(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンチップマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法において、平坦化層上に、平坦化層と表面張力の差が３０ｍＮ／ｍ以上であるマイクロレンズ用レジストからなるパターンを所望の位置に形成する工程と、パターンを加熱処理してオンチップマイクロレンズを形成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。
【請求項２】
平坦化層が熱硬化性を有す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３】
オンチップマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法において、マイクロレンズ形成層上に、マイクロレンズ形成層と表面張力の差が３０ｍＮ／ｍ以上であるマイクロレンズパターニング用レジストからなるパターンを所望の位置に形成する工程と、パターンを加熱処理してレンズ状にする工程と、パターン及びマイクロレンズ形成層をエッチングしてオンチップマイクロレンズを形成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。
【請求項４】
マイクロレンズ形成層が熱硬化性を有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法により製造したことを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロレンズ付き固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像素子では、電荷転送部など光電変換に寄与しない領域が各画素に存在しているため、画素面全体に占める受光部分の受光面に対する開口率が１５〜３０％程度であり入射光の利用率が十分でないと言う問題がある。このような問題を解消し感度向上を達成するために、半導体プロセスによる受光部分以外の領域の微細化する技術や、高エネルギーイオン注入技術を導入して転送レジスタ部の飽和電荷量を高めることにより転送レジスタ部の面積を小さくし受光部分面積及び開口面積を大きくする試みがなされているが、これらは固体撮像素子の構造的に限界がある。そこで近年では図２に示すように受光部分上部に凸型のマイクロレンズを設け、入射した光を受光部分に効率的に集光させ実効開口率を高めたオンチップマイクロレンズを有した固体撮像素子が提供されている。
【０００３】
さらにカラー固体撮像素子においては、マイクロレンズに加えてカラーフィルタが備えられている。基板表層部に光電変換を行う受光部分が複数箇所形成されている撮像素子に、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成する一般的な製造方法は下記の通りである。
【０００４】
▲１▼受光部の透明樹脂による受光部の穴埋め
▲２▼受光部の平坦化
▲３▼カラーフィルタの形成
▲４▼透明樹脂によるカラーフィルタの平坦化
▲５▼マイクロレンズの形成
【０００５】
次に、マイクロレンズの形成を図面を参照して説明する。図２中１はシリコン基板、２は受光素子、３は電荷転送部、４は下部平坦化層、５は遮光膜である。受光部や電荷転送部が形成された固体撮像素子上に、図２（ａ）  に示すようにフォトリソグラフィーで６のカラーフィルタを形成し、図２（ｂ）  に示すようにカラーフィルタ上に平坦化の目的で平坦化層１０を形成する。この平坦化層は固体撮像素子の凹凸、カラーフィルターの凹凸の平坦化及びマイクロレンズによる集光位置の調整の為に形成されている。平坦化層形成材料としては、通常熱硬化性透明樹脂が用いられる。次に、図２（ｃ）  （ｄ）  のように平坦化層上にマイクロレンズ用レジストを塗布し、従来のフォトリソグラフィー技術によりパターンニングし、パターン８を形成した後、加熱処理を施し、パターンを変形させて受光部上に凸状のマイクロレンズ１１を形成する。
【０００６】
ところで、近年、固体撮像素子の高解像度化や小型化に伴い、マイクロレンズを高精細化する必要がある。併せて受光素子の受光面積が小さくなる為、マイクロレンズの集光位置を保ちながら各マイクロレンズの幅を広げ、各マイクロレンズ間の距離をできるだけ小さくすることが望ましい。
【０００７】
しかしながら、このような従来の各受光部分に対向する位置に入射光を集光させるマイクロレンズを設けた固体撮像素子では、光電変換有効領域の入射光を効率よく集光するために、図４（ａ）（ｂ）のように従来の平坦化層形成材料を用い、マイクロレンズの幅を単位画素ピッチにできるだけ近づけようとすると、マイクロレンズ形成の加熱時にマイクロレンズの広がる距離が大きいため、隣接するマイクロレンズ間でレンズパターン１２が融着してくずれ、実効開口率が小さくなるという問題点があった。また、これらが光電変換有効領域で部分的に発生している場合は、感度が低下した部分が生じ、感度が不均一になるという問題点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マイクロレンズ形成時のマイクロレンズ間距離の制御性及び生産安定性を高めることができ、また実効感度の高いマイクロレンズを得ることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、請求項１に記載の発明は、オンチップマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法において、平坦化層上に、平坦化層と表面張力の差が３０ｍＮ／ｍ以上であるマイクロレンズ用レジストからなるパターンを所望の位置に形成する工程と、パターンを加熱処理してオンチップマイクロレンズを形成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。なお、平坦化層が熱硬化性を有するものであることが好ましい（請求項２）。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、オンチップマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法において、マイクロレンズ形成層上に、マイクロレンズ形成層と表面張力の差が３０ｍＮ／ｍ以上であるマイクロレンズパターニング用レジストからなるパターンを所望の位置に形成する工程と、パターンを加熱処理してレンズ状にする工程と、パターン及びマイクロレンズ形成層をエッチングしてオンチップマイクロレンズを形成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。なお、マイクロレンズ形成層が熱硬化性を有するものであることが好ましい（請求項４）。
【００１１】
更に、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の固体撮像素子の製造方法により製造したことを特徴とする固体撮像素子である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
次に本発明について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例である固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の模式図である。図１（ａ）  は固体撮像素子にカラーフィルタ層を形成した時の固体撮像素子の断面図である。１はシリコン基板、２は受光素子、３は下部平坦化層、４は遮光膜、５は遮光膜、６はカラーフィルタ層であり従来の構成と同じであるため、同一の符号を付けて説明を省略する。カラーフィルタ層としては着色剤を含有するインキを画素パターンに印刷する印刷法によるカラーフィルタ層、透明樹脂を画素パターンに染色して形成した染色法によるカラーフィルタ層、着色剤を含有する電着塗料を電着することで画素パターンを形成する電着法によるカラーフィルタ層、着色剤を含有する感光性樹脂を塗布した後、露光・現像して画素パターンを形成する顔料分散法によるカラーフィルタ層など周知のカラーフィルタ層を利用できる。
【００１３】
次に、図１（ｂ）  に示すように、以下の組成の平坦化層形成材料を１．０  μｍの膜厚となるように塗布し、１８０  ℃のホットプレートで３分間加熱して平坦化層７を形成した。
【００１４】
得られた平坦化層の表面張力を一液法を用いて解析した。平坦化層上に水（表面張力は７２．８ｍＮ／ｍ）、エチレングリコール（表面張力は４７．７ｍＮ／ｍ）、ヨウ化メチレン（表面張力は５０．８ｍＮ／ｍ）をそれぞれ一滴ずつ滴らし、これらの液体に対する接触角を２３℃にて測定した。得られた接触角値から表面張力を算出したところ、７０．３ｍＮ／ｍであった。
【００１５】
なお、平坦化層は４００  〜７００ｎｍ  の波長領域にて９０％以上の透過率を有することが好ましい。また、平坦化層が熱硬化性樹脂であれば、後述するパターニングの際、変形が起こらないので好ましい。
【００１６】
0003598855.tif 000002
【００１７】
その後、マイクロレンズ用レジスト（ＰＭＲ  冨士薬品）を平坦化層上に塗布した（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。そして、レジストをパターニングして、レンズパターンスペース間距離＝０．５μｍ、画素ピッチ＝５．０μｍのパターン８を所望の位置に形成した。このマイクロレンズ用レジストの最適レンズ形成温度である１５０  ℃の加熱処理を５分間施すことによりマイクロレンズ９を形成したところ、レンズ間スペースの縮小距離が０．３  μｍと小さく、レンズ間スペースが０．２  μｍのマイクロレンズを得た。
【００１８】
上記方法により求めた表面張力の差は３１．１ｍＮ／ｍである。熱フローによりレンズ間スペースの縮小が少ないことから、レンズ同志が融着することなく、熱フロー制御性及び安定性に優れた実効開口率の高いマクロレンズを形成することができる。なお、マイクロレンズは４００  〜７００ｎｍ  の波長領域にて９０％以上の透過率を有することが好ましい。
【００１９】
［実施例２］
実施例１と同様にカラーフィルタ層を形成した固体撮像素子上に、平坦化層形成材料としてアクリル樹脂（ＦＯＣ  富士薬品）を用い、１．０  μｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０  ℃のホットプレートで３  分間加熱し、平坦化層を形成した。この平坦化層の表面張力は９２．２ｍＮ／ｍである。その後、マイクロレンズ用レジスト（ＰＭＲ  冨士薬品）を平坦化層上に塗布した（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。そしてレジストをパターニングして、レンズパターンスペース間距離＝０．５μｍ、画素ピッチ＝５．０μｍのパターンを形成した。このレンズ用レジストの最適レンズ形成温度である１５０  ℃の加熱処理を５分間施すことによりマイクロレンズを形成したところ、レンズ間スペースの縮小距離が０．２  μｍと小さく、レンズ間スペースが０．３  μｍのマイクロレンズを得ることが可能である。
【００２０】
上記方法により求めた表面張力の差は５３．０ｍＮ／ｍである。熱フローによりレンズ間スペースの縮小が少ないことからレンズ同志が融着することなく、熱フロー制御性及び安定性に優れた実効開口率の高いマクロレンズを形成することができる。
【００２１】
［実施例３］
実施例１と同様にカラーフィルタ層を形成した固体撮像素子上に、下記の仕込み比で重合した高分子組成物と多官能モノマーと光開始剤を混合したシクロヘキサノン溶液（組成２）を平坦化層形成材料として用い、１．０  μｍの膜厚となるようにスピンコートし、超高圧水銀灯にて５００ｍＪ／ｃｍ２  の光照射を行った後、１８０  ℃のホットプレートで３分間加熱し、平坦化層を形成した。
【００２２】
高分子組成
メチルメタアクリレート                                    １０重量％
ヒドロキシエチルメタアクリレート                          ２０重量％
メチルアクリレート                                        １５重量％
ｎ−ブチルメタアクリレート                                  ５０重量％
グリシジルメタアクリレート                                  ５重量％
【００２３】
0003598855.tif 000003
【００２４】
この平坦化層の表面張力は８０．２ｍＮ／ｍである。その後、レンズ用レジスト（ＰＭＲ  冨士薬品）を平坦化層上に塗布した（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。このレジストにレンズパターンスペース間距離＝０．５μｍ、画素ピッチ＝５．０μｍで所望の位置にパターンを形成し、このレンズ用レジストの最適レンズ形成温度である１５０  ℃の加熱処理を５分間施すことによりマイクロレンズを形成したところ、レンズ間スペースの縮小距離が０．２５μｍと小さく、レンズ間スペースが０．２５μｍのマイクロレンズを得ることが可能である。
【００２５】
上記方法により求めた表面張力の差は４１．０ｍＮ／ｍである。熱フローによりレンズ間スペースの縮小が少ないことからレンズ同志が融着することなく、熱フロー制御性及び安定性に優れた実効開口率の高いマクロレンズを形成することができる。
【００２６】
［実施例４］
図３は本発明の第４の実施例である固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の模式図である。実施例１と同様にカラーフィルタ層を形成した固体撮像素子上に、マイクロレンズ形成層の材料として組成３を用い、２．０  μｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０  ℃のホットプレートで３分間加熱し、マイクロレンズ形成層を形成した。このマイクロレンズ形成層の表面張力の値は７８．０ｍＮ／ｍである。
【００２７】
なお、マイクロレンズ形成層は４００  〜７００ｎｍ  の波長領域にて９０％以上の透過率を有することが好ましい。また、平坦化層が熱硬化性樹脂であれば、後述するパターニングの際、変形が起こらないので好ましい。
【００２８】
0003598855.tif 000004
【００２９】
その後、感光性のマイクロレンズパターニング用レジスト（ＰＭＲ  冨士薬品）をマイクロレンズ形成層上に１．３  μｍの膜厚となるようにスピンコートした（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。このマイクロレンズパターニング用レジストにパターンスペース間距離＝０．５μｍ、画素ピッチ＝５．０μｍのパターンを所望の位置に形成した。次に、１５０  ℃の加熱処理を５  分間施すことでパターンを溶融させたところ、パターンスペース間の縮小距離が０．２  μｍと小さく、スペース間距離が０．３  μｍのレンズ状のパターン１５を得ることができる。その後、酸素プラズマエッチングを施しレンズ状のパターンをマイクロレンズ形成層に転写したところ、レンズ間スペースが０．４０μｍのマイクロレンズ１６を得ることが可能である。
【００３０】
上記方法により求めた表面張力の差は３８．８ｍＮ／ｍである。マイクロレンズ用レジストからなるパターンが融着することなく、そのパターンスペース縮小距離が０．２  μｍと小さいことから、実効開口率の高いマクロレンズを形成することができる。
【００３１】
［比較例１］
本発明の比較例として、平坦化層形成材料としてマレイミド−アクリル重合体（ＴＳＰ  Ｒ１１１４  大阪有機）を用い、実施例１と同様の実験を実施した。この平坦化層の表面張力は５８．２ｍＮ／ｍである。この平坦化層上にレンズ用レジストを塗布した（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。このレジストにスペース間距離が０．５  μｍのパターンを形成し、１４０  ℃の加熱処理を施すことでレンズ間スペースが０．４５μｍ縮小し、レンズ間スペースが０．０５μｍとなり、レンズ用レジストの最適レンズ形成温度である１５０  ℃の加熱処理を施すことでレンズは融着した。なお、表面張力の差は１９．０ｍＮ／ｍである。
【００３２】
［比較例２］
本発明の比較例として、下記の仕込み比で重合した高分子組成物と多官能モノマーと光開始剤を混合したシクロヘキサノン溶液（組成４）を平坦化層として用い、１．０  μｍの膜厚となるようにスピンコートし、超高圧水銀灯にて５００ｍＪ／ｃｍ２  の光照射を行った後、１８０  ℃のホットプレートで３分間加熱し、平坦化層を形成した。
【００３３】
高分子組成
メチルメタアクリレート                                    ２０重量％
ヒドロキシエチルメタアクリレート                          １０重量％
メチルアクリレート                                        １０重量％
ｎ−ブチルメタアクリレート                                  ５５重量％
グリシジルメタアクリレート                                  ５重量％
【００３４】
0003598855.tif 000005
【００３５】
この平坦化層の表面張力は６４．５ｍＮ／ｍである。この平坦化層上にレンズ用レジストを塗布した（表面張力は３９．２ｍＮ／ｍ）。このレジストにスペース間距離が０．５  μｍのパターンを形成し、１４０  ℃の加熱処理を施すことでレンズ間スペースが０．４５μｍ縮小し、レンズ間スペースが０．０５μｍとなり、レンズ用レジストの最適レンズ形成温度である１５０  ℃の加熱処理を施すことでレンズは融着した。なお、表面張力の差は２５．３ｍＮ／ｍである。
【００３６】
【表１】
0003598855.tif 000006
【００３７】
（注）実施例４において、平坦化層の表面張力の欄の値は、マイクロレンズ形成層の表面張力の値。レンズ用レジストの表面張力の欄の値は、マイクロレンズパターニング用レジストの表面張力の値を示す。
【００３８】
実施例１〜４で得られたマイクロレンズはレンズ間スペースの縮小距離が小さく、０．２  〜０．３  μｍの縮小距離であったのに対し、比較例１、２で実施したマイクロレンズは１５０  ℃のレンズ形成加熱でレンズ同志が融着し、レンズ縮小距離が実施例に比べ大きかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明は平坦化層またはマイクロレンズ用レジストの表面張力が、マイクロレンズ用レジストまたはマイクロレンズパターニング用レジストのそれより３０ｍＮ／ｍ以上大きいので、レンズ形成温度でのレンズ間スペースの縮小距離を小さくし、レンズ同志が融着することなくレンズ形成におけるレンズ間スペース制御性及び安定性に優れた実効開口率の高いマクロレンズを形成することができる。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の模式図。
【図２】従来の固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の模式図。
【図３】本発明の第４の実施例の固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の模式図。
【図４】従来の固体撮像素子の製造工程の問題点を示した断面構造の模式図。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  受光素子
３  電荷転送部
４  下部平坦化層
５  遮光膜
６  カラーフィルタ層
７  平坦化層
８  パターン
９  マイクロレンズ
１０  平坦化層
１１  マイクロレンズ
１２  融着したマイクロレンズ
１３  マイクロレンズ形成層
１４  パターン
１５  レンズ状のパターン
１６  マイクロレンズ
【図１】
0003598855.tif 000007
【図２】
0003598855.tif 000008
【図３】
0003598855.tif 000009
【図４】
0003598855.tif 000010