TWI242881B - Solid-state imaging apparatus and its manufacturing method - Google Patents
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Description
1242881 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種CMOS圖像感測器或CCD圖像感測器 等的固體攝像裝置及其製造方法。 【先前技術】 以往，在CMOS圖像感測器或CCD圖像感測器等的固體攝 像裝置中，係形成一種於半導體基板上將光電轉換機構（光 二極體）構成之複數個像素例如配置成2次元陣列狀以形成 攝像像素部，且在其上層配置具有各種信號配線及遮光膜 的多層構造之配線層，進而在其上層介以鈍化層配置單一 晶片彩色渡光片或單一晶片微透鏡的構造。 尤其疋农近，隨著攝像像素部之多像素化（高集成化）或 高功能化等，而發生配線層之層數增加或佈局圖案之複雜 化，且因其膜厚變大，而有彩色濾光片或微透鏡等的光學 系與光二極體之受光面（以下，稱為感測器受光部）的距離增 大之傾向。 又，伴隨著攝像像素部 鏡之透鏡形狀亦細微化的傾向 然而，如上所述，當光二極體與微透鏡間之距離增大 或微透鏡之細微化向前邁進時，就有造成在攝像像^部 畫面中心部與周邊部產生主光線之入射角不同，而改變 半導體基板中人射光被光電轉換的深度，且因人射光之 長而使&影量產生改變的問豸，由於在畫面中心部二 部感測器受光部之受光量產生變化，所以難以保持^
O:\86\86459.DOC 1242881 靈敏度。 尤其是，當每1像素之面積縮小，且透鏡亦小型化時 對晝面周邊部之入射角就會變大，另一方面 任經小型化 的像素方面就會如後面所述般，感測器受光部之形狀在書 面之上下左右容易變成非對稱，例如有在晝面之上下左思 端分別呈靈敏度不均等的情況。 工右 又，尤其是在讀出閘或信號配線、電源配線等之複數個 配線存在於光二極體之附近區域的CMOS圖像感測器中，有 效的像素區域就容易變成非對稱，且上述的問題會變得顯 著。 …、 對於該種的問題，以往係藉由按照攝像像素部之各像素 的位置適當地錯開各透鏡之位置或遮光膜之開口位置，以 著力於提咼畫面周邊部之靈敏度。 例如，圖7係顯示該種習知固體攝像裝置之攝像像素部中 的各像素與遮光膜開口部及聚光透鏡之位置關係的平面 圖，圖8A及圖8B係顯示圖7所示之攝像像素部之對角線 A_Af& B-B，中之靈敏度降低的說明圖。 在圖7中’遮光膜開口部及聚光透鏡丨丨，雖係在畫面中央 部配置於使中心與像素10一致的位置上，但是在晝面周邊 部則是配置在相對於各像素1〇偏移至光之入射方向的位置 上。 又’在各像素10之感測器受光部l〇A的左下角隅部，形成 有讀出感測器受光部10A之信號電荷用的讀出閘部1〇]B。 因而’各像素10之感測器受光部1 〇 A的形狀，係依讀出閘
O:\86\86459.DOC 1242881 部1 OB之存在而從畫面之令心 狀，且俊去夕 上下左右呈非對稱之形 狀且像素之面積1〇愈小， ^ 就有愈大的影響。 π、之存在對非對稱性 卜门尤长錯開遮光膜開 體攝像裝置中，因各像辛10之/或承先透鏡之配置的固 一，/ Λ μ 象素0之非對稱性，就會例如圖8Α所 不在Α點附近之像素丨〇中 卜下产士 ^ 更侍風敏度降低更為顯著，且在 上下左右造成變化不均等。 另外’作為使入射至各俊去由 安炎 像素令之入射光量最適當化的提 木’為人所周知者有例如日本專利特開平5_3助 報、特開2__349则公報、特請_ 開職-210812號公報等，報特 寻A報雖有揭不按照各像素離 開攝像區域之中央部的距離與透鏡離開受光部表面之高 度來修正（权正）透鏡、遽光片、遮光膜、感測器受光部等 的配置，但是即使在該等的提案中，要有效對應如上述之 感測器受光部之非對稱性仍有困難。其理由可列舉，其並 未檢討將從攝像區域之中心部分至受光部之距離，是否連 受光部表面之某一位置亦加以考慮，以及雖然有修正像素 内之各構成的配置，但是只有考慮利用透鏡所聚光之光入 射至受光部之表面，而並未考慮實際光電轉換所發生之光 電轉換部的深度方向之厚度。 因此，本發明之目的，在於提供一種可獲得各像素之適 當的入射狀態，且可謀求各像素之受光效率的改善及靈敏 度之均等化的固體攝像裝置及其製造方法。 【發明内容】
OA86\86459.DOC 1242881 本發明之固體攝像裝置為了達成上述目的，其特徵為： 具有包含以2次元排列之複數個像素的攝像區域；上述像素 係具有聚光透鏡及光電㈣部；上述光電轉換部之表面係 ^對稱幵/狀，上述聚光透鏡係在上述攝像區域之中央部分 的像素中’位於上述光電轉換部之上方，並位於用以補償 上述表面之非對稱性之對稱形狀的略中心上；上述聚光透 鏡係私在離開上述攝像區域之中央部分所位置的像素中， =愈從上述對稱形狀之略中心上朝上述攝像區域之中央部 刀方向偏移所形成；上述聚光透鏡在位於從上述攝像區域 之中央部分相等距離的像素巾，其偏移量係依上述光電轉 換部之表面的非對稱性而異者。 ㈣體攝像裝置，其特徵為：具有包含以2次元排列之 像素的攝像區域；上述像素係具有聚光透鏡及光電 Ί上述聚光透鏡係愈在離開上述攝像區域之中央部 :所位置的像素中，就愈朝上述攝像區域之 上述聚光透鏡之偏移量，係根據上述聚光透鏡 光電轉換部表面之高度、及上述光電轉換部至基 二先向:厚度，而設定成增加入射至上述光電轉換部 種固體攝像裝置，豆特徵A · 福赵心“ 〃特徵為.具有包含以2次元排列々 後數個像素的攝像區域；上 h^ , 冢素係具有先電轉換部；名 之底仰㈣ 彳刀的像素中，上述光電轉換， 方向偏移所形成。 核“域之中央部分朝外他
O:\86\86459.DOC 1242881 種具有固體攝像裝置之電子機哭，直牲外+ & 體攝像穿置h“人 在於上述固 ^象衣置為.具有包含以2次元排狀複數個像素的攝像 ’上述像素係具有聚光透鏡及光電轉換部；上述聚光 鏡，愈在離開上述攝像區域之中央部分所位置的像素 ^就愈朝上述攝像區域之中央部分側偏移所形成；上述 光透鏡之偏，彳綠據上$$《透鏡射 換部表面之高度、及上述光電轉換部至基板深度方向= 度而设定’上述光電轉換部之底部係比表面部，更從上述 攝像區域之t央部分朝外側方向偏移所形成。 -種固體攝像裝置之製造方法，其特徵為：具有在每一 攝像區域之像素上形成光電轉換部及聚光透鏡的步驟；上 述聚光透鏡係愈在離開上述攝像區域之中央部分所位置的 像素中，就愈朝上述攝像區域之中央部分側偏移所形成； 上述聚光透鏡之偏移量’係根據上述聚光透鏡離開上述光 電轉換部表面之高度、及上述光電轉換部至基板深度方向 之厚度，而設定成增加入射至上述光電轉換部之内部的光 量° 【實施方式】 以下，係就本發明之固體攝像裝置及其製造方法的實施 形態例加以說明。 圖1及圖2係顯不本發明實施形態之固體攝像裝置層疊構 造的放大剖面圖；圖1係顯示晝面中央部之像素的構造；圖 2係顯示晝面周邊部之像素的構造。 又，圖3係顯不本發明實施形態之固體攝像裝置攝像像素
O:\86\86459.DOC 1242881 關係的平 之對角線 部中之各像素與遮光膜開口部及聚光透鏡之位置 面圖’圖4A及圖4B係顯示圖3所示之攝像像素部 A-A'及B-B’中之靈敏度降低的說明圖。 本例之固體攝像裝置’例如係形成作為CM〇s圖像感列哭 者，其在每-像素上，設有作為光電轉換機構之光二極體 D)，及讀出依該光二極體所產生且蓄積之信號電荷並轉 換成電信號’進而輸出至攝像像素部相讀出電路。 另外’作為讀出電路之構成，雖有提案各種的方式，作 是例如包含有將光二極體所產生之信號電荷傳輸至浮動擴 散(FD)部的傳輸電晶體；細部中之電位變動轉換成電， 號的放大電晶體；將該放大電晶體之輸出信號輸出至輸: 信號線的讀出電晶體；及將FD部之電位予以重設的
晶體等。 W S ，在圖1及圖2中，在梦基板！⑼之上層㈣應各像素而設有 光極體110 ’且鄰接該光二極體11〇而設有傳輸閑部H FD部130,更設有其他的電晶體14〇等。又，在石夕基板⑽ 之上層部’設有依L〇CC)S等所形成的元件間隔離層bo。 又’光二極體m，係切基⑻之最表面及像素隔離 區域上設置p +型區域，於其内侧形成n型 Ρ+型區域之光子入射至η型區域，即可隔離電洞及 其中的電子可蓄積在形成於η型區域之下層的空乏層内。 然後，在本例之光二極體110中，係於石夕基板u〇之較深 的位置形成低漠度之η型區域（亦有設置複數個雜質濃度不 同之η型區域的情況），並藉由擴大空乏層來擴大電荷蓄積
O:\86\86459.DOC -10- 1242881 量以謀求靈敏度之提高。 因而’各像素之靈敏度，係可依光二極體110中作為光電 轉換部之η型區域對光的入射量而決定者，且可依對該光電 轉換部之入射效率而左右各像素之靈敏度。 又’在矽基板100之上部，介以氧化矽膜等之絕緣膜ι6〇 而設有各種的閘電極170、180、190。又，在絕緣膜16〇之 上層，介以平坦化膜200而設有多層配線層。 在圖所示之例中，係在該多層配線層上，介以絕緣膜21 〇 而設有3層之配線220、230、240。然後，下層之配線22〇 係構成遮光膜，且具有對應光二極體11〇之開口部2ι〇α，進 而通過該開口部210Α而使光（箭號a係顯示主光線）入射至 光二極體110。 又，各配線220、230、240，係依各層間之接觸220A、 230A、240A所連接。 又’在該種的多層配線層上，介以鈍化層（未圖示）而形 成單一晶片彩色濾光片（光學濾光片）250，又，在其上層配 置有單一晶片微透鏡（聚光透鏡）260。 又，在本例之固體攝像裝置中，由於在圖1所示之晝面中 央部的像素中，主光線a以直角入射，所以微透鏡260、彩 色濾光片250、配線220、230、240、光二極體110等之位置 關係為呈筆直地配置於垂直方向（圖1之上下方向）上。 另一方面，由於在圖2所示之畫面周邊部的像素中，主光 線a以入射角度0入射，所以微透鏡260、彩色濾光片250、 配線220、230、240、光二極體110等之位置關係，為配合 O:\86\86459.DOC -11 - 1242881 射角度0而沿著入射方向配置，且使各元件之配置最 適當化。 尤其疋在本例中，係考慮該像素之晝面内的位置（離開中 、、的距離）、攸微透鏡260至石夕基板1〇〇之表面（光二極體no 之文光面）的距離、及從矽基板100之表面至光二極體ιι〇之 光電轉換部的深度位置，而決定用以決定該各元件之位置 關係的入射角度0。 一亦即，在本例中，並非為光所入射之基板表面，而是以 光二極體110之光電轉換部的深度位置為基準而設定入射 角度0，且實質上使光聚光在光電轉換所進行的位置上， 進而提高各像素之受光效率（即靈敏度）者。 另外，作為在此所用之光電轉換部的深度位置，係採用 對應光二極體110之η型區域的深度而決定的值。 又，如圖2所示，在晝面周邊部之像素中，光二極體 之光電轉換部（η型區域）係對應入射角度0，並以從攝像區 域（攝像像素部）之中央部朝外側方向傾斜的狀態所形成。 如此藉由將光二極體11〇之光電轉換部以對應入射角度 Θ而傾斜的狀態所形成，以使傾斜入射的主光線有效率地 入射至光電轉換部（η型區域），提高晝面周邊部之像素的受 光效率（即靈敏度）。 & 在此，光電轉換部之傾斜角度亦可在攝像區域上為均 等，亦可愈在離開攝像區域之中央部的像素中俞大。 又，如圖5所示，光電轉換部亦可由複數個雜質區域所構 成0 O:\86\86459.DOC -12- 1242881 又，如圖3所示，在像素内所含之光二極體11〇的感測器 又光一110A之左下角隅部，形成有讀出感測受光部π 0A之 化號電荷用的讀出閘部（傳輸閘12〇) n〇B，且形成缺少矩形 之一角隅的形狀。
口此如圖7所示之習知例中說明般，依該讀出閘部11 〇B 之存在而使各感測器受光部11〇A之形狀呈上下左右非對 稱，尤其是畫面之一個角隅部（該情況係畫面之左下部（圖3 之A點側））之像素的靈敏度係相對於其他角隅部之像素的 靈敏度還降低。 因此在本例中，相對於圖7所示之習知例，其係在A點側 之像素中，藉由將微透鏡260及遮光膜開口部21〇A，而比起 Af、B、B’點側之像素更大幅地朝攝像區域之中心方向錯 開，以增加位置修正量，且使各像素之讀出閘部n〇B所造 成的受光4貝失份在各角隅部之像素中呈均等。 結果，各像素之靈敏度分布就可如圖4A及圖4B所示，在 上下左右方向呈均等變化，且可消除習知例中所說明的不 均等性。 在此增加位置修正量，並不限於位於A點側之線上的像 素，較佳者係亦可對A點側之線附近的像素進行。 又，本例之固體攝像裝置，例如係以如下製程所形成。 首先，例如在η型矽基板100上形成成為元件形成區域的p 型井區域’又’形成元件間隔離層1 5 〇。 '然後，雖在P型井區域利用離子植入或熱擴散等的方法形 成光二極體110及電晶體U0等的元件，但是有關光二極體 O:\86\86459.DOC -13 - Ϊ242881 110之η型區域’例如係藉由進行複數次之植入角度不同的 離子植入’進而利用複數次之罩幕步驟及複數次之離子植 入’以在每一像素上形成形狀不同的η型區域。 之後’在石夕基板上利用各種成膜技術或光微影技術形成 電極層或多層配線層，進而在其上層依次形成彩色濾光 片、楗透鏡。此時，依如上所決定之各元件的位置關係， 而將遮光膜開口部、配線、彩色濾光片、微透鏡形成於最 適當化的位置上。 如此即可獲得改善受光效率，且使靈敏度分布於上下左 右均#化的固體攝像裝置。 在上述5兄明中，雖係使用單一晶片微透鏡260以作為聚光 透鏡仁疋並非被限定於該形態，亦可為例如形成於配線 層間的層内透鏡，或是凹透鏡或凸透鏡中之任一種。
圖像感測裔中的例子加以說明， 雖係就將本發明應用於CMOS 3月’但是本發明亦可同樣應用
O:\86\86459.DOC -14- 1242881 於CCD圖像感測器等的其他固體攝像裝置中。尤其是，對 於如上所述之感測H受光部的形狀在上下左右具有非對稱 形狀者非常有效。 面所述之4明，雖係就將本發明應用於固體攝像 裝置中的例子加以說明，但是本發明，例如圖6所示，亦可 應用於搭載有該種固體攝像裝置2G之通信裝置或影像處理 衣置等各種的電子機器十。在此，電子機器21，亦包含有 内含光學系22及周邊電路部23的固定攝像元件模組。 尤其是，由於利用上述固體攝像裝置之構造，即可縮短 射出瞳孔距離’所以藉由搭載於可攜式機器上，即可使機 器小型化，大幅提高可攜式機器之附加價值，而該種可攜 式機器一般含在本發明中。 產業上之可利用性 如以上說明，若依據本發明之固體攝像裝置及其製造方 法，則由⑨以根據聚光透豸離開&電轉換部表面^高产、 及光電轉換部朝基板深度方向之厚度，而使入射至：：光 電轉換部之内部的光量增加的方式，來設^各像素中之取 光透鏡（配線、遮光膜開口部）的形成位i，且將光電轉^ 之底部比表面部，更從攝像區域之中央部朝外側偏移所形 成’所以可獲得各像素中之適當的入射狀態，且可謀求： 像素之受光效率的改善及靈敏度之均等化，進而可謀求伴 隨在配線層所產生之反射光所造成的混色之抑制等，而 可提供提高晝質之固體攝像裝置的效果。 ^ 【圖式簡單說明】 O:\86\86459.DOC -15- 1242881 圖1係顯示本發明實施形態之固體攝像裝置晝面中心部 中之像素層疊構造的放大剖面圖。 圖2係顯示本發明實施形態之固體攝像裝置畫面周邊部 中之像素層疊構造的放大剖面圖。 圖3係顯示本發明實施形態之固體攝像裝置攝像像素部 中之各像素與遮光膜開口部及聚光透鏡之位置關係的 圖。 圖4A及圖4B係顯示圖3所示之攝像像素部之對角線A_A 及B-B’中之靈敏度降低的說明圖。 圖5係顯示本發明實施形態之固體攝像裝置之二極體構 成變化例的圖式。 圖6係顯示本發明實施形態之電子機器的圖式。 圖7係顯示習知固體攝像裝置攝像像素部中之各像素盘 遮光膜開口部及聚光透鏡之位置關係的平面圖。 〃/、 圖8A及圖8B係顯示圖7所示之攝傻德本# 攝像像素部之對角線A-A, 及B-Bf中之靈敏度降低的說明圖。 【圖式代表符號說明】 20 固體攝像裝置 21 電子機器 22 光學系 23 周邊電路部 100 ^夕基板 110 光二極體 110A 感測器受光部 O:\86\86459.DOC -16- 1242881 110B 讀出閘部 120 傳輸閘部 130 FD部 140 其他電晶體 150 元件間隔離層 160、 210 絕緣膜 170、 180 、 190 閘電極 200 平坦化膜 210A 遮光膜開口部 220 ^ 230 > 240 配線 220A 、230A、240A 接觸 250 彩色濾光片（光學濾光片） 260 微透鏡（聚光透鏡） O:\86\86459.DOC - 17 -
Claims (1)
1242881 拾、申請專利範圍： l 一種固體攝像裝置，其特徵為： 具有包含以2次元排列之複數個像素的攝像區域； 上述像素係具有聚光透鏡及光電轉換部； 上述光電轉換部之表面係非對稱形狀； 上述聚光透鏡係、在上述攝像區域之_央部分的㈣ 中’位於上述光電轉換部之上方，並位於用以補償上过 表面之非對稱性之對稱形狀的略中心上； 上述聚光透鏡係形成為愈是在離開上述攝像區域之甲 央部分所位置的像素中，愈從上述對稱形狀之略中心上 朝上述攝像區域之中央部分方向偏移； 上述聚光透鏡在位於從上述攝像區域之中央部分相等 距離的像素中，其偏移量係依上述光電轉換部之表面的 非對稱性而異者。 2·如申請專利範圍第丨項之固體攝像裝置，其中·· 上述光電轉換部之表面係缺少矩形之至少一角隅 狀； 上述聚光透鏡，係在上述攝像區域之中央部分的像素 中位於上述矩形之略中心上。 、 3· —種固體攝像裝置，其特徵為： 〃有匕έ以2次元排列之複數個像素的攝像區域； 上述像素係具有聚光透鏡及光電轉換部； 上述聚光透鏡係形成為愈是在離開上述攝像區域之中 央邛刀所位置的像素中，愈是朝上述攝像區域之中央部 O:\86\86459.DOC 1242881 分側偏移； 上述聚光透鏡 述光電轉換部表 度方向之厚度， 内部的光量。 之偏移量，係根據上述聚光透鏡離開上 面之鬲度、及上述光電轉換部至基板深 而叹疋成增加入射至上述光電轉換部之 4.如申請專利範圍第3項之固體攝像裝置，其中： 上述：電轉換部係偏向像素内之指定側所形成； 上述聚光透鏡在離開上述攝像區域之中央部分的距潑 相等的像素中，其偏移量，係依像素内之上述光電轉賴 部之位置的偏置而異。 •如申請專利範圍第3項之固體攝像裝置，其中·· 述像素更具有介以絕緣膜而設的複數個配線； 上述配線係與上述聚光透鏡同樣，朝上述攝像區域之 中心部方向偏移所形成。 如申明專利範圍第3項之固體攝像裝置，其中，上述光電 轉換邛之底部係比表面部，更從上述攝像區域之中央部 分朝外側方向偏移所形成。 7·如申請專利範圍第6項之固體攝像裝置，其中，上述光電 轉換部之底部的偏移量，在愈是離開上述攝像區域之中 央部分所位置的像素中愈大。 ••如申請專利範圍第3項之固體攝像裝置，其中，上述光電 轉換部，係由利用複數次將離子植入至半導體層中而形 成的雜質區域所構成。 ^ 9· 一種固體攝像裝置，其特徵為·· O:\86\86459.DOC 1242881 具有包含以2次元排列之複數個像素的攝像區域； 上述像素係具有光電轉換部； ， 在上述複數個像素之至少一部分的像素中，上述光電 轉換^之底部係比表面部，更從上述攝像區域之中央 分朝外側方向偏移所形成。 、° 1〇·如申請專利範圍第9項之固體攝像裝置，其中，上述光電 轉換部之底部的偏移量，在愈是離開上述攝像區域之; 央部分所位置的像素中愈大。 U·如申請專利範圍第9項之固體攝像裝置，其中，上述光電 轉換4 ’係由利用複數次將離子植人至半導體層中而形 成的雜質區域所構成。 12. ^申請專利範圍fll項之固體攝像裝置，其中上述雜質 區域，係利用打入角度不同之複數次的離子植入所形成。 13·-種電子機器’其係、具有固體攝像裝置者，其特徵在於 上述固體攝像裝置為： 八有Ο έ以2次元排列之複數個像素的攝像區域； 上述像素係具有聚光透鏡及光電轉換部； 上述聚光透鏡係形成為愈是在離開上述攝像區域之中 央部分所位置的像素中，愈是朝上述攝像區域之中央部 分側偏移； 上述聚光透鏡之偏移量，係根據上述聚光透鏡離開上 述光私轉換σ|5表面之南度、及上述光電轉換部至基板深 度方向之厚度而設定； 上述光I轉換部之底部係比表面部，更從上述攝像區 O:\86\86459.DOC 1242881 域之中央部分朝外側方向偏移所形成。 14· 一^體攝像裝置之製造方法，其特徵為·· 具有在母一攝像區域之像素形成光電轉換部及聚光透 鏡的步驟； 上述聚光透鏡係形成為愈是在離開上述攝像區域之中 央π刀所位置的像素中，愈是朝上述攝像區域之中央 分側偏移； ' " 、、上述聚光透鏡之偏移量，係根據上述聚光透鏡離開上 述光電轉換部表面之高度、及上述光電轉換部至基板深 度方向之厚度’而設定成增加人射至上述光電轉換部之 内部的光量。 15·如申請專利範圍第14項之固體攝像裝置之製造方法，立 中，上述光電轉換部之底部係比表面部，更從上述攝像 區域之中央部分朝外側方向偏移所形成。 攝像 16. 如申請專利範圍第15項之固體攝 ，上述光電轉換部之底部的偏移量，愈二上述： 像區域之中央部分所位置的像素中愈大。 17. 如申請專利範圍第16項之固體攝像 中上述光電轉換部，係由利用複數次將雜;:子 = 半導體層中所形成。 18. 如申請專利範圍第17項之固體攝像裝置之製造方法，其 ^述複數次之雜質離子植人，其打人角度係互為不同 O:\86\86459.DOC
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