
换句话说，入射到半导体层31 —侧上的光穿过微透镜36而被引入 到光电二极管37的光接收表面上，稍后将说明的光电二极管37形成在 半导体层31中。此外，在半导体层31另一侧设有布线层38，该布线层 中形成有晶体管和金属布线。另外，在布线层38的下侧附着有基板支撑 件39。
现有技术的CMOS图像传感器采用前照射型像素结构，在该结构中， 半导体层的布线层侧是顶侧，因而允许入射光从布线层侧被引入。相反， 本实施例的CMOS图像传感器采用背照射型像素结构，在该结构中，入 射光从半导体的背侧即从与布线层38相对的那个表面进入。从背照射型 像素结构明显可见，只有遮光膜33被设置为微透镜36与光电二极管37 之间的金属层。此外，遮光膜33与光电二极管37相距的高度比绝缘层 32的膜厚(例如，约0.5 pm)相对较低。因此，可以不受金属层限制地对 光进行收集。
另外，栅极电极Vg在各个光传感器上施加相等的电位。栅极电极 Vg可以形成在各个光传感器部分上。可选地，可以设置一个栅极电极 Vg来覆盖全部光传感器。此外，栅极电极Vg形成在光入射侧上。
图6是示出了半导体层31的阱结构的示例的剖面图。在该附图中， 用相同的附图标记来表示与图5中相同的结构元件。
在该示例中，半导体层31包括N型第一导电型杂质基板41。如上所述，半导体层31的厚度对于可见光而言优选为5 pm~15 |im。因而， 层31具有例如10 pm的厚度，从而有效地进行可见光的光电转换。在 半导体层31的一端上，浅的P+型第二导电型杂质区域42覆盖着像素区 域的整个表面。像素分离区域形成有深的P阱型第二导电型杂质区域43， 并且与半导体层31 —侧处的P+型第二导电型杂质区域42连接。
在还未形成P阱型第二导电型杂质区域的情况下，利用N型第一导 电型杂质基板41来形成光电二极管37的N型第一导电型杂质区域30。 N型第一导电型杂质区域30是用于光电转换的区域。该区域的面积小且 杂质浓度低，因而能够被完全耗尽。此外，还形成有用于累积信号电荷(本 实施例中为电子)的P阱型第二导电型杂质区域44。此外，在上述区域 44上形成有将要作为埋入的光电二极管而被设置的N—型第一导电型杂质 区域45。另外，在半导体层31上形成有绝缘层32和掺杂有杂质的多晶 硅层35。此外，在惨杂有杂质的多晶硅层35上形成有栅极电极Vg。
如上所述，本实施例的传感器具有栅极电极Vg、多晶硅层35、绝 缘层32和光电二极管37。此外，光电二极管37包括P+型第二导电型杂 质区域42、 N型第一导电型杂质区域30、 P阱型第二导电型杂质区域44 和N—型第一导电型杂质区域45。换句话说，传感器包括具有P PN结 结构的光电二极管37、形成在光电二极管37上的多晶硅层35以及形成 在多晶硅层35上用于向多晶硅层35施加栅极电压的栅极电极Vg。
可以从用上述传感器确定的分光特性来获得彩色图像。因此，上述 传感器的结构可以用作固体摄像器件的像素区域。
根据光电二极管的上述结构，过剩信号电荷的排出位置(溢流沟道) 与光电二极管不在同一平面上，而是在半导体基板的背侧上。因此，不 需要在半导体装置的表面上形成溢流功能元件，因而能够进一步增加光 电二极管的表面积。光电二极管的这种结构能使入射光的利用效率增加， 从而提高摄像器件的灵敏度。此外，光电二极管的这种结构能够增加可 以累积在光电二极管中的信号电荷量。另外，上述光电二极管的结构防 止光电二极管累积由长波长的光从基板的深度处产生的电子。还能够抑 制当一部分上述电子在传输中与信号电荷混合时会引起的己知为拖尾 (smear)的现象，或者在具有高亮度的目标图像的上部和下部上产生白色
13条形噪声的现象。
另外，如图6所示，光电二极管37被形成为可以使其在光接收表面 侧上的表面积大于在布线层38侧上的表面积。因此，开口33A变大，从 而有效地收集入射光。传输晶体管46把由光电二极管37进行光电转换 然后累积在P阱型第二导电型杂质区域44中的信号电荷传输给N+型第 一导电型杂质区域的浮动扩散器(floating diffusion, FD)47。光电二极管 37和FD 47通过p-型第二导电型杂质区域进行电气分离。
除了像素中的传输晶体管46以外的其它晶体管60通常被形成在深 的P阱型第二导电型杂质区域43上。另一方面，在周边电路区域上，在 未到达背侧上的P+型第二导电型杂质区域42的深度处形成有P阱型第二 导电型杂质区域49。另外，在P阱型第二导电型杂质区域49的内侧上 形成有N阱型第一导电型杂质区域50。于是，在P阱型第二导电型杂质 区域49和N阱型第一导电型杂质区域50上形成有CMOS电路。
使用上述传感器的固体摄像器件是诸如CCD (电荷耦合器件)或者 CMOS(互补金属氧化物半导体)等背照射型摄像器件。因此，例如，图7 示出了量子效率(光电转换效率)(。/。)与入射光的波长(nm)之间关系的示 例。由于在背照射型摄像器件中，用于从光电二极管读取电荷的电路等 不是设置在光入射侧上，因此背照射型摄像器件的灵敏度高于前照射型 摄像器件的灵敏度。此外，由于可以不需要前照射型摄像器件所必需的 透明电极，因此背照射型摄像器件将会在从紫外到红外区域的宽波长区 域上具有高的量子转换效率。
使用上述传感器的固体摄像器件被构造成利用来自栅极电极Vg的 栅极电压的变化进行量子阱势阱深度的电压控制。该摄像器件具有在深 度方向上的波长依赖性和由于背照射而产生的高灵敏度。
通过响应于垂直读取来改变栅极电压，由此驱动上述图像传感器。 下面说明通过驱动摄像器件而进行的入射光的分光测量过程的示例。
设置掺杂有杂质的多晶硅膜，该多晶硅膜能够透射光并且能够被如 上所述地施加电压。
首先，例如，向掺杂有杂质的多晶硅膜施加1伏的栅极电压，然后读取流过该膜的电流。
接着，向多晶硅膜施加2伏的栅极电压，然后读取流过该膜的电流。 接着，向多晶硅膜施加5伏的栅极电压，然后读取流过该膜的电流。
接着，根据以上所测量出来的电流值，利用上述方程(2)计算各个波
长的入射光的强度。
例如，当可视区域具有从400nm延伸至700 nm的300 nm波长宽度 时，如果摄像器件具有10 nm的单位分辨率，则能够利用与该分辨率对 应的电压变化通过读取30次而获得分光特性。此外，分辨率越高，则分 光特性的精度也就越高。例如，由于现在的高速图像传感器具有每秒约 300帧(fps)的像素数，因此约10fps就能够确定分光特性。
另外，从所获得的分光特性中能够通过颜色再现来获得彩色图像。 因此，不需要任何滤色器就能够设计出固体摄像器件。还能够通过加速 和提高图像处理能力来进一步扩展应用范围，因此例如能够应用于车载 相机等装置。
下面参照图8~图12中示出的过程图来说明本发明实施例的固体摄 像器件制造方法。在这些附图中，使用图5中示出的部分区域作为示例， 并且只说明主要事项。
在下面的说明中，将厚的绝缘底半导体(semiconductor-on-insulator， SOI)基板用作基板。
首先，如图8A所示，所使用的半导体层31是隔着由埋入的氧化物 膜等制成的绝缘膜52而形成在由硅等制成的基板53上的硅部等。换句 话说，本实施例的固体摄像器件中的半导体基板是安装在上述基板的一 部分上的半导体区域。优选地，在使用SOI基板的情况下，使半导体层 31即硅部的厚度t相对较厚，例如优选约为10 pm 20 nm。此外，半导 体层31是第一导电型半导体层，例如N型半导体层。
在利用热氧化方法在半导体层31表面上形成薄的绝缘层51之后， 通过注入诸如硼等杂质来形成P阱型第二导电型杂质区域43。因此，当 从半导体层31表面向相对较深区域进行离子注入时，优选使用能够运用兆电子伏特的高能离子注入装置进行离子注入。
第二导电型杂质区域43可以在平面内以格子状按相等间隔布置。
接着，如图8B所示，对除了第二导电型杂质区域43以外且具有未 到达绝缘膜52的深度的区域进行N型第一导电型杂质的离子注入以作为 光接收部的下部，从而形成N型第一导电型杂质区域30。另外，在这种 情况下，与上述第二导电型杂质区域43—样，使用能够运用兆电子伏特 的高能离子注入装置来进行离子注入。
在上述过程中将第二导电型杂质区域43布置成格子状时，进行离子 注入从而将离子注入到开口 33A中。因此，第一导电型杂质区域30能够 以相等间隔被布置着。
在这种情况下，离子注入可能会对在彼此相邻的像素之间的表面附 近的区域造成损坏。因此，优选使用诸如磷离子等原子量小的离子种类， 从而降低彼此相邻的像素之间的损坏程度的差距。
另一方面，为了将电子收集至光接收部的第一表面31A侧，或者收 集至布线电路侧，优选将离子注入设计成使杂质浓度在第一表面31A侧 上增加。因此，优选在第一表面31A侧上数次增加剂量的同时进行离子 注入。
接着，如图9A所示，形成元件分离区域54。这里使用了浅沟槽隔 离(shallow trench isolation, STI)方法。换句话说，通过在由硅或其它类 似物制成的半导体层31中挖出开口，然后在开口中埋入Si02或其它类 似物来进行元件分离。在该过程中，包括使半导体层31受到约950°C的 高温加热的步骤，从而使在前述步骤中注入的离子更多地扩散。随后， 如图9B所示，隔着绝缘层51在半导体层31上方形成栅极电极55。
接着，如图9C所示，形成光接收部的第一表面31A侧上的结构。 在这种情况下，将第二导电型的硼离子或其它类似物注入第一表面31A 侧上的区域中，从而形成P阱型第二导电型杂质区域44。然后，形成栅 极电极55的侧壁(未图示)，并且在这种情况下将第一导电型的N型砷离 子注入，然后通过约850。C的温和加热步骤以低扩散率而被活化。结果， 能够形成N'型第一导电型杂质区域45。在该过程位置上还能够形成晶体管的源、漏极(未图示)。
接着，如图10所示，隔着层间绝缘层56在栅极电极55上方形成布 线层57和58，并利用诸如苯并环丁烯(benzocyclobutene， BCB)树脂等粘 合剂59来粘附由硅或其它类似物制成的基板支撑件39。
随后，将半导体层31 (即SOI基板)翻转。通过研磨和蚀刻将SOI基 板53和由埋入的氧化物膜形成的绝缘层52除去，从而使半导体层31的 第二表面31B侧露出。另外，如图11所示，在第二表面31B侧的表面 上形成薄的氧化物保护膜，然后将硼离子或其它类似物注入第二表面 31B侧的该表面中，利用激光退火等方法进行活化，从而形成P+型第二 导电型杂质区域42。另外，在P+型第二导电型杂质区域42上堆叠形成 绝缘层32。
此外，在绝缘层32上堆叠掺杂有杂质的多晶硅层35。在多晶硅层 35的一部分上形成栅极电极Vg。
然后，如图12所示，例如，在第二表面31B侧上的绝缘层32上方 使用氮化硅膜(SiN)等来形成钝化膜34。随后，在钝化膜34上形成微透 镜36。这些微透镜36以大致相等的间隔形成在与构成光接收部的第一导 电型杂质区域45、第二导电型杂质区域44和第一导电型杂质区域30对 应的各位置上方。
根据上述制造方法，能够制造出本实施例的固体摄像器件。
本发明实施例的摄像装置100能够使用上述本发明实施例的固体摄 像器件而被制造成如图13所示。图13所示的摄像装置100被构成为诸 如移动电话、数码相机和摄像机等具有摄像功能的任意电子装置。摄像 装置100包括光学单元101、固体摄像器件102和信号处理单元103。摄 像装置100还包括例如通过传输总线104与信号处理单元103连接的暂 时存储单元105、显示装置106、存储装置107、操作单元108和电源单 元109。
光学单元IOI包括各种透镜、快门和光圈等，并将目标图像引入至 固体摄像器件102。这里，固体摄像器件102为上述实施例所述的固体摄 像器件，并且固体摄像器件102对用于通过光学单元101来形成图像的目标光进行光电转换，转换成要输出的信号。信号处理单元103包括对
数字信号进行处理的数字信号处理器(digital signal processor, DSP)。信 号处理单元103进行诸如对从固体摄像器件102输出的图像信号进行格 式化等处理，从而将该信号转换为用于显示或者存储的数据。
暂时存储单元105包括随机存取存储器(random access memory, RAM)并且暂时地存储由信号处理单元103处理的图像数据。显示装置 106包括液晶显示器等，并且显示由上述信号处理单元103处理的图像数 据。存储装置107可以是闪速存储器(flash memory)、可擦可编程ROM (EPROM)和硬盘(hard disk, HD)，用于存储图像数据。操作单元108包 括快门按钮、各种功能键和光标件等，用于从外部输入控制信号从而控 制摄像装置100的操作。电源单元109向摄像装置100的各个单元供应 工作电源。
由于摄像装置IOO包括前述实施例的固体摄像器件，因此能够进行 以相等间隔进行采样的信号处理，从而能避免复杂的信号处理。
另外，摄像装置100的结构不限于如上所述的一种结构。摄像装置 IOO可以被形成为各种结构中的任一种结构。
如上所述，本实施例的传感器以及使用该传感器的固体摄像器件和 摄像装置采用了背照射型传感器或者摄像器件，从而以高灵敏度来广泛 地测量分光特性。
在现有技术的前照射型摄像器件的情况下，电极和电路单元被安装 在光入射侧的光电二极管上方。因此，开口面很窄。此外，对于波长较 短的紫外光或者蓝光，透明电极的使用会导致灵敏度有相当大的下降。 相反，本实施例的背照射型摄像器件由于在光入射侧上未设置电极和电 路单元，因此具有高的灵敏度，特别是能够提高在较短波长处的分光特 性。
因此，能够在包括紫外区域的宽波长范围内确定分光特性。此外， 能够用作以与分光镜相同的精度进行测量的传感器。
另外，现有技术的传感器通过每180分之一秒改变一次栅极电压来 改变用于捕获电子的深度。相反，与现有技术相比，上述本发明实施例的传感器的使用能够縮短测量时间，从而实现高速的分光处理。
此外，将上述传感器用作像素区域会使得构成了能够使用分光特性 来获得彩色图像的固体摄像器件。在这种情况下，由于使用了本实施例 的传感器，因此不需要任何滤色器。此外，可以不受限制地根据分光特 性对颜色进行再现。
另外，与现有技术的点测量或线测量相比，上述传感器的使用能够 实现对平面进行分光测量的二维测量。
此外，本实施例的传感器是背照射型，因此，不需要任何考虑了光 接收表面的布线设计。这样，像素区域的布线设计的自由度增加，从而 能使像素精细化。
另外，以高精度进行过程设计，从而能够进行高精度的过程设计并 能够高速摄像。因此，上述摄像装置可适用于所有传感器和摄像器件。
本发明不限于上述结构，在不背离本发明要旨的情况下能以其它各 种形式来实施。
本领域技术人员应当理解，依据不同的设计要求和其他因素，可以 在本发明所附权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组 合以及改变。
权利要求
1. 一种传感器，其包括半导体层；在所述半导体层中形成的光电二极管；在所述半导体层上方形成的掺杂有杂质的多晶硅层；以及向所述多晶硅层施加栅极电压的栅极电极，其中，在所述半导体层的第一表面侧上设有布线层，并且光入射到所述半导体层的第二表面侧上。
2. 如权利要求l所述的传感器，其中，所述光电二极管包括堆叠的 第一导电型杂质区域、第二导电型杂质区域、第一导电型杂质区域和第 二导电型杂质区域。
3. 如权利要求l所述的传感器，其中，所述光电二极管具有P+NPN 结结构。
4. 如权利要求l所述的传感器，其中，所述光电二极管使用第一导 电型杂质基板而被形成。
5. —种固体摄像器件，其包括像素，各个所述像素具有在半导体层中形成的光电二极管、在所述 光电二极管上方形成的掺杂有杂质的多晶硅层和向所述多晶硅层施加栅 极电压的栅极电极；以及像素区域，其包括二维布置的所述像素，其中，在所述半导体层的第一表面侧上设有布线层，并且光入射到 所述半导体层的第二表面侧上。
6. —种摄像装置，其包括光学单元、固体摄像器件和信号处理单元， 所述固体摄像器件包括像素，各个所述像素具有在半导体层中形成的光电二极管、在所述光电二极管上方形成的掺杂有杂质的多晶硅层和向所述多晶硅层施加栅 极电压的栅极电极；以及像素区域，其包括二维布置的所述像素， 其中，在所述半导体层的第一表面侧上设有布线层，并且光入射到 所述半导体层的第二表面侧上。
7. —种摄像装置制造方法，其包括以下步骤 在半导体层中形成光电二极管；在所述光电二极管上方形成掺杂有杂质的多晶硅层；以及 形成向所述多晶硅层施加栅极电压的栅极电极， 其中，将布线层设置在所述半导体层的第一表面侧上，并且光入射 到所述半导体层的第二表面侧上。
全文摘要
本发明提供了传感器、固体摄像器件、摄像装置及其制造方法。该传感器包括半导体层、光电二极管、掺杂有杂质的多晶硅层和栅极电极。光电二极管在半导体层中形成。掺杂有杂质的多晶硅层在半导体层上方形成。栅极电极向多晶硅层施加栅极电压。在半导体层的第一表面侧上设有布线层，并且光入射到半导体层的第二表面侧上。本发明的固体摄像器件和摄像装置可以在宽波长范围内具有高灵敏度。使用单个光电二极管就能实现分光特性的高灵敏度确定。
文档编号H01L27/144GK101488509SQ20091000100
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年1月18日
发明者竹内清 申请人:索尼株式会社