JPH03169076A - マイクロレンズ付き固体撮像素子及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関するもの
であり，特に，フォトレジストパターンによりマイクロ
レンズを形或することを特徴とする固体撮像素子及びそ
の製造方法に関するものである． 〔従来の技術〕 固体撮像素子は、通常、ＣＣＤあるいはＭＯＳイメージ
ングデバイスと言われており、シリコン半導体デバイス
の一種である．固体撮像素子は、受光エリアと受光エリ
アを駆動し画像信号を取り出すための垂直並びに水平の
走査回路から威り立っている．また，受光エリアには微
細な多数の画素なる構或要素からなっており、この画素
は更に受光部分と、この画素から電気信号を取り出“し
たりする配線などの信号部分から戒り立っている．全体
に対する受光部分の割合を開口率といっているが、これ
らのデバイスは一般に開口率が低く、信号処理部分に入
射する光は利用されず、光の利用率が低いという欠点が
あった。このため、光の利用率を改善することがこれま
でに検討されてきた。

固体撮像素子の画素毎に集光のためのマイクロレンズを
設ける提案は種々なされており、古くは特開昭５５−１
２４３６６，特開昭５７−９１８０，特開昭５７−１２
４４８５などに見られ、その後も特開昭６０−６０７５
６などに見られる．受光素子や発光素子にレンズ状のキ
ャップを設ける方法は従来から周知のことであり、光デ
バイス等に多く見られ，前記マイクロレンズの応用はこ
の線にそった提案といえる。しかし、これまでに提案さ
れている方法は、具体的実施の面で困難なものが多く、
歩留りの観点からも問題の多いものが多かった。

例えば、金型に加熱しながら押しつけて固体撮像素子状
の有機樹脂層にレンズ状の凹凸を設ける方法では、有機
樹脂層に気泡を巻き込むことなく均質なレンズを形戒す
ることが極めて困難であり、また，金型にスティッキン
グのような現象を起こさないようにすることも困難であ
る． また．ガラス板の表面にイオンエッチングでＶ字形の溝
を形成し，プリズム状の屈折回折素子とし、これを固体
撮像素子上に配置することなども検討されている．しか
し、この方法では、素子上に精度良く貼りあわせること
が極めて困難であり実用性や量産性の点で問題があった
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は，従来技術の欠点をなくし、半導体素子の製造
に広く使用されているフォトリソグラフィー技術をもい
て、マイクロレンズアレイ（ｌＩｌ小レンズアレイ）を
直接に固体撮像素子上に形成しようとするものであり、
特に、生産性，歩留り、コろト等の面で優れた方法を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、材料並びにプロセスを種々
検討した結果、フォトリソグラフィー技術を用いて矩形
状に形成したフォトレジストパタ一ンを後露光し、熱処
理により流動させ、マイクロレンズを形成することが良
いことを見い出した．すなわち、本発明は，特定のフォ
トレジスタ材料を後露光（全面露光）すると効率良くブ
リーチングし、４００ｎｒｓ以上の波長においてほとん
ど透明となること（透過率＝９５％以上）、並びに，矩
形状レジストパターンを所定の温度で加熱処理すると、
パターンの底の幅がほとんど変化せずにほぼ完全な円弧
状パターンとなること、並びに、このようにして形成さ
れたフォトレジストの円弧状パターンがレンズとしての
集光能力を持っていることの発見に基づいている。

以下、本発明のマイクロレンズの形成方法について具体
的に説明する。

現在、半導体フォトリソグラフィーにおいてはアルカリ
可溶性樹脂（例えば，フェノールノボラック樹脂など）
と感光剤（例えば、ナフトキノンジアジド化合物など）
とからなるアルカリ現像形のポジ形フォトレジストが使
用されている。これらは、露光部がアルカリ現像液に可
溶化し、ボジ形のパターンが得られる．通常、これらの
レジストはｉ線（３６５ｎｍ）からｇＡｌ＆　（４　３
　６ｎｍ）の波長領域で感光し，光照射前は強い光吸収
を有している。しかしながら、これらのレジストにある
程度以上の光照射を行うと、効率良くブリーチング（漂
白作用の意味で，光吸収がなくなり、透過率が向上する
こと）し、４００ｎｍ以上の波長領域においてほとんど
透明となる（透過率＝９５％以上）となることを見い出
した．この場合、レジストのマトリックスポリマーとな
るアルカリ可溶性樹脂４００ｎｍ以上の波長領域におい
て光吸収を有するものもあり、材料として限定する必要
がある。

また．ＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｒｖ）などの短
波長の光に感光するＤｅｅｐＵＶレジストは，光照射前
においても４００ｎｍ以上の波長領域においてほとんど
透明であるものがほとんどであり、本発明のレンズ形成
用材料に適している．これらのポジ形フォトレジストは
、いずれも百数十℃に熱変形温度を有しており、矩形状
にパターニングした後、加熱処理を行うと，水玉状のレ
ンズパターンが得られる。固体の矩形パターンを液化し
て、レンズを形成したことによる光利用率の改善効果に
ついては特開昭６０−６０７５６に詳しく記載されてい
るので、ここでは省略するが、光利用率の改善効果が約
ｌ．５５になることが示されている。

以下、本発明を具体的な材料及びプロセスを用いて説明
する。

光電変換を行う受光部２、その受光部で発生した電気信
号を取り出す走査部３，これら受光部と走査部を保護す
るためのパッシベーション膜４及びカラーフィルター層
５からなる固体撮像素子シリコン基板１（第１図に示す
．尚、この図は機能を説明するための模式的な断面図で
ある．）上にレンズ固定層６を設ける．レンズ固定層の
材料としては、特に限定されるものではないが，ポリグ
リシジルメタクリレート，ポリメチルメタクリレートな
どの有機高分子材料が望ましい。尚，レンズ固定層は上
記有機高分子材料の溶液（例えば溶媒としてエチルセロ
ソルブアセテートなどを使用）をスピン塗布することに
より形成される．この上に、マイクロレンズ形或層７を
スピン塗布することにより形成する。マイクロレンズ形
成層の材料としては、ポジ形フォトレジスト材料が望ま
しく，特に、アルカリ現像形で高解像性のポジ形フォト
レジスト材料が望ましい。特に注意すべきことは、ポジ
形フォトレジスト材料のマトリックスポリマーであるア
ルカリ可溶性ポリマーが４００ｎｍに９５％以上の透過
率を有すること、また，上記ポリマーと感光剤とからな
るレジストが光照射により効率良くブリーチングするこ
と（光照射後、４００ｎｍに９５％以上の透過率を有す
ること）が必要である．このような材料としてラダーシ
リコーンをマトリックスポリマーとする有機シリコン系
ポジ形フォトレジスト（日立化成製ＲＵ−１６００Ｐ）
　、高解像性ｉ，４１％　（３６５ｎＩ１）　〜ｇ線（
４３６ｎｍ）ポジ形フォトレジスト（東京応化製ＴＳＭ
Ｒ−Ｖ３など）．ＫｒＦ　（２４８ｎｍ）エキシマレー
ザーなどに感光するＤｅｅｐＵＶレジストなどが挙げら
れる． マイクロレンズ形成層のパターニングは、通常のフォト
リソグラフィー技術によって行われる。

すなわち、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）エキシマレーザーｉ線
（３　６　５ｎｍ）　、あるいは，ｇ線（４３６ｎｍ）
などの光を照射し、アルカリ現像液を用いて現像し、流
水でリンスすることによりマイクロレンズ形或層パター
ンが得られる．（（第２図（ｂ））続いて、上記マイク
ロレンズ形成層パターンに大過剰の光を全面照射し、４
００ｎｍ以上においてほとんど光吸収がなくなるように
，後露光により効率良くブリーチングさせる．次にこの
マイクロレンズ形成層パターンを所定の温度（例えば、
１００℃〜１５０℃／数十分）熱処理し、熱流動させる
ことにより第２図（Ｑ）に示すようなマイクロレンズを
形成する。このようにして形成したマイクロレンズの熱
変形を防止するために、この後、酸素プラズマで軽くア
ッシングすることなども効果的である。

以上、本発明の製造方法を実際の材料及びプロセスを用
いて説明したが、これに限定されるものではない． 〔作用〕 本発明のマイクロレンズ付き固体撮像素子の製造方法に
おいては、半導体製造に利用されるフォトリソグラフィ
ー技術を用いているために、量産性が高く，かつ、高歩
留りで固体撮像素子を製造することが可能である．また
，高解像度化の観点からも優れた方法である。

〔実施例〕

以下、本発明を具体的実施例をもって説明する．実施例
　ｌ 固体撮像素子基板（第工図に示す．尚、この図は機能を
説明するための模式的な断面図である。）上にレンズ固
体層６をＰＧＭＡ　（ポリグリシジルメタクリレート）
などを主戒分とする無色透明な有機樹脂で比較的厚く形
成する．本実施例では、ＰＧＭＡに架橋剤として２．２
’　，４．４’　−テトラヒドロキシベンゾフェノンを
ｌｖｔ．％添加したものを使用した．尚，ＰＧＭＡ膜の
形成はスピン塗布により行い，２００℃／３０分でベー
キングし、熱架橋させた。この上に、マイクロレンズ形
成層７を、アルカリ可溶性ラダーシリコーンをマトリッ
クスポリマーとする有機シリコン系ポジ形フォトレジス
ト（日立化成ＩＪＲＵ−１６００Ｐ）を用い、スピン塗
布により形成した。尚、マイクロレンズ形成層の膜は、
１．２μｍとし，９０℃７３０分でプリベークした。ま
た、固体撮像素子の画素ピッチが２３μｍの２／３イン
チ固体撮像素子基板を用い、レンズ固定層の膜厚を数〜
１０μｍに設定した。尚、この状態を示したのが第２図
（．）である。

次に、マイクロレンズ形成層として用いた上記有機シリ
コン系ポジ形フォトレジスト、ＲＵ−１６００Ｐを通常
のフォトリソグラフィー技術によってパターニングした
。すなわち、ｇ線（４３６ｎｍ）ステッパを用いて約２
００ｍＪ／ａ＋ｆ照射し、アルカリ現像液（０．６６ｗ
ｔ，％一ＮＭＤ−３）を用いて現像し、流水でリンスす
ることによりマイクロレンズ形成層パターンを得た。（
第２図（ｂ））この状態でのマイクロレンズ形成層の光
透過率は第３図（ａ）であり、４００ｎｍ以上での光吸
収が大きく、マイクロレンズとしては不適である．続い
て、上記マイクロレンズ形成層パターンに大過剰の光を
全面照射（後露光，例えば，約２００　０　ｍ　Ｊ　／
　ａＪを照射）した。この状態でのマイクロレンズ形成
層の光透過率は第３図（ｂ）であり、４００ｒ＋＋ｗ以
上においてほとんど光吸収がなく、後露光により効率良
くブリーチングし，マイクロレンズとして適した状態に
なっていることが分かる．次に、このマイクロレンズ形
成層パターンを１３０℃／２０分で熱処理し、熱流動さ
せることにより第２図（ｃ）に示すようなマイクロレン
ズを形成した．このようにしてマイクロレンズを形成し
た場合、光利用率は約５０％改善されることが確認され
、極めて特性の優れた固体撮像素子が得られることが確
認された． 実施例　２ 実施例ｌと同様にして、ＰＧＭＡからなるレンズ固定層
が形或された固体撮像素゜子基板上に、高解像度ポジ形
フォトレジスト（東京応化＊ＴＳＭＲ−Ｖ３）を用い、
スピン塗布によりマイクロレンズ形成層を形成した。尚
、マイクロレンズ形成層の膜厚は１．３μ踵とし、９０
℃／３０分でプリベークし，実施例１と同様な固体撮像
素子基板を使用した。次に，上記ポジ形フォトレジスト
，ＴＳＭＲ−Ｖ３を水銀ランプを用いてコンタクト露光
し、約３　０　ｍ　Ｊ　／ａｉ　（ＵＶ強度は３６５ｎ
ｏ＋で測定）の光を照射した。続いて、アルカリ現像液
（２．３８ｗｔ．％−ＮＭＤ−３）を用いて現像し、流
水でリンスすることによりマイクロレンズ形成層パター
ンを得た。この状態でのマイクロレンズ形成層の光透過
率は第４図（ａ）であり，４００ｎｍ以上での光吸収が
大きく、マイクロレンズとしては不適である。

続いて、上記マイクロレンズ形成層パターンに水銀ラン
プを用いて全面露光し、約２００ｍＪ／ａＪ　（ＵＶ強
度は３６５ｎｍで測定）の光を照射した。

この状態でのマイクロレンズ形成層の光透過率は第４図
（ｂ）であり、４００ｎｍ以上においてほとんど光吸収
がなく，後露光により効率良くブリーチングし、マイク
ロレンズとして適した状態になっていることが分かる。

次に、このマイクロレンズ形戊層パターンを１５０℃／
２０分で熱処理し、熱流動させることによりマイクロレ
ンズを形或した。このようにしてマイクロレンズを形成
した場合，光利用率は約５０％改善されることが確認さ
れ、極めて特性の優れた固体撮像素子が得られることが
確認された。

実施例　３ 実施例１と同様にして、ＰＧＭＡからなるレンズ固定層
が形成された固体撮像素子基板状に，ポジ形フォトレジ
スト（シプレイ製ＡＺ−２４００を用い、スピン塗布に
よりマイクロレンズ形成層を形成した。尚、マイクロレ
ンズ形成層の膜厚は１．２μｍとし、９０℃／３０分で
プリベークし実施例ｌと同様な固体撮像素子基板を使用
した。

次に、上記ポジ形フォトレジスト．ＡＺ−２４００を水
銀ランプを用いてコンタクト露光し、約２　０　ｍ　Ｊ
　／ａｌ　（ＵＶ強度は３６５ｒ＋＋ａで測定）の光を
照射した。続いて、アルカリ現像液（２．３８ｔｉｔ．
％−ＮＭＤ−３）を用いて現像し，流水でリンスするこ
とによりマイクロレンズ形成層パターンを得た。この状
態でのマイクロレンズ形或層の光透過率は第５図（ａ）
であり、４００ｎｍ以上での光吸収が大きく、マイクロ
レンズとしては不適である。

続いて、上記マイクロレンズ形成層パターンに水銀ラン
プを用いて全面露光し、約２００ｍＪ／（！＃　（ＵＶ
強度は３６−５ｎｍで測定）の光を照射した。

この状態でのマイクロレンズ形或層の光透過率は第５図
（ｂ）であり、４００ｎｍ以上においてほとんど．光吸
収がなく，後露光により効率良くブリーチングし、マイ
クロレンズとして適した状態になっていることが分かる
。次に、このマイクロレンズ形成層パターンを１４０℃
／３０分で熱処理し、熱流動させることによりマイクロ
レンズを形或した。このようにしてマイクロレンズを形
成した場合、光利用率は約５０％改善されることが確認
され、極めて特性の優れた固体撮像素子が得られること
が確認された。

実施例　４〜６ 実施例ｌと同様にして、ＰＧＭＡからなるレンズ固定層
が形成された固体撮像素子基板上に，高解像度ポジ形フ
ォトレジスト，日本合成ゴム製ＪＳＲ−７７５０（実施
例４），日本合成ゴム製ＪＳＲ−７９５０　（実施例５
）並びに、日立化成製ＲＩ−７１７９　（実施例６）を
用いてマイクロレンズ形成層を形成した。尚、マイクロ
レンズ形或層の膜厚は１．２μｍとし．９０℃／３０分
でプリベークした。

次に、上記ポジ形フォトレジストに、ｇ線（４３６ｎｍ
）ステッパを用いてそれぞれ約３００ｍＪ／ｄ照射し、
アリカリ現像液（０．６６リｔ．％−ＮＭＤ−３）を用
いて現像し，流水でリンスすることによりマイクロレン
ズ形成層パターンを得た。

続いて，上記マイクロレンズ形或層パターンを全面照射
（後露光、例えば、約１　０　０　０　ｍ　Ｊ　／　ａ
Ｊ　）を照射し，１５０℃／１０分で熱処理し、熱流動
させることによりマイクロレンズが形成改善されること
が確認された。

実施例　７ 実施例工と同様にして，ＰＧＭＡからなるレンズ固定層
が形成された固体撮像素子基板上に，アルカリ可溶性ラ
ダーシリコーンをマトリックスボリマーとする有機シリ
コン系ポジ形ＤｅｅｐＵＶレジ人トを用い、スピン塗布
によりマイクロレンズ形成層を形成した。尚，マイクロ
レンズ形戒層の膜厚は１．２μ重とし、９０℃／３０分
でプリベークし，実施例１と同様な固体撮像素子基板を
使用した。

次に、上記ボジ形ＤｅｅｐＵＶレジストをＫｒＦエキシ
マレーザーを用いてコンタクト露光し、約３０　０　ｍ
　Ｊ　／　ａｉの光を照射した。続いて、アルカリ現像
液（０．６６ｔ＋ｔ，％−ＮＭＤ−３）を用いて現像し
、流水でリンスすることによりマイクロレンズ形或層パ
ターンを得た。この状態でのマイクロレンズ形成層は、
４００ｎｍ以上ではほとんど光吸収を持たず、マイクロ
レンズとして適していた。

この場合、特に、後露光をする必要はない。次に、この
マイクロレンズ形成層パターンを１４０’Ｃ／３０分で
熱処理し、熱流動させることによりマイクロレンズを形
成した．このようにしてマイクロレンズを形成した場合
、光利用率は約５０％改善されることが確認され、極め
て特性の優れた固体撮像素子が得られることが確認され
た。

比較例　１ ＰＧＭＡからなるレンズ固定層が形成された固体撮像素
子基板上に、汎用ポジ形フォトレジスト，ＯＦＰＲ−８
００　（東京応化製）をスピン塗布しマイクロレンズ形
成層を成膜した。尚、マイクロレンズ形成層の膜厚は１
．２μｍとし，９０℃／３０分でプリベークした。

次に、上記ＯＦＰＲ−８００膜にｇ線（４３６ｎｍ）ス
テッパを用いて約２　０　０　ｍ　Ｊ　／　ｃｌ照射し
、アルカリ現像液（０．６６留ｔ．％−ＮＭＤ−３）を
用いて現像し、流水でリンスすることによりマイクロレ
ンズ形或層パターンを得た．この状態でのマイクロレン
ズ形成層の光透過率は第６図（ａ）であり、４００ｎｍ
以上での光吸収が大きい。

続いて、上記マイクロレンズ形成層パターンを４ 全面照射し、約２０００ｍＪ／ａ＃の光を照射した．こ
の状態でのマイクロレンズ形戒層の光透過率は第３図（
ｂ）であり、４００ｎｍ以上においても光吸収があり、
後露光によりブリーチングしても、実施例のようには透
明にはならず、マイクロレンズとしては不適であること
が確認された。

〔発明の効果〕

本発明よると，通常のフォトリソグラフィーによって固
体撮像素子基板上にマイクロレンズを容易に形成できる
。すなわち、本発明で使用される技術はシリコン半導体
の製造に使用される技術であり、量産性とともに低コス
ト化並びに歩留り向上が期待できる。

また、本発明は高解像度化に対して有用なものであり，
将来の高解像度固体撮像素子の製造に極めて有用なもの
である．

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子基板の模式的な断面図を示す。 １・・・シリコン基板 ２・・・受光部分 ３・・・遮光部分 ４・・・パッシベーション層 ５・・・カラーフィルター層 第２図は本発明のマイクロレンズ形成プロセスを示すも
のである． ６・・・レンズ固定層 ７・・・マイクロレンズ層 第３図はマイクロレンズ層の光照射前後における光透過
率を示す． マイクロレンズ材料：ＲＵ−１６００Ｐ第４図はマイク
ロレンズ層の光照射前後における光透過率を示す。 マイクロレンズ材料：　ＴＳＭＲ−Ｖ３第５図はマイク
ロレンズ層の光照射前後における光透過率を示す。 マイクロレンズ材料：ＡＺ−２４００ 第６図はマイクロレンズ層の光照射前後における光透過
率を示す．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に形成された光電変換を行う受光部、
   その受光部で発生した電気信号を取り出す走査部、これ
   ら受光部と走査部を保護するためのパッシベーション膜
   、及びカラーフィルター層からなる固体撮像素子の上に
   、レンズ固定層を設け、このレンズ固定層の上にフォト
   レジストパターンからなる凸レンズを設けたことを特徴
   とするマイクロレンズ付き固体撮像素子。 ２、上記フォトレジスト材料が、アルカリ現像形ポジ形
   フォトレジストからなることを特徴とする請求項１記載
   のマイクロレンズ付き固体撮像素子。 ３、上記フォトレジスト材料が、アルカリ現像形有機ケ
   イ素系ポジ形フォトレジストからなることを特徴とする
   請求項１記載のマイクロレンズ付き固体撮像素子。 ４、上記フォトレジスト材料が、光照射により効率良く
   ブリーチングし、膜厚１μｍにおいて、波長４００ｎｍ
   以上における光透過率が光照射後９５％以上である材料
   からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロレン
   ズ付き固体撮像素子。 ５、半導体基板上に、光電変換を行う受光部、及びその
   受光部で発生した電気信号を取り出す走査部を形成し、
   その上にこれら受光部と走査部を保護するためのパッシ
   ベーシヨン膜、並びにカラーフィルター層を形成した固
   体撮像素子の上に、レンズ固定層を設け、このレンズ固
   定層の上にフォトレジストパターンを形成し、このフォ
   トレジストパターンに全面露光し、加熱処理することに
   より凸レンズを形成することを特徴とするマイクロレン
   ズ付き固体撮像素子の製造方法。 ６、上記加熱処理後、更に酸素プラズマによるライトエ
   ッチングすることにより、凸レンズを形成することを特
   徴とするマイクロレンズ付き固体撮像素子の製造方法。