固态摄像装置、电子设备以及固态摄像装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种固态摄像装置、电子设备、以及固态摄像装置的制造方法。该固态摄像装置包括：光电转换器，形成在基板上；布线部分，形成在光电转换器上方并由多层布线构成；以及绝缘部分，布线部分的多层布线嵌入绝缘部分中，绝缘部分的折射率大于硅氧化物的折射率。
【专利说明】固态摄像装置、电子设备以及固态摄像装置的制造方法
[0001]本申请是2010年I月29日提交的发明名称为“固态摄像装置、电子设备以及固态摄像装置的制造方法”的发明专利申请N0.201010106325.X的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及固态摄像装置、电子设备和固态摄像装置的制造方法。具体地，本发明涉及使光通过布线层进入光电转换器的固态摄像装置、电子设备和固态摄像装置的制造方法。
【背景技术】
[0003]以CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的半导体图像传感器被要求减小像素尺寸并增大相同图像区域中的像素数量。例如，日本专利申请公开N0.2008-109153公开了固态图像传感器，其中光波导设置在光电转换器上方，该光电转换器形成在半导体基板上。
【发明内容】
[0004]然而，在现有技术中，为了形成光波导，在即将形成光波导的凹入部分的内壁上沉积薄膜，该薄膜由折射率大于其周围材料的材料形成，接着凹入部分被具有高填充性能的材料填充。这样，对于形成在光电转换器上方的光波导，存在如下问题:从填充到凹入部分中的材料的填充性能角度来看，需要两种材料来形成光波导。
[0005]考虑到上述情况，期望提供一种技术，其能穿过布线层有效地传输光信号到光电转换器，使得能够获得足够量的信号。
[0006]根据本发明实施例，提供了一种固态摄像装置，其包括:光电转换器，形成在基板上；布线部分，形成在光电转换器上方并由多层布线构成；以及绝缘部分，布线部分的多层布线嵌入绝缘部分中。绝缘部分的折射率大于硅氧化物。此外，提供了一种电子设备，其使用了该固态摄像装置。
[0007]在该实施例中，由于其中布线部分的布线形成在光电转换器上方的绝缘部分由折射率大于硅氧化物的材料形成，通过在凹入部分中嵌入材料来形成光波导的工艺不是必须的。此外，与硅氧化物形成绝缘部分的情况相比，能够减少传输的光的束腰直径(beamwaist diameter),由此能够局部地收集光能量,其能够将光传输到光电转换器。
[0008]此外，根据本发明另一实施例，提供了 一种固态摄像装置，其包括:光电转换器，形成在基板上；布线部分，形成在所述光电转换器上方并由多层布线构成；硅氧化物，所述布线部分的所述多层布线嵌入所述硅氧化物中；以及绝缘部分，在所述光电转换器上方从所述布线部分上方的位置到最下层布线的位置嵌入所述硅氧化物中。所述绝缘部分的折射率大于所述硅氧化物。此外，提供了 一种电子设备，其使用了该固态摄像装置。
[0009]在该实施例中，在光电转换器上方从布线部分上方的位置到最下层布线的位置嵌入的绝缘部分起光波导的作用。由于光波导由折射率大于硅氧化物的折射率的一种材料形成，所以不需要由多种材料形成光波导。
[0010]此外，提供了一种固态摄像装置的制造方法。该固态摄像装置的制造方法，包括:在基板上形成光电转换器；在基板上形成驱动元件，在驱动元件上形成绝缘膜，以及平坦化形成的表面；通过以下步骤形成具有波导部分的布线层:在绝缘膜上形成嵌入层间绝缘膜中的布线，在层间绝缘膜的光电转换器上方的部分中设置凹入部分，通过在凹入部分中嵌入折射率大于层间绝缘膜的材料来形成波导部分；以及重复执行具有波导部分的布线层的形成，从而通过形成多层布线和连接多个波导部分来形成光波导。
[0011]在上述实施例中，作为光波导的一部分的波导部分在每次形成一个布线层时形成。通过重复执行具有波导部分的布线层的形成，形成了光波导。因此，光波导能由一种材料形成。
[0012]这里，绝缘部分由选自由氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽组成的组的材料制成。
[0013]根据本发明，具有比硅氧化物更优良的光收集性能的绝缘部分能由一种材料形成在光电转换器上方。
[0014]根据下文对如附图所示的本发明最佳实施例的详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显易懂。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为示出根据第一实施例的固态摄像装置的示意截面图；
[0016]图2A和2B为示出穿过固态摄像装置的光的束腰(beam waist)的比较实例的图；
[0017]图3为示出第一实施例中固态摄像装置对应于RGB颜色的灵敏度的比较实例的图；
[0018]图4为示出根据第二实施例的固态摄像装置的示意性截面图；
[0019]图5为示出第二实施例中固态摄像装置对RGB颜色的灵敏度的比较实例的图；
[0020]图6A至6C为示出根据第二实施例的固态摄像装置的制造方法的示意性截面图(部分I);
[0021]图7A至7C为示出根据第二实施例的固态摄像制造的制造方法的示意性截面图(部分2)；
[0022]图8为示出作为根据实施例的电子设备实例的摄像装置的结构实例方框图。【具体实施方式】
[0023]下文，将参考附图描述本发明的实施例。实施例将以下列顺序来描述。
[0024]1、第一实施例(结构、束腰、灵敏度比较)
[0025]2、第二实施例(结构、灵敏度比较)
[0026]3、固态摄像装置的制造方法(根据第二实施例的固态摄像装置的制造方法实例)
[0027]4、电子设备(摄像装置的实例)
[0028]〈1、第一实施例〉
[0029](结构)
[0030]图1为示出根据第一实施例的固态摄像装置的示意截面图。固态摄像装置I包括光电转换器10和晶体管Tr。光电转换器10形成在由诸如娃的半导体形成的基板2中。晶体管Tr形成在基板2上。此外，固态摄像装置I包括布线部分40、钝化膜50、滤色器60和微透镜(micro lens)70。布线部分40隔着抗反射膜21形成在晶体管Tr上。钝化膜50形成在布线部分40上。微透镜70形成为对应于每个颜色的滤色器60。
[0031]形成于基板2中的光电转换器10是对应于每个像素形成的光接收区域并将穿过微透镜70和滤色器60的入射光转换为电信号。基板2上的晶体管Tr可以是不同的晶体管，诸如，读取光电转换器10中获得的电荷的读取晶体管、放大光电转换器10的输出的放大晶体管、选择光电转换器10的选择晶体管以及释放电荷的重置晶体管。
[0032]抗反射膜21形成在晶体管Tr上，由多层结构中的多条布线41构成的布线部分40隔着绝缘部分30形成于抗反射膜上。布线部分40的布线41被嵌入绝缘部分30中并隔着层之间的绝缘部分30形成多层结构。在布线部分40中，布线41没有设置在光电转换器10上方，所以穿过微透镜70和滤色器60的入射光传输穿过绝缘部分30并到达光电转换器10。
[0033]在布线部分40上方，用于每个预定区域的R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的滤色器60以预定的布置顺序形成。此外，微透镜70形成以对应于每个滤色器。在此实施例中，一个光接收区域的开口被设定为1.4 μ m2。
[0034]在此实施例的固态摄像装置I中，由于布线部分40的布线41被嵌入绝缘部分30中，所以绝缘部分30使用折射率大于硅氧化物的材料。
[0035]这里，除了对应于其中设置有布线部分40的层的部分之外，其中嵌入布线41的绝缘部分30还包括对应于布线41之间的夹层的部分。也就是说，在此实施例中，构成布线部分40的多个布线41的整体嵌入到绝缘部分30中。
[0036]折射率大于硅氧化物且被用作绝缘部分30的材料的实例包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽。
[0037]这里，氮化硅在可见光范围内具有约2.0至2.2的折射率，并能够容易地在常规半导体制造设备中形成。此外，氮氧化硅在可见光范围内具有约1.7至1.8的折射率，并能够容易地在常规半导体制造设备中形成。此外，氧化铪具有约2.0的折射率并且具有比氮化硅小的光吸收。另外，氧化钽在可见光范围内具有约2.0的折射率并且具有比氮化硅小的光吸收。
[0038](束腰)
[0039]图2Α和2Β为示出穿过固态摄像装置的光的束腰的比较实例的图。图2Α示出硅氧化物被用作其中嵌入布线的绝缘部分的情况(在现有技术中的实例)。图2Β示出氮化硅被用作其中嵌入布线的绝缘部分的情况(本实施例)。在图2Α和2Β中，附图的垂直方向对应于绝缘部分的深度方向，附图的横向方向对应于绝缘部分的宽度方向。
[0040]如附图所示，在氮化硅用作绝缘部分的情况下(图2Β)传输的光的束腰直径小于硅氧化物用作绝缘部分的情况(图2Α)。因此，在本实施例中氮化硅用作绝缘部分的情况下(图2Β)，所收集的光能够被有效地传输到设置在绝缘部分下方的光电转换器。此外，在使用氮化硅的本实施例的情况中焦深(focal depth)大于使用硅氧化物的现有技术的情况。
[0041](灵敏度比较)
[0042]图3为示出第一实施例中固态摄像装置对应于RGB颜色的灵敏度的比较实例的图。图3示出了氮化硅用作绝缘部分的情况(本实施例)下RGB颜色的灵敏度相对于硅氧化物用作绝缘部分的情况(现有技术的实例)下RGB颜色的灵敏度的相对值，其中将现有技术中的灵敏度设定为100。
[0043]在氮化硅用作绝缘部分的本实施例中，与硅氧化物用作绝缘部分的现有技术中的实例相比较，B(蓝色)像素、G(绿色)像素和R(红色)像素的灵敏度分别增长了约12%、15%和18%。这是因为，如图2A和2B所示，与硅氧化物用作绝缘部分的情况相比较，在氮化硅用作绝缘部分的情况下束腰变得更细且焦深变得更大，对于RGB的每个颜色(波长)，在绝缘部分中的光传输效率增大，这使得灵敏度提高。
[0044]<2.第二实施例>
[0045](结构)
[0046]图4为示出根据第二实施例的固态摄像装置的示意截面图。固态摄像装置I包括光电转换器10和晶体管Tr。光电转换器10形成在由诸如娃的半导体形成的基板2中。晶体管Tr形成在基板2上。此外，固态摄像装置I包括布线部分40、钝化膜50、滤色器60和微透镜70。布线部分40隔着抗反射膜21形成在晶体管Tr上。钝化膜50形成在布线部分40上。微透镜70形成以对应于滤色器60的每个颜色。
[0047]形成在基板2中的光电转换器10是光接收区域并将穿过微透镜70和滤色器60的入射光转换为电信号，该光接收区域形成为对应于每个像素。形成在基板2上的晶体管Tr可以是不同的晶体管，诸如，读取光电转换器10中获得的电荷的读取晶体管、放大光电转换器10的输出的放大晶体管、选择光电转换器10的选择晶体管以及释放电荷的重置晶体管。
[0048]抗反射膜21形成在晶体管Tr上，由多层结构中的多条布线41构成的布线部分40形成在抗反射膜21上。布线部分40的布线41被嵌入由硅氧化物形成的布线绝缘部分42中并隔着层之间的布线绝缘部分42形成多层结构。在光电转换器10上方的布线绝缘部分42中的区域的一部分中，提供了折射率大于硅氧化物的绝缘部分30。
[0049]从布线部分40的上区域的位置到最低层中的布线41的位置，绝缘部分30嵌入布线绝缘部分42中。利用此结构，绝缘部分30起光波导作用。也就是说，穿过微透镜70和滤色器60的入射光沿着绝缘部分30传输并达到光电转换器10。
[0050]折射率大于硅氧化物且被用作绝缘部分30的材料的实例包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽。这些材料的特性与第一实施例中的相同。
[0051]如上所述，通过使用硅氧化物作为设置在布线41之间和层之间的布线绝缘部分42，与使用氮化硅的情况相比，布线41之间的寄生电容能减少。除此之外，由折射率大于硅氧化物膜的材料形成的绝缘部分30嵌入光传输路径中。因此，如图2B示出的比较实例，与使用硅氧化物的情况相比，束腰直径减小，焦深增大，从而提高光电转换器10的光收集效率。
[0052](灵敏度比较)
[0053]图5为示出第二实施例中固态摄像装置的RGB颜色的灵敏度的比较实例的图。图5示出了氮化硅用作绝缘部分的情况(本实施例)下RGB颜色的灵敏度关于硅氧化物用作绝缘部分的情况(现有技术中的实例)下RGB颜色的灵敏度的相对值，该现有技术中的灵敏度被设定为100。此外，在此实例中，提供了分别在布线的横向方向和向上方向上的200nmX200nm的娃氧化物。
[0054]在氮化硅用作绝缘部分的实施例中，与硅氧化物用作绝缘部分的现有技术中的实例相比较，B(蓝色)像素、G(绿色)像素和R(红色)像素的灵敏度分别增长了约12%、14%和18%。此结果显示了能够获得与第一实施例中固态摄像装置的灵敏度相似的灵敏度。
[0055]〈3.固态摄像装置的制造方法〉
[0056]图6A至6C和7A至7C为顺序示出根据实施例的固态摄像装置的制造方法的示意截面图。在图6A至6C和7A至7C所示的固态摄像装置的制造方法中，根据第二实施例的固态摄像装置的结构被用作实例。
[0057]首先，如图6A所示，在由硅或类似物制成的基板2的表面上，通过执行P型离子注入来形成元件隔离部分20，该元件隔离部分20隔离对应于每个颜色的光电转换器10。通过执行N型和P型杂质的离子注入，在元件隔离部分20之间形成对应于每个颜色的光电转换器10。
[0058]在形成光电转换器10之后，用于像素驱动等的晶体管Tr形成在基板2上，抗反射膜21形成在晶体管Tr的整个表面上。此外，嵌入布线绝缘部分42中的布线41形成在抗反射膜21上。在此情况下，在其中布线41嵌入布线绝缘部分42中的结构被称为布线层。为了形成布线层，可以使用下面的方法:用作布线绝缘部分42的硅氧化物膜形成在整个表面上，对应于布线41的部分通过光刻被去除，布线材料嵌入被去除的部分中。同样，可以使用下面的方法:布线41被预先图案化，布线41被埋入用作布线绝缘部分42的硅氧化物中以使得表面平坦。
[0059]在这两种方法中，布线层形成之后，光敏材料(抗蚀剂)R被施加到布线绝缘部分42上，执行光刻，由此在对应于光电转换器10的位置形成开口。
[0060]接着，如图6B所示，通过使用被开口的光敏材料R作为掩模来蚀刻布线绝缘部分42。结果，对应于光敏材料R的开口部分的布线绝缘部分42被蚀刻。此后，光敏材料R被去除。
[0061]然后，如图6C所示，绝缘部分30嵌入布线绝缘部分42的蚀刻部分中。绝缘部分30使用折射率大于硅氧化物的材料,也就是说,使用氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽中的任一种。
[0062]此后，嵌入布线层的绝缘部分30用作光波导的一部分。在绝缘部分30被嵌入之后，通过例如CMP(化学机械抛光)来平坦化表面。在图6A至6C所示的工艺中，作为布线41和布线绝缘部分42的形成、布线绝缘部分的蚀刻、绝缘部分的嵌入以及平坦操作的结果，形成了设置有波导的一个布线层。
[0063]结果，重复多次执行形成设置有波导的一个布线层。也就是说，如图7A所示，布线绝缘部分42形成在具有波导的一个布线层上，形成布线部分41和凹入部分。凹入部分通过蚀刻来形成。接着，如图7B所示，绝缘部分30被嵌入凹入部分中从而通过CMP或类似方法使得表面平坦。
[0064]通过以层叠的方式重复执行形成具有波导的布线层，形成如图7C所示的多个层中设置有布线41的布线部分40。在布线部分40上形成与绝缘部分30相同的材料。利用此结构，从布线部分40的上表面位置到布线部分40的最下层中的布线位置，绝缘部分30连续形成在布线绝缘部分42中且绝缘部分30被嵌入到布线绝缘部分42中，由此起到光波导的作用。
[0065]此后，钝化膜50 (见图4)形成在绝缘部分30上，滤色器60 (见图4)形成以对应于每个光电转换器10，以及形成微透镜70(见图4)。结果，完成了如图4所示的根据第二实施例的固态摄像装置I。
[0066]根据上文所述的制造方法，设置在光电转换器10上方的绝缘部分30形成为光波导。即使在设置有布线部分40的布线41的大量层的情况下，光波导结构能通过层叠具有波导的布线层来形成，在该光波导结构中一种材料被用作绝缘部分30。
[0067]应当注意的是，在形成具有波导的布线层时，如果用作光波导的部分的绝缘部分30形成为具有梯形横截面(其中下底短于上底)，并且使绝缘部分30的长度与上层和下层相适应，由绝缘部分30形成的光波导能形成向下渐缩的形状。
[0068]<4.电子设备>
[0069]图8是示出根据上述实施例作为电子设备的实例的摄像装置的结构实例的方框图。如图8所示，摄像装置90包括光学系统，该光学系统具有透镜组91、固态摄像装置92、DSP电路93、帧存储器94、显示装置95、记录装置96、操作系统97和电源系统98，其中DSP电路93是照相机信号处理电路。在这些部件中，DSP电路93、帧存储器94、显示装置95、记录装置96、操作系统97和电源系统98通过总线99而相互连接。
[0070]透镜组91从对象处收集入射光(图像光)并在固态摄像装置92的成像表面上形成图像。固态摄像装置92将入射光的光量转换为电信号用于每个像素并且输出该信号作为像素信号，其中通过透镜组91该入射光在成像表面上成像。根据上述实施例的固态摄像装置的结构被用作固态摄像装置92。
[0071]显示装置95由诸如液晶显示装置和有机EL(电致发光)显示装置的平板型显示装置形成并且显示由固态摄像装置92获得的移动图像或静态图像。记录装置96将由固态摄像装置92获得的移动图像或静态图像记录到诸如非易失性存储器、录像带和DVD(数字通用盘)的记录介质上。
[0072]操作系统97在使用者的控制下给出操作命令用于摄像装置的不同功能。电源系统98适当地将不同电源作为操作源提供给DSP电路93、帧存储器94、显示装置95、记录装置96和操作系统97。
[0073]如上所述的摄像装置90被应用于移动装置(诸如，摄像机、数字静态照相机和照相便携式电话)的相机模块。通过使用根据上述实施例的固态摄像装置作为固态摄像装置92，能够提供具有优良灵敏度的摄像装置。
[0074]本申请包含涉及2009年I月29日向日本专利局提交的日本专利申请JP2009-017469中公开的主题，将其全部内容引用结合于此。
[0075]本领域的一般技术人员可以理解根据在权利要求或其等价特征的范围内的设计要求和其他因素，可以发生各种修改、组合、部分组合和替换。
【权利要求】
1.一种固态摄像装置，包括: 光电转换器，形成在基板上； 布线部分，形成在所述光电转换器上方并由多层布线构成； 硅氧化物，所述布线部分的所述多层布线嵌入所述硅氧化物中；以及绝缘部分，在所述光电转换器的上方，从所述布线部分上方的位置到最下层布线的位置嵌入所述硅氧化物中，所述绝缘部分的折射率大于所述硅氧化物的折射率。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中所述绝缘部分由选自由氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽组成的组的材料制成。
3.—种电子设备,包括: 固态摄像装置，输出相应于所接收的光量的电信号；以及 信号处理装置，处理从所述固态摄像装置输出的所述电信号， 其中所述固态摄像装置包括: 光电转换器，形成在基板上； 布线部分，形成在所述光电转换器上方并由多层布线构成； 硅氧化物，所述布线部分的所述多层布线嵌入所述硅氧化物中；以及绝缘部分，在所述光电转换器上方，从所述布线部分上方的位置到最下层布线的位置嵌入所述硅氧化物中，所述绝缘部分的折射率大于所述硅氧化物的折射率。
4.一种固态摄像装置的制造方法，包括: 在基板上形成光电转换器； 在所述基板上形成驱动元件，在所述驱动元件上形成绝缘膜，以及平坦化形成的表面； 通过以下步骤形成具有波导部分的布线层:在所述绝缘膜上形成嵌入层间绝缘膜中的布线，形成设置在所述层间绝缘膜的所述光电转换器上方的部分中的凹入部分，以及形成通过在所述凹入部分中嵌入折射率大于硅氧化物的折射率的材料而形成的所述波导部分；以及 重复执行所述具有波导部分的布线层的形成，从而通过形成所述多层布线和连接多个波导部分来形成光波导。
5.根据权利要求4所述的固态摄像装置的制造方法，其中嵌入所述凹入部分的所述材料选自由氮化硅、氮氧化硅、氧化铪和氧化钽组成的组。
【文档编号】H01L27/146GK103985726SQ201410260947
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2010年1月29日 优先权日:2009年1月29日
【发明者】菊地晃司 申请人:索尼公司