JP2006003869A - イメージセンサのマイクロレンズ形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法を提供すること。
【解決手段】 第1マイクロレンズと第2マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、基板50上に第1フォトレジスト膜を塗布するステップと、選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域Aに第1フォトレジストパターンを形成するステップと、第1フォトレジストパターンをフローさせることにより、第1マイクロレンズ55Cを形成するステップと、全面に第2フォトレジスト膜を塗布するステップと、第2フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、第2フォトレジストパターン56Aを形成するステップと、第2フォトレジストパターン56Aをフローさせることにより、第2マイクロレンズを形成するステップとを含む。
【選択図】図4D
【解決手段】 第1マイクロレンズと第2マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、基板50上に第1フォトレジスト膜を塗布するステップと、選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域Aに第1フォトレジストパターンを形成するステップと、第1フォトレジストパターンをフローさせることにより、第1マイクロレンズ55Cを形成するステップと、全面に第2フォトレジスト膜を塗布するステップと、第2フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、第2フォトレジストパターン56Aを形成するステップと、第2フォトレジストパターン56Aをフローさせることにより、第2マイクロレンズを形成するステップとを含む。
【選択図】図4D
Description
本発明は、集光性能に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法に関する。
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り、イメージセンサには、主として、受光部で発生した信号電荷を出力部へ転送するために電荷結合素子(CCD)が用いられるCCDイメージセンサと、受光部で蓄積された信号電荷を変換回路で電圧に変換するために画素毎にCMOSが用いられるCMOSイメージセンサとがある。
このようなイメージセンサに関しては、イメージセンサの光検出感度を向上させるための努力が払われており、その1つに集光技術がある。例えば、CMOSイメージセンサは、光を検出するフォトダイオードと、検出した光を電気信号に変換しデータ化するCMOSロジック回路部とで構成されている。このイメージセンサの光検出感度を向上させるために、イメージセンサ全体の面積に占めるフォトダイオードの面積割合(通常、「Fill Factor」と呼ばれる)を大きくするための努力が払われている。しかし、ロジック回路部を省くことはできないため、限定された面積の下では、その努力に限界がある。したがって、光検出感度を高めるために、フォトダイオード以外の領域に入射する光の経路を変えることにより、入射光をフォトダイオードに集中させる集光技術が採用されている。この集光に用いられるのがマイクロレンズである。
図1は、従来の技術に係るイメージセンサにおける受光部の構成を模式的に示す断面図である。図1に示したように、フォトダイオード11が形成された基板10の上部に単位画素毎に、青色、赤色、緑色などのいずれかのカラーフィルタが配置され、全体でカラーフィルタアレイ(Color Filter Array、以下、「CFA」と記す)13がもうけられている。さらに、その上部にオーバーコート層(Over‐Coating Layer、以下、「OCL」と記す)14が形成されており、OCLの上面には、それぞれのフォトダイオード11に対応する領域に、横断面形状が凸状のマイクロレンズ15が形成されている。
簡潔に図示するために、ゲート電極及び光遮断膜などは示していないが、これらは絶縁膜12の下部におけるフォトダイオード11と重ならない領域に配置されている。
上述の構成を有する従来のイメージセンサは、フォトダイオード11に対応する領域以外の領域に入射する光を屈折させてフォトダイオード11に集光させるようになっている。なお、OCL14は、CFA13の表面を平坦化するための層であり、OCL14を形成することによって、マイクロレンズ15のパターン形成を容易にすることができる。
CFA13を使用すると、光の透過度が低下するので、それに伴って光検出感度が低下する。この光検出感度の低下を補うために、マイクロレンズ15が用いられる。マイクロレンズ15は、フォトレジスト膜を形成し、矩形にパターンニングした後、加熱することにより、パターンニングされたフォトレジスト膜をフローさせ、表面張力により球面体状にする方法を利用して形成することができる。
図1に示したように、従来のイメージセンサの場合には、入射した光のうち、受光する光量を多くするために、有効光検出領域Cを、マイクロレンズ15による集光領域Dまで拡張する方法が採られている。
このように従来は、マイクロレンズ15を凸状に形成し、特にフォトダイオード11の上方で、フォトダイオード11に重なるようにマイクロレンズ15を形成することが重要視されていた。マイクロレンズの利用により、マイクロレンズ15の領域上に入射する光LAを有効光検出領域Cに集光することにより、集光効率を高めることができる。しかし、マイクロレンズ15を相互に密接して配置することができないため、マイクロレンズ15相互間に間隙Eを設ける必要がある。したがって、入射光LBのように、マイクロレンズ15間の間隙E部に入射する光は、光検出に利用されないという短所がある。
図2は、従来の技術に係るマイクロレンズの形成に用いられるマスクを示す平面図である。マイクロレンズを形成するためにフォトレジストをパターンニングする際、現在は、I-ラインのみで、マイクロレンズ用レジストを使用することができる。このことは、図2に示したように、フォトレジストパターンPR間の間隙が0.4μmより大きくなければならないことを意味する。
図3A及び図3Bは、マイクロレンズを形成するフォトレジストパターンPRのフロー処理の際に生じる、フォトレジストの溶融・流動によるパターン相互の一体化現象を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
加熱によりフォトレジストパターンPRに流動性を付与すると、それぞれの方向に約0.1μmずつ広がる。したがって、フォトレジストパターンPR間の間隙は0.2μm以上でなければならない。実験の結果、間隙が約0.2μm以下の場合には、図3A及び図3Bに示したように、隣接するフォトレジストパターンPRが相互に一体化し偏平になるので、凸状のマイクロレンズ15を形成することができない。
一方、フォトレジストパターンPR相互の間隙が約0.2μmより大きい場合には、図1及び図2に示したように、マイクロレンズ15間に間隙Eが残るので、この間隙Eの領域を通過した光を光検出に利用することができない。例えば、デザインルール0.18μmが適用されると、CMOSイメージセンサの場合、マイクロレンズ部のマスクされる部分の大きさを、縦横それぞれ約3.2μmとし、幅約0.2μmの利用されない領域があるとすると、(0.2/2×4×3.2)/(3.2×3.2)、すなわち、約12.5%の光が有効に利用されないことになる。したがって、光検出感度に優れたイメージセンサを得ることが難しい。
本発明は、上記従来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、入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係るイメージセンサのマイクロレンズ形成方法は、それぞれ1つのマイクロレンズを備えた複数の単位画素で構成され、第1マイクロレンズと第2マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、所定の処理が施された基板上に、第1フォトレジスト膜を塗布するステップと、該第1フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域に、第1フォトレジストパターンを形成するステップと、前記第1フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第1マイクロレンズを形成するステップと、前記第1マイクロレンズを含む全面に、第2フォトレジスト膜を塗布するステップと、該第2フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、前記第1マイクロレンズが形成された単位画素領域以外の単位画素領域に、第2フォトレジストパターンを形成するステップと、前記第2フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第2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している。
また、前記目的を達成するため、本発明に係るメージセンサのマイクロレンズ形成方法は、複数の単位画素で構成されたイメージセンサのマイクロレンズを形成する方法において、隣接する単位画素領域を隔てて、次に隣接する単位画素領域のみに、選択的に第1マイクロレンズを形成した後、前記第1マイクロレンズが形成されていない単位画素領域に、選択的に第2マイクロレンズを形成し、前記第1マイクロレンズと前記第2マイクロレンズとの間隙が、実質的に0になるようにすることを特徴としている。
従来の技術の場合には、I-ライン用フォトレジストを用いるので、解像度が0.4μm程度であり、また、フロー処理により凸状のマイクロレンズを形状するための加熱時に、フローの程度が不均一であるため、マイクロレンズ間に一定の間隙を設けなければならないという問題点があった。本発明に係るマイクロレンズの形成方法の場合には、これらの問題点を解消することが可能であり、フォトレジストを十分にフローさせても、隣接するマイクロレンズ(フォトレジスト)同士が融着し一体化することがないという特長がある。
すなわち、単位画素領域に1つおきに第1マイクロレンズを形成し、次に、マスクを利用してパターンニングすることにより、第1マイクロレンズが形成されていない単位画素領域にフォトレジスト膜を形成し、フロー処理などによりマイクロレンズを形成するようになっているので、上記の問題が生じない。
このように、本発明に係るマイクロレンズの形成方法を用いることにより、マイクロレンズ間の間隙をほぼゼロにすることが可能であるので、入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができる。
以下、本発明に係る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4A〜図4Eは、本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。なお、図4A〜図4E示されている符号51はフォトダイオードであり、それぞれの単位画素には、1つのフォトダイオード51が形成されている。
はじめに、図4Aに示したように、所定の下部構造が形成された基板50上に、絶縁膜52、CFA53及びOCL54を順に形成した後、マイクロレンズ形成用フォトレジスト膜(第1フォトレジスト膜)55Aを塗布する。
CFA53は複数の色相のカラーフィルタで構成され、単位画素毎にそれぞれ色相が異なっている。例えば、各単位画素のカラーフィルタは、RBG(赤、青、緑)のうち、いずれかの色相となっている。一方、カラー映像が必要ではない場合には、カラーフィルタ及びカラーフィルタアレイ53を省略することができる。
OCL54は、後に続くマイクロレンズの形成を容易にするために、下地を平坦化する層であり、通常酸化物系の物質が用いられる。
次いで、図4Bに示したように、フォトレジスト膜55Aを選択的にパターンニングすることにより、1つの単位画素である領域Bを隔てて、それぞれ領域Bに隣接する領域A(第1単位画素領域)のみに、フォトレジストパターン(第1フォトレジストパターン)55Bを形成する。ここで、符号AとBは、各々紙面に垂直方向に並ぶ複数の単位画素を示し、複数の単位画素A、Bは、平面的には交互に並ぶように配列されている。
図4Bに示したフォトレジストパターン55Bを形成する際には、図5Aに示したパターンに相当するマスクを利用して、フォトレジスト膜55Aの選択的なエッチングを行う。
次いで、図4Cに示したように、ブリーチング(Bleaching)及び加熱によるフロー処理を行うことにより、フォトレジストパターン55Bをフローさせ、表面張力により凸状のマイクロレンズ(第1マイクロレンズ)55Cを形成する。この際、隣接する単位画素(領域B)との境界まで、マイクロレンズ55Cの端部が広がって形成されるように、マスクパターンのサイズ及びフロー処理の際の条件を制御する。
次いで、マイクロレンズ55Cが形成されていない単位画素領域(領域B:第2単位画素領域)に、マイクロレンズを形成するために、フォトレジスト膜(第2フォトレジスト膜)を全面に塗布する。その後、図4Dに示したように、塗布したフォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、1つの単位画素である領域Aを隔てて隣接する領域Bのみに、フォトレジストパターン(第2フォトレジストパターン)56Aを形成する。
図4Dに示したフォトレジストパターン56Aを形成する際には、図5Bに示したパターンに相当するマスクを利用して、フォトレジスト膜56Aの選択的なエッチングを行う。
次いで、図4Eに示したように、ブリーチング及び加熱によるフロー処理を行うことにより、フォトレジストパターン56Aをフローさせ、表面張力により凸状のマイクロレンズ(第2マイクロレンズ)56Bを形成する。この際、隣接する単位画素(領域A)との境界まで、マイクロレンズ56Bの端部が広がるように、マスクパターンのサイズ及びフロー処理条件を制御する。
この場合、領域Aに形成されているマイクロレンズ55Cは、既に硬化しているため、領域Bにマイクロレンズ56Bを形成する際に、たとえ相互に接触したとしても、両者が一体化されることがない。
上記のようなマイクロレンズの形成方法により、領域Aにおけるマイクロレンズ55Cと領域Bにおけるマイクロレンズ56Bとの間に間隙を設けることなく、マイクロレンズ55C及び56Bを形成することができる。
図5A及び図5Bは、マイクロレンズ形成用のマスクパターンを示す平面図である。図5Aにおいて、領域Aはマスクされていない部分である。したがって、ポジティブフォトリソグラフィ法の場合には、図4Bに示したように、領域Aでは、フォトレジストパターン55Bが残っており、領域Bでは、フォトレジスト膜55Aが除去されている。
また、図5Bにおいて、領域Bはマスクされていない部分である。したがって、ポジティブフォトリソグラフィ法の場合には、図4Dに示したように、領域Bでは、フォトレジストパターン56Aが残っており、領域Aでは、フォトレジスト膜が除去されている。
図6A及び図6Bは、実施の形態に係るマイクロレンズ形成方法によって得られたマイクロレンズを示す平面SEM写真である。これらの写真のうち、図6Aは、図4Cに示した段階に対応する写真であり、領域A(上下及び左右の領域)のみにマイクロレンズが形成されている。図6Aから、マイクロレンズの端部が、隣接する単位画素領域(領域B)との境界まで広がっていることが分かる。
図6Bは、領域B(中央部及び四隅の領域)のみに、マイクロレンズが形成された状態を示す写真である(この写真は、図6Aの写真の位置をずらしたものです。本来、領域Aと領域Bとにマイクロレンズが形成された状態を示すべきですが、なぜこのような写真を選んだのか分かりません)。図6Bから、領域Bのマイクロレンズが、隣接する単位画素領域(領域A)との境界まで広がっていることが分かる。
したがって、第1のマスクパターン(図5A参照)を利用してマイクロレンズを形成した後に、第2のマスクパターン(図5B参照)を利用して形成されるマイクロレンズは、空いた領域にほぼ正確に形成される。この処理の際に制御する主な調整事項は、一般的なフォトリソグラフィ法の場合と同様であり、0.05μm以内の精度で管理可能である。
また、上記の実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法による場合、変動要因を考慮することにより、マイクロレンズ同士の重なりを最低限に抑えることが可能であるので、マイクロレンズ間の間隙をほぼゼロにすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、従来の問題点であるマイクロレンズ間の間隙を小さくした場合に発生する、隣接するマイクロレンズ同士の融着による一体化現象を防止することができる。そのために、従来のマイクロレンズの形成方法の場合に避けることができない、マイクロレンズ間の間隙に起因する光検出効率の低下を防止することができる。その結果、光検出効率を約12.5%向上させることが可能である。
なお、本発明は、上記の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。
50 基板
51 フォトダイオード
52 絶縁膜
53 カラーフィルタアレイ(CFA)
54 オーバーコート層(OCL)
55A フォトレジスト膜
55B、56A フォトレジストパターン
55C、56B マイクロレンズ
51 フォトダイオード
52 絶縁膜
53 カラーフィルタアレイ(CFA)
54 オーバーコート層(OCL)
55A フォトレジスト膜
55B、56A フォトレジストパターン
55C、56B マイクロレンズ
Claims (9)
- それぞれ1つのマイクロレンズを備えた複数の単位画素で構成され、第1マイクロレンズと第2マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、
所定の処理が施された基板上に、第1フォトレジスト膜を塗布するステップと、
該第1フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域に、第1フォトレジストパターンを形成するステップと、
前記第1フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第1マイクロレンズを形成するステップと、
前記第1マイクロレンズを含む全面に、第2フォトレジスト膜を塗布するステップと、
該第2フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、前記第1マイクロレンズが形成された単位画素領域以外の単位画素領域に、第2フォトレジストパターンを形成するステップと、
前記第2フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第2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マイクロレンズ形成方法。 - 複数の前記第1マイクロレンズを、それぞれ第1単位画素領域及び第3単位画素領域に各々形成し、
複数の前記第2マイクロレンズを、それぞれ前記第1単位画素領域及び前記第3単位画素領域によって挟まれた第2単位画素領域に形成することを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズ形成方法。 - 前記第1フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
前記第1フォトレジスト膜のうち、前記第2単位画素領域に位置する前記第1フォトレジスト膜を露出させ、前記第1単位画素領域及び前記第3単位画素領域に位置する前記第1フォトレジスト膜を覆うマスクパターンを用いることにより、パターンニング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のマイクロレンズ形成方法。 - 前記第2フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
前記第2フォトレジスト膜のうち、前記第1単位画素領域及び前記第3単位画素領域に位置する前記第2フォトレジスト膜を露出させ、前記第2単位画素領域に位置する前記第2フォトレジスト膜を覆うマスクパターンを用いることにより、パターンニング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のマイクロレンズ形成方法。 - 前記第1マイクロレンズの間に位置する前記第2単位画素領域に、前記第1マイクロレンズに接して、前記第2マイクロレンズを形成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のマイクロレンズ形成方法。
- 前記第1マイクロレンズを形成するステップ及び前記第2マイクロレンズを形成するステップにおいて、
加熱処理を行うことにより、前記第1フォトレジストパターン又は前記第2フォトレジストパターンをフローさせることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。 - 前記第1マイクロレンズ及び前記第2マイクロレンズの形状が、凸形であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかの項に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
- 複数の単位画素で構成されたイメージセンサのマイクロレンズを形成する方法において、
隣接する単位画素領域を隔てて、次に隣接する単位画素領域のみに、選択的に第1マイクロレンズを形成した後、
前記第1マイクロレンズが形成されていない単位画素領域に、選択的に第2マイクロレンズを形成し、
前記第1マイクロレンズと前記第2マイクロレンズとの間隙が、実質的に0になるようにすることを特徴とするイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。 - 前記第1マイクロレンズ及び前記第2マイクロレンズを形成する際に、加熱しフローさせる処理を施すことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
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