JP2008053713A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、フォトダイオードへ入射される光量の損失を減少させたイメージセンサ及びその製造方法を提供するためのものである。
【解決手段】イメージセンサは、基板の上に形成されたアクティブ領域に配置され、入射された光に対応する信号を発生する複数個の画素と、アクティブ領域の周辺に形成された周辺領域に配置されたダミー画素と、アクティブ領域及び周辺領域を覆って、アクティブ領域では第１厚みを有し、周辺領域では第１厚みより低い第２厚みを有する層間絶縁膜と、アクティブ領域に配置され、各画素に対応して形成された第１カラーフィルタＣ１、第２カラーフィルタＣ２、及び第３カラーフィルタＣ３を含むカラーフィルタと、周辺領域に対応する層間絶縁膜の上に配置され、カラーフィルタの上面と実質的に同一な高さで形成された光遮断部材２０と、カラーフィルタ及び光遮断部材の上に形成された平坦膜３０と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関するものである。

一般に、イメージセンサ（Image sensor）は、光学的映像（optical image）を電気的信号に変換させる半導体素子であって、電荷結合素子（charge coupled device：ＣＣＤ）とＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Silicon）イメージセンサ（Image Sensor）とに大別される。

ＣＭＯＳイメージセンサは、単位画素内にフォトダイオードとＭＯＳトランジスタを形成させることによって、スイッチング方式により各単位画素の電気的信号を順次に検出して映像を具現する。

ＣＭＯＳイメージセンサは、各々光量をディテクティングする複数個の画素を含む。上記の画素は、フォトダイオード、フォトダイオードを駆動するための複数個のトランジスタ、フォトダイオードを覆う層間絶縁膜、層間絶縁膜の上に配置され、フォトダイオードと対応する箇所に形成されたカラーフィルタ、上記カラーフィルタの上面に配置された平坦膜及び上記平坦膜の上に配置され、カラーフィルタと対応するマイクロレンズを含む。

ＣＭＯＳイメージセンサの画素はアクティブ領域に配置され、アクティブ領域の周辺には光を遮断する光遮断領域が形成される。光遮断領域で入射光を遮断するためにカラーフィルタが互いに重なるように配置される。

そうすると、平坦膜は周辺領域に重なるように配置されたカラーフィルタが覆われるように配置されるため、平坦膜の厚みが格段に増加してフォトダイオードへ入射される光量が減少することができる。

本発明は、フォトダイオードへ入射される光量の損失を減少させたイメージセンサ及びその製造方法を提供することをその目的とする。

本発明によるイメージセンサは、基板の上に形成されたアクティブ領域に配置され、入射された光に対応する信号を発生する複数個の画素と、アクティブ領域の周辺に形成された周辺領域に配置されたダミー画素と、アクティブ領域及び周辺領域を覆って、アクティブ領域では第１厚みを有し、周辺領域では第１厚みより低い第２厚みを有する層間絶縁膜と、アクティブ領域に配置され、各画素に対応して形成された第１カラーフィルタ、第２カラーフィルタ、及び第３カラーフィルタを含むカラーフィルタと、周辺領域に対応する層間絶縁膜の上に配置され、カラーフィルタの上面と実質的に同一な高さで形成された光遮断部材と、カラーフィルタ及び光遮断部材の上に形成された平坦膜と、を含むイメージセンサを提供する。

また、本発明によるイメージセンサの製造方法は、基板の上に形成されたアクティブ領域に入射された光に対応する信号を発生する複数個の第１画素、第２画素、第３画素及びアクティブ領域の周辺に配置された周辺領域にダミー画素を形成する段階と、第１画素乃至第３画素、及び前記ダミー画素を覆う第１厚みを有する層間絶縁膜を形成する段階と、層間絶縁膜のうち、周辺領域に対応する部分をパターニングして周辺領域に対応する層間絶縁膜を第１厚みより低い第２厚みでパターニングする段階と、周辺領域に第１光遮断部材及び前記第１画素に第１カラーフィルタを形成する段階と、第１光遮断部材の上に第２光遮断部材を形成し、前記第２画素に第２カラーフィルタを形成する段階と、第３画素に第３カラーフィルタを形成する段階と、同一な平面上に形成された第２光遮断部材、第１カラーフィルタ乃至第３カラーフィルタの上に平坦膜を形成する段階と、を含むイメージセンサの製造方法を提供する。

本発明によるイメージセンサ及びその製造方法は、アクティブ領域に配置された画素に対応するカラーフィルタ及びアクティブ領域を覆いかぶせる周辺領域に配置された光遮断部材の段差を除去してカラーフィルタ及び光遮断部材を覆う平坦膜の厚みを減少させて平坦膜による光損失を最小化する長所を有する。

本発明の実施形態によるイメージセンサ及びその製造方法について詳細に説明する。

イメージセンサ（Image Sensor）
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。

図１を参照すれば、イメージセンサ１００は、アクティブ領域（active region；ＡＲ）及びアクティブ領域ＡＲの周辺に配置された周辺領域（peripheral region；ＰＲ）を含む。

図２は図１のアクティブ領域に配置された複数個の画素の中の１つを示す平面図であり、図３は図２に図示された画素のレイアウト図である。

図２及び図３を参照すれば、イメージセンサ１００のアクティブ領域ＡＲには複数個の画素（Pixel）が基板の上に配置される。各画素Ｐは入射された外部光の光量をディテクティングして出力する。

各画素Ｐは、外部の光を感知するフォトダイオードＰＤ及びフォトダイオードＰＤに格納された電荷の転送及び／又は出力などを制御する複数個のトランジスタを含む。本実施形態において、イメージセンサ１００の画素Ｐは、例えば、４個のトランジスタを含む場合に対して説明する。

画素Ｐは、光を感知するフォトダイオードＰＤ、トランスファートランジスタＴｘ、リセットトランジスタＲｘ、セレクトトランジスタＳｘ、及びアクセストランジスタＡｘを含む。

フォトダイオードＰＤには、トランスファートランジスタＴｘ及びリセットトランジスタＲｘが直列に接続される。トランスファートランジスタＴｘのソースはフォトダイオードＰＤと接続し、トランスファートランジスタＴｘのドレーンはリセットトランジスタＳｘのソースと接続する。リセットトランジスタＳｘのドレーンには電源電圧（Ｖｄｄ）が印加される。

トランスファートランジスタＴｘのドレーンは、浮遊拡散層（ＦＤ；floating diffusion）の役割をする。浮遊拡散層ＦＤはセレクトトランジスタＳｘのゲートに接続される。セレクトトランジスタＳｘ及びアクセストランジスタＡｘは直列に接続される。即ち、セレクトトランジスタＳｘのソースとアクセストランジスタＡｘのドレーンは互いに接続する。アクセストランジスタＡｘのドレーン及びリセットトランジスタＲｘのソースには電源電圧（Ｖｄｄ）が印加される。セレクトトランジスタＳｘのドレーンは出力段（Out）に該当し、セレクトトランジスタＳｘのゲートには選択信号（Row）が印加される。

前述した構造のイメージセンサ１００の画素Ｐの動作を簡略に説明する。まず、リセットトランジスタＲｘをターンオン（turn on）させて浮遊拡散層ＦＤの電位を上記電源電圧（Ｖｄｄ）と同一にした後、リセットトランジスタＲｘをターンオフ（turn off）させる。このような動作をリセット動作と定義する。

外部の光がフォトダイオードＰＤに入射されれば、フォトダイオードＰＤ内に電子−ホール対（ＥＨＰ；electron-hole pair）が生成されて信号電荷がフォトダイオードＰＤ内に蓄積される。次に、トランスファートランジスタＴｘがターンオンされることによって、フォトダイオードＰＤ内に蓄積された信号電荷は浮遊拡散層ＦＤに出力されて浮遊拡散層ＦＤに格納される。これによって、浮遊拡散層ＦＤの電位はフォトダイオードＰＤから出力された電荷の電荷量に比例して変化され、これによって、アクセストランジスタＡｘのゲートの電位が変わる。この際、選択信号（Row）によりセレクトトランジスタＳｘがターンオンされれば、データが出力段（Out）へ出力される。データが出力された後に、画素Ｐはまたリセット動作を遂行する。各画素Ｐは、このような過程を繰り返して光を電気的信号に変換させて出力する。

図４は、図１のＩ−Ｉ’線に従って切断した断面図である。

図１及び図４を参照すれば、周辺領域ＰＲには、ダミー画素（dummy pixel、ＤＰ）が配置される。ダミー画素ＤＰは、アクティブ領域ＡＲに配置された画素Ｐと実質的に同一な構成及び配置を有する。ダミー画素ＤＰはアクティブ領域ＡＲ及び周辺領域ＰＲで段差が発生することを抑制する。

画素Ｐ及びダミー画素ＤＰが形成された基板の上には、アクティブ領域ＡＲ及び周辺領域ＰＲを覆う層間絶縁膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成される。アクティブ領域ＡＲに対応する最上層層間絶縁膜１０ｃは第１厚み（Ｔ１）を有し、周辺領域ＰＲに対応する最上層層間絶縁膜１０ｃは第１厚み（Ｔ１）より薄い第２厚み（Ｔ２）を有する。

一方、アクティブ領域ＡＲにはカラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３が配置される。具体的に、各カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３は第１カラーフィルタＣ１、第２カラーフィルタＣ２、及び第３カラーフィルタＣ３からなり、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の中の１つは各画素Ｐ毎に配置される。本実施形態において、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３は全て同一な厚み（Ｔ３）を有する。

周辺領域ＰＲには光遮断部材２０が配置される。本実施形態において、光遮断部材２０は、周辺領域ＰＲへ入射された光を反射または吸収して、周辺領域ＰＲに入射された光がアクティブ領域ＡＲへ入射されることを防止する。

本実施形態において、光遮断部材２０の厚み（Ｔ４）及び周辺領域ＰＲでの層間絶縁膜１０ｃの第２厚み（Ｔ２）を合せた厚みは第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の中のどれか１つ、及びアクティブ領域ＡＲでの層間絶縁膜１０ｃの第１厚み（Ｔ１）を合せた厚みと実質的に同一である。したがって、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３及び光遮断部材２０の上面は平坦である。

このように、周辺領域ＰＲに対応する層間絶縁膜１０ｃの厚みを減少させて、厚みが減少した部分に光遮断部材２０を形成することによって、光遮断部材２０及び第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の上面の段差を除去することができる。

本実施形態において、光遮断部材２０は第１光遮断部材２２及び第２光遮断部材２４を含み、第２光遮断部材２４は第１光遮断部材２２の上に配置される。本実施形態において、第１光遮断部材２２は、例えば、第１カラーフィルタＣ１であり、第２光遮断部材２４は第２カラーフィルタＣ２でありうる。本実施形態において、光遮断部材２０を、例えば、第１カラーフィルタＣ１及び第２カラーフィルタＣ２を重畳して形成する場合、層間絶縁膜１０ｃの第１厚み（Ｔ１）及び第２厚み（Ｔ２）の偏差は、第１光遮断部材２２及び第２光遮断部材２４を合せた厚みと実質的に同一である。

本実施形態において、光遮断部材２０の第２光遮断部材２４が第１カラーフィルタＣ１の場合、第２光遮断部材２４と隣接したアクティブ領域ＡＲには第１カラーフィルタＣ１と異なる第３カラーフィルタＣ３が配置される。これとは異なり、第２光遮断部材２４と隣接したアクティブ領域ＡＲには第１カラーフィルタＣ１と異なる第２カラーフィルタＣ２が配置されてもよい。

これとは異なり、図５に示すように、第２光遮断部材２４が第３カラーフィルタＣ３の場合、第２光遮断部材２４と接したアクティブ領域ＡＲに第３カラーフィルタＣ３を配置することもできる。

一方、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及び光遮断部材２０の上面には平坦膜３０が配置される。本実施形態において、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及び光遮断部材２０は段差を有しないので、平坦膜３０は非常に薄い厚みで形成することができる。

図６は、図４に図示されたイメージセンサの上面にマイクロレンズを示す断面図である。

図６を参照すれば、平坦膜３０の上面には複数個のマイクロレンズ４０が配置される。マイクロレンズ４０はアクティブ領域ＡＲの第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３と対応して形成される。

本実施形態において、周辺領域ＰＲにはマイクロレンズ４０を形成しなくてもよい。これとは異なり、周辺領域ＰＲにダミーマイクロレンズ（dummy micro lens）４５を形成してもよい。

イメージセンサの製造方法（Method Of Manufacturing the Image Sensor）
図７乃至図１２は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。

図７を参照すれば、基板の上に形成されたアクティブ領域ＡＲには入射された光の光量をディテクティングする画素Ｐが形成され、これと共にアクティブ領域ＡＲの周辺に配置された周辺領域ＰＲにはダミー画素ＤＰが形成される。本実施形態において、画素Ｐは、第１画素Ｐ１、第２画素Ｐ２、及び第３画素Ｐ３からなる。

画素Ｐ及びダミー画素ＤＰが形成された後、基板の上には少なくとも１層の層間絶縁膜が形成される。本実施形態において、基板の上には３層構造で層間絶縁膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成される。この際、各層間絶縁膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃの間には画素Ｐと連結された金属配線構造物が配置されることができる。本実施形態において、各層間絶縁膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃは第１厚み（Ｔ１）を有する。

次に、最上層層間絶縁膜１０ｃの上にはフォトレジストフィルム（図示せず）が形成される。本実施形態において、フォトレジストフィルムが形成された後、フォトレジストフィルムは露光工程及び現象工程を含むフォト工程によりパターニングされて、最上層層間絶縁膜１０ｃの上にはフォトレジストパターン１２が形成される。フォトレジストパターン１２によりアクティブ領域ＡＲは遮られて、周辺領域ＰＲは露出される。

次に、最上層層間絶縁膜１０ｃはフォトレジストパターン１２をエッチングマスクとして用いてパターニングされる。この際、最上層層間絶縁膜１０ｃはドライエッチングされることができ、この結果、周辺領域ＰＲに対応する最上層層間絶縁膜１０ｃは第１厚みより低い第２厚み（Ｔ２）を有する。

次に、最上層層間絶縁膜１０ｃを覆ったフォトレジストパターン１２は、アッシング工程／ストリップ工程により最上層層間絶縁膜１０ｃから除去される。

図８を参照すれば、最上層層間絶縁膜１０ｃがパターニングされた後、最上層層間絶縁膜１０ｃの上には、例えば、第１カラーフィルタ物質を含む第１カラーフィルタ層が形成され、第１カラーフィルタ層はパターニングされて最上層層間絶縁膜１０ｃのアクティブ領域ＡＲの上には第１カラーフィルタＣ１が形成される。本実施形態において、第１カラーフィルタＣ１は第２画素Ｐ２と対応する位置に形成される。

一方、第１カラーフィルタ層をパターニングしてアクティブ領域ＡＲの上に第１カラーフィルタＣ１を形成する時、周辺領域ＰＲには第１光遮断部材２２が形成される。本実施形態において、第１光遮断部材２２は第１カラーフィルタ層をパターニングして形成される。この際、第１光遮断部材２２の厚みは、第１カラーフィルタＣ１の厚みと同一であり、最上層層間絶縁膜１０ｃの第１厚み（Ｔ１）及び第２厚み（Ｔ２）の偏差は第１カラーフィルタＣ１の厚みと実質的に同一である。

図９を参照すれば、第１カラーフィルタＣ１及び第１光遮断部材２２が形成された後、最上層層間絶縁膜１０ｃには第２カラーフィルタ物質を含む第２カラーフィルタ層が形成され、第２カラーフィルタ層はパターニングされて最上層層間絶縁膜１０ｃのアクティブ領域ＡＲの上には第２カラーフィルタＣ２が形成される。本実施形態において、第２カラーフィルタＣ２は第１画素Ｐ１と対応する位置に形成される。

一方、第２カラーフィルタ層をパターニングしてアクティブ領域ＡＲの上に第２カラーフィルタＣ２を形成する時、周辺領域ＰＲには第２光遮断部材２４が共に形成されて光遮断部材２０が製造される。

本実施形態において、第２光遮断部材２４は第２カラーフィルタ層をパターニングして形成される。この際、第２光遮断部材２４の厚みは第２カラーフィルタＣ２の厚みと同一である。

図１０を参照すれば、第２カラーフィルタＣ２及び第２光遮断部材２４が形成された後、最上層層間絶縁膜１０ｃには第２カラーフィルタ物質を含む第２カラーフィルタ層が形成され、第３カラーフィルタ層はパターニングされて最上層層間絶縁膜１０ｃのアクティブ領域ＡＲの上には第３カラーフィルタＣ３が形成される。本実施形態いおいて、第３カラーフィルタＣ３は第３画素Ｐ３と対応する位置に形成される。

図１１を参照すれば、第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３及び光遮断部材２０が形成された後、基板の上には第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３及び光遮断部材２０を覆う平坦膜３０が形成される。本実施形態において、平坦膜３０は第１乃至第３カラーフィルタＣ１、Ｃ２、Ｃ３及び光遮断部材２０が段差を有しないので、非常に薄い厚みで形成されることができ、これによって、平坦膜３０の厚みの増加によって第１乃至第３画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３へ入射される光量の減少を防止することができる。

図１２を参照すれば、平坦膜３０が形成された後、平坦膜３０の上には全面積に亘って感光性有機膜が形成された後、感光性有機膜はパターニングされてアクティブ領域ＡＲにはマイクロレンズ４０が形成される。本実施形態において、マイクロレンズ４０は第１乃至第３画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に対応して形成されてイメージセンサ１００が製造される。

一方、周辺領域ＰＲにはダミーマイクロレンズ４５が形成され、ダミーマイクロレンズ４５は場合によって周辺領域ＰＲに形成されなくてもよい。

本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。 図１のアクティブ領域に配置された複数個の画素の中の１つを示す平面図である。 図２に図示された画素のレイアウト図である。 図１のＩ−Ｉ’線に従って切断した断面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサの平面図である。 図４に図示されたイメージセンサの上面にマイクロレンズを示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１２ フォトレジストパターン
２０ 光遮断部材
２２ 第１光遮断部材
２４ 第２光遮断部材
３０ 平坦膜
４０ マイクロレンズ
４５ ダミーマイクロレンズ
１００ イメージセンサ

Claims (12)

1. 基板の上に形成されたアクティブ領域に配置され、入射された光に対応する信号を発生する複数個の画素と、
   前記アクティブ領域の周辺に形成された周辺領域に配置されたダミー画素と、
   前記アクティブ領域及び前記周辺領域を覆って、前記アクティブ領域では第１厚みを有し、 前記周辺領域では前記第１厚みより低い第２厚みを有する層間絶縁膜と、
   前記アクティブ領域に配置され、当該各画素に対応して形成された第１カラーフィルタ、第２カラーフィルタ、及び第３カラーフィルタを含むカラーフィルタと、
   前記周辺領域に対応する前記層間絶縁膜の上に配置され、前記カラーフィルタの上面と実質的に同一な高さで形成された第１光遮断部材と、
   前記カラーフィルタ及び前記第１光遮断部材の上に形成された平坦膜と、
   を含むことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記光遮断部材は、前記周辺領域に配置された第１光遮断部材、及び前記第１光遮断部材の上に配置された第２光遮断部材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。
3. 前記第２光遮断部材は第１カラーフィルタであり、前記第１カラーフィルタと接したアクティブ領域のカラーフィルタは第２カラーフィルタであることを特徴とする請求項２記載のイメージセンサ。
4. 前記第２光遮断部材及び前記第２光遮断部材と接したアクティブ領域のカラーフィルタは第１カラーフィルタであり、前記第１光遮断部材は第２カラーフィルタであることを特徴とする請求項２記載のイメージセンサ。
5. 前記平坦膜のうち、前記アクティブ領域の上には前記画素に対応するマイクロレンズが配置されたことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
6. 前記平坦膜のうち、前記周辺領域の上には前記ダミー画素に対応するダミーマイクロレンズ（dummy micro lens）が配置されたことを特徴とする請求項５記載のイメージセンサ。
7. 基板の上に形成されたアクティブ領域に入射された光に対応する信号を発生する複数個の第１画素、第２画素、第３画素、及び前記アクティブ領域の周辺に配置された周辺領域にダミー画素を形成する段階と、
   前記第１画素乃至第３画素及び前記ダミー画素を覆う第１厚みを有する層間絶縁膜を形成する段階と、
   前記層間絶縁膜のうち、前記周辺領域に対応する部分をパターニングして前記周辺領域に対応する前記層間絶縁膜を前記第１厚みより低い第２厚みでパターニングする段階と、
   前記周辺領域に第１光遮断部材及び前記第１画素に第１カラーフィルタを形成する段階と、
   前記第１光遮断部材の上に第２光遮断部材を形成し、前記第２画素に第２カラーフィルタを形成する段階と、
   前記第３画素に第３カラーフィルタを形成する段階と、
   同一な平面上に形成された前記第２光遮断部材、前記第１画素乃至第３カラーフィルタの上に平坦膜を形成する段階と、
   を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
8. 前記第１厚み及び前記第２厚みの差は、前記第１光遮断部材の厚みと同一であることを特徴とする請求項７記載のイメージセンサの製造方法。
9. 前記第２光遮断部材及び前記第２カラーフィルタは、隣接するように配置されたことを特徴とする請求項７記載のイメージセンサの製造方法。
10. 前記第２光遮断部材及び前記第２カラーフィルタは、相互離隔して配置されたことを特徴とする請求項７記載のイメージセンサの製造方法。
11. 前記第１画素乃至第３画素と対応する前記平坦膜の上にはマイクロレンズが配置されたことを特徴とする請求項７記載のイメージセンサの製造方法。
12. 前記ダミー画素と対応する前記平坦膜の上にはダミーマイクロレンズが配置されたことを特徴とする請求項１１記載のイメージセンサの製造方法。

Images