JP2003007987A

JP2003007987A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2003007987A
Application number: JP2001183500A
Authority: JP
Inventors: Fujio Ago; 富士夫吾郷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2003-01-10
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP3664997B2

Abstract

(57)【要約】【課題】各受光部又は発光部ごとに独立したマイクロ
レンズを、さらに微細形状で、簡便かつ容易に製造する
ことができる半導体装置及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】受光部２を備えた半導体装置であって、
受光部２の上方に突起５と、突起５に対応した凸形状の
マイクロレンズ９とを有する半導体装置および受光部２
が形成された半導体基板１上全面に第１膜４０を形成
し、受光部２の上方にのみ第１膜４０を残存させて突起
５を形成し、突起５上の半導体基板１上全面に第２膜を
積層して、突起５に対応した凸形状のマイクロレンズ９
を形成することからなる半導体装置の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、より詳細には、受光部又は発光部を
備えた半導体装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（Charge Coupled Device、半導
体結合素子）イメージセンサ（以下ＣＣＤと称する）、
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconducto
r）イメージセンサなどの半導体を用いた撮像素子は、
デジタル・カメラを始め、スキャナ、デジタル複写機、
ファクシミリなど様々な用途に利用されている。

【０００３】このような撮像素子の普及につれて、画素
数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化は
もとより、小型化、低価格化などの要請がますます強ま
ってきている。

【０００４】半導体を用いた撮像素子の小型化、多画素
数化が進むと、撮像素子に組み込まれる画素の大きさは
ますます縮小される。画素の縮小にともない、撮像素子
の基本性能の一つである受光感度は低下し、所定の照度
のもとで鮮明な像を撮像できなくなる恐れがある。

【０００５】このような問題に対し、ＣＣＤでは、その
表面にマイクロレンズを形成して受光感度を向上させる
方法が、例えば、特開２０００−１８３３２号公報に提
案されている。この方法によれば、まず、半導体基板１
表面にＣＣＤの転送部、画素分離領域、転送電極等（何
れも図示せず）を形成し、図５（ａ）に示したように、
受光部となる領域に、不純物拡散技術を用いて受光部２
を形成する。その後、基板１の表面全面に、例えばＢＰ
ＳＧ（Boro-Phospho-Silicate Grass）などの絶縁膜３
を、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成
長）法により所定の膜厚で堆積させる。続いて、例えば
Ａｌ等の金属薄膜を堆積し、フォトリソグラフ及びエッ
チング技術を用いて金属配線４を形成し、金属配線４を
覆うように基板１の表面全面に表面保護膜６として、例
えばシリコン酸化膜などの絶縁膜を所定の膜厚で堆積さ
せる。

【０００６】次に、図５（ｂ）に示したように、金属配
線４を形成することによって生じた半導体基板１の表面
の凹凸を平坦にするために、基板１の表面全面に、アク
リル系樹脂からなる平坦化膜７を所定の膜厚で堆積させ
る。平坦化膜７として堆積させたアクリル系の膜を、所
定の条件で熱処理を加えて硬化させた後に、基板１の表
面全面にマイクロレンズを形成する材料膜８を形成す
る。マイクロレンズを形成する材料膜８としては、可視
光及び赤外線の透過性ならびに加工性に優れた物質、例
えばアクリル系樹脂が用いられる。

【０００７】続いて、図５（ｃ）に示したように、フォ
トリソグラフ及びエッチング技術を用いて、受光部２上
方の所定の領域にマイクロレンズを形成する材料膜８を
残し、他の領域の材料膜８を除去する。ここで、基板１
の表面に残したマイクロレンズ材料膜８は個々の受光部
２毎に分離される。

【０００８】さらに、所定の条件にて加熱して、図５
（ｄ）に示したように、マイクロレンズ材料膜８を溶融
させ、その表面張力によりレンズ状の形状とすることに
より、マイクロレンズ９を形成する。１個のマイクロレ
ンズ９の大きさは、直径は２〜１０μｍ程度のほぼ半球
状である。

【０００９】その後、所定の工程を経ることにより、チ
ップ状に分割され、適当な筐体に実装された半導体装置
が完成する。

【００１０】このように、受光部上方に形成されたマイ
クロレンズ９は、集光効率を増大するため、ＣＣＤなど
の固体撮像装置の受光感度を大幅に向上させることがで
き、その結果、マイクロレンズのない固体撮像装置では
撮像が困難な照度のもとでも、マイクロレンズつき固体
撮像装置では、鮮明な像を撮影することができるように
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、マイク
ロレンズは、各受光部毎に分割配置したアクリル系樹脂
を加熱溶融することにより、その表面張力と平坦化膜と
の界面エネルギーが平衡状態になるまで変形させて形成
される。

【００１２】しかし、半導体装置の小型化、多画素数化
の要請に伴い、各画素の大きさが縮小されるため、マイ
クロレンズ自体及び隣接するマイクロレンズとの間隔も
微細化しなければならない。したがって、アクリル系樹
脂の加熱溶融中に、隣接するマイクロレンズの隙間がな
くなって繋がってしまうと、さらに安定な形状になるま
で変形が進み、各受光部ごとに所定形状のレンズを形成
することができない。

【００１３】このようなことから、マイクロレンズ間の
隙間は、０．２μｍ程度より微細化することは困難な状
況である。

【００１４】また、マイクロレンズ形成工程は、公知の
フォトリソグラフ技術を用いて加工を行う。通常の半導
体集積回路の製造が４００℃以上の熱処理を行うのに対
し、マイクロレンズ形成工程はアクリル系樹脂を用いる
ため、アクリル系樹脂の耐熱温度（例えば２００℃）以
下で加工を行う必要がある。したがって、従来のマイク
ロレンズは、半導体集積回路の製造工程とは独立して形
成しなければならず、半導体装置の製造期間が長くなる
とともに、製造装置数が増加し、製造コストが上昇して
しまう問題がある。

【００１５】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、各受光部ごとに独立したマイクロレンズを、さらに
微細形状で、簡便かつ容易に製造することができる半導
体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、受光部
又は発光部を備えた半導体装置であって、該受光部又は
発光部の上方に突起と、該突起に対応した凸形状のマイ
クロレンズとを有する半導体装置が提供される。

【００１７】また、本発明によれば、受光部又は発光部
が形成された半導体基板上全面に第１膜を形成し、受光
部又は発光部の上方にのみ前記第１膜を残存させて突起
を形成し、該突起上の前記半導体基板上全面に第２膜を
積層して、突起に対応した凸形状のマイクロレンズを形
成することからなる半導体装置の製造方法が提供され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置は、少なくと
も受光部又は発光部を備えるものであり、ＣＣＤ及びＣ
ＭＯＳイメージ・センサ、ＣＭＤ、チャージインジェク
ションデバイス、バイポーライメージセンサ、光導電膜
イメージセンサ、積層型ＣＣＤ、赤外イメージセンサ等
のいわゆる固体撮像素子のみならず、半導体集積回路の
製造工程において製造される受光素子、発光ダイオード
等の発光素子又は液晶パネル等の光透過制御素子等の種
々の装置として形成されるものの全てが含まれる。

【００１９】受光部又は発光部、特に受光部としては、
代表的には、半導体基板表面に形成されるｐｎ接合ダイ
オードが挙げられる。この場合の半導体基板表面に形成
されるｐ型又はｎ型の不純物層の大きさ、形状、数、不
純物層の不純物濃度等は、得ようとする半導体装置の性
能に応じて適宜設定することができる。また、発光部と
しては、例えば、発光ダイオード等が挙げられる。受光
部又は発光部が複数個形成される場合には、隣接する受
光部又は発光部との間隔は、例えば、２〜１０μｍ程度
が適当である。ここで、半導体基板としては、通常半導
体装置を形成するための基板として使用される基板であ
れば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、
ゲルマニウム等の半導体、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａ
Ａｓ等の化合物半導体等からなる基板を使用することが
できる。なかでも、シリコン基板が好ましい。この半導
体基板は、通常ｎ型又はｐ型の不純物がドーピングされ
てなるが、さらに、ｎ型又はｐ型のウェルを１以上有し
ていてもよい。なお、半導体基板表面には、受光部又は
発光部のほかに、電荷転送領域、分離領域、コンタクト
領域、チャネルストッパ領域等として、高濃度のｎ型又
はｐ型の不純物を含有する領域が形成されていてもよい
し、他の半導体装置や回路等が組み合わせられていても
よい。

【００２０】受光部又は発光部の上には、通常、絶縁
膜、平坦化膜、保護膜等の種々の機能を有する膜が単層
又は積層層として形成されていてもよい。例えば、膜厚
１００〜３０００ｎｍ程度のＣＶＤ法によるシリコン酸
化膜、ＣＶＤ法によるプラズマＴＥＯＳ（Tetra-Ethoxy
Silane）膜、ＬＴＯ（Low Temperature Oxide）膜、Ｈ
ＴＯ（High Temperature Oxide）膜、ＮＳＧ（None-Dop
ed Silicate Glass）膜又はスピンコート法により塗布
形成したＳＯＧ（Spin On Glass）膜、ＣＶＤ法による
シリコン窒化膜等の単層膜又はこれらの積層膜等が挙げ
られる。このような膜は、受光部又は発光部が複数ある
場合でも、複数の受光部又は発光部にわたってほぼ全面
に形成されていることが好ましい。また、このような膜
は、その表面が平坦に形成されることが好ましい。

【００２１】受光部又は発光部の上（又は受光部又は発
光部の上に上記のような機能膜が形成されている場合に
はその上）には、突起が形成されている。突起は、受光
部又は発光部のほぼ中央部分に形成されていることが好
ましい。この突起のサイズ、高さ、形状、材質は特に限
定されるものではないが、例えば、幅０．１〜１×０．
１〜１μｍ程度（又は０．０１〜１μｍ²程度）のサイ
ズ、０．４〜４μｍ程度の高さ、円柱状、角柱状、円錐
の頂点部を欠く円錐台形状、角錐の頂点部を欠く角錐台
形状、半球、半卵型等の種々の形状が挙げられる。材質
としては、特に限定されるものではなく、通常、半導体
装置の製造において形成される膜であればどのようなも
のでもよい。例えば、通常半導体装置の電極として用い
ることができる導電材料（多結晶シリコン、単結晶シリ
コン、アモルファスシリコン等のシリコン又はその他の
半導体；ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂等の透明導電膜；ア
ルミニウム、銅、白金、銀、亜鉛、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−
Ｃｕ等の金属又は合金；タングステン、タンタル、チタ
ン、モリブデン、ＴｉＷ等の高融点金属又は合金；これ
ら金属のシリサイド；ポリサイド等）、上記したような
絶縁膜等が挙げられる。また、これらの膜は、単層で形
成してもよいし、積層層で形成してもよい。なかでも、
シリコン又はその合金や金属による膜が好ましい。

【００２２】突起の上には、この突起に対応した凸形状
のマイクロレンズが形成されている。マイクロレンズ
は、可視光線及び／又は近赤外線に対して透光性のある
材料からなることが適当である。ここで透光性があると
は、可視光線又は近赤外線の透過率が５０％程度以上で
ある性質を有することを意味する。このような材料とし
ては、その膜厚等にもよるが、例えば、無機材料、具体
的には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸
化窒化物又はそれらの積層体が挙げられる。これらの材
料を用いる場合の膜厚としては、突起のサイズや高さに
応じて適宜調整することができるが、例えば、０．４〜
４μｍ程度が挙げられる。

【００２３】マイクロレンズは、受光部の上方に、好ま
しくは受光部又は発光部のほぼ中央に形成された突起に
対応した凸形状を有している。ここで突起に対応した凸
形状とは、突起を含む半導体基板上全面にマイクロレン
ズを形成する材料膜を形成した場合に、突起の存在によ
り、その部分のマイクロレンズ材料膜が凸形状に盛り上
がることとなるため、その形状を意味する。なお、マイ
クロレンズの形状は、突起に起因する凸形状が確保され
ている限り、突起間の間隔、マイクロレンズ材料膜の膜
厚等によって、隣接する受光部上の突起に対する凸形状
と連続してもよい。

【００２４】本発明の半導体装置を製造する方法として
は、まず、受光部又は発光部が形成された半導体基板上
全面に第１膜を形成する。第１膜としては、突起を形成
するために用いられるものであり、上述の材料を適宜選
択することができる。このような膜は、半導体基板上全
面に形成することが好ましい。成膜方法としては、スパ
ッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法等種々のＣＶＤ法、スピーンコート法、真空蒸着法、
ＥＢ法等、当該分野で公知の方法を適宜選択することが
できる。

【００２５】なお、半導体基板表面に受光部又は発光部
を形成する方法は、公知の方法、例えば、フォトリソグ
ラフィ及びエッチング工程により所望の領域に開口を有
するマスクを形成し、このマスクを用いてイオン注入す
る方法が挙げられる。また、第１膜を形成する前に、半
導体基板上には、上述したような機能膜を、公知の方法
により形成してもよい。さらに、第１膜の形成ととも
に、半導体装置の電極や配線等を形成する場合には、第
１膜として、導電膜を使用することが好ましい。

【００２６】次いで、受光部又は発光部の上方にのみ第
１膜を残存させて突起を形成する。この場合の突起の形
成は、公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及びエ
ッチング工程により、所望の形状に加工形成することが
できる。

【００２７】続いて、突起上の半導体基板上全面に第２
膜を積層する。ここで、第２膜としては、マイクロレン
ズ形成材料膜であり、上述したものを使用することがで
きる。このような膜は、スパッタ法、ＣＶＤ法等公知の
方法により形成することができる。これにより、突起に
対応した凸形状のマイクロレンズを形成することができ
る。

【００２８】以下に、本発明の半導体装置及びその製造
方法の実施の形態を、ＣＣＤを例にとって、図面に基づ
いて説明する。なお、以下の説明中で用いる装置や処理
条件等は、通常の半導体集積回路の製造工程で用いられ
ている装置や条件とほとんど同じであり、特段の場合を
除いて、その詳細な説明を省略する。

【００２９】まず、従来技術で述べた方法と同様に、半
導体基板１表面に、ＣＣＤの転送部、画素分離領域、転
送電極等（何れも図示せず）を形成し、図１（ａ）に示
すように、受光部となる領域に、不純物拡散技術を用い
て受光部２を形成し、その後、基板１の表面全面に、例
えばＢＰＳＧなどの絶縁膜３を、ＣＶＤ法により所定の
膜厚、例えば、０．９μｍ堆積させる。絶縁膜３表面の
凹凸を平坦にするため、拡散炉を用いてＢＰＳＧ膜のメ
ルト処理を、例えば９００℃で６０分間の条件で行う。
さらに必要であれば、ＣＭＰ処理を行い平坦化する。続
いて、例えば固体撮像素子の周辺部に形成される配線用
のＡｌ等の金属膜４０をスパッタリング法により、約
０．４μｍ堆積させ、その表面全面にフォトレジスト１
０を塗布する。

【００３０】次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリ
ソグラフ技術を用いて、金属膜４０上に塗布されたフォ
トレジスト１０を、所定の位置に所定の大きさに残し、
他のフォトレジストを除去して、金属膜４０を加工する
際のマスク１１を形成する。エッチングのマスク１１と
して形成されるフォトレジスト１０を残す所定の位置
は、配線が形成される領域と受光部の上方とであり、同
時にパターニングされる。

【００３１】続いて、図１（ｃ）に示すように、フォト
レジストで形成したマスク１１を利用して、公知のエッ
チング技術により金属膜４０をエッチングし、マスク１
１の下方にある金属膜４０を残し、他の領域の金属膜４
０を除去する。その後、公知の技術により、マスク１１
として用いたフォトレジスト１０を除去する。これによ
り、半導体基板１の表面の金属配線が配置される領域
に、金属配線４が、受光部の上方には、所定の大きさの
マイクロピラー５が形成される。これらのマイクロピラ
ー５は、直径が約０．１μｍ、間隔が１．６μｍの円柱
状である。

【００３２】次に、基板１の表面全体に、保護膜６とし
て、例えばＣＶＤ法により、原料ガスとしてＴＥＯＳ
（Tetraethyl Orthosilicate；Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）及
びオゾンを用い、ガス圧力を８ｋＰａに維持した容器の
中で、半導体基板１を４５０℃に加熱し、シリコン酸化
膜（ｎ：１．４５）を約１．０μｍの厚さで形成する。

【００３３】この際、シリコン酸化膜は、図２に示した
ような堆積過程によって積層する。したがって、ＣＶＤ
法における条件を最適に選べば、ガス分子が化学反応に
より固体表面に固体化して堆積するので、従来技術で述
べた樹脂材料を用いた時のような表面張力による変形が
おこらず、堆積によって隣接マイクロレンズ間の隙間が
なくなって接合し、さらに堆積を続けても、各マイクロ
レンズのレンズ形状は維持することができる。したがっ
て、隣接マイクロレンズ間の隙間を確保する必要がな
い。

【００３４】これにより、図１（ｄ）に示したように、
金属配線４の上方には表面の保護膜６が形成されるのと
同時に、マイクロピラー５に対応して受光部２の上方に
マイクロレンズ９が形成される。マイクロレンズ９は、
直径が約１．６μｍの半球状である。

【００３５】絶縁膜３がシリコン酸化膜（ｎ：１．４
５）である以外、上記と同様の方法で形成されたマイク
ロレンズ９は、マイクロピラー５の頭がマイクロレンズ
９の中心とした球とし、光が入射する際に受光部２の内
部に焦点が設定された場合、マイクロピラー５の存在に
より、光強度分布が図３（ａ）に示したように概算さ
れ、受光部２にマイクロピラー５の影ができることとな
る。しかし、この影は、光量損失で約１．６％であり、
半導体装置の性能に対してはほとんど影響しない。な
お、マイクロピラー５を形成する材料が、透光性の材料
であれば、光量損失をほぼなくすことができる。

【００３６】その後、図示はしないが、所定の工程を経
た後に、チップ状に分割され、適当な筐体に実装され
て、半導体撮像装置が完成する。

【００３７】上記した方法によれば、図４に示したよう
に、ＣＣＤにおけるマイクロレンズ形成工程は、従来技
術と比較して、その工程数が削減され、工程が簡略化さ
れていることが明確である。

【００３８】以上、ＣＣＤを例にとって、受光部上方に
マイクロレンズを形成する方法を説明したが、例えば、
ＣＭＯＳイメージセンサ等でも、同様の方法によりマイ
クロレンズを形成することができる。また、例えば、Ｇ
ａＡｓやＧａＡｓＰ等の化合物半導体を基板として、公
知の技術を用いて発光素子を形成する場合にも、その発
光部上方に同様の方法によりマイクロレンズを形成する
ことができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロレンズが、突
起に対応して形成されているため、マイクロレンズが隣
接するマイクロレンズと接合しても、凸状のレンズ形状
を確保することができ、さらに微細化してもマイクロレ
ンズ間の隙間を確保することにより受光損失が増大せ
ず、高性能の半導体装置を得ることができる。

【００４０】また、発光素子に、マイクロレンズを適用
した場合、発光した光を集光させることが可能となり、
光の利用効率を高めることができる。

【００４１】特に、突起が、半導体又は導電体からなる
場合には、電極や配線、あるいは他の半導体装置の電極
や配線等と同時に形成することが可能となる。

【００４２】また、突起が、半導体又は導電体からなる
か、マイクロレンズが、シリコン酸化物、シリコン窒化
物又はシリコン酸化窒化物である場合には、従来の半導
体プロセスで使用されていた材料をそのまま使用するも
のであるため、プロセス温度等の制限がなく、他の半導
体集積回路と組み合わせられた受光部又は発光部を備え
る半導体装置を実現することができる。

【００４３】さらに、マイクロレンズが可視光線及び／
又は近赤外線に対して透光性のある材料からなる場合に
は、受光又は発光をより効率的に行うことができ、さら
なる微細化を実現することが可能になる。

【００４４】また、本発明によれば、通常の配線パター
ンを利用して、突起を形成することができ、その形状に
対応してマイクロレンズの凸形状が確保されることとな
るため、簡便な方法により、さらなる微細化に対応する
ことができ、製造コストの低減を図ることが可能にな
る。しかも、そのような簡便な方法が、通常の半導体集
積回路等の製造プロセスと共通するため、さらなる工程
が簡略化及び製造コストの削減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法を説明するため
の概略断面工程図である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法におけるシリコ
ン酸化膜の堆積過程を説明するための要部の概略平面図
及び断面図である。

【図３】本発明の半導体装置における入射光を説明する
ための概略断面図及び概略平面図である。

【図４】本発明の半導体装置の製造方法と従来例との製
造プロセスの比較を示すフローチャートである。

【図５】従来の半導体装置の製造方法を示す概略断面工
程図である。

【符号の説明】

１半導体基板２受光部（受光部又は発光部）３絶縁膜４金属配線５マイクロピラー（突起）６保護膜（第２膜）９マイクロレンズ１０フォトレジスト１１マスク４０金属膜（第1膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA07 BA10 BA14 CA03 CA40 CB01 CB02 CB13 EA06 FA06 FC02 GD04 GD07 5F041 CA33 CB22 EE11 5F088 AB02 BB03 EA04 JA12 LA01 LA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光部又は発光部を備えた半導体装置で
あって、該受光部又は発光部の上方に突起と、該突起に
対応した凸形状のマイクロレンズとを有することを特徴
とする半導体装置。
【請求項２】突起が、半導体又は導電体からなる請求
項１に記載の半導体装置。
【請求項３】マイクロレンズが、可視光線及び／又は
近赤外線に対して透光性のある材料からなる請求項１又
は２に記載の半導体装置。
【請求項４】マイクロレンズが、シリコン酸化物、シ
リコン窒化物又はシリコン酸化窒化物である請求項３に
記載の半導体装置。
【請求項５】受光部又は発光部が形成された半導体基
板上全面に第１膜を形成し、受光部又は発光部の上方に
のみ前記第１膜を残存させて突起を形成し、該突起上の
前記半導体基板上全面に第２膜を積層して、突起に対応
した凸形状のマイクロレンズを形成することからなる半
導体装置の製造方法。
【請求項６】第１膜が、半導体又は導電体からなる請
求項５に記載の方法。
【請求項７】第２膜が、可視光線及び／又は近赤外線
に対して透光性のある材料からなる請求項５又は６に記
載の方法。