JP2015222814A - イメージセンサー用の光導波路アレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】基板に支持される光電変換ユニットと、基板に隣接した絶縁体とを含むイメージセンサー画素を提供する。【解決手段】画素は、一部が空気界面を有するように、絶縁体１１０の開口内にあるとともに絶縁体の上に延びている縦列接続式光導波路１１６，１３０を含む。縦列接続式光導波路は、隣り合ったカラーフィルター１１４Ｂ，１１４Ｇ同士の間に空隙４２２を有する自己整合カラーフィルターを含んでもよい。空隙が透明な封止膜によって上方から封止されもよい。透明な封止膜は、凹面を渡って空隙に入る光を空隙から離れ隣接するカラーフィルターに発散させるように、空隙の真上に凹面を備えもよい。さらに、一対のカラーフィルターの間にある支持壁の一部は、カラーフィルターを押し付けてより良い保持を図るために、首の形が形成されるように上方が下方よりも大きい幅を有してもよい。【選択図】図１８
Description
関連出願の相互参照
本出願は、２００７年１２月２８日に出願された米国特許出願６１／００９，４５４号、２００８年１月２８日に出願された出願６１／０６２，７７３号、２００８年２月１日に出願された出願６１／０６３，３０１号、２００８年３月１４日に出願された出願６１／０６９，３４４号、及び２００８年７月１６日に出願された出願１２／２１８，７４９号に基づく優先権を主張する。
本発明は、大体、固体イメージセンサーを製造するための構造及び方法に関する。
本出願は、２００７年１２月２８日に出願された米国特許出願６１／００９，４５４号、２００８年１月２８日に出願された出願６１／０６２，７７３号、２００８年２月１日に出願された出願６１／０６３，３０１号、２００８年３月１４日に出願された出願６１／０６９，３４４号、及び２００８年７月１６日に出願された出願１２／２１８，７４９号に基づく優先権を主張する。
本発明は、大体、固体イメージセンサーを製造するための構造及び方法に関する。
デジタルカメラ、デジタルビデオのような撮影機器は、光を捕らえて静止又はビデオ画像となるように処理する電子イメージセンサーを含んでもよい。電子イメージセンサーは一般に、フォトダイオードのような光捕獲素子を数百万含む。
固体イメージセンサーは、電荷結合素子（ＣＣＤ）型でも相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型でもよい。いずれのイメージセンサーにおいても、光センサーが基板に形成され、２次元アレイで配列されている。イメージセンサーは一般に、解像度の高い画像を与えるための画素を数百万含む。
図１Ａは従来技術による固体イメージセンサー１の断面図を示す。図中、ＣＭＯＳ型センサーにおいて複数の隣接した画素が示され、これは米国特許出願７，１１９，３１９号に開示されている。画素のそれぞれは、光電変換ユニット２を有する。変換ユニット２は、それぞれ転送電極３に隣接し、浮遊拡散ユニット（示せず）に電荷を転送する。前記構造は、絶縁層５に埋め込まれた複数のワイヤー４を含む。平坦な表面がリソグラフィーによる従来のカラーフィルターの構成に必要であるので、前記センサーは、一般に、これらのワイヤー４による最上面の凸凹を補うために、カラーフィルター８の下にある平坦化層６を含む。平坦な表面を与えてマイクロレンズ９を形成するために、第２の平坦化層１０が前記カラーフィルター８の上に設けられる。平坦化層６、１０とカラーフィルター８との合計厚さは約２．０μｍである。
光をこれらの変換ユニット２にガイドするように、光導波路７が前記センサーに集積される。これらの光導波路７は、絶縁層５の窒化ケイ素よりも屈折率が高い材料からなる。光導波路７は、いずれもこれらの変換ユニット２の傍の領域よりも広い入り口を有する。センサー１は、カラーフィルター８とマイクロレンズ９をさらに有してもよい。
マイクロレンズ９は、光電変換ユニット２で光を集光させる。図１Ｂに示すように、マイクロレンズ９は光回折のため、回折光を生じさせ、近くにある光電変換ユニット２に伝導して光学的クロストークと光損失を発生することが可能である。カラーフィルターの上又は下に平坦化層がある場合、前記マイクロレンズは、前記光導波路から離れた場所に位置決められ、クロストークの数が増加してしまう。（カラーフィルターの上或いは下の）平坦化層、又はカラーフィルターの側壁を通過することにより、光は隣接した画素にクロストークすることができる。クロストーク光を遮断するために、金属シールドがこれらの画素に集積されることがある。また、マイクロレンズ、カラーフィルターと、光導波路とのアライメントエラーも、クロストークを引き起こす。マイクロレンズの形成、サイズ、形状を変更することによりクロストークを低減することができる。しかし、精密なマイクロレンズの形成プロセスにより余計なコストを加えざるを得ないが、クロストークはやはり解消できない。
基板界面でのイメージセンサーからの後方反射は、受光損失を引き起こすもう一つの問題である。図１Ａに示すように、光導波路はシリコンと直接に接触する。その界面は、前記センサーから離れた望ましくない後方反射を引き起こす可能性がある。従来のイメージセンサー用の反射防止構造は、前記シリコン基板の上に酸化物・窒化物の二重膜スタック、又は異なる酸素対窒素比を有する酸窒化物層を直接に挿入することを含むが、前記シリコン基板と高酸化物絶縁体との間の反射だけが低減される。これは、前記界面がシリコン基板と窒化物光導波路である場合に不適である。
固体イメージセンサーは、電荷結合素子（ＣＣＤ）型でも相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型でもよい。いずれのイメージセンサーにおいても、光センサーが基板に形成され、２次元アレイで配列されている。イメージセンサーは一般に、解像度の高い画像を与えるための画素を数百万含む。
図１Ａは従来技術による固体イメージセンサー１の断面図を示す。図中、ＣＭＯＳ型センサーにおいて複数の隣接した画素が示され、これは米国特許出願７，１１９，３１９号に開示されている。画素のそれぞれは、光電変換ユニット２を有する。変換ユニット２は、それぞれ転送電極３に隣接し、浮遊拡散ユニット（示せず）に電荷を転送する。前記構造は、絶縁層５に埋め込まれた複数のワイヤー４を含む。平坦な表面がリソグラフィーによる従来のカラーフィルターの構成に必要であるので、前記センサーは、一般に、これらのワイヤー４による最上面の凸凹を補うために、カラーフィルター８の下にある平坦化層６を含む。平坦な表面を与えてマイクロレンズ９を形成するために、第２の平坦化層１０が前記カラーフィルター８の上に設けられる。平坦化層６、１０とカラーフィルター８との合計厚さは約２．０μｍである。
光をこれらの変換ユニット２にガイドするように、光導波路７が前記センサーに集積される。これらの光導波路７は、絶縁層５の窒化ケイ素よりも屈折率が高い材料からなる。光導波路７は、いずれもこれらの変換ユニット２の傍の領域よりも広い入り口を有する。センサー１は、カラーフィルター８とマイクロレンズ９をさらに有してもよい。
マイクロレンズ９は、光電変換ユニット２で光を集光させる。図１Ｂに示すように、マイクロレンズ９は光回折のため、回折光を生じさせ、近くにある光電変換ユニット２に伝導して光学的クロストークと光損失を発生することが可能である。カラーフィルターの上又は下に平坦化層がある場合、前記マイクロレンズは、前記光導波路から離れた場所に位置決められ、クロストークの数が増加してしまう。（カラーフィルターの上或いは下の）平坦化層、又はカラーフィルターの側壁を通過することにより、光は隣接した画素にクロストークすることができる。クロストーク光を遮断するために、金属シールドがこれらの画素に集積されることがある。また、マイクロレンズ、カラーフィルターと、光導波路とのアライメントエラーも、クロストークを引き起こす。マイクロレンズの形成、サイズ、形状を変更することによりクロストークを低減することができる。しかし、精密なマイクロレンズの形成プロセスにより余計なコストを加えざるを得ないが、クロストークはやはり解消できない。
基板界面でのイメージセンサーからの後方反射は、受光損失を引き起こすもう一つの問題である。図１Ａに示すように、光導波路はシリコンと直接に接触する。その界面は、前記センサーから離れた望ましくない後方反射を引き起こす可能性がある。従来のイメージセンサー用の反射防止構造は、前記シリコン基板の上に酸化物・窒化物の二重膜スタック、又は異なる酸素対窒素比を有する酸窒化物層を直接に挿入することを含むが、前記シリコン基板と高酸化物絶縁体との間の反射だけが低減される。これは、前記界面がシリコン基板と窒化物光導波路である場合に不適である。
基板に支持される光電変換ユニットと、前記基板に隣接した絶縁体とを含むイメージセンサー画素である。前記画素は、その一部が前記絶縁体内にあり、別の部分が前記絶縁体の上で延びている縦列接続式光導波路を含んでもよい。前記縦列接続式光導波路は、隣接するカラーフィルター同士の間に空隙を有する自己整合カラーフィルターを備える。空隙は、透明な封止膜によって上方から封止されもよい。前記透明な封止膜は、光を前記空隙から離れ隣接するカラーフィルターに発散させるように、前記空隙の真上に凹面を備えもよい。前記画素は、前記基板と前記縦列接続式光導波路との間に反射防止スタックを有してもよい。
本願は、基板に支持される光電変換ユニットと、前記基板に隣接した絶縁体とを含むイメージセンサー画素を開示する。前記画素は、一部が空気界面を有するように、前記絶縁体の開口内にあり且つ前記絶縁体の上で延びている光導波路を含む。前記空気界面は、前記光導波路の内部反射を改善する。また、前記光導波路とその隣接したカラーフィルターは、前記光導波路の上口径を最適化させてクロストークを低減するプロセスにより構成される。前記光導波路の前記特徴は、マイクロレンズの使用が要らない。また、前記光電変換ユニットの上及び前記光導波路の下に、前記イメージセンサーからの後方反射による光損失を低減するための反射防止スタックが構成される。異なる色の２つの画素は、前記反射防止スタックにおける一つの膜の厚さを補正することによって、反射防止に対して個別に最適化される。
前記画素は、その一方が他方の上に位置する２つの光導波路を含んでもよい。第１の光導波路は、前記基板に隣接した絶縁体の第１の開口内にある。第２の光導波路は、最終的に前記画素の製造中において取り除かれまたは部分的に取り除かれもよい支持膜の第２の開口内にある。同じ開口内にカラーフィルターが設けられておりもよい、これにより、前記第２の光導波路に自己整合する。前記第２の光導波路は、垂直軸に対してゼロでない角度で入射する光を捕らえるように、前記画素アレイの外隅で前記第１の光導波路からずれてもよい。
フィルターに隣接した支持膜材を取り除くことによって、隣り合ったカラーフィルターの間に空隙が生じる。空気は前記支持膜よりも屈折率が低く、前記カラーフィルターと前記光導波路における内部反射を向上させる。また、前記空隙は、前記空隙に入射した光を前記カラーフィルターへ「折り曲げ」させ、前記センサーに与えられる光の量を増やすように配置される。
前記シリコン−光導波路界面での反射は、前記第１の光導波路の下に窒化物膜と第１の酸化物膜を形成することによって低減される。効果的に反射防止される光周波数領域を広げるために、前記窒化物膜の下に第２の酸化物膜が追加として挿入されてもよい。前記第１の酸化物は、前記光導波路材が適用される前に、エッチングされた溝に堆積されてもよい。代替実施形態においては、溝のエッチング前にすべての反射防止膜が形成され、追加された光導波路エッチング停止膜がこれらの反射防止膜を覆って前記溝のエッチング剤から保護する。
図面、特に図２、４Ａ〜Ｌ、５、６Ａ〜Ｂを参照すると、これらの図は、イメージセンサー１００における隣接した２つの画素の実施形態を示す。それぞれの画素は、光エネルギーを電荷に変換する光電変換ユニット１０２を含む。従来の４Ｔ画素においては、電極１０４は、これらの電荷を分離した検出ノード（示せず）へ転送するための転送電極であってもよい。又は、従来の３Ｔ画素においては、電極１０４は、前記光電変換ユニット１０２をリセットするためのリセット電極であってもよい。これらの電極１０４と変換ユニット１０２は、基板１０６に形成される。センサー１００は、絶縁層１１０に埋め込まれたワイヤー１０８も含む。
それぞれの画素は第１の光導波路１１６を有する。前記第１の光導波路１１６は、絶縁層１１０よりも屈折率が高い屈折材から構成される。図４Ｂに示すように、第１の光導波路１１６はそれぞれ、垂直軸に対して角度αで傾いた側壁１１８を有する。角度αは、前記光導波路内に全内部反射があるように、９０−ａｓｉｎ（ｎ絶縁層／ｎ光導波路）よりも小さい角度として選ばれ、好ましくは０であり、ここで、ｎ絶縁層とｎ光導波路がそれぞれ絶縁層材と光導波路材の屈折率である。光導波路１１６は、その内部で光を第２の光導波路１３０から変換ユニット１０２へ反射させる。
第２の光導波路１３０は、第１の光導波路１１６の上に位置し、第１の光導波路１１６と同様な材料で作製されてもよい。第２の光導波路１３０は、最先端が前記第１の光導波路１１６に接する底端より広い。そのため、この底端で隣接している第２の光導波路１３０などの空隙（以下、「第２の空隙」という）は、最先端での空隙よりも大きく、また、第２の光導波路１３０の上のカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの空隙４２２よりも大きい。これらの第２の光導波路１３０は、横方向に第１の光導波路１１６及び／又は変換ユニット１０２からずれてもよく、図６Ａに示すように、第２の光導波路１３０の中心線Ｃ２は、第１の光導波路１１６又は光電変換ユニット１０２の中心線Ｃ１からずれている。前記ズレは、アレイ内の画素位置によって変更してもよい。例えば、前記アレイの外部に位置する画素のズレは、比較的に大きい可能性がある。前記ズレは、前記第１の光導波路の受け取りが最適化されるように、入射光と同じ横方向であってもよい。垂直軸に対してゼロでない角度で至った入射光は、第２の光導波路１３０からずれると、光が第１の光導波路１１６により多く伝導される。効果的には、第２の光導波路１３０と第１の光導波路１１６は共に、異なる画素において異なる垂直断面形状を有する光導波路を構成する。前記形状は、各画素での入射光角度に基づいて最適化される。
図５及び６Ｂは、それぞれアレイの中央と前記アレイの隅での画素を追跡する光線を示す。図５において、入射光線が垂直に入る。第２の光導波路１３０は、第１の光導波路１１６の中央に置かれている。光線ａ、ｂは、第２の光導波路１３０において１回反射されてから、第１の光導波路１１６に入り、１回（光線ａ）又は２回（光線ｂ）反射され、変換ユニット１０２に入る。図６Ｂにおいて、第２の光導波路１３０は右へずれており、左に向かう前記アレイの中央から離れている。垂直軸に対して２５度と高い角度で左から入射した光線ｃは、第２の光導波路１３０の右側壁で反射され、照射してその左下の側壁を通過し、第１の光導波路１１６に入り、最後に変換ユニット１０２に至る。前記ズレによって、前記第１の光導波路１１６は前記第２の光導波路１３０の左下の側壁から離れた光線を再び捕らえる。光導波路の側壁を亘る度に、第２の光導波路から離れても第１の光導波路に入っても、光線ｃの屈折毎に、屈折光線の前記垂直軸に対する角度が小さくなり、前記光電変換ユニットへの伝導効果が強化される。そのため、第１の光導波路１１６と第２の光導波路１３０による光導波路の構成は、前記光導波路の垂直断面形状が画素によって変更することを可能にし、光電変換ユニット１０２への光の伝導効果を最適化する。
２つの別個の光導波路１１６、１３０による光導波路の構成の第２の利点は、光導波路１１６、１３０のそれぞれのエッチング深さを低減することである。その結果、側壁の傾き角の制御は、より高い正確性を達成できる。さらに、光導波路材の堆積は望ましくないキーホールを生じさせる可能性が高くない。前記キーホールは深い凹穴へ薄膜を堆積する際に常に生じ、光がこのキーホールにぶつかると前記光導波路から散乱することになる。
カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、第２の光導波路１３０の上に位置する。側壁の前記カラーフィルターにおける及び隣接した上部は、第２の光導波路の他の部分よりも垂直性が大きい。
これらのカラーフィルター間の第１の空隙４２２は幅０．４５ｕｍ以下で、深さ０．６ｕｍ以上である。前記サイズに制限される空隙により、その内の光が転向されて前記カラーフィルターに入り、最後に画素に至る。そのため、この空隙による前記画素に入射した光損失百分率（以下、「画素損失」という）は、大幅に低減される。
屈折率が高い２つの半透明領域の間の空隙に入射した光は、この空隙が十分に狭い場合に、一方の領域又は他方の領域へ転向する。具体的には、２つのカラーフィルターの間の空隙に入射した光は、この空隙の幅が十分に小さい場合に、一方のカラーフィルター又は他方のカラーフィルターへ転向する。図３Ａは、２つのカラーフィルター域の間に低屈折率の媒体（例えば、空気）が充填されている垂直空隙を示す。前記空隙に入って一方の側壁に近い入射光線は転向してこの側壁に入るが、その他の入射光は転向して他方の側壁に入る。図３Ｂは、１波長を隔てる複数の波面を示す。波面は高屈折率の媒体において進行する速度が遅く、本実施形態において、カラーフィルターの屈折率ｎは約１．６である。そのため、空気が充填されていると仮定する前記空隙における波面間の離間距離は、前記カラーフィルターにおける離間距離の１．６倍であり、結果として、波面が前記カラーフィルターと空隙との界面で折り曲げ、光線が転向してカラーフィルターに入ることになる。図３Ｃは、空隙の垂直軸ｚに沿う伝導光パワーＰ（ｚ）を入射光パワーＰ（０）で割った値と距離ｚとの関係を示すグラフである。図３Ｃに示すように、異なる幅の空隙において、光パワーは前記空隙において深くなるに従って低減され、波長程度の空隙幅が小さいほど、その低減が速く、また、０．４倍の波長以下の空隙幅に対して、１．５倍の波長の深さでほぼ無視される傾向がある。図３Ｃから、所定の最も長い波長の少なくとも１倍に等しい深さを有することが望ましい。前記所定の最も長い波長は、この可視光イメージセンサーの実施形態において、６５０ｎｍである。この深さで、この前記空隙に入射して更なる下のスペースに損失した光パワー百分率（以下、「空隙損失」という）は、１５％よりも小さい。そのため、カラーフィルターの厚さは、前記空隙に入った入射光をろ過し、ろ過されない光が光導波路１３０、１１６を通過して最後に変換ユニット１０２に入らないように、前記波長の少なくとも１倍にする必要がある。前記空隙に空気以外の屈折率ｎｇａｐ＞１．０の透明媒体が充填されると、波長に基づく有効距離が同じように維持するのに対し、絶対距離が１／ｎｇａｐ短縮されるので、前記空隙は、０．４５ｕｍ／ｎ ｇａｐ以下に短縮する必要があると推定される。
図３Ｃを参照すると、深さ０．６５ｕｍ（すなわち、空気中の波長の１．０倍）で空気中の波長６５０ｎｍの赤光は、空気中の波長の０．６倍である０．３９ｕｍの空隙幅に対し、空隙パワー流束が０．１５（１５％）に減衰した。減衰は深さ１ｕｍの近くで最大に達する。波長が短いほど、深さに従う減衰は急峻になる。
図３Ｄは、それぞれ深さ０．６ｕｍ、１．０ｕｍでの波長４５０ｎｍの青、波長５５０ｎｍの緑、及び波長６５０ｎｍの赤という３色の空隙損失と空隙幅Ｗとの関係を示すグラフである。深さ１．０ｕｍで、３色の最も高い空隙損失及び空隙幅０．２ｕｍ〜０．５ｕｍの最大空隙損失を図３Ｅに示す。図３Ｆは、空隙損失と空隙幅の関係を示すテーブルである。図３Ｇは、画素面積百分率で、画素ピッチと空隙幅に対する空隙面積を示すテーブルである。図３Ｇのテーブルにおけるそれぞれのエントリー（百分率空隙面積）に、対応するカラムエントリー（すなわち、空隙損失）を掛けると、図３Ｈに示す画素損失となる。図３Ｉは、０．２ｕｍ〜０．５ｕｍという範囲の異なる空隙幅で、画素損失と画素ピッチとの関係を示すグラフである。
図３Ｉは、カラーフィルターの厚さ１．０ｕｍ、及びコンパクトカメラとカメラ付き携帯電話の画素のサイズ範囲である画素ピッチ１．８ｕｍ〜２．８ｕｍに対し、空隙幅を０．４５ｕｍ以下に維持すると、８％以下の画素損失が生じることを示す。３％以下にするために、空隙幅０．３５ｕｍ以下が必要であり、１．５％以下にするために、空隙幅０．３ｕｍ以下が必要であり、０．５％以下にするために、空隙幅０．２５ｕｍ以下が必要である。また、図３Ｉに示すように、同じ空隙幅では、大きい画素の画素損失の方が小さいことを示す。そのため、５ｕｍより大きい画素の場合には、前記ガイドラインによって少なくとも半分の画素損失が低減される。
再び図２、５を参照すると、第１の空隙４２２が内部反射によって、一方の画素のカラーフィルターから隣接している画素へ伝導するクロストークを防止することが明らかである。そのため、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、それぞれ光導波路のように機能する。図５において、光線ａに沿うカラーフィルター、第２の光導波路、及び第１の光導波路が一緒に縦列接続し、入射光を捕らえて光電変換ユニット１０２に伝導するとともに、損失とクロストークを最小化させる。これは、カラーフィルターの間に金属壁又は光吸収壁を利用してクロストークを低減する従来技術と異なり、これらの壁部に照射される光を損失することがなく、第１の空隙４２２は、光を最も近いカラーフィルターへ転向させることによって、無視される空隙損失を達成する。また、これらのカラーフィルターの下に、従来技術（図１Ｂ参照）のように隣接している光導波路の間にブリッジとなる平坦化層がないため、関連するクロストークも解消される。
空気界面は、前記カラーフィルターの側壁から第２の光導波路の側壁に沿って保護膜４１０上に延びてもよく、これによって、第２の空隙４２４が生じる。第２の空隙４２４と第２の光導波路１３０との間の空気界面は、第２の光導波路１３０の内部反射を向上させる。
アルカリ金属イオンがシリコンに入らないように、絶縁層１１０の上に窒化ケイ素で保護膜４１０を形成してもよい。一般にカラーフィルター材に見つけられるアルカリ金属イオンは、ＭＯＳトランジスターの不安定を引き起こすことができる。保護膜４１０はまた、湿気から隔離することもできる。保護膜４１０は、厚さ１０，０００オングストローム〜４，０００オングストローム、好ましくは７，０００オングストロームの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）により形成されてもよい。第１の光導波路１１６又は第２の光導波路１３０が窒化ケイ素からなるものである場合、窒化ケイ素からなる保護膜４１０は連続して絶縁層１１０の上を渡って位置し、これらのトランジスターをアルカリ金属イオンと湿気から隔離するように封止する。第１の光導波路１１６と第２の光導波路１３０が窒化ケイ素からなるものではない場合、保護膜４１０は、同様の封止効果を与えるように第１の光導波路１１６の最上面を覆ってもよく、第１の光導波路１１６の側壁と底部を覆ってもよい。
第１の空隙４２２と第２の空隙４２４は共に、前記イメージセンサーの最上面の上に、空気への接続開口を構成する。別の観点から考慮すると、前記保護膜４１０からカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの最上面まで、連続した空気界面がある。具体的には、これらの画素の最上面４３０の間に空隙がある。製造中に、この開口の存在により、前記イメージセンサーの製造中において第１の空隙４２２と第２の空隙４２４の構成中に形成された廃棄物を取り除くことができる。ある原因によって後で詰め材により第１の空隙４２２を封止すると、（ｉ）前記カラーフィルター内に内部反射がある、また（ｉｉ）第１の空隙４２２内に入射した光がカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇへ転向するように、前記詰め材は、前記カラーフィルターより屈折率が低いべきである。同様に、ある充填材で第２の空隙４２４を充填すると、この充填材は第２の光導波路１３０より屈折率が低いべきである。
カラーフィルター１１４と光導波路１３０、１１６は、共に「縦列接続式光導波路」を構成し、絶縁層１１０と空隙４２２、４２４のような外部媒体と接する界面での全内部反射を利用して、光を光電変換ユニット１０２へガイドする。従来技術による構造とは異なり、カラーフィルターに入った光が次の画素のカラーフィルターに越えることなく、下へ第２の光導波路１３０にしか伝導されない。これによって、光線が画素のカラーフィルターから隣接している画素へ入らないように、光を前記画素領域の中心に集光させるマイクロレンズをその上に設ける必要がない。製造コストの低減以外、マイクロレンズの除去の利点としては、クロストークを引き起こす恐れがあるマイクロレンズとカラーフィルターとの間のアライメントエラーという問題も解消できる。
上述したように、カラーフィルターの間に不透明な壁部材料を利用する従来技術より優れた縦列接続式光導波路のもう一つの利点としては、カラーフィルター１１４Ｂと１１４Ｇとの間の第１の空隙４２２に落ちた入射光がいずれかのカラーフィルターへ転向するため、これらのフィルターの間の不透明な壁部に光損失がある従来技術による画素とは異なり、光を損失することがない。
このようなカラーフィルターの構成方法の従来技術による方法より優れた利点としては、カラーフィルターの側壁がこれらのカラーフィルターを構成するフォトレジストと染料材により規定されないことである。従来技術によるカラーフィルターの構成方法において、構成されたカラーフィルターは現像後、垂直側壁を形成する必要がある。この必要条件により、フォトレジストと染料材の選択が制限され、それは、染料が前記フォトレジストを感光させる光を吸収してはいけず、そうしないと、カラーフィルターの底部が比較的少ない光を受け取り、その底部が最先端ほど狭くなるからである。本発明によるカラーフィルターの構成方法は、支持膜１３４にエッチングされた凹部２１０によってカラーフィルターの側壁を構成し、カラーフィルター材料の特徴やリソグラフィーの正確性と関わらないので、比較的安価なプロセスになる。
従来技術によるカラーフィルターの構成方法より優れたもう一つの利点としては、すべての画素の間の空隙距離が非常に一致に制御され、また低コストで極めて高い正確性を達成できる。ここで、空隙間隔は、支持膜に開口をエッチングする単一なリソグラフィー工程における線幅とドライエッチング期間における横向きエッチングの制御との組み合わせであり、両方はいずれも均一に制御されやすく、コストを増加することなく極めて正確になる。これらの空隙が従来技術のように、３つの異なるリソグラフィー工程において３つの異なる色のカラーフィルターを配置することによって作成されると、空隙幅の均一性が達成し難く、リソグラフィー工程が非常に高価になり、また側壁輪郭の制御も厳しくなる。
支持膜１３４における同じ開口にカラーフィルター１１４と光導波路１３０を形成した縦列接続式光導波路（以下、「自己整合縦列接続式光導波路」という）の従来技術より優れた利点としては、カラーフィルター１１４と光導波路１３０との間に何らのアライメントエラーもないことである。カラーフィルター１１４には光導波路１３０の側壁に自己整合する側壁がある。
図４Ａ〜Ｌは、本発明のイメージセンサーの一実施形態１００を形成するためのプロセスを示す。前記イメージセンサーは図４Ａに示すように、前記変換ユニット１０２とゲート電極１０４がシリコン基板１０６上に形成され、ワイヤー１０８が絶縁体材料１１０に埋め込まれるように処理される。絶縁体１１０は、低屈折率（ＲＩ）の材料（例えば酸化ケイ素、ＲＩ＝１．４６）により構成されてもよい。化学機械研磨プロセス（ＣＭＰ）によって絶縁体１１０の先端部を平坦化してもよい。
図４Ｂに示すように、絶縁材は、光導波路の開口１２０を形成するように取り除かれてもよい。開口１２０は、角度αで傾いた側壁を有する。例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスによってこれらの開口１２０を形成してもよい。酸化ケイ素を絶縁材とする場合には、好適なエッチング剤は、１２５ｍＴｏｒｒ、４５℃のアルゴンガスにキャリアされる、流量比１：２のＣＦ４＋ＣＨＦ３である。１３．５６ＭＨｚで３００Ｗ〜８００ＷにＲＦパワーを調整することによって前記側壁の角度を調整してもよい。
図４Ｃは、光導波路材１２２を加える工程を示す。例えば、光導波路材１２２は、絶縁材１１０の屈折率（例えば酸化ケイ素、ＲＩ＝１．４６）よりも大きい屈折率２．０の窒化ケイ素であってもよい。それ以外、窒化ケイ素はさらに、Ｈ２Ｏとアルカリ金属イオンを阻止する拡散バリアを与える。例えばプラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって前記光導波路材を加えてもよい。
前記光導波路材はエッチングされて、薄くて平らな保護膜４１０を残して前記絶縁体を覆ってもよい。これにより、後のプロセスにおいてＨ２Ｏとアルカリ金属イオンに接しないように、変換ユニット１０２、ゲート電極１０４及びワイヤー１０８が封止される。又は、前記第１の光導波路材１２２が窒化ケイ素ではない場合に、前記光導波路材１２２をエッチングして前記最上面を平坦化させた後、光導波路材１２２の最先端に窒化ケイ素膜を堆積して保護膜４１０を形成してもよい。これにより、Ｈ２Ｏとアルカリ金属イオンに接しないように、変換ユニット１０２、ゲート電極１０４及びワイヤー１０８が封止される。前記保護膜４１０の厚さは、１０，０００オングストローム〜４，０００オングストロームであってもよく、好ましくは７，０００オングストロームである。
図４Ｄに示すように、支持膜１３４が前記窒化ケイ素の最先端に形成される。支持膜１３４は、高密度プラズマ（ＨＤＰ）によって堆積された酸化ケイ素であってもよい。
図４Ｅにおいて、前記支持膜がエッチングされて開口が形成される。これらの開口は、角度βで傾いた側壁１３６を含んでもよい。角度βは、第２の光導波路１３０において全内部反射が発生するように、β＜９０−ａｓｉｎ（１／ｎ２光導波路）となるように選ばれ、ここで、ｎ２光導波路は第２の光導波路材１３０の屈折率である。分離した２つの光導波路を結合することにより、光導波路毎のエッチング深さが低減される。そのため、より高い正確性の斜側壁のエッチング効果が達成しやすい。支持膜１３４及び第２の光導波路１３０はそれぞれ、絶縁層１１０及び第１の光導波路１１６と同じ材料及び同じプロセスで作製されてもよい。
側壁は図４Ｅに示すように、垂直部分と傾斜部分を有してもよい。前記垂直部分と傾斜部分は、エッチング取り除きプロセスにおいてエッチングの化学的作用又はプラズマ条件を変更することによって実現可能である。垂直部分のエッチング期間のエッチング手段としては、垂直側壁１６２の形成に有利になるように選択され、そして傾斜側壁の形成に有利となる手段に切り替えられる。
図４Ｆは、光導波路材を加える工程を示す。例えば、前記光導波路材は、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって堆積された窒化ケイ素であってもよい。
図４Ｇは、第２の光導波路１３０のそれぞれが１つの凹部２１０を有することを示す。これらの凹部２１０は支持膜１３４の一部である支持壁２１２によって隔てられる。凹部２１０は、壁部２１２が露出されるように光導波路材をエッチングして、さらに、光導波路の最上面が壁部２１２の最上面ほど０．６ｕｍ〜１．２ｕｍ低くなるようにエッチングすることによって形成されもよい。
図４Ｈに示すように、これらの凹部２１０を充填して且つ支持膜１３４の上で延びているように、ある色の染料（例えば、青色、マゼンタ色または黄色）を有するカラーフィルム材料１１４Ｂが付けられてもよい。この実施形態において、前記色材は青い染料を含んでもよい。カラーフィルター材料は、露光後にフォトレジスト現像剤に溶けないポリマーを構成するネガフォトレジストにより作製されてもよい。マスク（示せず）が前記材料１１４Ｂの上に置かれ、このマスクは、その他の部分がエッチングされた際に残された領域を露出させる開口を有する。
使用されるカラーフィルター材料には、それに散在され、通過可能な光の波長の例えば４分の１のような小さな分数以下の直径を有する無機粒子が含まれもよい。例えば、１００ｎｍ未満の直径を有する酸化ジルコニウム、酸化タンタルの粒子が、本例の青色のカラーフィルターに混在されてもよい。前記所望の色に対して透明で、高い屈折率、好ましくは１．９を超える屈折率を有する無機材料の粒子は、カラーフィルターの全屈折率を高め、本発明に用いられるカラーフィルターの側壁の内部反射を向上させることができる。
図４Ｉは、エッチング工程後のイメージセンサーを示す。前記プロセスは図４Ｊに示すように、異なる画素のカラーフィルターを形成するように、緑や赤のような異なる色の材料を利用して繰り返してもよい。最後に加えられた色材は残された凹部２１０を充填するため、マスク工程が要らない。言い換えれば、露光光は、最後のカラーフィルター膜における各所を露光するように、前記イメージセンサーのウェハーにおける所々に加えられてもよい。ベーク工程において、前記最後のカラーフィルターは、その他の色の画素を含む全ての画素に重ねる膜となる。最後のカラーフィルターのその他の画素への重なりは、図４Ｋに示す後のカラーフィルターの下向きのエッチング取り除きプロセスにおいて取り除かれる。
図４Ｇを参照すると、これらの凹部２１０は、前記カラーフィルター材を第２の光導波路１３０に自己整合する自己整合機能を果たす。これらの凹部２１０は、対応するマスク開口より広くてもよい。所定の画素ピッチと所望の第２の光導波路開口のために前記支持壁２１２の厚さを低減させるには、横向き（すなわち、等方性）エッチングを（イオン散乱を増やすことによって）強め、前記マスクを切り下げるように、プラズマチャンバーでの圧力を向上させてもよい。
図４Ｋに示すように、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇが下向きにエッチングされ、支持膜１３４の一部となる支持壁２１２が露出される。そして、図４Ｌに示すように、これらのカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに対して空気／材料界面があるように、前記支持膜１３４の一部を取り除く。図４Ｌに示すように、前記支持膜１３４の他の部分を取り除いてもよい。これにより、第２の光導波路１３０に対して空気／材料界面があり、この界面の法線に比較的近い光線を全内部反射させることによって内部反射を更に補助する。第１の空隙４２２は０．４５ｕｍ以下と十分に小さい幅を有する。これにより、第１の空隙４２２に照射された入射赤光とより小さい波長の光をカラーフィルター１１４Ｂ又は１１４Ｇへ転向させ、受光効果を改善する。光は、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと光導波路１３０、１１６に沿って内部反射される。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは空気より屈折率が高いから、内部反射機能を備える。同様に、第２の光導波路１３０は、光導波路の内部反射性を改善する空気界面を有しもよい。支持膜１３４が完全に取り除かれないと、前記支持膜の屈折率（例えば、酸化ケイ素、１．４６）が光導波路材（例えば、窒化ケイ素、２．０）より低ければ、第２の光導波路１３０と支持膜１３４との界面に優れた内部反射を有する。図１６は、隣接した第２の光導体１３０の間の支持材料が部分的に除去される代替の実施形態示す。同様に、第１の光導波路１１６と第１の絶縁膜１１０との界面にも優れた内部反射を有する。図７は画素アレイの４つの画素２００の上面図である。第１の光導波路と第２の光導波路の両方を含む実施形態では、領域Ｂは第２の光導波路の最上面の領域であり、領域Ｃは第１の光導波路の底面の領域を表す。領域Ａから領域Ｂを除いた領域は、カラーフィルターの間の第１の空隙４２２である。
図１７は、前記支持膜１３４が隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの間に部分的に除去される代替実施形態を示す。支持膜により充填されていない前記間隙は、０．６ｕｍ以上の深さ及び０．４５ｕｍ以下の幅を有することが好ましい。前記深さは、例えば、１．９以上の屈折率を有する透明な材料からなる粒子を前記全体的な屈折率が１．７〜１．８以上になるような量で散在させることによって、前記カラーフィルター材料の前記全屈折率が１．５よりも大きくされた場合に、０．４ｕｍまで低減される。
図１８は、カラーフィルターのそれぞれの対向する側壁が垂直直線ではない代替実施形態を示す。本例では、隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇからの対向する側壁は、前記支持膜１３４の深さで、比較的浅い深さでよりも広い幅を有するように、前記支持膜１３４の一部を挟持している。この特性により、前記支持膜１３４は、それぞれのカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに下向きの力をかけて前記カラーフィルターを押さえるようにして、カラーフィルターの保持を改善する。特に、本例では、前記支持膜１３４は、前記隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに隣接する最も深い深さでよりもその最上面において幅が広く、それは、前記カラーフィルターのそれぞれが前記支持膜１３４の最先端から下方への台形状を有するからである。ここで、カラーフィルターの押さえに寄与するのは、カラーフィルターと（下方から定着される）ソリッド構造との間におり前記カラーフィルターに向かって傾斜する側方界面（すなわち、側壁）の一部である。この特徴は、図１８（カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと支持膜１３４より構成される壁との間の側壁）および図１９（カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと第２の支持膜１４０より構成される壁との間の側壁）に示されている。本実施形態では、前記支持膜１３４のエッチングにおいて残される支持壁２１２（図１９において前記第２の支持壁１４０のエッチングの後に残されるカラーフィルター同士の間の壁も同様）は、（図１８では、前記支持膜２１２の一部となることにより、図１９では、支持膜１３４および光導波路材料１３０に接触することにより）下方から定着されるソリッド構造を備えているが、このソリッド構造は、ソリッド材料の薄膜１４２を、このソリッド膜１４２が前記空隙の下にあるソリッドベース（例えば、図１９における支持膜１３４）からカラーフィルターの側壁の同様に（すなわち、カラーフィルターに向かって）傾斜する部分に続くように、前記空隙に（それを完全に充填せず）堆積して前記側壁と前記支持膜との両方を覆うことにより備えられてもよい（図２１参照）。
図２０は、図４Ｅに示す工程ステップの最初部分の代替工程ステップを示す。図４Ｅでは、前記支持膜１３４にエッチングされたピットが垂直な側壁を有する最先端部を備えていることとは違って、図２０は、最先端部における開口部よりも底部が広くなるように前記ピットを最初に開ける工程ステップを示す。これは、前記ピットの最先端部を異方性プラズマエッチングにより開口させながら、前記ウェハーを回転させるとともに、前記ウェハーの法線がプラズマにおける入射イオンの方向に対して角度をなすように前記ウェハーを斜めに保持することによって達成されてもよい。図２０に示すように、前記ウェハーに対して、前記入射イオン（実線の矢印と点線の矢印で示す）は、前記フォトレジストマスク４５０の真下に前記支持膜をエッチングして、前記ピットにさらに深く入るようにより一層離れた側壁を形成する。図２０に見られるように、隣接するピットの間の前記支持膜の一部には、首の形が現れる。上記特性を有するピットの最先端が形成された後に、次の工程により、図４Ｅにおけるステップの説明の残り部分を実行し、（その残り部分は、対応するプラズマ条件に切り替わることを含む）、前記第２の光導波路用の前記ピットの残りの下部を形成する。特に、前記第２の光導波路の側壁１３６は、前記支持膜１３４の首の形の下に形成される。
図１９は、カラーフィルターが光導波路を収容するピットから離れて形成される溝に形成されている代替実施形態を示す。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、図１８における代替実施形態のように、垂直直線ではない側壁を有している。隣接するカラーフィルターの側壁の間には、第２の支持膜１４０および空隙４２２がある。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、それぞれ第２の光導波路１３０の上方にある。それぞれのフィルターは、アラインメントエラーが最悪の場合でも、それぞれのフィルターの底部が下方の対応する光導波路の最先端内にあるように、第２の光導波路１３０の最先端よりも０．０５ｕｍ〜０．２ｕｍ狭い底部を有している。
図２１Ａ〜２１Ｄは、図１９の代替実施形態を構成する工程ステップを説明するものである。当該工程は、カラーフィルターを収容するピットの一部が備えられていない点以外、図４Ａ〜４Ｇと同じである。エッチングまたはＣＭＰのいずれかによって前記支持膜１３４の上方にある第２の光導波路膜が除去された後に、前記第２の光導波路１３０および前記支持膜１３４は、図２１Ａに示す形状となりもよい。しかしながら、前記第２の光導波路１３０および前記支持膜１３４の両方は、面一の平らな最先端を共有する必要がなく、それは、第２の光導波路１３０の最上面が支持膜１３４の最先端より低くても高くてもよいからである。後者の場合に、隣接する第２の光導波路は、エッチング又はＣＭＰで残された第２の光導波路膜の薄層を介してお互いに繋がってもよい。その後、第２の支持膜１４０が堆積される。第２の支持膜１４０は、酸化ケイ素、または、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの形成に用いられるカラーフィルター材料に対するエッチング速度が４Ｘ以上遅いであるウェットエッチングやプラズマエッチングにより除去できる任意の材料であってもよい。リソグラフィー工程（図示せず）により、前記第２の支持膜１４０にフォトレジストマスク（図示せず）が形成されるとともに、溝が前記第２の支持膜１４０にエッチングされて、図２１Ｂに示す構成になる。その後、図４Ｈ〜４Ｋを用いて説明したものと同じようなステップでカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇが形成され、その結果、図２１Ｃに示す構成、さらに、図２１Ｄに示す構成となる。最後に、図４Ｌを用いて説明するものと同じようなステップで、第２の支持膜１４０のエッチングにより、隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの間に、図１９に示すような間隙４２２が形成される。
図８は、前記支持膜１３４の形成後、同一のマスクで第２と第１の光導波路の両方をエッチングし、また一つの工程において光導波路材で両方を充填する代替実施形態である。図９Ａ〜Ｍは、この代替実施形態を製造するためのプロセスを示す。前記プロセスは、第１の光導波路の開口が第２の光導波路の開口形成後で形成される以外、図４Ａ〜Ｌに示すプロセスと同様であり、図９Ｆに示すように、保護膜４１０およびその上の支持膜１３４がエッチング剤を阻止するためのハードマスクとして機能するため、何らの余分なマスクも要らない。２つの光導波路は共に、図９Ｇに示す同一の工程において充填される。
図２２は、前記光導波路１３０及びカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの上方にあり、空隙４２２を封止する封止膜５００を含む代替実施形態を示す。本実施形態における空隙４２２には、空気、窒素やその他の不活性ガス、または、任意のガス媒体を入れることができる。封止膜５００は、ポリカーボネートやアクリルやエポキシ樹脂を含んでもよく、また、複数の層を含んでもよい。さらに、紫外線および／または赤外線をろ過するために、無機粒子、染料、又は、有機顔料を含めてもよい。封止膜５００は、カラーフィルターと封止膜との間の界面での反射を最小限に抑えるために、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇのカラーフィルター材料の屈折率の０．２以内の屈折率を有してもよい。カラーフィルターの屈折率が１．５５であれば、前記封止膜５００は、１．４５〜１．６５の屈折率を有するように選択されもよい。封止膜５００は、ウェハーが約５００ｒｐｍで表面を上にして回転するとともに、樹脂の流れが分配先端により前記ウェハーの中心に分配され、そして、前記樹脂液体により前記ウェハーの最上面が完全に濡れた後、前記ウェハーが均一の樹脂の厚さになるようにより高速に、例えば、３０００ｒｐｍで回転する、動的スピンコーティングによって塗布される。前記樹脂は、熱又は紫外線により硬化される。前記分配中に、空気（またはガス）が間隙４２２に封止される。分配および／または高速回転中に、粘度を高めて樹脂液体の前記間隙への充填を回避するように、加熱又はＵＶショットが利用されてもよい。最終の加熱又はＵＶ硬化は、前記封止膜５００を硬化させるとともに、前記間隙４２２における空気／ガスの熱膨張により境界５１０を凹面形にすることに寄与する。前記凹面形の膜面５１０は、前記封止膜５００から前記空隙に入る光線を発散させるとともに前記光線をカラーフィルター１１４Ｇ又は１１４Ｂへ導くことに役立つ。その結果、封止膜５００を有しない実施形態と比べ、空隙４２２の深さは半減されることができる。前記ウェハーは高速回転中に、下向きにされてもよい。ボンドパッド上の前記封止膜５００の部分は、既知の方法の何れか１つにより除去されてもよい。封止膜５００は、本願に論じられたイメージセンサー１００の何れかの実施形態に適用できる。
図２４は、パッケージ８００に実装される前記イメージセンサー１００を示すものである。塵埃を遮断するとともに光を入らせるために、前記イメージセンサー１００の上方にカバーガラス８１０がある。カバーガラス８１０とイメージセンサー１００との間には、エポキシ樹脂のような透明な接着膜８２０がそのスペースを充填するとともに熱又は紫外線により硬化される。また、前記封止膜５００および前記接着膜８２０は、前記イメージセンサー１００の前記カバーガラス８１０とカラーフィルターとの間の前記スペースを充填する透明な膜を構成する。前記封止膜５００および前記接着膜８２０が同一の材料で構成される場合に、硬化中に、前記接着膜８２０および前記封止膜５００は、１つの均質且つ透明な膜になるように組合わせることができる。
図２４に示す例は、ＳｈｅｌｌＣａｓｅ（現在ではＴｅｓｓｅｒａ）による「ＳｈｅｌｌＯｐ」という商品名で知られているウエハレベルチップスケールパッケージである。このパッケージは、下部ガラス板８１５により下方から封止され、エポキシ樹脂８２５により前記イメージセンサー１００に保持される。逆転された外部リード８３０は、接合部８４５におけるトレースコンタクト８４０を介してダイ端子８３５に電気的に接続される。接合部８４５は、Ｔ−接合部と呼ばれる場合もあり、また、コンタクト８４０は、Ｔ−接合部コンタクトと呼ばれる場合もある。外部リード８３０は、保護用の半田マスク８５０でコーティングされている。半田マスク８５０は、リード８３０を外部コンタクトから電気的に隔離するとともに前記リードの表面を侵食から保護する誘電体である。コンタクト８５５が、リード８３０の底端に取り付けられ、既知の方法によるプリント回路基板（ＰＣＢ）のマウントに適する。コンタクト８５５は、例えば、半田ボールやメッキといった既知の方法により形成されてもよく、また、マウントされるＰＣＢに合わせて適当に成形されてもよい。
図２３に示すように、前記カバーガラス８１０の上方から、入射光線は、平らな界面のみを通して第２の光導波路１３０に入る。ガラスの屈折率が約１．４６で、エポキシ樹脂８２０、封止膜５００およびラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの屈折率が１．４５〜１．６５であるため、各界面の両側における屈折率の違いが小さいので、各界面は、極微の反射を有する。
図１０Ａ〜Ｈは、イメージセンサーの結合パッド２１４を露光するためのプロセスを示す。開口２１６は図１０Ａ〜Ｂに示すように、結合パッド２１４を覆う第１の絶縁材１１０に形成されもよい。図１０Ｃ〜Ｄに示すように、第１の光導波路材１１６が付けられてその大部分が取り除かれもよい、薄い層を残して下の第１の絶縁材１１０を封止する。図１０Ｅ〜Ｆに示すように、支持膜材料１３４が付けられてもよい、その中に対応する開口２１８が形成される。図１０Ｇに示すように、第２の光導波路材１３０が付けられもよい。図１０Ｈに示すように、マスク無しエッチング工程によって結合パッド２１４を露出させる開口２２０を形成してもよい。前記エッチング剤は、絶縁材１１０、１３４（例えば、酸化ケイ素）及びカラーフィルター１１４（フォトレジスト）より光導波路材１１６、１３０（例えば、窒化ケイ素）を早く侵蝕する特性を有するものが好ましい。ＣＨ３Ｆ／Ｏ ２において窒化ケイ素をドライエッチングするエッチングレートは、カラーフィルター又は酸化ケイ素に対するドライエッチングより５〜１０倍大きい。
図１１は、最先端ＡＲ膜２３６、第２のＡＲ膜２３４、及び変換ユニット１０２を覆う第３のＡＲ膜２３２を含む反射防止（ＡＲ）スタックの実施形態を示す。前記反射防止スタックは、光が第１の光導波路１１６からこれらの変換ユニット１０２への透過を改善する。ＡＲスタックにおける部材は一緒に層２３０を構成してもよく、それはまた、化学汚染物と湿気から保護するように基板１０６、変換ユニット１０２、及び電極１０４を覆う。例えば、第２のＡＲ膜２３４は、一般にソース／ドレインコンタクトより２，０００オングストローム浅いポリシリコンコンタクトのオーバーエッチングを防止するために、コンタクトホールの酸化物エッチングを阻止するＣＭＯＳウエハ製造における普通なコンタクトエッチング停止窒化物膜であってもよい。第３のＡＲ膜２３２は酸化ケイ素膜であってもよい。この酸化ケイ素膜は、ゲート電極１０４の下のゲート絶縁膜、普通なディープサブマイクロンＣＭＯＳプロセスにおいて前記ゲート電極とスペーサ（示せず）との間にゲート電極１０４の側辺に沿って下へ延びるスペーサライナー酸化物膜、コンタクトケイ化を阻止するためのコンタクトケイ化の前に堆積されたケイ化物ブロック酸化物膜や、これらの組み合わせ、又は、光導波路１１６の底部と一致する領域における全ての酸化物をエッチングするサリサイドブロック酸化物のエッチングの後に堆積されるブランケット酸化物膜であってもよい。既存の窒化ケイ素コンタクトエッチング停止膜をＡＲスタックの一部として使用すると、コストが低減される。同一のコンタクトエッチング停止膜はまた、前記光導波路の製造において、絶縁体１１０における開口に対するエッチングの阻止に用いられてもよい。最後に、最先端ＡＲ膜２３６は、光導波路材で絶縁体１１０における開口を充填する前に、この開口に形成されておいてもよい。
最先端ＡＲ膜２３６は光導波路１１６より屈折率が低い。第２のＡＲ膜２３４は最先端ＡＲ膜２３６より屈折率が高い。第３のＡＲ膜２３２は第２のＡＲ膜２３４より屈折率が低い。
最先端ＡＲ膜２３６は、屈折率が約１．４６であり、厚さが７５０オングストローム〜２０００オングストロームであり、好ましくは８００オングストロームである酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素であってもよい。第２のＡＲ膜２３４は、屈折率が約２．０であり、厚さが３００オングストローム〜９００オングストロームであり、好ましくは５００オングストロームである窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）であってもよい。第３のＡＲ膜２３２は、屈折率が約１．４６であり、厚さが２５オングストローム〜１７０オングストロームであり、好ましくは７５オングストロームである酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ、ただし、０＜ｘ＜２且つ０＜ｙ＜４／３）であってもよい。米国特許出願第６１／００９，４５４号の図３に示すように、第３のＡＲ膜２３２は図２のゲート電極１０４の下と基板１０６の上にあるゲート酸化物を含んでもよい。第３のＡＲ膜２３２は、同出願の図３に示すゲートライナー酸化物を更に含んでもよい。又は、第３のＡＲ膜２３２は、光導波路１１６の底部と一致するマスク開口を有するサリサイドブロックエッチングマスクを使用して、米国特許出願第６１／００９，４５４号の図２に示すように、サリサイドブロックエッチングにより、サリサイドブロック酸化物６４、ゲートライナー酸化物５５、ゲート酸化物５４を取り除いた後、ブランケット酸化ケイ素堆積によってウエハにおける所々に形成されてもよい。
図１１に示す反射防止構造は、前記基板にそれぞれ第３のＡＲ膜２３２、第２のＡＲ膜２３４を形成することによって作製されてもよい。そして、第２のＡＲ膜２３４に絶縁体１１０を形成してもよい。窒化ケイ素膜は、前記絶縁体とその下の層を覆って封止し、厚さが１０，０００オングストローム〜４，０００オングストロームであり、好ましくは７，０００オングストロームである保護膜４１０を形成するように、ＰＥＣＶＤによって前記第１の絶縁体１１０に堆積されてもよい。例えば、支持膜１３４は、ＨＤＰ酸化ケイ素堆積によって保護膜４１０に形成されてもよい。
支持膜１３４における開口をエッチングするために、支持膜１３４が隠されて第１のエッチング剤が付けられる。第１のエッチング剤は、保護膜の材料に対して高い選択性を有するように選ばれもよい。例えば、支持膜１３４がＨＤＰ酸化ケイ素からなり、保護膜４１０が窒化ケイ素からなると、第１のエッチング剤は、窒化ケイ素よりＨＤＰ酸化ケイ素を５倍速くエッチングするＣＨＦ３であればよい。そして、第２のエッチング剤は、窒化ケイ素保護膜４１０を貫いてエッチングするように付けられる。第２のエッチング剤は、ＣＨ３Ｆ／Ｏ２であってもよい。次に、第１のエッチング剤は、第１の絶縁体１１０をエッチングして窒化ケイ素からなるコンタクトエッチング停止膜２３４に停止するように、再び付けられる。コンタクトエッチング停止層２３４は、開口の底部を定義するためのエッチング停止層として機能する。そして、ＰＥＣＶＤやＨＤＰ酸化ケイ素堆積のような異方性堆積法によって前記開口に、開口の側壁ではなく主にその底部に堆積される最先端ＡＲ膜２３６を形成する。エッチング剤を付けて前記開口の側壁に延びているいずれの残された最先端ＡＲ膜材料をエッチングして取り除いてもよい。例えば、第１のエッチング剤を用いてドライエッチングし、ある傾き角でウェファーの基板を保持し、外部からのイオンビームに平行する軸線を回って回転させる。その後、例えば窒化ケイ素ＰＥＣＶＤによってこれらの開口に光導波路材を形成する。カラーフィルターは前記光導波路の上に形成されてもよく、隣り合ったカラーフィルターの間にある一部の支持膜及び隣り合った光導波路の間にあるほかの部分は、図５に示す構成となるようにエッチングされてもよい。
図１２Ａ〜Ｅは、光導波路１１６と基板２０２との間に反射防止スタックの別の実施形態を製造するためのプロセスを示す。図１２Ｅを参照すると、この実施形態において、光導波路１１６と、最先端ＡＲ膜２３６、第２のＡＲ膜２３４、第３のＡＲ膜２３２を含む反射防止（ＡＲ）スタックとの間に、エッチング停止膜２３８が挿設される。この光導波路エッチング停止膜２３８は、光導波路１１６と同じ材料で構成されてもよく、また、窒化ケイ素であってもよく、その厚さが１００オングストローム〜３００オングストロームであり、好ましくは１５０オングストロームである。本実施形態において前記ＡＲスタックを形成することは、第２のＡＲ膜２３４の厚さをより正確に制御できる利点があるが、その代わりとして、堆積工程が１回追加され、また酸化物−窒化物−酸化物スタックの代わりに酸化物−窒化物−酸化物−窒化物−酸化物スタックを貫通してコンタクトホール開口（示せず）をエッチングする煩雑さが少々増やしてしまう。前述の実施形態では、第２のＡＲ膜２３４を光導波路エッチング停止膜として使用し、また最後の絶縁体溝エッチングのオーバーエッチング工程において一部の厚さが損失される。
図１２Ａ〜Ｂに示すように、第３のＡＲ膜２３２、第２のＡＲ膜２３４が基板１０６上に付けられ、そして、最先端ＡＲ膜２３６が第２のＡＲ膜２３４上に付けられた後、窒化ケイ素で構成される光導波路エッチング停止膜２３８が付けられる。図１２Ｃに示すように、絶縁層１１０、ワイヤー電極１０８がＡＲ膜２３２、２３４、２３６、及び光導波路エッチング停止膜２３８の上に形成される。図１２Ｄは、光導波路エッチング停止膜２３８の最先端に停止し、絶縁体１１０にエッチングされた開口を示す。図１２Ｅは、光導波路材が充填されている開口を示す。
図１３Ａは、最先端ＡＲ膜２３６（酸化物）の呼び厚さが８００オングストロームであり、＋／−１０％で変更し、２番目のＡＲ膜２３４（窒化物）の呼び厚さが５００オングストロームであり、３番目のＡＲ膜２３２（酸化物）の厚さが７５オングストロームである場合に、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。透過曲線は、紫色領域（４００ｎｍ〜４５０ｎｍ）において急峻な下がりを示す。ＡＲスタックを構成するＡＲ膜２３２、２３４、２３６の呼び厚さは、緑色領域（４９０ｎｍ〜５６０ｎｍ）の代わりに青色領域（４５０ｎｍ〜４９０ｎｍ）に前記透過曲線の最大値が設けられるように選ばれ、これにより、いずれの製造許容差による膜厚ズレも透過係数の紫色領域における下がりが赤色領域（６３０ｎｍ〜７００ｎｍ）より遥かに大きいことを引き起こさない。
図１３Ｂは、厚さ５００オングストロームで、＋／−１０％で変更する呼びで２番目のＡＲ膜（窒化物）について、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。
図１３Ｃは、呼び厚さ７５オングストロームで、＋／−１０％で変更する３番目のＡＲ膜２３２（窒化物）について、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。
図１４Ａ〜Ｇは、２つの異なる画素に２つの異なるＡＲスタックを備え、異なる色の領域を個別に最適化させるために、光導波路１１６と基板２０２との間に反射防止スタックの別の実施形態を製造するためのプロセスを示す。３番目および２番目のＡＲ膜２３２、２３４は図１２Ａに示す実施形態と同様に、図１４Ａの光電変換ユニット２０１の上に設けられる。図１４Ａにおいて、最先端ＡＲ膜２３６は、図１４Ｂに示す最先端ＡＲ膜２３６ｂの比較的大きい厚さに堆積される。その後、リソグラフィーマスク（示せず）によって、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを用いる画素の上にマスク開口を形成する。前記マスク開口の下の最先端ＡＲ膜２３６を図１４Ｂにおける最先端ＡＲ膜２３６ａの比較的小さい厚さに薄化させるように、エッチング工程が適用される。図１４Ｃ〜１４Ｇに示す後工程は、図１２Ｂ〜Ｅと同様である。緑色のカラーフィルター１１４Ｇは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを有する画素に付けられ、青色・赤色のカラーフィルターは、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを有する画素に付けられもよい。
図１５Ａは、呼び厚さ０．１２ｕｍの呼びで比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａ、呼び厚さ５００オングストロームの２番目のＡＲ膜２３４、呼び厚さ７５オングストロームの３番目のＡＲ膜２３２について、図１４Ｇの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、緑色領域に約９９％でピークがあり、赤色領域の中央で約９３％に徐々に下がる。このグラフは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａが赤色画素、緑色画素に適用されることを示す。この比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａは、マゼンタ色が前記イメージセンサーの画素アレイのモザイク模様の一部であるマゼンタ色の画素に適用されてもよい。
図１５Ｂは、呼び厚さ０．２０ｕｍの比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂ、呼び厚さ５００オングストロームの２番目のＡＲ膜２３４、呼び厚さ７５オングストロームの３番目のＡＲ膜２３２について、図１４Ｇの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、異なる色の２つの領域、すなわち、紫色領域と赤色領域にピークがある。このグラフは、最先端ＡＲ膜２３６ｂが紫色画素、赤色画素に適用されることを示す。この比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂは、黄色が前記イメージセンサーの画素アレイのモザイク模様の一部である黄色の画素に適用されてもよい。
画素アレイは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを緑色画素だけに使用し、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを青色・赤色画素の両方に使用してもよい。又は、前記画素アレイは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを緑色・赤色画素の両方に使用し、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを青色画素だけに使用してもよい。
異なる２番目のＡＲ膜の厚さを作成するとともに、同じ最先端ＡＲ膜の厚さを維持することによって、異なる２つのＡＲスタックを形成し、スタックのそれぞれが異なる色の領域を最適化する別の実施形態を提供することができる。１つのカラー領域に１つの厚さを与えるように、２つの異なる厚さが決定される。例えば、２８００オングストロームの厚さは青い光と赤い光の透過を最適化するのに対して、６５０ングストロームの厚さは、緑の光の透過を最適化する。第２のＡＲ膜はまず、比較的大きい厚さに堆積される。その後、リソグラフィーマスクによって、比較的小さい２番目のＡＲ膜の厚さを用いる画素の上にマスク開口を形成する。前記マスク開口の下の２番目のＡＲ膜を比較的小さい厚さに薄化させるように、エッチング工程が適用される。後工程は図１２Ｂ〜Ｅと同様である。
幾つかの典型的な実施形態が説明されて添付図面に示されたが、これらの実施形態が本発明を限定するものではなく単に例示的なものであり、また、当業者によって様々なほかの変形が生じ得るので、本発明が示して説明した特定の構成及び配置に限定されないことを理解すべきである。
前記画素は、その一方が他方の上に位置する２つの光導波路を含んでもよい。第１の光導波路は、前記基板に隣接した絶縁体の第１の開口内にある。第２の光導波路は、最終的に前記画素の製造中において取り除かれまたは部分的に取り除かれもよい支持膜の第２の開口内にある。同じ開口内にカラーフィルターが設けられておりもよい、これにより、前記第２の光導波路に自己整合する。前記第２の光導波路は、垂直軸に対してゼロでない角度で入射する光を捕らえるように、前記画素アレイの外隅で前記第１の光導波路からずれてもよい。
フィルターに隣接した支持膜材を取り除くことによって、隣り合ったカラーフィルターの間に空隙が生じる。空気は前記支持膜よりも屈折率が低く、前記カラーフィルターと前記光導波路における内部反射を向上させる。また、前記空隙は、前記空隙に入射した光を前記カラーフィルターへ「折り曲げ」させ、前記センサーに与えられる光の量を増やすように配置される。
前記シリコン−光導波路界面での反射は、前記第１の光導波路の下に窒化物膜と第１の酸化物膜を形成することによって低減される。効果的に反射防止される光周波数領域を広げるために、前記窒化物膜の下に第２の酸化物膜が追加として挿入されてもよい。前記第１の酸化物は、前記光導波路材が適用される前に、エッチングされた溝に堆積されてもよい。代替実施形態においては、溝のエッチング前にすべての反射防止膜が形成され、追加された光導波路エッチング停止膜がこれらの反射防止膜を覆って前記溝のエッチング剤から保護する。
図面、特に図２、４Ａ〜Ｌ、５、６Ａ〜Ｂを参照すると、これらの図は、イメージセンサー１００における隣接した２つの画素の実施形態を示す。それぞれの画素は、光エネルギーを電荷に変換する光電変換ユニット１０２を含む。従来の４Ｔ画素においては、電極１０４は、これらの電荷を分離した検出ノード（示せず）へ転送するための転送電極であってもよい。又は、従来の３Ｔ画素においては、電極１０４は、前記光電変換ユニット１０２をリセットするためのリセット電極であってもよい。これらの電極１０４と変換ユニット１０２は、基板１０６に形成される。センサー１００は、絶縁層１１０に埋め込まれたワイヤー１０８も含む。
それぞれの画素は第１の光導波路１１６を有する。前記第１の光導波路１１６は、絶縁層１１０よりも屈折率が高い屈折材から構成される。図４Ｂに示すように、第１の光導波路１１６はそれぞれ、垂直軸に対して角度αで傾いた側壁１１８を有する。角度αは、前記光導波路内に全内部反射があるように、９０−ａｓｉｎ（ｎ絶縁層／ｎ光導波路）よりも小さい角度として選ばれ、好ましくは０であり、ここで、ｎ絶縁層とｎ光導波路がそれぞれ絶縁層材と光導波路材の屈折率である。光導波路１１６は、その内部で光を第２の光導波路１３０から変換ユニット１０２へ反射させる。
第２の光導波路１３０は、第１の光導波路１１６の上に位置し、第１の光導波路１１６と同様な材料で作製されてもよい。第２の光導波路１３０は、最先端が前記第１の光導波路１１６に接する底端より広い。そのため、この底端で隣接している第２の光導波路１３０などの空隙（以下、「第２の空隙」という）は、最先端での空隙よりも大きく、また、第２の光導波路１３０の上のカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの空隙４２２よりも大きい。これらの第２の光導波路１３０は、横方向に第１の光導波路１１６及び／又は変換ユニット１０２からずれてもよく、図６Ａに示すように、第２の光導波路１３０の中心線Ｃ２は、第１の光導波路１１６又は光電変換ユニット１０２の中心線Ｃ１からずれている。前記ズレは、アレイ内の画素位置によって変更してもよい。例えば、前記アレイの外部に位置する画素のズレは、比較的に大きい可能性がある。前記ズレは、前記第１の光導波路の受け取りが最適化されるように、入射光と同じ横方向であってもよい。垂直軸に対してゼロでない角度で至った入射光は、第２の光導波路１３０からずれると、光が第１の光導波路１１６により多く伝導される。効果的には、第２の光導波路１３０と第１の光導波路１１６は共に、異なる画素において異なる垂直断面形状を有する光導波路を構成する。前記形状は、各画素での入射光角度に基づいて最適化される。
図５及び６Ｂは、それぞれアレイの中央と前記アレイの隅での画素を追跡する光線を示す。図５において、入射光線が垂直に入る。第２の光導波路１３０は、第１の光導波路１１６の中央に置かれている。光線ａ、ｂは、第２の光導波路１３０において１回反射されてから、第１の光導波路１１６に入り、１回（光線ａ）又は２回（光線ｂ）反射され、変換ユニット１０２に入る。図６Ｂにおいて、第２の光導波路１３０は右へずれており、左に向かう前記アレイの中央から離れている。垂直軸に対して２５度と高い角度で左から入射した光線ｃは、第２の光導波路１３０の右側壁で反射され、照射してその左下の側壁を通過し、第１の光導波路１１６に入り、最後に変換ユニット１０２に至る。前記ズレによって、前記第１の光導波路１１６は前記第２の光導波路１３０の左下の側壁から離れた光線を再び捕らえる。光導波路の側壁を亘る度に、第２の光導波路から離れても第１の光導波路に入っても、光線ｃの屈折毎に、屈折光線の前記垂直軸に対する角度が小さくなり、前記光電変換ユニットへの伝導効果が強化される。そのため、第１の光導波路１１６と第２の光導波路１３０による光導波路の構成は、前記光導波路の垂直断面形状が画素によって変更することを可能にし、光電変換ユニット１０２への光の伝導効果を最適化する。
２つの別個の光導波路１１６、１３０による光導波路の構成の第２の利点は、光導波路１１６、１３０のそれぞれのエッチング深さを低減することである。その結果、側壁の傾き角の制御は、より高い正確性を達成できる。さらに、光導波路材の堆積は望ましくないキーホールを生じさせる可能性が高くない。前記キーホールは深い凹穴へ薄膜を堆積する際に常に生じ、光がこのキーホールにぶつかると前記光導波路から散乱することになる。
カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、第２の光導波路１３０の上に位置する。側壁の前記カラーフィルターにおける及び隣接した上部は、第２の光導波路の他の部分よりも垂直性が大きい。
これらのカラーフィルター間の第１の空隙４２２は幅０．４５ｕｍ以下で、深さ０．６ｕｍ以上である。前記サイズに制限される空隙により、その内の光が転向されて前記カラーフィルターに入り、最後に画素に至る。そのため、この空隙による前記画素に入射した光損失百分率（以下、「画素損失」という）は、大幅に低減される。
屈折率が高い２つの半透明領域の間の空隙に入射した光は、この空隙が十分に狭い場合に、一方の領域又は他方の領域へ転向する。具体的には、２つのカラーフィルターの間の空隙に入射した光は、この空隙の幅が十分に小さい場合に、一方のカラーフィルター又は他方のカラーフィルターへ転向する。図３Ａは、２つのカラーフィルター域の間に低屈折率の媒体（例えば、空気）が充填されている垂直空隙を示す。前記空隙に入って一方の側壁に近い入射光線は転向してこの側壁に入るが、その他の入射光は転向して他方の側壁に入る。図３Ｂは、１波長を隔てる複数の波面を示す。波面は高屈折率の媒体において進行する速度が遅く、本実施形態において、カラーフィルターの屈折率ｎは約１．６である。そのため、空気が充填されていると仮定する前記空隙における波面間の離間距離は、前記カラーフィルターにおける離間距離の１．６倍であり、結果として、波面が前記カラーフィルターと空隙との界面で折り曲げ、光線が転向してカラーフィルターに入ることになる。図３Ｃは、空隙の垂直軸ｚに沿う伝導光パワーＰ（ｚ）を入射光パワーＰ（０）で割った値と距離ｚとの関係を示すグラフである。図３Ｃに示すように、異なる幅の空隙において、光パワーは前記空隙において深くなるに従って低減され、波長程度の空隙幅が小さいほど、その低減が速く、また、０．４倍の波長以下の空隙幅に対して、１．５倍の波長の深さでほぼ無視される傾向がある。図３Ｃから、所定の最も長い波長の少なくとも１倍に等しい深さを有することが望ましい。前記所定の最も長い波長は、この可視光イメージセンサーの実施形態において、６５０ｎｍである。この深さで、この前記空隙に入射して更なる下のスペースに損失した光パワー百分率（以下、「空隙損失」という）は、１５％よりも小さい。そのため、カラーフィルターの厚さは、前記空隙に入った入射光をろ過し、ろ過されない光が光導波路１３０、１１６を通過して最後に変換ユニット１０２に入らないように、前記波長の少なくとも１倍にする必要がある。前記空隙に空気以外の屈折率ｎｇａｐ＞１．０の透明媒体が充填されると、波長に基づく有効距離が同じように維持するのに対し、絶対距離が１／ｎｇａｐ短縮されるので、前記空隙は、０．４５ｕｍ／ｎ ｇａｐ以下に短縮する必要があると推定される。
図３Ｃを参照すると、深さ０．６５ｕｍ（すなわち、空気中の波長の１．０倍）で空気中の波長６５０ｎｍの赤光は、空気中の波長の０．６倍である０．３９ｕｍの空隙幅に対し、空隙パワー流束が０．１５（１５％）に減衰した。減衰は深さ１ｕｍの近くで最大に達する。波長が短いほど、深さに従う減衰は急峻になる。
図３Ｄは、それぞれ深さ０．６ｕｍ、１．０ｕｍでの波長４５０ｎｍの青、波長５５０ｎｍの緑、及び波長６５０ｎｍの赤という３色の空隙損失と空隙幅Ｗとの関係を示すグラフである。深さ１．０ｕｍで、３色の最も高い空隙損失及び空隙幅０．２ｕｍ〜０．５ｕｍの最大空隙損失を図３Ｅに示す。図３Ｆは、空隙損失と空隙幅の関係を示すテーブルである。図３Ｇは、画素面積百分率で、画素ピッチと空隙幅に対する空隙面積を示すテーブルである。図３Ｇのテーブルにおけるそれぞれのエントリー（百分率空隙面積）に、対応するカラムエントリー（すなわち、空隙損失）を掛けると、図３Ｈに示す画素損失となる。図３Ｉは、０．２ｕｍ〜０．５ｕｍという範囲の異なる空隙幅で、画素損失と画素ピッチとの関係を示すグラフである。
図３Ｉは、カラーフィルターの厚さ１．０ｕｍ、及びコンパクトカメラとカメラ付き携帯電話の画素のサイズ範囲である画素ピッチ１．８ｕｍ〜２．８ｕｍに対し、空隙幅を０．４５ｕｍ以下に維持すると、８％以下の画素損失が生じることを示す。３％以下にするために、空隙幅０．３５ｕｍ以下が必要であり、１．５％以下にするために、空隙幅０．３ｕｍ以下が必要であり、０．５％以下にするために、空隙幅０．２５ｕｍ以下が必要である。また、図３Ｉに示すように、同じ空隙幅では、大きい画素の画素損失の方が小さいことを示す。そのため、５ｕｍより大きい画素の場合には、前記ガイドラインによって少なくとも半分の画素損失が低減される。
再び図２、５を参照すると、第１の空隙４２２が内部反射によって、一方の画素のカラーフィルターから隣接している画素へ伝導するクロストークを防止することが明らかである。そのため、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、それぞれ光導波路のように機能する。図５において、光線ａに沿うカラーフィルター、第２の光導波路、及び第１の光導波路が一緒に縦列接続し、入射光を捕らえて光電変換ユニット１０２に伝導するとともに、損失とクロストークを最小化させる。これは、カラーフィルターの間に金属壁又は光吸収壁を利用してクロストークを低減する従来技術と異なり、これらの壁部に照射される光を損失することがなく、第１の空隙４２２は、光を最も近いカラーフィルターへ転向させることによって、無視される空隙損失を達成する。また、これらのカラーフィルターの下に、従来技術（図１Ｂ参照）のように隣接している光導波路の間にブリッジとなる平坦化層がないため、関連するクロストークも解消される。
空気界面は、前記カラーフィルターの側壁から第２の光導波路の側壁に沿って保護膜４１０上に延びてもよく、これによって、第２の空隙４２４が生じる。第２の空隙４２４と第２の光導波路１３０との間の空気界面は、第２の光導波路１３０の内部反射を向上させる。
アルカリ金属イオンがシリコンに入らないように、絶縁層１１０の上に窒化ケイ素で保護膜４１０を形成してもよい。一般にカラーフィルター材に見つけられるアルカリ金属イオンは、ＭＯＳトランジスターの不安定を引き起こすことができる。保護膜４１０はまた、湿気から隔離することもできる。保護膜４１０は、厚さ１０，０００オングストローム〜４，０００オングストローム、好ましくは７，０００オングストロームの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）により形成されてもよい。第１の光導波路１１６又は第２の光導波路１３０が窒化ケイ素からなるものである場合、窒化ケイ素からなる保護膜４１０は連続して絶縁層１１０の上を渡って位置し、これらのトランジスターをアルカリ金属イオンと湿気から隔離するように封止する。第１の光導波路１１６と第２の光導波路１３０が窒化ケイ素からなるものではない場合、保護膜４１０は、同様の封止効果を与えるように第１の光導波路１１６の最上面を覆ってもよく、第１の光導波路１１６の側壁と底部を覆ってもよい。
第１の空隙４２２と第２の空隙４２４は共に、前記イメージセンサーの最上面の上に、空気への接続開口を構成する。別の観点から考慮すると、前記保護膜４１０からカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの最上面まで、連続した空気界面がある。具体的には、これらの画素の最上面４３０の間に空隙がある。製造中に、この開口の存在により、前記イメージセンサーの製造中において第１の空隙４２２と第２の空隙４２４の構成中に形成された廃棄物を取り除くことができる。ある原因によって後で詰め材により第１の空隙４２２を封止すると、（ｉ）前記カラーフィルター内に内部反射がある、また（ｉｉ）第１の空隙４２２内に入射した光がカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇへ転向するように、前記詰め材は、前記カラーフィルターより屈折率が低いべきである。同様に、ある充填材で第２の空隙４２４を充填すると、この充填材は第２の光導波路１３０より屈折率が低いべきである。
カラーフィルター１１４と光導波路１３０、１１６は、共に「縦列接続式光導波路」を構成し、絶縁層１１０と空隙４２２、４２４のような外部媒体と接する界面での全内部反射を利用して、光を光電変換ユニット１０２へガイドする。従来技術による構造とは異なり、カラーフィルターに入った光が次の画素のカラーフィルターに越えることなく、下へ第２の光導波路１３０にしか伝導されない。これによって、光線が画素のカラーフィルターから隣接している画素へ入らないように、光を前記画素領域の中心に集光させるマイクロレンズをその上に設ける必要がない。製造コストの低減以外、マイクロレンズの除去の利点としては、クロストークを引き起こす恐れがあるマイクロレンズとカラーフィルターとの間のアライメントエラーという問題も解消できる。
上述したように、カラーフィルターの間に不透明な壁部材料を利用する従来技術より優れた縦列接続式光導波路のもう一つの利点としては、カラーフィルター１１４Ｂと１１４Ｇとの間の第１の空隙４２２に落ちた入射光がいずれかのカラーフィルターへ転向するため、これらのフィルターの間の不透明な壁部に光損失がある従来技術による画素とは異なり、光を損失することがない。
このようなカラーフィルターの構成方法の従来技術による方法より優れた利点としては、カラーフィルターの側壁がこれらのカラーフィルターを構成するフォトレジストと染料材により規定されないことである。従来技術によるカラーフィルターの構成方法において、構成されたカラーフィルターは現像後、垂直側壁を形成する必要がある。この必要条件により、フォトレジストと染料材の選択が制限され、それは、染料が前記フォトレジストを感光させる光を吸収してはいけず、そうしないと、カラーフィルターの底部が比較的少ない光を受け取り、その底部が最先端ほど狭くなるからである。本発明によるカラーフィルターの構成方法は、支持膜１３４にエッチングされた凹部２１０によってカラーフィルターの側壁を構成し、カラーフィルター材料の特徴やリソグラフィーの正確性と関わらないので、比較的安価なプロセスになる。
従来技術によるカラーフィルターの構成方法より優れたもう一つの利点としては、すべての画素の間の空隙距離が非常に一致に制御され、また低コストで極めて高い正確性を達成できる。ここで、空隙間隔は、支持膜に開口をエッチングする単一なリソグラフィー工程における線幅とドライエッチング期間における横向きエッチングの制御との組み合わせであり、両方はいずれも均一に制御されやすく、コストを増加することなく極めて正確になる。これらの空隙が従来技術のように、３つの異なるリソグラフィー工程において３つの異なる色のカラーフィルターを配置することによって作成されると、空隙幅の均一性が達成し難く、リソグラフィー工程が非常に高価になり、また側壁輪郭の制御も厳しくなる。
支持膜１３４における同じ開口にカラーフィルター１１４と光導波路１３０を形成した縦列接続式光導波路（以下、「自己整合縦列接続式光導波路」という）の従来技術より優れた利点としては、カラーフィルター１１４と光導波路１３０との間に何らのアライメントエラーもないことである。カラーフィルター１１４には光導波路１３０の側壁に自己整合する側壁がある。
図４Ａ〜Ｌは、本発明のイメージセンサーの一実施形態１００を形成するためのプロセスを示す。前記イメージセンサーは図４Ａに示すように、前記変換ユニット１０２とゲート電極１０４がシリコン基板１０６上に形成され、ワイヤー１０８が絶縁体材料１１０に埋め込まれるように処理される。絶縁体１１０は、低屈折率（ＲＩ）の材料（例えば酸化ケイ素、ＲＩ＝１．４６）により構成されてもよい。化学機械研磨プロセス（ＣＭＰ）によって絶縁体１１０の先端部を平坦化してもよい。
図４Ｂに示すように、絶縁材は、光導波路の開口１２０を形成するように取り除かれてもよい。開口１２０は、角度αで傾いた側壁を有する。例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスによってこれらの開口１２０を形成してもよい。酸化ケイ素を絶縁材とする場合には、好適なエッチング剤は、１２５ｍＴｏｒｒ、４５℃のアルゴンガスにキャリアされる、流量比１：２のＣＦ４＋ＣＨＦ３である。１３．５６ＭＨｚで３００Ｗ〜８００ＷにＲＦパワーを調整することによって前記側壁の角度を調整してもよい。
図４Ｃは、光導波路材１２２を加える工程を示す。例えば、光導波路材１２２は、絶縁材１１０の屈折率（例えば酸化ケイ素、ＲＩ＝１．４６）よりも大きい屈折率２．０の窒化ケイ素であってもよい。それ以外、窒化ケイ素はさらに、Ｈ２Ｏとアルカリ金属イオンを阻止する拡散バリアを与える。例えばプラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって前記光導波路材を加えてもよい。
前記光導波路材はエッチングされて、薄くて平らな保護膜４１０を残して前記絶縁体を覆ってもよい。これにより、後のプロセスにおいてＨ２Ｏとアルカリ金属イオンに接しないように、変換ユニット１０２、ゲート電極１０４及びワイヤー１０８が封止される。又は、前記第１の光導波路材１２２が窒化ケイ素ではない場合に、前記光導波路材１２２をエッチングして前記最上面を平坦化させた後、光導波路材１２２の最先端に窒化ケイ素膜を堆積して保護膜４１０を形成してもよい。これにより、Ｈ２Ｏとアルカリ金属イオンに接しないように、変換ユニット１０２、ゲート電極１０４及びワイヤー１０８が封止される。前記保護膜４１０の厚さは、１０，０００オングストローム〜４，０００オングストロームであってもよく、好ましくは７，０００オングストロームである。
図４Ｄに示すように、支持膜１３４が前記窒化ケイ素の最先端に形成される。支持膜１３４は、高密度プラズマ（ＨＤＰ）によって堆積された酸化ケイ素であってもよい。
図４Ｅにおいて、前記支持膜がエッチングされて開口が形成される。これらの開口は、角度βで傾いた側壁１３６を含んでもよい。角度βは、第２の光導波路１３０において全内部反射が発生するように、β＜９０−ａｓｉｎ（１／ｎ２光導波路）となるように選ばれ、ここで、ｎ２光導波路は第２の光導波路材１３０の屈折率である。分離した２つの光導波路を結合することにより、光導波路毎のエッチング深さが低減される。そのため、より高い正確性の斜側壁のエッチング効果が達成しやすい。支持膜１３４及び第２の光導波路１３０はそれぞれ、絶縁層１１０及び第１の光導波路１１６と同じ材料及び同じプロセスで作製されてもよい。
側壁は図４Ｅに示すように、垂直部分と傾斜部分を有してもよい。前記垂直部分と傾斜部分は、エッチング取り除きプロセスにおいてエッチングの化学的作用又はプラズマ条件を変更することによって実現可能である。垂直部分のエッチング期間のエッチング手段としては、垂直側壁１６２の形成に有利になるように選択され、そして傾斜側壁の形成に有利となる手段に切り替えられる。
図４Ｆは、光導波路材を加える工程を示す。例えば、前記光導波路材は、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって堆積された窒化ケイ素であってもよい。
図４Ｇは、第２の光導波路１３０のそれぞれが１つの凹部２１０を有することを示す。これらの凹部２１０は支持膜１３４の一部である支持壁２１２によって隔てられる。凹部２１０は、壁部２１２が露出されるように光導波路材をエッチングして、さらに、光導波路の最上面が壁部２１２の最上面ほど０．６ｕｍ〜１．２ｕｍ低くなるようにエッチングすることによって形成されもよい。
図４Ｈに示すように、これらの凹部２１０を充填して且つ支持膜１３４の上で延びているように、ある色の染料（例えば、青色、マゼンタ色または黄色）を有するカラーフィルム材料１１４Ｂが付けられてもよい。この実施形態において、前記色材は青い染料を含んでもよい。カラーフィルター材料は、露光後にフォトレジスト現像剤に溶けないポリマーを構成するネガフォトレジストにより作製されてもよい。マスク（示せず）が前記材料１１４Ｂの上に置かれ、このマスクは、その他の部分がエッチングされた際に残された領域を露出させる開口を有する。
使用されるカラーフィルター材料には、それに散在され、通過可能な光の波長の例えば４分の１のような小さな分数以下の直径を有する無機粒子が含まれもよい。例えば、１００ｎｍ未満の直径を有する酸化ジルコニウム、酸化タンタルの粒子が、本例の青色のカラーフィルターに混在されてもよい。前記所望の色に対して透明で、高い屈折率、好ましくは１．９を超える屈折率を有する無機材料の粒子は、カラーフィルターの全屈折率を高め、本発明に用いられるカラーフィルターの側壁の内部反射を向上させることができる。
図４Ｉは、エッチング工程後のイメージセンサーを示す。前記プロセスは図４Ｊに示すように、異なる画素のカラーフィルターを形成するように、緑や赤のような異なる色の材料を利用して繰り返してもよい。最後に加えられた色材は残された凹部２１０を充填するため、マスク工程が要らない。言い換えれば、露光光は、最後のカラーフィルター膜における各所を露光するように、前記イメージセンサーのウェハーにおける所々に加えられてもよい。ベーク工程において、前記最後のカラーフィルターは、その他の色の画素を含む全ての画素に重ねる膜となる。最後のカラーフィルターのその他の画素への重なりは、図４Ｋに示す後のカラーフィルターの下向きのエッチング取り除きプロセスにおいて取り除かれる。
図４Ｇを参照すると、これらの凹部２１０は、前記カラーフィルター材を第２の光導波路１３０に自己整合する自己整合機能を果たす。これらの凹部２１０は、対応するマスク開口より広くてもよい。所定の画素ピッチと所望の第２の光導波路開口のために前記支持壁２１２の厚さを低減させるには、横向き（すなわち、等方性）エッチングを（イオン散乱を増やすことによって）強め、前記マスクを切り下げるように、プラズマチャンバーでの圧力を向上させてもよい。
図４Ｋに示すように、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇが下向きにエッチングされ、支持膜１３４の一部となる支持壁２１２が露出される。そして、図４Ｌに示すように、これらのカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに対して空気／材料界面があるように、前記支持膜１３４の一部を取り除く。図４Ｌに示すように、前記支持膜１３４の他の部分を取り除いてもよい。これにより、第２の光導波路１３０に対して空気／材料界面があり、この界面の法線に比較的近い光線を全内部反射させることによって内部反射を更に補助する。第１の空隙４２２は０．４５ｕｍ以下と十分に小さい幅を有する。これにより、第１の空隙４２２に照射された入射赤光とより小さい波長の光をカラーフィルター１１４Ｂ又は１１４Ｇへ転向させ、受光効果を改善する。光は、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと光導波路１３０、１１６に沿って内部反射される。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは空気より屈折率が高いから、内部反射機能を備える。同様に、第２の光導波路１３０は、光導波路の内部反射性を改善する空気界面を有しもよい。支持膜１３４が完全に取り除かれないと、前記支持膜の屈折率（例えば、酸化ケイ素、１．４６）が光導波路材（例えば、窒化ケイ素、２．０）より低ければ、第２の光導波路１３０と支持膜１３４との界面に優れた内部反射を有する。図１６は、隣接した第２の光導体１３０の間の支持材料が部分的に除去される代替の実施形態示す。同様に、第１の光導波路１１６と第１の絶縁膜１１０との界面にも優れた内部反射を有する。図７は画素アレイの４つの画素２００の上面図である。第１の光導波路と第２の光導波路の両方を含む実施形態では、領域Ｂは第２の光導波路の最上面の領域であり、領域Ｃは第１の光導波路の底面の領域を表す。領域Ａから領域Ｂを除いた領域は、カラーフィルターの間の第１の空隙４２２である。
図１７は、前記支持膜１３４が隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの間に部分的に除去される代替実施形態を示す。支持膜により充填されていない前記間隙は、０．６ｕｍ以上の深さ及び０．４５ｕｍ以下の幅を有することが好ましい。前記深さは、例えば、１．９以上の屈折率を有する透明な材料からなる粒子を前記全体的な屈折率が１．７〜１．８以上になるような量で散在させることによって、前記カラーフィルター材料の前記全屈折率が１．５よりも大きくされた場合に、０．４ｕｍまで低減される。
図１８は、カラーフィルターのそれぞれの対向する側壁が垂直直線ではない代替実施形態を示す。本例では、隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇからの対向する側壁は、前記支持膜１３４の深さで、比較的浅い深さでよりも広い幅を有するように、前記支持膜１３４の一部を挟持している。この特性により、前記支持膜１３４は、それぞれのカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに下向きの力をかけて前記カラーフィルターを押さえるようにして、カラーフィルターの保持を改善する。特に、本例では、前記支持膜１３４は、前記隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇに隣接する最も深い深さでよりもその最上面において幅が広く、それは、前記カラーフィルターのそれぞれが前記支持膜１３４の最先端から下方への台形状を有するからである。ここで、カラーフィルターの押さえに寄与するのは、カラーフィルターと（下方から定着される）ソリッド構造との間におり前記カラーフィルターに向かって傾斜する側方界面（すなわち、側壁）の一部である。この特徴は、図１８（カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと支持膜１３４より構成される壁との間の側壁）および図１９（カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇと第２の支持膜１４０より構成される壁との間の側壁）に示されている。本実施形態では、前記支持膜１３４のエッチングにおいて残される支持壁２１２（図１９において前記第２の支持壁１４０のエッチングの後に残されるカラーフィルター同士の間の壁も同様）は、（図１８では、前記支持膜２１２の一部となることにより、図１９では、支持膜１３４および光導波路材料１３０に接触することにより）下方から定着されるソリッド構造を備えているが、このソリッド構造は、ソリッド材料の薄膜１４２を、このソリッド膜１４２が前記空隙の下にあるソリッドベース（例えば、図１９における支持膜１３４）からカラーフィルターの側壁の同様に（すなわち、カラーフィルターに向かって）傾斜する部分に続くように、前記空隙に（それを完全に充填せず）堆積して前記側壁と前記支持膜との両方を覆うことにより備えられてもよい（図２１参照）。
図２０は、図４Ｅに示す工程ステップの最初部分の代替工程ステップを示す。図４Ｅでは、前記支持膜１３４にエッチングされたピットが垂直な側壁を有する最先端部を備えていることとは違って、図２０は、最先端部における開口部よりも底部が広くなるように前記ピットを最初に開ける工程ステップを示す。これは、前記ピットの最先端部を異方性プラズマエッチングにより開口させながら、前記ウェハーを回転させるとともに、前記ウェハーの法線がプラズマにおける入射イオンの方向に対して角度をなすように前記ウェハーを斜めに保持することによって達成されてもよい。図２０に示すように、前記ウェハーに対して、前記入射イオン（実線の矢印と点線の矢印で示す）は、前記フォトレジストマスク４５０の真下に前記支持膜をエッチングして、前記ピットにさらに深く入るようにより一層離れた側壁を形成する。図２０に見られるように、隣接するピットの間の前記支持膜の一部には、首の形が現れる。上記特性を有するピットの最先端が形成された後に、次の工程により、図４Ｅにおけるステップの説明の残り部分を実行し、（その残り部分は、対応するプラズマ条件に切り替わることを含む）、前記第２の光導波路用の前記ピットの残りの下部を形成する。特に、前記第２の光導波路の側壁１３６は、前記支持膜１３４の首の形の下に形成される。
図１９は、カラーフィルターが光導波路を収容するピットから離れて形成される溝に形成されている代替実施形態を示す。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、図１８における代替実施形態のように、垂直直線ではない側壁を有している。隣接するカラーフィルターの側壁の間には、第２の支持膜１４０および空隙４２２がある。カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇは、それぞれ第２の光導波路１３０の上方にある。それぞれのフィルターは、アラインメントエラーが最悪の場合でも、それぞれのフィルターの底部が下方の対応する光導波路の最先端内にあるように、第２の光導波路１３０の最先端よりも０．０５ｕｍ〜０．２ｕｍ狭い底部を有している。
図２１Ａ〜２１Ｄは、図１９の代替実施形態を構成する工程ステップを説明するものである。当該工程は、カラーフィルターを収容するピットの一部が備えられていない点以外、図４Ａ〜４Ｇと同じである。エッチングまたはＣＭＰのいずれかによって前記支持膜１３４の上方にある第２の光導波路膜が除去された後に、前記第２の光導波路１３０および前記支持膜１３４は、図２１Ａに示す形状となりもよい。しかしながら、前記第２の光導波路１３０および前記支持膜１３４の両方は、面一の平らな最先端を共有する必要がなく、それは、第２の光導波路１３０の最上面が支持膜１３４の最先端より低くても高くてもよいからである。後者の場合に、隣接する第２の光導波路は、エッチング又はＣＭＰで残された第２の光導波路膜の薄層を介してお互いに繋がってもよい。その後、第２の支持膜１４０が堆積される。第２の支持膜１４０は、酸化ケイ素、または、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの形成に用いられるカラーフィルター材料に対するエッチング速度が４Ｘ以上遅いであるウェットエッチングやプラズマエッチングにより除去できる任意の材料であってもよい。リソグラフィー工程（図示せず）により、前記第２の支持膜１４０にフォトレジストマスク（図示せず）が形成されるとともに、溝が前記第２の支持膜１４０にエッチングされて、図２１Ｂに示す構成になる。その後、図４Ｈ〜４Ｋを用いて説明したものと同じようなステップでカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇが形成され、その結果、図２１Ｃに示す構成、さらに、図２１Ｄに示す構成となる。最後に、図４Ｌを用いて説明するものと同じようなステップで、第２の支持膜１４０のエッチングにより、隣接するカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの間に、図１９に示すような間隙４２２が形成される。
図８は、前記支持膜１３４の形成後、同一のマスクで第２と第１の光導波路の両方をエッチングし、また一つの工程において光導波路材で両方を充填する代替実施形態である。図９Ａ〜Ｍは、この代替実施形態を製造するためのプロセスを示す。前記プロセスは、第１の光導波路の開口が第２の光導波路の開口形成後で形成される以外、図４Ａ〜Ｌに示すプロセスと同様であり、図９Ｆに示すように、保護膜４１０およびその上の支持膜１３４がエッチング剤を阻止するためのハードマスクとして機能するため、何らの余分なマスクも要らない。２つの光導波路は共に、図９Ｇに示す同一の工程において充填される。
図２２は、前記光導波路１３０及びカラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの上方にあり、空隙４２２を封止する封止膜５００を含む代替実施形態を示す。本実施形態における空隙４２２には、空気、窒素やその他の不活性ガス、または、任意のガス媒体を入れることができる。封止膜５００は、ポリカーボネートやアクリルやエポキシ樹脂を含んでもよく、また、複数の層を含んでもよい。さらに、紫外線および／または赤外線をろ過するために、無機粒子、染料、又は、有機顔料を含めてもよい。封止膜５００は、カラーフィルターと封止膜との間の界面での反射を最小限に抑えるために、カラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇのカラーフィルター材料の屈折率の０．２以内の屈折率を有してもよい。カラーフィルターの屈折率が１．５５であれば、前記封止膜５００は、１．４５〜１．６５の屈折率を有するように選択されもよい。封止膜５００は、ウェハーが約５００ｒｐｍで表面を上にして回転するとともに、樹脂の流れが分配先端により前記ウェハーの中心に分配され、そして、前記樹脂液体により前記ウェハーの最上面が完全に濡れた後、前記ウェハーが均一の樹脂の厚さになるようにより高速に、例えば、３０００ｒｐｍで回転する、動的スピンコーティングによって塗布される。前記樹脂は、熱又は紫外線により硬化される。前記分配中に、空気（またはガス）が間隙４２２に封止される。分配および／または高速回転中に、粘度を高めて樹脂液体の前記間隙への充填を回避するように、加熱又はＵＶショットが利用されてもよい。最終の加熱又はＵＶ硬化は、前記封止膜５００を硬化させるとともに、前記間隙４２２における空気／ガスの熱膨張により境界５１０を凹面形にすることに寄与する。前記凹面形の膜面５１０は、前記封止膜５００から前記空隙に入る光線を発散させるとともに前記光線をカラーフィルター１１４Ｇ又は１１４Ｂへ導くことに役立つ。その結果、封止膜５００を有しない実施形態と比べ、空隙４２２の深さは半減されることができる。前記ウェハーは高速回転中に、下向きにされてもよい。ボンドパッド上の前記封止膜５００の部分は、既知の方法の何れか１つにより除去されてもよい。封止膜５００は、本願に論じられたイメージセンサー１００の何れかの実施形態に適用できる。
図２４は、パッケージ８００に実装される前記イメージセンサー１００を示すものである。塵埃を遮断するとともに光を入らせるために、前記イメージセンサー１００の上方にカバーガラス８１０がある。カバーガラス８１０とイメージセンサー１００との間には、エポキシ樹脂のような透明な接着膜８２０がそのスペースを充填するとともに熱又は紫外線により硬化される。また、前記封止膜５００および前記接着膜８２０は、前記イメージセンサー１００の前記カバーガラス８１０とカラーフィルターとの間の前記スペースを充填する透明な膜を構成する。前記封止膜５００および前記接着膜８２０が同一の材料で構成される場合に、硬化中に、前記接着膜８２０および前記封止膜５００は、１つの均質且つ透明な膜になるように組合わせることができる。
図２４に示す例は、ＳｈｅｌｌＣａｓｅ（現在ではＴｅｓｓｅｒａ）による「ＳｈｅｌｌＯｐ」という商品名で知られているウエハレベルチップスケールパッケージである。このパッケージは、下部ガラス板８１５により下方から封止され、エポキシ樹脂８２５により前記イメージセンサー１００に保持される。逆転された外部リード８３０は、接合部８４５におけるトレースコンタクト８４０を介してダイ端子８３５に電気的に接続される。接合部８４５は、Ｔ−接合部と呼ばれる場合もあり、また、コンタクト８４０は、Ｔ−接合部コンタクトと呼ばれる場合もある。外部リード８３０は、保護用の半田マスク８５０でコーティングされている。半田マスク８５０は、リード８３０を外部コンタクトから電気的に隔離するとともに前記リードの表面を侵食から保護する誘電体である。コンタクト８５５が、リード８３０の底端に取り付けられ、既知の方法によるプリント回路基板（ＰＣＢ）のマウントに適する。コンタクト８５５は、例えば、半田ボールやメッキといった既知の方法により形成されてもよく、また、マウントされるＰＣＢに合わせて適当に成形されてもよい。
図２３に示すように、前記カバーガラス８１０の上方から、入射光線は、平らな界面のみを通して第２の光導波路１３０に入る。ガラスの屈折率が約１．４６で、エポキシ樹脂８２０、封止膜５００およびラーフィルター１１４Ｂ、１１４Ｇの屈折率が１．４５〜１．６５であるため、各界面の両側における屈折率の違いが小さいので、各界面は、極微の反射を有する。
図１０Ａ〜Ｈは、イメージセンサーの結合パッド２１４を露光するためのプロセスを示す。開口２１６は図１０Ａ〜Ｂに示すように、結合パッド２１４を覆う第１の絶縁材１１０に形成されもよい。図１０Ｃ〜Ｄに示すように、第１の光導波路材１１６が付けられてその大部分が取り除かれもよい、薄い層を残して下の第１の絶縁材１１０を封止する。図１０Ｅ〜Ｆに示すように、支持膜材料１３４が付けられてもよい、その中に対応する開口２１８が形成される。図１０Ｇに示すように、第２の光導波路材１３０が付けられもよい。図１０Ｈに示すように、マスク無しエッチング工程によって結合パッド２１４を露出させる開口２２０を形成してもよい。前記エッチング剤は、絶縁材１１０、１３４（例えば、酸化ケイ素）及びカラーフィルター１１４（フォトレジスト）より光導波路材１１６、１３０（例えば、窒化ケイ素）を早く侵蝕する特性を有するものが好ましい。ＣＨ３Ｆ／Ｏ ２において窒化ケイ素をドライエッチングするエッチングレートは、カラーフィルター又は酸化ケイ素に対するドライエッチングより５〜１０倍大きい。
図１１は、最先端ＡＲ膜２３６、第２のＡＲ膜２３４、及び変換ユニット１０２を覆う第３のＡＲ膜２３２を含む反射防止（ＡＲ）スタックの実施形態を示す。前記反射防止スタックは、光が第１の光導波路１１６からこれらの変換ユニット１０２への透過を改善する。ＡＲスタックにおける部材は一緒に層２３０を構成してもよく、それはまた、化学汚染物と湿気から保護するように基板１０６、変換ユニット１０２、及び電極１０４を覆う。例えば、第２のＡＲ膜２３４は、一般にソース／ドレインコンタクトより２，０００オングストローム浅いポリシリコンコンタクトのオーバーエッチングを防止するために、コンタクトホールの酸化物エッチングを阻止するＣＭＯＳウエハ製造における普通なコンタクトエッチング停止窒化物膜であってもよい。第３のＡＲ膜２３２は酸化ケイ素膜であってもよい。この酸化ケイ素膜は、ゲート電極１０４の下のゲート絶縁膜、普通なディープサブマイクロンＣＭＯＳプロセスにおいて前記ゲート電極とスペーサ（示せず）との間にゲート電極１０４の側辺に沿って下へ延びるスペーサライナー酸化物膜、コンタクトケイ化を阻止するためのコンタクトケイ化の前に堆積されたケイ化物ブロック酸化物膜や、これらの組み合わせ、又は、光導波路１１６の底部と一致する領域における全ての酸化物をエッチングするサリサイドブロック酸化物のエッチングの後に堆積されるブランケット酸化物膜であってもよい。既存の窒化ケイ素コンタクトエッチング停止膜をＡＲスタックの一部として使用すると、コストが低減される。同一のコンタクトエッチング停止膜はまた、前記光導波路の製造において、絶縁体１１０における開口に対するエッチングの阻止に用いられてもよい。最後に、最先端ＡＲ膜２３６は、光導波路材で絶縁体１１０における開口を充填する前に、この開口に形成されておいてもよい。
最先端ＡＲ膜２３６は光導波路１１６より屈折率が低い。第２のＡＲ膜２３４は最先端ＡＲ膜２３６より屈折率が高い。第３のＡＲ膜２３２は第２のＡＲ膜２３４より屈折率が低い。
最先端ＡＲ膜２３６は、屈折率が約１．４６であり、厚さが７５０オングストローム〜２０００オングストロームであり、好ましくは８００オングストロームである酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素であってもよい。第２のＡＲ膜２３４は、屈折率が約２．０であり、厚さが３００オングストローム〜９００オングストロームであり、好ましくは５００オングストロームである窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）であってもよい。第３のＡＲ膜２３２は、屈折率が約１．４６であり、厚さが２５オングストローム〜１７０オングストロームであり、好ましくは７５オングストロームである酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ、ただし、０＜ｘ＜２且つ０＜ｙ＜４／３）であってもよい。米国特許出願第６１／００９，４５４号の図３に示すように、第３のＡＲ膜２３２は図２のゲート電極１０４の下と基板１０６の上にあるゲート酸化物を含んでもよい。第３のＡＲ膜２３２は、同出願の図３に示すゲートライナー酸化物を更に含んでもよい。又は、第３のＡＲ膜２３２は、光導波路１１６の底部と一致するマスク開口を有するサリサイドブロックエッチングマスクを使用して、米国特許出願第６１／００９，４５４号の図２に示すように、サリサイドブロックエッチングにより、サリサイドブロック酸化物６４、ゲートライナー酸化物５５、ゲート酸化物５４を取り除いた後、ブランケット酸化ケイ素堆積によってウエハにおける所々に形成されてもよい。
図１１に示す反射防止構造は、前記基板にそれぞれ第３のＡＲ膜２３２、第２のＡＲ膜２３４を形成することによって作製されてもよい。そして、第２のＡＲ膜２３４に絶縁体１１０を形成してもよい。窒化ケイ素膜は、前記絶縁体とその下の層を覆って封止し、厚さが１０，０００オングストローム〜４，０００オングストロームであり、好ましくは７，０００オングストロームである保護膜４１０を形成するように、ＰＥＣＶＤによって前記第１の絶縁体１１０に堆積されてもよい。例えば、支持膜１３４は、ＨＤＰ酸化ケイ素堆積によって保護膜４１０に形成されてもよい。
支持膜１３４における開口をエッチングするために、支持膜１３４が隠されて第１のエッチング剤が付けられる。第１のエッチング剤は、保護膜の材料に対して高い選択性を有するように選ばれもよい。例えば、支持膜１３４がＨＤＰ酸化ケイ素からなり、保護膜４１０が窒化ケイ素からなると、第１のエッチング剤は、窒化ケイ素よりＨＤＰ酸化ケイ素を５倍速くエッチングするＣＨＦ３であればよい。そして、第２のエッチング剤は、窒化ケイ素保護膜４１０を貫いてエッチングするように付けられる。第２のエッチング剤は、ＣＨ３Ｆ／Ｏ２であってもよい。次に、第１のエッチング剤は、第１の絶縁体１１０をエッチングして窒化ケイ素からなるコンタクトエッチング停止膜２３４に停止するように、再び付けられる。コンタクトエッチング停止層２３４は、開口の底部を定義するためのエッチング停止層として機能する。そして、ＰＥＣＶＤやＨＤＰ酸化ケイ素堆積のような異方性堆積法によって前記開口に、開口の側壁ではなく主にその底部に堆積される最先端ＡＲ膜２３６を形成する。エッチング剤を付けて前記開口の側壁に延びているいずれの残された最先端ＡＲ膜材料をエッチングして取り除いてもよい。例えば、第１のエッチング剤を用いてドライエッチングし、ある傾き角でウェファーの基板を保持し、外部からのイオンビームに平行する軸線を回って回転させる。その後、例えば窒化ケイ素ＰＥＣＶＤによってこれらの開口に光導波路材を形成する。カラーフィルターは前記光導波路の上に形成されてもよく、隣り合ったカラーフィルターの間にある一部の支持膜及び隣り合った光導波路の間にあるほかの部分は、図５に示す構成となるようにエッチングされてもよい。
図１２Ａ〜Ｅは、光導波路１１６と基板２０２との間に反射防止スタックの別の実施形態を製造するためのプロセスを示す。図１２Ｅを参照すると、この実施形態において、光導波路１１６と、最先端ＡＲ膜２３６、第２のＡＲ膜２３４、第３のＡＲ膜２３２を含む反射防止（ＡＲ）スタックとの間に、エッチング停止膜２３８が挿設される。この光導波路エッチング停止膜２３８は、光導波路１１６と同じ材料で構成されてもよく、また、窒化ケイ素であってもよく、その厚さが１００オングストローム〜３００オングストロームであり、好ましくは１５０オングストロームである。本実施形態において前記ＡＲスタックを形成することは、第２のＡＲ膜２３４の厚さをより正確に制御できる利点があるが、その代わりとして、堆積工程が１回追加され、また酸化物−窒化物−酸化物スタックの代わりに酸化物−窒化物−酸化物−窒化物−酸化物スタックを貫通してコンタクトホール開口（示せず）をエッチングする煩雑さが少々増やしてしまう。前述の実施形態では、第２のＡＲ膜２３４を光導波路エッチング停止膜として使用し、また最後の絶縁体溝エッチングのオーバーエッチング工程において一部の厚さが損失される。
図１２Ａ〜Ｂに示すように、第３のＡＲ膜２３２、第２のＡＲ膜２３４が基板１０６上に付けられ、そして、最先端ＡＲ膜２３６が第２のＡＲ膜２３４上に付けられた後、窒化ケイ素で構成される光導波路エッチング停止膜２３８が付けられる。図１２Ｃに示すように、絶縁層１１０、ワイヤー電極１０８がＡＲ膜２３２、２３４、２３６、及び光導波路エッチング停止膜２３８の上に形成される。図１２Ｄは、光導波路エッチング停止膜２３８の最先端に停止し、絶縁体１１０にエッチングされた開口を示す。図１２Ｅは、光導波路材が充填されている開口を示す。
図１３Ａは、最先端ＡＲ膜２３６（酸化物）の呼び厚さが８００オングストロームであり、＋／−１０％で変更し、２番目のＡＲ膜２３４（窒化物）の呼び厚さが５００オングストロームであり、３番目のＡＲ膜２３２（酸化物）の厚さが７５オングストロームである場合に、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。透過曲線は、紫色領域（４００ｎｍ〜４５０ｎｍ）において急峻な下がりを示す。ＡＲスタックを構成するＡＲ膜２３２、２３４、２３６の呼び厚さは、緑色領域（４９０ｎｍ〜５６０ｎｍ）の代わりに青色領域（４５０ｎｍ〜４９０ｎｍ）に前記透過曲線の最大値が設けられるように選ばれ、これにより、いずれの製造許容差による膜厚ズレも透過係数の紫色領域における下がりが赤色領域（６３０ｎｍ〜７００ｎｍ）より遥かに大きいことを引き起こさない。
図１３Ｂは、厚さ５００オングストロームで、＋／−１０％で変更する呼びで２番目のＡＲ膜（窒化物）について、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。
図１３Ｃは、呼び厚さ７５オングストロームで、＋／−１０％で変更する３番目のＡＲ膜２３２（窒化物）について、図１１、図１２Ｅの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。
図１４Ａ〜Ｇは、２つの異なる画素に２つの異なるＡＲスタックを備え、異なる色の領域を個別に最適化させるために、光導波路１１６と基板２０２との間に反射防止スタックの別の実施形態を製造するためのプロセスを示す。３番目および２番目のＡＲ膜２３２、２３４は図１２Ａに示す実施形態と同様に、図１４Ａの光電変換ユニット２０１の上に設けられる。図１４Ａにおいて、最先端ＡＲ膜２３６は、図１４Ｂに示す最先端ＡＲ膜２３６ｂの比較的大きい厚さに堆積される。その後、リソグラフィーマスク（示せず）によって、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを用いる画素の上にマスク開口を形成する。前記マスク開口の下の最先端ＡＲ膜２３６を図１４Ｂにおける最先端ＡＲ膜２３６ａの比較的小さい厚さに薄化させるように、エッチング工程が適用される。図１４Ｃ〜１４Ｇに示す後工程は、図１２Ｂ〜Ｅと同様である。緑色のカラーフィルター１１４Ｇは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを有する画素に付けられ、青色・赤色のカラーフィルターは、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを有する画素に付けられもよい。
図１５Ａは、呼び厚さ０．１２ｕｍの呼びで比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａ、呼び厚さ５００オングストロームの２番目のＡＲ膜２３４、呼び厚さ７５オングストロームの３番目のＡＲ膜２３２について、図１４Ｇの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、緑色領域に約９９％でピークがあり、赤色領域の中央で約９３％に徐々に下がる。このグラフは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａが赤色画素、緑色画素に適用されることを示す。この比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａは、マゼンタ色が前記イメージセンサーの画素アレイのモザイク模様の一部であるマゼンタ色の画素に適用されてもよい。
図１５Ｂは、呼び厚さ０．２０ｕｍの比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂ、呼び厚さ５００オングストロームの２番目のＡＲ膜２３４、呼び厚さ７５オングストロームの３番目のＡＲ膜２３２について、図１４Ｇの反射防止スタックの透過係数と光波長との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、異なる色の２つの領域、すなわち、紫色領域と赤色領域にピークがある。このグラフは、最先端ＡＲ膜２３６ｂが紫色画素、赤色画素に適用されることを示す。この比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂは、黄色が前記イメージセンサーの画素アレイのモザイク模様の一部である黄色の画素に適用されてもよい。
画素アレイは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを緑色画素だけに使用し、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを青色・赤色画素の両方に使用してもよい。又は、前記画素アレイは、比較的薄い最先端ＡＲ膜２３６ａを緑色・赤色画素の両方に使用し、比較的厚い最先端ＡＲ膜２３６ｂを青色画素だけに使用してもよい。
異なる２番目のＡＲ膜の厚さを作成するとともに、同じ最先端ＡＲ膜の厚さを維持することによって、異なる２つのＡＲスタックを形成し、スタックのそれぞれが異なる色の領域を最適化する別の実施形態を提供することができる。１つのカラー領域に１つの厚さを与えるように、２つの異なる厚さが決定される。例えば、２８００オングストロームの厚さは青い光と赤い光の透過を最適化するのに対して、６５０ングストロームの厚さは、緑の光の透過を最適化する。第２のＡＲ膜はまず、比較的大きい厚さに堆積される。その後、リソグラフィーマスクによって、比較的小さい２番目のＡＲ膜の厚さを用いる画素の上にマスク開口を形成する。前記マスク開口の下の２番目のＡＲ膜を比較的小さい厚さに薄化させるように、エッチング工程が適用される。後工程は図１２Ｂ〜Ｅと同様である。
幾つかの典型的な実施形態が説明されて添付図面に示されたが、これらの実施形態が本発明を限定するものではなく単に例示的なものであり、また、当業者によって様々なほかの変形が生じ得るので、本発明が示して説明した特定の構成及び配置に限定されないことを理解すべきである。
Claims (8)
- 基板と、
前記基板に支持される１対の光電変換ユニットと、
前記１対の光電変換ユニットのそれぞれに光を送るように、ある間隙を挟んで並んで配置される１対のカラーフィルターと、
を備え、
前記１対のカラーフィルターのそれぞれの前記間隙のある側の側面の一部では、底面が前記基板に密着している固体構造との界面があり、前記界面は、それぞれのカラーフィルターの内部に傾斜していることを特徴とするイメージセンサー。 - 前記間隙はガス状の媒質を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
- 前記界面では、前記カラーフィルターは前記固体構造によって下向きに固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサー。
- 基板と、
前記基板に支持される光電変換ユニットと、
光を前記光電変換ユニットに送るように配置されるカラーフィルターであって、前記カラーフィルターの一側およびそれに対向された側のそれぞれには、前記カラーフィルターと前記カラーフィルターに隣接するカラーフィルターとの間の間隙があり、前記間隙には底面が前記基板に密着している固体構造があり、前記固体構造は、前記カラーフィルターの側面の一部との界面を有し、前記界面は前記カラーフィルターの内部に傾斜していることを特徴とするイメージセンサー。 - 前記間隙はガス状の媒質を含むことを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
- 前記界面では、前記カラーフィルターは前記固体構造によって下向きに固定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のイメージセンサー。
- 基板を提供するステップと、
前記基板の上に、支持膜を形成するステップと、
前記支持膜において、開口部より底部の方が幅が広い溝を形成するステップと、
前記溝の内部に、カラーフィルターを形成するステップと、
を含むことを特徴とするイメージセンサーの製造方法。 - 前記カラーフィルターの側面から、前記支持膜の一部を除去して前記カラーフィルターと隣接するカラーフィルターとの間に空隙を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
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