JP2006080522A - イメージ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】イメージ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のイメージ素子は、受光素子が形成された基板と、基板上に形成され、受光素子の上部でキャビティを有する層間絶縁膜構造物と、キャビティに埋め込まれて形成され、層間絶縁膜構造物の上部から突出された部分はレンズタイプで形成された透明絶縁膜と、透明絶縁膜の上部に形成されたカラーフィルターと、を含んで成される。ここで、透明絶縁膜はその上部が凸レンズタイプで形成できる。また、透明絶縁膜は、その上部が凹レンズタイプで形成されることもできる。イメージ素子の製造方法もまた提供される。これにより、銅ダマシン工程で製造された配線パターンを有するイメージ素子の光透過率を向上でき、受光素子に入射される光の散乱と乱反射とを防止して、光感度を向上でき、製造過程を単純化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージ素子及びその製造方法に係り、より詳しくは、銅ダマシン工程を用いて製造するＣＭＯＳイメージ素子及びその製造方法に関する。
ＣＭＯＳイメージセンサ（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ）は、光を感知する光感知部分と感知された光を電気的信号に処理してデータ化するロジック回路部分とから構成されている。
光感度を高めるため全体イメージセンサ素子で光感知部分の面積を占める比率を大きくしようとする努力が進行されている。
また、ロジック素子の高速化、高集積化は急速度に進行されているが、これはトランジスタの微細化によって成されている。トランジスタの集積度向上に対応して配線は微細化されており、これによる配線に遅延の問題が深刻になっていて素子の高速化を妨害する原因に台頭されている。
かかる状況で従来からＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の配線材料として一般に用いてきたアルミニウム合金の代わりにより抵抗が小さく、高いＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性を有する材料である銅（Ｃｕ）を用いた配線が活発に開発されている。さて、銅はエッチングが容易ではなく、工程中に酸化される問題点によって銅配線を形成するためにはダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）工程を使用する。
ところで、既存アルミニウム配線工程とは違って、銅ダマシン工程を用いてＣＭＯＳイメージ素子を製造する場合、光感知素子であるフォトダイオード（ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）への光透過率が減少する問題が存在する。光透過率の減少は、ダマシン工程特性上光の反射度と屈折率が相異なる層間絶縁層（ＩＭＤ）とエッチング停止膜が多層に反復的に形成されることによって、各界面で乱反射と屈折が発生するので現れる現象である。層間絶縁膜とエッチング停止膜は、例えば、窒化膜（ＳｉＮ）より成ることができる。
従って、銅ダマシン配線構造を採用しながらも向上された光透過率を現すことができるイメージ素子の開発が要求される。
韓国公開特許第2001-0004175号
本発明の技術的課題は、銅ダマシン工程で製造された配線パターンを有し、光透過率を向上させることができるイメージ素子を提供するところにある。
本発明の他の技術的課題は、光の散乱と乱反射を防止し、光感度が向上されたイメージ素子を提供するところにある。
本発明のさらに他の技術的課題は、光透過率を改善するための透明材質の絶縁膜の形成時に光感度を向上させることができるマイクロレンズを同時に形成させることができるイメージ素子の製造方法を提供するところにある。
本発明のさらに他の技術的課題は、イメージ素子の製造時工程過程を単純化できるイメージ素子の製造方法を提供するところにある。
本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されなく、言及されないさらに他の技術的課題は下の記載から当業者に明確に理解できることである。
前述した技術的課題を達成するための本発明に従うイメージ素子は、受光素子が形成された基板と、基板上に形成され、受光素子の上部でキャビティを有する層間絶縁膜構造物と、キャビティに埋め込まれて形成され、層間絶縁膜構造物の上部から突出された部分はレンズタイプで形成された透明絶縁膜と、透明絶縁膜の上部に形成されたカラーフィルターと、を含んで成される。
ここで、透明絶縁膜は、その上部が凸レンズタイプで形成されることができる。また、透明絶縁膜は、その上部が凹レンズタイプで形成されることもできる。
層間絶縁膜構造物は、内部に銅コンタクト及び／又は銅配線と、銅コンタクト及び／又は銅配線の拡散を防止する拡散防止膜を含むことができる。また、透明絶縁膜は、スピンオン絶縁物より成ったことが好ましい。
前述した技術的課題を達成するための本発明に従うイメージ素子の製造方法は、受光素子が形成された基板上に前記受光素子を駆動する半導体素子と半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が構成された層間絶縁膜構造物を形成する段階と、層間絶縁膜構造物で受光素子の上部に位置する部分を除去してキャビティを形成する段階と、キャビティを埋め込ませるように十分な厚さの透明絶縁膜を形成する段階と、受光素子の上部上の透明絶縁膜の上部を凸レンズタイプで形成させて第１のマイクロレンズを形成する段階と、第１のマイクロレンズの上部にカラーフィルターを形成する段階と、を含んで成される。
この際、カラーフィルターの上部に第２のマイクロレンズを形成する段階をさらに含むことが好ましい。
また、カラーフィルターを形成する以前に第１のマイクロレンズの上部に保護膜を形成し、保護膜を平坦化する段階をさらに含むことができる。
一方、第１のマイクロレンズを形成する段階は、透明絶縁膜を平坦化する段階と、層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された透明絶縁膜の中受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去する段階と、エッチバック工程を進行して受光素子の上部上に位置する透明絶縁膜の上部を凸レンズタイプで形成させる段階と、を含むことができる。
ここで、エッチバック工程は、透明絶縁膜の上部がエッジ部分から除去されてレンズタイプの形態になるようにする時間中遂行することが好ましい。
また、第１のマイクロレンズを形成する段階は、透明絶縁膜を平坦化する段階と、層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された透明絶縁膜の中受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去する段階と、熱工程を進行して受光素子の上部上に位置する透明絶縁膜の上部をリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）させて凸レンズタイプで形成させる段階と、を含むことができる。
また、前述した技術的課題を達成するための本発明に従うイメージ素子の製造方法は、受光素子が形成された基板上に受光素子を駆動する半導体素子と半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が構成された層間絶縁膜構造物を形成する段階と、層間絶縁膜構造物で受光素子の上部に位置する部分を除去してキャビティを形成する段階と、キャビティを埋め込ませるように十分な厚さの透明絶縁膜を形成し、キャビティの上部で凹んでいたプロファイルを有するように所定厚さの透明絶縁膜を形成する段階と、層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された透明絶縁膜の中受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去して透明絶縁膜の上部が凹レンズタイプより成った第１のマイクロレンズを形成する段階と、第１のマイクロレンズの上部にカラーフィルターを形成する段階と、カラーフィルターの上部に第２のマイクロレンズを形成する段階と、を含んで成されることができる。
この際、第２のマイクロレンズは、凸マイクロレンズであることが好ましい。
銅コンタクト及び／又は銅配線は、シングルダマシン工程方法又はデュアルダマシン工程方法で製造されることができる。
その他実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明のイメージ素子及びその製造方法によれば、次の通りの効果が一つ或いはその以上がある。
銅ダマシン工程で製造された配線パターンを有するイメージ素子の光透過率を向上させうる。
受光素子に入射される光の散乱と乱反射とを防止して、光感度を向上させうる。
前記光透過率を改善するための透明材質の絶縁膜形成時に光感度を向上させることができるマイクロレンズを同時に形成させることができて、製造過程を単純化できる。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は添付する図面と共に詳細に後述している実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現されるものであり、本実施形態は、本発明の開示が完全となり、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて決められなければならない。なお、明細書全体にかけて同一参照符号は同一構成要素を示すものとする。
以下、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
先ず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態によるイメージ素子について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。
図１に示されたように、本発明の第１の実施形態によるイメージ素子は、フィールド酸化膜１０２によって限定された活性領域の表面部位にフォトダイオード１１０のような受光素子が備えられた半導体基板１００が備えられる。半導体基板１００上にスイッチング素子であるトランジスタ１２０が形成されている。それぞれのトランジスタ１２０は、半導体基板１００上にゲート絶縁膜１１２を介在して形成されたゲート電極１１４及びゲート電極１１４の間に形成されたソース／ドレーン領域１２２を含む。ゲート電極の両側壁にはスペーサ１１６が形成されている。
トランジスタ１２０が形成された半導体基板１００上には、酸化シリコンのような透明な材質より成った下部絶縁膜１３０が形成されている。下部絶縁膜１３０の所定部位には、トランジスタ１２０のソース／ドレーン領域１２２のゲート電極１１４と電気的に連結される下部コンタクト１４０が形成される。下部コンタクト１４０は、銅、チタン又はタングステンなどのような金属物質で形成できる。下部コンタクト１４０と下部絶縁膜１３０との間には、下部コンタクト１４０を構成する金属物質が下部絶縁膜１３０に拡散されることを防止するための第１のバリヤ金属膜４０１が形成されている。
下部絶縁膜１３０上には、フォトダイオード１１０の上部上の部分が除去されて形成されたキャビティ３００を備え、多層のエッチング停止膜１５０，１８０，２１０と多層の層間絶縁膜１６０，１９０，２２０と多層の金属配線１７０，２００，２３０とを含む層間絶縁膜構造物Ａが形成されている。
層間絶縁膜構造物Ａは、内部に拡散防止及びエッチング停止機能を遂行するエッチング停止膜１５０，１８０，２１０と平坦化特性が良い層間絶縁膜１６０，１９０，２２０など光について特性が相異なる物質が多層に積層されている。従って、外部からの光がフォトダイオード１１０に到達することができるようにフォトダイオード１１０の上部上には、エッチング停止膜１５０，１８０，２１０及び層間絶縁膜１６０，１９０，２２０が除去されて形成されたキャビティ３００を備える。
具体的に、層間絶縁膜構造物Ａは、下部コンタクト１４０を含む下部絶縁膜１３０上に部分的に形成された第１のエッチング停止膜１５０を含む。すなわち、キャビティ３００に相応する部位であるフォトダイオード１１０の上部を除外した領域に下部絶縁膜１３０を覆うように第１のエッチング停止膜１５０が形成されている。第１のエッチング停止膜１５０は、後述する下部銅配線１７０を形成するためのトレンチの形成時に下部絶縁膜１３０までエッチングされることを防止するためのエッチング阻止膜の役割を遂行する。第１のエッチング停止膜１５０は、下部絶縁膜１３０についてエッチング選択比が大きい物質、例えば窒化膜（ＳｉＮ）、又はＳｉＮ系列の物質で形成できる。また、後述する第２及び第３のエッチング停止膜１８０，２１０も同じ物質で形成できる。
第１のエッチング停止膜１５０上に第１の層間絶縁膜１６０が形成されている。第１の層間絶縁膜１６０は、入射光について透明な絶縁物質から構成されたことが好ましいが、不透明な絶縁物質でも形成できる。第１の層間絶縁膜１６０は、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏＰｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ＳｉｌｓｅｓＱｕｉｏｘａｎｅ）、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）などの酸化膜で形成されたことが好ましい。また、後述する第２の層間絶縁膜及び上部絶縁膜１９０，２２０も同じ物質で形成できる。
第１の層間絶縁膜１６０には、下部コンタクト１４０と電気的に接続され、導電性ラインである銅物質より成る下部銅配線１７０が形成されている。下部銅配線１７０の側壁及び底面には、下部銅配線ライン１７０を構成する銅物質が第１の層間絶縁膜１６０に拡散することを防止するための第２のバリヤ金属膜４１０が形成されている。
下部銅配線１７０を含む第１の層間絶縁膜１６０上に第２のエッチング停止膜１８０が形成されており、第２のエッチング停止膜１８０上に第２の層間絶縁膜１９０が形成される。第２の層間絶縁膜１９０には、下部銅配線１７０と接続する第１の銅コンタクト２００ａ及び第１の銅コンタクト２００ａを互いに連結させ、信号を伝達するための導電性ラインである第１の銅配線２００ｂを含む第１の配線２００が形成される。第１の配線２００と第２の層間絶縁膜１９０との間には、第１の配線２００を構成する物質が第２の層間絶縁膜１９０に拡散されることを防止するための第３のバリヤ金属膜４２１が形成されている。
第２の層間絶縁膜１９０上には、同一に、第３のエッチング停止膜２１０及び上部絶縁膜２２０が形成される。上部絶縁膜２２０内には、第１の配線２００と電気的に接続する第２の銅コンタクト２３０ａ及び第２の銅コンタクト２３０ａを互いに連結させ、信号を伝達するための導電性ラインである第２の銅配線２３０ｂを含む第２の配線２３０が形成される。第２の配線２３０と上部絶縁膜２２０との間には、第２の配線２３０を構成する物質が上部絶縁膜２２０に拡散されることを防止するための第４のバリヤ金属膜４３１が形成されている。
フォトダイオード１１０上に位置する下部絶縁膜１３０上には、第１のエッチング停止膜１５０、第１の層間絶縁膜１６０、第２のエッチング停止膜１８０、第２の層間絶縁膜１９０、第３のエッチング停止膜２１０、上部絶縁膜２２０を貫通して形成されたキャビティ３００が備えられている。
また、上部絶縁膜２２０上には、キャビティ３００を露出しながら、多層の配線１７０，２００，２３０を保護する保護膜２７０が形成されたことが好ましい。
キャビティ３００内には、イメージ素子によって検出される光について透光性を有する樹脂（ｒｅｓｉｎ）である例えば、スピンオン絶縁膜（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）３１０が形成されている。スピンオン絶縁膜３１０は、キャビティ３００を完全に埋め込むように形成され、その上部の形態はふっくらとしたレンズタイプのプロファイルを有する。
スピンオン絶縁膜３１０の上部がふっくらとしたレンズタイプのプロファイルで形成された構造に第１のマイクロレンズ３１０ａを構成する。
第１のマイクロレンズ３１０ａは光がフォトダイオード１１０の表面にフォーカシング（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）されるようにして光の散乱と乱反射とを防止させる役割を遂行できる。
スピンオン絶縁膜３１０とスピンオン絶縁膜３１０が形成されない保護膜２７０上には、カラーフィルター５００が形成されている。また、カラーフィルター５００上にふっくらとしたレンズ型で第２のマイクロレンズ６００が形成されている。
ここで、第２のマイクロレンズ６００は、第１のマイクロレンズ３１０ａの役割をさらに上昇させることができ、第１のマイクロレンズ３１０ａのみでも光のフォーカシング役割が十分である場合には、第２のマイクロレンズ６００が形成されていないこともできる。
本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法について図２Ａ〜図２Ｍと前述した図１を共に参照して説明する。
図２Ａ〜図２Ｍは、本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。
図２Ａに示されたように、先ず半導体基板１００の上部にフィールド酸化膜１０２を形成して活性領域を限定する。活性領域の表面部位にフォトダイオード１１０のような受光素子を形成し、フォトダイオード１１０と接続するように半導体基板１００上にフォトダイオード１１０のスイッチング素子であるトランジスタ１２０を形成する。
それぞれのトランジスタ１２０は、半導体基板１００上にゲート絶縁膜１１２を介在して形成されたゲート電極１１４と、ゲート電極１１４の間の半導体基板１００下に不純物領域であるソース／ドレーン領域１２２を含む。ゲート電極１１４の両側壁にスペーサ１１６を形成する。
次に、トランジスタ１２０が形成された半導体基板１００を覆うように下部絶縁膜１３０を形成する。下部絶縁膜１３０は、透明な材質で形成する。下部絶縁膜１３０に使用できる透明な物質としては酸化シリコン系物質などを挙げる。
引き続き、写真エッチング工程で下部絶縁膜１３０にトランジスタ１２０のソース／ドレーン領域１２２の表面部位とゲート電極１１４の上部の表面部位とを露出させるコンタクトホール１３２を形成する。
次いで、コンタクトホール１３２の側面と底面及び下部絶縁膜１３０の上部面の段差に沿って第１のバリヤ金属膜４００を形成する。第１のバリヤ金属膜４００は、例えばチタン膜又は窒化チタン膜又はチタン膜上に窒化チタン膜が蒸着された複合膜で形成できる。
次に、図２Ｂに示されたように、コンタクトホール１３２を埋め込むように第１のバリヤ金属膜４００上にチタンやタングステンを蒸着して下部金属層１３８を形成する。チタンやタングステンは、化学気相蒸着方法やスパッタリング方法を用いる。下部コンタクトを銅に作ることもできるが、銅は下部に存在するシリコン基板に拡散されやすいためこれを防止するために本実施形態ではチタンやタングステンを用いた。
次に、図２Ｃに示されたように、チタンやタングステンより成った下部金属層１３８及び第１のバリヤ金属膜４００を下部絶縁膜１３０の表面が露出されるときまで化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）方法によって研磨してコンタクトホール１３２を埋め込む下部コンタクト１４０を形成する。この際、第１のバリヤ金属膜４００は、下部コンタクト１４０の側壁及び底面上に第１のバリヤ金属膜４０１に残留する。
引き続き、下部コンタクト１４０を有する下部絶縁膜１３０上に第１のエッチング停止膜１５０を形成する。第１のエッチング停止膜１５０は、以後遂行される熱処理工程で銅の拡散を防止し、以後のエッチング工程でエッチング停止膜であるエッチングストッパーとして役割を果たす。第１のエッチング停止膜１５０の下部には、銅の拡散に敏感なトランジスタがあるため、第１のエッチング停止膜１５０を用いることが好ましい。第１のエッチング停止膜１５０は、下部絶縁膜１３０についてエッチング選択比が大きい物質、例えばＳｉＣ、又はＳｉＮ系列の物質で形成できる。
しかしながら、第１のエッチング停止膜１５０は、上下部の絶縁膜１３０，１６０との光特性が異なるため、外部から光が入射されたとき、光の散乱と乱反射が発生する。従って、外部から光がフォトダイオード１１０に到達するためには、フォトダイオード１１０の上部に存在する第１のエッチング停止膜１５０は除去される必要がある。これについては後述する。
引き続き、第１のエッチング停止膜１５０上に第１の層間絶縁膜１６０を形成する。第１の層間絶縁膜１６０は、シリコン酸化物のような透明な材質で形成できる。しかしながら、フォトダイオード１１０の上部に存在する第１の層間絶縁膜１６０は、後程除去できるため、不透明な材質で形成しても良い。
次に、図２Ｄに示されたように、写真エッチング工程で第１の層間絶縁膜１６０及び第１のエッチング停止膜１５０を部分的に除去して下部コンタクト１４０を露出する第１のトレンチ１６２を形成する。
次いで、第１のトレンチ１６２の側面と底面及び第１の層間絶縁膜１６０の上部面の段差に沿って第２のバリヤ金属膜４１０を形成する。第２のバリヤ金属膜４１０は、以後に銅蒸着工程時銅成分が下部絶縁膜１３０及び第１の層間絶縁膜１６０内に拡散されることを防止するため形成される膜である。第２のバリヤ金属膜４１０は、例えばタンタル膜又は窒化タンタル膜又はタンタル膜上に窒化タンタル膜が蒸着された複合膜で形成できる。
引き続き、第１のトレンチ１６２を埋め込むように第２のバリヤ金属膜４１０上に銅を蒸着して第２の銅層１５９を形成する。第２の銅層１５９は、先ず銅シード（Ｓｅｅｄ）をスパッタリング方法によって蒸着した後、電解鍍金法によって形成する。
次、図２Ｅに示されたように、第１の層間絶縁膜１６０の上部面が露出されるように第２の銅層（図２Ｄの１５９）及び第１の層間絶縁膜１６０の上部の表面上に存在する第２のバリヤ金属膜４１０を化学的機械的研磨方法に研磨して第１のトレンチ１６２内には、下部コンタクト１４０と連結され、銅より成った導電性ラインである下部銅配線１７０を形成する。この際、第２のバリヤ金属膜４１０が下部銅配線１７０を構成する金属物質が第１の層間絶縁膜１６０に拡散されることを防止する。
続けて、図２Ｆに示されたように、結果物上に第２のエッチング停止膜１８０を形成し、引き続き第２のエッチング停止膜１８０上に第２の層間絶縁膜１９０を形成した後、下部銅配線１７０を形成する方法と類似に第１の配線２００を形成する。第１の配線２００は、第１の銅コンタクト２００ａ及び第１の銅配線２００ｂを含むことであり、第１の銅コンタクト２００ａ及び第１の銅配線２００ｂを同時に形成するデュアル（ｄｕａｌ）ダマシン工程方法を適用して製造する。デュアルダマシン工程方法は、一回の電解鍍金を実施して配線とビアとを同時に形成する工程技法を意味する。
一方、下部銅配線１７０は、バリヤ金属膜及び種子層を形成し、電解鍍金して一つの銅配線を形成するシングルダマシン工程方法に製造したことであり、シングルダマシン工程方法及びデュアルダマシン工程方法は、公知の技術にその詳細な説明は省略した。
次に、図２Ｇに示されたように、結果物上に第３のエッチング停止膜２１０を形成し、引き続き第３のエッチング停止膜２１０上に上部絶縁膜２２０を形成した後、第１の配線２００の形成方法と同一にデュアルダマシン工程方法を適用して第２の銅コンタクト２３０ａ及び第２の銅配線２３０ｂを含む第２の配線２３０を形成して多層配線構造の結果物を得る。
すなわち、本発明の実施形態によれば、トランジスタ１２０のソース及びドレーンと電気的に連結される銅配線を多層から構成できる。
一方、本発明の第１の実施形態では、銅配線が３層構造で形成されたことを例に取って説明したが、その以上の多層構造や単層構造でも形成できることは勿論である。
次に、図２Ｈに示されたように、第２の配線２３０を含む上部層間絶縁膜２２０上に保護膜２７０を形成する。保護膜２７０は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜又はシリコン炭化膜で形成できる。
保護膜２７０は、多層で形成される配線上に形成される。
その後、図２Ｉに示されたように、保護膜２７０の上部にフォトレジストを塗布し、これをパターニングしてフォトダイオード１１０の上部上の保護膜２７０の上面を第１の幅Ｗ１ほど一部露出させる第１のフォトレジストパターンＰＲ１を形成する。引き続き、第１のフォトレジストパターンＰＲ１をエッチングマスクとして、保護膜２７０と、上部絶縁膜２２０と、第１及び第２の層間絶縁膜１６０，１９０と第１〜第３エッチング停止膜１５０，１８０，２１０と、をエッチングする。この際、エッチングは、下部絶縁膜１３０が露出されるときまで実施する。これにより、フォトダイオードの上部上の層間絶縁膜１６０，１９０，２２０及びエッチング停止膜１５０，１８０，２１０が除去されてキャビティ（Ｃａｖｉｔｙ）３００が形成される。引き続き、第１のフォトレジストパターンＰＲ１を除去する。
次に、図２Ｊに示されたように、イメージ素子によって検出される光について透光性を有する樹脂（ｒｅｓｉｎ）である、例えばスピンオンガラス溶液をスピンオン方式にコーティングしてキャビティ３００を埋没させるように十分な厚さを有する透明材質のスピンオン絶縁膜３１０を形成する。
次いで、図２Ｋに示されたように、スピンオン絶縁膜３１０の上部にフォトレジストを塗布し、これをパターニングしてフォトダイオード１１０の上部上のスピンオン絶縁膜３１０の上面を第２の幅Ｗ２ほどを覆い、第２の幅を除外した他の部分は、オープンさせるように第２のフォトレジストパターンＰＲ２を形成する。引き続き、第２のフォトレジストパターンＰＲ２をエッチングマスクとして、スピンオン絶縁膜３１０をエッチングする。この際、第２の幅Ｗ２は、図２Ｉでの第１の幅Ｗ１よりもう少し広いことが好ましく、第１の幅Ｗ１と第２の幅Ｗ２は同じ幅であることもできる。
次に、図２Ｌに示されたように、保護膜２７０の上部から突出されて形成された四角形形態のスピンオン絶縁膜３１０の上部をエッチバック（ｅｔｃｈ−ｂａｃｋ）工程又は熱工程を通じてふっくらとしたレンズ型プロファイルを有するように形成させる。
ここで、エッチバック工程の場合、エッチバック進行時弱いエッジ部分からエッチングされる原理を用いてそのエッチング時間を調節すれば、スピンオン絶縁膜３１０の上部をドーム（ｄｏｍｅ）の形態に形成させることができる。また、熱工程はスピンオン絶縁膜３１０の上部に熱を加えてスピンオン絶縁膜３１０をリフローさせる方式にドーム形態のプロファイルを形成させうる。
これにより、スピンオン絶縁膜３１０の上部は、ふっくらとしたレンズタイプの構造に第１のマイクロレンズ３１０ａが形成されて光がフォトダイオード１１０の表面にフォーカシングされるようにして光の散乱と乱反射とを防止できる。
一方、第１のマイクロレンズ３１０ａの屈折角度を調節するためには、透明材質のスピンオン絶縁膜３１０の屈折率とキャビティ３００の深さを考慮して第１のマイクロレンズ３１０ａの曲率を調節できる。
次に、図２Ｍに示されたように、第１のマイクロレンズ３１０ａ及び保護膜２７０の上部を覆うようにカラーフィルター５００を形成する。カラーフィルター５００は、ブルー、グリーン及びレッドカラーフィルターのアレイ構造を有する。本実施形態では、一つの受光素子であるフォトダイオード１１０が示されていることであって、上部にブルー、グリーン及びレッドカラーのうち一つのカラーフィルターが形成される。
他方、本発明の第１の実施形態では、第１のマイクロレンズ３１０ａの形成後にカラーフィルター５００を形成する方式を採択しているが、カラーフィルター形成以前に保護膜材質を塗布し、平坦化した後カラーフィルター５００を形成しても良い。
次に、前述した図１に示されたように、カラーフィルター５００上に第２のマイクロレンズ６００を形成してイメージ素子であるＣＭＯＳイメージセンサを完成する。第２のマイクロレンズ６００は、ふっくらとしたレンズ型で形成する。
ここで、第２のマイクロレンズ６００は、第１のマイクロレンズ３１０ａの役割をさらに上昇させることができ、第１のマイクロレンズ３１０ａのみでも光のフォーカシング役割が十分である場合には、第２のマイクロレンズ６００の形成は省略できる。
本発明の第１の実施形態によれば、スイッチング素子であるトランジスタと接続する多層配線を低抵抗を有する銅で形成することによって、低スピード及び高抵抗などの問題を最小化できる。また、銅で配線を形成するためのダマシン工程時使用されるエッチング停止膜と層間絶縁膜の中フォトダイオードの上部に存在する部分を除去し、透明材質の樹脂を塗布して、光透過度が改善されたＣＭＯＳイメージセンサを形成できる。また、透明材質の樹脂上部をふっくらとしたレンズタイプで形成して、光がフォトダイオードの表面にフォーカシングされるようにして光の散乱と乱反射とを防止できる。
これにより、光透過度を改善するため塗布するスピンオン絶縁膜形成時に光感度を向上させるマイクロレンズを同時に形成させて製造過程を単純化できる長所を有する。
次は、図３を参照して、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。
図３に示されたように、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子は、層間絶縁膜構造物Ａ上に備えられたキャビティ３００内に埋め込まれた透明材質のスピンオン絶縁膜３１０の上部構造を除外した全ての構造が本発明の第１の実施形態と同一である。
具体的に、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子は、キャビティ３００内にイメージ素子によって検出される光について透光性を有する樹脂である、例えばスピンオン絶縁膜３１０が形成されている。スピンオン絶縁膜３１０は、キャビティ３００を完全に埋め込むように形成され、その上部の形態は凹んでいたレンズタイプのプロファイルを有する。
スピンオン絶縁膜３１０の上部が凹んでいたレンズタイプのプロファイルで形成された構造に第１のマイクロレンズ３１０ａを構成する。
凹んでいたレンズタイプの構造に集まった光がフォトダイオード１１０の表面に均一に受光されるようにして光の乱反射を防止する役割を遂行できる。
スピンオン絶縁膜３１０とスピンオン絶縁膜３１０が形成されない保護膜２７０上には、カラーフィルター５００が形成されている。また、カラーフィルター５００上に、ふっくらとしたレンズ型で第２のマイクロレンズ６００が形成されている。
ここで、第２のマイクロレンズ６００は、フォトダイオード１１０に光を集める役割を遂行する。
そうすれば、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法について図４Ａ〜図４Ｃと前述した図３を共に参照して説明する。
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。
本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法は、前述した本発明の第１の実施形態で、層間絶縁膜構造物Ａ上にキャビティ３００を形成する過程までの製造方法と実質的に同一なので、これについての説明と図面を省略した。
すなわち、図４Ａに示されたように、スピンオンガラス溶液をスピンオン方式にコーティングしてキャビティ３００を埋没させるように適当量の溶液を使用して透明材質のスピンオン絶縁膜３１０を形成する。
この際、キャビティ３００の陥没された構造によってキャビティ３００の上部では、スピンオン絶縁膜３１０がコーティング表面から凹んでいるように段差が形成される。従って、スピンオンガラス溶液をスピンオン方式にコーティングするときに、スピンオン絶縁膜３１０の表面が凹んでいたレンズタイプを示すように適正量をコーティングして形成することが好ましい。
次に、図４Ｂに示されたように、スピンオン絶縁膜３１０の上部にフォトレジストを塗布し、これをパターニングしてフォトダイオード１１０の上部上のスピンオン絶縁膜３１０の上面を第３の幅Ｗ３ほどを覆い、第３の幅を除外した他の部分は、オープンさせるように第３のフォトレジストパターンＰＲ３を形成する。引き続き、第３のフォトレジストパターンＰＲ２をエッチングマスクとして、スピンオン絶縁膜３１０をエッチングする。この際、第３の幅Ｗ３は、キャビティ３００の幅よりもう少し広いことが好ましく、第３の幅Ｗ３とキャビティ３００の幅は同じ幅であることもできる。引き続き、第３のフォトレジストパターンＰＲ３を除去する。
これにより、凹んでいたレンズタイプのプロファイルを示す第１のマイクロレンズ３１０ａが形成される。凹んでいたレンズタイプの構造に光がフォトダイオード１１０の表面に均一に受光されるようにして光の乱反射を防止できる。
一方、第１のマイクロレンズ３１０ａの屈折角度を調節するためには、透明絶縁膜３１０の屈折率とキャビティ３００の深さを考慮して第１のマイクロレンズ３１０ａの曲率を調節できる。
次に、図４Ｃに示されたように、第１のマイクロレンズ３１０ａ及び保護膜２７０の上部を覆うようにカラーフィルター５００を形成する。カラーフィルター５００は、ブルー、グリーン及びレッドカラーフィルターのアレイ構造を有する。本発明の実施形態では、一つの受光素子であるフォトダイオード１１０が示されていることであって、上部にブルー、グリーン及びレッドカラーのうち一つのカラーフィルターが形成される。
他方、本発明の第２の実施形態では、第１のマイクロレンズ３１０ａの形成後にカラーフィルター５００を形成する方式を採択しているが、カラーフィルター５００の形成以前に保護膜材質を塗布し、平坦化した後、カラーフィルター５００を形成することもできる。
次に、前述した図３に示されたように、カラーフィルター５００上に、フォトダイオード１１０に光を集めるための第２のマイクロレンズ６００を形成してイメージ素子であるＣＭＯＳイメージセンサを完成する。第２のマイクロレンズ６００は、ふっくらとしたレンズ型で形成する。
一方、第２のマイクロレンズ６００は、光がフォトダイオードの表面にフォーカシングされるようにする役割を遂行する。この際、フォーカシングされた光があまり集中されてキャビティ３００の側壁から反射される乱反射現象が発生できるが、凹んでいたレンズタイプの第１のマイクロレンズ３１０ａがこの光をフォトダイオード１１０内に均一に受光させる役割を遂行して光の散乱及び乱反射を防止できる。
本発明の第２の実施形態によれば、スイッチング素子であるトランジスタと接続する多層配線を低抵抗を有する銅で形成することによって、低スピード及び高抵抗などの問題を最小化できる。また、銅で配線を形成するためのダマシン工程時使用されるエッチング停止膜と層間絶縁膜の中フォトダイオードの上部に存在する部分を除去し、透明材質の樹脂を塗布して、光透過度が改善されたＣＭＯＳイメージセンサを形成できる。また、透明材質の樹脂上部を凹んでいたレンズタイプで形成して、フォーカシングされた光がフォトダイオードの表面に均一に受光されるようにして光の散乱と乱反射を防止できる。
これにより、光透過度を改善するために塗布するスピンオン絶縁膜の形成時に光感度を向上させるマイクロレンズを同時に形成させて製造過程を単純化できる長所を有する。
次は、図５を参照して、本発明の第３の実施形態によるイメージ素子について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。
図５に示されたように、本発明の第３の実施形態によるイメージ素子は、第１のマイクロレンズ３１０ａの上部に形成された保護膜５５０と、その上部のカラーフィルター５００及び第２のマイクロレンズ６００を除外した全ての構造が本発明の第１の実施形態と同一である。
具体的に、本発明の第３の実施形態によるイメージ素子は、ふっくらとしたレンズタイプで形成された第１のマイクロレンズ３１０ａの上部に平坦に形成された第２の保護膜５５０をさらに含む。第２の保護膜５５０は透明材質で形成されている。
第２の保護膜５５０の上部には、カラーフィルター５００が平坦に形成されており、カラーフィルター５００の上部には、第２のマイクロレンズ６００がふっくらとしたレンズ型で形成されている。
以上、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施されうることを理解することができる。したがって、上述した好適な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと理解されるべきである。
本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に用いられうる。
本発明の第１の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第１の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第２の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第２の実施形態によるイメージ素子の製造方法を工程順序によって示した断面図である。 本発明の第３の実施形態によるイメージ素子を示す断面図である。
符号の説明
１００：半導体基板
１２０：トランジスタ
１５０，１８０，２１０：エッチング停止膜
１６０，１９０，２２０：層間絶縁膜
１７０，２００，２３０：金属配線
３００：キャビティ
３１０ａ：第１のマイクロレンズ
５００：カラーフィルター
６００：第２のマイクロレンズ
Ａ：層間絶縁膜構造物

Claims (23)

  1. 受光素子が形成された基板；
    前記基板上に形成され、前記受光素子の上部でキャビティを有する層間絶縁膜構造物；
    前記キャビティに埋め込まれて形成され、前記層間絶縁膜構造物の上部から突出された部分はレンズタイプで形成された透明絶縁膜；および
    前記透明絶縁膜の上部に形成されたカラーフィルター；
    を含むことを特徴とするイメージ素子。
  2. 前記カラーフィルターの上部に形成されたマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージ素子。
  3. 前記透明絶縁膜と前記カラーフィルターとの間に平坦化された保護膜をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のイメージ素子。
  4. 前記透明絶縁膜は、その上部が凸レンズタイプで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージ素子。
  5. 前記透明絶縁膜は、その上部が凹レンズタイプで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージ素子。
  6. 前記層間絶縁膜構造物は、内部に銅コンタクト及び／又は銅配線が形成されたエッチング停止膜と層間絶縁膜の多層絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージ素子。
  7. 前記透明絶縁膜は、スピンオン絶縁物より成ったことを特徴とする請求項１に記載のイメージ素子。
  8. 受光素子が形成された基板；
    前記受光素子を駆動するための半導体素子；
    前記基板上に形成され、前記半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が形成されたエッチング停止膜と層間絶縁膜とを含み、前記受光素子の上部に形成された前記エッチング停止膜と層間絶縁膜の各部分が除去されて形成されたキャビティを有する層間絶縁膜構造物；
    前記キャビティに埋め込まれて形成され、前記層間絶縁膜構造物の上部から突出された部分は凸レンズタイプで形成された透明絶縁膜；および
    前記透明絶縁膜の上部に形成されたカラーフィルター；
    を含むことを特徴とするイメージ素子。
  9. 前記カラーフィルターの上部に形成されたマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のイメージ素子。
  10. 前記透明絶縁膜は、スピンオン絶縁物より成ったことを特徴とする請求項８に記載のイメージ素子。
  11. 受光素子が形成された基板；
    前記受光素子を駆動するための半導体素子；
    前記基板上に形成され、前記半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が形成されたエッチング停止膜と層間絶縁膜とを含み、前記受光素子の上部に形成された前記エッチング停止膜と層間絶縁膜の各部分が除去されて形成されたキャビティを有する層間絶縁膜構造物；
    前記キャビティに埋め込まれて形成され、前記層間絶縁膜構造物の上部から突出された部分は、凹レンズタイプで形成された透明絶縁膜；
    前記透明絶縁膜の上部に形成されたカラーフィルター；および
    前記カラーフィルターの上部に形成された凸マイクロレンズ；
    を含むことを特徴とするイメージ素子。
  12. 前記透明絶縁膜は、スピンオン絶縁物より成ったことを特徴とする請求項１１に記載のイメージ素子。
  13. 受光素子が形成された基板上に前記受光素子を駆動する半導体素子と前記半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が構成された層間絶縁膜構造物を形成する段階；
    前記層間絶縁膜構造物で前記受光素子の上部に位置する部分を除去してキャビティを形成する段階；
    前記キャビティを埋め込ませるように十分な厚さの透明絶縁膜を形成する段階；
    前記受光素子の上部上の前記透明絶縁膜の上部を凸レンズタイプで形成させて第１のマイクロレンズを形成する段階；および
    前記第１のマイクロレンズの上部にカラーフィルターを形成する段階；
    を含むことを特徴とするイメージ素子の製造方法。
  14. 前記カラーフィルターの上部に第２のマイクロレンズを形成する段階をさらに含むこと
    を特徴とする請求項１３に記載のイメージ素子の製造方法。
  15. 前記カラーフィルターを形成する以前に前記第１のマイクロレンズの上部に保護膜を形成し、前記保護膜を平坦化する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のイメージ素子の製造方法。
  16. 前記第１のマイクロレンズを形成する段階は、
    透明絶縁膜を平坦化する段階；
    前記層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された前記透明絶縁膜の中
    前記受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去する段階；および
    エッチバック工程を進行して前記受光素子の上部上に位置する透明絶縁膜の上部を凸レンズタイプで形成させる段階；
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載のイメージ素子の製造方法。
  17. 前記エッチバック工程は、前記透明絶縁膜の上部がエッジ部分から除去されてレンズタイプの形態になるようにする間遂行することを特徴とする請求項１６に記載のイメージ素子の製造方法。
  18. 前記第１のマイクロレンズを形成する段階は、
    透明絶縁膜を平坦化する段階；
    前記層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された前記透明絶縁膜の中
    前記受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去する段階；
    熱工程を進行して前記受光素子の上部上に位置する透明絶縁膜の上部をリフローさせて凸レンズタイプで形成させる段階；
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載のイメージ素子の製造方法。
  19. 前記銅コンタクト及び／又は銅配線は、エッチング停止膜及び層間絶縁膜内にダマシン工程によって形成され、
    前記キャビティを形成する段階は、前記受光素子の上部の前記エッチング停止膜及び前記層間絶縁膜を写真エッチング工程で除去することを特徴とする請求項１３に記載のイメージ素子の製造方法。
  20. 受光素子が形成された基板上に前記受光素子を駆動する半導体素子と前記半導体素子と電気的に連結される銅コンタクト及び／又は銅配線が構成された層間絶縁膜構造物を形成する段階；
    前記層間絶縁膜構造物で前記受光素子の上部に位置する部分を除去してキャビティを形成する段階；
    前記キャビティを埋め込ませるように十分な厚さの透明絶縁膜を形成し、前記キャビティの上部で凹んでいたプロファイルを有するように所定厚さの前記透明絶縁膜を形成する段階；
    前記層間絶縁膜構造物の上部にまで形成された前記透明絶縁膜の中前記受光素子の上部上に位置する部分を除外した残り部分を除去して前記透明絶縁膜の上部を凹レンズタイプより成った第１のマイクロレンズを形成する段階；
    前記第１のマイクロレンズの上部にカラーフィルターを形成する段階；および
    前記カラーフィルターの上部に第２の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素子の製造方法。
  21. 前記第２のマイクロレンズは、凸マイクロレンズであること
    を特徴とする請求項２０に記載のイメージ素子の製造方法。
  22. 前記カラーフィルターを形成する以前に前記第１のマイクロレンズの上部に保護膜を形成し、前記保護膜を平坦化する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載のイメージ素子の製造方法。
  23. 前記銅コンタクト及び／又は銅配線は、エッチング停止膜及び層間絶縁膜内にダマシン工程によって形成され、
    前記キャビティを形成する段階は、前記受光素子の上部の前記エッチング停止膜及び前記層間絶縁膜を写真エッチング工程で除去することを特徴とする請求項２０に記載のイメージ素子の製造方法。

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