JP5265098B2 - Lto保護膜の省略が可能なイメージセンサの製造方法 - Google Patents

Lto保護膜の省略が可能なイメージセンサの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、マイクロレンズの保護膜として用いられるLTO(Low Temperature Oxide)膜なしで、パッド及びマイクロレンズを形成できるイメージセンサの製造方法に関する。
CMOSイメージセンサは、現在、モバイルフォン、PC用カメラ及び電子機器などに幅広く用いられているデバイスである。CMOSイメージセンサは、従来、イメージセンサとして用いられていたCCD(Charge Coupled Device)に比べて、駆動方式が簡便化されており、かつ信号処理回路をワンチップ上に集積できることから、SOC(System On Chip)が可能なため、モジュールの小型化を可能にする。
また、従来のセットアップされたCMOS技術として互換性を持たせて使用できるため、製造単価を下げることができる等、多くの長所を持っている。
図1A〜図1Dは、従来の技術に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図であって、これを参照しつつ、従来のパッドの形成工程を説明する。
図1Aに示すように、フォトダイオード及びトランジスタなど、イメージセンサを構成するための様々な要素が形成された下部構造(図示せず)上に金属配線101を形成する。
前記金属配線101は、最終の金属配線であって、パッドと接続され、主にAlなどの金属を利用する。金属配線101の形成時に、その上にエッチング停止膜102も共にパターニングし、エッチング停止膜102は、パッドの接続のためのエッチング工程におけるエッチング停止のためのものであって、窒化膜を用いる。
金属配線101が形成されたプロファイルに沿って、保護膜となる酸化膜103及び窒化膜104を順に形成する。
保護膜として形成された下部の酸化膜103は、プラズマ化学気相蒸着(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;以下、「PECVD」と記す)法を利用したTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)膜(以下、「PE−TEOS」膜と記す)、USG(Un−doped Silicate Glass)膜、FSG(Fluorine doped Silicate Glass)膜などを含み、窒化膜104は、Si又はSiONなどを含む。
このように、保護膜は、酸化膜103及び窒化膜104が積層された構造、又は1つの膜構造を備えることができる。
窒化膜104上にパッドを形成するためのフォトレジストパターン105を形成し、フォトレジストパターン105は、パッドコンタクトが形成される金属配線101上の一部の領域をオープンさせる。
ここで、「A」領域は、パッドの形成領域を示し、「B」領域は、単位画素領域を示す。
図1Bに示すように、フォトレジストパターン105をエッチングマスクとして窒化膜104をエッチングし、パッドの形成領域106を画定する。この時、酸化膜103の一部又は全てをエッチングすることもできる。
プラズマを用いたアッシングを介して、フォトレジストパターン105を除去する。
次に、単位画素領域Bに第1のオーバーコート層107(Over Coating Layer;以下、「OCL1」と記す)と、カラーフィルタ108と第2のオーバーコート層109(以下、「OCL2」と記す)及びマイクロレンズ110を形成する。
OCL1107及びOCL2109は、それぞれカラーフィルタ108及びマイクロレンズ110を形成する際、下地の平坦度を高めるためのものである。
図1Cに示すように、マイクロレンズ110が形成された後、全面にわたってLTO膜111を形成する。
LTO膜111上に、パッドを形成するためのフォトレジストパターン112を形成する。
図1Dに示すように、フォトレジストパターン112をエッチングマスクとして、LTO膜111、酸化膜103及びエッチング停止膜102をエッチングすることにより、パッドコンタクトが形成される金属配線101が露出するようオープン部113を形成する。
プラズマを用いたアッシングを介して、フォトレジストパターン112を除去する。後続の工程では、オープン部113を介してパッドコンタクトの形成工程を行う。
イメージセンサ素子を具現するためには、外部からの光をフォトダイオードまで集束させる受光(集光)部の役割が極めて重要である。受光部は、カラーフィルタアレイ及びマイクロレンズなどから構成されていることから、これらの上には、物理的又は化学的に保護できる保護膜が必要となる。
通常のCMOSイメージセンサのカラーフィルタアレイ及びマイクロレンズを形成した後、湿気やパーティクル及び多少の熱的ストレスのような外部のアタックから、カラーフィルタアレイ及びマイクロレンズを保護するために、低温蒸着によるMLの変形を防止できるLTO膜111を用いている。
図2は、アタックが発生したマイクロレンズを示す写真である。
同図に示すように、上記の要因により、マイクロレンズに「X」のようなアタックが発生したことが分かる。
このようなマイクロレンズのアタックを防止するためには、LTO膜111の使用が必須である。
しかしながら、図1Dに示すように、マイクロレンズ110は、ラウンド状に突出しており、これにより、LTO膜111の蒸着の際のステップカバレッジ(Step coverage)の影響により、境界面の部位には弱い部分が発生する。
ステップカバレッジが良くないLTO膜111は、屈曲のある境界面での蒸着厚が薄い。薄い厚さによりストレスに脆弱になり、亀裂が発生し易い。境界面において僅かな亀裂が発生する場合、フォトレジストパターン112の除去のためのプラズマ処理時におけるプラズマの影響により、主にPR成分であるOプラズマが、マイクロレンズ110とOCL2109へ流入する。
図3A及び図3Bは、フォトレジストパターン112を除去するためのプラズマ処理時のアタックと、これによるLTO膜111のピーリング現象とを示す図である。
図3Aに示すように、図面符号「Y」は、LTO膜111を蒸着する際のステップカバレッジの不良により、LTO膜111と金属配線101との境界面に僅かな亀裂が発生することから、フォトレジストパターン112を除去するためのプラズマ処理の際のOプラズマによりアタックが発生する部分を示す。
図3Bは、Oプラズマにより発生したアタックにより、窒化膜104とLTO膜111との間に空間が生じ、後続のパッケージ工程において、この空間によってLTO膜111のピーリング現象が発生したことを示している。
なお、0.13μm以下の線幅を持つCMOSイメージセンサにおいては、マイクロレンズからフォトダイオードまでの光の経路を短くするためのさらなる努力が必要であるが、LTO膜の存在は、光の経路を長くする機能を持っているため、LTO膜を省略することができる工程方法を必要としているというのが現状である。
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、マイクロレンズ用保護膜の使用を省略できるイメージセンサの製造方法を提供することにある。
上記課題を達成すべく、本発明に係るイメージセンサの製造方法によれば、受光領域である第1の領域及びパッドの形成領域である第2の領域を含み、フォトダイオードを含む下部構造上の前記第1の領域に金属配線を形成するステップと、前記金属配線が形成されたプロファイルに沿って保護膜を形成するステップと、前記保護膜を選択的にエッチングし、パッドコンタクトが形成される前記金属配線を露出させるオープン部を形成するステップと、前記第1の領域に第1のオーバーコート層を形成し、かつ、前記第2の領域の前記オープン部にオーバーコート層プラグを形成するステップと、前記第1の領域の前記第1のオーバーコート層上にカラーフィルタ、第2のオーバーコート層及びマイクロレンズを順に形成するステップと、前記オーバーコート層プラグを露出させるフォトレジストパターンを形成するステップと、前記オーバーコート層プラグを除去するため、エッチバック工程を行うステップと、前記フォトレジストパターンを除去するステップとを含む。
また、本発明に係るイメージセンサの製造方法によれば、受光領域である第1の領域及びパッドの形成領域である第2の領域を含み、フォトダイオードを含む下部構造上の前記第1の領域に金属配線を形成するステップと、前記金属配線が形成されたプロファイルに沿って保護膜を形成するステップと、前記保護膜を選択的にエッチングし、パッドコンタクトが形成される前記金属配線を露出させるオープン部を形成するステップと、前記第1の領域の保護膜上にカラーフィルタを形成し、かつ前記カラーフィルタのうち、最も先に形成するカラーの形成の際、前記第2の領域の前記オープン部にカラーフィルタプラグを形成するステップと、前記第1の領域の前記カラーフィルタ上に、オーバーコート層及びマイクロレンズを順に形成するステップと、前記カラーフィルタプラグを露出させるフォトレジストパターンを形成するステップと、前記カラーフィルタプラグを除去するために、エッチバック工程を行うステップと、前記フォトレジストパターンを除去するステップとを含む。
本発明は、カラーフィルタを形成する工程に進む前に、パッドの形成領域を完全にオープンさせた後、OCL1の形成工程における選択的なパターニングにより、オープンされた金属配線上に有機系のOCLプラグを形成する。
OCLプラグは、カラーフィルタ、OCL2及びマイクロレンズの形成工程の際、アルカリ系の現像液と金属配線とが接触するのを防止する一種のバッファの機能を果たす。
パッドの形成のためのフォトレジストパターンを形成する際、その厚さを従来に比べて厚くした後、OCLプラグを除去するため、エッチバック工程を行う。エッチバック工程後に残ったフォトレジストパターンを利用し、残留OCLプラグを除去する。次に、フォトレジストパターンを除去する。
露出した金属配線は、エッチバック及びアッシングにおけるOプラズマにより、その表面に金属酸化膜が形成されるため、金属配線が保護される。
したがって、本発明は、マイクロレンズのアタックを防止するとともに、保護膜であるLTO膜を省略でき、これにより、LTO膜のピーリング現象を防止し、さらにLTO膜により焦点の距離の増加を防止できる。
本発明によれば、イメージセンサの不良発生を低減し、受光効率を上げることにより、歩留まり及び性能を高めるという効果がある。
以下、本発明の最も好ましい実施の形態を、添付する図面を参照しながら説明する。
図4A〜図4Gは、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図であって、これを参照し、本発明に係るパッドの形成工程を説明する。
図4Aに示すように、フォトダイオード及びトランジスタなど、イメージセンサを構成するための様々な要素が形成された下部構造(図示せず)上に金属配線401を形成する。
前記金属配線401は、最終の金属配線であって、パッドと接続し、主にAlなどの金属を用いる。金属配線401の形成時に、その上にエッチング停止膜402も共にパターンニングし、エッチング停止膜402は、パッドの接続のためのエッチング工程におけるエッチングを停止するためのものであって、窒化膜を用いる。
金属配線401が形成されたプロファイルに沿って、保護膜となる酸化膜403及び窒化膜404を順に形成する。
保護膜となる下部の酸化膜403は、PE−TEOS膜、USG膜、FSG膜などを含み、窒化膜404は、Si又はSiONなどを含む。
保護膜は、上記の酸化膜403及び窒化膜404がそれぞれ積層された構造、又は1つの膜構造を含むことができる。
窒化膜404上に、パッドの形成のためのフォトレジストパターン405を形成する。
ここで、「A」領域は、パッドの形成領域を示し、「B」領域は、単位画素領域を示す。
図4Bに示すように、フォトレジストパターン405をエッチングマスクとして、窒化膜404、酸化膜403及びエッチング停止膜402をエッチングすることにより、パッドの形成領域を画定するオープン部406を形成する。
プラズマを用いるアッシングを介してフォトレジストパターン405を除去した後、洗浄を行う。
図4Cに示すように、OCL1を塗布した後、選択的なパターンニング工程を行うことにより、画素領域Bでは、カラーフィルタの形成領域に「407B」のように形成させ、パッドの形成領域Aでは、オープン部406を覆うOCLプラグ407Aを形成させる。
OCL1は、ネガティブPRであって、後にカラーフィルタ、OCL2及びマイクロレンズを形成するための現像工程において用いられるアルカリ系の現像液、例えば、TMAHによるエッチング及び損傷を受けないため、オープン部406の形成により露出した金属配線401を保護する。
したがって、損傷を受けた金属配線401の結晶粒の間に、カラーフィルタ及びマイクロレンズ用PRが侵入することが防止される。OCL1は、1000Å〜20000Åの範囲の厚さに形成することが好ましい。
図4Dに示すように、単位画素領域Bにカラーフィルタ408、第2のオーバーコート層409(以下、「OCL2」と記す)及びマイクロレンズ410を形成する。
カラーフィルタ408は、RGB又はYMgCyの構成を含むことができ、マイクロレンズ410は、PRの塗布、現像及び焼きなまし工程により形成する。
一方、OCL1 407Bの形成工程を省略する場合には、カラーフィルタ408のカラーのうち、最初に形成するカラーフィルタを形成する際、オープン部406上にカラーフィルタプラグを形成することができる。カラーフィルタプラグは、OCLプラグ407Aの役割を果たす。
図4Eに示すように、パッドの形成領域を「C」のように広くオープンさせたフォトレジストパターン411を形成する。
フォトレジストパターン411は、OCLプラグ407Aを全て露出させ、その厚さも、OCLプラグ407Aを除去するためのエッチバック工程後にも、マイクロレンズ410を十分にマスキングできる程度に厚く形成する。また、フォトレジストパターン411は、ポジティブPR再作業用ソルベントにより、充分に除去しなければならない。
図4Fに示すように、Oプラズマを用いたエッチバック工程を行うことにより、OCLプラグ407Aを除去する。
このとき、フォトレジストパターン411も、図面符号「411B」のようにその一部が除去され、図面符号「411A」のように残る。
エッチバックの際に用いられたOプラズマにより、OCLプラグ407Aが除去された金属配線401の露出部は、金属とOとの反応による金属酸化膜412、例えば、金属配線401がAlの場合、Alが形成される。
エッチバックの際のプラズマソースには、Oの他、N又はHeに限って用いることができる。
100℃以上のプラズマソースは、PRの硬化を引き起こす恐れがあるため、プラズマエッチャーの温度は、−20℃〜100℃の範囲にすることが好ましい。
図4Gに示すように、Oプラズマを用いたエッチバック工程の際に金属配線401上に発生したアルミニウム系金属ポリマーを弱塩基や弱酸のケミカルを用いて除去した後、シンナーPRストリッパー(Thinner PR stripper)を利用してフォトレジストパターン411Aを除去する。ここで、フォトレジストパターン411Aの除去工程は、ポリマーを除去する前、または後に行うことができる。
CF4、CHFなどの一般エッチング液(Etchant)を用いるプラズマエッチングの場合、PRそのもののダメージ及び硬化、そして発生したエッチングポリマーにより、ポジティブPRのシンナーPRストリッパーでは除去されない。しかし、Oプラズマエッチバックの場合、フォトレジストパターン411Aのダメージ及び硬化を引き起こさない。
一方、マイクロレンズ410とOCL2 409は、硬化した状態であるから除去されず、ダメージも発生しない。次に、シンナーソルベント処理を行うことによって、フォトレジストパターン411Aに対する選択的な除去が可能となる。
次に、洗浄工程を行って金属酸化膜412などを除去する。洗浄工程では、酢酸又は2.3%のTMAHを用いる。
後続の工程では、オープン部406を介してパッドコンタクトの形成工程を行う。
図5は、図4Eの工程に該当する平面を示す写真である。
同図に示すように、「1」はパッドの形成領域を示し、「2」はマイクロレンズの形成領域を示す。同図は、「1」のパッドの形成領域を矢印方向に順次拡大したものである。
図6は、図4Fの工程に該当する平面を示す写真である。
同図に示すように、「1」はパッドの形成領域を示し、「2」はマイクロレンズ形成領域を示す。同図では、「1」のパッドの形成領域を矢印方向に順次拡大したものである。
「P」は、OプラズマによるAl系のポリマーが少し残っていることを示し、「Q」は、OCLプラグ407Aが完全に除去され、金属配線401が再び露出した状態を示す。
図7及び図8は、図4Gの工程後の平面写真を示す。
図7は、パッドの形成領域を示すものであって、工程の完了後に、最も右側に正常的なパッドが形成されることが確認できる。
図8は、マイクロレンズMLが形成される単位画素領域を示すものであって、シンナーストリップによりフォトレジストパターン411Aが除去され、LTO膜がなくても、単位画素領域におけるマイクロレンズへのダメージなしでパッドパターニングが可能であることが確認できる。
上述のように構成される本発明は、マイクロレンズ用保護膜であるLTO膜を形成せず、マイクロレンズのダメージなしにパッドコンタクト工程を行うことができることから、LTO膜のピーリングによる不良の発生及びLTO膜による光の経路の増加を防止できることを実施の形態を通じて確認した。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
例えば、上記の本発明の実施の形態では、CMOSイメージセンサを例に取り上げたが、その他にも受光部やマイクロレンズを有する全てのイメージセンサにも適用可能である。
従来の技術に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 従来の技術に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 従来の技術に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 従来の技術に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 アタックが発生したマイクロレンズを示す写真である。 フォトレジストパターンの除去のためのプラズマ処理時のアタックと、これによるLTO膜のピーリング現象を示す図である。 フォトレジストパターンの除去のためのプラズマ処理時のアタックと、これによるLTO膜のピーリング現象を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサのパッドの形成工程を示す断面図である。 図4Eの工程に該当する平面を示す写真である。 図4Fの工程に該当する平面を示す写真である。 図4Gの工程後の平面を示す写真である。 図4Gの工程後の平面を示す写真である。
符号の説明
401 金属配線
402 エッチング停止膜
403 酸化膜
404 窒化膜
407B OCL1
408 カラーフィルタ
409 OCL2
410 マイクロレンズ
411A,411B フォトレジストパターン
412 金属酸化膜

Claims (18)

  1. 受光領域である第1の領域及びパッドの形成領域である第2の領域を含むイメージセンサの製造方法において、
    フォトダイオードを含む下部構造上の前記第2の領域に金属配線を形成するステップと、
    前記金属配線が形成された前記下部構造上に保護膜を形成するステップと、
    前記保護膜を選択的にエッチングし、パッドコンタクトが形成される前記金属配線を露出させるオープン部を形成するステップと、
    選択的パターニングにより、前記第1の領域に第1のオーバーコート層を形成し、かつ、前記第2の領域の前記オープン部にオーバーコート層プラグを前記第1のオーバーコート層とは分離して形成するステップと、
    前記第1の領域の前記第1のオーバーコート層上にカラーフィルタ、第2のオーバーコート層及びマイクロレンズを順に形成するステップと、
    前記オーバーコート層プラグを露出させるフォトレジストパターンを形成するステップと、
    前記オーバーコート層プラグを除去するため、エッチバック工程を行うステップと、
    前記フォトレジストパターンを除去するステップと、
    を含む、イメージセンサの製造方法。
  2. 前記フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
    前記エッチバック工程後に残留する厚さが、前記マイクロレンズを十分にマスキングできる程度の厚さに形成されることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
  3. 前記エッチバックするステップにおいて、
    プラズマ方式を利用して、該プラズマソースの温度を−20℃〜100℃の範囲の温度にすることを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージセンサの製造方法。
  4. 前記フォトレジストパターンを除去するステップにおいて、
    ポジティブフォトレジストの再処理において使用される溶剤によって前記フォトレジストパターンを除去することを特徴とする請求項3に記載のイメージセンサの製造方法。
  5. 前記プラズマソースとしてOが用いら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の製造方法。
  6. 前記エッチバック工程の際、前記オーバーコート層プラグが除去された金属配線の上に金属酸化膜が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の製造方法。
  7. 前記プラズマソースとしてHe又はNが用いら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の製造方法。
  8. 前記第1のオーバーコート層が、1000Å〜20000Åの範囲の厚さに形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージセンサの製造方法。
  9. 前記フォトレジストパターンを除去するステップの後に、洗浄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージセンサの製造方法。
  10. 前記洗浄するステップにおいて、酢酸又は2.3%のTMAHが用いら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の製造方法。
  11. 前記保護膜が、酸化膜と窒化膜との積層構造であることを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージセンサの製造方法。
  12. 受光領域である第1の領域及びパッドの形成領域である第2の領域を含むイメージセンサの製造方法において、
    フォトダイオードを含む下部構造上の前記第2の領域に金属配線を形成するステップと、
    前記金属配線が形成された前記下部構造上に保護膜を形成するステップと、
    前記保護膜を選択的にエッチングし、パッドコンタクトが形成される前記金属配線を露出させるオープン部を形成するステップと、
    前記第1の領域の保護膜上にカラーフィルタを形成し、かつ前記カラーフィルタのうち、最も先に形成するカラーの形成の際、選択的パターニングにより、該形成されるカラーとは分離して前記第2の領域の前記オープン部にカラーフィルタプラグを形成するステップと、
    前記第1の領域の前記カラーフィルタ上に、オーバーコート層及びマイクロレンズを順に形成するステップと、
    前記カラーフィルタプラグを露出させるフォトレジストパターンを形成するステップと、
    前記カラーフィルタプラグを除去するために、エッチバック工程を行うステップと、
    前記フォトレジストパターンを除去するステップと、
    を含む、イメージセンサの製造方法。
  13. 前記フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
    前記エッチバック工程後に残留する厚さが、前記マイクロレンズを十分にマスキングできる程度の厚さに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の製造方法。
  14. 前記エッチバックするステップにおいて、
    プラズマ方式を利用し、該プラズマソースの温度を−20℃〜100℃の範囲の温度にすることを特徴とする請求項12又は13に記載のイメージセンサの製造方法。
  15. 前記フォトレジストパターンを除去するステップにおいて、
    ポジティブフォトレジストの再処理において使用される溶剤によって前記フォトレジストパターンを除去する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. 前記プラズマソースとしてOが用いられる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。
  17. 前記エッチバック工程の際、前記カラーフィルタプラグが除去された金属配線の上に、金属酸化膜が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の製造方法。
  18. 前記プラズマソースとしてHe又はNが用いられる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。
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