JP2022553465A - 画像センサ構造 - Google Patents

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Abstract

デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む画像センサ構造。画像スタックは、複数の光検出器を含む。第１の光学フィルタスタックが、画像スタックの上に配置される。第１の光学フィルタスタックは、光ガイド層を含む。光パイプ空洞が、光ガイド層内に配置される。それぞれの光パイプ空洞は、光検出器と関連付けられている。それぞれの光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する。ナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。ナノウェルが、ナノウェル層内に配置される。それぞれのナノウェルは、光検出器と関連付けられている。

Description

（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１９年１０月９日に出願された、「Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題する米国特許仮出願番号第６２／９１２，９０８号に対する優先権を主張する。前述の出願の内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
ＣＭＯＳ画像センサなどの画像センサ構造は、多くの場合、ナノウェル層内に配置された複数の高密度ナノウェルを利用して、ナノウェル内に配置された検体に対して反応を実施させる。ナノウェル層は、画像センサ構造の前面又は裏面に配置され、画像センサ構造は、反応からのデータを収集して分析する。例えば、検体（ＤＮＡセグメントのクラスターなど）は、蛍光標識でタグ付けされていてもよく、励起光が標識検体へと導かれて、放出光を蛍光発光させてもよい。
次いで、検体は、蛍光性放出光の光子を放出してもよく、光子は、ナノウェルから、ナノウェルに関連付けられた複数の光検出器（例えば、フォトダイオード）へと伝達されてもよい。光検出器は、放出光光子を検出する。デバイス回路は、デバイススタック内部から光検出器に接続されてもよい。次いで、デバイス回路は、それらの検出された光子に基づいてデータ信号を処理して伝達してもよい。次いで、データ信号が分析されて、検体の特性が明らかにされてもよい。
前面照射型（front side illuminated、ＦＳＩ）画像センサ構造では、ナノウェル層は、画像センサ構造の前面に配置され、ナノウェル層は、励起光によって照射される。ＦＳＩ画像センサ構造では、デバイススタックは、ナノウェル層と複数の光検出器との間に位置付けられる。しかしながら、そのような画像センサ構造では、光検出器の活性（例えば、光感知）領域の一部は、デバイススタック内のデバイス回路によって遮断される場合がある。光検出器のサイズ及びピッチが更に小さくなるにつれて、デバイススタックによって遮断される活性領域の部分は増加し、光検出器の感度を低下させる場合がある。
裏面照射型（back side illuminated、ＢＳＩ）画像センサ構造では、ナノウェル層は、画像センサ構造の裏面に配置され、ナノウェル層は、励起光によって照射される。ＢＳＩ画像センサ構造では、デバイススタックは、ナノウェル層と複数の光検出器との間に位置付けられない。したがって、デバイススタックは、光検出器の活性領域を遮断しない場合がある。
しかしながら、ＦＳＩ画像センサ構造では、デバイススタックのデバイス回路は、多くの場合、クロストークの低減を補助するために使用される。そのようなデバイス回路は、ＢＳＩ画像センサ構造においてクロストークを低減させるのに役立つためには利用可能ではない場合がある。クロストークは、ナノウェルから透過した放出光を含み、この放出光は、意図せずに、ナノウェルに関連付けられていない光検出器によって検出される。
また、ＦＳＩ画像センサ構造とは異なり、ＢＳＩ画像センサ構造では、励起光が光検出器に到達することを十分に遮断することを補助するために、デバイススタックが利用可能ではない場合がある。更に、ＢＳＩ画像センサ構造ではまた、ナノウェルから放出された放出光を効率的に収集して光検出器に集束させることを補助するためには、デバイススタックが利用可能ではない場合もある。
本明細書で提供される実施例は、前述の課題を克服できる。例えば、一実施例では、デバイススタックの補助なしで、ナノウェルと、関連付けられていない光検出器との間のクロストークを低減させるＢＳＩ画像センサ構造が提供される。更に、別の実施例ではＢＳＩ画像センサ構造が提供され、このＢＳＩ画像センサ構造は、デバイススタックの補助なしで、光検出器からの励起光を十分に遮断することができ、放出光を効率的に収集して光検出器へと集束させることができる。
本開示は、画像センサ構造の裏面からナノウェルに向かって導かれた励起光で照射された場合、デバイススタックの補助なしで、画像センサ構造内に配置されたナノウェルと、関連付けられていない光検出器との間のクロストークを低減させ得る画像センサ構造を提供することにより、従来技術に勝る利点及び代替形態を提供する。加えて、画像センサ構造内に配置された光パイプ空洞は、デバイススタックの補助なしで、励起光を十分に遮断し、放出光を効率的に収集するように寸法決めされたアスペクト比及び側壁角度を有する。更に、画像センサ構造を確実に製造できないほどには、アスペクト比は大きすぎず、側壁角度は小さすぎない。
本開示の１つ以上の態様による画像センサ構造は、デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む。画像スタックは、複数の光検出器を含む。第１の光学フィルタスタックが、画像スタックの上に配置される。第１の光学フィルタスタックは、光ガイド層と、光ガイド層内に配置された複数の光パイプ空洞と、を含む。複数の光パイプ空洞のそれぞれの光パイプ空洞は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている。それぞれの光パイプ空洞は、約２．５対１よりも大きいアスペクト比を有する。ナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。複数のナノウェルが、ナノウェル層内に配置される。それぞれのナノウェルは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている。
いくつかの実施例では、画像センサ構造の光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、光パイプ空洞内に配置された光学フィルタ材料を含む。光学フィルタ材料は、光パイプ空洞の側壁において光ガイド層と直接接触している。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを含む。第１の光学フィルタスタック及び第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、第１のフィルタスタック及び第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい。
いくつかの実施例では、画像センサ構造の光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つを含む。
いくつかの実施例では、画像センサ構造の第１の光学スタックは、画像スタックの上に配置された中間層を含み、光ガイド層は、中間層の上に配置される。光ガイド層は、光パイプ空洞の側壁に配置され、かつ光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層である。光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する。
いくつかの実施例では、画像センサ構造の画像スタックは、基板層、複数の分離トレンチ、及び誘電体材料を含む。基板層は、複数の光検出器の上に配置される。基板層は、放出光及び励起光を通過させるように作用する。複数の分離トレンチは、基板層内に配置される。それぞれの分離トレンチは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に隣接して配置される。誘電体材料は、それぞれの分離トレンチ内に配置される。誘電体材料は、複数の光検出器のそれぞれの光検出器を電気的に分離するように作用する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、第１の光学フィルタスタック内に配置された中間層、及び画像スタック内の基板層は、同じ材料で構成されている。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、中間層及び基板層は、シリコンで構成されている。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、光学的吸収材料で構成された光ガイド層を含む。光学的透明材料は、光パイプ空洞内に配置される。光学的透明材料は、光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、クロストーク層、クロストークカーテン、拡散層、及び光パイプ延長部を含む。クロストーク層は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面の上に配置される。クロストークカーテンは、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面から下に延びている。拡散層は、光学フィルタスタックと画像スタックとの間に配置される。光パイプ延長部は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置される。光パイプ延長部は、拡散層を通って延びている。
本開示の１つ以上の態様による別の画像センサ構造は、デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む。画像スタックは、複数の光検出器を含む。第１の光学フィルタスタックが、画像スタックの上に配置される。第１の光学フィルタスタックは、光ガイド層と、光ガイド層内に配置された複数の光パイプ空洞と、光パイプ空洞内に配置された光学フィルタ材料と、を含む。それぞれの光パイプ空洞は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている。光学フィルタ材料は、光パイプ空洞の側壁において光ガイド層と直接接触している。ナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。複数のナノウェルが、ナノウェル層内に配置される。それぞれのナノウェルは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つを含む。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、第１の光学フィルタスタックは、画像スタックの上に配置された中間層を含む。光ガイド層は、中間層の上に配置される。光ガイド層は、光パイプ空洞の側壁に配置され、かつ光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層である。光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、画像スタックは、基板層、複数の分離トレンチ、及び誘電体材料を含む。基板層は、複数の光検出器の上に配置される。基板層は、放出光及び励起光を通過させるように作用する。複数の分離トレンチは、基板層内に配置される。それぞれの分離トレンチは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に隣接して配置される。誘電体材料は、それぞれの分離トレンチ内に配置される。誘電体材料は、複数の光検出器のうちのそれぞれの光検出器を電気的に分離するように作用する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、第１の光学フィルタスタック内に配置された中間層、及び画像スタック内に配置された基板層は、同じ材料で構成される。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを含む。第１の光学フィルタスタック及び第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、第１のフィルタスタック及び第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、クロストーク層、クロストークカーテン、拡散層、及び光パイプ延長部を含む。クロストーク層は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面の上に配置される。クロストークカーテンは、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面から下に延びている。拡散層は、光学フィルタスタックと画像スタックとの間に配置される。光パイプ延長部は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置される。光パイプ延長部は、拡散層を通って延びている。
本開示の１つ以上の態様による別の画像センサ構造は、デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む。画像スタックは、複数の光検出器を含む。第１の光学フィルタスタックが、画像スタックの上に配置される。第１の光学フィルタスタックは、光学的吸収材料で構成された光ガイド層と、光ガイド層内に配置された複数の光パイプ空洞と、光パイプ空洞内に配置された光学的透明材料と、を含む。それぞれの光パイプ空洞は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている。光学的透明材料は、光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する。ナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。複数のナノウェルが、ナノウェル層内に配置される。それぞれのナノウェルは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度、及び約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する。
画像センサ構造のいくつかの実施例では、光学的吸収材料は、光パイプ空洞の側壁において、光学的透明材料と直接接触している。
いくつかの実施例では、画像センサ構造は、クロストーク層、クロストークカーテン、拡散層、及び光パイプ延長部を含む。クロストーク層は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面の上に配置される。クロストークカーテンは、光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、光学フィルタスタックの上面から下に延びている。拡散層は、光学フィルタスタックと画像スタックとの間に配置される。光パイプ延長部は、光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置される。光パイプ延長部は、拡散層を通って延びている。
本開示の１つ以上の態様による、画像センサ構造を形成する方法は、デバイススタック上に画像スタックを配置することを含む。画像スタックは、複数の光検出器を含む。光ガイド層は、画像スタックの上に配置される。複数の光パイプ空洞が、光ガイド層内でエッチングされる。それぞれの光パイプ空洞は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている。それぞれの光パイプ空洞は、約２．５対１よりも大きいアスペクト比を有する。ナノウェル層が、光ガイド層の上に配置される。複数のナノウェルが、ナノウェル層内に配置される。それぞれのナノウェルは、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている。光ガイド層、複数の光パイプ空洞、及び光学フィルタ材料が、画像スタックの上に配置された第１の光学フィルタスタックを構成する。
いくつかの実施例では、本方法は、画像スタック上に中間層を配置することを含む。光ガイド層は、中間層の上に配置される。光ガイド層は、光パイプ空洞の側壁に配置され、かつ光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層である。光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する。
いくつかの実施例では、本方法は、光パイプ空洞内に光学フィルタ材料を配置することを含む。光学フィルタ材料は、光パイプ空洞の側壁において光ガイド層と直接接触している。
いくつかの実施例では、本方法は、第１の光学フィルタスタックの上に第２の光学フィルタスタックを配置することを含む。第１の光学フィルタスタック及び第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、第１のフィルタスタック及び第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい。
いくつかの実施例では、本方法は、光ガイド層が光学的吸収材料で構成されることを含む。光学的透明材料は、光パイプ空洞内に配置される。光学的透明材料は、光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する。
以下でより詳細に考察される前述の概念及び追加の概念の全ての組み合わせが（かかる概念が相互に矛盾しないならば）、本明細書に開示される発明の主題の一部であると考えられ、本明細書に記載される便益及び利点を実現するために使用されてもよいことを理解されたい。
本開示は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読むことにより、より完全に理解されよう。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある画像センサ構造の一例の断面図であり、複数の光検出器を含む画像スタックが、デバイススタックの上に配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図１の画像センサ構造の一例の断面図であり、画像スタックの上に光ガイド層が配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図２の画像センサ構造の一例の断面図であり、複数の光パイプ空洞が光ガイド層内にエッチングされ、その結果、それぞれの光パイプ空洞が、複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている。
本明細書に記載される態様による、図３の円形領域４－４の拡大図の一例の断面図であり、光パイプ空洞のアスペクト比及び側壁角度が表されている。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図３の画像センサ構造の一例の断面図であり、光学フィルタ材料が、光パイプ空洞内に配置され、光ガイド層、複数の光パイプ空洞、及び光学フィルタ材料が、第１の光学フィルタスタックを形成している。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図５の画像センサ構造の一例の断面図であり、第２の光学フィルタスタックが、図５の第１の光学フィルタスタックの上に配置される。
本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図５の画像センサ構造の一例の断面図であり、複数のナノウェルを有するナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある画像センサ構造の一例の断面図であり、複数の光パイプ空洞が、中間層内にエッチングされ、金属光ガイド層が、光パイプ空洞の側壁に配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図８の画像センサ構造の一例の断面図であり、光学フィルタ材料が、光パイプ空洞内に配置され、中間層、光ガイド層、複数の光パイプ空洞、及び光学フィルタ材料が、第１の光学フィルタスタックを形成している。
本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図９の画像センサ構造の一例の断面図であり、複数のナノウェルを有するナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある画像センサ構造の一例の断面図であり、中間層が、画像スタックの基板層の上に配置され、中間層及び基板層は、同じ材料で構成され、複数の光パイプ空洞が、中間層内にエッチングされている。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図１１の画像センサ構造の一例の断面図であり、金属光ガイド層が、光パイプ空洞の側壁に配置される。
本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図１２の画像センサ構造の一例の断面図であり、光学フィルタ材料が、光パイプ空洞内に配置され、中間層、光ガイド層、複数の光パイプ空洞、及び光学フィルタ材料が、第１の光学フィルタスタックを形成している。
本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図１３の画像センサ構造の一例の断面図であり、複数のナノウェルを有するナノウェル層が、第１の光学フィルタスタックの上に配置される。
本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある別の画像センサ構造４００の一例の断面であり、拡散層が、画像スタックと光学フィルタスタックとの間に配置される。
本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある別の画像センサ構造５００の一例の断面であり、光ガイド層が、光学フィルタ材料で構成され、光パイプ空洞が、光学的透明材料で充填されている。
ここで、本明細書で開示される方法、システム、及びデバイスの構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解を提供するために、特定の実施例が説明される。１つ以上の実施例が添付図面に示されている。当業者は、本明細書に具体的に記載され、添付の図面に例示される方法、システム、及び装置は、非限定的な例であり、本開示の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定義されることを理解するであろう。ある実施例に関連して図示又は説明された特徴は、他の実施例の特徴と組み合わされてもよい。そのような修正形態及び変形形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
特許請求の範囲を含む本開示全体にわたって使用され得る用語「実質的に」、「およそ」、「約」、「比較的」、又は他のそのような類似の用語は、処理における変動などに起因する、基準又はパラメータからの小さな変動を説明し、かつ考慮するために使用される。そのような小さな変動は、基準又はパラメータからのゼロ点変動も含む。例えば、それらは、±５％以下など、±２％以下など、±１％以下など、±０．５％以下など、±０．２％以下など、±０．１％以下など、±０．０５％以下などの、±１０％以下を指すことができる。
図１～図１６を参照すると、いくつかの図にわたって、同様の参照番号が、同様又は類似の構成要素を示すために使用されている。図１～図６、図８～図９、及び図１１～図１３は、それぞれ、本明細書に記載される態様による製造の様々な中間段階における画像センサ構造１００、２００、及び３００の例を示す。図７、図１０、図１４、図１５、及び図１６は、それぞれ、製造の完了段階における画像センサ構造１００、２００、３００、４００、及び５００の例を示す。
図１を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある画像センサ構造１００の一例の断面図が示される。この製造段階では、画像センサ構造１００は、デバイススタック１０４上に配置された画像スタック１０２を含む。本明細書でより詳細に説明するように、画像センサ構造１００は、裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ構造である。
画像センサ構造１００のための機械的支持を提供するために、キャリア基板１０６が、デバイススタック１０４に接合されている。キャリア基板１０６は、シリコン若しくは別の半導体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。キャリア基板１０６は、厚さが４００～８００マイクロメートルの範囲内であってもよい。
デバイススタック１０４から、キャリア基板１０６の前面に接合された導電性パッド１０８への電気的入力／出力接続部が、シリコン貫通ビア（through silicon via、ＴＳＶ）１１０を利用して作製されてもよい。ＴＳＶは、金属ライナ１０９を有してもよく、又はタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は銅（Ｃｕ）などの金属で充填されてもよい。
デバイススタック１０４は、複数の誘電体層１１１を含んでもよい。誘電体層１１１は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、若しくは他の誘電体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。
誘電体層１１１は、例えば、抵抗器、コンデンサ、ダイオード、及び／又はトランジスタ、並びにそれらの相互接続部などの様々なデバイス回路１１２を含んでもよい。デバイススタック１０４のデバイス回路１１２は、画像スタック１０２内に配置された複数の光検出器１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄ、１１４Ｅ（集合的に１１４）とインターフェース接続する。デバイス回路１１２は、放出光１５８（図７で最もよく分かる）の検出された光光子を使用して、光検出器１１４からのデータ信号を処理するように、動作可能である。
本明細書で使用される場合、光検出器１１４は、例えば、半導体であってもよい。半導体は、フォトダイオード、相補型金属酸化膜半導体（complementary metal oxide semiconductor、ＣＭＯＳ）材料、又はその両方を含んでもよい。光検出器１１４はまた、フォトダイオード接合領域、又は半導体材料中の注入部であってもよい。例えば、フォトダイオード１１４は、ｐ型基板内のｎ型ドープ領域、ｎ型ドープ基板上のｐ型ウェル上のｎ型ドープ領域、又は任意の他のダイオードの組み合わせであってもよい。
画像スタック１０２は、デバイススタック１０４の上に配置された複数の光検出器１１４を含む。基板層１１６が、複数の光検出器１１４の上に配置される。基板層１１６は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、若しくは他の半導体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。本明細書で更に詳細に説明されるように、基板層１１６は、画像スタック１０２の上方に配置されたナノウェル１４８から出る放出光１５８及び励起光１５６の両方を通過させるように作用する（図７で最もよく分かる）。放出光１５８は、例えば、約５００ナノメートル（ｎｍ）～約６５０ｎｍの波長の範囲内にあってもよい。励起光１５６は、例えば、約４００ｎｍ～約５７０ｎｍの波長の範囲にあってもよい。放出光１５８は、励起光１５６よりも長い波長を有してもよい。より具体的には、放出光１５８は、励起光１５６の波長よりも、約４０ｎｍ～１４０ｎｍだけ長い範囲内の波長を有してもよい。
画像スタック１０２はまた、基板層１１６内に配置された複数の分離トレンチ１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄ、及び１１８Ｅ（集合的に１１８）を含む。それぞれの分離トレンチ１１８は、複数の光検出器１１４のうちの１つの光検出器１１４に隣接して配置される。分離トレンチ１１８は、ディープトレンチであってもよく、約５対１～約２５対１の大きいアスペクト比ＡＲを有してもよい。本明細書で使用される場合、アスペクト比ＡＲは、フィーチャ（この場合、分離トレンチ１１８）の高さとフィーチャの最大幅との比である。
製造公差に起因して、分離トレンチ１１８は、全てが同じ高さを有してはいない場合がある。例えば、分離トレンチ１１８Ａ～１１８Ｄは、基板層１１６の全厚にわたって延びていないものとして表され、分離トレンチ１１８Ｅ、１１８Ｆは、基板層１１６の厚さ全体にわたって延びているものとして表されている。
画像スタック１０２はまた、それぞれの分離トレンチ１１８内に配置された誘電体材料１２０を含む。誘電体材料１１８は、複数の光検出器１１４のうちのそれぞれの光検出器１１４を電気的に分離するように作用する。誘電体材料１１８はまた、光検出器１１４間の光又は光発生電子の透過を遮断又は著しく低減させることにより、光検出器間のクロストークを著しく低減させるように作用する。誘電体材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、若しくは他の誘電体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。
図１に示す製造の中間段階にある画像センサ構造１００を作製する方法の一例には、最初に基板層１１６を設けることが含まれてもよい。その後、光検出器１１４を形成するために、基板層１１６内にｎ型ドープ及びｐ型ドープのフォトダイオード接合領域を形成するために、様々なドーピング技術が利用され得る。次いで、分離トレンチ１１８は、光検出器１１４間において異方性エッチングされ得る（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを用いて）。次いで、分離トレンチ１１８は、電気的ディープトレンチ分離（deep trench isolation、ＤＴＩ）を提供し、光検出器１１４間のクロストークを著しく低減させるために、誘電体材料１２０で充填されてもよい。いかなる過剰な誘電体材料１２０も、例えば、化学機械平坦化（chemical mechanical planarization、ＣＭＰ）プロセスによって平坦化して、光検出器１１４のレベルまで下げることができる。次いで、光検出器１１４の真上にデバイススタック１０４を配置して、画像センサ構造１００の画像スタック１０２及びデバイススタック１０４の形成を完了させることができる。次いで、キャリア基板１０６をデバイススタック１０４に接合させて、画像センサ構造１００に機械的支持を設けることができる。
図２を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図１の画像センサ構造１００の一例の断面図が示され、光ガイド層１２２が、画像スタック１０２の上に配置される。光ガイド層１２２は、例えば、ポリマー材料、半導体材料、若しくは誘電体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。光ガイド層がポリマーである場合、光ガイド層は、ＳＵ－８フォトレジスト材料、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、若しくは他の染料着色フィルムを含んでもよい又はそれらであってもよい。光ガイド層が誘電体である場合、光ガイド層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、酸窒化ケイ素、若しくは他の誘電体を含んでもよい又はそれらであってもよい。光ガイド層が半導体材料である場合、光ガイド層は、シリコン若しくは他の半導体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。
図３を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図２の画像センサ構造１００の一例の断面図が示され、複数の光パイプ空洞１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄ、１２４Ｅ（集合的に１２４）が、光ガイド層１２２内に形成されている。それぞれの光パイプ空洞１２４は、複数の光検出器１１４のうちの１つの光検出器１１４に関連付けられている。より具体的には、それぞれの光パイプ空洞１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄ、１２４Ｅは、それぞれ、関連付けられた光検出器１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄ、１１４Ｅと整列している。したがって、光パイプ空洞１２４を通って移動する光は、その関連付けられた光検出器１１４へと導かれてもよく、関連付けられていない、いかなる光検出器にも導かれなくてもよい。
光パイプ空洞１２４は、光ガイド層１２２内に異方性エッチングされてもよい、かつ／又はリソグラフィ的にパターン形成されてもよい。光パイプ空洞１２４は、製造公差に起因して、光ガイド層１２２の厚さ全体を常に貫通していなくてもよい。例えば、光パイプ空洞１２４Ｄは、厚さが薄い光ガイド層１２２材料が光パイプ空洞の底部に配置されているものとして示されている。しかしながら、光パイプ空洞１２４Ｄの底部における光ガイド層１２２の厚さは十分に小さく、光センサ１１４に向けられている光を著しく遮断することはない。光を著しく遮断することがないように、光パイプ空洞１２４の底部における光ガイド層１２２の厚さは、約５０ナノメートル以下であってもよい、又は約２０ナノメートル以下であってもよい。
光ガイド層１２２は、ある光パイプ空洞１２４から別の光パイプ空洞１２４への光の透過を著しく低減させて又は遮断して、光検出器１１４間のクロストークの低減を補助する。本明細書では、「著しい」という用語は、約５０％以上を指し得る。例えば、光ガイド層１２２は、ある光パイプ空洞１２４から別の光パイプ空洞への光の透過を５０パーセント、６０パーセント、７５パーセント、又はそれ以上を低減させてもよい。光ガイド層１２２はまた、放出光１５６のかなりの部分を、光パイプ空洞１２４を通して、その関連付けられた光検出器１１４へと導くことを補助し得る。例えば、光ガイド層は、放出光１５６のより多くのうちの５０パーセント、６０パーセント、７５パーセントを、その関連付けられた光検出器１１４へと導くことを補助し得る。
図４を参照すると、本明細書に記載される態様による、図３の円形領域４－４の一例の拡大断面図が示され、光パイプ空洞１２４のアスペクト比ＡＲ及び側壁角度θが表されている。本明細書でより詳細に説明するように、光パイプ空洞１２４のアスペクト比ＡＲは、画像センサ構造１００において光パイプ空洞１２４の直上に配置されたナノウェル１４８から出る励起光を遮断して放出光を収集する必要性に応じて、約２．５対１～約２５対１の範囲で変動してもよい。より具体的には、図３及び図４の光パイプ空洞１２４のアスペクト比ＡＲは、光パイプ空洞１２４の実際の高さＨと、光パイプ空洞１２４の上部における上部幅Ｗである最大幅Ｗとの比である。
空洞１２４の底部における底部幅Ｗ’が空洞１２４の上部における上部幅Ｗに等しい、そのような高アスペクト比の光パイプ空洞１２４を高い信頼性で製造することは実用的ではない場合がある又は費用効率が高くない場合がある。換言すれば、これらの高アスペクト比の光パイプ空洞１２４のための信頼性が高く費用効率が高い製造プロセスは、垂直基準線１２６（すなわち、光ガイド層１２２の上面１２８に対して実質的に垂直な線１２６）に対して非ゼロの側壁角度θを有する側壁１３０を含む可能性が高くなり得る。
光パイプ空洞１２４の両側の側壁角度θは、実質的に等しい可能性が高い。したがって、空洞１２４の上部エッジ１２９から下向きに延びる垂直基準線１２６からの、（光パイプ空洞１２４の両側における）底部幅Ｗ’の水平距離ｄもまた実質的に等しくてもよい。
そのような非ゼロの側壁角度θは、最大達成可能高さＨｍａｘを制限し、したがって、任意の所与の側壁角度θに対して光パイプ空洞１２４が達成できる最大達成可能アスペクト比ＡＲｍａｘを制限することになる。すなわち、最大達成可能高さＨｍａｘは、光パイプ空洞１２４の底部における底部幅Ｗ’がゼロになり得る高さに制限される。換言すれば、最大達成可能高さＨｍａｘは、任意の所与の側壁角度θに対して側壁１３０がある点１３２で交わり得る高さに制限される。光パイプ空洞１２４の両側の側壁角度θは実質的に等しいので、点１３２は、空洞１２４の上部における幅Ｗの間で水平方向の中間に位置付けられる。したがって、垂直基準線１２６から底部点１３２への水平距離は、実質的に等しいＷ／２であり得る。
実際のアスペクト比ＡＲ、最大達成可能アスペクト比ＡＲｍａｘ、実際の高さＨ、最大達成可能高さＨｍａｘ、側壁角度θ、上部幅Ｗ、底部幅Ｗ’、及び距離ｄの間の関係は以下のように表すことができる。
ＡＲ＝Ｈ／Ｗ；
ｔａｎθ＝ｄ／Ｈ＝０．５Ｗ／Ｈｍａｘ；
ＡＲｍａｘ＝Ｈｍａｘ／Ｗ＝Ｈ／（２ｄ）＝Ｈ／（Ｗ－Ｗ’）＝０．５／（ｔａｎθ）
それに応じて、ＡＲｍａｘ＝０．５／（ｔａｎθ）なので、側壁角度θが小さくなるほど、達成できる最大達成可能アスペクト比ＡＲｍａｘは大きくなる。
図５を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図３の画像センサ構造１００の一例の断面図が示され、光学フィルタ材料１３４が、光パイプ空洞１２４内に配置される。この製造段階では、光ガイド層１２２、複数の光パイプ空洞１２４、及び光学フィルタ材料１３４は、画像スタック１０２の上に配置された完成された第１の光学フィルタスタック１３６を形成している。
光学フィルタ材料１３４は、励起光のかなりの部分を遮断してもよい。例えば、光学フィルタ材料は、約５００ｎｍ～６５０ｎｍの範囲の放出光の波長をかなりの部分を透過させてもよく、４００～５７０ｎｍの範囲の励起光のかなりの部分を遮断してもよい。
光学フィルタ材料１３４は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１２２に直接接触するように光パイプ空洞１２４内に配置される。光学フィルタ材料１３４を、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１２２と直接接触させることにより、かなりの量の励起光１５６が意図せずに光学フィルタ材料１３４と光ガイド層１２２との間を透過して下にある光検出器１１４に到達し得ることがないことが保証される。
光学フィルタ材料１３４は、低い蛍光を有し得る染料とポリマーとのブレンドを含んでもよい又はそれであってもよい。例えば、染料は、オラゾールオレンジタイプ染料、オラゾールイエロータイプ染料、ソルベントイエロータイプ染料、ソルベントオレンジタイプ染料、若しくはソルベントレッドタイプ染料などの、金属アゾ染料錯体クラスのメンバーを含んでもよい又はそれらであってもよい。ポリマーは、例えば、セルロースアセテートブチレートを含んでもよい又はそれであってもよい。
材料１３４は、光パイプ空洞１２４内にスピンコーティング又は噴霧され、ベークかつ／又は硬化されてもよい。いかなる過剰な光学フィルタ材料１３４も平坦化して、光ガイド層１２２の上面１２８のレベルまで下げることができる。
光パイプ空洞１２４及び光学フィルタ材料１３０は、ほとんどの励起光１５６を遮断し、放出光１５８のかなりの部分を複数の光検出器１１４に透過させる光ガイドとして効果的に機能する。光ガイドとして効率的に動作させるために、光パイプ空洞１２４は、いくつかの実現形態では、十分に高い高さＨを有して、選択された光ガイド材料１３４が、励起光１５６の相当な部分を遮断して下にある光検出器１１４に透過しないようにすることを可能にしている。
加えて、光ガイドとして効率的に動作させるために、いくつかの実現形態では、空洞１２４の上部幅Ｗは十分に大きく、光検出器１１４間のピッチが小さくても、例えば、約０．５マイクロメートルより小さくても、相当な量の放出光１５８を効率的に収集する。光検出器１１４間のピッチが上部幅Ｗと比較して小さい場合、光パイプ空洞１２４の底部幅Ｗ’もまた、上部幅Ｗと比較して小さい場合がある。
光パイプ空洞の高さＨを高くし、上部幅Ｗと底部幅Ｗ’との間の差を大きくする方法の１つは、アスペクト比を高くすることである。例えば、アスペクト比Ｈ／Ｗは、約２．５対１より大きくもよく、約５対１より大きくてもよく、約１０対１より大きくてもよく、約２０対１より大きくてもよい。
実際のアスペクト比Ｈ／Ｗが高くなるほど、最大達成可能アスペクト比Ｈｍａｘ／Ｗは高くなり、側壁角度θは小さくなり得る。例えば、
・実際のアスペクト比が約２．５対１である場合、最大達成可能アスペクト比は、約２．５対１以上であってもよく、側壁角度θは、約１１度以下であってもよく、
・実際のアスペクト比が約５対１である場合、最大達成可能アスペクト比は、約５対１以上であってもよく、側壁角度θは、約６度以下であってもよく、
・実際のアスペクト比が約１０対１である場合、最大達成可能アスペクト比は、約１０対１以上であってもよく、側壁角度θは、約３度以下であってもよく、
・実際のアスペクト比が約２０対１である場合、最大達成可能アスペクト比は、約２０対１以上であってもよく、側壁角度θは、約１．５度以下であってもよい。
しかしながら、高い最大達成可能アスペクト比及び対応する小さな側壁角度θは、実用的ではなく、信頼性が低く、製造コストが高い場合がある。例えば、約２５対１よりも大きい最大達成可能アスペクト比、及び約１．２度未満の対応する側壁角度θを、確実に大量に製造することは困難な場合がある。
それに応じて、効率的に励起光１５６を遮断して放出光１５８を収集する光ガイド、すなわち光学フィルタ材料１３４で充填された光パイプ空洞１２４の確実な製造を可能にするために、光パイプ空洞のアスペクト比Ｈ／Ｗ及び側壁角度θは、特定の所定範囲内で作製されてもよい。例えば、光パイプ空洞は、
・約２．５対１以上であるアスペクト比と、約１１度～約１．２度の範囲内の側壁角度、
・約５対１以上であるアスペクト比と、約６度～約１．２度の範囲内の側壁角度、
・約５対１以上であるアスペクト比と、約６度～約１．５度の範囲内の側壁角度、
・約１０対１以上であるアスペクト比と、約３度～約１．２度の範囲内の側壁角度、
・約１０対１以上であるアスペクト比と、約３度～約１．５度の範囲内の側壁角度、を有してもよい。
図６を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図５の画像センサ構造の一例の断面図が示され、第２の光学フィルタスタック１３８が、図５の第１の光学フィルタスタック１３６の上に配置される。第１の光学フィルタスタック１３６と第２の光学フィルタスタック１３８とを合わせると、全体的アスペクト比は、第１の光学フィルタスタック及び第２の光学フィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい。
通常は確実に製造することが困難な場合がある高アスペクト比は、励起光１５６を実質的に遮断するような又は放出光１５８を効率的に収集するようなパラメータを可能にするには望ましい場合がある。例えば、約１０よりも大きい、約１５よりも大きい、約２０よりも大きい、及び約２５よりも大きい全体的アスペクト比が望まれる場合がある。このような高いアスペクト比を実現し、それでもなお側壁角度θを合理的な製造限界内にするために、第１の光学フィルタスタック１３６の上に第２の光学フィルタスタック１３８を配置してもよい。側壁角度θのこのような合理的な製造限界は、例えば、１．２度以上、１．５度以上、３度以上であり得る。
第２の光学フィルタスタック１３８は、第１の光学フィルタスタック１３６の上に配置された第２の光ガイド層１４０を含んでもよい。第２の複数の光パイプ空洞１４２が、第２の光ガイド層１４０内に形成されてもよい。それぞれの第２の光パイプ空洞は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器１１４と関連付けられている。第２の光学フィルタ材料１４４が、それぞれの第２の光パイプ空洞１４２内に配置されてもよい。第２の光パイプ空洞は、第２の光パイプ空洞高さＨ２及び第２の光パイプ空洞上部幅Ｗ２を有してもよい。
全体的アスペクト比は、第１の光パイプ空洞１２４と第２の光パイプ空洞１４０とを合わせた全体的高さＨＴＯＴを、第１の光パイプ空洞１２４と第２の光パイプ空洞１４０とを合わせた最大幅で除算したものにほぼ等しくてもよい。第２の光学フィルタスタック１３８が第１の光学フィルタスタック１３６に実質的に幾何学的に同一である場合、全体的アスペクト比は、第１の光パイプ空洞１２４のアスペクト比の約２倍であってもよく、側壁角度θは、ほぼ同じままであってもよい。
すなわち、全体的アスペクト比は、第１の光パイプ空洞１２４と第２の光パイプ空洞１４０の高さＨ、Ｈ２を合わせた全体的高さＨＴＯＴを、第１の光パイプ空洞１２４と第２の光パイプ空洞１４０とを合わせた最大幅で除算したものにほぼ等しくてもよい。最大幅は、２つの上部幅Ｗ、Ｗ２のうちの広い方の幅であってもよい。全体的高さＨＴＯＴは、第１の光パイプ空洞１２４の高さＨの約２倍であってもよく、最大幅は、第１の光パイプ空洞の幅Ｗにほぼ等しくてもよいので、全体的アスペクト比は、第１の光パイプ空洞１２４のアスペクト比の約２倍であってもよい。しかしながら、側壁角度θは、第１の光パイプ空洞１２４及び第２の光パイプ空洞１４２の全体にわたってほぼ同じままであり得る。
図６では、第２の光学フィルタスタック１３８が第１の光学フィルタスタック１３６と実質的に同一であるように示されているが、第２の光学フィルタスタック１３８の他の構成が利用されてもよい。例えば、第２の光学フィルタスタック１３８は、第２の光ガイド層１４０の材料及びサイズ、第２の光パイプ空洞１４２の材料及びサイズ、並びに第２の光学フィルタ材料の材料及びサイズにおいて、第１の光学フィルタスタック１３６とは異なっていてもよい。
図７を参照すると、本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図５の画像センサ構造１００の一例の断面図が示されており、複数のナノウェル１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃ、１４８Ｄ、１４８Ｅ（集合的に１４８）を有するナノウェル層１４６が、第１の光学フィルタスタック１３６の上に配置される。それぞれのナノウェル１４８は、複数の光検出器のうちの１つの光検出器１１４に関連付けられている。より具体的には、それぞれのナノウェル１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃ、１４８Ｄ、１４８Ｅは、それぞれ、関連付けられた光パイプ空洞１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄ、１２４Ｅ、及び関連付けられた光検出器１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄ、１１４Ｅに整列されてもよい。それに応じて、ナノウェル１４８から出る特定の光は、その関連付けられた光パイプ空洞１２４を通って進んでもよく、その関連する光検出器１１４へと導かれ、関連付けられていない光検出器のいずれへも導かれなくてもよい。
ナノウェル層１４６は、窒化ケイ素ＳｉＮ又は酸化タンタルの一種（五酸化タンタルＴａ２Ｏ５など）などの、誘電体材料の１つ以上の層であってもよい。ナノウェル１４８は、リソグラフィでパターン形成され、ナノウェル層１４６内にエッチングされてもよい。
任意選択で、パッシベーションスタック１５０が、第１の光学フィルタスタック１３６の上に直接配置されてもよく、ナノウェル層１４６は、パッシベーションスタックの上に配置されてもよい。パッシベーションスタックは、ＳｉＯ２又はＳｉＮなどの誘電体材料の１層以上の層であってもよい。パッシベーションスタックはまた、ＢＣＢ又はＳＵ８などのポリマーの１層以上の層であってもよい。パッシベーションスタックは、第１の光学フィルタスタック１３６の化学反応を低減させるために使用されてもよく、化学反応は、ナノウェル１４８内で実施される。
動作中、特定の検体１５２（ＤＮＡセグメントのクラスターなど）が、蛍光標識分子１５４でタグ付けされ、ナノウェル１４８内に配置されてもよい。次いで、様々な種類の励起光１５６をナノウェル１４８内の検体１５２に放射し、標識分子１５４に放出光１５８を蛍光発光させてもよい。放出光１５８の光子の大部分は、パッシベーションスタック１５０を通って透過し、その関連する光パイプ空洞１２４に入ってもよい。光パイプ空洞１２４は、その光学フィルタ材料１３４と共に、励起光１５６の大部分をフィルタリングし、放出光１５８のかなりの部分を光ガイドの真下に位置する関連付けられた光検出器１１４に導くことができる光ガイドとして機能する。
光検出器１１４は、放出光光子１５８を検出する。次いで、デバイススタック１０４内のデバイス回路１１２は、放出光１５８のそれらの検出された光子に基づいてデータ信号を処理して伝達する。次いで、データ信号が分析されて、検体１５２の特性が明らかにされてもよい。
画像センサ構造１００は、裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ構造である。なぜなら、ナノウェル１４８が、画像センサ構造１００の裏面に配置されているから、かつ、デバイススタック１０４が、ナノウェル層１４６と複数の光検出器１１４との間に配置されていないからである。換言すれば、デバイススタック１０４とナノウェル層１４６とは、複数の光検出器１１４の反対側に配置される。したがって、ナノウェル１４８は、画像センサ構造１００の裏面から励起光１５６によって照射される。
しかしながら、デバイススタック１０４の位置ゆえに、ナノウェル１４８から出て、関連付けられていない光検出器１１４へと至る放出光光子１５８のクロストークの低減を補助するために、デバイス回路１１２を利用できない場合がある。デバイススタック１０４の欠如を補償するために、光ガイド層１２２を利用して、ある光パイプ空洞１２４から別の光パイプ空洞１２４へと、放出光１５８及び励起光１５６の大部分が透過することを遮断する。換言すれば、光ガイド層１２２は、ナノウェル１４８内の蛍光標識分子１５４から放出される放出光１５８、及び画像センサ構造１００の裏面からナノウェル１４８を照射する励起光１５６が、光ガイド層１２２を通過することを、防止する又は少なくとも実質的に防止するように作用する。
加えて、光ガイド層１２２は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光学フィルタ材料１３４に直接接触している。したがって、光学フィルタ材料１３４を通過することなく光パイプ空洞１２４を透過できる励起光１５６は、ほとんどない又は全くない。光学フィルタ材料１３４は、励起光１５６を遮断し、放出光１５８を光検出器１１４へと通過させるように作用する。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、空洞１２４を充填する光学フィルタ材料１３４を幾何学的に形作る。したがって、光パイプ空洞１２４の高アスペクト比は、光学フィルタ材料１３４に適切な高さＨを提供することを補助し、これにより、励起光１５６のかなりの部分が通過することを、光学フィルタ材料１３４が遮断することが可能になる。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗはまた、光パイプ空洞１２４のＷ’を有する底部に対して著しく広い上部幅Ｗを提供する。このように、光検出器１１４間のピッチが、例えば、約０．６～０．５マイクロメートル、又はこれ以下の小さい場合であっても、光パイプ空洞１２４は、放出光１５８を効率的に収集し得る。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、約２．５対１、約５対１、約１０対１、約２０対１、又はそれ以上の大きさであってもよい。加えて、側壁角度θは、光パイプ空洞１２４内で高アスペクト比を可能にするには十分に小さいが、光パイプ空洞の製造の信頼性を低下させる、かつ／又は過度に高価にするほどには大きくない。光パイプ空洞１２４の側壁角度θは、約１１度～約１．２度の範囲内、約１０度～約１．５度の範囲内、約６度～約１．２度の範囲内、約３度～約１．２度の範囲内、及び約３度～約１．５度の範囲内であってもよい。
図８を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階における別の画像センサ構造２００の一例の断面図が示されており、複数の光パイプ空洞１２４が、中間層１６０内にエッチングされ、金属光ガイド層１６２が、光パイプ空洞１２４の側壁１３０に配置される。光ガイド層１６２は、アルミニウム、金、若しくは銅などの金属を含んでもよい又はそれらであってもよい。しかしながら、光パイプ空洞１２４間の金属光ガイド層１６２の厚さが大きすぎる場合、放出光１５８が光検出器１１４に到達する前に、金属が放出光１５８を過度に吸収する場合がある。放出光１５８を過度に吸収しないために、光パイプ空洞１２４間の金属光ガイド層１６２の厚さは、例えば、約１００ナノメートル以下、約５０ナノメートル以下、又は約４０ナノメートル以下であってもよい。
中間層１６０は、画像スタック１０２の上に配置され、比較的薄い金属光ガイド層１６２のための機械的支持を提供する。光ガイド層１６２は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０上の中間層１６０の上に配置される。一実現形態では、金属層は、側壁に直接配置される。
金属光ガイド層１６２は、光パイプ空洞１２４の底面１６４に配置されなくてもよい。これは、金属光ガイド層１６２が光パイプ空洞１２４の底面１６４上に配置されている場合には、金属光ガイド層１６２が１００ナノメートル以下の薄さであったとしても、放出光１５８のかなりの部分が、画像スタック１０２の中へと透過することが防止され得るからである。
中間層１６０は、例えば、ポリマー材料、半導体材料、若しくは誘電体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。中間層がポリマーを含む場合、ポリマーは、ＳＵ－８フォトレジスト材料、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、若しくは他の染料着色フィルムを含んでもよい又はそれらであってもよい。光ガイド層が誘電体を含む場合、誘電体は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、若しくは他の誘電体を含んでもよい又はそれらであってもよい。光ガイド層が半導体材料である場合、光ガイド層は、シリコン若しくは他の半導体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。光パイプ空洞１２４は、中間層１６０内に異方性エッチングされてもよい、かつ／又はリソグラフィ的にパターン形成されてもよい。
中間層１６０は、光ガイド層として機能するには透明すぎるが、本明細書で先に論じた高アスペクト比に容易かつ確実にエッチングできる材料で構成されていてもよい。その場合、中間層１６０を使用して、そのような高アスペクト比の光パイプ空洞１２４の製造を可能にし、次いで、薄い金属光ガイド層１６２で空洞側壁１３０をコーティングすることが有利であり得る。
金属光ガイド層１６２は、例えば、ブランク堆積プロセス、原子層堆積、無電解めっき、又は電気めっきを利用して、光パイプ空洞１２４の側壁１３０にコーティングされてもよい。光パイプ空洞１２４の底面１６４に意図せずに配置されたいかなる金属光ガイド層１６２も、例えば、異方性エッチングプロセス（反応性イオンエッチングプロセスなど）によって除去されてもよい。異方性エッチングプロセスにより、光パイプ空洞１２４の側壁１３０に金属光ガイド層１６２が残る。
図９を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階における図８の画像センサ構造２００の一例の断面図が示されており、光学フィルタ材料１３４が、光パイプ空洞１２４内に配置され、中間層１６０、光ガイド層１６２、複数の光パイプ空洞１２４、及び光学フィルタ材料１３４が、第１の光学フィルタスタック１３６を形成している。
光学フィルタ材料１３４は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１６２に直接接触するように光パイプ空洞１２４内に配置される。光学フィルタ材料１３４を、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１６２と直接接触させることにより、かなりの量の励起光１５６が意図せずに光学フィルタ材料１３４と光ガイド層１６２との間を透過して下にある光検出器１１４に到達し得ることがないことが保証される。
光学フィルタ材料１３４は、染料系ポリマーであってもよい。材料１３４は、光パイプ空洞１２４内にスピンコーティング又は噴霧され、ベークかつ／又は硬化されてもよい。いかなる過剰な光学フィルタ材料１３４も平坦化して、中間層１６０の上面１２８のレベルまで下げることができる。
図１０を参照すると、本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図９の画像センサ構造２００の一例の断面図が示されており、複数のナノウェル１４８を有するナノウェル層１４６が、第１の光学フィルタスタック１３６の上に配置される。画像センサ構造２００の全ての態様は、金属光ガイド層１６２が、光パイプガイド１２４の側壁１３０に配置され、中間層１６０が、光ガイド層１６２を機械的に支持していることを除いて、前述した画像センサ構造１００の態様と実質的に同じである又は類似している。
動作中、特定の検体１５２（ＤＮＡセグメントのクラスターなど）が、蛍光標識分子１５４でタグ付けされ、ナノウェル１４８内に配置されてもよい。次いで、様々な種類の励起光１５６をナノウェル１４８内の検体１５２に放射し、標識分子１５４に放出光１５８を蛍光発光させてもよい。放出光１５８の光子の大部分は、パッシベーションスタック１５０を通って透過し、その関連する光パイプ空洞１２４に入ってもよい。光パイプ空洞１２４は、その光学フィルタ材料１３４と共に、励起光１５６の大部分をフィルタリングし、放出光１５８のかなりの部分を光ガイドの真下に位置する関連付けられた光検出器１１４に導くことができる光ガイドとして機能する。
光検出器１１４は、放出光光子１５８を検出する。次いで、デバイススタック１０４内のデバイス回路１１２は、放出光１５８のそれらの検出された光子に基づいてデータ信号を処理して伝達する。次いで、データ信号が分析されて、検体１５２の特性が明らかにされてもよい。
画像センサ構造２００は、裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ構造である。なぜなら、ナノウェル１４８が、画像センサ構造２００の裏面に配置されているから、かつ、デバイススタック１０４が、ナノウェル層１４６と複数の光検出器１１４との間に配置されていないからである。したがって、ナノウェル１４８は、画像センサ構造２００の裏面から励起光１５６によって照射される。
しかしながら、デバイススタック１０４の位置ゆえに、ナノウェル１４８から出て、関連付けられていない光検出器１１４へと至る放出光光子１５８のクロストークの低減を補助するために、デバイス回路１１２を利用できない場合がある。デバイススタック１０４の欠如を補償するために、光ガイド層１６２が、中間層１６０の上に配置され、光ガイド層１６２を利用して、ある光パイプ空洞１２４から別の光パイプ空洞へと、放出光１５８及び励起光１５６の大部分が透過することを遮断する。
加えて、光ガイド層１６２は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光学フィルタ材料１３４に直接接触している。したがって、光学フィルタ材料１３４を通過することなく光パイプ空洞１２４を透過できる励起光１５６は、ほとんどない又は全くない。光学フィルタ材料１３４は、励起光１５６を遮断し、放出光１５８を光検出器１１４へと通過させるように作用する。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、空洞１２４を充填する光学フィルタ材料１３４を幾何学的に形作る。したがって、光パイプ空洞１２４の高アスペクト比は、光学フィルタ材料１３４に適切な高さＨを提供することを補助し、これにより、励起光１５６のかなりの部分が通過することを、光学フィルタ材料１３４が遮断することが可能になる。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗはまた、光パイプ空洞１２４のＷ’を有する底部に対して著しく広い上部幅Ｗを提供する。このように、光検出器１１４間のピッチが、例えば、約０．６～０．５マイクロメートル、又はこれ以下の小さい場合であっても、光パイプ空洞１２４は、放出光１５８を効率的に収集し得る。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、約２．５対１、約５対１、約１０対１、約２０対１、又はそれ以上の大きさであってもよい。加えて、側壁角度θは、光パイプ空洞１２４内で高アスペクト比を可能にするには十分に小さいが、光パイプ空洞の製造の信頼性を低下させる、かつ／又は過度に高価にするほどには大きくない。光パイプ空洞１２４の側壁角度θは、約１１度～約１．２度の範囲内、約１０度～約１．５度の範囲内、約６度～約１．２度の範囲内、約３度～約１．２度の範囲内、及び約３度～約１．５度の範囲内であってもよい。
図１１を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある画像センサ構造３００の一例の断面図が示される。構造３００では、画像スタック１０２の基板層１１６の上に中間層１６６が配置される。中間層１６６と基板層１１６とは、同じ材料で構成される。中間層１６６及び基板層１１６は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、若しくは他の半導体材料を含んでもよい又はそれらであってもよい。
製造の早い段階の間に、デバイススタック１０４の上に、画像スタック１０２と第１の光学フィルタスタック１３６とを組み合わせた高さに少なくとも同じ高さで、組み合わされた層１６８が配置されてもよい。次いで、組み合わされた層１６８は、画像スタック１０２と第１の光学フィルタスタック１３６とを組み合わせた高さに実質的に等しい所定の高さ１７０まで平坦化されてもよい。製造のこの段階では、中間層１６６は、組み合わされた層１６８の上側部分を含み、基板層１１６は、組み合わされた層１６８の下側部分を含む。
複数の光パイプ空洞１２４が、中間層１６６の中に異方性エッチングされてもよい。これは、例えば、反応性イオンエッチングプロセスによって行われてもよい。中間層１６６は、半導体材料であるため、エッチングして高アスペクト比にすることがより容易である。しかしながら、中間層１６６は、光ガイド層として機能するには透過性が高すぎる。
図１２を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階にある図１１の画像センサ構造３００の一例の断面図であり、金属光ガイド層１７２が、光パイプ空洞１２４の側壁１３０に配置される。画像センサ構造２００と同様に、中間層１６６は、光ガイド層として機能するには透過性が高すぎるので、金属光ガイド層１７２が、光パイプ空洞１２４の側壁１３０に配置される。
光ガイド層１７２は、アルミニウム、金、若しくは銅などの金属を含んでもよい又はそれらであってもよい。しかしながら、光パイプ空洞１２４間の金属光ガイド層１７２の厚さが大きすぎる場合、放出光１５８が光検出器１１４に到達する前に、金属が放出光１５８を過度に吸収する場合がある。放出光１５８を過度に吸収しないために、光パイプ空洞１２４間の金属光ガイド層１７２の厚さは、例えば、約１００ナノメートル以下、約５０ナノメートル以下、又は約４０ナノメートル以下であってもよい。
中間層１６６は、画像スタック１０２の上に配置され、比較的薄い金属光ガイド層１７２のための機械的支持を提供する。光ガイド層１７２は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０上の中間層１６６の上に配置される。
金属光ガイド層１７２は、光パイプ空洞１２４の底面１７４に配置されなくてもよい。これは、金属光ガイド層１６２が光パイプ空洞１２４の底面１７４上に配置されている場合には、金属光ガイド層１６２が１００ナノメートル以下の薄さであったとしても、放出光１５８のかなりの部分が、画像スタック１０２の中へと透過することが低減され、場合によっては防止され得るからである。
金属光ガイド層１７２は、例えば、ブランク堆積プロセス、原子層堆積、無電解めっき、又は電気めっきを利用して、光パイプ空洞１２４の側壁１３０にコーティングされてもよい。光パイプ空洞１２４の底面１７４に意図せずに配置されたいかなる金属光ガイド層１７２も、例えば、異方性エッチングプロセス（反応性イオンエッチングプロセスなど）によって除去されてもよい。異方性エッチングプロセスにより、光パイプ空洞１２４の側壁１３０に金属光ガイド層１７２が残る。
図１３を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の中間段階における図１２の画像センサ構造３００の一例の断面図が示されており、光学フィルタ材料１３４が、光パイプ空洞１２４内に配置され、中間層１６６、光ガイド層１７２、複数の光パイプ空洞１２４、及び光学フィルタ材料１３４が、第１の光学フィルタスタック１３６を形成している。
光学フィルタ材料１３４は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１７２に直接接触するように光パイプ空洞１２４内に配置される。光学フィルタ材料１３４を、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光ガイド層１７２と直接接触させることにより、かなりの量の励起光１５６が意図せずに光学フィルタ材料１３４と光ガイド層１７２との間を透過して下にある光検出器１１４に到達し得ることがないことが保証される。
光学フィルタ材料１３４は、染料系ポリマーであってもよい。材料１３４は、光パイプ空洞１２４内にスピンコーティング又は噴霧され、ベークかつ／又は硬化されてもよい。いかなる過剰な光学フィルタ材料１３４も平坦化して、中間層１６６の上面１２８のレベルまで下げることができる。
図１４を参照すると、本明細書に記載の態様による、製造の完了段階にある図１３の画像センサ構造３００の一例の断面図が示されており、複数のナノウェル１４８を有するナノウェル層１４６が、第１の光学フィルタスタック１３６の上に配置される。画像センサ構造３００の全ての態様は、中間層１６６と基板層１１６とが同じ材料であることを除いて、前述した画像センサ構造２００の態様と実質的に同じである又は類似している。
動作中、特定の検体１５２（ＤＮＡセグメントのクラスターなど）が、蛍光標識分子１５４でタグ付けされ、ナノウェル１４８内に配置されてもよい。次いで、様々な種類の励起光１５６をナノウェル１４８内の検体１５２に放射し、標識分子１５４に放出光１５８を蛍光発光させてもよい。放出光１５８の光子の大部分は、パッシベーションスタック１５０を通って透過し、その関連する光パイプ空洞１２４に入ってもよい。光パイプ空洞１２４は、その光学フィルタ材料１３４と共に、励起光１５６の大部分をフィルタリングし、放出光１５８のかなりの部分を光ガイドの真下に位置する関連付けられた光検出器１１４に導くことができる光ガイドとして機能する。
光検出器１１４は、放出光光子１５８を検出する。次いで、デバイススタック１０４内のデバイス回路１１２は、放出光１５８のそれらの検出された光子に基づいてデータ信号を処理して伝達する。次いで、データ信号が分析されて、検体１５２の特性が明らかにされてもよい。
画像センサ構造３００は裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ構造である。なぜなら、ナノウェル１４８が、画像センサ構造３００の裏面に配置されているから、かつ、デバイススタック１０４が、ナノウェル層１４６と複数の光検出器１１４との間に配置されていないからである。したがって、ナノウェル１４８は、画像センサ構造３００の裏面から励起光１５６によって照射される。
しかしながら、デバイススタック１０４の位置ゆえに、ナノウェル１４８から出て、関連付けられていない光検出器１１４へと至る放出光光子１５８のクロストークの低減を補助するために、デバイス回路１１２を利用できない場合がある。デバイススタック１０４の欠如を補償するために、光ガイド層１７２が、中間層１６６の上に配置され、光ガイド層１７２を利用して、ある光パイプ空洞１２４から別の光パイプ空洞へと、放出光１５８及び励起光１５６の大部分が透過することを遮断する。
加えて、光ガイド層１７２は、光パイプ空洞１２４の側壁１３０において光学フィルタ材料１３４に直接接触している。したがって、光学フィルタ材料１３４を通過することなく光パイプ空洞１２４を透過できる励起光１５６は、ほとんどない又は全くない。光学フィルタ材料１３４は、励起光１５６を遮断し、放出光１５８を光検出器１１４へと通過させる効果を有する。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、空洞１２４を充填する光学フィルタ材料１３４を幾何学的に形作る。したがって、光パイプ空洞１２４の高アスペクト比は、光学フィルタ材料１３４に適切な高さＨを提供することを補助し、これにより、励起光１５６のかなりの部分が通過することを光学フィルタ材料１３４が遮断することが可能になる。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗはまた、光パイプ空洞１２４のＷ’を有する底部に対して著しく広い上部幅Ｗを提供する。このように、光検出器１１４間のピッチが、例えば、約０．６～０．５マイクロメートル、又はこれ以下の小さい場合であっても、光パイプ空洞１２４は、放出光１５８を効率的に収集し得る。
光パイプ空洞１２４の高アスペクト比Ｈ／Ｗは、約２．５対１、約５対１、約１０対１、約２０対１、又はそれ以上の大きさであってもよい。加えて、側壁角度θは、光パイプ空洞１２４内で高アスペクト比を可能にするには十分に小さいが、光パイプ空洞の製造の信頼性を低下させる、かつ／又は過度に高価にするほどには大きくない。光パイプ空洞１２４の側壁角度θは、約１１度～約１．２度の範囲内、約１０度～約１．５度の範囲内、約６度～約１．２度の範囲内、約３度～約１．２度の範囲内、及び約３度～約１．５度の範囲内であってもよい。
図１５を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の完了段階にある別の画像センサ構造４００の一例の断面図が示される。画像センサ構造４００は、クロストーク遮断層１８０及び拡散層１８２を追加したことを除いて、画像センサ構造２００に類似している。
クロストーク層１８０は、１つ以上の光パイプ空洞１２４の間で、光学フィルタスタック１３６の上面の上に配置されてもよい。クロストーク層１８０は、光パイプ空洞１２４間のクロストークを低減させることに役立つ。
クロストーク層１８０は、金属材料で構成されてもよい。クロストーク層１８０は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＳｉ、Ｃｕ、又はＴａで構成されてもよい。クロストーク層材料は、ＣＭＯＳ材料を形成することが可能な金属材料を含んでもよい。層１８０の厚さは、約２０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲内にあってもよい。
クロストーク層１８０は、画像センサ構造４００のこの実施例で図示されているが、クロストーク層１８０は、他の画像センサ構造で使用されてもよい。例えば、クロストーク層１８０は、画像センサ構造１００、２００、３００、又は５００（図１６参照）の実施例のいずれかで使用されてもよい。
拡散層１８２は、光学フィルタスタック１３６と画像スタック１０２との間に配置されてもよい。拡散層１８２は、拡散バリアとして使用されてもよい。拡散層１８２を使用して、光学フィルタ材料１３４からの遊離イオンの流れ、又はパッケージング若しくは湿気などの他の不純物からの遊離イオンの流れを低減させてもよい。拡散層１８２はまた、基板層１１６の表面を平坦化するための平坦化層として使用されてもよい。
拡散層１８２は、誘電性金属酸化物材料又は窒化物材料で構成されてもよい。拡散層１８２は、例えば、ＳｉＯ２、ＴａＯｘ、ＳｉＮ、又はＳｉＯＮで構成されてもよい。拡散層１８２の厚さは、約５０ｎｍ～約３５０ｎｍの範囲内にあってもよい。
拡散層１８２は、画像センサ構造４００のこの実施例で図示されているが、拡散層１８２は、他の画像センサ構造で使用されてもよい。例えば、拡散層１８２は、画像センサ構造１００、２００、３００、又は５００（図１６参照）の実施例のいずれかで使用されてもよい。
図１６を参照すると、本明細書に記載される態様による、製造の完了段階にある別の画像センサ構造５００の一例の断面図が示される。画像センサ構造５００は、主にその光学フィルタスタック１３６が、前の画像センサ構造１００～４００とは異なる。
画像センサ構造５００の光学フィルタスタック１３６では、光ガイド層１８４は、光学的吸収材料で構成される。光学的吸収材料は、例えば、画像センサ構造１００～４００内の光パイプ空洞１２４を充填するために使用される光学フィルタ材料１３４の材料と同じ材料であってもよい。光学的吸収材料は、例えば、約１．５～１．８の範囲内の屈折率を有してもよい。
光学フィルタ材料１８４は、例えば、低い蛍光を有してもよい染料とポリマーとのブレンドを含んでもよい又はそれであってもよい。例えば、染料は、オラゾールオレンジタイプ染料、オラゾールイエロータイプ染料、ソルベントイエロータイプ染料、ソルベントオレンジタイプ染料、若しくはソルベントレッドタイプ染料などの、金属アゾ染料錯体クラスのメンバーを含んでもよい又はそれらであってもよい。ポリマーは、例えば、セルロースアセテートブチレートを含んでもよい又はセルロースアセテートブチレートであってもよい。
更に、光パイプ空洞１２４内に光学フィルタ材料１３４が配置された前述の画像センサ構造１００～４００とは異なり、画像センサ構造５００の光パイプ空洞１２４内には光学的透明材料１８６が配置される。透明材料１８６は、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、又は窒化ケイ素（ＳｉＮ）で構成されてもよい。
光学的透明材料１８６は、光学的吸収材料１８４の屈折率よりも大きい屈折率を有する。透明材料１８６の屈折率は、約１．８～２．７の範囲内の屈折率を有してもよい。
光ガイド層１８４を備える光学的吸収材料と、光パイプ空洞１２４内に配置された光学的透明材料１８６との間の屈折率の差は、光パイプ空洞１２４間のクロストークを著しく低減させ、放出光１５８を光パイプ空洞を通して、画像スタック１０２内の光検出器１１４へと導くのに役立つ。同時に、光学的吸収材料は、励起光１５６の大部分を吸収し、励起光１５６が光検出器１１４に到達することを著しく低減させる又は防止するように機能する。
光パイプ空洞１２４の高さＨと光パイプ空洞の最大幅Ｗの比（すなわち、光パイプ空洞の実際のアスペクト比ＡＲ）が大きいほど、光ガイド層１８４内の光学的吸収材料によって吸収され得る励起光１５６の量はより多くなる。したがって、アスペクト比は高い場合がある。例えば、光パイプ空洞のアスペクト比は、励起光１５６の吸収を最適化するために、約２．５対１以上、５対１以上、１０対１以上、１５対１以上、又は２０対１以上であってもよい。
しかしながら、本明細書で先に論じたように、側壁角度θは、光パイプ空洞が適度に製造可能であることを可能にする範囲内にあってもよい。例えば、側壁角度は、約１．２度～約１１度、約１．２度～約６度、約１．２度～約３度、約１．５度～約１１度、約１．５度～約６度、又は約１．５度～約３度の範囲内にあってもよい。
更に、光パイプ空洞の側壁１３０において、光ガイド層１８４を含む光学的吸収材料が、光パイプ空洞１２４内に配置された光学的透明材料１８６と直接接触していることが重要である。直接接触していることにより、当接する光学的吸収材料と光学的透明材料１８６との間の屈折の差が、放出光１５８を光検出器１１４へと導くことに役立つ。加えて、光学的吸収材料及び光学的透明材料が直接接触していることにより、２つの材料間で放射されて意図せずに光検出器１１４に到達する励起光１５６は少なくなる。
フィルタスタック１３６はまた、光パイプ空洞１２４の間で、光ガイド層１８４内に配置された金属クロストークカーテン１８８を含む。クロストークカーテン１８８は、光学フィルタスタック１３６の上面から下向きに光ガイド層１８４の中へと延びている。クロストークカーテン１８８は、光パイプ空洞１２４間のクロストークを更に低減させるように機能する。クロストークカーテン１８８は、クロストーク層１８０と連携して作用して、光パイプ空洞１２４間のいかなるクロストークをも、問題のないレベルまで低減させるのに役立ってもよい。
また、クロストーク層１８０と同様に、クロストークカーテン１８８は、いかなる画像センサ構造上でも使用できる。例えば、クロストークカーテンは、画像センサ構造１００～４００において使用されてもよい。
クロストークカーテン１８８は、金属材料で構成されてもよい。例えば、クロストークカーテン１８８は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＳｉ、Ｃｕ、Ｔａ、又は他のＣＭＯＳと適合性のある金属で構成されてもよい。
クロストークカーテン１８８は、画像センサ構造５００のこの実施例で図示されているが、クロストークカーテン１８８は、他の画像センサ構造で使用されてもよい。例えば、クロストークカーテン１８８は、画像センサ構造１００、２００、３００、又は４００の実施例のいずれかで使用されてもよい。
画像センサ構造５００のフィルタスタック１３６はまた、光パイプ延長部１９０を含んでもよく、光パイプ延長部は、光パイプ空洞１２４の底部に配置されてもよく、拡散層１８２を貫通してもよい。光パイプ延長部１９０は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの窒化物で構成されてもよく、約１．７～２．１の屈折率を有する。
光パイプ延長部１９０は、拡散層１８２の屈折率よりも大きい屈折率を有する。例えば、拡散層１８２は、約１．４～１．５５の屈折率を有するＳｉＯ２で構成されてもよい。その場合、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む光パイプ延長部１９０が適切であり得る。なぜなら、ＳｉＮが約１．７～２．１の屈折率を有するからである。光パイプ延長部１９０の屈折率が拡散層１８２の屈折率よりも大きいことにより、放出光が光パイプ延長部１９０ではなく拡散層１８２を通過する場合よりも良好に、放出光１５８を光検出器１１４上に集束することに役立つ。
光パイプ延長部１９０は、画像センサ構造５００のこの実施例で図示されているが、光パイプ延長部１９０は、他の画像センサ構造で使用されてもよい。例えば、光パイプ延長部１９０は、画像センサ構造１００、２００、３００、又は４００の実施例のいずれかで使用されてもよい。
本明細書でより詳細に考察される前述の概念及び追加の概念の全ての組み合わせが（かかる概念が相互に矛盾しないならば）、本明細書に開示される発明の主題の一部と考えられ、本明細書に記載される便益及び利点を実現すると考えられることを理解されたい。具体的には、本開示の終わりに現れる特許請求される主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示される発明の主題の一部であると考えられる。
本発明は特定の実施例を参照して説明してきたが、説明された発明概念の趣旨及び範囲内で多くの変更がなされてもよいことを理解されたい。したがって、本開示は、説明された実施例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される全範囲を有することが意図される。

Claims (50)

  1. 画像センサ構造であって、
    デバイススタックの上に配置された画像スタックであって、前記画像スタックは、複数の光検出器を含む、画像スタックと、
    前記画像スタックの上に配置された第１の光学フィルタスタックであって、前記第１の光学フィルタスタックは、
    光ガイド層と、
    前記光ガイド層内に配置された光パイプ空洞であって、それぞれの前記光パイプ空洞は、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられ、それぞれの前記光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する、光パイプ空洞と、を含む、第１の光学フィルタスタックと、
    前記第１の光学フィルタスタックの上に配置されたナノウェル層と、
    前記ナノウェル層内に配置された複数のナノウェルであって、それぞれの前記ナノウェルは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている、複数のナノウェルと、を備える、画像センサ構造。
  2. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する、請求項１に記載の画像センサ構造。
  3. 前記光パイプ空洞内に配置された光学フィルタ材料を備え、前記光学フィルタ材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光ガイド層と直接接触している、請求項１に記載の画像センサ構造。
  4. 前記第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを備え、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項１に記載の画像センサ構造。
  5. 前記光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つで構成される、請求項１に記載の画像センサ構造。
  6. 前記第１の光学フィルタスタックは、
    前記画像スタックの上に配置された中間層と、
    前記中間層の上に配置された光ガイド層と、を含み、
    前記光ガイド層は、前記光パイプ空洞の側壁に配置され、かつ前記光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層であり、
    前記光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項１に記載の画像センサ構造。
  7. 前記画像スタックは、
    前記複数の光検出器の上に配置された基板層であって、前記基板層は、放出光及び励起光を通過させるように作用する、基板層と、
    前記基板層内に配置された複数の分離トレンチであって、それぞれの前記分離トレンチは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に隣接して配置されている、複数の分離トレンチと、
    それぞれの前記分離トレンチ内に配置された誘電体材料であって、前記誘電体材料は、前記複数の光検出器のそれぞれの光検出器を電気的に分離するように作用する、誘電体材料と、を含む、請求項６に記載の画像センサ構造。
  8. 前記第１の光学フィルタスタック内に配置された前記中間層及び前記画像スタックの前記基板層は、同じ材料で構成されている、請求項７に記載の画像センサ構造。
  9. 前記中間層及び前記基板層は、シリコンで構成されている、請求項８に記載の画像センサ構造。
  10. 光学的吸収材料で構成された光ガイド層と、
    前記光パイプ空洞内に配置された光学的透明材料であって、前記光学的透明材料は、前記光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する、光学的透明材料と、を備える、請求項１に記載の画像センサ構造。
  11. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項１に記載の画像センサ構造。
  12. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する、請求項３～１１のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  13. 前記光パイプ空洞内に配置された光学フィルタ材料を備え、前記光学フィルタ材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光ガイド層と直接接触している、請求項４～１１のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  14. 前記第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを備え、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項５～１１のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  15. 前記光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つで構成されている、請求項６～１１のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  16. 前記中間層及び前記基板層は、シリコンで構成されている、請求項７に記載の画像センサ構造。
  17. 光学的吸収材料で構成された光ガイド層と、
    前記光パイプ空洞内に配置された光学的透明材料であって、前記光学的透明材料は、前記光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する、光学的透明材料と、を備える、請求項１１に記載の画像センサ構造。
  18. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項６～９のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  19. 画像センサ構造であって、
    デバイススタックの上に配置された画像スタックであって、前記画像スタックは、複数の光検出器を含む、画像スタックと、
    前記画像スタックの上に配置された第１の光学フィルタスタックであって、前記第１の光学フィルタスタックは、
    光ガイド層と、
    前記光ガイド層内に配置された光パイプ空洞であって、それぞれの前記光パイプ空洞は、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている、光パイプ空洞と、
    前記光パイプ空洞内に配置された光学フィルタ材料であって、前記光学フィルタ材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光ガイド層と直接接触している、光学フィルタ材料と、を含む、第１の光学フィルタスタックと、
    前記第１の光学フィルタスタックの上に配置されたナノウェル層と、
    前記ナノウェル層内に配置された複数のナノウェルであって、それぞれの前記ナノウェルは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている、複数のナノウェルと、を備える、画像センサ構造。
  20. 前記光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する、請求項１９に記載の画像センサ構造。
  21. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する、請求項２０に記載の画像センサ構造。
  22. 前記光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つを含む、請求項１９に記載の画像センサ構造。
  23. 前記第１の光学フィルタスタックは、
    前記画像スタックの上に配置された中間層と、
    前記中間層の上に配置された光ガイド層と、を含み、
    前記光ガイド層は、前記光パイプ空洞の前記側壁に配置され、かつ前記光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層であり、
    前記光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項１９に記載の画像センサ構造。
  24. 前記画像スタックは、
    前記複数の光検出器の上に配置された基板層であって、前記基板層は、放出光及び励起光を通過させるように作用する、基板層と、
    前記基板層内に配置された複数の分離トレンチであって、それぞれの前記分離トレンチは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に隣接して配置されている、複数の分離トレンチと、
    それぞれの前記分離トレンチ内に配置された誘電体材料であって、前記誘電体材料は、前記複数の光検出器のそれぞれの光検出器を電気的に分離するように作用する、誘電体材料と、を含む、請求項２３に記載の画像センサ構造。
  25. 前記第１の光学フィルタスタック内に配置された前記中間層及び前記画像スタック内に配置された前記基板層は、同じ材料で構成されている、請求項２４に記載の画像センサ構造。
  26. 前記第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを備え、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項１９に記載の画像センサ構造。
  27. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項１９に記載の画像センサ構造。
  28. 前記光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する、請求項２１～２７のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  29. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する、請求項２２～２７のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
  30. 前記光ガイド層は、ポリマー材料、半導体材料、及び誘電体材料のうちの１つを含む、請求項２６又は２７に記載の画像センサ構造。
  31. 前記第１の光学フィルタスタックは、
    前記画像スタックの上に配置された中間層と、
    前記中間層の上に配置された光ガイド層と、を含み、
    前記光ガイド層は、前記光パイプ空洞の前記側壁に配置され、かつ前記光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層であり、
    前記光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項２６又は２７に記載の画像センサ構造。
  32. 前記画像スタックは、
    前記複数の光検出器の上に配置された基板層であって、前記基板層は、放出光及び励起光を通過させるように作用する、基板層と、
    前記基板層内に配置された複数の分離トレンチであって、それぞれの前記分離トレンチは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に隣接して配置されている、複数の分離トレンチと、
    それぞれの前記分離トレンチ内に配置された誘電体材料であって、前記誘電体材料は、前記複数の光検出器のそれぞれの光検出器を電気的に分離するように作用する、誘電体材料と、を含む、請求項２２、２３、２６、又は２７に記載の画像センサ構造。
  33. 前記第１の光学フィルタスタックの上に配置された第２の光学フィルタスタックを備え、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項２５又は２７に記載の画像センサ構造。
  34. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項２５に記載の画像センサ構造。
  35. 画像センサ構造であって、
    デバイススタックの上に配置された画像スタックであって、前記画像スタックは、複数の光検出器を備える、画像スタックと、
    前記画像スタックの上に配置された第１の光学フィルタスタックであって、前記第１の光学フィルタスタックは、
    光学的吸収材料で構成された光ガイド層と、
    前記光ガイド層内に配置された光パイプ空洞であって、それぞれの前記光パイプ空洞は、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器と関連付けられている、光パイプ空洞と、
    前記光パイプ空洞内に配置された光学的透明材料であって、前記光学的透明材料は、前記光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する、光学的透明材料と、を含む、第１の光学フィルタスタックと、
    前記第１の光学フィルタスタックの上に配置されたナノウェル層と、
    前記ナノウェル層内に配置された複数のナノウェルであって、それぞれの前記ナノウェルは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている、複数のナノウェルと、を備える、画像センサ構造。
  36. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度及び約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する、請求項３５に記載の画像センサ構造。
  37. 前記光学的吸収材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光学的透明材料と直接接触している、請求項３５に記載の画像センサ構造。
  38. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項３５に記載の画像センサ構造。
  39. 前記光パイプ空洞は、約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度、及び約２．５対約１よりも大きいアスペクト比を有する、請求項３７又は３８に記載の画像センサ構造。
  40. 前記光学的吸収材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光学的透明材料と直接接触している、請求項３６又は３８に記載の画像センサ構造。
  41. 前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面の上に配置されたクロストーク層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の間で、前記光学フィルタスタックの上面から下に延びているクロストークカーテンと、
    前記光学フィルタスタックと前記画像スタックとの間に配置された拡散層と、
    前記光パイプ空洞のうちの１つ以上の底部に配置された光パイプ延長部であって、前記光パイプ延長部は、前記拡散層を通って延びている、光パイプ延長部と、を備える、請求項３６又は３７に記載の画像センサ構造。
  42. 画像センサ構造を形成する方法であって、前記方法は、
    画像スタックをデバイススタック上に配置することであって、前記画像スタックは、複数の光検出器を含む、ことと、
    前記画像スタックの上に光ガイド層を配置することと、
    前記光ガイド層内の複数の光パイプ空洞をエッチングすることであって、それぞれの前記光パイプ空洞は、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられ、前記光パイプ空洞は、約２．５対約１よりも大きいアスペクト比、及び約１１～約１．２度の範囲内の側壁角度を有する、ことと、
    前記光ガイド層の上にナノウェル層を配置することと、
    前記ナノウェル層内に複数のナノウェルを配置することであって、それぞれの前記ナノウェルは、前記複数の光検出器のうちの１つの光検出器に関連付けられている、ことと、を含み、
    前記光ガイド層及び前記複数の光パイプ空洞は、前記画像スタックの上に配置された第１の光学フィルタスタックを構成する、方法。
  43. 前記画像スタックの上に中間層を配置することと、
    前記中間層の上に光ガイド層を配置することと、を含み、
    前記光ガイド層は、前記光パイプ空洞の側壁に配置され、かつ前記光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層であり、
    前記光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記光パイプ空洞内に光学フィルタ材料を配置することを含み、前記光学フィルタ材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光ガイド層と直接接触している、請求項４２に記載の方法。
  45. 前記第１の光学フィルタスタックの上に第２の光学フィルタスタックを配置することを含み、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックは、全体的アスペクト比が、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項４２に記載の方法。
  46. 前記光ガイド層は、光学的吸収材料で構成され、
    前記光パイプ空洞内に光学的透明材料を配置することを含み、前記光学的透明材料は、前記光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する、請求項４２に記載の方法。
  47. 前記画像スタックの上に中間層を配置することと、
    前記中間層の上に光ガイド層を配置することと、を含み、
    前記光ガイド層は、前記光パイプ空洞の前記側壁に配置され、かつ前記光パイプ空洞の底面には配置されていない金属層であり、
    前記光ガイド層は、約１００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項４４～４６のいずれか一項に記載の方法。
  48. 前記光パイプ空洞内に光学フィルタ材料を配置することを含み、前記光学フィルタ材料は、前記光パイプ空洞の側壁において、前記光ガイド層と直接接触している、請求項４３、４５、又は４６に記載の方法。
  49. 前記第１の光学フィルタスタックの上に第２の光学フィルタスタックを配置することを含み、
    前記第１の光学フィルタスタック及び前記第２の光学フィルタスタックの全体的アスペクト比は、前記第１のフィルタスタック及び前記第２のフィルタスタックのうちのいずれか一方のアスペクト比よりも大きい、請求項４３、４５、又は４６に記載の方法。
  50. 前記光ガイド層は、光学的吸収材料で構成され、
    前記光パイプ空洞内に光学的透明材料を配置することを含み、前記光学的透明材料は、前記光学的吸収材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する、請求項４３～４５のいずれか一項に記載の方法。
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