(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】
(24)【登録日】2022-04-28
(45)【発行日】2022-05-12
(54)【発明の名称】固体撮像素子
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20220502BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H01L27/146 F
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2021184992
(22)【出願日】2021-11-12
【審査請求日】2021-11-12
(31)【優先権主張番号】17/345,592
(32)【優先日】2021-06-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】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
【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】▲頼▼ 來宏
(72)【発明者】
【氏名】謝 錦全
【審査官】西出 隆二
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－８０７３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２２５６６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－９２０５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－５６３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１５２３４７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００１４８３８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板、前記基板上に配置された読み出し回路アレイ、
前記読み出し回路アレイの上に配置された光電層、および
前記光電層の上に配置されたフィルタ層を含み、
前記フィルタ層は、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有し、
前記光電層は、前記第１の波長より長い第２の波長を定義する第２のスペクトルを有し、
前記第１の波長は、前記フィルタ層の前記第１のスペクトルの曲線上の第１の点および第２の点を通過する第１の線に対応し、前記第１の点は、０．９の消衰係数と一致し、前記第２の点は、０．１の消衰係数と一致し、
前記第２の波長は、前記光電層の前記第２のスペクトルの曲線上の第３の点および第４の点を通過する第２の線に対応し、前記第３の点は、０．９の消衰係数と一致し、前記第４の点は、０．１の消衰係数と一致するイメージセンサ構造。
【請求項2】
前記第２の波長は、前記第１の波長より１０～１５０ｎｍ長く、前記消衰係数は、第１のスペクトルまたは第２のスペクトルのピークの最大消衰係数によって正規化された値である請求項１に記載のイメージセンサ構造。
【請求項3】
前記第１の波長は、０の消衰係数の位置まで延びる前記第１の線によって定義され、前記第２の波長は、０の消衰係数の位置まで延びる前記第２の線によって定義される請求項１又は２に記載のイメージセンサ構造。
【請求項4】
前記第１の点および前記第２の点は、第１のスペクトルの最長波長セグメント内にあり、前記第３の点および前記第４の点は、第２のスペクトルの最長波長セグメント内にある請求項１～３のいずれか一項に記載のイメージセンサ構造。
【請求項5】
前記読み出し回路アレイ上の下部コンタクトパッドおよび前記光電層上の導電層、前記下部コンタクトパッドと前記光電層との間に配置された第１のキャリア輸送層、および
前記光電層と前記導電層の間に配置された第２のキャリア輸送層をさらに含み、
前記第１のキャリア輸送層または前記第２のキャリア輸送層は、電子輸送層または正孔輸送層である請求項１～４のいずれか一項に記載のイメージセンサ構造。
【請求項6】
前記光電層と前記フィルタ層の間に配置された保護層、および前記保護層と前記フィルタ層の間に配置されたマイクロレンズをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項１～５のいずれか一項に記載のイメージセンサ構造。
【請求項7】
前記光電層と前記フィルタ層の間に配置された保護層、および前記フィルタ層に配置されたマイクロレンズをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項１～６のいずれか一項に記載のイメージセンサ構造。
【請求項8】
前記フィルタ層上に配置された保護層、および前記保護層に配置されたマイクロレンズをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項１～７のいずれか一項に記載のイメージセンサ構造。
【請求項9】
基板を形成するステップ、前記基板上に読み出し回路アレイを形成するステップ、
前記読み出し回路アレイ上に光電層を形成するステップ、および
前記光電層上にフィルタ層を形成するステップを含み、
前記フィルタ層は、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有し、
前記光電層は、前記第１の波長より長い第２の波長を定義する第２のスペクトルを有し、
前記第１の波長は、前記フィルタ層の前記第１のスペクトルの曲線上の第１の点および第２の点を通過する第１の線に対応し、
前記第１の点は、０．９の消衰係数と一致し、前記第２の点は、０．１の消衰係数と一致し、
前記第２の波長は、前記光電層の前記第２のスペクトルの曲線上の第３の点および第４の点を通過する第２の線に対応し、
前記第３の点は、０．９の消衰係数と一致し、
前記第４の点は、０．１の消衰係数と一致するイメージセンサ構造を製造する方法。
【請求項10】
前記読み出し回路アレイ上に下部コンタクトパッドを形成するステップ、前記下部コンタクトパッドと前記光電層の間に第１のキャリア輸送層を形成するステップ、
前記光電層上に導電層を形成するステップ、および
前記光電層と前記導電層の間に第２のキャリア輸送層を形成するステップ、
前記第１のキャリア輸送層は電子輸送層または正孔輸送層であり、前記第２のキャリア輸送層は電子輸送層または正孔輸送層である請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記光電層と前記フィルタ層の間に保護層を形成するステップ、および前記保護層と前記フィルタ層の間にマイクロレンズを形成するステップをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項12】
前記光電層と前記フィルタ層の間に保護層を形成するステップ、および前記フィルタ層上にマイクロレンズを形成するステップをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記フィルタ層上に保護層を形成するステップ、および前記保護層にマイクロレンズを形成するステップをさらに含み、
前記フィルタ層は吸収性フィルタ層である請求項９～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記読み出し回路アレイ上に前記光電層を形成するステップは、前記読み出し回路アレイ上に光電材料を形成するステップ、
前記光電材料上にパターン化されたフォトレジスト層を形成するステップ、
前記光電材料をエッチングするステップ、および
前記パターン化されたフォトレジスト層を除去して前記光電層を形成するステップをさらに含み、
前記光電層と前記パターン化されたフォトレジスト層は異なる材料でできている請求項９～１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、イメージセンサ構造およびその製造方法に関するものであり、特に、フィルタ層と吸収波長可変光電層を有するイメージセンサ構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
赤外線（ＩＲ）イメージセンサは、顔認識および３Ｄセンシングに一般的に用いられる技術である。これらのＩＲイメージセンサは、レーザー光源からの信号を検出する。一般的に用いられるレーザー波長は、８５０、９４０、９８０、１３１０、１３５０、および１５５０ｎｍである。周囲の広帯域光源はノイズと見なされる。信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させるために、レーザー波長に対応する狭帯域のイメージセンサの感知信号が好ましい。
【0003】
現在、通常のシリコン（Ｓｉ）ベースのイメージャが、９４０ｎｍの波長に一般的に用いられているが、約９００ｎｍ～約１１００ｎｍの間の波長にある近赤外線（ＮＩＲ）領域では、吸収効率が比較的弱いため、量子効率が低くなる。ＮＩＲ領域でのＳｉベースのイメージセンサの吸収効率を高めるために、ウルトラディープ（ｕｌｔｒａ－ｄｅｅｐ）（＞５ｕｍ）のＳｉベースのフォトダイオードを用いる必要があり、これにより製造コストが高くなり、画素間の光学的クロストークが高くなり、小型化が制限され、画像密度が低くなる。さらに、Ｓｉは１１００ｎｍ以上に感度を持たないため、約１１００ｎｍ～約１７００ｎｍの間の波長にあるＳＷＩＲ領域でのアプリケーション（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）を制限する。
【0004】
また、狭帯域ＩＲイメージセンサとしてともに干渉型の狭帯域パスフィルタと統合された通常の相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサは、高角度依存のピークシフトが発生し、その結果、視野（ＦＯＶ）のアプリケーションが制限される。さらに、製造の複雑さ、膜厚、および干渉型狭帯域パスフィルタのコストは、イメージセンサを他の機能と統合する可能性を制限する。
【0005】
通常のイメージセンサ構造は、一般に、それらの意図されたアプリケーションのための要件を満たしているが、これらの通常のイメージセンサ構造は、全ての点において完全に満足できるものではない（例えば、改善される波長の適用範囲）。従って、より良い性能が求められるイメージセンサ構造、ならびにその構造の製造方法に関して、解決されるべきいくつかの問題が依然としてある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
より良い性能を備えたフィルタ層と吸収波長可変光電層を有するイメージセンサ構造およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の問題点に鑑み、本開示のいくつかの実施形態は、狭帯域赤外線（ＩＲ）イメージセンサの感知波長を拡大し、狭帯域赤外線イメージセンサの信頼性を向上させるため、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有するフィルタ層と、第２の波長（第１の波長より長い）を定義する第２のスペクトルを有する波長可変光電層とを含む。
【0008】
イメージセンサ構造は、基板、読み出し回路アレイ、光電層、およびフィルタ層を含む。読み出し回路アレイは基板上に配置される。光電層は、読み出し回路アレイの上に配置される。フィルタ層は光電層の上に配置される。フィルタ層は、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有する。光電層は、第１の波長より長い第２の波長を定義する第２のスペクトルを有する。第１の波長は、フィルタ層の第１のスペクトルの曲線上の第１の点および第２の点を通過する第１の線に対応する。第１の点は、０．９の消衰係数と一致する。第２の点は、０．１の消衰係数と一致する。第２の波長は、光電層の第２のスペクトルの曲線上の第３の点および第４の点を通過する第２の線に対応する。第３の点は、０．９の消衰係数と一致する。第４の点は、０．１の消衰係数と一致する。
【0009】
いくつかの実施形態による、イメージセンサ構造を製造する方法が提供される。イメージセンサ構造を製造する方法は、基板を形成するステップ、基板上に読み出し回路アレイを形成するステップ、読み出し回路アレイ上に光電層を形成するステップ、および光電層上にフィルタ層を形成するステップを含む。フィルタ層は、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有する。光電層は、第１の波長より長い第２の波長を定義する第２のスペクトルを有する。第１の波長は、フィルタ層の第１のスペクトルの曲線上の第１の点および第２の点を通過する第１の線に対応する。第１の点は、０．９の消衰係数と一致する。第２の点は、０．１の消衰係数と一致する。第２の波長は、光電層の第２のスペクトルの曲線上の第３の点および第４の点を通過する第２の線に対応する。第３の点は、０．９の消衰係数と一致する。第４の点は、０．１の消衰係数と一致する。
【0010】
本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサ構造は、さまざまなタイプの装置およびアプリケーションで用いられる。いくつかの実施形態の特徴および利点をより容易に理解するために、いくつかの実施形態は、添付の図面と併せて以下にリストされ、以下のように詳細に説明される。
【発明の効果】
【0011】
これにより、量子効率（ＱＥ）、ピークシフト現象、及び、ＦＯＶの少なくとも１つの光学性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
次の開示では、本明細書に開示されたイメージセンサ構造の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態または実施例を提供する。本開示の実施形態を簡潔にするために、各特徴およびその構成の特定の例が以下に説明される。当然ながら、これらは単に例示に過ぎず、本開示を限定するという意図はない。例えば、第１の特徴が第２の要素に形成されると説明に記載されている場合、第１の特徴と第２の特徴が直接接触されている実施形態を指すか、または第１の特徴と第２の特徴との間に追加の特徴が形成される実施形態を指すことができ、且つ第１と第２の特徴は直接接触していない。さらに、本開示のいくつかの実施形態は、異なる例において参照数字および／または文字を繰り返すことができる。このような繰り返しは、簡潔さと明確さのためであり、本明細書で論説明された異なる実施形態および／または態様間の関係を示すために用いられるものではない。
【0014】
実施形態のいくつかの修正を以下に説明する。異なる添付図面および図示された実施形態では、類似または同一の参照番号は、類似または同一の特徴を識別するために用いられる。追加の操作および／またはプロセスが本明細書に開示された方法の前、間、および後に提供されてもよく、いくつかの実施形態では、記載された操作のいくつかは、本方法の他の実施形態で削除されるか、または置き換えられてもよい。
【0015】
さらに、「上（ｏｎ）」、「上の方（ｏｖｅｒ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」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、ある特徴と別の特徴との関係の開示を容易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。特徴は、他の方法で方向付けられてもよく（例えば、９０度回転または他の方向に）、本明細書で用いられる空間的に相対的な用語は、それに応じて解釈され得る。
【0016】
以下、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、所与の値または所与の範囲の±２０％以内、例えば、±１０％以内、５％以内、３％以内、２％以内、１％以内、または０．５％以内を意味する。なお、本明細書に記載されている値は近似値であり、「約」、「およそ」、「実質的に」の具体的な記載がなくても、用語の意味が暗示される得ることに留意されたい。
【0017】
【0018】
図１Ａに示すように、イメージセンサ構造１が提供され、イメージセンサ構造は、基板１００、読み出し回路アレイ１１０、光電層２２０を含む光電モジュール２００、およびフィルタ層６００を含む。いくつかの実施形態では、読み出し回路アレイ１１０は、基板１００上に形成される。いくつかの実施形態では、フィルタ層６００は、読み出し回路アレイ１１０上に形成される。いくつかの実施形態では、光電層２２０を含む光電モジュール２００は、読み出し回路アレイ１１０とフィルタ層６００との間に形成される。いくつかの実施形態では、読み出し回路アレイ１１０、光電モジュール２００、およびフィルタ層６００は、基板１００上に順次に形成される。以下、わかりやすくするために、イメージセンサ構造１の積層順に内容を説明する。
【0019】
いくつかの実施形態では、基板１００は、バルク半導体基板、または半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）基板でもよいか、またはそれらを組み合わせたものでもよい。基板１００は、例えば、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントを用いてドープされてもよく、またはドープされなくてもよい。一般に、半導体オンインシュレータ基板は、絶縁層上に形成された半導体材料のフィルム層を含む。例えば、絶縁層は、酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、ポリシリコン層、それらの組み合わせ、または前述の膜層の積層でもよい。絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）基板などの基板上に配置される。多層基板または勾配基板などの他の基板も用いられることができる。いくつかの実施形態では、基板１００の半導体材料は、異なる結晶面を有するシリコンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板１００は、半導体基板またはセラミック基板、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、またはサファイア基板である。
【0020】
いくつかの実施形態では、読み出し回路アレイ１１０は、ベース層１１２上の２次元（２Ｄ）アレイに配置された複数の読み出しトランジスタユニット１１１を含む。各読み出しトランジスタユニット１１１は、複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、またはそれらの組み合わせを含む。読み出しトランジスタユニット１１１は、下部コンタクトパッド１２０と接触する１つの端子を有し、外部回路と接続する１つの信号出力端子を有する。出力信号は、回路設計に応じて、アナログ信号またはデジタル信号のいずれかになり得る。
【0021】
いくつかの実施形態では、イメージセンサ構造１は、下部コンタクトパッド１２０の間に配置された隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）材料１２２をさらに含み、下部コンタクトパッド１２０は、読み出し回路アレイ１１０上に形成される。いくつかの実施形態では、下部コンタクトパッド１２０は、読み出し回路アレイ１１０および／または後続して形成される光電モジュール２００の下部電極の配線として用いられてもよい。例えば、下部コンタクトパッド１２０は、読み出し回路アレイ１１０と、後続して形成される光電モジュール２００との間に配置されてもよい。
【0022】
いくつかの実施形態では、下部コンタクトパッド１２０は、金属、金属窒化物、導電性半導体材料、１つ以上の適切な導電性材料、またはそれらの組み合わせなどの導電性材料でもよいか、またはそれらを含んでもよい。いくつかの実施形態では、金属は、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、またはそれらの組み合わせでもよい。半導体材料は、多結晶シリコンまたは多結晶ゲルマニウムでもよい。いくつかの実施形態では、下部コンタクトパッド１２０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）またはインジウム亜鉛酸化物などの透明導電層でもよい。
【0023】
いくつかの実施形態では、光電モジュール２００は、下部コンタクトパッド１２０上に形成される。いくつかの実施形態では、光電モジュール２００は、第１のキャリア輸送層２１０、第１のキャリア輸送層２１０上に形成された光電層２２０、および光電層２２０上に形成された第２のキャリア輸送層２３０を含む。いくつかの実施形態では、光電層２２０は、第１のキャリア輸送層２１０と第２のキャリア輸送層２３０との間に形成される。いくつかの実施形態では、第１のキャリア輸送層２１０は、下部コンタクトパッド１２０と光電層２２０との間に形成され、第２のキャリア輸送層２３０は、光電層２２０と後続して形成される導電層３００との間に形成される。
【0024】
いくつかの実施形態では、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０は、電子または正孔などのキャリアを光電層２２０に輸送または光電層２２０から輸送するように用いられる。即ち、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０は、電子輸送層（ＥＴＬ）および／または正孔輸送層（ＨＴＬ）でもよい。例えば、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０は、電子輸送層または正孔輸送層の両方でもよく、または第１のキャリア輸送層２１０が電子輸送層であり、第２のキャリア輸送層２３０が正孔輸送層でもよく、または第１のキャリア輸送層２１０が正孔輸送層であり、第２のキャリア輸送層２３０が電子輸送層でもよい。
【0025】
いくつかの実施形態では、電子輸送層は、例えば、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｃ６０などの電子輸送材料、または１つ以上の適切な電子輸送材料でもよいか、またはそれらを含んでもよい。いくつかの実施形態では、電子輸送層の厚さは、約１ｎｍ～約２００ｎｍの間でもよい。いくつかの実施形態では、正孔輸送層は、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）などの正孔輸送材料、または１つ以上の適切な正孔輸送材料でできている。いくつかの実施形態では、正孔輸送層の厚さは、約１ｎｍ～約２００ｎｍの間でもよい。
【0026】
いくつかの実施形態では、光電層２２０は、光電効果を行うように用いられる。いくつかの実施形態では、光電層２２０は、有機材料、量子ドット（ＱＤ）材料、ペロブスカイト、１つ以上の適切な光電材料、またはそれらの組み合わせでできている。いくつかの実施形態では、光電層２２０の厚さは、約１００ｎｍ～約５０００ｎｍの間でもよい。
【0027】
図１Ａに示されるように、イメージセンサ構造１は、導電層３００をさらに含み、導電層３００は、第２のキャリア輸送層２３０上に形成される。いくつかの実施形態では、導電層３００は、その下の光電モジュール２００の上部電極として用いられる。例えば、導電層３００は、光電モジュール２００と後続して形成される保護層との間に配置されてもよい。
【0028】
いくつかの実施形態では、導電層３００の材料は、下部コンタクトパッド１２０の材料と同じであっても異なってもよい。いくつかの実施形態では、導電層３００は、金属、金属窒化物、半導体材料、１つまたは複数の適切な導電性材料、またはそれらの組み合わせなどの導電性材料でできている。いくつかの実施形態では、金属は、金、ニッケル、プラチナ、パラジウム、イリジウム、チタン、クロム、タングステン、アルミニウム、銅、１つ以上の適切な材料、またはそれらの組み合わせでもよい。半導体材料は、多結晶シリコンまたは多結晶ゲルマニウムでもよい。いくつかの実施形態では、導電層３００は透明導電層である。
【0029】
いくつかの実施形態では、イメージセンサ構造１は、導電層３００上に形成された保護層４００をさらに含む。いくつかの実施形態では、保護層４００は、光電モジュール２００と後続して形成されるフィルタ層６００との間に形成され、保護層４００の下の特徴を保護する。いくつかの実施形態では、フィルタ層６００は、吸収性フィルタ層であることができ、吸収性フィルタ層のろ過能力は、吸収性フィルタ層に含まれる材料の吸収特性に基づいている。吸収性フィルタ層はほとんど角度に依存しないため、吸収性フィルタ層は、マルチフィルム干渉型フィルタを用いたときに発生するブルーシフトを効果的に低減することができる。また、吸収性フィルタ層の厚さは、干渉型フィルタの厚さより薄い。従って、イメージセンサ構造は、大きく傾斜した入射光がイメージセンサ構造に照射されているとき、ブルーシフトを低減することができる。イメージセンサ構造は、容易に小型化されることができる。いくつかの実施形態では、フィルタ層６００は、ロングパスフィルタである。
【0030】
いくつかの実施形態では、イメージセンサ構造１は、マイクロレンズ５１０をさらに含む。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０は、フィルタ層６００上に形成される。いくつかの他の実施形態では、マイクロレンズ５１０は、保護層４００上に形成される。いくつかの他の実施形態では、マイクロレンズ５１０は、保護層４００とフィルタ層６００との間に形成される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０は、光電モジュール２００への集光効率を高める集光素子として用いられる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０の材料は、アクリル、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはポリグリシジルメタクリレート（ＰＧＭＡ）、高屈折率（ｎ）材料、１つ以上の適切な光学的に透明なマイクロレンズ材料、またはそれらの組み合わせでできている。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０の形状は半球形である。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０の曲率は調整されてもよい。いくつかの実施形態では、低屈折率値を有する充填材料が、各マイクロレンズ５１０の間に形成される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ５１０は、読み出しトランジスタユニット１１１に対応するように形成される。いくつかの実施形態では、隣接するマイクロレンズ５１０間の境界は、読み出し回路アレイ１１０内の読み出しトランジスタユニット１１１の対称軸と一致する。換言すれば、隣接する読み出しトランジスタユニット１１１の対称軸間の距離Ｗは、マイクロレンズ５１０の幅と実質的に同じである。
【0031】
明確にするために、同一または類似の説明を以下に繰り返さない。
【0032】
図１Ｂに示すように、イメージセンサ構造２は、保護層４００とフィルタ層６００との間に形成されたマイクロレンズ５１０を含む。充填材料５２０は、マイクロレンズ５１０上に形成される。充填材料５２０は、ホスホシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロホスホシリケートガラス（ＢＰＳＧ）、低誘電率（ｌｏｗ－ｋ）誘電体材料、または１つ以上の適用可能な誘電体材料からなる。低誘電率誘電体材料の例は、フッ素化シリカガラス（ＦＳＧ）、炭素ドープ酸化ケイ素、アモルファスフッ素化炭素、パリレン、ビス－ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド、およびそれらの組み合わせを含む。マイクロレンズ５１０および充填材料５２０は、マイクロレンズ構造５００として形成されることができる。従って、保護層４００は、光電モジュール２２０および読み出し回路アレイ１１０などの保護層４００の下方の特徴を保護することができる。いくつかの実施形態では、充填材料５２０は平坦な上面を提供し、フィルタ層６００は、マイクロレンズ構造５００の平坦な上面上およびマイクロレンズ５１０の上方に形成され、よって、充填材料５２０は、イメージセンサ２を形成するためのより柔軟な製造ステップおよび方法を提供する。
【0033】
図１Ｃに示すように、いくつかの他の実施形態による、イメージセンサ構造３のマイクロレンズ５１０は、保護層４００上に形成され、保護層４００は、フィルタ層６００上に形成される。従って、保護層４００は、フィルタ層６００、光電モジュール２２０、および読み出し回路アレイ１１０などの保護層４００の下方の特徴を保護することができる。
【0034】
本実施形態で開示されたイメージセンサ構造は、顔感知、動き検出、および／またはマシンビジョン用の狭帯域ＩＲカメラに適用されてもよい。本実施形態で開示されたイメージセンサ構造は、拡張現実（ＡＲ）および／または仮想現実（ＶＲ）アプリケーション用の狭帯域飛行時間（ＴＯＦ）センサにも適用されてもよい。イメージセンサは、表面画像（ＦＳＩ）センサまたは裏面画像（ＢＳＩ）センサでもよい。
【0035】
以下、フィルタ層６００と光電層２２０との詳細な関係について説明する。
【0036】
図２Ａに示すように、いくつかの実施形態による、正規化された消衰係数対波長（ｎｍ）の概略グラフである。光電層２２０とフィルタ層６００の特定の組み合わせを選択することにより、イメージセンサの光学性能が、本開示のいくつかの実施形態に従って向上されることに留意されたい。量子効率（ＱＥ）、ピークシフト現象、ＦＯＶが改善される。
【0037】
図２Ａに示されるように、ｘ軸は、光電層２２０およびフィルタ層６００の正規化された消衰係数を表しており、ｙ軸は、正規化された消衰係数に対応する波長（ｎｍ）を表している。換言すれば、図２Ａは、光電層２２０およびフィルタ層６００の正規化された消衰係数スペクトルを示している。以下、フィルタ層６００の正規化された消衰係数スペクトルは、「第１のスペクトルＳ１」を指し、光電層２２０の正規化された消衰係数スペクトルは、「第２のスペクトルＳ２」を指している。さらに、正規化された消衰係数スペクトルは対数曲線で表されている。
【0038】
一般に、「正規化された」という用語は、値が０～１の範囲にスケーリングされるが、値の元の分布は依然として維持されていることを意味する。例えば、全ての消衰係数のうち最大の消衰係数が１にスケーリングされてもよく、全ての消衰係数のうち最小の消衰係数が正規化された後に０にスケーリングされてもよい。本開示では、消衰係数は、第１のスペクトルＳ１または第２のスペクトルＳ２のピークの最大消衰係数によって正規化され、第１のスペクトルＳ１または第２のスペクトルＳ２のピークは、全てのピークのうち最長波長を有し得る。言い換えれば、消衰係数は、最長波長に対応するピーク値によって正規化される。
【0039】
いくつかの実施形態では、フィルタ層６００の第１のスペクトルＳ１は、第１の線Ｌ１に対応する第１の波長λ１を定義し、光電層２２０の第２のスペクトルＳ２は、第２の線Ｌ２に対応する第２の波長λ２を定義する。いくつかの実施形態では、第２の波長λ２は、第１の波長λ１より長い。いくつかの実施形態では、第２の波長λ２は、第１の波長λ１より約１０ｎｍ～約１５０ｎｍ長い。
【0040】
詳細には、図２Ａに示されるように、第１の波長λ１は、フィルタ層６００の第１のスペクトルＳ１の曲線上の第１の点Ｐ１および第２の点Ｐ２を通過する第１の線Ｌ１に対応する。いくつかの実施形態では、第１の点Ｐ１は、０．９の消衰係数と一致し、第２の点Ｐ２は、０．１の消衰係数と一致する。言い換えると、第１の点Ｐ１は、第１のスペクトルＳ１上で消衰係数が０．９になるときの点であり、第２の点Ｐ２は、第１のスペクトルＳ１上で消衰係数が０．１になるときの点である。いくつかの実施形態では、第１の点Ｐ１および第２の点Ｐ２と一致する消衰係数の値は調整されることができる。
【0041】
特に、０．９の消衰係数と一致する多数の点が存在する可能性がある。従って、第１の点Ｐ１は、０．９の消衰係数と一致し、第１のスペクトルＳ１の最長波長セグメント内にある点である。いくつかの実施形態では、第１の点Ｐ１は、第１のスペクトルＳ１の最長波長を有するピークの右側のセグメント内にある。同様に、０．１の消衰係数と一致する多数の点が存在する可能性がある。従って、第２の点Ｐ２は、０．１の消衰係数と一致し、第１のスペクトルＳ１の最長波長セグメント内にある点である。なお、第１のスペクトルＳ１の最長波長セグメントは、第１のスペクトルＳ１において、最長波長をピークとする凸状の特性のうち、右側（ピークを境に高周波側）の波長帯域に相当する。いくつかの実施形態では、第２の点Ｐ２は、第１のスペクトルＳ１の最長波長を有するピークの右側のセグメント内にある。いくつかの実施形態では、第１の波長λ１は、０の消衰係数の位置まで延びる第１の線（第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２を通る直線を、０の消衰係数の軸まで延伸させた線）Ｌ１によって定義される。すなわち、第１の波長λ１は、第１の線Ｌ１と０の消衰係数の線との交点で定義される。
【0042】
同様に、第２の波長λ２は、光電層２２０の第２のスペクトルＳ２の曲線上の第３の点Ｐ３および第４の点Ｐ４を通過する第２の線Ｌ２に対応する。いくつかの実施形態では、第３の点Ｐ３は、０．９の消衰係数と一致することができ、第４の点Ｐ４は、０．１の消衰係数と一致することができる。言い換えると、第３の点Ｐ３は、第２のスペクトルＳ２上で消衰係数が０．９になるときの点であり、第４の点Ｐ４は、第２のスペクトルＳ２上で消衰係数が０．１になるときの点である。いくつかの実施形態では、第３の点Ｐ３および第４の点Ｐ４と一致する消衰係数の値は、要件に応じて調整される。
【0043】
特に、０．９の消衰係数と一致する多数の点が存在する可能性がある。従って、第３の点Ｐ３は、０．９の消衰係数と一致し、第２のスペクトルＳ２の最長波長セグメント内に入る点である。いくつかの実施形態では、第３の点Ｐ３は、第２のスペクトルＳ２の最長波長を有するピークの右側のセグメント内にある。同様に、０．１の消衰係数と一致する多数の点が存在する可能性がある。従って、第４の点Ｐ４は、０．１の消衰係数と一致し、第２のスペクトルＳ２の最長波長セグメント内にある点である。いくつかの実施形態では、第４の点Ｐ４は、第２のスペクトルＳ２の最長波長を有するピークの右側のセグメント内に入る。第２のスペクトルＳ１の最長波長セグメントは、第２のスペクトルＳ２において、最長波長をピークとする凸状の特性のうち、右側（ピークを境に高周波側）の波長帯域に相当する。いくつかの実施形態では、第２の波長λ２は、０の消衰係数０の位置まで延びる第２の線（第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４を通る直線を、０の消衰係数の軸まで延伸させた線）Ｌ２によって定義される。つまり、第２の波長λ２は、第２の線Ｌ２と０の消光係数の線の交点で定義される。
【0044】
図２Ｂに示すように、いくつかの実施形態による、量子効率（％）対波長（ｎｍ）の概略グラフである。いくつかの実施形態では、フィルタ層６００はロングパスフィルタであるため、フィルタ層６００の臨界波長より長い波長を有する光のみがフィルタ層６００を通過することができる。さらに、光電層２２０の消衰係数は、イメージセンサ構造の感知光の量子効率および波長に影響を与える可能性がある。いくつかの実施形態では、いくつかの光子（例えば、ＩＲ光子）は、光電層２２０に到達することができ、他の光子（例えば、可視光子）は、フィルタ層６００によってブロックされる。従って、フィルタ層６００の第１の波長λ１と光電層２２０の第２の波長λ２との間の差値（波長差）Δλは、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲を表している。
【0045】
狭帯域の撮像を実現するために、光電層２２０およびフィルタ層６００の材料がうまく選択される必要がある。多数の光電層、例えば、有機バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）光検出器、ペロブスカイト光検出器、および量子ドット（ＱＤ）光検出器、またはそれらの組み合わせなどがあり、可視波長（４００～７００ｎｍ）から赤外線（ＩＲ）（７００～２０００ｎｍ）までの調整可能なスペクトル範囲を提供できる。ＢＨＪは、共役ポリマーおよび／または低分子のブレンドを含む。ＱＤ材料は、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓなど、およびそれらの組み合わせである。ＱＤのサイズは２ｎｍから１５ｎｍの範囲である。各量子ドットは、有機または無機の配位子に囲まれて、量子閉じ込め効果を保持しているが、量子ドット間のキャリア輸送は依然として輸送される。有機配位子は、３－メルカプトプロピオン酸（ＭＰＡ）、１，２－エタンジチオール（ＥＤＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）など、およびそれらの組み合わせを含む。無機配位子は、ヨウ化物、臭化物、塩化物である。ペロブスカイト材料は、無機－有機ハイブリッドまたは純粋な無機材料である。無機－有機ハイブリッドは、ＭＡＰｂＢｒ３、ＭＡＰｂＩ３、ＦＡＰｂＩ３、ＭＡＰｂＳｎＩ３、ＭＡＳｎＩ３など、およびそれらの組み合わせである。無機材料は、それぞれＣｓＰｂＩ３、およびＣｓＳｎＩ３である。画素化された下部コンタクトパッド１２０は、導電性材料、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｌＣｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ、Ｗ、Ａｇ、ＩＴＯ、ＩＺＯ、グラフェン、ＣＮＴ、Ａｇナノワイヤなどである。第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０は、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ＮｉＯ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＰＦＮ、またはＰＥＩＥから選択される。導電層３００は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、Ａｇナノワイヤ、カーボンナノチューブ、およびグラフェンなどの透明導電層である。保護層４００は、純粋な無機フィルムまたは有機／無機積層膜を含むマルチフィルムである。無機膜は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＨ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２など、およびそれらの組み合わせである。フィルタ層６００は、有機金属錯体色素などの吸収型フィルタ、または無機膜である。
【0046】
図２Ａに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードまたはペロブスカイトフォトダイオードまたはＱＤフォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は９００ｎｍであり、第２の波長λ２は９５０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は９２０ｎｍ～９７０ｎｍであり、感知光の波長が９４０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0047】
図３Ａ～図３Ｆに示すように、本開示のいくつかの実施形態による、正規化された吸光係数および量子効率（％）対波長（ｎｍ）の概略グラフである。言い換えると、図３Ａ～図３Ｆのそれぞれは、正規化された消衰係数対波長（ｎｍ）のグラフと、量子効率（％）対波長（ｎｍ）のグラフを重ね合わせたものである。例えば、図３Ａは、図２Ａおよび図２Ｂを重ね合わせたものである。図３Ａに示されるように、差値Δλは、感知光の波長範囲に実質的に対応している。
【0048】
図３Ｂに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は８１０ｎｍであり、第２の波長λ２は８６０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は８３０ｎｍ～８８０ｎｍであり、感知光の波長が８５０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0049】
図３Ｃに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は９４０ｎｍであり、第２の波長λ２は９９０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は９６０ｎｍ～１１００ｎｍであり、感知光の波長が９８０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0050】
図３Ｄに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は１２７０ｎｍであり、第２の波長λ２は１３２０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は１２９０ｎｍ～１３４０ｎｍであり、感知光の波長が１３１０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0051】
図３Ｅに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は１３１０ｎｍであり、第２の波長λ２は１３６０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は１３３０ｎｍ～１３８０ｎｍであり、感知光の波長が１３５０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0052】
図３Ｆに示されるように、例えば、フィルタ層６００の材料が有機ロングパスフィルタであり、光電層２２０の材料が有機バルクヘテロ接合フォトダイオードであるとき、第１の波長λ１は１５１０ｎｍであり、第２の波長λ２は１５６０ｎｍであり、差値Δλは５０ｎｍである。従って、イメージセンサ構造の感知光の波長範囲は１５３０ｎｍ～１５８０ｎｍであり、感知光の波長が１５５０ｎｍのとき、感知光の量子効率は最大となる。
【0053】
従って、本開示のイメージセンサ構造は、感知光の波長が８００ｎｍ、８５０ｎｍ、９００ｎｍ、９５０ｎｍ、１０００ｎｍ、１０５０ｎｍ、１１００ｎｍ、１１５０ｎｍ、１２００ｎｍ、１２５０ｎｍ、１３００ｎｍ、１３５０ｎｍ、１４００ｎｍ、１４５０ｎｍ、１５００ｎｍ、１５５０ｎｍ、またはロングパスフィルタ層６００に適した１つ以上の波長より長いときに、高い量子効率を提供することができる。いくつかの実施形態では、イメージセンサ構造は、近赤外領域で高い量子効率を提供する。イメージセンサ構造は、光電層２２０および対応するフィルタ層６００の異なる材料を選択することによって、感知波長を８５０ｎｍ～１５５０ｎｍに拡大することができる。
【0054】
図４Ａ～図４Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０のエネルギーギャップの概略図である。図４Ａ～図４Ｄに示すように、ｘ軸（縦軸）は、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０のエネルギーギャップを表している。
【0055】
図４Ａに示されるように、第１のキャリア輸送層２１０はＨＴＬであり、第２のキャリア輸送層２３０はＥＴＬである。第１のキャリア輸送層２１０は、最大エネルギーギャップ２１０Ｈから最小エネルギーギャップ２１０Ｌの範囲のエネルギーギャップを有する。光電層２２０は、最大エネルギーギャップ２２０Ｈから最小エネルギーギャップ２２０Ｌの範囲のエネルギーギャップを有する。第２のキャリア輸送層２３０は、最大エネルギーギャップ２３０Ｈから最小エネルギーギャップ２３０Ｌの範囲のエネルギーギャップを有する。いくつかの実施形態では、最大エネルギーギャップ２１０Ｈは、最大エネルギーギャップ２２０Ｈより高く、最大エネルギーギャップ２２０Ｈは、最大エネルギーギャップ２３０Ｈより高い。いくつかの実施形態では、最小エネルギーギャップ２１０Ｌは、最小エネルギーギャップ２２０Ｌより高く、最小エネルギーギャップ２２０Ｌは、最小エネルギーギャップ２３０Ｌより高い。従って、いくつかの実施形態では、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０の平均エネルギーギャップは、徐々に減少する。
【0056】
図４Ｂに示されるように、第１のキャリア輸送層２１０はＥＴＬであり、第２のキャリア輸送層２３０はＨＴＬであるため、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０の平均エネルギーギャップは、徐々に増加する。
【0057】
図４Ｃに示されるように、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０はＥＴＬであるため、光電層２２０の平均エネルギーギャップは、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０の平均エネルギーギャップより高い。
【0058】
図４Ｄに示されるように、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０はＥＴＬであるため、第１のキャリア輸送層２１０および第２のキャリア輸送層２３０の平均エネルギーギャップは、光電層２２０の平均エネルギーギャップより高い。
【0059】
【0060】
図５Ａに示すように、基板１００が形成され、基板１００上に読み出し回路アレイ１１０が形成される。画素化された下部コンタクトパッド１２０は、各読み出しトランジスタユニット１１１上に定義される。各下部コンタクトパッド１２０の間には、隔離材料１２２が配置される。いくつかの実施形態では、上部コンタクトパッド１２１は、基板１００上、且つ隔離材料１２２に隣接して形成される。いくつかの実施形態では、下部コンタクトパッド１２０は、読み出し回路アレイ１１０上に形成される。いくつかの実施形態では、読み出し回路アレイ１１０は、基板１００上に形成される。読み出し回路アレイ１１０は、複数のトランジスタ、コンデンサ、または抵抗器を含む。読み出し回路アレイ１１０および／または下部コンタクトパッド１２０および上部コンタクトパッド１２１を形成する製造プロセスは、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせであることができ、続いて、フォトレジストの堆積、フォトリソグラフィ、現像、およびドライ／ウェットエッチングが行われる。
【0061】
図５Ｂに示すように、第１のキャリア輸送層２１０は下部コンタクトパッド１２０上に形成され、光電層２２０は第１のキャリア輸送層２１０上に形成され、第２のキャリア輸送層２３０は光電層２２０上に形成される。 いくつかの実施形態では、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０は、堆積プロセスによってそれぞれ形成されてもよい。第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および／または第２のキャリア輸送層２３０を形成する堆積プロセスは、スピンコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷、または物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせでもよい。
【0062】
図５Ｃに示すように、パターン化されたフォトレジスト層３３０は、第２のキャリア輸送層２３０上に形成され、パターン化されたフォトレジスト層３３０の面積は、読み出し回路アレイ１１０の面積と同じか、わずかに大きい。面積は、層の表面面積である。いくつかの実施形態では、パターン化されたフォトレジスト層３３０は、第２のキャリア輸送層２３０を部分的に覆う。いくつかの実施形態では、フォトレジスト材料（図示せず）が第２のキャリア輸送層２３０上に形成され、続いてフォトレジスト材料をパターン化して、パターン化されたフォトレジスト層３３０を形成する。いくつかの実施形態では、露光プロセス、アニーリングプロセス、現像プロセスなど、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせなどのさらなるプロセスが行なわれる。
【0063】
図５Ｄに示すように、第２のキャリア輸送層２３０、光電層２２０、および第１のキャリア輸送層２１０は、パターン化されたフォトレジスト層３３０をエッチングマスクとして用いてドライエッチングプロセスによってエッチングされ、上部コンタクトパッド１２１の上面を露出させる。いくつかの実施形態では、パターン化されたフォトレジスト層３３０は、イメージセンサの活性領域を定義する。いくつかの実施形態では、パターン化されたフォトレジスト層３３０は、次いで、アッシングプロセスなどのストライプオフプロセスによって除去される。いくつかの実施形態では、光電層２２０およびパターン化されたフォトレジスト層３３０は、異なる材料でできている。いくつかの実施形態では、光電材料とフォトレジスト材料は混じり合わない（orthogonal）。言い換えれば、光電材料は、堆積／現像／除去プロセスにおいてフォトレジスト材料と非混和性である。従って、パターン化されたフォトレジスト層３３０は完全に除去されるが、光電層２２０は、除去プロセス後、損傷を受けないか、またはほぼ損傷を受けない。
【0064】
図５Ｅに示すように、導電層３００は、堆積プロセスによって第２のキャリア輸送層２３０上に形成される。導電層３００を形成する堆積プロセスは、スピンコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせでもよい。いくつかの実施形態では、導電層３００は、第２のキャリア輸送層２３０の上面に形成され、導電層３００は、露出した上部コンタクトパッド１２１と接触している。この段階では、光電層２２０の下部コンタクトおよび上部コンタクトが完全に形成される。全ての下部コンタクトパッド１２０および上部コンタクトパッド１２１は、各下部コンタクトパッド１２０および上部コンタクトパッド１２１の下の導線を介して読み出し回路アレイ１１０に接続している。各画素から読み出されたアナログ信号は、ＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）によってデジタル信号にさらに変換される。
【0065】
図５Ｆに示すように、保護層４００は、堆積プロセスによって導電層３００上に形成される。保護層４００を形成する堆積プロセスは、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせでもよい。いくつかの実施形態では、保護層４００は、導電層３００の上面および導電層３００の両側面に形成される。
【0066】
図５Ｇに示すように、フィルタ層６００は、堆積プロセスによって保護層４００上に形成される。フィルタ層６００を形成する堆積プロセスは、スピンコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷、ＭＯＣＶＤ、ＡＬＤ、ＭＢＥ、ＬＰＥなど、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせでもよい。
【0067】
図５Ｈに示すように、マイクロレンズ５１０は、堆積プロセスによってフィルタ層６００上に形成される。マイクロレンズ５１０を形成する堆積プロセスは、リソタイプの透明フォトレジストをスピンコーティングすることができ、続いて、ＵＶ露光、現像、および熱リフロープロセスなど、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせが行われる。従って、イメージセンサは、上記のプロセスによって得られる。しかしながら、１つ以上の適切なプロセスが行なわれてもよい。
【0068】
図６Ａ～図６Ｈは、本開示のいくつかの他の実施形態による、製造のさまざまな段階におけるイメージセンサ構造の概略断面図である。図６Ａ～図６Ｈも例として図１Ａに示されたイメージセンサ構造１の概略断面図を示している。
【0069】
図６Ａに示すように、図６Ａに示された構造は、図５Ａに示された構造と類似している。２つの上部コンタクトパッド１２１は、読み出し回路アレイ１１０上に配置される。説明を明確にするために、同じ説明は繰り返さない。
【0070】
図６Ｂに示すように、フォトレジスト材料は、堆積プロセスによって、下部コンタクトパッド１２０および上部コンタクトパッド１２１上に形成される。フォトレジスト材料を形成する堆積プロセスは、スピンコーティングに続いて、ホットバックまたはＵＶ露光プロセスなど、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせであってもよい。
【0071】
図６Ｃに示すように、フォトレジスト材料は、パターン化されて、上部コンタクトパッド１２１上にパターン化されたフォトレジスト層３３０を形成し、下部コンタクトパッド１２０の上面を露出させる。パターン化されたフォトレジスト層３３０は、上部コンタクトパッド１２１を覆い、イメージセンサ構造のアクティブ領域を定義する。
【0072】
図６Ｄに示すように、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および／または第２のキャリア輸送層２３０は、堆積プロセスによって、下部コンタクトパッド１２０の上面にそれぞれ順次形成される。第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および／または第２のキャリア輸送層２３０は、コンフォーマルに形成される。第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および／または第２のキャリア輸送層２３０を形成する堆積プロセスは、スピンコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせであってもよい。
【0073】
図６Ｅに示すように、上部コンタクトパッド１２１上のパターン化されたフォトレジスト層３３０、第２のキャリア輸送層２３０、光電層２２０、および第１のキャリア輸送層２１０は、リフトオフプロセス、例えば基板を高温のＤＭＳＯベースの溶媒に浸漬して、上部コンタクトパッド１２１の上面を露出させることによって除去される。従って、下部コンタクトパッド１２０上の第２のキャリア輸送層２３０、光電層２２０、および第１のキャリア輸送層２１０は残る。
【0074】
【0075】
図７Ａ～図７Ｆは、いくつかの他の実施形態による、製造のさまざまな段階におけるイメージセンサ構造の概略断面図である。図７Ａ～図７Ｆは、例として図１Ａに示されたイメージセンサ構造１の概略断面図も示している。
【0076】
【0077】
図７Ｂに示すように、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０が、下部コンタクトパッド１２１上に順次形成される。
【0078】
図７Ｃに示すように、導電層３００は、蒸発プロセスによって第２のキャリア輸送層２３０上に直接形成される。蒸発プロセスは、導電層３００の材料を第２のキャリア輸送層２３０上に選択的に堆積させることができる。導電層３００は、下部コンタクトパッド１２０および隔離材料１２２に対応する。導電層３００は、イメージセンサのアクティブ領域を定義する。
【0079】
図７Ｄに示すように、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０は、導電層３００をエッチングマスクとして用いてエッチングされ、上部コンタクトパッド１２１の上面を露出させる。第２のキャリア輸送層２３０上の導電層３００は、エッチングマスクとして用いられ、エッチングマスクとして追加のマスクまたはフォトレジストを形成する必要がない。従って、イメージセンサの製造方法を簡素化することができる。
【0080】
図７Ｅに示すように、導電部３１０は、スピンコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷、または物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）など、他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせによって導電層３００の上部に形成される。導電部３１０は、金属、重ドープ半導体、および導電性ポリマーなどの任意の種類の導電性材料でもよい。縮尺は実際の縮尺どおりに描かれていないため、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、および第２のキャリア輸送層２３０の合計の厚さは２マイクロメートル以下である。導電部３１０は、導電層３００を上部コンタクトパッド１２１に接続する。
【0081】
図７Ｆに示すように、図７Ｆに示される構造は、図６Ｈに示される構造と類似している。同じ説明は繰り返さない。従って、イメージセンサは上記のプロセスによって得られる。図７Ｆに示されるように、保護層４００は、堆積プロセスによって導電層３００上にコンフォーマルに形成されてもよい。フィルタ層６００は、堆積プロセスによって保護層４００上に形成されてもよい。さらに、フィルタ層６００は、平坦化プロセスによって平坦化されてもよい。
【0082】
図８Ａは、イメージセンサアレイ８１０、ロウアドレスデコーダ８２０、カラムアドレスデコーダ８４０、カラム回路８３０、およびアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）８５０を含むイメージセンサの構造を示している。イメージセンサアレイ８１０は、第１のキャリア輸送層、光電層、および第２のキャリア輸送層、上部導電層、フィルタ層、およびマイクロレンズを含む。
【0083】
図８Ｂに示すように、イメージセンサアレイの回路は、下部コンタクトパッド１２０、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、第２のキャリア輸送層２３０、および上部導電層３００を含む。上部導電層３００は、上部コンタクトパッド１２１に接続される。下部コンタクトパッド１２０および上部コンタクトパッド１２１の下の回路は、読み出し回路である。各画素は、リセットスイッチトランジスタＭ１、ソースフォロワトランジスタＭ２、およびロウセレクトスイッチトランジスタＭ３を含む。アナログ読み出し電圧は、さらなる画像処理のためにＡＤＣ８５０にさらに供給される。
【0084】
要約すると、いくつかの実施形態によれば、イメージセンサ構造は、読み出し回路アレイ１１０、下部コンタクトパッド１２０、第１のキャリア輸送層２１０、光電層２２０、第２のキャリア輸送層２３０、上部導電層３００、およびフィルタ層６００を統合することによって、モノリシックＩＲ狭帯域イメージセンサを提供する。イメージセンサ構造は、感知アレイ材料およびフィルタ層６００を適切に選択することによって感知光の波長が定義されたとき、狭帯域の感知を提供する。また、これらのイメージセンサ構造は、フィルタ層６００および光電層２２０がフィルタ層６００および光電層２２０の正規化された消衰係数の関係に基づいて選択されるため、比較的低い角度依存の量子効率のピークシフトを有する。従ってイメージセンサ構造は、高ＦＯＶイメージセンシングアプリケーションに用いられる。
【0085】
本開示の範囲は、本明細書に記載された特定の実施形態における製造プロセス、機械、製造、材料組成、装置、方法、構造、およびステップに限定されない。現在または将来の製造プロセス、機械、機械、製造、材料組成、装置、方法、構造、およびステップが、本開示と実質的に同じ機能を実行するか、または実質的に同じ結果を得る限り、当業者は、いくつかの実施形態で開示された内容から、現在および将来の製造プロセス、機械、製造、材料組成、装置、方法、構造、およびステップを理解するであろう。従って、本開示の範囲は、上述の製造プロセス、機械、製造、材料組成、装置、方法、構造、およびステップを含む。さらに、各請求項は個々の実施形態を構成しており、本開示の範囲は、各請求項と実施形態の組み合わせも含む。
【0086】
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。
【符号の説明】
【0087】
１、２、３ イメージセンサ構造
１００ 基板
１１０ 読み出し回路アレイ
１１１ 読み出しトランジスタユニット
１１２ ベース層
１２０ 下部コンタクトパッド
１２１ 上部コンタクトパッド
１２２ 隔離材料
２００ 光電モジュール
２１０ 第１のキャリア輸送層
２１０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２１０Ｈ 最大エネルギーギャップ
２２０ 光電層
２２０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２２０Ｈ 最大エネルギーギャップ
２３０ 第２のキャリア輸送層
２３０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２３０Ｈ 最大エネルギーギャップ
３００ 導電層
３１０ 導電部
３３０ パターン化されたフォトレジスト層
４００ 保護層
５００ マイクロレンズ構造
５１０ マイクロレンズ
５２０ 充填材料
６００ フィルタ層
８１０ イメージセンサアレイ
８２０ ロウアドレスデコーダ
８３０ カラム回路
８４０ カラムアドレスデコーダ
８５０ アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）
Ｌ１ 第１の線
Ｌ２ 第２の線
Ｍ１ リセットスイッチトランジスタ
Ｍ２ ソースフォロワトランジスタ
Ｍ３ ロウセレクトスイッチトランジスタ
Ｐ１ 第１の点
Ｐ２ 第２の点
Ｐ３ 第３の点
Ｐ４ 第４の点
Ｓ１ 第１のスペクトル
Ｓ２ 第２のスペクトル
Ｗ 距離
λ１ 第１の波長
λ２ 第２の波長
Δλ 差値
１００ 基板
１１０ 読み出し回路アレイ
１１１ 読み出しトランジスタユニット
１１２ ベース層
１２０ 下部コンタクトパッド
１２１ 上部コンタクトパッド
１２２ 隔離材料
２００ 光電モジュール
２１０ 第１のキャリア輸送層
２１０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２１０Ｈ 最大エネルギーギャップ
２２０ 光電層
２２０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２２０Ｈ 最大エネルギーギャップ
２３０ 第２のキャリア輸送層
２３０Ｌ 最小エネルギーギャップ
２３０Ｈ 最大エネルギーギャップ
３００ 導電層
３１０ 導電部
３３０ パターン化されたフォトレジスト層
４００ 保護層
５００ マイクロレンズ構造
５１０ マイクロレンズ
５２０ 充填材料
６００ フィルタ層
８１０ イメージセンサアレイ
８２０ ロウアドレスデコーダ
８３０ カラム回路
８４０ カラムアドレスデコーダ
８５０ アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）
Ｌ１ 第１の線
Ｌ２ 第２の線
Ｍ１ リセットスイッチトランジスタ
Ｍ２ ソースフォロワトランジスタ
Ｍ３ ロウセレクトスイッチトランジスタ
Ｐ１ 第１の点
Ｐ２ 第２の点
Ｐ３ 第３の点
Ｐ４ 第４の点
Ｓ１ 第１のスペクトル
Ｓ２ 第２のスペクトル
Ｗ 距離
λ１ 第１の波長
λ２ 第２の波長
Δλ 差値
【要約】
【課題】 より良い性能を備えたフィルタ層と吸収波長可変光電層を有するイメージセンサ構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板、前記基板上に配置された読み出し回路アレイ、前記読み出し回路アレイの上に配置された光電層、および前記光電層の上に配置されたフィルタ層を含み、前記フィルタ層は、第１の波長を定義する第１のスペクトルを有し、前記光電層は、前記第１の波長より長い第２の波長を定義する第２のスペクトルを有し、前記第１の波長は、前記フィルタ層の前記第１のスペクトルの曲線上の第１の点および第２の点を通過する第１の線に対応し、前記第１の点は、０．９の消衰係数と一致し、前記第２の点は、０．１の消衰係数と一致し、前記第２の波長は、前記光電層の前記第２のスペクトルの曲線上の第３の点および第４の点を通過する第２の線に対応し、前記第３の点は、０．９の消衰係数と一致し、前記第４の点は、０．１の消衰係数と一致するイメージセンサ構造。
【選択図】 図２Ａ
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図8A】
【図8B】