JP2007128966A - 固体撮像素子の製造方法、及びこれを用いて製造した固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な製造工程でありながら、レンズ形状の曲率を正確に制御可能とする固体撮像素子の製造方法、及びこれを用いて製造した固体撮像素子を提供する。
【解決手段】受光部の上方に第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層２０を形成するステップと、レンズ形成層２０に各マイクロレンズの位置を囲んで断面矩形の溝２２を形成するステップと、レンズ形成層２０上の溝２２に囲まれた各凸部表面２０ａに、第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層２４をそれぞれ形成するステップと、レンズ形成層２０およびコート層２４に対し、該コート層２４を軟化流動させ且つレンズ形成層２０を溶融させない温度に加熱するリフロー処理を施し、コート層２４の少なくとも一部を該コート層２４の周囲の溝２２内にそれぞれ流入させてレンズ形状を形成するステップと、を有してマイクロレンズを形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法、及びこれを用いて製造した固体撮像素子に関する。

近年、固体撮像素子の多画素化と小型化の要求が特に高まり、画素サイズの縮小が余儀なくされている。画素サイズの縮小に伴う光電変換素子への光入射量の減少による感度低下を防ぐため、マイクロレンズにより入射光の集光率を高めることが行われている。しかし、隣接するマイクロレンズ間のギャップが光の無効域として存在するために、このギャップをなくしたギャップレスのマイクロレンズが出現してきた。
上記のギャップレスのマイクロレンズは、例えば次のようにして形成することができる。図８に示すように、まず、カラーフィルタ５１表面の平坦化層５３の上に、レンズ材層５５と樹脂材（レジスト）層５７を形成する（ａ）。そして、各マイクロレンズに対応するレンズパターンをレジストパターンで形成し（ｂ）、リフロー処理してレジスト層５７を軟化・溶融させてレンズ形状とした後（ｃ）、エッチング処理によるエッチバック（ｄ）でレンズ材層５５にレンズ形状を転写する（ｅ）。これにより、ギャップレスのマイクロレンズが形成される。
また、マイクロレンズの形状を制御する技術として、特許文献１記載の方法がある。この方法により形成されるマイクロレンズ６０は、凸レンズの曲率をレジスト層に形成する開口部の寸法で制御しており、マイクロレンズの配列方向（垂直方向・水平方向）に対してギャップレスとなるマイクロレンズを形成することが可能である。
特開平８−２８８４８１号公報

しかしながら、ギャップレスのマイクロレンズ６０を形成する際に特許文献１記載の方法を用いると、レンズ形状をレジストの開口部の寸法とエッチング処理によって間接的に設定するので、レジスト層のパターニングが複雑化する。そして、レジスト層に形成する開口部の寸法が規定値からずれると、そのずれに応じてレンズ形状が変化してしまう不利がある。したがって、精密なパターニングが必要となり、工程管理が厳しくなって、歩留まりの低下や製造コストの増大等の問題が生じる。また、マイクロレンズの作成工程がリフロー処理とエッチング処理との二段階で行われるため、製造工程が煩雑となる。このため、更なる改善が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な製造工程でありながら、レンズ形状の曲率を正確に制御可能とする固体撮像素子の製造方法、及びこれを用いて製造した固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）受光部を有する画素が縦横に複数配設され、これら画素の受光部それぞれにマイクロレンズが形成された固体撮像素子の製造方法であって、前記受光部の上方に第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層を形成するステップと、前記レンズ形成層に前記各マイクロレンズの位置を囲んで断面矩形の溝を形成するステップと、前記レンズ形成層上の前記溝に囲まれた各凸部表面に、前記第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層をそれぞれ形成するステップと、前記レンズ形成層および前記コート層に対し、該コート層を軟化流動させ且つ前記レンズ形成層を溶融させない温度に加熱するリフロー処理を施し、前記コート層の少なくとも一部を該コート層の周囲の溝内にそれぞれ流入させてレンズ形状を形成するステップと、を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、まず、受光部の上方に第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層を形成し、このレンズ形成層に前記各マイクロレンズの位置を囲んで断面矩形の溝を形成して、このレンズ形成層上の溝に囲まれた各凸部表面に、第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層をそれぞれ形成する。そして、レンズ形成層および前記コート層に対し、該コート層を軟化流動させ且つレンズ形成層を溶融させない温度に加熱するリフロー処理を施し、コート層の少なくとも一部を該コート層の周囲の溝内にそれぞれ流入させてレンズ形状を形成する。これにより、簡単な製造工程でありながら、レンズ形状の曲率を自在にかつ正確に設定することができる。

（２）前記溝の溝幅、溝深さの少なくともいずれかを変更して前記レンズ形状の曲率を設定することを特徴とする（１）記載の固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、溝の溝幅、溝深さの少なくともいずれをパラメータとして、長さを調節することで、所望のレンズ形状の曲率を簡単にして形成することができる。

（３）前記溝深さが、前記コート層となるレジストの塗布厚を用いて設定されるものであることを特徴とする（２）記載の固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、コート層となるレジストの塗布厚を調整することで、溝の深さを簡単にして任意に設定することができる。
（４）前記画素部がカラーフィルタを有し、該カラーフィルタの表面に形成される平坦化層を前記レンズ形成層として用いることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、カラーフィルタの表面に形成される平坦化層がレンズ形成層となることで、別途にレンズ形成層を設ける必要なく、効率的にレンズを形成できる。

（５）受光部を有する画素が縦横に複数配設され、これら画素の受光部それぞれにマイクロレンズが形成された固体撮像素子であって、前記受光部の上方に形成された第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層と、前記レンズ形成層上に縦横に形成された断面矩形の溝と、前記レンズ形成層上の前記溝に囲まれた各凸部表面および前記溝を覆うとともに前記第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層とを備え、前記コート層の外表面が、軟化流動によって前記溝内に流入したことによる凸状の曲面を有して凸レンズを構成していることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、受光部の上方に形成された第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層と、レンズ形成層上に縦横に形成された断面矩形の溝と、レンズ形成層上の溝に囲まれた各凸部表面および溝を覆うとともに第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層とを備え、コート層の外表面が、軟化流動によって溝内に流入したことによる凸状の曲面を有して凸レンズが構成される。

（６）前記第１のレンズ形成材料が、透明樹脂材料であることを特徴とする（５）記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、第１のレンズ形成材料が透明樹脂材料で形成される。

（７）前記第２のレンズ形成材料が、透明樹脂材料であることを特徴とする（５）又は（６）記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、第２のレンズ形成材料が透明樹脂材料で形成される。

本発明によれば、インラインで所望のレンズ形状を確実に得るためのプロセス管理に適したマイクロレンズの製造方法及びこれを用いて製造した固体撮像素子を提供できる。

以下、本発明に係る固体撮像素子の製造方法及びこれを用いて製造した固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の固体撮像素子の構造を説明する。図１は本発明に係る固体撮像素子の平面模式図、図２は図１に示す固体撮像素子の画素部の拡大平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１〜図３に示す固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１０の表面部に光電変換素子であるフォトダイオード１３が多数形成され、各フォトダイオード１３で発生した信号電荷を列方向（図１中のＹ方向）に転送するための電荷転送部が、列方向に配設された複数のフォトダイオード１３からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。

電荷転送部は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１０の表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル１５と、電荷転送チャネル１５の上層に形成された２層電極構造の電荷転送電極１７（第１の電極１７ａ、第２の電極１７ｂ）と、フォトダイオード１３で発生した電荷を電荷転送チャネル１５に読み出すための電荷読み出し領域１４（図１参照）とを含む。電荷転送電極１７は、行方向に配設された複数のフォトダイオード１３からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図１中のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている（図２参照）。電荷転送電極１７は単層電極構造であっても良い。

図３に示すように、シリコン基板１０の表面部にはｐウェル層１９が形成され、ｐウェル層１９の表面の一部にはｐ領域２１ａが形成され、ｐ領域２１ａの下にはｎ領域２１ｂが形成されている。また、ｐ領域２１ａとｎ領域２１ｂがフォトダイオード１３を構成し、フォトダイオード１３で発生した信号電荷は、ｎ領域２１ｂに蓄積される。

ｐ領域２１ａの図中左側には、それぞれ少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル１５が形成される。ｎ領域２１ｂと電荷転送チャネル１５（図３の左側）の間のｐウェル層１９には前述の電荷読み出し領域１４が形成される。

シリコン基板１０の表面にはゲート酸化膜１６が形成され、電荷読み出し領域１４と電荷転送チャネル１５の上には、ゲート酸化膜１６を介して、第１の電極１７ａと第２の電極１７ｂが形成される。第１の電極１７ａと第２の電極１７ｂの間は図示しない絶縁膜によって絶縁される。垂直転送チャネル１５の図３における左側にはｐ^＋領域からなるチャネルストップ２３が設けられ、隣接するフォトダイオード１３との分離が図られる。

電荷転送電極１７の上方には遮光膜２５が形成され、遮光膜２５にはフォトダイオード１３に入射する光の範囲を制限する開口部２７が形成される。そして、遮光膜２５の上には平坦化層２９が形成される。この平坦化層２９の内部には、各フォトダイオード１３の開口部２７に光を集光するための図示しない層内レンズが形成される。
平坦化層２９の上には、緑色の光を透過するカラーフィルタ３５Ｇと、青色の光を透過するカラーフィルタ３５Ｂと、赤色の光を透過するカラーフィルタとが形成される。

各カラーフィルタ３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂの上には、絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層３７が形成され、その上に、各フォトダイオード１３の開口部２７に光を集光するためのマイクロレンズ３９が形成される。本発明は、このマイクロレンズ３９の製造方法に特徴を有していており、これら平坦化層３７とマイクロレンズ３９についての詳細は後述する。

上記構成の本実施形態の固体撮像素子１００によれば、フォトダイオード１３で発生した信号電荷がｎ領域２１ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル１５によって列方向に転送され、転送された信号電荷が水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４０によって行方向（図１中のＸ方向）に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号がアンプ４１から出力される。

そして、本実施形態の固体撮像素子１００は、フォトダイオード１３と、その上方に配置されるマイクロレンズ３９等とを備えた画素部を多数有する画素領域４３（図１参照）を形成している。

次に、本発明に係るマイクロレンズの製造方法の基本原理について説明する。
図４はマイクロレンズ製造方法の基本プロセスを概念的に示した説明図である。
マイクロレンズを形成するにあたっては、まず、図４（ａ）に示すように、第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層２０に、マイクロレンズを形成する位置を囲んで断面矩形の溝２２を形成する。溝２２は、レンズ形成層２０の表面上で縦横に形成する他、個々のマイクロレンズ位置に個別に環状に形成してもよい。次に、レンズ形成層２０上の溝２２に囲まれた各凸部表面２０ａに、第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層２４をそれぞれ形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、レンズ形成層２０およびコート層２４に対し、このコート層２４を軟化流動させ且つレンズ形成層２０を溶融させない温度に加熱するリフロー処理を施し、コート層２４の少なくとも一部をコート層２４の周囲の溝２２内にそれぞれ流入させる。これにより、コート層２４が溝２２と凸部表面２０ａの形状に沿って、上に凸となるレンズ形状を形成する。

ここで、レンズ形成層２０の材料である第１のレンズ形成材料は、透明樹脂の他、ガラス、透明セラミックス等を用いることができる。また、コート層２４の材料である第２のレンズ形成材料は、レジスト材料等の樹脂材料を用いることができる。

図５は、溝内へコート層が流入する様子を（ａ）〜（ｄ）で段階的に示した概念説明図である。
図５（ａ）に示す初期の状態から、リフロー処理を施すことにより、コート層２４は軟化して、図５（ｂ）に示すように、角部が表面張力によって丸まるとともに、一部が溝２２内へ流入し始める。そして、図５（ｃ）に示すように、軟化したコート層２４が徐々に溝２２内に流れ込み、ついには、図５（ｄ）に示すように、溝２２内で隣接するコート層２４の外表面が接合される。このとき、コート層２４は、軟化流動によって溝２２内に流入したことによる、滑らかな凸状の曲面２４ａが形成されて、上に凸状となる凸レンズ３０が形成される。

凸レンズ３０の光学的性能は、レンズ形状によりそのレンズの焦点距離やレンズ径等が決定される。本発明のマイクロレンズ製造方法によれば、このレンズ形状を、溝の幅や溝の深さ等をファクターとして調整することで、自在に設定することができる。そして、溝の深さは、コート層２４となるレジストの塗布厚を用いて設定することで、簡単に調整することができる。

図６はレンズ曲率を溝の幅（ａ）と溝の深さ（ｂ）で制御する概念的な説明図を示している。
図６（ａ）に示すように、溝の幅を長くすると、前述のコート層２４がレンズ形成層２０の表面内で伸ばされてレンズの曲率を小さくできる。また、溝の幅を短くすると、レンズの曲率を大きくすることができる。しかし、溝の幅を長くし過ぎる場合は、リフロー処理によっても溝がコート層で埋まらず、短すぎる場合は、溝がコート層ですぐに埋まり、いずれも設計通りの曲率が得られず、所望のレンズ形状が形成できなくなる。

また、図６（ｂ）に示すように、溝の深さを深くすると、コート層２４がレンズ形成層２０の垂直方向に伸ばされてレンズの曲率を大きくすることができる。また、溝の深さを浅くすると、レンズの曲率を小さくすることができる。しかし、溝の深さを深くし過ぎる場合は、溝がコート層で埋まらず、溝の深さが浅すぎる場合は、溝がコート層ですぐに埋まり、いずれも設計通りの曲率が得られず、所望のレンズ形状が形成できなくなる。

次に、上記のとおり説明したマイクロレンズ製造方法を、本発明に係る固体撮像素子のマイクロレンズに適用した例を以下に説明する。

図７は、図３に示すマイクロレンズを形成するための製造手順（ａ）〜（ｄ）を示す説明図である。
図７（ａ）に示すように、各画素の受光部となるフォトダイオード１３の上方に、フォトダイオード１３それぞれの検出色に応じてカラーフィルタ３５が設けられる。このカラーフィルタ３５の上に前述の平坦化層３７を形成する。平坦化層３７は、図４に示す第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層２０に相当し、例えばレジスト材料 ＣＴ３０６０（東京応化製）を用いて形成することができる。

次に、図７（ｂ）に示すように、マイクロレンズを形成する位置が凸部となるように、断面矩形の溝５０をそれぞれ凸部の周囲に形成する。この溝５０は、レジストのパターニングにより平坦化層３７を選択的に除去することで簡単に形成できる。そして、溝５０の形成された平坦化層３７の上に、図７（ｃ）に示すように、第２のレンズ形成材料からなるコート層４０を成膜する。コート層４０としては、例えば、ＭＦＲ３４５（ＪＳＲ社製）などのアクリル系フォトレジスト、ＧＫＲ５３１５（富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ社製）等の２成分系化学増幅型レジスト等を用いることができる。

コート層４０を形成した後、図７（ｄ）に示すように、前述の断面矩形の溝５０をレジストのパターニングにより露出させる。この状態で、リフロー処理することで、図３、図４（ｂ）に示すような凸レンズが形成され、マイクロレンズが完成する。なお、溝５０の深さは、露光条件の変更（露光時間の増減）等により調整が可能である。

以上の工程により、レンズ形成層２０となる材料に形成する溝の溝幅、溝深さの少なくともいずれかを、マイクロレンズが所望の形状となるような長さに設定することにより、マイクロレンズの曲率を任意に設定することができる。もって、レンズ形状を所望の形状に正確に、かつ製造工程を煩雑化することなく簡単に仕上げることが可能となる。また、レンズの曲率に対する溝幅、溝深さなどのパラメータを、予め実験的或いは解析的に関係を求めておけば、所望の曲率を得るための溝の形状を一義的に特定させることができ、きめ細かな曲率の設定が可能となり、設計の自由度が高められる。また、本実施形態におけるマイクロレンズ３９を形成する工程は、従来のエッチバック処理を省略することができるので、工程の簡素化による処理時間短縮の効果が大きい。

なお、本実施形態においてはマイクロレンズ３９の下地層として平坦化層３７を設けているが、平坦化層３７のない構成にする場合がある。その場合は、レンズ形成層２０をカラーフィルタ３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂとし、レンズ形成に必要となる溝として、隣接する各カラーフィルタ３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂ間に隙間を形成し、この隙間を溝として利用する。これにより、レンズ形成層２０、溝、コート層が同様にして得られ、マイクロレンズ３９を形成することができる。また、この他にも別途レンズ形成層を設けることであってもよい。

なお、本実施形態の説明においては、ＣＣＤ型の固体撮像素子を例とり説明したが、本発明はＭＯＳ型の固体撮像素子にも同様に適用可能である。また、フォトダイオード１３の配列も図２に示したものに限らず、例えば正方格子配列であっても良い。

本発明に係る固体撮像素子の平面模式図である。 図１に示す固体撮像素子の画素部の拡大平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面模式図である。 マイクロレンズ製造方法の基本プロセス（ａ），（ｂ）を概念的に示した説明図である。 溝内へコート層が流入する様子を（ａ）〜（ｄ）で段階的に示した概念説明図である。 レンズ曲率を溝の幅（ａ）と溝の深さ（ｂ）で制御する概念的な説明図を示している。 図３に示すマイクロレンズを形成するための製造手順（ａ）〜（ｄ）を示す説明図である。 従来のギャップレス・マイクロレンズの製造工程（ａ）〜（ｅ）を示す説明図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１３ フォトダイオード
２０ レンズ形成層
２０ａ 凸部表面
２２ 溝
２４ コート層
３０ 凸レンズ
３５ カラーフィルタ
３７ 平坦化層（レンズ形成層）
３９ マイクロレンズ
４０ コート層
１００ 固体撮像素子

Claims (7)

1. 受光部を有する画素が縦横に複数配設され、これら画素の受光部それぞれにマイクロレンズが形成された固体撮像素子の製造方法であって、
   前記受光部の上方に第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層を形成するステップと、
   前記レンズ形成層に前記各マイクロレンズの位置を囲んで断面矩形の溝を形成するステップと、
   前記レンズ形成層上の前記溝に囲まれた各凸部表面に、前記第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層をそれぞれ形成するステップと、
   前記レンズ形成層および前記コート層に対し、該コート層を軟化流動させ且つ前記レンズ形成層を溶融させない温度に加熱するリフロー処理を施し、前記コート層の少なくとも一部を該コート層の周囲の溝内にそれぞれ流入させてレンズ形状を形成するステップと、
   を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記溝の溝幅、溝深さの少なくともいずれかを変更して前記レンズ形状の曲率を設定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。
3. 前記溝深さが、前記コート層となるレジストの塗布厚を用いて設定されるものであることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記画素部がカラーフィルタを有し、該カラーフィルタの表面に形成される平坦化層を前記レンズ形成層として用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 受光部を有する画素が縦横に複数配設され、これら画素の受光部それぞれにマイクロレンズが形成された固体撮像素子であって、
   前記受光部の上方に形成された第１のレンズ形成材料からなるレンズ形成層と、
   前記レンズ形成層上に縦横に形成された断面矩形の溝と、
   前記レンズ形成層上の前記溝に囲まれた各凸部表面および前記溝を覆うとともに前記第１のレンズ形成材料より溶融温度が低い第２のレンズ形成材料からなるコート層とを備え、
   前記コート層の外表面が、軟化流動によって前記溝内に流入したことによる凸状の曲面を有して凸レンズを構成していることを特徴とする固体撮像素子。
6. 前記第１のレンズ形成材料が、透明樹脂材料であることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。
7. 前記第２のレンズ形成材料が、透明樹脂材料であることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の固体撮像素子。

Images