JP2010010331A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高段差を有する基板上でも集光率の向上と感度ムラの改善と行う。
【解決手段】金属配線を有する光電変換部と周辺回路部との膜厚差が０になるように感光性Ｉ線レジストを形成し、上記光電変換部上の上記感光性Ｉ線レジストの表面側を除去して、透明膜を介して平坦で且つ所定の膜厚を有する感光性Ｉ線レジスト３０bを形成し、さらにパターンニングと熱処理とを行って凸レンズ形状のレジストパターン３０dを形成する。そして、このレジストパターン３０dをマスクとして選択比が略１でのドライエッチングを行って、透明膜２９aにレジストパターン３０dの凸レンズ形状を転写して、屋内レンズを形成する。こうして、上記周辺回路部と上記光電変換部とに大きな段差があっても、上記周辺回路部側でも上記光電変換部の中央部でも略同じレンズ径を有する上記層内レンズを形成して上記光電変換部の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくする。
【選択図】図３

Description

この発明は、カラーフィルターを有する固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年の半導体集積回路等の半導体製造プロセスにおいては、パターンの微細化/高集積化が目覚ましく、最小加工寸法が６５nm以下の半導体集積回路が量産されている。これらのパターンの微細化/高集積化は、様々なプロセス技術の飛躍的な進歩によって実現されてきた。中でも、リソグラフィー技術とＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)技術との進歩が大きい。

このリソグラフィー技術とＣＭＰ技術とが重要であり、前者においては、光源の短波長化とレンズの開口数の拡大化と等によって微細化が進んできたが、一方において焦点深度が小さくなるという問題が発生してきた。焦点深度が小さくなってくると、装置の揺らぎや下地の段差によるフォーカスのばらつきによって、ウエハー全面で所望のレジストパターンを形成できないという問題が発生する。この問題を改善したのが後者の技術であり、ＣＭＰ技術によってウエハー表面の平坦性を向上することが可能になってきている。このＣＭＰ技術は、研磨剤(砥粒)自体が有する表面化学作用あるいは研磨液に含まれる化学成分の作用によって、研磨剤と研磨対象物との相対運動による機械的研磨(表面除去)効果を増大させ、高速且つ平滑な研磨面を得る技術である。このＣＭＰ技術によって、製造工程を重ねていってもウエハー表面の平坦性を向上させることが可能になるのである。

一方において、ＣＣＤ(電荷結合素子)イメージセンサーやＣＭＯＳ(相補型金属酸化膜半導体)イメージャー等の固体撮像素子は、各種映像機器の画像入力用の撮像デバイスとして広く利用されている。これらの固体撮像素子の製造方法としては、光を受光して電気信号に変換する光電変換部およびロジック回路を有する周辺回路部を、シリコンウエハーに形成する。その後、カラーフィルター工程と呼ばれる工程に移行する。このカラーフィルター工程では、上記光電変換部と上記周辺回路部とが形成された上記半導体基板上に、透明であり且つ非染色体であるアクリル樹脂,エポキシ樹脂およびポリイミド樹脂等の第１の平坦化膜をスピンコートして上記半導体基板上の表面を平坦化する。その後、カラーフィルターとなる赤,青および緑の顔料を含有したカラーレジストをスピンコートにより形成し、露光,現像を行ってカラーフィルターパターンを形成する。その後、上記カラーフィルターパターン上の平坦化を行うべく、透明で且つ非染色体であるアクリル樹脂,エポキシ樹脂あるいはポリイミド樹脂等の第２の平坦化膜をスピンコートする。続いて、その上に集光するためのマイクロレンズを形成する。

近年、上記ＣＣＤイメージセンサーや上記ＣＭＯＳイメージャー等の固体撮像素子は、高繊細な画像を撮影するために画素数が増大する一方において、撮像機器の小型化等に伴って１画素の大きさが微細化されてきている。更に、高機能の画像処理回路等を一つのチップ内に形成するため、上記光電変換部と上記周辺回路部とにおけるカラーフィルター工程前での半導体基板の段差が大きくなっている。

そのために、撮像信号の輝度を向上するための集光率の向上と画質を向上させるための画素毎の感度ムラの防止とが困難になってきている。これらの課題を解決するためには、固体撮像素子の製造方法における上記カラーフィルター工程が非常に重要な工程であり、上記平坦化膜,上記カラーレジストおよび上記マイクロレンズに関して、高段差を有する基板上においてチップ内あるいはウエハー面内で均一な膜厚で且つ集光率向上を図るためには、上記光電変換部と上記マイクロレンズとの間の距離を薄膜で形成することが要求されている。

以下、高段差を有し且つ大パターン部を有する凸凹パターンが形成された半導体ウエハー上にレジストパターンを形成する従来例について、図１３および図１４に従って簡単に説明する。尚、ここでは、一例として上記ＣＣＤイメージセンサーのカラーフィルター工程について説明する。

図１は、上記ＣＣＤイメージセンサーのチップ１の概要を示す平面図である。図１において、一つのチップ１は、光電変換部２と周辺回路部３とに大別される。図１３および図１４に、図１における各製造工程でのＡ‐Ａ'矢視断面図を示す。図１３(a)は、上記ＣＣＤイメージセンサーにおける上記カラーフィルター工程前での断面図を示す。

図１３(a)に示すように、先ず、シリコン基板４からなる半導体ウエハーに、ＳiＯ₂およびＳiＮ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー,ドライエッチングおよびロコス酸化を行って、シリコン基板４上に光電変換部２および周辺回路部３を形成する。次に、フォトリソグラフィーおよびイオン注入を繰り返し行って、受光部５および電荷転送部６を形成する。次に、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によってポリシリコンを成膜し、その後フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、電荷転送部６上に転送電極７を形成する。次に、遮光膜８となるアルミニウム,アルミニウム合金,チタンあるいはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層または複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、受光部５上の遮光膜８を開口させる。次に、ＢＰＳＧ(ホウ素リンシリケートガラス)膜およびＳiＯ₂膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成し、その後、高温過熱によるリフロー処理および上記ＣＭＰを行って平坦な層間絶縁膜９を形成する。

次に、アルミニウム,アルミニウム合金,チタンまたはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層あるいは複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、ロコス酸化膜１０上に金属配線１１を形成する。金属配線１１の膜厚は１.０μmであるが、考えられる範囲として０.８μm〜１.５μm程度が品種によって使い分けられて形成される。

次に、上記カラーフィルター工程に移行し、図１３(b)に示すように、層内レンズ材料となる透明膜１２aをプラズマＣＶＤ法によって形成する。尚、透明膜１２aの材料としては、ＳiＯ₂膜(屈折率１.４〜１.５)やＳiＯＮ膜(屈折率１.５〜１.９)やＳiＮ膜(屈折率１.９〜２.０)等があり、光学設計の観点から屈折率と膜厚とを最適化する。ここでは、ＳiＮ膜(屈折率２.０)を０.５μmの膜厚で形成している。尚、膜厚の範囲として、０.２μm〜１.２μm程度が品種によって使い分けられて形成される。

次に、図１３(c)に示すように、層内レンズを形成するためのポジ型感光性Ｉ線レジスト１３aを透明膜１２a上にスピン塗布法によって０.５μmの膜厚で形成し、ホットプレートで９０℃/６０秒間の熱処理を行う。その際に、ポジ型感光性Ｉ線レジスト１３aの膜厚は、下地の段差(金属配線１１の膜厚)１.０μmよりも薄いため、光電変換部２における周辺回路部３側の端では、金属配線１１の段差の影響によってポジ型感光性Ｉ線レジスト１３aの膜厚は厚く、光電変換部２の中心に近づくに連れて薄くなっている。

次に、図１４(d)に示すように、層内レンズを形成するためのガラスマスク１４と波長３６５nmのＩ線ステッパーとを用いて露光する。その後、ホットプレートで１１０℃/６０秒間の熱処理を行い、濃度２.３８wt％のＴＭＡＨ(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)でなるアルカリ現像液を用いて６０秒間パドル現像を行った後、３０秒間純水で水洗を行う。その結果、光電変換部２には、レジストパターン１３bが形成される。このレジストパターン１３bの高さおよび線幅は、塗布後のポジ型感光性Ｉ線レジスト１３aの膜厚が光電変換部２の端から中心に向かって徐々に薄くなっているために、光電変換部２内でバラツキが生じている。

次に、図１４(e)において、ホットプレートで１５０℃/６０秒間の熱処理を行い、凸レンズ形状のレジストパターン１３cを形成する。その際に、レジストパターン１３cは、現像後のレジストパターン１３bの形状を引き継ぎ、光電変換部２内で高さ,線幅およびレンズ曲率にバラツキが生じてしまう。さらに、上記熱処理を行った際に、レジストパターン１３bの膜厚が厚いとリフロー後の線幅も大きくなるため、光電変換部２の端では、凸レンズ形状のレジストパターン１３cがくっ付く場合がある。

次に、図１４(f)において、凸レンズ形状のレジストパターン１３cをマスクにして、透明膜１２aに対して、レジストパターン１３cと透明膜１２aとの選択比が略１になる条件でドライエッチングを行う。その結果、凸レンズ形状のレジストパターン１３cと略同一形状の層内レンズ１２bが形成される。

このように、本従来例においては、凸レンズ形状のレジストパターン１３cと略同一形状の層内レンズ１２bが形成されるため、光電変換部２内で層内レンズ１２bの形状にバラツキが発生し、固体撮像素子の集光率のバラツキや感度ムラなどの問題が発生することになる。

高段差を有する基板上に平坦な膜を形成する技術としては、上記ＣＭＰ技術やスキャン塗布技術が挙げられる。

上記ＣＭＰ技術は、半導体製造プロセスにおいては一般的な技術であるが、主にＳiＯ₂やＳiＮやＷ等の無機膜を平坦化するのが主流であり、カラーフィルター工程で使用される平坦化膜,カラーレジストおよびマイクロレンズ等の有機膜を上記ＣＭＰで平坦化することは困難である。

高段差を有する基板上に上記ＣＭＰを用いて平坦な膜を形成する技術としては、特開２００３‐２１８３４２号公報(特許文献１)に開示された個体撮像素子の製造方法がある。この個体撮像素子の製造方法においては、電極パッド部の段差に伴い、カラーレジストやマイクロレンズをスピン塗布によって形成する際のチップ内あるいはウエハー面内での膜厚均一性を確保するために、カラーレジストやマイクロレンズを形成する前に、金属配線材料を成膜した後に上記ＣＭＰを行い、電極パッド部を平坦化するようにしている。しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の個体撮像素子の製造方法においては、工程数が増加するという問題がある。

また、特開平８‐１８６２４１号公報(特許文献２)に開示された個体撮像装置においては、スクライブラインと光電変換部との段差を改善するために、マスクレイアウトを最適化し、スクライブラインと光電変換部との平坦化を同時に行って工程数の増加を抑制するようにしている。しかしながら、上記特許文献２に開示された従来の個体撮像装置では、平坦化技術は、上述した従来の固体撮像素子の製造方法の場合と同じであり、均一性向上や薄膜化の点においては、上記光電変換部と上記周辺回路部とが形成された上記半導体基板上にスピンコートして平坦化された上記第１の平坦化膜からの改善は期待できないという問題がある。

また、上記スキャン塗布技術は、特開２００１‐１６８０２１号公報(特許文献３)に開示された液膜形成方法に記載されているように、スピン塗布ではなく、液体滴下ノズルをスキャンさせながら液体を塗布することによって、高段差上における均一な膜形成が可能になる技術である。しかしながら、上記特許文献３に開示された液膜形成方法は、成膜材料によって乾燥条件等の各種パラメータの最適値が異なるため、上記各種パラメータを最適化するのが困難であり、実用化の目処はまだ立ってはいないという問題がある。
特開２００３‐２１８３４２号公報 特開平８‐１８６２４１号公報 特開２００１‐１６８０２１号公報

そこで、この発明の課題は、高段差を有する基板上に平坦化膜,カラーレジストおよびマイクロレンズを含む有機膜が均一な厚みに形成されて、集光率の向上と感度ムラの改善と行うことができる固体撮像装置、および、その固体撮像装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の固体撮像装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成された光電変換部および周辺回路部と、
上記光電変換部と上記周辺回路部との上を平坦に覆う層間絶縁膜と、
上記周辺回路部上に位置する上記層間絶縁膜上に形成された金属配線と、
上記光電変換部上に位置する上記層間絶縁膜上に配列して形成された複数の層内レンズと、
上記金属配線上と上記層内レンズ上およびそれ以外の部分上に形成された第１平坦化膜と、
上記第１平坦膜上に形成されたカラーフィルターと、
上記カラーフィルター上およびそれ以外の部分上に形成された第２平坦化膜と、
上記第２平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと
を備え、
上記複数の層内レンズのうち、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記前記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じレンズ径を有する
ことを特徴としている。

上記構成によれば、金属配線が形成されている周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない光電変換部とには、大きな段差が設けられている。しかしながら、上記光電変換部に配列して形成された複数の層内レンズは、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有している。したがって、更にその上に形成される第１平坦化膜,カラーフィルターおよび第２平坦化膜が略均一な厚みに形成することが可能になり、例えば画素ピッチが小さくなって上記層内レンズの高精細化が図られても上記層内レンズの幅および高さの均一性を保つことができる。その結果、上記光電変換部の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記層内レンズにおける可視光での光屈折率は、１.４以上且つ２.２以下である。

この実施の形態によれば、上記層内レンズの材料として、ＳiＯ₂(屈折率１.４〜１.５)やＳiＯＮ(屈折率１.５〜１.９)やＳiＮ(屈折率１.９〜２.０)を選択的に用いることが可能になり、光学設計の観点から、上記層内レンズの光屈折率を最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記金属配線の膜厚は、０.８μm以上且つ１.５μm以下である。

この実施の形態によれば、上記金属配線が形成されている上記周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない上記光電変換部とに０.８μm以上且つ１.５μm以下の大きな段差があっても、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有している。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記第１平坦化膜および上記第２平坦化膜は、透明な有機膜である。

この実施の形態によれば、上記周辺回路部と上記光電変換部とに大きな段差がある場合でも、上記光電変換部には略同じ所定の寸法のレンズ径を有する複数の層内レンズが配列されている。したがって、上記金属配線および上記層内レンズを含む全面に形成される第１平坦化膜、および、上記第１平坦膜上にカラーフィルターを介して形成される第２平坦化膜を、略所望の厚さで平坦に形成することが可能になる。そのため、透明な有機膜で成る上記第１平坦化膜および上記第２平坦化膜に対して、上記ＣＭＰでの平坦化を行う必要がない。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記カラーフィルターは、グリーン,レッドおよびブルーの３色あるいはイエロー,シアンおよびマゼンダの３色のカラーレジストから作成されている。

この実施の形態によれば、上記カラーフィルターを、従来より用いられているグリーン,レッドおよびブルーの３色あるいはイエロー,シアンおよびマゼンダの３色のカラーレジストを用いて、容易に形成することが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記層内レンズは、透明膜を加工して形成されている。

この実施の形態によれば、例えば、透明膜上に凸レンズ形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンの形状を上記透明膜に転写することによって、上記層内レンズを容易に形成することが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記透明膜は、ＳiＯ₂膜,ＳiＮ膜およびＳiＯＮ膜のうちの何れか１つあるいは２以上の積層膜で構成されている。

この実施の形態によれば、上記透明膜の材料をＳiＯ₂膜(屈折率１.４〜１.５),ＳiＯＮ膜(屈折率１.５〜１.９)およびＳiＮ膜(屈折率１.９〜２.０)の中から何れかを選択することによって、光学設計の観点から、上記層内レンズの光屈折率を１.４〜２.０の範囲内で最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置では、
上記層内レンズはポリイミド膜を加工して形成されている。

この実施の形態によれば、例えば、感光性のポリイミド膜に対してフォトリソグラフィー,熱処理および全面露光を施すことによって、上記層内レンズを少ない工程で形成することが可能になる。

また、この発明の固体撮像装置の製造方法は、
半導体基板上に光電変換部および周辺回路部を形成し、上記光電変換部と上記周辺回路部との上を層間絶縁膜によって平坦に覆う工程と、
上記周辺回路部上に位置する上記層間絶縁膜上に、金属配線を形成する工程と、
上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とに、上記半導体基板に対して略平行で且つ平坦な表面を有する感光性材料膜を形成する工程と、
少なくとも上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜の表面部を除去して、上記光電変換部上に平坦で且つ所定の膜厚を有する上記感光性材料膜を残す工程と、
上記光電変換部上に残った上記感光性材料膜に対してパターンニングを行う工程と、
上記パターンニングが行われた上記感光性材料膜に対して熱処理を行って、凸レンズ形状の感光性材料パターンを形成する工程と、
上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づいて屋内レンズを形成する工程と
を含むことを特徴としている。

上記構成によれば、光電変換部上に平坦で且つ所定の膜厚を有する感光性材料膜を形成し、この感光性材料膜にパターンニングと熱処理とを行って凸レンズ形状の感光性材料パターンを形成し、この凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づいて屋内レンズを形成するようにしている。したがって、金属配線が形成されている周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない光電変換部とに大きな段差があるにも拘わらず、上記光電変換部に配列して形成された複数の層内レンズは、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有している。

したがって、更にその上に形成される第１平坦化膜,カラーフィルターおよび第２平坦化膜が略均一な厚みに形成することが可能になり、例えば画素ピッチが小さくなって上記層内レンズの高精細化が図られても上記層内レンズの幅および高さの均一性を保つことができる。その結果、上記光電変換部の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記金属配線の膜厚は、０.８μm以上且つ１.５μm以下である。

この実施の形態によれば、上記金属配線が形成されている上記周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない上記光電変換部とに０.８μm以上且つ１.５μm以下の大きな段差があっても、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズを、略同じ所定の寸法のレンズ径を有するように形成することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記光電変換部上に形成された上記感光性材料膜の膜厚は１.１μm〜１.８μmである。

この実施の形態によれば、上記感光性材料膜における上記光電変換部上での膜厚を１.１μm〜１.８μmとすることによって、上記金属配線が形成されている上記周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない上記光電変換部とに０.８μm以上且つ１.５μm以下の大きな段差があっても、上記感光性材料膜を、上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とを含む全面に、上記半導体基板に対して略平行で且つ平坦な表面を有するように形成することが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜の表面部を除去する際における除去する部分の膜厚は、０.３μm以上且つ１.６μm以下である。

この実施の形態によれば、上記光電変換部上に、０μm〜１.５μmの範囲内で所望の膜厚を有する上記感光性材料膜を残すことが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記感光性材料膜は、ポジ型の感光性材料であって、３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長の光に対する光吸収特性を有する感光基とアルカリ現像液に可溶な樹脂とを含んで形成される。

この実施の形態によれば、例えば、上記感光性材料膜の表面部を除去する際には、３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長の光とアルカリ現像液とを用いたフォトリソグラフィーによって、簡単に上記除去を行うことが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記感光基は、キノンアジド基を含む化合物である。

この実施の形態によれば、キノンアジド基を含む化合物を上記感光基としたので、３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長の光に感光してインデンカルボン酸に変化し、アルカリ可溶となる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜に対する上記表面部の除去は、上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜に対して３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長を有する光を照射した後、上記アルカリ現像液で処理することによって行う。

この実施の形態によれば、上記感光性材料膜に照射する３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長の光のエネルギーを調整することによって、所望の膜厚の上記感光性材料膜を残すことが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記アルカリ現像液は、０.５ｗt%〜５.０ｗt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを含有している。

この実施の形態によれば、０.５ｗt%〜５.０ｗt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを含有している上記アルカリ現像液を用いるので、３６５nm以上で且つ４３６nm以下の波長の光に感光した上記感光性材料膜が溶解可能となる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記金属配線を形成する工程と上記感光性材料膜を形成する工程との間に、上記金属配線と上記層間絶縁膜とを含む全面に透明膜を形成する工程を含み、
上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とを含む全面に形成される上記感光性材料膜は、感光性レジスト膜であり、
上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づく上記屋内レンズの形成は、上記感光性材料パターンとしての感光性レジストパターンをマスクとして、上記透明膜に対して、上記感光性レジストパターンと上記透明膜との選択比が略１となる条件でエッチングを行うことによって行う。

この実施の形態によれば、凸レンズ形状の感光性レジストパターンをマスクとして、上記透明膜に対して、上記感光性レジストパターンと上記透明膜との選択比が略１になる条件でエッチングを行うことによって、上記屋内レンズを形成するので、上記凸レンズ形状の感光性レジストパターンと略同一形状の上記屋内レンズを形成することが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記透明膜は、ＳiＯ₂膜,ＳiＮ膜およびＳiＯＮ膜のうちの何れか１つあるいは２以上の積層膜である。

この実施の形態によれば、上記透明膜の材料をＳiＯ₂膜(屈折率１.４〜１.５),ＳiＯＮ膜(屈折率１.５〜１.９)およびＳiＮ膜(屈折率１.９〜２.０)の中から何れかを選択することによって、光学設計の観点から、上記層内レンズの光屈折率を１.４〜２.０の範囲内で最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記透明膜の膜厚は、０.２μm以上且つ１.０μm以下である。

この実施の形態によれば、上記透明膜の膜厚を、光学設計の観点から、上記層内レンズの目的とするレンズ径に応じて、０.２μm〜１.０μmの範囲内で最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記透明膜における可視光での光屈折率は１.４以上且つ２.２以下である。

この実施の形態によれば、上記層内レンズとなる上記透明膜の材料として、ＳiＯ₂(屈折率１.４〜１.５)やＳiＯＮ(屈折率１.５〜１.９)やＳiＮ(屈折率１.９〜２.０)を選択的に用いることが可能になり、光学設計の観点から、上記層内レンズの光屈折率を最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とを含む全面に形成される上記感光性材料膜は、感光性ポリイミド膜であり、
上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づく上記屋内レンズの形成は、上記感光性材料パターンとしての感光性ポリイミドパターンに対して全面露光を行って、光吸収特性を失わせることによって行う。

この実施の形態によれば、凸レンズ形状の感光性ポリイミドパターンに対して全面露光を行って、光吸収特性を失わせることによって、上記屋内レンズを形成するので、光透過性に優れた上記層内レンズを、感光性ポリイミドを用いて少ない工程で形成することが可能になる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記感光性ポリイミド膜の膜厚は、０.２μm以上且つ１.０μmである。

この実施の形態によれば、上記感光性ポリイミド膜の膜厚を、光学設計の観点から、上記層内レンズの目的とするレンズ径に応じて、０.２μm〜１.０μmの範囲内で最適に設定することができる。

また、１実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、
上記感光性ポリイミド膜における可視光での光屈折率は、１.４以上且つ２.２以下である。

この実施の形態によれば、後に上記層内レンズとなる上記感光性ポリイミド膜の光屈折率を、光学設計の観点から、１.４〜２.２の範囲内で上記層内レンズの光屈折率を最適に設定することができる。

以上より明らかなように、この発明の固体撮像装置は、金属配線が形成されている周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない光電変換部とに大きな段差が設けられているにも拘わらず、上記光電変換部に配列して形成された複数の層内レンズは、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有しているので、例えば画素ピッチが小さくなって上記層内レンズの高精細化が図られても上記層内レンズの幅および高さの均一性を保つことができる。したがって、上記光電変換部の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができる。

また、この発明の固体撮像装置の製造方法は、光電変換部上に平坦で且つ所定の膜厚を有する感光性材料膜を形成し、この感光性材料膜にパターンニングと熱処理とを行って凸レンズ形状の感光性材料パターンを形成し、この凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づいて屋内レンズを形成するので、金属配線が形成されている周辺回路部と上記金属配線が形成されてはいない光電変換部とに大きな段差があるにも拘わらず、上記光電変換部に配列して形成された複数の層内レンズを、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズを含む総ての上記層内レンズが、略同じ所定の寸法のレンズ径を有するように形成できる。したがって、例えば画素ピッチが小さくなって上記層内レンズの高精細化が図られても上記層内レンズの幅および高さの均一性を保つことができ、上記光電変換部の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサーにおける概略を示す平面図である。図１において、一つのチップ１は、光を受光して電気信号に変換する光電変換部２とロジック回路を有する周辺回路部３とに大別される。これは、上述した従来のＣＣＤイメージセンサーの場合と同様である。図２〜図４に、図１における各製造工程でのＡ‐Ａ'矢視断面図を示す。ここで、図２(a)は、上記ＣＣＤイメージセンサーにおける上記カラーフィルター工程前での断面図である。

先ず、図２(a)に従って、上記カラーフィルター工程に移行するまでの製造工程について説明する。

シリコン基板２１からなる半導体ウエハーに、ＳiＯ₂およびＳiＮ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー,ドライエッチングおよびロコス酸化を行って、シリコン基板２１上に光電変換部２および周辺回路部３を形成する。次に、フォトリソグラフィーおよびイオン注入を繰り返し行って、受光部２２および電荷転送部２３を形成する。次に、ＣＶＤ法によってポリシリコンを成膜し、その後フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、電荷転送部２３上に転送電極２４を形成する。次に、遮光膜２５となるアルミニウム,アルミニウム合金,チタンあるいはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層あるいは複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、受光部２２上の遮光膜２５を開口させる。次に、ＢＰＳＧ膜およびＳiＯ₂膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成し、その後、高温過熱によるリフロー処理および上記ＣＭＰを行って平坦な層間絶縁膜２６を形成する。

次に、アルミニウム,アルミニウム合金,チタンまたはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層あるいは複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、ロコス酸化膜２７上に金属配線２８を形成する。金属配線２８としてアルミニウム合金を用い、その膜厚を１.０μmとしている。尚、金属配線２８の膜厚は、０.８μm〜１.５μmの範囲から品種によって適宜選択すればよい。ここまでの工程は、図１３(a)に示した一般的なＣＣＤイメージセンサーの製造工程と同じであり、これ以降の工程が、上記カラーフィルター工程となる。

次に、図２(b)に示すように、層内レンズ材料となる透明膜２９aを、プラズマＣＶＤ法によって金属配線２８を含む全面に形成する。尚、透明膜２９aの材料としては、ＳiＯ₂膜(屈折率１.４〜１.５)やＳiＯＮ膜(屈折率１.５〜１.９)やＳiＮ膜(屈折率１.９〜２.０)等があり、光学設計の観点から屈折率と膜厚とを最適化する。ここでは、ＳiＮ膜(屈折率２.０)を０.５μmの膜厚で形成している。尚、透明膜２９aの膜厚は、０.２μm〜１.０μmであることが望ましい。

次に、図２(c)に示すように、層内レンズを形成するためのポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aを透明膜２９a上の全面に、スピン塗布法によって１.３μmの膜厚で形成する。このポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの膜厚は、条件出しによって、光電変換部２と周辺回路部３とにおけるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの膜厚差が０になる条件とする。尚、条件出し手法は、以下の通りである。

すなわち、上記段差(膜厚差)の原因となる金属配線２８を膜厚を０.８μm,１.０μm,１.２μmと変化させて基板上に形成し、この基板にポジ型感光性Ｉ線レジストをその塗布膜厚(光電変換部においてポジ型感光性Ｉ線レジストの表面がフラットになる位置での塗布膜厚：以下、フラット上での塗布膜厚と言う)を変えて形成する。そして、図５に示すように、周辺回路部と光電変換部とにおけるポジ型感光性Ｉ線レジストの膜厚差(以下、単に周辺回路部と光電変換部との膜厚差と言う)「ｂ」を、段差測定機によって測定する。図６(a)〜図６(c)に、金属配線膜厚「ｃ」毎に、上記フラット上での塗布膜厚「ａ」と、周辺回路部と光電変換部との膜厚差「ｂ」との関係を示す。そして、図６(a)〜図６(c)から、周辺回路部と光電変換部との膜厚差ｂが「０」になるときの上記フラット上での塗布膜厚ａを「段差が０になる塗布膜厚」として求め、図６(d)に示すような金属配線膜厚ｃと上記段差が０になる塗布膜厚との関係を求める。

図６(d)から分かるように、金属配線膜厚ｃと上記段差が０になる塗布膜厚とはリニアな関係にあり、本実施の形態のように金属配線２８の膜厚＝１.０μmの場合には、ポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aを塗布膜厚＝１.３μmで塗布すれば、周辺回路部３と光電変換部２とにおけるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの膜厚差を０にできることが分かる。その場合におけるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの塗布膜厚１.３μmは、下地の段差(金属配線２８の膜厚)１.０μmを完全に埋めることを目的とした最低の膜厚である。

ここで、上記ポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの塗布膜厚は、下地の段差(金属配線２８の膜厚)を上記０.８μm〜１.５μmとした場合には、１.１μm〜１.８μmとなる。

尚、上記ポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aは、ベース樹脂と感光基との混合物である。ここで、上記感光基は、キノンアジド基を含む芳香族ポリヒドロキシ化合物の１,２‐ナフトキノンジアジド‐５‐スルフォニルエステルであり、自体はアルカリ不溶であるが３６５nm〜４３６nmの波長の光に感光することによってアルカリ可溶となる。また、上記ベース樹脂は、アルカリ可溶のノボラック型フェノール樹脂である。

その後、ホットプレートで９０℃/６０秒間の熱処理を行う。

次に、図３(d)に示すように、上記光電変換部２のみにおけるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの表面側の一部を除去するため、光電変換部２を開口したガラスマスク３１と、波長３６５nmのＩ線ステッパーと、を用いて露光する。その後、濃度が２.３８wt％のＴＭＡＨでなるアルカリ現像液を用いて６０秒間パドル現像を行い、さらに３０秒間純水で水洗を行う。その結果、光電変換部２には、膜厚０.５μmのポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bが残存する。

ここで、上記光電変換部２に残存させるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bの膜厚は、０.２μm〜１.０μmの範囲から、光学設計の観点より、形成する層内レンズのレンズ径に応じて選択すればよい。その際に、ポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの表面側を除去する際における除去する部分の膜厚は、０.３μm〜１.６μmの範囲から、残存させるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bの膜厚に応じて選択すればよい。

上記露光時の露光エネルギーは、８０mＪ/cm²である。この露光エネルギーは、事前の条件出しによって露光エネルギーとレジスト残存膜厚との関係を表すデータを取得し、所望の０.５μm膜厚のポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bを残存させるように設定した露光エネルギーである。上記事前の条件出しの結果を図７に示す。図７は、露光エネルギーを０mＪ/cm²〜１２０mＪ/cm²の範囲で変化させた場合における光電変換部でのポジ型感光性Ｉ線レジストのレジスト残存膜厚を、光学式膜厚測定機において測定した結果である。図７から分かるように、露光エネルギー：５０mＪ/cm²からレジスト残膜は急激に減少し、露光エネルギー：１１０mＪ/cm²で上記レジスト残膜は０となる。ここで、本実施の形態においては、デバイスからの要求レジスト残膜が０.５μmであることから、露光エネルギーを８０mＪ/cm²に設定するのである。

次に、図３(e)に示すように、上記層内レンズを形成するためのガラスマスク３２と波長３６５nmのＩ線ステッパーとを用いて露光する。その後、ホットプレートで１１０℃/６０秒間の熱処理を行い、濃度が２.３８wt％のＴＭＡＨでなるアルカリ現像液を用いて６０秒間パドル現像を行った後、３０秒間純水で水洗を行う。その結果、光電変換部２には、所望の矩形を有すると共に、マトリクス状に配列されたレジストパターン３０cが形成される。その際に、周辺回路部３にはポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aを残存させ、光電変換部２には透明膜(ＳiＮ膜)２９aを残存させるようにする。

次に、図３(f)において、ホットプレートで１５０℃/６０秒間の熱処理を行い、凸レンズ形状のレジストパターン３０dを形成する。その際に、この熱処理の熱処理条件によって上記凸レンズの曲率が変化する。そこで、レジストパターン３０dの材料に合わせて上記熱処理条件を最適化することによって、所望の曲率のレジストパターン３０dが形成可能となる。

次に、図４(g)において、凸レンズ形状のレジストパターン３０dをマスクにして、透明膜２９aに対して、ドライエッチングを行う。この場合におけるドライエッチングは、レジストパターン３０dと透明膜２９aとの選択比が略１になるエッチング条件で行うのが望ましく、具体的には、平行平板ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、反応ガスとしてＣ₂Ｆ₆/ＳＦ₆/Ｏ₂＝５５/５５/６０sccmを用い、圧力が３００mＴ、ＲＦ(高周波パワー)が５００Ｗの条件で行う。このように、選択比が略１となる条件で透明膜２９aのエッチングを行うと、凸レンズ形状のレジストパターン３０dと略同一形状の層内レンズ２９bを形成することができるのである。

上述したように、本実施の形態においては、金属配線２８を含む全面に透明膜２９aを形成し、透明膜２９a上の全面に光電変換部２と周辺回路部３とにおける膜厚差が０になるようにポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aを形成する。そして、光電変換部２上におけるポジ型感光性Ｉ線レジスト３０aの表面側の一部を、フォトリソグラフィによって除去する。こうして、光電変換部２上に透明膜２９aを介して平坦で且つ所定の膜厚を有するポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bを形成し、このポジ型感光性Ｉ線レジスト３０bにパターンニングと熱処理とを行って凸レンズ形状のマトリクス状に配列されたレジストパターン３０dを形成する。そして、この凸レンズ形状のレジストパターン３０dをマスクとして選択比が略１になる条件でのドライエッチングを行って、光電変換部２上の透明膜２９aにレジストパターン３０dの凸レンズ形状を転写して、屋内レンズ２９bを形成するようにしている。

したがって、上記金属配線２８が形成されている周辺回路部３と金属配線２８が形成されていない光電変換部２とに大きな段差があるにも拘わらず、光電変換部２に配列して形成された複数の層内レンズ２９bは、最も周辺回路部３側に位置する層内レンズ２９bと光電変換部２の中央部に位置する層内レンズ２９bとは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有している。

すなわち、本実施の形態によれば、例えば画素ピッチが小さくなって層内レンズ２９bの高精細化が図られても、層内レンズ２９bの幅および高さの均一性を保つことができ、光電変換部２の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができるのである。

また、上記透明膜２９aは、ＳiＯ₂膜,ＳiＮ膜およびＳiＯＮ膜のうちの何れか１つあるいは２以上の積層膜で構成するようにしている。したがって、透明膜２９aとして、屈折率が１.４〜１.５のＳiＯ₂膜、屈折率が１.５〜１.９のＳiＯＮ膜、および、屈折率が１.９〜２.０のＳiＮ膜のうちから何れかを選択することによって、光学設計の観点から、層内レンズ２９bの光屈折率を１.４〜２.０の範囲内で最適に設定することができる。

また、上記金属配線２８の膜厚は、０.８μm〜１.５μmになっている。したがって、金属配線２８が形成されている周辺回路部３と金属配線２８が形成されていない光電変換部２とに０.８μm〜１.５μmの大きな段差があっても、光電変換部２には、最も上記周辺回路部３側に位置する層内レンズ２９bと光電変換部２の中央部に位置する層内レンズ２９bとを、略同じ所定の寸法のレンズ径を有するようにできる。

・第２実施の形態
図１は、本実施の形態の固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサーにおける概略を示す平面図である。図１において、一つのチップ１は、光を受光して電気信号に変換する光電変換部２とロジック回路を有する周辺回路部３とに大別される。これは、上述した従来のＣＣＤイメージセンサーの場合と同様である。図８および図９に、図１における各製造工程でのＡ‐Ａ'矢視断面図を示す。ここで、図８(a)は、上記ＣＣＤイメージセンサーにおける上記カラーフィルター工程前での断面図である。

先ず、図８(a)に従って、上記カラーフィルター工程に移行するまでの製造工程について説明する。

シリコン基板４１からなる半導体ウエハーに、ＳiＯ₂およびＳiＮ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー,ドライエッチングおよびロコス酸化を行って、シリコン基板４１上に光電変換部２および周辺回路部３を形成する。次に、フォトリソグラフィーおよびイオン注入を繰り返し行って、受光部４２および電荷転送部４３を形成する。次に、ＣＶＤ法によってポリシリコンを成膜し、その後フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、電荷転送部４３上に転送電極４４を形成する。次に、遮光膜４５となるアルミニウム,アルミニウム合金,チタンあるいはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層あるいは複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、受光部４２上の遮光膜４５を開口させる。次に、ＢＰＳＧ膜およびＳiＯ₂膜をプラズマＣＶＤ法を用いて形成し、その後、高温過熱によるリフロー処理および上記ＣＭＰを行って平坦な層間絶縁膜４６を形成する。

次に、アルミニウム,アルミニウム合金,チタンまたはタングステン等の高融点金属を、スパッタ法によって単層あるいは複層に形成する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを行って、ロコス酸化膜４７上に金属配線４８を形成する。金属配線４８としてアルミニウム合金を用い、その膜厚を１.０μmとしている。尚、金属配線４８の膜厚は、０.８μm〜１.５μmの範囲から品種によって適宜選択すればよい。ここまでの工程は、図１３(a)に示した一般的なＣＣＤイメージセンサーの製造工程と同じであり、これ以降の工程が、上記カラーフィルター工程となる。

次に、図８(b)に示すように、層内レンズ材料となる感光性ポリイミド４９aを金属配線４８上および層間絶縁膜４６上の全面に、スピン塗布法によって１.３μmの膜厚で形成する。この感光性ポリイミド４９aの膜厚は、条件出しによって、光電変換部２と周辺回路部３とにおける感光性ポリイミド４９aの膜厚差が０になる条件とする。尚、条件出し手法は、以下の通りである。

すなわち、上記段差(膜厚差)の原因となる金属配線４８を膜厚を０.８μm,１.０μm,１.２μmと変化させて基板上に形成し、この基板に感光性ポリイミドをその塗布膜厚（光電変換部において感光性ポリイミドの表面がフラットになる位置での塗布膜厚：以下、フラット上での塗布膜厚と言う）を変えて形成する。そして、図１０に示すように、周辺回路部および光電変換部における感光性ポリイミドの膜厚差(以下、単に周辺回路部と光電変換部との膜厚差と言う)「ｅ」を、段差測定機によって測定する。図１１(a)〜図１１(c)に、金属配線膜厚「ｆ」毎に、上記フラット上での塗布膜厚「ｄ」と周辺回路部と光電変換部との膜厚差「ｅ」との関係を示す。そして、図１１(a)〜図１１(c)から、周辺回路部と光電変換部との膜厚差ｅが「０」になるときの上記フラット上での塗布膜厚ｄを「段差が０になる塗布膜厚」として求め、図１１(d)に示すような金属配線膜厚ｆと上記段差が０になる塗布膜厚との関係を求める。

図１１(d)から分かるように、上記金属配線膜厚ｃと上記段差が０になる塗布膜厚とはリニアな関係にあり、本実施の形態のように金属配線４８の膜厚＝１.０μmの場合には、感光性ポリイミド４９aを塗布膜厚＝１.３μmで塗布すれば、周辺回路部３と光電変換部２とにおける感光性ポリイミド４９aの膜厚差を０にできることが分かる。その場合における感光性ポリイミド４９aの塗布膜厚１.３μmは、下地の段差(金属配線４８の膜厚)１.０μmを完全に埋めることを目的とした最低の膜厚である。

ここで、上記感光性ポリイミド４９aの塗布膜厚は、下地の段差(金属配線４８の膜厚)を上記０.８μm〜１.５μmとした場合には、１.１μm〜１.８μmとなる。

尚、上記感光性ポリイミド４９aは、感光基としてキノンアジド基を含む、芳香族ポリヒドロキシ化合物の１,２‐ナフトキノンジアジド‐５‐スルフォニルエステルであり、樹脂としてはノボラック型フェノール樹脂である。また、感光性ポリイミド４９aにおける可視光の光屈折率は、１.４〜２.２の範囲から光学設計の観点より選択すればよい。

次に、図８(c)に示すように、波長３６５nmのＩ線ステッパーを用い、マスク無しで全面露光する。その後、濃度２.３８wt％のＴＭＡＨであるアルカリ現像液を用いて６０秒間パドル現像を行った後、３０秒間純水で水洗を行う。その結果、膜厚０.５μmの感光性ポリイミド４９bが残存する。

ここで、上記光電変換部２に残存させる感光性ポリイミド４９bの膜厚は、０.２μm〜１.０μmの範囲から、光学設計の観点より、形成する層内レンズのレンズ径に応じて選択すればよい。その際に、感光性ポリイミド４９aの表面側を除去する際における除去する部分の膜厚は、０.３μm〜１.６μmの範囲から、残存させる感光性ポリイミド４９bの膜厚に応じて選択すればよい。

上記露光時の露光エネルギーは、１００mＪ/cm²である。この露光エネルギーは、事前の条件出しによって露光エネルギーとレジスト残存膜厚とのデータを取得し、所望の０.５μm膜厚の感光性ポリイミド４９bを残存させるように設定した露光エネルギーである。

次に、図９(d)に示すように、層内レンズを形成するためのガラスマスク５０と波長３６５nmのＩ線ステッパーとを用いて露光する。その後、ホットプレートで１１０℃/６０秒間の熱処理を行い、濃度２.３８wt％のＴＭＡＨであるアルカリ現像液を用いて６０秒間パドル現像を行った後、３０秒間純水で水洗を行う。その結果、光電変換部２には、所望の矩形を有すると共に、マトリクス状に配列された感光性ポリイミドパターン４９cが形成される。その際に、周辺回路部３には感光性ポリイミド４９bを残存させて、保護膜とする。

次に、図９(e)において、ホットプレートで１６０℃/１８０秒間の熱処理を行い、凸レンズ形状の感光性ポリイミドパターン４９dを形成する。その際に、この熱処理の熱処理条件によって上記凸レンズの曲率が変化する。そこで、感光性ポリイミドパターン４９dの材料に合わせて上記熱処理条件を最適化することによって、所望の曲率の感光性ポリイミドパターン４９dが形成可能となる。

その後、波長３６５nmのＩ線ステッパーを用い、マスク無しで全面露光し、感光性ポリイミドパターン４９d中の上記感光基を分解させ、光吸収特性を失わせる。こうすることによって、感光性ポリイミドパターン４９dに、層内レンズとして機能できる程度の透明性を確保することができるのである。

上述したように、本実施の形態においては、金属配線４８を含む全面に、光電変換部２と周辺回路部３とにおける膜厚差が０になるように感光性ポリイミド４９aを形成する。そして、感光性ポリイミド４９a全体の表面側の一部を、フォトリソグラフィによって除去する。こうして、光電変換部２上に平坦で且つ所定の膜厚を有する感光性ポリイミド４９bを形成し、この感光性ポリイミド４９bにパターンニングと熱処理とを行って凸レンズ形状のマトリクス状に配列された感光性ポリイミドパターン４９dを形成する。そして、この凸レンズ形状の感光性ポリイミドパターン４９dに対して、波長３６５nmの光で全面露光して上記感光基を分解させ、光吸収特性を失わせて、屋内レンズ４９dを形成するようにしている。

したがって、上記金属配線４８が形成されている周辺回路部３と金属配線２８が形成されていない光電変換部２とに大きな段差があるにも拘わらず、光電変換部２に配列して形成された複数の層内レンズ４９dは、最も周辺回路部３側に位置する層内レンズ４９dと光電変換部２の中央部に位置する層内レンズ４９dとは、略同じ所定の寸法のレンズ径を有している。

すなわち、本実施の形態によれば、例えば画素ピッチが小さくなって層内レンズ４９dの高精細化が図られても、層内レンズ４９dの幅および高さの均一性を保つことができ、光電変換部２の全体での光の集光率および感度のバラツキを小さくすることができるのである。

また、上記層内レンズ４９dは、上記感光性ポリイミド４９aに加工を施して形成されている。したがって、本実施の形態においては、上記第１実施の形態の場合のような上記透明膜を形成する必要はなく、感光性ポリイミド４９aに対してフォトリソグラフィーおよび熱処理を施すことによって、層内レンズ４９dを少ない工程で形成することができる。

また、表面側の一部がフォトリソグラフィによって除去された後の感光性ポリイミド４９bの膜厚を、０.２μm〜１.０μmとしている。したがって、光学設計の観点から、層内レンズ４９dの所望のレンズ径に応じて、０.２μm〜１.０μmの範囲内で最適に設定することができる。

また、上記感光性ポリイミド４９aにおける可視光での光屈折率は、１.４〜２.２としている。したがって、光学設計の観点から、１.４〜２.２の範囲内で層内レンズ４９dの光屈折率を最適に設定することができる。

図１２は、上記各実施の形態を用いて形成されたＣＣＤイメージセンサー(図１２(a))と、図１３および図１４に示す従来の製造方法で形成された従来のＣＣＤイメージセンサー(図１２(b))との最終製品の断面図を示す。

図１２(a)に示すように、上記各実施の形態を用いて形成されたＣＣＤイメージセンサーは、上記第１実施の形態における図４(g)あるいは上記第２実施の形態における図９(e)のように屋内レンズ５１が形成された基板上に第１平坦化膜５２が形成され、第１平坦化膜５２上における屋内レンズ５１に対応する位置にグリーン,レッドおよびブルーあるいはイエロー,シアンおよびマゼンダからなる３色のカラーフィルター５３が形成され、全面を覆って第２平坦化膜５４が形成され、第２平坦化膜５４上におけるカラーフィルター５３に対応する位置にマイクロレンズ５５が形成されて、最終製品が得られる。

図１２(b)に示すように、上記従来のＣＣＤイメージセンサーは、図１２(a)の場合と同様に、図１４(f)のように屋内レンズ５６が形成された基板上に第１平坦化膜５７が形成され、第１平坦化膜５７上における屋内レンズ５６に対応する位置に上記３色のカラーフィルター５８が形成され、全面を覆って第２平坦化膜５９が形成され、第２平坦化膜５９上におけるカラーフィルター５８に対応する位置にマイクロレンズ６０が形成されて、最終製品が得られる。

図１２(b)に示すように、上記従来のＣＣＤイメージセンサーにおいては、光電変換部２の端部では線幅が大きく且つ高さも高い層内レンズ５６が形成されており、一部の屋内レンズ５６同士がくっ付いている。近年の画素数の拡大によって画素ピッチも小さくなっており、光電変換部２全体で寸法および高さが均一な層内レンズ５６を形成することが、益々困難になってきている。

これに対して、上記各実施の形態を用いて形成されたＣＣＤイメージセンサーにおいては、図１２(a)に示すように、層内レンズ５１は、光電変換部２の端から中央にかけて線幅および高さが均一に形成されている。したがって、画素ピッチが小さくなった場合にも対処可能となる。尚、上記各実施の形態の場合には、層内レンズ５１の外径は１.２μmであり、層内レンズ５１間のスペースは０.４μmである。

その結果、上記各実施の形態を用いて形成されたＣＣＤイメージセンサーによれば、光電変換部２全体で光の集光率および感度のバラツキが小さく、高性能なＣＣＤイメージセンサーの形成が可能になるのである。

尚、上記各実施の形態においては、露光時に使用する光の波長を３６５nmとしている。しかしながら、３６５nmに限定されるものではなく、３６５nm〜４３６nmの範囲内の波長であればよい。要は、感光基としてキノンアジドを含む感光材料が感光する波長であればよいのである。

また、上記各実施の形態においては、上記アルカリ現像液におけるＴＭＡＨ濃度を２.３８wt％としている。しかしながら、２.３８wt％に限定されるものではなく、０.５wt％〜５.０wt％の範囲内の濃度であればよい。

また、本発明は、固体撮像素子製造方法のみに限定したものではなく、高段差を有する半導体基板上にスピンコート法により膜を形成する工程、全てに適用可能である。

この発明の固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサーにおける概略平面図である。 図１に示すＣＣＤイメージセンサーにおける各製造工程での断面図である。 図２に続く製造工程での断面図である。 図２および図３に続く製造工程での断面図である。 層内レンズ形成用のレジストにおける膜厚の条件出しの説明図である。 金属配線膜厚毎のレジスト塗布膜厚と膜厚差との関係、および、金属配線膜厚と膜厚差が０になるレジスト塗布膜厚との関係を示す図である。 露光エネルギーとレジスト残存膜厚との関係を示す図である。 図２〜図４とは異なる各製造工程での断面図である。 図８に続く製造工程での断面図である。 層内レンズとなる感光性ポリイミドにおける膜厚の条件出しの説明図である。 金属配線膜厚毎のポリイミド塗布膜厚と膜厚差との関係、および、金属配線膜厚と膜厚差が０になるポリイミド塗布膜厚との関係を示す図である。 図２〜図４および図８,図９に示す製造工程で形成されたＣＣＤイメージセンサーと従来の製造方法で形成された従来のＣＣＤイメージセンサーとの最終製品の断面図である。 ＣＣＤイメージセンサーにおける従来の製造工程での断面図である。 図１３に続く製造工程での断面図である。

符号の説明

１…ＣＣＤイメージセンサーチップ、
２…光電変換部、
３…周辺回路部、
２１,４１…シリコン基板、
２２,４２…受光部、
２３,４３…電荷転送部、
２４,４４…転送電極、
２５,４５…遮光膜、
２６,４６…層間絶縁膜、
２７,４７…ロコス酸化膜、
２８,４８…金属配線、
２９a…透明膜、
２９b,５１…層内レンズ、
３０a,３０b…ポジ型感光性Ｉ線レジスト、
３０c,３０d…レジストパターン、
３１,３２,５０…ガラスマスク、
４９a,４９b…感光性ポリイミド、
４９c…感光性ポリイミドパターン、
４９d…凸レンズ形状の感光性ポリイミドパターン(屋内レンズ)、
５２…第１平坦化膜、
５３…カラーフィルター、
５４…第２平坦化膜、
５５…マイクロレンズ。

Claims (23)

1. 半導体基板と、
   上記半導体基板上に形成された光電変換部および周辺回路部と、
   上記光電変換部と上記周辺回路部との上を平坦に覆う層間絶縁膜と、
   上記周辺回路部上に位置する上記層間絶縁膜上に形成された金属配線と、
   上記光電変換部上に位置する上記層間絶縁膜上に配列して形成された複数の層内レンズと、
   上記金属配線上と上記層内レンズ上およびそれ以外の部分上に形成された第１平坦化膜と、
   上記第１平坦膜上に形成されたカラーフィルターと、
   上記カラーフィルター上およびそれ以外の部分上に形成された第２平坦化膜と、
   上記第２平坦化膜上に形成されたマイクロレンズと
   を備え、
   上記複数の層内レンズのうち、最も上記周辺回路部側に位置する上記層内レンズと上記前記光電変換部の中央部に位置する上記層内レンズとを含む総ての上記層内レンズは、略同じレンズ径を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   上記層内レンズにおける可視光での光屈折率は、１.４以上且つ２.２以下である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の固体撮像装置において、
   上記金属配線の膜厚は、０.８μm以上且つ１.５μm以下である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の固体撮像装置において、
   上記第１平坦化膜および上記第２平坦化膜は、透明な有機膜である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１から請求項４までの何れか一つに記載の固体撮像装置において、
   上記カラーフィルターは、グリーン,レッドおよびブルーの３色あるいはイエロー,シアンおよびマゼンダの３色のカラーレジストから作成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の固体撮像装置において、
   上記層内レンズは、透明膜を加工して形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
   上記透明膜は、ＳiＯ₂膜,ＳiＮ膜およびＳiＯＮ膜のうちの何れか１つあるいは２以上の積層膜で構成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の固体撮像装置において、
   上記層内レンズはポリイミド膜を加工して形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
9. 半導体基板上に光電変換部および周辺回路部を形成し、上記光電変換部と上記周辺回路部との上を層間絶縁膜によって平坦に覆う工程と、
   上記周辺回路部上に位置する上記層間絶縁膜上に、金属配線を形成する工程と、
   上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とに、上記半導体基板に対して略平行で且つ平坦な表面を有する感光性材料膜を形成する工程と、
   少なくとも上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜の表面部を除去して、上記光電変換部上に平坦で且つ所定の膜厚を有する上記感光性材料膜を残す工程と、
   上記光電変換部上に残った上記感光性材料膜に対してパターンニングを行う工程と、
   上記パターンニングが行われた上記感光性材料膜に対して熱処理を行って、凸レンズ形状の感光性材料パターンを形成する工程と、
   上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づいて屋内レンズを形成する工程と
   を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記金属配線の膜厚は、０.８μm以上且つ１.５μm以下である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 請求項９あるいは請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記光電変換部上に形成された上記感光性材料膜の膜厚は、１.１μm〜１.８μmである
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
12. 請求項９から請求項１１までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜の表面部を除去する際における除去する部分の膜厚は、０.３μm以上且つ１.６μm以下である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
13. 請求項９から請求項１２までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記感光性材料膜は、ポジ型の感光性材料であって、３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長の光に対する光吸収特性を有する感光基とアルカリ現像液に可溶な樹脂とを含んで形成される
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
14. 請求項１３に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記感光基は、キノンアジド基を含む化合物である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
15. 請求項９から請求項１４までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜に対する上記表面部の除去は、上記光電変換部上に位置する上記感光性材料膜に対して３６５nm以上且つ４３６nm以下の波長を有する光を照射した後、上記アルカリ現像液で処理することによって行う
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
16. 請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記アルカリ現像液は、０.５ｗt%〜５.０ｗt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを含有している
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
17. 請求項９から請求項１６までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記金属配線を形成する工程と上記感光性材料膜を形成する工程との間に、上記金属配線と上記層間絶縁膜とを含む全面に透明膜を形成する工程を含み、
    上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とを含む全面に形成される上記感光性材料膜は、感光性レジスト膜であり、
    上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づく上記屋内レンズの形成は、上記感光性材料パターンとしての感光性レジストパターンをマスクとして、上記透明膜に対して、上記感光性レジストパターンと上記透明膜との選択比が略１となる条件でエッチングを行うことによって行う
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
18. 請求項１７に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記透明膜は、ＳiＯ₂膜,ＳiＮ膜およびＳiＯＮ膜のうちの何れか１つあるいは２以上の積層膜である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
19. 請求項１７あるいは請求項１８に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記透明膜の膜厚は、０.２μm以上且つ１.０μm以下である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
20. 請求項１７から請求項１９までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記透明膜における可視光での光屈折率は、１.４以上且つ２.２以下である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
21. 請求項９から請求項１６までの何れか一つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記金属配線上と上記層間絶縁膜上とを含む全面に形成される上記感光性材料膜は、感光性ポリイミド膜であり、
    上記凸レンズ形状の感光性材料パターンに基づく上記屋内レンズの形成は、上記感光性材料パターンとしての感光性ポリイミドパターンに対して全面露光を行って、光吸収特性を失わせることによって行う
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
22. 請求項２１に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記感光性ポリイミド膜の膜厚は、０.２μm以上且つ１.０μmである
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
23. 請求項２１あるいは請求項２２に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    上記感光性ポリイミド膜における可視光での光屈折率は、１.４以上且つ２.２以下である
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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