專利名稱：固態(tài)圖像傳感器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如是CMOS圖像傳感器的固態(tài)圖像傳感器件，在該固態(tài) 圖像傳感器件上以矩陣方式布置多個(gè)像素，更具體地涉及使用共享型像素 的固態(tài)圖像傳感器件，在該固態(tài)圖像傳感器件中，多個(gè)像素共享用于像素 數(shù)據(jù)讀取的晶體管等的一部分。
背景技術(shù)：
攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)使用CCD或CMOS固態(tài)圖像傳感器件。在這種固 態(tài)圖像傳感器件中，以矩陣方式布置每一個(gè)都例如具有光電二極管的多個(gè) 像素作為光接收單元，并且通過(guò)光電二極管將進(jìn)入每一個(gè)像素中的入射光 轉(zhuǎn)換為電子以生成電荷信號(hào)。所生成的電荷信號(hào)被經(jīng)由信號(hào)線輸出到外 部。
圖1示出以這種矩陣所布置的像素和現(xiàn)有技術(shù)的用于讀取像素?cái)?shù)據(jù)的 讀取電路。圖1示出CMOS圖像傳感器的示例，該CMOS圖像傳感器是 有源光電傳感器(APS)，其包括與像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管和用于像素 數(shù)據(jù)讀取的四個(gè)晶體管。
在圖1中，光電二極管(PD) 101所接收的光被轉(zhuǎn)換為電子并通過(guò)傳 輸門(mén)晶體管(TG-Tr) 102被傳輸至浮動(dòng)擴(kuò)散層(FD) 。 FD將從PD 101 傳輸?shù)碾姾尚盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓。電壓被輸入到源跟隨器晶體管(SF-Tr) 103 并且驅(qū)動(dòng)能力被放大。然后，電壓被經(jīng)由選擇晶體管(SL-Tr) 104輸出到 外部以用于選擇一行。FD的電壓可以通過(guò)復(fù)位晶體管(RS-Tr) 105而被 復(fù)位。
如圖1所示，在包括為光電二極管所設(shè)置的用于數(shù)據(jù)讀取的四個(gè)晶體 管APS中，使用共享型像素，出于器件最小化、按比例縮小和低成本的目 的，該共享型像素中的用于數(shù)據(jù)讀取的晶體管等的至少一部分被多個(gè)像素共享。圖2示出這種共享型像素中的現(xiàn)有技術(shù)晶體管共享方法。在圖2
中，盡管分別為四個(gè)光電二極管(PD1 PD4)中的每一個(gè)設(shè)置了傳輸門(mén) 晶體管TG-Tr，但是復(fù)位晶體管、源跟隨器晶體管和選擇晶體管這另外三 個(gè)晶體管是共享的。圖2所示的這種共享型像素例如是通過(guò)在硅襯底上布 置光電二極管層和晶體管而形成的，在這種共享型像素中，與為每一個(gè)像 素都設(shè)置所有用于數(shù)據(jù)讀取的晶體管的情況相比，難以在襯底上將它們以 完全相等的間隔(中心節(jié)距)布置在像素之間，尤其是作為光接收單元的 光電二極管之間。盡管圖2所示的電路對(duì)應(yīng)于作為固態(tài)圖像傳感器件的現(xiàn) 有技術(shù)的專利文獻(xiàn)1的圖4，并且在圖4中也清楚光接收區(qū)之間的間隔不 是完全相同的，但是至少一些光接收區(qū)之間的間隔是更短的。
為了改善與圖像傳感器中的每一個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的光接收器件的光接收 效率， 一般在光電二極管的表面上設(shè)置片上微透鏡(在下文中省略為"微 透鏡")。 一般而言，與為每一個(gè)像素都設(shè)置所有用于數(shù)據(jù)讀取的晶體管 的情況一樣，微透鏡之間的所有間隔(中心節(jié)距)相同。
在微透鏡之間的所有間隔相同并且對(duì)應(yīng)于像素的光接收器件(例如光 電二極管)之間的間隔不同的情況下，存在光接收靈敏度根據(jù)像素而不同 的問(wèn)題，其中，在光電二極管的光接收區(qū)的中心位置與微透鏡的中心位置 之間例如出現(xiàn)偏離。
例如，如果如圖2所示的電路中，在PD2的布置區(qū)和PD3的布置區(qū) 之間布置三個(gè)晶體管，則存在這樣的問(wèn)題由于這三個(gè)布置區(qū)橫向(即， 水平方向)連接，因此由于像素之間的靈敏度的差異而在畫(huà)面上出現(xiàn)周期 性條帶(stripe)。
作為這種固態(tài)圖像傳感器件等的現(xiàn)有技術(shù)的專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了一種方 法，該方法通過(guò)在畫(huà)面的周邊將微透鏡和濾色鏡的中心位置偏離光接收單 元的中心位置來(lái)減少陰影量的方法，從而防止畫(huà)面周邊的入射光的傾斜方 向所引起的色彩陰影，特別是防止固態(tài)圖像傳感器件的中心和周邊之間的 RGB的色彩失衡，該固態(tài)圖像傳感器件在微透鏡和光接收單元之間設(shè)有濾 色鏡。
類(lèi)似的專利文獻(xiàn)3公開(kāi)了形成微透鏡的方法，該方法中存在設(shè)計(jì)約束和較小的形成難度并且該方法中可以有效地防止周邊的光接收器件所接收 的光量減少。
但是，無(wú)法解決在使用共享型像素的圖像傳感器中(其中微透鏡之間 的間隔不是完全一致的)，作為光接收單元的光電二極管的中心位置(間 隔幾乎是完全一致的)偏離微透鏡的中心位置并且作為圖像傳感器的輸出 的質(zhì)量惡化的問(wèn)題。
專利文獻(xiàn)1:日本專利申請(qǐng)第2001-298177號(hào)，"固態(tài)圖像傳感器件 禾口圖{象ft感系纟充 (Solid State Image Sensing Device and Image Sensing System)"
專利文獻(xiàn)2:日本專利申請(qǐng)第2001-160973號(hào)，"固態(tài)圖像傳感器件 禾口電子相豐幾(Solid State Image Sensing Device and Electronic Camera)"
專利文獻(xiàn)3:日本專利申請(qǐng)第2004-296590號(hào)，"圖像傳感器件中的 微透鏡形成方法(Micro-lens Forming Method in Image Sensing Device)"
考慮到上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的在于通過(guò)根據(jù)光接收器件(例如 光電二極管)之間的間隔(中心節(jié)距)的周期性改變來(lái)周期性地改變微透 鏡的中心節(jié)距，從而改善從圖像傳感器輸出的圖像的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的固態(tài)圖像傳感器件中，多個(gè)像素被以矩陣方式布置在二維 平面上，并且用于從多個(gè)像素中的每個(gè)光接收器件的像素?cái)?shù)據(jù)讀取的晶體 管等被共享。
所述固態(tài)圖像傳感器件包括多個(gè)光接收器件和多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)
光接收器件被以這樣的方式布置中心間隔在列方向上和/或在行方向上周 期性地改變，所述多個(gè)微透鏡根據(jù)光接收器件的中心間隔的周期性改變而 周期性地改變。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，光接收器件的每一個(gè)在所述二維平面上的 中心位置和布置在平行于所述二維平面的平面上的多個(gè)微透鏡的每一個(gè)的 中心位置也可以是二維匹配的?？商鎿Q地，微透鏡的中心間隔的周期性值 可以是相應(yīng)布置的光接收器件的中心間隔的周期性值的常數(shù)倍，所述微透鏡從與拍攝畫(huà)面的中心相對(duì)應(yīng)的位置起被布置在列方向的左右和行方向的 上下。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，對(duì)應(yīng)于光接收器件的中心間隔的改變，例如 與光接收器件的中心位置二維地匹配的微透鏡的中心間隔將會(huì)根據(jù)光接收 器件的中心間隔的周期性改變而周期性地改變。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)根據(jù)使用共享型像素的圖像傳感器(其中，多個(gè)像 素共享晶體管等)中的光接收器件的中心間隔的周期性改變也周期性地改 變微透鏡的中心間隔，可以消除每個(gè)像素的靈敏度差異，從而實(shí)現(xiàn)圖像傳 感器的質(zhì)量改善。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器中的像素?cái)?shù)據(jù)讀取電路。 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的共享型像素的電路圖，該共享型像素在多個(gè)像素中 共享用于像素?cái)?shù)據(jù)讀取的晶體管的一部分。
圖3理論上說(shuō)明了光電二極管和微透鏡的中心節(jié)距的周期性改變。 圖4說(shuō)明了第一優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡的布置方法。 圖5說(shuō)明了第一優(yōu)選實(shí)施例中的光電二極管和每個(gè)晶體管的布置。 圖6是與圖5所示的布置相對(duì)應(yīng)的光電二極管和數(shù)據(jù)讀取電路的電路圖。
圖7說(shuō)明了第二優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡的布置方法。
圖8說(shuō)明了第二優(yōu)選實(shí)施例中的光電二極管和每個(gè)晶體管的布置。
圖9說(shuō)明了第三優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡的布置方法。
圖IO說(shuō)明了第三優(yōu)選實(shí)施例中的光電二極管和每個(gè)晶體管的布置。
圖ll說(shuō)明了第四優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡的布置方法。
圖12說(shuō)明了第四優(yōu)選實(shí)施例中的光電二極管和每個(gè)晶體管的布置。
圖13說(shuō)明了第五優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡的布置方法。
圖14說(shuō)明了第五優(yōu)選實(shí)施例中的光電二極管和每個(gè)晶體管的布置。
圖15示出了光電二極管在像素平面上的整個(gè)布置。
圖16示出了微透鏡在像素平面上的整個(gè)布置。圖n說(shuō)明了像素平面上的光電二極管布置區(qū)的尺寸。
圖18說(shuō)明了像素平面上的微透鏡布置區(qū)的尺寸。 圖19是像素平面的中心周?chē)墓虘B(tài)圖像傳感器件的橫截面視圖。 圖20說(shuō)明了像素平面的左下角中的光電二極管和微透鏡的中心位置 之間的偏離。
圖21說(shuō)明了像素平面的中心周?chē)墓怆姸O管和微透鏡的布置尺寸。
圖22說(shuō)明了像素平面周邊的固態(tài)圖像傳感器件的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
圖3理論上說(shuō)明了該優(yōu)選實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件內(nèi)的微透鏡的布 置方法。在本發(fā)明的前半段描述中，目標(biāo)是描述由多個(gè)像素來(lái)共享用于讀 取像素?cái)?shù)據(jù)等的晶體管的共享型像素，并且該描述基于利用微透鏡的中心 位置(例如，與每個(gè)光接收器件一一相關(guān)地設(shè)置的微透鏡的中心位置)在 每個(gè)像素中對(duì)光電二極管的匹配和布置。
圖3是理論示例。在該示例中，在以列和行布置了多個(gè)像素的像素平 面上，針對(duì)在每一行方向上作為單位的每四個(gè)連續(xù)像素，以這樣的方式來(lái) 布置光電二極管和微透鏡周期性地改變光電二極管和微透鏡的每個(gè)中心 節(jié)距。
在圖3中，每一行方向上的四個(gè)微透鏡ln li4中的微透鏡對(duì)應(yīng)于四
個(gè)晶體管共享像素，并且這四個(gè)微透鏡的中心(2 214)之間的相互間隔 相比較短，但是，在與對(duì)應(yīng)于上面三個(gè)微透鏡(圖3中未示出)的像素共 享晶體管的方式下，微透鏡1()4和1h的中心2()4和2n之間的間隔相比較 長(zhǎng)。
也就是說(shuō)，在圖3中，微透鏡的中心節(jié)距根據(jù)像素平面上每行中作為 單位的每四個(gè)連續(xù)像素的連續(xù)微透鏡的編號(hào)(No.)而周期性改變。因 此，即使在光電二極管的中心節(jié)距由于晶體管的共享而改變時(shí)，通過(guò)根據(jù) 所述改變來(lái)改變微透鏡的中心節(jié)距，像素之間的靈敏度也可以是一致的。
下面描述該優(yōu)選實(shí)施例中的微透鏡布置方法的一些詳細(xì)示例來(lái)作為優(yōu)選實(shí)施例。圖4 6說(shuō)明了第一優(yōu)選實(shí)施例。圖4說(shuō)明了第一優(yōu)選實(shí)施例
中的微透鏡布置方法。在圖4中，如實(shí)線矩形所示，以這種方式來(lái)布置微
透鏡與圖3所示的理論布置一樣，微透鏡的中心節(jié)距根據(jù)像素平面上作 為單位的每四個(gè)連續(xù)像素而改變。
圖5以每四個(gè)像素作為單位說(shuō)明了用于像素?cái)?shù)據(jù)讀取的微透鏡、光電 二極管和晶體管的布置。圖6是與所述布置相對(duì)應(yīng)的光電二極管和晶體管 的連接電路圖。參考圖5和圖6來(lái)描述與圖4所示微透鏡的布置的關(guān)系。 在圖6中，盡管對(duì)應(yīng)于SF-Tr 14,的電源電壓VR1和復(fù)位電壓VR2是不同 的，但是VR1和VR2理論上也可以是相同的。
在圖5中，從相應(yīng)PD傳輸電荷信號(hào)的兩個(gè)傳輸門(mén)晶體管(TG-Tr) 12 和1212被布置在對(duì)應(yīng)于微透鏡(ML) 10 的光電二極管(PD) 11 和 對(duì)應(yīng)于ML10^的PD11^之間，并且傳輸電荷的浮動(dòng)擴(kuò)散層(FD) 16 也 被布置于此之間。
然后，用于驅(qū)動(dòng)能力放大的源跟隨器晶體管(SF-Tr) 14i和用于行選 擇的晶體管(SL-Tr) 15i被布置在對(duì)應(yīng)于ML1012的PD11。和對(duì)應(yīng)于 ML10!3的PDlln之間。在圖6中，該區(qū)域?qū)?yīng)于布線線路(wiring line)
(1)。在圖5中，盡管對(duì)于用于行選擇的晶體管，僅為四個(gè)像素設(shè)置SL-Trl5p但是為每個(gè)像素布置TG-Tr。通過(guò)在復(fù)位PD時(shí)同時(shí)開(kāi)啟TG-Tr和 SL-Tr，或者通過(guò)在讀取時(shí)、當(dāng)將電荷信號(hào)從PD傳輸至FD時(shí)僅開(kāi)啟TG-Tr, 可以從四行中正確地選擇一行。
兩個(gè)TG-Trl2u和1214以及FD16^被布置在對(duì)應(yīng)于ML10u的PD1113 和對(duì)應(yīng)于ML10w的PDlli4之間，與PDlln和1112之間一樣。
此外，復(fù)位晶體管(RS-Tr) 13i被布置在對(duì)應(yīng)于ML10m的PD11m和 對(duì)應(yīng)于下一單位的四個(gè)像素的一部分的ML10^的PD11^之間。在圖6 中，該區(qū)域?qū)?yīng)于布線線路(2)。在這種方式下，在第一優(yōu)選實(shí)施例 中，以這樣的方式來(lái)布置微透鏡與形成一個(gè)周期單位的四個(gè)像素相對(duì)應(yīng) 的四個(gè)微透鏡中的第二和第三微透鏡之間的相互間隔可以變得長(zhǎng)于其他微 透鏡之間的相互間隔。該第一優(yōu)選實(shí)施例對(duì)應(yīng)于本申請(qǐng)的權(quán)利要求8中所 要求的光電二極管和微透鏡的布置。圖7和圖8說(shuō)明了第二優(yōu)選實(shí)施例。在第二優(yōu)選實(shí)施例中，如在第一 優(yōu)選實(shí)施例中一樣，微透鏡的中心節(jié)距(即，間隔)也根據(jù)作為一個(gè)單位 的每四個(gè)微透鏡而周期性地改變，但是，四個(gè)像素所共享的晶體管的布置
部分地不同。在圖7中，就如圖3中一樣，每行中的四個(gè)連續(xù)微透鏡之間
的中心節(jié)距(即，間隔)相比較短，但是與作為單位的四個(gè)連續(xù)像素的最 后末端和頂部末端這兩者相對(duì)應(yīng)的微透鏡之間的間隔相比較長(zhǎng)。
在圖8中，盡管傳輸門(mén)晶體管TG-Tr和浮動(dòng)擴(kuò)散層(FD)的布置與第 一實(shí)施例的布置相同，但是復(fù)位晶體管(例如，13。、源跟隨器晶體管 14i和選擇晶體管15,被布置在當(dāng)前四個(gè)連續(xù)像素和接下來(lái)的四個(gè)連續(xù)像素 之間的區(qū)域中，例如對(duì)應(yīng)于ML10m的PDllw和對(duì)應(yīng)于ML10^的PD1121 之間的區(qū)域中。因此，僅這些ML之間的間隔長(zhǎng)于其他ML之間的間隔。
盡管第二優(yōu)選實(shí)施例中的布置對(duì)應(yīng)于本說(shuō)明書(shū)中的權(quán)利要求9的布
置，但是在權(quán)利要求9中，例如對(duì)應(yīng)于光電二極管11n ll22的四個(gè)像素
是形成一個(gè)周期的四個(gè)像素。
圖9和圖10說(shuō)明了第三優(yōu)選實(shí)施例。在第三優(yōu)選實(shí)施例中，每行像 素中作為單位的每八個(gè)連續(xù)像素共享晶體管等。結(jié)果，僅對(duì)應(yīng)于當(dāng)前八個(gè) 連續(xù)像素的微透鏡的末端和對(duì)應(yīng)于接下來(lái)的八個(gè)連續(xù)像素的微透鏡的頂端 之間的間隔長(zhǎng)于其他微透鏡之間的間隔。
在圖10中，與用于第二優(yōu)選實(shí)施例的圖8中一樣，三個(gè)晶體管 (即，RS-Trl3t、 SF-Trl+和SL-Trl5》被布置在與多個(gè)像素的每一連續(xù) 單位的末端處的每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的PD (例如PDlhs和1121)之間。與圖 8中一樣，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)PD的TG-Trl2u和1212以及浮動(dòng)擴(kuò)散層16 被布置 在其他PD (例如PDlln和1112)之間。
圖11和圖12說(shuō)明了第四優(yōu)選實(shí)施例。在第四優(yōu)選實(shí)施例中，如圖11 所示，以這樣的方式來(lái)布置微透鏡微透鏡之間的間隔可以根據(jù)像素平面 上每行中作為單位的每?jī)蓚€(gè)像素而改變。
在圖12中，與分別用于第二和第三優(yōu)選實(shí)施例的圖8和圖10中一 樣，三個(gè)晶體管(例如，RS-Trl3p SF-Trl4!和SL-Trl5》被布置在與每 兩個(gè)連續(xù)像素的單元末端處的每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的PD之間。與圖8和圖10中一樣，兩個(gè)TG-Trl2n和1212以及FD16 被布置在對(duì)應(yīng)于兩個(gè)連續(xù)像素 的光電二極管(例如，PDllu和lU之間。
圖13和圖14說(shuō)明了第五優(yōu)選實(shí)施例。在第五優(yōu)選實(shí)施例中，圖13的 細(xì)實(shí)線所圍住的微透鏡被以這樣的方式布置微透鏡之間在垂直方向和水 平方向上的間隔可以根據(jù)作為垂直方向上的兩個(gè)像素(即，行方向的兩個(gè) 像素)和水平方向上的兩個(gè)像素(即，列方向的兩個(gè)像素)的單位的每四 個(gè)像素而周期性地改變。
圖14說(shuō)明了第五優(yōu)選實(shí)施例中用于像素?cái)?shù)據(jù)讀取的微透鏡、光電二 極管和晶體管的布置。在圖14中，描述了對(duì)應(yīng)于四個(gè)像素的微透鏡(例 如ML10u ML10w)的布置。分別與ML10u ML10!4這四個(gè)ML相對(duì)應(yīng) 的PDllu PDllw所共享的浮動(dòng)擴(kuò)散層FD16i被布置在與這四個(gè)像素相對(duì) 應(yīng)的區(qū)域中心，并且TG-Trl2u 12w這四個(gè)TG被布置在FD16,和每個(gè) PD之間。
在圖14中，三個(gè)晶體管RS-Trl3,、 SF-Trl4i和SL-Trl5！被布置在圖 14的PDll^和PDllw之間。因此，如圖13所示，在與四個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的 微透鏡中，水平方向上的兩個(gè)微透鏡之間的間隔較長(zhǎng)，并且垂直方向上的 兩個(gè)微透鏡之間的間隔相比較短。并且，與對(duì)應(yīng)于垂直和水平方向上的相 鄰四個(gè)像素單位的微透鏡的每個(gè)末端像素相對(duì)應(yīng)的微透鏡之間的間隔是最 短的。
在上述優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)兩個(gè)微透鏡在垂直和水平方向上彼此接觸 時(shí)，微透鏡之間的間隔(即，中心節(jié)距)是最短的。但是，如果兩個(gè)微透 鏡之間必須有某個(gè)最小間隔，則也可以以確保最小間隔的方式來(lái)布置微透 鏡。
作為詳細(xì)的布置示例，上面描述了第一至第五優(yōu)選實(shí)施例。盡管在這 些優(yōu)選實(shí)施例的描述中，與每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管的中心位置和微 透鏡的中心位置基本匹配，但是在優(yōu)選實(shí)施例的后半段描述中，與每個(gè)像 素相對(duì)應(yīng)的光電二極管的中心位置和微透鏡的中心位置是偏離的并且被布 置。
這是因?yàn)槿绻c每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管的中心位置和微透鏡的中心位置基本匹配，則由于入射光一般被傾斜地應(yīng)用于像素平面上遠(yuǎn)離像 素平面中心的像素，使得光電二極管的中心位置和微透鏡的中心位置偏 離，因此像素平面周邊的像素的光收集效率惡化。
圖15示出了光電二極管在整個(gè)像素平面上的布置。在該優(yōu)選實(shí)施例 中，為了使在像素平面周邊微透鏡的中心位置偏離光電二極管的中心位 置，布置區(qū)(尺寸)略小于與所有像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管的布置區(qū)。因 此，光電二極管和微透鏡被以這樣的方式布置盡管在像素平面的中心光 電二極管的中心位置和微透鏡的中心位置幾乎相同，但是隨著遠(yuǎn)離中心較 小的尺寸差異被累積，并且在像素屏幕的外圍處微透鏡的中心位置與光電 二極管的中心位置的之間的偏離最大。
在圖15所示的光電二極管布置區(qū)中，假設(shè)布置每個(gè)光電二極管所需 要的邊長(zhǎng)被根據(jù)作為單位的每四個(gè)像素而平均，所述單位在垂直和水平方
向上包括3.0/mi的長(zhǎng)間隔。如果像素平面上的列和行的相應(yīng)數(shù)目分別是 1280和1024，則對(duì)于整個(gè)像素平面布置光電二極管所需要的水平和垂直 方向上的相應(yīng)邊長(zhǎng)分別是3840/mi和3072/xm。盡管在圖15中，光電二極 管僅被布置在中心、右上角和左下角，但實(shí)際上光電二極管被布置在像素 平面各處。
在圖16中，如果每個(gè)微透鏡布置區(qū)的水平和垂直方向上的邊長(zhǎng)是光 電二極管區(qū)的邊長(zhǎng)的99.95%,則布置所有微透鏡所需要的水平和垂直方向 上的相應(yīng)長(zhǎng)度分別變?yōu)?838.08Atm和3070.464/mi，這略小于圖15中所示 的光電二極管布置區(qū)，盡管單位是Mm。因此，通過(guò)在像素平面的中心處 將光電二極管的相應(yīng)中心位置與微透鏡的中心位置相匹配，微透鏡的中心 位置和光電二極管的中心位置在像素平面周邊中可以被偏離。
圖17和圖18示出了光電二極管布置區(qū)和微透鏡布置區(qū)之間的差異。 圖17示出了光電二極管的布置。圖17示出了在光電二極管之間的間隔 (即，中心節(jié)距)根據(jù)例如用于第二優(yōu)選實(shí)施例的圖7中的每一行方向上 作為單位的每四個(gè)連續(xù)像素而周期性地改變的情況下，光電二極管布置區(qū) 的尺寸。圖17中的尺寸范圍例如包括與圖8所示的ML10^ ML1024相對(duì) 應(yīng)的四個(gè)PD的布置區(qū)和與鄰近這四個(gè)像素的四個(gè)像素單位之一所對(duì)應(yīng)的ML10m和ML10^之間的矩形區(qū)。
也就是說(shuō)，圖8示出了與ML102i ML1024相對(duì)應(yīng)橢圓的短直徑和 ML10m和ML1(^之間的矩形區(qū)的高度分別是2.8^m和0.8/mi。于是，每 個(gè)PD被以這樣的方式布置其中心可以與在其所布置處的水平上為 3.0/mi和垂直上為2.8/mi的矩形區(qū)的中心重合。作為經(jīng)過(guò)該P(yáng)D的中心的 線段的截面A-A'被參考圖19來(lái)描述。
圖18示出了微透鏡布置區(qū)。圖18示出了與圖17相關(guān)的每一列方向上 的四個(gè)連續(xù)微透鏡的布置區(qū)的尺寸。盡管在圖18中，例如1/mi的長(zhǎng)度短 于圖17中所示的1/mi的長(zhǎng)度，但是這沒(méi)有特殊意義。 一個(gè)微透鏡的布置 區(qū)的尺寸分別是圖17所示光電二極管的布置區(qū)的水平和垂直尺寸的 99.95%，其在水平方向上是2.9985/mi并且在垂直方向上是2.7986|tmi。這 個(gè)微透鏡布置區(qū)和接下來(lái)的四個(gè)連續(xù)微透鏡的布置區(qū)之間的矩形的高度是 0.7996/mi，這是圖17所示的0.8/mi的相應(yīng)高度的99.95%。當(dāng)然，作為微 透鏡的基底的橢圓的長(zhǎng)直徑和短直徑的尺寸實(shí)際上小于這些值。
圖19是固態(tài)圖像傳感器件的橫截面視圖，其對(duì)應(yīng)于分別經(jīng)過(guò)圖17和 圖18所示的光電二極管的中心和微透鏡的中心的線段A-A'。圖19示出了 在這樣的情況下的橫截面該橫截面接近像素平面的中心并且微透鏡的中 心位置和光電二極管的中心位置幾乎不偏離。
在圖19中，濾色鏡20和21被設(shè)置在每個(gè)微透鏡10之下，并且進(jìn)一 步在其之下設(shè)置光電二極管，即，n型光電二極管層25被以這樣的方式設(shè) 置其中心可以幾乎與微透鏡的中心重合。
濾色鏡對(duì)應(yīng)于R、 G和B中的任何一種色彩。例如，在對(duì)應(yīng)于特定位 置的像素的濾色鏡R的情況下，該像素本身的數(shù)據(jù)被用作該位置的R數(shù) 據(jù)，這與該優(yōu)選實(shí)施例沒(méi)有直接關(guān)系。例如，對(duì)于G數(shù)據(jù)，利用在該位置 周?chē)哂袨V色鏡G的像素(一般是多個(gè)像素)的G數(shù)據(jù)、通過(guò)平均或內(nèi)插 來(lái)計(jì)算與具有濾色鏡R的像素相對(duì)應(yīng)的G數(shù)據(jù)。由于圖19所示的每個(gè)布 線層、通孔(VIA)等與該優(yōu)選實(shí)施例沒(méi)有直接關(guān)系，因此省略其描述。 在圖19中，第一和第二布線層并不二維地覆蓋n型光電二極管層25的表 面。例如，參考圖3所描述的光電二極管的中心與n型光電二極管層25的表面中心重合。但是，如果這種布線層等覆蓋表面的一部分，則其與其除 去覆蓋范圍的開(kāi)口的中心重合。
圖20說(shuō)明了當(dāng)光電二極管和微透鏡分別被如圖17和圖18所述地布置
時(shí)，在像素平面的最外部周邊中所引起的、光電二極管和微透鏡的中心位
置之間的偏離。盡管在圖20中，該偏離在像素平面的四個(gè)拐角中變得最 大，但是下面描述畫(huà)面左下角中的偏離。
參考圖21來(lái)僅以描述圖20所示的光電二極管和微透鏡的中心位置之 間的偏離。圖21示出了在像素平面(畫(huà)面)中心而不是拐角的周?chē)墓?電二極管和微透鏡的布置尺寸。圖21示出了在左下方向上從畫(huà)面中心起 的第一個(gè)像素的光電二極管和微透鏡的相應(yīng)中心位置。
由于如上參考圖17所述， 一個(gè)像素的布置區(qū)的水平尺寸是3.0/mi，因 此在水平方向上，左側(cè)的光電二極管的中心位置是1.5/mi，這是其離開(kāi)畫(huà) 面中心的一半。在垂直方向上，其離開(kāi)畫(huà)面中心是1.8/mi，這是通過(guò)將像 素的垂直尺寸2.8/mi的一半與作為圖5所示的SL-Trl+和SL-Trl5,的布置 區(qū)的矩形的高度0.8/mi的一半相加而獲得的。
在右側(cè)的微透鏡的布置中，在左下方向上從畫(huà)面中心起的第一個(gè)像素 的微透鏡的中心位置是光電二極管的中心離畫(huà)面中心位置的距離的 99.95%，即，離開(kāi)畫(huà)面中心分別為垂直方向上1.49925/mi且水平方向上 1.7991/mi。
回到圖20，首先，描述了最左下角的像素(即，圖20所述的L。的 光電二極管和微透鏡之間的中心位置的偏離。如參考圖15和圖16所述， 像素平面的水平方向上的像素?cái)?shù)是1280。當(dāng)前的目標(biāo)像素是左方向上從像 素平面的中心起的第640個(gè)像素。因此，因?yàn)橄袼氐乃匠叽缡?.0/mi， 所以可以通過(guò)將通過(guò)從像素?cái)?shù)640中減去1/2所獲得的像素?cái)?shù)乘以3.0/mi 來(lái)計(jì)算光電二極管的中心位置?？梢匀缦掠?jì)算該光電二極管的中心和微透 鏡的中心之間的水平距離。
3.0 X (1280/2—0.5) X (1 —0.9995) = 0.95925(jcmi)
由于像素平面的垂直方向上的像素?cái)?shù)是1024，因此垂直方向上的目標(biāo) 像素是從畫(huà)面中心起的第512個(gè)像素。為了計(jì)算該像素的光電二極管的中心位置(垂直方向)，考慮畫(huà)面中心與多個(gè)周期中使用包括目標(biāo)像素在內(nèi) 的四個(gè)像素作為單位的前一周期之間(即，從畫(huà)面中心直至第508個(gè)像素
的使用四個(gè)像素作為單位的區(qū)域)的距離，即，直到緊接在第509個(gè)像素
的布置區(qū)之前的距離。該距離可以通過(guò)下述方式獲得將緊接在第509個(gè)
像素的布置區(qū)之前的像素?cái)?shù)508除以作為周期單位的4、將結(jié)果乘以四個(gè) 像素的布置區(qū)(包括作為例如圖5所示的SF-Trl4i和SL-Trl5,的布置區(qū)的 矩形)的垂直尺寸12/mi、并且將結(jié)果與圖21所述的水平朝向畫(huà)面中心的 矩形高度。結(jié)果，可以通過(guò)將乘以3.5個(gè)像素的垂直尺寸2.8/mi所獲得的 乘積與該結(jié)果相加來(lái)獲得與目標(biāo)像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管離畫(huà)面中心的距 離。因此，可以如下獲得光電二極管和微透鏡之間的中心位置上的水平偏 離。
{(508/4 X 12)+0.8/2+(3.5 X 2.8)} X (1 _0.9995) = 0.7671(拜)
于是，可以如下計(jì)算與作為從圖20的畫(huà)面的左下角起右側(cè)方向上的 第二個(gè)和上側(cè)方向上的第五個(gè)(即，水平方向上的像素編號(hào)第639和垂直 方向上的像素編號(hào)第508)的像素相對(duì)應(yīng)的光電二極管和微透鏡之間的中 心位置的偏離，即，與圖20所示的L2相對(duì)應(yīng)的水平方向因子。
3.0 X {(1280/2—1.5)} X (1 —0.9995)=0.95775(/mi)
同樣，可以如下計(jì)算垂直因子。
{(504/4 X 12)+0.8/2 + (3.5 X 2.8)} X (1 — 0.9995) = 0.761 l(拜)
在這種情況下，關(guān)于水平方向，該像素是從畫(huà)面的左端起的第二個(gè)的 事實(shí)在式中被考慮為"1.5"，并且垂直方向是基于直至從畫(huà)面中心起第 504個(gè)像素的存儲(chǔ)區(qū)(包括SF-Tr和SL-Tr的布置區(qū))的距離來(lái)計(jì)算的。
在圖20中，盡管可以根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理來(lái)計(jì)算作為實(shí)際偏離的" 和L2中的每一個(gè)的長(zhǎng)度，但是L2必然略小于L1Q因此，像素離像素平面 的中心越遠(yuǎn)，則與該像素相對(duì)應(yīng)的微透鏡和光電二極管之間的中心位置的 偏離變得越大。因此，與盡管在像素平面的中心周?chē)⒐鈳缀醮怪钡剡M(jìn)入 像素平面，但其在像素平面的周邊中傾斜地進(jìn)入像素平面的一般傾向相比 相比，可以通過(guò)微透鏡來(lái)改善入射光的光收集效率。
圖22是圖20中接近畫(huà)面的左下角的線段B-B'處的固態(tài)圖像傳感器件的橫截面視圖。圖22示出與從畫(huà)面的左下角起在右側(cè)為第二個(gè)并且在上 側(cè)為第五個(gè)的像素相對(duì)應(yīng)的微透鏡和光電二極管之間的中心位置的垂直偏
離是0.7611/mi。如上所述，該偏離量隨著像素從畫(huà)面中心遠(yuǎn)離而增大。用 于上述計(jì)算的像素尺寸是例如在CMOS圖像傳感器中適用的一種尺寸。盡 管上面已經(jīng)詳細(xì)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施例， 如"權(quán)利要求書(shū)"所描述的，也可以有兩外的各種優(yōu)選實(shí)施例。
例如，作為光電二極管或微透鏡中心節(jié)距的周期性改變的單位的像素 數(shù)不限于上面的像素?cái)?shù)。任意的數(shù)目可以用作垂直和水平方向上的像素 數(shù)，并且像素節(jié)距的周期性改變的單位使用垂直和水平方向上的像素?cái)?shù)。
盡管在上述描述中，微透鏡的基底的形狀是橢圓，但是其對(duì)應(yīng)于參考 圖3所述、通過(guò)在垂直方向上根據(jù)光電二極管的中心間隔來(lái)按壓中心間隔 一致的光電二極管的基底所獲得的形狀。在固態(tài)圖像傳感器件的制造過(guò)程 中，微透鏡的基底形狀當(dāng)然可以是圓的。
盡管在上述描述中，CMOS圖像傳感器被用作圖像傳感器件，但是也 可以使用MOS圖像傳感器件、結(jié)型FET圖像傳感器件、使用雙極型晶體 管的傳感器件、CCD等，只要諸如光電二極管等的光接收器件和諸如晶體 管等的器件被周期性地布置在其中的多個(gè)像素上。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)圖像傳感器件，其中，許多像素被以矩陣方式布置在二維平面上，并且晶體管被共享以從多個(gè)像素的每一個(gè)像素中的光接收器件讀取像素?cái)?shù)據(jù)，所述固態(tài)圖像傳感器件包括多個(gè)光接收器件，所述多個(gè)光接收器件被以這樣的方式布置中心間隔在列方向上和/或在行方向上可以周期性地改變；以及多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)微透鏡用于收集所述多個(gè)光接收器件的每一個(gè)的入射光，并且所述多個(gè)微透鏡的中心間隔根據(jù)光接收器件的中心間隔的周期性改變而周期性地改變。
2. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述二維平面上的光接收器件的每一個(gè)的中心位置和布置在平行于所 述二維平面的平面上的所述多個(gè)微透鏡的每一個(gè)的中心位置是二維匹配 的。
3. 如權(quán)利要求2所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述光接收器件是光電二極管，并且 所述光接收器件的中心與形成所述光電二極管的擴(kuò)散層的表面的中心 重合。
4. 如權(quán)利要求2所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 所述光接收器件是光電二極管，并且所述光接收器件的中心與形成所述光電二極管的擴(kuò)散層除去被布線層 所覆蓋的范圍的開(kāi)口的中心重合。
5. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中微透鏡的中心間隔的周期性值是相應(yīng)布置的光接收器件的中心間隔的 周期性值的常數(shù)倍，所述微透鏡從與畫(huà)面中心相對(duì)應(yīng)的位置起被布置在像 素平面的列方向的左右和行方向的上下，其中所述固態(tài)圖像傳感器件在所 述畫(huà)面上傳感圖像。
6. 如權(quán)利要求5所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 所述常數(shù)倍的值小于l。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 所述光接收器件和微透鏡每個(gè)的中心間隔根據(jù)行方向上每連續(xù)四個(gè)的周期而改變。
8. 如權(quán)利要求7所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 行方向上的所述連續(xù)四個(gè)像素中的每一個(gè)像素包括 所述光接收器件；以及用于傳輸從所述光接收器件輸出的電荷信號(hào)的第一晶體管， 其中所述連續(xù)四個(gè)像素中的連續(xù)兩個(gè)像素每個(gè)共享用于將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電壓的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元，所述電荷信號(hào)是從所述光接收器件輸出的并且 通過(guò)所述第一晶體管來(lái)傳輸，所述連續(xù)四個(gè)像素共享信號(hào)電壓讀取單元，所述信號(hào)電壓讀取單元包 括能夠復(fù)位所述信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元的電壓的第二晶體管、用于使用所述信 號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元的電壓作為輸入來(lái)輸出電壓的第三晶體管和用于選擇像素 所屬的行的第四晶體管，所述光接收器件/所述信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元和兩個(gè)所述第一晶體管/所述 光接收器件/所述第三晶體管和所述第四晶體管/所述光接收器件/所述信號(hào) 電壓轉(zhuǎn)換單元和兩個(gè)所述第一晶體管/所述光接收器件/所述第二晶體管被 以該順序布置，并且之間插入有所述第三晶體管和所述第四晶體管的兩個(gè) 光接收器件之間的中心間隔和對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)光接收器件的微透鏡之間的中 心間隔較大。
9. 如權(quán)利要求7所述固態(tài)圖像傳感器件，其中 行方向上的所述連續(xù)四個(gè)像素中的每一個(gè)像素包括 所述光接收器件；以及用于傳輸從所述光接收器件輸出的電荷信號(hào)的第一晶體管， 其中所述連續(xù)四個(gè)像素中的連續(xù)兩個(gè)像素每個(gè)共享用于將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電壓的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元，所述電荷信號(hào)是從所述光接收器件輸出的并且 通過(guò)所述第一晶體管來(lái)傳輸，所述連續(xù)四個(gè)像素共享信號(hào)電壓讀取單元，所述信號(hào)電壓讀取單元包 括能夠復(fù)位所述信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元的電壓的第二晶體管、用于放大所述電 壓信號(hào)轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓的第三晶體管和用于選擇像素所屬的列的第四 晶體管，所述光接收器件/所述信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元和兩個(gè)所述第一晶體管/所述 光接收器件/所述第二晶體管、所述第三晶體管和所述第四晶體管/所述光 接收器件/所述信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換單元和兩個(gè)所述第一晶體管/所述光接收器件 被以該順序布置，并且之間插入有所述第二晶體管、所述第三晶體管和所 述第四晶體管的兩個(gè)光接收器件之間的中心間隔和對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)光接收器 件的微透鏡之間的中心間隔較大。
10. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 所述多個(gè)微透鏡的基底的尺寸相同。
11. 如權(quán)利要求io所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述微透鏡的基底的形狀是橢圓。
12. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中 在所述微透鏡和所述光接收器件之間設(shè)置濾色鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種固態(tài)圖像傳感器件，其中，許多像素被以矩陣方式布置在二維平面上，該固態(tài)圖像傳感器件包括多個(gè)光接收器件和多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)光接收器件被以這樣的方式布置中心間隔在列方向上和/或在行方向上可以周期性地改變，所述多個(gè)微透鏡用于收集每個(gè)光接收器件的入射光，其中，中心間隔根據(jù)光接收器件的中心間隔的周期性改變而周期性地改變。
文檔編號(hào)H04N5/365GK101315941SQ20081011060
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者井上忠夫, 大工博 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社