特許 6243498 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6243498

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20171127BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20171127BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20171127BHJP

   G02B 5/20 20060101ALN20171127BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 D

   H04N5/369

   G02B3/08

   !G02B5/20 101

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-185256(P2016-185256)

(22)【出願日】2016年9月23日

【審査請求日】2016年9月23日

(31)【優先権主張番号】15/174,139

(32)【優先日】2016年6月6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】林 國峰

(72)【発明者】

【氏名】蕭 玉焜

(72)【発明者】

【氏名】謝 錦全

【審査官】 鈴木 肇

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０５９６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１５７３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０７８０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２０９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６６７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０９８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４７２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０２７８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２８４５１０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｇ０２Ｂ ３／０８

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

Ｇ０２Ｂ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

感光素子を含む半導体基板、
前記半導体基板上に配置された不動態層、および
前記不動態層上に配置され、
第１の幅を有する第１のループ、
前記第１のループを囲み、前記第１の幅より小さい第２の幅を有する第２のループと、
前記第１と第２のループを囲み、前記第２の幅より小さい第３の幅を有する第３のループを含む集光素子を含み、
前記集光素子は、前記感光素子と位置整合し、前記第１、第２、および第３のループは異なる屈折率を含み、
前記第１のループは、約１．４〜１．７の屈折率を有し、前記第２のループは、約１．７〜２．０の屈折率を有し、前記第３のループは、約２．０〜２．５の屈折率を有し、前記第１、第２、および第３のループは、前記不動態層上に離間して個別に形成される撮像装置。

【請求項2】

前記第１、第２、および第３のループは、同心円状のループであり、前記第１、第２、および第３のループは、フレネルゾーンプレートを形成し、且つ上面から見て円形のループである請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記不動態層と前記集光素子との間に配置されたカラーパターンを更に含み、前記カラーパターンは、前記感光素子と前記集光素子と位置整合し、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、および白色（Ｗ）からなるグループから選択された色を有する請求項１に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記第１のループは、ケイ素酸化物、フッ化バリウム、またはフッ化カルシウムを含み、前記第２のループは、酸化マグネシウム、またはべリリアを含み、前記第３のループは、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または酸化チタンを含む請求項１に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記不動態層上、且つ前記第１、第２、および第３のループの間に配置された緩衝層を更に含み、
前記緩衝層は、約１．２〜１．７の屈折率を有し、フッ化マグネシウム、フッ化ナトリウム、またはフッ化ストロンチウムを含み、且つ
前記緩衝層の上面は、前記第１、第２、および第３のループの上面の下、同じ高さ、または上にある請求項１に記載の撮像装置。

【請求項6】

前記第１、第２、および第３のループのそれぞれは、内側サブ層から外側サブ層に減少する異なる屈折率を有する複数のサブ層を含む請求項１に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記第１のループの前記サブ層は、同じ幅を有し、前記第２のループの前記サブ層は、同じ幅を有し、前記第３のループの前記サブ層は、同じ幅を有する請求項６に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記第１、第２、および第３のループの前記サブ層の前記内側サブ層は、約２．０〜２．５の屈折率を有し、前記第１、第２、および第３のループの前記サブ層の前記外側サブ層は、約１．４〜１．７の屈折率を有する請求項６に記載の撮像装置。

【請求項9】

前記不動態層上、且つ前記第１、第２、および第３のループの間に配置された緩衝層を更に含み、
前記緩衝層は、約１．２〜１．７の屈折率を有し、フッ化マグネシウム、フッ化ナトリウム、またはフッ化ストロンチウムを含み、且つ
前記緩衝層の上面は、前記第１、第２、および第３のループの上面の下、同じ高さ、または上にある請求項６に記載の撮像装置。

【請求項10】

前記第１のループの前記サブ層は、内側サブ層から外側サブ層に減少する異なる高さを有し、前記第２のループの前記サブ層は、内側サブ層から外側サブ層に減少する異なる高さを有し、且つ前記第３のループの前記サブ層は、内側サブ層から外側サブ層に減少する異なる高さを有する請求項７に記載の撮像装置。

【請求項11】

前記第１、第２、および第３のループの前記内側サブ層は、約６００〜８００ｎｍの高さを有し、前記第１、第２、および第３のループの前記外側サブ層は、約２００〜４００ｎｍの高さを有する請求項１０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、撮像装置に関し、特に、向上された量子効率を有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、およびおもちゃを含む多くの光電機器に必要な構成要素である。従来の撮像装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ、および相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサを含む。

【0003】

撮像装置は、通常、画素セルの平面アレイを含み、各画素セルは、フォトゲート、光導電体、または光電荷を蓄積するドープ領域を有するフォトダイオードを含む。赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、または青色（Ｂ）などの異なる色の染料の周期性パターンは、画素セルの平面アレイ上に重ねられる。このパターンはカラーフィルターアレイ（ＣＦＡ）として知られる。複数の方形または円形のマイクロレンズがカラーフィルターアレイ上に選択的に重ねられ、光を各画素セルの1つの電荷蓄積領域に集光させる。マイクロレンズの使用は、イメージセンサの光感度を著しく改善させることができる。

【0004】

しかしながら、マイクロレンズを通過した入射光は、画素の感光素子の深部領域に集光されることができないため、撮像装置の画素セルの量子効率は、制限されることになり、マイクロレンズの使用で増加されることができない。従って、画素セルの量子効率は制限され、画素セルの感度も制限される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従って、撮像装置の量子効率と感度を改善した撮像装置が提供される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

例示的な撮像装置は、半導体基板、不動態層、および集光素子を含む。半導体基板は、感光素子を含み、不動態層は、半導体基板上に配置される。集光素子は、不動態層上に配置され、第１、第２、および第３のループを含む。第１のループは、第１の幅を有する。第２のループは、第１のループを囲み、第１の幅より小さい第２の幅を有する。第３のループは、第１と第２のループを囲み、第２の幅より小さい第３の幅を有する。集光素子は、感光素子と位置整合し、第１、第２、および第３のループは異なる屈折率を含む。

【0007】

詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。

【図1】本発明の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図2】図１の撮像装置の電場のシミュレーション画像を示している。

【図3】図１の撮像装置を示す上面概略図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図5】図４の撮像装置を示す上面概略図である。

【図6】本発明の更に他の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図7】図６の撮像装置の電場のシミュレーション画像を示している。

【図8】図６の撮像装置を示す上面概略図である。

【図9】本発明の他の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図10】図９の撮像装置を示す上面概略図である。

【図11】本発明の更に他の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図12】図１１の撮像装置を示す上面概略図である。

【図13】本発明の更に他の実施形態に係る、撮像装置を示す断面概略図である。

【図14】図１３の撮像装置を示す上面概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の説明は、本発明を実施するベストモードが開示されている。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。

【0010】

図１は、例示的な撮像装置１００を示す断面概略図である。撮像装置１００は、その中に形成された感光素子１０４を有する半導体基板１０２、半導体基板１０２上のその中に形成された複数の遮光金属１０８を有する不動態層１０６、不動態層１０６上のカラーパターン１１０、およびカラーパターン１１０上の集光素子１１６を含む。

【0011】

図１に示されるように、半導体基板１０２は、例えば、シリコン基板であることができ、感光素子１０４は、例えば、半導体基板１０２に形成されたフォトダイオードであることができる。不動態層１０６は、例えば、感光素子１０４と外部回路（図示されていない）との間の相互接続構造を形成する誘電材料（図示されていない）と導電素子（図示されていない）を含む単一層または複合層であることができるが、しかし、その中に感光素子を含まない。不動態層１０６に形成された遮光金属１０８は、半導体基板１０２上の感光素子１０４をカバーしていない箇所で半導体基板１０２上にそれぞれ形成されるため、感光素子１０４の領域以外の画素の領域を遮光する遮光領域を画定し、且つ感光素子１０４の領域を露出する開口領域を画定する。

【0012】

また、図１に示されるように、不動態層１０６上のカラーパターン１１０も感光素子１０４上に形成され、感光素子と位置整合する。カラーパターン１１０上の集光素子１１６は、感光素子１０４上に形成され、入射光を感光素子１０４に集光し、伝送する。１つの実施形態では、カラーパターン１１０は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、および白色（Ｗ）からなるグループから選択された同じ色、または異なる色の感光性カラーレジストを含むことができ、例えば、スピンコーティング、およびフォトリソグラフィープロセスによって形成されることができる。

【0013】

図１に示されるように、集光素子１１６は、カラーパターン１１０上に配置された複数のループを含むことができる。複数のループは、異なる屈折率と幅、および同じ高さを有する。１つの実施形態では、集光素子１１６は、図１に示されるように、カラーパターン１１０上に個別に形成された３つのループを含むことができ、図１に示された３つのループは、異なる屈折率（ｎ）と幅、および同じ高さを含む。図１に示された集光素子１１６のループの数は、説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

【0014】

図１に示されるように、１つの実施形態では、カラーパターン１１０上に配置されたループの幅は、撮像装置１００の中心部から撮像装置１００のエッジ部に減少されることができる。従って、集光素子１１６は、第１の幅Ｗ１を有する第１のループ１１６ａ、第１のループ１１６ａを囲み、第１の幅Ｗ１より小さい第２の幅Ｗ２を有する第２のループ１１６ｂ、および第１のループ１１６ａと第２のループ１１６ｂを囲み、第２の幅Ｗ２より小さい第３の幅Ｗ３を有する第３のループ１１６ｃを含むことができる。第１、第２、および第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃは、約１００〜５００ｎｍの同じ高さを有することができる。

【0015】

図１に示されるように、１つの実施形態では、カラーパターン１１０上に配置されたループの屈折率（ｎ）は、撮像装置１００の中心部から撮像装置１００のエッジ部に減少されることができる。１つの実施形態では、第１のループ１１６ａは、約１．４〜１．７の屈折率を有することができ、第２のループ１１６ｂは、約１．７〜２．０の屈折率を有することができ、第３のループ１１６ｃは、約２．０〜２．５の屈折率を有することができる。１つの実施形態では、第１のループ１１６ａは、ケイ素酸化物（ＳｉＯ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、またはフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）などの材料を含むことができ、第２のループ１１６ｂは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、またはべリリア（ＢｅＯ）などの材料を含むことができ、第３のループ１１６ｃは、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、または酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの材料を含むことができる。

【0016】

１つの実施形態では、図１に示された集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂ、および第３のループ１１６ｃは、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループである。集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂ、および第３のループ１１６ｃは、入射光を感光素子１０４に集光し、伝送できるフレネルゾーンプレートを形成し、第１のループ１１６ａの第１の幅Ｗ１（図１を参照）、第２のループ１１６ｂの第２の幅Ｗ２（図１を参照）、第３のループ１１６ｃの第３の幅Ｗ３（図１を参照）、および第１、第２と第３のループ１１６ｃ、１１６ｂ、１１６ｃ間のピッチが適切に設計され、フレネルゾーンプレートとして集光素子１１６を形成する。

【0017】

図２は、図１の撮像装置１００の電場のシミュレーション画像を示している。図２に示された電場のシミュレーション画像は、時間領域差分（ＦＤＴＤ）シミュレーション法によって、図１の撮像装置１００をテストすることによって作成される。図２に示されるように、時間領域差分（ＦＤＴＤ）シミュレーション法によってテストされた撮像装置１００のいくつかの構成要素は、シミュレーションを容易にするために省かれ、撮像装置１００は、感光素子１０４、不動態層１０６、および集光素子１１６の第１と第２のループ１１６ａと１１６ｂなど、いくつかの構成要素だけを用いる。図２の電場のシミュレーション画像に示されるように、撮像装置１００の集光素子１１６の形成により、集光素子１１６を通過する強い電場を有する入射光Ａは、感光素子１０４の深部（例えば、感光素子１０４の上面から約０．８μｍの深さ）に集光されるため、より多くの入射光が集光され、感光素子１０４の深部に届くことができる。また、集光素子１１６を通過して感光素子１０４と不動態層１０６間のインターフェースに届く強い電場を有する入射光Ａのスポットサイズは、約０．２５μｍのスポットサイズを有する。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。また、第１と第２のループ１１６ａ、１１６ｂは、約３００ｎｍの高さを有し、数マイクロレンズの高さを有する従来のマイクロレンズ（図示されていない）より少ない高さにすることができ、図１〜図２に示された集光素子１１６を有する撮像装置１００は、従来のマイクロレンズを用いて形成されることができる縦サイズと比べ、減少された縦サイズが提供されることもでき、よりコンパクトな撮像装置が形成されることができる。

【0018】

図３は、図１の撮像装置１００を示す上面概略図であり、図１の撮像装置１００の断面概略図は、図３のライン１−１に沿って描かれている。簡易化のために、撮像装置１００のカラーパターン１１０、および集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃだけが考察用に図３に示されている。

【0019】

図３に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。しかしながら、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの構成は、図１および図３に示されたこれらによって限定されるものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0020】

図４は、他の例示的な撮像装置１００を示す断面概略図である。図４に示された撮像装置１００の構成要素は、緩衝層１１８が集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの間のカラーパターン１１０上に更に配置されている以外は、図１に示された構成要素と同様である。

【0021】

図４に示されるように、緩衝層１１８は、約１．２〜１．７の屈折率を有する。１つの実施形態では、緩衝層１１８は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、またはフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ_２）などの材料を含むことができる。緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの上面の下にある。しかしながら、他の実施形態では、緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの上面と同じ高さ、またはその上にあってもよい。

【0022】

従って、撮像装置１００の緩衝層１１８の形成により、集光素子１１６を通過して、集光素子１１６と下方のカラーパターン１１０間のインターフェースに届く入射光（図示されていない）によって生じる反射および散乱は、減少されるか、または更にはなくなることもできる。つまり、入射光は、従来のマイクロレンズによって集光されることができる部分に比べ、感光素子１０４のより深部に集光されることができるため、より多くの光が集光されて感光素子１０４に届くことができる。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。また、図４に示された集光素子１１６を有する撮像装置１００も従来のマイクロレンズを用いて形成されることができる縦サイズに比べ、減少された縦サイズを提供することができる。

【0023】

また、図５は、図４の撮像装置１００を示す上面概略図であり、図４の撮像装置１００の断面概略図は、図５のライン４−４に沿って描かれている。簡易化の目的ために、撮像装置１００の緩衝層１１８、および集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃだけが考察用に図５に示されている。

【0024】

図５に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。しかしながら、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの構成は、図４および図５に示されたこれらによって限定されるものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0025】

図６は、他の撮像装置１００を示す断面概略図である。図６に示された撮像装置１００の構成要素は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃのそれぞれが、ここでは内側サブ層から外側サブ層の順に減少する異なる屈折率の複数のサブ層を含むということ以外は、図１に示された構成要素と同様である。

【0026】

図６に示されるように、第１のループ１１６aは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３）の順に減少する異なる屈折率の３つのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３を有することができる。同様に、第２のループ１１６ｂは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ｂ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ｂ３）の順に減少する異なる屈折率の３つのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３を有することができ、第３のループ１１６ｃは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ｃ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ｃ３）の順に減少する異なる屈折率の３つのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３を有することができる。

【0027】

図６に示されるように、第１のループ１１６aのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３は、同じ幅と同じ高さを有することができ、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３は、同じ幅と同じ高さを有することができ、且つ第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、同じ幅と同じ高さを有することができる。第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂ、第３のループ１１６ｃの幅、および第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ間のピッチは、適切に設計され、フレネルゾーンプレートとして集光素子１１６を形成する。

【0028】

実施形態では、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１、１１６ｂ１、および１１６ｃ１）は、約２．０〜２．５の範囲にある同じ屈折率を有することができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の中間サブ層（例えば、サブ層１１６ａ２、１１６ｂ２、および１１６ｃ２）は、約１．７〜２．０の範囲にある同じ屈折率を有することができ、且つ第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３、１１６ｂ３、および１１６ｃ３）は、約１．４〜１．７の同じ屈折率を有することができる。

【0029】

１つの実施形態では、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１、１１６ｂ１、および１１６ｃ１）は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、または酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの材料を含むことができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の中間サブ層（例えば、サブ層１１６ａ２、１１６ｂ２、および１１６ｃ２）は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、またはべリリア（ＢｅＯ）などの材料を含むことができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３、１１６ｂ３、および１１６ｃ３）は、ケイ素酸化物（ＳｉＯ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、またはフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）などの材料を含むことができる。

【0030】

図７は、図６の撮像装置１００の電場のシミュレーション画像を示している。図７の電場シミュレーションイメージは、時間領域差分（ＦＤＴＤ）シミュレーション法によって、図６の撮像装置１００をテストすることによって作成される。図７に示されるように、時間領域差分（ＦＤＴＤ）シミュレーション法によってテストされた撮像装置１００のいくつかの構成要素は、シミュレーションを容易にするために省かれ、撮像装置１００は、感光素子１０４、不動態層１０６、集光素子１１６の第１のループ１１６ａの内側サブ層１６ａ１と中間サブ層１１６ａ２、および第２のループ１１６ｂの内側サブ層１６ｂ１と中間サブ層１１６ｂ２など、いくつかの構成要素だけを用いる。図７の電場のシミュレーション画像に示されるように、撮像装置１００の集光素子１１６の形成により、集光素子１１６を通過する強い電場を有する入射光Ｂは、感光素子１０４の深部（例えば、感光素子１０４の上面から約１μｍの深さ）に集光されるため、より多くの入射光が集光されることができ、感光素子１０４の深部に届くことができる。また、集光素子１１６を通過して感光素子１０４と不動態層１０６間のインターフェースに届く強い電場を有する入射光Ｂのスポットサイズは、約０．２５μｍのスポットサイズを有する。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。また、第１と第２のループ１１６ａ、１１６ｂは、約３００ｎｍの高さを有し、数マイクロレンズの高さを有する従来のマイクロレンズ（図示されていない）より少ない高さにすることができ、図６〜図７に示された集光素子１１６を有する撮像装置１００は、従来のマイクロレンズを用いて形成されることができる縦サイズと比べ、減少された縦サイズが提供されることもでき、よりコンパクトな撮像装置が形成されることができる。

【0031】

図８は、図６の撮像装置１００を示す上面概略図であり、図６の撮像装置１００の断面概略図は、図８のライン６−６に沿って描かれている。簡易化のために、撮像装置１００のカラーパターン１１０、および集光素子１１６だけが考察用に図８に示されている。

【0032】

図８に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。他の実施形態では、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３の構成は、図１および図３に示されたこれらによって限定されるものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃは、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0033】

図９は、他の例示的な撮像装置１００を示す断面概略図である。図９に示された撮像装置１００の構成要素は、緩衝層１１８が集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの間のカラーパターン１１０上に更に配置されている以外は、図６に示された構成要素と同様である。

【0034】

図９に示されるように、緩衝層１１８は、約１．２〜１．７の屈折率を有する。１つの実施形態では、緩衝層１１８は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、またはフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）などの材料を含むことができる。緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３の上面の下にある。しかしながら、他の実施形態では、緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３の上面と同じ高さ、またはその上にあってもよい。

【0035】

従って、撮像装置１００の緩衝層１１８の形成により、集光素子１１６を通過して、集光素子１１６と下方のカラーパターン１１０間のインターフェースに届く入射光（図示されていない）の反射および散乱は、減少されるか、または更にはなくなることもできる。つまり、入射光は、従来のマイクロレンズによって集光されることができる部分に比べ、感光素子１０４のより深部に集光されることができるため、より多くの光が集光されて感光素子１０４に届くことができる。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。また、図９に示された集光素子１１６を有する撮像装置１００も従来のマイクロレンズを用いて形成されることができる縦サイズに比べ、減少された縦サイズを提供することができる。

【0036】

また、図１０は、図９の撮像装置１００を示す上面概略図であり、図９の撮像装置１００の断面概略図は、図１０のライン９−９に沿って描かれている。簡易化の目的ために、撮像装置１００の緩衝層１１８、および集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃだけが考察用に図１０に示されている。

【0037】

図１０に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0038】

図１１は、他の例示的な撮像装置１００を示す断面概略図である。図１１に示された撮像装置１００の構成要素は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃのそれぞれが、ここでは内側サブ層から外側サブ層に減少する異なる屈折率と異なる高さの複数のサブ層を含むということ以外は、図６に示された構成要素と同様である。

【0039】

図１１に示されるように、第１のループ１１６aは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３）の順に減少する異なる屈折率と異なる高さの３つのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３を有することができる。同様に、第２のループ１１６ｂは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ｂ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ｂ３）の順に減少する異なる屈折率と異なる高さの３つのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３を有することができ、第３のループ１１６ｃは、内側サブ層（例えば、サブ層１１６ｃ１）から外側サブ層（例えば、サブ層１１６ｃ３）の順に減少する異なる屈折率と異なる高さの３つのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３を有することができる。

【0040】

図１１に示されるように、第１のループ１１６aのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３は、同じ幅を有することができ、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３は、同じ幅を有することができ、且つ第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、同じ幅を有することができる。第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂ、第３のループ１１６ｃの幅、および第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ間のピッチは、適切に設計され、フレネルゾーンプレートとして集光素子１１６を形成する。

【0041】

実施形態では、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１、１１６ｂ１、および１１６ｃ１）は、約２．０〜２．５の屈折率を有することができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の中間サブ層（例えば、サブ層１１６ａ２、１１６ｂ２、および１１６ｃ２）は、約１．７〜２．０の屈折率を有することができ、且つ第１、第２と、第３のループ１１６ｃ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３、１１６ｂ３、および１１６ｃ３）は、約１．４〜１．７の屈折率を有することができる。

【0042】

１つの実施形態では、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１、１１６ｂ１、および１１６ｃ１）は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、または酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの材料を含むことができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の中間サブ層（例えば、サブ層１１６ａ２、１１６ｂ２、および１１６ｃ２）は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、またはべリリア（ＢｅＯ）などの材料を含むことができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３、１１６ｂ３、および１１６ｃ３）は、ケイ素酸化物（ＳｉＯ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、またはフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）などの材料を含むことができる。

【0043】

１つの実施形態では、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の内側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ１、１１６ｂ１、および１１６ｃ１）は、約６００〜８００ｎｍの高さを有することができ、第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の中間サブ層（例えば、サブ層１１６ａ２、１１６ｂ２、および１１６ｃ２）は、約４００〜６００ｎｍの高さを有することができ、且つ第１、第２と、第３のループ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃのサブ層の外側サブ層（例えば、サブ層１１６ａ３、１１６ｂ３、および１１６ｃ３）は、約２００〜４００ｎｍの高さを有することができる。

【0044】

従って、撮像装置１００の集光素子１１６の形成により、集光素子１１６を通過する入射光（図示されていない）は、従来のマイクロレンズを用いて集光されることができる部分に比べ、感光素子１０４のより深部に集光されることができ、より多くの入射光が集光されて感光素子１０４に届くことができる。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。また、図１１に示された集光素子１１６を有する撮像装置１００も従来のマイクロレンズを用いて形成されることができる縦サイズに比べ、減少された縦サイズを提供することができる。

【0045】

図１２は、図１１の撮像装置を示す上面概略図であり、図１１の撮像装置１００の断面概略図は、図１２のライン１１−１１に沿って描かれている。簡易化のために、撮像装置１００のカラーパターン１１０、および集光素子１１６だけが考察用に図１２に示されている。

【0046】

図１２に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0047】

図１３は、他の例示的な撮像装置１００を示す断面概略図である。図１３に示された撮像装置１００の構成要素は、緩衝層１１８が集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃの間のカラーパターン１１０上に更に配置されている以外は、図１１に示された構成要素と同様である。

【0048】

図１３に示されるように、緩衝層１１８は、約１．２〜１．７の屈折率を有する。１つの実施形態では、緩衝層１１８は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、またはフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）などの材料を含むことができる。緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３の上面の下にある。しかしながら、他の実施形態では、緩衝層１１８の上面は、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３の上面と同じ高さ、またはその上にあってもよい。

【0049】

従って、撮像装置１００の緩衝層１１８の形成により、集光素子１１６を通過して、集光素子１１６と下方のカラーパターン１１０間のインターフェースに届く入射光（図示されていない）の反射および散乱は、減少されるか、または更にはなくなることもできる。つまり、入射光は、従来のマイクロレンズによって集光されることができる部分に比べ、感光素子１０４のより深部に集光されることができるため、より多くの光が集光されて感光素子１０４に届くことができる。従って、感光素子１０４の量子効率は、改善されることができ、撮像装置１００の感度も改善されることができる。

【0050】

また、図１４は、図１３の撮像装置１００を示す上面概略図であり、図１３の撮像装置１００の断面概略図は、図１４のライン１３−１３に沿って描かれている。簡易化の目的ために、撮像装置１００の緩衝層１１８、および集光素子１１６の第１のループ１１６ａ、第２のループ１１６ｂと、第３のループ１１６ｃだけが考察用に図１４に示されている。

【0051】

図１４に示されるように、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、カラーパターン１１０上に個別に形成された同心円状のループとして提供される。また、集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、上面から見て円形のループであることができるが、これに限定するものではない。他の実施形態では、他の例示的な撮像装置の集光素子１１６の第１のループ１１６ａのサブ層１１６ａ１〜１１６ａ３、第２のループ１１６ｂのサブ層１１６ｂ１〜１１６ｂ３と、第３のループ１１６ｃのサブ層１１６ｃ１〜１１６ｃ３は、他の構造、例えば多角形形状を有することができる。

【0052】

本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

【符号の説明】

【0053】

１００ 撮像装置
１０２ 半導体基板
１０４ 感光素子
１０６ 不動態層
１０８ 遮光金属
１１０ カラーパターン
１１６ 集光素子
１１６ａ 第１のループ
１１６ｂ 第２のループ
１１６ｃ 第３のループ
１１６ａ１ サブ層
１１６ｂ１ サブ層
１１６ｃ１ サブ層
１１６ａ２ サブ層
１１６ｂ２ サブ層
１１６ｃ２ サブ層
１１６ａ３ サブ層
１１６ｂ３ サブ層
１１６ｃ３ サブ層
１１８ 緩衝層
Ｗ１ 幅
Ｗ２ 幅
Ｗ３ 幅
Ａ 入射光
Ｂ 入射光

【要約】

【課題】 撮像装置の量子効率と感度を改善した撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像装置は、感光素子を含む半導体基板半導体基板、前記半導体基板上に配置された不動態層、および前記不動態層上に配置され、第１の幅を有する第１のループ、前記第１のループを囲み、前記第１の幅より小さい第２の幅を有する第２のループと、前記第１と第２のループを囲み、前記第２の幅より小さい第３の幅を有する第３のループを含む集光素子を含み、前記集光素子は、前記感光素子と位置整合し、前記第１、第２、および第３のループは異なる屈折率を含む。
【選択図】 図１

【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】