JP5836637B2 - パターン形成方法、固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトリソグラフィ技術によるパターン形成方法に関し、特にパターン形成時のアライメントに関するものである。

従来、光学機能デバイスである固体撮像装置や液晶表示装置の製造方法において、フォトリソグラフィ技術を用いて、青色フィルタや黒色フィルタ等のパターンを形成する工程がある。青色フィルタや黒色フィルタ等は、光の多くの波長において透過率が低い材料からなる。このような青色フィルタや黒色フィルタ等のパターンを形成するためのアライメント（位置合わせ）時には、次のような問題が生じる場合がある。アライメントマークを検出するためのアライメント用の光が青色フィルタや黒色フィルタの材料を透過しなくてはならず、アライメントマークから反射してくる光が微弱なものとなってしまう。その結果、アライメントマークの検出が困難となってしまう。
このような問題に対して、特許文献１では、アライメント用の光の透過率が高い材料を用いてアライメントマークを新たに形成する。この新たなアライメントマークを用いることによって光の透過率が低い材料のパターン形成のための位置合わせを行う手法が提案されている。
また、特許文献２では、アライメントマーク上に存在する光の透過率が低い材料を選択的に除去してからアライメントマークの検出を行う手法が提案されている。

特開平１１−２１１９０８号公報 特開２００７−００４０８２号公報

特許文献１に記載の技術を用いた場合には、アライメントマークを新たに作り直すため、新たなアライメントマークには元のアライメントマークとのずれ成分が含まれている。更に、新たなアライメントマークを基準にパターンを形成するため、アライメント精度が悪化してしまう。
また、特許文献２に記載の技術を用いた場合には、アライメントマーク上に存在する光の透過率が低い材料をフォトリソグラフィ技術によって除去するため、除去のためのフォトレジストマスクパターンの形成等の工程が必要となる。つまり、特許文献２に記載の技術では、工程数が増加してしまう。
そこで、本発明では、高いアライメント精度、および少ない工程数でアライメント用の光の透過率が低い材料のパターン形成方法を提供することを目的とする。また、高いアライメント精度、および少ない工程数でアライメント用の光の透過率が低い材料のパターンの形成を可能とするアライメントマークの構造を提供することを目的とする。

本発明のパターン形成方法は、基板の上に凹部または凸部を有するアライメントマークを含む第１のパターンを形成する工程と、前記第１のパターンの上に平坦化層を形成する工程と、前記平坦化層の前記アライメントマークの上に形成された部分を除去する工程と、前記アライメントマークの上に形成された部分が除去された平坦化層の上に、被加工層を形成する工程と、前記アライメントマークの位置を前記被加工層の上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、前記位置合わせに基づき前記被加工層をパターニングして第２のパターンを形成する工程と、前記第２のパターンを形成する工程の後に、前記アライメントマークを用いて、前記第２のパターンの上部に、第３のパターンを形成する工程と、を含む。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、光電変換部を有する基板の上に凹部または凸部を有するアライメントマークを含む配線層を形成する工程と、前記配線層の上に平坦化層を形成する工程と、前記配線層のアライメントマークの上に対応する前記平坦化層の一部を除去する工程と、前記一部が除去された平坦化層の上に、青色レジスト層を形成する工程と、前記アライメントマークの位置を前記青色レジスト層の上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、前記位置合わせに基づき前記青色レジスト層をパターニングして青色カラーフィルターを形成する工程と、前記アライメントマークの上の前記青色レジスト層の一部を除去する工程と、前記青色レジスト層の一部を除去する工程の後に、前記アライメントマークの上にマイクロレンズ層を形成する工程と、前記アライメントマークの位置を前記フォトレジストの上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、前記位置合わせに基づき前記マイクロレンズ層をパターニングしてマイクロレンズを形成する工程と、を含む。

本発明によれば、高いアライメント精度、および少ない工程数でアライメント用の光の透過率が低い材料のパターン形成が可能となる。

実施例１のパターンの形成方法を説明する断面模式図である。 実施例１におけるパターンの断面模式図である。 実施例２のパターンの形成方法を説明する断面模式図である。 固体撮像装置の平面模式図である。 実施例３のパターンの形成方法を説明する断面模式図である。

以下、図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
本実施例では、三板式カムコーダに適用されるＣＭＯＳ型固体撮像装置を例に、図１、図２および図４を用いて説明を行う。

まず、図４は、本実施例の固体撮像装置を説明する平面模式図である。図４において、１００は三板式の固体撮像装置、１０１は有効画素領域、１０２は有効画素領域外、１０３は遮光パターン、１０４はパッドである。有効画素領域には、光電変換部（例えば、フォトダイオード）を含む画素が複数配置されている。有効画素領域外１０２は有効画素領域１０１以外の領域である。有効画素領域外１０２には、画素が遮光されたオプティカルブラック部（ＯＢ部）や、固体撮像装置から信号を読み出すための駆動、信号処理等を行う周辺回路部などが配置されている。遮光パターン１０３は、有効画素領域外１０２に配置され、有効画素領域外１０２に配置されたＯＢ部や周辺回路部を遮光する。また、遮光パターン１０３は、パッド１０４の接続のため、パッド１０４上には配置されない。なお、遮光パターン１０３は、光電変換部以外に光が入らないように有効画素領域１０１に配置されていてもよい。ここで、本実施例における光の透過率が低い材料からなるパターンとは遮光パターン１０３である。次に、遮光パターン１０３の形成方法を、図１を用いて説明する。

図１は、本実施例のパターン形成方法を説明するための断面模式図である。図１の各断面模式図は図４のＡＡ’線に対応し、また、固体撮像装置の要部一部のみを抜粋している。

図１（ａ）において、１０５は絶縁層、１０６はパッシベーション層、１０７はアライメントマーク、１０８は有効画素領域外１０２に存在する金属パターンである。絶縁層１０５の下部には、複数の配線層、絶縁層、素子が形成された半導体基板（基板）が配置されている（不図示）。絶縁層１０５は、例えばシリコン酸化膜であり、パッシベーション層１０６は、例えばシリコン窒化膜である。金属パターン１０８は、例えばアルミニウムを主成分とするパターンである。また、パッシベーション層１０６は、有効画素領域１０１において層内レンズを有する。ここで、アライメントマーク１０７は、絶縁層１０５の上部に配置された、有効画素領域１０１や有効画素外領域１０２において用いられている配線層（金属パターン）と同一層である。よって、アライメントマーク１０７は、配線層（金属パターン）等を形成する際に、同時に形成することが出来る（第１のパターンの形成）。有効画素領域１０１には、光電変換部が配置されている。
図１（ａ）の構成において、絶縁層１０５の上面は、配線層（不図示）による凹凸が生じる場合がある。また、パッシベーション層１０６の上面には、有効画素領域１０１と有効画素領域外１０２の金属パターン１０８の有無によって、有効画素領域１０１と有効画素領域外１０２の境界部に凹凸が存在する場合がある。また、パッシベーション層１０６が層内レンズを有する場合には、パッシベーション層１０６の上面には凹凸が存在する。次の工程以降に様々なパターンを安定して形成するためにも、この凹凸を埋めて平坦にする（平坦化）必要がある。

図１（ｂ）では、前述の凹凸のある上面を平坦化するため、平坦化層１０９を成膜する。この平坦化層１０９は感光性材料である。感光性材料であれば、ポジ型でもネガ型でもよく、感光性材料の感光波長も問わない。

そして、図１（ｃ）において、フォトリソグラフィ技術を用いて感光性材料である平坦化層１０９のパターニングを行い、アライメントマーク１０７の上に成膜された平坦化層１０９を選択的に除去する。例えば、平坦化層１０９にポジ型レジストを用いた場合には、アライメントマーク１０７の上に露光光が照射されるようなマスクパターンのフォトマスクを用いて露光し、現像を行う。このような処理によって、アライメントマーク１０７の上の平坦化層１０９を選択的に除去することが可能である。
次に、アライメント用の光の透過率が低い材料（被加工層）を成膜する。アライメント用の光の透過率が低い材料としては、例えば、アライメント用の光の波長域における平均分光透過率をＴとした場合、Ｔ≦５％の材料である。アライメント用の光としてＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合（波長６３３ｎｍ付近）である。このＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合における平均透過率Ｔが５％以下である材料とは、例えば青色レジストや黒色レジスト等である。本実施例では、青色レジストを用い、図１（ｄ）に示すように、有効画素領域１０１および有効画素領域外１０２に青色レジスト層１１０を成膜する。

そして、図１（ｄ）の青色レジスト層１１０の上からアライメント用の光によってアライメントマーク１０７を検出し、位置合わせを行う。アライメントマーク１０７の周囲には、平坦化層１０９を除去してあるため、青色レジスト層１１０の上面（表面）にはアライメントマーク１０７の形状を踏襲した段差が存在する。この青色レジスト層１１０の表面の段差（表面段差）にアライメント用の光が入射すると、入射光が散乱し、アライメントマーク１０７を検出することが可能となる。その後、アライメントマーク１０７の検出結果に基づいて位置合わせを行い、フォトリソグラフィ技術を用いて青色レジスト層１１０を露光、現像してパターニングする。そして、有効画素領域外１０２に青色の遮光パターン１０３（第２のパターン）が形成される（図１（ｅ））。

ここで、図２を用いて、アライメントマーク１０７の検出方法について詳細に説明する。図２は図１（ｄ）におけるアライメントマーク１０７の周辺を拡大した断面図である。図２に示されるように、アライメントマーク１０７の上およびその周辺の平坦化層１０９が除去されているため、青色レジスト層１１０の表面には段差（ｔ１＞０）が形成される。そして、図２のように、青色レジスト層１１０の上から光を用いて光学的に検出する。つまり、青色レジスト層１１０の表面段差が生じた部分にアライメント用の光が入射すると、アライメント用の光は表面段差によって散乱する。この散乱によって、露光装置のアライメントマークの検出光学系においてアライメントマーク１０７の輪郭のコントラストを向上させることができる。よって。アライメントマーク１０７が検出可能となる。
このアライメントマークの検出方法は、アライメントマーク１０７上に成膜した材料を透過してくるアライメント用の光の反射光を利用する方法ではなく、アライメントマーク１０７上に成膜した材料の表面形状（表面段差）による散乱光を利用した方法である。よって、アライメントマーク１０７上に成膜した材料の透過率によらず、アライメントマーク１０７を正しく検出することができる。したがって、アライメントマーク１０７上にアライメント用の光の透過率が低い青色レジスト層１１０を成膜した場合であっても、アライメントマーク１０７を正しく検出することが可能となる。

以上のように、本実施例によれば、三板式の固体撮像装置において、アライメント用の光の透過率が低い材料のアライメント（位置合わせ）を容易に行うことが可能となる。また、工程も簡便であるため、低コストで高いスループットを確保することができる。更には、アライメント用の光の透過率が低い材料のパターニングする際には、新たに設けたアライメントマークではなく、元のアライメントマーク１０７を用いることが可能となるため、アライメント精度の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施例のアライメントマーク構造、すなわちアライメントマーク１０７の周囲の平坦化層１０９が除去された構造によって、高いアライメント精度少ない工程数で形成可能であり、高いアライメント精度を得ることが可能となる。
また、本実施例のアライメントマーク１０７は絶縁層１０５の上に配置されているが、配置場所はこれに限らない。また、アライメントマーク１０７は図４におけるパッド１０４よりも固体撮像装置１００の外周に配置されていてもよく、例えばスクライブ領域に配置されていてもよい。アライメントマーク１０７がスクライブ領域に配置されている場合には、固体撮像装置１００として完成する際に除去されうる。なお、図１では、有効画素領域１０１と有効画素外領域１０２との間には遮光パターン１０３が配置されていないが、有効画素領域１０１と有効画素外領域１０２との間に遮光パターン１０３が延在していてもよい。

（実施例２）
本実施例では、単板式のＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に説明を行う。本実施例では複数の色のカラーフィルター層を有することが実施例１と異なる。本実施例における光の透過率が低い材料からなるパターンとは、複数の色のカラーフィルター層に含まれる青色レジストパターン（青色カラーフィルター層）である。以下、実施例１と同様の構成については、説明を省略する。

本実施例の固体撮像装置は、実施例１と同様な図４の平面模式図を有している。このような固体撮像装置におけるパターンの形成方法を、図３および図１の一部を用いて説明する。図３は本実施例のパターン形成方法を説明するための断面模式図であり、実施例１と同様に図４のＡＡ’線に対応し、固体撮像装置の要部一部のみを抜粋したものである。
本実施例のパターン形成方法は、絶縁層１０５上に平坦化層１０９を成膜した後、除去する工程（図１（ｃ））までは、実施例１と同様である。

図１（ｃ）の次に、図３（ａ）に示すように、アライメント用の光の透過率が高い材料を成膜する。アライメント用の光の透過率が高い材料としては、緑色レジストや赤色レジスト等が挙げられる。本実施例では、緑色レジストを用い、図３（ａ）に示すように、有効画素領域１０１および有効画素領域外１０２に緑色レジスト層１１１を成膜する。

そして、フォトリソグラフィ技術を用いて緑色レジスト層１１１を露光、現像してパターニングし、有効画素領域１０１に緑色レジストパターン１１２（緑色カラーフィルター層）を形成する（図３（ｂ））。緑色レジスト層１１１の場合は、アライメント用の光の透過率が高いため、アライメントマーク１０７の検出は一般的な方法で行っても問題は生じない。

次に、アライメント用の光の透過率が低い材料を成膜する。アライメント用の光の透過率が低い材料は、実施例１と同様に青色レジストとする。図３（ｃ）に示すように、有効画素領域１０１および有効画素領域外１０２に緑色レジストパターン１１２を覆って青色レジスト層１１０を成膜する。

そして、フォトリソグラフィ技術を用いて青色レジスト層１１０を露光、現像してパターニングし、有効画素領域外に青色の遮光パターン１０３を形成し、同時に有効画素領域に青色レジストパターン１１３を形成する（図３（ｄ））。また、青色レジスト層１１０のアライメントマーク１０７の上に形成された部分を除去する。この青色レジスト層１１０のアライメントマーク１０７の上に形成された部分の除去は、青色レジストパターン１１３の形成と同時に行うことが出来る。ここで、アライメントマークの検出時には、実施例１と同様に青色レジスト層１１０の表面段差を利用して行うことで、精度よい青色レジストパターン１１３を形成することが可能となる。

以上のように、単板式の固体撮像装置においても、本発明のパターン形成方法は工数を増大させることなく、高い精度でのアライメントを行うことが可能となる。また、本発明のアライメントマークの構造は、単板式の固体撮像装置においても、高いアライメント精度少ない工程数で形成可能であり、高いアライメント精度を得ることが可能となる。

なお、本実施例では、緑色レジスト層のパターニング後に、青色レジスト層のパターニングを行っているが、この工程の順序は入れ替わっても構わない。また、アライメント用の光の透過率が高い材料として緑色レジストを例に挙げたが、その他の色（赤色、補色系）の材料でも当然構わない。同様に、アライメント用の光の透過率が低い材料として青色レジストを例に挙げているが、露光アライメント光の波長域における平均分光透過率をＴとした場合、Ｔ≦５％の材料であれば、その他の色の材料でも構わない。また、カラーフィルター層が有する色は緑および青の２色に限らず、また２色以上であってもよい。

また、図５では、有効画素領域１０１と有効画素外領域１０２との間には遮光パターン１０３及びカラーフィルター層が配置されていないが、有効画素領域１０１と有効画素外領域１０２との間に遮光パターン１０３あるいはカラーフィルター層が設けられていてもよい。

（実施例３）
本実施例では、実施例２の単板式のＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に説明を行う。本実施例では実施例２の固体撮像装置のカラーフィルター層の形成後の工程を説明する。以下、実施例２と同様の構成については、説明を省略する。なお、本実施例は実施例１の構成にも適用可能である。

図５は、図３Ｄの後の固体撮像装置の断面模式図である。青色レジストパターン１１３等の形成の後、樹脂からなる平坦化層５０４を形成し、マイクロレンズ５０５を形成している。青色レジストパターン１１３等の上部に形成されたマイクロレンズ５０５は、アライメントマーク１０７を用いた位置合わせを行って形成される。以下、マイクロレンズ５０５の形成方法について、説明する。
アライメントマーク１０７及びカラーフィルター層の上に、樹脂からなる平坦化層５０４を形成する。その後、感光性材料からなるマイクロレンズ層を形成する。マイクロレンズ層に対して露光・現像することで、マイクロレンズ層を矩形にパターニングする。この露光において、アライメントマーク１０７を用いて位置合わせがなされる。パターニングされたマイクロレンズ層は光電変換部に対応して配置される。そして、パターニングされたマイクロレンズ層をリフローによって、半球状に変形させ、マイクロレンズ５０５を形成する（図５）。

ここで、アライメントマーク１０７の上に形成された青色レジスト層１１０を除去しているため、その後の工程においてアライメントマーク１０７を用いて精度の高い位置合わせが可能となる。また、アライメントマーク１０７を用いてその後の工程の位置合わせを行うため、各部材の配置精度が向上する。

なお、マイクロレンズ５０５を形成する方法は、上述の方法に限定されない。例えば、マイクロレンズ材料層と、マイクロレンズ材料層の上に形成された感光性材料からなる層からなるマイクロレンズ層を形成する。そして、位置合わせに基づきマイクロレンズ層の感光性材料からなる層を露光・現像し、パターニングする。パターニングされた感光性材料をリフローして変形させた後、変形した感光性材料をマスクにマイクロレンズ材料層をエッチングすることで形成可能である。あるいは、感光性材料からなる層であるマイクロレンズ層を形成する。そして、位置合わせに基づき、マイクロレンズ層に対して面積諧調マスクを用いた露光をする。現像することで、マイクロレンズ層がパターニングされ、マイクロレンズが形成される。このように、マイクロレンズの形成方法はいずれの方法も適用可能である。この時、各パターニングの工程において、上述のアライメントマーク１０７を用いて位置合わせを行うことで、各部材の配置精度を向上させることが可能である。なお、各実施例においては、アライメント用の光の透過率が低い材料として、感光性材料を例に挙げたが、例えばアルミニウム等の遮光性金属についても適用することが可能である。例えば、アルミニウムを用いた場合には、実施例１および２と同様に、アルミニウム層を成膜した後に生じる表面段差を利用すればよい。また、アライメントマークは金属パターン等の凸形形状（凸部）に限らず、絶縁層をエッチングすることで形成する凹部であってもよい。また、実施例においては、アライメントマークの上に配されたアライメント用の光の透過率が低い材料を除去しているが、残したままであってもよい。

また、本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ型などの固体撮像装置に限定されず、カラーフィルター層や遮光層を有するその他の光学機能デバイスにも適用可能であり、例えば液晶表示装置などの表示装置にも適用することができる。また、各実施例は適宜組み合わせ可能である。

１０１ 有効画素領域
１０２ 有効画素領域外
１０３ 遮光パターン
１０５ 絶縁層
１０６ パッシベーション層
１０７ アライメントマーク
１０８ 金属パターン
１０９ 平坦化層
１１０ 青色レジスト層

Claims (9)

1. 基板の上に凹部または凸部を有するアライメントマークを含む第１のパターンを形成する工程と、
   前記第１のパターンの上に平坦化層を形成する工程と、
   前記平坦化層の前記アライメントマークの上に形成された部分を除去して開口部を形成する工程と、
   前記アライメントマークの上に形成された部分が除去された平坦化層の上に、前記開口部を充填するように、青色レジスト層である被加工層を形成する工程と、
   前記アライメントマークの形状を踏襲した前記被加工層上面の段差を、前記被加工層の上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、
   前記位置合わせに基づき前記被加工層をパターニングして第２のパターンを形成する工程と、
   前記第２のパターンを形成する工程の後に、前記アライメントマークを用いて、前記第２のパターンの上部に、第３のパターンを形成する工程と、
   を含むことを特徴としたパターン形成方法。
2. 前記第３のパターンはマイクロレンズである請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 前記平坦化層は感光性材料であり、
   前記平坦化層の前記アライメントマークの上に形成された部分を除去する工程は、前記平坦化層に露光をする工程と、前記露光された後の平坦化層を現像する工程とを含む請求項１または２に記載のパターン形成方法。
4. 前記第１のパターンは配線層である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
5. 前記第２のパターンを形成する工程において、前記被加工層の前記アライメントマークの上に形成された部分を除去する工程を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
6. 光電変換部を有する基板の上に凹部または凸部を有するアライメントマークを含む配線層を形成する工程と、
   前記配線層の上に平坦化層を形成する工程と、
   前記配線層のアライメントマークの上に対応する前記平坦化層の一部を除去して開口部を形成する工程と、
   前記平坦化層の一部が除去された平坦化層の上に、前記開口部を充填するように、青色レジスト層を形成する工程と、
   前記アライメントマークの形状を踏襲した青色レジスト層上面の段差を、前記青色レジスト層の上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、
   前記位置合わせに基づき前記青色レジスト層をパターニングして青色カラーフィルターを形成する工程と、
   前記アライメントマークの上の前記青色レジスト層の一部を除去する工程と、
   前記青色レジスト層の一部を除去する工程の後に、前記アライメントマークの上にマイクロレンズ層を形成する工程と、
   前記アライメントマークの位置を前記青色レジスト層の上から光を用いて光学的に検出し、位置合わせを行う工程と、
   前記位置合わせに基づき前記マイクロレンズ層をパターニングしてマイクロレンズを形成する工程と、
   を含むことを特徴とした固体撮像装置の製造方法。
7. 前記マイクロレンズ層は、感光性材料からなる層からなり、
   前記位置合わせに基づき前記マイクロレンズ層をパターニングしてマイクロレンズを形成する工程は、前記パターニングされた感光性材料をリフローする工程を含む請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 前記マイクロレンズ層は、マイクロレンズ材料層と、該マイクロレンズ材料層の上に形成された感光性材料からなる層からなり、
   前記位置合わせに基づき前記マイクロレンズ層をパターニングしてマイクロレンズを形成する工程は、前記パターニングされた感光性材料をリフローする工程と、前記リフローされた感光性材料をマスクに前記マイクロレンズ材料層をエッチングする工程を含む請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記マイクロレンズ層は、感光性材料からなる層からなり、
   前記位置合わせに基づき前記マイクロレンズ層をパターニングしてマイクロレンズを形成する工程では、面積諧調マスクを用いた露光が行われる請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。

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