JP2005333131A - Ｃｍｏｓ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】光感度及び周辺光量比改善のためのＣＭＯＳ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】ＣＭＯＳイメージセンサー１００は光感知素子及び素子分離絶縁膜２０ａ，２０ｂが形成された基板；前記基板に形成された複数の金属層と酸化物薄膜層を含むイメージセンサーにおいて、金属層内側に離隔して形成された複数の反射層４０ａ，４０ｂ；複数の反射層内側に酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして製造した溝に形成されたカラーフィルター５０；カラーフィルター上部の両側に所定の距離だけ離隔して形成された複数の突出部６０ａ，６０ｂ；突出部及び酸化物薄膜層の最上部に形成された平坦層７０；及び平坦層上に形成されたマイクロレンズ８０；を含むことを特徴とする。
【選択図】 図２
【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサー１００は光感知素子及び素子分離絶縁膜２０ａ，２０ｂが形成された基板；前記基板に形成された複数の金属層と酸化物薄膜層を含むイメージセンサーにおいて、金属層内側に離隔して形成された複数の反射層４０ａ，４０ｂ；複数の反射層内側に酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして製造した溝に形成されたカラーフィルター５０；カラーフィルター上部の両側に所定の距離だけ離隔して形成された複数の突出部６０ａ，６０ｂ；突出部及び酸化物薄膜層の最上部に形成された平坦層７０；及び平坦層上に形成されたマイクロレンズ８０；を含むことを特徴とする。
【選択図】 図２
Description
本発明は、相補性金属酸化膜半導体（以下、ＣＭＯＳと称する）イメージセンサー及びその製造方法に関し、より詳細には、センサー外郭から入射する光を損失なく受け取り、センサーの周辺光量比を向上させ、高感度、高画質を実現することのできる高感度のＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法に関する。
一般に、イメージセンサーは、光学映像を電気的信号に変換する半導体として、電荷結合素子（以下、ＣＣＤと称する）とＣＭＯＳイメージセンサーとに大別される。
ＣＣＤは、それぞれのＭＯＳ（Metal-Oxide-Silicon：以下、ＭＯＳと称する）キャパシタが互いに極めて近接に位置しており、電荷キャリアがキャパシタに保存され、搬送される素子である。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用いるＣＭＯＳ技術を利用して、画素数分ＭＯＳトランジスタを形成し、これを利用して次々出力を検出するスイッチ方式を採用する素子である。
ＣＣＤは、それぞれのＭＯＳ（Metal-Oxide-Silicon：以下、ＭＯＳと称する）キャパシタが互いに極めて近接に位置しており、電荷キャリアがキャパシタに保存され、搬送される素子である。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用いるＣＭＯＳ技術を利用して、画素数分ＭＯＳトランジスタを形成し、これを利用して次々出力を検出するスイッチ方式を採用する素子である。
ＣＣＤは、従来のイメージセンサーとして最も注目を浴びており、現在デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話などに常用化している。
一方、カメラ付き携帯電話の重要性が高くなるにつれ、カメラ付き携帯電話の消費電力を低減する方案が求められ、これによりＣＭＯＳイメージセンサーに対する関心が増加している。その理由は、ＣＭＯＳイメージセンサーは、一般のシリコン半導体を生産するＣＭＯＳ工程にて製作され、サイズが小さく、安価であると共に、消費電力が低いという長所を有するためである。
一方、カメラ付き携帯電話の重要性が高くなるにつれ、カメラ付き携帯電話の消費電力を低減する方案が求められ、これによりＣＭＯＳイメージセンサーに対する関心が増加している。その理由は、ＣＭＯＳイメージセンサーは、一般のシリコン半導体を生産するＣＭＯＳ工程にて製作され、サイズが小さく、安価であると共に、消費電力が低いという長所を有するためである。
ＣＭＯＳセンサーはこのように集積度が高く、消費電力が低いため携帯用センサーとしての優秀な特性を有しているが、既存のＣＣＤに比べ光感度が低いという問題点がある。
一方、カメラ付き携帯電話などの携帯機器がより小型化されていることから、カメラ付き携帯電話を構成する光学系に用いられる光学システムはコンパクト化、且つ高画質化している。従って、カメラ付き携帯電話などに用いられているＣＭＯＳの画素数が３０万、１００万、１３０万、２００万、３００万画素などへと増加し、センサーのピクセルサイズがより小さくなり、イメージモジュールのコンパクト化につれ、イメージセンサーの対角の長さがより減少している。これにより後焦点距離（back focal length）が小さくなり、よってＣＭＯＳの外郭から入射する光の入射角度はより大きくなる。結果的に、レンズの後焦点距離が減少するほど、ＣＭＯＳの中央部分と外郭から入射される光量比（以下、周辺光量比と称する）がより低下する。これはＣＭＯＳだけの現象ではなく、ＣＣＤにも認められる現象であって、最近のセンサーに関する最も大きな問題点のひとつである。
一方、カメラ付き携帯電話などの携帯機器がより小型化されていることから、カメラ付き携帯電話を構成する光学系に用いられる光学システムはコンパクト化、且つ高画質化している。従って、カメラ付き携帯電話などに用いられているＣＭＯＳの画素数が３０万、１００万、１３０万、２００万、３００万画素などへと増加し、センサーのピクセルサイズがより小さくなり、イメージモジュールのコンパクト化につれ、イメージセンサーの対角の長さがより減少している。これにより後焦点距離（back focal length）が小さくなり、よってＣＭＯＳの外郭から入射する光の入射角度はより大きくなる。結果的に、レンズの後焦点距離が減少するほど、ＣＭＯＳの中央部分と外郭から入射される光量比（以下、周辺光量比と称する）がより低下する。これはＣＭＯＳだけの現象ではなく、ＣＣＤにも認められる現象であって、最近のセンサーに関する最も大きな問題点のひとつである。
図４はイメージセンサーの光感度を増加させるために提案されたイメージセンサーの概略図である（特許文献１）。同図に示すように、既存のＣＣＤイメージセンサーにおいて光感度を増加するための一般の手法は、マイクロレンズ（ＭＬ）をフォトダイオード（ＰＤ）上部に配置することである。
一般に、イメージセンサーのピクセル領域（ＰＸ）、つまり、マイクロレンズによる有効な光学活性領域（ＯＡ）でフォトダイオードが占める部分は一定の部分であり、ピクセル全領域を占めない（図１参照）。従って、イメージセンサーはピクセル領域でフォトダイオードが占める比率（fill factor）が１とならないため、入射する光の損失が生じる。それゆえに、同図のような方式でマイクロレンズをフォトダイオード上部に配置し、損失する入射光を集光することによりフォトダイオードへ収束する光量が増加する。
一般に、イメージセンサーのピクセル領域（ＰＸ）、つまり、マイクロレンズによる有効な光学活性領域（ＯＡ）でフォトダイオードが占める部分は一定の部分であり、ピクセル全領域を占めない（図１参照）。従って、イメージセンサーはピクセル領域でフォトダイオードが占める比率（fill factor）が１とならないため、入射する光の損失が生じる。それゆえに、同図のような方式でマイクロレンズをフォトダイオード上部に配置し、損失する入射光を集光することによりフォトダイオードへ収束する光量が増加する。
図５Ａ及び５Ｂは、図４に示したセンサーに垂直入射する光源及び傾斜入射する光源を示した図である。図５Ａに示すように、マイクロレンズの焦点位置をフォトダイオードに固定した場合、マイクロレンズに垂直に入射する光源はフォトダイオードへ全て収束する。しかし、図５Ｂに示すように、マイクロレンズに一定の角度傾いて入射する光源はフォトダイオードへ収束されず、一定の長さのずれが生じる。この現象はセンサーの中央部分と周辺から入射される光線にそれぞれ現れ、イメージセンサーの周辺光量比を低下させる最も大きな原因となる。
そこで、周辺光量比に対する問題点を解決するため、イメージセンサーにおけるマイクロレンズを縮小させることが提案されている（特許文献２）。
図６Ａはマイクロレンズ製造用マスクを一定の比率で縮小することによりマイクロレンズとフォトダイオードの光軸のずれを表したイメージセンサーの概略図であり、図６Ｂはマイクロレンズとフォトダイオードの光軸のずれにより傾斜入射する光がフォトダイオードへ収束することを表した図である。図６に示したイメージセンサーはセンサーの外郭へ行くほどマイクロレンズとフォトダイオードとの光軸のずれを大きくさせ、センサーの外郭から入射される光の収束程度を増加させて、周辺光量を改善している。
図６Ａはマイクロレンズ製造用マスクを一定の比率で縮小することによりマイクロレンズとフォトダイオードの光軸のずれを表したイメージセンサーの概略図であり、図６Ｂはマイクロレンズとフォトダイオードの光軸のずれにより傾斜入射する光がフォトダイオードへ収束することを表した図である。図６に示したイメージセンサーはセンサーの外郭へ行くほどマイクロレンズとフォトダイオードとの光軸のずれを大きくさせ、センサーの外郭から入射される光の収束程度を増加させて、周辺光量を改善している。
しかし、このようなイメージセンサーにおいて、周辺光量比改善の最も大きな問題点はセンサーの中央から入射される光線とセンサーの外郭から入射される光線との入射勾配が相違するため、同一の特性（例えば、焦点距離、レンズ直径など）を有するレンズによってのみでは、フォトダイオードへ光が十分収束させることができない。
このような問題点を解決するために、センサーの中央と周辺部のマイクロレンズの特性を異ならせて構成することが考えられる。これにより、フォトダイオードへ収束する光の均一度、つまり周辺光量比を向上させることができる。しかし、このようなマイクロレンズを形成する方法として、従来のように、フォトレジストを四角形または円筒形の柱でパターンニングした後、熱を加えてマイクロレンズを形成する方法では、これを実現することは不可能である。
このような問題点を解決するために、センサーの中央と周辺部のマイクロレンズの特性を異ならせて構成することが考えられる。これにより、フォトダイオードへ収束する光の均一度、つまり周辺光量比を向上させることができる。しかし、このようなマイクロレンズを形成する方法として、従来のように、フォトレジストを四角形または円筒形の柱でパターンニングした後、熱を加えてマイクロレンズを形成する方法では、これを実現することは不可能である。
そこで、図７に示すような、内部層レンズ（Inner layer lens）を用いたＣＣＤイメージセンサーが一部適用されている。このイメージセンサーでは、同図に示すように、マイクロレンズにより収束された光線をフォトダイオード近くに配置した内部層マイクロレンズを用いて再び収束させることで光効率が増加する。この方法によると、センサーに垂直に入射する光線のみならず、傾斜入射する光線も内部層マイクロレンズによってさらに収束できるので、周辺光量比の改善に大きな効果がある。
しかし、ＣＣＤとは異なって、ＣＭＯＳでは構造的に内部層マイクロレンズを設置することが容易ではなく、この方法を適用しても２〜３段階の追加的なマスク工程が要求されるので、ＣＭＯＳの製造コストが増加するという問題点がある。
また、一般に、イメージセンサーの周辺光量比は、マイクロレンズとフォトダイオードとの距離によって変化する。例えば、図５はマイクロレンズとフォトダイオードとの距離により、マイクロレンズにより傾いて入射する光の収束程度を表す図である。図８Ａはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離Ｈ１が長い場合、図８Ｂはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離Ｈ２が短い場合を表す。レンズの特性上、焦点距離が長ければ上面での焦点偏差Ｗ１が大きく、焦点距離が短ければ焦点偏差Ｗ２が小さくなる。このような特性のため、マイクロレンズの焦点位置をフォトダイオードにする場合、マイクロレンズとフォトダイオードとの距離が長ければ、フォトダイオードへ収束する光量が減少する。図８Ｃに示すように、マイクロレンズに垂直入射する光線は全てフォトダイオードへ収束するが、傾斜入射する光線はマイクロレンズとフォトダイオードとの距離が増加することにより焦点偏差が増加し、フォトダイオードは周辺の構造物などに反射する部分が多くなる。従って、周辺光量を改善するためにはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離をできるだけ減らすことが好ましい。しかし、ＣＣＤと異なってＣＭＯＳでは構造的な問題によりマイクロレンズとフォトダイオードとの距離を減らすことが容易ではない。
米国特許公報第４，６６７，０９２号
米国特許公報第５，６０１，３９０号
また、一般に、イメージセンサーの周辺光量比は、マイクロレンズとフォトダイオードとの距離によって変化する。例えば、図５はマイクロレンズとフォトダイオードとの距離により、マイクロレンズにより傾いて入射する光の収束程度を表す図である。図８Ａはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離Ｈ１が長い場合、図８Ｂはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離Ｈ２が短い場合を表す。レンズの特性上、焦点距離が長ければ上面での焦点偏差Ｗ１が大きく、焦点距離が短ければ焦点偏差Ｗ２が小さくなる。このような特性のため、マイクロレンズの焦点位置をフォトダイオードにする場合、マイクロレンズとフォトダイオードとの距離が長ければ、フォトダイオードへ収束する光量が減少する。図８Ｃに示すように、マイクロレンズに垂直入射する光線は全てフォトダイオードへ収束するが、傾斜入射する光線はマイクロレンズとフォトダイオードとの距離が増加することにより焦点偏差が増加し、フォトダイオードは周辺の構造物などに反射する部分が多くなる。従って、周辺光量を改善するためにはマイクロレンズとフォトダイオードとの距離をできるだけ減らすことが好ましい。しかし、ＣＣＤと異なってＣＭＯＳでは構造的な問題によりマイクロレンズとフォトダイオードとの距離を減らすことが容易ではない。
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであって、その目的はセンサーの光感度と周辺光量比とを向上させ、センサーに傾いて入射する光により生じ得る光学的混線（optical crosstalk）を防止することができるＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明のＣＭＯＳイメージセンサーは、光感知素子及び素子分離絶縁膜が形成された基板、前記基板に形成された複数の金属層と酸化物薄膜層とを含むイメージセンサーであって、前記金属層内側に、離隔して形成された複数の反射層；前記複数の反射層内側に前記酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして製造した溝に形成されたカラーフィルター；前記カラーフィルター上部の両側に所定の距離だけ離隔して形成された複数の突出部；前記突出部及び前記酸化物薄膜層の表面上に形成された平坦層；及び前記平坦層上に形成されたに形成されたマイクロレンズ；を含むことを特徴とする。
このような構成により、フォトダイオードの上方に反射率が高く、光の吸収が少ない物質で構成された反射層を設置することができるため、反射層上部の仮想焦点面へ入射したいかなる光もフォトダイオードへ収束することでセンサーの光感度を大きく向上させることができる。しかも、所定領域に配置した突出部により、フォトダイオード及び酸化物薄膜層から再反射される光の放出を減少させることができ、フォトダイオードへ収束する光の量をより増加させることができ、これによって、センサーの光感度を一層向上させることができる。
また、本発明のＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法は、
半導体基板に光感知素子及び素子分離絶縁膜を形成する工程；
前記半導体基板の上部に複数の金属層及び複数の酸化物薄膜層を形成する工程；
前記金属層内側に酸化物薄膜層をエッチングして溝を形成し、前記溝に反射層を形成する工程；
前記反射層内側の酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして溝を形成し、前記溝にカラーフィルターを形成する工程；
前記カラーフィルター上部の両側に複数の突出部を形成する工程；
前記突出部及び前記酸化物薄膜層の表面上に平坦層を形成する工程；及び
前記平坦層の上にマイクロレンズを形成する工程；を含むことを特徴とする。
半導体基板に光感知素子及び素子分離絶縁膜を形成する工程；
前記半導体基板の上部に複数の金属層及び複数の酸化物薄膜層を形成する工程；
前記金属層内側に酸化物薄膜層をエッチングして溝を形成し、前記溝に反射層を形成する工程；
前記反射層内側の酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして溝を形成し、前記溝にカラーフィルターを形成する工程；
前記カラーフィルター上部の両側に複数の突出部を形成する工程；
前記突出部及び前記酸化物薄膜層の表面上に平坦層を形成する工程；及び
前記平坦層の上にマイクロレンズを形成する工程；を含むことを特徴とする。
上記ＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法においては、光感知素子は、フォトダイオード又はフォトゲートのいずれかであることが好ましい。
これにより、簡便な素子で高性能のセンサーを実現することができるとともに、簡便に製造することができ、製造コストの上昇を招くことなく、安価なセンサーを得ることができる。
これにより、簡便な素子で高性能のセンサーを実現することができるとともに、簡便に製造することができ、製造コストの上昇を招くことなく、安価なセンサーを得ることができる。
また、複数の反射層は、突出部間の開口を介して入射した光を反射して前記光感知素子へ収束するものであることが好ましい。
これにより、本来は光感知素子の外側において収束又は照射されることにより感知されない光であっても、その光の外側への収束又は照射を反射層により有効に阻止することができ、突出部間の開口を通った光を確実に光感知素子に収束することができる。
これにより、本来は光感知素子の外側において収束又は照射されることにより感知されない光であっても、その光の外側への収束又は照射を反射層により有効に阻止することができ、突出部間の開口を通った光を確実に光感知素子に収束することができる。
さらに、マイクロレンズの焦点位置は、突出部間の開口上に形成されていることが好ましい。
これにより、マイクロレンズの焦点距離を、光感知素子表面に焦点を設定するよりも、相当短く設定することができ、マイクロレンズの上面の焦点偏差を減らすことができる。従って、センサーに傾いて入射する光が光感知素子へ収束する光の量を増加させることができる。
これにより、マイクロレンズの焦点距離を、光感知素子表面に焦点を設定するよりも、相当短く設定することができ、マイクロレンズの上面の焦点偏差を減らすことができる。従って、センサーに傾いて入射する光が光感知素子へ収束する光の量を増加させることができる。
また、複数の突出部は、屈折率の違いによりフォトダイオード及び酸化物薄膜層の表面から反射する光を再反射し、前記光感知素子へ収束するように構成されていることが好ましい。
これにより、光感知素子へ収束する光の量を確実に増加させることができる。
なお、複数の突出部の長さは、（１）同一であり、突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致するか、（２）それぞれ相異なっており、突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致しないかのいずれかであることが好ましい。
これにより、光感知素子へ収束する光の量を確実に増加させることができる。
なお、複数の突出部の長さは、（１）同一であり、突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致するか、（２）それぞれ相異なっており、突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致しないかのいずれかであることが好ましい。
このように、突出部間の開口幅とフォトダイオードの光軸ずれとを調節することにより、マイクロレンズの形状を変化させることなく、周辺光量比を改善することが可能となる。
本発明のＣＭＯＳイメージセンサーによれば、センサーの光感度と周辺光量比とを向上させ、センサーに傾いて入射する光により生じ得る光学的混線を有効に防止することができる。
また、本発明のＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法によれば、光感度と周辺光量比とが改善された高品質及び高信頼性のセンサーを、効率よく、製造コストを増加させることなく製造することが可能となる。
また、本発明のＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法によれば、光感度と周辺光量比とが改善された高品質及び高信頼性のセンサーを、効率よく、製造コストを増加させることなく製造することが可能となる。
以下、添付した図面に示すように、本発明の好適な実施形態を詳説する。
図１Ａ〜図１Ｈは本発明によるＣＭＯＳイメージセンサー１００の製造工程別の断面図である。
図１Ａは通常の方法でカラーフィルターを形成する直前までの工程が行われた状態の断面図である。このＣＭＯＳイメージセンサー１００は、シリコン基板１０上に形成された素子分離絶縁膜２０ａ、２０ｂ間に受光素子としてフォトダイオード３０が形成され、その他イメージセンサーを構成するＮＭＯＳ及びＰＭＯＳトランジスタなどのＣＭＯＳ素子（図示せず）が形成されていてもよい。
図１Ａ〜図１Ｈは本発明によるＣＭＯＳイメージセンサー１００の製造工程別の断面図である。
図１Ａは通常の方法でカラーフィルターを形成する直前までの工程が行われた状態の断面図である。このＣＭＯＳイメージセンサー１００は、シリコン基板１０上に形成された素子分離絶縁膜２０ａ、２０ｂ間に受光素子としてフォトダイオード３０が形成され、その他イメージセンサーを構成するＮＭＯＳ及びＰＭＯＳトランジスタなどのＣＭＯＳ素子（図示せず）が形成されていてもよい。
一方、ＣＭＯＳイメージセンサー１００は光を感知する光感知部分と感知した光を電気的信号に処理し、データ化するロジック回路からなっており、ＣＣＤと異なって光感知部分とロジック部分の製造工程が同時に行われる。
このようなロジック回路部分（図示せず）を形成するため、例えば、複数の金属層Ｍ１〜Ｍ４が形成され、各金属層Ｍ１〜Ｍ４はロジック回路部分を形成する工程のうち形成された複数の酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４により取り囲まれている。なお、金属層Ｍ１〜Ｍ４及び酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４の積層数は、その材料、製造工程、得ようとする素子又は回路等の特性等により、適宜設定することができる。
このようなロジック回路部分（図示せず）を形成するため、例えば、複数の金属層Ｍ１〜Ｍ４が形成され、各金属層Ｍ１〜Ｍ４はロジック回路部分を形成する工程のうち形成された複数の酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４により取り囲まれている。なお、金属層Ｍ１〜Ｍ４及び酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４の積層数は、その材料、製造工程、得ようとする素子又は回路等の特性等により、適宜設定することができる。
次に、図１Ｂに示すように、フォトダイオード３０上方の酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４におけるフォトダイオード３０両側部に、所定の幅Ｗ１でエッチングして溝を形成する。溝は下部へ行くほどその幅が狭くなり、傾いた楔型の溝とすることができる。
続いて、図１Ｃに示すように、酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４を貫通して形成された溝にスパッタ法を利用して反射層４０ａ、４０ｂを堆積する。反射層４０ａ、４０ｂは反射率が高く、光の吸収が少ない物質であればいずれのものであっても適用できる。反射層４０を構成する物質の例として、例えば、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）及びタングステン（Ｗ）など、光に対して高反射率を有する物質が挙げられる。なお、この溝は、基板表面（又は素子分離絶縁膜の表面）に至ることが好ましいが、必ずしもその底部が基板等の表面にいたっていなくてもよい。
続いて、図１Ｃに示すように、酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４を貫通して形成された溝にスパッタ法を利用して反射層４０ａ、４０ｂを堆積する。反射層４０ａ、４０ｂは反射率が高く、光の吸収が少ない物質であればいずれのものであっても適用できる。反射層４０を構成する物質の例として、例えば、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）及びタングステン（Ｗ）など、光に対して高反射率を有する物質が挙げられる。なお、この溝は、基板表面（又は素子分離絶縁膜の表面）に至ることが好ましいが、必ずしもその底部が基板等の表面にいたっていなくてもよい。
次に、図１Ｄに示すように、カラーフィルターの形成を容易にするために、酸化物薄膜層Ｄ４の上部を所定の厚さだけ取り除く。
その後、図１Ｅに示すように、カラーフィルター５０を形成するため、反射層４０ａ、４０ｂ内側の酸化物薄膜層Ｄ４を所定の厚さだけエッチングして溝を形成する。
続いて、図１Ｆに示すように、溝内に直接カラーフィルター５０を形成し、その表面を平坦化する。カラーフィルター５０は、赤Ｒ、緑Ｇ及び青Ｂの３つのカラーフィルターがアレイ化されて形成されている。一般に、カラーフィルター５０は、フォトレジストに色素を添加することなどにより製作されるが、その透過性はフォトレジストに添加する色素の量によって決定することができる。しかし、実際には最適の色感を表すカラーフィルターの厚さと色素量とは決まっているので、カラーフィルターの厚さを調節することが最も重要である。本発明では、任意にカラーフィルターの厚さを調節することができる。
その後、図１Ｅに示すように、カラーフィルター５０を形成するため、反射層４０ａ、４０ｂ内側の酸化物薄膜層Ｄ４を所定の厚さだけエッチングして溝を形成する。
続いて、図１Ｆに示すように、溝内に直接カラーフィルター５０を形成し、その表面を平坦化する。カラーフィルター５０は、赤Ｒ、緑Ｇ及び青Ｂの３つのカラーフィルターがアレイ化されて形成されている。一般に、カラーフィルター５０は、フォトレジストに色素を添加することなどにより製作されるが、その透過性はフォトレジストに添加する色素の量によって決定することができる。しかし、実際には最適の色感を表すカラーフィルターの厚さと色素量とは決まっているので、カラーフィルターの厚さを調節することが最も重要である。本発明では、任意にカラーフィルターの厚さを調節することができる。
なお、酸化物薄膜層Ｄ４の表面の部分的な除去、カラーフィルター形成のための酸化物薄膜層Ｄ４の部分的な除去及び／又はカラーフィルターの形成は、省略してもよいし、必ずしも上記した方法によって形成するのではなく、当該分野で公知の方法で形成してもよい。
次に、図１Ｇに示すように、カラーフィルター５０上部に高反射物質を公知の方法（例えば、蒸着、スパッタリング、気相成長法など）で形成し、突出部６０ａ、６０ｂを形成する。これらの突出部６０ａ、６０ｂは高反射物質で形成することが好ましいが、必ずしも金属でなくてもよい。突出部６０ａ、６０ｂ間の開口中心は、フォトダイオード３０の中心と一致させることが一般的であるが、本発明では開口の中心がセンサーの外郭に位置していることで、フォトダイオード３０の光軸とずれていてもよい。また、センサーの外郭へ行くほど開口の幅が変化してもよいし、突出部６０ａ、６０ｂが左右非対称であってもよい。なお、複数の突出部の長さ（幅）は、すべて同一でもよいし、一部同一でもよいし、全て異なってもよい。また、これら複数の突出部とフォトダイオードの中心軸との距離は、すべて同一でもよいし、一部同一でもよいし、全て異なってもよい。
次に、図１Ｇに示すように、カラーフィルター５０上部に高反射物質を公知の方法（例えば、蒸着、スパッタリング、気相成長法など）で形成し、突出部６０ａ、６０ｂを形成する。これらの突出部６０ａ、６０ｂは高反射物質で形成することが好ましいが、必ずしも金属でなくてもよい。突出部６０ａ、６０ｂ間の開口中心は、フォトダイオード３０の中心と一致させることが一般的であるが、本発明では開口の中心がセンサーの外郭に位置していることで、フォトダイオード３０の光軸とずれていてもよい。また、センサーの外郭へ行くほど開口の幅が変化してもよいし、突出部６０ａ、６０ｂが左右非対称であってもよい。なお、複数の突出部の長さ（幅）は、すべて同一でもよいし、一部同一でもよいし、全て異なってもよい。また、これら複数の突出部とフォトダイオードの中心軸との距離は、すべて同一でもよいし、一部同一でもよいし、全て異なってもよい。
その後、図１Ｈに示すように、突出部６０ａ、６０ｂ上方に平坦層７０を形成し、さらに平坦層７０上部にマイクロレンズ８０を形成する。カラーフィルター５０上部に平坦層７０を形成する理由は、カラーフィルター５０の表面が粗いためであるが、その表面粗さ(凹凸）によって省略してもよい。
本発明ではマイクロレンズ８０の焦点位置をフォトダイオード３０にあわせることではなく、カラーフィルター５０の中央上部部分、言い換えると、突出部の開口内のどこか（例えば、開口の底付近、開口の表面付近など）がマイクロレンズ８０の焦点位置になるようマイクロレンズ８０の曲率及び屈折率を調節することである。なお、この方式により形成されたマイクロレンズ８０の焦点を仮想焦点と定義する。
本発明ではマイクロレンズ８０の焦点位置をフォトダイオード３０にあわせることではなく、カラーフィルター５０の中央上部部分、言い換えると、突出部の開口内のどこか（例えば、開口の底付近、開口の表面付近など）がマイクロレンズ８０の焦点位置になるようマイクロレンズ８０の曲率及び屈折率を調節することである。なお、この方式により形成されたマイクロレンズ８０の焦点を仮想焦点と定義する。
本発明の構造特性上、仮想焦点の外壁部分、つまり反射層４０ａ、４０ｂが、高反射率の物質で形成されているため、仮想焦点へ入射し、直接フォトダイオードに照射されないような、いかなる光も反射層４０ａ、４０ｂにより反射され、結局フォトダイオード３０へ収束する。なお、カラーフィルター５０を突出部６０ａ、６０ｂの下部に設置することにより、マイクロレンズ８０と仮想焦点との距離が最小化される。このように、マイクロレンズ８０の焦点距離を短くすればするほどマイクロレンズ８０による上面の焦点偏差を低減させることができ、センサーの周辺光量比をより改善することができる。
図２は本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの動作を説明するための概念図である。図２に示すように、ユーザはマイクロレンズ８０の仮想焦点が突出部６０ａ、６０ｂの高さで固定されるようマイクロレンズ８０の曲率及び屈折率を調節する。突出部６０ａ、６０ｂの下方へ入射された光線は高反射物質でコーティングした反射層４０ａ、４０ｂにより反射することによって、いかなる角度で入射されても全てフォトダイオード３０へ収束する。
このような方式により、マイクロレンズ８０の焦点位置がフォトダイオード３０からカラーフィルター５０の中央上部へ移動するため、マイクロレンズ８０の焦点位置までの距離Ｌ’が従来の焦点位置までの距離Ｌに比べて相当減少させることができる。
従って、傾斜入射する光に対したマイクロレンズ８０上面の焦点偏差が極めて小さくなるため、センサーの周辺光量比を増大させることができる。
従って、傾斜入射する光に対したマイクロレンズ８０上面の焦点偏差が極めて小さくなるため、センサーの周辺光量比を増大させることができる。
また、このＣＭＯＳイメージセンサー１００の構造において、複数の酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４を、それぞれ異なる屈折率を有する透明物質で構成することにより、酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４へ入射する光の一部は、屈折率の違いにより、それぞれの酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４及びフォトダイオード３０の表面で反射する。
このとき、突出部６０ａ、６０ｂは酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４及びフォトダイオード３０の表面から反射され、戻ってくる光線を再びフォトダイオード３０へ再反射する。よって、ＣＭＯＳイメージセンサー１００の光効率をより増大させることができる。
このとき、突出部６０ａ、６０ｂは酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４及びフォトダイオード３０の表面から反射され、戻ってくる光線を再びフォトダイオード３０へ再反射する。よって、ＣＭＯＳイメージセンサー１００の光効率をより増大させることができる。
図３Ａ及び３Ｂは、突出部６０ａ、６０ｂ間の開口中心軸とフォトダイオードとの関係を表す図である。
突出部６０ａ、６０ｂの役割は二つある。第一に、突出部６０ａ、６０ｂ間の開口、つまり仮想焦点面に入射した光は、反射層４０ａ、４０ｂから反射され、フォトダイオード３０へ収束する。このとき、突出部６０ａ、６０ｂは、酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４間の屈折率差により生じる表面反射を改善する。第二に周辺光量比を改善する。つまり、突出部６０ａ、６０ｂの幅とフォトダイオード３０との軸ずれを調節することにより、周辺光量比を改善することができる。このＣＭＯＳイメージセンサー１００は、突出部６０ａ、６０ｂの幅とフォトダイオード３０の軸ずれとを調節することにより、中央部分と外郭部分とに入射する光の角度が相違していることから生じる周辺光量比を改善することができる。
突出部６０ａ、６０ｂの役割は二つある。第一に、突出部６０ａ、６０ｂ間の開口、つまり仮想焦点面に入射した光は、反射層４０ａ、４０ｂから反射され、フォトダイオード３０へ収束する。このとき、突出部６０ａ、６０ｂは、酸化物薄膜層Ｄ１〜Ｄ４間の屈折率差により生じる表面反射を改善する。第二に周辺光量比を改善する。つまり、突出部６０ａ、６０ｂの幅とフォトダイオード３０との軸ずれを調節することにより、周辺光量比を改善することができる。このＣＭＯＳイメージセンサー１００は、突出部６０ａ、６０ｂの幅とフォトダイオード３０の軸ずれとを調節することにより、中央部分と外郭部分とに入射する光の角度が相違していることから生じる周辺光量比を改善することができる。
図３Ａに示すように、このＣＭＯＳイメージセンサー１００は仮想焦点面の中央を基準にして第１突出部６０ａと第２突出部６０ｂとの長さが同じであれば、それぞれの突出部６０ａ、６０ｂ間の幅Ｗは狭く、フォトダイオード８０と仮想焦点面の軸が一致する。図３Ｂに示すように、フォトダイオード３０と仮想焦点面の軸が互いにずれるように突出部６０ａ、６０ｂが設置されると、突出部６０ａ、６０ｂは、ＣＭＯＳイメージセンサー１００の周辺部に配置し、第１突出部６０ａと第２突出部６０ｂとの長さはそれぞれ相違する。各突出部６０ａ、６０ｂ間の幅Ｗ’は図３Ａと比べたとき相対的に広くなる。このＣＭＯＳイメージセンサー１００は突出部６０ａ、６０ｂを形成するときセンサー位置によって開口の幅と軸とを調節することにより、マイクロレンズ８０を変形しなくても効果的に周辺光量比を調節することができる。
上記実施の形態では、光感知素子、つまり受光素子をフォトダイオードとして説明したが、フォトダイオードに代えてフォトゲートなどの光感知素子を用いてもよい。
以上では、本発明の原理を例示するために本発明の好適な実施例について図示し、説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求している本発明の要旨を逸脱することなく本発明に対する種々の変形及び修正が可能であることは当業者であれば理解できるであろう。よって、そのような変更及び修正は本発明の特許請求の範囲に含まれるものと見なすべきである。
以上では、本発明の原理を例示するために本発明の好適な実施例について図示し、説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求している本発明の要旨を逸脱することなく本発明に対する種々の変形及び修正が可能であることは当業者であれば理解できるであろう。よって、そのような変更及び修正は本発明の特許請求の範囲に含まれるものと見なすべきである。
本発明のＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法は、ＣＭＯＳのみならず、ＣＣＤによるイメージセンサーにも同様に適用することができる。なお、その場合、ＣＭＯＳ又はＣＣＤの構成として、例えば、少なくとも光感知素子が形成された基板とその上に形成された少なくとも１つの層間絶縁層（例えば、酸化物薄膜層）とを含むイメージセンサーであって、層間絶縁層中であって、光感知素子の外周を取り囲む領域の少なくとも一部に、互いに離間して形成された複数の反射層；該複数の反射層の少なくとも内側領域であって、かつ層間絶縁層上に配置された突出部（例えば、光反射材料で形成）；該突出部及び層間絶縁層上方に形成されたマイクロレンズ；を、最小限に含んでいればよい。つまり、素子分離絶縁膜、金属層、カラーフィルター、平坦層等は任意の構成としてもよい。
１０ シリコン基板
２０ａ、２０ｂ 素子分離絶縁膜
３０ フォトダイオード
４０ａ、４０ｂ 反射層
５０ カラーフィルター
６０ａ、６０ｂ 突出部
７０ 平坦層
８０ マイクロレンズ
１００ ＣＭＯＳイメージセンサー
Ｄ１〜Ｄ４ 酸化物薄膜層
Ｍ１〜Ｍ４ 金属層
２０ａ、２０ｂ 素子分離絶縁膜
３０ フォトダイオード
４０ａ、４０ｂ 反射層
５０ カラーフィルター
６０ａ、６０ｂ 突出部
７０ 平坦層
８０ マイクロレンズ
１００ ＣＭＯＳイメージセンサー
Ｄ１〜Ｄ４ 酸化物薄膜層
Ｍ１〜Ｍ４ 金属層
Claims (12)
- 光感知素子及び素子分離絶縁膜が形成された基板、前記基板に形成された複数の金属層と酸化物薄膜層とを含むイメージセンサーであって、
前記金属層内側に、離隔して形成された複数の反射層；
前記複数の反射層内側に前記酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして製造した溝に形成されたカラーフィルター；
前記カラーフィルター上部の両側に所定の距離だけ離隔して形成された複数の突出部；
前記突出部及び前記酸化物薄膜層の表面上に形成された平坦層；及び
前記平坦層上に形成されたマイクロレンズ；を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサー。 - 前記光感知素子は、フォトダイオード又はフォトゲートのいずれかである請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記複数の反射層は、前記突出部間の開口を介して入射した光を反射して前記光感知素子へ収束する請求項１又は２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記マイクロレンズの焦点位置は、前記突出部間の開口上に形成される請求項１〜３のいずれか１つに記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記複数の突出部は、屈折率の違いにより前記フォトダイオード及び前記酸化物薄膜層の表面から反射する光を再反射し、前記光感知素子へ収束する請求項１〜４のいずれか１つに記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記複数の突出部の長さが同一であり、前記突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致する請求項１〜５のいずれか１つに記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記複数の突出部の長さがそれぞれ相異なっているため、前記突出部間の開口中心を通る軸と前記光感知素子の中心を通る軸とが一致しない請求項１〜５のいずれか１つに記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 半導体基板に光感知素子及び素子分離絶縁膜を形成する工程；
前記半導体基板の上部に複数の金属層及び複数の酸化物薄膜層を形成する工程；
前記金属層内側に酸化物薄膜層をエッチングして溝を形成し、前記溝に反射層を形成する工程；
前記反射層内側の酸化物薄膜層を所定の厚さでエッチングして溝を形成し、前記溝にカラーフィルターを形成する工程；
前記カラーフィルター上部の両側に複数の突出部を形成する工程；
前記突出部及び前記酸化物薄膜層の表面上に平坦層を形成する工程；及び
前記平坦層の上にマイクロレンズを形成する工程；を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法。 - 前記光感知素子は、フォトダイオード又はフォトゲートのいずれかである請求項８に記載の方法。
- 前記複数の反射層は、前記突出部間の開口を介して入射した光を反射し、前記光感知素子へ収束する請求項８又は９に記載の方法。
- 前記マイクロレンズの焦点位置を、前記突出部間の開口上に形成する請求項８〜１０のいずれか１つに記載の方法。
- 前記複数の突出部は、屈折率の違いにより、前記フォトダイオード及び前記酸化物薄膜層の表面から反射する光を再反射し、前記光感知素子へ収束する請求項８〜１１に記載の方法。
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