JP2005109490A - イメージセンサー及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトダイオードの集光効率を増大することができるイメージセンサー及びその製造方法を提供する。
【解決手段】このイメージセンサーは半導体基板に形成された少なくとも一つのフォトダイオードと、前記フォトダイオード上に形成され、下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜と、前記多層の層間絶縁膜上に順次に積層された遮光膜及び素子保護膜と、前記素子保護膜上に順次に積層されたカラーフィルターアレイ及び平坦化膜と、前記平坦化膜上の各カラーフィルターに対向する位置に配列されるマイクロレンズと、を含む。このようにマイクロレンズとカラーフィルターを通じて入射した光の屈折角を減らすことによって、フォトダイオードに到る垂直光伝達率を増大させフォトダイオードの集光効率を大きく向上させることができる。
【選択図】図2


Description

本発明はイメージセンサー及びその製造方法に関するもので、特にフォトダイオードの集光効率を増大することができる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。
イメージセンサーは光学的映像を電気的信号に変換する半導体素子であり、その代表的な例としては電荷結合素子(charge coupled device;CCD)がある。CCDイメージセンサーは、個々のMOS(metal oxide silicon)キャパシタが互いに非常に近接して位置しながら、電荷キャリアがキャパシタに保存され、保存されたキャリアが移送される素子である。しかも、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技術を利用して画素の数だけMOSトランジスターをアレイで作って、これを利用して順序に出力するスイッチング方式を採用する素子である。
このような多様なイメージセンサーを製造することにおいて、イメージセンサーの光感度を増加させるための多くの努力が行われている。光感度を増加させる努力の中でも集光技術が最も重要である。
一方、CMOSイメージセンサーは、概略的に光を感知する光感知回路部と、感知した光を電気的信号に処理してデータ化するCMOSロジック回路部とから構成される。最近では、特許文献1に示されているように光感度を高めるために光感知回路部以外の領域に入射する光の経路を変更して、光感知素子であるフォトダイオードに集束する集光技術に対する多くの研究が進行している。
図1は従来技術によるイメージセンサーの構造を示す垂直断面図であり、集光に直接関連する従来のCMOSイメージセンサーの主要構成部が示されている。
図1を参照すると、従来のCMOSイメージセンサーは半導体基板(図示せず)上に形成された複数のフィールド絶縁膜10と、これらのフィールド絶縁膜10の間に形成された光活性領域である少なくとも一つのフォトダイオード12と、フィールド絶縁膜10とフォトダイオード12の上部を層間絶縁する多層の層間絶縁膜14、18と、フィールド絶縁膜10への光の入射を防止するために層間絶縁膜18内に金属等で形成した遮光膜16とから構成される。層間絶縁膜18上には素子保護膜20が形成されており、この素子保護膜20上には層間絶縁膜24が形成されている。この層間絶縁膜24には赤、緑、青のカラーフィルター22a、22b、22cがアレイで形成されており、これらのカラーフィルターアレイ22a、22b、22c上には平坦化膜26が形成されている。各カラーフィルター22a、22b、22cの対向位置にはマイクロレンズ28がそれぞれ形成されている。
ここで、赤、緑、青のカラーフィルター22a、22b、22cの材料としては、特定波長の光だけを吸収できる色が着色されたフォトレジストを主に用いる。マイクロレンズ28の材料としては、ポリマー系列の樹脂を主に用いる。
そして、層間絶縁膜14、18、24及び素子保護膜20は、透明絶縁物質である通常のシリコン酸化膜を用いて製造する。また、平坦化膜26はカラーフィルターの粗さを補うためにフォトレジストを用いて製造する。
このような構成を有する従来のCMOSイメージセンサーにおいて、マイクロレンズ28を通じて入射した光は、下部の赤のカラーフィルター22a、緑のカラーフィルター22b、青のカラーフィルター22cを通じて該当赤光、緑光、青光の3色の光に分離される。フィルターリングされた赤色光、緑色光、青色光はそれぞれ素子保護膜20及び層間絶縁膜18、14を通じて、各カラーフィルターに対向する位置のフォトダイオード12に入射する。層間絶縁膜18、14の間に配設された遮光膜16は入射した光が他の光経路に抜け出さないように遮蔽する役割をする。
ところが、マイクロレンズ28と各カラーフィルター22a、22b、22cを通じてフォトダイオード12まで入射した光が、万一平行に入射しないで他の光経路を通じて乱れて入射すれば、結局該当光経路のフォトダイオード12では光を感知することができない又は、望まない隣接した他のフォトダイオード12との干渉現像が発生する。このような現像はCMOSイメージセンサーで高性能のイメージを具現することにおいて、ノイズとして作用する。
米国特許第6,362,498B2号明細書
前述した従来技術の問題点を解決するためになされた本発明は、多層の層間絶縁膜を下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように構成して、マイクロレンズとカラーフィルターを通じて入射した光の屈折角を減らすことによって、フォトダイオードに到達する垂直光の伝達率を増大させ、フォトダイオードの集光効率を大きく向上させることができるイメージセンサー及びその製造方法を提供することにその目的がある。
このような目的を達成するための本発明のイメージセンサーは、半導体基板に形成された少なくとも一つのフォトダイオード;前記フォトダイオード上に形成され、下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜;前記多層の層間絶縁膜上に順次に積層された遮光膜及び素子保護膜;前記素子保護膜上に順次に積層されたカラーフィルターアレイ及び平坦化膜;及び前記平坦化膜上の各カラーフィルターに対向する位置に配列されるマイクロレンズ;を含むことを特徴とする。
ここで、前記多層の層間絶縁膜は、その下部に光感度調節膜を更に含むことが好ましい。
また、前記光感度調節膜は、その下部にバッファー絶縁膜を更に含むことが好ましい。
また、前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、蒸着工程によってPE−CVD<HDP−CVD<LP−CVD<熱酸化工程の順序で酸化膜の密度が高くなり、蒸着温度が低くなることによって酸化膜の密度が低くなって、蒸着工程と蒸着温度を調節して下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることが好ましい。
さらに、前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、下部より上部の層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を高めて密度を下げることが好ましい。
さらに、前記多層の層間絶縁膜は、蒸着工程と蒸着温度及び前記層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を調節して、下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることが好ましい。
さらに、前記多層の層間絶縁膜、前記素子保護膜、前記平坦化膜は、垂直に形成された多層の配線を備えることが好ましい。
また、本発明の一側面によれば、本発明に係るイメージセンサーの製造方法は、 半導体基板に少なくとも一つのフォトダイオードを製造する段階と、前記フォトダイオード上に下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように、少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜を形成する段階と、前記多層の層間絶縁膜上に順次に積層された遮光膜及び素子保護膜を形成する段階と、前記素子保護膜上に順次に積層されたカラーフィルターアレイ及び平坦化膜を形成する段階と、及び前記平坦化膜上に前記各カラーフィルターに対向する位置に配列されたマイクロレンズを形成する段階;を含むことを特徴とする。
本発明によれば、多層の層間絶縁膜を下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度を減少させ、マイクロレンズとカラーフィルターを通じて入射した光の屈折角を減らすことによって、フォトダイオードに到る垂直光伝達率を増大させフォトダイオードの集光効率を大きく向上させることができる。したがって、他の光経路に屈折して損失される光を最小化することができるので、イメージセンサーの光特性を改善できる。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
図2は本発明に係るイメージセンサーの構造を示す垂直断面図であり、集光に直接関連する本発明のCMOSイメージセンサーの主要構造部分が示されている。
図2を参照すれば、本発明のCMOSイメージセンサーは半導体基板(図示せず)上に形成されたフィールド絶縁膜100と、これらのフィールド絶縁膜100の間に形成された光活性領域の少なくとも一つのフォトダイオード102と、フィールド絶縁膜100とフォトダイオード102の上部を層間絶縁して、下部より上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜104、108と、フィールド絶縁膜100への光の入射を防止するために層間絶縁膜108内に金属等で形成された遮光膜106とから構成される。
層間絶縁膜108上には素子保護膜120が形成されており、素子保護膜120上には上部の層間絶縁膜124が形成されている。この層間絶縁膜124には赤、緑、青のカラーフィルター122a、122b、122cがアレイで形成されており、これらのカラーフィルターアレイ122a、122b、122c上には平坦化膜126が形成されている。各カラーフィルター122a、122b、122cの対向位置にはマイクロレンズ128がそれぞれ形成されている。
ここで、赤、緑、青のカラーフィルター122a、122b、122cの材料としては、特定波長の光だけを吸収できる色で着色されたフォトレジストを主に用いる。マイクロレンズ128の材料としては、ポリマー系列の樹脂を主に用いる。
そして、層間絶縁膜104、108、114は、透明絶縁物質である通常のシリコン酸化膜を用いて製造する。その中で、カラーフィルターアレイ122a、122b、122cの下部の層間絶縁膜104、108は、下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように製造する。そのために本発明では蒸着工程によってPE−CVD<HDP−CVD<LP−CVD<熱酸化工程の順序で酸化膜の密度を高める。また、蒸着温度を低めると、酸化膜の密度が低くなる。したがって、このような蒸着工程と蒸着温度の調節を通じて層間絶縁膜の密度の調節を行なうことができる。例えば、上部側の層間絶縁膜108の製造時には、PE−CVDまたはHDP−CVDで酸化膜を蒸着して低い温度域で蒸着する。 これに反して、下部側の層間絶縁膜104の製造時には、LP−CVDまたは熱酸化工程で酸化膜を蒸着し、上部側の層間絶縁膜に比べて高い温度域で蒸着する。または上部及び下部の層間絶縁膜108、104の両者に同一な蒸着工程を施しながら、蒸着温度を調節して下部の層間絶縁膜104より上部の層間絶縁膜108の密度がより一層低くなるように調節できる。
また、本発明においては、層間絶縁膜104、108は、透明絶縁物質である通常のシリコン酸化膜を用いて製造する。この時、下部より上部の層間絶縁膜に行くほど添加する不純物の濃度を高めて密度を下げることができる。例えば、下部の層間絶縁膜104はFSG、BPSG、PSG、BSGで蒸着し、上部の層間絶縁膜108はUSGで蒸着すれば、下部に比べて上部の層間絶縁膜の密度が低くなる。
一方、素子保護膜120は、透明絶縁物質である通常のシリコン酸化膜を用いて製造し、平坦化膜126は、カラーフィルターの粗さを補うために、フォトレジストを用いて製造する。
このような構造になった本発明のCMOSイメージセンサーは、マイクロレンズ128を通じて入射した光が下部の赤のカラーフィルター122a、緑のカラーフィルター122b、青のカラーフィルター122cを通じて該当赤色、緑色、青色の3色の光に分離される。分離された赤色、緑色、青色の3色の光は、それぞれ素子保護膜120及び層間絶縁膜108、104を通じて各カラーフィルターに対向する位置のフォトダイオード102に入射する。
更に、本発明によれば、CMOSイメージセンサーに含まれる多層の層間絶縁膜104、108においては、下部の層間絶縁膜104より上部の層間絶縁膜108の密度を低く形成する。これによってマイクロレンズ128、カラーフィルター122a、122b、122cを通過した赤色、緑色、青色の3色の光が下部の各フォトダイオード102に入射するまで、これらの層間絶縁膜108、104における光屈折角が減小しながら、光損失なしに垂直光経路のフォトダイオード102に入射する。ここで、層間絶縁膜108、104の間に配設された遮光膜106は、入射した光が他の光経路に抜け出さないように遮蔽する役割をする。
一方、図示しなかったが、本発明では多層の層間絶縁膜104、108の下部にシリコン窒化膜等でBLC(border less contact)または光感度調節のための膜をさらに形成する。また、光感度調節膜の下部にはシリコン酸化膜でバッファー絶縁膜をさらに形成することができる。
次には、このように構成した本発明に係るCMOSイメージセンサーの製造工程を説明する。
まず、半導体基板(図示せず)上にはCMOSイメージセンサーの画素間の電気的な絶縁のためのフィールド絶縁膜100を形成し、フィールド絶縁膜100の間には少なくとも一つのフォトダイオード102を形成する。
次に、フィールド絶縁膜100及びフォトダイオード102上の全面には密度が大きい下部の層間絶縁膜104を蒸着し、その上には金属等で遮光膜106を形成する。
続いて、遮光膜106が形成された下部の層間絶縁膜104の全面には平坦化されて、密度が低い上部の層間絶縁膜108を形成する。ここで、蒸着工程、蒸着温度及び不純物の濃度の調節を通じて下部の層間絶縁膜104と上部の層間絶縁膜108の密度差を調節する過程は、既に前述したので、それについての説明は省略する。
次に、上部の層間絶縁膜108上の全面には水分やスクラッチなどから素子を保護するために、平坦化した素子保護膜120を形成する。
そして、平坦化した素子保護膜120上には赤、緑、青で着色されたフォトレジストを塗布して現像し、赤、緑、青のカラーフィルター122a、122b、122cをアレイする。次に、カラーフィルターアレイ122a、122b、122cの側面に平坦化した層間絶縁膜124を形成する。その結果物の全面には平坦化及び焦点距離調節のための平坦化膜126を形成する。次に、平坦化膜126上にはそれぞれの赤、緑、青のカラーフィルター122a、122b、122cに対向する位置にマイクロレンズ128を形成する。
図3aないし図3gは本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。
まず、図3aに示すように、半導体基板(図示せず)上にはCMOSイメージセンサーの画素間の電気的な絶縁のためのフィールド絶縁膜200を形成し、フィールド絶縁膜200の間には少なくとも一つのフォトダイオード202を形成する。次に、フィールド絶縁膜200とフォトダイオード202上には流動性の大きいBPSGを2000Å〜15000Å程度に蒸着する。続いて、CMP(chemical mechanical polishing)でその表面を錬磨して2000Å〜9000Å程度の第1層間絶縁膜204を形成し、それを平坦化する。
次に、図3bに示すように、HDP-USGを300Å〜9000Å程度に蒸着して密度の高い第2層間絶縁膜206を形成した後に、第2及び第1層間絶縁膜206、204をエッチングしてコンタクトホール208を形成する。
続いて、コンタクトホール208にTi/TiNなどのグルー層/障壁金属層(図示せず)を蒸着し、図3cに示すように、タングステンなどの金属を埋め込み、これをパターニングして、第1コンタクト及び金属配線210、212を形成する。次に、HDP-FSGを9000Å〜40000Åで蒸着して第2層間絶縁膜206より密度の低い第3層間絶縁膜214を形成し、その表面をCMPで平坦化する。
次に、図3dに示すように、第3層間絶縁膜214にビアホールを形成し、このビアホールには下部の第1金属配線212に連結されるタングステンプラグ216及び第2金属配線218を形成する。
続いて、図3eに示すように、PE-USGを3000Å〜8000Å程度に蒸着して第3層間絶縁膜214より密度の低い第4層間絶縁膜220を形成し、その表面をCMPで平坦化する。
続いて、図3fに示すように、第4層間絶縁膜220にビアホールを形成し、そのビアホールには下部の第2金属配線218に連結されるタングステンプラグ222及び第3金属配線224を形成する。
次に、図3gに示すように、PE-FSGを500Å〜20000Å程度に蒸着して第4層間絶縁膜220より密度の低い第5層間絶縁膜226を形成し、その表面をCMPで平坦化する。以後、第5層間絶縁膜226内に下部の第3金属配線224に連結されるタングステンプラグ228及び第4金属配線230を形成する。
以上のように、図2のCMOSイメージセンサーの多層の層間絶縁膜と図3aないし図3gの多層金属配線を有する多層の層間絶縁膜において、下部から上部に行くほど層間絶縁膜の密度を減少させて、入射光の屈折角を減らすことができる。
図4は本発明のイメージセンサーの多層の層間絶縁膜において、密度差による屈折率差を説明するための図面である。この図面において、密度はn1<n2であり、φ1(入射角)>φ2(屈折角)の大きさを有する。ここで見れば、密度の低い媒質n1から密度の高い媒質n2に入射する光は、入射角φ1より小さな屈折角φ2を持つ。
したがって、本発明の多層の層間絶縁膜においては、下部の層間絶縁膜に比べて上部の層間絶縁膜の密度が低くなって、結局下部に行くほど密度が高まるので、入射光の屈折角が順次減少する。これによって、マイクロレンズ及びカラーフィルターを通過した光が下部のフォトダイオードに到る間に、密度差が順次増加する多層の層間絶縁膜により屈折角が順次小さくなって、他の光経路への屈折なしにフォトダイオードに垂直に到るようになる。
一方、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する請求範囲に記載した本発明の技術的思想と範ちゅう内で当業者により様々な変形が可能である。
以上に説明したように、本発明は多層の層間絶縁膜を下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度を減少させ、マイクロレンズとカラーフィルターを通じて入射した光の屈折角を減らすことによって、フォトダイオードに到る垂直光伝達率を増大させフォトダイオードの集光効率を大きく向上させることができる。したがって、他の光経路に屈折して損失される光を最小化することができるので、イメージセンサーの光特性を改善できる。
従来技術によるイメージセンサーの構造を示す垂直断面図である。 本発明に係るイメージセンサーの構造を示す垂直断面図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜内に多層の配線を製造する過程を示す工程図である。 本発明に係るイメージセンサーの多層の層間絶縁膜で密度差による屈折率差を説明するための図面である。
符号の説明
100 フィールド絶縁膜、102 フォトダイオード、104,108 多層の層間絶縁膜、106 遮光膜、120 素子保護膜、122a,122b,122c カラーフィルター、124 層間絶縁膜、126 平坦化膜、128 マイクロレンズ。

Claims (14)

  1. 半導体基板に形成された少なくとも一つのフォトダイオード;
    前記フォトダイオード上に形成され、下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜;
    前記多層の層間絶縁膜上に順次に積層された遮光膜及び素子保護膜;
    前記素子保護膜上に順次に積層されたカラーフィルターアレイ及び平坦化膜;及び
    前記平坦化膜上の各カラーフィルターに対向する位置に配列されるマイクロレンズ;を含むことを特徴とするイメージセンサー。
  2. 前記多層の層間絶縁膜は、その下部に光感度調節膜を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
  3. 前記光感度調節膜は、その下部にバッファー絶縁膜を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
  4. 前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、蒸着工程によってPE−CVD<HDP−CVD<LP−CVD<熱酸化工程の順序で酸化膜の密度が高くなり、蒸着温度が低くなることによって酸化膜の密度が低くなって、蒸着工程と蒸着温度を調節して下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
  5. 前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、下部より上部の層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を高めて密度を下げることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
  6. 前記多層の層間絶縁膜は、蒸着工程と蒸着温度及び前記層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を調節して、下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることを特徴とする請求項4または5に記載のイメージセンサー。
  7. 前記多層の層間絶縁膜、前記素子保護膜、前記平坦化膜は、垂直に形成された多層の配線を備えることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
  8. 半導体基板に少なくとも一つのフォトダイオードを製造する段階;
    前記フォトダイオード上に下部から上部に行くほど下部より上部の層間絶縁膜の密度が低くなるように、少なくとも2層で積層された多層の層間絶縁膜を形成する段階;
    前記多層の層間絶縁膜上に順次に積層された遮光膜及び素子保護膜を形成する段階;
    前記素子保護膜上に順次に積層されたカラーフィルターアレイ及び平坦化膜を形成する段階;及び
    前記平坦化膜上に前記各カラーフィルターに対向する位置に配列されたマイクロレンズを形成する段階;を含むことを特徴とするイメージセンサーの製造方法。
  9. 前記多層の層間絶縁膜の下部に光感度調節膜を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサーの製造方法。
  10. 前記光感度調節膜の下部にバッファー絶縁膜を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサーの製造方法。
  11. 前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、蒸着工程によってPE−CVD<HDP−CVD<LP−CVD<熱酸化工程の順に酸化膜の密度が高くなり、蒸着温度が低くなることによって酸化膜の密度が低くなって、蒸着工程と蒸着温度を調節して下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサーの製造方法。
  12. 前記多層の層間絶縁膜は、酸化物質で形成され、下部より上部の層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を高めて密度を下げることを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサーの製造方法。
  13. 前記多層の層間絶縁膜は、蒸着工程と蒸着温度及び前記層間絶縁膜に添加する不純物の濃度を調節して下部より上部の層間絶縁膜の密度を下げることを特徴とする請求項11または12に記載のイメージセンサーの製造方法。
  14. 前記多層の層間絶縁膜、前記素子保護膜、前記平坦化膜を形成する段階で多層の配線を共に形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサーの製造方法。
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