(57)【要約】【課題】イメージセンサのマイクロレンズ及びその形成方法を提供する。【解決手段】本発明のイメージセンサは焦点距離を増加させるために両面が曲面のマイクロレンズを含み、これによって、目的とする受光素子への集光効率は高くなり、隣接した受光素子へ光が漏れることを防止することができる。【選択図】図２
2006157004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサに使用されるマイクロレンズにおいて、
前記マイクロレンズはバッファ膜上に配置され、凸形状の上部面を有し、
前記マイクロレンズの下部面と接する前記バッファ膜の上部面は凸形状であり、
前記バッファ膜の屈折率は前記マイクロレンズの屈折率より小さいことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記バッファ膜の下部面に接する平坦な上部面を有する保護膜をさらに含み、
前記保護膜の屈折率は前記バッファ膜の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記マイクロレンズは屈折率が約１．５であるポリマー系列の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記バッファ膜は屈折率が約１.４３乃至１．４５である低温酸化膜または屈折率が約１．３３乃至１．３５であるポリマーであることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記マイクロレンズは屈折率が約１．５であるポリマー樹脂であり、
前記バッファ膜は屈折率が約１．４３乃至１．４５である低温酸化膜または屈折率が約１．３３乃至１．３５であるポリマーであり、
前記保護膜は屈折率が約１．５程度であるシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
受光素子を具備する基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されたカラーフィルターと、
前記絶縁膜及びカラーフィルター上に形成された平坦な上部面を有する保護膜と、
前記保護膜上に形成され、凸形状の上部面を有するバッファ膜と、
前記バッファ膜の凸形状の上部面上に形成され、前記バッファ膜より屈折率が高く、凸形状の上部面及び前記バッファ膜の凸形状の上部面に接する凹形状の下部面を有するマイクロレンズと、を含むことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項７】
前記マイクロレンズの上部面の曲率半径は前記バッファ膜の凸形状の上部面の曲率半径より大きいことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記バッファ膜の屈折率は前記保護膜の屈折率より小さいことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記マイクロレンズは屈折率が約１．５程度であり、
前記バッファ膜は屈折率が約１．４３乃至１．４５である低温酸化膜または屈折率が約１．３３乃至１．３５であるポリマーであり、
前記保護膜は屈折率が約１．５程度であるシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項６または７に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記マイクロレンズの下部の絶縁膜及び保護膜の屈折率は前記バッファ膜の屈折率と同等であることを特徴とする請求項６または７に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
イメージセンサに使用されるマイクロレンズを形成する方法において、
基板上に上部が平坦なバッファ膜を形成し、
前記バッファ膜が凸形状の上部面を有するように前記バッファ膜を一部乾式エッチングし、
前記凸形状の上部面を有するバッファ膜上に上部面が凸形状のマイクロレンズを形成することを含むことを特徴とするマイクロレンズ形成方法。
【請求項１２】
前記バッファ膜を一部乾式エッチングして、前記バッファ膜の上部面を凸形状にする段階は、
前記上部面が平坦なバッファ膜上にマスクパターンを形成し、
前記マスクパターンの端部から遠くなるほどエッチング率が減少するように、フッ化炭素系列のガス及び酸素ガスを使用して前記マスクパターンによって露出したバッファ膜を乾式エッチングすることを含んでなることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロレンズ形成方法。
【請求項１３】
前記バッファ膜は前記マイクロレンズより屈折率が小さい低温酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のマイクロレンズ形成方法。
【請求項１４】
前記バッファ膜は前記マイクロレンズより屈折率が小さいポリマーで形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のレンズ形成方法。
【請求項１５】
前記マイクロレンズは屈折率が約１．５程度であるポリマーで形成し、
前記バッファ膜は屈折率が約１．４３乃至１．４５程度である低温酸化膜または屈折率が約１．３３乃至１．３５程度であるポリマーで形成することを特徴とする請求項１１または１２に記載のマイクロレンズ形成方法。
【請求項１６】
受光素子を具備する基板上に層間絶縁膜を形成し、
前記受光素子上に整列されるカラーフィルターを前記層間絶縁膜上に形成し、
前記カラーフィルターを覆い、前記カラーフィルターの上側で凸形状の表面を有するバッファ膜を前記層間絶縁膜上に形成し、
前記バッファ膜の凸形状の表面上に前記バッファ膜の屈折率より高い屈折率を有する上部面が凸形状のマイクロレンズを形成することを含むことを特徴とするイメージセンサ形成方法。
【請求項１７】
前記凸形状の表面を有するバッファ膜を形成する段階は、
前記層間絶縁膜及びカラーフィルター上に上部面が平坦なバッファ膜を形成し、
前記バッファ膜上に前記受光素子を露出させるように隣接したカラーフィルターの間の層間絶縁膜上にマスクパターンを形成し、
前記バッファ膜が前記カラーフィルターの上側で凸形状の表面を有するように、前記マスクパターンの端部に隣接したバッファ膜は相対的に高いエッチング率で、前記マスクパターンの端部から遠くなるほど相対的に低いエッチング率で前記マスクパターンによって露出したバッファ膜を乾式エッチングし、
前記マスクパターンを除去することを含んでなることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ形成方法。
【請求項１８】
前記乾式エッチングはフッ化炭素系列のガス及び酸素ガスを使用することを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ形成方法。
【請求項１９】
前記バッファ膜はポリマーで形成されることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ形成方法。
【請求項２０】
前記バッファ膜は低温酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ形成方法
【請求項２１】
前記バッファ膜を形成する前に、上部が平坦であり、前記バッファ膜より高い屈折率を有する保護膜を前記層間絶縁膜及び前記カラーフィルター上に形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１６乃至２０のうちのいずれか一項に記載のイメージセンサ形成方法。
【請求項２２】
前記バッファ膜はポリマーまたは低温酸化膜で形成され、
前記層間絶縁膜及び前記保護膜は前記バッファ膜より屈折率が大きいシリコン酸化膜で形成されることを特徴とする請求項２１に記載のイメージセンサ形成方法。
【請求項２３】
前記凸形状の上部面を有するマイクロレンズを形成する段階は、
前記カラーフィルターの上側で凸形状の上部面を有するバッファ膜上にマイクロレンズパターンを形成し、
リフロー工程を進行して前記マイクロレンズパターンが流動性を有するようにし、凸形状の上部面を有するようにすることを含んでなることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置及びその形成方法に係り、さらに詳細にはイメージセンサのマイクロレンズ及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近デジタル革命が急速に進行されており、その中の代表的商品の一つがデジタルカメラである。デジタルカメラの画質を決める核心要素は光学レンズとイメージセンサであると言える。レンズを通じて入ってきた光をイメージセンサが電気信号に変えて良い画質を実現するのである。
【０００３】
イメージセンサはピクセルアレイ、すなわち、二次元的にマトリックス状に配列された複数個のピクセルからなり、各ピクセルは受光素子と伝送及び信号出力デバイスを含む。伝送及び信号出力デバイスによってイメージセンサは大きく電荷結合素子（ＣＣＤ；Ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサ（以下では‘ＣＣＤ’と称する）と相補性金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ；Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ（以下では‘ＣＩＳ’と称する）の二つの種類で分けられる。ＣＣＤは伝送及び信号出力のためにＭＯＳキャパシタを使用しており、個々のＭＯＳキャパシタが互いに近接した位置にあって、電位差によって電荷キャリアがキャパシタに貯蔵され、隣接したキャパシタに移送される。一方、ＣＩＳはピクセルの個数だけのＭＯＳトランジスタを使用して順次出力を検出するスイッチング方式を採用する。
【０００４】
このような多様なイメージセンサを製造するにおいて、イメージセンサの感光度（ｐｈｏｔｏ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を増加させるための努力が進行されているが、その中の一つが集光技術である。例えば、ＣＩＳは光を感知する受光素子が形成される光感知部分と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ＣＭＯＳロジック回路部分で構成されており、光感度を高めるためには、イメージセンサ全体の面積に対して光感知部分の面積が占める割合（これを通常“フィルファクタ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）”と言う）を大きくしようとする努力が進行されているが、根本的にロジック回路部分を除去することができないから制限された面積におけるこのような努力には限界がある。したがって、ＣＩＳで光感度を高めるために光感知部分の以外の領域に入射する光の経路を変えて光感知部分に集める集光技術が多く研究されている。このために、通常イメージセンサではマイクロレンズを使用する。
【０００５】
しかし、素子が高集積化されることによって隣接したピクセルの間の間隔が狭くなり、これによって、各々の特定受光素子に入射されなければならない光が隣接した受光素子に漏れる現象が発生する。
【０００６】
図１を参照してこれを説明する。図１は従来の技術による従来のイメージセンサを概略的に示す断面図として、図１には集光と係わるイメージセンサの主要部分だけが概略的に示している。図１を参照すると、従来のイメージセンサは受光素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの以外の領域１０３に光が入射されることを防止するために層間絶縁膜１０５ａ、１０５ｂ内に光遮蔽層（ｌｉｇｈｔ ｓｈｉｅｌｄ ｌａｙｅｒ）１０４が形成されており、その上にカラーフィルター１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃが配列されており、カラーフィルターの上には平坦化または光透過度の向上を目的とした平坦な上部面を有する保護膜１０７が形成されており、保護膜１０７上には光を集光するためのマイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが形成されている。
【０００７】
一般に受光素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃはフォトゲートまたはフォトダイオードなどで成され、光遮蔽層１０４は金属層で形成される。カラーフィルター１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの材料としては、染色されたフォトレジストが主に利用されている。マイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの材料としては、ポリマー系列の樹脂（ｒｅｓｉｎ）が主に使用され、保護膜１０７は通常マイクロレンズと屈折率が類似するシリコン酸化物系薄膜が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来のイメージセンサのマイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃはその一面（上部面）が凸形状を示しており、他の面（保護絶縁膜１０７と接する面）が平坦な形状を示す。すなわち、従来のマイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃはその上部面だけが凸形状の凸レンズである。また、従来のイメージセンサでマイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃと保護絶縁膜１０７の屈折率がほぼ同等である。したがって、図示したように、入射される光の経路を追跡すれば（ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ）、凸レンズの焦点距離ｄＦ１が凸レンズから受光素子までの距離ｄＡ１より短い。すなわち、マイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの焦点Ｆが受光素子から遠く離れて形成される。したがって、マイクロレンズ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを使用して光を集光するとき、集光効率が低下し、目的とする受光素子以外の隣接した受光素子に光が入射されることがある。
【０００９】
したがって、業界で高い集光効率を有するイメージセンサが要求されている。
【００１０】
ここに本発明が案出され、本発明の目的は集光効率を高めることができるマイクロレンズ及びその形成方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は集光効率を高めることができるマイクロレンズを利用したイメージセンサ及びその形成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の本発明の目的を達成するために本発明の実施例によるイメージセンサは両面が曲面のマイクロレンズを含む。光が入射される前記マイクロレンズの上部面は凸形状であり、下部面は凹形状である。したがって、前記マイクロレンズの焦点距離は増加するようになって、前記マイクロレンズの下の特定受光素子に入射される光の集光効率を増加させることができる。
【００１３】
前記マイクロレンズの下にはバッファ膜を間に置いてカラーフィルターが位置し、前記バッファ膜の屈折率は前記両面が曲面のマイクロレンズの屈折率より小さい。これによって集光効率がさらに増加する。
【００１４】
一実施例において、前記バッファ膜は前記マイクロレンズより小さい屈折率を有する任意の物質であり、ここで特に限定されず、例えば、前記バッファ膜はポリマーまたは低温酸化膜ＬＴＯである。低温酸化膜は例えば約１００℃乃至約１５０℃程度の工程温度で形成され、ポリマーは約２００℃以下の工程温度で形成される。低温酸化膜の屈折率は約１．４３乃至１．４５程度であり、ポリマーの屈折率は約１．３３乃至１．３５程度である。一方、マイクロレンズはリフロー特性が優れている物質、例えば、フォトレジスト、ポリマー樹脂などで形成され、屈折率が約１．５程度であるマイクロレンズが使用される。
【００１５】
前記両面が曲面のマイクロレンズを形成する方法は、まず凸形状の上部面を有するバッファ膜を形成した後、前記バッファ膜の凸形状の上部面上に上部面が凸形状のマイクロレンズを形成することを含む。したがって、マイクロレンズの上部面は凸形状であり、マイクロレンズの下部面は前記バッファ膜の凸形状の上部面に対応して凹形状である。
【００１６】
前記バッファ膜の上部面を凸形状にする段階は、マスクパターンを使用する乾式エッチングによって行われることができる。例えば、上部が平坦なバッファ膜を形成した後、その上にマスクパターンを形成する。前記マスクパターンをエッチングマスクとして使用してフッ化炭素系列のガス及び酸素ガスを使用する乾式エッチングを進行する。この際、前記バッファ膜に対するエッチング率が前記エッチングマスクパターンから遠くなるほど減少する条件で前記乾式エッチングを進行する。これによって、前記乾式エッチングの結果、前記バッファ膜の上部面は凸形状を有するようになる。前記乾式エッチングの条件はフッ化炭素系列のガス及び酸素ガスの分圧を適切に調節することによってなされることができる。酸素ガスの分圧がフッ化炭素系列のガスの分圧より高いことが望ましい。フッ化炭素系列のガスとして例えばＣ４Ｆ８などがある。
【００１７】
前記凸形状の上部面を有するマイクロレンズは通常の方法で形成されることができる。例えば、マイクロレンズを形成するためにリフロー特性が優れているフォトレジスト、ポリマー系列の樹脂のような物質をマイクロレンズ形成用物質として使用する。まず、マイクロレンズ用物質を形成して、前記マイクロレンズ用物質に対して露光及びパターニング工程を進行した後、流動性を有するように熱処理を進行することによって上部が凸形状のマイクロレンズを形成することができる。この際、マイクロレンズ用物質は上部面が凸形状のバッファ膜上に形成されるので、結局マイクロレンズは両面が曲面を示す。
【００１８】
上述の目的を達成するために本発明の一実施例は前記マイクロレンズを適用したイメージセンサを提供する。前記イメージセンサは受光素子が形成された基板と、前記基板上に配置され、金属配線が形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成されたカラーフィルターと、前記層間絶縁膜及びカラーフィルター上に形成され、凸形状の上部面を有するバッファ膜と、前記バッファ膜の凸形状の上部面上に形成され、凸形状の上部面及び前記バッファ膜の凸形状の上部面に接する下部面を有するマイクロレンズとを含む。
【００１９】
前記イメージセンサにおいて、前記バッファ膜の屈折率は前記マイクロレンズの屈折率より小さいことが望ましい。
【００２０】
上述の目的を達成するために本発明の一実施例は前記マイクロレンズ形成方法を使用してイメージセンサ形成方法を提供する。前記イメージセンサ形成方法は、受光素子を具備する基板上に層間絶縁膜を形成し、前記受光素子上に整列されるカラーフィルターを前記層間絶縁膜上に形成し、前記カラーフィルターを覆って、前記カラーフィルターの上側で凸形状の表面を有するバッファ膜を前記層間絶縁膜上に形成し、前記バッファ膜の凸形状の表面上に前記バッファ膜の屈折率より高い屈折率を有する上部面が凸形状のマイクロレンズを形成することを含む。
【００２１】
一実施例において、前記凸形状の表面を有するバッファ膜を形成する段階は、前記層間絶縁膜及びカラーフィルター上に上部が平坦なバッファ膜を形成し、前記バッファ膜上に前記受光素子を露出させるように隣接したカラーフィルターの間の層間絶縁膜上にマスクパターンを形成し、前記バッファ膜が前記カラーフィルターの上側で凸形状の表面を有するように、前記マスクパターンの端部に隣接したバッファ膜は相対的に高いエッチング率で、前記マスクパターンの端部から遠くなるほど相対的に低いエッチング率で前記マスクパターンによって露出したバッファ膜を乾式エッチングし、前記マスクパターンを除去することを含んでなる。
【００２２】
前記エッチングで、マスクパターンから遠くなるほどバッファ膜は高いエッチング率でエッチングされるので、前記マスクパターンの間に露出したバッファ膜は前記エッチングによって凸形状の上部面を有するようになる。
【００２３】
ここで、前記受光素子は特に限定されず、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ピンフォトダイオード、フォトゲート、ＭＯＳＦＥＴなどでありうる。前記受光素子で生成された信号電荷は各種トランジスタのゲート及び金属配線に適切な電圧を印加することによって読み出される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のイメージ素子によると、両面が曲面のマイクロレンズ及びその下部に屈折率が低いバッファ膜を形成することによって、集光効率が良好になり、漏洩を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以上の本発明の目的、他の目的、特徴及び利点は添付の図と係わる以下の望ましい実施例を通じて容易に理解される。しかし、本発明はここで説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介される実施例は開示された内容が徹底して完全になるように、そして当業者に本発明の思想を十分に伝達するために提供されるものである。
【００２６】
本明細書の多様な実施例で第１、第２、第３などの用語が多様な領域、膜などを記述するために使用されたが、これらの領域、膜がこのような用語によって限定されてはならない。また、これらの用語は単にある所定領域または膜を他の領域または膜と区別させるために使用されただけである。したがって、ある一実施例での第１膜として言及された膜が他の実施例では第２膜として言及されることもできる。
【００２７】
本明細書で、ある膜（または層、またはパターン）が他の膜または基板上にあると言及される場合に、それは他の膜または基板上に直接形成されることができるもの、またはそれらの間に第３の膜が介在されることもできるものを意味する。また図において、膜及び領域の厚さは明確性のために誇張されたものである。
【００２８】
本発明はイメージセンサに係り、特に焦点距離を増加させて集光効率を高めることができるイメージセンサに関する。本発明は両面が曲面構造のマイクロレンズを使用して焦点距離を増加させており、またマイクロレンズの下部にマイクロレンズより屈折率が低いバッファ膜を形成して、より一層焦点距離を増加させている。したがって、本発明によると、上部面が凸形状のマイクロレンズが凸形状の上部面を有するバッファ膜上に形成されており、マイクロレンズの下部面は凹形状であり、結果的にマイクロレンズは両面が曲面である構造を有する。
【００２９】
本発明の理解のために図２を参照して、これを説明する。図２で参照符号“Ａ”は受光素子が形成される光透過領域を、参照番号“Ｂ”は光を遮断し、各種金属配線、各種トランジスタ、遮光パターンが形成される遮光領域を示す。また、遮光領域Ｂに論理回路が形成されることもできる。図２には、本発明が適用されるイメージセンサを概略的に示す断面図として、集光と係わるイメージセンサの主要部分だけが図示されている。また、図には図の簡略化のために二つの受光素子が図示されている。
【００３０】
図２を参照すると、本発明によるイメージセンサ１００は受光素子１１５ａ、１１５ｂを含む基板１１１、金属配線１１７が形成された層間絶縁膜１１９、カラーフィルター１２１ａ、１２１ｂ、保護膜１２３、バッファ膜１２５、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂを含む。
【００３１】
受光素子１１５ａ、１１５ｂは基板１１１の光透過領域Ａに形成され、素子分離領域１１３によって互いに電気的に隔離されている。受光素子は基板に二次元的に配列される。ここで、受光素子１１５ａ、１１５ｂは特別に限定されず、例えば、フォトダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、フォトトランジスタ（ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ピンフォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、フォトゲート（ｐｈｏｔｏｇａｔｅ）、ＭＯＳＦＥＴなどでありうる。例として、受光素子としてフォトダイオードを使用する場合を簡略に説明する。フォトダイオード形成のためにＰ型基板１１１にエピタキシャルＮ型シリコン層を形成して、前記Ｎ型エピタキシャル層にフォトダイオードのＮ領域のための不純物イオンを注入してＮ領域を形成する。次に、前記Ｎ領域の表面にＰ型不純物イオンを注入してＰ型領域を形成する。これによって、ＰＮ接合フォトダイオードが形成される。光電子による信号電荷はフォトダイオードのＮ領域に形成される。フォトダイオードのＮ領域に形成された信号電荷がＰ型基板に漏洩することを防止するためのバリアー層としてＮ型エピタキシャルシリコン層を形成した後、深いＰ型ウェルをＰ型基板とＮ型エピタキシャル層との間に形成されることができる。
【００３２】
受光素子１１５ａ、１１５ｂで発生された信号電荷は遮光領域Ｂに形成されたトランジスタのようなスイッチング素子によって伝送されて論理回路によって読み出される。このように図に示さない構成は当業者に周知であり、したがってこれらに対する説明を略する。
【００３３】
層間絶縁膜１１９は例えば、不純物がドーピングされたシリコン酸化物またはドーピングされないシリコン酸化物で形成される。シリコン酸化物は蒸着される温度、使用されるソースガス、工程圧力などによって低温酸化膜ＬＴＯ、中温酸化膜ＭＴＯ、高温酸化膜ＨＴＯで区別されることができる。本明細書で言及される低温酸化膜は、例えば屈折率が１．５より低く、低温、例えば約１００℃乃至１５０℃で形成されるシリコン酸化膜を示す。また、本明細書で言及される層間絶縁膜１１９は特別な言及がなければ、低温酸化膜の形成方法とは違う条件（例えば、低温酸化膜より高い温度条件でおよび／または他のソースガス、圧力を使用する条件で）を使用して形成される中温酸化膜または高温酸化膜であり、低温酸化膜より高い屈折率、例えば、約１．５程度の屈折率を示すシリコン酸化膜である。
【００３４】
層間絶縁膜１１９上には受光素子１１５ａ、１１５ｂの上部に整列されるカラーフィルター１２１ａ、１２１ｂが位置する。カラーフィルター１２１ａ、１２１ｂの上部にマイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂが位置して、これらの間に保護膜１２３及びバッファ膜１２５が介在する。
【００３５】
バッファ膜１２５の上部面は凸形状を示す。マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの上部面１２７ｓ１は凸形状であり、その下部面１２７ｓ２はバッファ膜１２５の凸形状の上部面に隣接して凹形状である。すなわち、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの両面は共に湾曲されている。したがって、図示したように、入射光線の経路を追跡すれば、図１に示した従来イメージセンサに比べて焦点距離ｄＦ２がさらに増加したことが分かる。すなわち、図１の従来のイメージ素子での焦点と受光素子との距離Ｄ１より本発明によるイメージ素子での焦点と受光素子との距離Ｄ２がさらに小さい。これはマイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの下部面１２７ｓ２が湾曲されているためである。焦点距離ｄＦ２をさらに増加させるために下部面１２７ｓ２の曲率半径が上部面１２７ｓ１の曲率半径より小さいことが望ましい。
【００３６】
また、本発明によると、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂと接する膜がバッファ膜１２５であり、バッファ膜１２５の屈折率はマイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの屈折率より小さい。したがって、より一層焦点距離ｄＦ２を増加させることができる。すなわち、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの焦点Ｆが受光素子１１５ａ、１１５ｂの付近に位置するようにすることができる。図１に示した従来のイメージセンサの場合、マイクロレンズに保護膜が接して、その保護膜の屈折率はマイクロレンズの屈折率と類似である。
【００３７】
例えば、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂは、屈折率が約１．５程度であるポリマー系列の樹脂、フォトレジストなどで形成される。バッファ膜１２５は、屈折率が約１．４３乃至１．４５程度である低温酸化膜または屈折率が約１．３３乃至１．３５程度であるポリマーで形成される。ここで、低温酸化膜は低圧化学気相蒸着法ＬＰＣＶＤを使用して低温で例えば約１００℃乃至約１５０℃の範囲でソースガスとしてシランガス及び酸素ガスを使用して形成される。ポリマーとしてバッファ膜を使用する場合、ポリマーは約２００℃以下で形成される。
【００３８】
一方、保護膜１２３はバッファ膜１２５及びカラーフィルター１２１ａ、１２１ｂの間に介在し、その上部面が平坦である。保護膜１２３は層間絶縁膜１１９と同様のシリコン酸化膜で形成され、バッファ膜１２５より屈折率が高い。
【００３９】
以上で説明したイメージセンサ１００で、マイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂ、バッファ膜１２５、保護膜１２３の屈折率は各々所定の範囲を有することができるが、バッファ膜１２５の屈折率はマイクロレンズ１２７ａ、２７ｂ及び保護膜１２３の屈折率より低いという条件を満足するように各々の膜が選択される。
【００４０】
以上で説明したイメージセンサ１００で、保護膜１２３がバッファ膜１２５と同様の物質である低温酸化膜で形成されることもできる。さらに、層間絶縁膜１１９もバッファ膜１２５と同様の物質である低温酸化膜で形成されることができる。これによって、集光効率がさらに向上する。または、受光領域Ａ上の層間絶縁膜１１９Ａが選択的に低温酸化膜からなることができる。これは層間絶縁膜１１９をシリコン酸化膜で形成した後、フォトリソグラフィ工程を通じて受光領域Ａの層間絶縁膜を除去した後、ここに低温酸化膜を形成することによって実現されることができる。
【００４１】
図３乃至図６を参照して、上述の図２のマイクロレンズを形成する方法を説明する。図３乃至図６には、マイクロレンズ形成と係わる部分のみを示した。まず、図３を参照すると、受光素子、各種トランジスタ、金属配線、層間絶縁膜形成工程が進行された基板２１１上にカラーフィルター２２１ａ、２１１ｂを形成する。カラーフィルター２２１ａ、２２１ｂはよく知られた方法で形成され、例えば、染色されたフォトレジストを使用して形成されることができる。
【００４２】
カラーフィルター２２１ａ、２２１ｂを覆うようにバッファ膜２２５を形成する。バッファ膜２２５はポリマーまたは低温酸化膜で形成される。ポリマーは屈折率が約１．３３乃至１．３５程度として、その下部に形成された層間絶縁膜の屈折率より低い。また、低温酸化膜の屈折率は約１．４３乃至１．４５程度として層間絶縁膜の屈折率より低い。
【００４３】
バッファ膜２２５上にカラーフィルター２２１ａ、 ２２１ｂを露出させる、すなわちカラーフィルターの間の空間を覆うマスクパターン２２６ａ〜２２６ｃを形成する。マスクパターン２２６ａ〜２２６ｃは例えばフォトレジストで形成されることができる。図示しないが、バッファ膜２２５を形成する前に上部が平坦な保護膜を形成することが望ましい。上部の平坦な保護膜は、バッファ膜２２５上に形成されるマスクパターン２２６ａ〜２２６ｃ形成のために用いられるフォトリソグラフィ工程のための平坦な上部形状（トポロジー）を提供する。
【００４４】
次に、図４を参照して、乾式エッチングを進行して露出したバッファ膜をエッチングする。この際、フッ化炭素系列のガス及び酸素ガスを使用してマスクパターンによって露出したバッファ膜の相対的な位置によって、バッファ膜に対するエッチング率が互いに違うようにする。すなわちマスクパターン２２６ａ〜２２６ｃの端から遠くなるほどエッチング率が減少するようにする。これによって、マスクパターン２２６ａ〜２２６ｃに接したバッファ膜が相対的に高いエッチング率でエッチングされて、図４に示したように、カラーフィルター２２１ａ、２２１ｂの上側のバッファ膜２２５は凸形状の上部面２２５ｓを有するようになる。ここで、フッ化炭素系列のガスは特に限定されず、例えば、Ｃ４Ｆ８ガスを含む。
【００４５】
望ましくは、酸素ガスの分圧をフッ化炭素系列のガスの分圧より高くする。このような条件下で乾式エッチングを進行する場合、バッファ膜２２５の上部面はさらに凸形状になる。すなわち、バッファ膜２２５の凸形状の上部面の曲率半径が小さくなる。バッファ膜２２５の凸形状の上部面の曲率半径が小さいほど集光効率はさらに増加する。
【００４６】
マスクパターン２２６ａ〜２２６ｃを除去した後、よく知られた方法でバッファ膜２２５の屈曲された上部面２２５ｓ上に凸形状の上部面２２７ｓを有するマイクロレンズ２２７ａ、２２７ｂを形成する。マイクロレンズ２２７ａ、２２７ｂはバッファ膜２２５より屈折率が高く、リフロー特性が優れている膜、例えばポリマー系列の樹脂で形成される。マイクロレンズ２２７ａ、２２７ｂはバッファ膜２２５より高い屈折率を有する物質を蒸着して、露光してパターニングした後、リフロー工程を進行することによって形成されることができる。リフロー工程は蒸着されたマイクロレンズ用の膜が流動性を有する温度で進行され、これによって最終的に形成されるマイクロレンズ１２７ａ、１２７ｂの上部面は凸形状になる。
【００４７】
すなわち、図５を参照すると、マイクロレンズ用物質膜をバッファ膜２２５上に塗布した後、露光及びパターニング工程を通じてマイクロレンズパターン２２８ａ、２２８ｂを形成する。マイクロレンズパターン２２８の下部面、すなわちバッファ膜の凸形状の上部面に接する面は凹形状である。
【００４８】
次に、図６を参照すると、適切な温度でリフロー工程を進行してマイクロレンズパターン２２８の上部面を凸形状にして、上部面が凸形状のマイクロレンズ２２７ａ、２２７ｂを形成する。
【００４９】
今まで本発明に対してその望ましい実施例を中心によく見た。本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態に実現されることができることを理解することができる。
【００５０】
したがって、開示された実施例は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は上述の説明ではなく、特許請求の範囲に示しており、それらと同等な範囲内にあるすべての差異は本発明に含まれたことに解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】通常のイメージセンサで発生することができる問題点を説明するためのイメージセンサの断面図である。
【図２】本発明による両面曲面のマイクロレンズを具備するイメージセンサを概略的に示す断面図である。
【図３】図２のマイクロレンズを形成する方法を説明するための断面図である。
【図４】図２のマイクロレンズを形成する方法を説明するための断面図である。
【図５】図２のマイクロレンズを形成する方法を説明するための断面図である。
【図６】図２のマイクロレンズを形成する方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  イメージセンサ
１１１  基板
１１５ａ、１１５ｂ  受光素子
１１７  金属配線
１１９  層間絶縁膜
１２１ａ、１２１ｂ  カラーフィルター
１２３  保護膜
１２５  バッファ膜
１２７ａ、１２７ｂ  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５】
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【図６】
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