JP2006032897A - Ｃｍｏｓイメージセンサー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 屈折率が互いに異なる物質を用いた多層マイクロレンズを構成して、光の集束効率を高めるＣＭＯＳイメージセンサー及びその製造方法の提供。
【解決手段】 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、複数の光感知素子上に形成された層間絶縁層と、光感知素子それぞれに対応し、各波長帯域毎の光を透過させる複数のカラーフィルタ層と、カラーフィルタ層上の全面に形成されて、光を集束する第１マイクロレンズ層と、第１マイクロレンズ層上に、それぞれ光感知素子に対応して形成され、第１マイクロレンズ層の屈折率と異なる屈折率を有する第２マイクロレンズ層とから構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明はイメージセンサーに関し、特に、屈折率が互いに異なる物質を用いた、多層構造のマイクロレンズを構成することによって、光の集束効率を高めるようにした、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサーと、その製造方法に関するものである。

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。イメージセンサーを大まかに分類すると、電荷結合素子（ＣＣＤ）と、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサーとに分けられる。

ＣＭＯＳイメージセンサーは、光を感知するフォトダイオード（ＰＤ）と、感知された光を電気的信号のデータに変換するＣＭＯＳ論理回路とから構成される。ここで、フォトダイオードによって感知される光量が多くなるほど、イメージ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。

例えば、光を集光するために、マイクロレンズが設けられる。すなわち、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。これによれば、入射光の経路は、凸状のマイクロレンズによって屈折されて、より多量の光をフォトダイオードに照射させることができる。この場合、マイクロレンズの光軸に対して平行である光は、マイクロレンズによって屈折されて、光軸上の所定の位置に、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、それに含まれるマイクロレンズの形成方法について説明する。

図１は、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーのマイクロレンズ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、フォトダイオードの領域１１と、層間絶縁層１２と、保護層１３と、ＲＧＢのカラーフィルタ層１４と、トップコーティング層１５と、凸状のマイクロレンズ１６とを備えている。ここで、少なくともひとつのフォトダイオード領域１１は、半導体基板（図示せず）の上に形成されていて、該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。また、層間絶縁層１２は、フォトダイオード領域１１を含む半導体基板（図示せず）の全面に形成されていて、該層間絶縁層１２の上には保護層１３が形成されている。そして、保護層１３の上には、ＲＧＢのカラーフィルタ層１４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と共に、ＲＧＢフィルタ層１４の上にはトップコーティング層１５が形成されている。トップコーティング層１５の上には、所定の曲率を有した凸状であるマイクロレンズ１６が形成され、ＲＧＢカラーフィルタ層１４を通過した光は、フォトダイオード領域１１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１２の内部には遮光層が形成されていて、該遮光層は、フォトダイオード領域１１以外の部分に光が入射することを防止するように形成されている。

なお、フォトダイオードに代えて、フォトゲートを用いることもできる。

ここで、マイクロレンズ１６の曲率及び高さ（図１の寸法Ａ）は、集束される光の焦点などを考慮に入れて決められる。また、マイクロレンズ１６は、ポリマー系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連続工程によって形成される。すなわち、マイクロレンズ１６における最適なサイズ、曲率、及び厚みについては、単位画素領域についての位置及び形状、光感知素子についての厚さ及び高さ、並びに、遮光層についての位置及びサイズなどを考慮に入れて決められる。

従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程においては、マイクロレンズ１６は、光の集束効率を高める上で、極めて重要な構成要素であった。マイクロレンズ１６は、周辺光が照射されるとき、カラーフィルタ層１４を通して、フォトダイオード領域１１に、より多量の光を集束させるように設けられる。

イメージセンサーに入射した光は、マイクロレンズ１６によって集光された後に、カラーフィルタ層を透過する。その後、フィルタリングされた光は、カラーフィルタ層１４の下方に設けられているフォトダイオード１１へと入射する。このとき、遮光層は、入射した光が経路から外れないように働く。

しかしながら、かかる従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーには、次のような問題点があった。

マイクロレンズの光軸に平行な光は、マイクロレンズとは反対側にある光感知素子へと屈折され伝達されて、素子を動作させる。しかしながら、マイクロレンズの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、そうした光は光を受けるべきでない光感知素子に入射して、素子が誤動作する。

また、光感知素子へ伝達される光量は、マイクロレンズの下方に配置される層の種類や厚さ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一つ以上を解決できるような、ＣＭＯＳ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、屈折率が互いに異なる物質を用いた、多層のマイクロレンズを構成することによって、光の集束効率を高めることができるようなＣＭＯＳ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、前記複数の光感知素子の上に形成された層間絶縁層と、前記光感知素子のそれぞれに対応していて、各波長帯域毎の光を透過させるような、複数のカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上の全面に形成されて、光を集束する第１マイクロレンズ層と、前記第１マイクロレンズ層の上に、それぞれの光感知素子に対応して形成され、第１マイクロレンズ層の屈折率とは異なる屈折率を有しているような、第２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、複数の光感知素子が形成された半導体基板の上に、層間絶縁層を形成する段階と、前記層間絶縁層の上に、各光感知素子に対応させた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の上に、第１マイクロレンズ層を形成する段階と、前記第１マイクロレンズ層の上に、第２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、マイクロレンズ層を、屈折率の異なる媒質を用いた多層構造によって形成するので、従来技術における単一層レンズの場合に比べて、光の集束効率を高めることができる。

第二に、カラーフィルターを通過してフォトダイオードに入射する光量が増加するので、解像度を高めることができる。

第三に、マイクロレンズは、多層構造によって形成されている。このため、熱処理工程に起因して再処理を行なう必要があったとしても、カラーフィルタの形成工程から再び行なう必要はなく、マイクロレンズの形成工程から再び行なえば済むので、製造工程が単純化されて製造コストが低廉化する。

添付図面に例示された、本発明の好ましい実施形態につ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。

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形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、媒質の屈折率の相違に伴なって、光の進行経路が変化する様子を示した図である。図２に示すように、屈折率の異なる物質を多層に蒸着すると、光が屈折する効果が現れる。ここで、第１の屈折率を有するひとつの層を、第２の屈折率を有する別の層の上に積層したとして、第１の屈折率は第２の屈折率に比べて小さいものと仮定する。この状態において、屈折率の低い物質層から屈折率の高い物質層へ光が入射すると、光の透過角度は小さくなる。

図２に示すように、第２マイクロレンズ層の屈折率を第１屈折率（ｎ１）とし、第１マイクロレンズ層の屈折率を第２屈折率（ｎ２；ｎ２＞ｎ１）とし、カラーフィルタ層の屈折率を第３屈折率（ｎ３；ｎ３＞ｎ２）とするならば、光の伝達角はθ１＞θ２＞θ３の順に変化する。これは、光が中心軸へ向けて、より集束するということを意味する。

このような原理を用いて形成された、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの構造及び製造方法について説明すると、以下の通りである。図３は、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの構成を示した図である。図４Ａ〜図４Ｃは、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程を示した断面図である。

まず、ＣＭＯＳイメージセンサーは、例えばフォトダイオード３１などである複数の光感知素子を半導体基板上に形成されて含んでいると共に、層間絶縁層３２と、保護層３３と、カラーフィルター層３４と、トップコーティング層３５と、第１マイクロレンズ層３６と、第２マイクロレンズ層３７とを含んで構成されている。ここで、フォトダイオード３１上には、層間絶縁層３２が形成され、層間絶縁層３２の上には、保護層３３が形成される。また、保護層３３の上には、カラーフィルタ層３３が、フォトダイオード３１に対応させるように形成されていて、透過した特定の波長帯域の光がフォトダイオード３１に照射されるようになっている。さらに、トップコーティング層３５が形成されて、カラーフィルター層３４は、その平坦性が確保されている。カラーフィルタ層３４上に形成されたトップコーティング層３５の全面には、第１マイクロレンズ層３６が形成される。第１マイクロレンズ層３６の上には、それぞれのフォトダイオード３１に対応させるようにして第２マイクロレンズ層３７が形成され、これらの第２マイクロレンズ層３７は、第１マイクロレンズ層の屈折率とは異なった屈折率を有していて、光を集束するようになっている。

ここで、カラーフィルタ層３４の屈折率をｎ３、第１マイクロレンズ層３６の屈折率をｎ２、第２マイクロレンズ層３７の屈折率をｎ１とするならば、これらの屈折率の大きさは、ｎ３＞ｎ２＞ｎ１の関係になっている。

第２マイクロレンズ層３７は凸状の半球形状になっていて、第１マイクロレンズ層３６は、トップコーティング層３５上の全面に、平板形状に形成される。第２マイクロレンズ層３７は、フォトレジストから形成され、第１マイクロレンズ層３６は、酸化層、例えばＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を用いて形成される。

このような本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーにおいては、互いに異なる屈折率を持つ物質を用いて、カラーフィルター層３４と、第１マイクロレンズ層３６と、第２マイクロレンズ層３７とを形成しているので、フォトダイオード３１へ入射する光は３回屈折されて、これにより集光効率が高くなる。

第１マイクロレンズ層３６と第２マイクロレンズ層３７とを形成する合計の厚さは、図１に示した寸法Ａと同一の厚さ（Ａ＝Ｂ）であるか、あるいは、図１の寸法Ａに比べて薄い厚み（Ａ＞Ｂ）で形成することが可能であり、というのは、集光効率を高めることによって、たとえマイクロレンズ層の厚さを薄くしても焦点距離を合わせることが可能であるからである。

本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程は、次の通りである。

ＣＭＯＳイメージセンサーの半導体素子の表面にマイクロレンズを形成するに際しては、カラーフィルタ層の形成工程と平坦化処理工程とを行なった後、半球形状のマイクロレンズを形成する前に、まず、半球形状のマイクロレンズの形成に用いられるフォトレジストに比べて屈折率の大きい物質、例えば酸化物層を先に蒸着しておいて、その後に、半球形状のマイクロレンズ層を形成する。

ここで、第１マイクロレンズ層３６と第２マイクロレンズ層３７とはそれぞれ、酸化膜と、フォトレジストとを使用して形成することができる。あるいは、第１マイクロレンズ層３６と第２マイクロレンズ層３７とを、互いに屈折率が異なっている酸化物層から形成したり、屈折率の異なるフォトレジストから形成することもできる。

製造工程においては、まず、図４Ａに示すように、複数の光感知素子、例えばフォトダイオード３１を半導体基板上に形成し、その後、その上に層間絶縁層３２を形成する。ここで、層間絶縁層３２は多層に形成しても良い。図示してはいないけれども、一つの層間絶縁層を形成した後、フォトダイオード３１以外の部分に光が入射することを防ぐために、遮光層を形成して、その後に再び層間絶縁層を形成しても良い。

次に、層間絶縁層３２上に、素子を水分及びスクラッチから保護するための保護層３３を形成する。そして、保護層３３の上に、波長帯域毎に光をフィルタリングするカラーフィルタ層３４を形成する。このとき、カラーフィルタ層３４は、着色性レジストを用いた塗布及びパターニング工程によって形成される。その後、カラーフィルタ層３４の上に、焦点距離を調節し、マイクロレンズ層を形成するための平坦面を確保するために、トップコーティング層３５を形成する。

次に、図４Ｂに示すように、トップコーティング層３５の上に、カラーフィルタ層３４の屈折率に比べて小さい屈折率を有するマイクロレンズ形成用のレジスト又はＴＥＯＳのような酸化層を用いて、マイクロレンズ形成用物質層を蒸着し、第１マイクロレンズ層３６を形成する。

次に、図４ｃに示すように、第１マイクロレンズ層３６の上に、第１マイクロレンズ層３６の屈折率とは異なる屈折率を有するレンズ形成用物質層、例えばレジスト又は酸化膜を蒸着し、これにパターニング及びリフロー工程を施すことによって、それぞれのフォトダイオード３１に対応するように、第２マイクロレンズ層３７を形成する。

ここで、カラーフィルター層３４の屈折率をｎ３、第１マイクロレンズ層３６の屈折率をｎ２、第２マイクロレンズ層３７の屈折率をｎ１とするならば、屈折率の大きさの関係は、ｎ３＞ｎ２＞ｎ１になっている。

このような本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーは、光が屈折率の低い方から高い方へ進行する場合、透過角度が小さくなる原理を用いている。

よって、光は第２マイクロレンズ層３７、第１マイクロレンズ層３６を透過しながら、その集束力が高くなる。さらに、光が第２マイクロレンズ層３７と第１マイクロレンズ層３６とを透過することで、カラーフィルター層３４の解像度を高めることができる。

また、マイクロレンズ層を形成するためのリフロー熱工程以後に問題が発生した場合には、再工程を実施しなければならない。この場合、マイクロレンズは多層の構造から形成されているために、再処理工程は、マイクロレンズの形成工程から再び実行すれば済むので、製造工程を単純化し及びコストを節減できる効果がある。

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な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した内容に限定されることではなく、特許請求の範囲によって定められなければならない。

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２は、媒質の屈折率の相違に伴なって、光の進行経路が変化する様子を示した図である。 図３は、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの構成を示した断面図である。 ＣＭＯＳイメージセンサーについての、本発明による製造工程を示した断面図である。 ＣＭＯＳイメージセンサーについての、本発明による製造工程を示した断面図である。 ＣＭＯＳイメージセンサーについての、本発明による製造工程を示した断面図である。

符号の説明

３１ フォトダイオード
３２ 層間絶縁層
３３ 保護層
３４ カラーフィルター層
３５ トップコーティング層
３６ 第１マイクロレンズ層
３７ 第２マイクロレンズ層

Claims (8)

1. ＣＭＯＳのイメージセンサーであって、
   半導体基板上に形成された複数の光感知素子と、
   前記複数の光感知素子の上に形成された層間絶縁層と、
   前記光感知素子のそれぞれに対応していて、各波長帯域毎の光を透過させる複数のカラーフィルタ層と、
   前記カラーフィルタ層上の全面に形成されて、光を集束する第１マイクロレンズ層と、
   前記第１マイクロレンズ層の上に、それぞれの光感知素子に対応して形成され、第１マイクロレンズ層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２マイクロレンズ層と、
   を備えていることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサー。
2. 第１マイクロレンズ層の屈折率は、第２マイクロレンズ層の屈折率に比べて大きくなってい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。
3. 第２マイクロレンズ層は凸状である半球形状に形成されていて、第１マイクロレンズ層は平板形状に形成されてい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。
4. ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法であって、
   複数の光感知素子が形成された半導体基板の上に、層間絶縁層を形成する段階と、
   前記層間絶縁層の上に、各光感知素子に対応させた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の上に、第１マイクロレンズ層を形成する段階と、
   前記第１マイクロレンズ層の上に、第２マイクロレンズ層を形成する段階と、
   を備えていることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法。
5. 第１マイクロレンズ層と第２マイクロレンズ層とはそれぞれ、酸化物層とフォトレジストとから形成され、または、互いの屈折率が異なるような任意の材料から形成されていることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサー製造方法。
6. カラーフィルタ層の屈折率をｎ３、第１マイクロレンズ層の屈折率をｎ２、第２マイクロレンズ層の屈折率をｎ１としたとき、屈折率の大きさが、
   ｎ３＞ｎ２＞ｎ１
   の関係になっていることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサー製造方法。
7. 前記層間絶縁層とカラーフィルタ層との間に保護層を形成する段階を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサー製造方法。
8. 前記カラーフィルタ層と第１マイクロレンズ層との間に、トップコーティング層を形成する段階を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサー製造方法。

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