固体摄像器件和固体摄像器件的制造方法

专利名称：固体摄像器件和固体摄像器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及固体摄像器件和固体摄像器件的制造方法。
背景技术：
对于诸如互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)传感器(CMOS固体摄像器件)等固体摄像器件， 随着像素小型化的进一步发展，用于限定各个像素中的光电二极管的电 荷累积区域的电位设计变得困难起来。
下面说明电位设计变得困难的原因。
在各种可见光光束中，红光在硅中呈现出较低的吸收率。因此，在 光电二极管的相对较深的部分中也进行红光的光电转换。
因此，为了提高对红光的灵敏度，电位需要形成在硅的较深部分中。
形成深的电位必须进行高能量的离子注入。
为了进行高能量的离子注入，用作离子注入的掩模的抗蚀剂需要具 有大的厚度。
然而，由于被形成为蚀刻掩模的抗蚀剂需要具有大的厚度，因此作 为掩模的抗蚀剂随着小型化的发展具有较高的纵横比。
因此，以高精确度形成抗蚀剂掩模变得困难。
此外，当作为掩模的抗蚀剂的纵横比越高时，抗蚀剂的下部就越细， 因而，抗蚀剂更容易坍塌，这导致产率降低。另外，能量越高，离子注入的轮廓越在横向上变宽。
因此，随着像素小型化的发展，隔离变得越来越困难，并且注入的 杂质离子越来越频繁地扩散到相邻像素。
由于高能量的离子注入很困难，因而到达硅的较深部分的红光在电 荷累积区域中呈现出较低的光电转换率，这导致了灵敏度劣化和混色。
为了解决这个问题，人们已经提出了一种结构，在这种结构中，在 各个像素的光电二极管下方设有反射膜，从而使已经到达比光电二极管 深的区域的光可以被反射并返回光电二极管(例如参考日本专利申请公
开公报No. 2007-27604 (以下称作专利文献l))。
这种结构使得不必形成具有大深度的光电二极管，从而也消除了对 高能量离子注入的需要。
另外，入射到光电二极管上的光不总是垂直于入射面的光分量。如 果相对于入射面(硅表面)的法线方向倾斜入射到光电二极管上的光到达 硅的较深部分，则该光将从光电二极管区域射出。
特别地，当到达较深区域的红光相对于入射面的法线方向倾斜入射 到光电二极管上时，该红光容易从光电二极管区域射出。这导致对红光 的灵敏度降低。
另外，在专利文献1所说明的结构中，形成了平坦状的反射膜。因 此，相对于入射面的法线方向倾斜入射到光电二极管上并被反射膜反射 的光以从像素的中心部离开的方式传播，因而容易从像素的光电二极管 区域射出。已经从光电二极管射出的光经常会进入相邻像素并引起混色。
此外，专利文献1中未公开在光电二极管下方形成反射膜的方法， 因而如何在光电二极管下方形成反射膜是不清楚的。

发明内容
本发明的目的是提供固体摄像器件及该固体摄像器件的制造方法， 以便能够获得对红光的足够高的灵敏度。
本发明实施例提供一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括半 导体层；电荷累积区域，其被形成在所述半导体层内部并用作光电二极
5管的一部分；以及反射面，其被布置在所述电荷累积区域内部或者下方。 所述反射面被形成为用于反射已经透过所述电荷累积区域的光，使该光 射向所述电荷累积区域的中央部。
在本发明实施例的上述固体摄像器件中，所述反射面被形成为用于 反射已经透过所述电荷累积区域的光，使该光射向所述电荷累积区域的 中央部。由于这一特征，已经透过所述电荷累积区域的光(例如红光)能够 被所述反射面反射并射向所述电荷累积区域的中央部，从而聚集在所述 电荷累积区域的中央部上。因而，能够提高灵敏度。
本发明另一实施例提供一种固体摄像器件的制造方法。所述方法包 括如下步骤在硅层中形成凹部；在所述硅层的表面上形成反射膜；以 及对所述反射膜进行蚀刻，从而在所述硅层的凹部上方处将所述反射膜 断开并使所述硅层露出。
另外，该方法还包括如下步骤从所述硅层的露出表面用硅进行外 延生长，从而形成覆盖所述反射膜的硅外延层；以及将所述硅层上下翻 转，并将所述硅层粘合在单独准备的基体上。
此外，该方法还包括如下步骤在所述反射膜上方的所述硅层中形 成用作光电二极管的一部分的电荷累积区域。
在本发明实施例的上述固体摄像器件制造方法中，在硅层中形成了 所述凹部，并且在所述硅层的表面上形成了所述反射膜。此外，对所述 反射膜进行蚀刻从而在所述硅层的凹部上方处将所述反射膜断开。因此， 留下的反射膜包括位于所述硅层的各凹部之间的凸部。因而，留下的反 射膜具有向上凸起的形状。
另外，通过将所述硅层上下翻转并将所述硅层粘合在基体上，因此 反射膜的形状变得向下凸起，并且反射膜的上表面变成凹面。
此外，由于在反射膜上方的硅层中形成了电荷累积区域，因此，具 有向下凸起的形状且上表面为凹面的反射膜被布置在电荷累积区域下 方。
这就允许制造出这样的结构，在该结构中，已经透过电荷累积区域 的光被反射膜反射并射向电荷累积区域的中央部。本发明又一实施例提供又一种固体摄像器件的制造方法。所述方法 包括如下步骤在硅层中形成孔，所述孔基本上垂直于所述硅层的表面 并且具有作为底面的凹面；利用各向异性膜沉积方法在所述硅层的表面
和所述凹面的表面上形成反射膜；以及在所述硅层上形成填充所述孔的 第二硅层。
另外，该方法还包括以下步骤除掉除了所述孔中的反射膜和第二 硅层以外的所述反射膜和所述第二硅层；对所述硅层的上部和所述孔中 的第二硅层进行硅的离子注入，从而形成非晶硅层；以及使所述非晶硅 层结晶化。
此外，该方法还包括以下步骤在所述反射膜上方形成用作光电二 极管的一部分的电荷累积区域。
在本发明实施例的上述固体摄像器件的制造方法中，形成了基本上 垂直于所述硅层的表面并具有作为底面的凹面的孔，并且利用各向异性 膜沉积方法在所述硅层的表面和所述凹面的表面上形成了反射膜。由于 这一特征，因为孔基本上垂直于硅层表面并且反射膜是利用各向异性膜 沉积方法形成的，因此反射膜几乎不会被沉积在孔的侧壁上，而是被沉 积在孔的底面上。另外，由于孔的底面是凹面，因而反射膜被形成为沿 着孔的底面的凹面形状。
此外，由于填充孔的第二硅层被形成在上述硅层上，因而反射膜被 埋在该硅层与形成在该硅层内的孔中的第二硅层之间。
另外，除掉除了孔中的反射膜和第二硅层以外的所述反射膜和所述 第二硅层，并通过硅的离子注入来形成非晶硅层，然后使该非晶硅层结 晶化。因此，形成了夹着反射膜的结晶化硅层。
此外，在反射膜上方形成用作光电二极管的一部分的电荷累积区域。 这就允许制造出这样的结构，在该结构中，已经透过电荷累积区域的光 被反射膜反射并射向电荷累积区域的中央部。
本发明再一实施例提供再一种固体摄像器件的制造方法。该方法包 括如下步骤在硅层中形成沟槽；在所述硅层上形成填充所述沟槽的反 射膜；以及对所述反射膜进行蚀刻，在所述沟槽之间的部分处将所述反射膜断开。
另外，该方法还包括如下步骤将所述硅层上下翻转，并将所述硅 层粘合在单独准备的基体上；以及在所述反射膜上方的所述硅层中形成
用作光电二极管的一部分的电荷累积区域。
在本发明实施例的上述固体摄像器件制造方法中，在硅层中形成了 沟槽，并且在所述硅层上形成了填充所述沟槽的反射膜。此外，对所述 反射膜进行蚀刻，在所述沟槽之间的部分处将所述反射膜断开。利用这 些步骤，留下的反射膜包括沟槽中的部分。因此，反射膜的形状是，侧 壁部作为沟槽中的部分，且平坦部作为除了沟槽中的部分以外的部分。 反射膜的侧壁部沿着沟槽向下延伸。
通过将所述硅层上下翻转并将所述硅层粘合在基体上，使得反射膜 的侧壁部向上延伸。
此外，由于在反射膜上方的硅层中形成了电荷累积区域，因而具有 平坦部和侧壁部的反射膜被形成在电荷累积区域下方。这就允许制造出 这样的结构，在该结构中，已经透过电荷累积区域的光被反射膜反射并 射向电荷累积区域的中央部。
本发明实施例的固体摄像器件允许已经透过电荷累积区域的光被反 射并聚集在电荷累积区域上，因而能够实现较高的灵敏度。
另外，倾斜入射在半导体层表面上的光也能够被反射并聚集在电荷 累积区域上，因此能够防止光进入相邻像素中和混色的出现。
另外，到达半导体层的较深部分的诸如红光等光也能够聚集在电荷 累积区域上。这使得不必在半导体层中形成具有大深度的电荷累积区域， 从而也消除了对高能量离子注入的需要。
由于这一特征，即使像素的小型化进一步发展，作为离子注入掩模 的抗蚀剂层的纵横比也不会增加，并且抗蚀剂掩模也几乎不会出现破损。 也就是说，对掩模的处理变得更加容易，这能够提高产率。
因此，即使像素的小型化进一步发展，本发明实施例也能够实现具 有高灵敏度并获得具有良好图像质量的图像的固体摄像器件。另外，该
8固体摄像器件能够被稳定地制造出来。
本发明实施例的各种固体摄像器件制造方法使得能够制造出这样下 述结构，在该结构中，已经透过电荷累积区域的光被反射膜反射并射向 电荷累积区域的中央部。
另外，利用任何方法，都能够通过使用通常在半导体制造工艺中进 行的步骤来进行上述制造过程。因此，能够容易且稳定地制造出其中为 电荷累积区域设置有反射膜的固体摄像器件。


图1A和图1B是本发明第一实施例的固体摄像器件的示意性结构图 (截面图)；
图2是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图3A和图3B是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法 的制造步骤图4是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图5是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图6是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图7是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图8是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图9是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤
图IO是示出了图1A和图1B中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图11是示出了图1A和图IB中固体摄像器件的制造方法的制造步 骤图12A 图12E是示出了图1A和图IB中固体摄像器件的另一制造 方法的制造步骤图13是示出了本发明第二实施例的固体摄像器件的示意性结构图 (截面图)；
图14是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图15是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图16是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图17是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图18是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图19是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图20是示出了图13中固体摄像器件的制造方法的制造步骤图； 图21是示出了当反射膜是平坦膜时的反射光的图； 图22A是示出了当反射膜具有侧壁部时的反射光的图； 图22B是示出了当反射膜具有凹面时的反射光的图；以及 图23是示出了反射膜的凹面、反射光和反射光的焦点之间关系的图。
具体实施例方式
下面按照如下的顺序来说明本发明的内容和本发明的具体实施例。
1. 本发明概述
2. 本发明第一实施例的结构和制造方法
3. 本发明第二实施例的结构和制造方法
4. 本发明的变形例和其他结构本发明概述
在本发明实施例的固体摄像器件中，在用作光接收部的光电二极管 的电荷累积区域内部或者下方(在与光入射侧相反的一侧)设有反射面。由 于此特征，已经到达较深部分并透过电荷累积区域的光(尤其是红光)能够 被反射并返回电荷累积区域。因而，能够提高灵敏度。
另外，在本发明实施例的固体摄像器件中，反射面被形成为使得已 经透过电荷累积区域的光被反射并射向电荷累积区域的中央部。
术语"电荷累积区域的中央部"主要是指在电荷累积区域的平面方 向上的中央部，但也指在电荷累积区域的深度方向上的中央部。
对于满足该条件的反射面的形状，有几种形状可以采用。
满足上述条件的反射面大致可以分为以下两类(l)在电荷累积区域 侧的表面全部呈凹面形状的反射面；(2)具有主部和侧部的反射面，所述 侧部用于反射倾斜入射到半导体层上并射向电荷累积区域外侧的光，从 而使该光可以射向电荷累积区域的中央部。
反射面能够由相对较薄的反射膜自身形成，或者由稍厚的层的表面 形成。
下面主要说明由反射膜自身形成的反射面。
在使用反射膜自身形成上述第(l)类反射面的情况下，反射膜被形成 为使其在电荷累积区域侧的表面全部呈凹面的形状。
这种形状的示例包括平面坡度从中央部到外侧以台阶方式增加的形 状(截面是多边形)和向下凸起的曲面形状。
在采用曲面形状的情况下，该形状被设计成让该曲面的法线垂直于 光入射面或者穿过电荷累积区域的中央部。例如，使用抛物面或者椭圆 形面。
在使用反射膜自身形成上述第(2)类反射面的情况下，反射膜被形成 为具有主部和用于反射射向外侧的光的侧部。
优选地，沿垂直于形成有光电二极管的半导体层的表面(光入射面) 的方向形成侧部。然而，该侧部也可以有某种程度的倾斜(倾斜45度角以下)。
下面基于本发明实施例固体摄像器件的结构与专利文献1中说明的 结构之间的对比，说明本发明实施例的作用和效果。
图21示出了平坦反射膜如专利文献1中那样被布置在电荷累积区域 下方的结构。
如图21所示，倾斜入射到光电二极管PD上的光被平坦反射膜101 反射，然后按照向上倾斜射出到光电二极管PD外部的方式进行传播。 这导致了光接收检测的损失并使灵敏度降低。
图22A和图22B示出了本发明实施例的固体摄像器件的结构。
在图22A所示的结构中，反射膜51具有在光电二极管PD下方的平 坦部51A和在光电二极管PD外侧(侧边处)的侧壁部51B。
平坦部51A被形成为基本上平行于光入射面(硅层表面)。侧壁部51B 被形成为基本上垂直于光入射面(硅层表面)。
这种结构使得倾斜入射到光电二极管PD上的光能够受到反射膜51 的侧壁部51B的反射，并射向光电二极管PD的中央部。
图22A示出了先被反射膜51的平坦部51A反射，然后被侧壁部51B 反射的光。尽管附图中未示出，但倾斜地直接入射到侧壁部51B上的光 也能够通过侧壁部51B和平坦部51A的反射而射向光电二极管PD的中 央部。
在图22A中，反射膜51的平坦部51A和侧壁部51B被形成为与光 电二极管PD的外侧接触。
然而，在本发明的实施例中，反射膜51的平坦部51A和侧壁部51B 可以稍微离开光电二极管PD或者进入光电二极管PD内部一定程度。
另外，反射膜51的侧壁部51B不是必须如图22A所示那样基本上 垂直于光入射面(硅层表面)，而是也可以相对于入射面的法线有一定程度 的倾斜(例如相对于与硅层表面垂直的方向倾斜45度角以下)。
此外，除了侧壁部以外的反射膜部分不是必须如图22A中的平坦部 51A那样具有基本上平行于硅层表面的形状，而是也可以具有相对于硅层表面倾斜的形状(例如V字形状)或者曲面形状(例如u字形状)。
另外，利用稍厚的层也能够形成与图22A中的反射膜51相同的形 状。然而，大厚度的侧壁部会占据很多空间，因而阻碍了像素的小型化。 因此，优选地，至少侧壁部由薄的反射膜形成。此外，将全部反射膜51 形成为薄膜时，提供了能够同时形成平坦部和侧壁部的优点。
在图22B所示的结构中，光电二极管PD下方的反射膜52在光电二 极管侧上具有凹面52A。
这种结构使得倾斜入射到光电二极管PD上的光能够被反射膜52的 凹面52A反射，并射向光电二极管PD的中央部。
对于凹面52A的形状，除了可以使用如图22B所示的使凹面的曲率 在内侧和外侧有所不同的形状之外，还可以使用其他各种形状。例如， 可以使用如下的形状平面的倾斜角向着外侧以台阶方式增加的形状(截 面形状为多边形)以及由诸如旋转抛物面或椭圆形面等均匀曲面构成的 形状。
在图22B中，反射膜52的凹面52A被形成为与光电二极管PD的下 端接触。
然而，在本发明的实施例中，反射膜52的凹面52A可以稍微离开 光电二极管PD或者进入光电二极管PD内部一定程度。
这样，在本发明实施例的固体摄像器件中，通过选择反射膜的形状， 沿着相对于入射面的法线倾斜的方向入射的光也能由光电二极管进行光 电转换。
如图23所示，下面考虑将入射光的光源近似至作为点光源的焦点F 的情况。
在该近似中，如果焦点F的座标为(O， 0， f)，并且由反射膜形成的 反射面53是由以下方程式限定的旋转抛物面，则全部反射光沿着垂直于 入射面的方向传播，或者向着电荷累积区域的中心传播。
z=(x2+y2)/(4a)(其中a^f)
这是因为，提供焦点F (0， 0， f)的旋转抛物面的方程式被表示为z=(x2+y2)/(4f)，因而通过将反射面53的曲率设定为高于该旋转抛物面的 曲率来获得上述所需状态。
反射膜的材料示例包括金属(单质金属或者合金)；相对于形成有 光电二极管的半导体层(硅等)具有折射率差的绝缘体；以及通过交替层叠 由折射率不同的两种绝缘体构成的薄膜(氧化物膜和氮化物膜)而获得的
多层膜(所谓的多层介电膜)。
然而，很难将多层膜形成为具有稳定膜厚的复杂形状，因而多层膜 适合用于均匀曲面形状和简单凹面形状。
在使用任意材料时，对材料进行选择，以使该材料对于具有作为被 反射膜反射的对象的波长的光(例如红光)的反射率相对较高。
另外，如果将硅的折射率定义为nl，并将反射膜的折射率定义为n2， 则用方程式R={(nl-n2)/(nl+n2)}2表示垂直入射到反射面上的光的反射 率R。因此，优选的是，n2与nl的差较大。
相对于红光范围内的波长，硅的折射率nl约为3.9 (波长为620 nm)。 如果将氧化硅膜用作反射膜，则n2为1.4(波长为620 nm)，因此，R为 0.22 (22%)。
如果将铝用作用于反射膜的金属，则n2为1.3(波长为620nm)，因 此，R为0.25 (25%)。
如果将铜用作用于反射膜的金属，则n2为0.47 (波长为620 nm)， 因此，R为0.62 (62%)。
如果将金用作用于反射膜的金属，则n2为0.13 (波长为620 nm)， 因此R为0.88 (88%)。
如果将银用作用于反射膜的金属，则n2为0.27 (波长为620 nm)， 因此，R为0.76 (76%)。
如果将镁用作用于反射膜的金属，则n2为0.48 (波长为578.0886 nm)，因此，R为0.61 (61%)。
如果将锂用作用于反射膜的金属，则n2为0.22 (波长为635.8974 nm)，因此，R为0.80 (80%)。接着，下面说明本发明的具体实施例。 本发明第一实施例的结构和制造方法
图1A和图1B是本发明第一实施例的固体摄像器件的示意性结构图 (截面图)。图1A是像素区域的截面图，并且图IB是周边电路部的截面 图。本实施例适用于CMOS传感器(CMOS固体摄像器件)。
如图1A和图1B所示，通过依次层叠硅基板l、氧化硅层2和硅层 3来形成基体，并且在硅层3内部及上面形成有在像素中所包含的光电二 极管和晶体管等以及周边电路。
在图1A所示的像素区域中，在硅层3内部形成有N型电荷累积区 域4，作为用作光接收部的光电二极管中所包含的区域。在该电荷累积区 域4上方的硅层3的表面附近形成有P型(P+)空穴累积区域5。具有所谓 的空穴累积二极管(hole accumulated diode， HAD)结构的光接收部由电荷 累积区域4和空穴累积区域5形成。
与光电二极管相邻，形成有由栅极电极13和栅极电极13侧壁上的 侧壁部绝缘层15构成的读出栅极电极。
相对于读出栅极电极在与光电二极管相反的一侧形成有N型漏极区 域8。该漏极区域8相当于所谓的浮动扩散部，其用于存储从光电二极管 读出的电荷并将该电荷量转换为电压。
元件隔离层11通过绝缘膜(氧化硅层等)形成，该绝缘膜被埋入硅层 3中并包围光电二极管、读出栅极电极和漏极区域8。
在通过元件隔离层11与光电二极管分隔开的部分中，布置有诸如复 位晶体管、放大晶体管和选择晶体管等设在各个像素中的晶体管。
例如，如图1A的右边部分所示，这些晶体管各自形成有栅极电极 14、栅极电极14侧壁上的侧壁部绝缘层15、栅极绝缘膜12和N型源漏 极区域9。也就是说，它们形成了N型MOS晶体管(NMOS晶体管)。
在图1B所示的周边电路区域中，形成有NMOS晶体管和PMOS晶 体管，该NMOS晶体管具有形成在P阱区域6中的N型源漏极区域9， 该PMOS晶体管具有形成在N阱区域7中的P型源漏极区域10。这些MOS晶体管各自被形成在通过元件隔离层11隔离的区域中。在各个MOS 晶体管中，在栅极电极14的侧壁上形成有侧壁部绝缘层15。
在图1A和图1B的各个MOS晶体管中，在左、右的源漏极区域9 和10的内侧(在沟道侧上)，形成有杂质浓度低于源漏极区域9和10的杂 质浓度的区域(所谓的LDD区域)9L和IOL。
在本实施例中，特别地，在用作像素区域中的光电二极管的一部分 的电荷累积区域4下方形成有反射膜16，并且该反射膜16的上表面即更 靠近电荷累积区域4的那个表面是凹面。
由于反射膜16的上表面是这样的凹面，因而与图22B所示的反射膜 52的情况类似，倾斜入射的光能够被该凹面反射并射向电荷累积区域4 的中央部。
反射膜16被连续形成在电荷累积区域4下方，并且在反射膜16下 方布置有绝缘膜17。
作为反射膜16的材料，能够使用对红光具有高反射率的金属(例如， 诸如金、银、铜或者镁等上述金属材料)或者相对于红光的折射率与硅(或 氧化硅等)的折射率差别很大的材料。另外，还能够使用被设计为对红光 具有高反射率的多层介电膜。
尽管附图中未示出，根据需要，可以在像素区域中的光电二极管上 方形成滤色器、层内透镜和片上透镜，并且可以在像素区域和周边电路 区域中的各晶体管上方形成布线层。
例如，能够以如下方式制造出本实施例的固体摄像器件。
如图2所示，准备好通过层叠硅基板21、氧化硅层22和硅层23而 获得的SOI基板20。硅层23的厚度例如为2 nm。
随后，对SOI基板20的硅层23进行用于形成凸部和凹部的处理。 图3A和图3B是被图2中的虚线包围的区域的放大图。
首先，如图3A所示，图形化抗蚀剂层24，从而形成具有锥形边缘 的第一掩模，然后使用该第一掩模对硅层23进行处理。作为第一掩模的 抗蚀剂层24的图形尺寸例如为1.4 pm见方。在除掉作为第一掩模的抗蚀剂层24之后，如图3B所示，图形化抗蚀剂层25，从而形成具有锥形边缘的第二掩模，然后使用该第二掩模对硅层23进行处理。通过这些步骤，具有图3B所示梯形形状(尽管附图中未示出，也可以是圆锥形状或抛物面形状)的各个凹部被形成在硅层23中。例如，硅层23中的凹部的最深部分的深度约为200 nm。
除掉作为第二掩模的抗蚀剂层25。随后，清洁硅层23的表面。
然后，如图4的放大截面图所示，在硅层23表面上形成反射膜26。反射膜26的厚度例如为20 nm。
作为反射膜26，例如能够使用金属膜、热氧化物膜或者多层介电膜。
反射膜26可以按照如下方式获得。具体地说，形成热氧化物膜，然后用稀释氢氟酸除掉该热氧化物膜，之后使硅层23的角部变圆。随后，再次形成热氧化物膜，并将该热氧化物膜用作反射膜26。
如图5的放大截面图所示，在形成反射膜26之后，在反射膜26上形成绝缘膜27。例如，利用低压化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)方法形成具有300 nm厚度的正硅酸乙酉旨(tetraethoxysilane， TEOS)层。
然后，如图5所示，利用化学机械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)等方法使绝缘膜27的表面平坦化。
随后，如图6的放大截面图所示，使形成在平坦化的绝缘膜27上的抗蚀剂层28图形化，留下在硅层23的凸部上方的那部分抗蚀剂层28，从而形成掩模。通过使用该掩模，利用蚀刻过程除掉除了在要形成光电二极管的区域中的那部分绝缘膜27和反射膜26以外的绝缘膜27和反射膜26。
利用该除掉操作，使硅层23露出，反射膜26留在要形成光电二极管的区域中且在硅层23的凹部上方处被断开，因而，留下的反射膜26包括位于硅层23的各凹部之间的凸部。如图6所示，留下的反射膜26具有向上凸起的形状。体管的部分中，反射膜26是不必要的，因此在此步骤中除掉该部分反射膜26。
随后，如图7的放大截面图所示，从硅层23的露出表面进行硅的外延生长，例如形成500 nm厚度的硅。因而，硅外延层29被形成为覆盖着反射膜26和绝缘膜27。
在此步骤中，如绝缘膜27上方的链式点划线所示，在生长的硅层29的结合部处出现了缺陷。然而，该缺陷部分不用于电荷累积区域4，因此，不会引起特别的问题。
随后，如图8的放大截面图所示，在硅外延层29的表面上形成厚度例如为100 nm的热氧化物膜30。
不使用图2中的虚线所示区域的放大截面图而是使用与图2具有相同尺寸的截面图来说明以下的步骤。
如图9的右侧所示，准备好通过在硅基板1上形成氧化硅层(或热氧化物膜等)2而获得的基体。另外，图9的左侧示出了通过直到图8所示步骤的处理过程形成的多层主体。
将图9左侧所示的多层主体上下翻转，并且利用等离子体粘合等方法将该多层主体的热氧化物膜30粘合在图9右侧所示的基体的氧化硅层2上。
图IO示出了在此粘合之后获得的状态。如图10所示，由于多层主体被上下翻转，因而反射膜26具有向下凸起的形状，并且反射膜26的上表面是凹面。
尽管上述粘合方法不限于等离子体粘合方法，但优选采用对于后续热处理步骤能够保证足够粘合耐受力的方法。
随后，如图11所示，除掉SOI基板20的硅基板21和氧化硅层22，使硅层23露出。例如，利用研磨机和化学机械研磨方法将硅基板21磨掉，然后通过稀释氢氟酸处理来除掉氧化硅层22。
硅层23和硅外延层29用作图1A和图1B所示的硅层3。反射膜26用作图1A中的反射膜16，并且绝缘膜27用作图1A中的绝缘膜17。随后，尽管附图中未示出，在硅层23中形成有用于元件隔离层11
的凹槽，并且将例如氧化硅层形成为填充这些凹槽，从而获得元件隔离层11。
然后，通过在硅层23中的反射膜26 (16)上方的区域中进行离子注入，形成了电荷累积区域4和空穴累积区域5，从而形成具有HAD结构的光电二极管。
另外，在要形成晶体管的区域中，通过离子注入形成P阱区域6和N阱区域7。
随后，在硅层23 (3)的内部及上面形成诸如晶体管等电路元件的各个部分。隔着图1A中的栅极绝缘膜12在硅层23 (3)上方形成栅极电极13和14，并且在硅层23 (3)内部形成LDD区域9L和IOL。
此外，在栅极电极13和14的侧壁上形成侧壁部绝缘层15，并且在硅层23 (3)内部形成MOS晶体管的源漏极区域9和10。
通过这些步骤，能够形成图1A和图1B所示的结构。
随后，根据需要进行用于形成层内透镜、滤色器、片上透镜和布线层等的步骤。
这样，就能够形成本实施例的固体摄像器件。
在上述制造方法中，光电二极管的电荷累积区域4和空穴累积区域5是利用形成有反射膜26 (16)的硅层23形成的。这能够将用于形成电荷累积区域4和空穴累积区域5的电位的离子注入能量限制在1.5 MeV以下。
在图3A和图3B的步骤中，作为第一掩模的抗蚀剂层24和作为第二掩模的抗蚀剂层25是分别制备的。然而，当它们是同一抗蚀剂并用作同一掩模时，也能够在硅层23中形成凹部。
如图3A和图3B所示的分别形成各掩模能够使要形成的凹部具有较宽的形状范围。
在上述制造方法中，另外准备基体并进行粘合。然而，也可以进行无粘合的制造过程。下面参照图12A 图12E说明这种制造方法。
19准备单晶硅层(例如硅基板、硅基板上的硅外延层或者SOI基板的单
晶硅层)。
首先，尽管附图中未示出，通过使用抗蚀剂图形作为掩模进行的处理在硅层中形成孔，该孔的形状是基本上垂直于硅层表面并具有作为底
面的凹面。
然后，如图12A所示，利用诸如溅射等各向异性膜沉积方法在形成了上述孔的硅层31上形成反射膜32。由于此步骤，反射膜32被形成在硅层31的平坦部表面和孔表面上。由于反射膜32是利用各向异性膜沉积方法沉积的，因而几乎不会被沉积在基本上垂直于硅层表面的孔的侧壁上。
金属膜等能够用作反射膜32。
对于该膜沉积方法来说，难以均匀地形成多层膜。因此，该方法不适用于多层介电膜。在形成多层介电膜作为反射膜的情况下，优选采用图2~图11所示的上述制造方法。
随后，如图12B所示，在整个表面上形成填充硅层31的孔的硅层(不是单晶硅层而是非晶硅层或者多晶硅层)33。例如，非晶硅层是利用CVD方法形成的。结果，在孔内部，反射膜32被埋在硅层31与硅层33之间。
随后，利用CMP方法或者回蚀方法除掉硅层31的平坦面上的反射膜32和硅层33。由于该除掉操作，如图12C所示，反射膜32和硅层33仅留在硅层31的孔中。
随后，对埋有硅层33的孔的周围区域进行硅的离子注入34。例如，将能量设定为2.5 MeV，并且将剂量设定为lxl015/cm2。
结果，如图12D所示，经过了离子注入34的硅层31和硅层33变成非晶硅层35。
然后，通过激光退火进行再结晶。因此，非晶硅层35被结晶化，并且留在图12D中的硅层33也被结晶化。
这样，如图12E所示，对除了反射膜32部分以外的部分进行结晶化，形成了夹着反射膜32的结晶硅层作为硅层36。图12E中的硅层36被用作图1A和图IB中的硅层3，并且反射膜32被用作图1A中的反射膜16。在该制造方法中，未形成图1A中的绝缘膜17，而是将硅层3形成为与反射膜16的下表面接触。
随后，尽管附图中未示出，在硅层3中形成用于元件隔离层11的凹槽，并且形成填充这些凹槽的例如氧化硅层，从而获得元件隔离层ii。
然后，通过在硅层36 (3)中的反射膜32 (16)上方的区域中进行离子注入，形成电荷累积区域4和空穴累积区域5，从而形成具有HAD结构的光电二极管。
另外，在要形成晶体管的区域中，通过离子注入形成P阱区域6和N阱区域7。
随后，在硅层36 (3)的内部及上面形成诸如晶体管等电路元件的各个部分。由此，能够形成图1A和图1B所示的结构。
然后，根据需要进行用于形成层内透镜、滤色器和片上透镜等的步骤。
这样，就能够形成本实施例的固体摄像器件。
在上述制造方法中，光电二极管的电荷累积区域4和空穴累积区域5是利用形成有反射膜32 (16)的硅层36 (3)形成的。这能够将用于形成电荷累积区域4和空穴累积区域5的电位的离子注入能量限制在1.5 MeV以下。
利用上述任意制造方法，都能够在像素区域的电荷累积区域4下方容易地形成反射膜。
在上面说明的本实施例固体摄像器件的结构中，反射膜16被设置在电荷累积区域4下方，并且反射膜16的更靠近电荷累积区域4的那个表面(上表面)是凹面。因此，与图22B所示的反射膜52的情况类似，倾斜入射的光能够被该凹面反射，并射向电荷累积区域4的中央部。
由于此特征，已经透过所述电荷累积区域的光(例如红光)能够借助于反射膜16聚集在电荷累积区域4的中央部上，因而能够提高灵敏度。
另外，倾斜入射到硅层3表面上的光也能够被反射并聚集在电荷累积区域4上，因此，能够防止光进入相邻像素和混色的出现。
此外，不需要在硅层3中形成大深度的电荷累积区域4，并且不需 要进行高能量的离子注入。
因此，即使像素的小型化进一步发展，作为离子注入掩模的抗蚀剂 层的纵横比也不会增加，并且抗蚀剂掩模也几乎不会出现破损。这就使 得对掩模的处理更加容易，并且能够提高产率。
此外，不需要使用用于高能量离子注入的特别装置，并且还能够减 少步骤的数目。
因此，即使像素的小型化进一步发展，也能够实现具有高灵敏度并 获得良好图像质量的图像的固体摄像器件。另外，该固体摄像器件能够 被稳定地制造出来。
当将金属膜用作反射膜16时，在制造工艺时的热处理步骤中经常会 出现以下存在问题的现象由于扩散，金属进入硅层3中的要变成电荷 累积区域4的那部分中；并且由于硅层3与金属之间的反应而出现硅化。
在使用上述金属的情况下，尽管附图中未示出，可以在反射膜16与 硅层3之间形成用作对扩散和硅化的阻挡层的绝缘膜。
在形成用作阻挡层的绝缘膜的情况下，例如，在图2~图11所示的 制造方法中，在形成图4中的反射膜26的步骤之前，在硅层23的表面 上形成用作阻挡层的绝缘膜，然后在该绝缘膜上形成反射膜26。还能够 通过硅层23表面的热氧化来形成绝缘膜。
本发明第二实施例的结构和制造方法
图13是本发明第二实施例的固体摄像器件的示意性结构图(截面 图)。本实施例也适用于CMOS传感器(CMOS固体摄像器件)。
如图13所示，通过依次层叠硅基板41、绝缘层42和硅层45形成 了基体。
光电二极管46作为光接收部被形成在硅层45内部。
与光电二极管46相邻地形成有读出栅极电极，该读出栅极电极由栅 极电极48和栅极电极48侧壁上的侧壁部绝缘层49构成。在硅层45与读出栅极电极之间形成有薄的栅极绝缘膜47。
在作为光接收部的光电二极管46中，尽管附图中未示出，形成有图 1A所示的电荷累积区域4和空穴累积区域5。
另外，在附图中未示出的其他部分中，形成有与图1A和图1B所示 一样的各种MOS晶体管和用于读出的漏极区域。
本实施例具有这样的结构，在该结构中，类似于参照图22A说明的 反射膜51 (51A， 51B)，反射膜43具有在光电二极管46下方的平坦部 43A和在光电二极管46外侧的侧壁部43B。
与图22A所示的反射膜51的情况类似，由于反射膜43具有在光电 二极管46外侧的侧壁部43B，因而倾斜入射的光能够被侧壁部43B反射， 并射向光电二极管的中央部。
作为反射膜43的材料，能够使用对红光具有高反射率的金属(例如， 诸如金、银、铜或者镁等上述金属材料)，或者其针对红光的折射率与硅 (或氧化硅等)的折射率差别很大的材料。
在光电二极管46与反射膜43之间形成有绝缘膜44。该绝缘膜44 用作在制造时对扩散和硅化的阻挡层。
尽管附图中未示出，根据需要，可以在像素区域中的光电二极管46 上方形成滤色器、层内透镜和片上透镜，并且可以在像素区域的晶体管 和周边电路区域上方形成布线层。
例如，能够以如下方式制造本实施例的固体摄像器件。
如图14所示，准备与图2中相同的SOI基板20，并且对SOI基板 20的硅层23进行处理，从而在稍后要变成光电二极管46的区域的端部 处形成沟槽23A。
再参照图15，首先，在硅层23的表面上形成用作阻挡层的绝缘膜 44，该绝缘膜44的厚度充分小于沟槽23A的尺寸。例如，利用CVD方 法形成厚度为50 nm的氮化硅膜。
另外，在整个表面上形成反射膜43以填充沟槽23A内部。金属膜 能够用作该反射膜43。作为此步骤的结果，反射膜43具有存在于硅层23表面之上且基本 上平行于硅层23表面的部分和存在于沟槽23A内部且基本上垂直于硅层 23表面的部分。
如果反射膜43是通过使用氧化物膜或者氮化物膜来形成的，则如稍 后所述可以改变上述步骤。
随后，如图16所示，将抗蚀剂层61图形化从而形成掩模，并且通 过使用该掩模进行的蚀刻工艺，除掉除了在要形成光电二极管的区域周 围的反射膜43以外的反射膜43。
由于该除掉操作，反射膜43在沟槽23A之间的部分处被断开，从 而可以使反射膜43留在要形成光电二极管的区域周围。此外，反射膜43 具有侧壁部和平坦部，该侧壁部是在沟槽内的部分，该平坦部是除了在 沟槽内的部分以外的部分。反射膜43的侧壁部沿着沟槽向下延伸。
在周边电路区域和像素区域的晶体管的部分中，反射膜43是不必要 的，因此，在此步骤中除掉该反射膜43。
随后，如图17所示，形成覆盖上述表面的绝缘层42。例如，利用 CVD等方法形成氮化硅层。该绝缘层42被形成为具有比反射膜43充分 大的厚度。
另外，为了防止在稍后的粘合步骤中出现空隙，在形成绝缘层42之 后可以进行诸如化学机械研磨等表面平坦化处理。
随后，如图18所示，将通过直到图17所示步骤的过程形成的多层 主体上下翻转，并通过等离子体粘合等方法将该多层主体粘合在硅基板 41上。尽管粘合方法不限于等离子体粘合方法，但优选采用对于后面的 热处理步骤能够保证足够的粘合耐久力的方法。
多层主体中的硅层23用作图13中的硅层45。由于该多层主体被上 下翻转，因此反射膜43的侧壁部呈向上延伸。
随后，如图19所示，除掉SOI基板20的硅基板21和氧化硅层22， 从而使硅层45露出。例如，利用研磨机和化学机械研磨方法将硅基板21 研磨掉，然后通过稀释的氢氟酸处理除掉氧化硅层22。随后，如图20所示，通过在硅层45中的反射膜43的平坦部43A 上方的区域中进行离子注入，形成电荷累积区域和空穴累积区域，从而 形成各自具有HAD结构的光电二极管46。另外，隔着栅极绝缘膜47在 硅层45上方形成栅极电极48和侧壁部绝缘层49。
随后，在硅层45内部及上面形成诸如晶体管等电路元件的各个部 分。从而能够形成图13所示的结构。
然后，根据需要进行用于形成层内透镜、滤色器、片上透镜和布线 层等的步骤。
这样，就能够形成本实施例的固体摄像器件。。
如果将氧化物膜或者氮化物膜用作反射膜43，则不需要用作阻挡层 的绝缘膜44。在这种情况下，在图15的步骤中，反射膜43被直接形成 在硅层23上并填充沟槽23A。在这种情况下，能够与图16~图20所示的 步骤类似地进行后面的步骤。
在图16所示的步骤中，反射膜43被断开，使得在各处留下的反射 膜43与稍后要形成的各个光电二极管46—一对应，S卩，按照用于各个 像素的方式将反射膜43留下。
然而，在此步骤中，并不是必须将反射膜43断开地留下以用于各个 像素，反射膜43也可以连续地用于几个彼此相邻的像素。只要能将反射 膜43至少留在要形成光电二极管的区域周围，任何断开方法都可以使用。
然而，为了使用于光电二极管的离子注入掩模的位置对准，需要在 像素区域中形成对准标记。因此，至少从形成有对准标记的部分除掉反 射膜43。
在上述本实施例固体摄像器件的结构中，光电二极管46下方的反射 膜43具有在光电二极管46下方的平坦部43A和在光电二极管46外侧的 侧壁部43B。因此，与图22A所示的反射膜51的情况类似，倾斜入射的 光能够被反射膜43的侧壁部43B反射，并射向电荷累积区域4的中央部。
由于此特征，已经透过光电二极管46的电荷累积区域的光(例如红 光)能够利用反射膜43而被聚集在电荷累积区域的中央部上，因而能够
25提高灵敏度。
另外，倾斜入射到硅层45表面上的光也能够被反射并聚集在电荷累
积区域上，因此能够防止光进入相邻像素内并防止混色的出现。
此外，不需要在硅层45中形成大深度的电荷累积区域，并且不需要 进行高能量的离子注入。
因此，即使像素的小型化进一步发展，作为离子注入掩模的抗蚀剂 层的纵横比也不会增加，并且抗蚀剂掩模也几乎不会出现破损。这就使 对掩模的处理更加容易，并且能够提高产率。
此外，不需要使用用于高能量离子注入的特别装置，并且还能够减 少步骤的数目。
因此，即使像素的小型化进一步发展，也能够实现具有高灵敏度并 获得良好图像质量的图像的固体摄像器件。另外，该固体摄像器件能够 被稳定地制造出来。
本发明的变形例和其他结构
在图13所示实施例的结构中，也能将多层介电膜用作反射膜43。
然而，如本实施例的图15所示，反射膜43被形成为填充沟槽23A。 因此，尽管当像素尺寸较大时能够使用多层介电膜，但像素小型化的发 展使得通过使用多层介电膜来形成反射膜43变得更加困难。
通过实施图14 图20所示的制造步骤，也能够容易地形成上面所提 到的专利文献1中说明的平坦反射膜(图21所示的反射膜IOI)那样的反 射膜。
具体地说，以下面的方式制造固体摄像器件。
首先，在图14所示的步骤中，在硅层23中不形成沟槽，而在图15 所示的步骤中，在硅层23上方依次沉积绝缘膜44和反射膜43。
随后，利用由抗蚀剂层61形成的掩模通过蚀刻工艺来断开反射膜43。
另外，在断开的反射膜43上形成绝缘层42，并将绝缘层42粘合在硅基板41上。
然后，在反射膜43上方形成光电二极管的电荷累积区域和空穴累积 区域。
在这种情况下，由于硅层中未形成沟槽，因而还能够将硅基板直接 用作反射膜下方的硅层来替代图14中的SOI基板的使用。
在上述各个实施例中，形成了反射膜，从而获得用于反射到达较深 部分的光的反射面。
然而，本发明实施例不限于相对较薄的反射膜。可以形成厚度稍大 的层并且可以利用该层的表面来获得反射面。例如，氧化硅或者氮化硅 等绝缘体的层可以被形成为其表面为凹面，并且该凹面可以用作反射面。
上述各实施例适用于CMOS固体摄像器件。然而，类似地，本发明 各实施例还能够应用于诸如CCD固体摄像器件等其他结构的固体摄像 器件。
对于CCD固体摄像器件，也是通过在用作光接收部的光电二极管的 电荷累积区域内部或者下方设置反射膜，使红光能够被该反射膜反射， 因而能够提高对红光的灵敏度。
在上述各实施例中，硅层被用做其中形成有光电二极管的半导体层。 然而，本发明各实施例还能适用于通过在另一种半导体层(例如Ge层或 者化合物半导体层)中形成光电二极管而获得的固体摄像器件。
本发明实施例还能够用于利用光电二极管的电荷累积区域来接收和 检测红外光的固体摄像器件。在这种情况下，选择用于形成反射面的材 料(或反射膜等)，使得反射面对红外光具有足够高的反射率。
通过应用本发明的各实施例，已经透过光电二极管的红外光能够被 反射面反射并返回至光电二极管的中央部，因而能够提高对红外光的灵 敏度。
本发明不限于上述各实施例，在不背离本发明要旨的情况下能够使 用其他各种结构。
权利要求
1.一种固体摄像器件，所述固体摄像器件包括半导体层；电荷累积区域，其被形成在所述半导体层内部并用作光电二极管的一部分；以及反射面，其被布置在所述电荷累积区域内部或者下方，并且被形成为用于反射已经透过所述电荷累积区域的光，使该光射向所述电荷累积区域的中央部。
2. 如权利要求l所述的固体摄像器件，其中，所述反射面由反射膜 形成。
3. 权利要求l所述的固体摄像器件，其中，所述反射面的电荷累积区域侧为凹面。
4. 权利要求2所述的固体摄像器件，其中，所述反射膜具有侧壁部，所述侧壁部反射倾斜入射到所述半导体层上的光，使该光射向所述电荷 累积区域的中央部。
5. 权利要求3所述的固体摄像器件，其中，所述反射面由反射膜形成。
6. 权利要求l所述的固体摄像器件，其中，所述半导体层是硅层。
7. —种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤 在硅层中形成凹部； 在所述硅层的表面上形成反射膜；对所述反射膜进行蚀刻，在所述硅层的凹部上方处将所述反射膜断 开并使所述硅层露出；从所述硅层的露出表面进行硅的外延生长，形成覆盖所述反射膜的硅外延层；将所述硅层上下翻转，将所述硅层粘合在单独准备的基体上；以及 在所述反射膜上方的所述硅层中形成用作光电二极管的一部分的电 荷累积区域。
8. —种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤 在硅层中形成孔，所述孔基本上垂直于所述硅层的表面并且具有作为底面的凹面；利用各向异性膜沉积方法在所述硅层的表面和所述凹面的表面上形 成反射膜；在所述硅层上形成填充所述孔的第二硅层；除掉除了所述孔中的所述反射膜和所述第二硅层以外的所述反射膜 和所述第二硅层；对所述硅层的上部和所述孔中的所述第二硅层进行硅的离子注入， 形成非晶硅层；使所述非晶硅层结晶化；以及在所述反射膜上方形成用作光电二极管的一部分的电荷累积区域。
9. 一种固体摄像器件的制造方法，所述方法包括如下步骤 在硅层中形成沟槽；在所述硅层上形成填充所述沟槽的反射膜；对所述反射膜进行蚀刻，在所述沟槽之间的部分处将所述反射膜断开；将所述硅层上下翻转，并将所述硅层粘合在单独准备的基体上；以及在所述反射膜上方的所述硅层中形成用作光电二极管的一部分的电 荷累积区域。
全文摘要
本发明提供了固体摄像器件和固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件包括半导体层；电荷累积区域，其被形成在所述半导体层内部并用作光电二极管的一部分；以及反射面，其被布置在所述电荷累积区域内部或者下方，并且被形成为用于反射已经透过所述电荷累积区域的光，使该光射向所述电荷累积区域的中央部。在本发明的固体摄像器件中，已经透过所述电荷累积区域的光(例如红光)能够被所述反射面反射并射向所述电荷累积区域的中央部，从而聚集在所述电荷累积区域的中央部上。因此，能够提高灵敏度。
文档编号H01L27/14GK101661946SQ20091016927
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月25日 优先权日2008年8月26日
发明者中泽正志, 池田晴美 申请人:索尼株式会社