(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部又は発光部が形成された半導体基板上全面に第１膜を形成し、受光部又は発光部の上方にのみ前記第１膜を残存させて幅０．１〜１×０．１〜１μｍの突起を形成し、該突起上の前記半導体基板上全面に可視光線又は近赤外線の透過率が５０％以上である第２膜を、突起に対応した凸形状を形成しうるように積層することで、凸形状のマイクロレンズを形成することからなる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
第１膜が、半導体又は導電体からなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法により得られ、受光部又は発光部を備えた半導体装置であって、該受光部又は発光部の上方に幅０．１〜１×０．１〜１μｍの突起と、該突起に対応しかつ可視光線又は近赤外線の透過率が５０％以上である凸形状のマイクロレンズとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
突起が、半導体又は導電体からなる請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
マイクロレンズが、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸化窒化物である請求項３又は４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、受光部又は発光部を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device、半導体結合素子）イメージセンサ（以下ＣＣＤと称する）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの半導体を用いた撮像素子は、デジタル・カメラを始め、スキャナ、デジタル複写機、ファクシミリなど様々な用途に利用されている。
【０００３】
このような撮像素子の普及につれて、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化はもとより、小型化、低価格化などの要請がますます強まってきている。
【０００４】
半導体を用いた撮像素子の小型化、多画素数化が進むと、撮像素子に組み込まれる画素の大きさはますます縮小される。画素の縮小にともない、撮像素子の基本性能の一つである受光感度は低下し、所定の照度のもとで鮮明な像を撮像できなくなる恐れがある。
【０００５】
このような問題に対し、ＣＣＤでは、その表面にマイクロレンズを形成して受光感度を向上させる方法が、例えば、特開２０００−１８３３２号公報に提案されている。この方法によれば、まず、半導体基板１表面にＣＣＤの転送部、画素分離領域、転送電極等（何れも図示せず）を形成し、図５（ａ）に示したように、受光部となる領域に、不純物拡散技術を用いて受光部２を形成する。その後、基板１の表面全面に、例えばＢＰＳＧ（Boro-Phospho-Silicate Grass）などの絶縁膜３を、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長）法により所定の膜厚で堆積させる。続いて、例えばＡｌ等の金属薄膜を堆積し、フォトリソグラフ及びエッチング技術を用いて金属配線４を形成し、金属配線４を覆うように基板１の表面全面に表面保護膜６として、例えばシリコン酸化膜などの絶縁膜を所定の膜厚で堆積させる。
【０００６】
次に、図５（ｂ）に示したように、金属配線４を形成することによって生じた半導体基板１の表面の凹凸を平坦にするために、基板１の表面全面に、アクリル系樹脂からなる平坦化膜７を所定の膜厚で堆積させる。平坦化膜７として堆積させたアクリル系の膜を、所定の条件で熱処理を加えて硬化させた後に、基板１の表面全面にマイクロレンズを形成する材料膜８を形成する。マイクロレンズを形成する材料膜８としては、可視光及び赤外線の透過性ならびに加工性に優れた物質、例えばアクリル系樹脂が用いられる。
【０００７】
続いて、図５（ｃ）に示したように、フォトリソグラフ及びエッチング技術を用いて、受光部２上方の所定の領域にマイクロレンズを形成する材料膜８を残し、他の領域の材料膜８を除去する。ここで、基板１の表面に残したマイクロレンズ材料膜８は個々の受光部２毎に分離される。
【０００８】
さらに、所定の条件にて加熱して、図５（ｄ）に示したように、マイクロレンズ材料膜８を溶融させ、その表面張力によりレンズ状の形状とすることにより、マイクロレンズ９を形成する。１個のマイクロレンズ９の大きさは、直径は２〜１０μｍ程度のほぼ半球状である。
【０００９】
その後、所定の工程を経ることにより、チップ状に分割され、適当な筐体に実装された半導体装置が完成する。
【００１０】
このように、受光部上方に形成されたマイクロレンズ９は、集光効率を増大するため、ＣＣＤなどの固体撮像装置の受光感度を大幅に向上させることができ、その結果、マイクロレンズのない固体撮像装置では撮像が困難な照度のもとでも、マイクロレンズつき固体撮像装置では、鮮明な像を撮影することができるようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、マイクロレンズは、各受光部毎に分割配置したアクリル系樹脂を加熱溶融することにより、その表面張力と平坦化膜との界面エネルギーが平衡状態になるまで変形させて形成される。
【００１２】
しかし、半導体装置の小型化、多画素数化の要請に伴い、各画素の大きさが縮小されるため、マイクロレンズ自体及び隣接するマイクロレンズとの間隔も微細化しなければならない。したがって、アクリル系樹脂の加熱溶融中に、隣接するマイクロレンズの隙間がなくなって繋がってしまうと、さらに安定な形状になるまで変形が進み、各受光部ごとに所定形状のレンズを形成することができない。
【００１３】
このようなことから、マイクロレンズ間の隙間は、０．２μｍ程度より微細化することは困難な状況である。
【００１４】
また、マイクロレンズ形成工程は、公知のフォトリソグラフ技術を用いて加工を行う。通常の半導体集積回路の製造が４００℃以上の熱処理を行うのに対し、マイクロレンズ形成工程はアクリル系樹脂を用いるため、アクリル系樹脂の耐熱温度（例えば２００℃）以下で加工を行う必要がある。したがって、従来のマイクロレンズは、半導体集積回路の製造工程とは独立して形成しなければならず、半導体装置の製造期間が長くなるとともに、製造装置数が増加し、製造コストが上昇してしまう問題がある。
【００１５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、各受光部ごとに独立したマイクロレンズを、さらに微細形状で、簡便かつ容易に製造することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、受光部又は発光部が形成された半導体基板上全面に第１膜を形成し、受光部又は発光部の上方にのみ前記第１膜を残存させて幅０．１〜１×０．１〜１μｍの突起を形成し、該突起上の前記半導体基板上全面に可視光線又は近赤外線の透過率が５０％以上である第２膜を、突起に対応した凸形状を形成しうるように積層することで、凸形状のマイクロレンズを形成することからなる半導体装置の製造方法が提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、上記の方法により得られ、受光部又は発光部を備えた半導体装置であって、該受光部又は発光部の上方に幅０．１〜１×０．１〜１μｍの突起と、該突起に対応しかつ可視光線又は近赤外線の透過率が５０％以上である凸形状のマイクロレンズとを有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置は、少なくとも受光部又は発光部を備えるものであり、ＣＣＤ及びＣＭＯＳイメージ・センサ、ＣＭＤ、チャージインジェクションデバイス、バイポーライメージセンサ、光導電膜イメージセンサ、積層型ＣＣＤ、赤外イメージセンサ等のいわゆる固体撮像素子のみならず、半導体集積回路の製造工程において製造される受光素子、発光ダイオード等の発光素子又は液晶パネル等の光透過制御素子等の種々の装置として形成されるものの全てが含まれる。
【００１９】
受光部又は発光部、特に受光部としては、代表的には、半導体基板表面に形成されるｐｎ接合ダイオードが挙げられる。この場合の半導体基板表面に形成されるｐ型又はｎ型の不純物層の大きさ、形状、数、不純物層の不純物濃度等は、得ようとする半導体装置の性能に応じて適宜設定することができる。また、発光部としては、例えば、発光ダイオード等が挙げられる。受光部又は発光部が複数個形成される場合には、隣接する受光部又は発光部との間隔は、例えば、２〜１０μｍ程度が適当である。ここで、半導体基板としては、通常半導体装置を形成するための基板として使用される基板であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の半導体、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体等からなる基板を使用することができる。なかでも、シリコン基板が好ましい。この半導体基板は、通常ｎ型又はｐ型の不純物がドーピングされてなるが、さらに、ｎ型又はｐ型のウェルを１以上有していてもよい。なお、半導体基板表面には、受光部又は発光部のほかに、電荷転送領域、分離領域、コンタクト領域、チャネルストッパ領域等として、高濃度のｎ型又はｐ型の不純物を含有する領域が形成されていてもよいし、他の半導体装置や回路等が組み合わせられていてもよい。
【００２０】
受光部又は発光部の上には、通常、絶縁膜、平坦化膜、保護膜等の種々の機能を有する膜が単層又は積層層として形成されていてもよい。例えば、膜厚１００〜３０００ｎｍ程度のＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、ＣＶＤ法によるプラズマＴＥＯＳ（Tetra-Ethoxy Silane）膜、ＬＴＯ（Low Temperature Oxide）膜、ＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜、ＮＳＧ（None-Doped Silicate Glass）膜又はスピンコート法により塗布形成したＳＯＧ（Spin On Glass）膜、ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜等の単層膜又はこれらの積層膜等が挙げられる。このような膜は、受光部又は発光部が複数ある場合でも、複数の受光部又は発光部にわたってほぼ全面に形成されていることが好ましい。また、このような膜は、その表面が平坦に形成されることが好ましい。
【００２１】
受光部又は発光部の上（又は受光部又は発光部の上に上記のような機能膜が形成されている場合にはその上）には、突起が形成されている。突起は、受光部又は発光部のほぼ中央部分に形成されていることが好ましい。この突起のサイズ、高さ、形状、材質は特に限定されるものではないが、例えば、幅０．１〜１×０．１〜１μｍ程度（又は０．０１〜１μｍ2程度）のサイズ、０．４〜４μｍ程度の高さ、円柱状、角柱状、円錐の頂点部を欠く円錐台形状、角錐の頂点部を欠く角錐台形状、半球、半卵型等の種々の形状が挙げられる。材質としては、特に限定されるものではなく、通常、半導体装置の製造において形成される膜であればどのようなものでもよい。例えば、通常半導体装置の電極として用いることができる導電体（ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の透明導電膜；アルミニウム、銅、白金、銀、亜鉛、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属又は合金；タングステン、タンタル、チタン、モリブデン、ＴｉＷ等の高融点金属又は合金；これら金属のシリサイド；ポリサイド等）、多結晶シリコン、単結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン又はその他の半導体、上記したような絶縁膜等が挙げられる。また、これらの膜は、単層で形成してもよいし、積層層で形成してもよい。なかでも、シリコン又はその合金や金属による膜が好ましい。
【００２２】
突起の上には、この突起に対応した凸形状のマイクロレンズが形成されている。マイクロレンズは、可視光線及び／又は近赤外線に対して透光性のある材料からなることが適当である。ここで透光性があるとは、可視光線又は近赤外線の透過率が５０％程度以上である性質を有することを意味する。このような材料としては、その膜厚等にもよるが、例えば、無機材料、具体的には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物又はそれらの積層体が挙げられる。これらの材料を用いる場合の膜厚としては、突起のサイズや高さに応じて適宜調整することができるが、例えば、０．４〜４μｍ程度が挙げられる。
【００２３】
マイクロレンズは、受光部の上方に、好ましくは受光部又は発光部のほぼ中央に形成された突起に対応した凸形状を有している。ここで突起に対応した凸形状とは、突起を含む半導体基板上全面にマイクロレンズを形成する材料膜を形成した場合に、突起の存在により、その部分のマイクロレンズ材料膜が凸形状に盛り上がることとなるため、その形状を意味する。なお、マイクロレンズの形状は、突起に起因する凸形状が確保されている限り、突起間の間隔、マイクロレンズ材料膜の膜厚等によって、隣接する受光部上の突起に対する凸形状と連続してもよい。
【００２４】
本発明の半導体装置を製造する方法としては、まず、受光部又は発光部が形成された半導体基板上全面に第１膜を形成する。第１膜としては、突起を形成するために用いられるものであり、上述の材料を適宜選択することができる。このような膜は、半導体基板上全面に形成することが好ましい。成膜方法としては、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等種々のＣＶＤ法、スピーンコート法、真空蒸着法、ＥＢ法等、当該分野で公知の方法を適宜選択することができる。
【００２５】
なお、半導体基板表面に受光部又は発光部を形成する方法は、公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により所望の領域に開口を有するマスクを形成し、このマスクを用いてイオン注入する方法が挙げられる。また、第１膜を形成する前に、半導体基板上には、上述したような機能膜を、公知の方法により形成してもよい。さらに、第１膜の形成とともに、半導体装置の電極や配線等を形成する場合には、第１膜として、導電膜を使用することが好ましい。
【００２６】
次いで、受光部又は発光部の上方にのみ第１膜を残存させて突起を形成する。この場合の突起の形成は、公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所望の形状に加工形成することができる。
【００２７】
続いて、突起上の半導体基板上全面に第２膜を積層する。ここで、第２膜としては、マイクロレンズ形成材料膜であり、上述したものを使用することができる。このような膜は、スパッタ法、ＣＶＤ法等公知の方法により形成することができる。これにより、突起に対応した凸形状のマイクロレンズを形成することができる。
【００２８】
以下に、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態を、ＣＣＤを例にとって、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明中で用いる装置や処理条件等は、通常の半導体集積回路の製造工程で用いられている装置や条件とほとんど同じであり、特段の場合を除いて、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
まず、従来技術で述べた方法と同様に、半導体基板１表面に、ＣＣＤの転送部、画素分離領域、転送電極等（何れも図示せず）を形成し、図１（ａ）に示すように、受光部となる領域に、不純物拡散技術を用いて受光部２を形成し、その後、基板１の表面全面に、例えばＢＰＳＧなどの絶縁膜３を、ＣＶＤ法により所定の膜厚、例えば、０．９μｍ堆積させる。絶縁膜３表面の凹凸を平坦にするため、拡散炉を用いてＢＰＳＧ膜のメルト処理を、例えば９００℃で６０分間の条件で行う。さらに必要であれば、ＣＭＰ処理を行い平坦化する。続いて、例えば固体撮像素子の周辺部に形成される配線用のＡｌ等の金属膜４０をスパッタリング法により、約０．４μｍ堆積させ、その表面全面にフォトレジスト１０を塗布する。
【００３０】
次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフ技術を用いて、金属膜４０上に塗布されたフォトレジスト１０を、所定の位置に所定の大きさに残し、他のフォトレジストを除去して、金属膜４０を加工する際のマスク１１を形成する。エッチングのマスク１１として形成されるフォトレジスト１０を残す所定の位置は、配線が形成される領域と受光部の上方とであり、同時にパターニングされる。
【００３１】
続いて、図１（ｃ）に示すように、フォトレジストで形成したマスク１１を利用して、公知のエッチング技術により金属膜４０をエッチングし、マスク１１の下方にある金属膜４０を残し、他の領域の金属膜４０を除去する。その後、公知の技術により、マスク１１として用いたフォトレジスト１０を除去する。これにより、半導体基板１の表面の金属配線が配置される領域に、金属配線４が、受光部の上方には、所定の大きさのマイクロピラー５が形成される。これらのマイクロピラー５は、直径が約０．１μｍ、間隔が１．６μｍの円柱状である。
【００３２】
次に、基板１の表面全体に、保護膜６として、例えばＣＶＤ法により、原料ガスとしてＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate；Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）及びオゾンを用い、ガス圧力を８ｋＰａに維持した容器の中で、半導体基板１を４５０℃に加熱し、シリコン酸化膜（ｎ：１．４５）を約１．０μｍの厚さで形成する。
【００３３】
この際、シリコン酸化膜は、図２に示したような堆積過程によって積層する。したがって、ＣＶＤ法における条件を最適に選べば、ガス分子が化学反応により固体表面に固体化して堆積するので、従来技術で述べた樹脂材料を用いた時のような表面張力による変形がおこらず、堆積によって隣接マイクロレンズ間の隙間がなくなって接合し、さらに堆積を続けても、各マイクロレンズのレンズ形状は維持することができる。したがって、隣接マイクロレンズ間の隙間を確保する必要がない。
【００３４】
これにより、図１（ｄ）に示したように、金属配線４の上方には表面の保護膜６が形成されるのと同時に、マイクロピラー５に対応して受光部２の上方にマイクロレンズ９が形成される。マイクロレンズ９は、直径が約１．６μｍの半球状である。
【００３５】
絶縁膜３がシリコン酸化膜（ｎ：１．４５）である以外、上記と同様の方法で形成されたマイクロレンズ９は、マイクロピラー５の頭がマイクロレンズ９の中心とした球とし、光が入射する際に受光部２の内部に焦点が設定された場合、マイクロピラー５の存在により、光強度分布が図３（ａ）に示したように概算され、受光部２にマイクロピラー５の影ができることとなる。しかし、この影は、光量損失で約１．６％であり、半導体装置の性能に対してはほとんど影響しない。なお、マイクロピラー５を形成する材料が、透光性の材料であれば、光量損失をほぼなくすことができる。
【００３６】
その後、図示はしないが、所定の工程を経た後に、チップ状に分割され、適当な筐体に実装されて、半導体撮像装置が完成する。
【００３７】
上記した方法によれば、図４に示したように、ＣＣＤにおけるマイクロレンズ形成工程は、従来技術と比較して、その工程数が削減され、工程が簡略化されていることが明確である。
【００３８】
以上、ＣＣＤを例にとって、受光部上方にマイクロレンズを形成する方法を説明したが、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ等でも、同様の方法によりマイクロレンズを形成することができる。また、例えば、ＧａＡｓやＧａＡｓＰ等の化合物半導体を基板として、公知の技術を用いて発光素子を形成する場合にも、その発光部上方に同様の方法によりマイクロレンズを形成することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロレンズが、突起に対応して形成されているため、マイクロレンズが隣接するマイクロレンズと接合しても、凸状のレンズ形状を確保することができ、さらに微細化してもマイクロレンズ間の隙間を確保することにより受光損失が増大せず、高性能の半導体装置を得ることができる。
【００４０】
また、発光素子に、マイクロレンズを適用した場合、発光した光を集光させることが可能となり、光の利用効率を高めることができる。
【００４１】
特に、突起が、半導体又は導電体からなる場合には、電極や配線、あるいは他の半導体装置の電極や配線等と同時に形成することが可能となる。
【００４２】
また、突起が、半導体又は導電体からなるか、マイクロレンズが、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸化窒化物である場合には、従来の半導体プロセスで使用されていた材料をそのまま使用するものであるため、プロセス温度等の制限がなく、他の半導体集積回路と組み合わせられた受光部又は発光部を備える半導体装置を実現することができる。
【００４３】
さらに、マイクロレンズが可視光線及び／又は近赤外線に対して透光性のある材料からなる場合には、受光又は発光をより効率的に行うことができ、さらなる微細化を実現することが可能になる。
【００４４】
また、本発明によれば、通常の配線パターンを利用して、突起を形成することができ、その形状に対応してマイクロレンズの凸形状が確保されることとなるため、簡便な方法により、さらなる微細化に対応することができ、製造コストの低減を図ることが可能になる。しかも、そのような簡便な方法が、通常の半導体集積回路等の製造プロセスと共通するため、さらなる工程が簡略化及び製造コストの削減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための概略断面工程図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法におけるシリコン酸化膜の堆積過程を説明するための要部の概略平面図及び断面図である。
【図３】本発明の半導体装置における入射光を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法と従来例との製造プロセスの比較を示すフローチャートである。
【図５】従来の半導体装置の製造方法を示す概略断面工程図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  受光部（受光部又は発光部）
３  絶縁膜
４  金属配線
５  マイクロピラー（突起）
６  保護膜（第２膜）
９  マイクロレンズ
１０  フォトレジスト
１１  マスク
４０  金属膜（第1膜）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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