TWI447901B - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof, manufacturing method of electronic device and electronic device - Google Patents

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Description

固體攝像元件及其製造方法、電子機器及電子機器之製造方法
本發明係關於固體攝像元件及其製造方法、電子機器及電子機器之製造方法。
影像感測器係應用於譬如攝像機及視頻機器的多種領域之元件。
使用於此等元件之影像感測器係由許多畫素所構成。而且元件全體之效率係取決於畫素之尺寸及畫素構造。
在彩色用之元件中，可藉由在各畫素分別設置以固體狀態之材料，通常為以有機材料為起源之吸收彩色濾光片材料，而將畫素之類型分為紅、綠、藍之3色。
為改善畫素內之效率，通常是使用畫素尺寸之透鏡，此係希望確保可使入射光焦點落在畫素之受光元件，而使該畫素能儘量較多地截獲入射於畫素之光，並使其不擴散至周圍之畫素。
然而，使用簡單之畫素尺寸之透鏡係有其極限。隨著入射光之角度之增大而會面臨其極限，以致無法停止於光所入射之該畫素內。即，表示透鏡所能修正之角度偏向之大小有其極限。畫素之縱橫比，即其寬除以其高之值小時，此影響更為顯著。
因此，最近之縮小畫素尺寸之傾向，係意味著此混色之影響變得更不易藉由標準的晶片微型透鏡技術來加以控制。再者，由於一般係需要有機光阻起源之材料之各個彩色濾光片，而使得此等元件之高度大增。並且，此等彩色濾光片之存在係會減少縱橫比，並使混色之問題更為顯著。此現象尤其在畫素尺寸變小時，更成問題。
又，畫素尺寸小到達到寬度1μm時，透鏡之尺寸接近於通過透鏡之光的波長，逐漸不能發揮作為透鏡之作用。即，透鏡不能再讓通過其內部之光加以聚焦。
如此，在畫素尺寸變小時，依據習知透鏡之設計顯然已不再具有有利之效果。因此，係要求可用來使光保持於畫素內之新穎的系統。
在標準的透鏡中，作為在不充分之狀況下仍可將光線導向之方法，已有若干研究者提議使用菲涅爾透鏡、衍射光學元件透鏡、數位透鏡、以及該種「人造的」透鏡(例如參照專利文獻1及專利文獻2)。
的確，該種構造在正確地引導光線上係比普通的透鏡有用，但仍有若干缺點。作為此缺點，可列舉波長依存性大、製造步驟複雜等。
但，在小尺寸之畫素中係會發生更大的問題而不得不令人注意到。即，上述之設計需要有物理的空間才能發揮作用。即，事實顯示由於需要極大的幅度，欲適用於小的畫素時則完全不符合實用。最差的情形是會導致透鏡大於畫素。此尺寸極限係取決於入射光之波長，在大部分之情形下，都成為根本性的極限。
[專利文獻1]日本特開2006-74055號公報
[專利文獻2]日本特開2006-351972號公報
概略而言，如上所述，欲使光會聚於變得愈來愈小之畫素內之問題，已達到標準的晶片微型透鏡技術所不能克服之地步。
其結果，此問題在若干之情形下，會使混色之程度增大，雖未達到不能作顏色及色調之區別的階段，但已到極端難以區別之程度。
此情形主要係由於縱橫比減少，使得光由入射之畫素向周圍之畫素漏出所致，在大的畫素之設計中不會發生任何問題之入射角已不能應用於小的畫素尺寸。
值得特別一提的是，入射角係依照使光會聚於影像感測器之表面之攝像機透鏡的設定而加以變化。此係決定於此外部會聚系統之所謂F值之參數。
事實上，藉由限制可使用之入射角，係會限制到可使用之外部透鏡之型式，並限制到前述影像感測器所能使用之系統。
雖然在大的畫素及大的縱橫比中，此入射角之限制也會存在，但其值卻是更大。
有必要區別顏色，且有必要在元件中內建彩色濾光片之問題係由如上述構造之物理的尺寸所引起。
此問題係由於製造影像元件之標準上可接受之方法的基本設計所引起。僅需藉由改變感測器之基本設計，即可解決此等問題。
在此，參照圖15具體地說明有關上述之問題。
圖15A及圖15B係分別表示畫素之上下方向之剖面。圖15A係表示大尺寸畫素之剖面圖，圖15B係表示小尺寸畫素之剖面圖，且表示各畫素之高度相同。
在各圖中，51表示形成受光元件之光電二極體之矽基板，52表示層間之絕緣層等，53表示彩色濾光片，54表示晶片微型透鏡。又，大的箭號55表示以由垂直方向稍微偏斜之角度入射之光。構造內部之錐體狀之形狀係表示光經過晶片微型透鏡54而加以會聚之情形。
在圖15A所示之大尺寸之畫素中，斜入射光55在矽基板51之表面之焦點係位於入射之畫素60內。
另一方面，在圖15B所示之更小尺寸之畫素中，在矽基板51之表面上的焦點之位置，係位於具有入射之紅色R之彩色濾光片53的畫素60A外，且進入相鄰之具有綠色G之彩色濾光片53之畫素60B中。
又，實際上，最近畫素尺寸已由5μm變為1.75μm程度，預期還會進一步縮小，故本圖所示相當保守。
圖15B所示之通過本身之畫素60A之晶片微型透鏡54且進入相鄰之畫素60B之光，並未呈現明快性。即，所得之圖像訊號會變得不明確。
此係表示畫素尺寸之減少已面臨困境，即使最高度地活用晶片微型透鏡，其特性也不能改善。即，表示超過某種角度時，晶片微型透鏡便不能修正角度之意。
為解決上述之問題，在本發明中係提供一種即使畫素尺寸變小，也可不發生混色之構成之固體攝像元件及其製造方法、電子機器及電子機器之製造方法。
本發明之固體攝像元件及電子機器係包含：基體，其係在每1畫素具有受光部；及棒狀構件，其係在各畫素之受光部之上方分別設有1支以上，且由透光之材料所構成。
本發明之固體攝像元件及電子機器之製造方法係包含：在基體形成各畫素之受光部之步驟；在基體之上方形成由透光之材料所構成之層之步驟；及對此層進行加工，而在各畫素之受光部之上方分別形成1支以上之棒狀構件之步驟。
依據上述之本發明之固體攝像元件及電子機器之構成，由於設有由透光之材料所構成之棒狀構件，故可使入射於各畫素之棒狀構件之光射向下方，並以高的傳導率將其引導至形成在符合之畫素下方之基體的受光部。
藉此，可抑制入射於棒狀構件之光進入鄰接之畫素，並抑制混色之發生。
依據上述之本發明之固體攝像元件及電子機器之製造方法，由於對由透光之材料所構成之層進行加工而在各畫素之受光部之上方形成棒狀構件，故可較容易地製造可抑制混色之發生之上述之本發明之固體攝像元件及電子機器。
 [發明之效果]
依據上述之本發明，可抑制混色之發生而改善固體攝像元件之特性。
又，依據本發明，即使在小的畫素尺寸下，也可不發生混色。
首先，在說明本發明之具體的實施型態之前，先說明本發明之概要。
在本發明固體攝像元件及電子機器中，在各畫素中，設置由透光之材料所構成之棒狀(桿狀)構件，以取代晶片微型透鏡。棒狀構件係用於將入射光引導至光電二極體等之受光部，由透光之材料所構成。
在此，與圖15所示同樣地，在以往之設有晶片微型透鏡之構造、與本發明之設有棒狀構件之構造中，比較光斜斜地入射之動態而將其表示於圖4。
圖4A係表示以往之設有晶片微型透鏡之構造，圖4B係表示本發明之設有棒狀構件之構造。畫素之寬度、與矽基板及絕緣層之厚度分別相同。
在圖4A所示之以往之設有晶片微型透鏡之情形，斜斜地入射之光55以錐體狀被晶片微型透鏡54會聚於矽基板51之表面時，可能由晶片微型透鏡54之某一畫素60R漏出而進入相鄰之畫素60G。
因此，有必要施行訊號處理，以便從此相鄰之畫素60G之峰值增益中嚴格地減掉接受自畫素60R之混色之大小。
在圖4B所示之設有棒狀構件之情形，斜斜地入射之光20分別進入個別之棒狀構件(以下稱為桿)3，沿著此桿3之長度方向(即上下方向)被引導。此時，會同時與最鄰近之桿3發生相互作用，使向斜方向傾斜之光回到未傾斜之狀態。如此可引導入射光之大部分在其原來之畫素內進入矽基板1。
藉此，可獲得非常高之正確之峰值增益。
因此，與以往之晶片微型透鏡之情形相比，可抑制混色之發生，改善固體攝像元件之特性。
又，設有圖4B所示之棒狀構件之情形，入射角進一步增大時，光也會進入相鄰之畫素，故存在有入射角之上限。
但，與以往之晶片微型透鏡之情形相比，入射角之上限變得相當大，故可顯著改善元件。
又，圖4係以2維構造說明發生之現象，但在實際之固體攝像元件中，係呈現3維構造，各畫素係被鄰接之8個畫素所包圍。
棒狀構件(桿)3之剖面形狀可形成圓形、矩形、六角形、及其他種種之形狀。
若能進行桿3之形成，則桿3之剖面形狀不受特別限定。
又，桿3之徑及寬無論在上下方向一樣(大致一定)或上下有差異均無妨。
棒狀構件(桿)3例如可在形成桿3之材料(透光之材料)之層後，藉由各向異性蝕刻等將此層加工成棒狀而容易地予以製作。
棒狀構件(桿)3過低時，導光之效果會減弱，故桿3需要某種程度之高度。典型的範圍為300nm以上。
另一方面，桿3之高度之上限係依存於蝕刻技術及桿3之製作方法。採用不良之製作方法時，會產生帶有某種程度之角度之錐狀桿3，並不理想。
而，桿3之高度之最典型之值為0.5μm~6μm之範圍。
每1畫素之桿3之支數主要依存於該畫素之大小，在幾乎大部分之情形，桿3儘可能地擠入畫素上時，被認為可獲得更良好之結果。
但，在若干之情形下，在各畫素之端緣部分設置200nm程度之無桿3之自由區域時，可促進良好之響應。
1畫素設有數支桿3時在同一畫素內所鄰接之桿3之間之空間大小係依照鄰接之桿3之間之耦合強度加以設定。
鄰接之桿3之間之耦合過強時，光已無法再區別個別之桿3，會將所有的桿當作1個連在一起之大桿3加以處理。此當然會被辨識為桿3之寬度變大，故會損及必要之波長依存性。
另一方面，在空間上，鄰接之桿3過於遠離意味著會浪費可使用之影像感測器之表面之區域。
因此，在同一畫素內所鄰接之桿3之間之空間之大小中會產生平衡，通常為50~200nm之範圍，最適當之情形，使用100nm之空間。
另外，桿會因桿3之徑及寬等，即因水平方向之尺寸而具有使對應於該尺寸之波長域之光穿透之特性。
因此，在同一畫素內將桿3之水平方向之尺寸設定為同一尺寸，並使其因畫素而有某種程度之差異時，便可與以往之彩色濾光片同樣地，在各畫素設定受光之光之波長域(例如R,G,B之1色)。而，藉由設置穿透之光之波長域相異之數種桿3，且規則地配置具有各種桿3之畫素時，與以往之彩色濾光片同樣地，可獲得彩色圖像。
接著，說明本發明之具體的實施型態。
首先，圖1係表示本發明之固體攝像元件之第1實施型態之概略構成圖(剖面圖)。
本實施型態係表示將本發明適用於CMOS型固體攝像元件之情形。
雖未圖示，但此固體攝像元件係在矽基板1內，在各畫素10B、10G、10R形成有包含光電二極體之受光部所構成。
雖未圖示，但在矽基板1，另外形成有畫素內之MOS電晶體(電荷之轉送電晶體、放大電晶體、畫素之選擇電晶體等)及周邊電路之MOS電晶體。
在矽基板1之上方，於絕緣層2中，形成有3層布線層5。
此等布線層5係連接畫素10B、10G、10R之光電二極體及未圖示之電晶體、周邊電路及外部之金屬布線。而，如圖中箭號所示，光通過此等布線層5之間而入射於矽基板1中之受光部(光電二極體)。
又，在絕緣層2與矽基板1之間，為防止在矽基板1之表面之光之反射，設有防止反射層7。
又，絕緣層2雖以1層顯示，但也有由材料及形成方法相異之複數絕緣層所構成之情形。
在本實施型態之固體攝像元件中，尤其在各畫素10B、10G、10R之上部表面，設有由透光之材料所構成之棒狀構件(桿)3。
此桿3係與水平面垂直地，向上下方向延伸而形成。
如此，由於在各畫素10B、10G、10R設有桿3，故如圖4B所說明，可利用桿3將入射之光導向下方之受光部。
作為桿3之材料，可使用SiO2 ,SiN,SiON,SiC、金屬氧化物、聚碳酸酯(PC)樹脂、丙烯酸樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、光阻材料等。
最好使用不僅可透光，且可容易形成希望之桿3之形狀之材料。
如前所述，桿3係在形成作為桿3之材料之透光之材料之層之後，藉由各向異性蝕刻等將此層加工成棒狀而容易地予以製作。
在桿3之下有選擇層4。此選擇層4係以與桿3相同之材質所構成，可促進由桿3向矽基板1之導光。
此選擇層4在上述各向異性蝕刻等加工成棒狀之際，可藉由不加工達到下層而局部殘留最下部所形成。
另外，在選擇層4與其下層之絕緣層2之間，設有調合折射率用之層6。
又，在本實施型態之固體攝像元件中，在藍B之畫素10B形成4條細的桿3，在綠G之畫素10G形成3條略粗的桿3，在紅R之畫素10R形成3條更粗的桿3。即，對應於畫素之顏色，改變桿3之粗度(即寬及徑等之水平方向之尺寸)及支數。另一方面，同一畫素內之3支或4支桿3係形成同一粗度。
桿3之粗度對應於受光部所受光之色光之波長域，在接受波長較長之光之紅R之畫素10R形成粗的桿3，在綠G之畫素10G、藍B之畫素10B，隨著所受之光之波長之變短，桿3之粗度也逐漸變小。
如此，對應於各畫素10B、10G、10R之受光部所受之色光之波長域而將桿3之粗度設定為3種。藉此，因桿3之粗度而具有波長域之選擇性，故可使桿3具有彩色濾光片之功能。而，藉由規則地配置具有各種桿3之畫素，可施行彩色圖像之檢測。
在此，如圖1所示，將使桿3之粗度對應於受光部所受之3色之光R,G,B之波長之情形之各桿3之響應之波長分佈(光譜)表示於圖5。
由圖5可知，異於帶通濾波器之通常之彩色濾光片，在桿3之情形，可響應作為濾除長波長側之濾光片。
此意味著藉由減去各色之濾光片之響應值，可產生色訊號。即，為獲得實際之紅色訊號，只要從紅色畫素之響應值中減去綠色畫素之響應值即可。
形成桿3之此構成之有利之點在於：紅色畫素之響應值為白色之響應值，即全色之響應值，可提高對低的亮度之感測器之感度。另外，在於：與標準的影像感測器對稱地，藍色畫素之雜訊最少。再者，在於：已不需要外部之紅外濾除濾光片。
此構成之缺點在於：由於減去各響應值，故加入雜訊之可能性會提高，此點有必要加以注意。
在圖1中，因表示桿3之剖面圖，故未能顯示桿3之剖面形狀。如前所述，桿3之剖面形狀可形成圓形、矩形、六角形等任意之形狀。其中，將桿3之剖面形狀為圓形之情形之要部之立體圖表示於圖2，將桿3之剖面形狀為矩形(角型桿)之情形之要部之立體圖表示於圖3。
在圖2及圖3中，表示畫素之色排列為3色B,G,R之條狀之情形之綠G之畫素全體、與左右之藍B及紅R之畫素之一部分，表示2列之畫素。
在圖2及圖3中，在綠G之畫素中，設有縱橫各3支合計9支之桿3。
桿3以外之構成，在圖2及圖3均與圖1同。
桿3之剖面形狀為圖3所示之矩形(角型桿)之情形比桿3之剖面形狀為圖2所示之圓形之情形更為理想。藉由形成剖面形狀為矩形之角型桿，可良好地控制桿3之相互作用。另外，可減低圓形狀之桿所生之虛反射引起之光量之損耗而可由相鄰之桿幾乎全部地拾取虛反射形成之反射光。
為良好地施行桿3之波長域之選擇性，例如，如以下說明之方式設定桿3之寬或直徑。
在紅R之畫素10R，例如，設有寬或直徑為610nm程度之桿3。
但，最適之桿3之寬或直徑會因固體攝像元件之外部之攝像機透鏡之F值與通過攝像機透鏡後之光之入射角度之平均而變化，在影像感測器之端部之畫素中，為補償入射角度，設定於低值。
因此，桿3之寬或直徑之最適之範圍為550nm~620nm。
在綠G之畫素10G，例如，設有寬或直徑為560nm程度之桿3。
但，最適之桿3之寬或直徑會因固體攝像元件之外部之攝像機透鏡之F值與通過攝像機透鏡後之光之入射角度之平均而變化，在影像感測器之端部之畫素中，為補償入射角度，設定於低值。
因此，桿3之寬或直徑之最適之範圍為480nm~570nm。
在藍B之畫素10B，例如，設有寬或直徑為470nm程度之桿3。
但，最適之桿3之寬或直徑會因固體攝像元件之外部之攝像機透鏡之F值與通過攝像機透鏡後之光之入射角度之平均而變化，在影像感測器之端部之畫素中，為補償入射角度，設定於低值。
因此，桿3之寬或直徑之最適之範圍為420nm~480nm。
依據上述之本實施型態之固體攝像元件，在各畫素10B、10G、10R之上部表面，設有由透光之材料所構成之棒狀構件(桿)3。可藉由此桿3，使入射於各畫素之桿3之光射向下方，故可以高的傳導率將其引導至形成在符合之畫素下方之矽基板1之受光部。
藉此，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，並抑制混色之發生。
又，依據本實施型態之固體攝像元件，對應於各畫素10B、10G、10R之受光部所受之色光之波長域而將桿3之粗度設定為3種。因此，桿3會因粗度而具有波長域之選擇性，故可使桿3具有彩色濾光片之功能。
藉此，如圖1所示，即使無以往設置之彩色濾光片之層，也可篩選顏色。
而，可縮短桿3與矽基板1之間之距離相當於無彩色濾光片之層之部分，從此觀點言之，也可抑制混色之發生。
因此，可抑制混色之發生而改善固體攝像元件之特性。
又，在小的畫素尺寸下，也可達成不發生混色。
又，在圖2及圖3中，將畫素之色排列設定為3色B,G,R之條狀，但也可採用拜爾排列等其他之色排列。
接著，以下揭示若干本發明固體攝像元件之其他之實施型態。
其次，圖6係表示本發明之固體攝像元件之第2實施型態之概略剖面圖。
本實施型態係除了圖1所示之前實施型態之構成以外，採用進一步在絕緣層2之內部之布線層5之上方設有層內透鏡8之構成。
層內透鏡8之上面為凸面，下面為平面。藉此，可進一步會聚由上方之桿3入射於層內透鏡8之光而將其引導至矽基板1之受光部。
在層內透鏡8，使用折射率高於周圍之絕緣膜2之材料。
又，周圍之絕緣膜2也有形成為材料及形成方法因層內透鏡之下層與層內透鏡之上層而異之絕緣層之情形。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。又，即使無以往設置之彩色濾光片之層，也可篩選顏色。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，在桿3與矽基板1之間設有層內透鏡8，可利用層內透鏡8會聚來自桿3之光而增加入射於受光部之光量。
又，在圖6中，雖揭示層內透鏡8之上面為凸面，下面為平面，但只要能發生使入射之光會聚之透鏡作用，層內透鏡之上下面形成其他之形狀也無妨、例如，可考慮採用上面為平面，下面為凸面之構成，或上面及下面均為凸面之構成。
其次，圖7係表示本發明之固體攝像元件之第3實施型態之概略剖面圖。
本實施型態係除了圖1所示之前實施型態之構成以外，採用進一步在絕緣層2之內部之含布線層5之間之部分設有光導波路9之構成。
光導波路9係在絕緣層2內挖溝而埋設於該溝之內部所構成。
光導波路9之材料中，最好使用折射率與周圍之絕緣層2大異之材料。光導波路9與周圍之絕緣層2之折射率之差異愈大時，導波效果愈好。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。又，即使無以往設置之彩色濾光片之層，也可篩選顏色。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，在桿3與矽基板1之間設有光導波路9，故可藉由光導波路9導光，而增加入射於受光部之光量。
即，在本實施型態中，可獲得與圖6所示之第2實施型態之層內透鏡8大致同樣之效果。另外，相對於圖6之層內透鏡8設置於布線層5之上方，本實施型態之光導波路9係形成連部線層5之間也包含進去，故可進一步減低全體之高度。藉由如此減低全體之高度，也可改善混色之問題。
又，即使在小於可形成層內透鏡8之畫素尺寸之極限之畫素尺寸下，也可形成光導波路9，故可適用於比第2實施型態更小之畫素尺寸。
其次，圖8係表示本發明之固體攝像元件之第4實施型態之概略剖面圖。
在前面之實施型態中，布線層5均設在矽基板1之上方。即，採用使光由布線層5之側照射於受光部之表面照射型之構造。
對此，在本實施型態中，布線層5係設在矽基板1之下方，採用使光由與布線層5相反之側照射於受光部之背面照射型之構造。
布線層5與周圍之絕緣層2位於矽基板1之下方，在桿3之下之選擇層4之更下方之調合折射率用之層6、與矽基板1之間，設有鈍化層12。又，在鈍化層12與矽基板1之間，設有調合折射率用之層11，在鈍化層12之上下有調合折射率用之層6、11。
其他之構成與圖1~圖3所示之實施型態相同，故省略重複說明。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面各實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。又，即使無以往設置之彩色濾光片之層，也可篩選顏色。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，由於在與入射光之桿3相反側設有布線層5，故矽基板1與桿3之距離變近。藉此，可進一步減低混色。
而，來自桿3之輸出幾乎大部分可直接進入矽基板1之表面，可提高光之利用效率。
又，因可簡化由桿3至矽基板1之構成，故不會受到畫素尺寸之限制。因此，也可適用於極端小之畫素尺寸。
其次，圖9係表示本發明之固體攝像元件之第5實施型態之概略剖面圖。
在本實施型態中，除了與圖8所示之第4實施型態之構成以外，設有與以往同樣之彩色濾光片。
具體上，在選擇層4與調合折射率用之層6之間設有3色B,G,R之彩色濾光片13。
其他之構成與圖8所示之第4實施型態相同，故省略重複說明。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，由於除了與圖8所示之第4實施型態之構成以外，設有3色B,G,R之彩色濾光片13，故可利用各彩色濾光片13施行全部或一部分之色篩選。
藉此，可併用桿3與彩色濾光片13而可更明確地施行色篩選。
但，在本實施型態之構成中，由於加上桿3與矽基板1之間之高度相當於彩色濾光片13之部分，故難以適用於可適用圖8所示之第4實施型態之構成之極端小之畫素尺寸。
又，是否採用與彩色濾光片13之併用方式也取決於認為是否需要施行何種程度之色篩選之用途。
又，併用桿3與彩色濾光片13之構成也可適用於圖1、圖6、圖7所示之各實施型態之構成。
其次，圖10係表示本發明之固體攝像元件之第6實施型態之概略剖面圖。
在本實施型態中，除了與圖8所示之第4實施型態之構成以外，以異於桿3之材料(填料)14填埋桿3之周圍。
作為填埋桿3之周圍之材料14，可考慮使用如聚合物(高分子材料)之類之具有適切之可見光之穿透性之材料。
其他之構成與圖8所示之第4實施型態相同，故省略重複說明。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。又，即使無以往設置之彩色濾光片之層，也可篩選顏色。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，由於以其他之材料14填埋桿3之周圍，故可物理地固定桿3，使用時可保護細的桿3使其免於破損而可維持桿3。
又，以其他之材料14填埋桿3之周圍之構成也可適用於圖1、圖6、圖7、圖8、圖9所示之各實施型態之構成。
其次，圖11係表示本發明之固體攝像元件之第7實施型態之概略剖面圖。
在本實施型態中，除了與圖8所示之第4實施型態之構成以外，以對應於每1畫素之3色B,G,R之彩色濾光片材料15填埋桿3之周圍。
其他之構成與圖8所示之第4實施型態相同，故省略重複說明。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，由於以彩色濾光片材料15填埋桿3之周圍，故可物理地固定桿3，使用時可保護細的桿3使其免於破損而可維持桿3。
又，可藉由3色B,G,R之彩色濾光片材料15施行全部或一部分之色篩選。藉此，可併用桿3與彩色濾光片材料15而可更明確地施行色篩選。
在此構成中之填埋桿之周圍(成為填料)之彩色濾光片材料15不會有增大由表面至形成受光部之矽基板1之高度之缺點，具有可提高色辨識能力之有利而顯著之效果。
又，以彩色濾光片材料15填埋桿3之周圍之構成也可適用於圖1、圖6、圖7、圖8所示之各實施型態之構成。
在本發明中，棒狀構件(桿)以外之部分採用何種構造亦係依據畫素尺寸及其構造之適用性而定。
又，如獲得黑白圖像用之固體攝像元件及專門受光檢測紅外光之固體攝像元件一般，在無必要抽出色資訊之固體攝像元件中，可在感測器全體中，形成共通之桿3，即形成同一尺寸之桿3。
例如，在獲得黑白圖像用之固體攝像元件之情形，在各畫素中，設有寬或直徑為610nm程度之尺寸之桿3。
但，最適之桿3之寬或直徑會因固體攝像元件之外部之攝像機透鏡之F值與通過攝像機透鏡後之光之入射角度之平均而變化，在影像感測器之端部之畫素中，為補償入射角度，設定於低值。
因此，桿3之寬或直徑之最適之範圍為590nm~640nm。
以下，進一步揭示上述各實施型態之構成之變形之實施型態。
圖12係表示本發明之固體攝像元件之第8實施型態之概略構成圖(放大剖面圖)。
在本實施型態中，相對於圖1所示之第1實施型態，在各桿3之間(無桿3之部分)之選擇層4之上設置具有高反射率之反射層16。
作為此反射層16之材料，可列舉如Al,Au,W之金屬、或如SiN,SiC,TiO2 之高折射率材料、或其他之同樣之氧化物。
又，可在由反射率相異之複數種膜積層所構成之多層膜中，使用反射率高者作為反射層16。
如此，藉由設置反射層16，看起來似乎會失去可使用作為感測器之表面區域。但在幾乎大部分之情形中，最初由反射層16反射之光可再使用於相鄰之桿3而使其射向矽基板1之受光部，故可提高光之利用效率。
其他之構成與圖1所示之第1實施型態相同，故省略重複說明。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面之實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，除了圖1所示之第1實施型態之構成以外，藉由在桿3之間之部分設置反射層16，可使入射於反射層16之光再使用於相鄰之桿3。藉此，可提高光之利用效率。
又，在桿3之間之部分設置反射層16之構成也可適用於第2~第7之各實施型態之構成。如第6及第7之各實施型態一般，以填料14、15填埋桿3之間之情形，將反射層16設於填料14、15與選擇層4之間。
圖13係表示本發明之固體攝像元件之第9實施型態之概略構成圖(放大剖面圖)。
在本實施型態中，相對於圖12所示之第8實施型態，在各桿3之上面，設有具有桿3之材料與周圍之材料(例如空氣)之中間之折射率之材料所構成之折射調整層17。
在本實施型態中，此折射調整層17僅形成於桿3之上面。
此折射調整層17之典型的材料為SiON,SiO2 ,CaF,MgF,LiF。例如可藉由將此等材料塗佈於桿3之上面而形成折射調整層17。
又，為進一步增加送入桿3中之光量，在桿3之側面，也可與上面同樣地設置折射調整層17。但，此情形，也有減弱對桿3之光之耦合，而降低導光效率之缺點。
依據本實施型態之固體攝像元件，與前面實施型態之固體攝像元件同樣地，可抑制入射於桿3之光進入鄰接之畫素，抑制混色之發生。
另外，依據本實施型態之固體攝像元件，除了與圖12所示之第8實施型態之構成以外，在桿3之上面設有具有桿3之材料與周圍之材料(例如空氣)之中間之折射率之材料所構成之折射調整層17。因此，可抑制入射於折射調整層17之光被反射，可使更多光入射於桿3。藉此，可進一步提高光之利用效率。
又，在桿3之上面及側面設置折射調整層17之構成也可適用於未設置反射層16之第2~第7之各實施型態之構成。又，也可組合第2~第7之各實施型態之構成、與設置第9實施型態之反射層16及折射調整層17之構成。如第6及第7實施型態一般，以填料(埋入材料14或彩色濾光片材料15等)填埋桿3之間之情形，採用使折射調整層17具有桿3與填料之間之折射率之構成。
本發明尤其在不足2μm之小的畫素之影像感測器中，可改善影像感測器之特性，維持良好之特性。
當然，本發明由於可藉由棒狀構件(桿)將入射光有效地導向受光部，故在大的畫素之影像感測器中也相當有用。
本發明所得之主要的改善係畫素間之混色之減低。
又，本發明所得之其他的改善係沿著影像感測器之對角線之遮光特性之改善。
在此，以一方作為具有以往之標準的晶片微型透鏡之構造，另一方作為具有本發明之桿之構造，而以相同之畫素尺寸準備此等2種構造之平均的影像感測器。而，測定此等影像感測器之遮光量，具體而言，測定光入射於光電二極體之位置偏離光電二極體之中心之量。圖14係表示測定結果。圖14之橫軸表示以影像感測器之攝像區域之中心部為0時之測定處之位置x，圖14之縱軸表示遮光量。
理想上，在影像感測器之晶片全體中，應該可獲得相同之一定響應值。
但，隨著其畫素之位置趨向接近於晶片之端部，入射角度會更趨向於銳角，光入射之位置對畫素中心之偏離會增大，使得畫素之峰值增益逐漸減少。
另一方面，在畫素設計及/或外部透鏡之F值不適切之情形，此峰值增益之減少變得非常大，故不能利用通常之方法加以修正，影像感測器之晶片變得不能用。
由圖14可知，具有晶片微型透鏡之構造(LENS)之情形，由於晶片上之位置x在+側及-側，其絕對值增大，可看到大的落差。此表示由於畫素尺寸之縮小，標準的透鏡構造之光學的設計已無法加以補償。
對此，如圖14所見，藉由採用具有簡單之桿3之構造(RODS)，可在相同之畫素尺寸下謀求大的改善。
圖16係本發明之各實施型態例之攝像機之區塊圖。本實施型態之攝像機係可施行靜止畫攝影或動畫攝影之視頻攝像機之例。
本實施型態之攝像機係藉由形成或安裝而具有本案發明之CCD、CMOS感測器、CMD等所代表之固體攝像元件101、光學系110、機械快門裝置111、訊號處理電路112。
光學系110係使來自被照體之像光(入射光)在固體攝像元件101之攝像面上成像。藉此，在一定期間將該訊號電荷蓄積於固體攝像元件101內。
機械快門裝置111係控制對固體攝像元件101之光照射期間及遮光期間。
訊號處理電路112係施行各種訊號處理。被施行訊號處理之影像訊號係記憶於記憶體等之記憶媒體，或輸出至監視器。
在上述實施型態中，雖列舉將檢知對應於可見光之光量之訊號電荷作為物理量之單位畫素配置成行列狀所構成之固體攝像元件101之情形為例而予以說明，但，本發明並不限於對固體攝像元件101之適用，可適用於在畫素陣列部之每1畫素行配置行電路而構成之行式固體攝像裝置之全般。
又，本發明並不限於對檢知可見光之入射光量之分佈而攝像作為圖像之固體攝像裝置之適用，可適用於攝像紅外線或X線或粒子等之入射量之分佈作為圖像之固體攝像裝置、及在廣義之意義上，檢知壓力或靜電電容等其他物理量之分佈而攝像作為圖像之指紋檢測感側器等之固體攝像裝置(物理量分佈檢知裝置)之全般。
另外，本發明並不限於以列單位依序掃描畫素陣列部之各單位畫素而由各單位畫素讀出畫素訊號之固體攝像裝置，也可適用於以畫素單位選擇任意畫素而由該選擇畫素以畫素單位讀出訊號之X-Y位址型之固體攝像裝置。
又，固體攝像裝置既可為形成作為單晶片之型態，也可為將攝像部、訊號處理部或光學系匯總而封裝成具有攝像功能之模組狀之型態。
又，本發明並不限於對固體攝像裝置之適用，也可適用於攝像裝置。在此，所謂攝像裝置，係指數位靜物攝像機及視頻攝像機等攝像機系統、及行動電話等具有攝像功能之電子機器。又，也有裝載於電子機器之上述模組狀之型態，即以攝像機模組作為攝像裝置之情形。
在視頻攝像機及數位靜物攝像機、甚至於適合於行動電話等之行動機器之攝像機模組等之攝像裝置中，使用前述之實施型態之固體攝像元件101作為其固體攝像裝置時，在該固體攝像元件101中，可利用簡單之構成獲得良質之圖像。
在上述各實施型態中，雖說明將本發明適用於CMOS型固體攝像元件(CMOS影像感測器)之情形，但本發明也可適用於其他構成之固體攝像元件。例如，也同樣可將本發明適用於CCD固體攝像元件(CCD影像感測器)。
在上述各實施型態中，雖採用在矽基板1形成由光電二極體所構成之受光部之構成，但在本發明中，形成受光部之基體並不限定於矽基板1。例如，也可將本發明適用於矽以外之半導體所構成之半導體基板、及在半導體基板上形成半導體磊晶層之半導體基體等。
本發明並不限定於上述之實施型態，在不脫離本發明之要旨之範圍內，可採取其他各式各樣之構成。
1．．．矽基板
2．．．絕緣層
3．．．棒狀構件(桿)
4．．．選擇層
5．．．布線層
7．．．防止反射層
8．．．層內透鏡
9．．．光導波路
10B、10G、10R．．．畫素
11．．．鈍化層
13．．．彩色濾光片
15．．．彩色濾光片材料
16．．．反射層
17．．．折射調整層
圖1係本發明之固體攝像元件之第1實施型態之概略構成圖(剖面圖)。
圖2係桿之剖面形狀為圓形之圖1之固體攝像元件之要部之立體圖；
圖3係桿之剖面形狀為矩形(角型桿)之圖1之固體攝像元件之要部之立體圖；
圖4A、B係比較利用2種構造混色之混色狀態所示之圖；
圖5係使桿之粗度對應於3色之光之波長之情形之各桿之響應波長分佈(光譜)之圖；
圖6係本發明之固體攝像元件之第2實施型態之概略剖面圖；
圖7係本發明之固體攝像元件之第3實施型態之概略剖面圖；
圖8係本發明之固體攝像元件之第4實施型態之概略剖面圖；
圖9係本發明之固體攝像元件之第5實施型態之概略剖面圖；
圖10係本發明之固體攝像元件之第6實施型態之概略剖面圖；
圖11係本發明之固體攝像元件之第7實施型態之概略剖面圖；
圖12係本發明之固體攝像元件之第8實施型態之概略構成圖(放大剖面圖)；
圖13係本發明之固體攝像元件之第9實施型態之概略構成圖(放大剖面圖)；
圖14係表示採取2種構造相同之畫素尺寸之平均的影像感測器中之遮光量之測定結果之圖；
圖15A、B係說明對縱橫比及混色之畫素尺寸之影響之圖；及
圖16係本發明之實施型態之攝像機之區塊圖。
1．．．矽基板
2．．．絕緣層
3．．．棒狀構件(桿)
4．．．選擇層
5．．．布線層
6．．．調合折射率用之層
7．．．防止反射層
10B、10G、10R．．．畫素
B．．．藍
G．．．綠
R．．．紅

Claims (13)

  1. 一種固體攝像元件，其係包含：基體，其係在每個畫素具有受光部；及棒狀構件，其係在各前述畫素之前述受光部之上方分別設有1支以上，且由透光之材料所構成；且前述棒狀構件具有穿透之光之波長域因水平方向之尺寸差異而不同的複數種類，且同一畫素內之前述棒狀構件為同一尺寸，且具有各種類之前述棒狀構件之畫素係規則地予以配置。
  2. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含彩色濾光片，其係設置於各前述畫素之前述棒狀構件與前述基體之間，且就每個前述畫素選定特定色。
  3. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含透鏡，其係設於各前述畫素之前述棒狀構件與前述基體之間，用以會聚入射之光。
  4. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含光導波路，其係設於各前述畫素之前述棒狀構件與前述基體之間，用以將入射之光引導至前述受光部。
  5. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含與前述棒狀構件不同之材料，其係埋在前述棒狀構件之周圍。
  6. 如請求項5之固體攝像元件，其中前述相異之材料係就每個前述畫素選定特定色之彩色濾光片。
  7. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含反射層，其係設於前述棒狀構件之間之部分，用以反射光。
  8. 如請求項1之固體攝像元件，其中進一步包含一層，其係設於前述棒狀構件之至少上面，且由具有折射率介於前述棒狀構件之材料與周圍材料中間的材料所構成。
  9. 如請求項1之固體攝像元件，其中前述棒狀構件之剖面形狀係圓形或矩形。
  10. 如請求項1之固體攝像元件，其中所有前述畫素的前述棒狀構件係同一尺寸。
  11. 一種固體攝像元件之製造方法，其係包含：在基體形成各畫素之受光部之步驟；在前述基體之上方形成由透光之材料所構成之層之步驟；及對前述由透光之材料所構成之層進行加工，而在各畫素之前述受光部之上方分別形成1支以上之棒狀構件之步驟；且前述棒狀構件具有穿透之光之波長域因水平方向之尺寸差異而不同的複數種類，且同一畫素內之前述棒狀構件為同一尺寸，且具有各種類之前述棒狀構件之畫素係規則地予以配置。
  12. 一種電子機器，其係包含：基體，其係在每個畫素具有受光部；棒狀構件，其係在各前述畫素之前述受光部之上方分別設有1支以上，且由透光之材料所構成；及訊號處理電路；且前述棒狀構件具有穿透之光之波長域因水平方向之尺 寸差異而不同的複數種類，且同一畫素內之前述棒狀構件為同一尺寸，且具有各種類之前述棒狀構件之畫素係規則地予以配置。
  13. 一種電子機器之製造方法，其係包含：在基體形成各畫素之受光部之步驟；在前述基體之上方，形成由透光之材料所構成之層之步驟；對前述由透光之材料所構成之層進行加工，而在各畫素之前述受光部之上方分別形成1支以上之棒狀構件之步驟；及形成或安裝訊號處理電路之步驟；且前述棒狀構件具有穿透之光之波長域因水平方向之尺寸差異而不同的複數種類，且同一畫素內之前述棒狀構件為同一尺寸，且具有各種類之前述棒狀構件之畫素係規則地予以配置。
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