JPS63229851A - 固体撮像装置の製造方法 - 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） 本発明は、各感光部上にマイクロレンズを設けた固体撮
像装置およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 固体撮像装置は小型軽量、高信頼性、長寿命等の半導体
素子としての利点の他に、撮像管の欠点である焼き付き
や図形ひすみ等が無く、加えて、低残像である特徴をを
している。このため、カラーコンパクトビデオカメラは
当然のこと、計測器、生産機械、画像情報処理装置等へ
広く利用されている。

従来のカラー固体撮像装置の構造を第６図の断面図を用
いて説明する。半導体基板１上に光電変換素子として機
能するフォトダイオード２が所定ピッチで形成され、こ
の上に酸化膜等から成る絶縁膜３が形成され、更にその
上にパッシベーション膜として機能するＰＳＧ膜４が形
成される。更にこの１−に、アルミニウム遮光膜５およ
びアクリル系レジストから成る平滑層６が形成される。

フォトダイオード２が形成された部分は感光部となり、
アルミニウム遮光膜５には前記感光部に相当する領域に
開口部が設けられる。そして、ＰＥＰ法（Ｐｈｏｔｏ　
ＥｎｇｒａｖｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ　）と染色法により
所定の感光部上にシアン染色層７が形成され、混色防止
のための中間層８を介して、別の所定感光部−Ｌにイエ
ロー染色層９が形成される。白色光を検出する感光部」
ユには染色層は設けられない。最後にこの−Ｌに保護層
１０が設けられる。前記の中間層８および保護層１０も
平滑層６と同様にアクリル系レジストから成る。

（発明が解決しようとする問題点） こうした従来の固体撮像装置では、解像度を増すために
は、画素数を増加させることが必要であるが、そのため
に有効画素面積に対する感光部面積は小さくなり、結局
感度低下を招くことになる。

感度は、固体撮像装置の重要な要素であり、この感度低
下は、致命的な欠点となり、性能が低下することになる
。

この問題を解決するため、各感光部上にマイクロレンズ
を設ける提案が今までに種々なされているが、それが十
分に成功しているとは必ずしも言えない。

本発明は、感度低下防止のためのマイクロレンズか、多
画素化により精細化された感光部上で有効にその機能を
発揮できるようにした固体撮像装置およびその製造方法
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の第１の発明は、半導体基板表面の画素領域に、
水平レジスタに沿う水平方向と垂直レジスタに沿う垂直
方向にマトリックス状に配列形成した複数の感光部と、
これら感光部の上方に形成され各感光部に対応する部分
に入射光を通すための開口部を有する遮光膜と、この遮
光膜開口部の上方に形成され、水平方向又は垂直方向の
少くとも一方向の寸法が開口部の同方向の寸法よりも若
干大きいマイクロレンズ層とを備えた固体撮像装置を提
供するものである。

また第２の発明は、上記構造の固体撮像装置を製造する
ために、半導体基板表面に複数の感光部を水平および垂
直方向に配列形成し、それらの方に遮光膜を形成してそ
の各感光部に対応する部分に開口部を設けた後、この開
口部の垂直方向の各列の上方に、カゼイン系レジストを
用いて、開口部の水平方向幅より若干大きい幅を有する
垂直方向へ延びるストライプ状のマイクロレンズを形成
する固体撮像装置の製造方法を提供するものである。

（作　用） 第１の発明においてζマイクロレンズ層の寸法を遮光膜
開口部より若干大きく形成していることで、マイクロレ
ンズ層により感光部へ集光できる光の瓜をほぼ最大にす
ることができ、効果的に感度向上を図ることができる。

第２の発明において、マイクロレンズ層をストライプ状
に形成することは、感光部とマイクロレンズ層との位置
合わせを容易にすることになる。

特に、感光部の垂直方向の列には位置ずれがほとんど無
いため、垂直方向へマイクロレンズ層を形成することは
、位置合わせの精度を高め、感光部毎の特性のばらつき
を無くすことにつながる。

また、カゼイン系レジストは他のマイクロレンズ用の材
料に比べ微細加工の解像度が高いため、このカゼイン系
レジストを用いてマイクロレンズ層を形成することは、
微細でかつ正確な寸法のマイクロレンズ層の形成を可能
にし、多画素、高精細化された固体撮像装置に好適なマ
イクロレンズ層が提供できる。

（実施例） 以下、本発明を図示する一実施例に基づいて詳述する。

第１図（ｄ）に、本発明に基づくカラー固体搬像装置の
一実施例の水平方向の断面図を示す。

半導体基板１中の表面にフォトダイオード２が所定ピッ
チで形成されており、その上にはフォトダイオード２に
対応する部分のみ薄く形成された絶縁膜３、ＰＳＧＳｉ
２０ォトダイオード２に対応する部分のみ開口されたア
ルミニウム遮光膜５、平滑層６、所定フォトダイオード
２に対応する部分のみに形成されたシアン染色層７、混
色防止用の透明な第１の中間層８、および所定フォトダ
イオード２に対応する部分のみに形成されたイエロー染
色層９か従来装置と同様に形成されている。

イエロ一層９の上には、透明の第２の中間層２００が形
成され、その上の各フォトダイオード２に対応する部分
にマイクロレンズ層２０１が形成されている。このマイ
クロレンズ２０１上には、保護層２０２が設けられてい
る。

第２図は、この固体撮像装置の平面図である。

フォトダイオード２（図示省略）は、基板表面の画素領
域１０１に、水平レジスタ（図示省略）に沿う水平方向
Ｘに複数行および垂直レジスタ（図示省略）に沿う垂直
方向Ｙに複数列配列されるように、マトリックス状に形
成されている。

この画素領域１０１の拡大図を第３図に示す。

上述したようなフォトダイオード２（図示省略）の配列
に対応して、遮光膜の開口部１０２が水平方向Ｘおよび
垂直方向Ｙにマトリックス状に配列形成されている。マ
イクロレンズ層２０１は、開口部１０２の垂直方向の各
列に対応する位置に、垂直方向へストライプ状に形成さ
れ、開口部１０２の水平方向Ｘの幅よりも若干大きい幅
を有している。このストライプ状マイクロレンズ層は、
カゼイン系レジストにより形成されている。

次にこのようなカラー固体撮像装置の製造工程を第１図
に示す断面図を参照して説明する。

まず、半導体基板１の表面に、光電変換素子であるフォ
トダイオード２を所定ピッチで形成する。

つづいて、基板１上に、例えば酸化膜等の絶縁膜３、そ
の−１−にパッシベーション膜、例えばＰＳＧＳｉ２０
成する。次いで、このＰＳＧ膜４上にフォトダイオード
２に対応する部分が開口したアルミニウム遮光膜５を蒸
着およびパターニングにより形成する。しかる後、スピ
ン塗布により全面にアクリル樹脂等の透明高分子樹脂層
よりなる平滑層６を２μｍの膜厚で形成する（第１図（
ａ））。

次に上記平滑層６の上に水溶性レジストを１．０μｍの
膜厚でスピン塗布する。ここで、水溶性レジスト材料と
しては、ゼラチンやカゼイン等の蛋白質またはポリビニ
ルアルコールに感光剤の重クロム酸アンモニウムを１９
６添加したものがある。つづいて、この水溶性レジスト
を７０℃で４０分間プリベークした後、高圧水銀ランプ
を用いて所定のマスクを介して５０　ｍ　Ｊ　／　ｃｄ
の条件で露光する。その後、基板１を純水中に１０秒間
浸漬した後ポストベークを行ない、水溶性レジスト層の
うち所定のフォトダイオード（シアン色感光部となるも
の）に対応する部分のみを残存させる。

続いて基板１を６０℃に保持されたシアン染色液に２分
間浸漬して残存水溶性レジスト層の染色を行ない、これ
を純水洗浄した後、乾燥することにより所定のフォトダ
イオードに対応する部分にシアン染色層７が形成される
（第１図（ｂ））。

続いて、平滑層と同じ方法により、基板全面に０．５μ
ｍの膜厚でアクリル系レジスト製の第１の中間層８を形
成する（第１図（ｂ））。この中間層８は、混色防止膜
として機能する。

次いで、前述のシアン染色層形成工程と同様にして、所
定の感光部（イエロー感光部となるもの）上にのみ水溶
性レジスト層を形成した後、基板１を６０℃に保持した
イエロー染色液中に３分間浸漬し純水洗浄、乾燥を行な
ってイエロー染色層９を形成する（第１図（Ｃ））。

ここまでの工程は、従来装置の製造工程と同じである。

以後の工程が本発明の特徴となる部分である。

次に、第１の中間層８の形成工程と同様にして、基板全
面にアクリル系レジストを用いて第２の中間層２００を
形成する（第１図（ｄ））。続いて、カゼイン系レジス
ト、例えば１％の重クロム酸アンモニウムを添加したカ
ゼインを基板１上に１．０μｍの膜厚で塗布し、前述の
染色層形成工程と同様にして、ブリベーキングの後所定
のマスクを介して露光し、次いで基板ごと純水に浸漬し
た後ポストベークを行なって、第３図に示したようなス
トライプ状のマイクロレンズ層２０１を形成する。（第
１図（ｄ））。

最後に、平滑層、中間層の形成工程と同様にして、アク
リル系レジストから成る保護層２０２をＰＥＰ法（Ｐｈ
ｏｔｏ　Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　）によ
り形成し、本発明に係るカラー固体撮像装置が完成する
。

第４図は、第１図（ｄ）の主要部分の拡大断面図である
。

ストライプパターンに形成されたマイクロレンズ層２０
１は、アルミニウム遮光膜５の開口寸法よりも若干大き
い幅を有している。

第５図は、遮光膜開口寸法に対するマイクロレンズ幅の
（片側当りの）広がり量δが感光部の相対感度に及ぼす
効果の実測結果を示す。ここで、相対感度１００％とは
マイクロレンズが無い場合の感度である。

同図かられかるように、マイクロレンズ層２０１は遮光
膜開口部に対して約１μｍ程度両側へ広がっている場合
に最も高い感度向上効果を発揮する。これは、マイクロ
レンズ層２０１の主としてその断面形状に基づく光学的
機能から、開口部より若干床がっている場合に最も多く
の光を開口部内へ集光するためと考えられる。つまり、
それよりもレンズ幅が小さい場合はレンズへの入射光量
が減少するため、またレンズ幅が大き過ぎる場合はレン
ズの有効部分の断面形状が平板状に近くなりレンズとし
ての集光機能が低下するためと考えられる。

第５図に示す最大感度を与える６〜１８ｍという値は、
遮光膜開口部の寸法や開口部とマイク、“ａレンズ層と
の間隔などによって多少変化すると考えられるが、とに
かくマイクロレンズ層の幅を開口寸法より若干大きく形
成するということが肝要である。

このように、高い感度向上効果を得るためには、マイク
ロレンズ層２０１の幅寸法の制御およびマイクロレンズ
層２０１と遮光膜開口部との位置合わせを精度良く行な
うことが必要となる。特に多画素化、高精細化した場合
には極めて高い精度が要求される。

本発明では、マイクロレンズ層２０１をカゼイン系レジ
ストにより形成しているため、カゼイン系レジストは微
細加工の解像度が他のレンズ用材料に比べ高いことから
、高い寸法精度をもつマイクロレンズ層を形成すること
ができる。さらに、マイクロレンズ層２０１を垂直方向
にストライプ状に形成するようにしているため、垂直方
向の遮光膜開口部の位置ずれは水平方向に比べほとんど
無いことから、マイクロレンズ層２０１と遮光膜開口部
との位置合わせを高い精度で行なうことができる。

このようにして、本発明に係る固体撮像装置は、高精細
化された場合にも高い感度を維持することができる。

なお、上記実施例ではシアン、イエロー、ホワイトから
成る色フィルタを有するカラー固体撮像装置について述
べたが、本発明は例えば、シアン、イエロー、グリーン
、マゼンタの補色方式、またはレッド、グリーン、ブル
ーの３原色方式の色フィルタを積層したカラー固体撮像
装置や、モノクロ固体撮像装置にも適用できることは勿
論である。

またＣＣＤ型の固体撮像装置だけでなく、’ＭＯＳ型、
ＢＢＤ型（バケツリレー型撮像装置）ＣＩＤ型（電荷注
入型撮像装置）にも適用可能である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、マイクロレンズ層の寸
法を遮光膜の開口寸法より若干大きくしているため、マ
イクロレンズ層が遮光膜開口部内へ集光する光の量をほ
ぼ最大にすることができ、感度向上を効果的に図ること
ができる。また、このマイクロレンズ層をカゼイン系レ
ジストを用いて垂直方向へストライプ状に形成するよう
にしているため、マイクロレンズ層の寸法制御および位
置合わせが精度良くできるようになり、所望の感度向上
効果を発揮するマイクロレンズ層を高精度で形成できる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る固体撮像装置の製造工程および
構造の一実施例を示す断面図、第２図は第１図の固体撮
像装置の平面図、第３図は第２図の部分拡大図、第４図
は第１図（ｄ）の部分拡大図、第５図は遮光膜開口寸法
に対するマイクロレンズ幅の広がり工が感度向上に及ぼ
す効果を示す図、第６図は従来の固体撮像装置の構造を
示す断面図。 １・・・半導体基板、２・・・フォトダイオード、３・
・・絶縁膜、４・・・パッシベーション膜、５・・・ア
ルミニウム遮光膜、６・・・平滑層、７・・・シアン染
色層、８・・・中間層、９・・・イエロー染色層、１０
１・・・画素領域、１０２・・・遮光膜開口部、２０１
・・・マイクロレンズ層、２０２・・・保護層。 出願人代理人　　佐　　藤　　−離 島　１　図 鞄２　図 島３　ｚ 凡４　ｚ Ｐ）５　　図 昆　６　ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板表面の画素領域に、水平レジスタに沿う
   水平方向に複数行および垂直レジスタに沿う垂直方向に
   複数列配列されるように形成した複数個の感光部と、 これら感光部の上方に形成され、各感光部に対応する部
   分に入射光を通過させるための開口部を有する遮光膜と
   、 この遮光膜開口部の上方に形成され、水平方向又は垂直
   方向の少くとも一方向の寸法が前記開口部の同方向の寸
   法より若干大きいマイクロレンズ層と、 を備えた固体撮像装置。 ２、前記マイクロレンズ層は前記遮光膜開口部の垂直方
   向の各列の上方にストライプ状に形成されたものであっ
   て、前記開口部の水平方向の寸法より若干大きい幅を有
   する特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３、前記マイクロレンズ層は、カゼイン系レジストによ
   り形成されたものである特許請求の範囲第１項記載の固
   体撮像装置。 ４、半導体基板表面に、水平レジスタに沿う水平方向に
   複数行および垂直レジスタに沿う垂直方向に複数列配列
   された複数個の感光部を有する画素領域を形成する工程
   と、 この画素領域の上方に、前記各感光部に対応する部分に
   入射光を通すための開口部を有する遮光膜を形成する工
   程と、 この遮光膜開口部の垂直方向の各列の上方に、開口部の
   水平方向の寸法よりも若干大きい幅を有する垂直方向へ
   延びるストライプ状のマイクロレンズ層をカゼイン系レ
   ジストにより形成する工程と、 を備えた固体撮像装置の製造方法。