CN1682375A - 固态摄像器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
根据光学系统和传感器光接收部分之间的距离，可在各个像素内获得适当的入射状态，并可实现光接收效率的提高以及各个像素内的均匀的灵敏度。由于主光束以入射角θ到达屏幕外围部分的像素，所以在位置关系中根据入射角θ，微透镜(260)、彩色滤光片(250)、导线(220，230，及240)、光电二极管(110)等是沿着入射方向而布置。本发明中确定入射角θ时考虑到：微透镜(260)到硅衬底(100)表面的距离，以及硅衬底(100)表面到光电二极管(110)光电转换部分深度内的位置。根据入射角θ，光电二极管(110)的光电转换部分(n型区域)在屏幕外围部分的像素内倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态摄像器件，例如CMOS图像传感器及CCD图像传感器，以及该器件的制作方法。
背景技术
迄今为止，诸如CMOS图像传感器与CCD图像传感器的固态摄像器件，其结构包括：半导体衬底上的成像像素单元，它含有二维阵列形式的多个像素，例如这些像素为光电转换器(光电二极管)；成像像素单元上的导线层，该导线层为多层结构，它含有不同的信号导线和一个遮光薄膜；以及通过钝化层而位于其上的芯片上(on-chip)彩色滤光片和/或芯片上微透镜。
尤其是最近，随着像素数目(即高密度)的增大以及成像像素单元功能的增加，导线层的层数及其布局图形的复杂度也增大。由于厚度增加，诸如彩色滤光片和微透镜的光学系统与光电二极管接收平面(receptive plane)(下文中称之为传感器光接收部分)之间的距离趋于增大。
此外，由于成像像素单元的像素数目增大所致的微结构，微透镜的透镜形状趋于微小。
然而，随着光电二极管和微透镜之间距离的增大和/或微透镜尺寸的减小，成像像素单元屏幕的中心部分和外围部分的主光束的入射角不相同，且入射光被光电转换的半导体衬底深度改变，这不利地随入射光波长而改变遮光的数量。由于屏幕的中间部分和外围部分的传感器光接收部分所接收的光的数量不同，所以难以保持其灵敏度的均匀性。
特别地，随着各个像素面积的减小以及透镜尺寸的减小，到屏幕外围部分上的光线入射角增大。另一方面，在尺寸减小的像素中，传感器光接收部分的形状在屏幕上变得垂直和/或水平地不对称，这将在后面进行描述，而且屏幕的顶端、底端、左端、及右端的灵敏度不一致。
此外，在具有多个导线的CMOS图像传感器中，该多个导线例如读出栅(readout gate)、信号导线、以及其光电二极管附近区域内的电源导线，有效像素区域更容易变得不对称，且上述问题更为严重。
为了解决该问题，在传统设计中，根据成像像素单元内其像素的位置，移动各个透镜的位置和/或遮光薄膜开孔的位置，增大屏幕外围部分的灵敏度。
例如，图7的平面图示出了这种传统固态摄像器件的成像像素单元内各个像素、遮光薄膜开孔部分、以及聚光透镜(collective lens)之间的位置关系；图8A与8B为说明图，示出了图7中所示成像像素单元的对角线A-A’与B-B’处灵敏度的减小。
在图7中，遮光薄膜开孔部分和聚光透镜11放置于屏幕中心部分的像素10内，其位置中心与像素10的中心相同；并将遮光薄膜开孔部分和聚光透镜11放置于屏幕外围部分的像素10内，放置的位置沿光线入射方向偏移。
此外，在各个像素10的传感器光接收部分10A的左下角提供读出栅部分10B，用于读出传感器光接收部分10A的信号电荷。
因此，由于读出栅部分10B的存在，各个像素10的传感器光接收部分10A的形状与屏幕中心垂直和/或水平地不对称，而且随着像素10面积的减小，读出栅部分10B的存在对该不对称有重大影响。
因此，即使在具有遮光薄膜开孔部分及位于漂移位置的聚光透镜的固态摄像器件中，各个像素10的不对称大幅降低例如图8A中A点附近像素10的灵敏度，且其灵敏度沿垂直和/或水平方向的变化不一致。
对于优化各个像素的入射光的数量，一个已知的提议为，根据与各个像素成像区域中心的距离以及距透镜光接收表面的高度，校正透镜、滤光片、遮光薄膜、传感器光接收部分等的位置；JP-A-2001-328233、JP-A-2000-349268、JP-A-2001-160973、JP-A-2001-210812等公开了该提议。然而，即使采用该提议，也难以有效地处理前述的传感器光接收部分的不对称。这可能是因为并未研究成像区域中心到光接收部分距离所覆盖的光接收表面内的位置，以及因为如下事实：仅仅考虑透镜收集的、发射到光接收部分表面的光线，尽管像素内元件的位置得到校正，但是没有考虑光电转换实际发生的光电转换部分的深度方向的厚度。
因此，本发明的一个目标为，提供一种固态摄像器件及其制作方法，该器件可在各个像素内获得适当的入射状态，并可实现光接收效率的提高以及各个像素内灵敏度的均匀性。
发明内容
本发明的特征在于，包括一个含有多个二维排列像素的成像区域，其中：该像素具有聚光透镜与光电转换部分；光电转换部分的表面为不对称的形状；聚光透镜安置在光电转换部分上，且位于基本上对称的中心以补偿成像区域中心部分内像素中的表面不对称；随着成像区域中心部分到其像素的距离增大，聚光透镜放置在偏离基本上对称的中心部分且更加向成像区域中心偏移的位置上；以及聚光透镜的偏移量取决于像素内光电转换部分的表面不对称程度，该像素放置在与成像区域中心等距离的位置。
本发明的特征在于，包括一个含有多个二维排列像素的成像区域，其中：该像素具有聚光透镜与光电转换部分；随着成像区域中心到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心偏移的位置上；基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量，使得可以增大入射到光电转换部分的光的数量。
本发明的特征在于，包括一个含有多个二维排列像素的成像区域，其中：该像素具有光电转换部分，光电转换部分的底部被放置在，在多个像素的至少部分像素的各个像素中，相对于其表面由成像区域中心向外侧偏移的位置上。
本发明为含有一种固态摄像器件的电子装置，该装置的特征在于：固态摄像器件具有一个包括多个二维排列像素的成像区域，该像素具有聚光透镜与光电转换部分；随着成像区域中心部分到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心偏移的位置上；基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量；以及光电转换部分的底部相对于其表面由成像区域中心部分向外侧偏移。
本发明的特征在于，包括在成像区域的各个像素内形成光电转换部分和聚光透镜的步骤，其中：随着成像区域中心部分到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心偏移的位置上；基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量，使得可以增大入射到光电转换部分的光的数量。
附图说明
图1为放大的截面图，示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的屏幕中心部分内像素的层状结构；
图2为放大的截面图，示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的屏幕外围部分内像素的层状结构；
图3为平面图，示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的成像像素单元内各个像素、遮光薄膜开孔部分、以及聚光透镜之间的位置关系；
图4A与4B为说明图，示出了图3中所示成像像素单元的对角线A-A’与B-B’处灵敏度的减小；
图5示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的二极管结构的一个变化实例；
图6示出了根据本发明实施例的电子装置；
图7为平面图，示出了传统固态摄像器件的成像像素单元内各个像素、遮光薄膜开孔部分、以及聚光透镜之间的位置关系；
图8A与8B为说明图，示出了图7中所示成像像素单元的对角线A-A’与B-B’处灵敏度的减小。
具体实施方式
下面将描述根据本发明的固态摄像器件及其制作方法的实施例。
图1和2为放大的截面图，示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的层状结构。图1示出了屏幕中心部分的像素结构，图2示出了屏幕外围部分的像素结构。
图3为平面图，示出了根据本发明实施例的固态摄像器件的成像像素单元内各个像素、遮光薄膜开孔部分、以及聚光透镜之间的位置关系。图4A与4B为说明图，示出了图3中所示成像像素单元的对角线A-A’与B-B’处灵敏度的减小。
把根据本实施例的固态摄像器件提供成例如CMOS图像传感器，包括：用作光电转换器的光电二极管(PD)，以及用于读出由光电二极管产生并在光电二极管中累积的信号电荷的读出电路，把信号电荷转换为电信号并将电信号输出到成像像素单元外部。
在所提议的含有各种结构的读出电路中，这里的读出电路含有：传输晶体管，用于把例如光电二极管内产生的信号电荷传输到浮动扩散(FD)部分；放大器晶体管，用于把FD部分内的电势变化转换为电信号；读出晶体管，用于把放大器晶体管的输出信号输出到输出信号线；以及复位晶体管，用于复位FD部分的电势。
在图1与2中，在硅衬底100的顶层上为各个像素提供光电二极管110，并在与光电二极管110相邻处提供传输栅部分120及FD部分130。这里进一步提供了包括晶体管140的其它元件。在硅衬底100的顶层上提供了包括例如LOCOS的元件之间隔离层150。
光电二极管110含有位于硅衬底100的最外层表面上及像素隔离区域内的p+型区域，并含有位于内部的n型区域；穿过p+区域的光子到达n型区域，使得正空穴和电子可以被分离；其电子可以在耗尽层累积，该耗尽层作为n型区域的底层。
本实施例的光电二极管110含有低浓度的n型区域(或具有不同杂质浓度的多层n型区域)，该区域位于硅衬底100更深的位置，使得可以扩大耗尽层，并因此提高累积电荷的数量以增加灵敏度。
各个像素的灵敏度取决于，光电二极管110内作为光电转换器的n型区域的入射光的数量；各个像素的灵敏度取决于光电转换器的入射效率。
通过诸如氧化硅薄膜的绝缘膜160，在硅衬底100上提供栅电极170、180、及190。通过平整薄膜200，在绝缘膜160上提供导线多层。
在所示的实例中，通过绝缘膜210，在导线多层内提供由导线220、230、及240组成的三个层。底部导线220构成遮光薄膜，并含有与光电二极管110对应的开孔部分210A。光线(其主光束用箭头a表示)通过开孔部分210A达到光电二极管110。
导线220、230、及240连接到分别提供于各层之间的接触220A、230A、及240A。
通过钝化层(未示出)，在导线多层上提供芯片上彩色滤光片(光学滤光片)250，并在其上放置芯片上微透镜(聚光透镜)260。
在根据本实施例的固态摄像器件中，由于主光束以直角到达图1中所示的屏幕中心部分的像素上，因此微透镜260、彩色滤光片250、导线220，230，及240、光电二极管110等所放置的位置关系为沿垂直方向(即，图1中自顶向下的方向)成直线。
另一方面，由于主光束以入射角θ到达图2中所示的屏幕外围部分的像素，因此微透镜260、彩色滤光片250、导线220，230，及240、光电二极管110等所放置的位置关系为沿与入射角θ一致的入射方向，从而可以优化这些元件的排列。
特别地，在本实施例中，确定各个元件之间位置关系所依赖的入射角θ时考虑到：屏幕内像素的位置(即与中心的距离)、微透镜260到硅衬底100表面(即光电二极管110的光接收表面)的距离、以及硅衬底100表面到光电二极管110的光电转换部分深度内的位置。
换而言之，入射角θ不是相对于光线到达的衬底表面来定义，而是相对于光电二极管110光电转换部分深度内的位置来定义的，使得可以基本上在进行光电转换的位置收集光线，且可以因此增大各个像素的光接收效率(即灵敏度)。
这里所使用的光电转换部分深度内的位置用一个值来表示，该值取决于光电二极管110的n型区域的深度。
此外，如图2所示，根据入射角θ，光电二极管110的光电转换部分(n型区域)由成像区域(成像像素部分)的中心部分向屏幕外围部分的像素外侧倾斜。
根据入射角θ，光电二极管110的光电转换部分倾斜，这样使得倾斜入射的主光束将有效地到达光电转换部分(n型区域)，这可以增强屏幕外围部分像素的光接收效率(即灵敏度)。
此处的光电转换部分的倾角可以超过成像区域，或者可以随着成像区域中心部分到像素的距离的增大而增大。
此外，如图5所示，光电转换部分可以包括多个杂质区域。
此外，如图3所示，包括在像素内的光电二极管110的传感器光接收部分110A具有读出栅部分(传输栅120)110B，读出栅部分用于读出左下角内传感器光接收部分110A的信号电荷，传感器光接收部分110A的形状为缺一个角的矩形。
因此，正如在图7所示的传统实例中所描述的，由于读出栅部分110B的存在，各个传感器光接收部分110A的形状为垂直及水平不对称，屏幕的一个角内像素的灵敏度特别地低于其它角内像素的灵敏度。
因此，在本实施例中，位于A点一侧的各个像素内的微透镜260及遮光薄膜开孔部分210A被放置在朝成像区域中心偏移的位置上，与图7所示的传统实例相比，偏移的幅度大于位于A’、B、及B’点一侧上像素的偏移量，这使得可以增加位置修正的量，且在每个角内的像素中，由于各个像素的读出栅部分110B引起的接收光线的损失数量变得均匀。
因此，如图4A及4B所示，在垂直和水平方向像素的灵敏度分布均匀变化，这可以克服结合传统实例所描述的不均匀性。
这里，优选地，不仅在点A一侧的线上像素并在靠近点A一侧的像素上进行处理，以提高位置修正的数量。
此外，可以通过例如下述制作步骤，形成根据本实施例的固态摄像器件。
首先，例如，在n型硅衬底100内形成用作器件形成区域的p型阱区，并在其间形成元件之间隔离层150。
随后，采用诸如离子注入与热扩散的技术，在p型阱区内形成诸如光电二极管110及晶体管140的器件；同时，通过以不同的注入角度进行多次离子注入，并使用多个掩膜步骤，进行多次离子注入，从而在各个像素内形成形状不同的光电二极管110的n型区域。
随后，采用薄膜形成技术和/或光刻技术，在硅衬底上形成电极层和/或导线多层，并随后在其上形成彩色滤光片和微透镜。此时，遮光薄膜开孔部分、导线、彩色滤光片、及微透镜形成于与这些器件之间位置关系相一致的优化位置上，该位置关系是由上述方式确定。
因此，可以得到一种固态摄像器件，其光接收效率得到改善，且灵敏度的垂直及水平分布是均匀的。
尽管在上面的描述中，芯片上微透镜260用作聚光透镜，但本发明并不限于这种形式。芯片上微透镜260可以为位于导线层之间的夹层透镜，或者可以为凹透镜或凸透镜。
尽管在上面所述的实例中，芯片上透镜、导线、及遮光薄膜(通过导线实现其功能)的位置得到校正，并提供了根据入射光的主光束的入射角而倾斜的光电二极管，但是并不一定需要所有的部件。例如，可以只把芯片上透镜放置在校正的位置，或者只提供倾斜的光电二极管。
并不需要对固态摄像器件成像区域的每个像素进行聚光透镜等的位置校正，可以只在一个预定的像素上进行聚光透镜等的位置校正。此外，每个像素不一定为一个校正单元，可以把多个相邻像素看作一个单元进行相同的校正。
尽管在上面所述的实例中，本发明应用于CMOS图像传感器，但是本发明也可以应用于其它固态摄像器件，例如CCD图像传感器。特别地，对于前述的传感器光接收部分为垂直和/或水平地不对称的形状，本发明是有效的。
尽管在上面所述的实例中，本发明独立地应用于固态摄像器件，但是本发明适用于不同类型的电子装置，例如如图6所示的，诸如具有固态摄像器件20的通信设备及图像处理器。在这里，电子装置21还包括含有光学系统22和/或外围电路单元23的固态摄像器件。
特别地，由于上述固态摄像器件的结构减小了出射光瞳距离(exitpupil distance)，所以可以降低含有该固态摄像器件的移动装置的尺寸。因此，可以大幅增强移动装置的附加值。该移动装置也包括在本发明内。
工业实用性
如前所述，使用根据本发明的固态摄像器件及其制作方法，基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义各个像素内的聚光透镜(及导线和遮光薄膜开孔部分)的位置，使得可以增大入射到光电转换部分的光的数量，且光电转换部分的底部而不是其表面相对于成像区域中心部分向外侧偏移。因此，可以在各个像素内获得适当的入射状态，并可以实现各个像素的光接收效率的提高及均匀的灵敏度，并可以抑制由于导线层反射光线引起的混色。因此，可以有利地提供用于改善图像质量的固态摄像器件。
Claims (18)
1.一种固态摄像器件，其特征在于，包括：
含有多个二维排列像素的成像区域，
其中，该像素具有聚光透镜与光电转换部分；
光电转换部分的表面为不对称的形状；
聚光透镜安置在光电转换部分上，且位于基本上对称的中心以补偿成像区域中心部分内像素中的表面不对称；
随着成像区域中心到其像素的距离增大，聚光透镜放置在偏离基本上对称的中心且更加向成像区域中心偏移的位置上；以及
聚光透镜的偏移量取决于像素内光电转换部分的表面不对称程度，该像素放置在与成像区域中心等距离的位置。
2.根据权利要求1的固态摄像器件，其特征在于：光电转换部分的表面为至少缺少一个角的矩形；以及
聚光透镜放置在成像区域的中心部分像素内矩形形状的基本中心。
3.一种固态摄像器件，其特征在于包括：
含有多个二维排列像素的成像区域，
其中该像素具有聚光透镜与光电转换部分；
随着成像区域中心到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心偏移的位置上；以及
基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量，使得可以增大入射到光电转换部分的光的数量。
4.根据权利要求3的固态摄像器件，其特征在于：
光电转换部分向像素内的一个预定侧面倾斜，聚光透镜的偏移量取决于各个像素内光电转换部分位置的倾斜量，所述各个像素具有与成像区域中心相等的距离。
5.根据权利要求3的固态摄像器件，其特征在于，该像素进一步含有通过绝缘膜提供的多个导线，该导线放置在朝诸如聚光透镜的成像区域中心偏移的位置。
6.根据权利要求3的固态摄像器件，其特征在于，光电转换部分的底部被放置在，相对于其表面由成像区域中心向外侧偏移的位置上。
7.根据权利要求6的固态摄像器件，其特征在于，随着成像区域中心到其像素的距离增大，光电转换部分底部的偏移量增大。
8.根据权利要求3的固态摄像器件，其特征在于，该光电转换部分包括一个杂质区域，该杂质区域是通过在半导体层内进行多次离子注入而形成的。
9.一种固态摄像器件，其特征在于包括：
含有多个二维排列像素的成像区域，
其中该像素具有光电转换部分；
光电转换部分的底部被放置在，在多个像素的至少部分像素的各个像素中，相对于其表面由成像区域中心向外侧偏移的位置上。
10.根据权利要求9的固态摄像器件，其特征在于，随着成像区域中心部分到其像素的距离增大，光电转换部分底部的偏移量增大。
11.根据权利要求9的固态摄像器件，其特征在于，该光电转换部分包括一个杂质区域，该杂质区域是通过在半导体层内进行多次离子注入而形成的。
12.根据权利要求11的固态摄像器件，其特征在于，该杂质区域是通过以不同的注入角度进行多次离子注入而形成。
13.一种具有固态摄像器件的电子装置，其特征在于：
该固态摄像器件具有：
包括多个二维排列像素的成像区域；
该像素具有聚光透镜与光电转换部分；
随着成像区域中心到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心偏移的位置上；
基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量；以及
光电转换部分的底部被放置在，相对于其表面由成像区域中心向外侧偏移的位置上。
14.一种固态摄像器件的制作方法，其特征在于包括：
在成像区域的每个像素内形成光电转换部分和聚光透镜的步骤，
其中，随着成像区域中心到其像素的距离增大，聚光透镜放置在更加向成像区域中心部分偏移的位置上；以及
基于距聚光透镜的光电转换部分表面的高度以及光电转换部分的衬底深度方向的厚度，定义聚光透镜的偏移量，使得可以增大入射到光电转换部分的光的数量。
15.根据权利要求14的固态摄像器件的制作方法，其特征在于，光电转换部分的底部被放置在，相对于其表面由成像区域中心部分向外侧偏移的位置上。
16.根据权利要求15的固态摄像器件的制作方法，其特征在于，随着成像区域中心到其像素的距离增大，光电转换部分底部的偏移量增大。
17.根据权利要求16的固态摄像器件的制作方法，其特征在于，光电转换部分是通过在半导体层内进行多次离子注入而形成的。
18.根据权利要求17的固态摄像器件的制作方法，其特征在于，以不同的注入角度进行多次离子注入。
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