JP4705499B2 - オンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、オンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法に関し、特に、エッチバック法を用いる凹部形成技術に関する。
固体撮像装置は、携帯機器やカメラの画像入力装置として広く普及している。現在、固体撮像装置に対してより一層の小型化および多画素化が望まれており、このため、固体撮像装置においては、従来から形成されていたトップレンズに加え、より受光部（フォトダイオード）に近い領域にもレンズ（層内レンズ）を設けるという構成が採れらている。即ち、微細画素化が進む固体撮像装置においては、感度およびスミア特性等の観点から層内レンズを含むオンチップレンズを形成することが必須とされている。
固体撮像装置における層内レンズについては、種々の文献にその形成方法が提案されている（特許文献１〜４）。一例として、特許文献１で提案された方法で層内レンズが形成された固体撮像装置の構成について、図１０を用い説明する。なお、図１０では、固体撮像装置の撮像領域だけを抜き出して描いている。
図１０（ａ）に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板１０１１の一方の主面に、ゲート絶縁膜１０１４が形成され、その上に互いに間隔をあけて配された転送電極１０１５が形成された構成を有する。また、転送電極１０１５の上には、層間絶縁膜１０１６、遮光膜１０１７およびパッシベーション膜１０１８が順に形成されている。パッシベーション膜１０１８の上には、層内レンズ第１形成膜１０１９および層内レンズ第２形成膜１０２０が形成され、カラーフィルタ膜１０２１およびトップレンズ形成膜１０２２が形成されている。また、半導体基板１０１１の主面から内方に向けての領域には、対をなす電荷転送部１０１２とこれらに挟まれるように受光部１０１３が形成されている。
図１０（ａ）に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板１０１１の一方の主面に、ゲート絶縁膜１０１４が形成され、その上に互いに間隔をあけて配された転送電極１０１５が形成された構成を有する。また、転送電極１０１５の上には、層間絶縁膜１０１６、遮光膜１０１７およびパッシベーション膜１０１８が順に形成されている。パッシベーション膜１０１８の上には、層内レンズ第１形成膜１０１９および層内レンズ第２形成膜１０２０が形成され、カラーフィルタ膜１０２１およびトップレンズ形成膜１０２２が形成されている。また、半導体基板１０１１の主面から内方に向けての領域には、対をなす電荷転送部１０１２とこれらに挟まれるように受光部１０１３が形成されている。
トップレンズ形成膜１０２２は、受光部１０１３に対応する箇所が隆起した形状となっており、この隆起した部分が各画素におけるトップレンズ１０２２ａである。また、層内レンズ第１形成膜１０１９は、受光部１０１３に対応する箇所が凹んでおり、この凹んだ部分が層内レンズ第２形成膜１０２０により埋め込まれることで、層内レンズ１０２０ａが形成されている。
特許文献１では、パッシベーション膜１０１８の表面に添わせてＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）からなる膜を形成し、これを熱フローさせることで、受光部１０１３に対応する箇所が凹んだ層内レンズ第１形成膜１０１９を形成している。熱フロー法を用い層内レンズの形成した場合には、図１０（ｂ）に示すように、層内レンズ第１形成膜１０１９と層内レンズ第２形成膜１０２０との界面Ｌ１０１９における凹み部分に変曲点ＰＢができてしまう。このため、特許文献１の技術を用いた場合には、有効径が実質的に小さい層内レンズしか形成できず、集光率の向上という観点から改善が求められる。
これに対して、特許文献３には、受光部に応じた部分に微細な開口を有するマスクを形成した上で、等方性エッチングを行うことで開口から扇状断面の凹部を形成し、レンズ形成をするという技術が提案されている。
特開２００２−２４６５７８号公報
特開平０６−６１４８７号公報
特許２５９７０３７号公報
特開２００２−３５３４２８号公報
しかしながら、上記特許文献１〜４を含む従来の技術を用いた場合には、高い集光率を有し、且つ、高い設計の自由度を有するようなレンズの形成は困難である。即ち、特許文献１では、上述のように、変曲点の存在により有効径の小さなレンズしか形成できず、また、特許文献３などの技術では、高い寸法精度を有するレンズを形成するのが困難である。実際に特許文献３に係る技術を用いレンズ形成を実施する場合には、等方性エッチングを用いるが故に、半球形のレンズを形成することは困難であり、洗面器を伏せたような形状のレンズしか形成し得ない。
なお、層内レンズを図１０（ａ）に示すのとは逆向き、即ち、トップレンズ１０２２ａと同じ向きとすれば、その形成における困難性を緩和できるが、このような構成を採用する場合には、受光部から層内レンズの中心位置までの距離が長くなり、斜め入射光の集光率の低下を招くことになる。
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、有効径が大きく、且つ、斜め入射光に対しても高い集光率を実現し得るオンチップレンズの形成方法と、当該オンチップレンズの形成方法を含む固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、有効径が大きく、且つ、斜め入射光に対しても高い集光率を実現し得るオンチップレンズの形成方法と、当該オンチップレンズの形成方法を含む固体撮像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、本発明に係るオンチップレンズの形成方法は、基板の表面上に、透光性を有する第１の材料からなる下地膜を堆積するステップと、下地膜の一部領域を基板側に掘り下げ、凹部を形成するステップとを有する。そして、本発明に係るオンチップレンズの形成方法では、凹部を形成するステップに、下地膜の表面上に、第２の材料からなり、凹部の形状に対し掘り下げようとする方向に反転した形状を有するパターン膜を堆積するサブステップと、第３の材料を用い、表面が平坦となる状態まで、パターン膜を埋め込む埋め込み膜を形成するサブステップと、埋め込み膜の表面から下地膜に向けてエッチバックを行い、下地膜（パターン膜を堆積した部分）を掘り下げて凹部を形成するサブステップとを含んでおり、エッチバックの実行において、第２の材料として、第３の材料よりもエッチレートの高い材料を選択的に用いることを特徴とする。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法を層内マイクロレンズの形成ステップとして有することを特徴とする。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、埋め込み膜を形成する第３の材料に比べてエッチレートの高い第２の材料で凹部の反転形状を有するパターン膜を形成し、埋め込み膜の上から下地膜に向けてエッチバックを行う。これにより、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、第２の材料と第３の材料とのエッチレートの差異を用いることで、エッチバック時における下地膜に対するエッチング開始タイミングに差異を設けることができ、レンズの主たる構成となる凹部を設計に沿う形状で形成できることになる。上述のように、第２の材料で形成したパターン膜と、これを埋め込む埋め込み膜との構成材料のエッチレートを変えておくことで、本発明に係る形成方法では、パターン膜の形状に相似する凹部の形成を行うことができる。これは、次のような理由によるものである。
本発明におけるエッチバック条件では、第２の材料のエッチレートが第３の材料のエッチレートよりも高いことから、平坦化された埋め込み膜の表面からエッチングを進めて行き、パターン膜にエッチングが達したときに、パターン膜でのエッチング速度が埋め込み膜でのエッチング速度よりもエッチレートの比率に応じた差異が生じる。即ち、下地膜の厚み方向において、埋め込み膜の厚みが厚い部分ほど下地膜がエッチングされ始めるタイミングが遅くなり、パターン膜の厚みが厚く、埋め込み膜の厚みが薄い部分ほど下地膜がエッチングされ始めるタイミングが早くなる。そして、このパターン膜と埋め込み膜とのエッチング速度の差異により、下地膜がエッチングされ始めるタイミングに差異を生じることになり、パターン膜の形状に相似する凹部が形成できることになる。
このように、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、下地膜の上に凸状に形成するパターン膜の形状を制御することで、凹部の形状を正確に制御することができる。ここで、通常、凸状のパターン膜の形成は、凹部の形成よりも格段に容易である。
また、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、上記特許文献１で提案の技術のような凹部形成に熱フローを用いていないので、凹部における境界面に変曲点ができるのを抑制することができ、有効径の大きなオンチップレンズを形成するのに優位である。また、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、基板の側に凸となるようにレンズを形成することができるので、斜め入射光に対しても高い集光率を得ることができる。
また、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、上記特許文献１で提案の技術のような凹部形成に熱フローを用いていないので、凹部における境界面に変曲点ができるのを抑制することができ、有効径の大きなオンチップレンズを形成するのに優位である。また、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、基板の側に凸となるようにレンズを形成することができるので、斜め入射光に対しても高い集光率を得ることができる。
従って、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、有効径が大きく、且つ、斜め入射光に対しても高い集光率を実現し得るオンチップレンズを困難なく形成することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、次のようなバリエーションを採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、次のようなバリエーションを採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、エッチバックの実行において、第３の材料に対する第２の材料のエッチレート比が、１．５以上２．５以下の範囲内に設定されているという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、エッチバックの実行において、第１の材料に対する第３の材料のエッチレート比が、０．５以上１．５以下の範囲内に設定されているという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、エッチバックの実行において、第１の材料に対する第３の材料のエッチレート比が、０．５以上１．５以下の範囲内に設定されているという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、エッチバックの実行において、第１の材料に対する第２の材料のエッチレート比が、１．５以上２．５以下の範囲内に設定されているという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、パターン膜を堆積するサブステップにおいて、第２の材料として感光性樹脂材料を用い、下地膜の上に、感光性樹脂材料からなる膜を形成し、感光性樹脂材料からなる膜の上に所要の開口を有するマスクを形成し、マスクの上から感光性樹脂材料からなる膜に対し、露光および現像を実行することで前記パターン膜を形成するという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、パターン膜を堆積するサブステップにおいて、第２の材料として感光性樹脂材料を用い、下地膜の上に、感光性樹脂材料からなる膜を形成し、感光性樹脂材料からなる膜の上に所要の開口を有するマスクを形成し、マスクの上から感光性樹脂材料からなる膜に対し、露光および現像を実行することで前記パターン膜を形成するという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、パターン膜を堆積するサブステップにおいて、第２の材料として感光性樹脂材料を用い、下地膜の上に、リソグラフィ法を用いパターニングされたパターン準備膜を形成し、パターン準備膜に対し、１５０℃以上の熱を加えてフローさせることでパターン膜を形成するという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、埋め込み膜を形成するサブステップにおいて、第３の材料として硬化性を有する粘性流体状の材料を用い、当該材料を、パターン膜が形成された下地膜の上から塗布することで、表面が平坦化された埋め込み膜を形成するという構成を採用することができる。ここで、第３の材料として樹脂材料を用いるという構成を採用することができる。
上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、第２の材料および第３の材料として、ともに合成樹脂材料を用い、第２の材料として、第３の材料よりも、樹脂の二重結合密度が高いものを用いるという構成を採用することができる。
また、上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、第２の材料として、シリコン窒化物またはシリコン酸窒化物を用い、第３の材料として、シリコン酸化物を用い、凹部を形成するサブステップにおいて、フッ素を含むガスを用い、ドライエッチングによりエッチバックを実行するという構成を採用することができる。
また、上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、第２の材料として、シリコン窒化物またはシリコン酸窒化物を用い、第３の材料として、シリコン酸化物を用い、凹部を形成するサブステップにおいて、フッ素を含むガスを用い、ドライエッチングによりエッチバックを実行するという構成を採用することができる。
また、上記本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、凹部に対し、透光性を有し第１の材料に対し屈折率の異なる第４の材料を埋め込むステップを有するという構成を採用することができる。
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、以下で用いる各実施の形態は、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のあくまでも一例であって、本発明は、効果を奏するための本質的部分以外について、これらに何ら限定を受けるものではない。
1．固体撮像装置１の製造方法
本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法について、図１〜図３を用い説明する。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法については、その特徴となる撮像領域の一画素に相当する部分のみを示し、垂直転送部、水平転送部およびアンプ部などについては構造および製造方法が従来と同一であるため、その図示および説明を省略する。
1．固体撮像装置１の製造方法
本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法について、図１〜図３を用い説明する。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法については、その特徴となる撮像領域の一画素に相当する部分のみを示し、垂直転送部、水平転送部およびアンプ部などについては構造および製造方法が従来と同一であるため、その図示および説明を省略する。
図１（ａ）に示すように、ｐ型の半導体基板１１に対し、その表面から内方に向けてｎ型不純物を拡散させ、互いに間隔をあけた状態で電荷転送部１２を形成する。そして、半導体基板１１の主面上を、酸化膜であるゲート絶縁膜１４で被覆する。続いて、ゲート絶縁膜１５の表面上に、多結晶シリコン膜を形成した後、反応性イオンエッチングおよびウェットエッチングを用い、電荷転送部１２に対応する部分の多結晶シリコン膜だけを残す。この電荷転送部１２に対応する箇所に残った多結晶シリコン膜が転送電極１５となる。
転送電極１５およびゲート絶縁膜１４の表面を覆うように、層間絶縁膜１６を形成する。そして、上記転送電極１６をイオン注入用マスクとし、ゲート絶縁膜１４および層間絶縁膜１６をバッファ膜として、n型不純物イオン（例えば、リンイオン：Ｐ＋）とｐ型不純物イオン（例えば、ボロンイオン：Ｂ＋）とを順に注入し、受光部１３を形成する。なお、図１〜図３などでは、受光部１３を一の領域として表しているが、実際には、上記イオン注入によりｎ型領域とｐ型領域とで構成されている。
また、層間絶縁膜１６の上に対して、受光部１３に相当する部分に開口を有する状態に遮光膜１７を形成し、その上に、パッシベーション膜１８を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、受光部１３の上方における凹部１０ａを埋め込む状態に、層内レンズ第１準備膜１９０を形成する。層内レンズ第１準備膜１９０は、酸化膜であって、例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）やＮＳＧ（Ｎｏｎ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、さらにはＳｉＮやＳｉＯＮを用い、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成することができる。ここで、層内レンズ第１準備膜１９０の形成にあたっては、その表面を平坦化しておく。
次に、図１（ｂ）に示すように、受光部１３の上方における凹部１０ａを埋め込む状態に、層内レンズ第１準備膜１９０を形成する。層内レンズ第１準備膜１９０は、酸化膜であって、例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）やＮＳＧ（Ｎｏｎ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、さらにはＳｉＮやＳｉＯＮを用い、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成することができる。ここで、層内レンズ第１準備膜１９０の形成にあたっては、その表面を平坦化しておく。
図１（ｃ）に示すように、平坦化されてなる層内レンズ第１準備膜１９０の表面上に、パターンレジスト準備膜５００を堆積させる。なお、平坦化にあたっては、例えば、１５０［℃］の温度でフローさせる。パターンレジスト準備膜５００は、例えば、ＳｉＮを用いＣＶＤ法などで形成される。このように堆積形成したパターンレジスト準備膜５００に対して、フォトレジスト、リソグラフィおよびレジストベークとエッチングとを実行し、図２（ａ）に示すような形状のパターンレジスト膜５０を得る。ここで、パターンレジスト膜５０の形状は、形成しようとする層内レンズのための凹部１９ａとは、反転関係を有する。
図２（ｂ）に示すように、上記方法により形成したパターンレジスト膜５０を埋め込むように、埋め込みレジスト膜５１を形成する。埋め込みレジスト膜５１は、酸化膜であって、例えば、ＢＰＳＧやＮＳＧやＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）を用い、フロー法やＣＭＰ法により表面５１ｆを平坦化する。
あるいは、パターンレジスト準備膜５００をフォトレジストで形成する場合には、パターンレジスト準備膜５００に対しリソグラフィおよびレジストベークとエッチングとを実行し、図２（ａ）に示すような形状のパターンレジスト膜５０を形成することができる。この場合には埋め込みレジスト膜５１には、酸化膜であるＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）や樹脂であるアクリルなどのフォトレジストとは分子構造の異なる材料を用いる。溶解した樹脂の塗布のみで平坦性が不十分な場合にはエッチバック法などにより表面５１ｆを平坦化する。
あるいは、パターンレジスト準備膜５００をフォトレジストで形成する場合には、パターンレジスト準備膜５００に対しリソグラフィおよびレジストベークとエッチングとを実行し、図２（ａ）に示すような形状のパターンレジスト膜５０を形成することができる。この場合には埋め込みレジスト膜５１には、酸化膜であるＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）や樹脂であるアクリルなどのフォトレジストとは分子構造の異なる材料を用いる。溶解した樹脂の塗布のみで平坦性が不十分な場合にはエッチバック法などにより表面５１ｆを平坦化する。
次に、図２（ｂ）の状態からエッチバックを行うことで、図２（ｃ）に示すように、凹部１９ａを有する層内レンズ第１形成膜１９の形成が完了する。なお、図２（ａ）から図２（ｃ）に至る過程は、本実施の形態に係る製造方法の最も特徴となる部分であるので、この凹部１９ａの形成工程については、後述する。
図３（ａ）に示すように、上記工程で形成された凹部１９ａを埋め込むように、層内レンズ第２形成膜２０を形成する。層内レンズ第２形成膜２０は、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮを用い、ＣＶＤ法などで形成される。なお、層内レンズ第２形成膜２０の形成に用いる材料には、上記層内レンズ第１形成膜１９の形成に用いる材料とは屈折率の異なるものを用い、層内レンズ第１形成膜１９の凹部１９ａへの層内レンズ第２形成膜２０の埋め込み部分が層内レンズ２０ａとしての機能を果たすことになる。
図３（ａ）に示すように、上記工程で形成された凹部１９ａを埋め込むように、層内レンズ第２形成膜２０を形成する。層内レンズ第２形成膜２０は、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮを用い、ＣＶＤ法などで形成される。なお、層内レンズ第２形成膜２０の形成に用いる材料には、上記層内レンズ第１形成膜１９の形成に用いる材料とは屈折率の異なるものを用い、層内レンズ第１形成膜１９の凹部１９ａへの層内レンズ第２形成膜２０の埋め込み部分が層内レンズ２０ａとしての機能を果たすことになる。
最後に、図３（ｂ）に示すように、層内レンズ第２形成膜２０の表面上に対して、カラーフィルタ膜２１およびトップレンズ形成膜２２を順に積層し、トップレンズ形成膜２２における受光部１３に相当する箇所を外向きに凸状としてトップレンズ２２ａを形成する。
２．層内レンズ第１形成膜１９における凹部１９ａの形成方法
以下では、上記本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造工程の内、層内レンズ第１形成膜１０における凹部１９ａの詳しい形成方法について、図４を用い説明する。
２．層内レンズ第１形成膜１９における凹部１９ａの形成方法
以下では、上記本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造工程の内、層内レンズ第１形成膜１０における凹部１９ａの詳しい形成方法について、図４を用い説明する。
上述のように、本実施の形態に係る製造方法では、層内レンズ第１準備膜１９０の表面上に対して、得ようとする凹部１９ａの形状とは雄雌反転した関係を有するパターンレジスト膜５０と、これを埋め込む埋め込みレジスト膜５１とを堆積させた（図４（ａ）の状態の）後にエッチバックを実行する。ここで、本実施の形態においては、パターンレジスト膜５０と埋め込みレジスト膜５１との間において、エッチバックの実行における互いのエッチレートに差異を有する設定となっている。具体的には、本実施の形態に係る製造方法では、パターンレジスト膜５０の形成材料として、埋め込みレジスト膜５１の形成に用いる材料よりもエッチレートの高いものを選択的に用い、さらには、層内レンズ第１形成膜１９の形成材料に対し略同等のエッチレートを有するものとしている。
図４（ｂ）に示すように、エッチバック（異方性エッチング）の実行において、パターンレジスト膜５０の表面が露出した後には、埋め込みレジスト膜５１の表面５１ｆ２に比べてエッチレートが高いパターンレジスト膜５０はエッチレートの比率に応じてエッチングが早く進行する。また、パターンレジスト膜５０のエッチングは、箇所ごとの露出されるタイミングによりその進行が左右され、半楕円型断面のパターンレジスト膜５０を採用する場合には、図４（ｂ）に示すように、表面５０ｆのようにパターンレジスト膜５０とは反転した状態でエッチングが進行することになる。
図４（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る製造方法では、パターンレジスト膜５０と層内レンズ第1準備膜１９０とのエッチレートを略同一としているので、パターンレジスト膜５０と埋め込みレジスト膜５１とのエッチングの進行速度の違いは、そのまま層内レンズ第１準備膜１９０の内方に向けて掘り込みにおいても継続される。そして、パターンレジスト膜５０の形状に対して反転関係を有する形状１９０ｆを以ってエッチバックが進行することになる。
最後に、パターンレジスト膜５０および埋め込みレジスト膜５１がなくなる状態にて、エッチバックが完了し、図２（ｃ）に示すような凹部１９ａを有する層内レンズ第１形成膜１９の形成が完了する。
３．各材料のエッチレート比
上述のような特徴を有する本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、次のようなエッチレート比での設定が望ましい。
（１）パターンレジスト膜５０と埋め込みレジスト膜５１
本実施の形態においては、固体撮像装置１における層内レンズ２０ａの形成という観点から、パターンレジスト膜５０の材料に対する埋め込みレジスト膜５１の材料のエッチレート比を、１．５以上２．５以下の範囲で設定することが望ましい。
（２）埋め込みレジスト膜５１と層内レンズ第１形成膜１９
本実施の形態においては、上記同様の観点から、エッチレート比を０．５以上１．５以下の半で設定することが望ましい。
（３）層内レンズ第１形成膜１９とパターンレジスト膜５０
本実施の形態においては、層内レンズ第１形成膜１９の材料に対するパターンレジスト膜５０の材料のエッチレート比を、１．５以上２．５以下の範囲で設定することが望ましい。
３．各材料のエッチレート比
上述のような特徴を有する本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、次のようなエッチレート比での設定が望ましい。
（１）パターンレジスト膜５０と埋め込みレジスト膜５１
本実施の形態においては、固体撮像装置１における層内レンズ２０ａの形成という観点から、パターンレジスト膜５０の材料に対する埋め込みレジスト膜５１の材料のエッチレート比を、１．５以上２．５以下の範囲で設定することが望ましい。
（２）埋め込みレジスト膜５１と層内レンズ第１形成膜１９
本実施の形態においては、上記同様の観点から、エッチレート比を０．５以上１．５以下の半で設定することが望ましい。
（３）層内レンズ第１形成膜１９とパターンレジスト膜５０
本実施の形態においては、層内レンズ第１形成膜１９の材料に対するパターンレジスト膜５０の材料のエッチレート比を、１．５以上２．５以下の範囲で設定することが望ましい。
具体的には、以下の表で示す組み合わせを採用することができる。
なお、表１において、ノボラックは、フォトレジストの主成分となるものである。
また、上記では、エッチレート比の一例を挙げたが、エッチングガスやその混合比、圧力などの条件変更により調整可能である。
４．エッチバックの進行についての考察
上記エッチレート比とエッチバックの進行の関係について、図５および図６を用い説明する。図５は、埋め込みレジスト膜５１、パターンレジスト膜５０および層内レンズ第１形成膜１９の各エッチレートをそれぞれα、β、γとするとき、次の関係を有する場合のエッチバックの進行を示す。
［数１］
α：β：γ＝１：２：２
また、図６は、α、β、γが次の関係を有する場合のエッチバックの進行を示す。
［数２］
α：β：γ＝１：２：１
図５と図６を見比べると、αおよびβに対するγの比率が相異する、即ち、層内レンズ第１形成膜１９（層内レンズ第１準備膜１９０）のエッチレートが１／２に設定の図６に示す場合には、同一時間の経過時点における掘り込み量が、図５に示す場合の１／２となる。ただし、異方性エッチングのため、幅方向におけるエッチング量には変化はなく、深さ方向に浅い凹部となる。
また、上記では、エッチレート比の一例を挙げたが、エッチングガスやその混合比、圧力などの条件変更により調整可能である。
４．エッチバックの進行についての考察
上記エッチレート比とエッチバックの進行の関係について、図５および図６を用い説明する。図５は、埋め込みレジスト膜５１、パターンレジスト膜５０および層内レンズ第１形成膜１９の各エッチレートをそれぞれα、β、γとするとき、次の関係を有する場合のエッチバックの進行を示す。
［数１］
α：β：γ＝１：２：２
また、図６は、α、β、γが次の関係を有する場合のエッチバックの進行を示す。
［数２］
α：β：γ＝１：２：１
図５と図６を見比べると、αおよびβに対するγの比率が相異する、即ち、層内レンズ第１形成膜１９（層内レンズ第１準備膜１９０）のエッチレートが１／２に設定の図６に示す場合には、同一時間の経過時点における掘り込み量が、図５に示す場合の１／２となる。ただし、異方性エッチングのため、幅方向におけるエッチング量には変化はなく、深さ方向に浅い凹部となる。
このように、本実施の形態では、埋め込みレジスト膜５１、パターンレジスト膜５０および層内レンズ第１形成膜１９のエッチレート比と、パターンレジスト膜５０のパターン形状とを設定・制御することで、正確に形状が規定された凹部１９ａを形成することができる。このため、微細なサイズの撮像画素を形成する場合においても、高い集光率を有する層内レンズ２０ａを実現することができる。
なお、図５および図６では、α、βおよびγの関係が上記数１、数２の関係を有するものを一例としたが、これに限らず設定することが可能である。
５．パターンレジスト膜５０の形成
図２（ａ）に示すパターンレジスト膜５０の形成には、その使用材料などで種々の方法を採用することができるが、例えば、次のような方法を用いることができる。
５．パターンレジスト膜５０の形成
図２（ａ）に示すパターンレジスト膜５０の形成には、その使用材料などで種々の方法を採用することができるが、例えば、次のような方法を用いることができる。
パターンレジスト膜５０の形成にあたっては、例えば、フォトレジストを形成した後、熱フローするという方法や、フロー性を有する除去可能な膜を予め形成しておき、これをフォトレジストマスクでエッチングし、孤立パターンとした後に熱フローするというほう補凹などを採用することができる。
なお、台形形状のパターンレジスト膜を形成するという極端な場合を想定する場合には、フォトレジストの露光条件を調整することでその実現が可能である。
なお、台形形状のパターンレジスト膜を形成するという極端な場合を想定する場合には、フォトレジストの露光条件を調整することでその実現が可能である。
６．優位性
本実施の形態に係る製造方法のエッチバック条件では、パターンレジスト膜５０の材料のエッチレートを埋め込みレジスト膜５１の材料のエッチレートよりも高く設定し、パターンレジスト膜５０を形成しようとする凹部１９ａの反転形状としているので、平坦化された埋め込みレジスト膜５１の表面５１ｆからエッチングを進めて行き、パターンレジスト膜５０にエッチングが達したときに、パターンレジスト膜５０でのエッチング速度が埋め込みレジスト膜５１でのエッチング速度よりもエッチレートの比率に応じた差異が生じる。そして、このエッチング速度の差異により、下地膜である層内レンズ第１準備膜１９０がエッチングされ始めるタイミングに差異を生じることになり、パターンレジスト膜５０の形状に相似する凹部１９ａが形成できることになる。
本実施の形態に係る製造方法のエッチバック条件では、パターンレジスト膜５０の材料のエッチレートを埋め込みレジスト膜５１の材料のエッチレートよりも高く設定し、パターンレジスト膜５０を形成しようとする凹部１９ａの反転形状としているので、平坦化された埋め込みレジスト膜５１の表面５１ｆからエッチングを進めて行き、パターンレジスト膜５０にエッチングが達したときに、パターンレジスト膜５０でのエッチング速度が埋め込みレジスト膜５１でのエッチング速度よりもエッチレートの比率に応じた差異が生じる。そして、このエッチング速度の差異により、下地膜である層内レンズ第１準備膜１９０がエッチングされ始めるタイミングに差異を生じることになり、パターンレジスト膜５０の形状に相似する凹部１９ａが形成できることになる。
このように、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、その層内レンズ２０ａの形成において、層内レンズ第１準備膜１９０の上のパターンレジスト膜５０の形状およびエッチレート比を制御することで、凹部１９ａの形状を正確に制御することができる。なお、上述の通り、通常、凸状のパターン膜の形成は、凹部の形成よりも格段に容易である。
また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、上記特許文献１で提案の技術のような凹部形成に熱フローを用いていないので、凹部１９ａにおける境界面Ｌ１９に変曲点ができるのを抑制することができ、有効径の大きな層内レンズ２０ａを形成するのに優位である。即ち、図７（ｂ）に示すポイントＰＡ〜ＰＡ間が層内レンズ２０ａの有効径となり、図１０（ｂ）の従来例に比べて大きな有効径を実現することができる。
また、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、半導体基板１１の側に向けて凸となるように層内レンズ２０ａを形成することができるので、斜め入射光に対しても高い集光率を得ることができる。
従って、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、有効径が大きく、且つ、斜め入射光に対しても高い集光率を実現し得るオンチップレンズを困難なく形成することができる。
従って、本発明に係るオンチップレンズの形成方法および固体撮像装置の製造方法では、有効径が大きく、且つ、斜め入射光に対しても高い集光率を実現し得るオンチップレンズを困難なく形成することができる。
７．埋め込みレジスト膜５１における表面５１ｆの平坦性
埋め込みレジスト膜５１、５２における表面５１ｆ、５２ｆの平坦性と、形成される凹部１９ａの形状との関係について、図８および図９を用い説明する。
図８に示すように、埋め込みレジスト膜５２における表面５２ｆの平坦化を厳密に実施しなかった場合、具体的には、表面５２ｆの一部５２ａがパターンレジスト膜５０の形状に沿って膨らんでいるような場合を想定する。このような状態において、エッチバックを実施した場合には、図９に示すように、エッチングが進んでいったときにも（図９における線図（ａ）から線図（ｉ））
その中央部分に膨らみが残ってしまう。層内レンズ２０ａの形成においては、このような膨らみなどの形状の歪さは、望ましいものではない。
埋め込みレジスト膜５１、５２における表面５１ｆ、５２ｆの平坦性と、形成される凹部１９ａの形状との関係について、図８および図９を用い説明する。
図８に示すように、埋め込みレジスト膜５２における表面５２ｆの平坦化を厳密に実施しなかった場合、具体的には、表面５２ｆの一部５２ａがパターンレジスト膜５０の形状に沿って膨らんでいるような場合を想定する。このような状態において、エッチバックを実施した場合には、図９に示すように、エッチングが進んでいったときにも（図９における線図（ａ）から線図（ｉ））
その中央部分に膨らみが残ってしまう。層内レンズ２０ａの形成においては、このような膨らみなどの形状の歪さは、望ましいものではない。
これに対して、図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法では、埋め込みレジスト膜５１の表面５１ｆを平坦化することとしているので、図５に示すように、歪な形状となることを防止することができる。
８．その他の事項
上記実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法については、本発明の一実施例であり、本発明は、その最も特徴とする部分を除き何らこれに限定を受けるものではない。例えば、本発明は、固体撮像装置１の層内レンズ２０ａの形成方法に限らず、ＣＲＴ（陰極線管）装置のような表示装置のマイクロレンズの形成にも適用が可能である。また、本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）におけるレンズなどの形成に対しても適用が可能である。
８．その他の事項
上記実施の形態に係る固体撮像装置１の製造方法については、本発明の一実施例であり、本発明は、その最も特徴とする部分を除き何らこれに限定を受けるものではない。例えば、本発明は、固体撮像装置１の層内レンズ２０ａの形成方法に限らず、ＣＲＴ（陰極線管）装置のような表示装置のマイクロレンズの形成にも適用が可能である。また、本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）におけるレンズなどの形成に対しても適用が可能である。
また、上記実施の形態では、パターンレジスト膜５０の形成に、ＣＶＤ法を用いた成膜、フォトレジスト、リソグラフィおよびレジストベークなどを用いたパターン形成等を用いることとしたが、次のような方法を適用することもできる。
上記製造方法では、感光性樹脂材料を用いて膜形成を行い、この上に所要開口形状のマスクを配して露光・現像することでパターンレジスト膜を形成することも可能である。また、上記製造方法では、感光性樹脂材料を用い、層間レンズ第１準備膜１９０の上にリソグラフィ法でパターニングされたパターンレジスト準備膜を形成し、この膜に対して１５０［℃］以上の熱を加えてフローさせてパターンレジスト膜を形成することもできる。
上記製造方法では、感光性樹脂材料を用いて膜形成を行い、この上に所要開口形状のマスクを配して露光・現像することでパターンレジスト膜を形成することも可能である。また、上記製造方法では、感光性樹脂材料を用い、層間レンズ第１準備膜１９０の上にリソグラフィ法でパターニングされたパターンレジスト準備膜を形成し、この膜に対して１５０［℃］以上の熱を加えてフローさせてパターンレジスト膜を形成することもできる。
また、上記製造方法では、埋め込みレジスト膜の形成に際して、次のようなバリエーションを採用することもできる。例えば、硬化性を有する粘性流体状の材料（樹脂材料など）を用い、パターンレジスト膜５０が形成された層内レンズ第１準備膜１９０の上から塗付し、これをこう化させることで表面が平坦化された埋め込みレジスト膜を形成することができる。ここで、パターンレジスト膜および埋め込みレジスト膜の構成材料として、ともに樹脂材料を用いる場合においては、パターンレジスト膜の構成材料に用いる樹脂材料に、埋め込みレジスト膜の構成に用いる樹脂材料よりも二重結合密度の高いものを選択することが望ましい。
また、上記実施の形態に係る製造方法では、パターンレジスト膜の構成材料としてシリコン窒化物またはシリコン酸窒化物を用い、埋め込みレジスト膜の構成材料としてシリコン酸化物を用い、フッ素ガスを含む混合ガスを用いてドライエッチングで凹部１９ａを形成することもできる。
本発明は、製造コストの上昇を抑えながら、高い集光率のオンチップレンズおよび当該オンチップレンズを備えた固体撮像装置を製造するのに有効である。
１．固体撮像装置
１１．半導体基板
１２．電荷転送部
１３．受光部
１４．ゲート絶縁膜
１５．転送電極
１６．層間絶縁膜
１７．遮光膜
１８．パッシベーション膜
１９．層内レンズ第１形成膜
２０．層内レンズ第２形成膜
２０ａ．層内レンズ
２１．カラーフィルタ膜
２２．トップレンズ形成膜
２２ａ．トップレンズ
５０．パターンレジスト膜
５１、５２．埋め込みレジスト膜
１９０．層内レンズ第１準備膜
５００．パターンレジスト準備膜
１１．半導体基板
１２．電荷転送部
１３．受光部
１４．ゲート絶縁膜
１５．転送電極
１６．層間絶縁膜
１７．遮光膜
１８．パッシベーション膜
１９．層内レンズ第１形成膜
２０．層内レンズ第２形成膜
２０ａ．層内レンズ
２１．カラーフィルタ膜
２２．トップレンズ形成膜
２２ａ．トップレンズ
５０．パターンレジスト膜
５１、５２．埋め込みレジスト膜
１９０．層内レンズ第１準備膜
５００．パターンレジスト準備膜
Claims (9)
- 基板の表面上に、透光性を有する第１の材料からなる下地膜を堆積する第１のステップと、
前記下地膜の表面上に、第２の材料からなるパターン膜を堆積する第２のステップと、
第３の材料を用い、表面が平坦となる状態まで、前記パターン膜を埋め込む埋め込み膜を形成する第３のステップと、
前記埋め込み膜の表面から前記下地膜に向けてエッチバックを行い、前記下地膜を掘り下げて凹部を形成する第４のステップとを含んでおり、
前記第４のステップでは、
前記第３の材料に対する前記第２の材料のエッチレート比が、１．５以上２．５以下の範囲内に設定されており、
前記第１の材料に対する前記第３の材料のエッチレート比が、０．５以上１．５以下の範囲内に設定されている
ことを特徴とするオンチップレンズの形成方法。 - 前記第２のステップでは、前記第２の材料として感光性樹脂材料を用い、
前記下地膜の上に、前記感光性樹脂材料からなる膜を形成し、
前記感光性樹脂材料からなる膜の上に所要の開口を有するマスクを形成し、
前記マスクの上から前記感光性樹脂材料からなる膜に対し、露光および現像を実行することで前記パターン膜を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記第２のステップでは、前記第２の材料として感光性樹脂材料を用い、
前記下地膜の上に、リソグラフィ法を用いパターニングされたパターン準備膜を形成し、
前記パターン準備膜に対し、１５０℃以上の熱を加えてフローさせることで前記パターン膜を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記第３のステップでは、前記第３の材料として硬化性を有する粘性流体状の材料を用い、当該材料を、前記パターン膜が形成された前記下地膜の上から塗布することで、前記表面が平坦化された前記埋め込み膜を形成する
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記第３の材料として用いる前記材料は、樹脂材料である
ことを特徴とする請求項４に記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記第２の材料および前記第３の材料として、ともに合成樹脂材料を用い、
前記第２の材料には、前記第３の材料よりも、樹脂の二重結合密度が高いものが用いられる
ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記第２の材料として、シリコン窒化物またはシリコン酸窒化物を用い、
前記第３の材料として、シリコン酸化物を用い、
前記第４のステップでは、フッ素を含むガスを用い、ドライエッチングにより前記エッチバックを実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のオンチップレンズの形成方法。 - 前記凹部に対し、透光性を有し前記第１の材料に対し屈折率の異なる第４の材料を埋め込み、当該埋め込む第５のステップを有する
ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のオンチップレンズの形成方法。 - 請求項１から８の何れかのオンチップレンズの形成方法を、層内マイクロレンズの形成ステップとして有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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