(57)【要約】【課題】ギャップレス形態のマイクロレンズを形成して集光率を向上させることができるイメージセンサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】イメージセンサは、画素を含む半導体基板１０と、該半導体基板１０上に形成されて金属配線を含む層間絶縁膜１１と、該層間絶縁膜１１上に形成されたカラーフィルタ層３０及び平坦化層４０と、該平坦化層４０上に形成されたシードマイクロレンズを含んで、前記シードマイクロレンズは隣合うシードマイクロレンズと離隔または接するように形成されることを含む。【選択図】図１
2008227507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位画素を含む半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された金属配線を含む層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成されたカラーフィルタ層及び平坦化層と、
前記平坦化層上に形成されたシードマイクロレンズを含んで、
前記シードマイクロレンズは隣合うシードマイクロレンズと離隔または接するように形成されることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記シードマイクロレンズが隣合うシードマイクロレンズと離隔された場合に前記シードマイクロレンズ上に絶縁膜が形成されて連続的な形態のマイクロレンズが形成されることを含む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】
前記シードマイクロレンズまたはマイクロレンズの表面は、円形の形態で形成され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４】
前記シードマイクロレンズ及び絶縁膜は、酸化膜、窒化膜及び酸窒化膜のうちでいずれか一つで形成され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５】
前記シードマイクロレンズの高さは、２，０００〜６，０００Åであるものを含む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６】
前記絶縁膜の高さは、５００〜２０，０００Åであるものを含む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７】
単位画素が形成された半導体基板上に金属配線を含む層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜上にカラーフィルタ層及び平坦化層を形成する段階と、
前記平坦化層上にシードマイクロレンズを形成する段階を含んで、
前記シードマイクロレンズが隣合うシードマイクロレンズと離隔された場合に前記シードマイクロレンズ上に第２絶縁膜を形成する段階をさらに含むイメージセンサの製造方法。
【請求項８】
前記シードマイクロレンズを形成する段階は、
前記平坦化層上に第１絶縁膜を形成する段階と、
前記第１絶縁膜上に円形の形態を有するマイクロレンズマスクを形成する段階と、及び
前記マイクロレンズマスクを蝕刻マスクにして前記第１絶縁膜を蝕刻する段階と、を含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項９】
前記第１絶縁膜の蝕刻工程は、CxHyFzの蝕刻ガスとAr、He、O２及びN２のうちいずれか一つが使用されることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１０】
前記第１絶縁膜の蝕刻工程は、４０〜１２０sccmのCF４ガスと、２〜２０sccmのO２ガスと、または２００〜９００sccmのArが使用されることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜及び第２絶縁膜は、酸化膜、窒化膜及び酸窒化膜のうちでいずれか一つで形成されて、５０〜２５０℃の温度で形成されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１２】
前記マイクロレンズマスクと前記第１絶縁膜の蝕刻選択比は、１：０．７〜１．３であることを含むことを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１３】
前記シードマイクロレンズの高さは２，０００〜６，０００Åであるものを含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１４】
前記第２絶縁膜は、５００〜２０，０００Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項１５】
前記マイクロレンズマスクはフォトレジスト膜をパターニングしてリフロー工程を通じて円形の形態で形成されることを特徴とする請求項８に記載の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する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサは、単位画素内にフォトダイオードとＭＯＳトランジスタを形成させることでスイッチング方式で各単位画素の電気的信号を順次に検出して映像を具現する。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサの製造過程のうちでマイクロレンズを形成する方法は、マイクロレンズ用有機物フォトレジストをパターニングした後リフローさせることで形成される。
【０００４】
前記マイクロレンズを形成するために有機物フォトレジストをパターニングする時は、一定間隔を維持してギャップレス(Gapless)マイクロレンズを形成することが理想的である。しかし、前記有機物フォトレジストを利用する場合リフロー工程で隣接マイクロレンズがお互いに付いてしまうブリッジ現象が発生することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ギャップレス形態のマイクロレンズを形成して集光率を向上させることができる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】
【０００６】
本発明によるイメージセンサは画素を含む半導体基板と、該半導体基板上に形成されて金属配線を含む層間絶縁膜と、該層間絶縁膜上に形成されたカラーフィルタ層及び平坦化層と、該平坦化層上に形成されたシードマイクロレンズ(seed micro lens)を含んで、前記シードマイクロレンズは隣合うシードマイクロレンズと離隔または接するように形成されることを含む。
【０００７】
本発明によるイメージセンサの製造方法は、画素が形成された半導体基板上に金属配線を含む層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜上にカラーフィルタ層及び平坦化層を形成する段階と、前記平坦化層上に第１絶縁膜を形成する段階と、前記第１絶縁膜上にマイクロレンズマスクを形成する段階と、前記マイクロレンズマスクを使用して前記第１絶縁膜を蝕刻（エッチング）してシードマイクロレンズを形成する段階と、を含んで、前記シードマイクロレンズが隣合うシードマイクロレンズと離隔された場合、前記シードマイクロレンズ上に第２絶縁膜を形成する段階と、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のイメージセンサ及びその製造方法によれば、ギャップレス形態のマイクロレンズを形成して集光率を向上させることができる
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例によるイメージセンサ及びその製造方法を添付された図面を参照して詳しく説明する。
【００１０】
図５は、実施例によるイメージセンサの断面図である。
【００１１】
実施例によるイメージセンサは、フォトダイオード(図示せず)を含む光感知部(図示せず)が形成された半導体基板１０上に層間絶縁膜１１が形成されている。そして、層間絶縁膜１１には層間絶縁膜１１を貫通する金属配線(図示せず)が含まれている。また、外部との電気的連結のための最終金属配線、すなわちパッド６０が形成されている。
【００１２】
前記パッド６０上には素子保護のためのパッシベーション層２０が形成されている。
【００１３】
前記パッシベーション層２０は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸窒化膜中のいずれか一つで形成されることもあって、または一つ以上の層が積層された構造であることもある。例えば、前記パッシベーション層２０はＴＥＯＳ膜２１が１，０００〜５，０００Åの厚さで形成されて、窒化膜２２が１，０００〜１０，０００Åの厚さで積層された構造で形成されることができる。
【００１４】
前記パッシベーション層２０上にはカラーフィルタ３０が形成され、前記カラーフィルタ３０上にはカラーフィルタ３０の段差を補うための平坦化層４０が形成されている。
【００１５】
前記平坦化層４０上にはドーム形態のシードマイクロレンズ５１が形成されている。この時、前記シードマイクロレンズ５１は隣合うシードマイクロレンズ５１と離隔または接するように形成されることができる。また、前記シードマイクロレンズ５１は第１絶縁膜５０を蒸着して形成されることができる。例えば、前記シードマイクロレンズ５１は酸化膜、窒化膜及び酸窒化膜のうちでいずれか一つで形成することができる。例えば、前記シードマイクロレンズ５１は２，０００〜６，０００Åの厚さの酸化膜で形成されることができる。
【００１６】
前記シードマイクロレンズ５１上に第２絶縁膜５３が形成されている。前記第２絶縁膜５３によって前記シードマイクロレンズ５１上にゼロギャップ形態のマイクロレンズ５５が形成される。前記第２絶縁膜５３は酸化膜、窒化膜及び酸窒化膜のうちでいずれか一つであるか、または積層膜で形成されることができる。例えば、前記第２絶縁膜５３は５００〜２０，０００Åの厚さの酸化膜で形成されることができる。
【００１７】
前記マイクロレンズ５５はシードマイクロレンズ５１及び第２絶縁膜５３によって形成されて、その形態が連続的なエンボシング形態で形成される。
【００１８】
前記シードマイクロレンズ５１及び第２絶縁膜５３によってギャップレス形態のマイクロレンズ５５が形成されることで、マイクロレンズ５５のギャップをゼロギャップ水準で減少させるようになるので、前記マイクロレンズ５５に入射される光の損失を減らしてイメージセンサの集光率を向上させることができる。
【００１９】
前記マイクロレンズ５５の形態が連続的なエンボシング形態で形成されてすべての方向で同一な焦点距離を有するようになるので、イメージセンサの品質を向上させることができる。
【００２０】
以後、前記パッド６０上部のパッシベーション層２０、第１絶縁膜５０及び第２絶縁膜５３を蝕刻してパッドオープンホール６１を形成して前記パッド６０の表面を露出させることができる。
【００２１】
図１ないし図５は実施例によるイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。
【００２２】
図１を参照して、半導体基板１０上にはフォトダイオード(図示せず)を含む光感知部(図示せず)が形成されている。
【００２３】
前記フォトダイオードを含む光感知部に対して説明すると、半導体基板１０上にはアクティブ領域とフィールド領域を定義する素子分離膜(図示せず)が形成されている。そして、前記半導体基板１０の各単位画素には光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード及び前記フォトダイオードに連結されて受光された光電荷を電気信号に変換するトランジスタ(図示せず)が形成されている。
【００２４】
前記素子分離膜とフォトダイオードとを含む関連素子(図示せず)らが形成された後に、金属配線(図示せず)を含む層間絶縁膜１１が半導体基板１０上に形成される。このような金属配線はフォトダイオードに入射される光を隠さないように意図的にレイアウトされて形成されることができる。また、金属配線を含む層間絶縁膜１１は複数の層で形成されることができる。
【００２５】
前記層間絶縁膜１１に最終金属配線、すなわちパッド６０を形成した後にパッシベーション層２０が形成されることができる。前記パッシベーション層２０は湿り気やスクラッチなどから素子を保護するためのものであって、パッド６０を含む層間絶縁膜１１上に形成されることができる。
【００２６】
前記パッシベーション層２０はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸窒化膜中のいずれか一つで形成されることもあって、または一つ以上の層が積層された構造であることもある。例えば、前記パッシベーション層２０はＴＥＯＳ膜２１が１，０００〜５，０００Åの厚さで形成されて、窒化膜２２が１，０００〜１０，０００Åの厚さで積層されるように形成されることができる。
【００２７】
一方、前記パッシベーション層２０の形成が省略されて、前記パッド６０が形成された層間絶縁膜１１上にカラーフィルタ３０が形成されることができる。これはイメージセンサの全体的な高さに影響を与えるようになってより薄型の小型イメージセンサを提供することもできる。
【００２８】
図示しなかったが、前記パッシベーション層２０上に前記パッド６０をオープンするための１次パッドオープン工程を遂行することもできる。前記１次パッドオープン工程はパッシベーション層２０上に前記パッド６０領域に該当するホールを有するフォトレジストパターンを形成する。そして、フォトレジストパターンを蝕刻マスクで使用して前記パッシベーション層２０を蝕刻することで前記パッド６０をオープンさせることができる。前記１次パッドオープン工程を遂行した後にマイクロレンズを形成して再び２次パッドオープン工程を進行することもできる。ここで前記１次パッドオープン工程は省略可能なものである。以下の説明では前記１次パッドオープン工程は省略することを例にして説明するようにする。
【００２９】
再び図１を参照して、前記パッシベーション層２０上にカラーフィルタ３０が形成される。前記カラーフィルタ３０はカラーイメージ具現のために３色のカラーフィルタ３０で形成されることができる。前記カラーフィルタ３０を構成する物質としては、染色されたフォトレジストを使用してそれぞれの単位画素ごとに一つのカラーフィルタ３０が形成されて入射する光から色を分離し出す。このようなカラーフィルタ３０はそれぞれ異なる色相を示すものであって、レッド(Red)、グリーン(Green)及びブルー(Blue)の３種の色でなされて隣接したカラーフィルタ３０らはお互いに少しずつオーバーラップされて段差を有することがある。
【００３０】
前記カラーフィルタ３０の段差を補うために前記カラーフィルタ３０上に平坦化層４０が形成されることができる。後工程で形成されるマイクロレンズは平坦化された表面上に形成されなければならないし、これのためにはカラーフィルタ３０による段差を無くさなければならないので、前記カラーフィルタ３０上に平坦化層４０を形成することができる。実施例では前記カラーフィルタ３０上に前記平坦化層４０が形成されたことを例にする。
【００３１】
前記平坦化層４０の上部でマイクロレンズを形成するための第１絶縁膜５０及びマイクロレンズマスク７０が形成される。
【００３２】
前記第１絶縁膜５０は酸化膜、窒化膜及び酸窒化膜のうちでいずれか一つで形成することができる。例えば、前記第１絶縁膜５０は約５０〜２５０℃でSiO２のような酸化膜を２，０００〜２０，０００Åの厚さで形成する。この時、前記酸化膜はＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤなどで形成されることができる。
【００３３】
前記マイクロレンズマスク７０は、前記第１絶縁膜５０上にフォトレジスト膜を塗布した後にパターニングしてリフロー工程を通じて形成することができるようになる。
【００３４】
図２を参照して、前記マイクロレンズマスク７０が形成されると前記マイクロレンズマスク７０を蝕刻マスクで使用して前記第１絶縁膜５０に対する蝕刻工程を進行してシードマイクロレンズ５１を形成する。
【００３５】
前記第１絶縁膜５０に対する蝕刻は、前記マイクロレンズマスク７０をなすフォトレジスト膜と前記第１絶縁膜５０をなす酸化膜に対して１：０．７〜１．３の蝕刻比で蝕刻が遂行されるようにすることができる。
【００３６】
したがって、前記シードマイクロレンズ５１形成のための前記第１絶縁膜５０に対する蝕刻は前記マイクロレンズマスク７０をなすフォトレジスト膜がすべて蝕刻される時まで遂行されるようにすることができる。
【００３７】
前記第１絶縁膜５０の蝕刻工程はCxHyFz(x、y、zは、０または自然数)種類の蝕刻ガスとAr、He、O２及びN２のような不活性気体を利用して進行することができる。例えば、前記蝕刻ガスは４０〜１２０sccmのCF４ガスと２〜２０sccmのO２ガスまたは２００〜９００sccmのArガスを使用することができる。
【００３８】
したがって、前記第１絶縁膜５０は前記蝕刻工程によって蝕刻されてシードマイクロレンズが形成されることができる。例えば、前記第１絶縁膜５０は１，０００〜１９，０００Å蝕刻されてなされることができる。また、前記シードマイクロレンズ５１の厚さは２，０００〜６，０００Åの厚さで形成されることができる。
【００３９】
図２を参照して、前記カラーフィルタ３０上にドーム形態のシードマイクロレンズ５１が形成される。この時前記シードマイクロレンズ５１は隣合うシードマイクロレンズ５１とその縁が相互に接しているか、または離隔された状態で形成されることができる。
【００４０】
もしも、前記シードマイクロレンズ５１の縁または端部が隣合うシードマイクロレンズの縁または端部と接していたら、マイクロレンズとの間のギャップが除去された状態になって前記マイクロレンズに入射される光の損失が減少されて集光率を向上させることができるようになる。
【００４１】
一方、図２に示すように前記シードマイクロレンズ５１の端部が隣合うシードマイクロレンズ５１の端部と離隔された状態ならマイクロレンズとの間にギャップが形成されてこれによって入射される光が損失される虞がある。
【００４２】
これを防止するために図３に示すように前記シードマイクロレンズ５１上に第２絶縁膜５３を蒸着して前記シードマイクロレンズ５１の端部が接するギャップレス(gabless)形態のマイクロレンズ５５を形成することができる。
【００４３】
図３を参照して、前記第２絶縁膜５３が前記シードマイクロレンズ５１を含む第１絶縁層５０上に形成される。前記第２絶縁膜５３は前記第１絶縁膜５０と同一な物質で形成されることができる。例えば、前記第２絶縁膜５３は酸化膜を５０〜２５０℃の温度で５００〜２０，０００Åの厚さで形成されることができる。この時、前記第２絶縁膜５３は前記シードマイクロレンズ５１のギャップが除去されるまで形成されることができる。
【００４４】
図３を参照して、前記シードマイクロレンズ５１上に第２絶縁膜５３が形成されると前記シードマイクロレンズ５１の間のギャップが除去されてマイクロレンズ５５が形成される。そうすると、前記マイクロレンズ５５の縁は隣合うマイクロレンズ５５の縁と切れない連続的なエンボシング形態のギャップレス形態で形成されることができる。よって、前記マイクロレンズ５５の間の間隙がゼロギャップ(zero gab)になるので、イメージセンサのイメージ品質を高めることができる効果がある。
【００４５】
特に、前記マイクロレンズ５５はシードマイクロレンズ５１上に前記第２絶縁膜５３を蒸着して形成されるので、さらにふくらんでいるドーム形態で形成されることができて隣合うマイクロレンズ５５と接して形成されるので、全体的な形状が連続的なエンボシング形態で形成される。すなわち、その底面は四角形態で形成されて上面はふくらんでいるドーム形態で形成されて断面が円形の形状を有する連続的な形態のマイクロレンズ５５が形成される。前記のように形成されたマイクロレンズ５５は入射光の集光率を向上させることができる。
【００４６】
図４を参照して、前記シードマイクロレンズ５１上に第２絶縁膜５３によって形成された前記マイクロレンズ５５上に前記パッド６０をオープンするために前記パッド６０領域に該当する領域を露出させるパッドマスク８０を形成する。
【００４７】
前記パッドマスク８０は、フォトレジスト膜をパターニングして形成することができる。そして、前記パッドマスク８０を蝕刻マスクで前記シードマイクロレンズ５１を形成する時に遂行した蝕刻工程を利用して前記パッド６０上部に該当する前記第２絶縁膜５３、第１絶縁膜５０及びパッシベーション層２０を除去してパッドオープンホール６１を形成する。そうすると、前記パッドオープンホール６１によって前記パッド６０が露出されることができる。例えば、前記パッドオープンホール６１の形成はCxHyFz(x、y、zは０、または自然数)種類の蝕刻ガスとAr、He、O２及びN２のような不活性気体を利用して遂行されるようにすることができる。
【００４８】
図５を参照して、前記第２絶縁膜５３上に残っているパッドマスク８０を除去することで工程を完了する。
【００４９】
実施例によるイメージセンサ及びその製造方法によると、第１絶縁膜によってドーム形態のシードマイクロレンズを形成した後、前記シードマイクロレンズ上に第２絶縁膜を形成することで連続的なエンボシング形態のマイクロレンズを形成することができる。特に、マイクロレンズはギャップレス形態で形成されて入射光の損失を減少させて集光率を向上させることができる。
【００５０】
また、前記マイクロレンズは連続的なエンボシング形態で形成されて入射光に対してすべての方向で同一な焦点距離を有するので、イメージセンサの集光率を向上させることができる。
【００５１】
また、実施例によるマイクロレンズは酸化膜などの無機物ハードマイクロレンズで形成されて後続のパッケージまたはバンプ工程での衝撃またはパーティクルなどから発生することがあるイメージ欠陥を防止することができる。
【００５２】
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであると、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
【図２】実施例によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
【図３】実施例によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
【図４】実施例によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施例によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  半導体基板、  １１  層間絶縁膜、  ２０  パッシベーション層、  ２１  ＴＥＯＳ膜、  ２２  窒化膜、  ３０  カラーフィルタ、  ４０  平坦化層、  ５０  第１絶縁膜、  ５１  シードマイクロレンズ、  ５３  第２絶縁膜、  ５５  マイクロレンズ、  ６０  パッド。
【図１】
2008227507.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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