JP7185732B2 - イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、特に、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）を提供するイメージセンサ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部は、周囲の色の変化を検出することができ、信号電荷は、光感知部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、光感知部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。

イメージセンサは、画像を迅速に取り込むことができなければならず、精度、空間分解能、およびダイナミックレンジは、可能な限り高いことが求められる。しかしながら、従来のイメージセンサは、ダイナミックレンジが限られているため、シーンの詳細が欠落したり、ぼやけたり、ひどい歪みが生じたりするという問題に直面している。そのため、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）イメージングを実現できるイメージセンサが求められている。

ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）を提供するイメージセンサを提供する。

本開示のいくつかの実施形態によるイメージセンサが提供される。イメージセンサは、基板、第１のフォトダイオード、第２のフォトダイオード、中間層、導光構造、およびマイクロレンズ層を含む。第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードは、基板に交互に配置される。上面から見て、第１のフォトダイオードのそれぞれの面積は、第２のフォトダイオードのそれぞれの面積より小さい。中間層は基板上に配置される。導光構造は、中間層に配置され、第１のフォトダイオードまたは第２のフォトダイオードの少なくとも１つの上に配置される。導光構造の屈折率は、中間層の屈折率より大きい。マイクロレンズ層は中間層上に配置される。

本開示のいくつかの他の実施形態による、もう１つのイメージセンサも提供される。イメージセンサは、基板、第１のフォトダイオード、第２のフォトダイオード、中間層、導光構造、カラーフィルタ、およびマイクロレンズ層を含む。第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードは、基板に交互に配置される。上面から見て、第１のフォトダイオードのそれぞれの面積は、第２のフォトダイオードのそれぞれの面積より小さい。中間層は基板上に配置される。導光構造は、中間層に配置され、第１のフォトダイオードまたは第２のフォトダイオードの少なくとも１つの上に配置される。カラーフィルタアレイは、中間層上に配置された複数のカラーフィルタを有する。マイクロレンズ層は中間層上に配置される。マイクロレンズ層は、カラーフィルタアレイ上に配置され、複数のマイクロレンズを含む。 カラーフィルタのそれぞれは、２つの隣接するマイクロレンズと重なる。

本発明によれば、大面積のフォトダイオードと小面積のフォトダイオードのより大きな感度比が達成され、それにより、ＨＤＲイメージングを実現することができる。

以下、添付の図面と併せて本開示の実施形態を詳細に説明する。

図１Ａは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図１Ｂは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図１Ｃは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図１Ｄは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図１Ｅは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図１Ｆは、本開示の様々な実施形態によるイメージセンサの断面図である。 図２Ａ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上面図である。 図２Ｂ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拡大上面図である。

本開示のイメージセンサは、以下の説明で詳述される。以下の詳細な説明では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

また、異なる実施形態の図面では、本開示を明瞭に説明するために、類似の番号および／または対応の番号を用いて、類似の構成要素および／または対応の構成要素を示すことができる。しかしながら、異なる実施形態の図面では、類似の番号および／または対応の番号の使用は、異なる実施形態間の相関関係を示唆するものではない。例示的な実施形態の説明では、本発明の実施形態の一部として見なされる添付図面と合わせて検討すれば、より理解されるであろう。図面は、縮尺通りに描かれているものではない。また、構造および装置は、図を簡素化するために概略的に示されている。

また、「もう１つの層を覆う（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）層」、「層はもう１つの層の上方（ａｂｏｖｅ）に配置される」、「層はもう１つの層上（ｏｎ）に配置される」、および「層はもう１つの層の上方（ｏｖｅｒ）に配置される」などの表現は、層がもう１つの層と直接接触していることを示しているか、または層がもう１つの層と直接接触しておらず、層ともう１つの層との間に配置された１つ以上の中間層があることを指すことができる。

また、この明細書では、関連する表現が用いられる。例えば、「より低い」、「底部」、「より高い」、または「上部」は、もう１つに対する１つの構成要素の位置を説明するのに用いられる。仮に装置が上下反転された場合、「より低い」側の構成要素は、「より高い」側の構成要素となる、ということを解釈できる。

第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するのに用いられることができ、これらの素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一素子、構成要素、領域、層、および／または部分を識別するのに用いられることは理解される。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、および／または部分と呼ばれてもよい。

用語「約」および「大抵」は、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。本開示の記載されている値は、近似値である。特定の説明がないとき、記載されている値は、「約」または「大抵」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技術的および科学的用語は、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、いずれの場合も、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、本開示の関連技術および本開示の背景または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、または過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。

本開示のいくつかの実施形態によれば、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）は、イメージセンサの中間層に導光構造を配置することによって達成され得る。具体的には、高い光透過率を有する導光構造が大面積のフォトダイオードの上に配置されて、大面積のフォトダイオードの感度を高めることができ、高い光減衰率を有する導光構造が小面積のフォトダイオードの上に配置されて、小面積のフォトダイオードの感度を低下させることができる。従って、大面積のフォトダイオードと小面積のフォトダイオードのより大きな感度比が達成され、それにより、より良いＨＤＲイメージングを実現することができる。

図１Ａに示すように、図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるイメージセンサ１０の断面図である。イメージセンサ１０は、基板１００、第１のフォトダイオード１０２Ａ、第２のフォトダイオード１０２Ｂ、中間層１０４、導光構造１０６Ａ、およびマイクロレンズ層１０８を含む。いくつかの実施形態では、基板１０２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１０２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。

第１のフォトダイオード１０２Ａおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂは、基板１０の表面に沿うように、基板１００に交互に配置される。第１のフォトダイオード１０２Ａの断面積は、第２のフォトダイオード１０２Ｂの断面積より小さい。断面は、ｘｚ面であり、基板１０の表面に対して垂直な面である。さらに、イメージセンサ１０の上面図（図示せず）からでは、第１のフォトダイオード１０２Ａのそれぞれの面積も、第２のフォトダイオード１０２Ｂのそれぞれの面積より小さい。

中間層１０４は、基板１００上に配置される。いくつかの実施形態では、中間層１０４は、有機透明材料、誘電体材料、シリコンなどの半導体材料、任意の他の適切な透明材料、またはそれらの組み合わせを含み得る。より具体的には、中間層１０４の材料は、２００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲の波長を有する光に対して９０％以上、または好ましくは９５％以上を有する光透過率を有し得る。いくつかの実施形態では、誘電体材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、その他の適切な誘電体材料、またはそれらの組み合わせを含む。中間層１０４は、スピンオンコーティングプロセス、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、他の適切な堆積方法、またはそれらの組み合わせなどの適切な堆積技術を用いて形成されることができる。

いくつかの実施形態では、中間層１０４の吸光係数は、約０．００１～約０．０１の間、例えば、約０．００５であり得る。いくつかの実施形態では、中間層１０４の屈折率は、約１．２～約１．８の間、例えば、約１．６であり得る。

導光構造は、中間層１０４内で、第１のフォトダイオード１０２Ａまたは第２のフォトダイオード１０２Ｂの少なくとも１つの上に配置される。特に、いくつかの実施形態では、導光構造は、第１のフォトダイオード１０２Ａの少なくとも１つ上にのみ配置されてもよく、または第２のフォトダイオード１０２Ｂの少なくとも１つ上にのみ配置されてもよい。他の実施形態では、導光構造は、第１のフォトダイオード１０２Ａの少なくとも１つおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂの少なくとも１つの上に配置されてもよい。即ち、導光構造は、１つ以上の第１のフォトダイオード１０２Ａおよび１つ以上の第２のフォトダイオード１０２Ｂに同時に配置されることができる。

本開示のいくつかの実施形態によれば、図１Ａに示されるように、導光構造１０６Ａは、中間層１０４内および第１のフォトダイオード１０２Ａの一部の上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。導光構造の配置に関する他の態様は、以下の記載および図面で説明および図示されることに留意されたい。

いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａは、アクリレートポリマーなどの有機材料を含み得る。例えば、アクリレートポリマーは、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、Ｎ－ブチルメタクリレート、ｓｅｃ－ブチルメタクリレート、ｔｅｒｔ－ブチルメタクリレート、メチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、２－メチルシクロヘキシルメタクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、ジシクロペンタニルアクリレート、ジシクロペンテニルメタクリレート、ジシクロペンタニルメタクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチルメタクリレート、イソボルニルメタクリレート、シクロヘキシルアクリレート、２－メチルシクロヘキシルアクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチルアクリレート、イソボルニルアクリレート、フェニルメタクリレート、フェニルアクリレート、ベンジルアクリレート、２－ヒドロキシエチルメタクリレート、またはそれらの組み合わせで形成され得る。さらに、導光構造１０６Ａは、追加の有機材料をさらに含んで、導光構造１０６Ａの消衰係数および屈折率を所望の範囲内に調整することができる。いくつかの実施形態では、追加の有機材料は、プロピレングリコールアルキルエーテルアセテート、メトキシ含有有機エステル、またはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、プロピレングリコールアルキルエーテルアセテートは、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテートおよびプロピレングリコールブチルエーテルアセテート、またはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、メトキシ含有有機エステルは、メチルメトキシアセテート、エチルメトキシアセテート、プロピルメトキシアセテート、ブチルメトキシアセテート、２－メトキシプロピオン酸メチル、２－メトキシプロピオン酸エチル、２－メトキシプロピオン酸プロピル、２－メトキシプロピオン酸ブチル、３－メトキシプロピオン酸メチル、３－メトキシプロピオン酸エチル、３－メトキシプロピオン酸プロピル、３－メトキシプロピオン酸ブチル、またはそれらの組み合わせ。を含み得る。

いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａは、中間層１０４に導光構造１０６Ａの開口部（図示せず）を形成し、次いで任意の適切なプロセス、例えばフォトリソグラフィプロセスを用いて導光構造１０６Ａの材料を堆積することによって形成され得る。例えば、フォトリソグラフィプロセスは、コーティング、露光、現像、その他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを含み得る。次いで、導光構造１０６Ａの過剰な材料は、任意の適切な平坦化プロセス、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて除去され、中間層１０４および導光構造１０６Ａの上面が同一平面になるようにすることができる。

導光構造１０６Ａの屈折率または消衰係数は、設計要求に応じてそれぞれの有機材料の量を変更することによって調整されることができることから、導光構造１０６Ａに有機材料を使用することは有益である。さらに、物理蒸着による有機材料以外の材料を形成する従来のプロセスと比較して、有機材料を用いて導光構造１０６Ａを形成するプロセスの複雑さも軽減することができる。

また、いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａは、断面図において長方形または台形の形状を有し得る。さらに、いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａの側壁と上面との間の角度θ_１は、約６５°～約９０°の間、例えば、約７５°または約８０°であり得る。固定された上面面積を有する導光構造１０６Ａとした場合、導光構造１０６Ａの体積は、導光構造１０６Ａの角度θ_１を変えることにより、調整されることができ、それにより、設計要求に応じて導光構造１０６Ａの光の減衰効率を調整し、所望の効果を達成する。

いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａの消衰係数は、約０．１～約０．３の間、例えば、約０．２であり得る。導光構造１０６Ａの屈折率は、中間層１０４より大きい。いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ａの屈折率は、約１．４～約２．０の間、例えば、約１．７であり得る。より高い屈折率を有する導光構造１０６Ａは、入射光が、導光構造１０６Ａの近くの中間層１０４にではなく、導光構造１０６Ａに入射するのを可能にすることができる。また、上述の範囲内の消衰係数を有する導光構造１０６Ａは、導光構造１０６Ａの下に配置された第１のフォトダイオード１０２Ａの感度を低下させ、これにより、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比が増加し、ハイダイナミックレンジを達成する。

マイクロレンズ層１０８は、中間層１０４上に配置される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ層１０８は、複数のマイクロレンズ１０８Ｍを含むことができ、マイクロレンズ１０８Ｍのそれぞれは、 第１のフォトダイオード１０２Ａの１つおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂの１つの上に配置されることができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ層１０８の材料は、透明な材料であり得る。より具体的には、マイクロレンズ層１０８の材料は、２００ｎｍから１１００ｎｍの範囲の波長を有する光に対する光透過率が９０％以上、または好ましくは９５％以上を有し得る。例えば、材料は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、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。マイクロレンズ層１０８は、マイクロレンズ層１０８の材料を堆積させ、次いでマイクロレンズ層１０８の材料をパターン化することで形成することができる。マイクロレンズ層１０８のマイクロレンズ１０８Ｍは、所望の形状、例えば図１Ａに示されるようなドーム形状を有するように形成され得る。

図１Ａ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、中間層１０４とマイクロレンズ層１０８との間に配置されたカラーフィルタアレイ１１０をさらに含み得る。カラーフィルタアレイ１１０は、複数のカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃを有することができる。図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのそれぞれは、マイクロレンズ層１０８内の２つの隣接するマイクロレンズ１０８Ｍとオーバーラップし得る。例えば、カラーフィルタ１１０Ａは、２つの隣接するマイクロレンズ１０８の下に配置される。さらに、いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのそれぞれは、マイクロレンズ１０８Ｍの１つの下にある第１のフォトダイオード１０２Ａの１つ、および先のマイクロレンズ１０８Ｍに隣接したもう１つのマイクロレンズ１０８Ｍの１つの下にある第２のフォトダイオード１０２Ｂの１つに対応し得る。 即ち、これらの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃの配置は、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのそれぞれが同じマイクロレンズ１０８Ｍの下にある第１のフォトダイオード１０２Ａの１つと第２のフォトダイオード１０２Ｂの１つに対応しないように、マイクロレンズ１０８Ｍの配置からオフセットされている。言い換えると、１つのマイクロレンズ１０８Ｍの下に配置された、１つの第１のフォトダイオード１０２Ａの１つと第２のフォトダイオード１０２Ｂのうち、第１のフォトダイオード１０２Ａは、隣接するカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのうち一方のカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃと対応し、第２のフォトダイオード１０２Ｂは、隣接するカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのうち他方のカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃと対応している。図１Ａに示された実施形態では、導光構造１０６Ａの底面は、第１のフォトダイオード１０２Ａと接触し、導光構造１０６Ａの上面もカラーフィルタアレイ１１０と接触する。

いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃは、互いに異なる色を有し得る。例えば、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃの色は、赤、緑、青、または白であり得る。カラーフィルタアレイ１１０は、異なるステップでコーティング、露光、および現像プロセスによって順次に形成することができる。あるいは、カラーフィルタアレイ１１０は、インクジェット印刷で形成されてもよい。

図１Ａに示すように、イメージセンサ１０は、パッシベーション層１１２をさらに含み得る。パッシベーション層１１２は、マイクロレンズ層１０８上にコンフォーマルに堆積されて、それぞれのマイクロレンズ１０８Ｍの表面全体を覆うことができる。パッシベーション層１１２の材料は、マイクロレンズ層１０８の材料と類似または同一であってもよく、ここでは繰り返されない。しかしながら、いくつかの実施形態では、パッシベーション層１１２の屈折率は、マイクロレンズ層１０８の屈折率より小さくてもよく、それにより入射光が徐々にイメージセンサ１０に入射することができるようになる。また、パッシベーション層１１２は、マイクロレンズ層１０８を保護し得る。

図１Ａに示すように、イメージセンサ１０は、中間層１０４に配置された配線層１１４をさらに含み得る。配線層１１４は、第１のフォトダイオード１０２Ａ、第２のフォトダイオード１０２Ｂ、およびトランジスタ（図示せず）を装置の周辺回路および外部とそれぞれ相互接続する金属配線であり得る。いくつかの実施形態では、配線層１１４の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含み得る。

上述のように、本開示の実施形態によれば、イメージセンサ１０は、中間層１０４内に、且つ第１のフォトダイオード１０２Ａ（即ち、小面積のフォトダイオード）の少なくとも１つの上に配置された導光構造１０６Ａを含み得る。導光構造１０６Ａの屈折率は、中間層１０４の屈折率より大きく、導光構造１０６Ａは、高い光の減衰効率を有し得る。従って、第１のフォトダイオード１０２Ａの一部（即ち、小面積のフォトダイオード）の感度が低下されることができ、第２のフォトダイオード１０２Ｂ（即ち、大面積のフォトダイオード）と第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比が増加されることができる。ハイダイナミックレンジイメージングは、本開示の実施形態により提供されたイメージセンサ１０を用いて実現されることができる。

次いで、図１Ｂに示すように、図１Ｂは、本開示のもう１つの実施形態によるイメージセンサ２０の断面図である。図１Ｂのイメージセンサ２０は、導光構造１０６Ａが全ての第１のフォトダイオード１０２Ａの上に配置されることを除いて、図１Ａのイメージセンサ１０と同様である。このようにして、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比がさらに増加され、より良いハイダイナミックレンジを達成することができる。

図１Ｃに示すように、図１Ｃは、本開示のもう１つの実施形態によるイメージセンサ３０の断面図である。図１Ｃのイメージセンサ３０は、イメージセンサ３０が、導光構造１０６Ａの代わりに導光構造１０６Ｂを含むことを除いて、図１Ａのイメージセンサ１０と同様である。本開示のいくつかの実施形態によれば、図１Ｃに示されるように、導光構造１０６Ｂは、中間層１０４内および第２のフォトダイオード１０２Ｂの一部（即ち、大面積のフォトダイオード）の上に配置されることができる。また、いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂの消衰係数は、導光構造１０６Ａの消衰係数より小さくてもよく、従って、導光構造１０６Ｂは、より良い光の透過効率を有し得る。

いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂは、樹脂ポリマーなどの有機材料を含み得る。例えば、樹脂ポリマーは、エポキシ樹脂； ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂； ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエステル、ポリケトン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、フッ素樹脂、およびポリオレフィンなどの各種樹脂、またはこれらの組み合わせを含み得る。いくつかの特定の実施形態では、導光構造１０６Ｂは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、またはそれらの組み合わせで形成されることができる。導光構造１０６Ｂの形成方法は、導光構造１０６Ａの形成方法と類似または同一であってもよく、ここでは繰り返されない。

導光構造１０６Ｂの屈折率または消衰係数は、設計要求に応じて有機材料の組成物を変更することによって調整されることができることから、導光構造１０６Ｂに有機材料を使用することは有益である。さらに、上述のように、物理蒸着による有機材料以外の材料を形成する従来のプロセスと比較して、有機材料を用いて導光構造１０６Ｂを形成するプロセスの複雑さも軽減することができる。

また、いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂは、断面図において長方形または台形の形状を有し得る。さらに、いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂの側壁と上面との間の角度θ_２は、約６５°～約９０°の間、例えば、約７５°または約８０°であり得る。固定された上面面積を有する導光構造１０６Ｂとした場合、導光構造１０６Ｂの体積は、導光構造１０６Ｂの角度θ_２を変えることにより、調整されることができ、それにより、設計要求に応じて導光構造１０６Ｂの光の透過効率を調整し、所望の効果を達成する。

いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂの消衰係数は、約０．００１～約０．０１の間、例えば、約０．００５であり得る。導光構造１０６Ｂの屈折率は、中間層１０４より大きい。いくつかの実施形態では、導光構造１０６Ｂの屈折率は、約１．４～約２．０の間、例えば、約１．７であり得る。より高い屈折率を有する導光構造１０６Ｂは、入射光が、導光構造１０６Ｂの近くの中間層１０４にではなく、導光構造１０６Ｂに入射するのを可能にすることができる。また、上述の範囲内の消衰係数を有する導光構造１０６Ｂは、導光構造１０６Ｂの下に配置された第２のフォトダイオード１０２Ｂの感度を高め、これにより、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比が増加し、所望のハイダイナミックレンジを達成することができる。

次いで、図１Ｄに示すように、図１Ｄは、本開示のもう１つの実施形態によるイメージセンサ４０の断面図である。図１Ｄのイメージセンサ４０は、導光構造１０６Ｂが全ての第２のフォトダイオード１０２Ｂの上に配置されることを除いて、図１Ｃのイメージセンサ３０と同様である。このようにして、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比がさらに増加され、より良いハイダイナミックレンジを達成することができる。

図１Ｅに示すように、図１Ｅは、本開示のもう１つの実施形態によるイメージセンサ５０の断面図である。図１Ｅのイメージセンサ５０は、イメージセンサ５０が、導光構造１０６Ｂをさらに含むことを除いて、図１Ａのイメージセンサ１０と同様である。導光構造１０６Ｂは、中間層１０４内および第２のフォトダイオード１０２Ｂの一部の上に配置されることができる。図１Ｅに示された実施形態では、導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂは、同じカラーフィルタの下にある第１のフォトダイオード１０２Ａの一部および第２のフォトダイオード１０２Ｂの一部の上にそれぞれ配置され得ることに留意されたい。即ち、導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂは、全てのカラーフィルタの代わりに、カラーフィルタの一部の下に配置されることができる。例えば、図１Ｅに示されるように、導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂは、カラーフィルタ１１０Ａおよび／または１１０Ｃの下にある第１のフォトダイオード１０２Ａおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂの上に配置されてもよいが、導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂは、 カラーフィルタ１１０Ｂの下にある第１のフォトダイオード１０２Ａおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂの上に配置されなくてもよい。

導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂを第１のフォトダイオード１０２Ａの一部および第２のフォトダイオード１０２Ｂの一部に同時に配置することにより、第１のフォトダイオード１０２Ａの感度が低下されることができ、第２のフォトダイオード１０２Ｂの感度が高められることができる。従って、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比は、増加されることができ、より良いハイダイナミックレンジを達成することができる。

次いで、図１Ｆに示すように、図１Ｆは、本開示のもう１つの実施形態によるイメージセンサ６０の断面図である。図１Ｆのイメージセンサ６０は、導光構造１０６Ａと１０６Ｂが全ての第１のフォトダイオード１０２Ａおよび第２のフォトダイオード１０２Ｂの上に配置されることを除いて、図１Ｅのイメージセンサ５０と同様である。一方、導光構造１０６Ａおよび１０６Ｂは、全てのカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃの下に配置されることができる。このようにして、第２のフォトダイオード１０２Ｂと第１のフォトダイオード１０２Ａの感度比がさらに増加され、これにより、より良いハイダイナミックレンジを提供することができる。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、図２Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるイメージセンサ１０の上面図であり、図２Ｂ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拡大上面図である。図１Ａの断面図は、図２Ａの線Ａ－Ａ’に沿った断面図であることに留意されたい。また、 図２Ａおよび図２Ｂでは、パッシベーション層１１２は、簡潔にするために省略されている。

いくつかの実施形態では、図２Ａに示されるように、イメージセンサ１０は、最小繰り返し単位１１６で区分けされ形成され得る。最小繰り返し単位１１６は、２ｘ２に配置された４つのマイクロレンズ１０８Ｍによって定義されたセンサアレイであり得る。最小繰り返し単位１１６の拡大図は、図２Ｂに示されている。いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃは、長方形の形状、正方形の形状、またはそれらの組み合わせを有し得る。図２Ｂに示されるように、最小繰り返しユニット１１６では、カラーフィルタ１１０Ａは正方形の形状を有し、カラーフィルタ１１０Ｂは長方形の形状または正方形の形状を有し、カラーフィルタ１１０Ｃは長方形の形状を有しているが、本開示はそれらに限定されない。最小繰り返しユニット１１６が２ｘ２に配置された他のマイクロレンズ１０８Ｍによって定義されているもう１つの実施形態では、カラーフィルタ１１０Ａも長方形の形状を有することができ、カラーフィルタ１１０Ｃも正方形の形状を有することができる。

前述のように、図２Ｂでは、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃのそれぞれは、２つの隣接するマイクロレンズ１０８Ｍと重なり得る。つまり、複数のマイクロレンズのそれぞれが、隣接する２つカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃの一部を覆うように、カラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃ上に配置されている。また、任意の２つの隣接するカラーフィルタ１１０Ａ、１１０Ｂ、および１１０Ｃは、異なる色を有し得る。

要約すると、本開示のいくつかの実施形態によれば、イメージセンサは、第１のフォトダイオード（即ち、小面積のフォトダイオード）または第２のフォトダイオード（即ち、大面積のフォトダイオード）の少なくとも１つ上に配置された導光構造を含むことができる。より具体的には、高い光透過率を有する導光構造は、中間層および大面積のフォトダイオードの上に配置され、大面積のフォトダイオードの感度を高めることができ、高い光減衰率を有する導光構造は、中間層および小面積のフォトダイオードの上に配置され、小面積のフォトダイオードの感度を高めることができる。従って、大面積のフォトダイオードと小面積のフォトダイオードのより大きな感度比が達成されることができ、より高い感度比を有するイメージセンサがＨＤＲイメージングを実現することができる。

本開示及びそれらの利点の一部の実施形態が詳細に説明されてきたが、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、本明細書において種々の変更、置換、および代替をすることができることを理解すべきである。例えば、本明細書で述べられる特徴、機能、プロセス、および材料の多くが本開示の範囲を逸脱することなく変更できることが当業者にとっては容易に理解されるだろう。また、本出願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が本開示の開示から容易に理解するように、本明細書で述べられた対応する実施形態と、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが本開示に従って利用され得る。よって、添付の特許請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを含むように意図される。

１０、２０、３０、４０、５０、６０ イメージセンサ
１００ 基板
１０２Ａ 第１のフォトダイオード
１０２Ｂ 第２のフォトダイオード
１０４ 中間層
１０６Ａ、１０６Ｂ 導光構造
１０８ マイクロレンズ層
１０８Ｍ マイクロレンズ
１１０ カラーフィルタアレイ
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ カラーフィルタ
１１２ パッシベーション層
１１４ 配線層
１１６ 最小繰り返し単位
Ａ－Ａ’線
θ_１、θ_２ 角度

Claims (10)

1. 基板、
   前記基板に交互に配置され、上面から見て、第１のフォトダイオードのそれぞれの面積が、第２のフォトダイオードのそれぞれの面積より小さい第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオード、
   前記基板上に配置された中間層、
   前記中間層に配置され、前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードの上に配置され、導光構造の屈折率が、前記中間層の屈折率より大きい複数の導光構造、
   前記中間層上に配置されたマイクロレンズ層、および
   前記中間層と前記マイクロレンズ層との間に配置され、複数のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層を含み、
   前記複数の導光構造は、前記複数のカラーフィルタのうち同じフィルタの下に配置されるイメージセンサ。
2. 前記導光構造の側壁と前記導光構造の上面との間の角度は、６５°～９０°の間であり、前記導光構造は、断面において長方形または台形の形状に形成されている請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記導光構造の消衰係数は、０．１～０．３の間であり、且つ
   前記導光構造の屈折率は１．４～２．０の間である請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記導光構造の消衰係数は、０．００１～０．０１の間であり、且つ
   前記導光構造の屈折率は１．４～２．０の間である請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記導光構造の屈折率は１．４～２．０の間であり、
   前記第１のフォトダイオードの少なくとも一部の上に配置された前記導光構造は、０．１から０．３の間の消衰係数を有し、且つ
   前記第２のフォトダイオードの少なくとも一部の上に配置された前記導光構造は、０．００１～０．０１の間の消衰係数を有する請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記マイクロレンズ層は、複数のマイクロレンズを含み、
   前記マイクロレンズのそれぞれは、前記第１のフォトダイオードの１つおよび前記第２のフォトダイオードの１つの上に配置され、且つ
   前記カラーフィルタのそれぞれは、２つの隣接するマイクロレンズと重なる請求項１に記載のイメージセンサ。
7. 前記カラーフィルタのそれぞれは、前記マイクロレンズの１つの下にある前記第１のフォトダイオードの１つと、前記マイクロレンズの１つに隣接する前記マイクロレンズの１つの下にある前記第２のフォトダイオードの１つに対応し、
   隣接するカラーフィルタは異なる色を有し、且つ
   前記複数のカラーフィルタは、上面から見て長方形の形状及び／又は正方形の形状に形成されている請求項６に記載のイメージセンサ。
8. 前記マイクロレンズ層上に配置されたパッシベーション層をさらに含む請求項１に記載のイメージセンサ。
9. 基板、
   前記基板に交互に配置され、上面から見て、第１のフォトダイオードのそれぞれの面積が、第２のフォトダイオードのそれぞれの面積より小さい第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオード、
   前記基板上に配置された中間層、
   前記中間層に配置され、前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードの上に配置された複数の導光構造、
   前記中間層上に配置された複数のカラーフィルタを有するカラーフィルタアレイ、および
   前記カラーフィルタアレイ上に配置され、複数のマイクロレンズを含み、
   前記カラーフィルタのそれぞれが、２つの隣接するマイクロレンズと重なるマイクロレンズ層を含み、
   前記複数の導光構造は、前記複数のカラーフィルタのうち同じフィルタの下に配置されるイメージセンサ。
10. 前記導光構造の屈折率は、前記中間層の屈折率より大きく、
    前記マイクロレンズのそれぞれは、前記第１のフォトダイオードの１つおよび前記第２のフォトダイオードの１つの上に配置され、
    前記カラーフィルタのそれぞれは、前記マイクロレンズの１つの下にある前記第１のフォトダイオードの１つと、前記マイクロレンズの１つに隣接する前記マイクロレンズの１つの下にある前記第２のフォトダイオードの１つに対応し、且つ
    隣接するカラーフィルタは、異なる色を有する請求項９に記載のイメージセンサ。

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