(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光又は発光素子を内部に備えた半導体基板と、半導体基板の受光又は発光部の上に配設された透明材料からなるオーバーコート層と、オーバーコート層上に形成された層内レンズと、層内レンズ上に形成された上面が平坦な第１透明膜と、第１透明膜上に形成された上面が平坦な第２透明膜と、第２透明膜上に形成されるカラーフィルタおよびマイクロレンズの少なくとも一方を備え、第１透明膜は層内レンズよりも低い屈折率を有し、第２透明膜はフッ素原子非含有アクリル樹脂からなり第１透明膜よりも高い屈折率を有する層内レンズ付き半導体装置。
【請求項２】
第１透明膜が、フッ素原子を含む有機高分子材料からなることを特徴とする請求項１に記載の層内レンズ付き半導体装置。
【請求項３】
第１透明膜が、フッ素原子を含む無機材料からなることを特徴とする請求項１に記載の層内レンズ付き半導体装置。
【請求項４】
第１透明膜および第２透明膜の少なくとも一方はその表面に酸素プラズマ処理が施されてなる請求項１に記載の層内レンズ付き半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の層内レンズ付き半導体装置を製造する方法であって、受光又は発光素子を内部に備えた半導体基板上に透明材料からなるオーバーコート層を設ける工程と、オーバーコート層上に層内レンズを形成する工程と、層内レンズ上に上面が平坦で層内レンズよりも低い屈折率を有する第１透明膜を設ける工程と、第１透明膜上に上面が平坦で第１透明膜よりも高い屈折率を有する第２透明膜をフッ素原子非含有樹脂で形成する工程と、第２透明膜上にカラーフィルタおよびマイクロレンズの少なくとも一方を形成する工程とを有する層内レンズ付き半導体装置の製造方法。
【請求項６】
第１透明膜および第２透明膜の少なくとも一方を形成した後に、酸素ガスを含んだ雰囲気の中でプラズマ処理を施すことを特徴とする請求項５に記載の層内レンズ付き半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、層内レンズ付き半導体装置およびその製造方法に関し、更に詳しくは、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子や液晶表示素子等の素子の内部に好適に用いることができる層内レンズ付き半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤあるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型等の固体撮像素子は、デジタルカメラを初めビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナ、デジタル複写機、ファクシミリなど様々な用途に利用されている。
またその普及につれて、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化はもとより、小型化、低価格化などの要請がますます強まってきている。
このように固体撮像素子の小型化、多画素数化が進むと、固体撮像素子内に組み込まれる画素の大きさはますます縮小され、基本性能の一つである受光感度が低下し、所定の照度のもとで鮮明な像を撮影することが難しい事態を招く恐れがある。
【０００３】
このような問題に対し、カラーフィルタの上部に有機高分子材料からなるマイクロレンズを形成することにより受光感度を向上させる手法が知られている（例えば、特開平４−１２５６８号公報参照）。
また、受光部とカラーフィルタとの間の積層構造中にレンズを形成する、いわゆる層内レンズを上記マイクロレンズと併用することによって、受光感度を向上させる手法も知られている（例えば、特開平１１−４０７８７号公報参照）。
【０００４】
以下に、層内レンズを備える従来のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法について図２に基づいて説明する。また、図２に示される製造方法によって製造された従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位セルの断面を図１に示す。
まず、図２(ａ)に示すように、半導体基板１内に所要の不純物のイオン注入等を行って、受光部２、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）４、チャネルストッパー部５をそれぞれ形成する。
【０００５】
次に、半導体基板１の表面に所定のパターンの転送電極７を絶縁膜６を介して形成し、さらにこの転送電極７を覆うように遮光膜９を層間絶縁膜８を介して形成し、この遮光膜９をパターニングして受光部２上を開口させる。
【０００６】
次に、図２(ｂ)に示すように、遮光膜９上にオーバーコート層１０を形成して表面を平坦化する。
オーバーコート層１０は、例えば、リフローにより形成されるＢＰＳＧ（Boro-phosphosilicate glass）膜や、プラズマＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法により形成される膜などからなる。
【０００７】
次に、図２(ｃ)に示すように、オーバーコート層１０の上に層内レンズ１１（図１参照）となる屈折率の高い層内レンズ材料層１６を形成する。
層内レンズ材料層１６は、例えば、シリコン窒化膜からなり、プラズマＣＶＤ法で形成される。
【０００８】
次に、図２(ｄ)に示すように層内レンズ材料層１６の上にレジスト１７を塗布し、塗布されたレジスト１７に対してパターニングを行い、さらに１６０℃前後でリフローする。
次に、図２(ｅ)に示すように、ドライエッチングによりレジスト１７のレンズ形状をレンズ材料層１６に転写して層内レンズ１１を形成する。
その後、層内レンズ１１の集光率を上げるために、層内レンズ１１上に屈折率の低い透明膜１２を形成して表面を平坦化し、さらに、カラーフィルタ１３、保護膜１４およびマイクロレンズ１５を順次形成して、図１に示されるＣＣＤ固体撮像素子１８を得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の製造方法のように、層内レンズ上に屈折率の低い透明膜を形成し、その透明膜の上にカラーフィルタを直接形成する方法では、以下の問題が発生する。
一般的に、透明膜としては有機高分子材料が使用されるが、層内レンズに所望のレンズ効果を発揮させるためには、低屈折率であることが要求される。
【００１０】
透明膜の屈折率を下げる手法としては上記有機高分子材料にフッ素原子を多く含ませる手法が知られている（例えば『高分子』34巻、3月号  1985年参照）。
しかしながら、このようなフッ素原子を含む材料は、撥水性や撥油性を有し他の材料との密着性に劣る。
このため、その表面に例えば被染色性レジスト（カゼインやゼラチン等）やカラーレジストあるいはマイクロレンズ用レジストを塗布すると、塗布ムラが生じたり、形成したカラーレジスト層やマイクロレンズ層の形状が不均一になるという問題が起こる。
【００１１】
具体的に上述の従来例においては、カラーフィルタ１３が不均一な膜厚で形成されたり、形成された後に透明膜から剥離する恐れがある。
特に固体撮像装置の場合は、画質の劣化による歩留りの悪化や品質の低下を引き起こすことになる。
この発明は以上のような事情を考慮してなされたものであり、透明膜と透明膜上に形成されるカラーフィルタやマイクロレンズなどとの密着性を改善し、歩留まりが良く品質の低下が生じない層内レンズ付き半導体装置およびその製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、受光又は発光素子を内部に備えた半導体基板と、半導体基板の受光又は発光部の上に配設された透明材料からなるオーバーコート層と、オーバーコート層上に形成された層内レンズと、層内レンズ上に形成された上面が平坦な第１透明膜と、第１透明膜上に形成された上面が平坦な第２透明膜と、第２透明膜上に形成されるカラーフィルタおよびマイクロレンズの少なくとも一方を備え、第１透明膜は層内レンズよりも低い屈折率を有し、第２透明膜はフッ素原子非含有アクリル樹脂からなり第１透明膜よりも高い屈折率を有する層内レンズ付き半導体装置を提供するものである。
つまり、この発明による層内レンズ付き半導体装置は、従来１層であった透明膜を、第１透明膜と第２透明膜の２層で構成することにより、透明膜上に形成されるカラーフィルタやマイクロレンズなどとの密着性を改善するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明による層内レンズ付き半導体装置は、受光又は発光素子を内部に備えた半導体基板と、半導体基板の受光又は発光部の上に配設された透明材料からなるオーバーコート層と、オーバーコート層上に形成された層内レンズと、層内レンズ上に形成された上面が平坦な第１透明膜と、第１透明膜上に形成された上面が平坦な第２透明膜と、第２透明膜上に形成されるカラーフィルタおよびマイクロレンズの少なくとも一方を備え、第１透明膜は層内レンズよりも低い屈折率を有し、第２透明膜はフッ素原子非含有アクリル樹脂からなり第１透明膜よりも高い屈折率を有することを特徴とする。
【００１４】
この発明による層内レンズ付き半導体装置において、半導体基板としては、一般的に半導体装置を形成するために使用される基板であればよく、特に限定されるものではない。
例えば、シリコン、ゲルマニウム等の半導体、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、Ａｌ−ＧａＡｓ等の化合物半導体等からなる基板を使用することができる。
なかでも、シリコン基板が好ましい。この基板には、ｎ型またはｐ型の不純物がドーピングされていてもよい。さらに、ｎ型またはｐ型のウェルを１つ以上有していてもよい。
【００１５】
また、半導体基板に備えられる発光又は受光素子には、ＣＣＤおよびＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＤ、チャージインジェクションデバイス、バイポーライメージセンサ、光導電膜イメージセンサ、積層型ＣＣＤ、赤外イメージセンサ等のいわゆる固体撮像素子のみならず、半導体集積回路の製造工程において製造される受光素子、発光ダイオード等の発光素子または液晶パネル等の光透過制御素子等の種々の素子が含まれる。
従って、半導体基板の受光又は発光部とは、上記各種の素子の受光部または発光部として使用されるものの全てが含まれる。
【００１６】
また、オーバーコート層としては、透明材料からなる層であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、リフローにより形成されるＢＰＳＧ（Boro-phosphosilicate glass）からなる層を挙げることができる。
【００１７】
また、層内レンズとしては、集光率を上げるために屈折率の高い材料からなるものを用いることができる。
そのような材料としては、例えば、プラズマＣＶＤによるシリコン窒化膜（屈折率＝２.０）や有機材料であるポリイミド樹脂（同＝１.６〜１.７）を挙げることができる。
【００１８】
この発明による層内レンズ付き半導体装置では、上記のような材料で形成された層内レンズの表面を平滑化すると共に、レンズの集光率を確保するために、層内レンズを覆うように第１透明膜が形成される。
ここで、この発明による層内レンズ付き半導体装置において、第１透明膜は、層内レンズよりも低い屈折率を有することが好ましい。
というのは、層内レンズが所望のレンズ効果を発揮するうえで、層内レンズとその上に形成する第１の透明膜との屈折率差は、少なくとも０.２以上、望ましくは０.３以上が必要であるからである。
【００１９】
このため、この発明による層内レンズ付き半導体装置において、第１透明膜は、フッ素原子を含む有機高分子材料またはフッ素原子を含む無機材料からなることが好ましい。
というのは、フッ素原子を含む有機高分子材料またはフッ素原子を含む無機材料で第１透明膜を形成することにより第１透明膜の屈折率を下げることができるからである。
なお、具体的な第１透明膜の材料としては、スパッタリングによるフッ化マグネシウム（同＝１.３〜１.４）やプラズマＣＶＤによるシリコン酸化膜（同＝１.５）、有機材料としてはフッ素原子を含むアクリル樹脂（同＝１.３〜１.５）などを挙げることができる。
【００２０】
また、この発明では、第１透明膜の表面を覆うように第２の透明膜を形成する。
ここで、この発明による層内レンズ付き半導体装置において、第２透明膜は、第１透明膜よりも高い屈折率を有することが好ましい。なお、その理由については後述する。
また、この発明による層内レンズ付き半導体装置は、マイクロレンズをさらに備え、このマイクロレンズは第２透明膜上に配設されていてもよい。
また、この発明による層内レンズ付き半導体装置は、カラーフィルタ層をさらに備え、このカラーフィルタ層は第２透明膜とマイクロレンズの間の所定位置に配設されていてもよい。
【００２１】
第２透明膜が第１透明膜よりも高い屈折率を有すると好ましいという理由は、第２透明膜が、従来の透明膜の表面となる部分であり、その上に形成されるカラーフィルタやマイクロレンズなどの光学部品との密着性に優れている必要があるからである。
つまり、第２透明膜が第１透明膜よりも高い屈折率を有するように構成すれば、フッ素原子を含有させる必要がなくなるため、第２透明膜の表面から撥水性や撥油性を排除することができ、他の材料との密着性の改善を図れるようになる。
このため、層内レンズ付き半導体装置を製造する際に、第２透明膜の上に各種レジストを均一性良く塗布できるようになり、また、これらのレジストをパターニングする際にも不具合が生じなくなる。
さらに、第２透明膜の上に形成されるカラーフィルタやマイクロレンズなどの光学部品との密着性も改善される。
【００２２】
この発明は別の観点からみると、受光又は発光素子を内部に備えた半導体基板上に透明材料からなるオーバーコート層を設ける工程と、オーバーコート層上に層内レンズを形成する工程と、層内レンズ上に上面が平坦で層内レンズよりも低い屈折率を有する第１透明膜を設ける工程と、第１透明膜上に上面が平坦で第１透明膜よりも高い屈折率を有する第２透明膜をフッ素原子非含有アクリル樹脂で形成する工程と、第２透明膜上にカラーフィルタおよびマイクロレンズの少なくとも一方を形成する工程とを有する層内レンズ付き半導体装置の製造方法を提供するものでもある。
【００２３】
なお、この発明による上記の製造方法は、第１透明膜および第２透明膜の少なくとも一方を形成した後に、酸素ガスを含んだ雰囲気の中でプラズマ処理を施す工程を有していてもよい。
【００２４】
【実施例】
以下に、この発明の実施例について、図３および図４に基づいて詳細に説明する。しかし、この発明にかかる技術はこれに限らず、ＭＯＳ型固体撮像素子等のいわゆる固体撮像素子、さらに液晶表示素子等のその内部に層内レンズを用いて好適な素子全般に係わる。
また、以下の説明中で用いる材料や装置名等は、通常の半導体素子の製造工程で用いられている材料や装置とほぼ同じであり、特段の場合を除いて、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
なお、図４はこの発明の実施例による層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子の１画素に対応する概略断面図であり、図３は図４に示される層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【００２６】
図４に示されるように、この発明の実施例による層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子５０は、受光素子を内部に備えた半導体基板３１と、半導体基板３１の受光部３２の上に配設された透明材料からなるオーバーコート層４０と、オーバーコート層４０上に形成された層内レンズ４３と、層内レンズ４３上に形成された上面が平坦な第１透明膜４４と、第１透明膜４４上に形成された上面が平坦な第２透明膜４５とを備える。
なお、図４の符号４９は層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子に入射する入射光線を示すものである。
【００２７】
以下、図４に示される層内レンズ付き半導体装置５０の製造工程を図３に基づき順を追って説明する。
まず、図３(ａ)に示すように、半導体基板３１内に所要の不純物のイオン注入等を行って、受光部３２、読み出しゲート部３３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）３４、チャネルストッパー部３５をそれぞれ形成する。
【００２８】
その後、表面に例えば熱酸化により形成したシリコン酸化膜等の絶縁膜３６を介して所定のパターンの転送電極３７を形成する。
さらに、層間絶縁膜３８を介してこの転送電極３７を覆って遮光膜３９を形成する。この遮光膜３９は受光部３２上に開口を有するようにパターニングされる。
転送電極の材料としては、多結晶シリコンやタングステンシリサイド等が、遮光膜としてはタングステンシリサイドやチタンタングステン等が挙げられる。
【００２９】
次に、図３(ｂ)に示すように、遮光膜３９上にＢＰＳＧを約９００℃でリフローしてオーバーコート層４０を形成する。
その上にスピンコーターにより感応性ポリイミド４１（例えば、感光性ポリイミド樹脂PSI-P-8001：チッソ株式会社）を厚さ約１.０μｍで塗布し、約１００℃のホットプレートで２分間乾燥する。
続いて、通常半導体プロセスで使用するフォトリソ技術を用いて、図３(ｃ)に示すように所望の位置にポリイミドパターン４２を形成する。
その後、ベーク炉で約１６０℃の窒素気流下で約１０分間加熱してリフローした後、ベーク温度を約３５０℃に昇温して１時間ベークすることによって、図３(ｄ)に示す厚さ約０.８μｍの層内レンズ４３を得る。
【００３０】
次に図３(ｅ)に示すように、層内レンズ４３を覆って層内レンズ４３より屈折率の低い第１透明膜４４（例えば、透明フッ素樹脂CTX-807：旭硝子株式会社）を膜厚約１.０μｍで形成し表面を平滑化する。
必要であれば、第１透明膜４４の表面の密着性を上げるため、ＲＦパワー約１５０Ｗ、温度約８０℃、圧力約５０ｍＰａの条件下で酸素プラズマ処理を１分間施す。
続いて、その上にスピンコーターにより第２透明膜４５（例えば、熱硬化性アクリル樹脂  オプトマーSS-1151：ＪＳＲ株式会社）を膜厚約０.５μｍで形成する。この場合も、必要であれば、第２透明膜４５の表面の密着性を上げるため、ＲＦパワー約２００Ｗ、温度約１００℃、圧力約４０ｍＰａの条件下で酸素プラズマ処理を１分間施す。
【００３１】
その後は、グリーン、レッド、ブルーそれぞれの分光特性を有する顔料を分散したネガ型レジストを塗布、フォト、現像というフォトリソ技術により所望のパターンに加工し、カラーフィルタ４６を形成する。
その上に、アクリル樹脂（例えば、前掲のオプトマーSS-1151）を厚さ約０.７μｍで塗布して保護膜４７を形成する。
その後、保護膜４７上にマイクロレンズ４８を公知の技術（例えば、特開平４−１２５６８号公報参照）を用いて形成し、図４に示される層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子を完成させる。
【００３２】
以上のようにして製造された層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子５０は、マイクロレンズ４８および層内レンズ４３の集光効果により感度で約２.５倍の向上が確認された。
なお、以上の実施例は、層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子を例に説明したが、この発明の層内レンズおよびその製造方法は、ＭＯＳ型固体撮像素子等の他の固体撮像素子や、液晶表示素子等についても適用することができる。
また、層内レンズの厚さ、第１および第２の透明膜の厚さ、さらに保護膜、マイクロレンズの厚さとその形成条件を規定して、所望の形状の層内レンズ付き半導体装置を得ることができる。
つまり、この発明の層内レンズ付き半導体装置およびその製造方法は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲でその他さまざまな構成が取り得る。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、従来１層であった透明膜を、第１透明膜と第２透明膜の２層で構成するので、透明膜上にカラーフィルタやマイクロレンズなどの光学部品を設ける場合にはそれら光学部品を均一な膜厚で形成でき、さらに第２透明膜との密着性も改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の層内レンズ付き固体撮像素子の一画素に対応する部分の概略断面図である。
【図２】  従来の層内レンズ付き固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【図３】  この発明の実施例による層内レンズ付き固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【図４】  この発明の実施例による層内レンズ付き固体撮像素子の一画素に対応する部分の概略断面図である。
【符号の説明】
１，３１・・・半導体基板
２，３２・・・受光部
３，３３・・・読み出しゲート部
４，３４・・・ＣＣＤ転送チャネル
５，３５・・・チャネルストッパー部
６，３６・・・絶縁膜
７，３７・・・転送電極
８，３８・・・層間絶縁
９，３９・・・遮光膜
１０・・・第１平坦化膜
１２・・・第２平坦化膜
１８・・・ＣＣＤ固体撮像素子
４０・・・オーバーコート層
４１・・・感光性ポリイミド
４２・・・ポリイミドパターン
１１，４３・・・層内レンズ
４４・・・第１透明膜
４５・・・第２透明膜
１３，４６・・・カラーフィルタ
１４，４７・・・保護膜
１５，４８・・・マイクロレンズ
１６・・・レンズ材料層
１７・・・レジスト
４９・・・入射光線
５０・・・層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子
【図１】
0003789365.tif 000002
【図２】
0003789365.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003789365.tif 000005