專利名稱：固態(tài)成像器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器件及其制造方法。尤其是本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像器件以及制造這種固態(tài)成像器件的方法，在該固態(tài)成像器件中光電轉(zhuǎn)換部分的逐像素陣列按照入射光的量(如同在CCD即“電荷耦合器件”的情況中)生成電荷，由電荷傳送部分分別傳送光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷用以輸出電信號。
背景技術(shù)：
近年來，固態(tài)成像器件(例如CCD)在增加像素數(shù)量和降低器件尺寸方面取得了顯著改進。與每個像素面積相比，一般在固態(tài)成像器件中，在光罩(photoshield)膜中設(shè)置的相應(yīng)孔徑較小，光罩膜設(shè)置在光電二極管部分之上。而且，隨著像素尺寸的減小(例如到大約3μm×3μm或更小)，與常規(guī)情況相比被每個光電二極管部分接收的絕對光量進一步減少。因此，任何入射到每個像素的光必須有效地穿過相應(yīng)的孔徑。
為了有效收集進入到每個像素的孔徑的光，常規(guī)固態(tài)成像器件設(shè)置有微透鏡(以下稱為“上透鏡”)，其設(shè)置在濾色鏡上。最近，為了進一步增加光焦度并獲得改進的靈敏度，不僅在濾色鏡上面而且在濾色鏡下都設(shè)置微透鏡(以下稱為“層內(nèi)透鏡”)已經(jīng)付諸實踐(例如參見日本專利特開公開(Japanese Patent Laid-OpenPublication)No.2000-164837(第7頁，圖1))。通過應(yīng)用這兩組微透鏡，還提供了減小由色差造成的隨波長變動的焦點位移的附加優(yōu)點。
圖18示出包括上透鏡和層內(nèi)透鏡的常規(guī)固態(tài)成像器件的剖面結(jié)構(gòu)示例。在圖18中，光罩金屬膜110防止了柵極108和電荷傳送部分106被光照射。為了使光照射到光電二極管部分104上，光罩金屬膜110具有在各個光電二極管部分104上形成的縫隙。每個上透鏡122和層內(nèi)透鏡530把光會聚到相應(yīng)的光電二極管部分104上。在上透鏡122層和層內(nèi)透鏡530層之間設(shè)置濾色鏡120。
從每個光電二極管部分104的表面到每個上透鏡122的距離552最好很短。隨著距離552的變長，將會出現(xiàn)以下問題例如已經(jīng)穿過上透鏡122和層內(nèi)透鏡530的光被光罩膜110攔截，或者光泄漏到鄰近像素中。例如，在圖18所示的固態(tài)成像器件中，在穿過上透鏡530傳播的光線562、564和566中，光線566被光罩金屬膜110攔截。如果這種情況發(fā)生，由光電二極管部分104接收的光的量將比穿過上透鏡122進入的光的量少。如果被光罩金屬膜110攔截的光線566以某種方式(直接或通過反射)散射到另一像素中，將發(fā)生顏色混合的問題。
減小濾色鏡120的厚度來縮小從光電二極管部分104表面到上透鏡122的距離552并不是優(yōu)選的，因為它將導(dǎo)致光譜測定特性劣化。濾色鏡120需要具有某一特定厚度或更厚以獲得預(yù)定的光譜測定特性，由此減小上透鏡122和層內(nèi)透鏡530的距離不能超出濾色鏡120所需厚度所附加的限制。這反過來阻礙了從光電二極管部分104的表面到上透鏡122距離552的縮短。而且，由于濾色鏡所需厚度，如果增加上透鏡122和層內(nèi)透鏡530之間的距離，層內(nèi)透鏡530的曲率必須比上透鏡122的曲率大。如果，相反，上透鏡122的曲率大于層內(nèi)透鏡530的曲率，由上透鏡122過分調(diào)整(throttled)或聚焦的光散射分量將射到層內(nèi)透鏡533上，由此很難在光電二極管部分104上產(chǎn)生會聚點。為了增加層內(nèi)透鏡530的曲率，必須增加層內(nèi)透鏡530的厚度。但是，增加層內(nèi)透鏡530的厚度導(dǎo)致從光電二極管部分104的表面到上透鏡122的距離552的進一步伸長。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)成像器件及其制造方法，該固態(tài)成像器件具有增強的感光度和減小的尺寸，同時能夠減少顏色混合。
本發(fā)明具有以下特征以獲得上述目的。
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像器件(一般為CCD)，其中光電轉(zhuǎn)換部分的逐像素陣列中的每一個按照進到光電轉(zhuǎn)換部分的光的量生成電荷，并且光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷被轉(zhuǎn)換為將要輸出的電信號，該固態(tài)成像裝置包括濾光鏡層、上透鏡和層內(nèi)透鏡。在光電轉(zhuǎn)換部分上布置濾色鏡層，使特定波長的光從其通過。在濾色鏡層上布置上透鏡，使入射光會聚，從而進入濾色鏡層。在濾色鏡層和光電轉(zhuǎn)換部分之間布置層內(nèi)透鏡，每個層內(nèi)透鏡使被每個上透鏡會聚的光進一步會聚，從而進到相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分。本發(fā)明的一個特征是層內(nèi)透鏡具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)。通過采用這種透鏡結(jié)構(gòu)，即使增加其曲率也能減小層內(nèi)透鏡的厚度，還能減小從光電轉(zhuǎn)換部分的表面到上透鏡的距離。結(jié)果，減小了泄漏到鄰近像素中的光，由此防止了顏色混合。由此，實現(xiàn)了一種減小了顏色不勻和閃爍的固態(tài)成像器件。而且，斜向進到上透鏡的光能夠有效地會聚到光電轉(zhuǎn)換部分，即使具有大的照相機透鏡孔徑也能獲得清晰的圖像。
每個具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡一般包括中心透鏡和布置在中心透鏡外面的至少一個環(huán)形透鏡。中心透鏡具有圓形和彎曲的表面，其中心在中心透鏡的光軸上。該至少一個環(huán)形透鏡布置在中心透鏡外面，該環(huán)形透鏡具有環(huán)形和帶狀面，其與中心透鏡同光軸。中心透鏡和環(huán)形透鏡可具有依賴于它們的材料的不同的折射率。例如，中心透鏡和該至少一個環(huán)形透鏡的折射率可以向著外面并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸方向增加或者減小。通過如此使透鏡折射率不同，可以根據(jù)需要賦予層內(nèi)透鏡不同的光學(xué)性質(zhì)。該至少一個環(huán)形透鏡在沿著其半徑方向的寬度可以向著外面并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸的方向減小。結(jié)果，層內(nèi)透鏡的高度可以保持最小。作為一個例子，每個層內(nèi)透鏡包括SiN(氮化硅)。
本發(fā)明還涉及一種具有上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件的制造方法。按照第一方法，在光電轉(zhuǎn)換部分層上形成絕緣膜。在絕緣膜上形成透鏡，每個透鏡緊鄰于相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分之上。形成抗蝕材料層以覆蓋絕緣膜和透鏡。在抗蝕材料層中形成圓柱孔使其位于每個透鏡上，每個孔具有以透鏡光軸為中心的圓形底面并具有比透鏡直徑小的直徑。以保留透鏡中心部分表面結(jié)構(gòu)的方式蝕刻孔的內(nèi)部。然后，去掉該抗蝕材料層。
按照第二方法，在光電轉(zhuǎn)換部分層上形成絕緣膜。在絕緣膜上形成中心透鏡，每個透鏡緊鄰于相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分之上，并且其直徑為像素形成的周期的大約50％到70％。形成平坦膜(planarizingfilm)提供覆蓋中心透鏡的平坦表面，平坦膜包括折射率比中心透鏡折射率小的材料。在平坦膜表面上形成抗蝕材料圓柱部件，使其位于每個中心透鏡之上，每個抗蝕材料部件具有以中心透鏡光軸為中心的圓形底面并具有與中心透鏡直徑相等的直徑。去除位于抗蝕材料部件之下的部分之外的平坦膜。形成透鏡材料的透鏡膜覆蓋絕緣膜和平坦膜。接著，通過蝕刻透鏡膜到足夠深度以暴露平坦膜來形成側(cè)壁，從而變成環(huán)繞每個中心透鏡的環(huán)形透鏡。
可以多次重復(fù)形成側(cè)壁的步驟序列來形成多個環(huán)繞每個中心透鏡的環(huán)形透鏡。在這種情況中，側(cè)壁可以形成為使多個環(huán)形透鏡具有相同的折射率?；蛘?，側(cè)壁可以形成為使多個環(huán)形透鏡具有至少兩個不同的折射率。或者，側(cè)壁還可以形成為使每個環(huán)形透鏡的沿著其半徑方向的寬度在向著外面并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸的方向減小。
從以下結(jié)合附圖本發(fā)明的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的這些和其它目的、特征、方案和優(yōu)點將變得更加明顯。


圖1是示出按照本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像器件的平面圖；圖2是示出具有形成于其中或其上的涉及電荷轉(zhuǎn)移的特征的Si襯底的剖面圖；圖3是示出具有在其中形成的光電二極管部分和電荷傳送部分、還形成有柵極、層間絕緣膜和光罩金屬膜的襯底的剖面圖；圖4是示出圖3襯底的剖面圖，其上形成有絕緣膜；圖5是示出圖4襯底的剖面圖，其上形成有層內(nèi)透鏡；圖6是示出圖5襯底的剖面圖，其上形成具有孔的抗蝕材料層；圖7是示出已被蝕刻的圖6所示透鏡的剖面圖；
圖8是示出已被去除抗蝕材料層的圖7襯底的剖面圖，其上形成有平坦膜；圖9是示出按照本發(fā)明第二實施例的固態(tài)成像器件的剖面圖；圖10是示出按照第二實施例的形成有多個側(cè)壁的固態(tài)成像器件的剖面圖；圖11是示出圖10襯底的剖面圖，在層內(nèi)透鏡上形成有多個平坦膜；圖12是示出圖11襯底的剖面圖，其上形成有柱形抗蝕材料部件；圖13是示出圖12襯底的剖面圖，已經(jīng)從該襯底部分地蝕刻掉平坦膜并去除了抗蝕材料部件；圖14是示出圖13襯底的剖面圖，其上形成有透鏡材料膜；圖15是示出圖14襯底的剖面圖，已經(jīng)從該襯底部分地去除了透鏡材料膜以形成環(huán)形透鏡，在其上還形成有平坦膜；圖16是示出包括設(shè)置在布線層之間的層內(nèi)透鏡的MOS型固態(tài)成像器件的剖面圖；圖17是示出包括設(shè)置在與布線層在同一層的層內(nèi)透鏡的MOS型固態(tài)成像器件的剖面圖；和圖18是示出常規(guī)固態(tài)成像器件的剖面圖。
優(yōu)選實施例介紹(第一實施例)圖1是示出按照本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像器件的平面示意圖。圖1主要示出與電荷傳送有關(guān)的特征。固態(tài)成像器件包括多個像素。在圖1中，被單個像素占據(jù)的面積表示為單元像素12。用作光電轉(zhuǎn)換部分的光電二極管部分104按照其接收光的強度生成電荷。每個垂直CCD16從多個像素接收由各個光電二極管部分104生成的電荷并傳送電荷。水平CCD18從垂直CCD16接收電荷，并把電荷傳送到輸出放大器20。由箭頭14表示信號電荷的流動。
圖2是示出按照第一實施例在圖1的虛線22截取的固態(tài)成像器件的剖面示意圖。除非另外說明，以下介紹將涉及單個像素；可以理解以下的介紹和說明可以同樣地應(yīng)用到任意鄰近像素，而對鄰近像素的介紹將省略。下面將參照圖2介紹本發(fā)明的第一實施例。盡管本發(fā)明說明了行間CCD固態(tài)成像器件，本發(fā)明還可以應(yīng)用到任何其它類型的固態(tài)成像器件，例如MOS型固態(tài)成像器件。
如圖2所示，在Si(硅)襯底102上構(gòu)造按照本發(fā)明的固態(tài)成像器件100。在Si襯底102上形成的光電二極管部分104按照其接收的光強生成電荷。在Si襯底102上形成的每個電荷傳送部分106傳送由相應(yīng)光電二極管部分104生成的電流。在Si襯底102上布置柵極108使得其鄰近于每個光電二極管部分104，并用作轉(zhuǎn)換器，把光電二極管部分104生成的電荷轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)換部分106。形成光罩金屬膜110以覆蓋整個柵極108并部分覆蓋光電二極管部分104。光罩金屬膜110防止柵極108被光照射。
在柵極108層和Si襯底102之間形成的MOS柵絕緣膜112在兩者之間提供電絕緣。層間絕緣膜114在柵極108和光罩金屬膜110之間提供電絕緣。在具有上述特征的Si襯底102上淀積絕緣膜116，從而覆蓋其整個上面。
每組上透鏡122、中心透鏡132和環(huán)形透鏡134使入射平行光會聚在相應(yīng)光電二極管部分104的表面的附近。注意到中心透鏡132和環(huán)形透鏡134一起構(gòu)成具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡。中心透鏡132是近拋物面或球形透鏡。環(huán)形透鏡134可以具有，例如，由取自拋物面或球的環(huán)形或類帶狀部分構(gòu)成的面。
眾所周知，菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)包括環(huán)繞其光軸的共軸帶狀區(qū)域，使得中心部分和周邊部分具有基本相同的厚度，由此減小透鏡內(nèi)空間的同時保持了球面或非球面透鏡表面輪廓?？傮w上，菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)顯得基本平坦。因為減小了透鏡內(nèi)光傳播的距離，菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)提供了減小像差等優(yōu)點。還可以使菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)中不同的帶狀部分具有不同的曲率或折射率?？墒且话阃哥R的不同部分具有相同的焦點。
因為難于獲得具有嚴(yán)格球形形狀的透鏡，常常是每個層內(nèi)透鏡具有拋物面表面。在大多數(shù)情況中，每個層內(nèi)透鏡的光軸穿過相應(yīng)于光電二極管部分的孔徑的中心。但是，在某些情況中，為了防止固態(tài)成像器件的周邊變模糊，每個層內(nèi)透鏡的光軸可以故意地布置成偏離相應(yīng)于光電二極管部分的孔徑的中心軸。
中心透鏡132和環(huán)形透鏡134由通過等離子體CVD(化學(xué)氣相淀積)技術(shù)等形成的氮化硅(P-SiN等離子體氮化硅)膜構(gòu)成。形成平坦膜118覆蓋中心透鏡132和環(huán)形透鏡134。在平坦膜118的上面上形成濾色鏡120，其使特定波長的光通過(例如紅、綠和藍)。
圖3至8是說明在圖2所示的固態(tài)成像器件制造工藝中不同步驟的剖面示意圖。下面參照圖2和圖3至8，將介紹按照第一實施例固態(tài)成像器件的制造方法。
圖3示出在Si襯底102中或其上形成的特征，其能夠使電荷在固態(tài)成像器件中傳送。首先，通過使用例如離子注入的方法在Si襯底102中形成所需的雜質(zhì)擴散層。離子注入是這樣一種技術(shù)用已被加速具有高能量的離子轟擊襯底，從而使半導(dǎo)體襯底具有p-或n-性質(zhì)。由此，形成光電二極管部分104和電荷傳送部分106。
接著，通過使用熱氧化或CVD技術(shù)淀積MOS柵絕緣膜112。MOS柵絕緣膜112可以，例如，具有ONO(SiO2-SiN-SiO2)結(jié)構(gòu)。
接著，通過CVD技術(shù)淀積柵極108。然后通過使用光刻或干法蝕刻工藝等獲得所需圖案(未示出)。然后，通過氧化/CVD技術(shù)等淀積電極絕緣膜(未示出)。接著，盡管在圖3中未示出，淀積并處理第二柵極。注意在應(yīng)用包括三層或更多層的電極結(jié)構(gòu)的情況中，重復(fù)上述步驟。此時，在該兩層電極結(jié)構(gòu)上通過氧化/CVD技術(shù)淀積層間絕緣膜114。接著，在每個光電二極管部分104中心以上的區(qū)域之外的區(qū)域上淀積光罩金屬膜110。
圖4示出在使電荷在固態(tài)成像器件中傳送的裝置上進一步形成的絕緣膜。在淀積光罩金屬膜110之后，在其上面淀積絕緣膜116。絕緣膜116不僅用作絕緣裝置還用作平坦化器件表面的裝置?？梢允褂美鏐PSG(硼-磷-硅玻璃)作為絕緣膜116，BPSG為包含硼(B)和磷(P)的一種氧化硅。
為了防止例如由于高密度安裝而布線中斷之類問題，半導(dǎo)體器件的制造工藝一般包括平坦化器件表面的步驟。例如，通過CVD技術(shù)在器件表面上形成絕緣BPSG膜，隨后可以進行熱處理(回流)，施加熱以產(chǎn)生流動性，或CMP(化學(xué)-機械拋光)工藝，其包括通過使用拋光液物理拋光器件，從而平坦化器件表面。在熱處理中，已知使用包含硼和磷的BPSG比使用純氧化硅的情況提供更好的平坦化效果。
圖5是示出圖4的器件的剖面圖，在其上形成了透鏡130。作為形成透鏡130的方法，首先通過等離子體CVD技術(shù)形成P-SiN層。接著，通過使用光刻技術(shù)選擇性地以所需尺寸和位置形成抗蝕材料層。通常，在相應(yīng)于每個像素的孔徑上形成柱形抗蝕材料部分。接著，進行熱處理以熔化抗蝕材料，由此由于抗蝕材料的表面張力形成了透鏡形抗蝕材料部分。接著，在對P-SiN和抗蝕材料蝕刻率相等的條件下，進行干法蝕刻直到完全除去抗蝕材料。結(jié)果，抗蝕材料的透鏡形狀轉(zhuǎn)錄到P-SiN上。換句話說，在存在透鏡形抗蝕材料的部分之下形成P-SiN透鏡形部分?？梢允褂盟姆?、氧氣和氬氣的氣體混合作為蝕刻氣體。
圖6示出了在其上形成的具有所需的形狀的抗蝕材料膜140的圖5的器件。在形成透鏡130之后，形成抗蝕材料膜覆蓋透鏡130。接著，蝕刻抗蝕材料形成圓柱孔。如此形成的圓柱孔與各自的透鏡130共軸，并且底面的直徑比透鏡130的直徑小。
一般來說，如果層內(nèi)透鏡太小，不能被層內(nèi)透鏡會聚的光量將增加。另一方面，如果層內(nèi)透鏡太大，不能會聚到相應(yīng)與光電二極管部分的孔徑的光量將增加。因此，從易于處理和會聚的觀點出發(fā)，優(yōu)選每個孔底面的直徑大到正好足夠覆蓋相應(yīng)于光電二極管部分的孔徑，例如像素尺寸(或形成像素的周期)的50％到70％。
圖7示出己被蝕刻的圖6的器件。蝕刻掉圖6所示每個透鏡130位于孔下面的部分(這里透鏡130沒有被抗蝕材料覆蓋)。進行該蝕刻使得在深度方向上產(chǎn)生均勻的腐蝕，由此維持透鏡130的表面形狀。結(jié)果，形成中心透鏡132和環(huán)形透鏡134。接著，通過蝕刻去除抗蝕材料140。
圖8示出如何平坦化圖7的器件。在形成中心透鏡132和環(huán)形透鏡134之后，形成平坦化膜118覆蓋中心透鏡132和環(huán)形透鏡134，由此平坦化器件表面。平坦化層可以由有機或無機的任何透明材料構(gòu)成。
接著，在圖8的器件上進一步形成濾色鏡和上透鏡(參見圖2)。首先，在器件的平坦化表面上形成濾色鏡層120。可以通過染色方法(其包括用染料對有機襯底染色)，或顏色光阻應(yīng)用方法(其包括應(yīng)用含色素的光阻劑(pigment-containing resist)并蝕刻)形成濾色鏡120。對構(gòu)成濾色鏡層120的每種顏色重復(fù)進行濾色鏡形成步驟，直到獲得相應(yīng)于像素位置布置(顏色編號)的所需顯色圖案。
接著，在濾色鏡層120上形成上透鏡122。一般通過下述方法形成上透鏡122淀積用熱量熔化的透明樹脂膜；之后把樹脂膜蝕刻成矩形部分；并加熱樹脂使其具有流動性，從而由于樹脂的表面張力形成了透鏡形樹脂部分。另一種公知的方法是通過抗蝕材料熱回流(resist thermal reflow)轉(zhuǎn)錄等方法淀積上透鏡122。
按照本實施例，如圖2所示，從Si襯底102的表面到每個上透鏡122的距離可以從常規(guī)距離552減小到距離152。結(jié)果，不僅平行光線162和164而且自透鏡端部進入的傾斜光166都可以會聚到相應(yīng)于光電二極管部分104的孔徑。
(第二實施例)圖9是示出按照本發(fā)明的第二實施例固態(tài)成像器件的剖面示意圖。下面將參照圖9介紹本發(fā)明的第二實施例。盡管本發(fā)明說明了行間CCD固態(tài)成像器件，本發(fā)明還可以應(yīng)用到任何其它類型的固態(tài)成像器件，例如MOS型固態(tài)成像器件。
如圖9所示，按照本實施例的固態(tài)成像器件包括Si襯底102、光電二極管部分104、電荷傳送部分106、柵極108、光罩金屬膜110、MOS柵絕緣膜112、層間絕緣膜114、絕緣膜116，、上透鏡122、和濾色鏡層120，這些與它們在第一實施例中各自對應(yīng)部分相同。將省略對這些裝置的介紹。
在本實施例中，每組上透鏡122、中心透鏡232和環(huán)形透鏡236使入射光會聚在相應(yīng)光電二極管部分104上。注意中心透鏡232和環(huán)形透鏡236一起構(gòu)成具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡。中心透鏡232和環(huán)形透鏡236具有彼此不同的折射率。中心透鏡232和環(huán)形透鏡236由例如P-SiN的材料構(gòu)成。
在按照本實施例的固態(tài)成像器件中，中心透鏡232和環(huán)形透鏡236由不同的材料構(gòu)成，以使中心透鏡232和環(huán)形透鏡236具有彼此不同的折射率。以下將介紹具體的制造方法。例如，在菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的中心部分中應(yīng)用的透鏡焦距可以與環(huán)形透鏡的焦距不同。結(jié)果，與由單一材料構(gòu)成層內(nèi)透鏡的情況相比，能夠提供具有改善焦度的非球面透鏡。
圖10示出菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡，每個具有設(shè)置在中心的中心透鏡232、環(huán)繞中心透鏡232的環(huán)形透鏡236和環(huán)繞環(huán)形透鏡236的另一環(huán)形透鏡240。如圖10所示，通過由具有不同折射率的多個透鏡部分構(gòu)造每個層內(nèi)透鏡，整個層內(nèi)透鏡可以逐漸接近所需的理想透鏡。
圖11至15是說明在圖9所示的固態(tài)成像器件的制造工藝中不同步驟的剖面示意圖。下面將參照圖9和圖11至15介紹按照第二實施例的固態(tài)成像器件的制造方法。對于直到在Si襯底102上形成絕緣膜116的步驟(產(chǎn)生如圖3所示的器件)，其工藝與按照第一實施例固態(tài)成像器件的制造工藝相同。因此，將省略該第一部分的介紹。
圖11示出在其上形成有中心透鏡和平坦化膜的圖4中的器件。如在第一實施例中一樣，中心透鏡的直徑優(yōu)選為像素尺寸(或形成像素的周期)的大約50％到大約70％。形成平坦化膜233以覆蓋中心透鏡232。為了使中心透鏡232起到透鏡的作用，確保構(gòu)成平坦化膜233材料的折射率比構(gòu)成中心透鏡232材料的折射率小。
圖12示出圖11的器件，其上形成有抗蝕材料圖案?？刮g材料圖案244形成為從上面覆蓋中心透鏡232的柱形部分。圖13示出已從上面蝕刻了的圖12的器件。進行蝕刻使得僅保留在中心透鏡232正上面部分中的平坦化膜234，同時除去其它部分的平坦化膜234。剩余的平坦化膜234用作防止中心透鏡232受隨后例如蝕刻步驟的影響。
圖14示出圖13的器件，其上形成有用于構(gòu)成環(huán)形透鏡236的透鏡材料膜246。通過對中心透鏡232和環(huán)形透鏡236應(yīng)用不同的材料，確保中心透鏡232具有與環(huán)形透鏡236不同的折射率。公知通過改變O和N的組分比率SiON的折射率可以在1.75到2.3的鄰域內(nèi)變化。形成透鏡的方法與在第一實施例中介紹的方法相似。在由含氧材料例如SiON構(gòu)成膜的情況中，一般認(rèn)為必須調(diào)節(jié)蝕刻氣體的組分以含有更少量的氧。
圖15示出圖14的器件，其中已蝕刻透鏡材料246形成環(huán)形透鏡236，其上進一步形成有平坦化膜218。通過蝕刻，圍繞每個中心透鏡232形成變成環(huán)形透鏡236的側(cè)壁。形成平坦化層218覆蓋中心透鏡232和環(huán)形透鏡236。
在圖15所示的器件上形成平坦化膜218、濾色鏡層120和上透鏡122的方法與用于按照第一實施例的固態(tài)成像器件100的方法相似，省略對其介紹。
將可以看到圖10所示的固態(tài)成像器件還包括在圖9所示器件中包圍每個中心透鏡232的側(cè)壁(環(huán)形透鏡236)外面的另一環(huán)形透鏡240?？梢砸耘c形成平坦化膜234相同的方式形成平坦化膜238。由于可以任意地選擇材料用于每個要成為環(huán)形透鏡240或236的側(cè)壁，可以使用任意折射率值設(shè)計最佳透鏡。例如，每個環(huán)形透鏡的折射率可以向外(從中心透鏡的光軸開始)增加或減小。通過如此使透鏡的折射率不同，可以按照需要賦予層內(nèi)透鏡各種光學(xué)特性。
(第三實施例)第一和第二實施例說明了行間CCD型固態(tài)成像器件。但是，按照本發(fā)明的固態(tài)成像器件可以是任何其它CCD型固態(tài)成像器件或MOS型成像器件。圖16和17的每一個是說明采用FDA(浮動擴散放大(Floating Diffusion Amp))型MOS成像器件作為固態(tài)成像器件情況的剖面示意圖。本發(fā)明同樣地可應(yīng)用于任何其它MOS型固態(tài)成像器件。
在MOS型成像器件的情況中，尤其是，一般應(yīng)用多層布線。因此，為了使自外部光源的光有效地會聚到光電二極管部分，優(yōu)選應(yīng)用多層透鏡。如圖16和17所示，通過采用菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)作為層內(nèi)透鏡，層內(nèi)透鏡的高度可以做得比每個布線層的厚度低。結(jié)果，可以在布線層(圖16)之間或者在與布線層同一層中(圖17)提供層內(nèi)透鏡，而不受多層布線的影響。這使得可以提供比布線層多的層內(nèi)透鏡層。
在圖16中，Si襯底102、光電二極管部分104、濾色鏡層120和上透鏡122與第一實施例中的相同，柵極308具有與第一實施例中柵極108相同的功能。因此，省略對這些元件的介紹。電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分306用作把由光電二極管部分104生成的電荷通過經(jīng)柵極308的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸?br> 在MOS型固態(tài)成像器件中，提供了多層鋁布線層342。提供插塞340彼此電連接不同的鋁布線342部件，電互連每個柵極308和鋁布線342，或者電互連每個電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分306和鋁布線342。為了確保光電二極管部分104、電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分306、柵極308和鋁布線342之間的電絕緣，形成絕緣膜350。
中心透鏡332a和環(huán)形透鏡336a組以及中心透鏡332b和環(huán)形透鏡336b組每個都構(gòu)成具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡。分別通過平坦化膜334a和334b以及平坦化膜352覆蓋這些層內(nèi)透鏡。
在圖17中，Si襯底102、光電二極管部分104、濾色鏡層120和上透鏡122與第一實施例中的相同。柵極408具有與第一實施例中柵極108相同的功能。電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分406具有與在第三實施例中電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分306相同的功能。因此，省略對這些元件的介紹。
在MOS型固態(tài)成像器件中，提供了多層鋁布線層442。提供插塞440以彼此電連接鋁布線442的不同部件，電互連每個柵極408和鋁布線442，或者電互連每個電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分406和鋁布線442。為了確保光電二極管部分104、電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分406、柵極408和鋁布線442之間的電絕緣，形成絕緣膜450。
中心透鏡432a和環(huán)形透鏡436a組、中心透鏡432b和環(huán)形透鏡436b組以及中心透鏡432c和環(huán)形透鏡436c組每個都構(gòu)成具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡。分別通過平坦化膜434a、434b和434c以及平坦化膜352覆蓋這些層內(nèi)透鏡。
如上所述，根據(jù)按照發(fā)明本實施例的固態(tài)成像器件，應(yīng)用了具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)的層內(nèi)透鏡。因此，即使增加層內(nèi)透鏡的曲率，其厚度還可以做得很薄，并且從光電轉(zhuǎn)換部分到上透鏡的距離可以做得很短。結(jié)果，減少了泄漏到鄰近像素中的光，從而防止了顏色混合。由此，實現(xiàn)了一種具有減小了顏色不勻和閃爍的固態(tài)成像器件。而且，因為傾斜進到上透鏡的光能夠有效地會聚到光電轉(zhuǎn)換部分，即使具有很大的照相機透鏡孔徑也可以獲得清晰的圖像。
盡管詳細(xì)地介紹了本發(fā)明，上述介紹在所有方面都是說明性的而非限制性的?？梢岳斫獠幻撾x發(fā)明的范圍可以做出多種其它的改進和變型。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，其中光電轉(zhuǎn)換部分的逐像素陣列的每一個按照進到光電轉(zhuǎn)換部分的光的量生成電荷，并且光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷被轉(zhuǎn)換為將輸出的電信號，該固態(tài)成像器件包括設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換部分上面的濾色鏡層，該濾色鏡層使特定波長的光從其通過；設(shè)置在濾色鏡層之上的上透鏡，該上透鏡使入射光會聚，從而進入濾色鏡層；和在濾色鏡層和光電轉(zhuǎn)換部分之間布置的層內(nèi)透鏡，每個層內(nèi)透鏡使被每個上透鏡會聚的光進一步會聚，從而進到相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分，其中每個層內(nèi)透鏡具有菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中每個層內(nèi)透鏡包括具有圓形和彎曲表面的中心透鏡，圓形和彎曲表面的中心在中心透鏡的光軸上；和布置在中心透鏡外面的至少一個環(huán)形透鏡，該至少一個環(huán)形透鏡具有環(huán)形和帶狀的面，其與中心透鏡共光軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像器件，其中中心透鏡的折射率和該至少一個環(huán)形透鏡的折射率不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的固態(tài)成像器件，其中中心透鏡的折射率和該至少一個環(huán)形透鏡的折射率沿向外并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸方向增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的固態(tài)成像器件，其中中心透鏡的折射率和該至少一個環(huán)形透鏡的折射率沿向外并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸方向減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像器件，其中該至少一個環(huán)形透鏡沿著其半徑方向的寬度在向外并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸方向減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中每個層內(nèi)透鏡包括SiN(氮化硅)。
8.一種固態(tài)成像器件的制造方法，該固態(tài)成像器件中光電轉(zhuǎn)換部分的逐像素陣列中的每一個根據(jù)進到光電轉(zhuǎn)換部分的光的量生成電荷，該固態(tài)成像器件具有在光電轉(zhuǎn)換部分和濾色鏡層之間設(shè)置的層內(nèi)透鏡，該方法包括在光電轉(zhuǎn)換部分層上形成絕緣膜的絕緣膜形成步驟；在絕緣膜上形成透鏡的透鏡形成步驟，每個透鏡緊鄰于相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分之上；形成抗蝕材料層以覆蓋絕緣膜和透鏡的抗蝕材料層形成步驟；在抗蝕材料層中形成圓柱孔使其位于每個透鏡之上的孔形成步驟，每個孔具有位于透鏡光軸附近的中心的圓形底面并具有比透鏡直徑小的直徑；以保留透鏡中心部分表面結(jié)構(gòu)的方式蝕刻孔的內(nèi)部的蝕刻步驟；和去除抗蝕材料層的抗蝕材料層去除步驟。
9.一種固態(tài)成像器件的制造方法，該固態(tài)成像器件中光電轉(zhuǎn)換部分的逐像素陣列的每一個根據(jù)進到光電轉(zhuǎn)換部分的光的量生成電荷，該固態(tài)成像器件具有在光電轉(zhuǎn)換部分和濾色鏡層之間設(shè)置的層內(nèi)透鏡，該方法包括在光電轉(zhuǎn)換部分層上形成絕緣膜的絕緣膜形成步驟；在絕緣膜上形成中心透鏡的中心透鏡形成步驟，每個透鏡緊鄰于相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換部分之上并且其直徑為像素形成周期的大約50％到大約70％；形成平坦膜以提供覆蓋中心透鏡的平坦表面的平坦膜形成步驟，該平坦膜包括折射率比中心透鏡折射率小的材料；在平坦膜表面上形成抗蝕材料圓柱部件使得該抗蝕材料圓柱部件位于每個透鏡之上的抗蝕材料形成步驟，每個抗蝕材料部件具有位于中心透鏡光軸附近的中心的圓形底面并具有與中心透鏡直徑相等的直徑；去除除了位于抗蝕材料部件之下部分之外的平坦膜的平坦膜減少步驟；形成透鏡材料的透鏡膜使得覆蓋絕緣膜和平坦膜的透鏡膜形成步驟；和通過蝕刻透鏡膜到足夠深度以暴露平坦膜來形成側(cè)壁的側(cè)壁形成步驟，從而使側(cè)壁變成環(huán)繞每個中心透鏡的環(huán)形透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中包括平坦膜形成步驟、抗蝕材料形成步驟、平坦膜去除步驟、透鏡膜形成步驟和側(cè)壁形成步驟的步驟序列被多次重復(fù)，以形成多個環(huán)繞每個中心透鏡的環(huán)形透鏡
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中多個環(huán)形透鏡具有相同的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中多個環(huán)形透鏡具有至少兩個不同的折射率。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中每個環(huán)形透鏡沿著其半徑方向的寬度在向外并遠(yuǎn)離中心透鏡的光軸的方向減小。
全文摘要
在濾色鏡層120和光電轉(zhuǎn)換部分之間設(shè)置的每個層內(nèi)透鏡具有由中心透鏡132和環(huán)形透鏡134構(gòu)成的菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)果，減小了層內(nèi)透鏡的厚度，不必減小濾色鏡層的厚度就可以降低上透鏡的位置。
文檔編號H04N5/369GK1574377SQ20041004927
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者栗山俊寬 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社