JP2009525609A - イメージセンサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に提供したのは、集光効率を最大化することができるので、マイクロレンズを介して入力された光を受光素子に濃縮することが可能なイメージセンサーの製造方法である。本発明によれば、内部マイクロレンズ又はＵ字型窒化物皮膜は、前記マイクロレンズを介して入力された光の集光効率を最大化するために使用される。従って、前記イメージセンサーにおける受光素子に濃縮された光の光濃縮効率を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、イメージセンサーの製造方法に関するものであり、特に、レンズの集光効率を向上させることができるイメージセンサーの製造方法に関するものである。

イメージセンサーは光のイメージを電気信号に変換する働きをする。一般に、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサーや相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーが広く使用されている。前記ＣＣＤイメージセンサーではＭＯＳキャパシタが密に配置されている。電荷は前記キャパシタ内に蓄積され、その蓄積された電荷は移動される。前記ＣＭＯＳイメージセンサーではスイッチング方式が使用される。ＣＭＯＳ技術はピクセル数に対応するＭＯＳトランジスタを製造するためには使用され、出力は前記ＭＯＳトランジスタを用いて連続的に検出される。

かかるイメージセンサーの製造においては、イメージセンサーの感光性を向上させるための技術が開発されている。その技術の一例として、集光技術がある。例えば、前記ＣＭＯＳイメージセンサーには、光を検出する光検出部とデータを生成するため前記検出光を電気信号に変換する論理回路部とが含まれる。

その感光性を向上させるために、フィルファクタが増大されることが好ましい。前記フィルファクタは、前記イメージセンサーの全体面積に対する前記光検出部の面積占有率を示す。前記イメージセンサーでは、前記論理回路部を本質的に除去することができない。従って、限定された領域下でのフィルファクタの増加には制限がある。よって、その感光性を向上させるため、前記光検出部に入力される光が濃縮されるように、前記光検出部以外の領域に入力される光の経路を変更させる集光技術は積極的に研究されている。

従来法では、高光透過率を有する材料から成るマイクロ凹レンズが前記光検出部に配置される。よって、前記マイクロレンズにより入射光の経路を屈折することで、さらに大量の光を前記光検出部に伝達することが可能である。前記マイクロレンズの光軸に対して平行に入力される光は前記マイクロレンズによって屈折されるので、焦点をその光軸の特定位置に形成できるようになっている。

図１はマイクロレンズを有する従来のイメージセンサーを図示する垂直断面図である。

図１では、ＣＭＯＳイメージセンサーにおいて集光に関連する主なコンポーネントのみを例示する。

受光素子としてのフォトダイオード１２と、前記フォトダイオード１２から検出された光に関する情報を処理するための周辺回路１１と、は半導体基板１０に配置される。中間誘電体層（中間絶縁体とも呼ばれる）１３は、前記フォトダイオード１２と前記周辺回路１１とを含む全体の構造上に形成され、平坦化工程が行われる。単位ピクセルを構成する金属配線層１４及び１６は前記中間誘電体層１３に形成される。前記金属配線層１４及び１６は前記フォトダイオード１２への光の入射を防止しないように配置される。中間誘電体層１５及び１７はそれぞれ前記金属配線層１４及び１６に形成される。前記素子を湿気やスクラッチから保護するため、酸化膜又は窒化物皮膜で構成された誘電体層１８が上部中間誘電体層１７に形成されるので、一般的なＣＭＯＳプロセスを終了できるようになっている。

カラーイメージを実装するための３種類のカラーフィルター１９は前記誘電体層１８に形成される。通常、染色フォトレジストは前記カラーフィルター１９として用いられる。前記カラーフィルター１９の形成後、オーバーコート層２０は前記カラーフィルター１９に被着され、平坦化工程が行われる。マイクロレンズ２１は前記平坦化されたオーバーコート層２０に形成される。

上記のように、前記イメージセンサーの単位ピクセルのそれぞれには、光を検出するためのフォトダイオードばかりでなく、前記フォトダイオードから検出された信号を処理するための回路も含まれる。従って、前記単位ピクセルにおいて前記論理回路が占める面積は、特定面積を有する前記単位ピクセルにおいてフォトダイオードの面積を最大化する上に著しい制限を加える。前記マイクロレンズは単位ピクセル上に形成されるので、前記単位ピクセルに入力される光の中で前記フォトダイオード以外の領域に入力される光を前記フォトダイオードに濃縮できるようになっている。よって、前記素子の受光効率を向上させることができる。

しかしながら、前記単位ピクセルのサイズが小さくなるので、フォトダイオード１２上に形成された前記中間誘電体層１５及び１７と前記金属配線層１４及び１６とのために、前記上部構造の高さは大きくなる。従って、カラーフィルターを前記単位ピクセルに形成し、マイクロレンズを前記カラーフィルターに形成する、従来の方法では、前記工程中で前記マイクロレンズを実装するため、特定の厚さを有する平坦化層が必要とされる。その結果、前記工程は複雑となり、前記構造の厚さも大幅に増加する。

図２は、前記フォトダイオードの中心と前記マイクロレンズの中心間の距離Ｈに応じた、前記フォトダイオードに入射された光の強度分布を示すものである。

図３は、前記マイクロレンズを介して入力された光が前記フォトダイオードに濃縮される一例を示すものである。

図４は、前記マイクロレンズを介して入力された光が前記フォトダイオードに濃縮される別の例を示すものである。

図２を参照すると、前記フォトダイオードの中心と前記マイクロレンズの中心間の距離Ｈは通常、前記フォトダイオードの片側長さ２Δの数倍に相当する。図３を参照すると、前記フォトダイオードで焦点を調整することが可能なマイクロレンズを製造することは困難である。さらに、前記フォトダイオードの中心と前記マイクロレンズの中心間の距離Ｈは、前記マイクロレンズの焦点距離よりもはるかに大きい。よって、前記マイクロレンズによって屈折された光を前記フォトダイオードに入射することができず、その光は失われる可能性もある。図４を参照すると、光が前記マイクロレンズの光軸に斜めに入射されると、その光はその角度に応じて前記フォトダイオードに濃縮されない可能性もある。

本発明は、受光効率を向上させるために内部マイクロレンズ又はＵ字型窒化物皮膜を用いて、マイクロレンズとフォトダイオード間の距離に応じた光の損失を低減し、斜めに入射された光のための損失を低減することができるイメージセンサーの製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、以下のステップを含むイメージセンサーの製造方法が提供される。（ａ）金属配線層を、フォトダイオードと関連素子とが形成される基板に形成するステップと、（ｂ）内部マイクロレンズを前記金属配線層に形成するステップと、（ｃ）誘電体層を前記内部マイクロレンズに形成するステップと、（ｄ）カラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを前記誘電体層に形成するステップ。

本発明の別の態様によれば、以下のステップを含むイメージセンサーの製造方法が提供される。（ａ）金属配線層を、フォトダイオードと関連素子とが形成される基板に形成するステップと、（ｂ）前記Ｕ字型金属配線層下部分の少し先まで、前記フォトダイオードに対応する前記金属配線層の領域をエッチング加工し、さらに、窒化物皮膜を所定の厚さに形成するステップと、（ｃ）カラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを前記窒化物皮膜に形成するステップ。

本発明のさらに別の一態様によれば、以下のステップを含むイメージセンサーの製造方法が提供される。（ａ）金属配線層を、フォトダイオードと関連素子とが形成される基板に形成するステップと、（ｂ）前記Ｕ字型金属配線層下部分の少し先まで、前記フォトダイオードに対応する前記金属配線層の領域をエッチング加工し、さらに、所定の厚さを有する窒化物皮膜を形成するステップと、（ｃ）内部マイクロレンズを前記窒化物皮膜に形成するステップと、（ｄ）誘電体層を前記内部マイクロレンズに形成するステップと、（ｅ）カラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを前記誘電体層に形成するステップ。

以下に、本発明の例示的実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。

図５は本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。

図５を参照すると、前記イメージセンサーには内部マイクロレンズが設けられている。ここで、前記イメージセンサーにおける各種層を説明する。

受光素子としてのフォトダイオード１２と、前記フォトダイオード１２から検出された光に関する情報を処理するための周辺回路１１と、はウエハー基板１０に配置される。金属配線層１４及び１６はその上に形成される。

内部マイクロレンズ３０、誘電体層１８、カラーフィルターアレイ１９、及びオーバーコート層２０は、前記金属配線層１４及び１６に連続的に形成される。前記オーバーコート層２０は、前記カラーフィルターアレイ１９によって生じた段差を平坦化し、さらに焦点距離を調整する働きをする。光を濃縮するためのマイクロレンズ２１が前記オーバーコート層２０に形成されるので、前記マイクロレンズ２１は前記カラーフィルターアレイ１９のカラーフィルターのそれぞれに対応できるようになっている。

図５に示した本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーでは、前記マイクロレンズ２１から前記受光素子としての前記フォトダイオード１２に斜めに入力された光を濃縮するため、前記内部マイクロレンズ３０のそれぞれは前記金属配線層１６と前記誘電体層１８間に形成される。従って、集光効率を向上させることができる。

図６〜図１４は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。

図６を参照すると、前記フォトダイオード１２と前記周辺回路１１とは前記基板１０に形成される。中間誘電体層１５及び１７と前記金属配線層１４及び１６とはその上に形成される。

図７を参照すると、窒化物皮膜３１は、前記金属配線層１６に形成された前記中間誘電体層１７に形成される。

図８を参照すると、前記内部マイクロレンズ３０を形成するために使用されるフォトレジスト層３２が形成され、さらに、前記フォトダイオード１２に対応する前記フォトレジスト層３２の領域上でマスク３３操作が行われる。前記内部マイクロレンズ３０が、前記フォトレジストによって前記フォトダイオード１２に対応する前記フォトレジスト層３２の領域に形成されるので、前記内部マイクロレンズ３０が前記フォトレジストのエッチング加工中に形成される領域を除去しないように、前記マスク操作が行われる。

図９を参照すると、前記マスクが形成されていないフォトレジスト層の領域は除去される。

図１０を参照すると、除去されていないフォトレジスト層の領域に対して熱処理が行われるので、半球状フォトレジストを形成できるようになっている。

図１１は半球状フォトレジストのエッチング加工を示す断面図である。図１１を参照すると、前記半球状フォトレジストのエッチング加工では、前記フォトレジスト下の窒化物皮膜にもエッチング加工が行われるので、前記エッチング加工された窒化物皮膜は半球形状を有することができるようになっている。

図１２は、エッチング加工によって形成された半球状窒化物皮膜３１を示す断面図である。図１２を参照すると、前記半球状窒化物皮膜３１ｂは前記内部マイクロレンズ３０のそれぞれとなる。前記窒化物皮膜が半球形状になる前には、前記窒化物皮膜は参照符号３１で表される。前記窒化物皮膜が半球形状になった後には、前記窒化物皮膜、つまり前記内部マイクロレンズは参照符号３０で表される。

図１３及び図１４は、内部マイクロレンズ３０上に前記誘電体層１８と前記カラーフィルターアレイ１９との形成工程を示す断面図である。

図１５は本発明の別の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。

図１５を参照すると、前記イメージセンサーは、前記中間誘電体層層１５及び１７と前記金属配線層とをＵ字型形状にエッチング加工し、さらに、窒化物皮膜３１、カラーフィルターアレイ１９、オーバーコート層２０、及びマイクロレンズ２１をその上に形成することによって製造される。前記窒化物皮膜３１は、前記フォトダイオード１２上マイクロレンズの高屈折部分に入射された光を濃縮するように形成される。前記エッチング加工されたＵ字型部分を充填する窒化物皮膜３１は、その入射光を完全に反射することによって光を濃縮する反射層としての働きをする。

図１６は本発明のさらに別の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。

図１６を参照すると、Ｕ字型形状でエッチング加工された金属配線層と内部マイクロレンズとは前記イメージセンサーに形成される。

前記マイクロレンズ２１の高屈折部分に入射された光を前記フォトダイオード１２上で濃縮するため、前記フォトダイオード１２に対応する前記金属配線層の領域は、前記Ｕ字型金属配線層下部分の少し先までエッチング加工される。よって、所定の厚さを有する窒化物皮膜が形成される。

前記エッチング加工されたＵ字型金属配線層１４及び１６を充填する、所定の厚さを有する前記窒化物皮膜３１は、入射光を完全に反射することによって、該入射光を濃縮する反射層としての働きをする。

また、前記窒化物皮膜は、前記内部マイクロレンズ３０を形成するように半球形状にエッチング加工される。前記内部マイクロレンズ３０の形成工程は、図６〜図１２に示したものと同一である。誘電体層１８、カラーフィルターアレイ１９、オーバーコート層２０、及びマイクロレンズ２１は前記内部マイクロレンズ３０に形成される。

上記のように、図１６に示したイメージセンサーは、図５に示したイメージセンサーと、図１５に示したイメージセンサーと、の組み合わせである。15. よって、集光効率を最大化することができる。

本発明は、その例示的な実施形態を参照して特に示し、かつ説明したが、添付の特許請求項によって規定した本発明の真の趣旨と範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正をなし得ることは当業者であれば明らかであろう。

本発明によれば、内部マイクロレンズ又はＵ字型窒化物皮膜は、前記マイクロレンズを介して入力された光の集光効率を最大化するために使用される。従って、前記イメージセンサーにおける光受光素子に濃縮される光の集光効率を向上させることができる。

図１は、マイクロレンズを有する従来のイメージセンサーを図示する垂直断面図である。 図２は、前記フォトダイオードの中心と前記マイクロレンズの中心間の距離Ｈに応じた、前記フォトダイオードに入射された光の強度分布を示すものである。 図３は、前記マイクロレンズを介して入力された光が前記フォトダイオードに濃縮される一例を示すものである。 図４は、前記マイクロレンズを介して入力された光が前記フォトダイオードに濃縮される別の例を示すものである。 図５は、本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。 図６は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図７は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図８は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図９は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１０は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１１は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１２は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１３は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１４は、前記イメージセンサーにおける内部マイクロレンズの形成工程を示す断面図である。 図１５、は本発明の別の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。 図１６は、本発明の別の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法によって製造されたイメージセンサーを図示する垂直断面図である。

Claims (4)

1. イメージセンサーの製造方法であって、
   （ａ）基板に金属配線層を形成するステップと、
   （ｂ）内部マイクロレンズを前記金属配線層に形成するステップと、
   （ｃ）内部マイクロレンズ上に誘電体層を形成するステップと、さらに、
   （ｄ）前記誘電体層上にカラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを形成するステップと、を含むイメージセンサーの製造方法。
2. 前記内部マイクロレンズの形成ステップが、
   （ｂ１）窒化物皮膜とフォトレジスト層とを前記金属配線層に形成するステップと、（ｂ２）前記フォトダイオードに対応する前記フォトレジスト層の領域でマスク操作を実行するステップと、
   （ｂ３）前記フォトダイオードに対応しない前記フォトレジスト層の領域を除去し、半球状フォトレジストを形成することができるように、除去されていない前記フォトレジスト層領域の熱処理を実行するステップと、
   （ｂ４）半球状窒化物レンズを形成することができるように前記フォトレジスト下に配置された前記半球状フォトレジストと前記窒化物皮膜とのエッチング加工を行うステップと、を含むことを特徴とする方法請求項１に記載の製造方法。
3. イメージセンサーの製造方法であって、
   （ａ）基板に金属配線層を形成するステップと、
   （ｂ）前記Ｕ字型金属配線層下部分の少し先まで、前記フォトダイオードに対応する前記金属配線層の領域をエッチング加工し、さらに、所定の厚さを有する窒化物皮膜を形成するステップと、さらに、
   （ｃ）カラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを前記窒化物皮膜に形成するステップと、を含むイメージセンサーの製造方法。
4. イメージセンサーの製造方法であって、
   （ａ）金属配線層を、フォトダイオードと関連素子とが形成される基板に形成するステップと、
   （ｂ）前記Ｕ字型金属配線層下部分の少し先まで、前記フォトダイオードに対応する前記金属配線層の領域をエッチング加工し、さらに、所定の厚さを有する窒化物皮膜を形成するステップと、
   （ｃ）内部マイクロレンズを前記窒化物皮膜に形成するステップと、
   （ｄ）誘電体層を前記内部マイクロレンズに形成するステップと、さらに、
   （ｅ）カラーフィルターアレイ、オーバーコート層、及びマイクロレンズを前記誘電体層に形成するステップと、を含むイメージセンサーの製造方法。

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