CN108713252A - 固态成像器件和电子装置 - Google Patents
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Abstract
提供能够改善画质的背照式固态成像器件。提供了背照式固态成像器件，其设有至少：半导体基板；有机光电转换膜，其形成于所述半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上；以及光波导，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像器件和电子装置。
背景技术
通常，互补型金属氧化物半导体(CMOS：Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器、电荷耦合器件(CCD：Charge Coupled Device)和其它固态成像器件在数码相机、数码摄像机等中已得到广泛应用。
近年来，已见证了为减小固态成像器件的尺寸并改善画质而进行的大范围的研制工作。
例如，已经提出了一种成像装置，其包括：第一成像器件、第二成像器件和微透镜阵列。第一成像器件通过将半导体基板的前表面的入射光转换成电荷而生成第一光电转换信号，并且经由形成于半导体基板的前表面的配线层输出第一光电转换信号。第二成像器件堆叠在半导体基板的前表面上，通过利用能吸收红外光且传输可见光的有机光电转换膜转换红外光而生成第二光电转换信号，并且经由配线层输出第二光电转换信号。微透镜阵列堆叠在第二成像器件的与第一成像器件相对的一侧，并且具有以二维方式布置的多个微透镜。
第一成像器件具有多个第一像素，第一像素设置成对应于相应的微透镜并输出第一光电转换信号。第二成像器件具有多个第二像素，第二像素设置成对应于相应的微透镜并输出第二光电转换信号。第二像素是焦点检测像素，焦点检测像素输出用于通过光瞳分割相位差方法来检测成像光学系统的焦点调节状态的焦点检测信号。在第二成像器件和第一成像器件之间形成光波导以将通过第二成像器件的第二像素传输的可见光引导到第一成像器件的第一像素上(参照PTL 1)。
根据专利文献PTL 1提出的技术，光波导形成于第一成像器件和第二成像器件之间。
[引用文件列表]
[专利文献]
[专利文献1]
JP 2015-162562A
发明内容
[技术问题]
然而，专利文献1中提出的技术是所谓的前照式成像器件，其具有与配线层形成(堆叠)在相同位置处(在相同的层中)的光波导，这会导致画质变差，并且使得不能改善画质。
鉴于这种情况提出了本发明，本发明的目的是提供一种能够改善画质的背照式固态成像器件以及包括背照式固态成像器件的电子装置。
[解决问题的技术方案]
作为解决上述目的的深入研究的结果，本发明人等通过在半导体基板和有机光电转换膜之间形成光波导而成功地极大改善了画质，由此完成了本发明。
即，本发明首先提供了一种背照式固态成像器件，其包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导。所述有机光电转换膜形成于所述半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。所述光波导形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
所述固态成像器件可包括下电极和贯通电极。所述下电极设于所述有机光电转换膜下方。所述贯通电极贯穿所述半导体基板，以将通过所述有机光电转换膜的光电转换而转换的电荷传输到所述半导体基板的前表面和后表面中的另一表面侧。所述下电极和所述贯通电极可连接。
另外，所述固态成像器件可包括下电极、贯通电极以及至少一个配线层。所述下电极设于所述有机光电转换膜下方。所述贯通电极贯穿所述半导体基板，以将通过所述有机光电转换膜的光电转换而转换的电荷传输到所述半导体基板的前表面和后表面中的另一表面侧。所述配线层连接所述下电极和所述贯通电极。
所述半导体基板可包括第一光电二极管，使得未被所述有机光电转换膜转换成电荷的至少一部分入射光被所述第一光电二极管转换成电荷。
所述半导体基板可包括第二光电二极管，使得所述第二光电二极管设于所述第一光电二极管和所述半导体基板的前表面和后表面中的另一者之间，并且使未被所述有机光电转换膜和所述第一光电二极管转换成电荷的至少一部分入射光被所述第二光电二极管转换成电荷。
所述固态成像器件还可包括形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间的第一绝缘膜。
另外，所述光波导和所述第一绝缘膜可以被垂直地分离开。
另外，所述光波导可以具有比所述第一绝缘膜高的折射率。
此外，所述光波导可以包含SiN，并且具有1.8至2.1的折射率，所述第一绝缘膜可以包含SiO，并且具有1.3至1.5的折射率。
所述光波导可以包括低介电常数材料。
此外，垂直分光层的数量可以为两层或三层。
另外，从所述半导体基板到所述有机光电转换膜的厚度可以为1μm以下。
另外，所述光波导可以包括有机膜。
此外，所述固态成像器件还可包括形成于所述光波导下方的第二绝缘膜。
另外，所述固态成像器件还可包括形成于所述光波导下方的低介电常数材料层。
另外，所述固态成像器件还可包括形成于所述有机光电转换膜和所述光波导之间的内透镜。
所述固态成像器件还可包括第一下电极、第二下电极、过孔和光电二极管。所述第二下电极连接到所述第一下电极，并且形成于比所述第一下电极低的位置处。所述过孔连接所述第一下电极和所述第二下电极。所述光电二极管形成于比所述第二下电极低的位置处。视角中心处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第一距离与视角端部处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第二距离不同。
另外，本发明提供了一种搭载有背照式固态成像器件的电子装置，所述背照式固态成像器件包括至少：半导体基板、有机光电转换膜和光波导。所述有机光电转换膜形成于所述半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。所述光波导形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
[本发明的有益效果]
根据本发明，能够改善画质。应当指出，这里所述的效果并非是限制性的，可以是本发明所述效果中的任何效果。
附图说明
图1是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图2是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图3是用于说明光波导的图。
图4是图1的局部放大图。
图5是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图6是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图7是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图8是示出本发明适用的第一实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图9是示出本发明适用的第二实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图10是示出本发明适用的第二实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图11是示出本发明适用的第三实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图12是示出本发明适用的第三实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图13是示出本发明适用的第四实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图14是示出本发明适用的第四实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图15是示出本发明适用的第五实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图16是示出本发明适用的第五实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图17是示出本发明适用的第五实施例的背照式固态成像器件的构造例的断面图。
图18是示出本发明适用的第五实施例的背照式固态成像器件的构造例的平面图。
图19是示出本发明适用的第一至第五实施例的背照式固态成像器件的使用例的图。
具体实施方式
下文将说明实施本发明的优选方式。下文说明的实施例示出了本发明的典型实施例的示例，本发明的范围并不因此被狭义地解释。
应当指出，按以下顺序进行说明：
1.第一实施例(背照式固态成像器件)
2.第二实施例(背照式固态成像器件)
3.第三实施例(背照式固态成像器件)
4.第四实施例(背照式固态成像器件)
5.第五实施例(背照式固态成像器件)
6.第六实施例(电子装置)
7.本发明适用的背照式固态成像器件的使用例
<1.第一实施例(背照式固态成像器件)>
根据本发明的第一实施例的背照式固态成像器件包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。
图1至图8示出了根据本发明的第一实施例的背照式固态成像器件1(图1至图8中的固态成像器件1-1)。
固态成像器件1-1至少包括半导体基板10、有机光电转换膜11和光波导12。有机光电转换膜11形成于半导体基板10的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导12形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间。
固态成像器件1-1还包括第一绝缘膜16(16-1)，光波导12和第一绝缘膜16-1被垂直地(图1中垂直地)分离开。例如可以使用比如氧化硅膜或TEOS等绝缘介质作为第一绝缘膜16-1。
图1是水平并排地描述断面图(A-A’(R列))和断面图(B-B’(B列))的图，断面图(A-A’(R列))是沿着线A-A’切断从入射光侧观察时的图2的平面图所示的背照式固态成像器件1-1的，断面图(B-B’(B列))是沿着线B-B’切断背照式固态成像器件1-1的，并且图1描述了固态成像器件1-1的四个像素2(像素2-1至2-4)。
图3是图1的局部放大图，是用于说明光波导12的图。通过利用光波导12和第一绝缘膜16-1之间的折射率差异，光波导12能够反射以与光波导12和第一绝缘膜16-1之间的界面成各种角度进入成像表面的入射光。因此，光波导12能够防止光进入到相邻像素。
在根据本发明的第一实施例的背照式固态成像器件1-1上形成光波导12，通过由光波导12和第一绝缘膜16-1之间界面进行的反射，能够如上所述地防止光进入到相邻像素，这提供了提高画质的效果，特别地，提供了改善灵敏度、阴影和混色的效果。如果增加半导体基板10和有机光电转换膜11之间的距离，则例如在入射光以对角线方向进入像素的情况下，使用有机光电转换膜的传统的固态成像器件会变得易于出现混色和阴影。为此，考虑到要减小混色和阴影，传统的固态成像器件优选地减小半导体基板10和有机光电转换膜11之间的距离。对于使用有机光电转换膜的传统的固态成像器件，另一方面，如果减小半导体基板10和有机光电转换膜11之间的距离，则会增加在用于从有机光电转换膜读出信号电荷的下电极中出现的寄生电容。该寄生电容的增加会导致在从有机光电转换膜11读取信号电荷的过程中所获得的信号减小。对于传统的固态成像器件而言，这会导致从有机光电转换膜读出的信号信噪比(S/N比)降低。相比之下，第一实施例的背照式固态成像器件1-1具有形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间的光波导12。这提供了改善灵敏度、阴影和混色的效果，而不需要减小从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度，这意味着可以增大该厚度。那么，通过增大从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度，能够减小半导体基板10和用于有机光电转换膜11的下电极14之间的电容，能够防止转换效率降低和随机噪声(RN：random noise)恶化。
另外，通过将光波导12引入到根据本发明的第一实施例的背照式固态成像器件1-1，根据本发明的第一实施例的背照式固态成像器件1-1能够实现改善灵敏度、阴影和混色的效果与防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化的效果之间的平衡。
图4是图1中左侧所示的沿着线A-A’切断得到的断面图(A-A’(R列))的放大图。图5是针对图4所示的同一层的下电极14、遮蔽电极21和配线层19-1示出固态成像器件1-1的四个像素的平面布局的图。图6是针对同一层的过孔20-1和过孔20-2示出固态成像器件1-1的四个像素的平面布局的图。图7是针对同一层的配线层19-2和配线层19-4示出固态成像器件1-1的四个像素的平面布局的图。图8是针对图4所示的左侧贯通电极15的上部和右侧贯通电极的上部(其中，左侧贯通电极15的上部和右侧贯通电极的上部处于相同的高度)示出固态成像器件1-1的四个像素的平面布局的图。在图4以及图5至图8中，相同的元件以相同的附图标记表示。
参照图4至图8，固态成像器件1-1包括下电极14、贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)和配线层19-4。下电极14设于有机光电转换膜11下方。贯通电极15贯穿半导体基板10以将通过有机光电转换膜11的光电转换而转换的电荷传输到半导体基板10的前表面和后表面中的另一表面侧。配线层19-4连接下电极14和贯通电极15。配线层19-4和下电极14经过孔20-2连接。下电极14和贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)通过单个配线层19-4连接。配线层19-4可用作后文将说明的光瞳校正的配线(第二下电极)，在此情况下，配线层19-4可以与光瞳校正的量对应地延伸。下电极14、过孔20-2和配线层19-4例如可以是诸如氧化铟锡膜或氧化铟锌膜等透明导电膜。另外，贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)、配线层19-4、过孔20-2和下电极14可通过溅射技术或化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)技术形成。
贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)可包括具有恒定直径的导体，并且，除了诸如磷掺杂非晶硅(PDAS：Phosphorus Doped amorphous Silicon)等掺杂硅材料之外，还可以采用诸如铝、钨、钛、钴、铪或钽等金属材料作为导体。
下电极14和贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)也可通过多个配线层连接。通过利用单个或者多个配线层连接下电极14和贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)，能够增加从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度，并且使下电极14远离半导体基板10地移动，由此减小对地电容并防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化。从半导体基板10到有机光电转换膜11的被增加的厚度能够防止光通过光波导12进入到相邻像素，改善灵敏度、阴影和混色。特别地，能够实现改善灵敏度、阴影和混色的效果与防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化的效果之间的平衡。
应当指出，在第一实施例的固态成像器件1中，通过在行和列方向上二维地布置多个如图2所示的作为重复单元的四像素单元，同时使得图4所示的贯通电极15作为重叠宽度重叠而形成像素阵列。为此，图2中的线A-A’上的左侧所示的贯通电极15是连接到在像素阵列中布置在图2左侧的不同四像素单元的右上像素的下电极14的贯通电极。类似地，图4左侧的贯通电极15、配线层19-2、过孔20-1和配线层19-1连接到布置在图4左侧的不同像素的下电极14。
遮蔽电极21形成在与下电极14和配线层19-1相同的层中，并且是透明电极。配线层19-3形成在与配线层19-2和配线层19-4相同的层中。配线层19-3包括金属材料并且具有遮蔽像素之间的光的作用。配线层19-3可以是用于发射来自遮蔽电极21的信号的配线。
固态成像器件1-1可包括下电极14和贯通电极15，使得下电极14和贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)连接。下电极14设在有机光电转换膜11下方。贯通电极15贯穿半导体基板10以将通过有机光电转换膜11的光电转换而转换的电荷传输到半导体基板10的前表面和后表面中的另一表面侧。在此情况下，下电极14和贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)直接相连，而不是通过配线层连接。
通过朝向有机光电转换膜11(图2中向上方向)延伸贯通电极15(图2中右侧的贯通电极)、增加从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度并使下电极14远离半导体基板10地移动，能够减小对地电容并防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化。
在图1所示的像素2(2-1至2-4)中，光电二极管(未示出)和电荷保持部(未示出)形成于半导体基板10中并且嵌入在半导体基板10的硅(Si)层中。另外，光波导12(12-1至12-4)和有机光电转换膜11依次堆叠在半导体基板10上，而且，依次堆叠保护膜17、滤色器3(3-1至3-4)、片上透镜18(18-1至18-4)。有机光电转换膜11的上表面和下表面夹在上电极13和下电极14之间。上电极13例如包括诸如氧化铟锡膜或氧化铟锌膜等透明导电膜。
另外，在像素2(2-1至2-4)中，像素2-1在入射光侧具有形成于有机光电转换膜11上方的黄色(Ye)滤色器3-1，像素2-2在入射光侧具有形成于有机光电转换膜11上方的白色(W)滤色器3-2，像素2-3在入射光侧具有形成于有机光电转换膜11上方的青色(Cy)滤色器3-3，像素2-4在入射光侧具有形成于有机光电转换膜11上方的白色(W)滤色器3-4。
这里，作为颜色组合，可以使用用于绿色(G)的有机光电转换膜11、像素2-1的红色(R)光电二极管(未示出)、像素2-2的品红(M＝R+B)光电二极管(未示出)、像素2-3的蓝色(B)光电二极管(未示出)以及像素2-4的品红(M＝R+B)光电二极管(未示出)。然而，也可以使用其它任意颜色组合。例如，对于有机光电转换膜11，可使用蓝色(B)膜或红色(R)膜。在此情况下，对于像素2-1至2-4的四个光电二极管中的每一者，可根据有机光电转换膜11是否用于蓝色(B)或红色(R)来设定颜色使用。在此情况下，四个光电二极管在深度方向上的位置根据颜色来设定。
通过有机光电转换膜11和光电二极管而在像素2(2-1至2-4)中生成的信号电荷由包括多个像素晶体管的读取部读出，并且由信号处理部处理，这使得信号电荷作为图像数据输出。
光波导12优选地具有大于第一绝缘膜16-1的折射率。该优选方式使得能够通过由光波导12和第一绝缘膜16-1之间界面进行的反射进一步有效防止光进入到相邻像素。
光波导12优选地包含SiN，并且具有1.8至2.1的折射率，第一绝缘膜16-1优选包含SiO，并且具有1.3至1.5的折射率。该优选方式使得能够通过由光波导12和第一绝缘膜16-1之间界面进行的反射进一步有效防止光进入到相邻像素。
光波导12并不特别受到限制，可以包括任意材料。然而，光波导12可选择地包括低介电常数材料。在使用低介电常数材料作为光波导12的材料的情况下，能够进一步降低电容。电容的进一步降低可以转化为高度降低，这提供了进一步改善灵敏度、阴影和混色的效果。低介电常数材料优选地具有1.6至1.8的折射率，该折射率大于第一绝缘膜16-1的折射率。尽管不特别限制低介电常数材料的介电常数，但低介电常数材料优选地具有3.4至3.6的介电常数。
不特别限制低介电常数材料。然而，例如，可以使用诸如SiOC膜和SiOCH膜等透明材料作为低介电常数材料。
固态成像器件1-1可以例如是所谓的垂直分光成像器件，垂直分光成像器件具有在半导体基板10的厚度方向上堆叠在像素中的有机光电转换膜11和光电二极管(未图示)，并且选择性地检测用于光电转换的不同波长区域(例如B、G和R光等)的光，并且垂直分光层的数量优选为两层或三层。
不特别限制从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度，可以是任意厚度。然而，该厚度优选为1μm以下。
另外，基于减小电容的考虑，不特别限制从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度。然而，在大约2.0μm的单元尺寸的情况下，该厚度优选为300nm以上，在大约1.4μm的单元尺寸的情况下，该厚度优选为500nm以上。另外，基于需要光瞳校正的考虑，不特别限制从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度。然而，可以在该厚度为100nm以上的情况下进行光瞳校正。
光波导12可包括有机膜。尽管不特别限制有机膜的折射率，但有机膜优选地具有1.5至1.7的折射率。尽管不特别限制有机膜的介电常数，但有机膜优选地具有3.4至3.6的介电常数。
可以通过已知的方法制造光波导12。例如，首先将绝缘膜16形成为平坦的，之后，将要成为光波导12的区域挖成孔形(或者圆柱或者圆锥台)。将折射率高于绝缘膜的材料填入所挖的孔中。填充有较高折射率材料的孔形(或者圆柱或者圆锥台)部分将用作光波导12。
应当指出，尽管未示出，但半导体基板10(硅)内部的光电二极管可以具有两层结构。在此情况下，可以将有机光电转换膜11、半导体基板10所包括的第一光电二极管和第二光电二极管以及配线层(图1中最下方的三个配线层)从入射光侧起(在图1中从顶部到底部)依次布置成使得：在入射光中，绿光被有机光电转换膜转换成电荷，蓝光被处于两层结构中上层(设于有机光电转换膜侧的层)的第一光电二极管转换成电荷，红光被处于两层结构中下层(在配线层侧并且布置在第一光电二极管和半导体基板10的形成有配线层的另一表面之间的层)的第二光电二极管转换成电荷。应当指出，在此情况下，不需要滤色器。
根据本发明第一实施例的固态成像器件1-1是能够使得块状硅(bulk silicon)光电二极管(未示出)所接收的光量增加的背照式固态成像器件。然而，背照式固态成像器件1-1需要包括贯通电极15，贯通电极15在下电极14的电荷读取路径中贯穿半导体基板10(硅基板)以读取有机光电转换膜11的下电极14的电荷。为此，将使用有机光电转换膜11和块状硅光电二极管的背照式固态成像器件1-1与使用光电转换膜和块状硅光电二极管的前照式固态成像器件进行比较，背照式固态成像器件1-1的有机光电转换膜的下电极14的寄生电容更大。这会导致在从下电极14读取信号电荷的过程中信号更小，于是带来读出信号的较差S/N比。将背照式固态成像器件1-1与前照式固态成像器件进行比较，根据本发明第一实施例的固态成像器件1-1的结构提供的作用效果在于：块状硅光电二极管所接收的光的量通过背部照射块状硅光电二极管而增加，并且来自有机光电转换膜11的信号的S/N比通过使用光波导12而增大。
<2.第二实施例(背照式固态成像器件)>
根据本发明的第二实施例的背照式固态成像器件包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导，还包括第二绝缘膜。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。第二绝缘膜形成在光波导下方。
图9和图10示出了根据本发明第二实施例的背照式固态成像器件1(图9和图10中的固态成像器件1-2)。
固态成像器件1-2包括半导体基板10、有机光电转换膜11、光波导12和第一绝缘膜16-1。有机光电转换膜11形成于半导体基板的一个表面上。光波导12形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间。光波导12和第一绝缘膜16-1被垂直地(图9中垂直地)分离开。固态成像器件1-2还包括形成在光波导12下方的第二绝缘膜16-2。
例如，可以使用诸如氧化硅膜、TEOS、氮化硅膜或氮氧化硅膜等绝缘介质作为第二绝缘膜16-2。
图9是水平并排地描述断面图(A-A’(R列))和断面图(B-B’(B列))的图，断面图(A-A’(R列))是沿着线A-A’切断从入射光侧观察时的图10的平面图所示的背照式固态成像器件1-2的，断面图(B-B’(B列))是沿着线B-B’切断背照式固态成像器件1-2的，并且图9描述了固态成像器件1-2的四个像素2(像素2-1至2-4)。
参照图9，通过利用第二绝缘膜16-2将光波导12和半导体基板10隔开，能够防止因光波导12(例如，SIN)的固定电荷所致的脱钉(depinning)带来的白点恶化。
固态成像器件1-2的像素2(像素2-1至2-4)的细节类似于上述第一实施例的背照式固态成像器件1-1的像素2(像素2-1至2-4)的细节。
<3.第三实施例(背照式固态成像器件)>
根据本发明第三实施例的背照式固态成像器件包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导，还包括低介电常数材料层。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。低介电常数材料层形成在光波导下方。
图11和图12示出了根据本发明第三实施例的背照式固态成像器件1(图11和图12中的固态成像器件1-3)。固态成像器件1-3包括半导体基板10、有机光电转换膜11、光波导12、第一绝缘膜16-1和第二绝缘膜16-2。有机光电转换膜11形成于半导体基板的一个表面上。光波导12形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间。光波导12和第一绝缘膜16-1被垂直地(图11中垂直地)分离开。第二绝缘膜16-2形成在光波导12下方。固态成像器件1-3还包括形成于光波导12和第二绝缘膜16-2之间的低介电常数材料层22。
图11是水平并排地描述断面图(A-A’(R列))和断面图(B-B’(B列))的图，断面图(A-A’(R列))是沿着线A-A’切断从入射光侧观察时的图12的平面图所示的背照式固态成像器件1-3的，断面图(B-B’(B列))是沿着线B-B’切断背照式固态成像器件1-3的，并且图11描述了固态成像器件1-3的四个像素2(像素2-1至2-4)的。
通过在光波导12和第二绝缘膜16-2之间形成低介电常数材料层22，能够进一步降低电容。电容的进一步降低可以转化为高度降低，这提供了进一步提高画质的效果，特别地，提供了进一步改善灵敏度、阴影和混色的效果。
低介电常数材料层22可以是包括低介电常数材料的层。尽管不特别限制低介电常数材料的折射率，但低介电常数材料优选地具有1.6至1.8的折射率。尽管不特别限制低介电常数材料的介电常数，但低介电常数材料优选地具有3.4至3.6的介电常数。
不特别限制低介电常数材料。然而，例如，可使用诸如SiOC膜和SiOCH膜等透明材料作为低介电常数材料。
固态成像器件1-3的像素2(像素2-1至2-4)的细节类似于上述第一实施例的背照式固态成像器件1-1的像素2(像素2-1至2-4)的细节。
<4.第四实施例(背照式固态成像器件)>
根据本发明第四实施例的背照式固态成像器件包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导，还包括内透镜。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。内透镜形成于有机光电转换膜和光波导之间。
图13和图14示出了根据本发明第四实施例的背照式固态成像器件1(图13和图14中的固态成像器件1-4)。
固态成像器件1-4包括半导体基板10、有机光电转换膜11、光波导12、第一绝缘膜16-1和第二绝缘膜16-2。有机光电转换膜11形成于半导体基板的一个表面上。光波导12形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间。光波导12和第一绝缘膜16-1被垂直地(图13中垂直地)分离开。另外，第一绝缘膜16-1形成于光波导12上方，而且，第二绝缘膜16-2形成在光波导12下方。固态成像器件1-4还包括形成于有机光电转换膜11(以及第一绝缘膜16-1)和光波导12之间的内透镜23(23-1至23-4)。
图13是水平并排地描述断面图(A-A’(R列))和断面图(B-B’(B列))的图，断面图(A-A’(R列))是沿着线A-A’切断从入射光侧观察时的图14的平面图所示的背照式固态成像器件1-4的，断面图(B-B’(B列))是沿着线B-B’切断背照式固态成像器件1-4的，并且图13描述了固态成像器件1-4的四个像素2(像素2-1至2-4)。
通过将内透镜23(23-1至23-4)插入在有机光电转换膜11和光波导12之间，即在第一绝缘膜16-1和光波导12之间，能够针对各像素2-1至2-4更高效地聚集来自片上透镜18(18-1至18-4)的光。因此，固态成像器件1-4中既形成有光波导12，又形成有内透镜23，这提供了改善相邻像素中混色的协同效果。另外，因为内透镜23的插入提供了如上所述改善相邻像素中混色的协同效果，所以如图13所示，可以进一步增厚第一绝缘膜16-1，由此使得能够增加从半导体基板10到有机光电转换膜11的厚度。该厚度的增大使得能够减小半导体基板10和用于有机光电转换膜11的下电极14之间的电容，于是能够防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化。那么，特别地，能够实现改善灵敏度、阴影和混色的效果与防止转换效率降低和随机噪声(RN)恶化的效果之间的平衡。
内透镜23可包括例如等离子体氮化硅(P-SiN，折射率为大约1.9至2.0)。尽管内透镜23可采用任意形状，但也可以是如同图13所示的片上透镜18的半球形，或者采用其它形状。例如，内透镜23也可以是矩形的。
固态成像器件1-4的像素2(像素2-1至2-4)的细节类似于上述第一实施例的背照式固态成像器件1-1的像素2(像素2-1至2-4)的细节。
<5.第五实施例(背照式固态成像器件)>
根据本发明第五实施例的背照式固态成像器件包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导，还包括第二下电极、过孔和光电二极管。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。第二下电极连接到第一下电极并形成于比第一下电极低的位置处。过孔连接第一下电极和第二下电极。光电二极管形成于比第二下电极低的位置处。视角中心处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第一距离与视角端部处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第二距离不同。
图15至图18示出了根据本发明第五实施例的背照式固态成像器件1(图15至图18中的固态成像器件1-5)。
固态成像器件1-5具有考虑到光瞳校正的结构。
图15和图16示出了视角中心处的固态成像器件1-5的结构，图17和图18示出了视角端部处的固态成像器件1-5的结构。在下面给出的说明中，与布置在视角中心处的光瞳校正相关的结构用附图标记‘a’表示，与布置在视角端部处的光瞳校正相关的结构用附图标记‘b’表示来说明。
固态成像器件1-5包括半导体基板10、有机光电转换膜11和光波导12。有机光电转换膜11形成于半导体基板的一个表面上。光波导12形成于半导体基板10和有机光电转换膜11之间。固态成像器件1-5还包括第一下电极141(141-1至141-4)、第二下电极142(142-1至142-4)、过孔201(201-1至201-4)和光电二极管24(24-1至24-4)。第二下电极142(142-1至142-4)连接到第一下电极141(141-1至141-4)并且形成在比第一下电极141(141-1至141-4)低的位置处。过孔201(201-1至201-4)连接第一下电极141(141-1至141-4)和第二下电极142(142-1至142-4)。光电二极管24(24-1至24-4)形成于比第二下电极142(142-1至142-4)低的位置处。
在固态成像器件1-5中，第一距离和第二距离不同。第一距离是视角中心处的光电二极管24(24-1a至24-4a)的中心与过孔201(201-1a至201-4a)的中心之间的距离。第二距离是视角端部处的光电二极管24(24-1b至24-4b)的中心与过孔201(201-1b至201-4b)的中心之间的距离。
光以各种角度进入片上透镜18(18-1至18-4)的成像表面。因此，假设视角中心处的像素2(2-1至2-4)和视角端部处的像素2(2-1至2-4)具有类似的结构，则光不能有效聚集，这导致视角中心处的像素2和视角端部处的像素2之间的灵敏度差异。
为了确保视角中心处的像素2和视角端部处的像素2之间不存在灵敏度差异，并且提供不变的灵敏度，例如存在被称为光瞳校正的技术等，即，使成像表面的中心(视角中心)处的片上透镜18(18-1至18-4)的光轴与光电二极管24(24-1至24-4)的孔径(aperture)对齐，并且随着主光线的方向变化而朝向视角端部改变光电二极管24(24-1至24-4)的位置。
如图15中的箭头所示，入射光大致垂直于光电二极管24-3a地进入布置在视角中心区域处的像素2。然而，如图17中的箭头所示，入射光相对于光电二极管24-3b斜对地进入布置在视角端部区域处的像素2。
片上透镜18-3b和青色(Cy)滤色器3-3b经过光瞳校正，使得即便是对于斜对入射光也能够有效聚集。这种光瞳校正的量从视角中心(例如，像素部中心)向视角端部越来越大。
参照图15，入射光例如从片上透镜18-3a的中心轴线的方向进入视角中心处的像素2-3a。因此，通过片上透镜18-3a聚集的入射光穿过青色(Cy)滤色器3-3a而分散，之后进入光电二极管24-3a。
即，在视角中心处的像素2-3a中，穿过片上透镜18-3a的中心的入射光穿过青色(Cy)滤色器3-3a的中心，照射在光电二极管24-3s的中心上。因此，视角中心处的像素2-3a不进行光瞳校正。
参照图17，在位于视角中心外的视角端部处的像素2-3b中，片上透镜18-3b和青色(Cy)滤色器3-3b经过光瞳校正，使得即便是对于斜对入射光也能够有效聚集。在图17中，青色(Cy)滤色器3-3b布置在不与光电二极管24-3b的孔径部对齐的图中左方向上给定量的位置处。另外，片上透镜18-3b布置在不与青色(Cy)滤色器3-3b对齐的左方向上给定量的位置处。
片上透镜18和滤色器3的未对齐的量从视角中心区域向视角端部越来越大。除了片上透镜18-3b和青色(Cy)滤色器3-3b之外，上电极141-3b(透明电极)也布置成不对齐以配合片上透镜18-3b和青色(Cy)滤色器3-3b的位置。
图16和图18是从片上透镜18侧观察到的像素2的平面图。图16是视角中心处的像素2的平面图，图18是视角端部处的像素2的平面图。
参照图15，例如位于视角中心处的像素2-3a的第一下电极141-3a经过孔201-3a连接到第二下电极142-3a，第二下电极142-3a连接到贯通电极15-3a。类似地，参照图17，例如位于视角端部处的像素2-3b的第一下电极141-3b经过孔201-3b连接到第二下电极142-3b，第二下电极142-3b连接到贯通电极15-3b。
因此，各像素2的第一下电极141经过孔201连接到第二下电极142，第二下电极142连接到贯通电极15。
在制造时将过孔201设置为过孔，例如，由于填充与第一下电极141相同的材料，所以过孔形成了连接到第一下电极141的电极。在将包括透明材料的透明电极用作第一下电极141的情况下，填入过孔201的材料也是能够形成透明电极的材料，可以使用与第一下电极141所包含的材料相同的材料。
贯通电极15是在制造时通过形成通孔并将电极材料填入通孔而形成的。第二下电极142是通过在贯通电极15形成后利用光刻或其它技术蚀刻贯通电极15，并通过填充诸如与贯通电极15的材料类似的材料等用作电极的材料而形成的。
可选择地，第二下电极142包括与第一下电极141相同的材料。在将透明电极用作第一下电极141的情况下，也可将透明电极用作第二下电极142。
应当指出，可将贯通电极15设置在像素之间来用作防止光泄露到相邻像素中的遮光壁。在贯通电极154具有这种功能的情况下，贯通电极15包括遮光材料。相对于贯通电极15第二下电极142位于与光电二极管24部分重叠的位置，这可能会遮蔽入射到光电二极管24的光。为了降低这种可能性，可以如同第一下电极141一样，将透明电极用作第二下电极142。
参照图16和图18，光电二极管24等间距地形成。如图16所示，在视角中心处，第一下电极141-3a布置在光电二极管24-3a的中心部。相比之下，如图18所示，在视角端部处，第一下电极141-3b布置在不与光电二极管24-3b的中心部对齐的左方向上(向着视角中心方向)的位置处。
如上所述，在视角端部处，第一下电极141-3b(透明电极141-3b)布置在不与设于半导体基板10的硅层中的光接收部(光电二极管24-3b)对齐的位置处，以便进行光瞳校正，由此将斜向入射光的灵敏度下降保持在最小程度。
如图15和图16所示，在视角中心处，过孔201-3a和贯通电极15-3a形成在大致相同的位置处。相比之下，如图17和图18所示，在视角端部处，过孔201-3b和贯通电极15-3b形成在不同的位置处。因此，过孔201和贯通电极15之间的位置关系随像素位置的改变而改变。
在过孔201-3b和贯通电极15-3b形成在相同位置处而非不同位置处的情况下，即，在如同位于视角中心处的像素2一样，过孔201-3b和贯通电极15-3b形成在相同位置处的情况下，过孔201-3b′(在下文中，在过孔201-3b和贯通电极15-3b于视角端部处形成在相同位置的情况下，过孔201-3b和贯通电极15-3b通过加撇(dash)来表示)可能不能连接到第二下电极142。
在视角端部处，第一下电极141-3b布置在不与视角中心处的第一下电极141-3a对齐的位置处。因此，在过孔201-3b′与贯通电极15-3b′形成在相同位置的情况下，过孔201-3b′可能形成在第一下电极141-3b之外。
在这种情况下，第一下电极141-3b和过孔201-3b′不相连。因此，第一下电极141-3b和贯通电极15-3b′保持断开，使得不能实现该像素2-3b的读取。
即，通过将位于有机光电转换膜11下方的第一下电极141与光电二极管24不对齐地形成，能够将斜向入射光的灵敏度下降保持在最小程度。然而，在光瞳校正的量大的情况下，第一下电极141可能从半导体基板10的硅层中的单位像素突出。在此情况下，有机光电转换膜11的读取电路布置在硅基板内的单位像素中，可能使得不能将有机光电转换膜11的电位传输给单位像素。为了降低这种可能性，需要限制光瞳校正的量，并且以不从硅层中的单位像素突出的方式构造第一下电极141。
为了在不限制光瞳校正的量的情况下保证适当光瞳校正，如图16和图18所示，固态成像器件1-5在一个像素2中包括连接到有机光电转换膜11的透明第一下电极141-3b和连接到第一下电极141-3b的第二下电极142-3b，并且像素2构造成使第一下电极141-3b以及连接第一下电极141-3b和第二下电极142-3b的过孔201-3b形成在不与硅基板中的单位像素对齐的位置处以配合光学中心的位置。
因此，通过将过孔201-3b连同第一下电极141-3b一起移动，即使第一下电极141-3b不与半导体基板10的单位像素对齐，也能够利用第二下电极142-3b将信号传输到半导体基板10(硅基板)的单位像素中。
固态成像器件1-5还包括光波导12(12-1至12-4)。相比于在不包括光波导12的情况下进行根据斜向入射光的行进方向而线性地校正片上透镜、滤色器、下电极和光电二极管的位置的光瞳校正的模式，在下电极和光电二极管之间包括光波导的固态成像器件1-5能够引导光向下行进，即向着光电二极管行进。因此，能够将下电极和光电二极管之间光瞳校正的量减小到比没有光波导12的模式小的水平。下电极和光电二极管之间光瞳校正的量的减小使得能够减小第二下电极142的尺寸。第二下电极142的尺寸减小使得能够减小从下电极到贯通电极的寄生电容。通过减小寄生电容，固态成像器件1-5能够抑制转换效率降低和随机噪声(RN)恶化。
<6.第六实施例(电子装置)>
根据本发明第六实施例的电子装置包含包括至少半导体基板、有机光电转换膜和光波导的背照式固态成像器件。有机光电转换膜形成于半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上。光波导形成于半导体基板和有机光电转换膜之间。另外，根据本发明第六实施例的电子装置可以是包含根据本发明第一至第五实施例的背照式固态成像器件的电子装置。
<7.本发明适用的背照式固态成像器件的使用例>
图19是示出使用了上述背照式固态成像器件的使用例的图。上述背照式固态成像器件能够在例如如下所述的感测可见光、红外光、紫外光、X射线和其它光的各种情况中得到应用。
-拍摄鉴赏用图像的装置，比如数码相机和具有相机功能的移动电话
-交通用装置，诸如为了诸如自动停车等安全驾驶和驾驶员状态识别而拍摄汽车前、后、周围、内部等的车载传感器、用于监控行驶车辆和道路的监控相机、以及用于测量车辆之间距离的距离传感器等
-诸如电视、冰箱和空调等的家电用装置，用以拍摄使用者的姿态并根据该姿态操作设备。
-医疗和保健用装置，诸如内窥镜和通过接收红外光而进行血管造影的装置等
-安保用装置，诸如防范用途的监控相机和人物认证用途的相机等
-美容用装置，诸如拍摄皮肤的皮肤检测设备和拍摄头皮的显微镜等
-运动用装置，诸如用于运动的运动相机和可穿戴相机等
-农业用装置，诸如用于监控田地和农作物状况的相机等
应当指出，根据本发明的实施例并不局限于上述实施例，可以在不脱离本发明主旨的情况下以不同方式进行改变。
应当指出，本说明书所述的效果只是示例性的，并非限制性的，也可以是其它效果。
应当指出，本发明可具有以下结构：
[1]一种背照式固态成像器件，其包括至少：
半导体基板；
有机光电转换膜，其形成于所述半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上；以及
光波导，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
[2]根据[1]的背照式固态成像器件，其包括：
下电极，其设于所述有机光电转换膜下方；以及
贯通电极，其贯穿所述半导体基板，以将通过所述有机光电转换膜的光电转换而转换的电荷传输到所述半导体基板的前表面和后表面中的另一表面侧，
其中，所述下电极和所述贯通电极连接。
[3]根据[1]的背照式固态成像器件，其包括：
下电极，其设于所述有机光电转换膜下方；
贯通电极，其贯穿所述半导体基板，以将被所述有机光电转换膜的光电转换所转换的电荷传输到所述半导体基板的前表面和后表面中的另一表面侧；以及
至少一个配线层，其连接所述下电极和所述贯通电极。
[4]根据[1]至[3]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
所述半导体基板包括第一光电二极管，并且
未被所述有机光电转换膜转换成电荷的至少一部分入射光被所述第一光电二极管转换成电荷。
[5]根据[4]的背照式固态成像器件，其中，
所述半导体基板包括第二光电二极管，并且
所述第二光电二极管设于所述第一光电二极管和所述半导体基板的前表面和后表面中的另一者之间，并且未被所述有机光电转换膜和所述第一光电二极管转换成电荷的至少一部分入射光被所述第二光电二极管转换成电荷。
[6]根据[1]至[5]中任一项的背照式固态成像器件，其还包括：
第一绝缘膜，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
[7]根据[6]的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导和所述第一绝缘膜被垂直地分离开。
[8]根据[6]或[7]所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导具有比所述第一绝缘膜高的折射率。
[9]根据[6]至[8]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包含SiN，并且具有1.8至2.1的折射率，并且
所述第一绝缘膜包含SiO，并且具有1.3至1.5的折射率。
[10]根据[1]至[9]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包括低介电常数材料。
[11]根据[1]至[10]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
垂直分光层的数量为两层或三层。
[12]根据[1]至[11]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
从所述半导体基板到所述有机光电转换膜的厚度为1μm以下。
[13]根据[1]至[12]中任一项的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包括有机膜。
[14]根据[1]至[13]中任一项的背照式固态成像器件，其还包括：
第二绝缘膜，其形成于所述光波导下方。
[15]根据[1]至[14]中任一项的背照式固态成像器件，其还包括：
低介电常数材料层，其形成于所述光波导下方。
[16]根据[1]至[15]中任一项的背照式固态成像器件，其还包括：
内透镜，其形成于所述有机光电转换膜和所述光波导之间。
[17]根据[1]至[16]中任一项的背照式固态成像器件，其还包括：
第一下电极；
第二下电极，其连接到所述第一下电极，并且形成于比所述第一下电极低的位置处；
过孔，其连接所述第一下电极和所述第二下电极；以及
光电二极管，其形成于比所述第二下电极低的位置处，
其中，视角中心处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第一距离与视角端部处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第二距离不同。
[18]一种电子装置，其搭载有背照式固态成像器件，所述背照式固态成像器件包括至少：
半导体基板；
有机光电转换膜，其形成于所述半导体基板的前表面和后表面中的一表面侧上；以及
光波导，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
[19]一种电子装置，其包括根据[2]至[17]中任一项的背照式固态成像器件。
[附图标记列表]
1(1-1至1-5)：固态成像器件
2(2-1至2-4)：像素
3(3-1至3-4)：滤色器
10：半导体基板
11：有机光电转换膜
12(12-1至12-4)：光波导
Claims (18)
1.一种背照式固态成像器件，其包括至少：
半导体基板；
有机光电转换膜，其形成于所述半导体基板的一表面侧上；以及
光波导，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
2.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，包括：
下电极，其设于所述有机光电转换膜下方；以及
贯通电极，其贯穿所述半导体基板，以将通过所述有机光电转换膜的光电转换而转换的电荷传输到所述半导体基板的另一表面侧，
其中，所述下电极和所述贯通电极连接。
3.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，包括：
下电极，其设于所述有机光电转换膜下方；
贯通电极，其贯穿所述半导体基板，以将通过所述有机光电转换膜的光电转换而转换的电荷传输到所述半导体基板的另一表面侧；以及
至少一个配线层，其连接所述下电极和所述贯通电极。
4.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，其中，
所述半导体基板包括第一光电二极管，并且
未被所述有机光电转换膜转换成电荷的至少一部分入射光被所述第一光电二极管转换成电荷。
5.根据权利要求4所述的背照式固态成像器件，其中，
所述半导体基板包括第二光电二极管，并且
所述第二光电二极管设于所述第一光电二极管和所述半导体基板的另一表面之间，并且未被所述有机光电转换膜和所述第一光电二极管转换成电荷的至少一部分入射光被所述第二光电二极管转换成电荷。
6.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，还包括：
第一绝缘膜，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
7.根据权利要求6所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导和所述第一绝缘膜被垂直地分离开。
8.根据权利要求6所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导具有比所述第一绝缘膜高的折射率。
9.根据权利要求6所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包含SiN，并且具有1.8至2.1的折射率，并且
所述第一绝缘膜包含SiO，并且具有1.3至1.5的折射率。
10.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包括低介电常数材料。
11.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，其中，
垂直分光层的数量为两层或三层。
12.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，其中，
从所述半导体基板到所述有机光电转换膜的厚度为1μm以下。
13.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，其中，
所述光波导包括有机膜。
14.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，还包括：
第二绝缘膜，其形成于所述光波导下方。
15.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，还包括：
低介电常数材料层，其形成于所述光波导下方。
16.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，还包括：
内透镜，其形成于所述有机光电转换膜和所述光波导之间。
17.根据权利要求1所述的背照式固态成像器件，还包括：
第一下电极；
第二下电极，其连接到所述第一下电极，并且形成于比所述第一下电极低的位置处；
过孔，其连接所述第一下电极和所述第二下电极；以及
光电二极管，其形成于比所述第二下电极低的位置处，
其中，视角中心处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第一距离与视角端部处的光电二极管的中心和过孔的中心之间的第二距离不同。
18.一种电子装置，其搭载有背照式固态成像器件，所述背照式固态成像器件包括至少：
半导体基板；
有机光电转换膜，其形成于所述半导体基板的一表面侧上；以及
光波导，其形成于所述半导体基板和所述有机光电转换膜之间。
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