(57)【要約】【課題】高精度の集光位置あわせを実現することのできるオンチップレンズ形成用金型を提供する。オンチップレンズ形成用金型を用いて、集光効率の高い固体撮像素子を提供する。【解決手段】オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた壁部と、前記壁部の上層に設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えた基体と、前記基体の前記凹面を覆うように形成されたコーティング層とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた壁部と
前記壁部の上層に設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えた基体と、
前記基体の前記凹面を覆うように形成されたコーティング層とを備えたオンチップレンズ形成用金型装置。
【請求項２】
請求項１に記載のオンチップレンズ形成用金型装置であって、
前記壁部は上方にいくほど幅が狭小であるオンチップレンズ形成用金型装置。
【請求項３】
請求項１に記載のオンチップレンズ形成用金型装置であって、
前記壁部は酸化シリコン膜で構成されたオンチップレンズ形成用金型装置。
【請求項４】
請求項１に記載のオンチップレンズ形成用金型装置であって、
前記基体はＢＰＳＧ膜であるオンチップレンズ形成用金型装置。
【請求項５】
請求項４に記載のオンチップレンズ形成用金型装置であって、
前記コーティング膜は窒化シリコン膜であるオンチップレンズ形成用金型装置。
【請求項６】
基板表面に形成された第１の膜を、フォトリソグラフィを用いてパターニングし、オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた壁部を形成する工程と
前記壁部の上層に、第２の膜を形成し、加熱してリフローすることにより、前記壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えた基体を形成する工程と、
前記基体の前記凹面を覆うようにコーティング層を形成する工程とを含むオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法であって、
前記壁部を形成する工程は、パターニング後、反応性イオンエッチングにより、上方にいくほど幅が狭小となるように追加エッチングを行う工程を含むオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載のオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法であって、
前記壁部を形成する工程は、基板表面に酸化シリコン膜を成膜する工程を含むオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれかに記載のオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法であって、
前記基体を形成する工程は、ＢＰＳＧ膜を形成し、加熱してリフローすることにより、凹面を形成する工程であるオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれかに記載のオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法であって、
コーティング層を形成する工程は、窒化シリコン膜を形成する工程を含むオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法。
【請求項１１】
光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを具備した固体撮像素子を製造する方法であって、
前記光電変換部と前記電荷転送部とを含む素子領域の形成された基板表面にレンズ形成材を形成する工程と、
前記レンズ形成材に請求項６乃至１０のいずれかに記載のオンチップレンズ形成用金型装置の製造方法を用いて形成したオンチップレンズ形成用金型装置を押し付け、前記凹部の形状を、前記レンズ形成材に転写することによりオンチップレンズを形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記レンズ形成材を形成する工程は、樹脂膜を塗布する工程である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、オンチップレンズ用金型装置、オンチップレンズ用金型装置の製造方法およびこれを用いた固体撮像素子の製造方法にかかり、特に固体撮像素子用のオンチップレンズ用金型の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
エリアセンサ等に用いられるＣＣＤを用いた固体撮像素子は、フォトダイオードなどからなる光電変換部と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数個隣接して配置され、順次駆動される。
【０００３】
近年、カメラの小型化に伴い、固体撮像素子においては、高解像度化、高感度化への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。
【０００４】
そこで、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が種々提案されている。
【０００５】
そのひとつに例えば、光電変換部を構成するフォトダイオード部の直上位置の平坦化層上にパッシベーション膜を兼ねた層内レンズを形成し、さらにその上層に平坦化膜(透光性膜)、カラーフィルタ、平坦化膜、オンチップレンズとを順次形成した構造が提案されている。
【０００６】
従来、オンチップレンズを用いた固体撮像素子を製造するに際しては、マイクロレンズ母材である透明熱軟化性樹脂からなるマイクロレンズパターンを、フォトリソグラフィ技術を用いて光電変換部上に形成した後、加熱を行いマイクロレンズパターンを熱リフローさせてマイクロレンズを形成する。
【０００７】
しかしながら、前述したマイクロレンズの製造工程においては、熱軟化性の透光性材料からなるマイクロレンズパターンを熱により軟化させて形成するので、得られるマイクロレンズの形状は、マイクロレンズ母材の熱履歴、平坦化層の表面状態、マイクロレンズパターンの膜厚、寸法等により決定される。そのため、熱リフローの際の温度やマイクロレンズパターンの寸法・膜厚等のばらつきによりマイクロレンズの形状にばらつきが発生するうえ、マイクロレンズ形成後の熱履歴に対する信頼性が低いため、集光性の高いレンズを適した形状のレンズを再現性よく形成できないという問題があった。
【０００８】
そこで、半導体基板表面に光透過性材料層を形成し、この光透過性材料層上に所定のパターンを有する金型を押しつけてパターンを転写させマイクロレンズパターンを形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
この方法では、まず金型を形成する。
まず、金型形成用の金属基板１０１を用意し（図９（ａ））、フォトリソグラフィによりレジストパターンＲ２を形成した後（図９（ｂ））、等方性エッチングを行い（図９（ｃ））、マイクロレンズの形状決定部の曲率を制御し、エッチング終了後（図９（ｄ））レジストパターンを剥離除去してマイクロレンズ形状加工用の凹面を備えた金型基板１０１を得る（図９（ｅ））。
【００１０】
そして、シリコン基板上にフォトダイオードからなる光電変換部３０、電荷転送部４０を形成するとともに、平坦化膜１０を介してカラーフィルタ５０を形成しレンズ材料層６０ｍを形成した基板１を用意する。ここでレンズ材料層としては金型よりも硬度が小さく、空気よりも屈折率の大きいスチレン樹脂などの材料を用いる。そして、上記マイクロレンズ形状加工用の凹面を備えた金型基板１０１をこのレンズ材料層６０ｍに対して位置あわせし（図１０）、押し付けレンズ材料層６０ｍを金型基板１０１の形状に変形させ（図１１）、金型基板１０１を除去し（図１２）、マイクロレンズ６０が得られる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−３５８３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記方法の場合、オンチップレンズ形成用金型は、等方性エッチングで形状加工がなされるため、オンチップレンズの曲面に相当する凹部の周面の形状制御が困難であり、集光位置あわせが困難であるという問題があった。
【００１３】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高精度の集光位置あわせを実現することのできるオンチップレンズ形成用金型を提供することを目的とする。
またこのオンチップレンズ形成用金型を用いて、集光効率の高い固体撮像素子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】
【００１４】
そこで本発明のオンチップレンズ形成用金型装置は、オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた壁部と、前記壁部の上層に設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えた基体と、前記基体の前記凹面を覆うように形成されたコーティング層とを備えている。
この構成により、壁部と基体とで凹面を形成しているため、壁部の高さと基体とを調整することで、オンチップレンズの曲面に相当する形状を制御性よく得ることができる。またコーティング層を調整することによっても曲面の更なる微調整を行うことも可能である。
【００１５】
また、本発明は上記オンチップレンズ形成用金型装置において、前記壁部が上方にいくほど幅が狭小であるものを含む。
この構成により、言い換えると下部で幅広となっているため、壁部の形状を強固にすることができる。
【００１６】
また、本発明は上記オンチップレンズ形成用金型装置において、前記壁部は酸化シリコン膜で構成されたものを含む。
この構成により、通常の成膜プロセスで緻密な膜を形成することができ、取り扱いが容易である。また熱に対して安定である。
【００１７】
また、本発明は上記オンチップレンズ形成用金型装置において、前記基体はＢＰＳＧ膜であるものを含む。
この構成により、低温でリフローをすることができ容易に曲面を形成することができる。
【００１８】
また、本発明は上記オンチップレンズ形成用金型装置において、前記コーティング膜が窒化シリコン膜であるものを含む。
この構成により、窒化シリコン膜は、緻密な膜であるため、基体を構成するＢＰＳＧ膜からの不純物の染み出しを防止したり、吸湿防止の作用があるため、信頼性の高い膜を形成することが可能となる。なお、窒化シリコン膜からなるコーティング膜は基体がＢＰＳＧ膜の場合に特に有効であるが、ＢＰＳＧ膜に限定されることなく、基体がＰＳＧ膜など他の不純物を含む膜や、有機膜などの場合にも適用可能である。また窒化シリコン膜を用いることにより、成形すべき膜と基体との界面反応を防止することが可能となる。
【００１９】
また、本発明の方法は、基板表面に形成された第１の膜を、フォトリソグラフィを用いてパターニングし、オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた壁部を形成する工程と前記壁部の上層に、第２の膜を形成し、加熱してリフローすることにより、前記壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えた基体を形成する工程と、前記基体の前記凹面を覆うようにコーティング層を形成する工程とを含む。
この構成により、オンチップレンズの曲面に相当する形状を成膜条件や熱処理によって容易に制御可能であり、容易に所望の形状を得る事が可能となる。
【００２０】
また、本発明は、上記方法において、前記壁部を形成する工程が、パターニング後、反応性イオンエッチングにより、上方にいくほど幅が狭小となるように追加エッチングを行う工程を含む。
この構成により、エッチング条件の制御により所望の形状を得ることができ、この形状によってもオンチップレンズの曲面に相当する形状を制御したりあるいは、隣接するレンズ間にギャップのないレンズを形成することができる。
【００２１】
また、本発明は、上記方法において、前記壁部を形成する工程は、基板表面に酸化シリコン膜を成膜する工程を含む。
この構成により、通常の成膜プロセスで緻密な膜を形成することができ、取り扱いが容易である。また熱に対して安定である。
【００２２】
また、本発明は、上記方法において、前記基体を形成する工程は、ＢＰＳＧ膜を形成し、加熱してリフローすることにより、凹面を形成する工程である。
この構成により、低温下でリフローを行うことが可能であり、加熱温度により制御性よく所望の曲面を得ることができる。
【００２３】
また、本発明は、上記方法において、コーティング層を形成する工程は、窒化シリコン膜を形成する工程を含む。
この構成により、通常の成膜プロセスで緻密な膜を形成することができる。
【００２４】
また、本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを具備した固体撮像素子を製造する方法であって、前記光電変換部と前記電荷転送部とを含む素子領域の形成された基板表面にレンズ形成材を形成する工程と、前記レンズ形成材に上記オンチップレンズ形成用金型装置の製造方法を用いて形成したオンチップレンズ形成用金型装置を押し付け、前記凹部の形状を、前記レンズ形成材に転写することによりオンチップレンズを形成する工程とを含む。
この構成によれば、容易に制御性よく所望の曲面形状を持つオンチップレンズを形成することが可能となる。
【００２５】
また、本発明は、上記方法において、前記レンズ形成材を形成する工程が、樹脂膜を塗布する工程であるものを含む。
この構成によれば、容易に制御性よく形成可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、オンチップレンズの曲率制御が容易となり、セルサイズや受光面とオンチップレンズの距離に応じてオンチップの曲率を最適化することができ、制御性よく集光効率の高いオンチップレンズを提供することができる。
また、集光効率が高く高感度の固体撮像素子を制御性よく形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
（実施の形態１）
このオンチップレンズ形成用金型装置は、図１（ａ）に斜視図、図１（ｂ）に断面図を示すように、固体撮像素子へのカラーフィルタの形成を行うための装置であり、オンチップレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように設けられた酸化シリコン膜からなる壁部１０２と、壁部１０２の上層に設けられ、壁部で囲まれた各領域に所望の曲率を有する凹面を備えたＢＰＳＧ膜からなる基体１０４と、基体１０４の凹面を覆うように形成された窒化シリコン膜からなるコーティング層１０５とを具備し、レンズ形成面である凹面Ｒがマトリックス状に配置されている。１０１は金型基板すなわち基台としてのシリコン基板である。
【００２８】
この構成により、壁部１０２と基体１０４とで凹面Ｒを形成しているため、壁部の高さと基体とを調整することで、オンチップレンズの曲面に相当する形状を制御性よく得ることができる。ＢＰＳＧ膜のリフロー条件を調整することで所望の曲面形状を得ることができる。またコーティング層１０５の成膜条件を調整することによっても曲面の更なる微調整を行うことも可能である。
【００２９】
次にこのマイクロレンズ形成用金型装置の製造方法について図面を参照しつつ説明する。
【００３０】
まず、シリコン基板１０１の表面に膜厚０．５から３μｍの酸化シリコン膜（１０２）を形成する（図２（ａ））。
そしてフォトリソグラフィにより、壁部となる領域にレジストパターンＲ１を形成する（図２（ｂ））。そしてこのレジストパターンＲ１をマスクとして反応性イオンエッチングにより酸化シリコン膜（１０２）をパターニングし壁部１０２を形成する（図２（ｃ））。
【００３１】
そしてこのレジストパターンＲ１を剥離除去し（図３（ａ））、さらに反応性イオンエッチングを行い、この壁部１０２をスリミングし、上方にいくにしたがって幅が狭小となるようにする（図３（ｂ））。
【００３２】
そしてこの上層に０．１から３μｍのＢＰＳＧ膜（１０４）を形成し（図４（ａ））、７００〜９５０℃で熱処理を行うことによりリフローを行い（図４（ｂ））、ＣＶＤ法により３０〜３００ｎｍの窒化シリコン膜からなるコーティング層１０５を形成する（図４（ｃ））。
【００３３】
このようにして、図１（ａ）および（ｂ）に示したようなマイクロレンズ形成用金型装置が得られる。
【００３４】
壁部の高さや形状、基台の形状、リフロー温度、コーティング膜の成膜条件などによって容易に制御性よく形状調整を行うことが可能となる。
【００３５】
（実施の形態２）
次にこのオンチップレンズ形成用金型装置を用いて固体撮像素子表面にマイクロレンズを形成する方法について説明する。
本発明の実施の形態の方法で形成する固体撮像素子は完成図を図５に示すように、光電変換部３０と電荷転送部４０とを備えた固体撮像素子の表面にマイクロレンズ６０を形成するものである。
【００３６】
すなわち、この固体撮像素子では、光電変換部３０と、前記光電変換部３０で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部４０とを備えている。シリコン基板１内に、フォトダイオードを構成する光電変換部３０（３０ａ、３０ｂ）が形成されると共に、電荷転送チャネル３３、チャネルストップ領域３２、電荷読み出し領域３４が形成され、シリコン基板１表面には、ゲート酸化膜２を介して、電荷転送電極（第１層導電性膜３ａからなる第１層電極、第２層導電性膜３ｂからなる第２層電極）が、電極間絶縁膜４をはさんで並置されるように形成され、単層電極構造を構成している。５は電荷転送電極上を覆う上部絶縁膜であり、さらにその外側はタングステン薄膜からなる遮光膜７で被覆されている。
【００３７】
そしてこの上層はシリコン基板１の表面がほぼ平坦となるように前記光電変換部に充填されたＢＰＳＧ（borophospho  silicate  glass）膜からなる平坦化膜１０が形成されており、この上層には、層内レンズ２０、有機系膜からなる透光性膜からなる平坦化膜２２、さらにこの上に、フィルタ５０およびマイクロレンズ６０を形成している。６１はフィルタ上平坦化膜である。なおこのゲート酸化膜２は、酸化シリコン膜２ａと窒化シリコン膜２ｂと酸化シリコン膜２ｃとの３層構造膜で構成される。
【００３８】
この固体撮像素子のオンチップレンズ（マイクロレンズ）の形成方法について説明する。
まず、電荷転送部４０および光電変換部３０が形成されたシリコン基板１上に、平坦化膜１０、層内レンズ２０、平坦化膜２２、カラーフィルタ５０、フィルタ上平坦化膜６１を形成し、この上層にマイクロレンズ形成用のレンズ材料層（６０）としてスチレン樹脂を塗布する。
そして、図６に示すように前記実施の形態１の方法で形成されたオンチップレンズ形成用金型装置１００を、位置あわせし、図７に示すように金型よりも硬度が小さく空気よりも屈折率の大きい樹脂材料を用いて加圧することにより樹脂を成形し、金型装置の凹面の形状に沿った面を形成する。
【００３９】
そして、このオンチップレンズ形成用金型装置１００を除去し、図５に示したようなマイクロレンズを制御性よく形成する。
【００４０】
これにより、所望のレンズ形状を得ることができ、集光効率が高く信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００４１】
位置あわせに際しては、オンチップレンズ形成用金型装置と固体撮像素子基板とにアライメントマークを形成しておくようにすれば、容易に高精度の位置あわせが可能となる。
【００４２】
この方法によれば、０．１μｍ程度の電極間距離をもつ微細化構造の固体撮像素子においても、集光効率を向上し、薄型化、高感度化をはかることができ、高精度で信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００４３】
なお、製造方法については前記実施の形態に限定されることなく適宜変更可能である。
【００４４】
また、上記オンチップレンズ形成用金型装置は、固体撮像素子の画素ピッチにあわせて壁部のピッチを調整し、固体撮像素子の特性に合わせて、壁部の高さ、プロファイル、ＢＰＳＧ膜の不純物濃度、リフロー条件、コーティング層の成膜条件や膜厚、などを調整することにより、凹面の形状を容易に調整可能である。
【００４５】
加えて、前記実施の形態では、固体撮像素子へのマイクロレンズの形成について説明したが、ＣＭＯＳイメージセンサ、薄膜ＥＬ素子など他の電子デバイスへの適用が可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上説明してきたように、本発明によれば、高精度で集光特性に優れたマイクロレンズの形成が可能となるため、小型カメラなど、微細でかつ高感度の固体撮像装置の形成に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１のオンチップレンズ形成用金型装置を示す図
【図２】同オンチップレンズ形成用金型装置の製造工程を示す図
【図３】同オンチップレンズ形成用金型装置の製造工程を示す図
【図４】同オンチップレンズ形成用金型装置の製造工程を示す図
【図５】本発明の実施の形態１の装置で形成される固体撮像素子を示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態２の固体撮像素子へのマイクロレンズの形成工程を示す図
【図７】本発明の実施の形態２の固体撮像素子へのマイクロレンズの形成工程を示す図
【図８】本発明の実施の形態２の固体撮像素子へのマイクロレンズの形成工程を示す図
【図９】従来例のオンチップレンズ形成用金型装置の製造工程を示す図
【図１０】従来例のオンチップレンズ形成用金型装置の製造工程を示す図
【図１１】従来例の固体撮像素子へのマイクロレンズの形成工程を示す図
【図１２】従来例の固体撮像素子へのマイクロレンズの形成工程を示す図
【符号の説明】
【００４８】
１  シリコン基板
２  ゲート酸化膜
３ａ  第１層電極
３ｂ  第２層電極
４  電極間絶縁膜
５  酸化シリコン膜（絶縁膜）
７  遮光膜
１０  平坦化膜（ＢＰＳＧ膜）
２０  層内レンズ
２２  平坦化膜
３０  光電変換部
４０  電荷転送部
５０  カラーフィルタ
６０  マイクロレンズ
６１  平坦化膜
１００  オンチップレンズ形成用金型装置
１０１  シリコン基板
１０２  壁部
１０４  基体
１０５  コーティング層
【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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【図６】
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【図７】
2007062191.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007062191.tif 000011
【図１０】
2007062191.tif 000012
【図１１】
2007062191.tif 000013
【図１２】
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