JP3992713B2 - Ｃｍｏｓイメージセンサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はイメージセンサーに関し、特に、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサー及びその製造方法に関するものである。本発明は、広範囲の用途に適しているけれども、とりわけ、リフロー工程を伴なわず、イオン注入工程によってマイクロレンズを形成して、所望の屈折率分布を得るようにすることで、精密な光集束制御を行なうような用途に適している。

一般的に、イメージセンサーは、光学的映像を電気的信号に変換させる半導体装置である。イメージセンサーには２種類の装置が存在するが、それらは、電荷結合素子（以下、ＣＣＤと称する。）と、相補型金属酸化膜半導体（以下、ＣＭＯＳと称する。）とである。ＣＭＯＳイメージセンサーは、照射される光を感知するフォトダイオードと、電気的な信号を処理してデータを形成するＣＭＯＳ論理回路とから構成される。そして、フォトダイオードによって受けられる光量が多くなるほど、光学センサーの光感度は向上する。

光感度を高めるためには、イメージセンサーの全体面積のうち、フォトダイオードの面積が占める割合を大きくするか、あるいは、フォトダイオード以外の領域に入射される光の経路を変更してフォトダイオード上に集光させることが必要である。かかる集光方法の代表例は、マイクロレンズを形成することである。従来技術においては、光透過率に優れた物質から凸状のマイクロレンズを形成して、これをフォトダイオードの上部に備えるようにしている。これにより、入射光の経路を屈折させて、より多量の光をフォトダイオードに照射させている。この場合、マイクロレンズは、光軸に対して平行である光を屈折させて、光軸上の一定の位置には、光の焦点が形成されるようになる。

以下、添付図面を参照しつつ、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーと、そのマイクロレンズの形成について説明する。図１は、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーを示した断面図である。図１に示す如く、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーは、半導体基板（図示せず）と、下部素子層１１と、層間絶縁層１２と、ＲＧＢのカラーフィルタ層１３と、平坦化層１４と、マイクロレンズ１５とを備えている。下部素子層１１は、少なくともひとつのフォトダイオード領域と金属配線とを含んでいて、フォトダイオード領域は、入射される光量に応じた電荷を発生させる。下部素子層の上面には、層間絶縁層１２が形成される。層間絶縁層１２の上には、ＲＧＢのカラーフィルタ層１３が形成されて、それぞれ特定の波長帯域の光が通過できるようにしている。ＲＧＢのカラーフィルター層１３の上には、平坦化層１４が形成される。平坦化層１４の上には、マイクロレンズ１５が形成され、該マイクロレンズは、一定の曲率を有する凸状に構成されていて、該マイクロレンズに対面してなるカラーフィルタを通過した光は、フォトダイオード領域上に集光するようになっている。

さらに、図面に示してはいないが、層間絶縁層の内部には遮光層が形成される。遮光層は、フォトダイオード領域以外の部分に、光が入射することを防止すべく形成されている。なお、光感知素子は、フォトダイオードの構造に代えて、フォトゲートの構造によって構成しても良い。

ここで、マイクロレンズ１５は、主としてポリマー系列の樹脂から形成されて、蒸着、パターニング、及びリフローなどの諸工程によって形成される。そして、マイクロレンズ１５の曲率や厚みは、集束する光の焦点など、様々な要因を考慮に入れて決められる。より詳しくは、マイクロレンズ１５は最適なサイズ、厚み、及び曲率半径を有するように形成されることが必要であるが、こうした事項は、単位画素についてのサイズ、位置、及び形状、光感知素子についての厚さ、並びに、遮光層についての高さ、位置、及びサイズなどによって決定される。

マイクロレンズの製造工程において、最も重要な工程は、レンズ間の距離を制御する、間隔（ＣＤ）制御工程と、レンズの曲率を最適に形成する、曲率形成工程とである。より詳しくは、レンズの曲率を適切に制御することによって、カラーフィルターのアレイを通過した光の信号が、効率的に、光感知素子へ伝達されるようにしなければならない。

しかしながら、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサー、及びその製造方法にあっては、以下のような問題点がある。従来技術の製造方法によるＣＭＯＳイメージセンサーの製造においては、まず、フォトレジストを用い、間隔を隔てるように、矩形のレンズアレイを形成し、その後、リフロー工程によって、レンズに曲率半径を形成させている。従って、レンズ間に、適切な離間距離を確保することは難しい。さらに、レンズ同士が互いに正確な距離にて隔てられない場合には、画像処理段階で過大な雑音が発生したり、十分な大きさの信号が得られなくなったりする。

さらに、前述したような半球形状のマイクロレンズを用いる場合には、光軸に対して平行である入射光は、レンズによって屈折して、レンズに対面した光感知素子に伝達されて、これにより素子を駆動する。しかしながら、光軸に対して平行ではない光がレンズによって屈折すると、そうした屈折光は、別の光路に配置されてなる不適当な光感知素子に入射するようになるため、素子が誤動作する。最後に、光感知素子へ伝達される光量の差は、マイクロレンズの下部層を形成している物質のタイプやサイズに応じて変動するので、これによって、集光効率は低下して、画質が劣化する。

本発明は、従来技術における制約や不都合に起因する問題点のうちのいくつかを解決できるような、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサー及びその製造方法を提供する。

本発明の目的は、リフロー工程に代えて、イオン注入工程を用いることによってマイクロレンズを形成して、所望の屈折率分布を得るようにすることで、精密な光集束制御を行なうような、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサー及びその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、半導体基板上に形成された複数の光感知素子と、前記光感知素子上に形成された層間絶縁層、及び各層間絶縁層に対面し、光を各波長帯域毎にフィルタリングする複数のカラーフィルター層と、前記各カラーフィルター層上に形成された平坦化層と、前記平坦化層上に形成されたマイクロレンズ層であって、イオン注入のプロファイルに基づき、対面する光感知素子に光を集束するような屈折率分布を持っているマイクロレンズ層と、から構成される。

上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法は、半導体基板上に形成された複数の光感知素子上に、層間絶縁層を形成する段階と、各光感知素子に各カラーフィルター層が対面するように、前記層間絶縁層上に複数のカラーフィルター層を形成する段階と、前記カラーフィルター層上に平坦化層を形成する段階と、前記平坦化層上にレンズ形成用物質層を蒸着し、イオン注入及び拡散工程を用いることで、対面する光感知素子に光が集束するような屈折率分布を持っているマイクロレンズ層を形成する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法には次のような効果がある。第一に、マイクロレンズを凸形状ではなく、平板状に形成するので、レンズの曲率制御と、レンズ間の間隔（ＣＤ）制御とに関する問題点を解決することができる。第二に、球面レンズの曲率を用いた集光ではなく、イオン注入による屈折率の制御によって、光集束を精密に制御することができる。最後に、光の集束効率が高くなって、カラーフィルターを通過してフォトダイオード上に伝達される光量が増加するため、映像の色彩の再現性を高めることができる。

以下、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法の好適な実施例について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図面において、対応する要素には、同一の参照符号を付している。

図２Ａと図２Ｂは、イオン注入及び拡散による屈折率をもったＧＲＩＮマイクロレンズを含んでなるＣＭＯＳイメージセンサーを示した、それぞれ断面図と屈折率の分布図である。ここで、マイクロレンズはカラーフィルターアレイの上面に形成されていて、マイクロレンズは、入射した光をＣＭＯＳイメージセンサーの光感知領域上へ集光させる。リフロー工程を用いてマイクロレンズに曲率を形成することに代えて、イオン注入及び拡散の工程を用いることで、入射光を屈折させてイメージセンサーの中心部に集束させることができるように、マイクロレンズに屈折率の分布を与える。

図２Ａを参照すると、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、半導体基板（図示せず）と、下部層２１と、層間絶縁層２２と、ＲＧＢのカラーフィルタ層２３と、平坦化層２４と、マイクロレンズ２５とを含んでいる。より詳しくは、下部層２１は、少なくともひとつのフォトダイオード領域と金属配線とを含んでいて、これらは半導体基板（図示せず）上に形成されている。ここで、フォトダイオード領域は、受光した光量に応じた電荷を発生させる。下部層２１の全面上には、層間絶縁層２２が形成されて、また、層間絶縁層２２の上には、ＲＧＢのカラーフィルタ層２３が形成されていて、それぞれ特定の波長帯域の光を透過させるようにしている。そして、カラーフィルター層２３の上には、平坦化層２４が形成される。最後に、平坦化層２４の上には、平坦な表面を有してなるマイクロレンズ２５が形成される。マイクロレンズ２５は、イオン注入のプロファイルに従った屈折率分布を用いることで、マイクロレンズ２５に対面してなるカラーフィルター層２３を通過する光を集束させて、集光された光はフォトダイオード領域に照射される。

本発明によるマイクロレンズは、光ピックアップなどに主に用いられるＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズを応用したものである。リフロー工程に起因する、レンズの曲率制御及びマイクロレンズ間の間隔（ＣＤ）制御についての問題点を解決するために、本発明によるマイクロレンズは、イオン注入及び拡散の方法によって、光を集束させるような屈折率分布を持たせるようにした。マイクロレンズ層の形態は平坦な構造になっているけれども、その屈折率は図２ｂに示すように分布していて、これはイオン注入のプロファイルによって得ることができる。

以下、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーを製造するための各段階について詳細に説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法の各段階を示した断面図である。

本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程においては、まず、図３Ａに示すように、例えばフォトダイオードなどの複数の光感知素子と金属配線とが形成されてなる下部層２１上に、層間絶縁層２２を形成する。ここで、層間絶縁層２２は多層に形成することができ、図示してはいないが、ひとつの層間絶縁層を形成した後に、フォトダイオード領域以外の部分に光が入射することを防ぐための遮光層を形成し、その後に再び、層間絶縁層を形成するようにしても良い。

続いて、層間絶縁層２２の上に、水分及びスクラッチから素子を保護すべく、平坦化された保護膜（図示せず）を形成し、その後に、可染性レジストを用いた蒸着及びパターニングの工程を行なうことで、それぞれの波長帯域毎に光をフィルターリングするカラーフィルター層２３を形成する。その後に、平坦化層２４を形成することで素子表面の平坦性を確保して、これにより、焦点距離を調節すると共に、レンズ層を形成するための面を得る。

次に、図３Ｂに示すように、レンズ形成用物質を蒸着し、レンズ形成用物質を選択的にパターニングして矩形状のレンズ層を形成する。続いて、矩形であるレンズ層の中央部が開口しているようなマスク層２６を形成し、不純物イオンの注入工程を実行する。そして、図３Ｃに示すように、マスク層２６を除去し、レンズ層に注入された不純物イオンを拡散させることで、図２ｂに示したような屈折率分布を持ったマイクロレンズ層２５を形成する。上述したマイクロレンズ層２５では、レンズの厚さによって焦点の結ばれる位置が変化する。従って、所望の点（ないし位置）に光信号を集束させるためには、レンズの厚さの設定が重要になるが、かかる厚さの設定は、リフロー工程を用いてレンズの曲率を制御することに比べれば、ずっと容易である。

このように本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法においては、マイクロレンズ層の屈折率を制御するためのリフロー工程（ないし曲率形成工程）を行なうことに代えて、イオン注入プロファイルの制御によって屈折率を制御するので、製造工程の再現性及び容易性が確保され、正確な屈折率の制御によって光の集束効率を高めることができる。

以上説明した内容を通じて当業者であれば本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが分かるだろう。よって、本発明の技術的範囲は実施例に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められなければならない。

従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。 イオン注入及び拡散による屈折率をもったＧＲＩＮマイクロレンズを含んでなる、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーを示した断面図である。 図２Ａに示すレンズにおける屈折率分布を示したグラフである。 本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法の一工程を示した断面図である。

符号の説明

２１ 下部層
２２ 層間絶縁層
２３ カラーフィルター層
２４ 平坦化層
２５ マイクロレンズ
２６ マスク層

Claims (2)

1. ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法であって、
   半導体基板上に形成された複数の光感知素子上に層間絶縁層を形成する段階と、
   各光感知素子に各カラーフィルター層が対面するように、前記層間絶縁層上に複数のカラーフィルター層を形成する段階と、
   前記カラーフィルター層上に平坦化層を形成する段階と、
   前記平坦化層上にレンズ形成用物質層を蒸着し、かつイオン注入及び拡散法を用いることによって、対面する光感知素子に光が集束するような屈折率分布を有しているマイクロレンズ層を形成する段階とを具備し、
   矩形形状が形成されるようにパターン化されたレンズ形成用物質層の中央部分を開けているマスク層を用いてイオンが注入されることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法。
2. 前記レンズ形成用物質層を矩形形状にパターン化した後、該レンズ形成用物質層が各光感知素子に対面するように、前記イオンが該レンズ形成用物質層に注入されかつ拡散されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法。

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