CN101040382A - 固态成像装置及其制造方法和照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态成像装置(1)，其具有在N型半导体层(101)上依次层叠形成的P型半导体层(102)、绝缘层(104)、滤色片(106)、透光层(107)和聚光层(108)的结构。在位于绝缘层(104)侧面上的P型半导体层(102)中形成多个光二极管(103)。该多个光二极管(103)通过二维方式不均等排列而密集安装。由于彼此邻近排列的多个光二极管(103)共享透光层(107)和聚光层(108)，因此可改善聚光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置，尤其是涉及一种用于改善固态成像装置聚光效率的技术，其中该固态成像装置密集安装有光接收元件。
背景技术
固态成像装置由二维排列的多个光接收元件组成。图1为现有技术的固态成像装置的平面结构示意图。如图1所示，固态成像装置7包括光接收元件701、垂直移位寄存器703、水平移位寄存器702和驱动电路704。光接收元件701在网格中以规则间隔设置。
当垂直移位寄存器703选择一行光接收元件701并且垂直移位寄存器702选择该行的行信号时，输出光接收元件701的图像信号。驱动电路704驱动垂直移位寄存器703和水平移位寄存器702。注意，光接收元件701具有用于放大由光二极管产生的信号电压的放大器，其在图中未示出。
图2为现有技术的固态成像装置结构的部分截面图。如图2所示，固态成像装置7具有顺次层叠于N型半导体层801上的P型半导体层802、绝缘层804和滤色片806的结构。光二极管803形成在位于绝缘层804侧面上的P型半导体层802中。遮光层805形成在绝缘层804中。微镜807设置于滤色片806上。
微镜807聚焦光二极管803上的入射光。滤色片806只透射入射光中具有特定波长的光。光二极管803产生对应于进入其内的光强的电荷。
专利文件1：“Basis and application of a CCD/MOS image sensor(电荷耦合器件/金属氧化物半导体图像传感器的原理和应用”，CQ出版公司，由Kazuya Yonemoto撰写，第95-101页。
发明内容
技术问题
为了实现这种固态成像装置的更高分辨率，需要更多数量的像素。因此，需要高密度安装的光接收元件。
然而，各光接收元件包括用于转换入射光的光电转换单元、用于放大由该光电转换单元获得的图像信号的放大单元、用于输出该图像信号的布线单元、用于接通和切断的晶体管等。由于难以使光电转换单元和放大单元尺寸减小，当密集地安装光接收元件(例如，等于或大于200百万像素)时，光二极管不能以规则间隔设置。这将使光二极管的设置不规则。
如果密集地设置光二极管，则需要减小相应微镜的尺寸。因此，不能获得充分的聚光能力，其将导致固态成像装置的光接收灵敏度降低。
为了解决上述问题，本发明意在提供一种具有密集安装的光接收元件并具有高聚光效率的固态成像装置及其制造方法，以及利用该固态成像装置的照相机。
技术方案
解决以上问题的一种固态成像装置包括：二维排列的多个光电转换单元；以及将入射光聚焦到多个光电转换单元上的多个聚光单元，其中多个光电转换单元中的至少两个光电转换单元比其它光电转换单元彼此更邻近设置，并且该至少两个光电转换单元共享多个聚光单元的其中之一。
技术效果
利用上述结构，即使在多个光电转换单元二维不规则并密集排列的情况下，彼此更邻近设置的至少两个光电转换单元可共享聚光单元。因此，可实现高聚光效率。另外，多个聚光单元的每一个包括：透射进入其内的光的透射单元；以及围绕透射单元并且使入射光折射至各光电转换单元的折射单元。
而且，透射单元的折射率大于折射单元的折射率。另外，在远离透射单元的区域中折射单元的折射率较低。利用上述结构，由于进入光电转换单元周围区域中的光可被引入至该光电转换单元，因此聚光效率可以较高。
另外，折射单元由在远离透射单元的方向上交替排列的多个较高折射率部分和多个较低折射率部分组成。利用上述结构，可形成具有高精确度的折射单元，并且还可减小该折射单元的尺寸。而且，在远离透射单元的区域中折射单元的有效折射率较低。利用上述结构，可更加改善聚光效率。
一种包括用于将入射光聚焦到光接收元件上的固态成像装置的制造方法，包括：在形成有光接收元件的半导体层上方形成透光层的第一步骤；在部分所述透光层上形成第一掩模的第二步骤，在所述部分中要形成聚光层；通过在其内注入离子而增加透光层折射率的第三步骤；移除第一掩模的第四步骤；在部分所述透光层上形成第二掩模的第五步骤，其中该部分包括离子注入其内的部分的部分；在形成第二掩模之后蚀刻所述透光层从而形成聚光层的第六步骤；以及移除所述第二掩模的第七步骤，其中形成所述第二掩模从而暴露出至少一部分所述透光层。利用上述结构，本发明的固态成像装置的聚光层可以通过少量的半导体工艺制造。因此，可降低固态成像装置的制造成本，并可缩短半导体工艺的周期。
另外，透光层由低折射率材料组成。而且，所述离子为磷或砷。
一种包括用于将入射光聚焦到光接收元件上的聚光层的固态成像装置的制造方法，包括：在其中形成有光接收元件的半导体层上方形成由较高折射率材料组成的透光层的第一步骤；在透光层上形成由较低折射率材料组成的折射层的第二步骤；以及利用透光层作为刻蚀终止层而刻蚀所述折射层的第三步骤。利用上述结构，可以通过少量的半导体工艺制造所述聚光层。
一种包括固态成像装置的照相机，其中该固态成像装置包括：二维方式排列的多个光电转换单元；以及将入射光聚焦到所述多个光电转换单元上的多个聚光单元，其中所述多个光电转换单元的至少两个光电转换单元比其它光电转换单元彼此更邻近设置，并且所述至少两个光电转换单元共享多个聚光单元的其中之一。利用上述结构，聚光效率可以更高并且可增加像素数量。因此，可获得能拍摄更清晰数码图像的照相机。
附图说明
图1为现有技术固态成像装置的平面结构示意图；
图2为现有技术的固态成像装置的具体结构的部分截面图；
图3为本发明第一实施方式的固态成像装置的部分结构截面图；
图4为本发明第一实施方式的固态成像装置的部分结构的平面图；
图5为本发明第一实施方式的固态成像装置的制造方法示意图；
图6为本发明第二实施方式的固态成像装置的制造方法示意图；
图7为本发明第三实施方式的固态成像装置的部分结构截面图；
图8为本发明第四实施方式的固态成像装置的部分结构截面图；
图9为本发明第四实施方式的固态成像装置的制造方法示意图；
图10为本发明第四实施方式的变型的固态成像装置的制造方法示意图；
图11为本发明变型(4)的数码相机的功能结构方框图。
附图标记
1、4、5、6、7：固态成像装置
101、401、501、601、801：N型半导体层
102、402、502、602、802：P型半导体层
103、403、503、603、803：光二极管
104、404、504、604、804：绝缘层
105、405、505、605、805：遮光层
106、406、506、606、806：滤色片
107、507、607：透光层
108、508、608：聚光层
301、302、408、701、801、802：抗蚀剂掩模
407：二氧化硅层
701：光接收元件
702：水平移位寄存器
703：垂直移位寄存器
704：驱动电路
807：微镜
9：数码相机
900：光阑
901：光学镜头
902：IR
903：图像传感器
904：模拟信号处理电路
905：A/D转换器
906：数字信号处理电路
907：存储卡
908：控制电路
具体实施方式
以下将参照附图详细描述根据本发明实施方式的固态成像装置。
[1]第一实施例
在本发明第一实施方式的固态成像装置中，彼此邻近排列的光二极管共享同一聚光单元。
(1)固态成像装置的结构
图3所示为第一实施方式的固态成像装置的部分结构截面图。如图3所示，固态成像装置1包括N型半导体层101、P型半导体层102、光二极管103、绝缘层104、遮光层105、滤色片106、透光层107和聚光层108。
P型半导体层102形成在N型半导体层101上。多个光二极管103形成在绝缘层104侧面上的P型半导体层102中。绝缘层104形成于P型半导体层102和多个光二极管103上。遮光层105形成于绝缘层14中。
遮光层105阻挡通过滤色片106透射的光从而防止光进入不对应于该滤色片106的光二极管103中。因此，遮光层105形成于P型半导体层102中不对应于光二极管103的位置处。
每个滤色片106透射具有要进入对应的光二极管103的波长的光。例如，根据将要透射的光颜色，滤色片106的排列遵循拜耳(Bayer)排列。透光层107由二氧化钛(TiO2)形成。二氧化钛为对于可见光具有高透射率和高折射率的介电材料。透光层107降低了入射光的速度。
聚光层108由多个层叠的介电层组成从而围绕透光层107。
(2)聚光层108的结构
图4为固态成像装置1的结构平面图。如图4所示，透光层107覆盖光二极管103，并且围绕透光层107形成聚光层108。聚光层108包括由二氧化硅(SiO2)形成的多个圆形介电层。二氧化硅对于可见光具有高透射率。二氧化硅的折射率低于二氧化钛并高于空气。
介电层之间的间距随着距透光层107距离的增加而增加。另外，各介电层具有高折射率，而介电层之间的空气具有低折射率。因此，在靠近透光层107的区域中聚光层108的有效折射率较高，而在远离透光层107的区域中折射率较低。聚光层108的有效折射率低于透光层107的折射率。
另外，要进入的光波长根据光二极管而不同。因此，即使介电层围绕相同的透光层107，介电层之间的间距按照邻近设置的光二极管并根据将要进入该光二极管的光波长而不同。
因此，聚光层108折射进入透光层107周围区域的光以将所述光引导至透光层107，从而使光进入相应的光二极管103。因此，可改善聚光效率。
(3)固态成像装置1的制造方法
接下来将描述固态成像装置1的制造方法。图5示出了固态成像装置1的制造方法。形成N型半导体层101、P型半导体层102、光二极管103、绝缘层104、遮光层105和滤色片106。此处将描述接着之后的制造方法。首先，如图5(a)所示，利用溅射方法或CVD(化学气相沉积)方法在滤色片106上形成透光层107。接着，如图5(b)所示，在透光层107上形成抗蚀剂掩模301。然后，通过光刻工艺和干蚀刻工艺形成透光层107(图5(c))。
如图5(d)所示，利用溅射方法或CVD方法在滤色层106和透光层107上形成聚光层108。然后，通过CMP(化学机械抛光)工艺使聚光层108平坦化(图5(e))。接着，在聚光层108上形成抗蚀剂掩模302(图5(f))，并且通过光刻工艺和干蚀刻工艺形成聚光层108(图5(g))。例如，四氟化碳(CF4)用于干蚀刻工艺。这将使进入围绕透光层107的聚光层108的光被引导至光二极管103(图5(h))。
[2]第二实施例
接下来将描述本发明第二实施方式的固态成像装置。第二实施方式的固态成像装置具有与第一实施方式固态成像装置类似的结构，但透光层的材料不同。以下将主要描述所述差别。
图6示出了第二实施例的固态成像装置的制造方法。如图6所示，固态成像装置4包括N型半导体层401、P型半导体层402、光二极管403、绝缘层404、遮光层405和滤色片406。首先，如图6(a)所示，利用溅射方法或CVD方法在滤色片406上形成二氧化硅层407。接着，如图6(b)所示，在二氧化硅层407上形成抗蚀剂掩模408。然后，通过光刻工艺和干蚀刻工艺形成二氧化硅层407(图6(c))。利用这种结构，与第一实施例中透光层107和聚光层108具有相同功能的二氧化硅层407可以通过少量的半导体工艺制造。
[3]第三实施例
接下来将描述本发明第三实施方式的固态成像装置。第三实施方式的固态成像装置具有与第一实施方式的固态成像装置类似的结构，但是不同于聚光层的形成。以下将主要描述所述差别。
图7为第三实施方式的固态成像装置的部分结构截面图。如图7所示，固态成像装置5包括N型半导体层501、P型半导体层502、光二极管503、绝缘层504、遮光层505、滤色片506、透光层507和聚光层508。
聚光层508包括由与第一实施方式中聚光层108相同的二氧化硅组成的多层圆形介电层，从而围绕透光层507。第一实施方式中聚光层108的各圆形介电层具有相同的膜厚度。然而，聚光层508的各圆形介电层的膜厚度随着距透光层507距离的增加而减小。
利用这种结构，在远离透光层507的区域中聚光层508的有效折射率较低。因此，由于可以提高聚光层508的折射率效果，该固态成像装置的聚光效率可以更高。
[4]第四实施例
接下来将描述本发明第四实施方式的固态成像装置。第四实施方式的固态成像装置具有与第一实施方式的固态成像装置类似的结构，但是不同于聚光层的形成。以下将主要描述所述差别。
(1)固态成像装置的结构
图8为第四实施方式的固态成像装置的部分结构截面图。如图8所示，固态成像装置6包括N型半导体层601、P型半导体层602、光二极管603、绝缘层604、遮光层605、滤色片606、透光层607和聚光层608。
聚光层608由围绕透光层607的圆形介电层组成。另外，聚光层608的膜厚度随着距离透光层607的距离增加而逐渐减小。
利用这种结构，多个光接收元件共享透光层和聚光层。因此，即使光接收元件密集安装，也可实现高聚光效率。
(2)固态成像装置6的制造方法
接下来将描述固态成像装置6的制造方法。图9示出了固态成像装置6的制造方法。形成N型半导体层601、P型半导体层602、光二极管603、绝缘层604、遮光层605和滤色片606。这里，将描述接下来的制造方法。首先，在滤色片606上形成透光层607(图9(a))，并且在透光层607上形成抗蚀剂掩模701(图9(b))。然后，通过光刻工艺和干蚀刻工艺形成透光层607(图9(c))。
接着，在滤色片606和透光层607上形成聚光层608(图9(d))，并且通过诸如CMP工艺等的平坦化工艺选择性地去除聚光层608。注意，透光层607由二氧化钛组成，并且利用透光层607作为刻蚀终止层而选择性地去除聚光层607。因此，可以稳定聚光层608的形成工艺。如上所述，可获得分别具有聚光功能的透光层607和聚光层608(图9(e))。图9(f)为固态成像装置6的部分平面图。
(3)第四实施例的变型
以下为固态成像装置6的制造方法的变型。图10示出了变型的固态成像装置6的制造方法。形成N型半导体层601、P型半导体层602、光二极管603、绝缘层604、遮光层605和滤色片606。这里将描述在此之后的制造方法。首先，在滤色片606上形成聚光层608(图10(a))，并且在聚光层608上形成抗蚀剂掩模801(图10(b))。聚光层608由具有低折射率的材料诸如二氧化硅等组成。
然后，通过离子注入方法形成透光层607(图10(c))。作为用于离子注入方法的离子，可使用用于一般硅工艺的材料，诸如磷(P)、砷(As)等。
在去除抗蚀剂掩模801之后(图10(d))，在透光层607上形成抗蚀剂掩模802(图10(e))。然后，通过光刻工艺和干蚀刻工艺选择性地去除聚光层608。利用这种结构，可简化并稳定用于获得分别具有聚光功能的透光层607和聚光层608的半导体工艺。此外，还可降低制造成本(图10(f))。
[5]变型例
至此，通过实施方式已详细描述了本发明的固态成像装置。然而，本发明的技术范围并不限于以上所述的实施例。例如，以下为变型。
(1)虽然未在上述实施方式中指出，但是透光层可覆盖多个光接收元件，或者聚光层和透光层可一起覆盖多个光接收元件。在任何情况下，本发明的效果是相同的。此外，透光层的形成并不限于以上所述实施方式提到的形状，并且基于光接收元件的设置可使用适当的形状，诸如矩形固态形状、圆柱形固态形状等。
(2)以上述实施方式中，在共享透光层的光接收元件之间的间隙上形成透光层。然而，本发明并不限于该结构，并可具有通过折射入射光而使进入该位置的入射光进入到最邻近的光接收元件中的结构。利用该结构，进入遮光层并且不会影响聚光效率的入射光可被引导至光接收元件。因此，可进一步提高聚光效率。注意，由于光接收元件之间的间隙狭窄，适合通过形成诸如第一实施例中的聚光层108的多层介电层而调节折射率。
(3)虽然在以上实施方式中未指出，材料的折射率一般根据透射光的波长而不同。另外，要进入的光波长根据光接收元件而不同。因此，适合根据要进入的光波长来调节聚光层的折射率。在第一实施方式中，聚光层的有效折射率可通过调节组成聚光层的介电层之间的间距而调节。在第四实施方式中，折射率可通过调节由离子注入方法注入的离子含量而改变。利用该结构，通过调节根据颜色的聚光效率而获得更高的图像质量。
(4)在上述实施方式中，只描述了本发明的固态成像装置。然而，本发明并不限于此，并且可通过将本发明应用于数码相机(DSC)而获得本发明的效果。
图11为变型的数码相机的功能结构方框图。如图11所示，数码相机9包括光阑900、光学镜头901、IR(红外)截止滤色片902、图像传感器903、模拟信号处理电路904、A/D(模拟-数字)转换器905、数字信号处理电路906、存储卡907和控制电路908。
光阑900调节进入光学镜头901的光量。光阑900包括两个光阑叶片。当两个光阑叶片彼此分开时，由于进入光学镜头901的光量增加而使进入图像传感器903中的光量增加。另一方面，当两个光阑叶片彼此靠近时，进入图像传感器903的光量减少。
光学镜头901将来自物体的入射光聚焦到图像传感器903上。IR截止滤色片902去除进入到图像传感器903中的长波长成分的光。图像传感器903为单板CCD(电荷耦合器件)图像传感器，其中用于过滤入射光的滤色片提供给二维排列的各个光接收元件。滤色片的排列遵循拜耳排列。例如，图像传感器903根据来自控制电路908的驱动信号读取电荷，并输出模拟图像信号。
注意，包括在图像传感器903中的光接收元件在二维上不均等排列。换句话说，包括在图像传感器903中的光接收元件中的至少两个比其他光接收元件彼此更邻近排列。这可实现高分辨率。如在第一实施方式等中所述，彼此邻近排列的光接收元件共享透光层和聚光层。
模拟信号处理电路904对由图像传感器903输出的模拟图像信号执行诸如相关双采样、信号放大等处理。A/D转换器905将来自模拟信号处理电路904的输出信号转换为数字图像信号。数字信号处理电路906校正数字图像信号的色移从而产生数字图片信号。存储卡907记录该数字图片信号。该记录的数字图片信号为数码照片。
工业实用性
本发明的固态成像装置技术对于改善密集安装有多个光接收元件的固态成像装置的聚光效率是有益的。
Claims (11)
1.一种固态成像装置，包括：
二维排列的多个光电转换单元；以及
将入射光聚焦到所述多个光电转换单元上的多个聚光单元，其中，
所述多个光电转换单元中的至少两个光电转换单元比其它光电转换单元彼此更邻近设置，以及
所述至少两个光电转换单元共享多个聚光单元的其中之一。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，所述多个聚光单元的每一个包括：
透射进入其内的光的透射单元；以及
围绕所述透射单元并且使入射光折射至各所述多个光电转换单元的折射单元。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其特征在于，所述透射单元的折射率大于所述折射单元的折射率。
4.根据权利要求2所述的固态成像装置，其特征在于，在远离所述透射单元的区域中所述折射单元的折射率较低。
5.根据权利要求2所述的固态成像装置，其特征在于，所述折射单元由在远离所述透射单元的方向上交替排列的多个较高折射率部分和多个较低折射率部分组成。
6.根据权利要求2所述的固态成像装置，其特征在于，在远离所述透射单元的区域中所述折射单元的有效折射率较低。
7.一种包括用于将入射聚焦到光接收元件上的聚光层的固态成像装置的制造方法，包括：
在形成有所述光接收元件的半导体层上方形成透光层的第一步骤；
在部分所述透光层上形成第一掩模的第二步骤，其中在该部分中要形成聚光层；
通过在在其内注入离子而增加所述透光层的折射率的第三步骤；
移除所述第一掩模的第四步骤；
在部分所述透光层上形成第二掩模的第五步骤，其中该部分包括其中注入有离子的部分；
在形成所述第二掩模之后蚀刻所述透光层从而形成聚光层的第六步骤；以及
移除所述第二掩模的第七步骤，其中形成第二掩模从而暴露出所述透光层的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述透光层由低折射率的材料组成。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述离子为磷或砷。
10.一种包括用于将入射光聚焦到光接收元件上的聚光层的固态成像装置的制造方法，包括：
在其中形成有所述光接收元件的半导体层上方形成由较高折射率材料组成的透光层的第一步骤；
在所述透光层上形成由较低折射率材料组成的折射层的第二步骤；以及
利用所述透光层作为刻蚀终止层而刻蚀所述折射层的第三步骤。
11.一种包括固态成像装置的照相机，所述固态成像装置包括：
二维排列的多个光电转换单元；以及
将入射光聚焦到所述多个光电转换单元上的多个聚光单元，其中所述多个光电转换单元中的至少两个光电转换单元比其它光电转换单元彼此更邻近设置，以及
所述至少两个光电转换单元共享所述多个聚光单元的其中之一。
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