特開 2022-140234 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022140234

(43)【公開日】2022-09-26

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20220915BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20220915BHJP

   H04N 1/10 20060101ALI20220915BHJP

   H04N 1/028 20060101ALI20220915BHJP

   G06T 1/00 20060101ALI20220915BHJP

【ＦＩ】

H01L31/02 D

H01L27/146 D

H04N1/10

H04N1/028 Z

G06T1/00 400G

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021143067

(22)【出願日】2021-09-02

(31)【優先権主張番号】17/198,549

(32)【優先日】2021-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【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

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110000486

【氏名又は名称】とこしえ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】王 唯科

【テーマコード（参考）】

4M118

5B047

5C051

5C072

5F849

【Ｆターム（参考）】

4M118AB01

4M118CA02

4M118CA05

4M118CB01

4M118CB02

4M118CB03

4M118GB05

4M118GB11

4M118GB13

4M118GC11

4M118GD02

4M118GD04

4M118GD07

4M118GD08

5B047AA25

5B047BC05

5B047BC07

5B047BC20

5C051AA01

5C051BA02

5C051DB01

5C051DB04

5C051DB22

5C051DB23

5C051DC04

5C051DC07

5C072AA01

5C072BA15

5C072DA02

5C072DA09

5C072DA15

5C072EA04

5F849BA04

5F849BB03

5F849EA04

5F849HA06

5F849HA07

5F849HA10

5F849JA12

5F849LA02

5F849XB05

(57)【要約】

【課題】 傾斜光を受光または集光する半導体装置を提供する。
【解決手段】 光電変換素子を有する基板、前記基板の上に配置され、前記光電変換素子に対応する第１の開口を有する第１の遮光層、前記第１の遮光層の上に配置された光調整構造、前記光調整構造の上に配置され、前記第１の開口に対応する第２の開口を有する第２の遮光層、前記第２の遮光層の上に配置され、前記第２の開口を覆う第１の集光構造、前記第１の集光構造の上に配置され、前記第２の開口に対応する第３の開口を有する第３の遮光層、前記第３の遮光層の上に配置され、前記第３の開口を覆う第２の集光構造、および前記第２の遮光層と前記第３の遮光層の間に配置された第１の光透過層を含み、前記第１の集光構造の屈折率および前記第１の光透過層の屈折率は異なる半導体装置。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光電変換素子を有する基板、
前記基板の上に配置され、前記光電変換素子に対応する第１の開口を有する第１の遮光層、
前記第１の遮光層の上に配置された光調整構造、
前記光調整構造の上に配置され、前記第１の開口に対応する第２の開口を有する第２の遮光層、
前記第２の遮光層の上に配置され、前記第２の開口を覆う第１の集光構造、
前記第１の集光構造の上に配置され、前記第２の開口に対応する第３の開口を有する第３の遮光層、
前記第３の遮光層の上に配置され、前記第３の開口を覆う第２の集光構造、および
前記第２の遮光層と前記第３の遮光層の間に配置された第１の光透過層を含み、
前記第１の集光構造の屈折率および前記第１の光透過層の屈折率は異なる半導体装置。

【請求項2】

前記第１の集光構造の屈折率は、前記第１の光透過層の屈折率より高く、前記第１の集光構造は凸状のマイクロレンズであり、前記第１の集光構造の屈折率は、１．５～２．５の間である請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１の集光構造の屈折率は、前記第１の光透過層の屈折率より低く、前記第１の集光構造は凹状のマイクロレンズであり、前記第１の集光構造の屈折率は１．０～１．５の間である請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第１の集光構造の中心軸は、前記第２の集光構造の中心軸から分離されており、前記第１の集光構造および前記第２の集光構造は、球形、非球面、または自由曲面を有する請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記光電変換素子は、前記第１の集光構造の１つおよび前記第２の集光構造の１つに対応し、前記光電変換素子は入射光を感知するように用いられ、前記入射光は１度～８０度の範囲の入射角を有する請求項１に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１の集光構造は、少なくとも１つの第２の開口を覆う請求項１に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１の集光構造の中心軸は、対応する前記第２の集光構造の１つの中心軸と重なり、前記第１の集光構造および前記第２の集光構造は、球形、非球面、または自由曲面を有する請求項１に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１の集光構造は、前記第３の開口の１つに対応する請求項６に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第１の集光構造の直径は、前記第２の集光構造の直径より大きい請求項６に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記光調整構造と前記第２の遮光層の間に配置された第２の光透過層をさらに含み、
前記第１の光透過層は、前記第２の遮光層、前記第１の集光構造、前記第３の遮光層、および前記第２の集光構造と直接接触しており、前記光調整構造は赤外線カットオフフィルタである請求項１に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、傾斜光を受光または集光する半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、様々な用途で用いられることができる。例えば、近年、光電変換素子を搭載した半導体装置が指紋認証装置、顔認証装置、虹彩認証などの生体認証装置として多用されている。生体認証装置は、人固有の身体的特性（例えば、指紋、顔、虹彩など）を用いて本人を認証し、通常、携帯機器（例えば、携帯電話、タブレット、ノートパソコンなど）で用いられる。この生体認証装置のアプリケーションは、ユーザにとって安全で利便性がある。

【0003】

しかしながら、既存の生体認証装置は、あらゆる点で満足できるものではない。例えば、携帯電話またはタブレットの画面における指紋認証に用いられる生体認証装置は、傾斜した入射光を感知して集光する必要があるが、入射角が大きい（例えば５０度以上）傾斜した入射光は（コマ）収差を起こし、その結果、生体認証装置の光電変換素子からの画像信号の品質が低下する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

傾斜光を受光または集光する半導体装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示のいくつかの実施形態では、半導体装置は、少なくとも２つの集光構造、および２つの集光構造の間の１つの光透過層を含み、且つより低い集光構造の屈折率と光透過層の屈折率は異なるため、（コマ）収差が効果的に低減されることができ、その結果、半導体装置の光電変換要素からの画像信号の品質を向上させる。

【0006】

本開示のいくつかの実施形態による、半導体装置が提供される。半導体装置は、光電変換素子を有する基板を含む。半導体装置は、基板の上に配置され、光電変換素子に対応する第１の開口を有する第１の遮光層も含む。半導体装置は、第１の遮光層の上に配置された光調整構造をさらに含む。さらに、半導体装置は、光調整構造の上に配置され、第１の開口に対応する第２の開口を有する第２の遮光層を含む。半導体装置は、第２の遮光層の上に配置され、第２の開口を覆う第１の集光構造も含む。半導体装置は、第１の集光構造の上に配置され、第２の開口に対応する第３の開口を有する第３の遮光層をさらに含む。また、半導体装置は、第３の遮光層の上に配置され、第３の開口を覆う第２の集光構造を含む。半導体装置は、第２の遮光層と第３の遮光層の間に配置された第１の光透過層も含む。第１の集光構造の屈折率および第１の光透過層の屈折率は異なる。

【0007】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の屈折率は、第１の光透過層の屈折率より高い。

【0008】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造は凸状のマイクロレンズである。

【0009】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の屈折率は、１．５～２．５の間である。

【0010】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の屈折率は、第１の光透過層の屈折率より低い。

【0011】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造は凹状のマイクロレンズである。

【0012】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の屈折率は１．０～１．５の間である。

【0013】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の中心軸は、第２の集光構造の中心軸から分離されている。

【0014】

いくつかの実施形態では、光電変換素子は、１つの第１の集光構造および１つの第２の集光構造に対応する。

【0015】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造は、１つの第２の開口を覆う。

【0016】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の中心軸は、対応する第２の集光構造の中心軸と重なる。

【0017】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造は、少なくとも２つの第２の開口を覆う。

【0018】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造は、１つの第３の開口に対応する。

【0019】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の直径は、第２の集光構造の直径より大きい。

【0020】

いくつかの実施形態では、半導体装置は、光調整構造と第２の遮光層の間に配置された第２の光透過層をさらに含む。

【0021】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造の屈折率および第２の集光構造の屈折率は異なる。

【0022】

いくつかの実施形態では、第１の光透過層は、第２の遮光層、第１の集光構造、第３の遮光層、および第２の集光構造と直接接触している。

【0023】

いくつかの実施形態では、光調整構造は赤外線カットオフフィルタである。

【0024】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造および第２の集光構造は、球形、非球面、または自由曲面を有する。

【0025】

いくつかの実施形態では、光電変換素子は入射光を感知するように用いられ、入射光は１度～８０度の範囲の入射角を有する。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、半導体装置の光電変換要素からの画像信号の品質を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、本開示の一実施形態による、半導体装置を示す部分断面図である。

【図2】図２は、本開示のもう１つの実施形態による、半導体装置を示す部分断面図である。

【図3】図３は、本開示の一実施形態による、半導体装置を示す部分断面図である。

【図4】図４は、本開示のもう１つの実施形態による、半導体装置を示す部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下の開示では、本開示の異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施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、複数の構成および配列の複数の具体例を説明する。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、第１の特徴において、下記の開示の第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た複数の実施形態を含むこともできる。

【0029】

例示された方法の前、間、または後に追加のステップを実施することができ、例示された方法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。

【0030】

さらに（以下の詳細な説明において）、「下の方」、「下方」、「下部」、「上の方」、「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（複数の）要素と（複数の）特徴との関係を簡潔に説明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。

【0031】

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、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。

【0032】

本開示は、以下の例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、複数の以下に説明する実施形態および／または配置の関係を限定するものではない。

【0033】

本開示の実施形態の半導体装置は、指紋認証装置などの生体認証装置として用いられることができるが、本開示はそれに限定されない。本開示の実施形態に示される半導体装置は、要件に応じて、他の適切な装置に適用されることもできる。

【0034】

図１は、本開示の一実施形態による半導体装置１００を示す部分断面図である。簡潔にするために、図１では、半導体装置１００のいくつかの構成要素が省略されている。

【0035】

図１に示すように、半導体装置１００は、基板１０を有する。例えば、基板１０の材料は、元素半導体（例えば、シリコン、ゲルマニウム）、化合物半導体（例えば、炭化タンタル（ＴａＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、またはリン化インジウム（ＩｎＰ））、合金半導体（例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコンゲルマニウムカーバイド（ＳｉＧｅＣ）、ヒ化ガリウムリン化物（ＧａＡｓＰ）、またはリン化インジウムリン化物（ＧａＩｎＰ））、その他の任意の半導体、またはそれらの組み合わせを用いることができる。

【0036】

いくつかの実施形態では、基板１０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を適用することができる。例えば、基板１０は、シリコンオンインシュレータ基板またはゲルマニウムオンインシュレータ基板を用いることができるが、本開示はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板１０は、半導体ウェハ（例えば、シリコンウェハ、または任意の他の適用可能な半導体ウェハ）を用いることができる。いくつかの実施形態では、基板１０は、様々な導電的構成（例えば、導電線（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｉｎｅｓ）またはビア）を用いることができる。例えば、導電的構成は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、それらの合金、他の適用可能な導電性材料、またはそれらの組み合わせを用いることができるが、本開示はこれらに限定されない。

【0037】

図１に示されるように、基板１０は、複数の光電変換素子１１を有する。例えば、光電変換素子１１は、イオン注入プロセスおよび／または拡散プロセスなどよって形成される。また、光電変換素子１１は、トランジスタ、フォトダイオード、ＰＩＮダイオード、および／または発光ダイオードを形成するように構成されることができるが、本開示はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光電変換素子１１はアレイ構造を形成する。

【0038】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、基板１０の上に配置された第１の遮光層２１を有する。図１に示されるように、第１の遮光層２１は、基板１０の上に堆積され、基板１０と直接接触することができるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、第１の遮光層２１は、光電変換素子１１に対応する第１の開口部２１Ｈを有する。言い換えると、第１の開口部２１Ｈは、入射光Ｌが集光構造４１等を透過して光電変換素子１１に集光させる位置に設けられている。例えば、第１の遮光層２１は、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）などの金属を含むことができるが、本開示はそれらに限定されない。また、第１の遮光層２１は、フォトレジスト（例えば、黒色のフォトレジスト、または透明でない他の適用可能なフォトレジスト）、インク（例えば、黒色のインク、または透明でない他の適用可能なインク）、成形化合物（例えば、黒色の成形化合物、または透明でない他の適用可能な成形化合物）、はんだマスク（例えば、黒色のはんだマスク、または透明でない他の適用可能なはんだマスク）、（黒色）エポキシ樹脂、任意の他の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせを用いることができる。いくつかの実施形態では、第１の遮光層２１は、光硬化材料、熱硬化材料、またはそれらの組み合わせを含む。

【0039】

上述の材料は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）、またはそれらの組み合わせなどの蒸着プロセスによって基板１０の上に堆積されてもよいが、本開示はこれに限定されるものではない。次に、図１に示されるように、パターン化プロセスが行なわれ、材料をパターン化して第１の遮光層２１（第１の開口部２１Ｈを有する）を形成する。より詳細には、材料の一部が、パターン化プロセスにおいて除去され、第１の開口部２１Ｈを形成する。パターン化プロセスは、ソフトベーク、マスク位置合わせ、露光、露光後ベーク、現像、リンス、乾燥、任意の他の適用可能なプロセス、またはこれらの組み合わせを用いることができるが、本開示はそれらに限定されるものではない。

【0040】

図１に示すように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、第１の遮光層２１の上に配置された光調整構造３０を含む。いくつかの実施形態では、光調整構造３０は、マルチフィルム構造を有する赤外線（ＩＲ）カットオフフィルタである。例えば、光調整構造３０は、特定の波長（例えば、約７００ｎｍ～約１１００ｎｍ）の赤外光をカットし、特定の波長（例えば、約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）の可視光を通過させることができるが、本開示はそれに限定されない。光調整構造３０は、堆積プロセスによって形成されてもよい。堆積プロセスの例は上述の通りであり、ここでは繰り返されないが、本開示はそれに限定されない。

【0041】

図１に示すように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、光調整構造３０の上に配置された第２の遮光層２３を含む。同様に、いくつかの実施形態では、第２の遮光層２３は、第１の開口部２１Ｈに対応する第２の開口部２３Ｈを有する。例えば、第２の遮光層２３と第１の遮光層２１は、類似または同一の材料を含み得るが、本開示はそれらに限定されない。また、前述の材料は、堆積プロセスによって、光調整構造３０の上に堆積され、次いで、図１に示されるように、パターン化プロセスが行なわれ、材料をパターン化して第２の遮光層２３（第２の開口部２３Ｈを有する）を形成することできるが、本開示はそれに限定されない。なお、第１の開口部２１Ｈの位置と第２の開口部２３Ｈの位置は、図１の点線で示すような位置関係にあってもよい。すなわち、第２の集光構造から入射した入射光Ｌが光電変換素子１１に集光するように、第１の開口部２１Ｈと第２の開口部２３Ｈは、入射光Ｌの光路上に位置することで、第１の開口部２１Ｈと第２の開口部２３Ｈは位置関係を対応さればよい。なお、以下の説明で、「対応する」は、「入射光Ｌの光路上に位置すること」としてもよいが、「所定範囲内の入射角に応じて、光電変換素子１１が入射光Ｌを感知できるような位置関係」としてもよい。

【0042】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、第２の遮光層２３の上に配置された第１の集光構造４１を含む。例えば、第１の集光構造４１は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、任意の他の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせなどの透明な材料を含み得るが、本開示はそれらに限定されない。第１の集光構造４１は、フォトレジストリフロー法、ホットエンボス法、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されてもよい。さらに、第１の集光構造４１を形成するステップは、スピンコーティングプロセス、リソグラフィプロセス、エッチングプロセス、任意の他の適用可能なプロセス、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。

【0043】

いくつかの実施形態では、第１の集光構造４１は、第２の開口部２３Ｈに対応する凸状のマイクロレンズである。図１に示されるように、いくつかの実施形態では、第１の集光構造４１は、第２の開口部２３Ｈを覆う。各第１の集光構造４１の中心軸Ｃ１は、図１に示されるように、対応する第２の開口部２３Ｈの中心から分離され得るが、本開示はそれに限定されないことに留意されたい。なお、中心軸Ｃ１は、基板１０上、第１の遮光層２１等の積層面（表面）に対して垂直方向に沿う軸である。そして、各第１の集光構造４１の中心軸Ｃ１は、図１に示されるように、対応する第２の開口部２３Ｈの中心から、第２の遮光層２３の積層面（表面）に沿う方向に離れている。

【0044】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、第２の遮光層２３の上に配置された第１の光透過層５１を含む。特に、第１の光透過層５１は、第２の遮光層２３および第１の集光構造４１の上に堆積され、それらと直接接触することができる。いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１の屈折率は、第１の光透過層５１の屈折率より高い。いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１の屈折率は、約１．５～約２．５の間（例えば、１．７）であり、第１の光透過層５１の屈折率は、約１．４～約１．６の間（例えば、１．５）である。

【0045】

光透過層５１の材料は、透明フォトレジスト、ポリイミド、エポキシ樹脂、任意の他の適用可能な材料、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。例えば、スピンオンコーティングプロセスが行われ、前述の材料を第２の遮光層２３および第１の集光構造４１上にコーティングして第１の光透過層５１を形成することができるが、本開示はそれらに限定されない。

【0046】

図１に示すように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、第１の光透過層５１および第１の集光構造４１の上に配置された第３の遮光層２５を含む。即ち、第１の光透過層５１は、第２の遮光層２３と第３の遮光層２５の間に配置される。

【0047】

同様に、いくつかの実施形態では、第３の遮光層２５は、第２の開口部２３Ｈに対応する第３の開口部２５Ｈを有する。例えば、第３の遮光層２５、第１の遮光層２１、および第２の遮光層２３は、類似または同一の材料を含み得るが、本開示はそれらに限定されない。また、前述の材料は、堆積プロセスによって、第１の光透過層５１の上に堆積され、次いで、図１に示されるように、パターン化プロセスが行なわれ、材料をパターン化して第３の遮光層２５（第３の開口部２５Ｈを有する）を形成することできるが、本開示はそれに限定されない。

【0048】

図１に示すように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、第３の遮光層２５の上に配置された第２の集光構造４３を含む。いくつかの実施形態では、第２の集光構造４３は、透明な材料を含むが、第１の集光構造４１とは異なる。即ち、各第１の集光構造４１の屈折率と各第２の集光構造４３の屈折率は異なる。例えば、各第２の集光構造４３の屈折率は、約１．２～約１．５（例えば、１．４）の間であり得るが、本開示はそれに限定されない。第２の集光構造４３は、第１の集光構造４１を形成する同様の方法またはプロセス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。

【0049】

いくつかの実施形態では、第２の集光構造４３は、第２の開口部２５Ｈに対応する凸状のマイクロレンズである。図１に示されるように、いくつかの実施形態では、第２の集光構造４３は、第３の開口部２５Ｈを覆う。また、第３の開口部２５Ｈは、第２の集光構造４３で充填され得る。各第２の集光構造４３の中心軸Ｃ３は、図１に示されるように、対応する第３の開口部２５Ｈの中心を覆い得るが、本開示はそれに限定されないことに留意されたい。言い換えると、各第２の集光構造４３の中心軸Ｃ３は、対応する第３の開口部２５Ｈの中心を通るように、位置合わせされてもよい。

【0050】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、第１の光透過層５１は、第２の遮光層２３、第１の集光構造４１、第３の遮光層２５、および第２の集光構造４３と直接接触している。即ち、第２の遮光層２３、第１の集光構造４１、第１の光透過層５１、第３の遮光層２５、および第２の集光構造４３は互いに堆積されることができる。

【0051】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１の中心軸Ｃ１は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の中心軸Ｃ３から分離されている。言い換えると、各第１の集光構造４１の中心軸Ｃ１は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の中心軸Ｃ３に対して、第１の光透過層５１の積層面（表面）に沿う方向に離れている。いくつかの実施形態では、各光電変換素子１１は、１つの第１の集光構造４１および１つの第２の集光構造４３に対応する。光電変換素子１１ａは、図１の断面図には示されていない１つの第１の集光構造４１および１つの第２の集光構造４３に対応し得ることに留意されたい。

【0052】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１および各第２の集光構造４３は、（半）球形の表面を有する。いくつかの他の実施形態では、各第１の集光構造４１および各第２の集光構造４３は、非球面または自由曲面（ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ）を有する。

【0053】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、半導体装置１００は、光調整構造３０と第２の遮光層２３との間に配置された第２の光透過層５３をさらに含む。特に、第２の光透過層５３は、光調整構造３０の上に堆積され、光調整構造３０と直接接触することができるが、本開示はそれに限定されない。第２の光透過層５３の材料および形成方法は、第１の光透過層５１のものと同じまたは類似し得るが、本開示はそれらに限定されない。

【0054】

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、光電変換素子１１は、入射光Ｌを感知するように用いられ、各入射光Ｌは、約１度～約８０度の範囲の入射角θを有する。いくつかの実施形態では、各入射光Ｌは、少なくとも２つの集光構造（例えば、１つの第１の集光構造４１および１つの第２の集光構造４３）および２つの集光構造の間の１つの光透過層（例えば、第１の光透過層）を通過し、より低い集光構造の屈折率と光透過層の屈折率は異なる。傾斜した入射光がより大きな入射角（例えば、５０度以上）を有するときでも、（コマ）収差は効果的に低減されることができ、その結果、半導体装置１００の光電変換要素１１からの画像信号がより高品質になる。

【0055】

図２は、本開示のもう１つの実施形態による、半導体装置１０２を示す部分断面図である。簡潔にするために、図２では、半導体装置１０２のいくつかの構成要素が省略されている。

【0056】

図２に示すように、半導体装置１０２は、光電変換素子１１を有する基板１０を含む。半導体装置１０２は、基板１０の上に配置され、光電変換素子１１に対応する第１の開口部２１Ｈを有する第１の遮光層２１も含む。半導体装置１０２は、第１の遮光層２１の上に配置された調光構造３０をさらに含む。また、半導体装置１０２は、光調整構造３０の上に配置され、第１の開口部２１Ｈに対応する第２の開口部２３Ｈを有する第２の遮光層２３を含む。半導体装置１０２は、第２の遮光層２３の上に配置され、第２の開口部２３Ｈを覆う第１の集光構造４１’も含む。半導体装置１０２は、第１の集光構造４１’の上に配置され、第２の開口部２３Ｈに対応する第３の開口部２５Ｈを有する第３の遮光層２５をさらに含む。さらに、半導体装置１０２は、第３の遮光層２５の上に配置され、第３の開口部２５Ｈを覆う第２の集光構造４３を含む。半導体構造１０２は、第２の遮光層２３と第３の遮光層２５の間に配置された第１の光透過層５１も含む。

【0057】

この実施形態では、各第１の集光構造４１’の屈折率は、第１の光透過層５１の屈折率よりも高く、第１の集光構造４１’は、第２の開口部２３Ｈに対応する凸状のマイクロレンズであり、第２の集光構造４３は、第３の開口部２５Ｈに対応する凸状のマイクロレンズである。

【0058】

図２に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１’は、少なくとも２つの第２の開口部２３Ｈを覆い、各第２の集光構造４３は、１つの第３の開口部２５Ｈを覆う。また、図２に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１’の中心軸Ｃ１’は、対応する第２の集光構造４３の中心軸Ｃ３と重なる。

【0059】

図２に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１’は、１つの第３の開口部２５Ｈに対応する。いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４１’の直径Ｄ４１は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の直径Ｄ４３より大きい。即ち、いくつかの実施形態では、２つ以上の光電変換素子１１は、同じ第１の集光構造４１’および第２の集光構造４３を共有する。

【0060】

図３は、本開示の一実施形態による、半導体装置１０４を示す部分断面図である。簡潔にするために、図３では、半導体装置１０４のいくつかの構成要素が省略されている。

【0061】

いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２の屈折率は、第１の光透過層５１の屈折率より低い。この実施形態では、各第１の集光構造４２の屈折率は、約１．０～約１．５（例えば、１．３）の間であり、第１の光透過層５１の屈折率は、約１．４～約１．６（例えば、１．５）の間である。

【0062】

図３に示されるように、いくつかの実施形態では、第１の集光構造４２は、第２の開口部２３Ｈに対応する凹状のマイクロレンズであり、第２の集光構造４３は、第３の開口部２５Ｈに対応する凸状のマイクロレンズである。

【0063】

同様に、図３に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２の中心軸Ｃ２は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の中心軸Ｃ３から分離されている。言い換えると、各第１の集光構造４２の中心軸Ｃ２は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の中心軸Ｃ３に対して、第１の光透過層５１の積層面（表面）に沿う方向に離れている。いくつかの実施形態では、各光電変換素子１１は、１つの第１の集光構造４２および１つの第２の集光構造４３に対応する。光電変換素子１１ａは、図３の断面図には示されていない１つの第１の集光構造４２および１つの第２の集光構造４３に対応し得ることに留意されたい。

【0064】

図４は、本開示のもう１つの実施形態による、半導体装置１０６を示す部分断面図である。簡潔にするために、図４では、半導体装置１０６のいくつかの構成要素が省略されている。

【0065】

この実施形態では、各第１の集光構造４２’の屈折率は、第１の光透過層５１の屈折率より低く、第１の集光構造４２’は、第２の開口部２３Ｈに対応する凹状のマイクロレンズであり、第２の集光構造４３は、第３の開口部２５Ｈに対応する凸状のマイクロレンズである。

【0066】

図４に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２’は、少なくとも２つの第２の開口部２３Ｈを覆い、各第２の集光構造４３は、１つの第３の開口部２５Ｈを覆う。また、図４に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２’の中心軸Ｃ２’は、対応する第２の集光構造４３の中心軸Ｃ３と重なる。

【0067】

図４に示されるように、いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２’は、１つの第３の開口部２５Ｈに対応する。いくつかの実施形態では、各第１の集光構造４２’の直径Ｄ４２は、各第２の集光構造４３（または対応する第２の集光構造４３）の直径Ｄ４３より大きい。即ち、いくつかの実施形態では、２つ以上の光電変換素子１１は、同じ第１の集光構造４２’および第２の集光構造４３を共有する。

【0068】

要約すると、本開示のいくつかの実施形態による半導体装置は、少なくとも２つの集光構造、および２つの集光構造の間の１つの光透過層を含み、且つより低い集光構造の屈折率と光透過層の屈折率は異なるため、（コマ）収差が効果的に低減されることができ、その結果、半導体装置の光電変換要素からの画像信号の品質を向上させる。

【0069】

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であろう。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、保護の範囲は請求項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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【符号の説明】

【0072】

１００、１０２、１０４、１０６ 半導体装置
１０ 基板
１１、１１ａ 光電変換素子
２１ 第１の遮光層
２１Ｈ 第１の開口部
２３ 第２の遮光層
２３Ｈ 第２の開口部
２５ 第３の遮光層
２５Ｈ 第３の開口部
３０ 光調整構造
４１、４１’、４２、４２’ 第１の集光構造
４３ 第２の集光構造
５１ 第１の光透過層
５３ 第２の光透過層
Ｃ１、Ｃ１’、Ｃ２、Ｃ２’ 第１の集光構造の中心軸
Ｃ３ 第１の集光構造の中心軸
Ｄ４１ 第１の集光構造の直径
Ｄ４２ 第１の集光構造の直径
Ｄ４３ 第２の集光構造の直径
Ｌ 入射光
θ 入射角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】