JP2015073070A - 光電変換層の隔壁を有する撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換層のクロストークの問題を克服できる撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の撮像装置は、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードが上部に形成された基板と、この基板上に配置された第１の領域と第２の領域を含む光電変換層と、この光電変換層の第１の領域と第２の領域との間に配置された絶縁隔壁と、光電変換層の第１の領域の下方に配置された第１の電極、および第２の領域の下方に配置された第２の電極と、光電変換層上に配置された電気的相互接続とを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、撮像装置に関し、特に、光電変換層に配置された隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）を有する表面照射型の撮像装置に関するものである。
撮像装置は、各種の画像取込み装置、例えばビデオカメラ、デジタルカメラなどに広く用いられている。一般的に、固体撮像素子、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、または相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサは、光を電荷に変換するフォトダイオードなどの光電変換素子を有する。フォトダイオードは、シリコンチップなどの半導体基板上に形成され、フォトダイオードで生成された光電子に対応する信号電荷は、ＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型の読み出し回路によって得られる。
固体撮像素子では、フォトダイオード以外に、信号読み出し回路とその付随の配線層が半導体基板とフォトダイオードの上に形成される。近年、撮像素子の画素数は、数百万にも達し、各種の配線と電子回路によって占有される面積の割合も各画素で増加している。
このため、フォトダイオードが光を受けるのに実際に用いられる面積の割合は、各画素で低下する。これは、撮像装置の光感度が低下していることを意味する。表面照射型の撮像装置では、入射光がフォトダイオードに届く前に、光線は、フォトダイオードの上方にある配線層によってブロックされる。これは、表面照射型の撮像装置の感度を低下させることになる。
いくつかの撮像装置では、信号読み出し回路と配線層が上部に形成された半導体基板の上側に、光電変換層が形成され、撮像装置の感度を向上させる。しかしながら、光電変換層は、なお、撮像装置の隣接画素に生じるクロストークの問題を有する。
本発明の実施形態に基づき、光電変換層のクロストークの問題を克服できる撮像装置を提供する。
本発明の例示的な一実施形態では、撮像装置が提供される。この撮像装置は、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードが上部に形成された基板を含む。第１の領域と第２の領域を含む光電変換層は、基板の上方に配置される。また、絶縁隔壁は、光電変換層の第１の領域と第２の領域との間に配置される。第１の電極は、光電変換層の第１の領域の下方に配置され、第２の電極は、光電変換層の第２の領域の下方に配置される。また、電気的相互接続は、光電変換層上に配置される。
本発明の例示的な一実施形態では、撮像装置が提供される。この撮像装置は、複数のフォトダイオードが上部に形成された半導体基板を含む。複数の領域を含む光電変換層は、半導体基板の上方に配置される。また、複数の絶縁隔壁は、光電変換層に配置され、各隔壁は、光電変換層の任意の２つの隣接の領域の間に配置される。複数の電極は、光電変換層と半導体基板との間に配置され、各電極は、光電変換層の１つの領域に個別に対応し、フォトダイオードの１つに電気的に接続する。また、電気的相互接続は、光電変換層上に配置される。
本発明の実施形態では、光電変換層の任意の２つの隣接の領域間に配置された隔壁により、光電変換層のクロストークの問題を克服することができる。
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
添付の図面とともに以下の本発明の詳細な説明及び実施形態を検討することで、本発明をより完全に理解できる。
本発明の一実施形態に基づく撮像装置の模式部分断面図を表している。
以下の説明によって、本発明の最良の実施態様を開示する。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参考にして決定される。
図１は、本発明の一実施形態に基づく撮像装置１００の部分断面図を示すものである。撮像装置１００は、例えば、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサである。図１に示すように、撮像装置１００は、半導体基板１０１、およびこの半導体基板１０１上に形成されたフォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０３Ｃのような複数のフォトダイオード１０３を含む。フォトダイオード１０３Ａ〜１０３Ｃの各々は、撮像装置１００のそれぞれ１つの画素に配置される。例えば、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０３Ｃは、画素Ａ、Ｂ、およびＣにそれぞれ配置される。図１は、３つの画素のみ表しているが、実際には撮像装置１００は、数百万画素またはそれ以上の画素を有することができる。図１に示された３つの画素Ａ、Ｂ、およびＣは、撮像装置１００を代表する一部である。
また、撮像装置１００に必要な各種の配線と電子回路も半導体基板１０１に形成される。半導体基板１０１は、ウエハまたはチップであることができる。多層配線構造１１０は、半導体基板１０１上、かつ、フォトダイオード１０３の上方に形成される。多層配線構造１１０は、複数の誘電体層１０５に形成された複数の金属層１０７を含む。誘電体層１０５は、複数の層間誘電体（ＩＬＤ）層、複数の金属間誘電体（ＩＭＤ）層、および保護層を有することができる。また、多層配線構造１１０は、複数のビア１０９も含み、これらのビア１０９は、任意の２つの金属層１０７の間に形成され、且つ誘電体層１０５内に形成される。また、多層配線構造１１０は、上部金属層１０７上に形成された電極層１１１を更に含む。電極層１１１は、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃなどの複数の電極を有する。電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃは、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０３Ｃにそれぞれ電気的に接続される。
本発明の実施形態によれば、光電変換層１１３を多層配線構造１１０上に形成し、複数の絶縁隔壁１１５を光電変換層１１３に配置して、光電変換層１１３を図１に示すように領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃのような複数の領域に分割する。光電変換層１１３の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃは、撮像装置１００の画素Ａ、Ｂ、およびＣにそれぞれ対応する。
光電変換層１１３は、入射光１２５を受け、光電変換層１１３で電子と正孔を生成することができる。光電変換層１１３で生成された電子と正孔の数は、光電変換層１１３が受けた入射光の量と関連する。いくつかの実施形態では、光電変換層１１３を、量子ドットで形成することができる。量子ドットは、ナノ構造であり、通常、伝導帯の電子、価電子帯の正孔、または励起子（伝導帯の電子と価電子帯の正孔の結合ペア（ｂｏｕｎｄ ｐａｉｒｓ））を全ての三次元の空間方向に閉じ込める半導体ナノ構造である。特に量子ドットによって吸収された光子は、電子−正孔ペアを生成し、量子ドットを使用して、光電変換層１１３を形成することができる。量子ドットの材料は、Ｇｒｏｕｐ ＩＩＢ-ＶＩＡ量子ドット、Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩＡ-ＶＡ量子ドット、またはＧｒｏｕｐ ＩＶＡ-ＶＩＡ量子ドットを含む。一実施例では、量子ドットは、ＰｂＳなどの化合物半導体ナノ結晶コア、およびコアの外表面上に形成されたＰｂＳＯ３などのコア材料の酸化物から形成される。量子ドットの層は、スピンコーティングまたはスプレーコーティングプロセスを用いて、多層配線構造１１０上に溶液を塗布し、光電変換層１１３を形成することができる。いくつかの実施形態では、光電変換層１１３は、Ｐ型有機半導体およびＮ型有機半導体のバルクヘテロ構造で形成することができる。
本発明の実施形態に基づき、光電変換層１１３に配置された絶縁隔壁１１５は、光電変換層１１３の各々の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃ内の生成された電子および正孔をブロックすることができる。言い換えれば、絶縁隔壁１１５は、光電変換層１１３の任意の２つの隣接の領域間の電気的クロストーク、例えば、２つの領域１１３Ａと１１３Ｂ間の電気的クロストーク、および２つの領域１１３Ｂと１１３Ｃ間の電気的クロストークを防ぐことができる。
いくつかの実施形態では、絶縁隔壁１１５の材料は、０.０１より低い誘電率を有する低誘電率材料であることができ、光電変換層１１３の任意の２つの隣接の領域間でより良い電気的絶縁を提供することができる。一実施例では、０.０１より低い誘電率を有する絶縁隔壁１１５の材料は、チタンブラック材料である。しかしながら、絶縁隔壁１１５の材料は、チタンブラックに限定されるものではなく、他の０.０１より低い誘電率を有する好適な低誘電率材料も絶縁隔壁１１５に用いることができる。
いくつかの実施形態では、絶縁隔壁１１５の材料は、光電変換層１１３の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料であることができ、絶縁隔壁１１５は、光電変換層１１３に入射する入射光１２５に対して全反射構造を構成することができる。低屈折率材料からなる絶縁隔壁１１５は、光電変換層１１３の任意の２つの隣接の領域間でより良い電気的絶縁を提供することができる。一実施例では、絶縁隔壁１１５の材料は、光電変換層１１３の屈折率より低い屈折率を有する。絶縁隔壁１１５の材料は、ポリ（エチレンオキシド）などの有機低屈折率（ｎ）材料、有機低屈折率（ｎ）のフォトレジスト（ＰＲ）、および化学気相成長（ＣＶＤ）の酸化物などの無機低屈折率（ｎ）材料などから選択することができる。しかしながら、絶縁隔壁１１５の材料は、ポリ（エチレンオキシド）に限定されるものではなく、光電変換層１１３の屈折率より低い屈折率を有する他の好適な低屈折率材料も絶縁隔壁１１５に用いることができる。
いくつかの実施形態では、まず、光電変換層１１３の材料は、多層配線構造１１０上に覆って堆積されるか、または塗布される。次いで光電変換層１１３は、パターン化され、撮像装置１００の任意の２つの隣接の画素の間で、光電変換層１１３に間隙、例えば画素ＡとＢとの間の間隙および画素ＢとＣとの間のもう１つの間隙などを形成する。次に、絶縁材料が光電変換層１１３の間隙に充填され、絶縁隔壁１１５を形成する。光電変換層１１３は、フォトリソグラフィープロセス、またはプリントプロセス、ハードマスクとエッチングプロセスによってパターン化され、２つの画素の間の間隙を形成するのに用いることができる。
光電変換層１１３と絶縁隔壁１１５が完成した後、電気的相互接続層１１７が光電変換層１１３と絶縁隔壁１１５上に形成される。電気的相互接続層１１７は、光電変換層１１３上の上電極として用いられる。光電変換層１１３の全ての領域に配置された電気的相互接続層１１７の部分は、共に電気的に接続されて共通電極を形成する。
図１に示すように、光電変換層１１３の下方の電極層１１１は、光電変換層１１３の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃの下方に配置された電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃをそれぞれ有する。また、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃは、光電変換層１１３の下表面と接触する。下表面は、光電変換層１１３の上表面に相対し、入射光１２５は、上表面から光電変換層１１３に入射する。電極層１１１は、光電変換層１１３の下方の下電極として用いることができ、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃは、光電変換層１１３のそれぞれ対応する領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃと接触している。また、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃは、それぞれフォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０３Ｃに電気的に接続される。
第１の電圧は、電気的相互接続層１１７に印加され、第２の電圧は、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃに印加され、第１の電圧は第２の電圧より低い。光電変換層１１３が入射光１２５によって照射され、光電変換層１１３中に電子−正孔ペアを生成した時、光電変換層１１３の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃの電子は、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃによってそれぞれ捕捉される。言い換えれば、電気的相互接続層１１７は、負電極として用いられ、電極層１１１の電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃは、正電極として用いられて、光電変換層１１３で生成された電子が下方の電極層１１１に向けて移動するように助け、光電変換層１１３で生成された正孔が上方の電気的相互接続層１１７に向けて移動するように助ける。次いで、電極１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃによって捕捉された電子は、多層配線構造１１０を通過することによってフォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０３Ｃにそれぞれ伝送される。
本発明の実施形態では、光電変換層１１３は、絶縁隔壁１１５の配置によって各々の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃに分割される。１つの電子収集領域、例えば、光電変換層１１３の領域１１３Ａで生成された電子は、隣接の電子収集領域、例えば光電変換層１１３の領域１１３Ｂを超えないように、絶縁隔壁１１５によってブロックされる。よって、光電変換層１１３の任意の２つの隣接の電子収集領域間のクロストークの問題が絶縁隔壁１１５によって克服できる。
いくつかの実施形態では、フォトダイオード１０３は、ＣＭＯＳトランジスタであることができる。フォトダイオード１０３と多層配線構造１１０は、周知の半導体製造技術によって半導体基板１０１上に製造することができる。
また、撮像装置１００は、電気的相互接続層１１７上に形成された平坦化層１１９を更に含む。平坦化層１１９の材料は、有機または無機の絶縁材料、例えばエポキシ樹脂またはシリコン酸化物であることができる。次いで、カラーフィルターアレイ１２１が平 坦化層１１９上に形成される。カラーフィルターアレイ１２１は、複数のカラーフィルター部分を含む。いくつかの実施形態では、カラーフィルターアレイ１２１は、赤色（Ｒ）カラーフィルター部分１２１Ｒ、緑色（Ｇ）カラーフィルター部分１２１Ｇ、及び青色（Ｂ）カラーフィルター部分１２１Ｂからなることができる。他の実施形態では、カラーフィルターアレイ１２１は、白色（Ｗ）カラーフィルター部分を含んでもよい。カラーフィルター部分の各々は、光電変換層１１３の１つの領域に個別に対応する。例えば、カラーフィルター部分１２１Ｒ、１２１Ｇ、および１２１Ｂは、光電変換層１１３の領域１１３Ａ、１１３Ｂ、および１１３Ｃにそれぞれ対応する。
また、マイクロレンズ構造１２３は、カラーフィルターアレイ１２１上に配置される。マイクロレンズ構造１２３は、複数のマイクロレンズ１２３Ａ〜１２３Ｃを含み、マイクロレンズの各々は、カラーフィルターアレイ１２１のカラーフィルター部分の１つに個別に対応する。例えば、マイクロレンズ１２３Ａ、１２３Ｂ、および１２３Ｃは、カラーフィルターアレイ１２１のカラーフィルター部分１２１Ｒ、１２１Ｇ、および１２１Ｂにそれぞれ対応する。
いくつかの実施形態では、入射光１２５は、フォトダイオード１０３が上部に形成された半導体基板１０１の正面に照射される。言い換えれば、フォトダイオード１０３は、表面照射型のイメージセンサを構成する。入射光１２５は、マイクロレンズ構造１２３によって収集され、カラーフィルターアレイ１２１、平坦化層１１９、および電気的相互接続層１１７を通過して光電変換層１１３に達する。
本発明の実施形態に基づき、撮像装置の画素に対応する光電変換層の個別の領域は、絶縁隔壁によって互いに分離される。よって、入射光によって光電変換層の個別の領域に生成された電子は、絶縁隔壁によってブロックされ、光電変換層の１つの領域の電子が変換層の隣接の領域を超えるのを防ぐ。よって、絶縁隔壁のない光電変換層に生じるクロストークの問題は、本発明の絶縁隔壁によって克服される 。また、光電変換層の個別の領域は、撮像装置の各画素に配置されたフォトダイオードにそれぞれ対応する。これは、小さい画素サイズと高い画素数を有する撮像装置にとって有益である。
本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置を網羅するものである。よって、添付の特許請求の範囲には、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
１００ 撮像装置
１０１ 半導体基板
１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ フォトダイオード
１０５ 誘電体層
１０７ 金属層
１０９ ビア
１１０ 多層配線構造
１１１ 電極層
１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ 電極
１１３ 光電変換層
１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ 光電変換層の領域
１１５ 絶縁隔壁
１１７ 電気的相互接続層
１１９ 平坦化層
１２１ カラーフィルターアレイ
１２１Ｒ、１２１Ｇ、および１２１Ｂ カラーフィルター部分
１２３ マイクロレンズ構造
１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ マイクロレンズ
Ａ、Ｂ、Ｃ 画素
１２５ 入射光
１０１ 半導体基板
１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ フォトダイオード
１０５ 誘電体層
１０７ 金属層
１０９ ビア
１１０ 多層配線構造
１１１ 電極層
１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ 電極
１１３ 光電変換層
１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ 光電変換層の領域
１１５ 絶縁隔壁
１１７ 電気的相互接続層
１１９ 平坦化層
１２１ カラーフィルターアレイ
１２１Ｒ、１２１Ｇ、および１２１Ｂ カラーフィルター部分
１２３ マイクロレンズ構造
１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ マイクロレンズ
Ａ、Ｂ、Ｃ 画素
１２５ 入射光
Claims (10)
- 第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードが上部に形成された基板と、
前記基板上に配置された第１の領域と第２の領域を含む光電変換層と、
前記光電変換層の前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置された絶縁隔壁と、
前記光電変換層の前記第１の領域の下方に配置された第１の電極、および前記第２の領域の下方に配置された第２の電極と、
前記光電変換層上に配置された電気的相互接続と、
を含む撮像装置。 - 前記絶縁隔壁の材料は、０.０１より低い誘電率を有する低誘電率材料を含む請求項１に記載の撮像装置。
- 前記絶縁隔壁の材料は、前記光電変換層の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料を含み、前記絶縁隔壁は、前記光電変換層に入射する入射光に対して全反射構造を構成する請求項１に記載の撮像装置。
- 前記光電変換層は、第１の面と前記第１の面と相対する第２の面を有し、入射光は、前記第１の面から前記光電変換層に入射し、前記第１の電極と前記第２の電極は、前記光電変換層の前記第２の面と接触している請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記光電変換層の前記第１の領域と前記第２の領域に配置された前記電気的相互接続の部分は、共に電気的に接続されて共通電極を形成し、第１の電圧は、前記電気的相互接続に印加され、第２の電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極に印加され、前記第１の電圧は前記第２の電圧より低い請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記光電変換層は、入射光によって照射されて電子−正孔ペアを生成し、前記光電変換層の前記電子は、前記第１の電極と前記第２の電極によって捕捉され、前記光電変換層の前記第１の領域の電子は、前記光電変換層の前記第２の領域を超えないように、前記絶縁隔壁によってブロックされる請求項５に記載の撮像装置。
- 前記基板と前記光電変換層との間に配置された多層配線構造を更に含み、前記多層配線構造は、複数の金属層、複数の誘電体層、複数の金属間誘電体層、および保護層を含み、前記第１の電極と前記第２の電極は、前記多層配線構造に配置される請求項６に記載の撮像装置。
- 前記第１の電極によって捕捉された前記電子は、前記多層配線構造によって前記第１のフォトダイオードに伝送され、前記第２の電極によって捕捉された前記電子は、前記多層配線構造によって前記第２のフォトダイオードに伝送される請求項７に記載の撮像装置。
- 前記光電変換層の前記第１の領域は、前記第１のフォトダイオードに対応し、前記光電変換層の前記第２の領域は、前記第２のフォトダイオードに対応する請求項１〜８のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記電気的相互接続上に配置されたカラーフィルターと、
前記電気的相互接続と前記カラーフィルターとの間に配置された平坦化層と、
前記カラーフィルター上に配置されたマイクロレンズ構造と、
を更に含む請求項１〜９のいずれかに記載の撮像装置。
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