JP2009272422A - 光学半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズを形成しようとする箇所の面積の大小にかかわらず、光学設計上で必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができる光学半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、シリコン基板１１の一方の主面上に絶縁膜１８を積層し、その上に、第１レンズ材料膜１９０を積層する。そして、第１レンズ材料膜１９０に対し、エッチングを施し、絶縁膜１８の上に立設された柱状のレンズ土台部１９を形成する。レンズ土台部１９における露出面を被覆する状態に、第２レンズ材料膜２００を積層し、第２レンズ材料膜２００に対し、その厚み方向内方に向けた途中までエッチバックを実行することにより、レンズ皮膜部２０を形成する。ＣＣＤ型固体撮像装置におけるレンズ２１は、レンズ土台部１９とレンズ皮膜部２０との組み合わせを以って構成されることになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学半導体装置の製造方法に関し、特にレンズ形成技術に関する。

近年、ディジタルカメラなどの画像入力装置として広く用いられている固体撮像装置には、より一層の多画素化および高感度化に加えて、画素サイズの縮小に伴い低下する特性への対応が求められている。例えば、入射光の集光率を高めるために、オンチップレンズを採用するという技術も提案・開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１で提案されているレンズ形成方法について、図８を用いその概略を説明する。図８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像装置の製造方法のうち、レンズ形成に係る工程を示す模式断面図である。

図８（ａ）に示すように、シリコン基板１０１１に対し、光電変換部１０１２、転送部１０１３および分離部（図示を省略。）を形成する。そして、ゲート絶縁膜１０１４を形成し、ゲート絶縁膜１０１４上に、ｎ型不純物をドープすることによりポリシリコンからなる転送電極１０１５を形成する。
その後、転送電極１０１５およびゲート絶縁膜１０１４を覆う状態で、絶縁膜１０１６、遮光膜１０１７および絶縁膜１０１８を順に積層する。また、絶縁膜１０１８上にレンズ材料膜（高屈折率膜）１１９０を積層する。

次に、図８（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、高屈折率膜１１９０上にレジストパターン１５００を積層する。レジストパターン１５００は、光電変換部１０１２の上方を除く部分が開口されている（開口１５００ｈ）。
次に、レンズ材料膜１１９０上に形成されたレジストパターン１５００に対し、１４０［℃］以上での熱処理を実行することによりレジストが溶融し、図８（ｃ）に示すように、上凸のレンズ形状に相当する形状のレジストパターン１５０１が形成されることになる。

次に、熱処理の実行によりレジストパターン１５０１が形成された状態のワークに対して、公知のドライエッチング技術を用いてエッチバックを実行し、図８（ｄ）に示すように、上凸形状のレンズ１０１９が形成される。なお、エッチバックの実行においては、レジストパターン１５０１とレンズ材料膜１１９０との互いの材料における選択比が略同一、あるいは近い状態であり、レジストパターン１５０１の形状が転写されてレンズ１０１９が形成されることになる。
特開平０３−１９０１６６号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案の技術を含む従来技術では、画素サイズの一層の微細化を進めてゆく上で、光学設計で必要とされるプロファイルのレンズを形成することが困難となる。具体的には、図８に示すように、従来技術に係るレンズの形成方法では、熱処理の実行を以ってレジストを流動させ、流動時に掛る表面張力によってレジストパターン１５０１のプロファイルが規定されることになる。そして、画素サイズの微細化に伴い、流動化した際のレジストが隣接する画素どうしの間で接触するという問題や、表面張力によりプロファイルが規定されてしまうので、光学的に必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができないという問題などを生ずる。

なお、上記のような問題は、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法に限らず、ＭＯＳ型固体撮像装置や半導体レーザ装置、さらには発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）装置などの製造に際しても同様の問題が生じ得る。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、レンズを形成しようとする箇所の面積の大小にかかわらず、光学設計上で必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができる光学半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、次のような方法を採用する。
（１） 本発明に係る光学半導体装置の製造方法は、半導体基板の一方の主面上に絶縁膜を積層し、その上にレンズを形成するものであって、レンズは、次の工程を経て形成されることを特徴とする。

（ａ） 絶縁膜の上に、透光性を有する第１のレンズ材料からなる第１レンズ材料膜を積層する工程
（ｂ） 第１レンズ材料膜に対し、エッチングを施し、絶縁膜の上に立設された柱状のレンズ土台部を形成する工程
（ｃ） レンズ土台部における露出面を被覆する状態に、第２のレンズ材料からなる第２レンズ材料膜を積層する工程
（ｄ） 第２レンズ材料膜に対し、その厚み方向の途中までエッチバックを実行することにより、レンズ皮膜部を形成する工程
即ち、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、レンズ土台部とレンズ皮膜部との組み合わせを以ってレンズが構成されることになる。

なお、本発明に係る製造方法では、上述のように、レンズ土台部の形状を”柱状”としているが、必ずしも側壁が絶縁膜の主面に対して垂直である必要はない。具体的には、柱状のレンズ土台部の側壁は、エッチングにおける精度バラツキによって僅かに傾斜することがあるが、上記における”柱状”には、側壁が僅かに傾斜した「錐台状」のものも含む。

また、上記（ｄ）に係る工程において、エッチバックを実行する程度を「厚み方向の途中まで」としているのは、上記（ｃ）に係る工程で積層した第２レンズ材料膜の全てを除去するということを排除するものであり、第２レンズ材料膜がレンズ土台部の表面に少なくとも一部を被覆した状態が残る程度であることを示すものである。
また、上記（ｃ）に係る工程において、積層された第２レンズ材料膜は、その表面が平坦化されたものではなく、レンズ土台部が存在する箇所と存在しない箇所との間で、その上に被覆される第２レンズ材料膜の表面にも凹凸が残るものである。

（２） 上記（１）の製造方法では、レンズ土台部を形成する工程が、次のサブ工程を備えるという構成を採用することができる。
（ｃ−１） 第１レンズ材料膜の上に、前記レンズ土台部の上面形状に相当するパターンを有するレジスト膜を積層するサブ工程
（ｃ−２） レジスト膜が積層された第１レンズ材料膜に対し、異方性エッチングを施して、レジスト膜の形状を第１レンズ材料膜に転写することにより、レンズ土台部を形成するサブ工程
（３） また、上記（１）の製造方法では、レンズ土台部を形成する工程が、次のサブ工程を交互に複数回ずつ繰り返す、という方法を採用することもできる。

（ｃ−３） 第１レンズ材料膜の上に、パターンを有するレジスト膜を積層するサブ工程
（ｃ−４） レジスト膜が積層された第１レンズ材料膜に対し、異方性エッチングを施して、レジスト膜の形状を転写するサブ工程
上記（ｃ−３）に係るサブ工程と（ｃ−４）に係るサブ工程とを、交互に複数回ずつ繰り返すことにより、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、階段状のレンズ土台部を形成することができる。

（４） また、上記（３）に係る光学半導体装置の製造方法では、レンズ土台部を形成する工程で形成するレンズ土台部の構造を、階段の上段と下段とが、半導体基板の一方の主面に沿う方向において、互いにオフセットされた状態とすることができる。
（５） また、上記（１）〜（４）に係る光学半導体装置の製造方法では、レンズ土台部を形成する工程で形成するレンズ土台部の構造を、半導体基板の一方の主面に沿う方向において、４つ以上の角部を有する多角形、あるいは長円形、あるいは楕円形あるいは円形の断面形状を有する状体とすることができる。

（６） また、上記（１）〜（５）に係る光学半導体装置の製造方法では、第１のレンズ材料と第２のレンズ材料とを、同一組成および同一屈折率を有する材料とすることができる。
（７） 上記（１）〜（６）に係る光学半導体装置の製造方法では、第１のレンズ材料と第２のレンズ材料とを、ともに無機材料を主成分として含む材料とし、第１レンズ材料膜を積層する工程および第２レンズ材料膜を積層する工程において、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、各々の膜の積層を実行する、という構成を採用することができる。

（８） 上記（１）〜（７）に係る光学半導体装置の製造方法では、第２レンズ材料膜を積層する工程において、レンズ土台部の側壁と絶縁膜の表面とで構成される段差部分を、サイドウォール形状で埋め込む状態に第２レンズ材料膜を積層する、という構成を採用することができる。
（９） 上記（１）〜（８）に係る光学半導体装置の製造方法では、半導体基板の内方に、半導体基板一方の主面に沿う方向における上記レンズに対応する箇所に、光電変換素子部が形成されている、という構成を採用することができる。即ち、光学半導体装置の一種である固体撮像装置の製造に、本発明に係る光学半導体装置の製造方法を採用することができる。

上記のように、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、エッチングを施すことで得られるレンズ土台部と、エッチバックを施すことで得られるレンズ皮膜部との組み合わせを以ってレンズを形成することとしている。このため、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、レンズ土台部のサイズおよび形状と、これに被覆するレンズ皮膜部の厚みなどを以って、所要のサイズ（レンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径）のレンズを形成することができる。特に、画素サイズが微細化する場合には、上記従来技術に係るレンズの形成方法に比べて、高い寸法精度を有するレンズを形成することができる。

上記従来技術に係る製造方法では、熱処理の実行を以ってレジストを流動させ、これにより形成しようとするレンズのプロファイルを構成するため、画素サイズとレジスト材料に応じた表面張力とにより、レンズ形状が規定されてしまう。このため、従来技術に係る製造方法では、画素サイズの微細化が進む場合に、隣り合う画素のレンズの裾野部分同士が接触するといった問題が生じる。

一方、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、上記従来技術に係る製造方法のような熱処理によるレジストを流動化させるという工程を経なくても、高精度のレンズを形成することができる。よって、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、微細化が進む光学半導体装置に対しても、高い精度のレンズを形成することができる。
従って、本発明に係る光学半導体装置の製造方法では、レンズを形成しようとする専有面積の大小にかかわらず、光学設計上で必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができる。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の各実施の形態は、本発明の構成およびそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる一例であって、本発明は、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
［実施の形態１］
１．製造方法
実施の形態１に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法について、図１を用い説明する。図１は、本実施の形態１に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法を、工程順に示す模式断面図である。なお、以下では、本実施の形態の中で最も特徴を有する”オンチップレンズの形成方法”を中心に説明する。

図１（ａ）に示すように、半導体基板としてのシリコン基板１１に対し、光電変換部１２、転送部１３を形成する。なお、図示を省略しているが、シリコン基板１１の内方には、併せて分離部も形成する。
また、図１（ａ）では一部だけを示しているが、光電変換部１２は、Ｚ軸に直交する平面において二次元配置されており、転送部１３は、光電変換部１２の列間を行方向に並んだ状態で形成されている。

次に、シリコン基板１１の表面にゲート絶縁膜１４を形成し、さらに、転送部１３の上方に位置する部分に転送電極１５を形成した後、これらを覆う状態で絶縁膜１６を形成する。ここで、転送電極１５は、ｎ型不純物をドープしたポリシリコンからなる。
絶縁膜１６上における転送電極１５の上方に相当する領域に、遮光膜１７を形成し、その上を覆う状態で、光透過性を有する絶縁膜１８を積層する。絶縁膜１８を平坦化した後、レンズ材料となる第１レンズ材料膜１９０を形成する。第１レンズ材料膜１９０は、ＳｉＮからなり、例えば、公知のＣＶＤ法を用い形成される。なお、図１（ａ）に示すように、第１レンズ材料膜１９０の膜厚は、ｔ１１とされており、この膜厚ｔ１１は、形成しようとするレンズ高さおよびレンズ曲率などから適宜設定されるものである。

また、第１レンズ材料膜１９０は、上述のようにＳｉＮからなり、絶縁膜１８に比べて高い屈折率を有するものとなっている。
次に、図１（ｂ）に示すように、第１レンズ材料膜１９０の面上であって、光電変換部１２の上方に相当する箇所に、レジストパターン５００を形成する。レジストパターン５００は、公知のフォトリソグラフィー法を用い形成されるものであって、レンズ土台部を形成しようとする部分を除き開口されている（開口部５００ｈ）。

次に、図１（ｂ）の状態の第１レンズ材料膜１９０に対して、公知のドライエッチング法を用いてドライエッチング（異方性エッチング）を実行し、図１（ｃ）に示すようなレンズ土台部１９を形成する。図１（ｃ）に示すように、レンズ土台部１９は、レンズを形成しようとする光電変換部１２の上方部分に形成されており、その他の部分は開口されている（開口部１９ｈ）。

レンズ土台部１９は、それぞれが”柱状”をしている。ただし、レンズ土台部１９は、第１レンズ材料膜１９０を異方性エッチングにより形成するので、エッチング時における精度バラツキによりその側壁が絶縁膜１９の主面に対して垂直とはならず、僅かに傾斜することも考えられる。この場合においても、本実施の形態および後述の実施の形態等では、殆ど柱状と呼べるような”錐台状”のものも含めて”柱状”と呼ぶ。

レンズ土台部１９のレイアウトについては、形成しようとするレンズのプロファイルに応じて適宜設定すればよく、例えば、４つ以上の角部を有する多角形、あるいは長円形、あるいは楕円形、あるいは円形の断面形状を有するプロファイルを採用することができる。プロファイルの具体例については、後述する。
次に、図１（ｄ）に示すように、レンズ土台部１９の周囲を被覆する状態で、第２レンズ材料膜２００を形成する。第２レンズ材料膜２００の形成に用いる材料は、レンズ土台部１９を構成する材料と同一の組成・屈折率を有するものが用いられている。そして、第２レンズ材料膜２００は、公知のＣＶＤ法を用い形成されるものであり、その膜厚ｔ１２は、上記膜厚ｔ１１と同様に、形成しようとするレンズ高さおよびレンズ曲率などから適宜設定されるものである。

なお、図１（ｄ）に示すように、第２レンズ材料膜２００の形成にあたっては、レンズ土台部１９の側壁と絶縁膜１８の表面とで構成される段差部分を埋め込む状態とする。
次に、第２レンズ材料膜２００に対して公知のエッチバックを実行し、図１（ｅ）に示すように、レンズ皮膜部２０を形成する。本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、レンズ土台部１９と、これを被覆するレンズ皮膜部２０との積層構造を以って、上凸状（Ｚ軸方向の上向きに凸状）のレンズ２１が形成されることになる。

２．優位性
本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁膜１８上にレンズ土台部１９を形成し、図１（ｄ）〜（ｅ）に示すように、レンズ土台部１９を被覆する状態で形成した第２レンズ材料膜２００に対し、エッチバックを施すことでレンズ皮膜部２０とを形成する。そして、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、レンズ土台部１９とレンズ皮膜部２０との組み合わせを以って、上凸状のレンズ２１が形成されることになる。よって、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、レンズ土台部１９のサイズおよび形状と、これを被覆するレンズ皮膜部２０の厚みなどを以って、所要のサイズ（レンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径）のレンズ２１を形成することができる。特に、画素サイズが微細化する場合には、上記従来技術に係るレンズの形成方法に比べて、高い寸法精度を有するレンズ２１を形成することができる。

上記特許文献１で提案されている技術をはじめとする従来技術に係る製造方法では、図８に示すように、熱処理の実行を以ってレジストパターン１５００を流動させ、これにより形成しようとするレンズのプロファイル（レジストパターン１５０１）を構成するため、画素サイズとレジスト材料に応じた表面張力とにより、レンズ形状が規定されてしまう。このため、従来技術に係る製造方法では、画素サイズの微細化が進む場合に、隣り合う画素のレンズの裾野部分同士が接触するといった問題や、所要のプロファイルのレンズを得ることができないといった問題などが生じる。

一方、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、上記従来技術に係る製造方法のような熱処理によるレジストパターン１５００を流動化させるという工程を経なくても、高精度のレンズ２１を形成することができる。よって、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、画素サイズの微細化が進むＣＣＤ型固体撮像装置に対しても、高い精度のレンズ２１を形成することができる。

従って、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、画素サイズの大小にかかわらず、光学設計上で必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができる。
３．レンズ土台部のレイアウトの具体例
レンズ土台部のレイアウトの具体例について、図２を用い説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は、具体例に係るレンズ土台部２９、３９、４９について、図１のＺ軸に対し直交する平面における断面形状を示す模式断面図である。

（１）具体例１
図２（ａ）に示すように、具体例１に係るレンズ土台部２９は、Ｘ軸方向の辺の長さがＬ１、Ｙ軸方向の辺の長さがＬ２である四角形の断面形状を有する。即ち、具体例１に係るレンズ土台部２９は、四角柱である。ここで、辺の長さＬ１、Ｌ２については、形成しようとするレンズ２１の形状に応じて設定される。

また、具体例１に係るレンズ土台部２９の形状については、例えば、光電変換部１２への入射光の波長に応じて、長さＬ１、Ｌ２の設定をすることもできる。
（２）具体例２
図２（ｂ）に示すように、具体例２に係るレンズ土台部３９は、八角形の断面形状を有する。レンズ土台部３９を採用する場合には、上記四角形の断面形状を有するレンズ土台部２９を採用する場合に比べて、レンズ２１の平面形状をより円形あるいは楕円形に近くすることができる。

（３）具体例３
図２（ｃ）に示すように、具体例３に係るレンズ土台部４９は、円形の断面形状を有する円柱である。このレンズ土台部４９を採用する場合には、レンズ２１の平面形状を上記具体例１、２に係るレンズ土台部２９、３９を採用する場合よりもさらに円形に使くすることができる。

４．レンズ形状と入射光の進行経路
レンズ形状と入射光の進行経路との関係について、図３を用い説明する。図３（ａ）は、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法を用い形成されたレンズ２１を模式的に示す断面図である。一方、図３（ｂ）は、加熱溶融させてレンズ皮膜部９２０を形成するという方法を用い形成されたレンズ９２１を模式的に示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、エッチバックによりレンズ皮膜部２０を形成する本実施の形態に係る製造方法では、レンズ２１のプロファイル全体が上凸状となる。このため、レンズ２１の裾野部分に入射した光も、光電変換部１２（図１を参照。）に向けて光効率に集光されることになる。
一方、図３（ｂ）に示すように、加熱溶融によりレンズ皮膜部９２０を形成したレンズ９２１では、その裾野部分９２１ｅが上凹状となってしまう。このため、レンズ９２１の裾野部分９２１ｅに入射した光は、光電変換部に向けて集光されないこととになる。

以上より、本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法は、エッチバックによりレンズ皮膜部２０を形成するので、加熱溶融によりレンズ皮膜部９２０を形成するとした場合に比べて、集光効率の向上が図られる。
［実施の形態２］
１．製造方法
実施の形態２に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法について、図４および図５を用い説明する。図４および図５は、本実施の形態２に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法を、工程順に示す模式断面図である。

図４（ａ）に示すように、シリコン基板１１に対し、光電変換部１２、転送部１３、分離部（図示を省略。）を形成し、その上に、ゲート絶縁膜１４、転送電極１５、絶縁膜１６、遮光膜１７および絶縁膜１８を順に積層する。これらについては、上記実施の形態１に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法と同じ方法を用いるので、ここでの説明を省略する。

上記実施の形態１と同様に、絶縁膜１８を平坦化した後、レンズ材料となる第１レンズ材料膜６９０を形成する。第１レンズ材料膜６９０は、例えば、ＳｉＮからなり、公知のＣＶＤ法を用い形成される。なお、図４（ａ）に示すように、第１レンズ材料膜６９０の膜厚は、ｔ３１とされており、この膜厚ｔ３１は、形成しようとするレンズ高さおよびレンズ曲率などから適宜設定されるものである。

次に、図４（ｂ）に示すように、第１レンズ材料膜６９０の面上であって、光電変換部１２の上方に相当する箇所に、レジストパターン５０１を形成する。レジストパターン５０１も、上記同様に、公知のフォトリソグラフィー法を用い形成されるものであって、レンズ土台部を形成しようとする部分を除き開口されている（開口部５０１ｈ）。
次に、図４（ｃ）に示すように、レジストパターン５０１が積層された状態で、ドライエッチングを実行し、段差を有する第１レンズ材料膜６９１を形成する。ドライエッチングは、絶縁膜１８の表面が露出するまで行うのではなく、第１レンズ材料膜６９１において、厚みの厚い部分６９１ａと薄い部分６９１ｂとの高低差がｔ３２となるように行う。高低差ｔ３２については、形成しようとするレンズ形状に応じて規定される。

図４（ｄ）に示すように、第１レンズ材料膜６９１における厚みの厚い部分６９１ａの上の一部領域に対し、レジストパターン５０２を積層する。レジストパターン５０２の積層には、公知のフォトリソグラフィー法を用いることができる。
次に、レジストパターン５０２が積層された状態の第１レンズ材料膜６９１に対して、ドライエッチングを実行し、図４（ｅ）に示すような、柱状体が二段重ねとなった形状のレンズ土台部６９を形成する。なお、転送電極１５の上方部分は、レンズ土台部６９が開口されている（開口部６９ｈ）。

レンズ土台部６９は、下段部分６９ｂの断面サイズが、上段部分６９ａの断面サイズよりも大きい形状を有する。上段部分６９ａおよび下段部分６９ｂは、それぞれを、例えば、４つ以上の角部を有する多角形、あるいは長円形、あるいは楕円形、あるいは円形の断面形状を有するプロファイルを採用することができ、レンズ土台部６９については、互いに上記のような断面形状を有する上段部分６９ａと下段部分６９ｂとの組み合わせを以って構成することができる。レンズ土台部６９のプロファイルについては、後述する。

次に、図５（ａ）に示すように、レンズ土台部６９を被覆する状態に、第２レンズ材料膜７００を形成する。第２レンズ材料膜７００の形成に用いる材料も、上記実施の形態１と同様に、レンズ土台部６９を構成する材料と同一の組成・屈折率を有するものが用いられている。そして、第２レンズ材料膜７００は、公知のＣＶＤ法を用い形成されるものであり、その膜厚ｔ３３は、上記膜厚ｔ１２と同様に、形成しようとするレンズ高さおよびレンズ曲率などから適宜設定されるものである。

なお、図５（ａ）に示すように、第２レンズ材料膜７００の形成にあたっては、レンズ土台部６９の側壁と絶縁膜１８の表面とで構成される段差部分、およびレンズ土台部６９における上段部分６９ａと下段部分６９ｂとの間の段差部分の両方を埋め込む状態とする。
次に、第２レンズ材料膜７００に対して公知のエッチバックを実行し、これによりレンズ土台部６９の側壁に対してサイドウォールを形成し、図５（ｂ）に示すように、レンズ皮膜部７０を形成する。本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法では、二段構成のレンズ土台部６９と、これを被覆するレンズ皮膜部７０との積層構造を以って、上凸状（Ｚ軸方向の上向きに凸状）のレンズ７１が形成されることになる。

２．優位性
本実施の形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法でも、上記実施の形態１と同様に、エッチングにより形成したレンズ土台部６９と、第２レンズ材料膜７００をエッチバックして形成したレンズ皮膜部７０との組み合わせを以って、上凸状のレンズ７１が形成される。よって、本実施の形態に係る製造方法でも、上記従来技術に係る製造方法のように、加熱溶融によりレジストを流動させる場合に比べて、画素サイズの大小にかかわらず、光学設計上で必要となるレンズ高さ、レンズ曲率およびレンズ径を実現することができる。

さらに、本実施の形態に係る製造方法では、レンズ土台部６９を二段重ね構成としているので、上記実施の形態１に係る柱状のレンズ土台部１９を採用する場合よりも、レンズ７１のプロファイル設計において、より高い自由度を確保することができる。
３．レンズ土台部６９のレイアウト
本実施の形態に係る製造方法で一例として採用するレンズ土台部６９のレイアウトについて、図６（ａ）〜図６（ｃ）を用い説明する。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、レンズ土台部６９は、これを平面視する場合、四角形断面を有する柱状体が二段重ねとなった形状を有する。図６（ａ）に示すように、下段部分６９ｂは、Ｘ軸方向の辺の長さがＭ１であり、Ｙ軸方向の辺の長さがＭ２である。そして、上段部分６９ａは、Ｘ軸方向の辺の長さがＭ３であり、Ｙ軸方向の辺の長さがＭ４である。なお、長さＭ１〜Ｍ４の各値は、形成しようとするレンズ７１の形状に応じて適宜設定することができる。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、実施の形態２に係る製造方法で採用するレンズ土台部６９については、上段部分６９ａと下段部分６９ｂとが、互いのＸ−Ｙ面での重心位置が一致するように設定されており、図６（ｃ）に示すように、レンズ土台部６９を要素として含むレンズ７１では、垂直光が入射した場合に、最適な状態で集光されることになる。

４．レンズ土台部のレイアウトについての変形例１〜３
実施の形態２に係る製造方法で採用するレンズ土台部６９の変形例１〜３について、図６（ｄ）〜（ｆ）および図７（ａ）、（ｂ）を用い説明する。
（変形例１）
図６（ｄ）、（ｅ）に示すように、変形例１に係るレンズ土台部７９は、上段部分７９ａと下段部分７９ｂとの互いの重心位置が、Ｘ軸方向に距離Ｓだけずれている。レンズ土台部７９における上段部分７９ａおよび下段部分７９ｂは、それぞれ上記レンズ土台部６９における上段部分６９ａおよび下段部分６９ｂの形状と同様に、四角柱状をしている。

図６（ｆ）に示すように、上段部分７９ａと下段部分７９ｂとの互いの重心位置がＸ軸方向に距離Ｓだけずれているレンズ土台部７９を採用する場合には、レンズ８１への斜め入射光に対して最適な集光が行われる。
（変形例２）
図７（ａ）に示すように、変形例２に係るレンズ土台部８９は、各々が八角形の断面形状を有する柱状体が二段重ねされた構成を有する。即ち、レンズ土台部８９は、上段部分８９ａも下段部分８９ｂも八角形の断面形状を有し、上段部分８９ａが下段部分８９ｂに比べてサイズが相似的に小さく設定されている。

なお、上段部分８９ａおよび下段部分８９ｂの各々における各辺の長さの比率などについては、形成しようとするレンズの形状に応じて適宜設定することができる。
（変形例３）
図７（ｂ）に示すように、変形例３に係るレンズ土台部９９は、各々が円形の断面形状を有する柱状体が二段重ねされた構成を有する。そして、上記レンズ土台部８９と同様に、上段部分９９ａが下段部分９９ｂに比べてサイズが相似的に小さく設定されている。

本変形例に係るレンズ土台部９９についても、上段部分９９ａおよび下段部分９９ｂの各々の直径や高さを、形成しようとするレンズの形状に応じて適宜設定することができる。
なお、上記変形例２、３では、レンズ土台部８９、９９の上段部分８９ａ、９９ａと下段部分８９ｂ、９９ｂとがそれぞれ相似形状となっているが、必ずしも上下で相似形状とする必要はない。例えば、上段部分が円形断面を有する柱状体であり、下段部分が八角形断面を有する柱状体とすることもできる。

また、上記変形例２、３では、上段部分８９ａ、９９ａと下段部分８９ｂ、９９ｂとの断面方向における重心位置を一致させているが、上記変形例１のように、光の入射角度に応じて互いの重心位置をずらすこともできる。
さらに、レンズ土台部の構成については、必ずしも二段重ねの構成に限定されるわけではなく、必要に応じて三段以上に柱状体を重ねた構成を採用することもできる。

［その他の事項］
上記実施の形態１、２では、ＣＣＤ型固体撮像装置を光学半導体装置の一例とし、その製造方法について説明したが、本発明は、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法に限らず、ＭＯＳ型固体撮像装置や半導体レーザ装置、さらには発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）装置などの光学半導体装置の製造にも適用することができる。

また、上記実施の形態１、２で用いた各部の材料については、適宜の変更が可能である。
また、上記実施の形態１、２では、所謂、絶縁膜１８よりも内方に層内レンズを設けていないが、本発明の製造方法を以って形成されるレンズに加えて、層内レンズを形成することも勿論可能である。そして、層内レンズの形成においても、上記実施の形態１、２として説明したレンズの形成方法を適用することが可能である。

また、上記実施の形態１、２では、主にドライエッチングを用いたが、ウェットエッチングを用いることもできる。

本発明は、画素サイズの大小にかかわらず、集光効率の高いオンチップレンズを備えることにより、高感度な光学半導体装置を実現するのに有効な技術である。

実施の形態１に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法における各工程を示す模式断面図である。 具体例１、２、３に係るレンズ土台部２９、３９、４９のレイアウトとを示す模式断面図である。 レンズ２１、９２１に入射した光の各経路を示す模式断面図である。 実施の形態２に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法における各工程を示す模式断面図である。 実施の形態２に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法における各工程を示す模式断面図である。 実施の形態２に係るレンズ土台部６９と、その変形例１に係るレンズ土台部７９のレイアウトとを示す模式平面図および模式断面図である。 変形例２、３に係るレンズ土台部８９、９９のレイアウトを示す模式断面図である。 従来技術に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法における各工程を示す模式断面図である。

符号の説明

１１．シリコン基板
１２．光電変換部
１３．転送部
１４．ゲート絶縁膜
１５．転送電極
１６．絶縁膜
１７．遮光膜
１８．絶縁膜
１９、２９、３９、４９、６９、７９、８９、９９．レンズ土台部
２０、７０、８０．レンズ皮膜部
２１、７１、８１．レンズ
１９０、６９０、６９１．第１レンズ材料膜
２００、７００．第２レンズ材料膜
５００、５０１、５０２．レジストパターン

Claims (9)

1. 半導体基板の一方の主面上に絶縁膜を積層し、当該絶縁膜上にレンズを形成する光学半導体装置の製造方法であって、
   前記レンズは、
   前記絶縁膜の上に、透光性を有する第１のレンズ材料からなる第１レンズ材料膜を積層する工程と、
   前記第１レンズ材料膜に対し、エッチングを施し、前記絶縁膜の上に立設された柱状のレンズ土台部を形成する工程と、
   前記レンズ土台部における露出面を被覆する状態に、第２のレンズ材料からなる第２レンズ材料膜を積層する工程と、
   前記第２レンズ材料膜に対し、その厚み方向の途中までエッチバックを実行することにより、レンズ皮膜部を形成する工程と
   を経て形成される
   ことを特徴とする光学半導体装置の製造方法。
2. 前記レンズ土台部を形成する工程は、
   前記第１レンズ材料膜の上に、前記レンズ土台部の上面形状に相当するパターンを有するレジスト膜を積層するサブ工程と、
   前記レジスト膜が積層された前記第１レンズ材料膜に対し、異方性エッチングを施して、前記レジスト膜の形状を前記第１レンズ材料膜に転写することにより、前記レンズ土台部を形成するサブ工程とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学半導体装置の製造方法。
3. 前記レンズ土台部を形成する工程では、
   前記第１レンズ材料膜の上に、パターンを有するレジスト膜を積層するサブ工程と、
   前記レジスト膜が積層された前記第１レンズ材料膜に対し、異方性エッチングを施して、前記レジスト膜の形状を転写するサブ工程とを、交互に複数回ずつ繰り返して実行し、階段状の前記レンズ土台部を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学半導体装置の製造方法。
4. 前記レンズ土台部を形成する工程では、階段の上段と下段とが、前記一方の主面に沿う方向において、互いにオフセットされた状態での前記レンズ土台部を形成する
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学半導体装置の製造方法。
5. 前記レンズ土台部を形成する工程では、前記一方の主面に沿う方向において、４つ以上の角部を有する多角形、あるいは長円形、あるいは楕円形あるいは円形の断面形状を有するレンズ土台部を形成する
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の光学半導体装置の製造方法。
6. 前記第１のレンズ材料と前記第２のレンズ材料とは、同一組成および同一屈折率を有する
   ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光学半導体装置の製造方法。
7. 前記第１のレンズ材料と前記第２のレンズ材料とは、ともに無機材料を主成分として含み、
   前記第１レンズ材料膜を積層する工程および前記第２レンズ材料膜を積層する工程では、ＣＶＤ法を用い、各々の膜の積層を実行する
   ことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の光学半導体装置の製造方法。
8. 前記第２レンズ材料膜を積層する工程では、前記レンズ土台部の側壁と前記絶縁膜の表面とで構成される段差部分を、サイドウォール形状で埋め込む状態に前記第２レンズ材料膜を積層する
   ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の光学半導体装置の製造方法。
9. 前記半導体基板の内方には、前記一方の主面に沿う方向における前記レンズに対応する箇所に、光電変換素子部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の光学半導体装置の製造方法。

Images