JP3845634B2 - Cmosイメージセンサーの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はCMOSイメージセンサーの製造方法に関するものであって、より詳しくは基板の全体にわたって均一な形状のマイクロレンズ等を形成することのできるCMOSイメージセンサーの製造方法に関するものである。
一般に、イメージセンサーとは、電荷結合素子(Charge Coupled Device, CCD)、CMOSイメージセンサー等のように光学映像信号を電気信号に変換させる半導体素子のことを言うものであって、前記電荷結合素子は個々のMOSキャパシタが互いに非常に近接した位置にありながら電荷キャリアーがキャパシタに貯蔵され移送される素子であり、前記CMOSイメージセンサーは制御回路及び信号処理回路を周辺回路として使用するCMOS技術を用いて画素数ほどのMOSトランジスタを作り、これを用いて順次に出力を検出するスイッチング方式を採用した素子である。一方、このようなイメージセンサーを製造するにおいてイメージセンサーの光の感度を増加させるための努力が進行されてきている。
一般に、CMOSイメージセンサーは光を感知する光感知手段と、感知した光を電気信号に処理してデータ化するCMOSロジック回路で構成されているが、光の感度を高めるためには全体のイメージセンサーの面積の中で光感知手段が占める面積の割合であるフィルファクター(Fill factor)が高くなければならない。
しかし、前記CMOSイメージセンサーの場合、根本的にCMOSロジック回路を除くことができないため、全体的に限られた面積下で光感知手段の面積を大きくするための努力には限界がある。
このような問題点を克服するための代案として、光の感度を高めるために光感知手段以外の領域に入射する光の経路を変えて光感知手段に集める集光技術が多く研究されている。例えば、光感知手段の上部に光透過率の良い物質を使って膨らんでいるような形状のマイクロレンズを作ることによって入射光の経路を屈折させ光感知手段へもっと多量の光が伝えられるようにする集光技術が使用されている。
従来技術によるマイクロレンズを用いたCMOSイメージセンサーの構造は、図1に示したようにフォトゲートまたはフォトダイオード等で構成されており、光を感知して電気信号を出力する光感知センサー1と、光感知センサー1の光感知センシング以外の領域に光が入射されるのを防ぐための金属層で形成されている光遮蔽層2と、前記光遮蔽層2上に形成されている層間絶縁膜3と、染色されたフォトレジストで形成され前記光感知センサーで特定した波長の光を透過させて伝達されるようにするためのカラーフィルタ層4と、前記カラーフィルタ層4の段差を克服するために前記カラーフィルタ層4上に形成される平坦化層5と、ポリマー系列の樹脂からなり、前記平坦化層5上に形成されて光を集光する役割を担うマイクロレンズ6とを含んで構成される。
上記のような構造を有するマイクロレンズを用いたCMOSイメージセンサーは、マイクロレンズの光軸と水平の光がマイクロレンズによって屈折され光軸上の一定位置でその焦点が形成される構造から成るが、一つのイメージセンサーには数万個のマイクロレンズが形成されているので、各々のマイクロレンズの特性が等しい効果を出すことができてこそ、鮮やかなイメージを確保することができるようになる。
これによって、CMOSイメージセンサーの品質を左右するほど、マイクロレンズの性能の重要性が大きくなりつつある。
従来のCMOSイメージセンサーの構造において、マイクロレンズを製造する過程を図2a乃至2fを参照しながら説明すると次のようになる。
まず、図2aに示したように、フォトダイオードのようなイメージセンサーの光感知素子(図示しない)等が形成されている基板11上にカラーフィルタ層12を形成する。続いて、前記カラーフィルタ層12上に平坦化層形成用のフォトレジスト13を形成する。この時、前記平坦化層はフォトリソグラフィー工程の露光工程で使われる光源に対して低感度、高透過率の特性を有するフォトレジストが使用され、細部的にネガティブ(negative type)フォトレジストが使用される。
その次に、図2bに示したように、所定のレチクル15を用いて前記平坦化層形成用のレジスト13の所定領域を露光する。この時、露光される領域は後続の工程を通じてマイクロレンズが形成される領域(セル領域)に相応し、露光されない領域は後続の工程を通じてパッドが形成される領域(周辺領域)に相応する。続いて、図2cに示したように、露光されない領域のフォトレジストを現像、除去し平坦化層14を完成する。
その次に、図2d及び図2eに示したように、前記平坦化層14を含む基板の全面上にマイクロレンズ形成用のフォトレジスト16を塗布した後、所定のレチクル18を用いて前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストを選択的に露光する。この時のマイクロレンズ形成用のフォトレジストはポジティブ(positive type)フォトレジストを使い、ここで露光されない領域がマイクロレンズの形成される部位に該当する。
このような状態で、図2fに示したように、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストの露光されている部分を現像して除去する。以後、図面に図示しないが150℃程度の温度でベーキング(baking:焼成)を進行すると、直六面体形状のフォトレジスト17が溶け落ちて膨らんでいるような形状のマイクロレンズが形成される。
従来のCMOSイメージセンサーの製造方法において、カラーフィルタ層上に形成される平坦化層を、周辺領域を除くセル領域にのみ形成することによって周辺領域とセル領域との間に段差が生ずることになり、このため、平坦化層上に形成されるマイクロレンズ形成用のフォトレジストが基板の全面にわたって均一な厚さで積層されず周辺領域とセル領域との間の境界部分で段差が誘発される。
その結果、最終的に形成されるマイクロレンズ等が等しい形状を有することができなくなる。即ち、マイクロレンズ等の均一な特性を担保することが難しくなる。このような不規則的な形状のマイクロレンズが形成される部位は、前述したようにセル領域と周辺領域との境界部分である。
本発明は上記の問題点を解決するために案出したものであって、基板の全体にわたって均一な形状のマイクロレンズ等を形成することのできるCMOSイメージセンサーの製造方法を提供することに目的がある。
上記の目的を達成するための本発明のCMOSイメージセンサーの製造方法は、半導体の基板上にカラーフィルタ層を形成する段階と、前記カラーフィルタ層と前記半導体の基板上に平坦化層形成用のフォトレジストを塗布する段階と、前記平坦化層形成用のフォトレジストを選択的に露光するための選択的露光工程を進行する段階と、前記平坦化層形成用のフォトレジスト上にマイクロレンズ形成用のフォトレジストを塗布する段階と、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストを選択的に露光し複数の単位マイクロレンズの形体を定義する段階と、前記複数の単位マイクロレンズの形体に対してベーキング工程を適用し複数のマイクロレンズを形成する段階とを含んで構成されることを特徴とする。
好ましくは、 前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストの選択的露光工程の後で, 前記平坦化層形成用のフォトレジストの露光しない部分は除去する。
好ましくは、前記平坦化層形成用のフォトレジストは1.3〜3μmの厚さで形成することができる。
好ましくは、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストを1.1〜1.3μmの厚さで形成することができる。
好ましくは、 前記平坦化層形成用のフォトレジストはネガティブタイプのフォトレジストであることができる。
好ましくは、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストはネガティブタイプのフォトレジストであることができる。
本発明の特徴によると、カラーフィルタ層上に順次に形成される平坦化層及びマイクロレンズの形成において、前記平坦化層形成用のフォトレジストが周辺領域及びセル領域の全体に存在するようにした状態で、マイクロレンズ形成用のフォトレジストをパターニングした後、平坦化層形成用のフォトレジストをパターニングして平坦化層を形成することによって、周辺領域とセル領域との間の境界部分に不規則的な段差が生ずることを未然に防止し後続の工程で形成されるマイクロレンズ等が均一な形状を持つようにすることができる。
本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法は次のような効果がある。
カラーフィルタ層上に順次に形成される平坦化層及びマイクロレンズの形成において、前記平坦化層形成用のフォトレジストが周辺領域及びセル領域の全体に存在するようにした状態で、マイクロレンズ形成用のフォトレジストをパターニングした後、平坦化層形成用のフォトレジストをパターニングして平坦化層を形成することによって、周辺領域とセル領域との間の境界部分に不規則的な段差が生ずることを未然に防止し、後続の工程で形成されるマイクロレンズ等が均一な形状を有するようにすることができる。これによって、CMOSイメージセンサーの信頼性を確保することができる。
以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる程度に詳しく説明するために、本発明のもっとも好ましい実施例を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。図3a乃至3fは本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。
参考として、ここで開示する実施例は、色々と実施可能な例中で当業者の理解を助けるためにもっとも好ましい実施例を選び出して提示しただけであって、本発明の技術的思想が必ずしもこの実施例のみに限られず、本発明の技術的思想を脱しない範囲内で多様な変化と付加及び変更が可能であることは勿論、均等な他の実施例が可能であることを明らかにして置く。
まず、図3aに示したように、フォトダイオオードのようなイメージセンサーの光感知素子(図示しない)等が形成されている基板21上にカラーフィルタ層22を形成する。続いて、前記カラーフィルタ層22上に平坦化層形成用のフォトレジスト23を形成する。この時、前記フォトレジスト23はフォトリソグラフィー工程の露光工程で使われる光源に対して低感度、高透過率の特性を有するフォトレジストが使用され、好ましくはネガティブ(negative type)フォトレジスト使用される。そして、前記平坦化層形成用のフォトレジスト23は1.3〜3μm の厚さで積層することが好ましい。
このような状態で、図3bに示したように、所定のレチクル25を用いて前記平坦化層形成用のレジストの所定領域を露光する。この時、露光される領域は後続の工程を通じてマイクロレンズが形成される領域、即ちセル領域に相応し、露光されない領域は後続の工程を通じてパッドが形成される領域、即ち周辺領域に相応する。
その次に、図3cに示したように、前記平坦化層形成用のフォトレジスト23上にマイクロレンズ形成用のフォトレジスト26を1.1〜1.3μm の厚さで塗布する。この時、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジスト26は高感度のポジティブタイプ(positive type)のフォトレジストを使うのが好ましい。
続いて、図3dに示したように、所定のレチクル28を用いて前記マイクロレンズ形成用のフォトレジスト26を選択的に露光する。ここで、露光されない領域はマイクロレンズが形成される部位に相応する。この時、前記マイクロレンズ形成用のフォトレジスト下部に形成されている平坦化層用のフォトレジストは露光されないように露光エネルギーを適切に使用しなければならない。この時の好ましい露光エネルギーは300〜500mJである。
その次に、図3eに示したように、前記平坦化層形成用のフォトレジスト23の露光されていない部分とマイクロレンズ形成用のフォトレジスト26の露光されている部分を現像して除去する。これによって、前記平坦化層が形成され、平坦化層上にはマイクロレンズの形体に該当する直六面体、即ち単位マイクロレンズの形体27が存在するようになる。ここで、前記平坦化層はマイクロレンズ等が形成される領域、即ちセル領域を定義する。
続いて、図3fに示したように、150℃程度の温度でベーキング(baking)を進行すると、前記複数の直六面体形状のフォトレジスト、即ち単位マイクロレンズの形体が溶け落ちて膨らんでいるような形状のマイクロレンズ29が形成される。
従来技術によるCMOSイメージセンサーの断面構造図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 従来技術によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。
本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明によるCMOSイメージセンサーの製造方法を説明するための工程断面図である。
符号の説明
21 半導体の基板、 22 カラーフィルタ層、 23 平坦化層形成用のフォトレジスト、 26 マイクロレンズ形成用のフォトレジスト、 28 レチクル

Claims (6)

  1. 半導体の基板上にカラーフィルタ層を形成し
    前記カラーフィルタ層と前記半導体の基板上に平坦化層形成用のフォトレジストを塗布し
    前記平坦化層形成用のフォトレジストを選択的に露光し
    前記平坦化層形成用のフォトレジスト上にマイクロレンズ形成用のフォトレジストを塗布し
    前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストを選択的に露光し
    前記平坦化層形成用のフォトレジストの露光しない部分、および前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストの露光した部分を除去し、
    複数のマイクロレンズの形体に対してベーキング工程を施し、複数のマイクロレンズを形成する
    ことを特徴とする、CMOSイメージセンサーの製造方法。
  2. 前記平坦化層形成用のフォトレジストは1.3〜3μmの厚さで形成することを特徴とする、請求項1記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  3. 前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストを1.1〜1.3μmの厚さで形成することを特徴とする、請求項1記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  4. 前記平坦化層形成用のフォトレジストはネガティブタイプ(negative type)のフォトレジストであることを特徴とする、請求項1または請求項2記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  5. 前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストはポジティブタイプ(positive type)のフォトレジストであることを特徴とする、請求項1または請求項2記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  6. 前記マイクロレンズ形成用のフォトレジストに対する露光工程の遂行時、露光エネルギーを300〜500mJにすることを特徴とする、請求項1記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
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