CN1941391A - 固体摄像元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要目的在于提供一种由于具有多个像素共有结构，因此即使是受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致时，也能够效率良好地进行聚光的固体摄像元件。本发明的固体摄像元件至少具备：接收被摄体光并变换为光信号的受光元件；用于提高对上述受光元件的聚光率的微透镜；和进行由上述受光元件C产生的光信号的读出的信号读出电路，由于具有多个上述受光元件共用一个上述信号读出电路的多个像素共有结构，因此上述受光元件的中心位置和上述微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，具有最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，对于平行光的上述微透镜的聚光位置为上述受光元件上。通过提供上述的固体摄像元件来解决上述课题。

Description

固体摄像元件及其制造方法
技术领域
【0001】
本发明涉及聚光效率优良的固体摄像元件及其制造方法。
背景技术
【0002】
近年迅速普及的数码相机主体中装配有将被摄体光转换为光信号、记录图像的CCD(Charge Coupled Device)，或者CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)传感器等固体摄像元件。这样的固体摄像元件一般具有接收被摄体光、转换为光电信号的受光元件(light receiving element)，在该受光元件上形成的滤色镜(color filter)，以及用于提高向受光元件的聚光率的微透镜(micro lens)。
【0003】
CMOS传感器通常具备，对应每个接收光、转换为光信号的各受光元件(光电二极管，photo diode)的信号放大用晶体管等信号读出电路。但是，近年来以信号噪声的抑制和高集成化为目的，提出了被称为多个像素共有结构，即以由多个受光元件共用一个信号读出电路的方式构成的CMOS传感器(参照专利文献1)。
【0004】
在具有这样的多个像素共有结构的固体摄像元件中，为了谋求高集成化等，在配置栅极电极和布线方面有时会产生一定制约的情况，由其结构上的制约，微透镜(或者像素区域)的中心位置和受光元件的中心位置从俯视来看有时不一致。并且，由于此偏差在各像素区域也不同，对于斜光，有可能产生在各像素间不能得到相同的聚光的等问题。如果产生各像素间的聚光不同，由于这导致信号输出差出现，从而成为产生由输出偏差引起的噪声的主要因素。另外，通过斜光在各像素区域的像素中心部分及其周边部分产生信号输出差，与像素中心部分比较，也可能降低其周边部分的信号输出。这样的信号输出差成为图像的输出画面上的明暗(shading)的主要因素。
【0005】
对于如上所述的问题，在专利文献2中公开了，层间绝缘层和保护层之间的界面具有根据受光传感器部和微透镜的平面位置的偏差量的倾斜的固体摄像元件。该摄像元件利用层间绝缘层和保护层之间的折射率的不同，提高聚光效率，但是由于具有多余的删去层间绝缘层的工序，具有工序繁杂的问题。
【0006】
根据以上内容，期望即使在微透镜的中心位置和受光元件的中心位置俯视来看不一致的情况下，也能避免各像素间的聚光的不同和信号输出差等的产生并解决噪声产生和明暗等问题的固体摄像元件，以及由简单的方法能够得到这样的固体摄像元件的固体摄像元件的制造方法。
【0007】
专利文献1：特开昭63-100879号公报；
专利文献2：特开2005～150492公报。
发明内容
【0008】
本发明是根据上述情况而提出的，主要目的在于提供一种在即使由于具有多个像素共有结构，受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致的情况下，也能够高效率地进行聚光的固体摄像元件。
【0009】
为了实现上述目的，本发明的固体摄像元件，至少具备：接收被摄体光并转换为光信号的受光元件；用于提高向上述受光元件的聚光率的微透镜；和进行由上述受光元件产生的光信号的读出的信号读出电路，由于具有多个上述受光元件共有一个上述信号读出电路的多个像素共有结构，因此上述受光元件的中心位置和上述微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，具有最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，上述微透镜对平行光的聚光位置为上述受光元件上。
【0010】
通过本发明，即使在微透镜的中心位置和受光元件的中心位置俯视来看不一致的情况下，通过使用具有规定形状的微透镜，能够成为聚光效率优良的固体摄像元件。
【0011】
另外，在上述发明中，优选上述微透镜的最大膜厚位置相对于上述微透镜的直径，偏离中心位置2％以上。这是因为能够成为聚光效率好的固体摄像元件的缘故。
【0012】
另外，在上述发明中，优选上述多个像素共有结构为2像素共有结构或者4像素共有结构。这是因为对称性好，有利于高集成化的缘故。
【0013】
另外，本发明提供一种固体摄像元件的制造方法，由于固体摄像元件具有多个受光元件共有一个信号读出电路的多个像素共有结构，因此受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，在固体摄像元件形成用材料上设置感光性材料层，通过对上述感光性材料层进行灰度级光刻法，形成最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，对于平行光的上述微透镜的聚光位置变为上述受光元件上。
【0014】
通过本发明，通过使用灰度级光刻法，以简便的方法能够形成具有规定形状的微透镜。
【0015】
通过本发明的固体摄像元件，即使微透镜的中心位置和受光元件的中心位置俯视来看不一致时，通过使微透镜的形状与以往的微透镜形状不同，能够提高对受光元件的聚光效率。因此，能够避免各像素间的聚光不同和信号输出差等产生，可以实现降低在图像的输出画面上的噪声产生和明暗等。并且，即使例如多个受光传感器部被二维排列为矩阵状时，通过将向微透镜入射的斜光向受光传感器部聚光，能够降低向邻接像素的光的泄露，能够抑制图像的输出画面上的混色。
附图说明：
【0055】
图1是表示没有多个像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略剖面图。
图2是表示具有2像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略剖面图。
图3是表示本发明固体摄像元件的一个例子的概略剖面图。
图4是说明微透镜形状的说明图。
图5是说明微透镜聚光位置的说明图。
图6是说明2像素共有结构和4像素共有结构的说明图。
图7是表示本发明固体摄像元件制造方法的一个例子的工序图。
【0056】
图中：1-受光元件，2-布线，3-层间绝缘层，4-保护层，5-第一平滑化层，5′-第二平滑化层，6-滤色镜，7-微透镜，8-平行光，9-像素区域。
具体实施方式
【0016】
以下，对本发明的固体摄像元件，和固体摄像元件的制造方法进行详细地说明。
【0017】
A.固体摄像元件
首先，对本发明的固体摄像元件进行说明。本发明的固体摄像元件，至少具备：接收被摄体光，变换为光信号的受光元件；用于提高向上述受光元件的聚光率的微透镜；和进行由上述受光元件产生的光信号的读出的信号读出电路，由于多个上述受光元件具有共有一个上述信号读出电路的多个像素共有结构，从而上述受光元件的中心位置和上述微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，具有最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，上述微透镜对于平行光的聚光位置为上述受光元件上。
【0018】
通过本发明，即使是微透镜的中心位置和受光元件的中心位置俯视来看不一致时，通过使用具有规定形状的微透镜，能够成为聚光效率优异的固体摄像元件。另外，用于本发明的微透镜的形状配合受光元件的位置而被确定。因此，进行固体摄像元件的设计时，将受光元件的位置自由调整到某种程度，然后能够配合受光元件的位置，决定微透镜的形状。
【0019】
另外，作为本发明的固体摄像元件的用途并不特定限定，能够作为例如CMOS传感器、CCD传感器等使用。
【0020】
另外，本发明的固体摄像元件是具有后面所述的多个像素共有结构的元件，在这里，首先作为比较，对没有多个像素共有结构的固体摄像元件进行说明。图1是表示没有多个像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略剖面图。该CMOS传感器是由受光元件1、内部具有布线2的层间绝缘层3、保护层4、第一平滑化层5、滤色镜6、第二平滑化层5′和微透镜7，按该顺序层叠而成的。微透镜7对应受光元件1，配置在每个像素区域上，微透镜7的中心位置和受光元件1的中心位置俯视来看一致(图1的线段A)。
【0021】
另一方面，具有多个像素共有结构的固体摄像元件，通过多个受光元件共有一个信号读出电路，谋求信号噪声的抑制和高集成化(例如，特开2005-150492公报，图4)。因此，在配置栅极(gate)电极和布线方面，产生一定的制约，受光元件的中心位置和微透镜的中心位置从俯视来看有时不一致。具体地说，如图2所示，微透镜7的中心位置(图2的线段B)和受光元件1的中心位置(图2的线段C)俯视来看有时不一致。这样的情况下，例如对于由图2箭头D所示的斜光，在相邻的像素间有可能得不到同一聚光，有可能产生上述的噪声产生和明暗等问题。
【0022】
与此相对，本发明的固体摄像元件，通过使用具有规定形状的微透镜，解决上述问题。图3是表示本发明的固体摄像元件的一个例子的概略剖面图。更详细地说，为表示具有2像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略剖面图。该固体摄像元件是按：受光元件1，内部具有布线2的层间绝缘层3，保护层4，第一平滑化层5，滤色镜6，第二平滑化层5′和微透镜7，这个顺序层叠而成。此外，微透镜7按照其最大膜厚位置与中心位置不同，微透镜7对于平行光的聚光位置变为受光元件1上的方式被设计。并且，关于微透镜的聚光位置，用后面所述的“1.微透镜”进行详细地说明。
【0023】
本发明的固体摄像元件至少具有微透镜、受光元件、信号读出电路。以下，对本发明的固体摄像元件的各结构进行说明。
【0024】
1.微透镜
首先，对用于本发明的微透镜进行说明。用于本发明的微透镜，按照最大膜厚位置与中心位置不同，其聚光位置变为受光元件上的方式设计的。并且，在本发明中，所谓“最大膜厚位置”是指，微透镜的膜厚变为最大的位置。另外，“微透镜的中心位置”是指成为微透镜和平滑化层等相接触的接触面的重心的位置。
【0025】
以往的微透镜，例如图4(a)所示，最大膜厚位置PM与中心位置PC一致。与此相对，用于本发明的微透镜，例如图4(b)所示，最大膜厚位置PM与中心位置PC不同。
【0026】
用于本发明的微透镜，只要最大膜厚位置与中心位置不同就没有特别地被限定，但具体地来说，优选上述微透镜的最大膜厚位置相对于微透镜直径从中心位置偏离2％以上，尤其是5％以上。这是因为能够作为聚光效率好的固体摄像元件的缘故。并且，“微透镜的直径”是指，像素区域(单元)的对角方向的长度。
【0027】
作为上述微透镜的最大膜厚，是随像素尺寸，微透镜的形状，微透镜和受光元件之间的距离等而不同的，具体地说，最好为0.2～1.5μm的范围内。
【0028】
另外，用于本发明的微透镜，对于平行光的聚光位置变为受光元件上。在本发明中，“聚光位置”是指，平行光由微透镜折射，此光集中的位置。另外，“受光元件上”是指从受光元件的受光表面在光轴方向±1.5μm范围内的区域。在本发明中，尤其是微透镜的聚光位置最好为受光元件的受光表面，尤其优选微透镜的聚光位置最好在受光元件的受光表面的中心位置。这是由于能够提高聚光效率的缘故。并且，“受光表面的中心位置”是指成为受光表面的重心的位置。
【0029】
用于本发明的微透镜，具体地说，如图5(a)所示，是最大膜厚位置PM与中心位置PC不同的微透镜7，对于平行光8的聚光位置PF位于受光元件1上。并且，以往的微透镜，例如图5(b)所示，是最大膜厚位置PM与中心位置PC一致的微透镜7，对于平行光8的聚光位置PF位于受光元件1上。将以往的微透镜用于受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致的固体摄像元件中时，使微透镜的聚光位置位于受光元件上，有时变得困难。
【0030】
另外，作为用于本发明的微透镜的下端和受光元件的上端(受光表面)之间的距离，随着本发明的固体摄像元件的种类等而不同，在例如2～8μm范围内。
【0031】
另外，用于本发明的微透镜最好在邻接的微透镜的透镜间没有间隙。这是由于能够提高聚光效率的缘故。另外，作为用于本发明的微透镜的材料，并不被特别限定，但优选为能够使用于后面所述的灰度级光刻法(grayscale lithography)的材料。这是由于精度良好地形成微透镜的缘故。
【0032】
2.受光元件
接着，对用于本发明的受光元件进行说明。用于本发明的受光元件是接收被摄体光，变换为光信号的元件。作为这样的受光元件，并不被特别限定，能够使用一般的受光元件。具体地说，能够采用CMOS，CCD等。其他，也能够应用于用于光通信等的微型装置用的聚光透镜。
【0033】
3.信号读出电路
接着，对用于本发明的信号读出电路进行说明。用于本发明的信号读出电路是进行读出由上述受光元件产生的光信号的电路。作为这样的信号读出电路并不被特别限定，能够使用一般的信号读出电路。具体地说，能够举出进行电荷读出的读出栅(gate)。
【0034】
另外，本发明的固体摄像元件具有多个受光元件共有一个信号读出电路的多个像素共有结构的元件。作为上述多个像素元件共有结构，并不被特别限定，具体地说优选具有共有2像素以上的结构，尤其优选2像素共有结构或者4像素共有结构。这是因为对称性好，有利于高集成化的缘故。
【0035】
图6(a)是表示具有2像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略俯视图。如图6(a)所示，由于2个受光元件1具有共有一个信号读出电路(图中没有表示)的2像素共有结构，因此为受光元件1的中心位置和微透镜7(或者像素区域9)的中心位置俯视来看不一致的固体摄像元件。在本发明中，配合受光元件1的位置，决定微透镜7的形状。另一方面，图6(b)是具有4像素共有结构的CMOS传感器的一个例子的概略俯视图。如图6(b)所示，由于4个受光元件1具有共有一个信号读出电路(图中没有表示)的4像素共有结构，因此为受光元件1的中心位置和微透镜7(或者像素区域9)的中心位置俯视来看不一致的固体摄像元件。在本发明中，配合受光元件1的位置，决定微透镜7的形状。
【0036】
4.其他部件
本发明的固体摄像元件，除了上述的微透镜，受光元件，信号读出电路之外，具有构成固体摄像元件的其他部件。作为其他部件，能够使用与一般的固体摄像元件一样的元件，并不被特别限定的。例如，将本发明的固体摄像元件用作CMOS传感器时，作为其他部件，可使用层间绝缘层、布线、保护层、平滑化层和滤色镜等。
【0037】
上述层间绝缘层设置在受光元件和保护层之间。作为形成上述层间绝缘层的材料，可以举出例如SiO2等。另外，上述层间绝缘层是内部包括驱动栅极电极和信号读出电路等的布线的层。作为这样的布线，通常使用Al布线等。另外，在上述布线采用多层结构时，优选上述层间绝缘层也采取多层结构。
【038】
上述保护层保护层间绝缘层，具有容易配设滤色镜和微透镜等的功能。作为形成上述保护层的材料，可以采用例如P-SiN等。
【0039】
作为上述滤色镜，能够举出例如单片滤色镜(OCCF)等。另外，作为上述平滑化层，能够举出用作例如一般的固体摄像元件的平滑化层的树脂等。
【0040】
B.固体摄像元件的制造方法
下面，对本发明的固体摄像元件的制造方法进行说明。本发明的固体摄像元件的制造方法，该固体摄像元件具有多个受光元件共有一个信号读出电路的多个像素共有结构，因此受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，在固体摄像元件形成用材料上设置感光性材料层，通过对上述感光性材料层进行灰度级光刻法，形成最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，上述微透镜的聚光位置变为上述受光元件上。
【0041】
通过本发明，通过使用灰度级光刻法，由简便的方法能够形成具有规定形状的微透镜。具体地说，除了使用后面所述的特殊的光掩模以外，由于由通常的曝光处理、显影处理能够形成具有规定形状的微透镜，不需要象以往那样，进行删去层间绝缘层，而能够以简便的方法得到聚光效率良好的固体摄像元件。
【0042】
另外，在本发明中，“灰度级光刻法”是指，使用控制透过光量(曝光量)分布的光掩模进行的光刻法。该光掩模具有，在曝光波长下不显像的微细光电图形(dot pattern)，通过此光点图形的密度分布能够控制透过光量。由于光点图形密度大的部分透过光量大，光点图形密度小的部分透过光量小，因此通过控制此密度分布，能够得到例如透过光量连续地变化的光掩模。并且，在本发明中，光点图形的密度分布，以使微透镜的聚光位置变为受光元件上的方式，通过预先计算而被确定。
【0043】
接着，使用附图，对本发明的固体摄像元件的制造方法进行说明。图7是表示本发明的固体摄像元件制造方法的一个例子的工序图。首先，如图7(a)所示，在固体摄像元件形成用材料11上设置感光性材料层12。接着，如图7(b)所示，使用能够控制透过光量分布的光掩模13和光14，进行曝光。此时，光掩模13具有成为规定的微透镜形状的光点图形的密度分布。接着，如图7(c)所示，通过显影处理、加热处理，形成微透镜15。
以下，关于本发明的固体摄像元件的制造方法，对各构成进行说明。
【0044】
用于本发明的固体摄像元件形成用材料是形成微透镜之前的固体摄像元件的材料。该固体摄像元件形成用材料至少具备受光元件和信号读出电路，由于多个受光元件具有共有一个信号读出电路的多个像素共有结构，因此受光元件的中心位置和像素区域的中心位置俯视来看不一致。
【0045】
例如，由于本发明得到的固体摄像元件为CMOS传感器时，作为固体摄像元件形成用材料能够使用，按受光元件、内部具有布线的层间绝缘层、保护层、第一平滑化层、滤色镜和第二平滑化层这个顺序层叠的材料。此时，在第二平滑化层上，形成后面所述的感光性材料层。并且，这些部件，由于与“A.固体摄像元件”中所述的一样，这里省略说明。
【0046】
另外，用于本发明的感光性材料层是，通过使用光掩模的曝光处理等，成为微透镜的层。作为上述感光性材料层的材料，并不被特别限定，可以举出例如光致抗蚀剂等。并且，在本发明中，作为上述光致抗蚀剂，可以阳极(positive)型光致抗蚀剂和阴极(negative)型光致抗蚀剂两者，优选使用阳极型光致抗蚀剂。作为阳极型光致抗蚀剂，可以举出例如苯酚环氧树脂、丙烯树脂、聚酰亚胺、环烯等。具体地说，能够举出JSR株式会社制MFR401，东京应化工业株式会社制THMR P11等。
【0047】
作为在固体摄像元件形成用材料上形成感光性材料层的方法，并不被特别限定，可以举出例如旋涂法等。
【0048】
另外，用于本发明的光掩模是，如上所述，通过在曝光波长下不显像的微细的光点图形的密度分布，能够控制曝光时的透过光量(曝光量)分布的掩模。通过使用上述光掩模，在通常的曝光处理中，最大膜厚位置与中心位置不同，并且能够形成此聚光位置变为受光元件上的微透镜。作为制作这样的光掩模的方法，能够举出例如特开2004-70087、特开2004-296290中所述的方法。
【0049】
另外，在本发明中，使用上述光掩模进行曝光后，通过进行显影处理、加热处理等，形成微透镜。作为显影处理，加热处理的方法，并不被特别限定，可以使用一般的方法。
【0050】
并且，本发明并不局限于上述实施方式。上述实施方式是例示，具有与本发明权利要求范围中所述的技术的思想实际上相同的构成，起到一样作用效果，无论是怎样的，都包含在本发明的技术的范围内。
【实施例】
【0051】
以下，例举实施例，对本发明进行具体地说明。
【0052】
为了确认用于本发明的微透镜的有效性，在如图2、图3所示的CMOS传感器结构中，进行光线追踪仿真。仿真的条件如下表1所示。
【0053】
【表1】
·光源  入射角度0°，照相机镜头F2.4
·微透镜结构
 高度(μm)  直径(μm)   PM-PC *1
  以往的微透镜  0.5  3.1   0
  用于本发明的微透镜  0.5  3.1   0.37
*1：PM-PC，最大膜厚位置(PM)和中心位置(PC)之间的俯视图上的偏差
·微透镜7的中心位置和受光元件1的中心位置的俯视图上的偏差0.7μm
·CMOS传感器层结构
  折射率  膜厚(μm)
 微透镜7   1.7  -
 第二平滑化层5′   1.6  0.3
 滤色镜6   1.6  0.9
 第一平滑化层5   1.6  0.1
 保护层4   2.0  0.2
 层间绝缘层3   1.5  3.0
【0054】
使用上述条件，通过光线追踪仿真，进行聚光效率的计算后，得到如下结果。这里所谓的聚光效率是指将入射到光电二极管中的光信号按微透镜的光强度分配。
相对于使用以往的微透镜时，聚光效率为39％，使用用于本发明的微透镜时，聚光效率为65％。
即用于本发明的微透镜的聚光效率，与以往的微透镜相比较，能够得到1.7倍的聚光效率。根据该结果发现，提高了入射到光电二极管中的光的利用效率，能够确认用于本发明的微透镜的有效性。

Claims (4)

1、一种固体摄像元件，至少具备接收被摄体光并转换为光信号的受光元件、用于提高向上述受光元件的聚光率的微透镜和进行由上述受光元件产生的光信号的读出的信号读出电路，由于具有多个上述受光元件共有一个上述信号读出电路的多个像素共有结构，因此上述受光元件的中心位置和上述微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，
上述固体摄像元件具有最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，上述微透镜对平行光的聚光位置为上述受光元件上。
2、根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述微透镜的最大膜厚位置相对于上述微透镜的直径，偏离中心位置2％以上。
3、根据权利要求1或2所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述多个像素共有结构为2像素共有结构或4像素共有结构。
4、一种固体摄像元件的制造方法，上述固体摄像元件由于具有多个受光元件共有一个信号读出电路的多个像素共有结构，因此受光元件的中心位置和微透镜的中心位置俯视来看不一致，其特征在于，
在固体摄像元件形成用材料上设置感光性材料层，通过对上述感光性材料层进行灰度级光刻法，形成最大膜厚位置与中心位置不同的微透镜，上述微透镜对平行光的聚光位置变为上述受光元件上。
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