JPH03163871A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は固体撮像装置およびその製造方法に係わり、
特に固体撮像装置の受光部の構造およびその製造方法に
関する。

（従来の技術） 一般に、固体撮像装置は、固体撮像索了からなる複数の
画素を配列することによって構威される。

１つの固体撮像素子では、入射した光を感光部であるフ
ォトダイオード等で電気的信号に変換し、信号出力を行
なう。

このような固体撮像装置において、これの受光部の・Ｊ
法を大きくすることなく、受光感度を高める方法として
は、フォトダイオード（感光部）上方にマイクロ集光レ
ンズを配置し、外光をこの感光部に集光する方法がある
。

第９図、第１０図は、それそれマイクロ集光レンズを利
用した従来の固体撮像装置の受光部の断面図、および平
面図である。沁９図の断面は第１０図中のＢ−Ｂ−線に
沿うものである。

第９図において、１は半導体基板であり、これの表面領
域には、フォトダイオード２が形威され、そして配列さ
れている。その表曲は、パシベーンヨン膜３にて被覆さ
れており、このパンシベーション膜３上には、被染色膜
、例えばゼラチンからなるカラーフィルタ４（４，〜４
〕）が設置されている。カラーフィルタの参照符号中、
例えば４．は赤に、４２は緑に、４，は青にと、それぞ
れ光の３原色に対応するものである。このカラーフィル
タ４上は、パッシベーション膜５で被覆されており、こ
のパッシベーション膜５上には、上述した受光息度を高
めるためのマイクロ集光レンズ１０６′が、フォトダイ
オード２に対応して配列されている。

このマイクロ集光レンズ１０６′の配列状態を第１０図
の平面図でみると、マイクロ集光レンズ１０６″は、フ
ォトダイオード２が列をなす一つの方向（図中ではＹ方
向）に繋がって形成されている。すなわち、このマイク
ロ集光レンズ１０６′の形状は、いわゆる“カマボコ”
状である。

このように、マイクロ集光レンズ１０６゛の形状が従来
では“カマボコ”状であったので、Ｘ方向の断面（Ｂ−
ｔ３’線に相当）には、レンズに曲率がイｊ在するが、
Ｘ方向と直交するＹ方向には、レンズに曲率がない。

このため、第１１図のレンズ効果図に示すように、例え
ばＸ方向からしか外光８を集光できないので、集光有効
領域９の面積は狭いものである。

すなわちレンズの集光度が低い。

また、第９図に示すように、従来装置では、マイクロ集
光レンズ１０６′が装置上を覆っていない領域１１０（
以降、集光無効領域と称す）の而積が大きいために、こ
の集光無効鎮域１１０に人射する外光８ａによって、フ
レアの発生が多くなっている。

また、集光無効領域１１０とマイクロ集光レンズ１０６
′との界面に入射する外光８ｂにあっては、特にスミア
の発生を招いている。

５ もちろんであるが、この集光無効領域１１０は集光に寄
ちしないため、装置の受光感度の向上を妨げる一つの要
因となっている。

この集光無効飴域１１０は、以ドに説明する従来の製造
方法で、その方法上、形成されてしまうものである。

第１２園（ａ）ないし第１２図（Ｃ）は、従来の固体撮
像装置の、特に受光部の製造方法について、製逍工程順
に示した断面図である。第１２図（ａ）ないし第１２図
（Ｃ）において、第９図ないし第１１図と同一部分には
、同一の参照符号を付し、重複する説明は避ける。

まず、第１２図（ａ）に示すように、カラーフィルタ４
上を被覆するパッシベーション膜５を形成した後、マイ
クロ集光レンズの構成材料となる透明膜１０６を塗布す
る。

次いで、第１２図（ｂ）に示すように、透明膜１０６上
に、フォトレジスト１０７を塗布し、写真蝕刻法により
、このフォトレジスト１０７に、“カマボコ”状の集光
レンズ形成パターンを転写６ する。

次いで、＠１２図（Ｃ）に示すように、フォトレジスト
１０７を介して、異方性エッチングである、例えばＲＩ
Ｅ法により、透明膜１０６をエッチングする。しかし、
この時、フォトレジスト１０７、および透明膜１０６が
共に有機物であるために、サイドエッチングが発生する
。

結果的に、第９図に示すように、“カマボコ”状のマイ
クロ集光レンズ１０６′は各々分断され、集光無効領域
１１０をＨした形状になってしまう。

（発明が解決しようとする課題） この発明は上記のような点に鑑みてｌ）されたもので、
特にマイクロ集光レンズの集光度を高めて、より高い受
光感度を持つ固体撮像装置およびその製逍ｈ゜法を提供
することを目的とする。

［発明の構戊］ （課題を解決するための手段） この発明による固体撮像装置によれば、感光部を複数ａ
する固体撮像索Ｔを含む半導体基板と、 前記基板上の所定位置に配置された被染色膜による光学
的フィルタと、 前記光学的フィルタ上に形或され、複数の前記感光部に
それぞれ対応する複数の集光レンズとを備える固体撮像
装置において、 複数の前記集光レンズは互いに近接して配置され、集光
レンズ集合体を成し、固体撮像装置における受光部全域
は、実質的に集光レンズ集ａ体によって覆われ、 かつそれぞれの集光レンズは、前記固体撮像素子の対応
する感光部に対して入射する全入射光を集光する曲率を
有することを特徴とする。

また、その製造方法は、 半導体基板内に、複数の感光部を有する固体撮像素子を
形成する工程と、 前記固体撮像素子が形或された半導体基板上に、第１の
保誂膜を形成する工程と、 前記第１の保護膜上に、被染色膜による光学的フィルタ
・パターンを形成する］二程と、前記光学的フィルタ・
パターン上に、第２の保護膜を形成する工程と、 前記第２の保護膜上に、フォトレジストを塗布する工程
と、 前記フォトレジストを複数の集光レンズ・セグメントに
それぞれパターニングする工程と、各集光レンズ・セグ
メントに光を照射し、各集光レンズ・セグメントを透明
化する工程と、透明化された各集光レンズ・セグメント
を加熱し、各集光レンズ・セグメントを、それぞれ集光
レンズに熱嚢形させ、集光レンズ集合体を形成する工程
と、 を具備することを特徴とする。

（作用） 上記のような固体撮像装置にあっては、固体撮像装置の
受光部のほぼ全域が、複数の集光レンズを互いに近接さ
せることで形成した集光レンズ集合体で実質的に覆われ
ているから、集光無効領域が極力少なくなる。

さらに集光レンズ集合体を構成する個々の集光レンズに
あっては、固体撮像素子の感光部に対し９ て入射する全入射光集光する曲率を有するから、集光レ
ンズの集光度が高いうえ、集光有効領域も広くなるから
、フレアおよびスメアの原因になる光の無効領域への入
射が少なくなる。

また、その製造方法、特に受光部の形成方法にあっては
、まず、フォトレジストを各集光レンズ・セグメントに
分割パターニング、次いで分割された各集光レンズ・セ
グメントに光を当てて透明化、次いで透明化された各集
光レンズ・セグメントを各集光レンズ形状に熱変形させ
て果光レンズ集合体を得るから、異方性エッチングによ
って集光レンズを形成する必要がない。

よって、その形成に際し、集光レンズが７Ｊ：在しない
領域の面積を縮小して集光レンズを固体撮像素子の感光
部上に形成でき、ひいては固体撮像装置の受光部ほぼ全
域が、実質的に集光レンズ集合体にて覆われるように形
或できる。

（実施例） 以Ｆ１図面を参照して、この発明の実施例について説明
する。

１　０ 第１図は、この発明の第１の実施例に係わる因体撮像装
置の、特に受光部の一部を拡大して示した断面園、第２
図は、その平面図である。第１図の断面は、第２図中Ａ
−Ａ−線に沿っている。

第１図および第２図において、従来の第９図および第１
０図と同一部分については同一の参照符号を付し、重複
する説明は避ける。

第１図に示すように、この発明の特徴は、各マイクロ集
光レンズ６゛゜を、固体撮像累子の感光部としてフォト
ダオード２に対応して配置し、しかもこれらを互いに近
接させて配置している点にある。

この各マイクロ集光レンズ６“の配置状態を第２図の平
面図でみると、それぞれのマイクロ集光レンズ６−は、
フォトダイオード２の一つ一つにそれぞれ対応し、これ
の上方に配置されている。

しかも、各マイクロ集光レンズ６゛は、それ単体でレン
ズとなっており、各々のマイクロ集光レンズ６”゜は、
球面、あるいはほぼ球面状の曲面をＨする。

１１ つまり、上記マイクロ集光レンズ６゜゛のそれぞれは、
フォトダイオード２の一つに女・１し入射する全入射光
を集光する曲率を有している。

この結果、第３図のレンズ効果図に示すように、マイク
ロ集光レンズ６゛゜に入剥する外光８は、Ｘ方向からだ
けでなく、それと直交するＹ方向からもフォトダイオー
ド２の、特に感光部に集光されるようになる。つまり、
全方角から外光８を集光できるので、集光有効領域９の
曲積は拡がる。

よってマイクロ集光レンズ６゛′の集光度は＾まり、こ
のようなマイクロ集光レンズ６−を備える圃体撮像装置
は、受光感度が向上する。

また、上記第１図に示したように、第１の実施例では、
各マイクロ集光レンズ６゜゜が互いに近接して配置され
るので、マイクロ集光レンズが、固体撮像装置の受光部
上に存（１：．Ｌない領域の面積は縮小される。例えば
従来装置の上記領域の幅は大体２μｍ（第９図および第
１０図中に１１０として図示）であったが、本発明に係
わる装置では人体０，５μｍ（第１図、第２図中に１０
として図１　２ 示）程度、あるいはそれ以下である。

マクロ的にみれば、固体撮像装置の受光部の全域が、マ
イクロ集光レンズ６゛゜による集光レンズ集合体で、実
質的に覆われていることになる。

そして、集光無効領域は、ほとんど無視できる程度に縮
小され、しかもこの縮小分は、上述したマイクロ集光レ
ンズ６′゛によって、ほとんど全て集光有効飴域に切り
替えることができる。

この結果、集光無効領域に入射する外光はほとんどなく
なり、フレアの発生や、また、スメアの発生も低減され
、固体撮像装置の１＝頼性の向上も併せて達成される。

次に、第４図ないし第６図を参照して、従来装置が備え
るマイクロ集光レンズと、本発明装置が備えるマイクロ
集光レンズとの集光度を比較する。

なお、この比較例は、セルピッチが約９．５μｍｘ９，
５ｌｚｍの場合を示す。

第４図には、従来装置が備えるマイクロ集光レンズのフ
ォトダイオード２に対する集光有効領域９が図示されて
いる。

１　３ 第４図に示すように、従来における集光角゜効領域９の
縦、横の幅は、それぞれｙａ，ｘａとなっている。

第５図には、本発明装置が備えるマイクロ集光レンズの
フォトダイオード２に対する集光有効順域９が図示され
ている。

第５図に示すように、本発明における集光有効領域９の
縦、横の幅は、それぞれｙｂ，ｘｂとなっている。

第６図（ａ）のグラフは、横軸に有効集光領域９のＸ方
尚の長さを、縦軸に従来をにおける集光度を１．０とし
た集光比をプロッｌ−　Ｌ，ている。

第６図（ａ）のグラフから明確なように、本発明におけ
る幅ｘｂは、従来における幅ｘａよりも長く、従来との
集光比も１７１．２３となっている。

また、第６図（ｂ）のグラフは、横軸にＨ効集光領域９
のＹ方向の長さを、縦軸に従来をにおける集光度を１．
０とした集光比をプロットしている。

そして、第６図（ｂ）のグラフから明確なよう１４ に、本発明における幅ｙｂは、従来における幅ｙａより
も長く、従来との集光比も約１，２３となっている。

結果として、本発明装置か備えるマイク０集光レンズは
、従来装置が備えるマイクロ集光レンズよりも集光度か
、 １．２３　　Ｘ１．２３　　ま　１．５１と、約１．５
倍に向上する。

したがって、同体撮像装置の受光感度は、果光度が向上
する分高まる。

次に、第１の実施例に係わる固体撮像装置の製造方法、
特に装置受光部に着目した製遣方法について、第７図（
ａ）ないし第７図（ｄ＞　Ｓを参照して説明する。第７
図（ａ’）ないしｌｉ７図（ｄ）において、従来の第１
２図と同一部分については同一の参照初号を付す。

まず、第７図（ａ）に示すように、まず、従来と同様な
製造方法により、半導体鮎板１の表山領域にフォトダイ
オード２を形成し、これをパツシベーション膜３で覆う
。次いて、例えばゼラチン１５ 等の被染色膜にて構成されたカラーフィルタ４（４１〜
４３）を形成する。次いで、カラーフィルタ４上を、パ
ッシベーション膜５で覆う。

次いで、第７図（ｂ）に示すように、全面にフォトレジ
スト６を、例えば２．０μｍの厚みに塗布する。

ここで、本発明では、このフォトレジス１．　６に、例
えばノボラック系のフェノール樹脂を用いる。

実施例では、一例として富士ハント製１１ＰＩ？ＩＩ８
２（ポジ型）用いる。

次いで、写真蝕刻法により、フォトレジスト６を、所定
のマイクロ集光レンズパターンにパタニングする。以後
、パターニングされた個々のフォトレジスト６小片を、
マイクロ集光レンズ・セグメント６と呼ぶ。

次いで、第７図（Ｃ）に示すように、マイクロ集光レン
ズ・セグメント６に、光、例えば紫外線７を当て、上記
セグメント６、各々を透明化する。

実施例では、フォトレジストを透明にする工程の条件と
し、上記セグメント６に対し、波長１６ 約３６５〜４０５ｎｍの、いわゆる紫外線７を、約３０
秒間ＰＬＡにて照射し、透明化する。

そして、第７図（ｄ）に、透明化された上記セグメント
を６−の参照符号を付して示す。

次いで、第１図に示すように、透明化された上記セグメ
ント６′を、例えば温度１４０℃程度で約１０分間加熱
し、各セグメント６−を、各々所望のマイクロ集光レン
ズ６゜゛の形状に熱嚢形させる。

以上の工程をもって、一失施例に関わる固体撮像装置が
製造、特にその受光部が形成される。

このような製造方法によれば、異方性エッチングを格別
行なうことなく、マイクロ集光レンズ６゜゜を形成でき
るので、捉来のように、受光部上に上記レンズ６゜゛が
存在しない領域の曲積が増加することはない。

したがって、上述した第１の実施例装置のように、固体
撮像装置の受光部の全域が、ほぼマイクロ集光レンズ６
゜゜て覆われた形、すなわち集光レンズ集合体の形状に
製逍することができる。

１７ そして、受光部上に、上記レンズ６−が存在しない領域
の輻は、」二連したように約０．５μｍ程度、あるいは
それ以下まで縮小させることができる。

従来でも、上記領域の面積縮小を図るため、エッチング
の異方性を上げる等の処置が施されている。

しかし、異方性を上げると、第１２図（ａ）に示す透明
膜１０６の表面が荒れる等の問題を生ずる。さらに、工
程も長くなるため、歩留り低下の原因にもなる。

ところで、上記カラーフィルタ４は、例えばゼラチンの
ような被染色膜で構威されている。被染色膜は、高い熱
が加わると変色を起こす。つまり、耐熱性に乏しいもの
である。

例えば被染色膜の構成利料として、ゼラチンが用いられ
ている場合には、温度１８０℃、１時間程度の加熱で、
変色等の状態変化が発坐し、もはやカラーフィルタとし
ての信頼性を喪失してしまう。

１　８ さらに、この変色は、温度２００℃、１侍間程度の加熱
になると、いっそう激しくなる。

つまり、カラーフィルタ４のような、被染色膜を白゛す
る固体撮像装置を製造するには、その製逍工程において
、熱工程を厳しく管理する必要がある。

従来にも、フォトレジストを透明化し、これによって集
光レンズを形或するという提案はあった。

しかし、従来提案では、フォトレジストの透明化をする
のに、１８０℃、３時間という高温、長時間の熱工程を
必要とする。

これでは、工程中の熱衝撃が大き過ぎ、カラフィルタ４
のような被染色騰を有する固体撮像装置には、適用する
ことが難しい。

その点、本允明では、第７図（Ｃ）および（ｄ）に示し
たように、紫外線７でフォトレジストで構成されるセグ
メント６を透明化させるので、高い熱は必要でない。

しかも、紫外線７の照射時間も約３０秒程度と短時間で
済む。

１つ そして、次の熱変形工程でも、約１４０℃で１０分程度
の熱工程であり、カラーフィルタ４には、変色等の影響
をほとんど与えない。

以上のように、本発明に係わる装置の製逍方法では、カ
ラーフィルタ４のような、被染色膜を６−する固体撮像
装置でも、カラーフィルタ４の変色等を招くことなく、
容易に製造できるものである。

ところで、フォトレジストの解像性の点については、上
記解像性がサブミクロンのオーダーであり、実質セルサ
イズ５μｍないし１０μｍ程度のフォトダイオードに対
しては、非常に微小なロス分であり、ほとんど影響はな
い。

次に、ゼラチンのような被染色膜を用いた固体撮像装置
の他の例を、本発明の第２の実施例として第８図にその
断面を示す。第８図において、第１図と同一部分につい
ては同一の参照符号を付し、重複する説明は避ける。

第８図に示すように、第２の実施例は、白黒固体撮像装
置であり、フレアおよびスミアの低減のため、マイクロ
集光レンズ６゛゜と、半導体基板〕２０ との間に黒遮蔽膜１１を形成したものである。

このような、黒遮蔽膜１１を有する固体撮像装置にも、
各マイクロ集光レンズ６゜゜が、互いに近接して配置さ
れること、各マイクロ集光レンズ６゜゜が、それぞれー
っのフォトダイオードに対して全方角から集光できる等
の条件を満たすことで、受光感度の向上の効果を褥られ
る。

しかも、その製造方法にあっては、例えばゼラチンのよ
うな被染色膜にて構成される黒遮蔽膜１１を傷めるよう
なことはない。

次に、紫外線照射によって透明化するフォトレジストに
ついて述べる。

上記第１の実施例では、フォトレジストに、ノボラック
系フェノール樹脂によるものを用いた。

この他に紫外線照対で透明化するフォトレジストの材質
には以下のような種類がある。

●カルボキシル基含有スチレン系共重合体・カルボキシ
ル基含有アクリル系共重合体◆カルボキシル基含有メタ
クリル系共重合体例えば以上の３種類を材質とするフォ
トレジス２１ トを、マイクロ集光レンズの構成材料として、本発明に
係わる固体撮像装置に使用して構わない。

なお、上記カルボキシル基としては、 ●無水マレイン酸 ・マレイン酸ハーフエステル ●マレイン酸エステル ●アクリル酸 ・メタクリル酸 等がある。

また、スチレン系としては、 ●スチレン ◆α−メチルスチレン ●ビニルトルエン ●クロロスチレン ●ビニルナフタレン 等がある。

また、アクリル系またはメタクリル系としては、・アク
リル酸メチル ●メタクリル酸メチル ・メタクリル酸フェニル ２２ ・ブトキシアクリレート ・２−ヒドロキシエチルアクリレート 笠がある。

そして、集光レンズ構成材料に、これらの組み合わせに
より得られた樹脂によるフォトレジストを用いることに
より、上記レンズ材料として最適なものを選ぶことがで
きる。

また、３元」（重合体としては、 ・グリシジルメタクリレート ●グリシジルビニルエーテル 等を用いることもできる。

さらに、集光レンズ構成材料となる上記フォトレジスト
に熱硬化剤を添加すれば、集光レンズとして形成された
後、レンズの形状変化を低減させることも可能である。

特に図示はしないが、カルボキシル基ａｔ−ｉスチレン
共重合体であるスチレンと無水マレイン酸によるフォト
レジストを用いた場合には、マイクロ集光レンズの性能
、並びに信頼性が高まる。

例として、フォトレジストを透明化した後、熱２３ 耐久試験を行なった結果、上記カルボキシル基含有スチ
レン共重合体フォトレジストでは、温度２００℃にて３
時間の加熱を行なっても、特に透明性に関する劣化がみ
られなかった。

さらに、温度１５０℃では５００時間以上加熱しても上
記劣化が認められなかった。

本発明に係わる固体撮像装置の集光レンズの利料として
は、このような耐久性に富んだフォトレジストを用いる
ことが、装置自体の信頼性の面からも望ましい。

また、上記フォｌ・レジストに、例えば熱硬化剤を添加
し、レンズの形状変化を抑制することも、望ましいこと
である。

なお、本発明は、第１の実施例のようにカラフィルタを
有するカラー固体撮像装置、第２の実施例ように白黒固
体撮像装置であるが黒遮蔽膜を有するもの、といったよ
うに被染色膜を持つ固体撮像装置に適用されることが効
果的である。

しかし、何もそのような被染色膜を持つ固体撮像装置で
なくとも、受光感度が高められること、２４ あるいはその製造工程において熱衝撃が少ないこと、と
いった利点があることから、被染色膜を持たない固体撮
像装置に、適用してももちろん構わない。

［発明の効果コ 以上説明したように、この発明によれば、特に高い集光
度を持つマイクロ集光レンズを備え、より高い受光感度
を持った固体撮像装置と、その製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる固体撮像装置の
断向図、第２図はその・１′曲図、第３図は第１の実施
例装置のレンズ効果図、第４図は従来の固体撮像装置に
おけるルンズ集光有効領域を示す図、第５園は本発明に
係わる固体撮像装置におけるレンズ集光ｎ゛効領域を示
す図、第６図（ａ）はＸ方向の集光ｈ゛効領域の幅と従
来を１とした時の集光比との関係、第６図（ｂ）はＹ／
７向の集光有効領域の幅と従来を１とした時の集光比と
の関係、第７図（ａ）ないし第７図（ｄ）は第１の実２
５ 施例に係わる固体撮像装置を製造工程順に示した断面図
、第８図は第２の実施例に係わる固体撮像装置の断面図
、第９図は従来装置の断面図、第１０図はその平面図、
第１１図は従来装置のレンズ効果図、第１２図Ｃ，１）
ないし第１２図（Ｃ）は従来装置の製造方法を製造工程
順に示した断面図である。 １・・・半導体基板、２・・・フォトダイオード、４（
４、〜４，）・・・カラーフィルタ、６・・・マイクロ
集光レンズ・セグメント（フォトレジスト）、７・・・
紫外線、９・・・集光有効領域、１０・・・集光無効領
域、１１・・・黒遮蔽膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）感光部を複数有する固体撮像素子を含む半導体基
   板と、 前記基板上の所定位置に配置された被染色膜による光学
   的フィルタと、 前記光学的フィルタ上に形成され、複数の前記感光部に
   それぞれ対応する複数の集光レンズとを備える固体撮像
   装置において、 複数の前記集光レンズは互いに近接して配置され、集光
   レンズ集合体を成し、固体撮像装置における受光部ほぼ
   全域は、実質的に集光レンズ集合体によって覆われ、 かつそれぞれの集光レンズは、前記固体撮像素子の対応
   する感光部に対して入射する全入射光を集光する曲率を
   有することを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）固体撮像装置の製造方法であって、 半導体基板内に、複数の感光部を有する固体撮像素子を
   形成する工程と、 前記固体撮像素子が形成された半導体基板上に、第１の
   保護膜を形成する工程と、 前記第１の保護膜上に、被染色膜による光学的フィルタ
   ・パターンを形成する工程と、 前記光学的フィルタ・パターン上に、第２の保護膜を形
   成する工程と、 前記第２の保護膜上に、フォトレジストを 塗布する工程と、 前記フォトレジストを複数の集光レンズ・セグメントに
   それぞれパターニングする工程と、各集光レンズ・セグ
   メントに光を照射し、各集光レンズ・セグメントを透明
   化する工程と、透明化された各集光レンズ・セグメント
   を加熱し、各集光レンズ・セグメントを、それぞれ集光
   レンズに熱変形させ、集光レンズ集合体を形成する工程
   と、 を具備することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。