JP2007088459A - イメージセンサの形成方法及びそれによって形成されたイメージセンサ - Google Patents

イメージセンサの形成方法及びそれによって形成されたイメージセンサ Download PDF

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Abstract

【課題】イメージセンサの形成方法及びそれによって形成されたイメージセンサを提供する。
【解決手段】本方法によれば、第1カラーフィルタと第2カラーフィルタが形成された半導体基板上に第3カラーフィルタ用カラーフォトレジストをコーティングしてベーキングした後に、前記カラーフォトレジストを平坦化して第3カラーフィルタを形成する。前記平坦化工程によって前記カラーフィルタの上部が平坦化されて従来の上部平坦化層なしにマイクロレンズを直接形成することができるため、工程を単純化させ、かつ上部平坦化膜に対する材料費を節減することができる。また従来の上部平坦化層をなくして、マイクロレンズとフォトダイオード領域との間の距離が短くなる。これによって、光感度が向上することができる。
【選択図】図8

Description

本発明はイメージセンサの形成方法及びそれによって形成されたイメージセンサに関する。
イメージセンサは光学的イメージを電気的信号に変形させる素子である。前記イメージセンサは大きくCMOS(Complementary Metal−Oxide−Silicon)イメージセンサとCCD(Charge Coupled Deviceイメージセンサに区別される。イメージセンサの画素は光を受け入れるフォトダイオードと前記フォトダイオードから入力された映像信号を制御するトランジスタとを具備する。前記フォトダイオードでは赤色、青色及び緑を有するカラーフィルタを通じてそれぞれ入射される赤色光、緑色光及び青色光の波長と強さに応じて電子正孔対が発生され、前記発生された電子の量に応じて出力信号が変化する。これによってイメージを感知することができる。
前記カラーフィルタは下部平坦化膜上に3回のフォトリソグラフィ工程を進行して形成される。フォトリソグラフィ(Photolithography process)はウェーハ上にフォトレジストをコーティングするコーティング工程、フォトレジストをコーティングした後、フォトレジストに含有された溶剤を除去するためのソフトベーク(SOFTBAKE)工程、フォトレジストがコーティングされたウェーハと決められたレティクルを互いに整列させた後、光を前記レティクルに通過させてウェーハ上のフォトレジストに照射されるようにする露光工程と、露光した後に硬化させるポストべーク(POSTBAKE)工程、及び露光工程が完了したウェーハのフォトレジストを現像してパターンを形成する現像工程などの非常に複雑な過程を具備する。したがって、イメージセンサにおいてカラーフィルタアレイを形成する過程は複雑になるしかない。
また、3色のカラーフィルタアレイはそれぞれのフォトリソグラフィ工程によって形成されるので、他の色を有するカラーフィルタの厚さを均一に調節しにくい。これによって、カラーフィルタの厚さの差が発生し、上部面の高低が異なる可能性がある。このように高低が異なるカラーフィルタ上にすぐマイクロレンズを形成すれば、マイクロレンズが同一の形態を有し難くなる。これによって、マイクロレンズの焦点距離が互いに異なるようになって、画素間の光透過均一度が低下する。これを防止するために前記マイクロレンズを形成する前に前記カラーフィルタ上に平坦な上部面を有する上部平坦化膜を形成する。しかし、前記上部平坦化膜の厚さだけマイクロレンズとフォトダイオードとの間の距離は遠くなり、フォトダイオードに到達する光の量が減少する。これによって、光感度が低下するようになっている。
本発明の第1の課題は工程を単純化させることができるイメージセンサの形成方法を提供することにある。
本発明の第2の課題は光感度を向上させることができるイメージセンサの形成方法を提供することにある。
本発明の第3の課題は向上した光感度を有するイメージセンサを提供することにある。
上述の課題を解決するために本発明に係るイメージセンサの形成方法は、第1カラーフィルタと第2カラーフィルタが形成された半導体基板上に第3カラーフィルタ用カラーフォトレジストをコーティングしてベーキングした後に、フォトマスクを利用した選択的な露光工程及び現像工程なく、前記カラーフォトレジストを平坦化して第3カラーフィルタを形成することを特徴とする。これによって、工程を単純化することができる。また前記平坦化工程によって前記カラーフィルタの上部が平坦化されて従来の上部平坦化層なしにマイクロレンズを直接形成することができるため、光感度を改善することができる。
より詳細には、前記方法は、第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域を具備する半導体基板を準備する段階と、前記第1画素領域及び第2画素領域の前記半導体基板上にそれぞれ第1色の第1カラーフィルタと第2色の第2カラーフィルタを形成する段階と、前記半導体基板の全面上に第3色のカラーフォトレジストをコーティングする段階と、前記カラーフォトレジストをベーキング(baking)する段階と、平坦化工程を進行して前記第1及び第2カラーフィルタ上に前記カラーフォトレジストを除去して、前記第3画素領域に第3カラーフィルタを形成する段階とを具備する。
前記平坦化工程は望ましくはエッチバック(etch back)工程である。前記エッチバック工程は窒素、酸素及び四フッ化炭素(CF)を含むグループより選択される少なくとも一つのガスを利用して進行されることができる。
前記カラーフォトレジストはネガティブタイプ(negative type)でありうる。この時、前記平坦化工程を進行する前に、前記カラーフォトレジストを全面露光させる段階をさらに具備することができる。前記カラーフォトレジストを全面露光させた後に、前記カラーフォトレジストをハードベーキング(hard baking)させる段階をさらに具備することができる。
前記第1、第2及び第3カラーフィルタ上にマイクロレンズを形成する段階をさらに具備することができる。
前記第1及び第2カラーフィルタを形成する前に、前記半導体基板の全面上に平坦化膜を形成する段階をさらに具備することができる。前記半導体基板はパッド領域をさらに具備し、前記平坦化膜を形成する前に、前記パッド領域において前記半導体基板と電気的に接する導電パッドを形成する段階をさらに具備することができる。
前記平坦化工程を進行する段階は、前記パッド領域上に残余カラーフォトレジストを残す段階を含み、前記方法は、前記パッド領域において前記残余カラーフォトレジストと前記平坦化膜とを除去して前記導電パッドを露出させる段階をさらに具備することができる。
前記課題を解決するために本発明に係るイメージセンサは、互いに同一の高さの平坦な上部面を有するカラーフィルタ上に前記カラーフィルタと接するマイクロレンズを具備し、従来の上部平坦化膜をなくして光感度が改善することを特徴とする。
より詳細には、前記イメージセンサは第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域を具備する半導体基板と、前記第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域においてそれぞれ前記半導体基板上に位置する第1カラーフィルタ、第2カラーフィルタ及び第3カラーフィルタと、前記第1乃至第3カラーフィルタ上に位置し、前記カラーフィルタと接するマイクロレンズを具備し、前記第1、第2及び第3カラーフィルタは互いに同一の高さの平坦な上部面を有する。
前記半導体基板はパッド領域をさらに具備し、前記パッド領域上の前記半導体基板上に位置する導電パッドをさらに具備することができる。前記カラーフィルタと前記半導体基板との間に介在された平坦化膜をさらに具備することができる。
本発明に係るイメージセンサの形成方法によれば、第1カラーフィルタと第2カラーフィルタが形成された半導体基板上に第3カラーフィルタ用カラーフォトレジストをコーティングしてベーキングした後に、フォトマスクを利用した選択的な露光工程及び現像工程なく、前記カラーフォトレジストを平坦化して第3カラーフィルタを形成するため、工程を単純化することができる。また、前記平坦化工程によって前記カラーフィルタの上部が平坦化されて従来の上部平坦化層なしにマイクロレンズを直接形成することができる。したがって、工程を単純化させ、上部平坦化膜について材料費を節減することができる。またマイクロレンズとカラーフィルタとの間の従来の上部平坦化層をなくして、マイクロレンズとフォトダイオード領域との間の距離が短くなるので、光感度が向上することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底し、かつ完全になれるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達するために提供されるものである。図において、層及び領域の厚さは明確性のために誇張されたものである。また、層が他の層または基板“上”にあると言及される場合に、それは他の層または基板上に直接形成されることができるもの、またはそれらの間に第3の層が介在されることがきるものである。明細書の全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。本実施形態において、フォトダイオードは入射される光によって電荷が形成される光電変換部を意味する。本発明の実施形態は全部、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサなどの多様なイメージセンサに適用することができる。
図1乃至図8は本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す工程断面図である。
図1を参照すれば、第1画素領域、第2画素領域、第3画素領域及びパッド領域を具備する半導体基板1に素子分離膜3を形成して活性領域を限定する。前記パッド領域は周辺回路領域において外部から電圧が印加される導電パッドが形成される領域を意味する。前記素子分離膜3は一般的なシャロートレンチ分離(Shallow Trench Isolation)方法によって形成されることができる。そしてイオン注入工程を進行して前記半導体基板1の画素領域内に第1不純物注入領域5と第2不純物注入領域7とを具備するフォトダイオード領域9を形成する。前記第1不純物注入領域5と前記第2不純物注入領域7は互いに異なるタイプの不純物でドーピングされ、例えば、前記第1不純物注入領域5はNタイプの不純物でドーピングされ、前記第2不純物注入領域7はPタイプの不純物でドーピングされる。図示しないが、前記半導体基板1内にウェル領域が形成され、前記半導体基板1上に複数個のトランジスタが形成される。
続いて、図1を参照すれば、前記半導体基板1上にエッチング阻止膜11と層間絶縁膜13が順に積層される。前記エッチング阻止膜11は前記フォトダイオード領域9と前記トランジスタ(図示しない)をエッチング工程から保護する役割を果たす。図示しないが、複数層のエッチング阻止膜と層間絶縁膜が順に交互に形成され、各層に多様な形態の配線が形成されることができる。前記パッド領域において、前記層間絶縁膜13及び前記エッチング阻止膜11をパターニングして前記半導体基板1を露出させるコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを導電物質膜で満たしてコンタクトプラグ15を形成する。そして前記パッド領域で外部から電圧が印加され、前記コンタクトプラグ15と重畳される導電パッド19を形成する。そして前記半導体基板1の全面上にバッファ酸化膜17とパッシベーション膜21を形成する。前記パッシベーション膜21は下部に形成されたフォトダイオード領域とトランジスタ及び配線などを外部の湿気や汚染等から保護する役割を果たす。前記パッシベーション膜21は例えばシリコン窒化膜で形成される。前記バッファ酸化膜17は前記パッシベーション膜21と下部の膜の間のストレスを緩和させる役割を果たし、プラズマ強化された酸化膜(Plasma−enhanced SiO)で形成されることができる。そして前記パッシベーション膜21と前記バッファ酸化膜17とをパターニングして前記導電パッド19の上部面を露出させる。
図2を参照すれば、前記パッシベーション膜21が形成された前記半導体基板1上に平坦化膜23を形成する。前記平坦化膜23は、例えばアクリル系列のフォトレジストをコーティング及びベーキングすることで形成されることができ、平坦な上部面を有する。前記平坦化膜23によって前記導電パッド19の上部面が覆われ、前記導電パッド19の上部面は前記平坦化膜23によって保護される。
図3を参照すれば、前記第1画素領域の前記平坦化膜23上に第1色を有する第1カラーフィルタ25を形成する。前記第1カラーフィルタ25は染料を含有するフォトレジストをコーティング、ソフトベーキング、選択的露光及び現像工程を含むフォトリソグラフィ工程を利用して形成されることができる。前記第1色は例えば赤色でありうる。
図4を参照すれば、前記第2画素領域の前記平坦化膜23上に第2色を有する第2カラーフィルタ27を形成する。前記第2カラーフィルタ27は染料を含有するフォトレジストをコーティング、ソフトベーキング、選択的露光及び現像工程を含むフォトリソグラフィ工程を利用して形成されることができる。前記第2色は例えば青色でありうる。
図5を参照すれば、前記第1カラーフィルタ25及び第2カラーフィルタ27が形成された前記半導体基板1の全面上に第3色を有するカラーフォトレジスト29をコーティングする。前記カラーフォトレジスト29は顔料、高分子樹脂、光感剤、及び溶剤の混合物である懸濁液であり、工程温度として例えば常温で流動的である。したがって、コーティング工程によって前記カラーフォトレジスト29は平坦であるか、緩やかに平坦な上部面を有するように形成される。前記カラーフォトレジスト29は前記平坦化膜23上では厚く、そして前記第1及び第2カラーフィルタ25、27上では薄く形成される。前記カラーフォトレジスト29に対してベーキング(baking)工程を進行して前記カラーフォトレジスト29内の溶剤を除去する。前記ベーキング工程はソフトベーキング(soft baking)でありうる。前記カラーフォトレジスト29がネガティブタイプ(negative type)の場合、カラーフォトレジスト29の全面を露光する。前記カラーフォトレジスト29の全面が露光されるため、フォトマスクを要しない。したがって、フォトマスクを整列させる作業が実行されず、工程時間を短縮させることができる。また露光されない領域を具備しないため、現象作業を要しない。したがって、工程を単純化させることができる。前記カラーフォトレジスト29がネガティブタイプの場合、前記露光工程によって化学的反応が発生され、これによって、カラーフィルタに適する透明で堅い材質に変わる。前記全面露光工程の後にハードベーキング(hard baking)工程を進行することができる。前記カラーフォトレジスト29がポジティブタイプ(positive type)の場合、前記全面露光工程を要しないようにもできる。
図6を参照すれば、前記カラーフォトレジスト29に対して平坦化工程、例えばエッチバック(etch back)工程を進行して前記第1カラーフィルタ25及び前記第2カラーフィルタ27上の前記カラーフォトレジスト29を除去し、前記第3画素領域に第3カラーフィルタ29a及び前記パッド領域に残余カラーフォトレジスト29bを形成する。前記エッチバック工程は酸素(O)、窒素(N)及び四フッ化炭素(CF)を含むグループより選択される少なくとも一つのガスを利用して進行されることができる。前記第1及び第2カラーフィルタ25、27は互いに異なるフォト工程によって形成されるため、互いに異なる厚さを有するように形成されることができる。しかし前記平坦化工程によって前記第1カラーフィルタ25及び前記第2カラーフィルタ27の上部も一部除去されることができ、前記第1カラーフィルタ25、前記第2カラーフィルタ27及び前記第3カラーフィルタ29aが互いに同一の高さの平坦な上部面を有するように形成される。
図7を参照すれば、前記カラーフィルタ25、27、29a上にマイクロレンズ31を形成する。前記マイクロレンズ31は透明なアクリル樹脂を含むフォトレジストパターン(図示しない)をフォトリソグラフィ工程で形成した後、熱を加えて前記フォトレジストパターンをリフロー(reflow)させて形成する。この時、前記カラーフィルタ25、27、29aが互いに同一の高さの平坦な上部面を有するため、従来の上部平坦化膜を要せず、前記マイクロレンズ31が全部同一の形態で形成されることができる。したがって、上部平坦化膜を要しないため、工程を単純化させることができ、かつ上部平坦化膜の材料費用を節減することができる。
図8を参照すれば、前記画素領域を覆い、前記パッド領域を露出させるマスクパターン(図示しない)を形成する。そして前記マスクパターン(図示しない)をエッチングマスクとして利用して前記パッド領域上の前記残余カラーフォトレジスト29bと前記平坦化膜23を除去して前記導電パッド19の上部面を露出させる。続いて、前記導電パッド19にワイヤをボンディングさせることができる。
図8を参照すれば、上述した方法で形成されたイメージセンサは、第1、第2及び第3画素領域及びパッド領域を具備する半導体基板1上に素子分離膜3が位置して活性領域を定義する。前記画素領域の前記半導体基板1内にフォトダイオード領域9が位置する。前記半導体基板1上にエッチング阻止膜11と層間絶縁膜13が順に積層される。前記パッド領域には前記層間絶縁膜13と前記エッチング阻止膜11を貫通して前記半導体基板1と電気的に接するコンタクトプラグ15が配置され、前記コンタクトプラグ15上に外部から電圧を印加するための導電パッド19が配置される。前記層間絶縁膜13上に前記導電パッド19の上部面を露出させるバッファ酸化膜17及びパッシベーション膜21が順に積層される。前記画素領域の前記平坦化膜23上にそれぞれカラーフィルタ25、27、29aが配置され、前記カラーフィルタ25、27、29a上にそれぞれマイクロレンズ31が配置される。前記カラーフィルタ25、27、29aは互いに同一の厚さを有し、平坦な上部面を有する。
図8のイメージセンサにおいては、従来の上部平坦化膜なしに、前記カラーフィルタ25、27、29a上に前記マイクロレンズ31が直接接するように配置されるため、前記マイクロレンズ31と前記フォトダイオード領域9との間の距離が短くなっており、光損失を減らすことができるため、光感度が向上する。
本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの形成方法を順次に示す程断面図である。
符号の説明
1 半導体基板
3 素子分離膜
5 第1不純物注入領域
7 第2不純物注入領域
9 フォトダイオード領域
11 エッチング阻止膜
13 層間絶縁膜
15 コンタクトプラグ
17 バッファ酸化膜
21 パッシベーション膜
23 平坦化膜
25,27,29a カラーフィルタ
31 マイクロレンズ

Claims (19)

  1. 第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域を具備する半導体基板を準備する段階と、
    前記第1画素領域及び第2画素領域の前記半導体基板上にそれぞれ第1色の第1カラーフィルタと第2色の第2カラーフィルタとを形成する段階と、
    前記半導体基板の全面上に第3色のカラーフォトレジストをコーティングする段階と、
    前記カラーフォトレジストをベーキングする段階と、
    平坦化工程を進行して前記第1及び第2カラーフィルタ上の前記カラーフォトレジストを除去し、前記第3画素領域に第3カラーフィルタを形成する段階とを具備することを特徴とするイメージセンサの形成方法。
  2. 前記平坦化工程はエッチバック工程であることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサの形成方法。
  3. 前記エッチバック工程は窒素、酸素及び四フッ化炭素(CF)を含むグループより選択される少なくとも一つのガスを利用して進行されることを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサの形成方法。
  4. 前記カラーフォトレジストはネガティブタイプであり、
    前記平坦化工程を進行する前に、前記カラーフォトレジストを全面露光させる段階をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサの形成方法。
  5. 前記カラーフォトレジストを全面露光させた後に、前記カラーフォトレジストをハードベーキングさせる段階をさらに具備することを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサの形成方法。
  6. 前記第1、第2及び第3カラーフィルタ上にそれぞれのマイクロレンズを形成する段階をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサの形成方法。
  7. 前記第1及び第2カラーフィルタを形成する前に、
    前記半導体基板の全面上に平坦化膜を形成する段階をさらに具備することを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサの形成方法。
  8. 前記半導体基板はパッド領域をさらに具備し、
    前記平坦化膜を形成する前に、前記パッド領域において前記半導体基板と電気的に接する導電パッドを形成する段階をさらに具備することを特徴とする請求項7に記載のイメージセンサの形成方法。
  9. 前記平坦化工程を進行する段階は前記パッド領域上に残余カラーフォトレジストを残す段階を含み、
    前記方法は、前記パッド領域において前記残余カラーフォトレジストと前記平坦化膜を除去して前記導電パッドを露出させる段階をさらに具備することを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサの形成方法。
  10. 第1画素領域、第2画素領域、第3画素領域及びパッド領域を具備する半導体基板を準備する段階と、
    前記パッド領域において前記半導体基板と電気的に接する導電パッドを形成する段階と、
    前記半導体基板の全面上に平坦化膜を形成する段階と、
    前記第1画素領域及び前記第2画素領域でそれぞれ第1カラーフィルタと第2カラーフィルタを形成する段階と、
    前記半導体基板の全面上にカラーフォトレジストをコーティングする段階と、
    前記カラーフォトレジストをベーキングする段階と、
    平坦化工程を進行して前記第1及び第2カラーフィルタ上の前記カラーフォトレジストを除去し、前記第3画素領域に第3カラーフィルタを形成し、前記パッド領域に残余カラーフォトレジストを形成する段階とを具備することを特徴とするイメージセンサの形成方法。
  11. 前記平坦化工程はエッチバック工程であることを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの形成方法。
  12. 前記エチバック工程は窒素、酸素及び四フッ化炭素(CF)を含むグループより選択される少なくとも一つのガスを利用して進行されることを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの形成方法。
  13. 前記カラーフォトレジストはネガティブタイプであり、
    前記平坦化工程を進行する前に、前記カラーフォトレジストを全面露光させる段階をさらに具備することを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの形成方法。
  14. 前記カラーフォトレジストを全面露光させた後に、前記カラーフォトレジストをハードベーキングさせる段階をさらに具備することを特徴とする請求項13に記載のイメージセンサの形成方法。
  15. 前記第1、第2及び第3カラーフィルタ上にそれぞれのマイクロレンズを形成する段階をさらに具備することを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの形成方法。
  16. 前記パッド領域で前記残余カラーフォトレジストと前記平坦化膜を除去して前記導電パッドを露出させる段階をさらに具備することを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの形成方法。
  17. 第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域を具備する半導体基板と、
    前記第1画素領域、第2画素領域及び第3画素領域においてそれぞれ前記半導体基板上に位置する第1カラーフィルタ、第2カラーフィルタ及び第3カラーフィルタと、
    前記第1、第2及び第3カラーフィルタ上にそれぞれ位置し、前記カラーフィルタと接するマイクロレンズとを具備し、
    前記第1、第2及び第3カラーフィルタは互いに同一の高さの平坦な上部面を有することを特徴とするイメージセンサ。
  18. 前記半導体基板はパッド領域をさらに具備し、
    前記パッド領域上の前記半導体基板上に位置する導電パッドをさらに具備することを特徴とする請求項17に記載のイメージセンサ。
  19. 前記カラーフィルタと前記半導体基板との間に介在された平坦化膜をさらに具備することを特徴とする請求項17に記載のイメージセンサ。
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