(57)【要約】【課題】イメージセンサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】イメージセンサの製造方法は、半導体基板のアクティブ領域にフォトダイオード構造物及び絶縁膜構造物を含むピクセルアレイを形成する段階と、ピクセルアレイ上に金属パッドを形成する段階と、金属パッド上に絶縁膜を形成する段階と、絶縁膜上に保護膜を形成する段階と、保護膜を蝕刻してパッドオープン部とピクセルオープン部を形成する段階と、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板のアクティブ領域にフォトダイオード構造物及び絶縁膜構造物を含むピクセルアレイを形成する段階と、
前記ピクセルアレイ上に金属パッドを形成する段階と、
前記金属パッド上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜上に保護膜を形成する段階と、
前記保護膜を蝕刻してパッドオープン部とピクセルオープン部を形成する段階と、
前記絶縁膜を除去する段階と、
を含むイメージセンサの製造方法。
【請求項２】
前記絶縁膜は窒化膜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の製造方法。
【請求項３】
前記パッドオープン部と前記ピクセルオープン部は同時に形成されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項４】
前記パッドオープン部と前記ピクセルオープン部の蝕刻は反応性イオン蝕刻工程で進行されて、蝕刻停止膜が前記絶縁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の製造方法。
【請求項５】
前記保護膜はＵＳＧ及び窒化膜が積層されていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項６】
前記ピクセルオープン部にカラーフィルタアレイを形成する段階を含む請求項１に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項７】
前記カラーフィルタアレイ上にマイクロレンズを形成する段階を含む請求項６に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項８】
カラーフィルタアレイ形成時に、前記パッドオープン部の絶縁膜が腐食防止膜として使用されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサの製造方法。
【請求項９】
フォトダイオード構造物及び絶縁膜構造物を含むピクセルアレイと、
前記ピクセルアレイ上に形成された金属パッドと、
前記金属パッド上に形成された絶縁膜と、
前記金属パッド及び絶縁膜を含むピクセルアレイ上に形成された保護膜と、を含み、
前記保護膜には前記絶縁膜の上部表面を露出させるパッドオープン部及び前記絶縁膜構造物の表面を露出させるピクセルオープン部が形成されるイメージセンサ。
【請求項１０】
前記保護膜はＵＳＧ及び窒化膜が積層されていることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記絶縁膜が窒化膜で形成されることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ピクセルオープン部に形成されたカラーフィルタアレイをさらに含む請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記カラーフィルタアレイ上に形成されたマイクロレンズをさらに含む請求項１２に記載のイメージセンサ。
【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】
イメージセンサは、光学的映像(optical image)を電気信号に変換する半導体素子として、大きく電荷結合素子(charge coupled device、ＣＣＤ)イメージセンサとシーモス(complementary metal oxide silicon、ＣＭＯＳ)イメージセンサ(ＣＩＳ)に区分される。
【０００３】
シーモスイメージセンサは単位画素内にフォトダイオードとモス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。
【０００４】
シーモスイメージセンサは、半導体基板上にトランジスタ及びトランジスタに電気的に連結されるフォトダイオードで構成されたピクセルアレイを形成する。ピクセルアレイ上に配線及びパッドを含む絶縁膜構造物が形成される。パッドは主に導電性ワイヤによって形成されており、パッド及び導電性ワイヤを電気的に連結するためにパッドは絶縁膜構造物から露出する。
【０００５】
続いて、絶縁膜構造物上に、イメージセンサのカラーイメージ具現のためのカラーフィルタアレイが形成される。引き続いて、カラーフィルタアレイの上面にフォトレジストフィルムを塗布しリフロー工程を進行して、ピクセルアレイで集光された光を提供するマイクロレンズを形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、シーモスイメージセンサのデザインルールが徐々に減少することによって単位ピクセルのサイズが減少しており、これにより外部から入射する光量が減少していて、フォトダイオードで光を感知することがとても難しくなっている。フォトダイオードでの感光度を増加させるために、外部の入射光がフォトダイオードまで到達するまでの経路が減少されなければならない。
【０００７】
したがって、光経路を減少させるために、フォトダイオード上に形成される配線及び層間絶縁膜の高さに対する減少が要求される。
【０００８】
本発明は、光経路(focal length)を減少させて感光度を向上させることができるイメージセンサの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態によるイメージセンサの製造方法は、半導体基板のアクティブ領域にフォトダイオード構造物及び絶縁膜構造物を含むピクセルアレイを形成する段階と、前記ピクセルアレイ上に金属パッドを形成する段階と、前記金属パッド上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜上に保護膜を形成する段階と、前記保護膜を蝕刻してパッドオープン部とピクセルオープン部を形成する段階と、前記絶縁膜を除去する段階と、を含む。
【００１０】
また、一実施形態によるイメージセンサは、フォトダイオード構造物及び絶縁膜構造物を含むピクセルアレイと、該ピクセルアレイ上に形成された金属パッドと、該金属パッド上に形成された絶縁膜と、前記金属パッド及び絶縁膜を含むピクセルアレイ上に形成された保護膜と、を含み、前記保護膜には前記絶縁膜の上部表面を露出させるパッドオープン部及び前記絶縁膜構造物の表面を露出させるピクセルオープン部が形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施形態によるイメージセンサ及びその製造方法を、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
図７は、本発明の一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。
【００１３】
実施形態によるイメージセンサは、半導体基板１０上にフォトダイオード構造物２０及び絶縁膜構造物３０でなされたピクセルアレイが形成される。
【００１４】
ここで、フォトダイオード構造物２０は、フォトダイオード及びモストランジスタでなる画素が複数個形成された構造である。
【００１５】
また、絶縁膜構造物３０は、フォトダイオード構造物２０の絶縁及び配線のための層間絶縁膜と、該層間絶縁膜を貫通する金属配線３１で構成される。
【００１６】
絶縁膜構造物３０上には外部との電気的連結のために金属パッド４０が形成される。
【００１７】
絶縁膜構造物３０及び金属パッド４０の上部には保護膜８０が形成される。
【００１８】
金属パッド４０の上部と絶縁膜構造物３０の保護膜８０は選択的に蝕刻されてパッドオープン部１１０とピクセルオープン部１２０が形成される。例えば、保護膜８０はＵＳＧ膜と窒化膜が積層された構造である。
【００１９】
ピクセルオープン部１２０によって露出した絶縁膜構造物３０上にはカラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００が形成される。
【００２０】
したがって、保護膜８０と絶縁膜構造物３０の段差程度にカラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００とフォトダイオード構造物２０の距離が短くなって、光経路が減少されてフォトダイオードに入射する光量を増加させることができるようになる。
【００２１】
図１ないし図７は、実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す平面図及び断面図らである。
【００２２】
図１は、実施形態によるフォトダイオード構造物２０を示す断面図であり、図２は図１に示すフォトダイオード構造物２０に含まれた画素のうちの一つを示す平面図である。
【００２３】
図３を参照して、半導体基板１０のアクティブ領域に複数のフォトダイオード構造物２０及び絶縁膜構造物３０を含むピクセルアレイを形成する。
【００２４】
フォトダイオード構造物２０は、図１及び図２に示すようにフォトダイオードとトランジスタ構造物でなりシリコン基板上に単位画素で形成される。
【００２５】
単位画素は、フォトダイオードＰＤとトランスファートランジスタＴｘ、リセットトランジスタＲｘ、セレクトトランジスタＲｘ及びアクセストランジスタＡｘを含み、光電荷を電気的信号に変換してイメージを出力する。フォトダイオード構造物２０は、このような単位画素が複数個でなされている構造である。
【００２６】
絶縁膜構造物３０は、フォトダイオード構造物２０上に形成される。
【００２７】
絶縁膜構造物３０は、フォトダイオード構造物２０を含んだ半導体基板１０上に絶縁のための層間絶縁膜が形成され、前記画素を駆動するために層間絶縁膜を貫通する下部金属配線３１を含む。
【００２８】
図示しなかったが、絶縁膜構造物３０はフォトダイオード構造物２０上に複数の層で形成されることができる。例えば、層間絶縁膜はＦＳＧ膜とＴＥＯＳが積層された構造で形成されることができる。
【００２９】
下部金属配線３１と連結されて、外部の駆動回路との連結のための金属パッド４０が形成される。
【００３０】
金属パッド４０は絶縁膜構造物３０上に金属層(図示せず)を形成して、パッド領域を定義するフォトレジストパターン(図示せず)を形成した後、蝕刻工程によって形成される。
【００３１】
金属パッド４０が形成された絶縁膜構造物３０上にエッチング選択比（etch selectivity rate）を有する絶縁膜５０を形成する。例えば、絶縁膜５０は窒化膜(Ｓｉ３Ｎ４)で形成されることができる。
【００３２】
図４を参照して、絶縁膜５０上に素子を外部の水分及びスクラッチから保護するための保護膜６０、７０が形成される。例えば、保護膜６０、７０はＵＳＧ膜または窒化膜で形成されることができるし、またはＵＳＧ膜と窒化膜を積層した構造で形成されることができる。
【００３３】
実施形態では、保護膜８０は第１保護膜６０でＵＳＧ膜が使用され、第２保護膜７０として窒化膜が使用された。
【００３４】
図５及び図６を参照して、第１及び第２保護膜６０、７０上にフォトレジストパターン１５０を形成する。フォトレジストパターン１５０は、金属パッド４０と絶縁膜構造物３０の表面を選択的に露出させるためのものであり、保護膜８０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形成される。
【００３５】
フォトレジストパターン１５０を蝕刻マスクとして使用して、第１保護膜６０及び第２保護膜７０を蝕刻する。
【００３６】
そうすると、金属パッド４０の表面を露出させるパッドオープン部１１０と、絶縁膜構造物３０の表面を露出させるピクセルオープン部１２０が形成される。例えば、第１保護膜６０及び第２保護膜７０を、蝕刻は反応性イオン蝕刻工程(reactive ion etching)を利用して蝕刻することができる。
【００３７】
この時、金属パッド４０が形成された絶縁膜構造物３０上には絶縁膜５０で窒化膜が形成されているので、第１及び第２保護膜６０、７０のイオン蝕刻工程時に蝕刻停止膜として使用される。よって、第１及び第２保護膜６０、７０は蝕刻停止膜である絶縁膜５０まで蝕刻されて、パッドオープン部１１０とピクセルオープン部１２０を同時に形成することができる。
【００３８】
そして、ピクセルオープン部１２０に残っている絶縁膜５０を選択的に除去すると、ピクセルオープン部１２０によって絶縁膜構造物３０の表面が選択的に露出する。
【００３９】
この時、パッドオープン部１１０の窒化膜は除去せずに、そのまま残しておくことで、後工程のカラーフィルタアレイ９０を形成する時、窒化膜を金属パッド４０の腐食防止膜として使用することができる。
【００４０】
前述のように、保護膜８０の蝕刻工程によって形成されたピクセルオープン部１２０には後工程によってカラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００が形成される。
【００４１】
特に、保護膜８０と絶縁膜構造物３０の段差程度にカラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００からフォトダイオード構造物２０までの光経路が短くなったから、フォトダイオードに入射する光の量を増加させることができる。
【００４２】
図７を参照して、ピクセルオープン部１２０にカラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００が形成される。
【００４３】
カラーフィルタアレイ９０は、顔料または染料及び感光物質を含むフォトレジストフィルムをパターニングして形成され、画素に対応されるように形成される。
【００４４】
図示しなかったが、カラーフィルタアレイ９０を形成した後、カラーフィルタアレイ９０上には平坦化層を形成することもできる。平坦化層はカラーフィルタアレイ９０に段差が形成される場合に段差を除去する。
【００４５】
以後、カラーフィルタアレイ９０が形成された後、各カラーフィルタに対応する位置にマイクロレンズ１００を形成する。マイクロレンズ１００は、外部光をフォトダイオード構造物２０のフォトダイオードに集光する。
【００４６】
そして、パッドオープン部１１０の絶縁膜５０を除去する。
【００４７】
カラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００は、保護膜８０の蝕刻によって形成されたピクセルオープン部１２０である絶縁膜構造物３０の上部表面上に形成されるから、保護膜８０による干渉を受けないので、入射される光の効率を高めることができるようになる。
【００４８】
すなわち、フォトダイオード構造物２０の上部に位置する保護膜８０の一定領域が選択的に除去される場合、屈折率は保護膜８０が残っている領域よりさらに小さくなる。
【００４９】
したがって、カラーフィルタアレイ９０及びマイクロレンズ１００が、保護膜８０が除去された絶縁膜構造物３０の表面に形成されたので、保護膜８０による屈折率が除去されて光感度を向上させることができる。
【００５０】
また、マイクロレンズ１００を通過する光の波長は、保護膜８０を透過する場合より相対的に大きくなって、光経路を短縮する効果があり、光の透過、吸収、反射などによる劣化を減らすことができる。
【００５１】
また、マイクロレンズ１００の保護膜８０が金属パッド４０の表面を保護しているので、金属パッド４０の表面が汚染することを防止することができる。
【００５２】
実施形態によるイメージセンサ及びその製造方法は、絶縁膜構造物と金属パッド上に蝕刻停止膜で窒化膜が形成され、保護膜の蝕刻によって形成されるパッドオープン部とピクセルオープン部が同時に形成されて工程を単純化することができる。
【００５３】
また、ピクセルオープン部によって絶縁膜構造物上にカラーフィルタ及びマイクロレンズが形成され、マイクロレンズとフォトダイオードの距離を縮小(shrink)することができる。
【００５４】
また、フォトダイオードの光経路(focal length)が減少されて感光度(sensitivity)を向上させることができる効果がある。
【００５５】
また、保護膜であるＵＳＧ膜と窒化膜を除去して、屈折率の差による光の反射を抑制して感光度を改善させる効果がある。
【００５６】
以上では本発明を実施形態によって詳細に説明したが、本発明は実施形態により限定されず、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れば、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】
【００５７】
【図１】フォトダイオード構造物を示す断面図である。
【図２】フォトダイオード構造物に含まれた画素らのうちで一つを示す平面図である。
【図３】一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図４】一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図５】一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図６】一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図７】一実施形態によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  半導体基板
２０  フォトダイオード構造物
３０  絶縁膜構造物
３１  下部金属配線
４０  金属パッド
１  絶縁膜 
【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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【図７】
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