JP2022117918A - 固体撮像素子 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022117918000001

【課題】 ハイブリッド層を含む固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 第１の光電変換素子と少なくとも１つの第２の光電変換素子とを有する半導体基板、前記第１の光電変換素子と前記少なくとも１つの第２の光電変換素子との間に配置された分離構造、前記半導体基板上に配置され、前記第１の光電変換素子に対応する第１のカラーフィルタセグメントと、前記少なくとも１つの第２の光電変換素子に対応する第２のカラーフィルタセグメントとを有するカラーフィルタ層、および前記半導体基板と前記カラーフィルタ層との間に配置され、前記分離構造に対応するように配置された第１のパーティション構造と、前記第１のパーティション構造に囲まれた第２のパーティション構造と、前記第１のパーティション構造と前記第２のパーティション構造の透明層とを含むハイブリッド層を含み、前記第１のパーティション構造の屈折率および前記第２のパーティション構造の屈折率は、前記透明層の屈折率より低い固体撮像素子。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、特に、ハイブリッド層を含む固体撮像素子に関するものである。
固体撮像素子（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサなど）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に広く用いられている。固体撮像素子の光検知部は、複数の画素のそれぞれに形成され、信号電荷が光検知部で受光した受光量に応じて発生される。また、光検知部で発生した信号電荷が伝達されて増幅されることにより、画像信号が得られる。
固体撮像素子では、異なる波長を有する光が半導体基板の異なる深さで吸収されることがある。しかしながら、斜め入射光が固体撮像素子に入射すると、同じ色を吸収するように形成された２つの隣接する光電変換素子でエネルギーの不均衡を起こす可能性がある。従って、固体撮像素子の設計と製造には、依然としてさまざまな課題がある。
ハイブリッド層を含む固体撮像素子を提供する。
本開示のいくつかの実施形態では、固体撮像素子は、半導体基板とカラーフィルタ層との間に配置されたハイブリッド層を含み、これはカラーフィルタ層（カラーフィルタセグメント）からの光の分離を助け、これにより光電変換素子の感度の均一性を向上させ、固体撮像素子の光電変換素子からの画像信号の品質を向上させることができる。
本開示のいくつかの実施形態によれば、固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、第１の光電変換素子と少なくとも１つの第２の光電変換素子とを有する半導体基板を含む。固体撮像素子は、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との間に配置された分離構造も含む。固体撮像素子は、半導体基板上に配置され、第１の光電変換素子に対応する第１のカラーフィルタセグメントと、第２の光電変換素子に対応する第２のカラーフィルタセグメントとを有するカラーフィルタ層をさらに含む。また、固体撮像素子は、半導体基板とカラーフィルタ層との間に配置されたハイブリッド層も含む。ハイブリッド層は、分離構造に対応するように配置された第１のパーティション構造を含む。ハイブリッド層は、第１のパーティション構造に囲まれた第２のパーティション構造も含む。ハイブリッド層は、第１のパーティション構造と第２のパーティション構造の間に位置する透明層をさらに含む。第１のパーティション構造の屈折率および第２のパーティション構造の屈折率は、透明層の屈折率よりも低い。
いくつかの実施形態では、第２のパーティション構造の高さは、第１のパーティション構造の高さより低い。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子の断面から見たときに、第１のパーティション構造は第１のパーティションセグメントを含み、第２のパーティション構造は第２のパーティションセグメントを含み、各第１のパーティションセグメントおよび各第２のパーティションセグメントは、
異なる形状を有する。
いくつかの実施形態では、各第１のパーティションセグメントは長方形に形成され、各第２のパーティションセグメントは三角形または半円形に形成される。
いくつかの実施形態では、ハイブリッド層の上面から見たときに、第２のパーティション構造は、正方形、長方形、または２つの交差した長方形に形成される。
いくつかの実施形態では、第２のパーティション構造は、第１のパーティション構造と直接接触している。
いくつかの実施形態では、第２のパーティション構造の高さは、第１のパーティション構造の高さより高い。
いくつかの実施形態では、第２のパーティション構造の一部は、第１のカラーフィルタセグメント内に配置される。
いくつかの実施形態では、半導体基板は第２の光電変換素子を有し、第２のパーティション構造は第１の光電変換素子または第２の光電変換素子に対応する。
いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルタセグメントおよび第２のカラーフィルタセグメントは、赤色カラーフィルタセグメント、緑色カラーフィルタセグメント、青色カラーフィルタセグメント、黄色カラーフィルタセグメント、白色カラーフィルタセグメント、シアン色カラーフィルタセグメント、マゼンタ色カラーフィルタセグメント、またはＩＲ／ＮＩＲカラーフィルタセグメントを含む。
いくつかの実施形態では、第１のパーティション構造の高さは一定であり、第２のパーティション構造の高さは可変、即ち、互いに異なる構造である。
いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルタセグメントに対応する第２のパーティション構造の高さは、第２のカラーフィルタセグメントに対応する第２のパーティション構造の高さと異なる。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、カラーフィルタ層上に配置された集光構造をさらに含む。集光構造は、第１の光電変換素子に対応する第１のマイクロレンズ、および第２の光電変換素子に対応する第２のマイクロレンズを含む。
いくつかの実施形態では、第１のマイクロレンズは、ｍ×ｎの第１の光電変換素子に対応し、ｍおよびｎは正の整数である。
いくつかの実施形態では、第２のマイクロレンズは、１つの第２の光電変換素子に対応する。
いくつかの実施形態では、第１のパーティション構造は、固体撮像素子の端部領域において分離構造に対してシフトを有する。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、第１のパーティション構造の底部に配置された金属グリッドをさらに含む。
いくつかの実施形態では、透明層の屈折率は１．０より大きい。
いくつかの実施形態では、第１のパーティション構造の屈折率と第２のパーティション構造の屈折率は異なる。
いくつかの実施形態では、ハイブリッド層の厚さは、０．０１μｍ～２．０μｍの範囲である。
本発明によれば、光電変換素子の感度の均一性を改善し、像信号の品質を向上させることができる。
図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図２は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子のもう一部を示す断面図である。 図３Ａは、本開示の一実施形態によるハイブリッド層を示す部分上面図である。 図３Ｂは、本開示のもう一つの実施形態によるハイブリッド層を示す部分上面図である。 図３Ｃは、本開示のまたもう一つの実施形態によるハイブリッド層を示す部分上面図である。 図４は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図５は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子のもう一部を示す断面図である。 図６は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図７は、本開示のいくつかの他の実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図８は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図９は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。 図１０は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。
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、「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の、別の（複数の）要素と（複数の）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、記載されている値の＋／－２０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－５％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－３％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－２％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、記載されている値の＋／－０．５％を意味する。本開示で記載されている値は、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、記載されている値は、「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。さらに、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。
図１Ａおよび図１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１００の一部を示す断面図である。図２は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１００のもう一部を示す断面図である。例えば、図１Ａおよび図１Ｂは、中央領域にある固体撮像素子１００の断面図を示しており、図２は、中央領域を囲む端部領域にある固体撮像素子１００の断面図を示しているが、本開示はそれらに限定されない。簡略化のため、図１Ａ、図１Ｂ、および図２では、固体撮像素子１００の一部の構成要素が省略されることとしてもよい。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサであるが、本開示はそれらに限定されない。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０を含む。いくつかの実施形態では、半導体基板１０は、ウェハまたはチップである。例えば、半導体基板１０はシリコンを含んでもよいが、本開示はそれに限定されない。図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、半導体基板１０は、第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３を有することができる。いくつかの実施形態では、第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３は、異なる色を受光するフォトダイオードである。例えば、第１の光電変換素子１１は緑色光を受光するように用いられ、第２の光電変換素子１３は赤色光を受光するように用いられることができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３は、同じ色を受光するフォトダイオードであってもよい。例えば、第１の光電変換素子１１と第２の光電変換素子１３の両方が位相検出オートフォーカス（ＰＤＡＦ）機能用に緑色光を受光するように用いられてもよい。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、固体撮像素子１００は、第１の光電変換素子１１と第２の光電変換素子１３の間に配置された分離構造１５を含む。いくつかの実施形態では、分離構造１５は、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）またはディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）を含んでもよい。例えば、分離構造１５は、エッチングプロセスを用いて半導体基板１０内にトレンチを形成し、トレンチに絶縁材料または誘電体材料を充填するように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。
図１Ａおよび図２に示されるように、分離構造１５は、第１の光電変換素子１１と第２の光電変換素子１３とを分離することができる。即ち、半導体基板１０内の第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３は、分離構造１５によって互いに分離されてもよいが、本開示はそれに限定されない。
図１Ｂに示されるように、分離構造１５は、複数の第１の光電変換素子１１の間に配置されてもよい。即ち、分離構造１５は、複数の第１の光電変換素子１１を互いから分離することができる。または、分離構造１５は、複数の第２の光電変換素子１３の間に配置されてもよい。即ち、分離構造１５は、複数の第２の光電変換素子１３を互いから分離することができる。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０の上に配置されたカラーフィルタ層２０を含む。いくつかの実施形態では、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、カラーフィルタ層２０は、第１の光電変換素子１１に対応する緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧと、第２の光電変換素子１３に対応する赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲとを有することができるが、本開示はそれらに限定されない。
いくつかの実施形態では、カラーフィルタ層２０は、青色カラーフィルタセグメント、黄色カラーフィルタセグメント、白色カラーフィルタセグメント、シアン色カラーフィルタセグメント、マゼンタ色カラーフィルタセグメント、ＩＲ／ＮＩＲカラーフィルタセグメント、または、第１の光電変換素子１１または第２の光電変換素子１３に対応する他の適用可能なカラーフィルタセグメントを有してもよい。例えば、カラーフィルタ層２０のいくつかのカラーフィルタセグメントは、赤色、緑色、および青色の１つに対応し、カラーフィルタ層２０の他のカラーフィルタセグメントは、赤色、緑色、および青色の他に対応することができるが、本開示は、それらに限定されない。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０とカラーフィルタ層２０との間に配置されたハイブリッド層３０を含む。特に、ハイブリッド層３０は、第１のパーティション構造３１、第２のパーティション構造３３、および透明層３２を含む。図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、第１のパーティション構造３１は、それが分離構造１５に対応するように配置されることができ、第２のパーティション構造３３は、第１の光電変換素子１１または第２の光電変換素子１３に対応することができ、透明層３２は、第１のパーティション構造３１と第２のパーティション構造３３との間に配置されることができるが、本開示はそれに限定されない。図１Ａ及び図２の例では、第２のパーティション構造３３は第１の光電変換素子１１の上側（Ｚ軸に沿う方向の上側）と第２の光電変換素子１３の上側にそれぞれ配置されている。図１Ｂの例では、第２のパーティション構造３３は、複数の第１の光電変換素子１１の間を隔てる分離構造１５の上側、及び、複数の第２の光電変換素子１３の間を隔てる分離構造１５の上側にそれぞれ配置されている。
本開示の実施形態では、第１のパーティション構造３１の屈折率および第２の仕切り構造３３の屈折率は、透明層３２の屈折率よりも低い。例えば、第１のパーティション構造３１の屈折率および第２のパーティション構造３３の屈折率は、約１．０～約１．９９の範囲であってもよく、透明層３２の屈折率は、約１．０（例えば、約３．０）より大きくてもよいが、本開示はそれらに限定されない。
いくつかの実施形態では、第１のパーティション構造３１および／または第２のパーティション構造３３は、半導体基板１０上に誘電体層を堆積させ、次いで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誘電体層をパターン化して第１のパーティション構造３１および／または第２のパーティション構造３３を形成することによって形成されることができるが、本発明はそれに限定されない。
いくつかの実施形態において、第１のパーティション構造３１の材料と第２のパーティション構造３３の材料は同じであるが、本開示はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、第１のパーティション構造３１の材料と第２のパーティション構造３３の材料は異なっていてもよい。即ち、第１のパーティション構造３１の屈折率と第２のパーティション構造３３の屈折率は異なっていてもよい。
いくつかの実施形態では、透明層３２は有機層であるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、透明層３２の材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、任意の他の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示はそれらに限定されない。透明層３２は、蒸着プロセスにより形成されることができる。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示された実施形態では、第１のパーティション構造３１および第２のパーティション構造３３は、同じ高さを有することができるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、ハイブリッド層３０の厚さＴは、約０．０１μｍ～約２．０μｍの範囲である。即ち、第１のパーティション構造３１の高さおよび第２のパーティション構造３３の高さは、約０．０１μｍ～約２．０μｍの範囲であるが、本開示はそれに限定されない。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子１００の構造は、固体撮像素子１００の端部領域にシフトを有することができる。例えば、図２に示されるように、第１のパーティション構造３１は、固体撮像素子１００の端部領域において、分離構造１５に対してシフトＳを有することができる。言い換えれば、図２に示される断面図では、第１のパーティション構造３１の中心軸Ｃ２と分離構造１５の中心軸Ｃ１との間の距離は、シフトＳであることができるが、本開示はそれに限定されない。中心軸Ｃ１は、半導体基板１０、カラーフィルタ層２０、及びハイブリッド層３０の積層方向を軸方向とし、分離構造１５の上面の中心点を通る軸に相当する。ハイブリッド層３０は、半導体基板１０の積層面において、当該積層面に沿って（Ｘ軸方向に沿って）シフトＳ分ずれることで、第１のパーティション構造３１が、分離構造１５のうち、第１の光電変換素子１１と第２の光電変換素子１３とを隔てている部分に対して、シフトＳの長さ分、Ｘ軸方向に沿ってずれている。
また、図２に示されるように、第２のパーティション構造３３は、緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧの中心軸ＣＧに対してシフトＳ１を有し、固体撮像素子１００の端部領域において、赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲの中心軸ＣＲに対してシフトＳ２を有することができる。言い換えれば、図２に示された断面図では、第２パーティション構造３３の中心軸Ｃ３と緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧの中心軸ＣＧとの間の距離は、シフトＳ１であることができ、第２のパーティション構造３３の中心軸Ｃ３と赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲの中心軸ＣＲとの間の距離は、シフトＳ２であることができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、シフトＳ１とシフトＳ２は異なってもよく、シフトＳ１とシフトＳ２の両方がシフトＳと異なってもよいが、本開示はそれらに限定されない。
同様に、図２に示されるように、カラーフィルタ層２０は、固体撮像素子１００の端部領域において、分離構造１５に対してシフトＳを有してもよい。しかしながら、分離構造１５に対するカラーフィルタ層２０のシフトは、シフトＳとは異なり、実際の必要に応じて調整されることができる。
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、入射光Ｌが固体撮像素子１００に入射し、緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧまたは赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲを通過した後、それは、第２のパーティション構造３３によって分離されることができ、それにより、第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３の感度の均一性を改善し、固体撮像素子１００の第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３からの画像信号の品質を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０上に配置された金属グリッド５０を含んでもよい。特に、金属グリッド５０は、第１のパーティション構造３１の底部に配置される。いくつかの実施形態では、金属グリッド５０の材料は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、金属窒化物（例えば、窒化チタン（ＴｉＮ））、他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示は、それらに限定されない。金属グリッド５０は、半導体基板１０上に金属層を堆積させ、次いで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して金属グリッド５０を形成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。
いくつかの実施形態では、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、固体撮像素子１００は、カラーフィルタ層２０上に配置された集光構造４０をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、集光構造４０は、入射光Ｌを集光するように使われることができる。いくつかの実施形態では、集光構造４０の材料は、透明層３２の材料と同じまたは類似していてもよい。例えば、集光構造４０の材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、任意の他の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、集光構造４０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ることができる。いくつかの実施形態では、集光構造４０を形成するステップは、スピ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むことができるが、本開示はそれらに限定されない。
いくつかの実施形態では、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示されるように、集光構造４０は、第１の光電変換素子１１および第２の光電変換素子１３に対応するマイクロレンズ４０ｍを含むことができる。例えば、各マイクロレンズ４０ｍは、４個（２×２）の第１の光電変換素子１１または４個（２×２）の第２の光電変換素子１３に対応することができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ４０ｍは、ｍ×ｎ個の第１の光電変換素子１１またはｍ×ｎ個の第２の光電変換素子１３に対応することができ、ｍおよびｎは正の整数であるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、マイクロレンズ４０ｍは、１つの第２の光電変換素子１３に対応してもよい。
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ４０ｍは、半凸レンズまたは凸レンズであることができるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、集光構造４０は、マイクロピラミッド構造（例えば、円錐、四角錐など）であってもよく、またはマイクロ台形（ｍｉｃｒｏ－ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）構造（例えば、平頂円錐、平頂四角錐など）であってもよい。あるいは、集光構造４０は、屈折率勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｉｎｄｅｘ）構造であってもよい。
同様に、図２に示されるように、集光構造４０は、固体撮像素子１００の端部領域において、カラーフィルタ層２０に対してシフトＳを有してもよい。しかしながら、カラーフィルタ層２０に対する集光構造４０のシフトは、シフトＳとは異なり、実際の必要に応じて調整されることができる。
図３Ａは、本開示の一実施形態によるハイブリッド層３０を示す部分上面図である。図３Ｂは、本開示のもう一つの実施形態によるハイブリッド層３０を示す部分上面図である。図３Ｃは、本開示のまたもう一つの実施形態によるハイブリッド層３０を示す部分上面図である。例えば、図１Ａ、図１Ｂ、および図２は、図３Ａ、図３Ｂ、または図３ＣのＡ－Ａ’線に沿ったハイブリッド層３０の部分断面図を含んでいてもよいが、本開示はそれに限定されない。
図３Ａ～図３Ｃに示すように、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１に囲まれている。いくつかの実施形態では、図３Ａに示されるように、ハイブリッド層３０の上面から見たときに、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１から分離された正方形に（第２のパーティション構造３３を上面から見たときの形状が正方形になるように）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。
いくつかの実施形態では、図３Ｂに示されるように、ハイブリッド層３０の上面から見たときに、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１に接続された長方形（第２のパーティション構造３３を上面から見たときの形状が長方形になるように）に形成されることができる。即ち、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１と直接接触することができるが、本開示はそれに限定されない。
いくつかの実施形態では、図３Ｃに示されるように、ハイブリッド層３０の上面から見たときに、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１に両方とも接続された２つの交差した長方形に形成されることができる。即ち、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１と直接接触することができるが、本開示はそれに限定されない。
いくつかの他の実施形態では、ハイブリッド層３０の上面から見たときに、第２のパーティション構造３３は、第１のパーティション構造３１から分離または接続される他の多角形に形成されることができる。
図４は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０２の一部を示す断面図である。図５は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０２のもう一部を示す断面図である。例えば、図４は、中央領域にある固体撮像素子１０２の断面図を示しており、図５は、中央領域を囲む端部領域にある固体撮像素子１０２の断面図を示しているが、本開示はそれらに限定されない。簡略化のため、図４および図５では、固体撮像素子１０２の一部の構成要素が省略されることとしてもよい。
図４および図５に示された固体撮像素子１０２は、図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００との相違点の１つは、図４および図５に示された固体撮像素子１０２の第１のパーティション構造３１および第２のパーティション構造３４が異なる高さを有することを含んでもよいことである。特に、第２のパーティション構造３４の高さＴ２は、第１のパーティション構造３１の高さＴ１より低いことができるが、本開示はそれに限定されない。
同様に、図５に示されるように、第１のパーティション構造３１は、固体撮像素子１０２の端部領域において、分離構造１５に対してシフトＳを有することができる。言い換えれば、図５に示された断面図では、第１のパーティション構造３１の中心軸Ｃ２と分離構造１５の中心軸Ｃ１との間の距離は、シフトＳであることができるが、本開示はそれに限定されない。
また、図５に示されるように、第２のパーティション構造３４は、固体撮像素子１０２の端部領域において、緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧの中心軸ＣＧに対してシフトＳ１を有し、赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲの中心軸ＣＲに対してシフトＳ２を有することができる。言い換えれば、図５に示された断面図では、第２のパーティション構造３４の中心軸Ｃ３と緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧの中心軸ＣＧとの間の距離は、シフトＳ１であることができ、第２のパーティション構造３４の中心軸Ｃ３と赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲの中心軸ＣＲとの間の距離は、シフトＳ２であることができるが、本発明はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、シフトＳ１とシフトＳ２は異なってもよく、シフトＳ１とシフトＳ２の両方がシフトＳと異なってもよいが、本開示はそれらに限定されない。
図１Ａおよび図２に示された実施形態のような上述の実施形態では、固体撮像素子１００の断面から見たときに、第１のパーティション構造３１は第１のパーティションセグメント３１Ｓに分割され、第２のパーティション構造３３は第２のパーティションセグメント３３Ｓに分割され、各第１のパーティションセグメント３１Ｓおよび各第２のパーティションセグメント３３Ｓは、同じ形状（例えば、長方形）を有することができるが、本開示はそれに限定されない。
図６は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０４の一部を示す断面図である。図７は、本開示のいくつかの他の実施形態による固体撮像素子の一部を示す断面図である。
図６に示されるように、固体撮像素子１０４の断面では、第１のパーティション構造３１の各第１のパーティションセグメント３１Ｓは、長方形に形成されることができ、第２のパーティション構造３５の各第２のパーティションセグメント３５Ｓは、三角形に形成されることができるが、本開示はそれらに限定されない。
図７に示されるように、固体撮像素子１０６の断面では、第１のパーティション構造３１の各第１のパーティションセグメント３１Ｓは、長方形に形成されることができ、第２のパーティション構造３６の各第２のパーティションセグメント３６Ｓは、半円形に形成されることができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、第１のパーティションセグメントの形状または第２のパーティションセグメントの形状は、実際の必要に応じて調整されることができる他の適切な形状であってもよい。
図８は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０８の一部を示す断面図である。図８に示された固体撮像素子１０８は、図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００との相違点の１つは、図８に示された固体撮像素子１０８の第１のパーティション構造３１および第２のパーティション構造３７が異なる高さを有することを含んでもよいことである。特に、第２のパーティション構造３７の高さＴ２’は、第１のパーティション構造３１の高さＴ１より高いことができるが、本開示はそれに限定されない。
いくつかの実施形態では、図８に示されるように、第２のパーティション構造３７の一部はカラーフィルタ層２０内に配置されてもよい。より詳細には、第２のパーティション構造３７の一部は、緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧおよび赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲ内に配置されることができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、第２のパーティション構造３７の一部は、カラーフィルタ層２０の他のカラーセグメント内に配置されてもよい。
図９は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１１０の一部を示す断面図である。図９に示された固体撮像素子１１０は、図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００との相違点の１つは、カラーフィルタ層２０が青色カラーフィルタセグメント２０ＳＢをさらに有することを含んでもよいことである。
また、本実施形態では、第１のパーティション構造３１の高さは一定であることができ、第２のパーティション構造３８の高さは可変、即ち、互いに異なる高さであることができる。例えば、図９に示すように、第１のパーティション構造３１の第１のパーティションセグメント３１Ｓの高さＴ１は、第２のパーティション構造３８の第２のパーティションセグメント３８Ｓ－１の高さＴ２－１と等しくてもよく、第２のパーティション構造３８の第２のパーティションセグメント３８Ｓ－１の高さＴ２－１（緑色カラーフィルタセグメント２０ＳＧに対応する）は、第２のパーティション構造３８の第２のパーティションセグメント３８Ｓ－２の高さＴ２－２（赤色カラーフィルタセグメント２０ＳＲに対応する）より低く、且つ第２のパーティション構造３８の第２のパーティションセグメント３８Ｓ－３の高さＴ２－３（青色カラーフィルタセグメント２０ＳＢに対応する）より高くてもよいが、本開示はそれらに限定されない。
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１１２の一部を示す断面図である。図１０に示された固体撮像素子１１２は、図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図１Ａおよび図２に示された固体撮像素子１００との相違点の１つは、集光構造４０’が第１の光電変換素子１１に対応する第１のマイクロレンズ４０ｍ、および第２の光電変換素子１３に対応する第２のマイクロレンズ４０ｍ’を含んでもよいことである。
図１０に示されるように、第１のマイクロレンズ４０ｍは、少なくとも２つ（即ち、２つ以上）の第１の光電変換素子１１に対応することができ、各第２のマイクロレンズ４０ｍ’は、１つの第２の光電変換素子１３に対応することができるが、本開示は、それらに限定されない。第１のマイクロレンズ４０ｍの数または第２のマイクロレンズ４０ｍ’の数は、図１０に示された実施形態に限定されるものではなく、実際の必要に応じて調整されることができる。
要約すると、本開示の実施形態による固体撮像素子は、半導体基板とカラーフィルタ層との間に配置されたハイブリッド層を含み、これはカラーフィルタ層（カラーフィルタセグメント）からの光の分離を助け、これにより光電変換素子の感度の均一性を向上させ、固体撮像素子の光電変換素子からの画像信号の品質を向上させることができる。
上述の内容は、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ることとしてもよい。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。
１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２ 固体撮像素子
１０ 半導体基板
１１ 第１の光電変換素子
１３ 第２の光電変換素子
１５ 分離構造
２０ カラーフィルタ層
２０ＳＢ 青色カラーフィルタセグメント
２０ＳＧ 緑色カラーフィルタセグメント
２０ＳＲ 赤色カラーフィルタセグメント
３０ ハイブリッド層
３１ 第１のパーティション構造
３１Ｓ 第１のパーティションセグメント
３２ 透明層
３３、３４、３５、３６、３７、３８ 第２のパーティション構造
３３Ｓ、３５Ｓ、３６Ｓ、３８Ｓ－１、３８Ｓ－２、３８Ｓ－３ 第２のパーティションセグメント
４０ 集光構造
４０ｍ、４０ｍ’ マイクロレンズ
５０ 金属グリッド
Ａ－Ａ’ 線
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、ＣＧ、ＣＲ 中心軸
Ｌ 入射光
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２ シフト
Ｔ 厚さ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ２’、Ｔ２－１、Ｔ２－２、Ｔ２－３ 高さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ 座標軸

Claims (10)

  1. 第１の光電変換素子と少なくとも１つの第２の光電変換素子とを有する半導体基板、
    前記第１の光電変換素子と前記少なくとも１つの第２の光電変換素子との間に配置された分離構造、
    前記半導体基板上に配置され、前記第１の光電変換素子に対応する第１のカラーフィルタセグメントと、前記少なくとも１つの第２の光電変換素子に対応する第２のカラーフィルタセグメントとを有するカラーフィルタ層、および
    前記半導体基板と前記カラーフィルタ層との間に配置され、前記分離構造に対応するように配置された第１のパーティション構造と、前記第１のパーティション構造に囲まれた第２のパーティション構造と、前記第１のパーティション構造と前記第２のパーティション構造の間に位置する透明層とを含むハイブリッド層を含み、
    前記第１のパーティション構造の屈折率および前記第２のパーティション構造の屈折率は、前記透明層の屈折率より低い固体撮像素子。
  2. 前記第２のパーティション構造の高さは、前記第１のパーティション構造の高さより低く、
    前記ハイブリッド層の上面から見たときに、前記第２のパーティション構造は、正方形、長方形、または２つの交差した長方形に形成される請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第１のパーティション構造は第１のパーティションセグメントを含み、前記第２のパーティション構造は第２のパーティションセグメントを含み、
    前記固体撮像素子の断面から見たときに、各前記第１のパーティションセグメントおよび各前記第２のパーティションセグメントは、異なる形状であり、各前記第１のパーティションセグメントは長方形に形成され、各前記第２のパーティションセグメントは三角形または半円形に形成される請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第２のパーティション構造は、前記第１のパーティション構造と直接接触している請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第２のパーティション構造の高さは、前記第１のパーティション構造の高さより高く、
    前記第２のパーティション構造の一部は、前記第１のカラーフィルタセグメント内に配置される請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 前記半導体基板は第２の光電変換素子を有し、
    前記第２のパーティション構造は前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子に対応し、
    前記第１のカラーフィルタセグメントおよび前記第２のカラーフィルタセグメントは、赤色カラーフィルタセグメント、緑色カラーフィルタセグメント、青色カラーフィルタセグメント、黄色カラーフィルタセグメント、白色カラーフィルタセグメント、シアン色カラーフィルタセグメント、マゼンタ色カラーフィルタセグメント、またはＩＲ／ＮＩＲカラーフィルタセグメントを含み、
    複数の前記第１のパーティション構造の高さは一定であり、複数の前記第２のパーティション構造の高さは互いに異なり、
    前記第１のカラーフィルタセグメントに対応する前記第２のパーティション構造の高さは、前記第２のカラーフィルタセグメントに対応する前記第２のパーティション構造の高さと異なる請求項１に記載の固体撮像素子。
  7. 固体撮像素子は、前記カラーフィルタ層上に配置された集光構造をさらに含み、
    前記集光構造は、前記第１の光電変換素子に対応する第１のマイクロレンズ、および前記少なくとも１つの第２の光電変換素子に対応する第２のマイクロレンズを含み、
    前記第１のマイクロレンズは、ｍ×ｎの第１の光電変換素子に対応し、ｍおよびｎは正の整数である請求項１に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１のパーティション構造は、前記固体撮像素子の端部領域において前記分離構造に対してシフトさせた構造である、請求項１に記載の固体撮像素子。
  9. 前記第１のパーティション構造の底部に配置された金属グリッドをさらに含む請求項１に記載の固体撮像素子。
  10. 前記透明層の屈折率は１．０より大きく、
    前記第１のパーティション構造の屈折率と前記第２のパーティション構造の前記屈折率は異なり、
    前記ハイブリッド層の厚さは、０．０１μｍ～２．０μｍの範囲である請求項１に記載の固体撮像素子。
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