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JP2006041542A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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JP2006041542A JP2005221629A JP2005221629A JP2006041542A JP 2006041542 A JP2006041542 A JP 2006041542A JP 2005221629 A JP2005221629 A JP 2005221629A JP 2005221629 A JP2005221629 A JP 2005221629A JP 2006041542 A JP2006041542 A JP 2006041542A
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Abstract

【課題】RGBまたはYMgCyの各カラーの相対的な光感度差を減らし、単位画素間の均一性を高め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。
【解決手段】基板400に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードPDと、前記複数のフォトダイオード上に形成されたシリコン酸化膜401と、前記シリコン酸化膜上に形成され、Rカラーの単位画素とオーバーラップされる部分では厚さが互いに異なる2層(402B,402C)に、GとBカラーの単位画素の部分では単独層402Cに形成されるシリコン窒化膜402と、前記シリコン窒化膜の上方で前記各フォトダイオードとオーバーラップされるように形成されたマイクロレンズ407とを備える。上記のRGBカラーをそれぞれYMgCyカラーに置き換えることができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に光感度及び信号対雑音比(SNR)を高めることができるCMOSイメージセンサ及びその製造方法に関する。
イメージセンサは、光学映像を電気信号に変換する半導体素子である。この内、電荷結合素子(Charge Coupled Device、以下「CCD」という)は、個々のMOS(Metal−Oxide−Silicon)キャパシタが互いに非常に近接した位置にあり、電荷キャリアがキャパシタに格納されて移送される方式を採用する素子である。
対照的に、CMOS(Complementary MOS)イメージセンサは、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技術を用いて、画素の数だけMOSトランジスタを備え、これを用いて順に出力を検出するスイッチング方式を採用する素子である。
図1は、CMOSイメージセンサの単位画素の配列を示した平面図である。
図1に示されているように、光の3原色であるRGBの色相をキャプチャーするために複数の単位画素が格子構造に配置されている。
図2は、RGB色相が全て示されるように、図1の格子構造をA−A'線に沿って切り取った場合のイメージセンサの単位画素を示した断面図である。
図2に示されているように、高濃度のP型P++領域及びエピタキシャル層(P−EPI)が積層された構造を有する基板SUB上には、局部的にフィールド酸化膜FOX、及びトランスファーゲートTxを有する複数のゲート構造が形成されており、また、トランスファーゲートTxの一方の側にアラインメントされている、基板SUBの表面の下方の深い部分にイオン注入によって形成されたN型の領域(N)、及び該領域Nの表面から基板SUBの表面までの浅い領域に位置したP型の領域P0からなるフォトダイオードPDが形成されている。トランスファーゲートTxの他方の側にアラインメントされている、基板SUBの表面層にイオン注入によって形成された高濃度N型(N)のフローティング拡散領域FDが形成されている。
フォトダイオードPD及びトランスファーゲートTx等が形成された基板全面にメタルライン形成前の絶縁膜(Pre−Metal Dielectric;以下「PMD」という)が形成されており、また、PMD上に第1メタルラインM1が形成されている。第1メタルラインM1上には、第1メタルラインの間の絶縁膜(Inter−Metal Dielectric−1;以下「IMD1」という)が形成されており、IMD1上には、第2メタルラインM2が形成されている。第2メタルラインM2上には、第2メタルラインの間の絶縁膜IMD2が形成されており、その上には第3メタルラインM3が形成されている。
第1〜第3メタルラインM1〜M3は、電源ラインまたは信号ラインと単位画素及びロジック回路を接続するものであり、また、フォトダイオードPD以外の領域に光が入射するのを防止するシールドの役割を同時に果たすものでもある。
第3メタルラインM3上には、下部構造の保護のための保護膜(Passivation Layer;以下「PL」という)が形成されており、PL上にはカラーフィルタの形成時、工程マージンを確保するための第1平坦化膜(第1オーバーコーティング層(Over Coating Layer);以下「第1OCL」という)OCL1が形成されており、第1OCL上には各単位画素別にRGB色相を具現するカラーフィルタアレイ(Color Filter Array;以下「CFA」という)が形成されている。
通常の光の3原色であるR(Red)、G(Green)、B(Blue)を用いるが、この他にも補色であるイエロー(Y;Yellow)、紫紅色(Magenta;Mg)、青緑色(Cyan;Cy)を用いることができる。
CFA上には、マイクロレンズの形成時、工程マージンを確保するための第2平坦化膜(以下「第2OCL」という)OCL2が形成されており、第2OCL上にはマイクロレンズ(Micro-Lens;以下「ML」という)が形成されている。
ここで、入射された光は、マイクロレンズMLによりフォーカスされてフォトダイオードPDに入射する。
画素サイズが減少すると、受光領域であるフォトダイオードの面積もほぼ比例して減少する。フォトダイオードの面積の減少は、イメージセンサの光感度特性に非常に重大な影響を及ぼす。
光感度の劣化は、マイクロレンズ及びカラーフィルタの技術力だけでカバーすることができる部分もあるが、満足するような水準の特性を確保するまでには至っていないのが実情である。
フォトダイオード構造の限界により、発生するRGB3原色の各光感度レベル上の相対的な大きな差は、RGBのゲインを相対的に高くしなければならない状況をもたらし、また、単位画素間の均一性の低下及びノイズなどの増大によるSNRの低下を招いている。
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、RGBまたはYMgCyの各カラーの相対的な光感度差を減らし、単位画素間の均一性を高め、SNRを改善す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。
上記の課題を解決するために、本発明の第1の側面によれば、RGBのカラーを具現するイメージセンサにおいて、基板に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードと、複数の前記フォトダイオード上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に、Rカラーの単位画素とオーバーラップする部分では厚さが互いに異なる2層に、GとBカラーの単位画素の部分では単層に形成されるシリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように形成された複数のマイクロレンズとを備えることを特徴とするイメージセンサを提供する。
また、本発明の第2の側面によれば、YMgCyのカラーを具現するイメージセンサにおいて、基板に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードと、複数の前記フォトダイオード上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に、Yカラーの単位画素とオーバーラップする部分では厚さが互いに異なる2層に、MgとCyカラーの単位画素の部分では単層に形成されるシリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように形成された複数のマイクロレンズとを備えることを特徴とするイメージセンサを提供する。
また、上記の課題を解決するために、本発明の第3の側面によれば、RGBのカラーを具現するイメージセンサの製造方法において、基板に各々異なる単位画素の受光素子として動作される複数のフォトダイオードを形成するステップと、複数の前記フォトダイオード上にシリコン酸化膜を形成するステップと、前記シリコン酸化膜上に第1シリコン窒化膜を形成するステップと、前記Gカラー及び前記Bカラーの単位画素とオーバーラップする部分の前記第1シリコン窒化膜を選択的に除去するステップと、前記第1シリコン窒化膜が選択的に除去された前記基板全面に第2シリコン窒化膜を形成するステップと、前記第2シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように複数のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法を提供する。
また、本発明の第4の側面によれば、YMgCyのカラーを具現するイメージセンサの製造方法において、基板に各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードを形成するステップと、複数の前記フォトダイオード上にシリコン酸化膜を形成するステップと、前記シリコン酸化膜上に第1シリコン窒化膜を形成するステップと、前記Mgカラー及び前記Cyカラーの単位画素とオーバーラップする部分の前記第1シリコン窒化膜を選択的に除去するステップと、前記第1シリコン窒化膜が選択的に除去された前記基板全面に第2シリコン窒化膜を形成するステップと、前記第2シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように複数のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法を提供する。
本発明は、PMD、IMDなどに用いられるシリコン酸化膜の屈折率1.5に比べて大きな2.1の屈折率を有する反射防止膜(Anti−Reflective Coating;ARC)であるシリコン窒化膜を、シリコン酸化膜上に各色相別に最大の光感度を維持することができるように相違する厚さに、各色相別に適用する。
特に、波長が最も短いB色相と波長が最も長いR色相の単位画素では、シリコン窒化膜の厚さを異なるように適用することによって、R色相とB色相の2つの領域でのそれぞれの波長で光感度を全面的に高めることができる。
本発明によれば、各波長帯に対する各色相の光感度の相対的差を小さくすることで、イメージセンサの単位画素間の均一性を高め、そのSNR特性を改善することができ、これにより、製品の競争力を高めることができる効果がある。
以下、本発明のもっとも好ましい実施の形態を添付する図面を参照して説明する。
図3は、本発明の実施の形態に係るCMOSイメージセンサの構成を概略的に示す断面図である。
図3に示されているように、本実施の形態に係るイメージセンサは、基板400に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードPDと、複数のフォトダイオードPDを含む基板全体上に形成されたシリコン酸化膜401と、Rカラーの単位画素上に形成される第1シリコン窒化膜402B、及び第1シリコン窒化膜402B並びにGとBカラの単位画素上に形成され、第1シリコン窒化膜402Bとは異なる厚さを有する第2シリコン窒化膜402Cを含むシリコン窒化膜402と、シリコン窒化膜402の上方に各フォトダイオードPDとオーバーラップするように形成された複数のマイクロレンズ407とを備えて構成される。また、第1OCL404、カラーフィルタ405、及び第2OCL406は、順にシリコン窒化膜402の上に形成される。
なお、上記の構成は、RGBの3色の他に、YMgCyの補色を用いた単位画素の構造のイメージセンサにも適用にすることができる。この場合、RはYに、GはMgに、BはCyに各々置き換えられる。
シリコン窒化膜402は、R(Y)カラーの単位画素では、第1シリコン窒化膜402Bと第2シリコン窒化膜402Cの積層構造であり、400Å〜600Åの厚さを有し、G(Mg)及びB(Cy)カラーの単位画素では第2シリコン窒化膜402Cの単構造であり、300Å〜400Åの厚さを有する。
シリコン酸化膜401は、150Å〜250Åの厚さを有する。シリコン酸化膜401には、HLD(High temperature Low−k Dielectric)などが挙げられる。
ここで、基板400は、高濃度のP型P++領域とエピタキシャル層(P−EPI)が積層された構造を有し、フォトダイオードPDとシリコン酸化膜401間またはシリコン窒化膜402と第1OCL404との間には、M1、M2、M3のメタルラインとPMD、IMD1、IMD2などの絶縁膜が形成される。
図4A〜図4Cは、本実施の形態に係るイメージセンサの形成方法を説明する断面図であって、以下、これを参照して、上述した構造を有するイメージセンサの製造方法を説明する。
まず、図4Aに示されているように、基板400にフィールド酸化膜(図示せず)とウェル(Well)を形成する。
次いで、基板400にトランスファーゲートを形成する。そして、イオン注入によって、トランスファーゲートの一方の側にアラインメントされた、深いN領域と浅いP0領域を形成することによって、N領域とP0領域からなる複数のフォトダイオードPDを形成する。その後、トランスファーゲートの他方の側にアラインメントされたフローティング拡散領域を形成する。
次いで、基板全面にシリコン酸化膜401を150Å〜250Åの厚さに形成した後、100Å〜200Åの厚さで第1シリコン窒化膜402Aを蒸着する。
次いで、図4Bに示されているように、第1シリコン窒化膜402A上にR(Y)カラー領域をマスキングするマスクパターン403を形成した後、マスクパターン403をエッチングマスクとして用いて、R(Y)カラーを除いた領域での第1シリコン窒化膜402Aを除去することにより、R(Y)カラー領域にだけ第1シリコン窒化膜402Bが残るようにする。ここで、Rカラー領域にだけ残っている第1シリコン窒化膜を参照符号402Bとして示す。
次いで、マスクパターン403を除去する。
図4Cに示されているように、第1シリコン窒化膜402Bが選択的に残留する基板全面に300Å〜400Åの厚さで第2シリコン窒化膜402Cを蒸着する。
この時、第2シリコン窒化膜402Cの膜の平坦性を良くするためにR(Y)カラー領域とその他の領域とに分離し、平坦化処理を実施することができる。
したがって、G及びBカラー領域では、第2シリコン窒化膜402Cだけが300Å〜400Åの厚さで残り、Rカラー領域では第1シリコン窒化膜402Bと第2シリコン窒化膜402Cが積層され、400Å〜600Åの厚さで残るようになる。
次いで、PMD、M1、IMD1、M2、IMD2、M3及び保護膜と、第1OCL、カラーフィルタ、第2OCL及びマイクロレンズとを形成することによって、図3に示されているようなイメージセンサが完成する。
図5は、本実施の形態によるイメージセンサと従来のイメージセンサとの波長に対するそれぞれの透過強度を比較して示すグラフである。
図5において、横軸は光の波長(μm)を示し、縦軸はシリコン酸化膜及び/またはシリコン窒化膜を透過する場合の透過強度(Transmittance intensity)を示す。
ここで、Aは従来のイメージセンサのメタルライン形成前の絶縁膜PMDと層間絶縁膜IMDに用いるシリコン酸化膜だけを透過した場合の各波長帯ごとの透過強度を示し、A'はこの場合の3色相の平均透過強度を示す。図中のAとA'から分かるように、従来のシリコン酸化膜だけを透過した場合には、0.45μmの波長(Bカラー)からと0.70μmの波長(Rカラー)までの範囲においての透過強度が顕著に低いということが分かる。
これに対して、本発明の一例として、シリコン酸化膜を200Å、G及びBカラーの単位画素でのシリコン窒化膜を350Å、Rカラーの単位画素でのシリコン窒化膜を500Åに形成した。
Bは、基準波長を0.70μmとするRカラーの単位画素の透過(応答)強度を示し、B'はこの場合の3色相の平均透過強度を示す。ここで、Bは200Åのシリコン酸化膜、500Åのシリコン窒化膜を透過した場合の透過強度を示す。
Cは、基準波長を0.45μmとするBカラーの単位画素の透過(応答)特性を示し、C'はこの場合の3色相の平均透過強度を示す。ここで、C及びC'は200Åのシリコン酸化膜、350Åのシリコン窒化膜を透過した場合の透過強度を示す。
B、B’とC、C'から分かるように、従来のA、A'に比べ、本発明によれば全ての波長帯域において透過強度が顕著に増加している。
また、RGBの他に、YMgCyの補色にも適用が可能である。
上述したように、本発明は、単位画素サイズの減少による光感度の劣化現象に対する根本的な特性の改善を行うと共に、小さいRGBゲインを有するカラー分光特性を具現することができるので、すなわち、色の再現特性を劣化させることなくRGBの光感度レベルの偏差を最小化することができるので、イメージセンサのSNR特性を改善することができる。
尚、本発明は、上記説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
CMOSイメージセンサの単位画素の配列を示す平面図である。 RGB色相が全て示されるように、図1をA−A'線に沿って切り取ったイメージセンサの単位画素を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るCMOSイメージセンサの構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るイメージセンサの形成方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係るイメージセンサの形成方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係るイメージセンサの形成方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係るイメージセンサと従来の技術のイメージセンサとの波長に対するそれぞれの透過強度を比較して示すグラフである。
符号の説明
400 基板
401 シリコン酸化膜
402 シリコン窒化膜
402A 第1シリコン窒化膜
402B Rカラー領域にだけ残っている第1シリコン窒化膜
402C 第2シリコン窒化膜
404 第1OCL
405 カラーフィルタ
406 第2OCL
407 マイクロレンズ
CFA カラーフィルタアレイ(Color Filter Array)
IMD メタルライン間の絶縁膜(Inter−Metal Dielectric)
ML マイクロレンズ(Micro-Lens)
OCL オーバーコーティング層(Over Coating Layer)
PD フォトダイオード
PL 保護膜(Passivation Layer)
PMD メタルライン形成前の絶縁膜(Pre−Metal Dielectric)

Claims (13)

  1. RGBのカラーを具現するイメージセンサにおいて、
    基板に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードと、
    複数の前記フォトダイオード上に形成されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜上に、Rカラーの単位画素とオーバーラップする部分では厚さが互いに異なる2層に、GとBカラーの単位画素の部分では単層に形成されるシリコン窒化膜と、
    前記シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように形成された複数のマイクロレンズとを備えることを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記シリコン窒化膜は、前記Rカラーの単位画素の部分では400Å〜600Åの厚さを有し、前記Bカラーの単位画素の部分では300Å〜400Åの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 前記シリコン窒化膜は、前記Gカラーの単位画素の部分では300Å〜400Å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。
  4. 前記シリコン酸化膜は、150Å〜250Åの厚さを有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のイメージセンサ。
  5. YMgCyのカラーを具現するイメージセンサにおいて、
    基板に形成され、各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードと、
    複数の前記フォトダイオード上に形成されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜上に、Yカラーの単位画素とオーバーラップする部分では厚さが互いに異なる2層に、MgとCyカラーの単位画素の部分では単層に形成されるシリコン窒化膜と、
    前記シリコン窒化膜の上方で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように形成された複数のマイクロレンズとを備えることを特徴とするイメージセンサ。
  6. 前記シリコン窒化膜は、前記Yカラーの単位画素の部分では400Å〜600Åの厚さを有し、前記Cyカラーの単位画素の部分では300Å〜400Åの厚さを有することを特徴とする請求項5に記載のイメージセンサ。
  7. 前記シリコン窒化膜は、前記Mgカラーの単位画素の部分では300Å〜400Åの厚さ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。
  8. 前記シリコン酸化膜は、150Å〜250Åの厚さを有することを特徴とする請求項6または請求項7に記載のイメージセンサ。
  9. RGBのカラーを具現するイメージセンサの製造方法において、
    基板に各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードを形成するステップと、
    複数の前記フォトダイオード上にシリコン酸化膜を形成するステップと、
    前記シリコン酸化膜上に第1シリコン窒化膜を形成するステップと、
    前記Gカラー及び前記Bカラーの単位画素とオーバーラップする部分の前記第1シリコン窒化膜を選択的に除去するステップと、
    前記第1シリコン窒化膜が選択的に除去された前記基板全面に第2シリコン窒化膜を形成するステップと、
    前記第2シリコン窒化膜の上で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように複数のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  10. YMgCyのカラーを具現するイメージセンサの製造方法において、
    基板に各々異なる単位画素の受光素子として動作する複数のフォトダイオードを形成するステップと、
    複数の前記フォトダイオード上にシリコン酸化膜を形成するステップと、
    前記シリコン酸化膜上に第1シリコン窒化膜を形成するステップと、
    前記Mgカラー及び前記Cyカラーの単位画素とオーバーラップする部分の前記第1シリコン窒化膜を選択的に除去するステップと、
    前記第1シリコン窒化膜が選択的に除去された前記基板全面に第2シリコン窒化膜を形成するステップと、
    前記第2シリコン窒化膜の上で複数の前記フォトダイオードの各々とオーバーラップするように複数のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  11. 前記第1シリコン窒化膜を100Å〜200Åの厚さに形成することを特徴とする請求項9または請求項10に記載のイメージセンサの製造方法。
  12. 前記第2シリコン窒化膜を300Å〜400Åの厚さに形成することを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの製造方法。
  13. 前記シリコン酸化膜を150Å〜250Åの厚さに形成することを特徴とする請求項12に記載のイメージセンサの製造方法。
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