TWI472023B - 成像器件及成像裝置 - Google Patents

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Description

成像器件及成像裝置
本發明係關於一種成像器件及一種成像裝置，且具體言之，係關於一種可實現較高效能之一種成像器件及一種成像裝置。
在相關技術中，在對物件成像之電子器件(諸如，數位靜態相機、攝錄影機或攜帶型資訊終端機之相機)中，已主要使用CCD(電荷耦合器件)類型或CMOS(互補金氧半導體)類型之固態影像感測器件。此等固態影像感測器件藉由光電轉換將進入具有光敏度之各別像素之光子轉換成電子或電洞，且累積該等電子或電洞作為信號電荷，且將所得量之電荷轉換成類比或數位資料，且將類比或數位資料輸出至器件之外部。接著，記錄基於數位資料之二維或三維影像，且重現所記錄之影像。
大體而言，固態影像感測器件具有在特定電磁波長頻帶中之敏感度。在可見光波長範圍中，有機分子材料可罕見地用於CCD或CMOS固態影像感測器件，然而，器件通常係基於矽來製造。歸因於矽之能帶隙，基於矽之固態影像感測器件具有對短於近紅外線之波長(約1.1 μm)之波長的敏感度。矽具有以下特性：每單位厚度之吸收係數對於可見光波長至近紅外線波長範圍中之較長波長而變小，且短波長光(藍光)主要被吸收於矽之淺部分中，具體言之，在約0.2 μm之深度處。相比之下，未充分地吸收長波長光(紅光)，除非厚度(深度)為2 μm至3 μm或3 μm以上。
另一方面，像素大小由於以下各種因素而正變得愈來愈小：像素之數目隨著固態影像感測器件之較高解析度而增加、相機模組之小型化、功率消耗之減少、製造單位成本之降低等。近來，單一像素之典型大小已為具有約1.4 μm×1.4 μm之孔隙的微像素。亦即，在微像素中，在深度方向上之厚度大於像素之平面孔隙大小。換言之，像素具有一結構，該結構具有相對於平面大小在深度方向上較大之縱橫比。結果，存在鄰近像素中之傾斜入射光分量之混合的顯著風險，及歸因於色彩混合之色彩重現性降低的關鍵問題。
在CMOS固態影像感測器件(已在近來且迅速地增加其代替CCD固態影像感測器件而作為固態影像感測器件之市場佔有率)中，在光電轉換器件之孔隙之上部分中通常提供約兩個或三個信號佈線層。稱作前側照明(FSI)之像素結構之情況等同於在信號佈線線路之間具有井形孔隙之結構。因此，入射光之不可忽視之分量由佈線層反射或散射，且有效孔隙比隨著像素大小變小而變低。
作為突破該情形之技術，背側照明(BSI)結構被視為有效的。在背側照明結構中，由於光自矽後表面輻射，因此入射光有效率地到達光電轉換器件而未由金屬佈線線路反射或散射，且可實現具有極高敏感度之影像感測器。
舉例而言，製造具有背側照明結構之影像感測器件之各種方法已揭示於專利文獻1至4(JP-A-2005-268738、JP-A-2005-353631、JP-A-2006-54263及JP-A-2006-80457)中。
然而，背側照明感測器具有特定於背側結構之問題。為了吸收紅光或近紅外線波長光，至少2 μm至3 μm之矽基板厚度係必要的，且另一方面，單一像素之孔隙大小常為1 μm至2 μm之微像素。因此，傾斜入射光分量在像素之間的器件隔離區域中經光電轉換，其電荷經累積作為鄰近像素之光電二極體部分中的電荷，且該等分量因此變為色彩混合分量。此等分量引起影像品質之惡化。
因此，專利文獻5(JP-A-2009-65098)已揭示一種藉由使用將光阻擋部件嵌入於像素之間的像素結構作為多種措施之一實例來改良光阻擋效能之方法。
另一方面，以下問題仍為未解決之問題：紅色及近紅外線的長波長分量中之一些透射穿過作為光電轉換部分之矽層，且經透射之分量在感測器底表面與絕緣膜之間的界面(在氧化矽膜層與氮化物膜層之間的界面)上反射，且發生至鄰近像素之色彩混合。在該情形下，為了減少歸因於像素大小之微型化的色彩混合之影響且改良影像品質，改良每單位厚度之光吸收效率以有效率地光電轉換長波長分量之光(甚至在矽之淺部分中)且提供用於減少在矽與絕緣膜之間的界面上之反射之像素結構為重要的。
近來，已提議一種應用導體結構作為固態影像感測器件之彩色濾光片或利用該結構以達成固態影像感測器件之較高敏感度之方法，在該導體結構中以預定週期性間隔二維地提供微導體粒子。
此處，首先將定性且大體地解釋光輻射於微導體粒子上時之回應。
圖1展示沿著X軸線性偏振之入射光在Z軸方向上自上側輻射至微導體粒子之狀態。
在圖1之左側，展示沿著XZ平面之剖視圖，且入射光在平行於XZ平面之表面內振動。另外，在圖1之右側，展示沿著YZ平面之剖視圖，且入射光在垂直於YZ平面之表面內振動。
此處，由於光為電磁波，因此在入射光已輻射至之微導體粒子中，產生歸因於金屬粒子回應於入射光之偏振之電磁場與入射光耦合(局部化電漿子)之狀態。另外，當微導體粒子充分小於光波長時，局部電漿子表現得如同電偶極。如上所述，由於入射光(入射電磁波)為沿著X軸的線性偏振之光，因此描述8字形之偶極輻射產生於XZ平面上，且同心電磁輻射場產生於YZ平面上(如圖1中所展示)。
接下來，參看圖2，將解釋入射光輻射至以相等間隔排列於二維平面上之微導體粒子的狀態。
在圖2之上側，示意性地展示自單一微導體粒子輻射之偶極輻射散佈於YZ平面上之狀態。在此情況下，微導體粒子為單個的，且波前同心地散佈於微導體粒子周圍。
在圖2之下側，入射光輻射至以入射光之約一半波長的間隔排列之微導體粒子的狀態。在以該方式提供微導體粒子之情況下，電磁波之干擾發生於鄰近微導體粒子之間。亦即，自上側進入之入射光可視為在鄰近微導體粒子之間處於同一相位中，且由各別微導體粒子輻射之偶極輻射在鄰近微導體粒子之間幾乎處於同一相位中。另一方面，微導體粒子之間的間隔為約一半波長，且由各別微導體粒子輻射之偶極輻射在XY平面內具有180度之相位差。
具體言之，在圖2中，自右方微導體粒子之電磁波之相位由實線展示，且自左方微導體粒子之電磁波之相位由虛線展示。由於此等電磁波之干擾，至XY平面之輻射場在相位上相反且被抵銷。因此，當在宏觀上查看微導體粒子以相等間隔排列於二維平面上之導體結構時，具有在垂直方向上之方向性的電磁波被輻射。
近來，已作了關於導體結構之各種報告。
舉例而言，在非專利文獻1(Ebbesen,T. W.等人，Nature，第391卷，第6668期，第667-669頁，1998)中，已報告了光輻射至具有孔陣列形狀之導體結構，在孔陣列形狀中，週期性孔隙(孔)以子波長間隔排列於具有在紫外線波長範圍中之電漿頻率的金屬薄膜(諸如，銀(Ag)、鋁(Al)或金(Au))上，或展現島狀物陣列形狀，該島狀物陣列形狀具有諸如點或島形結構之子波長週期性結構、歸因於導體薄膜之性質及結構的特殊光回應特性(諸如，異常透射)。
另外，在非專利文獻2(P. B. Catrysse及B. A. Wandell，J. Opt. Soc. Am. A，第20卷，第12期，第2293-2306頁，2003)中，已報告了導體結構充當彩色濾光片，其藉由變化孔陣列形狀之孔隙直徑或孔隙直徑間隔或島狀物陣列形狀之精細粒子間隔來選擇性地透射特定波長。此外，在非專利文獻3及4(Salomon,L.等人，Physical Review Letters，第86卷，第6期，第1110-1113頁，2001；及Krishnan,A.等人，Optics Communications，第200卷，第1-6期，第1-7頁，2001)中，已建議放大之近場光存在於導體結構附近且其電場強度比正常傳播之光之電場強度大經放大之若干數位。
此外，專利文獻6至8(JP-A-2006-210620、JP-A-2008-177191及國際公開案第2008/082569號小冊子)已揭示使用導體結構作為固態影像感測器件之彩色濾光片(此係因為可將此等導體結構應用為彩色濾光片)之發明。另外，專利文獻9及10(JP-A-2009-147326及JP-A-2009-38352)已揭示一種藉由在光電二極體之上表面上提供導體精細粒子之二維週期性結構來改良每單位厚度之光吸收效率且提供對固態影像感測器件之較高敏感度的方法。
此處，圖3展示具有導體結構之在相關技術中之固態影像感測器件的組態實例。
如圖3中所展示，固態影像感測器件11包括自上側順序地堆疊之一晶片上微透鏡12、一彩色濾光片層13、一導體結構層14、一光電二極體層15及一信號佈線層16。
舉例而言，導體結構層14具有一結構(島狀物陣列結構)，其中由諸如鋁或銀之導體材料製成的作為微導體粒子之島狀物18以子波長間隔二維地排列於由介電材料製成之介電層17內。如圖3中所展示，在相關技術中，導體結構層14具有單一層結構，其中僅形成具有二維排列之島狀物18之一個微粒子層。
應注意，作為導體結構層14，可使用藉由倒置島狀物陣列結構形成之孔陣列結構(亦即，孔排列於由導體材料製成之薄膜中之結構)。
在具有上述組態之固態影像感測器件11中，藉由使導體結構層14之島狀物(或孔)之間隔最佳化，可將導體結構層14用作彩色濾光片。應注意，當將導體結構層14用作彩色濾光片時，可省略含有有機分子或顏料之彩色濾光片層13。
另外，在固態影像感測器件11中，可藉由使用存在於導體結構層14附近之近場光改良矽基板之每單位厚度之吸收效率來實現較高敏感度。
如上所述，例如，在相關技術中之固態影像感測器件中，已使用導體結構層實現較高敏感度，然而，需要固態影像感測器件之較高效能。
因此，需要實現較高效能。
根據本發明之一實施例的一種成像器件包括：一光電轉換層，在該光電轉換層中將所接收之光轉換成電荷的光電轉換器件係以一平面方式排列；及一導體結構層，其提供於該光電轉換層之一上部結構或一下表面上，且藉由在與該等光電轉換器件之光接收表面平行的一平面內堆疊具有呈預定週期性間隔之雙凹結構之導體金屬的複數個導體層來形成。
根據本發明之另一實施例的一種成像裝置包括一成像器件，該成像器件具有一光電轉換層，在該光電轉換層中將所接收之光轉換成電荷的光電轉換器件係以一平面方式排列；及一導體結構層，其提供於該光電轉換層之一上表面或一下表面上，且藉由在與該等光電轉換器件之光接收表面平行的一平面內堆疊具有呈預定週期性間隔之雙凹結構之導體金屬的複數個導體層來形成。
在本發明之該等實施例中，該導體結構層係藉由在與該等光電轉換器件之光接收表面平行的一平面內堆疊具有呈預定週期性間隔之雙凹結構之導體金屬的複數個導體層來形成。
根據本發明之實施例，可實現具有較高效能之成像器件及成像裝置。
如下，將參看圖式詳細解釋本發明適用之特定實施例。
圖4為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第一實施例之示意性剖視圖。
圖4展示將導體結構層黏著於背側照明(BSI)CMOS固態影像感測器件上之組態實例，且提取並展示對應於三個像素之部分。
固態影像感測器件21包括自上側順序地堆疊之一晶片上微透鏡22、一彩色濾光片層23、一導體結構層(電漿子諧振器層)24、一光電二極體層25及一信號佈線層26。
晶片上微透鏡22為用於將光有效率地導引至光電二極體層25之光學器件。彩色濾光片層23含有選擇性地透射三種原色(例如，紅色、藍色、綠色或其類似者)之可見光波長分量的有機分子或顏料。
導體結構層24具有一結構(島狀物陣列結構)，其中由諸如鋁或銀之導體材料製成的作為微導體粒子之島狀物28以子波長間隔二維地排列於由介電材料製成之介電層27內。在導體結構層24中，與圖3中之導體結構層14不同，形成作為二維地排列有島狀物28-1之層的微粒子層29-1及作為二維地排列有島狀物28-2之層的微粒子層29-2。亦即，當導體結構層14具有僅形成一個微粒子層之單一層結構時，導體結構層24具有形成微粒子層29-1及微粒子層29-2之多層結構。
光電二極體層25為將所接收之光轉換成電荷之光電轉換層。另外，在光電二極體層25中，鄰近光電二極體由STI(淺溝槽隔離)或其類似者之氧化膜或EDI結構或CION結構(藉由雜質之植入)電隔離。
信號佈線層26為提供用於讀取在光電二極體層25中累積之電荷之佈線線路30的層。
如上所述，在固態影像感測器件21中，將導體結構層24提供於光電二極體層25上，且關於由晶片上微透鏡22聚焦之光，所要波長分量由彩色濾光片層23選擇，且接著，經透射之光到達導體結構層24。
此處，導體結構層24之週期性結構針對對應於由各別對應的光電轉換器件偵測之電磁波長(回應於週期而設定為最佳的)之週期而最佳化。舉例而言，在對應於紅色彩色濾光片提供於彩色濾光片層23中之像素的導體結構層24中，藉由以對應於紅色波長(λ=650 nm)之週期性間隔二維地排列島狀物28-1及28-2來形成微粒子層29-1及29-2。另外，在對應於藍色彩色濾光片及綠色彩色濾光片提供於彩色濾光片層23中之像素的導體結構層24中，回應於藍色波長(λ=400 nm)及綠色波長(λ=550 nm)類似地形成微粒子層29-1及29-2。
此外，因為導體結構層24具有多層結構，所以近場光及在導體結構層24附近產生之偶極輻射場具有方向性。藉此，到達導體結構層24之經透射之光有效率地向下導引(在電磁波之傳播方向上)且由光電二極體層25光電轉換。接著，經由在信號佈線層26中提供之佈線線路30將在光電二極體層25中藉由光電轉換產生之載流子作為像素信號輸出至固態影像感測器件21之外部。
應注意，作為形成微粒子層29-1及29-2之微粒子的島狀物28-1及28-2由具有在短於可見光波長之波長範圍中的電漿頻率之元素(諸如，鋁或銀或含有該等元素之化合物)製成。另外，在偵測波長頻帶限於紅色波長或近紅外線之情況下，可使用具有在可見光波長範圍中之電漿頻率的金屬(諸如，金或銅)。
接下來，參看圖5，將解釋導體結構層24之微粒子層29-1及微粒子層29-2之光回應特性。
圖5展示沿著微粒子層29-1及微粒子層29-2之YZ平面之剖視圖，且入射光沿著Z軸方向自圖5之上側輻射，且入射光在垂直於YZ平面之平面內振動。
在導體結構層24中，微粒子層29-1及微粒子層29-2經置放，使得其間之間隔可為入射電磁波長之1/4波長。亦即，將微粒子層29-2置放成在自圖5之上側進入的光行進之方向上相對於微粒子層29-1偏移1/4波長。
此處，將藉由將注意力聚焦於形成微粒子層29-1之島狀物28-1之預定島狀物28-1a及形成微粒子層29-2之島狀物28-2之預定島狀物28-2a來進行解釋。
由於在入射電磁波之行進方向上的島狀物28-1a與島狀物28-2a之間的間隔為1/4波長，因此自島狀物28-2a之輻射引起相對於自島狀物28-1a之輻射異相90度的與光之表面局部化電漿子諧振。因此，認為自島狀物28-1a之輻射場類似地相對於自島狀物28-2a之輻射場異相90度。
因此，在自島狀物28-1a之電場之相位P1與自島狀物28-2a之電場之相位P2之間存在90度之相位差。藉此，當疊置相位P1及P2時，在與入射電磁波之行進方向相反之方向上(圖5中，向上)的輻射分量被抵銷，此係因為相位差為180度。另一方面，在沿著入射電磁波之行進方向之方向上(圖5中，向下)的輻射分量同相且經放大。
此處，需要使形成微粒子層29-2之島狀物28-2之大小形成為稍小於形成微粒子層29-1之島狀物28-1之大小。藉由使島狀物28-2小於島狀物28-1，可使島狀物28-2之傳導性小於島狀物28-1之傳導性。
亦即，自導體結構層24之上側進入的光產生與微粒子層29-1之相互作用，且產生電漿子，且當由電漿子產生之光輻射至微粒子層29-2時，藉由使微粒子層29-2之傳導性等於或小於微粒子層29-1之傳導性，可防止相位反轉。結果，在入射電磁波之行進方向(圖5中，自頂部至底部之方向)上傳播之光在同一相位中行進。
另一方面，在微粒子層29-2中產生之電磁波亦在微粒子層29-1之方向上傳播。然而，由於微粒子層29-1之傳導性大於微粒子層29-2之傳導性，因此當自微粒子層29-2之電磁波輻射至微粒子層29-1時，發生相位反轉。結果，自全面的觀點看來，如上所述，自島狀物28-2之輻射引起相對於自島狀物28-1之輻射異相90度的與光之表面局部化電漿子諧振。
另外，在導體結構層24包括三個微粒子層29-1至29-3之情況下，需要第三微粒子層29-3之島狀物28-3小於第二微粒子層29-2之島狀物28-2，且至少，其幾乎處於相同大小係必要的。類似地，在導體結構層24包括N(N為等於三或三以上之整數)個微粒子層29-1至29-N之情況下，需要第N個微粒子層29-N之島狀物28-N小於第(N-1)個微粒子層29-(N-1)之島狀物28-(N-1)，且至少，其幾乎處於相同大小係必要的。
亦即，如已參看圖2所解釋，由於作為微導體粒子之島狀物28顯現於二維平面中之結構，因此可減少至XY平面之輻射。類似地，如圖5中所展示，由於島狀物28之多層結構、在Z方向上之輻射，因此可減少在與入射電磁波之行進方向相反的方向上之輻射。
結果，在導體結構層24中，可減小自上側進入之光之反射比，且可改良光透射效率。
接下來，將參看圖6至圖8解釋導體結構層24之組態實例。
圖6展示在六種導體結構層24a至24f之單一層中之XY平面結構。
導體結構層24a為圓形(圓柱形)島狀物28a以相等間隔按正交矩陣排列成與XY軸正交之組態實例。導體結構層24b為圓形(圓柱形)島狀物28b以相等間隔按蜂巢幾何形狀排列之組態實例，且因為鄰近島狀物28之間隔為各向同性的，所以該排列係較佳的。另外，較佳使用如島狀物28a及28b之圓形微導體粒子，然而，可使用不同於圓形形狀之形狀，例如，球形形狀或橢圓形形狀。
此外，例如，導體結構層24c為六邊形(六邊形柱形)島狀物28c以相等間隔按正交矩陣排列之組態實例，且導體結構層24d為六邊形島狀物28d以相等間隔按蜂巢幾何形狀排列之組態實例。類似地，可使用呈諸如三角形(三稜柱)或矩形(四稜柱)之多邊形柱形形狀之島狀物。
另外，導體結構層24e為十字形島狀物28e以相等間隔按正交矩陣排列之組態實例，且導體結構層24f為星形島狀物28f以相等間隔按蜂巢幾何形狀排列之組態實例。如上所述，可使用在特定方向上呈具有凹凸結構之形狀的島狀物。
此處，島狀物28之典型大小為約20 nm至100 nm，且各別鄰近島狀物28之間的間隔為在一介質中之光之波長的約一半。亦即，在導體結構層24用於可見光波長範圍中之情況下，較佳地，當透射穿過導體結構層24之光為藍光(λ=400 nm)時，各別鄰近島狀物28之間的基本間隔為400 nm/η。
類似地，較佳地，當透射穿過導體結構層24之光為綠光(λ=550 nm)時，鄰近島狀物28之間的基本間隔為550 nm/η。另外，較佳地，當透射穿過導體結構層24之光為紅光(λ=650 nm)時，鄰近島狀物28之間的基本間隔為650 nm/η。此處，η為在嵌入有導體結構層24之介質中的有效折射率。應注意，此等間隔嚴格地具有自上述值之一半至兩倍的設計自由度，此係因為光學性質取決於島狀物28之材料、厚度、大小或其類似者而改變。
接下來，圖7展示四種導體結構層24g至24j之剖視結構(層壓結構)。
導體結構層24g為微粒子層29-1之各別島狀物28-1排列於微粒子層29-2之各別島狀物28-2正上方的組態實例，且該組態可為較佳的。另外，導體結構層24h為微粒子層29-1之各別島狀物28-1相對於微粒子層29-2之各別島狀物28-2偏移地(交替地)排列之組態實例，且可使用該組態。此外，如上所述，需要微粒子層29-2之島狀物28-2之大小等於或稍小於微粒子層29-1之島狀物28-1之大小。
導體結構層24i為形成三個微粒子層29-1至29-3且各別島狀物28-1排列於各別島狀物28-2正上方且各別島狀物28-2排列於各別島狀物28-3正上方之組態實例。如上所述，在三層結構之情況下，亦需要島狀物28-2之大小等於或稍小於島狀物28-1之大小且島狀物28-3之大小等於或稍小於島狀物28-2之大小。
另外，導體結構層24j為形成三個微粒子層29-1至29-3且對應於微粒子層29-1之島狀物28-1的微粒子層29-2之島狀物28-2朝向內部移位之組態實例。此外，對應於微粒子層29-2之島狀物28-2的微粒子層29-3之島狀物28-3朝向內部移位。如上所述，藉由使在下層側處之島狀物28朝向內側移位，自上側之入射光可向內彎曲，且可提供作為聚焦器件之功能。
接下來，圖8立體地展示形成導體結構層24之各別島狀物28之位置關係。
島狀物28在尺寸及厚度上之大小較佳地設定至約10 nm至100 nm。包括島狀物28-1之微粒子層29-1與包括島狀物28-2之微粒子層29-2之間的層距離D1較佳為偵測波長之四分之一波長(λ/4)。應注意，由於層距離D1具有設計自由度，因此距離可特定地在約一半波長(λ/2)至波長之八分之一(λ/8)之範圍中。
鄰近島狀物28-1之間的距離D2為偵測波長之約一半波長，且可藉由使距離D2最佳化來選擇所要電磁波長。另外，較佳地，鄰近島狀物28-2之間的距離D3等於鄰近島狀物28-1之間的距離D2或小於距離D2。此外，較佳地，島狀物28-2之大小等於或小於島狀物28-1之大小。
應注意，圖8中展示具有兩層結構之導體結構層，然而，在具有三個或三個以上層之導體結構層中，第一微粒子層29-1與第二微粒子層29-2之間的關係與第(N-1)個微粒子層29-(N-1)與第N個微粒子層29-N之間的關係相等。
在以上描述中，已解釋了使用以預定週期性間隔二維地排列作為微導體粒子之島狀物28之島狀物陣列結構的導體結構層24，然而，作為導體結構層，可使用以預定週期性間隔將孔(孔隙)二維地排列於導體薄膜上之孔陣列結構。
接下來，圖9為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第二實施例之示意性剖視圖。在圖9中，如在圖4中之固態影像感測器件21，展示藉由在背側照明CMOS固態影像感測器件上黏著導體結構層而形成之固態影像感測器件21A。
如在圖4中之固態影像感測器件21，固態影像感測器件21A包括自上側順序地堆疊之一晶片上微透鏡22、一彩色濾光片層23A、一導體結構層24、一光電二極體層25及一信號佈線層26。此處，形成固態影像感測器件21A之晶片上微透鏡22、導體結構層24、光電二極體層25及信號佈線層26與圖4中之固態影像感測器件21之對應的各別層相同，且將省略其詳細解釋。
亦即，在固態影像感測器件21A中，彩色濾光片層23A具有與固態影像感測器件21之彩色濾光片層23之組態不同的組態。彩色濾光片層23A具有鋁或其類似物之導體薄膜31，且導體薄膜31具有孔以預定週期性間隔二維地排列且充當金屬濾光片之孔陣列結構。在導體薄膜31之孔陣列結構中，孔間隔較佳地幾乎等於偵測波長。
如上所述，藉由在彩色濾光片層23A中使用導體薄膜31，與使用有機分子或顏料之情況相比，可抑制惡化。在圖9中之固態影像感測器件21A中，將彩色濾光片層23A提供於導體結構層24上，然而，可將導體結構層24提供於彩色濾光片層23A上。
接下來，圖10為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第三實施例之示意性剖視圖。在圖10中，如在圖4中之固態影像感測器件21，展示藉由在背側照明CMOS固態影像感測器件上黏著導體結構層而形成之固態影像感測器件21B。
固態影像感測器件21B包括自上側順序地堆疊之一晶片上微透鏡22、一彩色濾光片層23、一光電二極體層25、一導體結構層24及一信號佈線層26。此處，形成固態影像感測器件21B之各別層與圖4中之固態影像感測器件21之對應的各別層相同，且將省略其詳細解釋。
亦即，在固態影像感測器件21B中，與固態影像感測器件21不同，將導體結構層24提供於光電二極體層25下。
如上所述，藉由將導體結構層24提供於光電二極體層25下，可防止在光電二極體層25之下表面上的反射，且可抑制色彩混合之發生。
亦即，由於矽吸收具有自可見光波長至近紅外線波長範圍(380 nm至1100 nm)之敏感度，因此對於具有較長波長之電磁波，吸收係數變得較小，且紅色及近紅外線波長分量透射穿過光電二極體層25。就此而言，在將信號佈線層26提供於光電二極體層25下方之組態中，在界面上反射之分量可在鄰近像素中混合，且引起色彩混合。另一方面，藉由將導體結構層24提供於光電二極體層25下，雖然該等分量在單一層金屬薄膜上反射，但可允許經反射之分量相互界接且抵銷，且可抑制歸因於在界面上之反射的上述色彩混合之發生。
接下來，圖11為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第四實施例之示意性剖視圖。在圖11中，如在圖4中之固態影像感測器件21，展示藉由在背側照明CMOS固態影像感測器件上黏著導體結構層而形成之固態影像感測器件21C。
固態影像感測器件21C包括自上側順序地堆疊之一晶片上微透鏡22、一彩色濾光片層23、一導體結構層24C及一光電二極體層25。此處，固態影像感測器件21C之晶片上微透鏡22、彩色濾光片層23及光電二極體層25與圖4中之固態影像感測器件21之對應的各別層相同，且將省略其詳細解釋。
亦即，在固態影像感測器件21C中，與固態影像感測器件21之導體結構層24不同，佈線線路30形成於導體結構層24C中。如上所述，由於佈線線路30與微粒子層29-1及微粒子層29-2一起形成於導體結構層24C中，因此可將歸因於導體結構層24C之添加的製造程序之增加抑制至最小。
接下來，圖12為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第五實施例之示意性剖視圖。在圖12中，如在圖4中之固態影像感測器件21，展示藉由在背側照明CMOS固態影像感測器件上黏著導體結構層而形成之固態影像感測器件21D。
固態影像感測器件21D包括堆疊之一導體結構層24D、一光電二極體層25及一信號佈線層26。此處，固態影像感測器件21D之光電二極體層25及信號佈線層26與圖4中之固態影像感測器件21之對應的各別層相同，且將省略其詳細解釋。
亦即，在固態影像感測器件21D中，導體結構層24D具有與固態影像感測器件21之導體結構層24之組態不同的組態。在固態影像感測器件21D之導體結構層24D中，形成三個微粒子層29-1至29-3。另外，與微粒子層29-1之島狀物28-1之排列相比，朝向中心偏轉微粒子層29-2之島狀物28-2之排列，且與微粒子層29-2之島狀物28-2之排列相比，朝向中心偏轉微粒子層29-3之島狀物28-3之排列。藉由該等排列，自上側進入之光藉由微粒子層29-1至29-3聚焦於光電二極體之中心部分上。
亦即，在固態影像感測器件21D中，由於島狀物28-1至28-3之排列經移位以朝向微粒子層29-1至29-3中之下部層偏轉至光電二極體之中心，因此提供作為晶片上聚焦器件之功能。
接下來，圖13為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第六實施例之示意性剖視圖。在圖13中，如在圖4中之固態影像感測器件21，展示藉由在背側照明CMOS固態影像感測器件上黏著導體結構層而形成之固態影像感測器件21E。
固態影像感測器件21E包括堆疊之一晶片上微透鏡22、一彩色濾光片層23、一導體結構層24E、一光電二極體層25及一信號佈線層26。此處，固態影像感測器件21E之晶片上微透鏡22、彩色濾光片層23、光電二極體層25及信號佈線層26與圖4中之固態影像感測器件21之對應的各別層相同，且將省略其詳細解釋。
亦即，在固態影像感測器件21E中，導體結構層24E具有與固態影像感測器件21之導體結構層24之組態不同的組態。在固態影像感測器件21E之導體結構層24E中，形成兩個微粒子層29-1及29-2。此外，針對每一像素在微粒子層29-1中提供一個島狀物28-1，且針對每一像素在微粒子層29-2中提供一個島狀物28-2。此外，需要微粒子層29-2之島狀物28-2稍小於微粒子層29-1之島狀物28-1。
此處，在微粒子層29中，島狀物28係以基本間隔按二維方式週期性地排列於XY平面上(如上參看圖6描述)，然而，提供於一像素或包括複數個像素之像素區塊內的島狀物28之週期性數目取決於像素大小而增大及減小。舉例而言，在像素大小之一側小於島狀物28之基本間隔之X(此處，X為正整數)倍的情況下，小於X之島狀物之數目可為較佳的。另外，在像素大小之另一側小於島狀物28之基本間隔之Y(此處，Y為正整數且可與X相同或不同)倍的情況下，小於Y之島狀物之數目可為較佳的。因此，在像素大小為微小之情況下，對於X及Y兩者，島狀物之數目可為一，亦即，對於一個像素，僅將一個島狀物28提供於XY平面上。
亦即，當固態影像感測器件21E之像素大小幾乎等於島狀物28之間的基本間隔時，難以關於每一像素在XY平面上顯現複數個島狀物28。因此，在固態影像感測器件21E中，關於每一像素提供一個島狀物28，且形成微粒子層29。應注意，在圖13中，已展示提供兩個微粒子層29-1及29-2之組態實例，然而，可提供三個或三個以上微粒子層。
接下來，圖14為展示具有固態影像感測器件21之成像裝置(數位靜態相機)之組態實例的方塊圖，該固態影像感測器件21具有黏著於其上之導體結構層24。
在圖14中，成像裝置51包括固態影像感測器件21、一透鏡單元52、一A/D(類比/數位)轉換單元53、一DSP(數位信號處理器)54、一成像控制單元55、一透鏡控制單元56、一使用者介面57、一微處理器58、一影像處理單元59、一影像壓縮單元60及一儲存單元61。
固態影像感測器件21具有上述導體結構層24，且經由透鏡單元52聚焦之光(光學資訊)藉由各別像素之光電轉換器件轉換成電荷信號，且輸出至A/D轉換單元53。
透鏡單元52具有包括變焦透鏡、成像透鏡等之複數個透鏡之透鏡群組，且將來自物件(圖中未展示)之光(影像資訊)聚焦於固態影像感測器件21之光接收表面上。A/D轉換單元53將自固態影像感測器件21之各別像素輸出的電荷信號轉換成對應於像素之所接收之光強度的數位信號值，且將其輸出作為像素資料。DSP 54藉由對自A/D轉換單元53輸出之像素資料執行藉由解馬賽克進行之影像校正及γ校正、白平衡或其類似者之信號處理來建立影像，且將影像資料供應至成像控制單元55。
成像控制單元55執行對成像裝置51之各別區塊之控制。舉例而言，若表示使用者操作快門按鈕(圖中未展示)之控制信號經由使用者介面57及微處理器58供應至成像控制單元55，則成像控制單元55將自DSP 54輸出之影像資料供應至影像處理單元59且對其執行影像處理，將資料供應至影像壓縮單元60且將其壓縮，且接著，根據使用者控制將資料供應至儲存單元61以供儲存。
若表示使用者操作變焦控制桿(圖中未展示)之控制信號經由使用者介面57及微處理器58供應，則透鏡控制單元56驅動透鏡單元52以根據使用者控制調整變焦因數(zoom factor)。
若使用者操作一操作部分(圖中未展示)，則使用者介面57回應於使用者之操作而獲取一控制信號，且將其供應至微處理器58。微處理器58將來自使用者介面57之控制信號供應至適合於控制之區塊。
影像處理單元59對自DSP 54輸出之影像資料執行雜訊移除或其類似者之影像處理。影像壓縮單元60對由影像處理單元59進行影像處理之影像資料執行藉由JPEG格式或MPEG格式之壓縮處理。
儲存單元61具有快閃記憶體(例如，EEPROM(電子可抹除且可程式化唯讀記憶體)或其類似者)之儲存部分，且儲存由影像壓縮單元60進行壓縮處理之影像資料。另外，儲存於儲存單元61中之影像資料可經由磁碟機(圖中未展示)轉移至外部媒體62或經由通信埠(圖中未展示)上載至網際網路63。
如上所述，藉由將伴隨著作為形成導體結構層24之微導體粒子之島狀物28的表面局部化電漿子之性質應用至固態影像感測器件21，可實現固態影像感測器件21之較高效能。
舉例而言，藉由導體結構層24，可改良每單位厚度之矽中的光吸收效率。具體言之，紅色波長或近紅外線分量在形成光電二極體層25之矽之淺部分中有效率地經光電轉換。藉此，長波長分量之光電轉換效率可由較薄之矽膜基板或等於相關技術中之基板厚度的基板厚度改良。
另外，由於紅色波長或近紅外線分量在矽之淺部分中經光電轉換，因此可抑制傾斜地進入固態影像感測器件21之光接收表面的入射光進入鄰域像素，且可減少歸因於至鄰域像素中之色彩混合之發生的對影像之不利效應。
此外，在將導體結構層24用作彩色濾光片之情況下，與相關技術中使用有機化合物或顏料之彩色濾光片相比，可使彩色濾光片層自身在高度上較短。此外，由於導體結構層24係由金屬形成，因此可改良對耐受外部刺激(諸如，紫外線或其類似者)之耐久性。此外，在導體結構層24中，經透射之波長可由實體結構設定，且可實現經最佳化以用於任意波長之彩色濾光片。
另外，在導體結構層24中，由於微粒子層29經堆疊，因此與導體結構層24具有單一層結構之情況相比，藉由在伴隨著導體之近場光及偶極輻射中產生方向性的特性，可獲得透射率之改良及反射之減少的優勢。此外，使用該等特性，藉由將導體結構層24提供於光電二極體層25上，可改良入射光強度。此外，使用該等特性，藉由將導體結構層24提供於光電二極體層25下，可防止透射穿過光電二極體層25之分量之反射及倒轉。
此外，如在圖12中之導體結構層24D中所展示，可實現作為將自上側進入之光聚焦於中心上的晶片上聚焦器件之功能。
接下來，圖15為展示具有顯示面板之信號指示裝置之組態實例的方塊圖，該顯示面板具有黏著於其上之導體結構層24。
在信號指示裝置71中，表示影像資料之影像信號自影像輸入單元72輸入，暫時地儲存於緩衝器記憶體73中，且接著適當地載入於影像處理單元74中且經影像處理。由影像處理單元74進行影像處理之影像資料由影像壓縮單元75進行壓縮處理，且儲存於儲存單元76中或經由磁碟機(圖中未展示)轉移至記錄媒體77。另外，當使用者操作一操作單元(圖中未展示)時輸入之控制信號經由使用者介面78及微處理器79供應至信號指示裝置71內之各別單元。
此外，藉由背光控制單元80及時序控制單元81之控制，將由影像處理單元74進行影像處理之影像資料繪製於顯示面板82上。顯示面板82包括一背光83、一光發射面板84、一濾光片陣列85及一顯示單元86。在顯示面板82中，背光83及光發射面板84回應於背光控制單元80及時序控制單元81而發射光，且藉此，經由用於所要色彩之顯示之濾光片陣列85將影像顯示於顯示單元86上。
此處，在信號指示裝置71中，可將導體結構層24用作形成顯示面板82之濾光片陣列85及背光83之抗反射膜。
接下來，圖16為展示具有光信號偵測單元之資訊通信裝置之組態實例的方塊圖，該光信號偵測單元具有黏著於其上之導體結構層24。
舉例而言，在資訊通信裝置91中，表示影像資料之輸入之光信號由光信號偵測單元92之光電轉換器件偵測，且經轉換成電信號且供應至影像處理單元93。由影像處理單元93進行影像處理之影像資料接著由影像壓縮單元94進行影像壓縮，且儲存於儲存單元95中或經由磁碟機(圖中未展示)轉移至記錄媒體96。另外，當使用者操作一操作單元(圖中未展示)時輸入之控制信號經由使用者介面97及微處理器98供應至資訊通信裝置91內之各別單元。
此外，由影像處理單元93進行影像處理之影像資料暫時地儲存於緩衝器記憶體99中，且接著，適當地載入於LED(發光二極體)光源控制單元100中。LED光源控制單元100控制光信號透射單元101以將資料作為輸出光信號傳輸至外部。
此處，在資訊通信裝置91中，導體結構層24可用於光信號偵測單元92之光電轉換器件之光接收表面上，且光信號之光接收效率可由導體結構層24之抗反射功能改良。
接下來，將解釋形成導體結構層24之微粒子層29之製造方法。
首先，在作為基板之光接收表面上製造絕緣層，且藉由濺鍍(PVD：物理氣相沈積)將鋁之金屬層沈積於整個表面上。接著，將光罩沈積於在整個表面上沈積之金屬層上。可將正型光阻用於光罩，且塗覆且烘烤該光阻。
接著，藉由減少之投影曝露，將回應於形成微粒子層29之島狀物28的導體圖案轉印至光阻。為了轉印導體圖案，使用ArF(氟化氬)雷射、F2準分子雷射、極紫外線微影(EUVL)、電子投影微影、X射線微影或其適合於在高解析度下工作之類似者的微影可為較佳的。此外，可使用直接藉由電子束繪製圖案(draw)之電子束微影。
接著，藉由反應性離子蝕刻移除不必要之金屬區域，且藉此，實現具有所要導體圖案之微粒子層29。
另外，在堆疊兩個、三個或三個以上微粒子層29之情況下，可重複執行上述步驟，且藉此，可製造具有層壓結構之導體結構層24。
作為另一工作方法，可使用如下方法：使用熱循環奈米壓模、光奈米壓模或其類似者執行微製造、用金屬層填充由微製造形成之凹槽部分且對表面進行拋光。
另外，只要微粒子層29可以高準確度實現，則該方法不限於上述方法。此外，在上述方法中，已解釋黏著使用鋁之導體結構層24(其用作CMOS固態影像感測器件之典型製造程序中之信號佈線層及光阻擋層)之方法，然而，可使用不同於鋁之導體(例如，銀或其類似者)。
此外，導體結構層24基本上具有經由氧化矽膜或氮化矽膜之絕緣層將多個微粒子層29堆疊於固態影像感測器件21之光偵測器件表面上的結構。光偵測器件不限於CMOS固態影像感測器件，且顯然，可使用CCD固態影像感測器件或具有光電轉換功能之任意器件。此外，光電轉換器件之結構及製造方法為已知技術，且將省略詳細解釋。
另外，除了成像裝置51之外，亦可將固態影像感測器件21應用於具有成像器件之攝錄影機或資訊終端機裝置。
此處，在此說明書中，電漿子諧振器不僅包括作為導體金屬粒子之島狀物28藉由微製造以按預定週期性間隔形成之結構(其已參看圖4加以解釋)，且亦包括孔(通孔或非通孔)藉由微製造形成之導體金屬之結構，且其被稱作具有以預定週期性間隔排列之凹凸結構之導體金屬結構。亦即，僅電漿子諧振器具有孔或島狀物以預定週期性間隔重複地排列之圖案結構為必要的。應注意，電漿子諧振器可不僅藉由二維地排列孔或島狀物，而且(例如)藉由一維排列(線性排列)孔或島狀物來形成。
本發明之實施例不限於上述實施例，且可在不脫離本發明之範疇的情況下進行各種改變。
本發明含有與在於2010年9月15日在日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP 2010-206850中揭示之標的有關的標的，該申請案之全部內容在此被以引用之方式併入。
11．．．固態影像感測器件
12．．．晶片上微透鏡
13．．．彩色濾光片層
14．．．導體結構層
15．．．光電二極體層
16．．．信號佈線層
17．．．介電層
18．．．島狀物
21．．．固態影像感測器件
21A．．．固態影像感測器件
21B．．．固態影像感測器件
21C．．．固態影像感測器件
21D．．．固態影像感測器件
21E．．．固態影像感測器件
22．．．晶片上微透鏡
23．．．彩色濾光片層
23A．．．彩色濾光片層
24．．．導體結構層
24C．．．導體結構層
24D．．．導體結構層
24E．．．導體結構層
24a．．．導體結構層
24b．．．導體結構層
24c．．．導體結構層
24d．．．導體結構層
24e．．．導體結構層
24f．．．導體結構層
24g．．．導體結構層
24h．．．導體結構層
24i．．．導體結構層
24j．．．導體結構層
25．．．光電二極體層
26．．．信號佈線層
27．．．介電層
28-1．．．島狀物
28-1a．．．島狀物
28-2．．．島狀物
28-2a．．．島狀物
28-3．．．島狀物
28a．．．圓形(圓柱形)島狀物
28b．．．圓形(圓柱形)島狀物
28c．．．六邊形(六邊形柱形)島狀物
28d．．．六邊形島狀物
28e．．．十字形島狀物
28f．．．星形島狀物
29-1．．．微粒子層
29-2．．．微粒子層
29-3．．．微粒子層
30．．．佈線線路
51．．．成像裝置
52．．．透鏡單元
53．．．A/D(類比/數位)轉換單元
54．．．DSP(數位信號處理器)
55．．．成像控制單元
56．．．透鏡控制單元
57．．．使用者介面
58．．．微處理器
59．．．影像處理單元
60．．．影像壓縮單元
61．．．儲存單元
62．．．外部媒體
63．．．網際網路
71．．．信號指示裝置
72．．．影像輸入單元
73．．．緩衝器記憶體
74．．．影像處理單元
75．．．影像壓縮單元
76．．．儲存單元
77．．．記錄媒體
78．．．使用者介面
79．．．微處理器
80．．．背光控制單元
81．．．時序控制單元
82．．．顯示面板
83．．．背光
84．．．光發射面板
85．．．濾光片陣列
86．．．顯示單元
91．．．資訊通信裝置
92．．．光信號偵測單元
93．．．影像處理單元
94．．．影像壓縮單元
95．．．儲存單元
96．．．記錄媒體
97．．．使用者介面
98．．．微處理器
99．．．緩衝器記憶體
100．．．LED(發光二極體)光源控制單元
101．．．光信號傳輸單元
D1．．．層距離
D2．．．距離
D3．．．距離
P1．．．相位
P2．．．相位
圖1為用於解釋當光輻射至微導體粒子時之回應的圖。
圖2為用於解釋當光輻射至以相等間隔排列於二維平面上之微導體粒子時之回應的圖。
圖3為展示在相關技術中的具有導體結構之固態影像感測器件之組態實例的方塊圖。
圖4為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第一實施例之示意性剖視圖。
圖5為用於解釋導體結構層之兩個微粒子層之光回應特性的圖。
圖6展示在六種導體結構層之單一層中之XY平面結構。
圖7展示四種導體結構層之剖視結構。
圖8立體地展示形成導體結構層之各別島狀物之位置關係。
圖9為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第二實施例之示意性剖視圖。
圖10為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第三實施例之示意性剖視圖。
圖11為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第四實施例之示意性剖視圖。
圖12為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第五實施例之示意性剖視圖。
圖13為展示根據本發明之一實施例的固態影像感測器件之第六實施例之示意性剖視圖。
圖14為展示具有固態影像感測器件之成像裝置之組態實例的方塊圖，該固態影像感測器件具有黏著於其上之導體結構層。
圖15為展示具有顯示面板之信號指示裝置之組態實例的方塊圖，該顯示面板具有黏著於其上之導體結構層。
圖16為展示具有光信號偵測單元之資訊通信裝置之組態實例的方塊圖，該光信號偵測單元具有黏著於其上之導體結構層。
21．．．固態影像感測器件
22．．．晶片上微透鏡
23．．．彩色濾光片層
24．．．導體結構層
25．．．光電二極體層
26．．．信號佈線層
27．．．介電層
28-1．．．島狀物
28-2．．．島狀物
29-1．．．微粒子層
29-2．．．微粒子層
30．．．佈線線路

Claims (7)

  1. 一種成像器件，其包含：一光電轉換層，在該光電轉換層中將所接收之光轉換成電荷之光電轉換器件係以一平面方式排列；及一導體結構層，其提供於該光電轉換層之一上表面或一下表面上，且藉由在與該等光電轉換器件之光接收表面平行的一平面內堆疊具有呈預定週期性間隔之雙凹結構之導體金屬的複數個導體層來形成，其中形成該導體結構層之該複數個導體層係藉由以預定週期性間隔排列按小於在一介質中之一有效電磁波長之尺寸形成的一導體金屬之粒子來形成，且形成第二及後續導體層之該等粒子之該等尺寸經形成為小於在表面側處形成第一導體層之該等粒子之該等尺寸。
  2. 如請求項1之成像器件，其中形成該導體結構層之該複數個導體層之間的距離幾乎等於在一含有該等導體層之介質中的一有效電磁波長或小於該電磁波長。
  3. 如請求項1之成像器件，其中該導體結構層係藉由在一由一絕緣材料製成之絕緣層內提供該等導體層來形成。
  4. 如請求項1之成像器件，其中形成該導體結構層之該導體層具有一小於在一介質中之一有效電磁波長的尺寸，且係藉由以週期性間隔按一二維排列提供具有在一紫外線波長範圍中之一電漿頻率的一導體金屬之粒子來形成，該週期性間隔幾乎等於該電磁波長或小於該電磁波長。
  5. 如請求項1之成像器件，其中在於該光電轉換層中偵測到之一偵測電磁波長為具有長於紅色波長之一波長之電磁波的情況下，形成該導體結構層之該導體層具有一小於在一介質中之一有效電磁波長之尺寸，且係藉由以週期性間隔按一二維排列提供具有在一可見光波長範圍中之一電漿頻率的一導體金屬之粒子來形成，該週期性間隔幾乎等於該偵測電磁波長或小於該偵測電磁波長。
  6. 如請求項1之成像器件，其中形成該導體結構層之該等導體層之該等預定週期性間隔係回應於偵測電磁波長而設定，該偵測電磁波長係關於以該平面方式排列於該光電轉換層中之該複數個光電轉換器件中之每一者而藉由該等各別光電轉換器件來偵測。
  7. 一種成像裝置，其包含一成像器件，該成像器件具有一光電轉換層，在該光電轉換層中將所接收之光轉換成電荷之光電轉換器件係以一平面方式排列；及一導體結構層，其提供於該光電轉換層之一上表面或一下表面上，且藉由在與該等光電轉換器件之光接收表面平行的一平面內堆疊具有呈預定週期性間隔之雙凹結構之導體金屬的複數個導體層來形成，其中形成該導體結構層之該複數個導體層係藉由以預定週期性間隔排列按小於在一介質中之一有效電磁波長之尺寸形成的一導體金屬之粒子來形成，且形成第二及後續導體層之該等粒子之該等尺寸經形成為小於在表面側處形成第一導體層之該等粒子之該等尺寸。
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