CN104282703B - 固态成像装置和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了固态成像装置和电子装置，该固态成像装置包括相位差检测像素，所述相位差检测像素包括形成在半导体衬底上并配置成光电转换入射光的光电转换部、配置成将入射光引导至光电转换部的波导，以及形成在波导的开口附近并配置成遮挡入射光的进入波导的那部分的遮光部。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月3日提交的日本优先权专利申请JP2013-139833的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本技术涉及一种固态成像装置和电子装置，更具体地涉及一种可以提高制造的简易性和距离测量精度的固态成像装置和电子装置。
背景技术
例如，在相关领域中已知具有互补金属氧化物半导体(CMOS)型固态成像装置的数码相机，其具有自动对焦(AF)的距离检测功能。
具体地，提出了一种技术，其中单个片上透镜和多个光电转换部设置在固态成像装置的一些像素中，由此提供采用相位差方法检测距离的功能(例如，参见日本专利申请公报No.2002-314062(在下文中被称为专利文献1))。
还提出了一种技术，其中在包括单个片上透镜和多个光电转换部的距离测量像素中，等效于典型的成像像素的主要波导设置在片上透镜的一侧上，并且多达光电转换部的数量的子波导设置在光电转换部的一侧上(例如，参见日本专利申请公报No.2012-151215(在下文中被称为专利文献2))。利用此结构，可以可靠地将光从片上透镜引导至光电转换部并且可以提高距离测量精度。
此外，通常已知一种技术，其中在距离测量像素中，射入光电转换部的光由设置在光电转换部上方的遮光膜遮挡并且该距离采用相位差方法来检测。
发明内容
然而，在专利文献2中描述的结构中，要求将制造工艺划分成距离测量像素的制造工艺和仅包括波导的成像像素的制造工艺并且还担心当子波导的直径由于像素尺寸减小而减小时，制造变得困难。
在包括单个像素中的多个光电转换部的结构中，每个光电转换部的区域变得更小以确保元件分离区域。每个光电转换部的信号量减少并且担心距离测量精度被降低。
另外，当遮光膜设置在包括波导的像素中的光电转换部上方时，在波导中传播并射入光电转换部中的光与来自各个角度的光混合。结果，担心距离测量精度被降低。
鉴于上文提及的情况，期望提高制造的简易性和距离测量精度。
根据本技术的实施例，提供了一种固态成像装置，包括：相位差检测像素，其包括：形成在半导体衬底上并配置成光电转换入射光的光电转换部，配置成将入射光引导至光电转换部的波导，以及形成在波导的开口附近并配置成遮挡入射光的进入波导的部分的遮光部。
相位差检测像素还可以包括：在波导的开口附近具有光收集点的片上透镜。
相位差检测像素还可以包括：形成在波导的外围并配置成遮挡光的从波导泄漏出来的至少一部分的遮光壁。
遮光壁可以形成为包围波导的整个外围。
遮光壁可以形成为包围波导的外围的一部分。
相位差检测像素还可以包括：形成在半导体衬底上并配置成保持由光电转换部光电转换的电荷的电荷保持部，并且遮光壁可以配置成遮挡从波导泄漏至电荷保持部的光。
遮光部可以形成为布线层。
波导可以包括配置成传播光的芯和配置成限制在芯中传播的光的包层，并且遮光部可以形成为在波导的开口附近与芯保持接触。
芯和包层可以各自由无机膜形成，并且芯可以具有比包层的折射率高的折射率。
固态成像装置还可以包括：像素阵列部，其包括在成行二维布置的多个成像像素之间以分散的方式布置的相位差检测像素，并且多个成像像素可以各自至少包括光电转换部、波导以及片上透镜。
根据本技术的实施例，提供了一种电子装置，包括：固态成像装置，所述固态成像装置包括相位差检测像素，所述相位差检测像素包括：形成在半导体衬底上并配置成光电转换入射光的光电转换部，配置成将入射光引导至光电转换部的波导，以及形成在波导的开口附近并配置成遮挡入射光的射入波导的部分的遮光部。
在本技术的实施例中，在相位差检测像素中，遮光部形成在波导的开口附近并且入射光的射入波导的部分配置成将入射光引导至光电转换部。
根据本技术的实施例，可以提高制造的简易性和距离测量精度。
本发明的这些和其他目的、特征和优点鉴于其最佳实施方式的以下详细描述将变得更加显而易见，如附图中所示。
附图说明
图1是示出了本技术适用的包括图像传感器的电子装置的实施例的框图；
图2是解释图像传感器的像素布置的图；
图3是示出了成像像素的配置实例的横截面视图；
图4是示出了相位差检测像素的配置实例的横截面视图；
图5是示出了相位差检测像素的另一个配置实例的横截面视图；
图6是示出了相位差检测像素的另一个配置实例的横截面视图；并且
图7是示出了相位差检测像素的另一个配置实例的横截面视图。
具体实施方式
在下文中，本发明的实施例将参照附图进行描述。
[电子装置的功能配置实例]
图1是示出了本技术适用的包括图像传感器的电子装置的实施例的框图。
图1中所示的电子装置1被配置成数码相机、具有成像功能的手机终端等。通过自动对焦(AF)功能，使被拍摄物体成像并生成捕获图像并且记录为静态图像或运动图像。在下文中，假设主要记录静态图像。
电子装置1包括透镜单元11、操作单元12、控制单元13、图像传感器14、信号处理单元15、存储单元16、显示单元17、聚焦确定单元18和驱动单元19。
透镜单元11收集来自被拍摄物体的光(被拍摄物体光)。由透镜单元11收集的被拍摄物体光入射在图像传感器14上。
透镜单元11包括变焦透镜21、光圈22和聚焦透镜23。
变焦透镜21由于驱动单元19的驱动而在光学轴线方向上移动，由此改变焦距以调整捕获图像中包括的被拍摄物体的放大倍率。光圈22由于驱动单元19的驱动而改变开合度以调整入射到图像传感器14上的被拍摄物体光的光量。聚焦透镜23由于驱动单元19的驱动而在光学轴线方向上移动，由此调整焦距。
操作单元12接收用户进行的操作。例如，当按下快门按钮(未示出)时，操作单元12将指示该操作的操作信号提供给控制单元13。
控制单元13控制电子装置1的相应单元的操作。
例如，当接收指示快门按钮按下的操作信号时，控制单元13将记录静态图像的指令提供给信号处理单元15。为了在显示单元17上显示即时显示图像(其是被拍摄物体的实时图像)，控制单元13将生成即时显示图像的指令提供给信号处理单元15。
为了采用相位差检测方法来执行聚焦确定，控制单元13将执行聚焦确定的操作(相位差检测操作)的指令提供给信号处理单元15。相位差检测方法指的是聚焦检测方法，其中对穿过成像透镜的光进行瞳划分以形成一对图像，测量所形成的图像之间的距离(图像之间的位移量)(检测相位差)，并由此检测聚焦程度。
图像传感器14是将所接收的被拍摄物体光光电转换为电信号的固态成像装置。
图像传感器14例如是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(CCD)图像传感器。图像传感器14包括像素阵列部，其中布置有基于所接收的被拍摄物体光来生成用于生成捕获图像的信号的多个像素(成像像素)以及用于距离检测的多个距离测量像素，换句话说，生成用于执行相位差检测的信号的像素(相位差检测像素)。图像传感器14将通过光电转换生成的电信号提供给信号处理单元15。
信号处理单元15使从图像传感器14提供的电信号进行各种类型的信号处理。
例如，当从控制单元13提供记录静态图像的指令时，信号处理单元15生成静态图像的数据(静态图像数据)并将静态图像数据提供给存储单元16。当从控制单元13提供生成即时显示图像的指令时，信号处理单元15基于来自图像传感器14中的成像像素的输出信号来生成即时显示图像的数据(即时显示图像数据)并将即时显示图像数据提供给显示单元17。
当从控制单元13提供相位差检测操作的指令时，信号处理单元15基于来自图像传感器14中的相位差检测像素的输出信号来生成用于检测相位差的数据(相位差检测数据)并将相位差检测数据提供给聚焦确定单元18。
存储单元16记录从信号处理单元15提供的图像数据。存储单元16被配置成一个或多个可移除记录介质，例如诸如数字通用光盘(DVD)等光盘和诸如存储器卡等半导体存储器。这些记录介质可以被并入电子装置1中或可以从电子装置1中移除。
显示单元17基于从信号处理单元15提供的图像数据来显示图像。例如，当从信号处理单元15提供即时显示图像数据时，显示单元17显示即时显示图像。显示单元17例如是液晶显示器(LCD)或有机电致发光(EL)显示器。
聚焦确定单元18基于从信号处理单元15提供的相位差检测数据来确定作为待聚焦目标的物体(聚焦目标物体)是否在焦距内。如果位于聚焦区域中的物体在焦距内，则聚焦确定单元18将指示其在焦距内的信息提供给驱动单元19作为聚焦确定结果。如果聚焦目标物体不在焦距内，则聚焦确定单元18计算离焦量(散焦量)并将指示所计算的散焦量的信息提供给驱动单元19作为聚焦确定结果。
驱动单元19驱动变焦透镜21、光圈22和聚焦透镜23。例如，驱动单元19基于从聚焦确定单元18提供的聚焦确定结果来计算聚焦透镜23的驱动量并根据所计算的驱动量来移动聚焦透镜23。
具体地，如果聚焦透镜23在焦距内，则驱动单元19保持其当前位置。如果其不在焦距内，则驱动单元19基于指示散焦量的聚焦确定结果和聚焦透镜23的位置来计算驱动量(驱动距离)并根据驱动量来移动聚焦透镜23。
[图像传感器的像素布置]
接下来，将参照图2描述图像传感器14的像素布置。
在图2中，假设从左至右的方向(行方向)是X方向，从下至上的方向(列方向)是Y方向，并且从后至前的方向是Z方向。
如图2所示，在图像传感器14(像素阵列部)中，用黑方块指示的多个成像像素31以矩阵的形式二维布置在XY平面中。成像像素31由R像素、G像素和B像素组成。这些像素根据拜耳阵列规则布置。
此外，在图像传感器14中，用白方块指示的多个相位差检测像素32以分散的方式布置在成行二维布置的多个成像像素31之间。具体地，相位差检测像素32由在光接收区域的X方向上在右手边遮挡光的像素以及在光接收区域的X方向上在左手边遮挡光的像素组成。通过用图像传感器14中的像素列的每个预定列中的这些像素替换成像像素31的一些，这些像素像素根据特定模式进行规则布置。注意，图像传感器14中的成像像素31和相位差检测像素32的布置不局限于此并且还可能存在其他模式。
接下来，将描述图像传感器14中的成像像素31和相位差检测像素32的详细配置。
[成像像素的配置实例]
图3是示出了图像传感器14中的成像像素31的配置实例的横截面视图。
如图3所示，在成像像素31中，光电转换入射光的光电转换部52通过离子注入形成在由例如Si制成的半导体衬底51上。层间绝缘膜53至56形成在半导体衬底51的上方。将入射光引导至光电转换部52的波导57形成在层间绝缘膜53至56中以及光电转换部52上方。在层间绝缘膜53至56和波导57上方形成有平坦化膜58、具有对应于R像素、G像素和B像素的光谱特性的滤色器59以及片上透镜60。
片上透镜60被设计成在波导57的开口附近具有光收集点。射入片上透镜60的入射光通过滤色器59和平坦化膜58射入波导57。
波导57由传播光的芯57a和限制在芯57a中传播的光的包层57b组成。芯57a和包层57b由针对入射光的波长带具有80％以上的透光率的材料制成。例如，芯57a由SiN、SiC等的无机膜形成，包层57b由SiO2等的无机膜形成。芯57a被设为具有比包层57b的折射率高的折射率。
注意，层间绝缘膜53至56由折射率比构成波导57的芯57a和包层57b的折射率都低的材料形成。
利用此结构，波导57抑制入射光从波导57中泄漏出来并将入射光引导至光电转换部52的光接收表面。因此，可以提高光电转换部52的光收集效率。
另外，在成像像素31中，遮挡已经从波导57中泄漏出来的光的遮光壁61a被设置为波导57的外围的布线层61的一部分。
具体地，遮光壁61a形成为包围波导57的整个外围。遮光壁61a例如具有圆柱形状。遮光壁61a由W、Ti、Al、Cu、TiN、Ta和TaN等金属形成。
注意，遮光壁61a可以具有任何形状，只要其具有包围波导57的结构即可。除圆柱形状之外，遮光壁61a还可以具有四棱柱形状或八角柱形状等。在遮光壁61a具有圆柱形状的情况下，圆柱的底面可以具有椭圆形状。
利用此结构，甚至当像素的尺寸减小时，也可以防止从波导57泄漏出来的光射入相邻像素变成混色分量并将入射光更有效地引导至光电转换部52的光接收表面。
[相位差检测像素的配置实例]
接下来，将参照图4描述相位差检测像素32的配置实例。
注意，将省略图4中所示的相位差检测像素32的以与参照图3描述的成像像素31的部分相同的方式形成的部分的描述。
在相位差检测像素32中，遮挡入射光的进入波导57的部分的遮光部62形成在波导57的开口附近。
具体地，遮光部62形成为在波导57的开口附近与芯57a的上端表面保持接触。遮光部62由W、Ti、Al、Cu、TiN、Ta和TaN等金属形成。
在图4中所示的相位差检测像素32中，遮光部62遮挡波导57的开口的左半部中的光。在一些相位差检测像素32中，通过遮光部62遮挡波导57的开口的右半部中的光。
如图4所示，已经穿过片上透镜60并在第一方向上射入的一部分入射光L1由波导57引导至光电转换部52并且大部分入射光L1由遮光部62反射作为反射光L1'并且不到达光电转换部52。另一方面，已经穿过片上透镜60并在第二方向上射入的大部分入射光L2穿过波导57的开口的未被遮光部62遮挡的部分(开口部分)，并由波导57引导至光电转换部52。
传播至光电转换部52的入射光L1和L2的速率不同，这主要取决于其入射角。
同样在相位差检测像素32中，片上透镜60被设计成在波导57的开口附近具有光收集点，如与成像像素31中一样。另外，通过适当设计波导57的开口部分，波导57的直径和波导57与遮光壁61a之间的距离，可以增加传播至光电转换部52的入射光L1和L2的量的速率以提高分光特性。
如上所述，相位差检测像素32具有遮光部62仅设置到成像像素31的结构上的结构。因此，不需要将制造工艺划分成相位差检测像素32的制造工艺以及成像像素31的制造工艺。因此，可以提高制造的简易性。
此外，相位差检测像素32可以具有一个光电转换部设置到一个像素上的结构。因此，每个光电转换部的信号量都不减少并且此外分光特性可以通过优化波导57的设计来提高。因此，可以提高距离测量精度。
另外，在同时传递并保持所有像素中的电荷并实现同时暴露所有像素的全局快门功能的固态成像装置中，保持由光电转换部52光电转换的电荷的电荷保持部70形成在半导体衬底51中，例如如与图5中所示的相位差检测像素32一样。
在图5的相位差检测像素32中，从波导57泄漏出来的光被遮光壁61a遮挡并且可以防止光射入电荷保持部70变成噪声分量。
[相位差检测像素的另一个配置实例]
接下来，将参照图6描述相位差检测像素32的另一个配置实例。
在图6中所示的相位差检测像素32中，布线层61的一部分被形成为遮挡入射光的进入波导57的一部分的遮光部。该遮光部还可以形成为在波导57的开口附近与芯57a的上端表面保持接触。
布线层61由多种金属(比如充当导电部分的Cu和充当防止Cu扩散的阻挡层的Ta和TaN)的组合形成。
同样利用此配置，相位差检测像素32可以提高制造的简易性和距离测量精度。
[相位差检测像素的另一个配置实例]
接下来，将参照图7描述相位差检测像素32的另一个配置实例。
在图7中所示的相位差检测像素32中，遮光壁61a形成为只包围波导57的外围的一部分(在该实例中，波导57的外围的左半部)。
如图7所示，已经穿过片上透镜60并在第一方向上射入的大部分入射光L1被遮光部62反射作为反射光L1'并且剩余的光L1''由于缺少遮光壁61a而泄漏至相邻像素。因此，入射光L1不射入光电转换部52。注意，通过在相邻像素中设置遮光壁61a或提高像素阵列部的像素布置可以防止已经泄漏至相邻像素的光L1''射入相邻像素中的光电转换部52。
另一方面，已经穿过片上透镜60并在第二方向上射入的大部分入射光L2穿过波导57的开口部分并被波导57引导至光电转换部52。在这种情况下，入射光L2的从波导57泄漏出来的光被遮光壁61a反射作为反射光L2'并射入光电转换部52。
通过以此方式只包围波导57的外围的部分的遮光壁61a，可以高效地分割在预定方向上入射的光，并由此可以进一步提高距离测量精度。
注意，参照图7描述的配置可以适用于参照图6描述的配置。
虽然在上文提及的配置中，相位差检测像素采用遮挡左右两侧的光的配置，但是相位差检测像素可以根据像素布置来采用遮挡上下侧的光的配置或可以倾斜地遮挡光。
本技术的实施例不局限于上文提及的实施例并且在不背离本技术的主旨的情况下可以进行各种修改。
另外，本技术还可以采用以下配置。
(1)一种固态成像装置，包括：
相位差检测像素，其包括：
形成在半导体衬底上并配置成光电转换入射光的光电转换部，
配置成将入射光引导至光电转换部的波导，以及
形成在波导的开口附近并配置成遮挡入射光的射入波导的部分的遮光部。
(2)根据(1)所述的固态成像装置，其中
相位差检测像素还包括：
在波导的开口附近具有光收集点的片上透镜。
(3)根据(2)所述的固态成像装置，其中
相位差检测像素还包括：
形成在波导的外围并配置成遮挡从波导泄漏出来的至少一部分光的遮光壁。
(4)根据(3)所述的固态成像装置，其中
遮光壁形成为包围波导的整个外围。
(5)根据(3)所述的固态成像装置，其中
遮光壁形成为包围波导的外围的一部分。
(6)根据(3)所述的固态成像装置，其中
相位差检测像素还包括：
形成在半导体衬底上并配置成保持由光电转换部光电转换的电荷的电荷保持部，并且
遮光壁配置成遮挡从波导泄漏至电荷保持部的光。
(7)根据(2)至(6)中任一项所述的固态成像装置，其中
遮光部形成为布线层。
(8)根据(2)至(7)中任一项所述的固态成像装置，其中
波导包括配置成传播光的芯和配置成限制在芯中传播的光的包层，并且
遮光部形成为在波导的开口附近与芯保持接触。
(9)根据(8)所述的固态成像装置，其中
芯和包层各自由无机膜形成，并且
芯具有比包层的折射率高的折射率。
(10)根据(2)至(9)中任一项所述的固态成像装置，还包括：
像素阵列部，其包括在成行二维布置的多个成像像素之间以分散的方式布置的相位差检测像素，其中
多个成像像素各自至少包括光电转换部、波导以及片上透镜。
(11)一种电子装置，包括：
固态成像装置，其包括：
相位差检测像素，其包括：
形成在半导体衬底上并配置成光电转换入射光的光电转换部，
配置成将入射光引导至光电转换部的波导，以及
形成在波导的开口附近并配置成遮挡入射光的射入波导的部分的遮光部。
本领域技术人员应该理解，根据设计需求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合以及改变，只要其在所附权利要求或其等同物的范围之内即可。
Claims (12)
1.一种固态成像装置，包括：
相位差检测像素，所述相位差检测像素包括：
光电转换部，形成在半导体衬底上并被配置为光电转换入射光，
波导，被配置为将所述入射光引导至所述光电转换部，以及
遮光部，形成在所述波导的开口附近并被配置为遮挡进入所述波导的所述入射光的一部分；
其中，在第一方向上射入的一部分入射光由所述波导引导至所述光电转换部，并且大部分入射光由所述遮光部反射作为反射光并且不到达光电转换部；在第二方向上射入的大部分入射光穿过所述波导的开口的未被所述遮光部遮挡的部分，并由所述波导引导至所述光电转换部。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述相位差检测像素还包括：
在所述波导的所述开口附近具有光收集点的片上透镜。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中
所述相位差检测像素还包括：
遮光壁，形成在所述波导的外围中并被配置为遮挡从所述波导泄漏出的至少一部分光。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中
所述遮光壁被形成为包围所述波导的整个外围。
5.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中
所述遮光壁被形成为包围所述波导的所述外围的一部分。
6.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中
所述相位差检测像素还包括：
电荷保持部，形成在所述半导体衬底上并被配置为保持由所述光电转换部光电转换的电荷，并且
所述遮光壁被配置为遮挡从所述波导泄漏至所述电荷保持部的光。
7.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中
所述遮光部形成为布线层。
8.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中
所述波导包括被配置为传播光的芯和被配置为限制在所述芯中传播的光的包层，并且
所述遮光部形成为在所述波导的所述开口附近与所述芯保持接触。
9.根据权利要求8所述的固态成像装置，其中
所述芯和所述包层均由无机膜形成，并且
所述芯具有比所述包层的折射率高的折射率。
10.根据权利要求2所述的固态成像装置，还包括：
像素阵列部，包括在成行二维布置的多个成像像素之间以分散方式布置的所述相位差检测像素，其中
所述多个成像像素均至少包括所述光电转换部、所述波导以及所述片上透镜。
11.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
在所述半导体衬底的上方形成有层间绝缘膜，所述波导形成在层间绝缘膜中以及所述光电转换部的上方。
12.一种电子装置，包括：
固态成像装置，包括相位差检测像素，所述相位差检测像素包括：
光电转换部，形成在半导体衬底上并被配置为光电转换入射光，
波导，被配置为将所述入射光引导至所述光电转换部，以及
遮光部，形成在所述波导的开口附近并被配置为遮挡进入所述波导的所述入射光的一部分；
其中，在第一方向上射入的一部分入射光由所述波导引导至所述光电转换部，并且大部分入射光由所述遮光部反射作为反射光并且不到达所述光电转换部；在第二方向上射入的大部分入射光穿过所述波导的开口的未被所述遮光部遮挡的部分，并由所述波导引导至所述光电转换部。
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