(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面及び裏面を有する基板と、
前記基板内に形成され、前記裏面を通る入射光を受光するように構成された感光素子と、
前記基板内の裏面側に形成され、前記入射光を前記感光素子に向かわせるように構成されたマイクロレンズを囲むシャロートレンチアイソレーション構造と
を含む、
裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項２】
前記マイクロレンズと前記シャロートレンチアイソレーション構造との間に介在するパ
ッシベーション層を更に含む、
請求項１に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項３】
前記裏面上に形成されたカラーフィルタを更に含み、
前記入射光が前記カラーフィルタを通り前記裏面に入射し、
前記カラーフィルタは、緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタ、黄色フィルタ、
シアンフィルタ、及びマゼンタフィルタから成る群から選択されたカラーフィルタを含む、
請求項１に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項４】
前記前面に形成された追加のマイクロレンズを更に含み、
前記追加のマイクロレンズは、光が前記前面に垂直な方向に前記追加のマイクロレンズ
から出射するように、前記基板を通過した前記入射光をコリメートするように構成されて
いる、
請求項１に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項５】
前記追加のマイクロレンズを覆うように配置された反射構造を更に含み、
前記追加のマイクロレンズは、前記反射構造と前記前面との間に介在し、
前記反射構造は、前記コリメートされた光を、前記基板内の前記感光素子に戻るように
反射するように構成されている、
請求項４に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項６】
前面及び裏面を有する基板と、
前記基板内に形成され、前記裏面を通る入射光を受光するように構成された感光素子と、
前記基板内の裏面側に形成され、前記入射光を前記感光素子に向かわせるように構成されたマイクロレンズと
を含む、裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項７】
前記基板は、所定の材料から形成され、かつ、前記マイクロレンズは、前記所定の材料
から形成される、請求項６に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項８】
前記前面に形成された追加のマイクロレンズを更に含み、
前記追加のマイクロレンズは前記基板と一体化され、
前記追加のマイクロレンズは、前記所定の材料から形成されている、
請求項７に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項９】
前記裏面にあり、前記マイクロレンズを囲むシャロートレンチアイソレーション構造の
第１のセットと、
前記前面にあり、前記追加のマイクロレンズを囲むシャロートレンチアイソレーション
構造の第２セットと
を更に含む、
請求項８に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１０】
前記前面上方に形成され、前記基板内の前記感光素子に戻るように、前記基板を通過し
た光を反射するように構成された反射構造を更に含む、
請求項８に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１１】
前面及び裏面を有する基板と、
前記基板内の前面側に形成され、前記裏面を通る入射光を受光するように構成された感光素子と、
前記基板内の裏面側に形成され、前記入射光を前記感光素子に向かわせるように構成され、１．６より大きい屈折率を有するマイクロレンズとを含み、
前記マイクロレンズは、前記裏面側に形成されたポリシリコンマイクロレンズを含む
裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１２】
前記マイクロレンズを覆うパッシベーション層を更に含む、請求項１１に記載の裏面照
明イメージセンサピクセル。
【請求項１３】
前記前面に形成された追加のポリシリコンマイクロレンズと、
前記追加のポリシリコンマイクロレンズの上方に形成され、前記基板内の前記感光素子
に戻るように、前記基板を通過した光を反射するように構成された反射構造と
を更に含む、請求項１１に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１４】
前記前面に形成され、前記基板と一体化された追加のマイクロレンズであって、前記基
板及び前記追加のマイクロレンズが同一の半導体材料から形成されている、追加のマイク
ロレンズと、
前記追加のマイクロレンズの上方に形成され、前記基板内の前記感光素子に戻るように、前記基板を通過した光を反射するように構成された反射構造と
を更に含む、請求項１１に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１５】
前面及び裏面を有する基板と、
前記基板内に形成され、前記裏面を通る入射光を受光するように構成された感光素子と、
前記基板の前記前面に形成されるマイクロレンズであって、光が前記前面に垂直な方向に前記マイクロレンズから出射するように、前記基板を通過した前記入射光をコリメートするように構成されたマイクロレンズと
前記基板の裏面の内部に形成された追加のマイクロレンズと、
を含む、裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１６】
前記前面に形成され、金属ルーティング層と導電性ビア層との交互層を含む誘電体スタ
ックと、
前記前面の上方で、前記誘電体スタック中の前記金属ルーティング層のうちの選択され
た１つの金属ルーティング層内に形成された反射構造であって、前記基板内の前記感光素
子に戻るように、前記基板を通過した光を反射するように構成された反射構造と
を更に含む、請求項１５に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１７】
前記マイクロレンズは、１．６より大きい屈折率を有する材料から形成されている、請
求項１５に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１８】
前記マイクロレンズは、前記前面上に形成されたポリシリコンマイクロレンズを含む、
請求項１５に記載の裏面照明イメージセンサピクセル。
【請求項１９】
前記マイクロレンズは前記前面に形成され、前記マイクロレンズは、前記基板と一体化
され、前記基板及び前記マイクロレンズは同一の半導体材料から形成され、かつ、前記マ
イクロレンズは、関連するシャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれている、請求項１５に記載の裏面照明イメージセンサのピクセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年５月２５日に出願された米国特許出願第１３／４８１，５８９号明細書、及び、２０１１年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６１／５５７，３４２号明細書の利益を主張するものであり、これらを、それらの全体の参照によりここに組み込む。
【０００２】
本出願は、概してイメージセンサに関し、より具体的には、バックサイドイルミネーション（裏面照明、ＢＳＩ）イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
イメージセンサは、一般的に、画像を取得するために、携帯電話機、カメラ、及びコンピュータ等の電子機器に用いられる。従来のイメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術または電荷結合素子（ＣＣＤ）技術を用いた半導体基板上に作製される。イメージセンサは、フォトダイオードと、基板の前面に形成されるトランジスタ等の他の演算回路とを含んでもよい。誘電体スタックは、フォトダイオードの上部に直接触れる基板の前面上に形成される。誘電体スタックは、誘電体材料内に形成された金属ルーティング線及び金属ビアを含む。光ガイドは、多くの場合、入射光の軌跡を導くために誘電体スタック内に形成されている。
【０００４】
カラーフィルタアレイは、一定の範囲の波長への感度を各ピクセルに与えるために、誘電体スタックを覆って形成される。マイクロレンズは、カラーフィルタアレイを覆って形成されてもよい。光はイメージセンサの手前側から入射する（すなわち、光はマイクロレンズに入射し、カラーフィルタを介して誘電体スタック内に伝わる）。このように使用されるイメージセンサは、フロントサイドイルミネーション（前面照明、ＦＳＩ）イメージセンサと呼ばれている。
【０００５】
フォトダイオード内に入射光を導くために光ガイドを用いることが望ましい。しかし、入射光は、誘電体スタックを通過するとき、反射され、かつ、金属ルーティング線及びビアによって吸収されることがある。これは、望ましくないピクセルのクロストーク及び信号劣化をもたらす。
【０００６】
これらの問題に対処するために、裏面照明イメージセンサが開発されてきた。しかし、これらのセンサも、金属ルーティング線及びビアからの光散乱によるクロストークを受けやすい。
【０００７】
従って、パフォーマンスを向上させたイメージセンサを提供することが可能であることが望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
様々な実施形態が、強化された屈折率のマイクロレンズを有する裏面照明イメージセンサピクセルを説明するために記載される。イメージセンサピクセルは、前面及び裏面を有する基板と、基板内に形成されたフォトダイオードと、裏面に形成された第１のマイクロレンズと、前面に形成された第２のマイクロレンズと、前面に形成された金属ルーティング層と導電性ビア層との交互層を含む誘電体スタックと、誘電体スタック内の選択された金属ルーティング層内で、第２のマイクロレンズの上方に形成された反射構造とを含んでもよい。
【０００９】
第１及び第２のマイクロレンズは、２より大きい、３より大きい、４より大きい等の屈折率を有する材料から形成されてもよい。好適な一実施形態では、第１のマイクロレンズは、基板の裏面に形成されてもよく、一方で、第２のマイクロレンズは、基板の前面上に形成されてもよい。第１のマイクロレンズは、基板と一体化されてもよく（例えば、第１のマイクロレンズ及び基板が、同じ半導体材料から形成されてもよく）、裏面に形成された、関連するシャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれていてもよい。第２のマイクロレンズは、前面上にパターン化されたポリシリコンマイクロレンズであってもよい。カラーフィルタは、裏面にある第１のマイクロレンズを覆って形成されてもよい。第１及び第２のパッシベーション層（例えば、ｐ＋ドープ層）が、暗電流発生を低減するために、それぞれ、第１及び第２のマイクロレンズを覆ってもよい。
【００１０】
別の適切な実施形態では、第１のマイクロレンズは、基板の裏面上にパターニングされたポリシリコンから形成されてもよい。別の好適な実施形態では、第２のマイクロレンズは、基板の前面に形成されてもよく、基板と一体化されてもよく（例えば、第２のマイクロレンズ及び基板が同一の半導体材料から形成されてもよく）、かつ、前面に形成された関連するシャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれてもよい。
【００１１】
このように配置すると、第１のマイクロレンズを、入射光をフォトダイオードに向かわせるように構成することができる。入射光は基板を通過してもよく、かつ、光が前面に垂直な方向へ第２のマイクロレンズから出射するように、第２のマイクロレンズによってコリメートされてもよい。コリメートされた光は、フォトダイオードに戻るように、反射構造を用いて反射されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来の裏面照明イメージピクセルアレイの側面断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る、異なる屈折率を有する複数のマイクロレンズに関連する回折プロファイルを示すプロットである。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る、裏面シリコン集束マイクロレンズと、前面ポリシリコン・コリメーティング・マイクロレンズとを有する裏面照明イメージセンサピクセルの側面断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る、裏面照明イメージセンサピクセルの基板に関連するポテンシャルプロファイルである。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る、裏面ポリシリコン集束マイクロレンズと、前面ポリシリコン・コリメーティング・マイクロレンズとを有する裏面照明イメージセンサピクセルの側面断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る、裏面シリコン集束マイクロレンズと、前面シリコン・コリメーティング・マイクロレンズとを有する裏面照明イメージセンサピクセルの側面断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る、裏面ポリシリコン集束マイクロレンズと、前面シリコン・コリメーティング・マイクロレンズとを有する裏面照明イメージセンサピクセルの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
デジタルカメラモジュールは、広く、デジタルカメラ、コンピュータ、携帯電話、その他の電子機器などの電子機器に用いられている。これらの電子機器は、画像をキャプチャするために入射光を受け取るイメージセンサを含んでもよい。イメージセンサは、イメージセンサピクセルアレイ（画素配列）を含んでもよい。イメージセンサ内のピクセルは、入射光をデジタルデータに変換するフォトダイオード等の感光素子を含んでもよい。イメージセンサは、任意数のピクセル（例えば、数百または数千以上）を有することができる。典型的な画像センサは、例えば、数百万ピクセル（例えば、メガピクセル）を有してもよい。ハイエンド機器では、１０メガピクセル以上のイメージセンサは、珍しいことではない。
【００１４】
図１は、イメージピクセルアレイ１０の側面断面図である。ピクセルアレイ１０は、アレイ状に配置された従来のバックサイドイルミネーション（裏面照明）イメージセンサピクセルを含む。各ピクセルは、ｐ型エピタキシャルシリコン基板１２のフロントサイド（前面）に形成されたフォトダイオード１４を有する。各ピクセルはまた、基板１２の前面に形成された関連フローティング拡散領域１６を有する。
【００１５】
誘電体スタック２０は、基板１２の前面１３上に形成されている。誘電体スタック２０は、誘電体材料（例えば、二酸化シリコン）内に形成された金属相互接続構造２２を含む。シリコンキャリアボード２４は、誘電体スタック２０上に形成されている。
【００１６】
カラーフィルタアレイ２６は、基板１２の裏面１５上に形成されている。それぞれのマイクロレンズ２８は、各カラーフィルタのピクセル要素２６を覆っている。各ピクセルは、基板１２の裏面上で誘電体層１１内に形成された金属ライトリング１８を有する。金属ライトリング１８は、各カラーフィルタ２６の周囲を覆い、ピクセルのクロストークを防止するためのライトブロックとして機能する。
【００１７】
光は、マイクロレンズ２８を介してイメージセンサピクセルの裏面から入射することができる。入射光は、フォトダイオード１４によって一部が吸収される。入射光の残りの部分は、基板１２を通過して誘電体スタック２０に入る。入射光の残りの部分は、相互接続構造２２を反射することがあり、また、隣接するフォトダイオード１４に吸収されることがあり、その結果、ピクセルのクロストーク（例えば、図１中の入射光の点線の軌跡３０）が起こり得る。
【００１８】
図１の従来の裏面照明イメージセンサピクセル１０のマイクロレンズ２８は、典型的には１.６以下の屈折率を有するポリマーから形成される。図２は、図１を断面線１００で切った際の光回折プロファイルを示すプロットである。図２の実施例では、曲線１０２は、１.６の屈折率を有する第１のマイクロレンズ（すなわち、図１のマイクロレンズ２８）を用いてもたらされる第１の回折プロファイルに対応してもよいのに対し、曲線１０４は、より高い屈折率である４を有する第２のマイクロレンズを用いてもたらされる第２の回折プロファイルに対応してもよい。
【００１９】
一般に、特定の物質中での光の波長は、その材料の屈折率に反比例する。より低い屈折率を有する第１のマイクロレンズの入射光は、従って、相対的により高い屈折率を有する第２のマイクロレンズに入射する光に関連した波長λ２よりも大きい波長λ１を示すこととなる。イメージセンサピクセルのフォトダイオードに入る入射光の波長が短いほど、かつ、この入射光の回折プロファイルが狭いほど（すなわち、光がフォトダイオードの中心に近くで、より大きな強度レベルで集束する）、入射光をより良好に吸収することができる。従って、効率が改善され、クロストークが低減されたイメージセンサピクセルを提供するために、より大きな屈折率のマイクロレンズを形成することが望ましい場合がある。
【００２０】
図３は、改善された効率及び低減されたクロストークを示し得る例示的なイメージセンサピクセル２００の図である。イメージセンサピクセル２００は、エピタキシャルシリコン基板と呼ばれることがあるｐ型シリコン基板２０２内に形成されてもよい。基板２０２は、前面２０４、裏面２０６を有していてもよい。前面２０４から実行される任意のプロセスが前面プロセスと呼ばれることがあり、一方で、裏面２０６から実行される任意のプロセスが裏面プロセスと呼ばれることがある。
【００２１】
フォトダイオード及び関連したトランジスタ等（例えば、電荷転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、アドレストランジスタ等）の構造は、基板２０２の前面に形成されてもよい。金属ルーティング層と導電性ビア層との交互層を含む誘電体スタックは、基板２０２の前面に形成することができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズの第１のセット及び反射構造が、基板２０２の前面を覆って形成されてもよい。
【００２２】
マイクロレンズの第２のセットは、基板２０２の裏面に形成されてもよい。カラーフィルタは、基板２０２の裏面に配置されてもよい。入射光はカラーフィルタによってフィルタリングされてもよく、裏面２０６を介して基板２０２に入射してもよく、マイクロレンズの第２のセットを用いてそれぞれのフォトダイオードに向かって集束させてもよく、各フォトダイオードによって部分的に吸収されてもよく、マイクロレンズの第１のセットによってコリメートされてもよく、反射構造によってフォトダイオードに戻るように反射されてもよい。光がイメージセンサの裏面から入射する（例えば、入射光は、基板２０２の裏面を通過して基板２０２に入射する）ので、このように構成されたイメージセンサピクセルを有するイメージセンサは、裏面照明（ＢＳＩ）イメージセンサと呼ばれることもあり得る。
【００２３】
図３に示すように、基板２０２は、フォトダイオード２０８と、トランジスタの拡散領域と、その前面に形成される他の回路等の構造を含んでもよい。例えば、フォトダイオード２０８は、基板２０２の前面からｎ型ドーパントを注入することによって形成されたｎ型ドーピング領域を有してもよい。
【００２４】
図４は、図３の線３００に沿って切断された基板２０２に関連した例示的なポテンシャルプロファイルを示す図である。基板２０２のポテンシャルプロファイルは、基板２０２のドーパント特性に直接基づいていてもよい。図４の曲線３０２によって図示されるように、エネルギーポテンシャルは、基板２０２の前面Ｓ付近で実質的により高くなることがあり、表面Ｓから更に離れた領域に向かって徐々に低くなることがある。この種類のポテンシャルプロファイルは、基板２０２の前面からｎ型ドーパントを注入することの結果であり得る。
【００２５】
曲線３０４は、前面Ｓから深さｄ１のところに位置する第１の水平面に沿った断面ポテンシャルプロファイルを示すのに対し、曲線２０６は、前面Ｓから深さｄ２のところに位置する第２の水平面に沿った断面ポテンシャルプロファイルを示している。曲線３０４は、曲線３０６のポテンシャルピークより大きいポテンシャルピークを有していてもよい。
【００２６】
入射光は、基板２０２内の様々な場所に電荷を生成してもよい。第１の電子が位置Ａで生成され、かつ、第２の電子が位置Ｂで生成されるといった、簡略化したシナリオを考える。点Ａ及び点Ｂは、基板２０２内で同じ深さｄ１に位置してもよいが、点Ａはフォトダイオード２０８の中心により近いのに対し、点Ｂはフォトダイオード２０８の中心部からより離れている（すなわち、点Ｂは隣接するフォトダイオードにより近い）。（位置Ｂの）ポテンシャルピークの近くに生成された電子は、かなり確実にフォトダイオード２０８によって吸収され得るのに対し、（位置Ａの）ポテンシャルトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）付近に生成された電子は隣接するフォトダイオードに誤って掃引され得て、その結果、望まれないピクセルクロストークになり得る。強化された屈折率を有するマイクロレンズの使用は、（例えば、より多くの電荷が位置Ａではなく位置Ｂの近くに生成されるように）フォトダイオード２０８の中心付近に更に集中したより緊密なビームで光を集束するのに役立てることができる。
【００２７】
誘電体スタック２２３は、基板２０２（図３）の前面上に形成されてもよい。誘電体スタック２０２は、シリコン酸化物または他の誘電体の層を含んでもよく、これらの中に導電性構造が形成される。誘電体スタック２２３は、金属相互接続層（金属層または金属ルーティング層と呼ばれることもある）とビア層との交互層を含んでいてもよい。金属ルーティング層は、金属ルーティング線（相互接続と呼ばれることもある）を含んでもよい。ビア層は、垂直導電構造（例えば、タングステンビアまたは他の金属ビア等の導電性ビア）を含んでもよい。必要に応じて、（例えば、中断のない誘電体の領域を形成するために）金属層またはビア層の一部分から金属を除去してもよい。
【００２８】
誘電体スタック２２３は、相互接続構造２２４（例えば、金属ルーティング線及びビア）を含んでもよい。相互接続構造２２４は、各イメージセンサピクセルに（例えば、各イメージセンサピクセル内のトランジスタに関連付けられたゲート及び／または拡散領域に）、かつ、基板３８の前面に形成された他の回路の端子に電気的に接続されてもよい。
【００２９】
基板２０２は、その前面に形成されたフローティング拡散（ＦＤ）領域２１０を含んでもよい。フローティング拡散領域は、ｎ＋ドープ領域（一例として）であってもよい。誘電体スタック２２３内に形成された相互接続構造２２４は、電気的にＦＤ領域２１０に接続されてもよい。構造２２４は、ビア２３３を介して接続された導電線２３１を含んでもよい。例えば、金属線２３１は、図３に示すように、第１の金属ルーティング層２３０、第２の金属ルーティング層２３２、及び、第３の金属ルーティング層２３４内に形成されてもよい。金属ビア２３３は、ビア（またはコンタクト）層２４０、２４２、及び２４４内に形成されてもよい。誘電体スタック２２３は、必要に応じて、３層より多くの金属層を有していてもよい。
【００３０】
カラーフィルタ２１２を有するカラーフィルタアレイは、基板２０２の裏面に形成されてもよい。各カラーフィルタ２１２は、それぞれのフォトダイオード２０８について入射光をフィルタリングする役割を果たすことができる。カラーフィルタ２１２は、緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタ、黄色フィルタ、シアンフィルタ、マゼンタフィルタ、または他の種類のフィルタを含んでいてもよい。一実施例として、緑色フィルタは、緑色光（例えば、４９５ｎｍから５７０ｎｍまでの波長を有する光）を通過させ、その範囲外の光を反射及び／または吸収する（例えば、緑色フィルタは赤色光と青色光を反射する）。図３の実施例では、カラーフィルタ２１２‐１は、第１の対応するフォトダイオードに達するように赤色光を通過させるように構成される赤色フィルタであってもよく、カラーフィルタ２１２‐２は、第２の対応するフォトダイオードに達するように緑色光を通過させるように構成される緑色フィルタであってもよく、かつ、カラーフィルタ２１２‐３は、第３の対応するフォトダイオードに達するように青色光を通過させるように構成される青色フィルタであってもよい。
【００３１】
用いられ得るカラーフィルタアレイパターンの一実施例は、ＧＲＢＧ（緑‐赤‐青‐緑）のＢａｙｅｒ（ベイヤ）パターンである。この種類の構成では、カラーフィルタアレイは、４つのカラーフィルタのグループに配置されている。各グループでは、４つのカラーフィルタのうちの２つは、緑フィルタであり、４つのカラーフィルタのうちの１つは赤色フィルタであり、残りのカラーフィルタは青色フィルタである。必要に応じて、他のカラーフィルタアレイパターンを用いでもよい。
【００３２】
Ｆ値（Ｆ＃）カメラレンズ（周辺光線）または非ゼロの主光線角度（ＣＲＡ）のどちらかに起因する非ゼロ角度の入射光に適応するために、約１.６の屈折率を持つ、（Ｆ値について）シフトされず、（非ゼロのＣＲＡについて）シフトされたポリマーレンズを、本明細書に記載される率のより大きなマイクロレンズと組み合わせて使用することもできる。図３に示すように、シフトされていないポリマーレンズ２１３は、カラーフィルタを覆って形成されてもよい。必要に応じて、シフトされたポリマーレンズが、シフトされていないポリマーレンズの代わりに（輪郭線２１１によって図示されるように）使用されてもよい。
【００３３】
マイクロレンズ２１６等のマイクロレンズは、基板２０２の裏面に形成されてもよい。マイクロレンズ２１６は、基板２０２の裏面に周囲を取り囲むシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造２１４を形成することによって作製されてもよい。組込みシリコンレンズ２１６の形状を画定するＳＴＩトレンチ２１４は、マイクロレンズ２１６が所望の曲率半径（ＲｏＣ）及び／または形状を達成するような方法で、エッチングまたは酸化形状転写のどちらかによって基板２０２に形成することができる。マイクロレンズ２１６は、基板２０２の一体部分として形成されてもよく、それゆえ、エピタキシャルシリコンから形成されてもよい。基板２０２と連続しているマイクロレンズ２１６は、組込みシリコンマイクロレンズと呼ばれることもある。エピタキシャルシリコンは、従来のマイクロレンズのものよりも大きい４の屈折率を有することができ、それゆえ、強化された集光機能を有するピクセル２００を提供することができる。マイクロレンズ２１６は、関連するフォトダイオード２０８上に入射光を集中させる役割を果たすことができ、それゆえ、本明細書ではそれを、集束マイクロレンズと呼ぶことがある。
【００３４】
シャロートレンチアイソレーション構造２１４は、二酸化シリコン等の誘電体材料を用いて充填されてもよい。必要に応じて、ｐ＋ドープ層２１８等のパッシベーション（表面不活性化）が、暗電流を低減するために、基板２０２と構造２１４内の二酸化シリコン材料との間の境界面を覆って形成されてもよい。各ピクセル２００は、このように形成されたそれぞれの裏面マイクロレンズ２１６を有していてもよい。隣接するマイクロレンズ２１６を分離するシャロートレンチアイソレーション構造２１４は、電気的絶縁を提供してもよく、隣接するピクセル２００の間でピクセルのクロストークを低減することができる。
【００３５】
ピクセル２００は、基板２０２の前面に形成されたマイクロレンズ２２６等の別のマイクロレンズを含んでもよい。マイクロレンズ２２６は、（一例として）基板２０２の前面上にポリシリコンを堆積するとともに、所望の曲率半径を示すようにポリシリコンをパターニングすることによって形成されてもよい。ポリシリコンは、４の屈折率を有してもよい。必要に応じて、マイクロレンズ２２６は、１.６より大きい、３より大きい、４より大きい、５より大きい等の屈折率を有する他の好適な材料を用いて形成されてもよい。
【００３６】
酸化シリコン層２２２等の誘電体材料の層は、マイクロレンズ２２６と基板２０２の前面との間に介在してもよい。層２２２は、ゲート酸化膜層と呼ばれることがある。必要に応じて、例えば、層２２２からエピタキシャルシリコンを分離するｐ＋ドープ層２２０等のパッシベーション層を、暗電流発生を最小限に抑えるために、基板２０２の前面に形成することができる。各ピクセル２００は、このように形成されたそれぞれの前面マイクロレンズ２２６を有してもよい。
【００３７】
マイクロレンズ２２６は、（例えば、マイクロレンズ２２６を介して基板２０２の前面に出る光が基板２０２の前面に垂直な方向２６０に進むように）、基板２０２を通過してきた光をコリメートする役割を果たしてもよく、それゆえ、ここではコリメーティングマイクロレンズと呼ばれることもある。
【００３８】
構造２５０等の反射構造は、誘電体スタック２２３の第１の金属層２３０内に形成されてもよい。構造２５０は、例えば、（矢印２６２によって示されるように）フォトダイオード２０８に戻るように、マイクロレンズ２２６を出るコリメートされた光を反射するように構成された導電性板であってもよい。必要に応じて、構造２５０は、金属（例えば、アルミニウム、銅、金、または銀等）または他の好適な反射材料を用いて形成されてもよい。このように光をフォトダイオード２０８に戻るように反射することにより、クロストークが低減し、信号対雑音比が向上する。他の好適な構成では、反射構造２５０は、第２の金属ルーティング層２３２（位置２５２）、第三の金属ルーティング層２３４（位置２５４）、またはそれより高い位置にある金属ルーティング層内に形成されてもよい。
【００３９】
ＢＳＩのイメージセンサピクセル２００がＳＴＩ構造２１４を用いて形成された裏面集束マイクロレンズと、ポリシリコンを用いて形成された前面コリメーティングマイクロレンズとを有する図３の構成は、単に例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。必要に応じて、裏面集束マイクロレンズは、好適に高い屈折率を有する材料を用いて基板２０２の裏面の上部に形成されていてもよく、一方で、前面コリメーティングレンズは、周囲を取り囲むシャロートレンチアイソレーション構造を形成することによって組込みマイクロレンズとして基板２０２の前面に構築されてもよい。フォトダイオード２０８が基板２０２を通過する十分な量の入射光を吸収することが可能であるいくつかの実施形態では、コリメーティングレンズ２２６及び反射構造２５０が形成される必要はない。
【００４０】
別の好適な配置では、ピクセル２００は、ポリシリコンを用いて基板２０２の裏面上部に形成された裏面集束マイクロレンズ４００と、ポリシリコンを用いて基板２０２の前面上部に形成された前面コリメーティングレンズ２２６とを含んでもよい（例えば、図５を参照）。層４０２等のパッシベーション層がマイクロレンズ４００とｐ型基板２０２との間に介在するように、層４０２が基板２０２の裏面に形成されてもよい。こうする代わりに、必要に応じて、このパッシベーション層は、輪郭４０４によって示されるように、マイクロレンズ４００の曲面に沿ってマイクロレンズ４００を覆って形成されてもよい。入射光は、マイクロレンズ４００に入る前にカラーフィルタアレイ（図示せず）を用いてフィルタリングされてもよい。図５の実施例では、反射構造２５０が、第２の金属ルーティング層２３２内に形成されている。
【００４１】
別の好適な配置では、ピクセル２００は、ＳＴＩ構造２１４を形成することによって基板２０２の裏面に形成された裏面集束マイクロレンズ４００と、ＳＴＩ構造２１５を形成することによって基板２０２の前面に形成された前面コリメーティングレンズ５００とを含んでもよい（例えば、図６を参照）。第１のｐ＋ドープパッシベーション層は、組込みシリコンマイクロレンズ２１６を覆って形成されてもよい。同様に、第２のｐ＋ドープパッシベーション層５０２は、前面コリメーティングレンズ５００を覆って形成されてもよい。ライナー２１８及び５０２は、シリコンとシリコン酸化膜との界面における暗電流を低減するのに役立ち得る。図６の実施例では、反射構造２５０は、第１の金属ルーティング層２３０上に形成される。金属ルーティング線２３１は、コンタクト５０４を介してフローティング拡散領域２１０に結合されてもよく（図６には図示せず）、シャロートレンチアイソレーション構造２１５との電気的接続を形成しない。
【００４２】
別の適切な配置では、ピクセル２００は、ポリシリコンを用いて基板２０２の裏面上部に形成された裏面集束マイクロレンズ４００と、前面コリメーティングレンズと、ＳＴＩ構造２１５を形成することによって基板２０２の前面に形成された前面コリメーティングレンズ５００とを含んでもよい（例えば、図７を参照）。パッシベーション層５０２は、前面コリメーティングレンズ５００を覆うことができるのに対し、層４０４等のパッシベーション層は、マイクロレンズ４００の曲面に沿ってマイクロレンズ４００を覆って形成されてもよい。入射光は、マイクロレンズ４００に入る前にカラーフィルタアレイ（図示せず）を用いてフィルタリングされてもよい。図７の実施例では、反射構造２５０は、第３の金属ルーティング層２３４内に形成されている。必要に応じて、シフトされたまたはシフトされていないポリマーマイクロレンズ（すなわち、２未満の屈折率を有するマイクロレンズ）が、各イメージセンサピクセル２００内の裏面集束マイクロレンズ（すなわち、マイクロレンズ２１６またはマイクロレンズ４００）を覆って形成されてもよい。
【００４３】
様々な実施形態を、強化された屈折率のマイクロレンズを有する裏面照明イメージセンサピクセルを説明するために記載してきた。イメージセンサピクセルは、前面及び裏面を有する基板と、基板内に形成されたフォトダイオードと、裏面に形成された第１のマイクロレンズと、前面に形成された第２のマイクロレンズと、前面に形成された金属ルーティング層と導電性ビア層との交互層を含む誘電体スタックと、第２のマイクロレンズの上方の誘電体スタック内の選択された金属ルーティング層内に形成された反射構造とを含んでもよい。
【００４４】
第１及び第２のマイクロレンズは、２より大きい、３より大きい、４より大きい等の屈折率を有する材料から形成されてもよい。好適な一実施形態では、第１のマイクロレンズは、基板の裏面に形成されてもよく、一方で、第２のマイクロレンズは、基板の前面上に形成されてもよい。第１のマイクロレンズは、基板と一体化されてもよく（例えば、第１のマイクロレンズ及び基板が、同じ半導体材料から形成されてもよく）、裏面に形成された、関連するシャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれていてもよい。第２のマイクロレンズは、前面上でパターニングされたポリシリコンマイクロレンズであってもよい。カラーフィルタは、裏面にある第１のマイクロレンズを覆って形成されてもよい。第１及び第２のパッシベーション層（例えば、ｐ＋ドープ層）は、暗電流発生を低減するために、それぞれ、第１及び第２のマイクロレンズを覆ってもよい。
【００４５】
別の適切な実施形態では、第１のマイクロレンズは、基板の裏面上にパターニングされたポリシリコンから形成されてもよい。別の好適な実施形態では、第２のマイクロレンズは、基板の前面に形成されてもよく、基板と一体化されてもよく（例えば、第２のマイクロレンズ及び基板が同一の半導体材料から形成されてもよく）、かつ、前面に形成された関連するシャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれてもよい。
【００４６】
このように配置すると、第１のマイクロレンズを、入射光をフォトダイオードに向かわせるように構成することができる。入射光は基板を通過してもよく、かつ、光が前面に垂直な方向に第２のマイクロレンズから出射するように、第２のマイクロレンズによってコリメートされてもよい。コリメートされた光は、フォトダイオードに戻るように反射構造を用いて反射されてもよい。
【００４７】
実施形態によれば、前面及び裏面を有する基板と、裏面を通る入射光を受光するように構成され、基板内に形成された感光素子と、入射光を感光素子に向かわせるように構成されたマイクロレンズを囲む、裏面に形成されたシャロートレンチアイソレーション構造とを含む、裏面照明イメージセンサピクセルが提供されてもよい。
【００４８】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、マイクロレンズとシャロートレンチアイソレーション構造との間に介在するパッシベーション層を含む。
【００４９】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、裏面に形成されたカラーフィルタを含み、入射光がカラーフィルタを通して裏面に入り、カラーフィルタは、緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタ、黄色フィルタ、シアンフィルタ、マゼンタフィルタで構成されている群から選択されるカラーフィルタを含む。
【００５０】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、前面に形成された追加のマイクロレンズであって、光が前面に垂直な方向にこの追加のマイクロレンズから出射するように、基板を通過した入射光をコリメートするように構成された追加のマイクロレンズを含む。
【００５１】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、追加のマイクロレンズを覆うように位置する反射構造を含み、追加のマイクロレンズがこの反射構造と前面との間に介在され、反射構造が、コリメートされた光を反射して基板内の感光素子に向かって戻すように構成される。
【００５２】
実施形態によれば、前面及び裏面を有する基板と、裏面を通る入射光を受光するように構成され、基板内に形成された感光素子と、裏面に形成されたマイクロレンズとを含み、マイクロレンズは基板と一体化され、かつ、マイクロレンズは入射光を感光素子に向かわせるように構成されている、裏面照明イメージセンサピクセルが提供されてもよい。
【００５３】
別の実施形態によれば、基板は、所定の材料から形成され、かつ、マイクロレンズは、この所定の材料から形成されている。
【００５４】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、前面に形成されている追加のマイクロレンズを含み、追加のマイクロレンズは基板と統合され、かつ、追加のマイクロレンズは、上記の所定の材料から形成される。
【００５５】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、裏面にあり、マイクロレンズを囲むシャロートレンチアイソレーション構造の第１のセットと、前面にあり、追加のマイクロレンズを囲むシャロートレンチアイソレーション構造の第２のセットとを含む。
【００５６】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、前面の上方に形成された反射構造であって、基板内の感光素子に戻るように、基板を通過してきた光を反射するように構成された反射構造を含む。
【００５７】
実施形態によれば、前面及び裏面を有する基板と、裏面を通る入射光を受光するように構成され、基板内に形成された感光素子と、１．６より大きい屈折率を有する、裏面に形成されたマイクロレンズとを含む、裏面照明イメージセンサピクセルが提供されてもよい。
【００５８】
別の実施形態によれば、マイクロレンズは裏面に形成されたポリシリコンマイクロレンズを含む。
【００５９】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、マイクロレンズを覆うパッシベーション層を含む。
【００６０】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、前面に形成された追加のポリシリコンマイクロレンズと、追加のポリシリコンマイクロレンズの上方に形成された反射構造とを含み、反射構造は、基板内の感光素子に戻るように、基板を通過してきた光を反射するように構成されている。
【００６１】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、前面に形成された追加のマイクロレンズを含み、追加のマイクロレンズは基板と一体化され、基板及び追加のマイクロレンズは同一の半導体材料から形成され、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、追加のマイクロレンズの上方に形成された反射構造を含み、反射構造は、基板内の感光素子に戻るように、基板を通過してきた光を反射するように構成されている。
【００６２】
実施形態によれば、前面及び裏面を有する基板と、裏面を通る入射光を受光するように構成され、基板内に形成された感光素子と、基板の前面に形成されたマイクロレンズとを含み、マイクロレンズは、光が前面に垂直な方向にマイクロレンズから出射するように、基板を通過してきた入射光をコリメートするように構成されている、裏面照明イメージセンサピクセルが提供されてもよい。
【００６３】
別の実施形態によれば、裏面照明イメージセンサピクセルは、更に、金属ルーティング層と導電性ビア層との交互層を含む、前面上に形成された誘電体スタックと、前面の上方で、誘電体スタック中の金属ルーティング層のうちの選択された１つの金属ルーティング層内に形成された反射構造であって、基板内の感光素子に戻るように、基板を通過してきた光を反射するように構成された反射構造とを含む。
【００６４】
別の実施形態によれば、マイクロレンズは、１．６より大きい屈折率を有する材料から形成されている。
【００６５】
別の実施形態によれば、マイクロレンズは、前面上に形成されたポリシリコンマイクロレンズを含む。
【００６６】
別の実施形態によれば、マイクロレンズは前面に形成され、マイクロレンズは基板と一体化され、基板及びマイクロレンズは同一の半導体材料から形成され、かつ、マイクロレンズは、関連するシャロートレンチアイソレーション構造に囲まれている。
【００６７】
上記は、本発明の原理の単なる例示であり、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者によって様々な修正が行われてもよい。上述した実施形態は、個別にまたは任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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