JP2007294779A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オンチップレンズとシュリンク層を同時形成することで、ダメージの発生、透過率の低下を抑え、かつ工程数の削減を可能とする。
【解決手段】固体撮像装置１のオンチップレンズ形成工程は、光電変換素子２１上の平坦化膜１２上にレンズ材料層を形成し、これを加工してオンチップレンズを形成するためのレンズ形成パターン１３を形成する工程と、レンズ形成パターン１３を被覆するように、熱処理によってレンズ形成パターン１３表面の変形に沿って膜状に変形されるシュリンク層１４を形成する工程と、シュリンク層１４とレンズ形成パターン１３とを熱処理して、レンズ形成パターン１３を凸レンズ状に変形させてオンチップレンズ１５を形成するとともに、レンズ形成パターン１３表面の変形に沿った膜状にシュリンク層１４を変形させる工程とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、オンチップレンズを備えた固体撮像装置の製造方法に関する。

最近、固体撮像素子の多画素化に伴い、各画素のセルサイズが縮小化されている。その結果、各画素当たりの受光量が減少し、感度低下の原因となっている。その対策として感度を高めるには、各画素での集光効率を上げる必要がある。

一方、イメージセンサにおいて、集光効率を高めるためのオンチップレンズ（ＯＣＬ）は必要不可欠な構成要素となっている。先に述べた画素の微細化だけでなく、特性向上のため、レンズ効果のない無効領域部が少ないほど望ましい。レンズ間のギャップ（隣接するレンズ間の距離）を狭めてギャップレスな構成とする代表的なものとして、レンズ材の上にフォトリソグラフィーで比較的ギャップが広い状態のレンズを形成したのち、エッチバックと言われるドライエッチングにより下層にレンズ形状の転写を行うプロセスがある（エッチバック法）（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、ドライエッチング工程を用いるエッチバックプロセスそのものによって、レンズ材にダメージを与える懸念がある。またこのようなエッチングダメージがある場合、レンズ表面の滑らかさにも問題が生じる。

また、フォトリソグラフィーにより、レジストにてレンズを形成し、何らかの手法（熱リフロー、ホール縮小レジスト、低屈折率樹脂のコーティングなど）でギャップを狭める方法、いわゆるエッチバックレス法である（例えば、特許文献２，３参照。）。例えば特許文献２では、融着防止のため、ホール縮小材を用いる工夫がなされている。また、特許文献３では、屈折率の低いバッファー層を用いて、ギャップをつめる工夫がなされている。

しかしながら、レジストのリフローだけでは、レンズ形状の制御性に問題が生じる。上記特許文献２では、レジストパターンニング後、熱リフローなどによりレンズ形状を得てから、さらにホール縮小材を用いてギャップ縮小処理を行うということで、プロセスが煩雑となる。また、工程数が増える分、制御しなければならないパラメータが増えるという問題がある。また上記特許文献３では、レンズ材ではない樹脂を塗布することから界面部の透過性等に問題がある。また、熱融合を要することから、熱融合温度が一定である場合や、使用するレジストの耐熱性が極端に高かったり、低かったりした場合には適用できず、プロセス自由度が小さい。

次に、従来技術の製造方法の一例を、図８の製造工程断面図によって説明する。

図８（１）に示すように、通常の製造方法により半導体基板１１０上に固体撮像素子のカラーフィルタ層１１１まで形成し、カラーフィルタ層１１１で生ずる凹凸を平坦化する平坦化膜１１２を形成する。この平坦化膜１１２は、例えば透明樹脂などを塗布して硬化することで形成される。

図８（２）に示すように、上記平坦化膜１１２上にＫｒＦ用ポジ型レジストを塗布した後、ＫｒＦ露光装置を用いて紫外領域の光を照射して露光（例えば縮小露光）を行い、現像を行って、マイクロレンズパターン１１３を形成する。このとき、たとえば複数の矩形状の単位レジストが行列状に配置されるようなマイクロレンズパターン１１３を形成する。例えば１つの単位レジストが１辺１．７５μｍ〜２．６μｍの正方形状となり、隣り合う正方形状の単位レジストの間隔が０．２μｍ〜０．３μｍ以下となるように、上記マイクロレンズパターン１１３を形成する。

図８（３）に示すように、熱処理によって、上記マイクロレンズパターン１１３をレンズ形状に整形して、マイクロレンズ１１４を形成する。

図８（４）に示すように、上記マイクロレンズ１１４を被覆するように上記平坦化膜１１２上にシュリンク材層１１５を形成する。このシュリンク材層１１５は、クラリアント社製のシュリンク材であるリラックス（ＲＥＬＡＣＳ）ＡＺＲ５００を、厚さ０．６〜０．７μｍの厚さに塗布して形成する。

図８（５）に示すように、７０℃の低温処理後、再び１１０℃〜１４０℃でミキシングベーク処理を行う。このベーキングはマイクロレンズ１１４を形成するレジストとの耐熱性の差が２０℃以上となるようにする。その後、現像を施した後、純水にて洗浄することで、未反応シュリンク材を除去し、マイクロレンズ１１４上に残したシュリンク材層１１５が被覆されたもので狭ギャップを有するオンチップレンズ１１６を形成する。

特開平０２-７６３１６号公報 特開平０５-１５６９９１号公報 特開平０５-２５８２２４号公報

解決しようとする問題点は、プロセスダメージがレンズ材料および光電変換素子に与えられる点であり、それを回避しようとすると、プロセスが煩雑になる点である。

本発明は、簡単なプロセスでレンズ材および光電変換素子へのダメージを低減することを課題とする。

本発明は、固体撮像装置の複数の光電変換素子に入射光を集光させるオンチップレンズを形成する工程を備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記オンチップレンズを形成する工程は、前記光電変換素子上に形成された下地層上にレンズ材料層を形成する工程と、前記レンズ材料層を加工して前記オンチップレンズを形成するためのレンズ形成パターンを形成する工程と、前記レンズ形成パターンを被覆するように、後の工程で行うリフロー処理によって前記レンズ形成パターン表面の変形に沿って膜状に形成されるシュリンク層を形成する工程と、前記シュリンク層と前記レンズ形成パターンとを熱処理して、前記レンズ形成パターンを凸レンズ状に変形させてオンチップレンズを形成するとともに、前記レンズ形成パターン表面の変形に沿った膜状に前記シュリンク層を変形させる工程とを備えたことを特徴とする。

本発明では、シュリンク層とレンズ形成パターンとを熱処理して、レンズ形成パターンを凸レンズ状に変形させてオンチップレンズを形成するとともに、レンズ形成パターン表面の変形に沿った膜状にシュリンク層を変形させることから、エッチバックを用いていないので、レンズ材にエッチングダメージが与えられない。また、１回の熱処理によって、オンチップレンズとその表面に形成される膜状のシュリンク層を同時に形成することから、プロセスが簡単になる。

また、本発明の方法は、シュリンク処理をしない場合と比較して、低温で熱処理を行うことができるという特徴を利用したもので、レンズ材料層のオンチップレンズ化とシュリンク処理の条件（ミキシング（Mixing）温度等）の組み合わせにより、従来のリフローのみの方法や、リフロー後に表面処理を行う方法と比較し、レンズ形状（高さ、レンズ間のギャップ等）に自由度ができ、材料の多様化、設計へ自由度を与えることができる。

本発明によれば、シュリンク層とレンズ形成パターンとを熱処理して、レンズ形成パターンでオンチップレンズを形成するとともに、レンズ形成パターン表面の変形に沿った膜状にシュリンク層を変形させて形成することができるため、オンチップレンズや下層のカラーフィルタ層にエッチングダメージを与えることなく、レンズ間のギャップの縮小が可能となるので、集光効率が向上できるという利点がある。また、工程数が削減でき、工程が簡単化できる。また、１回の熱処理によりオンチップレンズとシュリンク層の変形とが形成されるため、プロセス中のシュリンク層との熱処理温度（ミキシング温度）を最適化することが容易になり、レンズ高さをコントロール可能なオンチップレンズの形成ができるため、設計へ与える自由度が大きくなる。

本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を、図１の製造工程断面図によって説明する。

図１（１）に示すように、通常の製造方法により半導体基板１０に固体撮像素子の複数の光電変換素子２１等を形成し、さらに半導体基板１０上に転送電極２２、遮光膜２３、平坦化膜２４、紫外線フィルタ膜２５、層内レンズ層２６、平坦化膜２７、カラーフィルタ層１１等を形成し、カラーフィルタ層１１で生ずる凹凸を平坦化する平坦化膜１２を形成する。この平坦化膜１２は、オンチップレンズを形成する下地層となり、例えば、透明樹脂などを塗布して硬化させることで形成される。なお、図面は模式的に示したものであり、例えば半導体基板１０と転送電極２２との間に形成される絶縁膜、転送電極２２と遮光膜２３との間に形成される絶縁膜等の図示が省略されていることを考慮されたい。以下、図面ではカラーフィルタ層１１より上部を示す。

次に、図１（２）に示すように、上記平坦化膜１２上にレンズ材料層を形成する。このレンズ材料層を加工して前記オンチップレンズを形成するためのレンズ形成パターン１３を形成する。上記レンズ材料層には、例えばポジ型レジストを用い、このポジ型レジストを塗布して、塗布膜を形成した後、その塗布膜に露光、現像を行って、ポジ型レジストからなる上記レンズ形成パターン１３を形成する。上記ポジ型レジストには、微細加工が可能なレジストを用いる。例えばＫｒＦ露光用のレジストを用いる。上記露光では、ＫｒＦ用露光装置を用いて紫外領域の光を照射（縮小露光）する。そして、上記レンズ形成パターン１３は、例えば複数の矩形状の単位レジストが行列状に配置されるようなパターンを形成する。例えば１つの単位レジストが１辺１．７５μｍ〜２．６μｍの正方形状となり、隣り合う正方形状の単位レジストの間隔が０．２μｍ〜０．３μｍ以下となるように、レンズ形成パターン１３を形成する。

次に、図１（３）に示すように、上記レンズ形成パターン１３を被覆するように、後の工程で行う熱処理によってレンズ形成パターン１３表面の変形に沿って膜状に形成されるシュリンク層１４を形成する。このシュリンク層１４は、例えばポリビニルアルコール系の水溶性樹脂を主材として架橋剤が添加されたものであり、例えばクラリアント社製のシュリンク材であるリラックス（ＲＥＬＡＣＳ）ＡＺＲ５００がある。これを例えば０．６μｍ〜０．７μｍの厚さに塗布して、上記シュリンク層１４を形成する。

次に、図１（４）に示すように、上記シュリンク層１４と上記レンズ形成パターン１３とを熱処理して、レンズ形成パターン１３を凸レンズ状に変形させてオンチップレンズ１５を形成するとともに、レンズ形成パターン１３表面の変形に沿った膜状にシュリンク層１４を変形させる。上記熱処理は、例えば、７０℃の低温熱処理後、再び１２０℃〜１３０℃でミキシングベークを行う。その後、現像を施した後、純水にて洗浄することで未反応シュリンク層１４を除去し、変形させたシュリンク層１６によってギャップを埋め込んだ狭ギャップを有するオンチップレンズ１５が形成される。

上記熱処理におけるミキシング温度はレジストからなるレンズ材料層の耐熱温度を考慮する必要がある。シュリンク効果を得ながらレジストを溶融させるにはレジストの耐熱温度より２０度程度低いのが望ましい。

例えば、耐熱性が１５５℃のレジストの場合、オンチップレンズ１５の膜厚と熱処理温度（ミキシング温度）との関係を図２によって説明する。

図２に示すように、シュリンク層１４のミキシングが開始されるときのレンズ形成パターン１３の膜厚は５２０ｎｍ程度であり、ミキシング温度が１１５℃で４７５ｎｍ、１２５℃で４６５ｎｍ、１３５℃でおよそ３９０ｎｍ程度となる。この例では、１５５℃の耐熱性があるレジストは、ミキシング温度１３５℃で、すでに熱リフローが不要な状態となっている。したがって、レジストからなるレンズ形成パターン１３の熱リフロー処理を単独で行わず、熱リフロー工程をシュリンク処理とともに行うことができる。このように、レジスト材料を選定することによって、工程数の削減が可能となる。

例えば、上記レンズ形成パターン１３の場合、レジストでレンズ形成パターン１３を形成した直後に１４５℃で熱処理した場合には、図３の電子顕微鏡写真に示すように、レンズ形成パターン１３はテーパーを有する台形状であり、凸レンズ形状にはなっていない。一方、レジストでレンズ形成パターン１３を形成した後にシュリンク層１４を形成し、その後に１３５℃で熱処理した場合には、図４の電子顕微鏡写真に示すように、ギャップが狭められた凸レンズ形状になっていることがわかった。

さらに、図５に示すように、本発明方法によるレンズ形成パターン１３の電子顕微鏡写真〔図５（１）参照〕およびシュリンク処理後のシュリンク層１６が被覆されたオンチップレンズ１５の電子顕微鏡写真〔図５（２）参照〕で示すように、ギャップは狭められ、その変化量は０．３４μｍとなった。一方、図６に示すように、従来方法によるレンズ形成パターンを熱リフローした後の電子顕微鏡写真〔図６（１）参照〕およびシュリンク処理後のシュリンク層が被覆されたオンチップレンズの電子顕微鏡写真〔図６（２）参照〕で示すように、ギャップは狭められてはいるが十分ではなく、ギャップ変化量は０．０９３μｍとなった。このように、本発明方法では、従来方法よりもさらにレンズ間のギャップを狭めることができることがわかる。

また、オンチップレンズ１５の形成時に、シュリンク層１４がレンズ形成パターン１３のリフロー補助材としての性質、すなわちレジスト本来の耐熱性より低い温度でリフローするようになる性質を利用し、オンチップレンズを形成するプロセス全体の処理温度を下げる。

また、前記図２によって説明したように、オンチップレンズ１５の形状（例えば、高さと曲率）はレジスト材料とミキシング温度との関係で制御することができる。例えば、レジスト膜厚が薄い場合でも、また一種類のレジストでも、膜厚に変化を持たせることができる。さらに材料選定によっては、一例として、耐熱性１５５℃を有するレジストはミキシング温度１３５℃ですでに熱リフロー不要の状態となるので、レンズ形成パターン１３の熱リフロー処理を単独で行わず、この熱リフロー工程をシュリンク処理とともに行うことが可能となる。これは、シュリンク層１４がレンズ形成パターン１３のリフロー補助材としての性質、すなわちレジスト本来の耐熱性より低い温度でリフローするようになる性質を有することから、行うことができる。

本発明によれば、シュリンク層１４とレンズ形成パターン１３とを熱処理して、レンズ形成パターン１３でオンチップレンズ１５を形成するとともに、レンズ形成パターン１３表面の変形に沿った膜状にシュリンク層１４を変形させてシュリンク層１６を形成することができるため、オンチップレンズ１５や下層のカラーフィルタ層１１にエッチングダメージを与えることなく、レンズ間のギャップの縮小が可能となる。すなわち、例えば０．１μｍ以下の狭ギャップが実現できるので、集光効率が向上できるという利点がある。また、工程数が削減でき、工程が簡単化できる。また、１回の熱処理によりオンチップレンズ１５とシュリンク層１６の変形とが形成されるため、プロセス中のシュリンク層１４との熱処理温度（ミキシング温度）を最適化することが容易になり、レンズ高さを制御可能なオンチップレンズ１５の形成ができるため、設計へ与える自由度が大きくなる。

また、オンチップレンズ１５の形成において、エッチングなどのドライ工程が不要になるので、エッチング起因のダメージを与えない滑らかな表面が得られる。また、このドライエッチング時に発生するプラズマによる光電変換素子へのダメージが低減され、暗電流ノイズが低減できることが確認されている。しかもシュリンク層１６は非常に薄くミキシング層として残るのみなので、図７に示すように、高い透過率を維持できる。図７は、シュリンク層１６を形成した構成のオンチップレンズ１５の透過率を調べた結果であり、縦軸に透過率を示し、横軸に光の波長を示した。図７からわかるように、可視光領域では、シュリンク層１６を形成したレジストからなるオンチップレンズ１５は９６％以上の透過率となっている。この透過率はレジスト単体のオンチップレンズの場合、石英の場合とほぼ同等となっていることがわかる。

さらに、シュリンク材を用いる従来の製造方法に比べ、熱リフロー時の温度を下げることができる、すなわち、オンチップレンズ１５の形成とシュリンク層１４を変形するための熱処理を低温化できるので、下地層、特にカラーフィルタ層１１などに対するダメージが少ないという特徴を有する。

本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。 オンチップレンズの膜厚と熱処理温度（ミキシング温度）との関係図である。 レジストでレンズ形成パターンを形成した直後に１４５℃で熱処理した場合の電子顕微鏡写真である。 レジストでレンズ形成パターンを形成した後にシュリンク層を形成し、その後に１３５℃で熱処理した場合の電子顕微鏡写真である。 本発明方法によるレンズ形成パターンの電子顕微鏡写真およびシュリンク処理後のシュリンク層が被覆されたオンチップレンズの電子顕微鏡写真である。 従来方法によるレンズ形成パターンを熱リフローした後の電子顕微鏡写真およびシュリンク処理後のシュリンク層が被覆されたオンチップレンズの電子顕微鏡写真である。 シュリンク層を形成した構成のオンチップレンズの透過率特性図である。 従来技術の製造方法の一例を示した製造工程断面図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１２…平坦化膜、１３…レンズ形成パターン、１４…シュリンク層１４、１５…オンチップレンズ、２１…光電変換素子

Claims (2)

1. 固体撮像装置の複数の光電変換素子に入射光を集光させるオンチップレンズを形成する工程を備えた固体撮像装置の製造方法であって、
   前記オンチップレンズを形成する工程は、
   前記光電変換素子上に形成された下地層上にレンズ材料層を形成する工程と、
   前記レンズ材料層を加工して前記オンチップレンズを形成するためのレンズ形成パターンを形成する工程と、
   前記レンズ形成パターンを被覆するように、後の工程で行うリフロー処理によって前記レンズ形成パターン表面の変形に沿って膜状に形成されるシュリンク層を形成する工程と、
   前記シュリンク層と前記レンズ形成パターンとを熱処理して、前記レンズ形成パターンを凸レンズ状に変形させてオンチップレンズを形成するとともに、前記レンズ形成パターン表面の変形に沿った膜状に前記シュリンク層を変形させる工程と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記オンチップレンズの前記下地層からの高さを前記熱処理温度によって制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。