JP4045145B2 - 固体イメージセンサを製造する為の底部反射防止皮膜カラーフィルタプロセス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、底部反射防止皮膜（bottom antireflection coating：ＢＡＲＣ）カラーフィルタプロセスにより形成されたカラーフィルタアレイを含む固体イメージセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般的に、ディジタルカメラ等のディジタルイメージングシステムは、イメージを取り込む為のイメージセンサ（または簡単にイメージャー）を含む。様々な種類のイメージセンサが開発されているが、これらの中には電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ及び相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサが含まれる。通常、これらのデバイスは画素のアレイを含み、アレイ中の各画素はイメージセンサの光検出領域を画定するｎ＋型〜ｐ型基板のフォトダイオード、仮想ゲート埋め込み型ｎチャネル光検出器、又はフォトゲート検出器といった光検出素子を含む。また、イメージセンサは、光検出素子から他の処理回路へと光信号を駆動する為の回路も含む。一般的にＣＣＤイメージセンサは光電変換器及び対象物からの光を吸収し、光生成された電荷を信号電荷パケットへと収集する電荷蓄積装置とを含む。更に、ＣＣＤイメージセンサは光電変換器及び電荷蓄積装置からの電荷パケット（charge packet）を伝達する為の電荷伝達領域と、電荷伝達領域を介して伝達される信号電荷パケットに対応する電圧出力を生成する為の電荷／電圧信号変換器とを含む場合もある。ＣＭＯＳイメージセンサは通常、能動画素センサのアレイと、画素センサの所定行の出力をサンプリングして保持する相関ダブルサンプリング（ＣＤＳ）増幅器の行（レジスタ）とを含む。ＣＭＯＳ及びＣＣＤイメージセンサシステムの双方において、各画素センサは、光集積期間中にその画素センサの関連した検出領域に到達する光の強度に基づいて電荷を蓄積する。
【０００３】
カラーの用途の場合、一般に各画素センサ素子がカラーフィルタを介して光を受け取り、このカラーフィルタは相対的に狭い放射波長範囲（例えば可視スペクトル）の光しかイメージセンサの画素センサに到達させない。一般的には複数組のカラーフィルタが画素サイズのモザイクパターン又は画素幅のストライプパターンに配列されている。カラーフィルタはイメージセンサの表面に直接的に付加することができる。代案として、カラーフィルタをパッシベーション層上に形成することもでき（例えば、米国特許第５，６５４，２０２号を参照）、この場合はイメージセンサのボンディングパッドを露出させる為に独立したマスキングプロセスが必要となる。カラーフィルタは、一般に各フィルタ色の層を含むフォトレジスト構造から形成される。一般的なカラーフィルタ材料は、スピンコートされる、染色又は着色フォトレジストである。所定のカラーフィルタセットのフィルタの色は、加法混色（例えば赤、緑、青）でも減法混色（例えばシアン、マゼンタ、イエロー）でも、或いは加法混色・減法混色の組み合わせでも良い。
【０００４】
イメージセンサの集光効率は、各画素領域のＣＦＡ材料上にマイクロレンズアレイを設けることにより改善され得る。イメージングの波長範囲において高い透過性である平坦化層をカラーフィルタアレイとマイクロレンズ材料との間に堆積させることもできる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規なイメージセンサシステム及びそのようなシステムを製造する方法を特徴とする。より具体的には、この新規なイメージセンサシステムは、底部反射防止皮膜を組み込む発明的なカラーフィルタプロセスにより形成されるカラーフィルタアレイを含む。底部反射防止皮膜は、カラーフィルタアレイの形成中に能動イメージセンシング素子構造の露出領域を保護する保護層になり、これにより能動イメージセンシング素子構造の本来の透過特性が維持される。例えば、底部反射防止皮膜は、能動イメージセンシング素子構造の損傷を受けやすい領域を、カラーフィルタアレイをパターニングする為に用いられる現像液にさらすことによって生じる可能性がある劣化から守る。また、底部反射防止皮膜は、能動イメージセンシング素子構造の露出面にある金属構造（例えば、ボンディングパッド）や画素のエッジの劣化も低減する。例えば、底部反射防止皮膜は、このような金属構造及び画素のエッジにおいてカラーフィルタのレジスト材料及びカラーフィルタ現像液に繰り返しさらされる結果として生じる浮きかす（scumming）や化学反応を低減する。更に、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイに対して均一な接着面を提供し、カラーフィルタアレイのレジスト構造の浮きを実質的に排除する。いくつかの実施形態においては、底部反射防止皮膜は更に、カラーフィルタアレイの１つ以上の色の光透過特性も改善する。
【０００６】
本発明の一態様においては、底部反射防止皮膜が能動イメージセンシング素子構造の露出面上に形成され、カラーフィルタアレイが底部反射防止皮膜上に形成され、そして底部反射防止皮膜の露出部分が実質的に除去される。
【０００７】
本発明のこの態様に従った実施形態は、以下にあげる特徴のうちの１つ以上を含むことができる。
【０００８】
底部反射防止皮膜は染色された有機フィルム形成材料又は光吸収ポリマーフィルム形成材料からなることができる。
【０００９】
底部反射防止皮膜の厚さは、カラーフィルタアレイの１つ以上の色の光透過特性を改善するように選択されることが好ましい。更に、底部反射防止皮膜は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対して実質的に透過性であることが好ましい。
【００１０】
いくつかの実施形態においては、カラーフィルタアレイは複数の着色されたフォトレジスト構造からなる。
【００１１】
底部反射防止皮膜の露出部分は、プラズマエッチング（例えば、低出力バッファード酸素灰化プロセス）により実質的に除去されることが好ましい。プラズマエッチング処理においては、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイよりも大幅に速いエッチング速度で除去されることが好ましい。
【００１２】
いくつかの実施形態において、底部反射防止皮膜の露出部分が実質的に除去される前に、底部反射防止皮膜は能動イメージセンシング素子構造の露出面上に実質的に連続的な層を形成している。底部反射防止皮膜は、カラーフィルタアレイを形成する間、能動イメージセンシング素子構造の露出面にある金属構造上に保護バリアを形成しても良い。
【００１３】
能動イメージセンサ素子構造は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサであっても、或いは電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサであっても良い。
【００１４】
他の態様においては、本発明は能動イメージセンシング素子構造、カラーフィルタアレイ、及びカラーフィルタアレイと能動イメージセンシング素子構造の表面との間に堆積された底部反射防止皮膜を含むイメージセンサシステムを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面及び特許請求の範囲と共に以下の説明から明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下の説明においては、同じ参照番号を用いて同様の要素を識別する。更に、図面は、例示的な実施形態の主要な特徴を図面の態様で示すことが意図されている。図面は、実際の実施形態における全ての要素を描いたり、図示した要素の相対的な寸法を描いたりすることが意図されておらず、一定の縮尺で描かれていない。
【００１７】
図１を参照すると、一実施形態において、イメージセンサシステム１０は能動イメージセンシング素子構造１２、カラーフィルタアレイ１４及び能動イメージセンシング素子構造１２の上面とカラーフィルタアレイ１４との間に堆積された底部反射防止皮膜（ＢＡＲＣ）層１６を含む。イメージセンサシステム１０は更に、パッシベーション層１８及びそのパッシベーション層１８上に形成された従来のマイクロレンズアレイ２０を含む。
【００１８】
図２、図３、図４及び図５を参照し、最初に図２及び図３を参照すると、イメージセンサシステム１０は以下のように形成される。最初に能動イメージセンシング素子構造１２が形成される（ステップ３２）。能動イメージセンシング素子構造１２は、従来のＣＣＤイメージング素子構造としても、従来のＣＭＯＳイメージング素子構造としても良い。一般的に、能動イメージセンシング素子構造１２は、画素のアレイを含み、画素の各々は光検出素子（例えば、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ｎ＋型〜ｐ型基板のフォトダイオード、仮想ゲート埋め込み型ｎチャネル光検出器又はフォトゲート検出器）及び光信号を光検出素子から他の処理回路に駆動する為の回路を含む。
【００１９】
図３に示したように、一実施形態における能動イメージセンシング素子構造１２は、基板３６上に形成された複数の画素トランジスタ３４、複数のメタライゼーション相互接続層３８（個々には図示せず）、及び最終メタライゼーション層４０を含む。最終メタライゼーション層４０は、ボンディングパッド４２、接地コンタクト４４及び一対のメタライゼーションコンタクト４６、４８を含む。最終メタライゼーション層４０は更に、研磨した酸化物（例えば、酸化珪素）層５０、窒化珪素層５２、及び酸化物層５０及び窒化珪素層５２を通じてそれぞれのコンタクト４４〜４８へと伸びる、複数のタングステンを充填したコンタクトバイア５４、５６、５８を含む。タングステンプラグを形成する前に、Ｔｉ／ＴｉＮバリア（又はライナー）層をコンタクトバイア５４〜５８の表面に堆積しても良い。バイア５９は酸化物層５０及び窒化珪素層５２を貫いて形成され、ボンディングパッド４２が露出される。メタライゼーションコンタクト４６、４８に接続されるタングステンプラグ５６、５８の各々の上に画素メタライゼーション６０、６２を形成することができる。パターニングされたｎ型アモルファスシリコン層６４、６６は画素メタライゼーション６０、６２上に形成される。ｎ型アモルファスシリコン層６４、６６上には真性アモルファスシリコン層６８が形成され、そして真性アモルファスシリコン層６８上にはｐ型アモルファスシリコン層７０が形成される。透明導電層７２はｐ型アモルファスシリコン層７０上に延在し、接地コンタクト４４に接続されるタングステンプラグに接触する。不透明金属層７４は透明導電層７２上の一部分に延在し、接地コンタクト周辺部の透明導電層７２をブリッジし、画素境界において光を遮断し、画素アレイを囲む。
【００２０】
図４に示したように、能動イメージセンシング素子構造１２の形成後（図２のステップ３２）、ＢＡＲＣ層１６が能動イメージセンシング素子構造１２の露出面上に堆積される（図２のステップ７６）。一般的に、ＢＡＲＣ層１６は従来の任意のＢＡＲＣ材料から形成されることができ、それらの材料には染色有機フィルムを形成するＢＡＲＣ材料又は光吸収ポリマーフィルムを形成するＢＡＲＣ材料が含まれる。いくつかの実施形態においては、ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４のパターニングにおいて使用される波長範囲の放射を実質的に吸収し、イメージセンサシステム１０によりイメージングされる波長範囲の放射（例えば可視発光スペクトル）に対して実質的に透過性であることが好ましい。ＢＡＲＣ層１６は有機フィルム形成材料又はポリマーフィルム形成材料から形成され得る。一実施形態において、ＢＡＲＣ層１６は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対して実質的に透過性であるフォトレジストベースの反射防止皮膜（例えば、Shipley Company，L.L.C（Marlborough，Massachusetts，USA）から市販されるShipley ＡＲ２−６００反射防止皮膜)である。この実施形態において、ＢＡＲＣ層１６は滴下時には２０００ｒｐｍ、それを広げる処理においては４７９０ｒｐｍで動作する従来のスピンコータにより塗布される。この結果得られるＢＡＲＣ層１６の厚さは約６０ｎｍである。ＢＡＲＣ層１６は、堆積後、ＤＮＳトラック上で６０秒間にわたり２０５℃でプロキシミティベーキングされる。
【００２１】
通常、ＢＡＲＣ層１６は、カラーフィルタアレイ１４の１つ以上の色に対する光透過特性を改善するように選択された厚さを有する。特に、ＢＡＲＣ層の厚さは、ＢＡＲＣ層１６を含まない素子構造に比べて、１つ以上のターゲット放射波長におけるピーク透過率が増すように選択される。ターゲット放射波長は、完成されたイメージセンサシステム１０のカラーフィルタセットの各色に対する画素感光性がピークとなる波長に相当する。各色に対する光透過特性は、ＢＡＲＣ層１６及びイメージセンシング素子構造１２の他の層の屈折率に基づいてモデリングされることができる。ＢＡＲＣ層１６及びカラーフィルタアレイ１４の層の厚さは、カラーフィルタセットの１つ以上のターゲット放射波長に対するピーク透過率が最適化されるまで、指定の厚さ範囲内において変化させることができる。図示の実施形態において、ＢＡＲＣ層の層厚を約６０ｎｍとすることで、赤色が６２０ｎｍ、緑色が５４０ｎｍそして青色が４６０ｎｍのターゲット放射波長であるＲＧＢカラーフィルタアレイの各色に対する光透過特性が改善することが分かっている。一般的に、ＢＡＲＣ層の厚さは、ＢＡＲＣ層の除去処理ステップ（図２の処理ステップ９０に関連して後述する）中にボンディングパッド４２及び他の素子構造を露出する為に、ＢＡＲＣ層１６の一部を比較的容易に除去することができるように相対的に薄く（例えば、約２００ｎｍ未満）するべきである。
【００２２】
図５を参照すると、パターニングされたカラーフィルタアレイ１４はＢＡＲＣ層１６上に形成される（図２のステップ８２）。ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４に信頼性の高い接着面を提供し、それによりカラーフィルタアレイレジスト構造の浮き上がりが実質的になくなる。カラーフィルタアレイ１４は、画素サイズのモザイクのパターン、又は画素幅のストリップのパターンに配列された複数の着色フォトレジスト構造から形成される従来のカラーフィルタアレイとすることができる。例えば、カラーフィルタアレイ１４は特定のカラーセット（例えば、赤／緑／青又はシアン／マゼンタ／イエロー）の着色フォトレジスト層を連続的に堆積させることにより形成されるポリマーのカラーフィルタアレイとすることができる。マスキング又はエッチングプロセスを用いて、選択された画素位置にそれぞれのカラーフィルタを形成できる。一般的に、画素カラーフィルタは、１つ以上の染料を含む単一のポリマー層、又は各々が１つ以上の染料を含む複数のポリマー層により形成され得る。図１に示したように、結果として生じるカラーフィルタアレイ１４は別個の、各フィルタ色（例えば、図示された実施形態において赤色、緑色及び青色）について空間的に分離されたフィルタ領域８４、８６、８８を含み、各領域８４、８６、８８は、イメージセンサシステム１０の異なるカラー画素に対応する。このような構成により、異なる波長の光を別個にサンプリングすることができ、そのため色の分離したイメージを形成できる。
【００２３】
上述したように、ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４の形成中に能動イメージセンシング素子構造１２の露出領域を保護し、これにより能動イメージセンシング素子構造１２の本質的な透過特性が維持される。例えば、ＢＡＲＣ層１６は、能動イメージセンシング素子構造１２の損傷を受けやすい領域を、カラーフィルタアレイ１４のパターニングにおいて用いる現像液にさらすことにより生じる可能性のある劣化から守っている。底部反射防止皮膜は更に、能動イメージセンサ画素構造１２の露出面にある金属構造（例えば、ボンディングパッド４２）及び画素のエッジの劣化も低減する。例えば、ＢＡＲＣ層１６は、このような金属構造及び画素のエッジにおいてカラーフィルタレジスト材料及びカラーフィルタ現像液に繰り返しさらされる結果として生じる可能性のある浮きかす及び化学反応を低減する。
【００２４】
次に、ＢＡＲＣ層１６の露出部分が除去される（図２のステップ９０）。ＢＡＲＣ層１６は、従来のプラズマエッチングシステム（例えば、LAM Research Corporation（Fremont，California）から市販されているＬＡＭ５９０プラズマエッチングシステム）で除去され得る。一実施形態において、低出力バッファード灰化法（例えば、Ｈｅ／Ｏ２灰化）を用いてＢＡＲＣ層１６を除去できる。プラズマエッチング処理は、ＢＡＲＣ層１６をカラーフィルタアレイ１４よりも大幅に速いエッチング速度で除去することが好ましい。ＢＡＲＣ層１６の一部を除去する処理により、カラーフィルタアレイ１４の形成中に汚されたカラーフィルタアレイ１４部分も除去される（又は清浄化される）ことによって、カラーフィルタアレイ１４の光透過特性も改善されることが明らかになっている。例えば、ＲＧＢカラーフィルタアレイの形成中に、形成される第一の色（例えば、赤色）のフィルタアレイが、残りの色（例えば、青色及び緑色）のフィルタアレイの形成に用いられる後続のカラーレジスト処理ステップにより汚される可能性がある。更に、形成される第二の色（例えば、青色）のフィルタアレイも、残りの色（例えば緑色）のフィルタアレイの形成に用いられる後続のカラーレジスト処理ステップにより汚される可能性がある。このような汚れは、汚れたカラーフィルタアレイを介した光の透過を低下させる。しかしながら、ＢＡＲＣ層１６の一部を除去するプロセスにより、汚れたカラーフィルタアレイの表面が清浄化され、これによりそれらの光透過特性が改善される。
【００２５】
パッシベーション層１８及びマイクロレンズアレイ２０を含む更なる構造は、ＢＡＲＣ層１６の露出部分を除去した後に形成され得る（図２のステップ９２）。これらの追加構造は、従来のデバイス製造プロセスに従って形成され得る。
【００２６】
他の実施形態も特許請求の範囲内にある。
【００２７】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．イメージセンサ（10）の製造方法であって、
能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面上に底部反射防止皮膜（16）を形成するステップと、
前記底部反射防止皮膜（16）上にカラーフィルタアレイ（14）を形成するステップと、及び
前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分を実質的に除去するステップとからなる、イメージセンサ（10）の製造方法。
２．イメージセンサシステム(10)であって、
能動イメージセンシング素子構造（12）と、
カラーフィルタアレイ（14）と、及び
前記カラーフィルタアレイ（14）と前記能動イメージセンシング素子構造（12）の表面との間に堆積された底部反射防止皮膜（16）とを含む、イメージセンサシステム（10）。
３．前記底部反射防止皮膜（16）が、染色有機フィルム形成材料からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
４．前記底部反射防止皮膜（16）が、光吸収ポリマーフィルム形成材料からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
５．前記底部反射防止皮膜（16）が、前記カラーフィルタアレイ（14）の１つ以上の色の光透過特性を改善するように選択された厚さを有する、上記１又は２に記載の発明内容。
６．前記底部反射防止皮膜（16）が、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対し、実質的に透過性である、上記１又は２に記載の発明内容。
７．前記カラーフィルタアレイ（14）が、複数の着色されたフォトレジスト構造からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
８．前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分が、プラズマエッチング処理により実質的に除去される、上記１又は２に記載の発明内容。
９．前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分が実質的に除去される前に、前記底部反射防止皮膜（16）が前記能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面上に実質的に連続的な層を形成している、上記１又は２に記載の発明内容。
１０．前記底部反射防止皮膜（16）が、前記カラーフィルタアレイ（14）の形成中に、前記能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面における金属構造上の保護バリアになる、上記１又は２に記載の発明内容。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、新規なイメージセンサシステム及びそのようなシステムを製造する方法が提供される。そのイメージセンサシステムは底部反射防止膜を備え、この底部反射防止膜はカラーフィルタアレイの形成中に能動イメージセンシング素子構造の露出領域を保護する保護層となるため、能動イメージセンシング素子構造の本質的な透過特性が維持されることが可能になる。更に、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイに対して均一な接着面を提供するため、カラーフィルタアレイのレジスト構造の浮きを実質的に排除することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カラーフィルタアレイと能動イメージセンシング素子構造の上面との間に堆積された底部反射防止皮膜を含むイメージセンサシステムの一部分を描いたブロック図である。
【図２】図１のイメージセンサシステムを製造するプロセスの流れ図である。
【図３】能動イメージセンシング素子構造の形成後、図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【図４】図３の能動イメージセンシング素子構造の露出面上に底部反射防止皮膜が形成された後に図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【図５】図４の底部反射防止皮膜上にカラーフィルタが形成され、底部反射防止皮膜の露出部分が除去された後、図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【符号の説明】
10 イメージセンサシステム
12 能動イメージセンシング素子構造
14 カラーフィルタアレイ
16 底部反射防止皮膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、底部反射防止皮膜（bottom antireflection coating：ＢＡＲＣ）カラーフィルタプロセスにより形成されたカラーフィルタアレイを含む固体イメージセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般的に、ディジタルカメラ等のディジタルイメージングシステムは、イメージを取り込む為のイメージセンサ（または簡単にイメージャー）を含む。様々な種類のイメージセンサが開発されているが、これらの中には電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサ及び相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサが含まれる。通常、これらのデバイスは画素のアレイを含み、アレイ中の各画素はイメージセンサの光検出領域を画定するｎ＋型〜ｐ型基板のフォトダイオード、仮想ゲート埋め込み型ｎチャネル光検出器、又はフォトゲート検出器といった光検出素子を含む。また、イメージセンサは、光検出素子から他の処理回路へと光信号を駆動する為の回路も含む。一般的にＣＣＤイメージセンサは光電変換器及び対象物からの光を吸収し、光生成された電荷を信号電荷パケットへと収集する電荷蓄積装置とを含む。更に、ＣＣＤイメージセンサは光電変換器及び電荷蓄積装置からの電荷パケット（charge packet）を伝達する為の電荷伝達領域と、電荷伝達領域を介して伝達される信号電荷パケットに対応する電圧出力を生成する為の電荷／電圧信号変換器とを含む場合もある。ＣＭＯＳイメージセンサは通常、能動画素センサのアレイと、画素センサの所定行の出力をサンプリングして保持する相関ダブルサンプリング（ＣＤＳ）増幅器の行（レジスタ）とを含む。ＣＭＯＳ及びＣＣＤイメージセンサシステムの双方において、各画素センサは、光集積期間中にその画素センサの関連した検出領域に到達する光の強度に基づいて電荷を蓄積する。
【０００３】
カラーの用途の場合、一般に各画素センサ素子がカラーフィルタを介して光を受け取り、このカラーフィルタは相対的に狭い放射波長範囲（例えば可視スペクトル）の光しかイメージセンサの画素センサに到達させない。一般的には複数組のカラーフィルタが画素サイズのモザイクパターン又は画素幅のストライプパターンに配列されている。カラーフィルタはイメージセンサの表面に直接的に付加することができる。代案として、カラーフィルタをパッシベーション層上に形成することもでき（例えば、米国特許第５，６５４，２０２号を参照）、この場合はイメージセンサのボンディングパッドを露出させる為に独立したマスキングプロセスが必要となる。カラーフィルタは、一般に各フィルタ色の層を含むフォトレジスト構造から形成される。一般的なカラーフィルタ材料は、スピンコートされる、染色又は着色フォトレジストである。所定のカラーフィルタセットのフィルタの色は、加法混色（例えば赤、緑、青）でも減法混色（例えばシアン、マゼンタ、イエロー）でも、或いは加法混色・減法混色の組み合わせでも良い。
【０００４】
イメージセンサの集光効率は、各画素領域のＣＦＡ材料上にマイクロレンズアレイを設けることにより改善され得る。イメージングの波長範囲において高い透過性である平坦化層をカラーフィルタアレイとマイクロレンズ材料との間に堆積させることもできる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規なイメージセンサシステム及びそのようなシステムを製造する方法を特徴とする。より具体的には、この新規なイメージセンサシステムは、底部反射防止皮膜を組み込む発明的なカラーフィルタプロセスにより形成されるカラーフィルタアレイを含む。底部反射防止皮膜は、カラーフィルタアレイの形成中に能動イメージセンシング素子構造の露出領域を保護する保護層になり、これにより能動イメージセンシング素子構造の本来の透過特性が維持される。例えば、底部反射防止皮膜は、能動イメージセンシング素子構造の損傷を受けやすい領域を、カラーフィルタアレイをパターニングする為に用いられる現像液にさらすことによって生じる可能性がある劣化から守る。また、底部反射防止皮膜は、能動イメージセンシング素子構造の露出面にある金属構造（例えば、ボンディングパッド）や画素のエッジの劣化も低減する。例えば、底部反射防止皮膜は、このような金属構造及び画素のエッジにおいてカラーフィルタのレジスト材料及びカラーフィルタ現像液に繰り返しさらされる結果として生じる浮きかす（scumming）や化学反応を低減する。更に、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイに対して均一な接着面を提供し、カラーフィルタアレイのレジスト構造の浮きを実質的に排除する。いくつかの実施形態においては、底部反射防止皮膜は更に、カラーフィルタアレイの１つ以上の色の光透過特性も改善する。
【０００６】
本発明の一態様においては、底部反射防止皮膜が能動イメージセンシング素子構造の露出面上に形成され、カラーフィルタアレイが底部反射防止皮膜上に形成され、そして底部反射防止皮膜の露出部分が実質的に除去される。
【０００７】
本発明のこの態様に従った実施形態は、以下にあげる特徴のうちの１つ以上を含むことができる。
【０００８】
底部反射防止皮膜は染色された有機フィルム形成材料又は光吸収ポリマーフィルム形成材料からなることができる。
【０００９】
底部反射防止皮膜の厚さは、カラーフィルタアレイの１つ以上の色の光透過特性を改善するように選択されることが好ましい。更に、底部反射防止皮膜は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対して実質的に透過性であることが好ましい。
【００１０】
いくつかの実施形態においては、カラーフィルタアレイは複数の着色されたフォトレジスト構造からなる。
【００１１】
底部反射防止皮膜の露出部分は、プラズマエッチング（例えば、低出力バッファード酸素灰化プロセス）により実質的に除去されることが好ましい。プラズマエッチング処理においては、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイよりも大幅に速いエッチング速度で除去されることが好ましい。
【００１２】
いくつかの実施形態において、底部反射防止皮膜の露出部分が実質的に除去される前に、底部反射防止皮膜は能動イメージセンシング素子構造の露出面上に実質的に連続的な層を形成している。底部反射防止皮膜は、カラーフィルタアレイを形成する間、能動イメージセンシング素子構造の露出面にある金属構造上に保護バリアを形成しても良い。
【００１３】
能動イメージセンサ素子構造は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサであっても、或いは電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサであっても良い。
【００１４】
他の態様においては、本発明は能動イメージセンシング素子構造、カラーフィルタアレイ、及びカラーフィルタアレイと能動イメージセンシング素子構造の表面との間に堆積された底部反射防止皮膜を含むイメージセンサシステムを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面及び特許請求の範囲と共に以下の説明から明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下の説明においては、同じ参照番号を用いて同様の要素を識別する。更に、図面は、例示的な実施形態の主要な特徴を図面の態様で示すことが意図されている。図面は、実際の実施形態における全ての要素を描いたり、図示した要素の相対的な寸法を描いたりすることが意図されておらず、一定の縮尺で描かれていない。
【００１７】
図１を参照すると、一実施形態において、イメージセンサシステム１０は能動イメージセンシング素子構造１２、カラーフィルタアレイ１４及び能動イメージセンシング素子構造１２の上面とカラーフィルタアレイ１４との間に堆積された底部反射防止皮膜（ＢＡＲＣ）層１６を含む。イメージセンサシステム１０は更に、パッシベーション層１８及びそのパッシベーション層１８上に形成された従来のマイクロレンズアレイ２０を含む。
【００１８】
図２、図３、図４及び図５を参照し、最初に図２及び図３を参照すると、イメージセンサシステム１０は以下のように形成される。最初に能動イメージセンシング素子構造１２が形成される（ステップ３２）。能動イメージセンシング素子構造１２は、従来のＣＣＤイメージング素子構造としても、従来のＣＭＯＳイメージング素子構造としても良い。一般的に、能動イメージセンシング素子構造１２は、画素のアレイを含み、画素の各々は光検出素子（例えば、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ｎ＋型〜ｐ型基板のフォトダイオード、仮想ゲート埋め込み型ｎチャネル光検出器又はフォトゲート検出器）及び光信号を光検出素子から他の処理回路に駆動する為の回路を含む。
【００１９】
図３に示したように、一実施形態における能動イメージセンシング素子構造１２は、基板３６上に形成された複数の画素トランジスタ３４、複数のメタライゼーション相互接続層３８（個々には図示せず）、及び最終メタライゼーション層４０を含む。最終メタライゼーション層４０は、ボンディングパッド４２、接地コンタクト４４及び一対のメタライゼーションコンタクト４６、４８を含む。最終メタライゼーション層４０は更に、研磨した酸化物（例えば、酸化珪素）層５０、窒化珪素層５２、及び酸化物層５０及び窒化珪素層５２を通じてそれぞれのコンタクト４４〜４８へと伸びる、複数のタングステンを充填したコンタクトバイア５４、５６、５８を含む。タングステンプラグを形成する前に、Ｔｉ／ＴｉＮバリア（又はライナー）層をコンタクトバイア５４〜５８の表面に堆積しても良い。バイア５９は酸化物層５０及び窒化珪素層５２を貫いて形成され、ボンディングパッド４２が露出される。メタライゼーションコンタクト４６、４８に接続されるタングステンプラグ５６、５８の各々の上に画素メタライゼーション６０、６２を形成することができる。パターニングされたｎ型アモルファスシリコン層６４、６６は画素メタライゼーション６０、６２上に形成される。ｎ型アモルファスシリコン層６４、６６上には真性アモルファスシリコン層６８が形成され、そして真性アモルファスシリコン層６８上にはｐ型アモルファスシリコン層７０が形成される。透明導電層７２はｐ型アモルファスシリコン層７０上に延在し、接地コンタクト４４に接続されるタングステンプラグに接触する。不透明金属層７４は透明導電層７２上の一部分に延在し、接地コンタクト周辺部の透明導電層７２をブリッジし、画素境界において光を遮断し、画素アレイを囲む。
【００２０】
図４に示したように、能動イメージセンシング素子構造１２の形成後（図２のステップ３２）、ＢＡＲＣ層１６が能動イメージセンシング素子構造１２の露出面上に堆積される（図２のステップ７６）。一般的に、ＢＡＲＣ層１６は従来の任意のＢＡＲＣ材料から形成されることができ、それらの材料には染色有機フィルムを形成するＢＡＲＣ材料又は光吸収ポリマーフィルムを形成するＢＡＲＣ材料が含まれる。いくつかの実施形態においては、ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４のパターニングにおいて使用される波長範囲の放射を実質的に吸収し、イメージセンサシステム１０によりイメージングされる波長範囲の放射（例えば可視発光スペクトル）に対して実質的に透過性であることが好ましい。ＢＡＲＣ層１６は有機フィルム形成材料又はポリマーフィルム形成材料から形成され得る。一実施形態において、ＢＡＲＣ層１６は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対して実質的に透過性であるフォトレジストベースの反射防止皮膜（例えば、Shipley Company，L.L.C（Marlborough，Massachusetts，USA）から市販されるShipley ＡＲ２−６００反射防止皮膜)である。この実施形態において、ＢＡＲＣ層１６は滴下時には２０００ｒｐｍ、それを広げる処理においては４７９０ｒｐｍで動作する従来のスピンコータにより塗布される。この結果得られるＢＡＲＣ層１６の厚さは約６０ｎｍである。ＢＡＲＣ層１６は、堆積後、ＤＮＳトラック上で６０秒間にわたり２０５℃でプロキシミティベーキングされる。
【００２１】
通常、ＢＡＲＣ層１６は、カラーフィルタアレイ１４の１つ以上の色に対する光透過特性を改善するように選択された厚さを有する。特に、ＢＡＲＣ層の厚さは、ＢＡＲＣ層１６を含まない素子構造に比べて、１つ以上のターゲット放射波長におけるピーク透過率が増すように選択される。ターゲット放射波長は、完成されたイメージセンサシステム１０のカラーフィルタセットの各色に対する画素感光性がピークとなる波長に相当する。各色に対する光透過特性は、ＢＡＲＣ層１６及びイメージセンシング素子構造１２の他の層の屈折率に基づいてモデリングされることができる。ＢＡＲＣ層１６及びカラーフィルタアレイ１４の層の厚さは、カラーフィルタセットの１つ以上のターゲット放射波長に対するピーク透過率が最適化されるまで、指定の厚さ範囲内において変化させることができる。図示の実施形態において、ＢＡＲＣ層の層厚を約６０ｎｍとすることで、赤色が６２０ｎｍ、緑色が５４０ｎｍそして青色が４６０ｎｍのターゲット放射波長であるＲＧＢカラーフィルタアレイの各色に対する光透過特性が改善することが分かっている。一般的に、ＢＡＲＣ層の厚さは、ＢＡＲＣ層の除去処理ステップ（図２の処理ステップ９０に関連して後述する）中にボンディングパッド４２及び他の素子構造を露出する為に、ＢＡＲＣ層１６の一部を比較的容易に除去することができるように相対的に薄く（例えば、約２００ｎｍ未満）するべきである。
【００２２】
図５を参照すると、パターニングされたカラーフィルタアレイ１４はＢＡＲＣ層１６上に形成される（図２のステップ８２）。ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４に信頼性の高い接着面を提供し、それによりカラーフィルタアレイレジスト構造の浮き上がりが実質的になくなる。カラーフィルタアレイ１４は、画素サイズのモザイクのパターン、又は画素幅のストリップのパターンに配列された複数の着色フォトレジスト構造から形成される従来のカラーフィルタアレイとすることができる。例えば、カラーフィルタアレイ１４は特定のカラーセット（例えば、赤／緑／青又はシアン／マゼンタ／イエロー）の着色フォトレジスト層を連続的に堆積させることにより形成されるポリマーのカラーフィルタアレイとすることができる。マスキング又はエッチングプロセスを用いて、選択された画素位置にそれぞれのカラーフィルタを形成できる。一般的に、画素カラーフィルタは、１つ以上の染料を含む単一のポリマー層、又は各々が１つ以上の染料を含む複数のポリマー層により形成され得る。図１に示したように、結果として生じるカラーフィルタアレイ１４は別個の、各フィルタ色（例えば、図示された実施形態において赤色、緑色及び青色）について空間的に分離されたフィルタ領域８４、８６、８８を含み、各領域８４、８６、８８は、イメージセンサシステム１０の異なるカラー画素に対応する。このような構成により、異なる波長の光を別個にサンプリングすることができ、そのため色の分離したイメージを形成できる。
【００２３】
上述したように、ＢＡＲＣ層１６はカラーフィルタアレイ１４の形成中に能動イメージセンシング素子構造１２の露出領域を保護し、これにより能動イメージセンシング素子構造１２の本質的な透過特性が維持される。例えば、ＢＡＲＣ層１６は、能動イメージセンシング素子構造１２の損傷を受けやすい領域を、カラーフィルタアレイ１４のパターニングにおいて用いる現像液にさらすことにより生じる可能性のある劣化から守っている。底部反射防止皮膜は更に、能動イメージセンサ画素構造１２の露出面にある金属構造（例えば、ボンディングパッド４２）及び画素のエッジの劣化も低減する。例えば、ＢＡＲＣ層１６は、このような金属構造及び画素のエッジにおいてカラーフィルタレジスト材料及びカラーフィルタ現像液に繰り返しさらされる結果として生じる可能性のある浮きかす及び化学反応を低減する。
【００２４】
次に、ＢＡＲＣ層１６の露出部分が除去される（図２のステップ９０）。ＢＡＲＣ層１６は、従来のプラズマエッチングシステム（例えば、LAM Research Corporation（Fremont，California）から市販されているＬＡＭ５９０プラズマエッチングシステム）で除去され得る。一実施形態において、低出力バッファード灰化法（例えば、Ｈｅ／Ｏ２灰化）を用いてＢＡＲＣ層１６を除去できる。プラズマエッチング処理は、ＢＡＲＣ層１６をカラーフィルタアレイ１４よりも大幅に速いエッチング速度で除去することが好ましい。ＢＡＲＣ層１６の一部を除去する処理により、カラーフィルタアレイ１４の形成中に汚されたカラーフィルタアレイ１４部分も除去される（又は清浄化される）ことによって、カラーフィルタアレイ１４の光透過特性も改善されることが明らかになっている。例えば、ＲＧＢカラーフィルタアレイの形成中に、形成される第一の色（例えば、赤色）のフィルタアレイが、残りの色（例えば、青色及び緑色）のフィルタアレイの形成に用いられる後続のカラーレジスト処理ステップにより汚される可能性がある。更に、形成される第二の色（例えば、青色）のフィルタアレイも、残りの色（例えば緑色）のフィルタアレイの形成に用いられる後続のカラーレジスト処理ステップにより汚される可能性がある。このような汚れは、汚れたカラーフィルタアレイを介した光の透過を低下させる。しかしながら、ＢＡＲＣ層１６の一部を除去するプロセスにより、汚れたカラーフィルタアレイの表面が清浄化され、これによりそれらの光透過特性が改善される。
【００２５】
パッシベーション層１８及びマイクロレンズアレイ２０を含む更なる構造は、ＢＡＲＣ層１６の露出部分を除去した後に形成され得る（図２のステップ９２）。これらの追加構造は、従来のデバイス製造プロセスに従って形成され得る。
【００２６】
他の実施形態も特許請求の範囲内にある。
【００２７】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．イメージセンサ（10）の製造方法であって、
能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面上に底部反射防止皮膜（16）を形成するステップと、
前記底部反射防止皮膜（16）上にカラーフィルタアレイ（14）を形成するステップと、及び
前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分を実質的に除去するステップとからなる、イメージセンサ（10）の製造方法。
２．イメージセンサシステム(10)であって、
能動イメージセンシング素子構造（12）と、
カラーフィルタアレイ（14）と、及び
前記カラーフィルタアレイ（14）と前記能動イメージセンシング素子構造（12）の表面との間に堆積された底部反射防止皮膜（16）とを含む、イメージセンサシステム（10）。
３．前記底部反射防止皮膜（16）が、染色有機フィルム形成材料からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
４．前記底部反射防止皮膜（16）が、光吸収ポリマーフィルム形成材料からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
５．前記底部反射防止皮膜（16）が、前記カラーフィルタアレイ（14）の１つ以上の色の光透過特性を改善するように選択された厚さを有する、上記１又は２に記載の発明内容。
６．前記底部反射防止皮膜（16）が、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲の放射に対し、実質的に透過性である、上記１又は２に記載の発明内容。
７．前記カラーフィルタアレイ（14）が、複数の着色されたフォトレジスト構造からなる、上記１又は２に記載の発明内容。
８．前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分が、プラズマエッチング処理により実質的に除去される、上記１又は２に記載の発明内容。
９．前記底部反射防止皮膜（16）の露出部分が実質的に除去される前に、前記底部反射防止皮膜（16）が前記能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面上に実質的に連続的な層を形成している、上記１又は２に記載の発明内容。
１０．前記底部反射防止皮膜（16）が、前記カラーフィルタアレイ（14）の形成中に、前記能動イメージセンシング素子構造（12）の露出面における金属構造上の保護バリアになる、上記１又は２に記載の発明内容。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、新規なイメージセンサシステム及びそのようなシステムを製造する方法が提供される。そのイメージセンサシステムは底部反射防止膜を備え、この底部反射防止膜はカラーフィルタアレイの形成中に能動イメージセンシング素子構造の露出領域を保護する保護層となるため、能動イメージセンシング素子構造の本質的な透過特性が維持されることが可能になる。更に、底部反射防止皮膜はカラーフィルタアレイに対して均一な接着面を提供するため、カラーフィルタアレイのレジスト構造の浮きを実質的に排除することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カラーフィルタアレイと能動イメージセンシング素子構造の上面との間に堆積された底部反射防止皮膜を含むイメージセンサシステムの一部分を描いたブロック図である。
【図２】図１のイメージセンサシステムを製造するプロセスの流れ図である。
【図３】能動イメージセンシング素子構造の形成後、図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【図４】図３の能動イメージセンシング素子構造の露出面上に底部反射防止皮膜が形成された後に図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【図５】図４の底部反射防止皮膜上にカラーフィルタが形成され、底部反射防止皮膜の露出部分が除去された後、図２のプロセスに従って形成されているイメージセンサシステムの側断面図である。
【符号の説明】
10 イメージセンサシステム
12 能動イメージセンシング素子構造
14 カラーフィルタアレイ
16 底部反射防止皮膜
Claims (9)
- 能動イメージセンシング素子構造の露出面上に底部反射防止皮膜を形成し、前記露出面に金属構造を含み、
前記底部反射防止皮膜の一部の上にカラーフィルタアレイを形成し、前記底部反射防止皮膜が、前記カラーフィルタアレイの形成中に前記金属構造上に保護バリアを形成し、及び
前記カラーフィルタアレイにより覆われていない領域における前記底部反射防止皮膜の露出部分を実質的に除去すると同時に、前記カラーフィルタアレイの一部を除去し、前記カラーフィルタアレイの透過特性を改善することを含む、イメージセンサの製造方法。 - 前記底部反射防止皮膜が、染色有機フィルム形成材料からなる、請求項１に記載の製造方法。
- 前記底部反射防止皮膜が、光吸収ポリマーフィルム形成材料からなる、請求項１に記載の製造方法。
- 前記底部反射防止皮膜が、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の放射に対し、実質的に透過性である、請求項１に記載の製造方法。
- 前記カラーフィルタアレイが、複数の着色されたフォトレジスト構造からなる、請求項１に記載の製造方法。
- 前記底部反射防止皮膜が、前記カラーフィルタアレイよりも実質的に速いプラズマエッチング速度を有する、請求項１に記載の製造方法。
- 前記能動イメージセンシング素子構造が、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサからなる、請求項１に記載の製造方法。
- 前記底部反射防止皮膜が６０ｎｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の製造方法。
- 前記底部反射防止皮膜が、カラーフィルタアレイ材料の直ぐ下の領域のみに存在する、請求項１に記載の製造方法。
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