JP7185753B1 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 固体撮像素子を提供する。【解決手段】 固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、光電変換素子を有する。固体撮像素子はさらに、光電変換素子上に設置されるモザイクパターン層を有する。モザイクパターン層は、赤外線通過セグメント、および、赤外線通過セグメントの周囲に設置されるカラーフィルターセグメントを有する。固体撮像素子はさらに、モザイクパターン層上に設置される第一集光構造を有する。赤外線通過セグメント、および、カラーフィルターセグメントは、第一集光構造を共有する。【選択図】 図１
Description
本発明は、イメージセンサーに関するものであって、特に、モザイクパターン層を有する固体撮像素子(solid state image sensor)に関するものである。
固体撮像素子(電荷結合素子 (ＣＣＤ)イメージセンサー、相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ)イメージセンサー等)は、たとえば、デジタル静止画カメラ、デジタルビデオカメラ等の各種イメージ捕捉装置に幅広く用いられている。固体撮像素子の感光部分は、各画素で形成され、且つ、感光部分で受光される光線量にしたがって、信号電荷が生成される。このほか、感光部分で生成される信号電荷が送信、および、増幅されて、イメージ信号が得られる。
近年、従来の固体撮像素子中で、赤色画素、緑色画素、および、青画素は、通常、重複したベイヤーパターン(Bayer patterns)として配列される。従来のいくつかの固体撮像素子において、一つ以上のカラー画素(たとえば、緑色画素)は、一個のユニットベイヤーパターン中の一個の赤外線画素により代替される。しかし、画素尺寸が縮小すると同時に、イメージセンサーの設計と製造における困難性が依然としてある。
たとえば、画素尺寸が約１μmより小さいとき、低赤外線吸収により、赤外線画素は、低赤外線感受性、および、低赤外線信号対雑音比 (Ｓ／Ｎ)を有する。一個の大きいマイクロレンズを用いることで、赤外線感受性を増加させることはできるが、高チャネル分離(channel separation)も引き起こす。チャネル分離はイメージ検出を困難にする。
本発明は、固体撮像素子を提供する。本発明のいくつかの実施形態において、固体撮像素子は、モザイクパターン層を有する。モザイクパターン層は、特定の配列を有する赤外線通過セグメント、および、カラーフィルターセグメントを有し、且つ、集光構造 (たとえば、マイクロレンズ)がモザイクパターン層上に設置されて被覆し、赤外線感受性を効果的に増加させるとともに、チャネル分離を改善し、これにより、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善する。
本発明による固体撮像素子は、光電変換素子を有する。固体撮像素子はさらに、光電変換素子上に設置されるモザイクパターン層を有する。モザイクパターン層は、赤外線通過セグメント、および、赤外線通過セグメントの周辺に設置されるカラーフィルターセグメントを有する。固体撮像素子はさらに、モザイクパターン層上に設置される第一集光構造を有する。赤外線通過セグメント、および、カラーフィルターセグメントは、第一集光構造を共有する。
いくつかの実施形態において、モザイクパターン層はさらに、赤外線通過セグメントの四隅に設置される透過セグメントを有する。
いくつかの実施形態において、透過セグメントは、１０ｎｍより大きい波長の光線に対し、且つ、１ｍｍより小さい波長の光線に対し、９０％より高い透過率を有する。
いくつかの実施形態において、赤外線通過セグメント、カラーフィルターセグメント、および、透過セグメントは、m×n 画素空間を有するm×n アレイを形成し、赤外線通過セグメントは、m×n アレイのうちp×q 画素空間を占有し、m と n は、３以上の正の整数であり、p と q は、m と nより小さい正の整数である。
いくつかの実施形態において、固体撮像素子の上面図中、モザイクパターン層は、少なくとも一つの対称軸を有する。
いくつかの実施形態において、対称軸は、赤外線通過セグメントの一対角線と部分的に重複する。
いくつかの実施形態において、各画素空間は、０．４～１μmの範囲の幅を有する。
いくつかの実施形態において、モザイクパターン層はさらに、カラーフィルターセグメント、および、透過セグメント上に設置される赤外線カットセグメントを有する。
いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメントは、光電変換素子とカラーフィルターセグメント間に、あるいは、光電変換素子と透過セグメント間に設置される。
いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメントは、カラーフィルターセグメントと第一集光構造間、あるいは、透過セグメントと第一集光構造間に設置される。
いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメントは、８００ｎｍより大きい波長の光線に対し、５％より低い透過率を有する。
いくつかの実施形態において、固体撮像素子はさらに、赤外線通過セグメントとカラーフィルターセグメント間に設置される格子型構造を有する。
いくつかの実施形態において、格子型構造はさらに、カラーフィルターセグメント間に設置される、あるいは、カラーフィルターセグメントと透過セグメント間に設置される。
いくつかの実施形態において、格子型構造はさらに、赤外線通過セグメント内部に設置される。
いくつかの実施形態において、固体撮像素子の断面図中、格子型構造は格子セグメントに分割されており、且つ、格子セグメントは、０．５～１．２μmの範囲の高さを有する。
いくつかの実施形態において、各格子セグメントの幅は、０．０５～０．３μｍの範囲である。
いくつかの実施形態において、格子型構造の屈折率は、１．１～１．５の範囲である。
いくつかの実施形態において、第一集光構造は赤外線通過セグメントに対応するように設置され、固体撮像素子はさらに、第一集光構造に隣接する第二集光構造を有する。第二集光構造は、カラーフィルターセグメント、あるいは、透過セグメントに対応するように設置される。
いくつかの実施形態において、第一集光構造の厚さは、各第二集光構造の厚さと異なる。
いくつかの実施形態において、赤外線通過セグメントは、８００ｎｍより大きい波長の光線に対し、８０％より高い透過率を有し、７５０ｎｍより小さい波長の光線に対し、５％より低い透過率を有する。
本発明の固体撮像素子は、赤外線感受性を効果的に増加させるとともに、チャネル分離を改善し、これにより、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善する。
以下の開示は、多くの異なる実施形態、あるいは、例を提供して、提供される主題の異なる特徴を実施する。特定の例のコンポーネンツ、および、配置が以下で記載されて、本発明を簡潔にする。これらは、もちろん、単なる例であり、限定することを意図しない。たとえば、記載中の、第一特徴が第二特徴上に形成されるというのは、第一特徴、および、第二特徴が直接接触して形成される実施形態を有し、また、追加特徴が、第一特徴と第二特徴間に形成され、第一特徴、および、第二特徴が直接接触していない実施形態も有している。
理解すべきことは、説明される工程の前、その期間、あるいは、その後に、追加工程が実行され、且つ、いくつかの工程は、説明される方法のその他の実施形態において、代替されたり、省略されたりすることである。
さらに、記述を容易にするために、空間的相対用語、たとえば、 “下” “下方” “下部” “上” “上方” “上部” 等が用いられて、図面中で説明される一素子、あるいは、特徴ともう一つの素子、あるいは、特徴間の関係を記述する。空間的相対用語は、図面中で示される方位に加えて、使用中、あるいは、操作中の装置の異なる方位を包含することを目的とする。装置は正しい方向に置かれ(９０度、あるいは、その他の方位で回転)、且つ、ここで用いられる空間的相対記述子は同様に解釈される。
本発明において、用語“約”、および、“実質上”は、通常、状態値の＋／－２０％、状態値の＋／－１０％ 、状態値の＋／－５％ 、状態値の＋／－３％、状態値の＋／－２％、状態値の＋／－１％ 、および、さらにいっそう、状態値の＋／－０．５％を意味する。本発明の状態値は近似値である。つまり、特定の記述がないとき、状態値は、“約”や“実質上”の意味を含む。
特に定義されない限り、ここで用いられる全用語(技術、および、科学用語を含む)は、当業者により理解されるものと同じ意義を有する。さらに、通常用いられる辞典で定義される用語は、特に定義されない限り、従来の技術の文脈中のそれらの意義と一致する意味を有するものとして解釈され、且つ、理想化、あるいは、過度に正式に解釈されるべきではない。
本発明は、以下の実施形態で、参照符号、および／または、文字を繰り返す。この反復は、簡潔、且つ、はっきりとさせる目的のためであり、討論される各種実施形態、および／または、配置間の関係を決定付けるものではない。
受光ユニットに入射する光線の方向によって、固体撮像素子は、大きく二類に分類される。一つは、表面照射型 (ＦＳＩ)イメージセンサーで、読み取り回路の配線層が形成される半導体基板の前側に入射する光線を受信する。もう一つは、裏面照射型 (ＢＳＩ)イメージセンサーであり、配線層が形成されない半導体基板の背面に入射する光線を受信する。カラーイメージを撮像するため、ＦＳＩとＢＳＩイメージセンサー中に、カラーフィルター層が提供される。
図１は、本発明の一実施形態による固体撮像素子１００の上面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線に沿った固体撮像素子の断面図である。注意すべきことは、簡潔にするために、固体撮像素子１００のいくつかの素子は、図１と図２では省略されていることである。
固体撮像素子１００は、相補型ＭＯＳ(ＣＭＯＳ)イメージセンサー、あるいは、電荷結合素子 (ＣＣＤ)イメージセンサーであるが、本発明はそれらに制限されない。図２に示されるように、固体撮像素子１００は半導体基板１０を有し、たとえば、ウェハやチップであるが、本発明はそれらに制限されない。複数の光電変換素子１１、たとえば、フォトダイオードが、半導体基板１０中に形成される。
図２に示されるように、半導体基板１０中の光電変換素子１１は、分離構造１３、たとえば、シャロ―トレンチアイソレーション(ＳＴＩ)領域、あるいは、ディープトレンチアイソレーション(ＤＴＩ)領域により互いに分離されるが、本発明はそれらに制限されない。分離構造１３は、エッチングプロセスを用いて、半導体基板１０中に形成されて、トレンチを形成するとともに、トレンチを絶縁、あるいは、誘電材で充填する。入射光は、半導体基板１０の一表面に放射されるとともに、光電変換素子１１により受光される。
配線層(図示しない)が、半導体基板１０のもう一つの表面上に形成されるが、本発明はそれらに制限されない。配線層は、複数の誘電層中に組み込まれた複数の導電線と導電ビアを有する相互接続層であり、さらに、固体撮像素子１００に必要な各種電気回路を有する。
固体撮像素子１００はさらに、半導体基板１０の表面(配線層と反対)上に形成されるとともに、光電変換素子１１を被覆する高誘電率 (high-κ)膜(図示しない)とバッファ層 (図示しない)を有する。たとえば、高誘電率膜は、酸化ハフニウム (HfO2)、ハフニウムタンタル酸化物(HfTaO)、ハフニウムチタン酸化物 (HfTiO)、ハフニウムジルコニウム酸化物 (HfZrO)、五酸化タンタル (Ta2O5)、その他の適当な高誘電材、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はそれらに制限されない。高誘電率膜は、高屈折率、および、光線吸収能力を有する。さらに、バッファ層は、酸化ケイ素(silicon oxides)、窒化ケイ素(silicon nitrides)、酸窒化ケイ素(silicon oxynitrides)、その他の適当な絶縁材、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はそれらに制限されない。高誘電率膜は、たとえば、化学気相蒸着(ＣＶＤ)、プラズマ化学気相成長法 (ＰＥＣＶＤ)、原子層堆積(atomic layer deposition、ＡＬＤ)、あるいは、その他の蒸着技術により形成される。バッファ層は、たとえば、スピンオンコーティング(spin-on coating)、化学気相蒸着、流動性化学気相蒸着 (ＦＣＶＤ)、プラズマ化学気相成長法、物理的気相蒸着(ＰＶＤ)、あるいは、その他の蒸着技術により形成される。
図１と図２を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像素子１００は、光電変換素子１１上に設置されるモザイクパターン層２０を有する。いくつかの実施形態において、モザイクパターン層２０は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、および、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの周辺上に設置されるカラーフィルターセグメント (たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)を有する。たとえば、図１に示されるように、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、モザイクパターン層２０の中心に設置され、二個の緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの左右側に設置されるとともに、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢはそれぞれ、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの上下側に設置される。すなわち、カラーフィルターセグメント（赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、及び青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ）は、半導体基板１０の表面（積層面）上で、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲを囲うように、配置される。なお、本発明において、カラーフィルターセグメント（赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、及び青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ）の配置はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、約８００ｎｍより大きい波長の光線に対し、約８０％より大きい透過率を有し、約７５０ｎｍより小さい波長の光線の対し、約５％より小さい透過率を有する。一方、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、蒸着プロセス、たとえば、化学気相蒸着 (ＣＶＤ)、原子層堆積 (ＡＬＤ)、分子線エピタキシー (ＭＢＥ)、液相エピタキシー(ＬＰＥ)等、あるいは、それらの組み合わせにより形成されるが、本発明はそれらに制限されない。
注意すべきことは、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲは、別のカラーフィルターセグメントにより代替することができる。たとえば、モザイクパターン層２０はさらに、白色カラーフィルターセグメント、シアン(cyan)カラーフィルターセグメント、マジェンタ(magenta)カラーフィルターセグメント、あるいは、黄カラーフィルターセグメントを有するが、本発明はそれらに制限されない。
図１と図２を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像素子１００は、モザイクパターン層２０上に設置される集光構造３１を有して、入射光を集光する。いくつかの実施形態において、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、および、カラーフィルターセグメント(たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)は、集光構造３１を共有する。言い換えると、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、および、カラーフィルターセグメントは、１つの集光構造３１の下に設置される。たとえば、集光構造３１の中心は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの中心に対応する。さらに詳細には、モザイクパターン層２０が、固体撮像素子１００の中心領域に位置するとき(たとえば、図１)、集光構造３１の中心軸は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの中心軸と重複する（同軸となる）が、本発明はそれらに制限されない。モザイクパターン層２０が、固体撮像素子１００の周辺(あるいは、辺縁)位置に位置するとき (図示しない)、集光構造３１の中心軸は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの中心軸に対し、偏移を有する（平行な位置関係にある）。
たとえば、集光構造３１は、透過材、たとえば、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、その他の任意の可用な材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はそれらに制限されない。さらに、集光構造３１は、フォトレジストリフロー方法(photoresist reflow method)、熱エンボス加工(hot embossing method)、その他の任意の適用方法、あるいは、それらの組み合わせにより形成される。集光構造３１の形成工程は、スピンコーテイングプロセス、リソグラフィプロセス、エッチングプロセス、その他の任意の可用なプロセス、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はそれらに制限されない。
集光構造３１は、マイクロレンズ構造、たとえば、半凸レンズ、あるいは、凸レンズであるが、本発明はそれらに制限されない。たとえば、集光構造３１は、マイクロピラミッド構造(micro pyramid) (たとえば、円錐、四角錐等)、あるいは、マイクロ台形構造(micro trapezoidal)(たとえば、平坦頂錐、切頂方錐等)である。あるいは、集光構造３１は、グラジエントインデックス構造(gradient index)である。
図１に示されるように、いくつかの実施形態において、モザイクパターン層２０はさらに、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの四隅に設置される透過セグメント２０ＳＴを有する。すなわち、基板１０の表面からみて、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ及び透過セグメント２０ＳＴが矩形状に形成されており、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの４つの角に対して、透過セグメント２０ＳＴの１つの角がそれぞれ隣接するように、透過セグメント２０ＳＴが赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの角部に配置されている。たとえば、透過セグメント２０ＳＴは、透過材、たとえば、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、その他の任意の適用材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はそれらに制限されない。いくつかの実施形態において、透過セグメント２０ＳＴは、約１０ｎｍより大きく、且つ、約１ｍｍより小さい波長の光線に対して、約９０％より大きい透過率を有する。
いくつかの実施形態において、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、カラーフィルターセグメント (たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)、および、透過セグメント２０ＳＴは、m×n 画素空間（１つの画素が区切られた空間の１つになるように、画素と対応させた空間）を有するm×n 画素空間を有するm×n アレイを形成し、且つ、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、m×n アレイのうちp×q 画素空間を占有し、m と n は、３以上の正の整数であり、且つ、p と q は、m と nより小さい正の整数である。たとえば、図１に示されるように、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、透過セグメント２０ＳＴは、３×３画素空間を有する３×３アレイを形成し、且つ、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、３×３アレイの一(つまり、１×１)画素空間を占有するが、本発明はそれらに制限されない。
図１に示されるように、各赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、透過セグメント２０ＳＴは、一画素空間を占有するが、本発明はそれらに制限されない。さらに、いくつかの実施形態において、集光構造３１は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、透過セグメント２０ＳＴに対応する。つまり、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、透過セグメント２０ＳＴは同じ集光構造３１を共有するが、本発明はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、図２に示されるように、固体撮像素子１００は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲとカラーフィルターセグメント (たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)間に設置される格子型構造４０を有する。いくつかの実施形態において、格子型構造４０はさらに、カラーフィルターセグメントと透過セグメント２０ＳＴ (たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢと透過セグメント２０ＳＴ間、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧと透過セグメント２０ＳＴ間、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲと透過セグメント２０ＳＴ間)間に設置される。
格子型構造４０は、透明の誘電材を有する。いくつかの実施形態において、格子型構造４０の屈折率は、約１．１～１．５の範囲である。さらに、格子型構造４０の屈折率は、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢの屈折率、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧの屈折率、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲの屈折率より低いが、本発明はそれらに制限されない。
図２に示されるように、固体撮像素子１００の断面図（基板１０の表面（積層面）に対して垂直方向に沿う断面）中、格子型構造４０は、格子セグメント４０Ｓに分割される。いくつかの実施形態において、図２に示されるように、各格子セグメント４０Ｓは、約０．５～１．２μmの範囲の高さＨ４０を有する。いくつかの実施形態において、図２に示されるように、各格子セグメント４０Ｓは、約０．０５～０．３μmの範囲の幅Ｗ４０を有する。
いくつかの実施形態において、図２に示されるように、モザイクパターン層２０はさらに、カラーフィルターセグメント (たとえば、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ)上に設置される赤外線カットセグメント２０ＳＣを有する。いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメント２０ＳＣはさらに、透過セグメント２０ＳＴ上に設置される(図２で示されない)。赤外線カットセグメント２０ＳＣは、選択的赤外線フィルターであり、特定波長(たとえば、約８００ｎｍより大きい波長)の赤外線光をカットする、あるいは、赤外線バンド全体の赤外線光をカットする。いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、約８００ｎｍより大きい波長の光線に対し、約５％より小さい透過率を有する。
いくつかの実施形態において、図２に示されるように、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、光電変換素子１１と緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ間に設置される。つまり、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、(緑)カラーフィルターセグメント下方に設置されるが、本発明はそれらに制限されない。いくつかの実施形態において、赤外線カットセグメント２０ＳＣはさらに、光電変換素子１１と透過セグメント２０ＳＴ間に設置される(図２で示されない)。つまり、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、透過セグメント２０ＳＴ下方に位置する。さらに、いくつかの実施形態において、格子型構造４０は、赤外線カットセグメント２０ＳＣ間に設置される。
図３は、本発明の一実施形態による固体撮像素子１０２の上面図である。図４は、図３のＢ－Ｂ’線に沿った固体撮像素子１０２の断面図である。図５は、図３のＣ－Ｃ’線に沿った固体撮像素子１０２の断面図である。注意すべきことは、簡潔にするため、固体撮像素子１０２のいくつかの素子は、図３、図４、および、図５では省略されていることである。
固体撮像素子１０２は、光電変換素子１１を有する。固体撮像素子１０２はさらに、光電変換素子１１上に設置されるモザイクパターン層２０を有する。モザイクパターン層２０は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、および、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの周辺上に設置される青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲを有する。固体撮像素子１０２はさらに、モザイクパターン層２０上に設置される集光構造３１を有する。赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、および、カラーフィルターセグメント (たとえば、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)は、集光構造３１を共有する。
さらに、固体撮像素子１０２のモザイクパターン層２０はさらに、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの四隅に設置される透過セグメント２０ＳＴを有する。たとえば、図３に示されるように、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、透過セグメント２０ＳＴは、４×４画素空間を有する４×４アレイを形成し、且つ、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲは、４×４アレイの２×２画素空間を占有するが、本発明はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、図３に示される固体撮像素子１０２の上面図中、４×４アレイの各画素空間は、約０．４～１μmの範囲の幅Ｐを有する。ここで、幅Ｐは、Ｘ軸、あるいは、Ｙ軸に沿った各画素空間の幅として定義される。さらに、Ｘ軸、および、Ｙ軸に沿った各画素空間の幅は異なる。
さらに詳細には、図３に示される固体撮像素子１０２の上面図中、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの上側に設置され、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、および、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの下側に設置され、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、青カラーフィルターセグメント２０ＳＢは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの左側に設置され、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ、および、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの右側に設置されるが、本発明はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、固体撮像素子１０２の上面図中、モザイクパターン２０は、少なくとも一つの対称軸 (たとえば、図３に示される対称軸Ｓ)を有する。たとえば、図３に示されるように、二個の赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲは、対称軸Ｓに対して互いに対称であり、四個の緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧは、対称軸Ｓに対して互いに対称であり、二個の青カラーフィルターセグメント２０ＳＢは、対称軸Ｓに対して互いに対称であるが、本発明はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、図３に示されるように、対称軸Ｓは、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの一対角線と部分的に重複する。すなわち、対称軸Ｓが、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲの対角線の１つと同一線上になるように、カラーフィルターセグメント及び赤外線通過セグメント２０ＳＩＲが配置されている。その他のいくつかの実施形態において、モザイクパターン２０は、二個以上の対称軸を有し、これらの対称軸は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲのどの対角線とも重複せず、カラーフィルターセグメントの配列に基づく。
いくつかの実施形態において、固体撮像素子１０２は、格子型構造４０を有し、格子型構造４０は、図４に示されるように、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲと緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧの間、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲと赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲの間、および、図５に示されるように、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧと赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲの間、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧと透過セグメント２０ＳＴの間、且つ、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲと透過セグメント２０ＳＴの間に設置される。さらに、格子型構造４０は、赤外線カットセグメント２０ＳＣ間に設置される。
図６は、本発明の別の実施形態による図３のＣ－Ｃ’線に沿った固体撮像素子１０２の断面図である。図７は、本発明のさらに別の実施形態による図３のＣ－Ｃ’線に沿った固体撮像素子１０２の断面図である。つまり、図６や図７に示される固体撮像素子１０２の断面図は、図５の固体撮像素子１０２の断面図を代替することができる。
いくつかの実施形態において、図６に示されるように、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧと集光構造３１間、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲと集光構造３１間、および、透過セグメント２０ＳＴと集光構造３１間に設置される。つまり、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、カラーフィルターセグメント、および、透過セグメント２０ＳＴ上に設置される。言い換えると、カラーフィルターセグメント、および、透過セグメント２０ＳＴは、光電変換素子１１と赤外線カットセグメント２０ＳＣ間に設置されるが、本発明はそれらに制限されない。
いくつかの実施形態において、図７に示されるように、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、光電変換素子１１と緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ間、および、光電変換素子１１と赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ間に設置される。つまり、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ下方に設置されるが、本発明はそれらに制限されない。さらに、赤外線カットセグメント２０ＳＣは、透過セグメント２０ＳＴと集光構造３１間に設置される。つまり、透過セグメント２０ＳＴは、光電変換素子１１と赤外線カットセグメント２０ＳＣ間に設置されるが、本発明はそれらに制限されない。
図８は、本発明の一実施形態による固体撮像素子１０２の別の上面図である。いくつかの実施形態において、固体撮像素子１０２は、一緒に配列される複数のモザイクパターン層２０を有する。たとえば、図８は、Ｘ軸とＹ軸に沿って、互いに隣接して設置される四個のモザイクパターン層２０を示すが、本発明はそれらに制限されない。固体撮像素子１０２中に、一緒に設置される四個以上のモザイクパターン層２０がある。図８に示されるように、(異なるモザイクパターン層２０中の)青カラーフィルターセグメント２０ＳＢ、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲは、複数の ベイヤーパターンＢを形成するが、本発明はそれらに制限されない。
図９は、本発明の別の実施形態による固体撮像素子１０４の断面図である。いくつかの実施形態において、図９に示されるように、格子型構造４０はさらに、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲ内部に設置される(すなわち、図９に示される格子セグメント４０Ｓ１)。
いくつかの実施形態において、図９に示されるように、集光構造３１は、赤外線通過セグメント２０ＳＩＲに対応し、固体撮像素子１０４はさらに、集光構造３１に隣接して設置される集光構造３２を有する。いくつかの実施形態において、図９に示されるように、集光構造３２は、カラーフィルターセグメント(たとえば、緑カラーフィルターセグメント２０ＳＧ、および、赤カラーフィルターセグメント２０ＳＲ)に対応するように設置されている。さらに、集光構造３２は、透過セグメント２０ＳＴに対応する (図９に示されない)。つまり、集光構造３１（本発明の「第一集光構造」に相当する）は赤外線通過セグメントＳＩＲ上に設置され、集光構造３２（本発明の「第二集光構造」に相当する）はカラーフィルターセグメント及び／又は透過セグメント２０ＳＴ上に設置される。
いくつかの実施形態において、集光構造３１の厚さＴ３１は、各集光構造３２の厚さＴ３２と異なる。たとえば、図９に示されるように、集光構造３１の厚さＴ３１は、各集光構造３２の厚さＴ３２より大きく、さらによい赤外線感受性と信号対雑音比を達成するが、本発明はそれらに制限されない。その他の例において(示されない)、集光構造３１の厚さＴ３１は、各集光構造３２の厚さＴ３２より小さく、需要に基づいて調整される。
総合すると、本発明のいくつかの実施形態による固体撮像素子は、モザイクパターン層を有する。モザイクパターン層は、特定の配列を有する赤外線通過セグメント、および、カラーフィルターセグメントを有し、集光構造は、モザイクパターン層上に設置されて、被覆し、赤外線感受性を効果的に増加させるとともに、チャネル分離を改善し、これにより、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善する。
前述は、いくつかの施形態の特徴を説明するので、当業者は、本発明の態様をよりよく理解することができる。当業者なら理解できるように、たやすく、本発明を基礎として用いて、その他のプロセス、および、構造を設計、あるいは、修正されて、同じ目的を実現する、および／または、紹介される実施形態の同じ長所を達成することができる。当業者ならさらに理解できることは、このような等価構造は、本発明の精神と範囲を逸脱せず、且つ、それらは、精神と範囲を逸脱しない条件下で、各種変化、置換、修正を行うことができる。よって、保護範囲は、請求項によって決定されるべきである。また、本発明のいくつかの実施形態が上で開示されているが、それらは、本発明の範囲を制限することを意図しない。
この明細書を通じた特徴、長所、あるいは、類似言語は、本発明で実現されるすべての特徴、および、長所が、本発明の任意の単一の実施形態である、あるいは、単一の実施形態中に存在すべきであることを暗示するものではない。むしろ、特徴、および、長所に言及した言語は、一実施形態と関連して記載される特定の特徴、長所、あるいは、特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態中に含まれることを意味すると理解される。よって、この明細書を通じた特徴、および、長所、および、類似言語の討論は、必ずしも、同じ実施形態を参照しない。
さらに、一つ以上の実施形態において、本発明の記載される特徴、長所、および、特性は、任意の適当な方式で組み合わされる。当業者なら理解できるように、この記載の観点において、本開示は、特定の実施形態の一つ以上の特定の特徴、あるいは、長所がなくても実施することができる。ほかの例では、追加特徴、および、長所は、本開示の全実施形態中に含まれないある実施形態中で広く認められる。
１００、１０２、１０４…固体撮像素子
１１…光電変換素子
１３…分離構造
２０…モザイクパターン層
２０ＳＢ…青カラーフィルターセグメント
２０ＳＣ…赤外線カットセグメント
２０ＳＧ…緑カラーフィルターセグメント
２０ＳＩＲ…赤外線通過セグメント
２０ＳＲ…赤カラーフィルターセグメント
２０ＳＴ…透過セグメント
３１、３２…集光構造
４０…格子型構造
４０Ｓ…格子セグメント
ＡーＡ’、ＢーＢ’、ＣーＣ’…線
Ｂ…ベイヤーパターン
Ｈ４０…高さ
Ｓ…対称軸
Ｔ３１、Ｔ３２…厚さ
Ｗ４０…幅
Ｘ、Ｙ、Ｚ…座標軸
１１…光電変換素子
１３…分離構造
２０…モザイクパターン層
２０ＳＢ…青カラーフィルターセグメント
２０ＳＣ…赤外線カットセグメント
２０ＳＧ…緑カラーフィルターセグメント
２０ＳＩＲ…赤外線通過セグメント
２０ＳＲ…赤カラーフィルターセグメント
２０ＳＴ…透過セグメント
３１、３２…集光構造
４０…格子型構造
４０Ｓ…格子セグメント
ＡーＡ’、ＢーＢ’、ＣーＣ’…線
Ｂ…ベイヤーパターン
Ｈ４０…高さ
Ｓ…対称軸
Ｔ３１、Ｔ３２…厚さ
Ｗ４０…幅
Ｘ、Ｙ、Ｚ…座標軸
Claims (15)
- 固体撮像素子であって、
光電変換素子と、
前記光電変換素子上に設置され、赤外線通過セグメント、前記赤外線通過セグメントの周辺に設置されるカラーフィルターセグメント、および、透過セグメントを有するモザイクパターン層と、
前記モザイクパターン層上に設置され、前記赤外線通過セグメント、前記カラーフィルターセグメント、および、前記透過セグメントが共有する第一集光構造と、を有し、
前記第一集光構造の中心は、前記赤外線通過セグメントの中心に対応する固体撮像素子。 - 前記透過セグメントは、前記赤外線通過セグメントの四隅に設置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記透過セグメントは、１０ｎｍより大きい波長の光線に対し、且つ、１ｍｍより小さい波長の光線に対し、９０％より大きい透過率を有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記赤外線通過セグメント、前記カラーフィルターセグメント、および、前記透過セグメントは、m×n 画素空間を有するm×n アレイを形成し、前記赤外線通過セグメントは、前記 m×n アレイのうちp×q 画素空間を占有し、m と n は、３以上の正の整数であり、p と q は、m と nより小さい正の整数であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記固体撮像素子の上面図中、前記モザイクパターン層は、少なくとも一つの対称軸を有し、前記少なくとも一つの対称軸は、前記赤外線通過セグメントの一対角線と部分的に重複することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
- 前記 m×n 画素空間はそれぞれ、０．４～１μmの範囲の幅を有することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
- 前記モザイクパターン層は、前記光電変換素子と前記カラーフィルターセグメント間、あるいは、前記光電変換素子と前記透過セグメント間に設置される赤外線カットセグメントを有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記モザイクパターン層は、前記カラーフィルターセグメントと前記第一集光構造間、あるいは、前記透過セグメントと前記第一集光構造間に設置される赤外線カットセグメントを有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記モザイクパターン層は、赤外線カットセグメントを有し、前記赤外線カットセグメントは、８００ｎｍより大きい波長の光線に対し、５％より小さい透過率を有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記赤外線通過セグメントと前記カラーフィルターセグメント間に設置される格子型構造、を有し、
前記格子型構造は、前記カラーフィルターセグメント間に、あるいは、前記カラーフィルターセグメントと前記透過セグメント間に設置されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記赤外線通過セグメントと前記カラーフィルターセグメント間に設置される格子型構造、を有し、
前記格子型構造は、前記赤外線通過セグメント内部に設置されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記赤外線通過セグメントと前記カラーフィルターセグメント間に設置される格子型構造、を有し、
前記固体撮像素子の断面において、前記格子型構造は、格子セグメントに分割されており、前記格子セグメントはそれぞれ、０．５～１．２μｍの範囲の高さ、および、０．０５～０．３μｍの範囲の幅を有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記赤外線通過セグメントと前記カラーフィルターセグメント間に設置される格子型構造、を有し、
前記格子型構造の屈折率は、１．１～１．５の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記第一集光構造は、前記赤外線通過セグメントに対応するように設置され、
前記固体撮像素子は、前記第一集光構造に隣接して設置される第二集光構造を有し、
前記第二集光構造は、前記カラーフィルターセグメント、あるいは、前記透過セグメントに対応するように設置され、
前記第一集光構造の厚さは、前記の各第二集光構造の厚さと異なることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記赤外線通過セグメントは、８００ｎｍより大きい波長の光線に対して、８０％より大きい透過率、および、７５０ｎｍより小さい波長の光線に対して、５％より小さい透過率を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
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