JP4123667B2

JP4123667B2 - 固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP4123667B2
Application number: JP2000017329A
Authority: JP
Inventors: 健蔵福吉; 忠石松; 智史北村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001208902A; US6950140B2; US20010009442A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される固体撮像素子及び固体撮像素子上に形成されるマイクロレンズに関し、特に、マイクロレンズの実効的な開口率を上げることによる感度向上及びスミアを低減した固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤなどの受光素子の光電変換に寄与する領域（開口部）は、素子サイズや画素数にも依存するが、その全面積に対し２０〜４０％程度に限られてしまう。開口部が小さいことは、そのまま感度低下につながるため、これを補うために受光素子上に集光のためのマイクロレンズを形成することが一般的である。
しかしながら、近時、２００万画素を超える高精細ＣＣＤ固体撮像素子への要求が強くなり、これら高精細ＣＣＤにおいて付随するマイクロレンズの開口率低下（すなわち感度低下）及びスミアなどのノイズ増加が、大きな問題となってきている。
【０００３】
マイクロレンズ形成技術については、公知の技術として例えば、特開昭６０−５３０７３号公報に比較的詳細に示されている。さらに、特開昭６０−Ｓ３０７３号公報には、レンズを丸く半球状に形成する技術として熱フローによる樹脂の熱流動性（熱フロー）を用いた技術、また、いくつかのエツチング技術によりレンズを加工する技術も詳細に開示されている。加えて、レンズ表面にＰＧＭＡなどの有機膜やＯＣＤ（ＳｉＯ₂系）の無機膜の形成なども開示されている。
樹脂レンズ上にレンズ材との屈折率差のある薄膜を積層する技術は、特開平５−４８０５７号公報や前記の特開昭６０−５３０７３号公報に既に開示されている。
【０００４】
固体撮像素子の高精細化は、５μｍピッチ以下のマイクロレンズの配列及び０．３μｍ以下のマイクロレンズ間ギャップ（以下、レンズ間ギャップと称す）が要求されてきている。しかし、一般にマイクロレンズは、感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィーと熱フロー技術を併用して形成しており、これら技術からくる制約で、そのマクロレンズの辺方向のレンズ間ギャップは１μｍからせいぜい０．４μｍである。レンズ間ギャップを０．３μｍ以下にすると隣り合うマイクロレンズがそれぞれのレンズエッジでくっつき、ムラ不良となることが多く、量産レベルの安定生産技術とはならない。こうした従来技術からくる制約は、高精細化に伴うマイクロレンズの開口率低下、換言すると固体撮像素子の感度低下につながる問題を有している。
【０００５】
マイクロレンズのくっつきを避けるための安定生産技術、あるいは高開口率技術として、前記の特開昭６０−５３０７３号公報、特開平６−１１２４５９号公報、特開平９−４５８８４号公報などのエツチングを利用した“溝方式”と呼ばれる技術が開示されているが、これら技術はマイクロレンズ間に凹部の形成は可能であるものの、０．３μｍ以下の狭ギャップにはなりにくい。すなわち、マイクロレンズを母型としてドライエツチなどによりエッチングしていくため、基本的にレンズ形状がなだらかに、同時に凹部も丸く広がる傾向に加工されてしまう。等方性エツチング、異方性エツチングいずれも母型パターンより基本的には、より狭ギャップに加工するものでない。さらに、特開平６−１１２４５９号公報に開示されている“構方式”は、１μｍレベルの広いギャップにて効果が出るもので、０．３μｍ以下の狭ギャップを再現できるものではない。これらの技術は、基本的にマイクロレンズ間の形状をなめらかに加工する技術である。
【０００６】
樹脂レンズ上に、等方的に無機膜や樹脂膜を堆積形成して狭ギャップを達成しようとする技術は、たとえば尿素樹脂を蒸着機をもちいて合成蒸着する方法や特開平５−４８０５７号公報に開示されているようにＥＣＲプラズマなどのＣＶＤを用いて堆積する方法などがある。しかし、これら技術は、高価な真空装置やＣＶＤ装置を使用する必要があり、簡便な方式といえず大幅なコストアップとなる方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑み考案されたもので、０．３μｍ以下のマイクロレンズ間のギャップを達成し、感度向上及びスミアを低減できる固体撮像素子を提供することを目的とし、マイクロレンズアレイ対角方向の集光効果をカバーし、対角方向のマイクロレンズ間の平坦部の光反射による固体撮像素子の特性低下を解消する技術を極めて簡便な手法で提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、光電変換素子が形成された半導体基板上に、平坦化層及びカラーフィルターを形成し、前記平坦化層及びカラーフィルタ上にエポキシ系の樹脂のアンダーコート層を形成する第１の工程と、次に、前記アンダーコート層上にエッチングレートが前記アンダーコート層の約３分の１のフェノール系の樹脂パターン層を約０．６μｍのギャップを有する配列パターンに形成する第２の工程と、次に、前記樹脂パターン層に熱フロー処理を行うことで辺方向のギャップが約０．４μｍの樹脂レンズの配列を形成する第３の工程と、次に、前記樹脂レンズをマスクレジストにして前記アンダーコート層をドライエッチングすることで前記樹脂レンズの間の前記ギャップに深さが約０．３μｍの凹みを形成する第４の工程と、次に、前記樹脂レンズ上に熱硬化性のフェノール系樹脂溶液を約０．１μｍの厚さにスピンコートして透明樹脂層を形成し前記透明樹脂層が前記樹脂レンズの辺方向の前記凹みを埋める厚さを約０．５μｍにし、対角方向の前記凹みを埋める厚さを約０．１μｍにすることで、前記透明樹脂層で覆われて成るマイクロレンズアレイのギャップの深さを対角方向が辺方向より約０．４μｍ深く形成しギャップを約０．１μｍにする第５の工程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。
【００１５】
なお、本発明でのレンズ間ギャップは、マイクロレンズないし樹脂レンズの曲率から凹部にかけての変曲点の位置を目安として、その変曲点間の狭い方（広い方はレンズ開口寸法）の寸法を指す。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例を示す固体撮像素子の部分平面図を、図２は図１の平面図をＡ−Ａ線で切断した固体撮像素子の部分模式断面図を、図３（ａ）は図１の平面図をＢ−Ｂ線で切断したアンダーコート層及びマイクロレンズの部分模式断面図を、図３（ｂ）は図１の平面図をＣ−Ｃ線で切断したアンダーコート層及びマイクロレンズの部分模式断面図をそれぞれ示す。
本発明の固体撮像素子は、図１及び図２に示すように、半導体基板１１に光電変換素子１２、遮光部１３、平坦化層１４、カラーフィルタ１５、平坦化層１６及びアンダーコート層１７を形成し、さらに、樹脂レンズ２１ｃ及び透明樹脂層３１からなるマイクロレンズ４０及びマイクロレンズアレイ５０を形成したものである。マイクロレンズ４０の形成にあたっては、樹脂レンズ２１ｂを形成した後、樹脂レンズ２１ｂをマスクレジストにして樹脂レンズ２１ｂ間のアンダーコート層１７をエッチングしてマイクロレンズアレイ辺方向の凹み２２及びマイクロレンズアレイ対角方向の凹み２３を形成し、透明樹脂層３１形成後のマイクロレンズアレイ辺方向のマイクロレンズ４０間のギャップを０．００５〜０．３μｍの範囲にコントロールし、マイクロレンズアレイ対角方向のマイクロレンズ４０間の透明樹脂層の厚みＤｘｙをマイクロレンズアレイ辺方向のマイクロレンズ４０間の透明樹脂層の厚みＤより薄くなるようにしたものである。
【００１７】
通常、熱フローを利用した樹脂レンズ２１ｂは、マイクロレンズアレイ５０の対角ＸＹ方向にはなだらかになりやすく、レンズ曲率が辺（Ｘ又はＹ）方向と比較して大きくなり、対角方向の集光性が悪くなるが、本発明ではマイクロレンズアレイ５０の辺方向及び対角方向の樹脂レンズ２１ｃ間に凹み２２及び凹み２３を設けて、特にマイクロレンズアレイ５０の対角方向のレンズ効果を増長させ、集光効果を補っている。
【００１８】
さらに、樹脂レンズ２１ｃ間の凹み２２及び凹み２３の深さを１．５〜０．０５μｍに、樹脂レンズ２１ｃ上に形成する透明樹脂層３１の膜厚を０．３〜０．０１μｍの範囲に制御することにより、マイクロレンズアレイ５０の辺方向のマイクロレンズ４０間のギャップ及びマイクロレンズアレイ５０の対角方向のマイクロレンズ４０間の透明樹脂層の厚みＤｘｙを制御している。樹脂レンズ２１ｃ上に形成する透明樹脂層３１の膜厚は塗布液の性状を調整して再現する。これは、スミア量の調整やレンズ収差の調整がある程度可能であることを意味する。また、透明樹脂に擬集性の強い樹脂を採用すれば、レンズ形状を強調（より丸く形成）することも、あるいは、透明樹脂の屈折率を調整することより、レンズ表面の光の反射をある程度調整できる。樹脂レンズと透明樹脂の屈折率を同じにすれば、レンズ設計が簡単になる長所もある。
【００１９】
樹脂レンズ２１ｃの形成に用いる樹脂材料は、マイクロレンズ材料、透明樹脂、アンダーコート材料含め、可視域の透明性（可視域透過率）が高く、実用的な信頼性（耐熱性、耐光性、耐熱サイクル等）があれば良く、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、エリア樹脂などの尿素樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合物などが使用可能であり、一般には、フェノール系の感光性樹脂あるいは低分子量のメラミンーエポキシ共重合物が用いられる。
【００２０】
次に、図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。マイクロレンズアレイ対角方向の樹脂レンズ２１ｃ間の凹部み２３を、辺方向の凹み２２より深く形成することにより、透明樹脂層３１形成後のマイクロレンズ４０の形状を対角方向にも保持することができる。なお、図３（ａ）に示すマイクロレンズアレイ辺方向の凹み２２の透明樹脂層の厚みＤより、図３（ｂ）のマイクロレンズアレイ対角方向の凹み２３の透明樹脂層の厚みＤｘｙは約０．４μｍ薄く形成されている。この対角方向の凹み２３の透明樹脂層の厚みＤｘｙは、樹脂レンズ２１ｂ形成後のアンダーコート層１７のエツチング量と塗布形成される透明樹脂の膜厚や透明樹脂液の性状により調整可能である。対角方向のレンズ間非有効部は面積比率も高く、平坦に形成されると、その非有効部からの表面反射が固体撮像素子のカバーガラスから再反射、再入射してスミアなどのノイズ光の原因となり、固体撮像素子の特性を劣化させる。マイクロレンズアレイ対角方向のマイクロレンズ４０間の凹み２３の透明樹脂層の膜厚Ｄｘｙを薄く形成することにより、固体撮像素子の特性改善に大きな効果がある。
【００２１】
樹脂レンズ２１ｃ及び凹み上の透明樹脂層１７は、真空成膜などの高価な手法を取らずに、透明樹脂をスピンコートのような低コストで簡便な方法で形成できるメリットがあるが、１μｍ以下のサブミクロン領域を安定して再現するには、十分な条件設定が不可欠である。
透明樹脂塗布後の透明樹脂層１７の膜厚や凹み２２及び凹み２３の埋まり具合は、溶剤の極性や用いる樹脂の凝集力、チキソ性、また、界面活性剤の有無や添加量、液温や基板温度、下地の条件、コート条件により影響を受ける。鋭意検討の結果、本発明者らは、サブミクロン領域でマイクロレンズアレイ辺方向のマイクロレンズ間のギャップを再現できる透明樹脂層１７の膜厚は、０．３μｍ以下の薄い膜厚である必要があることを見いだした。０．３μｍを超える膜厚では、レンズ間の凹みが埋まりすぎて、狭ギャップが得られなくなり、また、０．０３μｍ以下の薄膜では樹脂の塗布液が希薄溶液系のため不安定となり、塗布時に均質な膜形成となりにくい。また、マイクロレンズ間の凹みは、マイクロレンズアレイ対角方向より辺方向が埋まりやすいため、マイクロレンズアレイ辺方向のマイクロレンズ間のギャップをコントロールするためには、塗布液の性状やコート条件で左右されるが、透明樹脂の塗布時のムラ発生等を考慮した結果凹み２２及びの凹み２３の深さは、１．５μｍから０．０５μｍの範囲内で形成しなければならない。
【００２２】
マイクロレンズ４０を形成するための樹脂レンズ２１ｃの辺方向のギャップをあらかじめ０．６μｍ以下、たとえば、０．５μｍ〜０．３μｍのギャップにしておく必要がある。この事由については、以下の固体撮像素子の製造方法にて説明を加える。
【００２３】
以下、本発明の固体撮像素子の製造方法について図面を用いて説明する。
図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の固体撮像素子の一実施例の製造方法を工程順に示す構成部分断面図である。尚、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では平坦化層１６から半導体基板１１の部分を省略してある。
まず、光電変換素子１２及び遮光部１３が形成された半導体基板１１上に透明樹脂溶液をスピンナーで塗布し、所定厚の平坦化層１４を形成する。次に、平坦化層１４上にＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅからなる３色のカラーフィルタ１５を形成する。次に、所定厚の平坦化層１６及びアンダーコート層１７を形成し、アンダーコート層１７上に樹脂レンズの基材からなる感光性樹脂溶液をスピンナーで塗布し、感光性樹脂層２１を形成する（図４（ａ）参照）。
【００２４】
次に、感光性樹脂層２１を所定のパターンを有するフォトマスクを用いて、露光・現像等の一連のパターニング処理を行ってアンダーコート層１７上に樹脂パターン層２１ａを形成する（図４（ｂ）参照）。
本発明の固体撮像素子は、０．３μｍ以下のいわば半導体レベルの微細な領域の技術であるため、樹脂パターン層２１ａ間のギャップも０．６μｍ以下で形成し、感光性樹脂層２１の膜厚を０．３μｍ以下で薄く形成することで、狭ギャップを達成することが極めて容易となる。
【００２５】
次に、樹脂パターン層２１ａを所定の温度で加熱・軟化させることにより凸レンズ状の樹脂レンズ２１ｂを形成する（図４（ｃ）参照）。
【００２６】
次に、樹脂レンズ２１ｂをマスクレジストにして樹脂レンズ２１ｂ間のアンダーコート層１７をアッシングやドライエツチング等の手法で異方性の強いエツチングを行うことにより樹脂レンズ２１ｃ、辺方向の凹み２２及び対角方向の凹み２３形成する（図４（ｄ）参照）。凹み２２及び凹み２３の深さは、０．０５μｍ〜１．５μｍの範囲に抑える必要がある。さらに、樹脂レンズ２１ｂの形状を保持するため、アンダーコート層１７は樹脂レンズ２１ｂの基材よりエッチングレート（通常３倍程度）の高い樹脂を選定し、樹脂レンズ２１ｂの基材は、屈折率等の光学特性を満足する材料を選定することが重要になる。
【００２７】
次に、樹脂レンズ２１ｃ及び凹み２２及び凹み２３上に所定の透明樹脂溶液をスピンナー等により塗布し、樹脂レンズ２１ｃ上に所定厚の透明樹脂層３１を、辺方向の凹み２２に所定厚の透明樹脂層Ｄを、対角方向の凹み２３に所定厚の透明樹脂層Ｄｘｙを形成して、マイクロレンズ４０及びマイクロレンズアレイ５０が形成された本発明の固体撮像素子を得る（図４（ｅ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）参照）。
透明樹脂層３１の膜厚は、０．３μｍ以下の薄い膜厚が樹脂レンズ２１ｃの形状を保持しやすく、狭ギャップを達成しやすい。膜厚が０．４μｍを超えると樹脂レンズ２１ｃの形状を再現しにくくなり（レンズの谷間を埋め、平坦になる）、エッチング処理を施しても狭ギャップを得にくい。また、０．３μｍ以下の有機樹脂薄膜を、スピンコートなどの一般的かつ低コストの塗布方法で形成する場合、塗布液の粘度を大きく下げる（樹脂の固形比を減らす）必要がある。
しかしながら、固形比をさげると塗布液の乾燥時に均質な膜形成ができなくなる（乾燥時に樹脂分が凝集し、ランド状になる、あるいは希薄溶液のため不安定になり樹脂が溶媒溶液中で既に擬集してしまう）ため、実務的に塗布での透明樹脂の膜厚の下限は０．０１μｍとなる。なお、塗布液に塗布性や分散性を向上させるために界面活性剤を添加したり、複数の溶剤種を混ぜたり、あるいは、樹脂の分子量や他樹脂の添加を行っても良い。また、塗布の前処理として軽くエッチング処理、プラズマ処理及び紫外線洗浄等を実施しても良い。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
まず、光電変換素子１２、遮光部１３が形成された半導体基板１１上に、平坦化層１４、カラーフィルター１５及び平坦化層１６を順次形成し、平坦化層１６上にエポキシ系の樹脂溶液をスピンコートしてアンダーコート層１７を形成した。
次に、フェノール系の感光性樹脂溶液（３８０Ｈ：ＪＳＲ製）をスピンナーで塗布、乾燥して、１．２μｍ厚の感光性樹脂層２１を形成した。
次に、感光性樹脂層２１を所定のパターンを有するフォトマスクを用いて、露光・現像等の一連のパターニング処理を行って、アンダーコート層１７上に光電変換素子１２の配列に対応した５μｍピッチ、０．６μｍギャップの樹脂パターン層２１ａを形成した。
【００２９】
次に、ホットプレートで１８０℃３分間加熱し、熱フロー処理を行い、アンダーコート層１７上に辺方向のギャップ０．４μｍ、レンズの高さ１．５μｍの樹脂レンズ２１ｂを形成した。
【００３０】
次に、ドライエッチング装置にＯ₂ガスを導入し圧力２０Ｐａ、ＲＦパワー１ｋｗの条件で、基板温度常温で２５秒間エッチング処理して、辺方向のギャップ０．５μｍ、レンズの高さ１．５μｍの樹脂レンズ２１ｃと深さ０．３μｍの凹み２２を形成した。ここで、アンダーコート層１７と樹脂レンズ２１ｃのエッチングレートは３／１になるような樹脂を選定した。
【００３１】
次に、熱硬化性のフェノール系樹脂溶液をスピンコートして樹脂レンズ２１ｃ上に０．１μｍ厚の透明樹脂層３１を形成し、０．１μｍギャップのマイクロレンズアレイ５０を有する固体撮像素子を得た。
【００３２】
本発明の固体撮像素子のマイクロレンズアレイ辺方向のマイクロレンズ４０間の透明樹脂層の膜厚Ｄは０．５μｍ、マイクロレンズアレイ対角方向のマイクロレンズ４０間透明樹脂層の膜厚Ｄｘｙは０．１μｍであった。さらに、開口率を測定した結果９６％を示し、従来の固体撮像素子の開口率６４％に対し、大幅に向上しているのが確認された。
この結果、開口率の大幅な改善により感度が向上し、同時に固体撮像素子への斜め入射光の余分な反射を緩和し、スミアを解消した画像品位の高い固体撮像素子を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の固体撮像素子に用いるマイクロレンズアレイは、あらかじめ樹脂レンズ間に凹みを形成して、０．３μｍ以下の薄い樹脂膜を積層するため、レンズの開口率を大幅に改善することができ、２００万画素を超える高精細、高性能な固体撮像素子を提供できる。
マイクロレンズアレイの辺方向及び対角方向のマイクロレンズ間の透明樹脂層の膜厚をコントロールできるため、そのレンズ機能を補完するとともに、反射光に起因するノイズを解消できる効果がある。
さらに、本発明の製造方法によれば、マイクロレンズをスピンコートとエッチングといった簡単なプロセスで製造できるため、高精度のマイクロレンズを安定に再現性良く作成でき、高精細固体撮像素子の製造で発生しがちなムラ不良を避けることができる。
さらに、本発明のマイクロレンズ形成プロセスにおいて、高価な真空機器を使用するプロセスは、短時間処理のエッチング（あるいはアッシング）のみであり、スループットが向上し、低コストの固体撮像素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す固体撮像素子の部分平面図である。
【図２】図１の平面図をＡ−Ａ線で切断した固体撮像素子の部分模式断面図である。
【図３】（ａ）は図１の平面図をＢ−Ｂ線で切断したマイクロレンズ及びアンダーコート層の部分模式断面図である。
（ｂ）は図１の平面図をＣ−Ｃ線で切断したマイクロレンズ及びアンダーコート層の部分模式断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の固体撮像素子の一実施例の製造方法を工程順に示す構成部分断面図である。
【符号の説明】
１１……半導体基板
１２……光電変換素子
１３……遮光部
１４、１６……平坦化層
１５……カラーフィルタ
１７……アンダーコート層
２１……感光性樹脂層
２１ａ……樹脂パターン層
２１ｂ、２１ｃ……樹脂レンズ
２２……辺方向の凹み
２３……対角方向の凹み
３１……透明樹脂層
４０……マイクロレンズ
５０……マイクロレンズアレイ

Claims

光電変換素子が形成された半導体基板上に、平坦化層及びカラーフィルターを形成し、前記平坦化層及びカラーフィルタ上にエポキシ系の樹脂のアンダーコート層を形成する第１の工程と、次に、前記アンダーコート層上にエッチングレートが前記アンダーコート層の約３分の１のフェノール系の樹脂パターン層を約０．６μｍのギャップを有する配列パターンに形成する第２の工程と、次に、前記樹脂パターン層に熱フロー処理を行うことで辺方向のギャップが約０．４μｍの樹脂レンズの配列を形成する第３の工程と、次に、前記樹脂レンズをマスクレジストにして前記アンダーコート層をドライエッチングすることで前記樹脂レンズの間の前記ギャップに深さが約０．３μｍの凹みを形成する第４の工程と、次に、前記樹脂レンズ上に熱硬化性のフェノール系樹脂溶液を約０．１μｍの厚さにスピンコートして透明樹脂層を形成し前記透明樹脂層が前記樹脂レンズの辺方向の前記凹みを埋める厚さを約０．５μｍにし、対角方向の前記凹みを埋める厚さを約０．１μｍにすることで、前記透明樹脂層で覆われて成るマイクロレンズアレイのギャップの深さを対角方向が辺方向より約０．４μｍ深く形成しギャップを約０．１μｍにする第５の工程を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。