JP6893757B2

JP6893757B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP6893757B2
Application number: JP2015160964A
Authority: JP
Inventors: 良和浅尾
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: JP2017041488A

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を有する固体撮像素子とその製造方法に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されており、小型、軽量で高性能の固体撮像素子が安定して供給されるようになったため、デジタルカメラやデジタルビデオカメラが普及し、さらには携帯電話やモバイル機器にも組み込まれるようになっている。このため、固体撮像素子には、外形寸法が、より小さいものが求められている。

固体撮像素子は、入射した光を電気信号に変換する光電変換素子を一次元（リニアイメージセンサ）、二次元（エリアセンサ）に配置し、その光電変換素子が受光した光の明暗情報を処理して画像データを生成する。そして、光電変換素子の種類としてはＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプがある。

また、カラー画像を撮像可能な固体撮像素子とするには、光電変換素子毎にカラーフィルタを設ける必要がある。しかし、光電変換素子を形成した撮像素子の表面には凹凸があり、カラーフィルタ形成の障害となっている。このため、カラーフィルタを形成する前に平坦化層を形成している。こうして平坦化層を形成してから、カラーフィルタを形成している。そして、カラーフィルタを透過して入射する光を光電変換素子に集光させるため、カラーフィルタの上にアクリル樹脂等の透明な樹脂でマイクロレンズを形成している。また、こうして作られたマイクロレンズには、４．５％〜５．５％程度の表面反射があり、その表面反射を低減する必要があるので、レンズ表面をレンズ材料よりも屈折率が小さな無機系絶縁膜の反射防止層で被覆している。

そして、カラー固体撮像素子は、シリコンウエハ上に多数個を配置した状態で工程に投入され、最後にダイシング工程で個々の撮像素子に切り離される。このダイシング加工するため、シリコンウエハ上の個々の固体撮像素子の周囲には、切りしろとなるスクライブラインが設けられている（図１）。

特開２０１１−１６５９２３号公報

上記したカラー固体撮像素子は、１枚のシリコンウエハからより多くの製品が作れるように配置するため、カラー固体撮像素子の外形サイズを小さくすること、そして、スクライブラインの幅を狭くすることが求められている。

また、ダイシング工程で用いるダイシングソー（装置）で用いるダイシングブレードは、シリコン切断用に作られていて、樹脂を一緒に切断してしまうとダイシングブレードに樹脂が付着して切れが悪くなるため、前記した平坦化層などの樹脂層は、スクライブライン上に残らないように加工している。その結果、レンズ材層の端部１５ａには、積層した樹脂の断面がむき出しの状態になっていることが多い。

本発明者は、鋭意研究の結果、シリコンウエハをスクライブラインに沿ってダイシング加工すると、ダイシングブレードの近傍に露出した樹脂層の重なった構成の端面、特に反射防止層とマイクロレンズ用のレンズ材層の境界線部分に剥離が見られるという知見を得た。

以上を鑑みて、本発明の課題は、マイクロレンズ用のレンズ材層と反射防止層端部断面における境界部分の剥離を防いだ固体撮像素子とその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、光電変換素子を形成した半導体基板上に、少なくとも第１の平坦化層と、カラーフィルタと、第２の平坦化層と、該第２の平坦化層上に２次元的に配置されたマイクロレンズと、反射防止層とを順次に積層した固体撮像素子において、該マイクロレンズを構成するレンズ材層と該反射防止層とが積層された端面断面部分が、端面保護層で保護されていることを特徴とする固体撮像素子である。

また、本発明は、スクライブラインで四辺を囲まれた複数の光電変換素子から成る固体撮像素子のパターンの複数の配列が形成された半導体基板から固体撮像素子を製造する製造方法であって、該半導体基板上に第１の平坦化層を形成する工程と、該第１の平坦化層上にカラーフィルタを形成する工程と、該カラーフィルタ上に第２の平坦化層を形成する工程と、該第２の平坦化層上に２次元的な配置のマイクロレンズを形成する工程と、該マイクロレンズを構成するレンズ材層の領域の外側に剥離可能なレジスト層を形成した後、全面に反射防止層を形成し、前記剥離可能なレジスト層を剥離する工程と、前記反射防止層が積層された前記レンズ材層の端面断面部を被覆する層を形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明は、前記マイクロレンズの表面に反射防止層を形成し、その反射防止層のパターンの端面部分を端面保護層で保護することにより、ダイシング加工時にマイクロレンズ用のレンズ材層と反射防止層の端面における剥離を防ぐことができ、固体撮像素子の収率が向上するという効果がある。

固体撮像素子が多数配置されてなる従来の半導体基板を模式的に示す平面図。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の説明図である（その１）。（ｅ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の説明図である（その２）。本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の断面図である。本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の上面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明を実施するための一実施形態について、図面に従って説明する。

（構成）
図１はマイクロレンズ用のレンズ材層の端部を保護していない従来の固体撮像素子を示した平面図であり、図５は、本発明の実施形態の固体撮像素子を示した平面図である。図４は、本発明の実施形態の固体撮像素子の構造を示した断面図であり、図２と図３はその製造方法を説明する断面図である。

図２（ａ）は、シリコンウエハの半導体基板１０上に半導体プロセスにより形成した固体撮像素子１の上に、カラーフィルタ１３、マイクロレンズ１７用のレンズ材層、外部接続端子３と配線層を形成したものである。次にマイクロレンズ用のレンズ材層の端部１５ａは、固体撮像素子１と外部接続端子３の間に位置し、シリコンウエハの半導体基板１０上の固体撮像素子１は、その外側はスクライブライン２で囲まれている。

また半導体基板１０上に光電変換素子１１を配置した部位は、光電変換素子１１の周辺の配線（図示しない）により凸凹があるため、そのままカラーフィルタ１３を形成すると前記凹凸形状が反映されて、色特性が悪くなるのでアクリル樹脂からなる第１の平坦化層１２を形成する。

そして、カラーフィルタ１３の上面の凹凸もマイクロレンズ１５を形成に影響するため、カラーフィルタ１３上には第２の平坦化層１４を形成する。

マイクロレンズ１５用の樹脂のレンズ材層を第２の平坦化層１４上に形成した後、上に凸な曲面形状のマイクロレンズ１５を形成する。この時、マイクロレンズ１５を構成する樹脂のレンズ材層は、図２（ａ）のように、マイクロレンズアレイの外側までレンズ材層が残る様に、すなわち、光電変換素子１１を配置したマイクロレンズアレイの部位の外側までレンズ材層を残すようにする。

そして、図２（ｃ）のように、マイクロレンズ１５の表面には、無機材料の反射防止層１７を形成する。この時、反射防止層１７は、マイクロレンズ１５のアレイの外側のレンズ材層まで覆う形状に形成する。

反射防止層１７のパターンの端部はレンズ材層の端部１５ａの位置になるが、その部分を、図３（ｆ）のように、端面保護層１８の樹脂のレジストパターンで被覆する。

（製造工程）
以下に、本発明による固体撮像素子１の製造方法の一実施例を、その実施の形態に基づいて説明する。

図２と図３は、本発明のカラー固体撮像素子１の製造方法を主要工程について説明するための断面図である。

以下の工程１から工程５までの工程により、図２（ａ）に示す、半導体基板１０上に形成した固体撮像素子１の光電変換素子１１毎にマイクロレンズ１５を形成したものである。

（工程１）
図示しない配線と光電変換素子１１からなる固体撮像素子１が多数個面付けされた半導体基板１０を準備する。

（工程２）
次に、カラーフィルタ１３の形成に先立って、半導体基板１０の光電変換素子１１が形成された受光面側に、熱硬化型のアクリル樹脂をコーティングし、加熱して０．１μｍ程度の厚さの第１の平坦化層１２を形成する。

第１の平坦化層１２と、後に形成する第２の平坦化層１４には、アクリル、エポキシ、ポリエステル、ウレタン、メラミン、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂、あるいはこれらの共重合物などの透明樹脂が使用可能である。

（工程３）
この第１の平坦化層１２の上に、個々の光電変換素子１１に対応した部位に厚さが概ね１μｍ程度の緑、赤、青の着色画素からなるカラーフィルタ１３をフォトリソグラフィー法により形成する。

例えば、緑色の顔料分散樹脂である感光性ネガ型レジストを塗布する。感光性ネガ型レジスト塗布後、フォトリソグラフィー法のプレベイク、選択的露光、現像、熱処理の各工程を経て、カラーフィルタ１３の第１色（緑色）の画素を所定の光電変換素子１１の位置に、例えば０．７μｍの厚さにパターン形成する。

次に、カラーフィルタの第２色およびそれ以降を含めた残りの色層の画素のパターンをフォトリソグラフィー法により形成する。これにより、複数色の画素を色別に順次平面配置したカラーフィルタ１３を形成する。

（工程４）
次に、カラーフィルタ１３上に第２の平坦化層１４を形成する。

（工程５）
次に、第２の平坦化層１４上に、光電変換素子１１ごとにマイクロレンズ１５を形成する。

マイクロレンズ１５は例えば以下の様にして形成する。先ず、第２の平坦化層１２の上に感光性及び熱フロー性（熱で溶融して流動する性質）を有する樹脂のレンズ材層を形成する。

樹脂のレンズ材層としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、スチレン系樹脂を主体とするポジ型レジスト等を用いることができる。例えばノボラック樹脂を主成分とするポジ型レジストのレンズ材層を第２の平坦化層１４上に塗布形成する。

次にこのポジ型レジストをプレベイクし、厚さが１μｍ程度の皮膜を形成する。次に、グレイスケールマスク（中間階調濃度マスク）を用いて、ポジ型レジストにステッパー露光する。その後、有機系アルカリ現像液（ＴＭＡＨ）でポジ型レジストを現像することでマイクロレンズ１５のパターンにレンズ材層を形成する。

そのマイクロレンズ１５のパターンのレンズ材層を加熱してその樹脂のレンズ材層の熱可塑性により液状化させる熱フロー処理を行うことで、高さ０．５μｍ程度の微小な凸レンズ形状のマイクロレンズ１５を形成する。

なお、マイクロレンズアレイの形成は、これ以外に、例えばレンズ材層上にアクリル樹脂のレジストで形成したレンズ母型の形状を形成し、レンズ母型の形状をドライエッチング法により下地のレンズ材層に転写する転写法を用いることもできる。そして、母型の形状が転写されたレンズ材層を熱フローして整形したマイクロレンズ１５を形成することもできる。

これらの製造方法により、光電変換素子１１の上方領域に、同一形状の単位を画素のピッチ、即ち光電変換素子１１のピッチで繰り返した、凸レンズ形状のマイクロレンズ１５を複数整列させて平面配置したマイクロレンズアレイを形成する。

（工程６）
次に、反射防止層１７をウェハー基板１０の全面に形成する準備として、スクライブライン２と外部接続端子３の領域に反射防止層１７のリフトオフ用レジスト層１６のパターンを形成する。

（工程７）
次に、マイクロレンズ１５の表面を含むウェハー基板１０の全面に反射防止層１７を形成する。例えば、マイクロレンズ１５が形成されたウェハー基板１０上に、１５０℃以下の低温条件にて、プラズマＣＶＤ法により９０ｎｍ程度の厚みで反射防止層１７のＳｉＯ_２層を製膜する。

（工程８）
次に、図２（ｄ）のように、リフトオフ用レジスト層１６のパターンを除去する。

（工程９）
次に、スクライブライン２の領域と外部接続端子３の領域以外の領域をエッチングマスク用のポジ型レジストで保護して酸素プラズマでドライエッチングすることで、図３（ｅ）のように、スクライブライン２の領域と外部接続端子３の領域の、レンズ材層と第２の平坦化層１と第１の平坦化層１２の樹脂を除去し、スクライブライン２と外部接続端子３を露出させる。その除去領域の境界にレンズ材層の端部１５ａが形成される。

次に、ドライエッチングされずに残ったエッチングマスク用のレジストを剥離液にて剥離除去する。

（工程１０）
次に、フォトリソグラフィー法で、図３（ｆ）のように、反射防止層１７のパターンの端面部分を被覆する端面保護層１８の樹脂のレジストパターンを形成する。

ここで、端面保護層１８の樹脂のレジストパターンを形成する際に酸素プラズマを用いて端面保護層１８をライトアッシングする。酸素プラズマでアッシングすることによりプライマー層が形成され、アルカリ現像液による端面保護層１８の剥離を無くすことができ、反射防止層１７と端面保護層１８の密着性を向上させることができる。

（工程１１）
次に、半導体基板１０のシリコンウエハを粘着シート（ダイシングテープ）に貼り付けて、ダイシングブレード２０で、半導体基板１０のウェハーにアレイ状に並ぶ固体撮像素子１の境界のスクライブライン２に沿って半導体基板１０をダイシングし断裁することで、個々の固体撮像素子１のチップに分離する。

図４および図５は、上記の説明した方法で製造された固体撮像素子１の断面および上方視した概略図である。光電変換素子１１が形成されたウェハー基板１０上に、第１の平坦化層１２、カラーフィルタ１３の各色のパターン、第２の平坦化層１４、およびマイクロレンズ１５の層と反射防止層１７を積層した構成を持つ。

この固体撮像素子１は、ダイシングで個々の固体撮像素子１のチップに分離した後も、端面保護層１８を残すことで反射防止層１７のパターンの端面部分を端面保護層１８で保護する。

本発明は、第１の実施形態の製造方法で固体撮像素子１を製造した結果、その半導体基板１０のシリコンウエハをダイシング加工した直後に、反射防止層１７の端面の剥離が無いことを確認した。さらに、その後ダイシングした固体撮像素子１を３回、水洗ユニット
に通して洗浄した後、反射防止層１７の端面の剥離が無いことを確認した。こうして、本発明により、マイクロレンズ用のレンズ材層の端部１５ａでのレンズ材層と反射防止層１７の層間の剥離の無い固体撮像素子１を得ることができた。

１・・・固体撮像素子
２・・・スクライブライン
３・・・外部接続端子
１０・・・半導体基板
１１・・・光電変換素子
１２・・・第１の平坦化層
１３・・・カラーフィルタ
１４・・・第２の平坦化層
１５・・・マイクロレンズ
１５ａ・・（マイクロレンズ用の）レンズ材層の端部
１６・・・（リフトオフ用）レジスト層
１７・・・反射防止層
１８・・・端面保護層
２０・・・ダイシングブレード

Claims

光電変換素子を形成した半導体基板上に、少なくとも第１の平坦化層と、カラーフィルタと、第２の平坦化層と、該第２の平坦化層上に２次元的に配置されたマイクロレンズと、反射防止層とを順次に積層した固体撮像素子において、
該第１の平坦化層と、該カラーフィルタと、該第２の平坦化層と、該マイクロレンズを構成するレンズ材層と、該反射防止層とが積層された端面断面部分が、端面保護層で保護されてあり、
前記端面保護層が樹脂であり、前記端面断面部分に追従し、かつ前記端面保護層の前記端面断面部分と反対側の面が前記半導体基板に対して垂直であり、平面視で前記レンズ材層上の前記反射防止層の一部のみを被覆していることを特徴とする固体撮像素子。
スクライブラインで四辺を囲まれた複数の光電変換素子から成る固体撮像素子のパターンの複数の配列が形成された半導体基板から固体撮像素子を製造する製造方法であって、
該半導体基板上に第１の平坦化層を形成する工程と、
該第１の平坦化層上にカラーフィルタを形成する工程と、
該カラーフィルタ上に第２の平坦化層を形成する工程と、
該第２の平坦化層上に２次元的な配置のマイクロレンズを形成する工程と、
該マイクロレンズを構成するレンズ材層の領域の外側に剥離可能なレジスト層を形成した後、全面に反射防止層を形成し、前記剥離可能なレジスト層を剥離する工程と、
該第１の平坦化層と、該カラーフィルタと、該第２の平坦化層と、該反射防止層が積層された前記レンズ材層の端面断面部を被覆する端面保護層を樹脂でフォトリソグラフィー法により形成する工程とを有し、
前記端面保護層が前記端面断面部に追従し、かつ前記端面保護層の前記端面断面部と反対側の面が前記半導体基板に対して垂直であり、平面視で前記レンズ材層上の前記反射防止層の一部のみを被覆して形成されていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。