專利名稱：具備多個(gè)透鏡的固體攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體攝像裝置。特別是涉及一種在固體攝像裝置中使入射到像素上的光會聚的微透鏡。
背景技術(shù)：
在電子相機(jī)的小型化方面，通過進(jìn)行圖像區(qū)域的縮小來進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的小型化是有效的。因此，要求CMOS傳感器的像素尺寸的收縮。目前，為了進(jìn)行像素尺寸的收縮，例如在特開平10-150182號公報(bào)中進(jìn)行了如下嘗試多個(gè)光電二極管共用像素內(nèi)的晶體管，從而削減每個(gè)光電二極管的晶體管個(gè)數(shù)。
上述現(xiàn)有的CMOS傳感器具有使入射光會聚的微透鏡、將由微透鏡會聚的入射光變換成電荷的光電二極管。例如，如特公昭60-59752號公報(bào)所記載的那樣，微透鏡的截面形狀通常是左右對稱的。因而，焦點(diǎn)的位置位于微透鏡的頂點(diǎn)的正下方、即微透鏡底面的大致中心的正下方。
但是，如果采用上述結(jié)構(gòu)，則由于微透鏡等間隔配置，因此焦點(diǎn)的位置也等間隔。結(jié)果，入射光被與光電二極管相鄰的MOS晶體管的柵極遮擋，從而CMOS區(qū)域傳感器的光靈敏度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種固體攝像裝置，包括多個(gè)像素，設(shè)置在半導(dǎo)體基板上，并且包含對入射光進(jìn)行光電變換的光檢測部；以及多個(gè)透鏡，將上述入射光會聚到上述光檢測部上，其中，上述透鏡分別在上述入射光的入射面上具有一定的曲率，并且上述透鏡的上述入射面上的頂點(diǎn)與上述透鏡的底面的中央在上述底面的水平方向上位于不同的位置上。


圖1是本發(fā)明第1實(shí)施方式的固體攝像裝置的截面圖。
圖2是本發(fā)明第1實(shí)施方式的固體攝像裝置的平面圖。
圖3是現(xiàn)有的固體攝像裝置的截面圖。
圖4是本發(fā)明第2實(shí)施方式的固體攝像裝置的截面圖。
圖5是圖4中的一部分區(qū)域的放大圖。
圖6是本發(fā)明第2實(shí)施方式的固體攝像裝置的平面圖。
圖7是本發(fā)明第3實(shí)施方式的固體攝像裝置的框圖。
圖8是本發(fā)明第3實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的單位元件(unit cell)的電路圖。
圖9是本發(fā)明第3實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的單位元件的平面圖。
圖10是沿圖9中的10-10線的截面圖。
圖11是本發(fā)明第4實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的單位元件的電路圖。
圖12是本發(fā)明第4實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的受光部的平面圖。
圖13是沿圖12中的13-13線的截面圖。
圖14是本發(fā)明第5實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的受光部的平面圖。
圖15是本發(fā)明第6實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的受光部的截面圖。
圖16是現(xiàn)有的固體攝像裝置的截面圖。
圖17是本發(fā)明第7實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的受光部的截面圖。
圖18是本發(fā)明第1至第7實(shí)施方式的固體攝像裝置以及現(xiàn)有的固體攝像裝置的一部分區(qū)域的截面圖。
圖19是本發(fā)明第1至第7實(shí)施方式的變形例的固體攝像裝置的斜視圖。
圖20是在本發(fā)明第1至第5、第7實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的微透鏡的制造中使用的光掩模的平面圖。
圖21是本發(fā)明第1至第5、第7實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的微透鏡的第1制造方法的截面圖。
圖22是本發(fā)明第1至第5、第7實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的微透鏡的第2制造方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式使用圖1和圖2說明本發(fā)明第1實(shí)施方式的固體攝像裝置。圖1和圖2分別是本實(shí)施方式的固體攝像裝置的截面圖和平面圖，示出固體攝像裝置的圖像區(qū)域特別是中心部。另外，圖1相當(dāng)于沿圖2中的1-1線的截面圖。
如圖所示，在半導(dǎo)體基板1的表面內(nèi)設(shè)置多個(gè)光檢測部、例如光電二極管2。光電二極管2通過利用例如離子注入等方法向半導(dǎo)體基板1的表面內(nèi)導(dǎo)入與半導(dǎo)體基板1反向?qū)щ娦偷碾s質(zhì)而形成。在相鄰的光電二極管2之間的半導(dǎo)體基板1上，經(jīng)由柵極絕緣膜設(shè)置柵極電極3。然后，以覆蓋上述光電二極管2和柵極電極3的方式，在半導(dǎo)體基板1上設(shè)置絕緣膜4。在絕緣膜4上與各光電二極管2相對應(yīng)地設(shè)置微透鏡5。在上述結(jié)構(gòu)中，通過分別包含一個(gè)光電二極管來構(gòu)成多個(gè)像素。
本實(shí)施方式的微透鏡5的頂點(diǎn)P1位于距離微透鏡5的一端d1的位置上，并且位于距離微透鏡5的另一端d2(≠d1)的位置上。從而，頂點(diǎn)P1的位置在微透鏡5的底面的水平方向上，位于與底面的中央C1不同的位置上。換言之，微透鏡5的頂點(diǎn)P1、即焦點(diǎn)F1存在于從包含微透鏡5的底面的中央C1的、底面的垂線上偏離d3的位置上(參照圖2)。進(jìn)一步換言之，如圖1所示，微透鏡5具有左右非對稱的截面形狀。另外，頂點(diǎn)P1定義為微透鏡5上膜厚最大的位置。另外，微透鏡5在入射光L1入射的入射面上具有均勻的曲率，該曲率被設(shè)定成使焦點(diǎn)F1位于光電二極管2的表面上。
另外，微透鏡5的頂點(diǎn)P1在光電二極管2與柵極電極3排列的方向上位于夾著微透鏡5的中心C1與柵極電極3相對的位置上。即，微透鏡5的頂點(diǎn)P1在光電二極管2和柵極電極3排列的方向上設(shè)置在離柵極電極3近的端部(一端)和遠(yuǎn)的端部(另一端)當(dāng)中、遠(yuǎn)的端部一側(cè)。即，在圖2中，沿著光電二極管2和柵極電極3排列的方向，按照P1、C1、柵極電極3的順序排列地設(shè)置頂點(diǎn)P1。
在上述結(jié)構(gòu)中，入射光L1到達(dá)微透鏡5后，入射光L1按照斯內(nèi)爾定律折射。折射后的入射光L1在與各微透鏡5相對應(yīng)的光電二極管2上成像。光電二極管2通過光電變換將入射光L1變換成電荷。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以得到下述(1)的效果。
(1)可以抑制固體成像裝置的光靈敏度降低(之一)如果采用本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，則在使入射光會聚到光電二極管上的微透鏡的底面的水平方向上，該微透鏡的頂點(diǎn)位于偏離底面中心的位置上。因此可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。以下詳細(xì)說明本效果。
圖3是現(xiàn)有的固體攝像裝置的截面圖。如圖所示，在半導(dǎo)體基板101的表面內(nèi)設(shè)置光電二極管102。另外，在相鄰的光電二極管102間的半導(dǎo)體基板101上設(shè)置柵極電極103。然后，以覆蓋光電二極管102和柵極電極103的方式，在半導(dǎo)體基板101上設(shè)置絕緣膜104，并在絕緣膜104上設(shè)置微透鏡105?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的微透鏡105的截面形狀相對頂點(diǎn)P101左右對稱。即，微透鏡105的頂點(diǎn)P101位于距離微透鏡105在光電二極管102與柵極電極103排列方向上的兩端相等的距離處。因此，微透鏡105的頂點(diǎn)P101、底面中心C101以及焦點(diǎn)F101都位于光電二極管102表面的垂線上。
這樣，由于等間隔地配置微透鏡105，因此焦點(diǎn)F101的位置也等間隔。另一方面，光電二極管102的配置不是等間隔，從而在夾著柵極電極103的區(qū)域間隔變大，而在沒有夾著柵極電極的區(qū)域間隔變窄。結(jié)果，由微透鏡105會聚的入射光L101的一部分被柵極電極103遮擋(圖3中的區(qū)域A101)。因此存在固體攝像裝置的光靈敏度降低的問題。
而如果采用本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，則微透鏡5的頂點(diǎn)P1相對于微透鏡5的底面在水平方向上(即相對于光電二極管2的表面在水平方向上)位于偏離微透鏡5的底面中心C1的位置上。因此，雖然微透鏡5等間隔地配置，但各微透鏡5的焦點(diǎn)位置不是等間隔。更具體地說，如在圖2中說明的那樣，微透鏡5的頂點(diǎn)P1在光電二極管2與柵極電極3排列的方向上設(shè)置在離柵極電極3近的端部(一端)和遠(yuǎn)的端部(另一端)當(dāng)中、遠(yuǎn)的端部一側(cè)。從而，微透鏡5的焦點(diǎn)位置與現(xiàn)有技術(shù)相比是離柵極電極3遠(yuǎn)的位置。因此，由微透鏡5會聚的入射光L1避開柵極電極3的角部(圖1中的區(qū)域A1)，向光電二極管2入射。另外，即使被遮擋，與現(xiàn)有技術(shù)相比其遮擋量也可以少。結(jié)果，更多的光入射到光電二極管2，從而可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。
以下利用圖4說明本發(fā)明第2實(shí)施方式的固體攝像裝置。圖4是本實(shí)施方式的固體攝像裝置的截面圖。本實(shí)施方式涉及在上述第1實(shí)施方式中在絕緣膜4內(nèi)設(shè)置金屬布線層的情況。
如圖所示，本實(shí)施方式的固體攝像裝置在第1實(shí)施方式所說明的圖1的結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步具備設(shè)置在絕緣膜4內(nèi)的多個(gè)金屬布線層6。金屬布線層6形成為沿記載了圖面的紙面的垂線方向延伸。另外，圖4中省略了柵極電極3的圖示。本實(shí)施方式的微透鏡5的頂點(diǎn)P2位于距離微透鏡5的一端d4的位置上，且位于距離微透鏡5的另一端d5(d5＞d4)的位置上。圖5和圖6是圖4中的一個(gè)像素的放大圖，分別表示截面和平面結(jié)構(gòu)，圖5相當(dāng)于沿圖6中的5-5線的截面。
如圖5和圖6所示，在微透鏡5的底面的水平方向上，微透鏡5的頂點(diǎn)P2、即焦點(diǎn)F2存在于從包含微透鏡5的底面中央C2的、微透鏡5的底面的垂線V1偏離距離d6的位置上。即，與第1實(shí)施方式相同，微透鏡5具有左右非對稱的截面形狀。當(dāng)然，微透鏡5在入射光L2入射的入射面上具有均勻的曲率。
另外，如果設(shè)其位置夾著垂線V1的2個(gè)金屬布線層6與垂線V1的距離為d7、d8(d7＜d8)，則將離垂線V1近的金屬布線層6稱為布線W1、將離垂線V1遠(yuǎn)的金屬布線層6稱為布線W2。這樣，微透鏡5的頂點(diǎn)P2位于夾著垂線V1與布線W1相對的位置上。換言之，連接微透鏡5的頂點(diǎn)P2和焦點(diǎn)F2的直線V2位于布線W2與垂線V1之間。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以得到下述(2)的效果。
(2)可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低(之二)如果采用本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，則微透鏡5的頂點(diǎn)P2與第1實(shí)施方式同樣，相對于微透鏡5的底面，在水平方向上位于偏離微透鏡5底面的中心C2的位置上。因此，微透鏡5雖然等間隔配置，但各個(gè)微透鏡5的焦點(diǎn)位置不是等間隔。更具體地說，如在圖5和圖6中所說明的那樣，在微透鏡5的底面的水平方向上，微透鏡5的頂點(diǎn)P2設(shè)置成接近其位置夾著通過像素中心的垂線V1的2個(gè)金屬布線層6當(dāng)中、離垂線V1遠(yuǎn)的布線W2。從而，微透鏡5的焦點(diǎn)位置與現(xiàn)有技術(shù)相比是離布線W1遠(yuǎn)的位置。因此，由微透鏡5會聚的入射光L2避開金屬布線層6、特別是布線W1的角部，入射到光電二極管2。另外，即使被遮擋，與現(xiàn)有技術(shù)相比其遮擋量也可以少。結(jié)果，更多的光入射到光電二極管2，從而可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。
即，利用與上述第1實(shí)施方式同樣的作用，來防止入射光L2被金屬布線層6遮擋。但是，金屬布線層6通常位于比在第1實(shí)施方式中說明的柵極電極更靠上的水平上，即位于離微透鏡5更近的位置上。從而，金屬布線層6比柵極電極更容易遮擋入射光L2。因此，使用本實(shí)施方式的微透鏡5可以得到比第1實(shí)施方式的情況更好的效果。
以下說明本發(fā)明第3實(shí)施方式的固體攝像裝置。本實(shí)施方式將在上述第1、第2實(shí)施方式中說明的微透鏡5應(yīng)用于由2個(gè)光電二極管共用放大晶體管的固體攝像裝置。圖7是固體攝像裝置的框圖。
如圖所示，固體攝像裝置10具備箝位電路11、采樣保持電路12、垂直方向選擇電路13、水平方向選擇電路14以及受光部20。
受光部20具備多個(gè)進(jìn)行入射光的光電變換的單位元件21。在圖7中，單位元件21僅示出(2×3)個(gè)，但其數(shù)量不特別限定。多個(gè)單位元件21配置成矩陣狀，在每一列上與垂直信號線22共同連接。另外，同一行的單位元件21與同一地址信號線AD、復(fù)位信號線RS以及讀出信號線RD1、RD2共同連接。地址信號線AD、復(fù)位信號線RS以及讀出信號線RD1、RD2由垂直方向選擇電路13選擇。
箝位電路11與各垂直信號線22的一端連接，用于固定由垂直信號線22讀出的信號。垂直信號線22的另一端經(jīng)由負(fù)載晶體管23與接地電位連接。
采樣保持電路12對由上述箝位電路11固定的信號進(jìn)行采樣并保持。然后，采樣保持電路12所保持的信號經(jīng)由讀出用晶體管24輸出到輸出節(jié)點(diǎn)OUT。讀出用晶體管24的柵極由水平方向選擇電路14控制。
以下利用圖8說明單位元件21的結(jié)構(gòu)。圖8是圖7中的一個(gè)單位元件21的電路圖。如圖所示，單位元件21具有2個(gè)像素25、25和1個(gè)信號輸出部26。信號輸出部26由2個(gè)像素25、25共用。
像素25中的每一個(gè)具備讀出晶體管28和光電二極管29。包含在同一個(gè)單位元件21中的2個(gè)讀出晶體管28的柵極分別與讀出信號線RD1、RD2連接，漏極與對應(yīng)像素25內(nèi)的光電二極管29的正極連接。光電二極管29的負(fù)極接地。
信號輸出部26具備放大晶體管30、地址晶體管31以及復(fù)位晶體管32。放大晶體管30的柵極與2個(gè)像素25中的晶體管28的源極連接，源極與垂直信號線22連接，漏極與晶體管31的源極連接。地址晶體管31的柵極與地址信號線AD連接，漏極與電源電位VDD連接。復(fù)位晶體管32的柵極與復(fù)位信號線RS連接，源極與2個(gè)像素25中的晶體管28的源極連接，漏極與電源電位VDD連接。即，2個(gè)像素25共用一個(gè)信號輸出部26。
圖9是圖8所示的單位元件21的平面圖。如圖所示，2個(gè)光電二極管29沿第1方向配置。在2個(gè)光電二極管29之間，以沿第1方向夾著信號輸出部26的方式設(shè)置晶體管28，晶體管28的柵極33沿與第1方向正交的第2方向形成。另外，在圖9中省略信號輸出部26的詳細(xì)圖示。
圖10是沿圖9中的10-10線的方向的截面圖。截面結(jié)構(gòu)與第1實(shí)施方式大致相同。即，如圖所示，在半導(dǎo)體基板40的表面內(nèi)設(shè)置多個(gè)光電二極管29。在相鄰的光電二極管間的半導(dǎo)體基板40上，經(jīng)由柵極絕緣膜設(shè)置2個(gè)晶體管28的柵極電極33。另外，在相鄰的柵極電極33之間的半導(dǎo)體基板40內(nèi)，設(shè)置2個(gè)晶體管28的源極區(qū)41。在圖10中省略信號輸出部26的圖示。然后，以覆蓋上述光電二極管29和晶體管28的方式，在半導(dǎo)體基板40上設(shè)置絕緣膜42。在絕緣膜42上，與各像素25相對應(yīng)地設(shè)置微透鏡34。從而，每個(gè)單位元件21包含2個(gè)微透鏡34。
本實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的微透鏡34的頂點(diǎn)P3(焦點(diǎn)F3)與底面中心C3之間具有與第1實(shí)施方式同樣的關(guān)系。即，微透鏡34的頂點(diǎn)P3、即焦點(diǎn)F3存在于從包含微透鏡34的底面中央C3的垂線偏離d9、從而遠(yuǎn)離柵極電極33的位置上。進(jìn)一步換言之，如圖10所示，微透鏡34具有左右非對稱的截面形狀。
以下簡單說明上述結(jié)構(gòu)的固體攝像裝置的動作。首先，在受光部20中選擇某個(gè)單位元件21。該選擇動作如下進(jìn)行利用垂直方向選擇電路13輸出的地址信號AD，使某個(gè)單位元件21中的地址晶體管31處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且使與某個(gè)垂直信號線22連接的負(fù)載晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)。
另外，進(jìn)行使垂直信號線22處于一定的基準(zhǔn)電位的復(fù)位動作。復(fù)位動作如下進(jìn)行通過由垂直方向選擇電路13選擇復(fù)位信號RS，使被選擇的單位像素內(nèi)的復(fù)位晶體管32處于導(dǎo)通狀態(tài)。復(fù)位晶體管32處于導(dǎo)通狀態(tài)后，經(jīng)由晶體管32的電流通路，將VDD提供給放大晶體管30的柵極，從而晶體管30處于導(dǎo)通狀態(tài)。這樣，由于地址晶體管31是導(dǎo)通狀態(tài)，因此，通過從電源電位VDD經(jīng)由晶體管31、30的電流通路到達(dá)垂直信號線22的路徑，垂直信號線22處于一定的基準(zhǔn)電位。
然后，垂直方向選擇電路13選擇讀出信號線RD1、RD2中的某一個(gè)。這樣，與被選擇的讀出信號線RD1、RD2中的某一個(gè)連接的讀出晶體管28處于導(dǎo)通狀態(tài)。從而，在晶體管28處于導(dǎo)通狀態(tài)的像素25中，在光電二極管29中響應(yīng)入射光而產(chǎn)生的電荷經(jīng)由晶體管28的電流通路到達(dá)放大晶體管30的柵極。結(jié)果，根據(jù)光電二極管29中的光電變換的結(jié)果，垂直信號線22的電位發(fā)生變動。即，根據(jù)在光電二極管29中得到的電荷，將圖像信號提供給垂直信號線22。然后，圖像信號經(jīng)由箝位電路11、采樣保持電路12以及讀出用晶體管24讀出到輸出節(jié)點(diǎn)OUT。
如上所述，本實(shí)施方式的固體攝像裝置可以得到在第1實(shí)施方式中說明的(1)的效果。該效果(1)在如本實(shí)施方式所示由多個(gè)像素共用信號輸出部26的情況下特別顯著地得到。如圖9和圖10所示，在2個(gè)像素25共用信號輸出部26的情況下，在2個(gè)像素25之間配置晶體管28和信號輸出部26。從而，每個(gè)像素25的形狀在圖10所示的方向上左右非對稱，從而形成柵極電極33位于像素25的一端側(cè)的模式。因此，像素25的中心(即微透鏡5的中心)的位置與光電二極管29的中心的位置不同，入射光容易被柵極電極33遮擋。
但是，根據(jù)本實(shí)施方式，在使入射光會聚到光電二極管29上的微透鏡34的底面的水平方向上，該微透鏡34的頂點(diǎn)P3位于偏離底面中心C3的位置上。因此，可以防止入射光被柵極電極33遮擋，從而如第1實(shí)施方式所說明的那樣，可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。
以下說明本發(fā)明第4實(shí)施方式的固體攝像裝置。本實(shí)施方式是在上述第3實(shí)施方式中，一個(gè)單位元件21包含4個(gè)像素25，并且受光部20除了包含讀出信號線RD1、RD2外，還包含RD3、RD4。讀出信號線RD1～RD4由垂直方向選擇電路選擇。圖11是本實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的單位元件21的電路圖。
如圖所示，單位元件21具備4個(gè)像素25-1～25-4和1個(gè)信號輸出部26。像素25-1～25-4和信號輸出部26的結(jié)構(gòu)與在第3實(shí)施方式中說明的結(jié)構(gòu)相同。信號輸出部26由4個(gè)像素25-1～25-4共用。因此，包含在4個(gè)像素25-1～25-4的每一個(gè)中的讀出晶體管28的源極與信號輸出部26中的放大晶體管30的柵極和復(fù)位晶體管32的源極共同連接。另外，包含在4個(gè)像素25-1～25-4的每一個(gè)中的讀出晶體管28的柵極分別與讀出信號線RD1～RD4連接。讀出信號線RD1～RD4與地址信號線AD以及復(fù)位信號線RS同樣，由垂直方向選擇電路13選擇。在以上結(jié)構(gòu)中，像素25-1～25-4沒有圖示地具備彩色濾波器，分別檢測綠(Gr)、紅(R)、藍(lán)(B)、綠(Gb)的入射光。
圖12是本實(shí)施方式的4個(gè)單位元件21的平面圖，圖13是沿圖12中的13-13線的截面圖。如圖所示，在1個(gè)單位元件21內(nèi)，以(2×2)矩陣狀配置4個(gè)像素25-1～25-4，在受光部20中，像素25-1、25-3排列在奇數(shù)列上，像素25-2、25-4排列在偶數(shù)列上。另外，在同一單位元件21內(nèi)，在第1方向上相鄰的像素25-1和25-2以及像素25-3和25-4配置成雙方的讀出晶體管28彼此接近。而且，在各單位元件21內(nèi)，在像素的列間的區(qū)域中配置信號輸出部26。并且，在各像素25-1～25-4的每一個(gè)中設(shè)置在上述第3實(shí)施方式中說明的微透鏡34。如在第3實(shí)施方式中所說明的那樣，連接微透鏡34的頂點(diǎn)P3與焦點(diǎn)F3的直線位于從微透鏡34底面的中心C3偏離間隔d9的不同位置上。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的固體攝像裝置，在受光部20中，位于奇數(shù)列上的像素25-1、25-3的光電二極管29以及位于偶數(shù)列上的像素25-2、25-4的光電二極管29在各像素25-1～25-4內(nèi)配置成從對應(yīng)的信號處理部26隔離。而且，與各像素對應(yīng)的微透鏡34的頂點(diǎn)P3位于夾著中心C3與相鄰的像素沿第1方向相對的位置上。因此，根據(jù)圖12的例子，在受光部20中，與各像素25-1、25-3對應(yīng)的微透鏡34的頂點(diǎn)P3位于中心C3的右側(cè)，并且它們沿第2方向位于同一列上。另外，與各像素25-2、25-4對應(yīng)的微透鏡34的頂點(diǎn)P3位于中心C3的左側(cè)，并且它們沿第2方向位于同一列上。
以上的固體攝像裝置可以得到在上述第1、第3實(shí)施方式中說明的(1)的效果。
以下說明本發(fā)明第5實(shí)施方式的固體攝像裝置。本實(shí)施方式將在上述第1、第2實(shí)施方式中說明的微透鏡5應(yīng)用于特開2006-302970號公報(bào)。圖14是固體攝像裝置所具備的受光部的平面圖。
本實(shí)施方式的固體攝像裝置是在第3實(shí)施方式中所說明的圖7至圖9的結(jié)構(gòu)中改變了讀出晶體管28的柵極33的位置。圖14是本實(shí)施方式的固體攝像裝置的受光部20的平面圖。如圖所示，在受光部20中矩陣狀地配置多個(gè)像素25。
如圖所示，單位元件21具有與在上述第3實(shí)施方式中說明的圖9相同的結(jié)構(gòu)，包含在第1方向上相鄰的2個(gè)像素25。在受光部20中，多個(gè)像素25方格狀地配置成奇數(shù)列上的單位元件21與偶數(shù)列上的單位元件21錯(cuò)開1個(gè)像素。并且，某個(gè)單位元件21內(nèi)的信號輸出部26從該單位元件21內(nèi)的2個(gè)像素25之間起、跨過在第2方向上相鄰的2個(gè)單位元件21之間而配置。
即，在圖14中，在與位于奇數(shù)列上且柵極33位于光電二極管29下方的像素25在第2方向上相鄰的像素25中，柵極33位于光電二極管29的上方。相反，在與位于奇數(shù)列上且柵極33位于光電二極管29上方的像素25在第2方向上相鄰的像素25中，柵極33位于光電二極管29的下方。
進(jìn)一步換言之，單位元件21包含在第1方向(垂直方向)上相鄰的2個(gè)像素25，并且在受光部20內(nèi)呈方格狀地配置。并且，信號輸出部26從包含在同一單位元件21內(nèi)的2個(gè)像素25之間的區(qū)域起、跨過在第2方向(水平方向)上相鄰的單位元件之間的區(qū)域而配置。而且，在傾斜方向上相鄰的2個(gè)單位元件21中的各個(gè)任意像素25中包含的光電二極管29沿著同一水平線配置。
在以上結(jié)構(gòu)中，也可以使用在第3實(shí)施方式中說明的微透鏡34。這樣，在第2方向上相鄰的像素25的柵極33夾著像素25的中心，在第1方向上相互不同地配置，因此，微透鏡34的頂點(diǎn)P3、即焦點(diǎn)F3的位置在在第2方向上相鄰的像素25之間，在第1方向上也相互不同。本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)也可以得到在上述第1、第3實(shí)施方式中說明的(1)的效果。
以下說明本發(fā)明第6實(shí)施方式的固體攝像裝置。本實(shí)施方式通過根據(jù)受光部內(nèi)的位置改變微透鏡的曲率，來提高固體攝像裝置的光靈敏度。
固體攝像裝置的結(jié)構(gòu)與在第1實(shí)施方式中說明的圖7的結(jié)構(gòu)相同。圖15是表示受光部20的截面結(jié)構(gòu)和微透鏡的曲率的圖。如圖所示，在光電二極管29的上方，經(jīng)由絕緣膜42在每個(gè)像素中設(shè)置微透鏡43。各微透鏡43中的光入射面的曲率對于每個(gè)微透鏡43是一定的。另外，各微透鏡43的曲率在受光部20的中央最高，隨著向端部延伸而降低。在圖15中，為了使圖面簡單，省略了柵極電極33的圖示。
根據(jù)本結(jié)構(gòu)，可以得到下述(3)的效果。
(3)可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低(之三)根據(jù)本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，入射光在受光部20的端部也高效率地入射到光電二極管29中，因此可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。以下使用圖16一邊與在受光部的中央和端部微透鏡43的曲率一定的情況相比較，一邊說明本效果。圖16是受光部20的截面圖。
如圖所示，微透鏡105在受光部20內(nèi)的全部區(qū)域內(nèi)具有相同的曲率。因而，微透鏡43的焦距(從微透鏡43的表面到焦點(diǎn)F101的距離)在受光部的中央和端部相同。另外，入射光在受光部的中央相對微透鏡105垂直入射，但在端部相對微透鏡105傾斜入射。這樣，例如在將微透鏡105的焦距設(shè)計(jì)成在受光部的中央部在光電二極管102的表面上成像的情況下，隨著從受光部的中央部離開，焦點(diǎn)F101從光電二極管102表面大大遠(yuǎn)離。結(jié)果，入射光的一部分沒有入射到光電二極管102，從而成為固體攝像裝置的光靈敏度降低的原因。
而根據(jù)本實(shí)施方式，如圖15所示，隨著從受光部20的中央部離開，微透鏡43的曲率變小。換言之，隨著從受光部20的中央部離開，微透鏡43的焦距(從微透鏡43到焦點(diǎn)F4的距離)變長。因此，在受光部20的端部，微透鏡43的焦點(diǎn)F4也位于光電二極管29的表面上。因此，入射光高效率地入射到光電二極管29，因此可以提高固體攝像裝置的光靈敏度。
以下說明本發(fā)明第7實(shí)施方式的固體攝像裝置。本實(shí)施方式將上述第1至第5實(shí)施方式與上述第6實(shí)施方式組合起來。圖17是固體攝像裝置的受光部20的一部分區(qū)域的截面圖。在圖17中，為了使圖面簡單，也省略了柵極電極33和金屬布線層6的一部分的圖示。
如圖所示，本實(shí)施方式的固體攝像裝置所具備的微透鏡44針對每個(gè)微透鏡44具有一定的曲率，并且隨著從受光部20的中央向端部延伸，曲率減小。另外，如在第1至第5實(shí)施方式中說明的那樣，微透鏡44的頂點(diǎn)P5與底面中心C5在水平方向上位于不同的位置上。
根據(jù)本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)得到在上述第1至第3實(shí)施方式中說明的(1)、(2)的效果和在第6實(shí)施方式中說明的(3)的效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第1至第5實(shí)施方式的固體攝像裝置，使向光電二極管入射的入射光會聚的微透鏡的入射面的曲率一定，且頂點(diǎn)在該微透鏡的水平方向上位于偏離底面中心的位置上。因此，微透鏡在從像素中心偏離的位置上具有焦點(diǎn)。因此，可以防止入射光被柵極電極等遮擋，從而可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。
另外，根據(jù)第6、第7實(shí)施方式的固體攝像裝置，使微透鏡的曲率在受光部的中央大、在端部小。結(jié)果，在光相對微透鏡傾斜入射的受光部的端部，光也可以高效率地入射到光電二極管，從而可以抑制固體攝像裝置的光靈敏度的降低。
在上述第1至第7實(shí)施方式中，曲率“一定”的用語例如允許如下的誤差。圖18是微透鏡的截面圖，表示入射光被會聚的狀態(tài)。首先，如果設(shè)微透鏡50相對光軸OP1左右對稱(曲率R)(情形1)，則微透鏡50的左側(cè)及右側(cè)的焦距都為f。因此，如果假定理想光學(xué)系統(tǒng)，則從微透鏡50向光電二極管51射出的光線在一點(diǎn)相交。該點(diǎn)為焦點(diǎn)F6。
但是，微透鏡相對光軸OP1左右非對稱，設(shè)相對于光軸OP1，左側(cè)的曲率為R、焦距為f，右側(cè)的曲率為R’、焦距為f’(情形2)。這樣，由微透鏡52會聚的光線不在一點(diǎn)上相交。因此，在微透鏡52的最右側(cè)會聚的光和在最左側(cè)會聚的光相交的部分，光線具有寬度x。該寬度x以下式表示。
x＝a·|f-f’|/(f+f’)其中，a為微透鏡52的半徑。如果考慮到光為電磁波，則光本來就具有波長程度的寬度。因此，如果該寬度x為波長λ的程度，則認(rèn)為在實(shí)用上沒有問題。特別是在可見光傳感器的情況下，如果x小于人的可見度最高的555nm，則微透鏡50的曲率左右不同的影響小。即，最好滿足x＝a·|f-f’|/(f+f’)＜λ(＝555nm)當(dāng)然，λ可以根據(jù)固體攝像裝置的不同適當(dāng)選擇。另外，微透鏡52的曲率半徑與焦點(diǎn)的關(guān)系式用下式表示。
(1/f)＝(nL-1)/R
其中，nL為微透鏡52的折射率。因此可以導(dǎo)出下式。
x＝a·|R-R’|/(R+R’)＜λ(＝555nm)如果是以上的范圍，則相當(dāng)于上述實(shí)施方式中的“曲率一定”。
另外，微透鏡也可以是如圖19所示的柱面透鏡5。而且，上述實(shí)施方式的微透鏡可以使用圖20所示的光掩模來制造。圖20表示光掩模的平面圖和透射率。在圖中，斜線部分是遮光區(qū)域，空白所示的區(qū)域?yàn)橥高^光的區(qū)域。如圖所示，將光掩模60的透射率設(shè)計(jì)成在其兩端高、在從中央偏離一定寬度的部分最低。利用圖21和圖22說明使用該光掩模60的微透鏡的制造方法。圖21和圖22是依次表示本實(shí)施方式的微透鏡的制造工序的截面圖。
首先，如圖21所示，在絕緣膜61上涂布光致抗蝕劑62。然后，利用使用了光掩模60的照相平版印刷技術(shù)，使光致抗蝕劑62曝光。結(jié)果，光致抗蝕劑62在與光掩模60中透射率高的區(qū)域相對應(yīng)的部分上被大部分除去，而在與透射率低的區(qū)域相對應(yīng)的部分上幾乎沒有除去。即，如圖22所示，光致抗蝕劑62的表面被加工成在從光掩模60的中央、即抗蝕劑62的中央偏離一定寬度的區(qū)域中具有頂點(diǎn)的球面形狀。將該球面形狀的抗蝕劑62用作在上述實(shí)施方式中說明的微透鏡。
上述第3至第7實(shí)施方式也可以適用于象第2實(shí)施方式那樣具有金屬布線層和柵極的情況、或者雖然具有金屬布線層但不具有柵極的情況。在具有金屬布線層和柵極的情況下，通常將金屬布線層設(shè)置在柵極的上層，因此更容易妨礙入射光。因此，微透鏡的曲率最好比柵極更著重地考慮金屬布線層來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，其它的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)是顯而易見的。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面不限于這里示出和描述的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施方式。因此，在不脫離所附權(quán)利要求及其等同技術(shù)方案所限定的總的發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像裝置，包括多個(gè)像素，設(shè)置在半導(dǎo)體基板上，并且包含對入射光進(jìn)行光電變換的光檢測部；以及多個(gè)透鏡，將上述入射光會聚到上述光檢測部上，其中，上述透鏡分別在上述入射光的入射面上具有一定的曲率，并且上述透鏡的上述入射面上的頂點(diǎn)與上述透鏡的底面的中央在上述底面的水平方向上位于不同的位置上。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，上述像素還包括開關(guān)元件，該開關(guān)元件與上述光檢測部相鄰地設(shè)置，并且讀出在上述光檢測部中對上述入射光進(jìn)行光電變換后得到的電荷，相鄰的上述像素被配置成彼此的上述開關(guān)元件相鄰，上述透鏡針對每個(gè)上述像素設(shè)置，該透鏡的頂點(diǎn)在上述光檢測部與上述開關(guān)元件排列的方向上位于夾著該透鏡的中心與上述開關(guān)元件相對的位置上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括多個(gè)金屬布線層，設(shè)置在上述半導(dǎo)體基板與上述透鏡之間，其中，上述透鏡分別針對每個(gè)上述像素設(shè)置，該透鏡的頂點(diǎn)的位置是，夾著包含上述光檢測部的表面中心的上述半導(dǎo)體基板表面的垂線，與夾著上述垂線而相對的2個(gè)上述金屬布線層中的、在上述半導(dǎo)體基板表面的水平方向上離上述垂線近的一個(gè)上述金屬布線層相對。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，位于二維配置有多個(gè)上述像素的受光面的中央部分的上述透鏡的曲率大于位于上述受光面的周邊部分的上述透鏡的曲率。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，上述透鏡的各自的上述曲率滿足下式的關(guān)系a·|R-R’|/(R+R’)＜555nm，其中，a為上述透鏡的半徑，R為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的一個(gè)上述入射面的曲率，并且R’為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的另一個(gè)上述入射面的曲率。
6.一種固體攝像裝置，包括多個(gè)像素，設(shè)置在半導(dǎo)體基板上，并且包含對入射光進(jìn)行光電變換的光檢測部；單位元件，包含多個(gè)上述像素和輸出與從該像素讀出的信號電荷相對應(yīng)的信息的信號輸出部；受光部，排列有多個(gè)上述單位元件；以及多個(gè)透鏡，在上述受光部上針對每個(gè)上述像素設(shè)置，并將上述入射光會聚到對應(yīng)的上述像素的上述光檢測部上，其中，上述透鏡在上述入射光的入射面上具有一定的曲率，并且上述透鏡的上述入射面上的頂點(diǎn)與上述透鏡的底面的中央在上述底面的水平方向上位于不同的位置上。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，上述單位元件包含2個(gè)上述像素和由該2個(gè)上述像素共用的上述信號輸出部，上述信號輸出部被配置在包含在同一個(gè)單位元件內(nèi)的2個(gè)上述像素之間的區(qū)域中。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，上述單位元件包含4個(gè)上述像素和由該4個(gè)上述像素共用的上述信號輸出部，包含在同一個(gè)上述單位元件內(nèi)的4個(gè)上述像素被配置成(2×2)矩陣狀，上述信號輸出部被配置在同一個(gè)上述單位元件內(nèi)的上述像素的列間的區(qū)域中。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，上述單位元件包含在上述受光部的面內(nèi)的垂直方向上相鄰的2個(gè)上述像素，并且在上述受光部內(nèi)呈方格狀地配置，上述信號輸出部從包含在同一個(gè)上述單位元件內(nèi)的2個(gè)上述像素之間的區(qū)域起、跨過在水平方向上相鄰的上述單位元件之間的區(qū)域而配置，在傾斜方向上相鄰的2個(gè)上述單位元件的各個(gè)任意的上述像素中包含的上述光檢測部沿著同一水平線配置。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，上述像素還包括開關(guān)元件，該開關(guān)元件與上述光檢測部相鄰地設(shè)置，并且讀出在上述光檢測部中對上述入射光進(jìn)行光電變換后得到的電荷，相鄰的上述像素被配置成彼此的上述開關(guān)元件相鄰，上述透鏡的頂點(diǎn)在上述光檢測部與上述開關(guān)元件排列的方向上位于夾著該透鏡的中心與上述開關(guān)元件相對的位置上。
11.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括多個(gè)金屬布線層，設(shè)置在上述半導(dǎo)體基板與上述透鏡之間，其中，上述透鏡的各自的頂點(diǎn)的位置是，夾著包含上述光檢測部的表面中心的上述半導(dǎo)體基板表面的垂線，與夾著上述垂線而相對的2個(gè)上述金屬布線層中的、在上述半導(dǎo)體基板表面的水平方向上離上述垂線近的一個(gè)上述金屬布線層相對。
12.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，位于二維配置有多個(gè)上述像素的受光面的中央部分的上述透鏡的曲率大于位于上述受光面的周邊部分的上述透鏡的曲率。
13.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，上述透鏡的各自的上述曲率滿足下式的關(guān)系a·|R-R’|/(R+R’)＜555nm，其中，a為上述透鏡的半徑，R為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的一個(gè)上述入射面的曲率，并且R’為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的另一個(gè)上述入射面的曲率。
14.一種固體攝像裝置，包括像素，設(shè)置在半導(dǎo)體基板上，并且包含對入射光進(jìn)行光電變換的光檢測部；受光面，二維地配置有多個(gè)上述像素；以及多個(gè)透鏡，設(shè)置在上述受光面上，并將上述入射光會聚到上述光檢測部上，其中，上述透鏡分別在上述入射光入射的入射面上具有一定的曲率，并且位于上述受光面的中央部分的上述透鏡的曲率大于位于上述受光面的周邊部分的上述透鏡的曲率。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，上述透鏡的各自的上述入射面上的頂點(diǎn)與上述透鏡的底面的中央在上述底面的水平方向上位于不同的位置上。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，上述像素還包括開關(guān)元件，該開關(guān)元件與上述光檢測部相鄰地設(shè)置，并且讀出在上述光檢測部中對上述入射光進(jìn)行光電變換后得到的電荷，相鄰的上述像素被配置成彼此的上述開關(guān)元件相鄰，上述透鏡針對每個(gè)上述像素設(shè)置，該透鏡的頂點(diǎn)在上述光檢測部與上述開關(guān)元件排列的方向上位于夾著該透鏡的中心與上述開關(guān)元件相對的位置上。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括多個(gè)金屬布線層，設(shè)置在上述半導(dǎo)體基板與上述透鏡之間，其中，上述透鏡分別針對每個(gè)上述像素設(shè)置，該透鏡的頂點(diǎn)的位置是，夾著包含上述光檢測部的表面中心的上述半導(dǎo)體基板表面的垂線，與夾著上述垂線而相對的2個(gè)上述金屬布線層中的、在上述半導(dǎo)體基板表面的水平方向上離上述垂線近的一個(gè)上述金屬布線層相對。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，上述透鏡的各自的上述曲率滿足下式的關(guān)系a·|R-R’|/(R+R’)＜555nm，其中，a為上述透鏡的半徑，R為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的一個(gè)上述入射面的曲率，并且R’為夾著通過上述透鏡的上述底面的中央的垂線而相對的另一個(gè)上述入射面的曲率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體攝像裝置，包括多個(gè)像素和多個(gè)透鏡。像素設(shè)置在半導(dǎo)體基板上，并且包含對入射光進(jìn)行光電變換的光檢測部。透鏡將入射光會聚到光檢測部上。透鏡在入射光的入射面上具有一定的曲率，并且透鏡的入射面上的頂點(diǎn)與透鏡的底面的中央在底面的水平方向上位于不同的位置上。
文檔編號H04N5/335GK101013713SQ20071000633
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月3日
發(fā)明者田中長孝 申請人:株式會社東芝