固態成像裝置、固態成像裝置的製造方法以及電子設備的製作方法

2023-09-17 01:53:15

專利名稱：固態成像裝置、固態成像裝置的製造方法以及電子設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及固態成像裝置及其製造方法。另外，涉及使用該固態成像裝置的電子 設備。
背景技術：
以往，作為使用於數位照相機或攝像機的固態成像裝置，公知CCD型的固態成像 裝置和CMOS型的固態成像裝置。在這些固態成像裝置中，針對形成為二維矩陣狀的多個像 素中的每個像素形成有受光部，在該受光部中根據受光量產生信號電荷。並且，在受光部中 產生的信號電荷被傳輸和放大，由此獲得圖像信號。近年來，在上述的固態成像裝置中，為了提高入射光匯聚到隨著像素尺寸的細微 化而縮小的受光部的集光效率，在像素的光入射側形成了球面形狀的片上微透鏡或梯度折 射率透鏡(專利文獻1以及專利文獻2)。由此提高了受光部上的入射光的集光效率，並提 高了靈敏度特性。圖20A、圖20B示出了現有例的使用了片上微透鏡的C⑶型固態成像裝置的截面結 構。如圖20A所示，現有例的固態成像裝置100包括形成有受光部102的襯底101、形成 在襯底上的布線層115、形成在布線層115上的濾色器層109以及片上微透鏡110。襯底101由矽襯底構成。受光部102包括光電二極體，在襯底101的期望區域上 呈矩陣狀形成了多個受光部102。另外，在襯底101的與受光部102鄰接的區域內，經由讀 出溝道部105形成有傳輸溝道部103，傳輸電極107形成在該讀出溝道部105以及傳輸溝道 部103上的布線層115中。傳輸電極107經由形成在襯底101上的柵極絕緣膜106形成在 讀出溝道部105以及傳輸溝道部103的上部。另外，雖然沒有圖示，但在布線層115中除傳 輸電極107以外還經由層間絕緣膜形成期望的配線。並且，由包括受光部102、與受光部102鄰接形成的讀出溝道部105以及傳輸溝道 部103的區域構成一個像素，該一個像素通過元件分離區域104與鄰接的像素分離。另外， 片上微透鏡110被形成為球面形狀，以球面形狀構成的該片上微透鏡110被用作集光元件。在上述結構中，射入的光通過球面形狀的片上微透鏡110集光，併入射到受光部 102。在受光部102中通過光電轉換而生成並積累與入射光相應的信號電荷。此外，通過向 傳輸電極107施加電壓，在受光部102中積累的信號電荷經由讀出溝道部105被讀出至傳 輸溝道部103，並沿垂直方向傳輸。在上述現有例的固態成像裝置100中，空氣與片上微透鏡的界面是僅次於矽襯底 101的界面反射的入射光的反射率高的界面。當在反射率高的界面形成了片上微透鏡110 這樣的周期性構造時，如圖20B所示，如果向片上微透鏡表面入射由平行光形成的入射光 k，則各像素的片上微透鏡表面上的反射光將發生幹涉。於是，通過反射光的幹涉而構成反 射衍射光L2。因此如圖20B所示，如果在片上微透鏡110的上方形成了保護玻璃或多層膜型紅 外線截止濾波器等外部元件116，該反射衍射光L2就會被外部元件116反射。然後，反射衍射光L2在外部元件116上反射而形成的衍射光L3再次向受光部102入射。這樣入射的衍 射光L3將造成雜光(ghost)或光斑(flare)。圖21簡要示出了通過現有例的固態成像裝 置100拍攝高亮度的被拍攝體時所獲得的圖像。如圖21所示，當對高亮度的被拍攝體121 進行了拍攝時，如上所述由於片上微透鏡110的周期性構造產生了衍射光L3，並由於該衍射 光「，在高亮度的被拍攝體的周圍形成了雜光122。在專利文獻3中記載了為抑制雜光而將片上微透鏡的厚度形成為難以出現雜光 的厚度的技術。然而，只要在空氣和片上微透鏡的界面上具有周期性構造，就很難大幅度地 抑制光斑或雜光的產生。專利文獻1 日文專利公開公報2004-304148號；專利文獻2 日文專利公開公報2008-10773號；專利文獻3 日文專利公開公報2008-66669號。

發明內容
鑑於上述問題，本發明提供一種抑制光斑或雜光的產生的固態成像裝置以及該固 態成像裝置的製造方法。另外，提供使用了該固態成像裝置的電子設備。本發明的固態成像裝置包括受光部、片上微透鏡以及平坦化透鏡層。受光部形成 在襯底上，並生成與入射光相應的信號電荷。另外，片上微透鏡是形成在受光部上的光入射 側的矩形形狀或梯度折射率的透鏡。平坦化透鏡層是覆蓋片上微透鏡並以使光入射的面平 坦的方式形成的透鏡。在本實施方式例子的固態成像裝置中，由於在片上微透鏡上部形成平坦化透鏡 層，因此在與空氣的界面上不形成周期性構造。因此抑制了反射衍射光的產生。本發明的固態成像裝置的製造方法包括在襯底上形成生成與入射光相應的信號 電荷的受光部的步驟；以及在受光部上的光入射側形成矩形形狀或梯度折射率的片上微透 鏡的步驟。並且包括覆蓋所述片上微透鏡來形成以使光入射的面平坦的方式形成的平坦化 透鏡層的步驟。另外，本發明的固態成像裝置的製造方法包括在襯底上形成生成與入射光相應 的信號電荷的受光部的步驟；以及在受光部上的光入射側形成矩形形狀的片上微透鏡的步 驟。並且包括形成第一平坦化透鏡層以使其覆蓋片上微透鏡的步驟；以及去除第一平坦 化透鏡層直至片上微透鏡的上面暴露的步驟。此外還包括在片上微透鏡的上面和被埋入 至片上微透鏡的上面的高度為止的第一平坦化透鏡層的上面形成第二平坦化透鏡層的步 馬聚o本發明的電子設備包括光學透鏡、通過光學透鏡匯聚的光向其中入射的固態成 像裝置、以及處理從固態成像裝置輸出的輸出信號的信號處理電路。並且，用於本發明的固態成像裝置包括受光部、片上微透鏡以及平坦化透鏡層。受 光部形成在襯底上，並生成與入射光相應的信號電荷。另外，片上微透鏡是形成在受光部上 的光入射側的矩形形狀或梯度折射率的透鏡。平坦化透鏡層是覆蓋片上微透鏡並以使光入 射的面平坦的方式形成的透鏡。發明效果根據本發明，能夠得到抑制了光斑或雜光的產生的固態成像裝置。另外能夠得到提高了圖像質量的電子設備。


圖1是本發明第一實施方式涉及的(XD型固態成像裝置1的概要結構圖；圖2是在第一實施方式的固態成像裝置中在水平方向上鄰接的像素的截面結構 圖；圖3A和圖3B是用於說明在使用具有矩形形狀的片上微透鏡的情況下向片上微透 鏡內入射的光的行進方向的圖；圖4A和圖4B是示出第一實施方式中的固態成像裝置的製造方法的過程圖(其 一)；圖5C和圖5D是示出第一實施方式中的固態成像裝置的製造方法的過程圖(其 二)；圖6E是示出第一實施方式中的固態成像裝置的製造方法的過程圖(其三)；圖7是比較例1涉及的固態成像裝置的截面結構圖；圖8是比較例2涉及的固態成像裝置的截面結構圖；圖9是在將各固態成像裝置組裝在相機組件中的情況下進行拍攝時產生的雜光 的仿真結果；圖10是通過仿真來測定白色靈敏度的結果，其中通過樣本A(現有例的固態成像 裝置)中的測定結果進行了標準化；圖11是通過仿真來測定混色率(任意的存儲器以arbitrary unit表示)的結 果；圖12是示出比較例1和比較例2的固態成像裝置中的、與球面形狀的片上微透鏡 的厚度和平坦化透鏡層的折射率的變化相應的靈敏度特性的變化的圖；圖13是示出第一實施方式的固態成像裝置中的、與矩形形狀的片上微透鏡的高 度和平坦化透鏡層的折射率的變化相應的靈敏度特性的變化的圖；圖14是在本發明第二實施方式涉及的固態成像裝置中在水平方向上鄰接的像素 的截面結構圖；圖15A和圖15B是示出第二實施方式的固態成像裝置的製造方法的過程圖(其 一)；圖16C是示出第二實施方式的固態成像裝置的製造方法的過程圖(其二)；圖17是在本發明第三實施方式涉及的固態成像裝置中在水平方向上鄰接的像素 的截面結構圖；圖18是在本發明第四實施方式涉及的固態成像裝置中在水平方向上鄰接的像素 的截面結構圖；圖19是本發明第五實施方式涉及的電子設備的概要結構圖；圖20A和圖20B是現有例涉及的固態成像裝置的截面結構圖；圖21是簡要示出使用現有例的固態成像裝置拍攝高亮度的被拍攝體拍攝時所獲 得的圖像的圖。
具體實施例方式下面，參考圖1至圖19，對本發明實施方式涉及的固態成像裝置及其製造方法以 及電子設備的一個示例進行說明。本發明的實施方式按照以下順序進行說明。但本發明並 非限定於以下的例子。1.第一實施方式固態成像裝置的例子1. 1固態成像裝置整體的概要結構1. 2固態成像裝置的截面結構1. 3固態成像裝置的製造方法1. 4固態成像裝置的特性2.第二實施方式固態成像裝置的例子2. 1固態成像裝置的截面結構2. 2固態成像裝置的製造方法3.第三實施方式固態成像裝置的例子4.第四實施方式固態成像裝置的例子5.第五實施方式電子設備使用圖1至圖13，對本發明第一實施方式涉及的固態成像裝置進行說明。在本實 施方式的例子中示出的固態成像裝置以CCD(Charge CoupledDevices，電荷耦合器件)型 固態成像裝置為例。[1. 1固態成像裝置整體的概要結構]圖1是本發明第一實施方式涉及的(XD型固態成像裝置1的概要結構圖。如圖1 所示，本實施方式例子的固態成像裝置1包括形成在襯底6上的多個受光部2、垂直傳輸 寄存器3、水平傳輸寄存器4以及輸出電路5。並且，由一個受光部2和與該受光部2鄰接 的垂直傳輸寄存器3構成了單位像素7。另外，由形成多個像素7的區域構成像素部8。受光部2由光電二極體構成，在襯底6的水平方向以及垂直方向上呈矩陣狀形成 了多個受光部2。在受光部2中，通過光電轉換，與入射光相應地生成並積累信號電荷。垂直傳輸寄存器3具有(XD構造，多個垂直傳輸寄存器3針對各個沿垂直方向排 列的受光部2而垂直形成。該垂直傳輸寄存器3讀出積累在受光部2中的信號電荷並沿垂 直方向傳輸該信號電荷。形成本實施方式例子的垂直傳輸寄存器3的傳輸級(stage)被構 成為通過從沒有圖示的傳輸驅動脈衝電路施加的傳輸脈衝而例如被四相驅動的結構。另 外，在垂直傳輸寄存器3的末級被構成為保持在末級的信號電荷通過傳輸脈衝的施加而被 傳輸給水平傳輸寄存器4的結構。水平傳輸寄存器4具有(XD構造，並形成在垂直傳輸寄存器3的末級的一端。該 水平傳輸寄存器4中形成的傳輸級將通過垂直傳輸寄存器3垂直傳輸而來的信號電荷一個 水平行一個水平行地向水平方向傳輸。輸出電路5形成在水平傳輸寄存器4的末級。在輸出電路5中，通過水平傳輸寄 存器4水平傳輸而來的信號電荷被電荷電壓變換，並由此作為影像信號輸出。根據具有以上結構的固態成像裝置1，通過受光部2生成並積累的信號電荷被垂 直傳輸寄存器3垂直傳輸，並被傳輸到水平傳輸寄存器4內。然後，傳輸到水平傳輸寄存器
74內的信號電荷被分別水平傳輸，並經由輸出電路5作為影像信號輸出。[1. 2固態成像裝置的截面結構]接下來，對本實施方式例子的固態成像裝置1的像素部8的截面結構進行說明。圖 2是本實施方式例子的固態成像裝置1的沿水平方向鄰接的像素7的概要截面結構圖。如圖2所示，本實施方式例子的固態成像裝置1包括襯底9、布線層17、濾色層 18、片上微透鏡19以及平坦化透鏡層20。襯底9由矽半導體襯底構成。在襯底9的光入射側的期望的區域形成有由光電二 極管構成的受光部2。在該受光部2中通過入射的光被光電轉換，而產生並積累信號電荷。 另外，構成圖1所示的(XD構造的垂直傳輸寄存器3的傳輸溝道部11形成在與受光部2鄰 接的區域，傳輸溝道部11和受光部2之間的區域是讀出溝道部13。在受光部2中生成並積 累的信號電荷經由讀出溝道部13被讀出到傳輸溝道部11，並在傳輸溝道部11內傳輸。並 且，在包圍一個受光部2和與該受光部2鄰接的傳輸溝道部11的區域形成有元件分離區域 12。由該元件分離區域12所包圍的區域構成一個像素。布線層17包括經由柵極絕緣膜14形成在襯底9的傳輸溝道部11以及讀出溝道 部13上部的傳輸電極15 ；以及覆蓋該傳輸電極15的層間絕緣膜16。在圖2中，布線層17 中僅示出了傳輸電極15，但除此之外，在布線層17中還形成有用於向傳輸電極15供應驅動 脈衝的布線膜和金屬遮光膜等期望的膜。濾色層18形成在經平坦化的布線層17上部，R(紅色)、G(綠色)、B (藍色)的各 個濾色層18例如以拜耳排列的方式針對每個像素形成。片上微透鏡19形成在濾色層18上部，並在形成在襯底9中的受光部2的上部具 有截面呈矩形形狀的凸部19a，在相鄰像素7之間具有凹部19b。另外，上述矩形形狀的片 上微透鏡19的光射入的那一側的表面以相對於平行光的入射方向呈水平的方式形成。構 成該片上微透鏡19的材料可採用苯乙烯、丙烯等有機樹脂或P-Si02、P-SiN等無機材料。平坦化透鏡層20被形成為埋入並覆蓋矩形形狀的片上微透鏡19，並且平坦化透 鏡層20上部平坦地形成。即，該平坦化層20被設置為使得圖1所示的像素部8的光入射 面整體均勻平坦。構成平坦化透鏡層20的材料可採用含氟樹脂、或者P_Si02、P-SiN等無 機材料。另外，平坦化透鏡層20的折射率被構成為低於下層的片上微透鏡19的折射率，被 設定為空氣的折射率和片上微透鏡19的折射率的中間折射率。這裡，使用圖3A和圖3B，對矩形形狀的片上微透鏡19中的光的集光原理進行說明。圖3A和圖3B是用於說明在使用了具有矩形形狀的片上微透鏡19的情況下向片 上微透鏡19內入射的光的行進方向的圖。如圖3A所示，由於具有矩形形狀的片上微透鏡 19的折射率大於平坦化透鏡層20的折射率，因此入射到片上微透鏡19的光的速度(相位 速度)比在平坦化層20內傳播的光的速度慢，從而產生相位差La。於是，由於在片上微透 鏡19的凸部與凹部的邊界處存在光的相位差，因此如圖3B所示，等相位面彎曲，入射光最 終以向片上微透鏡19的凸部方向匯聚的方式行進。即，在本實施方式例子中，通過使用矩 形形狀的片上微透鏡19，利用光的相位差使得光匯聚，而並非彎曲入射光來而使其匯聚。另外，在上述的片上微透鏡19中，通過調節具有矩形形狀的凸部的高度Z，能夠設 計具有期望的集光能力的片上微透鏡19。
如上所述，在本實施方式例子的固態成像裝置1中，通過矩形形狀的片上微透鏡 19，入射光以向受光部2入射的方式被匯聚。另外，在本實施方式例子的固態成像裝置1中， 通過在像素部8的光入射面的整個表面形成平坦化透鏡層20，與空氣的界面變得平坦，因 此降低了由周期性構造引起的反射衍射光。由此降低了雜光或光斑的產生。並且，在本實施方式例子的固態成像裝置1中，即使在片上微透鏡19和平坦化透 鏡層20的折射率差小的情況下，也能夠通過提高片上微透鏡19的高度Z來提高集光能力。[1. 3固態成像裝置的製造方法]接下來，對本實施方式例子的固態成像裝置1的製造方法進行說明。圖4A至圖6E 是示出本實施方式例子的固態成像裝置1的製造方法的過程圖。在本實施方式例子中，由 於直至形成濾色層18的過程的製造方法與通常進行的固態成像裝置的製造方法相同，因 此省略說明，從形成濾色層18之後的過程起進行說明。如圖4A所示，在形成濾色層18之後，在濾色層18上塗布包括苯乙烯、丙烯等有機 樹脂或P_Si02、P-SiN等無機材料的片上微透鏡基材21。接著，如圖4B所示，在片上微透鏡基材21上部塗布形成厚膜抗蝕劑層22。接著，通過光刻法對厚膜抗蝕劑層22進行曝光、顯影，如圖5C所示那樣進行圖案 化(patterning)，形成抗蝕劑掩模22a。如圖5C所示，在本實施方式例子中，通過在鄰接的 像素間去除厚膜抗蝕劑層22來進行圖案化。接著，通過經圖案形成的抗蝕劑掩模22a，對片上微透鏡基材21進行幹蝕刻，在結 束幹蝕刻之後去除抗蝕劑掩模22a。由此，如圖5D所示，完成被整形為在形成在襯底9上的 受光部2上部具有凸部19a並在鄰接像素之間具有凹部19b的矩形形狀的片上微透鏡19。接著，如圖6E所示，在片上微透鏡19上的整個表面形成平坦化透鏡層20以使其 埋入並覆蓋片上微透鏡19。平坦化透鏡層20通過利用CVD法沉積或利用旋塗法(spin coat method)塗布包括含氟樹脂、P_Si02或P-SiN的平坦化材料而形成，並且平坦化透鏡層20被 形成為表面平坦。通過以上的過程，形成本實施方式例子的固態成像裝置。[1. 4固態成像裝置的特性]下面，示出比較例1以及比較例2中的固態成像裝置，對本實施方式例子的固態成 像裝置的特性進行說明。圖7是比較例1涉及的固態成像裝置120的截面結構圖，圖8是比較例2涉及的 固態成像裝置130的截面結構圖。圖7和圖8中的固態成像裝置120、130是使用了球面形 狀的片上微透鏡的例子，在圖7和圖8中，對於與圖20A相對應的部分，標註相同的標號並 省略說明。圖7所示的比較例1的固態成像裝置120是在圖20A所示的現有例的固態成像裝 置100的片上微透鏡110上表面形成了平坦化透鏡層112的例子。與在圖20A所示的現有 例的固態成像裝置100相比，在該比較例1的固態成像裝置120中，通過構成平坦化層112， 在折射率低的空氣(折射率=1)與折射率比空氣高的透鏡材料之間的界面上沒有形成周 期性構造。由此，抑制了在現有例的固態成像裝置100中構成問題的雜光或光斑的產生。然而，在如比較例1所示那樣在球面形狀的片上微透鏡110上形成平坦化透鏡層 112的結構下，片上微透鏡110和平坦化透鏡層112的折射率差小。在使用球面形狀的片上 微透鏡110的情況下，由於是通過使入射光折射來集光的，因此如果折射率差小，集光能力就會下降，因此靈敏度特性會惡化。因此，理想的是通過如圖8的比較例2所示那樣減小片上微透鏡113的曲率半徑， 即使在球面形狀的片上微透鏡113上形成平坦化透鏡層112的情況下，也能夠提高靈敏度 特性。然而，由於圖7和圖8所示的球面形狀的片上微透鏡通常是通過回流法將正性抗 蝕劑回流而形成的，因此不能形成具有大於或等於半球的曲率的透鏡。另外，如圖7和圖8所示，向球面形狀的片上微透鏡表面射入的入射光L1在片上 微透鏡的界面處反射，該反射光L2向鄰接的像素入射。特別是，在曲率大的片上微透鏡113 中，由於界面角度大，因此與比較例1相比，在比較例2中，大角度的界面處的光的反射率將 大幅度增大。於是，在圖8所示的固態成像裝置130中，向鄰接的像素入射的光增多，光譜 特性變差。如此，通過界面反射而向鄰接的像素入射的光成為引起混色的原因。由於混色 特性為噪聲，因此即使是極少的量，也可引起特性惡化。因此，在比較例1和比較例2的固態成像裝置120、130中，即便能夠抑制雜光的產 生，靈敏度特性和混色特性惡化，因此不實用，而且，就比較例2的固態成像裝置130而言， 在製造上也難以實現。在本實施方式例子的固態成像裝置1中，如圖2所示，由於片上微透鏡19形成為 矩形形狀，因此入射到片上微透鏡19的入射光L1在界面處反射，其反射光L2沿與界面垂 直的方向行進。因此，不會入射到鄰接的像素。由此降低了混色。另外，在本實施方式例子的固態成像裝置1中，如使用圖6A和圖6B所說明的那 樣，片上微透鏡19的集光特性可通過調節矩形形狀的凸部的高度Z來提高。因此，通過調 節高度Z，能夠獲得與比較例2相同的集光能力。由此能夠提高靈敏度特性。使用圖9至圖13，示出圖20A所示的現有例的固態成像裝置100、圖7所示的比較 例1的固態成像裝置120、圖8所示的比較例2的固態成像裝置130、以及圖2所示的本實 施方式例子的固態成像裝置1的特性的仿真結果。在圖9至圖13中，將現有例的固態成像 裝置100作為樣本A，將比較例1的固態成像裝置120作為樣本B，將比較例2的固態成像 裝置130作為樣本C，並將本實施方式例子的固態成像裝置1作為樣本D來表示。圖9是在將各固態成像裝置組裝在相機組件中的情況下進行拍攝時所產生的雜 光強度的仿真結果，其中測定了雜光部分的像素的亮度信號相對於高亮度被拍攝體像素的 靈敏度的比率。該雜光強度通過測定首次衍射光的強度來測定。如圖9所示，與沒有形成平坦化透鏡層的樣本A相比，在形成有平坦化透鏡層的樣 本B、C、D的情況下，雜光部分的靈敏度信號的輸出下降到十分之一以下。由此確認了雜光 的產生通過平坦化透鏡層被抑制的效果。圖10是通過仿真測定了白色靈敏度的結果，其中通過樣本A(現有例的固態成像 裝置)的測試結果進行了標準化。從圖10可知，在樣本B的情況下，片上微透鏡和平坦化 透鏡層的折射率差小，並且片上微透鏡的球面形狀的曲率也小，因此未能獲得屈光能力，集 光特性惡化，靈敏度不佳。與其相比，在片上微透鏡的球面形狀具有理想曲率的樣本C和片 上微透鏡形成為矩形形狀的樣本D的情況下，靈敏度特性很好。此外，在樣本D的情況下， 獲得了與樣本A和樣本C相同或更好的靈敏度特性。圖11是通過仿真測定了混色率(任意的存儲器以arbitrary unit表示)的結果。從圖11可知，樣本C的混色率最高，在樣本D中，混色率被抑制到比樣本A和樣本B的 混色率低的混色率。圖12是示出比較例1和比較例2的固態成像裝置120、130中的、與球面形狀的片 上微透鏡110(113)的厚度和平坦化透鏡層112的折射率的變化相應的靈敏度特性的變化 的圖。將此時的厚度設為片上微透鏡截面中最厚部分的厚度。另外，圖13是示出本實施方式例子的固態成像裝置1中的、與矩形形狀的片上微 透鏡19的高度(相當於圖6A所示的高度Z)和平坦化透鏡層20的折射率的變化相應的靈 敏度特性的變化的圖。圖12和圖13均通過在現有例的固態成像裝置100中測定的靈敏度 進行了標準化，並且均是通過1.75 ym間距(pitch)的像素單元進行仿真而得的結果。從圖12和圖13可知，隨著增大各片上微透鏡的厚度(高度)而靈敏度提高，可獲 得與現有例的固態成像裝置1相同或者其以上的靈敏度。然而，如上所述，球面形狀的片上微透鏡110(113)由於通過回流法而形成，因而 所能形成的厚度(曲率的比例)有限，實際上只能在圖12的虛線所包圍的範圍內形成。艮口， 球面形狀的片上微透鏡的厚度為0. 85nm 0. 95nm左右的範圍對應於比較例2所示的固態 成像裝置130，在該範圍內雖可獲得良好的靈敏度特性，但實際上無法製造。因此，若要獲得 高的靈敏度，就需要降低平坦化透鏡層112的折射率，因此作為平坦化透鏡層112的材料， 能夠選擇的材料有限。與此相比，在本實施方式例子的固態成像裝置1中，矩形形狀的片上微透鏡19的 能夠製造的高度不受制約。因此，通過將片上微透鏡19形成得較高，可獲得良好的靈敏度 特性的平坦化透鏡層20的折射率的選擇範圍變大。如上所述，關於靈敏度特性，從製造方法的觀點來看，本實施方式例子的固態成像 裝置1也優於現有例的固態成像裝置100、比較例1的固態成像裝置120、以及比較例2的 固態成像裝置130。從以上的仿真結果可知，在球面形狀的片上微透鏡上設置平坦化透鏡層的結構 (比較例1以及比較例2)的情況下，雖能夠抑制雜光的產生，但無法避免靈敏度特性的惡化 或混色的產生。與此相比，在本實施方式例子的固態成像裝置1的情況下，抑制了雜光的產 生，並實現了靈敏度的提高和混色率的降低，由此實現了圖像質量的提高。另外，在本實施 方式例子的固態成像裝置1中，由於片上微透鏡19形成為矩形形狀，因此與球面形狀的片 上微透鏡相比，其設計變更更加容易，能夠容易地獲得所需的集光能力等性能。另外，在本實施方式例子的固態成像裝置1中，示出了使用具有截面為矩形形狀 的片上微透鏡19的例子，但也可以通過將截面形成為矩形形狀並且大小不同的透鏡層疊 兩層來構成片上微透鏡。此時，在下層構成具有面積大的矩形截面的透鏡，在其上層構成具 有面積比下層透鏡小的矩形截面的透鏡。下面，對本發明第二實施方式涉及的固態成像裝置進行說明。圖14是本實施方式 例子的固態成像裝置10的像素部8的截面結構圖。本實施方式例子的固態成像裝置10的 整體結構與圖1相同，因此省略圖示。另外，在圖10中，對於與圖2相對應的部分，標註相 同的標號並省略重複說明。[2. 1固態成像裝置整體的結構]
在本實施方式例子的固態成像裝置10中，在矩形形狀的片上微透鏡19上構成了 包括第一平坦化透鏡層23和第二平坦化透鏡層24的兩層的平坦化透鏡層。第一平坦化透鏡層23被形成為埋入片上微透鏡19的凹部19b內，並且第一平坦 化透鏡層23的上表面與片上微透鏡19的凸部19a的上表面處於同一平面。第二平坦化透鏡層24被形成為覆蓋片上微透鏡19的凸部19a的上表面和第一平 坦化透鏡層23的上表面，並且其作為光入射面的上部平坦。第一平坦化透鏡層23和第二平坦化透鏡層24由含氟樹脂、P-Si02或P-SiN等無 機材料構成，第二平坦化透鏡層24的折射率 高於第一平坦化透鏡層23的折射率ni。另 外，第一平坦化透鏡層23和第二平坦化透鏡層24的折射率均被構成為比片上微透鏡的折 射率 低。S卩，片上微透鏡19的折射率nQ、第一平坦化透鏡層23的折射率叫、第二平坦化透 鏡層23的折射率n2的關係如此nQ > n2 >叫。在本實施方式例子的固態成像裝置10中，通過將第一平坦化透鏡層23的折射率 ni構成得比第二平坦化透鏡層24的折射率112低，容易引起有助於入射光折射的相位差的 產生。由此，入射光向受光部2匯集的集光能力提高，靈敏度提高。[2. 2固態成像裝置的製造方法]下面，對本實施方式例子的固態成像裝置10的製造方法進行說明。圖15A至圖 16C是示出本實施方式例子的固態成像裝置10的製造方法的過程圖。在本實施方式例子的 固態成像裝置10的製造方法中，由於直至形成片上微透鏡19的過程為止與在第一實施方 式中使用圖3A至圖4D說明的過程相同，因此援引圖3A至圖4D，並省略說明。如圖15所示，在形成片上微透鏡19之後，在片上微透鏡19上的整個面上形成第 一平坦化透鏡層23以使其掩埋片上微透鏡。第一平坦化透鏡層23通過利用CVD法沉積或 利用旋塗法塗布包括含氟樹脂、？_3102或P-SiN的平坦化材料而形成。這裡，構成第一平坦 化透鏡層23的材料被埋入矩形形狀的片上微透鏡19的凹部中，因此優選使用埋入特性良 好的材料構成。接著，如圖15B所示，在形成第一平坦化透鏡層23之後，通過蝕刻來去除第一平坦 化透鏡層23，直至第一平坦化透鏡層23的上表面與矩形形狀的片上微透鏡19的凸部19a 上表面處於同一平面。在本實施方式例子中，由於將片上微透鏡19形成為矩形形狀，因此 在回蝕時蝕刻速率急劇改變。因此，可以將片上微透鏡19的凸部19a上表面用作蝕刻停止層。然後，如圖16C所示，在片上微透鏡19和第一平坦化透鏡層23上部形成第二平坦 化透鏡層24。第二平坦化透鏡層24通過利用CVD法沉積或利用旋塗法塗布包括含氟樹脂、 P-Si02或P-SiN的平坦化材料而形成。該第二平坦化透鏡層24由於以使表面平坦的方式 形成，因此優選使用塗布平坦性高的材料構成。通過以上的過程，形成本實施方式例子的固態成像裝置10。如上所述，在本實施方式例子的固態成像裝置10中，由於片上微透鏡19具有矩形 形狀，因此能夠通過回蝕來去除第一平坦化透鏡層23直至片上微透鏡19的凸部19a上表 面，之後形成第二平坦化透鏡層24。因此，能夠改變材質來形成被埋入片上微透鏡19的凹 部19b內的第一平坦化透鏡層23和形成在片上微透鏡19的凸部19a上部的第二平坦化透
12鏡層24。這樣的結構在使用了球面形狀的片上微透鏡的比較例1和比較例2的固態成像裝 置中難以實現。在本實施方式例子的固態成像裝置10中，通過用第一平坦化透鏡層23和第二平 坦化透鏡層24兩層構成掩埋片上微透鏡19的平坦化透鏡層，能夠增大入射光的相位差，能 夠提高集光能力。由此可提高靈敏度。除此之外，能夠獲得與第一實施方式同樣的效果。下面，對本發明第三實施方式涉及的固態成像裝置進行說明。圖17是本實施方式 例子的固態成像裝置30的在水平方向上鄰接的像素的截面結構圖。本實施方式例子的固 態成像裝置30的整體結構與圖1相同，因此省略圖示。另外，在圖17中，對於與圖2相對 應的部分，標註相同的標號並省略重複說明。如圖17所示，本實施方式例子的固態成像裝置30中的片上微透鏡25由亞波長光 學元件構成。由該亞波長光學元件的片上微透鏡25通過在形成為矩形形狀的透鏡的凸部 25a上面的周邊部分形成多個微小溝槽部27而形成了亞波長衍射光柵。在該片上微透鏡 25中，沒有形成溝槽部27的凸部25a上面的平坦區域26的直徑被形成為與入射光的波長 相同程度或比該入射光的波長大，溝槽部27的線幅被形成為與入射光的波長相同程度或 比該入射光的波長小。另外，該片上微透鏡25以使得折射率分布成為菲涅爾類型的方式構 成溝槽部27。在本實施方式例子的固態成像裝置30中，片上微透鏡25也被構成為被平坦化透 鏡層20掩埋，並且平坦化透鏡層20上面平坦。在本實施方式例子中，舉出了在矩形形狀的 片上微透鏡25上面形成了構成片上微透鏡25的溝槽部27的例子，但亞波長衍射光柵可以 形成為各種結構，例如也可以以使濾色層18暴露的方式形成溝槽部27。本實施方式例子的片上微透鏡25和平坦化透鏡層20的材料可使用第一實施方式 中所示的材料。另外，本實施方式例子的固態成像裝置30可如下形成通過通常使用的方 法在濾色層18上形成由亞波長光學元件構成的片上微透鏡25，然後形成平坦化透鏡層20。本實施方式例子的固態成像裝置30中的片上微透鏡25通過亞波長衍射光柵而具 有菲涅爾型折射率分布。通過如此構成的片上微透鏡25，入射光被集光並向受光部2入射。在上述的片上微透鏡25中，通過對光柵的寬度或位置等加以調製，能夠實現任意 的折射率分布，通過適當地設計折射率分布，能夠進一步提高集光特性，因此可提高靈敏 度。除此之外，在本實施方式例子的固態成像裝置中也能夠獲得與第一實施方式同樣 的效果。下面，對本發明第四實施方式涉及的固態成像裝置進行說明。圖18是本實施方式 例子的固態成像裝置40的在水平方向上鄰接的像素的截面結構圖。本實施方式例子的固 態成像裝置40的整體結構與如圖1相同，因此省略圖示。另外，在圖18中，對於與圖2相 對應的部分，標註相同的標號並省略重複說明。本實施方式例子的固態成像裝置40是將菲涅爾型透鏡使用於片上微透鏡41的例 子。另外，在本實施方式例子中也以覆蓋片上微透鏡41且表面平坦的方式形成平坦化透鏡層20。通過由該菲涅爾透鏡形成的片上微透鏡41，入射的光高效地被集光並向受光部2 入射。本實施方式例子的片上微透鏡41和平坦化透鏡層20的材料可使用第一實施方式 中所示的材料。另外，本實施方式例子的固態成像裝置40可如下形成通過通常使用的方 法在濾色層18上形成由菲涅爾透鏡構成的片上微透鏡41，然後形成平坦化透鏡層20。在本實施方式例子的固態成像裝置40中，由於也在片上微透鏡41上形成平坦化 透鏡層20，因此在與空氣接觸的光的入射界面上不形成周期性構造，從而抑制了雜光的產 生。另外，通過將菲涅爾透鏡用作片上微透鏡41，能夠將片上微透鏡41的屈光能力調節得 較大，從而可提高集光特性，可提高靈敏度特性。在上述的第一實施方式至第四實施方式中，以(XD型固態成像裝置為例進行了說 明，但也可以將本發明應用於CMOS (Complementary MetalOxide Semiconductor，互補金屬 氧化物半導體)型固態成像裝置。此時，也能夠獲得提高了靈敏度特性和混色特性且抑制 了雜光的產生的固態成像裝置。另外，本發明不限於應用於固態成像裝置，也能夠應用於成像裝置。這裡，成像裝 置是指數字靜態相機或攝像機等相機系統、或者可攜式電話機等具有成像功能的電子設 備。有時也將安裝在電子設備中的上述模塊狀的方式、即相機模塊作為成像裝置。以下，對使用了本發明固態成像裝置的電子設備進行說明。圖19示出了本發明第五實施方式涉及的電子設備200的概要結構。本實施方式例子的電子設備200示出了將上述第一實施方式中的固態成像裝置1 使用於相機的實施方式。圖9示出了本實施方式例子涉及的電子設備200的截面結構。本實施方式涉及的 電子設備200舉出了可拍攝靜止圖像的數字靜態相機的例子。本實施方式涉及的電子設備200包括固態成像裝置1、光學透鏡210、驅動電路 212以及信號處理電路213。光學透鏡210使來自被拍攝體的圖像光(入射光)成像於固態成像裝置1的成像 面上。由此相應的信號電荷在固態成像裝置1內被積累一定期間。驅動電路212提供固態成像裝置1的傳輸動作信號。通過從驅動電路212提供的 驅動信號(定時信號)來進行固態成像裝置1的信號傳輸。信號處理電路213進行各種信 號處理。經信號處理的影像信號被存儲在存儲器等存儲介質中，或者被輸出到監視器。在本實施方式例子的電子設備200中，由於在固態成像裝置1中提高了靈敏度特 性，降低了混色，並且抑制了雜光的產生，因此在電子設備中可提高圖像質量。能夠應用固態成像裝置1的電子設備不限於數字靜態相機，也適用於面向可攜式 電話機等行動裝置的相機模塊等成像裝置。在本實施方式例子中，舉出了將固態成像裝置1用於電子設備的例子，但也可以 使用上述第二實施方式中的固態成像裝置。
權利要求
一種固態成像裝置，包括受光部，該受光部形成在襯底上，並生成與入射光相應的信號電荷；矩形形狀或梯度折射率的片上微透鏡，該片上微透鏡形成在所述受光部上的光入射側；以及平坦化透鏡層，該平坦化透鏡層覆蓋所述片上微透鏡並以使光入射的面平坦的方式形成。
2.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中，所述平坦化透鏡層的折射率大於空氣的折射率、且小於所述片上微透鏡的折射率。
3.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中， 所述平坦化透鏡層包括第一平坦化透鏡層，該第一平坦化透鏡層埋入至所述矩形形狀片上微透鏡的上面的高 度；以及第二平坦化透鏡層，該第二平坦化透鏡層具有與所述第一平坦化透鏡層的折射率不同 的折射率，並被形成為覆蓋所述片上微透鏡的上面和所述第一平坦化透鏡層上面。
4.根據權利要求3所述的固態成像裝置，其中，所述第一平坦化透鏡層的折射率小於所述第二平坦化透鏡層的折射率，所述第二平坦 化透鏡層的折射率小於所述片上微透鏡的折射率。
5.根據權利要求2所述的固態成像裝置，其中 所述梯度折射率片上微透鏡是菲涅爾透鏡。
6.根據權利要求2所述的固態成像裝置，其中， 所述梯度折射率片上微透鏡是亞波長光學元件。
7.一種固態成像裝置的製造方法，包括以下步驟 在襯底上形成生成與入射光相應的信號電荷的受光部；在所述受光部上的光入射側形成矩形形狀或梯度折射率的片上微透鏡；以及 覆蓋所述片上微透鏡來形成平坦化透鏡層，該平坦化透鏡層以使光入射的面平坦的方 式形成。
8.根據權利要求7所述的固態成像裝置的製造方法，其中， 所述平坦化透鏡層的折射率小於所述片上微透鏡的折射率。
9.根據權利要求8所述的固態成像裝置的製造方法，其中， 所述梯度折射率的片上微透鏡是菲涅爾透鏡。
10.根據權利要求8所述的固態成像裝置的製造方法，其中， 所述梯度折射率的片上微透鏡是亞波長光學元件。
11.一種固態成像裝置的製造方法，包括以下步驟 在襯底上形成生成與入射光相應的信號電荷的受光部； 在所述受光部上的光入射側形成矩形形狀的片上微透鏡； 形成第一平坦化透鏡層以使其覆蓋所述片上微透鏡；去除所述第一平坦化透鏡層直至所述片上微透鏡的上面暴露；以及 在所述片上微透鏡的上面和被埋入至所述片上微透鏡的上面的高度為止的第一平坦 化透鏡層的上面上形成第二平坦化透鏡層。
12.根據權利要求11所述的固態成像裝置的製造方法，其中，所述第一平坦化透鏡層的折射率小於所述第二平坦化層的折射率，所述第二平坦化透 鏡層的折射率小於所述片上微透鏡的折射率。
13.一種電子設備，包括 光學透鏡；固態成像裝置，其包括形成在襯底上並生成與入射光相應的信號電荷的受光部、形成 在所述受光部上的光入射側的矩形形狀或梯度折射率的片上微透鏡、以及覆蓋所述片上微 透鏡並以使光入射的面平坦的方式形成的平坦化透鏡層，並且通過所述光學透鏡匯聚的光 被入射到所述固態成像裝置，以及信號處理電路，該信號處理電路處理從所述固態成像裝置輸出的輸出信號。
全文摘要
本發明提供抑制了雜光和光斑的產生的固態成像裝置、固態成像裝置的製造方法以及電子設備。在本發明的固態成像裝置(1)中，使用矩形形狀的片上微透鏡(19)將入射光匯集到形成在襯底(9)上的受光部(2)。另外，在片上微透鏡(19)上部形成平坦化透鏡層(20)。通過形成平坦化透鏡層(20)，在固態成像裝置(1)的光入射面和空氣的界面上不形成片上微透鏡(19)這樣的周期性構造，因此能夠抑制由周期性構造體引起的反射衍射光的產生。由此，抑制了雜光或光斑的產生。另外，通過將片上微透鏡(19)形成為矩形形狀(或梯度折射率型)，在使用了平坦化透鏡層(20)的情況下也能夠得到充分的集光特性，可提高靈敏度。
文檔編號H04N5/359GK101853869SQ201010140808
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月24日 優先權日2009年3月31日
發明者和野裕美, 大塚洋一, 山本篤志, 戶田淳 申請人:索尼公司