(57)【要約】【課題】集光効率の良いマイクロレンズユニットを簡単に製造することができるマイクロレンズユニットの製造方法を提供する。【解決手段】複数の凸状のマイクロレンズ３と、隣接する凸状のマイクロレンズ３の間に形成された凹状のマイクロレンズ４とを含むマイクロレンズユニットの製造方法であって、無機材料からなる平坦化層１とそれに積層されたマイクロレンズ材料層２とを含む平坦な透明層の上に、凸状のマイクロレンズ３を形成する凸状マイクロレンズ形成工程（図１（ｂ））と、凸状のマイクロレンズ３を形成後、ドライエッチングを行って凸状のマイクロレンズ３の間の透明層に凹状のマイクロレンズとなる凹部４を形成する凹部形成工程（図１（ｃ））とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凸状のマイクロレンズと、前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットの製造方法であって、
平坦な透明層上に前記凸状のマイクロレンズを形成する凸状マイクロレンズ形成工程と、
前記凸状のマイクロレンズを形成後、ドライエッチングを行って前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層に前記凹状のマイクロレンズとなる凹部を形成する凹部形成工程とを含むマイクロレンズユニットの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロレンズユニットの製造方法であって、
前記透明層は、無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含むマイクロレンズユニットの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載のマイクロレンズユニットの製造方法であって、
前記有機材料層の材料は、前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なるマイクロレンズユニットの製造方法。
【請求項４】
多数の光電変換素子を含む固体撮像素子の製造方法であって、
半導体基板表面に前記多数の光電変換素子を形成する工程と、
前記多数の光電変換素子の上方に、前記多数の光電変換素子の各々に対応する凸状のマイクロレンズと前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットを形成するマイクロレンズユニット形成工程とを含み、
前記マイクロレンズユニット形成工程は、前記多数の光電変換素子の上方に積層された平坦な透明層上に前記凸状のマイクロレンズを形成する凸状マイクロレンズ形成工程と、前記凸状のマイクロレンズを形成後、ドライエッチングを行って前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層に前記凹状のマイクロレンズとなる凹部を形成する凹部形成工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記透明層は、無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記有機材料層の材料は、前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる固体撮像素子の製造方法。
【請求項７】
複数の凸状のマイクロレンズと、前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットであって、
無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む透明層を備え、
前記凸状のマイクロレンズは前記透明層上に形成され、
前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層には凹部が形成され、
前記凹部が前記凹状のマイクロレンズを構成するマイクロレンズユニット。
【請求項８】
請求項７記載のマイクロレンズユニットであって、
前記有機材料層の材料は、前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なるマイクロレンズユニット。
【請求項９】
半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々に対応する凸状のマイクロレンズと前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットとを有する固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズユニットは、無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む透明層を備え、
前記凸状のマイクロレンズは前記透明層上に形成され、
前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層には凹部が形成され、
前記凹部が前記凹状のマイクロレンズを構成する固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項９記載の固体撮像素子であって、
前記有機材料層の材料は、前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の凸状のマイクロレンズと、前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子の小型化及び画素数の増大によって、一画素の面積は益々縮小化される傾向にある。画素が縮小すると受光面積が小さくなるために、感度が低下する。しかし、主たるノイズ源であるリセットノイズやオンチップアンプノイズは変化しないため、結果として、画素の縮小はＳ／Ｎ劣化を招く。従って、十分なＳ／Ｎを確保するためには、ノイズを低減させるか、あるいは固体撮像素子の感度を向上させることが必要がある。感度を向上させるために、画素表面にマイクロレンズを設け、フォトダイオードへの集光効率を高める構造（例えば特許文献１）が種々提案されている。
【０００３】
図３は、特許文献１記載の固体撮像素子の製造工程を説明するための図である。
特許文献１記載の固体撮像素子は次のように製造する。まず、半導体基板１０１表面にフォトダイオード１０２を形成し、その上を酸化シリコンからなる平坦化膜１０３で覆った後、フォトダイオード１０２の間の領域上方にある平坦化膜１０３表面にウェットエッチングによって凹部１０５を形成する。次に、凹部１０５を形成した平坦化膜１０３上にレジストを塗布し、露光及び現像を行ってパターニングされたレジスト１０４を形成する（図３（ａ））。次に、レジスト１０４をリフローさせて硬化し、凸状のマイクロレンズ１０４’を形成する（図３（ｂ））。これにより、隣接するマイクロレンズ１０４’の間に入射した光が、凹部１０５によって各フォトダイオード１０２に集光されることになるため、集光効率を上げることが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−４５８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１記載の固体撮像素子は、隣接するマイクロレンズ１０４’の間に入射した光を集光する機能を有する凹部１０５をウェットエッチングによって形成しているため、その形状制御が難しい。又、レジスト１０４をリフローさせてマイクロレンズ１０４’の形状が決まることから、マイクロレンズ１０４’の形状制御が容易ではなく、マイクロレンズ１０４’と凹部１０５との位置合わせも難しい。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、集光効率の良いマイクロレンズユニットを簡単に製造することがマイクロレンズユニット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】
【０００７】
本発明のマイクロレンズユニットの製造方法は、複数の凸状のマイクロレンズと、前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットの製造方法であって、平坦な透明層上に前記凸状のマイクロレンズを形成する凸状マイクロレンズ形成工程と、前記凸状のマイクロレンズを形成後、ドライエッチングを行って前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層に前記凹状のマイクロレンズとなる凹部を形成する凹部形成工程とを含む。
【０００８】
この方法によれば、ドライエッチングによって凹状のマイクロレンズを形成するため、凹状のマイクロレンズの形状制御が容易となり、集光効率の良いマイクロレンズユニットを簡単に製造することができる。
【０００９】
本発明のマイクロレンズユニットの製造方法は、前記透明層が無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む。
【００１０】
この方法によれば、凹部形成工程において、凸状のマイクロレンズと有機材料層との間でエッチング条件を決めて凹部を形成することができるため、このエッチング条件の選択幅が広がり、凹部の形状制御をより細かく行うことができる。
【００１１】
本発明のマイクロレンズユニットの製造方法は、前記有機材料層の材料が前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる。
【００１２】
この方法によれば、凹部の形状制御がより容易となる。
【００１３】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、多数の光電変換素子を含む固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板表面に前記多数の光電変換素子を形成する工程と、前記多数の光電変換素子の上方に、前記多数の光電変換素子の各々に対応する凸状のマイクロレンズと前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットを形成するマイクロレンズユニット形成工程とを含み、前記マイクロレンズユニット形成工程は、前記多数の光電変換素子の上方に積層された平坦な透明層上に前記凸状のマイクロレンズを形成する凸状マイクロレンズ形成工程と、前記凸状のマイクロレンズを形成後、ドライエッチングを行って前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層に前記凹状のマイクロレンズとなる凹部を形成する凹部形成工程とを含む。
【００１４】
この方法によれば、高感度の固体撮像素子を容易に製造することができる。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記透明層が無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む。
【００１６】
この方法によれば、高感度の固体撮像素子をより容易に製造することができる。
【００１７】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記有機材料層の材料が前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる。
【００１８】
この方法によれば、高感度の固体撮像素子をより容易に製造することができる。
【００１９】
本発明のマイクロレンズユニットは、複数の凸状のマイクロレンズと、前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットであって、無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む透明層を備え、前記凸状のマイクロレンズは前記透明層上に形成され、前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層には凹部が形成され、前記凹部が前記凹状のマイクロレンズを構成する。
【００２０】
この構成によれば、集光効率を上げることができると共に、その製造が容易である。
【００２１】
本発明のマイクロレンズユニットは、前記有機材料層の材料が前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる。
【００２２】
この構成によれば、その製造がより容易である。
【００２３】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々に対応する凸状のマイクロレンズと前記凸状のマイクロレンズの間に形成された凹状のマイクロレンズとを含むマイクロレンズユニットとを有する固体撮像素子であって、前記マイクロレンズユニットは、無機材料層と前記無機材料層の上に積層された有機材料層とを含む透明層を備え、前記凸状のマイクロレンズは前記透明層上に形成され、前記凸状のマイクロレンズの間の前記透明層には凹部が形成され、前記凹部が前記凹状のマイクロレンズを構成する。
【００２４】
この構成によれば、高感度を実現することができると共に、その製造が容易である。
【００２５】
本発明の固体撮像素子は、前記有機材料層の材料が前記凸状のマイクロレンズの材料とは異なる。
【００２６】
この構成によれば、その製造がより容易である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、集光効率の良いマイクロレンズユニットを簡単に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態で説明するマイクロレンズユニットは、例えば固体撮像素子に用いられ、固体撮像素子のカラーフィルタの上に配置されて、該固体撮像素子の半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子の各々に光を集光する機能を有するものである。以下では、マイクロレンズユニットを固体撮像素子に用いた場合について説明するが、用途はこれに限定されない。以下で説明するマイクロレンズユニットは、固体撮像素子に含まれる多数の光電変換素子の各々に対応する凸状のマイクロレンズと、凸状のマイクロレンズの間に形成される凹状のマイクロレンズとを含む構成である。
【００２９】
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するためのマイクロレンズユニットの製造工程を説明するための図である。
マイクロレンズユニットは固体撮像素子に搭載するものであるため、このマイクロレンズユニットを製造するにあたり、まず、シリコン半導体基板表面に光電変換素子であるフォトダイオードを多数形成した後、この上層に、カラーフィルタ層を形成する。ここまでは従来からある固体撮像素子の製造工程によって製造可能である。
【００３０】
次に、カラーフィルタ層の上に、図１（ａ）に示すように、酸化シリコン等の無機材料からなる透明な平坦化層１を形成し、平坦化層１の上に、アクリル系樹脂や有機レジスト材料等の有機材料からなる透明且つ平坦なマイクロレンズ材料層２（ここではアクリル系樹脂とする）を形成する。平坦化層１は、特許請求の範囲の無機材料層に該当し、マイクロレンズ材料層２は、特許請求の範囲の有機材料層に該当する。
【００３１】
次に、マイクロレンズ材料層２の上に、凸状のマイクロレンズの材料となる有機材料からなるレジストを塗布し、露光及び現像を行って凸状のマイクロレンズのパターンを形成する。例えば複数の矩形状の単位レジスト３が行列状に配置されるようなパターンを形成する（図１（ａ））。単位レジスト３は多数のフォトダイオードの各開口の真上に形成され、その大きさは例えば開口以上に設定される。
【００３２】
次に、単位レジスト３に例えば１２０〜１４０℃の熱処理を施してリフローさせ、表面張力によって単位レジスト３の角部を丸めて、凸状のマイクロレンズに好適な球面形状を形成し、その後、冷却して硬化する（図１（ｂ））。この工程により、球面形状となって硬化された単位レジスト３が、その下方に位置するフォトダイオード開口に光を集光する機能を有する凸状のマイクロレンズとなる。以下では、球面形状となって硬化された単位レジスト３を、凸状のマイクロレンズ３という。
【００３３】
次に、凸状のマイクロレンズ３をマスクとして、ドライエッチング（エッチング条件例：酸素ガスを１０００ｃｃ／分で封入、圧力７０Ｐａ、パワー１０００Ｗ、ウェハを載せるステージ温度８０℃に設定）を行い、多数の凸状のマイクロレンズ３の間のマイクロレンズ材料層２表面に所定の曲率を持った凹部４を形成する（図１（ｃ））。ドライエッチングの条件は、例えば、シリコン基板に平行な面についてはエッチング速度が他の面よりも速くなるような条件を設定すれば良い。
【００３４】
この凹部４は、隣接する凸状のマイクロレンズ３の間に入射してきた光を、その凹部４を挟む２つのマイクロレンズ３それぞれの下方にあるフォトダイオード開口に集光する機能を果たすため、以下では、凹部４を凹状のマイクロレンズ４ともいう。尚、ドライエッチングとしては、ケミカルドライエッチングやアッシング等を用いることができる。
【００３５】
以上の工程により、平坦化層１とその上に積層されたマイクロレンズ材料層２とを含む透明層と、その透明層上に形成された凸状のマイクロレンズ３と、透明層のマイクロレンズ材料層２表面に形成された凹状のマイクロレンズ４とを含むマイクロレンズユニットを備えた固体撮像素子が製造される。
【００３６】
この方法で製造した固体撮像素子によれば、フォトダイオード開口への集光効率を高くすることができるため、感度アップを実現することができる。
【００３７】
又、本実施形態の製造工程によれば、凹状のマイクロレンズ４をドライエッチングによって形成しているため、従来のようにウェットエッチングによって凹状のマイクロレンズを形成する方法に比べると、凹状のマイクロレンズ４の形状制御が容易となる。
【００３８】
又、本実施形態の製造工程によれば、凸状のマイクロレンズ３を先に形成しておき、この凸状のマイクロレンズ３をマスクにして凹状のマイクロレンズ４を形成しているため、凹状のマイクロレンズを形成してから、それに合わせて凸状のマイクロレンズを形成する従来の方法よりも、凸状のマイクロレンズ３と凹状のマイクロレンズ４との位置合わせが容易となる。
【００３９】
又、本実施形態の製造工程によれば、平坦なマイクロレンズ材料層２の上に凸状のマイクロレンズ３を形成し、この状態でドライエッチングによって凹部４を形成している。このため、同じ有機材料からなるマイクロレンズ材料層２と凸状のマイクロレンズ３との間でガス種の選択比等のエッチング条件を決めることができる。上述した効果は、平坦化層１の上に凸状のマイクロレンズ３を直接形成して、平坦化層１表面に凹部４を形成することでも得ることができるが、この場合に比べ、図１を参照して説明した方法によれば、エッチング条件の選択の幅が広がり、凹部４の形状制御がより容易となる。
【００４０】
又、本実施形態の製造工程によれば、凹状のマイクロレンズ４の少なくとも一部をマイクロレンズ材料で構成することができるため、凹状のマイクロレンズの全てを酸化シリコン等で構成している従来に比べ、集光効果を向上させることができる。
【００４１】
尚、上記では、凸状のマイクロレンズ３の材料に有機材料からなるレジストを用いたが、この材料はアクリル系樹脂や有機レジスト材料等の透明な有機材料であれば何でも良い。マイクロレンズ材料層２の材料と、凸状のマイクロレンズ３の材料は、同一材料であっても、異なる材料であっても構わないが、異なる材料にした場合には、凹部４を形成する際のドライエッチング工程において、凸状のマイクロレンズ３のエッチング速度とマイクロレンズ材料層２のエッチング速度の制御を、同一材料にした場合よりも容易に行うことが可能となる。このため、マイクロレンズ材料層２の材料と、凸状のマイクロレンズ３の材料は、異なる有機材料とすることが好ましい。
【００４２】
又、本実施形態では、マイクロレンズ材料層２を用いないでマイクロレンズユニットを作成することも可能であるが、この場合は、平坦化層１が特許請求の範囲の平坦な透明層に該当する。
【００４３】
（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で説明したマイクロレンズ材料層２の材料と、凸状のマイクロレンズ３の材料が同一のマイクロレンズユニットについて説明する。
図２は、本発明の第二実施形態を説明するためのマイクロレンズユニットの製造工程を説明するための図である。
このマイクロレンズユニットを製造するにあたり、まず、シリコン半導体基板表面に光電変換素子であるフォトダイオードを多数形成した後、この上層に、カラーフィルタ層を形成する。そして、カラーフィルタ層の上に、図２（ａ）に示すように、酸化シリコン等の無機材料からなる透明な平坦化層５を形成し、平坦化層５の上に、アクリル系樹脂や有機レジスト材料等の有機材料からなる透明且つ平坦なマイクロレンズ材料層６（ここではアクリル系樹脂とする）を形成する。平坦化層５は、特許請求の範囲の無機材料層に該当し、マイクロレンズ材料層６は、特許請求の範囲の有機材料層に該当する。
【００４４】
次に、マイクロレンズ材料層６の上に、凸状のマイクロレンズの材料となる有機材料からなるレジストを塗布し、露光及び現像を行って凸状のマイクロレンズのパターンを形成する。例えば複数の矩形状の単位レジスト７が行列状に配置されるようなパターンを形成する（図２（ａ））。単位レジスト７は多数のフォトダイオードの各開口の真上に形成され、その大きさは例えば開口以上に設定される。
【００４５】
次に、単位レジスト７に例えば１２０〜１４０℃の熱処理を施してリフローさせ、表面張力によって単位レジスト７の角部を丸めて、凸状のマイクロレンズに好適な球面形状を形成し、その後、冷却して硬化する（図２（ｂ））。
【００４６】
次に、エッチバックを行って、硬化した単位レジスト７をマイクロレンズ材料層６に転写し、凸状のマイクロレンズ８を形成する（図２（ｃ））。このとき、マイクロレンズ材料層６に一定の厚みの平坦部分が残るように転写を行う。この工程により、平坦化層５と、その上に積層された平坦なマイクロレンズ材料層６とを含む透明層上に、凸状のマイクロレンズ８が形成された状態となる。
【００４７】
次に、凸状のマイクロレンズ８をマスクとして、ドライエッチングを行い、多数の凸状のマイクロレンズ８の間の平坦なマイクロレンズ材料層６表面に所定の曲率を持った凹部９を形成する（図２（ｄ））。ドライエッチングの条件は、例えば、シリコン基板に平行な面についてはエッチング速度が他の面よりも速くなるような条件を設定すれば良い。
【００４８】
この凹部９は、隣接する凸状のマイクロレンズ８の間に入射してきた光を、その凹部９を挟む２つのマイクロレンズ８それぞれの下方にあるフォトダイオード開口に集光する機能を果たす。尚、ドライエッチングとしては、ケミカルドライエッチングやアッシング等を用いることができる。
【００４９】
以上の工程により、平坦化層５と、その上に積層された凸状のマイクロレンズ８と同じ材料からなるマイクロレンズ材料層６とを含む透明層と、その透明層上に形成された凸状のマイクロレンズ８と、透明層のマイクロレンズ材料層６表面に形成された凹状のマイクロレンズ９とを含むマイクロレンズユニットが製造される。本実施形態によれば、第一実施形態で述べた効果のうち、凸状のマイクロレンズとマイクロレンズ材料層を別材料とした場合に得られる効果以外の効果と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
尚、本実施形態では、図２（ｃ）においてマイクロレンズ材料層６を残さずに転写を行っても良い。この場合は、平坦化層５が特許請求の範囲の平坦な透明層に該当する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一実施形態を説明するためのマイクロレンズユニットの製造工程を説明するための図
【図２】本発明の第二実施形態を説明するためのマイクロレンズユニットの製造工程を説明するための図
【図３】特許文献１記載の固体撮像素子の製造工程を説明するための図
【符号の説明】
【００５２】
１、５  平坦化膜
２、６  マイクロレンズ材料層
３、７  単位レジスト
４、９  凹部
８  凸状のマイクロレンズ
【図１】
2006261211.tif 000003
【図２】
2006261211.tif 000004
【図３】
2006261211.tif 000005