(57)【要約】【課題】マイクロレンズ及びその形成方法とマイクロレンズを備えるイメージセンサー及びその製造方法とを提供する。【解決手段】下部構造物が備えられた半導体基板上にシリコンパターンを形成するステップと、シリコンパターンを覆うように基板上にキャッピング膜を形成するステップと、シリコンパターン及びキャッピング膜をアニーリングしてシリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させるステップと、キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された外皮部のエッジと基板との間の開口部を通じて、外皮部内にレンズ物質を充填するステップとを含むマイクロレンズの形成方法を提供する。また、本発明のマイクロレンズを備え、マイクロレンズの中央下部にポリシリコンからなる支柱形状のフォトダイオード部分を有するイメージセンサーを提供する。【選択図】図９
2008033314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されたものであって、支柱形状を有するポリシリコンパターンと、
前記ポリシリコンパターン上に形成されたものであって、マイクロレンズ用のラウンド型の外皮部と、
前記外皮部内に充填された充填物質と、を含むことを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項２】
前記外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
【請求項３】
前記充填物質は、酸化膜またはフォトレジスト膜であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
【請求項４】
前記外皮部のエッジは、前記基板から離隔されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
【請求項５】
前記ポリシリコンパターンと前記基板との間に介在された層間絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
【請求項６】
前記ポリシリコンパターンの周囲の前記基板上に形成された層間絶縁膜をさらに備え、前記層間絶縁膜の高さは、前記ポリシリコンパターンの高さよりも低いことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
【請求項７】
半導体基板上に形成されたものであって、支柱形状を有するポリシリコンパターンと、
前記ポリシリコンパターン上に形成されたものであって、マイクロレンズ用のラウンド型の第１外皮部と、
前記第１外皮部を覆う第２外皮部と、を備えることを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項８】
前記第１外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロレンズ。
【請求項９】
前記第２外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロレンズ。
【請求項１０】
前記第１外皮部のエッジは、前記基板から離隔されていることを特徴とする請求項７に記載のマイクロレンズ。
【請求項１１】
前記ポリシリコンパターンと前記基板との間に介在された層間絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のマイクロレンズ。
【請求項１２】
前記ポリシリコンパターンの周囲の前記基板上に形成された層間絶縁膜をさらに備え、前記層間絶縁膜の高さは、前記ポリシリコンパターンの高さよりも低いことを特徴とする請求項７に記載のマイクロレンズ。
【請求項１３】
下部構造物が備えられた半導体基板上にシリコンパターンを形成するステップと、
前記シリコンパターンを覆うように前記基板上にキャッピング膜を形成するステップと、
前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させるステップと、
前記キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記基板との間の開口部を通じて、前記外皮部内にレンズ物質を充填するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
【請求項１４】
前記シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項１５】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項１６】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項１７】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項１８】
前記アニーリングは、エキシマレーザアニーリングであることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項１９】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２０】
前記支柱形状のポリシリコンパターンは、前記シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２１】
前記外皮部内に充填するレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜であることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２２】
前記シリコンパターンを形成するステップは、
前記半導体基板上にコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成するステップと、
前記コンタクトホール内にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の前記層間絶縁膜上にシリコンパターンを形成するステップと、を含み、
前記キャッピング膜は、前記層間絶縁膜上に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２３】
前記アニーリングは、前記シリコンプラグ、前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜のためのものであり、前記ポリシリコンパターンは、前記シリコンプラグ及び前記シリコンパターンから形成されることを特徴とする請求項２２に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２４】
前記シリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項２２に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２５】
下部構造物が備えられた半導体基板上にシリコンパターンを形成するステップと、
前記シリコンパターンを覆うように前記基板上にキャッピング膜を形成するステップと、
前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部に変形させるステップと、
前記第１外皮部を覆うようにマイクロレンズ用の第２外皮部を形成するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
【請求項２６】
前記シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２７】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２８】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項２９】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３０】
前記アニーリングは、エキシマレーザアニーリングであることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３１】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項３０に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３２】
前記支柱形状のポリシリコンパターンは、前記シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３３】
前記シリコンパターンを形成するステップは、
前記半導体基板上にコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成するステップと、
前記コンタクトホール内にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜上にシリコンパターンを形成するステップと、を含み、
前記キャッピング膜と前記第２外皮部とは、前記層間絶縁膜上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３４】
前記アニーリングは、前記シリコンプラグ、前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜のためのものであり、前記ポリシリコンパターンは、前記シリコンプラグ及び前記シリコンパターンから形成されることを特徴とする請求項３３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３５】
前記シリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項３３に記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３６】
半導体基板と、
前記基板表面内の不純物ドーピングによって形成されたフォトダイオードの第１部分と、
前記基板上に形成され、前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜と、
前記コンタクトホール部分に前記層間絶縁膜よりも高く形成され、ドーピングされたポリシリコンからなるフォトダイオードの第２部分と、
前記第２部分を覆うように層間絶縁膜上に形成されたラウンド型マイクロレンズと、
前記マイクロレンズの上部に形成されたカラーフィルタ層と、を備えることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項３７】
前記マイクロレンズは、外皮部と内部とに区分され、その内部がレンズ物質で充填されているか、または空洞の構造であることを特徴とする請求項３６に記載のイメージセンサー。
【請求項３８】
前記マイクロレンズは、
前記フォトダイオードの第２部分の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜から離隔されているラウンド型外皮部と、
前記外皮部内に充填された充填物と、から形成されていることを特徴とする請求項３６に記載のイメージセンサー。
【請求項３９】
前記外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項３８に記載のイメージセンサー。
【請求項４０】
前記充填物は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜からなることを特徴とする請求項３８に記載のイメージセンサー。
【請求項４１】
前記マイクロレンズは、
前記フォトダイオードの第２部分の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜から離隔されているラウンド型第１外皮部と、
前記第１外皮部及びその周囲の層間絶縁膜部分上に形成された第２外皮部と、から形成されていることを特徴とする請求項３６に記載のイメージセンサー。
【請求項４２】
前記第１外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項４１に記載のイメージセンサー。
【請求項４３】
前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項４１に記載のイメージセンサー。
【請求項４４】
前記カラーフィルタ層は、前記マイクロレンズの表面に沿って形成されているか、または、他の層間絶縁膜を介在させて前記マイクロレンズと離隔して形成されていることを特徴とする請求項３６に記載のイメージセンサー。
【請求項４５】
前記カラーフィルタ層上に絶縁膜を介在させて形成された第２マイクロレンズをさらに備えることを特徴とする請求項３６に記載のイメージセンサー。
【請求項４６】
前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第２部分の形成領域と対応する部分上に形成された支柱形状のポリシリコンパターンと、
前記ポリシリコンパターンを覆うように絶縁膜上に形成されたラウンド型第２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３６に記載のイメージセンサー。
【請求項４７】
前記第２マイクロレンズは、外皮部と内部とに区分され、その内部がレンズ物質で充填されているか、または空洞の構造であることを特徴とする請求項４６に記載のイメージセンサー。
【請求項４８】
前記第２マイクロレンズは、
前記ポリシリコンパターンの上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記絶縁膜から離隔されているラウンド型外皮部と、
前記外皮部内に充填された充填物と、から形成されていることを特徴とする請求項４６に記載のイメージセンサー。
【請求項４９】
前記外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項４８に記載のイメージセンサー。
【請求項５０】
前記充填物は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜からなることを特徴とする請求項４８に記載のイメージセンサー。
【請求項５１】
前記第２マイクロレンズは、
前記ポリシリコンパターンの上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記絶縁膜から離隔されているラウンド型第１外皮部と、
前記第１外皮部及びその周囲の絶縁膜部分上に形成された第２外皮部と、から形成されていることを特徴とする請求項４６に記載のイメージセンサー。
【請求項５２】
前記第１外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項５１に記載のイメージセンサー。
【請求項５３】
前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなることを特徴とする請求項５１に記載のイメージセンサー。
【請求項５４】
半導体基板の表面内に不純物をドーピングしてフォトダイオードの第１部分を形成する工程と、
前記基板上に前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成する工程と、
前記コンタクトホールの内部にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜部分上にコンタクトホールより大きな幅を有する第１高さのシリコンパターンを形成する工程と、
前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成する工程と、
前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンと前記シリコンプラグとから、前記第１高さより高い第２高さを有してフォトダイオードの第２部分として機能するポリシリコンパターンを形成し、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させる工程と、
前記キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記層間絶縁膜との間の開口部を通じて前記外皮部内にレンズ物質を充填する工程と、
前記外皮部の上部にカラーフィルタ層を形成する工程と、を含むことを特徴とするイメージセンサーの製造方法。
【請求項５５】
前記シリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項５６】
前記シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項５７】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項５８】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項５９】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６０】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６１】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項６０に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６２】
前記外皮部の内部に充填されるレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜であることを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６３】
前記外皮部の内部にレンズ物質を充填する工程後、そして、前記カラーフィルタ層を形成する工程前に、前記外皮部を覆うように前記層間絶縁膜上に他の層間絶縁膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６４】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、前記カラーフィルタ層上に絶縁膜を介在させた第２マイクロレンズを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６５】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、
前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、
前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、
前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の外皮部に変形させる工程と、
前記第２キャッピング膜が第２マイクロレンズ用の外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記絶縁膜との間の開口部を通じて、前記第２マイクロレンズ用の外皮部内にレンズ物質を充填する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６６】
前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６７】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６８】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項６９】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７０】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７１】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項７０に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７２】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７３】
前記第２マイクロレンズ用の外皮部内に充填するレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜であることを特徴とする請求項６５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７４】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、
前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、
前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、
前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の第１外皮部に変形させる工程と、
前記第２マイクロレンズ用の第１外皮部及びその周囲の絶縁膜上に第２マイクロレンズ用の第２外皮部を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項５５に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７５】
前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７６】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７７】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７８】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項７９】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８０】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項７９に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８１】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８２】
前記第２マイクロレンズ用の第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項７４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８３】
半導体基板の表面内に不純物をドーピングしてフォトダイオードの第１部分を形成する工程と、
前記基板上に前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成する工程と、
前記コンタクトホールの内部にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜部分上にコンタクトホールより大幅を有する第１高さのシリコンパターンを形成する工程と、
前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成する工程と、
前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をアニーリングしてシリコンパターンとシリコンプラグとから、前記第１高さより高い第２高さを有してフォトダイオードの第２部分として機能するポリシリコンパターンを形成し、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部に変形させる工程と、
前記第１外皮部及びその周囲の層間絶縁膜上にマイクロレンズ用の第２外皮部を形成する工程と、
前記第２外皮部の上部にカラーフィルタ層を形成する工程と、を含むことを特徴とするイメージセンサーの製造方法。
【請求項８４】
前記シリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８５】
前記シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８６】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８７】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８８】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８９】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９０】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項８９に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９１】
前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９２】
前記第２外皮部を形成する工程後、そして、前記カラーフィルタ層を形成する工程前に、前記第２外皮部を覆うように前記層間絶縁膜上に他の層間絶縁膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９３】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、前記カラーフィルタ層上に絶縁膜を介在させた第２マイクロレンズを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９４】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、
前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、
前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、
前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の外皮部に変形させる工程と、
前記第２キャッピング膜が第２マイクロレンズ用の外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記絶縁膜との間の開口部を通じて、前記第２マイクロレンズ用の外皮部内にレンズ物質を充填する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９５】
前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９６】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９７】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９８】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９９】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１００】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項９９に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０１】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０２】
前記第２マイクロレンズ用の外皮部内に充填するレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜であることを特徴とする請求項９４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０３】
前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、
前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、
前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、
前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の第１外皮部に変形させる工程と、
前記第２マイクロレンズ用の第１外皮部及びその周囲の絶縁膜上に第２マイクロレンズ用の第２外皮部を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０４】
前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０５】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅に形成されることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０６】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０７】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０８】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０９】
前記エキシマレーザアニーリングは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われることを特徴とする請求項１０８に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１１０】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高いことを特徴とする請求項１０４に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１１１】
前記第２マイクロレンズ用の第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１０３に記載のイメージセンサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ及びその形成方法とマイクロレンズを備えるイメージセンサー及びその製造方法に係り、特に、光学的な効率を改善できるマイクロレンズ及びその形成方法とマイクロレンズを備えるイメージセンサー及びその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズは、現在、イメージセンサー、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）装置及び光通信システムのように多様な分野に適用されて使われており、将来ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）のような光ディスクドライブ（ＯＤＤ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）に／から情報を記録／再生するのに使われる対物レンズとして適用される可能性もある。
【０００３】
マイクロレンズを備えるイメージセンサーは、光学画像を電気信号に変換させる半導体素子であって、代表的なものとして電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）とＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーとがある。
【０００４】
ＣＣＤは、相互隣接した位置に配置される複数のＭＯＳキャパシタを備え、光によって生成される電荷（キャリア）がＭＯＳキャパシタに保存されるか、またはＭＯＳキャパシタの間を移動することによって動作される。一方、ＣＭＯＳイメージセンサーは、制御回路及び信号処理回路を周辺回路として使用するＣＭＯＳ技術が利用される素子であって、複数の単位画素及び単位画素の出力信号を制御するＣＭＯＳ回路を備える。
【０００５】
図１は、従来の技術によるＣＭＯＳイメージセンサーの部分断面図である。
【０００６】
図１を参照すれば、従来のＣＭＯＳイメージセンサーは、半導体基板ＳＵＢ内に活性領域を限定する素子分離膜（図示せず）と、素子分離膜（図示せず）の間のフォトダイオードＰＤとを備える。ここで、フォトダイオードＰＤは、入射光を受光して電荷を蓄積する役割を行う。
【０００７】
前記素子分離膜（図示せず）とフォトダイオードＰＤとが形成された半導体基板ＳＵＢの全面上には、第１層間絶縁膜ＩＬＤ１が形成される。図示されていないが、前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１は、多層構造で形成され、前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１内には、単位画素を構成する金属配線Ｍが備えられる。ここで、前記金属配線Ｍは、フォトダイオードＰＤに入射する光を遮断しないように配置される。前記金属配線Ｍも多層構造で形成されうる。
【０００８】
前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１上には、各フォトダイオードＰＤの形成領域と対応するように、赤色、緑色、青色で染色された部分を有するカラーフィルタ層ＣＦが形成され、前記カラーフィルタ層ＣＦ上には、第２層間絶縁膜ＩＬＤ２が形成される。このとき、前記第２層間絶縁膜ＩＬＤ２は、段差解消及びマイクロレンズの焦点長の調節のためのオーバーコーティング層として機能する。
【０００９】
そして、前記第２層間絶縁膜ＩＬＤ２上には、各フォトダイオードＰＤの形成領域と対応するようにラウンド型マイクロレンズＭＬが形成される。ここで、マイクロレンズＭＬは、入射光をフォトダイオードＰＤに集光させる役割を行う。
【００１０】
図示されていないが、前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１上にフォトダイオードＰＤ及び金属配線Ｍを外部の水分浸透による劣化から保護するための保護膜がさらに備えられ、前記保護膜上には、段差解消及び接着性の改善のための平坦化層がさらに備えられうる。
【００１１】
しかし、前述した従来のイメージセンサーには、次のような問題がある。
【００１２】
第一に、前述した従来のイメージセンサーでは、マイクロレンズＭＬの間に光を集光させられない領域、すなわち、デッドゾーンが存在し、これにより、光学的効率が低下する問題がある。
【００１３】
前記デッドゾーンが発生する理由は、マイクロレンズＭＬの形成方法と関連するが、これについてさらに詳細に説明すれば、次の通りである。
【００１４】
図２Ａないし図２Ｃは、従来の技術によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【００１５】
図２Ａを参照すれば、所定の下部構造物（図示せず）を備えた半導体基板（図示せず）上にオーバーコーティング層として機能する層間絶縁膜ＩＬＤを形成した後、前記層間絶縁膜ＩＬＤ上にフォトレジスト膜ＰＲを塗布する。
【００１６】
図２Ｂを参照すれば、前記フォトレジスト膜の所定領域、例えば、マイクロレンズの形成領域以外の領域を露光した後、現像液で現像してフォトレジスト膜パターンＰＲＰを形成する。
【００１７】
図２Ｃを参照すれば、前記フォトレジスト膜パターンをガラス転移温度Ｔｇ以上の温度、例えば、１２０〜２００℃ほどの温度でリフローさせてラウンド型のマイクロレンズＭＬを形成する。
【００１８】
このようにマイクロレンズＭＬは、一般的に感光剤のリフロー工程で形成されるが、露光装備の解像度の限界のために、フォトレジスト膜パターンＰＲＰの間隔を所定間隔以下に低め難い。これにより、隣接するマイクロレンズＭＬに間隔ができ、デッドゾーンが発生する。
【００１９】
図３及び図４は、それぞれ従来のイメージセンサーの平面写真及び断面写真であって、これを参照すれば、前述したように、デッドゾーンが発生したことが確認できる。
【００２０】
第二に、前述した従来のイメージセンサーでは、入射光が傾いている場合には、マイクロレンズＭＬの集光度が劣る。すなわち、入射光が傾いている場合には、マイクロレンズＭＬを通過した入射光の一部が対応するフォトダイオードＰＤに到達できないこともあり、これにより、イメージセンサーの誤作動が誘発されることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明が解決しようとする課題は、前記従来の問題点を解決するために案出されたものであって、イメージセンサーでデッドゾーンによる光学的効率の低下の問題を改善すると共に、集光度を改善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である。
【００２２】
本発明が解決しようとする他の課題は、デッドゾーンによる光学的効率の低下の問題を改善すると共に、集光度を改善可能にしたマイクロレンズを備えるイメージセンサー及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記課題を達成するために、本発明は、半導体基板上に形成されたものであって支柱形状を有するポリシリコンパターンと、前記ポリシリコンパターン上に形成されたものであってマイクロレンズ用のラウンド型の外皮部と、前記外皮部内に充填された充填物質と、を含むことを特徴とするマイクロレンズを提供する。
【００２４】
前記外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜でありうる。
【００２５】
前記充填物質は、酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。
【００２６】
前記外皮部のエッジは、前記基板から離隔されうる。
【００２７】
前記ポリシリコンパターンと前記基板との間に層間絶縁膜が介在されうる。
【００２８】
前記マイクロレンズは、前記ポリシリコンパターンの周囲の前記基板上に形成された層間絶縁膜をさらに備え、ここで、前記層間絶縁膜の高さは、前記ポリシリコンパターンの高さよりも低いこともある。
【００２９】
前記課題を達成するために、本発明は、半導体基板上に形成されたものであって支柱形状を有するポリシリコンパターンと、前記ポリシリコンパターン上に形成されたものであってマイクロレンズ用のラウンド型の第１外皮部と、前記第１外皮部を覆う第２外皮部と、を備えることを特徴とするマイクロレンズを提供する。
【００３０】
前記第１外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜でありうる。
【００３１】
前記第２外皮部は、酸化膜またはジルコニウム酸化膜でありうる。
【００３２】
前記第１外皮部のエッジは、前記基板から離隔されうる。
【００３３】
前記ポリシリコンパターンと前記基板との間に層間絶縁膜が介在されうる。
【００３４】
前記マイクロレンズは、前記ポリシリコンパターンの周囲の前記基板上に形成された層間絶縁膜をさらに備え、前記層間絶縁膜の高さは、前記ポリシリコンパターンの高さよりも低いこともある。
【００３５】
また、前記課題を達成するために、下部構造物が備えられた半導体基板上にシリコンパターンを形成するステップと、前記シリコンパターンを覆うように前記基板上にキャッピング膜を形成するステップと、前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させるステップと、前記キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記基板との間の開口部を通じて前記外皮部内にレンズ物質を充填するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法を提供する。
【００３６】
また、前記課題を達成するために、本発明は、下部構造物が備えられた半導体基板上にシリコンパターンを形成するステップと、前記シリコンパターンを覆うように前記基板上にキャッピング膜を形成するステップと、前記シリコンパターン及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部に変形させるステップと、前記第１外皮部を覆うようにマイクロレンズ用の第２外皮部を形成するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法を提供する。
【００３７】
また、前記課題を達成するために、本発明は、コンタクトホールを有する層間絶縁膜が形成された半導体基板を設けるステップと、前記コンタクトホール内にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜上にシリコンパターンを形成するステップと、前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成するステップと、前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させるステップと、前記キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記基板との間の開口部を通じて、前記外皮部内にレンズ物質を充填するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法を提供する。
【００３８】
また、前記課題を達成するために、本発明は、コンタクトホールを有する層間絶縁膜が形成された半導体基板を設けるステップと、前記コンタクトホール内にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜上にシリコンパターンを形成するステップと、前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成するステップと、前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をエキシマレーザでアニーリングして前記シリコンパターンを支柱形状のポリシリコンパターンに変形させ、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部に変形させるステップと、前記第１外皮部を覆うように前記層間絶縁膜上にマイクロレンズ用の第２外皮部を形成するステップと、を含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法を提供する。
【００３９】
ここで、前記シリコンパターン及びシリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。
【００４０】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。
【００４１】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【００４２】
前記アニーリングは、エキシマレーザによって行われ、このとき、前記エキシマレーザアニーリング（ＥＬＡ：Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）は、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われうる。
【００４３】
前記支柱形状のポリシリコンパターンは、前記シリコンパターンより幅が狭く、高さが高い。
【００４４】
前記外皮部内に充填するレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。
【００４５】
前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【００４６】
一方、前記課題を達成するために、本発明は、半導体基板表面内の不純物ドーピングによって形成されたフォトダイオードの第１部分と、前記基板上に形成され前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜と、前記コンタクトホール部分に前記層間絶縁膜よりも高く形成されドーピングされたポリシリコンからなるフォトダイオードの第２部分と、前記第２部分を覆うように層間絶縁膜上に形成されたラウンド型のマイクロレンズと、前記マイクロレンズの上部に形成されたカラーフィルタ層と、を備えることを特徴とするイメージセンサーを提供する。
【００４７】
ここで、前記マイクロレンズは、外皮部と内部とに区分され、その内部がレンズ物質で充填されているか、または空洞の構造でありうる。さらに具体的に、前記マイクロレンズは、次のような２つの構造でありうる。
【００４８】
第一に、前記マイクロレンズは、前記フォトダイオードの第２部分の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜から離隔されているラウンド型の外皮部と、前記外皮部内に充填された充填物と、から形成されうる。ここで、前記外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなりうる。前記充填物は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜からなりうる。
【００４９】
第二に、前記マイクロレンズは、前記フォトダイオードの第２部分の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜から離隔されているラウンド型の第１外皮部と、前記第１外皮部及びその周囲の層間絶縁膜部分上に形成された第２外皮部と、から形成されうる。ここで、前記第１外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなりうる。前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜からなりうる。
【００５０】
一方、前記カラーフィルタ層は、前記マイクロレンズの表面に沿って形成されるか、または、他の層間絶縁膜を介在させて前記マイクロレンズと離隔して形成されうる。
【００５１】
また、本発明のイメージセンサーは、前記カラーフィルタ層上に絶縁膜を介在させて形成された第２マイクロレンズをさらに備えることもできる。さらに具体的には、本発明のイメージセンサーは、前記カラーフィルタ層を覆うように層間絶縁膜上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の前記第２部分形成領域と対応する部分上に形成された支柱形状のポリシリコンパターンと、前記ポリシリコンパターンを覆うように絶縁膜上に形成されたラウンド型の第２マイクロレンズと、をさらに備えうる。
【００５２】
ここで、前記第２マイクロレンズは、前述したマイクロレンズのように、外皮部と内部とに区分され、その内部がレンズ物質で充填されているか、または空洞の構造でありうる。その具体的な構造と材質とは、前述したマイクロレンズのものと同じである。
【００５３】
一方、前記課題を達成するための本発明のイメージセンサーの製造方法は、半導体基板の表面内に不純物をドーピングしてフォトダイオードの第１部分を形成する工程と、前記基板上に前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成する工程と、前記コンタクトホールの内部にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜部分上にコンタクトホールより大きな幅を有する第１高さのシリコンパターンを形成する工程と、前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成する工程と、前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をアニーリングして前記シリコンパターンと前記シリコンプラグとから、前記第１高さより高い第２高さを有してフォトダイオードの第２部分として機能するポリシリコンパターンを形成し、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部に変形させる工程と、前記キャッピング膜が外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記層間絶縁膜との間の開口部を通じて、前記外皮部内にレンズ物質を充填する工程と、前記外皮部の上部にカラーフィルタ層を形成する工程と、を含む。
【００５４】
また、前記課題を達成するための本発明のイメージセンサーの製造方法は、半導体基板の表面内に不純物をドーピングしてフォトダイオードの第１部分を形成する工程と、前記基板上に前記第１部分の一部を露出させるコンタクトホールを有する層間絶縁膜を形成する工程と、前記コンタクトホールの内部にシリコンプラグを形成すると共に、前記コンタクトホール及びその周囲の層間絶縁膜部分上にコンタクトホールより大きな幅を有する第１高さのシリコンパターンを形成する工程と、前記シリコンパターンを覆うように前記層間絶縁膜上にキャッピング膜を形成する工程と、前記シリコンパターン、前記シリコンプラグ及び前記キャッピング膜をアニーリングしてシリコンパターンとシリコンプラグとから、前記第１高さよりも高い第２高さを有してフォトダイオードの第２部分として機能するポリシリコンパターンを形成し、前記キャッピング膜をラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部に変形させる工程と、前記第１外皮部及びその周囲の層間絶縁膜上にマイクロレンズ用の第２外皮部を形成する工程と、前記第２外皮部の上部にカラーフィルタ層を形成する工程と、を含む。
【００５５】
ここで、前記シリコンプラグは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。
【００５６】
前記シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。
【００５７】
前記シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。
【００５８】
前記キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【００５９】
前記アニーリングは、エキシマレーザによって行われ、このとき、前記ＥＬＡは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われうる。
【００６０】
前記外皮部の内部に充填されるレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。
【００６１】
前記第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【００６２】
前記本発明のイメージセンサーの製造方法は、前記外皮部の内部にレンズ物質を充填する工程後、そして、前記カラーフィルタ層を形成する工程前に、前記外皮部を覆うように前記層間絶縁膜上に他の層間絶縁膜を形成する工程をさらに含みうる。
【００６３】
前記本発明のイメージセンサーの製造方法は、前記第２外皮部を形成する工程後、そして、前記カラーフィルタ層を形成する工程前に、前記第２外皮部を覆うように前記層間絶縁膜上に他の層間絶縁膜を形成する工程をさらに含みうる。
【００６４】
前記本発明のイメージセンサーの製造方法は、前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、前記カラーフィルタ層上に絶縁膜を介在させた第２マイクロレンズを形成する工程をさらに含みうる。
【００６５】
前記本発明のイメージセンサーの製造方法は、前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、前記カラーフィルタ層を覆うように前記層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の外皮部に変形させる工程と、前記第２キャッピング膜が第２マイクロレンズ用の外皮部に変形されて誘発された前記外皮部のエッジと前記絶縁膜との間の開口部を通じて、前記第２マイクロレンズ用の外皮部内にレンズ物質を充填する工程と、をさらに含みうる。
【００６６】
ここで、前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。
【００６７】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。
【００６８】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【００６９】
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われ、このとき、前記ＥＬＡは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われうる。
【００７０】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高い。
【００７１】
前記第２マイクロレンズ用の外皮部内に充填するレンズ物質は、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。
【００７２】
前記本発明のイメージセンサーの製造方法は、前記カラーフィルタ層を形成する工程後に、前記カラーフィルタ層を覆うように前記層間絶縁膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の前記シリコンパターンの形成領域に対応する部分上に第２シリコンパターンを形成する工程と、前記第２シリコンパターンを覆うように第２キャッピング膜を形成する工程と、前記第２シリコンパターン及び前記第２キャッピング膜をアニーリングして前記第２シリコンパターンを支柱形状の第２ポリシリコンパターンに変形させ、前記第２キャッピング膜をラウンド型の第２マイクロレンズ用の第１外皮部に変形させる工程と、前記第２マイクロレンズ用の第１外皮部及びその周囲の絶縁膜上に第２マイクロレンズ用の第２外皮部を形成する工程と、をさらに含みうる。
【００７３】
ここで、前記第２シリコンパターンは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。
【００７４】
前記第２シリコンパターンは、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。
【００７５】
前記第２キャッピング膜は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
前記アニーリングは、エキシマレーザで行われ、このとき、前記ＥＬＡは、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２の強度で行われうる。
【００７６】
前記支柱形状の第２ポリシリコンパターンは、前記第２シリコンパターンより幅が狭く、高さが高い。
【００７７】
前記第２マイクロレンズ用の第２外皮部は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【発明の効果】
【００７８】
本発明では、シリコンパターンを透明なキャッピング膜で覆った後にＥＬＡで多結晶化することによって、シリコンパターンから支柱形状のフォトダイオード用のポリシリコンパターンを形成すると共に、キャッピング膜からラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部を形成する。これにより、次のような効果が得られる。
【００７９】
第一に、本発明は、従来のフォトリソグラフィ及びフォトレジスト膜のリフロー工程ではないＥＬＡによるキャッピング膜のスウェリングによってマイクロレンズの基本構造を形成するので、マイクロレンズ間の間隔であるデッドゾーンを減少させうる。特に、キャッピング膜から形成された第１外皮部に第２外皮部を付加する方式でマイクロレンズを構成する場合には、デッドゾーンをさらに減少させうる。
【００８０】
第二に、本発明は、マイクロレンズの中央下段に垂直なフォトダイオードを備えるので、入射光が傾斜した場合でも、光漏れを抑制しうる。
【００８１】
このような２つの理由のために、本発明は、イメージセンサーの光学的効率を向上させ、光漏れによるセンサーの誤動作を抑制しうる。
【００８２】
第三に、本発明は、レンズ物質として従来のフォトレジスト膜より屈折率の高いシリコン酸化膜のような物質を適用するのに適しているので、レンズの効率向上に有利である。
【００８３】
第四に、本発明は、非晶質のシリコンパターンにレーザを集中させるＥＬＡ工程を使用するので、高温工程が要求されず、高温工程によるコスト上昇及び特性劣化の問題が誘発されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８４】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態によるマイクロレンズ及びその形成方法とマイクロレンズを備えるイメージセンサー及びその製造方法を詳細に説明する。添付された図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して図示されている。
【００８５】
図５Ａないし図５Ｄは、本発明の第１実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【００８６】
図５Ａを参照すれば、半導体基板ＳＵＢ上に層間絶縁膜ＩＬＤを形成し、前記層間絶縁膜ＩＬＤ上にシリコンパターンＳＰを形成する。ここで、前記シリコンパターンＳＰは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成され、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。
【００８７】
次いで、前記シリコンパターンＳＰを覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にキャッピング膜Ｃを形成する。前記キャッピング膜Ｃは、透過率の高いシリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成され、シリコンパターンＳＰ及び層間絶縁膜ＩＬＤの表面に沿ってコンフォーマルに形成されることが望ましい。
【００８８】
その後に、前記シリコンパターンＳＰ及び前記キャッピング膜Ｃをアニーリングする。このとき、前記アニーリングは、エキシマレーザで行われるＥＬＡ（エキシマレーザアニーリング）であり、前記ＥＬＡの強度は、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２ほどでありうる。
【００８９】
エキシマレーザが照射されれば、透明なキャッピング膜Ｃを通じてその下部層にレーザが入射するが、シリコン酸化膜材質の層間絶縁膜ＩＬＤよりシリコンパターンＳＰ部分にレーザが集中する。これにより、シリコンパターンＳＰの温度が急上昇し、シリコンパターンＳＰが部分的に溶融または完全に溶融する。溶融する程度は、エキシマレーザの強度によって調節されうる。
【００９０】
図５Ｂを参照すれば、エキシマレーザによって溶融したシリコンパターンは、表面張力によって、半球形と類似した形状を有しようとする傾向を表す。一方、溶融したシリコンパターンが次第に冷却されて、その中央下部で結晶化のためのシードが発生する。溶融したシリコンの中央下部でシードが発生することは、その部分での流体の流れが最も少ないためである。このような中央下部のシードから上方向に多結晶化が進行する。図面符号ＳＰ’は、多結晶化過程中にあるシリコンパターンを表す。
【００９１】
一方、前記多結晶化が進行する間に、キャッピング膜Ｃも、ある程度の柔軟性を有し、その形態がラウンド型、すなわち、丸い屋根形態に変形される。このとき、丸い屋根形態に変形されたキャッピング膜のエッジ部分が層間絶縁膜ＩＬＤから分離して開口部が発生する。図面符号Ｃ’は、変形過程中にあるキャッピング膜を表す。
【００９２】
図５Ｃを参照すれば、ＥＬＡによる多結晶化を通じてシリコンパターンＳＰから支柱形状のポリシリコンパターンＰを形成すると共に、キャッピング膜から変形されたラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部Ｓを形成する。このとき、前記ポリシリコンパターンＰの幅は、前記シリコンパターンＳＰより狭く、高さは、前記シリコンパターンＳＰより高い。そして、図示していないが、層間絶縁膜ＩＬＤ上には、キャッピング膜の一部が残留しうる。
【００９３】
図５Ｄを参照すれば、前記キャッピング膜が外皮部Ｓに変形されて誘発された外皮部のエッジと層間絶縁膜ＩＬＤとの間の開口部を通じて、前記外皮部Ｓ内にレンズ物質Ｆを充填する。これにより、外皮部Ｓ及び外皮部Ｓ内に充填されたレンズ物質Ｆで構成されたラウンド型のマイクロレンズＭＬａが形成される。ここで、前記外皮部Ｓの内部に充填されるレンズ物質Ｆは、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。シリコン酸化膜をＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成する場合には、開口部を通じて外皮部Ｓの内部を充填する。一方、フォトレジスト膜を利用する場合にも、その流動性によって外皮部Ｓの内部を充填しうる。例えば、フォトレジスト膜を利用する場合に、流動性のあるフォトレジスト膜を外皮部Ｓより高く塗布して外皮部Ｓの内部をフォトレジスト膜で充填させた後、外皮部Ｓをエッチングマスクとして利用して外皮部Ｓの外部のフォトレジスト膜部分を除去すれば、外皮部Ｓの内部にのみフォトレジスト膜が残留される。
【００９４】
図６は、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための断面図である。本実施形態は、前記第１実施形態を一部改良した方法であって、前記第１実施形態の図５Ｃの工程までは同一であり、それ以後の工程のみが異なる。従って、説明が重複しないように、図５Ｃの工程以後の工程についてのみ説明する。また、説明の便宜上、図６では図５Ｃの外皮部Ｓを第１外皮部Ｓ１という。
【００９５】
図６を参照すれば、前記第１外皮部Ｓ１を覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にマイクロレンズ用の第２外皮部Ｓ２を形成する。前記第２外皮部Ｓ２は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されている。これにより、第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２で構成され、内部が空洞のマイクロレンズＭＬｂが形成される。
【００９６】
一方、図７Ａないし図７Ｃは、本発明の第３実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。本実施形態は、前述した第１実施形態と基本的な原理は同じであるが、基板上に形成される下部構造物において差がある。すなわち、第１実施形態で基板上に形成される下部構造物は、層間絶縁膜であるが、第３実施形態で基板上に形成される下部構造物は、シリコンプラグを含む層間絶縁膜である。前記下部構造物以外の構成要素は、何れも同一であり、それについての説明は反復しない。
【００９７】
図７Ａを参照すれば、半導体基板ＳＵＢ上に層間絶縁膜ＩＬＤを形成した後に、前記層間絶縁膜ＩＬＤの所定部分をエッチングして基板ＳＵＢを露出させるコンタクトホールＨを形成する。
【００９８】
次いで、前記コンタクトホールＨ内にシリコンプラグＳＨを形成すると共に、前記コンタクトホールＨ及びその周囲の層間絶縁膜ＩＬＤ上にシリコンパターンＳＰを形成する。ここで、前記シリコンプラグＳＨは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうる。次いで、前記シリコンパターンＳＰを覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にキャッピング膜Ｃを形成する。
【００９９】
その後に、前記シリコンパターンＳＰ、シリコンプラグＳＨ及びキャッピング膜Ｃをエキシマレーザでアニーリングする。ここで、エキシマレーザの強度は、第１実施形態でのそれと同じ１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２ほどでありうる。
【０１００】
エキシマレーザが照射されれば、キャッピング膜Ｃを通じてその下部層にレーザが入射し、シリコンパターンＳＰ及びシリコンプラグＳＨの温度が急上昇して、それらが部分的に溶融または完全に溶融する。
【０１０１】
図７Ｂを参照すれば、エキシマレーザによって溶融したシリコンパターンは、表面張力によって、半球形と類似した形状を有しようとする傾向を表す。一方、溶融したシリコンプラグ及びシリコンパターンが次第に冷却されて、それらの境界部またはシリコンプラグの下段部で結晶化のためのシードが発生する。このようなシードから上方向に多結晶化が進行する。したがって、溶融されたシリコンパターンは冷却されて、次第に支柱形状に変形される。
【０１０２】
一方、前記多結晶化が進行する間にキャッピング膜Ｃも、ある程度の柔軟性を有し、その形態がラウンド型、すなわち、丸い屋根形態に変形される。このとき、丸い屋根形態に変形されたキャッピング膜のエッジ部分が層間絶縁膜ＩＬＤから分離して開口部が発生する。
【０１０３】
結果的に、前記のようなＥＬＡによってシリコンプラグ及びシリコンパターンから支柱形状のポリシリコンパターンＰが形成されると共に、キャッピング膜から変形されたラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部Ｓが形成される。
【０１０４】
図７Ｃを参照すれば、前記キャッピング膜が外皮部Ｓに変形されて誘発された外皮部のエッジと層間絶縁膜ＩＬＤとの間の開口部を通じて、前記外皮部Ｓ内にレンズ物質Ｆを充填する。これにより、外皮部Ｓ及び外皮部Ｓ内に充填されたレンズ物質Ｆで構成されたラウンド型のマイクロレンズＭＬａが形成される。
【０１０５】
図８は、本発明の第４実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための断面図である。本実施形態は、前記第３実施形態を一部改良した方法であって、前記第３実施形態の図７Ｂの工程までは同じであり、それ以後の工程のみが異なる。説明が重複しないように、図７Ｂの工程以後の工程についてのみ説明する。また、説明の便宜上、図８では、図７Ｂの外皮部Ｓを第１外皮部Ｓ１という。
【０１０６】
図８を参照すれば、前記第１外皮部Ｓ１を覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にマイクロレンズ用の第２外皮部Ｓ２を形成する。第２外皮部Ｓ２の材質は、第２実施形態でのそれと同じである。これにより、第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２で構成され、内部が空洞のマイクロレンズＭＬｂが形成される。
【０１０７】
以後さらに詳細に説明するが、本発明は、マイクロレンズを従来のフォトリソグラフィ及びリフロー工程ではないＥＬＡによるキャッピング膜のスウェリング現象を利用して形成するため、マイクロレンズ間の離隔距離であるデッドゾーンを減少させうる。特に、キャッピング膜から変形された第１外皮部Ｓ１の外郭に第２外皮部Ｓ２を付加してマイクロレンズを形成する場合に、デッドゾーンをさらに容易に減少させうる。
【０１０８】
また、本発明は、前述の方法で形成されるマイクロレンズを含むイメージセンサーを提案する。本発明のイメージセンサーでは、前記本発明の第３及び第４実施形態によるマイクロレンズの形成方法での支柱形状のポリシリコンパターンＰがフォトダイオードの一部として利用されうる。
【０１０９】
図９及び図１０は、それぞれ本発明の第１及び第２実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【０１１０】
図９及び図１０を参照すれば、本発明の第１及び第２実施形態によるイメージセンサーは、半導体基板ＳＵＢの表面内に不純物ドーピングによって形成されたフォトダイオードの第１部分ＰＤ１を含む。このとき、前記第１部分ＰＤ１は、第１不純物領域と第２不純物領域とが順次に積層された構造であるか、または何れか一つの不純物領域でのみ形成された構造でありうる。
【０１１１】
前記基板ＳＵＢ上に前記第１部分ＰＤ１の一部、望ましくは、中央部を露出させるコンタクトホールＨを有する層間絶縁膜ＩＬＤが形成される。前記層間絶縁膜ＩＬＤは、多層構造であり、層間絶縁膜ＩＬＤ内には、単位画素を構成する金属配線Ｍが備えられうる。前記金属配線Ｍは、入射光を遮断しない位置に備えられ、多層構造で形成されうる。
【０１１２】
前記コンタクトホールＨの部分には、前記層間絶縁膜ＩＬＤより高く、ドーピングされたポリシリコンからなるフォトダイオードの第２部分ＰＤ２が形成される。前記フォトダイオードの第２部分ＰＤ２は、何れか一つの不純物領域でのみ形成されることが望ましいが、場合によっては、第１不純物領域と第２不純物領域とが順次に積層された構造でもある。前記第２部分ＰＤ２は、第１部分ＰＤ１と共に、一つのフォトダイオードＰＤとして機能する。
【０１１３】
前記第２部分ＰＤ２を覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にラウンド型のマイクロレンズＭＬａ，ＭＬｂが形成される。前記マイクロレンズＭＬａ，ＭＬｂ上には、その表面に沿ってカラーフィルタ層ＣＦが形成される。
【０１１４】
ここで、前記マイクロレンズＭＬａ，ＭＬｂは、外皮部と内部とに区分され、図５に示したように、その内部がレンズ物質で充填されているか、または図６に示したように、その内部が空洞の構造でありうる。このような本発明のマイクロレンズ構造について、さらに具体的に説明すれば、次の通りである。
【０１１５】
第一に、本発明のマイクロレンズは、図９に示したように、前記フォトダイオードの第２部分ＰＤ２の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜ＩＬＤから離隔されているラウンド型の外皮部Ｓ及び前記外皮部Ｓ内に充填された充填物Ｆで形成されうる。以下では、このようマイクロレンズの構造を第１タイプという。
【０１１６】
ここで、前記第１タイプマイクロレンズＭＬａの外皮部Ｓは、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成され、前記充填物Ｆは、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜で形成されうる。
【０１１７】
第二に、本発明のマイクロレンズは、図１０に示したように、前記フォトダイオードの第２部分ＰＤ２の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが前記層間絶縁膜ＩＬＤから離隔されているラウンド型の第１外皮部Ｓ１と、前記第１外皮部Ｓ１及びその周囲の層間絶縁膜ＩＬＤの部分の上に形成された第２外皮部Ｓ２とで形成されうる。以下では、このようなマイクロレンズの構造を第２タイプという。
【０１１８】
ここで、前記第２タイプマイクロレンズＭＬｂの第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。
【０１１９】
このような本発明のイメージセンサーにおいて、前記マイクロレンズＭＬａ，ＭＬｂは、従来のフォトリソグラフィ及びリフロー工程ではない他の方法、すなわち、前述した本発明のマイクロレンズの形成方法で形成されるため、マイクロレンズ間の離隔距離であるデッドゾーンを減少させうる。特に、前記第２タイプは、第１外皮部Ｓ１の外郭に第２外皮部Ｓ２を付加的に形成した構造であるため、デッドゾーンをさらに容易に減少させうる。
【０１２０】
また、本発明のイメージセンサーでは、フォトダイオードＰＤが基板ＳＵＢ内の第１部分ＰＤ１とその中央部に立てられた支柱形状の第２部分ＰＤ２とで構成されるため、フォトダイオードＰＤの集光度が改善される。すなわち、入射光が傾斜した場合にも、第２部分ＰＤ２が光の損失を防止する役割を行うため、光の損失によるセンサーの誤作動を防止しうる。
【０１２１】
一方、本発明のイメージセンサーは、前記カラーフィルタ層ＣＦ上に絶縁膜を介在させて形成された第２マイクロレンズをさらに備えうるが、この場合、カラーフィルタ層ＣＦは、他の層間絶縁膜を介在させて前記マイクロレンズＭＬａ，ＭＬｂと離隔して形成されうる。前記第２マイクロレンズをさらに備える本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの一例が、図１１に示されている。
【０１２２】
図１１を参照すれば、本発明の第３実施形態によるイメージセンサーは、図９に示されたイメージセンサーの基板ＳＵＢからマイクロレンズＭＬａまでの構造と同じ構造を含む。便宜上、図１１では、図９のマイクロレンズＭＬａを第１マイクロレンズＭＬａ−１といい、図９の層間絶縁膜ＩＬＤを第１層間絶縁膜ＩＬＤ１といい、図９の金属配線Ｍを第１金属配線Ｍ１という。
【０１２３】
本発明の第３実施形態によるイメージセンサーでは、第１マイクロレンズＭＬａ−１上に第２層間絶縁膜ＩＬＤ２を介在させてカラーフィルタ層ＣＦが形成され、カラーフィルタ層ＣＦ上に第３層間絶縁膜ＩＬＤ３が形成される。前記第３層間絶縁膜ＩＬＤ３内には、第１金属配線Ｍ１と類似した形態の第２金属配線Ｍ２が備えられうる。
【０１２４】
前記第３層間絶縁膜ＩＬＤ３の第２部分ＰＤ２の形成領域と対応する部分上には、支柱形状のポリシリコンパターンＰ２が形成され、前記ポリシリコンパターンＰ２を覆うように第３層間絶縁膜ＩＬＤ３上に第２マイクロレンズＭＬ−２が形成される。図示したように、前記第２マイクロレンズＭＬ−２は、前記ポリシリコンパターンＰ２の上面及びその周囲に形成され、そのエッジが第３層間絶縁膜ＩＬＤ３から離隔されたラウンド型の第２マイクロレンズ用の第１外皮部Ｓ２−１と、前記第２マイクロレンズ用の第１外皮部Ｓ２−１及びその周囲の第３層間絶縁膜ＩＬＤ３上に形成された第２マイクロレンズ用の第２外皮部Ｓ２−２で形成されうる。
【０１２５】
図１１では、第２マイクロレンズＭＬｂ−２が、内部が空洞の第２タイプで表現されているが、場合によっては、前記第２マイクロレンズは、内部がレンズ物質で充填された第１タイプでもある。すなわち、前記第２マイクロレンズＭＬｂ−２は、図９に示されたマイクロレンズＭＬａと同じ構造及び材質で形成されるか、または図１０に示されたマイクロレンズＭＬｂと同じ構造及び材質で形成されうる。
【０１２６】
図１１のような二重マイクロレンズを有するイメージセンサー構造では、上部マイクロレンズの幅が下部マイクロレンズの幅より広いことが望ましい。したがって、下部マイクロレンズは、第１タイプで形成し、上部マイクロレンズは、第２タイプで形成することが望ましい。
【０１２７】
以下では、本発明の実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明する。
【０１２８】
図１２Ａないし図１２Ｇは、本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【０１２９】
図１２Ａを参照すれば、半導体基板ＳＵＢの表面内に不純物をドーピングしてフォトダイオードの第１部分ＰＤ１を形成する。次いで、前記基板ＳＵＢ上に前記第１部分ＰＤ１の一部を露出させるコンタクトホールＨを有する層間絶縁膜ＩＬＤを形成する。ここで、前記層間絶縁膜ＩＬＤは、多層構造であり、層間絶縁膜ＩＬＤ内には、単位画素を構成する金属配線Ｍが備えられうる。金属配線Ｍも多層構造でありうる。
【０１３０】
図１２Ｂを参照すれば、前記コンタクトホールＨの内部にシリコンプラグＳＨを形成すると共に、前記コンタクトホールＨ及びその周囲の層間絶縁膜ＩＬＤの部分上にコンタクトホールＨより大きな幅を有する第１高さのシリコンパターンＳＰを形成する。このとき、前記シリコンプラグＳＨとシリコンパターンＳＰとは、同時に形成されてもよく、別途に形成されてもよい。前記シリコンプラグＳＨ及びシリコンパターンＳＰは、非晶質シリコンまたはポリシリコンで形成されうるが、シリコンパターンＳＰは、非晶質シリコンで形成されることが望ましい。前記シリコンパターンＳＰは、円形または四角形など、多様な形態に形成され、１０〜５００００Åの幅及び１０〜５００００Åの厚さに形成されうる。そして、前記シリコンプラグＳＨとシリコンパターンＳＰとは、不純物がドーピングされている物質でもあり、不純物がドーピングされていない物質でもある。もし、この工程でシリコンパターンＳＰ内に不純物がドーピングされていなければ、フォトダイオードとして機能させるために、以後の工程で不純物をドーピングさせなければならない。
【０１３１】
図１２Ｃを参照すれば、前記シリコンパターンＳＰを覆うように層間絶縁膜ＩＬＤ上にキャッピング膜Ｃを形成する。前記キャッピング膜Ｃは、透過率の高い膜、例えば、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成され、均一な厚さにコンフォーマルに形成されることが望ましい。
【０１３２】
次いで、前記シリコンパターンＳＰ、シリコンプラグＳＨ及びキャッピング膜Ｃに対するアニーリング、例えば、ＥＬＡを行う。ここで、エキシマレーザの強度は、１００〜３０００ｍＪ／ｃｍ２ほどでありうる。
【０１３３】
前述したように、エキシマレーザが照射されれば、透明なキャッピング膜Ｃを通じてその下部層にレーザが入り、シリコン酸化膜材質の層間絶縁膜ＩＬＤよりもシリコンパターンＳＰ及びシリコンプラグＳＨの部分にレーザが集中する。これにより、シリコンパターンＳＰ及びシリコンプラグＳＨの温度が急上昇し、シリコンパターンＳＰ及びシリコンプラグＳＨが部分的に溶融または完全に溶融する。溶融する程度は、エキシマレーザの強度によって調節されうる。
【０１３４】
図１２Ｄを参照すれば、エキシマレーザによって溶融したシリコンパターンは、表面張力によって、半球形と類似した形態を有しようとする傾向を表す。一方、溶融したシリコンプラグ及びシリコンパターンが次第に冷却されて、その中央下部で結晶化のためのシードが発生する。溶融されたシリコンの中央下部でシードが発生することは、その部分での流体の流れが最も少ないためである。このような中央下部のシードから上方向に多結晶化が進行する。図面符号ＳＰ’は、多結晶化過程中にあるシリコンパターン及びシリコンプラグを表す。
【０１３５】
一方、前記多結晶化が進行する間に、キャッピング膜Ｃも、ある程度の柔軟性を有し、その形態が丸い屋根形態に変形される。このとき、丸い屋根形態に変形されたキャッピンク膜のエッジは、残りの領域と分離して層間絶縁膜ＩＬＤから離隔される。図面符号Ｃ’は、変形過程中にあるキャッピング膜を表す。
【０１３６】
図１２Ｅを参照すれば、ＥＬＡによる多結晶化を通じてシリコンプラグ及びシリコンパターンから支柱形状のポリシリコンパターン（フォトダイオードの第２部分であって、ＰＤ２という）を形成すると共に、キャッピング膜からラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部Ｓを形成する。このとき、前記ポリシリコンパターンは、前記シリコンパターンＳＰの高さより高い支柱形状のパターンであって、第１部分ＰＤ１と共に一つのフォトダイオードＰＤを構成するフォトダイオードの第２部分ＰＤ２である。もし、前記シリコンパターンＳＰがドーピングされていない物質であったならば、多結晶化後にポリシリコンパターン内にドーピング工程を行うこともできる。
【０１３７】
図１２Ｆを参照すれば、前記外皮部Ｓの形成時に発生した前記外皮部Ｓのエッジと前記層間絶縁膜ＩＬＤとの間の開口部を通じて、前記外皮部Ｓの内部にレンズ物質Ｆを充填する。ここで、前記外皮部Ｓの内部に充填されるレンズ物質Ｆは、シリコン酸化膜またはフォトレジスト膜でありうる。前述したように、シリコン酸化膜をＬＰＣＶＤで形成する場合に、開口部を通じて外皮部Ｓの内部を充填する。一方、フォトレジスト膜を利用する場合にも、その流動性によって外皮部Ｓの内部を充填しうる。これにより、外皮部Ｓ及び外皮部Ｓの内部に充填されたレンズ物質ＦからなるマイクロレンズＭＬａが形成される。
【０１３８】
図１２Ｇを参照すれば、前記外皮部Ｓ及びその内部のレンズ物質ＦからなるマイクロレンズＭＬａの表面上にカラーフィルタ層ＣＦを形成する。
【０１３９】
これ以後は図示していないが、公知の後続工程を順次に行って本発明のイメージセンサーを製造する。
【０１４０】
図１３は、本発明でＥＬＡを行う以前の非晶質のシリコンパターンａ−Ｓｉを示す平面写真であり、図１４は、図１３に示された非晶質のシリコンパターンａ−Ｓｉを９５０ｍＪ／ｃｍ２の強度でＥＬＡして形成したポリシリコンパターンｐｏｌｙ−Ｓｉを示す平面写真である。一方、図１５は、本発明の方法で形成した支柱形状のポリシリコンパターンｐｏｌｙ−Ｓｉ及びラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部Ｓを示す断面図である。
【０１４１】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明の第２実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。本実施形態は、前記第１実施形態（イメージセンサーの製造方法）を一部改良した方法であって、前記第１実施形態の図１２Ｅの工程までは同じであり、それ以後の工程のみが異なる。従って、説明が重複しないように、図１２Ｅの工程以後の工程についてのみ説明する。また、説明の便宜上、図１６Ａ及び図１６Ｂでは、図１２Ｅの外皮部Ｓを第１外皮部Ｓ１という。
【０１４２】
図１６Ａを参照すれば、前記第１外皮部Ｓ１及びその周囲の層間絶縁膜ＩＬＤ上にマイクロレンズ用の第２外皮部Ｓ２を形成する。ここで、前記第２外皮部Ｓ２は、シリコン酸化膜またはジルコニウム酸化膜で形成されうる。これにより、第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２で構成されたマイクロレンズＭＬｂが形成される。
【０１４３】
図１６Ｂを参照すれば、前記第２外皮部Ｓ２上にその表面に沿ってカラーフィルタ層ＣＦを形成する。
【０１４４】
これ以後は図示していないが、公知の後続工程を順次に行って本発明のイメージセンサーを製造する。
【０１４５】
図１７Ａないし図１７Ｄは、本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。本実施形態も、前記第１実施形態（イメージセンサーの製造方法）を一部改良した方法であって、前記第１実施形態の図１２Ｆの工程までは同一であり、それ以後の工程のみが異なる。説明が重複しないように、図１２Ｆの工程以後の工程についてのみ説明する。また、説明の便宜上、図１７Ａないし図１７Ｄでは、図１２ＦのマイクロレンズＭＬａを第１マイクロレンズＭＬａ−１といい、図１２Ｆの外皮部Ｓを第１外皮部Ｓ１といい、図１２Ｆの層間絶縁膜ＩＬＤを第１層間絶縁膜ＩＬＤ１といい、図１２Ｆの金属配線Ｍを第１金属配線Ｍ１という。
【０１４６】
図１７Ａを参照すれば、前記第１マイクロレンズＭＬａ−１を覆うように第１層間絶縁膜ＩＬＤ１上に第２層間絶縁膜ＩＬＤ２を形成し、その表面を平坦化する。その後、前記第２層間絶縁膜ＩＬＤ２の第１マイクロレンズＭＬａ−１の形成領域と対応する部分上にカラーフィルタ層ＣＦを形成し、前記カラーフィルタ層ＣＦを覆うように第３層間絶縁膜ＩＬＤ３を形成する。このとき、前記第３層間絶縁膜ＩＬＤ３内には、第２金属配線Ｍ２が形成されうる。第２金属配線Ｍ２は、第１金属配線Ｍ１と同様に、入射光を遮断しないように配置される。前記第３層間絶縁膜ＩＬＤ３及び第２金属配線Ｍは、多層構造で形成されてもよい。
【０１４７】
図１７Ｂを参照すれば、前記第３層間絶縁膜ＩＬＤ３の前記シリコンパターンＳＰの形成領域と対応する部分上に第２シリコンパターンＳＰ２を形成し、前記第２シリコンパターンＳＰ２を覆うように第３層間絶縁膜ＩＬＤ３上に第２キャッピング膜Ｃ２を形成する。ここで、前記第２シリコンパターンＳＰ２及び第２キャッピング膜Ｃ２の材質、幅及び厚さは、前記シリコンパターンＳＰ及びキャッピング膜Ｃのものと同じである。
【０１４８】
次いで、前記基板結果物にエキシマレーザを照射することによって前記シリコンパターンＳＰを多結晶化した方法と同様な方法で、前記第２シリコンパターンＳＰ２に対する多結晶化を行う。このとき、第２キャッピング膜Ｃ２の形態も変形される。
【０１４９】
図１７Ｃを参照すれば、ＥＬＡによる多結晶化を通じて第２シリコンパターンから支柱形状のポリシリコンパターンＰ２を形成すると共に、第２キャッピング膜からラウンド型の第２マイクロレンズ用の第１外皮部Ｓ２−１を形成する。
【０１５０】
図１７Ｄを参照すれば、前記第２マイクロレンズ用の第１外皮部Ｓ２−１及びその周囲の第３層間絶縁膜ＩＬＤ３上に第２マイクロレンズ用の第２外皮部Ｓ２−２を形成する。これにより、二つの外皮部からなり、内部が空洞の第２タイプの第２マイクロレンズＭＬｂ−２が形成される。
【０１５１】
これ以後は図示していないが、公知の後続工程を順次に行って本発明のイメージセンサーを製造する。
【０１５２】
前記本発明の第３実施形態（イメージセンサーの製造方法）では、上部の第２マイクロレンズを第２タイプで形成したが、本発明の他の実施形態では、第２マイクロレンズをその内部が充填された第１タイプで形成することもできる。
そして、図１６Ａのような構造から出発して、前記第３実施形態（イメージセンサーの製造方法）と同じ方法で二重マイクロレンズを備えたイメージセンサーを製造することもできるが、この場合に、下部の第１マイクロレンズは第２タイプであり、上部の第２マイクロレンズは、第１タイプまたは第２タイプとなりうる。
【０１５３】
このように、本発明では、シリコンパターンを透明なキャッピング膜で覆った後にＥＬＡで多結晶化すれば、シリコンパターンが支柱形状のポリシリコンパターンとなり、キャッピング膜がラウンド型のマイクロレンズ用の外皮部となる原理を利用して、新規構造のイメージセンサーを製造する。
【０１５４】
この場合、前述したように、従来のフォトリソグラフィ及びリフロー工程ではないキャッピング膜のスウェリングによってマイクロレンズの基本構造が形成されるので、従来よりもマイクロレンズ間の間隔であるデッドゾーンを減少させうる。特に、キャッピング膜から形成された第１外皮部に第２外皮部を付加する方式でマイクロレンズを構成する場合には、デッドゾーンの減少においてさらに有利である。
【０１５５】
また、本発明では、マイクロレンズの中央部の下に支柱形状を有するフォトダイオードの第２部分ＰＤ２が存在するので、入射光が傾斜した場合でも、前記第２部分ＰＤ２によって光漏れが防止される。したがって、本発明は、イメージセンサーの光学的効率を向上させ、光漏れによるセンサーの誤動作を抑制しうる。
【０１５６】
これに加えて、本発明は、レンズ物質として、従来のフォトレジスト膜より屈折率の高いシリコン酸化膜のような物質を適用するのに適しているので、レンズの効率向上に有利である。
【０１５７】
しかも、本発明は、非晶質のシリコンパターンにレーザを集中させるＥＬＡ工程を使用するので、高温工程が要求されず、高温工程によるコスト上昇及び特性劣化の問題が誘発されない。
【０１５８】
一方、図１８は、本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【０１５９】
図１８を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーは、半導体基板ＳＵＢの表面内の不純物ドーピングによるフォトダイオードＰＤを備える。前記フォトダイオードＰＤを含む基板ＳＵＢ上には、第１層間絶縁膜ＩＬＤ１が形成される。前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１内には、金属配線Ｍが備えられうる。前記第１層間絶縁膜ＩＬＤ１のフォトダイオードＰＤの形成領域と対応する領域上にカラーフィルタ層ＣＦが形成され、前記カラーフィルタ層ＣＦを覆うように第１層間絶縁膜ＩＬＤ１上に第２層間絶縁膜ＩＬＤ２が形成される。前記第２層間絶縁膜ＩＬＤ２の所定部分、望ましくは、前記フォトダイオードＰＤの形成領域の中央部に対応する領域上に支柱形状のポリシリコンパターンＰが形成される。前記ポリシリコンパターンＰは、図１７ＣのポリシリコンパターンＰ２と同じ方法で形成されうる。前記ポリシリコンパターンＰの上面及びその周囲に、エッジが第２層間絶縁膜ＩＬＤ２から離隔されたラウンド型のマイクロレンズ用の第１外皮部Ｓ１が形成され、前記第１外皮部Ｓ１及びその周囲の第２層間絶縁膜ＩＬＤ２上には、第２外皮部Ｓ２が形成される。前記第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２は、第２タイプのマイクロレンズＭＬｂである。前記第１及び第２外皮部Ｓ１，Ｓ２は、前述した第３実施形態（イメージセンサーの製造方法）での第１及び第２外皮部Ｓ２−１，Ｓ２−２と同じ方法で形成されうる。
【０１６０】
このような本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーでは、デッドゾーンが減少する効果が得られるが、垂直なフォトダイオード部分がない。そして、ポリシリコンパターンＰが入射光を遮断する役割を行うので、光効率の改善効果が多少低下するという問題がある。このようなポリシリコンパターンＰによる入射光の遮断問題は、前述した本発明の第３実施形態でも同一である。しかし、ポリシリコンパターンＰの幅は、エキシマレーザの強度によって調節され、ポリシリコンパターンＰの幅をマイクロレンズの幅に比べて非常に狭く形成する場合には、ポリシリコンパターンＰによる光遮断の効果は、ほとんど無視されうる。
【０１６１】
以上の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されたい。例えば、当業者ならば、本発明で提案したイメージセンサーの構造及びその製造方法は、ＣＭＯＳイメージセンサーだけでなく、多様なイメージセンサーに活用されうるということが分かる。それと共に、場合によっては、本発明での層間絶縁膜は、段差解消及びマイクロレンズの焦点長の調節のためのオーバーコーティング層として機能する膜であり、層間絶縁膜以外に別途のオーバーコーティング層、保護層または平坦化層が付加されて、構成要素がさらに多様化されうるということが分かる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定される。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本発明は、イメージセンサー、ＬＣＤ及び光通信システムのような多様な分野に適用され、将来的にはＣＤやＤＶＤのようなＯＤＤでの情報の記録及び再生に使用される対物レンズとして適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１】従来の技術によるＣＭＯＳイメージセンサーの部分断面図である。
【図２Ａ】従来の技術によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図２Ｂ】従来の技術によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図２Ｃ】従来の技術によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図３】従来の技術の問題点を示すイメージセンサーの平面写真である。
【図４】従来の技術の問題点を示すイメージセンサーの断面写真である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図５Ｃ】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図５Ｄ】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための断面図である。
【図７Ａ】本発明の第３実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第３実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図７Ｃ】本発明の第３実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための工程別断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態によるマイクロレンズの形成方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【図１２Ａ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｃ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｄ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｅ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｆ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１２Ｇ】本発明の第１実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１３】本発明でＥＬＡを行う以前の非晶質のシリコンパターンを示す平面写真である。
【図１４】図１３に示された非晶質のシリコンパターンを９５０ｍＪ／ｃｍ２の強度でＥＬＡして形成したポリシリコンパターンを示す平面写真である。
【図１５】本発明の方法で形成したポリシリコンパターン及びマイクロレンズ用の外皮部を示す断面図である。
【図１６Ａ】本発明の第２実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１６Ｂ】本発明の第２実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１７Ａ】本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１７Ｂ】本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１７Ｃ】本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１７Ｄ】本発明の第３実施形態によるイメージセンサーの製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーを示す部分断面図である。
【符号の説明】
【０１６４】
ＣＦ    カラーフィルタ層
ＭＬａ  マイクロレンズ
Ｓ      外皮部
Ｆ      充填物
Ｍ      金属配線
ＩＬＤ  層間絶縁膜
ＳＵＢ  基板
ＰＤ１  フォトダイオードの第１部分
ＰＤ２  フォトダイオードの第２部分
ＰＤ    フォトダイオード
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2008033314.tif 000004
【図２Ｃ】
2008033314.tif 000005
【図５Ａ】
2008033314.tif 000006
【図５Ｂ】
2008033314.tif 000007
【図５Ｃ】
2008033314.tif 000008
【図５Ｄ】
2008033314.tif 000009
【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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