JP2003046874A - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中間層の膜厚を薄くしても、半導体基板上の段
差を平坦化することができ、またカラーフィルタによる
段差を０．１μｍレベルにまで平坦化することのできる
固体撮像素子の製造方法を提供すること。これにより、
中間層での光の吸収を低減し、受光部に入射する光の強
度を高めた固体撮像素子を得る。 【解決手段】第一中間層、カラーフィルター、第二中間
層、マイクロレンズが順次積層された固体撮像素子にお
いて、第一中間層１６及び第二中間層１８を熱リフロー
性を有する樹脂を熱硬化させて形成すること。樹脂の熱
硬化温度を、その樹脂の熱リフロー温度以上とするこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子の製
造に関ものであり、特に、固体撮像素子に形成される中
間層を薄くして感度を向上させた固体撮像素子の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子においては、デジタ
ルカメラ用途等で小型化や画素の微細化が進んでおり、
画素サイズ３×３μｍの固体撮像素子も開発されてい
る。しかし、このような微細化が進むとそれぞれの受光
部に入射する光の強度が弱くなり、十分な感度が得られ
なくなる。そこで、各受光部上にマイクロレンズを形成
し、受光部周辺の光を集光し、感度を増大させる方法が
一般的に使用されている。

【０００３】このようなカラーフィルタとマイクロレン
ズを組み合わせた固体撮像素子の構造の断面は、例え
ば、図２に示すようなものである。Ｓｉ基板（１）上に
は、周知の技術により、受光部（２）、転送電極
（３）、層間絶縁膜（４）、遮光膜（５）等が形成され
ているので、その表面には段差（ｄ0 ）が生じている。
この段差は通常１〜２μｍにも及び、このような段差の
ある基板に直接カラーーフィルタを形成すると、クラッ
クや段切れが発生する。

【０００４】そこで、この表面の段差を平坦化するため
に、図２のように第一中間層（２６）を形成し、その上
にＲＧＢからなるカラーフィルタ（２７）を形成する。
しかし、各色の分光仕様，各色の画素の形状等により、
カラーフィルタ（２７）上には、再度、０．２〜０．５
μｍ程度の段差が生じる。この０．２〜０．５μｍ程度
の段差であっても、第二中間層（２８）による平坦化が
必要であり、図２の第二中間層（２８）により平坦化を
行う。その理由は以下の通りである。

【０００５】固体撮像素子の微細化で画素が小さくなる
に従い、高開口率のマイクロレンズを形成することが必
須のものとなる。高開口率のマイクロレンズを形成する
に際し、例えば、３〜５μｍの画素であれば、マイクロ
レンズ間ギャップとしては０．１〜０．２μｍ程度のも
のが必要とされる。マイクロレンズを形成する方法とし
ては熱リフロー法が一般的であり、この熱リフロー法に
よってマイクロレンズ間ギャップ０．１〜０．２μｍ程
度を形成しようとすると、０．３〜０．４μｍ程度のギ
ャップを有するレジストパターンをフォトリソグラフィ
法により形成することとなる。すなわち、この０．３〜
０．４μｍ程度のギャップに解像したレジストパターン
を安定して形成するには、フォトレジストのフォーカス
マージンを考慮しても、第二中間層上の平坦性は０．２
〜０．５μｍ程度のレベルでは不十分であり、０．１μ
ｍレベルの平坦性が要求されるためである。

【０００６】このように、固体撮像素子中の中間層は、
半導体基板上の段差を平坦化する第一中間層と、カラー
フィルタによる段差を平坦化する第二中間層の二層が設
けられている。半導体基板上の段差は、通常１〜２μｍ
あり、この段差を平坦化するには、従来の透明樹脂を用
いて、図２の第一中間層（２６）を２〜３μｍの膜厚
（ｄ21）にする必要があった。また、カラーフィルタに
よる段差は０．２〜０．５μｍあり、この段差を０．１
μｍレベルまで平坦化するには、従来の透明樹脂を用い
て、図２の第二中間層（２８）を１〜１．５μｍの膜厚
（ｄ22）にする必要があった。

【０００７】従って、両中間層の膜厚の合計は、最大
４．５μｍにもなっていた。中間層がこのような厚い膜
厚になると、中間層による光の吸収や拡散、及びレンズ
集光効率の低下が無視出来ない大きさになる。そして、
マイクロレンズから入射し、中間層、カラーフィルタを
通過して各受光部に入射する光の強度は低下し、素子感
度の低下を引き起こすという問題が生じていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決するためになされたものであり、中間層の膜厚を薄
くしても、半導体基板上の段差を平坦化することがで
き、またカラーフィルタによる段差を０．１μｍレベル
にまで平坦化することのできる固体撮像素子の製造方法
を提供することを課題する。これにより、中間層での光
の吸収を低減し、受光部に入射する光の強度を高めた固
体撮像素子を得ることができるものとなる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、受光部と電荷
転送部が形成された半導体基板上に、第一中間層、カラ
ーフィルター、第二中間層、マイクロレンズが順次積層
された固体撮像素子において、該第一中間層及び第二中
間層を熱リフロー性を有する樹脂を熱硬化させて形成す
ることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

【００１０】また、本発明は、上記発明による固体撮像
素子の製造方法において、前記第一中間層及び第二中間
層を形成する樹脂の熱硬化温度を、その樹脂の熱リフロ
ー温度より高くすることを特徴とする固体撮像素子の製
造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明による固体撮像素子
の製造方法を、その実施形態に基づいて説明する。本発
明者は、鋭意検討の結果、中間層での光の吸収を低減
し、受光部に入射する光の強度を高めるために、中間層
の膜厚を薄膜化した固体撮像素子の製造方法を見出し
た。受光部と電荷転送部を形成した半導体基板上に、第
一中間層、カラーフィルタ、第二中間層、マイクロレン
ズが順次積層された固体撮像素子において、上記第一中
間層及び第二中間層を熟リフロー性を有する透明樹脂を
用いて熱硬化させて形成することで、第二中間層上の平
坦性を０．１μｍ以下に出来、かつ、両中間層の膜厚の
合計を３μｍ以下に形成出来ることを見いだした。

【００１２】また、本発明者は、上記第一中間層及び第
二中間層を形成する樹脂をその樹脂が有している熱リフ
ロー温度よりも高い温度で熱硬化させることで、その樹
脂の熱軟化、熱硬化反応が瞬時に起こり、その結果、硬
化後の中間層上の平坦性が良好になることを見いだし
た。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明による固体撮像素子の製造方
法を実施例により詳細に説明する。 ＜実施例１＞本発明による固体撮像素子の製造方法の実
施例１の断面図を図１に示す。図１に示すように、固体
撮像素子の画素ピッチ（Ｐ１）は５μｍで、受光部の幅
（Ｐ２）は１．５μｍ、表面の段差（ｄ0 ）は２μｍの
構成である。

【００１４】半導体基板（１０）上に熱リフロー性を有
する樹脂としてジェイエスアール（株）製の感光性樹脂
（商品名：ＭＦＲ−３８０Ｈ）を塗布回転数１１００ｒ
ｐｍによりスピンコートにより塗布し、その後、ホット
プレートにより１００℃で９０秒のプレべークを実施し
た。その後、ＵＶ光を用いて、半導体基板全面に、３０
０ｍＪ／ｃｍ２ の露光量を照射して、感光剤を分解し
て透明性を向上させた。さらに、ホットプレートによ
り、２００℃で１０分の熱処理を行い、第一中間層（１
６）を形成した。この時の第一中間層（１６）の膜厚
（ｄ11）は、１．５μｍで、その時の第一中間層（１
６）上の表面平坦性は０．２μｍであった。

【００１５】続いて、第一中間層（１６）上に顔料分散
レジストを用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルタ
（１７）をフォトリソグラフィ法により形成した。さら
に、カラーフィルタ（１７）上にジェイエスアール
（株）製の感光性樹脂（商品名：ＭＦＲ−３８０Ｈ）を
用いて、塗布回転数２５００ｒｐｍによりスピンコート
で塗布を実施し、その後、ホットプレートにより１００
℃で９０秒のプレベ−クを実施した。

【００１６】続いて、ＵＶ光を用いて、半導体基板全面
に３００ｍＪ／ｃｍ２ 露光量を照射した。その後、ホ
ットプレートを用いて、２００℃で１０分の熱処理を実
施し、樹脂の硬化を実施し、第二中間層（１８）を形成
した。この時の第二中間層（１８）の膜厚（ｄ12）は１
μｍで、その時の第二中間層（１８）上の表面の平坦性
は０．０８μｍであった。

【００１７】最後に、第二中間層（１８）上に、周知の
技術である熱フロー法により、高開口率のマイクロレン
ズを形成した。この時のマイクロレンズ膜厚は、１．２
μｍ、マイクロレンズ間ギャップは０．３μｍであり、
高開口率マイクロレンズが半導体基板内でレンズ同士の
融着がなく、良好に形成することが出来た。実施例１で
は、熱リフロー性を有している感光性樹脂（例えば、Ｍ
ＦＲ３８０Ｈ）を用いて、第一中間層、第二中間層を形
成したが、特に感光性樹脂にこだわることなく、他の樹
脂、例えば、アクリル系、フエノール系、カルド系、エ
ポキシ系等の樹脂に熱リフロー性を持たせた樹脂でも構
わない。

【００１８】＜比較例１＞比較例１における固体撮像素
子の断面図を図２に示す。実施例１で用いた半導体基板
と同一の半導体基板（１０）上に富士薬品（株）製の樹
脂（商品名：ＴＰ−１０）を塗布回転数５００ｒｐｍに
よりスピンコートにより塗布し、その後、ホットプレー
トにより２００℃で１０分の熱処理を行い、第一中間層
（２６）を形成した。この時の第一中間層（２６）の膜
厚（ｄ21）は１．５μｍで、その時の第一中間層上の表
面平坦性は０．６３μｍであった。

【００１９】続いて、第一中間層上に顔料分散レジスト
を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルタ（２７）
をフォトリソグラフィ法により形成した。さらに、カラ
ーフィルタ上に富士薬品（株）製の樹脂（商品名：ＴＯ
Ｃ−１）を用いて、塗布回転数１０００ｒｐｍによりス
ピンコートで塗布を実施し、その後、ホットプレート
で、２００℃で１０分の熱処理を実施し、樹脂の硬化を
実施し、第二中間層（２８）を形成した。この時の第二
中間層の膜厚（ｄ22）は１μｍで、その時の第二中間層
上の表面の坦性は、０．２５μｍであった。

【００２０】最後に、第二中間層上に、周知の技術であ
る熱フロー法により、高開口率のマイクロレンズを形成
した。この時のマイクロレンズ膜厚は１．２μｍ、マイ
クロレンズ間ギャップは０．３μｍであり、高開口率マ
イクロレンズが形成出来たが、半導体基板内で部分的に
レンズ同士の融着が発生し、良好に形成することが出来
なかった。比較例１で用いた樹脂のうちＴＰ−１０はア
クリル系、ＴＯＣ−１はエポキシ系樹脂であるが、共に
熱リフロー性を有していない。

【００２１】＜比較例２＞比較例２における固体撮像素
子の断面図を図２に示す。実施例１で用いた半導体基板
と同一の半導体基板（１０）上にＪＳＲ（株）製の感光
性樹脂（商品名：ＭＦＲ−３８０Ｈ）を塗布回転数１１
００ｒｐｍによりスピンコートにより塗布し、その後、
ホットプレートにより１００℃で９０秒のプレベークを
実施した。その後、ＵＶ光を用いて、半導体基板全面に
３００ｍＪ／ｃｍ２ 露光量を照射して、感光剤を分解
して透明性を向上させた。さらに、ホットプレートによ
り、この樹脂の熱リフロー温度（１６０℃）より若干低
い温度である１５０℃で１０分の熱処理を行い、第一中
間層（２６）を形成した。この時の第一中間層の膜厚
（ｄ21）は１．５μｍで、その時の第一中間層上の表面
平坦性は、０．３μｍであった。

【００２２】続いて、第一中間層上に顔料分散レジスト
を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルタ（２７）
をフォトリソグラフィ法により形成した。さらに、カラ
ーフィルタ上にＪＳＲ（株）製の感光性樹脂（商品名：
ＭＦＲ−３８０Ｈ）を用いて、塗布回転数２５００ｒｐ
ｍによりスピンコートで塗布を実施し、その後、ホット
プレートで１００℃で９０秒のプレベークを実施した。

【００２３】続いて、ＵＶ光を用いて、半導体基板全面
に３００ｍＪ／ｃｍ２ 露光量を照射した。その後、ホ
ットプレートを用いて、この樹脂の熱リフロー温度より
も若干低い温度である１５０℃で１０分の熱処理を実施
し、樹脂の硬化を実施し、第二中間層（２８）を形成し
た。この時の第二中間層の膜厚（ｄ22）は１μｍで、そ
の時の第二中間層上の表面平坦性は０．１５μｍであっ
た。

【００２４】最後に、第二中間層（２８）上に、周知の
技術である熱フロー法により、高開口率のマイクロレン
ズを形成した。この時のマイクロレンズ膜厚は１．２μ
ｍ、マイクロレンズ間ギャップは０．３μｍであり、高
開口率マイクロレンズが半導体基板内でレンズ同士の枇
着が若干見られ良好に形成することが出来なかった。

【００２５】また、実施例１及び比較例１に用いた樹脂
の塗布膜厚と表面平坦性の関係は図３に示すようなもの
である。すなわち、図３は、図２に示す表面の段差（ｄ
0 ）に相当する約２μｍ程度の段差を有する半導体基板
上に各樹脂を１〜２．５μｍ塗布した際の、各樹脂層上
の表面平坦性を示したものであるが、図３からわかるよ
うに、熱リフロー性を有している樹脂：ＭＦＲ３８０Ｈ
が、熱リフロー性を有していない樹脂：ＴＰ−１０、Ｔ
ＯＣ−１と比べて、半導体基板上の段差を平坦にする効
果が高い。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、第一中間層及び第二中間層を
熱リフロー性を有する樹脂を熱硬化させて形成する固体
撮像素子の製造方法であるので、中間層の膜厚を薄くし
ても、半導体基板上の段差を平坦化することができ、ま
たカラーフィルタによる段差を０．１μｍレベルにまで
平坦化することのできる固体撮像素子の製造方法とな
る。すなわち、第二中間層上の表面平坦性を０．１μｍ
以下、かつ、中間層の膜厚の合計を３μｍ以下に形成出
来、中間層での光の吸収を低減し、受光部に入射する光
の強度を高めた固体撮像素子を得ることができる。

【００２７】また、第一中間層及び第二中間層を形成す
る樹脂をその樹脂が有している熱リフロー温度よりも高
い温度で熱硬化させるので、その樹脂の熱軟化、熱硬化
反応が瞬時に起こり硬化後の中間層上の平坦性が良好に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における固体撮像素子の断面図であ
る。

【図２】従来法、比較例１、及び比較例２における固体
撮像素子の断面図である。

【図３】樹脂の塗布膜厚と表面平坦性の関係を示す説明
図である。

【符号の説明】

１・・・Ｓｉ基板 ２・・・受光部 ３・・・転送電極 ４・・・層間絶縁膜 ５・・・遮光膜 ９・・・マイクロレンズ １０・・・半導体基板 １６、２６・・・第一中間層 １７、２７・・・カラーフィルタ １８、２８・・・第二中間層 ｄ0 ・・・表面の段差 ｄ11、ｄ21・・・第一中間層の膜厚 ｄ21、ｄ22・・・第二中間層の膜厚

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H048 BA02 BA45 BB02 BB10 BB13 BB28 BB46 4M118 AA01 AB01 BA10 CA03 CA40 GC08 GD04 5C024 CX41 CY47 EX43 EX52

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受光部と電荷転送部が形成された半導体基
   板上に、第一中間層、カラーフィルター、第二中間層、
   マイクロレンズが順次積層された固体撮像素子におい
   て、該第一中間層及び第二中間層を熱リフロー性を有す
   る樹脂を熱硬化させて形成することを特徴とする固体撮
   像素子の製造方法。
2. 【請求項２】前記第一中間層及び第二中間層を形成する
   樹脂の熱硬化温度を、その樹脂の熱リフロー温度より高
   くすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の
   製造方法。