JP7301090B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、特に、異なるグリッド幅を有する金属グリッド構造を含む固体撮像素子に関するものである。

固体撮像素子（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサなど）は、デジタル静止画カメラ、デジタルビデオカメラなどの様々な撮像装置に広く用いられている。固体撮像素子の光検知部は、複数の画素のそれぞれに形成され、信号電荷が光検知部で受光した受光量に応じて発生される。また、光検知部で発生した信号電荷が伝達されて増幅されることにより、画像信号が得られる。

近年、画素数を増加させて高解像度の画像を提供するために、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される固体撮像素子の画素サイズを小さくする傾向にある。しかしながら、画素サイズの縮小が進む一方で、イメージセンサの設計および製造には依然として様々な課題がある。

例えば、固体撮像素子に直接照射される斜め入射光は、反射光と透過光に分割されてもよい。しかしながら、隣接する画素で異なる色を有するカラーフィルタセグメントに入射した反射光と透過光は、反射光と透過光が異なるエネルギーを持つようになる。反射光と透過光のエネルギーが異なると、同じ色の隣接する画素で異なる信号強度となり、これは、チャネル分離と呼ばれる。チャネル分離は、画像検出の効果を低下させる。

異なるグリッド幅を有する金属グリッド構造を含む固体撮像素子を提供する。

本開示のいくつかの実施形態では、固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、複数の光電変換素子を含む。固体撮像素子は、光電変換素子の上に配置され、複数の第１のカラーフィルタセグメントを有する第１のカラーフィルタ層も含む。固体撮像素子は、光電変換素子の上に配置され、第１のカラーフィルタ層に隣接し、複数の第２のカラーフィルタセグメントを有する第２のカラーフィルタ層をさらに含む。さらに、固体撮像素子は、第１のカラーフィルタ層と第２のカラーフィルタ層との間に配置された第１の金属グリッド構造を含む。固体撮像素子は、第１のカラーフィルタセグメントの間及び第２のカラーフィルタセグメントとの間にそれぞれ配置された第２の金属グリッド構造も含む。第１の金属グリッド構造の底部は第１のグリッド幅を有し、第２の金属グリッド構造の底部は第２のグリッド幅を有する。第２のグリッド幅は、第１のグリッド幅よりも狭い。

いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルタセグメントは、複数の緑色カラーフィルタセグメントを含み、第２のカラーフィルタセグメントは、複数の青色及び／又は赤色のカラーフィルタセグメントを含む。

いくつかの実施形態では、複数の緑色カラーフィルタセグメントの間の第２の金属グリッド構造の底部は緑色グリッド幅を有し、複数の青色及び／又は赤色カラーフィルタセグメントの間の第２の金属グリッド構造の底部は緑色グリッド幅と異なる青色及び／又は赤色グリッド幅を有する。

いくつかの実施形態では、緑色グリッド幅と青色及び／又は赤色グリッド幅との間の差は、０～５０ｎｍである。

いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、第１の金属グリッド構造および第２の金属グリッド構造上に配置されたパーティショングリッド構造をさらに含む。固体撮像素子の断面図では、パーティショングリッド構造は複数のパーティショングリッドセグメントに分割される。

いくつかの実施形態では、パーティショングリッド構造は、第１のグリッド幅以上のパーティショングリッド幅を有する。

いくつかの実施形態では、第２の金属グリッド構造は、固体撮像素子の端部領域では、対応するパーティショングリッドセグメントの中心線に対してシフトして配置される。

いくつかの実施形態では、シフト（シフト量）は可変である。

いくつかの実施形態では、固体撮像素子の端部領域では対応するパーティショングリッドセグメントの中心線に対して、緑色カラーフィルタセグメントの間の第２の金属グリッド構造は、第１のシフト分シフトして配置され、青色及び／又は赤色のカラーフィルタセグメントの間の第２の金属グリッド構造は、第２のシフト分シフトして配置され、第１のシフトと第２のシフトは異なる。

いくつかの実施形態では、第１のシフト（第１のシフト量）と第２のシフト（第２のシフト量）の差は０～５０ｎｍである。

いくつかの実施形態では、水平方向では、第２の金属グリッド構造は入射光から離れる側に向かってシフトして配置される。

いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルタ層または第２のカラーフィルタ層は、第２の金属グリッド構造の一部を覆う。

いくつかの実施形態では、光電変換素子は、複数の位相検出オートフォーカス画素と、位相検出オートフォーカス画素を囲む複数の第１の通常画素と、第１の通常画素を囲む複数の第２の通常画素とに対応するように配置される。

いくつかの実施形態では、第１の金属グリッド構造は、位相検出オートフォーカス画素と第１の通常画素との間の領域に対応するように配置され、第２の金属グリッド構造は、第１の通常画素と第２の通常画素との間の領域に対応するように配置される。

いくつかの実施形態では、第１の金属グリッド構造は第１のグリッドの高さを有し、第２の金属グリッド構造は第２のグリッドの高さを有する。第２のグリッドの高さは、第１のグリッドの高さよりも低い。

いくつかの実施形態では、固体撮像素子の断面図では、第１の金属グリッド構造および第２の金属グリッド構造は、台形、三角形、または長方形として形成されることとされる。

いくつかの実施形態では、固体撮像素子は、第１のカラーフィルタ層および第２のカラーフィルタ層上に配置された複数の集光構造をさらに含む。

いくつかの実施形態では、集光構造の厚さは異なる。

いくつかの実施形態では、第１のグリッド幅に対する第２のグリッド幅の比は、約０．２５～約０．９である。

本開示のいくつかの実施形態では、固体撮像素子は、異なるグリッド幅を有する金属グリッド構造を含み、これはチャネル分離を改善し、それにより固体撮像素子の光電変換素子からの画像信号の品質を向上させることができる。

図１は、本開示の一実施形態による固体撮像素子を示す上面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ’線に沿った固体撮像素子の断面図である。 図３は、図１のＢ－Ｂ’線に沿った固体撮像素子の断面図である。 図４は、図２に対応する固体撮像素子のもう1つの断面図である。 図５は、図３に対応する固体撮像素子のもう1つの断面図である。 図６は、本開示のもう1つの実施形態による固体撮像素子を示す断面図である。 図７は、本開示のもう1つの実施形態による固体撮像素子を示す断面図である。 図８は、図７に対応する固体撮像素子のもう1つの断面図である。 図９は、本開示の一実施形態による固体撮像素子の断面図である。 図１０は、本開示の一実施形態による固体撮像素子の断面図である。 図１１は、本開示のもう1つの実施形態による固体撮像素子の断面図である。 図１２は、本開示の一実施形態による固体撮像素子の断面図である。

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、下記の開示において、第１の特徴が第２の特徴の上に形成されるということは、第１と第２の特徴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の特徴が直接接触しないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成される複数の実施形態を含むこともできる。

追加のステップが、例示された方法の前、間、または後に実施されてもよく、例示された方法のその他の実施形態では、いくつかのステップが置き換えられるか、または省略されてもよい。

さらに、(以下の詳細な説明において)、「下の方」、「下方」、「下部」、「上」、「上方」、「上部」およびこれらに類する語のような、空間的に相対的な用語は、図において１つの要素または特徴と、別の（複数の）要素と（複数の）特徴との関係を記述するための説明を簡潔にするために用いられる。空間的に相対的な用語は、図に記載された方向に加えて、使用または操作する装置の異なる方向を包含することを意図している。装置は、他に方向づけされてもよく（９０度回転、または他の方向に）、ここで用いられる空間的に相対的な記述は、同様にそれに応じて解釈され得る。

本開示では、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、記載されている値の＋／－２０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－５％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－３％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－２％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、記載されている値の＋／－０．５％を意味する。本開示で記載されている値は、近似値である。即ち、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語の具体的な説明がないとき、記載されている値は、「約」、「およそ」、および「実質的に」の意味を含む。

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。

本開示は、以下の実施形態において同じ構成要素の符号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、説明される様々な実施形態および／または構成の関係を限定するものではない。

固体撮像素子は、受光ユニットに入射する光の方向により、大きく２つのグループに分類できる。１つは、読み取り回路の配線層が形成された半導体基板の表面に入射する光を受光する表面照射（ＦＳＩ）イメージセンサである。もう一つは、配線層が形成されていない半導体基板の裏面に入射する光を受光する裏面照射型（ＢＳＩ）イメージセンサである。カラー画像を画像化するために、カラーフィルタ層がＦＳＩおよびＢＳＩ画像センサに提供され得る。

図１は、本開示の一実施形態による固体撮像素子１０を示す上面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線に沿った固体撮像素子１０の断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ’線に沿った固体撮像素子１０の断面図である。簡略化のため、図１～図３では、固体撮像素子１０の一部の構成要素が省略されてもよい。

いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサであり得るが、本開示はこれに限定されない。図２および図３に示すように、固体撮像素子１０は、例えば、ウェハまたはチップであり得る半導体基板１０１を含むが、本開示はこれに限定されない。半導体基板１０１は、表面１０１Ｆと、表面１０１Ｆと反対側の裏面１０１Ｂとを有する。フォトダイオードなどの複数の光電変換素子１０３が半導体基板１０１内に形成されてもよい。

いくつかの実施形態では、半導体基板１０１内の光電変換素子１０３は、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域またはディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）領域などの分離構造（図示せず）によって互いに分離されることができる。分離構造は、エッチングプロセスを用いて半導体基板１０１にトレンチを形成し、トレンチを絶縁材料または誘電体材料で充填することができる。

いくつかの実施形態では、光電変換素子１０３は、半導体基板１０１の裏面１０１Ｂに形成され、配線層１０５は、半導体基板１０１の表面１０１Ｆに形成されるが、本開示はこれに限定されない。配線層１０５は、複数の誘電体層に埋め込まれた複数の導電線およびビアを含む相互接続構造とすることができ、固体撮像素子１０に必要な様々な電気回路をさらに含むことができる。入射光は、裏面１０１Ｂ側に照射され、光電変換素子１０３で受光されることができる。

図２および図３に示された固体撮像素子１０は、裏面照射（ＢＳＩ）イメージセンサと呼ばれるが、本開示はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、固体撮像素子は、前面照射（ＦＳＩ）イメージセンサであってもよい。図２および図３に示された半導体基板１０１および配線層１０５は、ＦＳＩイメージセンサ用に反転されてもよい。ＦＳＩイメージセンサでは、入射光は、表面１０１Ｆ側に照射され、配線層１０５を通過し、次いで半導体基板１０１の裏面１０１Ｂに形成された光電変換素子１０３で受光される。

図２および図３に示されるように、いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、半導体基板１０１の裏面１０１Ｂ上に形成され、光電変換素子１０３を覆う高誘電率（高κ）膜１０７も含むことができる。高ｋ膜１０７の材料は、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ン（ＨｆＴｉＯ）、酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆＺｒＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、その他の適切な高ｋ誘電体材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示はそれに限定されない。高ｋ膜１０７は、堆積プロセスによって形成されてもよい。堆積プロセスは、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、または別の堆積技術である。高ｋ膜１０７は、高屈折率および光吸収能力を有してもよい。

図２および図３に示されるように、いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、高ｋ膜１０７上に形成されたバッファ層１０９をさらに含んでもよい。バッファ層１０９の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、その他の適切な絶縁材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示は、それに限定されない。バッファ層１０９は、堆積プロセスによって形成されてもよい。堆積プロセスは、例えば、スピンオンコーティング、化学気相堆積、流動性化学気相堆積（ＦＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相堆積、物理気相堆積（ＰＶＤ）、またはその他の堆積技術である。

図１～図３に示すように、固体撮像素子１０は、光電変換素子１０３の上に配置された緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、および赤色カラーフィルタ層１１５Ｒを含む。より詳細には、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇは、複数の緑色フィルタセグメント１１５ＧＳを有し、青色カラーフィルタ層１１５Ｂは、複数の青色フィルタセグメント１１５ＢＳを有し、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒは、複数の赤色フィルタセグメント１１５ＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、青色カラーフィルタ層１１５Ｂは、図１および図２に示されるように緑色カラーフィルタ層１１５Ｇに隣接して配置され、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒは、図１および図３に示されるように緑色カラーフィルタ層１１５Ｇに隣接して配置されるが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、固体撮像素子１０は、白色カラーフィルタ層または黄色カラーフィルタ層を含んでもよい。

図１から図３に示すように、固体撮像素子１０は、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３を含む。より詳細には、第１の金属グリッド構造１１１は、図１と図２に示すように、緑色フィルタ層１１５Ｇと青色フィルタ層１１５Ｂとの間、および図１と図３に示すように、緑色フィルタ層１１５Ｇと赤色フィルタ層１１５Ｒとの間に配置され、第２の金属グリッド構造１１３は、図１～図３に示されるように、緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳの間、青色カラーフィルタセグメント１１５ＢＳの間、および赤色カラーフィルタセグメント１１５ＲＳの間に配置されるが、本開示はそれらに限定されない。

図２および図３に示されるように、固体撮像素子１０の断面図では、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３は台形に形成されているが、本開示はそれに限定されない。本開示の実施形態では、第１の金属グリッド構造１１１の底部は、第１のグリッド幅ＭＷ１を有し、第２の金属グリッド構造１１３の底部は、第１のグリッド幅ＭＷ１よりも狭い第２のグリッド幅ＭＷ２を有する。いくつかの実施形態では、第１のグリッド幅ＭＷ1に対する第２のグリッド幅ＭＷ２の比は、約０．２５～約０．９（即ち、ＭＷ２／ＭＷＩ＝０．２５～０．９）であることができるが、本開示はそれに限定されない。

いくつかの実施形態では、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３の材料は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、金属窒化物（例えば、窒化チタン（ＴｉＮ））、他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示は、それらに限定されない。第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３は、バッファ層１０９上に金属層を堆積させ、次いでフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスを用いて金属層をパターン化して第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３を形成することによって形成されることができるが、本開示はこれに限定されない。

いくつかの実施形態では、緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳの間の第２の金属グリッド構造１１３は、図１～図３に示されるように、第２の金属グリッド構造１１３Ｇと呼ばれてもよく、青色カラーフィルタセグメント１１５ＢＳの間の第２の金属グリッド構造１１３は、図１および図２に示されるように、第２の金属グリッド構造１１３Ｂと呼ばれてもよく、且つ赤色カラーフィルタセグメント１１５ＲＳの間の第２の金属グリッド構造１１３は、図１および図３に示されるように、第２の金属グリッド構造１１３Ｒと呼ばれてもよい。さらに、緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳの間の第２の金属グリッド構造１１３Ｇの底部は、緑色グリッド幅ＭＷＧを有し、青色カラーフィルタセグメント１１５ＢＳの間の第２の金属グリッド構造１１３Ｂの底部は、青色グリッド幅ＭＷＢを有し、 且つ赤色カラーフィルタセグメント１１５ＲＳの間の第２の金属グリッド構造１１３Ｒの底部は、赤色グリッド幅ＭＷＲを有する。

いくつかの実施形態では、第２のグリッド幅ＭＷ２は可変であってもよい。例えば、図１および図２に示すように、青色グリッド幅ＭＷＢが緑色グリッド幅ＭＷＧと異なっていてもよく、赤色グリッド幅ＭＷＲが緑色グリッド幅ＭＷＧと異なっていてもよいが、本開示はそれらに限定されない。いくつかの実施形態では、緑色グリッド幅ＭＷＧと青色グリッド幅ＭＷＢとの間の差、または緑色のグリッド幅ＭＷＧと赤色グリッド幅ＭＷＲとの間の差は、約０～５０ｎｍ（即ち、ＭＷＲ－ＭＷＧ＝０±５０ｎｍまたはＭＷＢ－ＭＷＧ＝０±５０ｎｍ）であることができるが、本開示はそれに限定されない。

図２および図３に示されるように、いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３上に配置されたパーティショングリッド構造１２１を含んでもよい。図２および図３に示されるように、固体撮像素子１０の断面図では、パーティショングリッド構造１２１は、複数のパーティショングリッドセグメント１２１Ｓに分割されてもよい。

いくつかの実施形態では、パーティショングリッド構造１２１の材料は、約１．０から約１．９９の範囲の低屈折率を有する透明な誘電体材料を含んでもよい。さらに、本開示の実施形態では、パーティショングリッド構造１２１の屈折率は、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇの屈折率、青色カラーフィルタ層１１５Ｂの屈折率、および赤色カラーフィルタ層１１５Ｒの屈折率よりも低くてもよい。

図２に示されるように、パーティショングリッド構造１２１（パーティショングリッドセグメント１２１Ｓ）は、パーティショングリッド幅１２１Ｗを有する。いくつかの実施形態では、パーティショングリッド幅１２１Ｗは、第１の金属グリッド構造１１１の底部の第１のグリッド幅ＭＷ１以上であってもよい。即ち、パーティショングリッド構造１２１は、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３を覆うことができるが、本開示はそれに限定されない。

本開示の実施形態による固体画像装置１０において、同じ色の異なる画素（即ち、異なるカラーフィルタセグメント）で感度を測定した結果、Ｇｒ画素（例えば、図３に対応する緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳ）での感度差は、約１２．４％（正規化感度）であり、Ｇｂ画素（例えば、図２に対応する緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳ）での感度差は、約９．９％である。しかしながら、異なるグリッド幅を有する金属グリッド構造のない従来の固体撮像素子では、Ｇｒ画素での感度差は約１６．１％（正規化感度）であり、Ｇｂ画素での感度差は約１３％である。上述の結果は、本開示の実施形態による固体撮像素子１０が、同じ色の異なる画素で感度をより一貫性のあるものにすることができることを証明している。従って、チャネル分離の問題が改善され、それにより固体撮像素子の光電変換素子からの画像信号の品質を向上させることができる。

図２および図３に示されるように、いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、カラーフィルタ層（例えば、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒ）上に配置された透明層１１７、およびパーティショングリッド構造１２１を含んでもよい。いくつかの実施形態では、透明層１１７の材料は、ガラス、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン、他の任意の適用可能な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、本開示はそれらに限定されない。

図２および図３に示されるように、いくつかの実施形態では、固体撮像素子１０は、カラーフィルタ層（例えば、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒ）上に配置された複数の集光構造１１９を含み、入射光を集光することができる。特に、集光構造１１９は、透明層１１７上に配置されていてもよいが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、集光構造１１９の材料は、透明層１１７の材料と同じまたは類似していてもよいが、本開示はそれに限定されない。

いくつかの実施形態では、集光構造１１９は、半凸レンズまたは凸レンズなどのマイクロレンズ構造であることができるが、本開示はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、集光構造１１９は、マイクロピラミッド構造（例えば、円錐、四角錐など）であってもよく、またはマイクロ台形（ｍｉｃｒｏ－ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）構造（例えば、平頂円錐、平頂四角錐など）であってもよい。あるいは、集光構造１１９は、屈折率勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｉｎｄｅｘ）構造であってもよい。

図２および図３に示される実施形態では、集光構造１１９のそれぞれは、緑色フィルタセグメント１１５ＧＳの１つ、青色フィルタセグメント１１５ＢＳの１つ、または赤色フィルタセグメント１１５ＲＳの１つに対応するが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、集光構造１１９のそれぞれは、少なくとも２つの緑色フィルタセグメント１１５ＧＳ、少なくとも２つの青色フィルタセグメント１１５ＢＳ、または少なくとも２つの赤色フィルタセグメント１１５ＲＳに対応することができる。

図４は、図２に対応する固体撮像素子１０の他の断面図である。図５は、図３に対応する固体撮像素子１０の他の断面図である。例えば、図２および図３は、固体撮像素子１０の中央領域に対応する断面図であり、図４および図５は、固体撮像素子１０の端部（又は周辺部）領域（中央領域の外側）に対応する断面図である。

図４および図５に示すように、固体撮像素子１０の端部領域では、第２の金属グリッド構造１１３は、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対してシフトして配置される。例えば、緑色フィルタセグメント１１５ＧＳの間の第２の金属グリッド構造１１３（即ち、第２の金属グリッド構造１１３Ｇ）は、図４および図５に示されるように、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線（半導体基板１０１及び高κ膜１０７等の積層方向に沿う垂線）に対してシフトｄＧを有することができる（第２の金属グリッド構造１１３Ｇが、パーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対してシフトｄＧ分、面に沿う方向にずれている）。青色フィルタセグメント１１５ＢＳの間の第２の金属グリッド構造１１３（即ち、第２の金属グリッド構造１１３Ｂ）は、図４に示されるように、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対してシフトｄＢ分シフトして配置される、且つ赤色フィルタセグメント１１５ＲＳの間の第２の金属グリッド構造１１３（即ち、第２の金属グリッド構造１１３Ｒ）は、図５に示されるように、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対してシフトｄＲ分シフトして配置される。

いくつかの実施形態では、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対する第２の金属グリッド構造１１３のシフトは可変であってもよい。即ち、シフトｄＧ、シフトｄＢ、およびシフトｄＲは、図４および図５に示されるように異なっていてもよいが、本開示はこれに限定されない。いくつかの実施形態では、シフトｄＧとシフトｄＢとの間の差、またはシフトｄＧとシフトｄＲとの間の差は、約０～５０ｎｍ（即ち、ｄＧ－ｄＢ＝０±５０ｎｍまたはｄＧ－ｄＲ＝０±５０ｎｍ）であることができるが、本開示はそれに限定されない。

さらに、いくつかの実施形態では、水平方向では、第２の金属グリッド構造１１３は入射光Ｌから離れる側に向かってシフトするように配置される。例えば、図４および図５に示されるように、水平方向Ｄは、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、および赤色カラーフィルタ層１１５Ｒの上面と平行な方向であってもよく、入射光Ｌは左側からであり、第２の金属グリッド構造１１３（例えば、第２の金属グリッド構造１１３Ｇ、第２の金属グリッド構造１１３Ｂ、第２の金属グリッド構造１１３Ｒ）は右側に向かってシフトして配置され、本開示はそれらに限定されない。

いくつかの実施形態では、集光構造１１９は、図４および図５に示されるように、固体撮像素子１０の端部領域のカラーフィルタ層（例えば、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒ）に対してシフトして配置されることができるが、本開示はそれに限定されない。

前述の実施形態では、パーティショングリッド構造１２１は、第２の金属グリッド構造１１３を完全に覆っている。即ち、第２の金属グリッド構造１１３は、パーティショングリッド構造１２１内に配置されることができるが、本開示はそれに限定されない。

図６は、本開示のもう1つの実施形態による固体撮像素子１２を示す断面図である。図６に示された固体撮像素子１２は、図４に示された固体撮像素子１０と同様の構造を有する。さらに、図６は、固体撮像素子１２の端部領域に対応する断面図である。

図６に示すように、図４に示された固体画像素子１０との違いは、図６に示された固体撮像素子１２のカラーフィルタ層が、第２の金属グリッド構造１１３の一部を覆ってもよいことである。より詳細には、図６に示されるように、青色フィルタ層１１５Ｂ（青色フィルタ層セグメント１１５ＢＳ）は、第２の金属グリッド構造１１３Ｂ’の一部を覆ってもよく、緑色フィルタ層１１５Ｇ（緑色フィルタ層セグメント１１５ＧＳ）は、第２の金属グリッド構造１１３Ｇ’の一部を覆ってもよい。即ち、図４に示された固体撮像素子１０と比較して、シフトｄＢ’はシフトｄＢよりも大きくてもよく、シフトｄＧ’はシフトｄＧよりも大きくてもよいため、第２の金属グリッド構造１１３の一部が対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓを超えてもよいが、本開示はそれに限定されない。

図７は、本開示の他の実施形態による固体撮像素子１４を示す断面図である。図８は、図７に対応する固体撮像素子１４の他の断面図である。例えば、図７は、固体撮像素子１４の中央領域に対応する断面図であり、図８は、固体撮像素子１４の端部（又は周辺部）領域（中央領域の外側）に対応する断面図である。

図７および図８に示すように、固体撮像素子１４の光電変換素子１０３は、複数の位相検出オートフォーカス画素ＰＤＡＦと、位相検出オートフォーカス画素ＰＤＡＦを囲む複数の第１の通常画素Ｐ１と、第１の通常画素Ｐ１を囲む複数の第２の通常画素Ｐ２とに対応するように配置されてもよい。

この実施形態では、位相検出オートフォーカス画素ＰＤＡＦに対応する領域では、各カラーフィルタセグメント（例えば、緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳ）は、少なくとも２つの光電変換要素１０３に対応することができ、第１の通常画素Ｐ１または第２の通常画素Ｐ２に対応する領域では、各カラーフィルタセグメント（例えば、緑色カラーフィルタセグメント１１５ＧＳ）は、１つの光電変換素子１０３に対応することができるが、本開示はそれに限定されない。

いくつかの実施形態では、図７および図８に示されるように、第１の金属グリッド構造１１１は、位相検出オートフォーカス画素ＰＤＡＦと第１の通常画素Ｐ１との間の領域に対応するように配置されてもよく、第２の金属グリッド構造１１３は、第１の通常画素Ｐ１と第２の通常画素Ｐ２との間の領域に対応するように配置されてもよいが、本開示はそれに限定されない。

同様に、この実施形態では、第１の金属グリッド構造１１１の底部は、第１のグリッド幅ＭＷ１を有し、第２の金属グリッド構造１１３の底部は、第１のグリッド幅ＭＷ１よりも狭い第２のグリッド幅ＭＷ２を有する。 いくつかの実施形態では、第１のグリッド幅ＭＷ１に対する第２のグリッド幅ＭＷ２の比は、約０．２５～約０．９（即ち、ＭＷ２／ＭＷ１＝０．２５～０．９）であってもよいが、本開示はそれに限定されない。さらに、固体撮像素子１４の端部領域では、第２の金属グリッド構造１１３は、対応するパーティショングリッドセグメント１２１Ｓの中心線に対してシフト（例えば、シフトｄＧ）して配置されてもよい。

図９は、本開示の一実施形態による固体撮像素子１６の断面図である。図９に示すように、固体撮像素子１６は、図３に示された固体撮像素子１０と同様の構造を有してもよい。図３に示された固体撮像素子１０との違いは、図９に示された固体撮像素子１６では、第１の金属グリッド構造１１１が第１のグリッドの高さＭＨ１を有し、第２の金属グリッド構造１１３が第２のグリッドの高さＭＨＲ（またはＭＨＧ）を有していてもよいことである。この実施形態では、第２のグリッドの高さＭＨＲ（またはＭＨＧ）は、第１のグリッドの高さＭＨ１よりも低くてもよい（即ち、ＭＨＲ＜ＭＨ１またはＭＨＧ＜ＭＨ１）。

さらに、他の実施形態では、第２の金属グリッド構造１１３の第２のグリッドの高さは可変であってもよい。例えば、図９に示されるように、第２のグリッドの高さＭＨＲは、第２のグリッドの高さＭＨＧよりも大きくてもよいが、本開示はそれに限定されない。

前述の実施形態では、第１の金属グリッド構造１１１および第２の金属グリッド構造１１３は、固体撮像素子の断面図では台形として形成されることとして示されているが、本開示はそれに限定されない。

図１０は、本開示の一実施形態による固体撮像素子１８の断面図である。図１１は、本開示の他の実施形態による固体撮像素子２０の断面図である。図１０に示すように、固体撮像素子１８の断面図では、第１の金属グリッド構造１１１’および第２の金属グリッド構造１１３’は三角形として形成されることとされるが、本開示はそれに限定されない。図１１に示すように、固体撮像素子２０の断面図では、第１の金属グリッド構造１１１”および第２の金属グリッド構造１１３”は長方形として形成されることとされるが、本開示はそれに限定されない。

図１２は、本開示の一実施形態による固体撮像素子２２の断面図である。図１２に示すように、固体撮像素子２２は、図３に示された固体撮像素子１０と同様の構造を有してもよい。図３に示された固体撮像素子１０との違いは、固体撮像素子２２の集光構造（１１９－１、１１９－２）の厚さが異なってもよいことである。より詳細には、図１２に示されるように、固体撮像素子２２は、カラーフィルタ層（例えば、緑色カラーフィルタ層１１５Ｇ、青色カラーフィルタ層１１５Ｂ、赤色カラーフィルタ層１１５Ｒ）上に配置された複数の第１の集光構造１１９－１および複数の第２の集光構造１１９－２を含んでもよい。この実施形態では、第１の集光構造１１９－１は第１の厚さＭＬ１を有してもよく、第２の集光構造１１９－２は第２の厚さＭＬ２を有してもよく、且つ第１の厚さＭＬ１は第２の厚さＭＬ２よりも大きくてもよいが、本開示はこれに限定されない。

要約すると、一定の金属グリッド幅を有する従来のグリッド構造と比較して、本開示の実施形態の固体撮像素子は、異なる幅を有する第１の金属グリッド構造および第２の金属グリッド構造を含み、これはチャネル分離を改善し、それにより固体撮像素子の光電変換素子からの画像信号の品質を向上させることができる。

上述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、同じ目的を実行するため、および／または本明細書に導入される実施形態の同じ利点を達成するための他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解できる。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、且つそれらは、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解するべきである。従って、保護の範囲は請求項を通じて決定される必要がある。さらに、本開示のいくつかの実施形態が上記に開示されているが、それらは、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本明細書全体にわたる特徴、利点、または同様の用語への言及は、本開示で実現され得る全ての特徴および利点が、本開示の任意の単一の実施形態で実現されるべきまたは実現され得ることを意味するのではない。むしろ、特徴および利点に言及する用語は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、利点、または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味すると理解される。従って、本明細書全体にわたる特徴および利点、ならびに類似の用語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態を指すことがある。

さらに、１つまたは複数の実施形態では、本開示の説明された特徴、利点、および特性は、任意の適切な方法で組み合わせることとしてもよい。当業者は、本明細書の説明に基づいて、特定の実施形態の１つまたは複数の特定の特徴または利点なしに本開示を実施できることを認識するであろう。他の例では、本開示の全ての実施形態に存在しない可能性がある、追加の特徴および利点が特定の実施形態において認識され得る。

１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２ 固体撮像素子
１０１ 半導体基板
１０１Ｆ 半導体基板の表面
１０１Ｂ 半導体基板の裏面
１０３ 光電変換素子
１０５ 配線層
１０７ 高誘電率（高κ）膜
１０９ バッファ層
１１１、１１１’、１１１” 第１の金属グリッド構造
１１３、１１３’、１１３”、１１３Ｇ、１１３Ｂ、１１３Ｒ、１１３Ｂ’、１１３Ｇ’ 第２の金属グリッド構造
１１５Ｂ 青色カラーフィルタ層
１１５ＢＳ 青色フィルタセグメント
１１５Ｇ 緑色カラーフィルタ層
１１５ＧＳ 緑色フィルタセグメント
１１５Ｒ 赤色カラーフィルタ層
１１５ＲＳ 赤色フィルタセグメント
１１７ 透明層
１１９ 集光構造
１１９－１ 第１の集光構造
ＭＬ１ 第１の厚さ
１１９－２ 第２の集光構造
ＭＬ２ 第２の厚さ
１２１ 第１のグリッド構造
１２１Ｓ 第１のグリッドセグメント
１２１Ｗ パーティショングリッド幅
ＭＷ１ 第１のグリッド幅
ＭＷ２ 第２のグリッド幅
ＭＷＢ 青色グリッド幅
ＭＷＧ 緑色グリッド幅
ＭＷＲ 赤色グリッド幅
ｄＧ、ｄＢ、ｄＲ、ｄＢ’、ｄＧ’ シフト
Ｌ 入射光
Ｄ 水平方向
Ｐ１ 第１の通常画素
Ｐ２ 第２の通常画素
ＰＤＡＦ 位相検出オートフォーカス
ＭＨ１ 第１のグリッドの高さ
ＭＨＲ、ＭＨＧ 第２のグリッドの高さ
Ａ－Ａ’断面線
Ｂ－Ｂ’断面線

Claims (10)

1. 複数の光電変換素子、
   前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の第１のカラーフィルタセグメントを有する第１のカラーフィルタ層、
   前記複数の光電変換素子の上に配置され、前記第１のカラーフィルタ層に隣接し、複数の第２のカラーフィルタセグメントを有する第２のカラーフィルタ層、
   前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層との間に配置された第１の金属グリッド構造、
   前記複数の第１のカラーフィルタセグメントの間及び前記複数の第２のカラーフィルタセグメントとの間にそれぞれ配置された第２の金属グリッド構造、および、
   前記第１の金属グリッド構造および前記第２の金属グリッド構造上に配置されたパーティショングリッド構造を含み、
   前記第１の金属グリッド構造の底部は第１のグリッド幅を有し、前記第２の金属グリッド構造の底部は前記第１のグリッド幅よりも狭い第２のグリッド幅を有し、
   固体撮像素子の断面図では、前記パーティショングリッド構造は複数のパーティショングリッドセグメントに分割され、前記第２の金属グリッド構造は、前記固体撮像素子の端部領域では、前記複数のパーティショングリッドセグメントのそれぞれの中心線に対して平行にシフトして前記パーティショングリッドセグメント内に配置され、前記パーティショングリッドセグメントの幅は上部と底部で同じである固体撮像素子。
2. 前記複数の第１のカラーフィルタセグメントは、緑色カラーフィルタセグメントを含み、
   前記複数の第２のカラーフィルタセグメントは、青色及び／又は赤色のカラーフィルタセグメントを含み、
   前記緑色カラーフィルタセグメントの間の前記第２の金属グリッド構造の底部は緑色グリッド幅を有し、
   前記青色及び／又は赤色カラーフィルタセグメントの間の第２の金属グリッド構造の底部は前記緑色グリッド幅と異なる青色及び／又は赤色グリッド幅を有し、
   前記緑色グリッド幅と前記青色及び／又は赤色グリッド幅との差は、０～５０ｎｍである請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の金属グリッド構造および前記第２の金属グリッド構造上に配置されたパーティショングリッド構造をさらに含み、
   前記固体撮像素子の断面図では、前記パーティショングリッド構造は複数のパーティショングリッドセグメントに分割され、前記パーティショングリッド構造は、前記第１のグリッド幅以上のパーティショングリッド幅を有する請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の第２のカラーフィルタセグメントは、青色及び／又は赤色のカラーフィルタセグメントを含む請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 前記固体撮像素子の端部領域では前記複数のパーティショングリッドセグメントのそれぞれの中心線に対して、緑色カラーフィルタセグメントの間の前記第２の金属グリッド構造は、第１のシフトを有し、青色及び／又は赤色のカラーフィルタセグメントの間の前記第２の金属グリッド構造は、第２のシフトを有し、前記第１のシフトと前記第２のシフトは異なっており、前記第１のシフトと前記第２のシフトの差は０～５０ｎｍである請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 水平方向では、前記第２の金属グリッド構造は入射光から離れる側に向かってシフトして配置される請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記第１のカラーフィルタ層または前記第２のカラーフィルタ層は、前記第２の金属グリッド構造の一部を覆う請求項１に記載の固体撮像素子。
8. 複数の光電変換素子、
   前記複数の光電変換素子の上に配置され、複数の第１のカラーフィルタセグメントを有する第１のカラーフィルタ層、
   前記複数の光電変換素子の上に配置され、前記第１のカラーフィルタ層に隣接し、複数の第２のカラーフィルタセグメントを有する第２のカラーフィルタ層、
   前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層との間に配置された第１の金属グリッド構造、および
   前記複数の第１のカラーフィルタセグメントの間及び前記複数の第２のカラーフィルタセグメントとの間にそれぞれ配置された第２の金属グリッド構造を含み、
   前記第１の金属グリッド構造の底部は第１のグリッド幅を有し、前記第２の金属グリッド構造の底部は前記第１のグリッド幅よりも狭い第２のグリッド幅を有し、
   前記複数の光電変換素子は、複数の位相検出オートフォーカス画素と、前記位相検出オートフォーカス画素を囲む複数の第１の通常画素と、前記複数の第１の通常画素を囲む複数の第２の通常画素とに対応するように配置され、前記第１の金属グリッド構造は、前記複数の位相検出オートフォーカス画素と前記複数の第１の通常画素との間の領域に対応するように配置され、前記第２の金属グリッド構造は、前記複数の第１の通常画素と前記複数の第２の通常画素との間の領域に対応するように配置される固体撮像素子。
9. 前記第１の金属グリッド構造は第１のグリッドの高さを有し、前記第２の金属グリッド構造は前記第１のグリッドの高さよりも低い第２のグリッドの高さを有し、前記固体撮像素子の断面図では、前記第１の金属グリッド構造および前記第２の金属グリッド構造は、台形、三角形、または長方形として形成され、前記第１のグリッド幅に対する前記第２のグリッド幅の比は、０．２５～０．９である請求項１に記載の固体撮像素子。
10. 前記第１のカラーフィルタ層および前記第２のカラーフィルタ層上に配置された複数の集光構造をさらに含み、
    前記複数の集光構造の厚さは異なる請求項１に記載の固体撮像素子。

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