JP2021103768A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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相勳 金
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Abstract

【課題】光の集光効率を向上させ、かつクロストーク、特に光学的クロストークを最小化することが可能なイメージセンサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】フォトダイオードをそれぞれ備えたピクセルが二次元アレイ構造で配置され、第１面と、第１面とは反対の第２面とを有する基板；基板の第１面上に配置された多重配線層；基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層；及びカラーフィルタ層上に配置され、上下の双方に凸状の両面球面レンズを備えたレンズ層；を含み、両面球面レンズは、相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層を含むイメージセンサである。【選択図】図１

Description

本発明の技術的思想は、イメージセンサに係り、特に両面球面レンズを備えたイメージセンサ及びその製造方法に関する。
イメージセンサは、光学的映像を電気信号に変換する半導体素子である。イメージセンサは、配列された複数個のピクセルを備える。ピクセルのそれぞれは、フォトダイオードを含む。フォトダイオードは、入射される光を電気信号に変換する役割を行う。半導体素子が高集積化されるにつれて、イメージセンサも高集積化されている。イメージセンサの高集積化のために、ピクセルそれぞれのサイズが小さくなっており、それによって、クロストーク（cross talk）による不具合発生が増加しつつある。クロストークは、マイクロレンズ及びカラーフィルタを通過して入射された光が、該当ピクセルではない隣接ピクセルに伝達される光学的クロストークと、波長の長い入射光により生成された電荷が隣接ピクセルに伝達される電気的クロストークとに区分される。
本発明の技術的思想は、光の集光効率を向上させ、かつクロストーク、特に光学的クロストークを最小化することが可能なイメージセンサ及びその製造方法を提供することである。
前記課題を解決するために、本発明の技術的思想は、フォトダイオード（Photo-Diode: PD）をそれぞれ備えたピクセルが二次元アレイ構造で配置され、第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有する基板；前記基板の第１面上に配置された多重配線層；前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層；及び前記カラーフィルタ層上に配置され、上下の双方に凸状の両面球面レンズ（double-sided spherical lens）を備えたレンズ層；を含み、前記両面球面レンズは、相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層を含む、イメージセンサを提供する。
また、本発明の技術的思想は、前記課題を解決するために、フォトダイオードをそれぞれ備えたピクセルが二次元アレイ構造で配置され、第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有する基板；前記基板の第１面上に配置された多重配線層；前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層；前記カラーフィルタ層上に配置された平坦化レンズ層；及び前記平坦化レンズ層上に配置され、上下の双方に凸状の両面球面レンズを備えたレンズ層；を含み、前記両面球面レンズは、下部層を構成する下面球面レンズと、上部層を構成する上面球面レンズとを備え、屈折率は、前記平坦化レンズ層、上面球面レンズ及び下面球面レンズの順に高くなる、イメージセンサを提供する。
さらに、本発明の技術的思想は、基板上に、それぞれフォトダイオードを備えた複数のピクセルを形成するステップ；前記基板の第１面上に配線層を形成するステップ；前記基板の第２面上に、それぞれのピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層を形成するステップ；及び前記カラーフィルタ層上に、上下の双方に凸状の両面球面レンズを備えたレンズ層を形成するステップ；を含み、前記両面球面レンズは、相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層で形成された、イメージセンサの製造方法を提供する。
一方、本発明の技術的思想は、第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有し、それぞれ発光素子（light emitting element）を含むピクセルが二次元アレイで配置された基板；前記基板の第１面上に配置された多重配線層；前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層；及び前記カラーフィルタ層上に配置された両面球面レンズ；を含み、前記両面球面レンズのうち第１レンズの屈折率が、前記両面球面レンズのうち第２レンズの屈折率よりも低い、イメージセンサを提供する。
本発明の一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。 図１のイメージセンサにおける両面球面レンズを拡大して示す断面図である。 図１のイメージセンサにおける両面球面レンズを拡大して示す平面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサ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を示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ｂのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ｂのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ｂのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。 図３Ｂのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図面上の同じ構成要素については、同じ参照符号を使用し、それらについての重複した説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサを示す断面図であり、図２Ａ及び図２Ｂは、図１のイメージセンサにおける両面球面レンズを拡大して示す断面図及び平面図である。
図１ないし図２Ｂを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００は、基板１０１、フォトダイオードＰＤ、ピクセル分離構造体１１０、多重配線層１４０、カラーフィルタ層１６０及びレンズ層１７０を含む。
基板１０１は、シリコンバルクウェーハまたはエピタキシャルウェーハで形成される。エピタキシャルウェーハは、バルク基板に、エピタキシャル工程により成長させた結晶性物質層、すなわち、エピタキシャル層を含む。基板１０１は、バルクウェーハまたはエピタキシャルウェーハに限定せず、ポリッシュトウェーハ、熱処理された（annealed）ウェーハ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハなど多様なウェーハを利用して形成されてもよい。
基板１０１は、前面ＦＳと背面ＢＳとを備える。図１に示したように、前面ＦＳ上には、多重配線層１４０が配置され、背面ＢＳ上には、カラーフィルタ層１６０とレンズ層１７０とが配置される。光は、レンズ層１７０が配置された背面ＢＳに入射される。そのように、光が基板１０１の背面ＢＳに入射される構造のイメージセンサをＢＳＩ（Back Side Illumination）イメージセンサという。一方、光が基板１０１の前面ＦＳに入射される構造のイメージセンサをＦＳＩ（Front Side Illumination）イメージセンサという。
基板１０１内には、複数のピクセルを含んだピクセル領域、またはアクティブピクセルセンサ（Active Pixel Sensor: APS）領域が配置される。ＡＰＳ領域の水平断面は、長方形状を有している。しかし、ＡＰＳ領域の水平断面が長方形状に限定されるものではない。一方、ＡＰＳ領域の外部には、周辺回路領域が配置される。実施形態によって、イメージセンサは、多重積層チップ構造を有してもよい。多重積層チップ構造の場合、いずれか一つのチップにＡＰＳ領域が形成され、他のチップに周辺回路領域が形成され、貫通コンタクトなどを介して互いを連結してもよい。
ピクセルのそれぞれは、入射光を吸収して、光量に対応する電荷を生成及び蓄積する。ピクセルのそれぞれは、基板１０１内に形成されたフォトダイオードＰＤとウェル領域ＰＷとを含む。フォトダイオードＰＤとウェル領域ＰＷは、基板１０１のＡＰＳ領域にイオン注入工程により形成される。例えば、基板１０１がＰ型エピタキシャルウェーハを基盤とする場合、フォトダイオードＰＤには、Ｎ型の不純物がドーピングされ、ウェル領域ＰＷには、Ｐ型の不純物がドーピングされる。実施形態によって、ウェル領域ＰＷへのＰ型不純物のドーピングは省略してもよい。フォトダイオードＰＤは、基板１０１の前面ＦＳから背面ＢＳまで相対的に深く形成される。一方、ウェル領域ＰＷは、基板１０１の前面ＦＳに相対的に浅く形成される。
ピクセルのそれぞれは、フォトダイオードＰＤと、四つのトランジスタ、例えば、トランスファトランジスタと、ソースフォロワトランジスタと、リセットトランジスタと、選択トランジスタとを含む。しかし、ピクセルそれぞれのトランジスタの個数が四つに限定されるものではない。例えば、実施形態によって、ピクセルは、共有ピクセル構造を有してもよく、当該共有ピクセル構造では、トランスファトランジスタを除いた他のトランジスタをピクセルが互いに共有して使用してもよい。
イメージセンサの動作を簡単に説明すれば、次の通りである。まず、光が遮断された状態で、リセットトランジスタのドレインと、ソースフォロワトランジスタのドレインに、電源電圧を印加して、浮遊拡散（floating diffusion）領域に残留する電荷を放出させる。その後、リセットトランジスタをオフさせ、外部から光をフォトダイオードＰＤに入射させれば、フォトダイオードＰＤで電子・正孔の対が生成される。正孔はＰ型不純物注入領域の方に移動し、電子はＮ型不純物注入領域の方に移動する。以後、トランスファトランジスタをオンさせれば、電荷は浮遊拡散領域に伝達されて蓄積される。蓄積された電荷量に比例して、ソースフォロワトランジスタのゲートバイアス電圧が変わり、ソースフォロワトランジスタのソース電位の変化が起こる。そのとき、選択トランジスタをオンさせることにより、選択トランジスタのソース領域に連結されたカラムラインを介して、電荷による信号を読み取ることができる。
ピクセル分離構造体１１０は、基板１０１に配置され、ピクセルを電気的に互いに分離させる。ピクセル分離構造体１１０は、ピクセルの二次元アレイ構造に対応して、平面視でメッシュまたは格子の構造を有する。また、ピクセル分離構造体１１０は、基板１０１の厚みに対応する深さを有する。例えば、図１に示したように、ピクセル分離構造体１１０は、基板１０１の前面ＦＳと背面ＢＳとを連結してもよい。ピクセル分離構造体１１０は、後述する薄いトレンチ分離（Shallow Trench Isolation: STI）層と区別するため、深いトレンチ分離（Deep Trench Isolation: DTI）層ともいう。
ピクセル分離構造体１１０は、側壁絶縁層１１１と、側壁絶縁層１１１内に配置された導電層１１３とを含む。側壁絶縁層１１１は、基板１０１と屈折率の異なる絶縁物質で形成される。例えば、側壁絶縁層１１１は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸窒化膜のうち少なくとも一つで形成される。本実施形態のイメージセンサ１００において、側壁絶縁層１１１は、基板１０１の前面ＦＳから背面ＢＳまで延設されてもよい。
導電層１１３は、ポリシリコン（Poly-Si）または不純物がドーピングされたポリシリコン（Doped Poly-Si）で形成される。しかし、導電層１１３の材質が、前述の物質に限定されるものではない。導電層１１３は、側壁絶縁層１１１の内部のトレンチをギャップフィル（gap fill）することができるいかなる導電物質で形成されてもよい。例えば、導電層１１３は、メタル、メタルシリサイド及びメタル含有導電物質のうち少なくとも一つで形成される。当該導電層１１３に、垂直コンタクト１４２と配線層１４１、１４３とを介して、グラウンドやマイナス電圧が印加されることにより、側壁絶縁層１１１の表面に存在する正孔が固定され、暗電流特性が改善される。
一方、ピクセル分離構造体１１０は、格子構造で一体に連結された構造を有する。また、導電層１１３も、メッシュ構造で一体に連結された構造を有する。したがって、導電層１１３は、電気的に一つのボディ構造を有する。言い換えれば、導電層１１３のいずれか一つの部分に電気が印加されれば、導電層１１３の全体に電気が印加される。しかし、実施形態によって、導電層１１３は一体に連結されず、個別的に互いに分離された構造を有してもよい。
ピクセル分離構造体１１０は、基板１０１の前面ＦＳから背面ＢＳにわたって形成され、それによってピクセルが互いに分離されることにより、傾斜して入射される光によるクロストーク、例えば、光学的クロストークが防止される。フォトダイオードＰＤは、ピクセル分離構造体１１０から離隔されて形成されてもよく、ピクセル分離構造体１１０に隣接して形成されてもよい。フォトダイオードＰＤがピクセル分離構造体１１０に隣接して形成される場合、フォトダイオードＰＤの面積が各ピクセルの面積と実質的に同じになり、受光面積が広くなって、フィルファクタ（fill factor）が向上し、それによってＱＥ（Quantum Efficiency）が向上する。
基板１０１の前面ＦＳ側のフォトダイオードＰＤの上部には、ウェル領域ＰＷが配置され、ウェル領域ＰＷ上にトランジスタＴｒが配置される。図１において、トランジスタＴｒのゲート電極１０５のみが簡単に示されている。ウェル領域ＰＷには、ＳＴＩ層１０３ａ、１０３ｂが配置され、トランジスタＴｒの活性領域が定義される。例えば、トランジスタＴｒの活性領域は、ウェル領域ＰＷに形成された高濃度ドーピング領域であり、ソース／ドレイン領域でもある。ＳＴＩ層１０３ａ、１０３ｂは、ピクセル分離構造体１１０よりも浅い深さを有する。一部の領域で、ＳＴＩ層１０３ａとピクセル分離構造体１１０とは互いに結合してもよい。例えば、ピクセル分離構造体１１０は、ＳＴＩ層１０３ａを貫通する構造でＳＴＩ層１０３ａと結合してもよい。
基板１０１の背面ＢＳ側には、背面絶縁層１５０が配置される。背面絶縁層１５０は、例えば、平坦化用絶縁層でもある。背面絶縁層１５０は、上部に配置されるカラーフィルタ層１６０及びレンズ層１７０を均一な高さに維持するために配置される。実施形態によって、背面絶縁層１５０は、上面及び／または下面上に、ピクセルに入射する光の反射を防止する反射防止層を含んでもよい。例えば、反射防止層は、ハフニウムオキサイド（ＨｆＯｘ）によっても形成される。しかし、反射防止層の材質がそれに限定されるものではない。
背面絶縁層１５０上に、カラーフィルタ層１６０が配置される。カラーフィルタ層１６０は、金属グリッド１６２とカラーフィルタ１６４とを含む。金属グリッド１６２は、カラーフィルタ１６４を互いに分離する。金属グリッド１６２は、例えば、Ｗ、Ａｌ、ＴｉＮ、またはＴｉやＴａを含むＡｌ化合物などの物質で形成される。しかし、金属グリッド１６２の材質が前記物質に限定されるものではない。
カラーフィルタ１６４は、ピクセルに対応して、アレイ構造で配置される。一実施形態において、カラーフィルタ１６４は、レッドフィルタ、グリーンフィルタ及びブルーフィルタを含むベイヤーパターン（Bayer pattern）構造を有してもよい。他の実施形態において、カラーフィルタ１６４は、イエローフィルタ、マゼンタフィルタ及びシアンフィルタを含んでもよい。また、カラーフィルタ１６４は、ホワイトフィルタをさらに含んでもよい。
カラーフィルタ層１６０上に、レンズ層１７０が配置される。レンズ層１７０は、平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４とを含む。
平坦化レンズ層１７２は、両面球面レンズ１７４を収容可能な構造を有する。例えば、平坦化レンズ層１７２は、両面球面レンズ１７４の下面、すなわち、下面球面レンズ１７４−１の下部に凸状の形態に対応して、下部に凹状の凹部を含む。そのような形態の平坦化レンズ層１７２は、第１リフローパターン１８０（図５Ｅ）を利用したエッチバック（etchback）工程により形成される。平坦化レンズ層１７２の形成過程については、図５Ａないし図５Ｍのイメージセンサの製造方法の説明部分でさらに詳細に後述する。
両面球面レンズ１７４は、下部層を構成する下面球面レンズ１７４−１と、上部層を構成する上面球面レンズ１７４−２とを含む。図１及び図２Ａに示したように、下面球面レンズ１７４−１は、下部に凸状の半球状を有し、上面球面レンズ１７４−２は、上部に凸状の半球状を有する。図２Ｂは、上面から見た両面球面レンズ１７４についての平面図であり、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２とが接合された部分に対応して、円の形態を有する。
下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２は、相異なる物質、例えば、相異なる屈折率を有する物質で形成される。また、図１または図２Ａに示したように、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２は、相異なる曲率（curvature）を有してもよい。例えば、下面球面レンズ１７４−１の曲率が、上面球面レンズ１７４−２の曲率よりもさらに小さい。それによって、下面球面レンズ１７４−１の曲率半径Ｒ１が、上面球面レンズ１７４−２の曲率半径Ｒ２よりも大きい。ここで、Ｃ１とＣ２は、曲率半径Ｒ１、Ｒ２に対する曲率中心に該当する。
実施形態によって、下面球面レンズ１７４−１の曲率と、上面球面レンズ１７４−２の曲率とが実質的に同じであってもよい。また、下面球面レンズ１７４−１の曲率が、上面球面レンズ１７４−２の曲率よりも大きくてもよい。本実施形態のイメージセンサ１００において、入射される光が該当ピクセルに最も効率的に入射されるように、後述する屈折率と共に、両面球面レンズ１７４を構成する下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２それぞれの曲率が適宜設定される。
光が屈折率の異なる物質の境界面に傾斜入射されるとき、屈折法則、すなわち、スネルの法則によって境界面で屈折することになる。例えば、光が低い屈折率ｎ１の物質から高い屈折率ｎ２の物質に傾斜入射され、境界面に垂直な法線に対して入射角θｉと屈折角θｔが定義されるとき、屈折法則によってｎ１＊ｓｉｎ（θｉ）＝ｎ２＊ｓｉｎ（θｔ）が成立するので、θｉ＞θｔとなり、光は境界面を通過しつつ法線の方に折れることになる。
本実施形態のイメージセンサ１００では、屈折法則に基づいて、平坦化レンズ層１７２上に両面球面レンズ１７４が配置された構造を有してもよい。また、平坦化レンズ層１７２及び両面球面レンズ１７４の下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２それぞれの屈折率が適宜調節されることにより、入射される光が該当ピクセルにより効率的に集光される。
さらに具体的に説明すれば、本実施形態のイメージセンサ１００において、屈折率は、平坦化レンズ層１７２、上面球面レンズ１７４−２及び下面球面レンズ１７４−１の順に高い。そのような順序の屈折率の大きさを有する場合、図１の左側の矢印で表示されたように、両面球面レンズ１７４の中心部分にほぼ垂直に入射する光は、レンズ層１７０の境界部分で屈折され、該当ピクセルの中心部分に入射されることにより、集光効率が向上する。また、右側の矢印で表示されたように、両面球面レンズ１７４に斜入射された光の場合も、境界部分で屈折されることにより、隣接する他のピクセルに移らずに該当ピクセルに入射される。言い換えれば、既存のイメージセンサのレンズ層のように、一つの屈折率の同じ物質でレンズ層が形成される場合、光は空気とレンズ層との境界でのみ一度屈折され、それによって、斜入射された光は、該当ピクセルに入射されず、隣接する他のピクセルに入射される光学的クロストークが誘発される。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００では、両面球面レンズ１７４を採用し、かつ平坦化レンズ層１７２を始めとして、両面球面レンズ１７４の下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２の屈折率をそれぞれ異ならせることにより、光を該当ピクセルに効率的に集光させることができ、かつ光学的クロストークを最小化することができる。したがって、イメージセンサの不具合を最小化することができる。
具体的に例を挙げれば、平坦化レンズ層１７２は、約１．２ないし１．８の屈折率を有し、ポリイミドやＳｉＯ２などで形成される。また、下面球面レンズ１７４−１は、約１．８ないし２．５の屈折率を有し、ポリイミド、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯ２などで形成される。一方、上面球面レンズは、約１．４ないし１．８の屈折率を有し、ポリイミド、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などで形成される。しかし、平坦化レンズ層１７２、下面球面レンズ１７４−１及び上面球面レンズ１７４−２それぞれの屈折率と材質が、前述の数値や物質に限定されるものではない。
参考までに、ポリイミドは、成分と合成方法によって屈折率が多様である。例えば、ポリイミドは、約１．５ないし１．８９の屈折率を有する。ＳｉＯ２の屈折率は約１．４５７であり、ＳｉＮの屈折率は約２．０２３であり、ＳｉＯＮは、ＳｉＯ２とＳｉＮとの間の屈折率を有する。一方、ＨｆＯｘの屈折率は約１．９１０であり、ＴｉＯ２Ａｌの屈折率は約２．８７４（rutile）、２．４９３（amorphous）であり、Ａｌ２Ｏ３の屈折率は約１．７７０である。一方、屈折率は光の波長によって変わり、前述の屈折率は、６３２．８ｎｍの波長を基準とした数値である。
一方、基板１０１の前面ＦＳ上には、層間絶縁層１３０と多重配線層１４０とが配置される。層間絶縁層１３０は、多重層で形成されてもよい。例えば、層間絶縁層１３０は、第１ないし第３絶縁層１３１、１３３、１３５を含む。しかし、層間絶縁層１３０の層数が三層に限定されるものではない。例えば、層間絶縁層１３０は、四重層以上で形成されてもよい。
多重配線層１４０は、複数層の配線層を含んでもよい。例えば、多重配線層１４０は、第１絶縁層１３１上の第１配線層１４１と、第２絶縁層１３３上の第２配線層１４３とを含む。しかし、多重配線層１４０の層数が二重層に限定されるものではない。例えば、多重配線層１４０は、層間絶縁層１３０の層数に基づいて、三重層以上の配線層を含んでもよい。多重配線層１４０の第１及び第２配線層１４１、１４３は、垂直コンタクト１４２を介して、互いに電気的に連結され、かつ基板１０１の活性領域と、ピクセル分離構造体１１０の導電層１１３に電気的に連結される。当該多重配線層１４０は、ＡＰＳ領域の外部の周辺回路領域に拡張してもよい。
本実施形態のイメージセンサ１００は、カラーフィルタ層１６０上に平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４とを備えたレンズ層１７０を含む。また、平坦化レンズ層１７２及び両面球面レンズ１７４の下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２は、相異なる屈折率の物質で形成される。それによって、本実施形態のイメージセンサ１００は、相異なる屈折率の物質で構成されたレンズ層１７０に基づいて、集光効率を大きく向上させ、かつ光学的クロストークを最小化することができる。
図３Ａないし図３Ｃは、本発明の一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。図１ないし図２Ｂの説明部分で前述した内容は、簡単に説明するか、または省略する。
図３Ａを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ａは、レンズ層１７０ａの構造において、図１のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ａにおいて、レンズ層１７０ａは、平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４ａとを含むが、両面球面レンズ１７４ａは、中間レンズ１７４−３をさらに含む。すなわち、両面球面レンズ１７４ａは、下部層を構成する下面球面レンズ１７４−１、上部層を構成する上面球面レンズ１７４−２、及び下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２との間に中間層を構成する中間レンズ１７４−３を含む。
中間レンズ１７４−３は、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２との間の屈折率を有する。言い換えれば、本実施形態のイメージセンサ１００ａの両面球面レンズ１７４ａにおいて、屈折率は、上面球面レンズ１７４−２、中間レンズ１７４−３及び下面球面レンズ１７４−１の順に高い。前述のように、平坦化レンズ層１７２の屈折率は、上面球面レンズ１７４−２の屈折率よりも低い。
また、中間レンズ１７４−３は、下面球面レンズ１７４−１及び上面球面レンズ１７４−２について例示した物質のうちいずれか一つの物質で形成されてもよい。中間レンズ１７４−３は、図３Ａに示したように、平板状に均一な厚みに形成される。言い換えれば、中間レンズ１７４−３は、一枚の平板状に一体型に形成され、全体の平板の一部分それぞれが中間レンズ１７４−３として、両面球面レンズ１７４ａを構成する。
一方、中間レンズ１７４−３は、下面球面レンズ１７４−１や上面球面レンズ１７４−２に比べて比較的薄い厚みに形成されてもよい。例えば、下面球面レンズ１７４−１や上面球面レンズ１７４−２が約５００ｎｍの厚みに形成されるとするとき、中間レンズ１７４−３は、１００ｎｍ以下の数十ｎｍの厚みにも形成される。当該中間レンズ１７４−３は、屈折による集光効率の向上よりも、反射防止による集光効率の向上に寄与する。例えば、中間レンズ１７４−３は、反射防止膜であってもよく、ＳｉＯＮ、ＨｆＯｘなどで形成されてもよい。しかし、中間レンズ１７４−３の機能と材質がそれに限定されるものではない。
図３Ｂを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｂは、レンズ層１７０ｂの構造において、図１のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｂにおいて、レンズ層１７０ｂは、平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４ｂとを含むが、両面球面レンズ１７４ｂは、中間レンズ１７４−３と蓋レンズ１７４−４とをさらに含む。
また、本実施形態のイメージセンサ１００ｂにおいて、上面球面レンズ１７４−２ａのサイズは、下面球面レンズ１７４−１に比べて小さく、上面球面レンズ１７４−２ａと蓋レンズ１７４−４とを合わせたサイズが、下面球面レンズ１７４−１のサイズに対応する。例えば、上面球面レンズ１７４−２ａの下面のサイズは、下面球面レンズ１７４−１の上面のサイズよりも小さい。また、蓋レンズ１７４−４の下面の外郭側の径が、下面球面レンズ１７４−１の上面の径と実質的に同じである。ここで、蓋レンズ１７４−４の下面は、ドーナツ状を有し、外郭側の径と内郭側の径を有する。図１のイメージセンサ１００と比較するとき、上面球面レンズ１７４−２ａと蓋レンズ１７４−４とを合わせた構造が、図１のイメージセンサ１００の上面球面レンズ１７４−２に該当する。
蓋レンズ１７４−４は、上面球面レンズ１７４−２ａを均一な厚みで覆ってもよい。それによって、蓋レンズ１７４−４は、中空の半球状を有する。蓋レンズ１７４−４は、比較的薄い厚みに形成され、かつ低い屈折率の物質で形成されてもよい。例えば、蓋レンズ１７４−４は、約１００ｎｍの厚みに形成され、約１．０ないし１．４の非常に低い屈折率を有する。当該蓋レンズ１７４−４は、例えば、ポリイミドやＳｉＯ２などで形成される。しかし、蓋レンズ１７４−４の厚み、屈折率及び材質が前述の内容に限定されるものではない。
一般的に、屈折率差が大きいほど、反射が大きく発生する。したがって、空気との屈折率差が小さい、低い屈折率の蓋レンズ１７４−４を、両面球面レンズ１７４ｂの最外郭側に配置することにより、反射を最小化することができる。言い換えれば、蓋レンズ１７４−４は、反射防止膜の機能を果たす。結局、本実施形態のイメージセンサ１００ｂにおいて、両面球面レンズ１７４ｂは、入射される光の反射を最小化しつつ、集光効率を最大化し、かつ光学的クロストークを最小化することができる。
図３Ｃを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｃは、レンズ層１７０ｃの構造において、図１のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｃにおいて、レンズ層１７０ｃは、平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４ｃとを含むが、両面球面レンズ１７４ｃは、蓋レンズ１７４−４をさらに含む。また、本実施形態のイメージセンサ１００ｃの両面球面レンズ１７４ｃは、図３Ｂのイメージセンサ１００ｂの両面球面レンズ１７４ｂと比較するとき、中間レンズが省略された構造に該当する。
上面球面レンズ１７４−２ａ及び蓋レンズ１７４−４については、図３Ｂのイメージセンサ１００ｂの両面球面レンズ１７４ｂについて説明した通りである。一方、図３Ａのイメージセンサ１００ａで説明したように、中間レンズ１７４−３は、反射防止膜の機能を果たし、かつ図３Ｂのイメージセンサ１００ｂで説明したように、蓋レンズ１７４−４も、反射防止膜の機能を果たす。したがって、二つのうちいずれか一つが反射防止の機能を効率的に行える場合に、他の一つを省略することにより、両面球面レンズ１７４ｃの構造を簡素化して、両面球面レンズ１７４ｃについての製造工程を容易にすることができる。結果として、イメージセンサの製造コストを減少させ、製造時間を短縮させることができる。
図４Ａないし図４Ｄは、本発明の一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。図１ないし図３Ｃで前述した内容は、簡単に説明するか、または省略する。
図４Ａを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｄは、ピクセル分離構造体１１０ａの構造において、図１のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｄにおいて、ピクセル分離構造体１１０ａは、ＳＴＩ層１０３ａを貫通せず、ＳＴＩ層１０３ａの上面に接する構造を有する。また、ピクセル分離構造体１１０ａがＳＴＩ層１０３ａの上面に接合することにより、垂直コンタクト１４２は、第１絶縁層１３１とＳＴＩ層１０３ａとを貫通する構造で、ピクセル分離構造体１１０ａの導電層１１３ａに連結される。
本実施形態のイメージセンサ１００ｄのレンズ層１７０は、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０と実質的に同じ構造を有する。それによって、レンズ層１７０は、平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４とを含み、かつ、両面球面レンズ１７４は、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２とを含む。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００ｄのレンズ層１７０の構造が、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０の構造に限定されるものではない。例えば、本実施形態のイメージセンサ１００ｄのレンズ層１７０の構造は、図３Ａないし図３Ｃのイメージセンサ１００ａないし１００ｃのレンズ層１７０ａないし１７０ｃの構造のうちいずれか一つを採用してもよい。
参考までに、図１のイメージセンサ１００の場合、まず、基板１０１にＳＴＩ層１０３ａを形成し、次いで、ＳＴＩ層１０３ａの部分にピクセル分離構造体１１０を形成することによって具現化される。それに対し、図４Ａのイメージセンサ１００ｄの場合、まず、基板１０１にピクセル分離構造体１１０ａを形成し、次いで、ピクセル分離構造体１１０ａの部分にＳＴＩ層１０３ａを形成することによって具現化される。一方、図１のイメージセンサ１００と図４Ａのイメージセンサ１００ｄの双方は、基板１０１の前面ＦＳ側から深いトレンチを形成し、深いトレンチを側壁絶縁層１１１、１１１ａ及び導電層１１３、１１３ａで充填して、ピクセル分離構造体１１０、１１０ａを形成することによって具現化される。
図４Ｂを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｅは、ピクセル分離構造体１１０ｂの構造において、図１のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｅにおいて、ピクセル分離構造体１１０ｂは、ＳＴＩ層１０３ａと結合しない構造で形成される。言い換えれば、ピクセル分離構造体１１０ｂは、ＳＴＩ層１０３ａがない部分に形成される。当該ピクセル分離構造体１１０ｂも、基板１０１の前面ＦＳ側から深いトレンチを形成し、深いトレンチを側壁絶縁層１１１ｂ及び導電層１１３ｂで充填することによって形成される。
本実施形態のイメージセンサ１００ｅのレンズ層１７０も、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０と実質的に同じ構造を有する。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００ｅのレンズ層１７０の構造が、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０の構造に限定されるものではない。例えば、本実施形態のイメージセンサ１００ｅのレンズ層１７０の構造は、図３Ａないし図３Ｃのイメージセンサ１００ａないし１００ｃのレンズ層１７０ａないし１７０ｃの構造のうちいずれか一つを採用してもよい。
図４Ｃを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｆは、ピクセル分離構造体１１０ｃの構造において、図３のイメージセンサ１００と異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｆにおいて、ピクセル分離構造体１１０ｃは、ＳＴＩ層１０３ａと結合した構造で形成されるが、側壁絶縁層１１１ｃが導電層１１３ｃの側面と下面を取り囲む構造を有する。すなわち、側壁絶縁層１１１ｃは、導電層１１３ｃの側面から拡張して、導電層１１３ｃの下面を覆う。それによって、ピクセル分離構造体１１０ｃは、導電層１１３ｃの代わりに、側壁絶縁層１１１ｃが基板１０１の前面ＦＳ上に露出される。
また、図示していないが、本実施形態のイメージセンサ１００ｆにおいて、ピクセル分離構造体１１０ｃの側壁絶縁層１１１ｃが基板１０１の前面ＦＳ上に露出されることにより、側壁絶縁層１１１ｃを貫通して、ピクセル分離構造体１１０ｃの導電層１１３ｃに連結される垂直コンタクト、及び垂直コンタクトに連結される配線層が、多重配線層１４０内に形成されてもよい。また、実施形態によって、導電層１１３ｃに連結される垂直コンタクト、及び垂直コンタクトに連結される配線層は、基板１０１の背面上に形成されてもよい。
本実施形態のイメージセンサ１００ｆのレンズ層１７０も、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０と実質的に同じ構造を有する。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００ｆのレンズ層１７０の構造が、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０の構造に限定されるものではない。例えば、本実施形態のイメージセンサ１００ｆのレンズ層１７０の構造は、図３Ａないし図３Ｃのイメージセンサ１００ａないし１００ｃのレンズ層１７０ａないし１７０ｃの構造のうちいずれか一つを採用してもよい。
一方、本実施形態のイメージセンサ１００ｆの場合、基板１０１の背面ＢＳ側から前面ＦＳまで延びる深いトレンチを形成し、深いトレンチを側壁絶縁層１１１ｃ及び導電層１１３ｃで充填して、ピクセル分離構造体１１０ｃを形成することによって具現化される。さらに具体的に説明すれば、まず、基板１０１の前面ＦＳ側にＳＴＩ層１０３ａ、１０３ｂを形成し、次いで、基板１０１の前面ＦＳ側に多重配線層１４０を形成する。次いで、基板１０１の背面ＢＳ側から深いトレンチを形成し、深いトレンチを側壁絶縁層１１１ｃ及び導電層１１３ｃで充填して、ピクセル分離構造体１１０ｃを形成する。また、図示していないが、導電層１１３ｃに連結される垂直コンタクト及び配線層を、多重配線層１４０内に形成してもよく、基板１０１の背面ＢＳ上に形成してもよい。最後に、基板１０１の背面ＢＳ側に背面絶縁層１５０、カラーフィルタ層１６０及びレンズ層１７０を形成することにより、本実施形態のイメージセンサ１００ｆを具現化することができる。
図４Ｄを参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００ｇは、ピクセル分離構造体１１０ｄの構造において、図４Ｃのイメージセンサ１００ｆと異なる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１００ｇにおいて、ピクセル分離構造体１１０ｄは、ＳＴＩ層１０３ａと結合しない構造で形成される。言い換えれば、ピクセル分離構造体１１０ｄは、ＳＴＩ層１０３ａがない部分に形成される。当該ピクセル分離構造体１１０ｄは、基板１０１の背面ＢＳ側から基板１０１の前面ＦＳまで延びる深いトレンチを形成し、深いトレンチを側壁絶縁層１１１ｄ及び導電層１１３ｄで充填することによって形成する。
本実施形態のイメージセンサ１００ｇのレンズ層１７０も、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０と実質的に同じ構造を有する。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００ｇのレンズ層１７０の構造が、図１のイメージセンサ１００のレンズ層１７０の構造に限定されるものではない。例えば、本実施形態のイメージセンサ１００ｇのレンズ層１７０の構造は、図３Ａないし図３Ｃのイメージセンサ１００ａないし１００ｃのレンズ層１７０ａないし１７０ｃの構造のうちいずれか一つを採用してもよい。
以上、多様な構造のイメージセンサについて説明したが、本発明の技術的思想が、例示されたイメージセンサの構造に限定されるものではない。例えば、集光効率を向上させ、光学的クロストークを防止するために、レンズ層が両面球面レンズを含み、かつ両面球面レンズが相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層で形成された構造を含むイメージセンサは、本発明の技術的思想に属するといえるであろう。
図５Ａないし図５Ｍは、図１のイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。図１を共に参照して説明し、図１で前述した内容は、簡単に説明するか、または省略する。
図５Ａを参照すれば、まず、前述のように、基板１０１にＳＴＩ層１０３ａを形成し、次いで、ＳＴＩ層１０３ａの部分を貫通するピクセル分離構造体１１０を形成する。一方、ＳＴＩ層１０３ａ、１０３ｂを形成する前に、基板１０１に不純物をドーピングして、フォトダイオードＰＤとウェル領域ＰＷとを形成する。また、ＳＴＩ層１０３ａ、１０３ｂを形成する過程で、基板１０１の前面上に活性領域を定義し、ゲート電極１０５を形成して、ピクセル内にトランジスタＴｒを形成する。ピクセル分離構造体は、基板１０１の前面ＦＳから所定の深さのトレンチを形成し、トレンチの内部を側壁絶縁層１１１及び導電層１１３で充填して形成する。
図５Ｂを参照すれば、ピクセル分離構造体１１０の形成後、基板１０１の前面ＦＳ上に層間絶縁層１３０と多重配線層１４０とを形成する。多重配線層１４０は、ピクセル分離構造体１１０の導電層１１３に連結される垂直コンタクト１４２と、それに連結された第１配線層１４１とを含む。次いで、基板１０１の背面ＢＳ′を研磨して、基板１０１を薄くする。基板１０１の背面ＢＳ′の研磨により、ピクセル分離構造体１１０の導電層１１３が露出され、基板１０１の背面ＢＳが新たに定義される。
図５Ｃを参照すれば、次いで、基板１０１の背面上に背面絶縁層１５０及びカラーフィルタ層１６０を形成する。カラーフィルタ層１６０は、金属グリッド１６２とカラーフィルタ１６４とを含む。
図５Ｄを参照すれば、続いて、カラーフィルタ層１６０上に第１物質層１７２−１を形成する。第１物質層１７２−１は、平坦化レンズ層１７２を形成するための物質層であり、前述のように、約１．２ないし１．８の屈折率を有する物質、例えば、ポリイミドやＳｉＯ２などによっても形成される。しかし、第１物質層１７２−１の屈折率や材質がそれに限定されるものではない。一方、第１物質層１７２−１は、平坦化のために、比較的厚く形成するか、または粘度の低い物質で形成する。
図５Ｅを参照すれば、第１物質層１７２−１上に第１マスクパターン１８０を形成する。第１マスクパターン１８０は、フォト工程により形成し、感光性レジスト、例えば、シリコン酸化膜系の感光性レジストで形成する。第１マスクパターン１８０は、図５Ｅに示したように、金属グリッド１６２に対応する位置に、比較的狭い幅、例えば、約１００ないし３００ｎｍの幅で形成する。
図５Ｆを参照すれば、第１マスクパターン１８０の形成後、リフロー（reflow）工程を遂行して、第１リフローパターン１８０ａを形成する。リフロー工程は、例えば、ステッパ（stepper）を利用したブランク（blank）露光を利用して遂行する。具体的には、ステップを介して、所定の波長の光を第１マスクパターン１８０に照射すれば、第１マスクパターン１８０に存在するＰＡＣ（Photo Active Compound）成分が分解され、次いで、熱工程を遂行すれば、リフローが円滑に行われる。ここで、熱工程は、例えば、１５０℃の温度で５分間遂行する。しかし、熱工程の温度と時間が前記数値に限定されるものではない。
図５Ｇを参照すれば、第１リフローパターン１８０ａをマスクとしてエッチバック工程を遂行して、平坦化レンズ層１７２を形成する。エッチバック工程は、第１リフローパターン１８０ａが完全に除去されるまで遂行する。そのような第１リフローパターン１８０ａを利用したエッチバック工程により、平坦化レンズ層１７２に下部に凹状の凹部Ｃｏが形成される。言い換えれば、エッチバック工程後に、第１リフローパターン１８０ａに対応する平坦化レンズ層１７２の部分は、上部に凸状の形態を有し、第１リフローパターン１８０ａの間に対応する平坦化レンズ層１７２の部分は、凹部Ｃｏの形態を有する。
図５Ｈを参照すれば、平坦化レンズ層１７２上に第２物質層１７４−１ａを形成する。第２物質層１７４−１ａは、例えば、下面球面レンズ１７４−１を形成するための物質層でもある。それによって、第２物質層１７４−１ａは、約１．８ないし２．５の屈折率を有する物質、例えば、ポリイミド、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯ２などの物質で形成される。しかし、第２物質層１７４−１ａの屈折率や材質がそれに限定されるものではない。一方、第２物質層１７４−１ａの上面が、下部の平坦化レンズ層１７２の上面の形態により影響を受けないほど、第２物質層１７４−１ａは、比較的厚く形成されるか、または粘度の低い物質で形成される。
図５Ｉを参照すれば、第２物質層１７４−１ａに対してエッチバック工程を遂行して、平坦化レンズ層１７２の凹部Ｃｏにのみ第２物質層１７４−１ａを残すことにより、下部に凸状の下面球面レンズ１７４−１を形成する。一方、実施形態によって、粘度の低い第２物質層１７４−１ａで平坦化レンズ層１７２の凹部Ｃｏを充填して硬化させることにより、下面球面レンズ１７４−１を形成することもできる。かかる場合、エッチバック工程を省略してもよい。
図５Ｊを参照すれば、下面球面レンズ１７４−１上に第３物質層１７４−２ｂを形成する。第３物質層１７４−２ｂは、例えば、上面球面レンズ１７４−２を形成するための物質層でもある。それによって、第３物質層１７４−２ｂは、約１．４ないし１．８の屈折率を有する物質、例えば、ポリイミド、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの物質で形成される。しかし、第３物質層１７４−２ｂの屈折率や材質がそれに限定されるものではない。
図５Ｋを参照すれば、第３物質層１７４−２ｂ上に第２マスクパターン１８２を形成する。第２マスクパターン１８２は、フォト工程により形成し、第１マスクパターン１８０と同様に感光性レジストで形成する。一方、第２マスクパターン１８２は、図５Ｋに示したように、下面球面レンズ１７４−１に対応する位置に形成され、下面球面レンズ１７４−１の間の部分、すなわち、平坦化レンズ層１７２の凸部に対応する部分には形成されていない。第２マスクパターン１８２は、比較的広い幅、例えば、約１０００ｎｍの幅で形成される。しかし、第２マスクパターン１８２の幅がそれに限定されるものではない。
図５Ｌを参照すれば、第２マスクパターン１８２の形成後、リフロー工程を遂行して、第２リフローパターン１８２ａを形成する。第２マスクパターン１８２についてのリフロー工程も、例えば、ステッパを利用したブランク露光及び熱工程により遂行する。図５ｌに示したように、リフロー工程により形成された第２リフローパターン１８２ａは、半球と類似した形態を有し、互いに分離された形態を有する。しかし、実施形態によって、第２リフローパターン１８２ａは、互いに接することもできる。
図５Ｍを参照すれば、第２リフローパターン１８２ａをマスクとしてエッチバック工程を遂行して、上面球面レンズ１７４−２を形成する。エッチバック工程は、第２リフローパターン１８２ａが完全に除去されるまで遂行する。そのような第２リフローパターン１８２ａを利用したエッチバック工程により、上面球面レンズ１７４−２は、上部に凸状の構造を有することができる。言い換えれば、エッチバック工程により、第２リフローパターン１８２ａの形態がそのまま第３物質層１７４−２ｂに転写されることにより、第２リフローパターン１８２ａと類似した形態の上面球面レンズ１７４−２が形成される。
エッチバック工程により上面球面レンズ１７４−２を形成することにより、図１のイメージセンサ１００を完成する。すなわち、上面球面レンズ１７４−２を形成することにより、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２とを備えた両面球面レンズ１７４が完成され、かつ平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４とを含めたレンズ層１７０が完成される。
図６Ａないし図６Ｅは、図３Ａのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。図３Ａを共に参照して説明し、図３Ａ及び図５Ａないし図５Ｍの説明部分で前述した内容は、簡単に説明するか、または省略する。
図６Ａを参照すれば、まず、図５Ａないし図５Ｉの過程を経て、カラーフィルタ層１６０上に平坦化レンズ層１７２と下面球面レンズ１７４−１とを形成する。次いで、下面球面レンズ１７４−１上に中間レンズ１７４−３を形成する。中間レンズ１７４−３は、平板状に一体に形成され、比較的薄い厚みに形成される。
具体的には、中間レンズ１７４−３は、下面球面レンズ１７４−１と上面球面レンズ１７４−２との間の屈折率を有する物質で形成される。例えば、中間レンズ１７４−３は、下面球面レンズ１７４−１及び上面球面レンズ１７４−２について例示した物質のうちいずれか一つの物質で形成されてもよい。しかし、中間レンズ１７４−３の材質がそれに限定されるものではない。一方、中間レンズ１７４−３は、１００ｎｍ以下の数十ｎｍの薄い厚みに形成され、当該中間レンズ１７４−３は、反射防止により集光効率の向上に寄与する。
図６Ｂを参照すれば、中間レンズ１７４−３上に第３物質層１７４−２ｂを形成する。第３物質層１７４−２ｂは、上面球面レンズ１７４−２を形成するための物質層でもある。第３物質層１７４−２ｂについては、図５Ｊの説明部分で説明した通りである。
図６Ｃを参照すれば、第３物質層１７４−２ｂ上に第２マスクパターン１８２を形成する。第２マスクパターン１８２は、フォト工程により形成し、感光性レジストで形成する。第２マスクパターン１８２の形成については、図５Ｋの説明部分で説明した通りである。
図６Ｄを参照すれば、第２マスクパターン１８２の形成後、リフロー工程を遂行して、第２リフローパターン１８２ａを形成する。第２リフローパターン１８２ａの形成については、図５Ｌの説明部分で説明した通りである。
図６Ｅを参照すれば、第２リフローパターン１８２ａをマスクとしてエッチバック工程を遂行して、上面球面レンズ１７４−２を形成する。上面球面レンズ１７４−２の形成については、図５Ｍの説明部分で説明した通りである。エッチバック工程により上面球面レンズ１７４−２を形成することにより、図３Ａのイメージセンサ１００ａを完成する。すなわち、上面球面レンズ１７４−２を形成することにより、下面球面レンズ１７４−１、中間レンズ１７４−３及び上面球面レンズ１７４−２を備えた両面球面レンズ１７４ａが完成され、かつ平坦化レンズ層１７２と両面球面レンズ１７４ａとを含めたレンズ層１７０ａが完成される。
図７Ａないし図７Ｄは、図３Ｂのイメージセンサの製造方法の過程を概略的に示す断面図である。図３Ｂを共に参照して説明し、図３Ｂ及び図５Ａないし図６Ｅの説明部分で前述した内容は、簡単に説明するか、または省略する。
図７Ａを参照すれば、まず、図６Ａ及び図６Ｂの過程を経て、中間レンズ１７４−３上に第３物質層１７４−２ｃを形成する。第３物質層１７４−２ｃは、上面球面レンズ１７４−２ａを形成するための物質層であり、図５Ｊまたは図６Ｂの第３物質層１７４−２ｂと同じ物質で形成される。但し、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、第３物質層１７４−２ｃは、図５Ｊまたは図６Ｂの第３物質層１７４−２ｂよりも薄い厚みに形成される。しかし、実施形態によって、第３物質層１７４−２ｃは、図５Ｊまたは図６Ｂの第３物質層１７４−２ｂと実質的に同じ厚みに形成されてもよい。
次いで、第３物質層１７４−２ｃ上に第２マスクパターン１８２′を形成する。第２マスクパターン１８２′は、図５Ｋまたは図６Ｃの第２マスクパターン１８２と同じ材質、例えば、感光性レジストで形成される。但し、図７Ａに示したように、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、第２マスクパターン１８２′は、図５Ｋまたは図６Ｃの第２マスクパターン１８２よりも小さいサイズに形成される。しかし、実施形態によって、第２マスクパターン１８２′は、図５Ｋまたは図６Ｃの第２マスクパターン１８２と実質的に同じサイズに形成されてもよい。
図７Ｂを参照すれば、第２マスクパターン１８２′の形成後、リフロー工程を遂行して、第２リフローパターン１８２ａ′を形成する。第２マスクパターン１８２′のサイズが小さいので、それに対応して、第２リフローパターン１８２ａ′のサイズも小さい。また、第２マスクパターン１８２′の小さいサイズに対応して、熱工程時間が短い。しかし、第２マスクパターン１８２′が、図５Ｋまたは図６Ｃの第２マスクパターン１８２と同じサイズに形成された場合、熱工程時間はそのまま維持され、第２リフローパターン１８２ａ′のサイズは、図５Ｌまたは図６Ｄの第２リフローパターン１８２ａのサイズと実質的に同じである。
図７Ｃを参照すれば、第２リフローパターン１８２ａ′をマスクとして利用してエッチバック工程を遂行して、上面球面レンズ１７４−２ａを形成する。本実施形態のイメージセンサの製造方法において、第３物質層１７４−２ｃの厚みが薄く、かつ第２リフローパターン１８２ａ′のサイズが小さいので、上面球面レンズ１７４−２ａは、図５Ｍまたは図６Ｅの上面球面レンズ１７４−２に比べて小さいサイズに形成される。一方、前述のように、実施形態によって、第３物質層１７４−２ｃを厚く形成し、かつ第２リフローパターン１８２ａ′のサイズを大きく形成することもできるが、かかる実施形態の場合、エッチバック工程の時間を延長させることにより、小さいサイズの上面球面レンズ１７４−２ａを形成する。
図７Ｄを参照すれば、上面球面レンズ１７４−２ａの形成後、上面球面レンズ１７４−２ａ上に蓋レンズ１７４−４を形成する。具体的には、上面球面レンズ１７４−２ａ上に蓋レンズ用物質層を均一な厚みに形成し、硬化させることにより、蓋レンズ１７４−４を形成する。蓋レンズ１７４−４は、比較的薄い厚みに形成され、かつ低い屈折率の物質で形成される。例えば、蓋レンズ１７４−４は、約１００ｎｍの厚みに形成され、約１．０ないし１．４の屈折率を有するポリイミドやＳｉＯ２などで形成される。しかし、蓋レンズ１７４−４の厚み、屈折率及び材質が、前述の内容に限定されるものではない。そのような低い屈折率の薄い蓋レンズ１７４−４は、反射防止膜の機能を行える。
以上、本発明を図面に示した実施形態を参照して説明したが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、それらから様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらなければならない。
本発明は、例えば、画像処理関連の技術分野に適用可能である。
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ イメージセンサ
１０１ 基板
１０３ａ，１０３ｂ ＳＴＩ層
１０５ ゲート電極
１１０ ピクセル分離構造体
１１１ 側壁絶縁層
１１３ 導電層
１３０ 層間絶縁層
１３１ 第１絶縁層
１３３ 第２絶縁層
１３５ 第３絶縁層
１４０ 多重配線層
１４１ 第１配線層
１４２ 垂直コンタクト
１４３ 第２配線層
１５０ 背面絶縁層
１６０ カラーフィルタ層
１６２ 金属グリッド
１６４ カラーフィルタ
１７０ レンズ層
１７２ 平坦化レンズ層
１７４ 両面球面レンズ
１７４−１ 下面球面レンズ
１７４−２ 上面球面レンズ
１７４−３ 中間レンズ
１７４−４ 蓋レンズ
ＢＳ 背面
ＦＳ 前面
ＰＤ フォトダイオード
ＰＷ ウェル領域
Ｔｒ トランジスタ

Claims (20)

  1. フォトダイオード（Photo-Diode: PD）をそれぞれ備えたピクセルが二次元アレイ構造で配置され、第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有する基板と、
    前記基板の第１面上に配置された多重配線層と、
    前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層と、
    前記カラーフィルタ層上に配置され、上下の双方に凸状の両面球面レンズ（double-sided spherical lens）を備えたレンズ層と、を含み、
    前記両面球面レンズは、相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層を含むことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記レンズ層は、前記両面球面レンズの下部に平坦化レンズ層をさらに含み、
    前記平坦化レンズ層の上面は、前記両面球面レンズの下面に対応して、下部に凹状の凹部を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記レンズ層は、前記両面球面レンズの下部に平坦化レンズ層をさらに含み、
    前記両面球面レンズは、下部層を構成する下面球面レンズと、上部層を構成する上面球面レンズとを含み、
    屈折率は、前記平坦化レンズ層、前記上面球面レンズ及び前記下面球面レンズの順に高くなることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記両面球面レンズは、下部層を構成する下面球面レンズ、上部層を構成する上面球面レンズ、及び前記下面球面レンズと前記上面球面レンズとの間に配置され、平板状の中間レンズを含み、
    前記下面球面レンズの屈折率が、前記上面球面レンズの屈折率よりも高く、
    前記中間レンズは、前記下面球面レンズの屈折率と、前記上面球面レンズの屈折率との間の屈折率を有し、均一な厚みを有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。
  5. 前記レンズ層は、前記両面球面レンズの下部に平坦化レンズ層をさらに含み、
    前記両面球面レンズは、前記上面球面レンズを均一な厚みで覆う蓋レンズをさらに含み、
    屈折率は、前記蓋レンズ、前記平坦化レンズ層、前記上面球面レンズ、前記中間レンズ及び前記下面球面レンズの順に高くなることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記両面球面レンズは、下部層を構成する下面球面レンズと、上部層を構成する上面球面レンズとを含み、
    前記下面球面レンズの曲率と、前記上面球面レンズの曲率とは、相異なることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  7. 前記カラーフィルタは、金属グリッド（metal grid）により互いに分離され、
    前記ピクセルは、ピクセル分離構造体により互いに分離されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  8. 前記両面球面レンズは、ポリイミド、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＨｆＯｘ及びＴｉＯ２のうち少なくとも二つを利用して形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  9. フォトダイオードをそれぞれ備えたピクセルが二次元アレイ構造で配置され、第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有する基板と、
    前記基板の第１面上に配置された多重配線層と、
    前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層と、
    前記カラーフィルタ層上に配置された平坦化レンズ層と、
    前記平坦化レンズ層上に配置され、上下の双方に凸状の両面球面レンズを備えたレンズ層と、を含み、
    前記両面球面レンズは、下部層を構成する下面球面レンズと、上部層を構成する上面球面レンズとを備え、
    屈折率は、前記平坦化レンズ層、前記上面球面レンズ及び前記下面球面レンズの順に高くなることを特徴とするイメージセンサ。
  10. 前記両面球面レンズは、前記上面球面レンズを均一な厚みで覆う蓋レンズと、前記上面球面レンズと前記下面球面レンズとの間、及び前記蓋レンズと前記下面球面レンズとの間に配置され、均一な厚みを有する中間レンズと、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 屈折率は、前記蓋レンズ、前記平坦化レンズ層、前記上面球面レンズ、前記中間レンズ及び前記下面球面レンズの順に高くなることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
  12. 前記下面球面レンズの曲率と、前記上面球面レンズの曲率とは、相異なることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  13. 前記平坦化レンズ層と前記両面球面レンズは、ポリイミド、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＨｆＯｘ及びＴｉＯ２のうち少なくとも三つを利用して形成されたことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  14. 基板上に、それぞれフォトダイオードを備えた複数のピクセルを形成するステップと、
    前記基板の第１面上に配線層を形成するステップと、
    前記基板の第２面上に、それぞれのピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層を形成するステップと、
    前記カラーフィルタ層上に、上下の双方に凸状の両面球面レンズを備えたレンズ層を形成するステップと、を含み、
    前記両面球面レンズは、相異なる屈折率の少なくとも二層の物質層で形成されたことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  15. 前記レンズ層を形成するステップは、
    前記カラーフィルタ層上に平坦化レンズ層を形成するステップと、
    前記平坦化レンズ層上に前記両面球面レンズを形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサの製造方法。
  16. 前記平坦化レンズ層を形成するステップは、
    前記カラーフィルタ層上に第１物質層を形成するステップと、
    前記第１物質層上に第１マスクパターンを形成するステップと、
    前記第１マスクパターンをリフローして、第１リフローパターンを形成するステップと、
    前記第１リフローパターンをマスクとして利用して、前記第１物質層をエッチバック（etchback）して、前記平坦化レンズ層を形成するステップと、を含み、
    前記平坦化レンズ層は、前記両面球面レンズの下面に対応して、下部に凹状の凹部を含むことを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサの製造方法。
  17. 前記両面球面レンズを形成するステップは、
    前記平坦化レンズ層に第２物質層を塗布するステップと、
    前記第２物質層をエッチバックして、下部に凸状の下面球面レンズを形成するステップと、
    前記下面球面レンズ上に第３物質層を塗布するステップと、
    前記第３物質層上に第２マスクパターンを形成するステップと、
    前記第２マスクパターンをリフローして、第２リフローパターンを形成するステップと、
    前記第２リフローパターンをマスクとして利用して、前記第３物質層をエッチバックして、上部に凸状の上面球面レンズを形成するステップと、を含み、
    前記下面球面レンズが前記両面球面レンズの下部層を構成し、前記上面球面レンズが前記両面球面レンズの上部層を構成し、
    前記下面球面レンズの屈折率が、前記上面球面レンズの屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサの製造方法。
  18. 前記両面球面レンズを形成するステップは、
    前記平坦化レンズ層上に第２物質層を塗布し、エッチバックして、下部に凸状の下面球面レンズを形成するステップと、
    前記下面球面レンズ上に第３物質層を均一な厚みに塗布して、中間レンズを形成するステップと、
    前記中間レンズ上に第３物質層を塗布するステップと、
    前記第３物質層上に第２マスクパターンを形成するステップと、
    前記第２マスクパターンをリフローして、第２リフローパターンを形成するステップと、
    前記第２リフローパターンをマスクとして利用して、前記第３物質層をエッチバックして、上部に凸状の上面球面レンズを形成するステップと、を含み、
    前記下面球面レンズの屈折率が、前記上面球面レンズの屈折率よりも高く、
    前記中間レンズは、前記下面球面レンズの屈折率と、前記上面球面レンズの屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサの製造方法。
  19. 前記両面球面レンズを形成するステップは、
    下部層を構成する下面球面レンズを形成するステップと、
    上部層を構成する上面球面レンズを形成するステップと、を含み、
    前記下面球面レンズと前記上面球面レンズが、相異なる曲率を有するように形成することを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサの製造方法。
  20. 第１面と、前記第１面とは反対の第２面とを有し、それぞれ発光素子（light emitting element）を含むピクセルが二次元アレイで配置された基板と、
    前記基板の第１面上に配置された多重配線層と、
    前記基板の第２面上に配置され、それぞれにピクセルに対応するカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層と、
    前記カラーフィルタ層上に配置された両面球面レンズと、を含み、
    前記両面球面レンズのうち第１レンズの屈折率が、前記両面球面レンズのうち第２レンズの屈折率よりも低いことを特徴とするイメージセンサ。
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