TWI357151B - Solid state imaging device and imaging apparatus - Google Patents
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Description
1357151 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固態成像器株 怒、 件（例如一 CMOS影像感測 器）’其包含一光學濾光片（例如且古 ”有用於多個像素的不同 波長特徵之一彩色濾光片）；且另 卜係關於一種用於相機 或蜂巢式電話的成像裝置，其（例 件 I例如）包含一固態成像器 【先前技術】
中提供一固態成像器件 過去已在一 CMOS影像感測器 其具有形成對應於每-個像素之—感光區段的微透鏡表面 的-層内透鏡或-晶片上透鏡。例如，將多個線路層及層 間絕緣膜4疊在具有-光二極體及—電晶體的—半導體基 透過一 板上，而且將一層内透鏡放置在二者之間。此外 平面膜將一晶片上彩色濾光片及一微透鏡放置在其上（參 考（例如）JP-A-2004-304148)。 圖12及13係顯示過去CMOS影像感測器中的堆疊式層結 構之一範例的斷面圖。 在圖式中，在石夕基板200之上層部分中提供多個像素之 光二極體之感光區段211。應注意，圖12及13中省略每一 個像素中包含的像素電晶體電路。 透過一閘極絕緣膜200A及一閘極電極（未顯示）將一平面 膜（層間絕緣膜）2 16及線路210提供在矽基板200之上表面 上’而且將一層間透鏡209提供在其上。將二個平面膜（層 間絕緣膜）215及214與線路208及206提供在其上，而且將 122604.doc 1357151 一最上平面膜21 3提供在其上。 接著，將對應於個別像素的彩色濾光片2〇2、203及204 放置在平面膜213上。應注意，圖12顯示其中紅色濾光片 202及綠色濾光片203顯現的一區段，而且圖13顯示其中綠 色濾光片203及藍色濾光片204顯現的一區段。 透過一保護膜將晶片上透鏡201進一步提供在彩色濾光 片 202、203及 204上 ° 【發明内容】 順便提及，在如以上說明的CMOS影像感測器中，在感 光區段上提供許多線路膜’並且最上微透鏡（頂部透鏡）與 感光區段之間的距離會增加。因此，依據透過彩色濾光片 的光之波長方面的差異，可以不最佳化用於不同顏色的像 素之聚光狀態。因此，用於每一種顏色之中心及周邊感光 區段中的聚光狀態由於相機透鏡之孔徑及/或中央及周邊 感光區段中的入射角方面的差異而不同。因此，（例如）可 能會出現顏色陰影的不均勻。 此在如過去範例中的層内透鏡之情況下亦屬實。 因此’需要提供一固態成像器件及成像裝置，其可以最 佳化在每一個像素中提供的光學濾光片之感光區段的輸入 光特徵。 依據本發明之一具體實施例，提供一種固態成像器件， 其包含：一半導體基板，其上提供多個像素，該等像素之 每一個具有一光電轉換區段；多個絕緣膜，其係堆疊在該 半導體基板上；一線路膜，其係提供在該多個絕緣膜之 122604.doc mi 間，一層内透鏡，其係提供用於該多個絕緣膜之間的該光 電轉換區段之每-個’·—光學濾光片，其係提供用於該絕 緣膜上的該光電轉換區段之每—個；以及—晶片上透鏡， 其係提供用於該光學濾光片上的該光電轉換區段之每一 個八中°玄等層内透鏡及該晶片上透鏡之至少一個透鏡具 有用於依據該光學濾光片之特徵的每一個像素之一不同結 構。 提供一成像裝置，其包 ;一成像光學系統，其 依據本發明之另一具體實施例， 含一固態成像器件，其成像一物件 在該固態成像器件之一感光區段中形成一物件影像，一驅 控制區& ’其驅動該成像光學系統；一信號處理區 八對自該固態成像器件的輸出信號執行信號處理並產 生影像仏號；一記錄區段，其記錄由該信號處理區段產 生的該衫像，-輸出區段，其輸出由該信號處理區段 產生的影像信號；以及一操作區段，其輸入用以控制一成 像操作的信號’其中該固態成像器件包括：一半導體基 板’其上提供多個像素’該等像素之每一個具有一光電轉 換區段；多個絕緣膜，其係堆疊在該半導體基板上；一線 路膜’其係提供在該多個絕緣膜之間；—層内透鏡，其係 提供用於該多個絕緣膜之間的該光電轉換區段之每一個； “于慮光片其係&供用於該絕緣膜上的該光電轉換區 &之每個，以及一晶片上透鏡，其係提供用於該光學濾 光片上的該光電轉換區段之每—個，#中該等層内透鏡以 及u上透鏡之至少—個透鏡具有用於依據該^學滤光 122604.doc 1357151 片之特徵的每一個像素之一不同結構。 依據本發明之具體實施例的固態成像器件及成像裝置可 以最佳化提供用於每一個像素的一光學濾光片之感光區段 的輸入光特徵，因為層内透鏡及晶片上透鏡具有用於依據 光學濾光片之特徵的每一個像素之一不同結構。 【實施方式】 圖1及2係顯示一依據本發明之一具體實施例之固態成像 器件（CMOS影像感測器）中之堆疊式結構的範例。 圖3係示意性地顯示圖丨所示iCM〇s影像感測器的方塊 圖，且圖4係顯示圖丨所示之CM〇s影像感測器之像素構造 的電路圖。 圖5係顯示圖1所示之CM〇s影像感測器中之頂部透鏡之 圖案的平面圖，圖6係顯示圖1所示之CM〇s影像感測器中 之彩色濾光片層之圖案的平面圖。圖7至9係顯示依據線路 及并> 色濾光片之構造之微透鏡層之佈局的平面圖。 圖10係顯示矽基板上之感光區段及像素電晶體之一部分 的平面圖。 圖1及2所示的斷面圖係由圖5至1〇中的線A_A，及B-^所 取。 首先參考圖3及4說明依據該具體實施例的CMOS影像感 測器。 如圖3所示，該CMOS影像感測器在一個晶片上具有—成 像區域10及一周邊電路區域2〇。成像區域1〇包含一像素陣 列區段’其令在二維方向上放置包含光二極體（光電轉換 122604.doc 1357151 區段）的多個像素u。周邊電路區域2〇係提供於成像區域 1 0的外面。 周邊電路區域20包含一垂直像素選擇/驅動電路21、一 仃k號處理區段22、一水平掃描電路23、一輸出處理區段 24以及一時序產生器25。垂直像素選擇/驅動電路21藉由 供應一控制脈衝給像素陣列區段而從每一個像素行讀出一 像素信號。行信號處理區段22對從像素陣列區段讀出的行 k號執行信號處理，例如雜訊處理。水平掃描電路23水平 地傳輸由行信爽處理區段22所處理的像素信號。輸出處理 區段24輸出從水平掃描電路23傳輪的像素信號作為影像信 號。時序產生器25供應一時序信號給該等區段。 如圖4所示，成像區域10的像素u之每一個具有像素電 晶體，包含一光二極體31、一讀出電晶體（傳輸閘極）32、 一放大器電晶體33、一選擇電晶體34以及一重置電晶體 35。光二極體31依據接收的光之數量產生一信號電荷。讀 出電晶體（傳輸閘極）32從光二極體3 1讀出信號電荷至 FD(浮動擴散）^放大器電晶體33依據fd之電位產生一像素 信號。選擇電晶體34選擇一像素信號之輪出時序。重置電 晶體35重置FD。像素11之每一個進一步包含線路及其他元 件’其用以採用像素陣列區段以及周邊電路區域來交換信 號或電源。 接著，參考圖1及2，說明依據此具體實施例的cm〇Sk 像感測器之堆疊式層結構。 在圖式中，在矽基板100之上層部分中提供多個像素之 122604.doc •9· 1357151 光二極體之感光區段111。圖1及2中省略每一個像素中包 含的像素電晶體電路。圖1〇顯示該光二極體之感光區段 及傳輸電晶體112之佈局，而且將傳輸電晶體112放置 在感光區段111之拐角部分處。圖1〇示意性地顯示佈局。 實際上，該電晶體係甚小於該感光區段且係與其他電晶體 (例如放大器、選擇及重置電晶體）一起提供。 透過（例如）一閘極絕緣膜100A及一閘極電極（未顯示）將 一平面膜（層間絕緣膜）116及線路110提供在矽基板1〇〇之頂 部表面上，而且將一層内透鏡1〇9提供在其上。層内透鏡 109係用於如過去範例中的所有像素之每一個的凸透鏡（圖 12及13)。如圖9所示放置層内透鏡1〇9及線路11〇。 藉由下列方式形成微透鏡109:在整個基底上形成一透 鏡材料，依據其上的透鏡圖案將光阻圖案化成凸出平面形 狀，藉由熱熔化回焊所產生的表面張力形成一透鏡形狀並 藉由對其進行返回蝕刻而將其傳輸至該透鏡材料。平面膜 116係採用以SiON為基礎的膜或以低折射率siN為基礎的膜 形成。微透鏡109係採用以高折射率SiN為基礎的膜形成。 將平面膜（層間絕緣膜）115及線路108提供在其上，而且 將層内透鏡107提供在其上β層内透鏡具有不同於過去 範例之構造的構造（圖12及13)且係僅提供用於具有藍色濾 光片104之一像素的凹透鏡。如圖8所示佈置層内透鏡1〇7 及線路108。藉由下列方式形成微透鏡1〇7:在整個基底上 形成一透鏡材料’依據透鏡圖案將其上的光阻圖案化成一 開口形式並接著藉由在透鏡材料上執行等向性蝕刻而在其 122604.doc •10· 1357151 上形成該微透鏡。平面膜115係採用以SiON為基礎的膜或 以低折射率SiN為基礎的膜形成。微透鏡1〇7係採用以高折 射率SiN為基礎的膜形成。 將平面膜（層間絕緣膜）u4及線路1〇6提供在其上，而且 將層内透鏡105提供在其上。層内透鏡1〇5具有不同於過去 範例之構造的構造（圖12及13)且係僅提供用於具有紅色濾 光片102之一像素的凹透鏡。如圖7所示佈置層内透鏡1〇5 及線路106。平面膜114係採用以SiON為基礎的膜或以低折 射率SiN為基礎的膜形成。微透鏡！ 05係採用以高折射率 SiN為基礎的膜形成。 接著’將最上平面膜113形成於其上，並且將對應於像 素的彩色濾光片102、103及104放置在平面膜113上。圖1 顯示其中紅色濾光片102及綠色濾光片103顯現的一區段。 圖2顯示其中綠色濾光片1〇3及藍色濾光片1〇4顯現的一區 段。如圖6所示佈置彩色濾光片102、103及104。 透過一保護膜將晶片上透鏡101提供在彩色濾光片102、 103及1〇4上。晶片上透鏡101對應於如圖5所示的所有像 素。平面膜113係採用以SiON為基礎的膜或以低折射率SiN 為基礎的膜形成，而且微透鏡101係採用以高折射率SiN為 基礎的膜形成。 將凸透鏡或凹透鏡選擇為用於每一種顏色的層内透鏡可 取決於最佳化之目的。 如以上所說明，在依據此具體實施例的影像感測器中， 透鏡之數目及透鏡之構造（包含透鏡曲率及/或凸透鏡或凹 122604.doc 1357151 透鏡）可取決於用以最佳化用於每一種顏色的聚光之彩色 遽、光片的構造。與彩色濾光片之顏色相關的不同微透鏡構 造可以最佳化各顏色之感光區段中的聚光狀態，其係藉由 透過筹> 色;慮光片之波長方面的差異所引起。此可以減小顏 色陰影的不均勻，其係由中心及周邊感光區段中的顏色由 於相機透鏡之孔徑方面的差異以及中心及周逄感光區段令 的光之入射角而起的不同聚光狀態所引起。 以上已說明本發明係應用於CMOS影像感測器，但是本 發明不限於CMOS影像感測器。本發明可應用於具有多個 微透鏡層的影像感測器。依據本發明之光學濾光片不限於 原色遽光片而可包含互補顏色濾光片及紅外線濾光片。 該固態成像器件不限於在一個晶片上具有一影像感測器 的固態成像器件而可具有一構造，其中將具有一影像感測 器的一成像區段及一信號處理區段以及一光學系統提供為 一包裝中的分離組件。或者，該固態成像器件可與一控制 區段及/或一操作區段整合並用於一相機系統或一蜂巢式 電話。換言之’依據本發明’單一影像感測器可稱為一固 態成像器件，而且該固態成像器件與另一功能部分（例如 通信模組或顯示模組）的組合可稱為一成像裝置。固態成 像器件及成像裝置皆係包含在本發明之範轉内。 以下說明應用本發明的成像裝置之特定範例。 圖11係顯示具有該具體實施例之CMOS影像感測器的一 相機裝置之一構造範例的方塊圖。 在圖11中’一成像區段31〇藉由使用（例如）圖3及4所示的 122604.doc •12· 1357151 CMOS影像感測器來成像__物件，並將—影像信號輸出至 一主要基板上的一系統控制區段32〇。換言之成像區段 3 10對自CMOS影像感測器的輸出信號執行處理，例如 AGC(自動增益控制）、OB(光學黑色）夾緊、cds(關聯雙重 取樣）以及A/D轉換；而且產生並輸出數位影像信號。 已說明其t將影像信號轉換為成像區段31〇内之數位信 號並將其輸出至系統控制區段32〇的範例，可將類比影像 信號從成像區段310供應給系統控制區段32〇，並可將其轉 換為系統控制區段320中的數位信號。各種方案可在成像 區段3 1 0内的處理中加以應用且不受特定限制。 一成像光學系統300包含一變焦透鏡3〇1及放置在一透鏡 桶狀物中的孔徑機制302，而且在CM〇s影像感測器之感光 區段中形成一物件影像。在根據系統控制區段32〇的指令 而控制一驅動/控制區段330的條件下，機械地驅動該對應 區段或各區段以執行控制，例如自動聚焦。 系統控制區段320包含一 CPU 321、一 ROM 322、一 RAM 323、一 DSP 3 24以及一外部介面325 » CPU 321透過ROM 322及RAM 323發送一指令至該相機 裝置之一組件以控制整個系統。 DSP 324對來自成像區段31 〇的影像信號執行信號處理， 以採用預定格式產生靜止圖像或移動圖像之視訊信號（例 如YUV信號）。 外部介面325包含一編碼器及一 D/A轉換器且採用一與系 統控制區段320連接的外部元件（即，此範例中的顯示器 122604.doc -13- 1357151 360、記憶、體媒體340以及控制面板區段35〇)來交換 ' 號或資料。 、工 k . 帛不器360係一小型顯示器(例如在該相機裝置中建立的 液晶面板）並顯示一成像的影像。除在一相機裝置中建立 科型顯示器以外’可明顯應用―構造，其中將影像資料 - 發送至一外部大型顯示裝置來顯示。 一拍攝的影像可保存在記憶體媒體34〇(例如記憶卡） φ 中，並且該記憶體媒體可替代記憶體媒體控制器341。記 憶體媒體340可以係磁碟或光碟媒體而非記憶卡。 控制面板區段350包含一輸入鍵，其由使用者用以當在 該相機裝置中執行拍攝操作時進行指導。cpu 321監視自 控制面板區段350的一輸入信號並根據該輸入之内容來 行操作控制。 ' 藉由將本發明應用於相機裝置，可以對各種物件執行高 ' 品質拍攝。在此構造中，可根據實際商業化情形來適當地 • 選擇欲包含在系統中的單元器件或/及單元模組，以及該 集之大小。本發明之成像裝置廣泛地包含各種變化。 在本發明之固態成像器件及成像裝置中，欲加以成像的 物件不限於一般視訊影像中的人物及/或場景。本發明之 . 固態成像器件及成像裝置亦可應用於如（例如）偽造鈔票偵 測器或指紋偵測器中的特殊精細影像圖案之成像。在此情 況下，除圖11所示的一般相機裝置以外，該裝置構造進一 步包含一特殊成像光學系統及包括圖案分析的信號處理系 統。此外，在此情況下，本發明之操作效應可完全用以實 122604.doc •14- 1357151 施精確的影像偵測》 在用於遠端醫療之遠端系統（例如犯罪預防監視或個人 鑑別）中’裝置構造可包含與如以上說明的網路連接之一 通信模組’並且可以達到各種應用。 熟習技術人士應瞭解，可根據設計要求及其他因素進行 各種修改、組合、子組合及變更，只要該等要求及因素係 在所附申請專利範圍及其等效物之範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示依據本發明之一具體實施例的CMOS影像感測 器之堆疊式層結構的斷面圖； 圖2係顯示依據本發明之該具體實施例的cmos影像感測 器之堆疊式層結構的斷面圖； 圖3係示意性地顯示圖1所示的CMOS影像感測器之方塊 園， 圖4係顯示圖1所示的CMOS影像感測器之像素構造的電 路圖； 圖5係顯示圖1所示之CMOS影像感測器中的頂部透鏡之 圖案的平面圖； 圖6係顯示圖1所示之CMOS影像感測器中的彩色濾光片 層之圖案的平面圖； 圖7係顯示依據圖1所示之CMOS影像感測器中的線路及 彩色濾光片之構造的微透鏡層之佈局的平面圖； 圖8係顯示依據圖1所示之CMOS影像感測器中的線路及 彩色濾光片之構造的微透鏡層之佈局的平面圖； 122604.doc •15· 1357151 圖9係顯示依據圖1所示之CMOS影像感測器中的線路及 彩&丨慮光片之構造的微透鏡層之佈局的平面圖； 圖10係顯示圖1所示之CMOS影像感測器中矽基板上的感 光區段及像素電晶體之一部分的平面圖； 圖11係顯示包含圖1所示之CMOS影像感測器作為成像區 段的相機裝置之一構造範例的方塊圖； 圖12係顯示過去CMOS影像感測器之堆疊式層結構之一 範例的斷面圖；以及 圖13係顯示過去CM0S影像感測器之堆疊式層結構之範 例的斷面圖。 【主要元件符號說明】 10 成像區域 11 像素 20 周邊電路區域 21 垂直像素選擇/驅動電路 22 行信號處理區段 23 水平掃描電路 24 輸出處理區段 25 時序產生器 31 光二極體 32 讀出電晶體（傳輸閘極） 33 放大器電晶體 34 選擇電晶體 35 重置電晶體 122604.doc • 16- 1357151 100 矽基板 100A 閘極絕緣膜 101 晶片上透鏡 102 彩色濾光片/紅色濾光片 103 彩色濾光片/綠色濾光片 104 彩色遽光片/藍色滤光片 105 層内透鏡 106 線路
107 層内透鏡/微透鏡 108 線路 109 層内透鏡/微透鏡 110 線路 111 感光區段 112 傳輸電晶體 113 平面膜
114 平面膜（層間絕緣膜） 115 平面膜（層間絕緣膜） 116 平面膜（層間絕緣膜） 200 矽基板 200A 閘極絕緣膜 201 晶片上透鏡 202 彩色濾光片/紅色濾波器 203 彩色濾光片/綠色濾波器 204 彩色濾光片/藍色濾波器 122604.doc -17- 1357151 206 線路 208 線路 209 層間透鏡 210 線路 211 感光區段 213 平面膜 214 平面膜（層間絕緣膜） 215 平面膜（層間絕緣膜） 216 平面膜（層間絕緣膜） 300 成像光學系統 301 變焦透鏡 302 孔徑機制 310 成像區段 320 系統控制區段 321 CPU 322 ROM 323 RAM 324 DSP 325 外部介面 330 驅動/控制區段 340 記憶體媒體 341 記憶體媒體控制器 350 控制面板區段 360 顯示器 122604.doc -18 -
Claims (1)
1357151 月（曰修捷)正替換頁 第096133709號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年7月） 十、申請專利範圍： i ‘ 1. 一種固態成像器件，其包括： ^ ""半導體基板，其上提供多個像素，該等像素之每一 ' 個具有一光電轉換區段； 多個絕緣膜，其係堆疊在該半導體基板上； 多個線路，其係提供於該多個絕緣膜之間； 一層内透鏡，其係提供給該多個絕緣膜之間之光電轉 換區段的每一個； 一彩色濾光片，其係提供給用於每一像素之該層内透 鏡上方之光電轉換區段的每一個；以及 一晶片上透鏡’其係提供於該彩色濾光片上之光電轉 換區段的每一個； 其中依據該彩色遽光片之顏色，在每一個像素之該彩 • .色濾光片與該光電轉換區段之間具有一不同數目之凹及/ 或凸透鏡。 2. 如請求項1之囡態成像器件，其中具有至少一層内凸透 鏡。 3. 如請求項1之固態成像器件，其中具有至少—層内凹透 鏡。 4·如請求項1之固態成像器件，其中每一彩色濾光片係一 原色據光片。 5.如請求項4之固態成像器件，其中該等層内透鏡及該晶 片上透鏡之至少一個透鏡依據該彩色濾光片之該顏色， 每一個像素具有不同之結構。 I22604-I00070l.d〇, 1357151 年?月ί日修⑻正替換頁 6·—種成像裝置，其包括： --一·'--= 一固態成像器件’其成像一主件； 一成像光學系統，其在該固態成像器件之一感光區段 中形成一主件影像； 一驅動/控制區段，其驅動該成像光學系統； 一信號處理區段，其對來自該固態成像器件的輸出信 號執行信號處理； 一記錄區段’其用於記錄由該信號處理區段產生的影 像資訊； 一輸出區段，其輸出由該信號處理區段產生的該影像 資訊；以及 其中該固態成像器件包括： 一半導體基板，其上提供多個像素，該等像素之每一 個具有一光電轉換區段； 多個絕緣膜’其係堆疊在該半導體基板上； 多個線路’其係提供在該多個絕緣膜之間，· 一層内透鏡，其係提供給該多個絕緣膜之間之光電轉 換區段的每一個； 一彩色濾光月’其係提供給每一像素之該層内透鏡上 方之光電轉換區段的每一個；以及 片上透鏡’其係知·供給該彩色j慮光片上之光電轉 換區段的每一個； 其中依據該彩色滤光片之顏色，在每一個像素之該彩 色遽光片與该光電轉換區段之間具有不同數目之凹及/或 I22604-1000701.doc 1357151 啤勹月（曰修(迗)正替換頁 凸透鏡。 7. 如請求項6之成像裝置，其中具有至少- 8. 如請求項6之成像裝置，其中具有至少- 9. 如請求項6之成像裝置，其中該彩色濾 光片。 10. 如請求項9之成像裝置，其中該等層内 透鏡之至少一個透鏡依據該彩色濾光片 個像素具有不同之結構。 ’廣内凸透鏡。 •層内凹透鏡。 光片係一原色遽 透鏡及該晶片上 之該顏色，每一 122604-1000701.doc
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