(57)【要約】【課題】入射光の効率的な利用で画質を向上させ、レンズの間、粒子が容易に除去できる固体カラーイメージ素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の固体カラーイメージ素子は、要素部分と伝送部分とを有する半導体基板１００を含み、前記要素部分は、入射光に反応して変化キャリアを発生する複数の光反応要素１０２を含み、前記伝送部分は、前記光反応要素１０２から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域の前記半導体基板１００上に形成されたゲート電極層１１０を含む。前記固体カラーイメージ素子は、前記各光反応要素１０２に入射される光を集める集光レンズ１２０と該レンズ１２０間に入射される光を前記各光反応要素１０２に分散させる光分散層１２２とを含むレンズ層１２４と、該レンズ層１２４によって集まった光がカラーフィルタリングされて各光反応要素１０２に入射させる光透過層１１８を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
要素部分及び伝送部分を有する半導体基板と、
前記要素部分は、入射光に反応して変化キャリアを発生させる半導体基板内に形成された複数の光反応要素を含み、前記伝送部分は、光反応要素から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域の半導体基板上に形成されたゲート電極層を含み、
前記各光反応要素に入射される光を集める上面が凸型の集光レンズ及び前記集光レンズと集光レンズとの間に入射される光を前記各光反応要素に分散させるように前記集光レンズと集光レンズとの間の領域で不均一な厚さで上面が下に凹むように形成される光分散層を含むレンズ層と、
前記レンズ層によって集まった光がカラーフィルタリングされて各光反応要素に入射させる光透過層とを含むことを特徴とする固体カラーイメージ素子。
【請求項２】
前記光反応要素は、光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項３】
前記集光レンズ及び光分散層は、相異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項４】
前記光分散層は、前記集光レンズより相対的に低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項５】
前記集光レンズは、約１．６５〜１．７の屈折率を有し、前記光分散層は、約１．４５〜１．５の屈折率を有することを特徴とする請求項４に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項６】
前記光分散層は、siloxane系列のＳＯＧ膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項７】
前記光透過層は、前記光反応要素及びゲート電極層を含んで半導体基板上に形成された第１平坦層と、前記第１平坦層上に形成されたカラーフィルタアレーと、前記カラーフィルタアレーを含んで第１平坦層上に形成された第２平坦層を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項８】
前記第１及び第２平坦層は、絶縁膜であることを特徴とする請求項７に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項９】
前記カラーフィルタアレーは、前記各光反応要素に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層、グリーンカラーフィルタ及びブルーカラーフィルタ層を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体カラーイメージ素子。
【請求項１０】
要素部分及び伝送部分を有する半導体基板上に光透過層を形成する段階と、
前記要素部分は、入射光に反応して変化キャリアを発生させる前記半導体基板内に形成された複数の光反応要素を含み、前記伝送部分は、前記光反応要素から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域の半導体基板上に形成されたゲート電極層を含み、
前記光透過層上に前記各光反応要素に入射される光を集めるレンズを形成するが、前記光透過層上に前記各光反応要素に対応される複数の上面が凸型の集光レンズを形成し、
前記集光レンズを含んで、前記光透過層上に少なくとも前記集光レンズと前記集光レンズとの間の領域で不均一な厚さで上面が凹むように満たされるように光分散層を形成する段階を含むことを特徴とする固体カラーイメージ素子製造方法。
【請求項１１】
前記光反応要素は、前記半導体基板上の不純物イオンを注入して形成された光ダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光透過層は、前記半導体基板上に第１平坦層を形成する段階と、前記第１平坦層上にカラーフィルタアレーを形成する段階と、前記カラーフィルタアレーを含んで第１平坦層上に第２平坦層を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１平坦層及び第２平坦層は、絶縁膜であることを特徴とする請求項１２に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１４】
前記カラーフィルタアレーは、前記各光反応要素に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層、グリーンカラーフィルタ層及びブルーカラーフィルタ層を含むことを特徴とする請求項１２に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１５】
前記集光レンズと光分散層は、相異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記光分散層は、前記集光レンズより相対的に低い屈折率を有することを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記集光レンズの屈折率は、約１．６５〜１．７であり、前記光分散層の屈折率は、１．４５〜１．５であることを特徴とする請求項１６に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１８】
前記光分散層は、siloxane系列のＳＯＧ膜で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【請求項１９】
前記光分散層は、１．５〜２．５μｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項１０に記載の固体カラーイメージ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体カラーイメージ素子（solid-state color imaging device）及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは画質を向上させ、安定的な工程を行わせる固体カラーイメージ素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オン−チップ（on-chip）方式でＣＣＤカラーフィルタ（Charge Coupled Device colorfilter）を形成することによって、ＣＣＤ素子の感度向上のため、素子の最上部に集光効率を向上させる集光レンズを形成して使用している。
【０００３】
集光レンズ１０８は、通常のフォトレジスト膜をサーマルフロー（thermal flow）によって凸レンズ形態の曲率（curvature）を有するように形成する。これにより、単位画素（pixel）当たり入射表面積を広げて感度増加効果を得るようになる。
【０００４】
図１は、従来の固体カラーイメージ素子の構造を示す断面図である。
【０００５】
図１を参照すると、まず従来の固体カラーイメージ素子は、光ダイオード４及びゲート電極層１０が形成された半導体基板２上に交互に形成された第１平坦層１２及びカラーフィルタアレー１４を含む。ゲート電極層１０下部の半導体基板２内にＣＣＤ素子のチャンネル領域５が形成されている。カラーフィルタアレー１４は、各々光ダイオード４、即ち画素に各々対応されるように形成され、例えばレッドカラーフィルタ層Ｒ、グリーンカラーフィルタ層Ｇ、そしてブルーカラーフィルタ層Ｂとを含む。
【０００６】
前記素子は、カラーフィルタアレー１４を含んで第１平坦層１２上に形成された第２平坦層１６を含み、第２平坦層１６上に各々の画素に対応されるように形成された集光レンズ１８を含む。集光レンズ１８は、モザイク（mosaic）形状の画素は位置によって楕円形態の長方形（rectangular type）模様を有する。従って、画素と画素との間に非活用部分が存在するようになる。
【０００７】
非活用部分に入射された光（参照番号２０）は、乱反射されたり、隣接画素に入射され、各カラーフィルタ層Ｒ、Ｇ、Ｂのエッジ部分から発生される不均一なフィルタリングデータ（filtering data）を含むため、画質の低下を催すようになる。また、図１に図示されたように集光レンズ１８が凸な形態（convex type）である場合、後続工程であるパッケージ（package）工程において、素子切断（sawing）時、発生される粒子（particle）がレンズ１８とレンズ１８との間に付着される。このような粒子が清浄で除去できなくて、欠陥（defect）で作用するようになり、これは収率（yield）に大きい影響を及ぼすようになる。
【特許文献１】特開平５−４８０５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の諸般問題点を解決するため提案されたものとして、入射光の効率的な利用で画質を向上させることができ、レンズの間、粒子が容易に除去できる固体カラーイメージ素子及びその製造方法を提供することがその目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するための本発明によると、固体カラーイメージ素子は、要素部分（element part）及び伝送部分（transfer part）を有する半導体基板と、要素部分は、入射光に反応して変化キャリア（change carriers）を発生させる半導体基板内に形成された複数の光反応要素（light responsive element）を含み、伝送部分は、光反応要素から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域の半導体基板上に形成されたゲート電極層を含み、各光反応要素に入射される光を集める集光レンズ及びレンズとレンズとの間に入射される光を各光反応要素に分散させる光分散層（light dispersion layer）を含むレンズ層（lens layer）と、レンズ層によって集まった光がカラーフィルタリングされて各光反応要素に入射させる光透過層（light transmissive layer）を含む。
【００１０】
この装置の望ましい態様において、光反応要素は、光ダイオードである。
【００１１】
この装置の望ましい態様において、集光レンズは、凸レンズである。
【００１２】
この装置の望ましい態様において、集光レンズ及び光分散層は、相異なる屈折率を有する。
【００１３】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、集光レンズより相対的に低い屈折率を有する。
【００１４】
この装置の望ましい態様において、集光レンズは、約１．６５〜１．７の屈折率を有し、光分散層は、約１．４５〜１．５の屈折率を有する。
【００１５】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、ｓｉｌｏｘａｎｅ系列のＳＯＧ膜である。
【００１６】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、少なくともレンズとレンズとの間の領域を満たすように形成された。
【００１７】
この装置の望ましい態様において、光透過層は、光反応要素及びゲート電極層を含んで半導体基板上に形成された第１平坦層と、第１平坦層上に形成されたカラーフィルタアレーと、カラーフィルタアレーを含んで第１平坦層上に形成された第２平坦層を含む。
【００１８】
この装置の望ましい態様において、第１及び第２平坦層は、絶縁膜である。
【００１９】
この装置の望ましい態様において、カラーフィルタアレーは、各光反応要素に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層、グリーンカラーフィルタ及びブルーカラーフィルタ層を含む。
【００２０】
上述の目的を達成するための本発明によると、固体カラーイメージ素子の製造方法は、要素部分及び伝送部分を有する半導体基板上に光透過層を形成する段階と、要素部分は、入射光に反応して変化キャリアを発生させる半導体基板内に形成された複数の光反応要素を含み、伝送部分は、光反応要素から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域の半導体基板上に形成されたゲート電極層を含み、光透過層上に各光反応要素に入射される光を集めるレンズを形成するが、光透過層上に各光反応要素に対応される複数の集光レンズを形成し、集光レンズを含んで、光透過層上に少なくともレンズとレンズとの間の領域が満たされるように光分散層を形成する段階とを含む。
【００２１】
この装置の望ましい態様において、光反応要素は、半導体基板上の不純物イオンを注入して形成された光ダイオードである。
【００２２】
この装置の望ましい態様において、光透過層は、半導体基板上に第１平坦層を形成する段階と、第１平坦層上にカラーフィルタアレーを形成する段階と、カラーフィルタアレーを含んで第１平坦層上に第２平坦層を形成する段階とを含む。
【００２３】
この装置の望ましい態様において、第１平坦層及び第２平坦層は、絶縁膜である。
【００２４】
この装置の望ましい態様において、カラーフィルタアレーは、各光反応要素に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層、グリーンカラーフィルタ層及びブルーカラーフィルタ層を含む。
【００２５】
この装置の望ましい態様において、集光レンズは、凸レンズである。
【００２６】
この装置の望ましい態様において、集光レンズと光分散層は、相異なる屈折率を有する。
【００２７】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、集光レンズより相対的に低い屈折率を有する。
【００２８】
この装置の望ましい態様において、集光レンズの屈折率は、約１．６５〜１．７であり、光分散層の屈折率は、１．４５〜１．５である。
【００２９】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、siloxane系列のＳＯＧ膜で形成される。
【００３０】
この装置の望ましい態様において、光分散層は、１．５〜２．５μｍの厚さで形成される。
【００３１】
本発明の一態様による新規した固体カラーイメージ素子及びその製造方法は、要素部分及び伝送部分を有する半導体基板上に光透過層及びレンズ層を順序に形成する。レンズ層は、要素部分に形成された各光反応要素に入射される光を集める光レンズ及びレンズとレンズとの間に入射される光を各光反応要素で分散させる光分散層を含む。このような半導体装置及びその製造方法によって、レンズとレンズとの間の領域をレンズの屈折率より相対的に低い屈折率を有する物質で満たすことによって、外部からの入射光を各光ダイオードで殆ど１００％集光させることができ、従って、感度を増加されることができ、結果的に画質を向上させることができる。また、後続工程であるチップの電気的な特性を検査するＥＤＳ（Electric Die Sorting）及びパッケージ切断（package sawing）工程から発生される粒子がレンズ上に付着されてもこれを清浄工程によって容易に除去できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、従来の固体カラーイメージ素子がレンズとレンズとの間の領域に入射される光の乱反射及び隣接画素で入射される問題点とカラーフィルタ層のエッジ部分から発生される不均一なフィルタリングデータを有させる問題点と、後続工程であるＥＤＳ及びパッケージ切断工程で発生される粒子がレンズとレンズとの間に付着されて欠陥を発生させる問題点を解決したものである。
【００３３】
即ち、レンズとレンズとの領域をレンズの屈折率より相対的に低い屈折率を有する物質で満たされることによって、外部からの入射光を殆ど１００％集光させることができ、従って、感度を増加させることができ、結果的に画質を向上させることができる効果がある。
【００３４】
また、後続工程であるＥＤＳ及びパッケージ切断工程で発生される粒子がレンズ上に付着されてもこれを清浄工程によって容易に除去できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図２及び図３〜図６を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
図２は、本発明の実施形態による固体カラーイメージ素子の構造を示す断面図である。
【００３７】
図２を参照すると、本発明の実施形態による固体カラーイメージ素子は、半導体基板１００と、光透過層（light transmissive layer）１１８と、レンズ層（lens layer）１２４を含む。
【００３８】
半導体基板１００は、要素部分（element part）と伝送部分（transfer part）を有する。要素部分は、入射光に反応して、変化キャリア（change carriers）を発生させるように半導体基板１００内に形成された複数の光反応要素（light response element）１０２を含む。光反応要素１０２は、半導体基板１００上に、例えば不純物イオンを注入して形成された光ダイオード（photo diode）１０２である。伝送部分は、光反応要素１０２から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域（channel region）１０３を含み、またチャンネル領域１０３の半導体基板１００上に形成されたゲート電極層（gate electrode layer）１１０を含む。ゲート電極層１１０は、チャンネル領域１０３の半導体基板１００上に形成されたゲート酸化膜１０６と各々ＣＣＤゲート電極で使用される第１ポリシリコン膜１０８ａ及び第２ポリシリコン膜１０８ｂを含む。第１及び第２ポリシリコン膜１０８ａ，１０８ｂは、絶縁膜によって囲まれるように形成される。ゲート電極層１１０上には、光遮蔽膜（light shielding film）（図示せず）がもっと形成されている。
【００３９】
レンズ層１２４は、各光反応要素１０２に入射される光を集める集光レンズ１２０及びレンズ１２０とレンズ１２０との間に入射される光（参照番号１３０）を各光反応要素１０２で分散させる光分散層（light dispersion layer）１２２を含む。集光レンズ１２０は、ここで凸レンズである。集光レンズ１２０と光分散層１２２は、相異なる屈折率を有する。ここでは、光分散層１２２が集光レンズ１２０より相対的に低い屈折率を有する。集光レンズ１２０は、約１．６５〜１．７の屈折率を有し、例えばフォトレジスト膜であり、光分散層１２２は、１．４５〜１．５の屈折率を有し、例えばsiloxane系列のＳＯＧ（Spin-On Glass）膜である。このとき、光分散層１２２は、少なくともレンズ１２０とレンズ１２０との領域を満たすように形成されている。
【００４０】
光透過層１１８は、レンズ層１２４によって集まった光がカラーフィルタリングされて各光反応要素１０２に入射されるようにする。光透過層１１８は、第１平坦層１１２、カラーフィルタアレー１１４、そして第２平坦層１１６を含む。第１平坦層１１２は、ゲート電極層１１０を含んで半導体基板１００上に形成されている。カラーフィルタアレー１１４は、第１平坦層１１２上に形成されている。カラーフィルタアレー１１４は、各光反応要素１０２に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層Ｒ、グリーンカラーフィルタ層Ｇ、そしてブルーカラーフィルタ層Ｂを含む。
【００４１】
第２平坦層１１６は、カラーフィルタアレー１１４を含んで第１平坦層１１２上に形成されている。第１及び第２平坦層１１２，１１６は絶縁膜、例えばＳｉＯ２及びポリマー（polymer）のうち、１つで形成される。
【００４２】
上述のような固体カラ−イメージ素子は、相対的に低い屈折率を有する光分散層１２２を使用してレンズ１２０とレンズ１２０との間の領域に入射された光（参照番号１３０）を分散させて各該当光反応要素１０２に入射させることによって、外部の入射光を殆ど１００％活用できられる。
【００４３】
上述のような固体カラーイメージ素子の製造方法は、次のようである。
【００４４】
図３を参照すると、本発明の実施形態による固体カラーイメージ素子の製造方法は、まず、要素部分（element）及び伝送部分（transfer part）を有する半導体基板１００上に光透過層１１８を形成する。
【００４５】
要素部分は、複数の光反応要素（light response element）１０２を含む。各光反応要素１０２は、半導体基板１００上に不純物イオンを注入して形成された光ダイオード１０２として、入射光に反応して変化キャリア（changecarriers）を発生させる。
【００４６】
伝送部分は、光反応要素１０２から発生されたキャリアを伝送するチャンネル領域１０３を含み、またチャンネル領域１０３の半導体基板１００上に絶縁膜によって囲まれるように形成されたゲート電極層１１０を含む。ゲート電極層１１０は、ゲート酸化膜１０６上に順序に形成された第１ポリシリコン膜１０８ａ及び、第２ポリシリコン膜１０８ｂを含む。第１及び第２ポリシリコン膜１０８ａ，１０８ｂは、各々ＣＣＤゲート電極で使用される。ゲート電極層１１０上部に光遮蔽膜（図示せず）を形成する。
【００４７】
光透過層１１８形成工程は、まず、半導体基板１００上に第１平坦層１１２を形成する工程と、第１平坦層１１２上にカラーフィルタアレー１１４を形成する工程と、カラーフィルタアレー１１４を含んで第１平坦層１１２上に第２平坦層１１６を形成する工程を含む。第１平坦層１１２は、パッド１１保護及びカラーフィルタアレー１１４形成のため使用される。第２平坦層１１６は、カラーフィルタアレー１１４の保護及び後続工程に形成される集光レンズ１２０の焦点長さ（focal length）調節のため使用される。第１及び第２平坦層１１２，１１６は絶縁膜、例えばＳｉＯ２とポリマーのうち、いずれ１つで形成される。カラーフィルタアレー１１４は、各光反応要素１０２に対応されるように形成されたレッドカラーフィルタ層Ｒ、グリーンカラーフィルター層Ｇ、そしてブルーカラーフィルタ層Ｂを含む。
【００４８】
図４において、光透過層１１８上に各光反応要素１０２に入射される光を集めるレンズ層１２４を形成する。レンズ層１２４は、複数の集光レンズ１２０及び光分散層１２２を含む。集光レンズ１２０は、第２平坦層１１６上に各光反応要素１０２に対応されるように形成される。集光レンズ１２０は、ここでは、凸レンズ（convex lens）として、この分野で通常的に使用するフォトレジスト膜を使用して形成される。このとき、レンズ１２０とレンズ１２０との間は、サブマイクロン（sub-micron）程度の間隙を有するように形成される。
【００４９】
光分散層１２２は、集光レンズ１２０を含んで光透過層１１８である第２平坦層１１６上に少なくともレンズ１２０とレンズ１２０との間の領域が満たされるように、即ちレンズ１２０とレンズ１２０との間の段差がないように形成される。光分散層１２２は、約１．５〜２．５μｍ程度の厚さを有するように形成される。光分散層１２２は、レンズ１２０と相異なる屈折率、即ち光分散層１２２がレンズ１２０に対して相対的に低い屈折率を有する物質で形成される。レンズ１２０は、約１．６５〜１．７程度の屈折率を有し、光分散層１２２は、約１．４５〜１．５範囲内の屈折率を有する。より望ましく、光分散層１２２は、屈折率１．４５であるsiloxane系列のＳＯＧで形成される。
【００５０】
図５を参照すると、レンズ層１２４上にパッド１１１を露出させるためのマスク層１２６を形成する。マスク層１２６は、プラズマに耐エッチング性のある物質、例えば、フォトレジスト膜で形成する。
【００５１】
最後に、マスク層１２６を使用して光分散層１２２、第２平坦層１１６、そして第１平坦層１１２をプラズマでエッチングした後、マスク層１２６を除去すると、図６に図示されたようにパッド１１が露出された固体カラーイメージ素子が完成される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の固体カラーイメージ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による固体カラーイメージ素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態による固体カラーイメージ素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】図３と同様の図である。
【図５】図３と同様の図である。
【図６】図３と同様の図である。
【符号の説明】
【００５３】
２，１００  半導体基板
４，１０２  光ダイオード
５，１０３  チャンネル領域
６，１０６  ゲート酸化膜
８ａ，１０８ａ  第１ポリシリコン膜
８ｂ，１０８ｂ  第２ポリシリコン膜
１０，１１０  ゲート電極層
１２，１１２  第１平坦層
１３，１１１  パッド
１４，１１４  カラーフィルタアレー
１６，１１６  第２平坦層
１８，１２０  集光レンズ
１１８  光透過層
１２２  光分散層
１２４  レンズ層
１２６  マスク層
【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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