TWI411102B - 固態成像元件及成像裝置 - Google Patents

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Description

固態成像元件及成像裝置
本發明係有關於一種具有一在一光接受單元上的光學波導的固態成像元件，及亦有關於一設置有此一固態成像元件的成像裝置。
在一固態成像元件中，從該成像元件的中心到一像素的距離增加的愈多，則光線在該像素上的入射角度就增加的愈多。因此，如果最上面的鏡片只設置在一光電轉換單元(光接受單元)上方的話，則入射到該光電轉換單元(光接受單元)上的光線量會減少。
然後，有一種固態成像元件被提出，其中該鏡片與該光電轉換單元(光接受單元)的每一者的水平位置依據該成像元件的中心至該像素的距離而被偏移，用以將該鏡片放置得靠近該成像元件的中心(參見，例如，日本專利公開案第2006-261247號，2006-261249號，及2006-324439號)。此一成像元件的構造可允許更多通過該鏡片之傾斜的入射光線量進入到該光電轉換單元(光接受單元)，以獲得足夠的靈敏度。結構件，如鏡片及光接受單元，用此方式的水平位置的偏移被稱為“光瞳校正”。換言之，“光瞳校正”一詞係指針對一晶片上鏡片被偏移至一適當的位置用以對入射光不是垂直地入射到一像素的周邊上而是傾斜地入射於其上的事實採取措施。
再者，在日本專利公開案第2006-261249號中，一光學波導被設置在一鏡片與一光接受單元之間。然後，該鏡片，該光學波導及該光接受單元被偏移於水平方向上，使得從該成像元件的中心到該鏡片，該光學波導，及該光接受單元的距離隨著從該成像元件的中心至該像素的增加而依此順序增加。
順便一提地，在典型的CMOS型固態成像元件中，每一像素都被設置一電晶體及一浮動擴散。在每一像素中存在有一電晶體及一浮動擴散限制了一更微小的像素的製造。像素被作得愈微小，光接受單元的表面積就會減少得愈多。因此，電荷量的減少就會發生。因此，所產生的像素將會是一很暗的像素且隨機的雜訊會與一影像訊號重疊。
為了要避免此一現象，另一種成像元件被提出，其中一電晶體及一浮動擴散為兩個或更多個像素所共用，以減小該像素被這些元件所佔據的表面積，同時增加該像素被該光接受單元所佔據的表面積(參見，例如，日本專利公開案第2006-303468號)。
一種光學波導的形成包括將一物質埋入到該光學波導內部的步驟。然而，如果一像素要被作得更微小的話，則該光學波導的開口大小就必需被作得更小。這將會因為氣泡或類此者很容易在製程中產生而造成埋入該光學波導中的品質的降低。因此，在具有光學波導的像素的微型化上是有其限制的。因此，如上文所述之在該光學波導的埋入的品質上的降低會導致將光學波導埋入到個別像素中的品質大幅地變動造成像素製造良率上的降低。
為了要避免此缺點，有一種與日本專利公開案第2006-303468號中所描述的相似的想法被提出，其中一具有光學波導的固態成像元件被設計成可讓兩個或更多個像素共用一電晶體及一浮動擴散。與一未共用的例子比較起來，電晶體及浮動擴散被兩個或更多個像素共用可擴大每一像素之光接受單元的表面積。換言之，光接受單元的表面積減少可在像素被作得更微小時被抵銷。
在具有未共用的電晶體及浮動擴散的典型像素的例子中，介於相鄰的光接受單元之間的距離不論是否有實施光瞳校正都幾乎是固定不變的。
然而，當電晶體及浮動擴散被兩個或更多個像素共用時，介於光接受單元之間的距離是變動的。這是因為光接受單元的位置係朝向該被共用的浮動擴散偏移及該電晶體被設置在與該浮動擴散(外側)相反的一側上。在另一方面，晶片上鏡片較佳地係以規則的距離被設置。如果介於晶片上鏡片(on-chip lens)之間的距離是不相同的話，一沒有聚集的入射光的區域，或一無效區域，會在各像素的晶片上鏡片以相同的直徑及相同的曲率被製備時變成擴展至一個在該等晶片上鏡片之間具有一相當寬的距離的部分中。因此，以規則的間距設置之光接受單元及以實質上規則的間距來安排的晶片上晶片從一平面上之它們預定的位置處相對於彼此被偏移一些程度。在對晶片上鏡片實施光瞳校正的例子中，它們亦從一平面上之它們預定的位置被偏移於一方向上，該方向不同於該光瞳校正的方向。
如上文中所述，本發明考量了一光學波導在一光接受單元與一晶片上鏡片在一平面上彼此沒有對準的狀態下被設置在該光接受單元與該晶片上鏡片之間的情況。如果該光學波導是在該晶片上鏡片的中心的底下的話，則一部分光學波導會從該光接受單元突出。在此例子中，通過該光學波導的突出部分的光線很難被光電地轉換。因此，該光接受單元的靈敏度會降低且其光電轉換效率亦會降低。又，在此例子中，該光學波導可被部分地放置在相鄰像素的光學波導上方並造成顏色的相混。在另一方面，如果該光學波導被安排在該光接受單元的中心的話，則該光學波導從該晶片上鏡片的中心被偏移。因此，將該晶片上鏡片所收集到的光線導入到該光學波導中會變得很困難。當光線沒有被導入該光學波導中時，光線就被浪費掉。在此情形中，該光接受單元的靈敏度會降低且其光電轉換效率亦會如上文所述者一樣地降低。
在描述於日本專利公開案第2006-261247號的成像元件的構造中，該光學波導具有一雙層式結構。為了要實施光瞳補償，上光學波導部分相對於下光學波導部分被朝向該固態成像元件的中心偏動。因此，將該上光學波導部分的開口形成為讓該開口的直徑大於該下光學波導部分的開口的直徑是所想要的。在此例子中，在通過該上光學波導部分的光線中，有一些光線可能不會進入該下光學波導部分。
因此，提供一種即使是像素被微型化的更微小仍可以獲得足夠的靈敏度及足夠的光線轉換效率的固態成像元件是所想要的。提供一種配備了此一固態成像元件的成像裝置亦是所想要的。
依據本發明的第一實施例，一種固態成像元件包括一光接受單元其被形成在每一像素中以實施光電轉換，一光學波導其被埋設在一絕緣層中，該絕緣層位在該光接受單元上方且用來將光導入到該光學波導中，及一晶片上鏡片其被形成在該光學波導上方。該固態成像元件更包含一基格(basic cell)其具有兩個或更多個共用浮動擴散的像素，及一電晶體其為該基格內的兩個或更多個像素所共用且被設置在該兩個或更多個像素的外部。在該固態成像元件中，該光接受單元透過一傳輸閘被連接至該基格內之該等像素所共用的該浮動擴散，協助該等晶片上鏡片以實質規則的間距被設置。該光學波導包括一第一光學波導及一第二光學波導。該第一光學波導被形成為它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置。該第二光學波導被形成在該第一光學波導的上側，使得它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置。
依據本發明的一實施例，一成像裝置包括一收集入射光的聚光區，一固態成像元件其接受該聚光區所收集的入射光並實施入射光的光電轉換，及一訊號處理區其處理該固態成像元件中之光電轉換所獲得的訊號。在此實施例的成像裝置中，該固態成像元件被建構成一依據本發明的實施例的固態成像元件。
在依據本發明的此實施例的固態成像元件中，該光接受單元被連接至該基格中的該等像素所共用的浮動擴散，且該光接受單元經由一傳輸閘被連接至該浮動擴散。當與一未共用的例子相比較時，兩個或更多個像素共用該電晶體及該浮動擴散可在該光接受單元的表面積的百分比上獲得增加。因此，每一像素之光接受單元的表面積可被擴大。當像素小型化時在該光接受單元的面積上的減少可被降低。因此，可將像素實質地儘可能小型化至最小，同時該光學波導的尺寸可被防止達到埋入特性的極限值。
依據此實施例，該等晶片上鏡片係以規則的間距來形成。因此，俗稱之無效區域可被減少且導因於無效區域之損失的產生亦可被加以防止。
再者，該第二光學波導被形成在該第一光學波導的上側，使得它在該固態成像元件的表面內的部分係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元的內部的位置處。因此，該晶片上鏡片所收集的光線可被完全引導至該第二光學波導且通過該第二光學波導的光線然後可被確實地入射到該第一光學波導上。
再者，該第一光學波導被形成為，它在該固態成像元件的表面內的部分係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元的內部的位置處。因此，通過該第一光學波導的光線可確實地入射到該光接受單元上。此外，在通過該第一光學波導的光線進入到相鄰的像素的光接受單元時所發生之顏色相混的產生亦可被防止。
在此實施例的成像裝置中，該固態成像元件被建構成一依據本發明的實施例的固態成像元件。因此，該固態成像元件的像素可被極精巧地形成且導因於無效區域之損失的產生亦可被防止。此外，通過該晶片上鏡片及該光學波導的光線可被確實地入射到該光接受單元上。
一種依據本發明的一實施例的固態成像元件包括一光接受單元其被形成在每一像素中以實施光電轉換，一光學波導其被埋設在一絕緣層中，該絕緣層位在該光接受單元上方且用來將光導入到該光學波導中，及一晶片上鏡片其被形成在該光學波導上方。該固態成像元件更包含一基格(basic cell)其具有兩個或更多個共用浮動擴散的像素，及一電晶體其為該基格內的兩個或更多個像素所共用且被設置在該兩個或更多個像素的外部。該固態成像元件更包含該光接受單元透過一傳輸閘被連接至該基格內之該等像素所共用的該浮動擴散，該等晶片上鏡片係以實質規則的間距被設置。該固態成像元件更包含一光學波導其被形成為它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部及在該晶片上鏡片內部的位置。
依據本發明的一實施例，一種成像裝置包括一收集入射光的聚光區，一固態成像元件其接受該聚光區所收集的入射光並實施入射光的光電轉換，及一訊號處理區其處理該固態成像元件中之光電轉換所獲得的訊號。在此實施例的成像裝置中，該固態成像元件被建構成一依據本發明的實施例的固態成像元件。
在依據本發明的此實施例的固態成像元件中，該光接受單元被連接至該基格中的該等像素所共用的浮動擴散，且該光接受單元經由一傳輸閘被連接至該浮動擴散。當與一未共用的例子相比較時，兩個或更多個像素共用該電晶體及該浮動擴散可在該光接受單元的表面積的百分比上獲得增加。因此，每一像素之光接受單元的表面積可被擴大。當像素小型化時在該光接受單元的面積上的減少可被降低。因此，可將像素實質地儘可能小型化至最小，同時該光學波導的尺寸可被防止達到埋入特性的極限值。
此外，該等晶片上鏡片係以規則的間距來形成。因此，俗稱之無效區域可被減少且導因於無效區域之損失的產生亦可被加以防止。
再者，該光學波導被形成在該第一光學波導的上側，使得它在該固態成像元件的表面內的部分係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元的內部的位置處。因此，該晶片上鏡片所聚集的光線可被完全引導至該光學波導。因此，通過該光學波導的光線然後可被確實地入射到該光接受單元上。
再者，在通過該光學波導的光線進入到相鄰的像素的光接受單元時所發生之顏色相混的生成亦可被防止。
在此實施例的成像裝置中，該固態成像元件被建構成一依據本發明的實施例的固態成像元件。因此，該固態成像元件的像素可被極精巧地形成且導因於無效區域之損失的產生亦可被防止。此外，通過該晶片上鏡片及該光學波導的光線可被確實地入射到該光接受單元上。
依據上述實施例的任何一者，當像素小型化時在該光接受單元的面積上的減少可被降低。因此，可將該像素小型化用以造成該固態成像元件在整合上的提升。而且，可提供具有該固態成像元件的成像裝置更多像素且將該成像裝置小型化。
導因於無效區域之損失的產生可被防止且該晶片上鏡片所收集的光線可被完全引導至該光學波導。因此，通過該第二光學波導的光線可被確實地入射到該光接受單元上。
因此，可獲得在靈敏度及光電轉換效率上的提升。依據本發明之上述實施例的任何一者，即使是像素被小型化，仍可實現一具有足夠的靈敏度及足夠的光電轉換效率的固態成像元件及一配備有此一固態成像元件的成像裝置。
在下文中，實施本發明的最佳模式將以本發明的實施例來加以描述。該等實施例將以下面的順序來描述：
1.固態成像元件的第一實施例；
2.固態成像元件的第二實施例；
3.變化實施例；
4.固態成像元件的第三實施例；
5.固態成像元件的第四實施例；
6.變化實施例；及
7.成像裝置的實施例
<1.固態成像元件的第一實施例>
圖1為一平面圖，其顯示依據本發明的第一實施例之固態成像元件的示意結構。如圖1所示，該固態成像元件是由多個被安排成矩陣形式的像素(其為一排成行及列之矩形的像素陣列)所構成。例如，圖1顯示出36個像素(每行6個像素x每列6個像素)，其圍繞著該成像元件的中心C。
在下文中，標號1標示一光接受單元及2標示一傳輸閘。而且，標號103標示第一光學波導，104標示第二光學波導，及105標示晶片上鏡片。標號10標示半導體基材，11標示電荷累積層，12標示正電荷累積層，13標示閘極絕緣膜，及14標示閘極電極。再者，標號18，23及28標示阻障金屬層，19，24及29標示導電層。標號20標示第一擴散防止膜，32及37標示埋入層，36標示鈍化膜，38標示平坦化樹脂層，及39標示濾光片。標號100標示訊號線及110標示配線線路。標號500標示成像裝置，501標示成像單元，502標示光學系統，及503標示訊號處理器。在圖中“FD”代表浮動據散，“RST”代表重設電晶體，“Amp”代表放大電晶體，及“SEL”代表選擇電晶體。
每一像素都具有一光電二極體其包括一光接受單元1，一第一光學波導103，一第二光學波導104，及一晶片上鏡片105。該光接受單元1實施被接受到的光線的光電轉換。該第一光學波導103及第二光學波導104將入射光線導入到該光接受單元1中。該第一及第二光學波導103及104的每一者都具有一圓形的截面形狀。該晶片上鏡片105聚集入射光線該第一光學波導103係位在下表面上作為下層(在光接受單元1的那一側)。該第二光學波導104係位在上側上作為上層(在該晶片上鏡片105那一側)。該上層(即第二光學波導104)的開口直徑小於下層(即第一光學波導103)的開口直徑。
總共有四個像素(兩個一行x兩個一列)共用一浮動擴散FD其可累積光學轉換所產生的電荷。在這四個像素的每一個像素中，一傳輸閘2被形成在該光接受單元1與該等像素所共用的該浮動擴散FD之間。
電晶體Tr1，Tr2，及Tr3被設置在具有該被共用的該浮動擴散FD的這四個像素的上及下側上。電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的示範性組態包括但不特別侷限於一放大電晶體，一重設電晶體，及一選擇電晶體。
圖2顯示位在圖1的右下側上的四個像素。
在此實施例的固態成像元件中，共用該浮動擴散FD的四個像素被設置成為一基格(basic cell)。在圖2中，在圖1的右下側上的該基格及該成像元件的中心C被示出。
如圖2中所示，在這四個像素的每一像素中，第一光學波導103的中心(未示出)及第二光學波導104的中心104C偏離該光接受單元1的中心C。
詳言之，在該圖的兩個上像素中，第一光學波導103的中心(未示出)及第二光學波導104的中心104C這兩者都從該光接受單元1的中心1C向上偏移。在該圖的兩個下像素中，第一光學波導103的中心(未示出)及第二光學波導104的中心104C這兩者都從該光接受單元1的中心1C向下偏移。在此處，係考量一條從該成像元件的中心C畫至每一像素的光接受單元1的中心1C的線。在兩個上像素的例子中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短。相反地，在兩個下像素的例子中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長。換言之，該基格包括兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素以及從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長的像素這兩種。
參考回到圖1，整個像素的平面圖亦可發現到兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素，以及從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長的像素這兩種。從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素是在該圖從上側算起的第二列(row)上的像素及從下側算起的第二列上的像素。在其餘四列上的像素中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長。
在另一方面，在日本專利公開案第2006-261247號中描述的成像元件中，所有像素都是從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離等於或小於從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離的像素。而且，沒有像素是從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離大於從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離的像素。在這方面，此實施例的成像元件的組態完全不同於典型的成像元件。
圖3至5的每一個圖式都是圖1中所示的固態成像元件的一些構件的平面圖。詳言之，圖3顯示第一光學波導103，第二光學波導104，光接受單元1，電晶體Tr1，Tr2，及Tr3等等。圖4只顯示晶片上鏡片105。圖5顯示晶片上鏡片105，第一光學波導103，及第二光學波導104。在圖3至圖5中，該成像元件的中心C亦與這些構件一起被顯示。
亦被顯示於圖3中的是，各像素的該光接受單元1係被規則地設置，使得四個像素形成一基格。
該基格的四個像素被同心圓地設置在該被共用的浮動擴散FD的周圍。
在另一方面，該等像素的上面兩個像素與下面兩個像素彼此間隔開且將電晶體Tr1，Tr2，及Tr3夾設於中間。此外，介於該等像素之間的間隔每隔一列就被改變。換言之，在列的方向上，介於透過該電晶體相鄰的基格的像素之間的距離1c大於介於同一基格內的像素之間的距離1a。
而且，在行(column)的方向上，介於相鄰基格的像素之間的距離大於在同一基格內的像素之間的距離。再者，介於像素之間的距離每隔一行就被改變。亦即，介於相鄰的基格的像素之間的距離1d大於介於同一基格內的像素之間的距離。
下文中，介於同一基格的第一光學波導103之間在行方向上的距離被界定為波導距離103a。介於相鄰基格的第一光學波導103之間在行方向上的距離被界定為波導距離103c。在列方向上，介於同一基格的第一光學波導103之間的距離被界定為波導距離103b及介於相鄰基格的第一光學波導103之間的距離被界定為波導距離103d。相同地，介於同一基格的第二光學波導104之間在行方向上的距離被界定為波導距離104a。介於相鄰基格的第二光學波導104之間在行方向上的距離被界定為波導距離104c。在列方向上，介於同一基格的第二光學波導104之間的距離被界定為波導距離104b及介於相鄰基格的第二光學波導104之間的距離被界定為波導距離104d。
在行方向上，介於第一光學波導103之間的距離每隔一行就被改變。換言之，介於同一基格的第一光學波導103之間的距離103a不同於介於隔著電晶體相鄰的基格的第一光學波導103之間的距離103c。此外，介於第一光學波導103在列方向上的距離每一行就被稍微改變。在列的方向上，介於同一基格的第一光學波導103之間的距離103b不同於介於隔著電晶體相鄰的基格的第一光學波導103之間的距離103d。
相反地，第二光學波導104係以實質相同的距離被安排在行方向上亦即，在行的方向上，介於同一基格的第二光學波導104之間的距離104a與介於隔著電晶體相鄰的基格的第二光學波導104之間的距離104c幾乎相等。此外，介於第二光學波導104在列方向上的距離每一行就被稍微改變。在列的方向上，介於同一基格的第二光學波導104之間的距離104b稍微不同於介於隔著電晶體相鄰的基格的第二光學波導104之間的距離104d。再者，在每一像素中，第一及第二光學波導103及104的平面組態被包括在該光接單元1的內部。
又，在上側上的第二光學波導104被包括在同一平面內的下側上的第一光學波導103內。
如圖4所示，晶片上鏡片105係實質上以規則的間距被設置於行與列的方向上。亦即，在行的方向上，介於基格的晶片上鏡片105之間的距離實質上等於夾著電晶體之相鄰的基格的鏡片105之間的距離。因此，這些距離以相同的標號105a來代表。此外，在列的方向上，介於同一基格的晶片上鏡片105之間的距離實質上等於夾著電晶體之相鄰的基格的鏡片105之間的距離。因此，這些距離以相同的標號105b來代表。
如果晶片上鏡片105之間的距離不相等的話，則當各像素的該等晶片上鏡片被製備成相同的直徑及相同的曲率時，一沒有被聚集的光線的區域，或一無效區域，會擴展至一個在晶片上鏡片105之間有一相當寬的距離的部分內。
如圖5所示，一介於該第一及第二光學波導103及104與該晶片上鏡片105之間的相對位置會根據該像素的位置而改變。
在上側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該第一光學波導103係往該晶片上鏡片105的上部被偏移且該第二光學波導104位在該晶片上鏡片105的上半部上。在該成像元件的中心C的相反側上的兩列像素的每一像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104兩者在行的方向上都位在靠近該晶片上鏡片105的中心。
在下側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該第一光學波導103係往該晶片上鏡片105的下部被偏移且該第二光學波導104位在該晶片上鏡片105的下半部上。
在右側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該第一光學波導103係往該晶片上鏡片105的右部被偏移且該第二光學波導104位在該晶片上鏡片105的右半部上。
在該成像元件的中心C的相反側上的兩行像素的每一像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104兩者在列的方向上都位在靠近該晶片上鏡片105的中心。在左側上的兩行像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該第一光學波導103係往該晶片上鏡片105的右部被偏移且該第二光學波導104位在該晶片上鏡片105的左半部上。
再者，在每一像素中，該第二光學波導104的平面組態被包括在該光接受單元1的內部中。
在另一方面，各像素的一些第一光學波導103部分在對應的晶片上鏡片105外。
在此第一實施例中，該晶片上鏡片105與該光接受單元1之間的一相對位置係根據該像素從該成像元件的中心觀看的位置而改變。此外，該晶片上鏡片105係根據從該成像元件的中心C至該像素的距離而從該光接受單元1的中心1C係往該成像元件的中心C被偏移。
亦即，該晶片上鏡片105已被實施光瞳校正。在此處，“光瞳校正”一詞係指該波導相對於該晶片上鏡片或該光接受單元被偏移至一適當的位置，用以針對入射光沒有垂直地入射到像素的周邊上而是傾斜地入射於其上的事實採取措施。在另一方面，該第一光學波導103與該第二光學波導104兩者都未接受光瞳校正處理。
再者，介於構件之間的距離係如下所述：在同一基格的上側及下側上的兩個像素的例子中，介於光學波導之間的距離103a大於介於像素之間的距離1a。在同一基格的右側及左側上的兩個像素的例子中，介於光學波導之間的距離103b稍微大於介於像素之間的距離1a。
介於同一基格的上側及下側上的兩個像素之間的距離1a不同於於介於在夾著該電晶體相鄰的基格上的像素之間的距離1c。
波導距離103a及波導距離103c彼此係實質上相等。又，即使波導距離103a與波導距離103c較佳地係彼此相等，但波導距離103a與波導距離103c亦可彼此不相等。
如果介於波導之間的距離係以規則的間距來加以設置的話，則在列方向上之光學波導103的入射角相依性會提高且造成水平條紋與陰影等現象的光學特性可被改善。
波導距離103b及波導距離103d彼此稍微不同。波導距離103d稍微大於波導距離103b及103d的每一者。較佳的是，該波導距離103b等於波導距離103d，但不侷限於相等。
當與同一基格的右及左側上的兩個像素之間的距離1b相比較時，介於相鄰基格的像素之間在列方向上的距離1d是稍微大一些。順帶一提地，像素之間的距離1b與像素之間的距離1d可以是實質相等的。
波導距離103b與波導距離103d之間的差異與像素距離1b與像素距離1d之間的差異係實質相等。因此，第一波導103的中心係位在靠近該光接受單元1的中心1C處。
在同一基格的上側及下側上的兩個像素的例子中，介於光學波導之間的距離104a大於介於像素之間的距離1a。
在此處，波導距離104a可以等於或大於像素距離1a。
波導距離104c大於波導距離104a。
波導距離104b及波導距離104d彼此稍微不同。波導距離104d稍大。
像素距離1a與像素距離1c的總合等於波導距離103a與波導距離103c的總合且亦等於波導距離104a與波導距離104c的總合。這些總合等於該等基格在行方向上的節距。
像素距離1b與像素距離1d的總合等於波導距離103b與波導距離103d的總合且亦等於波導距離104b與波導距離104d的總合。這些總合等於該等基格在列方向上的節距。
每一像素的剖面組態並沒有特殊限制，只要它包括該光接受單元1，該第一光學波導103，該第二光學波導104，及該晶片上鏡片105。
圖6為圖1所示之固態成像元件的一個像素的示範性組態的剖面圖。
如圖6所示，該光接受單元1係藉由形成一n型電荷累積層11於一半導體基材10的p型阱區或類此者上及形成一p+型正電荷累積層12於該n型電荷累積層11的表面上來形成的。
再者，一閘極絕緣膜13與一閘極電極14被形成在該半導體基材10上，同時與該光接受單元1的右側相鄰接。該閘極電極14為圖1中的傳輸閘2。一浮動擴散FD被形成在該半導體基材10上，同時與該閘極電極14的右側鄰接。電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的源極/汲極區被形成在該半導體基材10的剖面中(未示出)。施加一電壓至該閘極電極14會導致訊號電荷從該光接受單元1傳輸至該浮動擴散FD。
用氧化矽或類此者製成的絕緣膜被層疊於該半導體基材10上，同時覆蓋該光接受單元1。該等絕緣膜包括一第一絕緣膜15，一第二絕緣膜16，一第三絕緣膜17，一第四絕緣膜21，一第五絕緣膜22，一第六絕緣膜26，一第七絕緣膜27，及一第八絕緣膜31。此外，一用碳化矽或類此者製成的第一擴散防止膜20及一第二擴散防止膜25，及一用氮化矽或類此者製成的第三擴散防止膜30分別被層疊在該等絕緣膜之間。這些絕緣膜與擴散防止膜的層疊整體成為一絕緣層。
一佈線溝槽被形成在該第三絕緣膜17及一用阻障金屬層18構成的第一佈線層及一導電層19接著被埋入到該佈線溝槽中。相同地，一佈線溝槽被形成在該第五絕緣膜22及一用阻障金屬層23構成的第二佈線層及一導電層24接著被埋入到該佈線溝槽中。相同地，一佈線溝槽被形成在該第七絕緣膜27及一用阻障金屬層28構成的第二佈線層及一導電層29接著被埋入到該佈線溝槽中。阻障金屬層18，23及28的每一者可以是，例如，一鉭/氮化鉭堆疊膜。導電層19，24，及29的每一者可以是各種用於佈線線路的金屬材料的任何一種，譬如銅。上述第一至第三擴散防止膜被提供來防止導電金屬層19，24及29的金屬(譬如銅)被散佈。
一由氧化矽製成的第九絕緣膜33被形成在第八絕緣膜31上。
再者，一埋入層32被埋設在該第二絕緣膜16與該第三絕緣膜17中在該光接受單元1上方，使得它穿過這些膜16及17。該埋入層32具有一折射係數其高於該絕緣膜的氧化矽的折射係數(其折射係數為1.45)。該埋入層32形成一第一光學波導103於該下側上。
再者，一下凹的部分被形成在該光接受部分1的上方，使得該下凹部分穿過第四至第九絕緣膜21-33及第二與第三擴散防止膜25及30，這些膜係如上所述地被層疊。該第一擴散防止膜20被形成在該下凹部分的底部。
該下凹部分的內壁表面垂直於該基材的主平面。一部分的第九絕緣層33被設置成該下凹部分的邊緣並形成一開口其向上擴口成為一向前傾斜的形狀。
一鈍態膜36被形成，使得它覆蓋該下凹部分的內壁表面。此外，例如，一埋入層37被形成在該鈍態膜36上且被埋入到該下凹部分中。該埋入層37具有一折射係數其高於該絕緣膜的氧化矽的折射係數(其折射係數為1.45)。該埋入層37完全填滿該下凹部分的內部。
埋入層32及埋入層37的每一者都可用一具有高折射係數的樹脂來製成，譬如矽氧烷樹脂(折射係數1.7)或聚醯亞胺。為了要提高折射係數，這些樹脂材料可包含任何金屬氧化物顆粒，這些金屬氧化物顆粒包括氧化鈦，氧化鉭，氧化鈮，氧化鎢，氧化鋯，氧化鋅，氧化銦，及氧化鉿。任何具有高折射係數的無機材料都可被使用，只要它可被埋設在該下凹部分的內部。
該埋入層32及埋入層37可分別用不同的材料製成。
該鈍態膜36可用一具有與該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數相同或近似的折射係數的材料或具有比氧化矽的折射係數高的材料來製造。具有較高的折射係數的材料的例子包括氮化矽及氮氧化矽(SiON)。
如果該鈍態膜36是用一具有與該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數相同或近似的折射係數的材料製成，則在該下凹部分的內部中的該埋入層37係作為在上側上的第二光學波導104。
如果該鈍態膜36是用一具有比該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數高的折射係數的材料製成，則在上側上的第二光學波導104是由該鈍態膜36及在該下凹部分的內部中的該埋入層37所構成。
一平坦化樹脂層38(其亦可作為一黏合層)被形成在該埋入層37上。因此，例如，每一像素都被設置藍色(B)，綠色(G)及紅色(R)彩色濾光片39中的一種彩色濾光片。又，一晶片上鏡片105被形成在該彩色濾光片39上。
如圖6中所見，第一光學波導103的寬度比光接受單元1的寬度稍微小一些。此外，第一光學波導103被形成為它在該固態成像元件的表面中的位置可位在該光接受單元1在該固態成像元件的表面中的位置之內。
此外，第二光學波導104的寬度比光接受單元1的寬度及第一光學波導103的寬度稍微小一些。此外，第二光學波導104被形成為它在該固態成像元件的表面中的位置可位在該光接受單元1，該第一光學波導103及該晶片鏡片105的每一者在該固態成像元件的表面中的位置之內。
根據圖6所示的像素結構，一像素被形成為該光接受單元1，該第一光學波導103，該第二光學波導104及該晶片鏡片105的每一者在該固態成像元件的表面中的位置相對於該像素的位置從該成像元件的中心C被偏移。
例如，具有如圖6所示的剖面結構的固態成像元件可如下文所述地加以製造：一n型電荷累積層11被形成在一半導體基材10的p型阱區或類此者上及形成一p+型正電荷累積層12於該n型電荷累積層11的表面上以提供一光接受單元1。此外，一閘極絕緣膜13與一閘極電極14被形成在該半導體基材10上，同時與該光接受單元1相鄰接。再者，一浮動擴散FD以及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的源極/汲極區被形成在該半導體基材10內。
接下來，例如，該光接受單元1用氧化矽加以覆蓋，該氧化矽係藉由化學氣相沉積(CVD)方法或類此者被沉積在該光接受單元1的整個表面上，以形成第一絕緣膜15。接下來，例如，氧化矽被沉積在該第一絕緣膜15上以形成一第二絕緣膜16及氧化矽被進一步沉積在第二絕緣膜16上以形成一第三絕緣膜17。
接下來，例如，該第三絕緣膜17接受蝕刻處理以形成一佈線線路溝槽。該佈線溝槽的內壁藉由濺鍍而被例如鉭/氧化鉭覆蓋以形成一阻障金屬層18。
之後，一銅晶種層被形成且接受電解電鍍，以形成一銅膜於後續結構的整個表面上。然後，所得到的膜接受化學機械研磨(CMP)或類此者以去除掉形成在該佈線溝槽的外部上的銅，藉以形成一導電層19。
又，一阻障金屬層18被形成在該導電層19的表面上且其形成在該佈線溝槽的外部上的部分然後被去除掉。在圖6中，該阻障金屬層18亦被形成在該導電層19的表面上。然而，如果不想形成該阻障金屬層18於該導電層19的表面上的話，此步驟可被省略。
因此，一由埋設在該佈線溝槽內的該阻障金屬層18及導電層19所構成的第一佈線層被形成。
接下來，該第二絕緣膜16與該第三絕緣膜17這兩者被蝕刻，以形成一穿過膜16及17的開口。
然後，例如，一膜係用包含氧化鈦或類此者的金屬氧化物顆粒的矽氧烷樹脂藉由旋轉塗佈方法在約400℃的沉積溫度下被形成，用以填入該孔洞中。因此，一具有折射係數比氧化矽的折射係數高的埋入層32被形成。在施用該樹脂之後，例如，如果有需要的話，一後製烘烤處理可在約300℃的溫度下被實施。在聚醯胺樹脂的例子中，例如，該膜的形成可在約350℃的溫度下被實施。
接下來，例如，碳化矽藉由CVD方法或類此者被沉積在該第一佈線層上，以形成一第一擴散防止膜20。
接下來，與用於形成該第二絕緣膜16，該第三絕緣膜17及其佈線溝槽的程序相同的程序被用來形成由該阻障金屬層18及該導電層19構成的該第一佈線層，及該第一擴散防止膜20。因此，該等程序形成一第四絕緣層21，一第五絕緣層22及其佈線溝槽，一由一阻障金屬層24及一導電層24構成的該第二佈線層，一第二擴散防止膜25，一第六絕緣膜26，一第七絕緣膜27及其佈線溝槽，一由一阻障金屬層28及一導電層29構成的該第三佈線層。再者，例如，氮化矽藉由CVD方法被沉積，以形成一第三擴散防止膜30。接下來，一第八絕緣膜31被形成在該第三擴散防止膜30上。
之後，例如，氧化矽被沉積在該第八絕緣膜31的整個表面上，用以形成一第九絕緣膜33。
接下來，例如，一光阻膜接受藉由微影蝕刻以及等向蝕刻或非等向蝕刻來實施之該下凹部分的開口的圖案形成。因此，一向上及向外擴口成一向前傾斜的形狀的開口被形成在該第九絕緣膜33上。
接下來，該光阻膜被去除掉及，例如，一第二光阻膜用與該第一光阻膜相同的圖案被圖案化。該被圖案化的第二光阻膜接受非等向蝕刻，譬如反應性離子蝕刻，以形成一穿過第四至第九絕緣膜21至33，第二擴散防止膜25，及第三擴散防止膜30的下凹部分。在此下凹部分的形成期間，例如，該蝕刻是在蝕刻條件依據氮化矽、碳化矽等等，以及氧化矽等材料而被改變的情形下被實施的。該蝕刻在該開口的底部到達該第一擴散防止膜20時被立即停止。因此，該第一擴散防止膜20係作為該下凹部分的底部。因此，該下凹部分的固定深度導致該光接受單元1與該第二光學波導104之間的固定距離。
以此方式，一部分的第九絕緣膜33被設置作為該下凹部分的邊緣並形成一向前傾斜形狀的開口。
接下來，例如，折射係數高於氧化矽的折射係數的氮化矽或氮氧化矽(SiON)藉由電漿CVD方法在約380℃的沉積溫度下被沉積在該下凹部分的內壁上，以形成一鈍態膜36。因為該開口的邊緣被形成為向前傾斜的形狀，所以該鈍態膜36的輪廓由於非等方向沉積的關係而被形成為在該開口的邊緣處較厚及在該下凹部分的底部附近較薄。
接下來，例如，該鈍態膜36藉由旋轉塗覆方法在約400℃的沉積溫度下被塗覆包含金屬氧化物顆粒，譬如像是氧化鈦，的矽氧烷樹脂。因此，一折射係數高於氧化矽的折射係數的埋入層37被放置在該鈍態層36的頂部上且被埋入到該下凹部分中。在施用該樹脂之後，例如，如果有必要的話，後製烘烤處理在約300℃的溫度下被實施。在聚醯胺樹脂的例子中，例如，該膜形成可在約350℃的溫度下被實施。
接下來，例如，一平坦化樹脂層38被形成在該埋入層37的頂部。該平坦化樹脂層38亦可作為一黏合層用。在該平坦化樹脂層38的頂部上，例如，藍色(B)，綠色(G)及紅色(R)每一者的一彩色濾光片39被提供給每一像素。接下來，一晶片上鏡片105被形成在該彩色濾光片39的頂部。
在上述的製造方法中，氫處置(燒結)可在形成該第二佈線層的步驟之後但在形成該埋入層的步驟之前被實施用以終結在該半導體內之懸浮鍵(dangling bond)。
因此，可製造出具有圖6所示的像素的剖面結構的固態成像元件。
然後，該像素的平面佈局示意於圖7中。
在此圖中，第一光學波導103的截面是圓形，其內形成有具有圓形截面的第二光學波導104。該等佈線層，譬如像是圖6中的第一至第三佈線層，被形成為它們被安排成一網格結構用以包圍在該等絕緣膜中的光學波導103。“網格結構”一詞係指，例如，該等佈線層與該等絕緣膜被交替地堆疊於直行(column)的方向上。
例如，在圖7中，第一光學波導103及第二光學波導104被安排在一個被延伸在直行的方向上的佈線層W1及W2及延伸在水平的方向上的佈線層W3及W4包圍的區域中。佈線層W1，W2，W3及W4具有它們自己的網格結構。
雖然該光接受單元1未被示於圖7中，但該光接受單元1被形成在離該第一光學波導103更外面的地方。例如，在圖6所示的剖面結構的例子中，該光接受單元1的外緣被設置靠近該等佈線層W1，W2，W3及W4的位置。
現參考圖8，在圖1所示的36個像素上的彩色濾光片顏色的示範性配置將被描述。
在圖8所示的顏色配置中，一個紅色(R)，一個藍色(B)，及兩個綠色(G：Gb及Gr)彩色濾光片被指定給每一基格的四個像素中的每一個像素。然後，綠色(Gb)及綠色(Gr)被指定給透過浮動擴散DF而面向彼此的像素。而且，紅色(R)與藍色(B)被指定給透過浮動擴散DF而面向彼此的像素。
圖9為一顯示在依據本發明的第一實施例的該固態成像元件內的四個像素的基格的示範性等效電路的圖式。
如圖9所示，由四個電極建構成的該光接受單元1經由該傳輸閘2被連接至該共同的浮動擴散FD。此外，該浮動擴散FD被連接至一重設電晶體RST的源極/汲極區與一放大電晶體Amp的閘極的一者。
該放大電晶體的源極/汲極區的一者被連接至一選擇電晶體SEL的源極/汲極區的一者。該重設電晶體RST的源極/汲極區的另一者與該放大電晶體Amp的源極/汲極區的另一者被連接至電源供應電位Vdd。該選擇電晶體SEL的源極/汲極區的另一者被連接至一訊號線100。換言之，這三個電晶體RST，Amp及SEL所在的一側上遠離該浮動擴散FD的部分具有的組態與具有四個電晶體(包括該電晶體閘極的傳輸電晶體)之典型的像素的組態相同。
現參考圖10來討論兩個例子，示於圖9中之電路組態被實施於這兩個例子中。
圖10為一顯示一基格的四個像素所使用的電晶體之間的位置關係的圖式。該等條形的電晶體Tr分別被設置在具有四個像素的該基格的上及下側上。
在圖10中以鏈線來表示的第一個例子中，上電晶體Tr的右半部及下電晶體Tr的右半部被使用。各電晶體的左半部被位在該等電晶體的上方及下方的每一基格的四個像素使用。
在圖10中以虛線來表示的第二個例子中，整個下電晶體被使用。上電晶體被位在該電晶體上方的基格的四個像素使用。
在第一個例子中佈線的一個例子被示於圖11A中。該重設電晶體RST被形成在該上電晶體Tr的右半邊上。相反地，該放大電晶體Amp與該選擇電晶體SEL被形成在該下電晶體Tr的右半邊上。一佈線線路100被形成為它從下側縱長地延伸至上側，用以將該浮動擴散FD連接至該重設電晶體RST的源極/汲極區與該放大電晶體Amp的閘極的一者。
在第二個例子中佈線的一個例子被示於圖11B中。該重設電晶體RST被形成在該下電晶體Tr的右半邊上。該放大電晶體Amp被形成在該下電晶體Tr的中間上。該選擇電晶體SEL被形成在該下電晶體Tr的左半邊上。該浮動擴散FD與該放大電晶體Amp的閘極被一縱長地延伸在該下側上的佈線線路110相連接。該佈線線路110從它的中途點向右分叉且被連接至該重設電晶體RST的源極/汲極區的一者。
根據上述的實施例，該基格的四個像素共用該浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3。因此，在與浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3沒有被共用的例子相比較時，該光接受單元1的表面積對該像素的表面的百分比可被提高，或該光接受單元1的表面積可被擴大。在將該像素小型化時對該光接受單元1的表面積的減小可被降低。因此，可將該像素小型化至實質上最小的可能，同時該第一及第二光學波導103及104的尺寸可被防止變成埋入特性的極限值。
因此，可將像素小型化以促成該固態成像元件的整合性的提高。而且，可提供具有該有更多像素之固態成像元件的成像裝置並將此一成像元件小型化。
依據此實施例，晶片上鏡片105係以規則的間距被形成。因此，俗稱的無效區域可被減少且導因於無效區域而產生的損失可被防止。
此外，該第二光學波導104的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，該第二光學波導104亦被形成為它可被包括在該第一光學波導103的內部中以及該晶片上鏡片105的內部中。因此，該晶片上鏡片105所收集的光線可完全被引導至該第二光學波導104且通過該第二光學波導104的光線可被確實地入射到該第一光學波導103上。以此方式，該第二光學波導104在該固態成像元件的表面內的位置被包括在該第一光學波導103的內部中。因此，光線沒有進入到日本專利公開案第2006-261247號中所描述的元件的構造的下光學波導中。
再者，該第一光學波導103的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，它亦被形成為它可被包括在該光接受單元1的第一光學波導103的內部中。
因此，通過該第二光學波導104的光線可被確實地入射到該光接受單元1上。此外，在通過該第一光學波導103的光線進入到相鄰的光接受單元1中時會產生的顏色混合可被防止。
因此，可獲得在靈敏度上的提升及在光電轉換效率上的提升。因此，即使像素被小型化，仍可獲得具有足夠的靈敏度及足夠的光電轉換效率的固態成像元件。而且，可獲得設置有此一固態成像元件的成像裝置。
再者，依據此實施例，該成像元件被設置有雙層式光學波導，即該第一光學波導103及該第二光學波導104。因此，在與設置有一上光學波導的元件相比較時，顏色混合及損失可被防止。偏離該光接受單元1的中心1C偏移量可被分擔。因此，在設計該光學波導上的變通性可被擴大。此外，亦可應付該晶片上鏡片105偏離該光接受單元1的大偏移量。
再者，依據本發明，該第二光學波導104係以幾乎規則的間距被設置，使得會造成一些現象，譬如像是水平條紋，不規則顏色及陰影，的光學特性可被改善。
在此第一實施例中，構件被設置成從該成像元件的中心C往外的距離愈大，則從該晶片上鏡片105的中心至該第一及第二光學波導103及104的中心的距離就愈大。具有此一組態的成像元件較佳地被使用於一具有短焦光學鏡片的照像機(如手機照像機)上。
在上面的描述中，依據本發明的第一實施例之該示範性固態成像元件包括36個像素，如圖1所示。然而，此實施例並不侷限於此一固態成像元件的組態。實際上，該固態成像元件可包括數萬個或更多個像素。
例如，累積式三百萬像素可藉由累積750,000個基格(每個細胞有4個像素)來獲得。
在上面的描述中，本發明的第一實施例被應用於使用如圖6或圖8所示的彩色濾光片的彩色固態成像元件上。
依據本發明的第一實施例，該固態成像元件並不侷限於使用彩色濾光片的應用。該第一實施例亦可被應用於單色固態成像元件，紅外線光偵測固態成像元件，或具有一些像素被設置有紅外線光偵測但沒有彩色濾光片的固態成像元件上。
<2.固態成像元件的第二實施例>
圖12為一平面圖其顯示依據本發明的第二實施例的固態成像元件的示意組態。
如圖12所示，該固態成像元件是由多個被安排成矩陣形式的像素(其為一排成行及列之矩形的像素陣列)所構成。例如，圖12顯示出36個像素(每行6個像素x每列6個像素)，其圍繞著該成像元件的中心C。
每一像素都具有一光電二極體，其包括一光接受單元1，一第一光學波導103，一第二光學波導104，及一晶片上鏡片105。該光接受單元1實施被接受到的光線的光電轉換。該第一光學波導103及第二光學波導104將入射光線導入到該光接受單元1中。該晶片上鏡片105聚集該入射光線。該第一光學波導103及該第二光學波導104被安排成該第一光學波導103係位在下側上作為下層(在光接受單元1的那一側)。該第二光學波導104係位在上側上作為上層(在該晶片上鏡片105那一側)。該上層(即第二光學波導104)的開口直徑小於下層(即第一光學波導103)的開口直徑。
此外，兩個對齊於一斜的方向上的像素(一個像素在左上側上及另一個像素在右下側上)共用一浮動擴散FD。
在這兩個像素的每一者中，一傳輸閘2被形成在該光接受單元1與該二像素所共用的該浮動擴散FD之間。
此外，電晶體Tr1，Tr2，及Tr3被設置在四個像素的上側及下側上，兩個像素在行的方向上及兩個像素在列的方向上。電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的示範性組態包括，但不侷限於，一放大電晶體，一重設電晶體，及一選擇電晶體。
在此處，圖13顯示的是在圖12的右下側上的四個像素中兩個共用該浮動擴散FD的像素。
在此實施例的固態成像元件中，共用該浮動擴散FD的兩個像素被提供作為一基格。在圖13中，在圖12的右下側上的基格及該成像元件的中心C被示出。
如圖13所示，在該二像素的每一像素中，該第一光學波導103的中心(未示出)及該第二光學波導104的中心104C都偏離該光接受單元1的中心C。詳言之，在該圖的左上角的像素中，第一光學波導103的中心(未示出)及第二光學波導104的中心104C這兩者都從該光接受單元1的中心1C被向上偏移。在該圖的右下角的像素中，第一光學波導103的中心(未示出)及第二光學波導104的中心104C這兩者都從該光接受單元1的中心1C被向下偏移。
在此處，係考量一條從該成像元件的中心C畫至每一像素的光接受單元1的中心C的線。在左上像素的例子中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短。相反地，在右下像素的例子中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長。換言之，該基格包括兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素以及從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長的像素這兩種。
參考回到圖12，整個像素的平面圖亦可發現到兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素，以及從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長的像素這兩種。從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離短的像素是在該圖從上側算起的第二列(row)上的像素及從下側算起的第二列上的像素。在其餘四列上的像素中，從該成像元件的中心C至第一光學波導103的中心及第二光學波導104的中心104C這兩者的距離比從該光接受單元1的中心1C到這兩者的距離長。此特徵與圖1的第一實施例的特徵相同。
圖14顯示圖12中的晶片上鏡片105，第一光學波導103，及第二光學波導104。
在圖14中，該成像元件的中心C亦與這些構件一起被顯示。如圖14所示，該第二光學波導104與該晶片上鏡片105之間的相對位置係實質上固定不變的，與該像素的位置無關。在這方面，第二實施例的成像元件的組態不同於第一實施例的成像元件的組態。在此處，第一及第二光波導103及104與晶片上鏡片105的相對位置與該像素的位置有關。
在每一像素中，該第二光學波導104被設置靠近該晶片上鏡片105的中心。
如圖14所示，該第二光學波導104與該晶片上鏡片105在行的方向及列的方向上都以彼此間相隔相同的距離被設置。又，在每一像素中，該第二光學波導104的平面組態被包括在該光接受單元1的內部中。
再者，該第一光學波導103的平面組態亦幾乎被包括在該晶片上鏡片105的內部中。
在此第二實施例中，該晶片上鏡片105與該光接受單元1之間的相對位置被稍微偏移。該偏移量並不相當於離開該成像元件的中心C的距離。換言之，該晶片上鏡片105尚未被光瞳校正處理過。此外，該第一光學波導103與該第二光學波導104兩者都尚未被光瞳校正處理過。
在此第二實施例中，每一像素的剖片結構並未被特別地限制，只要它包括該該光接受單元1，該第一光學波導103，該第二光學波導104，及該晶片上鏡片105即可。
例如，示於圖6的剖面結構及示於圖7的平面佈局可被使用。
圖15為一顯示在依據本發明的第二實施例的固態成像元件內的基格的二個像素的示範性等效電路的圖式。
如圖15所示，由四個光電二極體所構成的該光接受單元1經由該傳輸閘2被連該共同的浮動擴散FD。此外，該浮動擴散FD被連接至一重設電晶體RST的源極/汲極區與一放大電晶體Amp的閘極的一者。該放大電晶體的源極/汲極區的一者被連接至一選擇電晶體SEL的源極/汲極區的一者。該重設電晶體RST的源極/汲極區的另一者與該放大電晶體Amp的源極/汲極區的另一者被連接至電源供應電位Vdd。該選擇電晶體SEL的源極/汲極區的另一者被連接至一訊號線100。換言之，在這三個電晶體RST，Amp及SEL遠離該浮動擴散FD的那一側上的部分具有的組態與具有四個電晶體(包括該電晶體閘極的傳輸電晶體)之典型的像素的組態相同。
在此處，在第二實施例中，與上面的第一實施例相同的構件被指定相同的標號用以省略這些相同構件之重複的描述。
依據上面的實施例，該基格的兩個像素共用該浮動擴散FD及該等電晶體Tr1，Tr2，及Tr3。因此，在與浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3沒有被共用的例子相比較時，該光接受單元1的表面積對該像素的表面的百分比可被提高，或該光接受單元1的表面積可被擴大。在將該像素小型化時對該光接受單元1的表面積的減小可被降低。因此，可將該像素小型化至實質上最小的可能，同時該第一及第二光學波導103及104的尺寸可被防止變成埋入特性的極限值。
因此，可將像素小型化以促成該固態成像元件的整合性的提高。而且，可提供具有該有更多像素之固態成像元件的成像裝置並將此一成像元件小型化。
依據此實施例，晶片上鏡片105係以規則的間距被形成。因此，俗稱的無效區域可被減少且導因於無效區域而產生的損失可被防止。
此外，該第二光學波導104的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，該第二光學波導104亦被形成為它可被包括在該第一光學波導103的內部中以及該晶片上鏡片105的內部中。因此，該晶片上鏡片105所收集的光線可完全被引導至該第二光學波導104且通過該第二光學波導104的光線可被確實地入射到該第一光學波導103上。以此方式，該第二光學波導104在該固態成像元件的表面內的位置被包括在該第一光學波導103的內部中。因此，光線沒有進入到日本專利公開案第2006-261247號中所描述的元件的構造的下光學波導中。
此外，該第一光學波導103的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，它亦可被形成為包括在該光接受單元1的第一光學波導103的內部中。因此，通過該第二光學波導104的光線可被確實地入射到該光接受單元1上。此外，在通過該第一光學波導103的光線進入到相鄰的光接受單元1中時會產生的顏色混合可被防止。
因此，可獲得在靈敏度上的提升及在光電轉換效率上的提升。因此，即使像素被小型化，仍可獲得具有足夠的靈敏度及足夠的光電轉換效率的固態成像元件。而且，可獲得設置有此一固態成像元件的成像裝置。
再者，依據此實施例，該成像元件被設置有雙層式光學波導，即該第一光學波導103及該第二光學波導104。因此，在與設置有一上光學波導的元件相比較時，顏色混合及損失可被防止。偏離該光接受單元1的中心1C的偏移量可被分擔。因此，在設計該光學波導上的變通性可被擴大。此外，亦可應付該晶片上鏡片105偏離該光接受單元1的大偏移量。
再者，依據本發明，該第二光學波導104係以幾乎規則的間距被設置，使得會造成一些現象，譬如像是水平條紋，不規則顏色及陰影的光學特性可被改善。
在此第二實施例中，該第二光學波導104的中心與該晶片上鏡片105的中心係實質上彼此重合。因此，光線可有效率地被聚集且電荷可被有效率地被獲得。具有此一組態的成像元件較佳地被使用於一具有多焦距光學鏡片(如，變焦鏡頭)的照像機上。
在上面的描述中，依據本發明的第二實施例之該示範性固態成像元件包括36個像素，如圖12所示。然而，此實施例並不侷限於此一固態成像元件的組態。實際上，該固態成像元件可包括數萬個或更多個像素。
例如，累積式八百萬像素可藉由累積四百萬個基格(每個細胞有2個像素)來獲得。
依據上述實施例的任一實施例，該基格的兩個或四個像素共用該浮動擴散FD及該等電晶體。
在此實施例的固態成像元件中，該基格之共用該浮動擴散FD的像素數並沒有被特別限制，只要包括兩個或更多個像素即可。
再者，如果該等佈線線路與像素被安排在行的方向及列的方向上的話，則當該基格的像素數為偶數時，該等像素的佈局可被輕易地實施。
在上述實施例的每一實施例中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心1C係往該等電晶體Tr1，Tr2，及Tr3所在之處的上側或下側被偏移。相反地，在直行的方向上，該第一光學波導103與該第二光學波導104只被稍微偏移或未被偏移離該光接受單元1的中心1C。換言之，該第一光學波導103與該第二光學波導104尚未被光瞳校正處理過。
在此處，依據上述實施例的任一實施例的成像元件可被設計成該第一光學波導103及/或該第二光學波導104在列的方向上被偏移離該光接受單元1的中心1C。例如，在考量該光瞳校正下，該第一光學波導103與該第二光學波導104在該像素右半邊被向左偏移及在該像素的左半邊被向右偏移。該偏移的量可根據離該成像元件的中心C的距離而被改變。
因此，在此實施例中，該固態成像元件不只可被設計來在該晶片上鏡片上實施光瞳校正，還可在該光學波導上實施光瞳校正。
<3.變化實施例>
在下文中，第一及第二實施例的固態成像元件的變化實施例將被描述。
首先，第一光學波導103與第二光學波導104的截面輪廓的數個例子被示於圖16中。
圖16A為一類似於圖7所示的光學波導之圓形光學波導。
圖16B顯示一橢圓形光學波導。
圖16C顯示一矩形(方形)光學波導。
圖16D顯示一八邊形光學波導。
具有這些不同的截面輪廓的光學波導的固態成像元件被實際製造。不論它們的截面輪廓為何，它們都可如固態成像元件般地作用，沒有任何問題。很明顯地，其它的截面輪廓亦可被用於該第一及第二光學波導103及104上。
較佳地，該第一及第二光學波導的截面輪廓可被向外凸出。這表示，用於該第一及第二光學波導的一下凹部分及一埋入層可被穩定地形成。
現參考圖17至19，電晶體的示範性配置及第一及第二光學波導103及104在該光接受單元1上的示範性配置將被描述。為了簡化起見，浮動擴散未在圖17至19中被顯示。
在示於圖17的第一變化實施例中，額外的電晶體Tr被設置在有四個像素共用該浮動擴散的該基格的右側及左側上。
在位於該基格的左側上的兩個像素中，該第一及第二光學波導103及104從該光接受單元1的中心被向左偏移。在位於該基格的右側上的兩個像素中，第一及第二光學波導103及104從該光接受單元1的中心被向右偏移。
在圖18所示的第二變化實施例中，電晶體Tr被設置在有四個像素共用該浮動擴散的該基格的右側及下側上。在此例子中，在從該上側算起的第二列或更後面的列上的基格中，電晶體Tr被設置在各基格的左、右、上及下側上。
在位於該基格的左上角上的像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向左上偏移。
在位於該基格的右上角上的像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向右上偏移。
在位於該基格的左下角上的像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向左下偏移。
在位於該基格的右下角上的像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向右下偏移。
在示於圖19的第三變化實施例中，每一基格都是由兩個像素所構成，這兩個像素被設置在行的方向上且共用浮動擴散。在此例子中，電晶體Tr被設置在一基格的上及下側上。
在該基格的上像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向上側偏移。
在該基格的下像素中，該第一光學波導103與該第二光學波導104都從該光接受單元1的中心被向右下偏移。
在上文所述的第一及第二實施例的每一者中，該描述係有關於成像元件的中心C位在該基格內的該等像素的中心處的該浮動擴散FD上的成像元件來進行的。在本發明中，該成像元件的中心的位置並不只侷限於該浮動擴散FD的位置且可另外地被設置在其它地方。例如，它可被設置在該像素的內部，譬如像是該光接受單元的內部，或被設置在基格之間，譬如像是在一個靠近基格之間的電晶體的地方。
現參考圖20及21(其相當於圖1及圖4的平面視圖)該成像元件的中心C位在該光接受單元內部的一變化實施例將被描述。如圖20及21所示，該成像元件的中心C係位在該光接受單元1的內部且靠近該晶片上鏡片105的中心。
<4.固態成像元件的第三實施例>
圖22為一平面圖其顯示依據本發明的第三實施例的一固態成像元件的示意組態。
如圖22所示，該固態成像元件是由多個被安排成矩陣形式的像素(其為一排成行及列之矩形的像素陣列)所構成。例如，圖22顯示出36個像素(每行6個像素x每列6個像素)，其圍繞著該成像元件的中心C。
在此圖中，標號3標示一光學波導及4標示一晶片上鏡片。
每一像素都具有一光電二極體其包括一光接受單元1，一光學波導3及一晶片上鏡片4。該光接受單元1實施被接受到的光線的光電轉換。該光學波導3將入射光線導入到該光接受單元1中。該晶片上鏡片4聚集該入射光線。
總共四個像素，兩個像素在行上x兩個像素列上，共用一可累積光電轉換所產生的電荷之浮動擴散FD。在這四個像素的每一像素中，一傳輸閘2被形成在該光接受單元1與該等像素所共用的該浮動擴散FD之間。
此外，電晶體Tr1，Tr2，及Tr3被設置在具有該被共用的該浮動擴散FD的這四個像素的上及下側上。
各電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的示範性組態包括但不特別侷限於一放大電晶體，一重設電晶體，及一選擇電晶體。
圖23顯示位在圖22的右下側上的四個像素。
在此實施例的固態成像元件中，共用該浮動據散FD的四個像素被設置成為一基格(basic cell)。在圖23中，在圖22的右下側上的該基格及該成像元件的中心C被示出。
如圖23中所示，在這四個像素的每一像素中，該光學波導3的中心3C被偏離該光接受單元1的中心1C。
詳言之，在該圖的兩個上像素中，光學波導3的中心3C從該光接受單元1的中心1C被向上偏移。在該圖的兩個下像素中，光學波導3的中心3C從該光接受單元1的中心1C被向下偏移。
在此處，係考量一條從該成像元件的中心C畫至每一像素的光接受單元1的中心1C的線。在兩個上像素的例子中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短。相反地，在兩個下像素的例子中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長。換言之，該基格包括兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素以及從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長的像素這兩種。
參考回到圖22，整個像素的平面圖亦可發現到兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素以及從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長的像素這兩種。從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素為位在該圖從上側算起的第二列(row)上的像素及從下側算起的第二列上的像素。在其餘四列上的像素中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離係比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長。
在另一方面，在日本專利公開案第2006-261249號中描述的成像元件中，所有像素都是從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離等於或小於從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離的像素。沒有像素是從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離大於從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離的像素。在這方面，此實施例的成像元件的組態完全不同於上述文獻中所描述之典型的成像元件。
圖24至26的每一個圖式都是圖22中所示的固態成像元件的一些構件的平面圖。圖24顯示光學波導3，光接受單元1，電晶體Tr1，Tr2，及Tr3等等。圖25只顯示晶片上鏡片4。圖26顯示晶片上鏡片4及光學波導3這兩者。在圖24至圖26中，該成像元件的中心C亦與這些構件一起被顯示。
如圖24所顯示的，各像素的該光接受單元1係被規則地設置，使得四個像素形成一基格。
該基格的四個像素被同心圓地設置在該被共用的浮動擴散FD的周圍。
在另一方面，該等像素的上面兩個像素與下面兩個像素在行的方向上彼此被間隔開且將電晶體Tr1，Tr2，及Tr3夾設於中間。此外，介於該等像素之間的間隔每隔一列就被改變。換言之，在列的方向上，介於透過該電晶體相鄰的基格的像素之間的距離1c大於介於同一基格內的像素之間的距離1a。
而且，在行的方向上，介於相鄰基格的像素之間的距離大於在同一基格內的像素之間的距離。再者，介於像素之間的距離每隔一行就被改變。亦即，介於相鄰的基格的像素之間的距離1d大於介於同一基格內的像素之間的距離1b。相反地，該光學波導3以實質相同的距離被設置在行的方向及列的方向上。亦即，在行的方向上，介於同一基格中的光學波導3之間的距離3a幾乎等於介於在隔著電晶體相鄰的基格中的光學波導3之間的距離3c。在列的方向上，介於同一基格中的光學波導3之間的距離3b幾乎等於介於在相鄰的基格中的光學波導3之間的距離3d。
又，在該等像素的每一像素中，該光學波導3的平面組態被包括在該光接受單元1的內部中。如圖25所示，該晶片上鏡片4在行及列的方向上彼此相距實質相等的距離被設置。亦即，在行的方向上，介於同一基格的晶片上鏡片4之間的距離實質等於介於隔著該電晶體相鄰的基格的鏡片4之間的距離。因此，這些距離以相同的標號4a來表示。此外，在列的方向上，介於同一基格的晶片上鏡片4之間的距離係實質等於介於隔著該電晶體相鄰的基格的鏡片4之間的距離。因此，這些距離以相同的標號4b來表示。
如果晶片上鏡片係以不規則的間距被設置的話，則當各像素的該等晶片上鏡片被製備成相同的直徑及相同的曲率時，一沒有被聚集的光線的區域，或一無效區域，會擴展至一個在晶片上鏡片之間有一相當寬的距離的部分內。
如圖26所示，一介於該光學波導3與該晶片上鏡片4之間的相對位置會依據該像素的位置而改變。
在上側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該光學波導3係位在該晶片上鏡片4的上半部。在該成像元件的中心C的相反側上的兩列像素的每一像素中，該光學波導3在行的方向上係被設置在靠近該晶片上鏡片4的中心處。從該成像元件的中心C觀看，在下側上的兩列像素的每一像素中，該光學波導3係位在該晶片上鏡片4的下半部。
在右側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該光學波導3係位在該晶片上鏡片4的右半部。在該成像元件的中心C的相反側上的兩行像素的每一像素中，該光學波導3在列的方向上係被設置在靠近該晶片上鏡片4的中心處。在左側上的兩列像素的每一像素中，從該成像元件的中心C觀看，該光學波導3係位在該晶片上鏡片4的左半部。
再者，在每一像素中，該光學波導3的平面組態被包括在該晶片上鏡片4的內部中。
在此第三實施例中，該晶片上鏡片4與該光接受單元1之間的一相對位置係根據該像素從該成像元件的中心觀看的位置而改變。此外，該晶片上鏡片4係根據從該成像元件的中心C至該像素的距離而從該光接受單元1的中心1C係往該成像元件的中心C被偏移。
換言之，該晶片上鏡片4已被實施光瞳校正處理。相反地，該光學波導3則尚未接受光瞳校正處理。
再者，介於構件之間的距離係如下所述：在同一基格的上側及下側上的兩個像素的例子中，介於光學波導之間的距離3a大於介於像素之間的距離1a。在同一基格的右側及左側上的兩個像素的例子中，介於光學波導之間的距離3b稍微大於介於像素之間的距離1b。
介於同一基格的上側及下側上的兩個像素之間的距離1a不同於於介於在夾著該電晶體相鄰的基格上的像素之間的距離1c。
以此方式，如果當像素距離1a與像素距離1c彼此不相同時在每一像素中的光學波導3被安排靠近該光接受單元1的中心1c的話，則入射角度相依性被改變。因此，該光學波導3的入射角相依性改變且造成一些現象，譬如像是水平條紋及陰影，的光學特性可被影響。
在另一方面，如果該光學波導3的位置自接近該光接受單元1之中心轉移且介於該等光學波導之間距離係以規則的間距被設置的話，則該等光學特性可被改善。
此外，波導距離3a與波導距離3c是幾乎相同的。即使波導距離3a與波導距離3c較佳地是彼此相等，但波導距離3a與波導距離3c可以是彼此不相等。
如果介於光學波導之間的距離係以規則的間距來加以設置的話，則在行方向上之光學波導的入射角相依性會提高且造成水平條紋與陰影等現象的光學特性可被改善。此外，波導距離3b與波導距離3d是幾乎相同的。雖然波導距離3b與波導距離3d相同是所想要的，但它們可以是不相同的。當與同一基格的右及左側上的兩個像素之間的距離1b相比較時，介於相鄰基格的像素之間在列方向上的距離1d是稍微大一些。
順帶一提地，像素之間的距離1b與像素之間的距離1d可以是實質相等的。波導距離3b與波導距離3d之間的差異與像素距離1b與像素距離1d之間的差異係實質相等。因此，光學波導3的中心3C在列的方向上被偏離該光接受單元1的中心1C。換言之，光學波導3的中心3C係往相鄰的基格的左邊或右邊偏移，或被偏移離開在該基格的中心上的浮動擴散FD。
像素距離1a與像素距離1c的總合等於波導距離3a與波導距離3c的總合。這些總合等於該等基格在行方向上的節距。
像素距離1b與像素距離1d的總合等於波導距離3b與波導距離3d的總合。這些總合等於該等基格在列方向上的節距。
每一像素的剖面組態並沒有特殊限制，只要它包括該光接受單元1，該光學波導3，及該晶片上鏡片4即可。
圖27為圖22所示之固態成像元件的一個像素的示範性組態的剖面圖。
如圖27所示，該光接受單元1係藉由形成一n型電荷累積層11於一半導體基材10的p型阱區或類此者上及形成一p+型正電荷累積層12於該n型電荷累積層11的表面上來形成的。再者，一閘極絕緣膜13與一閘極電極14被形成在該半導體基材10上，同時與該光接受單元1的右側相鄰接。該閘極電極14為圖22中的傳輸閘2。一浮動擴散FD被形成在該半導體基材10上，同時與該閘極電極14的右側鄰接。電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的源極/汲極區被形成在該半導體基材10的剖面中(未示出)。施加一電壓至該閘極電極14會導致訊號電荷從該光接受單元1傳輸至該浮動擴散FD。
用氧化矽或類此者製成的絕緣膜被層疊於該半導體基材10上，同時覆蓋該光接受單元1。該等絕緣膜包括一第一絕緣膜15，一第二絕緣膜16，一第三絕緣膜17，一第四絕緣膜21，一第五絕緣膜22，一第六絕緣膜26，一第七絕緣膜27，及一第八絕緣膜31。此外，一用碳化矽或類此者製成的第一擴散防止膜20及一第二擴散防止膜25，及一用氮化矽或類此者製成的第三擴散防止膜30分別被層疊在該等絕緣膜之間。這些絕緣膜與擴散防止膜的層疊整體成為一絕緣層。
一佈線溝槽被形成在該第三絕緣膜17及一用阻障金屬層18構成的第一佈線層及一導電層19接著被埋入到該佈線溝槽中。相同地，一佈線溝槽被形成在該第五絕緣膜22及一用阻障金屬層23構成的第二佈線層及一導電層24接著被埋入到該佈線溝槽中。相同地，一佈線溝槽被形成在該第七絕緣膜27及一用阻障金屬層28構成的第二佈線層及一導電層29接著被埋入到該佈線溝槽中。阻障金屬層18，23及28的每一者可以是，例如，一鉭/氮化鉭堆疊膜。導電層19，24，及29的每一者可以是各種用於佈線線路的金屬材料(譬如銅)的任何一種。上述第一至第三擴散防止膜被提供來防止導電金屬層19，24及29的金屬，譬如銅，被散佈。
一由氧化矽製成的第九絕緣膜33被形成在第八絕緣膜31上。
再者，一下凹的部分被形成在該光接受單元1的上方，使得該下凹部分穿過第四至第九絕緣膜21-33及第二與第三擴散防止膜25及30，這些膜係如上所述地被層疊。該第一擴散防止膜20被形成在該下凹部分的底部。
該下凹部分的內壁表面垂直於該基材的主平面。一部分的第九絕緣層33被設置成該下凹部分的邊緣並形成一開口其向上擴口成為一向前傾斜的形狀。
一鈍態膜36被形成並覆蓋該下凹部分的內壁表面。此外，例如，一埋入層37被形成在該鈍態膜36上且被埋入到該下凹部分中。該埋入層37具有一折射係數其高於該絕緣膜的氧化矽的折射係數(其折射係數為1.45)。該埋入層37完全填滿該下凹部分的內部。
埋入層37係用一具有高折射係數的樹脂來製成，譬如矽氧烷樹脂(折射係數1.7)或聚醯亞胺。為了要提高折射係數，這些樹脂材料可包含任何金屬氧化物顆粒，這些金屬氧化物顆粒包括氧化鈦，氧化鉭，氧化鈮，氧化鎢，氧化鋯，氧化鋅，氧化銦，及氧化鉿。任何具有高折射係數的無機材料都可被使用，只要它可被埋設在該下凹部分的內部。
該鈍態膜36可用一具有與該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數相同或近似的折射係數的材料或一具有比氧化矽的折射係數高的材料來製造。具有較高的折射係數的材料的例子包括氮化矽及氮氧化矽(SiON)。
如果該鈍態膜36是用一具有與該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數相同或近似的折射係數的材料製成的話，則在該下凹部分的內部中的該埋入層37係作為在上側上的光學波導3。
如果該鈍態膜36是用一具有比該絕緣膜所使用之氧化矽的折射係數高的折射係數的材料製成的話，則在上側上的光學波導3是由該鈍態膜36及在該下凹部分的內部中的該埋入層37所構成。
一平坦化樹脂層38(其亦可例如作為一黏合層)被形成在該埋入層37的上層上，且藍色B，綠色G及紅色R的每一種顏色的彩色濾光片39被形成在該平坦化樹脂層38上以用於在上層的每一像素。又，一晶片上鏡片4被形成在該彩色濾光片39上。
如圖27所示，該光學波導3形成為它的寬度小於該光接受單元1的寬度及該晶片上鏡片4的寬度且它在該固態成像元件中的位置係位在該光接受單元1與該晶片上鏡片4的每一者在固態成像元件的表面中的位置內。
根據圖27所示的像素結構，一像素被形成為該光接受單元1，該光學波導3，及該晶片鏡片4的每一者在該固態成像元件的表面中的位置相對於該像素的位置從該成像元件的中心C被偏移。
例如，具有如圖27所示的剖面結構的固態成像元件可如下文所述地加以製造：一n型電荷累積層11被形成在一半導體基材10的p型阱區或類此者上及形成一p+型正電荷累積層12於該n型電荷累積層11的表面上以提供一光接受單元1。此外，一閘極絕緣膜13與一閘極電極14被形成在該半導體基材10上，同時與該光接受單元1相鄰接。再者，一浮動擴散FD以及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的源極/汲極區被形成在該半導體基材10內。
接下來，例如，該光接受單元1用氧化矽加以覆蓋，該氧化矽係藉由化學氣相沉積(CVD)方法或類此者被沉積在該光接受單元1的整個表面上，以形成第一絕緣膜15。接下來，例如，氧化矽被沉積在該第一絕緣膜15上以形成一第二絕緣膜16及氧化矽被進一步沉積在第二絕緣膜16上以形成一第三絕緣膜17。
接下來，例如，該第三絕緣膜17接受蝕刻處理以形成一佈線線路溝槽。該佈線溝槽的內壁藉由濺鍍而被例如鉭/氧化鉭覆蓋以形成一阻障金屬層18。
之後，一銅晶種層被形成且接受電解電鍍，以形成一銅膜於後續結構的整個表面上。然後，所得到的膜接受化學機械研磨(CMP)或類此者以去除掉形成在該佈線溝槽的外部上的銅，藉以形成一導電層19。
又，一阻障金屬層18被形成在該導電層19的表面上且其形成在該佈線溝槽的外部上的部分然後被去除掉。在圖6中，該阻障金屬層18亦被形成在該導電層19的表面上。然而，如果不想形成該阻障金屬層18於該導電層19的表面上的話，此步驟可被省略。
因此，一由埋設在該佈線溝槽內的該阻障金屬層18及導電層19所構成的第一佈線層被形成。
接下來，例如，碳化矽被沉積在該第一佈線層上，以形成一第一擴散防止膜20。
接下來，與用來形成該第二絕緣膜16，該第三絕緣膜17及其佈線溝槽的程序相同的程序被用來形成由該阻障金屬層18及該導電層19構成的該第一佈線層，及該第一擴散防止膜20。因此，該等程序形成一第四緣層21，一第五絕緣層22及其佈線溝槽，一由一阻障金屬層23及一導電層24構成的該第二佈線層，一第二擴散防止膜25，一第六緣膜26，一第七絕緣膜27及其佈線溝槽，一由一阻障金屬層28及一導電層29構成的該第三佈線層。再者，例如，氮化矽藉由CVD方法被沉積，以形成一第三擴散防止膜30。接下來，一第八絕緣膜31被形成在該第三擴散防止膜30上。
然後，例如，氧化矽被沉積在該第八絕緣膜31的整個表面上，用以形成一第九絕緣膜33。
接下來，例如，一光阻膜接受藉由微影蝕刻以及等向蝕刻或非等向蝕刻所實施之該下凹部分的開口的圖案形成。因此，一向上及向外擴口成一向前傾斜的形狀的開口被形成在該第九絕緣膜33上。
接下來，該光阻膜被去除掉及，例如，一第二光阻膜用與該第一光阻膜相同的圖案被圖案化。該被圖案化的第二光阻膜接受非等向蝕刻，譬如反應性離子蝕刻，以形成一穿過第四至第九絕緣膜21至33，第二擴散防止膜25，及第三擴散防止膜30的下凹部分。在此下凹部分的形成期間，例如，該蝕刻是在蝕刻條件係依據氮化矽，碳化矽，等等，以及氧化矽等材料而被改變的情形下被實施的。該蝕刻在該開口的底部到達該第一擴散防止膜20時被立即停止。因此，該第一擴散防止膜20係作為該下凹部分的底部。因此，該下凹部分的固定深度導致該光接受單元1與該光學波導3之間的固定距離。
以此方式，一部分的第九絕緣膜33被設置作為該下凹部分的邊緣並形成一向前傾斜形狀的開口。
接下來，例如，折射係數高於氧化矽的折射係數的氮化矽或氮氧化矽(SiON)藉由電漿CVD方法在約380℃的沉積溫度下被沉積在該下凹部分的內壁上，以形成一鈍態膜36。因為該開口的邊緣被形成為向前傾斜的形狀，所以該鈍態膜36的輪廓由於非等向性沉積的關係而被形成為在該開口的邊緣處較厚及在該下凹部分的底部附近較薄。
接下來，例如，該鈍態膜36藉由旋轉塗覆方法在約400℃的沉積溫度下被塗覆包含金屬氧化物顆粒(譬如像是氧化鈦)的矽氧烷樹脂。因此，一折射係數高於氧化矽的折射係數的埋入層37被放置在該鈍態層36的頂部上且被埋入到該下凹部分中。在施用該樹脂之後，例如，如果有必要的話，後製烘烤處理在約300℃的溫度下被實施。在聚醯胺樹脂的例子中，例如，該膜形成可在約350℃的溫度下被實施。
接下來，例如，一平坦化樹脂層38被形成在該埋入層37的頂部。該平坦化樹脂層38亦可作為一黏合層用。在該平坦化樹脂層38的頂部上，例如，藍色(B)，綠色(G)及紅色(R)每一者的一彩色濾光片39被提供給每一像素。接下來，一晶片上鏡片4被形成在該彩色濾光片39的頂部。
在上述的製造方法中，氫處置(燒結)可在形成該第二佈線層的步驟之後但在形成該埋入層的步驟之前被實施用以終結在該半導體內之懸浮鍵(dangling bond)。
因此，可製造出具有圖27所示的像素的剖面結構的固態成像元件。
然後，該像素的平面佈局被示意地示於圖28中。
該圓形截面的埋入層37(及該鈍態膜36)形成一光學波導3。
該等佈線層，譬如像是圖27中的第一至第三佈線層，被形成為它們被安排成一網格結構用以包圍在該等絕緣膜中的光學波導3。“網格結構(mesh structure)”一詞係指，例如，該等佈線層與該等絕緣膜被交替地堆疊於直行(column)的方向上。例如，光學波導3被安排在一個被延伸在直行的方向上的佈線層W1及W2及延伸在水平的方向上的佈線層W3及W4包圍的區域中。佈線層W1，W2，W3及W4具有它們自己的網格結構。
雖然該光接受單元1未被示於圖28中，但該光接受單元1被形成在離該光學波導3更外面的地方。例如，在圖6所示的剖面結構的例子中，該光接受單元1的外緣被設置靠近該等佈線層W1，W2，W3及W4的位置。
再次參考圖8，在圖22所示的36個像素上的彩色濾光片顏色的示範性配置將被描述。
在圖8所示的顏色配置中，一個紅色(R)，一個藍色(B)，及兩個綠色(G：Gb及Gr)彩色濾光片被指定給每一基格的四個像素中的每一個像素。然後，綠色(Gb)及綠色(Gr)被指定給透過浮動擴散DF而面向彼此的像素。而且，紅色(R)與藍色(B)被指定給透過浮動擴散DF而面向彼此的像素。
在此處，具有圖22所示的平面佈局及圖8所示的彩色濾光片的配置不同剖面輪廓的固態成像元件被實際地製造。
作為一比較例，一固態成像元件被製造，使得光學波導3以不規則的間距被設置。亦即，圖24所示的固態成像元件的組態被變化，使得波導距離3a不同於波導距離3c。
本發明的固態成像元件及比較例的固態成像元件接受導因於入射光相對於綠色(Gb)彩色濾光片的像素及綠色(Gr)彩色濾光片的像素的角度改變之輸出變動的檢測。檢測結果被示於圖29A及29B中。圖29A顯示從光學波導3係以不規則的間距被設置之比較例獲得的結果。圖29B顯示從從光學波導3係以規則的間距被設置之本實施例獲得的結果。
從圖29A很明顯地看出，光學波導3以不規則的間距被設置之比較例的元件即使是使用相同顏色的像素仍會造成輸出差異。
從圖29B很明顯地看出，光學波導3以規則的間距被設置之本實施例的元件產生相同的輸出。此外，該元件的像素品質檢測亦被實施。其結果為，水平條紋，不規則顏色，及陰影等特性都被改善。
因此，讓光學波導3的間距固定不變是較佳的。然而，即使該等間距不是固定不變的，只要該等間距是在一特定的數值範圍內，該成像元件在使用上就不會有特別的缺點。
參考回到圖9，依據本發明的第三實施例的該固態成像元件內的四個像素的基格的示範性等效電路將被描述。
如圖9所示，由四個電極建構成的該光接受單元1經由該傳輸閘2被連接至該共同的浮動擴散FD。此外，該浮動擴散FD被連接至一重設電晶體RST的源極/汲極區與一放大電晶體Amp的閘極的一者。該放大電晶體的源極/汲極區的一者被連接至一選擇電晶體SEL的源極/汲極區的一者。該重設電晶體RST的源極/汲極區的另一者與該放大電晶體Amp的源極/汲極區的另一者被連接至電源供應電位Vdd。該選擇電晶體SEL的源極/汲極區的另一者被連接至一訊號線100。換言之，這三個電晶體RST，Amp及SEL所在的一側上遠離該浮動擴散FD的部分具有的組態與具有四個電晶體(包括該電晶體閘極的傳輸電晶體)之典型的像素的組態相同。
現參考圖10來討論兩個例子，示於圖9中之電路組態被實施於這兩個例子中。
圖10為一顯示一基格的四個像素所使用的電晶體之間的位置關係的圖式。該等條形的電晶體Tr分別被設置在具有四個像素的該基格的上及下側上。
在圖10中以鏈線來表示的第一個例子中，上電晶體Tr的右半部及下電晶體Tr的右半部被使用。各電晶體的左半部被位在該等電晶體的上方及下方的每一基格的四個像素使用。
在圖10中以虛線來表示的第二個例子中，整個下電晶體被使用。上電晶體被位在該電晶體上方的基格的四個像素使用。
在第一個例子中佈線的一個例子被示於圖11A中。該重設電晶體RST被形成在該上電晶體Tr的右半邊上。相反地，該放大電晶體Amp與該選擇電晶體SEL被形成在該下電晶體Tr的右半邊上。在上及下側的每一者上，一佈線線路110被形成為它將該浮動擴散FD連接至該重設電晶體RST的源極/汲極區與該放大電晶體Amp的閘極的一者。
在第二個例子中佈線的一個例子被示於圖11B中。該重設電晶體RST被形成在該下電晶體Tr的右半邊上。該放大電晶體Amp被形成在該下電晶體Tr的中間上。該選擇電晶體SEL被形成在該下電晶體Tr的左半邊上。一浮動擴散FD及一放大電晶體Amp的閘極被連接，佈線線路110被形成在底部上及下，該佈線線路110從中間向右分叉且其被連至重設電晶體RST的一源極/汲極區。該佈線線路110從它的中途點向右分叉且被連接至該重設電晶體RST的源極/汲極區的一者。
根據上述的實施例，該基格的四個像素共用該浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3。因此，在與浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3沒有被共用的例子相比較時，該光接受單元1的表面積對該像素的表面的百分比可被提高，或該光接受單元1的表面積可被擴大。在將該像素小型化時對該光接受單元1的表面積的減小可被降低。因此，可將該像素小型化至實質上最小的可能，同時該光學波導3的尺寸可被防止變成埋入特性的極限值。
因此，可將像素小型化以促成該固態成像元件的整合性的提高。而且，可提供具有該有更多像素之固態成像元件的成像裝置並將此一成像元件小型化。
依據此實施例，晶片上鏡片4係以規則的間距被形成。因此，俗稱的無效區域可被減少且導因於無效區域而產生的損失可被防止。又，依據本發明，該光學波導3的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，它亦被形成為它可被包括在該光接受單元1的內部中以及晶片上鏡片4的內部中。因此，被該晶片上鏡片4聚集的光線可被完全引導至該光學波導3且通過該光學波導3的光線可被確實地入射到該光接受單元1上。此外，在通過該第一光學波導3的光線進入到相鄰的光接受單元1中時會產生的顏色混合可被防止。
因此，可獲得在靈敏度上的提升及在光電轉換效率上的提升。因此，即使像素被小型化，仍可獲得具有足夠的靈敏度及足夠的光電轉換效率的固態成像元件且可獲得設置有此一固態成像元件的成像裝置。
依據本實施例，該等光學波導3係實質上以規則的間距被設置。如圖29B所示，藉由平衡導因於光線入射角之輸出的改變，光學特性，譬如像是水平條紋，不規則顏色及陰影等可被改善。
在此第三實施例中，構件被設置成從該成像元件的中心C往外的距離愈大，則從該晶片上鏡片4的中心至該光學波導3的中心的距離就愈大。具有此一組態的成像元件較佳地被使用於一具有短焦光學鏡片的照像機(如，手機照像機)上。
在上面的描述中，依據本發明的第三實施例之該示範性固態成像元件包括36個像素，如圖22所示。然而，此實施例並不侷限於此一固態成像元件的組態。實際上，該固態成像元件可包括數萬個或更多個像素。例如，累積式三百萬像素可藉由累積750,000個基格(每個細胞有4個像素)來獲得。
在上面的描述中，本發明的第三實施例被應用於使用如圖27或圖8所示的彩色濾光片的彩色固態成像元件上。
依據本發明的第一實施例，該固態成像元件並不侷限於使用彩色濾光片的應用。該第一實施例亦可被應用於單色固態成像元件，紅外線光偵測固態成像元件，或具有一些像素被設置有紅外線光偵測但沒有彩色濾光片的固態成像元件上。
<5.固態成像元件的第四實施例>
圖30為一平面圖其顯示依據本發明的第四實施例的一固態成像元件的示意組態。
如圖30所示，該固態成像元件是由多個被安排成矩陣形式的像素(其為一排成行及列之矩形的像素陣列)所構成。例如，圖30顯示出36個像素(每行6個像素x每列6個像素)，其圍繞著該成像元件的中心C。
每一像素都具有一光電二極體其包括一光接受單元1，一光學波導3及一晶片上鏡片4。該光接受單元1實施被接受到的光線的光電轉換。該光學波導3將入射光線導入到該光接受單元1中。該晶片上鏡片4聚集該入射光線。
兩個對齊於一斜的方向上的像素(一個像素在左上側上及另一個像素在右下側上)共用一浮動擴散FD。在這兩個像素的每一者中，一傳輸閘2被形成在該光接受單元1與該二像素所共用的該浮動擴散FD之間。
此外，電晶體Tr1，Tr2，及Tr3被設置在四個像素的上側及下側上，兩個像素在行的方向上及兩個像素在列的方向上。電晶體Tr1，Tr2，及Tr3的示範性組態包括，但不侷限於，一放大電晶體，一重設電晶體，及一選擇電晶體。
在此處，圖31顯示的是在圖30的右下側上的四個像素中兩個共用該浮動擴散FD的像素。
在此實施例的固態成像元件中，共用該浮動擴散FD的兩個像素被提供作為一基格。在圖31中，在圖30的右下側上的基格及該成像元件的中心C被示出。
如圖31所示，在該二像素的每一像素中，該光學波導3的中心3C從該光接受單元1的中心1C被向上偏離。
詳言之，在該圖的左上角的像素中，光學波導3的中心3C從該光接受單元1的中心1C被向上偏移。在該圖的右下角的像素中，光學波導3的中心3C從該光接受單元1的中心1C被向下偏移。
在此處，係考量一條從該成像元件的中心C畫至每一像素的光接受單元1的中心1C的線。在左上像素的例子中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短。在右下像素的例子中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長。換言之，該基格包括兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素以及從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長的像素這兩種像素。
參考回到圖30，整個像素的平面圖亦可發現到兩個不同種類的像素的混合，即從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素，以及從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長的像素這兩種像素。從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離短的像素是在該圖從上側算起的第二列(row)上的像素及從下側算起的第二列上的像素。在其餘四列上的像素中，從該成像元件的中心C至光學波導3的中心3C的距離比從該光接受單元1的中心1C到光學波導3的中心3C的距離長。此特徵與圖22的第三實施例的特徵相同。
圖32顯示圖30中的晶片上鏡片4及光學波導3。
在圖32中，該成像元件的中心C亦與這些構件一起被顯示。
如圖32所示，該光學波導3與該晶片上鏡片4之間的相對位置係實質上固定不變的，與該像素的位置無關。在這方面，第二實施例的成像元件的組態不同於第三實施例的成像元件的組態。
在每一像素中，該光學波導3被設置靠近該晶片上鏡片4的中心。如圖32所示，該光學波導3與該晶片上鏡片4在行的方向及列的方向上都以彼此間相隔相同的距離被設置。
在此第四實施例中，與該光學波導3與該光接受單元1之間的相對位置的情形相同地，該晶片上鏡片4與光接受單元1之間的相對位置係實質上固定不變的且與該像素的位置無關。然後，在列的方向上，該晶片上鏡片4幾乎沒有從該光接受單元1的中心1C被偏移。
換言之，該晶片上鏡片4尚未被光瞳校正處理過。相同地，該光學波導3尚未被光瞳校正處理過。
在此第四實施例中，每一像素的剖片結構並未被特別地限制，只要它包括該該光接受單元1，該光學波導3，及該晶片上鏡片4即可。
例如，示於圖27的剖面結構及示於圖28的平面佈局可被使用。
圖15為一顯示在依據本發明的第四實施例的固態成像元件內的基格的二個像素的示範性等效電路的圖式。
如圖15所示，由二個光電二極體所構成的該光接受單元1經由該傳輸閘2被連該共同的浮動擴散FD。此外，該浮動擴散FD被連接至一重設電晶體RST的源極/汲極區與一放大電晶體Amp的閘極的一者。該放大電晶體的源極/汲極區的一者被連接至一選擇電晶體SEL的源極/汲極區的一者。該重設電晶體RST的源極/汲極區的另一者與該放大電晶體Amp的源極/汲極區的另一者被連接至電源供應電位Vdd。該選擇電晶體SEL的源極/汲極區的另一者被連接至一訊號線100。換言之，在這三個電晶體RST，Amp及SEL遠離該浮動擴散FD的那一側上的部分具有的組態與具有四個電晶體(包括該電晶體閘極的傳輸電晶體)之典型的像素的組態相同。
在此處，在第四實施例中，與上面的第三實施例相同的構件被指定相同的標號用以省略這些相同構件之重復的描述。
依據上面的實施例，該基格的兩個像素共用該浮動擴散FD及該等電晶體Tr1，Tr2，及Tr3。因此，在與浮動擴散FD及電晶體Tr1，Tr2，及Tr3沒有被共用的例子相比較時，該光接受單元1的表面積對該像素的表面的百分比可被提高，或該光接受單元1的表面積可被擴大。在將該像素小型化時對該光接受單元1的表面積的減小可被降低。因此，可將該像素小型化至實質上最小的可能，同時該光學波導3的尺寸可被防止變成埋入特性的極限值。
因此，可將像素小型化以促成該固態成像元件的整合性的提高。而且，可提供具有該有更多像素之固態成像元件的成像裝置並將此一成像元件小型化。
依據此實施例，晶片上鏡片4係以規則的間距被形成。因此，俗稱的無效區域可被減少且導因於無效區域而產生的損失可被防止。
此外，該光學波導3的平面位置被形成為它可從該光接受單元1的中心1C向電晶體Tr1，Tr2，及Tr3偏移。此外，它亦被形成為它可被包括在該光接受單元1的內部中以及該晶片上鏡片4的內部中。因此，被該晶片上鏡片4聚集的光線可完全被引導至該光學波導3且通過該光學波導3的光線可被確實地入射到該光接受單元1上。此外，在通過該光學波導3的光線進入到相鄰的光接受單元1中時會產生的顏色混合可被防止。
因此，可獲得在靈敏度上的提升及在光電轉換效率上的提升。因此，即使像素被小型化，仍可獲得具有足夠的靈敏度及足夠的光電轉換效率的固態成像元件且可獲得設置有此一固態成像元件的成像裝置。
依據此實施例，該等光學波導3實質上係以規則的間距被設置。因此，藉由平衡導因於光線入射角之輸出的改變，光學特性，譬如像是水平條紋，不規則顏色及陰影等可被改善。
在此第四實施例中，光學波導3的中心3C與該晶片上鏡片4的中心係實質上彼此重合。因此，光線可有效率地被聚集且電荷可被有效率地被獲得。具有此一組態的成像元件較佳地被使用於一具有多焦距光學鏡片(如，變焦鏡頭)的照像機上。
在上面的描述中，依據本發明的第一實施例之該示範性固態成像元件包括36個像素，如圖30所示。然而，本實施例並不侷限於此一固態成像元件的組態。實際上，該固態成像元件可包括數萬個或更多個像素。
例如，累積式八百萬像素可藉由累積四百萬個基格(每個細胞有2個像素)來獲得。
依據上述實施例的任一實施例，該基格的兩個或四個像素共用該浮動擴散FD及該等電晶體。
在此實施例的固態成像元件中，該基格之共用該浮動擴散FD的像素數並沒有被特別限制，只要包括兩個或更多個像素即可。
再者，如果該等佈線線路與像素被安排在行的方向及列的方向上的話，則當該基格的像素數為偶數時，該等像素的佈局可被輕易地實施。
在上述實施例的每一實施例中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心1C係往該等電晶體Tr1，Tr2，及Tr3所在之處的上側或下側偏移。相反地，在直行的方向上，該光學波導3只被稍微偏移或未被偏移離該光接受單元1的中心1C。換言之，該光學波導3尚未被光瞳校正處理過。
在此處，依據上述實施例的任一實施例的成像元件可被設計成該光學波導3在列的方向上被偏移離該光接受單元1的中心1C。例如，在考量該光瞳校正下，該光學波導3在該像素右半邊被向左偏移及在該像素的左半邊被向右偏移。該偏移的量可根據離該成像元件的中心C的距離而被改變。
因此，在此實施例中，該固態成像元件不只可被設計來在該晶片上鏡片上實施光瞳校正，還可在該光學波導上實施光瞳校正。
<6.變化實施例>
在下文中，依據一變化實施例的固態成像元件將被描述。
光學波導3的示範性截面輪廓被示於圖33中。
圖33A為一類似於圖28所示的光學波導之圓形光學波導。圖33B顯示一橢圓形光學波導。圖33C顯示一矩形(方形)光學波導。圖33D顯示一八邊形光學波導。
具有這些不同的截面輪廓的光學波導的固態成像元件被實際製造。不論它們的截面輪廓為何，它們都可如固態成像元件般地作用，沒有任何問題。很明顯地，其它的截面輪廓亦可被用於該光學波導3上。
較佳地，該光學波導的截面輪廓可被向外凸出。這表示，用於該光學波導的一下凹部分及一埋入層可被穩定地形成。
現參考圖34至36，電晶體的示範性配置及光學波導3在該光接受單元1上的示範性配置將被描述。為了簡化起見，浮動擴散未在圖34至36中被顯示。
在示於圖34的第二變化實施例中，額外的電晶體Tr被設置在有四個像素共用該浮動擴散的該基格的右側及左側上。
在位於該基格的左側上的兩個像素中，該光學波導3從該光接受單元1的中心被向左偏移。
在位於該基格的右側上的兩個像素中，光學波導3從該光接受單元1的中心被向右偏移。
在示於圖35的第一變化實施例中，電晶體Tr被設置在有四個像素共用該浮動擴散的該基格的右側及下側上。
在此例子中，在從該上側算起的第二列或更後面的列上的基格中，電晶體Tr被設置在各基格的左、右、上及下側上。
在位於該基格的左上角上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向左上偏移。
在位於該基格的右上角上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向右上偏移。
在位於該基格的左下角上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向左下偏移。
在位於該基格的右下角上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向右下偏移。
在示於圖36的第三變化實施例中，每一基格都是由兩個像素所構成，這兩個像素被設置在行的方向上且共用浮動擴散。在此例子中，電晶體Tr被設置在一基格的上及下側上。
在該基格的上側上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向上側偏移。
在該基格的下側上的像素中，該光學波導3係從該光接受單元1的中心被向下偏移。
在上文所述的第三及第四實施例的每一者中，該描述係有關於成像元件的中心C位在該基格內的該等像素的中心處的該浮動擴散FD上的成像元件來進行的。在本發明中，該成像元件的中心的位置並不只侷限於該浮動擴散FD的位置且可另外地被設置在其它地方。例如，它可被設置在該像素的內部，譬如像是該光接受單元的內部，或被設置在基格之間，譬如像是在一個靠近基格之間的電晶體的地方。
現參考圖37及38(其相當於圖22及圖25的平面視圖)，該成像元件的中心C位在該光接受單元內部的一變化實施例將被描述。如圖37及38所示，該成像元件的中心C係位在該光接受單元1的內部且靠近該晶片上鏡片4的中心。
<7.依據發明的實施例的成像裝置>
接下來，依據本發明的一實施例的成像裝置將被描述。
圖39為一方塊圖其示意地顯示依據本發明的實施例的成像裝置。
該成像裝置的例子包括一攝影機，一數位相機，及一手機照相機。
如圖39所示，該成像裝置500包括一設置有一固態成像元件(未示出)的成像單元501。一成像光學系統502被連接在該成像單元501的上游且用來聚集入射光線，以形成一影像。此外，該訊號處理單元503被連接在該成像單元501的下游。該訊號處理單元503包括一驅動電路用來驅動該成像單元501，一訊號處理電路用來從該固態成像元件所光電地轉換的一訊號產生一影像，等等。此外，一經過該訊號處理單元503處理過的影像訊號然後被儲存在一影像儲存單元(未示出)中。
在此成像裝置500中，該固態成像元件可以是本發明的實施例，譬如像是上文所描述的實施例的任何一者的該固態成像元件。
本發明的任何實施例的固態成像元件都可被使用在此成像裝置500中。在如上文所述的固態成像元件中，該光學波導3的中心3C在該固態成像元件的表面中的位置被偏離該光接受單元1的中心1C。因此，即使像素被形成的很微小，該固態成像元件仍可獲得足夠的靈敏度及轉換效率。
因此，該固態成像元件的像素可被小型化。這可獲致提供該成像裝置500更多像素，將此成像裝置小型化，容許成像裝置500在一相當暗的地方取得一影像等等優點。
本實施例的成像裝置的組態並不侷限於圖39所示的組態。任何成像裝置的組態都可被使用，只要是使用本發明的實施例的任何一者的該固態成像元件即可。
例如，該固態成像元件可以是單晶片形式，或可以是模組形式，一成像單元及一訊號處理單元或一光學系統一起被封包於該模組內。
依據發明的此實施例的成像裝置可被應用至各種成像裝置上，譬如像是照相機及具有成像功能的可攜式裝置。又，“成像(imaging)”一詞廣義而言亦可應用於指紋偵測裝置或類此者上。
本發明並不侷限於任何上述的實施例，而是可被體現成任何各式不偏離本發明的精髓的組態。
本申請案包含與揭露於2009年3月31日向日本專利局提申之日本優先權專利申請案JP 2009-088093號及2009年3月31日向日本專利局提申之日本優先權專利申請案JP 2009-088094號中之發明主體有關的發明主體，這些申請案的全部內容介由參照被併於本案中。
應被熟習此技藝者瞭解的是，各式的變化，組合，子組合及改變可根據設計需求及其它因素而發生，因為它們都是在下面的申請專利範圍或其等效物的範圍內。
1．．．光接受單元
2．．．傳輸閘
103．．．第一光學波導
104．．．第二光學波導
105．．．晶片上鏡片
10．．．半導體基材
11．．．電荷累積層
12．．．正電荷累積層
13．．．閘極絕緣膜
14．．．閘極電極
18．．．阻障金屬層
23．．．阻障金屬層
28．．．阻障金屬層
19．．．導電層
24．．．導電層
29．．．導電層
20．．．第一擴散防止膜
32．．．埋入層
37．．．埋入層
36．．．鈍態層
38．．．平坦化樹脂層
39．．．彩色濾光片
100．．．訊號線
110．．．佈線線路
500．．．成像裝置
501．．．成像單元
502．．．光學系統
503．．．訊號處理器
FD．．．浮擴動散
RST．．．重設電晶體
Amp．．．放大電晶體
SEL．．．選擇電晶體
Tr1．．．電晶體
Tr2．．．電晶體
Tr3．．．電晶體
1C．．．光接受單元的中心
C．．．成像元件的中心
104C．．．第二光學波導的中心
103a．．．波導距離
103c．．．波導距離
104a．．．波導距離
104c．．．波導距離
103b．．．波導距離
103d．．．波導距離
104b．．．波導距離
104d．．．波導距離
15．．．第一絕緣膜
16．．．第二絕緣膜
17．．．第三絕緣膜
21．．．第四絕緣膜
22．．．第五絕緣膜
26．．．第六絕緣膜
27．．．第七絕緣膜
31．．．第八絕緣膜
33．．．第九絕緣膜
25．．．第二擴散防止膜
30．．．第三擴散防止膜
W1．．．佈線層
W2．．．佈線層
W3．．．佈線層
W4．．．佈線層
3．．．光學波導
3c．．．光學波導的中心
4．．．晶片上鏡片
3a．．．波導距離
3c．．．波導距離
3b．．．波導距離
3d．．．波導距離
1b．．．像素距離
1d．．．像素距離
圖1為一平面圖，其顯示依據本發明的第一實施例之固態成像元件的示意結構；
圖2為一平面圖，其顯示圖1中之固態成像元件內一具有四個像素的基格；
圖3為一顯示圖1中所示的一些結構件，例如第一光學波導，第二光學波導，光接受單元，及電晶體，的圖式；
圖4為一顯示圖1中所示的結構件中的晶片上鏡片的圖式；
圖5為一顯示圖1中所示的結構件中的晶片上鏡片，第一光學波導及第二光學波導的圖式；
圖6為圖1所示的固態成像元件中的一個像素的剖面圖；
圖7為一顯示該像素的一平面佈局的示意圖；
圖8為一顯示圖1及圖22中之36個像素各自的彩色濾光片的顏色的示範性配置的圖式；
圖9為一顯示圖1及圖22的固態成像元件內的四個像素的示範性等效電路的圖式；
圖10為圖1，12，22及30所示的基格的四個像素所使用的電晶體之間的位置關係的圖式；
圖11A為圖1，12，22及30所示的配線線路(wiring line)的組態的第一個例子的圖式；
圖11B為圖1，12，22及30所示的配線線路的組態的第二個例子的圖式；
圖12為一平面圖其顯示依據本發明的第二實施例的固態成像元件的示意構造；
圖13為一平面圖其顯示圖12所示的固態成像元件中具有兩個像素的一基格；
圖14為一顯示圖12所示的結構件中的箐片上鏡片，第一光學波導，及第二光學波導的圖式；
圖15為圖12所示的固態成像元件內的基格的二個像素示範性等效電路的圖式；
圖16為一顯示第一光學波導及第二光學波導的剖面輪廓的例子的圖式，其中圖16A至16D顯示不同的例子；
圖17為一第一變化實施例的電晶體，光接受單元，第一光學波導，及第二光學波導的配置的圖式；
圖18為一第二變化實施例的電晶體，光接受單元，第一光學波導，及第二光學波導的配置的圖式；
圖19為一第三變化實施例的電晶體，光接受單元，第一光學波導，及第二光學波導的配置的圖式；
圖20為一相當於圖1的實施例的一變化實施例的圖式，其不同處在於該成像元件的中心的位置；
圖21為一相當於圖4的實施例的一變化實施例的圖式，其不同處在於該成像元件的中心的位置；
圖22為一平面圖其顯示依據本發明的第三實施例的固態成像元件的示意結構；
圖23為一平面圖其顯示圖22中所示的固態成像元件的一具有四個像素的基格；
圖24為一顯示圖22中的一些結構件，如第一光學波導，光學波導，光接受單元，及電晶體，的圖式；
圖25為一顯示圖22所示的結構件中的晶片上鏡片的圖式；
圖26為一顯示圖22所示的結構件中的晶片上鏡片及光學波導的圖式；
圖27為圖22所示的固態成像元件內的一像素的剖面圖；
圖28為一示意圖其顯示該像素的平面佈局；
圖29為一顯示測量在輸出中導因於光線入射角度的改變的測量結果的圖式，其中圖29A顯示光學波導以不規則的間距被設置的情形及圖29B顯示以規則的間距加以設置的情形；
圖30為一平面圖其顯示依據本發明的第四實施例的固態成像元件的一示意結構；
圖31為一平面圖其顯示圖30所示的固態成像元件內一具有兩個像素的基格；
圖32為一顯示圖30所示的結構件中的晶片上鏡片及光學波導的圖式；
圖33為一顯示該光學波導的剖面輪廓的例子的圖式，其中圖33A至33D顯示不同的例子；
圖34為一顯示第一變化實施例的電晶體，光接受單元，及光學波導的配置的圖式；
圖35為一顯示第二變化實施例的電晶體，光接受單元，及光學波導的配置的圖式；
圖36為一顯示第三變化實施例的電晶體，光接受單元，及光學波導的配置的圖式；
圖37為一相當於圖22的實施例的一變化實施例的圖式，其不同處在於該成像元件的中心的位置；
圖38為一相當於圖25的實施例的一變化實施例的圖式，其不同處在於該成像元件的中心的位置；及
圖39為一方塊圖顯示依據本發明的該實施例的成像裝置的組態。
1．．．光接受單元
2．．．傳輸閘
3．．．光學波導
4．．．晶片上鏡片
Tr1．．．電晶體
Tr2．．．電晶體
Tr3．．．電晶體
FD．．．浮動擴散
C．．．成像元件的中心

Claims (5)

  1. 一種固態成像元件，包括一光接受單元，其被形成在每一像素中以實施光電轉換；一光學波導，其被埋設在一絕緣層中，該絕緣層位在該光接受單元上方且用來將光導入到該光學波導中；及一晶片上鏡片(on-chip lens)，其被形成在該光學波導上方，該固態成像元件包含：一基格(basic cell)，其具有兩個或更多個共用浮動擴散的像素；及一電晶體，其為該基格內的該兩個或更多個像素所共用且被設置在該兩個或更多個像素的外部，其中該光接受單元經由一傳輸閘被連接至該基格內之該等像素所共用的該浮動擴散，該等晶片上鏡片係實質地以規則的間距被設置，該光學波導包括一第一光學波導及一第二光學波導，該第一光學波導被形成為它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置，及該第二光學波導被形成在該第一光學波導的上側，使得它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之固態成像元件，其中各像素的該等第二光學波導係實質地以規則的間距被設置。
  3. 如申請專利範圍第1項之固態成像元件，其中該第 二光學波導包括一鈍態膜，其被形成在該絕緣層側的壁表面上，及一在該鈍態膜的內部中的埋入層。
  4. 如申請專利範圍第3項之固態成像元件，其中該鈍態膜是由氮氧化矽製成。
  5. 一種成像裝置，包括一固態成像元件，具有一光接受單元，其被形成在每一像素中以實施光電轉換；一光學波導，其被埋設在一絕緣層中，該絕緣層位在該光接受單元上方且用來將光導入到該光學波導中；及一晶片上鏡片，其被形成在該光學波導上方，該成像裝置包含：一聚光區，其聚集入射光；該固態成像元件；及一訊號處理區，其處理該固態成像元件中光電轉換所獲得的訊號，其中該固態成像元件包括：一基格，其具有兩個或更多個共用浮動擴散的像素；及一電晶體，其為該基格內的該兩個或更多個像素所共用且被設置在該兩個或更多個像素的外部，其中該光接受單元經由一傳輸閘被連接至該基格內之該等像素所共用的該浮動擴散，該等晶片上鏡片係實質地以規則的間距被設置，該光學波導包括一第一光學波導及一第二光學波導，該第一光學波導被形成為它在該固態成像元件的表面 內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置，及該第二光學波導被形成在該第一光學波導的上側，使得它在該固態成像元件的表面內的位置係位在一從該光接受單元的中心向該電晶體偏移且在該光接受單元內部的位置。
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