JP7442556B2 - 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、イメージセンサのマイクロレンズ構造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、デジタル静止画スチルカメラ、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。

産業需要に基づき、画素サイズは縮小され続けてきた。高レベルのパフォーマンスを維持するために、位相差オートフォーカス（ＰＤＡＦ）画素の１つのグループが従来のセンサアレイに統合されることができる。この画素のグループによって受光された光は、カラーフィルタを介して集光し、底部の対応する感知部に集められ、装置の画像焦点が検出されることができる。しかしながら、画素サイズが縮小されたイメージセンサは、精度にわずかなオフセットが発生する可能性があり、装置の全体的な性能に大きな影響を与える可能性がある。従って、これらの、および関連する問題は、イメージセンサの設計および製造を通じて解決する必要がある。

イメージセンサのマイクロレンズ構造を提供する。

一実施形態では、イメージセンサは、複数の感知部、感知部上に配置されたカラーフィルタ層、およびカラーフィルタ層上に配置されたマイクロレンズを含む。マイクロレンズは正の曲率半径を含み、負の曲率半径を含むディッシュ構造はマイクロレンズ内に形成される。

もう１つの実施形態では、イメージセンサは、センサユニットの第１のグループ、およびセンサユニットの第２のグループを含み、センサユニットの第１のグループとセンサユニットの第２のグループのそれぞれが複数の感知部、感知部上に配置されたカラーフィルタ層、およびカラーフィルタ層上に配置されたマイクロレンズを含む。マイクロレンズは、正の曲率半径を含む。イメージセンサは、センサユニットの第１のグループのマイクロレンズ内に形成された第１のディッシュ構造も含み、第１のディッシュ構造は、センサユニットの第１のグループのマイクロレンズの中心に位置する負の曲率半径を含む。イメージセンサは、センサユニットの第２のグループのマイクロレンズ内に形成された第２のディッシュ構造をさらに含み、第２のディッシュ構造は、負の曲率半径を含み、第２のディッシュ構造は、センサユニットの第２のグループのマイクロレンズの中心からオフセットされる。

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び例を読むことで、より完全に理解することができる。図面は、業界の標準的な慣行に従って、様々な特徴が縮尺通りに描かれていない。実際、様々な特徴の寸法は、明確に説明できるようにするために、任意に拡大または縮小されることがある。
図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサの断面図である。 図１Ｃ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２Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、様々な中間製造段階におけるイメージセンサの断面図である。 図２Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、様々な中間製造段階におけるイメージセンサの断面図である。 図２Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、様々な中間製造段階におけるイメージセンサの断面図である。 図２Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、様々な中間製造段階におけるイメージセンサの断面図である。 図３は、本開示の他の実施形態による、イメージセンサアレイの上面図である。 図４Ａは、本開示のさらにもう１つの実施形態による、もう1つのイメージセンサの断面図である。 図４Ｂは、本開示のさらにもう１つの実施形態による、もう１つのイメージセンサの断面図である。

次の開示では、異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施の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、(以下の詳細な説明において)、「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と、別の要素と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、所定値の＋／－２０％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－５％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－３％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－２％を意味し、より一般的に、所定値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、所定値の＋／－０．５％を意味する。本開示の所定値は、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、所定値は、「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。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。

画素サイズの継続的な縮小化に応じて、各画素の受光量、および画素間の受光量の均一性が重要な関心事となっている。イメージセンサのうち、より小さい画素の受光量を向上させる１つの方法が、センサユニット（位相差オートフォーカス（ＰＤＡＦ）画素とも呼ばれる）の１つのグループを統合する方法である。本開示のいくつかの実施形態によれば、光がこのグループ内の各センサユニットによって均一に受光されたとき、イメージセンサは統一色の画像を表示することができる。しかしながら、各センサユニットが受光した光が不均一な場合、イメージセンサに色のばらつきが生じる。センサユニットのグループは、装置全体の画像フォーカスを検出し、追跡することができ、受信した信号によって色を決定することもできる。従来、全てのグループのセンサユニット（位相差オートフォーカス画素のグループなど）の上方には、単一のマイクロレンズが配置される。言い換えると、グループ内の全てのセンサユニットは、単一のマイクロレンズを共有し、残りのセンサユニットのそれぞれはその上部に配置された１つのマイクロレンズを有する。センサユニットのグループの上の単一のマイクロレンズは、光を一緒に集光させて追跡と検出を可能にすることができる。例えば、光が傾斜角度で入射したとき、グループ内のセンサユニットのうちの１つは、もう１つのセンサユニットよりも多くの光を受光することができ、それによりセンサユニット間の信号読み取りに基づき、入射光の方向が正確に決定されることができる。

通常の状態では、センサユニットのグループの上の単一のマイクロレンズは、入射光線がセンサユニットのグループの中心点に集光して光スポットを形成させ、周囲の感知部に向かって散乱され、受光することができる。光スポットの大きさは、マイクロレンズの構造特性によって決まる。例えば、マイクロレンズがより大きい曲率半径を有するとき、より大きい光スポットが生成されることができ、一方、マイクロレンズがより小さい曲率半径を有するとき、より小さい光スポットが生成されることができる。マイクロレンズ構造の意図しない、ずれなどのプロセス変動が発生した場合、光スポットがセンサユニットのグループの中心点からずれる可能性がある。その結果、周囲の感知部が不均一な光強度を受光する可能性があり、異なる信号に変換し、色の判定にばらつきが生じることになる。

例えば、１つの個別のセンサユニットが各センサユニットのいくつかのグループから選択され、組み合わされて第１の画素を形成したとき、第１の画素は、各選択されたセンサユニットから読み取られた信号を蓄積することより特定の色を表示することができる。もう１つの個別のセンサユニットが各センサユニットの同じグループから選択され、組み合わされて第２の画素を形成したとき、第２の画素は、各選択されたセンサユニットから読み取られた信号を蓄積することより特定の色を表示することができる。理想的には、第１の画素と第２の画素が同じ色を表示することである。しかしながら、各グループ内のセンサユニットが異なる光強度を受光した場合、センサユニット間で変換される信号は大きく異なる。その結果、第１の画素と第２の画素の間に激しい色の変化が生じ、表示される画像に影響を与える可能性がある。

プロセス変動が表示性能に与える影響は、大きい光スポットと小さい光スポット間で異なる可能性があることにも留意されたい。光点が大きいとき、全光点サイズに対してシフトされた量は相対的に小さい可能性がある。逆に、光スポットが小さいとき、全光スポットサイズに対して同じシフトされた量は相対的に大きくなる可能性がある。言い換えれば、色決定の均一性の向上は、プロセス変動の発生を減少するか、または（より大きい曲率半径を有するマイクロレンズから）より大きい光スポットを生成することによって達成され得る。しかしながら、プロセス変動を減少するには、製造精度を高める必要があり、コストが高くなる。一方、より大きい曲率半径を有するマイクロレンズでより大きい光スポットを維持すると、イメージセンサ装置の設計の自由度を制限する可能性がある。上記を踏まえて、本開示は、製造コストを増加させる、または設計の自由度を制限する必要のない代替方法を提供する。

本開示のいくつかの実施形態によれば、革新的なディッシュ構造（皿状の構造、ｄｉｓｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）がマイクロレンズ内に形成され、上述の問題に対処することができる。マイクロレンズ内に本開示のディッシュ構造を組み込むことにより、光スポットを周囲の感知部に向けて分散させることができ、それにより、製造コストを増加させる、または設計の自由度を制限することなく、プロセス変動のウィンドウを増加させることができる。従って、プロセス変動の場合でも、センサユニット間の信号読み取りは依然として適切に用いられ、均一な色の画像を表示することができる。さらに、本開示は、マイクロレンズ内のディッシュ構造をオフセットし、入射光の異なる入射角に対応することも含む。

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。いくつかの実施形態では、イメージセンサは、実際には数百万のセンサユニットを含み得る。簡潔にするために、図１Ａは実際のイメージセンサの一部のみを示している。図１Ａに示されたイメージセンサ１０は、互いに隣接して配置されたセンサユニット１００Ａおよび１００Ｂの２つのグループを含む。センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループのうちの１つの上面図（図１Ｃに図示）からみて、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループのそれぞれは、２×２に配置された４つのセンサユニットを含み得るが、本開示はそれに限定されない。例えば、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループは、ｍ×ｎ個の光電変換素子に対応することができ、ここでのｍおよびｎは、同じまたは異なってもよい正の整数であるが、本開示はそれらに限定されない。説明のために、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループは両方とも、１つの左センサユニットおよび１つの右センサユニットを含む。特に、センサユニット１００Ａのグループは、左センサユニット１００Ａ－Ｌおよび右センサユニット１００Ａ－Ｒを含み、センサユニット１００Ｂのグループは、左センサユニット１００Ｂ－Ｌおよび右センサユニット１００Ｂ－Ｒを含む。

図１Ａに示されるように、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループのそれぞれは、その中に形成されたディッシュ構造１３０を有する１つのマイクロレンズ１２２を有することに留意されたい。ディッシュ構造１３０の存在は、従来のマイクロレンズ１２２が有する連続的な曲率プロファイルを壊す（ｂｒｅａｋ）ことができ、あらゆる方向からの入射光が複数の光スポット１４０に集光することができるようになる。本開示のいくつかの実施形態によれば、ディッシュ構造１３０は負の曲率半径を有し、マイクロレンズ１２２のもう１つの部分は正の曲率半径を有する。いくつかの実施形態では、正の曲率半径を有する表面は、入射光線を集光させることができ、負の曲率半径を有する表面は、入射光線を発散させることができる。ディッシュ構造１３０をマイクロレンズ１２２に組み込むことにより、入射光を複数の光スポット１４０に集光させることができる。左センサユニット１００Ａ－Ｌ、右センサユニット１００Ａ－Ｒ、左センサユニット１００Ｂ－Ｌ、および右センサユニット１００Ｂ－Ｒは、それぞれ光スポット１４０を受けることができる。このような変更は、入射光が イメージセンサ１０の全ての感知部１０６に均等に分配されるようにすることにより、プロセス変動のウィンドウを増加させることができる。

本開示のマイクロレンズ１２２またはディッシュ構造１３０の非球面を有する任意のレンズの表面形状に関する符号（正または負）は、特記しない限り、光軸（近軸領域）の近くのマイクロレンズ１２２またはディッシュ構造１３０の領域に関するものであることに留意されたい。曲率半径に関する符号は、正の曲率半径が物体側に向かって凸状の表面形状を示し、負の曲率半径が画像側に向かって凸状の表面形状を示すように提供されている。

図１Ａに示すように、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループのそれぞれは、複数の感知部１０６、カラーフィルタ層１１０、およびマイクロレンズ１２２を含む。複数の感知部１０６は、基板１０２内に埋め込まれることができる。基板１０２は、その内部に埋め込まれた複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４をさらに含み、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４は、各感知部１０６を分離し、各センサユニットのサイズを規定する。さらに、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４は、光スポット１４０を複数の感知部１０６上に散乱させるのを助けることができる。いくつかの実施形態では、基板１０２は、イメージセンサ１０の全てのセンサユニットによって共有された単一の構造であってもよい。

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。いくつかの実施形態では、基板１０２は、シリコン基板または有機光電変換層などの光電変換基板であってもよい。

もう１つの実施形態では、基板１０２は、半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）基板であってもよい。半導体オンインシュレータ基板は、ベースプレート、ベースプレート上に配置された埋め込み酸化物層、および埋め込み酸化物層上に配置された半導体層を含み得る。さらに、基板１０２は、Ｎ型またはＰ型の導電型であってもよい。

上述のように、基板１０２は、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４を含んで活性領域を規定し、基板１０２内または基板上の活性領域要素を電気的に分離することができるが、本開示はそれに限定されない。前述のように、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４は、光スポット１４０の散乱を助けることができる。いくつかの実施形態では、ディープトレンチアイソレーション構造１０４は、その上に集光されている入射光線を反射および屈折させることができる。いくつかの実施形態では、もう１つの分離構造が代替として適用されてもよい。シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造とシリコン局所酸化（ＬＯＣＯＳ）構造は、他の分離構造の例である。いくつかの実施形態では、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４の形成は、例えば、基板１０２上に絶縁層を形成し、絶縁層および基板１０２を選択的にエッチングして、基板１０２の上面から基板内の位置まで延びるトレンチを形成し、このトレンチが、隣接する感知部１０６の間に配置されるようにする。次に、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４の形成は、トレンチに沿って豊富な窒素含有（例えば、酸窒化ケイ素）ライナーを成長させ、次いで絶縁材料（例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素）を堆積プロセスでトレンチ内に充填することを含んでもよい。その後、アニーリングプロセスがトレンチ内の絶縁材料に実行され、次いで基板１０２上に平坦化プロセスが実行されて過剰な絶縁材料を除去し、トレンチ内の絶縁材料が基板１０２の上面と同一平面になるようにする。

いくつかの実施形態では、基板１０２は、例えば、イオン注入および／または拡散プロセスによって形成された様々なＰ型ドープ領域および／またはＮ型ドープ領域（図示せず）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、トランジスタ、フォトダイオードなどが、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４によって規定された活性領域に形成されてもよい。

上述のように、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループは基板１０２上に配置されたカラーフィルタ層１１０をそれぞれ含むことができる。いくつかの実施形態では、カラーフィルタ層１１０の高さは、約０．３μｍから２．０μｍの間であることができる。特定の実施形態では、カラーフィルタ層１１０の高さは、約０．９μｍであることができる。いくつかの実施形態では、カラーフィルタ層１１０は、赤色、緑色、青色、白色、または赤外線であり得る複数のユニットを含んでもよい。カラーフィルタ層１１０の各ユニットは、イメージセンサ１０のそれぞれの感知部１０６に対応することができ、ユニットの色は、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループのそれぞれの要求によって決まる。フォトダイオードなどの個々の感知部１０６は、受信した光信号を、センサユニットグループ１００Ａおよびセンサユニットグループ１００Ｂの電気信号にそれぞれ変換することができる。いくつかの実施形態では、同じグループ内のセンサユニットは、同じ色のユニットを有してもよい。いくつかの実施形態では、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループは、パーティショングリッド（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｇｒｉｄ）構造１１２によって互いに分離されており、これについては後で詳細に説明する。本開示のいくつかの実施形態によれば、カラーフィルタ層１１０は、基板１０２上およびパーティショングリッド構造１１２によって規定された空間内に堆積される。カラーフィルタ層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されることができる。あるいは、カラーフィルタ層１１０は、インクジェット印刷によって形成されてもよい。

図１Ａに示すように、パーティショングリッド構造１１２は、カラーフィルタ層１１０の１つまたは複数のユニットの間に配置されている。例えば、パーティショングリッド構造１１２の中心線（図示せず）は、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループの境界を規定することができる。本開示のいくつかの実施形態によれば、パーティショングリッド構造１１２は、カラーフィルタユニット１１０の各ユニットよりも低い屈折率を有することができる。屈折率は、光の速度を変化させる物質の特性であり、真空中の光の速度を物質内の光の速度で割って得られた値である。光が２つの異なる材料間をある角度で移動するとき、その屈折率が光の透過（屈折）の角度を決める。本開示のいくつかの実施形態によれば、パーティショングリッド構造１１２の屈折率は、約１．００から１．９９の間である。入射光がカラーフィルタ層１１０に入射したとき、パーティショングリッド構造１１２は、特定のユニット内の光線を分離して、光トラッピング機能として機能することができる。

パーティショングリッド構造１１２の材料は、透明な誘電体材料を含んでもよい。まず、パーティション材料層が基板１０２上にコーティングされる。次に、ハードマスク層（図示せず）がパーティション材料層上にコーティングされる。いくつかの実施形態では、ハードマスク層の材料はフォトレジストである。フォトリソグラフィプロセスがハードマスク層に実行されてパターン化する。次に、エッチングプロセスがパターン化されたハードマスク層を用いて、パーティション材料層に実行される。エッチングプロセスは、ドライエッチングであってもよい。エッチングプロセスの後、パーティション材料層の一部が基板１０２上で除去され、複数の開口部がその中に形成される。上述のように、開口部は、その後、カラーフィルタ層１１０で充填される。

図１Ａに引き続き示すように、遮光構造１１４は、センサユニット１００Ａのグループとセンサユニット１００Ｂのグループとの間の基板１０２上に配置されている。いくつかの実施形態では、遮光構造１１４は、パーティショングリッド構造１１２内に埋め込まれている。いくつかの実施形態では、パーティショングリッド構造１１２は、イメージセンサ１０の設計要件に応じて、遮光構造１１４よりも高くてもよい。いくつかの実施形態では、遮光構造１１４は、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループの境界にまたがっている。すなわち、遮光構造１１４は、任意の２つの隣接するセンサユニットによって共有されるように配置されている。遮光構造１１４の配置は、カラーフィルタ層１１０に対応したユニットの下にある感知部１０６のうちの１つが、受信信号の精度に影響を及ぼす可能性がある異なる色の隣接するユニットからの付加の光を受光するのを防ぐことができる。本開示のいくつかの実施形態では、遮光構造１１４の高さは、約０．００５μｍから２．０００μｍの間であってもよい。いくつかの実施形態では、遮光構造１１４の材料は、不透明な金属（タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）など）、不透明な金属窒化物（窒化チタン（ＴｉＮ）など）、不透明な金属酸化物（酸化チタン（ＴｉＯ）など）、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。遮光構造１１４は、基板１０２上に金属層を堆積し、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。

図１Ａに引き続き示すように、マイクロレンズ材料層１２０は、カラーフィルタ層１１０およびパーティショングリッド構造１１２上に配置されている。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ材料層１２０の材料は、透明な材料であり得る。 例えば、材料は、ガラス、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が、本開示はそれらに限定されない。本開示のいくつかの実施形態によれば、複数のマイクロレンズ１２２は、マイクロレンズ材料層１２０上に配置されている。いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズ１２２は、センサユニット１００Ａのグループおよびセンサユニット１００Ｂのグループのそれぞれに対応するようにマイクロレンズ材料層１２０の上部をパターン化することによって形成され得る。複数のマイクロレンズ１２２は、マイクロレンズ材料層１２０から形成されるため、複数のマイクロレンズ１２２およびマイクロレンズ材料層１２０は、同じ材料を共有する。上述のように、従来の連続的な曲率プロファイルのマイクロレンズは、光スポット１４０がセンサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループの中心点に主に焦点を合わせるようにするディープトレンチアイソレーション構造１０４は、光スポット１４０を周囲の感知部１０６に向かって散乱させることができても、プロセス変動が発生したとき、光スポット１４０は不均一に散乱する可能性がある。従って、本開示のイメージセンサ１０は、各マイクロレンズ１２２内に形成されたディッシュ構造１３０を有するように設計されている。図１に示される結果として得られる構造は、入射光が全ての感知部１０６にほぼ集光することを可能にし、従って、集光の問題を解決することができる。図１Ａに示される結果として得られる構造は、入射光が全ての感知部１０６にほぼ集光することを可能にし、従って、均一な色の画像を表示することができる

マイクロレンズ１２２とは対照的に、ディッシュ構造１３０は反対の曲率プロファイルを有する。前述のように、マイクロレンズ１２２は、ディッシュ構造１３０が光線を発散させるための負の曲率半径を有することを除いて、一般に、光線を集光するための正の曲率半径を有している。非連続的な曲率プロファイルは、光線の屈折を変えることができる。図１Ａに示されるように、入射光Ｌ１およびＬ２は、従来のイメージセンサと同様に、センサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループの中心点に向かって屈折されることができる。しかしながら、入射光Ｌ３がディッシュ構造１３０を透過したとき、センサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループの中心点から外方へ屈折されている。ディッシュ構造のない従来のマイクロレンズは、入射光Ｌ３をセンサユニットに透過する代わりに、その望ましくない入射角により、入射光Ｌ３をマイクロレンズの表面から外方へ反射させる可能性があることに留意されたい。マイクロレンズ１２２の連続的な曲率プロファイルを壊すことは、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループの中心点に集光する従来の光スポットを分散させることができることがあきらかになっている。集光する入射光Ｌ１およびＬ２と発散する入射光Ｌ３とを組み合わせは、複数の光スポット１４０が左センサユニット１００Ａ－Ｌ、右センサユニット１００Ａ－Ｒ、左センサユニット１００Ｂ－Ｌ、および右センサユニット１００Ｂ－Ｒの複数の感知部１０６上に生成され、受光することができるようになる。後述するように、複数の光スポット１４０は、実際には、上面図（図１Ｃに示される）のセンサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループのそれぞれの環状であり、ディッシュ構造１３０をマイクロレンズ１２２に組み込むことで、環状は中空となっている。

図１Ａに示すように、トップフィルム１２４は、複数のマイクロレンズ１２２の表面上およびディッシュ構造１３０内にコンフォーマルに堆積されることができる。いくつかの実施形態では、トップフィルム１２４は、イメージセンサ１０の表面全体を覆う連続構造である。本開示のいくつかの実施形態によれば、トップフィルム１２４の材料は、マイクロレンズ１２２（またはマイクロレンズ材料層１２０）の材料の屈折率よりも低い屈折率を有する。トップフィルム１２４の材料の屈折率は、空気の屈折率より高い。いくつかの実施形態では、空気の屈折率とマイクロレンズ１２２の屈折率間には大きな差がある。屈折率間の大きな差は、いくつかの入射光線が、カラーフィルタ層１１０に屈折する代わりに、マイクロレンズ１２２の表面から外方へ反射させる可能性がある。これは、イメージセンサ１０の光学エネルギーを失わせ、複数の感知部１０６が受光すべき光強度の量を減少させる。トップフィルム１２４の追加は、周囲の空気とマイクロレンズ１２２間の大きな屈折差の間の緩衝となることができ、それにより、光エネルギーの損失を最小限に抑えることができる。いくつかの実施形態では、トップフィルム１２４は、例えば、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含む透明材料であり得るが、本開示はそれらに限定されない。トップフィルム１２４の形成は、例えば、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）、他の適切な方法、またはそれらの組み合わせを含むことができる堆積プロセスを含んでもよい。

特定の実施形態では、マイクロレンズ内に形成されたディッシュ構造を有するセンサユニットのグループが、マイクロレンズ内に形成されたディッシュ構造を有さないもう１つのセンサユニットのグループと比較されている。左センサユニット１００Ａ－Ｌと右センサユニット１００Ａ－Ｒ間、または左センサユニット１００Ｂ－Ｌと右センサユニット１００Ｂ－Ｒ間で受光された光強度の比が測定される。測定は、マイクロレンズが意図的にシフトされているいくつかの条件において行なわれ、プロセス変動の場合に発生する可能性があるときと同様である。測定データは表１にまとめられている。

理想的な状況では、左センサユニット１００Ａ－Ｌと右センサユニット１００Ａ－Ｒ、または左センサユニット１００Ｂ－Ｌと右センサユニット１００Ｂ－Ｒは、同じ量の光強度を受光するべきである。換言すれば、左センサユニット１００Ａ－Ｌと右センサユニット１００Ａ－Ｒ間、または左センサユニット１００Ｂ－Ｌと右センサユニット１００Ｂ－Ｒ間で受光された光強度の比は、１の値を有するべきである。しかしながら、プロセス変動は、センサユニット間で受信した光の均一性を低下させ、比率の値を１からはずさせることになる。比率の値は可能な限り１に近いことが期待され、非常に大きな変動は、カラー表示を損なう可能性があることに留意されたい。表１では、従来の設計（ディッシュ構造のないマイクロレンズ）と新しい設計（ディッシュ構造のあるマイクロレンズ）の比較が示されている。測定は、異なる波長範囲（または異なる色のユニット）で行われ、「Ｒ」は赤色ユニットであり、「Ｂ」は青色ユニットであり、「Ｇｒ」は水平方向に赤色ユニットに隣接する緑色ユニットであり、且つ「Ｇｂ」は水平方向に青色ユニットに隣接する緑色ユニットである。さらに、これらの測定は、０ｎｍ（シフトなし）、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、および５０ｎｍのマイクロレンズのシフトにおいても行われる。表１からわかるように、マイクロレンズのシフトが０ｎｍ（シフトなし）のとき、２つの設計間に大きな変化はない。シフトが発生すると、平均の従来設計からの比率値は新設計からの比率値より大幅に大きくなる。従って、本開示の設計は、比率値をより１に近づけることができ、それにより、色判定の均一性を向上させることができる。

図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態によれば、イメージセンサは、センサユニット１００Ａ／１００Ｂの複数のグループ、センサユニットのグループのそれぞれは、複数の感知部１０６、感知部１０６上に配置されたカラーフィルタ層１１０、およびカラーフィルタ層１１０上に配置されたマイクロレンズ１２２を含む。マイクロレンズ１２２は、正の曲率半径を含み、負の曲率半径を含むディッシュ構造１３０は、マイクロレンズ１２２内に形成される。

図１Ｂ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。具体的には、図１Ｂは、図１Ａのイメージセンサ１０のマイクロレンズ１２２およびディッシュ構造１３０の拡大図を示している。本開示のいくつかの実施形態によれば、ディッシュ構造１３０は、マイクロレンズ１２２の中心に配置され、マイクロレンズ１２２内にこのようなディッシュ構造１３０を製造するプロセスは、後で詳細に説明する。上述のように、マイクロレンズ１２２は、ディッシュ構造１３０が負の曲率半径を有することを除いて、一般的に正の曲率半径を有している。大きさに関しては、マイクロレンズ１２２の曲率半径Ｒ０は、ディッシュ構造１３０の曲率半径Ｒ１より大きい。いくつかの実施形態では、ディッシュ構造１３０の第１の深さＤ１（最大深さ）は、マイクロレンズ１２２の高さＨの約２５％から５０％の間である。ディッシュ構造１３０の第１の幅Ｗ１は、マイクロレンズ１２２の底部幅Ｗ０の約２０％から６０％の間である。

図１Ｃ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の上面図である。前述のように、センサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループのそれぞれは、２×２に配置された４つのセンサユニットを含み得る。センサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループは、その周囲を囲むパーティショングリッド構造１１２を含む。ディープトレンチアイソレーション構造１０４は、パーティショングリッド構造１１２（図示せず）の下に配置されることができ、さらに、２×２に配置されたセンサユニットを分離および定義する方法で配置されることもできる。カラーフィルタ層１１０は、パーティショングリッド構造１１２の内側の開口部を埋めることができる。マイクロレンズ１２２は、カラーフィルタ層１１０上に配置され、ディッシュ構造１３０は、マイクロレンズ１２２の中心に位置するマイクロレンズ１２２内に形成される。従来のマイクロレンズ１２２（ディッシュ構造１３０のない）は、入射光線を集めて、センサユニット１００Ａまたは１００Ｂのグループの中心点に焦点を合わせる。上述のように、ディッシュ構造１３０の存在は、マイクロレンズ１２２の連続的な曲率プロファイルを壊し、光スポット１４０を環状に分散させ、中心を中空のままにする。環状の光スポット１４０は、各感知部１０６（図示せず）が光信号をより効果的に検出し、それらのそれぞれの色を判定することを可能にする。プロセス変動の場合であっても、感知部１０６からの色判定は、大幅に少ない干渉を有することができる。

図２Ａ～図２Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、様々な中間製造段階におけるイメージセンサ１０の断面図である。図２Ａに示されるように、まず、ハードマスク層１５０が、マイクロレンズ材料層１２０の上に形成される。いくつかの実施形態では、ハードマスク層１５０は、任意の樹脂含有材料、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、ハードマスク層１５０は、マイクロレンズ材料層１２０の厚さより薄い厚さを有し得る。図２Ｂに示されるように、フォトリソグラフィパターンニングおよびエッチングを介して、ハードマスク層１５０は、ハードマスクパターン１５２に形成することができる。本開示のいくつかの実施形態によれば、ハードマスクパターン１５２は、その上にキャビティ１５４をそれぞれ有する長方形の形状である。図２Ｃに示されるように、リフロープロセスが行われ、ハードマスクパターン１５２をドーム形状に変え、その上にリフローされたキャビティ１５４をそれぞれ有する。図２Ｄに示されるように、ドライエッチングプロセスを介して、ハードマスクパターン１５２の形状は、マイクロレンズ材料層１２０の上部に完全に転写される。ドライエッチングプロセスの後、マイクロレンズ材料層１２０の上部は、ディッシュ構造１３０をそれぞれ有する複数のマイクロレンズ１２２となることができ、マイクロレンズ材料層１２０の下部は、 マイクロレンズのベース１２２となることもできる。

図３は、本開示のもう１つの実施形態による、イメージセンサアレイの上面図である。示されたイメージセンサアレイは例示的なものであり、限定することを意図するものではないことを理解されたい。光源が光線をイメージセンサアレイに照射したとき、光源は、通常、入射光線がアレイ面に垂直な方向で受光される、センサユニットの最も中心のグループに垂直な位置に配置される。センサユニットの最も中心のグループを囲む残りのセンサユニットのグループは、アレイ面に対して傾斜した方向でのみ入射光線を受光することができる。傾斜した入射光線は、周囲のセンサユニットのグループの中心点からずれた位置に集光する可能性がある。中心点からずれた光スポットを補償するために、周囲のセンサユニットのグループに配置されたマイクロレンズ１２２は、センサユニットの最も中心のグループに向かって意図的にシフトされ得る。周囲のセンサユニットのグループのマイクロレンズ１２２のシフトされた量は最小であるため、それは図３には特に示されていない。しかしながら、周囲のセンサユニットのグループのマイクロレンズ１２２内のディッシュ構造１３０も、それに応じてシフトされ得る。

図３に示すように、センサユニットの最も中心のグループ内のディッシュ構造１３０は、その対応するマイクロレンズの中心に残っている。しかしながら、周囲のセンサユニットのグループ内のディッシュ構造１３０は全て、それらの対応するマイクロレンズの中心からセンサユニットの最も中心のグループに向かってシフトされる。センサユニットの最も中心のグループに対するディッシュ構造１３０の位置に応じて、ディッシュ構造１３０は、センサユニットの最も中心のグループに向かって水平、垂直、または水平および垂直の両方（対角線など）にシフトされ得る。 マイクロレンズ１２２およびディッシュ構造１３０のシフトされた量は、それらがセンサユニットの最も中心のグループからどれだけ離れているかに応じて変わり得ることに留意されたい。例えば、ディッシュ構造１３０および／またはマイクロレンズ１２２は、それらがセンサユニットの最も中心のグループに近いときはより小さい量で、それらがセンサユニットの最も中心のグループに遠いときはより大きい量で意図的にシフトされ得る。 本開示のいくつかの実施形態によれば、ディッシュ構造１３０は、それらの対応するマイクロレンズ１２２の中心から距離Ｄでオフセットされることができ、距離Ｄは、中心からの画素サイズの約０％から３５％の間である。 画像センサアレイおよび光線の発光の配置に応じて、マイクロレンズ１２２およびディッシュ構造１３０は、同じ量または異なる量でシフトされることができる。

図４Ａは、本開示のいくつかのもう１つの実施形態による、もう1つのイメージセンサ２０の断面図である。イメージセンサ２０は、図３からの周囲のセンサユニットのグループがどのように見えるかを示している。図１Ａに示されたイメージセンサ１０と比較して、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループのマイクロレンズ１２２内に形成されたディッシュ構造１３０は、それらの対応するマイクロレンズ１２２の中心からオフセットされている。また、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループのマイクロレンズ１２２もわずかに右にずれていることに留意されたい。イメージセンサ２０の基板１０２、複数のディープトレンチアイソレーション構造１０４、複数の感知部１０６、カラーフィルタ層１１０、パーティショングリッド構造１１２、および遮光構造１１４の特徴は、イメージセンサ１０の特徴と同様であり、繰り返しを避けるために、ここでは詳細を再度説明しない。

図４Ａに示すように、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループがイメージセンサアレイの中心から離れて（例えば、縁に向かって）配置されているとき、特定の傾斜角の入射光Ｌ４のみが受光されることができる。入射光Ｌ４が正の曲率半径のマイクロレンズ１２２を透過したとき、入射光Ｌ４は、右センサユニット１００Ａ－Ｒおよび右センサユニット１００Ｂ－Ｒの感知部１０６上に形成された光スポット１４０に集光し、受光される。一方、入射光Ｌ４が負の曲率半径のディッシュ構造１３０を透過したとき、入射光Ｌ４は、センサユニット１００Ａおよび１００Ｂのグループの中心点から発散し、左センサユニット１００Ａ－Ｌおよび左センサユニット１００Ｂ－Ｌの感知部１０６上に光スポット１４０を形成し、受光される。ディッシュ構造１３０がそれらの対応するマイクロレンズ１２２の中心に残っていた場合、入射光Ｌ４は、左センサユニット１００Ａ－Ｌおよび左センサユニット１００Ｂ－Ｌによって適切に受光されない可能性がある。実際、ディッシュ構造１３０をそれらの対応するマイクロレンズ１２２の中心に維持することは、入射光Ｌ４の一部を、左センサユニット１００Ａ－Ｌおよび左センサユニット１００Ｂ－Ｌの感知部１０６から外方へ偏向させる可能性がある。従って、本開示の設計は、傾斜した入射光線に対応することもできるため、色判定の均一性を向上させる。

図１Ａおよび図４Ａに示すように、いくつかの実施形態によれば、イメージセンサは、センサユニットの第１のグループ、およびセンサユニットの第２のグループを含み、センサユニットの第１のグループおよびセンサユニットの第２のグループのそれぞれが、複数の感知部１０６、感知部１０６上に配置されたカラーフィルタ層１１０、およびカラーフィルタ層１１０上に配置されたマイクロレンズ１２２を含む。マイクロレンズ１２２は、正の曲率半径を含む。イメージセンサは、センサユニットの第１のグループのマイクロレンズ１２２内に形成された第１のディッシュ構造も含み、第１のディッシュ構造は、センサユニットの第１のグループのマイクロレンズ１２２の中心に位置する負の曲率半径を含む。イメージセンサは、センサユニットの第２のグループのマイクロレンズ１２２内に形成された第２のディッシュ構造をさらに含み、第２のディッシュ構造は、負の曲率半径を含み、第２のディッシュ構造は、センサユニットの第２のグループのマイクロレンズ１２２の中心からオフセットされる。

図４Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサ２０の断面図である。具体的には、図４Ｂは、図４Ａからのイメージセンサ２０のマイクロレンズ１２２およびディッシュ構造１３０の拡大図を示している。本開示のいくつかの実施形態によれば、ディッシュ構造１３０は、マイクロレンズ１２２の中心からオフセットされている。上述のように、マイクロレンズ１２２は、ディッシュ構造１３０が負の曲率半径を有することを除いて、一般的に正の曲率半径を有している。大きさに関しては、マイクロレンズ１２２の曲率半径Ｒ０は、ディッシュ構造１３０の曲率半径Ｒ２より大きい。いくつかの実施形態では、ディッシュ構造１３０の第２の深さＤ２（最大深さ）は、マイクロレンズ１２２の高さＨの約２０％から４０％の間である。ディッシュ構造１３０の第２の幅Ｗ２は、マイクロレンズ１２２の底部幅Ｗ０の約２０％から６０％の間である。

図４Ｂにさらに示すように、図１Ｂと比較して、マイクロレンズ１２２の中心に位置するディッシュ構造１３０の曲率半径Ｒ１およびマイクロレンズ１２２の中心からオフセットされたディッシュ構造１３０の曲率半径Ｒ２は、同じである。他の実施形態では、曲率半径Ｒ１および曲率半径Ｒ２は異なってもよい。さらに、設計要件に応じて、第１の深さＤ１および第１の幅Ｗ１は、第２の深さＤ２および第２の幅Ｗ２とそれぞれ同じであってもよい。その他の実施形態では、第１の深さＤ１および第１の幅Ｗ１は、第２の深さＤ２および第２の幅Ｗ２とそれぞれ異なってもよい。図１Ｂおよび図４Ｂに示されたディッシュ構造１３０の寸法は、あらゆる方向からの入射光線が、全ての感知部１０６上の光スポット１４０に適切に集光され、受光することができるように設計されることができ、これにより、色判定の均一性を向上させることができる。

前述の内容は、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、保護の範囲は特許請求の範囲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。

１０、２０ イメージセンサ
１００Ａ、１００Ｂ センサユニット
１００Ａ－Ｌ 左センサユニット
１００Ａ－Ｒ 右センサユニット
１００Ｂ－Ｌ 左センサユニット
１００Ｂ－Ｒ 右センサユニット
１０２ 基板
１０４ ディープトレンチアイソレーション構造
１０６ 感知部
１１０ カラーフィルタ層
１１２ パーティショングリッド構造
１１４ 遮光構造
１２０ マイクロレンズ材料層
１２２ マイクロレンズ
１２４ トップフィルム
１３０ ディッシュ構造
１４０ 光スポット
１５０ ハードマスク層
１５２ ハードマスクパターン
１５４ キャビティ
Ｄ 距離
Ｄ１ 第１の深さ
Ｄ２ 第２の深さ
Ｈ 高さ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 入射光
Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２ 曲率半径
Ｗ０ 底部幅
Ｗ１ 第１の幅
Ｗ２ 第１の幅

Claims (6)

1. センサユニットの第１のグループ、および
   センサユニットの第２のグループであって、前記第１のグループの周囲を取り囲むように配置される第２のグループを含み、
   前記センサユニットの第１のグループおよび前記センサユニットの第２のグループのそれぞれは、複数の感知部、前記感知部に配置されたカラーフィルタ層、および前記カラーフィルタ層上に配置され、前記複数の感知部の上に設けられる１つのマイクロレンズを含み、
   前記マイクロレンズは正の曲率半径を含み、
   前記センサユニットの第１のグループの前記マイクロレンズ内に１つのマイクロレンズに対して１つの第１のディッシュ構造が形成され、前記第１のディッシュ構造は、前記センサユニットの第１のグループの前記マイクロレンズの中心に位置する負の曲率半径を含み、且つ
   前記センサユニットの第２のグループの前記マイクロレンズ内に１つのマイクロレンズに対して１つの第２のディッシュ構造が形成され、前記第２のディッシュ構造は、前記負の曲率半径を含み、前記第２のディッシュ構造は、前記センサユニットの第２のグループの前記マイクロレンズの中心から前記第１のグループの方向に向かってオフセットされるイメージセンサ。
2. 前記マイクロレンズの曲率半径は、前記第１のディッシュ構造の曲率半径と異なり、前記マイクロレンズの曲率半径は、前記第２のディッシュ構造の曲率半径と異なる請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記第１のディッシュ構造および第２のディッシュ構造は、同じ曲率半径または異なる曲率半径を有する請求項２に記載のイメージセンサ。
4. 前記第２のディッシュ構造は、上面図から水平、垂直、または斜めに前記センサユニットの第２のグループの前記マイクロレンズの中心から、オフセットされる請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記マイクロレンズ上および前記第１のディッシュ構造または前記第２のディッシュ構造内にコンフォーマルに配置されたトップフィルムをさらに含み、前記トップフィルムの屈折率は前記マイクロレンズの屈折率より低く、前記トップフィルムの前記屈折率は空気の屈折率より高い請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記カラーフィルタ層内のパーティショングリッド構造および前記パーティショングリッド構造内に埋め込まれた遮光構造をさらに含み、基板は、前記複数の感知部を分離する複数のディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造を含み、前記複数の感知部は、前記基板内に埋め込まれる請求項１に記載のイメージセンサ。
   

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