(57)【要約】【課題】光の利用効率の高い固体撮像素子を製造するにあたって、電極パッドに腐食が無く、外部との電気的接続が良好で信頼性の高い固体撮像素子を製造する方法を提供すること。【解決手段】半導体基板１表面に設けた複数の光電変換素子２の受光部に対応して該受光部に達する複数の凹部５を有する絶縁層４を該基板表面に形成し、該絶縁層の凹部を除く表面に外部との電気的接続のための電極パッド３を設け、該絶縁層の屈折率より高い屈折率を有する樹脂７にて該凹部を充填した固体撮像素子の製造方法であって、前記電極パッドを被覆し、かつ、該凹部を露出する保護膜６を形成する工程と、該凹部に高屈折率樹脂を埋め込む工程と、前記保護膜を除去する工程と、を上記の順に実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に設けた複数の光電変換素子の受光部に対応して該受光部に達する複数の凹部を有する絶縁層を該基板表面に形成し、該絶縁層の凹部を除く表面に外部との電気的接続のための電極パッドを設け、該絶縁層の屈折率より高い屈折率を有する樹脂にて該凹部を充填した固体撮像素子の製造方法であって、前記電極パッドを被覆し、かつ、該凹部を露出する状態に保護膜を形成する工程と、該凹部に高屈折率樹脂を埋め込む工程と、前記保護膜を除去する工程と、を上記の順に実行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】
前記保護膜に感光性ネガ型レジストを使用し、フォトリソグラフィー法により前記保護膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記保護膜の厚さを０．０３〜０．５μｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜を除去する工程が、前記電極パッド上に被覆した前記保護膜の所定の部位を露出する状態に耐エッチング層を形成する工程と、前記保護膜の露出部分のドライエッチングを行って前記電極パッドを露出する工程と、を上記の順に実行することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記凹部に高屈折率樹脂を埋め込む工程と、前記耐エッチング層を形成する工程との間に、カラーフィルタ形成工程を実行することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記カラーフィルタ形成工程と前記耐エッチング層形成工程との間に、マイクロレンズ形成工程を実行することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳからなる光電変換素子を形成した固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで対象物の色情報を得ることを可能としたカラーセンサーも普及している。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的である。
【０００５】
固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。できるだけ小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
【０００６】
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率（面積）を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。また、マイクロレンズと光電変換素子の受光部との距離を短くして、光の取り込み角度を大きくすることで更なる高感度化を図る技術も提案されている。
【０００７】
また、光電変換素子の受光部上に光導波路を形成する技術も提案されている。即ち、光電変換素子の上部絶縁層にドライエッチングなどの手段で開口部を形成し、開口部内を絶縁層の屈折率よりも高い屈折率の材料で埋め込み、光導波路とする。該光導波路上に、必要により平坦化層を形成して、下地を平坦にした上で、前記カラーフィルタやマイクロレンズを積層形成することにより、マイクロレンズで集光した光を光漏れの少ない光導波路を通して、少ない損失で、光電変換素子に導くことができるので、光の利用効率の高い固体撮像素子が得られる（特許文献１参照）。
【０００８】
前記光導波路を形成した固体撮像素子は、画素サイズが２μｍ以下の高微細化、高集積化した場合に、特に、光の利用効率を向上させるのに有効である。画素サイズが２μｍ以下の場合、光導波路を形成する開口部の孔径は通常１μｍ以下、開口部の孔の深さは１〜３μｍとすることが多い。
【０００９】
前記開口部の孔の中に高屈折率材料を埋め込んで光導波路を形成するには、ＣＶＤ法や真空蒸着法等の薄膜形成手段で高屈折率材料層を形成する方法や、高屈折率性の樹脂をスピンコートやダイコート等の塗布法で形成する方法がある。
【００１０】
前記光導波路の形成法の内、前者のＣＶＤ法や真空蒸着法等の薄膜形成手段を用いる場合には、所定の形状のメタルマスクを基板上に被せた後に露出部に成膜を行う。しかし、前記孔に高屈折率材料を充填するには、１〜３μｍ程度の厚さの成膜が少なくとも必要となり、成膜時間を長く必要とする前記ＣＶＤ法や真空蒸着法等の薄膜形成手段は、生産効率上、好ましくない。また、ＣＶＤ法や真空蒸着法等では、膜表面の平坦性が劣る傾向があるため、後工程のカラーフィルタやマイクロレンズの形成において、所望の形状に形成できない可能性がある。さらに、前記平坦性を改良するために、前記成膜後に、成膜面を研磨して平坦化することができるが、生産性が低下し、生産コストが高くなるので好ましくない。
【００１１】
このため、前記光導波路の形成法の内、後者の塗布法が多く試みられている。すなわち、前記開口部の孔の中に高屈折率材料を埋め込んで光導波路を形成するには、例えばＴｉＯ２の高屈折率の粒子を分散した樹脂を、光電変換素子を含む半導体基板上に全面塗布した後に、不要部の樹脂を除去することにより形成することができる。除去すべき不要部の樹脂とは、外部との電気的接続端子となる電極パッドなどの表面を覆う樹脂がその代表例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１１８２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記塗布法による光導波路の形成に際して、ＴｉＯ２の高屈折率の粒子を分散した樹脂を全面塗布した後に不要部の樹脂を除去する方法には、大別して２つの方法がある。１つは、熱硬化剤を混合して熱硬化性樹脂を使用する場合で、樹脂の硬化後、電極パッド上の樹脂をドライエッチング等で選択的に除去する。しかし、前記熱硬化性樹脂のドライエッチングに用いるフッ素系ガスがアルミニウム等の金属からなる電極パッドを腐食し、外部との電気的接続に支障をきたす。
【００１４】
不要部の樹脂を除去する他の方法は、感光性を有する高屈折率粒子分散樹脂を使用する場合で、樹脂を塗布後、所定の部位にパターン露光した後に現像を行い、必要により樹脂の硬化を行うことで、所定の部位に樹脂を残存させるフォトリソグラフィー法を用いる。フォトリソグラフィー法のみを用いる本工程は、比較的高い生産性が得られる。しかし、感光性樹脂を現像する際に、現像液がアルミニウム等の金属からなる電極パッドを腐食し、外部との電気的接続に支障をきたす。
【００１５】
また、固体撮像素子の製造において、前記光導波路の形成後、必要に応じてカラーフィルタやマイクロレンズを形成する。カラーフィルタやマイクロレンズを形成するにあたっても、フォトリソグラフィー法を用いることが一般的である。すなわち、感光性を有する材料を塗布後、所定のパターンを有する露光用フォトマスクを介して材料塗布面にパター
ン露光を行い、しかる後に材料の現像、さらに必要により、現像後の残存物の硬膜処理を行う。カラーフィルタやマイクロレンズを形成する場合にも現像液を用いるため、現像液がアルミニウム等の金属からなる電極パッドを腐食し、外部との電気的接続に支障をきたす。
【００１６】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、光の利用効率の高い固体撮像素子を製造するにあたって、電極パッドに腐食が無く、外部との電気的接続が良好で信頼性の高い固体撮像素子を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板表面に設けた複数の光電変換素子の受光部に対応して該受光部に達する複数の凹部を有する絶縁層を該基板表面に形成し、該絶縁層の凹部を除く表面に外部との電気的接続のための電極パッドを設け、該絶縁層の屈折率より高い屈折率を有する樹脂にて該凹部を充填した固体撮像素子の製造方法であって、前記電極パッドを被覆し、かつ、該凹部を露出する状態に保護膜を形成する工程と、該凹部に高屈折率樹脂を埋め込む工程と、前記保護膜を除去する工程と、を上記の順に実行することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明は、前記保護膜に感光性ネガ型レジストを使用し、フォトリソグラフィー法により前記保護膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法である。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、前記保護膜の厚さを０．０３〜０．５μｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法である。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、前記保護膜を除去する工程が、前記電極パッド上に被覆した前記保護膜の所定の部位を露出する状態に耐エッチング層を形成する工程と、前記保護膜の露出部分のドライエッチングを行って前記電極パッドを露出する工程と、を上記の順に実行することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法である。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、前記凹部に高屈折率樹脂を埋め込む工程と、前記耐エッチング層を形成する工程との間に、カラーフィルタ形成工程を実行することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法である。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明は、前記カラーフィルタ形成工程と前記耐エッチング層形成工程との間に、マイクロレンズ形成工程を実行することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、固体撮像素子を製造するための複数の光電変換素子を有する半導体基板上で、微細化した光電変換素子の光利用効率を高めて総合的に感度向上を図る手段として、光電変換素子の受光部上の開口部に光導波路を設ける方式を実施するにあたって、最適な製造方法を提案する。すなわち、光導波路を構成するための凹部への埋め込み材料形成に際して、予め電極パッドを選択的に保護膜で覆っておくことにより、電極パッドの腐食を発生させず、外部との電気的接続が良好で信頼性の高い固体撮像素子を製造できる。
【００２４】
また、請求項５によれば、前記電極パッドの腐食を発生させず、外部との電気的接続が良好で信頼性の高い、カラーセンサー機能を有する固体撮像素子を製造できる。
【００２５】
また、請求項６によれば、前記電極パッドの腐食を発生させず、外部との電気的接続が良好で信頼性の高い、さらに高感度のカラーセンサー機能を有する固体撮像素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の固体撮像素子の製造方法の第一の例を工程順に説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の固体撮像素子の製造方法の中で、保護膜を除去する工程を順に説明するための断面模式図である。
【図３】本発明の固体撮像素子の製造方法の第二の例の一部を工程順に説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の固体撮像素子の製造方法の第三の例の一部を工程順に説明するための断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明を実施するための形態について、以下、図面に従って説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の製造方法の第一の例を工程順に説明するための断面模式図である。（ａ）は、基板表面に設けた複数の光電変換素子２の受光部に対応して該受光部に達する複数の凹部５を有する絶縁層４を該基板表面に形成し、該絶縁層の凹部５を除く表面に外部との電気的接続のための電極パッド３を設けた半導体基板１を示す。
【００２８】
半導体基板１としては、通常シリコン基板を用い、フォトダイオードとして機能する光電変換素子２を基板表面に受光部を設けて、１次元または２次元状に多数配置する。前記受光部を設けた基板表面上にＳｉＯ２膜よりなる絶縁層４を形成し、各受光部に対応してほぼ垂直に受光面に達する複数の凹部５を設ける。該凹部は光導波路として、各凹部の入口部分から対応する各受光部へ光の損失を少なく導くための構造を形作る。また、該絶縁層の凹部５を除く表面に外部との電気的接続のためにアルミニウム等の金属からなる電極パッド３を適宜設け、絶縁層４の内部に予め設けた多層配線層（図示せず）を通じて、複数の光電変換素子２による光電変換信号を転送することができる。
【００２９】
本発明は、（ｃ）に示す高屈折率樹脂７の前記凹部５への埋め込みに先立って、前記電極パッド３を被覆し、かつ、該凹部５を露出する状態に保護膜６を形成する工程を実施する（ｂ）。前記保護膜６に感光性ネガ型レジストを使用し、フォトリソグラフィー法により前記保護膜６を形成する。感光性ネガ型レジストを使用する理由は、微細化した光電変換素子の光利用効率を高めて総合的に感度向上を図る目的で設ける光導波路の前記凹部５を露出することに関係する。即ち、例えば前記凹部５の孔径が１μｍ、深さが１〜３μｍ程度である場合、前記保護膜６に感光性ポジ型レジストを使用して凹部内に光を照射後現像してレジストを分解除去し、該凹部５を露出する状態にしようとすると、凹部内のレジストへの光照射が不充分となることが多く、現像後に除去すべきレジストが残渣として残る可能性が有る。
【００３０】
前記保護膜６の厚さは、０．０３〜０．５μｍとすることが好ましい。０．０３μｍに満たない厚さの薄いものでは、前記電極パッド３を被覆し保護する目的を充分に果たせない。また、０．５μｍを超える厚い保護膜６を形成しようとすると、保護膜に用いるレジストを塗布する工程で、レジストにより前記凹部５を塞いでしまい、現像工程で、凹部内への現像液の充分な進入が妨げられる。その結果、凹部内のレジストを残渣無く除去することが困難になる。
【００３１】
図１（ｃ）に示す高屈折率樹脂７の前記凹部５への埋め込み材料として、絶縁層４を構
成するＳｉＯ２膜より高い屈折率を有する感光性ポジ型レジストを用いる。（ｂ）に示す保護膜６を形成済みの基板上に、約１μｍの厚さに塗布し、画素部分に多数開いた光導波路となる凹部５の集まりの上に選択的に高屈折率樹脂７を残すように、選択露光し、その後、現像、熱処理することにより、該凹部５に高屈折率樹脂７を埋め込む。高屈折率樹脂７が埋め込まれた凹部５は、光導波路として機能して、外部からの光を各光電変換素子２に効率良く導くことができる。
【００３２】
次に、（ｄ）に示すように、電極パッド３上の保護膜６を除去する工程を行って、電極パッド露出面３１を得る。この工程の詳細を、以下、図２に従って述べる。
【００３３】
図２は、本発明の固体撮像素子の製造方法の中で、保護膜を除去する工程を順に説明するための断面模式図である。図２（ａ）は、図１（ｃ）に示した状態と同一であって、高屈折率樹脂７を前記凹部５に選択的に埋め込んだ状態である。前記保護膜６を除去する工程の第一段階として、図２（ｂ）に示すように、前記保護膜６を含む表面上に耐エッチング層６１を形成する。耐エッチング層６１として、感光性ポジ型レジストを７μｍの厚さに塗布し、プレベイク後、前記電極パッド３上に被覆した前記保護膜６の所定の部位に選択的に露光し、引き続き有機アルカリ現像水溶液にて現像することにより、前記保護膜６の所定の部位を露出する状態とする。
【００３４】
次に、ドライエッチングにより、前記保護膜６の露出された部位を除去して下部の電極パッド露出面３１を得る（ｃ）。なお、ドライエッチングに使用するガスとしては、前記保護膜６と前記耐エッチング層６１とに使用されるレジスト材料の性質より、酸素系ガスを使用することができるので、前述の高屈折率粒子分散の熱硬化樹脂材料をドライエッチングする場合のようなフッ素系ガスを使って電極パッド３を腐食する恐れは無い。
【００３５】
次いで、（ｄ）に示すように、エッチングされずに残った耐エッチング層６１を剥離液にて除去する。なお、図では、電極パッド３の周辺部上に保護膜６の一部が残る構造となっているが、外部との電気的接続に支障が無く、完成した固体撮像素子の実装時に影響のない範囲であれば、制約されない。
【００３６】
本発明は、また、カラーフィルタやマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法を提案することができる。図３は、本発明の固体撮像素子の製造方法の第二の例の一部を工程順に説明するための断面模式図であって、カラーフィルタを有する場合である。図１（ｃ）に示した高屈折率樹脂を埋め込む工程を、図３（ａ）に再掲する。カラーフィルタ８２を形成する工程（ｂ）が、前記耐エッチング層６１を形成する工程（ｃ）に先立って実施される。なお、カラーフィルタ８２を形成する前に、下地の平坦化を改善しておくことが望ましいので、第一の平坦化膜８１を形成する。第一の平坦化膜８１としては、アクリル樹脂溶液を０．１μｍの厚さで塗布形成し、熱処理する。第一の平坦化膜８１を形成後、緑色の顔料分散樹脂である感光性ネガ型レジストを塗布し、プレベイク、選択的露光、現像、熱処理の各工程を経て、緑色パターンを形成し、以下、同様の手段で、青色パターン、赤色パターンを隣接位置に形成して３色のカラーフィルタパターンを得る。次に、耐エッチング層６１の形成と、その後の保護膜６のドライエッチングと、最後の耐エッチング層６１の剥離除去は、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、前述のカラーフィルタの無い構造の場合の図２の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と同様に行うことができる。
【００３７】
図４は、本発明の固体撮像素子の製造方法の第三の例の一部を工程順に説明するための断面模式図であって、カラーフィルタとマイクロレンズとを有する場合である。図３（ｂ）に示したカラーフィルタ形成工程を、図４（ａ）に再掲する。マイクロレンズ８４を形成する工程（ｂ）が、前記耐エッチング層６１を形成する工程（ｃ）に先立って実施される。なお、マイクロレンズ８４を形成する前に、下地の平坦化を改善しておくことが望ましいので、第二の平坦化膜８３を形成する。第二の平坦化膜８３としては、アクリル樹脂溶液を０．２μｍの厚さで塗布形成し、熱処理する。第二の平坦化膜８３を形成後、レンズ材料となる透明樹脂である感光性ポジ型レジストを塗布形成し、プレベイク、選択露光後、有機アルカリ現像水溶液にて現像し、熱処理工程を加えて熱フロー挙動を利用することによりマイクロレンズを形成する。次に、耐エッチング層６１の形成と、その後の保護膜６のドライエッチングと、最後の耐エッチング層６１の剥離除去は、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、前述のカラーフィルタもマイクロレンズも無い構造の場合の図２の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と同様に行うことができる。
【００３８】
なお、上記のマイクロレンズを有する構造の固体撮像素子の例は、一般的にカラーフィルタを伴う場合が多いが、カラーフィルタを有しないマイクロレンズ付きの固体撮像素子の場合にも、上記と同様の考え方で、マイクロレンズ形成工程を組み込むことは容易に考えられる。
【００３９】
本発明によって、カラーフィルタとマイクロレンズを有する固体撮像素子を製造したところ、得られた固体撮像素子は、電極パッドの腐食が無く、実装時のボンディング不良の無い、信頼性の高い高品質のカラー固体撮像素子であった。また、光導波路構造となっているため、画素サイズ１．７５μｍと微細な素子であるにも拘らず、高感度で混色の無い特性が得られた。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・半導体基板
２・・・光電変換素子
３・・・電極パッド
４・・・絶縁層
５・・・凹部
６・・・保護膜
７・・・高屈折率樹脂
３１・・電極パッド露出面
６１・・耐エッチング層
８１・・第一の平坦化膜
８２・・カラーフィルタ
８３・・第二の平坦化膜
８４・・マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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