JP7096387B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、特に、花びら状のフレアを軽減できる変調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、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。信号電荷は、固体撮像素子の光検知部（例えば、光電変換素子）で受光され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。
従来の固体撮像素子では、回折格子の問題（例えば、表面回折）が発生しやすく、得られた画像に色分散（花びら状のフレア）およびゴースト画像が発生することがあった。従って、固体撮像素子の設計には、依然として克服しなければならないさまざま様々な課題がある。
花びら状のフレアを軽減できる変調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、表面回折を防ぐことができ、それにより、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変調層を含む。
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、複数の光電変換素子を含む。固体撮像素子は、光電変換素子の上に配置された変調層も含み、変調層は、複数の変調セグメントを有する。変調層は、異なる屈折率を有する複数の第１の副層および複数の第２の副層を含む。変調層の上面図より、変調セグメントは、第１のグループ、および第１のグループに隣接した第２のグループを形成する。第１のグループの第１の副層および第２の副層の配置は、第２のグループの第１の副層および第２の副層の配置と異なる。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、各第１の副層は、変調セグメントの１つを占有し、各第２の副層は、別の変調セグメントを占有する。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、第１の副層は斜めに配置され、第２の副層は斜めに配置される。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、各変調セグメントは、第１の副層のうちの１つと第２の副層のうちの１つを含む。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、各第１の副層は、第１の方向において第１の幅および第１の方向と異なる第２の方向において第２の幅を有し、各第２の副層は、第１の方向において第３の幅および第２の方向において第４の幅を有し、且つ各変調セグメントは、第１の方向および第２の方向の両方において変調幅を有する。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、変調幅に対する第１の幅の比率または変調幅に対する第２の幅の比率は、０．２５より大きく、１より小さい。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、変調幅に対する第３の幅の比率または変調幅に対する第４の幅の比率は、０．２５より大きく、１より小さい。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、変調幅に対する第１の幅の比率および変調幅に対する第２の幅の比率は、０．２５より大きく、１より小さい。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、第１の副層の中心と対応する変調セグメントの中心との間の距離は、変調幅と第１の幅との間の差の０～０．５倍の間、または変調幅と第２の幅との間の差の０～０．５倍の間にある。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、第１の副層および第２の副層のうちの１つの形状は、三角形である。
いくつかの実施形態では、変調層の上面図より、第２のグループは、第１の方向において第１のグループに隣接し、変調セグメントは、第２の方向において第１のグループに隣接した第３のグループ、および第２のグループに隣接した第４のグループも形成し、第２の方向は第１の方向と異なる。
いくつかの実施形態では、第３のグループの第１の副層および第２の副層の配置は、第１のグループの第１の副層および第２の副層の配置と異なる。
いくつかの実施形態では、第４のグループの第１の副層および第２の副層の配置は、第２のグループの第１の副層および第２の副層の配置と異なる。
いくつかの実施形態では、第１のグループおよび第２のグループのそれぞれは、変調セグメントのｎ×ｍを含み、ｍおよびｎは２以上の正の整数である。
いくつかの実施形態では、変調層の断面図において、各変調セグメントの高さに対する第１の副層の高さの比率、または各変調セグメントの高さに対する第２の副層の高さの比率は、０．５～１の間である。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、光電変換素子と変調層との間に配置されたカラーフィルタ層をさらに含む。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、変調層上に配置された複数の集光構造をさらに含む。
本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明から、より完全に理解することができる。業界の標準的な慣行に従って、さまざまな特徴が縮尺どおりに描かれていない。実際、さまざまな特徴の寸法は、説明を明確にするために、任意に拡大または縮小されている。
図１は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子を示す部分断面図である。 図２は、本開示の一実施形態による変調層を示す部分上面図である。 図３は、本開示のもう１つの実施形態による変調層を示す部分上面図である。 図４は、本開示のもう１つの実施形態による変調層を示す部分上面図である。 図５は、本開示のもう１つの実施形態による変調層を示す部分上面図である。 図６は、本開示のもう１つの実施形態による変調層を示す部分上面図である。 図７は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子を示す部分断面図である。 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を示す部分断面図である。
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。
固体撮像素子は、受光ユニットに入射する光の方向により、大きく２つのグループに分類できる。１つは、読み取り回路の配線層が形成された半導体基板の表面に入射する光を受光する表面照射（ＦＳＩ）イメージセンサである。もう一つは、配線層が形成されていない半導体基板の裏面に入射する光を受光する裏面照射型（ＢＳＩ）イメージセンサである。
図１は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１００を示す部分断面図である。図１では、固体撮像素子１００のいくつかの構成要素は、簡潔にするために、省略されてもよいことに留意されたい。いくつかの実施形態では、固体撮像素子１００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）画像センサであり得るが、本開示はそれに限定されない。
図１に示されるように、例えば、ウェハまたはチップであり得る半導体基板１０が提供される。図１に示すように、固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子１１を含む。光電変換素子１１は、例えばフォトダイオードであってもよく、半導体基板１０内に形成されてもよいが、本開示はそれに限定されない。
いくつかの実施形態では、半導体基板１０内の光電変換素子１１は、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域またはディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）領域などの分離構造（図示せず）によって互いに分離されることができる。分離構造は、エッチングプロセスを用いて半導体基板１０に形成されて、トレンチを形成し、トレンチを絶縁材料または誘電体材料で充填することができる。
いくつかの実施形態では、光電変換素子１１は、半導体基板１０の裏面１０Ｂに形成され、配線層１５は、半導体基板１０の表面１０Ｆに形成されるが、本開示はそれに限定されない。配線層１５は、複数の誘電体層に埋め込まれた複数の導電線およびビアを含む相互接続構造であることができ、固体撮像素子１００に必要な様々な電気回路をさらに含むことができる。入射光は、裏面１０Ｂ側に照射され、光電変換素子１１で受光されることができる。
この実施形態では、入射光は、裏面１０Ｂ側に照射され、光電変換素子１１で受光される。図１に示された固体撮像素子１００は、裏面照射型（ＢＳＩ）撮像素子と呼ばれるが、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、固体撮像素子は、前面照射型（ＦＳＩ）撮像素子であってもよい。図１に示された半導体基板１０および配線層１５は、ＦＳＩイメージセンサ用に反転されてもよい。ＦＳＩ型撮像素子では、入射光は、表面１０Ｆ側に照射され、配線層１５を通過し、次いで半導体基板１０の裏面１０Ｂに形成された光電変換素子１１で受光される。ＦＳＩ型撮像素子を通過して光電変換素子１１に到達する入射光の経路は、ＢＳＩ型撮像素子を通過して光電変換素子１１に到達する経路よりも遠い。
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、高誘電率（高κ（High-κ））膜１７は、半導体基板１０の裏面１０Ｂ上に形成され、光電変換素子１１を覆うことができる。高κ膜１７の材料は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ハフニウムタンタル（ＨｆＴａＯ）、酸化ハフニウムチタン（ＨｆＴｉＯ）、酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆＺｒＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、その他の適切な高κ誘電体材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示はそれに限定されない。高κ膜１７は、堆積プロセスによって形成されてもよい。堆積プロセスは、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、または別の堆積技術である。高κ膜１０７は、高屈折率および光吸収能力を有することができる。
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、バッファ層１９は、高κ膜１７上に形成されてもよい。バッファ層１９の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、その他の適切な絶縁材料、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、それに限定されない。バッファ層１９は、堆積プロセスによって形成されてもよい。堆積プロセスは、例えば、スピンオンコーティング、化学気相堆積、流動性化学気相堆積（ＦＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相堆積、物理気相堆積（ＰＶＤ）、またはその他の堆積技術である。
図１に示すように、固体撮像素子１００は、光電変換素子１１の上に配置された変調層２０を含む。図１に示された実施形態では、変調層２０は、バッファ層１９上に配置される。図１に示されるように、変調層２０は、複数の変調セグメント２０Ｓを有する（または分割されてもよい）。図１に示された実施形態では、各変調セグメント２０Ｓは、１つの光電変換素子１１に対応するが、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、各変調セグメント２０Ｓは、少なくとも２つの光電変換素子１１に対応することができる。
さらに、変調層２０は、複数の第１の副層２１および複数の第２の副層２２を含む。本開示の実施形態では、第１の副層２１の材料および第２の副層２２の材料は、透明材料を含んでもよく、第１の副層２１および第２の副層２２は、異なる屈折率を有する。例えば、第１の副層２１の屈折率は１．５～２．０であることができ、第２の副層２２の屈折率は１．０～２．０であることができるが、本開示はそれらに限定されない。変調層２０は、堆積プロセスによって形成することができる。 堆積プロセスの例は上述したとおりであり、ここでは繰り返さない。
図１に示すように、固体撮像素子１００は、変調層２０上に配置された複数の集光構造３０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３０は、入射光を集光するように用いられることができる。いくつかの実施形態では、集光構造３０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、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、集光構造３０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３０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、集光構造３０は、半凸レンズ構造または凸レンズ構造などのマイクロレンズ構造であることができるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、集光構造３０は、マイクロピラミッド構造（例えば、円柱、四角錐など）であってもよく、またはマイクロ台形構造（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３０は、屈折率勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｉｎｄｅｘ）構造であってもよい。
図１に示された実施形態では、各集光構造３０は、１つの変調セグメント２０Ｓに対応するが、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、各集光構造３０は、少なくとも２つの変調セグメント２０Ｓに対応することができる。
図２は、本開示の一実施形態による変調層２０を示す部分上面図である。例えば、図１に示された変調層２０は、図２のＡ－Ａ’線に沿った部分断面図であることができるが、本開示はそれらに限定されない。図１および図２に示すように、変調セグメント２０Ｓは、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１のグループ２０－１および第１のグループ２０－１に隣接した第２のグループ２０－２を形成し、第１のグループ２０－１内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置は、第２のグループ２０－２内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なる。
図２に示されるように、いくつかの実施形態では（第１のグループ２０－１では）、各第１の副層２１は、１つの変調セグメント２０Ｓを占有することができ、各第２の副層２２は、もう１つの変調セグメント２０Ｓを占有することができる。より詳細には、第１のグループ２０－１は４つの変調セグメント２０Ｓを含み、４つの変調セグメント２０Ｓのうちの２つは２つの第１の副層２１によって占有され、４つの変調セグメント２０Ｓのうちのもう２つは２つの第２の副層２２によって占有されるが、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、各変調セグメント２０Ｓは、第１の副層２１および第２の副層２２の両方を含むことができる。
図２に示すように、いくつかの実施形態では（例えば、第１のグループ２０－１では）、第１の副層２１は斜めに配置されることができ、第２の副層２２は斜め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１の副層２１が互いに隣接して配置されてもよく、第２の副層２２が互いに隣接して配置されてもよい。
図２に示されるように、いくつかの実施形態では（例えば、第２のグループ２０－２では）、各変調セグメント２０Ｓは、第１の副層２１の１つおよび第２の副層２２の１つを含むことができる。より詳細には、第２のグループ２０－２では、各第１の副層２１は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１の幅２１Ｘを有し、第１の方向と異なる第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第２の幅２１Ｙを有し、各第２の副層２２は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第３の幅２２Ｘを有し、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第４の幅２２Ｙを有し、且つ各変調セグメント２０Ｓは、第１の方向（即ち、Ｘ方向）および第２の方向（即ち、Ｙ方向）の両方において変調幅２０Ｗを有する。
図２に示されるように、いくつかの実施形態では（例えば、第２のグループ２０－２では）、変調幅２０Ｗに対する第１の幅２１Ｘの比率は、約０．２５より大きく、約１より小さくてもよく、変調幅２０Ｗに対する第３の幅２２Ｘの比率は、約０．２５より大きく約１より小さくてもよく、第２の幅２１Ｙ、第４の幅２２Ｙ、および変調幅２０Ｗは同じであってもよいが、本開示はこれらに限定されない。
いくつかの実施形態では、変調層２０は、固体撮像素子１００のカラーフィルタ層と見なすことができるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２は、第１の副層２１および第２の副層２２の異なる配置を有し、それにより、第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２がモザイクパターンを形成することができる。モザイクパターンは、表面回折の発生を防ぐことができる位相変調を起こすことができ、それにより、固体撮像素子１００の光電変換素子１１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、変調層２０は、複数のモザイクパターン（即ち、複数の第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２）を有することができる。
いくつかの実施形態では、図２に示されるように、第２のグループ２０－２は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１のグループ２０－１に隣接し、変調セグメント２０Ｓは、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置された第３のグループ２０－３および第２のグループ２０－２に隣接して配置された第４のグループ２０－４をさらに形成することができる。
いくつかの実施形態では、第３のグループ２０－３内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置は、第１のグループ２０－１内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なり、且つ第２のグループ２０－２内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なるが本開示はそれらに限定されない。例えば、第３のグループ２０－３内の第１の副層２１’の第１の幅２１Ｘ’は、第２のグループ２０－２内の第１の副層２１の第１の幅２１Ｘよりも大きくてもよいが、本開示は、それに限定されない。
いくつかの実施形態では、第４のグループ２０－４内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置は、第１のグループ２０－１内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なり、且つ第２のグループ２０－２内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なり、且つ第３のグループ２０－３内の第１の副層２１および第２の副層２２の配置と異なるが本開示はそれらに限定されない。例えば、第４のグループ２０－４内の第１の副層２１”の第１の幅２１Ｘ”は、第３のグループ２０－３内の第１の副層２１’の第１の幅２１Ｘ’よりも大きくてもよいが、本開示は、それに限定されない。
同様に、いくつかの実施形態では、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４は、第１の副層２１および第２の副層２２の異なる配置を有し、それにより、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４がモザイクパターンを形成することができる。モザイクパターンは、表面回折の発生を防ぐことができる位相変調を起こすことができ、それにより、固体撮像素子１００の光電変換素子１１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、変調層２０は、複数のモザイクパターン（即ち、複数の第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４）を有することができる。
図３は、本開示のもう1つの実施形態による変調層２０を示す部分上面図である。同様に、変調セグメント２０Ｓは、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４を形成することができる。図３に示されるように、第２のグループ２０－２は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、第３のグループ２０－３は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、且つ第４のグループ２０－４は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第２のグループ２０－２に隣接して配置される。
図３に示されるように、いくつかの変調セグメント２０Ｓ（例えば、変調セグメント２０Ｓ１）では、変調幅２０Ｗに対する第１の幅２１Ｘの比率は、約０．２５より大きく、約１より小さくてもよく、変調幅２０Ｗに対する第３の幅２２Ｘの比率は、約０．２５より大きく約１より小さくてもよく、第２の幅２１Ｙ、第４の幅２２Ｙ、および変調幅２０Ｗは同じであってもよい。他の変調セグメント２０Ｓ（例えば、変調セグメント２０Ｓ２）では、第１の幅２１Ｘ、第３の幅２２Ｘ、および変調幅２０Ｗは同じであってもよく、変調幅２０Ｗに対する第２の幅２１Ｙの比率は、約０．２５より大きく、約１より小さくてもよく、変調幅２０Ｗに対する第４の幅２２Ｙの比率は、約０．２５より大きく約１より小さくてもよい。
図４は、本開示のもう１つの実施形態による変調層２０を示す部分上面図である。同様に、変調セグメント２０Ｓは、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４を形成することができる。図４に示されるように、第２のグループ２０－２は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、第３のグループ２０－３は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、且つ第４のグループ２０－４は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第２のグループ２０－２に隣接して配置される。
図４に示されるように、いくつかの変調セグメント２０Ｓ（例えば、変調セグメント２０Ｓ３）では、第１の副層２１および／または第２の副層２２は、三角形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。いくつかの他の実施形態では、第１の副層２１および／または第２の副層２２は、他のタイプの多角形（例えば、五角形）、円形、または不規則な形状に形成されてもよい。
前述の実施形態では、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４は、２×２の変調セグメントをそれぞれ含むが、本開示はそれに限定されない。
図５は、本開示のもう１つの実施形態による変調層２０を示す部分上面図である。この実施形態では、変調セグメント２０Ｓは、第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２を形成することができる。図５に示されるように、第２のグループ２０－２は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置される。
図５に示された実施形態では、第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２は、４×２の変調セグメントをそれぞれ含むが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、第１のグループ２０－１および第２のグループ２０－２（および／または第３のグループ２０－３、第４のグループ２０－４）のそれぞれは、変調セグメントのｎ×ｍを含むことができ、ｍおよびｎは２以上の正の整数である。
図６は、本開示のもう１つの実施形態による変調層２０を示す部分上面図である。同様に、変調セグメント２０Ｓは、第１のグループ２０－１、第２のグループ２０－２、第３のグループ２０－３、および第４のグループ２０－４を形成することができる。図６に示されるように、第２のグループ２０－２は、第１の方向（即ち、Ｘ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、第３のグループ２０－３は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第１のグループ２０－１に隣接して配置され、且つ第４のグループ２０－４は、第２の方向（即ち、Ｙ方向）において第２のグループ２０－２に隣接して配置される。
図６に示されるように、いくつかの変調セグメント２０Ｓ（例えば、変調セグメント２０Ｓ４）では、変調幅２０Ｗに対する第１の幅２１Ｘの比率と、変調幅２０Ｗに対する第２の幅２１Ｙの比率の両方は、約０．２５より大きく約１より小さくてもよい。本実施形態では、変調セグメント２０Ｓ４の第１の副層２１は、長方形（例えば、第１の幅２１Ｘは、第２の幅２１Ｙに等しい）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、第１の副層２１の中心と変調セグメント２０Ｓ４の中心との間の距離ｄは、変調幅２０Ｗと第１の幅２１Ｘとの間、または第２の幅２１Ｙとの間の差の０～０．５倍の間（即ち、０＜ｄ＜（２０Ｗ‐２１Ｘ）／２または０＜ｄ＜（２０Ｗ‐２１Ｙ）／２）にあることができる。即ち、変調セグメント２０Ｓ４の第１の副層２１の中心は、対応する光電変換素子１１の中心に対して余分なシフト（ｅｘｔｒａ－ｓｈｉｆｔ）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７は、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０２を示す部分断面図である。同様に、図７では、固体撮像素子１０２のいくつかの構成要素は、簡潔にするために、省略されてもよい。
図７に示された固体撮像素子１０２は、図１に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図７に示されるように、図１に示す固体撮像素子１００との違いは、固体撮像素子１０２のいくつかの変調セグメント２０Ｓ（例えば、変調セグメント２０Ｓ５）において、第１の副層２１の高さ２１Ｈが変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈより小さくてもよく、第２の副層２２の高さ２２が変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈに等しくすることとしてもよいが、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の副層２２の高さ２２Ｈは、変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈより小さくてもよく、第１の副層２１の高さ２１Ｈは、変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈに等しくすることとしてもよい。
いくつかの実施形態では、変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈに対する第1の副層２１の高さ２１Ｈの比率（または変調セグメント２０Ｓの高さ２０Ｈに対する第２の副層２２の高さ２２Ｈの比率）は、約０．５～約1の間であってもよいが、本開示はそれに限定されない。
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１０４を示す部分断面図である。同様に、図８では、固体撮像素子１０４のいくつかの構成要素は、簡潔にするために、省略されてもよい。
図８に示された固体撮像素子１０４は、図１に示された固体撮像素子１００と同様の構造を有する。図８に示されるように、図１に示す固体撮像素子１００との違いは、固体撮像素子１０４が光電変換素子１１と変調層２０との間に配置されたカラーフィルタ層４０をさらに含んでもよいことである。
図８に示されるように、カラーフィルタ層４０は、複数のカラーフィルタセグメント４０Ｓを有してもよい。 カラーフィルタセグメント４０Ｓは、同じ色または異なる色に対応することができる。例えば、図８に示された実施形態では、カラーフィルタセグメント４０Ｓのうちの１つは赤色カラーフィルタセグメント（即ち、カラーフィルタセグメント４０ＳＲ）であってもよく、カラーフィルタセグメント４０Ｓのうちの別の１つは緑色カラーフィルタセグメント（即ち、カラーフィルタセグメント４０ＳＧ）であってもよいが、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、カラーフィルタセグメント４０Ｓは、青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などを含むことができる。
要約すると、本開示の実施形態によれば、固体撮像素子は、変調層を含み、変調層は、変調層の上面図より少なくとも２つのグループ（例えば、第１のグループおよび第２のグループ）を形成することができる複数の変調セグメントを有する。これらのグループは、異なる屈折率を有する２つの副層の異なる配置を有することができ、それによりモザイクパターンを形成する。モザイクパターンは、表面回折の発生を防ぐことができる位相変調を起こすことができ、それにより、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するべきである。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 固体撮像素子
１０ 半導体基板
１０Ｂ 半導体基板の裏面
１０Ｆ 半導体基板の表面
１１ 光電変換素子
１５ 配線層
１７ 高誘電率（高κ）膜
１９ バッファ層
２０ 変調層
２０－１ 第１のグループ
２０－２ 第２のグループ
２０－３ 第３のグループ
２０－４ 第４のグループ
２０Ｓ 変調セグメント
２０Ｓ１、２０Ｓ２、２０Ｓ３、２０Ｓ４、２０Ｓ５ 変調セグメント
２０Ｗ 変調幅
２０Ｈ 高さ
２１、２１’、２１” 第１の副層
２１Ｈ 高さ
２１Ｘ、２１Ｘ’、２１Ｘ” 第１の幅
２１Ｙ 第２の幅
２２ 第２の副層
２２Ｈ 高さ
２２Ｘ 第３の幅
２２Ｙ 第４の幅
３０ 集光構造
４０ カラーフィルタ層
４０Ｓ、４０ＳＲ、４０ＳＧ カラーフィルタセグメント
Ａ－Ａ’ 線
ｄ 第１の副層の中心と変調セグメントの中心との間の距離
Ｘ、Ｙ、Ｚ 座標軸

Claims (11)

  1. 複数の光電変換素子、および
    前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の変調セグメントを有する変調層を含み、
    前記変調層は、異なる屈折率を有する複数の第１の副層および複数の第２の副層を含み、前記変調層の上面図より、前記複数の変調セグメントは、第１のグループ、および前記第１のグループに隣接した第２のグループを形成し、前記第１のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第２のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なり、前記複数の第１の副層の各々は、前記複数の変調セグメントの１つを占有し、前記複数の第２の副層の各々は、前記複数の別の変調セグメントを占有し、前記複数の第１の副層は斜めに配置され、前記複数の第２の副層は斜めに配置される固体撮像素子。
  2. 複数の光電変換素子、および
    前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の変調セグメントを有する変調層を含み、
    前記変調層は、異なる屈折率を有する複数の第１の副層および複数の第２の副層を含み、前記変調層の上面図より、前記複数の変調セグメントは、第１のグループ、および前記第１のグループに隣接した第２のグループを形成し、前記第１のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第２のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なり、前記複数の変調セグメントのそれぞれは、前記複数の第１の副層のうちの１つ、および前記複数の第２の副層のうちの１つを含み、前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層のうちの１つの形状は、三角形である固体撮像素子。
  3. 複数の光電変換素子、および
    前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の変調セグメントを有する変調層を含み、
    前記変調層は、異なる屈折率を有する複数の第１の副層および複数の第２の副層を含み、前記変調層の上面図より、前記複数の変調セグメントは、第１のグループ、および前記第１のグループに隣接した第２のグループを形成し、前記第１のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第２のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なり、前記複数の変調セグメントの各々は、前記複数の第１の副層のうちの１つと前記複数の第２の副層のうちの１つを含み、前記複数の第１の副層の各々は、第１の方向において第１の幅および前記第１の方向と異なる第２の方向において第２の幅を有し、前記複数の第２の副層の各々は、前記第１の方向において第３の幅および第２の方向において第４の幅を有し、且つ前記複数の変調セグメントの各々は、前記第１の方向および前記第２の方向の両方において変調幅を有し、
    前記変調層の上面図より、前記第１の方向の変調幅に対する、前記複数の変調セグメントのうちの１つに含まれる前記第１の副層の前記第１の幅の比率は、０．２５より大きく、１より小さく、前記第２の方向の前記変調幅に対する、前記複数の変調セグメントのうちの他の１つに含まれる前記第１の副層の前記第２の幅の比率は、０．２５より大きく、１より小さい固体撮像素子。
  4. 複数の光電変換素子、および
    前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の変調セグメントを有する変調層を含み、
    前記変調層は、異なる屈折率を有する複数の第１の副層および複数の第２の副層を含み、前記変調層の上面図より、前記複数の変調セグメントは、第１のグループ、および前記第１のグループに隣接した第２のグループを形成し、前記第１のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第２のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なり、前記複数の第１の副層の各々は、第１の方向において第１の幅および前記第１の方向と異なる第２の方向において第２の幅を有し、前記複数の第２の副層の各々は、前記第１の方向において第３の幅および第２の方向において第４の幅を有し、且つ前記複数の変調セグメントの各々は、前記第１の方向および前記第２の方向の両方において変調幅を有し、
    前記変調層の上面図より、前記複数の変調セグメントのうちの１つに含まれる前記第１の副層の前記第１の幅の前記第１方向の前記変調幅に対する比率と、前記第２の幅の前記第２方向の前記変調幅に対する比率は、０．２５より大きく、１より小さい固体撮像素子。
  5. 前記変調層の上面図より、前記複数の第１の副層のうちの１つの中心と前記変調セグメントのうちの対応する１つの中心との間の距離は、前記変調幅と前記第１の幅との間の差の０～０．５倍の間、または前記変調幅と前記第２の幅との間の差の０～０．５倍の間にある請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 前記変調層の上面図より、前記第２のグループは、第１の方向において前記第１のグループに隣接し、前記複数の変調セグメントは、第２の方向において第１のグループに隣接した第３のグループ、および第２のグループに隣接した第４のグループもさらに形成し、前記第２の方向は前記第１の方向と異なり、前記第３のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第１のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なる請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  7. 前記変調層の上面図より、前記第２のグループは、第１の方向において前記第１のグループに隣接し、前記複数の変調セグメントは、第２の方向において第１のグループに隣接した第３のグループ、および第２のグループに隣接した第４のグループもさらに形成し、前記第２の方向は前記第１の方向と異なり、前記第４のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置は、前記第２のグループの前記複数の第１の副層および前記複数の第２の副層の配置と異なる請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１のグループおよび前記第２のグループのそれぞれは、前記複数の変調セグメントのｎ×ｍを含み、ｍおよびｎは２以上の正の整数である請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  9. 前記変調層の断面図において、前記複数の変調セグメントのそれぞれの高さに対する前記複数の第１の副層のうちの１つの高さの比率、または前記複数の変調セグメントのそれぞれの高さに対する前記複数の第２の副層のうちの１つの高さの比率は、０．５～１の間である請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  10. 前記複数の光電変換素子と前記変調層との間に配置されたカラーフィルタ層をさらに含む請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  11. 前記変調層上に配置された複数の集光構造をさらに含む請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
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