JP2016046510A - イメージセンシングデバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イメージセンシングデバイスにおけるカラーフィルターとマイクロレンズの材料間の屈折率変化による、入射光のエネルギー減少問題を解消、または、減少させるイメージセンシングデバイスを提供する。【解決手段】イメージセンシングデバイスは、複数のフォトセンシング素子を有するアクティブ層と、フォトセンシング素子のうちの一つの上に設置され、且つ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される色を有するカラーパターンと、カラーパターン上に設置されるマイクロレンズ、および、カラーパターンに隣接すると共に、フォトセンシング素子の別の一つ上にある透過パターン、を有し、透過パターンは、カラーフィルター部分とマイクロレンズ部分を有し、マイクロレンズとカラーパターン間の屈折率の差の絶対値は、０.３未満で、且つ、透過パターンのマイクロレンズ部分とカラーフィルター部分間の屈折率の差がない。【選択図】図８

Description

本発明は、イメージセンシングデバイスに関するものであって、特に、カラーフィルターとマイクロレンズ間の屈折率（ｎ）変化が少ないイメージセンシングデバイスに関するものである。

イメージセンシングデバイスは、デジタルカメラ、携帯電話、玩具を含む多くの光電子デバイスにおいて必要な構成部品である。従来のセンシングデバイスは、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサーと相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを含む。

イメージセンサーは、通常、画素セルの面アレイを有し、各画素セルは、ドープ領域を有するフォトゲート、光伝導体またはフォトダイオードを有し、フォト生成電荷を蓄積する。異なる色、たとえば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）または青色（Ｂ）の染料や顔料の周期的なパターンは、画素セルの面アレイに重ね合わされる。このパターンはカラーフィルターアレイ（ＣＦＡ）として知られる。方形または円形の複数のマイクロレンズは、任意で、カラーフィルターアレイ（ＣＦＡ）に重ね合わせて、光線を、各画素セルの一つの初期電荷蓄積領域に集めることができる。マイクロレンズの使用は、イメージセンサーの感光性を大幅に改善する。

しかし、Ｒ, ＧやＢなどの異なる色のカラーフィルターの材料、および、マイクロレンズの材料間の屈折率（ｎ）変化のため、入射光が、マイクロレンズとカラーフィルター間の界面に到達するとき、望まない屈折が発生する。よって、マイクロレンズとカラーフィルターを通過する入射光のエネルギーが減少し、イメージセンシングデバイスの画素セルの感度が減少する。

したがって、イメージセンシングデバイスにおけるカラーフィルターとマイクロレンズの材料間の屈折率変化による、入射光のエネルギー減少問題を解消、または、減少させるイメージセンシングデバイスとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のイメージセンシングデバイスは、複数のフォトセンシング素子を有するアクティブ層と、フォトセンシング素子のうちの一つの上に設置され、且つ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される色を有するカラーパターンと、カラーパターン上に設置されるマイクロレンズと、カラーパターンに隣接し、フォトセンシング素子のうち別の一つの上にあり、且つ、カラーフィルター部分とカラーフィルター部分上に形成されるマイクロレンズ部分を有する透過パターンと、を有し、マイクロレンズとカラーパターン間の屈折率の差の絶対値は、０.３未満で、透過パターンのマイクロレンズ部分とカラーフィルター部分間の屈折率の差がない。

イメージセンシングデバイスを製造する方法は、複数のフォトセンシング素子を有するアクティブ層とカラーパターンを有するイメージセンシング構造を提供し、カラーパターンが、フォトセンシング素子の一つを被覆すると共に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される色を有する工程と、カラーパターンに隣接し、フォトセンシング素子のうち別の一つの上に位置する透過パターンを形成し、透過パターンは、カラーフィルター部分とカラーフィルター部分上に形成されるマイクロレンズ部分を有する工程と、マイクロレンズをカラーパターン上に形成し、マイクロレンズとカラーパターン間の屈折率の差の絶対値は、０.３未満で、透過パターンのマイクロレンズ部分とカラーフィルター部分間の屈折率の差がない工程と、を含む。

本発明によるイメージセンシングデバイスとその製造方法により、イメージセンシングデバイスにおけるカラーフィルターとマイクロレンズの材料間の屈折率変化による、入射光のエネルギー減少問題を解消、または、減少させる。

本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスのカラーフィルターアレイを示す図である。

本明細書は、本発明を具体的に指摘するとともに発明の権利を明確に請求する特許請求の範囲をもって結論とするものであるが、本発明は、以下の特定の実施例の説明を添付の図面と併せ読むことによってより深い理解がなされると考える。

図１〜図８は、本発明の実施形態によるイメージセンシングデバイスの製造方法の断面図である。

図１において、イメージセンシング構造が提供され、半導体基板１００、複数のフォトセンシング素子１０４を有するアクティブ層１０２、アクティブ層１０２上に形成される複数の遮光金属１０８を有するパッシベーション層１０６、および、パッシベーション層１０６上に形成される複数のカラーパターン１１０と１１２を有する。フォトセンシング素子１０４は、たとえば、フォトダイオードやＣＭＯＳセンシング素子で、且つ、別々に、アクティブ層１０２中に形成される。パッシベーション層１０６中の遮光金属１０８が、フォトセンシング素子 １０４を被覆しない位置で、アクティブ層上に形成されて、フォトセンシング素子１０４の領域を除く画素の領域を遮蔽する遮光領域を定義し、フォトセンシング素子１０４の領域を露出する開口領域を定義する。パッシベーション層１０６上に形成されるカラーパターン１１０と１１２は交互に、且つ、別々に、フォトセンシング素子１０４うちの一つの上に形成され、二つの隣接するカラーパターン１１０と１１２間に空間が残留する。よって、二つの隣接するカラーパターン１１０と１１２間の空間下のフォトセンシング素子１０４は、カラーパターン１１０または１１２により被覆されない。一実施形態において、カラーパターン１１０と１１２は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される異なる色の染料や顔料の感光型カラーレジストを含み、たとえば、それぞれ、スピンコーティングとフォトリソグラフィプロセスにより形成される。一実施形態において、カラーパターン１１０と１１２は、屈折率（ｎ）が、たとえば、約 １.７−１.９の赤色カラーフィルター、屈折率（ｎ）が、たとえば、約 １.５−１.７の青色カラーフィルター、および、屈折率（ｎ）が、たとえば、約 １.５−１.７の緑色カラーフィルターを有する。以下の表１から３は、それぞれ、赤色 （Ｒ）、緑色 （Ｇ）と青色 （Ｂ）を有するパターン１１０と１１２を形成する材料の例を示す。

図２において、透過層１１４が、スピンオンコーティングプロセスなどの蒸着プロセスにより、パッシベーション層１０６上に全面的に形成され、カラーパターン１１０と１１２、および、隣接するカラーパターン１１０と１１２間の空間を被覆する。透過層１１４は高透光材料を含むが、特定の色の染料や顔料を含まず、屈折率（ｎ）は、たとえば、約 １.７５−１.９５である。透過層 １１４ は、感光型レジストを含み、たとえば、スピンコーティングにより形成される。以下の表４は、透過層 １１４を形成する材料の例を示す。

図２を再度参照すると、複数のハードマスクパターン１１６が、別々に、透過層１１４上に形成され、それぞれ、カラーパターン１１０と１１２間の空間上の透過層の一部を被覆する。ハードマスクパターン１１６は感光材料を含み、フォトリソグラフィプロセス（図示されない）により形成され、これにより、複数のハードマスクパターン１１６を、透過層１１４上に形成する。ハードマスクパターン１１６は長方形で形成される。次に、ホットプレート熱リフロープロセス（Hot plate thermal reflow process）などの熱工程１１８が実行されて、ハードマスクパターン１１６の形状を変形させる。

図３において、熱工程１１８の後、円形の複数のハードマスクパターン１１６’が形成され、それぞれ、カラーパターン１１０と１１２間の空間で、透過層１１４の一部を被覆する。一実施形態において、ハードマスクパターン１１６’の円形は、完全な円形かほぼ円形であり、そのため何かを転向、弯曲、または、旋回させることに関連するかまたは用いられる。図３に示されるように、ハードマスクパターン１１６’の円形は、半円形であるが、この限りではない。ハードマスクパターン１１６’をエッチングマスクとして、ドライエッチングプロセスなどのエッチングプロセス１２０が透過層１１４に実行される。

図４において、パターンプロセス１２０の後、複数の透過パターン１２２が、別々に、パッシベーション層１０６上に形成される。透過パターン１２２は、それぞれ、隣接するカラーパターン１１０と１１２間の一つのフォトセンシング素子１０４上に形成され、カラーフィルターとして機能する長方形断面の下部１１４ｂ、および、下部１１４ｂ上に形成されるマイクロレンズとして機能する円形断面の上部１１４ａを有する。透過パターン１２２とその下方のフォトセンシング素子１０４は、イメージセンシングデバイスの透明または白色画素を形成する。これらの透明または白色画素は、輝度と相関する分光学的特性（spectroscopic properties）を有し、対象物の輝度情報を検出する。このほか、透過パターン１２２の上部１１４ａと下部１１４ｂが同じ材料で形成されるため、透過パターン １２２の上部１１４ａと下部１１４ｂ間の屈折率の差がない。よって、イメージセンシングデバイスのこれらの透明または白色画素におけるカラーフィルターとマイクロレンズの材料間の屈折率変化による入射光のエネルギー減少の問題が解消される。

図５において、複数のマイクロレンズパターン１２４が、別々に、接触してカラーパターン１１２の一つの部分上に形成される。マイクロレンズパターン１２４は、感光材料、たとえば、リフロー可能な感光材料を含み、且つ、フォトリソグラフィプロセス （図示されない）により形成され、これにより、それぞれ、カラーパターン１１２の一つの部分上に、複数の長方形のマイクロレンズパターン１２４を形成する。マイクロレンズパターン１２４は長方形で形成され、カラーパターン１１２より大きい、または、小さい屈折率（ｎ）を有し、マイクロレンズパターン１２４と下部のカラーパターン１１２間の屈折率の差の絶対値は、たとえば、０.３未満である。次に、ホットプレート熱リフロープロセスなどの熱工程１２６が実行されて、マイクロレンズパターン１２４の形状を変形させる。

図６において、熱工程１２６の後、円形の複数のマイクロレンズパターン１２４’が、それぞれ、カラーパターン上に形成される。一実施形態において、マイクロレンズパターン１２４’の円形は、完全な円形かほぼ円形で、そのため、何かを転向、弯曲、または、旋回させることに関するかまたは用いられる。別の実施形態において、マイクロレンズパターン１２４’の円形は半円形であるが、この限りではない。各マイクロレンズパターン１２４’は、透過パターン１２２間に形成され、且つ、カラーパターン１１２下方のフォトセンシング素子１０４の一つを被覆する。マイクロレンズパターン１２４’と下部のカラーパターン１１２間の屈折率の変化が０.３未満に減少するため、マイクロレンズパターン１２４’と下部のカラーパターン１１２間の界面で、入射光（図示されない）の望まない屈折が減少し、入射光からのエネルギー損失が減少、または、解消され、マイクロレンズパターン１２４’とカラーパターン１１２を有する画素の感度がそれによって改善される。

図７において、複数のマイクロレンズパターン１２８は、別々に、接触してカラーパターン１１０の一つの部分上に形成される。マイクロレンズパターン１２８は、リフロー可能な感光材料などの感光材料を有し、フォトリソグラフィプロセス（図示されない）により形成され、これにより、複数の長方形のマイクロレンズパターン１２８を、それぞれ、カラーパターン１１０の一つの部分上に形成する。マイクロレンズパターン１２８は長方形で形成され、カラーパターン１２８より高い、または、低い屈折率（ｎ）を有し、マイクロレンズパターン１２８と下部のカラーパターン１１０間の屈折率の差の絶対値は、たとえば、０.３未満である。次に、ホットプレート熱リフロープロセスなどの熱工程１３０が実行されて、マイクロレンズパターン１２８の形状を変形させる。

図８において、熱工程１３０の後、円形の複数のマイクロレンズパターン１２８’が、それぞれ、カラーパターン上に形成される。一実施形態において、マイクロレンズパターン１２８’の円形は、完全な円形かほぼ円形で、そのため、何かを転向、弯曲、または、旋回させることに関連するかまたは用いられる。別の実施形態において、マイクロレンズパターン１２８’の円形は、半円形であるが、この限りではない。各マイクロレンズパターン１２８’は、透過パターン１２２間に形成され、カラーパターン１１０下方のフォトセンシング素子１０４の一つを被覆する。マイクロレンズパターン１２８’と下部の カラーパターン１１０間の屈折率の変化が、０.３未満に減少するため、マイクロレンズパターン１２８’と下部の カラーパターン１１０間の界面で、入射光 （図示されない）の望まない屈折が減少し、入射光からのエネルギー損失が減少、または、解消され、マイクロレンズパターン１２８’とカラーパターン１１０を有する画素の感度が改善される。図８に示されるように、イメージセンシングデバイス中の画素の光学設計に基づいて、マイクロレンズパターン１２８’とマイクロレンズパターン１２４’の高さは、同じか異なる。

図９は、図８に示されるイメージセンシングデバイスのカラーフィルターアレイを示す図である。

図９に示されるように、カラーフィルターアレイは、ＸとＹ方向に沿って交互に配列、および、配置された複数のユニットパターン２００と３００を有する。一実施形態において、ユニットパターン２００と３００は２Ｘ２カラーフィルターアレイとして示され、赤色 （Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）および透明／白色（Ｗ）の異なる配置を有するカラーフィルターを有する。図８は、図９の線８−８に沿ったカラーフィルター配置を有するイメージセンシングデバイスの断面を示す。しかし、本発明のイメージセンシングデバイスは、図８と図９で示される配置以外のカラーフィルターの配置を有し、図８と図９に限定されない。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１００ 半導体基板
１０２ アクティブ層
１０４ 複数のフォトセンシング素子
１０６ パッシベーション層
１０８ 複数の遮光金属
１１０、１１２ 複数のカラーパターン
１１４ 透過層
１１４ａ 透過パターンの上部
１１４ｂ 透過パターンの下部
１１６ 複数のハードマスクパターン
１２０ エッチングプロセス
１２２ 透過パターン
１２４ 複数のマイクロレンズパターン
１２６ 熱工程
１２８ 複数のマイクロレンズパターン
１３０ 熱工程
２００、３００ユニットパターン

Claims (10)

1. イメージセンシングデバイスであって、
   複数のフォトセンシング素子を有するアクティブ層と、
   前記フォトセンシング素子のうちの一つの上に設置され、且つ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される色を有するカラーパターンと、
   前記カラーパターン上に設置されるマイクロレンズと、
   前記カラーパターンに隣接し、且つ、前記フォトセンシング素子のうちの別の一つの上に位置する透過パターンと、を有し、
   前記透過パターンは、カラーフィルター部分とマイクロレンズ部分を有し、前記マイクロレンズと前記カラーパターン間の屈折率の差の絶対値は、０.３未満で、前記透過パターンのマイクロレンズ部分と前記カラーフィルター部分間の屈折率の差がないことを特徴とするイメージセンシングデバイス。
2. 前記カラーパターンは赤色で、屈折率が約 １.７−１.９、または、前記カラーパターンは青色で、屈折率が約 １.５−１.７、または、前記カラーパターンは緑色で、屈折率が約 １.６−１.７、および、前記透過パターンは屈折率が約 １.７５−１.９５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シングデバイス。
3. 前記マイクロレンズは円形で、前記透過パターンの前記マイクロレンズ部分は円形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シングデバイス。
4. 前記透過パターンとフォトセンシング素子は、透明または白色画素を形成することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンシングデバイス。
5. イメージセンシングデバイスの製造方法であって、
   複数のフォトセンシング素子を有するアクティブ層とカラーパターンを有するイメージセンシング構造を提供し、前記カラーパターンが、前記フォトセンシング素子のうちの一つを被覆し、且つ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）から構成される群から選択される色を有する工程と、
   前記カラーパターンに隣接し、且つ、前記フォトセンシング素子のうちの別の一つの上に位置する透過パターンを形成し、前記透過パターンは、カラーフィルター部分と前記カラーフィルター部分上に形成されるマイクロレンズ部分を有する工程と、
   マイクロレンズを、前記カラーパターン上に形成し、前記マイクロレンズと前記カラーパターン間の屈折率の差の絶対値は、０.３未満で、前記透過パターンのマイクロレンズ部分と前記カラーフィルター部分間の屈折率の差がない工程と、
   を有することを特徴とする製造方法。
6. 前記透過パターンの形成は、
   透過層を、前記アクティブ層上に形成する工程と、
   前記透過層の一部とその下方の前記フォトセンシング素子のうちの一つの上に、ハードマスクパターンを形成する工程と、
   前記ハードマスクパターンをエッチングマスクとして、エッチングプロセスを前記透過層に実行すると共に、前記透過パターンを形成する工程と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記マイクロレンズパターンの形成は、
   マイクロレンズパターンを、前記カラーパターンの部分上に形成する工程と、
   熱工程を実行して、前記マイクロレンズパターンを、前記カラーパターン上の前記マイクロレンズに変形させる工程と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記カラーパターンは赤色で、屈折率が約１.７−１.９、または、前記カラーパターンは青色で、屈折率が約１.５−１.７、または、前記カラーパターンは緑色で、屈折率が約１.６−１.７、および、前記透過パターンは屈折率が約１.７５−１.９５であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 前記マイクロレンズは円形で、前記透過パターンの前記マイクロレンズ部分は円形であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
10. 前記透過パターンと前記フォトセンシング素子は透明または白色画素を形成することを特徴とする請求項５に記載の方法。
    

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