本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，用于檢測(cè)α射線、β射線等的帶電粒子，以及包括x射線、γ射線、紫外線和紅外線在內(nèi)的光(以下簡(jiǎn)稱帶電粒子和光)。

背景技術(shù)：

1、在半導(dǎo)體圖像傳感器裝置中，通常在同一半導(dǎo)體襯底上形成有用于檢測(cè)帶電粒子和光的光電二極管和晶體管元件。

2、作為這種半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，通常已知使用了soi(絕緣體上硅(silicon?oninsulator))的裝置，soi是將所謂的被稱為box(掩埋氧化物(buried?oxide))的氧化膜等的絕緣層埋入硅襯底中。

3、圖4是表示使用soi層的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置的基本結(jié)構(gòu)的截面圖。

4、用于檢測(cè)帶電粒子和光的光電二極管形成于第一硅襯底401中，包括用于放大和處理檢出的信號(hào)的晶體管元件的處理電路形成于由埋入氧化膜層403分離的第二硅層402。

5、通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠使對(duì)于光電二極管的單位像素的填充因子足夠大，并且能夠在作為像素單位的像素內(nèi)配置一定程度規(guī)模的電路。

6、光電二極管能夠通過如下作為pn結(jié)二極管而實(shí)現(xiàn)：當(dāng)?shù)谝还枰r底401的導(dǎo)電類型例如為p型時(shí)，對(duì)于形成于該第一硅襯底401的埋入氧化膜層403的下表面的擴(kuò)散層404離子注入希望劑量的磷而使其形成為n型。

7、此外，附圖標(biāo)記405表示形成于第二硅層402的晶體管元件的柵極，附圖標(biāo)記406表示層間絕緣膜，附圖標(biāo)記407表示金屬布線。

8、這里，當(dāng)施加反向偏壓以在擴(kuò)散層404和第一硅襯底401之間形成用于檢測(cè)帶電粒子和光的耗盡層時(shí)，如圖中虛線所示，耗盡層在第一硅襯底401及擴(kuò)散層404內(nèi)擴(kuò)展。在埋入氧化膜層403和第一硅襯底401的界面沿著其延伸。由于界面存在界面能級(jí)，漏電流經(jīng)由該界面能級(jí)而流動(dòng)，這成為暗時(shí)的電流(暗電流)而使傳感器特性劣化。此外，為了提高帶電粒子和光的檢測(cè)靈敏度，對(duì)第一硅襯底401施加高電壓。在這種情況下，第一硅襯底401成為形成于第二硅層402的晶體管元件的背柵，因此，晶體管元件的特性會(huì)由于所施加的電壓而變化，發(fā)生由晶體管元件構(gòu)成的處理電路的錯(cuò)誤動(dòng)作。

9、因此，在半導(dǎo)體圖像傳感器裝置的構(gòu)造中，(1)不僅要盡可能地防止耗盡層沿著第一硅襯底401和埋入氧化膜層403的界面延伸，(2)而且需要在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)以抑制形成于第二硅層402的晶體管元件的背柵效應(yīng)。

10、另外，(3)為了提高傳感器靈敏度，希望使檢測(cè)用的光電二極管的pn結(jié)表面完全耗盡而使用，因此也需要在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)。

11、作為進(jìn)行了上述結(jié)構(gòu)方面改進(jìn)的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，已知有下述的專利文獻(xiàn)1～3。

12、圖5為專利文獻(xiàn)1中記載的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)圖，其中光電二極管和晶體管元件經(jīng)由絕緣膜而形成于同一半導(dǎo)體襯底。在該半導(dǎo)體裝置(100)中，由與光電二極管(30)即pn結(jié)的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(182)的導(dǎo)電類型相反的、由雜質(zhì)形成的掩埋阱(14)形成于晶體管電路(40)的下部，固定作為背柵的區(qū)域的電位并抑制背柵效應(yīng)。并且，以耗盡層不沿著界面延伸的方式，使掩埋阱(14)接近光電二極管(30)。

13、但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，由于掩埋阱(14)與感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(182)相連接，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(182)的寄生電容增加，光電二極管(30)的靈敏度下降。

14、圖6為專利文獻(xiàn)2中記載的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)圖。

15、在該半導(dǎo)體裝置中，固定形成于晶體管電路(40)下部的、作為背柵的第一掩埋阱(114)的電位而抑制了背柵效應(yīng)。

16、并且，包含該第一掩埋阱(114)的區(qū)域被導(dǎo)電類型與襯底(11)相反的第二掩埋阱(116、118、119)包圍和分離。

17、從而，增大了第二掩埋阱(116、118、119)和第一掩埋阱(114)之間的耗盡層寬度，從而減小了寄生電容。

18、然而，在這種結(jié)構(gòu)中，由于光電二極管(30)的耗盡層以沿著界面(151)延伸的方式形成，因此暗電流不會(huì)減少，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(232)和第二掩埋阱(116、118、119)的導(dǎo)電類型相同，因此，光電二極管(30)中的光電效應(yīng)所產(chǎn)生的載流子不僅會(huì)被感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(232)吸收，也會(huì)被第二掩埋阱(116、118、119)吸收。因此，存在靈敏度下降的缺點(diǎn)。

19、圖7為專利文獻(xiàn)3中記載的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)圖。

20、在該半導(dǎo)體裝置(11)中，具備：p型電極(24)，其設(shè)置于與對(duì)應(yīng)于元件區(qū)域的第一區(qū)域不同的第二區(qū)域，所述元件區(qū)域形成于支撐襯底(14)，所述支撐襯底(14)與第二表面相接，所述第二表面與相接于soi襯底(22)的box層(20)的第一表面相對(duì)；p型空穴堆積層(18)，其設(shè)置于如下區(qū)域：形成于與box層(20)的第二表面相接的支撐襯底(14)的部分區(qū)域，至少包含第一區(qū)域及覆蓋電極(24)的區(qū)域，其電位被中性化；n型檢測(cè)電極(30)，其形成于與box層(20)的第二表面相接的支撐襯底(14)；n型勢(shì)壘層(16)，其設(shè)置于如下位置：設(shè)置有形成于與box層(20)的第二表面相接的支撐襯底(14)的電極(24)、空穴堆積層(18)以及檢測(cè)電極(30)的部分的box層(20)的第二表面和支撐襯底(14)之間，形成勢(shì)壘。

21、該結(jié)構(gòu)中，在界面延伸的耗盡層被最小限度地抑制，形成于像素電路(50)之下的背柵也能夠通過作為掩埋阱的空穴堆積層(18)的電位固定。

22、然而，在該結(jié)構(gòu)中，電流容易從空穴堆積層(18)通過勢(shì)壘層(16)泄漏至支撐襯底(14)，為了防止這種情況，需要使勢(shì)壘層(16)的雜質(zhì)濃度足夠高。并且，由于勢(shì)壘層(16)和檢測(cè)電極(30)為相同的導(dǎo)電類型，因此相鄰像素間有可能發(fā)生泄漏。

23、此外，為了通過勢(shì)壘層(16)分離相鄰的像素，進(jìn)行如下操作：需要使空穴堆積層(18)與勢(shì)壘層(16)之間以及支撐襯底(14)與勢(shì)壘層(16)之間分別形成反向偏壓，通過形成于勢(shì)壘層(16)的耗盡層來(lái)使勢(shì)壘層(16)內(nèi)完全耗盡。

24、因此，存在施加至空穴堆積層(18)和支撐襯底(14)的反向偏壓受到限制的問題。

25、現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

26、專利文獻(xiàn)

27、專利文獻(xiàn)1：日本特開2013-69924號(hào)公報(bào)

28、專利文獻(xiàn)2：日本特開2014-130920號(hào)公報(bào)

29、專利文獻(xiàn)3：日本特開2019-106519號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明要解決的問題

2、本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種不會(huì)降低支撐襯底中形成的光電二極管的靈敏度的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，能夠抑制由界面能級(jí)引起的漏電流的產(chǎn)生，即使放寬施加電壓的限制，也能夠容易地使支撐襯底完全耗盡。

3、用于解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

4、圖1示出了本發(fā)明的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置。本發(fā)明的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，通過層疊soi層(110)和硅支撐襯底(101)而構(gòu)成，所述soi層(110)與絕緣層(107)的第一表面相接，形成構(gòu)成像素電路的mos晶體管元件(114)；所述硅支撐襯底(101)，與所述soi層(110)的與所述第一表面相對(duì)的第二表面相接，形成檢測(cè)帶電粒子和光的光電二極管，并且具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度，其特征在于，在與一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的區(qū)域(p)包括：

5、i：第一掩埋阱層(102-1)和第二掩埋阱層(102-2)，其在所述硅支撐襯底(101)的表面?zhèn)龋c所述絕緣層(107)的所述第二表面相接，所述第一掩埋阱層(102-1)在成為所述mos晶體管元件(114)的背柵的第一位置(a)具有第二導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度，所述第二掩埋阱層(102-2)在與所述第一位置(a)隔開且不與所述背柵相對(duì)的第二位置(b)具有第二導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度；

6、ii：第三掩埋阱層(103)，其與所述第一掩埋阱層(102-1)在第一方向和第二方向上隔開預(yù)定距離、且靠近所述第二掩埋阱層(102-2)，以從兩側(cè)包圍所述第一掩埋阱層(102-1)的方式形成，具有第一導(dǎo)電類型的第二雜質(zhì)濃度；

7、iii：第四掩埋阱層(104)，其在比所述第一掩埋阱層(102-1)更深的位置，以與所述第一掩埋阱層(102-1)和第三掩埋阱層(103)的底面相接的方式形成，具有第一導(dǎo)電類型的第三雜質(zhì)濃度；

8、iv：接觸用擴(kuò)散層(105)，其在所述第一掩埋阱層(102-1)和所述第二掩埋阱層(102-2)的期望的位置形成，具有第二導(dǎo)電類型的第二雜質(zhì)濃度，

9、v：在所述硅支撐襯底(101)的背面?zhèn)刃纬删哂械谝粚?dǎo)電類型的第四雜質(zhì)濃度的背面擴(kuò)散層(106)，

10、將使所述硅支撐襯底(101)完全耗盡所需的電勢(shì)(vbb)施加于所述第一掩埋阱層(102-1)的所述接觸用擴(kuò)散層(105)和所述背面擴(kuò)散層(106)之間，

11、所述第二掩埋阱層(102-2)的所述接觸用擴(kuò)散層(105)，用作將在所述硅支撐襯底(101)的耗盡層內(nèi)伴隨著檢測(cè)到帶電粒子和光時(shí)而產(chǎn)生的信號(hào)傳輸至所述mos晶體管元件(114)的構(gòu)件。

12、并且，本發(fā)明的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，其特征在于，所述第一導(dǎo)電類型為p型，所述硅支撐襯底(101)的第一雜質(zhì)濃度以摻雜濃度在1×1012cm-3～1×1014cm-3的范圍，所述第三掩埋阱層(103)的第二雜質(zhì)濃度為由離子注入能量110至150ev、劑量1×1012cm-2～5×1013cm-2的范圍確定的濃度，所述第四掩埋阱層(104)的第三雜質(zhì)濃度為由離子注入能量360至400ev、劑量1×1012cm-2～5×1013cm-2的范圍確定的濃度，所述背面擴(kuò)散層(106)的第四雜質(zhì)濃度為高于第三雜質(zhì)濃度的濃度，

13、所述第二導(dǎo)電類型為n型，所述第一掩埋阱層(102-1)和所述第二掩埋阱層(102-2)的第一雜質(zhì)濃度為由離子注入能量280至320ev、劑量0.5×1012cm-2～5×1013cm-2的范圍確定的濃度，所述接觸用擴(kuò)散層(105)的第二雜質(zhì)濃度為由能量10至50kev、劑量1×1015cm-2～1×1016cm-2的范圍確定的濃度。

14、進(jìn)一步，本發(fā)明的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，其特征在于，所述硅支撐襯底(101)的厚度為700～800μm，所述絕緣層(107)的厚度為10～200nm，所述soi層(110)的厚度為10～1000nm。

15、發(fā)明效果

16、根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，例如當(dāng)像素尺寸為20×20μm2時(shí)，與圖4所示的通常結(jié)構(gòu)相比，耗盡層與硅支撐襯底101和絕緣層107的界面相接的面積為7％左右，暗電流也可以降低至7％左右。此外，通過光電二極管在形成于硅支撐襯底101中的耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子能夠全部被作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的第二掩埋阱層102-2回收，從而能夠成為高靈敏度的傳感器。此外，抑制表面耗盡層形成的第二掩埋阱層102-2還能夠用作能夠抑制mos晶體管元件114的背柵效應(yīng)的電極，從而確保穩(wěn)定的操作。在結(jié)構(gòu)上，形成有光電二極管的硅支撐襯底101內(nèi)實(shí)質(zhì)上僅形成兩種掩埋阱層，追加工序減少、制造成本降低。

17、因此，能夠?qū)崿F(xiàn)一種不會(huì)降低支撐襯底中形成的光電二極管的靈敏度的半導(dǎo)體圖像傳感器裝置，能夠抑制由界面能級(jí)引起的漏電流的產(chǎn)生，即使放寬施加電壓的限制，也能夠容易地使支撐襯底完全耗盡。