JP2022014884A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 イメージセンサのより革新的なグリッド構造の設計を提供する。
【解決手段】 イメージセンサは、基板、基板上に配置されたカラーフィルタユニット、および基板上に配置され、各カラーフィルタユニットを囲むグリッド構造を含む。グリッド構造は、基板上に配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第１の隔壁、第１の隔壁上に直接配置され前記カラーフィルタユニットの間に配置された第２の隔壁を含む。第２の隔壁の上部幅は、第２の隔壁の底部幅より小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、特に、イメージセンサのグリッド構造の設計に関するものである。

相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳとしても知られている）などのイメージセンサは、デジタル静止画カメラ、デジタルビデオカメラなどの様々な撮像装置で広く用いられている。イメージセンサの光感知ユニットは、周囲の色の変化を検出することができ、信号電荷は、光感知ユニットで受光される光の量に応じて生成されることができる。また、光感知ユニットで生成された信号電荷が伝送されて増幅されることにより、画像信号が得られる。

産業需要を満たすために、画素サイズは継続的に縮小され、画素の精細度は継続的に強化されてきた。優れた性能を維持するために、入射光線が効果的な受光のために、隣接するカラーフィルタユニットからの光線の干渉なしに、各カラーフィルタユニット内に集光される必要がある。各カラーフィルタユニットは、カラーフィルタユニットの屈折率より低い屈折率を有するグリッド構造で区画化される。光線はより高い屈折率を有する媒体に向かう傾向があるため、グリッド構造は、隣接するカラーフィルタユニットに干渉する可能性のある光線を跳ね返すことができる。しかしながら、縮小し続ける画素に対応するためには、より革新的なグリッド構造を設計する必要がある。

イメージセンサのより革新的なグリッド構造の設計を提供する。

一実施形態では、イメージセンサは、基板、基板上に配置されたカラーフィルタユニット、および基板上に配置され、各カラーフィルタユニットを囲むグリッド構造を含む。グリッド構造は、基板上に配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第１の隔壁、および第１の隔壁上に直接配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第２の隔壁を含む。第２の隔壁の上部幅は、第２の隔壁の底部幅より小さい。

もう１つの実施形態では、イメージセンサは、基板、基板上に配置されたカラーフィルタユニット、および基板上に配置され、各カラーフィルタユニットを囲むグリッド構造を含む。グリッド構造は、ベース幅を有する基板に対して垂直な側面を有し、基板上に配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第１の隔壁、基板に対して傾斜した側面を有し、第１の隔壁上に直接配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第２の隔壁、および第１の幅を有し、第２の隔壁上に直接配置され、カラーフィルタユニットの間に配置された第３の隔壁を含み、第１の幅はベース幅より小さい。

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び例を読むことで、より完全に理解することができる。図面は、業界の標準的な慣行に従って、さまざまな特徴が縮尺通りに描かれていない。実際、さまざまな特徴の寸法は、明確に説明できるようにするために、任意に拡大または縮小されることがある。
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図２は、本開示のもう１つの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図３は、本開示のさらにもう１つの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図４は、本開示のいくつかの実施形態による、２つのイメージセンサ間の量子効率のプロットの比較である。 図５は、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図６は、本開示のもう１つの実施形態による、イメージセンサの断面図である。

次の開示では、異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施の形態または実施例を提供する。本開示を簡潔に説明するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。これらはもちろん単に例示するためであり、それに限定するという意図はない。例えば、下記の開示において、第１の特徴が第２の特徴の上に形成されるということは、第１と第２の特徴が直接接触して形成される複数の実施形態を含むことができ、且つ第１と第２の特徴が直接接触しないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成される複数の実施形態を含むこともできる。

追加のステップが、例示された方法の前、間、または後に実施されてもよく、例示された方法のその他の実施形態では、いくつかのステップが置き換えられるか、または省略されてもよい。

さらに、以下の詳細な説明において、「下の方」、「下方」、「下部」、「上」、「上方」、「上部」およびこれらに類する語のような、空間的に相対的な用語は、図において１つの要素または特徴と、別の要素と特徴との関係を記述するための説明を簡潔にするために用いられる。空間的に相対的な用語は、図に記載された方向に加えて、使用または操作する装置の異なる方向を包含することを意図している。装置は、他に方向づけされてもよく（９０度回転、または他の方向に）、ここで用いられる空間的に相対的な記述は、同様にそれに応じて解釈され得る。

本開示では、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、所定値の＋／－２０％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－５％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－３％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－２％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、所定値の＋／－０．５％を意味する。本開示の所定値は、近似値である。即ち、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語の具体的な説明がないとき、所定値は、「約」、「およそ」、および「実質的に」の意味を含む。

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。

本開示は、以下の実施形態において同じ構成要素の符号または文字を繰り返し用いる可能性がある。繰り返し用いる目的は、簡易化した、明確な説明を提供するためのもので、説明される様々な実施形態および／または構成の関係を限定するものではない。

グリッド構造（またはパーティショングリッド構造（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｇｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ））は、従来、各カラーフィルタユニット（対応するセンサユニットの）を他から分離し、入射光が隣接するセンサユニットの影響を受けることなく、各センサユニットの所望の色に変換され得るようにする。しかしながら、市場は、より小さい画素サイズのイメージセンサを求めており、これは各カラーフィルタユニット内の入射光線が隣接するカラーフィルタユニットに入射する可能性を間接的に高め、望ましくない。光線が各カラーフィルタユニットの下にある感知ユニットにより十分に受光されないとき、イメージセンサの量子効率が損なわれる。さらに、カラーフィルタユニット間の光の干渉は、クロストークも増加させ、イメージセンサ全体の性能を低下させる可能性がある。本開示は、上記の問題に対処するためのグリッド構造のいくつかの革新的な設計を提供する。本開示のグリッド構造は、各カラーフィルタユニット内の入射光線を対応する感知ユニットに集光させることができるため、量子効率を向上させ、クロストークを排除し、より優れたパフォーマンスを有するイメージセンサとなる。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。イメージセンサは、実際には数百万のセンサユニットを含み得る。図１は実際のイメージセンサの一部のみを表示している。本開示のいくつかの実施形態によれば、イメージセンサ１０は、基板１００、複数の感知ユニット１０２、反射防止層１０４、カラーフィルタユニット１０６、遮光構造１０８、グリッド構造１１０、および複数のマイクロレンズ１２０を含む。本実施形態では、グリッド構造１１０は、第１の隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｗａｌｌ）１１２、第２の隔壁１１４、および第３の隔壁１１６を含み、これらは順次に積層される。いくつかの実施形態では、第１の隔壁１１２および第３の隔壁１１６は長方形の断面を有し、第２の隔壁１１４は台形の断面を有する。第１の隔壁１１２はベース幅Ｗを有し、第３の隔壁１１６は第１の幅Ｗ_１を有する。ベース幅Ｗは、第１の幅Ｗ_１より大きい。さらに、第２の隔壁１１４の底部幅は、ベース幅Ｗと等しく、第２の隔壁１１４の上部幅は、第１の幅Ｗ_１と等しい。

図１に示すように、いくつかの実施形態では、イメージセンサ１０は、基板１００を含む。いくつかの実施形態では、基板１００は、例えば、ウェハまたはチップであり得るが、本開示は、それに限定されない。いくつかの実施形態では、基板１００は、半導体基板、例えばシリコン基板であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、半導体基板は、ゲルマニウムを含む元素半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ素化インジウム（ＩｎＡｓ）、および／またはアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）を含む化合物半導体、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）合金、リン化ガリウム砒素（ＧａＡｓＰ）合金、リン化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＡｓ）合金、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）合金、リン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）合金、リン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）合金、および／またはリン化ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓＰ）合金、或いはそれらの組み合わせを含む合金半導体であってもよい。

もう１つの実施形態では、基板１００は、半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）基板であってもよい。半導体オンインシュレータ基板は、ベースプレート、ベースプレート上に配置された埋め込み酸化物層、および埋め込み酸化物層上に配置された半導体層を含み得る。さらに、基板１００は、Ｎ型またはＰ型の導電型であってもよい。

いくつかの実施形態では、基板１００は、活性領域を規定し、基板１００内または基板１００上の活性領域要素を電気的に分離する様々な分離要素（図示せず）を含むことができる。いくつかの実施形態では、分離要素は、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）要素、シリコン局所酸化（ＬＯＣＯＳ）要素、他の適切な分離要素、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、分離要素の形成は、例えば、基板１００上に絶縁層を形成し、絶縁層および基板１００を選択的にエッチングして、基板１００内にトレンチを形成し、トレンチ内に豊富な窒素含有（例えば、酸窒化ケイ素）ライナーを成長させ、次いで絶縁材料（例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素）を堆積プロセスでトレンチ内に充填し、その後、アニーリングプロセスがトレンチ内の絶縁材料に実行され、次いで基板１００上に平坦化プロセスが実行されて過剰な絶縁材料を除去し、トレンチ内の絶縁材料が基板１００の上面と同一平面になるようにすることを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、基板１００は、例えば、イオン注入および／または拡散プロセスによって形成された様々なＰ型ドープ領域および／またはＮ型ドープ領域（図示せず）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、トランジスタ、フォトダイオードなどが、アイソレーション素子によって規定された活性領域に形成されてもよい。

複数の感知ユニット１０２は、基板１００に埋め込まれている。いくつかの実施形態では、複数の感知ユニット１０２はフォトダイオードである。各感知ユニット１０２は、光を感知し、その上に当たる光の強度に応じて強度信号を生成するように構成される。画像信号は強度信号によって形成される。

反射防止層１０４は、基板１００上に配置される。いくつかの実施形態では、反射防止層１０４は、複数の感知ユニット１０２に送信される光の反射を減少させるように構成される。いくつかの実施形態では、反射防止層１０４は、感知ユニット１０２のアレイに対応して（またはそれと平行して）水平に配置される。いくつかの実施形態では、反射防止層１０４の材料は、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ここでは、ｘおよびｙは、０～１の範囲にある）を含み得る。反射防止層１０４は、任意の適切な堆積プロセスによって形成されることができる。

いくつかの実施形態では、イメージセンサ１０は、反射防止層１０４および基板１００上に配置され、感知ユニット１０２のアレイに対応するカラーフィルタユニット１０６を含み得る。いくつかの実施形態では、カラーフィルタユニット１０６の高さは、約０．３μｍ～２．０μｍの間であり得る。いくつかの実施形態では、カラーフィルタユニット１０６は、赤、緑、青、白、または赤外線に着色され得る。各カラーフィルタユニット１０６のそれぞれは、イメージセンサ１０の各それぞれの感知ユニット１０２に対応することができ、ユニットの色は、イメージセンサ１０の要件によって決まる。フォトダイオードなどのそれぞれの感知ユニット１０２は、受信した光信号を電気信号に変換することができる。

いくつかの実施形態では、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれは、光の波長の所定の範囲が通過するようにさせる。例えば、赤色カラーフィルタユニットは、６２０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の光（赤色光）の波長が対応する感知ユニット１０２に透過することを可能にし、緑色のカラーフィルタユニットは、４９５ｎｍ～５７０ｎｍの範囲の光（緑色光）の波長が対応する感知ユニット１０２に透過することを可能にし、且つ青色のカラーフィルタユニットは、４５０ｎｍ～４９５ｎｍの範囲の光（青色光）の波長が対応する感知ユニット１０２に透過することを可能にする。

図１に示すように、グリッド構造１１０は、カラーフィルタユニット１０６の間に配置される。いくつかの実施形態では、グリッド構造１１０は、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれに接続され、その周りにある。さらに、グリッド構造１１０は、反射防止層１０４および基板１００上に配置され、感知ユニット１０２のアレイの真上の領域を露出またはアレイを区画化する。本開示のいくつかの実施形態によれば、グリッド構造１１０は、カラーフィルタユニット１０６より低い屈折率を有し得る。屈折率は、光速を変化させる物質の特性であり、真空中の光速を物質中の光速で割った値である。光が２つの異なる材料間をある角度で進むとき、その屈折率が光の透過（屈折）の角度を決める。本開示のいくつかの実施形態によれば、グリッド構造１１０の屈折率は、約１．０～約１．５の間であり、カラーフィルタユニット１０６の屈折率は、約１．３～約２．０の間である。光はより高い屈折率を有する媒体に向かう傾向があるため、カラーフィルタユニット１０６およびグリッド構造１１０は、光パイプ構造を形成して、光を複数の感知ユニット１０２に導くことができる。言い換えれば、入射光線がカラーフィルタユニット１０６に入射したとき、グリッド構造１１０は、特定のカラーフィルタユニット１０６内の入射光線を分離し、光閉じ込め機能となることができる。

グリッド構造１１０の材料は、透明誘電体材料を含み得る。いくつかの実施形態では、グリッド構造１１０の材料は、シリカボールおよび気泡（無機材料でドープされた材料）、またはポリシロキサンを含み得る。まず、グリッド材料層が反射防止層１０４上にコーティングされる。次に、マスク層（図示せず）がグリッド材料層上にコーティングされる。いくつかの実施形態では、マスク層の材料はフォトレジストである。フォトリソグラフィプロセスがマスク層上で行なわれ、パターニングする。次に、エッチングプロセスがパターニングされたハードマスク層を用いて、グリッド材料層に行なわれる。エッチングプロセスは、ドライエッチングであり得る。エッチングプロセスの後、反射防止層１０４においてグリッド材料層の一部が除去され、複数の開口がその中に形成される。続いて、開口はカラーフィルタユニット１０６で充填される。本開示のいくつかの実施形態によれば、複数のフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスが実施され、異なる幅を有する長方形の隔壁（第１の隔壁１１２および第３の隔壁１１６）を形成することができる。さらに、異なる炭素結合を有する材料層を堆積した後、異なるフッ素イオン濃度のエッチングガスでエッチングすることで、台形の隔壁（第２の隔壁１１４）となることができる。

前述のように、本実施形態は、グリッド構造１１０を設計する革新的な方法を提供する。本開示のいくつかの実施形態によれば、第３の隔壁１１６の第１の幅Ｗ_１は、第１の隔壁１１２のベース幅Ｗより約２０％～６０％、例えば、約２０％～５０％小さい。本開示のいくつかの実施形態によれば、ベース幅Ｗおよび第１の幅Ｗ_１は、基板１００に平行な横方向で測定される。第２の隔壁１１４は、第１の隔壁１１２と第３の隔壁１１６の間に配置される。例えば、第１の隔壁１１２は、第２の隔壁１１４の底部に隣接し、第３の隔壁１１６は、第２の隔壁１１４の上部に隣接する。本開示のいくつかの実施形態によれば、第２の隔壁１１４の上部幅は、第３の隔壁１１６の第１の幅Ｗ_１と等しく、第２の隔壁１１４の底部幅は、第１の隔壁１１２のベース幅Ｗと等しい。第３の隔壁１１６の第１の幅Ｗ_１は、第１の隔壁１１２のベース幅Ｗより小さいことにより、第２の隔壁１１４の上部幅は、第２の隔壁１１４の底部幅より小さくなる。従って、第２の隔壁１１４は、基板１００に対して傾斜した側面を有し、それにより、第２の隔壁１１４の断面は台形に見える。本開示の結果として得られるグリッド構造１１０は、基板１００に対して垂直な側面と傾斜した側面の両方を含む側壁を有する。

いくつかの実施形態では、遮光構造１０８は、グリッド構造１１０内に埋め込まれることができ、その詳細は、後述する。従来のグリッド構造は、単一の長方形の断面を有する。アプリケーション（用途）要件により、遮光構造がシフトされることがある。遮光構造のシフト設計に対応するために、グリッド構造には十分な幅が必要である。しかしながら、グリッド構造が広くなりすぎると、すでに縮小されているカラーフィルタユニットの寸法がさらに圧縮される可能性がある。カラーフィルタユニットの寸法が小さすぎると、イメージセンサ全体の性能に深刻な影響を与える可能性がある。グリッド構造１１０が異なる幅の様々な部分を有するように設計することで、遮光構造のシフト設計のためのプロセスウィンドウを改善することができるだけでなく、カラーフィルタユニットの寸法は、イメージセンサの性能を維持するのに十分な大きさを保つことができる。さらに、本開示のグリッド構造１１０は、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれを漏斗状に形成させる。入射光がカラーフィルタユニット１０６に「漏斗（ｆｕｎｎｅｌ）」されるように送り込まれたとき、光線は、それぞれの感知ユニット１０２に向かって徐々に集光されることができる。

前述のように、本開示のグリッド構造１１０は、量子効率を向上させ、クロストークを排除することができる。いくつかの実施形態では、量子効率は、光電変換（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ）効率であり、これは、入射光がどれだけ効率よく電気信号に変換されることができるかを示す指標である。クロストークは、異なる光の色の信号の読み出しが所望の光の色に干渉することである。つまり、量子効率の低下やクロストークの増加は、イメージセンサの性能に影響を与える可能性があるため、好ましくない特性ということである。グリッド構造１１０は、上述の問題に効果的に対処し、量子効率の向上とクロストークの低減につながることができる。

しかしながら、グリッド構造１１０が、共に積層された異なる幅の複数の長方形の隔壁のみを含む場合、グリッド構造は、階段状であってもよい。入射光が水平の階差面に透過されたとき、光線は、下にある感知ユニット１０２から離れて反射され得る。このような反射によりクロストークを排除することができても、量子効率は大幅に改善されない可能性がある。従って、図１に示されるように、傾斜した側面を用いて、異なる位置の２つの垂直な側面を接続することで、光漏れの問題を軽減することができ、カラーフィルタユニット１０６の導波路効果およびカラーフィルタユニット１０６を通過する光の量が向上する。さらに、垂直な側面と傾斜した側面の両方を統合することにより、イメージセンサ１０の設計の自由度を高め、業界におけるより多くのアプリケーション要求に適合させることができる。

図１に示すように、グリッド構造１１０は全高Ｈを有し、第１の隔壁１１２は第１の高さＨ_１を有する。本開示のいくつかの実施形態によれば、第１の隔壁１１２の第１の高さＨ_１は、クロストークを排除するために、グリッド構造１１０の全高Ｈより約６０％～８０％低いが、これはクロストーク効果が、アクティブ領域のエッジで大幅に増加する可能性があるためである。本開示のいくつかの実施形態によれば、第２の隔壁１１４の傾斜した側面は、光漏れの問題を軽減するために、基板１００に対して約２０°～７５°の内角θを有する。定義されたパラメータ（例えば、ベース幅Ｗ、第１の幅Ｗ_１、および内角θ）に基づいて、第２の隔壁１１４の高さ（本明細書ではＨ＿１１４と略す）は、以下の式で求められることができる。

式（１）では、ベース幅Ｗと第１の幅Ｗ_１との間の差は、第１の隔壁１１２が第３の隔壁１１６の対向する側壁を超えて横方向にどれだけ突出するかを定義する。次に、その差の半分は、第１の隔壁１１２が第３の隔壁１１６の片側から横方向にどれだけ突出するかを定義する。三角法（ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｒｕｌｅｓ）に基づいて、片側の突出寸法に内角θの接線を掛けることにより、第２の隔壁１１４の高さが得られることができる。

式（１）より、第３の隔壁１１６の高さ（本明細書ではＨ＿１１６と略す）は、以下の式で求められることができる。

式（２）では、第３の隔壁１１６の高さは、グリッド構造１１０の全高Ｈから第１の高さＨ_１と第２の隔壁１１４の高さを差し引くことで簡単に計算することができる。

傾斜面を有する第２の隔壁１１４を形成するために、本発明者は、異なる材料と異なるエッチングガス間の化学反応に関する様々な特性を利用する。最初に隔壁材料層は、異なる炭素結合を有する様々な層を含むようにコーティングされることができるが、これらの層の材料は異なっていてもよい。本開示のいくつかの実施形態によれば、フッ素イオンは、強力な活性ガスとしてエッチャーチャンバーに導入されることができ、その際、フッ素イオン濃度は、エッチングプロセス全体を通して常に調整されることができる。いくつかの実施形態では、フッ素イオンが炭素結合と接触すると、化学反応が起こり、エッチングされにくい硬化した炭素材料が生成される。

例えば、隔壁材料層の炭素結合は、底部に最大量を有し、上部に向かって徐々に減少するように配置されることができ、これは、炭素結合の次数が減少した材料層を連続的に堆積することにより実現されることができる。エッチングの際、活性ガス内のフッ素イオンは、最も高い濃度で開始し、炭素結合量が最も少ない最上部の材料層をエッチングすることができる。炭素結合が増加した下部の材料層のエッチングが進むにつれて、活性ガス内のフッ素イオンはそれに応じて低下されることができる。これらの条件では、硬化した炭素材料の生成が少なくなるため、グリッド材料のより大きい領域が最初に（上から）エッチングされる可能性がある。しかしながら、グリッド材料の最小領域は、より硬化した炭素材料が生成されるため、端部（底部）に向かってエッチングされる可能性がある。フッ素イオン濃度と炭素結合を正確に計算し、材料のエッチング速度を用いてエッチング時間を正確に制御することにより、第２の隔壁１１４の傾斜した側面が形成されることができる。炭素結合の量は、第２の隔壁１１４の材料の屈折率に影響を及ぼさないことに留意されたい。

第２の隔壁１１４を形成するための本開示の特定の実施形態によれば、グリッド材料層の約１０％～３０％が順次に堆積されることができる。最下部の材料層は、炭素結合濃度が約４０％～８０％の間の空気シリカボール（無機材料がドープされた材料）を含み得る。最上部の材料層は、炭素結合濃度が約２０％～６０％の間のポリシロキサン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、３－メトキシ－１－ブタノールを含み得る。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、エッチングガスが約１５％～３０％の間のフッ素イオン濃度を含んでいる間、最上部の材料層をエッチングすることから開始することができる。もう１つの実施形態では、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨＦ_３、ＣＨ_３Ｆ、ＣＯ_２、Ｏ_２、Ｈ_２、Ａｒなどのエッチングガス、またはそれらの組み合わせも用いることができる。最上部の材料層の真下にある材料層をエッチングするとき、フッ素イオン濃度は約３０％～５０％減少されることができる。最下部の材料層をエッチングするとき、フッ素イオン濃度はゼロに調整されることができる。

図１に示すように、遮光構造１０８は、カラーフィルタユニット１０６の間、反射防止層１０４と基板１００の上に配置されている。本開示のいくつかの実施形態では、遮光構造１０８は、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれを区画化するグリッド形態である。いくつかの実施形態では、遮光構造１０８は、グリッド構造１１０内に埋め込まれている。言い換えれば、遮光構造１０８もグリッド構造１１０に対応するグリッド形態である。いくつかの実施形態では、グリッド構造１１０の高さは、イメージセンサ１０の設計要件に応じて、遮光構造１０８の高さより高いか、または同じであってもよい。遮光構造１０８の配置は、対応するカラーフィルタユニット１０６の下の感知ユニット１０２の１つが、受信される信号の精度に影響を及ぼす可能性がある、異なる色の隣接するカラーフィルタユニット１０６から追加の光を受光するのを防ぐことができる。本開示のいくつかの実施形態では、遮光構造１０８の高さは、約０．００５μｍ～２．０００μｍの間であり得る。いくつかの実施形態では、遮光構造１０８の材料は、不透明な金属（タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）など）、不透明な金属窒化物（窒化チタン（ＴｉＮ）など）、不透明な金属酸化物（酸化チタン（ＴｉＯ）など）、他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含み得るが、本開示はそれに限定されない。遮光構造１０８は、基板１００上に金属層を堆積し、次にフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスを用いて金属層をパターン化することによって形成されることができるが、本開示はそれに限定されない。本開示の特定の実施形態では、遮光構造１０８は、アルミニウムで包まれたタングステン金属を含む埋設カラーフィルタアレイ（ＢＣＦＡ）であり得る。

図１に示すように、複数のマイクロレンズ１２０がカラーフィルタユニット１０６およびグリッド構造１１０上に配置されている。本開示のいくつかの実施形態によれば、複数のマイクロレンズ１２０は、複数の感知ユニット１０２にそれぞれ対応し得る。本実施形態では、複数のマイクロレンズ１２０は基板１００と平行するアレイ状に配置されることができる。いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズ１２０は、入射光を、カラーフィルタユニット１０６を介して基板１００内の複数の感知ユニット１０２に集光させるように機能する。いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズ１２０の材料は、透明な材料であり得る。例えば、材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、他の任意の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせを含み得るが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズ１２０は、フォトレジストリフロー法、ホットエンボス法、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成され得る。いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズ１２０を形成するステップは、スピンオンコーティングプロセス、リソグラフィプロセス、エッチングプロセス、任意の他の適用可能なプロセス、またはそれらの組み合わせを含み得るが、本開示はそれらに限定されない。

図１に示されるように、いくつかの実施形態によれば、本開示のイメージセンサ１０は、基板１００、基板１００上に配置されたカラーフィルタユニット１０６、および基板１００上に配置され、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれを囲むグリッド構造１１０を含む。グリッド構造１１０は、基板１００上に配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置する第１の隔壁１１２と、第１の隔壁１１２上に直接配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置する第２の隔壁１１４と、第２の隔壁１１４上に直接配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置する第３の隔壁１１６とを含む。第１の隔壁１１２の断面は長方形であり、第２の隔壁１１４の断面は上部幅が底部幅より小さい台形である。

図２は、本開示のもう１つの実施形態による、イメージセンサ１０の断面図である。図１と比較して、図２は、イメージセンサ１０の代替的な実施形態を示している。基板１００、複数の感知ユニット１０２、反射防止層１０４、カラーフィルタユニット１０６、遮光構造１０８、グリッド構造１１０、および複数のマイクロレンズ１２０の特徴は、図１に図示したものと同様であり、繰り返しを避けるために、ここでは詳細を再度説明しない。図２の遮光構造１０８は、グリッド構造１１０と完全には対応していない。例えば、遮光構造１０８は、グリッド構造１１０のいくつかの部分に埋め込まれてもよく、遮光構造１０８は、グリッド構造１１０の他の部分に存在しなくてもよい。いくつかの実施形態では、遮光構造１０８は、設計要件に応じて、グリッド構造の一部のみに埋め込まれてもよく、またはイメージセンサ１０から完全になくなってもよい。図２に示されるように、２つ以上の隣接するカラーフィルタユニット１０６が同じ色である場合、または１つの感知ユニット１０２が隣接する感知ユニット１０２よりも大幅に大きい領域をカバーし得る場合、遮光構造１０８は、グリッド構造１１０の一部において、省略されてもよい。

図３は、本開示のさらにもう１つの実施形態による、イメージセンサ１０の断面図である。図１と比較して、図３は、イメージセンサ１０の代替的な実施形態を示している。基板１００、複数の感知ユニット１０２、反射防止層１０４、カラーフィルタユニット１０６、遮光構造１０８、グリッド構造１１０、および複数のマイクロレンズ１２０の特徴は、図１に図示したものと同様であり、繰り返しを避けるために、ここでは詳細を再度説明しない。図１および図２では、グリッド構造１１０全体が同じ屈折率の材料で形成されている。図３に示されたイメージセンサ１０は、グリッド構造１１０が１つ以上の屈折率を有する材料を含み得ることを示している。本開示のいくつかの実施形態によれば、第１の隔壁１１２は、第１の屈折率ｎ_１を有し、第３の隔壁１１６は、第２の屈折率ｎ_２を有する。本実施形態では、第２の隔壁１１４は、第１の屈折率ｎ_１（第１の隔壁１１２と同じ）を有してもよく、または第２の隔壁１１４は、第２の屈折率ｎ_２（第３の隔壁１１６と同じ）を有してもよい。いくつかの実施形態では、第２の隔壁１１４は、第１の屈折率ｎ_１および第２の屈折率ｎ_２とは異なるさらに別の屈折率を有してもよいが、本開示はそれに限定されない。屈折率の違いは材料によるものではないことに留意されたい。例えば、第１の隔壁１１２、第２の隔壁１１４、および第３の隔壁１１６は、異なる材料で形成されても同じ屈折率を有することができる。

図３に示されるように、いくつかの実施形態によれば、本開示のイメージセンサ１０は、基板１００、基板１００上に配置されたカラーフィルタユニット１０６、および基板１００上に配置され、カラーフィルタユニット１０６のそれぞれを囲むグリッド構造１１０を含む。グリッド構造１１０は、基板１００上に配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置した、ベース幅Ｗを有する基板１００に対して垂直な側面を有する第１の隔壁１１２と、第１の隔壁１１２上に直接配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置した、基板１００に対して傾斜した側面を有する第２の隔壁１１４と、第２の隔壁１１４上に直接配置され、カラーフィルタユニット１０６の間に位置した、第１の幅Ｗ_１を有する第３の隔壁１１６とを含み、最初の幅Ｗ_１はベース幅Ｗより小さい。第１の隔壁１１２は、第１の屈折率ｎ_１を有し、第３の隔壁１１６は、第２の屈折率ｎ_２を有し、第１の屈折率ｎ_１および第２の屈折率ｎ_２は異なる。

図４は、本開示のいくつかの実施形態による、従来のイメージセンサと図３に示されたイメージセンサ１０との量子効率のプロットの比較である。いくつかの実施形態では、従来のイメージセンサは、同じ材料の単一の長方形の隔壁を有するグリッド構造を含む。前述のように、赤色光は６２０ｎｍ～７５０ｎｍの波長、緑色光は４９５ｎｍ～５７０ｎｍの波長、青色光は４５０ｎｍ～４９５ｎｍの波長を有する。図４に示されるように、プロットは、本開示の図３に示されたイメージセンサ１０の感度およびクロストークが、量子効率スペクトルに従って大幅に改善されることを示している。本開示の特定の実施形態では、イメージセンサ１０の赤色光のピークは、従来のイメージセンサと比較して約２％増加され、イメージセンサ１０の緑色光のピークは、従来のイメージセンサと比較して約１％増加され、イメージセンサ１０の青色光のピークは、従来のイメージセンサと比較して約１％増加される。また、イメージセンサ１０のクロストークは、従来のイメージセンサと比較して約０．６％減少している。シミュレーションから得られた比較データの概要は表１に示されている。

表１では、項目１～３は、それぞれ赤色光、緑色光、青色光の量子効率のピークデータである。項目４～６はクロストークのデータであり、イメージセンサ１０は従来のイメージセンサと比較してクロストークが大幅に減少されていることを示している。項目５では、青色光クロストークと赤色光クロストークの比率が５３０ｎｍで測定されている。５３０ｎｍは緑色光が属する波長域にあるため、理想的な状況では、青色光と赤色光の測定値が存在しないことに留意されたい。項目６では、青色光のクロストークと緑色光のクロストークの比率が６５０ｎｍで測定されている。６５０ｎｍは赤色光が属する波長域にあるため、理想的な状況では、青色光と緑色光の測定値が存在しないことに留意されたい。従って、クロストークが低減されると、イメージセンサ１０が示すように、全体の性能を向上させることができる。緑色のカラーフィルタユニットはイメージセンサ全体の約５０％を占めることが多く、赤色のカラーフィルタユニットと青色のカラーフィルタユニットはイメージセンサ全体の約２５％をそれぞれ占めることに留意されたい。その上で、表１の項目５に示されるように、緑色のカラーフィルタユニットは、赤色光のクロストークと青色光のクロストークの影響を最も受ける可能性がある。

図５は、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。図１と比較して、図５は、イメージセンサ１０の代替的な実施形態を示している。基板１００、複数の感知ユニット１０２、反射防止層１０４、カラーフィルタユニット１０６、遮光構造１０８、グリッド構造１１０、および複数のマイクロレンズ１２０の特徴は、図１に図示したものと同様であり、繰り返しを避けるために、ここでは詳細を再度説明しない。図５に示されたイメージセンサ１０のグリッド構造１１０の第３の隔壁１１６は長方形ではない。例えば、第３の隔壁１１６は、丸みを帯びた側面を有し得る。第３の隔壁１１６の上部は、丸みを帯びている（丸みを帯びた側面から続く）または尖っている（三角形状）ことができるが、本開示はそれらに限定されない。

図５に示すように、第３の隔壁１１６が丸みを帯びた側面および丸みを帯びた上面を含むとき、その断面は、縦方向の楕円半径Ｒを有する半楕円形に類似して見えることがある。本開示のいくつかの実施形態によれば、図５に示された縦方向の楕円半径Ｒは、第３の隔壁１１６の高さと同じか、またはそれより低くてもよく、その寸法は、式（２）で測定される。第１の幅Ｗ_１およびエッチング条件に応じて、第３の隔壁１１６は、丸みを帯びた側面および頂角θ_ｔｏｐを有する尖った上部を含み得る。いくつかの実施形態では、頂角θ_ｔｏｐは、第２の隔壁１１４の内角θより小さい。本開示のいくつかの実施形態によれば、頂角θ_ｔｏｐは、以下の式によって決定され得る。

式（３）では、逆正接括弧内の中括弧（「｛｝」と表示）の式は、実際には式（２）の内容、または第３の隔壁１１６の高さの計算であることに留意されたい。第１の幅Ｗ_１の半分と第３の隔壁１１６の高さの比の逆正接に２を乗算すると、頂角θ_ｔｏｐの上限値、または頂角θｔｏｐより大きい最終値となることがある。

図６は、本開示のもう１つの実施形態による、イメージセンサ１０の断面図である。図１と比較して、図６は、イメージセンサ１０の代替的な実施形態を示している。基板１００、複数の感知ユニット１０２、反射防止層１０４、カラーフィルタユニット１０６、遮光構造１０８、グリッド構造１１０、および複数のマイクロレンズ１２０の特徴は、図１に図示したものと同様であり、繰り返しを避けるために、ここでは詳細を再度説明しない。図６に示されたイメージセンサ１０のグリッド構造１１０は、３つ以上の隔壁を含むことに留意されたい。図示のように、遮光構造１０８がグリッド構造１１０の底部の隔壁内に配置されていても、遮光構造１０８は、１つ以上の隔壁に延在することもあることに留意されたい。言い換えれば、遮光構造１０８の構成は、遮光構造１０８がグリッド構造１１０内に埋め込まれている限り、グリッド構造１１０の構成から独立している。図３に示されたイメージセンサ１０のように、グリッド構造１１０は、異なる屈折率を有する隔壁を含み得ることにも留意されたい。本開示のいくつかの実施形態によれば、グリッド構造１１０は、第１の屈折率ｎ_１および第２の屈折率ｎ_２の他に、最大１０の異なる屈折率、または最大８つ以上の屈折率の材料を含み得る（例えば、ｎ_３、ｎ_４、ｎ_５…ｎ_１０）。本開示のいくつかの実施形態によれば、グリッド構造１１０の全ての屈折率は、約１．０～約１．５の間である。

図６に示すように、グリッド構造１１０は、図１に示されているものよりも高度化されているように見えても、それらは両方ともいくつかの基本原理で結びつけられている。例えば、長方形の隔壁および台形の隔壁は、基板１００上、且つカラーフィルタユニット１０６の間に交互に配置される。本開示のいくつかの実施形態によれば、全ての台形の隔壁は、下から隣接した長方形の隔壁の幅と同じ底部幅、および上から隣接した長方形の隔壁の幅と同じ上部幅を有する。全ての台形の隔壁では、上部幅は底部幅より約２０％～６０％、例えば、約２０％～５０％小さい。換言すれば、各台形の隔壁の上の長方形の隔壁は、その台形の隔壁の下の長方形の隔壁よりも約２０％～６０％、例えば、約２０％～５０％狭い。例えば、図６に示されるように、第１の幅Ｗ_１はベース幅Ｗより約２０％～６０％（例えば、約２０％～５０％）小さく、第２の幅Ｗ_２は、第１の幅Ｗ_１より約２０％～６０％（例えば、約２０％～５０％）小さく、第３の幅Ｗ_３は、第２の幅Ｗ_２より約２０％～６０％（例えば、約２０％～５０％）小さい。本開示のいくつかの実施形態によれば、グリッド構造１１０は、その間に台形の隔壁が交互に配置された、１１個もの長方形の隔壁（例えば、幅Ｗ、Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３…Ｗ_１０）を含み得る。本開示のいくつかの実施形態によれば、各長方形の隔壁の高さは、グリッド構造１１０の全高Ｈより約６０％～８０％低い。

図６に示すように、グリッド構造１１０内に合計１１個までの長方形の隔壁があることができるため、これらの長方形の隔壁の間に１０個もの台形の隔壁が交互に配置され得る。台形の隔壁は、約２０°～７５°の内角θ（例えば、θ_１、θ_２、θ_３…θ_１０）をそれぞれ有することができる。定義されたパラメータ（例えば、各台形の隔壁の上部幅と底部幅、および内角θ）に基づいて、対応する台形の隔壁の高さが式（１）を参照に決定されることができる。ベース幅Ｗから第１の幅Ｗ_１へ、第１の幅Ｗ_１から第２の幅Ｗ_２へ、または第２の幅Ｗ_２から第３の幅Ｗ_３への減少率は同じであっても異なっていてもよく、基板１００からの昇順または降順である必要はないことに留意されたい。長方形の隔壁の幅がある程度まで減少されたとき、最上部の長方形の隔壁は、丸みを帯びた上部または尖った上部になることがあることに留意されたい（図５に示されるように）。同様に、台形の隔壁の内角θ_１、θ_２、およびθ_３は、同じであっても異なっていてもよく、基板１００から昇順または降順である必要はない。長方形の隔壁の高さＨ_１、Ｈ_２、およびＨ_３は、同じであっても異なっていてもよく、基板１００から昇順または降順である必要はない。

前述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、同じ目的を実行するため、および／または本明細書に導入される実施形態の同じ利点を達成するための他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解できる。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、且つそれらは、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解するべきである。従って、保護の範囲は請求項を通じて決定される必要がある。さらに、本開示のいくつかの実施形態が上記に開示されているが、それらは、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本明細書全体にわたる特徴、利点、または同様の用語への言及は、本開示で実現され得る全ての特徴および利点が、本開示の任意の単一の実施形態で実現されるべきまたは実現され得ることを意味するのではない。むしろ、特徴および利点に言及する用語は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、利点、または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味すると理解される。従って、本明細書全体にわたる特徴および利点、ならびに類似の用語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態を指すことがある。

さらに、１つまたは複数の実施形態では、本開示の説明された特徴、利点、および特性は、任意の適切な方法で組み合わせてもよい。当業者は、本明細書の説明に基づいて、特定の実施形態の１つまたは複数の特定の特徴または利点なしに本開示を実施できることを認識するであろう。他の例では、本開示の全ての実施形態に存在しない可能性がある、追加の特徴および利点が特定の実施形態において認識され得る。

１０ イメージセンサ
１００ 基板
１０２ 感知ユニット
１０４ 反射防止層
１０６ カラーフィルタユニット
１０８ 遮光構造
１１０ グリッド構造
１１２ 第１の隔壁
１１４ 第２の隔壁
１１６ 第３の隔壁１１６
１２０ マイクロレンズ
Ｗ ベース幅
Ｗ_１ 第１の幅
Ｗ_２ 第２の幅
Ｗ_３ 第３の幅
Ｈ 全高
Ｈ_１ 第１の高さ
Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３ 隔壁の高さ
θ、θ_１、θ_２、θ_３…θ_１０ 内角
Ｒ 縦方向の楕円半径
θ_ｔｏｐ 頂角
ｎ_１ 第１の屈折率
ｎ_２ 第２の屈折率
ｎ_３、ｎ_４、ｎ_５…ｎ_１０ 屈折率

Claims (11)

1. 基板、
   前記基板上に配置された複数のカラーフィルタユニット、および
   前記基板上に配置され、前記カラーフィルタユニットの各々を囲むグリッド構造を含み、前記グリッド構造は、
   前記基板上に配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第１の隔壁、
   前記第１の隔壁上に直接配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第２の隔壁を含み、
   前記第２の隔壁の上部幅は、前記第２の隔壁の底部幅より小さいイメージセンサ。
2. 前記基板内に形成された複数の感知ユニット、前記グリッド構造内に埋め込まれた遮光構造、および
   前記カラーフィルタユニット上にそれぞれ配置された複数のマイクロレンズをさらに含み、
   前記グリッド構造の第１の屈折率は１～１．５の範囲である請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記第２の隔壁上に直接配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第３の隔壁をさらに含み、前記第１の隔壁と前記第３の隔壁の断面は長方形であり、前記第２の隔壁の断面は台形である請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記第１の隔壁はベース幅を有し、前記第３の隔壁は第１の幅を有し、
   前記ベース幅および前記第１の幅は、前記基板に平行な横方向で測定され、前記第３の隔壁の前記第１の幅は、前記第１の隔壁の前記ベース幅より約２０％～６０％小さく、前記第２の隔壁の底部幅は、前記第１の隔壁の前記ベース幅と等しく、前記第２の隔壁の前記上部幅は、前記第３の隔壁の前記第１の幅と等しい請求項３に記載のイメージセンサ。
5. 前記第１の隔壁の第１の高さは、前記グリッド構造の全高より約６０％～８０％低く、前記第２の隔壁の側面は、前記基板に対して約２０°～７５°の内角θを有する請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記第３の隔壁の断面は半楕円形であり、前記第３の隔壁の断面は、丸みを帯びた側面および尖った上部を有し、前記尖った上部の頂角は、前記第２の隔壁の内角より小さい請求項３に記載のイメージセンサ。
7. 前記グリッド構造は、さらに１つ以上の長方形の隔壁と１つ以上の台形の隔壁をさらに含み、前記長方形の隔壁と前記台形の隔壁は、前記基板の上と前記カラーフィルタユニットの間に交互に配置され、前記台形の隔壁のそれぞれは、底部幅と前記底部幅より約２０％～６０％小さい上部幅を有する請求項１に記載のイメージセンサ。
8. 基板、
   前記基板上に配置された複数のカラーフィルタユニット、および
   前記基板上に配置され、前記カラーフィルタユニットの各々を囲むグリッド構造を含み、
   前記グリッド構造は、
   ベース幅を有する前記基板に対して垂直な側面を有し、前記基板上に配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第１の隔壁、
   前記基板に対して傾斜した側面を有し、前記第１の隔壁上に直接配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第２の隔壁、および
   第１の幅を有し、前記第２の隔壁上に直接配置され、前記カラーフィルタユニットの間に配置された第３の隔壁を含み、前記第１の幅は前記ベース幅より小さいイメージセンサ。
9. 前記第１の隔壁は第１の屈折率を有し、前記第３の隔壁は第２の屈折率を有し、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率は異なり、前記第２の隔壁は前記第１の屈折率または前記第２の屈折率を有し、前記第１の隔壁と前記第３の隔壁の断面は長方形であり、前記第２の隔壁の断面は台形である請求項８に記載のイメージセンサ。
10. 前記第３の隔壁の断面は半楕円形であり、前記第３の隔壁の断面は、丸みを帯びた側面および尖った上部を有する請求項８に記載のイメージセンサ。
11. 前記グリッド構造は、さらに１つ以上の長方形の隔壁と１つ以上の台形の隔壁をさらに含み、前記長方形の隔壁と前記台形の隔壁は、前記基板の上と前記カラーフィルタユニットの間に交互に配置され、前記長方形の隔壁および前記台形の隔壁は、前記第１の屈折率および前記第２の屈折率と異なる１つ以上の屈折率をさらに含み、前記台形の隔壁のそれぞれは、前記底部幅と前記底部幅より約２０％～６０％小さい上部幅を有する請求項９に記載のイメージセンサ。
    
    
    

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