(57)【要約】 【課題】集光された光がフォトダイオードまで至る全体的な距離を最小化し、フォトダイオードアレイに最終到達する光の強度及びフォーカスを最適化させる。【解決手段】本発明は外部から入射した光をカラー化するカラーフィルターアレイの底に光を集光するマイクロレンズパターンを配置したことを特徴とする。【選択図】図２
2005197680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入射した光をカラー化するカラーフィルターアレイと、
前記カラーフィルターアレイの底に配置され、前記カラーフィルターアレイを通過した光を集光するマイクロレンズパターンと、
半導体基板の活性領域に配置され、前記マイクロレンズパターンにより集光された光を受けて一連の光電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイを覆うように前記半導体基板の上に積層され、前記マイクロレンズパターン及びカラーフィルターアレイを支持し、前記マイクロレンズパターンにより集光された光を前記フォトダイオードアレイ側に伝達する光透過層とを含むイメージセンサ。
【請求項２】
前記各マイクロレンズパターンは前記カラーフィルターアレイを通過した光を前記フォトダイオードアレイ方向に直進通過させる第１レンズパターンと、
前記第１レンズパターンの両側部を丸く覆い、前記カラーフィルターアレイを通過した光を前記フォトダイオードアレイ方向に屈折させて通過させる第２レンズパターンとを含む請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記第２レンズパターンは前記第１レンズパターンより相対的に大きい屈折率を有す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】
前記第１レンズパターンは酸化膜パターンで、前記第２レンズパターンは窒化膜パターン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。
【請求項５】
前記第１レンズパターンは１１０００Å〜１４０００Åの厚さを有し、前記第２レンズパターンは６０００Å〜８０００Åの厚さを有す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６】
素子分離膜により区画された半導体基板の活性領域にフォトダイオードアレイを形成する段階と、
前記フォトダイオードアレイの上に光透過層を形成する段階と、
前記光透過層の上に外部から入射した光を集光するマイクロレンズパターンを形成する段階と、
前記マイクロレンズパターンの上にカラーフィルターアレイを形成する段階とを有することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
【請求項７】
前記マイクロレンズパターンを形成する段階は前記光透過層の上部に酸化膜を形成した後、該当酸化膜をパターニングして一連の第１レンズパターンを形成する段階と、
前記第１レンズパターンを覆うように前記光透過層の上部に窒化膜を形成した後、該当窒化膜を前記第１レンズパターンの両側部を丸く覆うようにパターニングして一連の第２レンズパターンを形成する段階とを有することを特徴とする請求項６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に関し、特にカラーフィルターアレイの上に配置されていた伝統的なマイクロレンズアレイを用いず、代わりに、カラーフィルターアレイの底部にマイクロレンズアレイの機能を果たすマイクロレンズパターンを配置し、光がイメージセンサの内部を通ってフォトダイオードに至る全体的な距離を最小化することによって、フォトダイオードアレイに到達する光の強度を増加させるとともにフォーカスを最適化させ、画像の品質を大幅に向上させることができるイメージセンサに関するものである。また、本発明はこのようなイメージセンサを製造する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電気・電子技術が急激に発展し、イメージセンサ技術を採用した多様な電子製品、例えばビデオカメラ、デジタルカメラ、小型カメラ装着型ＰＣ、小型カメラ装着型携帯電話などが幅広く開発され、普及している。
【０００３】
伝統的に、上述した従来のイメージセンサとしては、電荷結合素子(ＣＣＤ)が主に用いられた。このようなＣＣＤの場合、駆動電圧が高い、追加の支援回路が別途に必要である、工程単価が高いなどの様々な短所を有しているため、現在その利用が大幅に減少している。
【０００４】
近来、上述したＣＣＤに代わるイメージセンサとして、いわゆる相補型金属酸化物半導体(ＣＭＯＳ)イメージセンサが大きく脚光を浴びている。このようなＣＭＯＳイメージセンサは一連のＣＭＯＳ回路技術を背景にして製造されるため、既存のＣＣＤとは異なり、低電圧駆動が可能であり、、追加の支援回路が必要なく、、工程単価が安いという長所を幅広く有している。
【０００５】
図１に示したように、このような従来のイメージセンサ、例えばＣＭＯＳイメージセンサは外部レンズ１００から入力される光を集光するマイクロレンズアレイ７と、このマイクロレンズアレイ７により集光される光をカラー化するカラーフィルターアレイ６と、カラーフィルターアレイの上に配置されてマイクロレンズアレイの底を平坦化して均一な光伝達を誘導させる平坦化層５と、カラーフィルターアレイ７によりカラー化された光をフォトダイオードアレイ３に導く光透過層４と、素子分離層２により区画された半導体基板１の活性領域上に形成されて光透過層４を通過した光を受けて一連の光電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードアレイ３を備えている。
この場合、マイクロレンズアレイ７は、それ自体の形状の曲率特性を用いて、ポイントｐ１を通過する光を直線で通過させ、ポイントｐ２、ｐ３を通過する光を所定角度で曲げて通過させることにより、外部レンズ１００を通過した光を全てフォトダイオードアレイ３に集中して入射させることができるようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来の技術に係るイメージセンサは、先に言及したように、マイクロレンズアレイ７により集光された光がカラーフィルターアレイ６、光透過層４などを経てフォトダイオードアレイ３に伝えられる。すなわち、従来のイメージセンサは光がマイクロレンズアレイ７により集光されてフォトダイオードアレイ３まで至る距離がかなり長かった。
【０００７】
このように、マイクロレンズアレイ７とフォトダイオードアレイ３の間に相当な距離が存在する場合、レンズで集光された光がフォトダイオードアレイ３に最終的に到達する強度が低下し、フォーカスが途中に介在する物質により距離に比例して歪むことになり、その結果イメージセンサの低照度特性が大きく低下していた。
このようなイメージセンサの低照度特性の低下を特別な措置無しにそのまま放置すれば、その影響のためイメージセンサによってえられる画像の品質は大きく低下する。
【０００８】
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、カラーフィルターアレイの上に配置されていた伝統的なマイクロレンズアレイを用いず、代わりに、カラーフィルターアレイの底部にマイクロレンズアレイの機能を代替することができるマイクロレンズパターンを配置し、レンズで集光された後の光がフォトダイオードに至る全体的な距離を最小化することによって、フォトダイオードアレイに到達する光の強度を増加させ、フォーカスを最適化することにより、イメージセンサの低照度特性を大幅に向上させることである。
【０００９】
本発明の他の目的は、集光した後の光の進行距離を最小化させて、フォトダイオードアレイに到達する光の強度を増加させるとともに、フォーカスを最適化させることによって、イメージセンサの低照度特性を大幅に向上させ、イメージセンサによって得られる画像の品質を大幅に向上させることにある。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、次の詳細な説明と添付された図面からより明確になるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るイメージセンサは、外部から入射した光をカラー化するカラーフィルターアレイと、カラーフィルターアレイの底部に配置され、カラーフィルターアレイを通過した光を集光するマイクロレンズパターンと、半導体基板の活性領域に配置され、マイクロレンズパターンにより集光された光を受けて一連の光電荷を生成蓄積するフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイを覆うように半導体基板の上部に積層され、マイクロレンズパターン及びカラーフィルターアレイを支持し、マイクロレンズパターンにより集光された光をフォトダイオードアレイ側に伝達する光透過層とを備えるイメージセンサである。
【００１２】
また、本発明の他の側面は、素子分離膜により区画された半導体基板の活性領域にフォトダイオードアレイを形成する段階と、フォトダイオードアレイの上に光透過層を形成する段階ち、光透過層の上に外部から入射した光を集光するマイクロレンズパターンを形成する段階、マイクロレンズパターンの上にカラーフィルターアレイを形成する段階を含むイメージセンサの製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイメージセンサとその製造方法には次のような効果がある。
カラーフィルターアレイの上に配置されていた伝統的なマイクロレンズアレイを無くし代わりに、カラーフィルターアレイの底にマイクロレンズアレイの機能を代替することができるマイクロレンズパターンを配置し、集光後の光がフォトダイオードに至る全体的な距離を最小化することができ、したがって、フォトダイオードアレイに到達する光の強度を高め、かつフォーカスを最適化することができるので、、イメージセンサの低照度特性を大幅に向上させることができる。
このように本発明によれば、集光した後の光のフォトダイオードへの入射距離を最小化することができ、そのためフォトダイオードアレイに到達する光の強度を高め、フォーカスを最適化できるので、本イメージセンサによって得られる画像の品質も大幅に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る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。
【００１５】
図２に示したように、本発明実施形態に係るイメージセンサ、例えばＣＭＯＳイメージセンサは、外部レンズ１００から入力する光をカラー化するカラーフィルターアレイ１６と、カラーフィルターアレイ１６によりカラー化された光をフォトダイオードアレイ１３に伝達する光透過層１４と、素子分離層１２により決められた半導体基板１１の活性領域に形成され、光透過層１４を通過した光を受けて一連の光電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードアレイ１３とを備えている。
この時、例えば絶縁膜、金属配線、層間絶縁膜（図示せず）などを設けた光透過層１４はフォトダイオードアレイ１３を覆うように半導体基板１１の上に積層され、カラーフィルターアレイ１６を支持する構造となっている。この光透過層１４の上に、カラーフィルターアレイ１７の底を平坦化させて、均一な光伝達を誘導する平坦化層１５がさらに配置されている。
【００１６】
このようなイメージセンサの構成において、本発明実施形態は、図示したように、カラーフィルターアレイ１６の上に伝統的なマイクロレンズアレイを配置するということをせずに、代わりに、カラーフィルターアレイ１６の底にカラーフィルターアレイ１６を通過した光を集光する役割を効果的に行うことができるマイクロレンズパターン２０を配置している。
このマイクロレンズパターン２０は、望ましくはカラーフィルターアレイ１６を通過した光をフォトダイオードアレイ１３方向に直進させる酸化膜材質の第１レンズパターン２１と、この第１レンズパターン２１の両側に設けた、カラーフィルターアレイ１６を通過した光をフォトダイオードアレイ１３方向に屈折させて通過させる窒化膜、例えばＳｉＮ材質の第２レンズパターン２２とで構成させることである。この第２レンズパターンは図示のように、第１レンズパターンの両側を丸みを持たせて覆うように形成させてある。
この時、第１レンズパターン２１は１１０００Å〜１４０００Åの厚さを有し、第２レンズパターン２２は第１レンズパターンの側面から６０００Å〜８０００Åの厚さを有することが望ましい。
【００１７】
広く知られているように、窒化膜は酸化膜より屈折率が大きいため、図に示したように、窒化膜材質を有する第２レンズパターン２２を酸化膜材質を有する第１レンズパターン２１の両側部を丸く覆う構造とすると、ポイントｐ４に到達した光は伝統的なマイクロレンズアレイが配置された状況と同様に、第１レンズパターン２１を直線で通過し、ポイントｐ５、ｐ６に到達した光は所定の角度で曲がって第２レンズパターン２２を通過する。結局外部レンズ１００を通過した光が特に問題無く、全てフォトダイオードアレイ１３側に集中して入射する。
【００１８】
要するに、本発明ではカラーフィルタアレイの上の平坦化層のさらにその上に設けた伝統的なマイクロレンズアレイが行っていた機能をカラーフィルターアレイ１６の底に一連のマイクロレンズパターン２０を配置して同じ機能を果たさせようとするものである。したがって、マイクロレンズパターンで集光された光のフォトダイオードアレイ１３まで至るまでの全体的な距離を最小化させることができる。
【００１９】
上記のように従来は、一連の集光機能を行うマイクロレンズアレイをカラーフィルターアレイの上に配置させたため、レンズで集光した光は、平坦化層、カラーフィルターアレイ、光透過層を全て通ってフォトダイオードアレイに入射することになり、そのためフォトダイオードアレイに最終到達する光の強度が低下し、多くの物質を通るのでフォーカスがその距離に比例して正確でなくなり、結局イメージセンサの低照度特性は大きく低下せざるをえなかった。
【００２０】
これに対して、本発明では、一連の集光機能を行うマイクロレンズパターン２０をカラーフィルターアレイ１６の底に配置させたため、そこで集光された光は単に光透過層１４だけを短距離通過してフォトダイオードアレイ１３側に入射することになる。そのためフォトダイオードアレイ１３に最終的に到達する光の強度が高くなり、フォーカスされた光は余分な物質を通らないので、フォーカスは最適の状態を維持できるようになり、結局イメージセンサの低照度特性は従来に比べて大幅に向上する。
【００２１】
勿論、このような本発明によれば、集光完了した光の入射距離の最小化が現実化されるので、フォトダイオードアレイ１３に最終的に到達する光の強度とフォーカスが最適化され、イメージセンサにより最終的に得られる画像の品質も大幅に向上する。
【００２２】
以下、上述した構成を取る本発明に係るイメージセンサの製造方法の実施形態を詳細に説明する。
まず、図３ａに示したように、本実施形態では一連のＳＴＩ工程(Shallow Trench Isolation process)、またはＬＯＣＯＳ工程(LOCal Oxidation of Silicon process)などを選択的に行い、半導体基板１１の活性領域を区画する素子分離膜１２を形成する。このとき、半導体基板１１、例えば高濃度Ｐ++型単結晶シリコン基板には状況により、空乏領域の大きさ(深さ)を増加させるためのＰ-型エピ層(図示せず）をまず形成することができる。
【００２３】
続いて、本実施形態では一連のイオン注入工程を行い、半導体基板１１の活性領域に、例えばＰ型不純物層、Ｎ型不純物層などを形成させ、一連の光電荷の生成蓄積の役割を担うフォトダイオードアレイ１３を形成する。
その後、本実施形態では一連の蒸着工程、エッチング工程などを繰り返して行い、図３ｂに示したように、フォトダイオードアレイ１３を含む半導体基板１１の上に、例えば絶縁膜、金属配線、層間絶縁膜などを設けた光透過層１４を形成する。勿論、このような光透過層１４の構造、製造シークエンスは状況により多様に変えることができる。
続いて、一連の気相成長（ＣＶＴ）工程を進め、光透過層１４の上
に、例えば１１０００Å〜１４０００Åの厚さを有する酸化膜層２１ａを形成させ、その酸化膜層２１ａの上に追って形成させる第１レンズパターンのための感光膜パターン２０１を形成させる。
【００２４】
本実施形態では感光膜パターン２０１に基づき、一連の露光工程、現像工程などを進め、図３ｃに示したように、光透過層１４の上に互いに離隔し、独立した個体をなす第１レンズパターン２１を形成させる。
その後、本実施形態では一連のＣＶＴ工程で、第１レンズパターン２１を含む光透過層１４の上に窒化膜層２２ａを形成させる。この窒化膜層２２ａをターゲットとして異方性エッチング特性を有する乾式エッチング工程、例えば反応性イオンエッチング工程を行って、図３ｄに示したように第１レンズパターン２１の両側部に、例えば６０００Å〜８０００Åの厚さを有する第２レンズパターン２２を形成する。
【００２５】
このような手順が完了すると、酸化膜材質の第１レンズパターン２１、この第１レンズパターン２１の両側部を丸く覆う窒化膜材質の第２レンズパターン２２の組み合わせからなるマイクロレンズパターン２０が光透過層１４の上に完成された構造を安定的に保つことができる。
【００２６】
このようなマイクロレンズパターン２０の製造が完了すると、本実施形態では状況によりオゾン-ＴＥＯＳ(Tetra Ortho Silicate Glass)工程、常圧ＣＶＴ工程、プラズマＣＶＴ工程、高密度プラズマＣＶＴ工程(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process : HDP CVD process)などを選択的に行い、図３ｅに示したように、マイクロレンズパターン２０を覆うように光透過層１４の上に平坦化層１５を形成させ、一連の化学機械研磨工程で研磨する。
その後、一連の蒸着工程、パターニング工程などを通して平坦化層の上１５にカラーフィルターアレイ１６を形成することにより、イメージセンサを製造完了する。
【００２７】
本発明の特定の例を説明して示したが、本発明が当業者により多様に変形されて実施されることは自明である。
このような変形された実施形態は本発明の技術的思想や観点から個別に理解されるべきで、このような変形された例は本発明の添付された特許請求の範囲に属さなければない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の技術に係るイメージセンサを示した例示図である。
【図２】本発明に係るイメージセンサを示した例示図である。
【図３Ａ】本発明に係るイメージセンサ製造方法を順次に示した工程順序図である。
【図３Ｂ】本発明に係るイメージセンサ製造方法を順次に示した工程順序図である。
【図３Ｃ】本発明に係るイメージセンサ製造方法を順次に示した工程順序図である。
【図３Ｄ】本発明に係るイメージセンサ製造方法を順次に示した工程順序図である。
【図３Ｅ】本発明に係るイメージセンサ製造方法を順次に示した工程順序図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００ 外部露出レンズ
１１  半導体基板
１２  素子分離層
１３  フォトダイオードアレイ
１４  光透過層
１５  平坦化層
１６  カラーフィルターアレイ
２０  マイクロレンズパターン
２１  第１レンズパターン
２２  第２レンズパターン
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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