JP7782449B2 - 固体撮像素子および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズを備えた固体撮像素子に関する。更に詳しくは、国内外において開発が進められている距離画像センサに使用される固体撮像素子とその製造方法に関する。
本願は、２０２０年９月２日に出願された、日本国特願２０２０－１４７５９９に基づく優先権を主張し、その内容を援用する。

従来、二次元的な撮像素子を用いて三次元的な距離測定を行う方法として、例えばスマートフォンなどでは、デュアルカメラやトリプルカメラを使用して、三角測量や焦点のボケなどの技法を使用した距離測定が行われていた。一方、三次元的な距離測定を行う事ができる距離画像センサは、撮像対象物までの距離情報が含まれる画像を撮像する事ができる画像センサであり、対象物に赤外線を照射し、対象物からの反射光を受光するまでの時間（飛行時間、ＴＯＦ；Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を検出する事により、距離情報を取得していた。この様な距離画像センサでは、距離測定には赤外線を使用し、カラー画像は別の撮像素子を使用するものであった。

近年、距離画像センサにおいて、二次元画素アレイ上で距離計測が可能な三次元撮像素子が開発され、次世代の撮像素子として注目されている。この様に、距離計測が可能な三次元撮像素子においては、ＴＯＦの時間計測用のスペースが必要となり、画像情報を取得する受光素子の開口率が低下する問題がある。その為、感度向上のためにマイクロレンズが必要となる。

この用途に用いられるマイクロレンズとしては、例えば、ピクセルサイズとマイクロレンズのレンズ径がほぼ同じ２０μｍの半球レンズの場合、レンズの高さは１０μｍ～１５μｍが必要となる。この様に、従来の固体撮像素子に用いられるマイクロレンズと比べ桁違いに大きなレンズ径が必要となるが、ピクセルサイズの大型化に伴い、マイクロレンズの高さも高くなる傾向にある。

また、マイクロレンズの製造方法については、１０μｍ以上の厚さを持つマイクロレンズを熱フローによって形成可能な永久レジストが入手できない為、エッチバック法を用いてマイクロレンズが形成されている。エッチバック法では、まず、マイクロレンズとなる層を形成後、その上にレジストパターンを形成し、そのレジストパターンを熱フローによってレンズ形状を形成する。次に、そのレンズ形状のレジストパターンをドライエッチングする事によって、そのレンズ形状をマイクロレンズとなる層に転写する方法（例えば、特許文献１参照）が用いられる。

日本国特開２００４－２００３６０号公報

しかしながら、例えば、直径が２０μｍ、高さが１０μｍのマイクロレンズをエッチバック法で形成すると、隣接するマイクロレンズの間の谷部にクラックが発生する事がある。この原因は、従来のマイクロレンズと比較してマイクロレンズが大幅に厚くなり、直径も大きくなる事により、マイクロレンズの熱収縮による応力が谷部に集中する為であると考えられる。また、大きな曲率を持つレンズになっている事もその原因であると推定される。

この様に、マイクロレンズの間にクラック（亀裂）が発生すると、レンズの集光特性が低下し、撮像素子の感度が低下する。

上記の問題点を解決する為、本発明は、マイクロレンズの重なり部である谷部にクラックが発生しないマイクロレンズを有する固体撮像素子を提供する事を課題とする。

本発明の第一の態様は、複数の受光素子がマトリクス状に備えられた半導体基板と、複数の受光素子のそれぞれに対応して形成された複数のマイクロレンズとを有する固体撮像素子である。
この固体撮像素子では、隣接するマイクロレンズが連接してなる連接領域を有し、連接領域に、感光性樹脂からなる突状部が形成されている。
突状部はマイクロレンズの厚み以内の厚さであり、かつマイクロレンズと同じ樹脂で覆われている。

本発明の第二の態様は、第一の態様に係る固体撮像素子の製造方法である。
この製造方法は、半導体基板上に感光性樹脂からなる突状部を形成する工程と、半導体基板上に突状部を覆う透明樹脂層を形成する工程と、透明樹脂層を用いて複数のマイクロレンズを形成する工程とを備える。

本発明の固体撮像素子によれば、隣接するマイクロレンズが連接してなる部位（マイクロレンズアレイの谷部）には、マイクロレンズの谷部を構成する樹脂を嵩増しするための突状部が形成されている。その為、エッチバック法で形成する際の熱等により発生する力が谷部に集中しても、谷部の断面視における樹脂層が増大している為、単位断面積当たりの力である応力が減少し、谷部のクラックの発生を抑制する事ができる。

本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様における固体撮像素子の提供を可能とする事ができる。

本発明の固体撮像素子の構成を説明する図であって、（ａ）は固体撮像素子の一部を例示した上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ′切断線における断面図、である。 本発明の固体撮像素子の製造方法を示す図である。 マイクロレンズの重なり領域を示す図である。 突状部の他の例を示す図である。 本発明に係る固体撮像素子の他の例を示す模式断面図である。

＜固体撮像素子＞
本発明の固体撮像素子について、図１と図２を用いて説明する。
本発明の固体撮像素子１０は、複数の受光素子４をマトリクス状に備えたシリコンウェハ５を含むタイムオブフライト方式の距離画像センサ用半導体基板１と、半導体基板１の各受光素子４の位置に対応して形成されたマイクロレンズ２を備える。マイクロレンズ２は隣接するマイクロレンズ２間の周縁部が連接されてマイクロレンズアレイ状に形成されている。

また、本発明の固体撮像素子１０においては、マイクロレンズ２の厚さは、マイクロレンズアレイのレンズピッチの１／２以上である。
タイムオブフライト方式の距離画像センサでは、受光素子の他に、ＴＯＦ測定の為のスペースが必要となる。その為、開口率が低下する。開口率の低下をカバーする為、マイクロレンズの形成が必要となる。レンズピッチが、例えばマイクロレンズの直径とほぼ同じ２０μｍの半球形レンズである場合、レンズの高さ（厚さ）は１０μｍ～１５μｍが必要となる。

隣接するマイクロレンズ２が連接してなる連接領域（マイクロレンズ２とマイクロレンズ２の間の低くなっている領域、あるいはマイクロレンズアレイの谷部が形成される領域のことを指す）には、マイクロレンズ２の谷部を構成する樹脂を嵩増しするための突状部３が形成されている。

ここで、マイクロレンズ２の連接領域について説明する。隣接する２つの略半球形状のマイクロレンズの周縁部が重なって連接する場合、重なる状態によって、連接領域におけるマイクロレンズ２の谷部を形成する樹脂の厚さが変化する。
例えば、隣接する２つのマイクロレンズがその周縁部で接している（重なっていない）状態においては、連接領域にマイクロレンズ２を形成する樹脂の重なりは生じない。隣接する２つのマイクロレンズ２の周縁部が連接領域において浅く重なっている状態は、深く重なっている状態に比べ、マイクロレンズ２の周縁部を構成する樹脂層（以下、単に樹脂層とも呼ぶ）は薄くなる。一方、隣接するマイクロレンズ２同士が深く重なっている状態では、連接領域における樹脂層は厚くなる。
上述した３つの状態のいずれの場合も、連接領域の樹脂層はマイクロレンズ２のピーク位置（マイクロレンズ２の頂点位置）より薄い為、マイクロレンズ２における最も低い領域となる。なお、連接領域における樹脂層の厚さはマイクロレンズ２の位置精度のばらつきなどにより異なる。

その為、隣接する２つのマイクロレンズの重なる状態によっては、連接領域においてマイクロレンズ２の樹脂の重なりによって形成される樹脂層の厚さは変化する。本発明の第一の態様はそのいずれの状態であっても適用可能である。

また、連接領域において、マイクロレンズ２と半導体基板１の間に何も無い状態と、図１に示す様に、マイクロレンズ２と半導体基板１の間（以下、下地とも呼ぶ）に突状部３が形成されている状態では、連接領域における樹脂層の厚さが変化する。
前者では、隣接する２つのマイクロレンズの重なり状態によって決まる厚さの樹脂層が形成される。
後者では、前者の厚さの樹脂層に加えて、半導体基板１上に形成された突状部３の厚さが加わる為、後者の方が厚い樹脂層が形成される。

以上の事から、本発明の第一の態様のように連接領域の下地に突状部３が形成されている場合、谷部の樹脂層の厚さを厚くする事ができる。その為、樹脂層の断面積が増加し、応力が低下する為、タイムオブフライト用のマイクロレンズのような大型のマイクロレンズを形成する場合であっても熱歪み等によるクラック発生が抑制される。

また、突状部３として、マイクロレンズ２を構成する樹脂材料より高い屈折率を持つ樹脂を使用する事により、迷光となって受光素子４に入射されずに利用できなかった光が突状部３で反射する事で再度利用可能となる為、固体撮像素子の感度を高める事ができる。この場合、マイクロレンズ２を構成する樹脂材料と突状部３を構成する樹脂材料との屈折率差が０．１を超えていることが好ましい。

＜固体撮像素子の製造方法＞
次に、本発明の第二の態様に係る固体撮像素子の製造方法について、図１と図２を用いて説明する。
本発明の第二の態様におけるマイクロレンズの製造方法は、複数の受光素子４がマトリクス状に備えられたタイムオブフライト方式の距離画像センサ用半導体基板１の各受光素子４の位置に対応して形成されたマイクロレンズ２が、それらの周縁部で連接されたマイクロレンズアレイを有するマイクロレンズの製造方法である。

本発明のマイクロレンズの製造方法は、半導体基板１（図２（ａ））上に、少なくとも、隣接するマイクロレンズ２が連接する領域である連接領域の少なくとも一部領域に突状部３を形成する工程１（図２（ｂ））と、突状部３の上からマイクロレンズ２となる透明樹脂層６を形成する工程２（図２（ｃ））と、透明樹脂層６の上に感光性レジスト層７を形成する工程３（図２（ｄ））と、感光性レジスト層７を所定のフォトマスクを用いて露光し現像する事により、レジストパターン８を形成する工程４（図２（ｅ））と、レジストパターン８を軟化温度以上に加熱する熱フロー処理により、レジストパターン８をレンズ形状に変化させる工程５（図２（ｆ））と、レンズ形状に変化させたレジストパターン９をエッチングマスクとしてドライエッチングを行う事により、透明樹脂層６にレンズ形状を形成する工程６（図２（ｇ））と、を備えている。特に、第二の態様では工程１、工程２を備える。

また、本発明のマイクロレンズの製造方法は、透明樹脂層６の上に感光性レジスト層７を形成する工程３（図２（ｄ））の後、感光性レジスト層７を、グレートーンフォトマスク（グレートーンマスク）を用いて露光し現像する事により、図２（ｅ）に示した現像後のレジストパターン８の熱フロー処理を行う事無く、レンズ形状を形成する工程（図２（ｆ））としてもよい。

（工程１）
工程１は、半導体基板１上に、隣接するマイクロレンズ２の谷部が形成される連接領域の少なくとも一部領域を通り、半導体基板１の各受光素子４が略中心部に配置される様に、平面視でマトリクス状の突状部３を形成する工程である（図２（ｂ））。突状部３は、少なくとも、マイクロレンズ２の連接領域に形成されていればよい。突状部３は平面視でマトリクス状ではなく、マイクロレンズ２の谷部にあたる領域に断続的に突状部３を形成してもよい。

突状部３は、例えば図１（ａ）に例示した様に、半導体基板１の各受光素子４を中心部に配置したマトリクス状の突状部３である。突状部３は、感光性樹脂を半導体基板１上に塗布、乾燥させた後、所定の露光パターンを備えたフォトマスクを用いて露光、現像する事によって形成する事ができる。

感光性樹脂の塗布方法としては、特に限定する必要は無い。半導体製造工程で使用されるスピンコート法をはじめ、ダイコート法、ロールコート法、スクリーン印刷法、など各種の塗布方法を使用する事ができる。基板のサイズや必要な膜厚均一性を考慮して適宜、選択すればよい。

半導体基板１上に塗布された感光性樹脂を乾燥する方法としては、半導体製造工程で使用されているクリーンオーブンを用いて、昇温されたクリーンエアー中で乾燥する方法が好ましいが、感光性樹脂に異物が付着する事無く、乾燥する事が可能であれば乾燥方法を限定する必要は無い。

感光性樹脂を露光、現像する方法は、半導体製造工程で使用されるプロジェクション方式の露光装置および現像装置を用いて実施することができるが、これに限定する必要は無く、必要なパターンを形成可能な露光方法および現像方法であれば使用する事ができる。

また、突状部３は、マトリクス状の突状部３の一部であってもよい。その場合は、図１（ｂ）に例示した様に、隣接するマイクロレンズ２とマイクロレンズ２の間のマイクロレンズ２が重なり合って、連接している部分に、突状部３が配置される様に形成されていればよい。その他の部分には突状部３が形成されていなくてもよい。

少なくとも、連接領域に突状部３が配置される様に形成されていれば、その部分の断面積が増加する。断面積が増加する事で、隣接するマイクロレンズ２とマイクロレンズ２の間のマイクロレンズ２が連接している部分の単位断面積当たりの力である応力を低下させる事ができる。
なお、突状部３は連接領域の中央を通るように配置されることが好ましい。連接領域の中央は隣接するマイクロレンズ２で形成される谷部の最底部が形成されるため、より応力緩和の効果を高めることができる。換言すると、隣接するマイクロレンズ２の谷部のうち最底部が形成される領域に突状部３が配置されていることが好ましい。
さらに好ましくは、突状部３は連接領域全体を満たすことが好ましい。換言すると、隣接するマイクロレンズ２の谷部全体をカバーするように突状部３が形成されていることが好ましい。応力が最もかかるのは谷部の最低部と考えられるが、最低部の周辺も突状部３でカバーすることで、より単位断面積当たりの応力を緩和することができる。

（工程２）
工程２は、突状部３の上からマイクロレンズ２となる透明樹脂層６を形成する工程である（図２（ｃ））。工程１において使用した塗布方法および乾燥方法を使用することができる。

（工程３）
工程３は、透明樹脂層６の上に感光性レジスト層７を形成する工程である（図２（ｄ））。工程１において使用した塗布方法および乾燥方法を使用することができる。

（工程４）
工程４は、感光性レジスト層７を所定のフォトマスクを用いて露光し現像する事により、レジストパターン８を形成する工程である（図２（ｅ））。工程１において使用した露光方法および現像方法を使用することができる。レジストパターン８はマイクロレンズ２が形成される領域に配置されている。

（工程５）
工程５は、レジストパターン８を軟化温度以上に加熱する熱フロー処理により、レジストパターン８をレンズ形状に変化させる工程である（図２（ｆ））。工程４で形成されたレジストパターン８を、レジストパターン８を構成する樹脂材料の軟化点以上の温度に加熱し、熱フローを起こさせる事により、図２（ｆ）に例示した様に、レンズ形状に変化させる事ができる。

レンズ形状に変化させたレジストパターン９の厚さ（高さ）をａ、透明樹脂層６の厚さをｂ、とすると、例えば、突状部３の上にも厚さｂの透明樹脂層６が形成される。

工程４において、グレートーンマスクを用いて、露光・現像する事により、図２（ｄ）から図２（ｆ）に示した様なレンズ状のレジストパターンを形成する工程であってもよい。その場合、図２（ｅ）に示したレジストパターン８を軟化温度以上に加熱する事により熱フロー処理する段階（工程５）を省略することができる。

（工程６）
工程６は、レンズ形状に変化させたレジストパターン（熱フロー後のレジストパターン）９をエッチングマスクとしてドライエッチングを行う事により、透明樹脂層６にレンズ形状を形成する工程である（図２（ｇ））。

図２（ｆ）に示した様に、レンズ形状に変化させたレジストパターン９の厚さをａ、透明樹脂層６の厚さをｂとすると、図２（ｇ）に示した様に、例えば、丁度、透明樹脂層６の厚さｂを持つマイクロレンズ２が形成されたところで、ドライエッチングを停止する事ができる。なお、ドライエッチングによって樹脂がエッチング除去される速度が、レジストパターン９と透明樹脂層６で同じである材料を使用することが好ましい。その様な場合としては、両者が同じ樹脂からなる場合を挙げる事ができるが、異なる樹脂であってもよい。

即ち、マイクロレンズ２の厚さ（高さ）はｂであり、その状態では突状部３の上に、ｂ－ａの厚さの透明樹脂が残っている。

従って、マイクロレンズ２とマイクロレンズ２の間の谷部には、突状部３と、厚さがｂ－ａの透明樹脂層と、が形成されている。

ここで、厚さがｂ－ａの透明樹脂は、谷部に突状部３が形成されていない場合に、谷部に形成される透明樹脂の厚さと同じである。その為、谷部に突状部３が形成されていない場合は、マイクロレンズ２とマイクロレンズ２の間の谷部に形成される透明樹脂の厚さｂ－ａであったが、谷部に突状部３が形成されている場合は、谷部に形成される樹脂層の厚さは、透明樹脂の厚さｂ－ａと、突状部３の厚さと、を足した厚さとなる。
従って、谷部の樹脂層の厚さが増える為、谷部における応力を低減し、クラックの発生を抑制する事ができる。

突状部の他の態様について説明する。例えば、図３に示すように、マイクロレンズ２の径が平面視正方形の画素領域の一辺よりも大きい場合、隣り合うマイクロレンズ２間に重なり領域が生じる。図４に示す複数の突状部３Ａは、この重なり領域と同様の平面視形状を有するように形成されている。したがって、画素領域の隅部（画素領域の対角方向におけるマイクロレンズ２の両側）には突状部３Ａはなく、上述した突状部３と異なり、マトリクス状に連続していない。

発明者の検討では、連接領域における樹脂の厚さが２μｍ以下になると、クラックの頻度が上がることが確認された。その一方で、応力のかかり方が異なる隅部では、厚さが２μｍ以下であってもクラックが生じないことも確認できた。したがって、上記重なり領域のみに設けた突状部３Ａであっても、連接領域における樹脂層の厚さを増加させることで、クラックの発生を好適に抑制し、隅部にもクラックが生じない構成とすることができる。

発明者の検討では、連接領域における樹脂の厚さが２μｍを超えると、クラックの頻度が著しく下がり、５．５μｍ以上となると、ほとんどゼロになった。このような観点からは、突状部３Ａの厚さは、１μｍ以上５μｍ以下が好ましいと言える。

突状部３Ａを設ける場合、隅部の樹脂厚が小さくなる。これにより、画素領域の対角方向におけるマイクロレンズ間の谷部とマイクロレンズ頂部との高低差を大きく取ることができるため、マイクロレンズの対角方向の曲率を大きくすることが容易である。その結果、対角方向における集光率を向上させやすいという利点もある。

さらに、突状部３Ａは、マイクロレンズ間に重なり領域がない態様においても利点を有する。
工程６において、突状部３Ａ上の透明樹脂層６がなくなるまでドライエッチングを行うと、図５に示すように、マイクロレンズ２間に突状部３Ａが露出する構造となる。この構成では、連接領域におけるクラックの発生を完全に防止しつつ、突状部３Ａによってシリコンウェハ５の露出を防ぎ、保護することができる。工程２で透明樹脂層を形成する際、表面張力等の関係によって、突状部３Ａ上よりも隅部の方が若干厚くなる傾向がある。したがって、隅部上に透明樹脂層６を残してシリコンウェハ５を保護しつつ、突状部３Ａ上の透明樹脂層６だけをドライエッチングで消失させることが可能である。

本実施形態において、マイクロレンズは非感光性樹脂からなり、突状部は感光性樹脂からなるため、材質は異なっている。両者の屈折率を同等にすると、光学的にはマイクロレンズと突状部とを一様の樹脂層とできるため、固体撮像素子の光学特性を安定させやすいという利点がある。マイクロレンズと突状部とを一様の樹脂層とする観点からは、両者の屈折率差が０．１以内であることが好ましい。

本発明によるクラック抑制は、マイクロレンズ２の直径（平面視正円でない場合は、径方向の最大寸法）が１５μｍ以上となる場合に特に有効である。

１ （タイムオブフライト方式の距離画像センサ用）半導体基板
２ マイクロレンズ
３、３Ａ 突状部
４ 受光素子
５ シリコンウェハ
６ 透明樹脂層
７ 感光性レジスト層
８ レジストパターン
９ レンズ形状に変化させたレジストパターン（または熱フロー処理後のレジストパターン）
１０ 固体撮像素子
ａ レンズ形状に変化させたレジストパターンの厚さ（高さ）
ｂ 透明樹脂層の厚さ

Claims (5)

1. 複数の受光素子がマトリクス状に備えられた半導体基板と、複数の前記受光素子のそれぞれに対応して形成された複数のマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、
   隣接する前記マイクロレンズが連接してなる連接領域を有し、
   前記連接領域に、感光性樹脂からなる突状部が形成されており、
   前記突状部は前記マイクロレンズの厚み以内の厚さであり、かつ前記マイクロレンズと同じ樹脂で覆われている、
   固体撮像素子。
2. 前記突状部を構成する樹脂の屈折率と前記マイクロレンズを構成する樹脂の屈折率との差が０．１以内である、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記突状部を構成する樹脂の屈折率が、前記マイクロレンズを構成する樹脂よりも高い、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記半導体基板上に感光性樹脂からなる突状部を形成する工程と、
   前記半導体基板上に前記突状部を覆う透明樹脂層を形成する工程と、
   前記透明樹脂層を用いて複数のマイクロレンズを形成する工程と、
   を備える、
   固体撮像素子の製造方法。
5. 前記複数のマイクロレンズをドライエッチングにより形成する、
   請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。