CN101814515B - 固态图像拾取装置和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括多个像素的固态图像拾取装置。多个像素，每个包括透镜，用于将通过所述透镜的入射光转换为电信号的光电转换器，以及提供在所述透镜和所述光电转换器之间的波导。布置所述波导，使得在光出射侧的至少一部分所述波导的中心在光出射侧的波导的末端部分和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心。

Description

固态图像拾取装置和电子装置

技术领域

本发明涉及固态图像拾取装置和电子装置。具体地，本发明涉及具有波导结构的固态图像拾取装置和包括该固态图像拾取装置的电子装置。

背景技术

作为固态图像拾取装置，通常使用所谓的表面入射型固态图像拾取装置。表面入射型的固态图像拾取装置从元件形成部分的布线层侧的表面(前表面)取得入射光，在所述元件形成部分上形成光电转换器。表面入射型的固态图像拾取装置具有这样的结构，其中在光电转换器的区域上提供如布线层、保护膜、滤色镜和微透镜的像素组件。

顺便提及，在如表面入射型的固态图像拾取装置的固态图像拾取装置中，直到大约1μm的像素尺寸(单元尺寸)的小型化不可避免地导致聚焦在微透镜上的图像光(入射光)的光量的降低。此外，因为布线层等插入在微透镜和光电转换器之间，所以在布线层等中显著地产生光量的损失，直到聚焦在微透镜上的光到达光电转换器。结果，显著地劣化像素的敏感性。

鉴于此，为了有效地将光引导到光电转换器，也就是说，为了提高光收集效率，已经提出了具有所谓波导结构的各种固态图像拾取装置，其中在像素的中心部分提供波导，并且将光限制在波导中，从而抑制光量的损失(参见，例如，日本专利申请公开No.2008-210975)。

发明内容

当在表面入射型固态图像拾取装置中像素尺寸日益小型化时，失去了光电转换器或像素晶体管在基底上布局的自由度。结果，在具有波导结构的固态图像拾取装置中，光电转换器的区域的重心从波导或微透镜的中心偏移，这导致与这种一部分入射光偏离光电转换器的区域的程度相对应的光量的损失。

鉴于上述情况，希望提供一种具有波导结构的固态图像拾取装置，其能够在通过波导将由微透镜取得的光引导到光电转换器的路径中减少光量的损失，并且提供一种提供有该固态图像拾取装置的电子装置。

根据本发明的实施例，提供一种包括多个像素的固态图像拾取装置。所述多个像素每一个包括透镜，用于将通过所述透镜的入射光转换为电信号的光电转换器，以及提供在所述透镜和所述光电转换器之间的波导。布置波导，使得在光出射侧的至少一部分波导的中心在光出射侧的波导的末端部分和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心。

例如，当整个波导的中心在波导和光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移时，所述主光束通过所述透镜的中心，透镜和波导之间产生的光量的损失比整个波导的中心与透镜的中心重合的情况下稍大。但是因为波导与光电转换器重合的区域大，所以限制在波导中的光被有效地引导到光电转换器的光接收表面。

在此情况下，在波导和光电转换器之间产生的光量的损失小于在光电转换器的区域的重心从透镜或波导的中心偏移的情况下在波导和光电转换器之间的光量的损失。因此，通过使用这样的结构，其中波导的中心在波导和光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移时，所述主光束通过所述透镜的中心，可以减小透镜和光电转换器之间的路径(光学路径)中光量的总损失。

根据本发明，与光电转换器的区域的重心从透镜或波导的中心偏移的情况相比，可以减小透镜和光电转换器之间的路径中光量的损失。

如附图所示，根据以下本发明的最佳模式实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是示出应用本发明的CMOS图像传感器的示意性结构的系统结构图；

图2是示出单位像素的电路结构的示例的电路图；

图3是示出根据本发明的第一实施例的具有波导结构的像素的截面结构的截面图；

图4是示出根据第一实施例的波导结构中的微透镜、波导和光电二极管之间的位置关系的平面图；

图5是示出根据第一实施例的具有波导结构的像素的制造方法的步骤的示例的工艺图；

图6是示出根据第一实施例的制造方法的修改示例的图；

图7是示出现有技术中具有波导结构的单位像素的截面结构的示例的截面图；

图8是示出现有技术的波导结构中的微透镜、波导和光电二极管之间的位置关系的平面图；

图9A和9B是示出关于在光接收区域上的能量分布的模拟结果的图，其中比较了现有技术的波导结构的情况(图9A)和根据第一实施例的波导结构的情况(图9B)；

图10是示出根据本发明的第二实施例的具有波导结构的像素的截面结构的截面图；

图11是示出根据第二实施例的波导结构中的微透镜、波导和光电二极管之间的位置关系的平面图；

图12是示出根据第二实施例的具有波导结构的像素的制造方法的步骤的示例的工艺图(部分1)；

图13是示出根据第二实施例的具有波导结构的像素的制造方法的步骤的示例的工艺图(部分2)；

图14A和14B是示出关于在光接收区域上的能量分布的模拟结果的图，其中比较现有技术的波导结构的情况(图14A)和根据第二实施例的波导结构的情况(图14B)；以及

图15是示出作为根据本发明的实施例的电子装置的示例的图像拾取装置的结构示例的框图。

具体实施方式

下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。应该注意，将以以下项目的顺序给出描述。

1.应用本发明的固态图像拾取装置(CMOS图像传感器的示例)

2.第一实施例(提供单个波导的情况的示例)

3.第二实施例(提供多个波导的情况的示例)

4.修改示例

5.电子装置(图像拾取装置的示例)

<1.应用本发明的固态图像拾取装置>

(系统结构)

图1是作为应用本发明的一种固态图像拾取装置(例如，X-Y地址型的固态图像拾取装置)的CMOS图像传感器的示意性结构的系统结构图。这里，CMOS图像传感器指通过应用或部分使用CMOS工艺形成的图像传感器。

如图1所示，该应用示例的CMOS图像传感器10包括在半导体基底(芯片)18上形成的像素阵列部分11和在半导体基底18上集成的外围电路部分，在该半导体基底18上形成像素阵列部分11。例如，提供垂直驱动部分12、列处理部分13、水平驱动部分14和系统控制部分15作为外围电路部分。

在像素阵列部分11中，以矩阵型式二维排列每个包括光电转换器(例如光电二极管)的单位像素(未示出)(下文中，可以简称为“像素”)。光电转换器对入射可见光执行到对应于其光量的电荷量的光电转换。此外，对每个像素提供收集入射光的透镜，即，微透镜(未示出)。在彩色显示的情况下，每个像素提供有滤色镜。随后将描述单位像素的具体结构。

此外，在像素阵列部分11中，为矩阵型式中的像素排列的每行在图1的横向方向(像素行排列方向，也就是说，水平方向)形成像素驱动线16，并且为每列在图1的上下(像素列排列方向，也就是说，垂直方向)形成垂直信号线17。在图1中，像素驱动线16显示为单条线，但是不限于一个。像素驱动线16的一端连接到对应于垂直驱动部分12的每行的输出端。

垂直驱动部分12由移位寄存器、地址解码器等形成。这里，未示出垂直驱动部分12的具体结构。垂直驱动部分12具有读取扫描系统和重置扫描系统。读取扫描系统对单位像素连续执行选择性扫描，其对每一行读取信号。

另一方面，重置扫描系统执行重置扫描，其中对于通过读取扫描系统经历读取扫描的读取目标行，在读取扫描之前对应于快门速度的时间段，从读取目标行中的单位像素的光电转换器重置不必要的电荷。通过重置扫描系统的不必要电荷的重置操作，执行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作指放电光电转换器的光电荷并且重新开始曝光(开始积累光电荷)的操作。

通过由读取扫描系统的读取操作读取的信号对应于最后的读取操作或电子快门操作之后的入射光量。此外，从最后读取操作的读取定时或通过电子快门操作的重置定时到当前读取操作的读取定时的时间段对应于单位像素中光电荷的积累时间段(曝光时间段)。

从已经经历垂直驱动部分12的选择性扫描的像素行中的每个单位像素输出的信号通过每条垂直信号线17提供到列处理部分13。对于像素阵列部分11的每个像素列，列处理部分13对从选择的行中的每个像素20输出的模拟像素信号执行预定信号处理。

例如，可以使用CDS(相关倍采样)处理作为由列处理部分13执行的信号处理。在CDS处理中，取得从选择的行中的每个像素输出的重置电平和信号电平，并且获得那些电平之间的差，从而获得用于一行像素的信号并且移除每个像素的固定模式噪声。列处理部分13可以具有数字化模拟像素信号的AD转换功能。

水平驱动部分14由移位寄存器、地址解码器等构成，并且对对应于列处理部分13的像素列的电路部分顺次执行选择性扫描。通过由水平驱动部分14执行的选择性扫描，顺次输出通过对列处理部分13中的每个像素列执行信号处理所获得的像素信号。

系统控制部分15接收从半导体基底18的外部给出的时钟、用于命令操作模式的数据等，并且输出如CMOS图像传感器10的内部信息的数据。此外，系统控制部分15包括生成各种定时信号的定时发生器，并且基于由定时发生器生成的各种定时信号对垂直驱动部分12、列处理部分13、水平驱动部分14等执行驱动控制。

(单位像素的电路结构)

图2是示出单位像素20的电路结构的示例的电路图。如图2所示，该电路示例中的单位像素20包括作为光电转换器的光电二极管21和传输晶体管22、重置晶体管23、放大器晶体管24和选择晶体管25的四个晶体管。

在该示例中，例如，使用N沟道MOS晶体管作为四个晶体管22到25的每一个。但是，传输晶体管22、重置晶体管23、放大器晶体管24和选择晶体管25的传导类型的组合仅是示例，并且可以使用另一组合示例。

在单位像素20中，为相同像素行中的每个像素共同提供用作像素驱动线16的传输线161、重置线162和选择线163。传输线161、重置线162和选择线163的端子连接到对应于每一像素行的垂直驱动部分12的像素行的输出端子。

光电二极管21具有连接到负电源(例如，地)的阳极电极，并且对接收的光执行到对应于其光量的光电荷(在此情况下，光电子)的光电转换。光电二极管21具有阴极电极，其通过传输晶体管22电连接到放大器晶体管24的栅极电极。电连接到放大器晶体管24的栅极电极的节点称为FD(浮置扩散)部分26。

传输晶体管22连接在光电二极管21的阴极电极和FD部分26之间。其中高电平(例如，Vdd电平)有效的(下文中，称为“高有效”)传输脉冲

通过传输线161传送到传输晶体管22的栅极电极。结果，传输晶体管22变为导通状态，并且将已经经历光电二极管21的光电转换的光电荷传输到FD部分26。

重置晶体管23具有连接到像素电源Vdd的漏极电极和连接到FD部分26的源极电极。高有效的重置脉冲

通过重置线162传送到重置晶体管23的栅极电极。结果，重置晶体管23变为导通状态，并且通过在信号电荷从光电二极管21传输到FD部分26之前将FD部分26的电荷放电到像素电源Vdd来重置FD部分26。

放大器晶体管24具有连接到FD部分26的栅极电极和连接到像素电源Vdd的漏极电极。此外，放大器晶体管24输出通过重置晶体管23执行重置之后的FD部分26的电势作为重置信号(重置电平)Vreset。此外，放大器晶体管24输出通过传输晶体管22的信号电荷的传输之后的FD部分26的电势作为光积累信号(信号电平)Vsig。

例如，选择晶体管25具有连接到放大器晶体管24的源极电极的漏极电极和连接到垂直信号线17的源极电极。高有效的选择脉冲

通过选择线163传送到选择晶体管25的栅极电极。结果，选择晶体管25变为导通状态，并且在单位像素20处于被选择状态的情况下将从放大器晶体管24输出的信号中继到垂直信号线17。

应该注意，选择晶体管25可以具有连接在像素电源Vdd和放大器晶体管24的漏极之间的电路结构。

此外，单位像素20不限于具有由上述四个晶体管构成的像素结构。例如，单位像素20可以具有由三个晶体管构成的像素结构，所述三个晶体管之一兼作放大器晶体管24和选择晶体管25，并且像素电路的结构不受限。

(光瞳校正)

提供具有上述结构的CMOS图像传感器10，并且用作用于具有图像拍摄功能的电子装置(如数字静态相机、摄像机和移动电话)的图像拾取设备。通常，在使用中，为了降低边缘暗化(limb darkening)的目的，称为光瞳校正(pupil correction)的已知技术应用于其出瞳距离短的薄相机透镜。

光瞳校正是如下技术。也就是说，首先，在作为成像表面的像素阵列部分11的中心部分，取得各个像素20上的入射光的微透镜的中心与光电二极管21的开口的中心(也就是说，光电二极管21的区域重心)重合。这里，透镜由围绕轴旋转对称的平面形成，并且旋转对称的轴用作光轴。此外，旋转对称的轴与透镜的球面相交的点对应于微透镜的中心。顺便提及，像素阵列部分11的中心的像素位置称为0％的图像高度。

另一方面，在像素阵列部分11的外围部分，微透镜的中心的部分在主光束方向上从光电二极管21的开口的中心向外偏移。这里，主光束指通过微透镜的中心的一条光束。此外，通过每个像素的微透镜的中心的主光束与像素阵列部分11的中心部分的微透镜的光轴重合。同时，通过每个像素的微透镜的中心的主光束相对于像素阵列部分11的外围部分中的光轴倾斜。顺便提及，像素阵列部分11的外围部分的角，也就是说，离像素阵列部分11的中心最远的像素位置称为100％的图像高度。

如上所述，在像素阵列部分11的外围部分中在微透镜的中心位置和光电二极管21的开口的中心之间提供偏移的技术是光瞳校正。通过使用光瞳校正的技术，相机透镜越来越薄。因此，即使当在微透镜上的入射光以各种角度进入成像表面时，在光电二极管21的开口部分周围也可以避免光的机械晕影(mechanical vignetting)。结果，在整个像素阵列部分11(整个成像表面)上的各个像素20的光收集效率可以几乎是相同的，因此可以改进灵敏度的整体性能。

上述本发明的应用示例的CMOS图像传感器10具有波导结构，其中为了有效地将像素20上的入射光引导到光电二极管21(也就是说，提高光收集效率)的目的，在像素的中心部分提供波导。此外，本发明的特征在于，用于通过具有波导结构的CMOS图像传感器10中的波导，减少将由微透镜取得的光引导到光电二极管21的路径(光学路径)中光量的损失的结构。对于用于减少光量的损失的具体实施例将给出描述。

<2.第一实施例>

(像素结构)

图3是示出根据本发明的第一实施例的具有波导结构的像素的截面结构的截面图。这里，为了附图的简化，示出在像素阵列部分11的中心部分布置的某一单位像素20的波导结构。图4是示出根据第一实施例的波导结构中的微透镜、波导和光电二极管之间的位置关系的平面图。

在图3中，在半导体基底的表面下的部分(例如，硅基底31)中，形成执行光电转换的光接收传感器部分(光电转换器)32。光接收传感器部分32形成为由例如在其表面侧的P型扩散层和N型扩散层构成的二极管(对应于图2中示出的光电二极管21)。光接收传感器部分32可以具有这样的结构，其中表面进一步覆盖有由P型扩散层形成的空穴积累层。

在硅基底31上，通过底部绝缘膜33形成中间层绝缘膜34。在中间层绝缘膜34的表面侧，通过在槽模(groove pattern)中嵌入导电材料形成布线35。此外，在槽模式中重复执行中间层绝缘膜34的形成和布线35的形成，并且在末端形成中间层绝缘膜34，从而形成多层布线层36。

在位于光接收传感器部分32(光电二极管21)之上的一部分多层布线层36中，形成用于波导的孔37。形成孔37的中心(也就是说，孔37的横截面部分的中心)O，以希望与光接收传感器部分32的开口的中心(也就是说，光接收传感器部分32的区域的重心)P重合。此外，形成孔37，使得其底部部分的区域小于光接收传感器部分32的区域。

在孔37内部，沿着内壁表面(也就是说，多层布线层36的暴露表面)形成波导膜38。然后，在波导膜38的内侧埋入光透射埋入层(透明膜)39，从而形成波导40。结果，孔37的中心O对应于波导40的中心。因此，波导40的中心O与光接收传感器部分32的区域重心P重合。这里，波导40的中心指波导40的横截面的中心。此外，在光出射侧(图3的下侧)的波导40的末端部分的区域小于光接收传感器部分32的区域。

在波导40之上，形成预定颜色的滤色镜41。在滤色镜41上提供透镜，具体地，称为片上(on-chip)透镜的微透镜42。这里，尽管波导40的中心O与光接收传感器部分32的区域重心P重合，但是形成微透镜42的中心Q，以便与波导40的中心O偏移。

此时，波导40的中心O在波导40和光接收传感器部分32重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过微透镜42的中心Q。这里，在像素阵列部分11的中心部分，因为光平行于包括中心Q的光轴R进入微透镜42，所以通过中心Q的主光束与光轴R重合。

另一方面，在像素阵列部分11的外围部分，因为光相对于包括中心Q的光轴R倾斜地进入微透镜42，所以通过中心Q的主光束具有相对于光轴R的角度。因此，在使用上述光瞳校正技术的CMOS图像传感器中，为了波导40的中心O相对于微透镜42的中心Q的偏移，通过中心Q的主光束用作参考，代替使用中心Q或微透镜42的光轴R作为参考。

(制造方法)

随后，参照图5的工艺图，将给出关于具有根据第一实施例的波导结构的像素的制造方法的步骤示例的描述。在图5中，与图3的组件相同的组件用相同的参考标号表示。

(步骤1：直到多层布线层36的形成)

在硅基底31上，在形成光接收传感器部分32的基底部分中，形成底部绝缘膜33。接下来，在底部绝缘膜33上，形成中间层绝缘膜34，然后在中间层绝缘膜34的表面侧上形成槽模。在槽模中，例如，嵌入金属，从而形成布线35。重复执行在槽模中中间层绝缘膜34的形成和布线35的形成，结果形成多层布线层36。

(步骤2：用于波导的孔37的形成)

接下来，通过使用例如基于CF的气体执行干蚀刻，从而通过使用抗蚀剂掩模(resist mask)51在多层布线层36中形成用于波导的孔37。在此情况下，布置孔37，使得用于波导的孔37与光接收传感器部分32重叠的区域大。结果，定位波导40的中心O以便不对应于微透镜42的中心Q(光轴R)。希望设置波导40的中心O从微透镜42的中心Q的偏移量在此情况下为大约10到200nm，用于最小化光量的损失。

此外，为了避免由金属制造的布线层35暴露到外部，可以采用以下两种制造方法。一种是形成用于波导的孔37的直径为小尺寸以维持波导40和布线35之间的距离的方法。另一种是形成保护层52的方法，该保护层52由其蚀刻率与多层布线层36的中间层绝缘膜34的蚀刻率不同的材料(具体地，其蚀刻率低于中间层绝缘膜34的蚀刻率的材料(难以蚀刻的材料))制成，如图6所示。这里，蚀刻率指每次当蚀刻蚀刻目标膜时每单元的比率。

(步骤3：波导膜38的形成)

接下来，在多层布线层36上和在用于波导的孔37的内壁上，也就是说，在多层布线层36的暴露表面上形成波导膜38。波导膜38可以由用于现有技术中的波导结构的已知材料制造。

(步骤4：用于波导的孔37中的埋入)

接下来，通过波导膜38在用于波导的孔37中埋入光透射材料，从而形成光透射埋入层39。作为在此情况下要埋入的光透射材料，可以使用现有技术中用在波导结构中的已知材料，也就是说，具有高折射率的材料。波导膜38和光透射埋入层39构成波导40。

(步骤5：滤色镜41和微透镜42的形成)

最后，为每个像素通过光透射埋入层39在多层布线层36上形成对应于每个子像素的滤色镜41，然后为每个像素在滤色镜41上形成微透镜42。

(操作和效果)

如上所述，根据第一实施例的波导结构具有这样的结构，其中波导40的中心O在波导40和光接收传感器部分32重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过微透镜42的中心Q。此外，使用根据第一实施例的波导结构，可以实现以下操作和效果。

也就是说，当使用根据该实施例的波导结构时，微透镜42和波导40之间导致的光量的损失稍大于在波导40的中心O与微透镜42的中心Q重合的情况下的光量的损失。同时，波导40与光接收传感器部分32重叠的区域大，因此在波导40中收集(限制)的光有效地引导到光接收传感器部分32的光接收表面。

这里，如图7和8所示，波导40和光接收传感器部分32之间的光量的损失小于在光接收传感器部分32的区域重心P从微透镜42的中心Q或波导40的中心O偏移情况下的波导40和光接收传感器部分32之间的光量的损失。具体地，波导40的中心O和光接收传感器部分32的区域重心P重合，并且在光出射侧的波导40的末端部分的区域小于光接收传感器部分32的区域。为此，可以最小化波导40和光接收传感器部分32之间的光量的损失。

因此，通过使用根据该实施例的像素结构，其中波导40的中心O从通过微透镜42的中心Q的主光束偏移，可能减小在微透镜42和光接收传感器部分32之间的路径(光学路径)中总的光量的损失。也就是说，在微透镜42和光接收传感器部分32之间的路径中的光量的损失可以减小到比光接收传感器部分32的区域重心P从微透镜42的中心Q或波导40的中心O偏移情况下更大的程度，如图7和8所示。在图7和8中，与图3和4中所示的相同的组件由相同的参考标号或符号表示。

图9A和9B是示出关于在光接收传感器部分32的光接收区域上的能量分布的模拟结果的图。在图9A和9B中，比较现有技术的波导结构的情况(图9A)和根据第一实施例的波导结构的情况(图9B)。

在CMOS图像传感器10用于彩色显示的情况下，作为形成彩色图像的单位的一个像素由多个子像素构成，并且子像素对应于像素20。更具体地，一个像素由三个子像素构成，也就是说，接收红色(R)光的子像素、接收绿色(G)光的子像素和接收蓝色(B)光的子像素。

图9A和9B示出一个像素由两个G子像素、一个R子像素和一个B子像素构成的情况。此外，在图9A和9B中，G子像素的光接收区域(光接收传感器部分32的区域)32G每个由实线指示，R子像素的光接收区域32R由虚线指示，并且B子像素的光接收区域32B由点划线指示。此外，在该模拟结果中，进入两个G子像素的光接收区域32G的绿光的能量分布显示为子像素的代表。

如图9A所示，在现有技术示例的波导结构的情况下，其中光接收传感器部分32的区域重心P从微透镜42的中心Q或波导40的中心O偏移，进入光接收区域32G的光部分地离开(偏离)光接收区域32G。结果，在波导40和光接收传感器部分32之间生成对应于偏离程度的光量的损失，其劣化像素的灵敏度(平行光学灵敏度)。

相反，在根据本实施例的波导结构的情况下，如从图9B显而易见，可能避免光接收区域32G上的入射光离开光接收区域32G。这是因为，具体地，波导40的中心O和光接收传感器部分32的区域重心P重合，并且在光出射侧的波导40的末端部分的区域小于光接收传感器部分32的区域。此外，可以通过抑制光量离开光接收区域32G来改进像素的灵敏度。

如上所述，通过使用根据该实施例的波导结构，与现有技术示例的波导结构相比可以改进灵敏度。因此，可能响应像素尺寸的进一步小型化。具体地，当促进像素尺寸的进一步小型化时，不丧失基底上光接收传感器部分32或像素晶体管(图2的晶体管22到25)的布局的自由度。结果，即使当光接收传感器部分32的区域重心P从微透镜42的中心Q偏移时，也可能最小化由于部分的入射光从光接收传感器部分32偏离导致的灵敏度的劣化，这可以有助于像素尺寸的进一步小型化。

应该注意，在该实施例中，设置在光出射侧的波导40的末端部分的位置直到多层布线层36的最低层中的布线35的位置，但是不限于此。例如，如由图3的虚线所示，在光出射侧的波导40的末端部分的位置可以设为与光接收传感器部分32的光接收表面接触的位置。使用该结构，与图3的结构的情况相比，其中在光出射侧的波导40的末端部分远离光接收传感器部分32的光接收表面，可以抑制波导40和光接收传感器部分32之间的光量的损失。

<3.第二实施例>

(像素结构)

图10是示出具有根据本发明的第二实施例的波导结构的像素的截面结构的截面图。在图10中，与图3所示的相同的组件由相同的参考标号或符号表示。

这里，为了附图的简化，示出在像素阵列部分11的中心部分布置的某一单位像素20的波导结构。图11是示出根据第二实施例的波导结构中的微透镜、波导和光电二极管之间的位置关系的平面图。

在第一实施例的波导结构中，波导40具有单级结构，并且波导40的中心O在波导40和光接收传感器部分32重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过微透镜42的中心Q。

相反，在第二实施例的波导结构中，首先，波导40设为具有多级结构，例如，两级结构。具体地，波导40具有第一波导40A和第二波导40B的两级结构。第一波导40A布置在接近微透镜42一侧(图10中的上侧)，并且第二波导40B布置在接近光接收传感器部分32的一侧(图10中的下侧)。

在具有两级结构的波导40中，定位第一波导40A的中心O1以便与通过微透镜42的主光束重合(在该示例中，与光轴R重合)。这里，第一波导40A的中心O1指第一波导40A的横截面的中心。此外，在光出射侧的第一波导40A的末端部分与在光入射侧的第二波导40B的末端部分接触。

另一方面，第二波导40B的中心O2在波导40和光接收传感器部分32重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过微透镜42的中心。这里，第二波导40B的中心O2指第二波导40B的横截面的中心。

更具体地，为了最小化第二波导40B和光接收传感器部分32之间的光量的损失，希望形成第二波导40B，使得第二波导40B的中心O2与光接收传感器部分32的区域重心P重合。此外，在光出射侧的第二波导40B的末端部分的区域(图10中的下端部分)设为小于光接收传感器部分32的光接收区域，并且在光出射侧的末端部分与光接收传感器部分32的光接收表面接触(实际上，在底部绝缘膜33插入其间的状态下接触)。

(制造方法)

随后，参照图12和13每个的工艺图，将给出关于具有根据第二实施例的波导结构的像素的制造方法的步骤示例的描述。在图12和13中，与图10的组件相同的组件用相同的参考标号表示。

(步骤1：直到最底层中的中间层绝缘膜34的形成)

在硅基底31上，在形成光接收传感器部分32的基底部分中，形成底部绝缘膜33。接下来，在底部绝缘膜33上，形成多层布线层36的最低层中的中间层绝缘膜34。

(步骤2：用于第二波导40B的孔37B的形成)

接下来，通过使用例如基于CF的气体执行干蚀刻，从而通过使用抗蚀剂掩模51B在最低的中间层绝缘膜34中形成用于第二波导40B的孔37B。在此情况下，布置用于第二波导40B的孔37B，使得孔37B与光接收传感器部分32重叠的区域大。

(步骤3：用于第二波导40B的孔37B中的埋入)

接下来，在用于第二波导40B的孔37B中，通过CVD(化学蒸镀)方法等埋入如SiN的光透射材料，从而形成第二光透射埋入层(透明膜)39B。第二光透射埋入层39B形成第二波导40B。希望设置在光出射侧的第二波导40B的末端部分(下端部分)的区域小于光接收传感器部分32的光接收区域。

(步骤4：压平)

通过CMP(化学机械抛光)等抛光埋入用于第二波导40B的孔37B中的第二光透射埋入层39B的表面，从而压平表面。

(步骤5：多层布线层36的形成)

接下来，在第二光透射埋入层39B上形成中间层绝缘膜34，然后在中间层绝缘膜34的表面侧形成槽模。在槽模中，例如，嵌入金属，从而形成布线35。重复执行在槽模中中间层绝缘膜34的形成和布线35的形成，并且最终形成中间层绝缘膜34，结果形成多层布线层36。

(步骤6：用于第一波导40A的孔37A的形成)

接下来，通过使用例如基于CF的气体执行干蚀刻，从而通过使用抗蚀剂掩模51A形成用于第一波导40A的孔37A。在此情况下，布置用于第一波导40A的孔37A，使得孔37A的中心(第一波导40A的中心O1)与微透镜42的中心Q(光轴R)重合。

(步骤7：波导膜38的形成)

接下来，在多层布线层36上和在用于第一波导40A的孔37A的内壁上，也就是说，在多层布线层36的暴露表面上形成波导膜38。波导膜38可以由用于现有技术中的波导结构的已知材料制造。

(步骤8：用于第一波导40A的孔37A中的埋入)

接下来，通过波导膜38在用于波导40A的孔37A中埋入光透射材料，从而形成光透射埋入层39A。波导膜38和第一光透射埋入层39A形成第一波导40A。

这里，作为要埋入用于第一波导40A的孔37A中的光透射材料，也就是说，作为第一波导40A的材料，可以使用现有技术中用于波导结构的已知材料，也就是说，具有高折射率的材料。但是，希望第一波导40A由与第二波导40B相同的材料制作。此外，希望第一波导40A的材料具有与第二波导40B的材料的折射率相同或接近的折射率。

通过用单一材料形成第一波导40A和第二波导40B，可以消除从第一波导40A到第二波导40B的光学路径中的反射。此外，当第一波导40A的材料和第二波导40B的材料具有相同或接近的折射率时，可以避免在从第一波导40A到第二波导40B的光学路径中生成导致折射的分界面(interface)。结果，可以最小化第一波导40A和第二波导40B之间生成的光量的损失。

(步骤9：滤色镜41和微透镜42的形成)

最后，为每个像素通过第一光透射埋入层39A在多层布线层36上形成对应于每个子像素的滤色镜41，然后为每个像素在滤色镜41上形成微透镜42。

(操作和效果)

如上所示，在根据第二实施例的波导结构中，波导40具有例如两级结构，并且第二波导40B的中心O2在波导40和光接收传感器部分32重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过微透镜42的中心Q。此外，使用根据第二实施例的波导结构，可以实现以下操作和效果。

也就是说，与图7所示的现有技术示例中的波导结构的情况相比，这种第二波导40B和光接收传感器部分32重叠的区域增加的布局可以进一步抑制第二波导40B和光接收传感器部分32之间的光量的损失。具体地，第二波导40B的中心O2与光接收传感器部分32的区域重心P重合，并且在光出射侧的第二波导40B的末端部分的区域设为小于光接收传感器部分32的光接收区域，结果可以最小化第二波导40B和光接收传感器部分32之间的光量的损失。

此外，因为第一波导40A的中心O1与通过微透镜42的中心的主光束重合，所以与第一实施例的波导结构的情况相比，可以抑制微透镜42和第一波导40A之间的光量的损失。结果，尽管在第一波导40A和第二波导40B之间生成光量的微小损失，但是进入微透镜42的光可以经由第一波导40A和第二波导40B有效地引导到光接收传感器部分32，因为第一和第二波导40A和40B的末端部分相互接触。

图14A和14B是示出关于在光接收传感器部分32的光接收区域上的能量分布的模拟结果的图。在图14A和14B中，比较现有技术的波导结构的情况(图14A)和根据第二实施例的波导结构的情况(图14B)。

图14A和14B示出一个像素由两个G子像素、R子像素和B子像素构成的情况。此外，在图14A和14B中，G子像素的光接收区域(光接收传感器部分32的区域)32G每个由实线指示，R子像素的光接收区域32R由虚线指示，并且B子像素的光接收区域32B由点划线指示。此外，在该模拟结果中，进入两个G子像素的光接收区域32G的绿光的能量分布显示为子像素的代表。

如图14A所示，在现有技术示例的波导结构的情况下，其中光接收传感器部分32的区域重心P从微透镜42的中心Q或波导40的中心O偏移，进入光接收区域32G的光部分地离开(偏离)光接收区域32G。结果，在波导40和光接收传感器部分32之间生成对应于偏离程度的光量的损失，其劣化像素的灵敏度(平行光学灵敏度)。

相反，在根据第二实施例的波导结构的情况下，如从图14B显而易见，与第一实施例的波导结构的情况相比，可能进一步避免光接收区域32G上的入射光离开光接收区域32G。具体地，这是因为采用这样的布局，其中在第一波导40A的中心O1和通过微透镜42的中心的主光束重合，并且第二波导40B与光接收传感器部分32重叠的区域增加。

如上所述，通过使用根据第二实施例的像素结构，与第一实施例的像素结构相比可以进一步改进灵敏度。因此，可能响应像素尺寸的进一步小型化。具体地，即使当促进像素尺寸的进一步小型化时，并且即使当光接收传感器部分32的区域重心P偏离微透镜42的中心Q时，也可能最小化由于偏离的灵敏度劣化，这可以有助于像素尺寸的进一步小型化。

<4.修改示例>

在上面的实施例中，使用采用光瞳校正技术的CMOS图像传感器作为应用本发明的固态图像拾取装置。然而，本发明的应用不限于采用光瞳校正技术的CMOS图像传感器。也就是说，第一和第二实施例的技术也可以应用于不使用光瞳校正技术的CMOS图像传感器。

此外，在上面的实施例中，描述了应用到CMOS图像传感器的示例。然而，应用不限于CMOS图像传感器。具体地，可能将本发明应用于一般的X-Y地址型的固态图像拾取装置，其中以矩阵形式排列单位像素，所述单位像素检测对应于可见光量的电荷作为物理量，并且输出其作为电信号。此外，除了X-Y地址型的固态图像拾取装置，本发明还可以应用于电荷传输型的固态图像拾取装置，其以CCD(电荷耦合器件)图像传感器为代表。

应该注意，固态图像拾取装置可以具有单芯片的形式，或可以具有包括图像拍摄功能的模块状形式，其中图像拾取部分和信号处理部分或光学系统共同封装。

<5.电子装置>

本发明不但可以应用于固态图像拾取装置，而且可以应用于如图像拾取装置的电子装置。在此情况下，电子装置指移动装置，例如，如数字静态相机和摄像机的图像拾取装置(相机系统)、具有图像拍摄功能的移动电话、或PDA(个人数字助理)。应该注意，提供到电子装置的模块状形式(即，相机模块)可以用作图像拾取装置。

(图像拾取装置)

图15是示出应用本发明的图像拾取装置的结构示例的框图。如图15所示，图像拾取装置100包括具有透镜组101的光学系统、图像传感器102、用作相机信号处理部分的DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108。在那些组件中，DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108通过总线109相互连接。

透镜组101从被摄体收集入射光(图像光)，并且在图像传感器102的成像表面形成图像。图像传感器102将由透镜组101在成像表面上成像的入射光的量转换为用于每个像素的电信号，并且将其输出为像素信号。使用CMOS图像传感器作为图像传感器102，其中多个像素每个具有根据第一或第二实施例的波导结构。

显示装置105由如液晶显示装置和有机EL(电致发光)显示装置的平板型显示装置形成，并且显示由图像传感器102拍摄的运动图像或静态图像。记录装置106将由图像传感器102拍摄的运动图像或静态图像记录在如录像带和DVD(数字多功能盘)的记录介质上。

操作系统107在使用图像拾取装置的用户的控制下，给出用于图像拾取装置的各种功能的操作命令。电源系统108适当地提供各种电源作为到DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107的操作源。

如上所述的图像拾取装置100应用于用于移动装置(如摄像机、数字静态相机和移动电话)的相机模块。通过使用根据第一或第二实施例的CMOS图像传感器作为图像拾取装置100的图像传感器102，可以提高CMOS图像传感器的灵敏度，从而使得可能响应于像素尺寸的最小化。结果，可以随着像素数目的增加一起提供用高分辨率显示的拍摄图像。

本申请包含涉及于2009年2月4日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-023222中公开的主题，在此通过引用并入其全部内容。

本领域技术人员应当理解，依赖于设计需求和其他因素可以出现各种修改、组合、子组合和更改，只要它们在权利要求或其等效物的范围内。

Claims (9)

1.一种固态图像拾取装置，包括：

多个像素，每个包括

透镜，

光电转换器，用于将通过所述透镜的入射光转换为电信号，以及

提供在所述透镜和所述光电转换器之间的波导，布置所述波导，使得在光出射侧的至少一部分波导的中心在光出射侧的波导的末端部分和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心，

其中所述波导包括第一波导和第二波导，所述第一波导布置在比所述第二波导更接近所述透镜的一侧，所述第二波导布置在比所述第一波导更接近所述光电转换器的一侧，

其中布置所述第一波导，使得所述第一波导的中心与通过所述透镜的中心的主光束重合，并且

其中布置所述第二波导，使得所述第二波导的中心在所述第二波导和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心。

2.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，

其中在光出射侧的波导的末端部分具有小于所述光电转换器的区域的区域。

3.根据权利要求2所述的固态图像拾取装置，

其中光出射侧的波导的末端部分与所述光电转换器的光接收表面接触。

4.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，

其中布置所述第二波导，使得所述第二波导的中心与所述光电转换器的区域的重心重合。

5.根据权利要求4所述的固态图像拾取装置，

其中所述第二波导具有在光出射侧的末端部分，其区域小于所述光电转换器的区域，并且在光出射侧的末端部分与所述光电转换器的光接收表面接触。

6.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，

其中所述第一波导具有在光出射侧的末端部分，并且所述第二波导具有在光入射侧的末端部分，在光出射侧的所述第一波导的末端部分与在光入射侧的所述第二波导的末端部分接触。

7.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，

其中所述第一波导和所述第二波导由单一材料制造。

8.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，

其中所述第一波导和所述第二波导由折射率是相同值和相近值之一的材料制造。

9.一种电子装置，包括：

固态图像拾取装置，包括

多个像素，每个包括透镜、用于将通过所述透镜的入射光转换为电信号的光电转换器、以及提供在所述透镜和所述光电转换器之间的波导，布置所述波导，使得在光出射侧的至少一部分波导的中心在光出射侧的波导的末端部分和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心，

其中所述波导包括第一波导和第二波导，所述第一波导布置在比所述第二波导更接近所述透镜的一侧，所述第二波导布置在比所述第一波导更接近所述光电转换器的一侧，

其中布置所述第一波导，使得所述第一波导的中心与通过所述透镜的中心的主光束重合，并且

其中布置所述第二波导，使得所述第二波导的中心在所述第二波导和所述光电转换器重叠的区域增加的方向上从主光束偏移，所述主光束通过所述透镜的中心。

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