专利名称：固态摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MOS固态摄像装置。
背景技术：
传统上，作为固态摄像装置，CCD(电荷耦合装置)固态摄像装置和MOS固态摄像装置已经是公知的。CCD固态摄像装置的优点是因为高灵敏度和低的暗输出(dark output)而获得高信噪比。由于该优点，CCD固态摄像装置在传统上主导了照相机市场。然而，CCD固态摄像装置的缺点是由于其结构在读取图像信号时需要很长时间，在这种结构中积聚在像素图像检测部分中的信号电荷借助于垂直CCD和水平CCD以有序方式转移到最终输出部分，之后转换成电信号。
图8A和图8B示出传统MOS固态摄像装置的实施例。图8A是像素部分的顶视图，图8B是沿着线A-B的像素部分的横截面图。在P-型硅基底的半导体基底101中，像素部分包括N-型图像检测部分102、P++型表面层103、N+型漏极区104、隔离区105和N-型LDD(轻掺杂漏极)部分108。在半导体基底101的表面上，形成了为二氧化硅膜的绝缘薄膜106。在绝缘薄膜106上，形成了栅电极107、二氧化硅侧壁109、层间电介质薄膜111和光屏蔽薄膜112等。传输晶体管包括图像检测部分102的一部分、半导体基底101的一部分、漏极区104和栅电极107。尽管未示出，但是在光屏蔽薄膜112上形成了层间电介质薄膜、滤色镜和微透镜等。一旦向栅电极107施加预先确定的电压，积聚在图像检测部分102中的电荷就会通过存在于半导体基底101表面上的通道并转移至漏极区104。
图9示出了像素部分中电路的实施例。传输晶体管的漏极区104连接到读出电路上，如放大晶体管118和复位晶体管119。在垂直信号线VSL上，依照从图像检测部分102转移至漏极区104的电荷数量的信号出现并被读取到最终输出部分。因为MOS固态摄像装置不包括电荷转移部分，如垂直CCD和水平CCD)，所以MOS固态摄像装置的优点是MOS固态摄像装置读取图像需要的时间比包括电荷转移部分的CCD固态摄像装置需要的更短。
然而，对于传统MOS固态摄像装置的制造，因为会使用CMOS逻辑过程而没有任何修改，所以没有采取用来改善灵敏度并降低暗输出的适当措施，所以导致低的信噪比。相应地，制造MOS固态摄像装置中存在的挑战在于改进信噪比。
作为改进信噪比的技术，如图10中的固态摄像装置中所示，已经提供了抗反射薄膜110以覆盖图像检测部分102整个表面(如参考日本公开专利No.10-256610)。已经考虑到提供抗反射薄膜110会允许降低图像检测部分102表面上的反射，这是由于绝缘薄膜106和半导体基底101中不同的折射率造成的，并借此获得高信噪比。
然而，实际上，已经发现即使通过在图像检测部分102的整个表面上提供抗反射薄膜110来增加接收的光数量，也不会获得理想的信噪比。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够获得高信噪比的MOS固态摄像装置。
固态摄像装置包括布置在半导体基底上的多个像素，每个像素各自包括用于根据接收光量积聚电荷的图像检测部分；多个抗反射薄膜，每个抗反射薄膜的面积都比图像检测部分表面积小并形成在各图像检测部分上；以及具有多个开口的层间电介质薄膜，每个开口的面积等于或大于图像检测部分的表面积的面积，所述开口形成在抗反射薄膜上方。
固态摄像装置进一步包括用于将像素彼此隔离的隔离区，其中隔离区和抗反射薄膜之间的间隙等于或大于0.2μm。
固态摄像装置进一步包括多个传输晶体管，每个传输晶体管都邻近图像检测部分，其中传输晶体管的栅电极和抗反射薄膜之间的间隙等于或大于0.2μm。
在MOS固态摄像装置中，抗反射薄膜的面积等于或大于图像检测部分表面积的70％。
在根据本发明的固态摄像装置中，抗反射薄膜并不形成在图像检测部分和栅电极之间的边界周围，也不形成在图像检测部分和元件隔离区之间的边界周围，且面积小于图像检测部分的表面积。尽管以上述方式形成抗反射薄膜，半导体基底的表面缺陷的数目增加能得到抑制，还能借此抑制暗输出的增加。
通常，微透镜提供在图像检测区域的上方，由聚光透镜收集的光以定点(pinpointed)方式聚集到图像检测区域中。因此，与在图像检测区域整个表面上提供抗反射薄膜的情况相比，仅在由微透镜收集的光进入的位置上提供抗反射薄膜能阻止接收光数量的降低。因此，根据本发明的固态摄像装置能获得高灵敏度、低的暗输出和高信噪比。
另外，如果抗反射薄膜的面积等于或大于图像检测区域表面积的70％，在固态摄像装置用于带有可互换镜头的照相机时可能发生的像素灵敏度的波动能得到抑制，从而实现了高的图像质量。
通过如下对本发明的详细说明和附图，本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点将会更加显而易见。
图1A是依照本发明的一个实施方式的固态摄像装置的顶视图；图1B是沿着图1A中线A-B的横截面图；图2是示出抗反射薄膜和元件隔离区之间的间隙S1的距离与暗输出的关系图；图3是示出抗反射薄膜和栅电极之间的间隙S2的距离与暗输出的关系图；图4是依据像素位置通过照相机镜头的光的入射角度差的图；图5是固态摄像装置芯片的顶视图；图6是依据照相机镜头、进入角落像素的光的入射角差的图；图7示出了图像检测部分面积与抗反射薄膜面积的比例和中心位置上像素灵敏度与在外围内部及离中心最远位置上的像素灵敏度的比例之间的关系；图8A是传统固态摄像装置传统顶视图；图8B是沿着图8A所示传统固态摄像装置的线A-B的横截面图；图9是像素部分电路的实施例的图；图10是另一种传统固态摄像装置的剖视图。
具体实施例方式
(第一实施方式)图1A和图1B示出了根据本发明第一实施方式的MOS固态摄像装置中像素部分的顶视图和沿着图1A中线A-B的横截面图。在P-型硅基底的半导体基底1中，像素部分包括N-—型图像检测部分2、P++—型表面层3、N+型漏极区4、隔离区5和N—型LDD(轻掺杂漏极)部分8。在半导体基底1的表面上形成了为二氧化硅薄膜的绝缘薄膜6。在绝缘薄膜6上，形成了抗反射薄膜10、栅电极7、二氧化硅侧壁9、层间电介质薄膜11、光屏蔽薄膜12等。抗反射薄膜10的面积小于图像检测部分2的表面积。图1A中示出的粗线圈起的面积是光屏蔽薄膜12的开口。光屏蔽薄膜12的开口面积大于图像检测部分2的表面积。
在固态摄像装置中，传输晶体管包括图像检测部分2的一部分、半导体基底1的一部分、漏极区4和栅电极7。一旦向栅电极107施加预先确定的电压，积聚在图像检测部分2中的电荷就会通过存在于半导体基底1表面上的通道并转移至漏极区4。在漏极区4中，转移的电荷得到临时积聚。尽管未示出，但是在光屏蔽薄膜12上形成了层间电介质薄膜、滤色镜和微透镜等。
除了包括图像检测部分2的一部分、半导体基底1的一部分、漏极区4和栅电极7的传输晶体管以外，像素部分包括读出电路，如放大晶体管和复位晶体管(参见图9)。依照漏极区4所保持电荷数量的电压被施加到放大晶体管门上，放大晶体管向垂直信号线VSL输出信号，该信号以对应于施加到门中电压的量级的放大程度得到放大。出现在垂直信号线VSL上的信号被读取到最终输出部分，并向外输出。在放大晶体管中，其源电极通过负荷MOS晶体管和负荷电阻器连接到GND上，形成源随动电路。提供复位晶体管以便周期性地以给定间隔向电源释放由漏极区4保持的信号电荷。
这里将说明相应部分的杂质含量。形成图像检测部分2以实施光电转换，其杂质含量优选接近1015至1016cm-3。图像检测部分2的深度(N-型杂质的扩散深度)优选接近0.5至2.0μm。如图1B所示，提供具有形成在图像检测部分2表面上的浅P-型杂质层(表面层103)的内埋型光电二极管能够减少暗输出。然而，表面层3不是根据本发明的固态摄像装置中的主要部件。
允许与金属线欧姆连接的漏极区4的杂质含量优选等于或大于1020m-3。作为漏极区4的深度(N-型杂质的扩散深度)，大约为0.2至0.4μm是合适的。LLD部分8的杂质含量比漏极区4及其N-型杂质含量更低，例如1018至1019cm-3的杂质含量是合适的。
使用其折射率处于半导体基底1和绝缘薄膜6的折射率之间且可以是薄膜形式的抗反射薄膜10材料。如果半导体基底1是折射率大约为3.49的硅基底且绝缘薄膜6是折射率大约为1.46的二氧化硅薄膜，那么用于抗反射薄膜10的适当材料是二氧化硅、二氧化硅氮化物、氧化铈、氧化钛、氧化钽、氧化锆或上述材料的混合物。在这些材料中，特别地，包含氮化硅的材料是合适的。用于光屏蔽薄膜12的材料并不限于特定材料，只要该材料具有光屏蔽效应即可，通常使用铝、钨和硅化物。
抗反射薄膜10可以是单层结构或多层结构。在多层结构的情况下，所使用的上述材料中多种薄膜可以是薄片状或这些薄膜和二氧化硅薄膜可以是薄片状。因为能够抗反射的波长取决于材料和抗反射薄膜10的薄膜厚度而变化，所以，抗反射薄膜的薄膜厚度并不限于是均匀厚度。例如，如果绝缘薄膜6是二氧化硅薄膜且抗反射薄膜10是氮化硅薄膜，厚度为10至30nm的绝缘薄膜6和厚度为40至60nm的抗反射薄膜10就能够使波长为550nm的反射以最有效的方式得到抑制。
如上所述，根据本发明的固态摄像装置包括在图像检测部分2的抗反射薄膜10，其表面积小于图像检测部分2的面积。抗反射薄膜10形成在图像检测部分2的中心部分上，且不形成在图像检测部分2和其外围之间的边界上。
图2示出了暗输出和图1A和图1B中所示抗反射薄膜10和隔离区5之间的间隙S1(μm)的距离之间的关系。当间隙S1的距离等于或大于0.2μm时，暗输出能得到抑制，达到在抗反射薄膜10形成在隔离区5上时(参见图10)所得到的暗输出结果的5％或更低。从这些结果判断，优选间隙S1的距离为0.2μm或更大。
类似的，图3示出了暗输出和抗反射薄膜10与栅电极7之间的间隙S2(μm)的距离的关系。如果间隙S2的距离等于或大于0.2μm时，暗输出就能得到抑制，可以达到在抗反射薄膜10形成在栅电极7上时所得到的暗输出结果的5％或更低。从这些结果判断，优选间隙S2的距离为0.2μm或更大。
传统上，已经考虑到，在图像检测部分2的表面上形成抗反射薄膜10以覆盖图像检测部分的整个表面将能以最有效的方式抑制从开口13射入光线的反射(参见图10)。因此，已经提供了面积大于开口13的抗反射薄膜10。同时，已经考虑到提供上述抗反射薄膜10将增加接收光线的数量，并借此改进信噪比。
然而，本发明的发明人发现，如果形成抗反射薄膜10以覆盖图像检测部分2的整个表面，那么通过形成抗反射薄膜10产生的应力增加了半导体基底1上图像检测部分2和隔离区5之间边界周围和图像检测部分2和栅电极7之间边界周围的表面缺陷，借此增加暗输出。特别是，如果表面缺陷增加，则表面缺陷中的自由电荷作为暗电荷(dark electrons)流入图像检测部分2中，导致暗输出的增加。
因此，在根据本发明的固态摄像装置中，形成抗反射薄膜10，通过避免在图像检测部分2和栅电极10之间的边界周围面积和图像检测部分2和隔离区5之间的边界周围面积上形成抗反射薄膜，使得抗反射薄膜的面积比图像检测部分2更小。通过以上述方式形成的抗反射薄膜10可以防止表面缺陷数量的增加，并因此防止暗输出的增加。
通常，微透镜提供在图像检测部分2的上方，由微透镜收集的光线以定点方式射入图像检测部分中。因此，与在图像检测部分2整个表面上提供抗反射薄膜的情况相比，如果仅在由微透镜收集的光进入的位置上提供抗反射薄膜10，则接收光的数量不会降低。这样，就实现了具有高灵敏度、低的暗输出和高信噪比的固态摄像装置。
尽管在本实施方式中，半导体基底1是P-型基底，但是半导体基底1可以是N-型基底，其中N-型图像检测部分2和N-型漏极区4都包括在具有植入的P-型杂质的P-型阱区中。
根据本发明的固态摄像装置为其中具有传输晶体管的MOS固态摄像装置，并可以是包括在各像素部分的读出电路中的放大晶体管的主动型并可以是不包括放大晶体管的被动型。
(第二实施方式)下面将说明根据本发明第二实施方式的固态摄像装置，其包括具有适合于在带有可互换镜头的照相机中使用的尺寸的抗反射薄膜10。根据本实施方式的固态摄像装置与第一实施方式中描述的并在图1A和图1B中所示的固态摄像装置有相同的结构。第二实施方式的固态摄像装置与第一实施方式中固态摄像装置的不同之处是，其抗反射薄膜10的面积等于或大于图像检测部分2的表面积的70％。
图4图解了包括微透镜15a和15b及图像检测部分2a和2b的像素部分和照相机镜头20。在图4中，在以矩阵方式放置在图5中所示芯片的像素区域30中的像素部分中，在位置A和B的像素部分分别放置在围绕中心部分的位置上和离中心最远在外围内部中的位置上。提供有像素部分的外围电路(垂直扫描电路、水平扫描电路等)的外围电路区域40是图5中像素区域30周围的外围区域。如图4中粗线箭头所示，通过照相机镜头20射入各像素部分中的光入射角取决于像素部分放置的位置而变化。更特别地，当微透镜位置从中心部分向外围靠近时，入射角相对于微透镜中心轴线的倾斜角度增加。
在带有可互换的镜头的照相机中，可根据用途目的更换照相机镜头20。更换照相机镜头20的影响将会更加明显，特别地，在外围内部和离中心部分最远的像素中。图6示出了在图5所示的位置B中的像素部分。在图6中，粗实线示出了当第一照相机镜头装配到照相机主体上时射入微透镜15b中入射光的方向，虚线示出了当与第一照相机镜头不同的第二照相机镜头装配到照相机主体上时射入微透镜15b中的入射光的方向。
在图6中，通过第一照相机镜头的入射光由微透镜15b聚集到图像检测部分2的中心部分。因为在图像检测部分2表面的中心部分上提供抗反射薄膜10，所以，与不提供抗反射薄膜10的情况相比，如果使用第一照相机镜头，接收光的数量会增加。
另一方面，如果使用第二照相机镜头，通过第二照相机镜头的光聚集到沿着图像检测部分2和其外围之间边界的部分。如果不在沿着图像检测部分2和其外围之间的边界的部分上配设抗反射薄膜8，当使用第二照相机镜头时射入光的数量大体上与不提供抗反射薄膜10使用第二照相机镜头时射入的光相同，并且少于使用第一照相机镜头时的射入光。
对于通常镜头一可互换型单反照相机，可以使用各种照相机镜头。通常，入射角的基准角度设定在2°至8°的范围内。相对于基准角度射入离中心最远的角落像素的入射光角度取决于照相机镜头类型。入射光的角度最多可以增加5°并且最多可以降低5°。通常，在位置B处像素的接收光数量需要等于或大于在位置A处像素的接收光数量的90％。图7显示了探索用于抗反射薄膜10的尺寸的实验结果，其能满足要求。在图7中，纵轴表示离像素区域中心最远的角落像素(在位置B处的像素区域)与在中心部分周围的像素(在位置A处的像素区域)的灵敏度比。水平轴表示抗反射薄膜与图像检测部分2表面的面积比。在图7中，连续线示出了当射入到位置B上像素的入射光的角度是参考(基准)角度时，抗反射薄膜面积与图像检测部分表面积的比和在中心位置上像素灵敏度与在离中心最远的外围内部位置上像素灵敏度的比之间的关系。点线示出了当射入到位置B上像素的入射光的角度从参考角度增大了5°并从参考角度降低了5°时，抗反射薄膜面积与图像检测部分表面积的比和在中心位置上像素灵敏度与在离中心最远的外围内部位置上像素灵敏度的比之间的关系。
实验结果表明，当抗反射薄膜10的面积等于或大于图像检测部分2表面积的70％时，可以实现位置B处像素截面的灵敏度为位置A处像素截面的灵敏度的90％或更大。根据本实施方式的固态摄像装置满足了这种条件，因此抑制了像素灵敏度的波动并获得了高的画面质量。
根据本发明的固态摄像装置可用于需要在即使低光照强度下实现高信噪比和高图像质量的照相机，如高级单反数码照相机；可用于消费者和专业用途的数字照相机的固态摄像装置；并且可用于主要摄像高分辨率的移动图像、用于广播的固态摄像装置。
虽然本发明已经详细进行了说明，但是前述说明在所有方面仅仅是示意性的且并非是限制性的。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下可以有多种其它改进和变化。
权利要求
1.一种固态摄像装置，包括多个布置在半导体基底上的像素，每个像素均包括用来根据接收的光量积聚电荷的图像检测部分；多个抗反射薄膜，每个抗反射薄膜的面积都小于图像检测部分的表面积，并形成在每个图像检测部分上；以及具有多个开口的层间电介质薄膜，每个开口的面积等于或大于图像检测部分的表面积，所述开口形成在抗反射薄膜上方。
2.如权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于还包括用来将像素彼此隔离的隔离区，其中隔离区和抗反射薄膜之间的间隙等于或大于0.2μm。
3.如权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于还包括多个转换晶体管，每个转换晶体管邻近图像检测部分，其中转换晶体管的栅电极和抗反射薄膜之间的间隙等于或大于0.2μm。
4.如权利要求1所述的MOS固态摄像装置，其特征在于抗反射薄膜面积等于或大于图像检测部分表面积的70％。
全文摘要
本发明提供了一种具有高信噪比的MOS固态摄像装置。在形成于半导体基底内部的图像检测部分(2)的表面上，提供了其面积小于图像检测部分(2)表面积、具有涂覆于其间的绝缘薄膜(6)的抗反射薄膜(10)。抗反射薄膜(10)被形成为未覆盖图像检测部分(2)和外围区域之间的边界部分。每个抗反射薄膜(10)与栅电极(7)之间的间隙S1的距离和抗反射薄膜(10)与元件隔离区域(5)之间的间隙S2的距离优选等于或大于0.2μm。当抗反射薄膜(10)面积等于或大于图像检测部分(2)表面积的70％时，即使用于带有可互换镜头的照相机，也能抑制像素灵敏度的波动。
文档编号H04N5/365GK1855519SQ200610068289
公开日2006年11月1日 申请日期2006年3月27日 优先权日2005年3月28日
发明者稻垣诚, 井垣和明, 佐伯幸作 申请人:松下电器产业株式会社