特許 7109617 固体撮像素子

(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】

(24)【登録日】2022-07-21

(45)【発行日】2022-07-29

(54)【発明の名称】固体撮像素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20220722BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20220722BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 D

G02B5/20 101

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021068668

(22)【出願日】2021-04-14

(65)【公開番号】P2022076982

(43)【公開日】2022-05-20

【審査請求日】2021-04-14

(31)【優先権主張番号】17/094,531

(32)【優先日】2020-11-10

(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】李 京樺

(72)【発明者】

【氏名】張 育淇

(72)【発明者】

【氏名】塗 宗儒

【審査官】西出 隆二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２２５６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８６５１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｇ０２Ｂ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体撮像素子であって、
複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子上に設置され、且つ、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と、
前記複数のカラーフィルターセグメント間に設置されるパーティショングリッドと、
前記カラーフィルター層上に設置され、且つ、複数のパターン化セグメントを有するパターン化構造と、
前記カラーフィルター層、および、前記パーティショングリッド上に設置され、前記複数のパターン化セグメントを囲む透明層と、を有し、
前記複数のパターン化セグメントの少なくとも一つが、前記パーティショングリッド上に設置されることを特徴とする固体撮像素子。

【請求項2】

前記パターン化構造の屈折率は、前記透明層の屈折率より低く、前記パターン化構造の前記屈折率は、１．２～１．６５の間であり、前記複数のパターン化セグメントそれぞれの厚さは、前記透明層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項3】

前記複数のパターン化セグメントの一つは、前記複数のカラーフィルターセグメントの一つ上に設置される、あるいは、前記複数のパターン化セグメントの少なくとも二個は、前記複数のカラーフィルターセグメントの一つの上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項4】

前記固体撮像素子の断面図において、前記パーティショングリッドは、複数のパーティショングリッドセグメントに分割され、互いに隣接して配置される前記複数のパーティショングリッドセグメントの二個間の距離は、 画素サイズを定義し、前記画素サイズに対する前記複数のパターン化セグメントそれぞれの幅の比率は、０．５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項5】

前記複数のカラーフィルターセグメント間に設置される金属グリッド、および、
前記透明層上に設置され、入射光を集光する複数の集光構造、を有し、
前記パーティショングリッドは、前記金属グリッドの少なくとも一部を被覆することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項6】

前記複数の集光構造は、それぞれ、前記複数のカラーフィルターセグメントの一つに対応する、あるいは、前記複数の集光構造は、それぞれ、前記複数のカラーフィルターセグメントの少なくとも二個に対応することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。

【請求項7】

前記固体撮像素子の上面において、前記複数のパターン化セグメントは、複数のパターン化アレイを形成し、前記複数のパターン化アレイは、互いに隣接して配置される前記複数のカラーフィルターセグメントの二個、あるいは、対角線上に配置される前記複数のカラーフィルターセグメントの二個に対応することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項8】

前記固体撮像素子の上面において、 前記複数のパターン化セグメントは、複数のパターン化アレイを形成し、前記複数のパターン化アレイは、それぞれ、ｘ２個の前記複数のパターン化セグメントを有し、ｘは、３以上の正の整数であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項9】

前記複数のパターン化セグメントの断面は、それぞれ、三角形、長方形、台形、半円形に形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項10】

前記複数のカラーフィルターセグメントは、それぞれ、前記複数の光電変換素子の一つに対応する、あるいは、前記複数のカラーフィルターセグメントは、それぞれ、前記複数の光電変換素子の少なくとも二個に対応することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージセンサーに関するものであって、特に、ペタルフレア現象(petal flares)を減少させる固体撮像素子(solid-state image sensor)に関するものである。

【背景技術】

【0002】

固体撮像素子(電荷結合素子 (ＣＣＤ)イメージセンサー、相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ)イメージセンサー等)は、たとえば、デジタル静止画カメラ、デジタルビデオカメラ等の各種イメージ捕捉装置に幅広く用いられている。固体撮像素子の感光部分は、各画素で形成され、且つ、感光部分で受光される光線量にしたがって、信号電荷が生成される。このほか、感光部分で生成される信号電荷が送信、および、増幅されて、イメージ信号が得られる。

【0003】

固体撮像素子において、パーティショングリッド(partition grid)が用いられて、異なるカラーフィルター層を分離する。しかし、同じパーティショングリッドの周期配置のせいで、格子回折問題を有しやすく、得られたイメージが、色分散(ペタルフレア現象)とゴースト像を生じる。よって、固体撮像素子の設計と製造において、依然として問題が残っている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、固体撮像素子を提供し、固体撮像素子は、複数のパターン化セグメントを有するパターン化構造を有し、パーティショングリッドが回折を生成するのを防止して、これにより、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のいくつかの実施形態において、固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有する。固体撮像素子はさらに、光電変換素子上に設置されるカラーフィルター層を有する。カラーフィルター層は、複数のカラーフィルターセグメントを有する。固体撮像素子はさらに、カラーフィルターセグメント間に設置されたパーティショングリッドを有する。さらに、固体撮像素子は、カラーフィルター層上に設置されるパターン化構造を有する。パターン化構造は、複数のパターン化セグメントを有する。固体撮像素子はさらに、カラーフィルター層、および、パーティショングリッド上に設置される透明層を有する。透明層は、パターン化セグメントを囲む。少なくとも一つのパターン化セグメントが、パーティショングリッド上に設置される。

【0006】

いくつかの実施形態において、パターン化構造の屈折率は、透明層の屈折率より低い。

【0007】

いくつかの実施形態において、パターン化構造の屈折率は、１．２～１．６５である。

【0008】

いくつかの実施形態において、各パターン化セグメントの厚さは、透明層の厚さ以下である。

【0009】

いくつかの実施形態において、一パターン化セグメントは一カラーフィルターセグメント上に設置される。

【0010】

いくつかの実施形態において、少なくとも二個のパターン化セグメントは、一カラーフィルターセグメント上に設置される。

【0011】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子の断面図において、パーティショングリッドは、複数のパーティショングリッドセグメンに分割され、互いに隣接して配置される二個のパーティショングリッドセグメント間の距離が、画素サイズを定義し、且つ、各パターン化セグメントの幅と画素サイズの比率は、０．５より小さい。

【0012】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子はさらに、カラーフィルターセグメント間に設置される金属グリッドを有する。パーティショングリッドは、少なくとも一部の金属グリッドを被覆する。

【0013】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子はさらに、透明層上に設置される複数の集光構造(condensing structures)を有する。

【0014】

いくつかの実施形態において、各集光構造の材料は、透明層の材料と同じである。

【0015】

いくつかの実施形態において、各集光構造は、一カラーフィルターセグメントに対応する。

【0016】

いくつかの実施形態において、各集光構造は、少なくとも二個のカラーフィルターセグメントに対応する。

【0017】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子の上面図において、パターン化セグメントは、複数のパターン化アレイを形成する。

【0018】

いくつかの実施形態において、パターン化アレイは、互いに隣接して配置される二個のカラーフィルターセグメントに対応する。

【0019】

いくつかの実施形態において、二個のカラーフィルターセグメントに対応するパターン化アレイは、対角線上に配置される。

【0020】

いくつかの実施形態において、各パターン化アレイは x2 個のパターン化セグメントを有し、x は３以上の正の整数である。

【0021】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子の断面図において、各パターン化セグメントは、三角形、長方形、台形、半円形として形成される。

【0022】

いくつかの実施形態において、各カラーフィルターセグメントは、一光電変換素子に対応する。

【0023】

いくつかの実施形態において、各カラーフィルターセグメントは、少なくとも二個の光電変換素子に対応する。

【発明の効果】

【0024】

本発明の固体撮像素子は、複数のパターン化セグメントを有するパターン化構造を有し、パーティショングリッドが回折を生成するのを防止して、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1A】本発明のいくつかの実施形態による製造の各種段階固体撮像素子の部分断面図である。

【図1B】本発明のいくつかの実施形態による製造の各種段階固体撮像素子の部分断面図である。

【図1C】本発明のいくつかの実施形態による製造の各種段階固体撮像素子の部分断面図である。

【図1D】本発明のいくつかの実施形態による製造の各種段階固体撮像素子の部分断面図である。

【図1E】本発明のいくつかの実施形態による製造の各種段階固体撮像素子の部分断面図である。

【図2】本発明の一実施形態による固体撮像素子の部分的上面図である。

【図3】本発明の別の実施形態による固体撮像素子の断面図である。

【図4A】本発明の異なる実施形態によるの固体撮像素子の部分的上面図である。

【図4B】本発明の異なる実施形態によるの固体撮像素子の部分的上面図である。

【図4C】本発明の異なる実施形態によるの固体撮像素子の部分的上面図である。

【図4D】本発明の異なる実施形態によるの固体撮像素子の部分的上面図である。

【図4E】本発明の異なる実施形態によるの固体撮像素子の部分的上面図である。

【図5A】本発明の異なる実施形態による固体撮像素子の部分的断面図である。

【図5B】本発明の異なる実施形態による固体撮像素子の部分的断面図である。

【図5C】本発明の異なる実施形態による固体撮像素子の部分的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下の開示は、多くの異なる実施形態、あるいは、例を提供して、提供される主題の異なる特徴を実施する。特定の例のコンポーネンツ、および、配置が以下で記載されて、本発明を簡潔にする。これらは、もちろん、単なる例であり、限定することを意図しない。たとえば、記載中の、第一特徴が第二特徴上に形成されるというのは、第一特徴、および、第二特徴が直接接触して形成される実施形態を有し、また、追加特徴が、第一特徴と第二特徴間に形成され、第一特徴、および、第二特徴が直接接触していない実施形態も有している。

【0027】

理解すべきことは、説明される工程の前、その期間、あるいは、その後に、追加工程が実行され、且つ、いくつかの工程は、説明される方法のその他の実施形態において、代替されたり、省略されたりすることである。

【0028】

さらに、記述を容易にするために、空間的相対用語、たとえば、 “下” “下方” “下部” “上” “上方” “上部” 等が用いられて、図面中で説明される一素子、あるいは、特徴ともう一つの素子、あるいは、特徴間の関係を記述する。空間的相対用語は、図面中で示される方位に加えて、使用中、あるいは、操作中の装置の異なる方位を包含することを目的とする。装置は正しい方向に置かれ(９０度、あるいは、その他の方位で回転)、且つ、ここで用いられる空間的相対記述子は同様に解釈される。

【0029】

本発明において、用語“約”、および、“実質上”は、通常、状態値の＋／－２０％、状態値の＋／－１０％ 、状態値の＋／－５％ 、状態値の＋／－３％、状態値の＋／－２％、状態値の＋／－１％ 、および、さらにいっそう、状態値の＋／－０．５％を意味する。本発明の状態値は近似値である。つまり、特定の記述がないとき、状態値は、“約”や“実質上”の意味を含む。

【0030】

特に定義されない限り、ここで用いられる全用語(技術、および、科学用語を含む)は、当業者により理解されるものと同じ意義を有する。さらに、通常用いられる辞典で定義される用語は、特に定義されない限り、従来の技術の文脈中のそれらの意義と一致する意味を有するものとして解釈され、且つ、理想化、あるいは、過度に正式に解釈されるべきではない。

【0031】

本発明は、以下の実施形態で、参照符号、および／または、文字を繰り返す。この反復は、簡潔、且つ、はっきりとさせる目的のためであり、討論される各種実施形態、および／または、配置間の関係を決定付けるものではない。

【0032】

固体撮像素子は、受光ユニットに入射する光線の方向によって、大まかに二個のグループに分類される。ひとつは、読み取り回路の配線層が形成される半導体基板の前面側に入射する光線を受光する表面照射 (ＦＳＩ)イメージセンサーである。もうひとつは、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裏面照射 (ＢＳＩ)イメージセンサーである。カラー画像を画像化するため、カラーフィルター層が、ＦＳＩ、および、ＢＳＩイメージセンサー中に提供される。ＦＳＩ、および、ＢＳＩイメージセンサーは、通常、パーティショングリッドを有して、カラーフィルター層を分離し、混色を防止する。

【0033】

図１Ａ～図１Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による固体撮像素子１０の製造の各種段階の部分的断面図である。注意すべきことは、わかりやすくするために、図１Ａ～図１Ｅ中で、固体撮像素子１０のいくつかの素子が省略されていることである。

【0034】

図１Ａを参照すると、たとえば、ウェハ、あるいは、チップである半導体基板１０１が提供される。半導体基板１０１は、前面１０１Ｆ、および、前面１０１Ｆと反対の背面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。

【0035】

いくつかの実施形態において、半導体基板１０１中の光電変換素子１０３は、隔離構造 (図示しない)、たとえば、シャロ―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 (ＤＴＩ)領域により、互いに隔離される。隔離構造は、エッチングプロセスを用いて、トレンチを形成し、トレンチに絶縁材、あるいは、誘電材を充填して、半導体基板１０１中に形成される。

【0036】

図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態において、光電変換素子１０３は、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成され、配線層１０５は、半導体基板１０１の前面１０１Ｆ上に形成されるが、本発明はこれらに制限されない。配線層１０５は、相互接続構造であり、複数の誘電層中に組み込まれる複数の導電線とビアを有し、且つ、さらに、固体撮像素子１０に必要な各種電気回路を有する。入射光は、背面１０１Ｂ側に放射され、光電変換素子１０３により受光される。

【0037】

図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態において、高誘電率 (high-κ)膜１０７が、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成されるとともに、光電変換素子１０３を被覆する。高誘電率膜１０７の材料は、酸化ハフニウム(HfO₂)、酸化ハフニウムタンタル(HfTaO)、酸化ハフニウムチタン (HfTiO)、酸化ジルコニウムハフニウム(HfZrO)、五酸化タンタル(Ta₂O₅)、適当なその他の高誘電率の誘電材、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。高誘電率膜１０７は、蒸着プロセスにより形成される。蒸着プロセスは、たとえば、化学気相蒸着 (ＣＶＤ)、プラズマエッチャント化学気相蒸着 (ＰＥＣＶＤ)、原子層堆積(ＡＬＤ)、あるいは、その他の蒸着技術である。高誘電率膜１０７は、高屈折率、および、光吸収能力を有する。

【0038】

図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態において、バッファ層１０９が、高誘電率膜１０７上に形成される。バッファ層１０９の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、適当なその他の絶縁材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。バッファ層１０９は、蒸着プロセスにより形成される。蒸着プロセスは、たとえば、スピンオンコート(spin-on coating)、化学気相蒸着、流動性化学気相蒸着 (ＦＣＶＤ)、プラズマエッチャント化学気相蒸着、物理的気相蒸着(ＰＶＤ)、あるいは、その他の蒸着技術である。

【0039】

図１Ｂを参照すると、金属グリッド１１１が、半導体基板１０１上に形成される。特に、金属グリッド１１１は、バッファ層１０９上に形成される。いくつかの実施形態において、金属グリッド１１１の材料は、タングステン(Ｗ)、アルミニウム(Ａｌ)、金属窒化物(たとえば、窒化チタン(ＴｉＮ))、その他の適当な材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。金属グリッド１１１は、金属層をバッファ層１０９上に蒸着し、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形成されるが、本発明はこれらに制限されない。

【0040】

図１Ｂを参照すると、パーティショングリッド１２１が、半導体基板１０１上に形成される。特に、パーティショングリッド１２１が金属グリッド１１１に対応するように形成され、これにより、パーティショングリッド１２１は、金属グリッド１１１の少なくとも一部を被覆する。いくつかの実施形態において、パーティショングリッド１２１の材料は、屈折率が約１．０～１．９９の範囲の透明な誘電材を有するが、本発明はこれらに制限されない。パーティショングリッド１２１は、バッファ層１０９上に透明誘電層を蒸着し、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、透明誘電層をパターン化することにより形成されるが、本発明はこれらに制限されない。

【0041】

図１Ｃを参照すると、カラーフィルター層１１５が、半導体基板１０１上に形成される。特に、カラーフィルター層１１５は、光電変換素子１０３上に形成される(すなわち、光電変換素子１０３と対応させつつ、光電変換素子１０３上にカラーフィルター層１１５が形成される)。図１Ｃに示されるように、カラーフィルター層１１５は、複数のカラーフィルターセグメント１１５Ｓを有する。カラーフィルターセグメント１１５Ｓは、同じ色、あるいは、異なる色に対応する。たとえば、図１Ｃにおいて、カラーフィルターセグメント１１５の一つは赤色カラーフィルターセグメント (すなわち、赤カラーフィルターセグメント１１５ＳＲ)であり、もう一つのカラーフィルターセグメント１１５は、緑色カラーフィルターセグメント (すなわち、緑カラーフィルターセグメント１１５ＳＧ)であるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、カラーフィルターセグメント１１５は、青色カラーフィルターセグメント、白色カラーフィルターセグメント等も有する。

【0042】

図１Ｃに示されるように、金属グリッド１１１、および、パーティショングリッド１２１は、カラーフィルターセグメント１１５Ｓ間に設置される。つまり、金属グリッド１１１、および、パーティショングリッド１２１が形成されて、カラーフィルターセグメント１１５Ｓを互いに分離するが、本発明はこれらに制限されない。図１Ｃに示される実施形態において、各カラーフィルターセグメント１１５Ｓは、一光電変換素子１０３に対応するが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、各カラーフィルターセグメント１１５Ｓは、少なくとも二個の光電変換素子１０３ (たとえば、四個の(２×２)光電変換素子１０３)に対応してもよい。

【0043】

図１Ｄを参照すると、パターン化構造１２５が、カラーフィルター層１１５上に形成される。特に、パターン化構造１２５は、カラーフィルター層１１５とパーティショングリッド１２１両方の上に形成されるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかの実施形態において、パターン化構造１２５の材料は、パーティショングリッド１２１の材料と同じか、あるいは、類似する。たとえば、パターン化構造１２５の材料は、屈折率が約１．０～１．９９の範囲の透明誘電材を有するが、本発明はこれらに制限されない。パターン化構造１２５は、カラーフィルター層１１５とパーティショングリッド１２１両方に、透明な誘電層を蒸着した後、フォトリソグラフィ、および、エッチングプロセスにより、透明な誘電層をパターン化することにより形成されるが、本発明はこれらに制限されない。

【0044】

図１Ｄに示されるように、パターン化構造１２５は、複数のパターン化セグメント１２５Ｓを有する。本発明の実施形態において、少なくとも一つのパターン化セグメント１２５Ｓが、パーティショングリッド１２１上に設置される。図１Ｄに示される実施形態において、いくつかのパターン化セグメント１２５Ｓが、カラーフィルターセグメント１１５ (赤カラーフィルターセグメント１１５ＳＲ、および、緑カラーフィルターセグメント１１５ＳＧを有する)上に設置されるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、カラーフィルターセグメント１１５Ｓ上に、パターン化セグメントがない。

【0045】

さらに、図１Ｄの実施形態において、一つのパターン化セグメント１１５Ｓが、一つのカラーフィルターセグメント１１５Ｓ (たとえば、赤カラーフィルターセグメント１１５ＳＲ、あるいは、緑カラーフィルターセグメント１１５ＳＧ)上に設置されるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、少なくとも二個の (二個、あるいは、それ以上)パターン化セグメント１１５Ｓが、一カラーフィルターセグメント１１５Ｓ上に設置される。

【0046】

図１Ｅを参照すると、透明層１２７が、カラーフィルター層１１５、および、パーティショングリッド１２１上に形成されて、固体撮像素子１０を形成する。特に、図１Ｅに示されるように、透明層１２７は、パターン化セグメント１２５Ｓを囲む。つまり、透明層１２７が、パターン化セグメント１２５Ｓ間の空間を充填する。いくつかの実施形態において、透明層１２７は有機層であるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかの実施形態において、透明層１２７の材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、その他の任意の適当な材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。透明層１２７は、蒸着プロセスにより形成される。蒸着プロセスの例は上述しているので、ここで繰り返さない。

【0047】

本発明の実施形態において、パターン化構造１２５の屈折率は、透明層１２７の屈折率より低い。たとえば、パターン化構造１２５の屈折率は、約１．２～約１．６５の範囲であるが、本発明はこれらに制限されない。

【0048】

いくつかの実施形態において、図１Ｅに示されるように、パターン化構造１２５の厚さＴ１ (すなわち、各パターン化セグメント１２５Ｓの厚さＴ１)は、透明層１２７の厚さＴ２以下である。さらに、透明層１２７は、ほぼ平坦な上表面１２７Ｔを有する。つまり、透明層１２７は、パターン化構造１２５の平坦層に属するが、本発明はこれらに制限されない。

【0049】

いくつかの実施形態において、図１Ｅに示されるように、固体撮像素子１０の断面図において、パーティショングリッド１２１は、複数のパーティショングリッドセグメント１２１Ｓに分割される。二個の隣接するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓ間の距離 (二個の隣接するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心軸間の距離)は、画素サイズＰＷを定義する。さらに、パターン化セグメント１２５Ｓは同じ幅Ｗを有する。いくつかの実施形態において、各パターン化セグメント１２５Ｓの幅Ｗと画素サイズＰＷの比率（Ｗ／ＰＷ：画素サイズＰＷに対する各パターン化セグメント１２５Ｓの幅Ｗの比率）は０．５より小さい。

【0050】

いくつかの実施形態において、固体撮像素子１０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あるが、本発明はそれらに制限されない。

【0051】

図１Ｅに示される固体撮像素子１０は、裏面照射 (ＢＳＩ)イメージセンサーであるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、固体撮像素子は、表面照射 (ＦＳＩ)イメージセンサーである。図１Ｅに示される半導体基板１０１、および、配線層１０５は、ＦＳＩイメージセンサーでは逆になる。ＦＳＩ イメージセンサーにおいて、入射光は、前面１０１Ｆ側に放射され、配線層１０５を通過するとともに、その後、半導体基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される光電変換素子１０３により受光される。

【0052】

図２は、本発明の一実施形態による固体撮像素子１０の部分的上面図である。たとえば、図１Ｅは、図２の線Ａ-Ａに沿った固体撮像素子１０の部分的断面図である。なお、図２の線Ｂ-Ｂ’に沿った固体撮像素子１０の部分的断面図が、図１Ｅになるよう、固体撮像素子１０が構成されてもよい。パターン化構造１２５ (パターン化セグメント１２５Ｓ)をさらにはっきりと示すために、図２で、透明層１２７が省略されていることである。

【0053】

図１Ｅ、および、図２を参照すると、固体撮像素子１０は、複数の光電変換素子１０３を有する。固体撮像素子１０はさらに、光電変換素子１０３上に設置されるカラーフィルター層１１５を有する。カラーフィルター層１１５は、複数のカラーフィルターセグメント１１５Ｓを有する。固体撮像素子１０はさらに、カラーフィルターセグメント１１５Ｓ間に設置されるパーティショングリッド１２１を有する。さらに、固体撮像素子１０は、カラーフィルター層１１５上に設置されるパターン化構造１２５を有する。パターン化構造１２５は、複数のパターン化セグメント１２５Ｓを有する。固体撮像素子１０はさらに、カラーフィルター層１１５、および、パーティショングリッド１２１上に設置される透明層１２７を有する。透明層１２７は、パターン化セグメント１２５Ｓを囲む。少なくとも一つのパターン化セグメント１２５Ｓが、パーティショングリッド１２１上に設置される。

【0054】

本発明の実施形態によると、固体撮像素子１０は複数のパターン化セグメント１２５Ｓを有し、透明層１２７はパターン化セグメント１２５Ｓを囲み、パターン化セグメント１２５Ｓの屈折率は、透明層１２７の屈折率より低い。パーティショングリッド１２１が回折を生成するのを防止し、これにより、固体撮像素子１０の光電変換素子１０３からのイメージ信号の品質を改善する。

【0055】

図３は、本発明の別の実施形態による固体撮像素子１２の断面図である。同様に、簡潔にするため、図３において、固体撮像素子１２のいくつかの素子の図示は省略されている。

【0056】

図３に示される固体撮像素子１２は、図１Ｅに示される固体撮像素子１０と類似する構造を有する。図１Ｅの固体撮像素子１０との差異は、図３の固体撮像素子１２がさらに、透明層１２７上に複数の集光構造（condensing structures）１２９を有することである。いくつかの実施形態において、集光構造１２９は、入射光を集光するのに用いられる。いくつかの実施形態において、集光構造１２９の材料は、透明層１２７の材料と同じか、あるいは、類似する。たとえば、集光構造１２９の材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、その他の任意の適当な材料、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。いくつかの実施形態において、集光構造１２９は、フォトレジストリフロー法(photoresist reflow method)、熱エンボス加工(hot embossing method)、任意のその他の適当な方法、あるいは、それらの組み合わせにより形成される。いくつかの実施形態において、集光構造１２９を形成する工程は、スピンコートプロセス、リソグラフィプロセス、エッチングプロセス、任意のその他の適当なプロセス、あるいは、それらの組み合わせを有するが、本発明はこれらに制限されない。

【0057】

いくつかの実施形態において、集光構造１２９は、半凸面レンズ(semi-convex lens)、あるいは、凸面レンズのようなマイクロレンズ構造であるが、本発明はこれらに制限されない。いくつかのその他の実施形態において、集光構造１２９は、マイクロプリズム構造(micro-pyramid structure)(たとえば、円錐、四角錐等)、あるいは、マイクロ台形構造(micro-trapezoidal structures)(たとえば、平坦頂錐(flat top cone)、面取りされた方錐(truncated square pyramid)等)である。あるいは、集光構造１２９は、傾斜インデックス構造(gradient-index structure)でもよい。

【0058】

図３に示される実施形態において、各集光構造１２９は、カラーフィルターセグメント１１５Ｓの一つに対応する。たとえば、一つの集光構造１２９は、赤カラーフィルターセグメント１１５ＳＲに対応し、もう一つの集光構造１２９は、緑カラーフィルターセグメント１１５ＳＧに対応するが、本発明はこれらに制限されない。 いくつかのその他の実施形態において、各集光構造１２９は、少なくとも二個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0059】

図１Ｅに示される固体撮像素子１０との差異は、図３の各カラーフィルターセグメント１１５Ｓが、少なくとも二個の光電変換素子１０３’(たとえば、二個(２×１)、あるいは、四個(２×２)の光電変換素子１０３’)に対応することを含むが、本発明はこれらに制限されない。同様に、図３に示される実施形態において、各集光構造１２９は少なくとも二個の光電変換素子１０３’に対応するが、本発明はこれらに制限されない。各カラーフィルターセグメント１１５Ｓ、あるいは、各集光構造１２９が対応する光電変換素子１０３の数量は必要に応じて調整することができる。

【0060】

さらに、固体撮像素子１２の部分的上面図も、図２に示される固体撮像素子１０の部分的上面図に類似する。図２を参照すると、固体撮像素子１０の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図２に示されるように、パターン化アレイＡＲは、Ｘ方向、および、Ｙ方向に沿って互いに隣接して配置される四個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応し、各パターン化アレイＡＲは、九個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。

【0061】

図４Ａ～図４Ｅは、本発明の異なる実施形態による固体撮像素子１４、固体撮像素子１６、固体撮像素子１８、固体撮像素子２０、および、固体撮像素子２２の部分的上面図である。

【0062】

図４Ａを参照すると、固体撮像素子１４の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図４Ａに示されるように、各パターン化アレイＡＲは、九個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。さらに、パターン化アレイＡＲは、Ｘ方向に沿って互いに隣接して配置される(たとえば、パターン化アレイＡＲ２、および、パターン化アレイＡＲ３)二個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓ、あるいは、対角線上に配置される(たとえば、パターン化アレイＡＲ１、および、パターン化アレイＡＲ２)二個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0063】

図４Ｂを参照すると、固体撮像素子１６の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図４Ｂに示されるように、各パターン化アレイＡＲは、九個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。さらに、パターン化アレイＡＲは、対角線上に配置される (たとえば、パターン化アレイＡＲ１、および、パターン化アレイＡＲ２)カラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0064】

図４Ｃを参照すると、固体撮像素子１８の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図４Ｃに示されるように、各パターン化アレイＡＲは、九個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。さらに、パターン化アレイＡＲは、Ｙ方向に沿って互いに隣接して配置される(たとえば、パターン化アレイＡＲ１、および、パターン化アレイＡＲ４)カラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0065】

図４Ｄを参照すると、固体撮像素子２０の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図４Ｄに示されるように、各パターン化アレイＡＲは、九個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。さらに、パターン化アレイＡＲは、Ｙ方向に沿って互いに隣接して配置される(たとえば、パターン化アレイＡＲ１、および、パターン化アレイＡＲ４)二個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓ、あるいは、対角線上に配置される (たとえば、パターン化アレイＡＲ４、および、パターン化アレイＡＲ５)二個のカラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0066】

図４Ｅを参照すると、固体撮像素子２２の上面図において、パターン化セグメント１２５Ｓは、複数のパターン化アレイＡＲを形成する。図４Ｅに示されるように、各パターン化アレイＡＲは、１６個のパターン化セグメント１２５Ｓを有するが、本発明はこれらに制限されない。さらに、パターン化アレイＡＲは、Ｘ方向、および、Ｙ方向に沿って、互いに隣接して配置されるカラーフィルターセグメント１１５Ｓに対応する。

【0067】

各パターン化アレイＡＲ中のパターン化セグメント１２５Ｓの数量は、前述の実施形態に制限されない。いくつかの実施形態において、各パターン化アレイＡＲは、ｘ^２個のパターン化セグメント１２５Ｓを有し、且つ、x は、３以上の正の整数であるが、本発明はこれらに制限されない。さらに、各パターン化アレイＡＲ中のパターン化セグメント１２５Ｓの数量は、可変である(それぞれである)。

【0068】

さらに、前述の実施形態の固体撮像素子の断面図において、各パターン化セグメント１２５Ｓは長方形で示されているが、本発明はこれらに制限されない。

【0069】

図５Ａ～図５Ｃは、本発明の異なる実施形態による固体撮像素子２４、固体撮像素子２６、固体撮像素子２８の部分的断面図である。

【0070】

図５Ａを参照すると、固体撮像素子２４の断面図において、各パターン化セグメント１２５Ｓの断面は、三角形に形成される。図５Ｂを参照すると、固体撮像素子２６の断面図において、各パターン化セグメント１２５Ｓの断面は台形に形成される。図５Ｃを参照すると、固体撮像素子２８の断面図において、各パターン化セグメント１２５Ｓの断面は半円に形成される。固体撮像素子の断面図中の各パターン化セグメント１２５Ｓの形状は、前述の実施形態に制限されず、必要に応じて変化する。

【0071】

さらに、図５Ａ～図５Ｃに示される実施形態において、各カラーフィルターセグメント１１５Ｓ (たとえば、緑カラーフィルターセグメント１１５ＳＧ、あるいは、赤カラーフィルターセグメント１１５ＳＲ)、あるいは、各集光構造１２９は、一つの光電変換素子１０３に対応するが、本発明はこれらに制限されない。

【0072】

総合すると、本発明の実施形態によると、固体撮像素子は、複数のパターン化セグメント、および、パターン化セグメントを囲む透明層を有し、パターン化セグメントの屈折率は、透明層の屈折率より低い。パーティショングリッドが回折を生成するのを防止し、これにより、固体撮像素子の光電変換素子からのイメージ信号の品質を改善することができる。

【0073】

前述は、いくつかの施形態の特徴を説明するので、当業者は、本発明の態様をよりよく理解することができる。当業者なら理解できるように、たやすく、本発明を基礎として用いて、その他のプロセス、および、構造を設計、あるいは、修正されて、同じ目的を実現する、および／または、紹介される実施形態の同じ長所を達成することができる。当業者ならさらに理解できることは、このような等価構造は、本発明の精神と範囲を逸脱せず、且つ、それらは、精神と範囲を逸脱しない条件下で、各種変化、置換、修正を行うことができる。よって、保護範囲は、請求項によって決定されるべきである。また、本発明のいくつかの実施形態が上で開示されているが、それらは、本発明の範囲を制限することを意図しない。

【0074】

この明細書を通じた特徴、長所、あるいは、類似言語は、本発明で実現されるすべての特徴、および、長所が、本発明の任意の単一の実施形態である、あるいは、単一の実施形態中に存在すべきであることを暗示するものではない。むしろ、特徴、および、長所に言及した言語は、一実施形態と関連して記載される特定の特徴、長所、あるいは、特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態中に含まれることを意味すると理解される。よって、この明細書を通じた特徴、および、長所、および、類似言語の討論は、必ずしも、同じ実施形態を参照しない。

【0075】

さらに、一つ以上の実施形態において、本発明の記載される特徴、長所、および、特性は、任意の適当な方式で組み合わされる。当業者なら理解できるように、この記載の観点において、本開示は、特定の実施形態の一つ以上の特定の特徴、あるいは、長所がなくても実施することができる。ほかの例では、追加特徴、および、長所は、本開示の全実施形態中に含まれないある実施形態中で広く認められる。

【符号の説明】

【0076】

１０１…半導体基板
１０１Ｆ…前面
１０１Ｂ…背面
１０３…光電変換素子
１０５…配線層
１０７…高誘電率膜
１０９…バッファ層
１１１…金属グリッド層
１１５…カラーフィルター層
１１５Ｓ…カラーフィルターセグメント
１２１…パーティショングリッド
１２１Ｓ…パーティショングリッドセグメント
１２５…パターン化構造
１２５Ｓ…パターン化セグメント
１２７…透明層
１２７Ｔ…上表面
１２９…集光構造
Ｔ１、Ｔ２…厚さ
Ｗ…幅
ＡＲ…パターン化アレイ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5A】

【図5B】

【図5C】