特許 5965448 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5965448

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/14 20060101AFI20160721BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 D

   H04N5/335 690

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-194610(P2014-194610)

(22)【出願日】2014年9月25日

(65)【公開番号】特開2015-216342(P2015-216342A)

(43)【公開日】2015年12月3日

【審査請求日】2014年9月25日

(31)【優先権主張番号】14/271,815

(32)【優先日】2014年5月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507296388

【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105946

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 富彦

(72)【発明者】

【氏名】塗 宗儒

(72)【発明者】

【氏名】蕭 玉焜

【審査官】 西出 隆二

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０３１１６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−０１６６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４０４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２４３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０５１４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトセンシング素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に設置され、第一屈折率を有するパッシベーション層と、
前記パッシベーション層上に設置され、前記フォトセンシング素子と配列し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)、および、白(Ｗ)から構成される群から選択される色と、第二屈折率を有する色パターンと、
前記色パターンと前記パッシベーション層の少なくともひとつに設置され、第三屈折率を有し、前記第三屈折率が前記第一屈折率、または、前記第二屈折率より大きく、前記第三屈折率と前記第一屈折率間の第一差異は、少なくとも０．２、および、前記第三屈折率と前記第二屈折率間の第二差異は、少なくとも０．２である電磁波誘導素子と、を含み、
前記電磁波誘導素子の上面と側面の少なくとも一部が前記色パターンで覆われる、
ことを特徴とする撮像装置。

【請求項2】

前記第三屈折率と前記第一屈折率間の前記第一差異は、０．２−１．３であり、前記第三屈折率と前記第二屈折率間の前記第二差異は、０．２−１．３であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記電磁波誘導素子は、断面図で、スタッド、半円形、または、逆Ｔ形状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記電磁波誘導素子は、上から見て、円形、多角形、または、十字型であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記電磁波誘導素子は、前記色パターンと前記パッシベーション層の少なくともひとつの中央部分上に位置し、前記電磁波誘導素子は第一表面積を有し、前記電磁波誘導素子下の前記フォトセンシング素子は第二表面積を有し、前記第一表面積と前記第二表面積の比率は、２５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項6】

前記色パターン上に設置されるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズ上に設置される反射防止層と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記マイクロレンズと前記色パターン間に設置され、第四屈折率を有する下層を更に備え、前記電磁波誘導素子が、前記下層の一部に設置され、前記第三屈折率は、前記第四屈折率より大きく、前記第三屈折率と前記第四屈折率間の第三差異は、少なくとも０．２であることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記色パターンと前記パッシベーション層間に設置され、第五屈折率を有する反射防止層を更に備え、前記電磁波誘導素子が、前記反射防止層の一部に設置され、前記第三屈折率は前記第五屈折率より大きく、前記第三屈折率と前記第五屈折率間の第四差異は、少なくとも０．２であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項9】

前記色パターンと前記パッシベーション層間に設置され、第六屈折率を有する抗漏電層を更に備え、前記電磁波誘導素子が、前記抗漏電層の一部に設置され、前記第三屈折率は、前記第六屈折率より大きく、前記第三屈折率と前記第六屈折率間の第五差異は、少なくとも０．２であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項10】

前記電磁波誘導素子は前記色パターン中に設置され、且つ、前記パッシベーション層中に延伸し、前記電磁波誘導素子は、前記パッシベーション層中に設置され、且つ、さらに、前記色パターン中に延伸することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像装置に関するものであって、特に、隣接画素間でエネルギー分散が減少する撮像装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

撮像装置は、デジタルカメラ、携帯電話や玩具を含む多くの光電子工学装置において不可欠の素子である。従来の撮像装置は、電荷結合素子(ＣＣＤ) 撮像素子と相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ)画像素子両方を含む。

【0003】

撮像装置は、通常、画素セルの面アレイを含み、各画素セルは、フォトゲート、光伝導体、または、フォト生成電荷を累積するドープ領域を有するフォトダイオードを有する。異なる色、たとえば、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、または、青(Ｂ)の染料の周期性パターンは、画素セルの面アレイに重ねられる。このパターンは、カラーフィルターアレイ (ＣＦＡ)として知られている。方形、または、円形の複数のマイクロレンズは、カラーフィルターアレイ (ＣＦＡ) 上に任意で重ねられて、光線を、各画素セルの一初期電荷集積領域に集める。 マイクロレンズを用いることにより、撮像装置の感度が大幅に改善される。

【0004】

しかし、撮像装置中の画素セルのサイズを減少させる趨勢のため、マイクロレンズを通過し、ひとつの画素の中央で集光する入射光のエネルギー（つまり、電磁波）は、隣接する画素中で分散、または、屈折し、これにより、撮像装置中の画素セルの機能不良と感度低下を招く。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明は、撮像装置を提供し、撮像装置中の隣接画素間で発生する入射光のエネルギー（すなわち、電磁波）分散により生じる撮像装置の画素セルの機能不良、および、感度低下を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様による撮像装置は、フォトセンシング素子を有する半導体基板、および
半導体基板上に設置され、第一屈折率を有するパッシベーション層を備えている。色パターンがパッシベーション層上に設置され、色パターンはフォトセンシング素子と配列し、且つ、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)、および、白(Ｗ)から構成される群から選択される色、および、第二屈折率を有する。電磁波誘導素子が色パターンとパッシベーション層の少なくともひとつ中に設置され、電磁波誘導素子は第三屈折率を有し、第三屈折率は、第一屈折率、または、第二屈折率より大きく、および、第三屈折率と第一屈折率間の第一差異は、少なくとも０．２、第三屈折率と第二屈折率間の第二差異は、少なくとも０．２である。

【0007】

一態様において、撮像装置は、さらに、抗漏電層を有し、色パターンとパッシベーション層間に設置され、第四屈折率を有し、第三屈折率は第四屈折率より大きく、差異は、少なくとも０．２である。

【0008】

別の態様において、撮像装置は、さらに、反射防止層を有し、色パターンとパッシベーション層間に設置され、第五屈折率を有し、第三屈折率は第四屈折率より大きく、差異が、少なくとも０．２である。

【0009】

さらに別の態様において、撮像装置は、さらに、マイクロレンズと色パターン間に設置される下層を有する。

【0010】

別の態様において、撮像装置は、さらに、マイクロレンズ上に設置される反射防止膜を有する。

【発明の効果】

【0011】

撮像装置の画素セルの機能不良、および、感度低下を解決する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態による撮像装置の断面図である。

【図2】図１の撮像装置の上面図である。

【図3】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図4】図３の撮像装置の上面図である。

【図5】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図6】図５の撮像装置の上面図である。

【図7】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図8】図７の撮像装置の上面図である。

【図9】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図10】図９の撮像装置の断面図である。

【図11】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図12】図１１の撮像装置の上面図である。

【図13】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図14】図１３の撮像装置の上面図である。

【図15】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図16】図１５の撮像装置の上面図である。

【図17】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図18】図１７の撮像装置の上面図である。

【図19】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図20】図１９の撮像装置の上面図である。

【図21】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図22】図２１の撮像装置の上面図である。

【図23】本発明のさらに別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図24】図２３の撮像装置の上面図である。

【図25】本発明の別の実施形態による撮像装置の断面図である。

【図26】本発明の一実施形態による 撮像装置に用いるカラーフィルターアレイの上面図である。

【図27】本発明の別の実施形態による撮像装置に用いるカラーフィルターアレイの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明が充分理解できるように、次に添付図面を参照しながら発明を説明する。
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態についての説明及び添付図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【0014】

図１は、本発明の態様による撮像装置１００の断面図である。撮像装置１００は、複数のフォトセンシング素子１０４を有する半導体基板１０２と、半導体基板１０２上に形成される複数の遮光金属１０８を有するパッシベーション層１０６と、パッシベーション層１０６上の複数の電磁波誘導素子１５０と、パッシベーション層１０６上の複数の色パターン１１０、１１２、１１４と、色パターン１１０、１１２、１１４上の複数のマイクロレンズ１１６とを有する。

【0015】

図１に示されるように、半導体基板１０２は、たとえば、シリコン基板で、フォトセンシング素子１０４は、たとえば、半導体基板１０２上に別々に形成されたフォトダイオードである。パッシベーション層１０６は、フォトセンシング素子１０４と外部回路（図示しない）間に、たとえば、相互接続構造（図示しない）を形成する誘電材（図示しない）と導体素子（図示しない）を含むが、フォトセンシング素子を含まない単一層、または、複合層である。パッシベーション層１０６中の遮光金属１０８は、それぞれ、半導体基板１０２上のフォトセンシング素子１０４を被覆しない場所に形成され、これにより、フォトセンシング素子１０４の領域を除く画素の領域を遮蔽する遮光領域、および、フォトセンシング素子１０４の領域を露出する開口領域を定義する。このほか、パッシベーション層１０６上の電磁波誘導素子１５０が、フォトセンシング素子１０４のひとつ上で、且つ、フォトセンシング素子１０４のひとつの中央部分の場所に形成される。

【0016】

さらに、図１に示されるように、パッシベーション層１０６上に位置する色パターン１１０、１１２、１１４も、フォトセンシング素子１０４のひとつ上に形成されて、パッシベーション層１０６上の電磁波誘導素子１５０のひとつを完全に被覆すると共に、それぞれ、電磁波誘導素子１５０のひとつと照準する。色パターン１１０、１１２、１１４上のマイクロレンズ１１６は、フォトセンシング素子１０４のひとつ上に形成される。一実施形態において、色パターン１１０、１１２、１１４は、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)、および、白(Ｗ)から構成される群から選択される同色、または、異なる色の感光性カラーレジストを有し、たとえば、スピンコート、および、フォトリソグラフィプロセスにより形成される。

【0017】

図１に示されるように、電磁波誘導素子１５０は、長方形のスタッド断面を有し、任意の透光材料を含む。電磁波誘導素子１５０の屈折率 (n)は、隣接する色パターン１１０、１１２、および、１１４ より大きく、少なくとも０．２の差異を有する。一態様において、電磁波誘導素子１５０の屈折率 (n)と色パターン１１０、１１２、および、１１４の屈折率 (n) は、約０．２−１．３の差異がある。このほか、電磁波誘導素子１５０上面は、色パターン１１０、１１２、および、１１４の高さＨの半分より低い。電磁波誘導素子１５０は、色パターン１１０、１１２、および、１１４の形成前に、パッシベーション層１０６上に形成することができる。

【0018】

したがって、撮像装置１００内の電磁波誘導素子１５０の形成のため、マイクロレンズ１１６を通過する入射光 (図示しない)は下向けに、下方のフォトセンシング素子１０４に集光され、その後、色パターン１１０、１１２、または、１１４中に形成される電磁波誘導素子１５０により導かれ、下方に、フォトセンシング素子１０４に伝送されて、よって、撮像装置１００中の画素セルの臨界サイズSがさらに減少する間、集められた光線は、隣接する別の画素セルの色パターン、および／または、フォトセンシング素子に分散、または、屈折しない。よって、撮像装置１００の画素セルのサイズが減少しても、撮像装置１００の画素セルの機能性と感度が確保される。

【0019】

図２は、図１の撮像装置１００の上面図で、図１の撮像装置１００の断面は図２の線１−１に沿ったものである。簡潔にするため、図２中では、撮像装置１００のフォトセンシング素子１０４、色パターン１１０、１１２、１１４、および、電磁波誘導素子１５０だけが示される。図２に示されるように、上から見ると、電磁波誘導素子１５０は長方形である。このほか、電磁波誘導素子１５０の表面積は、フォトセンシング素子１０４より小さいので、電磁波誘導素子１５０の表面積とフォトセンシング素子１０４の表面積の比率は、25%未満である。

【0020】

しかし、電磁波誘導素子１５０の形状は図１−図２に限定されず、別の実施形態の撮像装置において、電磁波誘導素子１５０は別の形状を有する。

【0021】

図３は、別の実施形態の撮像装置１００の断面図である。図３に示される撮像装置１００中の素子は、図３に示される電磁波誘導素子１５０が、断面図で、半円形状を有することを除いて、図１と同じである。

【0022】

このほか、図４は、図３の撮像装置１００の上面図で、図３の撮像装置１００の断面は、図４の線３−３に沿う。簡潔にするため、撮像装置１００のフォトセンシング素子１０４、色パターン１１０、１１２、１１４、および、電磁波誘導素子１５０だけが図４に示される。図４に示されるように、電磁波誘導素子１５０は、上から見て、円形である。このほか、電磁波誘導素子１５０の表面積は、フォトセンシング素子１０４より小さいので、電磁波誘導素子１５０の表面積とフォトセンシング素子１０４の表面積の比率は、25%未満である。

【0023】

図５は、さらに別の実施形態の撮像装置１００の断面図である。図５に示される撮像装置１００中の素子は、図５の電磁波誘導素子１５０が、断面図で、多角形スタッド形状を有することを除いて、図１と同じである。

【0024】

このほか、図６は、図５の撮像装置１００の上面図で、図５の撮像装置１００の断面は図６の線５−５に沿ったものである。簡潔にするため、撮像装置１００のフォトセンシング素子１０４、色パターン１１０、１１２、１１４、および、電磁波誘導素子１５０だけが図６に示されている。

【0025】

図６に示されるように、電磁波誘導素子１５０は、上から見て、多角形（たとえば、八角形）である。このほか、電磁波誘導素子１５０の表面積は、フォトセンシング素子１０４より小さいので、電磁波誘導素子１５０の表面積とフォトセンシング素子１０４の表面積の比率は、25%未満である。

【0026】

図７は、別の実施形態の撮像装置１００の断面図である。図７に示される撮像装置１００中の素子は、図７に示される電磁波誘導素子１５０が、断面図で、逆Ｔ形状を有することを除いて、図１と同じである。

【0027】

このほか、図８は、図８の撮像装置１００の上面図で、図７の撮像装置１００の断面は、図８の線７−７に沿ったものである。簡潔にするため、撮像装置１００のフォトセンシング素子１０４、色パターン１１０、１１２、１１４、および、電磁波誘導素子１５０だけが図８に示される。

【0028】

図８に示されるように、電磁波誘導素子１５０は、上から見ると、十字型である。このほか、電磁波誘導素子１５０の表面積は、フォトセンシング素子１０４より小さいので、電磁波誘導素子１５０の表面積とフォトセンシング素子１０４の表面積の比率は、25%未満である。

【0029】

さらに、電磁波誘導素子１５０の形状と位置は、図１から図８に限定されず、別の態様の撮像装置において、電磁波誘導素子１５０は、別の設定と位置を有する。

【0030】

図９、図１１、図１３、および、図１５は、別の実施形態の撮像装置１００の断面図である。図９、図１１、図１３、および、図１５中に示される撮像装置１００の素子は、図９、図１１、図１３、および、図１５中に示される電磁波誘導素子１５０がさらに、下方に、パッシベーション層１０６に延伸し、且つ、それぞれ、下方のフォトセンシング素子１０４のひとつと接触することを除いて、それぞれ、図１、図３、図５、および、図７と同じである。図１０、図１２、図１４、および、図１６は、それぞれ、図９、図１１、図１３、および、図１５中の撮像装置１００の上面図で、図９、図１１、図１３、および、図１５中の撮像装置１００の断面は、それぞれ、図１０の線９−９、図１２の線１１−１１、図１４の線１３−１３、図１６の線１５−１５に沿ったものである。

【0031】

さらに、電磁波誘導素子１５０の形状と位置は、図１から図８、および、図９から図１６に限定されず、別の態様の撮像装置において、電磁波誘導素子１５０は、別の設定と位置を有する。

【0032】

図１７、図１９、図２１、および、図２３は、別の実施形態の撮像装置１００の断面図である。図１７、図１９、図２１、および、図２３に示される撮像装置１００中の素子は、図１７、図１９、図２１、および、図２３に示される電磁波誘導素子１５０がパッシベーション層１０６中だけに形成され、且つ、下方のフォトセンシング素子１０４に接触するが、それぞれ、上向けに、色パターン１１０、１１２、および、１１４に延伸しないことを除いて、それぞれ、図９、図１１、図１３、および、図１５と同じである。図１８、図２０、図２２、および、図２４は、それぞれ、図１７、図１９、図２１、および、図２３の撮像装置１００の上面図で、図１７、図１９、図２１、および、図２３中の撮像装置１００の断面は、図１８の線１７−１７、図２０の線１９−１９、図２２の線２１−２１、および、図２４の線２３−２３に沿ったものである。

【0033】

さらに、撮像装置の形状は、図１から図８、図９から図１６、および、図１７から図２に限定されず、撮像装置中にその他の素子を提供し、機能性、および／または、感度を改善することができる。

【0034】

図２５は、本発明の実施形態による撮像装置１００の断面図で、図１から図８、図９から図１６、および、図１７から図２４と異なるその他の素子を有する。実施形態の撮像装置１００の素子は、抗漏電層１６０、反射防止層１７０、下層１８０、および、反射防止膜１９０が、図２５に示される撮像装置に任意で提供されることを除いて、図１と同じである。一態様において、抗漏電層１６０、反射防止層１７０、下層１８０、および、反射防止膜１９０は、単一膜で形成されるか、または、複数のスタック膜を含む膜スタックである。抗漏電層１６０、反射防止層１７０、下層１８０、および、反射防止膜１９０は、図３から図８、図９から図１６、および、図１７から図２４に示される撮像装置にも提供されるが、簡潔にするため説明しない。一旦、抗漏電層１６０ 、および／または、反射防止層１７０が、図９から図２４に示される撮像装置の色パターン１１０、１１２、および、１１４とパッシベーション層１６０間に任意で形成されると、電磁波誘導素子１５０も、抗漏電層１６０、および／または、反射防止層１７０の一部内に形成される。同様に、任意の抗漏電層１６０ 、および／または、反射防止層１７０中に形成される電磁波誘導素子１５０を有する撮像装置において、電磁波誘導素子１５０の屈折率(ｎ)は、任意の抗漏電層１６０、および／または、反射防止層１７０より大きく、少なくとも０．２の差異を有する。

【0035】

図２５に示されるように、抗漏電層１６０、および／または、反射防止層１７０は、色パターン１１０、１１２、および、１１４とパッシベーション層１６０間に任意で形成され、下層１８０が、マイクロレンズ１１６と色パターン１１０、１１２、および、１１４間に任意で形成され、 反射防止膜１９０は、マイクロレンズ１１６上面に任意で形成される。

【0036】

図２６は、図１−図２５に示される撮像装置に適用するカラーフィルターアレイの上面図である。図２６に示されるように、カラーフィルターアレイは、Ｘ方向に交錯して配列、設置される複数のユニットパターン２００と３００を有する。一実施形態において、ユニットパターン２００と３００は2X2 カラーフィルターアレイとして示され、異なる設置状況を有する赤(Ｒ)、青(Ｂ)と緑(Ｇ)カラーフィルターを有する。

【0037】

図２７は、図１−図２５に示される撮像装置に適用するカラーフィルターアレイの上面図である。図２７に示されるように、カラーフィルターアレイは、Ｘ方向に交錯して配列、設置される複数のユニットパターン２００と３００を有する。一実施形態において、ユニットパターン２００と３００は2X2 カラーフィルターアレイとして示され、異なる設置状況を有する赤(Ｒ)、青(Ｂ)、緑(Ｇ)、および、透明/白(Ｗ)のカラーフィルターを有する。

【0038】

しかし、本発明の撮像装置は、図２６−図２７に示されるカラーフィルターと異なる配列を有し、図２６−図２７に示されるものに限定されない。

【0039】

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

【符号の説明】

【0040】

100〜撮像装置；
102〜半導体基板；
104〜フォトセンシング素子；
106〜パッシベーション層；
108〜遮光金属；
110、112、114〜色パターン；
116〜マイクロレンズ；
150〜電磁波誘導素子；
160〜抗漏電層
170〜反射防止層；
180〜下方層；
190〜反射防止膜；

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】