Твердотельный датчик изображения и система формирования изображения
Твердотельный датчик изображения, включающий фотоэлектрические элементы преобразования, содержит первую изолирующую пленку, которая расположена на подложке и имеет отверстия, расположенные на соответствующих элементах, участки изолятора, показатель преломления которых выше показателя преломления первой изолирующей пленки и которые расположены в соответствующих отверстиях, вторую изолирующую пленку, которая расположена на верхних поверхностях участков изолятора и верхней поверхности первой изолирующей пленки, и третью изолирующую пленку, показатель преломления которой ниже показателя преломления второй изолирующей пленки и которая расположена в контакте с верхней поверхностью второй изолирующей пленки. При этом обеспечено соблюдение условия t<λ/n, где λ - длина волны поступающего света, n - показатель преломления второй изолирующей пленки и t - толщина второй изолирующей пленки, по меньшей мере, в части области на верхней поверхности первой изолирующей пленки. Технический результат - уменьшение шумов, увеличение разрешения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к твердотельному датчику изображения и системе формирования изображения, содержащей твердотельный датчик изображения, в частности к структуре пикселя твердотельного датчика изображения.
Уровень техники
При уменьшении размеров и увеличении числа пикселей твердотельных датчиков изображения, используемых в системах формирования изображения, например цифровых фото- и видеокамерах, быстро уменьшается размер пикселя. Меньший размер пикселя приводит к меньшей площади светопринимающей области фотоэлектрического элемента преобразования в пикселе, что снижает чувствительность этого элемента. Чтобы препятствовать снижению чувствительности фотоэлектрического элемента преобразования, на практике уже используется технология создания встроенной в кристалл микролинзы на поверхности пикселя, на которую падает свет. В последнее время в некоторых устройствах между микролинзой и фотоэлектрическим элементом преобразования создают световод для собирания света с использованием его полного отражения. В выложенной заявке на японский патент № 2007-201091 описана конструкция, в которой световод получают путем заполнения сквозного отверстия 41, созданного в выравнивающем слое, материалом с высоким показателем преломления, и покрывания верхней поверхности выравнивающего слоя материалом с высоким показателем преломления.
Однако в конструкции, описанной в выложенной заявке на японский патент № 2007-201091, свет распространяется с одновременным его отражением верхней и нижней поверхностями слоя материала с высоким показателем преломления, расположенного на выравнивающем слое между соседними световодами. В результате свет может поступать в световод и затем в фотоэлектрический элемент преобразования. Это может привести к смешиванию цветов или появлению шумовой составляющей.
Сущность изобретения
Настоящим изобретением предлагаются средства, обеспечивающие преимущества с точки зрения уменьшения шума, такого как смешивание цветов.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается твердотельный датчик изображения, включающий полупроводниковую подложку, содержащую множество фотоэлектрических элементов преобразования, причем датчик содержит первую изолирующую пленку, которая расположена на полупроводниковой подложке и имеет множество отверстий, при этом каждое из множества отверстий расположено на одном из упомянутого множества фотоэлектрических элементов преобразования, множество участков изолятора, показатель преломления которых выше показателя преломления первой изолирующей пленки, при этом каждый из множества участков изолятора расположен в одном из упомянутого множества отверстий, вторую изолирующую пленку, которая расположена на верхних поверхностях упомянутого множества участков изолятора и верхней поверхности первой изолирующей пленки, и третью изолирующую пленку, показатель преломления которой ниже показателя преломления второй изолирующей пленки и которая расположена в контакте с верхней поверхностью второй изолирующей пленки, при этом обеспечивают соблюдение условия t<λ/n, где λ - длина волны света, поступающего в упомянутое множество участков изолятора, n - показатель преломления второй изолирующей пленки и t - толщина второй изолирующей пленки, по меньшей мере, в части области на верхней поверхности первой изолирующей пленки.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается система формирования изображения, содержащая твердотельный датчик изображения, определенный в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, и блок обработки сигнала, выполненный с возможностью обработки сигнала, полученного твердотельным датчиком изображения.
Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания вариантов реализации со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведен вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию твердотельного датчика изображения, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения;
на фиг.2А - фиг.2D приведены виды в разрезе, соответственно, иллюстрирующие этапы изготовления твердотельного датчика изображения, показанного на фиг.1;
на фиг.3 приведен вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию твердотельного датчика изображения, служащего сравнительным примером для твердотельного датчика изображения, соответствующего варианту, показанному на фиг.1;
на фиг.4А приведена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая схемную компоновку пикселя Р в твердотельном датчике изображения, соответствующем одному из вариантов реализации настоящего изобретения с первого по третий;
на фиг.4В приведена структурная схема, иллюстрирующая конфигурацию системы формирования изображения, в которой применяется твердотельный датчик изображения, соответствующий одному из вариантов реализации настоящего изобретения с первого по третий;
на фиг.5 приведен вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию твердотельного датчика изображения, соответствующего второму варианту реализации настоящего изобретения;
на фиг.6 приведен вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию твердотельного датчика изображения, соответствующего третьему варианту реализации настоящего изобретения.
Описание вариантов реализации изобретения
Далее со ссылкой на сопровождающие чертежи будут описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения.
Первый вариант реализации изобретения
Ссылочными материалами, в которых описан способ формирования световода, являются выложенные заявки на японские патенты №№ 2003-224249 и 2006-049825. В выложенной заявке на японский патент № 2003-224249 описана конструкция, которая позволяет увеличить эффективность собирания света за счет придания световоду конусности, чтобы расширить отверстие в его верхней части. В выложенной заявке на японский патент № 2006-049825 описана конструкция, в которой на световоде дополнительно сформирована линза, позволяющая свести в него свет.
Однако в конструкции, предлагаемой в выложенной заявке на японский патент № 2003-224249, свет, под наклоном поступающий в расположенную сверху конденсорную линзу, или свет, поступающий в промежуток между соседними конденсорными линзами, не поступает в отверстие световода, имеющее многоярусное строение. Свет, который не поступает в отверстие световода, поступает на участок соседнего элемента, вызывая смешивание цветов или появление шумовой составляющей. В конструкции, предлагаемой в выложенной заявке на японский патент № 2006-049825, конденсорная линза выполнена как единое целое со световодом из того же материала, что и верхняя часть отверстия световода. При этом свет, который под наклоном поступает в линзу и не может быть сведен в световод, поступает на участок соседнего элемента. Свет, который поступает на участок соседнего элемента, становится шумовой составляющей, что приводит к снижению разрешения либо, в цветном твердотельном датчике изображения, вызывает смешивание цветов.
В первом варианте реализации настоящего изобретения предлагается твердотельный датчик изображения, выполненный с возможностью эффективного захвата света и препятствования падению света на соседний фотоэлектрический элемент преобразования, а также система формирования изображения, содержащая такой твердотельный датчик изображения.
Примерная конструкция твердотельного датчика изображения, соответствующего первому варианту
На фиг.1 приведен схематичный вид в разрезе твердотельного датчика изображения, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения. Этот первый вариант относится к твердотельному датчику изображения на основе CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - Комплементарная структура "металл-оксид-полупроводник", КМОП). На фиг.1 показаны два пикселя в разрезе. Множество пикселей, подобных показанным на фиг.1, организованы в двумерную матрицу и используются в системе формирования изображения, например цифровой фото- или видеокамере. Пример системы формирования изображения рассмотрен позднее со ссылкой на фиг.4В.
Как показано на фиг.1, на верхней поверхности полупроводниковой подложки 1 сформированы фотоэлектрический воспринимающий элемент 2 и область 3 изолирования элементов. На полупроводниковой подложке 1, на которой сформирован фотоэлектрический воспринимающий элемент 2, на этом элементе 2 расположена первая изолирующая пленка 100, имеющая отверстие 101. В примере, показанном на фиг.1, первая изолирующая пленка 100 включает первый изолирующий слой 4, второй изолирующий слой 6 и третий изолирующий слой 8. Первый изолирующий слой 4, второй изолирующий слой 6 и третий изолирующий слой 8 соответственно имеют отверстия, которые формируют отверстие 101. Если говорить более конкретно, первый изолирующий слой 4, имеющий отверстие, сформирован на фотоэлектрическом воспринимающем элементе 2. На первом изолирующем слое 4 сформированы первый слой 5 соединений и второй изолирующий слой 6, который покрывает первый слой 5 соединений и имеет отверстие, расположенное над фотоэлектрическим элементом 2 преобразования. Во втором изолирующем слое 6 сформирован второй слой 7 соединений. Второй слой 7 соединений имеет структуру, полученную путем химико-механической полировки (damascene structure). Третий изолирующий слой 8 сформирован таким образом, что он покрывает второй изолирующий слой 6 и имеет отверстие, расположенное над фотоэлектрическим элементом 2 преобразования. Отверстия первого изолирующего слоя 4, второго изолирующего слоя 6 и третьего изолирующего слоя 8, соответствующие фотоэлектрическому элементу 2 преобразования, выполнены конической формы, чтобы обеспечить увеличение площади с увеличением расстояния от фотоэлектрического элемента 2 преобразования. Отверстия заполнены изолятором, представляющим собой участок с высоким показателем преломления, сформированный из материала, показатель преломления которого выше, чем у материалов, из которых состоят первый изолирующий слой 4, второй изолирующий слой 6 и третий изолирующий слой 8. Изолятор формирует световоды 9а и 9b.
На световоде 9b расположены пассивирующие пленки 10а и 10b, представляющие собой вторую изолирующую пленку, сформированную из материала, показатель преломления которого такой же, что и у упомянутого участка с высоким показателем преломления, или превышает его. При этом примем, что λ - длина волны света, поступающего в световод (изолятор), и n - показатель преломления пассивирующей пленки. Если принять, что t1 - толщина пассивирующей пленки 10а, тогда вся или, по меньшей мере, часть области на верхней поверхности световода покрыта пассивирующей пленкой 10а, толщина которой удовлетворяет условию t1>λ/n. Область верхней поверхности световода, которая покрыта пассивирующей пленкой 10а, определена как первая область. Кроме того, если принять, что t2 - толщина пассивирующей пленки 10b, тогда, по меньшей мере, часть области на верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 (или третьего изолирующего слоя 8), расположенной между пассивирующими пленками 10а, покрыта пассивирующей пленкой 10b, толщина которой удовлетворяет условию t2<λ/n. Область верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 (или третьего изолирующего слоя 8), которая покрыта пассивирующей пленкой 10b, определена как вторая область.
В примере, показанном на фиг.1, пассивирующие пленки 10а и 10b сформированы из одной и той же пленки с заранее определенными толщинами t1 и t2 соответственно. На пассивирующих пленках 10а и 10b расположен выравнивающий слой 11, представляющий собой третью изолирующую пленку, созданную, например, из прозрачной полимерной смолы, имеющей показатель преломления 1,5. Кроме того, на выравнивающем слое 11 в соответствии с пикселями расположены слой 12R фильтра красного цвета и слой 12G фильтра зеленого цвета, каждый из которых сформирован, например, из прозрачной полимерной смолы, имеющей показатель преломления 1,55. На слоях 12R и 12G цветных фильтров расположены встроенные в кристалл микролинзы 13, созданные, например, из прозрачной полимерной смолы, имеющей показатель преломления 1,6. Нет необходимости говорить, что слой цветного фильтра может представлять собой слой 12В фильтра синего цвета или слой цветного фильтра для дополнительного цвета, либо тому подобное. Таким образом, слой цветного фильтра находится выше пассивирующей пленки и ниже микролинзы. Отметим, что на выравнивающем слое цветного фильтра может быть дополнительно сформирован выравнивающий слой. Указанные выше условия t1>λ/n и t2<λ/n в предпочтительном случае соблюдаются во всей полосе частот света, который проходит через слой цветного фильтра и поступает в световод (изолятор).
Пример материала каждого элемента
В качестве фотоэлектрического элемента 2 преобразования может выступать фотодиод, имеющий p-n переход или pin переход, фототранзистор или тому подобное. Когда падающий свет попадает на полупроводниковый переход такого элемента, этот свет приводит к появлению фотоэлектрического эффекта, при котором возникают электрические заряды. Область 3 изолирования элементов вокруг каждого фотоэлектрического элемента 2 преобразования сформирована из защитной оксидной пленки, полученной путем избирательного окисления, из диффузионного слоя для изолирования перехода, изолированием элементов путем утапливания и т.п. Отметим, что в области 3 изолирования элементов изолирование может быть достигнуто путем диффузии примесей с использованием PD перехода (перехода фотодиода). Первый изолирующий слой 4 покрывает каждый из фотоэлектрических элементов 2 преобразования и область 3 изолирования элементов. Отметим, что между полупроводниковой подложкой 1 и первым изолирующим слоем 4 могут быть размещены, например, изолирующая пленка затвора и электрод затвора. Первый слой 5 соединений содержит рисунок соединений. Достаточно, если материалы первого изолирующего слоя 4, второго изолирующего слоя 6 и третьего изолирующего слоя 8 будут прозрачными материалами, способными пропускать свет, который поглощается в фотоэлектрическом элементе 2 преобразования и преобразуется в электрический сигнал. Например, большинство твердотельных датчиков изображения используется для обнаружения видимого или инфракрасного света, поэтому достаточно, если материалы будут пропускать эти компоненты света. В качестве материала первого изолирующего слоя 4, второго изолирующего слоя 6 и третьего изолирующего слоя 8 подходит неорганический или органический изолятор, обычно используемый как электроизолирующий слой или пассивирующий слой. Примерами материалов для первого изолирующего слоя 4, второго изолирующего слоя 6 и третьего изолирующего слоя 8 являются оксид кремния или материалы, полученные путем добавления фосфора, бора, фтора, углерода или тому подобного в оксид кремния. Первый слой 5 соединений и второй слой 7 соединений могут иметь рисунок из алюминия или рисунок из меди, полученные путем химико-механической полировки. Примерами материала для участка с высоким показателем преломления, который образует световоды 9а и 9b, являются нитрид кремния, имеющий показатель преломления 2,0, и оксинитрид кремния, имеющий показатель преломления 1,8. Отметим, что на первом изолирующем слое 4 и втором изолирующем слое 6 расположены соединительный контакт и промежуточный контакт (не показаны).
Пример способа изготовления фотоэлектрического элемента преобразования, соответствующего первому варианту
На фиг.2А - фиг.2D приведены виды в разрезе, соответственно, иллюстрирующие этапы изготовления при формировании световода 9. Отметим, что этапы формирования элемента в подложке, первого изолирующего слоя 4, второго изолирующего слоя 6, первого слоя 5 соединений, второго слоя 7 соединений, соединительного контакта и промежуточного контакта на полупроводниковой подложке 1 хорошо известны, и их описание будет опущено.
Как показано на фиг.2А, после формирования первого слоя 5 соединений и второго слоя 7 соединений наносят фоторезист, из которого создают рисунок 14 с использованием технологии формирования рисунка, чтобы получить световод 9а. Затем протравливают второй изолирующий слой 6 и первый изолирующий слой 4 путем плазменного травления. Путем такого травления во втором изолирующем слое 6 и первом изолирующем слое 4 формируют проходящие через них отверстия, соответствующие фотоэлектрическому элементу 2 преобразования. После чего рисунок 14 из фоторезиста удаляют, получая структуру, показанную на фиг.2В. Если второй изолирующий слой 6 состоит из плазменного оксида кремния, а первый изолирующий слой 4 состоит из борофосфосиликатного стекла (BPSG, BoroPhosphoSilicate Glass), плазменное травление выполняют, используя газ на основе C и F, типичными представителями которого являются C4F8 или C5F8, O2 и Ar. В зависимости от условий травления второй изолирующий слой 6 и первый изолирующий слой 4 могут также быть протравлены с получением конической формы, при которой площадь отверстия в нижней части меньше его площади в верхней части, как показано на фиг.2В. Однако отверстие не всегда ограничивается конической формой, показанной на фиг.2В.
В состоянии, показанном на фиг.2В, выполняют заполнение материалом (изолятором) с высоким показателем преломления, формируя участок с высоким показателем преломления, то есть первый световод 9а, показанный на Фиг.2С. Например, отверстие заполняют нитридом кремния, имеющим показатель преломления 2,0, или оксинитридом кремния, имеющим показатель преломления 1,8, при помощи химического осаждения из паровой фазы с использованием плазмы с высокой плотностью, либо материалом, имеющим высокий показатель преломления, равный 1,7, при помощи центрифугирования. После заполнения материалом с высоким показателем преломления верхняя часть может быть выровнена при помощи стравливания резиста или химико-механического выравнивания (CMP, Chemical Mechanical Planarization), если это необходимо. Далее в качестве третьего изолирующего слоя 8 наносят плазменный оксид кремния, получая структуру, показанную на фиг.2С.
Как показано на фиг.2С, путем формирования рисунка из фоторезиста, травления и заполнения материалом (изолятором) с высоким показателем преломления аналогично первому световоду 9а создают участок с высоким показателем преломления, то есть второй световод 9b. Отверстие второго световода 9b представляет собой отверстие в третьем изолирующем слое 8. При этом углы сужения первого световода 9а и второго световода 9b в направлении фотоэлектрического элемента могут быть равными или различными. Участки с высоким показателем преломления первого световода 9а и второго световода 9b в предпочтительном случае создают из материалов, имеющих одинаковый показатель преломления, чтобы снизить отражение на поверхности раздела между этими двумя участками с высоким показателем преломления. Однако показатели преломления могут быть и не равны. Если показатели преломления этих двух участков с высоким показателем преломления значительно различаются между собой, на поверхности раздела между первым световодом 9а и вторым световодом 9b может быть расположена просветляющая пленка.
После формирования световода 9b из плазменного нитрида кремния, имеющего показатель преломления 2,0, или плазменного оксинитрида кремния, имеющего показатель преломления 1,8, формируют пассивирующую пленку. Затем наносят фоторезист, чтобы получить пассивирующую пленку с толщиной t1 во всей или в части области на световоде 9b и получить пассивирующую пленку с толщиной t2 в оставшейся области. Пассивирующую пленку протравливают путем плазменного травления до получения требуемой толщины. Это состояние иллюстрирует структура, показанная на фиг.2D.
Что касается способа формирования пассивирующей пленки, эту пленку формируют, например, с толщиной t1 по всей поверхности, и протравливают во второй области, используя рисунок из фоторезиста в качестве маски первой области, что позволяет получить пассивирующие пленки, имеющие толщины t1 и t2. Пассивирующие пленки, имеющие толщины t1 и t2, могут также быть получены путем формирования пассивирующей пленки с толщиной больше t1, и последующими требуемыми формированием рисунка из фоторезиста и травлением. Кроме того, пассивирующие пленки могут быть сформированы из двух различных пленок. Например, после формирования пленки с толщиной t2 из плазменного оксинитрида кремния из плазменного нитрида кремния может быть создана пленка с толщиной t1 и на пленке из плазменного нитрида кремния может быть сформирован рисунок.
Световоды 9а и 9b имеют поверхности раздела между изолирующими слоями с первого по третий и состоят из материалов с высоким показателем преломления. Поэтому свет, поступающий внутрь световодов 9а и 9b, полностью отражается боковой поверхностью согласно закону Снелла. Например, материал световодов 9а и 9b, имеющий высокий показатель преломления, представляет собой пленку из плазменного SiN, имеющую показатель преломления 2,0. Материалы, которые образуют первый изолирующий слой 4, второй изолирующий слой 6 и третий изолирующий слой 8, - это борофосфосиликатное стекло, имеющее показатель преломления 1,46, SiO (оксид кремния), имеющий показатель преломления 1,46, и SiO (оксид кремния), имеющий показатель преломления 1,46 соответственно. В этом случае свет, который поступает на боковые стенки световодов 9а и 9b под углом падения 46,9° или более, полностью отражается этими стенками. Свет, полностью отраженный боковой стенкой, в конечном счете поступает в фотоэлектрический элемент 2. За счет создания световодов 9а и 9b можно обеспечить эффективное поступление света в фотоэлектрический элемент 2, что усиливает фотоэлектрический эффект.
Пассивирующие пленки 10а и 10b сформированы таким образом, что они покрывают верхнюю часть световода и другие области. Верхняя часть световода 9b покрыта пассивирующей пленкой 10а, сформированной в виде пленки из плазменного нитрида кремния, имеющей толщину t1 и показатель преломления 2,0. Оставшаяся область, исключая верхнюю часть световода, покрыта пассивирующей пленкой 10b, сформированной в виде пленки из плазменного нитрида кремния, имеющей толщину t2 и показатель преломления 2,0. В результате выравнивающий слой 11 имеет более низкий показатель преломления, чем у пассивирующей пленки 10а. При этом достаточно, чтобы t1 была больше 380/2,0=190 нм, так как падающий свет имеет длину волны 380 нм (синий) или более. В более предпочтительном случае t1 больше 600/2,0=300 нм с учетом длины волны 600 нм (красный), которая практически является верхним пределом длины волны падающего света. Достаточно, чтобы t2 была меньше 380/2,0 = 190 нм, когда длина волны падающего света составляет 380 нм (синий). В более предпочтительном случае t2 равна или больше 30 нм и равна или меньше 190 нм, при этом обработка водородом, являющаяся функцией пассивирующей пленки, обеспечивает уменьшение темнового тока. Эффект собирания света, соответствующий первому варианту реализации настоящего изобретения, становится более существенным при большей доле наклонного компонента в падающем свете.
Эффекты от применения первого варианта
На фиг.3 приведен вид в разрезе сравнительного примера для наглядного пояснения эффектов от применения фотоэлектрического элемента преобразования, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения. На фиг.3 в разрезе показаны два соседних пикселя с той же структурой, что и у фотоэлектрического элемента преобразования в первом варианте реализации настоящего изобретения, за исключением того, что создана пассивирующая пленка 10 постоянной толщины. В сравнительном примере, показанном на Фиг.3, падающий свет С1 поступает на левую часть поверхности микролинзы 13 под наклоном влево. Этот свет преломляется микролинзой 13, поступает в отверстие в верхней части световода 9b и затем - в фотоэлектрический элемент 2 преобразования. В противоположность этому, свет С2, который поступает на правую часть поверхности микролинзы 13 наклоненным влево, не поступает в отверстие в верхней части световода 9b, отклоняется от световода 9а и не может быть конвертирован. Свет, который не направляется в фотоэлектрический элемент 2, не может быть эффективным образом обнаружен и вызывает смешивание цветов при поступлении в фотоэлектрический элемент 2 соседнего пикселя. Кроме того, свет, который не направляется в фотоэлектрический элемент 2 преобразования, при его отражении может распространяться через пассивирующую пленку 10 и поступать в другой фотоэлектрический элемент 2 преобразования.
В отличие от этого в структуре, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, показанному на фиг.1, не только световой луч С1, но также и падающий свет С2 может быть направлен в отверстие в верхней части световода 9b за счет полного отражения из-за различия в показателях преломления между пассивирующей пленкой 10а и выравнивающим слоем 11. После этого падающий свет может быть полностью отражен боковой стенкой световода 9а и конвертирован в фотоэлектрический элемент 2. Даже для падающего света С3 толщина пассивирующей пленки 10b удовлетворяет условию t2<λ/n, поэтому свет, поступающий в пассивирующую пленку 10b из пассивирующей пленки 10а, не может распространяться через эту пленку 10b. То есть в твердотельном датчике изображения, соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения, пассивирующие пленки 10а и 10b, различающиеся по толщине, и световод 9 можно использовать, чтобы направить в фотоэлектрический элемент преобразования падающий свет, который обычно не подвергается преобразованию в электричество. Кроме того, в твердотельном датчике изображения, соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения, можно уменьшить количество света, которое обычно может поступать в соседний пиксель.
Световоды 9а и 9b, а также пассивирующие пленки 10а и 10b, имеющие высокие показатели преломления, могут быть сформированы из одной целостной пленки.
Второй вариант
На фиг.5 приведен схематичный вид в разрезе твердотельного датчика изображения, соответствующего второму варианту реализации настоящего изобретения. Твердотельный датчик изображения по второму варианту реализации настоящего изобретения получают путем удаления третьего изолирующего слоя 8 и световода 9b, сформированного в отверстии третьего изолирующего слоя 8, из твердотельного датчика изображения по первому варианту реализации настоящего изобретения. В твердотельном датчике изображения по второму варианту реализации настоящего изобретения пассивирующую пленку, служащую в качестве второй изолирующей пленки, формируют из пассивирующей пленки 10b, верхняя поверхность которой является гладкой и непрерывной и которая имеет толщину t2. Остающаяся структура - та же, что и в первом варианте реализации настоящего изобретения. Если принять, что t2 - толщина пассивирующей пленки 10b, то вся или, по меньшей мере, часть области на верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 покрыта пассивирующей пленкой 10b, толщина которой удовлетворяет условию t2<λ/n. В примере, показанном на фиг.5, верхние поверхности первой изолирующей пленки 100 и световода 9а покрыты пассивирующей пленкой 10b, верхняя поверхность которой является гладкой и непрерывной и которая имеет толщину t2. В формуле изобретения это условие имеет вид t<λ/n за счет замены t2 на t для удобства описания. Размещение второй изолирующей пленки, которая удовлетворяет условию t2<λ/n (или t<λ/n), во всей или, по меньшей мере, в части области на верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 позволяет препятствовать распространению света, который отражается верхней и нижней поверхностями второй изолирующей пленки. Это препятствует поступлению такого света в световод 9а и затем в фотоэлектрический элемент 2 преобразования, что позволяет уменьшить смешивание цветов и шум.
Световод 9а и пассивирующая пленка 10b, имеющие высокие показатели преломления, могут быть сформированы из одной целостной пленки. Выравнивающий слой 11 не ограничивается прозрачной полимерной смолой и может быть создан из неорганического материала, например оксида кремния. В структуре, соответствующей второму варианту реализации настоящего изобретения, верхняя поверхность пассивирующей пленки 10b является плоской, поэтому выравнивающий слой 11 может не иметь функции выравнивания.
Третий вариант
На фиг.6 приведен схематичный вид в разрезе твердотельного датчика изображения, соответствующего третьему варианту реализации настоящего изобретения. В твердотельном датчике изображения по третьему варианту реализации настоящего изобретения пассивирующую пленку, служащую в качестве второй изолирующей пленки, формируют из пассивирующей пленки 10b, верхняя поверхность которой является гладкой и непрерывной и которая имеет указанную выше толщину t2. Остающаяся структура - та же, что и в первом варианте реализации настоящего изобретения. Если принять, что t2 - толщина пассивирующей пленки 10b, то вся или, по меньшей мере, часть области на верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 покрыта пассивирующей пленкой 10b, толщина которой удовлетворяет условию t2<λ/n. В примере, показанном на фиг.6, верхняя поверхность первой изолирующей пленки 100 и верхняя поверхность световода 9b покрыты пассивирующей пленкой 10b, верхняя поверхность которой является гладкой и непрерывной и которая имеет толщину t2. В формуле изобретения это условие имеет вид t<λ/n за счет замены t2 на t для удобства описания. Размещение второй изолирующей пленки, которая удовлетворяет условию t2<λ/n (или t<λ/n), во всей или, по меньшей мере, в части области на верхней поверхности первой изолирующей пленки 100 позволяет препятствовать распространению света, который отражается верхней и нижней поверхностями второй изолирующей пленки. Это препятствует поступлению такого света в световод 9а и световод 9b, а затем - в фотоэлектрический элемент 2, что позволяет уменьшить смешивание цветов и шум.
Световод 9b и пассивирующая пленка 10b, имеющие высокие показатели преломления, могут быть сформированы из одной целостной пленки. Выравнивающий слой 11 не ограничивается прозрачной полимерной смолой и может быть создан из неорганического материала, например оксида кремния. В структуре, соответствующей третьему варианту реализации настоящего изобретения, верхняя поверхность пассивирующей пленки 10b является плоской, поэтому выравнивающий слой 11 может не иметь функции выравнивания.
Пример схемной компоновки
На фиг.4А приведена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая типичную схемную компоновку одного пикселя Р в твердотельном датчике 100 изображения, соответствующем одному из вариантов реализации настоящего изобретения с первого по третий. В реальном твердотельном датчике 100 изображения пиксели Р размещены в двумерную или одномерную матрицу, а вокруг матрицы размещены схема опроса, схема считывания, схема усиления выходного сигнала и т.п. В примере, показанном на фиг.4А, пиксель Р включает фотоэлектрический преобразователь 31, транзистор 32 передачи, плавающую диффузионную область 33 (далее обозначаемую FD), транзистор 34 сброса, транзистор 36 усиления и транзистор 35 выбора.
Когда свет попадает на светопринимающую поверхность фотоэлектрического преобразователя 31, фотоэлектрический преобразователь 31 генерирует электрические заряды (электроны в этом примере), соответствующие свету, и сохраняет их. Фотоэлектрический преобразователь 31, например, представляет собой фотодиод и сохраняет на катоде заряды, сгенерированные при фотоэлектрическом эффекте, возникающем на границе между анодом и катодом. Когда канал сделан проводящим (перевод транзистора в проводящее состояние будет называться "включением транзистора", а перевод транзистора в непроводящее состояние будет называться "выключением транзистора"), транзистор 32 передачи передает заряды, сгенерированные в фотоэлектрическом преобразователе 31, в FD 33. Когда включается транзистор 34 сброса, он возвращает FD 33 в исходное состояние. Транзистор 36 усиления выводит сигнал, соответствующий потенциалу FD 33, в вертикальную линию 37 сигнала, работая как истоковый повторитель вместе с источником 38 постоянного тока, соединенным с вертикальной линией 37 сигнала. Вертикальная линия 37 сигнала соединена с другими пикселями в направлении по столбцу и совместно используется множеством пикселей. То есть когда транзистор 34 сброса возвращает FD 33 в исходное состояние, транзистор 36 усиления выводит шумовой сигнал, соответствующий потенциалу FD 33, в вертикальную линию 37 сигнала. Когда транзистор 32 передачи передает электрические заряды, сгенерированные в фотоэлектрическом преобразователе 31, в FD 33, транзистор 36 усиления выводит оптический сигнал, соответствующий потенциалу FD 33, в вертикальную линию 37 сигнала. Транзистор 35 выбора выбирает пиксель Р, когда он включается, и отменяет выбор пикселя Р, когда он выключается. Отметим, что при управлении выбранным состоянием/невыбранным состоянием пикселя Р на основе потенциала FD 33 можно исключить транзистор 35 выбора из пикселя Р и один транзистор 36 усиления можно использовать для множества фотоэлектрических преобразователей 31. Например, схема 39 считывания считывает сигналы множества пикселей в направлении по столбцу вдоль вертикальной линии 37 сигнала как одномерный результат обнаружения изображения либо смешивает их с сигналами вдоль другой вертикальной линии 37 сигнала в направлении по строке и считывает их как двумерный результат обнаружения изображения, а твердотельный датчик изображения выводит результат как выходной сигнал, что подробно здесь рассматриваться не будет. Сигнал сброса, сигнал передачи и сигнал выбора пикселя, показанные на фиг.4А, представляют собой примеры сигнала, который управляет работой каждого транзистора.
Пример конфигурации системы формирования изображения
Фиг.4В иллюстрирует конфигурацию системы формирования изображения, в которой применяется твердотельный датчик 100 изображения, соответствующий одному из вариантов реализации настоящего изобретения с первого по третий. Система 90 формирования изображения в качестве основных элементов включает оптическую систему, блок 86 обнаружения изображения и блок обработки сигнала. Оптическая система в качестве основных элементов включает затвор 91, линзу 92 и диафрагму 93. Блок 86 обнаружения изображения включает твердотельный датчик 100 изображения по одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Блок обработки сигнала в качестве основных элементов включает схему 95 обработки обнаруженного сигнала, аналого-цифровой преобразователь 96, процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения, память 87, внешний интерфейс 89, генератор 98 тактовых импульсов, блок 99 общего управления/арифметических операций, носитель 88 информации и интерфейс 94 управления носителем информации. Блок обработки сигнала может и не включать носитель 88 информации. Затвор 91 размещен на оптическом пути перед линзой 92 для управления экспозицией. Линза 92 преломляет падающий свет с формированием изображения объекта на поверхности обнаружения изображения твердотельного датчика 100 изображения, входящего в состав блока 86 обнаружения изображения. Диафрагма 93 расположена на оптическом пути между линзой 92 и твердотельным датчиком 100 изображения. Диафрагма 93 регулирует количество света, направляемого в твердотельный датчик 100 изображения после того, как свет прошел через линзу 92.
Твердотельный датчик 100 изображения, входящий в состав блока 86 обнаружения изображения, преобразует изображение объекта, сформированное на поверхности обнаружения изображения этого датчика 100, в сигнал изображения. Блок 86 обнаружения изображения считывает сигнал изображения из твердотельного датчика 100 изображения и выводит его. С блоком 86 обнаружения изображения соединена схема 95 обработки обнаруженного сигнала, которая обрабатывает сигнал изображения, выведенный из блока 86 обнаружения изображения. Со схемой 95 обработки обнаруженного сигнала соединен аналого-цифровой преобразователь 96. Аналого-цифровой преобразователь 96 преобразует обработанный сигнал изображения (аналоговый сигнал), выведенный из схемы 95 обработки обнаруженного сигнала, в сигнал изображения (цифровой сигнал). С аналого-цифровым преобразователем 96 соединен процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения. Процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения, выполняет различные арифметические операции, такие как коррекция сигнала изображения (цифрового сигнала), выведенного из аналого-цифрового преобразователя 96, создавая данные изображения. Процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения, подает данные изображения в память 87, внешний интерфейс 89, блок 99 общего управления/арифметических операций, интерфейс 94 управления носителем информации и т.п. С процессором 97, обрабатывающим сигнал изображения, соединена память 87, в которой сохраняются данные изображения, выведенные из этого процессора 97. С процессором 97, обрабатывающим сигнал изображения, соединен внешний интерфейс 89. Данные изображения, выведенные из процессора 97, обрабатывающего сигнал изображения, через внешний интерфейс 89 передаются во внешнее устройство (например, персональный компьютер).
Генератор 98 тактовых импульсов соединен с блоком 86 обнаружения изображения, схемой 95 обработки обнаруженного сигнала, аналого-цифровым преобразователем 96 и процессором 97, обрабатывающим сигнал изображения. Генератор 98 тактовых импульсов подает тактовые сигналы в блок 86 обнаружения изображения, схему 95 обработки обнаруженного сигнала, аналого-цифровой преобразователь 96 и процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения. Блок 86 обнаружения изображения, схема 95 обработки обнаруженного сигнала, аналого-цифровой преобразователь 96 и процессор 97, обрабатывающий сигнал изображения, работают синхронно с тактовыми сигналами. Блок 99 общего управления/арифметических операций соединен с генератором 98 тактовых импульсов, процессором 97, обрабатывающим сигнал изображения, и интерфейсом 94 управления носителем информации и управляет всеми ими. Носитель 88 информации с возможностью снятия соединен с интерфейсом 94 управления носителем информации. Данные изображения, выведенные из процессора 97, обрабатывающего сигнал изображения, записываются на носитель 88 информации через интерфейс 94 управления носителем информации.
При такой конструкции твердотельный датчик 100 изображения может обеспечивать изображение (данные изображения) высокого качества в системе формирования изображения, пока он может получать сигнал изображения высокого качества.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты его реализации, необходимо понимать, что это изобретение не ограничивается описанными примерными вариантами. Объем приведенной далее формулы изобретения должен соответствовать наиболее широкому пониманию, чтобы охватить все подобные модификации, а также эквивалентные конструкции и функции.
1. Твердотельный датчик изображения, включающий полупроводниковую подложку, содержащую множество фотоэлектрических элементов преобразования, причем датчик содержит:
первую изолирующую пленку, которая расположена на полупроводниковой подложке и имеет множество отверстий, при этом каждое из множества отверстий расположено на одном из упомянутого множества фотоэлектрических элементов преобразования;
- множество участков изолятора, показатель преломления которых выше показателя преломления первой изолирующей пленки, при этом каждый из множества участков изолятора расположен в одном из упомянутого множества отверстий;
- вторую изолирующую пленку, которая расположена на верхних поверхностях упомянутого множества участков изолятора и верхней поверхности первой изолирующей пленки; и
- третью изолирующую пленку, показатель преломления которой ниже показателя преломления второй изолирующей пленки, и которая расположена в контакте с верхней поверхностью второй изолирующей пленки,
при этом обеспечивают соблюдение условия t<λ/n, где λ - длина волны света, поступающего в упомянутое множество участков изолятора, n - показатель преломления второй изолирующей пленки и t - толщина второй изолирующей пленки, по меньшей мере, в части области на верхней поверхности первой изолирующей пленки.
2. Датчик по п.1, в котором верхняя поверхность второй изолирующей пленки выполнена гладкой и непрерывной.
3. Датчик по п.1, в котором дополнительно обеспечивают соблюдение условия t1>λ/n, где t1 - толщина второй изолирующей пленки, по меньшей мере, в части области на верхних поверхностях упомянутого множества участков изолятора.
4. Датчик по п.1, в котором отверстие имеет коническую форму, при которой площадь увеличивается с увеличением расстояния от фотоэлектрического элемента преобразования.
5. Датчик по п.1, в котором вторая изолирующая пленка и участок изолятора изготовлены из одного из следующего: нитрида кремния и оксинитрида кремния.
6. Датчик по п.1, дополнительно содержащий цветной фильтр на третьей изолирующей пленке.
7. Датчик по п.1, в котором, по меньшей мере, часть из упомянутого множества участков изолятора и вторая изолирующая пленка выполнены как единое целое.
8. Система формирования изображения, содержащая:
- твердотельный датчик изображения по любому из пп.1-7 и
- блок обработки сигнала, выполненный с возможностью обработки сигнала, полученного твердотельным датчиком изображения.
