JP4448087B2 - Cmosイメージセンサーとその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はCMOSイメージセンサーとその製造方法に関し、特に半導体基板上に内部のマイクロレンズを設置して光の集積効果を改善したCMOSイメージセンサーとその製造方法に関する。
一般的にイメージセンサーは、光学映像を電気信号に変換させる半導体素子であり、このようなイメージセンサーとしては、個別MOSキャパシターが互いに非常に近接した位置に配置され、電荷キャリアがキャパシタに保存され移送される電荷結合素子(CCD)イメージセンサーと、制御回路と信号処理回路を周辺回路に用いたCMOS技術を用いて画素数だけMOSトランジスタを作り、これを用いて順次出力を検出するスイッチング方式を採用したCMOSイメージセンサーがある。
かかるCMOSイメージセンサーは、フォトダイオードを含む信号処理チップで構成されており、一つのチップに増幅器、アナログ/デジタル変換機、内部電圧発生器、タイミングゼネレーター、デジタルロジックなどを結合することができ、集積度や電力と費用節減の面でも大きな長所を有している。
また、電荷結合素子(CCD)は専門工程を通じて製造されるが、CMOSイメージセンサーは、二重結合素子より安価のシリコンウェハーのエッチング工程で大量生産が可能であるという長所もある。この結果、CMOSイメージセンサーはデジタルカメラ、スマートフォン、PDA、ノートパソコン、セキュリティカメラ、バーコード探知機、玩具用品などにその応用分野が広がっている。
しかし、CMOSイメージセンサーは、高集積化に伴って小型化され、ピクセルのサイズも小さくなり、チップ内でピクセル領域の占める比率を表すフィルファクターも一般的に30〜40%にしかならないため、光感度の極大化ができなかった。
したがって、このような光感度を向上させるための方案として、フィルファクターを増加させることが提案されているが、これは信号処理のためのロジック回路部分によって面積が制限されるという限界があるため、光感知素子以外の領域に入射する光の経路を変更して、光感知素子の部分に集光することで、最大限の光を吸収できるように、感光膜で形成されたマイクロレンズを形成することにより、入射する光の量を極大化する方法が主に用いられていた。
上述したマイクロレンズが備えられた従来のCMOSイメージセンサーの製造方法を図1に基づいて説明する。
図示したように、半導体基板10上に複数のエピタキシャル層(図示せず)を形成させ、エピタキシャル層上に複数の光感知素子18を形成する。即ち、半導体基板10上に第1エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第1エピタキシャル層に赤色光感知素子(図示せず)を形成した後、赤色光感知素子を含む第1エピタキシャル層上に第2エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第2エピタキシャル層に緑色光感知素子(図示せず)を形成する。
そして、緑色光感知素子を含む第2エピタキシャル層上に第3エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第3エピタキシャル層に青色光感知素子(図示せず)とフィールドの間の絶縁のためのトレンチとを形成し、トレンチに絶縁物質を充填させ、トレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)11を形成する。
第3エピタキシャル層上に層間絶縁膜13を積層し、層間絶縁膜13上に第1金属層を形成しパターニングして、金属配線14を形成する。この層間絶縁膜13と金属配線14の形成工程を数回繰り返して、必要な金属配線14を積層する。最終的に積層された層間絶縁膜14上にカラーフィルター層15を形成し、カラーフィルター層15上に水分や物理的な衝撃から素子を保護するための素子保護絶縁膜16を形成した後、素子保護絶縁膜16上にマイクロレンズ17を形成する。
上述したような従来技術によってCMOSイメージセンサーを製造する場合、最上層上に形成されるマイクロレンズ17は半導体基板10から最上層に至る焦点距離に影響を受けるため、焦点距離が長くなるマイクロレンズ17の側面で屈折された光は光感知素子に入らず、隣接したピクセルに入ることで隣接ピクセル間の光干渉を起こすという問題点がある。
本発明はかかる従来技術のCMOSイメージセンサーの製造方法に関する問題点を解決するためのもので、光感知素子とマイクロレンズとの間に内部マイクロレンズを設置して、光の集積効果を改善したCMOSイメージセンサーとその製造方法を提供することをその目的とする
上記目的を達成するための本発明に係るCMOSイメージセンサーの一実施態様において、CMOSイメージセンサーは、半導体基板に形成された複数の光感知素子と、複数の光感知素子上に形成された複数の内部のマイクロレンズと、内部のマイクロレンズ上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜内に形成された複数の金属配線と、層間絶縁膜上に形成された素子保護膜と、素子保護膜上に形成された複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とする。
内部のマイクロレンズは光感知素子と対応するように半導体基板内に形成される。
また、半導体基板はエッチング液を用いてエッチングする場合、結晶の方向によってエッチングの程度が変わり、逆三角形状のプロファイルを有するようになるシリコンで形成されるが、好ましくは半導体基板はその結晶の構造が(1,0,0)であるシリコンで形成される。
なお、本発明に係るCMOSイメージセンサーの他の実施態様において、CMOSイメージセンサーは、半導体基板に形成された複数の光感知素子と、複数の光感知素子上に形成された第1層間絶縁膜と、第1層間絶縁膜内に形成された第1金属配線と、第1層間絶縁膜上に形成された複数の内部のマイクロレンズと、複数の内部のマイクロレンズ上に形成された第2層間絶縁膜と、第2層間絶縁膜内に形成された第2金属配線と、第2層間絶縁膜上に形成された素子保護膜と、素子保護膜上に形成された複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とする。
CMOSイメージセンサーは第1層間絶縁膜上に接合されたシリコン膜をさらに含み、内部のマイクロレンズは光感知素子に対応するようにシリコン膜内に形成される。
また、シリコン膜はエッチング液を用いてエッチングする場合、結晶の方向によってエッチングの程度が変わり、逆三角形状のプロファイルを有するようになるシリコンで形成されるが、好ましくは半導体基板はその結晶の構造が(1,0,0)であるシリコンで形成される。
上記目的を達成するための本発明に係るCMOSイメージセンサーの製造方法の一実施態様におけるCMOSイメージセンサーの製造方法は、半導体基板に複数の光感知素子を形成する段階と、複数の光感知素子上に複数の内部のマイクロレンズを形成する段階と、内部のマイクロレンズ上に層間絶縁膜と金属配線とを交互に形成し、最終的に金属配線上に層間絶縁膜を形成する段階と、層間絶縁膜上に素子保護膜を形成する段階と、素子保護膜上に複数のマイクロレンズを形成する段階とを備えることを特徴とする。
内部のマイクロレンズの形成段階は、半導体基板上に光感知素子と対応する領域を開口した感光膜のパターンを形成する段階と、感光膜のパターンをマスクにして半導体基板をウェットエッチングして、凹領域を形成する段階と、凹領域を含む半導体基板上に窒化膜を形成する段階とを更に備える。
また、凹領域の形成段階は、半導体基板をウェットエッチングして、逆三角形状のプロファイルを生成する段階と、逆三角形状のプロファイルをCDE(ケミカルドライエッチング)工程を用いてラウンディング処理することで、凹領域を形成する段階とを更に備える。
なお、本発明に係るCMOSイメージセンサーの製造方法の他の実施態様におけるCMOSイメージセンサーの製造方法は、半導体基板に複数の光感知素子を形成する段階と、複数の光感知素子上に第1層間絶縁膜と第1金属配線とを交互に形成し、最終的に第1金属配線上に第1層間絶縁膜を形成する段階と、第1層間絶縁膜上に複数の内部マイクロレンズを形成する段階と、複数の内部のマイクロレンズ上に第2層間絶縁膜と第2金属配線とを交互に形成し、最終的に第2金属配線上に第2層間絶縁膜を形成する段階と、第2層間絶縁膜上に素子保護膜を形成する段階と、素子保護膜上に複数のマイクロレンズを形成する段階とを備えることを特徴とする。
内部のマイクロレンズを形成する段階は、第1層間絶縁膜上に上層と下層とが酸化膜で被覆されたシリコン膜を接合させる段階と、シリコン膜上に光感知素子と対応する領域を開口した光感膜パターンを形成する段階と、感光膜パターンをマスクにしてシリコン膜をウェットエッチングすることで、凹領域を形成する段階と、凹領域を含むシリコン膜上に窒化膜を形成する段階とを更に備える。
また、凹領域の形成段階は、シリコン膜をウェットエッチングして、逆三角形状のプロファイルを生成する段階と、シリコン膜の上層酸化膜を除去する段階と、逆三角形状のプロファイルをCDE工程を用いてラウンディング処理することで、凹領域を形成する段階とを更に備える。
本発明によれば、回路が高集積化されて現れる焦点距離の増加による依存度を減少させる効果がある。即ち、最上層上に形成されたマイクロレンズの以外に内部にマイクロレンズを設けたので、その内部にマイクロレンズによって光が光感知素子に入射される過程で薄膜干渉や回折により損失される量を補完することができ、センシング能力を向上させ、イメージの品質を向上させることができるという効果がある。
また、内部のマイクロレンズを層間絶縁膜上に接合されたシリコン膜をエッチングして形成することで、焦点距離を減少させることができ、光感知素子に入射する光の量をさらに増加させることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図2ないし図5は本発明の一実施例によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。図2に示したように、半導体基板30上に複数のエピタキシャル層(図示せず)が形成され、光感知素子領域32に複数の光感知素子が形成される。即ち、半導体基板30に第1エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第1エピタキシャル層に赤色光感知素子(図示せず)を形成した後、赤色光感知素子を含む半導体基板30上に第2エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第2エピタキシャル層に緑色光感知素子(図示せず)を形成する。
そして、緑色光感知素子を含む第2エピタキシャル層上に第3エピタキシャル層(図示せず)を成長させ、第3エピタキシャル層に青色光感知素子(図示せず)とフィールドの間の絶縁のためのトレンチを形成した後、絶縁物質を充填させたトレンチ分離(STI)33を形成する。
次に、STI 33を含む半導体基板30上に感光膜(図示せず)を塗布し、露光し現像して、光感知素子領域32と対応する部分を開口する感光膜パターン39を形成する。
図3に示したように、感光膜パターン39をマスクにして半導体基板30をエッチング液を用いてウェットエッチングするが、この際、半導体基板30は、エッチング液を用いてエッチングすると、結晶の方向によってエッチングの程度が変わり、逆三角形状のプロファイルを有する(1,0,0)方向のシリコンを用いることが好ましい。
ここで、逆三角形状のプロファイルの傾斜面は(111)方向を有するようになるが、これはエッチング液を用いて半導体基板をエッチングした実際のイメージが示されている図6を見ればわかるであろう。
次に、図4に示したように、感光膜パターン39を除去した後、STI 33のエッジ部分を丸くするラウンディング処理を行うケミカルドライエッチング(CDE)工程を用いて、エッチングされた半導体基板30のプロファイルを丸くし、半導体基板30上に屈折率の大きい窒化膜40を積層して、化学機械研磨(CMP)方法を用いることで、内部マイクロレンズ41を形成する。
図5を参照すると、内部のマイクロレンズ41の上に層間絶縁膜34を積層し、層間絶縁膜34上に金属層(図示せず)を形成し、パターニングして金属配線35を形成する。好ましい実施形態において層間絶縁膜34と第1金属配線35の形成工程を数回繰り返すことで、必要な層間絶縁膜34と第1金属配線35を形成するが、最終的に第1金属配線35の上に層間絶縁膜34が積層される。
このように最終的に積層された層間絶縁膜34上にカラーフィルター層44を形成し、カラーフィルター層44上に水分や物理的な衝撃から素子を保護するための素子保護絶縁膜45を積層して、素子保護絶縁膜45上にマイクロレンズ46を形成する。
一方、上記の実施形態が変形された実施形態においては、焦点の距離を短くして光感知素子に入射する光の量をさらに増加させるために、内部のマイクロレンズを半導体基板を直接エッチングして形成せず、酸化膜が被覆されたシリコン膜を層間絶縁膜上に接合した後、シリコン膜をエッチングすることで、内部のマイクロレンズを形成する。これを図7ないし図13を参照して具体的に説明する。
まず、図7を参照すると、図2の説明で詳述したように、半導体基板50上に複数のエピタキシャル層(図示せず)が形成され、光感知素子領域52に複数の光感知素子(Photo Diode)が形成されるが、エピタキシャル層と光感知素子の形成過程は図2の説明と同一なので、その詳細な説明は省略する。
このように形成されたエピタキシャル層上に第1層間絶縁膜54を積層し、第1層間絶縁膜54上に第1金属層(図示せず)を形成し、パターニングして第1金属配線55を形成する。好ましい実施形態において、第1層間絶縁膜54と第1金属配線55の形成工程を数回繰り返すことで、必要な第1層間絶縁膜54と第1金属配線55を形成するようになるが、最終的に第1金属配線55上に第1層間絶縁膜54が積層される。
次に、図8に示したように、熱酸化膜56が上層と下層に被覆されているシリコン膜57を第1層間絶縁膜54上に接着させた後、図9に示したように、熱酸化膜56上に感光膜(図示せず)を設け、露光し現像することで、光感知素子52の領域を開口する感光膜パターン59を形成する。このとき、基板とシリコン膜57とを接着させる技術は現在SOIウェハー(Silicon on Insulator Wafer)の製造時に用いられているものである。
次に、感光膜パターン59をマスクにしてシリコン膜57をエッチング液を用いてウェットエッチングし、感光膜パターン59を除去する。図10にこのような過程を経てエッチングされたシリコン膜57の拡大図が示されている。ここで用いられるシリコン膜57は、エッチング液を用いてエッチングする場合、結晶の方向によってエッチングの程度が変わり、逆三角形状のプロファイルを有する(1,0,0)方向のシリコン層を用いるのが好ましい。エッチングされた後、逆三角形状のプロファイルの傾斜面は(111)方向を有するようになる。
図11に示したように、上層の酸化膜56を除去し、STI 33のエッジを丸くするために用いられたCDE工程を用いて、シリコン膜57がレンズのような形態の丸いプロファイルを有するようにした後、図12に示したように、シリコン膜57上に屈折率の大きい窒化膜60を積層し、化学機械研磨(CMP)方法を用いて内部のマイクロレンズ61を形成する。
次に、図13に示したように、内部のマイクロレンズ61上に第2層間絶縁膜62を積層し、第2層間絶縁膜62上に第2金属層(図示せず)を形成した後、パターニングして第2金属配線63を形成する。好ましい実施形態において、第2層間絶縁膜62と第2金属配線63の形成工程を数回繰り返すことで、必要な第2層間絶縁膜62と第2金属配線63を形成する。その際、最終的に第2金属配線63上には第2層間絶縁膜62が積層される。
最後に、第2層間絶縁膜62上にカラーフィルター層64を形成し、カラーフィルター層64上に水分や物理的な衝撃から素子を保護するための素子保護絶縁膜65を形成し、素子保護絶縁膜65上にマイクロレンズ66を形成する。
図14はCMOSイメージセンサーのレイトレーシングのシミュレーション結果を示す図面であって、図14Aは従来技術によるCMOSイメージセンサーのレイトレーシングシミュレーション結果を示すもので、図14Bは本発明の実施形態によるCMOSイメージセンサーのレイトレーシングシミュレーション結果を示す図である。
図示したように、最上層にマイクロレンズのみが形成されている従来技術に係るCMOSイメージセンサーより、内部にマイクロレンズが更に形成されている本発明に係るCMOSイメージセンサーは光感知素子に集積される光の量において改善されるという効果がある。
従来技術のCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 エッチング液を用いて半導体基板をエッチングした実際のイメージを示す図面である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるCMOSイメージセンサーの製造方法を示す工程断面図である。 従来技術の実施形態によるCMOSイメージセンサーのレイトレーシングのシミュレーション結果を示す図面(A)と本発明の実施形態によるCMOSイメージセンサーのレイトレーシングシミュレーション結果を示す図面(B)である。
符号の説明
50 基板、55 第1金属配線、61 内部マイクロレンズ、66 マイクロレンズ

Claims (3)

  1. 半導体基板に形成された複数の光感知素子と、
    前記複数の光感知素子上に形成された第1層間絶縁膜と、
    前記第1層間絶縁膜内に形成された第1金属配線と、
    前記第1層間絶縁膜上に形成された複数の内部のマイクロレンズと、
    前記複数の内部のマイクロレンズ上に形成された第2層間絶縁膜と、
    前記第2層間絶縁膜内に形成された第2金属配線と、
    前記第2層間絶縁膜上に形成された素子保護膜と、
    前記素子保護膜上に形成された複数のマイクロレンズと
    を含むCMOSイメージセンサーにおいて、
    前記CMOSイメージセンサーは前記第1層間絶縁膜上に接合されたシリコン膜をさらに含み、前記内部のマイクロレンズは前記光感知素子に対応するように前記シリコン膜内に形成されることを特徴とするCMOSイメージセンサー。
  2. 半導体基板に複数の光感知素子を形成する段階と、
    前記複数の光感知素子上に第1層間絶縁膜と第1金属配線とを交互に形成して、最終的に前記第1金属配線上に前記第1層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記第1層間絶縁膜上に複数の内部マイクロレンズを形成する段階と、
    前記複数の内部のマイクロレンズ上に第2層間絶縁膜と第2金属配線とを交互に形成し、 最終的に前記第2金属配線上に前記第2層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記第2層間絶縁膜上に素子保護膜を形成する段階と、
    前記素子保護膜上に複数のマイクロレンズを形成する段階と
    を備え
    前記内部のマイクロレンズを形成する段階は、
    前記第1層間絶縁膜上に上層と下層とが酸化膜で被覆されたシリコン膜を接合させる段階と、
    前記シリコン膜上に前記光感知素子と対応する領域を開口した感光膜パターンを形成する段階と、
    前記感光膜パターンをマスクにして前記シリコン膜をウェットエッチングすることで凹領域を形成する段階と、
    前記凹領域を含む前記シリコン膜上に窒化膜を形成する段階と
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサーの製造方法。
  3. 前記凹領域を形成する段階は、
    前記シリコン膜をウェットエッチングして、逆三角形状のプロファイルを生成する段階と、
    前記シリコン膜の上層酸化膜を除去する段階と、
    前記逆三角形状のプロファイルをケミカルドライエッチング工程を用いてラウンディング処理することで、凹領域を形成する段階と
    を更に備えることを特徴とする請求項に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
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