(57)【要約】【課題】カラーフィルター層とマイクロレンズの間の整列問題を解決して、収率を向上させると同時に、フォト工程を短縮して原価を減らすようにしたＣＭＯＳイメージセンサ、及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードと各種のトランジスタが形成された下部素子層と、前記下部素子層上に形成される平坦化層と、前記平坦化層に一定の間隔を有して形成されるカラーフィルター用のマイクロレンズとを含むことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと各種のトランジスタが形成された下部素子層と、
前記下部素子層上に形成される平坦化層と、
前記平坦化層に一定の間隔を有して形成されるカラーフィルター用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。
【請求項２】
フォトダイオードと各種のトランジスタが形成された下部素子層の全面に平坦化層を形成する段階と、
前記平坦化層上に一定の間隔を有するように多数のカラーフィルター層を形成する段階と、
前記カラーフィルター層をリフローさせ、カラーフィルター用のマイクロレンズを形成する段階とを備えてなることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３】
前記リフローは、１５０〜２００℃の温度で実施することを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージセンサ及びその製造方法に関し、特に、フォト工程を短縮して原価を節減すると同時に、カラーフィルターとマイクロレンズの整列問題による収率の低下を減らすようにしたＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、イメージセンサは、光学映像を電気的な信号に変換させる半導体装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ素子と、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ素子とに大別される。
前記ＣＭＯＳイメージセンサは、照射された光を感知するフォトダイオード部と、感知した光を電気的な信号に処理してデータ化するＣＭＯＳロジック回路部とで構成されるが、前記フォトダイオードでの受光量が多いほど、前記イメージセンサの光感度の特性が良好となる。
【０００３】
光感度を高めるためには、イメージセンサの全体の面積のうち、フォトダイオードの面積の占める比率を大きくしたり、フォトダイオード以外の領域に入射する光の経路を変更したりして、前記フォトダイオードに集光させる技術が用いられる。
【０００４】
前記集光技術の代表的な例はマイクロレンズを形成することであり、これは、フォトダイオードの上部に光透過率に優れた物質で凸型のマイクロレンズを作り、入射光の経路を屈折させて、より多量の光をフォトダイオード領域に照射する方法である。
この場合、マイクロレンズの光軸と水平な光がマイクロレンズによって屈折して、光軸上の一定の位置でその焦点が形成される。
【０００５】
一方、ＣＭＯＳイメージセンサは、トランジスタの個数によって３Ｔ型、４Ｔ型、５Ｔ型などに区分される。３Ｔ型は、１つのフォトダイオードと３つのトランジスタとで構成され、４Ｔ型は、１つのフォトダイオードと４つのトランジスタとで構成される。
前記３Ｔ型のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素に対する等価回路およびレイアウトについて説明する。
【０００６】
図１は一般的な３Ｔ型ＣＭＯＳイメージセンサの等価回路図で、図２は一般的な３Ｔ型ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を示すレイアウト図である。
【０００７】
一般的な３Ｔ型のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素は、図１に示したように、１つのフォトダイオードＰＤと、３つのＮＭＯＳトランジスタ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）とで構成されている。前記フォトダイオードＰＤのカソードは、第１ＮＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン、及び第２ＮＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。そして、前記第１、第２ＮＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２のソースは、共に基準電圧ＶＲが供給される電源線に接続されており、第１ＮＭＯＳトランジスタＴ１のゲートは、リセット信号（ＲＳＴ）が供給されるリセット線に接続されている。
【０００８】
また、第３ＮＭＯＳトランジスタＴ３のソースは、前記第２ＮＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、前記第３ＮＭＯＳトランジスタＴ３のドレインは、信号線を介して読出し回路（図示せず）に接続され、前記第３ＮＭＯＳトランジスタＴ３のゲートは、選択信号（ＳＬＣＴ）が供給される熱選択線に接続されている。したがって、前記第１ＮＭＯＳトランジスタＴ１はリセットトランジスタ（Ｒｘ）と称し、第２ＮＭＯＳトランジスタＴ２はドライブトランジスタ（Ｄｘ）、第３ＮＭＯＳトランジスタＴ３は選択トランジスタ（Ｓｘ）と称する。
【０００９】
一般的な３Ｔ型のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素は、図２に示したように、アクティブ領域１０が定義され、アクティブ領域１０のうち幅の広い部分に１つのフォトダイオード２０が形成され、その残りの部分のアクティブ領域１０にそれぞれオーバーラップする３つのトランジスタのゲート電極３、４０、５０が形成される。即ち、前記ゲート電極３０によってリセットトランジスタＲｘが形成され、前記ゲート電極４０によってドライブトランジスターＤｘが形成され、前記ゲート電極５０によって選択トランジスタＳｘが形成される。
【００１０】
ここで、前記各トランジスタのアクティブ領域１０には、各ゲート電極３０、４０、５０の下側部を除いた部分に不純物のイオンが注入され、各トランジスタのソース／ドレイン領域が形成される。したがって、前記リセットトランジスタＲｘと、前記ドライブトランジスタＤｘとの間のソース／ドレイン領域には電源電圧（Ｖｄｄ）が印加され、前記セレクトトランジスター（Ｓｘ）の一側のソース／ドレイン領域は、判読回路（図示せず）に接続される。
【００１１】
上記で説明した各ゲート電極３０、４０、５０は、図示してはいないが、各信号ラインに連結され、前記各信号ラインは一側の先端にパッドを備えて外部の駆動回路に連結される。
【００１２】
以下、添付の図面を参照して、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサ、及びそのマイクロレンズの形成について説明する。
【００１３】
図３は従来の技術によるＣＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。
図３に示したように、半導体基板（図示せず）に少なくとも一つ以上形成され、入射する光量による電荷を生成するフォトダイオード領域と、メタルラインが形成される下部素子層１１と、前記下部素子層１１の全面に形成される層間絶縁層１２と、前記層間絶縁層１２上に形成され、それぞれ特定の波長帯の光を通過させる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルター層１３と、前記カラーフィルター層１３上に形成される平坦化層１４と、前記平坦化層１４上に一定の曲率を有する凸状で構成され対応するカラーフィルター層１３を透過して、フォトダイオード領域に光を集光するマイクロレンズ１５とで構成されている。
【００１４】
ここで、図面には示していないが、前記層間絶縁層１２内にはフォトダイオード領域以外の部分に光が入射することを防止するための遮光層が構成される。そして、光を感知するための素子としてフォトダイオード形態ではなく、フォトゲートの形態で構成することも可能である。
【００１５】
ここで、前記カラーフィルター１３は、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターで構成され、前記各カラーフィルターは、該当感光性物質を塗布し、別途のマスクを用いたフォトエッチング工程で形成される。
【００１６】
また、前記マイクロレンズ１５は、集束した光の焦点など様々なことを考慮して、その曲率及び形成する高さなどを決定するが、感光性レジストが主に用いられ、蒸着及びパターニング、そしてリフローなどの工程で形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記のような従来技術に係るＣＭＯＳイメージセンサ、及びその製造方法においては次のような問題があった。
【００１８】
第一に、カラーフィルター層がマイクロレンズの下部に形成されるため、マイクロレンズとカラーフィルター層の整列が限度以上に乱れると、イメージセンサのピクセルの動作に問題が発生して、正常な色の再現が不可能になる。
【００１９】
第二に、マイクロレンズは、レジストを１５０〜２００℃の温度でリフローさせて形成するため、温度とレジストの厚さに敏感に作用する。このような工程変数もマイクロレンズとカラーフィルター層の整列を乱す要因となり、収率を低下させる。
【００２０】
第三に、カラーフィルター層を形成するためのフォト工程と、マイクロレンズを形成するためのフォト工程が行われるため、全体的なフォト工程が増えて製造原価が上昇する。
【００２１】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、カラーフィルター層とマイクロレンズの間の整列問題を解決して、収率を向上させると同時に、フォト工程を短縮して原価を減らすようにしたＣＭＯＳイメージセンサ、及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するための本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードと各種のトランジスタが形成された下部素子層と、前記下部素子層上に形成される平坦化層と、前記平坦化層に一定の間隔を有して形成されるカラーフィルター用のマイクロレンズとを含むことを特徴とする。
【００２３】
また、上記目的を達成するための本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、フォトダイオードと各種のトランジスタが形成された下部素子層の全面に平坦化層を形成する段階と、前記平坦化層上に一定の間隔を有するように多数のカラーフィルター層を形成する段階と、前記カラーフィルター層をリフローさせ、カラーフィルター用のマイクロレンズを形成する段階とを備えてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法には次のような効果がある。
【００２５】
第一に、カラーフィルター層とマイクロレンズとを一体型に構成することで、カラーフィルター層とマイクロレンズの整列が乱れることにより発生する問題を最小化して、収率を向上させることができる。
【００２６】
第二に、カラーフィルター層を形成した後、リフローさせてマイクロレンズを形成することで、カラーフィルター層とマイクロレンズとを一回のフォト工程のみで同時に形成することができるので、フォト工程の短縮によって工程費用を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付の図面に基づいて本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサ、及びその製造方法をより詳細に説明する。
【００２８】
図４は、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。
図４に示したように、ＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを構成するフォトダイオードと、各種のトランジスターが形成された下部素子層１００の全面に形成される平坦化層１１０と、前記平坦化層１１０に一定の間隔を有して形成されるカラーフィルター用のマイクロレンズ１３０とを含んでなる。ここで、前記多数のカラーフィルター用マイクロレンズ１３０は、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルター層の機能を有している。
【００２９】
図５ａ及び図５ｂは、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。
図５ａに示したように、ＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを構成するフォトダイオードと、各種のトランジスタが形成された下部素子層１００の全面に平坦化層１１０を形成し、前記平坦化層１１０上に順次Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルター層１２０を形成する。
ここで、前記各カラーフィルター層１２０には１〜５μｍの厚さを有するように該当感光性物質を塗布し、別途のマスクを用いたフォトエッチング工程でパターニングして、それぞれの波長帯別に光をフィルタリングし、単一層で形成する。
【００３０】
図５ｂに示したように、前記平坦化層１１０上に形成されたカラーフィルター層１２０を１５０〜２００℃の温度でリフローさせ、カラーフィルター用マイクロレンズ１３０を形成する。ここで、前記カラーフィルター用マイクロレンズ１３０は、互いに隣接した領域で単独に分離された形状を維持するようにする。
【００３１】
以上で説明した本発明は、上述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的な思想を外れない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能なことは本発明の属する技術分野で通常の知識を有するものには明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一般的な３Ｔ型ＣＭＯＳイメージセンサの等価回路図である。
【図２】一般的な３Ｔ型ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を示すレイアウト図である。
【図３】従来の技術によるＣＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。
【図４】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。
【図５ａ】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。
【図５ｂ】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００  下部素子層
１１０  平坦化層
１２０  カラーフィルター層
１３０  カラーフィルター用のマイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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