JP2006191007A - Cmosイメージセンサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光感知素子をカラーフィルタの直下部に形成することで、光量の損失を防止し、光感度を向上させると共に、トランジスタを形成した後、その上に光感知素子を形成させることで、高集積回路の実現が可能となるCMOSイメージセンサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るCMOSイメージセンサは、半導体基板上に形成される複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを電気的に連結するために前記複数のトランジスタ上に形成される金属配線と、前記トランジスタと電気的に連結され、前記金属配線上に形成される複数の光感知素子とを含む。
【選択図】図3D

Description

本発明はCMOSイメージセンサおよびその製造方法に係り、特に光感知素子をカラーフィルタの下部に形成して、光感応度の改善および高集積化を容易にするCMOSイメージセンサおよびその製造方法に関する。
一般的にイメージセンサは、光学映像を電気信号に変換させる半導体素子として、電荷結合素子(CCD:Charge coupled device)と、CMOSイメージセンサとがある。
電荷結合素子は、個別MOSキャパシタが互いに非常に近接した位置にあり電荷キャリアがキャパシタに格納されて移送される。
CMOSイメージセンサは、制御回路および信号処理回路を周辺回路に用いるCMOS技術を用いて、画素数だけMOSトランジスタを形成し、これを用いて順次出力を検出するスイッチング方式を採用する。
そして、被写体の情報を電気的な信号に変換するCMOSイメージセンサは、フォトダイオードが入っているシグナル処理チップなどで構成されており、一つのチップに増幅器、アナログ/デジタル変換機、内部電圧発生器、タイミングゼネレーター、そしてデジタルロジックなどが結合されるが、これは空間と電力、そして費用の節減の面で優れている。
また、CMOSイメージセンサーは、電荷結合素子より安価のシリコンウェハーのエッチング工程を通して製造されるため、電荷結合素子に比べて大量生産が可能で集積度においても優れている。
CMOSイメージセンサは、光を感知する光感知部分と、感知された光を電気的な信号に処理してデータ化するロジック回路の部分とで構成されている。光感度を高めるために、全体のイメージセンサ素子で光感知部分の面積の占める比率を大きくするための努力が行われているが、根本的にロジック回路の部分を除去することができないため、制限された面積においてこのような努力には限界がある。
光感度を高めるために、光感知部分以外の領域に入射する光の経路を変えて光感知部分に集める集光技術が登場したが、このような技術が言わばマイクロレンズ形成技術である。
また、カラー映像を作り出すためのイメージセンサは、外部からの光を受けて光電荷を生成および蓄積する光感知部分の上部にカラーフィルタが配列されている。
カラーフィルタアレイは、赤、緑、青の三つの色からなるか、或いはイエロー、マジェンタ、およびシアンの三つの色からなる。
以下、添付の図面を参考にして従来技術のCMOSイメージセンサについて詳細に説明する。
図1Aないし図1Fは、従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。
図1Aに示したように、半導体基板100に選択的にホウ素のようなP型イオンを注入して、Pウェル101を形成し、素子分離のために半導体基板100を選択的にエッチングしてトレンチを形成し、絶縁膜を充填させたフィールド酸化膜102を形成する。
半導体基板100上にゲート酸化膜(図示せず)を形成し、前記ゲート酸化膜上にポリシリコン膜103とタングステンシリサイド膜104とからなるゲート電極105を形成する。
次いで、半導体基板100の光感知素子領域に選択的に低濃度のN型拡散領域106とP型拡散領域107を形成して、光感知素子を形成する。
トランジスタのソースおよびドレインをLDD(lightly doped drain)構造に作るために、ゲート電極105の両側の半導体基板100に低濃度のN型LDD領域108を形成し、減圧化学的気相成長(LPCVD:以下、減圧CVD)法などを用いてTEOS酸化膜または窒化膜を蒸着した後、異方性エッチングしてゲート電極105の側壁にスペーサー109を形成し、高濃度のN型拡散領域110を形成する。
図1Bに示したように、減圧CVD法でTEOS酸化膜(図示せず)を1000Å程度の厚さで蒸着し、TEOS酸化膜上に常圧CVD法でBPSG膜(図示せず)を蒸着する。
そして、BPSG膜をフローさせ、第1金属配線絶縁膜111を形成し、第1金属配線絶縁膜111を選択的にエッチングして、高濃度のN型拡散領域110が露出されるコンタクトホール112を形成した後、チタニウム(Ti)膜で第1グルー層113を形成し、第1グルー層113上に配線用として第1アルミニウム114と、第1アルミニウム114上に非反射第1チタニウム窒化膜115を積層し、選択的にエッチングして第1金属配線116を形成する。ここで、コンタクトホール112はプラズマエッチング工程を行って形成する。
図1Cに示したように、プラズマ化学気相成長法を用いてTEOS酸化膜117と、TEOS酸化膜117上にSOG酸化膜118をコーティングした後、熱処理をして平坦化工程を行う。
そして、第1TEOS酸化膜117と第1SOG酸化膜118上に第1PECVD酸化膜119を形成する。第1TEOS酸化膜117、第2SOG酸化膜118、そして第2PECVD酸化膜119は第2金属配線絶縁膜を構成する。
図1Dに示したように、第2金属配線絶縁膜を選択的にエッチングして、ビアホール121を形成し、チタニウム(Ti)で第2グルー層122を形成し、第2グルー層122上に第2アルミニウム123と、第2アルミニウム123上に非反射第2チタニウム窒化膜124を積層した後、プラズマエッチング工程によって第2金属配線125を形成する。
次いで、第2金属配線絶縁膜と同様に、第2TEOS酸化膜126と、第2TEOS酸化膜126上に第2SOG酸化膜127と、第2SOG酸化膜127上に第2PECVD酸化膜128とを積層する。
ここで、前記第2TEOS酸化膜126、第2SOG酸化膜127、そして第2PECVD酸化膜128で第3金属配線絶縁膜を形成する。そして、このような工程を繰り返し行って必要な金属配線層を形成する。
図1Eに示したように、第3金属配線絶縁膜上にPECVD方法を用いて8000Åの厚さの酸化膜で素子保護膜129を形成し、周辺回路領域の素子保護膜129および第3金属配線絶縁膜を選択的にエッチングして、電極端子として用いるためのパッド開口領域130を形成する。
図1Fに示したように、素子保護膜129上にカラーフィルタアレイ131と、平坦化層132とを順次形成し、前記平坦化層132上にマイクロレンズ133を形成する。
図2は従来技術のCMOSイメージセンサの光感知部およびゲート作動部のレイアウト図である。図2に示したように、半導体基板に形成されるCMOSイメージセンサは、光感知部134と、ゲート作動部135とで区分され、別途の領域に形成される。
しかしながら、かかる従来技術のCMOSイメージセンサおよびその製造方法には次のような問題があった。
光感知素子がカラーフィルタと離れているために光損失が発生する。即ち、光感知素子とカラーフィルタとの間に厚い膜質の絶縁膜が形成されており、光感知素子に入射する光が吸収、屈折および反射され、光感知素子の入射光が減少し、これによって光感度が低下する。また、光感知部とゲート作動部が別途の領域に形成されるため、高集積化が難しい。
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、その目的は、光感知素子をカラーフィルタの直下部に形成することで、光量の損失を防止し、光感度を向上させたCMOSイメージセンサおよびその製造方法を提供することにある。
また、トランジスタを形成した後、その上に光感知素子を形成させるため、高集積回路の実現が可能なCMOSイメージセンサおよびその製造方法を提供することに他の目的がある。
上記目的を達成するための本発明に係るCMOSイメージセンサは、半導体基板上に形成される複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを電気的に連結するために前記複数のトランジスタ上に形成される金属配線と、前記トランジスタと電気的に連結され、前記金属配線上に形成される複数の光感知素子とを含むことを特徴とする。
前記複数のトランジスタと前記複数の光感知素子との間には金属配線絶縁膜が形成され、前記金属配線絶縁膜には前記トランジスタと光感知素子とを電気的に連結させるためのプラグが形成されることが好ましい。
前記光感知素子上にはカラーフィルタ、平坦化層、およびマイクロレンズが順次形成されることが好ましい。
また、上記目的を達成するための本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法は、半導体基板上に複数のトランジスタを形成する段階と、前記複数のトランジスタを電気的に連結するために、前記複数のトランジスタ上に金属配線を形成する段階と、前記金属配線上に複数の光感知素子を形成する段階とを備えることを特徴とする。
前記複数の光感知素子を形成する段階は、前記トランジスタ上に金属配線絶縁膜を形成する段階と、前記金属配線絶縁膜に前記トランジスタのゲート電極まで貫通するスルーホールを形成する段階と、前記スルーホールを導電物質で充填して、プラグを形成する段階と、前記金属配線絶縁膜上にシリコン層を蒸着する段階と、前記プラグに対応する部分のみが露出されるように、前記シリコン層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクに用いて、P型およびN型不純物を注入する段階とを含むことが好ましい。
前記シリコン層上に形成された複数の光感知素子の間には隔離領域が更に形成されることが好ましい。
本発明に係るCMOSイメージセンサおよびその製造方法によれば、青色、緑色、そして赤色カラーフィルタの直下部に光感知素子が形成され、光損失を根本的に防止できると共に、ゲート電極の形成時に光感知素子が並列的に形成されず、ゲート電極上に形成されることで、光感知素子の面積を縮小させることができるので、高集積化が可能であるという効果がある。
以下、添付の図面に基づいて本発明に係るCMOSイメージセンサおよびその製造方法について詳細に説明する。
図3A乃至図3Dは、本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。
図3Aを参照すると、半導体基板にトランジスタを形成する時、光感知素子を形成しないことを除いては関連技術と同一の方法を用いて半導体基板上に最後の金属配線まで形成させる。
即ち、半導体基板を素子分離のために選択的にエッチングしてトレンチを形成し、絶縁膜を充填させたフィールド酸化膜を形成する。半導体基板上にゲート酸化膜(図示せず)を形成し、ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜とタングステンシリサイド膜を形成し、選択的にエッチングしてゲート電極を形成する。
トランジスタのソースおよびドレインをLDD(lightly doped drain)構造にするために、ゲート電極の両側の半導体基板に低濃度のN型のLDD領域を形成し、減圧CVD法などを用いてTEOS酸化膜または窒化膜を蒸着した後、異方性エッチングしてゲート電極の側壁にスペーサーを形成し、高濃度のN型拡散領域を形成する。
減圧CVD法でTEOS酸化膜(図示せず)を1000Å程度の厚さで蒸着し、TEOS酸化膜上に常圧CVD法でBPSG膜(図示せず)を蒸着する。そして、BPSG膜をフローさせ、第1金属配線絶縁膜を形成し、第1金属配線絶縁膜を選択的にエッチングして、高濃度のN型拡散領域とゲート電極が露出されるコンタクトホールを形成した後、チタニウム(Ti)膜で第1グルー層を形成する。そして、第1グルー層上に配線用として第1アルミニウムと非反射第1チタニウム窒化膜を順次積層し、前記第1グルー層、第1アルミニウム、および第1チタニウム窒化膜を選択的にエッチングして、第1金属配線を形成する。
ここで、コンタクトホールはプラズマエッチング工程を行って形成する。
次いで、プラズマ化学気相成長法を用いて、第1TEOS酸化膜と第1SOG(spin on glass)酸化膜を順次コーティングした後、熱処理をして平坦化工程を行う。
そして、第1TEOS酸化膜と第1SOG酸化膜上に第1PECVD酸化膜を形成する。
ここで、前記第1TEOS酸化膜、第2SOG酸化膜、そして第2PECVD酸化膜は第2金属配線絶縁膜を構成する。
次いで、第2金属配線絶縁膜を選択的にエッチングしてビアホールを形成し、チタニウム(Ti)で第2グルー層を形成し、第2グルー層上に第2アルミニウムと第2非反射チタニウム窒化膜224を順次積層した後、プラズマエッチング工程によって第2金属配線を形成する。そして、このような工程を繰り返し行って必要な金属配線層を形成する。
上記のような工程を経て最後の金属配線が形成されると、その上に第2TEOS酸化膜226および第2SOG酸化膜227を順次積層して、第3金属配線絶縁膜を形成する。
そして、第2SOG酸化膜227上に感光膜(図示せず)を塗布し、露光および現像して、ゲート電極と対応する領域を開口する感光膜パターン(図示せず)を形成する。前記感光膜パターンをマスクに用いて前記ゲート電極の表面が露出されるまでエッチングすることで、前記第1、第2および第3金属配線絶縁膜内にスルーホールを形成し、その後に形成される光感知素子との電気的な連結のために、スルーホール内に導電物質を充填してプラグ231を形成する。
図3Bに示したように、前記プラグ231を含む第2SOG酸化膜227上にシリコン層232を形成し、前記シリコン層232上に前記プラグ231と対応する位置がオープンするようにフォトレジストパターン233を形成する。
次いで、図3Cに示したように、前記フォトレジストパターン233をマスクにしてシリコン層232にP型およびN型不純物を注入して、光感知素子234を形成する。また、リソグラフィ工程を経て、光感知素子234を隔離するための隔離領域235を前記シリコン層232の光感知素子234の間にそれぞれ形成する。
図3Dに示したように、周辺回路領域のシリコン層232、第2TEOS酸化膜226、そして第2SOG酸化膜227を選択的にエッチングして、電極端子として用いるためのパッド開口領域236を形成する。そして、前記光感知素子234上に赤、緑、そして青色のカラーフィルタ237を形成し、前記カラーフィルタ231上に平坦化層238を形成し、前記平坦化層238上にマイクロレンズ239を形成する。
従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 従来技術のCMOSイメージセンサの光感知部およびゲート作動部のレイアウト図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の工程断面図である。

Claims (15)

  1. 半導体基板上に形成される複数のトランジスタと、
    前記複数のトランジスタを電気的に連結するために、前記複数のトランジスタ上に形成される金属配線と、
    前記トランジスタと電気的に連結され、前記金属配線上に形成される複数の光感知素子とを含むことを特徴とするCMOSイメージセンサ。
  2. 前記複数のトランジスタと前記複数の光感知素子との間に形成される金属配線絶縁膜を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。
  3. 前記金属配線絶縁膜はTEOS酸化膜およびSOG酸化膜を含むことを特徴とする請求項2に記載のCMOSイメージセンサ。
  4. 前記金属配線絶縁膜は前記複数のトランジスタと前記金属配線との間に形成される第1金属配線絶縁膜および、前記金属配線と前記光感知素子との間に形成される第2金属配線絶縁膜を含むことを特徴とする請求項2に記載のCMOSイメージセンサ。
  5. 前記トランジスタと前記光感知素子とを電気的に連結させるために、前記金属配線絶縁膜に形成されるプラグを更に含むことを特徴とする請求項2に記載のCMOSイメージセンサ。
  6. 前記金属配線は2つ以上の金属配線層を含むことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。
  7. 前記複数の光感知素子の間に形成される隔離領域を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。
  8. 前記複数の光感知素子上に形成されるカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に形成される平坦化層と、前記平坦化層上に形成されるマイクロレンズとを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。
  9. 半導体基板上に複数のトランジスタを形成する段階と、
    前記複数のトランジスタを電気的に連結するために、前記複数のトランジスタ上に金属配線を形成する段階と、
    前記金属配線上に複数の光感知素子を形成する段階とを備えることを特徴とするCMOSイメージセンサの製造方法。
  10. 前記複数の光感知素子を形成する段階の前に、前記トランジスタ上に金属配線絶縁膜を形成する段階を更に備えることを特徴とする請求項9に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  11. 前記複数の光感知素子を形成する段階は、
    前記金属配線絶縁膜に前記トランジスタのゲート電極まで貫通するスルーホールを形成する段階と、
    前記スルーホールを導電物質で充填して、プラグを形成する段階と、
    前記金属配線絶縁膜上にシリコン層を蒸着する段階と、
    前記プラグに対応する部分のみが露出されるように、前記シリコン層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記フォトレジストパターンをマスクに用いて、P型およびN型不純物を注入する段階とを含むことを特徴とする請求項10に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  12. 前記複数の光感知素子の間に隔離領域を形成する段階を更に備えることを特徴とする請求項11に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  13. 前記複数のトランジスタと前記金属配線との間に第1金属配線絶縁膜を形成する段階と、前記金属配線と前記複数の光感知素子との間に第2金属配線絶縁膜を形成する段階とを更に備えることを特徴とする請求項9に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  14. 前記金属配線を形成する段階は、
    前記複数のトランジスタ上に第1金属配線絶縁膜を形成する段階と、
    前記第1金属配線絶縁膜上に第1金属配線層を形成する段階と、
    前記第1金属配線層上に第2金属配線絶縁膜を形成する段階と、
    前記第2金属配線絶縁膜上に第2金属配線層を形成する段階と、
    前記第2金属配線層上に第3金属配線絶縁膜を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項9に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  15. 前記複数の光感知素子上にカラーフィルタを形成する段階と、前記カラーフィルタ上に平坦化層を形成する段階と、前記平坦化層上にマイクロレンズを形成する段階とを更に備えることを特徴とする請求項9に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
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