專利名稱：固態(tài)攝像器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有芯片上濾色片(on-chip color filter)的固態(tài)攝像器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著彩色圖片攝像的發(fā)展，單板彩色固態(tài)攝像器件得到了顯著發(fā)展。這種器件的典型例子包括例如主要包括CCD(電荷耦合器件)型器件的用于數(shù)碼相機(jī)的固態(tài)攝像器件和主要包括CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)型器件的用于移動照相手機(jī)的固態(tài)攝像器件。因此，對于具有芯片上濾色片的固態(tài)成器件在減小尺寸和增加像素?cái)?shù)目方面的需求在增大。
然而，對于固態(tài)攝像器件的這種需求使得光電轉(zhuǎn)換元件的光接收區(qū)域(光電探測傳感器區(qū)域)減小，這種減小是作為固態(tài)攝像器件的基本特性的光電轉(zhuǎn)換特性(感光靈敏度)降低的一個(gè)因素。此外，在光電轉(zhuǎn)換元件上形成的濾色片尺寸也減小。因此，傳統(tǒng)技術(shù)不能滿足關(guān)于使得薄膜厚度的減小以及濾色片層的小型化和尺寸精度的這些高需求。因此，彩色攝像器件的特性由于濾色片層而退化，因此發(fā)生混色、色彩不均勻、線條色調(diào)不均勻(nonuniform tone oflines)、黑瑕疵等。
例如，集成在最流行的數(shù)碼相機(jī)中的光學(xué)器件的典型尺寸是從1/3英寸到1/4英寸，而已經(jīng)開發(fā)出了適用于未來產(chǎn)品的具有1/6英寸或者更小光學(xué)器件的數(shù)碼相機(jī)。像素的典型數(shù)目從三百萬像素到五百萬像素。此外，已經(jīng)開發(fā)出適用于未來產(chǎn)品的具有六百萬像素的數(shù)碼相機(jī)。
在具有減小的光接收區(qū)域和增大的像素?cái)?shù)目的固態(tài)攝像器件中，需要采用新技術(shù)防止固態(tài)攝像器件基本特性之一的感光靈敏度的降低，以及防止相鄰像素之間混色、色彩不均勻、線條色調(diào)不均勻、黑瑕疵等。
即，只要增加像素?cái)?shù)目而不減小像素的尺寸，那么芯片的尺寸就會增大，并且固態(tài)攝像器件的尺寸也增大。因此，在不減小像素尺寸的情況下，不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)尺寸的減小和像素?cái)?shù)目的增加。通常，當(dāng)像素尺寸減小時(shí)，由光電二極管所代表的光電轉(zhuǎn)換元件的尺寸相應(yīng)的減小。從而，不能避免感光靈敏度的降低。由此，已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種對策來提高感光靈敏度。已經(jīng)提出了關(guān)于結(jié)構(gòu)及制造方法的各種想法，典型的如在像素上形成的微透鏡。
像素尺寸的減小(小型化)不僅使得感光靈敏度降低而且由于濾色片層而使得各種色彩特性變差。即，通常濾色片層的尺寸精度隨著像素尺寸的減小而變差，因此，固態(tài)攝像器件的特性變差從而產(chǎn)生相鄰像素之間混色、線條色調(diào)不均勻、感光靈敏度不同、色彩不均勻等。
通常，濾色片層由所謂的“染色型”材料形成。染色型材料為通過諸如凝膠、酪蛋白、聚乙烯醇等的水溶性聚合體(water-soluble polymer)與諸如鉻酸鹽、重鉻酸鹽等的光敏交聯(lián)劑混合制備的光敏材料。染色型材料用酸性染料等染色。為了形成染色型材料的濾色片層，在第一步中，使用光敏材料執(zhí)行涂布、曝光和顯影以形成圖案。然后，用酸性染料等對產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)進(jìn)行染色，然后用丙烯酸膜形成抗染色層(anti-dyeing layer)，從而制成濾色片層?；蛘撸谥瞥蔀V色片層之前，使用丹寧酸等在染色后的光敏材料膜上進(jìn)行抗染色處理來代替設(shè)置抗染色層。
目前，由所謂的“顏料分散”型材料形成的濾色片比染色型濾色片更為流行。顏料分散型材料是通過在粘結(jié)樹脂(binder resin)中分散顏料并向其中添加用于提供感光靈敏性的交聯(lián)劑來制備的材料。顏料分散型材料可以作為通常使用的抗蝕劑進(jìn)行諸如涂布、曝光和顯影等處理，以形成圖案，從而制成濾色片層。這種顏料分散型材料的濾色片層與傳統(tǒng)材料相比可以形成更薄的層并且具有極好的耐熱性、耐光性和耐化學(xué)性。此外，使用這種材料可以簡化制造工序。
對染色型濾色片層和顏料分散型濾色片層進(jìn)行比較，染色型濾色片層具有下述特點(diǎn)。
染色型濾色片層的優(yōu)點(diǎn)是多種可用的染料，并且因此具有對于光譜特性的高選擇靈活性。此外，由于染料本身不是顆料形式，所以當(dāng)這種染色型材料用于濾色片層時(shí)黑瑕疵的發(fā)生率降低。
染色型濾色片層的缺點(diǎn)是為了獲得期望的光譜特性而需要膜足夠厚。為此，清晰度變差，并且這在更精細(xì)圖案的形成中是不利的。至于耐久性(耐熱性、耐光性和耐化學(xué)性等)，染色型材料不如顏料分散型材料。此外，染色步驟和抗染色步驟是必須的。因此，制造工序變得更長，并且存在許多改變光譜特性的因素，例如，濃度、溫度、pH、時(shí)間等。
現(xiàn)在主要使用顏料分散型濾色片層，其至少作為染色型濾色片缺點(diǎn)的一個(gè)解決方案。然而，決定光譜特性的著色劑是顆料形式，因此由于像素尺寸的減小黑瑕疵的數(shù)目非常大，從而使得顏料分散型濾色片不如染色型濾色片。
由此，為了改善由于顏料分散型濾色片層可能出現(xiàn)的黑瑕疵，已經(jīng)開發(fā)出了所謂的“含染料型”材料并且實(shí)際用于一些器件中。含染料型材料是一種通過在粘結(jié)樹脂中分散染料并向其中添加用于提供感光靈敏性的交聯(lián)劑來制備的材料。
當(dāng)使用含染料型濾色片層時(shí)，可以改善黑瑕疵，并且另外，制造工序中不需要抗染色步驟。從而，含染料型濾色片層可以通過與顏料分散型濾色片層基本相同的工序形成。然而，含染料型濾色片層在減小薄膜厚度和耐久性(耐熱性、耐光性和耐化學(xué)性等)方面不如顏料分散型濾色片層。
如上所述，固態(tài)攝像器件中芯片上濾色片層的重要性一直在增加，并且需要可以克服諸如混色、線條色調(diào)不均勻、色彩不均勻、黑瑕疵等缺陷的技術(shù)。在傳統(tǒng)的固態(tài)攝像器件中，根據(jù)應(yīng)用而選擇性地使用染色型、顏料分散型和含染料型濾色片層。然而這些濾色片層中沒有一種可以克服所有缺陷。
在這種情況下，研究人員已經(jīng)研究消除上述材料的缺陷。例如，已經(jīng)提出了一種形成染色型濾色片層(第一濾色片層)和位于染色型濾色片層上的顏料分散型濾色片層(第二濾色片層)的方法。下面說明具有這種分層的濾色片(layered color filter)的傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10。
圖6所示為傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10的截面圖，其示意性示出了光電轉(zhuǎn)換元件及其外圍元件的結(jié)構(gòu)。
使用例如N-型半導(dǎo)體襯底11形成傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10。在N-型半導(dǎo)體襯底11上是P-型阱層12。在P-型阱層12上是構(gòu)成N-型半導(dǎo)體層的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件13。
傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10包括覆蓋P-型阱層12和光電轉(zhuǎn)換元件13的柵絕緣膜14以及形成在柵絕緣膜14上用于傳輸信號的傳輸電極15。傳輸電極15設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件13之間的間隙區(qū)域上方。
傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10還包括覆蓋傳輸電極15的層間絕緣膜16以及覆蓋層間絕緣膜16并且防止光照在傳輸電極15上的遮光膜17。
傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件10還包括覆蓋柵絕緣膜14和遮光膜17的表面保護(hù)膜18和用于補(bǔ)償由傳輸電極15產(chǎn)生的凸面/凹面的第一透明平整膜21a。
在第一透明平整膜21a上是第一濾色片層19。第一濾色片層19具有用于各自像素的預(yù)定顏色。例如，第一濾色片層19包括第一綠濾色片部分19G、第一藍(lán)濾色片部分19B和第一紅濾色片部分19R。
在第一濾色片層19上是第二濾色片層20。第二濾色片層20也具有用于各個(gè)像素的預(yù)定顏色。例如，第二濾色片層20包括第二綠濾色片部分20G、第二藍(lán)濾色片部分20B和第二紅濾色片部分20R。在各像素中，第一濾色片層19和第二濾色片層20具有相同顏色的濾色部分。
在第二濾色片層20上是在整個(gè)結(jié)構(gòu)上方提供平坦表面的第二透明平整膜21b。在第二透明平整膜21b上是用于提高集光效率的芯片上微透鏡22。微透鏡22與像素一一對應(yīng)。
在固態(tài)攝像器件10中，第一濾色片層19是染色型濾色片層，而第二濾色片層20是顏料分散型濾色片層。具有這種結(jié)構(gòu)，通過在染色型濾色片層上重疊顏料分散型濾色片層可以消除染色型濾色片層在耐熱性、耐光性和耐化學(xué)性方法的缺陷。
例如在日本早期公開的專利號為No.5-119211的專利申請中公開了這種分層的濾色片。
然而，上述傳統(tǒng)技術(shù)具有下述缺陷。
在固態(tài)攝像器件10的制造工序中，染色型濾色片層的第一濾色片層19是通過涂布染色型材料、由曝光和顯影形成圖案以及染色和抗染色步驟形成的。顏料分散型濾色片層的第二濾色片層20是通過在第一濾色片層19上涂布顏料分散型材料并且由曝光和顯影形成圖案的步驟形成。
即，涂布、曝光和顯影步驟執(zhí)行兩次(即分別對兩層濾色片層執(zhí)行)。這里，第一濾色片層19和第二濾色片層20采用不同的顯影液。具體地說，用于染色型濾色片層的顯影液是純水，而用于顏料分散型濾色片層的顯影液是有機(jī)堿性溶液。
由于曝光步驟執(zhí)行兩次，掩模不對準(zhǔn)的可能性增大。因此，很難形成具有濾色片所需精度的圖案。即，在兩濾色片層之間可能發(fā)生未對準(zhǔn)。因此，不能完全克服色彩不均勻、線條色調(diào)不均勻、相鄰像素之間混色等問題。
在如圖6所示的固態(tài)攝像器件10中，第一濾色片層19和第二濾色片層20之間的色邊界未對準(zhǔn)。例如，第一綠濾色片部分19G和第一藍(lán)濾色片部分19B之間的邊界與第二綠濾色片部分20G和第二藍(lán)濾色片部分20B之間的邊界不一致。
因此，例如，如圖中箭頭所示，斜射到固態(tài)攝像器件10上的光30在到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件13之前通過了不同的顏色(第二綠濾色片部分20G和第一藍(lán)濾色片部分19B)。
此外，為了補(bǔ)償表面保護(hù)膜和濾色片層之間的粘著不充分，通常在表面保護(hù)膜和濾色片層之間設(shè)置透明平整膜。因此，在光電轉(zhuǎn)換元件上形成的層的總厚度增加(光電轉(zhuǎn)換元件和微透鏡之間的距離增加)。從而，由于斜射光而使混色增加，并且入射角依賴性變差。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種包括具有極好光譜特性和耐久性的濾色片的固態(tài)攝像器件，其包括至少兩層濾色片層并且沒有圖案未對準(zhǔn)，其中可以消除相鄰像素間的混色、線條色調(diào)不均勻、色彩不均勻等。本發(fā)明另一目的是提供一種穩(wěn)定制造該固態(tài)攝像器件的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種固態(tài)攝像器件包括以矩陣形式排列的多個(gè)像素，所述多個(gè)像素中每一個(gè)包括襯底；用于將光轉(zhuǎn)換為電荷的光電元件；以及形成在所述光電元件上并用于分色的濾色片，其中，所述濾色片是包括含染料型濾色片層和形成在所述含染料型濾色片上的顏料分散型濾色片層的分層濾色片，所述含染料型濾色片層和所述顏料分散型濾色片層具有相同的色相。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像器件，所述濾色片包括光譜特性好而諸如耐熱性、耐光性、耐化學(xué)性等的耐久性差的含染料型濾色片層以及位于含染料型濾色片層上的耐久性好的顏料分散型濾色片層。從而，本發(fā)明的固態(tài)攝像器件包括光譜特性和耐久性都很好的分層濾色片，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性。本發(fā)明的固態(tài)攝像器件由于重疊了兩種類型的濾色片層而在光譜特性方面具有高靈活性。最優(yōu)選地是含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片層具有相同的色相，但是只要這些濾色片層具有相似的色相就可以使用。
與顏料分散型濾色片層相比，含染料型濾色片層對于光電轉(zhuǎn)換元件具有更強(qiáng)的粘著力。因此，可以省去在顏料分散型濾色片層中所必須的透明平整膜。因此，可以減小形成在光電轉(zhuǎn)換元件上的結(jié)構(gòu)的厚度。因此，可以提高感光靈敏度和入射角依賴性。
例如，顏料分散型濾色片層具有在粘結(jié)樹脂中分散有大約與粘結(jié)樹脂相同量的顏料的結(jié)構(gòu)。通常，顏料是不具有粘性。從而，具有粘性的粘結(jié)樹脂與光電轉(zhuǎn)換元件相接觸的區(qū)域減小，并且顏料分散型濾色片層比含染料型濾色片層具有更差的粘著性。在含染料型濾色片層的情況下，由于染料溶解在具有粘性的粘結(jié)樹脂中，所以可以保證粘著性。
含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片層具有一致的平面形狀并且其間沒有偏移的重疊。從而，分層濾色片具有高的尺寸精度并且即使在斜射光的情況下也可以避免影響相鄰像素的濾色片層。因此，與傳統(tǒng)器件相比，可以防止混色，并且可以改善色彩不均勻性和線條色調(diào)的不均勻性。
優(yōu)選地，所述含染料型濾色片層的厚度比所述顏料分散型濾色片層的厚度大。
具有上述結(jié)構(gòu)，具有極好光譜特性的含染料型濾色片層主要起分色的作用。在含染料型濾色片上形成具有極好耐久性的顏料分散型濾色片層，從而提高分層濾色片的耐久性。
優(yōu)選地，所述含染料型濾色片層的折射率比所述顏料分散型濾色片層的折射率小。
具有上述結(jié)構(gòu)，分層濾色片的下層(含染料型濾色片層)的折射率比上層(顏料分散型濾色片層)的折射率小。因此，當(dāng)入射光穿過上層和下層之間的界面時(shí)，入射光向著使相對于光電轉(zhuǎn)換元件的入射角增加的方向折射。從而，能夠收集到來自遠(yuǎn)離光電轉(zhuǎn)換元件中央的位置的光。因此，可以提高固態(tài)攝像器件的感光靈敏性。
優(yōu)選地，該固態(tài)攝像器件還包括位于襯底上用于傳輸所述光電元件產(chǎn)生的電荷的電荷傳輸部分。所述電荷傳輸部分在光電轉(zhuǎn)換元件上方形成凹陷，并且所述凹陷中填充有分層濾色片。
與形成透明平整膜以覆蓋電荷傳輸部分和光電轉(zhuǎn)換元件并且在透明平整膜上形成濾色片層的情況相比，具有上述結(jié)構(gòu)，形成在光電轉(zhuǎn)換元件上的結(jié)構(gòu)的厚度更小。從而，可以提高感光靈敏度并且改善入射角依賴性。此外，由于形成分層濾色片以填充凹陷，所以可以容易形成與各光電轉(zhuǎn)換元件相對應(yīng)并且具有高尺寸精度的濾色片層。
優(yōu)選地，固態(tài)攝像器件還包括設(shè)置在所述分層濾色片上用于平整所述濾色片的透明膜，其中，所述透明膜的折射率比所述分層濾色片的折射率小。
具有上述結(jié)構(gòu)，可以平整分層濾色片的不規(guī)則表面。從而，能夠在透明膜上形成具有更高精度的微透鏡。此外，由于透明膜的折射率比分層濾色片的折射率小，所以當(dāng)入射光經(jīng)過上層和下層之間界面時(shí)發(fā)生朝向使相對于光電轉(zhuǎn)換元件的入射角減小的方向折射。因此，穿過分層濾色片的光路徑縮短，并且被分層濾色片吸收的光量減少。從而，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件的光量增加。
優(yōu)選地，固態(tài)攝像器件還包括所述透明膜上的微透鏡，其中所述微透鏡的折射率比所述透明膜的折射率大。
具有上述結(jié)構(gòu)，微透鏡收集光，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件的光量增加，并且感光靈敏度提高。當(dāng)微透鏡的折射率比透明膜的折射率大時(shí)這種效果還可以提高。即，由于當(dāng)入射光穿過微透鏡和透明膜之間的界面時(shí)，入射光朝著使相對于光電轉(zhuǎn)換元件的入射角增加的方向折射，所以能夠收集到來自遠(yuǎn)離光電轉(zhuǎn)換元件中央位置的光。
在不含有顆粒形式的顏料的含染料型濾色片層上形成含有顆粒形式的顏料的顏料分散型濾色片層，并且在顏料分散型濾色片層上形成微透鏡。顏料分散型濾色片層和微透鏡之間的距離縮短，從而穿過顏料分散型濾色片層的光斑(spot of light)的直徑增加。因此，由含在顏料分散型濾色片層中的顏料顆粒引起的光遮斷(interruption)減少。從而，黑瑕疵減少。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種固態(tài)攝像器件的制造方法，包括步驟在襯底上形成用于將光轉(zhuǎn)換為電荷的光電元件；以及在所述光電元件上形成用于分色的分層濾色片，其中所述形成分層濾色片的步驟包括形成含染料型材料的第一材料膜，以及形成在所述第一材料膜上的顏料分散型材料的第二材料膜，以及在顯影所述第一材料膜和所述第二材料膜之前同時(shí)曝光所述第一材料膜和所述第二材料膜。
根據(jù)該固態(tài)攝像器件的制造方法，在分層濾色片的制造中，首先形成含染料型材料膜，然后在含染料型材料膜上方形成顏料分散型材料膜。此后，對兩層膜同時(shí)進(jìn)行曝光然后進(jìn)行顯影。從而，形成包括含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片層的分層濾色片而避免位置偏移。
如果像傳統(tǒng)方法那樣在不同的膜形成、曝光和顯影步驟中分開形成含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片層，則由于掩模的未對準(zhǔn)等很可能發(fā)生位置偏移。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法，通過一輪曝光和顯影步驟形成圖案，從而不會發(fā)生偏移。
這里，用不同的條件對含染料型材料膜(第一材料膜)和顏料分散型材料膜進(jìn)行顯影處理。例如，對于第一材料膜和第二材料膜的顯影速度不同，首先用顯影速度快的顯影液進(jìn)行顯影，然后用顯影速度慢的顯影液進(jìn)行顯影。另外，相同的顯影液也可以用于第一和第二材料膜，但是第一材料膜在室溫下進(jìn)行顯影而第二材料膜在高溫下進(jìn)行顯影。在這種情況下，例如，設(shè)置用于供應(yīng)顯影液所需的噴嘴從而使得不需要增加工序步驟。
優(yōu)選地，在所述形成光電轉(zhuǎn)換元件的步驟之后并且在所述形成分層濾色片的步驟之前，該制造方法還包括在所述襯底上形成用于傳輸由所述光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的所述電荷的電荷傳輸部分的步驟，其中所述電荷傳輸部分在所述光電元件上方形成凹陷，以及所述形成分層濾色片的步驟包括形成分層濾色片以填充在所述凹陷中。
通過上述方法，在襯底上方，通過光電轉(zhuǎn)換部分上方的光電傳輸部分形成凹陷。然后，形成分層濾色片以填充凹陷。從而，可以容易地在光電轉(zhuǎn)換元件上方形成具有高精確度的分層濾色片。
優(yōu)選地，該制造方法還包括在所述分層濾色片上形成用于集光的微透鏡的步驟。
通過上述方法，由于用于集光的微透鏡，可以制造本發(fā)明具有高集光效率的固態(tài)攝像器件。
如上所述，本發(fā)明的固態(tài)攝像器件具有包括含染料型濾色片層和形成在含染料型濾色片層上并且與含染料型濾色片層具有相同色相的顏料分散型濾色片層的分層濾色片。在這種結(jié)構(gòu)中，在光譜特性更好而耐久性差的含染料型濾色片層上形成耐久性好的顏料分散型濾色片層。因此，該固態(tài)攝像器件具有光譜特性和耐久性都好的濾色片。此外，可以形成沒有偏移的雙層膜。因此，可以防止由于斜射光引起的混色、可以改善線條色調(diào)不均勻性并且減小色彩不均勻性。此外，形成微透鏡使得微透鏡和顏料分散型濾色片層之間距離縮短。從而，可以減小黑瑕疵。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像器件的制造方法，在一個(gè)曝光步驟中曝光含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片然后進(jìn)行顯影。因此，這些層可形成為具有高尺寸精度而沒發(fā)生掩模未對準(zhǔn)。通過這種方法，可以制造本發(fā)明的固態(tài)攝像器件。這種固態(tài)攝像器件可以具有高尺寸精度的濾色片，在該濾色片中在含染料型濾色片層上形成有顏料分散型濾色片層，并且這種固態(tài)攝像器件可以用作具有小尺寸像素的固態(tài)攝像器件。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件截面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件中集光量的增加與元件的折射率之間的關(guān)系；圖3A、圖3B和圖3C所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件的制造工序中分層濾色片的形成方法；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件的制造工序中的步驟，在該步驟中完成表面保護(hù)膜108和先前形成的元件；圖5所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件的制造工序中的步驟，在該步驟中完成包括綠含染料型濾色片部分109G和綠顏料分散型濾色片部分110G的第一濾色片層和先前形成的元件；以及圖6所示為傳統(tǒng)固態(tài)攝像器件截面結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面說明本發(fā)明的固態(tài)攝像器件及其制造方法。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件截面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖1示出了三個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件的區(qū)域。
如圖1所示，本發(fā)明的固態(tài)攝像器件100是用N-型半導(dǎo)體襯底101(第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底)形成的。固態(tài)攝像器件100包括位于N-型半導(dǎo)體襯底101上的P-型阱102(第二導(dǎo)電型阱)以及位于P-型阱102上的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件103(N-型半導(dǎo)體區(qū))。雖然沒有示出，但是可以理解光電轉(zhuǎn)換元件103在N-型半導(dǎo)體襯底101上方按矩陣形式排列。相反，根據(jù)本發(fā)明的第一導(dǎo)電型可以是P-型，而第二導(dǎo)電型可以為N-型。
固態(tài)攝像器件100還包括覆蓋P-型阱102和光電轉(zhuǎn)換元件103的柵絕緣膜104以及形成在柵絕緣膜104上的傳輸電極105。傳輸電極105設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件103之間的間隙區(qū)域上方。傳輸電極105由例如多晶硅形成，但是本發(fā)明并不限于此。
固態(tài)攝像器件100還包括覆蓋傳輸電極105的層間絕緣膜106以及覆蓋層間絕緣膜106的遮光膜107。固態(tài)攝像器件100還包括覆蓋光電轉(zhuǎn)換元件103和遮光膜107的表面保護(hù)膜108。這里，遮光膜107由例如鎢形成。表面保護(hù)膜108由例如氮氧化硅(SiON)形成。
在柵絕緣膜104上方，傳輸電極105、層間絕緣膜106和遮光膜107具有圍繞光電轉(zhuǎn)換元件103的平坦結(jié)構(gòu)。因此，在光電轉(zhuǎn)換元件103上方形成凹陷。在光電轉(zhuǎn)換元件103上方，形成含染料型濾色片層109以填充這些凹陷，從而使得柵絕緣膜104位于光電轉(zhuǎn)換元件103和含染料型濾色片層109之間。在含染料型濾色片層109上是顏料分散型濾色片層110。含染料型濾色片層109和顏料分散型濾色片層110構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)的分層濾色片。
含染料型濾色片層109包括綠含染料型濾色片部分109G、藍(lán)含染料型濾色片部分109B和紅含染料型濾色片部分109R。各光電轉(zhuǎn)換元件103對應(yīng)于預(yù)定顏色的含染料型濾色片部分。
顏料分散型濾色片層110包括綠顏料分散型濾色片部分110G、藍(lán)顏料分散型濾色片部分110B和紅顏料分散型濾色片部分110R。各顏料分散型濾色片部分對應(yīng)于其下方的含染料型濾色片層109中具有相同顏色的含染料型濾色片部分。
設(shè)置透明平整膜111以覆蓋表面保護(hù)膜108和顏料分散型濾色片層110，從而在結(jié)構(gòu)上方提供平坦表面。在透明平整膜111上是用于提高集光效率的芯片上微透鏡112。微透鏡112與光電轉(zhuǎn)換元件103一一對應(yīng)。
如上所述，在固態(tài)攝像器件100中，分層濾色片包括含染料型濾色片層109和形成在其上的顏料分散型濾色片層110。從而，分層濾色片具有含染料型濾色片層的優(yōu)點(diǎn)。即，由于含染料型濾色片層具有極好的光譜特性并且含有的染料不是顆粒形式，在該層中會產(chǎn)生更少數(shù)目的黑瑕疵。同時(shí)，通過具有極好耐久性的顏料分散型濾色片層可以改善含染料型濾色片層的缺點(diǎn)，即，耐久性差(例如，耐光性、耐熱性、耐化學(xué)性)。
由于顏料分散型濾色片層110比含染料型濾色片層109更靠近微透鏡112，所以在顏料分散型濾色片層110中由微透鏡112收集的光斑的直徑相對更大，而在含染料型濾色片層109中由微透鏡112收集的光斑的直徑相對更小，黑瑕疵減少。
由于形成在表面保護(hù)膜108上的含染料型濾色片層109比顏料分散型濾色片層對表面保護(hù)膜具有更強(qiáng)的粘著性，因此不再需要在表面保護(hù)膜108上方所需設(shè)置的透明平整膜。
因此，光電轉(zhuǎn)換元件103和微透鏡112之間的距離縮短。換句話說，光電轉(zhuǎn)換元件103和微透鏡112之間的結(jié)構(gòu)厚度減小。
如上所述，濾色片層由傳輸電極105埋在光電轉(zhuǎn)換元件103上方形成的凹陷中。從而，可以容易地形成濾色片層并且具有高的尺寸精度。
具有如上結(jié)構(gòu)，可以提高感光靈敏度，防止由于斜射光而引起的相鄰像素之間的混色，消除靈敏性變化、線條色調(diào)不均勻和色彩不均勻。此外，可以改善入射角依賴性。
當(dāng)含染料型濾色片層109具有比顏料分散型濾色片層110的折射率小的折射率時(shí)(例如，由具有比顏料分散型濾色片層110的折射率小的折射率的材料形成時(shí))，集光效率提高。當(dāng)透明平整膜111的折射率比顏料分散型濾色片層110的折射率小時(shí)，導(dǎo)入光電轉(zhuǎn)換元件103的光量增加。通過使微透鏡112的折射率比透明平整膜111的折射率大也可以增加集光效率。下面參照圖2說明這些結(jié)構(gòu)。
圖2所示為入射到固態(tài)攝像器件100的微透鏡112上的光151在靠近其外圍邊緣位置(比光電轉(zhuǎn)換元件103更向外的位置)的路徑。
第一，考慮微透鏡112、透明平整膜111、顏料分散型濾色片層110和含染料型濾色片層109在折射率方面具有上述關(guān)系的情況。在這種情況下，入射光151穿過由實(shí)線所示的路徑到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件103。
首先，入射光151被微透鏡112折射向光電轉(zhuǎn)換元件103的中央。然后，由于微透鏡112比透明平整膜111具有更大的折射率，所以光151被微透鏡112與透明平整膜111之間的界面進(jìn)一步折射向光電轉(zhuǎn)換元件103的中央。同樣，由于顏料分散型濾色片層110比含染料型濾色片層109具有更大的折射率，所以入射光在顏料分散型濾色片層110和含染料型濾色片層109之間的界面被折射向光電轉(zhuǎn)換元件103的中央。兩結(jié)構(gòu)都能夠收集來自遠(yuǎn)離光電轉(zhuǎn)換元件103位置的光并且能夠提高集光效率。這里，如果關(guān)于折射率的這些關(guān)系相反，光151將被折射向遠(yuǎn)離光電轉(zhuǎn)換元件103的方向。因此，集光效率可能降低。
由于透明平整膜111比顏料分散型濾色片層110具有更小的折射率，所以光151在透明平整膜111和顏料分散型濾色片層110之間的界面被折射向使光151對于光電轉(zhuǎn)換元件103的入射角更小的方向。因此，光穿過分層濾色片(顏料分散型濾色片層110和含染料型濾色片層109)的路徑變短。因此，被分層濾色片吸收的光量減小。從而，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件103的光量增加。這條路徑如圖2中實(shí)線所示。
當(dāng)透明平整膜111的折射率比顏料分散型濾色片層110的折射率大(其他情況與該實(shí)施方式相同)的相反情況如圖2中虛線所示。在這種情況下，光也在透明平整膜111和顏料分散型濾色片層110之間的界面被折射向光電轉(zhuǎn)換元件103的中央。在收集入射到微透鏡112的靠近其邊緣位置的光以使其到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件103方面這條路徑是極佳的。然而，在分層濾色片中光路徑比該實(shí)施方式長。因此，由分層濾色片吸收的光量增加。從而，收集到的光量比該實(shí)施方式的少。
如上所述，在微透鏡112與其下面的層具有如上所述的本實(shí)施方式的折射率關(guān)系的情況時(shí)，能夠收集到入射到微透鏡112靠近其邊緣位置上的光，并且同時(shí)分層濾色片吸收的光量減少。因此，導(dǎo)入光電轉(zhuǎn)換元件103的收集到的光總量增加。
從而，本實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件100能夠攝像具有高質(zhì)量的圖片。
接著，參照

根據(jù)本實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件100的制造方法。首先，說明形成其間沒有未對準(zhǔn)的含染料型濾色片層和顏料分散型濾色片層的方法。
圖3A、圖3B和圖3C所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式在固態(tài)攝像器件的制造工序中形成分層濾色片的方法。
參照圖3A，第一步，在分層的結(jié)構(gòu)201上形成第一光敏材料膜202，然后，在第一光敏材料膜202上形成第二光敏材料膜203。應(yīng)該注意，第一光敏材料膜202可以是含染料型濾色片層，而第二光敏材料膜203可以是顏料分散型濾色片層。雖然未具體示出，分層的結(jié)構(gòu)201可是包括在襯底上形成的用于形成固態(tài)攝像器件的光電轉(zhuǎn)換元件及其他元件。
參照圖3B，然后使用掩模204對形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光。如果第一光敏材料膜202和第二光敏材料膜203為負(fù)型光敏材料，則只有曝光的部分變成不可溶的。形成的結(jié)構(gòu)經(jīng)過顯影處理，從而形成如圖3C所示的第一圖案202a和第二圖案203a。
按照傳統(tǒng)技術(shù)，形成第一光敏材料膜202并且經(jīng)過曝光和顯影以形成第一圖案202a，然后形成第二光敏材料膜203并且經(jīng)過曝光和顯影以形成第二圖案203a。從而，通過執(zhí)行兩次掩模對準(zhǔn)步驟而引起的未對準(zhǔn)使得第一圖案202a和第二圖案203a之間的尺寸(位置、大小等)偏移。
根據(jù)本發(fā)明的方法，分層的第一光敏材料膜202和第二光敏材料膜203被同時(shí)曝光并且接著進(jìn)行顯影。從而，可以形成具有高尺寸精度的第一圖案202a和第二圖案203a而不發(fā)生偏移。
上述方法并不局限于濾色片層的形成，而是可應(yīng)用于由兩個(gè)或者兩個(gè)以上光敏材料層構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)的形成。分層結(jié)構(gòu)201并不局限于任何具體結(jié)構(gòu)，而可以是簡單的半導(dǎo)體襯底。
在顯影步驟中，第一光敏材料膜202和第二光敏材料膜203可以在不同的條件下逐層依次進(jìn)行顯影。例如，采用僅對第二光敏材料膜203有效的第一顯影液對第二光敏材料膜203進(jìn)行顯影，然后再采用僅對第一光敏材料膜202有效的第二顯影液對第一光敏材料膜202進(jìn)行顯影。在這個(gè)工序中，通過提供具有多個(gè)顯影液供應(yīng)噴嘴的顯影設(shè)備可以防止步驟數(shù)目的增加。
接著，參照圖4和圖5并結(jié)合圖1說明固態(tài)攝像器件100的制造方法。
圖4所示為在圖1所示固態(tài)攝像器件100的制造工序中已經(jīng)形成了表面保護(hù)膜108及其下面的元件。
為了制造固態(tài)攝像器件100，第一步，例如，向N-型半導(dǎo)體襯底101中注入P-型雜質(zhì)以形成P-型阱102。然后，向P-型阱102的表面注入N-型雜質(zhì)以形成以矩陣結(jié)構(gòu)排列的光電轉(zhuǎn)換元件(N-型半導(dǎo)體層)103。
隨后，形成柵絕緣膜104以覆蓋P-型阱102和光電轉(zhuǎn)換元件103。然后，在柵絕緣膜104上方對導(dǎo)電多晶硅構(gòu)圖以形成傳輸電極105。然后，形成層間絕緣膜106以覆蓋傳輸電極105使得傳輸電極105電絕緣，而由鎢等形成遮光膜107以覆蓋層間絕緣膜106。
接著，用諸如BPSG(硼磷硅玻璃)、SiON等通過熱流工藝(thermal flowprocess)形成表面保護(hù)膜108以覆蓋柵絕緣膜104和遮光膜107的表面。
在該實(shí)施例中，在柵絕緣膜104上方，傳輸電極105具有圍繞光電轉(zhuǎn)換元件103的平坦形狀。因此，在圖4中形成有層間絕緣膜106、遮光膜107和表面保護(hù)膜108的狀態(tài)下，在光電轉(zhuǎn)換元件103上方存在由傳輸電極105圍繞形成的凹陷(洞)120。
此后，雖然未示出，但是用鋁合金等形成導(dǎo)線，并且形成SiON膜、電極的結(jié)合區(qū)(bonding pad)等。
圖5示出了已經(jīng)形成有用于一種顏色的雙層濾色片。具體地說，圖5示出了由綠含染料型濾色片部分109G和綠顏料分散型濾色片部分110G構(gòu)成的分層膜埋在圖4中的凹陷120其中之一的示意圖。下面說明形成這種結(jié)構(gòu)的步驟。
首先，為了增強(qiáng)分層濾色片及其下面的表面保護(hù)膜108之間的粘著性，氣相涂布(vapor-apply)HMDS(六甲基二硅胺烷)以在表面保護(hù)膜108中對應(yīng)于凹陷120的底部和側(cè)壁的部分上形成膜?？梢岳斫猓灰梢员ＷC表面保護(hù)膜108和含染料型濾色片層109之間足夠的粘著力，可以省略HMDS膜。
然后，涂布綠含染料型濾色片部分109G的材料(含染料型彩色抗蝕劑)，然后涂布綠顏料分散型濾色片部分110G的材料(顏料分散型彩色抗蝕劑)。因此，得到由含染料型濾色片材料和顏料分散型濾色片材料構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。
然后，采用指定的掩模對含染料型彩色抗蝕劑膜和顏料分散型彩色抗蝕劑膜同時(shí)進(jìn)行曝光，從而在預(yù)定部分形成濾色片層。然后，進(jìn)行包括后烘焙(熱處理)的顯影工序，從而在預(yù)定位置形成由綠含染料型濾色片部分109G和綠顏料分散型濾色片部分110G構(gòu)成的分層濾色片。
可以理解，兩濾色片層，即綠含染料型濾色片部分109G和綠顏料分散型濾色片部分110G，優(yōu)選地具有相同的色相。然而，只要這些濾色片層的光譜特性相似，這些濾色片層也可以具有不同的色相。
在位于光電轉(zhuǎn)換元件103上方的預(yù)定凹陷120中以與上述形成綠分層濾色片相同的方式形成藍(lán)分層濾色片和紅分層濾色片。對于藍(lán)分層濾色片，將用于藍(lán)含染料型濾色片部分109B的藍(lán)含染料型材料膜和用于藍(lán)顏料分散型濾色片部分110B的藍(lán)顏料分散型材料膜形成為分層結(jié)構(gòu)。這些分層的膜采用預(yù)定掩模同時(shí)曝光。產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)經(jīng)過顯影和后烘焙處理，從而在預(yù)定位置處形成藍(lán)分層濾色片。對于紅分層濾色片進(jìn)行相同的處理。
在本實(shí)施方式中，按照綠、藍(lán)和紅的順序形成分層的濾色片，但是本發(fā)明并不局限于該順序。
在形成全部所需顏色的分層濾色片以后，形成透明平整膜111。在這個(gè)步驟中，例如，將主要包含壓克力樹脂的熱固性樹脂涂布在部分表面保護(hù)膜108上，該熱固性樹脂位于顏料分散型濾色片層110和傳輸電極105上方。對生成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后烘焙以完成透明平整膜111。進(jìn)行這種熱固性透明樹脂的幾次涂布和后烘焙從而使得在形成顏料分散型濾色片層110之后得到的結(jié)構(gòu)表面平坦。
為了提高感光靈敏度，優(yōu)選地，光電轉(zhuǎn)換元件103和微透鏡112之間的距離要短。為了縮短該距離，只要能夠保持表面的平坦性，優(yōu)選地，對形成的透明平整膜111向下蝕刻(etched back)以盡可能地減小其厚度。
之后，在透明平整膜111上面位于各自光電轉(zhuǎn)換元件103上方的位置處形成微透鏡112。首先，在透明平整膜111上涂布主要含有諸如酚醛樹脂的正型光敏熱固性透明樹脂。然后，對產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)經(jīng)過曝光和顯影(包括漂白和后烘焙)以形成向上凸起的微透鏡112。這里，“漂白”表示通過紫外線照射來提高微透鏡112透光率的處理。
另外，也可以在涂布透明樹脂之后再涂布感光樹脂，并且對產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光、顯影和熱流處理，從而首先形成要被轉(zhuǎn)移的微透鏡圖案。之后，通過使用各向異性蝕刻技術(shù)的公知方法可以形成透明樹脂的微透鏡112。
這里，為了防止分層濾色片(含染料型濾色片層109和顏料分散型濾色片層110)的光譜特性退化，用于微透鏡112的后烘焙溫度優(yōu)選地為200℃或更低。
優(yōu)選地，透明平整膜111的折射率比分層濾色片的折射率小。微透鏡112的折射率優(yōu)選地比透明平整膜111的折射率大。含染料型濾色片層109的折射率優(yōu)選地比顏料分散型濾色片層110的折射率小。具有這種結(jié)構(gòu)，用于光電轉(zhuǎn)換元件103的入射到微透鏡112上的光的集光效率提高。
通過上述工序，制成本實(shí)施方式的固態(tài)攝像器件100。
如上所述，通過包括曝光、顯影等一輪形成工序同時(shí)形成含染料型濾色片層109和顏料分散型濾色片層110，以填充位于光電轉(zhuǎn)換元件103上方的凹陷120。從而，形成具有所需尺寸精度而沒有產(chǎn)生未對準(zhǔn)的分層濾色片。因此，可以消除由于斜射光引起的相鄰像素之間的混色、色彩不均勻、線條色調(diào)不均勻(感光靈敏度變化)等。
在本實(shí)施方式中，已經(jīng)說明了已經(jīng)要求優(yōu)先權(quán)的用在固態(tài)攝像器件中提供色調(diào)的原色(RGB)濾色片層的形成，但是本發(fā)明并不局限于此。例如，本發(fā)明用于已經(jīng)要求優(yōu)先權(quán)的在固態(tài)攝像器件中提供清晰度和靈敏度的補(bǔ)償濾色片層。這種情況下，用于洋紅光的濾色片層、用于綠光的濾色片層、用于黃光的濾色片層和用于藍(lán)綠光的濾色片層按公知的色彩結(jié)構(gòu)(colorconfiguration)排列。
在本實(shí)施方式中，在固態(tài)攝像器件100為CCD固態(tài)攝像器件的前提下進(jìn)行說明，但是本發(fā)明并不局限于此。例如，固態(tài)攝像器件100可以是例如MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)型等增強(qiáng)型固態(tài)攝像器件等。本發(fā)明也還可以應(yīng)用于其他類型的固態(tài)攝像器件。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)攝像器件，包括以矩陣排列的多個(gè)像素，所述多個(gè)像素中的每一個(gè)包括襯底；光電元件，用于將光轉(zhuǎn)換為電荷；以及濾色片，形成在所述光電元件上并用于分色，其中，所述濾色片是包括含染料型濾色片層和形成在該含染料型濾色片上的顏料分散型濾色片層的分層濾色片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，所述含染料型濾色片層的厚度比所述顏料分散型濾色片層的厚度大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，所述含染料型濾色片層的折射率比所述顏料分散型濾色片層的折射率小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，還包括電荷傳輸部分，用于傳輸所述光電元件產(chǎn)生的電荷，所述電荷傳輸部分包括形成在所述光電元件上方的凹陷，以及所述凹陷中填充有所述分層濾色片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，還包括透明膜，設(shè)置在所述濾色片上用于平整所述濾色片，所述透明膜的折射率比所述濾色片的折射率小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，還包括形成在所述透明膜上的微透鏡，所述微透鏡的折射率比所述透明膜的折射率大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像器件，其特征在于，所述含染料型濾色片層和所述顏料分散型濾色片層具有相同的色相。
8.一種固態(tài)攝像器件的制造方法，包括步驟在襯底中形成用于將光轉(zhuǎn)換為電荷的光電元件；以及在所述光電元件上形成用于分色的分層濾色片，所述形成分層濾色片的步驟包括形成含染料型材料的第一材料膜，以及在所述第一材料膜上形成顏料分散型材料的第二材料膜，并且同時(shí)對所述第一材料膜和所述第二材料膜曝光，以及顯影所述第一材料膜和所述第二材料膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括在所述形成光電元件的步驟之后并且在所述形成分層濾色片的步驟之前的步驟，所述步驟為在所述襯底上形成用于傳輸由所述光電元件產(chǎn)生的所述電荷的電荷傳輸部分，所述電荷傳輸部分包括位于所述光電元件上方的凹陷，以及在所述凹陷中填充所述分層濾色片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括步驟在所述分層濾色片上形成用于聚光的微透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一材料膜和所述第二材料膜具有相同的色相。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)攝像器件，包括呈矩陣排列的多個(gè)像素，所述多個(gè)像素中每一個(gè)包括襯底；用于將光轉(zhuǎn)換為電荷的光電元件；以及形成在所述光電元件上并用于分色的濾色片。所述濾色片是包括含染料型濾色片層和形成在所述含染料型濾色片上的顏料分散型濾色片層的分層濾色片，所述含染料型濾色片層和所述顏料分散型濾色片層具有相同的色相。
文檔編號H04N5/369GK1825608SQ20061000143
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者橫澤賢二 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社