(57)【要約】      （修正有）【課題】小さな画素が大きな画素と同じ受光角を有する撮像アレイを提供する。【解決手段】画素センサーアレイは、基板１２に配置された複数の表面画素センサー１０ａ及び１０ｂと、画素センサーの表面の上に形成された層間誘電層１４と、それぞれが、表面画素センサーの１つと整列し、内側の側壁を有する、層間誘電層１４に形成された複数の開口とを含む。内張り層４８ａ及び４８ｂは、各開口の内側の側壁上に形成され、可視光を実質的に完全に反射する。内張り層４８ａ及び４８ｂは、基板１２の表面から離間し、各表面画素センサー１０ａ及び１０ｂの断面積よりも小さい断面積を有する。可視光に対して実質的に透明な充填物質は、反射する内張り層の内側に配置され、誘電物質層の上面と同一平面内にある上面を有する。マイクロレンズは、各開口の上面の上に配置される。【選択図】図３
2020092253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された画素センサーアレイであって、前記画素センサーアレイは、
前記基板の表面に形成された複数の表面画素センサーと、
前記基板の前記表面の上に形成された誘電物質層と、
前記誘電層に形成された複数の開口であって、各開口は、前記表面画素センサーの１つと整列し、各開口は、内側の側壁を有する、複数の開口と、
各開口の前記内側の側壁上に形成された反射する内張り層であって、前記内張り層は、可視光を実質的に完全に反射し、各反射する内張り層の内壁は、前記基板の前記表面から離間し、各表面画素センサーの断面積よりも小さい断面積を有し、各反射する内張り層の前記内壁は、前記誘電物質層の上面と同一面内にある、反射する内張り層と、
前記反射する内張り層の内側の各開口に配置され、前記誘電物質層の前記上面と同一平面内にある上面を有する充填物質であって、可視光に対して実質的に透明な充填物質と、
各開口の前記上面の上に配置されたマイクロレンズと、
を備える、画素センサーアレイ。
【請求項２】
前記基板は、第１の導電型を有するドーパント種をドープされたシリコンの層であり、
各表面画素センサーは、前記基板の前記表面に形成されたフォトダイオードを備え、各フォトダイオードは、前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有するドーパント種でドープされたシリコンの領域から形成されるアノードを有する、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項３】
下の前記基板に配置され、前記表面画素センサーと整列し、前記表面画素センサーから絶縁された、少なくとも１つの表面下画素センサーをさらに備える、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの表面下画素センサーは、
下の前記基板に配置され、前記表面画素センサーと整列し、前記表面画素センサーから絶縁された、第１の表面下画素センサーと、
下の前記基板に配置され、前記第１の表面下画素センサーと整列し、前記第１の表面下画素センサーから絶縁された、第２の表面下画素センサーと、
を備える、請求項３に記載の画素センサーアレイ。
【請求項５】
前記反射する内張り層は、Ａｌ−Ｃｕ金属層から形成される、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項６】
前記充填物質は、ポリマーから形成される、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項７】
前記充填物質は、誘電物質から形成される、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項８】
前記誘電物質は、二酸化珪素である、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項９】
各反射する内張り層の前記内壁は、それの前記上面におけるより大きな断面積から、それの底面におけるより小さな断面積へとテーパー状である、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１０】
各開口は、所定の誤差の範囲内で前記表面画素センサーの１つと整列する、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１１】
各反射する内張り層の前記内壁は、１％以下の光が能動画素センサーエリアから外れることを許容するように選択された距離だけ、前記基板の前記表面から離間する、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１２】
各隣接する一対の前記画素センサー間に配置され、光が前記画素センサー内に進むための入口開口を形成する垂直構造をさらに備え、各垂直構造は、
前記隣接する一対の前記画素センサーの前記反射する内張り層の上面の下に位置する第１の金属相互接続層のセグメントと、
前記隣接する一対の前記画素センサーの前記反射する内張り層の前記上面の上に位置する第２の金属相互接続層のセグメントと、
前記第２の金属相互接続層の前記セグメントの上に位置する第３の金属相互接続層のセグメントと、
前記第１の金属相互接続層の前記セグメントと、前記第２の金属相互接続層の前記セグメントとの間に配置される複数の第１の金属相互接続ビアと、
前記第２の金属相互接続層の前記セグメントと、前記第３の金属相互接続層の前記セグメントとの間に配置される複数の第２の金属相互接続ビアと、
を含み、
前記複数の第１の金属相互接続ビア及び前記複数の第２の金属相互接続ビアは、フレア光が前記垂直構造の何れかを通過することを阻止するために、互いに横方向に位置する、請求項１に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１３】
前記複数の第１金属相互接続ビア及び前記複数の第２の金属相互接続ビアは、行に配置され、隣接する行の金属相互接続ビアは、互いにオフセットされる、請求項１２に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１４】
第１の隣接する複数の対の前記画素センサーの間に配置された前記第２の金属相互接続層のセグメントは、第１のエリアを有する開口を有する第１の画素センサーを形成するための距離だけ離間し、
第２の隣接する複数の対の前記画素センサーの間に配置された前記第２の金属相互接続層のセグメントは、前記第１のエリアよりも小さい第２のエリアを有する開口を有する第２の画素センサーを形成するための距離だけ離間し、前記第２のエリアを有する前記開口は、前記第１のエリアを有する前記開口よりも数が少ない、請求項１２に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１５】
前記第２の画素センサーの前記開口は、前記第１の画素センサーの前記開口によって許可される前記光の約８分の１〜約半分を許可するように選ばれる、請求項１４に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１６】
前記第２の画素センサーは、前記アレイの所与の行列上で、２〜１００個の画素ごとに置かれる、請求項１４に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１７】
前記第２の画素センサーは、撮像アレイ全体にわたり規則的なパターンで分布する、請求項１４に記載の画素センサーアレイ。
【請求項１８】
前記第２の画素センサーは、撮像アレイにわたり菱形パターンで分布する、請求項１６に記載の画素センサーアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像アレイ集積回路に関する。特に、本発明は、集積回路の上側の表面から検出器領域への改善された光伝送を有する撮像アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラが薄くなるにつれて、撮像アレイにおける個々の画素センサーを照射する光の角度は、表面に対して直角に測定された場合に大きくなる。設計者は、これらの角度に対応するために、幾つかの技術を用いてきた。
【０００３】
１つの可能な解決策によれば、アレイを構成する画素センサーは、解像度の低下を犠牲にしてサイズを増加することができる。これは、一般に、デジタルカメラの解像度を低下させるのではなく、増加させる傾向から見て、満足のいく解決策であるとは考えられない。
【０００４】
携帯電話のカメラセンサーに使用される画素などの非常に小さな画素では、「光パイプ」が用いられてきた。これは、内部全反射（ＴＩＲ）に依存した光ファイバーケーブルに概念的に類似する。したがって、それは、光パイプのコアとしてハイインデックスポリマーの使用を必要とする。この概念は、小さな入射角（側壁に対する急な入射角）には上手く機能するが、それは、入射角が増加するにつれて次第に有用ではなくなる。図１に描かれたある特定の先行技術の光パイプ解決策によれば、レンズの端で内部反射を用いる光パイプは、画素センサーの上に位置する。隣接する画素センサー１０ａ及び１０ｂは、ｐ型基板（又は井戸）１２に形成されて示されている。誘電層１４は、画素センサー１０ａ及び１０ｂの上に形成され、ビアは、それぞれ、画素センサー１０ａ及び１０ｂの上に、かつ画素センサー１０ａ及び１０ｂと整列して形成され、共にポリマーで充填されて、高屈折率（例えば、ｎ≒１．６）を有する光パイプ（参照番号１６ａ及び１６ｂで示される。）を形成する。レンズ１８ａ及び１８ｂは、当該技術分野で知られているように、誘電層の表面上に形成される。内部全反射を提供する物質層（参照番号２０によって示される。）は、隣接する画素エリア間のレンズ１８ａ及び１８ｂの端に形成される。
【０００５】
画素センサー１０ａ及び１０ｂを含んだ画素センサーアレイの表面に向けられた光線の内の２つを参照番号２２で象徴的に示す。図１に示すように、光線は、レンズ１８ａ及び１８ｂの境界面で屈折する。光線２２はまた、レンズの端で層２０から反射して示されている。物質層２０の存在がなければ、これらの光線２２は、次の隣接する画素へと通じる経路に沿って進み続けるが、反射する物質層２０の存在は、これらの光線が入った画素エリア内にこれらの光線を反射し返す。
【０００６】
光線２２は、レンズからポリマー層１６ａ及び１６ｂ内へと下に進み続けるので、これらの光線は、各ポリマー層１６ａ及び１６ｂと誘電層１４（約ｎ＝１．５３の屈折率を有する。）が形成する、各ポリマー層１６ａ及び１６ｂと誘電層１４との間の境界面（参照番号２４ａ及び２４ｂで示される。）によって反射される。この境界面は、１００％反射するものではなく、したがって、参照番号２６で示される光の一部は、境界面を通過し、２つの隣接する画素を分離する誘電層を通過して、隣接する画素センサー内に不所望に入り、望ましくないクロストークを生じさせる。
【０００７】
図２に描かれた別の特定の先行技術の解決策によれば、背面照明（ＢＳＩ）が使用されてきた。図１の配向と逆の垂直配向で示されるこの実施形態では、一般的なフォトダイオード画素センサー１０は、基板又は井戸１２に形成されて示されている。画素センサー１０の上に形成される誘電層１４は、共に、単に説明を目的として任意の場所に示される、トランジスタ拡散２８及び金属相互接続セグメント３０を含む。
【０００８】
画素センサー１０のマイクロレンズ１８は、上に画素センサーが作製されるシリコンウェーハの背面３４上の二酸化珪素層３２の上に形成される。二酸化珪素層３２は、図１に示される先行技術例の誘電層１４よりもかなり薄く、したがって、比較的大きな角度から受光する。
【０００９】
これらの技術の全ては、デメリットを有する。理想的には、小さな画素が、現在の解決策の欠点を持たずに、大きな画素と同じ受光角を有することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、画素センサーアレイは、基板に配置された複数の表面画素センサーと、画素センサーの表面の上に形成された誘電物質層と、それぞれが、表面画素センサーの１つと整列し、内側の側壁を有する、誘電層に形成された複数の開口とを含む。内張り層は、各開口の内側の側壁上に形成され、可視光を実質的に完全に反射する。内張り層は、基板の表面から離間し、各表面画素センサーの断面積よりも小さい断面積を有する。可視光に対して実質的に透明な充填物質は、反射する内張り層の内側に配置され、誘電物質層の上面と同一平面内にある上面を有する。マイクロレンズは、各開口の上面の上に配置される。
【００１１】
本発明のある態様によれば、画素感知層は、第１の導電型を有するドーパント種をドープされたシリコンの層であり、各表面画素感知素子は、シリコンの層の表面に形成されたフォトダイオードである。各フォトダイオードは、第１の導電型と反対の第２の導電型を有するドーパント種でドープされたシリコンの領域から形成されたアノードを有する。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、画素センサーアレイはまた、下の画素感知層に配置され、表面画素感知素子と整列し、表面画素感知素子から絶縁された、第１の表面下画素感知素子と、下の画素感知層に配置され、第１の表面下画素感知素子と整列し、第１の表面下画素感知素子から絶縁された、第２の表面下画素感知素子とを含む。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、反射する内張り層は、Ａｌ−Ｃｕ金属層から形成される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、充填物質は、ポリマーから、又は二酸化珪素などの誘電物質から形成される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、各反射する内張り層の内壁は、それの上面におけるより大きな断面積から、それの底面におけるより小さな断面積へとテーパー状である。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、各開口は、所定の誤差の範囲内で表面画素感知素子の１つと整列する。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、反射する内張り層は、画素センサーアレイを含んでいる集積回路の電源電圧の１つでバイアスをかけられた低抵抗金属層に容量結合される。
【００１８】
本発明は、実施形態及び図面を参照して、より詳細に以下に説明される。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】増加した角度でアレイに衝突する光を捕捉するという課題に対する先行技術の解決策の１つを描く撮像アレイの一部分の断面図である。
【図２】増加した角度でアレイに衝突する光を捕捉するという課題に対する別の先行技術の解決策を描く撮像アレイの一部分の断面図である。
【図３】本発明のある態様による、増加した角度でアレイに衝突する光を捕捉するという課題に対する解決策を描く撮像アレイの一部分の断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、画素センサーにおけるフレア光の影響をなくすための構造を図示する撮像アレイの一部分の断面図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、画素センサーにおけるフレア光の影響をなくすための構造を図示する撮像アレイの一部分の断面図である。
【図５】本発明のある態様による、増加した角度でアレイに衝突する光を捕捉するという課題に対する解決策を描く、垂直色画素センサーを含む撮像アレイの一部分の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による、例示的低減感度ハイライト画素センサーを含むアレイを図示する撮像アレイの一部分の断面図である。
【図７】本発明による規則的に置かれた低減感度ハイライト画素センサーを含む、本発明による例示的画素アレイの一部分を示す図である。
【図８】本発明による菱形パターンに規則的に置かれた低減感度ハイライト画素センサーを含む、本発明による例示的画素アレイの一部分を示す図である。
【図９Ａ】画素センサーアレイを含んでいる集積回路における、反射する内張り層と金属相互接続セグメントとの間の不要な信号結合の問題を描く撮像アレイの一部分の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに描かれた撮像アレイの一部分の簡略等価電気回路図である。
【図１０Ａ】画素センサーアレイを含んでいる集積回路における、反射する内張り層と金属相互接続セグメントとの間の不要な信号結合の問題に対する解決策を描く撮像アレイの一部分の断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに描かれた撮像アレイの一部分の簡略等価電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
当業者は、本発明の以下の説明が例示にすぎず、決して限定的なものではないことに気付くであろう。本発明の他の実施形態は、当業者に容易に示唆されるだろう。
【００３２】
これより図３を参照して、基板１２上に形成される、本発明のある態様による一対の表面画素センサー１０ａ及び１０ｂを示す例示的画素センサーアレイの部分４０が描かれている。図３において、基板は、ｐ型基板として示されており、表面画素センサー１０ａ及び１０ｂは、当該技術分野で知られているようにフォトダイオードのアノードを形成するｐ型基板に配置されるｎ型領域であり、基板は、フォトダイオードのカソードを形成する。当業者は、ｐ型基板が下にある半導体基板に形成されたｐ井戸でもよいことを認識するだろう。図３に描かれたアレイの部分４０は、たった２つの画素センサー１０ａ及び１０ｂを示すが、本発明の原理にしたがって実際に作製されるアレイは、任意の数の画素センサーを含み得ることも当業者は認識するだろう。
【００３３】
第１の層間誘電層１４は、基板１２の表面、及び表面画素センサー１０ａ及び１０ｂを形成するｎ型領域の上に形成される。ビアは、光パイプ１６ａ及び１６ｂとして機能するように形成される。現在好まれるように、光パイプ１６ａ及び１６ｂは、下端４６ａ及び４６ｂにおける断面積よりも、第１の層間誘電層１４の上面４４と同一平面の上端４２ａ及び４２ｂにおける断面積が大きいテーパー状を有する。光パイプ１６ａ及び１６ｂの下端４６ａ及び４６ｂの断面積は、画素センサー１０ａ及び１０ｂの断面積よりも小さく、かつ画素センサー１０ａ及び１０ｂの上で実質的に中心にある。光パイプ１６ａ及び１６ｂの下端４６ａ及び４６ｂは、基板の上面から離間している。
【００３４】
概念的には、垂直側壁を設けることは、より単純であるが、それは、幾つかの実用面でのデメリットを有する。最も重大なデメリットは、光パイプの最上部で視野角を限定することであり、これは、より大きな画素サイズを必要とし、及び／又はプロセス制御に非常に厳しい制限を加える。これらのデメリットに鑑みて、テーパー状の設計が好ましい。
【００３５】
本発明のある態様によれば、光パイプ１６ａ及び１６ｂを形成するテーパー状のビアを形成するプロセスは、ＳｉＯ2をエッチングするためのフッ素（Ｆ）、及びエッチングされた側壁を保護するためにエッチングされた側壁上に付着する有機ポリマーを生成する化学物質を含むエッチング化学物質を用いる。フッ素は、ビアの底部をエッチングするが、ポリマーは、エッチングプロセスからビアの側壁を保護するために、側壁上に付着される。時間間隔Δｔごとに、ＳｉＯ2は、距離Δｙ下方にエッチングされ、厚さΔｘを有するポリマーは、側壁上に付着される。Ｆ及びポリマーの量を制御することによって、テーパーの度合いが制御される。プロセスは、工場ごとに異なるので、所与のプロセスにおいて所望の度合いのテーパーを達成するために、定期試験が用いられ得る。
【００３６】
一般的なプラズマエッチング化学物質は、Ｆの主要なソースとして機能するＣＦ4と、炭化水素ポリマーＣxＨy…ＣxＨyＦzの主要なソースであるＣＨＦ3と、キャリアガスとして及びイオンソースとして機能するＡｒとを含み得る。
【００３７】
光パイプ１６ａ及び１６ｂはそれぞれ、参照番号４８ａ及び４８ｂで示される反射する内張り層に沿う。
【００３８】
本発明の光パイプは、２つのやり方の一方で形成され得る。第１の層間誘電層１４が二酸化珪素（ＳｉＯ2）から形成される、本発明のある態様によれば、光パイプのビアは、可視スペクトルにおいて実質的に透明な充填物質で充填され得る。適切な充填物質の例は、ＳｉＯ2のような誘電物質、又は周囲の第１の二酸化珪素層間誘電層１４よりも高い屈折率を有するポリマーを含む。
【００３９】
光パイプ１６ａ及び１６ｂの側壁上に良好な反射する表面を形成するために、光パイプの内壁を内張りするために付着される、参照番号４８ａ及び４８ｂで示される反射する内張り層は、可視波長範囲全体にわたり良好な反射を示す必要があり、すなわち、それは、銀色の外観を有することが好ましい。反射する内張り層は、金属の内張り層であり、粗い表面は光を散乱することが知られているため滑らかな表面を有することが好ましく、好ましいのは、高鏡面反射を有する表面である。金属層の厚さは、大きな入射角で画素センサー間のクロストークを回避するために光が側壁を貫通することを防止するのに十分であり、また、ピンホール欠陥を回避するために十分な厚さである必要がある。
【００４０】
本発明のある態様によれば、メタライゼーション相互接続層としてＣＭＯＳプロセスでよく使用されるＡｌ−Ｃｕメタライゼーション物質は、必要とされる特性を有する。タングステンメタライゼーションも現在使用されているが、不十分な反射率をもたらす、鈍い灰色の外観及び容認できないほど大きな表面粗さを有している。
【００４１】
７５０ｎｍの光波長では、１０ｅ６の光伝送減衰に対する理論上の最小Ａｌ−Ｃｕ厚さは、約０．０２８μｍであるが、Ａｌ−Ｃｕ薄膜の抵抗率はバルク抵抗率よりも高い場合があり、この範囲内の厚さを有する膜はピンホールを有することが知られているため、これは、不十分である可能性がある。Ａｌ−Ｃｕ膜の最小厚さは、少なくとも約０．１４μｍである。さらに、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）Ａｌ−Ｃｕのステップカバレージは比較的不十分であるので、上端４２ａ及び４２ｂにおいて約０．２４μｍのスパッタ厚さが現在のところ好ましく、これは、光パイプ１６ａ及び１６ｂの下端４６ａ及び４６ｂにおける約０．１４μｍの最小厚さをもたらす。
【００４２】
ある非限定的実施形態例では、光パイプの上端４２ａ及び４２ｂは、０．８μｍの隣接する光パイプ孔間の最小フォトレジスト幅を提供するように選ばれる。４．１５μｍの画素センサーサイズが想定される、ある例示的実施形態では、これは、４．１５−０．８＝３．３５μｍの最上部寸法を与える。
【００４３】
テーパー状の光パイプ設計では、光パイプの底部は、フォトダイオードの上面の寸法よりも小さくなければならず、これは、ある非限定例では、約２．８μｍ能動であると想定される。一例として、光パイプの能動エンクロージャーが０．２μｍと見なされる場合、底部の幅は、２．８−０．４＝２．４μｍと決定され得る。
【００４４】
光パイプの長さは、光学系設計にとって重要ではなく、それを選ぶかなりの自由が提供される。追加の金属層のためには、より厚さのあるバックエンドオブライン（ＢＥＯＬ）を有することが有利である。ある実施形態例では、層間誘電層１４の厚さは、約６μｍが選ばれ、これは、層間誘電層１４内に４つの金属相互接続層を含めることを可能にする。
【００４５】
上記のパラメータを所与として、側壁角は、名目上、約３．６°となる。より厚さのある第１の層間誘電層１４は、角度をさらに減少させるが、６μｍから７μｍへの第１の層間誘電層１４の厚さの増加は、側壁角を０．５°減少させるにすぎず（これは、大きなメリットとはならない）、かつ光パイプ１６ａ及び１６ｂを形成するビアのアスペクト比を増加させることを当業者は認識するだろう。
【００４６】
ベース層５０は、光パイプ１６ａ及び１６ｂの底部を画素センサー１０ａ及び１０ｂの表面から分離するために挿入される。光パイプがシリコン表面まで下方にずっと延在すれば、光学的に有利になるだろう。しかし、これは、シリコンにダメージを及ぼし、過暗電流をもたらし、及びシリコン内部にまでエッチングし得る。加えて、反射する内張りを作る金属物質が画素センサーの上側の表面と接触する場合、後続のプロセスステップの熱予算は、金属イオンが画素センサー層内に拡散し、かつ画素センサー層に深刻なダメージを与えることを生じさせ、画素センサー１０ａ及び１０ｂを動作不能にする。ベース層は、下端４６ａ及び４６ｂの下でエッチングされずに残された第１の層間誘電層からの残留ＳｉＯ2から成る。
【００４７】
ベース層５０の厚さが大きすぎる場合、光は、金属の下に逃げ、及び画素センサー１０ａ及び１０ｂの能動エリアから外れることを許容され、特に角度が大きくなるにつれ、光捕捉の効率が低下する。
【００４８】
ある実施形態例では、入射角４０°で、光パイプに入る光は、最大角５５°を有する。ベース層の厚さは、１％以下の光が能動画素センサーエリアから外れることを許容し、能動画素センサーエリアと光パイプとの間の０．１μｍの不整列を許容するように選ばれる。能動画素センサーエリアと光パイプとの間の不整列がゼロの場合、光は、能動画素センサーエリアから外れることはなく、０．１μｍの不整列の場合、０．６％の光は、能動画素センサーエリアから外れることをシミュレーションは示している。シミュレーション結果に基づいて、ベース層５０の約０．１μｍの厚さは、満足のいくものであることが分かった。０．２μｍのベース層の厚さが使用された場合、シミュレーション結果は、能動画素センサーエリアと光パイプとの間の不整列がゼロの場合、６．４％の光は、能動画素センサーエリアから外れること、及び不整列が０．１μｍの場合、１１．７％の光は、能動画素センサーエリアから外れることを示している。
【００４９】
第２の層間誘電層５２は、第１の層間誘電層１４と、反射する内張り層４４ａ及び４４ｂの平坦化最上部と、光パイプ１６ａ及び１６ｂのそれぞれにおける充填物質の最上部との上に配置される。ある実施形態例では、この第２の層間誘電層５０は、約２．５μｍの厚さを有していてもよく、この厚さでは、２つの金属相互接続層を支持することができる。
【００５０】
パッシベーション層５４は、第２の層間誘電層５２の上面の上に形成され、平坦化層５６は、パッシベーション層５４の上面の上に形成される。ある実施形態例では、パッシベーション層５４の厚さは、約０．３μｍであってもよく、平坦化層５６の厚さは、約０．４μｍであってもよい。これらの層は、例えば、付着された二酸化珪素から形成され得る。
【００５１】
図３は、それぞれマイクロレンズ１８ａ及び１８ｂを通って画素センサー１０ａ及び１０ｂに入る複数の光線５８ａ及び５８ｂを示す。マイクロレンズ１８ａ及び１８ｂの焦点距離は、それぞれ光線の焦点が位置６０ａ及び６０ｂに位置するように選ばれる。当業者は、焦点の位置６０ａ及び６０ｂが光パイプ１６ａ及び１６ｂ内にあることに気付くだろう。したがって、図３に見られるように、焦点６０ａ及び６０ｂを越えて発散する全ての入射光線５８ａ及び５８ｂは、直接的に、又は反射する内張り層４８ａ及び４８ｂから反射した後に、画素センサー１０ａ及び１０ｂに当たる。
【００５２】
これより図４Ａ及び図４Ｂを参照して、２つの図は、本発明のある実施形態による画素センサーにおけるフレア光の影響をなくすための構造を図示する。図４Ａは、隣接する一対の光パイプ構造１６ａ及び１６ｂの断面図である。当業者は、層５４、５６及びマイクロレンズ１８ａ及び１８ｂが図４Ａに描かれた構造中に存在しているが、図面では省略されていることを認識するだろう。
【００５３】
レンズ及びカメラにおけるフレアは、約７０°〜約７５°の範囲内の入射光の入射角をもたらし得る。従来の光学設計では、画素センサーをフレア光から保護することは不可能であるが、本発明のある態様によれば、フレア光を抑制するために講じることができる対策が幾つか存在する。フレア光の影響は、光パイプ１６ａ及び１６ｂの上端４２ａ及び４２ｂと、下端４６ａ及び４６ｂとの両方で考慮されなければならない。上記の通り、光パイプ１６ａ及び１６ｂの下端４６ａ及び４６ｂでは、フレアは、薄いベース層（すなわち、上述の実施形態例において本明細書に記載した寸法を有する光パイプの場合、約０．１μｍの厚さ）を使用することによって最小限に抑えることができる。最大で１５％のフレア光が能動画素センサーエリアから外れ得るが、単一の画素センサー１０ａ又は１０ｂにおいて捕捉されるフレア光の量は、光全体のほんの一部であるので、問題とはならないはずである。
【００５４】
図４Ａに示すように、第２の層間誘電層５２に形成された金属相互接続層６４の孔６２ａ及び６２ｂは、画素センサー１０ａ及び１０ｂの光学開口を規定する。フレア光を最小限に抑えるための構造は、第１の層間誘電領域１４に形成された金属層６６、及び第２の層間誘電層５２に形成された金属層６８を含み得る。金属層６６及び６８の孔は、金属相互接続層６４における孔６２ａ及び６２ｂよりも広く、画素センサー１０ａ及び１０ｂの光学開口に影響を与えない。
【００５５】
金属間ビア、それらの１つは参照番号７０で示される、の高密度アレイは、フレア光を阻止するために、隣接する画素センサー間の領域において、金属相互接続層６４と金属相互接続層６６との間で用いられ得る。同様に、複数の金属間ビア、それらの１つは参照番号７２で示される、は、隣接する画素センサー間の領域において、金属相互接続層６４と金属相互接続層６８との間に形成される。図４Ｂは、相互接続ビア７０及び７２のレイアウトを示す垂直構造の例示的１つの上面図を示す。ビア７０及び７２はそれぞれ、図４Ｂの左側から入ってくるとして矢印によって示されるフレア光が、垂直構造の何れかを構成する金属相互接続層セグメント６４、６６、及び６８の何れかの間を進むことを効果的に阻止されるように、横方向に位置する。金属相互接続層６４、６６、及び６８の複数のシートは、全てＶｐｉｘにつながれる。
【００５６】
これより図５を参照して、基板１２上に形成される、本発明のある態様による一対の垂直色画素センサーを示す画素センサーアレイの非限定例の部分８０の断面図は、本発明の原理が、カリフォルニア州Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＦｏｖｅｏｎ，Ｉｎｃ．によるＸ３（登録商標）センサーなどの垂直色画素センサーに適用可能であることを示す。このような垂直色画素センサーの作製及び使用は、当該技術分野において知られている。図５に示す実施形態は、図３に描かれた実施形態と実質的に類似し、図３の画素センサーアレイの部分の素子に対応する図５の垂直画素センサーアレイの部分６０の素子は、図３で使用されたものと同じ参照番号を使用して識別される。
【００５７】
第１の垂直色画素センサーは、表面青色画素センサー１０ｂ１、埋込緑色画素センサー１０ｇ１、及び埋込赤色画素センサー１０ｒ１を含む。第２の垂直色画素センサーは、表面青色画素センサー１０ｂ２、埋込緑色画素センサー１０ｇ２、及び埋込赤色画素センサー１０ｒ２を含む。基板は、図５において、ｐ型基板として示され、青色、緑色、及び赤色画素センサー１０ｂ、１０ｇ、及び１０ｒを含む垂直色画素センサーは、当該技術分野で知られているようにフォトダイオードのアノードを形成するｐ型基板に配置されるｎ型領域であり、基板は、フォトダイオードのカソードを形成する。当業者は、ｐ型基板が下にある半導体基板に形成されたｐ井戸でもよいことを認識するだろう。
【００５８】
図５におけるアレイの部分８０の基板１２の上の素子の配置は、図３におけるアレイの部分４０及び図４Ａの部分６０の基板１２の上の素子の配置と同じであり、図３及び図４Ａの実施形態の記載を参照して開示される。
【００５９】
これより図６を参照して、隣接する一対の画素センサー及び光パイプ構造の断面図は、本発明の一実施形態による標準画素センサー１０ｎ及び例示的低減感度ハイライト画素センサー１０ｈを含むアレイの部分９０を図示する。ハイライト画素センサーの概念及び使用は、本明細書において全体として援用される、２０１５年１１月１７日に発行された米国特許第９，１９１，５５６号明細書に開示されている。図６は、単一の表面画素センサーを示すが、図示したハイライト画素概念は、本明細書に開示する垂直色画素センサーに適用できることを当業者は認識するだろう。
【００６０】
図６に示される配置は、図４Ａ及び図５と実質的に類似しており、本発明のある態様による、標準感度画素センサー１０ｎと低減感度ハイライト画素センサー１０ｈとの間の差に言及することを除き、詳細に説明されない。図６に示すアレイ部分９０は、図４Ａ及び図５に描かれた実施形態と実質的に類似しており、図４Ａの画素センサーアレイの部分４０及び図５の画素センサーアレイの部分７０の素子に対応する図６の垂直画素センサーアレイの部分９０の素子は、図５で使用されたものと同じ参照番号を使用して識別される。
【００６１】
標準画素として構成される標準画素１０ｎの上方で、光パイプ１６ｎの上の金属相互接続層６４に形成された光学開口９２は、光パイプ１６ｂの最上部の端と整列した位置にまで延在する。減低感度ハイライト画素１０ｈの上方で、光パイプ１６ｈの上の金属相互接続層６４に形成された光学開口９４は、光パイプ１６ａの最上部の端にわたって延在し、光の一部が光パイプ１６ａに入ることを阻止する。金属相互接続層６４の端によって形成された制限された光学開口９４により、ハイライト画素センサー１６ａは、画素センサー１６ｂよりも少ない利得を有する。上述のように、それぞれ金属相互接続層６４と６６との間、及び６４と６８との間のビア７０及び７２によって形成される垂直構造は、本発明の本態様にしたがって作製されたアレイにおける標準画素センサー及びハイライト画素センサーの相対的利得構造のエラーをフレア光が生じさせることをなくす。
【００６２】
本発明のある態様によれば、低減感度ハイライト画素の例示的目標範囲は、一般的に、標準画素の約半分〜８分の１であるが、当業者は、他の範囲が使用され得ることに容易に気付くであろう。例えば、画素に入る光の量が、標準画素に入る光の４分の１に減らされた場合、感度は、標準画素の感度の約４分の１となるだろう。当業者には容易に認識されるように、開口９２のサイズが小さいほど、より多くの光感度の減少が得られる。
【００６３】
垂直色画素センサーの使用は、図５及び図６に示されるが、本発明の原理は、単色画素センサー及び垂直色画素センサーに等しく適用されること、並びに、本明細書で提示した様々な図面及び開示の実施形態において、２種類のセンサー間に選好が意図されないことを当業者は容易に理解するだろう。
【００６４】
図７に図示される本発明のある態様によれば、低減感度画素１０ｈは、標準画素１０ｎの撮像アレイ全体にわたり規則的に置かれる。図７は、ハイライト画素の配置例を示すために孔９２及び９４のレイアウトを示す金属層６４の上面図である。図７の非限定例示的レイアウトは、アレイの水平方向及び垂直方向の両方で１０個の位置ごとに１つのハイライト画素１０ｈ用の孔９４を示す。低減感度画素は、画像の全体的な質を落とすのではなく、ハイライトデータの画像処理を補うために並べられる。本発明による画素の配置例は、所与の行列上で、約２〜１００個の画素ごとであるが、当業者は、周期的、擬似ランダム、及びランダムなどの異なる間隔が用いられ得ることを認識するだろう。その結果として、低減感度画素は、画素総数の約４０％〜約０．０１％を占め得る。一例では、ある配置は、１０×１０の画素領域ごとに１つの低減感度画素を含む。当業者は、画素及びアレイのサイズに応じて適切な割合が選択され得ることを認識するだろう。
【００６５】
本発明の一態様によれば、ハイライト画素は、撮像アレイにおいて規則的なパターンで置かれ得る。例えば、ハイライト画素は、図８に示すような菱形パターンで配置され得る。一般に、このような菱形パターンは、まず規則的な画素間隔を生成し、次に、４つの既存の標準画素の正方形の中心にハイライト画素を追加することによって生成される。図８に示す別の配置の非限定例として、ハイライト画素は、水平及び垂直には１０個の画素ごとに、対角線上には５つの画素ごとに置かれ得る。
【００６６】
これより図９Ａを参照して、光パイプ構造の簡略断面図は、参照番号４８によって識別される反射する内張りの比較的大きな表面積による、漂遊容量の結合の問題を図示する。金属内張り４８は、集積回路の相互接続構造における他の金属セグメントに対する寄生容量の１つのプレートとして機能する。図９Ａでは、漂遊容量は、集積回路の金属相互接続レベルＭ１〜Ｍ５において、それぞれ反射する内張り４８と金属相互接続セグメント１０２ａ〜１０２ｊとの間を結合するコンデンサ１００ａ〜１００ｊとして示されている。
【００６７】
金属線セグメント１０２ａ〜１０２ｊは、デジタル又はアナログ信号を運び、高論理状態と低論理状態とを切り換え、又は異なるアナログ電圧間を切り換える。図９Ｂに示すように、コンデンサ６１００ａ〜１００ｊは、デジタル及びアナログ電圧変化を反射する内張り及び金属線セグメント１０２ａ〜１０２ｊの他方に寄生結合させる。各経路は、増幅器１０４によって表される１つの電源電位と、反射する内張り４８との間に結合された直列ＲＣ回路によって表すことができ、参照番号１０６ａ〜１０６ｄは、各金属線の抵抗を表す。
【００６８】
図１０Ａ及び１０Ｂは、図９Ａ及び９Ｂに示した寄生信号結合の問題に対する解決策を図示する。金属相互接続レベルＭ４は、ＤＣ電源バスとして指定されている。Ｍ４は、非常に幅がある金属（基本的に、光パイプの周囲に形成された開口を有する金属シート）として形成され得る。また、Ｍ４金属層は、他の金属層Ｍ１〜Ｍ３の金属セグメントよりも反射する内張り４８の近くに位置していてもよい。
【００６９】
Ｍ４層を大きなシートとして形成することにより、それの電源接地への抵抗経路は、電源接地への他の金属相互接続セグメントの抵抗よりもはるかに小さい（ＲM4＜＜ＲM1、ＲM2、ＲM3）。金属層Ｍ４を他の金属層Ｍ１〜Ｍ３の金属相互接続セグメントよりも反射する内張り４８の近くに配置することにより、金属層Ｍ４と反射する内張り４８との間の結合容量は、他の金属層Ｍ１〜Ｍ３の金属相互接続セグメントと、金属内張り４８との間の結合容量よりもはるかに大きく（Ｃ4（１００ａ及び１００ｂ）＞＞Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3）、その結果、金属内張り４８から他の金属線セグメントＭ１〜Ｍ３へのインピーダンス経路よりもはるかに低い、金属内張り４８から電源接地へのインピーダンス経路がもたらされ、その結果、他の信号を運ぶ金属相互接続セグメントへではなく、金属内張り４８へと結合された寄生信号のより多くを接地に分流する。
【００７０】
本発明の実施形態及び応用例の図示及び説明を行ったが、本明細書の発明概念から逸脱することなく、上述のものよりもさらに多くの変更形態が可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神を除き限定されるものではない。
【図１】
2020092253.tif 000003
【図２】
2020092253.tif 000004
【図３】
2020092253.tif 000005
【図４Ａ】
2020092253.tif 000006
【図４Ｂ】
2020092253.tif 000007
【図５】
2020092253.tif 000008
【図６】
2020092253.tif 000009
【図７】
2020092253.tif 000010
【図８】
2020092253.tif 000011
【図９Ａ】
2020092253.tif 000012
【図９Ｂ】
2020092253.tif 000013
【図１０Ａ】
2020092253.tif 000014
【図１０Ｂ】
2020092253.tif 000015
【外国語明細書】
2020092253.tif 000016
2020092253.tif 000017
2020092253.tif 000018
2020092253.tif 000019
2020092253.tif 000020
2020092253.tif 000021
2020092253.tif 000022
2020092253.tif 000023
2020092253.tif 000024
2020092253.tif 000025
2020092253.tif 000026
2020092253.tif 000027
2020092253.tif 000028
2020092253.tif 000029
2020092253.tif 000030
2020092253.tif 000031
2020092253.tif 000032
2020092253.tif 000033
2020092253.tif 000034
2020092253.tif 000035
2020092253.tif 000036
2020092253.tif 000037
2020092253.tif 000038
2020092253.tif 000039
2020092253.tif 000040
2020092253.tif 000041
2020092253.tif 000042
2020092253.tif 000043
2020092253.tif 000044
2020092253.tif 000045
2020092253.tif 000046