CN102034836A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

根据一实施方式，固体摄像装置具有半导体基板。在该半导体基板的表面区域中设有第1至第3光电变换部。蓝色滤色器具有带来第1光程的膜厚。绿色滤色器具有带来比上述第1光程长的第2光程的膜厚。红色滤色器具有带来比上述第2光程长的第3光程的膜厚。平坦化膜形成在上述蓝色、绿色及红色的滤色器上，将上述滤色器的阶差平坦化。微透镜分别设在对应于上述第1至第3光电变换部的位置上，并且设在上述平坦化膜上。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及固体摄像装置。
背景技术
作为固体摄像装置，已知有以CMOS图像传感器为代表的CMOS固体摄像装置、和以CCD图像传感器为代表的CCD固体摄像装置。CMOS固体摄像装置有表面入射型(front-side illumination)固体摄像装置、和背面照射型(back-side illumination)固体摄像装置。在表面入射型固体摄像装置中，入射光入射到半导体基板的表面。在背面入射型固体摄像装置中，入射光入射到半导体基板的背面。
背面照射型固体摄像装置与这样的表面入射型固体摄像装置相比，能够实现高画质化及多像素化，近年来被广泛地开发。在日本特开2005-268643号公报中公开了这种背面照射型固体摄像装置。
在该专利公报所示的背面照射型固体摄像装置中，具有微透镜、和形成有光电变换部的硅基板，其中由该微透镜聚光的光入射到光电变换部。微透镜是低折射率，由有机材料构成。硅基板是高折射率。当光从微透镜向光电变换部入射时，因入射光的干涉而发生图像的劣化，入射光的透射率下降。
发明内容
需要抑制这样的入射光的干涉。
根据一个实施方式，提供一种固体摄像装置。该装置具有半导体基板。在该半导体基板的表面区域中设有第1至第3光电变换部。蓝色滤色器设在对应于上述第1光电变换部的位置，具有带来第1光程的膜厚。绿色滤色器设在对应于上述第2光电变换部的位置，具有带来比上述第1光程长的第2光程的膜厚。红色滤色器设在对应于上述第3光电变换部的位置，具有带来比上述第2光程长的第3光程的膜厚。
平坦化膜，形成在上述蓝色、绿色及红色的滤色器(多个)上，使上述滤色器(多个)的阶差平坦化。微透镜(多个)，分别设在对应于上述第1至第3光电变换部的位置，并且设在上述平坦化膜上。
根据另一技术方案，提供一种固体摄像装置。该装置具备具有两个主面的半导体基板。在该半导体基板的上述主面(多个)的一个主面上形成有配线区域部。
在半导体基板中与上述一个主面相接的表面区域中形成有第1至第3光电变换部。
蓝色滤色器在上述半导体基板的上述主面(多个)中的另一个主面侧设在对应于上述第1光电变换部的位置上，具有带来第1光程的膜厚。绿色滤色器在上述半导体基板的上述主面(多个)中的另一个主面侧设在对应于上述第2光电变换部的位置上，具有带来比上述第1光程长的第2光程的膜厚。红色滤色器在上述半导体基板的上述主面(多个)中的另一个主面侧设在对应于上述第3光电变换部的位置上，具有带来比上述第2光程长的第3光程的膜厚。
平坦化膜形成在上述蓝色、绿色及红色的滤色器(多个)上，使上述滤色器(多个)的阶差平坦化。微透镜(多个)，在上述平坦化膜上分别设在对应于上述第1至第3光电变换部的位置上。
附图说明
图1是示意地表示实施方式的背面照射型固体摄像装置的剖视图。
图2是用来说明由滤色器发生的入射光的干涉的图。
图3是表示光入射到滤色器时的、其光程与相干性(coherency)的关系的图。
图4是表示带来滤色器的膜厚的整数m与相干性及该膜厚的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。在附图中，相同的标号表示相同或类似的部分。
图1是示意地表示该实施方式的固体摄像装置的剖视图。
如图1所示，固体摄像装置80是光入射到硅基板1的背面、即硅基板1的两个主面1a、1b之中与形成配线区域部的一个主面1a相反侧的主面1b上的背面照射型固体摄像装置。
固体摄像装置80是CMOS图像传感器，具有作为进行入射光的光电变换的像素的光电变换部(多个)2。由光电变换部(多个)2进行了光电变换后的信号通过信号处理部(未图示)进行信号处理。
固体摄像装置80在要求高画质化及多像素化的带有照相机的便携电话机、数字照相机、数字摄像机等中使用。上述入射光是相干长度为几μm左右的自然光(阳光)或相干长度为约3μm左右的荧光灯或电灯的光。
硅基板1面朝下(face down)地配置。具体而言，硅基板1的主面1a侧配置在图1的下方向，主面1b(背面)侧配置在图1的上方向。硅基板1的折射率处于例如3.5～5.2的范围中，比滤色器6a～6d及微透镜(多个)8的折射率大。在硅基板1的表面1a上，以二维状设有上述光电变换部(多个)2。
光电变换部(多个)2例如由厚度3μm的硅光电二极管(多个)构成。各硅光电二极管(多个)例如由与主面1a相接的p型层、以及形成在主面1b侧以使其与该p型层相接的N型层构成。光电变换部(多个)2在波长400至1100nm的范围中具有灵敏度，将入射光变换为电信号。在硅基板1的主面1a上，设有配线区域部20，该配线区域部20具有将光电变换部2与未图示的信号处理部之间电连接的配线。
在硅基板1上，通过例如离子注入形成有P型阱区域2a。P型阱区域2a作为元件分离层而将光电变换部(多个)2之间分离。
在硅基板1的背面1b上，设有相对于可视光区域——即400至700nm的光线、以及红外光区域——即700至1000μm的光线为透明的绝缘膜3。在绝缘膜3上设有防反射膜4。防反射膜4例如由氮化硅膜(SiN膜)形成。
在防反射膜4上，在对应于各光电变换部2的位置上设有蓝色滤色器6a、绿色滤色器6b、红色滤色器6c、红外滤色器6d。滤色器6a～6d由无机材料、或者添加了颜料的有机材料那样的材料形成。
也可以将滤色器6a～6d通过单一的无机材料构成。也可以将折射率较大的无机材料的绝缘膜与折射率较小的无机材料的绝缘膜交替地层叠而形成滤色器6a～6d。在防反射膜4上，为了防止相邻的滤色器6a～6d的相互干涉而设有位于滤色器之间的遮光部件(多个)5。
蓝色滤色器6a例如具有色带(color band)为400至500nm、色带的中心波长为450nm的光学特性。绿色滤色器6b例如具有色带为500至600nm、色带的中心波长为540nm的光学特性。红色滤色器6c例如具有色带为600至700nm、色带的中心波长为610nm的光学特性。红外滤色器6d例如具有色带为700至1000nm、色带的中心波长为800nm的光学特性。
蓝色滤色器6a具有带来光程La的膜厚。绿色滤色器6b具有带来光程Lb的膜厚。红色滤色器6c具有带来光程Lc的膜厚。红外滤色器6d具有带来光程Ld的膜厚。一般，当入射到具有折射率n的滤色器的表面的光在该滤色器中沿着光路行进距离d时，将其乘积nd称作光程。
这里，光程La～Ld的关系如下式表示这样。
La＜Lb＜Lc＜Ld  ……(1)
分别设定滤色器6a～6d的膜厚及折射率以满足式(1)。因而，滤色器6a～6d各自的表面的高度不同。
在滤色器6a～6d上，设有将滤色器间的阶差(台阶)平坦化的平坦化膜7。作为平坦化膜7，可以使用相对于可视光区域及红外光区域透明的树脂类薄膜。该树脂类薄膜可以是丙烯酸类树脂(acrylic resin)、聚碳酸酯树脂(polycarbonate resin)、纤维素类树脂(cellulose group resin)、或降冰片烯基类树脂(norbornene group resin)这样的树脂。
在表面平坦的平坦化膜7上，在对应于各光电变换部2的位置上，设有将入射光聚光的微透镜(多个)8。微透镜(多个)8例如通过使热塑性树脂在玻璃化转变点以上的温度下热流动而形成。微透镜(多个)8例如具有折射率1.58。
通过设置平坦化膜7，滤色器6a～6d的阶差不会给微透镜(多个)8的形成带来影响，并且提高微透镜(多个)8的平坦性。因此，能够提高固体摄像装置80的成品率。
接着，参照图2至图4对考虑到入射光的相干性的滤色器的折射率及膜厚的设定进行说明。图2是用来说明由滤色器发生的干涉的图。图3是表示光入射到滤色器时的光程与相干性的关系的图。图4是表示带来滤色器的膜厚的整数m与相干性及该膜厚的关系的图。
如图2所示，入射光从平行平板形状的滤色器6的表面侧入射，其一部分作为反射光被反射。滤色器6是对应于图1的滤色器6a～6d的部件。在滤色器6中透射过的入射光从背面侧作为第1透射光输出。接着，由背面侧反射后的上述入射光被表面侧反射，从背面侧作为第2透射光输出。同样，依次从背面侧输出第3透射光、从背面侧输出第4透射光、从背面侧输出第5透射光。
在设滤色器的膜厚为d、滤色器的折射率为n、入射光的波长为λ、m为整数的情况下，当下式成立时透射光相互加强。
2·nd＝(λ/2)×(2m)……(2)
另一方面，当下式成立时，透射光相互减弱。
2·nd＝(λ/2)×(2m+1)……(3)
如果使滤色器的光程为入射光的半波长的整数倍，则滤色器的透射率成为最大。为此，只要设定滤色器的膜厚d以使其满足下式就可以。
d＝(λ×m)/(2n)……(4)
如图3所示，在入射到滤色器中的入射光是与激光等相比、相干长度短得多的自然光(阳光)、荧光灯或电灯的光的情况下，如果光程变长，则相干性(相干)急剧地减少。
该相干性定义为为了产生透射光的干涉而需要的条件。在相干性的值较大的情况下，透射光的干涉变得容易发生。在相干性的值非常小的情况下，虽然不能完全消除透射光的干涉，但能够大幅减少干涉的发生。
求出红外滤色器6d的情况下的相干性的值。作为入射光而使用自然光，将其透射波长λ设为作为红外滤色器6d的色带的中心波长的800nm，将红外滤色器6d的折射率n设为1.5。
当由式(4)表示的m是1时，相干性为0.5。当m是2时，相干性为0.4。当m是3时，相干性为0.13。当m是4时，相干性为0.01。当m是5时，相干性大致为0(零)。在m为3以上时，能够充分地抑制相干性。
如图4所示，在红外滤色器6d的情况下，通过选择将m设定为5以上计算出的膜厚，能够大幅地减少透射光的干涉，能够使红外滤色器6d的透射率成为最大。例如，当m是5时，红外滤色器6d的膜厚为1333nm(＝点A的值)。通过将红外滤色器6d的膜厚设为1333nm以上，能够大幅地抑制透射光的干涉。
如以下说明的那样，对于红色滤色器6c、绿色滤色器6b、蓝色滤色器6a也可以使用与上述红外滤色器6d同样的方法求出用来抑制各自的透射光的干涉的膜厚。
在红色滤色器6c的情况下，作为入射光而使用自然光，将其透射波长λ设为作为红色滤色器6c的色带的中心波长的610nm，将红色滤色器6c的折射率设为1.5。在m为3以上时能够充分抑制相干性。通过选择将m设定为5以上计算出的膜厚，能够大幅地减少透射光的干涉，能够使红色滤色器6c的透射率成为最大。m为5时的红色滤色器6c的膜厚为1016nm。通过将红色滤色器6c的膜厚设为1016nm以上，能够大幅地抑制干涉。
在绿色滤色器6b的情况下，作为入射光而使用自然光，将其透射波长λ设为作为绿色滤色器6b的色带的中心波长的540nm，将绿色滤色器6b的折射率设为1.5。在m为3以上时能够充分抑制相干性。通过选择将m设定为5以上计算出的膜厚，能够大幅地减少透射光的干涉，能够使绿色滤色器6b的透射率成为最大。m为5时的绿色滤色器6b的膜厚为900nm。通过将绿色滤色器6b的膜厚设为900nm以上，能够大幅地抑制干涉。
在蓝色滤色器6a的情况下，作为入射光而使用自然光，将其透射波长λ设为作为蓝色滤色器6a的色带的中心波长的450nm，将蓝色滤色器6a的折射率设为1.5。在m为3以上时能够充分抑制相干性。通过选择将m设定为5以上计算出的膜厚，能够大幅地减少透射光的干涉，能够使蓝色滤色器6a的透射率成为最大。m为5时的蓝色滤色器6a的膜厚为750nm。通过将蓝色滤色器6a的膜厚设为750nm以上，能够大幅地抑制干涉。
在上述设定中，假设在滤色器6a～6d中不发生波长分散(wavelengthdispersion)，没有依存于波长的折射率分散。
在滤色器6a～6d中发生波长分散、发生依存于波长的折射率分散的情况下，滤色器6a～6d的折射率的值不能为相同的值。将发生了折射率分散时的折射率代入到式(4)中能够求出滤色器的膜厚。在此情况下，不一定为以下的关系。
蓝色滤色器6a的膜厚＜绿色滤色器6b的膜厚
绿色滤色器6b的膜厚＜红色滤色器6c的膜厚
红色滤色器6c的膜厚＜红外滤色器6d的膜厚
上述实施方式是应用到背面照射型固体摄像装置中的例子，但也可以应用到表面照射型的固体摄像装置中。此外，为了对应于夜间那样的环境而设置了红外滤色器6d，但红外滤色器6d也可以省略。本实施方式是应用到CMOS固体摄像装置中的例子，但也可以应用到CCD固体摄像装置中。
如上所述，在本实施方式中，设滤色器6a～6d的光程La～Ld的关系为La＜Lb＜Lc＜Ld。因此，能够充分降低滤色器6a～6d的透射光的干涉，能够防止图像的劣化。
将滤色器6a～6d的膜厚d设定为，使其满足d＝(λ×m)/2n以上。其中，将m设定为3以上的整数。因而，能够提高入射光的透射率，能够实现固体摄像装置80的高画质化。特别是，通过将m设定为5以上的整数，能够大幅减少透射光的干涉、提高入射光的透射率。
在本实施方式中，将滤色器6a～6d间的阶差通过平坦化膜7平坦化，在其上形成微透镜(多个)8。因而，能够提高固体摄像装置80的成品率。
在以上叙述了几个实施方式，但这些实施方式只是作为例子表示的，并不意味着限定本发明的范围。实际上，这里所述的新的装置也可以具体化为各种其他的形态，进而，在不脱离本发明的主旨或技术范围的情况下也可以进行这里所述的装置的形态的各种省略、替换及变更。附带的权利要求及其等价物包括在本发明的技术范围及主旨内的这样的形态或变形。

Claims (16)

1.一种固体摄像装置，其特征在于，具备：
半导体基板；
第1至第3光电变换部，设在该半导体基板的表面区域中；
蓝色滤色器，设在对应于上述第1光电变换部的位置，具有带来第1光程的膜厚；
绿色滤色器，设在对应于上述第2光电变换部的位置，具有带来比上述第1光程长的第2光程的膜厚；
红色滤色器，设在对应于上述第3光电变换部的位置，具有带来比上述第2光程长的第3光程的膜厚；
平坦化膜，形成在上述蓝色、绿色及红色的滤色器(多个)上，使上述滤色器(多个)的阶差平坦化；以及
微透镜(多个)，分别设在对应于上述第1至第3光电变换部的位置，并且设在上述平坦化膜上。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置是背面照射型。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述滤色器(多个)的各自的膜厚d设定为在大致d＝(λ×m)/(2×n)以上，其中，m是3以上的整数，λ是上述滤色器(多个)的各自的色带的中心波长，n是上述滤色器(多个)的各自的折射率。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，
m是5以上的整数。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备：
第4光电变换部，设在半导体基板的表面区域中；
红外滤色器，设在对应于上述光电变换部的位置，具有带来比上述第3光程长的第4光程的膜厚；以及
微透镜，配置在对应于该红外滤色器的位置；
上述平坦化膜设置在上述蓝色、绿色、红色及红外的滤色器(多个)和设在对应于这些滤色器的位置的上述微透镜(多个)之间，将上述滤色器的阶差平坦化。
6.如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置是背面照射型。
7.如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述滤色器(多个)的各自的膜厚d设定为在大致d＝(λ×m)/(2×n)以上，其中，m是3以上的整数，λ是上述滤色器(多个)的各自的色带的中心波长，n是上述滤色器(多个)的各自的折射率。
8.如权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，
m是5以上的整数。
9.一种固体摄像装置，其特征在于，具备：
半导体基板，具有两个主面；
配线区域部，形成在该半导体基板的上述主面(多个)中的一个主面上；
第1至第3光电变换部，形成在半导体基板中与上述一个主面相接的表面区域中；
蓝色滤色器，在上述半导体基板的上述主面(多个)中的另一个主面侧设在对应于上述第1光电变换部的位置，具有带来第1光程的膜厚；
绿色滤色器，在上述半导体基板的上述另一个主面侧设在对应于上述第2光电变换部的位置，具有带来比上述第1光程长的第2光程的膜厚；
红色滤色器，在上述半导体基板的上述另一个主面侧设在对应于上述第3光电变换部的位置，具有带来比上述第2光程长的第3光程的膜厚；
平坦化膜，形成在上述蓝色、绿色及红色的滤色器(多个)上，使上述滤色器(多个)的阶差平坦化；以及
微透镜(多个)，在上述平坦化膜上分别设在对应于上述第1至第3光电变换部的位置。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置是背面照射型。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述滤色器(多个)的各自的膜厚d设定为在大致d＝(λ×m)/(2×n)以上，其中，m是3以上的整数，λ是上述滤色器(多个)的各自的色带的中心波长，n是上述滤色器(多个)的各自的折射率。
12.如权利要求11所述的固体摄像装置，其特征在于，
m是5以上的整数。
13.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备：
第4光电变换部，形成在上述半导体基板中与上述一个主面相接的表面区域中；
红外滤色器，在上述半导体基板的上述另一个主面侧设在对应于上述第4光电变换部的位置，具有带来比上述第3光程长的第4光程的膜厚；以及
微透镜，配置在对应于该红外滤色器的位置；
上述平坦化膜设置在上述蓝色、绿色、红色及红外的滤色器(多个)和设在对应于这些滤色器的位置的上述微透镜(多个)之间，将上述滤色器的阶差平坦化。
14.如权利要求13所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置是背面照射型。
15.如权利要求13所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述滤色器(多个)的各自的膜厚d设定为在大致d＝(λ×m)/(2×n)以上，其中，m是3以上的整数，λ是上述滤色器(多个)的各自的色带的中心波长，n是上述滤色器(多个)的各自的折射率。
16.如权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于，
m是5以上的整数。
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