专利名称：成像元件及其制造方法、像素设计方法和电子设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器之类的成像元件以及采用这种成像元件的电子设备。
背景技术：
最近几年，医学领域使用的电子设备(内窥镜照相机、视觉芯片、生物传感器等)的半导体成像器件的应用正在得到积极发展。因此，要求在该器件的灵敏度和尺寸减小(像素的超小型化(microminiaturization))这两个方面得到进ー步增强。然而，像素的超小型化的进展缩短了出瞳(exit pupil)距离，并因此产生了下面的问题。具体地说，到像素端区域中的片上透镜(OCL)的光的入射角变大，这导致OCL表面上的反射率增大和晕映(vignetting)增加。因此，通常在诸如CXD图像传感器和CMOS图像传感器之类的图像传感器中，通过在OCL的表面上提供抗反射膜或者通过将透镜的中心轴移开光电ニ极管的中心轴进行校正(所谓的瞳校正)来解决该问题。此外，最近提出了通过采用将OCL成型为圆柱形并且在该圆柱透镜中提供多个狭缝(数字微透镜)从而根据入射角改变透镜的有效折射率的结构，来增强光采集效率的技术(请參考第2009-266900号日本专利特开(下面称为专利文献I))。
发明内容
然而，如果抗反射膜层叠在OCL表面上，则其阻碍了像素的超小型化。此外，对于瞳校正，公知如上所述地将透镜的中心轴偏移或者将透镜本身縮小(减小透镜直径)以将中心轴移到内侧的方法。然而，在前者中，阻碍了像素的超小型化。在后者中，光采集区域变小，并且灵敏度降低。在上述专利文献I中描述的方法中，因为其中多个狭缝提供有复杂图形的特定透镜结构，所以掩模形状也复杂，并且需要以高处理再现性执行高纵横比(例如10或者更大)的微处理。因为像素的超小型化进入更高的程度，所以这种处理变得更加困难。此外，制造成本也未得到抑制，因为处理复杂并且困难。半导体成像器件的应用领域正在拓宽，包括最近开发的高级医疗技木。因此，要求进ー步增强灵敏度和超小型化。此外，要求利用简单、低成本的处理过程来实现能够解决这种灵敏度增强和超小型化的成像器件。需要提供能够利用简单的处理过程来实现灵敏度增强和超小型化的成像元件的技术、用于制造成像元件的方法、像素设计方法以及电子设备。根据本公开实施例，提供了一种成像元件，包括多个像素，配置为以ニ维排列，并且每个像素具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分。多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层。
在根据本公开实施例的成像元件中，ニ维排列的多个像素中的每个像素具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集到该光接收部分上的入射光的光采集部分。在每个光采集部分中的光功能层的表面上，提供取决于像素位置的特定凸凹结构。因为该特征，在光功能层表面的反射率降低，并且实现了瞳校正。根据本公开实施例，提供了一种用于制造成像元件的方法。该方法包括在形成ニ维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素时，在多个像素中的每个光采集部分中形成在表面上具有根据像素位置的特定凸凹结构的光功能层。在根据本公开实施例的制造成像元件的方法中，在形成ニ维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分的多 个像素时，在每个光采集部分中形成在表面上具有根据像素位置的特定凸凹结构的光功能层。在该形成过程中，不需要复杂的掩模形状，并且也不要求高处理精度。根据本公开实施例，提供了一种在设计像素中的凸凹结构的规模时使用的像素设计方法，该像素包括在表面上具有凸凹结构的光功能层。该方法包括作为出瞳距和距中心像素的距离的函数，获得光功能层的有效折射率；以及根据获得的有效折射率，决定该凸凹结构的規模。根据本公开实施例，提供了ー种包括根据本公开的上述实施例的成像元件的电子设备。在根据本公开实施例的成像元件中，在以ニ维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着该光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素中，在每个光采集部分中的光功能层的表面上提供取决于像素位置的特定凸凹结构。因为该特征，在光功能层表面的反射率可以减小，并且可以执行瞳校正，以使得可以实现灵敏度增强。此夕卜，利用根据本公开实施例的制造成像元件的方法，可以制造这种成像元件，而不采用复杂的掩模形状，并且也不要求高处理精度。因此，也可以解决超小型化。因此，可以利用简单的处理过程来实现灵敏度增强和超小型化。
图I是示出根据本公开的ー个实施例的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；图2是示出图I所示光接收部分的详细配置的示意性截面图；图3是示出图I所示光接收部分的外围电路配置的示意性平面图；图4A和图4B是示出折射率根据凸凹规模在截面附近变化的示意性图；图5是不出平坦表面上入射的光的折射率与反射率之间关系的特性图；图6是示出模拟中使用的像素结构的示意性图；图7示出显示说明光采集效率相对于凸凹规模的变化的模拟结果；图8是用于解释瞳校正和凸凹设计的原理的概念图；图9是示出凸凹设计的过程的流程图；图IOA至图IOE是用于解释透镜表面上的凸凹结构的处理过程(纳米压印方法)的示意性截面图IlA和图IlB是用于解释凸凹结构的另ー处理过程(采用纳米球溶液的方法)的示意性截面图；图12是示出折射率改进结果的特性图；图13是根据修改例I的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；图14是根据修改例2的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；图15是根据修改例3的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；图16是根据修改例4的光接收部分(前照明型)的示意性配置的示意性截面图； 图17是示出根据应用例I (成像器件)的整体配置的功能框图；图18是示出根据应用例2 (胶囊式内窥镜照相机)的整体配置的功能框图；图19是示出根据内窥镜照相机(插入式内窥镜照相机)的另ー示例的整体配置的功能框图；图20是示出根据应用例3 (视觉芯片)的整体配置的功能框图；以及图21是示出根据应用例4 (生物传感器)的整体配置的功能框图。
具体实施例方式下表面将參考附图详细描述本公开的实施例。以下面的顺序进行描述。I.实施例(其中在从中心像素到端像素的区域两端的片上透镜的表面上提供预定凸凹结构的示例)2.修改例I (其中透镜位置根据像素位置偏移的示例)3.修改例2 (其中对于内透镜提供预定凸凹结构的示例)4.修改例3 (其中对于抗反射膜提供预定凸凹结构的示例)5.修改例4(本公开实施例应用于前照明型图像传感器的示例)6.应用例(应用于电子设备的不例)<实施例>图I示出根据本公开的ー个实施例的图像传感器(图像传感器I)的截面配置。图像传感器I例如是后照明型(在后表面接收光的类型)的固态成像元件(CCD、CM0S)，并且具有多个像素P ニ维排列在基底之上的结构。每个像素P包括光接收部分20，包括光电转换元件(下面描述的光电ニ极管202);以及光采集部分10，采集向着光接收部分20的入射光。(光采集部分10)光采集部分10提供在光接收部分20的光接收表面上，并且在光入射侧上对于每个像素P具有片上(on-chip)透镜11。在光采集部分10上，在片上透镜11与光接收部分20之间，从片上透镜11 一侧开始依次提供滤色片12、抗反射膜13以及光阻膜14。在本实施例中，片上透镜11是本公开的光功能层的ー个特定示例。片上透镜11具有采集到光接收部分20(具体地说，光接收部分20的光电ニ极管202)的光接收表面上的光的功能。该片上透镜11的透镜直径被设置到取决于像素P的尺寸的值，并且例如是约2 μ m或者更小。该片上透镜11的透镜材料的折射率是例如I. I至1.4。透镜材料的示例包括氧化硅膜(SiO2),并且根据下面描述的凸凹设计和制作方法来选择适当的材料。
在本实施例中，凸凹结构IlA提供在片上透镜11的表面上(片上透镜11的表面是凸凹表面)，并且该凸凹结构IlA的规模(下面称为凸凹規模)具有与像素位置相关的分布。具体地说，以小于例如光接收部分20中的接收光波长的尺寸的量级设置凸凹规模，并且设计为随着距中心像素Pc的距离变长而变小。下面将描述该凸凹结构IlA的详细配置和凸凹规模的设计方法。本说明书中的“規模”是根据凸凹结构中的凹部分(凸部分)的宽度和深度(高度)定义的。下面的描述取决于在像素P的整个区域中各个凸凹结构IlA的纵横比彼此相等的假定。然而，各个凹部分(凸部分)的纵横比不必需要彼此相等。只要凸凹结构IlA具有允许实现在下面描述的设计方法中的有效折射率的形状，就可以实现与本实施例的效果等同的有益效果。滤色片12是例如红(R)滤色片、绿(G)滤色片和蓝⑶滤色片的任意ー个，并且例如对于每个像素P提供滤色片12。这些滤色片提供有规则的色阵列(例如，Bayer阵列)。存在滤色片12允许图像传感器I获得其顔色对应于该色阵列的接收光数据。 抗反射膜13由例如由氧化硅膜(SiO2)或者氮化硅膜(SiN)形成的单层膜或者由这些材料的多层膜配置。光阻膜14在片上透镜11的光路径上具有孔径14a，并且为了抑制相邻像素之间的光的串扰而提供。该光阻膜14由例如钨(W)构成，并且其厚度是例如lOOnm。(光接收部分2O)图2示出光接收部分20 (后照明结构)的截面结构。光接收部分20具有像素部分100和外围电路部分200集成在同一基底201之上的结构。在光接收部分20中，光电ニ极管202提供在基底201之上，中间是包括晶体管和金属布线的布线层203。光电ニ极管202埋在硅(Si)层204内，且SiO2膜205形成在该Si层204上。图3是示出光接收部分20的像素部分的外围电路配置的功能框图。光接收部分20包括垂直(V)选择电路206、采样/保持(S/Η)与相关二重采样(⑶S)电路207、水平(H)选择电路208、定时发生器(TG) 209、自动增益控制(AGC)电路210、A/D转换电路211和数字放大器212。这些电路安装在同一基底(芯片)201之上。[凸凹结构的详细配置示例]下面将參考图4A至图8，描述凸凹结构IlA的详细配置和设计方法。在本实施例中，通过提供凸凹结构11A，实现反射率减小和瞳校正的效果。下面描述其原理和凸凹结构IlA的设计方法。(反射率减小的原理)图4A和图4B是示出在界面附近由于提供凸凹结构IlA导致的折射率变化的示意性图。如上所述，在本实施例中，在片上透镜11的表面上存在凸凹结构11A。因为该凸凹结构11A，有效地使空气层与透镜层之间的界面附近的折射率的变化变得温和。例如，如图4A所示，在中心部分(中心像素Pc)，与未设置凸凹结构的情况相比(界面是平坦表面)，折射率nl的层与折射率n2的层之间的界面附近的折射率变化更温和(tl) (tlOO)。这也适用于端部(端像素Pe)(图4B中的t2)。这样，通过提供凸凹结构11A，可以使片上透镜11的表面(与空气层的界面)上的入射光的折射率变化更温和。这样可以减小在透镜表面的反射率。凸凹结构IlA的凸凹规模根据像素位置而变化。希望将每个像素上的凸凹规模设置为在比接收光波长小约1/5的范围内。例如，对于550nm的接收光波长，中心像素Pc的凸凹规模被设置为lOOnm，并且设置该规模从而在向着端像素Pe的方向变得更小。然而，接收光波长并不限于550nm，并且该设置方式还可以应用于550nm之外的可见光以及其他红外光波长等。无论假定哪个接收光波长，都希望凸凹规模设置在上述范围内。(瞳校正的原理)下面将描述凸凹结构IlA的瞳校正的原理。当考虑小于接收光波长的凸凹结构IlA时，可以近似地考虑平坦表面的光透射和反射，如图5所示。当光从折射率nl的介质 (例如，空气)入射到折射率n2的介质(例如，透镜)上时，如果入射角被定义为α，而透射角(出射角等效于到光电ニ极管的光接收表面的入射角)被定义为β，则通常由下面的等式(I)表示在透镜表面的反射率R。此外，根据斯涅耳(Snell)定理，入射角α、出射角β以及折射率nl和η2之间的关系由下面的等式(2)表示。
[sin(a -β)| [ tan(a -β)|R lsin(a + p)J ltan(a + p)J ······⑴
_ 2 sina n2ハ λ= — ...... (2)
sinp nlh2 = r2+H2-2rHcos θ......(3)L2 = HL2+h2-2HLhcos Δ......(4)HL2 = (L+rsin θ )2+ (H-rcos Θ )2......(5)
λ HΔ = arccos < ノ(ュ > ……(6)通过使出射角β相对于各种入射角α保持恒定(在整个像素区域上)，获得图像传感器I中的瞳校正效果。为了使出射角β保持恒定，透镜表面层的折射率η2根据入射角α有效地变化，如下所述。具体地说，通过如图I所示根据距中心像素Pc的距离来改变透镜表面上的凸凹结构的规模，可以改变有效折射率以使得出射角β保持恒定。因此，可以获得瞳校正的效果。在本说明书中，这种根据凸凹规模变化的“视在(apparent) ”折射率被称为“有效折射率”。根据上述原理，通过向透镜表面层给出其规模分布取决于具中心像素Pc的距离的凸凹结构11A，获得瞳校正和折射率减小这两个效果，这增强了光采集部分10的光校正效率。例如，根据图6所示像素结构的假定，通过采用有限差分时域(FDTD)方法的电磁场模拟来測量波长为550nm的平调光入射在具有凸凹结构IlA的球形透镜上时的光采集效率。在该模拟中，凸凹规模(凸部分的直径d)设置为0nm、55nm、110nm和220nm。凸凹规模为Onm的结构(直径d/入射波长550 = I/-)等效于具有光滑表面的标准透镜(没有凸凹结构的透镜)。图7示出模拟結果。如图7所示，结果是，如果凸凹规模充分小于入射波长，具体地说，例如，如果凸凹规模等于或者小于透射波长的1/5、优选地1/10，则光采集效率通常随着凸凹规模的増大而增強。相反，如果凸凹规模大于入射波长的1/5，则因为凸凹结构中局部散射的影响等而出现根据斯涅耳定理的偏差。因此，反射率増大，而光采集效率不利地降低。因此，如上所述，希望凸凹规模是等于或者小于接收光波长的约1/5的微小凸凹規模。(调节凸凹规模分布)下面将參考图8描述上述凸凹规模与像素位置之间的关系。在此，将考虑关于中心像素Pc的光束几何形状和位干与中心像素Pc分开距离L的位置的外围像素Pm。出瞳距离定义为H。片上透镜11的尺寸(长轴方向的直径)定义为！·。透镜表面上的任意点的角度定义为Θ。中心像素Pc上的光束的入射角定义为a。外围像素Pm上的入射角定义为α’(= Λ + α)。此时，利用上面示出的等式(3)至(5)表示參数之间的关系。此外，通常，在图像传感器中，出瞳距离H满足H >>r的关系。因此，由等式(3)至(5)可以近似获得Λ (等式(6))。此外，当关于中心像素Pc和外围像素Pm考虑斯涅耳定理时，可以分别利用下面的等式(7)和(8)表不关于中心像素Pc与外围像素Pm的关系。中心像素
权利要求
1.一种成像元件,包括 多个像素，配置为ニ维排列，并且每个像素具有 光接收部分，包括光电转换元件，以及 光采集部分，采集向着所述光接收部分的入射光， 所述多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层。
2.根据权利要求I所述的成像元件,其中 在所述多个像素中，距中心像素的距离越大，所述光功能层中的所述凸凹结构的规模越小。
3.根据权利要求2所述的成像元件，其中 在所述多个像素中，通过所述光功能层的光束的出射角基本上恒定。
4.根据权利要求2所述的成像元件，其中 在所述光接收部分中，所述凸凹结构的规模小于接收光波长。
5.根据权利要求I所述的成像元件,其中 所述光采集部分具有作为所述光功能层的透镜，以及 所述凸凹结构提供在所述透镜的表面上。
6.根据权利要求5所述的成像元件，其中 内透镜存在于所述透镜与所述光接收部分之间。
7.根据权利要求6所述的成像元件，其中 所述凸凹结构提供在所述内透镜的表面上。
8.根据权利要求5所述的成像元件，其中 抗反射膜存在于所述透镜与所述光接收部分之间。
9.根据权利要求8所述的成像元件，其中 所述凸凹结构提供在所述抗反射膜的表面上。
10.根据权利要求5所述的成像元件，其中 在所述多个像素中，设置所述透镜以向着中心像素偏移，以及 距所述中心像素的距离越长，所述透镜的偏移量越大。
11.一种用于制造成像元件的方法，所述方法包括 在形成ニ维排列并且每个都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着所述光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素时，在所述多个像素中，在每个光采集部分中形成在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层。
12.根据权利要求11所述的成像元件的制造方法，其中 提供透镜作为所述光功能层，以及 在所述透镜的表面上形成所述凸凹结构。
13.根据权利要求12所述的成像元件的制造方法，其中 利用纳米压印方法形成所述光功能层中的所述凸凹结构。
14.根据权利要求12所述的成像元件的制造方法，其中 利用纳米球溶液形成所述光功能层中的所述凸凹结构。
15.根据权利要求12所述的成像元件的制造方法，其中作为出瞳距离和距中心像素的距离的函数，获得所述透镜的有效折射率，以及 根据所获得的有效折射率，决定所述凸凹结构的規模。
16.一种在设计像素中的凸凹结构的规模时使用的像素设计方法，所述像素包括在表面上具有凸凹结构的光功能层，所述方法包括 作为出瞳距离和距中心像素的距离的函数，获得所述光功能层的有效折射率；以及 根据所获得的有效折射率，决定所述凸凹结构的所述規模。
17.ー种具有成像元件的电子设备，包括 多个像素，配置为ニ维排列，并且每个像素都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着所述光接收部分的入射光的光采集部分， 所述多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层。
全文摘要
提供了成像元件及其制造方法、像素设计方法和电子设备。该成像元件包括多个像素，以二维排列，并且每个像素都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着光接收部分的入射光的光采集部分。多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的凸凹结构的光功能层。
文档编号H01L27/146GK102646689SQ20121003507
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月16日 优先权日2011年2月22日
发明者久保井信行 申请人:索尼公司