JP2008159748A

JP2008159748A - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子

Info

Publication number: JP2008159748A
Application number: JP2006345580A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Nakao; 充宏中尾; Tadashi Ishimatsu; 忠石松
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】無機マイクロレンズのレンズ間スペースを０．１μｍ以下とし、開口率を向上させる固体撮像素子の製造方法、及び高感度の固体撮像素子を提供すること。
【解決手段】光電変換部上方にＣＶＤでシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層を形成する工程、該層上に透明樹脂層を積層する工程、透明樹脂層上に熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂を用いレンズ母型を形成する工程、レンズ母型にドライエッチングを行い、レンズ母型のパターンを透明樹脂層を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層に転写し、マイクロレンズとする工程を具備すること。透明樹脂が、アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂であること。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの固体撮像素子に関するものであり、特に、レンズ間スペースが０．１μｍ以下と狭く、マイクロレンズの開口率の高い固体撮像素子の製造方法、及び固体撮像素子に関する。

ＣＭＯＳやＣＣＤなどの固体撮像素子には、入射した光を光電変換部へ集光させるために、複数の光電変換部の各々に対応したマイクロレンズが設けられている。図１（ａ）〜（ｃ）は、マイクロレンズを形成する方法の一例を断面で示す説明図である。

図１（ａ）に示すように、光電変換部（１０）が形成された半導体基板（１１）上にシリコン窒化膜層（１２）を形成後、図１（ｂ）に示すように、熱リフロー性をもつ感光性樹脂をレンズ母型形成用のレンズ材料として塗布し、露光、現像、熱リフローさせて凸レンズ形状を有するレンズ母型（１５）とする。
次に、図１（ｃ）に示すように、ドライエッチング装置にて、レンズ母型（１５）を形成した半導体基板（１１）にドライエッチング処理（白矢印）を行って、下方のシリコン窒化膜層（１２）にレンズ母型（１５）のパターン形状を転写し、マイクロレンズ（１６）とする。

このシリコン窒化膜を用いたマイクロレンズ（１６）は、レンズ間スペース（Ｗ１）が０．３μｍ程度を有し、マイクロレンズの開口率は小さい。つまり、このようなマイクロレンズを有する固体撮像素子の感度は低いものとなる。
特開２００６−１１４５９４号公報特開平１０−１４８７０４号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコン窒化膜のような無機マイクロレンズにて、レンズ間スペースを０．１μｍ以下の狭いものとし、マイクロレンズの開口率を向上させることのできる固体撮像素子の製造方法を提供することを課題とするものである。また、上記固体撮像素子の製造方法を用いて製造した高感度の固体撮像素子を提供することを課題とする。

本発明は、複数の光電変換部上方に、その各々に対応したマイクロレンズが設けられた固体撮像素子の製造方法において、
１）半導体基板の前記光電変換部上方に、ＣＶＤ（化学気相成長法）によりシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層を形成する工程、
２）該シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層上に透明樹脂層を積層する工程、
３）該透明樹脂層上に、熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂をレンズ母型形成用のレンズ材料として用い、フォトリソグラフィ及び熱リフロー処理によってレンズ母型を形成する工程、
４）該レンズ母型にドライエッチングを行い、レンズ母型のパターンを透明樹脂層を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層に転写し、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層をマイクロレンズとする工程、
を少なくとも具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記発明による固体撮像素子の製造方法において、前記透明樹脂層の形成に用いる透明樹脂が、アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂であることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子の製造方法を用いて製造した固体撮像素子であって、マイクロレンズのレンズ間スペースが０．１μｍ以下であることを特徴とする固体撮像素子である。

本発明は、半導体基板の光電変換部上方に、ＣＶＤによりシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層を形成する工程、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層上に透明樹脂層を積層する工程、透明樹脂層上に熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂をレンズ母型形成用のレンズ材料として用い、フォトリソグラフィ及び熱リフロー処理によってレンズ母型を形成する工程、レンズ母型にドライエッチングを行い、レンズ母型のパターンを透明樹脂層を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層に転写し、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層をマイクロレンズとする工程を少なくとも具備する固体撮像素子の製造方法であるので、無機のマイクロレンズにて、レンズ間スペースを０．１μｍ以下の狭いものとし、マイクロレンズの開口率を向上させることのできる固体撮像素子の製造方法となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法を用いて製造した固体撮像素子であるので、マイクロレンズのレンズ間スペースが０．１μｍ以下となり高感度の固体撮像素子を提供することができる。

以下に本発明による固体撮像素子の製造方法、及び固体撮像素子を実施形態に基づいて説明する。
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明による固体撮像素子の製造方法の一実施例を断面で示す説明図である。図２（ａ）に示すように、先ず、半導体基板（１１）の光電変換部（１０）上方に、ＣＶＤ（化学気相成長法）によりシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層（２２）を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層（２２）上に透明樹脂層（１３）を積層する。

次に、図２（ｃ）に示すように、透明樹脂層（１３）上に、熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂をレンズ母型形成用のレンズ材料として用い、フォトリソグラフィ及び熱リフロー処理によってレンズ母型（１５）を形成する。次に、図２（ｄ）〜（ｅ）に示すように、レンズ母型（１５）にドライエッチング（白矢印）を行い、レンズ母型（１５）のパターンを透明樹脂層（１３）を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層（２２）に転写し、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層をマイクロレンズ（２６）とする。

上記、レンズ母型（１５）にドライエッチング（白矢印）を行い、レンズ母型（１５）のパターンを透明樹脂層（１３）を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層（２２）に転写し、マイクロレンズ（２６）を形成する工程は、図２（ｃ）に示す状態から、図２（ｅ）に示す状態へと連続して行われるのであるが、その途上における透明樹脂層（１３）のマイクロレンズ（２３）が形成される状態を、図２（ｄ）に模式的に表している。

その途上において、ドライエッチングによりレンズ母型（１５）のパターンを透明樹脂層（１３）に転写することで、レンズ間スペース（Ｗ３）を実質的に約０μｍとした透明樹脂層（１３）からなるマイクロレンズ（２３）を形成する。その後に続くドライエッチングにより、このマイクロレンズ（２３）のパターンをシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層（２２）に転写することによって、レンズ間スペース（Ｗ４）が０．１μｍ以下のシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層からなるマイクロレンズ（２６）を形成することができる。

本発明における透明樹脂層（１３）の形成に用いる透明樹脂としては、アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂であることが好ましい。アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂を用いることにより、上記レンズ間スペース（Ｗ３）が約０μｍのマイクロレンズ（２３）の形成が容易になり、レンズ間スペース（Ｗ４）が０．１μｍ以下の無機のマイクロレンズ（２６）を形成することが可能となる。
また、アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂を用いることにより、マイクロレンズ表面荒れを微小なものとすることができる。

以下に、実施例により本発明による固体撮像素子の製造方法を具体的に説明する。
図２（ａ）に示すように、先ず、光電変換部（１０）を形成した半導体基板（１１）上に、ＣＶＤによりシリコン窒化膜層（１２）を膜厚（Ｔ１）１．０μｍに形成した。次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜層（１２）上に透明フェノール樹脂塗布液を用いて、スピンコートにて透明樹脂層（１３）を１．４μｍの膜厚（Ｔ２）で塗布し、２００℃で６分間の加熱により硬膜化処理を行った。

次に、図２（ｃ）に示すように、レンズ母型形成用のレンズ材料として、熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂を公知のフォトリソグラフィ法にて断面形状が矩形のパターンとし、２００℃の熱リフローにより半球状のレンズ母型（１５）を形成した。図３（ａ）、（ｂ）にＳＥＭ写真で示すように、片側０．１５μｍの熱リフロー量（図示せず）で、高さ（Ｈ１）０．５４μｍ、レンズ間スペース（Ｗ２）が０．２５μｍのレンズ母型（１５）が得られた。

次に、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスＣＦ₄とＣ₄Ｆ₈の混合ガスを用い、レンズ母型（１５）をマスクとし、ドライエッチング処理し、転写による無機のマイクロレンズ（２６）を形成した。図４（ａ）、（ｂ）にＳＥＭ写真で示すように、マイクロレンズ（２６）のレンズ間スペース（Ｗ４）は０．０９μｍと狭く加工することができた。また、マイクロレンズ（２６）の高さ（Ｈ２）は０．８６μｍであり、シリコン窒化膜層（１２）はマイクロレンズ下に厚さ（Ｄ）０．０５μｍを残した。
尚、実施例におけるシリコン窒化膜のエッチングレートは、透明樹脂のエッチングレートと比較して１．６倍速いものであった。

（ａ）〜（ｃ）は、マイクロレンズを形成する方法の一例を断面で示す説明図である。（ａ）〜（ｅ）は、本発明による固体撮像素子の製造方法の一実施例を断面で示す説明図である。（ａ）は、実施例におけるレンズ母型表面の状態を示すＳＥＭ写真である。（ｂ）は、実施例におけるレンズ母型の断面を示すＳＥＭ写真である。（ａ）は、実施例におけるマイクロレンズ表面の状態を示すＳＥＭ写真である。（ｂ）は、実施例におけるマイクロレンズの断面を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１０・・・光電変換部
１１・・・半導体基板
１２・・・シリコン窒化膜層
１３・・・透明樹脂層
１５・・・レンズ母型
１６・・・シリコン窒化膜のマイクロレンズ
２２・・・シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層
２３・・・ドライエッチング途上における透明樹脂層のマイクロレンズ
２６・・・本発明におけるマイクロレンズ
Ｄ・・・マイクロレンズ下に残るシリコン窒化膜層の厚さ
Ｈ１・・・レンズ母型の高さ
Ｈ２・・・マイクロレンズの高さ
Ｔ１・・・シリコン窒化膜層の膜厚
Ｔ２・・・透明樹脂層の膜厚
Ｗ１・・・従来の技術によるマイクロレンズのレンズ間スペース
Ｗ２・・・レンズ母型のレンズ間スペース
Ｗ３・・・透明樹脂層のマイクロレンズのレンズ間スペース
Ｗ４・・・本発明におけるマイクロレンズのレンズ間スペース

Claims

複数の光電変換部上方に、その各々に対応したマイクロレンズが設けられた固体撮像素子の製造方法において、
１）半導体基板の前記光電変換部上方に、ＣＶＤ（化学気相成長法）によりシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層を形成する工程、
２）該シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層上に透明樹脂層を積層する工程、
３）該透明樹脂層上に、熱リフロー性を有するアルカリ可溶性の感光性樹脂をレンズ母型形成用のレンズ材料として用い、フォトリソグラフィ及び熱リフロー処理によってレンズ母型を形成する工程、
４）該レンズ母型にドライエッチングを行い、レンズ母型のパターンを透明樹脂層を介しシリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層に転写し、シリコン酸化膜層もしくはシリコン窒化膜層をマイクロレンズとする工程、
を少なくとも具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記透明樹脂層の形成に用いる透明樹脂が、アクリル樹脂もしくはフェノール樹脂であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子の製造方法を用いて製造した固体撮像素子であって、マイクロレンズのレンズ間スペースが０．１μｍ以下であることを特徴とする固体撮像素子。