TWI392350B - 固態攝像元件及其製造方法 - Google Patents

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Description

固態攝像元件其製造方法
本發明係關於聚光效率佳的固態攝像元件及其製造方法。
近年急速普及的數位相機本體中，組裝有將被攝體光(subject light)轉換成光信號而記錄影像的固態攝像元件，諸如CCD(Charge Coupled Device)、或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)感測器等。此種固態攝像元件一般具備有：接受被攝體光並轉換成光電信號的受光元件、在該受光元件上所形成的彩色濾光片、以及為提升對受光元件之聚光率的微透鏡。
CMOS感測器通常具備有分別對應於接收光並轉換成光信號之各受光元件(光二極體)，並將信號放大用的電晶體等信號讀取電路。但是，近年在抑制信號雜訊與高積體化之目的下，提案有稱為「複數像素共享結構」，即構成由複數受光元件共用一個信號讀取電路的CMOS感測器(參照專利文獻1)。
具有此種複數像素共享結構的固態攝像元件，為達高積體化等目的，在配置有閘極電極或佈線的前提下，可能受有一定之限制，因為此構造上的限制，而有微透鏡(或像素區域)之中心位置、與光元件之中心位置在俯視方向上不一致的情況發生。且因為偏移之形式亦因各像素區域而異，因而具有在各像素間無法對斜光獲得相同之聚光等問題。若各像素間發生聚光差異，則形成信號輸出差而呈現，成為因輸出擾動而發生雜訊的肇因。此外，因斜光而在各像素區域像素中心部、與其周邊部處出現信號輸出差，相較於像素中心部，亦有周邊部信號輸出較低的可能性。此種信號輸出差成為影像輸出畫面上發生蔭影(shading)的肇因。
針對如上述問題，專利文獻2揭示有一種固態攝像元件，其層間絕緣層與保護層的界面具有因應受光感測器部與微透鏡間之平面位置偏移量之傾斜。該攝像元件利用層間絕緣層與保護層間之折射率的差異，而提升聚光效率，但是因為多出了必須將有層間絕緣層去除的步驟，因而出現步驟過於繁雜的問題。
就上述情況，期待即使微透鏡中心位置、與受光元件中心位置在俯視方向上不一致時，仍可迴避各像素間發生聚光不同與信號輸出差等狀況，可解決雜訊發生與蔭影等問題的固態攝像元件、及能以簡單之方法獲得此種固態攝像元件的固態攝像元件之製造方法。
[專利文獻1]日本專利特開昭63－100879號公報[專利文獻2]日本專利特開2005－150492公報
本發明有鑑於上述實情而完成，主要目的在於提供具有複數像素共享結構，因而即使受光元件中心位置、與微透鏡中心位置在俯視方向上不一致時，仍可以高效率聚光的固態攝像元件。
為達成上述目的，本發明所提供的固態攝像元件，至少具備有：接收被攝體光並轉換為光信號的受光元件、為提升對上述受光元件之聚光率的微透鏡、以及從上述受光元件讀取所產生之光信號的信號讀取電路；其中，因為具有複數上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的複數像素共享結構，因而上述受光元件之中心位置、與上述微透鏡之中心位置，在俯視方向上不一致；如此的固態攝像元件，具有最大膜厚位置不同於中心位置的微透鏡，上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上。
依照本發明，即使微透鏡中心位置、與受光元件中心位置在俯視方向上不一致，仍可藉由使用具有既定形狀之微透鏡，而獲得聚光效率優越的固態攝像元件。
再者，上述發明中，上述微透鏡的最大膜厚位置最好相對於中心位置，離開上述微透鏡直徑之2%以上。以獲得聚光效率佳的固態攝像元件。
再者，上述發明中，上述複數像素共享結構最好係2像素共享結構或4像素共享結構。因其對稱性佳而有利於高積體化。
再者，本發明提供一種固態攝像元件之製造方法，具有複數受光元件共享一個信號讀取電路的複數像素共享結構，因而受光元件中心位置、與微透鏡中心位置在俯視方向上不一致，如此的固態攝像元件之製造方法，在固態攝像元件形成用材料上設置感光性材料層，並在上述感光性材料層施行灰階光罩微影法(gray－scale lithography method)，形成最大膜厚位置不同於中心位置的微透鏡，上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上。
根據本發明，藉由使用灰階光罩微影法，便可以簡單之方法形成具有既定形狀的微透鏡。
根據本發明的固態攝像元件，即使微透鏡中心位置、與受光元件中心位置在俯視方向上不一致，藉由將微透鏡形狀設定成不同於習知之微透鏡的形狀，可提升對受光元件的聚光效率。所以，可避免各像素間發生聚光差異與信號輸出差等狀況，可實現降低在影像輸出畫面上產生之雜訊與蔭影等狀況。此外，例如即使在複數受光感測器部二維排列成矩陣狀的情況下，藉由將朝微透鏡入射的斜光聚光於受光感測器部，可降低對鄰接像素的光洩漏，亦可抑制在影像輸出畫面上出現之混色。
以下，針對本發明的固態攝像元件、及固態攝像元件之製造方法詳細說明。
A.固態攝像元件
首先，針對本發明的固態攝像元件說明。本發明的固態攝像元件至少具備有：接收被攝體光並轉換為光信號的受光元件、為提升對上述受光元件之聚光率的微透鏡、以及從上述受光元件讀取所產生之光信號的信號讀取電路；其中，因為具有複數上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的複數像素共享結構，因而上述受光元件之中心位置、與上述微透鏡之中心位置，在俯視方向上不一致；如此的固態攝像元件，具有最大膜厚位置不同於中心位置的微透鏡，上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上。
依照本發明，即使微透鏡之中心位置、與受光元件之中心位置在俯視方向上不一致，藉由使用具有既定形狀的微透鏡，可形成聚光效率優越的固態攝像元件。此外，本發明所使用微透鏡的形狀，配合受光元件位置而決定。所以，當設計固態攝像元件之際，在某程度上可自由排列(arranged)受光元件的位置，然後，可配合受光元件的位置而決定微透鏡之形狀。
再者，本發明固態攝像元件的用途並無特別限制，可使用為諸如CMOS感測器、CCD感測器等。
再者，本發明的固態攝像元件具有後述之複數像素共享結構，在此，就未具有複數像素共享結構的固態攝像元件說明，以為比較。圖1所示係未具有複數像素共享結構的CMOS感測器的一例之概略剖視圖。該CMOS感測器依序積層有：受光元件1、內部具有佈線2的層間絕緣層3、保護層4、第一平滑化層5、彩色濾光片6、第二平滑化層5，、及微透鏡7。微透鏡7對應受光元件1而配置於每個像素區域中，且微透鏡7之中心位置與受光元件1之中心位置在俯視方向上呈一致(圖1中虛線A)。
另一方面，具有複數像素共享結構的固態攝像元件，藉由複數受光元件共享一個信號讀取電路，可抑制信號雜訊、並謀求達成高積體化(例如日本專利特開2005－150492公報、圖4)。所以，在配置閘極電極或佈線之下，具有一定的限制，導致受光元件之中心位置、與微透鏡之中心位置在俯視方向上呈現不一致的情況。具體而言，如圖2所示，微透鏡7之中心位置(圖2中虛線B)、與受光元件1之中心位置(圖2中虛線C)，在俯視方向上不一致。此情況下，例如對圖2中箭頭D所示之斜光，在相鄰像素間有無法獲得相同的聚光之虞，而有發生上述雜訊與蔭影等問題的可能性。
相對於此，本發明的固態攝像元件藉由使用具有既定形狀的微透鏡，而解決上述問題。圖3所示係本發明固態攝像元件之一例的概略剖視圖。更詳言之，為具有2像素共享結構的CMOS感測器之一例的概略剖視圖。該固態攝像元件依序積層有：受光元件1、內部具有佈線2的層間絕緣層3、保護層4、第一平滑化層5、彩色濾光片6、第二平滑化層5’、及微透鏡7。並且，微透鏡7之最大膜厚位置不同於中心位置，且微透鏡7對平行光的聚光位置設計成在受光元件1上的狀態。另外，關於微透鏡的聚光位置，在後述「1.微透鏡」中詳細說明。
本發明之固態攝像元件至少具有：微透鏡、受光元件、及信號讀取電路。以下，針對本發明之固態攝像元件的各構造說明。
1.微透鏡
首先，針對本發明所使用的微透鏡說明。本發明所使用的微透鏡之最大膜厚位置不同於中心位置，且將聚光位置設計成在受光元件上的狀態。另外，本發明中所謂「最大膜厚位置」係指微透鏡之膜厚最大的位置。此外，所謂「微透鏡中心位置」係指成為微透鏡接觸到平滑化層等的接觸面之重心位置。
習知之微透鏡如圖4(a)所示，最大膜厚位置PM 與中心位置PC 一致。相對於此，本發明所使用之微透鏡如圖4(b)所示，最大膜厚位置PM 不同於中心位置PC 。
本發明所使用之微透鏡除最大膜厚位置不同於中心位置之外，其餘並無特別限制，具體而言，上述微透鏡的最大膜厚位置相對於中心位置，最好離開微透鏡直徑之2%以上，尤以5%以上為佳。以形成聚光效率佳的固態攝像元件。另外，所謂「微透鏡直徑」係指像素區域(彩色格)的對角線方向之長度。
上述微透鏡的最大膜厚依像素尺寸、微透鏡形狀、微透鏡與受光元件間之距離等而異，具體而言，最好在0.2~1.5 μ m之範圍內。
再者，本發明所使用的微透鏡，對平行光的聚光位置設定在受光元件上。本發明中所謂「聚光位置」係指平行光因微透鏡進行折射，而該光所集中的位置。此外，所謂「受光元件上」係指距受光元件之受光表面於光軸方向±1.5 μ m範圍內的區域。本發明中，在該範圍中，最好微透鏡的聚光位置在受光元件的受光表面，特別係微透鏡的聚光位置最好在受光元件的受光表面中心位置。如此可提升聚光效率。另外，所謂「受光表面中心位置」係指成為受光表面之重心的位置。
本發明所使用之微透鏡，具體如圖5(a)所示，為最大膜厚位置PM 不同於中心位置PC 的微透鏡7，對平行光8的聚光位置PF 在受光元件1上。另外，習知之微透鏡如圖5(b)所示，為最大膜厚位置PM 與中心位置PC 一致的微透鏡7，對平行光8的聚光位置PF 在受光元件1上。當習知之微透鏡使用受光元件之中心位置、與微透鏡之中心位置在俯視方向上不一致之固態攝像元件時，有較難將微透鏡之聚光位置設定在受光元件上的狀況發生。
再者，本發明所使用之微透鏡的下端、與受光元件上端(受光表面)間之距離，依本發明之固態攝像元件的種類等而異，例如在2~8 μ m之範圍內。
再者，本發明所使用之微透鏡最好在相鄰微透鏡間的透鏡間並無間隙。以提升聚光之效率。此外，本發明所使用之微透鏡的材料並無特別限制，最好為能使用於後述之灰階光罩微影法的材料。可精度佳地形成微透鏡。
2.受光元件
其次，針對本發明所使用之受光元件說明。本發明所使用之受光元件接受被攝體光並轉換成光信號。此種受光元件並無特別的限制，可使用一般的受光元件。具體可舉例如：CMOS、CCD等。其他尚可使用諸如光通信等所使用的微裝置用聚光透鏡。
3.信號讀取電路
其次，針對本發明所使用之信號讀取電路說明。本發明所使用的信號讀取電路從上述受光元件中讀取所產生的光信號。此種信號讀取電路並無特別的限制，可使用一般的信號讀取電路。具體可舉例如：讀取電荷的讀取閘等。
再者，本發明的固態攝像元件具有複數受光元件共享一個信號讀取電路的複數像素共享結構。上述複數像素共享結構並無特別的限制，具體而言，最好共享2像素以上的構造，其中尤以2像素共享結構或4像素共享結構為佳。因其對稱性佳有利於高積體化。
圖6(a)所示係具有2像素共享結構的CMOS感測器的一例之概略平面圖。如圖6(a)所示，因為具有2個受光元件1共享一個信號讀取電路(未圖示)的2像素共享結構，因而成為受光元件1之中心位置、與微透鏡7(或像素區域9)之中心位置，在俯視方向上不一致的固態攝像元件。本發明中，配合受光元件1的位置，而決定微透鏡7之形狀。另一方面，圖6(b)所示係具有4像素共享結構的CMOS感測器的一例之概略平面圖。如圖6(b)所示，因為具有4個受光元件1共享一個信號讀取電路(未圖示)的4像素共享結構，因而成為受光元件1之中心位置、與微透鏡7(或像素區域9)之中心位置，在俯視方向上不一致的固態攝像元件。本發明中，配合受光元件1的位置，決定微透鏡7之形狀。
4.其他構件
本發明之固態攝像元件除上述微透鏡、受光元件、信號讀取電路之外，尚具有構成固態攝像元件的其他構件。其他構件可使用如同一般之固態攝像元件者，並無特別的限制。例如當將本發明的固態攝像元件使用為CMOS感測器時，其他構件尚可使用諸如層間絕緣層、佈線、保護層、平滑化層及彩色濾光片等。
上述層間絕緣層係設置於受光元件與保護層之間者。形成上述層間絕緣層的材料例如有SiO2 等。此外，上述層間絕緣層之內部含有驅動閘極電極與信號讀取電路等的佈線。此種佈線通常使用A1佈線等。另外，當上述佈線採取多層構造時，上述層間絕緣層亦最好採用多層構造。
上述保護層係保護層間絕緣層者，具有容易配設彩色濾光片及微透鏡等的功能。形成上述保護層的材料例如有P－SiN等。
上述彩色濾光片可舉例有如晶載彩色濾光片(OCCF)等。此外，上述平滑化層例如有一般使用為固態攝像元件之平滑化層的樹脂等。
B.固態攝像元件之製造方法
其次，針對本發明固態攝像元件之製造方法說明。本發明固態攝像元件之製造方法具有複數受光元件共享一個信號讀取電路的複數像素共享結構，因而受光元件之中心位置、與微透鏡之中心位置在俯視方向上不一致；如此的固態攝像元件之製造方法，在固態攝像元件形成用材料上設置感光性材料層，並在上述感光性材料層施行灰階光罩微影法，形成最大膜厚位置不同於中心位置的微透鏡，上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上。
根據本發明，藉由使用灰階光罩微影法，以簡單之方法便可形成具有既定形狀的微透鏡。具體上除使用後述之特殊光罩外，其餘均依普通的曝光處理、顯影處理便可形成具有既定形狀的微透鏡，因而不需要如習知般，必須施行去除層間絕緣層的步驟，可以簡單之方法獲得聚光效率佳的固態攝像元件。
再者，本發明中所謂「灰階光罩微影法」係使用控制穿透光量(曝光量)分佈之光罩所實施的微影法。該光罩具有在曝光波長下不會解像的細微像點圖案，可利用其像點圖案的密度分佈而控制穿透光量。像點圖案密度較大部分的穿透光量較大，像點圖案密度較小部分的穿透光量較小，因而藉由控制密度分佈，可獲得例如穿透光量連續變化的光罩。另外，本發明的像點圖案密度分佈係預先計算而決定成微透鏡聚光位置在受光元件上的狀態。
其次，針對本發明之固態攝像元件之製造方法藉由圖式說明。圖7所示係本發明之固態攝像元件之製造方法一例的步驟圖。首先，如圖7(a)所示，在固態攝像元件形成用材料11上設置感光性材料層12。接著，如圖7(b)所示，使用可控制穿透光量分佈的光罩13與光14施行曝光。此時，光罩13具有形成既定微透鏡形狀的像點圖案密度分佈。接著，如圖7(c)所示，藉由施行顯影處理、加熱處理而形成微透鏡15。
以下，針對本發明固態攝像元件之製造方法，依每個構造說明。
本發明所使用的固態攝像元件形成用材料係指形成微透鏡前的固態攝像元件。該固態攝像元件形成用材料至少具備有受光元件、與信號讀取電路，且具有複數受光元件共享一個信號讀取電路的複數像素共享結構，因而受光元件之中心位置、與像素區域之中心位置在俯視方向上不一致。
例如當依本發明所獲得之固態攝像元件係CMOS感測器的情況，固態攝像元件形成用材料便可使用依序積層有：受光元件、內部具有佈線的層間絕緣層、保護層、第一平滑化層、彩色濾光片、及第二平滑化層所構成者等。此情況下，在第二平滑化層上形成後述之感光性材料層。另外，該等構件係如同在「A.固態攝像元件」中所記載者，因而在此不再贅述。
再者，本發明所使用之感光性材料層，藉由使用光罩施行曝光處理等，而成為微透鏡之層。上述感光性材料層的材料並無特別限制，例如光阻等。此外，本發明中，上述光阻可使用正型光阻與負型光阻等二者，最好為正型光阻。正型光阻例如有：酚環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚醯亞胺、環烯類(cycloolefin)等。具體可舉例如：JSR股份有限公司製之MFR401、東京應化工業股份有限公司製之THMR P11等。
在固態攝像元件形成用材料上形成感光性材料層的方法並無特別限制，可舉例如旋塗法等。
再者，本發明所使用之光罩如上述，藉由在曝光波長下不致解像的細微像點圖案之密度分佈，可控制曝光時的穿透光量(曝光量)分佈。藉由使用上述光罩，依普通的曝光處理，可形成最大膜厚位置不同於中心位置，且其聚光位置在受光元件上的微透鏡。製作此種光罩的方法，有如在日本專利特開2004－70087、特開2004－296290中所記載的方法。
再者，本發明中，使用上述光罩施行曝光後，藉由施行顯影處理、加熱處理等，而形成微透鏡。顯影處理、加熱處理的方法並無特別限制，可使用一般的方法。
另外，本發明並不僅侷限於上述實施形態。上述實施形態僅為例示而已，具有與本發明之申請專利範圍所記載技術思想實質相同的構造，且達同樣作用效果者，均涵蓋於本發明的技術範疇內。
[實施例]
以下，舉實施例針對本發明具體說明。
為確認本發明所使用之微透鏡的有效性，就圖2、圖3所示CMOS感測器構造施行光跡追蹤模擬。模擬條件如下表1所示。
[表1]．光源 入射角度0°、照相機透鏡F2.4．微透鏡構造 ．微透鏡7之中心位置、與受光元件1之中心位置在俯視方向上的偏移為0.7 μ m．CMOS感測器層構造
使用上述條件下，利用光跡追蹤模擬施行聚光效率之計算，獲得下述之結果。此處所謂「聚光效率」係指入射於光二極體中的光信號除以微透鏡之光強度的數值。
當使用習知微透鏡的情況，聚光效率為39%，相對的，使用本發明所用微透鏡的情況時，聚光效率則為65%。
換言之，本發明所使用之微透鏡的聚光效率，相較於習知之微透鏡之下，可獲得1.7倍的聚光效率。結果，發現可提升入射於光二極體中的光之利用效率，可確認本發明所使用之微透鏡的有效性。
1．．．受光元件
2．．．佈線
3．．．層間絕緣層
4．．．保護層
5．．．第一平滑化層
5’．．．第二平滑化層
6．．．彩色濾光片
7．．．微透鏡
8．．．平行光
9．．．像素區域
11．．．固態攝像元件形成用材料
12．．．感光性材料層
13．．．光罩
14．．．光
15．．．微透鏡
PC ．．．中心位置
PF ．．．聚光位置
PM ．．．最大膜厚位置
圖1為未具有複數像素共享結構的CMOS感測器的一例之概略剖視圖。
圖2為具有2像素共享結構之CMOS感測器之一例的概略剖視圖。
圖3為本發明固態攝像元件之一例的概略剖視圖。
圖4(a)、(b)為說明微透鏡之形狀的說明圖。
圖5(a)、(b)為說明微透鏡之聚光位置的說明圖。
圖6(a)、(b)為說明2像素共享結構與4像素共享結構的說明圖。
圖7(a)、(b)、(c)為本發明之固態攝像元件之製造方法之一例的步驟圖。
1．．．受光元件
2．．．佈線
3．．．層間絕緣層
4．．．保護層
5．．．第一平滑化層
5’．．．第二平滑化層
6．．．彩色濾光片
7．．．微透鏡

Claims (3)

  1. 一種固態攝像元件，至少具備有：接收被攝體光並轉換為光信號的受光元件、用以提升對上述受光元件之聚光率的微透鏡、以及讀取從上述受光元件所產生之光信號的信號讀取電路；其中，為了具有複數上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的複數像素共享結構，而使上述受光元件之中心位置、與上述微透鏡之中心位置，在俯視方向上不一致；如此的固態攝像元件，其具有最大膜厚位置不同於中心位置的微透鏡，上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上；上述複數像素共享結構係只有二個上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的2像素共享結構、或只有四個上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的4像素共享結構。
  2. 如申請專利範圍第1項之固態攝像元件，其中，上述微透鏡的最大膜厚位置相對於上述微透鏡直徑離開中心位置之2%以上。
  3. 一種固態攝像元件之製造方法，係為了具有複數受光元件共享一個信號讀取電路的複數像素共享結構，而使受光元件之中心位置、與微透鏡之中心位置在俯視方向上不一致，如此的固態攝像元件之製造方法；其在固態攝像元件形成用材料上設置感光性材料層，並在上述感光性材料層施行灰階光罩微影法(gray-scale lithography method)，而形成最大膜厚位置不同於中心 位置的微透鏡，並以上述微透鏡對平行光的聚光位置在上述受光元件上之方式，將上述複數像素共享結構形成為只有二個上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的2像素共享結構、或只有四個上述受光元件共享一個上述信號讀取電路的4像素共享結構。
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