(57)【要約】【課題】  マイクロレンズアレイを形成する前に形成される平坦化層に集光効率を高めるための凹レンズ領域を形成し、イメージセンシング効率を高める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】  本発明は、半導体基板に形成される複数の光感知素子と、前記光感知素子上に形成される層間絶縁層と、光感知素子に対応して波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層と、前記カラーフィルター層上に形成され、光感知素子に対応する領域に凹レンズが構成され、光を２次集束する第１マイクロレンズを有する平坦化層と、前記平坦化層上に各々の光感知素子に対応して形成され、光を１次集束する第２マイクロレンズ層とを含んでいることを特徴とする。【選択図】      図３
2006054414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成される複数の光感知素子と、
前記光感知素子上に形成される層間絶縁層と、
前記光感知素子に対応して波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層と、
前記カラーフィルター層上に、前記光感知素子に対応して形成され、光を２次集束する第１マイクロレンズを有する平坦化層と、
前記、各々の光感知素子に対応して形成された平坦化層上に、光を１次集束する複数の第２マイクロレンズ層と
を有することを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２】
前記第２マイクロレンズ層は、凸状で構成され、
凹状の前記複数の第１マイクロレンズは、前記各第２マイクロレンズ層の下部に形成されている
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３】
前記第１マイクロレンズの凹部には第２マイクロレンズ層形成用物質が充填されている
ことを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項４】
複数の光感知素子が形成された半導体基板上に層間絶縁層を形成する段階と、
前記層間絶縁層上に保護膜を形成する段階と、
前記各々の光感知素子に対応する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上に平坦化層を形成し、選択的にパターニングして、前記光感知素子に対応する領域に高密度に複数の第１マイクロレンズを形成する段階と、
前記第１マイクロレンズ層上に物質を堆積し、パターニング及びリフロー工程を行い、複数の第２マイクロレンズ層を形成する段階と
を有する
ことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項５】
第１マイクロレンズ用の平坦化層のパターニング工程を、ＣＦＡ（Color Filter Array）のセル以外の部分の平坦化層を除去する工程と同時に行う
ことを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項６】
凹状の第１マイクロレンズを形成するマスクは、０．３〜０．４μｍの範囲の直径の開放領域を有する
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に関し、特にマイクロレンズアレイを形成する前に形成される平坦化層に集光効率を高めるための凹レンズ領域を形成してイメージセンシング効率を高めるＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にイメージセンサは光学映像（optical image）を電気的な信号に変換させる半導体装置で、ＣＣＤイメージセンサ素子と、ＣＭＯＳイメージセンサ素子とに大きく分けることができる。
ＣＭＯＳイメージセンサは照射される光を感知するフォトダイオードと、感知された光を電気信号のデータに変換する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の受光量が大きいほど、前記イメージセンサの光感度（Photo Sensitivity）の特性が良くなる。
光感度を高めるために、イメージセンサの全体面積中でフォトダイオードの面積が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。
【０００３】
前記集光技術の代表的な例がマイクロレンズを形成することであるが、これはフォトダイオードの上部に光透過率が良い物質で凸状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平行な光がマイクロレンズにより屈折されて光軸上の所定位置でその焦点を結ぶ。
【０００４】
添付した図面に基づいて従来技術のＣＭＯＳイメージセンサ及びそのマイクロレンズ形成について以下説明する。
【０００５】
図１は従来技術のＣＭＯＳイメージセンサのマイクロレンズの構成図である。
従来技術のＣＭＯＳイメージセンサは、図１のように、半導体基板（図示せず）に少なくとも１つ以上形成して入射される光量による電荷を生成するフォトダイオード１１領域と、前記フォトダイオード１１領域を含む全面に形成される層間絶縁層１２と、層間絶縁層１２上に形成される保護膜１３と、保護膜１３上に形成されて各々特定の波長帯の光を通過させるＲ／Ｇ／Ｂのカラーフィルター層１４と、カラーフィルター層１４上に形成される平坦化層１５と、平坦化層１５上に所定曲率を有する凸状に構成されて対応するカラーフィルター１４を透過してフォトダイオード１１領域に光を集光するマイクロレンズ１６とで構成される。
【０００６】
そして、図示はしないが、層間絶縁層１２内にはフォトダイオード１１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形成される。
また、光を感知するための素子としてフォトダイオードの形態ではなく、フォトゲートの形態で構成されることも可能である。
ここで、凸状マイクロレンズ１６は、集束された光の焦点などの様々な点を考慮して曲率及び形成高さなどを決定するが、ポリマー系列の樹脂が主に用いられ、堆積及びパターニング、リフローなどの工程で形成される。
即ち、凸状マイクロレンズ１６の光学サイズ、曲率、厚さは、単位画素の大きさと位置、形状、遮光層の高さ、位置、大きさなどを考慮して決定される。
このように従来技術のＣＭＯＳイメージセンサを製造するための工程において、光の集束力を高めるために形成するマイクロレンズ１６はイメージセンサの特性を左右する重要な要素である。
【０００７】
マイクロレンズ１６は、自然光が照射される時、カラーフィルター１４を通してフォトダイオード１１領域に、より多量の光が集束されるようにする役割を担う。
イメージセンサに入射された光はマイクロレンズ１６により集光し、カラーフィルター１４を通してフィルターリングされた光は、カラーフィルター１４の下端に対応して構成されるフォトダイオード１１に入射する。
この時、遮光層は入射された光が他の経路に外れないようにする役割を担う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来技術のＣＭＯＳイメージセンサにおいてマイクロレンズの場合は次のような問題がある。
このような半球状のマイクロレンズの場合、光軸と平行な光はレンズから屈折してレンズの対向位置にある光感知素子に到達して正常に素子を動作させるが、光軸に平行でない光はレンズから屈折され、光が入射すべきではない光感知素子に到達するようになり、素子が誤動作する場合がある。
また、マイクロレンズの下部の膜質の種類及び厚さにより光感知素子に到達する光量の差が発生するようになり、集光効率が減り、このため画質が低下する問題が発生する。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、イメージセンサでマイクロレンズアレイを形成する前に形成される平坦化層に集光効率を高めるための凹レンズ領域を形成し、イメージセンシング効率を高めるＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板に形成される複数の光感知素子と、前記光感知素子上に形成される層間絶縁層と、前記光感知素子に対応して波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層と、前記カラーフィルター層上に、前記光感知素子に対応して形成され、光を２次集束する第１マイクロレンズを有する平坦化層と、前記、各々の光感知素子に対応して形成された平坦化層上に、光を１次集束する複数の第２マイクロレンズ層とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の態様において、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は複数の光感知素子が形成された半導体基板上に層間絶縁層を形成する段階と、前記層間絶縁層上に保護膜を形成する段階と、前記各々の光感知素子に対応する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上に平坦化層を形成し、選択的にパターニングして、前記光感知素子に、高密度に複数の第１マイクロレンズを形成する段階と、前記第１マイクロレンズ層上に物質を堆積し、パターニング及びリフロー工程を行い、複数の第２マイクロレンズ層を形成する段階とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の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。
第１に、ＣＯＭＳイメージセンサの製造工程において上部のメインマイクロレンズに入射された光の直進性を向上させるフライアイ形態の下部マイクロレンズを形成することにより、単一層レンズの場合、より光の集束効率を高めることができる。
第２に、光の集束効率を高めることにより、カラーフィルターを通過した光がフォトダイオードに多量に集まるようになるため、解像度が向上する。
これはＣＭＯＳイメージセンサの性能を向上させる効果を有する。
第３に、マイクロレンズの形成時の厚さに影響されずに、レンズを構成することができるため、工程の再現性及び容易性の向上、工程マージンの十分な確保などの効果を有する。
第４に、平坦化層のパターニング時に、下部の副マイクロレンズを同時に形成するため、更なる工程及び追加費用無しで、レンズの集光特性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図２ａと図２ｂは、本発明に係る凹レンズ領域の形成工程を示す断面図及び平面図である。
ＣＭＯＳイメージセンサの表面にマイクロレンズを形成する前に、カラーフィルターアレイを形成し、その上に平坦化工程を行う。しかし、本発明によると、平坦化のための工程時に、マイクロレンズに対応する凹部パターンを有する平坦化層を形成する。その結果、マイクロレンズの集光効率及び均一度を向上させる。
【００１５】
即ち、ＣＦＡ（Color Filter Array）のセル以外の部分の平坦化層を除去するマスク工程を行う。このマスク工程を行うため、マスク層は、図２ａと図２ｂのように、０．３〜０．４μｍの大きさの開放領域を有し、これにより、平坦化層は、マイクロレンズに対応して凹状パターンを有する。
かくして、平坦化層２１にはエンボス状の凹状パターンを有し、この凹状パターンの第１マイクロレンズ２２が形成され、光の均一性と集光効率を高める。
【００１６】
第１マイクロレンズ２２は等方性のエッチング工程により形成され、第１マイクロレンズ２２の凹状パターンには、は第２マイクロレンズ２３用物質が充填される。
光は、第２マイクロレンズ２３により１次屈折して集束され、その後、第１マイクロレンズ２３により集光された光は、  第１マイクロレンズ２２により２次屈折され、第１マイクロレンズ２２の下部の光感知素子領域に照射される。
このような本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの構造及び製造工程の一実施例を具体的に説明すると次の通りである。
【００１７】
図３は本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの断面構成図であり、図４ａ乃至図４ｃは本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造のための工程断面図である。
図３のように、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、少なくとも１個のフォトダイオード３１と、層間絶縁層３２と、保護膜３３と、Ｒ／Ｇ／Ｂのカラーフィルター層３４と、平坦化層３５と、メインマイクロレンズ３７とで構成される。ここで、少なくとも１個のフォトダイオード３１は、半導体基板（図示せず）に形成され、入射される光量による電荷を生成する。間絶縁層３２は、前記フォトダイオード３１を含む全面に形成される。その後、保護膜３３が、層間絶縁層３２上に形成され、Ｒ／Ｇ／Ｂのカラーフィルター層３４が、保護膜３３上に形成され、各々特定の波長帯の光を通過させる。平坦化層３５は、Ｒ／Ｇ／Ｂのカラーフィルター層３４上に形成されたメインマイクロレンズ３７により１次集束された光を２次集束する凹状パターンの第１マイクロレンズ３６を有する。所定の曲率を有するメインマイクロレンズ３７が平坦化層３５の上に形成され、集光する。
【００１８】
そして、図示はしないが、層間絶縁層３２内にフォトダイオード３１領域以外の残余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。
また、光を感知するための素子として、フォトダイオードの形態ではなく、フォトゲートの形態で構成することも可能である。
ここで、第２マイクロレンズ３７は集束された光の焦点などの様々な点を考慮して曲率及び形成高さなどが決定されるが、本発明は、第２マイクロレンズ３７の下部に凹状パターンの第１マイクロレンズが複数形成され、光の集束効率を高めることができるため、設計マージンが大きくなる。
【００１９】
このような本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造工程は次の通りである。
先ず、図４ａのように、複数の光感知素子、例えばフォトダイオード３１が半導体基板上に形成され、その後、その上に層間絶縁層３２を形成する。
ここで、層間絶縁層３２は多層で形成することもできる。図示はしないが、単一層の層間絶縁層の形成後に、フォトダイオード３１領域以外の部分に光が入射することを防ぐための遮光層を形成して、その後その上に層間絶縁層を形成してもよい。
【００２０】
続いて、層間絶縁層３２上に水分及びスクラッチから素子を保護するための平坦な保護膜３３を形成する。
そして、保護膜３３上に可染性レジストを用いて塗布及びパターニング工程を行って各々の波長帯別に光をフィルターリングするカラーフィルター層３４を形成する。
続いて、カラーフィルター層３４上に焦点距離の調節及びマイクロレンズ層を形成するために平坦度の確保のために平坦化層３６を形成する。
【００２１】
そして、図４ｂのように、第２マイクロレンズ３７の領域に対応して複数の開放領域を有するようにマスク層をパターニングし、このパターニングされたマスク層を用いて平坦化層３６をエッチングする。その結果直径が０．３〜０．４μｍの大きさの凹状パターンの領域を複数有する第１マイクロレンズ（Fly eye lens）３６が形成される。
ここで、平坦化層の形成のための露光工程において、マスク層の開放領域は第２マイクロレンズの対応する各部分の中心に密集して形成される。また、マスク層の開放領域は、エッチング剤が平坦化ホトレジストを完全には現像しない程度の大きさを有する。
このような第１マイクロレンズ３６の形成工程は、ＣＦＡのセル以外の部分の平坦化層３６を除去する工程と同時に行われる。
【００２２】
続いて、図４ｃのように、レンズ形成用物質層をコーティングしパターニング及びリフロー工程を行って、各々のフォトダイオード３１に対応して第２マイクロレンズ層３７を形成する。
このような本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法は、凸状の上部のマイクロレンズ層の下部に凹状の下部のマイクロレンズが複数密集した形態で形成されることにより光の集束効率を高めることができる。
【００２３】
以上説明した内容を通して当業者であれば本発明の技術思想を逸脱しない範囲で様々な変更及び修正が可能であることが分かる。
よって、本発明の技術的範囲は実施例に記載された内容に限定されることではなく、特許請求範囲により定められなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術のＣＭＯＳイメージセンサのマイクロレンズの構成図である。
【図２ａ】本発明に係る凹レンズ領域の断面図である。
【図２ｂ】本発明に係る凹レンズ領域の平面図である。
【図３】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの断面構成図である。
【図４ａ】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造のための工程断面図である。
【図４ｂ】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造のための工程断面図である。
【図４ｃ】本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造のための工程断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
３１  フォトダイオード
３２  層間絶縁層
３３  保護膜
３４  カラーフィルター層
３５  平坦化層
３６  第１マイクロレンズ
３７  第２マイクロレンズ
【図１】
2006054414.tif 000003
【図２ａ】
2006054414.tif 000004
【図２ｂ】
2006054414.tif 000005
【図３】
2006054414.tif 000006
【図４ａ】
2006054414.tif 000007
【図４ｂ】
2006054414.tif 000008
【図４ｃ】
2006054414.tif 000009