JP2006003869A - イメージセンサのマイクロレンズ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法を提供すること。
【解決手段】 第１マイクロレンズと第２マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、基板５０上に第１フォトレジスト膜を塗布するステップと、選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域Ａに第１フォトレジストパターンを形成するステップと、第１フォトレジストパターンをフローさせることにより、第１マイクロレンズ５５Ｃを形成するステップと、全面に第２フォトレジスト膜を塗布するステップと、第２フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、第２フォトレジストパターン５６Ａを形成するステップと、第２フォトレジストパターン５６Ａをフローさせることにより、第２マイクロレンズを形成するステップとを含む。
【選択図】図４Ｄ

Description

本発明は、集光性能に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法に関する。

イメージセンサは、光学映像を電気信号に変換する半導体素子であり、イメージセンサには、主として、受光部で発生した信号電荷を出力部へ転送するために電荷結合素子（ＣＣＤ）が用いられるＣＣＤイメージセンサと、受光部で蓄積された信号電荷を変換回路で電圧に変換するために画素毎にＣＭＯＳが用いられるＣＭＯＳイメージセンサとがある。

このようなイメージセンサに関しては、イメージセンサの光検出感度を向上させるための努力が払われており、その1つに集光技術がある。例えば、ＣＭＯＳイメージセンサは、光を検出するフォトダイオードと、検出した光を電気信号に変換しデータ化するＣＭＯＳロジック回路部とで構成されている。このイメージセンサの光検出感度を向上させるために、イメージセンサ全体の面積に占めるフォトダイオードの面積割合（通常、「Fill Factor」と呼ばれる）を大きくするための努力が払われている。しかし、ロジック回路部を省くことはできないため、限定された面積の下では、その努力に限界がある。したがって、光検出感度を高めるために、フォトダイオード以外の領域に入射する光の経路を変えることにより、入射光をフォトダイオードに集中させる集光技術が採用されている。この集光に用いられるのがマイクロレンズである。

図１は、従来の技術に係るイメージセンサにおける受光部の構成を模式的に示す断面図である。図１に示したように、フォトダイオード１１が形成された基板１０の上部に単位画素毎に、青色、赤色、緑色などのいずれかのカラーフィルタが配置され、全体でカラーフィルタアレイ（Color Filter Array、以下、「ＣＦＡ」と記す）１３がもうけられている。さらに、その上部にオーバーコート層（Over‐Coating Layer、以下、「ＯＣＬ」と記す）１４が形成されており、ＯＣＬの上面には、それぞれのフォトダイオード１１に対応する領域に、横断面形状が凸状のマイクロレンズ１５が形成されている。

簡潔に図示するために、ゲート電極及び光遮断膜などは示していないが、これらは絶縁膜１２の下部におけるフォトダイオード１１と重ならない領域に配置されている。

上述の構成を有する従来のイメージセンサは、フォトダイオード１１に対応する領域以外の領域に入射する光を屈折させてフォトダイオード１１に集光させるようになっている。なお、ＯＣＬ１４は、ＣＦＡ１３の表面を平坦化するための層であり、ＯＣＬ１４を形成することによって、マイクロレンズ１５のパターン形成を容易にすることができる。

ＣＦＡ１３を使用すると、光の透過度が低下するので、それに伴って光検出感度が低下する。この光検出感度の低下を補うために、マイクロレンズ１５が用いられる。マイクロレンズ１５は、フォトレジスト膜を形成し、矩形にパターンニングした後、加熱することにより、パターンニングされたフォトレジスト膜をフローさせ、表面張力により球面体状にする方法を利用して形成することができる。

図１に示したように、従来のイメージセンサの場合には、入射した光のうち、受光する光量を多くするために、有効光検出領域Ｃを、マイクロレンズ１５による集光領域Ｄまで拡張する方法が採られている。

このように従来は、マイクロレンズ１５を凸状に形成し、特にフォトダイオード１１の上方で、フォトダイオード１１に重なるようにマイクロレンズ１５を形成することが重要視されていた。マイクロレンズの利用により、マイクロレンズ１５の領域上に入射する光Ｌ_Ａを有効光検出領域Ｃに集光することにより、集光効率を高めることができる。しかし、マイクロレンズ１５を相互に密接して配置することができないため、マイクロレンズ１５相互間に間隙Ｅを設ける必要がある。したがって、入射光Ｌ_Ｂのように、マイクロレンズ１５間の間隙Ｅ部に入射する光は、光検出に利用されないという短所がある。

図２は、従来の技術に係るマイクロレンズの形成に用いられるマスクを示す平面図である。マイクロレンズを形成するためにフォトレジストをパターンニングする際、現在は、Ｉ-ラインのみで、マイクロレンズ用レジストを使用することができる。このことは、図２に示したように、フォトレジストパターンＰＲ間の間隙が０.４μｍより大きくなければならないことを意味する。

図３Ａ及び図３Ｂは、マイクロレンズを形成するフォトレジストパターンＰＲのフロー処理の際に生じる、フォトレジストの溶融・流動によるパターン相互の一体化現象を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

加熱によりフォトレジストパターンＰＲに流動性を付与すると、それぞれの方向に約０.１μｍずつ広がる。したがって、フォトレジストパターンＰＲ間の間隙は０.２μｍ以上でなければならない。実験の結果、間隙が約０.２μｍ以下の場合には、図３Ａ及び図３Ｂに示したように、隣接するフォトレジストパターンＰＲが相互に一体化し偏平になるので、凸状のマイクロレンズ１５を形成することができない。

一方、フォトレジストパターンＰＲ相互の間隙が約０.２μｍより大きい場合には、図１及び図２に示したように、マイクロレンズ１５間に間隙Ｅが残るので、この間隙Ｅの領域を通過した光を光検出に利用することができない。例えば、デザインルール０.１８μｍが適用されると、ＣＭＯＳイメージセンサの場合、マイクロレンズ部のマスクされる部分の大きさを、縦横それぞれ約３.２μｍとし、幅約０.２μｍの利用されない領域があるとすると、（０．２／２×４×３．２）／（３．２×３．２）、すなわち、約１２.５％の光が有効に利用されないことになる。したがって、光検出感度に優れたイメージセンサを得ることが難しい。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができるマイクロレンズ形成方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るイメージセンサのマイクロレンズ形成方法は、それぞれ１つのマイクロレンズを備えた複数の単位画素で構成され、第１マイクロレンズと第２マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、所定の処理が施された基板上に、第１フォトレジスト膜を塗布するステップと、該第１フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域に、第１フォトレジストパターンを形成するステップと、前記第１フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第１マイクロレンズを形成するステップと、前記第１マイクロレンズを含む全面に、第２フォトレジスト膜を塗布するステップと、該第２フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、前記第１マイクロレンズが形成された単位画素領域以外の単位画素領域に、第２フォトレジストパターンを形成するステップと、前記第２フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第２マイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴としている。

また、前記目的を達成するため、本発明に係るメージセンサのマイクロレンズ形成方法は、複数の単位画素で構成されたイメージセンサのマイクロレンズを形成する方法において、隣接する単位画素領域を隔てて、次に隣接する単位画素領域のみに、選択的に第１マイクロレンズを形成した後、前記第１マイクロレンズが形成されていない単位画素領域に、選択的に第２マイクロレンズを形成し、前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとの間隙が、実質的に０になるようにすることを特徴としている。

従来の技術の場合には、Ｉ-ライン用フォトレジストを用いるので、解像度が０.４μｍ程度であり、また、フロー処理により凸状のマイクロレンズを形状するための加熱時に、フローの程度が不均一であるため、マイクロレンズ間に一定の間隙を設けなければならないという問題点があった。本発明に係るマイクロレンズの形成方法の場合には、これらの問題点を解消することが可能であり、フォトレジストを十分にフローさせても、隣接するマイクロレンズ（フォトレジスト）同士が融着し一体化することがないという特長がある。

すなわち、単位画素領域に１つおきに第１マイクロレンズを形成し、次に、マスクを利用してパターンニングすることにより、第１マイクロレンズが形成されていない単位画素領域にフォトレジスト膜を形成し、フロー処理などによりマイクロレンズを形成するようになっているので、上記の問題が生じない。

このように、本発明に係るマイクロレンズの形成方法を用いることにより、マイクロレンズ間の間隙をほぼゼロにすることが可能であるので、入射光の集光効率に優れたイメージセンサを得ることができる。

以下、本発明に係るもっとも好ましい実施の形態を、添付する図面を参照して説明する。

図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。なお、図４Ａ〜図４Ｅ示されている符号５１はフォトダイオードであり、それぞれの単位画素には、１つのフォトダイオード５１が形成されている。

はじめに、図４Ａに示したように、所定の下部構造が形成された基板５０上に、絶縁膜５２、ＣＦＡ５３及びＯＣＬ５４を順に形成した後、マイクロレンズ形成用フォトレジスト膜（第１フォトレジスト膜）５５Ａを塗布する。

ＣＦＡ５３は複数の色相のカラーフィルタで構成され、単位画素毎にそれぞれ色相が異なっている。例えば、各単位画素のカラーフィルタは、ＲＢＧ（赤、青、緑）のうち、いずれかの色相となっている。一方、カラー映像が必要ではない場合には、カラーフィルタ及びカラーフィルタアレイ５３を省略することができる。

ＯＣＬ５４は、後に続くマイクロレンズの形成を容易にするために、下地を平坦化する層であり、通常酸化物系の物質が用いられる。

次いで、図４Ｂに示したように、フォトレジスト膜５５Ａを選択的にパターンニングすることにより、１つの単位画素である領域Ｂを隔てて、それぞれ領域Ｂに隣接する領域Ａ（第１単位画素領域）のみに、フォトレジストパターン（第１フォトレジストパターン）５５Ｂを形成する。ここで、符号ＡとＢは、各々紙面に垂直方向に並ぶ複数の単位画素を示し、複数の単位画素Ａ、Ｂは、平面的には交互に並ぶように配列されている。

図４Ｂに示したフォトレジストパターン５５Ｂを形成する際には、図５Ａに示したパターンに相当するマスクを利用して、フォトレジスト膜５５Ａの選択的なエッチングを行う。

次いで、図４Ｃに示したように、ブリーチング(Bleaching)及び加熱によるフロー処理を行うことにより、フォトレジストパターン５５Ｂをフローさせ、表面張力により凸状のマイクロレンズ（第１マイクロレンズ）５５Ｃを形成する。この際、隣接する単位画素（領域Ｂ）との境界まで、マイクロレンズ５５Ｃの端部が広がって形成されるように、マスクパターンのサイズ及びフロー処理の際の条件を制御する。

次いで、マイクロレンズ５５Ｃが形成されていない単位画素領域（領域Ｂ：第２単位画素領域）に、マイクロレンズを形成するために、フォトレジスト膜（第２フォトレジスト膜）を全面に塗布する。その後、図４Ｄに示したように、塗布したフォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、１つの単位画素である領域Ａを隔てて隣接する領域Ｂのみに、フォトレジストパターン（第２フォトレジストパターン）５６Ａを形成する。

図４Ｄに示したフォトレジストパターン５６Ａを形成する際には、図５Ｂに示したパターンに相当するマスクを利用して、フォトレジスト膜５６Ａの選択的なエッチングを行う。

次いで、図４Ｅに示したように、ブリーチング及び加熱によるフロー処理を行うことにより、フォトレジストパターン５６Ａをフローさせ、表面張力により凸状のマイクロレンズ（第２マイクロレンズ）５６Ｂを形成する。この際、隣接する単位画素（領域Ａ）との境界まで、マイクロレンズ５６Ｂの端部が広がるように、マスクパターンのサイズ及びフロー処理条件を制御する。

この場合、領域Ａに形成されているマイクロレンズ５５Ｃは、既に硬化しているため、領域Ｂにマイクロレンズ５６Ｂを形成する際に、たとえ相互に接触したとしても、両者が一体化されることがない。

上記のようなマイクロレンズの形成方法により、領域Ａにおけるマイクロレンズ５５Ｃと領域Ｂにおけるマイクロレンズ５６Ｂとの間に間隙を設けることなく、マイクロレンズ５５Ｃ及び５６Ｂを形成することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、マイクロレンズ形成用のマスクパターンを示す平面図である。図５Ａにおいて、領域Ａはマスクされていない部分である。したがって、ポジティブフォトリソグラフィ法の場合には、図４Ｂに示したように、領域Ａでは、フォトレジストパターン５５Ｂが残っており、領域Ｂでは、フォトレジスト膜５５Ａが除去されている。

また、図５Ｂにおいて、領域Ｂはマスクされていない部分である。したがって、ポジティブフォトリソグラフィ法の場合には、図４Ｄに示したように、領域Ｂでは、フォトレジストパターン５６Ａが残っており、領域Ａでは、フォトレジスト膜が除去されている。

図６Ａ及び図６Ｂは、実施の形態に係るマイクロレンズ形成方法によって得られたマイクロレンズを示す平面ＳＥＭ写真である。これらの写真のうち、図６Ａは、図４Ｃに示した段階に対応する写真であり、領域Ａ（上下及び左右の領域）のみにマイクロレンズが形成されている。図６Ａから、マイクロレンズの端部が、隣接する単位画素領域（領域Ｂ）との境界まで広がっていることが分かる。

図６Ｂは、領域Ｂ（中央部及び四隅の領域）のみに、マイクロレンズが形成された状態を示す写真である（この写真は、図６Ａの写真の位置をずらしたものです。本来、領域Ａと領域Ｂとにマイクロレンズが形成された状態を示すべきですが、なぜこのような写真を選んだのか分かりません）。図６Ｂから、領域Ｂのマイクロレンズが、隣接する単位画素領域（領域Ａ）との境界まで広がっていることが分かる。

したがって、第１のマスクパターン（図５Ａ参照）を利用してマイクロレンズを形成した後に、第２のマスクパターン（図５Ｂ参照）を利用して形成されるマイクロレンズは、空いた領域にほぼ正確に形成される。この処理の際に制御する主な調整事項は、一般的なフォトリソグラフィ法の場合と同様であり、０.０５μｍ以内の精度で管理可能である。

また、上記の実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法による場合、変動要因を考慮することにより、マイクロレンズ同士の重なりを最低限に抑えることが可能であるので、マイクロレンズ間の間隙をほぼゼロにすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、従来の問題点であるマイクロレンズ間の間隙を小さくした場合に発生する、隣接するマイクロレンズ同士の融着による一体化現象を防止することができる。そのために、従来のマイクロレンズの形成方法の場合に避けることができない、マイクロレンズ間の間隙に起因する光検出効率の低下を防止することができる。その結果、光検出効率を約１２.５％向上させることが可能である。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来の技術に係るイメージセンサにおける受光部の構成を模式的に示す断面図である。 従来の技術に係るマイクロレンズの形成に用いられるマスクを示す平面図である。 マイクロレンズを形成するフォトレジストパターンのフロー処理の際に生じる、フォトレジストの溶融・流動によるパターン相互の一体化現象を示すＳＥＭ写真である。 マイクロレンズを形成するフォトレジストパターンのフロー処理の際に生じる、フォトレジストの溶融・流動によるパターン相互の一体化現象を示すＳＥＭ写真である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。 マイクロレンズ形成用のマスクパターンを示す平面図である。 マイクロレンズ形成用のマスクパターンを示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロレンズ形成方法によって得られたマイクロレンズを示す平面ＳＥＭ写真である。 本発明の実施の形態に係るマイクロレンズ形成方法によって得られたマイクロレンズを示す平面ＳＥＭ写真である。

符号の説明

５０ 基板
５１ フォトダイオード
５２ 絶縁膜
５３ カラーフィルタアレイ(ＣＦＡ)
５４ オーバーコート層(ＯＣＬ)
５５Ａ フォトレジスト膜
５５Ｂ、５６Ａ フォトレジストパターン
５５Ｃ、５６Ｂ マイクロレンズ

Claims (9)

1. それぞれ１つのマイクロレンズを備えた複数の単位画素で構成され、第１マイクロレンズと第２マイクロレンズとを順に形成することにより、イメージセンサのマイクロレンズを形成する方法であって、
   所定の処理が施された基板上に、第１フォトレジスト膜を塗布するステップと、
   該第１フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、一部の単位画素領域に、第１フォトレジストパターンを形成するステップと、
   前記第１フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第１マイクロレンズを形成するステップと、
   前記第１マイクロレンズを含む全面に、第２フォトレジスト膜を塗布するステップと、
   該第２フォトレジスト膜を選択的にパターンニングすることにより、前記第１マイクロレンズが形成された単位画素領域以外の単位画素領域に、第２フォトレジストパターンを形成するステップと、
   前記第２フォトレジストパターンをフローさせることにより、前記第２マイクロレンズを形成するステップと
   を含むことを特徴とするイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
2. 複数の前記第１マイクロレンズを、それぞれ第１単位画素領域及び第３単位画素領域に各々形成し、
   複数の前記第２マイクロレンズを、それぞれ前記第１単位画素領域及び前記第３単位画素領域によって挟まれた第２単位画素領域に形成することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ形成方法。
3. 前記第１フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
   前記第１フォトレジスト膜のうち、前記第２単位画素領域に位置する前記第１フォトレジスト膜を露出させ、前記第１単位画素領域及び前記第３単位画素領域に位置する前記第１フォトレジスト膜を覆うマスクパターンを用いることにより、パターンニングすることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
4. 前記第２フォトレジストパターンを形成するステップにおいて、
   前記第２フォトレジスト膜のうち、前記第１単位画素領域及び前記第３単位画素領域に位置する前記第２フォトレジスト膜を露出させ、前記第２単位画素領域に位置する前記第２フォトレジスト膜を覆うマスクパターンを用いることにより、パターンニングすることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
5. 前記第１マイクロレンズの間に位置する前記第２単位画素領域に、前記第１マイクロレンズに接して、前記第２マイクロレンズを形成することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
6. 前記第１マイクロレンズを形成するステップ及び前記第２マイクロレンズを形成するステップにおいて、
   加熱処理を行うことにより、前記第１フォトレジストパターン又は前記第２フォトレジストパターンをフローさせることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
7. 前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズの形状が、凸形であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかの項に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
8. 複数の単位画素で構成されたイメージセンサのマイクロレンズを形成する方法において、
   隣接する単位画素領域を隔てて、次に隣接する単位画素領域のみに、選択的に第１マイクロレンズを形成した後、
   前記第１マイクロレンズが形成されていない単位画素領域に、選択的に第２マイクロレンズを形成し、
   前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとの間隙が、実質的に０になるようにすることを特徴とするイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。
9. 前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズを形成する際に、加熱しフローさせる処理を施すことを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサのマイクロレンズ形成方法。

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