(57)【要約】【課題】  レンズ表面の改質を生じることなく、所望の曲率半径を有するオンチップマイクロレンズを容易に形成することができ、層厚の厚い固体撮像装置であっても集光率を向上させて感度の向上が図れる固体撮像装置の製造方法を提供する。【解決手段】  絶縁膜１３上に形成されたマイクロレンズ材料膜に、第１のフォトマスクを介して第１の露光処理を行うことにより、マイクロレンズとなるべき各部分が分離溝１７により分離された第１のレンズパターン２４を形成する。次に、第２のフォトマスク２０を介して第１のレンズパターン２４を部分的もしくは全面的に露光し、マイクロレンズとなるべき各部分について、少なくとも一部の膜厚を薄くする第２の露光処理を行う。これにより得られた第２のレンズパターン２６を現像し、次いでリフロー処理することによりオンチップマイクロレンズ２３を形成する。【選択図】  図３
2006066444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズを有する固体撮像装置を製造する方法であって、
フォトダイオードを含む画素が形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に感光性樹脂を塗布してマイクロレンズ材料膜を形成する工程と、
前記マイクロレンズ材料膜に２段階の露光処理を施してレンズとなるべき部分がそれぞれ分離されたレンズパターンを形成する工程と、
前記レンズパターンを現像する工程と、
現像された前記レンズパターンをリフロー処理してマイクロレンズを形成する工程とを備え、
前記レンズパターンを形成する工程では、マイクロレンズとなるべき各部分について、少なくとも一部の膜厚を薄くするように露光処理を行うことを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記レンズパターンを形成する工程は、
マイクロレンズとなるべき部分を覆うようにパターニングされた第１のフォトマスクを介して前記マイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、マイクロレンズとなるべき各部が分離された第１のレンズパターンを形成する第１の露光工程と、
第２のフォトマスクを介して前記第１のレンズパターン形状にパターニングされた前記マイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、第２のレンズパターンを形成する第２の露光工程とを含み、
前記第２の露光工程において、前記第２のフォトマスクは、マイクロレンズとなるべき部分のそれぞれについて、少なくとも一部を覆うようにパターニングされた形状であり、前記露光処理は、現像後に前記マイクロレンズ材料膜の膜厚が残る程度の露光量で行うことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記レンズパターンを形成する工程は、
マイクロレンズとなるべき部分を覆うようにパターニングされた第１のフォトマスクを介して前記マイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、マイクロレンズとなるべき各部が分離された第１のレンズパターンを形成する第１の露光工程と、
前記第１のレンズパターンの全面に露光処理を行う第２の露光工程とを含み、
前記第２の露光工程では、現像後に前記マイクロレンズ材料膜の膜厚が残る程度の露光量で露光処理を行って当該マイクロレンズ材料膜の膜厚を薄くすることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項４】
現像されたレンズパターンの膜厚は、マイクロレンズの曲率半径に基づいて設定され、前記曲率半径は、レンズの焦点が前記フォトダイオード上に結ばれる長さであることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
前記画素内では、前記フォトダイオードと前記絶縁膜との間に少なくとも１層の配線層が形成されており、当該絶縁膜の表面には平坦化処理が施されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
前記画素は、各領域内に複数のトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記マイクロレンズ材料膜は、前記絶縁膜上にカラーフィルタ層を介して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の製造方法に関し、より特定的には、マイクロレンズを有する固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置として、半導体基板に形成されたフォトダイオード（以下、フォトセンサと称す）に有効に光を入射集光するために、フォトセンサの上部にオンチップマイクロレンズを備えたものが知られている。このような固体撮像装置の製造方法としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。以下に、オンチップマイクロレンズを搭載したＣＭＯＳ型固体撮像装置（以下、ＣＭＯＳイメージセンサと称す）を例に挙げて、固体撮像装置の製造方法を説明する。
【０００３】
図５は、オンチップマイクロレンズを搭載したＣＭＯＳイメージセンサを製造する過程において、特に、オンチップマイクロレンズ部分を製造する過程における各段階での基板およびその上面の断面図である。図５（ａ）は、フォトセンサが形成された基板の最上面を、オンチップマイクロレンズを形成するためのマイクロレンズ材料膜１６で覆った様子を示す。図５（ａ）に示す、仕掛り状態のＣＭＯＳイメージセンサを得るためには、まず、半導体基板１の主面に、半導体基板１と反対導電型の不純物を導入してフォトセンサ２を形成する。次に、半導体基板１の主面に、素子分離領域３を形成する。次に、半導体基板１の主面に、電極を形成するためのポリシリコン膜５と、金属シリサイドなどからなる導電膜６とを堆積し、これらを所望の形状にパターニングする。
【０００４】
次に、上記のように構成された半導体基板１の主面を層間絶縁膜４で覆う。次に、層間絶縁膜４の上に、所望の形状にパターニングされた第１のアルミニウム配線８を形成する。第１のアルミニウム配線８は、表面および裏面をバリアメタル９で被覆されている。次に、第１のアルミニウム配線８を覆うように、層間絶縁膜４の上にさらに層間絶縁膜７を形成する。層間絶縁膜７の上には、第２のアルミニウム配線１０を形成する。第２のアルミニウム配線１０は、表面および裏面をバリアメタル１１で被覆されている。なお、導電膜６と第１のアルミニウム配線８との間、および、第１のアルミニウム配線８と第２のアルミニウム配線１０との間には、コンタクトホール２５が形成されており、コンタクトホール２５の内部に充填されたタングステンなどによって、各部は電気的に接続されている。
【０００５】
次に、第２のアルミニウム配線１０および層間絶縁膜７を覆うように、ＰＳＧ（Phosho  Silicate  Glass ）膜や窒化シリコン膜などからなる保護膜１２を形成する。次に、保護膜１２を覆うようにアクリル樹脂膜を形成して、その表面をＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing ：化学的機械的研磨）などにより平坦化処理することにより、平坦化膜１３を形成する。次に、平坦化膜１３の上にカラーフィルタ１４を形成する。次に、カラーフィルタ１４の上に、レンズ下地層１５を形成する。そして、レンズ下地層１５の上に、ベースポリマーとしてアクリル系樹脂を含んだ感光性樹脂溶液を塗布することにより、マイクロレンズ材料膜１６を形成する。マイクロレンズ材料膜１６は、以下の工程によりオンチップマイクロレンズとなる。
【０００６】
図５（ｂ）は、マイクロレンズ材料膜１６に所望のレンズパターンを形成するために露光処理を行う様子を示す。この露光処理では、マイクロレンズ材料膜１６の上に、マイクロレンズとなるべき各部分を覆うようにパターニングされたフォトマスク１８を配置し、このフォトマスク１８を介して露光光１９をマイクロレンズ材料膜１６に向けて照射する。
【０００７】
図５（ｃ）は、露光処理によりパターニングされたマイクロレンズ材料膜１６を現像した後の様子を示す。上記した露光処理が行われたマイクロレンズ材料膜１６は、フォトマスク１８で覆われた部分が残り、露光された部分が除去される。これにより、マイクロレンズ材料膜１６は、レンズとなるべき各部分が分離溝１７によって分離されたレンズパターン１６ａとなる。
【０００８】
図５（ｄ）は、レンズパターン１６ａをリフロー処理することにより、オンチップマイクロレンズ３０が形成された様子を示す。リフロー処理は、オンチップマイクロレンズ３０を最適なレンズ形状とするために、例えば、１５０℃から１８０℃程度の温度で、１２０秒から２４０秒の条件で行われる。これにより、レンズパターン１６ａを構成するマイクロレンズ材料膜１６が溶融し、溶融した樹脂の表面張力により凸レンズ形状を有するオンチップマイクロレンズ３０が形成される。
【０００９】
ところで、上記のように構成されたＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに較べて、オンチップマイクロレンズ３０とフォトセンサ２との間の距離、いわゆる層厚が長くなる。以下に、図５（ｃ）および図５（ｄ）を用いて、層厚が厚くなる理由について説明する。
【００１０】
図５（ｃ）および図５（ｄ）において、カラーフィルタ１４の下面（平坦化膜１３の上面）からマイクロレンズ材料膜１６の下面までの厚みＸは、ＣＭＯＳイメージセンサおよびＣＣＤイメージセンサのいずれも２．５μｍから３μｍ程度であり、ほぼ同じ厚みである。ところが、フォトセンサ２が形成されている半導体基板１の表面からカラーフィルタ１４下面（平坦化膜１３の上面）までの厚みＹは、ＣＭＯＳイメージセンサとＣＣＤイメージセンサとで大きく異なる。
【００１１】
例えば、ＣＣＤイメージセンサでは、厚みＹが２μｍから３μｍ程度であるとき、ＣＭＯＳイメージセンサでは、厚みＹは５μｍ程度となる。これは、ＣＭＯＳイメージセンサには、各画素領域において、１個のフォトセンサ２に対して数個のトランジスタが含まれており、これらのトランジスタを電気的に接続するために、少なくとも２層の配線を画素内に形成する必要が生じることによる。図５（ｃ）および図５（ｄ）においては、画素内に第１のアルミニウム配線８と第２のアルミニウム配線１０とが形成されており、両者はコンタクトホール２５に充填されたタングステンなどにより電気的に接続されている。そのため、ＣＭＯＳイメージセンサでは、ＣＣＤイメージセンサに較べて、厚みＸと厚みＹとを加算した値、すなわち、層厚が厚くなる。
【００１２】
このように、層厚が厚いＣＭＯＳイメージセンサでは、同サイズのＣＣＤイメージセンサに較べて、より曲率半径の大きなオンチップマイクロレンズ３０が必要となる。すなわち、オンチップマイクロレンズ３０の集光機能は、凸レンズの曲率半径により決まり、入射光は、レンズの曲率半径が小さければ固体撮像装置の浅部で集光され、レンズの曲率半径が大きければ画素の深部で集光される。したがって、同サイズの固体撮像装置であれば、ＣＣＤイメージセンサで使用するには十分な集光機能を有するオンチップマイクロレンズ３０であっても、ＣＭＯＳイメージセンサに用いたときには、曲率半径が小さすぎて画素の浅部で入射光が集光するため、ＣＭＯＳイメージセンサで使用するオンチップマイクロレンズ３０は、より曲率半径の大きいものである必要がある。
【特許文献１】特開平１０―１２５８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
また、ＣＭＯＳイメージセンサは、今後、ＣＣＤイメージセンサと同様に画素サイズの縮小が進むものと容易に予想される。しかしながら、ＭＯＳメモリプロセスを流用して製造されるＣＭＯＳイメージセンサは、画素サイズを縮小しても画素内のトランジスタ数は減少しないため、配線密度が高くなってより層厚が厚くなるうえに、入射光が配線の反射の影響を受けてフォトセンサ上に光が集光しづらくなる傾向にある。したがって、このようなＣＭＯＳイメージセンサにおいては、オンチップマイクロレンズ３０の曲率半径をより大きくして、さらなる集光率の向上を図ることが求められる。
【００１４】
また、画素サイズの微細化が図られたＣＭＯＳイメージセンサでは、（層厚）／（画素セルの水平方向サイズ）というアスペクト比が大きくなるという問題がある。このようなＣＭＯＳイメージセンサに対しては、従来と同じような曲率半径を有するオンチップマイクロレンズ３０を用いても、カメラレンズのＦ値が小さいときのようにフォトセンサ２上に光が集光せず、層間絶縁膜４または層間絶縁膜７中にて合焦することとなる。その結果、入射光の焦点距離にずれが生じ、フォトセンサ２への入射光量が減少して感度が低下するという問題がある。したがって、層厚の厚いＣＭＯＳイメージセンサ、特に、画素の微細化が図られたＣＭＯＳイメージセンサにおいては、オンチップマイクロレンズ３０の曲率半径を大きくして焦点距離を長くすることにより、入射光を画素の深部で結び、集光率を高めることが望まれている。
【００１５】
しかしながら、オンチップマイクロレンズ３０の曲率半径は、マイクロレンズ材料膜１６の膜厚によって決まるものである。マイクロレンズ材料膜１６の膜厚が薄いとレンズの曲率半径は大きくなり、マイクロレンズ材料膜１６の膜厚が厚いとレンズの曲率半径は小さくなる。したがって、オンチップマイクロレンズ３０の曲率半径を大きくするためには、マイクロレンズ材料膜１６の厚みを薄くすれば良いが、一般に、感光性樹脂は、スピンコート法などにより塗布されてマイクロレンズ材料膜１６となるため、感光性樹脂の粘度などにより、形成できる膜の厚みの下限には限界がある。そこで、スピンコート法などにより感光性樹脂を塗布するときに、塗布装置のウエハ回転を高速回転とすることでマイクロレンズ材料膜１６の厚みを薄くする方法が提案されているが、この方法においても、塗布装置のウエハ回転数には制限があるため、マイクロレンズ材料膜１６の厚みの低減には限界がある。
【００１６】
また、特許文献１では、マイクロレンズ材料膜１６を形成した後に、エッチバック処理を行ってマイクロレンズ材料膜１６の膜厚を薄くし、このように膜厚を調整した上でレンズパターンを露光し、得られたレンズパターンをリフロー処理してレンズ形状とする製造方法が提案されている。しかしながらこの方法では、曲率の大きいマイクロレンズ３０は得られるものの、エッチバック処理によりマイクロレンズ材料膜１６を薄くしていることから、マイクロレンズ材料膜１６を構成するアクリル樹脂がプラズマの影響により改質してしまい、マイクロレンズ材料膜の表面における屈折率に変化が生じて感度特性が劣化するという問題があった。
【００１７】
それ故に、本発明は、レンズ表面の改質を生じることなく、所望の曲率半径を有するオンチップマイクロレンズを容易に形成することができ、層厚の厚い固体撮像装置であっても集光率を向上させて感度の向上が図れる固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決する発明は、マイクロレンズを有する固体撮像装置を製造する方法に向けられており、この固体撮像装置の製造方法では、まず、フォトダイオードを含む画素が形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する。次に、絶縁膜上に感光性樹脂を塗布してマイクロレンズ材料膜を形成する。次に、マイクロレンズ材料膜に２段階の露光処理を施してレンズとなるべき部分がそれぞれ分離されたレンズパターンを形成する。次に、レンズパターンを現像する。そして、現像されたレンズパターンをリフロー処理してマイクロレンズを形成する。なお、２段階の露光処理によりレンズパターンを形成するときには、マイクロレンズとなるべき各部分について、少なくとも一部の膜厚を薄くするように露光処理を行う。
【００１９】
このようにマイクロレンズ材料膜に２段階の露光処理を行うことで、マイクロレンズ材料膜の表面改質などを生じることなく、マイクロレンズ材料膜を用紙に所望の厚みとすることができ、ひいては、所望の曲率半径を有するオンチップマイクロレンズを用意に形成することができる。したがって、層厚が厚い固体撮像装置や画素サイズが縮小された固体撮像装置であっても、入射光の集光率を高めて感度の向上が図れる。
【００２０】
レンズパターンを形成する２段階の露光処理とは、具体的には、マイクロレンズとなるべき部分を覆うようにパターニングされた第１のフォトマスクを介してマイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、マイクロレンズとなるべき各部が分離された第１のレンズパターンを形成する第１の露光処理と、第２のフォトマスクを介して第１のレンズパターン形状にパターニングされたマイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、第２のレンズパターンを形成する第２の露光処理とである。第２の露光処理で使用する第２のフォトマスクは、マイクロレンズとなるべき部分のそれぞれについて、少なくとも一部を覆うようにパターニングされた形状である。また、第２の露光処理は、現像後にマイクロレンズ材料膜の膜厚が残る程度の露光量で行う。
【００２１】
あるいは、マイクロレンズとなるべき部分を覆うようにパターニングされた第１のフォトマスクを介してマイクロレンズ材料膜を露光処理することにより、マイクロレンズとなるべき各部が分離された第１のレンズパターンを形成する第１の露光処理と、第１のレンズパターンの全面に露光処理を行う第２の露光処理とであってもよい。第２の露光工程では、現像後にマイクロレンズ材料膜の膜厚が残る程度の露光量で露光処理を行って、マイクロレンズ材料膜の膜厚を薄くする。
【００２２】
現像されたレンズパターンの膜厚は、マイクロレンズの曲率半径に基づいて設定され、曲率半径は、レンズの焦点が前記フォトダイオード上に結ばれる長さであることが好ましい。これにより、入射光を効率良くフォトダイオードに集光できる。
【００２３】
また、画素内では、フォトダイオードと絶縁膜との間に少なくとも１層の配線層が形成されており、絶縁膜の表面には平坦化処理が施されていてもよい。また、画素は、各領域内に複数のトランジスタを含んでいてもよい。さらに、マイクロレンズ材料膜は、絶縁膜上にカラーフィルタ層を介して形成されていてもよい。このような構成を有する固体撮像装置では、マイクロレンズとフォトダイオードとの間の距離が長くなるが、所望の曲率半径を有するマイクロレンズを形成することで、集光率を高めて入射光を画素の深部にあるフォトダイオードに効率よく集光できる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように本発明によれば、マイクロレンズ材料膜を２段階の露光処理によってパターン形成して現像処理を行うことで、マイクロレンズ材料膜の厚みにかかわらず、また、マイクロレンズ材料膜の表面に劣化などを生じることなく、所望の膜厚とすることができる。そして、この所望の膜厚となったマイクロレンズ材料膜にリフロー処理を施すことで、固体撮像装置の層厚に応じた曲率半径を有するオンチップマイクロレンズを容易に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について説明する。図１は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す断面図である。図１において、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板１、フォトセンサ２、素子分離領域３、層間絶縁膜４および７、ポリシリコン膜５、導電膜６、第１のアルミニウム配線８、第２のアルミニウム配線１０、バリアメタル９および１１、保護膜１２、平坦化膜１３、カラーフィルタ１４、レンズ下地層１５、並びにオンチップマイクロレンズ２３を備える。
【００２６】
画素が形成される半導体基板１の主面には、フォトセンサ２が形成されている。フォトセンサ２を含む画素内には、複数のトランジスタ（図示せず）が含まれている。フォトセンサ２は、半導体基板１と反対導電型の不純物にて形成されたｐｎｐ接合型の拡散層であり、入射した光を光電変換する。素子分離領域３は、半導体基板１の主面に形成されたシリコン酸化膜などの絶縁膜であり、隣接する素子間を電気的に分離する。層間絶縁膜４および７は、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho  Silicate  Glass）膜などにより形成される。ポリシリコン膜５は、電極を構成する。導電膜６は、金属シリサイドなどにて形成される。バリアメタル９および１１は、Ｔｉ／ＴｉＮなどである。平坦化膜１３は、絶縁膜であり、表面には平坦化処理が施されている。フォトセンサ２と平坦化膜１３との間には、画素領域を縮小するために、第１のアルミニウム配線８と第２のアルミニウム配線１０とが含まれている。第１のアルミニウム配線８および第２のアルミニウム配線１０は、各表面をバリアメタル９および１１で覆われている。
【００２７】
上記のように構成された固体撮像装置では、画素領域内に複数の配線層が含まれており、また、ＣＭＰ法により平坦化された保護膜１３は、一般にその膜厚が厚いことから、画素領域内の層厚は、その厚みが厚くなっている。
【００２８】
ここで、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサでは、オンチップマイクロレンズ２３は、図５に示す従来のオンチップマイクロレンズ３０に較べて、その曲率半径が大きく形成されている。そのため、上述のように層厚が厚い固体撮像装置であっても、オンチップマイクロレンズ２３により、画素の深部にあるフォトセンサ２に入射光を効率良く集光できる。オンチップマイクロレンズ２３の曲率半径は、マイクロレンズ材料膜の膜厚やリフロー条件によって決まるが、中でも特に、マイクロレンズ材料膜の膜厚によって決まる。
【００２９】
そこで、本実施形態では、絶縁膜上に感光性樹脂を塗布して形成されるマイクロレンズ材料膜に、第１の露光処理と、これに続く第２の部分的な露光処理という２段階の露光処理を行って、マイクロレンズ材料膜の膜厚を調整する。特に、第２の露光処理における露光光量とエネルギー量とを、フォトセンサ２の表面に焦点を結ぶような所望の曲率半径を得るように露光条件を設定する。これにより、マイクロレンズ材料膜１６を形成する時の感光性樹脂の粘度や塗布装置のウエハ回転数の制限により塗布膜厚が厚くなっても、現像後のマイクロレンズ材料膜１６の膜厚を薄くできる。そして、膜厚の薄いレンズパターンにリフロー処理を行うことで、所望の曲率半径を有するオンチップマイクロレンズ２３を容易に実現できる。このような構成とすることで、層厚の厚い固体撮像装置であっても、フォトセンサ２に焦点を結ぶような曲率半径を有するオンチップマイクロレンズを容易に製造できる。また、マイクロレンズ材料膜１６の膜厚調整は、プラズマエッチングではなく、露光・現像により行われるので、膜表面の改質が生じて屈折率が変化することがなくなる。したがって、感度特性の良い固体撮像装置となる。
【００３０】
以下に、図２および図３を用いて、本実施形態に係るオンチップマイクロレンズ２３の製造方法について具体的に説明する。図２および図３は、本実施形態に係る固体撮像装置を製造する過程において、特にオンチップマイクロレンズ部分を製造する過程における各段階での基板およびその上面の断面図である。図２（ａ）は、フォトセンサが形成された基板の最外面を、オンチップマイクロレンズを形成するためのマイクロレンズ材料膜１６で覆った様子を示す。
【００３１】
図２（ａ）に示す、仕掛り状態のＣＭＯＳイメージセンサを得るためには、まず、半導体基板１の主面に、半導体基板１と反対導電型の不純物を導入してフォトセンサ２を形成する。次に、半導体基板１の主面に、素子分離領域３を形成する。次に、半導体基板１の表面に電極を構成するポリシリコン膜５と、金属シリサイドなどからなる導電膜６とを堆積し、これらを所望の形状にパターニングする。次に、半導体基板１の表面を層間絶縁膜４で覆う。次に、層間絶縁膜４の上に、所望の形状にパターニングされた第１のアルミニウム配線８を形成する。第１のアルミニウム配線８は、表面および裏面をバリアメタル９で被覆されている。次に、第１のアルミニウム配線８を覆うように、層間絶縁膜４の上にさらに層間絶縁膜７を形成する。層間絶縁膜７の上には、第２のアルミニウム配線１０を形成する。第２のアルミニウム配線１０は、表面および裏面をバリアメタル１１で被覆されている。次に、第２のアルミニウム配線１０および層間絶縁膜７を覆うように、ＰＳＧ膜や窒化シリコン膜を材料とする保護膜１２を形成する。次に、保護膜１２を覆うようにアクリル樹脂膜を形成して、その表面をＣＭＰなどにより平坦化処理することにより、平坦化膜１３を形成する。次に、平坦化膜１３の上にカラーフィルタ１４を形成する。
【００３２】
カラーフィルタ１４は、ＣＣＤイメージセンサの製造方法において良く知られた方法により製造される。すなわち、カラーフィルタ１４は、まず、平坦化膜１３の上に、例えば、感光性を有する着色樹脂をリソグラフィーの手法によりカラーフィルタパターンにすることで形成する。具体的には、感光性を有するとともに顔料を分散させた着色樹脂を、平坦化膜１３の上に塗布し、９０℃から１００℃の温度のホットプレートにて９０秒から１２０秒の間でベークする。次に、ｉ線ステッパーを用いて露光を行い、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドライド）水溶液などのアルカリ現像液を用いて現像する。次に、１００℃から１２０℃の温度のホットプレートにて、９０秒から１２０秒の間で硬化を行う。以上の動作を必要回数繰り返して、形成する。例えば、原色タイプのイメージセンサであれば、カラーフィルタの形成を、赤、青、緑の３回繰り返し、補色タイプのイメージセンサであれば、カラーフィルタの形成を、シアン、マゼンタ、イエロー、緑の４回繰り返す。
【００３３】
上記のようにして形成されたカラーフィルタ１４の上に、レンズ下地層１５を形成する。次に、レンズ下地層１５の上に、オンチップマイクロレンズとなるべきマイクロレンズ材料膜１６を形成する。マイクロレンズ材料膜１６の膜厚は、最終的に得られるレンズ形状の焦点が、フォトセンサ２上に結ばれるような曲率半径が得られるように設定される。マイクロレンズ材料膜１６は、ベースポリマーとしてアクリル系樹脂を含んだ感光性樹脂溶液を、レンズ下地層１５の上に塗布することで形成される。溶液の塗布方法は特に限定されるものではなく、従来公知のスピンコート法などが適用できる。例えば、１０ｃｐの粘度をもつ感光性樹脂を２０００ｒｐｍのスピンコーティング法により塗布したときには、得られるマイクロレンズ材料膜１６の膜厚は１．２μｍ程度となる。
【００３４】
図２（ｂ）は、マイクロレンズ材料膜１６に所望のレンズパターンを形成するために、第１の露光処理を行う様子を示す。この露光処理では、まず、マイクロレンズ材料膜１６の上に、所望の形状にパターニングされた第１のフォトマスク１８を配置する。第１のフォトマスク１８は、マイクロレンズとなるべき各部分を覆うようにパターニングされている。この第１のフォトマスク１８を介して、露光光１９をマイクロレンズ材料膜１６に照射する。露光光１９は、波長が３６５ｎｍであり、露光光１９の照射は、縮小投影露光装置を用いて露光量３００ｍｓにて行う。これにより、マイクロレンズ材料膜１６は、露光された部分が分離溝となり、第１のフォトマスク１８で覆われていた部分がマイクロレンズとなるべき部分として残った第１のレンズパターンとなる。
【００３５】
図３（ａ）は、第１のレンズパターンに第２の露光処理を行う様子を示す。第１のレンズパターン２４は、マイクロレンズとなるべき部分が、分離溝１７によってそれぞれ分離された形状となっている。この第１のレンズパターン２４に対して、第２のフォトマスク（レチクル）２０を配置する。第２のフォトマスク（レチクル）２０は、第１のレンズパターン２４に対してマイクロレンズが形成されるべき領域内を露光するようなマスク形状となっている。
【００３６】
第２のフォトマスク２０を介して、露光光２１を第１のレンズパターン２４に照射する。このときの露光条件は、現像後のマイクロレンズ材料膜１６の膜厚が残る程度、すなわち完全にはなくならない程度の露光量とする。露光された部分の現像後の膜厚は、形成しようとするマイクロレンズの曲率半径に基づいて設定される。マイクロレンズの曲率半径は、レンズの焦点がフォトダイオード２の上に結ばれる長さであることが好ましい。ここでは、第１のレンズパターン２４に対して、Ｅｔｈ以下の露光量で露光処理を行う。Ｅｔｈとは、ある感光性樹脂膜に対してポジ型の露光処理を行う場合に、感光した部分が現像後に残渣として残らない必要最低限の露光量、あるいはステッパーのエネルギー量である。具体的には、後述のようにマイクロレンズ材料膜１６を現像した後に、マイクロレンズとなるべき領域内の膜厚が０．５μｍ以下である薄膜が得られるように、Ｅｔｈを７０ｍｓ未満の条件、例えば、５０ｍｓの条件下で行う。
【００３７】
このような第２の露光処理により、第１のレンズパターン２４は、分離溝１７によって分離された各部の一部の膜厚が薄くなった第２のレンズパターンとなる。図３（ｂ）は、第２のレンズパターンを現像した後の様子を示す。第２のレンズパターン２６は、分離溝１７によって分離された各部分において、Ｅｔｈ以下の露光量で露光が行われた部分、すなわちマイクロレンズとなるべき領域内は、膜が完全に除去されずに膜厚が薄くなっており、この領域の外周部は内周部に較べて膜厚が厚くなっており、全体としては、内周部が窪んだ凹形状となっている。なお、現像処理は、例えば、ＴＭＡＨ２．３８％の有機アルカリ現像液を用いた現像処理により、６０秒間行う。
【００３８】
図３（ｃ）は、第２のレンズパターン２６をリフロー処理することにより、オンチップマイクロレンズ２３が形成された様子を示す。リフロー処理は、オンチップマイクロレンズ２３を最適なレンズ形状とするために、例えば、１５０℃から１８０℃程度の温度で、１２０秒から２４０秒の条件で行われる。ここで、第２のレンズパターン２６は凹形状となっていたが、リフロー処理により、第２のレンズパターン２６を構成するマイクロレンズ材料膜１６が溶融し、溶融した樹脂の表面張力により、先に凹部であった中央部が盛り上がることから、凸レンズ形状のオンチップマイクロレンズ２３が得られる。
【００３９】
オンチップマイクロレンズ２３の曲率半径は、第２のレンズパターン２６のうち、特に、内周部の薄膜部分の膜厚に影響を受ける。この内周部の薄膜部分の膜厚を薄くすることにより、最終的に曲率半径の大きいマイクロレンズを形成することができる。
【００４０】
以上のように本実施形態では、第１の露光処理とこれに続く第２の部分的な露光処理という２重露光によってマイクロレンズ材料膜を全体的に薄くしたのち、リフロー処理するので、オンチップマイクロレンズ２３の曲率半径を所望の大きさ、例えば、曲率半径を６μｍ以上とすることができる。また、マイクロレンズ材料膜１６の膜厚は、露光・現像によって調整しているので、上記従来例で説明したプラズマ照射による表面改質などによって膜の屈折率が変化することもなくなる。したがって、層厚の厚い固体撮像装置であっても、オンチップマイクロレンズ２３によって入射光をフォトセンサ２で受光することができ、感度特性の良い固体撮像装置が実現できる。
【００４１】
（第２の実施形態）
本実施形態では、２重露光を行うときに、第２の露光処理で第１のレンズパターン２４を全面露光する固体撮像装置の製造方法について説明する。なお、本実施形態に係る第１の露光処理までの工程は、第１の実施形態と同様であるので、以下では第２の露光処理以降の工程について説明する。
【００４２】
図４（ａ）、（ｂ）、並びに（ｃ）は、上記第１の実施形態で説明した図２（ａ）および（ｂ）に示す第１の露光処理が行われた固体撮像装置に、第２の露光処理を行ってオンチップマイクロレンズ２３を製造する過程における各段階での基板およびその上面の断面図である。図４（ａ）は、第１のレンズパターン２４に第２の露光処理を行う様子を示す。ここでの第２の露光処理は、上記第１の実施形態とは異なり、フォトマスク（レチクル）を使用しない全面露光である。露光光は、後述のようにマイクロレンズ材料膜１６を現像した後に、マイクロレンズとなるべき各部分の膜厚が、所望の曲率半径を有するマイクロレンズが得られる膜厚となるように行われる。ここでは、０．５μｍ以下である薄膜が得られるように、Ｅｔｈを７０ｍｓ未満の条件、例えば、５０ｍｓの条件とする。
【００４３】
このような全面露光による第２の露光処理により、第１のレンズパターン２４は、マイクロレンズとなるべき各部分の膜厚が薄くなった第２のレンズパターンとなる。図４（ｂ）は、第２のレンズパターン２６を現像した後の様子を示す。第２のレンズパターン２６は、全面露光により形成されているため、上記第１の実施形態とは異なり、分離溝１７によって分離された部分が、それぞれ均一な厚みを有する薄膜形状となっている。なお、現像処理は、例えば、ＴＭＡＨ２．３８％の有機アルカリ現像液を用いた現像処理により、６０秒間行う。
【００４４】
図４（ｃ）は、第２のレンズパターン２６をリフロー処理することにより、オンチップマイクロレンズ２３が形成された様子を示す。リフロー処理は、オンチップマイクロレンズ２３を最適なレンズ形状とするために、例えば、１５０℃から１８０℃程度の温度で、１２０秒から２４０秒の条件で行われる。ここで、第２のレンズパターン２６は平坦な薄膜形状となっていたが、リフロー処理により、第２のレンズパターン２６を構成するマイクロレンズ材料膜１６が溶融し、溶融した樹脂の表面張力により中央部が盛り上がることから、凸レンズ形状のオンチップマイクロレンズ２３が得られる。
【００４５】
以上のように本実施形態では、第１の露光処理とこれに続く第２の全面的な露光処理という２重露光によってマイクロレンズ材料膜を全体的に薄くしたのち、リフロー処理するので、オンチップマイクロレンズ２３の曲率半径を従来よりも大きくすることができる。また、マイクロレンズ材料膜１６の膜厚は、露光・現像によって調整しているので、上記従来例で説明したプラズマ照射による表面改質などによって膜の屈折率が変化することもなくなる。したがって、層厚の厚い固体撮像装置であっても、オンチップマイクロレンズ２３によって入射光をフォトセンサ２で受光することができ、感度特性の良い固体撮像装置が実現できる。
【００４６】
なお、上記各実施形態では、露光処理を行う前のマイクロレンズ材料膜１６として、１０ｃｐの粘度をもつ感光性樹脂を２０００ｒｐｍのスピンコーティング法により塗布して形成した膜厚１．２μmのマイクロレンズ材料膜１６を例に挙げて説明したが、より薄く形成されたマイクロレンズ材料膜について本発明を適用することも可能である。例えば、５ｃｐの粘度をもつ感光性樹脂を、５０００ｒｐｍのスピンコーティング法により塗布して形成した膜厚０．５μｍのマイクロレンズ材料膜について適用することもできる。ただし、膜厚があまりに薄いものに対しては、半導体基板面内の膜厚分布やステッパーの照度分布により寸法値がばらつき、受光感度に影響を与えることがあるため、露光前のマイクロレンズ材料膜は１．０μｍ以上の膜厚を有することが好ましい。
【００４７】
また、上記各実施形態では、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に挙げて説明したが、本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像装置などにも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、マイクロレンズを搭載したＭＯＳ型固体撮像装置に適用できると共に、マイクロレンズを搭載する必要がある、他のデバイスなどにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図
【図２】同実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図
【図３】同実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図
【図４】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図
【図５】従来の固体撮像装置の製造工程を説明する図
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体基板
２  フォトセンサ
３  素子分離領域
４  層間絶縁膜
５  ポリシリコン膜
６  導電膜
７  層間絶縁膜
８  第１のアルミニウム配線
９  バリアメタル
１０  第２のアルミニウム配線
１１  バリアメタル
１２  保護膜
１３  平坦化膜
１４  カラーフィルタ
１５  レンズ下地層
１６  マイクロレンズ材料膜
１７  分離溝
１８  第１のフォトマスク
１９  露光光
２０  第２のフォトマスク
２１  露光光
２２  露光光
２３  オンチップマイクロレンズ
２４  第１のレンズパターン
２６  第２のレンズパターン
【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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