JP2008052004A - レンズアレイ及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接レンズ間のギャップ（非レンズ部分）をできるだけ縮小し、かつ、２次元方向から見て均一な曲率形状を有するレンズアレイを提供する。
【解決手段】 レンズアレイを形成するための透明樹脂（レンズ材）による平坦な下地膜上にフォトレジストを塗布し、これを円形の凸平面２０Ｂで構成されるレジストパターン２０にパターニングする。そして、このレジストパターンに熱溶融（リフロー）処理を施すことにより、円形の凸平面２０Ｂを球面レンズ状に変形させる。この後、隣接するレンズの間隔を縮小させる条件で全面エッチバック処理を行い、レジストパターンを下地のレンズ材に転写し、ギャップを縮小したレンズアレイ２２Ａを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法に関し、特にマイクロレンズのレンズ形状を最適化できるレンズアレイ及び固体撮像素子の製造方法に関する。

一般に、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等において、複数の画素毎に微小レンズ面を有するマイクロレンズを搭載した固体撮像素子が提供されている。
例えば、ＣＣＤイメージセンサでは、半導体基板上に、複数の画素に対応するフォトダイオードと、各フォトダイオードで生成される信号電荷を垂直方向に転送する画素列毎の垂直転送レジスタと、各垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、この水平転送レジスタによって送られてきた信号電荷を画像信号に変換して出力する出力回路部等が形成され、この半導体基板上に絶縁膜を介して各転送レジスタの駆動電極が設けられ、その上に各フォトダイオードの受光領域に対応した開口を有する遮光膜が形成され、さらにその上に平坦化膜を介してカラーフィルタやマイクロレンズが配置されている。

また、ＣＭＯＳイメージセンサでは、複数の画素による画素アレイ部が形成された半導体基板上に、各種の配線や層間絶縁膜を積層した多層配線層が設けられ、その上に平坦化膜を介してカラーフィルタやマイクロレンズが配置されている。そして、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素には、光電変換部となるフォトダイオードや画素信号を読み出すための画素トランジスタ等が形成されており、各画素毎にフォトダイオードで生成された信号電荷が画素信号に変換されて読み出される。

そして、このような各種固体撮像素子におけるマイクロレンズとして、エッチバック法を用いて隣接画素間のギャップ（非レンズ部分）をなくした、いわゆるギャップレスマイクロレンズが実用化されている。
図５は従来のギャップレスマイクロレンズの製造方法を示している。
まず、図５（Ａ）に示すように、レンズ材による下地平面上に各画素に対応した正方形の凸平面１０で構成されるレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、正方形の凸平面１０を略球面レンズ状に変形させた後、全面エッチバック処理を行い、レジストパターンを下地のレンズ材に転写する。これにより、図５（Ｂ）に示すように、ギャップレスのマイクロレンズ１２を形成する。

また、レンズ形状の提案として、隣接するレンズ同士を互いに接する状態で配置し、各レンズの曲率がどの方向から見ても同一な球面となるように形成することにより、感度の向上を達成したものが知られている（例えば特許文献１、２参照）。
図６は、このような提案に基づいて形成されたレンズアレイの例を示している。
図示のように、この例では、隣接する画素のレンズ１４が縦方向及び横方向（図中Ｅ−Ｆ線）で互いに接触する状態で形成されているが、対角線方向（図中Ｇ−Ｈ線）では若干のギャップ（非レンズ部分）が形成されている。そして、各レンズの曲率は、どの方向から見てもほぼ同一な球面となっている。
特開２０００−０３９５０３号公報 特開２０００−２０６３１０号公報

しかしながら、図５に示した従来例では、熱処理によって正方形の凸平面１０を変形させているため、完成後のレンズ面を完全な球面とすることは困難である。また、ギャップが縮小していくエッチバックにより、図７に示すように、隣接したレンズが接した形状ができるが、縦方向及び横方向（図中Ｉ−Ｊ線）と、対角線方向（図中Ｋ−Ｍ線）とで、レンズの曲率が異なるため、焦点が光軸方向にずれて分布し、効率の良い集光特性が得られない。

また、図６に示した従来例では、特許文献１、２中に、レンズ形状は示されているものの、その具体的な製造方法については開示されておらず、実際に図６に示したレンズ形状を実現するための製造方法を提供することが望まれる。
また、このような課題は、固体撮像素子や液晶表示素子のマイクロレンズに限らず、同種の機能が要求される各種のレンズアレイにおいて、同様に生じするものである。

そこで本発明は、隣接レンズ間のギャップ（非レンズ部分）をできるだけ縮小して感度等の向上を図るとともに、２次元方向から見て均一な曲率形状によって集光特性等の向上を図ることが可能なレンズアレイ及び固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、レンズ材による下地膜を形成する下地膜形成工程と、前記下地膜上に複数の円形または近似円形の凸平面で構成されるレジストパターンを形成するレジストパターニング工程と、前記レジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、前記円形または近似円形の凸平面を球面レンズ状に変形させるリフロー工程と、前記球面レンズ状に変形させたレジストパターンを下地膜に転写するエッチバック工程とを有し、前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズ間のギャップを縮小させる条件でエッチバックを行うことを特徴とする。

また本発明は、複数の光電変換部が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成された積層膜と、前記積層膜上に形成されたマイクロレンズとを少なくとも有する固体撮像素子の製造方法であって、前記積層膜上にレンズ材による下地膜を形成する下地膜形成工程と、前記下地膜上に各光電変換部に対応した複数の円形または近似円形の凸平面で構成されるレジストパターンを形成するレジストパターニング工程と、前記レジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、前記円形または近似円形の凸平面を球面レンズ状に変形させるリフロー工程と、前記球面レンズ状に変形させたレジストパターンを下地膜に転写するエッチバック工程とを有し、前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズ間のギャップを縮小させる条件でエッチバックを行うことを特徴とする。

なお、前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズが、縦方向、または横方向、または縦及び横方向にギャップレスとなる条件でエッチバックを行うようにしてもよい。また、前記下地膜形成工程では、レンズ材の溶液を塗布して硬化することにより下地膜を形成することが可能である。さらに、前記近似円形には八角形以上の多角形を含むものとする。

本発明の製造方法によれば、下地膜上に形成した円形または近似円形の凸平面で構成されるレジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、球面レンズ状のレジストパターンを作製し、これを隣接する球面レンズ間のギャップを縮小させる条件でエッチバックして下地膜に転写することにより、レンズを形成するようにしたことから、２次元方向のどの角度から見ても均一な曲率を有する複数のレンズをギャップレス状態またはギャップレスに近い状態で容易に作製することができる。
したがって、本発明の製造方法を適用することにより、固体撮像素子や液層表示素子のようなレンズアレイを用いる各種の光学素子において、隣接レンズ間のギャップ（非レンズ部分）をできるだけ縮小して感度等の向上を図るとともに、２次元方向から見て均一な曲率形状によって集光特性等の向上を図ることが可能となる。

図１は本発明の実施の形態によるレンズアレイの製造方法と作製後のレンズアレイの形状を示す平面図及び断面図である。
まず、図１では省略しているが、レンズアレイを形成するための任意の下層膜上に、熱硬化性または紫外線硬化性等を有する所定の透明樹脂の溶液を塗布し、熱硬化あるいは紫外線硬化等によって硬化し、透明樹脂（レンズ材）による平坦な下地膜を形成する。
次に、この下地膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジスト膜に対し、フォトリソグラフィ技術によってパターニングし、図１（Ａ）に示すように、レンズ材による下地平面上に各画素に対応した円形の凸平面２０Ｂで構成されるレジストパターン２０を形成する。
次に、このレジストパターンに熱溶融（リフロー）処理を施すことにより、円形の凸平面２０Ｂを球面レンズ状に変形させる。この結果、図１（Ｂ）に示すように、レンズ材２２の上に、熱溶融性感光性樹脂よりなる球面レンズ状のレジスト２０Ａが形成される。

この後、全面エッチバック処理を行い、レジストパターンを下地のレンズ材に転写し、図１（Ｃ）に示すような、レンズアレイ２２Ａを形成する。本例では、このエッチバックに際し、隣接するレンズの間隔を縮小させる条件で処理を行い、図１（Ｄ）に示すように、各レンズ面が画素アレイの縦方向及び横方向（図中Ａ−Ｂ線）に完全なギャップレス状態となり、対角線方向（図中Ｃ−Ｄ線）には小さいギャップを有するようなレンズ形状となるように形成する。
このように本例では、円形のレジストパターンからリフロー工程、エッチバック工程を経てレンズアレイを形成するため、２次元方向の全ての方向から見て均一な曲率のレンズ形状を得ることが可能となる。

したがって、このようなレンズアレイを、例えば固体撮像素子や液晶表示素子等のように、多数の画素等に対応した多数の微細なレンズ体を一体に配置するような構成に適用することにより、均一な形状のレンズ体によって優れた光学特性を得ることができ、様々な光学機器に応用することが可能である。
なお、レンズの配置としては、２次元配列のものに限らず、１次元配列のものであってもよいし、さらに千鳥模様配列のものにも応用が可能である。また、隣接するレンズ間で、ギャップをどの程度縮小するかは、必要とする光学特性等を考慮して、エッチバック条件を適宜に設定すればよい。

次に本発明の実施の形態によるレンズアレイの形成方法を具体的なイメージセンサに適用した例について説明する。ここでは、ＣＣＤイメージセンサのマイクロレンズを作製する例を示している。
図２は本発明の製造方法を適用できるＣＣＤイメージセンサの画素周辺の積層構造を示す断面図であり、図３は図２に示すＣＣＤイメージセンサのマイクロレンズ作製工程を示す平面図及び断面図である。
図２に示すように、シリコン基板１００の上層部には、素子分離部１０１によって分離された領域に、フォトダイオード（ＰＤ）１０２が形成され、その側部に読み出しゲート部１０３を介して垂直転送レジスタ１０４が形成されている。
また、シリコン基板１００上には、酸化膜等のゲート絶縁膜１０５を介してポリシリコン膜等による転送電極（簡略のため１層のみを示す）１０６が形成され、その上に層間絶縁膜１０７を介してアルミ等による遮光膜１０８が形成されている。
そして、この遮光膜１０８の上に平坦化膜１０９を介してカラーフィルタ１１０及びマイクロレンズ１１１が配置されている。

次に、このようなＣＣＤイメージセンサにおけるマイクロレンズの作製方法を図３に基づき説明する。
まず、図３（Ａ）において、補色または原色のカラーフィルタが形成されたＣＣＤイメージセンサの上にレンズ材料となる透明樹脂を塗布し、熱硬化または光硬化などの方法で硬化する。
次に、図３（Ｂ）において、レンズ材料となる透明樹脂１１１Ａの上に熱溶融性の感光性樹脂を塗布し、露光、現像して断面が矩形、平面視形状が円形のパターン１１２Ａを形成する。
次に、図３（Ｃ）において、熱溶融性感光性樹脂の溶融温度に応じた熱処理を行い、球面レンズ形状のレジストパターン１１２Ｂとする。このとき、底面が円形であるため、感光性樹脂は溶融によって表面張力の働きで、ほぼ完全に球面になる。
この後、図３（Ｄ）において、ＣＦ_４等のデポ性ガスを用いてエッチバックを行い、隣接するレンズ間のギャップを縮小したレンズアレイ１１１を形成する。

次に、本発明の製造方法を適用できるＣＭＯＳイメージセンサの例について説明する。
図４はＣＭＯＳイメージセンサの画素周辺の積層構造の一例を示す断面図である。
図４に示すように、シリコン基板２００上には、各種の配線や絶縁膜を積層した積層膜２１０が配置され、その上にカラーフィルタ２２１及びマイクロレンズ２２２が配置されている。
シリコン基板２００の上層部には、素子分離部２０１によって分離された領域に、フォトダイオード（ＰＤ）２０２が形成され、その周辺にＦＤ２０３や各種トランジスタ（Ｔｒ）２０４等が形成されている。また、シリコン基板２００の上面には、ゲート絶縁膜２０５を介して各トランジスタ２０４のゲート電極２０４Ａが形成され、その上部に層間絶縁膜２１１を介して各種の配線２１２が多層構造で形成されている。
また、層間絶縁膜２１１の上に平坦化膜２１７を介してカラーフィルタ２２１、マイクロレンズ２２２が配置されている。

そして、このような構成のＣＭＯＳイメージセンサについても、上述したＣＣＤイメージセンサで説明した方法と同様にしてマイクロレンズを作製できる。
特に、このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、ＣＣＤイメージセンサに比べて、フォトダイオードの受光面とマイクロレンズとの間隔が大きいことから、マイクロレンズのレンズ面を最適化して集光効率を高めることが重要となり、本発明に係る製造方法で作製したマイクロレンズが有効となる。

なお、以上は本発明の製造方法をＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのマイクロレンズを作成する方法として説明したが、本発明は必ずしも固体撮像素子のマイクロレンズに限らず、例えば液晶表示装置等の各種光学装置に設けられるレンズアレイの製造方法にも同様に適用できるものである。
また、上述した例では、オンチップマイクロレンズに本発明を適用した場合を説明したが、層内マイクロレンズにも同様の製造方法を適用できるものである。
また、上述した例では、レジストパターンとして円形の凸平面形状を用いたが、例えば近似円形として八角形以上の多角形を用いても良い。八角形以上の多角形であれば、リフロー時に角が丸くなり、ほぼ円形のパターンとなるので、正方形を用いる従来の方法に比べて、十分な効果を得ることができる。なお本発明では、八角形以上の多角形を近似円形というものとする。
また、上述した例では、真円形のレジストパターンを等間隔で形成した場合について説明した。しかし最近では、より高い光学特性を得るために、瞳補正等のように、各画素とマイクロレンズとの位置関係を種々の条件に応じて適宜にずらしたイメージセンサも提案されている。そこで、このようなイメージセンサに対応して、例えば楕円等の非対称形状のレジストパターンとしたり、互いに不等間隔で形成したレジストパターンとすることにより、最適化したマイクロレンズを得るような応用も可能である。

本発明の実施の形態によるレンズアレイの製造方法と作製後のレンズアレイの形状を示す平面図及び断面図である。 図１に示す製造方法を適用できるＣＣＤイメージセンサの画素周辺の積層構造を示す断面図である。 図２に示すＣＣＤイメージセンサのマイクロレンズ作製工程を示す平面図及び断面図である。 図１に示す製造方法を適用できるＣＭＯＳイメージセンサの画素周辺の積層構造の一例を示す断面図である。 従来のギャップレスレンズアレイの製造方法の一例を示す平面図である。 従来のギャップレスレンズアレイの製造方法の他の例を示す平面図及び断面図である。 図５に示す製造方法の問題点を説明する平面図及び断面図である。

符号の説明

２０、２０Ａ……レジストパターン、２０Ｂ……円形の凸平面、２２……レンズ材、２２Ａ……レンズアレイ。

Claims (8)

1. レンズ材による下地膜を形成する下地膜形成工程と、
   前記下地膜上に複数の円形または近似円形の凸平面で構成されるレジストパターンを形成するレジストパターニング工程と、
   前記レジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、前記円形または近似円形の凸平面を球面レンズ状に変形させるリフロー工程と、
   前記球面レンズ状に変形させたレジストパターンを下地膜に転写するエッチバック工程とを有し、
   前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズ間のギャップを縮小させる条件でエッチバックを行う、
   ことを特徴とするレンズアレイの製造方法。
2. 前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズが、縦方向、または横方向、または縦及び横方向にギャップレスとなる条件でエッチバックを行うことを特徴とする請求項１記載のレンズアレイの製造方法。
3. 前記下地膜形成工程では、下層膜上にレンズ材の溶液を塗布して硬化することにより下地膜を形成することを特徴とする請求項１記載のレンズアレイの製造方法。
4. 前記近似円形は八角形以上の多角形であることを特徴とする請求項１記載のレンズアレイの製造方法。
5. 複数の光電変換部が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成された積層膜と、前記積層膜上に形成されたマイクロレンズとを少なくとも有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記積層膜上にレンズ材による下地膜を形成する下地膜形成工程と、
   前記下地膜上に各光電変換部に対応した複数の円形または近似円形の凸平面で構成されるレジストパターンを形成するレジストパターニング工程と、
   前記レジストパターンに熱溶融処理を施すことにより、前記円形または近似円形の凸平面を球面レンズ状に変形させるリフロー工程と、
   前記球面レンズ状に変形させたレジストパターンを下地膜に転写するエッチバック工程とを有し、
   前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズ間のギャップを縮小させる条件でエッチバックを行う、
   ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. 前記エッチバック工程では、隣接する球面レンズが、縦方向、または横方向、または縦及び横方向にギャップレスとなる条件でエッチバックを行うことを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 前記下地膜形成工程では、積層膜上にレンズ材の溶液を塗布して硬化することにより下地膜を形成することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
8. 前記近似円形は八角形以上の多角形であることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
   

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