專利名稱：改進的固態(tài)圖像傳感元件,其制造方法和含其的傳感器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)圖像傳感器件，特別是一種固態(tài)圖像傳感元件，其制造方法和裝配有該固態(tài)圖像傳感元件的固態(tài)圖像傳感器件。
CCD(電荷耦合器件)型的圖像傳感器件是固態(tài)圖像傳感器件的一個典型實例，并在下文描述。然而，下面的描述可適用于諸如MOS(金屬氧化物半導體)型固態(tài)圖像傳感器件之類的另一種固態(tài)圖像傳感器件。


圖1說明了第一種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件。在n型硅襯底2的表面部分中形成p型阱1，n型摻雜區(qū)3嵌套在p型阱1中。重摻雜p型摻雜區(qū)4形成在n型摻雜區(qū)3之上，重摻雜p型摻雜區(qū)4和n型摻雜區(qū)3形成p-n結作為一個光電二極管。
在p型阱1中還形成n型電荷轉移區(qū)5，并與光電二極管，即n型摻雜區(qū)3和重摻雜p型摻雜區(qū)4隔開。雖然圖1中未示出，光電二極管沿n型電荷轉移區(qū)5排列，光電二極管和n型電荷轉移區(qū)5共同形成一個圖像傳感線路。以圖像傳感線路這樣的方式形成重摻雜p型摻雜區(qū)6，并使光電二極管和n型電荷轉移區(qū)域與相鄰圖像傳感線路電絕緣。因此，大量光電二極管排列在p型阱1中。然而，描述僅集中在光電二極管和n型電荷轉移區(qū)域中的一個。
讀出晶體管7與該光電二極管和n型電荷轉移區(qū)5相關。具體地說，光電二極管和n型電荷轉移區(qū)5之間的p型阱1的表面部分提供一個溝道區(qū)7a，溝道區(qū)7a被柵極氧化層7b覆蓋。電荷轉移電極7c形成在柵極氧化層7b上，并覆蓋氧化硅層8。光電屏蔽層9沉積在氧化硅層8上，并在光電二極管上的光電屏蔽層9中形成開口9a。為此，攜帶圖像的光通過開口9a入射到光電二極管上，阻擋光到n型電荷轉移區(qū)5。
用透明絕緣層覆蓋10光電屏蔽層9，用透明材料填充開口9a。一層厚光阻材料層11疊合在透明絕緣層10上，并提供一個平坦的上表面11a。在平坦上表面上形成一個單片透鏡11a，并位于光電二極管之上以便將攜帶圖像的光聚焦在光電二極管上。厚光阻材料層11是由光阻材料溶液通過烘干構成的。單片(on-chip)透鏡12也是由一片光阻材料構成的。通過金屬印刷技術把光阻材料層圖形化成光阻材料片，并在攝氏150度至200度對光阻材料片進行熱固化。然后，將光阻材料片成型為如圖所示的半球形結構。
在日本專利申請公開未審查的請求(JAP)No.2-65171中公開了第二種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件，圖2說明了第二種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件。在n型硅襯底2的一表面部分中形成一個p型阱21，一個n型摻雜區(qū)23嵌套在p型阱21中。在n型摻雜區(qū)23上形成一個重摻雜p型摻雜區(qū)24，該重摻雜p型摻雜區(qū)24和n型摻雜區(qū)23形成一個p-n結作為一個光電二極管。
在p型阱21中還形成一個n型電荷轉移區(qū)25，并與光電二極管隔開。光電二極管和n型電荷轉移區(qū)25與其它光電二極管一起構成一個圖像傳感線路。以圍繞圖像傳感線路的方式形成重摻雜p型摻雜區(qū)26，并使光電二極管和n型電荷轉移區(qū)25與相鄰圖像傳感線路電絕緣。
一個讀出晶體管27與該光電二極管和n型電荷轉移區(qū)25相關，并由一個溝道區(qū)27a、一個在溝道區(qū)27a上的柵極氧化層27b和在柵極氧化層27b上形成的一個電荷轉移電極27c構成。電荷轉移電極27c被一層氧化硅層28覆蓋，光電屏蔽層29覆蓋在氧化硅層28上。在光電二極管上的光電屏蔽層29中形成一個開口29a，并允許攜帶圖像的光通過開口29a入射到光電二極管上，光電屏蔽層29防止入射光到n型電荷轉移區(qū)25。光電屏蔽層29被一層透明絕緣層30按分布形狀覆蓋，透明絕緣層30形成一個深凹穴30a。深凹穴30a位于光電二極管之上。深凹穴30a被部分地填充石英玻璃，石英玻璃片31形成一弧形上表面32。弧形上表面32形成一個嵌套在深凹穴30a中的淺凹穴。用氮化硅填充淺凹穴，氮化硅具有比石英玻璃大的折射率。為此，氮化硅部分33作為一個透鏡。如圖所示將透鏡33的上表面平面化。
單片透鏡12占據光電二極管3/4和n型電荷轉移區(qū)5上的寬區(qū)，并會聚落在其上的入射光。為此，光電二極管3/4對入射光的變化敏感。然而，第一種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件遇到價格高這樣一個問題。如前所述，單片透鏡12是通過烘干固化的光阻材料形成，因此，單片透鏡較脆。在第一種現有技術固態(tài)圖像傳感器件的制造期間，較脆的單片透鏡易破碎，并降低生產率。這使得第一種現有技術固態(tài)圖像傳感器件的價格較高。
高價的另一個原因是灰塵的嚴重影響。單片透鏡12從光阻材料層11的平坦上表面11a凸出，并在其間形成凹槽。如果灰塵顆粒落入凹槽，很難從凹槽清除灰塵顆粒，并使產品不合格。為此，第一種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件需要極高的清潔度，這種極高的清潔環(huán)境增加了第一種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件的生產成本。
高價格的另一個原因是復雜的封裝結構。單片透鏡12具有外露的曲面。如果外露的曲面與具有大折射率的透明層保持接觸，單片透鏡12則失去會聚功能。為此，單片透鏡12需要露在空氣中，或由極低折射率的材料層覆蓋。制造商考慮到這種需求，并設計第一種現有技術固態(tài)圖像傳感器件的封殼。該封殼較復雜，并增加生產成本。
第二種現有技術固態(tài)圖像傳感器件因透鏡33的曲面被放置在石英玻璃片31內而降低了費用。然而，第二種現有技術固態(tài)圖像傳感器件具有低靈敏度。低靈敏度是由小透鏡33產生的。淺凹穴限定透鏡33，淺凹穴被限定在深凹穴30a中。深凹穴30a由在圍繞開口29a的光屏蔽層29上按分布形狀擴展的透明絕緣層限定，僅把光電二極管23/24露出在開口29a。n型電荷轉移區(qū)25不露出給開口25。為此，透鏡33僅占據光電二極管23/24上的區(qū)域，并且不能會聚落在n型電荷轉移區(qū)25上的入射光。因此，在第一種現有技術固態(tài)圖像傳感器件和第二種現有技術固態(tài)圖像傳感器件之間存在一種折衷選擇。
因此，本發(fā)明的一個重要目的是提供一種生產成本低且靈敏度高的固態(tài)圖像傳感元件。
本發(fā)明的另一個重要目的是提供一種制造該固態(tài)圖像傳感元件的方法。
本發(fā)明的再一個重要目的是提供一種固態(tài)圖像傳感元件在其中作為主要部件的固態(tài)圖像傳感器件。
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種在襯底上制造的固態(tài)圖像傳感元件，包括一個占據襯底的一個第一區(qū)并將入射光轉換成光載流子的光電轉換元件，覆蓋光電轉換元件、由第一種透明材料形成并具有占據比第一區(qū)寬的第二區(qū)的第一凹穴的第一透明層，和設置在第一凹穴中并由折射率比第一透明材料大的第二透明材料構成的作為透鏡的第二透明層。
根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造固態(tài)圖像傳感元件的方法，包括步驟制備一個襯底；在襯底的第一區(qū)中形成一個光電轉換元件；用由第一透明材料形成的第一透明層覆蓋光電轉換元件，在第一區(qū)的中心子區(qū)上的具有開口的第一透明層上形成一個掩膜層，各向同性地蝕刻第一透明層以形成一個第一凹穴，并用折射率比第一透明材料大的第二透明材料填充第一凹穴以形成作為透鏡的一個第二透明層。
根據本發(fā)明的再一個方面，提供一種固態(tài)圖像傳感器件，包括一個襯底，一個制造在襯底上的固態(tài)圖像傳感元件陣列，并包括分別占據該襯底的一個第一區(qū)并將入射光轉換成光載流子的多個光電轉換元件；一個覆蓋多個光電轉換元件，由第一透明材料形成并具有在多個光電轉換元件之一上分別占據比第一區(qū)寬的第二區(qū)的第一凹穴的第一透明層，和分別設置在第一凹穴中并由折射率比第一透明材料大的第二透明材料形成的以便分別作為透鏡的多個第二透明層，以及容納該襯底并使透明部分以內表面與固態(tài)圖像傳感元件陣列保持接觸的封殼。
結合附圖從下面的描述中將更清楚地理解固態(tài)圖像傳感元件、制造方法和固態(tài)圖像傳感器件的特性和優(yōu)點。
圖1示出第一種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件的截面圖；圖2示出第二種現有技術的固態(tài)圖像傳感器件的截面圖；圖3示出根據本發(fā)明在一個半導體襯底上制造的一個固態(tài)圖像傳感元件的平面圖；圖4是沿圖3的A-A線的截面圖并示出固態(tài)圖像傳感元件的結構；圖5A至5C是根據本發(fā)明制造固態(tài)圖像傳感元件方法的主要步驟的截面圖；圖6示出根據本發(fā)明另一個固態(tài)圖像傳感元件結構的截面圖；圖7示出根據本發(fā)明再一個固態(tài)圖像傳感元件結構的截面圖；圖8示出根據本發(fā)明再一個固態(tài)圖像傳感元件結構的截面圖；圖9示出在一光阻材料層下形成的一個半橢圓形凹穴的截面圖；圖10是蝕刻速度與從一層透明層和光阻材料層之間邊界起的深度之間關系的曲線圖11是蝕刻速度與從另一層透明層和光阻材料層之間邊界起的深度之間關系的曲線圖；圖12示出在透明層中形成的半球形凹穴的截面圖；圖13示出根據本發(fā)明的固態(tài)圖像傳感器件分布的平面圖；圖14是沿圖13的B-B線的截面圖并示出固態(tài)圖像傳感器件的結構；圖15是根據本發(fā)明另一種固態(tài)圖像傳感器件分布的平面圖；圖16是沿圖15的C-C線的截面圖并示出固態(tài)圖像傳感器件的結構。
參考附圖的圖3和4，體現本發(fā)明的固態(tài)圖像傳感元件30主要包括一個光電二極管31和一個埋置式小透鏡32。固態(tài)圖像傳感元件30與其它固態(tài)圖像傳感元件、移位寄存器33和一個光屏蔽結構34一起構成一個固態(tài)圖像傳感器件。其它固態(tài)圖像傳感元件在結構上與固態(tài)圖像傳感元件30相同，并形成多個圖像傳感線路。每個圖像傳感線路包括多個固態(tài)圖像傳感元件。移位寄存器33分別與圖像傳感線路相關，圖3說明了包含在圖像傳感線路和相關移位寄存器33之一中的固態(tài)圖像傳感元件30。下面將詳細描述固態(tài)圖像傳感元件30和移位寄存器34。
在n型硅襯底36的一個表面部分形成一個p型阱35，圖像傳感線路和相關移位寄存器33形成在p型阱35中。重摻雜p型摻雜區(qū)37使圖像傳感線路和相關移位寄存器33與相鄰圖像傳感線路/移位寄存器隔離。
一個n型摻雜區(qū)31a和一個重摻雜p型區(qū)31b形成一個p-n結31c作為光電二極管，并將入射光轉換成光載流子。光載流子的數量與入射光強度成正比。光載流子累積在n型摻雜區(qū)31a中。
移位寄存器33包括一個形成在p型阱35中的n型電荷轉移區(qū)33a和在覆蓋p型阱35的薄絕緣層33c上圖形化的電荷轉移電極33b。n型電荷轉移區(qū)33a沿圖像傳感線路擴展，并由一個溝道區(qū)33d與n型摻雜區(qū)31a隔開。預定的電荷轉移電極3b從n型電荷轉移區(qū)33a上的區(qū)域伸出到溝道區(qū)33d上的區(qū)域，如圖4所示，并且預定電荷轉移電極33b與一條讀出信號線(未示出)電連接。當一個讀出脈沖施加到預定電荷轉移電極33b時，在n型摻雜區(qū)31a和n型電荷轉移區(qū)33a之間形成一個導電通道，從光電二極管向移位寄存器33讀出光載流子。
光屏蔽結構34包括一個夾在氧化硅層34b和透明絕緣層34c之間的非透明光屏蔽層34a。光屏蔽層有一個開口34b，重摻雜p型區(qū)31b上的一部分薄絕緣層33c露出到開口34d。透明絕緣層34c在光屏蔽層34a上按分布形狀擴展，用透明絕緣層34c覆蓋薄絕緣層34c的區(qū)域。光電二極管31、移位寄存器33和光屏蔽結構34與已描述的現有技術中的相同。
光屏蔽結構34被一厚透明層38覆蓋，在厚透明層38的表面部分中形成一個大致的半球形凹穴38a。大致的半球形凹穴38a占據光電二極管31、溝道區(qū)33d和一部分n型電荷轉移區(qū)33a上方的一個區(qū)域，如在圖3中看到的。大致的半球形凹穴38a之間的上表面38b是平坦的。埋置式小透鏡32成形為與大致的半球形凹穴38a對應的大致的半球形結構，并整潔地容納在大致的半球形凹穴38a中。因此，埋置式小透鏡32比開口34d寬得多。埋置式小透鏡32是由折射率比形成厚透明層38的透明材料大的透明材料形成的。
埋置式小透鏡32有一個平坦的上表面32a，該平坦上表面32a與厚透明層38的上表面38b基本上共平面。用氮化硅透明保護層39覆蓋上表面32a和38b。
正如從上面的描述所理解的，埋置式小透鏡32使落在溝道區(qū)33d和n型電荷轉移區(qū)33a該部分上的入射光射向光電二極管31，并且確實改善了靈敏度。埋置式小透鏡32提供與厚透明層38的上表面38b共平面的平坦上表面32a，并且在埋置式小透鏡32和厚透明層38之間不形成任何凹槽。為此，易于清除灰塵顆粒，并且不會嚴重損傷固態(tài)圖像傳感器件。這表明該固態(tài)圖像傳感元件對環(huán)境不太敏感。透明保護層防止埋置式小透鏡受到所不希望的外力，并使埋置式小透鏡不易破碎。因此，這種固態(tài)圖像傳感元件使制造商降低了固態(tài)圖像傳感器件的生產成本。
通過圖5A至5C說明的方法制造固態(tài)圖像傳感元件30。該方法從制備n型硅襯底36開始。在n型硅襯底的主表面上涂敷光阻材料溶液，并烘干以形成一層光阻材料層(未示出)。圖形圖像從光掩膜(未示出)轉移到光阻材料層，并在光阻材料層中形成一潛像。對該潛像顯影以便將光阻材料層圖形化到光阻材料離子注入掩膜(未示出)中。于是，通過平版印刷技術從光阻材料層形成光阻材料離子注入掩膜。
n型硅襯底36的預定表面區(qū)暴露于光阻材料離子注入掩膜的一個開口，并將p型摻雜雜質離子注入到n型硅襯底36的暴露表面部分。離子注入的p型摻雜雜質形成p型阱。剝離光阻材料離子注入掩膜。
采用平版印刷技術將光阻材料離子注入掩膜(未示出)形成在n型硅襯底36上，p型阱35的一個表面部分暴露于光阻材料離子注入掩膜的一個開口。該表面部分被分配給重摻雜p型摻雜區(qū)37。將p型摻雜雜質離子注入到露出的表面部分，并形成電絕緣的重摻雜p型摻雜區(qū)37。
同樣，采用平版印刷技術和離子注入形成n型摻雜區(qū)31a、n型電荷轉移區(qū)33a和重摻雜p型摻雜區(qū)31b。n型摻雜區(qū)31a和n型電荷轉移區(qū)33a之間的表面部分提供一條用于讀出光載流子的溝道區(qū)33d。圖5A示出在該階段得到的半導體的結構。
接下來，將薄絕緣層33c形成在所得到的半導體結構的上表面上。薄絕緣層33c是由一層單一的氧化硅薄膜或氧化硅薄膜與一層氮化硅薄膜的混合形成的。在薄絕緣層33c的整個表面上沉積摻雜有磷的多晶硅，并采用平版印刷技術在摻雜有磷的多晶硅層上形成一層光阻材料蝕刻掩膜(未示出)。有選擇地蝕刻掉摻雜有磷的多晶硅層，并形成預定的電荷轉移電極33b。對預定的電荷轉移電極33b進行熱氧化，并用氧化硅覆蓋。將摻雜后的多晶硅沉積在所得到的半導體結構的整個表面上，并采用平版印刷技術在摻雜的多晶硅層上形成一層光阻材料蝕刻掩膜(未示出)。有選擇地蝕刻掉摻雜后的多晶硅層，并形成其它電荷轉移電極(未示出)。
在其它電荷轉移電極上生長氧化硅，并與在預定電荷轉移電極33b上熱生長的氧化硅一起形成氧化硅層34b。在所得到的半導體結構上沉積200毫微米至500毫微米厚的非透明材料，并采用平版印刷技術在非透明材料層上形成一層光阻材料蝕刻掩膜(未示出)。非透明材料層可以是鋁層、鎢層或其混合層。使用該光阻材料蝕刻掩膜，有選擇地蝕刻掉非透明材料層，并制成光屏蔽層34a。從光電二極管31上方薄絕緣層33c的預定區(qū)除去非透明材料層，并由此使光屏蔽層34a在光電二極管31上方有開口34d。接下來，在所得到的半導體結構的整個表面上沉積透明絕緣材料，并形成如圖5B所示的透明絕緣層34c。此后的過程直到如圖5B所示的半導體結構為止與用于制造現有技術固態(tài)圖像傳感器件的現有技術的過程相同。
接下來，在所得到的半導體結構的整個表面上沉積2微米至5微米的氧化硅，并形成一層氧化硅層。由該氧化硅層形成厚透明層38。考慮埋置式小透鏡32的焦距確定氧化硅層的厚度?？上蜓趸枰肓谆蚺稹Ａ谆蚺鸱乐购裢该鲗?8受力，并且不易在厚透明層38中發(fā)生破裂。另外，可將熱膨脹系數不同的多層透明層分層，以使厚透明層38緩和內部應力。此外，可對氧化硅層進行化學機械拋光以增加上層38b的平滑度。
在厚透明層38上設置一層光阻材料蝕刻掩膜40，并在光電二極管31上方有一個開口40a。使用該光阻材料蝕刻掩膜40，各向同性地蝕刻厚透明層38。蝕刻劑可以是稀氫氟酸。通過各向同性蝕刻在厚透明層38中形成如圖5C所示的大致的半球形凹穴38a。剛好在從厚透明層38分離光阻材料蝕刻掩膜40前能夠繼續(xù)各向同性的蝕刻。在實際過程中，制造商考慮到埋置式小透鏡32的光學特性，并優(yōu)化蝕刻時間?？稍诠庾璨牧衔g刻掩膜和厚透明層38之間形成諸如氮化硅層之類的適當掩膜層。這種請下，光阻材料蝕刻掩膜40用于圖形化掩膜層，通過使用掩膜層各向同性的蝕刻形成大致的半球形凹穴38a。
接下來，在厚透明層38上沉積透明材料。透明材料填充大致的半球形凹穴38a，并膨脹到一層透明層。化學機械地拋光透明層直到露出上表面38b，埋置式小透鏡32留在大致的半球形凹穴38a中。埋置式小透鏡32的透明材料的折射率比形成厚透明層38的材料的折射率大。這種情況下，由氧化硅形成厚透明層38，并在厚透明層38上沉積氮化硅。氧化硅的折射率為1.6級，氮化硅具有2.0的折射率。
大致的半球形凹穴38a的曲率半徑和厚透明層38與埋置式小透鏡32之間的折射率比確定焦距。制造商適當地選擇厚透明層38的透明材料、埋置式小透鏡32的透明材料、蝕刻時間和厚透明層38的厚度，以便優(yōu)化埋置式小透鏡32的焦距。
最后，在厚透明層38和埋置式小透鏡32上形成保護層39。保護層39應堅硬。這種情況下，由氮化硅形成保護層39。然后，在n型硅襯底36上制造圖3和4所示的固態(tài)圖像傳感元件。第二實施例參考附圖的圖6，在一個n型硅襯底51上與一個移位寄存器52一起制造體現本發(fā)明的另一個固態(tài)圖像傳感元件50。移位寄存器52與第一實施例中的相同，固態(tài)圖像傳感元件50與固態(tài)圖像傳感元件30僅有的區(qū)別在于埋置式小透鏡53的結構。為此，移位寄存器52的組成元件和固態(tài)圖像傳感元件50的其它組成元件被標以與移位寄存器33的對應元件和固態(tài)圖像傳感元件30的對應元件相同的參考符號，為簡化起見，說明集中在埋置式小透鏡53的結構。
厚透明層38有一個部分地填充石英玻璃的大致的半球形凹穴38c，石英玻璃有時表示為旋涂玻璃″SOG(Spin-On-Glass)″，該石英玻璃形成第一透明層53a。第一透明層有一個下曲面53b和一個上曲面53c，下曲面53b與上曲面53c沿第一透明層53a的周邊匯合。因此，第一透明層53a在其中心最厚，該厚度從中心向周邊遞減。下表面53b具有與大致的半球形凹穴38c相等的曲率半徑，上表面53b具有比下表面53b大的曲率半徑。雖然第一透明層53a因石英玻璃的折射率近似等于氧化硅的折射率的事實而不參與光的會聚，第一透明層53a調節(jié)第二透明層63d的曲率半徑作為一個凸透鏡。
如上所述，第一透明層53a具有弧形上表面53c，該上表面在大致的半球形凹穴38c中限定一個淺凹穴53d。淺凹穴53d幾乎是一個半橢圓形狀。用諸如氮化硅之類折射率比石英玻璃大的透明材料填充淺凹穴53d。氮化硅形成第二透明層53d，第二透明層53d作為一個凸透鏡。該凸透鏡或第二透明層53d具有基本與厚透明層38的上表面38b共平面的一個平坦上表面53e，焦距比埋置式小透鏡32的焦距長。因此，可如下面將描述的那樣改變上表面53c的曲率半徑，制造商不僅可通過改變厚透明層38的厚度而且可通過改變第一透明層53a調節(jié)焦距。
第一透明層53a形成如下。首先，制備石英玻璃溶液。將該石英玻璃溶液涂敷在厚透明層38上，并填充大致的半球形凹穴38c。烘干石英玻璃溶液。然后，收縮該石英玻璃層，并形成弧形上表面53c。收縮比可與石英玻璃溶液的含水量一起改變。如果收縮比為1∶2，大致的半橢圓形凹穴短軸與長軸的比為＝1∶2，焦距增加兩倍而不是大致的半球形透鏡的焦距。第一透明層53a調節(jié)凸透鏡的焦距，并作為一個焦距調節(jié)器。
在使用埋置式小透鏡53時，設計者便于優(yōu)化光電二極管31的光學特性。由于可獨立地改變各種設計因素，即厚透明層38的透明材料與凸透鏡53d的透明材料之間的折射率之比、限定大致的半球形凹穴38c的表面的曲率半徑、透明層38的厚度、層53a的透明材料和凸透鏡53d的透明材料之間的折射率比，凹穴53c的結構和每層透明層38/53a/53d的厚度影響固態(tài)圖像傳感元件50的光學特性，設計者獨立地改變這些因素。第三實施例圖7說明了體現本發(fā)明的另一種固態(tài)圖像傳感元件60。在一個n型硅襯底61上與一個移位寄存器62一起制造固態(tài)圖像傳感元件60。移位寄存器62與第一實施例中的相同，固態(tài)圖像傳感元件60與固態(tài)圖像傳感元件30僅有的區(qū)別在于埋置式小透鏡63的結構。為此，移位寄存器62的組成元件和固態(tài)圖像傳感元件60的其它組成元件被標以與移位寄存器33的對應元件和固態(tài)圖像傳感元件30的對應元件相同的參考符號，為簡化起見，描述集中在埋置式小透鏡63的結構。
厚透明層38具有一個大致的半球形凹穴38d，埋置式小透鏡63設置在大致的半球形凹穴38d中。由透明層63a實現埋置式小透鏡63。透明層63a的下表面63b跟隨限定大致的半球形凹穴38c的曲面，上表面63c也是曲面，以限定一個淺凹穴。上表面63c的曲率半徑比下表面63b的大，透明層63a的厚度從圓周邊緣向其中心增加。為此，透明層63a作為一個凸透鏡。
制造固態(tài)圖像傳感元件63如下。直到形成大致的半球形凹穴38d的步驟為止，制造固態(tài)圖像傳感元件63的方法與第一實施例中的相同。作為例子，制備TiO2和石英玻璃或SrTiO3和石英玻璃混合物的溶液，并涂敷在厚透明層的整個表面上。烘干該層溶液，以形成透明層63a。當使用TiO2和石英玻璃混合物時，透明層63a具有在2.3和2.5之間范圍的折射率，大于形成厚透明層38的氧化硅的折射率。最后，用保護層39覆蓋所得到的半導體結構，該保護層39在透明層63a上按分布形狀擴展。
這種情況下，與第二實施例中使用的石英玻璃的類似，收縮比是可變的，可適當地調節(jié)焦距?；旌衔锏娜芤翰恍纬善教沟纳媳砻?。然而，透明層63a比烘干的光阻材料層硬，并且不易損壞。此外，保護層39防止凸透鏡63a因灰塵顆粒而刮傷。為此，即使灰塵顆粒留在淺凹穴中，可易于從淺凹穴中清除灰塵顆粒。
固態(tài)圖像傳感元件60形成一個固態(tài)圖像傳感器件的一部分，該固態(tài)圖像傳感器件可密封在一個塑料封殼中。即使塑料封殼在保護層39上方不形成一個間隔，上表面63c以及保護層39因此而具有較大的曲率半徑，并且塑料封殼不會大大改變焦平面。塑料封殼影響曲率半徑。然而，該變化很小并且可預測。為此，制造商考慮到該變化以便確定埋置式小透鏡63的設計因素。第四實施例參考附圖的圖8，在一個n型硅襯底71上與一個移位寄存器72一起制造另一種固態(tài)圖像傳感元件70。移位寄存器72與第一實施例中的相同，固態(tài)圖像傳感元件70與固態(tài)圖像傳感元件30僅有的區(qū)別在于埋置式小透鏡73的結構。為此，移位寄存器72的組成元件和固態(tài)圖像傳感元件70的其它組成元件被標以與移位寄存器33的對應元件和固態(tài)圖像傳感元件30的對應元件相同的參考符號，為簡化起見，描述集中在埋置式小透鏡73的結構。
在光電二極管31和移位寄存器72上形成厚透明層74，并在光電二極管31上的厚透明層74中形成一個大致的半橢圓形凹穴74a。透明層73a填充大致的半橢圓形凹穴74a，并作為一個凸透鏡。
制造固態(tài)圖像傳感元件70如下。直到形成透明絕緣層34c的步驟為止，制造固態(tài)圖像傳感元件70的方法與圖5A至5C所示的方法相同。在所得到的半導體結構的整個表面上沉積未摻雜的氧化硅，并將磷離子注入到未摻雜的氧化硅層的一個表面部分。另外，將諸如PH3之類包含磷的附加氣體與諸如SiH4之類材料氣體混合，以向氧化硅層的上表面增加濃度的方式控制含磷附加氣體的量。結果是，在透明絕緣層34c上形成厚的摻雜磷的氧化硅層74b。
接下來，在摻雜磷的氧化硅層74b的上表面上形成光阻材料蝕刻掩膜75(見圖9)，并在光電二極管31上具有一個開口袋5a。使用稀氫氟酸各向同性地蝕刻掉摻雜磷的氧化硅層74b。蝕刻速度與磷的濃度成正比，并且蝕刻速度從摻雜磷的氧化硅層74b的上表面向其內部逐漸降低，如圖10所示。為此，各向同性蝕刻在側面方向加寬前進，并且R1變得大于R2。結果是，在摻雜磷的氧化硅層74b中形成大致的半橢圓形凹穴74a。如果透明層有如圖11所示恒定的摻雜濃度，蝕刻速度在透明層的厚度上是恒定的，并且該蝕刻劑在透明層82中形成一個半球形凹穴或一個大致的半球形凹穴81，如圖12所示。當改變摻雜輪廓時，大致的橢圓形凹穴改變形狀。因此，制造商可通過控制離子注入條件或化學汽相沉積條件優(yōu)化埋置式小透鏡73a的光學特性。
接下來，在透明層74上形成透明材料。透明材料填充大致的橢圓形凹穴74a，并對透明材料層進行平面化?？刹捎没瘜W機械拋光。透明材料的折射率大于摻雜磷的氧化硅的折射率，凹穴74a中的透明材料片作為一個凸透鏡。最后，形成保護層39。固態(tài)圖像傳感器件固態(tài)圖像傳感元件30、50、60和70中的每一種可用作一個固態(tài)圖像傳感器件。將該固態(tài)圖像傳感器件向下插到一個半導體芯片90和一個塑料封殼91中，如圖13所示。半導體芯片90分成一個中心區(qū)90a和一個外圍區(qū)90b。中心區(qū)90分配給固態(tài)圖像傳感元件的一個陣列和垂直移位寄存器，外圍區(qū)90b分配給一個水平移位寄存器和一個放大器。固態(tài)圖像傳感元件30/50/60/70中的一種與同一類型的其它固態(tài)圖像傳感元件一起構成一個陣列部分，移位寄存器中的每一個移位寄存器與移位寄存器33/52/62/72相同。水平移位寄存器和放大器對本領域技術人員來說是熟知的，下面不再對其進一步描述。
塑料封殼91包括一個引線框91a和一片透明合成樹脂91b。引線框91a有一個用于安裝半導體芯片90島形區(qū)91c、從該片合成樹脂91b的兩側伸出的導電引線91d和連接在半導體芯片90和導電引線91d之間的導電線91e。這種情況下，半導體芯片90直接由透明合成樹脂91b覆蓋。然而，可在半導體芯片90的上表面和該片透明合成樹脂91b之間插入一層硅樹脂層。即使在半導體芯片上設置濾色片，該濾色片可形成一個平坦的上表面，硅氧烷樹脂層可插入在濾色片和該片透明合成樹脂91b之間。
固態(tài)圖像傳感器件組裝如下。首先，將半導體芯片90安裝在島形區(qū)91c上，導電線91e焊接在半導體芯片/島形區(qū)91b/91c和導電引線91d上的墊片上。安裝在引線框91a上的半導體芯片90放置在一個模塑模具(未示出)中，并將熔化的透明合成樹脂注入該模塑模具中。然后，把半導體芯片密封在該片透明合成樹脂片91b中。最后，把導電引線91d與一個框架(未示出)分開，并如圖14所示彎曲。
固態(tài)圖像傳感元件30/50/70上的保護層39產生平坦的上表面，該片透明合成樹脂91b對與透明合成樹脂的折射率無關的埋置式小透鏡沒有任何影響。然而，保護層39是弧形的。如果透明合成樹脂91b與透明層63a的折射率不同，該片透明合成樹脂91b影響埋置式小透鏡63的光學特性。盡管如此，由于透明層63a具有較大的曲率半徑，光學影響很小。此外，光學影響是可以預測的，制造商可在埋置式小透鏡63的設計工作中考慮到光學影響。于是。將半導體芯片90封裝在該片透明合成樹脂中而在半導體芯片90上方沒有空間，并以低價格向市場供應固態(tài)圖像傳感器件。
圖15和16說明了體現本發(fā)明的另一種固態(tài)圖像傳感器件。該固態(tài)圖像傳感器件與圖13和14中所示的類似。圖15和16所示的固態(tài)圖像傳感器件被密封在不同種類的塑料封殼95中，用由一層光屏蔽層95b部分地覆蓋的一片透明合成樹脂95a代替該片透明合成樹脂91b。為此，其它部件被標以與對應的固態(tài)圖像傳感器件部件相同的參考符號。
該片透明合成樹脂91b有一個密封部分95c和一個凸出部分95d。安裝在引線框91a上的半導體芯片90被密封在密封部分95c中，凸出部分95d形成在密封部分95c的上表面上。用光屏蔽層95b覆蓋密封部分95c，光入射到凸出部分95d上。這種情況下，光屏蔽層95b由黑色絕緣涂料制成。凸出部分95d作為一個固定焦距透鏡。模制密封部分95c和凸出部分95d，此后，用黑色絕緣涂料涂覆密封部分95c。具有固定焦距透鏡的固態(tài)圖像傳感器件適用于作為一種經濟的照相機。
從上面的描述可以理解，根據本發(fā)明的固態(tài)圖像傳感元件不從透明層伸出透鏡，并且不會機械損傷透鏡。此外，即使固態(tài)圖像傳感元件被灰塵顆粒污染，制造商易于用風扇從固態(tài)圖像傳感元件清除灰塵顆粒。換句話說，固態(tài)圖像傳感元件不需要完善的防灰塵環(huán)境，并大幅度地降低了生產成本。埋置式小透鏡占據光電二極管和移位寄存器上較寬的區(qū)域，并使固態(tài)圖像傳感元件靈敏。
保護層39完全防止固態(tài)圖像傳感元件受到外力和污染，并使固態(tài)圖像傳感元件耐用。
根據本發(fā)明的固態(tài)圖像傳感器件在一個封殼和半導體芯片之間不需要任何空間，并且簡單的包裝降低了生產成本。
雖然已給出并描述了本發(fā)明的特定實施例，很明顯本領域技術人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可對本發(fā)明做出各種變化和改進。
在上述實施例中，埋置式小透鏡32具有圓形截面。然而，可根據光電二極管的平面形狀改變截面形狀。例如，如果光電二極管為矩形并且光屏蔽層的開口為嵌套在光電二極管中的一個矩形，可以在矩形的長邊方向延長埋置式小透鏡，以便具有一個橢圓截面。然后，橢圓形埋置式小透鏡有效地將入射光聚焦在光電二極管上。
可從固態(tài)圖像傳感器件中取消保護層39。氧化硅和氮化硅比第二種現有技術的光阻材料硬，埋置式小透鏡32和厚透明層38不易損壞。
可由多于一個石英玻璃層實現焦距調節(jié)器。
就凝固期間其各向異性收縮而言，可用任何透明材料作為焦距調節(jié)器53a或凸透鏡63a。石英玻璃系中其它透明材料可作為一個例子。另一個例子是低熔點玻璃。
如果該固態(tài)圖像傳感元件裝入一個全色圖像傳感器件中，在透明絕緣層34c和埋置式小透鏡之間插入一個濾色片，或設置在埋置式小透鏡上。
玻璃凸透鏡可粘貼到密封部分95c而不是凸起部分95d。
本發(fā)明可適用于MOS類型。
權利要求
1.一種在襯底(36；51；61；71)上制造的固態(tài)圖像傳感元件(30；50；60；70)，包括一個占據所述襯底的第一區(qū)并將入射光轉換成光載流子的光電轉換元件(31)；覆蓋所述光電轉換元件、由第一種透明材料形成并具有第一凹穴(38a，38c，38d；74a)的第一透明層(38；74)，和設置在所述第一凹穴中，并由折射率比所述第一透明材料大的第二透明材料構成以便作為透鏡的第二透明層；其特征在于容納在所述第一凹穴(38a；38c；38d；74a)中的所述第二透明層占據比所述第一區(qū)寬的第二區(qū)。
2.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，其中所述第二透明層(32；53d；73a)的上表面(32a)與所述第一透明層的上表面(38b)一起形成平坦表面。
3.根據權利要求2所述的固態(tài)圖像傳感元件，進一步包括覆蓋所述平坦表面并由比所述第二透明材料硬的第三透明材料形成的第三透明層(39)。
4.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，其中所述第一凹穴(38a；38d)具有大致的半球式結構。
5.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，其中所述第一凹穴(53c；74a)具有大致的橢圓式結構。
6.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，進一步包括與所述第二透明層(53d)一起容納在所述第一凹穴中作為焦距調節(jié)劑的第三透明層(53a)。
7.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，進一步包括形成在所述光電轉換元件上并占據圍繞所述第一區(qū)的第三區(qū)的光屏蔽層(34a)。
8.根據權利要求7所述的固態(tài)圖像傳感元件，其中所述第二透明層的上表面與所述第一透明層的上表面一起形成平坦表面。
9.根據權利要求8所述的固態(tài)圖像傳感元件，進一步包括覆蓋所述平坦表面并由比所述第二透明材料硬的第三透明材料形成的第三透明層(39)。
10.根據權利要求1所述的固態(tài)圖像傳感元件，其中所述第二透明層(63a)具有限定第二凹穴的弧形上表面(63c)。
11.一種制造固態(tài)圖像傳感元件的方法，包括步驟a)制備襯底(36；51；61；71)；b)在所述襯底的第一區(qū)中形成光電轉換元件(31)；c)用由第一透明材料形成的第一透明層(38；74)覆蓋所述光電轉換元件；d)在所述第一區(qū)的中心子區(qū)上具有開口(40a)的所述第一透明層上形成掩膜層(40；75)；e)各向同性地蝕刻所述第一透明層以形成第一凹穴(38a；74a)；和f)用折射率比所述第一透明材料大的第二透明材料填充所述第一凹穴以形成一層第二透明層(32；53d；63a；73a)作為透鏡。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述步驟f)包括子步驟f-1)在所述第一透明層上涂敷所述第二透明材料的溶液，f-2)固化所述溶液層以便收縮成所述第二透明層。
13.根據權利要求11所述的方法，進一步包括步驟g)平面化所述步驟f)得到的結構，以便生成平坦上表面。
14.根據權利要求13所述的方法，進一步包括步驟h)用由比所述第二透明材料硬的第三透明材料形成的保護層(39)覆蓋所述平坦上表面。
15.根據權利要求11所述的方法，其中所述第二透明材料是石英玻璃。
16.根據權利要求11所述的方法，在所述步驟b)和所述步驟c)之間進一步包括形成占據圍繞所述第一區(qū)的第三區(qū)的光屏蔽層(34a)的步驟。
17.根據權利要求11所述的方法，其中所述第一透明層的蝕刻速度從上表面向下表面降低。
18.根據權利要求17所述的方法，其中通過改變雜質濃度改變所述蝕刻速度。
19.根據權利要求18所述的方法，其中通過離子注入改變所述雜質的濃度。
20.根據權利要求18所述的方法，其中通過所述第二透明材料的材料氣體的化學汽相沉積形成所述第一透明層，和通過控制與所述材料氣體混合的所述雜質的附加氣體改變所述雜質的濃度。
21.一種固態(tài)圖像傳感器件，包括襯底(90)，在所述襯底上制造的固態(tài)圖像傳感元件陣列，并包括分別占據所述襯底的第一區(qū)并將入射光轉換成光載流子的多個光電轉換元件(31)；覆蓋所述多個光電轉換元件，由第一透明材料形成并具有在所述多個光電轉換元件之一上分別占據比所述第一區(qū)寬的第二區(qū)的第一凹穴的第一透明層(38，74)，和分別設置在所述第一凹穴中并由折射率比所述第一透明材料大的第二透明材料形成的以便分別作為透鏡的多個第二透明層(32；53d；63a；73a；)，和容納所述襯底并使透明部分以內表面與所述固態(tài)圖像傳感元件陣列保持接觸的封殼(91；95)。
22.根據權利要求書21所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述封殼(95)包括具有所述透明部分密封部分(95c)和設置在所述固態(tài)圖像傳感元件陣列上的所述密封部分上的透鏡(95d)。
23.根據權利要求書22所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述密封部分(95c)與所述透鏡(95d)構成整體。
24.根據權利要求書22所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中所述密封部分的上表面被光屏蔽層(95b)覆蓋，但不包括所述透鏡包含于其中的接觸區(qū)。
全文摘要
一種固態(tài)圖像傳感元件具有一個埋置在透明夾層絕緣層(38)中的小透鏡,透明夾層絕緣層在一個半導體襯底(36)中形成的一個光電二極管(31)之上,小透鏡占據比光電二極管占據的區(qū)域寬的一個區(qū)域,以便在不損失生產成本的情況下使固態(tài)圖像傳感元件靈敏。
文檔編號H04N5/335GK1196580SQ98101260
公開日1998年10月21日 申請日期1998年4月9日 優(yōu)先權日1997年4月9日
發(fā)明者小川智宏 申請人:日本電氣株式會社