JP2006054469A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】感光セルのマトリクスで形成されたイメージセンサで、各感光セルについて、従来の技術に記載されているイメージセンサよりも感光セルの感光領域上に多くの光を合焦できるイメージセンサを提供する。
【解決手段】感光領域と、感光領域をカバーする絶縁層の積重ねと、感光領域にピクセルの光を合焦するための装置とを有するイメージセンサのピクセル構造を提供する。合焦装置は、第１のマイクロレンズ２９および第２のマイクロレンズ２７を有し、第１のマイクロレンズ２９は積重ねの層の間に配置され、第２のマイクロレンズ２７と感光領域とを、実質的に結び付ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、行と列に配置され、ＣＭＯＳ型の技術の中に形成される感光セルのマトリクスを有するイメージセンサに関する。

図１は、対物レンズ２を介して、視野３の離れた対物領域のイメージを受けるピクセル１のマトリクスで形成されるイメージセンサを概略的に示したものである。対物面の中央に位置する点Ａのイメージはマトリクス１のほぼ中央に形成される。対物面の端に位置する点Ｂのイメージは、マトリクス１の端に形成される。

図２は、例えばシリコンなどの基板７上に形成されたイメージセンサのほぼ中央の感光セル６の断面図を示したものである。感光セル６は、基板７の表面の一部に関連付けられており、それは、上から見ると、通常、正方形または長方形の形状をしている。感光セル６は、受けた光の強度に応じて電荷の量を蓄えることのできるフォトダイオードに通常対応するアクティブな感光領域８を有する。基板７は、透明の絶縁層９、１１、１２、１３の積重ねによってカバーされ、それは例えば、酸化シリコンおよび窒化シリコンであることができる。導電トラック１４は、隣接する絶縁層の間に形成され、導電ビア１６は２つの導電トラックの間に形成され、特に感光領域８のアドレスを可能とし、感光領域８により供給された電気信号を集めることができる。導電トラック１４および導電ビア１６は、通常、金属である。例として、アルミニウム、タングステン、銅、合金を使用することができる。そのような材料は不透明で、しかも反射性を持つことも有り得る。カラーセンサにおいて、例えば有機フィルタなどのカラーフィルタ素子１７が、感光セル６のレベルで絶縁層９、１１、１２、１３の積重ねの上に配置される。カラーフィルタ１７の素子は、光に露出する、露出する面１９を規定する平坦化された等価層１８で通常カバーされている。

対物レンズ２（図１）により、感光セル１に関連付けられる露出する面１９の一部の上に送られる最大量の光は、感光アクティブ領域８に向けられなければならない。このため、感光領域８の向かい側にある、感光領域８上に光線を合焦するための等価層１８上に、マイクロレンズ２１が配置される。２つの光線Ｒ１、Ｒ２の経路が、感光セル６に関し、例として概略的に示されている。導電トラック１４および導電ビア１６は、光線の通過を妨害しないように配置される。マイクロレンズ２１は、例えば等価層１８を樹脂でカバーすることによって得られる。樹脂は、個別の樹脂の塊を区切るためにエッチングされ、各樹脂の塊は感光領域８のほぼ向かい側に配置される。その後、樹脂の塊は加熱される。各樹脂の塊は、リフローにより変形しやすく、凸状の外部面２２を得る。例として、４μｍの辺の感光セル６で、マイクロレンズ２１と関連付けられた感光領域８との間の距離が約８〜１０μｍである場合、マイクロレンズ２１の最大の厚さは約０．５μｍである。

感光領域８は、感光領域６に関連付けられた基板７の表面の一部をカバーするに過ぎない。事実、表面の一部は、感光領域８にアドレスし、読出しを行う装置のために確保されている。明瞭性のため、これらの装置は、図２には示されていない。

図３は、ピクセルマトリクスの端に位置するイメージセンサの感光セル６の断面図を示したものである。２本の光線Ｒ１’、Ｒ２’が、例として示されている。光線Ｒ１’、Ｒ２’の合焦は、感光領域８の側で行われることがわかる。従って、マイクロレンズ２１により供給される光点の少なくとも一部は、感光領域８にぶつからず、イメージの端は、同一の光について、イメージの中心よりも暗く現れる。これは、感光セルマトリクスの周辺部の上に投影されるイメージのオフセットに起因する、周辺の感度のロスへとつながる。

増える一方のイメージセンサを、１つの基板の同一の表面に集積するため、イメージセンサの寸法の縮小が絶えず試みられてきた。これは、感光セル６について、感光セル８の横方向の寸法ｄの縮小という結果をもたらす。しかしながら、通常、マイクロレンズ２１と感光領域８の間の距離Ｔが著しく変化することはない。距離Ｔと横方向の寸法ｄの比率は、従って増大する傾向にある。マイクロレンズ２１は、感光領域８上で合焦できるように、集束しにくいものでなければならない。従って、マイクロレンズ２１はより薄くならなければならず、すなわち、等価層１８上に堆積される樹脂の層は、より薄くなければならない。樹脂の層の中でエッチングされる樹脂の塊のリフローのステップにおいて、光線を適切に集束させる形状のマイクロレンズを得ることは、実際困難である。さらに、この比率の増大は、感光領域よりも広くなり得る、感光領域のレベルでの光線のサイズを増大する傾向がある。これは、利用可能な光の強度のロスをもたらす。現在の製造プロセスの第３の制限は、導電トラック１４と導電ビア１６の存在により生じるものであり、これらは障害となり、光線の通過を妨げる可能性がある。

本発明は、感光セルのマトリクスで形成されたイメージセンサで、各感光セルについて、従来の技術に記載されているイメージセンサよりも感光セルの感光領域上に多くの光を合焦できるイメージセンサを提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、イメージセンサの周辺の感度ロスを克服することである。

これらの目的を達成するため、本発明は、感光領域、感光領域をカバーする絶縁層の積重ね、および感光領域上にピクセルの光を合焦するための装置を有するイメージセンサのピクセル構造を提供する。合焦装置は、第１のマイクロレンズおよび第２のマイクロレンズを有し、第１のマイクロレンズは積重ねの層の間に配置され、第２のマイクロレンズと感光領域とを、実質的に結び付ける。

本発明の実施形態によれば、センサは光に露出する面を有し、第２のマイクロレンズは露出する面に位置する。

本発明の実施形態によれば、第１のマイクロレンズは第１の屈折率を備える第１の材料により形成され、第１のマイクロレンズに隣接する積重ねの層は、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を備える第２の材料で形成される。

本発明の実施形態によれば、第１のマイクロレンズは２つの酸化シリコンの層の間の窒化シリコンをベースにしている。

本発明の実施形態によれば、第１のマイクロレンズは、第２のマイクロレンズと感光領域の間の距離の３分の１のところに、実質的に配置される。

本発明はまた、上述のようなピクセル構造のアセンブリを有するイメージセンサを目的とする。

本発明の実施形態によれば、ピクセル構造アセンブリの少なくとも１つのピクセル構造の第１のマイクロレンズの光軸および第２のマイクロレンズの光軸は、平行で、オフセットがある。

本発明の実施形態によれば、第１のマイクロレンズの光軸と第２のマイクロレンズの光軸の間のオフセットは、イメージセンサの中心から離れるほど大きくなる。

本発明はまた、イメージセンサを製造する方法で、基板のレベルに感光領域を形成するステップと、絶縁層の第１の積重ねを形成するステップと、感光領域のために、第１のマイクロレンズを形成するステップと、絶縁層の第２の積重ねを形成するステップと、第１の対応するマイクロレンズが、第２の対応するマイクロレンズと感光領域とを結び付けることができるよう、感光領域のために、第２のマイクロレンズを形成するステップとを有する方法を目的とする。

本発明の実施形態によれば、第１のマイクロレンズを形成するステップは、窒化シリコンをベースにした層を堆積するステップと、第１の積重ねの上に樹脂の層を堆積するステップと、第１のマイクロレンズの各所望された位置の真上に、第１のマイクロレンズの所望の形状を有する樹脂の塊を形成するステップと、樹脂の塊および窒化シリコンベースの層をエッチングし、窒化シリコンベースの層の中に第１のマイクロレンズを形成するステップとを有し、第１のマイクロレンズは関連付けられた樹脂の塊の形状を有する。

上述した本発明の目的、特徴、および利点は、以下の添付図面に関連する特定の実施形態の非限定的な説明において詳細に論じられる。

明瞭性のため、同一の要素は、異なる図面においても同一の参照番号で示され、更に、集積回路の表現において常にそうであるように、様々な図面は実寸どおりには示されない。

図４は、イメージセンサの感光セル２６の形成例を断面図として示したものである。セル２６は、図２のセル６とほぼ同一の構造を有する。しかしながら、感光セル２６は、絶縁層９、１１、１２、１３の積重ねの絶縁層１１、１２の間に、マイクロレンズ２９を有する。平坦化された等価層１８はフィルタ素子１７をカバーし、層１８の上面は、光に露出し、上にマイクロレンズ２７が配置される露出する面１９を形成する。マイクロレンズ２９の焦点距離は、マイクロレンズ２９が、関連付けられた感光領域８上にマイクロレンズ２７のイメージを形成するように選択される。すなわち、感光領域のサイズｄと感光セル２６（またはマイクロレンズ２７）のサイズの比率よりも小さいもしくは等しい倍率で、マイクロレンズ２９は、マイクロレンズ２７の面と関連付けられた感光領域８の面とを結び付ける。感光領域８上に光を合焦することのできる合焦装置は、このようにして形成される。マイクロレンズ２９の光軸は、マイクロレンズ２７の光軸と実質的には混同される。例示されている光線Ｒ３およびＲ４は、感光領域８上で直接集束する光線Ｒ１およびＲ２とはちがって、マイクロレンズ２９上で集束する。マイクロレンズと感光領域の間の同一の距離Ｔについて、マイクロレンズ２７は、マイクロレンズ２１よりも集束しやすい。マイクロレンズ２７の外部面２８は、より凸状であり、従って、標準的なリフロー製造方法により簡単に形成可能である。

本発明の第１の利点は、従って、よりシンプルで、信頼性が高く、より再現可能なマイクロレンズ２７を形成する方法の実施にある。

図５は、ピクセルマトリクスの端に位置する感光セル２６の断面図を示したものである。光線Ｒ３’およびＲ４’が例として示されている。マイクロレンズ２９は、マイクロレンズ２７と感光領域８とを結び付け、光線Ｒ３’、Ｒ４’はマイクロレンズ２９上で集束する。ピクセル構造がマトリクスの端にあるにもかかわらず、イメージは、光の強度または解像のロスなく感光領域８上に復元される。

本発明の第２の利点は、従って、周辺領域のイメージの自動的な再整列によりもたらされる、感光領域８上にイメージを復元する際の周辺部の感度の向上である。

マイクロレンズ２９の光軸がマイクロレンズ２７の光軸に関してオフセットされるべき、限られたケースの場合、感光領域８上でのイメージの形成を確保するためには、マイクロレンズ２９を動かすだけでよい。従って、新しいマスクのセットを使用する必要のあるピクセル構造の新しい装置よりもはるかに安価な修正が行われる。

図６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、本発明に従ったイメージセンサの製造方法の例のさまざまなステップにおける、本発明に従った感光セルを示したものである。

図６Ａは、ピクセル構造の製造の第１のステップの結果を示したものである。基板７が、Ｎ型にドープされたシリコンで形成される場合、感光領域８はＰ型のドーパントをイオン注入することにより形成される。次に、中に導電ビア１６が形成される絶縁層９が堆積される。その後、第２の絶縁層１１を堆積する前に、導電トラック１４が作られる。絶縁層１１に関連付けられた導電ビア１６および導電トラック１４の形成のため、絶縁層１２を配置する前に、前と同様に行われる。絶縁層１２は例えば窒化シリコンで作られ、絶縁層１１は例えば酸化シリコンで作られる。樹脂の層３２が、次に堆積される。

図６Ｂは、樹脂の層３２をエッチングし、エッチングされた樹脂の塊をリフローした後に得られた凸状の構造３３を示している。次のステップは、矢印３４の方向への均一なエッチングである。凸状の樹脂の構造３３および絶縁層１２は、プラズマエッチングにより、均一に、かつ、絶縁層９および導電トラック１４に関し選択的に、エッチングされる。凸状の構造３３の形状は、層１１のレベルで形成される。このようなステップは、形状移転と呼ばれる。

図６Ｃは、形状移転ステップの終わりに得られる構造を示しており、これはマイクロレンズ２９の形状になる。

もちろん、本発明は、当業者なら充分思い付く可能性のあるさまざまな変更態様、変形態様、および改良を備え得る。特に、実施形態の例において示された装置は、導電トラック１４の２つのレベルと、導電ビア１６の２つのレベルを備える装置について示されたものである。これらの装置は、導電トラック１４のより多数または少数のレベル、および、より下方またはより上方の導電ビアレベル１６で形成することができる。マイクロレンズ２９の位置は、変わってもよく、従って、導電ビア１６の第２のレベルの上である必要はない。事実、マイクロレンズ２９は、より下方または上方のレベルに形成することができる。マイクロレンズ２９は、窒化シリコンをベースにしてもよく、ＳｉＮＯ化合物で形成されてもよい。

このような変更態様、変形態様、および改良は、この開示の一部であり、本発明の精神内および範囲内である。従って、前述の説明は例示に過ぎず、限定を加えるものではない。本発明は、特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定される。

イメージセンサの概略的な斜視図を示したものである。 イメージセンサの感光セルの概略的な断面図を示したものである。 ピクセルマトリクスの端に位置する感光セルの概略的な断面図を示したものである。 本発明に従った、イメージセンサの感光セルの概略的な断面図を示したものである。 ピクセルマトリクスの端に位置する、本発明に従った感光セルの概略的な断面図を示したものである。 本発明に従った、セルを形成する方法の一連のステップを示したものである。 本発明に従った、セルを形成する方法の一連のステップを示したものである。 本発明に従った、セルを形成する方法の一連のステップを示したものである。

符号の説明

１ ピクセル
２ 対物レンズ
３ 視野
６、２６ 感光セル
７ 基板
８ 感光領域
９、１１、１２、１３ 絶縁層
１４ 導電トラック
１６ 導電ビア
１７ カラーフィルタ素子
１８ 等価層
１９ 露出する面
２１ マイクロレンズ
２２ 凸状の外部面
２７ 第２のマイクロレンズ
２８ マイクロレンズの外部面
２９ 第１のマイクロレンズ
３２ 樹脂の層
３３ 凸状の構造
３４ 矢印
Ａ、Ｂ 点
ｄ 感光セルの横方向の寸法
Ｒ１、Ｒ１’、Ｒ２、Ｒ２’、Ｒ３、Ｒ３’、Ｒ４、Ｒ４’ 光線
Ｔ マイクロレンズと感光領域の間の距離

Claims (10)

1. イメージセンサのピクセル構造であって、
   感光領域（８）と、
   前記感光領域（８）をカバーする絶縁層（９、１１、１２、１３）の積重ねと、
   第１のマイクロレンズ（２９）および第２のマイクロレンズ（２７）を有し、前記第１のマイクロレンズ（２９）は前記積重ねの層（９、１１、１２、１３）の間に配置され、前記第２のマイクロレンズ（２７）と前記感光領域（８）とを、実質的に結び付ける、前記感光領域（８）上にピクセルの光を合焦するための装置と
   を有することを特徴とするイメージセンサのピクセル構造。
2. 前記センサは、光に露出する面（１９）を有し、前記第２のマイクロレンズ（２７）は露出する面（１９）に位置することを特徴とする請求項１に記載のピクセル構造。
3. 前記第１のマイクロレンズ（２９）は、第１の屈折率を備える第１の材料により形成され、前記第１のマイクロレンズ（２９）に隣接する前記積重ねの層（１１、１３）は、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を備える第２の材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載のピクセル構造。
4. 前記第１のマイクロレンズ（２９）は、２つの酸化シリコンの層の間の窒化シリコンより成ることを特徴とする請求項３に記載のピクセル構造。
5. 前記第１のマイクロレンズ（２９）は、前記第２のマイクロレンズ（２７）と前記感光領域（８）の間の距離の３分の１のところに、実質的に配置されることを特徴とする請求項１に記載のピクセル構造。
6. 請求項１に記載のピクセル構造のアセンブリを有することを特徴とするイメージセンサ。
7. ピクセル構造アセンブリの少なくとも１つのピクセル構造の前記第１のマイクロレンズ（２９）の光軸および前記第２のマイクロレンズ（２７）の光軸は、平行で、オフセットがあることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
8. 前記第１のマイクロレンズ（２９）の光軸と前記第２のマイクロレンズ（２７）の光軸の間のオフセットは、イメージセンサの中心から離れるほど大きくなることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
9. イメージセンサを製造する方法であって、
   基板（７）のレベルに感光領域（８）を形成するステップと、
   絶縁層（９、１１）の第１の積重ねを形成するステップと、
   各感光領域（８）のために、第１のマイクロレンズ（２９）を形成するステップと、
   絶縁層（１２、１３）の第２の積重ねを形成するステップと、
   各感光領域（８）のために、第２のマイクロレンズ（２７）を形成し、前記第１の対応するマイクロレンズ（２９）が、前記第２の対応するマイクロレンズ（２７）と前記感光領域（８）とを結び付けることができるようにするステップと
   を有することを特徴とするイメージセンサを製造する方法。
10. 前記第１のマイクロレンズ（２９）を形成するステップは、
    窒化シリコンより成る層を堆積するステップと、
    前記第１の積重ね（９、１１）の上に樹脂の層を堆積するステップと、
    第１のマイクロレンズ（２９）の各所望された位置の真上に、前記第１のマイクロレンズ（２９）の所望の形状を有する樹脂の塊を形成するステップと、
    前記樹脂の塊および前記窒化シリコンベースの層をエッチングし、前記窒化シリコンベースの層の中に前記第１のマイクロレンズ（２９）を形成するステップと
    を有し、
    前記第１のマイクロレンズ（２９）は関連付けられた樹脂の塊の形状を有する ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
    

Images