固体摄像元件、摄像装置以及电子设备的制作方法

固体摄像元件、摄像装置以及电子设备
1.本技术是申请日为2014年3月14日、发明名称为“固体摄像元件、摄像装置、电子设备和制造方法”的申请号为201910107070.x的专利申请(下文称“母案”)的分案申请。
2.本技术是在国家知识产权局认为上述母案不符合单一性要求的情况下提出的，具体涉及母案的第一次审查意见通知书，其发文日为2022年09月09日、发文序号为2022090602216530。
技术领域
3.本发明涉及固体摄像元件、摄像装置、电子设备和制造方法，且更具体地，涉及都能够防止受光感光度(photosensitivity)的降低且防止混色(color mixture)的固体摄像元件、摄像装置、电子设备和制造方法。


背景技术：

4.传统地，以cmos图像传感器为代表的固体摄像元件被设置于诸如数码照相机或数码摄影机等摄像装置中。
5.图1是传统且一般的固体摄像元件的截面图。
6.这个固体摄像元件10包括从光入射侧依次层叠的片上透镜11、彩色滤光片(color filter)12、遮光部13和传感器部14等。而且，在片上透镜11是由诸如sin等具有高折射率的无机膜制成的情况下，在片上透镜11与彩色滤光片12之间设置有用来消除彩色滤光片12中的台阶的平坦化层15。
7.在固体摄像元件10中，入射光被片上透镜11聚集到下层侧，并且该入射光经由彩色滤光片12而入射到传感器部14上，且在传感器部14中被执行光电转换。
8.在这种一般的固体摄像元件10中，与各个像素对应的片上透镜(on-chip lens)11是由同一材料制成的，因而它们能够沿着横向而呈一体化地被连接起来。由于这一点，如图1所示，已经入射到片上透镜11的与某一像素对应的区域上的一些光可能漏到相邻像素中，且可能入射到该相邻像素的传感器部14上而不会到达该光原本应当入射到的传感器部14上。这样的现象导致了受光感光度的降低和混色的恶化，且因此，需要一些对策。
9.鉴于这种情况，作为应对上述现象的对策，本发明的申请人曾提议了这样一种固体摄像元件：其中，在一体化形成的片上透镜11的与各像素对应的区域之间的边界中设置有凹槽(例如，参见专利文献1)。
10.图2是采取了上述对策的固体摄像元件的截面图。
11.在这种固体摄像元件20中，光在位于片上透镜11的与各像素对应的各区域之间的边界中的凹槽21处被全反射。这使得能够防止入射光从该入射光原本应当入射到的像素的传感器部14泄漏到相邻像素的传感器部14中且能够防止混色。
12.引用文献列表
13.专利文献
14.专利文献1：日本专利特开jp 2008-270679a


技术实现要素：

15.要解决的技术问题
16.如图2所示，在将凹槽21设置于片上透镜11中的步骤中通常使用光刻技术。在使用光刻技术的情况下，凹槽21的位置叠加很容易发生偏移。
17.而且，凹槽21的宽度是几百nm，且因此凹槽21在片上透镜11中的宽度是相对较大的而片上透镜11的面积很小。这就使集光效率劣化。
18.而且，如例如图3所示，在其中由与片上透镜11的材料不同的另一种材料制成的膜31被形成于具有凹槽21的片上透镜11上的固体摄像元件30中，所述另一种材料进入凹槽21内。在这种情况下，片上透镜11与进入凹槽21内的所述另一种材料之间的折射率差别变小，因此，通过设置凹槽21而获得的防止入射光泄漏的效果降低了。
19.此外，在如图1到图3所示地设置有平坦化层15的情况下，片上透镜11与传感器部14之间的距离因平坦化层15的空间长度而被增大了。因此，还会出现诸如感光度的劣化、缺陷的劣化和倾斜光入射特性的劣化等问题。
20.本发明是鉴于这些情形而被做出的，且本发明能够防止固体摄像元件的感光度的劣化。
21.解决技术问题所采取的技术方案
22.根据本发明的第一方面，提供了一种固体摄像元件，它包括：传感器部，其被构造成生成与入射光对应的电信号；彩色滤光片，其盖住所述传感器部；以及透镜，其被构造成将所述入射光经由所述彩色滤光片而聚集到所述传感器部内，且其是由层叠膜形成的，所述层叠膜由预定的透镜材料制成。在没有设置用来消除所述彩色滤光片中的台阶的平坦化层的前提下，所述透镜被形成于所述彩色滤光片上。
23.在所述透镜中可以设置有狭缝，且所述狭缝的上侧可以被覆盖着。
24.在所述彩色滤光片与所述透镜之间可以设置有折射率调节膜。
25.所述折射率调节膜可以是sion。
26.所述狭缝可以被设置于所述透镜的与各像素对应的区域之间的边界中。
27.所述狭缝的所述上侧可以被与所述透镜的材料相同的所述预定的透镜材料覆盖或被与所述透镜的材料不同的sion覆盖。
28.所述预定的透镜材料可以是sin。
29.所述固体摄像元件可以是前表面照射型图像传感器或后表面照射型图像传感器。
30.本发明的第一方面的固体摄像元件还可以包括如下的膜：该膜由具有比所述预定的透镜材料的折射率小的折射率的材料制成，且该膜被设置于所述透镜上。
31.所述固体摄像元件可以具有csp(芯片级封装)结构。
32.所述狭缝可以具有小于100nm的宽度。
33.根据本发明的第二方面，提供了一种包括固体摄像元件的摄像装置。所述固体摄像元件包括：传感器部，其被构造成生成与入射光对应的电信号；彩色滤光片，其盖住所述传感器部；以及透镜，其被构造成将所述入射光经由所述彩色滤光片而聚集到所述传感器部内，且其是由层叠膜形成的，所述层叠膜由预定的透镜材料制成。在没有设置用来消除所述彩色滤光片中的台阶的平坦化层的前提下，所述透镜被形成于所述彩色滤光片上。
34.根据本发明的第三方面，提供了一种包括摄像部的电子设备。所述摄像部中所包
含的固体摄像元件包括：传感器部，其被构造成生成与入射光对应的电信号；彩色滤光片，其盖住所述传感器部；以及透镜，其被构造成将所述入射光经由所述彩色滤光片而聚集到所述传感器部内，且其是由层叠膜形成的，所述层叠膜由预定的透镜材料制成。在没有设置用来消除所述彩色滤光片中的台阶的平坦化层的前提下，所述透镜被形成于所述彩色滤光片上。
35.在本发明的第一方面至第三方面中，由所述透镜聚集的入射光不经由所述平坦化层而是经由所述彩色滤光片入射到所述传感器部上。
36.根据本发明的第四方面，提供了一种固体摄像元件的制造方法，所述固体摄像元件包括传感器部和透镜，所述传感器部被构造成生成与入射光对应的电信号，所述透镜被构造成将所述入射光聚集到所述传感器部内，且所述透镜由层叠膜形成，所述层叠膜由预定的透镜材料制成。在所述透镜中设置有狭缝，且所述狭缝的上侧被覆盖着。所述制造方法包括：把由所述透镜材料制成的层成形得使该层具有对应于各个像素的半球状形状；在已经被成形得具有所述半球状形状的所述透镜材料上进一步层叠同一种所述透镜材料，以增大所述半球状的所述透镜材料的尺寸；在已经增大了尺寸的、且与各个像素对应的所述半球状的所述透镜材料的接合区域上执行蚀刻，由此设置所述狭缝；以及在已经设置了所述狭缝的所述透镜材料上执行成膜过程。
37.在本发明的第四方面中，由所透镜材料制成的所述层被成形得具有对应于各像素的半球状形状，在已经被成形得具有所述半球状形状的所述透镜材料上进一步层叠同一种所述透镜材料，以便增大所述半球状的所述透镜材料的尺寸，已经增大了尺寸的、且与各个像素对应的所述半球状的所述透镜材料的接合区域经受蚀刻以便设置所述狭缝，然后在已经设置有所述狭缝的所述透镜材料上执行成膜过程。
38.本发明的有益效果
39.根据本发明的第一方面至第三方面，可以防止感光度的劣化。
40.根据本发明的第四方面，可以制造出能够防止感光度的劣化的固体摄像元件。
附图说明
41.图1是传统且一般的固体摄像元件的截面图。
42.图2是在传统的片上透镜中设置有凹槽的固体摄像元件的截面图。
43.图3是在片上透镜上形成有由另一种材料制成的膜的固体摄像元件的截面图。
44.图4是根据本发明实施例1的固体摄像元件的截面图。
45.图5是根据本发明实施例1的固体摄像元件的俯视图。
46.图6图示了由狭缝引起的全反射角。
47.图7示出了狭缝的长度与受光感光度之间的关系。
48.图8是示出了狭缝的形成处理的流程图。
49.图9图示了狭缝的形成处理的过程。
50.图10是根据本发明实施例2的固体摄像元件的截面图。
51.图11是根据本发明实施例3的固体摄像元件的截面图。
52.图12是根据本发明实施例4的固体摄像元件的截面图。
具体实施方式
53.以下，将参照附图详细地说明用来实施本发明的最佳实施方式(以下，称为实施例)。
54.根据本发明实施例1的固体摄像元件50的构造示例
55.图4是根据本发明实施例1的固体摄像元件50的截面图。在固体摄像元件50的构成部件之中，与图1中的固体摄像元件10的那些构成部件相同的构成部件由相同的附图标记表示。
56.固体摄像元件50包括从光入射侧依次层叠的片上透镜11、平坦化层15、彩色滤光片12、遮光部13和传感器部14，且狭缝51被设置于片上透镜11内的与各像素对应的各区域之间的边界中。
57.需要注意的是，虽然没有图示，但是在设置有狭缝51的片上透镜11上可以形成有例如由折射率比片上透镜11的折射率小的树脂材料制成的膜。
58.图5是固体摄像元件50的俯视图。如图5所示，狭缝51被设置于片上透镜11中的与在水平方向和垂直方向上彼此相邻的像素对应的区域之间的边界中。换言之，片上透镜11的与每个像素对应的区域都被狭缝51包围。
59.需要注意的是，图4所示的截面图是沿着图5中所示的线段aa’所取得的截面，且在沿着图5中所示的线段bb’所取得的截面(未图示)中不存在狭缝51。
60.在固体摄像元件50中，入射光被片上透镜11聚集到下层侧，并且该入射光经由彩色滤光片12而入射到传感器部14上，且在传感器部14中被执行光电转换。
61.需要注意的是，固体摄像元件50中的狭缝51与图2所示的固定摄像元件20中的凹槽21的不同之处在于：狭缝51比凹槽21充分地窄。具体地，利用光刻技术形成的凹槽21的宽度是几百nm，然而利用等离子体蚀刻(eb：plasma etching)形成的狭缝51的宽度是几nm。需要注意的是，狭缝51的宽度较佳地小于一百nm。
62.而且，凹槽21的上方是敞开的，然而狭缝51的上方被例如与片上透镜11的材料相同的材料覆盖。需要注意的是，稍后将会参照图8和图9来说明狭缝51的形成。
63.图6图示了由狭缝51引起的全反射角。假设片上透镜11和狭缝51(即，空气)的折射率分别是n1和n2，且全反射角是θ1，那么已知有以下的关系。
64.sinθ1》n2/n165.例如，在片上透镜11是由传统且一般的材料制成的情况下，全反射角θ1是43度，而在片上透镜11是由sin制成的情况下，全反射角θ1是30度。
66.图7示出了狭缝51的长度(深度)与受光感光度之间的关系的检验结果。从图7中清楚可知，发现了受光感光度随着狭缝51的长度的增大而提高。
67.制造方法
68.将参照图8和图9来说明根据本发明实施例的固体摄像元件50中的狭缝51的形成处理。
69.图8是示出了固体摄像元件50中的狭缝51的形成处理的流程图。图9是用来说明狭缝51的形成步骤的固体摄像元件50的截面图。需要注意的是，在图9中，省略了在固体摄像元件50的彩色滤光片12下方的下层侧的图示。
70.在步骤s1中，如图9中的a所示，在彩色滤光片12上设置平坦化层15，且在平坦化层
15上形成由具有高折射率的透镜材料(例如，sin)制成的层以作为片上透镜11。而且，利用光刻技术在由所述透镜材料制成的所述层上形成半球状透镜形状。
71.在步骤s2中，如图9中的b所示，利用干式蚀刻将步骤s1中所形成的透镜形状转印到所述透镜材料上。
72.在步骤s3中，如图9中的c所示，在具有透镜形状的所述透镜材料上进一步层叠由同一种所述透镜材料制成的层。在层叠该膜的过程中，在所述透镜材料的半球慢慢变大且这些半球彼此接合的位置(即，狭缝51的设置位置)中准确地形成了膜质量弱的透镜材料接合区域。
73.需要注意的是，虽然图9中的c图示了表明步骤s2中被转印到透镜材料上的半球部分与步骤s3中所层叠的部分之间的边界的曲线，但是这些部分实际上是由同一种材料制成的，且因此，光学边界并不存在。这同样适用于下面所说明的图9中的d和图9中的e。
74.在步骤s4中，如图9中的d所示，利用蚀刻而在那些半球彼此接合的透镜材料接合区域中设置狭缝51。需要注意的是，因为透镜材料接合区域具有弱的膜质量，所以利用蚀刻能够容易且迅速地设置狭缝51。因为透镜材料接合区域准确地存在于半球之间的边界中且透镜材料接合区域经受蚀刻处理，所以能够通过自对准的方式形成狭缝51。
75.在步骤s5中，如图9中的e所示，在狭缝51上执行使用同一种透镜材料的成膜过程，由此覆盖狭缝51的上侧。此外，在具有上侧要被覆盖的狭缝51的片上透镜11上可以执行使用与所述同一种透镜材料不同的材料(例如，sion)的成膜过程，然后在该膜上可以形成树脂膜。于是，结束了狭缝51的形成处理的说明。
76.如上所述，设置有狭缝51的固体摄像元件50能够使图1所示的固体摄像元件10中的片上透镜11内的向相邻像素泄漏的光在狭缝51处被全反射，且入射到原本像素的传感器部14上。因此，就能够提高受光感光度且防止混色。
77.而且，与图2所示的固体摄像元件20不同的是，因为狭缝51的上侧被覆盖着，所以能够防止由片上透镜11的面积减小而引起的集光效率的降低。
78.此外，如图3的固体摄像元件30中那样，在片上透镜11上可以形成有由折射率比透镜材料的折射率小的另一种材料制成的膜。在这种情况下，同样地，因为狭缝51的上侧被覆盖着，所以该另一种材料不会进入狭缝51，且因此，能够防止由狭缝51引起的全反射效果的降低。
79.根据本发明实施例2的固体摄像元件60的构造示例
80.图10是根据本发明实施例2的固体摄像元件60的截面图。固体摄像元件60是通过从图4的固体摄像元件50中去除平坦化层15而获得的。
81.即，在固体摄像元件60中，片上透镜11被直接地形成于彩色滤光片12上。需要注意的是，在固体摄像元件60中，同样地，在设置有狭缝51的片上透镜11上可以形成有例如由折射率比片上透镜11的折射率小的树脂材料制成的膜。
82.在固体摄像元件60中，与固体摄像元件50比较而言，片上透镜11与传感器部14之间的距离因为被去除的平坦化层15的空间长度而减小了。这使得能够防止感光度的劣化、缺陷的劣化、以及倾斜光入射特性的劣化等等。
83.需要注意的是，固体摄像元件60的制造方法类似于固体摄像元件50的上述制造方法，因此，省略该制造方法的说明。
84.根据本发明实施例3的固体摄像元件70的构造示例
85.图11是根据本发明实施例3的固体摄像元件70的截面图。固体摄像元件70是通过从图1的固体摄像元件10中去除平坦化层15而获得的。
86.即，在固体摄像元件70中，片上透镜11被直接地形成于彩色滤光片12上。需要注意的是，在固体摄像元件70中，同样地，可以形成有例如由折射率比片上透镜11的折射率小的树脂材料制成的膜。
87.因为与上述的实施例1和实施例2不同的是，在固体摄像元件70中的片上透镜11中没有设置狭缝51，所以固体摄像元件70不能够具有提高受光感光度和防止混色的效果。然而，与图1所示的固体摄像元件10比较而言，片上透镜11与传感器部14之间的距离因为被去除的平坦化层15的空间长度而减小了。这使得能够防止感光度的劣化、缺陷的劣化、以及倾斜光入射特性的劣化等等。
88.需要注意的是，除了省略了用于设置狭缝51的步骤以外，固体摄像元件70的制造方法类似于固体摄像元件50的上述制造方法，因此，省略该制造方法的说明。
89.根据本发明实施例4的固体摄像元件80的构造示例
90.图12是根据本发明实施例4的固体摄像元件80的截面图。固体摄像元件80是通过如下方式而获得的：从图1的固体摄像元件10中去除平坦化层15、且在彩色滤光片12上设置折射率调节膜81，所述折射率调节膜81例如是由具有介于片上透镜11的折射率与彩色滤光片12的折射率之间的中间折射率的sion制成的。
91.即，在固体摄像元件80中，折射率调节膜81被形成于彩色滤光片12上，且片上透镜11被形成于折射率调节膜81上。需要注意的是，在固体摄像元件80中，同样地，可以形成有例如由折射率比片上透镜11的折射率小的树脂材料制成的薄膜。
92.因为与上述的实施例1和实施例2不同的是，在固体摄像元件80中的片上透镜11中没有设置狭缝51，所以固体摄像元件80不能够具有提高受光感光度和防止混色的效果。然而，与图1所示的固体摄像元件10比较而言，片上透镜11与传感器部14之间的距离因为被去除的平坦化层15的空间长度而减小了。这使得能够防止感光度的劣化、缺陷的劣化、以及倾斜光入射特性的劣化等等。而且，因为设置有折射率调节膜81，所以能够防止界面反射，且因此，能够预期到感光度的提高。需要注意的是，在实施例1和实施例2中，也能够设置有折射率调节膜81。
93.需要注意的是，除了添加了用于在彩色滤光片12上设置折射率调节膜81的步骤和省略了用于设置狭缝51的步骤以外，固体摄像元件80的制造方法类似于固体摄像元件50的上述制造方法，因此，省略该制造方法的说明。
94.需要注意的是，根据实施例1到实施例4的固体摄像元件50、60、70和80既能够被应用到前表面照射型图像传感器又能够被应用到后表面照射型图像传感器。而且，固体摄像元件50、60、70和80适合于采用芯片级封装(csp：chip size package)结构的情况。
95.而且，根据实施例1到实施例4的固体摄像元件50、60、70和80不仅能够被应用到诸如数码摄影机和数码照相机等摄像装置中，而且还能够被应用到包括摄像部的任意电子设备中。
96.需要注意的是，本发明的实施例不局限于上述各实施例，且能够在本发明的范围内进行各种修改。
97.此外，本技术还可以实现如下的技术方案。
98.(1)一种固体摄像元件，其包括：
99.传感器部，所述传感器部被构造成生成与入射光对应的电信号；
100.彩色滤光片，所述彩色滤光片盖住所述传感器部；以及
101.透镜，所述透镜被构造成将所述入射光经由所述彩色滤光片而聚集到所述传感器部内，且所述透镜由层叠膜形成，所述层叠膜是由预定的的透镜材料制成的，
102.其中在没有设置用来消除所述彩色滤光片中的台阶的平坦化层的前提下，所述透镜被形成于所述彩色滤光片上。
103.(2)根据(1)所述的固体摄像元件，
104.其中，在所述透镜中设置有狭缝，且所述狭缝的上侧被覆盖着。
105.(3)根据(1)或(2)所述的固体摄像元件，
106.其中，在所述彩色滤光片与所述透镜之间设置有折射率调节膜。
107.(4)根据(2)所述的固体摄像元件，
108.其中，所述折射率调节膜是sion。
109.(5)根据(1)到(4)中任一项所述的固体摄像元件，
110.其中，所述狭缝被设置于所述透镜的与各像素对应的区域之间的边界中。
111.(6)根据(1)到(5)中任一项所述的固体摄像元件，
112.其中，所述狭缝的所述上侧被与所述透镜的材料相同的所述预定的透镜材料覆盖或被与所述透镜的材料不同的sion覆盖。
113.(7)根据(6)所述的固体摄像元件，
114.其中，所述预定的透镜材料是sin。
115.(8)根据(1)到(7)中任一项所述的固体摄像元件，
116.其中，所述固体摄像元件是前表面照射型图像传感器或后表面照射型图像传感器。
117.(9)根据(1)到(8)中任一项所述的固体摄像元件，其还包括：
118.由折射率比所述预定的透镜材料的折射率小的材料制成的膜，所述膜被设置于所述透镜上。
119.(10)根据(1)到(9)中任一项所述的固体摄像元件，
120.其中，所述固体摄像元件具有csp结构。
121.(11)根据(2)到(10)中任一项所述的固体摄像元件，
122.其中，所述狭缝具有小于100nm的宽度。
123.附图标记列表
124.11：片上透镜
125.12：彩色滤光片
126.13：遮光部
127.14：传感器部
128.15：平坦化层
129.50：固体摄像元件
130.51：狭缝
131.60、70、80：固体摄像元件
132.81：折射率调节膜