(57)【要約】【課題】  マイクロレンズのない固体撮像装置を提供する。【解決手段】  基板内に配置された第１のセットのユニットと、前記第１のセットのユニットの上に配置された金属グリッド構造と、を含み、前記第１のセットのユニットは、順次に配置されて、それぞれの光電変換素子を含む第１の画素ユニットと、第２の画素ユニットと、第３の画素ユニットと、を含み、前記金属グリッド構造は、前記第１の画素ユニットと前記第２の画素ユニットの間に配置され、第１の幅を有する第１の部分と、前記第２の画素ユニットと前記第３の画素ユニットの間に配置され、前記第１の幅より広い第２の幅を有する第２の部分と、を含む固体撮像装置。【選択図】  図１Ａ
2020178112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内に配置された第１のセットのユニットと、
前記第１のセットのユニットの上に配置された金属グリッド構造と、を含み、
前記第１のセットのユニットは、
順次に配置されて、それぞれの光電変換素子を含む第１の画素ユニットと、第２の画素ユニットと、第３の画素ユニットと、を含み、
前記金属グリッド構造は、
前記第１の画素ユニットと前記第２の画素ユニットの間に配置され、第１の幅を有する第１の部分と、
前記第２の画素ユニットと前記第３の画素ユニットの間に配置され、前記第１の幅より広い第２の幅を有する第２の部分と、を含む固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１のセットのユニットは、第４の画素ユニットを更に含み、
前記第３の画素ユニットは、前記第２の画素ユニットと前記第４の画素ユニットの間に位置し、
前記金属グリッド構造は、
前記第３の画素ユニットと前記第４の画素ユニットの間に配置され、前記第１の幅より狭い第３の幅を有する第３の部分を更に含み、
前記第２の幅と前記第３の幅の和は、前記第１の幅の２倍に等しく、  前記第１の画素ユニットおよび前記第２の画素ユニットは、撮像画素ユニットであり、
前記第３の画素ユニットはＰＤＡＦ画素ユニットである請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のセットのユニットは、第４の画素ユニットを更に含み、
前記第３の画素ユニットは、前記第２の画素ユニットと前記第４の画素ユニットの間に位置し、
前記金属グリッド構造は、
前記第３の画素ユニットと前記第４の画素ユニットの間に配置され、前記第１の幅より広い第３の幅を有する第３の部分を更に含む請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記基板内に配置された第２のセットのユニットを更に含み、
前記第２のセットのユニットは、
順次に配置されて、それぞれの光電変換素子を含む第５の画素ユニットと、第６の画素ユニットと、および第７の画素ユニットと、を含み、
前記金属グリッド構造は、
前記第５の画素ユニットと前記第６の画素ユニットの間に配置され、第４の幅を有する第４の部分と、
前記第６の画素ユニットと前記第７の画素ユニットの間に配置され、前記第４の幅と等しい第５の幅を有する第５の部分と、を更に含む請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記基板内に配置された第３のセットのユニットを更に含み、
前記第３のセットのユニットは、
順次に配置されて、それぞれの光電変換素子を含む第８の画素ユニットと、第９の画素ユニットと、および第１０の画素ユニットと、を含み、
前記金属グリッド構造は、
前記第８の画素ユニットと前記第９の画素ユニットの間に配置され、第６の幅を有する第６の部分と、
前記第９の画素ユニットと前記第１０の画素ユニットの間に配置され、前記第６の幅より広い第７の幅を有する第７の部分と、を更に含む請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１の画素ユニット、前記第２の画素ユニット、前記第５の画素ユニット、前記第６の画素ユニット、前記第８の画素ユニット、および前記第９の画素ユニットは、撮像画素ユニットであり、
前記第３の画素ユニット、前記第７の画素ユニット、および前記第１０の画素ユニットは、ＰＤＡＦ画素ユニットであり、
前記第７の幅は前記第２の幅より広く、
前記第２の幅は前記第５の幅より広い請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のセットのユニット、前記第２のセットのユニット、および前記第３のセットのユニットは、アレイに配列され、
前記第２のセットのユニット、前記第１のセットのユニット、および前記第３のセットのユニットは、前記アレイの中心から前記アレイのエッジに向かう方向に順次に配置され、
前記第１の画素ユニット、前記第２の画素ユニット、および前記第３の画素ユニットは、前記方向に順次に配置される請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２のセットのユニットは、第１１の画素ユニットを更に含み、
前記第７の画素ユニットは、前記第６の画素ユニットと前記第１１の画素ユニットの間に位置し、
前記第３のセットのユニットは、第１２の画素ユニットを更に含み、
前記第１０の画素ユニットは、前記第９の画素ユニットと前記第１２の画素ユニットの間に位置し、
前記金属グリッド構造は、
前記第７の画素ユニットと前記第１１の画素ユニットの間に配置され、第８の幅を有する第８の部分と、
前記第１０の画素ユニットと前記第１２の画素ユニットの間に配置され、前記第８の幅より狭い第９の幅を有する第９の部分と、を更に含む請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記基板内に配置された分離構造と、
前記基板の上に配置された高誘電率膜と、
前記高誘電率膜と前記金属グリッド構造の間に配置されたバッファ層と、
前記金属グリッド構造の上、および前記金属グリッド構造内に配置されたパッシベーション層と、を更に含み、
前記第１のセットのユニットは前記分離構造によって画定され、
前記パッシベーション層の厚さは、０．０５μｍから０．３μｍの範囲である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記金属グリッド構造の上に配置された誘電体グリッド構造と、
前記誘電体グリッド構造および前記金属グリッド構造に配置されたカラーフィルタと、
前記誘電体グリッド構造および前記カラーフィルタの上に配置された平坦化層と、
前記平坦化層の上に配置されたｌｏｗ−ｎ酸化物層と、を更に含む請求項１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、固体撮像装置に関するものであり、特に、マイクロレンズのない固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、光子を電気信号に変換する一種の半導体装置である。イメージセンサは、一般に、電荷結合素子（ＣＣＤ）と相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサに分類することができる。これらのイメージセンサのうち、ＣＭＯＳイメージセンサは、入射光を検出してそれを電気信号に変換するフォトダイオードと、電気信号を伝送および処理する論理回路とを含む。
【０００３】
近年、位相差オートフォーカス（ＰＤＡＦ）技術がデジタル一眼レフカメラ（ＤＳＬＲ）、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）およびスマートフォンカメラに導入されている。その原理は、一対のその上にマイクロレンズ全体が実装された半透明の緑色画素を有することである。この２つの緑色画素の差動信号は、位相差オートフォーカスの機能に役立つ。しかしながら、画素上にマイクロレンズを形成することは、画素のカラーフィルタの厚さを制限するため、画素の光電変換素子に入射する入射光の色純度を向上させることは困難である。
【０００４】
従って、マイクロレンズを必要としない新規なイメージセンサ構造の開発が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロレンズのない固体撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
固体撮像装置では、入射光は、傾斜角度で画素アレイの非中央領域に入射し、この傾斜角度は、画素アレイの中央領域に入射する入射光の法線角度より大きい。入射角は、固体撮像装置の受光面の法線と入射光との間の夾角である。従って、非中央領域における画素ユニット間のクロストークは、中央領域におけるクロストークよりも高く、これは非中央領域におけるＰＤＡＦ画素ユニットの感度を低下させる。
【０００７】
本開示の実施形態によれば、固体撮像装置の金属グリッド構造は、ＰＤＡＦ画素ユニットの画素アレイ中心Ｃに近い側に配置された金属グリッドを含む。本開示の実施形態は、画素アレイ中心Ｃに近いＰＤＡＦ画素ユニット１０６側に配置された金属グリッドを含む金属グリッド構造１１０を利用する。金属グリッドは、２つの撮像画素ユニットの間に配置された金属グリッドの幅より広い幅を有し、画素ユニット間のクロストークを低減し、ＰＤＡＦ画素ユニットの感度を増加させる。
【０００８】
本開示のいくつかの実施形態は、固体撮像装置を提供する。固体撮像装置は、基板に配置された第１のセットのユニットを含む。第１のセットのユニットは、第１の画素ユニット、第２の画素ユニット、および第３の画素ユニットを含む。第１の画素ユニット、第２の画素ユニット、および第３の画素ユニットは、順次に配置され、各々の光電変換素子を含む。固体撮像装置は、第１のセットのユニットの上に配置された金属グリッド構造も含む。金属グリッド構造は、第１の部分と第２の部分を含む。第１の部分は、第１の画素ユニットと第２の画素ユニットの間に配置され、第１の幅を有する。第２の部分は、第２の画素ユニットと第３の画素ユニットの間に配置され、第１の幅より広い第２の幅を有する。
【０００９】
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示の実施形態は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び例を読むことで、より完全に理解することができる。説明を明確にするために、図面中の様々な要素は一定の縮尺で描かれていない場合がある。
【図１Ａ】図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像装置の上面図を示している。
【図１Ｂ−１】図１Ｂ−１は、本開示のいくつかの実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図１Ｂ−２】図１Ｂ−２は、本開示のいくつかの実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図１Ｂ−３】図１Ｂ−３は、本開示のいくつかの実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図１Ｃ−１】図１Ｃ−１は、本開示のいくつかの他の実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図１Ｃ−２】図１Ｃ−２は、本開示のいくつかの他の実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図１Ｃ−３】図１Ｃ−３は、本開示のいくつかの他の実施形態による、図１Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像装置の上面図を示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、図２Ａに示された固体撮像装置の一部の断面図を示している。
【図３】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、画素アレイの中央領域のＰＤＡＦ画素ユニットの感度とＰＤＡＦ画素ユニットにある入射光の入射角度との関係のシミュレーション結果を示す角度応答曲線（ａｎｇｕｌａｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅｓ；  ＡＲＣ）のグラフである。
【図４】図４は、本開示のいくつかの実施形態による、画素アレイ中央領域のＰＤＡＦ画素ユニットの感度とＰＤＡＦ画素ユニットにある入射光の入射角度との関係のシミュレーション結果を示す角度応答曲線（ａｎｇｕｌａｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅｓ；  ＡＲＣ）のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次の開示では、異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施の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、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。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、下記の開示の第２の要素の上方、または第２の要素上への第１の要素の形成は、第１と第２の要素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の要素が直接接触しないように、付加的な要素が第１と第２の要素間に形成された複数の実施形態を含むこともできる。また、以下の説明は、複数の例において同じ構成要素の参照数字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、以下に論じる複数の実施形態および／または配置の関係を限定するものではない。
【００１２】
いくつかの実施形態のいくつかの変形形態を以下に論じる。さまざまな図及び例示的な実施形態を通じて、同様の参照番号は同様の要素を指定するのに用いられる。追加のステップが本方法の後、本方法の前、または本方法の間に提供されることができ、且つ記載されたいくつかのステップが本方法の他の実施形態で置き換えられる、または削除されてもよいことは理解されるべきである。
【００１３】
図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像装置１００の上面図を示している。固体撮像装置１００は、基板１０２、基板１０２に配置された画素アレイ１０９、および画素アレイ１０９の上に配置された金属グリッド構造１１０を含む。
【００１４】
基板１０２は、アレイ領域１０４、およびアレイ領域１０４の周囲の遮光領域１０５を含む。画素アレイ１０９は、アレイ領域１０４内に位置している。画素アレイ１０９は、第１の方向Ｄ１と第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に配置された位相差オートフォーカス（ＰＤＡＦ）画素ユニット１０６および撮像画素ユニット１０８（破線格子（ｄａｓｈ ｓｑｕａｒｅｓ）で示されている）を含む。
【００１５】
第１の方向Ｄ１は、画素アレイ１０９の長方形の長さ方向と平行しており、第２の方向Ｄ２は、画素アレイ１０９の長方形の幅方向と平行している。第１の方向Ｄ１は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって延伸する方向であり、第２の方向Ｄ２は、画素アレイ１０９の中心Ｃからエッジ部Ｅ２に向かって延伸する方向である。
【００１６】
画素アレイ１０９は、第１の方向Ｄ１に平行な第１の中央線Ｃ１、および第２の方向Ｄ２に平行な第２の中央線Ｃ２を有する。第１の中央線Ｃ１は、画素アレイ１０９の中心Ｃで第２の中央線Ｃ２と交差する。画素アレイ１０９は、中央領域１０９Ｃおよび中央領域１０９Ｃの周囲の非中央領域１０９Ｏを含み、画素アレイ１０９の中心Ｃは中央領域１０９Ｃ内に位置している。いくつかの実施形態では、中央領域１０９Ｃは長方形または円形の形状を有することができる。いくつかの実施形態では、中央領域１０９Ｃは、中心Ｃから画素アレイ１０９のエッジに向かって画素アレイ１０９の長さ（または幅）の１５％延伸する領域を含むことができる。
【００１７】
ＰＤＡＦ画素ユニット１０６および撮像画素ユニット１０８は、基板１０２に形成された光電変換素子（図１Ａに図示されていない）をそれぞれ含む。ＰＤＡＦは、一対のＰＤＡＦ画素ユニット１０６に入射する放射線の位相差から物体までの距離を決定することによって物体に迅速に合焦させるために用いられる。
【００１８】
金属グリッド構造１１０は、基板１０２の上に形成されている。金属グリッド構造１１０は、第１の方向Ｄ１に沿って延伸する水平部分と第２の方向Ｄ２に沿って延伸する垂直部分とを含む。金属グリッド構造１１０のこれらの部分は、画素ユニット間の境界に対応して配置される。具体的には、２つの隣接する撮像画素ユニット１０８間の境界に配置された金属グリッド構造１１０の一部は、第１の部分１１２として定義される。ＰＤＡＦ画素ユニット１０６とＰＤＡＦ画素ユニット１０６に隣接する２つの撮像画素ユニット１０８との間の境界に配置された金属グリッド構造１１０の一部は、第２の部分１１４および第３の部分１１５として定義される。第２の部分１１４は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の画素アレイの中心Ｃに近い側に配置され、第３の部分１１５は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の画素アレイのエッジＥ１（またはＥ２）に近い側に配置される。
【００１９】
例えば、一セットのユニットが画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃに配置される。一セットのユニットは、第１の方向Ｄ１に順次に配置された撮像画素ユニット１０８１、撮像画素ユニット１０８２、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６１、および撮像画素ユニット１０８３を含む。第１の部分１１２Ｃは、撮像画素ユニット１０８１と撮像画素ユニット１０８２との間に配置される。第２の部分１１４Ｃは、撮像画素ユニット１０８２とＰＤＡＦ画素ユニット１０６１との間に配置される。第３の部分１１５Ｃは、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６１と撮像画素ユニット１０８３との間に配置される。
【００２０】
例えば、一セットのユニットが画素アレイ１０９の中間領域に配置される。一セットのユニットは、第１の方向Ｄ１に順次に配置された、撮像画素ユニット１０８４、撮像画素ユニット１０８５、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６２、および撮像画素ユニット１０８６を含む。第１の部分１１２Ｍは、撮像画素ユニット１０８４と撮像画素ユニット１０８５との間に配置される。第２の部分１１４Ｍは、撮像画素ユニット１０８５とＰＤＡＦ画素ユニット１０６２との間に配置される。第３の部分１１５Ｍは、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６２と撮像画素ユニット１０８６との間に配置される。
【００２１】
例えば、一セットのユニットが画素アレイ１０９のエッジ領域に配置される。一セットのユニットは、第１の方向Ｄ１に順次に配置された、撮像画素ユニット１０８７、撮像画素ユニット１０８８、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６３、および撮像画素ユニット１０８９を含む。第１の部分１１２Ｅは、撮像画素ユニット１０８７と撮像画素ユニット１０８８との間に配置される。第２の部分１１４Ｅは、撮像画素ユニット１０８８とＰＤＡＦ画素ユニット１０６３との間に配置される。第３の部分１１５Ｅは、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６３と撮像画素ユニット１０８９との間に配置される。
【００２２】
例えば、一セットのユニットが画素アレイ１０９の角領域に配置される。一セットのユニットは、第２の方向Ｄ２に順次に配置された、撮像画素ユニット１０８１０、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６４、および撮像画素ユニット１０８１１を含む。第２の部分１１４Ｆは、撮像画素ユニット１０８１０とＰＤＡＦ画素ユニット１０６４との間に配置される。第３の部分１１５Ｆは、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６４と撮像画素ユニット１０８１１との間に配置される。
【００２３】
簡潔で明確にするために、図１Ａは上述の特徴のみを示しており、残りの特徴は、図１Ｂ−１、図１Ｂ−２、および図１Ｂ−３の断面図に示される。
【００２４】
図１Ｂ−１、図１Ｂ−２、および図１Ｂ−３に示すように、図１Ｂ−１、図１Ｂ−２、および図１Ｂ−３は、中央領域、中間領域、エッジ領域の固体撮像装置１００の一部をそれぞれ示す断面図である。一実施形態では、基板１０２はシリコン基板であることができる。いくつかの実施形態では、基板１０２は、シリコンゲルマニウム基板、ガリウム砒素基板などであることができる。いくつかの実施形態では、基板１０２は、ゲルマニウム基板、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板などの半導体オンインシュレータ基板であってもよい。
【００２５】
固体撮像装置１００は、基板１０２内に配置された分離構造１２０も含む。分離構造１２０は、基板１０２のＰＤＡＦ画素ユニット１０６と撮像画素ユニット１０８を画定する。言い換えれば、分離構造１２０は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６と撮像画素ユニット１０８との間の境界と、隣接する２つの撮像画素ユニット１０８間の境界とに形成される。いくつかの実施形態では、分離構造１２０は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、およびそれらの組み合わせなどであるか、またはそれらを含むことができ、パターニングプロセスおよび堆積プロセスによって形成されることができる。
【００２６】
フォトダイオードなどの光電変換素子１２２および１２３は、光電変換素子１２２が撮像画素ユニット１０８に配置され、且つ光電変換素子１２３がＰＤＡＦ画素ユニット１０６に配置されている基板１０２内に配置される。光電変換素子１２２は、分離構造１２０によって互いに分離され、且つ光電変換素子１２３から分離される。いくつかの実施形態では、単一の光電変換素子１２２が単一の撮像画素ユニット１０８に形成され、４つの光電変換素子１２３が単一のＰＤＡＦ画素ユニット１０６に形成される。光電変換素子１２２および１２３は、入射光を検知し、光電変換素子に入射する入射光の強度に応じて強度信号を生成するように構成される。
【００２７】
いくつかの実施形態では、光電変換素子１２２および１２３は、基板１０２の裏面に隣接して配置される。基板１０２の表面は、通常、固体撮像装置１００に必要な各種の配線および電子回路の配線層（図示せず）がその上に形成されている。図１Ａから図１Ｂ−３に示されたいくつかの実施形態では、固体撮像装置１００は、裏面照射型（ＢＳＩ）撮像装置である。ＢＳＩ撮像装置では、光電変換素子１２２および１２３がその上に形成された基板１０２の裏面は、固体撮像装置１００の入射受光面に近接している。配線層がその上に形成された基板１０２の表面は、固体撮像装置１００の入射受光面から離れている。
【００２８】
いくつかの他の実施形態では、固体撮像装置１００は前面照射（ＦＳＩ）撮像装置である。ＦＳＩ撮像装置では、配線層がその上に形成された基板１０２の表面は、固体撮像装置の入射受光面に近接している。光電変換素子がその上に形成された基板１０２の裏面は、固体撮像装置の入射受光面から離れている。
【００２９】
固体撮像装置１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）膜１２４およびバッファ層１２６も含む。ｈｉｇｈ−ｋ膜１２４は、基板１０２の上に配置され、光電変換素子１２２および１２３を覆う。バッファ層１２６は、ｈｉｇｈ−ｋ膜１２４の上に配置される。いくつかの実施形態では、ｈｉｇｈ−ｋ膜１２４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ニウム（ＨｆＴｉＯ）、酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆＺｒＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、またはそれらの組み合わせなどであるか、またはそれらを含むことができ、堆積プロセスによって形成されることができる。バッファ層１２６は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、および酸窒化ケイ素であるか、またはそれらを含むことができ、堆積プロセスによって形成されることができる。
【００３０】
第１の部分１１２、第２の部分１１４、および第３の部分１１５を含む金属グリッド構造１１０は、バッファ層１２６の上に配置される。金属グリッド構造１１０は、隣接する画素ユニット間の光学的分離として構成され、感度（例えば、量子効率（ＱＥ））を増加させて、画素ユニット間のクロストークを低減する。いくつかの実施形態では、金属グリッド構造１１０は、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム銅（ＡｌＣｕ）であるか、またはそれらを含むことができ、堆積プロセスまたは電気メッキ、およびそれに続くパターニングプロセスによって形成されることができる。
【００３１】
固体撮像装置１００は、バッファ層１２６の上面の上に配置され、金属グリッド構造１１０を覆うパッシベーション層１２８も含む。パッシベーション層１２８は、金属グリッド構造１１０の開口内に充填される。パッシベーション層１２８は平坦な上面を有する。いくつかの実施形態では、パッシベーション層１２８は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、およびそれらの組み合わせなどであるか、またはそれらを含むことができ、堆積プロセスによって形成されることができる。いくつかの他の実施形態では、パッシベーション層１２８は形成されない。パッシベーション層１２８の厚さは、０．０５μｍから約０．３μｍのように、０μｍ（形成されていない）から約０．３μｍの範囲であることができる。
【００３２】
固体撮像装置１００は、パッシベーション層１２８の上面の上に配置された誘電体グリッド構造１３０およびカラーフィルタ１３２と１３３も含む。誘電体グリッド構造１３０は、カラーフィルタ１３２および１３３によって充填された開口を画定する。カラーフィルタ１３２は、撮像画素ユニット１０８の上に対応して配置され、カラーフィルタ１３３は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の上に対応して配置される。いくつかの実施形態では、誘電体グリッド構造１３０は、金属グリッド構造１１０の上に、金属グリッド構造１１０に合わせて配置される。上面図から見たとき、誘電体グリッド構造１３０は、金属グリッド構造１１０の形状と同一または類似の形状を有する。
【００３３】
２つの隣接する撮像画素ユニット１０８間の境界に配置された誘電体グリッド構造１３０の一部は、第１の部分１４２として定義される。ＰＤＡＦ画素ユニット１０６とＰＤＡＦ画素ユニット１０６に隣接する２つの撮像画素ユニット１０８との間の境界に配置された誘電体グリッド構造１３０の部分は、第２の部分１４４および第３の部分１４５として定義される。第２の部分１４４は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６のピクセルアレイ中心Ｃに近い側に配置され、第３の部分１４５は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の画素アレイエッジＥ１（またはＥ２）に近いもう一つ側に配置される。
【００３４】
いくつかの実施形態では、誘電体グリッド構造１３０は、カラーフィルタ１３２の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明材料であることができる。誘電体グリッド構造１３０の低屈折率により、カラーフィルタ１３２および１３３内の入射光は全反射するため、誘電体グリッド構造１３０は、導光体となって入射光をカラーフィルタ１３２および１３３を介して光電変換素子１２２および１２３に導く。いくつかの実施形態では、誘電体グリッド構造１３０は、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）または酸化ハフニウム（例えば、ＨｆＯ２）などの誘電体であるか、またはそれらを含むことができ、堆積プロセスおよびパターニングプロセスによって形成されることができる。カラーフィルタ１３２および１３３は、入射光の対応する色または波長を割り当てられ、割り当てられた色または波長以外の全ての入射光をフィルタリングするように構成される。
【００３５】
固体撮像装置１００は、平坦化層１３４および低屈折率（ｌｏｗ−ｎ）酸化物層１３６も含む。平坦化層１３４は、誘電体グリッド構造１３０およびカラーフィルタ１３２および１３３の上に配置される。いくつかの実施形態では、平坦化層１３４の屈折率は１．６より小さい。ｌｏｗ−ｎ酸化物層１３６は平坦化層１３４の上に配置される。いくつかの実施形態では、ｌｏｗ−ｎ酸化物層１３６は、約１．２から約１．５の範囲の屈折率を有する反射防止層である。いくつかの実施形態では、ｌｏｗ−ｎ酸化物層１３６は、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）であるか、またはそれを含むことができ、堆積プロセスまたはコーティングプロセスによって形成されることができる。
【００３６】
本開示の実施形態では、固体撮像装置１００の上にマイクロレンズは形成されていない。言い換えれば、固体撮像装置１００は、ｌｏｗ−ｎ酸化物層１３６の上に形成されるマイクロレンズを含まない。ＰＤＡＦ画素ユニット１０６および撮像画素ユニット１０８の上に対応して配置されたマイクロレンズは、入射光を焦点に集束させるため、カラーフィルタの厚さが制限される。マイクロレンズのない実施形態では、固体撮像装置１００の上にマイクロレンズを形成する場合に比べて、カラーフィルタ１３２の厚さを厚くすることができる。例えば、図１Ｂ−１から図１Ｂ−３のカラーフィルタ１３２および１３３の厚さは、約０．８５μｍから約１．３μｍの範囲であることができる。本開示の実施形態では、より厚いカラーフィルタ１３２および１３３は入射光の色純度を向上させ、固体撮像装置の性能を向上させることができる。
【００３７】
しかしながら、入射光は、傾斜角度で画素アレイの非中央領域に入射し、この傾斜角度は、画素アレイの中央領域に入射する入射光の法線角度より大きい。入射角は、固体撮像装置の受光面の法線と入射光との間の夾角である。従って、非中央領域における画素ユニット間のクロストークは、中央領域におけるクロストークよりも高く、これは非中央領域におけるＰＤＡＦ画素ユニットの感度を低下させる。本開示の実施形態は、金属グリッド構造１１０を利用し、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の画素アレイ中心Ｃに近い側に配置された金属グリッドを含む。本開示の実施形態は、画素アレイ中心Ｃに近いＰＤＡＦ画素ユニット１０６側に配置された金属グリッドを含む金属グリッド構造１１０を利用する。当該金属グリッドは、２つの撮像画素ユニット１０８の間に配置された金属グリッドの幅より広い幅を有し、画素ルユニット間のクロストークを低減し、ＰＤＡＦ画素ユニットの感度を増加させる。これについては後で詳しく説明する。
【００３８】
図１Ａに再度示すように、図１Ａは、金属グリッド構造１１０の幅のバリエーションを示すために、第１の方向Ｄ１に配置された３セットの画素ユニットが、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃ、中間領域、およびエッジ領域内にそれぞれ位置していることを示しており、画素ユニットのそれぞれは、１つのＰＤＡＦ画素ユニット１０６および多数の撮像画素ユニット１０８を含む。中間領域およびエッジ領域は、画素アレイ１０９の非中央領域１０９Ｏに位置しており、中間領域は、中央領域１０９Ｃとエッジ領域との間にある。
【００３９】
図１Ａから図１Ｂ−３に示すように、第１の方向Ｄ１で測定したとき、第１の部分１１２は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって一定の第１の幅Ｗ１をそれぞれ有する。いくつかの実施形態では、第１の幅Ｗ１は、約０．０６μｍから約０．２μｍの範囲であることができる。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第１の部分１１２Ｅの第１の幅Ｗ１Ｅは、画素アレイ１０９の中間領域の第１の部分１１２Ｍの第１の幅Ｗ１Ｍと画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第１の部分１１２Ｃの第１の幅Ｗ１Ｃに等しい。
【００４０】
第１の方向Ｄ１で測定したとき、第２の部分１１４は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって増加する第２の幅Ｗ２をそれぞれ有する。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第２の部分１１４Ｅの第２の幅Ｗ２Ｅは、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第２の部分１１４Ｃの第２の幅Ｗ２Ｃより広い、画素アレイ１０９の中間領域の第２の部分１１４Ｍの第２の幅Ｗ２Ｍよりも広い。
【００４１】
第１の方向Ｄ１で測定したとき、第３の部分１１５は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって減少する第３の幅Ｗ３をそれぞれ有する。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第３の部分１１５Ｅの第３の幅Ｗ３Ｅは、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第３の部分１１５Ｃの第３の幅Ｗ３Ｃより狭い、画素アレイ１０９の中間領域の第３の部分１１５Ｍの第３の幅Ｗ３Ｍよりも狭い。いくつかの実施形態では、第２の幅Ｗ２および第３の幅Ｗ３は、約０．１１μｍから約０．６５μｍの範囲であることができる。
【００４２】
また、中央領域１０９Ｃでは、第１の部分１１２Ｃの第１の幅Ｗ１Ｃは、第２の部分１１４Ｃの第２の幅Ｗ２Ｃおよび第３の部分１１５Ｃの第３の幅Ｗ３Ｃと等しい。従って、非中央領域１０９Ｏの第２の部分１１４の第２の幅Ｗ２は、非中央領域１０９Ｏの第３の部分１１５の第３の幅Ｗ３より広い第１の部分１１２の第１の幅Ｗ１よりも広い。
【００４３】
また、いくつかの実施形態では、第２の幅Ｗ２Ｍと第３の幅Ｗ３Ｍの和は、第１の幅Ｗ１Ｍの２倍に等しい。第２の幅Ｗ２Ｅと第３の幅Ｗ３Ｅの和は、第１の幅Ｗ１Ｅの２倍に等しい。
【００４４】
図１Ｂ−１に示すように、中央領域１０９Ｃでは、第２の部分１１４Ｃの半分は撮像画素ユニット１０８内にあり、第２の部分１１４Ｃのもう半分はＰＤＡＦ画素ユニット１０６内にある。図１Ｂ−２および図１Ｂ−３に示すように、非中央領域１０９Ｏでは、第２の部分１１４の半分よりも大きい部分がＰＤＡＦ画素ユニット１０６内にあり、第２の部分１１４の半分よりも小さい部分が撮像画素ユニット１０８内にある。
【００４５】
留意すべきことは、第２の部分１１４は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６で、増加する幅Ｗ２を有するため、第２の部分１１４は、入射光が、隣接する画素ユニット間を通過するのを有利にブロックし、これは、画素ユニット間のクロストークを低減し、ＰＤＡＦ画素ユニットの感度を増加させることである。
【００４６】
更に図１Ａに示すように、第２の方向Ｄ２で測定されたとき、第１の部分１１２は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって一定の第４の幅Ｗ４をそれぞれ有する。第２の方向Ｄ２で測定したとき、第２の部分１１４は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって増加する第５の幅Ｗ５をそれぞれ有する。第２の方向Ｄ２で測定したとき、第３の部分１１５は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって減少する第６の幅Ｗ６をそれぞれ有する。また、第１の部分１１２の第４の幅Ｗ４Ｃは、第２の部分１１４の第５の幅Ｗ５Ｃおよび第３の部分１１５の第６の幅Ｗ６Ｃと等しい。
【００４７】
図１Ａから図１Ｂ−２に示される実施形態によれば、画素アレイの非中央領域では、アレイ中心に近いＰＤＡＦ画素ユニットの第１の側に配置された金属グリッド構造の第２の部分は、２つの撮像画素ユニット間に配置された金属グリッド構造の第１の部分の幅より広い幅を有し、入射光の色純度とピクセルアレイユニット間のクロストークとの間の良好なバランスを提供する。
【００４８】
図１Ｃ−１から図１Ｃ−３は、本開示のいくつかの他の実施形態による、中央領域、中間領域およびエッジ領域の固体撮像装置１００の一部をそれぞれ示す断面図である。図１Ｃ−１から図１Ｃ−３における同一または類似の要素、または層は、同一の意味を有するため、図１Ｂ−１から図１Ｂ−３における同一または類似の要素または層と同様の参照番号によって示され、それらの説明は簡潔化のために繰り返されない。図１Ｃ−１から図１Ｃ−３と図１Ｂ−１から図１Ｃ−３に示される実施形態との違いは、図１Ｂ−１から図１Ｃ−３に示された実施形態では、図１Ｃ−１から図１Ｃ−３に示されたようなパッシベーション層１２８が形成されていないことである。
【００４９】
更に、金属グリッド構造１１０は、誘電体グリッド構造１３０と接触している。金属グリッド構造１１０および誘電体グリッド構造１３０は、カラーフィルタ１３２および１３３によって充填された開口を共に画定する。従って、カラーフィルタ１３２および１３３の厚さは、更に増加されることができる。例えば、図１Ｃ−１から図１Ｃ−３のカラーフィルタ１３２および１３３の厚さは、約０．８５μｍから約１．３μｍの範囲であることができる。従って、入射光の色純度が向上され、固体撮像装置の性能を向上させる。
【００５０】
図２Ａおよび図２Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による固体撮像装置２００の上面図および断面図を示している。図２Ａおよび図２Ｂと同一または類似の要素、または層は、図１Ａから図１Ｂ−３と同一の意味を有するため、同様の参照番号によって示され、それらの説明は簡潔化のために繰り返されない。
【００５１】
図２Ａは、金属グリッド構造１１０の幅のバリエーションを示すために、第１の方向Ｄ１に配置された３セットの画素ユニットが、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃ、中間領域、およびエッジ領域内にそれぞれ位置していることを示しており、画素ユニットのそれぞれは、１つのＰＤＡＦ画素ユニット１０６および多数の撮像画素ユニット１０８を含む。中間領域およびエッジ領域は、画素アレイ１０９の非中央領域１０９Ｏに位置しており、中間領域は、中央領域１０９Ｃとエッジ領域との間にある。図２Ｂは、固体撮像装置１００のエッジ領域の一部を示す断面図である。
【００５２】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第１の方向Ｄ１で測定したとき、第１の部分１１２は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって一定の第１の幅Ｗ１をそれぞれ有する。いくつかの実施形態では、第１の幅Ｗ１は、約０．０６μｍから約０．２μｍの範囲であることができる。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第１の部分１１２Ｅの第１の幅Ｗ１Ｅは、画素アレイ１０９の中間領域の第１の部分１１２Ｍの第１の幅Ｗ１Ｍと画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第１の部分１１２Ｃの第１の幅Ｗ１Ｃに等しい。
【００５３】
第１の方向Ｄ１で測定したとき、第２の部分１１４は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって一定の第２の幅Ｗ２をそれぞれ有する。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第２の部分１１４Ｅの第２の幅Ｗ２Ｅは、画素アレイ１０９の中間領域の第２の部分１１４Ｍの第２の幅Ｗ２Ｍと、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第２の部分１１４Ｃの第２の幅Ｗ２Ｃと等しい。
【００５４】
第１の方向Ｄ１で測定したとき、第３の部分１１５は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ１に向かって一定の第３の幅Ｗ３をそれぞれ有する。例えば、画素アレイ１０９のエッジ領域の第３の部分１１５Ｅの第３の幅Ｗ３Ｅは、画素アレイ１０９の中間領域の第３の部分１１５Ｍの第３の幅Ｗ３Ｍと、画素アレイ１０９の中央領域１０９Ｃの第３の部分１１５Ｃの第３の幅Ｗ３Ｃと等しい。いくつかの実施形態では、第２の幅Ｗ２および第３の幅Ｗ３は、約０．１１μｍから約０．６５μｍの範囲であることができる。
【００５５】
更に、中央領域１０９Ｃまたは非中央領域１０９Ｏの両方において、第２の部分１１４の第２の幅Ｗ２は、第３の部分１１５の第３の幅Ｗ３と等しく、第１の部分１１２の第１の幅Ｗ１より広い。
【００５６】
図２Ｂに示すように、第２の部分１１４Eの半分より大きい部分がＰＤＡＦ画素ユニット１０６3内にあり、第２の部分１１４Eの半分よりも小さい部分が撮像画素ユニット１０８8内にある。
【００５７】
留意すべきことは、第２の部分１１４は、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６で、増加する幅Ｗ２を有するため、第２の部分１１４は、入射光が、隣接する画素ユニット間を通過するのを有利にブロックし、これは、画素ユニット間のクロストークを低減し、ＰＤＡＦ画素ユニットの感度を増加させることである。
【００５８】
同様に、第２の方向Ｄ２で測定されたとき、第１の部分１１２は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって一定の第４の幅Ｗ４をそれぞれ有する。第２の方向Ｄ２で測定したとき、第２の部分１１４は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって一定の第５の幅Ｗ５をそれぞれ有する。第２の方向Ｄ２で測定したとき、第３の部分１１５は、画素アレイ１０９の中心ＣからエッジＥ２に向かって一定の第６の幅Ｗ６をそれぞれ有する。図２Ａに示された実施形態では、第５の幅Ｗ５は、第６の幅Ｗ６と等しく、第４の幅Ｗ４より広い。
【００５９】
図２Ａおよび図２Ｂに示される実施形態によれば、画素アレイの非中央領域では、ＰＤＡＦ画素ユニットのアレイ中心に近い側に配置された金属グリッド構造の第２の部分は、２つの撮像画素ユニット間に配置された金属グリッド構造の第１の部分の幅より広い幅を有し、入射光の色純度と画素アレイユニット間のクロストークとの間の良好なバランスを提供する。
【００６０】
更に、いくつかの実施形態では、図２Ｂに示されるように、誘電体グリッド構造１３０の幅は金属グリッド構造１１０の幅と異なることができる。例えば、誘電体グリッド構造１３０の第２の部分１４４は、金属グリッド構造１１０の第２の部分１１４より狭くてもよい。誘電体グリッド構造１３０の第３の部分１４５は、金属グリッド構造１１０の第３の部分１１５より狭くてもよい。
【００６１】
更に、本開示の実施形態は、マイクロレンズが形成されていないＰＤＡＦ画素ユニットの感度特性を調整する方法も提供する。
【００６２】
図３および図４は、角度応答曲線（ＡＲＣ）のグラフ３００および４００であり、本開示のいくつかの実施形態による、画素アレイ１０９の中央領域１０９ＣのＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度と、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６に入射する入射光の入射角度との関係のシミュレーション結果を示している。「Ａ」で終わる曲線（例えば３０１Ａ）は、右側に近い光電変換素子１２３によって収集したＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を示しており、「Ｂ」で終わる曲線（例えば３０１Ｂ）は、左側に近い光電変換素子１２３によって収集したＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を示している。
【００６３】
図３に示すように、曲線３０１Ａ〜３０３Ｂは、図２Ｂに示されるようなＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を示しており、曲線３０３Ａ−Ｂ、３０２Ａ−Ｂ、および３０１Ａ−Ｂは、第２の部分１１４の第２の幅Ｗ２が広い、中間、および狭いことをそれぞれ表している。
【００６４】
グラフ３００は、より高い第２の幅Ｗ２を有する第２の部分１１４がより高い感度勾配となることを示している。従って、マイクロレンズがない場合、金属グリッド構造の第２の部分の幅を調整することによって、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を調整することができる。
【００６５】
図４に示すように、曲線４０１Ａおよび４０２Ａは、図１Ｂ−１に示すようなＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を示し、曲線４０１Ａは、パッシベーション層１２８の厚さＴが０μｍである（即ち、形成されていない）ことを表しており、曲線４０２Ａは、パッシベーション層１２８の厚さＴが０．４μｍであることを表している。グラフ４００は、より高い厚さＴを有するパッシベーション層１２８がより高い感度勾配となることを示している。従って、マイクロレンズがない場合、パッシベーション層の厚さを調節することによって、ＰＤＡＦ画素ユニット１０６の感度特性を調節することができる。
【００６６】
本開示の実施形態によれば、固体撮像装置は、固体撮像装置の上に形成されたマイクロレンズを含まない。従って、カラーフィルタの厚さを増加することができ、入射光の色純度が向上されて、固体撮像装置の性能を向上させることができる。
【００６７】
更に、画素アレイの非中央領域では、ＰＤＡＦ画素ユニットのアレイ中心に近い側に配置された金属グリッド構造の第２の部分は、２つの撮像画素ユニット間に配置された金属グリッド構造の第１の部分の幅より広い幅を有する。従って、入射光の色純度と画素アレイユニット間のクロストークとの間の良好なバランスが提供される。
【００６８】
本発明は、例として及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
【符号の説明】
【００６９】
１００、２００  固体撮像装置
１０２  基板
１０４  アレイ領域
１０５  遮光領域
１０６、１０６１、１０６２、１０６３、１０６４  位相差オートフォーカス（ＰＤＡＦ）画素ユニット
１０８、１０８１、１０８２、１０８３、１０８４、１０８５、１０８６、１０８７、１０８８、１０８９、１０８１０、１０８１１  撮像画素ユニット
１０９  画素アレイ
１０９Ｃ  中央領域
１０９Ｏ  非中央領域
１１０  金属グリッド構造
１１２Ｃ、１１２Ｅ、１１２Ｍ、１１２Ｆ、１４２Ｃ、１４２Ｅ、１４２Ｍ  第１の部分
１１４Ｃ、１１４Ｅ、１１４Ｍ、１１４Ｆ、１４４Ｃ、１４４Ｅ、１４４Ｍ  第２の部分
１１５Ｃ、１１５Ｅ、１１５Ｍ、１１５Ｆ、１４５Ｃ、１４５Ｅ、１４５Ｍ  第３の部分
１２０  分離構造
１２２、１２３  光電変換素子
１２４  高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）膜
１２６  バッファ層
１２８  パッシベーション層
１３０  誘電体グリッド構造
１３２、１３３  カラーフィルタ
１３４  平坦化層
１３６  低屈折率（ｌｏｗ−ｎ）酸化物層
３００、４００  グラフ
３０１Ａ、３０１Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ、３０３Ａ、３０３Ｂ、４０１Ａ、４０２Ａ  曲線
Ｃ  中心
Ｃ１  第１の中央線
Ｃ２  第２の中央線
Ｄ１  第１の方向
Ｄ２  第２の方向
Ｅ１、Ｅ２  エッジ
Ｔ  厚さ
Ｗ１Ｃ、Ｗ１Ｅ、Ｗ１Ｍ  第１の幅
Ｗ２Ｃ、Ｗ２Ｅ、Ｗ２Ｍ  第２の幅
Ｗ３Ｃ、Ｗ３Ｅ、Ｗ３Ｍ  第３の幅
Ｗ４Ｃ、Ｗ４Ｅ  第４の幅
Ｗ５Ｃ、Ｗ５Ｅ  第５の幅
Ｗ６Ｃ、Ｗ６Ｅ  第６の幅
【図１Ａ】
2020178112.tif 000003
【図１Ｂ−１】
2020178112.tif 000004
【図１Ｂ−２】
2020178112.tif 000005
【図１Ｂ−３】
2020178112.tif 000006
【図１Ｃ−１】
2020178112.tif 000007
【図１Ｃ−２】
2020178112.tif 000008
【図１Ｃ−３】
2020178112.tif 000009
【図２Ａ】
2020178112.tif 000010
【図２Ｂ】
2020178112.tif 000011
【図３】
2020178112.tif 000012
【図４】
2020178112.tif 000013