JP6505180B2 - 平坦なマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、撮像素子に関し、特に、平坦上面のマイクロレンズを有する固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
イメージセンサは、様々な撮像装置、例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラなどに広く用いられている。一般的に、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、および相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサなどの固体撮像素子は、光を電荷に変換するフォトダイオードなどの光電変換素子を有する。フォトダイオードは、シリコンチップなどの半導体基板に形成される。フォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷は、ＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型読み出し回路によって得られることができる。
固体撮像素子では、フォトダイオードは、画素アレイ状に配列される。また、固体撮像素子は、フォトダイオード上に配置されたマイクロレンズアレイを有する。マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子は、各画素の対応するフォトダイオードと整合する。一般的に、マイクロレンズ素子は、入射光を焦点でフォトダイオードに集光させるための半球形状の集光レンズである。マイクロレンズアレイは通常、フォトレジスト材料からなり、順次に行われる露光、現像、リフロープロセスによって製造される。
平坦上面のマイクロレンズを有する固体撮像素子およびその製造方法を提供する。
固体撮像素子は、一般的に、画素アレイ状に配列された複数の画素を有する。固体撮像素子の各画素は、画素幅掛ける画素長さによって定義されるか、または画素ピッチによって定義されることができる。固体撮像素子は、小さな画素サイズ、例えば、２μｍ〜４μｍの画素ピッチを有することができる。また、固体撮像素子は、大きな画素サイズ、例えば、９μｍ〜１５μｍの画素ピッチを有することができる。本発明の実施形態では、固体撮像素子は、大きな画素サイズ、例えば、８μｍより大きいか、または１０μｍより大きい画素ピッチ、および３０μｍより小さい画素ピッチを有する。
固体撮像素子が小さな画素サイズを有するとき、半球形状の集光レンズの形をしたマイクロレンズが入射光を小さな領域の焦点でフォトダイオードに集光させるように用いられることができる。固体撮像素子が大きな画素サイズを有するとき、１つの画素の光電変換素子の効果的な領域は、小さな画素サイズを有する固体撮像素子の領域より大きい。従って、大きな画素サイズを有する固体撮像素子は、入射光が光電変換素子の領域と実質的に等しい大きな領域の光電変換素子に集光されるようにする。
本発明の実施形態に係る、平坦上面のマイクロレンズを有する固体撮像素子が提供される。また、平坦上面のマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法も提供される。マイクロレンズの平坦上面によって、入射光は、１つの画素の光電変換素子と実質的に等しい大きな焦点に集光されることができる。よって、固体撮像素子の光電変換素子によって受光された入射光の量は増加される。従って、固体撮像素子の感度が向上される。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子の製造方法が提供される。前記方法は、複数の光電変換素子を有する半導体基板を提供するステップおよび半導体基板の上にカラーフィルター層を形成するステップを提供する。前記方法は、カラーフィルター層の上にレンズ材料層を形成するステップおよびレンズ材料層の上にレンズ状パターンを有するハードマスクを形成するステップも含む。前記方法は、ハードマスクおよびレンズ材料層の両方をエッチングして、レンズ材料層から平坦上面のマイクロレンズを形成し、エッチングプロセスが完了した後、マイクロレンズの平坦上面の上にハードマスクの一部を残すステップを更に含む。また、前記方法は、マイクロレンズの平坦上面の上に残ったハードマスクの一部を除去するステップを含む。
いくつかの他の実施形態では、固体撮像素子の製造方法が提供される。前記方法は、複数の光電変換素子を有する半導体基板を提供するステップおよび半導体基板の上にカラーフィルター層を形成するステップを提供する。前記方法は、カラーフィルター層の上にレンズ材料層を形成するステップおよびレンズ材料層の上にパターン化されたフォトレジストを形成するステップも含む。前記方法は、パターン化されたフォトレジストの上にレンズ状パターンを有するハードマスクを形成するステップを更に含む。また、前記方法は、エッチングプロセスが完了した後、ハードマスク、パターン化されたフォトレジスト、およびレンズ材料層をエッチングして、平坦上面のマイクロレンズを形成し、マイクロレンズは、レンズ材料層から形成され、エッチングプロセスが完了した後、マイクロレンズの平坦上面の上にパターン化されたフォトレジストの一部およびハードマスクの一部を残す。前記方法は、マイクロレンズの平坦上面の上に残った、パターン化されたフォトレジストの一部およびハードマスクの一部を除去するステップも含む。
いくつかの実施形態では、固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有する半導体基板、および半導体基板の上に配置されたカラーフィルター層を含む。固体撮像素子は、カラーフィルター層の上に配置された平坦上面のマイクロレンズも含む。マイクロレンズの平坦上面は、光電変換素子の真上にある。また、マイクロレンズの平坦上面の領域は、光電変換素子の領域と等しい。
本発明は、固体撮像素子の感度を向上することができる。
以下の説明は、本発明を実施するベストモードが開示されている。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。
本発明の実施形態に基づいて、平坦上面のマイクロレンズを有する固体撮像素子が提供される。また、固体撮像素子を形成する方法も提供される。固体撮像素子は、大きな画素サイズを有する。例えば、画素ピッチは、８μｍより大きく、または１０μｍより大きく、且つ画素ピッチは、３０μｍより小さくすることができる。マイクロレンズの平坦上面によって、入射光は、１つの画素の光電変換素子の領域と実質的に等しい大きな焦点に集光されることができる。光電変換素子の領域は、１つの画素の領域の７５％と等しい、または７５％より大きい。よって、光電変換素子によって受光された入射光の量は増加される。従って、大きな画素サイズを有する固体撮像素子の感度が向上される。
図１Ａ〜図１Ｅは、いくつかの実施形態に係る、図１Ｅの固体撮像素子１００を製造する方法のさまざまな中間段階の部分略断面図を示している。図１Ａに示すように、その中に形成された、複数の光電変換素子１０３、例えば、フォトダイオードを有する半導体基板１０１が提供されている。半導体基板１０１の材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム合金、または例えばヒ化ガリウムまたはヒ化インジウムなどの他の化合物半導体材料を含む。また、半導体基板１０１は、半導体オンインシュレータ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ （ＳＯＩ））基板とすることができる。
いくつかの実施形態では、図１Ｅに示された固体撮像素子１００は、裏面照射型（ＢＳＩ）のイメージセンサ、例えば、ＢＳＩ ＣＭＯＳイメージセンサ（ＢＳＩ型ＣＩＳ）である。ＢＳＩイメージセンサでは、図１Ａ〜図１Ｅに示されるように、配線層１２０は、半導体基板１０１の表面側表面１０１Ｆの上に形成され、半導体基板１０１の下方に配置される。配線層１２０は、いくつかの金属層１２１およびいくつかの誘電体層１２３に配置された、いくつかのビア１２２を含む。金属層１２１は、ビア１２２によって互いに電気的に接続される。ＢＳＩイメージセンサでは、光電変換素子１０３は、半導体基板１０１の裏面側表面１０１Ｂの近傍に配置される。各光電変換素子１０３は、固体撮像素子１００の１つの個別の画素Ｐに配置される。ＢＳＩ画像センサに照射された入射光は、配線層１２０を通過することなく光電変換素子１０３に到達する。
いくつかの他の実施形態では、固体撮像素子は、表面照射（ＦＳＩ）イメージセンサ、例えば、ＦＳＩ ＣＭＯＳイメージセンサ（ＦＳＩ型ＣＩＳ）である。ＦＳＩイメージセンサでは、配線層１２０は、半導体基板１０１の上方に配置されるように反転される。ＦＳＩイメージセンサに照射された入射光は、配線層１２０を通過し、次いで光電変換素子１０３に到達する。
図１Ａに示すように、いくつかの実施形態では、遮光層１０５は、半導体基板１０１の上に形成される。遮光層１０５は、隣接する光電変換素子１０３の間の複数の隔壁からなる金属格子（ｍｅｔａｌ ｇｒｉｄ）とすることができる。また、平坦化層１０７は、遮光層１０５の上に形成され、遮光層１０５の金属格子の格子間隙を充填する。
図１Ａに示すように、いくつかの実施形態では、カラーフィルター層１０９は、平坦化層１０７の上、且つ半導体基板１０１の上方に形成される。カラーフィルター層１０９は、それぞれ赤色、緑色、および青色のカラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂなどの複数のカラーフィルター成分を含む。もう１つの実施形態では、カラーフィルター成分は、他の色を有し、他の色配列で配列されてもよい。各カラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、または１０９Ｂは、固体撮像素子１００の各画素Ｐの１つの光電変換素子１０３に個別に対応する。
いくつかの他の実施形態では、遮光層１０５は、カラーフィルター層１０９の同一レベル層の上に形成される。遮光層１０５の隔壁は、カラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、または１０９Ｂの間に配置される。実施形態では、平坦化層１０７は、省略されることができる。
図１Ａに示されるように、いくつかの実施形態に基づいて、レンズ材料層１１１は、カラーフィルター層１０９に形成される。レンズ材料層１１１は、有機材料、例えば、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂とすることができ、スピンコーティングプロセスによって形成されることができる。また、レンズ材料層１１１は、無機材料、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、またはポリシロキサンとすることができ、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスまたは物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって形成されることができる。レンズ材料層１１１の厚さは、０．５μｍ〜３μｍの範囲とすることができる。
次に、ハードマスク材料層（図１Ａに示されていない）がレンズ材料層１１１に形成される。いくつかの実施形態では、ハードマスク材料層は、感光性有機材料、例えば、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂からなる。ハードマスク材料層は、図１Ａに示されるように、露光および現像プロセスを含むフォトリソグラフィー技術によってパターン化され、レンズ材料層１１１の上に複数のハードマスクセグメント１１３Ａを形成する。
次いで、複数のハードマスクセグメント１１３Ａは、リフロープロセスによって図１Ｂに示されるように、ハードマスク１１３の複数のレンズ状パターン１１３Ｂに変形される。リフロープロセスは、ハードマスク材料層のガラス転移温度より高い温度で複数のハードマスクセグメント１１３Ａを加熱して行われる。いくつかの実施形態では、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂは、４μｍ〜１５μｍの範囲の最大高さを有する。
図１Ｂに示されるように、ハードマスク１１３およびレンズ材料層１１１の両方は、第１のドライエッチングプロセス１３０によってエッチングされる。いくつかの実施形態では、ハードマスク１１３およびレンズ材料層１１１は、第１のドライエッチングプロセス１３０中に同時にエッチングされる。第１のドライエッチングプロセス１３０は、フッ素含有のエッチング液、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、またはその組み合わせのエッチングガスを用いて行われる。第１のドライエッチングプロセス１３０を行わる間、ハードマスク１１３の材料は、レンズ材料層１１１の材料のエッチングレートと異なるエッチングレートを有する。実施形態では、第１のドライエッチングプロセス１３０の間、ハードマスク１１３のエッチングレートは、レンズ材料層１１１のエッチングレートより大きい。いくつかの実施形態では、ハードマスク１１３の材料とレンズ材料層１１１とのエッチングレート比は、１：１〜１．２：１の範囲にある。
第１のドライエッチングプロセス１３０が完了した後、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂの一部の形状がレンズ材料層１１１に転写され、複数のマイクロレンズ１１１ＭＬを形成する。実施形態では、各マイクロレンズ１１１ＭＬは、図１Ｃに示されるように、平坦上面１１１Ｆを有する。また、第１のドライエッチングプロセス１３０が完了した後、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの上に残っているレンズ状パターン１１３Ｂの部分は、図１Ｃで残存部分１１３Ｃとして示されている。第１のドライエッチングプロセス１３０が完了した後、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂは、完全に除去されない。従って、第１のドライエッチングプロセス１３０の処理時間が減少される。
次いで、図１Ｃに示すように、第２のドライエッチングプロセス１４０は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの上のハードマスク１１３の残存部分１１３Ｃを除去するように行われる。第２のドライエッチングプロセス１４０は、第１のドライエッチングプロセス１３０に用いられたフッ素含有エッチング液と異なるエッチング液を用いて行われる。第２のドライエッチングプロセス１４０に用いられたエッチング液は、例えば、Ｏ２、ＣＯ２、Ｎ２のガス混合物、またはＡｒガスと混合したその組み合わせである。Ａｒガスは、希釈ガスとして、または加熱用に用いられる。第２のドライエッチングプロセス１４０は、ハードマスク１１３の材料のみ除去し、レンズ材料層１１１の材料を除去しない。
図１Ｄに示されるように、ハードマスク１１３の残存部分１１３Ｃが除去された後、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆは、露光される。複数のマイクロレンズ１１１ＭＬは、マイクロレンズアレイ１１０内に配置される。マイクロレンズアレイ１１０の各マイクロレンズ１１１ＭＬは、平坦上面１１１Ｆを有するため、マイクロレンズアレイ１１０は、平板マイクロレンズアレイ（ｆｌａｔ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）とも呼ばれる。マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆは、光電変換素子１０３の真上にある。また、マイクロレンズアレイ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの領域は、光電変換素子１０３の領域と等しい。
図１Ｅに示すように、パッシベーション膜１１５は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの上、且つ湾曲側壁１１１Ｓの上にコンフォーマルに形成され、固体撮像素子１００を完成する。いくつかの実施形態では、パッシベーション膜１１５は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって形成される。パッシベーション膜１１５の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはその組み合わせとすることができる。
図２は、いくつかの実施形態に係る、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆ、光電変換素子１０３、およびカラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂの領域の関係を例示した図１Ｅの固体撮像素子１００の部分略平面図を示している。図２に示されるように、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの領域は、１つの各々の画素Ｐの光電変換素子１０３の領域と等しい、またはその領域と整合する。各カラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂの領域は、１つの画素Ｐの領域と等しい。また、いくつかの実施形態では、光電変換素子１０３の領域は、１つの画素Ｐの領域の７５％と等しい、またはそれ以上である。
図１Ｅに示すように、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆに照射された入射光Ｉ−１は、固体撮像素子１００のいくつかの素子層を直線に進み、次いで光電変換素子１０３に到着する。従って、入射光Ｉ−１は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆによって、１つの光電変換素子１０３の領域と実質的に等しい大きな焦点に集光されることができる。また、入射光Ｉ−１より大きな入射角を有する入射光Ｉ−２は、マイクロレンズ１１１ＭＬの湾曲側壁１１１Ｓによって反射されることができ、次いで、光電変換素子１０３に到達する。その結果、固体撮像素子１００の光電変換素子１０３によって受光された入射光の量は増加される。即ち、固体撮像素子１００の平板マイクロレンズアレイは、外光を光電変換素子１０３内に効果的に集めることができる。従って、実施形態に基づいた固体撮像素子の感度は向上され、特に、８μｍより大きい、大きな画素サイズを有する固体撮像素子の感度が向上される。
図３Ａ〜３Ｅは、いくつかの実施形態に基づいた、図３Ｅの固体撮像素子２００を製造する方法のさまざまな中間段階の部分略断面図を示している。図３Ａ〜３Ｅに示された実施形態では、半導体基板１０１、光電変換素子１０３、配線層１２０、遮光層１０５、平坦化層１０７、カラーフィルター層１０９、およびレンズ材料層１１１の構成、材料、および製造プロセスは、説明を簡素化するために、図１Ａに示されたものと同一または類似とすることができる。
図３Ａに示すように、保護層１１７は、レンズ材料層１１１の上に形成される。保護層１１７は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって形成される。保護層１１７の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはその組み合わせとすることができる。保護層１１７の厚さは、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲とすることができる。
フォトレジスト層（図３Ａに示されていない）は、スピンコーティングプロセスによって保護層１１７上に形成される。フォトレジスト層は、図３Ａに示されるように、露光および現像プロセスを含むフォトリソグラフィー技術によってパターン化され、保護層１１７の上にパターン化されたフォトレジスト１１９を形成する。次に、ハードマスク材料層（図３Ａに示されていない）がパターン化されたフォトレジスト１１９に形成される。いくつかの実施形態では、ハードマスク材料層は、有機材料、例えば、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂からなる。ハードマスク材料層は、図３Ａに示されるように、フォトリソグラフィープロセスおよびエッチングプロセスによってパターン化され、パターン化されたフォトレジスト１１９の上に複数のハードマスクセグメント１１３Ａを形成する。ハードマスクセグメント１１３Ａは、パターン化されたフォトレジスト１１９の真上にあり、パターン化されたフォトレジスト１１９と整合される。
次いで、複数のハードマスクセグメント１１３Ａは、リフロープロセスによって図３Ｂに示されるように、ハードマスク１１３の複数のレンズ状パターン１１３Ｂに変形される。ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂの最大高さは、４μｍ〜１５μｍの範囲とすることができる。図３Ｂに示されるように、ドライエッチングプロセス１５０は、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂ、パターン化されたフォトレジスト１１９、保護層１１７、およびレンズ材料層１１１のレンズ状パターン１１３Ｂに行われる。いくつかの実施形態では、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂ、パターン化されたフォトレジスト１１９、保護層１１７、およびレンズ材料層１１１は、ドライエッチングプロセス１５０中に、同時にエッチングされる。ドライエッチングプロセス１５０は、フッ素含有のエッチング液、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、またはその組み合わせのエッチングガスを用いて行われる。ドライエッチングプロセス１５０の間、ハードマスク１１３、パターン化されたフォトレジスト１１９、保護層１１７、およびレンズ材料層１１１の材料は、独立した異なるエッチングレートを有する。実施形態では、ハードマスク１１３とパターン化されたフォトレジスト１１９、保護層１１７、およびレンズ材料層１１１との材料のエッチングレート比は、１．２：１．２：１．３：１〜１．３：１．３：１．４：１との範囲にある。
ドライエッチングプロセス１５０が完了した後、ハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂの一部の形状がパターン化されたフォトレジスト１１９、保護層１１７、およびレンズ材料層１１１に転写され、複数のマイクロレンズ１１１ＭＬを形成する。実施形態では、各マイクロレンズ１１１ＭＬは、図３Ｃに示されるように、平坦上面１１１Ｆを有する。また、ドライエッチングプロセス１５０が完了した後、図３Ｃで残存部分１１７Ａとして示された保護層１１７の部分は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの上に残っている。また、図３Ｃで残存部分１１９Ａとして示されたパターン化されたフォトレジスト１１９の部分は、保護層１１７の残存部分１１７Ａに残っている。また、図３Ｃで残存部分１１３Ｃとして示されたハードマスク１１３のレンズ状パターン１１３Ｂの部分は、パターン化されたフォトレジスト１１９の残存部分１１９Ａ上に残っている。
続いて、図３Ｃに示すように、リフトオフプロセス１６０が行われ、保護層１１７の残存部分１１７Ａからパターン化されたフォトレジスト１１９の残存部分１１９Ａを除去する。よって、残存部分１１９Ａの上のハードマスク１１３の残存部分１１３Ｃも除去される。いくつかの実施形態では、リフトオフプロセス１６０は、図３Ｃの構造をエタノールアミンなどの溶液に浸漬する（dipping）ことによって行われる。いくつかの他の実施形態では、リフトオフプロセス１６０は、図３Ｃの構造を照射することによって行われ、保護層１１７の残りの部分１１７Ａからパターン化されたフォトレジスト１１９の残存部分１１９Ａを除去する。リフトオフプロセス１６０の後、パターン化されたフォトレジスト１１９の残存部分１１９Ａおよびハードマスク１１３の残存部分１１３Ｃの両方が除去される。
図３Ｄに示されるように、リフトオフプロセス１６０の後、保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１１Ｆが露出される。保護層１１７の残存部分１１７Ａは、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの上にコンフォーマルに形成される。複数のマイクロレンズ１１１ＭＬは、マイクロレンズアレイ１１０内に配置される。マイクロレンズアレイ１１０は、平板マイクロレンズアレイとも呼ばれる。実施形態に基づいて、リフトオフプロセス１６０の間、保護層１１７の残存部分１１７Ａは、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆを保護することができる。従って、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの平坦度の均一性が向上される。
図３Ｅに示すように、パッシベーション膜１２５は、保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１７Ｆの上、且つマイクロレンズ１１１ＭＬの湾曲側壁１１１Ｓの上にコンフォーマルに形成されて固体撮像素子２００を完成する。パッシベーション膜１２５は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって形成されることができる。いくつかの実施形態では、パッシベーション膜１２５の材料は、保護層１１７の材料と同じである。いくつかの他の実施形態では、パッシベーション膜１２５の材料は、保護層１１７の材料と異なる。パッシベーション膜１２５の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはその組み合わせとすることができる。実施形態では、パッシベーション膜１２５の厚さは、保護層１１７の厚さより小さい。
図３Ｅの固体撮像素子２００では、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆは、光電変換素子１０３の真上にある。また、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの領域は、光電変換素子１０３の領域と等しい。保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１７Ｆは、光電変換素子１０３の真上にある。また、保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１７Ｆの領域は、光電変換素子１０３の領域より、やや小さい。マイクロレンズ１１１Ｍの平坦上面１１１Ｆによって、入射光Ｉ−１は、１つの光電変換素子１０３の領域と実質的に等しい大きな焦点に集光されることができる。また、入射光Ｉ−１より大きな入射角を有する入射光Ｉ−２は、マイクロレンズ１１１ＭＬの湾曲側壁１１１Ｓによって反射されることができ、次いで、光電変換素子１０３に到達する。その結果、固体撮像素子２００の平板マイクロレンズアレイは、外光を光電変換素子１０３内に効果的に集めることができる。従って、固体撮像素子２００の感度は向上し、特に、８μｍより大きい、大きな画素サイズを有する固体撮像素子の感度が向上する。
図４は、いくつかの実施形態に係る、保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１７Ｆ、マイクロレンズ１１１の平坦上面１１１Ｆ、光電変換素子１０３、およびカラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂの領域の関係を例証する図３Ｅの固体撮像素子２００の部分略平面図を示している。図４に示されるように、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの領域は、１つの各々の画素Ｐの光電変換素子１０３の領域と等しい、またはその領域と整合する。各カラーフィルター成分１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂの領域は、１つの画素Ｐの領域と等しい。また、保護層１１７の残存部分１１７Ａの平坦上面１１７Ｆの領域は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆの領域より、やや小さい。また、いくつかの実施形態では、光電変換素子１０３の領域は、１つの画素Ｐの領域の７５％と等しい、またはそれ以上である。固体撮像素子が大きな画素サイズを有するとき、１つの画素の効果的な感光領域は大きい。より大きな画素のより効果的な感光領域は、マイクロレンズ１１１ＭＬの平坦上面１１１Ｆによって集光された入射光のより大きな焦点が光電変換素子１０３によって効果的に受けられるように構成できる。
本実施形態に基づいて、平板マイクロレンズアレイを有する固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法が提供される。固体撮像素子では、平板マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、平坦上面を有する。平板マイクロレンズアレイは、大きな画素サイズ、例えば、８μｍより大きいか、または１０μｍより大きい画素ピッチ、および３０μｍより小さい画素ピッチを有する固体撮像素子に適する。固体撮像素子では、平板マイクロレンズアレイは、入射光を１つの光電変換素子の領域と実質的に等しい大きな焦点の光電変換素子に集光させることができる。また、大きな入射角を有する入射光も平板マイクロレンズアレイの湾曲側壁によって反射されることができる。従って、平板マイクロレンズアレイは、外光を光電変換素子内に効果的に集めることができる。従って、固体撮像素子の感度は向上する。
本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
１００…固体撮像素子
１０１…半導体基板
１０１Ｂ…裏面側表面
１０１Ｆ…表面側表面
１０３…光電変換素子
１０５…遮光層
１０７…平坦化層
１０９…カラーフィルター層
１０９Ｒ…赤色カラーフィルター成分
１０９Ｇ…緑色カラーフィルター成分
１０９Ｂ…青色カラーフィルター成分
１１０…マイクロレンズアレイ
１１１…レンズ材料層
１１１Ｆ…マイクロレンズの平坦上面
１１１Ｓ…マイクロレンズの湾曲側壁
１１１ＭＬ…マイクロレンズ
１１３…ハードマスク
１１３Ａ…ハードマスクセグメント
１１３Ｂ…レンズ状パターン
１１３Ｃ…ハードマスクの残存部分
１１５…パッシベーション膜
１１７…保護層
１１７Ａ…保護層の残存部分
１１７Ｆ…保護層の残存部分の平坦上面
１１９…フォトレジスト
１１９Ａ…フォトレジストの残存部分
１２０…配線層
１２１…金属層
１２２…ビア
１２３…誘電体層
１２５…パッシベーション膜
Ｉ−１…入射光
Ｉ−２…入射光
Ｐ…画素
１３０…第１のドライエッチングプロセス
１４０…第２のドライエッチングプロセス
１５０…ドライエッチングプロセス
１６０…リフトオフプロセス
２００…固体撮像素子
１０１…半導体基板
１０１Ｂ…裏面側表面
１０１Ｆ…表面側表面
１０３…光電変換素子
１０５…遮光層
１０７…平坦化層
１０９…カラーフィルター層
１０９Ｒ…赤色カラーフィルター成分
１０９Ｇ…緑色カラーフィルター成分
１０９Ｂ…青色カラーフィルター成分
１１０…マイクロレンズアレイ
１１１…レンズ材料層
１１１Ｆ…マイクロレンズの平坦上面
１１１Ｓ…マイクロレンズの湾曲側壁
１１１ＭＬ…マイクロレンズ
１１３…ハードマスク
１１３Ａ…ハードマスクセグメント
１１３Ｂ…レンズ状パターン
１１３Ｃ…ハードマスクの残存部分
１１５…パッシベーション膜
１１７…保護層
１１７Ａ…保護層の残存部分
１１７Ｆ…保護層の残存部分の平坦上面
１１９…フォトレジスト
１１９Ａ…フォトレジストの残存部分
１２０…配線層
１２１…金属層
１２２…ビア
１２３…誘電体層
１２５…パッシベーション膜
Ｉ−１…入射光
Ｉ−２…入射光
Ｐ…画素
１３０…第１のドライエッチングプロセス
１４０…第２のドライエッチングプロセス
１５０…ドライエッチングプロセス
１６０…リフトオフプロセス
２００…固体撮像素子
Claims (10)
- 固体撮像素子の製造方法であって、
複数の光電変換素子を有する半導体基板を提供するステップ、
前記半導体基板の上にカラーフィルター層を形成するステップ、
前記カラーフィルター層の上にレンズ材料層を形成するステップ、
前記レンズ材料層の上にレンズ状パターンを有するハードマスクを形成するステップ、
前記ハードマスクおよび前記レンズ材料層の両方をエッチングして、前記レンズ材料層から平坦上面のマイクロレンズを形成し、前記マイクロレンズの平坦上面の上に前記ハードマスクの一部を残すステップ、および
前記マイクロレンズに残った前記ハードマスクの一部を除去するステップを含む方法。 - 前記ハードマスクおよび前記レンズ材料層の両方のエッチングは、フッ素含有のエッチングガスを用いた第１のドライエッチングプロセスで行われ、
前記第１のドライエッチングプロセスの間、前記ハードマスクの材料は、前記レンズ材料層の材料のエッチングレートと異なるエッチングレートを有し、
前記ハードマスクと前記レンズ材料層のエッチングレート比は、１：１〜１．２：１の範囲にある請求項１に記載の方法。 - 前記マイクロレンズの上に残っている前記ハードマスクの一部を除去した後、前記マイクロレンズの上にパッシベーション膜をコンフォーマルに形成するステップを更に含み、
前記パッシベーション膜は、化学蒸着プロセスによって形成され、
前記パッシベーション膜の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはその組み合わせである請求項１または請求項２に記載の方法。 - 前記ハードマスクの材料は、感光性有機材料を含み、
前記ハードマスクの形成は、フォトリソグラフィープロセスおよびリフロープロセスを用いて、感光性有機材料を使って、ハードマスクのレンズ状パターンを形成する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。 - 固体撮像素子の製造方法であって、
複数の光電変換素子を有する半導体基板を提供するステップ、
前記半導体基板の上にカラーフィルター層を形成するステップ、
前記カラーフィルター層の上にレンズ材料層を形成するステップ、
前記レンズ材料層の上にパターン化されたフォトレジストを形成するステップ、
前記パターン化されたフォトレジストの上にレンズ状パターンを有するハードマスクを形成するステップ、
前記ハードマスク、前記パターン化されたフォトレジスト、および前記レンズ材料層をエッチングして、平坦上面のマイクロレンズを形成し、前記マイクロレンズは、前記レンズ材料層から形成され、前記マイクロレンズの平坦上面の上に前記パターン化されたフォトレジストの一部および前記ハードマスクの一部を残すステップ、および
前記マイクロレンズの平坦上面の上の前記パターン化されたフォトレジストの一部および前記ハードマスクの一部を除去するステップを含む固体撮像素子の方法。 - 前記レンズ材料層および前記パターン化されたフォトレジストの間に保護層を形成するステップを更に含み、
前記ハードマスク、前記パターン化されたフォトレジスト、および前記レンズ材料層のエッチングは、フッ素含有エッチングガスを用いたドライエッチングプロセスで行われ、
前記保護層はドライエッチングプロセスによってエッチングされ、前記保護層の一部を前記マイクロレンズの平坦上面の上に残し、
前記ドライエッチングプロセスの前記ハードマスクと前記パターン化されたフォトレジスト、前記保護層、および前記レンズ材料層のエッチングレート比は、１．２：１．２：１．３：１〜１．３：１．３：１．４：１の範囲にある請求項５に記載の方法。 - 前記マイクロレンズの平坦上面の上の前記パターン化されたフォトレジストの一部および前記ハードマスクの一部を除去するステップは、リフトオフプロセスを用いて行われ、前記マイクロレンズの前記平坦面上に残った前記保護層の一部は、前記リフトオフプロセスによって除去されない請求項６に記載の方法。
- 前記マイクロレンズの平坦上面の上、且つ前記マイクロレンズの側壁の上に残った前記保護層の一部の上にパッシベーション膜をコンフォーマルに形成するステップを更に含み、
前記パッシベーション膜は、前記保護層の厚さより小さい厚さを有し、前記保護層は、第１の化学蒸着プロセスによって形成され、
前記パッシベーション膜は、第２の化学蒸着プロセスによって形成される請求項６に記載の方法。 - 複数の光電変換素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置されたカラーフィルター層と、
前記カラーフィルター層の上に配置された平坦上面を有するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズの平坦上面の上の保護層と、
前記保護層の上且つ前記マイクロレンズの側壁の上にコンフォーマルに形成されたパッシベーション膜とを備え、
前記マイクロレンズの平坦上面は、前記光電変換素子の真上にあり、
前記マイクロレンズの平坦上面の領域の大きさは、前記光電変換素子の領域の大きさと等しい固体撮像素子。 - 前記パッシベーション膜は、前記保護層の厚さより小さい厚さを有する請求項９に記載の固体撮像素子。
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