专利名称：固体摄像装置和电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的制造方法和设计方法、以及电子设备， 具体地，涉及具有R(红色光)滤色器、G(绿色光)滤色器和B(蓝色光)滤色器的固体摄像装置、该固体摄像装置的制造方法和设计方法、以及安装有该固体摄像装置的电子设备。
背景技术：
诸如数码录像电子设备和数码照相电子设备等电子设备安装有固体摄像装置，该固体摄像装置例如包括电荷耦合器件(Charge Coupled DeviCe，CCD)图像传感器和互补型金属氧化物硅晶体管(Complementary Metal-Oxide-Silicon Transistor,CMOS)图像传感
ο在固体摄像装置中，多个像素呈矩阵状沿水平方向和垂直方向布置在半导体基板上，并形成受光面。在该受光面上，为各个像素都设有作为光电转换部(例如光电二极管) 的传感器。在该受光面上形成有聚光结构，该聚光结构用于将被拍摄物体的图像光聚焦到各像素的传感器上，通过接收被拍摄物体的图像光并把所接收到的光进行光电转换，由此生成信号电荷，并因此得到像素信号。在相关技术的CXD图像传感器和CMOS图像传感器中，光电二极管对进入至传感器部中的光进行光电转换，因此入射光被转换成电荷，并得到了视频信号。这种装置具有这样的结构该结构中，把在一定曝光时间内入射的光转换成电荷并累积这些电荷。由于所累积的电荷的量是有限的，因此例如当强光入射时，电荷往往会饱和并且白色灰度和黑色灰度变得不足。也就是说，对于固体摄像装置获得适当的输出信号而言，有一个入射光量范围，并且该范围与被拍摄物体的范围相比是非常窄的。于是，期望一种能够扩大固体摄像装置的动态范围的技术。作为相关技术中的动态范围扩大用技术，非专利文献1 [2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, P. 169, P. 173]披露了一禾中t艮据入射光量来改变光电转换的间隔的技术。另外，专利文献l(JP-A-2008-167004)公开了一种根据入射光量来设定增益的方法。此外，专利文献2(JP-A-2006-333439)公开了一种固体摄像装置，其具有为光电转换部遮光用的遮光部件和利用MEMS (微机电系统)对上述遮光部件进行驱动的致动器。除了用装置结构来扩大动态范围的方法以外，还曾提出了用材料来实现使动态范围扩大的技术。
另外，专利文献3(JP-A-l-248542)和专利文献4(JP-A-10-65129)公开了如下的扩大动态范围的方法该方法中，在固体摄像装置的壳体部的玻璃表面上涂敷用于进行光致变色控制的材料或者在该玻璃表面与固体摄像装置之间设有用于进行光致变色控制的材料。此外，专利文献5(JP-A-l-236649)公开了一种扩大动态范围的方法该方法中， 在传感器部的上游处形成用于进行光致变色控制的材料膜。另外，专利文献6(JP-A-4-65163)公开了一种向光电二极管的外侧涂敷光致变色反应材料的方法。在相关技术中难以解决的问题有在拍摄动态图片时或者在连续拍摄时存在时间延迟(time lag)。也就是说，在采用读出系统的技术中，在多次读出时以及长短电荷累积时会发生时间延迟，并且在采用机械快门的技术中，取决于位置也会发生时间延迟。因此，不可能完全地消除图像的不自然状态。另一方面，关于利用材料来扩大动态范围的技术，存在如下问题透光率对波长具有依赖性，并且光致变色反应的反应速率不能满足现有固体摄像装置的信号处理速度所决定的规格。因此，难以将该技术用于固体摄像装置。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是期望能够扩大动态范围而不会生成不自然的图像，这在相关技术的固体摄像装置中是难以解决的。本发明一个实施方案的固体摄像装置包括半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素的形成区域、所述绿色像素的形成区域和所述蓝色像素的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长的光、绿色波长的光及蓝色波长的光透过；以及光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号。在本发明上述实施方案的固体摄像装置中，在呈矩阵状布置于所述半导体基板上的所述红色像素、所述绿色像素、所述蓝色像素和所述白色像素这些部分中都形成有所述光电二极管。在当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过的所述滤色器。在至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有所述光致变色膜，所述光致变色膜含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。
这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号的期间即一帧短。本发明另一实施方案的电子设备包括固体摄像装置；光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像装置的摄像单元；以及信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像装置的输出信号进行处理。所述固体摄像装置包括半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长的光、绿色波长的光及蓝色波长的光透过；以及光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号。本发明上述实施方案的电子设备具有固体摄像装置、将入射光引导至所述固体摄像装置的所述摄像单元的所述光学系统、以及对所述固体摄像装置的输出信号进行处理的所述信号处理电路。这里，在所述固体摄像装置中，在呈矩阵状布置于所述半导体基板上的所述红色像素、所述绿色像素、所述蓝色像素和所述白色像素这些部分中都形成有所述光电二极管。在当光向所述红色像素、所述绿色像素和所述蓝色像素各自的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过的所述滤色器。在至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，在所述半导体基板上可形成有所述光致变色膜，所述光致变色膜含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。这里，所述光致变色膜的透光率的半衰期比从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号的期间即一帧短。根据本发明实施方案的固体摄像装置，利用白色像素中半衰期比一帧短的光致变色材料，可扩大动态范围而不会生成不自然的图像。根据本发明实施方案的电子设备，利用要被安装进来的固体摄像装置的白色像素中半衰期比一帧短的光致变色材料，可扩大动态范围而不会生成不自然的图像。
图IA是示出了本发明第一实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图；图IB和图IC是局部放大图。图2A和图2B是本发明第一实施例固体摄像装置的示意性截面图。图3A和图3B示出了本发明第一实施例固体摄像装置的光致变色膜的光致变色材料的透光率特性。图4A和图4B示出了本发明第一实施例固体摄像装置的光致变色膜的光致变色材料的透光率特性。图5是用于说明本发明第一实施例固体摄像装置的动态范围扩大的原因的示意图。图6是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图7是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图8是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图9是示出了本发明第二实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图10是示出了本发明第三实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图11是示出了本发明第四实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图。图12是示出了本发明第五实施例固体摄像装置的示意性截面图。图13是示出了本发明第六实施例的电子设备的示意性结构图。
具体实施例方式下面参照附图来详细说明本发明的固体摄像装置和电子设备的实施例。将会按照下面的顺序来说明本发明的各实施例1.第一实施例(在白色像素上形成有光致变色膜的结构)2.第二实施例(光致变色膜的相对于像素的布局)3.第三实施例(当仅白色像素设置有光致变色膜时，光致变色膜的相对于像素的布局)4.第四实施例(当仅白色像素设置有光致变色膜时，光致变色膜的相对于像素的布局)5.第五实施例(具有光量测量部的结构)6.第六实施例(应用于电子设备)第一实施例固体摄像装置的结构图IA是示出了本发明第一实施例固体摄像装置的布局的示意性平面图，图IB和图IC是局部放大图。在本实施例中，该装置具有像素组CSl和像素组CS2，每个像素组CSl包括红色像素Rl、绿色像素Gl、蓝色像素Bl和白色像素Wl且设置有光致变色膜，每个像素组CS2包括红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2且未设有光致变色膜。图IB是像素组CSl的放大图。该像素组CSl包括红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素Bl和白色像素Wl且设置有光致变色膜。图IC是像素组CS2的放大图。该像素组CS2包括红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2且未设有光致变色膜。在本实施例中，像素组CSl和像素组CS2在水平方向及垂直方向上均交替地布置着。也就是说，在这样的结构中，设置有光致变色膜的像素组CSl与未设有光致变色膜的像素组CS2是交替地布置着，且每一像素组都包括被称为拜耳排列(Bayer arrangement)(其由一个红色像素R、两个绿色像素G和一个蓝色像素B组成)的四个像素。
如上所述，在本结构中，各个像素组包括一个红色像素、一个绿色像素、一个蓝色像素和一个白色像素，并且对于每个像素组CSl而言都形成有共用的光致变色膜。图2A和图2B是本发明第一实施例的固体摄像装置的示意性截面图。图2A是像素组CSl (即红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素Bl和白色像素Wl)的截面图。例如，在以矩阵状布置在半导体基板10上的红色像素R1、绿色像素G1、蓝色像素 Bl和白色像素Wl这些像素的对应部分中，在红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素中分别形成有光电二极管11R、11G、11B和11W。例如，在半导体基板10的整个表面上形成有覆盖光电二极管11R、11G、11B和IlW 的第一绝缘膜12，该第一绝缘膜12含有氧化硅、氮化硅或树脂或者含有上述这些材料的层
叠结构。例如，在第一绝缘膜12上形成有含有氧氮化硅的第二绝缘膜13。例如，在第二绝缘膜13上形成有含有氮化硅的第三绝缘膜14。例如，在第三绝缘膜14上堆叠有光致变色膜23。光致变色膜23设置在光向光电二极管11R、11G、11B和IlW入射的路径中，并且含有这样的光致变色材料该光致变色材料的透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化。在红色像素中，在光致变色膜23上形成有红色光滤色器18R。在绿色像素中，在光致变色膜23上形成有绿色光滤色器18G。在蓝色像素中，在光致变色膜23上形成有蓝色光滤色器18B。在白色像素中，例如在光致变色膜23上形成有白色像素材料层24。该白色像素材料例如是聚苯乙烯树脂或丙烯酸树脂，并且能够让可见光区域内的光透过。例如，在滤色器18R、18G和18B及白色像素材料层24上形成有片上透镜19。图2B是像素组CS2(即，红色像素R2、绿色像素G2、蓝色像素B2和白色像素W2) 的截面图。该结构基本上与图2A中的结构相同，然而区别在于没有形成光致变色膜23。关于光致变色材料，如上所述，它的透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化。例如，光致变色膜具有根据可见光区域内的入射光强度而变化的透光率，并且可见光区域内的透光率的特性在入射光量较小时比在入射光量较大时更高。此外，例如，光致变色膜在可见光区域内的透光率根据入射光量是连续变化的。在上述光致变色膜中，当光入射至光致变色膜时，光致变色膜的透光率下降，而当光被遮住时，透光率的降低状况会恢复到原始透光率。从入射光被遮住时直至恢复到透光率波动范围的一半值时所需要的周期被称作“半衰期(half period)”。在本实施例中，光致变色膜的透光率的半衰期比从全部像素中读出在各像素中生成的像素信号所用的周期(即，一帧)短。例如，在固体摄像装置的帧频(frame rate)为60fps的情况下，一帧约为17ms，在此情况下，使用半衰期比17ms短的光致变色材料。例如，可使用六芳基二咪唑衍生物作为形成光致变色膜23用的材料。
通过适当地改变取代基，可以调节出各种不同的吸收波长区域、响应速度等等。例如，可优选使用下面的化合物。
权利要求
1.一种固体摄像装置，所述固体摄像装置包括半导体基板，所述半导体基板具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，且所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各所述滤色器分别形成在所述半导体基板上的当光向所述红色像素的形成区域、所述绿色像素的形成区域和所述蓝色像素的形成区域中的所述光电二极管入射时的光入射路径中，并且各所述滤色器分别使红色波长区域的光、绿色波长区域的光及蓝色波长区域的光透过；以及光致变色膜，所述光致变色膜形成在所述半导体基板上的至少一些所述白色像素的形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料，其中，所述光致变色膜的透光率的半衰期比一帧短，所述一帧是指如下期间在该期间内，从全部所述像素读出各所述像素中获得的像素信号。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜也形成在所述半导体基板上的至少一些所述红色像素、至少一些所述绿色像素和至少一些所述蓝色像素的对应形成区域中的所述光电二极管的光入射路径中。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在所述受光面上交替地布置有如下两种像素组一种像素组包含形成有所述光致变色膜的所述白色像素，另一种像素组包含未形成有所述光致变色膜的所述白色像素。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括一个红色像素、一个绿色像素、一个蓝色像素和一个白色像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
5.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括按照一列并排布置的像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
6.如权利要求3所述的固体摄像装置，其中，各种所述像素组都包括按照多列并排布置的像素，并且所述一种像素组中的各个所述像素组形成有共用的所述光致变色膜。
7.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在所述受光面上全部所述像素都形成有共用的所述光致变色膜。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，其中，在形成有所述光致变色膜的所述白色像素中的所述光电二极管具有输出部，所述输出部对与所述光电二极管中生成的光电荷相对应的光信号的值进行对数变换并且将经过该对数变换后的值输出。
9.如权利要求1所述的固体摄像装置，还包括光量测量部，所述光量测量部对由所述光致变色膜吸收的光量进行测量。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，还包括信号处理部，所述信号处理部将与所述光量测量部中测量到的光量对应的光信号跟各个所述像素的所述光电二极管中得到的光信号结合起来，作为各个所述像素中的所述像素信号。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，还包括复位部，所述复位部对当所述光致变色膜吸收光时所生成的光信号进行复位。
12.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜由不同的与透过所述滤色器的波长区域相对应的材料形成。
13.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜由同一种材料形成，而不考虑透过所述滤色器的波长区域。
14.如权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜和所述滤色器被形成为同一膜。
15.如权利要求10所述的固体摄像装置，其中，作为所述信号处理部中的信号处理，进行伽马修正处理和自动增益控制处理。
16.如权利要求1 15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜的透光率根据可见光区域内的入射光强度而变化。
17.如权利要求1 15任一项所述的固体摄像装置，其中，当入射光量较小时所述光致变色膜在可见光区域内的透光率比当入射光量较大时所述光致变色膜在可见光区域内的透光率高。
18.如权利要求1 15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色膜在可见光区域内的透光率根据入射光量而连续变化。
19.如权利要求1 15任一项所述的固体摄像装置，其中，所述光致变色材料是六芳基二咪唑衍生物。
20.一种电子设备，其包括 固体摄像装置；光学系统，所述光学系统将入射光引导至所述固体摄像装置的摄像单元；以及信号处理电路，所述信号处理电路对所述固体摄像装置的输出信号进行处理， 其中，所述固体摄像装置是如权利要求1 19任一项所述的固体摄像装置。
全文摘要
本发明公开了固体摄像装置和电子设备。固体摄像装置包括半导体基板，其具有受光面，所述受光面被划分成使红色像素、绿色像素、蓝色像素和白色像素呈矩阵状布置，所述半导体基板上形成有多个光电二极管；滤色器，各滤色器分别形成在半导体基板上的红色像素、绿色像素和蓝色像素的对应形成区域中的光电二极管的光入射路径中，且分别使红色波长区域、绿色波长区域及蓝色波长区域的光透过；以及光致变色膜，其形成在半导体基板上的至少一些白色像素的形成区域中的光电二极管的光入射路径中，并且含有透光率根据预定波长区域内的入射光强度而变化的光致变色材料。光致变色膜的透光率的半衰期比从全部像素读出各像素中获得的像素信号的期间即一帧短。
文档编号H01L27/148GK102254922SQ20111012646
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月20日
发明者出羽恭子, 原田耕一 申请人:索尼公司