JP4939206B2 - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造技術に関し、特に、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ及びその製造方法に関する。
近来、デジタルカメラは、インターネットを用いた映像通信の発展に伴い、その需要が急増する傾向にある。さらに、カメラが装着されたＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ＩＭＴ−２０００（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ−２０００）、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）端末機などのような移動通信端末機が普及するにつれ、小型カメラモジュールの需要が増加している。
カメラモジュールとしては、基本的な構成要素となるＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを用いたイメージセンサモジュールが広く使用されている。イメージセンサは、カラーイメージを実現するために、外部から光を受けて光電荷を生成及び蓄積する光感知部上にカラーフィルタが整列している。このようなカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）は、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）及びブルー（Ｂ）、又はイエロー、マゼンタ及びシアンの３色からなる。通常、ＣＭＯＳイメージセンサのカラーフィルタアレイには、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）及びブルー（Ｂ）の３色が多く使われる。
一般的に、このようなイメージセンサは、光を感知する光感知部と、光感知部によって感知された光を電気的信号として処理してデータ化する論理回路部とで構成されており、光感度を高めるため、イメージセンサ全体に占める光感知部の面積比率（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）を向上させようとする努力が続いている。しかし、根本的に論理回路部を除去することができないことから面積が制限されるため、このような努力には限界があった。そこで、光感度を高めるため、光感知部以外の領域に入射する光の経路を変えることにより光感知部に集光する集光技術が導入された。この集光技術を実現するために、イメージセンサのカラーフィルタ上にマイクロレンズを形成する方法が用いられている。
図１は、カラーフィルタとマイクロレンズとを備える従来のイメージセンサを示す断面図である。
同図を参照すると、イメージセンサは、基板ＳＵＢ内に形成されて入射する光ｈｖを受光する複数のフォトダイオードＰＤと、それぞれのフォトダイオードＰＤに１対１で対応するようにフォトダイオードＰＤ上にそれぞれ形成された複数のカラーフィルタＣＦと、カラーフィルタＣＦにより生じた段差を除去するため、カラーフィルタ上に形成された平坦化膜ＯＣＬ（Ｏｖｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）と、それぞれのカラーフィルタＣＦ上にドーム状に形成された複数のマイクロレンズＭＬと、マイクロレンズＭＬを覆うように形成された低温酸化膜ＬＴＯ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）とからなる。
マイクロレンズＭＬは、前述のように、フォトダイオードＰＤに光を集め、イメージセンサの感度を増加させるため、カラーフィルタＣＦ上に形成される。このようなマイクロレンズＭＬは、イメージセンサの感度を決定する重要な要素として作用するが、通常、そのサイズが大きいほど、感度はその分増加するものと報告されている。
しかし、従来技術に係るイメージセンサでは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、画素の中心部Ａと側部Ｂとの間で感度差が大きくなっている。実際、１．３メガの画素アレイでは、グリーン画素の場合、中心部Ａの感度が１２００ｍＶ／ｌｕｘ−ｓｅｃ程度であるのに対し、側部Ｂの感度は７５０ｍＶ／ｌｕｘ−ｓｅｃ程度と大差を見せている。これは、画素アレイの中央部Ａと側部Ｂとに入射する光の入射角が互いに異なるにもかかわらず、中央部Ａと側部Ｂとが同一層に形成されているためである。これにより、図２Ｂに示すように、実際のイメージは、中央部Ａよりも側部Ｂの方が暗く見える。
そこで、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、画素アレイの側部における感度を増大させることができるイメージセンサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、入射光を集光するために用いられるマイクロレンズの形成工程に起因する製造工程上の複雑性を解決することができるイメージセンサを提供することにある。
さらに、本発明のさらなる目的は、前記イメージセンサの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための一観点による本発明は、カラーフィルタと、該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、該平坦化膜上に互いに異なる屈折率を有する少なくとも２層以上積層された媒質層とを備えるイメージセンサを提供する。
また、上記の目的を達成するための他の観点による本発明は、第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれ形成されたカラーフィルタと、該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、空気層よりも高い屈折率を有し、前記第２領域の前記マイクロレンズを覆うように形成された媒質層と、該媒質層を含む全体構造の上を覆うように形成されたキャップ層とを備えるイメージセンサを提供する。
さらに、上記の目的を達成するためのさらなる観点による本発明は、第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれ形成されたカラーフィルタと、該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、空気層よりも高い屈折率を有し、前記第２領域の前記マイクロレンズを覆うように形成された第１媒質層と、該第１媒質層よりも低い屈折率を有し、前記第１媒質層を含む全体構造の上を覆うように形成された第２媒質層と、該第２媒質層上に形成されたキャップ層とを備えるイメージセンサを提供する。
なお、上記の目的を達成するためのさらなる観点による本発明は、カラーフィルタと、該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタ上に互いに異なる屈折率を有する少なくとも２層以上積層された媒質層とを備えるイメージセンサを提供する。
さらに、上記の目的を達成するためのさらなる観点による本発明は、第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれカラーフィルタが形成された基板を提供するステップと、該カラーフィルタ上に平坦化膜を形成するステップと、前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上にマイクロレンズを形成するステップと、空気層よりも高い屈折率を有し、前記マイクロレンズを覆うように第１媒質層を形成するステップと、前記第２領域にのみ前記第１媒質層が残留するように前記第１領域に形成された前記第１媒質層を除去するステップと、該第１媒質層よりも低い屈折率を有し、前記第１媒質層を含む全体構造の上を覆うように第２媒質層を形成するステップと、該第２媒質層上にキャップ層を形成するステップとを含むイメージセンサの製造方法を提供する。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。また、図面において、層及び領域の厚さは、明確性を期するために誇張されているものであり、層が他の層又は基板上にあると言及された場合、それは、他の層又は基板上に直接形成されるか、又はその間に第３の層が介在し得るものである。なお、明細書全体において、同じ図面符号（参照番号）で表示された部分は、同じ構成要素を表す。
本発明は、スネルの法則（Ｓｎｅｌｌ’ｓ ｌａｗ）に基づき、光屈折の原理を用いて画素アレイの側部における感度を増大させる。以下、図３を参照してスネルの法則について説明する。
同図に示すように、スネルの法則によると、入射光線、屈折光線及び２つの媒質の間に直交する法線は、いずれも同一の平面内に存在する。また、入射角θｉと屈折角θｒのサインの比は一定であり、この値は、各媒質における光速度の比、屈折率の比の逆数と一致する。これを下記の数式１で表す。
Figure 0004939206
ここで、ｎ２＞ｎ１であれば、θｉ＞θｒになる。
すなわち、光が透過するとき、より屈折率の高い媒質に移動すると、入射角に対して屈折角が減少する。
＜実施例１＞
図４は、本発明の実施例１に係るイメージセンサを説明するための断面図である。
同図を参照すると、本発明の実施例１に係るイメージセンサは、マイクロレンズの代わりに、互いに異なる屈折率を有する媒質が少なくとも２層以上積層された媒質層１０を形成する。ここでは、説明の便宜上、媒質が３層以上積層された媒質層１０を例示している。
具体的に、基板ＳＵＢ内に形成されて入射する光を受光する複数のフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を転送するため、基板ＳＵＢ上に形成された複数のトランジスタ（図示せず）と、トランジスタを覆うように形成された複数の層間絶縁膜（図示せず）と、該層間絶縁膜の間に介在する金属配線と、該金属配線により生じた段差を除去するために形成された平坦化膜ＯＣＬ１と、それぞれのフォトダイオードＰＤに１対１で対応するように平坦化膜ＯＣＬ１上に形成されたカラーフィルタＣＦと、カラーフィルタＣＦにより生じた段差を除去するため、カラーフィルタＣＦの上下にそれぞれ形成された平坦化膜ＯＣＬ２と、該平坦化膜ＯＣＬ２上に形成された媒質層１０とを備える。
媒質層１０は、同図に示すように、互いに異なる屈折率を有する媒質を３層に形成するか、又は３層以上の媒質を積層して形成することができるが、３層以下（２層）でも可能である。そして、媒質層１０を構成する媒質は、平坦化膜ＯＣＬ２が形成された方向、すなわち、フォトダイオードＰＤ方向に屈折率の大きい媒質を順に形成することが好ましい。すなわち、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３の順に配置する。また、媒質層１０を構成する媒質のうち最上層の媒質ｎ１、すなわち、空気と接する媒質は、空気よりも大きい屈折率を有する媒質を使用する。例えば、空気の屈折率は１であるため、１より大きい屈折率を有する媒質を使用する。
媒質層１０を構成する媒質のうち最上層の媒質ｎ１は、チップのキャップとして機能し、屈折率ｎが空気（ｎ＝１．００２９）よりも大きい媒質を有する物質を使用する。例えば、屈折率が１．４〜１．４５の範囲のシリコン酸化物質を使用する。中間層ｎ２は、チップ全体の厚さを考慮して省略することもできるが、この場合、全媒質層１０は、２層からなる。このとき、中間層ｎ２の屈折率は、最上層ｎ１より大きく、且つ、最下層ｎ３より小さくなければならない。例えば、中間層ｎ２としては、屈折率１．５のＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＵＳＧ（Ｕｎ−ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜で形成される。最下層ｎ３は、屈折率が最も大きく、且つ、光の反射角を最低限に抑制可能な媒質で形成されることが好ましい。
以下、図５を参照して本発明の実施例１に係るイメージセンサの作用効果を説明する。
同図に示すように、スネルの法則によると、各媒質による入射角は、側部Ｂ、すなわち、エッジ部分ではθ１＞θ２＞θ３＞θ４になり、中央部Ａではθ１＝θ２＝θ３＝θ４＝０゜になり、画素アレイの側部Ｂにおける感度を改善させることができるという効果が得られる。
以上で説明した本発明の実施例１に係るイメージセンサは、マイクロレンズを使用せず、互いに異なる屈折率を有する媒質を積層して媒質層を実現することにより、比較的に工程制御が困難なマイクロレンズの形成工程を省略し、工程を単純化させることができる。
＜実施例２＞
図６及び図７は、本発明の実施例２に係るイメージセンサを説明するための断面図である。
図６及び図７を参照すると、本発明の実施例２に係るイメージセンサは、マイクロレンズＭＬ上に互いに異なる屈折率を有する媒質が少なくとも１層以上積層された媒質層を形成する。
具体的に、図６に示すように、フォトダイオードに１対１で対応するように平坦化膜上に形成されたカラーフィルタＣＦと、カラーフィルタＣＦにより生じた段差を除去するため、カラーフィルタＣＦの上下にそれぞれ形成された平坦化膜ＯＣＬと、カラーフィルタＣＦに１対１で対応するように平坦化膜ＯＣＬ上に形成されたマイクロレンズＭＬと、画素アレイの側部ＢのマイクロレンズＭＬを覆うように形成された媒質層２０と、媒質層２０を含む全体構造の上を覆うようにキャップ層で形成された低温酸化膜ＬＴＯとを備える。ここで、媒質層２０は、屈折率が少なくとも１．４以上の媒質を有する物質で形成することが好ましく、例えば、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、又はＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏａｔｉｏｎ）を用いて形成された素子分離膜として用いられる酸化物系の物質、例えば、ＨＤＰ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ）膜、ＣＤＯ（Ｃａｒｂｏｎ Ｄｏｐｅｄ Ｏｘｉｄｅ）膜のいずれか１つの膜で形成する。
一方、図７は、図６に示す単一層の媒質層２０の代わりに、媒質層３０を積層構造として形成する。すなわち、同図に示すように、画素アレイの側部Ｂは、媒質層３０が互いに異なる屈折率を有する媒質が積層された構造で形成され、中央部Ａは、単一の媒質層として形成される。このとき、上層に形成された媒質の屈折率は、下層に形成された媒質の屈折率よりも低く形成されることが好ましい。このとき、上層に形成された媒質ｎ１は、その屈折率が１．４〜１．４５の範囲の物質を使用し、下層に形成された媒質ｎ２は、その屈折率が１．５程度の物質を使用する。
一方、図８は、図６に示すように、マイクロレンズＭＬと低温酸化膜ＬＴＯとの間に媒質層２０が介在する状態を示すＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、図９は、図８の構造において感度及び色感が改善されたことを示している。
以下、図１０Ａないし図１０Ｃを参照して、図６に示すイメージセンサの製造方法を説明する。
まず、図１０Ａに示すように、カラーフィルタＣＦが形成された基板上に平坦化膜ＯＣＬを形成する。その後、カラーフィルタＣＦに１対１で対応するように平坦化膜ＯＣＬ上にマイクロレンズＭＬを形成する。その後、マイクロレンズＭＬを覆うように媒質層２０を蒸着又は塗布する。
次いで、図１０Ｂに示すように、フォトリソグラフィーを行い、画素アレイの中央部Ａが開放される感光膜パターンＰＲを形成した後、ウェットエッチングを行い、露出する媒質層２０を除去する。これにより、媒質層２０は、中央部Ａでは除去され、側部Ｂにのみ残留する。その後、ストリップを行い、感光膜パターンＰＲを除去する。
次いで、図１０Ｃに示すように、媒質層２０を含む全体構造の上を覆うように低温酸化膜ＬＴＯを形成する。一方、低温酸化膜ＬＴＯを形成する前に、媒質層２０を含む全体構造の上に媒質層２０よりも屈折率の小さい媒質をさらに形成することもできる。
＜実施例３＞
図１１は、本発明の実施例３に係るイメージセンサを説明するための断面図である。
同図は、図７に示す媒質層３０の代わりに、低温酸化膜ＬＴＯ１、ＬＴＯ２を積層して媒質層を形成することもできる。このとき、低温酸化膜ＬＴＯ１、ＬＴＯ２は、互いに異なる屈折率を有するように形成するが、その下の低温酸化膜ＬＴＯ１がより高い屈折率を有するようになる。
以下、図１２Ａ及び１２Ｂを参照して、図１１に示す構造を有する媒質層の屈折率による光屈折の原理を説明する。
通常、画素アレイの側部Ｂは、中央部Ａよりも入射角の大きい光が入射するが、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、側部Ｂに入射する入射角を減少させることにより、画素アレイの側部Ｂにおける感度を改善させることができる。すなわち、図１２Ａ及び１２Ｂにおいて、θｉ＞θｒ（θｉ´）＞θｒ´を満たすことにより、画素アレイの側部Ｂに入射する入射角が減少する。
本発明によると、次の効果が得ることができる。
第一に、側部に屈折率を有する物質を形成して側部に入射する光の入射角を減少させることにより、画素アレイの側部における感度を増大させることができる。
第二に、マイクロレンズの代わりに、互いに異なる屈折率を有する媒質を積層して使用することにより、入射光を集光するために用いられるマイクロレンズの形成工程に起因する製造工程上の複雑性を解決することができる。
従来のＣＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。 従来技術に係るＣＭＯＳイメージセンサの問題を説明するための図である。 従来技術に係るＣＭＯＳイメージセンサの問題を説明するための図である。 スネルの法則を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るイメージセンサを説明するための断面図である。 図４に示す構造を有するイメージセンサの光屈折の原理を説明するための図である。 本発明の実施例２に係るイメージセンサを説明するための断面図である。 本発明の実施例２に係るイメージセンサを説明するための断面図である。 図６に示すイメージセンサのＳＥＭ写真である。 図８に示す構造を有するイメージセンサの特性を説明するための図である。 図６に示すイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。 図６に示すイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。 図６に示すイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施例３に係るイメージセンサを説明するための断面図である。 図１１に示すイメージセンサの光屈折の原理を説明するための図である。 図１１に示すイメージセンサの光屈折の原理を説明するための図である。
符号の説明
１０、２０、３０ 媒質層
ＳＵＢ 基板
ＣＦ カラーフィルタ
ＯＣＬ１、ＯＣＬ２ 平坦化膜
ＰＤ フォトダイオード

Claims (20)

  1. カラーフィルタと、
    該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、
    該平坦化膜上に互いに異なる屈折率を有する少なくとも２層以上積層された媒質層と、
    を備え、
    前記媒質層は、前記カラーフィルタに近づくほど高い屈折率を有することを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記媒質層の最上層が、空気層よりも高い屈折率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。
  3. 前記最上層が、１．４〜１．４５の範囲の屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記最上層が、シリコン酸化物系の物質で形成されることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 前記媒質層の最下層が、１．５よりも大きい屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  6. 前記最上層と前記最下層との間に介在する中間層が、最下層より小さく、且つ、最上層より大きい屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
  7. 前記中間層が、ＢＰＳＧ膜又はＵＳＧ膜で形成されることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれ形成されたカラーフィルタと、
    該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、
    前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、
    空気層よりも高い屈折率を有し、前記第２領域の前記マイクロレンズを覆うように形成された媒質層と、
    該媒質層を含む全体構造の上を覆うように形成されたキャップ層と、
    を備えることを特徴とするイメージセンサ。
  9. 前記媒質層が、少なくとも１．４以上の屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 前記媒質層が、ＳＯＧ膜、ＦＳＧ膜、ＨＤＰ膜、およびＣＤＯ膜の中から選択されたいずれか１つの膜で形成されることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記キャップ層が、ＬＴＯ膜で形成され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. 第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれ形成されたカラーフィルタと、
    該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、
    前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、
    空気層よりも高い屈折率を有し、前記第２領域の前記マイクロレンズを覆うように形成された第１媒質層と、
    該第１媒質層よりも低い屈折率を有し、前記第１媒質層を含む全体構造の上を覆うように形成された第２媒質層と、
    該第２媒質層上に形成されたキャップ層と、
    を備えることを特徴とするイメージセンサ。
  13. 前記第１媒質層が、少なくとも１．４以上の屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。
  14. 前記キャップ層が、ＬＴＯ膜で形成されることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
  15. カラーフィルタと、
    該カラーフィルタ上に形成された平坦化膜と、
    前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと、
    前記カラーフィルタ上に互いに異なる屈折率を有する少なくとも２層以上積層された媒質層と、
    を備え、
    前記媒質層は、前記カラーフィルタに近づくほど高い屈折率を有することを特徴とするイメージセンサ。
  16. 前記媒質層の最上層が、空気層よりも高い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。
  17. 前記最上層が、シリコン酸化物系の物質で形成されることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ。
  18. 第１領域と、該第１領域よりも入射角の大きい光が入射する第２領域にそれぞれカラーフィルタが形成された基板を提供するステップと、
    該カラーフィルタ上に平坦化膜を形成するステップと、
    前記カラーフィルタにそれぞれ対応するように前記平坦化膜上にマイクロレンズを形成するステップと、
    空気層よりも高い屈折率を有し、前記マイクロレンズを覆うように第１媒質層を形成するステップと、
    前記第２領域にのみ前記第１媒質層が残留するように前記第１領域に形成された前記第１媒質層を除去するステップと、
    該第１媒質層よりも低い屈折率を有し、前記第１媒質層を含む全体構造の上を覆うように第２媒質層を形成するステップと、
    該第２媒質層上にキャップ層を形成するステップと、
    を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  19. 前記第１媒質層が、少なくとも１．４以上の屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項１８に記載のイメージセンサの製造方法。
  20. 前記第１媒質層が、シリコン酸化膜、ＢＰＳＧ膜、ＵＳＧ膜の中から選択されたいずれか１つの膜で形成されることを特徴とする請求項１９に記載のイメージセンサの製造方法。
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