JP2009198547A

JP2009198547A - 固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法及び固体撮像素子用マイクロレンズ

Info

Publication number: JP2009198547A
Application number: JP2008037092A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Kitamura; 智史北村; Tadashi Ishimatsu; 忠石松
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】複数の受光素子が形成された半導体基板上に、少なくとも、カラーフィルタ層と透明樹脂層とマイクロレンズを有する固体撮像素子用マイクロレンズにあっては、マイクロレンズは感光性成分を含むポジ型樹脂で製造されるため、透過率、耐熱性及び耐光性が劣るという問題がある。
【解決手段】受光素子が形成された半導体基板上に、少なくとも、カラーフィルタ層を形成する工程、透明樹脂層を形成する工程、前記透明樹脂層上に、感光性樹脂を用いて２回に分けて熱リフロー法によりマイクロレンズ様凸パターンを形成する工程、及び前記マイクロレンズ様凸パターンをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により前記マイクロレンズ様凸パターンの形状を、透明樹脂層に転写し、前記透明樹脂層をマイクロレンズとする工程、を含むことを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロレンズアレイを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

固体撮像素子は、光を吸収して電荷を発生するＣＭＯＳタイプもしくはＣＣＤタイプの光電変換素子（フォトダイオード）を２次元的に配列し、発生した電荷を外部へ電気信号として転送するものであって、テレビカメラ、デジタルスチルカメラなどに広く用いられている。

この固体撮像素子は、図1（ｆ）に示すように、電荷発生部として光電変換に寄与するフォトダイオードを形成した領域２と電荷を輸送する配線等を形成した電荷転送領域３が、画素６に存在するため、受光面全体に占める電荷発生領域２の割合は１５〜３０％程度であって、入射光が有効に利用できず感度が低いという問題があった。この問題を解決するために、電荷転送領域３の飽和電荷量を高めてその領域を狭め、その分電荷発生領域２の占める割合を増やすなどの試みがなされてきたが、構造的に限界があった。

そこで、電荷発生領域２の上部に電荷発生領域２を覆う可能な限り大面積のマイクロレンズ１３を形成し、電荷発生領域以外に入射した光を電荷発生領域に集光するようにして感度を向上させた、オンチップマイクロレンズ方式の固体撮像素子が開発された。

近年解像度向上のため撮像素子の画素数が増大し、画素は対角方向で１０μｍ以下まで微細化が進んでいる。こうなると、電荷発生領域の面積が狭くなって絶対感度が低下する結果、それを補償するためのマイクロレンズの重要性が増し、特に、マイクロレンズの光透過率及び集光性を改善し感度向上を図ることが必須となっている。

他方、マイクロレンズの製造方法としては、熱リフロー法が知られている。すなわち、先ず、ポジ型感光性樹脂をパターン露光、現像を行う周知のフォトリソグラフィ法により平面視略矩形状にパターン形成する。次いで、ホットプレート上にて温度を上昇してパターンを溶融する。その際の樹脂表面の表面張力にてレンズ形状を得る方法である。その後、樹脂は熱硬化する(特許文献１)。別の方法としては、前記熱リフロー法で得たパターンをレンズ母型とし、レンズ母型をレンズ母型の下部に位置するレンズ材料に対するエッチングマスクとして用い、ドライエッチング法によってレンズの下部に布設した透明樹脂層に、レンズ形状を削り移す転写法が開示されている(特許文献２)。

熱リフロー法によるマイクロレンズは、母材がノボラック樹脂を主成分とするポジ型感光性樹脂であって、この樹脂自体がレンズを組成しているため、耐熱性及び耐久性が低く、光透過率も９０％程度しかないという問題がある。２００℃以上ではレンズが黄変し透過率がさらに低下する。また、熱溶融によりレンズ形状を発現させるので、レンズ同志が融着し、レンズ形状が悪くなるのを防ぐため、隣接するレンズ間の距離を狭くすることが難しく、レンズ間に概ね、０．２〜０．４μｍ程度のスキ間（ギャップ）を持たせる必要がある。したがって、レンズ間にスキ間を形成しなければならない分、集光に寄与する有効面積の低下は否めず、この問題は画素サイズが５μｍ程度以下になると特に顕著になる傾向がある。

一方、転写法は、熱リフロー法で透明樹脂基板上に形成したレンズ様凸パターン（レンズ母型）をマスクとして、マスク及び下層の透明樹脂層をドライエッチングで除去してい
くものであって、マスク部分が除去される分、下部の透明樹脂のエッチングが遅れる結果、レンズ様凸パターンの形状が下部透明樹脂に転写される技術である。この方法によれば、ドライエッチング条件を最適化することでレンズ境界の崩れの少ないマイクロレンズの製造が可能で、隣接レンズ間のスキ間（ギャップ）は、概ね０．０４μｍと熱リフロー法に比較すると1/５程度以下に狭くできる。但し、集光性に関しては、レンズの形状が熱リフローで形成した母型の影響を引き継ぐため問題がないとは言えない。

いずれにしても、基本となる熱リフロー法においては、マイクロレンズアレイを得るため複数のマイクロレンズを一度に同時形成するにあたり、隣接レンズ間のギャップを狭くした場合、感光性樹脂パターンが溶融して体積が膨張し隣接するレンズ同士が接触する結果、隣りあうレンズ同志の境界部分で形状崩れが発生する。この状態のまま硬化すると、冷却過程でレンズの体積収縮が生じる。そうなると、平面視略矩形状の画素の対角方向と画素の辺に平行な方向とでレンズ形状の曲率が異なってくるため、収差が生じ、集光効率が低下するという問題がある。

このレンズ同志の融着による形状崩れによる集光性低下を防止するために、全てのマイクロレンズを同時に形成敷設するのでなく、２回に分割してレンズを形成する２リフローレンズ形成技術（以下、２リフロー法と記す）、場合によっては３回に分割する３リフローレンズ法が提案されている。これは手間がかかる一方、既存設備で製造できるという利点がある。

２リフローレンズは、図２で示すように、まず、市松状に位置する画素に対して、第１群のマイクロレンズ１１を形成する。この場合、平面視略矩形状の画素の辺に平行な部分にはレンズが存在しないので、レンズ同志の融着を考慮せずにすみほぼ所望の曲率を有するマイクロレンズとなる。次いで、残りの領域に第２群のマイクロレンズ１２を製造する。この場合にあっては、画素の４辺方向にすでに硬化したマイクロレンズ１１が存在するが、１回目に形成したレンズは既に熱硬化しているため、２回目に加熱しても溶融は生じない。その囲いの中で２回目のマイクロレンズの形成を行うが、溶融するのは２回目のレンズだけなので、隣接レンズとの溶融接触による形状崩れがなく、２回目のレンズにおいても所望される曲率を有するレンズ形状が得られる。その結果、収差が少なくレンズ間のギャップもほぼゼロとみなせ、集光効率が高くなる利点があるが、これでもまだ十分とは言えない。

また、この２リフローレンズは、感光性成分としてポジ型感光性樹脂を使用せざるを得ないため、透過率、耐熱性及び耐光性が劣るという前記の問題がある。ポジ型感光性樹脂が使われるのは、ポジ型の方が解像性が優れ、微細なパターン形成に向いているからである。
特開平１１−７２３５６号公報特開平１−１０６６６号公報

本発明は、こうした現状に鑑みてなされたものであって、その課題は、ほぼ理想的なレンズ形状を呈し収差が少なく集光効率が高いという２リフロー法の利点を生かしたまま、その材料に起因する耐熱性、耐光性及び透過率が劣るということを、高透過率で耐久性に優れた材料で克服し、高精細であっても集光性の高い固体撮像素子用マイクロレンズ及びその製造方法を提供することである。特に、２リフローレンズの集光効率以上の集光効率を達成することである。

上記の課題を達成するための請求項１の発明は、複数の受光素子が形成された半導体基板上に、少なくとも、カラーフィルタ層を形成する工程、透明樹脂層を形成する工程、前記透明樹脂層上に、感光性樹脂を用いて２回に分けて熱リフロー法によりマイクロレンズ様凸パターンを形成する工程、及び前記マイクロレンズ様凸パターンをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により前記マイクロレンズ様凸パターンの形状を、透明樹脂層に転写し、前記透明樹脂層をマイクロレンズとする工程、を含むことを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法である。

上記の手段によって、ほぼ理想的なレンズ形状を呈する凸パターンを、下部に布設した透明性が高く、かつ、耐熱性、耐光性に優れた材料に確実に転写して再現することができる。

請求項２の発明は、上記記載の方法で製造したことを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズである。

本発明によれば、マイクロレンズを形成する樹脂は感光性が不要となるので、透明性に優れた耐久性耐熱性のある材料を選択することが可能となる。さらに、感光性樹脂に含まれる開始材なども不要となり、各種の添加物に起因する材料の経時劣化もなくなり、ポジ型感光性樹脂を使用した場合より耐久性が向上する。

また、この発明を赤、青、緑色画素ごとのレンズ形成に適用することによって、色ごとに最適な焦点の設定及び集光効率の設定が可能となった。

本発明は、透明樹脂層の上に、ポジ型感光性樹脂を用いた2リフロー法により、ほぼ理想的なレンズ形状を形成した後、ドライエッチング法によりさらに理想的な形状として透明樹脂層に再現するものである。以下、本発明の一例を実施例により図面を参照して説明する。

図１に模式的に示すように、画素ピッチが２．２μｍの光電変換素子２が形成された半導体基板１上に、以下の工程により平坦化層４、ベイヤー配列（同図右側、緑の画素数：青の画素数：赤の画素数＝２：１：１）としたカラーフィルタ層５、透明樹脂層７、マイクロレンズ１３を順次形成する。

先ず、半導体基板１上にスピンコート法によって、熱硬化型のアクリル樹脂溶液を塗布し、次いでホットプレート上で２００℃、５分の熱処理を施し、０．１μｍの厚さの平坦化層４を形成した（図1（ａ））。これは半導体基板表面の凹凸を低減し平滑性を改善するためである。

次いで、スピンコート法により緑色のネガ型感光性樹脂組成物を塗布し、ホットプレート上で８０℃、1分のプリベーク処理を行った。次に、ｉ線ステッパー（Ｎｉｋｏｎｉ１２；波長４６５ｎｍ）を使用してパターン露光した後、有機アルカリ現像液（ＴＭＡＨ濃度０．０５％）で１分間の現像処理を行い、さらに十分に純水でリンスし、水切り乾燥を行った。その後、２２０℃、６分間のポストベークを行い、緑色着色画素パターンを形成した。赤色着色画素、青色着色画素についても緑色画素と同様なネガ型感光性樹脂を用いてベイヤー配列にもとづく所定の位置に形成し３色のカラーフィルタ層５（図1（ｂ））を得た。

緑色のネガ型感光性樹脂組成は、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン７の所定量を色材として、さらに、シクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤など所定量を添加し混合した感光性樹脂組成物を用いた。青色のネガ型感光性樹脂組成は、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３の所定量を色材として、さらに、シクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤など所定量を混合した感光性樹脂組成物を用いた。赤色に関しては、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２５４を色材として、他の組成物は緑と同様とした。

次に、マイクロレンズの母材となるアクリル系樹脂を上記カラーフィルタ上に塗布乾燥し、厚さ０．７μｍの透明樹脂層７を形成した（図1（ｃ））。尚、アクリル樹脂以外ではスチレン樹脂、エポキシ樹脂なども使用できる。

次に、アルカリ可溶性で熱リフロー特性を有するポジ型感光性フェノール樹脂を用いて、定法のフォトリソグラフィー技術により、市松状パターンでベイヤー配列に対応する緑色画素の位置に、図２中の破線で示すような当該画素に外接する円形形状の樹脂パターン１１を形成した。その後、２００℃まで段階的に熱リフローさせることにより、高さが０．４μｍで半球状の第一のレンズ様凸部１１を形成した（図1（ｄ））。次いで、第一のレンズ用凸部が形成された上に、ポジ型感光性フェノール樹脂を厚さが０．６μｍになるように塗布した。次いで、市松状パターンの緑色画素部分に露光現像することで、第一のレンズ様凸部が形成されていない青、赤の着色画素に対応する部分に、前記樹脂パターンに熱リフローを行い、高さ０．４μｍの第２のレンズ様凸部１２とした（図1（ｅ）及び図2）。第２の凸部パターンは四方を囲まれた中でレンズ形状を発現するが、その際、第一の凸部はすでに硬化しており両凸部が接触する部分で融着することはないので、ギャップが無視できるほぼ理想的なレンズ形状を呈した。

次に、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスＣＦ₄、Ｃ₄Ｆ₈の混合ガスを用い、レンズ様凸部１１，１２をエッチングマスクとし、エッチング処理によりレンズ様凸部及び下地のアクリル樹脂層７を削り取った後、洗浄して所望のマイクロレンズを得た（図1（ｆ））。これにより、レンズ様凸部の形状がレンズ母材であるアクリル樹脂に転写される。レンズの形状は転写前のレンズ様凸部が０．４μｍの高さに対し、転写後のレンズ高さは０．４５μｍであった。なお、エッチング条件を絞り込んで、コーナー部分が少しエッチングされるように最適化するとコーナー部分もレンズとして利用できた。

上記の２リフロー法で形成したマイクロレンズを備えた固体撮像素子の感度は、通常の熱リフローによるものと比較して５％の感度上昇が達成できた。コーナー部を最適化したものはさらに５％の感度上昇が見られた。また、１０万ルクス、１００時間の耐光性試験においても、レンズの変色は生じず、透過率の低下もなく、感度の低下も見出されなかった。

カラーフィルタ及び緑色画素上の第一のレンズ様凸部の形成までは実施例１と同様とし、そのマイクロレンズの高さを０．４μｍとした。すなわち、第２のレンズ様凸部を青色画素上に高さが０．３μｍの半球状となるように形成し、引き続き第３のレンズ様凸部を赤色画素に対応する位置に高さ０．５μｍとなるように形成した。次に、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスＣＦ₄、Ｃ₄Ｆ₈の混合ガスを用い、上記実施例１と同様にレンズ様凸部をエッチングマスクとし、エッチング処理によりレンズ様凸部及び下地のアクリル樹脂層を削り取った。転写再現されたマイクロレンズの高さは、緑色画素部分で０．５μｍ、青色画素部分０．４μｍ、赤色画素部分０．６μｍであって、このマイクロレンズを備えた固体撮像素子の感度は、通常の転写レンズよりも感度が５〜８％向上した。
（比較例）
実施例１において、レンズ様凸部を全画素上に一度に同時にアクリル樹脂層上に形成した。そのレンズ様凸部の高さは０．４μｍ、隣接レンズ間のギャップは０．３μｍであった。次に、上記実施例と同じドライエッチング法により、上記レンズ様凸部パターンを下地のアクリル樹脂に転写した。得られたマイクロレンズの高さは０．５μｍ、隣接するレンズの辺同志のギャップは０．０３５μｍ（側長ＳＥＭの測定限界）であった。この場合、通常の熱リフローレンズよりも感度は４％向上した。しかし、レンズの対角方向で収差が生じており、その分集光率が低下するため、実施例１の２リフローレンズを転写して形成したレンズより５％感度が低かった。

（ａ）〜（ｆ）左図は、本発明になる固体撮像素子用マイクロレンズの製造工程を模式的に説明する図である。右図は赤、青、緑色画素のベイヤー配置を説明する配置図である。２リフロー法により第１、第２のレンズ様凸部パターンを市松配置する場合の位置関係を示す上面図及びそれを、ＡＡ’線切断断面で見た断面図である。

符号の説明

１、半導体基板
２、電荷発生領域
３、電荷輸送領域
４、平坦化層
５、カラーフィルタ層
６、単位の受光素子
７、透明樹脂
１１、第１のレンズ様凸部
１２、第２のレンズ様凸部
１３、マイクロレンズ
１４、対角線方向
１５、画素の辺に平行な方向

Claims

複数の受光素子が形成された半導体基板上に、少なくとも、カラーフィルタ層を形成する工程、透明樹脂層を形成する工程、前記透明樹脂層上に、感光性樹脂を用いて２回に分けて熱リフロー法によりマイクロレンズ様凸パターンを形成する工程、及び前記マイクロレンズ様凸パターンをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により前記マイクロレンズ様凸パターンの形状を、透明樹脂層に転写し、前記透明樹脂層をマイクロレンズとする工程、を含むことを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法。
請求項１記載の方法で製造したことを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズ。