專利名稱：固態(tài)成像裝置和像機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像裝置。特別是，本發(fā)明涉及一種其中多個像素設(shè)置成矩陣的固態(tài)成像裝置和使用該裝置的像機。
背景技術(shù)：
在如CCD和MOS圖像傳感器等固態(tài)成像裝置中，需要增加聚光率(light-condensing rate)以提高圖像質(zhì)量。為了增加聚光率，一般使用會聚透鏡。下面將參照附圖介紹固態(tài)成像裝置的一般結(jié)構(gòu)。
圖9是表示固態(tài)成像裝置中的像素和光敏區(qū)之間的位置關(guān)系的示意頂部平面圖，在該固態(tài)成像裝置中，多個像素設(shè)置成矩陣。
圖9所示的固態(tài)成像裝置包括半導體襯底1、像素2、和光光敏區(qū)3。作為半導體襯底1，一般使用p型硅襯底。在半導體襯底1上，多個像素設(shè)置成矩陣。應該指出的是這里所示的像素2是突出到半導體襯底1的主表面上的像素。作為突出到半導體襯底1上的像素2的中心的點m(下面將每個這樣的點稱為“像素的中心”)在縱向和水平方向以固定間隔設(shè)置。每個像素2包括將光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分(未示出)。在像素2的預定區(qū)域中形成用于使光電轉(zhuǎn)換部分接收入射光的光敏區(qū)3。相同形狀的光敏區(qū)3形成在每個像素2中，光敏區(qū)3的中心與像素2的中心m一致。因此，光敏區(qū)3的中心p也在縱向和水平方向以固定間隔設(shè)置。
以下參照

圖10和11更具體地說明像素2和光敏區(qū)3的結(jié)構(gòu)。圖10是固態(tài)成像裝置的頂部示意圖。圖11表示圖10中所示的固態(tài)成像裝置的沿著線A-B截取的剖面結(jié)構(gòu)。圖10和11所示固態(tài)成像裝置包括半導體襯底1、像素2、光敏區(qū)3、光電轉(zhuǎn)換部分4、漏區(qū)5、柵電極6、器件隔離區(qū)7、掃描電路部分8、光屏蔽膜22、濾色器9和會聚透鏡10。
每個像素2包括一部分半導體襯底1、光電轉(zhuǎn)換部分4(包括光電二極管)、漏區(qū)5、柵電極6、掃描電路部分8和器件隔離區(qū)7。光電轉(zhuǎn)換部分4、漏區(qū)5和器件隔離區(qū)7形成在半導體襯底1上。在半導體襯底1上的光電轉(zhuǎn)換部分4和漏區(qū)5之間形成柵電極6。在形成柵電極6的半導體襯底1的表面上，提供絕緣膜21。在絕緣膜21上形成光屏蔽膜22，該光屏蔽膜22留下光電轉(zhuǎn)換部分4內(nèi)的預定區(qū)域不覆蓋以便限定光敏區(qū)3。在光屏蔽膜22上形成濾色器9，在該濾色器9上可進一步設(shè)置會聚透鏡10。會聚透鏡10與每個像素2對應設(shè)置。因此，實現(xiàn)了其中一個像素構(gòu)成為一個單元(UNIT)的固態(tài)成像裝置。
對應一個像素2提供的每個會聚透鏡10設(shè)置成使得它的相應像素2在半導體襯底1的主表面內(nèi)占據(jù)的面積可以盡可能有效地利用，以便允許盡可能多的光被會聚在像素2上。即，會聚透鏡10如此設(shè)置，當從襯底主表面的正上方觀察時會聚透鏡10的中心與像素2的中心m一致。同樣，形成在每個像素2上的光敏區(qū)3如此設(shè)置，以便從襯底主表面的正上方觀看時像素2的中心m和光敏區(qū)3的中心p彼此一致，從而提高了聚光率。如果用這種方式構(gòu)成固態(tài)成像裝置，則像素2上的入射光11被會聚透鏡10聚焦，然后向像素2的中心m行進。結(jié)果是，入射光會聚在光敏區(qū)3的中心p，從而可以實現(xiàn)高聚光率。
近年來，隨著固態(tài)成像裝置的微型化，希望使像素小型化。為滿足這種需求，例如，如在日本特許公開專利公報No.8-316448中所述的那樣，有人建議允許相鄰的像素共享柵電極或漏區(qū)，以便可以實現(xiàn)像素的小型化。其細節(jié)將在下面關(guān)于其中每兩個像素構(gòu)成為一個單元(T)的示例固態(tài)成像裝置進行說明。
圖12是固態(tài)成像裝置的頂部示意圖，該固態(tài)成像裝置構(gòu)成為每兩個像素構(gòu)成像素的一個單元2a(CELL)。圖12所示的固態(tài)成像裝置與圖10所述的固態(tài)成像裝置相同，除了每兩個相鄰像素2共享漏區(qū)5a之外。通過這種方式，通過除去器件隔離區(qū)7可實現(xiàn)像素小型化，其中該器件隔離區(qū)7在圖10中位于漏區(qū)5和光電轉(zhuǎn)換部分4之間，并允許兩個像素2共享漏區(qū)5a。
然而，盡管實現(xiàn)了像素2的小型化，但是圖12所示的固態(tài)成像裝置存在的問題是相對于整個固態(tài)成像裝置的聚光率變低了。結(jié)果是，出現(xiàn)像差、色調(diào)發(fā)暗、感光度發(fā)暗、圖像感光度下降等問題。
下面將參照附圖進行詳細說明。
圖13是表示在半導體襯底1上在像素2和光敏區(qū)3之間的位置關(guān)系的頂部示意圖。由于兩個像素2在像素單元2a內(nèi)共享漏區(qū)5a，如上所述，當從襯底主表面正上方觀看時，像素2的中心m和每個像素2內(nèi)的光敏區(qū)3的中心p彼此偏離。因此，盡管在襯底上像素2的中心m以固定間隔設(shè)置，但是光敏區(qū)3的中心p不像像素2的中心m那樣以固定間隔設(shè)置，而是以不均勻的間隔設(shè)置。
圖14表示圖12所示的固態(tài)成像裝置的沿著線A-B截取的剖面結(jié)構(gòu)。如參照圖12所述的，當從襯底主表面的正上方觀看時像素2的中心m和其光敏區(qū)3的中心p彼此偏離。盡管像素2上的入射光11被會聚透鏡10會聚，然后朝向像素2的中心m行進，如上所述，但是入射光11不會會聚到光敏區(qū)3的中心p上。結(jié)果是，與圖11所示的固態(tài)成像裝置的情況相比，光敏區(qū)3的光接收靈敏度下降了?？梢韵氲皆O(shè)置每個會聚透鏡10使它的中心被調(diào)節(jié)到光敏區(qū)3的中心p，以便提高聚光率。然而，在這種情況下，如上所述，由于襯底上的光敏區(qū)3的中心p不以固定間隔設(shè)置，因此會聚透鏡10的結(jié)構(gòu)不可避免地變得復雜。而且，如果將每個會聚透鏡10的位置調(diào)整到光敏區(qū)3的中心p，則會聚透鏡10的尺寸將不得不變小。因此，像素2的整個區(qū)域不將被較小的會聚透鏡10覆蓋。因此，不能有效地利用像素2的整個區(qū)域。結(jié)果是將降低聚光率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)成像裝置，其中不僅實現(xiàn)了像素的小型化，而且實現(xiàn)了高聚光率、高圖像靈敏度和優(yōu)異的圖像質(zhì)量，同時減少色調(diào)發(fā)暗和感光度發(fā)暗。
本發(fā)明具有下列特征以實現(xiàn)上述目的。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置包括半導體襯底和多個像素，像素在半導體襯底上設(shè)置成兩維形式，其中，多個像素的每個具有形成在預定區(qū)域內(nèi)的用于接收入射光的光敏區(qū)，并包括用于將光敏區(qū)內(nèi)接收到的入射光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分；在多個像素的至少一些像素中，當從半導體襯底的主表面正上方觀看時，光敏區(qū)的中心偏離像素的中心；和多個像素的每個還包括光路改變部分，用于偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，使入射光射向光敏區(qū)的中心。
此外，多個像素可設(shè)置成矩陣，以便多個像素的中心以固定間隔設(shè)置，并且多個光敏區(qū)的中心偏離固定間隔，因此當從半導體襯底主表面的上方觀看時，多個光敏區(qū)的每個的中心偏離相應像素的中心。
優(yōu)選的是，入射光經(jīng)至少一個會聚透鏡射向像素區(qū)。會聚透鏡可以是處于循環(huán)排列的會聚透鏡，從而一個循環(huán)對應多個像素或者雙凸(柱面)透鏡，沿著矩陣的列方向截取的這種透鏡的垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。
多個光敏區(qū)可形成在由多個像素構(gòu)成的一個像素單元中。例如在入射光射到光敏區(qū)之前通過的層中形成根據(jù)本發(fā)明的光路改變部分，其中所述層由折射率高于該層的直接上層和直接下層的材料的折射率的材料形成。通過相對于光敏區(qū)的光接收表面具有傾斜度，光路改變部分可偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，使入射光射向光敏區(qū)的中心。具體而言，作為這種光路改變部分，可以使用透鏡形狀或棱鏡形狀的部件。在本發(fā)明中，“透鏡”指的是在入射側(cè)具有凸起表面或凹入表面的具有透鏡形狀的物體，而“棱鏡”指的是其入射表面在其至少一部分上相對于光接收表面具有傾斜度的形狀的物體?？墒褂枚鄠€透鏡狀或棱鏡狀光路改變部分。而且，透鏡狀光路改變部分和棱鏡狀光路改變部分的任何組合都可以使用。而且，可以使用具有通過將三棱鏡和凸透鏡連接在一起而獲得的形狀的光路改變部分，其中在連接時前者的傾斜面和后者的水平面彼此粘接在一起。
可提供光路改變部分以便每個光路改變部分對應一個像素。或者，光路改變部分可以是循環(huán)設(shè)置的，以便每個循環(huán)對應多個像素。而且，可以使用雙凸透鏡、棱鏡陣列或者這兩個的某些組合，其中沿著像素的矩陣的行方向截取的垂直橫截面或者沿著像素的矩陣的列方向截取的垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。
具體而言，根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置是如下固態(tài)成像裝置，其中在半導體襯底上、在矩陣中設(shè)置的多個像素的每個中形成的光敏區(qū)中接收入射光，并且輸出根據(jù)入射光強度的強度的電信號，該固態(tài)成像裝置包括多個會聚透鏡，用于偏轉(zhuǎn)入射光使入射光會聚在每個像素的中心上；和多個光路改變部分，每個對應一個像素設(shè)置，并且每個用于偏轉(zhuǎn)向相應像素的中心行進的入射光使入射光射向相應光敏區(qū)的中心，其中，當從半導體襯底的主表面的正上方觀看時，多個像素各滿足在像素中心和光敏區(qū)中心之間的預定數(shù)量的位置關(guān)系之一，以便滿足所有預定數(shù)量位置關(guān)系的預定數(shù)量相鄰像素構(gòu)成一個像素單元；因此每個像素單元具有含有預定數(shù)量相鄰像素的相同結(jié)構(gòu)；和限定一個單元的一個或多個光路改變部分形成得對應一個像素單元。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可進一步提高聚光率，限定一個單元的一個或多個光路改變部分可以形成為橫跨多個相鄰像素單元。
優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置是一種放大固態(tài)成像裝置。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置可以適當?shù)赜糜谙駲C。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置在至少一部分像素中具有光路改變部分，用于偏轉(zhuǎn)向它們的相應像素中心行進的入射光，使入射光射向光敏區(qū)的中心。因此，即使固態(tài)成像裝置構(gòu)成為使得當從半導體襯底的主表面正上方觀看時光敏區(qū)的中心偏離它們的相應像素的中心，以便實現(xiàn)像素小型化，也能實現(xiàn)高聚光率。結(jié)果是，提供一種固態(tài)成像裝置，其中同時實現(xiàn)像素小型化和高圖像質(zhì)量。
當結(jié)合附圖從本發(fā)明的下面詳細說明中可明顯看出本發(fā)明的這些和其它目的、特征、方案和優(yōu)點。
附圖簡述圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的像素和光敏區(qū)的相對設(shè)置的示意圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的平面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3A是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3B是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的例子的示意圖；圖3C是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖4A-4E是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置在其制造期間的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5A-5C是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置在其制造期間的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6A和6B是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置在其制造期間的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖7A是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖7B是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖7C是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖7D是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖7E是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的光路改變部分的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的另一例子的示意圖；圖9是表示其中一個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的像素和光敏區(qū)的相對設(shè)置的示意圖；圖10是表示其中一個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的平面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11是表示其中一個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12是表示其中兩個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的平面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖13是表示其中兩個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的像素和光敏區(qū)的相對設(shè)置的示意圖；和圖14是表示其中兩個像素限定一個單元的常規(guī)固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖介紹根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置，其中附圖示出了其中每兩個像素限定一個單元的示例固態(tài)成像裝置。
圖1是表示固態(tài)成像裝置的像素和光敏區(qū)之間的位置關(guān)系的頂部平面示意圖，其中在該固態(tài)成像裝置中多個像素設(shè)置成二維排列，例如設(shè)置成矩陣。
圖1所示的固態(tài)成像裝置包括半導體襯底1、像素2、和光敏區(qū)3。作為半導體襯底1，一般使用p型硅襯底。在半導體襯底1上，多個像素2設(shè)置成矩陣，此外，構(gòu)成像素單元2a，每個像素單元2a由限定一個單元(unit)的兩個像素構(gòu)成。這里，所示的像素2和像素單元2a是半導體襯底1的主表面上的突起。
每個像素2包括將入射光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分(未示出)。在像素2的預定區(qū)域內(nèi)形成用于使光電轉(zhuǎn)換部分接收入射光的光敏區(qū)3。多個像素2設(shè)置成使得半導體襯底1上的像素2的中心的所有突出點m(以下稱為“像素中心”)以固定間隔設(shè)置。
應該指出的是，根據(jù)本實施例的一個像素單元2a由預定數(shù)量(n)的相鄰像素構(gòu)成，其中這些像素滿足相對于像素中心m和光敏區(qū)中心的所有預定數(shù)量(n)的位置關(guān)系。具體而言，構(gòu)成一個單元的預定數(shù)量(n)的相鄰像素的每個滿足預定數(shù)量(n)的位置關(guān)系的不同一個。因此每個像素單元2a具有相同的結(jié)構(gòu)。
以下參照圖2和3A，更具體地介紹像素2和光敏區(qū)3的結(jié)構(gòu)。
圖2是表示固態(tài)成像裝置的頂部示意圖。圖3A表示圖2所示的固態(tài)成像裝置的沿著線A-B截取的剖面結(jié)構(gòu)。圖2和3A所示的固態(tài)成像裝置包括半導體襯底1、像素2、像素單元2a、光敏區(qū)3、光電轉(zhuǎn)換部分4、漏區(qū)5a、柵電極6、光屏蔽膜22、器件隔離區(qū)7、掃描電路部分8、絕緣膜21、濾色器9、會聚透鏡10、層間絕緣膜23、用作光路改變部分的棱鏡12a和12b。
每個像素2包括半導體襯底1的一部分、光電轉(zhuǎn)換部分4(包括光電二極管)、漏區(qū)5a的一部分、柵電極6、掃描電路部分8、和器件隔離區(qū)7。光電轉(zhuǎn)換部分4、漏區(qū)5a和器件隔離區(qū)7形成在半導體襯底1上。在半導體襯底1上、在光電轉(zhuǎn)換部分4和漏區(qū)5a之間形成柵電極6。在其上形成柵電極6的半導體襯底1上提供絕緣膜21。在絕緣膜21上形成光屏蔽膜22，該光屏蔽膜22留下光電轉(zhuǎn)換部分4內(nèi)的預定區(qū)域不覆蓋，以便限定光敏區(qū)3。在其上形成光屏蔽膜22的半導體襯底1的表面上，提供層間絕緣膜23。在層間絕緣膜23上，形成棱鏡12a、或12b。在棱鏡12a或12b上形成濾色器9。在濾色器9上，設(shè)置會聚透鏡10。這里，每對兩個像素2共享漏區(qū)5a和構(gòu)成像素單元2a，其中兩個像素被看作是一個單元(unit)。
在兩個像素構(gòu)成一個單元的結(jié)構(gòu)的情況下，由于兩個像素共享漏區(qū)5a，如上所述，在每個像素2內(nèi)，當從襯底的主表面正上方觀看時，像素2的中心m和光敏區(qū)3的中心p彼此偏離。因此，參照圖1更清楚地理解，盡管在襯底上，像素2的中心m以固定間隔設(shè)置，光敏區(qū)3的中心p不像像素2的中心m那樣以固定間隔設(shè)置，而是以不均勻的間隔設(shè)置。
包含在每個像素中的會聚透鏡10設(shè)置成使得可以有效地利用在半導體襯底1的主表面內(nèi)它的相應像素所占據(jù)的面積，以便允許盡可能多的光會聚在像素2上。即，會聚透鏡10如此設(shè)置，當從半導體襯底1的主表面正上方觀看時，會聚透鏡10的中心與像素2的中心m一致。這里，會聚透鏡10設(shè)置成陣列，以便每個會聚透鏡10對應一個光敏區(qū)3，并且會聚透鏡10設(shè)置成使得相鄰會聚透鏡10的邊緣彼此接觸。
將入射到像素2上的入射光11被會聚透鏡10聚焦，然后向像素2的中心m行進。如上所述，當從襯底主表面的正上方觀看時，像素2的中心m和光敏區(qū)3的中心p彼此偏離。因此，除非像素2包括一個光路改變部分，入射光將在遠離光敏區(qū)3的中心p的位置被接收，如圖14所示。在這種情況下，不能實現(xiàn)足夠的聚光率。
因此，在本實施例中，為了增加聚光率，每個像素2設(shè)有光路改變部分。作為本實施例的特性部件的光路改變部分將在下面介紹。
提供光路改變部分，以便偏轉(zhuǎn)向像素2的中心m的方向行進的入射光11，使入射光11射向光敏區(qū)3的中心p。例如在入射光射到光敏區(qū)之前通過的層中形成該光路改變部分，其中所述層由折射率高于該層的直接上層和直接下層的材料的折射率的材料形成。通過相對于光敏區(qū)的光接收表面具有傾斜度，光路改變部分可偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，使入射光射向光敏區(qū)的中心。該光路改變部分可以是在入射側(cè)具有凸起表面和凹陷表面的透鏡形式的，或者是其入射表面在其至少一部分上具有相對于光接收表面的傾斜度的棱鏡形式的。除了前述棱鏡12a或12b之外，如圖3B所示的其垂直橫截面為三角形的四棱錐形棱鏡12d等可用作棱鏡形光路改變部分。而且，也可采用具有通過將三棱鏡31a和凸透鏡32a連接在一起獲得的形狀的透鏡33等，如圖3C所示，其中在上述連接時前者的入射面31b和后者的水平面32b彼此粘接。在本發(fā)明中，使用從上述類型中選擇的至少一種類型的透鏡形或棱鏡形光路改變部分就足夠了，并且還可以使用從上述類型中選擇的光路改變部分的組合形式。還可以同時采用多種類型的透鏡形和/或棱鏡形光路改變部分。透鏡形或棱鏡形光路改變部分的曲率或梯度角可以根據(jù)當向像素2的中心m行進的入射光11向光敏區(qū)3的中心p的方向彎曲時應該偏轉(zhuǎn)的入射光11的量而任意設(shè)定。光路改變部分可以設(shè)置成每個光路改變部分對應一個像素。作為選擇，可以提供循環(huán)設(shè)置的光路改變部分，以便每個光路改變部分對應限定一個單元的多個像素(即在其上延伸)。
本實施例示出了循環(huán)設(shè)置以便每個棱鏡對應限定一個單元的兩個像素的棱鏡12a和12b用作光路改變部分的示例情況，如圖3A所示。由于棱鏡12a和12b具有在入射表面上具有曲率的凸起形狀，因此它們還應該被稱為具有棱鏡功能的凸透鏡；然而，為了從在入射表面上具有凸起形狀的透鏡(下述)即凸透鏡中區(qū)別它們，棱鏡12a和12b將繼續(xù)被稱為“棱鏡”。各對應作為一個單元的兩個像素的棱鏡12a和12b分別設(shè)置在半導體襯底1和會聚透鏡10之間，以便在兩個像素2上延伸。在每個像素單元2a中，每個棱鏡12a和12b的子部分(對應一個像素)在像素單元2a上延伸，并且每個棱鏡12a和12b的入射面向像素單元2a的中心下降。當從襯底上表面正上方觀看像素單元2a時，棱鏡12a和12b呈現(xiàn)橢圓形。當從半導體襯底1的主表面的正上方觀看時，每個棱鏡12a或12b的中心偏離像素單元2a的中心。
棱鏡12a和12b由其折射率高于直接位于棱鏡12a和12b上面和下面的濾色器9和層間絕緣膜23的材料的折射率的材料(例如SiN(氮化硅))形成。通過下面進一步說明的制造工藝可以很容易地獲得棱鏡12a和12b。
在其中棱鏡12a和12b(光路改變部分)按照圖3A所示的方式設(shè)置成對應像素單元2a的固態(tài)成像裝置中，在像素2的方向行進的入射光11首先被會聚透鏡10以入射光11會聚在像素2的中心m上的角度聚焦(在這個階段入射光由參考標記11a表示)。然后，聚焦的入射光11a被棱鏡12a或12b折射，以便射向光敏區(qū)3的中心p(在這個階段入射光由參考標記11b表示)。然后，被折射的入射光11b在光敏區(qū)3的中心p被接收，并被形成在光敏區(qū)3中的光電轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換成信號電荷。
如上所述，即使在當從襯底主表面的正上方觀看時像素2的中心m和它們的相應光敏區(qū)3的中心p彼此偏離的固態(tài)成像裝置中，給像素2備有光路改變部分，對于在像素2的中心m方向行進的入射光，可以在不必改變相應會聚透鏡10的設(shè)置的情況下在相應光敏區(qū)3的中心p接收它，由此實現(xiàn)了高聚光率。結(jié)果是，實現(xiàn)了一種固態(tài)成像裝置，其中實現(xiàn)了像素2的小型化和實現(xiàn)了優(yōu)異的圖像質(zhì)量，同時減少了色調(diào)發(fā)暗、感光度發(fā)暗、圖像感光度和光接收靈敏度的下降等。例如，一個3兆像素固態(tài)成像裝置的情況下，其中像素的一側(cè)長度為2.2im，以相對于光軸L的25度角進入的光的聚光率提高了大約15％，其中光軸L在圖3A中由虛線表示。
接著，參照附圖介紹具有上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像裝置的制造工藝。圖4A-4E、圖5A-5C和圖6A和6B表示在制造根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的過程中各個階段的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)。
首先，以矩陣形式形成包括若干個光電二極管的光電轉(zhuǎn)換部分4，以便使其以固定間隔設(shè)置在半導體襯底1上。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖4A中。
接著，在半導體襯底1的表面上，通過硅襯底的熱氧化形成柵極絕緣膜(由氧化硅構(gòu)成)，圖中未示出。然后，在柵極絕緣膜上形成柵電極6。具體而言，柵電極6是如下形成的通過CVD工藝在半導體襯底1的表面上淀積多晶硅膜，之后通過干刻蝕選擇性地除去預定區(qū)域內(nèi)的多晶硅膜。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖4B中。
然后，利用CVD工藝通過淀積形成絕緣膜21(由氧化硅構(gòu)成)。注意，絕緣膜21包括布線層，這里省略了它的說明。之后，形成覆蓋絕緣膜21的光屏蔽膜22。具體而言，通過PVD工藝或CVD工藝形成由鎢、銅、鋁等形成的薄膜，以便覆蓋絕緣膜21，然后通過干刻蝕選擇除去薄膜。這樣，除了光屏蔽膜22之外，形成光敏區(qū)3。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖4C中。
隨后，通過CVD工藝在光屏蔽膜22和光敏區(qū)3上淀積氧化硅膜。之后通過利用CMP工藝對氧化硅膜進行平面化，形成層間絕緣膜23。得到的固態(tài)成像裝置示于圖4D中。
然后，形成折射率比層間絕緣膜23的折射率高的SiN膜24，以便覆蓋層間絕緣膜23。具體而言，SiN膜24是通過PVD工藝或CVD工藝形成的，以便覆蓋層間絕緣膜23。得到的固態(tài)成像裝置示于圖4E中。
接著，通過向SiN膜24上施加光敏樹脂(抗蝕劑)而形成光敏樹脂膜25，并且進行構(gòu)圖，以便以固定間隔形成若干個孔26。在一個像素單元2a內(nèi)，一個孔26形成在相鄰光敏區(qū)3之間，從而獲得這些孔26的柵格?？?6的寬度根據(jù)進行下述熱處理時轉(zhuǎn)變的光敏樹脂(抗蝕劑)膜25的量而設(shè)置。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖5A中。
接著，通過在接近樹脂的熔點的溫度下加熱使已經(jīng)進行構(gòu)圖的光敏樹脂膜25熔化，具體而言，在大約190℃的溫度下加熱。這樣，在每個像素單元2a中，形成具有傾斜平面的棱鏡形狀25a和25b，其中所述的傾斜平面朝向像素單元2a的中心下降。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖5B中。
接著，使用棱鏡形狀25a和25b作掩模，對SiN膜24進行刻蝕。這里，作為刻蝕裝置，使用干刻蝕裝置，對于SiN(氮化硅)和光敏樹脂設(shè)置相同的刻蝕率。然后，光(紫外線)27發(fā)射在棱鏡形狀25a和25b上，由此對SiN膜24進行刻蝕處理，因而獲得用作光路改變部分的棱鏡12a和12b。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖5C中。
接著，形成覆蓋棱鏡12a和12b的濾色器9。具體而言，通過利用著色技術(shù)或通過施加彩色抗蝕劑在顏色編碼基礎(chǔ)上淀積三個或四個膜。濾色器9具有低于SiN的折射率的折射率，而SiN是形成棱鏡12a和12b的材料。得到的固態(tài)成像裝置的剖面結(jié)構(gòu)示于圖6A中。
最后，在濾色器9上形成會聚透鏡10。具體而言，作為會聚透鏡10，使用用于熱熔透明樹脂的疊加抗蝕劑，通過熱回流抄寫技術(shù)形成設(shè)置成陣列的微透鏡，以便每個微透鏡對應像素2的光敏區(qū)3。結(jié)果是，完成了具有如圖6B所示結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像裝置。
如上所述，在根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置中，即使從半導體襯底的主表面的正上方觀看時光敏區(qū)的中心偏離相應像素2的中心，也可以在不必改變會聚透鏡的設(shè)置的情況下實現(xiàn)了高聚光率。結(jié)果是，提供一種實現(xiàn)了像素2的小型化和同時實現(xiàn)了高圖像質(zhì)量的固態(tài)成像裝置。
本實施例已經(jīng)示出了示例情況，其中使用了各對應作為一個單元的兩個像素提供的棱鏡12a和12b?；蛘撸梢允褂猛雇哥R30，來代替棱鏡，每個凸透鏡30對應作為一個單元的兩個像素而設(shè)置，如圖7A所示。
除此之外，本實施例已經(jīng)示出了如下示例情況每個會聚透鏡10被形成以對應一個光敏區(qū)3，即對應一個像素2；光路改變部分循環(huán)地排列，以便每個對應作為一個單元的多個像素，并且每個光路改變部分橫跨多個像素單元2a形成?；蛘?，可以采用如圖7B所示的結(jié)構(gòu)，其中每個會聚透鏡10被形成以對應一個像素2，每個光路改變部分被形成以對應一個像素單元2a。而且，如圖7C所示，可形成會聚透鏡10和棱鏡12c，以便每個對應一個像素2。
在上述說明中，棱鏡12a和12b被表述為“在入射側(cè)具有凸起表面的棱鏡”。然而，根據(jù)棱鏡的入射表面的曲率，如圖7D所示，由T表示的棱鏡的部分可以一起被看作是在入射側(cè)具有凹陷表面的凹透鏡40。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光路改變部分將形成在一層中，在入射光射到光敏區(qū)上之前通過所述層，并且所述層由其折射率比直接位于其上的層和其下的層的材料的折射率高的材料形成。此外，根據(jù)本發(fā)明的光路改變部分具有相對于光敏區(qū)的光接收表面的傾斜度。因此，除了圖7A-7D中所示的改變之外，也可以采用圖7E中所示的替換的光路改變結(jié)構(gòu)，其中向下突出的凸透鏡60形成在上凹表面上，所述上凹表面形成在層間絕緣膜23中，凸透鏡60由SiN膜形成，該SiN膜的折射率比層間絕緣膜23的折射率高。注意，光路改變部分的材料不只限于SiN，并且光路改變部分的形狀也不只限于棱鏡形狀和透鏡形狀。
本實施例已經(jīng)示出了如下例子其中用作光路改變部分的棱鏡12a或12b位于半導體襯底1和會聚透鏡8之間，以便棱鏡12a或12b使已經(jīng)被會聚透鏡8聚焦的光折射。然而，光路改變部分和會聚透鏡8之間的位置關(guān)系不限于上述關(guān)系，并且光路改變部分可設(shè)置在其它部位。例如，光路改變部分可以位于會聚透鏡8的上方，使得光路改變部分在入射光進入會聚透鏡8之前使其偏轉(zhuǎn)。此外，由于可為一個會聚透鏡8提供多個光路改變部分，光路改變部分可放置在會聚透鏡8的上方和下面。
而且，盡管本實施例已經(jīng)示出了其中兩個像素構(gòu)成為一個單元的示例固態(tài)成像裝置，但是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不限于上述結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可以適用于一個單元由兩個以上像素、例如三個、四個或更多個像素構(gòu)成的固態(tài)成像裝置。
而且，作為會聚透鏡10，本實施例已經(jīng)示出了各對應一個像素2的示例微透鏡，但是可以采用循環(huán)設(shè)置從而每個透鏡對應一個像素單元(一個以上的像素)的透鏡。此外，如圖8所示，可以采用透鏡形(圓筒形)透鏡13，沿著像素矩陣的行方向截取的其垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。在這種情況下，棱鏡陣列14可用作光路改變部分，其中沿著像素矩陣的行方向截取的棱鏡陣列14的垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。此外，代替棱鏡陣列14，可使用雙凸透鏡，其中沿著像素矩陣行方向截取的垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。盡管在沿著矩陣行方向截取的其垂直橫截面中觀看時圖8所示的每個雙凸透鏡13具有對應一個像素的寬度，每個透鏡也可具有對應多個像素的寬度。同樣，在沿著像素矩陣的行方向截取的垂直橫截面中觀看時，用作光路改變部分的棱鏡陣列14或雙凸透鏡可具有對應一個像素的寬度或?qū)鄠€像素的寬度。而且，可以使用會聚透鏡和/或光路改變部分，其中沿著像素矩陣的列方向截取的其垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。
而且，本實施例已經(jīng)示出了作為固態(tài)成像裝置的示例MOS型固態(tài)成像裝置，但是固態(tài)成像裝置可以是CCD固態(tài)成像裝置。
根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置可以適當?shù)赜糜谙駲C，特別是數(shù)碼照像機。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置可適用于放大固態(tài)成像裝置，特別是具有溝槽隔離結(jié)構(gòu)的MOS型固態(tài)成像裝置。具體而言，根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置可適當?shù)赜米髟谂鋫溆邢駲C的移動電話、攝像機、數(shù)碼照像機等中使用的固態(tài)成像裝置，并且可以用作打印機等中使用的線傳感器。
盡管前面已經(jīng)詳細介紹了本發(fā)明，前面的說明只是示意性的而非限制性的。應該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做各種其他修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像裝置，包括半導體襯底和多個像素，所述多個像素以二維排列形式設(shè)置在半導體襯底上，其中多個像素的每個像素具有形成在其中預定區(qū)域內(nèi)、用于接收入射光的一個光敏區(qū)，并包括用于將光敏區(qū)中接收到的入射光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分；在多個像素的至少一些像素中，當從半導體襯底的主表面正上方觀看時，該光敏區(qū)的中心偏離像素的中心；和多個像素的每個像素還包括一個光路改變部件，用于偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使得入射光射向光敏區(qū)的中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中所述多個像素設(shè)置成矩陣，以便多個像素的中心以固定間隔設(shè)置，和多個光敏區(qū)的中心偏離固定間隔，以便當從半導體襯底的主表面正上方觀看時，多個光敏區(qū)的每個的中心偏離相應像素的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像裝置，其中多個像素的每個還包括在由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到外部電路時使用的至少一部分漏區(qū)，和該漏區(qū)被相鄰像素共享，以便破壞了多個像素之間的結(jié)構(gòu)的均勻性，由此使多個光敏區(qū)的中心偏離固定間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中多個像素的每個還包括至少一個會聚透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的固態(tài)成像裝置，其中至少一個會聚透鏡是循環(huán)設(shè)置的，以使得一個循環(huán)對應多個像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的固態(tài)成像裝置，其中所述多個像素設(shè)置成矩陣，以便多個像素的中心以固定間隔設(shè)置，和該至少一個會聚透鏡是雙凸透鏡，沿著多個像素的矩陣的行方向截取的其垂直橫截面或者沿著多個像素的矩陣的列方向截取的其垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中多個光敏區(qū)形成在由多個像素構(gòu)成的一個像素單元中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中所述光路改變部件是透鏡形狀或棱鏡形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中所述光路改變部件是循環(huán)設(shè)置的，以使得一個循環(huán)對應多個像素。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的固態(tài)成像裝置，其中多個像素被設(shè)置成矩陣，以便多個像素的中心以固定間隔設(shè)置，和光路改變部件上沿著多個像素的矩陣的行方向、或多個像素的矩陣的列方向截取的垂直橫截面在整個矩陣中是相同的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的固態(tài)成像裝置，其中光路改變部件是雙凸透鏡或棱鏡陣列。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中光路改變部件具有通過將三棱鏡和凸透鏡結(jié)合在一起、并使三棱鏡的傾斜面和凸透鏡的水平面彼此粘接而獲得的形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中該固態(tài)成像裝置是放大固態(tài)成像裝置。
14.一種包括固態(tài)成像裝置的像機，所述固態(tài)成像裝置包括半導體襯底和多個像素，所述多個像素以二維排列設(shè)置在半導體襯底上，其中多個像素的每個具有形成在其中預定區(qū)域內(nèi)的用于接收入射光的光敏區(qū)，并包括用于將光敏區(qū)中接收到的入射光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分；在多個像素的至少一些像素中，當從半導體襯底的主表面正上方觀看時，該光敏區(qū)的中心偏離像素的中心；和多個像素的每個還包括光路改變部件，用于偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使入射光射向光敏區(qū)的中心。
15.一種固態(tài)成像裝置，其中在光敏區(qū)中接收入射光，該光敏區(qū)形成在多個像素的每個像素中，所述多個像素在半導體襯底上設(shè)置成矩陣，并且輸出取決于入射光強度的強度的電信號，該固態(tài)成像裝置包括多個會聚透鏡，用于偏轉(zhuǎn)入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使入射光會聚在每個像素的中心，和多個光路改變部件，每個光路改變部件對應一個像素而設(shè)置，并且每個光路改變部件用于偏轉(zhuǎn)向相應像素的中心行進的入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使入射光射向相應光敏區(qū)的中心，其中，多個像素各滿足當從半導體襯底的主表面正上方觀看時、像素中心和光敏區(qū)中心之間的預定數(shù)量的位置關(guān)系之一，以便使?jié)M足所有預定數(shù)量位置關(guān)系的預定數(shù)量之相鄰像素構(gòu)成一個像素單元，每個像素單元因此具有含有預定數(shù)量的相鄰像素的相同結(jié)構(gòu)，和看作一個單元的一個或多個光路改變部件被形成，以便對應一個像素單元。
16.一種固態(tài)成像裝置，其中在光敏區(qū)中接收入射光，光敏區(qū)形成在多個像素的每個像素中，所述多個像素在半導體襯底上設(shè)置成矩陣，并且輸出取決于入射光強度的強度的電信號，該固態(tài)成像裝置包括多個會聚透鏡，用于偏轉(zhuǎn)入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使入射光會聚在每個像素的中心，和多個光路改變部件，每個光路改變部件對應一個像素而設(shè)置，并且每個光路改變部件用于偏轉(zhuǎn)向相應像素的中心行進的入射光，其偏轉(zhuǎn)方式使入射光射向相應光敏區(qū)的中心，其中，多個像素各滿足當從半導體襯底的主表面正上方觀看時像素中心和光敏區(qū)中心之間的預定數(shù)量的位置關(guān)系之一，以便使?jié)M足所有預定數(shù)量位置關(guān)系的預定數(shù)量之相鄰像素構(gòu)成一個像素單元，每個像素單元因此具有含有預定數(shù)量的相鄰像素的相同結(jié)構(gòu)，和看作一個單元的一個或多個光路改變部件被形成為橫跨多個相鄰像素單元。
全文摘要
一種固態(tài)成像裝置，包括以兩維形式設(shè)置在半導體襯底(1)上的若干個像素(2)。在每個像素中的預定區(qū)域中形成用于接收入射光(11)的光敏區(qū)(3)，并且每個像素包括用于將入射光轉(zhuǎn)換成信號電荷的光電轉(zhuǎn)換部分(4)。在至少一些像素中，當從半導體襯底的主表面正上方觀看時，光敏區(qū)的中心偏離像素的中心。每個像素還包括光路改變部件(12a)和(12b)，用于偏轉(zhuǎn)向像素中心行進的入射光，使其射向光敏區(qū)的中心。因此，提供一種同時實現(xiàn)像素小型化和高圖像質(zhì)量的固態(tài)成像裝置。
文檔編號H04N5/361GK1649161SQ20041006838
公開日2005年8月3日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者田中晶二, 宮川良平, 藤井俊哉, 田中康弘, 山形道弘, 岡山裕昭 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社