CN101281921B - 固态成像装置和成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态成像装置及包括其的成像设备。该固态成像装置包括：多个像素，设置在半导体基板上，并且包括多个光电转换单元和从该多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；有机光电转换膜，设置在多个光电转换单元上；以及有机滤色器层，设置在多个光电转换单元上。通过有机光电转换膜仅提取对应于第一颜色的信号。采用有机滤色器层通过吸收光谱法提取对应于不含该第一颜色的多种颜色的信号。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置和成像设备。
背景技术
半导体图像传感器是固态成像装置，并且包括互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器和电荷耦合装置(CCD)。CMOS传感器包括多个像素和金属氧化物半导体(MOS)晶体管，该多个像素具有将入射光转换成电信号的光电转换单元，而该MOS晶体管从每个像素选择性地读取电信号。CCD包括多个像素并转移信号电荷，该多个像素具有将入射光转换成电信号的光电转换单元，该信号电荷通过硅基板从每个像素读取。CMOS传感器和CCD都是从像素读取信号的半导体装置。近来，由于例如低电压、低功耗和多功能性的正面特性，CMOS传感器作为用在移动电话的相机、数字静物相机和数字视频相机中的成像装置已经引起人们的注意。CMOS传感器被使用的范围已经得到扩大。
更具体地讲，对于彩色图像传感器，已经采用了这样的技术，其中在每个像素(红绿蓝拜尔排列(Bayer pattern)是公用的)中形成包括三种颜色例如红色、绿色、蓝色的滤色器，并且其中进行空间颜色分离。在该技术中，通过适当调整滤色器的光谱特性可以取得优秀的颜色再现。然而，该技术却有实质性的问题，因为滤色器自身显著地吸收光，所以难于足够有效地利用进入彩色图像传感器的光。另外，该技术具有下面的问题：因为进行空间颜色分离，所以难于有效地利用彩色图像传感器的像素；当绿色像素的数量很少时，降低了亮度信号的分辨率；而当红色或者蓝色像素的数量很少时，降低了颜色信号的分辨率，或者产生错误的颜色信号。
此外，随着图像传感器的不断小型化和在图像传感器中的像素数量增加，近来，一个像素的单元尺寸已经减小到2.0平方微米或者更小。根据这样的尺寸减小，明显地减少了每个像素的面积和每个像素的体积。结果，减小了饱和电平(saturation level)和灵敏度，由此降低了图像质量。因此，如果红色、蓝色和绿色信号可以采用一个像素或者两个或三个像素获得而没有减小单元尺寸，则可以保持空间亮度和色度分辨率，同时保持固定数量的灵敏度和饱和电平。
为了解决上述问题，近来，已经提出采用有机光电转换膜的图像传感器(例如，见日本未审查专利申请公开第2003-234460号)。根据日本未审查专利申请公开第2003-234460号，对蓝色敏感的有机光电转换膜、对绿色敏感的有机光电转换膜和对红色敏感的有机光电转换膜依次堆叠来接受光。通过该构造，蓝色、绿色和红色信号可以分离地从一个像素获得，由此改善灵敏度。然而，因为从工艺的角度讲极其难于堆叠多个有机光电转换膜，所以没有实施多层有机光电转换膜的报道。其原因是，通常为金属膜的引线电极工艺与有机光电转换膜工艺之间协调是严重的问题，并且还没有建立加工引线电极而不损坏有机光电转换膜的技术。
相反，存在一种装置的实例，其中尽管有机光电转换膜的数量为一个，但是对应于两种颜色的光采用硅体光谱法(silicon bulk spectroscopy)来提取(例如，见日本未审查专利申请公开第2005-303266号，以及见日本未审查专利申请公开第2003-332551号中的图6)。然而，在该装置中，当利用在块体硅中对于不同波长的光的吸收差异时，颜色再现性很差。因为这个原因，难于将该装置应用到通常高分辨率的图像传感器。另外，因为从工艺角度上看通过块体硅提取对应于两种颜色的光的装置构造是复杂的，所以增加了制造成本。
发明内容
在相关技术的装置中，当利用在块体硅中对于不同波长光的吸收差异时，颜色再现性很差。因为这个原因，难于将该装置应用到通常的高分辨率图像传感器。
希望改善颜色再现性，从而装置可以应用到高分辨率的图像传感器上。
根据本发明的实施例，提供有一种固态成像装置，包括：多个像素，设置在半导体基板上，并且该多个像素包括多个光电转换单元和从该多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；有机光电转换膜，设置在该多个光电转换单元上；以及有机滤色器层，设置在该多个光电转换单元上。仅通过有机光电转换膜提取对应于第一颜色的信号。对应于不含第一颜色的多种颜色的信号采用有机滤色器层通过吸收光谱法提取。
在根据本发明实施例的固态成像装置中，因为有机光电转换膜的数量为一个，所以可以避免通常为金属膜的引线电极工艺与有机光电转换膜的工艺之间协调的问题。另外，通过例如以方格图案(checker pattern)在有机滤色器层中设置对应于不含第一颜色的多种颜色的元件(element)，可以显著改善颜色再现性。
根据本发明的另一个实施例，提供有成像设备，包括：聚光光学单元，其聚集入射光；固态成像装置，其接收并且光电转换聚集在聚光光学单元中的光；以及信号处理单元，其处理光电转换的信号。该固态成像装置包括：多个像素，其设置在半导体基板上，并且该多个像素包括多个光电转换单元和从多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；有机光电转换膜，设置在多个光电转换单元上；以及有机滤色器层，设置在多个光电转换单元上。仅通过有机光电转换膜提取对应于第一颜色的信号。对应于不含第一颜色的多种颜色的信号采用有机滤色器层通过吸收光谱法提取。
在根据本发明实施例的成像设备中，采用根据本发明实施例的固态成像装置，即具有优秀颜色再现性的固态成像装置。
因此，通过包括根据本发明实施例的固态成像装置可以提供具有优秀颜色再现性的成像设备。固态成像装置的优点在于，可以避免有机光电转换膜的工艺与通常为金属膜的引线电极的工艺之间协调的问题。
在根据本发明实施例的成像设备中，因为在成像设备中可以采用具有优秀颜色再现性的固态成像装置，所以可以改善获得图像的质量。因此，成像设备的优点在于，可以重新编码高质量的图像。
附图说明
图1是根据本发明实施例(第一实施例)的固态成像装置构造的示意性透视图；
图2A和2B是展示有机滤色器层颜色编码的布置图；
图3是展示有机滤色器层光谱特性的示意图；
图4是根据本发明实施例(第二实施例)的固态成像装置构造的示意性透视图；
图5A和5B是展示有机滤色器层颜色编码的布置图；
图6是展示有机滤色器层光谱特性的示意图；和
图7是根据本发明实施例的成像设备的方块图。
具体实施方式
现在，将参照图1所示构造的示意性透视图和图2A和2B所示布置图来描述根据本发明实施例(第一实施例)的固态成像装置。参照图1，所示的全区敞开式(whole-area-open-type)CMOS图像传感器作为根据本发明第一实施例的固态成像装置的应用实例。
如图1所示，在由半导体基板11形成的有源层12中，形成像素单元21和一组晶体管23，像素单元21包括光电转换单元(例如，光敏二极管)22，每一个光电转换单元都将入射光转换成电信号，而一组晶体管23具有转移晶体管、放大晶体管或复位晶体管等(图1中示出了该组晶体管23中的一部分)。作为半导体基板11，例如可以采用硅基板。另外，形成信号处理单元(图1中未示出)，该信号处理单元处理从每个光电转换单元22读取的信号电荷。
在邻近像素单元21的部分，例如在行方向或者列方向上设置的像素单元21之间的部分，形成元件隔离区域24。
配线层31形成在其中形成有光电转换单元22的半导体基板11的前表面上(图1中的半导体基板11的下侧)。配线层31包括配线图案32和覆盖配线图案32的绝缘膜33。支撑基板35形成在配线层31上。支撑基板35例如是硅基板。
另外，在固态成像装置1中，光学透明的平坦化膜41形成在半导体基板11的后表面上。在平坦化膜41上(图1中的平坦化膜41的顶表面上)形成有机光电转换膜42，并且有机滤色器层44形成在有机光电转换膜42与有机滤色器层44之间夹设的隔离层43上。有机滤色器层44对应于光电转换单元22形成。例如，为了获得蓝色和红色光成分，设置青色(cyan)有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y，以便形成方格图案。此外，在每个青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y上，形成将光聚集到对应的一个光电转换单元22的聚光透镜51。
有机光电转换膜42的绿色着色剂的实例包括罗丹明染料(rhodaminedye)、酞菁(phthalocyanines)、喹吖啶酮(quinacridon)、曙红Y(eosine Y)和部花青染料(merocyanine dye)。
在固态成像装置1中，对应于绿色的信号通过有机光电转换膜42提取。对应于蓝色和红色的信号通过青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y的结合提取。下面将参照图2A和2B来描述有机光电转换膜42和有机滤色器层44的二维布置(编码)的实例。
如图2A所示，包括在有机光电转换膜42中的绿色着色剂为所有的像素提供。如图2B所示，青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y设置来形成方格图案。采用下面的原理可以获得蓝色和红色光的光谱。首先，如图3的光谱的实例所示，关于蓝色光光谱，青色有机滤色器层44C吸收红色光成分，以去除红色光成分。然后，绿色有机光电转换膜42吸收绿色光成分，以去除绿色光成分。结果，可以提取留下的蓝色光成分。相反，关于红色光光谱，黄色有机滤色器层44Y吸收蓝色光成分，以去除蓝色光成分。然后，绿色有机光电转换膜42吸收绿色光成分，以去除绿色光成分。结果，可以提取留下的红色光成分。另外，对于所有的像素可以相等地最优化N-区域和P+区域的深度(图2A或2B中未示出)，该N-区域和P+区域包括在光电转换单元22中形成的光敏二极管中。
通过上述的构造，在固态成像装置1中，可以输出颜色信号，它们对应于绿色、蓝色和红色被分离。因为有机光电转换膜42是单层，所以可以避免通常为金属膜的引线电极(图1中未示出)工艺与有机光电转换膜42工艺之间协调的问题。另外，因为可以采用光刻技术来形成有机滤色器层44，所以通过采用有机滤色器层44，干法蚀刻工艺不是必要的。因此，对于有机光电转换膜42不产生损害。当存在材料的沉积等风险时，优选如图1所示设置隔离层43。
因为青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y设置成方格图案，所以空间亮度和色度分辨率变得更低，但是可以显著改善颜色再现性。
在固态成像装置1中，与仅采用原色滤色器进行颜色分离的固态成像装置(例如，日本未审查专利申请公开第2003-332551号所公开的彩色成像装置)相比，通过互补颜色的有机滤色器层44与体光谱法使用的结合，灵敏性和颜色再现性可以同时都得到改善。另外，对应于互补颜色的光的光谱不限于图3所示的实例。通过采用具有更高透射率的光谱的青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y，可以抑制蓝色光敏感性的降低。
在根据上述第一实施例的固态成像装置1中，描述了这样的实例，其中形成绿色有机光电转换膜42，并且采用青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y的结合可以提取对应于蓝色和红色的信号。然而，可以采用其它的结合。更具体地讲，该结合不限于三原色的结合。可以采用中性颜色的结合或者对应于多于三种颜色的元件设置。另外，尽管在所描述的实例中根据第一实施例的固态成像装置应用于全区敞开式CMOS图像传感器，但是根据第一实施例的固态成像装置显然可以应用于通常的CMOS图像传感器。此外，有机滤色器层44和有机光电转换膜42可以在位置上颠倒。
接下来，参照图4所示构造的示意性透视图和图2A和2B所示的布置图来描述根据本发明实施例(第二实施例)的固态成像装置2。参照图4，所示的全区敞开式CMOS作为根据本发明第二实施例的固态成像装置的应用实例。
如图4所示，在由半导体基板11形成的有源层12中，形成像素单元21和一组晶体管23，像素单元21包括光电转换单元22(例如，光敏二极管)，每一个光电转换单元都将入射光转换成电信号，而一组晶体管23具有转移晶体管、放大晶体管或复位晶体管等(图4中示出了该组晶体管23中的一部分)。作为半导体基板11，例如可以采用硅基板。另外，形成信号处理单元(图4中未示出)，该信号处理单元处理从每个光电转换单元22读取的信号电荷。
在邻近像素单元21的部分，例如在行方向或者列方向上设置的像素单元21之间的部分，形成元件隔离区域24。
配线层31形成在其中形成有光电转换单元22的半导体基板11的前表面上(图4中的半导体基板11的下侧)。配线层31包括配线图案32和覆盖配线图案32的绝缘膜33。支撑基板35形成在配线层31上。支撑基板35例如是硅基板。
另外，在固态成像装置2中，光学透明的平坦化膜41形成在半导体基板11的后表面上。在平坦化膜41上(图4中的平坦化膜41的顶表面上)形成有机光电转换膜42，并且有机滤色器层44形成在有机光电转换膜42与有机滤色器层44之间夹设的隔离层43上。有机滤色器层44对应于光电转换单元22形成。例如，为了获得蓝色和红色光成分，青色滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y设置来形成方格图案。此外，在每个青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y上，形成将光聚集到对应的一个光电转换单元22中的聚光透镜51。
有机光电转换膜42的绿色着色剂的实例包括罗丹明染料、酞菁、喹吖啶酮、曙红Y和部花青染料。
在固态成像装置2中，对应于绿色的信号通过有机光电转换膜42提取。对应于蓝色和红色的信号通过青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y与体光谱法的结合提取。下面将参照图2A和2B来描述有机光电转换膜42和有机滤色器层44的二维布置(编码)的实例。
如图2A所示，包括在有机光电转换膜42中的绿色着色剂对所有的像素提供。如图2B所示，青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y设置来形成方格图案。采用下面的原理可以获得蓝色和红色光的光谱。首先，如图3的光谱的实例所示，关于蓝色光光谱，青色有机滤色器层44C吸收红色光成分，以去除红色光成分。然后，绿色有机光电转换膜42吸收绿色光成分，以去除绿色光成分。结果，可以提取留下的蓝色光成分。相反，关于红色光光谱，黄色有机滤色器层44Y吸收蓝色光成分，以去除蓝色光成分。然后，绿色有机光电转换膜42吸收绿色光成分，以去除绿色光成分。结果，可以提取留下的红色光成分。
为了获得蓝光和红光的体光谱，包括在形成于光电转换单元22中的光敏二极管中的N-区域22N和P+区域22P的深度不相等。换言之，关于蓝光的体光谱，N-区域22N形成在靠近光入射侧的区域(光传播深度小的区域)，并且蓝光的光电转换优选在N-区域22N中进行。在光传播深度大的区域中，P+区域22P形成为抑制红光的光电转换。相反，关于红光的体光谱，N-区域22N形成在远离光入射侧的区域(光传播深度大的区域)，并且红光的光电转换优选在N-区域22N中实现。在光传播深度小的区域中，大深度的P+区域22P形成为抑制蓝光的光电转换。还必须根据光的波长在像素中优化N-区域22N和P+区域22P的深度。关于有机滤色器层44和像素颜色的结合，蓝色像素设置在青色有机滤色器层44C之下，而红色像素设置在黄色有机滤色器层44Y之下。
通过上述的构造，在固态成像装置2中，可以输出颜色信号，它们对应于绿色、蓝色和红色分离。因为有机光电转换膜42是单层，所以可以避免通常为金属膜(图4中未示出)的引线电极工艺与有机光电转换膜42工艺之间协调的问题。另外，因为可以采用光刻技术来形成有机滤色器层44，所以通过采用有机滤色器层44干法蚀刻工艺是不必要的。因此，对于有机光电转换膜42不产生损害。当存在材料的沉积等风险时，优选如图4所示设置隔离层43。
因为青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y设置成方格图案，所以空间亮度和色度分辨率变得更低，但是可以显著改善颜色再现性。
在固态成像装置2中，与仅采用原色滤色器进行色彩分离的固态成像装置(例如，日本未审查专利申请公开第2003-332551号所揭示的彩色成像装置)相比，通过互补颜色的有机滤色器层44与体光谱法使用的结合，无论是灵敏性还是颜色再现性可以同时都得到改善。另外，对应于互补颜色的光的光谱不限于图3所示的实例。通过采用具有高透射率光谱的青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y，可以抑制蓝色光敏感性的降低。
在根据上述第二实施例的固态成像装置2中，描述了这样的实例，其中形成绿色有机光电转换膜42，并且采用青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y的结合可以提取对应于蓝色和红色的信号。然而，可以采用其它的结合。更具体地讲，该结合不限于三原色的结合。可以采用中性颜色的结合或者对应于多于三种颜色的元件的设置。另外，尽管在所描述的实例中根据第二实施例的固态成像装置应用于全区敞开式CMOS图像传感器，但是根据第二实施例的固态成像装置显然可以应用于通常的CMOS图像传感器。此外，有机滤色器层44和有机光电转换膜42可以在位置上颠倒。
在根据上述第二实施例的固态成像装置2中，描述了青色有机滤色器层44C和黄色有机滤色器层44Y的光谱实例。如图5B所示，在有机滤色器层44的光谱的另一个实例中，有机滤色器层44A和有机滤色器层44B设置成方格图案，有机滤色器层44A具有由光谱A指示的吸收波长的特性，而有机滤色器层44B具有由光谱B指示的吸收波长的特性。如图5A所示，绿色有机光电转换膜用作有机光电转换膜42。
理想的是，如图6所示，优选有机滤色器层44A和有机滤色器层44B分别具有光谱A和光谱B所指示的光谱特性。另外，对于在此情况下的体光谱法，更优选的是采用对蓝色光具有灵敏性的元件与对红色光具有灵敏性的元件的结合，对蓝色光具有灵敏性的元件设置在具有由光谱A指示的光谱特性的有机滤色器层44A之下，而对红色光具有灵敏性的元件设置在具有由光谱B指示的光谱特性的有机滤色器层44B之下。
作为有机光电转换膜42和有机滤色器层44的结合，除了在第一和第二实施例中描述的结合外，存在下面的结合：(1)蓝色有机光电转换膜用作有机光电转换膜42，并且绿色有机滤色器层与具有由光谱B指示的光谱特性的有机滤色器层的结合用作有机滤色器层44；以及(2)红色有机光电转换膜用作有机光电转换膜42，并且绿色有机滤色器层与具有由光谱A指示的光谱特性的有机滤色器层的结合用作有机滤色器层44。就改进颜色分离而言，优选采用上述的第一和第二实施例。
如上所述，通过根据本发明第一和第二实施例的固态成像装置1和2，可以改善颜色再现性。因此，固态成像装置1和2可以应用于高分辨率图像传感器。
接下来，将参照图7所示的方块图来描述根据本发明实施例的成像设备。该成像设备的实例包括视频摄像机、数字静物相机和移动电话的相机。
如图7所示，成像设备100包括具有固态成像装置(图7中未示出)的成像单元101。在成像单元101的聚光侧上，设置形成图像的成像光学系统102。成像单元101连接到驱动电路和信号处理单元103，该驱动电路驱动成像单元101，该信号处理单元103包括处理在固态成像装置中光电转换的信号以获得图像的信号处理电路。在信号处理单元103中获得的图像信号可以储存在图像存储单元(图7中未示出)中。在成像设备100中，作为上述的固态成像装置，可以采用在前述实施例中描述的固态成像装置1或2。
在根据本发明实施例的成像设备100中，因为可以采用根据本发明第一或者第二实施例的固态成像装置1或者2，如上述的情况，所以可以减少在固态成像装置的垂直方向上或者在固态成像装置的垂直和水平方向上的像素信息的数量。结果，成像设备100的优点在于可以获得高帧频。
根据本发明实施例的成像设备100的构造不限于上面描述的构造。其中采用固态成像装置的成像设备的任何构造可以用作成像设备100的构造。
上述的固态成像装置1和2中的每一个都可以构造成单独芯片或者作为包括成像功能的模块，在该模块中集成了成像单元和信号处理单元或者光学系统。本发明的实施例可以提供固态成像装置和成像设备。在此情况下，成像设备的优点在于可以获得高的图像质量。在此，该成像设备例如涉及具有相机或者成像功能的便携式设备。术语“成像”不仅涉及以相机拍摄的通常情况下获取图像，而且也涉及广义上的指纹检测等。
本领域的技术人员应当理解的是，可以根据设计需要和其它因素进行各种修改、结合、部分结合和替换，只要它们落在权利要求或其等同特征的范围内。
本发明包含有关2007年4月6日提交日本专利局的日本专利申请JP2007-100266的主题，其全部内容在此引用作为参考。
Claims (5)
1.一种固态成像装置，包括：
多个像素，设置在半导体基板上，该多个像素包括多个光电转换单元和从该多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；
有机光电转换膜，设置在该多个光电转换单元上；和
有机滤色器层，设置在该多个光电转换单元上，在所述有机光电转换膜之上或者之下，
其中仅对应于第一颜色的信号通过该有机光电转换膜提取，并且
其中对应于不含该第一颜色的多种颜色的信号采用该有机滤色器层通过吸收光谱法提取。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中该有机滤色器层包括不含该第一颜色的多种颜色的元件，这些元件被设置成方格图案。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中对应于绿色的信号通过该有机光电转换膜提取，而对应于蓝色和红色的信号通过对应于在该有机滤色器层中形成为方格图案的青色和黄色元件的单独的像素的吸收光谱法提取。
4.一种固态成像装置，包括：
多个像素，设置在半导体基板上，该多个像素包括多个光电转换单元和从该多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；
有机光电转换膜，设置在该多个光电转换单元上；和
有机滤色器层，设置在该多个光电转换单元上，在所述有机光电转换膜上方或者下方，该有机滤色器层包括不含该第一颜色的多种颜色的元件，这些元件被设置成方格图案，
其中对应于绿色的信号通过该有机光电转换膜提取，而对应于蓝色和红色的信号通过吸收光谱法和体光谱法的结合提取，该吸收光谱法采用对应于在该有机滤色器层形成为方格图案的青色和黄色元件的单独的像素的吸收光谱，该体光谱法采用对应于蓝光和红光的块体硅。
5.一种成像设备，包括：
聚光光学单元，其聚集入射光；
固态成像装置，其接收和光电转换在该聚光光学单元中聚集的光；和
信号处理单元，其处理光电转换的信号，
该固态成像装置包括：
多个像素，设置在半导体基板上，该多个像素包括多个光电转换单元和从该多个光电转换单元选择性读取信号的金属氧化物半导体晶体管；
有机光电转换膜，设置在该多个光电转换单元上；和
有机滤色器层，设置在该有机光电转换膜上，
其中仅对应于第一颜色的信号通过该有机光电转换膜提取，并且
其中对应于不含该第一颜色的多种颜色的信号采用该有机滤色器层通过吸收光谱法提取。
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