JP2006054414A - Cmosイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、半導体基板に形成される複数の光感知素子と、前記光感知素子上に形成される層間絶縁層と、光感知素子に対応して波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層と、前記カラーフィルター層上に形成され、光感知素子に対応する領域に凹レンズが構成され、光を2次集束する第1マイクロレンズを有する平坦化層と、前記平坦化層上に各々の光感知素子に対応して形成され、光を1次集束する第2マイクロレンズ層とを含んでいることを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
CMOSイメージセンサは照射される光を感知するフォトダイオードと、感知された光を電気信号のデータに変換するCMOSロジック回路部とで構成されるが、前記フォトダイオードの受光量が大きいほど、前記イメージセンサの光感度(Photo Sensitivity)の特性が良くなる。
光感度を高めるために、イメージセンサの全体面積中でフォトダイオードの面積が占める比率を大きくしたり、フォトダイオード以外の領域に入射する光の経路を変更して前記フォトダイオードに集光させる技術が用いられる。
この場合、マイクロレンズの光軸と平行な光がマイクロレンズにより屈折されて光軸上の所定位置でその焦点を結ぶ。
従来技術のCMOSイメージセンサは、図1のように、半導体基板(図示せず)に少なくとも1つ以上形成して入射される光量による電荷を生成するフォトダイオード11領域と、前記フォトダイオード11領域を含む全面に形成される層間絶縁層12と、層間絶縁層12上に形成される保護膜13と、保護膜13上に形成されて各々特定の波長帯の光を通過させるR/G/Bのカラーフィルター層14と、カラーフィルター層14上に形成される平坦化層15と、平坦化層15上に所定曲率を有する凸状に構成されて対応するカラーフィルター14を透過してフォトダイオード11領域に光を集光するマイクロレンズ16とで構成される。
また、光を感知するための素子としてフォトダイオードの形態ではなく、フォトゲートの形態で構成されることも可能である。
ここで、凸状マイクロレンズ16は、集束された光の焦点などの様々な点を考慮して曲率及び形成高さなどを決定するが、ポリマー系列の樹脂が主に用いられ、堆積及びパターニング、リフローなどの工程で形成される。
即ち、凸状マイクロレンズ16の光学サイズ、曲率、厚さは、単位画素の大きさと位置、形状、遮光層の高さ、位置、大きさなどを考慮して決定される。
このように従来技術のCMOSイメージセンサを製造するための工程において、光の集束力を高めるために形成するマイクロレンズ16はイメージセンサの特性を左右する重要な要素である。
イメージセンサに入射された光はマイクロレンズ16により集光し、カラーフィルター14を通してフィルターリングされた光は、カラーフィルター14の下端に対応して構成されるフォトダイオード11に入射する。
この時、遮光層は入射された光が他の経路に外れないようにする役割を担う。
このような半球状のマイクロレンズの場合、光軸と平行な光はレンズから屈折してレンズの対向位置にある光感知素子に到達して正常に素子を動作させるが、光軸に平行でない光はレンズから屈折され、光が入射すべきではない光感知素子に到達するようになり、素子が誤動作する場合がある。
また、マイクロレンズの下部の膜質の種類及び厚さにより光感知素子に到達する光量の差が発生するようになり、集光効率が減り、このため画質が低下する問題が発生する。
第1に、COMSイメージセンサの製造工程において上部のメインマイクロレンズに入射された光の直進性を向上させるフライアイ形態の下部マイクロレンズを形成することにより、単一層レンズの場合、より光の集束効率を高めることができる。
第2に、光の集束効率を高めることにより、カラーフィルターを通過した光がフォトダイオードに多量に集まるようになるため、解像度が向上する。
これはCMOSイメージセンサの性能を向上させる効果を有する。
第3に、マイクロレンズの形成時の厚さに影響されずに、レンズを構成することができるため、工程の再現性及び容易性の向上、工程マージンの十分な確保などの効果を有する。
第4に、平坦化層のパターニング時に、下部の副マイクロレンズを同時に形成するため、更なる工程及び追加費用無しで、レンズの集光特性を高めることができる。
CMOSイメージセンサの表面にマイクロレンズを形成する前に、カラーフィルターアレイを形成し、その上に平坦化工程を行う。しかし、本発明によると、平坦化のための工程時に、マイクロレンズに対応する凹部パターンを有する平坦化層を形成する。その結果、マイクロレンズの集光効率及び均一度を向上させる。
かくして、平坦化層21にはエンボス状の凹状パターンを有し、この凹状パターンの第1マイクロレンズ22が形成され、光の均一性と集光効率を高める。
光は、第2マイクロレンズ23により1次屈折して集束され、その後、第1マイクロレンズ23により集光された光は、 第1マイクロレンズ22により2次屈折され、第1マイクロレンズ22の下部の光感知素子領域に照射される。
このような本発明に係るCMOSイメージセンサの構造及び製造工程の一実施例を具体的に説明すると次の通りである。
図3のように、本発明に係るCMOSイメージセンサは、少なくとも1個のフォトダイオード31と、層間絶縁層32と、保護膜33と、R/G/Bのカラーフィルター層34と、平坦化層35と、メインマイクロレンズ37とで構成される。ここで、少なくとも1個のフォトダイオード31は、半導体基板(図示せず)に形成され、入射される光量による電荷を生成する。間絶縁層32は、前記フォトダイオード31を含む全面に形成される。その後、保護膜33が、層間絶縁層32上に形成され、R/G/Bのカラーフィルター層34が、保護膜33上に形成され、各々特定の波長帯の光を通過させる。平坦化層35は、R/G/Bのカラーフィルター層34上に形成されたメインマイクロレンズ37により1次集束された光を2次集束する凹状パターンの第1マイクロレンズ36を有する。所定の曲率を有するメインマイクロレンズ37が平坦化層35の上に形成され、集光する。
また、光を感知するための素子として、フォトダイオードの形態ではなく、フォトゲートの形態で構成することも可能である。
ここで、第2マイクロレンズ37は集束された光の焦点などの様々な点を考慮して曲率及び形成高さなどが決定されるが、本発明は、第2マイクロレンズ37の下部に凹状パターンの第1マイクロレンズが複数形成され、光の集束効率を高めることができるため、設計マージンが大きくなる。
先ず、図4aのように、複数の光感知素子、例えばフォトダイオード31が半導体基板上に形成され、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は多層で形成することもできる。図示はしないが、単一層の層間絶縁層の形成後に、フォトダイオード31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て、その後その上に層間絶縁層を形成してもよい。
そして、保護膜33上に可染性レジストを用いて塗布及びパターニング工程を行って各々の波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層34を形成する。
続いて、カラーフィルター層34上に焦点距離の調節及びマイクロレンズ層を形成するために平坦度の確保のために平坦化層36を形成する。
ここで、平坦化層の形成のための露光工程において、マスク層の開放領域は第2マイクロレンズの対応する各部分の中心に密集して形成される。また、マスク層の開放領域は、エッチング剤が平坦化ホトレジストを完全には現像しない程度の大きさを有する。
このような第1マイクロレンズ36の形成工程は、CFAのセル以外の部分の平坦化層36を除去する工程と同時に行われる。
このような本発明に係るCMOSイメージセンサ及びその製造方法は、凸状の上部のマイクロレンズ層の下部に凹状の下部のマイクロレンズが複数密集した形態で形成されることにより光の集束効率を高めることができる。
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ことではなく、特許請求範囲により定められなければならない。
32 層間絶縁層
33 保護膜
34 カラーフィルター層
35 平坦化層
36 第1マイクロレンズ
37 第2マイクロレンズ
Claims (6)
- 半導体基板に形成される複数の光感知素子と、
前記光感知素子上に形成される層間絶縁層と、
前記光感知素子に対応して波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層と、
前記カラーフィルター層上に、前記光感知素子に対応して形成され、光を2次集束する第1マイクロレンズを有する平坦化層と、
前記、各々の光感知素子に対応して形成された平坦化層上に、光を1次集束する複数の第2マイクロレンズ層と
を有することを特徴とするCMOSイメージセンサ。 - 前記第2マイクロレンズ層は、凸状で構成され、
凹状の前記複数の第1マイクロレンズは、前記各第2マイクロレンズ層の下部に形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。 - 前記第1マイクロレンズの凹部には第2マイクロレンズ層形成用物質が充填されている
ことを特徴とする請求項2に記載のCMOSイメージセンサ。 - 複数の光感知素子が形成された半導体基板上に層間絶縁層を形成する段階と、
前記層間絶縁層上に保護膜を形成する段階と、
前記各々の光感知素子に対応する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し、選択的にパターニングして、前記光感知素子に対応する領域に高密度に複数の第1マイクロレンズを形成する段階と、
前記第1マイクロレンズ層上に物質を堆積し、パターニング及びリフロー工程を行い、複数の第2マイクロレンズ層を形成する段階と
を有する
ことを特徴とするCMOSイメージセンサの製造方法。 - 第1マイクロレンズ用の平坦化層のパターニング工程を、CFA(Color Filter Array)のセル以外の部分の平坦化層を除去する工程と同時に行う
ことを特徴とする請求項4に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。 - 凹状の第1マイクロレンズを形成するマスクは、0.3〜0.4μmの範囲の直径の開放領域を有する
ことを特徴とする請求項4に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
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