(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部と電荷転送部とを有する固体撮像素子チップが面付けして形成された半導体基板上に、感光性樹脂の塗布・露光・現像・熱処理からなる熱フロー法によって該受光部上に位置するマイクロレンズを形成した固体撮像素子を製造する際に、マイクロレンズを形成する工程が、半数の受光部に対応するように市松配置で第１のマイクロレンズを形成する工程と、残る半数の受光部に対応するように、第１のマイクロレンズが形成されていない領域に、市松配置で第２のマイクロレンズを形成する工程を含み、上記両工程での露光において、アライメント精度が０．０１μｍ〜０．０５μｍであるステッパー露光機を用い半導体基板の中央部のチップから周辺部のチップにかけて、同心円状に、チップ単位で順次、露光量を増加させる露光を、熱処理前の全マイクロレンズパターンの各々の相互のスペース寸法が０．０５〜０．２１μｍとなるよう行い、高さ０．８μｍ〜２μｍのマイクロレンズを形成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】
前記第１のマイクロレンズ或いは第２のマイクロレンズのいずれかを、グリーンのカラーフィルタの市松配置に位置整合させて形成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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関するものであり、特に、撮像素子上に形成されるマイクロレンズ間のスペース寸法が狭い固体撮像素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子においては、デジタルカメラ用途等で小型化かつ画素の微細化が進んでおり、画素サイズ３×３μｍの固体撮像素子も開発されている。しかし、このような微細化が進むと、それぞれの受光部に入射する光の強度が弱くなり、十分な感度が得られなくなる。
そこで、各受光部上にマイクロレンズを形成し、受光部周辺の光を集光し、感度を増大させる方法が一般的に使用されている。
【０００３】
画素サイズの微細化により、各受光部上に形成されるマイクロレンズもマイクロレンズ間の間隙を出来るだけ縮小させ、開口率を向上させる必要がある。
そのようなマイクロレンズの製造技術として、例えば、特開平４−２２６０７３号公報に開示する方法や、特開昭６１−０７７００５号公報のように、マイクロレンズ上に集光能率を高めるための透明膜（無機膜あるいは透明樹脂膜）を積層する方法や、特開平４−３０３８０１号公報のように、ビデオカメラのレンズ絞りの影響を受けないレンズ形状にする方法などがある。
【０００４】
通常、固体撮像素子に用いるマイクロレンズは、熱フロー法（熱処理にて流動化する感光性樹脂をもちいるレンズの形成方法）にて形成する。熱フロー法は、熱処理時のフロー制御が比較的むつかしく、レンズ外形寸法の変動やレンズ融着を生じやすい傾向がある。
これを回避する技術として、マイクロレンズ間に溝を形成する特開平５−３２６９００号公報や特開平６−１３２５０５号公報などの技術が公知である。
【０００５】
上記特開平４−２２６０７３、特開昭６１−０７７００５、特開平４−３０３８０１などで開示されたマイクロレンズ上に有機膜を塗布方式で積層する技術は、比較的むつかしく、塗布時にマイクロレンズ上にうまく被覆できず、塗布した樹脂液はマイクロレンズ間の凹部に流れ込みマイクロレンズの形状を悪化させてしまう問題がある。
【０００６】
また、蒸着、スパッタなどのＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法で無機膜を成膜する方式は、マイクロレンズ上に均一な透明膜を形成できる良い方法ではある。しかし、このような方法による透明無機膜の成膜は、
１）異物などパーティクル対策が十分にとれない。２）下地のマイクロレンズやカラーフィルタなどの有機樹脂膜との熱膨張のバランスがとれず信頼性が低い。
３）ＰＶＤ装置が高価。４）無機膜の形成があると、例えば、電気的接続をとるためのアルミニウムパッドの肌だし／パッドの露出といったマイクロレンズ形成以降の後工程が必要となり対応が難しい。
などの多くの問題をかかえており、実用化は進んでいない。
【０００７】
また、上記特開平５−３２６９００、特開平６−１３２５０５などで開示された、溝部を形成する技術は、マイクロレンズを形成する前に高解像度の半導体用レジストを用いて、或いはエッチング技術を併用して溝部をあらかじめ形成しておき、その後、マイクロレンズを形成するものである。
従って、熱フロー時には、その溝部にレンズ材料が流れ込まないためにマイクロレンズの融着がなくなり狭いスペース寸法が可能となる技術である。
【０００８】
しかし、高解像度の半導体用レジスト及び先端露光装置のステッパーを用いても、やはり半導体用レジスト及び先端露光装置の解像度と、マイクロレンズ材料のフロー量に影響をうけて狭いスペース寸法に対して大きな改善効果が得られず、実質的にマイクロレンズパターン間のスペース寸法は０．３〜０．４μｍのスペース寸法が限度となっていた。
【０００９】
同様に、一般的な熱フロー法によるマイクロレンズの製造方法では、マイクロレンズパターン間のスペース寸法は、０．３〜０．４μｍ程度のスペース寸法となっていた。
マイクロレンズパターン間のスペース寸法を略０．３μｍ以下に小さく形成すると、マイクロレンズ同士の融着が発生する。マイクロレンズ同士の融着が発生すると、マイクロレンズのくっつきによりマイクロレンズ材料が大きくながれ、マイクロレンズの形状が崩れレンズ欠陥となる。このマイクロレンズの形状の崩れは、集光効果の低下のみでなく、画像ムラや画像欠陥に結びつく重欠陥となる。
【００１０】
また、固体撮像素子の製造にあっては、一枚の半導体基板上に面付けして複数の固体撮像素子を形成し最終的にダイシングして個々の素子に分離する方法がとられている。このため、マイクロレンズの形成にあっては、面付け状態の各素子に一括してマイクロレンズを形成しなければならない。
各素子に一括してマイクロレンズを形成する際、各チップ毎のマイクロレンズの寸法バラツキが発生していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子に熱フロー法によってマイクロレンズを形成する際に、マイクロレンズパターン間のスペース寸法を略０．３μｍ以下にしても、マイクロレンズ間に融着が発生せず、良好な集光効果を有するマイクロレンズが得られ、かつ面付け状態で各チップに一括してマイクロレンズを形成する場合であっも、各チップ毎のレンズ間寸法のバラツキの生じない固体撮像素子の製造方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の受光部と電荷転送部とを有する固体撮像素子チップが面付けして形成された半導体基板上に、感光性樹脂の塗布・露光・現像・熱処理からなる熱フロー法によって該受光部上に位置するマイクロレンズを形成した固体撮像素子を製造する際に、マイクロレンズを形成する工程が、半数の受光部に対応するように市松配置で第１のマイクロレンズを形成する工程と、残る半数の受光部に対応するように、第１のマイクロレンズが形成されていない領域に、市松配置で第２のマイクロレンズを形成する工程を含み、上記両工程での露光において、アライメント精度が０．０１μｍ〜０．０５μｍであるステッパー露光機を用い半導体基板の中央部のチップから周辺部のチップにかけて、同心円状に、チップ単位で順次、露光量を増加させる露光を、熱処理前の全マイクロレンズパターンの各々の相互のスペース寸法が０．０５〜０．２１μｍとなるよう行い、高さ０．８μｍ〜２μｍのマイクロレンズを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。
【００１４】
また、本発明は、前記発明による固撮像素子の製造方法において、前記第１のマイクロレンズ或いは第２のマイクロレンズのいずれかを、グリーンのカラーフィルタの市松配置に位置整合させて形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による固体撮像素子の製造方法を、その実施形態に基づいて説明する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、マイクロレンズパターン間のスペース寸法を略０．３μｍ以下にしても、マイクロレンズ間に融着が発生せず、良好な集光効果を有するマイクロレンズが得られる固体撮像素子の製造方法を見いだした。
【００１６】
すなわち、複数の受光部と電荷転送部とを有する固体撮像素子が面付けして形成された半導体基板上に、受光部上に位置するマイクロレンズを、感光性樹脂の塗布・露光・現像・熱処理からなる、所謂熱フロー法で形成する際に、マイクロレンズを形成する工程を、半数の受光部に対応するように市松配置で第１のマイクロレンズを形成する工程と、残る半数の受光部に対応するように、第１のマイクロレンズが形成されていない領域に市松配置で第２のマイクロレンズを形成する工程とにし、上記両工程での露光において、半導体基板の中央部から周辺部にかけて、同心円状に順次露光量補正を行うことによって半導体基板の中央部に形成されたマイクロレンズと周辺部に形成されたマイクロレンズのマイクロレンズ間の寸法バラツキを０．０８μｍ以下に形成出来ることを見いだした。
【００１７】
本発明者らは、あらかじめ、露光量補正を行わない場合の従来条件を厳密に解析した。
マイクロレンズ間の融着がマイクロレンズ間のスペース寸法の略０．３μｍ前後にて発生する第１の理由として、半導体基板内でのマイクロレンズパターン間のスペース寸法のバラツキ（第１のバラツキ）があげられる。
単純に熱フロー法により第１のマイクロレンズと第２のマイクロレンズを形成する製造方法では、各々を形成する工程での塗布、現像バラツキ等により、半導体基板の中央部に形成されるマイクロレンズパターンと周辺部に形成されるマイクロレンズパターンとで、マイクロレンズパターンのスペース寸法はおよそ０．１６μｍ（３σ）のバラツキが発生する。
このバラツキの傾向としては、中央部のマイクロレンズパターンが小さく、周辺部にいく程、順次大きくなる傾向である。従って、この方法では、上記の塗布、露光工程が２回繰り返されることから、半導体基板内での中央部と周辺部でのマイクロレンズパターン間のスペース寸法のバラツキ（第１のバラツキ）は、最大で０．３２μｍにもなる。
【００１８】
第２の理由としては、第１のマイクロレンズと第２のマイクロレンズを形成する工程におけるアライメント精度があげられる。
現状のステッパー露光機のアライメント精度は３σにて０．０１μｍ〜０．０５μｍ程度のバラツキ（第２のバラツキ）がある。  このバラツキの大きさは、露光装置の機種差、保守の程度によって差が生じる。
マイクロレンズパターン間のスペース寸法は、半導体基板の中央部と周辺部とで、第１のバラツキ及び第２のバラツキの値を略合計したバラツキが生じることになる。
【００１９】
つまり、半導体基板の中央部より周辺部では、マイクロレンズパターン間のスペース寸法は最大０．３７μｍ程度狭く形成されることになる。
従って、従来条件でマイクロレンズパターン間のスペース寸法を０．３７μｍ以下のスペース寸法に形成すると、半導体基板の周辺部では、図２に示すように、マイクロレンズ間が互いに融着し、第２のマイクロレンズのエッジ部分のレンズ形状が変形し、良好な集光効果が得られなくなる。
このような理由により、従来条件によるマイクロレンズの製造方法では、マイクロレンズパターン間のスペース寸法を０．３７μｍ以下にすると、良好な集光効果を有するマイクロレンズを形成することが出来ず、一般的なマイクロレンズパターン間のスペース寸法の限度は０．３μｍ〜０．４μｍ程度となっている。
【００２０】
本発明者らは、第１マイクロレンズ及び第２マイクロレンズを形成する工程での露光量を半導体基板内で中央部から周辺部にかけて順次増加させ、第１マイクロレンズの寸法及び第２マイクロレンズの寸法を半導体基板内でほぼバラツキなく、０．０８μｍ以下に形成できた。
しかし、第１マイクロレンズと第２マイクロレンズを形成する工程におけるステッパーのアライメント精度（第２のバラツキ）が０．０１〜０．０５μｍあるため、マイクロレンズパターン間のスペース寸法を０μｍで間隙なく形成すると、このアライメント精度の影響により、部分的にマイクロレンズ同士が融着して良好に形成出来ない。従って、最小限、ステッパー露光装置のアライメント精度（第２のバラツキ）０．０１〜０．０５μｍのマイクロレンズパターン間隙を設けることが必要となる。
【００２１】
また、本発明者らは、マイクロレンズパターンの大きさのバラツキが、マイクロレンズパターンの膜厚（レンズ高さ）と関係のあることを見いだした。
固体撮像素子の仕様や応用形態にもよるが、マイクロレンズの実効的なレンズ高さの範囲は、およそ０．８μｍから２μｍである。表１に、このレンズ高さに対応して、マイクロレンズ材料を塗布した半導体基板を用いて、露光量補正を実施した場合と従来方式の露光量補正なしの場合の結果を示した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
上記に示すように、マイクロレンズパターンの膜厚（レンズ高さ）に対応した、マイクロレンズパターン間のスペース寸法のバラツキ（第３のバラツキ）は増える傾向にあるが、露光量補正を実施すると、そのバラツキは、１／２以下になることが示されている。第３のバラツキは、第１のマイクロレンズと第２のマイクロレンズの２工程での形成となるので、上記の露光量補正でのバラツキの２倍の０．０４〜０．１６μｍとなる。従って、第２のバラツキ０．０１〜０．０５μｍに、第３のバラツキ０．０４〜０．１６μｍを加算した値をマイクロレンズパターン間のスペース寸法に設定することにより、マイクロレンズ融着のない固体撮像素子を得ることができる。すなわち、請求項１に記したように、熱処理前の全マイクロレンズパターンの各々の相互のスペース寸法が０．０５〜０．２１μｍとなるよう、露光量補正を行う。
【００２４】
また、原色系カラーフィルタでは、視感度の高いグリーン（緑）のカラーフィルタをレッド（赤）、ブルー（青）カラーフィルターの２倍の画素数（緑２：赤１：青１）で配置する事が、色再現の観点で好ましい。本発明では、請求項２に記したように、グリーンのカラーフィルタを市松配置にして、これに対応するように、第１もしくは第２のマイクロレンズのいずれか一方の配置を行うことを提案するものである。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明による固体撮像素子の製造方法を実施例により詳細に説明する。
＜実施例１＞
実施例１に用いた半導体基板（１）は、図１に示すように、面付けしたチップ配置になっている。
実施例１では、８インチウェハーを用いた。まず、半導体基板上の受光部の表面段差を平坦にするために、透明樹脂を用いて、平坦化層を形成し、表面を平坦化した。続いて、顔料分散レジストを用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルタを各チップ上にフォトリソグラフィーにより形成した。さらに、カラーフィルタ上に透明樹脂を用いて平坦化膜を形成し、カラーフィルタ表面を平坦化した。
【００２６】
続いて、平坦化層上に、第１のマイクロレンズを市松配置で下記のように形成した。ＪＳＲ（株）製感光性樹脂（商品名：ＭＦＲ３８０Ｈ）を用いて、塗布回転数２１００ｒｐｍによりスピンコートで塗布を実施し、その後、ホットプレートを用いて１００℃で９０ｓｅｃのプレベークを実施した。さらに、その後、パターン露光用フォトマスクを装着したステッパーにより各チップ上にパターン露光を実施した。
露光に際しては、図１に示す半導体基板の中央部のチップから周辺部のチップにかけて、同心円状に、チップ単位で順次、露光量を増加させて露光を行った。
【００２７】
半導体基板内での各チップへの露光量を図１を用いて説明すると、中央チップＸ５Ｙ５を基準に、Ｘ５Ｙ５＝４００msec、Ｘ６Ｙ５＝４３０msec、Ｘ７Ｙ５＝４６０msec、Ｘ８Ｙ５＝４９０msec、・・・という具合に、半導体基板の中央部から周辺部にかけて、順次３０msec／チップの露光量増加を実施して露光を行った。
その後、アルカリ現像液（ＴＭＡＨ：１．２％）を用いて、４０ｓｅｃ現像を行った後、純水によりリンスを行った。続いて、ホットプレートを用いて、１８０℃で６ｍｉｎの熱処理を実施し、追加熱処理として、２００℃で６ｍｉｎの熱処理を実施して、第１マイクロレンズを市松配置で形成した。
【００２８】
続いて、第１のマイクロレンズを形成した半導体基板上に、第２のマイクロレンズを市松配置で下記のように形成した。ＪＳＲ製感光性樹脂（商品名：ＭＦＲ３８０Ｈ）を用いて塗布回転数３５００ｒｐｍによりスピンコートで塗布を実施し、その後、ホットプレートを用いて１００℃で９０secのプレベークを実施した。さらに、その後、パターン露光用フォトマスクを装着したステッパーにより、各チップ上にパターン露光を実施した。
露光に際しては、第１マイクロレンズ形成時と同じように、半導体基板内の中央部から周辺部にかけて、チップ単位で露光量補正を実施して行った。図１を用いて説明すると、中央チップＸ５Ｙ５を基準に、Ｘ５Ｙ５＝４５０msec、Ｘ６Ｙ５＝４８０msec、Ｘ７Ｙ５＝５１０msec、Ｘ８Ｙ５＝５４０msec、・・・という具合に、半導体基板の中央部から周辺部にかけて、順次、３０msec／チップの露光量増加を行って露光を行った。
【００２９】
その後、アルカリ現像液（ＴＭＡＨ：１．２％）を用いて、４０ｓｅｃ現像を行った後、純水によりリンスを行った。続いて、ホットプレートを用いて、１８０℃で６ｍｉｎの熱処理を実施し、追加熱処理として、２００℃で６ｍｉｎの熱処理を実施して、第２マイクロレンズを市松配置で形成し、最終的に図３に示すようなマイクロレンズを形成した。図３（ａ）は半導体基板の中央部、（ｂ）は周辺部である。
【００３０】
この時、形成されたマイクロレンズは、隣り合うマイクロレンズ間のスペース寸法は、半導体基板内の中央部チップで、０．１μｍ，周辺部チップで０．０８μｍであり、面内およびデバイス間を含むロット内のマイクロレンズ間のスペース寸法バラツキは、３σで０．０４５μｍあった。
この製造方法で形成されたマイクロレンズは、半導体基板の中央部及び周辺部においても、マイクロレンズ同士が融着することはなく、良好な集光効果を有するマイクロレンズを形成することが出来た。
【００３１】
＜比較例１＞
比較例１に用いた半導体基板は、図１に示すようなチップ配置になっている。
比較例１では、半導体基板として８インチウェハーを用いた。まず、半導体基板上の受光部の表面段差を平坦にするために、透明樹脂を用いて、平坦化層を形成し、表面を平坦化した。続いて、顔料分散レジストを用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルターをフォトリソグラフィーにより各チップ上に形成した。さらに、カラーフィルター上に透明樹脂を用いて平坦化膜を形成し、カラーフィルター表面を平坦化した。
【００３２】
続いて、平坦化層上に、第１のマイクロレンズを市松配置で下記のように形成した。ＪＳＲ（株）製感光性樹脂（商品名：ＭＦＲ３８０Ｈ）を用いて、塗布回転数２１００ｒｐｍによりスピンコートで塗布を実施し、その後、ホットプレートを用いて１００℃で９０secのプレベークを実施した。さらに、その後、パターン露光用フォトマスクを装着したステッパーにより各チップ上にパターン露光を実施した。露光に際しては、半導体基板内で均一な露光量４００msecで行った。
その後、アルカリ現像液（ＴＭＡＨ：１．２％）を用いて、４０ｓｅｃ現像を行った後、純水によりリンスを行った。続いて、ホットプレートを用いて、１８０℃で６ｍｉｎの熱処理を実施し、追加熱処理として、２００℃で６ｍｉｎの熱処理を実施して、第１マイクロレンズを市松配置で形成した。
【００３３】
続いて、第１のマイクロレンズを形成した半導体基板上に、第２のマイクロレンズを市松配置で下記のように形成した。ＪＳＲ（株）製感光性樹脂（商品名：ＭＦＲ３８０Ｈ）を用いて塗布回転数３５００ｒｐｍによりスピンコートで塗布を実施し、その後、ホットプレートを用いて１００℃で９０secのプレベークを実施した。さらに、その後、フォトマスクを用いてステッパーにより露光を実施した。露光に際しては、第１のマイクロレンズ形成時と同じように、半導体基板内で均一な露光量４００msecで行った。
【００３４】
その後、アルカリ現像液（ＴＭＡＨ：１．２％）を用いて、４０ｓｅｃ現像を行った後、純水によりリンスを行った。続いて、ホットプレートを用いて、１８０℃で６ｍｉｎの熱処理を実施し、追加熱処理として、２００℃で６ｍｉｎの熱処理を実施して、第２マイクロレンズを市松配置で形成した。最終的に、図４に示すようなマイクロレンズを形成した。
【００３５】
この時、形成されたマイクロレンズは、隣り合うマイクロレンズ間のスペース寸法は半導体基板内の中央部チップで０．１μｍであったが、周辺部チップではマイクロレンズ同士の融着が発生した。この製造方法で形成されたマイクロレンズは、半導体基板の周辺部においても、マイクロレンズ同士の融着が発生し、第２マイクロレンズのエッジ形状が変形し、良好な集光効果を有するマイクロレンズを形成することが出来なかった。
図４に形成したマイクロレンズを示す。図４（ａ）は半導体基板の中央部、（ｂ）は周辺部である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、マイクロレンズを形成する工程が、半数の受光部に対応するように市松配置で第１のマイクロレンズを形成する工程と、残る半数の受光部に対応するように、第１のマイクロレンズが形成されていない領域に、市松配置で第２のマイクロレンズを形成する工程を含み、上記両工程での露光において、アライメント精度が０．０１μｍ〜０．０５μｍであるステッパー露光機を用い半導体基板の中央部のチップから周辺部のチップにかけて、同心円状に、チップ単位で順次、露光量を増加させる露光を、熱処理前の全マイクロレンズパターンの各々の相互のスペース寸法が０．０５〜０．２１μｍとなるよう行い、高さ０．８μｍ〜２μｍのマイクロレンズを形成するので、熱フロー法によってマイクロレンズを形成する際に、マイクロレンズパターン間のスペース寸法を略０．３μｍ以下にしても、マイクロレンズ間に融着が発生せず、良好な集光効果を有するマイクロレンズが得られる固体撮像素子の製造方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における半導体基板のチップ配置の説明図である。
【図２】従来法におけるマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
【図３】（ａ）は、実施例１における半導体基板の中央部のマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
（ｂ）は、実施例１における半導体基板の周辺部のマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
【図４】（ａ）は、比較例１における半導体基板の中央部のマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
（ｂ）は、比較例１における半導体基板の周辺部のマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１・・・半導体基板
【図１】
0004792671.tif 000003
【図２】
0004792671.tif 000004
【図３】
0004792671.tif 000005
【図４】
0004792671.tif 000006