JP6105538B2 - ソリッドステート撮像装置とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置に関するものであって、特に、薄型ディメンションのソリッドステート撮像装置とその製造方法に関するものである。
撮像装置は、幅広く、各種画像取得装置、たとえば、ビデオカメラ、デジタルカメラ等に用いられている。一般に、ソリッドステート撮像装置、たとえば、電荷結合素子 (ＣＣＤ)センサー、または、相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ)センサーは、光電子トランスデューサー、たとえば、フォトダイオードを有し、光線を電荷に転換する。フォトダイオードは、半導体基板、たとえば、シリコンチップ上に形成される。フォトダイオード中で生成される光電子に対応する信号電荷は、ＣＣＤ型、または、ＣＭＯＳ型読み取り回路により得られる。
ソリッドステート撮像装置は、受光ユニットに対する入射光線の方向の観点から、大きく二グループに分類される。ひとつは、配線層が形成される半導体基板の前側で入射光線を受光する表面照射型 (ＦＳＩ) 撮像装置である。もうひとつは、配線層が形成されない半導体基板背面で入射光線を受光する裏面照射型(ＢＳＩ) 撮像装置である。
これらのＦＳＩとＢＳＩ撮像装置は、通常、遮光層を有して、画素間の光線を遮断して、感度を改善して、混色を防止する。図１を参照すると、撮像装置１０の断面が示される。撮像装置１０は、フォトダイオード (図示しない)を有する半導体基板１１を含む。遮光層１３が半導体基板１１上に形成される。絶縁層１５が形成されて、遮光層１３を被覆する。このほか、撮像装置１０は、絶縁層１５上に形成されるカラーフィルター層１７とマイクロレンズ１９を含む。
撮像装置１０において、遮光層１３と絶縁層１５が、カラーフィルター層１７と半導体基板１１間に設置される。よって、撮像装置１０の総厚さが減少しない。一方、ＢＳＩ撮像装置において、入射光は、半導体基板１１前側の配線層を通過しないで、半導体基板１１背面のフォトダイオードに到達する。よって、光学的クロストーク問題は、ＦＳＩ撮像装置でよりも、ＢＳＩ撮像装置中の隣接ピクセル間でさらに容易に発生する。
本発明は、薄型ディメンションのソリッドステート撮像装置とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の態様によると、ソリッドステート撮像装置の総厚さは、カラーフィルター層と同一面に、遮光膜を設置することにより減少する。さらに、本発明の態様によると、ソリッドステート撮像装置の隣接ピクセル間の光学的クロストーク問題は、遮光膜の配置方式、および、カラーフィルター層より低い屈折率を有する低屈折率バッファ層を提供して、隣接するカラーフィルター素子間の空間、および、遮光膜上を充填することにより克服される。
ある態様において、ソリッドステート撮像装置が提供される。ソリッドステート撮像装置は、第一光電変換素子と第二光電変換素子を含む基板を有する。ソリッドステート撮像装置は、また、第一光電変換素子上に設置される第一カラーフィルター素子、および、第二光電変換素子上に設置される第二カラーフィルター素子を有するカラーフィルター層を含む。ソリッドステート撮像装置は、さらに、第一カラーフィルター素子と第二カラーフィルター素子間に設置される遮光パーティションを有する。遮光パーティションの高さは、第一と第二カラーフィルター素子より低い。このほか、ソリッドステート撮像装置は、第一カラーフィルター素子と第二カラーフィルター素子間に設置され、 且つ、遮光パーティション上に位置するバッファ層を含む。バッファ層の屈折率は、カラーフィルター層より低い。ソリッドステート撮像装置は、また、カラーフィルター層上に設置されるマイクロレンズ構造を有する。
本発明の態様において、ソリッドステート撮像装置が提供される。ソリッドステート撮像装置は、第一、第二、および、第三光電変換素子を含む基板を有する。ソリッドステート撮像装置は、また、それぞれ、第一、第二、および、第三光電変換素子上に設置される第一、第二、および、第三カラーフィルター素子を有するカラーフィルター層を含む。ソリッドステート撮像装置は、さらに、第一と第二カラーフィルター素子間に設置される第一遮光パーティション、および、第二と第三カラーフィルター素子間に設置される第二遮光パーティションを含む。第一と第二遮光パーティションの高さは、カラーフィルター層より低い。このほか、ソリッドステート撮像装置は、カラーフィルター層上に設置されるマイクロレンズ構造を有する。第二カラーフィルター素子は、完全に、第一と第二遮光パーティションを被覆する。第二カラーフィルター素子の屈折率は、マイクロレンズ構造より高い。
本発明の態様において、ソリッドステート撮像装置の製造方法が提供される。この方法は、複数の画素を有するように定義される基板を提供する工程を含み、各画素は光電変換素子を有する。この方法は、また、基板上に遮光膜を形成する工程を含む。遮光膜は複数のホールを有し、各ホール一つ一つが一画素に対応する。この方法は、さらに、複数のカラーフィルター素子を有するカラーフィルター層を形成して、各画素中の遮光膜のそれぞれのホールを充填する工程を含む。遮光膜の高さは、カラーフィルター層より低い。このほか、この方法は、隣接するカラーフィルター素子間と遮光膜上に、バッファ層を形成する工程を含む。バッファ層の屈折率は、カラーフィルター層より低い。この方法は、また、カラーフィルター層上に、マイクロレンズ構造を形成する工程を含む。
本発明の態様において、ソリッドステート撮像装置の製造方法が提供される。この方法は、複数の画素を有するように定義される基板を提供する工程を含み、各画素は光電変換素子を有する。この方法は、また、基板上に、遮光膜を形成する工程を含む。遮光膜は複数のホールを有し、ホール一つ一つが一画素に対応する。この方法は、さらに、第一、第二、および、第三カラーフィルター素子を有するカラーフィルター層を形成して、各画素中の遮光膜のそれぞれのホール中に充填する工程を含む。第二カラーフィルター素子は、遮光膜を完全に被覆する。遮光膜の高さは、カラーフィルター層より低い。このほか、この方法は、カラーフィルター層上に、マイクロレンズ構造を形成する工程を含む。第二カラーフィルター素子の屈折率は、マイクロレンズ構造より高い。
光学的クロストーク問題が発生するのを防止する。光学パフォーマンスが改善される。
上記及び他の目的及び本発明の特徴は、添付図面とともに以下の記載を参照することにより明らかとなる。
図２を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。撮像装置１００は、相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ)画像センサー、または、電荷結合素子 (ＣＣＤ)画像センサーで形成される。撮像装置１００は、基板１０１、たとえば、正面１０１Ａと背面１０１Ｂを有する半導体基板を含む。半導体基板はウェハかチップである。撮像装置１００は、また、基板１０１中に形成される複数の光電変換素子、たとえば、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃを含む。各フォトダイオード１０３Ａ−１０３Ｃは、撮像装置１００のそれぞれの画素中に設置される。フォトダイオードは互いに隔離される。図２では３個の画素が示されているが、実際には、撮像装置１００は、数百万、または、それ以上の画素を有する。
幾つかの実施形態において、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃは、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される。撮像装置１００に必要な各種配線ラインと電子回路を含む配線層 (図示しない)が、基板１０１の正面１０１Ａに形成される。入射光１０２が基板１０１の背面１０１Ｂに照射し、且つ、フォトダイオード１０３Ａ−１０３Ｃにより受光される。よって、撮像装置１００は、ＢＳＩ撮像装置と称される。別の実施形態において、撮像装置１００はＦＳＩ撮像装置である。入射光が、基板１０１の正面１０１Ａに照射し、配線層を通過し、フォトダイオードにより受光される。ＦＳＩ撮像装置を経て、フォトダイオードに達する入射光の経路は、ＢＳＩ撮像装置より遠いので、ＦＳＩ撮像装置の光学的クロストーク効果は、ＢＳＩ撮像装置より小さい。
図２を再度参照すると、高誘電率 (high-k) 膜１０５が、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成されて、フォトダイオード１０３Ａ−１０３Ｃを被覆する。高誘電率膜１０５の材料は、酸化ハフニウム (HfO2)、ハフニウムタンタル酸化物 (HfTaO)、ハフニウムチタン酸化物(HfTiO)、ハフニウムジルコニウム酸化物(HfZrO)、または、その他の適当な高誘電率材を含む。高誘電率膜１０５は、高屈折率と光吸収能力を有する。高誘電率膜１０５は蒸着プロセスにより形成される。
第一パッシベーション層１０７が高誘電率膜１０５上に形成される。第一パッシベーション層１０７がエッチ停止層として用いられ、第一パッシベーション層１０７上にパターン化層を形成する。第一パッシベーション層１０７の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、または、その他の適当な絶縁体を含む。第一パッシベーション層１０７が蒸着プロセスにより形成される。
複数の遮光パーティション１０９Ｐを含む遮光膜１０９が、第一パッシベーション層１０７上に形成される。上から見ると、遮光パーティション１０９Ｐは格子型構造を構成する。幾つかの実施形態において、遮光膜１０９の材料は金属で、遮光パーティション１０９Ｐは金属グリッドを構築する。複数のホール１１０が金属グリッド中に形成され、遮光パーティション１０９Ｐ間に設置される。
第二パッシベーション層１１１は、遮光膜１０９上に共形で形成される。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１は、遮光パーティション１０９Ｐの上面と側壁を被覆する。別の実施形態において、第二パッシベーション層１１１は、さらに、ホール１１０により露出する第一パッシベーション層１０７の一部を被覆する。第二パッシベーション層１１１の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化けい素、または、その他の適当な絶縁体を含む。第二パッシベーション層１１１は、蒸着プロセス、または、共形コーティング(conformal coating)プロセスにより形成される。さらに、第二パッシベーション層１１１は、フォトリソグラフィとエッチングプロセスによりパターン化されて、ホール１１０中の部分を除去する。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１の材料は、第一パッシベーション層１０７と同じである。別の実施形態において、第二パッシベーション層１１１の材料は、第一パッシベーション層１０７と異なる。
幾つかの実施形態において、カラーフィルター層１１３は、遮光膜１０９と同一面上に形成される。カラーフィルター層１１３は、複数のカラーフィルター素子、たとえば、赤（Ｒ）カラーフィルター素子１１３Ｒ、緑（Ｇ）カラーフィルター素子１１３Ｇ、および、青（Ｂ）カラーフィルター素子１１３Ｂを含んで、遮光膜１０９のそれぞれのホール１１０中を充填する。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、遮光パーティション１０９Ｐにより互いに分離されて、分離プロファイルを形成する。別の実施形態において、カラーフィルター層１１３は、さらに、白色(Ｗ)カラーフィルター素子 (図示しない)を含む。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂと白色 (Ｗ) カラーフィルター素子は、各種形態により配置される。
図２に示されるように、カラーフィルター層１１３と遮光膜１０９両方は、第一パッシベーション層１０７上面に形成される。よって、ソリッドステート撮像装置１００の総厚さ、または、高さが減少する。遮光パーティション１０９Ｐは、二つの隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｇ間、または、１１３Ｇと１１３Ｂ間に設置される。遮光パーティション１０９Ｐの高さは、カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂより低い。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、それぞれ、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃに対応する。
幾つかの実施形態において、図２に示されるように、撮像装置１００は、遮光膜１０９とカラーフィルター層１１３を被覆するバッファ層１１５を含む。バッファ層１１５が、第二パッシベーション層１１１上に形成されて、二つの隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｇ間、１１３Ｇと１１３Ｂ間の空間を充填する。つまり、バッファ層１１５が、二つの隣接するカラーフィルター素子間、および、遮光パーティション１０９Ｐ上に設置される。バッファ層１１５の屈折率 n1 は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い。よって、バッファ層１１５は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。 幾つかの実施形態において、屈折率 n1 は、約 1.25 〜 約 1.55である。
この実施形態において、図２に示されるように、バッファ層１１５の材料も、マイクロレンズ構造１１７を形成するのに用いられる。バッファ層１１５はマイクロレンズ構造１１７と結合されて、同じ材料でなるインテグラル構造になる。つまり、マイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い屈折率 n1 を有する同じ材料でなる。マイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５は、蒸着、フォトリソグラフィとエッチングプロセスの同じステップで、一体的に形成される。
図３Ａー図３Ｅは、本発明の実施形態による図２の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図３Ａを参照すると、複数の画素Ｐを有するように定義された基板１０１が提供される。各画素Ｐは、一光電変換素子 たとえば、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂ、または、１０３Ｃを有する。フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃは、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される。高誘電率膜１０５が、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成されて、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃを被覆する。 第一パッシベーション層１０７が高誘電率膜１０５上に形成される。
図３Ｂを参照すると、遮光膜１０９が第一パッシベーション層１０７上に蒸着され、パターン化されて、複数の遮光パーティション１０９Ｐを形成する。複数のホール１１０が、遮光膜１０９中と遮光パーティション１０９Ｐ間に形成される。ホール１１０は、それぞれ、一つ一つが、一画素Ｐに対応する。図３Ｃを参照すると、第二パッシベーション層１１１は、ホール１１０により露出する遮光膜１０９と第一パッシベーション層１０７上に共形で形成される。第二パッシベーション層１１１は、遮光パーティション１０９Ｐの上面と側面を被覆する。
図３Ｄを参照すると、幾つかの実施形態において、ホール１１０中の第二パッシベーション層１１１の一部が除去される。別の実施形態において、ホール１１０中の第二パッシベーション層１１１の一部は除去されない。複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを有するカラーフィルター層１１３が、各画素Ｐ中の遮光膜１０９のそれぞれのホール１１０に充填される。各カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂが、それぞれのホール１１０に充填される。
図３Ｅを参照すると、バッファ層１１５とマイクロレンズ構造１１７を形成する低屈折率材料層１１４が、カラーフィルター層１１３と遮光膜１０９上にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、低屈折率材料層１１４で実行されて、マイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５を一緒に形成する。低屈折率材料層１１４上部がエッチされて、マイクロレンズ構造１１７を形成する。低屈折率材料層１１４下部が残り、遮光膜１０９とカラーフィルター層１１３を被覆するバッファ層１１５を形成する。その後、図２の撮像装置１００が完成する。
図４を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。図４と図２間の差異は、図４の遮光膜１０９上の第二パッシベーション層１１１は、カラーフィルター層１１３上面と実質上同じ高さの上面を有することである。つまり、図４の第二パッシベーション層１１１は、二つの隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｇ間、１１３Ｇと１１３Ｂ間の空間を充填する。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１の材料は、第一パッシベーション層１０７と異なる。第二パッシベーション層１１１の屈折率 n3 は、約 1.25 〜 約 1.55である。この実施形態において、マイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い屈折率 n1を有する同じ材料でなる。屈折率 n1は、約 1.25 〜約 1.55である。図４のマイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５は、同じステップで、一体的に形成される。
図５Ａ−図５Ｄは、本発明の実施形態による図４の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図５Ａを参照すると、前述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７と遮光膜１０９が、基板１０１上に形成される。第二パッシベーション層１１１が蒸着されて、遮光膜１０９と第一パッシベーション層１０７を被覆し、平らな表面を有する。パターン化ステップ１３０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、第二パッシベーション層１１１に実行される。
図５Ｂを参照すると、遮光パーティション１０９Ｐ間の第二パッシベーション層１１１の一部が除去されて、複数のホール１１２を形成する。図５Ｃを参照すると、複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを有するカラーフィルター層１１３は、ホール１１２を充填する。各カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、それぞれのホール１１２を充填する。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、第二パッシベーション層１１１の上面と実質上同じ高さの上面を有する。
図５Ｄを参照すると、バッファ層１１５とマイクロレンズ構造１１７を形成する材料層１１４が、カラーフィルター層１１３と第二パッシベーション層１１１にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが材料層１１４に実行されて、マイクロレンズ構造１１７とバッファ層１１５を一緒に形成する。その後、図４の撮像装置１００が完成する。
図６を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。図６と図２の撮像装置１００間の差異は、図６のバッファ層１１５とマイクロレンズ構造１１７が異なる材料でなることである。幾つかの実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2 より低い。よって、バッファ層１１５は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。さらに、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4 は、バッファ層１１５の屈折率 n1より高い。マイクロレンズ構造１１７の屈折率が高い時、マイクロレンズ構造１１７の高さは低い。よって、ソリッドステート撮像装置１００の総厚さ (または、高さ)が更に減少する。幾つかの実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1は、約 1.25 〜 約 1.55である。マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4は、約 1.56 〜 約 1.90である。
別の実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1 は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い。よって、バッファ層１１５は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。さらに、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4 は、バッファ層１１５の屈折率 n1より低い。この実施形態において、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4、バッファ層１１５の屈折率 n1 、および、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2は、撮像装置１００を通過する入射光の経路に沿って、徐々に増加する。よって、入射光のロスが減少する。
図６に示されるように、バッファ層１１５は、遮光膜１０９とカラーフィルター層１１３を平らにカバーし、平らな表面を有する。マイクロレンズ構造１１７がバッファ層１１５の平面上に形成される。幾つかの実施形態において、化学気相蒸着(ＣＶＤ)薄膜酸化物(図示しない)が、さらに、マイクロレンズ構造１１７表面上に蒸着される。
図７Ａ−７Ｂは、本発明の実施形態による図６の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図７Ａを参照すると、前述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７、複数の遮光パーティション１０９Ｐを有する遮光膜１０９、第二パッシベーション層１１１は、遮光膜１０９上に共形で形成され、 および、複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを含むカラーフィルター層１１３が基板１０１上に形成される。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂ は、第二パッシベーション層１１１上面より高い上面を有する。
図７Ｂを参照すると、バッファ層１１５が、カラーフィルター層１１３、遮光膜１０９と第二パッシベーション層１１１上に形成され、平らな表面を有する。バッファ層１１５は、遮光膜１０９とカラーフィルター層１１３を平らにカバーする。マイクロレンズ材料層１１６がバッファ層１１５上にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、マイクロレンズ材料層１１６に実行されて、マイクロレンズ構造１１７を形成する。その後、図６の撮像装置１００が完成する。
図８を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。図８と図６の差異は、図８の遮光膜１０９上の第二パッシベーション層１１１は、カラーフィルター層１１３上面と実質上同じ高さの上面を有することである。つまり、図８の第二パッシベーション層１１１は、二つの隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｇ間、１１３Ｇと１１３Ｂ間の空間を充填する。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１の材料は、第一パッシベーション層１０７と異なる。第二パッシベーション層１１１の屈折率 n3は、約 1.25 〜 約 1.55である。
図８のバッファ層１１５とマイクロレンズ構造１１７は異なる材料でなる。幾つかの実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1 は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い。よって、バッファ層１１５は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。さらに、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4は、バッファ層１１５の屈折率 n1より高い。マイクロレンズ構造１１７の屈折率が高い時、マイクロレンズ構造１１７の高さは低い。よって、ソリッドステート撮像装置１００の総厚さ (または、高さ)が更に減少する。幾つかの実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1は、約 1.25 〜 約 1.55である。マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4は、約 1.56 〜約 1.90である。
別の実施形態において、バッファ層１１５の屈折率 n1 は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2 より低い。よって、バッファ層１１５ は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。さらに、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4 は、バッファ層１１５の屈折率 n1より低い。この実施形態において、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4 、バッファ層１１５の屈折率 n1、および、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2 は、撮像装置１００を通過する入射光の経路に沿って、徐々に増加する。よって、入射光のロスが減少する。
図９Ａ−９Ｂは、本発明の実施形態による図８の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図９Ａを参照すると、上述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７、複数の遮光パーティション１０９Ｐを有する遮光膜１０９、第二パッシベーション層１１１が遮光膜１０９上に形成され、複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを含むカラーフィルター層１１３は基板１０１上に形成される。第二パッシベーション層１１１は、カラーフィルター層１１３上面と実質上同じ高さの上面を有する。
図９Ｂを参照すると、バッファ層１１５が、カラーフィルター層１１３と第二パッシベーション層１１１上に形成され、平らな表面を有する。マイクロレンズ材料層１１６がバッファ層１１５にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、マイクロレンズ材料層１１６に実行されて、マイクロレンズ構造１１７を形成する。その後、図８の撮像装置１００が完成する。
図１０を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。ソリッドステート撮像装置１００は、遮光膜１０９上にあるバッファ層１１５、第二パッシベーション層１１１とカラーフィルター層１１３を含む。第二パッシベーション層１１１は、遮光膜１０９上に共形で形成される。バッファ層１１５は、また、二つの隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｇ間、および、１１３Ｇと１１３Ｂ間の空間を充填する。
図１０に示されるように、ソリッドステート撮像装置１００は、バッファ層１１５上に形成される複数の突起部１１９を含む。また、バッファ層１１５の材料が用いられて、突起部１１９を形成する。各突起部１１９が、マイクロレンズ構造１１７の一マイクロレンズ素子１１７ＭＬの下部として用いられる。バッファ層１１５は突起部１１９と結合されて、同じ材料でなるインテグラル構造になる。突起部１１９とバッファ層１１５が、蒸着、フォトリソグラフィとエッチングプロセスの同じステップで、一体的に形成される。マイクロレンズ構造１１７の一マイクロレンズ素子１１７ＭＬの上部１１８は、突起部１１９とバッファ層１１５と異なる材料でなる。
幾つかの実施形態において、突起部１１９とバッファ層１１５は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2 より低い屈折率 n1 を有する同じ材料でなる。よって、バッファ層１１５は、二つの隣接するカラーフィルター素子間で発生する光学的クロストーク問題を回避することができる。幾つかの実施形態において、屈折率 n1 は、約 1.25 〜 約 1.55である。さらに、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８は、突起部１１９とバッファ層１１５の屈折率 n1より高い屈折率 n4 を有する。幾つかの実施形態において、屈折率 n4 は、約 1.56 〜 約 1.90である。マイクロレンズ構造１１７の上部１１８は、マイクロレンズ構造１１７の高さを減少させることができる高い屈折率 n4 を有する。これにより、撮像装置１００の総厚さ、または、高さが減少する。
別の実施形態において、突起部１１９とバッファ層１１５の屈折率 n1 は、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2より低い。さらに、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８の屈折率 n4 は、突起部１１９とバッファ層１１５の屈折率 n1より低い。この実施形態において、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８の屈折率 n4 、突起部１１９とバッファ層１１５の屈折率 n1、および、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2は、撮像装置１００を通過する入射光の経路に沿って、徐々に増加する。よって、撮像装置１００を通過する入射光のロスが減少する。
図１１Ａ−１１Ｂ は、本発明の実施形態による図１０の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図１１Ａを参照すると、前述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７、複数の遮光パーティション１０９Ｐを有する遮光膜１０９、第二パッシベーション層１１１が、遮光膜１０９上に共形で形成され、および、複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを含むカラーフィルター層１１３が、基板１０１上に形成される。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、第二パッシベーション層１１１の上面より高い上面を有する。
図１１Ｂを参照すると、バッファ層１１５と突起部１１９を形成する低屈折率材料層１１４が、カラーフィルター層１１３、第二パッシベーション層１１１と遮光膜１０９上にコートされ、平らな表面を有する。マイクロレンズ構造１１７の上部１１８を形成するマイクロレンズ材料層１１６が、低屈折率材料層１１４にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、マイクロレンズ材料層１１６に実行されて、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８を形成する。パターン化ステップ１２０が、さらに、材料層１１４に実行されて、バッファ層１１５に突起部１１９を形成する。低屈折率材料層１１４上部がエッチされて、低屈折率材料層１１４下部に突起部１１９を形成する。突起部１１９は、マイクロレンズ構造１１７下部を構成する。低屈折率材料層１１４下部はバッファ層１１５を形成する。その後、 図１０の撮像装置１００ が完成する。
図１２を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。図１２と図１０の差異は、図１２の遮光膜１０９上の第二パッシベーション層１１１は、カラーフィルター層１１３上面と同じ高さの上面を有することである。図１２の第二パッシベーション層１１１は、二つの隣接するカラーフィルター素子間の空間を充填する。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１の材料は、第一パッシベーション層１０７と異なる。第二パッシベーション層１１１の屈折率 n3は、約 1.25 〜約 1.55である。この実施形態において、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８の材料は、突起部１１９とバッファ層１１５と異なる。幾つかの実施形態において、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８の屈折率 n4、突起部１１９とバッファ層１１５の屈折率 n1、および、カラーフィルター層１１３の屈折率 n2 は、図１０の上述の条件と同じである。
図１３Ａ−１３Ｂは、本発明の実施形態による図１２の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図１３Ａを参照すると、前述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７、複数の遮光パーティション１０９Ｐを有する遮光膜１０９、遮光膜１０９上に形成される第二パッシベーション層１１１、および、複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを含むカラーフィルター層１１３が、基板１０１上に形成される。第二パッシベーション層１１１は、カラーフィルター層１１３上面と実質上同じ高さの上面を有する。
図１３Ｂを参照すると、バッファ層１１５と突起部１１９を形成する材料層１１４が、カラーフィルター層１１３、第二パッシベーション層１１１と遮光膜１０９上にコートされ、平らな表面を有する。マイクロレンズ構造１１７の上部１１８を形成するマイクロレンズ材料層１１６が材料層１１４にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、マイクロレンズ材料層１１６に実行されて、マイクロレンズ構造１１７の上部１１８を形成する。パターン化ステップ１２０がさらに、材料層１１４に実行されて、バッファ層１１５上に突起部１１９を形成する。その後、図１２の撮像装置１００が完成する。
図１４を参照すると、ある実施形態によるソリッドステート撮像装置１００の部分断面図が示される。撮像装置１００は、カラーフィルター層１１３と同一面上に形成される遮光膜１０９を含む。たとえば、遮光膜１０９とカラーフィルター層１１３が、第一パッシベーション層１０７上面に形成される。よって、撮像装置１００の総厚さ、または、高さが減少する。遮光膜１０９は、複数の遮光パーティション１０９Ｐを含む。遮光パーティション１０９Ｐは、複数のホール１１０を有する格子型構造を構成する。
撮像装置１００は、また、遮光膜１０９上に共形で形成される第二パッシベーション層１１１を含む。幾つかの実施形態において、第二パッシベーション層１１１は、遮光パーティション１０９Ｐの上面と側面を被覆する。別の実施形態において、第二パッシベーション層１１１は、さらに、ホール１１０により露出する第一パッシベーション層１０７の一部を被覆する。
幾つかの実施形態において、カラーフィルター層１１３は、複数のカラーフィルター素子、たとえば、赤（Ｒ）カラーフィルター素子１１３Ｒ、緑（Ｇ）カラーフィルター素子１１３Ｇ、および、青（Ｂ）カラーフィルター素子１１３Ｂを含む。各カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、格子型構造のそれぞれのホール１１０中を充填する。各遮光パーティション１０９Ｐが、二つの隣接するカラーフィルター素子間に設置される。遮光パーティション１０９Ｐの高さは、カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂより低い。
この実施形態において、カラーフィルター素子の一種、たとえば、緑色カラーフィルター素子１１３Ｇが延伸して、遮光パーティション１０９Ｐを完全に被覆する。つまり、カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇが、第二パッシベーション層１１１上に形成されて、遮光パーティション１０９Ｐ上の空間を充填する。よって、遮光膜１０９上方のカラーフィルター層１１３の一部が互いに接続されて、接続プロファイルを有する。カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇは、隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｂと接触する。さらに、カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇは、別のカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｂより大きい面積を有する。この実施形態において、異なる色を有する各種カラーフィルター素子の光学パフォーマンスは均整が取れ、カラーフィルター層の理想的な光学パフォーマンスを達成する。
撮像装置１００は、さらに、カラーフィルター層１１３上に形成されるマイクロレンズ構造１１７を含む。幾つかの実施形態において、遮光パーティション１０９Ｐを被覆するように延伸するカラーフィルター素子の一種は、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4より高い屈折率 n5 を有する。屈折率 n5 は、約 1.56 〜 約 1.90である。幾つかの実施形態において、ＣＶＤ薄膜は、さらに、マイクロレンズ構造１１７表面に蒸着される。ＣＶＤ薄膜は、マイクロレンズ構造１１７の屈折率 n4より低い屈折率 n6を有する。ＣＶＤ薄膜の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、または、それらの組み合わせを含む。
図１５Ａ−１５Ｂは、本発明の実施形態による図１４の半導体装置１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図１５Ａを参照すると、前述のように、フォトダイオード１０３Ａ、１０３Ｂと１０３Ｃ、高誘電率膜１０５、第一パッシベーション層１０７、複数の遮光パーティション１０９Ｐを有する遮光膜１０９、および、遮光膜１０９上に共形で形成される第二パッシベーション層１１１が、基板１０１上に形成される。複数のカラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂを含むカラーフィルター層１１３は、それぞれ、各画素Ｐ中の遮光膜１０９のホール１１０を充填する。カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇは、さらに、遮光パーティション１０９Ｐ上に延伸して、隣接するカラーフィルター素子、たとえば、１１３Ｒと１１３Ｂと接触する。カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇも第二パッシベーション層１１１に延伸して、遮光膜１０９上の空間を充填する。カラーフィルター素子の一種、たとえば、１１３Ｇは、遮光膜１０９を完全に被覆する。カラーフィルター素子１１３Ｒ、１１３Ｇ、および、１１３Ｂは、第二パッシベーション層１１１上面より高い上面を有する。
図１５Ｂを参照すると、マイクロレンズ構造１１７を形成するマイクロレンズ材料層１１６が、カラーフィルター層１１３にコートされる。パターン化ステップ１２０、たとえば、フォトリソグラフィとエッチングプロセスが、マイクロレンズ材料層１１６に実行されて、マイクロレンズ構造１１７を形成する。その後、図１４の撮像装置１００が完成する。
本発明の実施形態によると、遮光膜とカラーフィルター層が同一面に形成される。よって、撮像装置の総厚さ、または、高さが減少して、薄型撮像装置を獲得する。薄型撮像装置の各画素中のフォトダイオードは、広角度幅の入射光を受光することができる。よって、撮像装置の主光線角(ＣＲＡ)が改善されて、傾斜した入射光が、各画素中のフォトダイオードにより受光されるのを助ける。
さらに、本発明の実施形態において、低屈折率材料が、カラーフィルター素子間の空間、および、遮光パーティション上を充填する。低屈折率材料は、カラーフィルター層より低い屈折率を有し、よって、撮像装置の二個の隣接ピクセル間で、光学的クロストーク問題が発生するのを防止することができる。 それは、ＢＳＩ撮像装置が光学的クロストーク問題を克服するのに役立つ。さらに、本発明の実施形態において、撮像装置のカラーフィルター層の光学パフォーマンスが改善される。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
10〜撮像装置；
11〜半導体基板；
13〜遮光層；
15〜絶縁層；
17〜カラーフィルター層；
19〜マイクロレンズ；
100〜ソリッドステート撮像装置；
101〜基板；
101A〜基板正面；
101B〜基板背面；
102〜入射光線；
103A、103B、103C〜フォトダイオード；
105〜高誘電率膜；
107〜第一パッシベーション層；
109〜遮光膜；
109P〜遮光パーティション；
110、112〜ホール；
111〜第二パッシベーション層；
113〜カラーフィルター層；
113R、113G、113B〜カラーフィルター素子；
114〜低屈折率材料層；
115〜バッファ層；
116〜マイクロレンズ材料層；
117〜マイクロレンズ構造；
117ML〜マイクロレンズ素子；
118〜マイクロレンズ素子の上方部分；
119〜突起部；
120、130〜パターン化ステップ。
11〜半導体基板；
13〜遮光層；
15〜絶縁層；
17〜カラーフィルター層；
19〜マイクロレンズ；
100〜ソリッドステート撮像装置；
101〜基板；
101A〜基板正面；
101B〜基板背面；
102〜入射光線；
103A、103B、103C〜フォトダイオード；
105〜高誘電率膜；
107〜第一パッシベーション層；
109〜遮光膜；
109P〜遮光パーティション；
110、112〜ホール；
111〜第二パッシベーション層；
113〜カラーフィルター層；
113R、113G、113B〜カラーフィルター素子；
114〜低屈折率材料層；
115〜バッファ層；
116〜マイクロレンズ材料層；
117〜マイクロレンズ構造；
117ML〜マイクロレンズ素子；
118〜マイクロレンズ素子の上方部分；
119〜突起部；
120、130〜パターン化ステップ。
Claims (1)
- ソリッドステート撮像装置であって、
第一、第二、および、第三光電変換素子を含む基板と、
それぞれ、前記第一、第二、および、第三 光電変換素子上に設置される第一、第二、および、第三カラーフィルター素子を有するカラーフィルター層と、
高さが、それぞれ、前記カラーフィルター層より低く、前記第一と第二カラーフィルター素子間に設置される第一遮光パーティションと前記第二と第三カラーフィルター素子間に設置される第二遮光パーティションと、
前記基板上に設置され、前記カラーフィルタ層が上部に上面に接して形成される第一パッシベーション層と、
前記遮光パーティションを被覆する第二パッシベーション層と、
前記カラーフィルター層上に設置され、前記第二カラーフィルター素子が、前記第一と第二遮光パーティションを完全に被覆し、前記第二カラーフィルター素子の屈折率がそれよりも高いマイクロレンズ構造と、を含み、
前記第二カラーフィルター素子は、前記第一カラーフィルター素子、および、前記第三カラーフィルター素子より大きい面積を有し、前記第二カラーフィルター素子が、前記第一と第三カラーフィルター素子と接触することを特徴とするソリッドステート撮像装置。
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