特許 6815448 固体撮像装置

(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】6815448

(24)【登録日】2020年12月24日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】固体撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20210107BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20210107BHJP

   H04N 9/07 20060101ALI20210107BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/20 101

   H04N5/369

   H04N9/07 A

   H01L27/146 D

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2019-136767(P2019-136767)

(22)【出願日】2019年7月25日

(65)【公開番号】特開2020-173417(P2020-173417A)

(43)【公開日】2020年10月22日

【審査請求日】2019年7月25日

(31)【優先権主張番号】16/382,808

(32)【優先日】2019年4月12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 正軒

(72)【発明者】

【氏名】塗 宗儒

(72)【発明者】

【氏名】張 育淇

(72)【発明者】

【氏名】李 京樺

【審査官】 酒井 康博

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０２８２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−０２９９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−０１４４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２７４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００３５８８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０４０４５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／２０

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

Ｈ０４Ｎ ９／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体撮像装置であって、
画素アレイ中に配列された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子の上方に位置する複数のカラーフィルターセグメントを有し、前記カラーフィルターセグメントの各々が、前記画素アレイのそれぞれの画素中に設置されるカラーフィルター層と、
前記カラーフィルター層の上方にあり、導波路分割格子、および、前記導波路分割格子のスペース中の導波路材を有し、前記導波路材が、前記導波路分割格子より高い屈折率を有し、且つ、前記導波路材が、前記画素アレイの各画素中に、同一の屈折率を提供する光導波路層、
を有することを特徴とする固体撮像装置。

【請求項2】

さらに、前記導波路分割格子の下方に、カラーフィルター分割格子を有し、前記カラーフィルターセグメントが、前記カラーフィルター分割格子のスペース中に設置され、且つ、前記カラーフィルター分割格子は、前記カラーフィルターセグメントより低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

【請求項3】

前記画素アレイは、前記画素アレイの中央領域、あるいは、前記固体撮像装置の中央領域で、複数の第一画素を有し、前記第一画素中の前記導波路分割格子は、前記光導波路層の上表面に垂直な方向で、前記カラーフィルター分割格子と照準を合わせ、且つ、前記第一画素は、位相差検出オートフォーカス (ＰＤＡＦ)画素を有し、前記ＰＤＡＦ画素は、前記カラーフィルターセグメントの下方に設置される複数の前記光電変換素子を有し、且つ、前記ＰＤＡＦ画素中の前記カラーフィルターセグメントは、同一色を有し、且つ、互いに接触することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

【請求項4】

前記画素アレイは、前記画素アレイの縁部、あるいは、前記固体撮像装置の中央領域の外側の周辺領域で、複数の第二画素を有し、前記第二画素中の前記導波路分割格子は、前記光導波路層の上表面に平行な平面の水平方向で、前記カラーフィルター分割格子に対して、シフト距離を有し、および、前記第二画素中の前記導波路分割格子の前記シフト距離は一致することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

【請求項5】

前記画素アレイは、前記画素アレイの縁部、あるいは、前記固体撮像装置の中央領域の外側の周辺領域で、複数の第二画素を有し、前記第二画素中の前記導波路分割格子は、前記光導波路層の上表面に平行な一平面上にある水平方向で、前記カラーフィルター分割格子に対して、シフト距離を有し、および、前記第二画素中の前記導波路分割格子の前記シフト距離は、それぞれ、異なることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

【請求項6】

前記画素アレイは、前記画素アレイの縁部、あるいは、前記固体撮像装置の中央領域の外側の周辺領域で、複数の第二画素を有し、前記第二画素中の前記導波路分割格子は、前記光導波路層の上表面に平行な一平面上にある水平方向で、前記カラーフィルター分割格子に対して、シフト距離を有し、および、前記第二画素は、位相差検出オートフォーカス (ＰＤＡＦ)画素を有し、前記ＰＤＡＦ画素は、前記カラーフィルターセグメントの下方に設置される複数の前記光電変換素子を有し、前記前記ＰＤＡＦ画素中の前記カラーフィルターセグメントは、同一色を有し、且つ、互いに接触することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

【請求項7】

さらに、
前記カラーフィルター層と前記光導波路層との間にあり、前記導波路材の前記屈折率より低い、あるいは、前記導波路分割格子の前記屈折率に等しい屈折率を有する平坦層、あるいは、
前記光導波路層上にあり、前記導波路分割格子の前記屈折率以下である屈折率を有する保護層、
を有することを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項8】

さらに、前記光導波路層の上方に設置される追加の光導波路層を有し、前記追加の光導波路層は、上方の導波路分割格子、および、前記上方の導波路分割格子のスペースの上方導波路材を有し、前記上方導波路材は、前記上方の導波路分割格子より高い屈折率を有し、前記上方導波路材は、前記画素アレイの各画素中に、同一の屈折率を提供し、前記導波路材の前記屈折率は、前記上方導波路材より高く、前記上方の導波路分割格子は、前記光導波路層の上表面に垂直な方向で、前記導波路分割格子と照準を合わせることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項9】

さらに、前記光導波路層の上方に設置された追加の光導波路層を有し、前記追加の光導波路層は、上方の導波路分割格子、および、前記上方の導波路分割格子のスペース中に上方導波路材を有し、前記上方導波路材は、前記上方の導波路分割格子より高い屈折率を有し、前記上方導波路材は、前記画素アレイの各画素中に、同一の屈折率を提供し、前記導波路材の前記屈折率は、前記上方導波路材より高く、前記上方の導波路分割格子、前記導波路分割格子、および、前記カラーフィルター分割格子は、同一材により形成されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

【請求項10】

さらに、前記導波路材、および、前記導波路分割格子の上に反射防止膜を有し、前記反射防止膜、および、前記導波路分割格子は、同一材により形成されることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項11】

各画素中の前記導波路材は幅を有し、各画素は画素幅を有し、且つ、前記幅と前記画素幅の比率は、約０．１５〜約０．９５であることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項12】

異なる画素中の前記導波路材は異なる幅を有し、且つ、異なる画素中の前記導波路材の前記幅の変化は周期的であることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項13】

異なる画素中の前記導波路材は異なる幅を有し、且つ、異なる画素中の前記導波路材の前記幅の変化は非周期的であることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【請求項14】

前記導波路材は約０．２μｍ〜約１．５μｍの厚さを有し、前記導波路分割格子の前記屈折率は１．０〜１．９９であり、および、前記導波路材の前記屈折率は１．１〜２．０であることを特徴とする請求項１、あるいは、２に記載の固体撮像装置。

【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、カラーフィルター層の上方に、最上部光導波路層を有する固体撮像装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電荷結合素子(ＣＣＤ)イメージセンサー、および、相補型ＭＯＳ(ＣＭＯＳ)イメージセンサー等のイメージセンサーは、各種画像捕捉装置、たとえば、デジタルスチルイメージカメラ(digital still-image cameras)、デジタルビデオカメラ(digital video cameras)等に幅広く用いられている。イメージセンサーは、画素アレイの方式で配列された複数の画素を有する。各画素は、たとえば、フォトダイオード等の光電変換器(photoelectric transducer)を有し、シリコンチップ等の半導体基板中に形成される。フォトダイオードは、イメージセンサー上に照射する入射光に対し、光電変換を実行することにより、電荷を生成する。フォトダイオード中で生成される光電子に対応する電荷は、ＣＣＤ型、あるいは、ＣＭＯＳ型の読み取り回路により、送信、且つ、増幅されて、撮像信号(imaging signals)を得る。

【0003】

いくつかの画像取込装置(image capture devices)は、位相差検出センサーを用いて、オートフォーカスを実行する。センサー上の位相差検出は、撮像画素(imaging pixels)間に、位相差検出オートフォーカス(ＰＤＡＦ)画素を組み入れることにより作動する。ＰＤＡＦ画素は、通常、左側と右側画素のまばらなパターンが重複して、撮像画素間に配置されている。このイメージセンサーは、異なる位相差検出画素により生成される信号間の位相差、たとえば、左側画素とそれに近い右側画素間の位相差を検出することができる。通常、位相検出オートフォーカスの操作は、対比に基づくオートフォーカスよりも速い。

【0004】

近年、画素の数量を増加させて、高解像度イメージを提供するために、ＣＭＯＳイメージセンサーに代表されるイメージセンサーは、画素サイズを減少させることが趨勢である。しかし、画素サイズが減少し続けると同時に、イメージセンサーの設計と製造において、依然として、各種挑戦が存在する。

【0005】

従来のＣＭＯＳイメージセンサー(ＣＩＳ)において、入射光は、斜角で、イメージセンサーの画素アレイの縁部上を照射するので、イメージセンサーの角でクロストーク問題が起こりやすい。良好なアルゴリズムがない状況下で、クロストーク問題は、イメージ検出失敗、および、オートフォーカス機能エラーを発生する。画素サイズが減少し続けるにつれて、クロストーク(cross talk)問題をさらに悪化させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、最上部ガイド(top guide)構造をカラーフィルター層上に設置して、固体撮像装置のクロストーク問題を克服する固体撮像装置を提供することを目的とする。本発明の実施形態によると、最上部ガイド構造は、光導波路(optical waveguide)層であり、低屈折率の分割格子、および、低屈折率の分割格子のスペース中の高屈折率の材料を有する。このほか、本発明の実施形態の最上部ガイド構造は、固体撮像装置の位相差検出オートフォーカス(ＰＤＡＦ)機能を向上させる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

いくつかの実施形態において、固体撮像装置が提供される。この固体撮像装置は、画素アレイ中に配列された複数の光電変換素子を有する。固体撮像装置は、さらに、光電変換素子の上方に複数のカラーフィルターセグメントを有するカラーフィルター層を有する。各カラーフィルターセグメントは、画素アレイのそれぞれの画素中に設置される。固体撮像装置は、さらに、カラーフィルター層の上方に、光導波路層を有する。光導波路層は、導波路分割格子、および、導波路分割格子のスペース中の導波路材を有する。導波路材は、導波路分割格子より高い屈折率を有する。導波路材は、画素アレイの各画素に、同じ屈折率を提供する。

【0008】

添付図面を参照しながら、詳細な記述が以下の実施形態中に与えられる。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、最上部ガイド(top guide)構造がカラーフィルター層上に設置されて、固体撮像装置のクロストーク問題を克服するほか、最上部ガイド構造が、固体撮像装置の位相差検出オートフォーカス(ＰＤＡＦ)機能を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

添付図面と後続の詳細な記述と例を読み取ることにより、本発明がさらに理解できる。

【図1】本発明のいくつかの実施形態による固体撮像装置の概略断面図である。

【図2A】本発明のいくつかの実施形態による図１の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図2B】本発明のいくつかの実施形態による図１の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図2C】本発明のいくつかの実施形態による図１の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図3】本発明のいくつかの実施形態による固体撮像装置の概略断面図である。

【図4A】本発明のいくつかの実施形態による図３の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図4B】本発明のいくつかの実施形態による図３の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図4C】本発明のいくつかの実施形態による図３の光導波路層を有する固体撮像装置を形成する例示的方法の様々な段階の構造の概略断面図である。

【図5A】本発明のいくつかの実施形態による位相差検出オートフォーカス(ＰＤＡＦ)画素を有する固体撮像装置の画素アレイの一部の概略平面図である。

【図5B】本発明のいくつかの実施形態による図５Ａの線Ｂ−Ｂに沿った、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置の概略断面図である。

【図6A】本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの中央領域で、ノーマル(normal)画素を有する固体撮像装置の一部の概略断面図である。

【図6B】本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの端で、ノーマル画素を有する固体撮像装置の一部の概略断面図である。

【図7A】本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの中央領域で、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置の一部の概略断面図である。

【図7B】本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの端で、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置の一部の概略断面図である。

【図8】本発明のいくつかの実施形態による最上部ガイド構造を有する固体撮像装置の概略断面図である。

【図9】本発明のいくつかの実施形態による最上部ガイド構造を有する固体撮像装置の概略断面図である。

【図10】本発明のいくつかの実施形態による最上部ガイド構造を有する固体撮像装置の概略断面図である。

【図11】本発明のいくつかの実施形態による最上部ガイド構造を有する固体撮像装置の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下の説明は本開示を実施するために考えられた態様である。この説明は、本開示の一般的な原理を例示する目的のために作成され、限定的な意味で解釈されるべきではない。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することにより最良に決定される。

【0012】

固体撮像装置において、入射光は、斜角で、画素アレイの縁部上に照射され、この斜角は、画素アレイの中央領域に照射する入射光の法線角度(normal angle)より大きい。入射光の角度は、固体撮像装置の受光表面の法線により決定される。たとえば、画素アレイの縁部上に照射される入射光の斜角は、約+/-２０度〜約 +/-４０度、画素アレイの中央領域上に照射される入射光の法線角度は、約０度である。

【0013】

受光ユニットに入射する光線の方向の分類において、固体撮像装置は、大まかに、二個のグループに分類される。一つは、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光する表面照射(ＦＳＩ)撮像装置である。もう一つは、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光する背面照射(ＢＳＩ)撮像装置である。カラー画像の撮像のために、ＦＳＩ、および、ＢＳＩ撮像装置中にカラーフィルターが提供される。ＦＳＩ、および、ＢＳＩ撮像装置は、通常、遮光格子構造を有し、画素間の光線をブロックして、混色を防止する。

【0014】

図１は、本発明のいくつかの実施形態による固体撮像装置１００の断面図である。固体撮像装置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形成される。固体撮像装置１００は、半導体基板１０１、たとえば、ウェハ、あるいは、チップを有する。半導体基板１０１は、前面１０１Ｆ、および、前面１０１Ｆと反対側の背面１０１Ｂを有する。複数の光電変換素子１０３、たとえば、フォトダイオードが、半導体基板１０１中に形成される。光電変換素子１０３は、以降、フォトダイオード１０３と称することがある。固体撮像装置１００は、画素アレイで配列される複数の画素Ｐを有する。各フォトダイオード１０３は、画素アレイの一つのそれぞれの画素中に設置される。半導体基板１０１中のフォトダイオード１０３は、分離構造(図示しない)、たとえば、シャロー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領域により互いに分離される。エッチングプロセスを用いて、分離構造が、半導体基板１０１中に形成されて、トレンチを形成するとともに、トレンチに、絶縁、あるいは、誘電材を充填する。実施形態の固体撮像装置の図面は、数個の画素だけを示しているが、実際は、固体撮像装置は、画素アレイ中に、数百万、あるいは、それ以上の画素を有する。

【0015】

いくつかの実施形態において、フォトダイオード１０３が、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される。配線層１０５は、半導体基板１０１の前面１０１Ｆ上に形成される。配線層１０５は、複数の導電線、および、複数の誘電層に組み込まれるバイアスを有する相互接続構造であり、且つ、さらに、固体撮像装置１００に必要な各種電子回路を有する。いくつかの実施形態において、図１に示される固体撮像装置１００は、入射光１５０が、背面１０１Ｂの側面を照射するとともに、フォトダイオード１０３により受光され、よって、背面照射 (ＢＳＩ)撮像装置と称される。その他のいくつかの実施形態において、固体撮像装置は、表面照射(ＦＳＩ)撮像装置である。図１に示される半導体基板１０１、および、配線層１０５は、ＦＳＩ撮像装置に対し上下が反転している。ＦＳＩ撮像装置において、入射光１５０は、前面１０１Ｆの側面を照射し、配線層１０５を通過して、その後、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成されるフォトダイオード１０３により受光される。入射光がＦＳＩ撮像装置を通過して、フォトダイオードに到達する経路は、ＢＳＩ撮像装置より遠い。

【0016】

図１に示されるように、いくつかの実施形態において、固体撮像装置１００は、さらに、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成され、且つ、光電変換素子１０３を被覆する高誘電率(high-k)膜１０７を有する。高誘電率膜１０７は、蒸着プロセスを用いて、酸化ハフニウム(hafnium oxide、HfO₂)、酸化ハフニウムタンタル(hafnium tantalum oxide、HfTaO)、酸化ハフニウムチタン(hafnium titanium oxide、HfTiO)、酸化ハフニウムジルコニウム(hafnium zirconium oxide、HfZrO)、五酸化タンタル(tantalum pentoxide、Ta₂O₅)、あるいは、その他の適当な高誘電率(high-k)の誘電材により形成される。蒸着プロセスは、たとえば、化学気相蒸着(ＣＶＤ)、プラズマ助長ＣＶＤ(ＰＥＣＶＤ)、原子層蒸着(ＡＬＤ)、あるいは、別の蒸着技術である。高誘電率膜１０７は、高屈折率、および、光吸収能力を有する。

【0017】

いくつかの実施形態において、固体撮像装置１００は、さらに、高誘電率膜１０７上に形成されるバッファ層１０９を有する。バッファ層１０９は、蒸着プロセスを用いて、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、あるいは、その他の適当な絶縁材により形成される。蒸着プロセスは、たとえば、スピンオンコーティング、ＣＶＤ、流動性ＣＶＤ(ＦＣＶＤ)、ＰＥＣＶＤ、物理的気相蒸着(ＰＶＤ)、あるいは、別の蒸着技術である。半導体基板１０１、光電変換素子(あるいは、フォトダイオード)１０３、配線層１０５、高誘電率膜１０７、および、バッファ層１０９は、まとめて、光電変換構造１１０と称することができる。

【0018】

このほか、いくつかの実施形態において、図１に示されるように、固体撮像装置１００は、バッファ層１０９上に形成される遮光層１１１を有する。遮光層１１１は、固体撮像装置１００の画素間に設置される複数の遮光パーティションを有する。上から見ると、遮光層１１１の遮光パーティションは、格子構造を構成する。いくつかの例において、遮光層１１１は金属で形成され、且つ、金属格子構造と称することができる。

【0019】

カラーフィルター分割格子１１３Ｂが、遮光層１１１の遮光パーティション上に形成され、且つ、遮光パーティションを被覆する。カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、約１．０〜約１．９９の低屈折率を有する透明誘電材から形成される。複数のカラーフィルターセグメント１１５は、それぞれ、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのスペース中に設置される。カラーフィルター分割格子１１３Ｂの屈折率は、カラーフィルターセグメント１１５の屈折率より低い。各カラーフィルターセグメント１１５は、画素Ｐ中のそれぞれ一つの光電変換素子１０３に対応する。いくつかの実施形態において、カラーフィルターセグメント１１５は、適当な配置によって配置される赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)カラーフィルターセグメントを有する。図１に示される４個のカラーフィルターセグメント１１５は、たとえば、順に、Ｇ、Ｇ、Ｒ、および、Ｒで配置される。その他のいくつかの実施形態において、カラーフィルターセグメント１１５は、さらに、白色(Ｗ)、あるいは、適当な配置で、Ｒ、Ｇ、および、Ｂカラーフィルターセグメントと一緒に配列されるその他の色のカラーフィルターセグメントを有する。カラーフィルターセグメント１１５は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの上表面と同じ高さの上表面を有する。遮光層１１１、カラーフィルター分割格子１１３Ｂ、および、カラーフィルターセグメント１１５は、まとめて、カラーフィルター層１２０と称することができる。

【0020】

本発明の実施形態によると、最上部ガイド構造、たとえば、光導波路層１３０が、カラーフィルター層１２０上に形成される。光導波路層１３０は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂ上の導波路分割格子１１３Ａ、および、導波路分割格子１１３Ａのスペース中の導波路材１２１を有する。導波路材１２１の上表面は、導波路分割格子１１３Ａの上表面と同じ高さである。いくつかの実施形態において、導波路分割格子１１３Ａは、約１．０〜約１．９９の低屈折率を有する透明誘電材から形成される。導波路材１２１は、導波路分割格子１１３Ａより高い屈折率を有する別の透明誘電材から形成される。いくつかの実施形態において、導波路材１２１の屈折率は、約１．１〜約２．０である。

【0021】

通常、波長は、開放空間中で球面波であり、全方向に伝搬する。波のパワーは、ソースからの距離Ｒで距離の二乗低下する(逆二乗の法則)。たとえば、光波、つまり、光線が、イメージセンサーのマイクロレンズ構造中で伝搬するとき、光線のエネルギーは、光源からの距離Ｒで距離の二乗低下する。しかし、導波路構造は、波長を、一次元で伝搬するように制限するので、理想的な条件下で、波長は、導波路構造中で伝搬時に、パワーの損失がない。導波路構造の壁面で全反射が発生するので、波長は、導波路構造内部で制限される。

【0022】

光導波路構造は、光学スペクトル中の電磁波、たとえば、可視光を導く構造であり、一次元、あるいは、二次元空間への展開を制限することにより、エネルギーの損失を最小限に抑える。本発明のいくつかの実施形態中の最上部ガイド構造は、固体撮像装置のカラーフィルター層の上方に形成される光導波路層である。光導波路層の物理的制約条件がない状況下で、それらが、三次元空間に伝搬するとき、波の振幅は、逆二乗の法則にしたがって減少する。

【0023】

光周波数で用いられる導波路は、通常、誘電導波路構造であり、高誘電率、つまり、高屈折率を有する誘電材は、低誘電率、つまり、低屈折率を有する材料により包囲される。この構造は、全内部反射により光波を導く。光導波路の一例は、光ファイバーである。

【0024】

本発明の実施形態において、導波路分割格子１１３Ａより高い屈折率を有する導波路材１２１は、図１に示されるように、全内部反射により、傾斜入射光１５０を、固体撮像装置１００上に照射するように導くことができる。これにより、本発明の実施形態による光導波路層１３０は、傾斜入射光１５０を制限して、カラーフィルターセグメント１１５の方に、一次元で伝搬するようにすることができる。導波路分割格子１１３Ａの壁面の全反射により、光線が、光導波路層１３０の導波路材１２１内部で制限されるので、カラーフィルターセグメント１１５に伝搬している間、入射光１５０はパワーの損失がない、あるいは、損失がわずかである。これにより、固体撮像装置の画素の感度が向上する。

【0025】

このほか、本発明の実施形態によると、カラーフィルターセグメント１１５の同一の色、あるいは、異なる色を有する異なる画素における導波路部材１２１の一部の部分は、同一材で形成される。これにより、光導波路層１３０は、同一の色、あるいは、異なる色を有する異なる画素で、同等の屈折率を提供することができる。図１に示されるように、導波路分割格子１１３Ａ中に照射する傾斜入射光１５０は、反射と透過により、反射光１５０Ｒと透過光１５０Ｔに分けられる。反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔは、異なる画素で、同一材の導波路材１２１を通過するので、反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔは同じエネルギーを有して、異なる画素のカラーフィルターセグメント１１５に進入する。これにより、光導波路層１３０は、隣接画素の反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔを、より一致させる。よって、本発明の実施形態により、固体撮像装置の角のクロストーク問題が解決される。

【0026】

固体撮像装置が、カラーフィルター層の上方に、本発明の実施形態の光導波路層を設置していないとき、傾斜入射光は、直接、カラーフィルター分割格子中に照射し、反射光、および、透過光に分けられる。隣接画素で、異なる色を有するカラーフィルターセグメントに進入する反射光、および、透過光は、反射光、および、透過光に、異なるエネルギーを有させる。さらに、この反射光、および、透過光中の異なるエネルギーは、同一色を有する隣接画素で、異なる信号強度を生成し、この現象は、チャネル分離(channel separation)と称される。チャネル分離は、画像検出効果を悪くする。

【0027】

同一色の異なる画素で、感度を測定した結果として、本発明の実施形態の光導波路層を有する固体撮像装置において、Ｇ画素の感度の差は約２．７％(標準化(normalize)感度)、Ｒ画素の感受性の差は約１．４％、および、Ｂ画素の感受性の差は約１．６％である。しかし、本発明の実施形態の光導波路層がない固体撮像装置において、Ｇ画素の感度の差は約４．９％(標準化感度)、Ｒ画素の感度の差は約１．５％、および、図Ｂ画素の感度の差は約４．４％である。上述の結果は、本発明の実施形態の光導波路層を有する固体撮像装置が、同一色の異なる画素の感度を、さらに一致させることができることを証明する。これにより、本発明の実施形態の光導波路層によると、チャネル分離の問題が克服され、且つ、固体撮像装置の画像検出効果が改善される。

【0028】

いくつかの実施形態において、導波路分割格子１１３Ａ、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、同一材で形成される。このほか、導波路分割格子１１３Ａ、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、たとえば、蒸着、および、エッチングプロセス等の同じ工程段階により一緒に製造される。その他のいくつかの実施形態において、導波路分割格子１１３Ａ、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは異なる材料で形成され、且つ、異なる工程段階により別々に製造される。

【0029】

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による図１の光導波路層１３０を有する固体撮像装置１００を形成する例示的方法の各種段階の構造断面図である。図２Ａに示されるように、まず、光電変換構造１１０のバッファ層１０９上に、遮光層１１１を形成する。遮光層１１１は、バッファ層１０９上に、金属層を蒸着し、その後、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して、複数の遮光パーティションから構成される格子構造を形成することによって形成することができる。次に、バッファ層１０９上に、分割格子１１３を形成して、遮光層１１１を被覆する。分割格子１１３は、透明誘電材層を蒸着し、その後、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、透明誘電材層をパターン化して、分割格子１１３の複数のパーティションを形成することによって形成することができる。いくつかの例において、透明誘電材層は、約１．０〜約１．９９の屈折率を有する。分割格子１１３のパーティション間に、複数のスペース１１４がある。各スペース１１４は、それぞれ一つの画素に対応する。

【0030】

その後、図２Ｂに示されるように、分割格子１１３のスペース１１４に、カラーフィルターセグメント１１５を充填する。カラーフィルターセグメント１１５を囲む分割格子１１３の下部分は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂと称される。カラーフィルターセグメント１１５を囲まない分割格子１１３の上部分は、導波路分割格子１１３Ａとして用いられる。導波路分割格子１１３Ａのパーティション間に、複数のスペース１１４’がある。

【0031】

次に、図２Ｃを参照すると、蒸着、あるいは、コーティングプロセスを用いて、透明誘電材１２１’を、導波路分割格子１１３Ａのスペース１１４’に充填する。いくつかの例において、透明誘電材１２１’は、約１．１〜約２．０の屈折率を有する。透明誘電材１２１’の屈折率は、分割格子１１３より高い(図２Ａ)。ある場合において、図２Ｃに示されるように、蒸着、あるいは、コーティングプロセスの後、透明誘電材１２１’が、導波路分割格子１１３Ａの上表面を被覆する。その後、透明誘電材１２１’の超過部分は、平坦化プロセス、たとえば、化学機械研磨(ＣＭＰ)プロセスにより除去して、図１に示されるような導波路材１２１を形成する。平坦化プロセス後、導波路材１２１の上表面は、導波路分割格子１１３Ａの上表面と同じ高さである。

【0032】

図３は、本発明のいくつかの実施形態による固体撮像装置２００の断面図である。固体撮像装置２００は、カラーフィルター層１２０の上方に、光導波路層１３０を有する。カラーフィルター層１２０は、さらに、遮光層１１１、遮光層１１１上にあり、遮光層１１１を被覆するカラーフィルター分割格子１１３Ｂ 、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのスペース中のカラーフィルターセグメント１１５を有する。カラーフィルターセグメント１１５、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、共平面の上表面を有する。

【0033】

光導波路層１３０は、導波路材１２１、導波路分割格子１２３Ａ、および、反射防止膜１２３Ｂを有する。上から見ると、導波路材１２１は、導波路分割格子１２３Ａのスペース中にある。導波路材１２１、および、導波路分割格子１２３Ａは、共平面の上表面を有し、反射防止膜１２３Ｂは、この共平面の上表面上にある。いくつかの実施形態において、導波路分割格子１２３Ａ、および、反射防止膜１２３Ｂは、同一材で形成され、且つ、同じ工程段階で一緒に形成される。このほか、導波路分割格子１２３Ａ、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、異なる工程段階により別々に製造される。導波路分割格子１２３Ａは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂと直接接触する。導波路材１２１は、導波路分割格子１２３Ａ、および、反射防止膜１２３Ｂより高い屈折率を有する。いくつかの例において、導波路材１２１は、約０．２μｍ〜約１．５μｍの厚さＴを有する。さらに、厚さＴは、約０．２μｍ〜約０．７μｍとすることができる。一のそれぞれの画素の導波路材１２１は幅Ｗを有し、この画素は、幅が画素サイズＰＷを有する。いくつかの例において、導波路材１２１の幅Ｗと画素の画素サイズＰＷの比率は、約０．１５〜約０．９５である。

【0034】

本発明の実施形態によると、図３の光導波路層１３０は、図３に示されるように、導波路材１２１中の全内部反射により、傾斜入射光１５０を、固体撮像装置２００に照射するように導くことができる。これにより、光導波路層１３０は、傾斜入射光１５０を制限して、一次元でカラーフィルターセグメント１１５に伝搬させることができる。導波路分割格子１２３Ａの壁面で全反射するため、光線は、光導波路層１３０の導波路材１２１の内部で制限されるとともに、入射光１５０が、カラーフィルターセグメント１１５に伝搬している間、パワーの損失がない、あるいは、損失がわずかである。

【0035】

さらに、図３の実施形態において、同一色、あるいは、異なる色を有する異なる画素の導波路材１２１の一部の部分は、同一材で形成される。これにより、光導波路層１３０は、同一色、あるいは、異なる色を有する異なる画素で、同等の屈折率を提供することができる。図３に示されるように、導波路分割格子１２３Ａ中に照射される傾斜入射光１５０は、反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔに分けられる。反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔは、異なる画素で、同一素材の導波路材１２１を通過し、これにより、反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔは同じエネルギーを有して、異なる画素のカラーフィルターセグメント１１５に進入する。したがって、光導波路層１３０は、異なる画素において反射光１５０Ｒ、および、透過光１５０Ｔをさらに一致させることができる。これにより、固体撮像装置の角でのクロストーク問題が克服される。さらに、光導波路層１３０は、上述のチャネル分離を回避することができる。よって、本発明の実施形態の固体撮像装置の画像検出効果が改善される。

【0036】

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による図３の光導波路層１３０を有する固体撮像装置２００を形成する例示的方法の様々な段階の構造の断面図である。図４Ａに示されるように、まず、光電変換構造１１０のバッファ層１０９上に、遮光層１１１を形成する。次に、バッファ層１０９上に、カラーフィルター分割格子１１３Ｂを形成し、遮光層１１１を被覆する。遮光層１１１、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂを形成する材料とプロセスは、図２Ａと同じ、あるいは、類似することができる。その後、蒸着、あるいは、コーティングプロセスを用いて、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのスペースに、カラーフィルターセグメント１１５を充填する。カラーフィルターセグメント１１５の蒸着、あるいは、コーティング材料上に、平坦化プロセス、たとえば、ＣＭＰプロセスを実施する。その後、カラーフィルターセグメント１１５、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、共平面の上表面を有して、図４Ａに示されるようなカラーフィルター層１２０を形成する。

【0037】

次に、図４Ｂに示されるように、透明誘電材１２１’を、カラーフィルター層１２０上に蒸着する。いくつかの例において、透明誘電材１２１’は、約１．１〜約２．０の屈折率を有する。その後、図４Ｃに示されるように、透明誘電材１２１’がパターン化されて、複数の開口１２２を形成する。開口１２２の位置は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂと位置合わせすることができる。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、透明誘電材１２１’がパターン化される。開口１２２間の透明誘電材１２１’の残り部分は、図３に示される光導波路層１３０の導波路材１２１として用いられる。その後、導波路材１２１上に、透明誘電材を、蒸着、あるいは、コーティングして、開口１２２を充填する。開口１２２中の透明誘電材の部分は、図３に示される光導波路層１３０の導波路分割格子１２３Ａを形成する。導波路材１２１、および、導波路分割格子１２３Ａ上の透明誘電材の部分は、図３に示される光導波路層１３０の反射防止膜１２３Ｂを形成する。反射防止膜１２３Ｂ、および、導波路分割格子１２３Ａの透明誘電材は、導波路材１２１より低い屈折率を有する。

【0038】

図５Ａは、本発明のいくつかの実施形態による位相差検出オートフォーカス (ＰＤＡＦ)画素を有する固体撮像装置３００における画素アレイの一部の平面図である。固体撮像装置３００において、画素アレイの各画素は、それぞれ一つのカラーフィルターセグメント１１５を有する。ある場合において、カラーフィルターユニットＵは、同一色の４個のカラーフィルターセグメント１１５から構成される。異なる色、たとえば、Ｒ、Ｇ、および、Ｂの複数のカラーフィルターユニットＵは、適当な配置によって配列される。撮像機能に用いる固体撮像装置３００のノーマル画素Ｐにおいて、カラーフィルターセグメント１１５は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂにより互いに分離される。ＰＤＡＦ機能に用いる固体撮像装置３００のＰＤＡＦ画素において、たとえば、同一色Ｇを有する４個のカラーフィルターセグメント１１５は互いに接触し、且つ、カラーフィルター分割格子１１３Ｂにより囲まれて、隣接するノーマル画素中のカラーフィルターセグメント１１５から分離される。このほか、ノーマル画素のカラーフィルターセグメント１１５の上に設置される導波路材１２１は、導波路分割格子１２３Ａにより分離される。導波路分割格子１２３Ａが、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの上方に設置され、カラーフィルター分割格子１１３Ｂと照準を合わせる（位置決めする：align）ことができる。このほか、ＰＤＡＦ画素のカラーフィルターセグメント１１５上に設置される導波路材１２１は一緒に接続され、且つ、導波路分割格子１２３Ａにより囲まれて、隣接するノーマル画素中の導波路材１２１から分離される。ＰＤＡＦ画素は、ランダム、あるいは、規則的である任意の適当な位置で、ノーマル画素と配列される。

【0039】

図５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による図５Ａの線Ｂ−Ｂに沿った、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置３００の断面図である。固体撮像装置３００の構造は、ＰＤＡＦ画素を除いて、図３の固体撮像装置２００に類似する。ＰＤＡＦ画素は複数の画素から構成され、たとえば、ＰＤＡＦ画素は、図５Ａに示されるように、四個の画素から構成される。ＰＤＡＦ画素において、ＰＤＡＦ機能に用いられる複数の光電変換素子１０３を有する。本発明の実施形態によると、ＰＤＡＦ画素に進入する傾斜入射光１５０は、光導波路層１３０の導波路材１２１により、角度 θで、屈折され、入射光は、導波路材１２１中で、光線の距離Ｘ、進行する。導波路材１２１は厚さＴを有し、距離ＸはT*tan θに等しい。

【0040】

本発明の実施形態の光導波路層１３０は、固体撮像装置のＰＤＡＦ機能を向上させることができる。実施形態の光導波路層を有する固体撮像装置において、ＰＤＡＦ画素の異なる画素の感度の測定の結果は、ＰＤＡＦ画素の異なる位置の二個の緑色画素の感度の比率が約２．８である。しかし、実施形態の光導波路層がない固体撮像装置において、ＰＤＡＦ画素の異なる位置の二個の緑色画素の感度の比率は約１．９である。したがって、本発明の実施形態の光導波路層の使用は、ＰＤＡＦ画素の位相差を増加させ、これにより、固体撮像装置のＰＤＡＦ機能が向上する。

【0041】

固体撮像装置において、入射光は、斜角で、画素アレイの縁部に照射し、この斜角は、画素アレイの中央領域に照射される入射光の法線角度より大きい。画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の中央領域(central area)外側の周辺領域で照射する傾斜入射光は、それらの画素の感度を低下させる。本発明の実施形態によると、ノーマル画素、ＰＤＡＦ画素、あるいは、それらの組み合わせに用いる導波路分割格子の位置のシフト（移動）が提供されて、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域の感度を向上させる。

【0042】

図６Ａは、本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置２００Ｃの中央領域で、ノーマル画素を有する固体撮像装置２００Ｃの一部の断面図である。図６Ａを参照すると、導波路分割格子１２３Ａの位置は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの位置と照準を合わせ、シフトしない。図６Ａに示されるように、導波路分割格子１２３Ａのそれぞれのパーティションの中心線１２３ＣＬは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのそれぞれのパーティションの中心線１１３ＣＬと照準を合わせ、直線をなす。このほか、画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置２００Ｃの中央領域で、導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｃは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂに対してシフトがない。

【0043】

図６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置２００Ｅの中央領域の外側の周辺領域で、ノーマル画素を有する固体撮像装置２００Ｅの一部の断面図である。図６Ｂを参照すると、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置２００Ｅの周辺領域で、導波路分割格子１２３Ａの位置は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの位置に対して、方向Ｄで、シフト距離（移動距離）ΔＸ、シフトする。方向Ｄは、光導波路層１３０の上表面に平行な平面上にある水平方向である。たとえば、方向Ｄは、Ｘ軸方向、および、Ｙ軸方向、あるいは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対して斜め方向にすることができる。図６Ｂに示されるように、導波路分割格子１２３Ａのそれぞれのパーティションの中心線１２３ＣＬは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのそれぞれのパーティションの中心線１１３ＣＬと位置決めされない。中心線１２３ＣＬと中心線１１３ＣＬ間に、シフト距離ΔＸがある。シフト距離ΔＸは、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域の感度、チャネル分離、あるいは、その他の性能に基づいて調整される。さらに、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置２００Ｅの周辺領域で、導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｅは、画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置２００Ｃの中央領域の導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｃの設定位置に対しても、シフト距離ΔＸを有する。各画素の導波路分割格子１２３Ａのシフト距離ΔＸは一致している。

【0044】

本発明の実施形態によると、図６Ｂに示されるように、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域で、ノーマル画素中に照射される傾斜入射光１５０Ｅは、位置がシフトした導波路分割格子１２３Ａと導波路材１２１により、カラーフィルターセグメント１１５中に導かれ、且つ、光電変換素子１０３の中央領域に近い位置に到達する。これにより、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域で、感度が向上する。

【0045】

図７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置３００Ｃの中央領域で、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置３００Ｃの一部の断面図である。図７Ａを参照すると、導波路分割格子１２３Ａの位置は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの位置と照準を合わせ、シフトしない。図７Ａに示されるように、導波路分割格子１２３Ａのそれぞれのパーティションの中心線１２３ＣＬは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのそれぞれのパーティションの中心線１１３ＣＬと照準を合わせ、直線をなす。このほか、画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置３００Ｃの中央領域で、ＰＤＡＦ画素中の導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｃは、カラーフィルター分割格子１１３Ｂに対してシフトがない。

【0046】

図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置３００Ｅの中央領域の外側の周辺領域で、ＰＤＡＦ画素を有する固体撮像装置３００Ｅの一部の断面図である。図７Ｂを参照すると、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置３００Ｅの周辺領域で、ＰＤＡＦ画素中の導波路分割格子１２３Ａの位置は、カラーフィルター分割格子１１３Ｂの位置に対して、方向Ｄで、距離ΔＸ、シフトする。方向Ｄは、光導波路層１３０の上表面に平行な平面の水平方向である。たとえば、方向Ｄは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、あるいは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対し斜め方向にすることができる。導波路分割格子１２３Ａのそれぞれのパーティションの中心線１２３ＣＬは、図７Ｂに示されるように、カラーフィルター分割格子１１３Ｂのそれぞれのパーティションの中心線１１３ＣＬと照準を合わせない。中心線１２３ＣＬと中心線１１３ＣＬ間に、シフト距離ΔＸがある。シフト距離ΔＸは、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域の感度、チャネル分離、あるいは、その他の性能に基づいて調整される。さらに、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置３００Ｅの周辺領域で、ＰＤＡＦ画素中の導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｅは、さらに、画素アレイの中央領域、あるいは、固体撮像装置３００Ｃの中央領域の導波路分割格子１２３Ａのパーティションの左側壁１２３ＬＳ−Ｃの設定位置に対しても、シフト距離ΔＸを有する。

【0047】

本発明の実施形態によると、図７Ｂに示されるように、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域で、ＰＤＡＦ画素に照射する傾斜入射光１５０Ｅは、位置がシフトした導波路分割格子１２３Ａと導波路材１２１により、カラーフィルターセグメント１１５に導かれるとともに、ＰＤＡＦ画素中の光電変換素子１０３に到達して、ＰＤＡＦ画素中の二個の異なる位置の位相差を増加させる。これにより、画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の周辺領域のＰＤＡＦ機能が向上する。

【0048】

図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および、図７Ｂの構造が別々に示されているが、ノーマル画素とＰＤＡＦ画素の説明用、および、中央領域と画素アレイの縁部、あるいは、固体撮像装置の中央領域と周辺領域での説明用の図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および、図７Ｂに示されるこれらの構造は、ひとつの固体撮像装置中に組み合わせることができる。

【0049】

図８〜図１１は、本発明のいくつかの実施形態による様々な最上部ガイド構造を有するいくつかの固体撮像装置の断面図である。図８を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像装置４００は、光導波路層１３０とカラーフィルター層１２０間に、平坦層１２５を有する。平坦層１２５は、光導波路層１３０の導波路材１２１より低い、あるいは、導波路分割格子１２３Ａの屈折率に等しい屈折率を有する透明誘電材、あるいは、絶縁材から形成される。光導波路層１３０を形成する前、コーティング、あるいは、蒸着プロセスを用いて、カラーフィルター層１２０上に、平坦層１２５が形成される。導波路材１２１がエッチングされ、導波路分割格子１２３Ａを充填するための開口を形成するとき、エッチングプロセス中で、平坦層１２５は、エッチ停止層として用いられ、下部のカラーフィルター層１２０を保護する。平坦層１２５は、光導波路層１３０の反射防止膜１２３Ｂと同一材で形成される。いくつかの例において、平坦層１２５の厚さは、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍである。このほか、固体撮像装置４００中の光導波路層１３０、カラーフィルター層１２０、および、光電変換構造１１０の各種素子は、図３の固体撮像装置２００と同じ、あるいは、類似する。

【0050】

図９を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像装置５００は、光導波路層１３０上に、保護層１２７を有する。保護層１２７は、湿気が、固体撮像装置に浸入するのを防止することができる。保護層１２７は、光導波路層１３０の導波路材１２１より低い屈折率を有する無機透明絶縁材で形成される。さらに、保護層１２７の屈折率は、導波路分割格子１２３Ａの屈折率以下である。保護層１２７は、蒸着プロセス、たとえば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、あるいは、ＡＬＤプロセス、あるいは、コーティングプロセスを用いて、光導波路層１３０の反射防止膜１２３Ｂ上に形成される。保護層１２７は、反射防止膜１２３Ｂの材料と異なる材料で形成される。いくつかの例において、保護層１２７の厚さは、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍである。このほか、固体撮像装置５００中の光導波路層１３０、カラーフィルター層１２０、および、光電変換構造１１０の各種素子は、図３の固体撮像装置２００と同じ、あるいは、類似する。

【0051】

図１０を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像装置６００は、光導波路層１３０上に、追加の光導波路層１４０を有する。光導波路層１４０は、導波路材１３１、導波路分割格子１３３Ａ、および、反射防止膜１３３Ｂを有する。光導波路層１４０を形成する材料とプロセスは、光導波路層１３０に関して描かれる材料や工程と同じ、あるいは、類似する。さらに、導波路材１３１の材料層がエッチングされ、導波路分割格子１３３Ａを充填するための開口を形成するとき、光導波路層１３０の反射防止膜１２３Ｂは、エッチングプロセス中でエッチ停止層として用いられて、下方の構造を保護する。

【0052】

いくつかの実施形態において、下方の光導波路層１３０の導波路材１２１の屈折率は、上方の光導波路層１４０の導波路材１３１より高い。このほか、図１０の固体撮像装置６００は、一個の追加光導波路層１４０が示されているが、下方の光導波路層１３０上に、一つ以上の追加光導波路層を有してもよい。このほか、光導波路層の導波路材の屈折率は一致する、あるいは、徐々に、カラーフィルター層１２０方向に向かって徐々に増加することができる。光導波路層１４０の導波路分割格子１３３Ａは、光導波路層１３０の上表面に垂直な方向で、光導波路層１３０の導波路分割格子１２３Ａと照準を合わせる。いくつかの実施形態において、上方の導波路分割格子１３３Ａ、下方の導波路分割格子１２３Ａ、および、カラーフィルター分割格子１１３Ｂは、同一材で形成される。このほか、固体撮像装置６００中の光導波路層１３０、光導波路層１４０、カラーフィルター層１２０、および、光電変換構造１１０の各素子は、図３の固体撮像装置２００の素子と同じ、あるいは、類似する。

【0053】

図１１を参照すると、いくつかの実施形態において、固体撮像装置７００は、隣接画素で、異なるサイズを有する導波路材１２１を有する光導波路層１３０を有する。いくつかの実施形態において、図１１に示されるように、第一画素Ｐ１、第二画素Ｐ２、および、第三画素Ｐ３の導波路材１２１の一部の部分は、それぞれ、異なる幅Ｗ１、Ｗ２、および、Ｗ３を有する。いくつかの例において、導波路材１２１は、隣接画素で、異なるサイズを有する。このほか、異なる画素の導波路材１２１のサイズの変化は、周期的、あるいは、非周期的である。異なる画素の導波路材１２１の異なるサイズは、異なる画素の導波路分割格子１３３Ａのパーティションの幅を調整することにより得られる。このほか、異なる画素の導波路材１２１の異なるサイズは、導波路分割格子１２３Ａのシフトと組み合わされ、同一の固体撮像装置中で一緒に使用される。固体撮像装置７００中のカラーフィルター層１２０、および、光電変換構造１１０の各種素子は、図３の固体撮像装置２００の素子と同じ、あるいは、類似する。

【0054】

本発明の実施形態によると、光導波路層は、固体撮像装置のカラーフィルター層の上方に提供される。光導波路層は、導波路分割格子、および、導波路分割格子のスペース中の導波路材を有する。導波路材の屈折率は、導波路分割格子の低屈折率より高い。その結果、導波路分割格子の壁で、全内部反射が発生し、導波路材は、入射光を制限し、カラーフィルターセグメント方向に伝搬させることができる。これにより、本発明の実施形態の光導波路層は、固体撮像装置の角のクロストークを回避するとともに、位相差検出オートフォーカス (ＰＤＡＦ)機能を向上させることができる。

【0055】

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、本発明の思想を脱しない範囲内で各種の変形を加えることができる。

【符号の説明】

【0056】

１００、２００、２００Ｃ、２００Ｅ、３００、３００Ｃ、３００Ｅ、４００、５００、６００、７００…固体撮像装置
１０１…半導体基板
１０１Ｂ…背面
１０１Ｆ…前面
１０３…光電変換素子(フォトダイオード)
１０５…配線層
１０７…高誘電率(high-k)膜
１０９…バッファ層
１１０…光電変換構造
１１１…遮光層
１１３…分隔網格
１１３Ａ、１２３Ａ、１３３Ａ…導波路分割格子
１１３Ｂ…カラーフィルター分割格子
１１３ＣＬ、１２３ＣＬ…パーティションの中心線
１１４、１１４’…スペース
１１５…カラーフィルターセグメント
１２０…カラーフィルター層
１２１、１３１…導波路材
１２１’ …透明誘電材
１２２…開口
１２３Ｂ、１３３Ｂ…反射防止膜
１２３ＬＳ-Ｃ、１２３ＬＳ-Ｅ…パーティションの左側壁
１２５…平坦層
１２７…保護層
１３０、１４０…光導波路層
１５０…入射光
１５０Ｒ…反射光
１５０Ｔ…透過光
１５０Ｅ…傾斜入射光
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…画素
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…幅
Ｔ…厚さ
ＰＷ…画素サイズ
Ｕ…カラーフィルターユニット
ＰＤＡＦ…位相差検出オートフォーカス
θ…角度
Ｘ…距離
ΔＸ…シフト距離
Ｄ…方向

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】