CN104037184A - 固态摄像器件及其制造方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态摄像器件及其制造方法和电子设备。固态摄像器件包括：设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元；和多个内层透镜，与多个光电转换单元对应地设置在光电转换单元的上侧，并形成为沿朝向光电转换单元的方向突出，多个内层透镜各自形成为在摄像面的中心与周缘具有不同的透镜形状，随着内层透镜在摄像面上的位置越远离摄像面的中心，内层透镜的中心相对于光电转换单元的中心更偏向摄像面的中心侧，内层透镜由多个透镜材料层在沿着与摄像面垂直的方向的侧面上以形成阶梯的方式层叠，多个透镜材料层形成为使最靠近光电转换单元的第一透镜材料层的下表面的面积小于多个透镜材料层中的最远离光电转换单元的第二透镜材料层的上表面的面积。

Description

固态摄像器件及其制造方法和电子设备
本申请为索尼公司于2010年3月3日向中国专利局提交的题为“固态摄像器件及其制造方法和电子设备”的申请号为201010129481.8的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及固态摄像器件及其制造方法以及电子设备，更具体地说，涉及在衬底的摄像面上设置有多个光电转换单元并在朝向光电转换单元的方向上以突出形状形成有多个内层透镜的固态摄像器件、及其制造方法和电子设备。
背景技术
例如数码摄像机和数码相机等电子设备包括固态摄像器件。例如，固态摄像器件包括CMOS(互补金属氧化物半导体)型图像传感器和CCD(电荷耦合器件)型图像传感器。
在固态摄像器件中，形成有多个像素的成像区域设置在半导体衬底的表面上。在多个像素的每一个中，设置有光电转换单元，该光电转换单元通过经由曲面透镜接收入射光并对接收到的光进行光电转换来生成信号电荷。例如，将光电二极管形成为光电转换单元。
在固态摄像器件中，例如，在光电转换单元的上侧设置有片上透镜(on-chip lens)。人们已经提出了将内层透镜设置在光电转换单元与片上透镜之间的构造。内层透镜设置为用于将经由片上透镜入射的光有效地照射到光电转换单元上。例如，多个内层透镜各自形成为具有沿朝向光电转换单元的方向突出的下凸结构(例如见JP-A-2002-359363和JP-A-2007-324481)。
在固态摄像器件中，因像素所接收到的主光束的角度根据在成像区域中的位置不同而发生变化，可导致所摄图像的像质恶化。
具体说，在成像区域的中心部，经由曲面透镜入射的主光束的角度几乎垂直于成像区域。另一方面，在成像区域的周缘部，经由曲面透镜入射的主光束的角度相对于与成像区域垂直的方向倾斜。因此，存在所摄图像的中心部变成明亮图像而周缘部变成暗淡图像，从而恶化所摄图像的像质的情况。
也就是说，成像区域的中心部与周缘部的感光度之间存在差异，因此存在所摄图像的像质发生恶化的情况。
发明内容
因此，需要提供一种能够改善所摄图像像质的固态摄像器件及其制造方法和电子设备。
根据本发明一实施例，提供了一种固态摄像器件，其包括：设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元；和多个内层透镜，所述多个内层透镜与所述多个光电转换单元各个对应地设置在所述光电转换单元的上侧，并形成为沿朝向所述光电转换单元的方向突出的形状。所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心和周缘具有不同的透镜形状。
根据本发明另一实施例，提供了一种电子设备，其包括：设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元；和多个内层透镜，所述多个内层透镜与所述多个光电转换单元各个对应地设置在所述光电转换单元的上侧，并形成为沿朝向所述光电转换单元的方向突出的形状。所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心和周缘具有不同的透镜形状。
根据本发明另一实施例，提供了一种固态摄像器件的制造方法。该方法包括以下步骤：与设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元各个对应地、以沿朝向所述多个光电转换单元的方向突出的形状、在所述多个光电转换单元的上侧形成多个内层透镜。在形成多个内层透镜的步骤中，所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心和周缘具有不同的透镜形状。
根据本发明一实施例，如上所述，通过将多个内层透镜各自形成为在摄像面的中心和周缘具有不同透镜形状，能防止在成像区域的中心部与周缘部之间发生感光度差异。
根据本发明一实施例，能获得能够改善所摄图像像质的固态摄像器件、及其制造方法和电子设备。
附图说明
图1是示出本发明实施例1的相机40的构造的构造图。
图2是本发明实施例1的固态摄像器件的整体构造的示意性俯视图。
图3是本发明实施例1的设置在成像区域PA中的像素P的主要部分的电路图。
图4是本发明实施例1的固态摄像器件1的主要部分的截面图。
图5是本发明实施例1的固态摄像器件1的主要部分的截面图。
图6是示出本发明实施例1的构成内层透镜120的透镜材料层与光电二极管21之间的关系的俯视图。
图7是示出本发明实施例1的构成内层透镜120的透镜材料层与光电二极管21之间的关系的俯视图。
图8A和8B是本发明实施例1的固态摄像器件1的制造方法的各步骤中所设置的主要部分的截面图。
图9A和9B是本发明实施例1的固态摄像器件1的制造方法的各步骤中所设置的主要部分的截面图。
图10A和10B是本发明实施例1的固态摄像器件1的制造方法的各步骤中所设置的主要部分的截面图。
图11示出了主光束向本发明实施例1的固态摄像器件1入射的样子。
图12示出了主光束向本发明实施例1的固态摄像器件1入射的样子。
图13是本发明实施例2的固态摄像器件1b的主要部分的截面图。
图14是本发明实施例2的固态摄像器件1b的主要部分的截面图。
图15是本发明实施例3的固态摄像器件1c的主要部分的截面图。
图16是本发明实施例3的固态摄像器件1c的主要部分的截面图。
图17是本发明实施例4的固态摄像器件1d的主要部分的截面图。
图18是本发明实施例4的固态摄像器件1d的主要部分的截面图。
图19是本发明实施例5的固态摄像器件1e的主要部分的截面图。
图20是本发明实施例5的固态摄像器件1e的主要部分的截面图。
图21示出了本发明一实施例的固态摄像器件的主要部分。
图22示出了本发明一实施例的固态摄像器件的主要部分。
图23示出了本发明一实施例的固态摄像器件的主要部分。
图24示出了本发明一实施例的固态摄像器件的主要部分。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的实施例。
将以下列顺序进行描述：
1.实施例1
2.实施例2(内层透镜呈锥形的情况)
3.实施例3(内层透镜的折射率朝光电二极管减小的情况)
4.实施例4(内层透镜的折射率朝光电二极管增大的情况)
5.实施例5(包括有光波导的情况)
6.其它
<1.实施例1>
[器件构造]
(1)相机的主要部分的构造
图1是示出本发明实施例1的相机40的构造的构造图。
如图1所示，相机40包括固态摄像器件(solid-state imaging device)1、曲面透镜42、驱动电路43、和信号处理电路44。将依次描述各部件。
固态摄像器件1通过接收经由曲面透镜42入射到摄像面PS的光(被摄体图像)并对所接收的光进行光电转换来生成信号电荷。这里，固态摄像器件1根据从驱动电路43输出的驱动信号得到驱动。具体说，固态摄像器件1读取信号电荷，并输出原始数据。
在该实施例中，如图1所示，从曲面透镜42射出的主光束H1以垂直于固态摄像器件1的摄像面PS的角度入射到摄像面PS的中心部。另一方面，主光束H2以相对于与固态摄像器件1的摄像面PS垂直的方向倾斜的角度入射到摄像面PS的周缘部。
曲面透镜42布置成将与被摄体图像相应的入射光H会集到固态摄像器件1的摄像面PS上。
在本实施例中，曲面透镜42设置成使其光轴与固态摄像器件1的摄像面PS的中心一致。因此，如图1所示，曲面透镜42将主光束H1以垂直于摄像面PS的角度发射到固态摄像器件1的摄像面PS的中心部。另一方面，曲面透镜42将主光束H2以相对于与摄像面PS垂直的方向倾斜的角度发射到摄像面PS的周缘部。
驱动电路43向固态摄像器件1和信号处理电路44输出各种驱动信号，以驱动固态摄像器件1和信号处理电路44。
信号处理电路44构造成通过对从固态摄像器件1输出的原始数据进行信号处理来生成被摄体图像的数字图像。
(2)固态摄像器件的主要部分的构造
下面将描述固态摄像器件1的整体构造。
图2是本发明实施例1的固态摄像器件1的整体构造的示意性俯视图。
本实施例的固态摄像器件1为CMOS型图像传感器，并如图2所示包括衬底101。该衬底101是例如由硅形成的半导体衬底。如图2所示，衬底101的表面上设置有成像区域PA和周缘区域SA。
如图2所示，成像区域PA呈矩形形状，并沿x和y方向设置有多个像素P。也就是说，像素P排成矩阵形状。另外，成像区域PA设置成使其中心与图1所示曲面透镜42的光轴一致。
该成像区域PA相当于图1所示的摄像面。因此，如上所述，主光束(图1中的H1)以垂直于成像区域PA的表面的角度向设置在成像区域PA中心部的像素P入射。另一方面，主光束(图1的H2)以相对于与成像区域PA的表面垂直的方向倾斜的角度向设置在成像区域PA周缘部的像素P入射。
如图2所示，周缘区域SA设置在成像区域PA的周缘。在周缘区域SA中，设置有处理对像素P生成的信号电荷的周缘电路。
具体说，如图2所示，作为周缘电路，设置有垂直选择电路13、列电路(column circuit)14、水平选择电路15、水平信号线16、输出电路17、和时序发生器(TG，timing generator)18。
垂直选择电路13例如包括移位寄存器(shift register)，并以行为单元选择驱动像素P。
列电路14包括例如S/H(sample and hold，采样保持)电路和CDS(Correlated Double Sampling，相关双采样)电路。列电路14对以列为单元从像素P读出的信号进行信号处理。
水平选择电路15例如包括移位寄存器，并依次选择由列电路14从像素P读出的信号以输出。然后，根据水平选择电路15所进行的选择驱动，将从像素P读出的信号经由水平信号线16输出到输出电路17。
输出电路17例如包括数字放大器，对从水平选择电路15输出的信号进行例如放大处理等信号处理，然后输出到外部。
时序发生器18生成各种时序信号，并将时序信号输出至垂直选择电路13、列电路14和水平选择电路15，从而对各单元进行驱动控制。
(3)像素的主要部分的构造
图3是本发明实施例1的设置在成像区域PA中的像素P的主要部分的电路图。
如图3所示，设置在成像区域PA中的像素P包括光电二极管21、传输晶体管(transmission transistor)22、放大器晶体管(amplifier transistor)23、地址晶体管(address transistor)24和复位晶体管(reset transistor)25。也就是说，设置有光电二极管21和从该光电二极管21读取信号电荷的像素晶体管。
在像素P中，光电二极管21接收与被摄体图像相应的光，并对接收到的光进行光电转换，从而生成并蓄积信号电荷。如图3所示，光电二极管21经由传输晶体管22连接至放大器晶体管23的栅极(gate)。另外，在光电二极管21中蓄积的信号电荷作为输出信号被传输晶体管22传输至与放大器晶体管23的栅极相连接的浮动传播部(floating diffusion)FD。
在像素P中，如图3所示，传输晶体管22设置成介于光电二极管21与浮动传播部FD之间。传输晶体管22根据从传输线26向传输晶体管22的栅极施加的传输脉冲，将光电二极管21中蓄积的信号电荷作为输出信号传输至浮动传播部FD。
在像素P中，如图3所示，放大器晶体管23的栅极连接至浮动传播部FD，并放大经由浮动传播部FD输出的输出信号。这里，放大器晶体管23经由地址晶体管24连接至垂直信号线27，并与设置在成像区域PA外的区域中的静态电流源(static current source)I一起构成源极跟随器(sourcefollower)。放大器晶体管23根据对地址晶体管24的地址信号供给，将从浮动传播部FD输出的输出信号放大。
在像素P中，如图3所示，地址晶体管24的栅极与被供给地址信号的地址线28相连接。当被供给地址信号时，地址晶体管24处于接通(ON)状态，并将如上所述被放大器晶体管23放大的输出信号输出至垂直信号线27。然后，输出信号经由垂直信号线27输出至上述列电路14的S/H电路和CDS电路。
在像素P中，如图3所示，复位晶体管25的栅极与被供给复位信号的复位线29相连接，并连接成介于电源Vdd与浮动传播部FD之间。当从复位线29将复位信号供给至复位晶体管25的栅极时，复位晶体管25将浮动传播部FD的电位复位成电源Vdd的电位。
晶体管22、24和25的栅极以沿水平方向x排列的多个像素构成的行为单位被连接。因此，上述对像素的驱动操作是对排列在行单位中的多个像素同时进行的。具体说，根据上述垂直选择电路13所供给的地址信号，以水平线(像素行)为单位沿垂直方向依次选择像素。然后，根据从时序发生器18输出的各种时序信号控制各个像素的晶体管。因此，各像素的输出信号经由垂直信号线27被各像素列的列电路14的S/H电路和CDS电路读出。
(4)固态摄像器件的详细构造
下面将详细描述本实施例的固态摄像器件1。
图4和图5是本发明实施例1的固态摄像器件1的主要部分的截面图。这里，图4示出的是设置在图2所示成像区域PA的中心部的像素P的截面。另一方面，图5示出的是设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的截面。图5示出的是右侧为成像区域PA的中心侧而左侧为成像区域PA的周缘侧的情况。
在成像区域PA中，像素P构造为如图3所示。然而，图中未示出除光电二极管21外的构成像素P的构件。
如图4和5所示，在固态摄像器件1中，与像素P对应地形成有光电二极管21、内层透镜(inner-layer lens)120、滤色器130和片上透镜(on-chiplens)140。另外，这里，如图4和5所示，内层透镜120由第一内层透镜材料层121、第二内层透镜材料层122和第三内层透镜材料层123构成。
下面将依次描述各个部分。
如图4和5所示，光电二极管21设置在衬底101的表面上。光电二极管21通过在受光面JS上接收光并对接收的光进行光电转换来生成信号电荷。在衬底101的表面上与图2所示多个像素P对应地设置有多个光电二极管21。
另外，在光电二极管21的上侧设置有线路层(wiring layer)110。在线路层110中，与各元件电连接的线路110h形成在绝缘层110z内部。绝缘层110z由能够透光的透光材料形成。例如，绝缘层110z由氧化硅膜(折射率n＝1.43)形成。另外，线路110h由例如金属等导电材料形成。
此外，如图4和5所示，在光电二极管21的上侧还设置有内层透镜120、滤色器130、和片上透镜140。这里，是从受光面JS侧起依次设置内层透镜120、滤色器130和片上透镜140。
在本实施例中，对比图4和图5可知，各部分120、130和140相对于光电二极管21的位置根据像素P的位置而不相同。这里，随着设置在成像区域PA上的像素P的位置越远离成像区域PA的中心侧，各部分120、130、140的中心位置设置成相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。
具体说，如图4所示，在设置于成像区域PA中心部的像素P中，在受光面JS的上侧，各部分120、130、140的中心位置与受光面JS的中心轴C一致。
另一方面，如图5所示，在设置于成像区域PA的周缘部的像素P中，在受光面JS的上侧，各部分120、130、140的中心位置与受光面JS的中心轴C不一致，而是沿xy平面偏向一侧。如上所述，图5示出的情况是右侧为成像区域PA的中心侧而左侧为成像区域PA的周缘侧。因此，各部分120、130、140的中心位置设置成相对于受光面JS的中心偏向右侧。
虽然图中未示出，与图5相反，在左侧为成像区域PA的中心侧而右侧为成像区域的周缘侧的情况下，各部分120、130、140的中心位置设置成相对于受光面JS的中心偏向左侧。也就是说，各部分120、130、140设置成使得各部分120、130、140的间距(pitch)小于设置在像素P中的光电二极管21的间距。
如图4和5所示，内层透镜120形成为在衬底101的表面的上侧位于线路层110上。
在本实施例中，对比图4和图5可知，内层透镜120相对于光电二极管21的位置根据像素P的位置而不相同。这里，随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，内层透镜120的中心位置设置成相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。也就是说，内层透镜120设置成使得内层透镜120的间距小于设置在像素P中的光电二极管21的间距。
另外，内层透镜120构造成将从滤色器130射出的光会集到衬底101的表面上。具体说，内层透镜120形成为使得在朝向光电二极管21的受光面JS的方向上，中心部比边缘部厚。
在本实施例中，如图4和5所示，内层透镜120形成为使得沿着光电二极管21的受光面JS的表面的面积在从片上透镜140侧朝向光电二极管21侧的方向上以阶梯方式依次减小。
具体说，内层透镜120包括第一透镜材料层121、第二透镜材料层122和第三透镜材料层123。第一到第三透镜材料层121、122、123依次层叠在光电二极管21的受光面JS的上侧。在内层透镜120中，透镜材料层121、122、123的侧面在xy平面的方向上设置在不同位置，使得在沿着与受光面JS垂直的z方向的侧面上形成不同层级。
透镜材料层121、122、123分别通过使用折射率比设置在其周缘的中间层绝缘膜111、112、113的折射率高的光学材料形成。例如，透镜材料层121、122、123通过使用由等离子CVD法沉积的氮化硅(折射率为2.0)形成。
在内层透镜120中，如图4和5所示，第一透镜材料层121在透镜材料层121、122、123中设置成最靠近受光面JS。
另外，在内层透镜120中，如图4和5所示，第二透镜材料层122设置在第一透镜材料层121与第三透镜材料层123之间。
另外，在内层透镜120中，如图4和5所示，第三透镜材料层123在透镜材料层121、122、123中设置成最远离受光面JS。
图6和图7是根据本发明实施例1的示出构成内层透镜120的透镜材料层121、122、123与光电二极管21之间的关系的俯视图。这里，图6与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图7与图5相似示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。在图6和7中，为方便图示，示出了构成内层透镜120的透镜材料层121、122、123，并以虚线表示光电二极管21。
如图6和7所示，第一到第三透镜材料层121、122、123的平面形状为矩形，并形成为彼此相似。也就是说，透镜材料层121、122、123形成为样式相同但面积不同。这里，第一透镜材料层121形成为具有小于第二透镜材料层122的面积的面积。另外，第二透镜材料层122形成为具有小于第三透镜材料层123的面积的面积。
也就是说，多个透镜材料层121、122、123形成为使得最靠近光电二极管21的第一透镜材料层121的下表面的面积小于最远离光电二极管21的第三透镜材料层123的上表面的面积。
具体说，如图6所示，在设置于成像区域PA中心部的像素P中，各透镜材料层121、122、123的中心位置设置成与光电二极管21的受光面JS的中心C一致。
另一方面，如图7所示，在设置于成像区域PA的周缘部的像素P中，透镜材料层121、122、123的中心位置与光电二极管21的受光面JS的中心C不一致，沿xy平面偏向一侧。图7与图5相似，示出的是右侧为成像区域PA的中心侧而左侧为成像区域PA的周缘侧的情况。因此，在该部分中，第一到第三透镜材料层121、122、123的中心位置设置成相对于光电二极管21的受光面JS的中心C依次偏向右侧。
如图4和5所示，滤色器130形成为在衬底101的表面的上侧位于内层透镜120上。滤色器130构造成使与被摄体图像相应的光着色，并将被着色的光射向衬底101的表面。例如，通过使用含有着色颜料和光致抗蚀剂树脂的涂覆溶液，用例如旋转涂覆法等涂覆方法进行涂覆，以形成涂覆膜，然后使用光刻技术(lithographic technology)对涂覆膜进行样式加工，来形成滤色器130。虽然图中未示出，滤色器130作为绿色过滤层、红色过滤层和蓝色过滤层之一设置在各像素P中。例如，绿色过滤层、红色过滤层和蓝色过滤层各自以拜耳配置(Bayer arrangement)设置成彼此平行。
在本实施例中，对比图4和图5可知，滤色器130相对于光电二极管21的位置根据像素P的位置而不相同。这里，随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，滤色器130的中心位置设置成相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。也就是说，滤色器130设置成使得滤色器130的间距小于设置在像素P中的光电二极管21的间距。另外，滤色器130设置成使得滤色器130的间距小于设置在像素P中的内层透镜120的间距。
如图4和5所示，片上透镜140形成为在衬底101的表面的上侧位于滤色器130上。该片上透镜140构造成将入射光会集到光电二极管21的受光面JS上。具体说，片上透镜140形成为使得在朝向光电二极管21的受光面JS的方向上，中心部比边缘部厚。
在本实施例中，对比图4和图5可知，片上透镜140相对于光电二极管21的位置根据像素P的位置而不相同。这里，随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，片上透镜140的中心位置设置成相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。也就是说，片上透镜140设置成使得片上透镜140的间距小于设置在像素P中的光电二极管21的间距。另外，片上透镜140设置成使得片上透镜140的间距小于设置在像素P中的内层透镜120的间距。
[制造方法]
下面将描述制造上述固态摄像器件1的制造方法的主要部分。具体说，将详细描述在固态摄像器件1中形成内层透镜120的步骤。
图8A、8B、9A、9B、10A和10B是本发明实施例1的固态摄像器件1的制造方法的各步骤中设置的主要部分的截面图。图8A、9A和10A与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的中心部的像素P的部分。另一方面，图8B、9B和10B与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
(1)第一透镜材料层121的形成
首先，如图8A和8B所示，形成构成内层透镜120的第一透镜材料层121。
这里，如图8A和8B所示，第一透镜材料层121形成在线路层110上。
例如，在线路层110上形成中间层绝缘膜111。然后，在中间层绝缘膜111的形成第一透镜材料层121的区域形成开口。例如，通过由使用CVD法形成氧化硅膜来形成中间层绝缘膜111。然后，通过使用例如光刻技术来在中间层绝缘膜111中形成开口。
在本实施例中，例如，通过进行各向异性蚀刻工艺，来进行该形成工艺，以使开口的侧面沿与衬底101的表面垂直的方向形成。
然后，通过将光学材料形成为膜以掩埋形成在中间层绝缘膜111中的开口，来形成第一透镜材料层121。例如，通过使用等离子CVD法沉积氮化硅后，使用CMP(化学机械抛光)工艺来使表面平整化。从而，在开口内形成了第一透镜材料层121。
在本实施例中，如图8A和8B所示，将第一透镜材料层121形成为使得第一透镜材料层121相对于光电二极管21的位置根据像素P在成像区域PA中的位置而不同。
具体说，该形成步骤如此进行，使得随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，第一透镜材料层121的中心位置相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。也就是说，第一透镜材料层121形成为使得第一透镜材料层121的间距小于设置在像素P中的光电二极管21的间距。
(2)第二透镜材料层122的形成
其次，如图9A和9B所示，形成构成内层透镜120的第二透镜材料层122。
其次，如图9A和9B所示，在第一透镜材料层121上形成第二透镜材料层122。
例如，在第一透镜材料层121上形成中间层绝缘膜112后，在中间层绝缘膜112的形成第二透镜材料层122的区域中形成开口。与第一透镜材料层121的情况相似，在中间层绝缘膜112中形成开口。
然后，与第一透镜材料层121的情况相似，通过将光学材料埋入形成在中间层绝缘膜112中开口内，来形成第二透镜材料层122。
在本实施例中，如图9A和9B所示，与第一透镜材料层121相似，将第二透镜材料层122形成为使得第二透镜材料层122相对于光电二极管21的位置根据像素P在成像区域PA中的位置而不同。
具体说，该形成步骤如此进行，使得随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，第二透镜材料层122的中心位置相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。这里，第二透镜材料层122形成为使得第二透镜材料层122的间距小于像素P的第一透镜材料层121的间距。
(3)第三透镜材料层123的形成
其次，如图10A和10B所示，形成构成内层透镜120的第三透镜材料层123。
这里，如图10A和10B所示，在第二透镜材料层122上形成第三透镜材料层123。
例如，在第二透镜材料层122上形成中间层绝缘膜113后，在中间层绝缘膜113的形成第三透镜材料层123的区域中形成开口。与第一和第二透镜材料层121、122的情况相似，在中间层绝缘膜113中形成开口。
然后，与第一和第二透镜材料层121、122的情况相似，通过将光学材料埋入形成在中间层绝缘膜113中开口内，来形成第三透镜材料层123。
在本实施例中，如图10A和10B所示，将第三透镜材料层123形成为使得第三透镜材料层123相对于光电二极管21的位置根据像素P在成像区域PA中的位置而不同。
具体说，该形成步骤如此进行，使得随着设置在成像区域PA中的像素P的位置越远离成像区域PA的中心，第二透镜材料层122和第三透镜材料层123的中心位置相对于光电二极管21的受光面JS的中心更偏向成像区域PA的中心侧。这里，第三透镜材料层123形成为使得第三透镜材料层123的间距小于像素P的第二透镜材料层122的间距。
然后，如图4和5所示，形成滤色器130和片上透镜140，从而完成固态摄像器件1。
[操作]
图11和12示出了主光束向本发明实施例1的固态摄像器件1入射的样子。这里，图11与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图12与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
如图11所示，在成像区域PA的中心部，主光束H1从光电二极管21的上侧以垂直于受光面JS的角度向到受光面JS入射。然后，主光束H1维持该角度经由片上透镜140入射到滤色器130。然后，如图11所示，从滤色器130射出的主光束H1入射到内层透镜120。
这里，内层透镜120形成如图11中的点划线所示的透镜面Lc。也就是说，内层透镜120形成为透镜面Lc相对于与受光面JS的中心垂直的轴对称的下凸透镜。因此，与片上透镜140的情况相似，主光束H1从内层透镜120以垂直于受光面JS的角度射出。然后，该主光束H1经由线路层110入射到光电二极管21的受光面JS。
另一方面，如图12所示，在成像区域PA的周缘部，主光束H2从光电二极管21的上侧以相对于与受光面JS垂直的方向倾斜的角度向受光面JS入射。然后，主光束H2维持该角度经由片上透镜140入射到滤色器130。然后，如图12所示，从滤色器130射出的主光束H2入射到内层透镜120。
这里，内层透镜120形成如图12中的点划线所示的透镜面Ls。内层透镜120形成为透镜面Ls相对于与受光面JS的中心垂直的轴不对称的下凸透镜。也就是说，形成了通过将倒立的钟偏移至倾斜而形成的透镜。具体说，如图12所示，通过将透镜面Ls设计成使主光束H2折射以使主光束H2靠近光电二极管21的受光面JS的中心，来形成内层透镜120。因此，从内层透镜120射出的主光束H2经由线路层110入射到光电二极管21的受光面JS。
[总结]
如上所述，在本实施例中，在多个光电二极管21的上侧，以沿朝向光电二极管21的方向突出的形状形成有多个内层透镜120。所述多个内层透镜120的每一个形成为使得透镜的形状在成像区域PA的中心与周缘处各不相同。这里，各个内层透镜120设置成使得随着设置在成像区域PA中的像素的位置越远离中心，内层透镜120的中心相对于光电二极管21的中心更偏向成像区域PA的中心侧。
因此，如上述图11和12所示，在成像区域PA的中心和周缘，主光束H1和H2均能最佳地入射到光电二极管21。因此，能够抑制成像区域PA的中心和周缘之间发生感光差。
结果，根据本实施例，能够改善所摄图像的像质。
另外，在本实施例中，内层透镜120是由多个透镜材料层121、122、123层叠而成的。因此，能够以高自由度设计内层透镜120的整体形状，并能以轻松方式获得上述优点。
<2.实施例2>
[器件的构造等]
图13和图14是本发明实施例2的固态摄像器件1b的主要部分的截面图。这里，图13与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图14与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
在本实施例中，如图13和14所示，内层透镜120b与实施例1的不同。除此之外，本实施例与实施例1相同。因此，这里省略对相同于实施例1的部分的描述。
如图13和14所示，内层透镜120b与实施例1的相似，包括第一到第三透镜材料层121b、122b、123b。
与实施例1不同，第一到第三透镜材料层121b、122b、123b形成为使得其侧面为相对于与受光面JS垂直的z方向倾斜的锥面。
具体说，如图13和14所示，第一透镜材料层121b的侧面倾斜地形成，使得第一透镜材料层121b呈从上侧朝下侧变窄的锥形形状。
另外，与第一透镜材料层121b相似，第二透镜材料层122b的侧面如图13和14所示倾斜地形成，使得第二透镜材料层122b呈从上侧朝下侧变窄的锥形形状。这里，第二透镜材料层122b的下端部的宽度形成为等于或大于第一透镜材料层121b的上端部的宽度。
另外，与第一和第二透镜材料层121b、122b相似，第三透镜材料层123b的侧面如图13和14所示倾斜地形成，使得第三透镜材料层123b呈从上侧朝下侧变窄的锥形形状。这里，第三透镜材料层123b的下端部的宽度形成为等于或大于第二透镜材料层122b的上端部的宽度。
透镜材料层121b、122b、123b是通过向形成在中间层绝缘膜111、112、113中的开口内埋入透镜材料而形成的。在本实施例中，各开口形成为使得开口的侧面呈沿与受光面JS垂直的z方向朝向上侧的宽度更宽的锥形形状。具体说，各开口是通过进行各向同性蚀刻加工而形成的。
[总结]
如上所述，在本实施例中，构成内层透镜120b的第一到第三透镜材料层121b、122b、123b中的每一个形成为使得其侧面为相对于与受光面JS垂直的z方向倾斜的锥面。也就是说，内层透镜120b形成为使得透镜材料层121b、122b、123b的侧面是沿着图11和12所示透镜面Lc和Ls的。因此，能够抑制入射到内层透镜120b的光在透镜面上发生散射。
结果，根据本实施例，能够防止由于散射而产生的感光度降低的现象，从而能够改善所摄图像的像质。
<3.实施例3>
[器件的构造等]
图15和图16是本发明实施例3的固态摄像器件1c的主要部分的截面图。这里，图15与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图16与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
在本实施例中，如图15和16所示，内层透镜120c与实施例1的不同。除此之外，本实施例与实施例1相同。因此，这里省略对相同于实施例1的部分的描述。
如图15和16所示，内层透镜120c与实施例1的相似，包括第一到第三透镜材料层121c、122c、123c。
虽然第一到第三透镜材料层121c、122c、123c的形状与实施例1的相同，但是用于形成各层的光学材料的构造与实施例1的不同。
在本实施例中，透镜材料层121c、122c、123c形成为包括折射率沿朝向光电二极管21的方向减小的部分。也就是说，在多个透镜材料层121c、122c、123c中，设置在最底层的第一透镜材料层121c由折射率最低的光学材料形成。另外，在多个透镜材料层121c、122c、123c中，设置在最高层的第三透镜材料层123c由折射率最高的光学材料形成。
例如，第一透镜材料层121c由折射率为1.7的SiON形成。另外，第二透镜材料层122c由折射率为1.85的SiON形成。第一透镜材料层121c和第二透镜材料层122c是通过使用CVD法不同地调节[O]和[N]的含有比而形成的。第三透镜材料层123c例如由折射率为2.0的SiN形成。
[总结]
如上所述，在本实施例中，构成内层透镜120c的透镜材料层121c、122c、123c形成为具有沿朝向光电二极管21的方向减小的折射率。在这种情况下，能够防止光从内层透镜120c的下表面射出时发生反射现象。此外，在内层透镜120c的上部的折射率高的情况下，折射率之间的差异变小，从而能够抑制在透镜上端发生反射。
结果，根据本实施例，能够改善感光度，从而能够改善所摄图像的像质。
<4.实施例4>
[器件的构造等]
图17和图18是本发明实施例4的固态摄像器件1d的主要部分的截面图。这里，图17与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图18与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
在本实施例中，如图17和18所示，内层透镜120d与实施例1的不同。除此之外，本实施例与实施例1相同。因此，这里省略对相同于实施例1的部分的描述。
如图17和18所示，内层透镜120d与实施例1的相似，包括第一到第三透镜材料层121d、122d、123d。
虽然第一到第三透镜材料层121d、122d、123d的形状与实施例1的相同，但是用于形成各层的光学材料的构造与实施例1的不同。
在本实施例中，透镜材料层121d、122d、123d形成为包括折射率沿朝向光电二极管21的方向增大的部分。也就是说，在多个透镜材料层121d、122d、123d中，设置在最底层的第一透镜材料层121d由折射率最高的光学材料形成。另外，在多个透镜材料层121d、122d、123d中，设置在最高层的第三透镜材料层123d由折射率最低的光学材料形成。
例如，第一透镜材料层121d由折射率为2.0的SiN形成。另外，第二透镜材料层122d例如由折射率为1.85的SiON形成。第三透镜材料层123d例如由折射率为1.7的SiON形成。第二透镜材料层122d和第三透镜材料层123d是通过使用CVD法不同地调节[O]和[N]的含有比而形成的。
[总结]
如上所述，在本实施例中，构成内层透镜120d的透镜材料层121d、122d、123d形成为具有沿朝向光电二极管21的方向增大的折射率。在这种情况下，内层透镜120d的下表面的有效曲率增大，因此，能够改善这部分的光束弯曲性能。此外，在内层透镜120d的上部的折射率低的情况下，折射率之间的差异变小，从而能够抑制在透镜上端发生反射。
结果，根据本实施例，能够改善感光度，从而能够改善所摄图像的像质。
<5.实施例5>
[器件的构造等]
图19和图20是本发明实施例5的固态摄像器件1e的主要部分的截面图。这里，图19与图4相似，示出了设置在图2所示成像区域PA中心部的像素P的部分。另一方面，图20与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分。
如图19和20所示，在本实施例中，还设置了光波导(optical waveguide)150。除此之外，本实施例与实施例1相同。因此，这里省略对相同于实施例1的部分的描述。
如图19和20所示，光波导150形成为在衬底101的表面的上侧位于光电二极管21上。光波导150构造成将入射光引导至光电二极管21的受光面JS。如图19和20所示，光波导150介于内层透镜120与光电二极管21的受光面JS之间，并形成为将从内层透镜120射出的光引导至光电二极管21的受光面JS。
具体说，如图20和21所示，在衬底101的表面上设置线路层110。在线路层110中，如上所述，在绝缘层110z内部设置有线路110h，并且绝缘层110z由能够透光的透光材料形成。例如，绝缘层110z由氧化硅膜(折射率n＝1.43)形成。
如图20和21所示，光波导150设置成在线路层110内部向光电二极管21的受光面JS延伸。光波导150由折射率比构成线路层110的绝缘层110z高的光学材料形成。例如，光波导150通过使用由等离子CVD法沉积的氮化硅(折射率为2.0)来形成。也就是说，光波导150构造成用作芯子部，而绝缘层110z构造成用作包覆部(clad portion)。
[总结]
如上所述，在本实施例中，光波导150形成为将入射光引导至光电二极管21的受光面JS。
结果，根据本实施例，能够改善感光度，从而能够改善所摄图像的像质。
<6.其它>
本发明并不局限于上述实施例，可采用各种变型例。
在上述实施例中，描述的是实施例应用于CMOS图像传感器的情况。然而，本发明并不局限于此。例如，本发明可应用于CCD图像传感器。
另外，内层透镜的形成并不局限于上述实施例所述的方法。
图21和22示出了本发明的这种实施例的固态摄像器件的主要部分。这里，图21与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分的截面。图22是示出构成内层透镜120f的透镜材料层121f、122f、123f与光电二极管21之间的关系的俯视图。
如图21所示，内层透镜120f与实施例1相似，包括第一透镜材料层121f、第二透镜材料层122f和第三透镜材料层123f。各层依次层叠。另外，透镜材料层121f、122f、123f设置成使得在沿与受光面JS垂直的z方向排列的侧面上形成不同层级。
然而，如图21所示，透镜材料层121f、122f、123f设置为使得透镜面Ls的曲率比实施例1的大。
具体说，如图22所示，透镜材料层121f、122f、123f的位于成像区域PA周缘侧的侧面(图22中的左侧)之间的间隙形成为比实施例1的小。
因此，内层透镜120f的位于成像区域PA周缘侧的半透镜的透镜面Ls的曲率可构造成比实施例1的大。当半透镜的曲率增大时，能够进一步改善使主光束H2折射的“光束弯曲效果”。如同实施例1中那样，在半透镜的曲率比图21和22所示情况小的情况下，从片上透镜140射出的主光束H2优选限定在宽范围内。因此，存在用于内层透镜的尺寸波动的余裕。因此，能够改善产品的可靠性和产出率。
图23和24示出了本发明的这种实施例的固态摄像器件的主要部分。这里，图23与图5相似，示出了设置在图2所示成像区域PA的周缘部的像素P的部分的截面。图24是示出构成内层透镜120g的透镜材料层121g、122g、123g与光电二极管21之间的关系的俯视图。
如图23所示，透镜材料层121g、122g、123g可设置成使得透镜面Ls的曲率比实施例1的小。
具体说，如图24所示，透镜材料层121g、122g、123g的位于成像区域PA周缘侧的侧面(图24中的左侧)之间的间隙可形成为比实施例1的大。
也就是说，各层可形成为被偏移成使得底层的第一透镜材料层121g的间距比位于底层上侧的第二透镜材料层122g的大，并且位于再上侧的第三透镜材料层123g的间距比第二透镜材料层122g的大。
通过如上所述那样减小透镜面Ls的曲率，透镜面积变大，从而能够松散片上透镜的焦点。另外，能够基于偏移量之间的差异轻松地进行设计。
另外，在上述实施例中，描述了内层透镜由三个透镜材料层层叠而成的情况。然而，本发明并不局限于此。因此，内层透镜可由三个以上的透镜材料层层叠而成。另外，也可以以一个层形成内层透镜。
另外，在上述实施例中，描述了本发明应用于相机的情况。然而，本发明并不局限于此。因此，本发明也可应用于其它电子设备，例如包括固态摄像器件的扫描仪和复印机等。
上述实施例的固态摄像器件1、1b、1c、1d、1e相当于本发明一实施例的固态摄像器件。上述实施例的光电二极管21相当于本发明一实施例的光电转换单元。另外，上述实施例的相机40相当于本发明一实施例的电子设备。上述实施例的衬底101相当于本发明一实施例的衬底。上述实施例的内层透镜120、120b、120c、120d、120e相当于本发明一实施例的内层透镜。另外，上述实施例的第一透镜材料层121、121b、121c、121d、121e相当于本发明一实施例的透镜材料层或第一透镜材料层。上述实施例的第二透镜材料层122、122b、122c、122d、122e相当于本发明一实施例的透镜材料层或第一透镜材料层。另外，上述实施例的第三透镜材料层123、123b、123c、123d、123e相当于本发明一实施例的透镜材料层或第二透镜材料层。上述实施例的滤色器130相当于本发明一实施例的滤色器。另外，上述实施例的片上透镜140相当于本发明一实施例的片上透镜。上述实施例的光波导150相当于本发明一实施例的光波导。另外，上述实施例的摄像面PS和成像区域PA相当于本发明一实施例的摄像面。
本申请包含2009年3月4日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2009-050771所涉及的主题，其全部内容通过引用并入本文。
本领域的技术人员应该了解的是，在权利要求或其等同方案的范围内，可根据设计要求和其它因素做出各种修改、组合、子组合和变更。

Claims (10)

1.一种固态摄像器件，包括：
设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元；和
多个内层透镜，与所述多个光电转换单元各个对应地设置在所述光电转换单元的上侧，并且形成为沿朝向所述光电转换单元的方向突出的形状，
其中，所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心与周缘具有不同的透镜形状，随着所述内层透镜在所述摄像面上的设置位置越远离所述摄像面的中心，该内层透镜的中心相对于所述光电转换单元的中心更偏向所述摄像面的中心侧，
所述内层透镜由多个透镜材料层在沿着与摄像面垂直的方向的侧面上以形成阶梯的方式层叠而成，所述多个透镜材料层各自形成为使得所述多个透镜材料层中的最靠近所述光电转换单元的第一透镜材料层的下表面的面积小于所述多个透镜材料层中的最远离所述光电转换单元的第二透镜材料层的上表面的面积。
2.如权利要求1所述的固态摄像器件，其中，所述多个透镜材料层各自的与所述摄像面垂直的截面包括锥形部，所述锥形部在沿着所述摄像面的方向上限定出的宽度在朝向所述光电转换单元的方向上变窄。
3.如权利要求1或2所述的固态摄像器件，其中，所述多个透镜材料层各自形成为使得折射率在朝向所述光电转换单元的方向上发生改变。
4.如权利要求3所述的固态摄像器件，其中，所述多个透镜材料层各自形成为使得折射率在朝向所述光电转换单元的方向上变小。
5.如权利要求3所述的固态摄像器件，其中，所述多个透镜材料层各自形成为使得折射率在朝向所述光电转换单元的方向上变大。
6.如权利要求1至5中任一项所述的固态摄像器件，其中，还包括设置在所述光电转换单元上侧的滤色器，
其中，所述内层透镜设置成介于所述滤色器与所述光电转换单元之间。
7.如权利要求1至6中任一项所述的固态摄像器件，其中，还包括与所述多个光电转换单元各个对应地设置在所述多个光电转换单元上侧的光波导，
其中，所述内层透镜设置成介于所述光波导与所述光电转换单元之间。
8.如权利要求1至7中任一项所述的固态摄像器件，其中，还包括与所述多个内层透镜各个对应地设置在所述多个内层透镜上侧的片上透镜。
9.一种电子设备，包括：
设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元；和
多个内层透镜，与所述多个光电转换单元各个对应地设置在所述光电转换单元的上侧，并且形成为沿朝向所述光电转换单元的方向突出的形状，
其中，所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心与周缘具有不同的透镜形状，随着所述内层透镜在所述摄像面上的设置位置越远离所述摄像面的中心，该内层透镜的中心相对于所述光电转换单元的中心更偏向所述摄像面的中心侧，
所述内层透镜由多个透镜材料层在沿着与摄像面垂直的方向的侧面上以形成阶梯的方式层叠而成，所述多个透镜材料层各自形成为使得所述多个透镜材料层中的最靠近所述光电转换单元的第一透镜材料层的下表面的面积小于所述多个透镜材料层中的最远离所述光电转换单元的第二透镜材料层的上表面的面积。
10.一种固态摄像器件的制造方法，包括以下步骤：
与设置在衬底的摄像面上的多个光电转换单元各个对应地、以沿朝向所述多个光电转换单元的方向突出的形状、在所述多个光电转换单元的上侧形成多个内层透镜，
其中，在形成多个内层透镜时，使所述多个内层透镜各自形成为在所述摄像面的中心与周缘具有不同的透镜形状，随着所述内层透镜在所述摄像面上的设置位置越远离所述摄像面的中心，该内层透镜的中心相对于所述光电转换单元的中心更偏向所述摄像面的中心侧，并且所述内层透镜形成为，多个透镜材料层在沿着与摄像面垂直的方向的侧面上以形成阶梯的方式层叠，所述多个透镜材料层各自形成为使得所述多个透镜材料层中的最靠近所述光电转换单元的第一透镜材料层的下表面的面积小于所述多个透镜材料层中的最远离所述光电转换单元的第二透镜材料层的上表面的面积。
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