JP5808539B2 - バックサイドイルミネーションcmosイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明が解決しようとする他の課題は、入射される光子をフォトダイオードの中央部分に屈折させるフォトダイオードを備えるバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサを製造する方法を提供することにある。
以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に示された同一参照符号は、同一部材を表わす。
図1に示した積層構造は、CMOSイメージセンサ100を構成する複数個の単位画素のうち二つを表す。単位画素は、第2導電層110、第2導電層110上の第1層間絶縁層120、第1層間絶縁層120上の第1導電層130、及び第1導電層130上の第2層間絶縁層140を備える。第2層間絶縁層140の上部に、フォトダイオードPD1,PD2が配置される。フォトダイオードPD1,PD2は、第2層間絶縁層140との接触面は平らであるが、光を受信する上部面は一定した曲率を有する。フォトダイオードPD1,PD2の上部には、第1平坦化層150、カラーフィルタ160、第2平坦化層170及びマイクロレンズ180が順次に配置される。フォトダイオードPD1,PD2の各領域は、絶縁物質190により絶縁される。
図2に示した積層構造は、CMOSイメージセンサ200を構成する複数個の単位画素のうち二つを表す。単位画素は、第2導電層210、第2導電層210上の第1層間絶縁層220、第1層間絶縁層220上の第1導電層230、及び第1導電層230上の第2層間絶縁層240を備える。第2層間絶縁層240の上部には、フォトダイオードPD1,PD2が配置される。フォトダイオードPD1,PD2は、第2層間絶縁層240との接触面は平らであるが、光を受信する上部面は一定した曲率を有する。フォトダイオードPD1,PD2の上部には、カラーフィルタ250、平坦化層260及びマイクロレンズ270が順次に配置される。フォトダイオードPD1,PD2の各領域は、絶縁物質280により絶縁される。図2に示したように、カラーフィルタ250の上部面は屈曲し、その曲率は、フォトダイオードPD1,PD2の上部面の曲率と類似している。また、カラーフィルタ250と隣接した平坦化層260及びフォトダイオードPD1,PD2の屈折率によって、カラーフィルタ250の上部面は、フォトダイオードPD1,PD2の上部面の曲率より大きいか、または小さく、それによって、カラーフィルタ250に入射した光子が中央にさらに屈折される。
第二に、図1に示したバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサ100は、二つの平坦化層150,170を備えるが、図2に示したバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサ200は、一つの平坦化層260のみを備えるという点である。
一連の工程を経てウェーハの一面にフォトダイオード及びMOSトランジスタを形成させ、フォトダイオード及びMOSトランジスタの電気的連結のための導電層まで完全に形成させる。フォトダイオード及びMOSトランジスタが形成される部分がウェーハの上部であると仮定する。図1及び図2に示したバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサ100,200を構成する複数個の層のうち、前記工程で形成される層は、フォトダイオードPD1,PD2、第2層間絶縁層140,240、第1導電層130,230、第1層間絶縁層120,220及び第2導電層110,210である。
図3は、光を受信する面が平らなフォトダイオードを示す断面図である。
図3を参照すれば、光を受信するフォトダイオードPD1,PD2の面が平らであるため、フォトダイオードPD1,PD2の外部から入射される光子の進行方向と、フォトダイオードPD1,PD2の内部に進む方向とが同一である。光を光子で表現すれば、図3には、いずれも8個の光子1ないし8が二つのフォトダイオードPD1,PD2に入射する。8個の光子のうち、四つの光子1ないし4は、第1フォトダイオードPD1に入射され、残りの四つの光子5ないし8は、第2フォトダイオードPD2に入射される。8個の光子のうち、二つの光子4,5は、フォトダイオードPD1,PD2の隣接部分(点線)に集束される。この二つの光子4,5は、後で光子を電気信号に変換する過程で隣接するフォトダイオードに移動する。
図4を参照すれば、光を受信するフォトダイオードPD1,PD2の面に一定した曲率があるため、フォトダイオードPD1,PD2の外部から入射される光子の進行方向と関係なく、フォトダイオードPD1,PD2の中心部に進む。8個の光子のうち、四つの光子1ないし4は、第1フォトダイオードPD1に入射され、残りの四つの光子5ないし8は、第2フォトダイオードPD2に入射される。8個の光子のうち、二つの光子4,5は、それぞれ該当フォトダイオードPD1,PD2の中心方向に進んで集束されるため、二つの光子4,5は、後で光子を電気信号に変換する過程で隣接するフォトダイオードへの移動が容易でなくなる。
図5を参照すれば、単位画素は、光を感知するフォトダイオードPD、フォトダイオードPDに集束された光子をフローティング拡散領域F/Dへ伝送する伝送トランジスタM1、フローティング拡散領域F/DをリセットさせるリセットトランジスタM2、フローティング拡散領域F/Dに伝達された光子に対応する電気信号を生成する変換トランジスタM3、及び単位画素で変換された電気信号を外部に伝達する選択トランジスタM4を備える。
図6を参照すれば、CMOS工程を利用して生成させた単位画素600は、P型基板にフォトダイオードPD及びMOSトランジスタMOSを具現させたものであって、フォトダイオードPDの一電極は基板であり、他の電極はN+型の拡散領域でありうる。MOSトランジスタMOSは、二つのN+型の拡散領域間に形成されたゲートに印加される信号により動作される。ゲートは、基板の上部に配置されたゲート絶縁膜GD、及びゲート絶縁膜上に配置されたゲート導電膜GCを備える。ゲート絶縁膜GDは、シリコン酸化物からなり、ゲート導電膜GCは、多結晶シリコンからなる。
図7ないし図9は、本発明の一実施形態によって、フォトダイオードとMOSトランジスタとを製造する方法を示す断面図である。
図7に示した単位画素700は、フォトダイオード及びMOSトランジスタがいずれも形成されたウェーハをひっくり返した時を表したものである。したがって、単位画素700を形成する工程中では、最下側に位置したフォトダイオードPD1,PD2が最上側に図示され、最上側に位置した導電層710が最下側に図示される。層間絶縁層720は、フォトダイオードの一電極として機能する基板と導電層710とを絶縁させる機能を行う。フォトダイオードの一電極として機能する基板は、フォトダイオード及びMOSトランジスタがいずれも形成された後で研磨されて、フォトダイオードの一端子の厚さが調節される。
この場合、アイランドを形成するのに選択される工程のために、研磨の深さが調節される。
図8に示した単位画素800は、上部に位置したフォトダイオードの一電極をなす基板に、単位画素800より小さくアイランド830を生成させる。アイランド830は、それぞれの単位画素ごとに一つずつ形成させ、アイランド830の大きさは、選択される後続工程によって変わりうる。アイランド830の形態は、単位画素の断面形態が一定した割合で縮小した断面を有する。例えば、単位画素の形態が四角形であれば、アイランドの形態も四角形であり、単位画素の形態が四角形以上の六角形または八角形であれば、アイランドの形態も六角形または八角形でありうる。しかし、場合によっては、アイランドの形態を円形とすることも可能である。
まず、アイランド830を定義するマスクを形成する。マスクを利用して、フォトレジスタにアイランド830を定義し、フォトレジスタのうち、アイランド830として定義された部分を除いた他の部分を除去した後、基板をエッチングするのに使われるエッチング溶液を利用して、アイランド830(例えば、シリコンアイランド)を形成させる。
図9に示した単位画素900は、アイランドに熱を加えて、光を受信するフォトダイオードの一面に一定した曲率を生じさせたものである。
以上では、本発明についての技術思想を添付図面と共に述べたが、これは、本発明の望ましい実施形態を例示的に説明したものであり、本発明を限定するものではない。また、当業者ならば、本発明の技術的思想の範疇を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び摸倣が可能であることは明白な事実である。
110 第2導電層
120 第1層間絶縁層
130 第1導電層
140 第2層間絶縁層
150 第1平坦化層
160 カラーフィルタ
170 第2平坦化層
180 マイクロレンズ
190 絶縁物質
PD1,PD2 フォトダイオード
Claims (5)
- 導電層と、
前記導電層上の絶縁層と、
前記絶縁層上に配置され、少なくとも一つの屈曲した表面を有するフォトダイオードと、を備え、
前記フォトダイオードは、P型半導体基板と、前記P型半導体基板の表面側に設けられたN型拡散領域とからなり、
前記フォトダイオードの少なくとも一つの屈曲した表面は、前記P型半導体基板の裏面であり、かつ入射される光が前記フォトダイオードの中央部分に集束されるよう形成された凸表面であり、
前記フォトダイオード上のカラーフィルタ層をさらに備え、
前記カラーフィルタ層は、前記フォトダイオードの凸表面に対応する凹表面をその下部面に有し、前記フォトダイオード上に直接設けられるバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法において、
前記フォトダイオードの表面上にマスクを利用して、前記フォトダイオードの表面のうち、アイランド以外の部分をエッチングして、前記フォトダイオードに前記アイランドを形成する段階と、
前記アイランドをアニーリングして、前記フォトダイオードの屈曲した表面を形成する段階とを含むことを特徴とするバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法。 - 前記フォトダイオードの少なくとも一つの屈曲した表面は、凸表面であり、前記フォトダイオードは、前記凸表面を通じて光を受信するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法。
- 前記カラーフィルタ層の上部面は、平らであることを特徴とする請求項1に記載のバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法。
- 前記カラーフィルタ層の上部面は、屈曲したことを特徴とする請求項1に記載のバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法。
- 複数の導電層と、
前記複数の導電層間の少なくとも一つの第1層間絶縁層と、
前記複数の導電層上の第2層間絶縁層と、
前記第2層間絶縁層上に配置され、前記第2層間絶縁層の反対側に凸表面を有するフォトダイオードと、を備え、
前記フォトダイオードは、P型半導体基板と、前記P型半導体基板の表面側に設けられたN型拡散領域とからなり、
前記フォトダイオードの少なくとも一つの屈曲した表面は、前記P型半導体基板の裏面であり、かつ入射される光が前記フォトダイオードの中央部分に集束されるよう形成された凸表面であり、
前記フォトダイオード上のカラーフィルタ層をさらに備え、
前記カラーフィルタ層は、前記フォトダイオードの凸表面に対応する凹表面をその下部面に有し、前記フォトダイオード上に直接設けられるバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法において、
前記フォトダイオードの表面上にマスクを利用して、前記フォトダイオードの表面のうち、アイランド以外の部分をエッチングして、前記フォトダイオードに前記アイランドを形成する段階と、
前記アイランドをアニーリングして、前記フォトダイオードの屈曲した表面を形成する段階とを含むことを特徴とするバックサイドイルミネーションCMOSイメージセンサの製造方法。
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