(57)【要約】   イメージセンサ及びイメージセンサを形成する方法。イメージセンサは基板表面にピクセルセル（１００）のアレイを含む。それぞれのピクセルセルは光変換デバイス（１２）を有する。光子結晶構造を含む、少なくとも一つのマイクロ電子機械的システム（ＭＥＭＳ）構成要素（３３０）が、少なくとも一つのピクセルセル上に提供される。ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素（３３０）は支持構造（７）によって支持され、電圧の印加時において、電磁気的な波長が光変換デバイスに到達するのを選択的に許容するよう、構成される。このように、本発明に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素は、例えば色フィルタアレイのような従来のフィルタを代替するか、或いはその補完となりうる。【選択図】図３
2009503808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面におけるピクセルセルのアレイであって、それぞれのピクセルセルは光変換デバイスを含むアレイと、
前記複数のピクセルセルの少なくとも一つの上に、少なくとも一つの印加電圧に応じて、所定の波長を有する電磁気的放射が少なくとも一つの前記セルの前記光変換デバイスに到達することを選択的に許容するための光子結晶構造を含む、少なくとも一つのマイクロ電子機械的システム構成要素と、を含む、
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
少なくとも一つの前記ピクセルセル上にスタックされた複数の構成要素を更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記複数の構成要素は、緑の複数の波長の光、赤の複数の波長の光、及び青の複数の波長の光が、異なる時点において前記光変換デバイスに到達することを選択的に許容するために、複数の印加電圧によって制御可能であるように構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記複数の構成要素は、可視の複数の波長の光及び赤外の複数の波長の光が、異なる時点において、前記光変換デバイスに到達することを選択的に許容するために、複数の印加電圧によって制御可能であるように構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記複数のピクセルセルの少なくとも一つの上にスタックされた少なくとも二つの構成要素を更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記構成要素は、前記構成要素を前記印加電圧に応じて前記基板の表面に対して変位させるため、支持構造によって支持される、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記構成要素は、お互いに離れて間隔を置かれた複数の支柱を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記構成要素は、前記複数の支柱の間の前記間隔内の材料を更に含み、前記材料は前記複数の支柱の誘電率よりも低い誘電率を有する、
ことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記複数の支柱の少なくとも一部に接触する金属層を更に含む、
ことを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記構成要素は、前記複数の支柱と接触する導電性材料を更に含む、
ことを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記複数の支柱は、酸化アルミニウムを含む、
ことを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
プロセッサと、
前記プロセッサに接続された光電子工学的デバイスとを含み、前記デバイスは、
基板の表面のピクセルセルのアレイであって、それぞれのピクセルセルは、光変換デバイスを含むアレイと、
所定の波長を有する電磁気的放射が少なくとも一つの印加電圧に応じて、少なくとも一つの前記セルの前記光変換デバイスに到達することを選択的に許容するために、複数の前記ピクセルセルのうちの少なくとも一つの上に光子結晶構造を含む、少なくとも一つのマイクロ電子機械的システム構成要素と、を含む
ことを特徴とするプロセッサシステム。
【請求項１３】
前記イメージセンサはＣＭＯＳイメージセンサである、
ことを特徴とする請求項１２に記載のプロセッサシステム。
【請求項１４】
前記デバイスは、電荷結合素子イメージセンサである、
ことを特徴とする請求項１２に記載のプロセッサシステム。
【請求項１５】
少なくとも一つの前記構成要素は、所定の電磁気的な複数の波長が印加電圧に応じて前記光変換デバイスへ到達することを選択的に許容するため、複数の印加電圧によって制御可能なように構成されている、
ことを特徴とする請求項１２に記載のプロセッサシステム。
【請求項１６】
光電子工学的デバイスのためのマイクロ電子機械的システム構成要素であって、前記構成要素は、
基板と、
前記基板上の支持構造と、
前記支持構造によって支持される絶縁層と、
前記絶縁層上に光子結晶構造を形成する複数の支柱であって、お互いに離れて間隔を置かれている前記複数の支柱と、
前記複数の支柱の少なくとも一部と接触する金属層と、を含み、前記支持構造は、電磁気的な複数の波長が前記金属層に印加される電圧に基づいて前記光変換デバイスに到達するのを選択的に許容するため、前記基板の表面に関連して前記光子結晶構造を置換するため、複数の印加電圧によって制御可能であるよう構成される、
ことを特徴とする構成要素。
【請求項１７】
前記複数の支柱の間の前記間隔内の材料を更に含み、前記間隔内の前記材料の誘電率が前記複数の支柱の誘電率よりも低い、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項１８】
前記複数の支柱の上に導電性フィルムを更に含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項１９】
前記導電性フィルムは銅を含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載の構成要素。
【請求項２０】
前記複数の支柱は、約１００Åから約５０００Åの範囲内の高さを有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２１】
前記複数の支柱の間の前記間隔と前記複数の支柱の高さとの比率は、約１から約１０の範囲内である、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２２】
前記複数の支柱は、それぞれ円形の水平面上の断面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２３】
前記複数の支柱は、それぞれほぼ五角形の水平面上の断面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２４】
前記複数の支柱は、それぞれほぼ長方形の水平面上の断面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２５】
前記複数の支柱は酸化アルミニウムを含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２６】
前記複数の支柱は酸化タンタルを含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２７】
前記複数の支柱は酸化ジルコニウムを含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２８】
前記複数の支柱は酸化ハフニウムを含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項２９】
前記複数の支柱はハフニウムを基礎とするケイ酸塩を含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項３０】
前記複数の支柱は導電性のある酸化物を含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の構成要素。
【請求項３１】
イメージセンサを形成する方法であって、前記方法は、
基板の表面でピクセルセルのアレイを形成する行為であって、それぞれのピクセルセルは光変換デバイスを含んで形成される行為と、前記複数のピクセルセルのうちの少なくとも一つの上に光子結晶構造を含む少なくとも一つのマイクロ電子機械的システム構成要素を形成する行為とを含み、それぞれの構成要素は、所定の波長を有する電磁気的な放射が少なくとも一つの印加電圧に応じて、少なくとも一つの前記セルの前記光変換デバイスに到達するのを選択的に許容する、
動作を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
少なくとも一つの前記ピクセルセル上に複数の構成要素を形成する動作を更に含む、
ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の構成要素を形成する前記動作は、緑の複数の波長の光、赤の複数の波長の光、及び青の複数の波長の光が、異なる時点において、前記光変換デバイスに到達するのを選択的に許容するため、複数の印加電圧によって制御可能である複数の前記光子結晶構成要素を構成することを含む、
ことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記複数の構成要素を形成する前記動作は、可視の複数の波長の光及び赤外の複数の波長の光が異なる時点において、前記光変換デバイスに到達するのを選択的に許容するため、制御可能である複数の前記光子結晶構成要素を構成することを含む、
ことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記複数のピクセルセルのうちの少なくとも一つの上に少なくとも二つの構成要素を形成する動作を更に含む、
ことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
第一の構成要素は第二の光子結晶構成要素上に形成される、
ことを特徴とする請求項３５記載のイメージセンサ。
【請求項３７】
前記構成要素を支持するため、及び前記構成要素を少なくとも一つの前記印加電圧に応じて前記基板の表面に対して置換させるための支持構造を提供する動作を更に含む、
ことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３８】
前記構成要素を形成する前記動作は、お互いに離れて間隔を置かれた複数の支柱を形成することを含む、
ことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３９】
前記構成要素を形成する前記動作は、前記複数の支柱の間の前記間隔内の材料を形成することを含み、前記材料は前記複数の支柱の誘電率よりも低い誘電率を有する、
ことを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記構成要素を形成する前記動作は、複数の前記支柱の少なくとも一部と接触する金属層を形成することを更に含む、
ことを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４１】
前記構成要素を形成する前記動作は、前記複数の支柱と接触する導電性材料を形成することを更に含む、
ことを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４２】
光電子工学的デバイスのためのマイクロ電子機械的システム構成要素を形成するための方法であって、前記方法は、
基板を提供する動作と、
前記基板上に支持構造を提供する動作と、
前記支持構造によって支持される絶縁層を形成する動作と、
前記絶縁層の上に光子結晶材料の層を形成する動作と、
光子結晶構造を形成する複数の支柱を形成するため、前記光子結晶材料層をパターニングする動作であって、前記複数の支柱はお互いに離れて間隔をおかれ、高さ及び水平面上での断面形状をそれぞれ有するように形成される動作と、
前記複数の支柱の少なくとも一部と接触する金属層を含み、前記支持構造は、前記金属層に印加される電圧に基づいて、電磁気的な複数の波長が前記光変換デバイスに到達することを選択的に許容するため、前記基板の表面に対して前記光子結晶構造を変位するよう制御可能であるよう構成される、
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
前記複数の支柱の間の前記間隔内の材料を形成する動作を更に含み、前記間隔内の前記材料の誘電率が前記複数の支柱の誘電率よりも低い、
ことを特徴とする請求項４２に記載の構成要素。
【請求項４４】
前記複数の支柱の上に導電性フィルムを形成する動作を更に含む、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記導電性フィルムは銅を含むよう形成される、
ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記複数の支柱は、約１００Åから約５０００Åの範囲内の高さを有するように形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記複数の支柱は、前記複数の支柱の間の前記間隔と前記複数の支柱の高さとの比率が、約１から約１０の範囲内であるように形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
前記複数の支柱は、円形の水平面上の断面形状を有するよう形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４９】
前記複数の支柱は、ほぼ五角形の水平面上の断面形状を有するよう形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５０】
前記複数の支柱は、ほぼ長方形の水平面上の断面形状を有するよう形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５１】
前記複数の支柱は酸化アルミニウムを含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５２】
前記複数の支柱は酸化タンタルを含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５３】
前記複数の支柱は酸化ジルコニウムを含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５４】
前記複数の支柱は酸化ハフニウムを含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５５】
前記複数の支柱はハフニウムを基礎とするケイ酸塩を含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５６】
前記複数の支柱は、導電性のある酸化物を含んで形成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には半導体デバイスの分野に関し、より詳細には、イメージセンサデバイス或いはディスプレイに利用される光子結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体産業は、電荷結合素子（ＣＣＤｓ）、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）、フォトダイオードアレイ、電荷注入素子及びハイブリッド焦点面アレイあるいは他の物等のような、マイクロレンズを利用する、半導体に基づいたイメージセンサの異なるタイプを使用している。これらのイメージセンサは、例えばフォトダイオードのような光変換デバイスに電磁気的放射の焦点を合わせるため、マイクロレンズを使用する。これらのイメージセンサは、光変換デバイスによって感知するため、（例えば特定の色、に関連する）電磁気的放射の特定の波長を選択するためフィルタをも、使用しうる。
【０００３】
イメージセンサのマイクロレンズは、光学的効率を上昇させ、ピクセルセル間のクロストークを減少する。図１Ａは、ＣＭＯＳイメージセンサピクセルアレイ１００の一部を示す。アレイ１００は、ピクセルセル１０を含み、それぞれが基板１に形成されている。それぞれのピクセルセル１０は、例えばフォトダイオードのような光変換デバイス１２を含んでいる。示されているアレイ１００は、光変換デバイス１２に光を集め、焦点を合わせるマイクロレンズ２０を有する。アレイ１００は、光変換デバイス１２へと向けられた光が、他のピクセルセル１０の光変換デバイス１２に到達するのを遮断するため、例えば金属層７のような光シールドをも含みうる。
【０００４】
アレイ１００は、色フィルタアレイ３０をも含みうる。色フィルタアレイは、それぞれのピクセルセル１０にそれぞれ配置される、色フィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを含んでいる。それぞれのフィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、それぞれの光変換デバイスへと（特定の色に対応する）特定の波長の光のみが通り抜けることを許容する。典型的には、色フィルタアレイ３０は、繰り返しのバイエル（Ｂｙｅｒ）パターンとして配置され、図１Ｂに示されるように配置される、２つの緑色フィルタ３１ａ、赤色フィルタ３１ｂ、青色フィルタ３１ｃを含んでいる。
【０００５】
色フィルタアレイ３０とピクセルセル１０の間は、層間絶縁（または誘電体：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）（ＩＬＤ）領域３である。ＩＬＤ領域３は典型的には、絶縁平坦化層を覆い、ピクセルセル１０のデバイス間の接続及びピクセルセル１０からアレイ１００周辺の（示されていない）回路への接続をなす、多数の層間絶縁及び導電体の層を含む。絶縁層５は、典型的には色フィルタアレイ３０とマイクロレンズ２０の間にある。
【０００６】
典型的な色フィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは多くの従来の材料及び技術を利用して製造されうる。例えば、色フィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃはそれぞれの色に色づけされたゼラチン或いは他の適切な材料でありうる。ポリイミドと結合した熱的に安定な染料を含むポリイミドフィルタも、フォトリソグラフィー過程を利用して組み入れられてきた。フォトリソグラフィーを利用して製造された色フィルタは、良好な解像度及び色質を示しうるが、フォトリソグラフィーは、複雑でありうるため、結果として、多くの欠陥のあるフィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを生じる。特に、ポリイミドフィルタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを含む色フィルタアレイ３０を形成するためにフォトリソグラフィーを利用することは、マスク、フォトレジスト、焼付けステップ、エッチングステップ、及びレジスト除去ステップをそれぞれの色で必要とする。このようにして、バイエルパターンで配置された色フィルタアレイ３０を形成するために、この過程は３回繰り返されなければならない。
【０００７】
ゆえに、多くの工学処理及び設計機会を提供するよう、イメージセンサとしての利用のために、選択可能なフィルタを有することは、都合のよいことである。
【発明の開示】
【０００８】
本発明に係る典型的な実施形態は、イメージセンサ及びイメージセンサを形成する方法を提供する。イメージセンサは、基板表面にピクセルセルのアレイを含んでいる。それぞれのピクセルセルは光変換デバイスを有する。光子結晶構造を含む少なくとも一つのマイクロ電子機械的システム（ＭＥＭＳ）構成要素が少なくとも一つのピクセルセル上に提供される。ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素は支持構造によって支持され、電圧の印加時に、電磁気的な波長が光変換デバイスに到達するのを選択的に許容するよう、構成される。このように、本発明に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素は、例えば色フィルタアレイのような従来のフィルタを補完するか、或いはその代替となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この後の詳細な説明において、本明細書の一部をなす付随する図面を用い、本発明が実施できる特定の実施形態を説明する。図面においては、同じ参照数字は、幾つかの図を通じて、ほぼ類似した構成要素を説明する。これらの実施形態は、この技術分野に精通した者が本発明を実施できるよう、十分詳細に記述される。他の実施形態が利用できるということ、構造的、論理的及び電気的な変更が本発明の範囲及び趣旨から離れることなくなされることを理解されたい。
【００１０】
“ウェーハ”及び“基板”という語は、シリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、或いはシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）技術、ドーピングされた半導体、及びドーピングされていない半導体、基礎半導体基板に支持されたシリコンのエピタキシャル層、及び他の半導体構造を含むものとして理解されたい。さらに、この後の説明において、ある言及が“ウェーハ”或いは“基板”に対してなされる場合、基礎半導体構造及び基盤において、前述された過程のステップが領域或いは接合を形成するために利用される。加えて、半導体は、シリコンを基礎とする必要はなく、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、或いはガリウムヒ素化合物を基礎としてもよい。
【００１１】
“ピクセル”或いは“ピクセルセル”という語は、電磁気的放射を電気信号へと変換するための光変換デバイスを含む画素ユニットセルのことを示す。典型的には、イメージセンサにおける全てのピクセルセルの製造は類似した方法で同時に実行される。
【００１２】
“光子結晶”という語は、屈折率において周期的な変化を有する（例えば支柱の配置のような）構造の材料及び／或いは格子を示す。“光子結晶構成要素”は格子結晶構造を含む構成要素である。
【００１３】
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素を利用するイメージセンサ及び光子結晶構造を有するマイクロ電子機械的システム（ＭＥＭＳ）構成要素を提供する。構成要素の伝送及び反射率特性は、異なる時間において異なる電磁気的波長を選択するよう電子的に制御される。ＭＥＭＳに基づく光子結晶構成要素は、例えば、追加フィルタとして従来のフィルタの代替として、例えば、色フィルタアレイとして或いは従来のフィルタの補完物として、などを含むイメージセンサ内での多様な目的にかなう。
【００１４】
光子結晶は、近年その光子バンドギャップ（禁制帯）によって識別されてきた。光子結晶は、半導体結晶が電荷粒子或いはその波形と相互作用する方法に類似して、電磁波と相互作用する。すなわち、光子結晶構造は、半導体結晶構造の光学的類似体である。光子結晶及び半導体結晶両方の基本的な態様は、その周期性である。半導体においては、格子内の原子の周期的な結晶構造が、観察される特性の根本的な原因の一つである。例えば、構造の周期性は、エネルギー（Ｅ）レベル及び波のベクトルモーメント（ｋ）レベルの量子化を許容する（バンド構造、Ｅ−ｋの関係）。キャリアエネルギーが禁止されるような、半導体におけるバンドギャップエネルギーと類似して、光子結晶は特定の波長の存在が禁止されるような電磁波の光子バンドギャップを提供しうる。参照としてその全体がここに含まれている、Ｂｉｓｗａｓ，Ｒ．らのＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，ｖｏｌ．６１，ｎｏ．７，ｐｐ．４５４９−４５５３（１９９９）を参照されたい。
【００１５】
光子結晶は電磁波の伝播のため特有の性質を合わせることを許容する構造を有する。半導体とは異なり、光子結晶は自然の過程によって生じる材料に限定されず、容易に合成されうる。ゆえに、光子結晶は、電磁気的放射の周波数及び波長の広い範囲に順応させるため広い範囲の構造で製造されうる。
電磁波は光速との単純な関係を満足する。
ｃ＝ｎ□
ここで、ｃ＝対象媒体における光速、ｎ=周波数、□＝波長である。極端紫外線は１ナノメートル（ｎｍ）帯域であるのに対して、ラジオ波は、１ミリメートル（ｍｍ）の波長帯域である。半導体におけるバンド構造工学は大変複雑である一方、光子結晶における光子バンド構造工学は比較的単純である。光子結晶は、他の波長が通り抜ける一方で、特定の波長の光を遮断するような光子バンド構造を有するように設計されうる。
【００１６】
光子結晶は、誘電性材料、導電性材料、及び導電性があるようにコーティングされた誘電性材料から形成されうる。二つの光子結晶構造の間での小さな置換は、二つの構造ともにその透過率及び反射率特性の変化を引き起こしうることが示されてきた。ここで参照としてこの明細書に含まれている、Ｗｏｎｊｏｏ Ｓｕｈらの“光子結晶スラブにおける誘導された共振に基づいた、置換の影響を受けやすい光子結晶構造”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．１３、ｐｐ．１９９９−２００１（２００３年３月３１日）を参照されたい。図２は、単一の光子結晶スラブを介した典型的な伝送スペクトルを示す図である。図２に示されるように、誘導された共振の特性は、基本波長近傍の強い反射性信号である。このような誘導された共振は広帯域現象でありうることが示されてきた。参照としてここに含まれている、Ｓｈａｎｈｕｉ  Ｆａｎらの“光子結晶スラブにおける誘導された共振の解析”、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、ｖｏｌ．６５、ｐｐ．２３５１１２−１から２３５１１２−８（２００２）を参照されたい。
【００１７】
図３、図６、及び図７は、それぞれ本発明の典型的な実施形態に係る、それぞれが一つ以上のＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を含む、それぞれのイメージセンサアレイ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃの一部を示している。構成要素３３０の光子バンド構造は、以下により詳細に説明されるように、構成要素３３０の所望の特性（例えば波長選択性の範囲）を達成するように設計されうる。構成要素３３０は、回路３３１によって制御される。
【００１８】
説明する目的で、イメージセンサアレイ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、ＣＭＯＳピクセルセル１０を含むＣＭＯＳイメージセンサアレイである。本発明に、ＣＣＤ及び他のイメージセンサもまた利用されてもよいことは容易に理解されるべきである。
【００１９】
図３、図６、及び図７の典型的な実施形態において、アレイ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、それぞれのアレイ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃが光変換デバイス１２を有するピクセルセル１０を含むという点で、図１Ａに示されたアレイ１００に特に類似している。しかしながら、それぞれのアレイ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、少なくともピクセルセル１０の一部の上に、一つ以上のＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を含んでいる。構成要素３３０は、光子結晶構造を含んでいる。構成要素３３０の光子結晶構造は、所望の特性、例えば、構成要素３３０への特定の電圧の印加時において、構成要素３３０を介して特定の波長の光が通り抜けることを防ぎ、構成要素３３０を介して特定の波長の光が通り抜けることを許容するような所望の光子バンド構造を達成するために変形されうる。
【００２０】
一つ以上の構成要素３３０に対する電圧の印加は、少なくとも一つの他の構成要素３３０に関して一つの構成要素３３０を、横に及び任意で垂直に変位（または置換：ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）するための静電気力を引き起こす。このような変位は上述されたように、構成要素３３０の透過率及び反射率特性に対する変化を同時に引き起こす。Ｗｏｎｊｏｏ Ｓｕｈらの“光子結晶スラブにおける誘導された共振に基づいた、変位の影響を受けやすい光子結晶構造”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．１３、ｐｐ．１９９９−２００１（２００３年３月３１日）を参照されたい。このように、構成要素３３０は、電圧の印加に基づいて特定の伝送波長を選択するための回路３３１を利用して操作されうる。
【００２１】
領域３３は、図３に示される典型的な構造を有しうる。テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）の層３７１は基板１上に、及び、例えばピクセルセル１０の（示されていない）トランジスタや光変換デバイス１２を含む、そこに形成されたデバイス上にある。ＴＥＯＳ層３７１上には、ホウ素リンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）の層３７２があり、第一、第二及び第三の中間層誘電体層３７３、３７４、３７５それぞれがその後に配置される。皮膜保護（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）層３７６は、第三の中間層誘電体層３７５上にある。任意で、一つ以上のフィルタ３７７もまた含まれうる。ピクセルセル１０の間に接続を形成し、ピクセルセル１０デバイスからＩＬＤ層によって支持される（示されていない）外部デバイスへの接続を形成する、例えば金属線のような、導電性のある構造もまた存在する。
【００２２】
図３は、光子結晶構造をそれぞれ有する、第一及び第二の構成要素３３０を含むピクセルセルアレイ３００Ａを示す。構成要素３００は、支持構造７によって支持されている。支持構造７は、基板１の表面について構成要素３３０の変位を可能にする。追加の支持構造が、構成要素３３０を支持し、制御するために利用されうる。例えば、構成要素３３０は、ここに参照として含まれているＵ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．６８７０６６０に開示されたデジタルマイクロミラーデバイスにおいて利用されているのと類似した方法で制御され支持されうる。支持構造７は、構成要素３３０の所望の変位を提供するために選択されうる。例えば、構成要素３３０は、基板１に関して、横に、角度をなして及び／或いは垂直に変位されうる。典型的な角度をなした変位は、約０度から約７０度の間である。
【００２３】
図３の実施形態において、構成要素３３０は、一つ以上の光変換デバイス１２に全ての光が到達することを選択的に防ぐために制御可能であるよう構成される。このように、アレイ３００Ａの一つ以上の特定の領域に入射する光がサンプリングされうる。或いは、構成要素は、可視光の波長と赤外の波長の間で選択するように制御可能であるように構成される。
【００２４】
構成要素３３０は、制御回路３３１によって制御される。制御回路３３１は、構成要素３３０のそれぞれへの一つ以上の電圧の印加する。構成要素３３０は、全ての或いは一部の入射光が、下部にある光変換デバイス１２へ伝送されるのを防ぐよう制御されうる。特に、構成要素は、ある特定の時点において、光変換デバイス１２に特定の波長の光が入射するのを許容するよう制御されうる。例えば、構成要素３３０は、ある時点において、可視光がフォトダイオード１２へ到達するのを許容し、また別の時点においては、全ての光がフォトダイオード１２に到達するのを防ぐように制御されうる。或いは、構成要素３３０は、異なる時点において、赤外及び可視の波長の光が、光変換デバイス１２に入射するのを許容するように制御されうる。示された実施形態において、それぞれの構成要素３３０は、基本層３０５に形成される。基本層３０５は、例えば、ＳｉＯ２、ＢＰＳＧ或いは、リンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）及びホウ素ケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）のような、他の誘電体層でありうる。
【００２５】
図４Ａ−４Ｆは図３のアレイ３００Ａを形成するステップを示す。前の行為の結果を論理的に必要とする場合を除いて、ここで説明されるどの行為にとっても、特定の順序は必要とされない。したがって、下記の行為は一般的な順序で実施されるよう説明されるが、順序は典型的なもののみであり、変更されうる。
【００２６】
図４Ａにおいて、基本層３０５は、構成要素３３０を支持するために提供される。基本層３０５は、フィルタ３３０の光子結晶構造が形成されうる、ほぼ平坦な表面を提供するいかなる適切な材料でもありうる。例えば、基本層３０５は、（例えばＳｉＯ２或いはＢＰＳＧのような）絶縁層でありうる。また、基本層３０５は、約５０Åから約２００Åの範囲内の厚さを有しうる。
【００２７】
図４Ｂに示されるように、光子結晶を形成するために適切な材料の層３６１は、基本層３０５の上に形成される。このような材料の例は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）ハフニウムを基礎とするケイ酸塩、及び、インジウムスズ酸化物、亜鉛スズ酸化物他のような導電性のある酸化物を含む。ある材料は、光子の一部を吸収する光子結晶を生じうることに注意すべきである。もし吸収が過度のものである場合、量子効率は悪影響を受けうる。望ましくは、層３６１は、Ａｌ２Ｏ３の層である。なぜなら、より少ない吸収を提供し、そのバリア特性においてＳｉＯ２と類似しているからである。層３６１の厚さは必要とされ、或いは所望とされるように選択されうる。望ましくは、層３６１は、約１００Åから約５０００Åの範囲内の厚さを有するように形成される。
【００２８】
マスクレベルを利用して、光子結晶材料層３６１は、図４Ｃに示されるように、光子結晶構造支柱３６２を作成するよう、パターンされ、エッチングされる。図４Ｃにおいて、層３６１の厚さｄに対する（或いは支柱３６２の高さに対する）支柱３６２間の間隔ｘの比率ｘ／ｄは、光子結晶及びこのようなフィルタ３３０の所望の特性を達成するために変更されうる。実例においては、比率ｘ／ｄは、約１から約１０の範囲内である。もし、所望の比率ｘ／ｄを達成するための支柱３６２のパターニングが既存のマスクに基づいたリソグラフィー技術では困難な場合には、支柱がマスク層よりはむしろ処理ステップによって定められるように、スペーサに基づいたリソグラフィーを利用して支柱が形成もされうる。
【００２９】
支柱３６２は、いかなる所望の水平面上の断面形状を有するようにも形成されうる。図５Ａ−５Ｃは、典型的な支柱３６２の形状を示している。図５Ａは、水平面上で円形の断面形状を有する（すなわち、支柱３６２が円柱である）支柱３６２を有する構成要素３３０の上部平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ水平面上で長方形及び五角形の断面形状を有する支柱を含む構成要素３３０を示す。
【００３０】
支柱３６２は、様々な向きにおいても配置されうる。図５Ａに示されるように、それぞれの連続した行Ａの支柱３６２が、Ｙ方向において列Ｂを形成するように、支柱３６２はＹ方向に列Ｂ、Ｘ方向に行Ａとなるように配置される。或いは、図５Ｄに示されるように、線Ａに沿ったそれぞれの行が隣接する行Ａとずれているように、支柱３６２はＸ方向において線Ａに沿って、行として配置されうるので、一つおきの行Ａの支柱３６２がそれぞれＹ方向において列Ｂ及びＢ’を形成する。
【００３１】
それぞれの厚さｄ、間隔ｘ、ｘ／ｄ比率、支柱３６２の水平面上の断面形状、支柱３６２の向き、及び支柱３６２、層３６３或いは層３６４の材料は、下記に説明されるように、可変であり、所望の光子結晶構造を達成し、したがって、構成要素３３０の所望の特性を提供するために選択されうる。
【００３２】
本発明の典型的な実施形態に係り、図４Ｄに示されるように、任意の低い誘電率の層３６３は支柱３６２間に配置され、ＣＭＰステップを利用して平坦化される。層３６３は、例えば、ＳＯＧ或いはＳｉＯ２他のような低い誘電率を有するいかなる適切な材料によっても形成されうる。一つの典型的な実施形態においては、層３６３は、支柱３６２よりも低い誘電率を有する材料によって形成される。層３６３は、いかなる適切な技術によっても形成されうる。
【００３３】
他の典型的な実施形態に係り、図４Ｅに示されるように、支柱３６２は、任意の導電性フィルム３６４でコーティングされめっきされる。一実施形態においては、導電性フィルム３６４は、銅フィルムである。フィルム３６４は、例えば電気めっきのような、いかなる適切な技術によっても形成されうる。
【００３４】
図４Ｄ及び図４Ｅに示されるいずれかの実施形態においては、金属層３６５は、（図４Ｆに示されるように）支柱３６２上にいかなる適切な技術によっても配置される。金属層３６５は、第一のＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を作成するようにパターンされる。特に、金属層３６５は、光変換デバイス１２上の金属層３６５の少なくとも一部を除去するように、所望されたようにパターンされエッチングされる。構成要素３３０は、支柱３６２を含み、任意で層３６３、或いは層３６４、及び金属層３６５を含んでいる。しかしながら、簡潔化のため、構成要素３３０は、図３、図６、及び図７において（以下に説明されるように）単一の構造で示されている。
【００３５】
可変のもの（層３６１の厚さｄ、支柱３６２間の間隔ｘ、比率ｘ／ｄ、支柱３６２の水平面上の断面形状、支柱３６２の向き、及び支柱３６２及び層３６３の材料）はいずれも、第一、第二及び第三の構成要素３３０のそれぞれの所望の光子結晶構造を達成し、したがって構成要素３３０の所望の特性を達成するために変更されうる。図３で説明された実施形態においては、第一、第二及び第三の構成要素３３０はそれぞれ異なる光子結晶構造を有する。
【００３６】
アレイ３００Ａを完成させるために、追加の処理ステップが実施されてもよい。例えば、回路３３１と構成要素３３０の間の接続が形成されうる。更に、追加の従来の処理ステップが従来のマイクロレンズ２０を形成するために実施されうる。
【００３７】
構成要素３３０の光子結晶構造に依存して、構成要素３３０の位置合わせ及び変位パラメータが、所望の電磁気的波長の間での選択を可能にするよう選択される。構成要素３３０は、基板１に関して垂直に、角度をなして、或いは横に変位されうる。例えば、印加される電圧は、構成要素３３０の所望の透過率及び反射率特性を達成するように、構成要素３３０を変位するための所望の静電気力を生じるように選択される。構成要素３３０を制御するための典型的な電圧は、約５ボルトから約２０ボルトの間でありうる。
【００３８】
図６は、本発明に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を有するピクセルアレイ３００Ｂの他の典型的な実施形態を示す。構成要素３３０の光子結晶構造は、構成要素３３０が所望の特性、例えば、電磁気的放射の特定の波長の選択性を有するように設計されうる。アレイ３００Ｂは、一つの光子結晶構成要素３３０が多数のピクセル上に形成されることを除いて、図４Ａ−図５Ｄに関連して上述されたように形成されうる。構成要素３３０への電圧の印加は、構成要素３３０の変位を引き起こす。このような変位は、二つの構造の透過率及び反射率特性の変化を同時に引き起こす。このように、構成要素３３０は、電圧の印加に基づいて、異なる時点において、特定の波長を選択するよう操作されうる。
【００３９】
示された実施形態において、構成要素３３０は、全ての光が一つ以上の光変換デバイス１２に到達するのを選択的に防ぐよう制御可能であるように構成される。このように、アレイ３００Ｂの一つ以上の特定の領域への入射光がサンプリングされうる。或いは、構成要素は、可視光の波長と赤外の波長の間で選択することが制御可能なように構成される。このため、可変のもの（層３６１の厚さｄ、支柱３６２間の間隔ｘ、比率ｘ／ｄ、支柱３６２の水平面上の断面形状、支柱３６２の向き、及び支柱３６２及び層３６３の材料）は、第一、及び第二の構成要素３３０のそれぞれの所望の光子結晶構造を達成し、したがって構成要素３３０の所望の特性を達成するために選択される。更に、構成要素３３０の光子結晶構造に依存して、構成要素３３０の位置合わせ及び変位パラメータが、所望の電磁気的波長の間での選択を可能にするよう選択される。例えば、印加される電圧は、構成要素３３０の所望の透過率及び反射率特性を達成するように、構成要素３３０を変位するための所望の静電気力を生じるように選択される。
【００４０】
構成要素３３０が可視光の波長と赤外の波長の間で選択されるよう制御可能なように構成されるとき、光変換デバイス１２は広帯域の波長に敏感であることが望ましい。この実施形態は、アレイ３００Ｂが日中には可視光を、夜間には赤外波長をサンプリングすることを可能にする。このように、この実施形態は、自動及び防犯用（あるいは安全用）アプリケーションに特に適用可能である。
【００４１】
他の実施形態においては、図７は、本発明に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を有するピクセルアレイ３００Ｃの他の典型的な実施形態を示す。図７の実施形態においては、それぞれが光子結晶構造を有する第一、第二、及び第三の構成要素３３０を含むピクセルセルアレイ３００Ｃを示す。構成要素３３０は、異なる高さｈ１、ｈ２、ｈ３で提供される。構成要素３３０は、特定の時点において、光変換デバイス１２に特定の波長の光が入射するのを許容するよう制御されうる。構成要素３３０は、それぞれの構成要素３３０によって選択される光の波長に依存して、所望されるように、光変換デバイス１２上の様々な高さにおいて形成されうる。例えば、構成要素３３０は、異なる時点において、赤、緑及び青の波長の光が光変換デバイス１２に入射するのを許容するように制御されうる。このような方法において、赤、緑及び青の波長に対応する信号が、同じピクセルセル１０によって異なる時点においてサンプリングされうる。したがって、赤、緑及び青の波長をサンプリングするための個別のピクセルセルは必要とされない。このことが撮像アレイ３００Ｃの解像度を増加させる。図７の実施形態においては、構成要素３３０は色フィルタアレイとしての役割を果たすように構成される（そしてこのように図１のアレイ３０を変位する）。
【００４２】
構成要素３３０が、それぞれのピクセルセル１０が赤、緑及び青の波長をサンプリングすることを許容するよう機能する場合に、光変換デバイス１２は、広帯域の波長にわたって効果的であることが望ましい。
【００４３】
シングルチップＣＭＯＳイメージセンサ８００は、図８のブロック図によって示される。イメージセンサ８００は、本発明の実施形態に係るピクセルセルアレイ３００Ａを含んでいる。アレイ３００Ａのピクセルセルは、所定の数の列及び行に配置されている。或いは、イメージセンサ８００は、アレイ３００Ｂ或いはアレイ３００Ｃのいずれかような本発明の実施形態に係る、他のピクセルアレイを含みうる。
【００４４】
アレイ３００Ａのピクセルセルの行は、一つずつ読み出される。したがって、アレイ３００Ａの行におけるピクセルセルは、行選択線によって同じ時点において読み出しのために全て選択され、選択された行のそれぞれのピクセルセルは、その列のための読み出し線へ受け取った光を示す信号を提供する。アレイ３００Ａにおいては、それぞれの列は選択線をも有し、それぞれの列のピクセルセルは、列選択線に応じて選択的に読み出される。
【００４５】
アレイ３００Ａの行の線は、行アドレスデコーダ８８１に応じて行ドライバ８８２によって選択的に活性化される。列選択線は、列アドレスデコーダ８８５に応じて列ドライバ８８４によって選択的に活性化される。アレイ３００Ａは、そのタイミングと制御回路８８３によって操作され、制御回路８８３はピクセル信号の読み出しのため、適切な行及び列の線を選択するアドレスデコーダ８８１、８８５を制御し、回路３３１はＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０を制御する。
【００４６】
列読み出し線での信号は典型的には、ピクセルリセット信号（Ｖｒｓｔ）及びピクセルイメージ信号（Ｖｐｈｏｔｏ）をそれぞれのピクセルセルのため含んでいる。両方の信号は、列ドライバ８８４に応じて、サンプルアンドホールド回路（Ｓ／Ｈ）８８６へ読み込まれる。差動信号（Ｖｒｓｔ―Ｖｐｈｏｔｏ）はそれぞれのピクセルセルのため、差動増幅器（ＡＭＰ）８８７によって生成され、それぞれのピクセルセルの差動信号が増幅され、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）８８８によってデジタル化される。アナログデジタル変換器８８８はイメージプロセッサ８８９にデジタル化されたピクセル信号を提供し、イメージプロセッサ８８９は、イメージ出力を定義するデジタル信号を提供する前に適切なイメージ処理を実施する。
【００４７】
図９は、図８のイメージセンサ８００を含むプロセッサに基づいたシステム９００を示す。プロセッサに基づいたシステム９００は、イメージセンサデバイスを含みうるデジタル回路を有する典型的なシステムである。限定するわけではなく、このようなシステムは、コンピュータシステム、カメラシステム、スキャナ、マシーンビジョン、乗物のナビゲーション、ビデオ電話、監視システム、オートフォーカスシステム、星追跡システム、移動検知システム、イメージ安定化システム及びイメージングを利用する他のシステムを含みうる。
【００４８】
プロセッサに基づいたシステム９００、例えばカメラシステムは、一般的に、バス９９３によって入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス９９１と通信する、マイクロプロセッサのような、中央処理ユニット（ＣＰＵ）９９５を含んでいる。イメージセンサ８００もまた、バス９９３によってＣＰＵ９９５と通信する。プロセッサに基づいたシステム９００は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９９２をも含み、これもバス９９３によってＣＰＵ９９５と通信する、フラッシュメモリ９９４のような取り外し可能なメモリを含みうる。イメージセンサ８００は、単一の集積回路上、或いはプロセッサとは異なるチップ上でのメモリとともに、或いはメモリなしで、ＣＰＵ、デジタル信号プロセッサ、或いはマイクロプロセッサのようなプロセッサと連結されてもよい。
【００４９】
本発明はＣＭＯＳイメージセンサに関連して説明されているが、ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０は、光電子工学的デバイス内で様々な適用を有する。本明細書は、限定することを意図するものではない。例えば、本発明に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素３３０は、電荷結合素子イメージセンサ或いは他の電子工学的デバイスにおいて利用されうる。
【００５０】
上記の説明及び図面は典型的なものであり、本発明の目的、特徴及び利点を達成する望ましい実施形態を説明するものであることを、再度言及する。本発明は説明された実施形態に限定されるよう意図されていない。付随する請求項の趣旨及び範囲内の本発明に対するいかなる変更も本発明の一部であると考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
本発明に係る、前述の及び他の利点及び特徴は、付随する図面に関して下記に提供される典型的な実施形態の詳細な説明からより明らかとなるであろう。  
【図１Ａ】図１Ａは、従来のイメージセンサアレイの一部の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来の色フィルタアレイの一部のブロック図である。
【図２】図２は、典型的な光子結晶を介した伝送スペクトルを示す図である。
【図３】図３は、本発明の典型的な実施形態に係るＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素を含むイメージセンサアレイの一部の三次元図である。
【図４Ａ】図４Ａ−４Ｅは、本発明の他の典型的な実施形態に係る図３のイメージセンサアレイ製造の中間段階を示す。
【図４Ｂ】図４Ａ−４Ｅは、本発明の他の典型的な実施形態に係る図３のイメージセンサアレイ製造の中間段階を示す。
【図４Ｃ】図４Ａ−４Ｅは、本発明の他の典型的な実施形態に係る図３のイメージセンサアレイ製造の中間段階を示す。
【図４Ｄ】図４Ａ−４Ｅは、本発明の他の典型的な実施形態に係る図３のイメージセンサアレイ製造の中間段階を示す。
【図４Ｅ】図４Ａ−４Ｅは、本発明の他の典型的な実施形態に係る図３のイメージセンサアレイ製造の中間段階を示す。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の典型的な実施形態に係る、光子結晶構造の俯瞰図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の典型的な実施形態に係る、光子結晶構造の俯瞰図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の典型的な実施形態に係る、光子結晶構造の俯瞰図である。
【図５Ｄ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の典型的な実施形態に係る、光子結晶構造の俯瞰図である。
【図６】図６は、本発明の他の典型的な実施形態に係る、ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素を含むイメージセンサアレイの一部の断面図である。
【図７】図７は、本発明の他の典型的な実施形態に係る、ＭＥＭＳに基づいた光子結晶構成要素を含むイメージセンサアレイの一部の断面図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施形態に係るイメージセンサのブロック図である。
【図９】図９は、図８のイメージセンサを含むプロセッサシステムのブロック図である。
【図１Ａ】
2009503808.tif 000003
【図１Ｂ】
2009503808.tif 000004
【図３】
2009503808.tif 000005
【図４Ａ】
2009503808.tif 000006
【図４Ｂ】
2009503808.tif 000007
【図４Ｃ】
2009503808.tif 000008
【図４Ｄ】
2009503808.tif 000009
【図４Ｅ】
2009503808.tif 000010
【図５Ａ】
2009503808.tif 000011
【図５Ｂ】
2009503808.tif 000012
【図５Ｃ】
2009503808.tif 000013
【図５Ｄ】
2009503808.tif 000014
【図６】
2009503808.tif 000015
【図７】
2009503808.tif 000016
【図２】
2009503808.tif 000017
【図８】
2009503808.tif 000018
【図９】
2009503808.tif 000019
【国際調査報告】
2009503808.tif 000020
2009503808.tif 000021
2009503808.tif 000022