JP2016018986A - イメージセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生成する画像信号の品質を向上するイメージセンサおよび製造方法を提供する。
【解決手段】イメージセンサ１は、アレイ状に配置された複数の検出ユニット１１を含む感知層１０と、アレイ状に配置された複数のフィルタユニット２１を含む。感知層１０上に配置されたフィルター層２０と、各フィルターユニット２１上に配置されたマイクロレンズ３０を含み、フィルターユニット２１は、勾配屈折率を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、フィルターユニットを有するイメージセンサに関するものである。

一般的にデジタルカメラは、イメージセンサを用いて光線を検出し、イメージ信号を生成するため、デジタルカメラによって撮られた画像は、イメージ信号に応じて生成されることができる。

デジタルカメラの発展に伴い、高品質の画像信号が必要とされる。画像信号の品質は、特に、デジタルカメラが低照度環境で用いられた時、重要である。

イメージセンサは通常、その目的を満たしているが、全ての面で完全に満たしているわけではない。そのため、イメージセンサを改善するための解決法を提供することが望ましい。

本発明は、イメージセンサによって生成された画像信号の品質を向上させるイメージセンサおよび製造方法を提供する。

本発明は、感知層、フィルターユニット、マイクロレンズを含むイメージセンサを提供する。フィルターユニットは、感知層上に配置され、マイクロレンズは、フィルターユニット上に配置される。フィルターユニットは、勾配屈折率を有する。

本発明は、感知層上にフィルターユニットを形成し、フィルターユニットに光ビームを出射し、フィルターユニットに勾配屈折率を持たせるステップを含むイメージセンサの製造方法を提供する。製造方法は、フィルターユニット上にマイクロレンズを形成するステップも含む。

本発明は、複数の材料を積層することで感知層上にフィルターユニットを形成し、フィルターユニット上にマイクロレンズを形成するステップを含むイメージセンサの製造方法も提供する。フィルターユニットは、勾配屈折率を有する。各材料は、その下方の材料の屈折率より小さい屈折率を有する。

結果、本発明のイメージセンサの感度は勾配屈折率を有するフィルターユニットによって向上される。このため、イメージセンサで生成された画像信号は、特に低照度環境で向上される。

本発明に係るイメージセンサの上面図である。 本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサの製造方法のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る中間段階でのイメージセンサの製造方法の概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る中間段階でのフィルターユニットの上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る中間段階でのフィルターユニットの上面図である。 本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサの製造方法のフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る中間段階でのイメージセンサの製造方法の概略図である。 本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るイメージセンサの製造方法のフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。 本発明の第５の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。 本発明の第６の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。

添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。

図１は、本発明に応じたイメージセンサ１の上面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に応じたイメージセンサ１の断面図である。イメージセンサ１は、デジタルカメラなどの画像装置に用いることができる。イメージセンサ１は、イメージセンサ１に照射した光線に応じて光線を検出し、画像信号を生成する。

イメージセンサ１は、感知層１０と、フィルター層２０と、複数のマイクロレンズ３０とを含む。フィルター層２０は、感知層１０上に配置される。マイクロレンズ３０は、フィルター層２０上にアレイ状に配置される。

また、感知層１０は、アレイ状に配置された複数の検出ユニット１１を含む。いくつかの実施形態では、検出ユニット１１はフォトダイオードである。いくつかの実施形態では、感知層１０は、漏れ防止層（ａｎｔｉ−ｌｅａｋａｇｅ ｌａｙｅｒ）、反射防止層（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）、および／または他の任意の層（図示されていない）を更に含む。フィルター層２０は、アレイ状に配置された複数のフィルターユニット２１を含む。各フィルターユニット２１は、検出ユニット１１の中の１つの上に配置され、各マイクロレンズ３０は、フィルターユニット２１の１つに配置される。

光線をイメージセンサ１に照射した時、光線は、マイクロレンズ３０とフィルターユニット２１から検出ユニット１１に通過する。光線はマイクロレンズ３０によって集光される。各フィルターユニット２１は、光線の波長の所定の範囲を通過させる。各検出ユニット１１は、検出ユニット１１に照射する光線の強度に応じて強度信号を生成し、画像信号は強度信号によって形成される。

フィルターユニット２１はカラーフィルターユニット２１である。例えば、フィルターユニット２１は、図１に示されるように、複数の赤色フィルターユニット２１ａ、複数の緑色フィルターユニット２１ｂ、および複数の青色フィルターユニット２１ｃを含む。赤色フィルターユニット２１ａ、緑色フィルターユニット２１ｂ、および青色フィルターユニット２１ｃは、交互に配置される。赤色フィルター２１ａは、６２０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲の光線の波長を通過させる。緑色フィルター２１ｂは、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲の光線の波長を通過させる。青色フィルター２１ｃは、４７６ｎｍ〜４９５ｎｍの範囲の光線の波長を通過させる。

フィルターユニット２１は、フォトポリマーを含む。各フィルターユニット２１は、勾配屈折率を有する。勾配屈折率は、約１.４〜約１.９の範囲にある。勾配屈折率は、最大値と最小値を有し、最大値と最小値との差は、約０.０７〜約０.５の範囲にある。いくつかの実施形態では、最大値は、約１.５〜約１.９の範囲にあり、最小値は、約１.４〜約１.８の範囲にある。

図２に示されるように、勾配屈折率は、フィルターユニット２１の中心垂直軸ＡＸ１を中心に対称をなしている。中心垂直軸ＡＸ１は、感知層１０とフィルター層２０との間の境界面Ｓ１に垂直である。感知層１０とフィルター層２０は、境界面Ｓ１に平行である。

中心垂直軸ＡＸ１に隣接する勾配屈折率は、フィルターユニット２１の側壁２１１に隣接する勾配屈折率より大きい。側壁２１１は、境界面Ｓ１に垂直である。言い換えれば、中心垂直軸ＡＸ１に位置する、または 中心垂直軸ＡＸ１に隣接する勾配屈折率は、最大値を有する。側壁２１１に位置する、または側壁２１１に隣接する勾配屈折率は、最小値を有する。

例えば、フィルターユニット２１は、第１の領域Ｚ１、第２の領域Ｚ２、および第３の領域Ｚ３を有する。第１の領域Ｚ１（中心領域）は、中心垂直軸ＡＸ１（またはフィルターユニット２１の中心）に位置され、第１の平均屈折率を有する。第２の領域Ｚ２は、第１の領域Ｚ１と第３の領域Ｚ３との間に位置され、第２の平均屈折率を有する。第３の領域Ｚ３は、フィルターユニット２１の側壁２１１に隣接し、第３の平均屈折率を有する。

第１の平均屈折率は、第２の平均屈折率より大きく、第２の平均屈折率は、第３の平均屈折率より大きい。例えば、第１の平均屈折は、約１.７であり、第２の平均屈折率は、約１.６５であり、且つ第３の平均屈折率は、約１.６０である。

マイクロレンズ３０は、フォトポリマーを含む。マイクロレンズ３０は、単一の屈折率を有する。マイクロレンズ３０の屈折率の範囲は、約１.４〜約１.９である。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサ１の製造方法のフローチャートである。図４は、本発明の第１の実施形態に係る中間段階でのイメージセンサ１の製造方法の概略図である。ステップＳ１０１では、フィルター層のフィルターユニット２１は、感知層１０上に形成される。ステップＳ１０３では、光ビームＬ１は、マスクＢ１を経由してフィルターユニット２１に出射され、各フィルターユニット２１に勾配屈折率を持たせる。ステップＳ１０５では、マイクロレンズ３０は、図１と図２に示されるようにフィルターユニット２１上に形成される。

ステップＳ１０３では、図４に示されるように光源Ａ１は、フィルター層２０上に配置される。マスクＢ１は、フィルター層２０上に配置され、光源Ａ１とフィルター層２０との間に配置される。光源Ａ１は、光ビームＬ１を出射方向Ｄ１に沿って射出する。射出方向Ｄ１は、中心垂直軸ＡＸ１に平行し、境界面Ｓ１に垂直である。

マスクＢ１は、射出方向Ｄ１に垂直し、境界面Ｓ１に平行する。マスクＢ１は、射出方向Ｄ１に沿って延伸された複数の孔Ｂ１１を有する。各孔Ｂ１１は、フィルターユニット２１の中心領域Ｚ１（第１の領域）の１つに対応する。図４に示されるように、孔Ｂ１１と中心領域Ｚ１は、中心垂直軸ＡＸ１に位置する。

光ビームＬ１は、マスクＢ１に出射され、孔Ｂ１１を通過し、次いでフィルター層２０のフィルターユニット２１に出射される。

いくつかの実施形態では、フィルターユニット２１は、フォトポリマーを含むため、フィルターユニット２１が光ビームＬ１によって照射された時、化学反応がフォトポリマーに発生し、フィルターユニット２１の屈折率は、光ビームＬ１の強度に応じて変えられる。

図４に示されるように、フィルターユニット２１に射出された光ビームＬ１の強度は、中心領域Ｚ１から側壁２１１に徐々に減少するため、フィルターユニット２１は、フィルターユニット２１の中心垂直軸ＡＸ１を中心に対称をなしている勾配屈折率を有する。また、勾配屈折率は、中心垂直軸ＡＸ１からフィルターユニット２１の側壁２１１に徐々に減少する。言い換えれば、第１の領域Ｚ１に出射された光線Ｌ１の強度はより高く、第３の領域Ｚ３に出射された光線Ｌ１の強度はより低いため、第１の領域Ｚ１の第１の平均の屈折率は、第３の領域Ｚ３の第３の平均の屈折率より大きい。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る中間段階での１つのフィルターユニット２１の上面図である。この実施形態では、孔Ｂ１１は、細長形状または長方形形状である。図４と図５に示されるように、第１の領域Ｚ１、第２の領域Ｚ２、および第３の領域Ｚ３は、長方形であり、互いに平行である。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る中間段階でのフィルターユニットの上面図である。この実施形態では、孔は円形である。図４と図６に示されるように、第１の領域Ｚ１は、中心垂直軸ＡＸ１に沿って延伸する円柱形である。第２の領域Ｚ２は、第１の領域Ｚ１の周りにあり、第３の領域Ｚ３は、第２の領域Ｚ２の周りにある。

図７は、本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサ１の製造方法のフローチャートである。図８は、本発明の第３の実施形態に応じた中間段階でのイメージセンサの製造方法の概略図である。図９は、本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。

ステップＳ２０１では、フィルター層２０のフィルターユニット２１は、感知層１０上に形成される。ステップＳ２０３では、光ビームＬ１は、フィルターユニット２１に均一に出射され、各フィルターユニット２１に勾配屈折率を持たせる。

図８に示されるように、光源Ａ１は、フィルター層２０上に配置される。光源Ａ１は、光ビームＬ１を出射方向Ｄ１に沿ってフィルター層２０のフィルターユニット２１に均一に射出する。

各フィルターユニット２１は、上面２１２と上面２１２に相対する底面２１３を有する。上面２１２は、光源Ａ１に面し、境界面Ｓ１に平行する。底面２１３は、境界面Ｓ１に配置され、感知層１０上に配置される。フィルターユニット２１に出射された光ビームＬ１の強度は、上面２１２から底面２１３に徐々に減少するため、勾配屈折率は、底面２１３から上面２１２に徐々に増加する。

ステップＳ２０５では、図９に示されるように、マイクロレンズ３０は、フィルターユニット２１上に形成される。上面２１２は、マイクロレンズ３０に接続される。第１の領域Ｚ１は、感知層１０に隣接する。第３の領域Ｚ３は、マイクロレンズ３０に隣接する。第２の領域Ｚ２は、第１の領域Ｚ１と第３の領域Ｚ３の間にある。第１の領域Ｚ１、第２の領域Ｚ２、および第３の領域Ｚ３は、層状であり、互いに積層される。第１の領域Ｚ１、第２の領域Ｚ２、および第３の領域Ｚ３は、境界面Ｓ１に平行し、互いに平行である。

第１の領域Ｚ１の第１の平均屈折率は、第２の領域Ｚ２の第２の平均屈折率より大きく、第２の平均屈折率は、第３の領域Ｚ３の第３の平均屈折率より大きい。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係るイメージセンサ１の製造方法のフローチャートである。図１１は、本発明の第４の実施形態に係るイメージセンサ１の断面図である。

ステップＳ３０１では、フィルター層２０のフィルターユニット２１は、複数の材料Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を感知層１０上に積層することによって、感知層１０上に形成される。いくつかの実施形態では、材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって形成される。ステップＳ３０２では、マイクロレンズ３０は、フィルターユニット２１上に形成される。

図１１に示されるように、フィルターユニット２１は、積層された材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３を含み、材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、積層される。材料Ｍ２は、材料Ｍ１上に積層され、材料Ｍ３は、材料Ｍ２上に積層される。材料Ｍ１は、感知層１０に接続され、材料Ｍ３は、マイクロレンズ３０に接続され、材料Ｍ２は、材料Ｍ１と材料Ｍ３の間にある。

各材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、隣接する材料と異なる屈折率を有する。この実施形態では、材料Ｍ２と材料Ｍ３の各屈折率は、その下方の材料の屈折率より小さい。例えば、材料Ｍ１の屈折率は、約１.７であり、材料Ｍ２の屈折率は、約１.６５であり、且つ材料Ｍ３の屈折率は、約１.６０である。いくつかの実施形態では、材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、異なる。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係るイメージセンサの断面図である。図１２に示されるように、材料Ｍ１は、材料Ｍ２とＭ３の下方に配置されたバンプ形状（隆起形状、凸形状、bump shape）の材料であるため、材料Ｍ２とＭ３の形状は、バンプ形状の材料Ｍ１の輪郭に対応する。実施形態では、材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は湾曲形状を有する。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係るイメージセンサ１の断面図である。第６の実施形態と第５の実施形態との間の違いは、材料Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、多角形輪郭を有する。

フィルターユニット２１により、例えば、勾配屈折率の最大値と最小値との差が約０.１である時、量子効率（ＱＥ）のピーク値は、約２.７％〜５.４％に向上される。一般的に、量子効率はイメージセンサの入射光子電子変換効率（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒａｔｉｏ； ＩＰＣＥ ｒａｔｉｏ）に用いられることができ、より大きな量子効率がより大きなイメージセンサの感度に対応する。例えば、３２００Ｋでの光線に対する緑色フィルターユニット２１ｂの感度は、約０.３％向上される。このため、画像センサの感度は向上される。

また、例えば、青色光によって照射された緑色フィルターユニット２１ｂのクロストークは、約５％〜９％向上される。緑色光によって照射された赤色フィルターユニット２１ａのクロストークは、約１％〜約２％向上される。緑色光によって照射された青色フィルターユニット２１ｃのクロストークは、約０.６％〜約２％向上される。このため、イメージセンサ１で生成された画像信号の品質が向上される。

結果、本発明のイメージセンサの感度は勾配屈折率を有するフィルターユニットによって向上される。このため、イメージセンサで生成された画像信号は、特に低照度環境で向上される。

本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

１ イメージセンサ
１０ 感知層
１１ 検出ユニット
２０ フィルター層
２１ フィルターユニット
２１ａ 赤色フィルターユニット
２１ｂ 緑色フィルターユニット
２１ｃ 青色フィルターユニット
２１１ 側壁
２１２ 上面
２１３ 底面
３０ マイクロレンズ
Ａ１ 光源
ＡＸ１ 中心垂直軸
Ｂ１ マスク
Ｂ１１ 孔
Ｄ１ 照射方向
Ｌ１ 光ビーム
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 材料
Ｓ１ 境界面
Ｚ１ 第１の領域
Ｚ２ 第２の領域
Ｚ３ 第３の領域

Claims (12)

1. 感知層と、
   前記感知層上に配置されたフィルターユニットと、
   前記フィルターユニット上に配置されたマイクロレンズと、を含み、
   前記フィルターユニットは、勾配屈折率を有するイメージセンサ。
2. 前記勾配屈折率は、約１.４〜約１.９の範囲にあり、前記勾配屈折率は、最大値と最小値を有し、前記最大値と前記最小値との差は、約０.０７〜約０.５の範囲にある請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記勾配屈折率は、前記フィルターユニットの中心垂直軸に対し対称をなし、前記中心垂直軸から前記フィルターユニットの側壁に徐々に減少する請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記フィルターユニットは、前記感知層上に配置された底面を有し、且つ前記底面に相対し、前記マイクロレンズに接続された上面を有し、
   前記勾配屈折率は、前記底面から前記上面に徐々に増加する請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記フィルターユニットは、複数の積層材料を含み、前記各材料は、その下方の材料の屈折率より小さい屈折率を有する請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記材料の下方に配置されたバンプ形状の材料を更に含み、前記材料の形状は、バンプ形状の材料の輪郭に対応する請求項５に記載のイメージセンサ。
7. 感知層上にフィルターユニットを形成するステップと、
   前記フィルターユニットにマイクロレンズを形成するステップと、を含み、
   前記フィルターユニットは、勾配屈折率を有するイメージセンサの製造方法。
8. 前記フィルターユニットに光ビームを出射し、前記フィルターユニットに勾配屈折率を持たせるステップを含む請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
9. 前記光ビームは、マスクを経由して前記フィルターユニットに出射され、前記マスクは、前記フィルターユニットの中心領域に対応する孔を有し、前記勾配屈折率は、前記フィルターユニットの中心垂直軸に対して対称をなし、前記中心垂直軸から前記フィルターユニットの側壁に徐々に減少する請求項８に記載のイメージセンサの製造方法。
10. 前記光ビームを前記フィルターユニットに均一に出射するステップを含み、前記勾配屈折率は、前記フィルターユニットの底面から前記フィルターユニットの上面に徐々に増加し、前記底面は、前記感知層上に配置される請求項８に記載のイメージセンサの製造方法。
11. 複数の材料を積層することで前記感知層上に前記フィルターユニットを形成するステップを含み、前記各材料は、その下方の材料の屈折率より小さい屈折率を有する請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
12. 前記材料の下方に配置されたバンプ形状の材料を更に含み、前記材料の形状は、バンプ形状の材料の輪郭に対応し、前記材料は、湾曲形状、または多角形輪郭を有する請求項１１に記載のイメージセンサの製造方法。

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