(57)【要約】【課題】  改良した光学的イメージセンサー及びその製造方法を提供する。【解決手段】  比較的高い屈折率を有する無機物質からなるマイクロレンズを凸状の下側表面を有するように形成し、上から下側のスペーサー層を通過する光を屈折させて下側のフォトダイオード上に集束させる。マイクロレンズ及びフォトダイオードは半導体チップ上のカラーフィルタ及びＣＭＯＳ回路要素と共にこのような要素からなるアレイの形態で反復形成しイメージセンサーを提供することが可能である。スペーサー層は比較的低い屈折率を有しており、エッチマスクにおける開口を介して選択的な等方的エッチング処理して凸状表面を画定し、それは、その後のマイクロレンズ物質のコンフォーマルな付着形成の後に、マイクロレンズの凸状下側表面と共に界面を形成する。【選択図】      図１
2004327998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に向上させたフォトセンサーにおいて、
基板、
前記基板の上に配設されており光を電気的エネルギへ変換させる感光性領域を具備するフォトセル、
前記フォトセルの上に配設されているスペーサー、
前記スペーサーの上に配設されており前記スペーサーの対応した形状の上側表面部分と界面を画定する凸状下側表面を具備するレンズ、
を有しており、前記スペーサー及びレンズが、各々が屈折率を有する無機透明物質を有しており、前記レンズを通過する光が前記界面において屈折され且つ前記フォトセルの前記感光性領域の殆どをカバーする区域内に集束されるように前記レンズの屈折率が前記スペーサーの屈折率よりも大きいことを特徴とするフォトセンサー。
【請求項２】
請求項１において、前記レンズの物質が、基本的に、約２．０の屈折率を有する窒化シリコンから構成されており、且つ前記スペーサーの物質が、基本的に、約１．４６の屈折率を有する二酸化シリコンから構成されていることを特徴とするフォトセンサー。
【請求項３】
請求項１において、前記レンズの物質が、基本的に、２．０を超える屈折率を有しているシリコンリッチな窒化シリコンから構成されていることを特徴とするフォトセンサー。
【請求項４】
請求項１において、前記レンズ物質の屈折率と前記スペーサー物質の屈折率との間の差異が著しく０．５４を超えていることを特徴とするフォトセンサー。
【請求項５】
請求項１において、前記フォトセルが前記基板の上方のアクティブ層内に形成されている領域により特性付けられるフォトダイオードを有しており、前記フォトダイオードが軽度にドープしたＮ型ドリフト領域上方に配設したＰ型アノード領域を具備しており、前記アノード領域と前記ドリフト領域との間にＰＮ接合が画定されていることを特徴とするフォトセンサー。
【請求項６】
請求項５において、前記フォトダイオードが、更に、
前記アクティブ層の上側表面における前記アノード領域の周りの高度にドープしたＰ型アノードコンタクト、
前記Ｎ型ドリフト領域下側の高度にドープしたＮ型埋込カソード領域、
前記アノードコンタクト領域から横方向に離隔した位置において前記Ｎ型埋込カソード領域と合流すべく前記アクティブ層の上側表面から下方向へ延在する高度にドープしたＮ型カソードコンタクト領域、
を有していることを特徴とするフォトセンサー。
【請求項７】
光学的イメージセンサーにおいて、
各々が光を電気的エネルギへ変換させる感光性領域を具備している複数個のフォトセルからなるアレイ、
前記フォトセルのアレイにわたって配設されており第一屈折率を有する物質からなる透明なスペーサー層、
前記スペース層の上に配設されている複数個のマイクロレンズからなるアレイ、
を有しており、各マイクロレンズが対応するフォトセルの上方に整合されており、各マイクロレンズはその下側のフォトセルと対面しており且つ前記スペーサー層の対応した形状の上側表面部分と界面を画定する凸状の下側表面を具備しており、前記マイクロレンズは第二屈折率を有する透明物質を有しており、各マイクロレンズを通過する光が対応するフォトセルの感光性領域の殆どをカバーする区域に集束するように前記第一屈折率が前記第二屈折率よりも小さいことを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項８】
請求項７において、前記マイクロレンズの物質が、基本的に、窒化シリコンから構成されており、且つ前記スペーサー層の物質が、基本的に、二酸化シリコンから構成されていることを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項９】
請求項７において、前記マイクロレンズの物質が、基本的に、２．０を超える屈折率を有しているシリコンリッチな窒化シリコンから構成されていることを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項１０】
請求項７において、第二屈折率と第一屈折率との間の差異が０．５４を著しく超えるものであることを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項１１】
請求項７において、各フォトセルがＰＮ接合フォトダイオードを有しており、各フォトダイオードが半導体物質の本体内に形成したＰ型領域とＮ型領域とを包含しており、且つ反射防止薄膜が前記スペーサー層下側の半導体本体の上側表面上に配設されており、Ｐ型アノード領域を包含する領域が軽度にドープしたＮ型ドリフト領域の上方に配設されていることを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項１２】
請求項１１において、各フォトダイオードが、更に、
前記フォトダイオードの上側表面部分において前記アノード領域を取り囲む高度にドープしたＰ型アノードコンタクト領域、
前記Ｎ型ドリフト領域下側の高度にドープしたＮ埋込カソード領域、
前記アノードコンタクト領域から横方向に離隔した位置において前記Ｎ型埋込層と合流すべく前記フォトダイオード表面部分から下方向へ延在する高度にドープしたＮ型カソードコンタクト領域、
を有していることを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項１３】
請求項７において、更に、フィルタ層が前記マイクロレンズのアレイ上方に配設されており、前記フィルタ層は３つの異なる色の規則的なパターンに配列されたカラーフィルタを包含しており、各フィルタは対応するマイクロレンズの上方に整合しており、前記光学的イメージセンサーが該センサーが露光されたカラーイメージを画定する信号を発生することを特徴とする光学的イメージセンサー。
【請求項１４】
フォトセンサーの製造方法において、
基板を用意し、
前記基板の上に少なくとも１個のフォトセルを包含するアクティブ回路を形成し、
第一物質を有するスペーサー層を前記フォトセルの上に付着させ、
前記フォトセルの上方に整合された開口を具備するエッチマスクを前記スペーサー層の上に形成し、
前記開口を介して前記スペーサー層の物質を等方的にエッチングしてその中にボール形状表面部分を画定し、
前記エッチマスクを剥離し、
前記ボール形状表面部分内を包含している前記スペーサー層の上に第二物質を付着し、前記第二物質は前記ボール形状表面部分内において前記第一物質との界面を画定し、
前記第二物質を平坦化させてその上に平坦状の上側表面を画定し、前記平坦状の上側表面からその下側の前記界面へ延在する部分が前記界面において凸状の下側表面を具備するレンズを画定し、
前記第一及び第二物質を付着形成するステップにおいて、前記第一物質が第一屈折率を有するべく選択され且つ前記第二物質が第二屈折率を有するべく選択され、前記レンズを介して下方向へ通過する光が前記界面において屈折され且つその下側のフォトセル上に集束するように前記第一屈折率が前記第二屈折率より実質的に小さい、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４において、前記第一物質が、基本的に、二酸化シリコンから構成されており、且つ第二物質が、基本的に、窒化シリコンから構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５において、前記第一物質に対してドーパントを添加し、前記ドーパントがボロンと燐からなるグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５において、前記第二物質へ酸素を添加してシリコンオシキナイトライド又はシリコンリッチオキシナイトライドを形成することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４において、前記第二物質が、基本的に、反応器内へのシリコン前駆体ガスの流量を制御することにより付着されるシリコンリッチな窒化シリコンから構成されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４において、前記第一物質が、１．４６未満の屈折率を有する窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、弗化マグネシウム、金属酸化物、混合金属酸化物からなるグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４において、前記第二物質が２．０を超える屈折率を有するシリコンオキシカーバイト、炭化珪素、窒化珪素、硫化亜鉛、導電性金属酸化物、金属酸化物、混合金属酸化物からなるグループから選択されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大略、光学的イメージセンサーに関するものであって、更に詳細には、光学的イメージセンサーの一部として半導体チップ上に下側に存在するフォトセルとのマイクロレンズの集積化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カメラ等のイメージング装置におけるマイクロレンズアレイの使用は当該技術において公知である。米国特許第６，３０７，２４３号はソリッドステートＣＭＯＳイメージャーにおいて使用するマイクロレンズアレイを開示しており、その場合に、平凸マイクロレンズ及び下側に存在するフォトダイオードがアレイの多数のピクセルのうちの１つを画定している。各マイクロレンズの主要な要素は凸状上側表面と平坦状下側表面とを与えるために熱処理される有機物質から形成される。
【０００３】
米国特許第６，１５７，０１７号はソリッドステートイメージング装置を開示しており、その場合に、離隔したフォトレジスト領域の二次元アレイをリフローさせることによりマイクロレンズからなるアレイが形成される。結果的に得られる各マイクロレンズは凸状の上側表面と、平坦状の下側表面と、約１．６５と１．７０との間の範囲内の屈折率とを有している。各フィルタの下側のフォトダイオードと共に各マイクロレンズの下側に１個づつ赤、緑、青のフィルタが包含されている。フォトダイオードに向っての光のフォーカシングに貢献すべく隣接するマイクロレンズの間の分散層内に凸状の窪みが形成されている。
【０００４】
米国特許第６，２２１，６８７号は各々がカラーフィルタ層の下側で且つフォトダイオードの上方に位置している複数個のマイクロレンズを包含する複数個のピクセルからなるマトリクスを具備するカラーＣＭＯＳイメージセンサーを開示している。各マイクロレンズは、窒化シリコン等の物質の誘電体層を付着し、該誘電体層の上にレンズ形状のフォトレジスト部分を形成し、次いで該フォトレジスト部分のレンズ状の形状を該誘電体層内にコピーさせる非等方性反応性イオンエッチングプロセスを実施することにより形成される。その結果、平坦状の下側表面を具備する誘電体層及び凸状の上側表面を具備するマイクロレンズ部分となる。
【０００５】
センサーの信号発生性能を向上させながら光学的イメージセンサーにおけるマイクロレンズを形成する簡単化したプロセスを提供することが所望されている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，３０７，２４３号
【特許文献２】米国特許第６，１５７，０１７号
【特許文献３】米国特許第６，２２１，６８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、改良した光学的イメージセンサー及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明の別の目的とするところは、光学的イメージセンサーにおけるマイクロレンズを製造する改良した技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、ＣＭＯＳ回路要素及びフォトセル等の感光性要素からなるアレイを具備する半導体基板上に光学的イメージセンサーが製造され、各フォトセルは比較的高い屈折率を有する物質から形成したマイクロレンズの下側に配設され、各マイクロレンズは下側に存在するフォトセルの感光性領域に集束するように光を屈折させる凸状下側表面を具備している。本発明の好適なプロセスは、エッチマスクにおける開口を介して比較的低い屈折率を有するスペーサー層の上側表面を等方的にエッチングして凸状表面を形成し、それに対してマイクロレンズの凸状下側表面をその後の付着ステップにより形成させることを包含している。本発明プロセスは、本明細書に開示する光学的イメージセンサーを包含する異なる適用例を具備する種々の構造を製造するために使用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１及び２を参照すると、本発明の光学的イメージセンサーが例示されており且つ参照番号１０で大略示されている。センサー装置１０は、好適には、部分的に図１に示した半導体基板１２によって支持されている。基板１２は、初期的にウエハの形態で存在し且つ究極的に標準のチップ製造プロセスに従ってウエハ処理を完了した後に個々のチップに分離される従来の単結晶シリコン基板とすることが可能である。図１は、更に、基板１２の上側に配設したアクティブ層１４を示している。アクティブ層１４及び基板１２は、共に、基板上に単結晶シリコンをエピタキシャル付着させることにより製造した単結晶半導体物質からなる本体を画定している。相互接続層１６がアクティブ層１４の上に配設されている。相互接続層１６は公知の半導体処理技術を使用して形成することが可能な絶縁体及び導体（不図示）を包含している。これらの構造のうちの幾つかについては以下に更に詳細に説明する。
【００１０】
本発明の１つの側面によれば、図１及び２において点線で示したフォトセル１８が二次元アレイの形態に配列されている。図２はより大きなアレイのうちの９個のフォトセル１８のみを示しているに過ぎない。図１に概略的に示したように、各フォトセル１８の一部はアクティブ層１４内に存在しており且つその一部は相互接続層１６内に存在している。各フォトセル１８の上方にマイクロレンズ２０が並置されている。スペーサー層２２が相互接続層１６の上側に配設されており且つ各マイクロレンズ２０の底部をその下側の対応するフォトセル１８から分離している。
【００１１】
各マイクロレンズ２０はそれを介して通過する光がそれに対応するフォトセル１８上に集束するように光を屈折させる。各マイクロレンズ２０は、図１に示したように、凸状の下側表面と平坦状の上側表面とを有している。更に図１に示したように、光学的フィルタ層２４がカラーフィルタ２６を包含しており、各フィルタは対応するマイクロレンズ２０の上方に整合されている。フィルタ層２４はセンサー１０に対して露光されたカラーイメージをデジタルデータで画定するために処理回路（不図示）により組立てることが可能なフォトセルによる信号を発生させるために規則的なパターンで配列した個別的な赤、緑、青のフィルタ２６を包含することが可能である。
【００１２】
図３を参照すると、フォトセル１８の１つの可能な構造が示されており、マイクロレンズ２０及び隣接するＮＭＯＳトランジスタ２８は、実際の回路レイアウトを示すために、フォトセル１８の従来のＣＭＯＳ回路要素との適合性を概略的に示すことを意図したものであって、それは種々の異なる態様で実現することが可能である。技術水準のＢｉＣＭＯＳ処理技術を使用して共通のチップ上にその他の回路要素と共にフォトセル１８及びマイクロレンズ２０を製造することが可能であるということは本発明の有益的な側面である。ＮＭＯＳトランジスタ２８等のトランジスタは、既知の回路アーキテクチャ及び従来のチップ製造技術を適用することにより単一の半導体チップ上に集積化したアドレッシング、フォトセル検知、信号処理機能を与えるためにフォトセルのアレイ内及びその周辺部に設けることが可能である。
【００１３】
基板１２はＰ型シリコン基板とすることが可能であり、それはその上に形成される層１４及び１６よりも著しく厚いものである。フォトセル１８は、好適には、軽度にドープしたＮ型ドリフト領域３２の上方に配設したＰ型アノード領域３０を具備するＰＮ接合フォトダイオードであり、ＰＮ接合３４がそれらの間に画定される。高度にドープしたＰ型アノードコンタクト領域３６がアノード領域３０を取り囲んでいる。高度にドープしたＮ型埋込カソード領域３８がＰＮ接合３４の下側に存在している。厚いフィールド酸化物部分４０がアクティブ層１４内の領域を分離するために公知の技術に基いて設けられている。図３においてアノードコンタクト領域３６の左側に横方向に離隔されて高度にドープされたカソードコンタクト領域４２が設けられており、それはアクティブ層１４の上側表面部分から下方へ延在して埋込カソード領域３８の横方向に延在した部分と合流している。
【００１４】
図３においてフォトセル１８の右側にＮＭＯＳトランジスタ２８が形成されており、それはゲート構成体４８の両側に配設されているソース領域４４とドレイン領域４６とを包含しており、それは公知の構成を有しているので詳細な説明は割愛する。ソース領域４４とドレイン領域４６はアクティブ層１４のＰ型領域５０内へ下方向へ延在しており、それは高度にドープしたＰ型埋込層５２へ下方向へ延在している。
【００１５】
埋込層３８及び５２は、層１４を形成する前に、基板１２の上側表面のパターン形成した区域内へ選択的にドーパントを注入することにより形成することが可能である。埋込層３８及び５２に対応するパターン形成した区域において相次ぐＮ型及びＰ型注入に続いて、基板１２の上側表面上に軽度にドープしたＮ型エピタキシャル層を成長させる。エピタキシャルシリコンが高温において成長するに従い、基板１２の上側表面内へ注入したＮ型及びＰ型ドーパントが基板１２内へ下方向へ及びエピタキシャル層の下側部分内へ上方向へ拡散して図３に実質的に示したような埋込層３８及び５２の形態となる。最終的な装置の構成において、ドリフト領域３２はエピタキシャル層の軽度にドープしたＮ型物質の一部を有している。領域３０，３６，４２，４４，４６，５０はアクティブ層１４を画定するためにエピタキシャル層内のパターン形成した区域の従来のドーピングにより形成する。
【００１６】
シリサイドコンタクト５４がアクティブ層１４の表面の一部の上及びゲート構成体４０の上に配設されており、低抵抗コンタクトを形成することを容易としている。チタン等の耐火性金属を使用して既知の技術に基いてシリサイドコンタクト５４を形成することが可能である。本構成体を介して光が通過し且つＰＮ接合３４の近傍において電子・正孔対を発生させることを可能とすることが必要であるので、反射防止膜として作用する窒化シリコンの薄膜５６がアノード領域３０の上に配設され、アノードコンタクト領域３６の上方においてシリコン表面部分は被覆されないままとしている。このことはアノード領域３０の表面上のシリサイド化を阻止する一方、アノードコンタクト領域３６の上方にシリサイドコンタクト５４を形成することを可能としている。
【００１７】
シリサイド化の後に、相互接続層１６を形成する。実際に、層１６は、相次ぐ層部分において１つを超えるタイプの誘電体物質を付着形成することにより形成することが可能であり、その最も上側の層部分は従来の化学機械研磨（ＣＭＰ）技術により平坦化させることが可能である。少なくとも、フォトセル１８のアノード領域３０上方の層１６の部分が透明である。本装置のトランジスタの電気的特性が入射光により影響されることがないように、その上に光阻止用のスクリーン（不図示）を設けることが有益的である場合がある。
【００１８】
図３において、層１６の誘電体物質を貫通してタングステンプラグ５８が延在している。窒化物層５６及びそれを取り囲むシリサイドコンタクト５４の平面図が図４に示されており、冗長的なタングステンプラグ５８′が角部に示されている。タングステンプラグ５８′は図３には示していない。何故ならば、図３の断面は説明の便宜上アノード領域３０の中心を貫通して取られているからである。図３はアルミニウムコンタクト６０を示しており、それはタングステンプラグ５８の各々と接触している。同様のアルミニウムコンタクト（不図示）が同一の態様で図４のタングステンプラグ５８′と接触している。このようなアルミニウムコンタクトはセンサー装置内の電気的通信を可能とする複雑な相互接続装置の要素である。
【００１９】
本発明の重要な側面によれば、図３はフォトセル１８のアノード領域３０上に集束させるために光を下方向へ屈折すべく整合された好適なマイクロレンズ構成体を示している。好適には、スペーサー層２２が比較的低い屈折率を有する透明な無機誘電体物質を有しており、且つマイクロレンズ２０は比較的高い屈折率を有する透明な無機誘電体物質を有している。最も好適には、製造上の簡単化のために、スペーサー層２２は、基本的に、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成され、且つマイクロレンズ２０は、基本的に、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）から構成される。スペーサー層２２はボール形状をした上側表面部分６２とその周りの平坦状の棚６４とを有している。マイクロレンズ２０は凸状の下側表面６６と平坦状の上側表面６８とを有している。スペーサー層２２のボール形状をした上側表面６２及びマイクロレンズ２０の凸状の下側表面６６とが合致して界面を画定しており、そこにおいて光が屈折される。マイクロレンズ２０を形成する誘電体物質は、オプションとして、凸状表面６６の周辺端部から横方向に延在してスペーサー層２２の棚６４の上側に存在する部分７０を画定している。
【００２０】
当業者により理解されるように、表面において屈折される光の程度は、屈折表面即ち界面において隣り合う２つの物質（入射媒体及び屈折媒体）の屈折率における差異に依存する。スネルの法則によれば、入射媒体の屈折率と入射角度の正弦との積は反射媒体の屈折率と屈折角度の正弦との積に等しい。入射角度及び屈折角度は光束がそれを通過する点における屈折表面に対して垂直な線から測定される。
【００２１】
例示的な例として、図３は点線７２及び７４によって示した経路に沿ってのマイクロレンズ２０へ入る２つの光線の屈折を示している。入射光線７２及び７４は屈折なしでマイクロレンズ２０の平坦状の表面６８を通過する。何故ならば、それらは各々表面６８に垂直な線に対して平行だからである。換言すると、０度の入射角度に対するスネルの法則を解くと、０度の反射角度が得られる。何故ならば、０の正弦はゼロだからである。然しながら、これらの光線は凸状の表面６６において屈折される。何故ならば、それらは、各々、その表面に垂直な線に対してある角度でその面に入射するからである。光線７２は光線７６として屈折され、且つ光線７４は光線７８として屈折される。図示した屈折が発生するのは、屈折媒体（スペーサー層２２）の屈折率が入射媒体（マイクロレンズ２０）の屈折率よりも小さいからである。
【００２２】
スネルの法則によれば、屈折された光線７６は、入射光線７２と法線とにより形成される角度よりも大きな凸状表面６６に対して垂直な線に対する角度で配向される。同一の関係が屈折光線７８と入射光線７４との間に存在している。層２２が充分に厚いものであった場合に、光線７６と７８とが仮想的に交差する点がレンズシステムの焦点距離を画定する。換言すると、マイクロレンズ２０が光線７６及び７８を焦点に向って集束させる。然しながら、フォトセル１８は焦点距離よりも短い距離において凸状表面６６の下側に位置しているので、屈折光線は、図４に示したように、フォトセル１８の上側表面において円形状の区域８０内に集束する。光集束区域８０下側のＰＮ接合３４の近傍におけるＰ型Ｎ型物質がフォトセル１８の感光性領域を画定し、その領域において光エネルギに応答して電子・正孔対が発生され、それにより対応するダイオード電流信号が発生される。
【００２３】
図４から理解されるように、フォトセル１８に対する矩形状のレイアウトはタングステンプラグ５８′を角部に位置決めすることを可能とし、従ってタングステンプラグ５８′の上側部分とそれらのアルミニウムコンタクト（不図示）とが集束する光線と干渉することはない。オプションの特徴として、相互接続回路に対して専用のチップ区域を減少させるためにフォトセル１８のアノード領域３０の上方を包含して相互接続層１６内において透明な導体（不図示）を使用することが可能である。インジウム・錫酸化物等のある金属酸化物は透明であり且つこの目的のために使用することが可能である。
【００２４】
窒化シリコン及び二酸化シリコンは、夫々、マイクロレンズ２０及びスペーサー層２２に対する現在好適な物質である。これらの透明な物質は著しく異なる屈折率を有しており、且つ技術水準のＢｉＣＭＯＳプロセスと適合性がある従来の処理技術を使用して容易に付着させることが可能である。従来の窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）は約２．０の屈折率を有しており、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）は約１．４６の屈折率を有している。これらの値は処理変動と共に僅かに変化する。これら２つの屈折率の間の差異（２．０−１．４６＝０．５４）はレンズシステムの焦点距離に影響を与える。注意すべきことであるが、これらの物質は両方共充分に高い量子エネルギバンドギャップを有しており、マイクロレンズ２０及びスペーサー層２２を介して光が通過する場合にホトンエネルギの吸収は基本的に発生することはない。
【００２５】
マイクロレンズ２０の屈折率を２．０より増加させ及び／又はスペーサー層２２の屈折率を１．４６より減少させることは、図３のレンズシステムの焦点距離を短くさせる。このような変形例は、マイクロレンズ２０及びスペーサー層２２に対して異なる物質を選択することにより可能である。金属酸化物、混合金属酸化物、導電性金属酸化物、硫化亜鉛、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコンオキシカーバイドからなるグループから選択したある物質は高々約２．６の屈折率を示すものであることが知られている。又、金属酸化物、混合金属酸化物、弗化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムからなるグループから選択したある物質は約１．２５まで低い屈折率を示すものであることが知られている。この点については米国特許６，１６５，５９８号を参照すると良い。従って、不当な実験を行うことなしに、マイクロレンズ２０の屈折率を現在好適な窒化シリコン物質の２．０の値より著しく増加させることが可能である。又、不当な実験を行うことなしに、スペーサー層２２の屈折率を現在好適な二酸化シリコン物質の１．４６の値より著しく低いものとさせることが可能である。処理の簡単さと構造的向上との間のトレードオフ即ち利益衡量がマイクロレンズ２０及びスペーサー層２２に対する物質の選択を行う場合に考慮されねばならない。
【００２６】
更に、従来の窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）は３個のシリコン原子に対し４個の窒化物原子の比を有するものであるが、シリコン対窒素の比は２．０を著しく超える屈折率を有するシリコンリッチな窒化シリコンを生成するために増加させることが可能であることが知られている。この点については米国特許第４，８７０，４７０号及び第６，３２６，３２１号を参照すると良い。窒化シリコンの気相成長（ＣＶＤ）は、通常、典型的にキャリアガスとして窒素を使用するシリコン前駆体ガス及びアンモニア（ＮＨ3）のガス混合物を使用して行われる。シリコン前駆体ガスは、典型的に、シラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、又はジクロロシラン（ＳｉＨ2ＣＬ2）である。この点については米国特許第６，１２１，１３３号を参照すると良い。所望のシリコン対窒素の比を有するシリコンリッチな窒化シリコン層の付着を達成するためにＣＶＤ反応器内へのシリコン前駆体ガスの流量を制御することが可能である。従って、２．０を著しく超える選択した屈折率を有する層を付着形成するためにシリコン対窒素の比を調節し且つこのようなシリコンリッチな窒化シリコン層からマイクロレンズ２０を製造することによって図３のレンズシステムの焦点距離を効果的に調節することが可能である。
【００２７】
次に図５乃至９を参照して、図３のマイクロレンズ構成体を製造する好適な方法について説明する。図５は、アクティブ層１４と相互接続層１６とが基板１２の上に形成された段階における構成体を模式的に示している。点線で示したフォトセル１８も層１４及び１６内に形成されている。
【００２８】
次に、図６を参照すると、比較的厚いスペーサー層２２が相互接続層１６の上側に付着形成されている。上述した如く、スペーサー層２２は、好適には、比較的低い屈折率を有する透明な無機誘電体物質を有している。層２２の物質は、最も好適には、基本的に、二酸化シリコンから構成され、それは従来のＣＶＤ技術を使用して形成することが可能である。シリコン及び酸素以外の元素が層２２内に取込まれ、水素のようなそのうちの幾つかは回避不可能なものである。何故ならば、それらは反応ガス又はキャリアガス中に包含されているからである。影響のない程度の量の不純物も存在している。例えばボロン及び／又は燐等の少量のドーパントを添加することも可能である。
【００２９】
図７は幾つかの付加的なステップの後の構成体を示している。ホトレジスト層がスペーサー層２２の上に付着形成されており、次いで公知の技術を使用してリソグラフィによりパターン形成し円筒形状の開口８４を有するエッチマスク８２を生成し、該開口はフォトセル１８の感光性領域の上方に軸方向に整合している。次いで、開口８４を介してスペーサー層２２を等方的にエッチングし、その場合には、好適には希釈弗化水素酸溶液を使用する。エッチングの期間は所望の深さの大略球状のボール形状をした表面６２を生成すべく制御する。図７から理解されるように、等方的エッチングはレジストマスク８２をアンダーカットし、従ってボール形状をした表面６２の横方向範囲は開口８４の直径よりも一層大きい。
【００３０】
図８は、レジスト８２を剥離し且つ比較的高い屈折率を有する透明な物質からなるコンフォーマル層８６を付着形成した後の構成体を示している。好適には、層８６は無機誘電体物質を有している。層８６は、スペーサー層２２のボール形状をした表面６２にならった大略球状の凸状表面６６を有している。
【００３１】
最も好適には、層８６は、基本的に、シランとアンモニアとを使用して従来のＣＶＤ手順により形成した窒化シリコンから構成されている。層８６はシリコン及び窒素以外の元素、主に水素を包含しており、それはシランとアンモニアとの反応の生成物である。影響のない程度の量の不純物も存在している。酸素等のその他の元素も添加することも可能である。酸素の添加はシリコンオキシナイトライド又はシリコンリッチなオキシナイトライドからなる層を形成するために使用することが可能である。従来の窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を付着形成させるために付着を制御する場合には、層８６はほぼ約２．０の屈折率を有する。上述したように、ｙ対ｘの比が３対４より大きなＳｉyＮx層を生成するために従来の窒化シリコン付着プロセスと比較してある量だけリアクター内へのシランの流量を増加させることが可能である。この変形例は２．０を著しく超える屈折率を有するシリコンリッチな窒化シリコン層を生成する。
【００３２】
シリコンリッチな窒化シリコン層を与える１つのアプローチは、層８６の下側部分が上側部分よりも一層高いシリコン対窒素の比を有するように反応器内へのガスの流れを変化させることである。換言すると、マイクロレンズを製造するために使用する物質は、装置設計者が最適な結果を得るためにレンズシステムの焦点距離を調節することを可能とするために処理パラメータを制御することにより決定することが可能な光学的密度勾配を有している。
【００３３】
図９は平坦化した上側表面６８を与え且つマイクロレンズ２０の最終的な形状を画定するＣＭＰステップの後の構成体を示している。図１を参照して上に説明したように、カラーフィルタ層を付着形成するためにその後の処理ステップを使用することが可能である。理解されるように、図９のマイクロレンズ２０及び対応するフォトセル１８は光学的イメージセンサー内のより大きなアレイにおけるこのような要素の一対であるに過ぎない。
【００３４】
前述したことから明らかなように、本発明の重要な側面を実施することにより種々の有益的な結果を得ることが可能である。マイクロレンズのないアレイと比較して各フォトセルの信号対雑音比を増加させるために、アレイの各フォトセルの上方に凸状の下側表面を具備するマイクロレンズを集積化することによりより効率的な光学的イメージセンサーを構成することが可能である。このようなマイクロレンズの集積化はイメージセンサーのピクセル寸法を減少させることも可能とし、分解能を増加させることを可能とする。レンズシステムに対する理想的な窒化シリコン及び二酸化シリコン物質は集積回路製造プロセスと高度に適合性を有している。マイクロレンズ物質の屈折率の調節可能性、及びより少ない程度でスペーサー層物質の屈折率の調節可能性は、構造的設計柔軟性に対しレンズシステムの焦点距離を調節することを可能とする。
【００３５】
本明細書に記載した基本的な概念の更なる有益的な使用は特許請求の範囲から明らかである。例えば、図５乃至９に関して説明した方法は光源からの光信号を１個又はそれ以上の光ファイバーへ結合させるために使用されるマイクロレンズ構成体を製造する製造ステップのシーケンスにおいて包含させることが可能である。このような適用例において、図３のスペーサー層２２は半導体チップの代わりに光学的界面の上に配設することが可能であり、その光学的界面は１つ又はそれ以上の光ファイバーの端部を包含するものである。
【００３６】
別の例として、図５乃至９の方法に従って製造したマイクロレンズ構成体は層１４及び１６に類似しているがフォトセルの代わりに例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源を包含する中間アクティブ層及び相互接続層を具備する半導体基板の上側に配設することが可能である。感光層を複数個のマイクロレンズからなるアレイの上に配設することが可能であり、且つＬＥＤの各々をイメージング又は診断機能のために選択的に活性化させることが可能である。診断適用例は特定の化学的又は生物学的物質を同定することが可能な光起動式反応層又は感光性センサー層の使用を包含している。
【００３７】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の１実施例に基づくセンサー装置の一部であってフォトセル及びマイクロレンズを上部に形成した半導体チップの一部を示した概略断面図。
【図２】図１のマイクロレンズのレイアウトを示した概略平面図。
【図３】図１と同様の断面におけるマイクロレンズ及びフォトセルのより詳細な構成を示した概略断面図。
【図４】図３における４−４線に沿ってとった図３の内部の一部を示した概略平面図。
【図５】図３の構成体を製造する好適なプロセスにおける１つの段階における状態を示した概略断面図。
【図６】図３の構成体を製造する好適なプロセスにおける１つの段階における状態を示した概略断面図。
【図７】図３の構成体を製造する好適なプロセスにおける１つの段階における状態を示した概略断面図。
【図８】図３の構成体を製造する好適なプロセスにおける１つの段階における状態を示した概略断面図。
【図９】図３の構成体を製造する好適なプロセスにおける１つの段階における状態を示した概略断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１０  光学的イメージセンサー
１２  基板
１４  アクティブ層
１６  相互接続層
１８  フォトセル
２０  マイクロレンズ
２２  スペーサー層
２４  フィルタ層
２６  フィルタ
２８  ＮＭＯＳトランジスタ
【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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【図８】
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【図９】
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