CN101371360A - 固态成像装置及照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态成像装置及照相机。波长分离滤光器206由在多层干涉滤光器301上顺次层叠的λ/4多层膜302至304构成。多层干涉滤光器301由两个λ/4多层膜和夹在其间的介电层构成。而且，多层干涉滤光器301由分别透射蓝光、绿光和红光的部分301B、301G、301R构成。多层干涉滤光器301波长分离可见光。λ/4多层膜302至304反射具有在分别具有800nm、900nm和1000nm的设定波长的波长范围内的波长的光。换句话说，λ/4多层膜302至304反射近红外光。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像装置及照相机，尤其涉及屏蔽包括在入射光中的红外光的技术。
背景技术
近年来，诸如数码照相机和移动电话的固态成像装置的应用范围正在急速扩大。这增加了除能够使用可见光彩色成像之外，还能够使用如红外光和紫外光的不可见光成像的固态成像装置的需求。
图1是示出根据现有技术(例如，参照专利文献1)的固态成像装置的结构的剖面图。如图1所示，固态成像装置8由在硅衬底801上顺次层叠的平坦化层804和805及不可见光截止滤光器806构成。
不可见光截止滤光器806是由交替层叠的介电层和金属层构成的多层膜。而且，光电二极管802和CCD(电荷耦合器件)803形成在更接近于平坦化层804的硅衬底801的一个表面内。
用于透射红光和不可见光的红滤光器807形成在平坦化层804内部。色彩分离滤光器808形成在平坦化层805内部。
光电二极管802对红外区域有敏感性。因此，通过不可见光截止滤光器806截止不可见光可以阻止由于红外光产生的信号电荷。因此，能够以高精确性使用可见光执行成像。
已经穿透色彩分离滤光器808并且没有穿透不可见光截止滤光器806的入射光只包括蓝光和不可见光。如果这种入射光进一步穿透红滤光器807，蓝光就被截止。因此，只有不可见光进入光电二极管802。这实现了使用不可见光成像。
利用上述结构，能够实现除了能够使用可见光彩色成像之外，还能够使用红外光成像的固态成像装置。
专利文献1：日本专利No.3078458
专利文献2：国际专利公开No.WO2005/069376A1
发明内容
发明所要解决的问题
然而，除去红滤光器807的平坦化层804的膜厚度和除去色彩分离滤光器808的平坦化层805的膜厚度每个基本是3微米。因此，滤光器的总膜厚度差不多6微米或更大。
在这样的情况下，如果像素尺寸是2微米或更小，斜射进入色彩分离滤光器808的光(下文称之为“斜射光”)进一步进入光电二极管802，除了分别对应于色彩分离滤光器808的光电二极管802。这引起了如色彩分离功能劣化、噪声增大以及波长敏感性劣化的问题。
此外，存在复杂的制造工艺导致高的制造成本的问题。
本发明用于解决上述问题。本发明的目标是提供一种固态成像装置以及包括这种固态成像装置的照相机，该固态成像装置能够屏蔽红外光，有高波长分离功能，并且能以低成本制造。
解决问题的手段
为了实现上述目标，本发明提供一种使用可见光执行彩色成像的固态成像装置，该固态成像装置包括二维排列的像素，该二维排列的像素每个包括：可见光滤光器，其由主要透射具有在预定波长范围内的波长的可见光的多层干涉滤光器构成；以及红外滤光器，其由每个具有不同设定波长λ的多个λ/4多层膜构成，并且反射红外光，其中可见光滤光器和红外滤光器相互接触层叠。发明效果
利用这种结构，和根据专利文献1的现有技术不同，红外滤光器能被构造成没有金属层。因此，能够通过降低固态成像装置的厚度减小其尺寸。而且，能够通过防止斜射光来实现高波长分离功能。
注意的是，使用多层干涉滤光器的色彩滤光器在可见区域内具有色彩分离功能，如专利文献2所述。然而，这种色彩滤光器不能屏蔽700nm至1000nm的红外光。因此，需求屏蔽红外光的光学滤光器。另一方面，根据本发明，不使用光学滤光器，多个层叠的λ/4多层膜可以屏蔽红外光。
注意的是，“主要透射具有在预定波长范围内的波长的可见光”意味着当多层干涉滤光器作为色彩滤光器使用时，除透射具有在预定波长范围内的波长的可见光之外还能够透射不可见光。
根据本发明的固态成像装置，其特征在于，红外滤光器由介电材料构成。利用这种结构，和根据专利文献1的现有技术不同，红外滤光器能被形成没有平坦化层。因此，能够减小固态成像装置的尺寸。而且，能够通过减少固态成像装置的制造工艺中所需步骤的数目来降低制造成本。
根据本发明的固态成像装置，其特征在于，红外滤光器由与可见光滤光器使用的材料相同的介电材料构成。利用这种结构，和根据专利文献1的现有技术不同，红外滤光器能被形成没有金属材料。因此，能够使用较少种材料制造固态成像装置。这能降低固态成像装置的制造成本。
在这种情况下，介电材料可以包括作为更高折射率材料的二氧化钛和作为更低折射率材料的二氧化硅。利用这种结构，能够通过增加λ/4多层膜的高折射率材料和低折射率材料之间的折射率差来实现高波长分离性能。
根据本发明的固态成像装置，其特征在于，可见光滤光器层叠在红外滤光器上。
利用这种结构，能够减小固态成像装置的尺寸以及降低固态成像装置的制造成本。
具体地，较佳的是，多层干涉滤光器包括每个具有在可见波长范围内的设定波长λ的λ/4多层膜，并且红外滤光器由每个具有在红外波长范围内的设定波长λ的λ/4多层膜构成。当组成红外滤光器的每个λ/4多层膜的设定波长在700nm至1000nm的范围内时，700nm和1000nm也包括在内，能够实现极好的波长分离性能。在这种情况下，较佳的是，多层干涉滤光器由两个λ/4多层膜和夹在其间的介电层构成。
根据本发明的照相机是具有使用可见光执行彩色成像的固态成像装置的照相机，固态成像装置包括二维排列的像素，该二维排列的像素每个包括：可见光滤光器，其由主要透射具有在预定波长范围内的波长的可见光的多层干涉滤光器构成；以及红外滤光器，其由每个具有不同设定波长λ的多个λ/4多层膜构成，并且反射红外光，其中可见光滤光器和红外滤光器相互接触层叠。利用这种结构，能够通过消除在使用可见光执行彩色成像中红外光的影响来实现高波长分离性能。而且，可以降低照相机的制造成本。
附图说明
图1是示出根据现有技术的固态成像装置的结构的剖面图；
图2是示出根据本发明的实施例的数码照相机的主要结构的剖面图；
图3是示出根据本发明的实施例的固态成像元件101的主要结构的剖面图；
图4是示出根据本发明的实施例的波长分离滤光器206的结构的剖面图；
图5A和5B是示出根据本发明的实施例的波长分离滤光器206的透射率特性的曲线，其中图5A示出了波长分离滤光器206的整体的透射率特性，以及图5B示出了多层干涉滤光器301的透射率特性；
图6示出了波长分离滤光器206的制造工艺；
图7A至7C是示出λ/4多层膜302至304的层数和波长分离特性之间的关系的曲线，其中图7A示出了x和y是2(总共11层)的情况下的关系，图7B示出了x和y是4(总共19层)的情况下的关系，以及图7C示出了x和y是6(总共27层)的情况下的关系；以及
图8是示出根据本发明的变型例(3)的波长分离滤光器的结构的剖面图。
附图标记说明
1：数码照相机
8：根据现有技术的固态成像装置
7和206：波长分离滤光器
101：固态成像元件
102：成像透镜
103：防护玻璃罩
104：齿轮
105：光学取景器
106：调焦马达
107：取景器目镜
108：LCD监视器
109：电路板
201：N-型半导体层
202：P-型半导体层
203和802：光电二极管
204：层间绝缘膜
205：光屏蔽膜
207：聚光透镜
301和701：多层干涉滤光器
302至304和702至704：λ/4多层膜
401、411、601、611和621：蓝滤光器的透射率特性
402、412、602、612和622：绿滤光器的透射率特性
403、413、603、613和623：红滤光器的透射率特性
501、503、507和509：二氧化钛层
502、504和508：二氧化硅层
505和506：抗蚀剂
801：硅衬底
803：CCD
804和805：平坦化层
806：不可见光截止滤光器
807：红滤光器
808：色彩分离滤光器
具体实施方式
参考附图，下面描述了根据本发明的固态成像装置和照相机的实施例，使用数码照相机作为例子。
[1]数码照相机的结构
首先描述根据实施例的数码照相机的结构。
图2是示出根据实施例的数码照相机的主要结构的剖面图。
如图2所示，数码照相机1包括固态成像元件101、成像透镜102、防护玻璃罩103、齿轮104、光学取景器105、调焦马达106、取景器目镜107、LCD(液晶显示器)监视器108和电路板109。
数码照相机1的用户通过取景器目镜107浏览光学取景器105观察目标，以选择照相机角度。而且，用户操作调焦马达106，以经由齿轮104调整成像透镜102的变焦。
来自目标的光穿透防护玻璃罩103和成像透镜102，然后进入固态成像元件101。固态成像元件101中获得的成像信号是在电路板109中被处理过的信号，并且显示在LCD监视器108上。而且，在LCD监视器108上显示成像模式等。
防护玻璃罩103保护成像透镜102，此外，实现防水功能。
[2]固态成像元件101的结构
接下来描述根据实施例的固态成像元件101的结构。固态成像元件101包括二维排列的像素，并且通过探测每个像素已接收光的数量执行成像。
图3是示出根据实施例的固态成像元件101的主要结构的剖面图。如图3所示，固态成像元件101由在N-型半导体层201上顺次层叠的P-型半导体层202、层间绝缘膜204、波长分离滤光器206和聚光透镜207构成。
光电二极管203用于每个像素，通过离子注入如砷(As)的N-型杂质形成在更接近于层间绝缘膜204的P-型半导体层202的内表面上。用作元件分离区的P-型半导体层202分离相邻的光电二极管203。
此外，层间绝缘膜204由诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)和掺杂硼磷的硅玻璃(BPSG)的透明材料构成。层间绝缘膜204内部形成光屏蔽膜205，其也可用作金属配线。光屏蔽膜205包括分别对应于光电二极管203的孔径。
波长分离滤光器206通过透射每个像素的具有在预定波长范围内的波长的光实现彩色成像。在实施例中，波长分离滤光器206透射每个像素的红光、绿光和蓝光中的任何一种光。此外，波长分离滤光器206屏蔽不可见光。
聚光透镜207被设置用于每个像素，并且聚集入射光进入和其对应的光电二极管203。在这种情况下，光屏蔽膜205屏蔽光，使得被聚光透镜207聚集的入射光只进入对应于聚光透镜207的光电二极管203。
[3]波长分离滤光器206的结构
接下来进一步详细描述波长分离滤光器206的结构。
波长分离滤光器206由在用于透射红光、绿光和蓝光中的任何一种光的可见光滤光器上层叠的用于屏蔽红外光的红外滤光器构成。可见光滤光器由多层干涉滤光器构成。红外滤光器由多个λ/4多层膜构成。
图4是示出波长分离滤光器206的结构的剖面图。如图4所示，波长分离滤光器206由在多层干涉滤光器301上顺次层叠的λ/4多层膜302至304构成。如图3所示，虽然聚光透镜207设置在波长分离滤光器206上，并且层间绝缘膜204设置在波长分离滤光器206之下，在图4中省略这些构成元件。
多层干涉滤光器301由透射蓝光的部分(“蓝滤光器”)301B、透射绿光的部分(“绿滤光器”)301G和透射红光的部分(“红滤光器”)301R构成。
多层干涉滤光器301由两个λ/4多层膜和夹在其间的介电层(“间隔层”)构成。每个λ/4多层膜是由两种介电层构成的多层膜，该两种介电层交替层叠且具有相同的光学厚度和不同的折射率。λ/4多层膜反射在4倍于介电层的光学厚度(下文称之为“设定波长”)的波长范围内的波长的光，该波长作为中心波长。这里，光学厚度是通过以介电层的折射率乘介电层的物理厚度获得的值。具有设定波长530nm的λ/4多层膜的每个介电层具有132.5nm的光学厚度。
在实施例中，二氧化钛(TiO2)作为高折射率层的材料使用，以及二氧化硅(SiO2)作为低折射率层的材料使用。因为二氧化钛具有2.51的折射率，高折射率层具有52.8nm的物理厚度。因为二氧化硅具有1.45的折射率，低折射率层具有91.4nm的物理厚度。
间隔层是由二氧化硅构成的透明绝缘层，并且具有对应于被波长分离滤光器206透射的光的波长的膜厚度。间隔层在蓝滤光器301B、绿滤光器301G和红滤光器301R中分别具有130nm、0nm和30nm的物理厚度。
在多层干涉滤光器301中，蓝滤光器301B和红滤光器301R每个由7层构成，以及绿滤光器301G由5层构成。
λ/4多层膜302至304具有在800nm至1000nm的范围内的彼此不同的设定波长。在实施例中，λ/4多层膜302至304分别具有800nm、900nm和1000nm的设定波长。不管被多层干涉滤光器301透射的光的颜色如何，每个λ/4多层膜302至304具有不变的膜厚度。
每个λ/4多层膜302至304由以与多层干涉滤光器301相同的方式交替层叠的二氧化硅层和二氧化钛层构成。λ/4多层膜302至304的层结构表示如下。
(0.5L1·H1·0.5L1)x(0.5L2·H2·0.5L2)(0.5L3·H3·0.5L3)y
L1、L2和L3分别代表λ/4多层膜302至304的低折射率层。H1、H2和H3分别代表λ/4多层膜302至304的高折射率层。0.5Li(i＝1至3)代表具有等于Li的1/2的光学厚度的低折射率层。
(0.5Li·Hi·0.5Li)代表层叠结构，其中具有等于设定波长的1/4的光学厚度的高折射率层Hi和具有等于设定波长的1/8的光学厚度的低折射率层0.5Li顺次层叠在具有等于设定波长的1/8的光学厚度的低折射率层0.5Li上。
而且，(0.5Li·Hi·0.5Li)n代表层叠结构，其中层叠结构(0.5Li·Hi·0.5Li)重复n次。注意的是，当层叠结构(0.5Li·Hi·0.5Li)重复多次时，包括在较低层叠结构(0.5Li·Hi·0.5Li)中的最高层0.5Li和包括在较高层叠结构(0.5Li·Hi·0.5Li)中的最低层0.5Li组成具有等于设定波长的1/4的光学厚度的低折射率层Li。
同样，包括在λ/4多层膜302中的最高层0.5L1和包括在λ/4多层膜303中的最低层0.5L2组成单独的二氧化硅层。包括在λ/4多层膜303中的最高层0.5L2和包括在λ/4多层膜304中的最低层0.5L3组成单独的二氧化硅层。而且，x和y是11。因此，在实施例中，组成λ/4多层膜302至304的总层数是23。
[4]透射率特性
接下来描述波长分离滤光器206的透射率特性。
图5A和5B是示出根据实施例的波长分离滤光器206的透射率特性的曲线，其中图5A示出了波长分离滤光器206的整体的透射率特性，以及图5B示出了多层干涉滤光器301的透射率特性。
在图5中，曲线401和411示出了关于蓝滤光器301B的透射率特性。而且，曲线402和412示出了关于绿滤光器301G的透射率特性。曲线403和413示出了关于红滤光器301R的透射率特性。
如图5A所示，使用根据实施例的波长分离滤光器206，可以为可见光区域内的三个波长范围的每个执行入射光的波长分离。此外，关于全部红滤光器301R、绿滤光器301G和蓝滤光器301B，具有在700nm至1000nm的波长范围内的波长的光的透射率能被抑制到2％或更低。
另一方面，如图5B所示，只使用多层干涉滤光器301，可以为可见光区域内的三个波长范围的每个执行入射光的波长分离。然而，具有在700nm至1000nm的波长范围内的波长的光的透射率增加。例如，蓝滤光器301B对具有在800nm或更高的波长范围内的波长的红外光的透射率有差不多80％或更高。
如果收到这样的红外光，光电二极管203产生信号电荷。因此，只使用多层干涉滤光器301多层干涉滤光器用于使用可见光彩色成像，不能实现充分的波长分离功能。
另一方面，使用根据实施例的波长分离滤光器206，红外光不进入光电二极管203。因此，能够实现高波长分离功能。
[5]波长分离滤光器206的制造方法
接下来描述波长分离滤光器206的制造方法。
图6示出了根据实施例的波长分离滤光器206的制造工艺。在图6中，波长分离滤光器206的制造工艺从工艺(a)进行到工艺(h)。而且，在图6中省略了N-型半导体层201、P-型半导体层202、光电二极管203和光屏蔽膜205的图示。
首先，如工艺(a)所示，使用RF(射频)溅射装置在层间绝缘膜204上顺次层叠二氧化钛层501、二氧化硅层502、二氧化钛层503和二氧化硅层504。
二氧化钛层501和503以及二氧化硅层502每个具有132.5nm的光学厚度，并且这些层组成λ/4多层膜。而且，二氧化硅层504的物理厚度等于组成蓝滤光器301B的间隔层的物理厚度。
接下来，抗蚀剂505形成在对应于蓝滤光器301B的二氧化硅层504的部分上(工艺(b))。蚀刻其上没有形成抗蚀剂505的二氧化硅层504的部分，以减小其膜厚度(工艺(c))。然后，去除抗蚀剂505(工艺(d))。
此外，抗蚀剂506形成在对应于红滤光器301R和蓝滤光器301B的二氧化硅层504的部分上(工艺(e))。在蚀刻其上没有形成抗蚀剂506的二氧化硅层504的部分(工艺(f))之后，去除抗蚀剂506。
为了蚀刻二氧化硅层504，例如，施加抗蚀剂材料在晶片表面上，执行曝光前烘烤(前烘)。然后，使用如步进式的光刻装置执行曝光，并且通过执行抗蚀剂显影和最后烘烤(后烘)形成抗蚀剂505和506。然后，可以使用四氟化碳(CF4)蚀刻气体物理蚀刻二氧化硅层504。
接下来，使用RF溅射装置在二氧化硅层504上和对应于绿滤光器301G的二氧化钛层503的部分上顺次形成二氧化钛层507、二氧化硅层508和二氧化钛层509(工艺(g))。结果是，蓝滤光器301B和红滤光器301R每个由7层构成。绿滤光器301G由5层构成，该5层包括作为一层的由层叠在二氧化钛层503上的二氧化钛层507构成的二氧化钛层。
然后，二氧化硅层和二氧化钛层交替层叠在二氧化钛层509上，以形成λ/4多层膜302至304(工艺(h))。如上所述，λ/4多层膜302至304分别具有800nm、900nm和1000nm的设定波长。
[6]变型例
虽然基于上述实施例已经描述了本发明，当然，本发明并不限于实施例，并且进一步包括下面的变型例。
(1)虽然在上述实施例中只描述了组成λ/4多层膜302至304的总层数是23的情况，当然，本发明并不限于这种结构。替代地，可以使用由任何其它层数构成的λ/4多层膜。
图7A至7C是示出λ/4多层膜302至304的总层数和波长分离特性之间的关系的曲线，其中图7A示出了x和y是2(总共11层)的情况下的关系，图7B示出了x和y是4(总共19层)的情况下的关系，以及图7C示出了x和y是6(总共27层)的情况下的关系。
注意的是，λ/4多层膜302至304的每个具有和上面的实施例中相同的设定波长。而且，在图7中，曲线601、611和621示出了蓝滤光器301B的透射率特性。此外，曲线602、612和622示出了绿滤光器301G的透射率特性。曲线603、613和623示出了红滤光器301R的透射率特性。
如图7A至7C所示，在图7A中，具有在700nm至1000nm的波长范围内的波长的光的透射率超过10％，在图7B中下降到5％或更低，并且在图7C中被抑制到1％或更低。这样，在λ/4多层膜302至304有更多层数时，具有在700nm至1000nm的波长范围内的波长的光的透射率减少更多。因此，能实现更好的透射率特性。
然而，层数的增加可能引起制造成本增加和合格率下降。因而，理想的是，确定层数使得实现波长分离特性与制造成本相当。
(2)虽然在上述实施例中只描述了使用每种具有不同设定波长的三种λ/4多层膜用于屏蔽红外光的情况，当然，本发明并不限于这种结构。替代三种λ/4多层膜，可以使用两种λ/4多层膜或四种λ/4多层膜。此外，具有不同于上述实施例中形成的设定波长的λ/4多层膜可以用于屏蔽红外光。
然而，不用说，需要确定λ/4多层膜的设定波长使得屏蔽红外光，至少屏蔽具有在700nm至1000nm的波长范围内的波长的近红外光。
(3)虽然在上述实施例中只描述了λ/4多层膜形成在多层干涉滤光器301上的情况，当然，本发明并不限于这种结构。替代地，多层干涉滤光器可以形成在λ/4多层膜上。
图8是示出根据变型例(3)的波长分离滤光器的结构的剖面图。如图8所示，根据变化例(3)的波长分离滤光器7由在λ/4多层膜702上顺次层叠的λ/4多层膜703和704以及多层干涉滤光器701构成。
利用这种结构，λ//4多层膜702至704中的像素之间没有形成差别。换句话说，组成λ/4多层膜702至704的介电层可以在多个二维排列的像素上被平坦化。这能抑制由于像素尺寸减小而变得突出的斜射光引起的特性劣化。
(4)虽然在上述实施例中只描述了二氧化硅和二氧化钛作为介电材料使用的情况，当然，本发明并不限于这种结构。替代地，可以使用下列材料：氧化镁(MgO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、氮化硅(SiN)、四氮化三硅(Si3N4)、三氧化二铝(Al2O3)、二氟化镁(MgF2)和三氧化铪(HfO3)。
特别地，优选使用四氮化三硅、五氧化二钛和二氧化锆作为高折射率材料。不管介电材料的种类如何，可以实现本发明的效果。
(5)虽然在上述实施例中描述了组成作为可见光滤光器的多层干涉滤光器的每个λ/4多层膜由8层构成的情况，当然，本发明并不限于这种结构。替代地，λ/4多层膜可以由4层、12层、16层或更多层数构成。
而且，间隔层可以由和λ/4多层膜的高折射率层的材料或者λ/4多层膜的低折射率层的材料相同的材料构成。此外，间隔层可以由不同于组成λ/4多层膜的层的所有材料的材料构成。
工业实用性
根据本发明的固态成像装置及照相机作为用于屏蔽包括在入射光中的红外光的技术是有效的。
Claims (9)
1.一种固态成像装置，使用可见光执行彩色成像，该固态成像装置包括：
二维排列的像素，每个包括：
可见光滤光器，其由主要透射具有在预定波长范围内的波长的可见光的多层干涉滤光器构成；以及
红外滤光器，其由每个具有不同设定波长λ的多个λ/4多层膜构成，并且反射红外光，其中
所述可见光滤光器和所述红外滤光器相互接触层叠。
2.如权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，
所述红外滤光器由介电材料构成。
3.如权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，
所述红外滤光器由与所述可见光滤光器使用的材料相同的介电材料构成。
4.如权利要求3所述的固态成像装置，其特征在于，
所述介电材料包括作为较高折射率材料的二氧化钛和作为较低折射率材料的二氧化硅。
5.如权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，
所述可见光滤光器层叠在所述红外滤光器上。
6.如权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，
所述多层干涉滤光器包括每个具有在可见波长范围内的设定波长λ的λ/4多层膜；以及
所述红外滤光器由每个具有在红外波长范围内的所述设定波长λ的λ/4多层膜构成。
7.如权利要求6所述的固态成像装置，其特征在于，
组成所述红外滤光器的每个所述λ/4多层膜的所述设定波长在700nm至1000nm之内，700nm和1000nm也包括在内。
8.如权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，
所述多层干涉滤光器由两个λ/4多层膜和夹在其间的介电层构成。
9.一种具有固态成像装置的照相机，使用可见光执行彩色成像，该固态成像装置包括：
二维排列的像素，每个包括：
可见光滤光器，其由主要透射具有在预定波长范围内的波长的可见光的多层干涉滤光器构成；以及
红外滤光器，其由每个具有不同设定波长λ的多个λ/4多层膜构成，并且反射红外光，其中
所述可见光滤光器和所述红外滤光器相互接触层叠。
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