JP2006319329A - 埋め込まれたレンズを有するイメージセンサー - Google Patents

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Abstract

【課題】受光効率を向上させ、隣接した画素間のクロストークを減少させることができるイメージセンサーを提供する。
【解決手段】本発明は、基板と、該基板上に形成された少なくとも一つの絶縁層とを含み、基板上に形成された複数の画素は、基板内に形成され、光電変換を遂行するフォトダイオード領域と、絶縁層の外側に形成され、入射された光を収束させる第１のレンズと、フォトダイオード領域と第１のレンズとの間に配置されるように絶縁層内に埋め込まれ、入射された光を収束させる第２のレンズとを含むイメージセンサーを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は複数の画素(ｐｉｘｅｌ）を有するイメージセンサー(ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ)に関して、特に、各画素が受光効率を向上させるためのレンズを有するイメージセンサーに関するものである。
最近のモバイル(ｍｏｂｉｌｅ)製品に備えられるカメラモジュールでＣＭＯＳ(Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)イメージセンサーの使用頻度が高まっている。
ＣＭＯＳイメージセンサーは、入力された可視光線領域の光を電気信号に変換することによって映像を記録する素子である。イメージセンサーは、多くの画素を備え、各画素はフォトダイオードとトランジスタを含む。したがって、画素全部を受光領域として使用せず、トランジスタを作るためにそのうちの一部領域を割り当てるべきである。したがって、割り当てられた面積だけ受光側面で損害を受けるようになる。これを改善するために、画素の上側にマイクロレンズ(ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ)を配置することによって、画素の受光効率を高める技術が公知されている。
Ｈｓｉａｏらにより発明されて特許許与された米国特許第６，８２１，８１０号“Ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｖｅｒｃｏａｔ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅｒｓ”に、複数のフォトダイオード領域が形成された基板と、電気配線のためにこの基板上に形成された金属層(ｍｅｔａｌｉｚａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）と、金属層上に形成された保護層(ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ)及び平坦層(ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ)と、この平坦層上に形成されたカラーフィルター(ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ)と、このカラーフィルター上に形成された複数のマイクロレンズとを含むイメージセンサーが開示されている。該イメージセンサーは、同一の構成を有する複数の画素を備える。
図１は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサーの画素を示す断面図である。イメージセンサーは、基板１１０と、この基板１１０の上に形成された第１〜第３の絶縁層(ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）１３０，１４０，１５０を含む。このイメージセンサーは、同一の構成を有する複数の画素１００を備える。
各画素１００は、基板１１０の内部に形成されたフォトダイオード領域(ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｒｅｇｉｏｎ）１２０と、このフォトダイオード領域１２０を除いた非フォトダイオード領域に形成された第１の金属層１３２，１３４と、フォトダイオード領域１２０と光学整列(ｏｐｔｉｃａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ)されるように第３の絶縁層１５０上に形成されたマイクロレンズ１６０と、フォトダイオード領域１２０とマイクロレンズ１６０との間に配置されたカラーフィルター１５５とを含む。“光学整列”は、光の進行方向による光軸上に該当素子が各々実質的に対称性を有するように整列されることを呼ばれる。このとき、平らな表面を有する素子は、その表面が光軸に実質的に垂直になるように整列することでよい。
マイクロレンズ１６０は、入射された光をフォトダイオード領域１２０に収束させるように凸平面形状を有する。
カラーフィルター１５５は、特定又は予め定められた色の光だけを透過させるフィルターとして、マイクロレンズ１６０によって収束された光をフィルターリングする。
フォトダイオード領域１２０とトランジスタ(図示せず)との間の電気的接続のために、第１の金属層１３２，１３４は第１の絶縁層１３０に埋め込まれ、第２の金属層１４２，１４４は第２の絶縁層１４０に埋め込まれる。
フォトダイオード領域１２０は、マイクロレンズ１６０によって収束された光のうち、その中心部に入射された光１７２を電気信号に変換する。このフォトダイオード領域１２０は、このような光電変換のためのＰＮ接合(ＰＮ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を含む。
しかしながら、上述したようなイメージセンサーは、各画素のサイズが小さくなるほど隣接した画素間の信号のクロストーク(ｃｒｏｓｓｔａｌｋ)現象が激しくなるという問題点があった。特に、光軸と傾斜するようにマイクロレンズ１６０に入射してフォトダイオード領域１２０に収束されない光１７４は、隣接した他の画素に侵犯することによって、このようなクロストークの大きな原因となっている。また、マイクロレンズ１６０のエッジ(上記の光軸から遠い部分)に入射する光１７６がフォトダイオード領域１２０の空乏層(ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ)に近い側面に入射した場合に、電荷拡散による速度低下によってランダムノイズ(ｒａｎｄｏｍ ｎｏｉｓｅ)及び残像(ｉｍａｇｅ ｌａｇ)の現象を引き起こすという問題点があった。
したがって、上記した従来の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、受光効率を向上させ、隣接した画素間のクロストークを減少させることができるイメージセンサーを提供することにある。
上記のような目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に形成された少なくとも一つの絶縁層とを含み、前記基板上に形成された複数の画素は、前記基板内に形成され、光電変換を遂行するフォトダイオード領域と、前記絶縁層の外側に形成され、入射された光を収束させる第１のレンズと、前記フォトダイオード領域と前記第１のレンズとの間に配置されるように前記絶縁層内に埋め込まれ、入射された光を収束させる第２のレンズとを含むイメージセンサーを提供する。
また、本発明は、基板の内部に光電変換を遂行するフォトダイオード領域を形成する段階と、前記基板上に前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第１のレンズを形成し、前記フォトダイオード領域の外部に第１の電極対を形成する段階と、前記第１のレンズ及び前記第１の電極対を第１の絶縁層の内部に埋め込む段階と、前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第２のレンズを前記第１の絶縁層上に形成する段階とを有するイメージセンサーの製造方法を提供する。
さらに、本発明は、基板の内部に光電変換を遂行するフォトダイオード領域を生成する段階と、前記基板上に前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第１の光学的に透明な物質を積層し、前記フォトダイオード領域の外部に実質的に平行な複数の金属電極を積層する段階と、前記第１の光学的に透明な物質及び前記金属電極を絶縁層で全て覆う段階と、前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第２の光学的に透明な物質を前記絶縁層上に積層する段階を有するイメージセンサーの製造方法を提供する。
本発明によるイメージセンサーは、その表面に形成された第１のレンズとその内部に埋め込まれた第２のレンズを用いて光をフォトダイオード領域に収束させることによって、受光効率を向上させて隣接した画素間のクロストークを減少させることができる効果がある。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記に、本発明に関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断された場合に、その詳細な説明を省略する。
図２は、本発明の望ましい実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーの画素を示す断面図である。このイメージセンサーは、基板２１０と、この基板２１０の上に順次に形成された第１〜第３の絶縁層２３０，２４０，２５０とを含む。また、このイメージセンサーは、同一の構成を有する複数の画素２００で構成される。各画素２００は、フォトダイオード領域２２０と、第１のレンズ２６０と、第１の金属層２３２，２３４と、第２の金属層２４２，２４４と、カラーフィルター２５５と、第２のレンズ２７０とを含む。
フォトダイオード領域２２０は、基板２１０の内部に形成され、その内部に入射された光を電気信号に変換し、このような光電変換のためのＰＮ接合を含む。また、フォトダイオード領域２２０は、その上部に絶縁層を有することができる。
第２のレンズ２７０は、フォトダイオード領域２２０の上に形成され、フォトダイオード領域２２０の表面を全て覆うようにに形成される。第２のレンズ２７０は、入射された光をフォトダイオード領域２２０の中心部(又は空乏層）に収束させる機能を有し、凸平面形状を有する。第２のレンズ２７０は、図４〜図９に後述するようなＬＯＣＯＳ(Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ)パターニング(ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ)及び酸化工程を通じて形成可能である。第２のレンズ２７０は、フォトダイオード領域２２０と光学整列するように第１の絶縁層２３０内に埋め込まれる。
第１の金属層２３２，２３４は、基板２１０でフォトダイオード領域２２０を除いた非フォトダイオード領域上に配置され、フォトダイオード領域２２０とトランジスタ(図示せず）を電気的に接続する。第１の金属層２３２，２３４は、第２のレンズ２７０の両側に実質的に平行に第１の絶縁層２３０内に埋め込まれる。
第２の金属層２４２，２４４は、非フォトダイオード領域の上に配置され、フォトダイオード領域２２０とトランジスタ(図示せず）を電気的に接続する。第２の金属層２４２，２４４は、第１のレンズ２６０を通過した光の経路から外れるように第２の絶縁層２４０内に埋め込まれる。
カラーフィルター２５５は、第１のレンズ２６０と第２のレンズ２７０との間に配置され、予め定められた色の光のみを透過させるフィルターである。このカラーフィルター２５５は、第１のレンズ２６０によって収束された光をフィルターリングする。カラーフィルター２５５は、第１及び第２のレンズ２６０，２７０の間に配置されるように第３の絶縁層２５０内に埋め込まれる。
第１のレンズ２６０は、第２のレンズ２７０と実質的に光学整列するように第３の絶縁層２５０の上に形成され、入射された光を第２のレンズ２７０の表面に収束させる。この第１のレンズ２６０は、凸平面形状を有する。
第２のレンズ２７０は、第１のレンズ２６０によって収束された光を再びフォトダイオード領域２２０の中心部に収束させる。それによって、クロストークを減少させ、受光効率を向上させるようになる。また、第２のレンズ２７０は、その凸面の曲率をＬＯＣＯＳパターニング過程の際に、マスクの開口幅によって調節し、それによって、第１及び第２のレンズ２６０，２７０の焦点距離(ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ)を容易に調節できる。
図３は、本発明の望ましい実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を示すフローチャートである。図４〜図９は、図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。イメージセンサーは、同一構成を有する複数の画素で構成されるため、以下に、一つの画素のみについて説明する。
下記に、図４〜図９を参照して、図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法(ステップＳ１〜ステップＳ６)を説明する。
図４を参照すると、ステップＳ１はＬＯＣＯＳパターニング過程である。このステップＳ１で、開口４１５を有するＳｉＮｘマスク４１０は、基板３１０上にフォトレジストマスク４２０を用いて形成される。
図５を参照すると、ステップＳ２はＬＯＣＯＳ酸化過程である。このステップＳ２で、凸平面形状の第２のレンズ３７０は、ＳｉＮｘマスク４１０の開口４１５内に熱酸化(ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）過程を通じて成長される。
図６を参照すると、ステップＳ３はイオン注入(ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔ）過程である。このステップＳ３で、ＰＮ接合を有するフォトダイオード領域３２０は、第２のレンズ３７０によって覆われた基板３１０の領域内に形成される。
図７を参照すると、ステップＳ４は、フォトダイオード領域３２０とトランジスタ(図示せず）の電気的接続のための配線過程である。このステップＳ４は、次の２つのサブステップを有する。
第１に、基板３１０の非フォトダイオード領域上に第１の金属層３３２，３３４を形成した後に、第１の絶縁層３３０は、第１の金属層３３２，３３４及び第２のレンズ３７０を全て覆うように基板３１０の上に形成される。
第２に、非フォトダイオード領域上に配置されるように第１の絶縁層３３０の上に第２の金属層３４２，３４４を形成した後に、第２の絶縁層３４０は、第２の金属層３４２，３４４を全て覆うように第１の絶縁層３３０の上に形成される。
図８を参照すると、ステップＳ５は、カラーフィルターと第３の絶縁層３５０を形成する過程である。このステップＳ５で、第２の絶縁層３４０の上にカラーフィルター３５５を形成した後に、第３の絶縁層３５０は、カラーフィルター３５５を全て覆うように第２の絶縁層３４０の上に形成される。
図９を参照すると、ステップＳ６は、第１のレンズ３６０を形成する過程である。このステップＳ６で、第１のレンズ３６０は、第２のレンズ３７０と実質的に光学整列するように第３の絶縁層３５０の上に形成される。
一般的なＣＭＯＳイメージセンサーの画素を示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーの画素を示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を示すフローチャートである。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。 図３に示すＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を説明するための図である。
符号の説明
２００ 画素
２１０ 基板
２２０ フォトダイオード領域
２３０，２４０，２５０ 第１〜第３の絶縁層
２３２，２３４ 第１の金属層
２４２，２４４ 第２の金属層
２５５ カラーフィルター
２６０ 第１のレンズ
２７０ 第２のレンズ

Claims (14)

  1. 基板と、前記基板上に形成された少なくとも一つの絶縁層とを含み、
    前記基板上に形成された複数の画素は、
    前記基板内に形成され、光電変換を遂行するフォトダイオード領域と、
    前記絶縁層の外側に形成され、入射された光を収束させる第１のレンズと、
    前記フォトダイオード領域と前記第１のレンズとの間に配置されるように前記絶縁層内に埋め込まれ、入射された光を収束させる第２のレンズと、
    を含むことを特徴とするイメージセンサー。
  2. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置され、予め定められた色の光を透過させるカラーフィルターをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサー。
  3. 電気的配線のために前記絶縁層に埋め込まれる少なくとも一つの金属層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサー。
  4. 前記基板上に形成された複数の絶縁層を含むことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサー。
  5. 電気的配線のために前記絶縁層に埋め込まれる複数の金属層をさらに含むことを特徴とする請求項４記載のイメージセンサー。
  6. 前記イメージセンサーは、ＣＭＯＳイメージセンサーであることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサー。
  7. 基板の内部に光電変換を遂行するフォトダイオード領域を形成する段階と、
    前記基板上に前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第１のレンズを形成し、前記フォトダイオード領域の外部に第１の電極対を形成する段階と、
    前記第１のレンズ及び前記第１の電極対を第１の絶縁層の内部に埋め込む段階と、
    前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第２のレンズを前記第１の絶縁層上に形成する段階と、
    を有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法。
  8. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に予め定められた色の光を透過させるカラーフィルターを配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７記載のイメージセンサーの製造方法。
  9. 前記第１及び第２のレンズは凸状を有することを特徴とする請求項７記載のイメージセンサーの製造方法。
  10. 前記フォトダイオード領域の外部に位置する第２の絶縁層の内部に第２の電極対を埋め込む段階をさらに含むことを特徴とする請求項７記載のイメージセンサーの製造方法。
  11. 基板の内部に光電変換を遂行するフォトダイオード領域を生成する段階と、
    前記基板上に前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第１の光学的に透明な物質を積層し、前記フォトダイオード領域の外部に実質的に平行な複数の金属電極を積層する段階と、
    前記第１の光学的に透明な物質及び前記金属電極を絶縁層で全て覆う段階と、
    前記フォトダイオード領域と光学的に整列される第２の光学的に透明な物質を前記絶縁層上に積層する段階と、
    を有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法。
  12. 前記第１の光学的に透明な物質と前記第２の光学的に透明な物質との間に予め定められた色の光を透過させるカラーフィルターを埋め込む段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載のイメージセンサーの製造方法。
  13. 前記第１及び第２の光学的に透明な物質は、入射光を前記フォトダイオード領域に収束させる形状を有することを特徴とする請求項１１記載のイメージセンサーの製造方法。
  14. 前記第１及び第２の光学的に透明な物質は凸形状を有することを特徴とする請求項１３記載のイメージセンサーの製造方法。
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