JP2000353798A

JP2000353798A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000353798A
Application number: JP11164800A
Authority: JP
Inventors: Koji Kotani; 浩司小谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-19

Abstract

(57)【要約】【課題】固体撮像素子の製造方法に関し、例えば、Ｃ
ＣＤデバイス構造を有する平坦化膜面にマイクロレンズ
材を密着良好に形成させる固体撮像素子の製造方法に関
するものである。【解決手段】半導体基板上に、固体撮像デバイス構
造、有機平坦化膜及びマイクロレンズ材を順次形成させ
てなる固体撮像素子の製造方法において、前記固体撮像
デバイス構造上に前記有機質平坦化膜を形成させた後、
前記有機平坦化膜上に酸素（Ｏ₂ ）プラズマアッシング
処理を行い、次いで前記マイクロレンズを形成する固体
撮像素子の製造方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、固体撮像素子の製
造方法に関し、より詳細には、例えば、ＣＣＤデバイス
構造を有し、その有機質平坦化膜を下地にしてマイクロ
レンズ材が密着良好に形成される固体撮像素子の製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のＬＳＩ技術の著しい発展を反映し
て、画像処理分野でのＬＳＩ化が一般的になっている。
こうした画像処理ＬＳＩの分野として、ロボット視覚、
デジタルテレビ、資源探査衛星、気象衛星から送られて
きた画像情報から地球表面の状態検知技術、コンピュー
タ断層写真等の医療診断技術、映画やテレビ放送に利用
されるグラフィック技術等が挙げられ多方面にわたって
いる。

【０００３】これらの分野で用いられる画像処理用ＬＳ
Ｉとしては、その構成と機能から種々ある中で、固体撮
像素子としてのＣＣＤやＭＯＳプロセッサもその一つの
画像処理用ＬＳＩ技術としての利用である。また、人工
衛星や航空機に搭載して、地上の物体を識別したり発見
したりする装置には、リアルタイム処理と軽量性が不可
欠であるためからも、ＣＣＤプロセッサ等を用いての処
理装置のＬＳＩ化が必須条件となっている。

【０００４】この種の装置では、撮像部分と信号処理部
分とが一体となっている。その撮像素子としては、残像
がないこと、高感度であること、小形化軽量であること
から、ＣＣＤ画像プロセッサが使われているのである。
このため、最近は、その信号処理部分もＣＣＤプロセッ
サで形成されるように進められている。

【０００５】そこで、この電子の目とも称されるＣＣＤ
には１次元と２次元構成の撮像素子がある。特に後者の
２次元として用いる形式には、大別して、フレーム転送
（ＦＴ；ｆｒａｍｅｔｒａｎｓｆｅｒ）方式とインタ
ライン転送（ＩＴＬ；ｉｎｔｅｒｌｉｎｅｔｒａｎｓ
ｆｅｒ）方式が実用化されている。この２次元の撮像領
域には、小さなフォトダイオードが縦・横のマトルック
ス状に配置され、受光部で入射された光信号を電荷に変
換する。また、各受光部は透明感光性樹脂を塗布し、フ
ォトリソグラフィによってパターニングした後、樹脂を
熱溶融させて球面状にマイクロレンズに形成させてあ
る。ここで、ちなみに２次元のＣＣＤとは、既に上述し
た、気象衛星や、宇宙望遠鏡用カメラ、ＶＴＲ、デジカ
メ、胃カメラ、パソコンやプリクラ用カメラ等に使用さ
れているものであり、一方１次元ＣＣＤとは、形状が直
線形で、ファックスやスキャナー等の比較的シンプルな
機器に利用されている。

【０００６】ＦＴは、受光部と蓄積部とを同一のチップ
に同面積の割合を必要とするが、受光部に光が照射され
て、信号電荷を集積後、その電荷は速い速度で遮光され
た蓄積部に送られ、順次読み出され、その読出し間に、
次の光照射による電荷蓄積が行われる。一方、ＩＬＴ
は、受光部を相互に分離し、それぞれの受光部ごとに信
号電荷のかたまりは、転送ゲートを通して遮光した垂直
方向の転送ＣＣＤに一度に移される。水平出力ＣＣＤに
は、信号電荷のかたまりが垂直ＣＣＤから順次送り出さ
れて、時系列信号として読出される。

【０００７】このように、ＣＣＤ等の固体撮像素子は、
光による電荷を画素に蓄え、それを１方向に転送する機
能をもっているもので、また、最近の市販品の多くの形
式は、後者のＩＴＬ方式であり、その設計基準は、約
１．５〜２μｍ基準で、４００Ｋ〜１Ｍ画素／チップの
如くの超ＬＳＩ領域のものである。

【０００８】また、上述する如く、光電変換、蓄積、走
査の機能を必要とする固体撮像素子ではこれらの機能
が、一つのチップ上につくり付けるため、種々の方式が
ある。しかも、光電変換部と蓄積を同一部で行う方式が
一般的であって、例えば、フォトダイオード形、ＭＯＳ
キャパシタ形、光導電膜積層形等が挙げられる。ここ
で、図１に示す概略断面図は、その一例としての代表的
なフォトダイオード形のＣＣＤ固体撮像素子を示してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のような状況下に
ある固体撮像素子は、例えば、上述する図１に示す如
く、基板のｎ型半導体ウエハ（又はｐ型半導体ウエハ）
上に、微細又は超微細半導体回路パターンが形成されて
いるものである。そして、そのデバイス特性、すなわ
ち、固体撮像素子としての撮像特性としては、従来から
の撮像管に求められると同様の感度、雑音、残像、解像
度、ブルーミング等の要素のほかに、撮像管と違って、
走査性、画素ごとに受光部が分離していることによる折
返し雑音、固定パターン、暗電流むら、点きず等の如
く、固体撮像素子に特有の複雑・多岐にわたる特性要素
が求められて機能しているものである。

【００１０】従って、これらの特性要素が基準値を満足
するためには、これらの素子を製造するに際して、形成
される微細パターンが品質的にも、状態的にも安定で、
信頼性を有するものであることが極めて重要である。こ
のような観点において、従来から、この種の固体撮像素
子は、その構成上から、受光部の割合が低く、いわゆる
開口率が低い欠点を有している。そこで素子に入射する
光の利用率が悪いことから、この欠点を補って集光性を
高めるため、従来から公知である如く、画素ごとにマイ
クロレンズを設けているのが一般的である。

【００１１】そこで、図４に示す如く、固体撮像素子の
代表例としてのＣＣＤ面にマイクロレンズ１１を形成さ
せるに際しては、図１の構成断面図から明らかなよう
に、このＣＣＤが、基板のｎ型半導体層９に、この基板
を含めてｎｐｎ構成パターンに係わって、構造的に受光
部の凹部２ｂと蓄積部の凸部２ａが形成され、その結
果、レンズ材を塗布する下地は、凹凸の段差を有する微
細化パターンが形成されているのが一般的である。

【００１２】本発明における、このような凹凸段差を形
成する微細化パターンは、図１に示す如く、ｎ−ｐ−ｎ
型バイポーラトランジスタで構成されてＣＣＤである。
このＣＣＤは受光した光によって光電変換部で変換され
た電荷の転送は、転送ゲートに電圧を印加することによ
り、その直下のシリコン半導体基板表面にポテンシャル
の井戸８（Ｐ−Ｗｅｌｌ＃１）を形成して、この井戸に
電荷を１時的に蓄積し、順次に転送ゲートに電圧を印加
することで電荷を転送部位の半導体層５のポテンシャル
の井戸７（Ｐ−Ｗｅｌｌ＃２）に送っていくのである。

【００１３】従って、これらの光受光−電荷変換−電荷
転送−一時蓄積−転送−受光・変換の一連の変換効率
は、あくまでこの下地が平坦化面であって、しかも、そ
の上に形成されるレンズが均斉に形成され、その受光部
位の集光性にバラツキがなく安定していることを必須条
件であることがよく判る。

【００１４】従って、従来から、固体撮像素子は、予め
有機樹脂を塗布させて平坦化させた下地膜上にマイクロ
レンズが形成されている。しかも、既に上述する理由か
ら明らかなように、光受光部に効率よく、安定して集光
されるため、このレンズ材がこの平坦化膜上に良好に密
着されていることが極めて重要である。

【００１５】そこで、従来から、リソグラフィ工程で、
下地面にレジスト等をスピンコートさせるに当たって、
このレジスト材の密着性を向上させる手段として、ＨＭ
ＤＳ処理が知られている。このＨＭＤＳ処理とは、ＨＭ
ＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）をミスト状でウエハ表
面、特にＳｉＯ₂ 膜の如く親水性に富む表面に吹き付け
て、その面を疎水化させて、フォトレジスト等の有機質
膜等の密着性を向上させる疎水化処理である。そこで、
例えば、有機質平坦化膜をこのように疎水化処理して、
マイクロレンズとしてのレジストを塗布形成させること
が検討される。

【００１６】この疎水化処理を、従来から、固体撮像素
子ではレジストの密着性向上させる方法として利用され
ていた。しかしながら、このように凹凸段差を有機質膜
で平坦化させた下地にこのＨＭＤＳ処理を施し、マイク
ロレンズ材を塗布させても、その密着性が充分ではなか
った。すなわち、マイクロレンズ材パターニング時に、
図４に示す如く、この平坦化膜面１ｂとマイクロレンズ
との密着性が必ずしも充分ではなく、レンズパターンの
剥がれ１２に見られるようなトラブルを起こす傾向があ
った。

【００１７】このようにレンズ材が剥がれるトラブル
や、密着不良であると、既に上述するように撮像素子が
持合わせる複雑・多岐にわたる特性要素に悪影響を及ぼ
して、機能発揮を低下させる要因になる。従って、この
ような固体撮像素子において、この有機質平坦化膜上に
形成されるマイクロレンズが、未だ充分に安定した状態
にないのが実状である。

【００１８】そこで、本発明の目的は、この素子の平坦
化膜面を介して形成させるマイクロレンズが、開口率の
低い固体撮像素子の受光部の入射光の集光性を高めて、
光利用率を向上させるものであって、しかも、この機能
が安定して充分に達成させるために、この素子の平坦化
膜面を介して形成させるマイクロレンズ用レジストが、
充分な密着性が得られ、このレンズ材がパターニング時
に起こしてしまう剥離等のトラブルや密着不良が効果的
に防止される固体撮像素子の製造方法を提供することで
ある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
鑑みて、鋭意検討した結果、従来からフォトリソグラフ
ィ工程で通常に実施されている親水面の疎水化処理に着
目して、種々検討した結果、マイクロレンズ材のレジス
トを、半導体ウェハ上の微細パターンの凹凸面を平坦化
させるために成膜される有機質膜と良好に密着させられ
る方法を見出して、本発明を完成するに至ったのであ
る。

【００２０】すなわち、本発明は、半導体基板上に、固
体撮像デバイス構造、有機平坦化膜及びマイクロレンズ
材を順次形成させてなる固体撮像素子の製造方法におい
て、前記固体撮像デバイス構造上に前記有機質平坦化膜
を形成させた後、前記有機平坦化膜上に酸素（Ｏ₂ ）プ
ラズマアッシング処理を行い、次いで前記マイクロレン
ズを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法
を提供する。

【００２１】このようにして、本発明によれば、図３に
示す如く、有機質平坦化膜１ａ面を、１ｃ面のようにＯ
₂ プラズマアッシング処理を行うことで、マイクロレン
ズ材との相容性が向上して、マイクロレンズ１１が良好
に密着される。その結果、その後のレンズパターニング
処理においても、図４に示す如くのパターン剥離１２等
を起こすことなく、固体撮像素子を製造することができ
るのである。

【００２２】このＯ₂ プラズマアッシング処理が、有機
質平坦化膜とマイクロレンズ材との相容性を著しく向上
させる。すなわち、この目的に適材として使用されるマ
イクロレンズ材の透明性樹脂の多くが、親水性の極性基
を有しており、従って、この処理により、塗布するター
ゲットの下地有機質平坦化膜表面を親水性に改質され
て、両者の接触界面の相容性が著しく高められ、良好に
密着されるのである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以上から、本発明は、予め平坦化
有機質膜の下地を、親水性に改質させることで、この下
地に成膜形成させるマイクロレンズ材のレジストの密着
性を著しく向上させることを特徴とするものである。

【００２４】以下に、図１〜図４を参照しながら本発明
による固体撮像素子の製造方法について、その実施の形
態を説明する。

【００２５】そこで、本発明において、マイクロレンズ
材に用いるレジストには、特に限定されるものではな
く、従来からレンズ材として公知であるものを適宜使用
することができる。例えば、完全無色で良好な透明度を
有するアクリル系の樹脂であるポリグリシジルメタクリ
レート（ＰＧＭＡ）を用いることができる。この場合に
この樹脂の上にホトレジスト液を塗布することが好適で
ある。

【００２６】このようにレジスト液を塗布させるため
に、この樹脂中に架橋剤を添加させて加熱架橋させて耐
有機溶媒性を向上させて使用することができる。架橋剤
としては、例えば、テロラヒドロキシベンゾフェノンを
用いた場合には、加熱架橋されたレンズ樹脂層は、ホト
レジスト液に対する十分な耐久性が付与される。また、
この加熱架橋によって、熱流動性が低下して恒久的なマ
イクロレンズ材として適材化させるものである。また、
この架橋剤としては、フェノール性水酸基を有するもの
が、特に、好適である。また、同様に透明性樹脂である
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）をマイクロレン
ズ材のレジストとして使用するに、架橋性の側鎖を導入
又は架橋性を有する分子との共重合させることにより、
上述するＰＧＭＡと同様な作用が付与され、マイクロレ
ンズ材として適材化されるものである。

【００２７】また、必要に応じて、この成膜したレンズ
材表面（図３の１１参照）をレンズ微細加工するに際し
ては、集光性能を低下させないためから、例えば、その
全面ではなく、集光の必要のない画素部位（図１に示す
２ａ部位に相当する）はエッチング加工せずに平坦のま
まにしておいて、その周辺部の集光画素部位（図１に示
す２ｂ部位に相当する）のみにエッチング加工させて曲
率が施されるマスクパターンで実施させることもでき
る。

【００２８】また、このマイクロレンズ材の塗布は、例
えば、スピンコート法でレジスト層を成膜させることが
できる。また、使用されるレジスト材として、従来から
公知であるポジ型及びネガ型のジレジスト材を適宜使用
することができるが、微細パターンを形成させる点か
ら、好ましく、ポジ型である、例えば、ポリフェノール
系レジストが好適に使用される。

【００２９】そこで、本発明において、図１に示す如
く、上述する平坦化膜１ａ下地の微細パターンが、固体
撮像素子としては、特に限定するものではないが、既に
上述する如く、その高い有用性からして、好ましくは、
ＣＣＤデバイス構成を有しているバイポーラトランジス
タが適宜好適に使用される。

【００３０】また、平坦化用の有機質膜を形成させるに
は、従来から公知で、常用されているレジストであら
ば、特に限定することなく適宜好適に使用することがで
きる。

【００３１】そこで、本発明において、この平坦化面に
マイクロレンズ材を塗布するに際して、既に上述する如
く、有機質平坦化膜とこのマイクロレンズ材との相容性
を高める表面処理を、予め、この平坦化面に施しておく
ことが特徴である。そこで、そのために、好ましくは、
Ｏ₂ プラズマアッシング処理を適宜施すことが好適であ
る。すなわち、この処理によって、この有機質平坦化膜
を親水性に改質させることができる。これにより、既に
上述する如く、例えば、従来から知られている手段であ
るＨＭＤＳ法による疎水化処理では、充分に達成されな
かった、この両者間の密着性を著しく向上させることが
できる。その結果、例えば、図４に示す如く、特に、現
像時のレンズレジストのパターン剥がれ１２等を効果的
に防止することができるのである。

【００３２】そこで、このＯ₂ プラズマアッシングの処
理条件としては、この平坦化膜に使用する有機樹脂種に
よっても異なるが、好ましくは、この有機質膜面上の雰
囲気温度が９０℃以上で、１１０℃以下であることが好
適である。この温度が９０℃未満では、親水性化が不十
分であり、１１０℃を超える温度では、その処理をマイ
ルドに、しかも均質に親水性化することができず、必要
以上に過度に処理されて好ましくない。また、この時の
Ｏ₂ 流量が４．０ｓｃｃｍ以上で、５．０ｓｃｃｍ以下
あることが好適であり、且つその処理時間が、３０秒以
上で、６０秒以下の範囲での処理で十分である。これら
のＯ₂ 流量及び処理時間についても、それぞれの下限値
未満であったり又は上限値を超える範囲にあっては、上
述する温度条件に係わるとほぼ同様の理由によって好ま
しくない。

【００３３】そこで、図１の概略断面図に示す、代表的
な構成からなる固体撮像素子であるＣＣＤを対象にし
て、図２〜図４を参照しながら、本発明による固体撮像
素子の製造方法について、その実施の形態を以下に更に
説明する。

【００３４】そこで、図１は、微細化パターンが構成さ
れている代表的なＣＣＤ固体撮像素子であり、ｎ型シリ
コンウェハ（Ｎ−ＳＵＢ）９面に、Ｐ−Ｗｅｌｌ＃１層
８を形成されている面に微細パターン形成で、固体撮像
素子としての集光部位が、図１において凹部位２ｂとし
て構成されている。微細パターン形成で、前記集光部位
に隣接してアルミニウム電極３を設けるその直下の半導
体層５下地にＰ−Ｗｅｌｌ＃２層７を形成されている面
に、固体撮像素子としての転送部位が、図１においての
凸部位２ａとして構成されている。

【００３５】このように微細化パターン形成によって生
ずるこの２ａ及び２ｂなる凹凸段差面を、平坦化させる
ため、通常に用いられるレジストをスピンコート法によ
り塗布させて、有機質平坦化膜１ａが成膜されている。

【００３６】次いで、この平坦化膜面１ｂ（図１参照）
に、通常、スピンコート法によりマイクロレンズ材１１
（図３参照）の透明性樹脂を塗布する。次いで、ボンデ
ィングパッドを窓明けするために、ホトマスクを介して
遠紫外光を照射して露光させた後、酢酸イソアミルによ
って現像する。しかしながら、従来からこのように塗布
されるレンズ材は、この有機質平坦化膜に対する密着性
が悪く、現像時にこのレンズ材のパターン剥がれ１２
（図４参照）を発生させる。

【００３７】そこで、本発明においては、上述する処理
条件で、図２に模写的に示す如く、この有機質平坦化膜
を塗布後に、Ｏ₂ プラズマアッシング処理でＯ₂ 照射１
０を行う。このプラズマアッシングで、この塗布ターゲ
ットの平坦化下地表層には、−Ｏや、−ＯＨが発現され
て、親水性に改質することができる。既に上述する如
く、通常に使用されているマイクロレンズ材は、親水性
の極性基を有していることから、両者が接する界面の相
容性を向上するものと奏される。その結果、両者の密着
を向上させることができ、上述する如くのパターン剥が
れ等を効果的に防止させることができるのである。

【００３８】図２に示す模写的に示す平坦化膜１ａの面
１ｃは、本発明によるＯ₂ プラズマアッシング処理を実
施した際に形成される親水性化された面を概念的に表す
ものである。すなわち、この有機質平坦化膜面は、通
常、疎水性であり、これに従来のように、例えば、既に
上述するＨＭＤＳ処理では更にその面を疎水性にするだ
けであり、既に上述する如く、好適には、レンズ材とし
て適材である透明性樹脂の密着を向上させることが困難
であると言える。

【００３９】従って、このＯ₂ プラズマアッシング処理
によって、明らかに、両者の接触界面（図３に示す１ｃ
面を示す）の密着性（又は相容性）が向上させられたも
のと言える。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、固体撮像素子を製造す
る工程において、マイクロレンズ材をスピンコートさせ
る下地が、この素子が有する凹凸段差を平坦化させるた
めに形成される有機質平坦膜である。この有機質平坦化
下地にマイクロレンズ材との相容性（又は密着性）を著
しく向上させる表面処理であるＯ₂ プラズマアッシング
を施すことにより、従来のようにこのレンズ材が剥がれ
たり、密着不良を発生させることのない固体撮像素子の
製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体撮像素子の微細化パターンの凹凸面に有機
質膜を塗布させて平坦化されていることを示す概略断面
図である。

【図２】本発明による有機質平坦化膜面に施す密着性
（相容性）向上化処理（Ｏ₂ プラズマアッシング処理）
を示す概略断面図である。

【図３】本発明によるＯ₂ プラズマアッシング処理をし
た有機質平坦化膜面にマイクロレンズ用のレジストを形
成した概略断面図である。

【図４】有機平坦化膜上にマイクロレンズ材を形成させ
た固体撮像素子の基本構成を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１ａ……有機質平坦化材、１ｂ……平坦化表層、１ｃ…
…相容性向上化処理面、２ａ……凸部位（光遮蔽部）、
２ｂ……凹部位（受光部）、３……アルミニウム電極、
８……Ｐ−Ｗｅｌｌ層、９……半導体基板ウェハ、10…
…Ｏ₂ プラズマアッシング、11……マイクロレンズ材、
12……剥がれ部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、固体撮像デバイス構
造、有機平坦化膜及びマイクロレンズ材を順次形成させ
てなる固体撮像素子の製造方法において、前記固体撮像
デバイス構造上に前記有機質平坦化膜を形成させた後、
前記有機平坦化膜上に酸素（Ｏ₂ ）プラズマアッシング
処理を行い、次いで前記マイクロレンズを形成すること
を特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】前記固体撮像デバイス構造が、ＣＣＤデ
バイス構成を有していることを特徴とする請求項１に記
載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】前記有機質平坦化膜が、フォトレジスト
材であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素
子の製造方法。
【請求項４】前記Ｏ₂ プラズマアッシングの処理条件
が、前記有機質平坦化膜面上の雰囲気温度が９０℃以上
で、１１０℃以下で、Ｏ₂ 流量が４．０ｓｃｃｍ以上
で、５．０ｓｃｃｍ以下で、且つ処理時間が、３０秒以
上で、６０秒以下であることを特徴とする請求項３に記
載の固体撮像素子の製造方法。