(57)【要約】【課題】フォトダイオードとマイクロレンズとの間に、金属層間絶縁膜の一部から構成されるインナーレンズが形成されている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】フォトダイオード領域で、層間絶縁膜上にフォトダイオードと対面するようにインナーレンズが位置しているＣＭＯＳイメージセンサである。インナーレンズは、金属層間絶縁膜の一部から形成される。フォトダイオード領域で、金属層間絶縁膜を貫通して、インナーレンズを覆うように光透過部が形成されている。光透過部は、金属層間絶縁膜の構成物質と異なる物質から形成される。インナーレンズと光透過部との間にライナーが介在されうる。【選択図】図１
2006080533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する基板と、
前記フォトダイオード領域で、前記基板に形成されたフォトダイオードと、
前記トランジスタ領域で、前記基板の表面に形成された複数のトランジスタと、
前記フォトダイオード及び複数のトランジスタを覆う平坦化された層間絶縁膜と、
前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記層間絶縁膜上に形成された金属層間絶縁膜と、
前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して形成された金属配線層と、
前記フォトダイオード領域で、前記層間絶縁膜上に前記フォトダイオードと対面するように位置し、前記金属層間絶縁膜の一部からなるインナーレンズと、
前記フォトダイオード領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して前記インナーレンズを覆うように形成され、前記金属層間絶縁膜の構成物質と異なる物質からなる光透過部と、を備えることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２】
前記インナーレンズは、凸レンズであることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項３】
前記インナーレンズは、凹レンズであることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項４】
前記金属層間絶縁膜は、酸化膜、または酸化膜及び窒化膜の複合膜から形成されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項５】
前記インナーレンズは、酸化膜から形成されることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項６】
前記光透過部は、前記インナーレンズと異なる屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項７】
前記インナーレンズは、凸レンズであり、
前記光透過部は、前記インナーレンズより屈折率の低い物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項８】
前記インナーレンズは、凹レンズであり、
前記光透過部は、前記インナーレンズより屈折率の高い物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項９】
前記インナーレンズは、酸化膜から形成され、
前記光透過部は、有機高分子化合物から形成されることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１０】
前記インナーレンズと前記光透過部との間に介在されているライナーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１１】
前記ライナーは、前記インナーレンズ及び光透過部と異なる屈折率を有する物質から構成されたことを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ライナーは、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、または有機高分子化合物から形成されることを特徴とする請求項１１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１３】
前記インナーレンズは、酸化膜から形成され、
前記ライナーは、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、または有機高分子化合物から形成され、
前記光透過部は、有機高分子化合物から形成されることを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１４】
前記インナーレンズは、凸レンズであり、
前記ライナーは、前記インナーレンズ上で、前記インナーレンズの上面の輪郭に沿ってその上面で凸状を有することを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１５】
前記ライナーは、前記インナーレンズより低い屈折率を有し、前記光透過部は、前記ライナーより低い屈折率を有することを特徴とする請求項１４に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１６】
前記インナーレンズは、凹レンズであり、
前記ライナーは、前記インナーレンズ上で、前記インナーレンズの上面の輪郭に沿ってその上面で凹状を有することを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１７】
前記ライナーは、前記インナーレンズより高い屈折率を有し、前記光透過部は、前記ライナーより高い屈折率を有することを特徴とする請求項１６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１８】
前記インナーレンズは、前記トランジスタ領域に形成された金属配線層と同一な平面上に位置していることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１９】
前記フォトダイオード領域で、前記光透過部上に形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタ上で、前記フォトダイオードに対応する位置に形成されているマイクロレンズと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２０】
前記フォトダイオード領域に形成された前記光透過部、及び前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜上に形成された金属配線層をそれぞれ覆う平坦化層をさらに備え、
前記カラーフィルタは、前記平坦化層上に形成されていることを特徴とする請求項１９に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２１】
前記光透過部及び平坦化層は、相等しい物質から形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２２】
フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する基板を準備する工程と、
前記フォトダイオード領域で、基板内の表面領域にフォトダイオードを形成する工程と、
前記トランジスタ領域で、前記基板の表面にトランジスタを形成する工程と、
前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記フォトダイオード及びトランジスタを覆う平坦化された層間絶縁膜を形成する工程と、
前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記層間絶縁膜を覆う金属層間絶縁膜と、前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して形成される金属配線層とを形成する工程と、
前記フォトダイオード領域で、前記金属層間絶縁膜の一部から構成されるインナーレンズが形成されるように、前記金属層間絶縁膜の一部を除去して前記金属層間絶縁膜を貫通するキャビティを形成する工程と、
前記キャビティを所定の物質で充填して、前記インナーレンズ上に光透過部を形成する工程と、を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２３】
前記キャビティは、前記インナーレンズを構成するために、０でない曲率を有する底面を有することを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２４】
前記インナーレンズは、前記キャビティの底面輪郭に対応する凸レンズを構成することを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２５】
前記インナーレンズは、前記キャビティの底面輪郭に対応する凹レンズを構成することを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２６】
前記金属層間絶縁膜は、酸化膜、または酸化膜及び窒化膜の複合膜から形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２７】
前記インナーレンズは、酸化膜から形成されることを特徴とする請求項２６に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２８】
前記キャビティの形成工程では、前記インナーレンズが前記金属配線層と同一な平面上に形成されるように、前記金属層間絶縁膜の除去量を調節することを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項２９】
前記キャビティは、傾斜した側壁を有するように形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３０】
前記光透過部は、有機高分子化合物から形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３１】
前記光透過部は、前記インナーレンズと異なる屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項３０に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３２】
前記インナーレンズが凸レンズを構成するように、前記キャビティの底面は、凸の輪郭を有し、
前記光透過部は、前記インナーレンズより低い屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３３】
前記インナーレンズが凹レンズを構成するように、前記キャビティの底面は、凹の輪郭を有し、
前記光透過部は、前記インナーレンズより高い屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３４】
前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、それぞれ前記光透過部、前記金属層間絶縁膜及び前記金属配線層を完全に覆う平坦化層を形成する工程と、
前記平坦化層上にカラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタ上で、前記フォトダイオードに対応する位置にマイクロレンズを形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３５】
前記平坦化層は、光透過部の構成物質と同一な物質から形成されることを特徴とする請求項３４に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３６】
前記キャビティを形成した後、前記光透過部を形成する前に、前記キャビティの輪郭に沿って前記インナーレンズ上にライナーを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３７】
前記ライナーは、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、または有機高分子化合物から形成されることを特徴とする請求項３６に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３８】
前記ライナーは、前記インナーレンズと異なる屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項３７に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項３９】
前記インナーレンズが凸レンズを構成するように、前記キャビティの底面は、凸の輪郭を有し、
前記ライナーは、前記インナーレンズより低い屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項３６に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項４０】
前記インナーレンズが凹レンズを構成するように、前記キャビティの底面は、凹の輪郭を有し、
前記ライナーは、前記インナーレンズより高い屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする請求項３６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係り、特に受光部であるフォトダイオードを備えたＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージ素子は、単一電源の低電圧、低消費電力、及び色々な機能を有した周辺回路を一つのチップで集積できるという非常に有利な特徴を有している。ＣＭＯＳイメージセンサは、光を感知する光感知部分、及び感知された光を電気信号に処理してデータ化するロジック部分から構成されている。ＣＭＯＳイメージ素子で光感度を向上させるために、全体のイメージセンサ素子で光感知部分の面積が占める比率、すなわちフィルファクタを大きくするための努力が試みられてきた。しかし、根本的にロジック回路部分は除去できないので、光感知面積が制限され、特にイメージセンサ素子での解像度の増加によって、セルサイズが縮少して光感度の低下を避けられなくなった。光感度を向上させるために、光感知部分以外の領域に入射する光路を変更して、光感知部分に光を集める集光技術としてマイクロレンズを形成する技術が登場した。しかし、イメージセンサにマイクロレンズを形成しても、光の集束効果を向上させるのには限界がある。
【０００３】
これにより、イメージセンサで、マイクロレンズとフォトダイオードとの間の光の入射経路の構造を変更することによって、光の集束効果を向上させるための多様な試みがあった（例えば、特許文献１、２）。しかし、これまで提案された技術は、別途の追加工程により工程が面倒であり、所望の構造を具現するための工程条件を制御し難い。
【特許文献１】米国特許第５，７９６，１５４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１７１，８８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、前記の従来の技術の問題点を解決するためのものであって、集光効率を向上させ、光感度を向上できる構造を有するＣＭＯＳイメージセンサを提供するところにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、集光効率を向上させ、光感度を向上できるイメージセンサの構造を簡単な工程で具現できるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する基板を備える。前記フォトダイオード領域には、前記基板にフォトダイオードが形成されており、前記トランジスタ領域には、前記基板の表面に複数のトランジスタが形成されている。前記フォトダイオード及び複数のトランジスタが、平坦化された層間絶縁膜により覆われている。前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記層間絶縁膜上には、金属層間絶縁膜が形成されている。前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して金属配線層が形成されている。前記フォトダイオード領域で、前記層間絶縁膜上に前記フォトダイオードと対面するようにインナーレンズが位置している。前記インナーレンズは、前記金属層間絶縁膜の一部から形成される。前記フォトダイオード領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して前記インナーレンズを覆うように光透過部が形成されている。前記光透過部は、前記金属層間絶縁膜の構成物質と異なる物質から形成される。
【０００７】
前記インナーレンズは、凸レンズまたは凹レンズを構成できる。前記インナーレンズが凸レンズである場合、前記光透過部は、前記インナーレンズより屈折率の低い物質から形成されることが望ましい。また、前記インナーレンズが凹レンズである場合、前記光透過部は、前記インナーレンズより屈折率の高い物質から形成されることが望ましい。
【０００８】
前記インナーレンズと前記光透過部との間には、ライナーが介在されうる。望ましくは、前記ライナーは、前記インナーレンズ及び光透過部と異なる屈折率を有する物質から構成される。
【０００９】
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、前記フォトダイオード領域で、前記光透過部上に形成されたカラーフィルタをさらに備える。また、前記カラーフィルタ上で、前記フォトダイオードに対応する位置に形成されているマイクロレンズをさらに備えることができる。
【００１０】
前記他の目的を達成するために、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法では、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する基板を準備する。前記フォトダイオード領域で、基板内の表面領域にフォトダイオードを形成する。前記トランジスタ領域で、前記基板の表面にトランジスタを形成する。前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記フォトダイオード及びトランジスタを覆う平坦化された層間絶縁膜を形成する。前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記層間絶縁膜を覆う金属層間絶縁膜と、前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜を貫通して形成される金属配線層とを形成する。前記フォトダイオード領域で、前記金属層間絶縁膜の一部から構成されるインナーレンズが形成されるように、前記金属層間絶縁膜の一部を除去して、前記金属層間絶縁膜を貫通するキャビティを形成する。前記キャビティを所定の物質で充填して、前記インナーレンズ上に光透過部を形成する。
【００１１】
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、基板上のフォトダイオード領域で、受光部であるフォトダイオードとマイクロレンズとの間に、金属層間絶縁膜の一部から構成される凸レンズまたは凹レンズ形態のインナーレンズにより、受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。また、インナーレンズと光透過部との間に介在される光透過ライナーを備えることによって、集光時に感度をさらに向上できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、基板上のフォトダイオード領域で、受光部であるフォトダイオードとマイクロレンズとの間に、金属層間絶縁膜の一部から構成される凸レンズまたは凹レンズ形態のインナーレンズが形成されている。インナーレンズ上には、金属層間絶縁膜の構成物質でない他の光透過物質から形成される光透過部が前記金属層間絶縁膜を貫通して形成されて、光透過経路を提供する。したがって、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサでは、外部からインナーレンズを通じて受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。また、インナーレンズと光透過部との間に介在される光透過ライナーを備えることによって、集光時に感度向上を倍加できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に例示する実施形態は、色々な他の形態に変形され、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。添付図面で、膜または領域の大きさまたは厚さは、明細書の明確性のために誇張されたものである。
【００１４】
図１は、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサを具現するのに適用できる一つの例示的な単位ピクセル１０の概略的なレイアウトである。
【００１５】
図１に示すように、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板上のピクセルアレイ領域内にマトリックス形態で配置された複数の単位ピクセル１０を備える。前記単位ピクセル１０は、受光部であるフォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域２０、及び複数のトランジスタが形成されているトランジスタ領域３０を備える。前記トランジスタ領域３０には、前記フォトダイオードＰＤで生成された電荷をフローティング拡散領域ＦＤに運送するトランスファトランジスタＴｘ、前記フローティング拡散領域ＦＤに保存されている電荷を周期的にリセットさせるリセットトランジスタＲｘ、ソースフォロワバッファ増幅器の役割を行い、前記フローティング拡散領域ＦＤに充電された電荷による信号をバッファリングするドライブトランジスタＤｘ、及び前記単位ピクセル１０を選択するためのスイッチの役割を行うセレクトトランジスタＳｘを備える。
【００１６】
図１には、一つのフォトダイオードＰＤ及び四つのＭＯＳトランジスタＴｘ、Ｒｘ、Ｄｘ、Ｓｘから構成された単位ピクセル１０のレイアウト構成を例示した。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、トランジスタ領域に少なくともトランスファトランジスタ及びソースフォロワバッファ増幅器を備える少なくとも三つのトランジスタとフォトダイオードとから構成される単位ピクセルからなるものであれば、いかなる回路にも適用可能である。
【００１７】
図２は、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図であって、図１のII−II’線の断面に対応する図面である。
【００１８】
図２に示すように、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する半導体基板１００を備える。前記半導体基板１００には、素子分離領域１０２により活性領域が画定されている。前記半導体基板１００のフォトダイオード領域には、受光部であるＮ型のフォトダイオード１０４が形成されている。前記フォトダイオード１０４上には、前記半導体基板１００の表面にＰ＋型のＨＡＤ（Ｈｏｌｅ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）領域１０６が形成されている。前記トランジスタ領域には、前記半導体基板１００の表面に複数のトランジスタ１１０が形成されている。図２には、図面の簡略化のために、一つのトランジスタ１１０のみが示されている。前記図示したトランジスタ１１０は、前記フォトダイオード１０４で生成された電荷をＮ＋型のフローティング拡散領域１０８に運送するためのトランスファトランジスタＴｘを構成する。
【００１９】
前記フォトダイオード１０４及びトランジスタ１１０は、平坦化された層間絶縁膜１２０により覆われている。前記層間絶縁膜１２０は、前記トランジスタ１１０のゲート側壁に形成されたスペーサ１１２ａと同一物質から形成される絶縁層１１２を備えることができる。また、図示していないが、前記層間絶縁膜１２０は、前記フォトダイオード領域でＳＢＬ（Ｓａｌｉｃｉｄｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）を構成する絶縁膜、例えばＭＴＯ（Ｍｅｄｉｕｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜及びシリコン窒化膜の積層構造を有する絶縁膜を備えることができる。前記ＳＢＬは、トランジスタ領域に形成されたトランジスタのゲート及びソース／ドレイン領域に金属シリサイド膜を形成するためのサリサイド工程時、フォトダイオード領域を覆うマスクの役割を行う。また、前記層間絶縁膜１２０は、前記トランジスタ１１０上に形成されるキャッピング層（図示せず）を備えることができる。前記キャッピング層は、例えばＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜とＳｉＯＮ膜との積層構造を有することができる。また、前記層間絶縁膜１２０は、その上面の平坦化のために、最上層を構成するＰＥ−ＴＥＯＳ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）膜を備えることができる。
【００２０】
前記層間絶縁膜１２０上には、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域にわたって、複数の絶縁膜から構成される金属層間絶縁膜１３０が形成されている。図２には、前記金属層間絶縁膜１３０が、前記層間絶縁膜１２０上に順次に積層された３個の絶縁膜１３２、１３４、１３６から構成され、前記層間絶縁膜１２０上で、各絶縁膜１３２、１３４、１３６間には、それらを貫通する複数の金属配線層１４２、１４４、１４６、１４８からなる配線層１４０が形成されていると示されているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサを具現するのに必要な配線構造によって、前記金属層間絶縁膜１３０を構成する絶縁膜の積層数が増減し、前記配線層１４０の構造及び形状も変形が可能であるということは、当業者であればよく分かる。図２において、前記金属層間絶縁膜１３０を構成する絶縁膜１３２、１３４、１３６は、それぞれ酸化膜、または酸化膜及び窒化膜の複合膜から形成されうる。前記金属配線層１４８は、パッシベーション膜１５０で覆われている。前記パッシベーション膜１５０は、例えば酸化膜、窒化膜またはそれらの組み合わせから構成されうる。
【００２１】
フォトダイオード領域には、前記層間絶縁膜上で、前記フォトダイオード１０４と対面する位置に前記金属層間絶縁膜１３０の一部から形成されるインナーレンズ１６０が形成されている。前記インナーレンズ１６０は、酸化膜から形成されることが望ましく、このために、前記金属層間絶縁膜１３０を構成する複数の絶縁膜のうち、酸化膜から形成された部分に前記インナーレンズ１６０を形成する。前記インナーレンズ１６０は、前記金属配線層１４２と同一な平面上に形成されうる。
【００２２】
図２には、前記インナーレンズ１６０が凸レンズから形成されると示されている。フォトダイオード領域で、前記インナーレンズ１６０上には、光透過部１７０が前記金属層間絶縁膜１３０を貫通して、前記インナーレンズを覆うように形成されている。前記光透過部１７０は、前記金属層間絶縁膜１３０の構成物質と異なる物質から形成される。望ましくは、前記光透過部１７０は、前記インナーレンズ１６０を構成する物質と異なる屈折率を有する物質から形成される。前記光透過部１７０の構成物質は、有機高分子化合物から形成されうる。例えば、前記光透過部１７０は、ＣｙｔｏｐＴＭ（旭硝子株式会社）という環構造を有するフッ素系の高分子、またはポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）系列の高分子を使用できる。特に望ましくは、前記光透過部１７０は、凸レンズである前記インナーレンズ１６０の構成物質より屈折率の低い物質、例えばＣｙｔｏｐＴＭ系列の高分子から形成される。
【００２３】
フォトダイオード領域に形成された前記光透過部１７０、及びトランジスタ領域に形成された金属配線層１４０上には、平坦化層１７２が形成されており、前記平坦化層１７２上には、カラーフィルタ１８０が形成されている。望ましくは、前記光透過部１７０及び平坦化層１７２は、相等しい物質から形成される。
【００２４】
前記カラーフィルタ１８０上で、前記フォトダイオード１０４に対応する位置には、マイクロレンズ１９０が形成されている。前記マイクロレンズ１９０は、例えばＴＭＲ系列の樹脂（東京応化工業株式会社）及びＭＦＲ系列の樹脂（ＪＳＲ株式会社）から形成されうる。
【００２５】
本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサは、金属層間絶縁膜１３０の一部から構成される凸レンズ形態のインナーレンズ１６０を備え、前記インナーレンズ１６０上には、金属層間絶縁膜１３０の構成物質でない他の光透過物質から形成される光透過部１７０を形成して、光透過経路を提供する。前記光透過部１７０を、前記インナーレンズの構成物質より低い屈折率を提供する物質から構成することによって、外部から前記インナーレンズ１６０を通じて受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。
【００２６】
図３は、本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。図３の構成は、インナーレンズ１６０と前記光透過部１７０との間に光透過ライナー２６２が介在された点を除いては、図２の構成と同一である。図３において、図２の実施形態と同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００２７】
前記光透過ライナー２６２は、前記インナーレンズ１６０上で、前記インナーレンズ１６０の上面の輪郭に沿ってその上面で凸状を有するように形成される。
【００２８】
前記光透過ライナー２６２は、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、または有機高分子化合物から形成されうる。また、前記光透過ライナー２６２は、前記インナーレンズ１６０及び光透過部１７０と異なる屈折率を有する物質から構成されうる。望ましくは、前記光透過ライナー２６２は、前記インナーレンズ１６０より屈折率が低く、前記光透過部１７０より屈折率の高い物質から形成される。例えば、前記インナーレンズ１６０が酸化膜から形成された場合、前記光透過ライナー２６２は、ＣｙｔｏｐＴＭ系列の高分子から形成されうる。
【００２９】
本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサでは、金属層間絶縁膜１３０の一部から構成される凸レンズ形態のインナーレンズ１６０を備え、また、前記インナーレンズ１６０上に順次に形成された光透過ライナー２６２及び光透過部１７０を備える。前記光透過ライナー２６２及び光透過部１７０を、それぞれ前記インナーレンズ１６０より低い屈折率を提供する物質から構成し、前記光透過部１７０は、前記光透過ライナー２６２より低い屈折率を提供する物質から構成することによって、外部から受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。特に、前記インナーレンズ１６０と光透過部１７０との間に光透過ライナー２６２を介在させることによって、集光時に感度向上を倍加できる。
【００３０】
図４は、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。図４の構成は、インナーレンズ３６０が凹レンズである点を除いては、図２の構成と同一である。図４において、図２の実施形態と同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００３１】
本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサは、金属層間絶縁膜１３０の一部から構成される凹レンズ形態のインナーレンズ３６０を備え、前記インナーレンズ３６０上には、金属層間絶縁膜１３０の構成物質でない他の光透過物質から形成される光透過部１７０を形成して、光透過経路を提供する。前記光透過部１７０を、前記インナーレンズの構成物質より大きい屈折率を提供する物質から構成することによって、外部から前記インナーレンズ３６０を通じて受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。
【００３２】
図５は、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。図５の構成は、インナーレンズ３６０と前記光透過部１７０との間に光透過ライナー４６２が介在された点を除いては、図４の構成と同一である。図５において、図２及び図４の実施形態と同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００３３】
前記光透過ライナー４６２は、前記インナーレンズ３６０上で、前記インナーレンズ３６０の上面の輪郭に沿ってその上面で凹状を有するように形成される。前記光透過ライナー４６２は、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、または有機高分子化合物から形成されうる。また、前記光透過ライナー４６２は、前記インナーレンズ３６０及び光透過部１７０と異なる屈折率を有する物質から構成されうる。望ましくは、前記光透過ライナー４６２は、前記インナーレンズ３６０より屈折率が高く、前記光透過部１７０より屈折率の低い物質から形成される。例えば、前記インナーレンズ３６０が酸化膜から形成された場合、前記光透過ライナー４６２は、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、またはＰＭＭＡ系列の高分子から形成されうる。
【００３４】
本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサでは、外部から受光部であるフォトダイオードに入射される光の集光効率を向上できる。特に、前記凹レンズを構成するインナーレンズ３６０と光透過部１７０との間に光透過ライナー４６２を介在させることによって、集光時に感度向上を倍加できる。
【００３５】
図６Ａないし図６Ｄは、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。図６Ａないし図６Ｄにおいて、図２と同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００３６】
図６Ａに示すように、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域を有する半導体基板１００を準備する。前記半導体基板１００に素子分離領域１０２を形成して、前記半導体基板１００の活性領域を定義した後、前記フォトダイオード領域で、前記半導体基板１００内の表面領域に通常の方法でＮ型のフォトダイオード１０４を形成する。前記フォトダイオード１０４上で、前記半導体基板１００の表面にＰ＋型のＨＡＤ領域１０６を形成する。次いで、前記半導体基板１００のトランジスタ領域及びＣＭＯＳロジック領域を構成する複数のトランジスタを形成する。図６Ａには、図面の簡略化のために、一つのトランジスタ１１０のみが示されている。前記トランジスタ１１０のゲート１１０ａの側壁には、絶縁スペーサ１１２ａが形成されている。前記絶縁スペーサ１１２ａを形成するために、まず前記トランジスタ領域に前記ゲート１１０ａを形成した後、前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域をいずれも覆う絶縁層１１２を形成する。次いで、前記絶縁層１１２上にフォトダイオード領域のみを覆うマスクパターン、例えばフォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、それをマスクとして使用して、トランジスタ領域で前記絶縁膜１１２をエッチバックして、前記ゲート１１０ａの側壁に前記絶縁スペーサ１１２ａを形成する。前記フォトレジストパターンを除去して、フォトダイオード領域で前記絶縁膜１１２を露出させた後、フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記絶縁膜１１２及びトランジスタ１１０上に絶縁膜を積層して平坦化された層間絶縁膜１２０を形成する。
【００３７】
次いで、前記フォトダイオード領域及びトランジスタ領域で、前記層間絶縁膜１２０を覆う金属層間絶縁膜１３０と、前記トランジスタ領域で、前記金属層間絶縁膜１３０を貫通して形成される金属配線層１４０とを形成する。次いで、前記金属層間絶縁膜１３０及び金属配線層１４８上に、パッシベーション膜１５０を形成する。前記パッシベーション膜１５０は、例えば約１５００Å厚さの酸化膜及び約２０００Å厚さの窒化膜の積層構造で形成されうる。
【００３８】
図６Ｂに示すように、前記パッシベーション膜１５０上に、フォトダイオード領域のみで前記パッシベーション膜１５０を露出させるフォトレジストパターン１５２を形成した後、それをエッチングマスクとして使用して、露出されたパッシベーション膜１５０及びその下部の金属層間絶縁膜１３０をプラズマエッチング方法でエッチングして、前記金属層間絶縁膜１３０を貫通するキャビティ１５４を形成する。
【００３９】
前記金属層間絶縁膜１３０のエッチング対象部分が酸化膜のみから形成された場合には、例えばＣ４Ｆ８、Ｏ２及びＡｒから構成されるエッチングガスを使用するプラズマエッチング方法により、前記キャビティ１５４を形成できる。前記プラズマエッチングのために、例えば東京エレクトロン株式会社の“Ｕｎｉｔｙ８５ＤＤ”設備を使用できる。この際、前記キャビティ１５４の底面に前記金属層間絶縁膜１３０の一部である絶縁膜１３２から構成されるインナーレンズ１６０が形成可能にするために、前記キャビティ１５４は、その底面１５４ａが０でない曲率を有するように形成される。前記キャビティ１５４の底面１５４ａのプロファイルを制御するために、前記エッチングガスのうちＣ４Ｆ８ガス及びＯ２ガスの相対的な流量比を制御する。例えば、Ｃ４Ｆ８ガス及びＯ２ガスのうち、Ｏ２ガスの流量比が増加するほど、前記キャビティ１５４の底面の輪郭は凸状になる。逆に、Ｃ４Ｆ８ガスの流量比が増加するほど、前記キャビティ１５４の底面の輪郭は凹状になる。図６Ｂに示すように凸の輪郭を有する底面１５４ａを有するキャビティ１５４を形成するためには、Ｃ４Ｆ８ガス及びＯ２ガスのうち、Ｏ２ガスの流量比を増加させる。例えば、平坦な底面を有する通常のキャビティを形成するために、通常的にＣ４Ｆ８ガス及びＯ２ガスの流量をそれぞれ１８ｓｃｃｍ及び１０ｓｃｃｍとすれば、図６Ｂに示すように凸の輪郭を有する底面１５４ａを形成するためには、Ｃ４Ｆ８ガス及びＯ２ガスのうち、Ｃ４Ｆ８ガスの流量は１８ｓｃｃｍより低くし、Ｏ２ガスの流量は１０ｓｃｃｍより高くする。Ｃ４Ｆ８ガスに対するＯ２ガスの流量比が増加するほど、前記底面１５４ａが凸状になる程度がさらに深化される。
【００４０】
前記金属層間絶縁膜１３０のエッチング対象部分が酸化膜及び窒化膜の複合膜から形成された場合には、例えばＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、ＣＯ及びＯ２から構成されるエッチングガス、Ｃ５Ｆ８、Ｏ２及びＡｒから構成されるエッチングガス、またはＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２またはＣＯから構成されるエッチングガスを使用するプラズマエッチング方法により、前記キャビティ１５４を形成できる。前記プラズマエッチングのために、平行平板型のプラズマエッチング設備、例えば東京電子株式会社の“Ｕｎｉｔｙ８５ＳＳ”設備を使用できる。この際、前記キャビティ１５４の底面１５４ａのプロファイルを制御するために、前記エッチングガスのうち含炭素ガス及びＯ２ガスの相対的な流量比を制御する。すなわち、含炭素ガス及びＯ２ガスのうち、Ｏ２ガスの流量比が増加するほど、前記キャビティ１５４の底面の輪郭は凸状になる。逆に、含炭素ガスの流量比が増加するほど、前記キャビティ１５４の底面の輪郭は凹状になる。
【００４１】
また、前記キャビティ１５４は、傾斜面からなる側壁１５４ｂを有するように形成されることが望ましい。このために、前記エッチングガスにＣＯ、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＨ３Ｆのような炭素富化ガスを添加してエッチング工程を行う。前記キャビティ１５４の形成時、例えば東京電子株式会社の“Ｕｎｉｔｙ８５ＤＤ”設備を使用する場合、エッチング雰囲気として、例えば約１７００ＷのＲＦパワー及び約４２ｍＴの圧力条件の雰囲気を適用できる。また、“Ｕｎｉｔｙ８５ＳＳ”設備を使用する場合、エッチング雰囲気として使われるエッチングガスの構成成分の組み合わせによって、例えばトップ電極とボトム電極との間の距離を約３０ｍｍとしたとき、約１５００Ｗｓ及び約１７００ＷｂのＲＦパワー及び約３０ｍＴの圧力条件の雰囲気、約２０００Ｗｓ及び約１９００ＷｂのＲＦパワー及び約３０ｍＴの圧力条件の雰囲気、または約１０００Ｗｓ及び約３００ＷｂのＲＦパワー及び約３０ｍＴの圧力条件の雰囲気を適用できる。
【００４２】
図６Ｃに示すように、前記フォトレジストパターン１５２を除去し、前記キャビティ１５４の内部及び前記絶縁膜１５０上に、光透過物質をコーティングして前記キャビティ１５４の内部を充填する光透過部１７０、及びトランジスタ領域で金属配線層１４０を覆う平坦化層１７２をそれぞれ形成する。前記光透過部１７０及び平坦化層１７２は、スピンコーティング方法で形成されうる。前記光透過物質は、有機高分子化合物、例えばＣｙｔｏｐＴＭという環構造を有するフッ素系の高分子、またはＰＭＭＡ系列の高分子を使用できる。例えば、凸レンズである前記インナーレンズ１６０がＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法で形成された酸化膜から構成される場合、前記酸化膜の屈折率（約１．４５）より低い屈折率を有する物質であるＣｙｔｏｐＴＭ系列の高分子を光透過物質として使用できる。ＣｙｔｏｐＴＭ系列の高分子は、その屈折率が約１．３４であって、前記光透過部１７０を形成するのに有利に適用されうる。
【００４３】
図６Ｄに示すように、前記平坦化層１７２上にカラーフィルタ１８０を形成した後、前記カラーフィルタ１８０上で、前記フォトダイオード１０４に対応する位置にマイクロレンズ１９０を形成する。
【００４４】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、図６Ａないし図６Ｄと同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００４５】
図７Ａに示すように、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明したようにキャビティ１５４を形成した後、前記フォトレジストパターン１５２が除去された状態で、前記キャビティ１５４の底面１５４ａ及び側壁１５４ｂをほぼ一定な厚さで覆うように光透過ライナー２６２を形成する。前記光透過ライナー２６２に関する詳細な事項は、図３を参照して説明する実施形態を参照する。
【００４６】
図７Ｂに示すように、図６Ｃを参照して説明したような方法で、前記光透過ライナー２６２上に光透過物質をコーティングして光透過部１７０及び平坦化層１７２を形成し、図６Ｄを参照して説明したように、前記平坦化層１７２上にカラーフィルタ１８０及びマイクロレンズ１９０を形成する。
【００４７】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、図６Ａ、図６Ｂ及び図４と同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００４８】
図８Ａに示すように、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明したようにキャビティ１５４を形成する。ただし、図４を参照して説明したように、インナーレンズ３６０が凹レンズを構成するように、底面１５４ａが凹のプロファイルを有するキャビティ１５４を形成する。このために、図８Ａを参照して説明したように、エッチングガスのうちＯ２ガスの相対的な流量比を低める。
【００４９】
図８Ｂに示すように、図６Ｃ及び図６Ｄを参照して説明したように、前記フォトレジストパターン１５２を除去し、前記キャビティ１５４の内部及び前記絶縁膜１５０上に、光透過物質をコーティングして光透過部１７０及び平坦化層１７２をそれぞれ形成し、前記平坦化層１７２上にカラーフィルタ１８０及びマイクロレンズ１９０を形成する。
【００５０】
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、図８Ａ及び図８Ｂと同じ参照符号は同じ部材を示し、したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
【００５１】
図９Ａに示すように、図８Ａを参照して説明したようにキャビティ１５４を形成した後、フォトレジストパターン１５２（図８Ａ参照）を除去し、前記キャビティ１５４の底面１５４ａ及び側壁１５４ｂをほぼ一定の厚さに覆うように光透過ライナー４６２を形成する。前記光透過ライナー４６２に関する詳細な事項は、図５を参照して説明する実施形態を参照する。
【００５２】
図９Ｂに示すように、図６Ｃを参照して説明したような方法で、前記光透過ライナー４６２上に光透過物質をコーティングして光透過部１７０及び平坦化層１７２を形成し、図６Ｄを参照して説明したように、前記平坦化層１７２上にカラーフィルタ１８０及びマイクロレンズ１９０を形成する。
【００５３】
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想及び範囲内で、当業者により多様な変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、イメージセンサに関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明によるＣＭＯＳイメージセンサを具現するのに適用できる例示的な単位ピクセルの概略的なレイアウトである。
【図２】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの要部構成を示す断面図である。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｃ】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｄ】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図８Ａ】本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図８Ｂ】本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ａ】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｂ】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    単位ピクセル
２０    フォトダイオード領域
３０    トランジスタ領域
【図１】
2006080533.tif 000003
【図２】
2006080533.tif 000004
【図３】
2006080533.tif 000005
【図４】
2006080533.tif 000006
【図５】
2006080533.tif 000007
【図６Ａ】
2006080533.tif 000008
【図６Ｂ】
2006080533.tif 000009
【図６Ｃ】
2006080533.tif 000010
【図６Ｄ】
2006080533.tif 000011
【図７Ａ】
2006080533.tif 000012
【図７Ｂ】
2006080533.tif 000013
【図８Ａ】
2006080533.tif 000014
【図８Ｂ】
2006080533.tif 000015
【図９Ａ】
2006080533.tif 000016
【図９Ｂ】
2006080533.tif 000017