(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-14
(54)【発明の名称】ナノ構造ベースのコンデンサを備えた画像センサ
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20230707BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022576825
(86)(22)【出願日】2021-06-15
(85)【翻訳文提出日】2022-12-13
(86)【国際出願番号】 SE2021050582
(87)【国際公開番号】W WO2021262067
(87)【国際公開日】2021-12-30
(31)【優先権主張番号】2050737-2
(32)【優先日】2020-06-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】513091308
【氏名又は名称】スモルテク アクティエボラーグ
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(72)【発明者】
【氏名】エム シャフィクル カビル
(72)【発明者】
【氏名】ビンセント デスマリス
(72)【発明者】
【氏名】アンデシュ ヨハンソン
(72)【発明者】
【氏名】オーラ ティベルマン
(72)【発明者】
【氏名】カール ルンダール
(72)【発明者】
【氏名】リキャルド アンデション
(72)【発明者】
【氏名】ムハンマド アミン サレーム
(72)【発明者】
【氏名】マリア ビルンド
(72)【発明者】
【氏名】ビクトル マルクネス
【テーマコード（参考）】
4M118
【Ｆターム（参考）】
4M118AA02
4M118AA10
4M118AB01
4M118BA09
4M118CA01
4M118FA06
4M118HA25
4M118HA26
4M118HA30
(57)【要約】
画像センサ層とコンデンサ層とを備える画像センサ。画像センサ層は、複数の画像センサ層接触パッドと、それぞれの画像センサ層接触パッドにそれぞれが結合されている複数の感光素子と、を有する。コンデンサ層は、画像センサ層のそれぞれの画像センサ層接触パッドに接合されたコンデンサ層上部接触パッドによってそれぞれが構成される複数の第１のコンデンサ接触構造と、複数の第２のコンデンサ接触構造と、第１の誘電体材料に埋め込まれた複数のコンデンサであって、各コンデンサは少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を含み、少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、第２の誘電体材料の層によって、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から伝導的に分離される、複数のコンデンサと、を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
画像センサであって、画像センサ層であって、
複数の画像センサ層接触パッドと、
複数の感光素子であって、それぞれが前記複数の画像センサ層接触パッド内のそれぞれの画像センサ層接触パッドに結合されている、複数の感光素子と、を有する、画像センサ層と、
コンデンサ層であって、
複数の第１のコンデンサ接触構造であって、それぞれが前記画像センサ層の前記複数の画像センサ層接触パッド内のそれぞれの画像センサ層接触パッドに接合されたコンデンサ層上部接触パッドによって構成される、複数の第１のコンデンサ接触構造と、
複数の第２のコンデンサ接触構造と、
第１の誘電体材料に埋め込まれた複数のコンデンサであって、各コンデンサは少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を含み、前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、前記第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料の層によって、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から伝導的に分離され、前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を共形的に被覆する、複数のコンデンサと、を有する、コンデンサ層と、を具備する、画像センサ。
【請求項2】
前記第１の誘電体材料は第１の比誘電率を有し、前記第２の誘電体材料は前記第１の比誘電率の少なくとも２倍である第２の比誘電率を有する、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項3】
前記複数のコンデンサ内の各コンデンサは、前記第１の誘電体材料によって前記複数のコンデンサ内の隣接するコンデンサから分離される、請求項１又は２に記載の画像センサ。
【請求項4】
前記複数のコンデンサの各コンデンサに含まれる前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、高さと最大幅とを有し、前記高さと前記最大幅との間の比が少なくとも５倍である、請求項１から３のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項5】
前記複数のコンデンサの各コンデンサは、前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造によって構成される第１のコンデンサ電極と、
前記第２の誘電体材料の前記層を共形的に被覆する導電層を具備する第２のコンデンサ電極と、を具備する、請求項１から４のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項6】
前記第２のコンデンサ電極は、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方に伝導的に接続される、請求項５に記載の画像センサ。
【請求項7】
前記複数のコンデンサの各コンデンサでは、前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造の第１の端部が、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続される、請求項６に記載の画像センサ。
【請求項8】
前記複数のコンデンサの各コンデンサでは、前記第２のコンデンサ電極は、前記少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造の第２の端部に隣接する接続位置にて、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方に伝導的に接続される、請求項７に記載の画像センサ。
【請求項9】
前記複数のコンデンサの各コンデンサは、複数の導電性垂直ナノ構造を具備し、それぞれが、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、前記それぞれの第１のコンデンサ接触構造及び前記それぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から、前記第２の誘電体材料の前記層によって伝導的に分離される、請求項１から８のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項10】
前記複数のコンデンサの各コンデンサについて、前記複数の導電性垂直ナノ構造の隣接するナノ構造間の空間が導電材料で満たされる、請求項９に記載の画像センサ。
【請求項11】
前記複数のコンデンサの各コンデンサについて、前記複数の導電性垂直ナノ構造の隣接するナノ構造の間の空間が、少なくとも部分的に誘電体材料で満たされる、請求項９に記載の画像センサ。
【請求項12】
前記複数のコンデンサの各コンデンサは、少なくとも２００ｆＦ／μｍ2の静電容量密度を示す、請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項13】
前記複数のコンデンサの各コンデンサは、少なくとも２００ｆＦの静電容量を示す、請求項１から１２のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項14】
前記コンデンサ層は、前記コンデンサ層の底部に複数のコンデンサ層底部接触パッドを具備し、前記複数の第２のコンデンサ接触構造のそれぞれの第２のコンデンサ接触構造は、前記複数のコンデンサ層底部接触パッドのそれぞれのコンデンサ層底部接触パッドを構成する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項15】
複数の信号処理層接触パッドであって、それぞれが前記複数のコンデンサ層底部接触パッドのそれぞれのコンデンサ層底部接触パッドに接合される、複数の信号処理層接触パッドと、前記信号処理層接触パッドに結合された信号処理回路と、を有する信号処理層をさらに具備する、請求項１４に記載の画像センサ。
【請求項16】
前記信号処理層は、前記信号処理層の底部に複数の信号処理層底部接触パッドを具備し、前記画像センサは、
複数の機能層接触パッドであって、それぞれが前記複数の信号処理層底部接触パッドのそれぞれの信号処理層底部接触パッドに接合される、複数の機能層接触パッドと、
前記機能層接触パッドに結合された機能回路と、を有する機能層をさらに具備する、請求項１５に記載の画像センサ。
【請求項17】
前記機能回路は、ＲＦ回路、メモリ回路及び感知回路のうちの少なくとも一つを含む、請求項１６に記載の画像センサ。
【請求項18】
電子装置であって、前記電子装置の動作を制御するための処理回路と、
前記処理回路に結合された、請求項１から１７のいずれか一項に記載の画像センサと、を具備する、電子装置。
【請求項19】
前記電子装置は、携帯電話、娯楽ユニット、ナビゲーション装置、通信装置、固定位置データユニット、モバイル位置データユニット、全地球測位システム(ＧＰＳ)装置、スマートウォッチ、ウェアラブル計算装置、タブレット、サーバ、コンピュータ、ポータブルコンピュータ、モバイル計算装置、デジタルカメラ、ＣＣＤカメラ、バッテリ充電器、ＵＳＢ装置、デスクトップコンピュータ、携帯情報端末(ＰＤＡ)、モニタ、コンピュータモニタ、ＡＤＡＳ、テレビ、チューナ、ラジオ、衛星ラジオ、音楽プレーヤ、デジタル音楽プレーヤ、携帯音楽プレーヤ、デジタルビデオプレーヤ、自動車、電気自動車、車両部品、アビオニクスシステム、ドローン及びマルチコプターのうちの一つである、請求項１８に記載の電子装置。
【請求項20】
画像センサ用のコンデンサ層を製造する方法であって、第１の複数の離散導電材料島を有する基板を提供するステップと、
前記第１の複数の離散導電材料島のそれぞれの離散導電材料島上に、少なくとも一つの導電性ナノ構造を、前記導電性ナノ構造が前記離散導電材料島から実質的に垂直に延在し、前記導電性ナノ構造の第１の端部が、前記離散導電材料島と電気的に導電接触するように、提供するステップと、
前記離散導電材料島上に設けられた前記導電性ナノ構造上に共形誘電体層を適用するステップと、
前記共形誘電体層上に導電材料層を適用して、少なくとも一つの導電性ナノ構造、前記共形誘電体層及び前記導電材料層をそれぞれが備える複数のコンデンサを形成するステップと、
前記複数のコンデンサを誘電体材料に埋め込むステップと、
第２の複数の離散導電材料島を、前記第２の複数の離散導電材料島のそれぞれの離散導電材料島が、前記第１の複数の離散導電材料島の前記離散導電材料島のそれぞれに設けられた前記少なくとも一つの導電性ナノ構造上の前記導電材料層と導電接触するように、形成するステップと、
前記基板を取り外すステップと、を含む、方法。
【請求項21】
前記第２の複数の離散導電材料島を形成するステップは、前記複数のコンデンサを前記誘電体材料に埋め込むステップの前に実施され、前記方法は、前記第２の複数の離散導電材料島の前記離散導電材料島が露出するまで、前記複数のコンデンサを埋め込む前記誘電体材料を平坦化するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記方法は、前記第１の複数の離散導電材料島の前記離散導電材料島のそれぞれに設けられた前記少なくとも一つの導電性ナノ構造上の前記導電材料層が露出するまで、前記複数のコンデンサを埋め込む前記誘電体材料を平坦化するステップをさらに含み、前記第２の複数の離散導電材料島を形成するステップは、前記誘電体材料を平坦化するステップの後に実施される、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
前記共形誘電体層上に前記導電材料層を適用するステップは、前記共形誘電体層上に共形の第１の導電材料層を直接適用するステップと、
前記共形の第１の導電材料層上に第２の導電材料層を直接適用するステップと、を含む、請求項２０～２２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】
本発明は、画像センサ層とコンデンサ層とを備える画像センサに関する。
【背景技術】
【0002】
画像センサが、あらゆる種類の電子機器で広く使用されている。例えば、最近の携帯電話にはますます多くのカメラが搭載される傾向がある。同時に、画質に対する要求も高まっている。
【0003】
画像センサには、ＣＣＤセンサ又はフォトダイオードなどの感光素子が概ね含まれる。画像センサの画素内の感光素子（又は複数の感光素子）は、感光素子に当たる光の量に応じて電荷を生成する場合がある。生成された電荷の量を測定することにより、画像センサの画素に当たる光の量を判定することができる。
【0004】
（対応するトランジスタの一部であり得る）フォトダイオードを使用する一つの取り組みによれば、画素からの光電流を、いわゆる巻き上げシャッター方式を使用して行ごとに読み出す場合がある。しかし、この取り組みには、移動する物体を撮像する際の画像の歪みを伴う固有の問題がある。
【0005】
このため、少なくとも産業分野などでの要求の厳しい用途では、巻き上げシャッター方式は、画像センサの画素からの光電流を同時に読み出す、いわゆるグローバルシャッター方式に置き換えられることが多くなっている。グローバルシャッター方式は、巻き上げシャッター方式の上記の種類の画像歪みの影響を受けないが、実際には画像センサの画素ごとに電荷蓄積コンデンサを必要とする。
【0006】
電荷蓄積コンデンサの電荷蓄積能力によって、画素のダイナミックレンジが制限される。画像センサの画素の電荷蓄積コンデンサが「満杯」になると、その画素は飽和状態になる。明らかな解決策は、電荷蓄積コンデンサのサイズを大きくすることであるが、これは、画像の解像度を上げ、画像センサをさらに小型で安価なものにするという要望に反するものである。
【0007】
この問題に対するさまざまな解決策が提示されており、そのような解決策では、画像センサは、感光素子を含む画像センサ層と、電荷蓄積コンデンサを含む補助層とを備えた層状画像センサとして提供される。画像センサ層と補助層とを接合して画像センサを形成する。この取り組みの変形例が、例えば、特許文献１（米国特許出願公開第２０１０／０２３８３３４号明細書）、特許文献２（米国特許出願公開第２０１７／０１７０２２４号明細書）及び特許文献３（米国特許出願公開第２０１７／０３４５８５４号明細書）に記載されている。画素の感光素子と電荷蓄積コンデンサとが同じ層に形成されている画像センサよりも利点があるが、このような文献に記載されている解決策に関しては、まだ改善の余地がある。
【0008】
このため、改善された画像センサ、特に、画像解像度とダイナミックレンジとの間の改善された関係及び／又はさらに費用効率の高い生産を提供する画像センサを提供することが望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１０／０２３８３３４号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１７／０１７０２２４号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０１７／０３４５８５４号明細書
【発明の概要】
【0010】
本発明の目的は、改善された画像センサ、特に、画像解像度とダイナミックレンジとの間の改善された関係及び／又はさらに費用効率の高い生産を提供する画像センサを提供することである。
【0011】
このため、本発明の第１の態様によれば、画像センサ層とコンデンサ層とを備える画像センサが提供される。画像センサ層は、複数の画像センサ層接触パッドと、それぞれが複数の画像センサ層接触パッドのそれぞれの画像センサ層接触パッドに結合されている複数の感光素子と、を有する。コンデンサ層は、それぞれが画像センサ層の複数の画像センサ層接触パッドのそれぞれの画像センサ層接触パッドに接合されたコンデンサ層上部接触パッドによって構成される複数の第１のコンデンサ接触構造と、複数の第２のコンデンサ接触構造と、第１の誘電体材料に埋め込まれた複数のコンデンサであって、各コンデンサは少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を含み、少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料の層によって、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から伝導的に分離され、少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を共形的に被覆する、複数のコンデンサと、を有する。
【0012】
「垂直」ナノ構造とは、コンデンサ層（ひいては、層状構造である画像センサ）に平行な平面に直交して配置されたナノ構造であると理解すべきである。
【0013】
導電性ナノ構造を、導電性材料から形成しても、電気絶縁材料から形成し、金属などの導電材料で共形的に被覆してもよい。
【0014】
本発明は、誘電体材料に埋め込まれたナノ構造ベースのコンデンサを有するコンデンサ層を提供することによって、画像センサの高ダイナミックレンジ、高解像度及び費用効率の高い生産の好ましい組み合わせを実現することができるという認識に基づくものである。特に、本発明者らは、導電性垂直ナノ構造を使用すると、コンデンサ層の表面積当たりの並外れて高い静電容量が得られることと、そのような導電性垂直ナノ構造を含むコンデンサを誘電体材料に埋め込み、費用効率の高い生産を提供することができることがわかった。特に、コンデンサが誘電体材料に埋め込まれたコンデンサ層を、シリコンなどの本質的に脆弱な半導体材料をエッチングすることによってコンデンサを形成するコンデンサ層よりもかなり脆性の低いものにすることができる。そのような脆性が高めのコンデンサ層の例には、コンデンサがいわゆるディープトレンチ型コンデンサ（ＴＳＣ）などであるコンデンサ層が挙げられる場合がある。
【0015】
実施形態によれば、第１の誘電体材料は第１の比誘電率を有し、第２の誘電体材料は第１の比誘電率の少なくとも２倍である第２の比誘電率を有する場合がある。
【0016】
これにより、寄生容量を低減したり、及び／又は異なる画像センサ画素のコンデンサ間のクロストークのリスクを低減したりしながら、高い静電容量密度が提供される。
【0017】
非限定的な一例によれば、第１の比誘電率は、３．９よりも低く、好ましくは３．５よりも低い場合があり、第２の比誘電率は、７．８よりも高く、好ましくは２０よりも高い場合がある。
【0018】
実施形態では、複数のコンデンサ内の各コンデンサは、第１の誘電体材料によって、複数のコンデンサ内の隣接するコンデンサから分離される場合がある。有利なことに、コンデンサは、寄生容量及び／又はクロストークを効果的に低減するために、第１の誘電体材料によって互いに完全に分離される場合がある。
【0019】
複数のコンデンサの各コンデンサに含まれる少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、高さ及び最大幅を有し、高さと最大幅との間の比が有利には少なくとも５倍である場合がある。
【0020】
例えば、高さは少なくとも１μｍであり、最大幅は２００ｎｍ未満である場合がある。
【0021】
ナノ構造の「高さ」は、その垂直方向（コンデンサ層に平行な面に直交する方向）の長さであり、「最大幅」は、ナノ構造の（コンデンサ層に平行な面での）横方向の最大の伸びである。従来技術の装置のトレンチ型コンデンサの場合、最大幅はトレンチの長さであるであろう。
【0022】
さまざまな実施形態によれば、コンデンサ層内の導電性垂直ナノ構造は、成長したナノ構造である場合がある。成長したナノ構造を使用することにより、ナノ構造の特性を広範囲に調整することができる。例えば、成長条件は、各ナノ構造の表面積を大きくする形態を達成するように選択される場合があり、これにより、コンデンサ層内のコンデンサの電荷蓄積容量を増大させる場合がある。
【0023】
ナノ構造は、例えば、ナノワイヤ、ナノホーン、ナノチューブ、ナノ壁、結晶性ナノ構造又は非晶質ナノ構造である場合がある。
【0024】
さまざまな実施形態によれば、ナノ構造は、有利には、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ又はカーバイド誘導カーボンナノ構造などのカーボンナノ構造である場合がある。
【0025】
実施形態によれば、複数のコンデンサの各コンデンサは、複数の導電性垂直ナノ構造を備える場合がある。それぞれの導電性垂直ナノ構造は、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から、第２の誘電体材料の層によって伝導的に分離される。
【0026】
さまざまな実施形態では、コンデンサ層は、コンデンサ層の底部に複数のコンデンサ層底部接触パッドを備える場合がある。複数の第２のコンデンサ接触構造のそれぞれの第２のコンデンサ接触構造は、複数のコンデンサ層底部接触パッドのそれぞれのコンデンサ層底部接触パッドを構成する場合がある。
【0027】
実施形態では、画像センサは信号処理層をさらに備える。信号処理層は、それぞれが複数のコンデンサ層底部接触パッドのそれぞれのコンデンサ層底部接触パッドに接合される複数の信号処理層接触パッドと、信号処理層接触パッドに結合された信号処理回路と、を有する。
【0028】
実施形態では、画像センサは、複数の接触パッド、計算プロセッサ、メモリ、センサ、無線通信用ＲＦなどを有する追加の層をさらに備える場合がある。それぞれの層は信号処理層接触パッドに結合される。
【0029】
本発明の実施形態による画像センサは、画像センサから取得された画像データに対して演算を実行するために、画像センサに結合された処理回路をさらに備える電子装置に含まれる場合がある。
【0030】
本発明による実施形態では、異なる層は、当技術分野で知られている任意の標準的な接合技術、例えば、ダイ接合、ハイブリッド接合、金属対金属接合、ウエハーレベル接合、ウエハー対ウエハー又はダイ対ダイ又はダイ対ウエハーレベル接合などを利用して、本発明の範囲から逸脱することなく、接合される場合がある。
【0031】
本発明の第２の態様によれば、画像センサ用のコンデンサ層を製造する方法が提供される。この方法は、第１の複数の離散導電材料島を有する基板を提供するステップと、第１の複数の離散導電材料島のそれぞれの離散導電材料島上に、少なくとも一つの導電性ナノ構造を、導電性ナノ構造が離散導電材料島から実質的に垂直に延在し、導電性ナノ構造の第１の端部が、離散導電材料島と導電接触するように、提供するステップと、離散導電材料島上に設けられた導電性ナノ構造上に共形誘電体層を適用するステップと、共形誘電体層上に導電材料層を適用して、少なくとも一つの導電性ナノ構造、共形誘電体層及び導電材料層をそれぞれが備える複数のコンデンサを形成するステップと、複数のコンデンサを誘電体材料に埋め込むステップと、第２の複数の離散導電材料島を、第２の複数の離散導電材料島のそれぞれの離散導電材料島が、第１の複数の離散導電材料島の離散導電材料島のそれぞれに設けられた少なくとも一つの導電性ナノ構造上の導電材料層と導電接触するように、形成するステップと、基板を取り外すステップと、を含む。
【0032】
このため、要約すると、本発明は、画像センサ層とコンデンサ層とを備える画像センサに関する。画像センサ層は、複数の画像センサ層接触パッドと、それぞれの画像センサ層接触パッドにそれぞれが結合されている複数の感光素子と、を有する。コンデンサ層は、それぞれが画像センサ層のそれぞれの画像センサ層接触パッドに接合されたコンデンサ層上部接触パッドによって構成される複数の第１のコンデンサ接触構造と、複数の第２のコンデンサ接触構造と、第１の誘電体材料に埋め込まれた複数のコンデンサであって、各コンデンサは少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造を含み、少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造は、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの一方に伝導的に接続され、第２の誘電体材料の層によって、それぞれの第１のコンデンサ接触構造及びそれぞれの第２のコンデンサ接触構造のうちの他方から伝導的に分離される、複数のコンデンサと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【0033】
ここでは、本発明のこれまでに挙げた態様をはじめとする態様を、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、さらに詳細に説明する。
【図6】本発明の第１の実施形態による方法を概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0034】
この詳細な説明では、本発明による画像センサのさまざまな実施形態を、携帯電話の形態の例示的な電子装置の文脈で主に説明する。本発明の実施形態による画像センサの使用は、この種の電子装置に決して限定されず、産業用途などの他の用途に非常に有用であり得ることに留意されたい。
【0035】
本発明のさまざまな実施形態による画像センサは、例えば、ＡＲ、ＶＲ、ＭＲ、娯楽ユニット、ナビゲーション装置、通信装置、固定位置データユニット、モバイル位置データユニット、全地球測位システム(ＧＰＳ)装置、スマートウォッチ、ウェアラブル計算装置、デジタルカメラ、ＣＣＤカメラ、タブレット、ＡＤＡＳ、サーバ、コンピュータ、ポータブルコンピュータ、モバイル計算装置、バッテリ充電器、ＵＳＢ装置、デスクトップコンピュータ、携帯情報端末(ＰＤＡ)、モニタ、コンピュータモニタ、テレビ、チューナ、ラジオ、衛星ラジオ、音楽プレーヤ、デジタル音楽プレーヤ、携帯音楽プレーヤ、デジタルビデオプレーヤ、自動車、電気自動車、車両部品、アビオニクスシステム、ドローン及びマルチコプターなどの他のタイプの電子装置に同じように良好に含まれ、有用であり得ることを理解されたい。
【0036】
図１は、携帯電話１の背面に配置された三つのカメラ５ａ～５ｃを備えたカメラモジュール３を有する携帯電話１の形態の例示的な電子装置を概略的に示す。カメラ５ａ～５ｃのうちの一つ又は複数には、本発明の実施形態による画像センサが含まれてもよい。携帯電話１はこのほか、携帯電話１の動作を制御するための処理回路を含む。図１に示すように、処理回路は、カメラ５ａ～５ｃの動作を制御するために、ここでは概略的なカメラコントローラ６の形態の別個の回路を含んでもよい。カメラ５ａ～５ｃの動作を制御するための回路は、別個のカメラコントローラ６として提供される代わりに、携帯電話１の他の部分をさらに制御するように構成された処理回路の一体部品であってもよい。
【0037】
図２は、本発明の実施形態による画像センサ７の概略図である。図２に示すように、画像センサ７は、アレイ状に配置された複数の画素９を含む。当業者には周知のように、図２の画像センサ７は、図１のカメラコントローラ６又は他の処理回路に接続するためのカメラモジュールを形成するために、さまざまな方法でパッケージ化されてもよい。説明を簡単にするために、図２の概略的画像センサ７は、実際の画像センサよりもはるかに少ない画素９を有する。
【0038】
図３Ａ～図３Ｂは、図２の画像センサ７の第１の実施形態の概略図である。最初に、図２の線Ａ－Ａに沿った断面の画像センサ７の断面図である図３Ａを参照すると、この第１の実施形態による画像センサ７は、画像センサ層１１とコンデンサ層１３とを備える。画像センサ層１１は、複数の画像センサ層接触パッド１５（図が煩雑になるのを避けるために、画像センサ７の画素９のうちの一つのみを参照番号で示す）と複数の感光素子１７とを含む。それぞれの感光素子は、それぞれの画像センサ層接触パッド１５に結合されている。
【0039】
引き続き図３Ａを参照すると、コンデンサ層１３は、それぞれがコンデンサ層上部接触パッド１９によって構成される複数の第１のコンデンサ接触構造と、複数の第２のコンデンサ接触構造２１と、複数のコンデンサ２３とを備える。図３Ａに概略的に示すように、各コンデンサ層上部接触パッド１９は、当業者に知られている任意の適切な接合技術によって、それぞれの画像センサ層接触パッド１５に接合される。複数のコンデンサの各コンデンサ２３は、第１の誘電体材料２５に埋め込まれ、各コンデンサ２３は、少なくとも一つの導電性垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂを備える。図３Ａの例示的なコンデンサ構成では、導電性垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂは、第２のコンデンサ接触構造２１に伝導的に接続され、垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂを共形的に被覆する第２の誘電体材料の層２９によって第１のコンデンサ接触構造（コンデンサ層上部接触パッド１９）から伝導的に分離される。第２の誘電体材料は、コンデンサ２３をコンデンサ層１３に埋め込む第１の誘電体材料２５とは異なる。これとは別に、垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂは、第１のコンデンサ接触構造（コンデンサ層上部接触パッド１９）に伝導的に接続され、第２のコンデンサ接触構造２１から伝導的に分離されてもよい。コンデンサ２３のさらに詳細な例示的な構成を、図５Ａ～図５Ｃ及び図７Ａ～図７Ｃを参照して以下でさらに説明する。図３Ａ～図３Ｂの第１の例示的な実施形態では、第２のコンデンサ接触構造２１は、コンデンサ層１３に含まれるルーティング回路又はスイッチング回路３１に接続されてもよい。
【0040】
図２の画像センサ７の単純化された分解斜視図である図３Ｂでさらに良くわかるように、コンデンサ層１３内のコンデンサ２３は、コンデンサ２３を埋め込む第１の誘電体材料２５によって互いに完全に分離されてもよい。このほか、図３Ｂから理解することができるように、画像センサ層１１及びコンデンサ層１３は、ダイ接合技術を使用して互いに接合される別個のダイとして適切に提供されてもよい。これにより、画像センサ層１１及びコンデンサ層１３はそれぞれ、専用の適切な材料及びプロセスを使用して製造することができる。例えば、ポリマー又は一つ又はいくつかの標準的な誘電体材料であり得る誘電体材料（第１の誘電体材料２５）にコンデンサ２３を埋め込むことによって、コンデンサ層１３は、比較的費用効率が高く、耐久性が高いものとすることができる。特に、コンデンサ層は、半導体基板に基づいて形成された構造よりもかなり脆性の低い可能性があり、特にそのような半導体基板が多数のビアによって穿孔されている場合に顕著である。
【0041】
寄生容量を低減したり、及び／又は隣接画素間のクロストーク（望ましくない容量結合）の程度を低くしたりするために、第１の誘電体材料２５は有利には低ｋ誘電体、好ましくはポリマーであってもよい。各コンデンサ２３の高い静電容量密度（及び高い静電容量）のために、垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂを共形的に被覆する層２９内の第２の誘電体は、高ｋ誘電体であることが有利であってもよい。
【0042】
画像センサ７の高解像度と良好なダイナミックレンジとの所望の組み合わせを提供するために、各コンデンサ２３の静電容量密度は有利には少なくとも２００ｆＦ／μｍ2であってもよい。ここで、関連する面積はコンデンサ２３の設置面積である。図３Ａ～図３Ｂの例示的な構成では、関連する面積は、コンデンサ層上部接触パッド１９の面積及び／又は第２のコンデンサ接触構造２１の面積であってもよい。そのような高い静電容量密度を提供することができるコンデンサ構成により、非常に小さな画素でも、画素９当たり少なくとも２００ｆＦなど、充分に大きな電荷蓄積容量を有することができる。
【0043】
図４Ａ～図４Ｂは、図２の画像センサ７の第２の実施形態の概略図である。最初に、図１の線Ａ－Ａ´に沿った断面の画像センサ７の断面図である図４Ａを参照すると、この第２の実施形態による画像センサ７は、画像センサ層１１、コンデンサ層１３、信号処理層３３を備える。
【0044】
図４Ａに概略的に示すように、信号処理層３３は、複数の信号処理層接触パッド３５と、信号処理層接触パッド３５に結合された信号処理回路３７とを備える。
【0045】
図４Ａには明示的に示していないが、本発明では、積み重ねられた複雑なシステムを構築するために、例えば、メモリ、プロセッサ、センサ、ＲＦ回路などを収容するために層３３のような層が多くなり得ることが考えられる。
【0046】
図４Ａ～図４Ｂの画像センサ７の第２の実施形態のコンデンサ層１３は、複数の第２のコンデンサ接触構造のそれぞれの第２のコンデンサ接触構造２１が、それぞれのコンデンサ層底部接触パッドを構成する点で、図３Ａ～図３Ｂを参照して上述した第１の実施形態のコンデンサ層とは異なる。
【0047】
信号処理層３３の各信号処理層接触パッド３５は、コンデンサ層１３のそれぞれのコンデンサ層底部接触パッド２１に接合される。
【0048】
これは図には明示的に示していないが、実施形態による画像センサ７は、画像センサの当業者に周知の方法で、マイクロレンズ、カラーフィルタ、薄膜光検出器（ＴＦＰＤ）などのさまざまな追加の構造を備えてもよい。
【0049】
図５Ａ～図５Ｃは、例示的なコンデンサ構成の第１のセットの概略図である。図５Ａは、コンデンサ層１３（又は、適用可能な場合、ルーティング回路又はスイッチング回路を除く一部のコンデンサ層）の拡大切欠き部分であり、コンデンサ２３の斜視図を示す。図５Ａの例示的なコンデンサ２３は、三つの導電性垂直ナノ構造２７ａ～２７ｃを有する。それぞれの導電性垂直ナノ構造が第１の端部３９及び第２の端部４１を有し、ここでは垂直ナノ構造２７ａのうちの一つのみについて示している。コンデンサ２３の垂直かつ細長いナノ構造のそれぞれは、第１の端部３９と第２の端部４１との間に延在する。図５Ａからわかるように、ナノ構造２７ａ～２７ｃのそれぞれは、直径及び高さを有する円筒の内側に篏合することができる。各ナノ構造２７ａ～２７ｃのアスペクト比を、円柱の高さと円柱の直径との間の比率として定義することができる。本発明の実施形態による画像センサ７に含まれるコンデンサ２３内のナノ構造２７ａ～２７ｃの場合、アスペクト比は少なくとも５であってもよい。例示的な実施形態によれば、高さは少なくとも１μｍであってもよく、直径は２００ｎｍ未満であってもよい。しかし、他のナノ構造寸法が可能であり、適切であり得ることに留意されたい。
【0050】
コンデンサ２３に含まれる二つの垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂを通る、図５Ａのコンデンサ２３の第１の実施形態の断面図であり、その一部を拡大した図５Ｂを参照すると、各コンデンサ２３は、導電性垂直ナノ構造２７ａ～２７ｃによって構成される第１のコンデンサ電極と、上述の共形誘電体層２９によってナノ構造２７ａ～２７ｃから伝導的に分離された第２のコンデンサ電極とを備える。図５Ｂの第１の例示的な構成では、第２のコンデンサ電極は、共形誘電体層２９を共形的に被覆する第１の導電層４３と、第１の導電層４３上の第２の導電層４５とを備え、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９を構成する。
【0051】
各ナノ構造２７ａ～２７ｃの第１の端部３９は、第２のコンデンサ接触構造２１に伝導的に接続され、第１のコンデンサ構造１９は、各ナノ構造２７ａ～２７ｃの第２の端部４１に隣接して配置される。
【0052】
ここで図５Ｃに戻ると、伝導制御層と電極層とが交互になった層状積層体４７が共形誘電体層２９を被覆し、層状積層体４７の底部に少なくとも第１の奇数番号（第１）の電極層４３と、第１の奇数番号の電極層４３の直上の第１の奇数番号（第１）の伝導制御層４９と、第１の奇数番号の伝導制御層４９の直上の第１の偶数番号（第２）の電極層５１と、を含む。図５Ｃの例示的な構成では、層状積層体４７は、第１の偶数番号（第２）の伝導制御層５３と、第２の奇数番号（第３）の電極層４５とをさらに含む。図５Ｃの例示的な構成では、第３の電極層４５は、層状積層体４７の最上部の奇数番号の電極層であり、図５Ｃからわかるように、この電極層４５は、隣接するナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間を満たし、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９を構成する。
【0053】
層状積層体４７内の各偶数番号の電極層（第２の電極層５１）は、第２のコンデンサ接触構造２１に伝導的に接続され、層状積層体４７内の各奇数番号の電極層（第１の電極層４３及び第３の電極層４５）は、層状積層体内の任意の他の奇数番号の電極層に（相互に）伝導的に接続され、ひいては、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９にも伝導的に接続される。図５Ｃの例示的な構成では、第２の電極層５１と第２のコンデンサ接触構造２１とは、第１の相互接続５５によって互いに接続され、第１の電極層４３と第３の電極層４５とは、第２の相互接続５７によって互いに接続される。図５Ｃの例示的な構成では、ナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間は、最上部電極層４５で充填され、次に平坦化されて、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９を形成する。
【0054】
【0055】
第１のステップ１００では、基板が提供される。例えば、ガラス基板、シリコン基板又はプラスチック基板、あるいは業界で使用され知られている任意の他の基板であり得る基板は、その上に設けられた複数の離散導電材料島を有する。基板と離散導電材料島との間に、いわゆる犠牲層があってもよい。有利には金属島であり得る離散導電材料島は、図５Ａ～図５Ｃの第２のコンデンサ接触構造２１を構成してもよい。
【0056】
次のステップ１０１では、少なくとも一つの導電性ナノ構造２７ａ～２７ｃが、離散導電材料島２１から実質的に垂直に延在し、導電性ナノ構造２７ａ～２７ｃの第１の端部３９が、離散導電材料島２１と導電接触するように、設けられる。有利なことに、少なくとも一つのナノ構造は、垂直ナノ構造を成長させるためのそれ自体既知の技術を使用して、それぞれの離散導電材料島２１から成長してもよい。
【0057】
その後、ステップ１０２では、垂直ナノ構造２７ａ～２７ｃ及びナノ構造２７ａ～２７ｃによって覆われずに残された導電材料島２１の部分は、第２の誘電体材料の層２９によって共形的に被覆されてもよい。上記でさらに説明したように、共形層２９の誘電体材料は、いわゆる高ｋ誘電体から有利に作成されてもよい。高ｋ誘電体材料は、例えば、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＳＴＯ、チタン酸バリウム、ＰＺＴ又は他の周知の高ｋ誘電体であってもよい。これとは別に、誘電体はポリマー、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(ｐ－キシリレン)、パリレンなどをベースとするものであることがある。このほか、誘電体層２９として、ＳｉＯｘ又はＳｉＮｘなどの他の周知の誘電体材料を使用してもよい。この誘電体層２９は、例えば、蒸着、熱プロセス、原子層堆積（ＡＬＤ）などを介するなどして共形層を作成するのに適した任意の既知の方法を使用して堆積されてもよい。さまざまな実施形態では、二つ以上の誘電層又は誘電体材料の異なる誘電率又は異なる厚さを有する異種誘電体材料を使用して、実効誘電率を制御するか、絶縁破壊電圧に影響を及ぼすか、誘電膜特性を制御するために両者を組み合わせることが有利であってもよい。有利なことに、誘電体材料層２９は、ナノ構造２７ａ～２７ｃ全体にわたって原子均一性を伴って均一に被覆され、その結果、誘電体層がナノ構造２７ａ～２７ｃ全体を覆い、コンデンサ２３の漏れ電流が最小化される。共形誘電体層２９に原子均一性を提供することの別の利点には、そのような層２９が、ナノ構造の成長中に導入され得る導電性ナノ構造２７ａ～２７ｃの表面不規則性に適合することができることが挙げられる。これにより、コンデンサ２３の全電極表面積が増大し、ひいては、静電容量密度が高くなる。
【0058】
次のステップ１０３では、図５Ｃの第１の導電材料層４３又は層状積層体４７が、共形誘電体層２９の直上の共形被覆として適用される。接着金属層と呼ぶ場合があるこの第１の導電材料層４３は、ＡＬＤを使用して有利に形成されてもよく、第１の導電材料層４３に適した材料の例にＴｉ又はＴｉＮを挙げてもよい。
【0059】
ステップ１０４では、第２の導電材料層４５を第１の導電材料層４３上に形成する。この第２の導電材料層４５は、例えば、第１の導電材料層４３上に共形的に被覆された、いわゆるシード金属層を含んでもよい。そのようなシード金属層は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ又は任意の他の適切なシード金属材料から作成されてもよい。そのようなシード金属層を使用する場合、追加の金属を、例えば、電気めっき、無電解めっきなどの化学的方法又は当技術分野で知られている任意の他の方法を使用して堆積してもよい。図５Ａ～図５Ｃに概略的に示すように、第２の導電材料層４５は、ナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間を有利に埋め、それによって第２の複数の離散導電材料島を形成してもよい。
【0060】
次のステップ１０５では、コンデンサ２３は誘電体材料２５に埋め込まれる。この誘電体材料２５は、上記でさらに述べたように、有利には低ｋ誘電体であってもよい。例えば、ポリイミド又はＢＣＢ又はスピンオンガラス、あるいはＳｉＯｘ又はＳｉＮｘなどの適切なスピンオンポリマーを使用してもよい。
【0061】
その後、ステップ１０６では、コンデンサ２３を埋め込む誘電体材料２５は、少なくとも第２の導電材料層４５が露出するまで平坦化され、それによって第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９を形成する。平坦化には、当技術分野で知られている任意の適切なプラズマ処理、乾式化学、湿式化学、あるいはＣＭＰなどの他の平坦化方法を使用することができる。
【0062】
最後に、ステップ１０７では、基板は、例えば、基板上に犠牲層が存在する場合は犠牲層を選択的に除去するか、そのような犠牲層が存在しない場合は必要に応じて基板を研磨することによって、除去される。
【0063】
図７Ａ～図７Ｃは、例示的なコンデンサ構成の第２のセットの概略図である。図７Ａは、コンデンサ層１３（又は、適用可能な場合、ルーティング回路又はスイッチング回路を除く一部のコンデンサ層）の拡大切欠き部分であり、コンデンサ２３の斜視図を示す。
【0064】
コンデンサ２３に含まれる垂直ナノ構造２７ａ～２７ｂのうちの二つを通る図７Ａのコンデンサ２３の断面図であり、その一部を拡大した図７Ｂを参照すると、各コンデンサ２３は、導電性垂直ナノ構造２７ａ～２７ｃによって構成された第１のコンデンサ電極と、前述の共形誘電体層２９によってナノ構造２７ａ～２７ｃから伝導的に分離された第２のコンデンサ電極と、を備える。図７Ａ～図７Ｃの例示的な構成の第２のセットでは、第２のコンデンサ電極は、共形誘電体層２９を共形的に被覆する第１の導電層４３と、隣接するナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間を部分的にのみ充填する第２の導電層４５とを備える。図７ｂに概略的に示すように、第１の誘電体材料２５は、第２の導電層４５によって埋められていない隣接するナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間を占有する。平坦化された表面の上に、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９が配置され、ナノ構造２７ａ～２７ｃの第２の端部４１にて第２の導電層４５と導電接触する。第１の誘電体層２５と上部接触１９とが平面構成を形成することが有利であってもよい。
【0065】
【0066】
図８は、図７Ａ～図７Ｃを参照して上述した例示的なコンデンサ構成の第２のセットを有するコンデンサ２３を含むコンデンサ層１３を製造するための本発明の第２の実施形態による方法を概略的に示すフローチャートである。
【0067】
第２の実施形態による方法のステップ２００～２０６は、図６を参照して上述した第１の実施形態によるステップ１００～１０６にそれぞれ実質的に対応するが、第２の導電材料層４５が、隣接する垂直ナノ構造２７ａ～２７ｃの間の空間を部分的にのみ充填し得るという潜在的な例外がある。ステップ２０８はステップ１０７に対応する。ステップ２０６とステップ２０８との間で、第２の複数の離散導電材料島を形成するステップ２０７を、例えば、フォトリソグラフィによって実施する。第２の複数の離散導電材料島は、第１のコンデンサ接触構造／コンデンサ層上部接触パッド１９を構成してもよい。第１の誘電体層２５及び上部接触１９が平面構成を形成するように、平坦化方式をさらに実施してもよい。
【0068】
特許請求の範囲では、「具備する」という言葉は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという事実だけでは、このような手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すことにはならない。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8】
【国際調査報告】