[发明专利]背面照明成像器件及其制造方法、半导体基片和成像设备

说明书

本申请系基于并要求分别在2006年9月20日、2006年10月16日、2007年10月19日、2007年4月17日、2007年4月26日、和2007年5月8日提交的日本专利申请2006-254041、2006-281544、2006-285194、2007-108264、2007-117051、和2007-123376的优先权，其全部公开内容通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及一种背面照明成像器件，其通过从半导体基片的背面照射光以基于所述光而在半导体基片中产生电荷、并且从所述半导体基片的正面读取电荷来进行成像。

背景技术

通用固态成像器件的成像部分被构造为将多个包含光电二极管的微小光电转换单元布置在一个或两个维度上。由于可以通过在有限大小的器件内布置较多数量的光电转换单元来捕获高分辨率的图像，因而期望使光电转换单元微型化。微型化的极限由检测目标的光波长决定，并且在通用可见光图像传感器的情况下由可见光区域的波长(400-700nm)决定。

在通用(正面照明类型)图像传感器的情况下，每个单元的光电转换部分都形成在布置有电极等的布线层之下。布线层的布线部分干扰入射到每个光电转换部分的光的传播。为此提供有多种器件。例如，当每个单元的区域约为2×2(μm)时，在绝大多数情况下光接收部分的有效开口区域是1×1(μm)。已经发现敏感度大体上根据单元的微型化而突然降低。

于是考虑背面照明成像器件。也即，在与半导体基片的正面表面相对的背面中提供有光接收部分，其中形成有电极等的布线层。在每个单元的光电转换部分中基于从背面入射的光而产生信号电荷。由于每个单元的光接收部分的开口区域不受布线层的影响，因此可以实现相对较大的开口区域，并且即使在光电转换单元已经微型化时也能防止敏感度降低。

图38是隔行类型的CCD型固态成像器件最常见结构的示意剖视图。

如图38所示，包含p型杂质的p型半导体102被形成在n型硅基片101的较深部分。在n型硅基片101的表面部分中，形成有用于累积电荷的包含n型杂质的n型半导体层104和用于防止表面暗电流的包含高浓度p型杂质的p型半导体层105。产生在从硅基片101的表面至p型半导体102的表面的区域(即用于产生有助于成像的电荷的光电转换区域)内的电荷累积在n型半导体层104内。在硅基片101中形成有用于分离相邻光电转换区域的元件分离层103。

在图39中示出沿图38的线A-A所取的电势曲线图。光电转换区域的耗尽层厚度约为2μm。产生于硅基片101的较深处的电荷不被转移至n型半导体层104，并对成像没有帮助。图40示出光电转换区域的耗尽层厚度与光电转换区域的光学吸收率之间的关系。硅的光学吸收率系数取决于图41中所示的波长。如果光的波长较长，则光向上透射至硅基片101的较深部分。

举例来说，在考虑波长为550nm的绿光时，2μm厚的耗尽层仅吸收75％的光，而5μm厚的耗尽层吸收97％的光。从图40所示的特性中，可以看到优选的是在光电转换区域中形成5μm或更厚的耗尽层以实现高敏感度。

背面照明成像器件通过从半导体基片的背面照射光、累积基于光照而产生于半导体基片中的电荷、并且使用电荷耦合器件(CCD)或者互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路等向外输出基于所累积电荷的信号来进行成像。此器件是用于照明并使用来自图38中硅基片101背面的光的固态成像器件。

众所周知此背面照明成像器件能够实现高光电转换效率。于是，如果该背面照明成像器件中的耗尽层具有10μm或更大的厚度，则能够实现具有很高敏感度的器件。然而，应当从光入射到的硅基片的背面到形成在该硅基片表面上的电荷累积层之间形成连续的电势梯度，以确保实现不同光电转换区域之间的信号电荷分离。换句话说，产生在每个光电转换区域的硅基片背面附近的电荷应当能够准确地转移至光电转换区域内的电荷累积层。

在一般的嵌入式光电二极管中，耗尽电压为3-4V。当把提供在背面照明成像器件的硅基片背面的用于减小暗电流的p型半导体层的电势设为0V时，电势差仅为3-4V。很难在连续电势梯度中形成具有10μm的厚度的耗尽层。

提出有一种能够通过堆叠多个n型半导体层来形成连续电势梯度的技术，其中通过逐渐改变p型半导体层102和n型半导体层104之间的硅基片101的杂质浓度来形成所述多个n型半导体层，如图38所示(见JP-A-2006-134915)。