JP2007067337A - マイクロレンズアレイの製造方法、及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光を効率良く集光できるレンズアレイを再現性よく安定して形成可能なマイクロレンズアレイの製造方法、及び高い受光感度を有する固体撮像素子を実現することができる固体撮像素子製造方法を提供する。
【解決手段】 基板１上にレンズ材膜１１を形成し、当該レンズ材膜１１上面の各レンズ形成位置に凹部１４を形成する。次いで、当該凹部１４のそれぞれに、レンズに対応するパターン１６を形成し、当該パターン１６を、リフローによりレンズ形状を有するパターン１７に変形する。そして、レンズ形状を有するパターン１７とともにレンズ材膜１１のエッチングを行いレンズ材膜１１に前記凸レンズ形状を転写する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マイクロレンズアレイの製造方法、及び固体撮像素子の製造方法に関する。

近年、固体撮像素子を含めた光学系ユニットの軽薄短小化の市場ニーズが高く、これに伴って、固体撮像素子の画素微細化の要求が強まっている。従来から、固体撮像素子では、受光部に入射光を集光するオンチップレンズが受光部上の最表面に設けられているが、画素の微細化に伴って、オンチップレンズのみでは十分な受光感度を得ることが困難になっている。このため、受光部とオンチップレンズとの間にさらにレンズ（以下、層内レンズという。）を形成する構成が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような層内レンズの一例として、転送電極等による段差を平坦化した平坦化膜上に上面側に凸面を有するレンズ体が配設される、層内凸レンズがある。図５は、層内凸レンズを備えた従来の固体撮像素子の断面構造を示す断面図である。なお、図５では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置の受光部近傍の断面を示している。

図５に示すように、本固体撮像素子は、半導体基板１の表面部に形成されたフォトダイオードからなる受光部２上に、平坦化膜１１を介して設けられた層内レンズ１９と、当該層内レンズ１９上に、平坦化膜２１、カラーフィルタ２２、及び平坦化膜２３を介して設けられたオンチップレンズ２４とを備えている。当該構成によれば、オンチップレンズ２４で集光された光は、さらに層内レンズ１９により集光されて受光部に入射する。このため、入射光を受光部に効率良く集光させることができ、受光感度の高い固体撮像素子を実現することができる。

図６及び図７は、このような、層内レンズ１９を備えた固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。

図６（ａ）に示すように、半導体基板１の表面部に、フォトダイオードからなる受光部２、電荷転送部３、及び電荷転送部３と逆導電型のチャネルストップ領域４がイオン注入法等により形成される。次いで、酸化シリコン膜等からなるゲート絶縁膜５が半導体基板１の表面に形成され、当該ゲート絶縁膜５上に、リン等が添加された多結晶シリコン等から成る転送電極６が形成される。この後、転送電極６の表面の一部が熱酸化されて層間絶縁膜７が形成された後、全面を被覆する層間絶縁膜８が形成される。

層間絶縁膜８上に、例えば、高融点金属膜等からなる金属膜が形成され、当該金属膜にフォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより、受光部２以外の領域を被覆する遮光膜９が形成される。この後、全面に、例えば、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho-Silicate Glass）膜等からなる平坦化膜１０が形成される。

続いて、図６（ｂ）に示すように、平坦化膜１０上に、層内レンズの構成材料であるレンズ材膜１１が成膜される。また、当該レンズ材膜１１上には、図６（ｃ）に示すように、レジスト膜１２が形成される。そして、当該レジスト膜１２に対してフォトリソグラフィが行われることにより、図７（ａ）に示すように、レンズ形成位置を被覆するレジストパターン１６が形成される。

このようにして形成されたレジストパターン１６に対して、例えば、１５０〜２００℃の熱処理によりリフローが実施され、図７（ｂ）に示すように、レンズ形状化したレジストパターン１７が形成される。そして、当該レジストパターン１７とレンズ材膜１１とが同等のエッチング速度でエッチングされる条件でドライエッチングを行うことにより、レンズ材膜１１にレジストパターン１７の形状が転写され、図７（ｃ）に示すように、層内レンズ１９が所定の間隔で配設されたレンズアレイ２０が形成される。

以降、レンズアレイ２０を被覆するアクリル樹脂等からなる平坦化膜２１、カラーフィルタ２２、及びアクリル樹脂等からなる平坦化膜２３が順に成膜され、最上面にオンチップレンズ２４が形成されることにより、図５に示す層内レンズを備えた固体撮像素子が完成する。
特願２００２−４７９２５号公報

上述のように、層内レンズ１９の形状は、リフローにより形成されるレンズ形状化されたレジストパターン１７の形状により決定される。当該リフロー工程では、レジストパターン１６のボトムエッジが加熱流動により拡張するため、フォトリソグラフィにより形成されるレジストパターン１６は、当該拡張による寸法変動量が加味された形状に設計されている。しかしながら、従来の層内レンズ１９の製造工程では、以下のような問題が生じる。図８及び図９は、従来の製造工程で生じる不具合を説明する図である。ここで、図８及び図９に示す各製造工程は、図７に示した各工程に対応している。なお、図８は、隣接するレジストパターン１６の間隔（以下、ギャップという。）に加味された上記寸法変動量の大きさが過大であった状態を示している。また、図９は、隣接するレジストパターン１６のギャップに加味された上記寸法変動量の大きさが過小であった状態を示している。

図８（ａ）に示すように、レジストパターン１６のギャップＷ１が過大であった場合、図８（ｂ）に示すように、当該レジストパターン１６をリフローすることにより形成されるレンズ形状化したレジストパターン１７のギャップＷ２も大きくなる。このため、図８（ｃ）に示すように、当該レジストパターン１７の形状を転写することにより形成される層内レンズ１９のギャップＷ３も大きくなる。

ギャップＷ３の領域は集光作用を有していないため、当該領域を通過する光は受光部２に到達することができない。このため、ギャップＷ３が大きく形成されたレンズアレイ２０では、オンチップレンズ２４により集光された入射光の内、当該ギャップＷ３の領域を通過して受光部２に到達しない光が増大することになる。すなわち、層内レンズ１９の間に集光に寄与しない無効領域が大きく形成されることになる。

また、図９（ａ）に示すように、レジストパターン１６のギャップＷ１が過小であった場合、当該レジストパターン１６をリフローすることにより形成されるレンズ形状化したレジストパターン１７のギャップＷ２も小さくなる。なお、図９（ｂ）は、ギャップＷ２が小さすぎたため、隣接するレジストパターン１７の端部が連結された状態になっている。このような状態のレジストパターン１７の形状を転写することにより形成される層内レンズ１９のギャップＷ３も当然小さくなり、図９（ｃ）に示すように、層内レンズ１９の端部が連結された状態になる。このようにして形成された層内レンズ１９は、その端部において、集光能力のあるレンズ形状を得ることができておらず、層内レンズ１９の端部を通った光は受光部２に集光されない。したがって、この場合においても、オンチップレンズ２４により集光された光の内、受光部２に集光されない光が増加することになり、層内レンズ１９の間に集光に寄与しない無効領域が大きく形成されることになる。

入射光を効率的に利用するという観点では、このような層内レンズ１９間に形成される無効領域を極力減少させる必要がある。しかしながら、リフロー工程において生じるレジストパターン１６のボトムエッジの熱流動量は、レジストパターン１６の下層に存在する平坦化膜１１の表面状態にも依存して変動するため、上記従来の製造工程において、層内レンズ１９端部の形状を厳密に管理することは非常に困難であり、当該形状を再現性良く形成することができなかった。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、入射光を効率良く集光できるレンズアレイを再現性よく安定して形成可能なマイクロレンズアレイの製造方法、及び高い受光感度を有する固体撮像素子を実現することができる固体撮像素子製造方法を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法は、まず、基板上にレンズ材膜を形成し、当該レンズ材膜上面の各レンズ形成位置に凹部を形成する。次いで、当該凹部のそれぞれに、レンズに対応するパターンを形成し、当該パターンを、リフローにより凸レンズ形状を有するパターンに変形する。そして、凸レンズ形状を有するパターンとともにレンズ材膜のエッチングを行いレンズ材膜に前記凸レンズ形状を転写する構成である。

上記凹部は、例えば、レンズ材膜上に、レンズ形成位置に開口を有するエッチングマスクを形成し、当該エッチングマスクを介して、レンズ材膜を等方性エッチングすることで形成することができる。

また、上記凹部に形成されるレンズに対応するパターンは、レジスト等の高分子有機化合物により形成すればよい。なお、レンズ材膜には、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成されたシリコン窒化膜等の無機材料を採用することができる。

一方、他の観点では、本発明は、上記マイクロレンズアレイの製造方法を含む固体撮像装置の製造方法を提供することができる。

本発明によれば、所望のレンズ間ギャップを有するマイクロレンズアレイを再現性よく実現することができ、入射光の集光に寄与しない無効領域を低減したマイクロレンズアレイを安定して製造することができる。また、当該製造方法を用いることにより、高い受光感度を有する固体撮像素子を製造することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの製造方法を固体撮像素子の製造に適用した事例に基づいて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１から図４は、本実施形態の製造工程を示す工程断面図である。本実施形態により形成される固体撮像素子の構造は、図５に示した断面構造と同一であり、同一の部位には同一の符号を付している。

図１（ａ）に示すように、本実施形態において、上部にマイクロレンズアレイが形成される半導体基板１には、従来と同様に、半導体基板１の表面部に、フォトダイオードからなる受光部２、電荷転送部３、及び電荷転送部３と逆導電型のチャネルストップ領域４がイオン注入法等により形成される。次いで、酸化シリコン膜等からなるゲート絶縁膜５が半導体基板１の表面に形成され、当該ゲート絶縁膜５上に、リン等が添加された多結晶シリコン等から成る転送電極６が形成される。この後、転送電極６の表面の一部が熱酸化されて層間絶縁膜７が形成された後、全面を被覆する層間絶縁膜８が形成される。当該層間絶縁膜８は、転送電極６と後述の遮光膜９との絶縁性を、熱酸化膜７との冗長構成によって強化確保するために設けている。

その後、層間絶縁膜上８に、遮光性を有する程度の膜厚を有する金属膜が形成される。そして、当該金属膜に対してフォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより、受光部２以外の領域を被覆する遮光膜９が形成される。この後、全面に、例えばＢＰＳＧ膜やＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜等からなる絶縁膜が成膜され、転送電極６等により構成された半導体基板１表面の段差を被覆するとともに、その表面が平坦化された平坦化膜１０が形成される。

なお、上記遮光膜９の材料は、当該平坦化膜１０の形成法に応じて適宜選択される。例えば、平坦化膜１０として、平坦化のために８５０℃程度の高温リフローが行われるＢＰＳＧ膜等のリフロー膜を採用する場合、遮光膜９の材料には、タングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属が使用される。一方、平坦化膜１０として、段差被覆性の高いＴＥＯＳ膜等を比較的低温のＣＶＤ法により成膜するＣＶＤ膜を採用する場合、遮光膜９の材質には、アルミニウム膜またはアルミニウム合金膜等が使用される。

なお、本実施形態では平面構造を図示していないが、ＣＣＤ型の固体撮像素子は、公知のように、画素に対応して多数の受光部２がマトリクス状に配置されており、各受光部列の一側にそれぞれＣＣＤ転送チャネルを有して成る垂直転送レジスタが配設されている。

次に、図１（ｂ）に示すように、平坦化膜１０上に、レンズ材膜１１が成膜される。レンズ材膜としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を用いることができる。このとき、レンズ材膜１１は、所望の層内レンズの高さに応じて、１．０〜２．０μｍ程度の膜厚に成膜される。

その後、図１（ｃ）に示すように、レンズ材膜１１上にフォトレジスト膜１２が形成される。そして、当該フォトレジスト膜１２に対してフォトリソグラフィを行うことにより、図２（ａ）に示すように、層内レンズの形成位置に１．０〜１．５μｍ程度の開口を有するレジストパターン１３が形成される。当該レジストパターン１３の繰り返しピッチは、画素の繰り返しピッチと同一であり、通常、２．０〜３．０μｍである。

続いて、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン１３をエッチングマスクとしてレンズ材膜１１の等方性エッチングが行われ、レンズ材膜１１の表面に凹部１４が形成される。図面では、ウェットエッチングによりエッチングされた状態を示している。このとき、隣接する凹部１４の間には、レンズ間ギャップパターン１５が形成される。当該レンズ間ギャップパターン１５は、以降の工程により、層内レンズ１９のギャップとしてレンズ材膜１１に転写される。なお、レンズ間ギャップパターン１５の幅は、画素の繰り返しピッチ２．０〜３．０μｍのＣＣＤ型固体撮像素子では、光学的設計から０．４〜０．６μｍ程度であることが好ましい。この場合、レジストパターン１３の開口部直下での、レンズ材膜１１のエッチング深さは、０．３〜０．５μｍ程度とすればよい。

また、上記等方性エッチングは、レジストパターン１３とレンズ材膜１１との選択比が１程度であるドライエッチングによるレジスト後退法により行うこともできる。この場合、図２（ｂ）とは異なり、エッチング中にレジストパターン１３の開口部が徐々に両側に広がり、エッチング完了時にレンズ間ギャップパターン１５上のみにレジストパターン１３が残留する。したがって、このようなエッチング中のレジストの後退寸法、及びレジストの薄化寸法を加味して、レジストパターン１３の形状を設計することにより、所望のレンズ間ギャップ１５を形成することができる。なお、上記等方性エッチングが完了すると、レジストパターン１３がアッシング処理や有機洗浄等により除去される（図２（ｃ））。

以上のようにして形成された各凹部１４には、図３（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、以下で形成する層内レンズに応じたレジストパターン１６が１．０〜１．５μｍの厚さで形成される。そして、当該レジストパターン１６を、例えば、１５０〜２００℃の熱処理によりリフローすることで、図２（ｂ）に示すように、凸レンズ形状化したレジストパターン１７が形成される。

当該リフローの際、上述したように、レジストパターン１６のボトムエッジが加熱流動により拡張する。しかしながら、本実施形態では、図３（ａ）から理解できるように、レンズ間ギャップパターン１５がレジストパターン１６のボトムエッジより上部に位置している。このため、ボトムエッジの拡張に抗して重力が作用することになり、加熱流動するレジストはレンズ間ギャップパターン１５により堰き止められる。すなわち、本実施形態によれば、レジストパターン１６のボトムエッジの拡張が抑制され、結果として、隣接するレジストパターン１７が互いに連結することが防止される。

さらに、本実施形態では、レジストパターン１６のギャップＷ１が狭く形成されていた場合でも、上述の理由により、レジストパターン１７のギャップＷ２を確保することができるため、従来のように、レジストパターン１６のギャップＷ１を厳密に管理する必要がない。したがって、レジストパターン１６のギャップＷ１を予め狭く設計しておくことで、レジストパターン１７のギャップＷ２が広くなることも防止できる。

以上のように、本実施形態によれば、レンズ間ギャップパターン１５により、凸レンズ形状化したレジストパターン１７のギャップＷ２を再現性良く確保することができ、
以降、レジストパターン１７とレンズ材膜１１とが同等のエッチング速度でエッチングされる条件でドライエッチングを行うことにより、レンズ材膜１１にレジストパターン１７の形状が転写され、図３（ｃ）に示すように、層内レンズ１９が所定の間隔で配設されたレンズアレイ２０が形成される。このとき、層内レンズ１９のギャップＷ３は、上述のレンズ間ギャップパターン１５により規定されているため、層内レンズ１９間に形成される無効領域は最小限に抑制されている。

この後、図４（ａ）に示すように、レンズアレイ２０を被覆するアクリル樹脂等からなる平坦化膜２１が形成された後、当該平坦化膜２１上に、カラーフィルタ２２、及びアクリル樹脂等からなる平坦化膜２３、及びオンチップレンズ２４が形成され、固体撮像素子が完成する（図４（ｂ））。

以上説明したように、本発明によれば、入射光を効率良く集光することができるマイクロレンズアレイを、極めて再現性良く、安定して形成することができる。また、当該マイクロレンズアレイを、固体撮像素子の受光部上に層内レンズとして配置することで、オンチップレンズで集光した光をさらに層内レンズにより集光させて受光部に極めて効率良く入射させることができる。このため、高い受光感度を有する固体撮像素子を安定して得ることができる。

なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、本発明をＣＣＤ型固体撮像素子に適用した事例を説明したが、ＭＯＳ型の固体撮像素子等の他の構成の固体撮像素子においても適用することが可能である。また、また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、上記各工程に採用したプロセスは、他の等価なプロセスに置換することができる。

本発明は、入射光を効率良く集光できるマイクロレンズアレイを安定して製造することができ、高受光感度の固体撮像素子を製造する方法等として有用である。

本発明の一実施形態を示す工程断面図 本発明の一実施形態を示す工程断面図 本発明の一実施形態を示す工程断面図 本発明の一実施形態を示す工程断面図 固体撮像素子の断面図 従来の製造方法を示す工程断面図 従来の製造方法を示す工程断面図 従来の製造方法の不具合を示す工程断面図 従来の製造方法の不具合を示す工程断面図

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光部
３ 電荷転送部
４ チャネルストップ領域
５ ゲート絶縁膜
６ 転送電極
７ 熱酸化膜
８ 層間絶縁膜
９ 遮光膜
１０ 平坦化膜
１１ レンズ材膜
１２ フォトレジスト膜
１３ レジストパターン（エッチングマスク）
１４ 凹部
１５ レンズ間ギャップパターン
１６ レンズパターン
１７ 凸レンズ形状化したレジストパターン
１９ 層内レンズ
２０ マイクロレンズアレイ
２１ 平坦化膜
２２ カラーフィルタ
２３ 平坦化膜
２４ オンチップレンズ

Claims (7)

1. 基板上に、アレイ状にレンズが配置されたマイクロレンズアレイの製造方法において、
   基板上にレンズ材膜を形成する工程と、
   前記レンズ材膜上面の各レンズ形成位置に凹部を形成する工程と、
   前記凹部のそれぞれに、レンズに対応するパターンを形成する工程と、
   前記パターンを、リフローにより凸レンズ形状を有するパターンに変形する工程と、
   前記凸レンズ形状を有するパターンとともに前記レンズ材膜のエッチングを行いレンズ材膜に前記凸レンズ形状を転写する工程と、
   を有することを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
2. 前記凹部を形成する工程が、
   前記レンズ材膜上に、レンズ形成位置に開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、
   前記エッチングマスクを介して、前記レンズ材膜を等方性エッチングする工程と、
   を有する請求項１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
3. 前記レンズに対応するパターンが、フォトレジストパターンからなる請求項１または２記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
4. レンズ材膜が無機材料からなる膜である請求項１または２記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
5. レンズ材膜がシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜である請求項１または２記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
6. 各画素の受光部上に光の入射面側が凸面とされた層内レンズを有する固体撮像素子の製造方法において、
   前記受光部が形成された半導体基板上に、平坦化膜を形成する工程と、
   前記平坦化膜上に層内レンズのレンズ材膜を形成する工程と、
   前記レンズ材膜上面の各レンズ形成位置に凹部を形成する工程と、
   前記凹部のそれぞれに、レンズに対応するパターンを形成する工程と、
   前記パターンを、リフローにより凸レンズ形状を有するパターンに変形する工程と、
   前記凸レンズ形状を有するパターンとともに前記レンズ材膜のエッチングを行いレンズ材膜に前記凸レンズ形状を転写する工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
7. 前記凹部を形成する工程が、
   前記レンズ材膜上に、レンズ形成位置に開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、
   前記エッチングマスクを介して、前記レンズ材膜を等方性エッチングする工程と、
   を有する請求項６記載の固体撮像素子の製造方法。
   
   

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