CN1134040A - 固态成像器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像器件，采用具有高熔点的金属或者一种金属硅化物作为光屏蔽膜7。在使光屏蔽膜变薄之后，在整个表面上涂覆一层硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜6。然后，在具有包含SiO2、SiON、和SiN的表面防护覆层5的元件上面直接形成第二微透镜2，并在它的上部形成一层滤色层4和一层中间透明膜3，之后在其上形成第一微透镜1。位于下部的第二微透镜2是采用折射率比中间透明膜3或者BPSG膜6大的材料构成。

Description

固态成像器件及其制造方法
本发明涉及一种固态成像器件(下文中也称之为电荷耦合器件(CCD))及其制造方法。
近年来，使通用固态成像器件彩色化的方法包括使用了一种在芯片上设置彩色滤光片的结构，在这种结构中直接将一层彩色滤光层形成在带有固态成像元件的半导体基片表面上。这种方法已经取代了滤光片粘附系统，在这种系统中是将其上具有彩色滤光层的玻璃片粘在固态成像元件上。此外，小型的固态成像器件为了提高光灵敏度在彩色滤光层上面还形成了一个微透镜以将入射光汇聚到一个光二极管区。
下面介绍常规的固态成像器件。
图5为一剖面图，表示一种常规的固态成像器件的图象采集区。在图5中，参考标号13表示一个带有固态成像元件的n-型半导体基片；12表示p-(电位)阱层；11表示光二极管区；10表示电荷转移区；9表示氧化硅或者氮化物膜；8表示多晶硅电极；14表示光屏蔽金属层；5表示半导体元件的表面防护覆层；19表示使元件表面平整的平整化层；4表示彩色滤光层；3表示中间透明膜；1表示微透镜。此外，另一种常规器件包括金属膜的附加层，它是将一层氧化硅膜形成在光屏蔽金属层14上构成的，以增强光屏蔽并为半导体元件形成一层表面防护覆层5。按照这种方式，微透镜1被调整并定位到各个光二极管区，由透镜汇聚的光射向光二极管部分11以增加灵敏度。在光二极管区11由光能产生的电子和空穴中，电子被施加到多晶硅电极8上的电压传送到电荷转移区10。被传送的电子然后被电荷转移区10中在施加于多晶硅电极8上的电压作用下产生的势能迁移到一个输出区。
另一个实例，它公开在日本专利申请特许公开No.(TokkaiHei)5-134111中，它是一个这样的发明，它通过在微透镜1下面使用诸如聚酰亚胺这类折射率大于微透镜折射率的材料形成中间膜3以控制光路。
此外，在用于视频摄像机的三芯片成像器件或者在黑白CCD中不使用彩色滤光片。
但是，上述的传统结构存在以下问题，使得很难提高灵敏度。
一般来说，固态成像器件放置在光被光学透镜汇聚之处，并形成一个图象。在这种情况下，入射角度根据开口区的光圈孔径变化。特别是，当光圈处于开的状态时，如图4所示，斜向进入的光束18的光路没有到达光二极管11，而是射向光屏蔽膜7。结果，在光透镜的光圈打开时，灵敏度没有象预料的那样得到提高。
而且，为了使尽可能多的斜射光分量射向光二极管区，已知要缩短从微透镜1到光二极管区11的距离(下文中简称为光二极管区距离)。但是，在传统的系统中，是使用铝作为光屏蔽膜14的，并且由于这层光屏蔽膜也用作器件布线结构，所以需要有近1μm的厚度。此外，在开口区的阶梯差变大，所以需要形成一层平整层19，以使彩色滤光片和微透镜的设置足够平整。采用形成两层光屏蔽层的固态成像器件的另一个例子由于与上述同样的理由也不能缩短光二极管距离。
此外，日本专利申请特许公开No.5-134111提出使用折射率超过1.56的微透镜，但是当折射率增大时，这种材料的透光性能降低。结果，这种材料被着色，这导致了灵敏度的下降。
本发明的一个目的是通过提供一种能够防止斜射光汇聚率降低并具有高灵敏度和卓越的图象特性的固态成像器件来解决传统系统中存在的上述问题。本发明的另一个目的是提供一种制造这种固态成像器件的方法。
为了实现这些和其他的目的和优点，本发明的固态成像器件包括位于光二极管区的上下两侧的两层微透镜，其中光二极管设置在其上具有一个固态成像元件的半导体基片表面上，并且在固态成像元件的光二极管区之上有一层半导体元件表面防护覆层，在上下两层微透镜之间有一层中间膜。上下两层微透镜具有基本相同的折射率和几乎相等的透光性。上下两层微透镜的折射率大于夹在微透镜之间的中间膜的折射率，并且大于从半导体元件表面防护覆层到二极管区的膜的平均折射率。
在上述的结构中可取的是下层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
而且，在上述结构中可取的是上层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
此外，在上述结构中可取的是从金属硅化物膜和具有高熔点的金属膜中选择至少一种膜作为在除了光二极管区以外的光屏蔽区域的光屏蔽膜。
并且，在上述结构中可取的是金属硅化物膜是从包括硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)、硅化钛(TiSi)的一组中选择出的至少一种膜。
在上述结构中可取的是具有高熔点的金属膜是从包括钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)的一组中选择出的至少一种膜。
而且，在上述结构中可取的是采用硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜(Boro-Phospho-Silicate-Glass)作为光屏蔽膜和光二极管区的表面层。
此外，在上述结构中可取的是硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜的横截面形状为空心形。
并且，在上述结构中可取的是BPSG膜具有从0.5μm到1.2μm的厚度。
在上述结构中可取的是半导体元件表面防护覆层由从包括SiO2、SiON、和SiN的一组中选择的至少一种膜构成。
另外，在上述结构中可取的是滤色层形成在上下微透镜之间，并且与下层微透镜的上侧接触。
制造本发明的固态成像器件的一种方法，这种固态成像器件包括位于光二极管区的上下两侧的两层微透镜，而光二极管区设置在其上具有一个固态成像元件的半导体基片表面上，该方法包括以下步骤：
(A)在光二极管区之上使用例如等离子体分子沉积法形成至少一层表面防护覆层，覆层材料选自包括SiO2、SiON、和SiN的一组中；
(B)在表面防护覆层上面涂覆第二微透镜树脂材料，加热并软化，再硬化以构成第二微透镜；
(C)涂覆一层具有比第二微透镜树脂材料折射率低的树脂材料，平整化，形成一层中间膜；
(D)涂覆一层与第二微透镜树脂材料具有相同折射率和至少基本相同透光性的第一微透镜树脂材料，加热并软化，再硬化以形成第一微透镜；
(E)其中上下两层微透镜的折射率大于从表面防护覆层到二极管区的膜的平均折射率。
在上述的结构中可取的是下层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
而且，在上述结构中可取的是上层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
此外，在上述结构中可取的是从金属硅化物膜和具有高熔点的金属膜中选择至少一种膜，采用溅射或者CVD(化学蒸汽沉积)法形成在除了光二极管区以外的光屏蔽区域的光屏蔽膜。这样可以得到薄而且具有均匀厚度的光屏蔽膜。
并且，在上述结构中可取的是金属硅化物膜是从包括硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)、硅化钛(TiSi)的一组中选择出的至少一种膜。
在上述结构中可取的是具有高熔点的金属膜是从包括钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)的一组中选择出的至少一种膜。
而且，在上述结构中可取的是采用硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜(Boro-Phospho-Silicate-Glass)，利用CVD方法形成光屏蔽膜和光二极管区的表面层。
此外，在上述结构中可取的是硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜的横截面形状为空心形。
并且，在上述结构中可取的是BPSG膜具有从0.5μm到1.2μm的厚度。
另外，在上述结构中可取的是滤色层形成在上下两层微透镜之间，并且与下层微透镜的上侧接触。
根据本发明的上述结构，固态成像器件包括位于光二极管区的上下两侧的两层微透镜，其中光二极管设置在其上具有一个固态成像元件的半导体基片表面上，并且在固态成像元件的光二极管区之上有一层半导体元件表面防护覆层，在上下两层微透镜之间有一层中间膜。上下两层微透镜具有基本相同的折射率和几乎相等的透光性。上下两层微透镜的折射率大于夹在微透镜之间的中间膜的折射率，并且大于从半导体元件表面防护覆层到二极管区的膜的平均折射率。从而可以得到一种能够防止斜射光汇聚率降低并具有高灵敏度和卓越的图象特性的固态成像器件。换句话说，当光线倾斜射入固态成像器件时，在不射向光二极管区的光路中的光线被位于下层的第二层微透镜汇聚以形成较为垂直的光线，从而防止了灵敏度降低。而且，因为所用的材料是与微透镜材料相同或者是与微透镜材料具有相同透光性的材料，所以不会发生由于光线被吸收而引起的灵敏度的降低。
如上所述，可取的是下层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。因此，根据所谓的凸透镜原理，从上进入的光可以被有效地汇聚并射向光截取区的中心位置，从而保持了高的灵敏度。
此外，如上所述，可取的是上层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。根据上述所谓的凸透镜原理，从上进入的光可以被有效地汇聚并射向光截取区的中心位置，从而保持了高的灵敏度。
此外，当使用从金属硅化物膜和具有高熔点的金属膜中选择出的至少一种膜作为在除了光二极管区以外的光屏蔽区域的光屏蔽膜时，可以使用比采用常规的金属铝箔作为光屏蔽膜时更薄的多晶硅电极。同时，光屏蔽膜和多晶硅电极形成凸面形以使形成在多晶硅电极和相邻电极之间的光二极管区呈中空形状。第二层透镜的形状根据形成在其上的BPSG膜确定。换句话说，最终由BPSG膜的厚度决定了透镜的形状，但是其基本形状是由多晶硅电极和光屏蔽膜的厚度和宽度以及它们之间的距离所决定的。例如，假设多晶硅电极的厚度为0.8到1μm，多晶硅电极与相邻的多晶硅电极(光二极管区)之间的距离为5μm，多晶硅电极表面上的光屏蔽膜的厚度约为0.4μm，而BPSG膜的厚度为约0.8μm，则第二微透镜的形状构成一个凸透镜，其中央区形成一个凸面形。
而且，更为有效的是从包括硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)、硅化钛(TiSi)的一组中选择出至少一种金属硅化物膜。在上述结构中，具有高熔点的金属膜可以是从包括钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)的一组中选择出的至少一种膜。
此外，在上述结构中可取的是采用硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜(Boro-Phospho-Silicate-Glass)作为光屏蔽膜和光二极管区的表面层。以这种方法，通过加热使表面形状与通常的磷玻璃(PSG)或者氮玻璃(NSG)相比变得更加平滑。
另外，因为光二极管区域中的硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜的横截面是由多晶硅电极和光屏蔽膜构成以整体地涂覆相邻的凸面形状的，所以可以得到一个具有平滑表面的中空形状。也就是说，光二极管区的上层为中空并且平滑的横截面结构，并且这个形状可以决定第二微透镜的结构。并且，当形成深处形状时，可取的是沉积一薄层BPSG膜，而当形成浅处形状时应当沉积一厚层BPSG膜。在上述结构中可取的是BPSG膜具有从0.5μm到1.2μm的厚度。
如上所述，半导体元件表面防护覆层由从包括SiO2、SiON、和SiN的一组中选择的至少一种膜构成。这些材料通常被用于半导体的钝化(表面防护)，它们能够防止表面灰尘污染元件内部或者湿气渗入。
另外，如果在上下两层微透镜之间，并且与下层微透镜的上侧接触形成一层滤色层，即可以得到一个性能优越的彩色CCD。
此外，根据制造本发明的固态成像器件的方法，这种固态成像器件包括位于光二极管区的上下两侧的两层微透镜，而光二极管设置在其上具有一个固态成像元件的半导体基片表面上，该方法包括以下步骤：
(A)在光二极管区之上使用例如等离子体分子沉积法形成至少一层表面防护覆层，覆层材料选自包括SiO2、SiON、和SiN的一组中；
(B)在表面防护覆层上面涂覆作为第二微透镜材料的树脂，加热并软化，再硬化以构成第二微透镜；
(C)涂覆一层具有比第二微透镜树脂材料折射率低的树脂材料，平整化，形成一层中间膜；
(D)涂覆一层与第二微透镜树脂材料具有相同折射率和基本相同透光性的作为第一微透镜材料的树脂，加热并软化，再硬化以形成第一微透镜；
(E)其中上下两层微透镜的折射率大于从表面防护覆层到二极管区的膜的平均折射率。
因此能够有效地制造本发明的固态成像器件。
图1为一剖面图，表示本发明的一个实施例中的固态成像器件的图象采集区。
图2为一剖面图，表示本发明的第二实施例中的固态成像器件的图象采集区。
图3为一示意图，表示在本发明的一个实施例中倾斜入射的光线被第二微透镜汇聚并将其导向光二极管区的过程。
图4为一示意图，表示在常规实例中斜射光光路偏离光二极管区的状态。
图5为一剖面图，表示常规的固态成像器件的图象采集区。
图6(a)到6(c)均为剖面图，表示在本发明的一个实施例中制作第二微透镜的方法。
图7为一剖面图，表示在没有第二微透镜的常规固态成像器件中入射光的光程。
图8为一剖面图，表示在本发明的第四实施例中入射光的光程。
图9为一透视图，表示在本发明的一个实施例中的多晶硅电极区。
图10为比较本发明的第四实施例与常规实例的灵敏度比的曲线图。
现在参照这些附图和下面的实施例对本发明进行详细描述。这些例子只是用于对本发明进行解释，而在任何方面都不应被认为是对本发明的限制。
图1为表示本发明的实施例1中的固态成像器件的图象采集区的横截面图。该第一实施例描述了在上下两面具有两层微透镜的芯片承载的滤光层，和设置在芯片载滤光层之下的半导体元件的结构。图2为表示在本发明的第二实施例中的固态成像器件的图象采集区的横截面图。第二实施例中，通过涂覆、加热、和熔融形成了两层微透镜。在图1到图3和图6到图9这些图中，相同的区用一样的参考标号指示，并省略了对它们的解释。
实施例1
在图1所示的第一实施例中，采用杂质注入方法或者在注入杂质后放入炉中处理的方法在n-型半导体基片13的表面上形成约3μm厚的p-阱层12。在p-阱层12的表面区，采用杂质注入方法形成每边长约1μm，厚度约0.3μm的一个电子迁移部分10，和每边长约1.5μm，厚度约1μm的一个光二极管区11。接着采用在通过焦氧化物低压CVD(化学蒸汽沉积)形成氮化物膜的方法形成一层由约0.1μm厚的氧化硅膜与一层氮化硅膜(SiN)结合构成的ONO膜9。之后采用低压CVD方法形成每边长约1μm，厚度约0.4μm的多晶硅电极8。
在多晶硅电极8的上层，沉积厚度为100nm到500nm的钨(W)或者硅化钨(WSi)作为光屏蔽膜7，并且通过蚀刻方式仅将对应于光二极管的区去掉。在这个实施例中，采用溅射方法或者CVD方法形成0.4μm厚的WSi膜。
在光屏蔽膜7的表面，沉积了一层BPSG膜6。BPSG中硼的浓度为3％重量，磷的浓度为6％重量，膜的厚度为0.4μm到1.2μm。在这个实施例中，采用常压CVD方法形成厚度为0.8μm的膜。BPSG的折射率约为1.47。在这种情况下，在光二极管区11之上的区具有中空的横截面形状。较深处的形状可以通过使BPSG膜较薄而形成，较浅处的形状可以通过沉积较厚的膜而形成。这个形状决定了第二微透镜2的形状。此外，用等离子体CVD方法将SiO2、SiON、或者SiN(在本实施例中使用SiO2)沉积作为元件表面防护层5。其厚度约为400nm，折射率约为1.50到1.55。从n-型半导体基片13到元件表面保护覆层5的这一区通常被称作半导体成像元件区22。
在元件表面防护覆层5的表面上，采用旋覆方法涂覆了一层第二微透镜2的材料2’。这种材料是具有下列分子式(分子式1)基于聚对乙烯基苯酚树脂，其特征是当加热时熔化，而当再加热时硬化。
(分子式1)(在这个分子式中，n代表聚合数，表示聚合物重复单元的数。)
在上述的基于聚对乙烯基苯酚的树脂中加入萘醌二叠氮化物光敏剂，其成形体可以使用紫外光照射。图6(a)为表示涂覆状态的剖面图。紫外光15通过一块掩膜板16照射(这个掩膜板是由一块透明的合成石英与一个用铬制成的金属图样版一体化构成的。该掩膜板是一个缩小1/5的投影式掩膜板。掩膜23的窗口区的尺度为25μm长×20μm宽，铬图样版的厚度为0.1μm。)，其设计尺寸是用于形成第二微透镜，其中微透镜材料被去掉的区是感光的。然后，用有机碱性溶液(一种通常用于该领域的非金属型有机铵显影液)进行漂洗，于是就在暴露的区形成了显影图样17。这个状态的剖面图表示在图6(b)中。此外，照射紫外光可以使透镜材料增加约90到98％的透光性。在大约150到180℃温度下进行5分钟的热处理之后，再在200℃下继续加热5分钟以保证这种材料从熔融状态转换到硬化状态。于是制成了第二微透镜2。第二微透镜2的横截面图表示在图6(C)中。第二微透镜2的直径为9μm，最大厚度为2.2μm。第二微透镜2具有折射率n2＝1.560。
当使用由不具有光敏性的透明树脂构成的同样的基质材料制成的树脂时，它在150℃下被软化之后变硬，在这层树脂上涂覆一层酚醛清漆型抗光敏剂(由TDK公司出品的TSMR-8900)并进行图纹处理。之后，通过干或湿蚀刻方法将除最终的透镜形状以外的区去掉。这个基板是用无机SiO型基质构成的，所以与用有机树脂不同的蚀刻率可以被确保足够大，这可以保证图样形成。
酚醛清漆型抗光敏剂在一种析出溶液中被有选择地清洗并被去掉。在纯水中洗净抗蚀层并干燥之后，将第二微透镜材料在150℃下熔化，然后加热到200℃使之硬化。于是形成了图6(c)剖面图中所示的结构。第二微透镜的直径为9μm，最大厚度为2μm。
在制成第二微透镜之后，涂覆一层滤色材料。滤色层是由负光敏丙烯基染色材料4构成(图1)，它是用旋覆方式形成的，厚度为0.3μm到0.9μm。为了保留一个用同样颜色染色的象素区，将滤色层用紫外光照射并在130℃下加热5分钟使之交联。在这之后，将其浸渍在预定的染色溶液中进行染色处理。这个染色过程是采用在本领域中众所周知的方法进行的。滤色层的折射率n4为1.55，它与第二微透镜的折射率几乎相同，并且其光路与微透镜的相同。接着，用旋覆方法形成厚度为0.9μm，由透明的丙烯酸树脂构成的中间膜3，然后进行平整化处理。
中间膜的折射率n3约为1.498，小于第二微透镜的折射率n2。这样，第二微透镜的凸面形状汇聚从上层方向来的光。此外，如果使用的是黑白成像器件或者用于视频摄像机的三芯片成像器件，则不需要滤色层。直接旋覆中间层3。然后涂覆第一微透镜材料，并通过一个与微透镜形状吻合的掩膜板(掩膜)用紫外光进行照射。因为微透镜是用光敏材料制成的，所以用有机碱溶液(非金属型有机铵显影液)进行显影并去掉不需要的区。此外用紫外光照射以使材料透明，在130到160℃下将材料加热5分钟，熔化，再使之硬化。之后再在200℃温度下将其加热5分钟以提高可靠性。于是制成了如图1所示的第一微透镜1。第一微透镜1的折射率n1为1.560。此外，夹在上述的微透镜1和2之间的中间膜3的折射率为1.495。并且，从BPSG膜6到光二极管区11之间的区的平均折射率为1.470，这与BPSG膜6的折射率几乎相同。上述从第一微透镜1到第二微透镜2之间的区通常被称作一个设在芯片上的微透镜区21。
所以，在光透镜具有图4所示的打开的光圈和有斜向入射的光分量的状态下，在较下位置处具有第二微透镜的固态成像器件(CCD)的输出灵敏度与采用常规方法(只有第一微透镜)相比提高了10-15％。此外，可以肯定能够将图象的杂散光分量(拖影)减少约30％。如图3所示，在光圈打开的状态下倾斜入射的光18的光路完全进入光二极管区11。从而在光透镜光圈打开的状态提高了灵敏度。
如在上述实施例中清楚表明的，可以肯定当光线倾斜入射固态成像装置时能够得到具有高灵敏度的固态成像装置，其中在未进入光二极管区的光路中的光线被下部的第二微透镜汇聚而使光线变为更加垂直的方向。并且，还可以肯定的是使用与微透镜材料相同或者与微透镜材料具有同样的透光性的材料能够防止因光被吸收而造成灵敏度下降的现象发生。
实施例2
在本发明的第二实施例中，直到在表面防护层5之上涂覆第二微透镜材料2’的步骤与在实施例1(图6(a))中是一样的。之后，取代进行图纹处理，直接应用了熔化并硬化的方法。图2表示了它的剖面结构。在涂覆之后，用紫外光进行照射以使材料透明。将基片在190到200℃的温度下加热5分钟，这是一个熔化温度，使之液化，然后进行平整化处理。然后继续加热，使基片硬化。在实施例1中，第二微透镜是被分离开的，并分别具有向上和向下的凸面形状，而在实施例2中凸面形状都是向下形成的。第二微透镜的直径约为10μm，中心区的最大厚度为约1.7到1.8μm。
在两个实施例中，第二微透镜的折射率n2都大于BPSG的折射率n6＝1.47(n2＞n6)，而与元件表面防护层涂覆5的折射率n5＝1.560相同。这些第二微透镜的折射率n2为1.560。
接着，在制成第二微透镜之后，如在实施例1中一样涂覆一层滤色材料。滤色层的折射率n4为1.55，它与第二微透镜的折射率几乎相同，并且其光路与微透镜的相同。之后，用旋覆方法形成中间膜3，并通过喷覆方式形成平整的材料。中间膜也用与实施例1中相同的材料构成。
中间膜的折射率n3约为1.49，小于第二微透镜的折射率n2。这样，向上凸起形状的第二微透镜现在就不能汇聚光了。此外，如果使用的是黑白成像器件或者用于视频摄像机的三芯片成像器件，则不需要滤色层，而直接旋覆中间层3。在涂覆第一微透镜材料之后，通过一个与微透镜形状吻合的掩膜板(掩膜)用紫外光进行照射。因为微透镜是用光敏材料制成的，所以用有机碱溶液(非金属型有机铵显影液)进行显影并去掉不需要的区。此外用紫外光照射以使材料透明，在130到160℃下将材料加热5分钟，熔化，再使之硬化。之后再在200℃温度下将其加热5分钟以提高可靠性。于是制成了如图2所示的第一微透镜1。第一微透镜1的折射率n1为1.560。此外，夹在上述的微透镜1和2之间的中间膜的折射率为1.495。并且，从BPSG膜6到光二极管区11之间的膜的平均折射率为1.470，这与BPSG膜的折射率几乎相同。
所以，在光透镜具有图4所示的打开的光圈和有斜向入射的光分量的状态下，在较下位置处具有第二微透镜的固态成像器件(CCD)的输出灵敏度与采用常规方法(只有第一微透镜)相比提高了+5到+10％。此外，可以肯定能够将图象中不希望有的杂散光分量(拖影)减少约20％。如图3所示，在光圈打开的状态下倾斜入射的光18的光路完全进入光二极管区11。从而在光透镜光圈打开的状态提高了灵敏度。
如在上述实施例中清楚表明的，可以肯定当光线倾斜射入固态成像装置时能够得到具有高灵敏度的固态成像装置，其中在未进入光二极管区的光路中的光线被下部的第二微透镜汇聚而使光线变为更加垂直的方向。并且，还可以肯定的是使用与微透镜材料相同或者与微透镜材料具有同样的透光性的材料能够防止因光被吸收而造成灵敏度下降的现象发生。
实施例3
以下将参照图6(a)到6(c)对本发明的一个实施例中制造固态成像器件的方法进行描述。
图6(a)为一剖面图，表示根据这个制造方法在完成半导体成像元件之后涂覆一层厚度为2μm的具有上述分子式(分子式1)的聚对乙烯基苯酚的一个步骤。图6(b)为一剖面图，表示在通过一个掩膜板(掩膜)16用紫外光15进行照射之后用有机铵溶液进行显影的一个中间步骤，其中在这个制造方法中使用的第二微透镜材料2’是一种负光敏材料。图6(c)为一剖面图，表示在这个制造方法中在通过紫外光照射得到所要求的透明度之后在150到180℃的温度下加热，熔化，并硬化的中间步骤。
接着，将一种负光敏丙烯基染色材料4(图1)以旋覆方式形成厚度为0.3μm到0.9μm的一层，为了保留一个用同样颜色染色的象素区，可以通过用紫外光照射实现交联，并在130℃下加热5分钟使之硬化。在这之后，将其浸渍在预定的染色溶液中进行染色处理。这个染色过程是采用在本领域中众所周知的方法进行的。滤色层的折射率n4为1.55，它与第二微透镜的折射率几乎相同，并且其光路与微透镜的相同。接着，用旋覆方法形成厚度为0.9μm的中间膜3，然后进行平整化处理。之后涂覆厚度约为2μm的第一微透镜材料1，并通过一个掩膜板(掩膜)用紫外光进行照射。在用一种有机碱溶液(非金属型有机铵显影液)将曝光区清洗掉以后，用紫外光照射以使材料透明，然后在130到160℃下将材料加热5分钟，熔化，再使之硬化。之后再在200℃温度下将其加热5分钟以提高可靠性，于是制成了第一微透镜。第二微透镜的折射率n2为1.560。第一微透镜的折射率n1为1.560。而中间膜3的折射率n3为1.495，小于第二微透镜的折射率n2。这样，向上凸面形状的第二微透镜就可以汇聚光线了。此外，从BPSG膜6到光二极管区11之间的膜的平均折射率为1.470，这与BPSG膜6的折射率几乎相同。
所以，在光透镜具有图4所示的打开的光圈和有斜向入射的光分量的状态下，在较下位置处具有第二微透镜的固态成像器件(CCD)的输出灵敏度与采用常规方法(只有第一微透镜)相比提高了10-15％。此外，可以肯定能够将图象中不希望有的杂散光分量(拖影)减少约30％。如图3所示，在光圈打开的状态下倾斜入射的光18的光路完全进入光二极管区11。从而在光透镜光圈打开的状态提高了灵敏度。
如在上述实施例中清楚表明的，可以肯定当光线倾斜射入固态成像装置时能够得到具有高灵敏度的固态成像装置，其中在未进入光二极管区的光路中的光线被下部的第二微透镜汇聚而使光线变为更加垂直的方向。并且，还可以肯定的是使用与微透镜材料相同或者与微透镜材料具有同样的透光性的材料能够防止因光被吸收而造成灵敏度下降的现象发生。并且还可以肯定的是图象中不希望有的杂散光分量(拖影)也能够同时被减少。
实施例4
下面，比较没有第二微透镜的常规固态成像装置(图7)和具有用与实施例3中相同方法制成的第二微透镜的固态成像装置(图8)对于入射光线的灵敏度比。这个结果表示在图10中。在图10中，带有黑点标志的线段表示在具有第二微透镜(内层透镜)的实施例中的固态成像器件对于入射光线的灵敏度比。标志×表示由没有第二微透镜的常规固态成像装置得到的最高的灵敏度标准(＝1)。与上述的常规固态成像装置比较，可以确定这个实施例的灵敏度比值提高了6-16％，而第一微透镜的厚度比的变化为80-120％。
根据上述结果，在使用单透镜的情况下，尽管入射到图7中未设第二微透镜的固态成像装置中的光线24(模拟入射光)可以被第一微透镜(没有表示在这个图中)汇聚一定的程度，但是进入中间透明膜3的光线被散射到光二极管区11的周围环境中。所以，由于散射光被光屏蔽膜7挡住，不能得到足够的灵敏度。
另一方面，如图8所示，由于这个实施例中的固态成像装置具有第二微透镜，所以，由于第二微透镜2与BPSG膜6之间存在的折射率差，入射光线25(模拟入射光线)现在将到达光二极管区11的中间区域。因而大大提高了灵敏度。
此外，图7和8是沿图9中II-II线所作的剖面图，其中沿横截面方向表示了电极8，8′。这些图与沿I-I线所作的剖面图1～6基本上没有区别。
灵敏度的提高率和在灵敏度达到图10中的最高点时杂散光分量(拖影)的减少率表示在表1中。
                                      表1
    常规单透镜     薄膜内透镜
灵敏度比     1.00：标准     1.16
拖影比     1.00：标准     0.70
当到达光二极管区11和光屏蔽膜7的光线较强时，光线在光屏蔽膜7和p-阱硅12的表面上多次反射，并且由于波导效应进入CCD电荷迁移区10，这将变成拖影。此外，从光屏蔽膜7的边缘进入的倾斜光线直接进入CCD电荷迁移区10，从而增加了拖影分量。但是，如在表1中清楚表示的，通过形成本发明的第二微透镜，入射光被汇聚到光二极管区11的中央区域，朝向光二极管区的与朝向光屏蔽膜边缘区的光密度变小，从而减少了拖影分量。与常规结构相比，灵敏度的增加以及环境光密度的减少能够有效地提高，大约30％。因此，本发明肯定了灵敏度能够提高，同时可以减少拖影分量。
如上所述，通过使用一种具有高熔点的金属或者一种金属硅化物膜作为光屏蔽膜构成了这些实施例中的固态成像器件，并且在将光屏蔽膜减薄之后，整体地涂覆BPSG膜。然后在具有由SiO2、SiON、或者SiN构成的表面防护覆层的元件上直接形成微透镜。在一层滤色材料和一层中间膜材料被涂覆并被平整化之后，又形成一层微透镜，从而形成上下两层透镜。至少下层微透镜具有大于中间膜或者BPSG膜的折射率，从而当光线倾斜进入固态成像器件时，在不进入光二极管区的光路中的光线被下面的第二微透镜汇聚并使这些光变得更加垂直。这样，就可得到能够防止灵敏度降低的固态成像器件。
此外，通过使用与微透镜材料相同或者具有与微透镜相同的透光率的材料，可以得到其中不再发生由于光吸收而产生的灵敏度降低的固态成像器件。

Claims (21)

1.一种固态成像器件，包括：
一个半导体基片，其上具有一个固态成像元件，该固态成像元件在其表面上包括一个光二极管区；
一层半导体元件表面防护覆层，其在所说的固态成像元件之上；
一层下层微透镜，位于防护层之上、对应于光二极管区的位置的一个位置处；
一层中间层，位于下层微透镜之上；
一层上层微透镜，位于中间层之上、对应于光二极管区的位置的一个位置处；
其特征在于：上层和下层微透镜具有基本相同的光折射率和基本一致的透光性，上下两层微透镜的光折射率大于中间层的折射率，并大于固态成像器件中从防护覆层到光二极管区这一部分的平均折射率。
2.如权利要求1所述的固态成像器件，其特征在于：下层微透镜的横截面形状为凸面形，其中央部分向上或者向下突起。
3.如权利要求1所述的固态成像器件，其特征在于：上层微透镜的横截面形状为凸面形，其中央部分向上或者向下突起。
4.如权利要求1所述的固态成像器件，其特征在于：它还包括从金属硅化物膜和具有高熔点的金属膜中选择出的至少一种膜作为在除了光二极管区以外的光屏蔽区域的光屏蔽膜。
5.如权利要求4所述的固态成像器件，其特征在于：金属硅化物膜是从包括硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)、硅化钛(TiSi)的一组中选择出的至少一种膜。
6.如权利要求4所述的固态成像器件，其特征在于：具有高熔点的金属膜是从包括钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)的一组中选择出的至少一种金属。
7.如权利要求4所述的固态成像器件，其特征在于：采用硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜(Boro-Phospho-Silicate-Glass)作为光屏蔽膜和光二极管区的表面层。
8.如权利要求7所述的固态成像器件，其特征在于：硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜的横截面形状至少在局部为空心形。
9.如权利要求7所述的固态成像器件，其特征在于：BPSG膜具有从0.5μm到1.2μm的厚度。
10.如权利要求7所述的固态成像器件，其特征在于：半导体元件表面防护覆层由从包括SiO2、SiON、和SiN的一组中选择的至少一种膜构成。
11.如权利要求1所述的固态成像器件，其特征在于：一层滤色层形成在上下层微透镜之间，并且与下层微透镜的上表面接触。
12.一种制造固态成像器件的方法，这种固态成像器件包括位于对应于光二极管区的上下两层微透镜，其中光二极管区设置在其上具有一个固态成像元件的半导体基片表面上，该方法包括以下步骤：
(A)在光二极管区之上形成至少一层表面防护覆层，覆层材料选自包括SiO2、SiON、和SiN的一组中；
(B)在表面防护覆层上面涂覆下层微透镜树脂材料，加热并软化，再硬化以构成下层微透镜；
(C)在所说的下层微透镜上涂覆一层具有比所说的下层微透镜树脂材料折射率低的树脂材料，进行平整化处理，以形成一层中间膜；并且
(D)涂覆一层与所说下层微透镜树脂材料具有相同折射率和基本相同透光性的上层微透镜树脂材料，加热并软化，再硬化以形成上层微透镜；
(E)其中所说上下两层微透镜的折射率大于器件从表面防护覆层到二极管区的部分的平均折射率。
13.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：下层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
14.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：上层微透镜的横截面形状为凸面形，其中间区向上或者向下突起。
15.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：从金属硅化物膜和具有高熔点的金属膜中选择至少一种膜，采用溅射或者CVD法形成在除了光二极管区以外的区域的光屏蔽膜。
16.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：金属硅化物膜是从包括硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)、硅化钛(TiSi)的一组中选择出的至少一种膜。
17.如权利要求15所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：具有高熔点的金属膜包含从包括钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)的一组中选择出的至少一种金属。
18.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：采用硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜(Boro-Phospho-Silicate-Glass)，利用CVD方法形成光屏蔽膜和光二极管区的表面层。
19.如权利要求18所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜的至少一部分的横截面形状为空心形。
20.如权利要求18所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：硼酸-磷-硅化物-玻璃(BPSG)膜具有从0.5μm到1.2μm的厚度。
21.如权利要求12所述的制造固态成像器件的方法，其特征在于：一层滤色层形成在上下两层微透镜之间，并且与下层微透镜的上表面接触。
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