JP2012109541A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズと光電変換部との距離を低減しつつマイクロレンズの形状制御を容易にするために有利な技術を提供する。
【解決手段】固体撮像装置の製造方法は、複数の光電変換部が形成された半導体基板の上に配置された配線構造の上に、複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層を形成する工程と、前記カラーフィルタ層の上に感光性のマイクロレンズ材料層を形成する工程と、露光装置の解像限界よりも小さな寸法を有する遮光部の密度に応じた透過光量分布を有するフォトマスクを使用して前記マイクロレンズ材料層を露光することによって前記マイクロレンズ材料層に潜像を形成し、前記マイクロレンズ材料層を現像することによってマイクロレンズを形成する工程とを含み、前記カラーフィルタ層は、表面段差を有し、前記マイクロレンズ材料層は、前記カラーフィルタ層の前記表面段差に応じた表面段差を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。

固体撮像装置には、光電変換部（受光部）への集光効率を高めるために、画素毎に集光用のマイクロレンズが設けられうる。マイクロレンズの形成方法としては、基板上に円柱形状の感光性樹脂パターンをフォトリソグラフィ法により形成し、この感光性樹脂パターンを加熱することにより軟化させ、樹脂表面を球面化してレンズとする方法（以下、リフロー法）が広く知られている。特許文献１には、３種類のカラーフィルタ層の配列の上に表面平坦化および焦点距離合わせのための耐エッチング性材料層を配置し、その上にマイクロレンズを配置した固体撮像装置が開示されている。この耐エッチング性材料層は、平坦化層と呼ばれうる。

固体撮像装置に関しては、チップの小型化と高画素数化に向けた開発が進められており、画素の小画素化が求められている。しかし、小画素化に伴って、マイクロレンズと光電変換部との間の距離が長い場合には、斜入射特性が悪化しうる。したがって、小画素化を進める上では、マイクロレンズと光電変換部との間の距離を短くすることが重要である。しかしながら、特許文献１に開示されたような構造を用いた場合、平坦化層が存在するため、光電変換部とマイクロレンズ間の距離を短くすることが難しい。したがって、上記のように、小画素化を進める上で斜入射特性を確保するためには、平坦化層が存在するような構造は不利である。

一方、マイクロレンズと光電変換部との間の距離を短くするために、平坦化層を省略してカラーフィルタ層の上に該カラーフィルタ層に接するようにリフロー法によりマイクロレンズを形成する場合がある。その場合、マイクロレンズの形成のためにカラーフィルタの上に塗布される感光性樹脂の表面には、カラーフィルタの表面の段差が反映されうる。そのために、露光装置の像面（ベストフォーカス位置）に対する各画素における感光性樹脂の表面の位置がばらつき、該感光性樹脂の露光工程および現像工程を経て形成される円柱状パターンの寸法がばらつきうる。これにより、マイクロレンズの形状にばらつきが生じる。

特開平５−１８３１４０号公報

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、マイクロレンズと光電変換部との距離を低減しつつマイクロレンズの形状制御を容易にするために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明は、固体撮像装置の製造方法に係り、前記固体撮像装置は、複数の光電変換部が形成された半導体基板の上に配置された配線構造の上に、複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層を形成する工程と、前記カラーフィルタ層の上に感光性のマイクロレンズ材料層を形成する工程と、露光装置の解像限界よりも小さな寸法を有する遮光部の密度に応じた透過光量分布を有するフォトマスクを使用して前記マイクロレンズ材料層を露光することによって前記マイクロレンズ材料層に潜像を形成し、前記マイクロレンズ材料層を現像することによってマイクロレンズを形成する工程とを含み、前記カラーフィルタ層は、表面段差を有し、前記マイクロレンズ材料層は、前記カラーフィルタ層の前記表面段差に応じた表面段差を有する。

本発明によれば、例えば、マイクロレンズと光電変換部との距離を低減しつつマイクロレンズの形状制御を容易にするために有利な技術が提供される。

本発明の一実施形態における固体撮像装置またはマイクロレンズの製造方法を示す模式的断面図。 露光装置のデフォーカス量を変化させたときのレンズ間ギャップ変化量を例示する図。 フォトマスクの構成を例示する図。 フォトマスクの構成を例示する図。

図１を参照しながら本発明の実施形態の固体撮像装置またはマイクロレンズの製造方法を説明する。ここで、固体撮像装置は、例えば、ＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサでありうる。以下では、代表的に、固体撮像装置がＭＯＳセンサである場合の例を説明する。図１（ａ）に示す工程では、半導体基板１００に光電変換部（受光部）１０１およびＭＯＳトランジスタを形成し、その上に配線構造ＬＳを形成し、配線構造ＬＳの上に平坦化層１０２を形成する。配線構造ＬＳは、複数の配線層と、それらを絶縁する複数の層間絶縁層を含みうる。また、配線構造ＬＳは、例えば、その上面に、インナーマイクロレンズを含みうる。平坦化層１０２は、可視光領域の波長を有する光の透過率が高い材料で形成されることが好ましく、例えば、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂等の樹脂で形成されうる。平坦化層１０２は、例えば、塗布回転法で形成されうる。

次に、図１（ｂ）に示すように、平坦化層１０２の上にカラーフィルタ層１０３を形成する。カラーフィルタ層１０３は、複数のカラーフィルタ（図１（ｂ）では、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ）の配列によって構成されうる。カラーフィルタ層１０３は、例えば、染料または顔料で着色された感光性樹脂をフォトリソグラフィ法でパターニングすることによって形成されうる。カラーフィルタ層１０３は、表面段差（表面に現れる段差）を有しうる。これは、カラーフィルタ層１０３を構成する複数のカラーのカラーフィルタが個別の工程によって製造されうるからである。即ち、カラーフィルタ層１０３の表面段差は、異なるカラーのカラーフィルタの間における表面の高さの違いによって形成されうる。

次に、図１（ｃ）に示すように、カラーフィルタ層１０３の上に感光性のマイクロレンズ材料層１０４を形成する。マイクロレンズ材料層１０４は、可視光領域の波長を有する光の透過率が高い材料で形成されることが好ましく、例えば、ポジ型のポリスチレン系樹脂等が適しており、塗布回転法で形成されうる。カラーフィルタ層１０３の上に形成されるマイクロレンズ材料層１０４は、カラーフィルタ層１０３の表面段差に応じた表面段差を有しうる。マイクロレンズ材料層１０４の表面段差の大きさは、図１（ｃ）に例示されるように、例えば、最大高さを有する部分の表面と最小高さを有する部分の表面との差ΔＨとして評価されうる。マイクロレンズ材料層１０４の表面段差の大きさは、カラーフィルタ層１０３とマイクロレンズ材料層１０４との間に平坦化層（以下、レンズ下地平坦化層）を配置することによって低減されうる。しかしながら、レンズ下地平坦化層を形成することは、工程数の増加や斜入射特性の悪化をもたらす。よって、工程数の削減の観点からは、レンズ下地平坦化層を設けないことが好ましいし、入射特性の向上の観点からは、レンズ下地平坦化層を設けないか薄くすることが好ましい。レンズ下地平坦化層を設けない場合、マイクロレンズ材料層１０４は、カラーフィルタ層１０３に接触するように形成される。

次に、図１（ｄ）に示す工程では、マイクロレンズ材料層１０４を露光装置によって露光することによって、形成すべきマイクロレンズに対応する潜像をマイクロレンズ材料層１０４に形成する。該フォトマスクは、露光装置の解像限界（ここでは、基板上における最小加工寸法に対して露光装置の投影倍率の逆数を乗じた寸法を意味する。）よりも小さな寸法のドット（遮光部）の密度に応じた透過光量分布を有する。このような透過光量分布の形成方法は、面積階調法と呼ばれうる。面積階調法によるマイクロレンズの形成方法は、例えば、特開２００８−２８７２１２号公報に開示されており、フォトマスクは、特開２００８−２８７２１２号公報の開示に従って製造することができる。マイクロレンズ材料層１０４は、該透過光量分布に従った光強度分布で露光され、それに応じた潜像が形成される。次に、図１（ｅ）に示す工程では、潜像が形成されたマイクロレンズ材料層１０４を現像することによってマイクロレンズ１０５を形成する。ここで、現像の後に必要に応じて熱処理を行うことによってマイクロレンズ１０５の表面を滑らかにしてもよい。

面積階調法を適用することにより、マイクロレンズ材料層１０４の表面段差に起因するマイクロレンズ１０５の製造誤差を小さくすることができる。すなわち、面積階調法を適用することにより、マイクロレンズ材料層１０４の表面段差の大きさに対してマイクロレンズ１０５の製造誤差を鈍感にすることができる。

図２は、露光装置のデフォーカス量を変化させたときのレンズ間ギャップ変化量を例示する図である。ここで、横軸は、露光装置のデフォーカス量であり、縦軸は、レンズ間ギャップ変化量である。デフォーカス量とは、マイクロレンズ材料層１０４の表面と露光装置の投影光学系の像面とのずれ量である。レンズ間ギャップとは、形成されたマイクロレンズアレイにおける隣接するマイクロレンズ間のギャップである。レンズ間ギャップ変化量とは、デフォーカス量が０であるときのレンズ間ギャップからの任意のデフォーカス量におけるレンズ間ギャップに対する変化量である。レンズ間ギャップ量が大きいことは、デフォーカスによるマイクロレンズの寸法誤差が大きいことを意味する。図２には、面積階調法によってマイクロレンズを形成した場合のレンズ間ギャップ変化量と、リフロー法によってマイクロレンズを形成した場合のレンズ間ギャップ変化量とが例示されている。ここでのリフロー法は、解像可能な寸法のパターンを有するフォトマスクを使ってマイクロレンズ材料層を露光し、これを現像することによって断面が矩形状のパターンを形成し、これを熱処理（リフロー）することによって断面を曲面にする方法である。

図２より、リフロー法よりも面積階調法の方が、マイクロレンズ材料層１０４のデフォーカスに起因するレンズ間ギャップ変化量が小さいことが分かる。ここで、マイクロレンズ材料層１０４には、カラーフィルタ層１０３の表面段差に依存した表面段差が形成され、マイクロレンズ材料層１０４の表面段差が大きいことは、デフォーカス量が大きいことを意味する。レンズ間ギャップ変化量が大きいことは、マイクロレンズの製造誤差（例えば、寸法誤差、マイクロレンズ高さ）が大きいことを意味する。したがって、リフロー法よりも面積階調法の方が、マイクロレンズ材料層１０４の表面段差に起因するマイクロレンズ１０５の形状誤差が小さくなることが分かる。これは、面積階調法では、各ドットが解像しないためであると理解される。マイクロレンズ１０５において、最大高さを有するマイクロレンズと最小高さを有するマイクロレンズ間の高低差をΔＨ’とすると、表面段差に起因するマイクロレンズ間の高低差は低減される方向になるため、ΔＨ’＜ΔＨの関係が成り立つ。本発明の限定を意図したものではないが、一例において、０μｍ＜ΔＨ≦０．５μｍの範囲であれば、０μｍ＜ΔＨ’＜０．５μｍの関係が成り立ち、この範囲の高低差であれば、マイクロレンズ１０５は十分な加工精度を保ったまま量産性を確保できると言える。

以上のように、面積階調法を適用した露光方法によれば、カラーフィルタ層とマイクロレンズとの間の平坦化層を省略しても、マイクロレンズの形状（例えば、寸法）を高い精度で制御することができる。カラーフィルタ層とマイクロレンズとの間の平坦化層の省略は、マイクロレンズとカラーフィルタ層との距離を小さくするために有利である。これは、当該マイクロレンズを有する固体撮像装置の斜入射特性の改善に寄与する。面積階調法は、以上の利点のほか、フォトマスクのドット密度によってフォトマスクの透過光量分布（即ち、露光装置によってマイクロレンズ材料層に形成される光強度分布）を自由に決定することができるという利点を有する。

次に、図３および図４を参照しながら、マイクロレンズ１０５のアレイをフォトリソグラフィ法によって製造するために好適なフォトマスク２００について説明する。フォトマスク２００は、２次元状に配置された複数の矩形領域２１０のそれぞれに、マイクロレンズを形成するための遮光部（ドット）と非遮光部とからなるマイクロレンズパターンを有する。矩形領域は、典型的には正方形領域であるが、これに限定されない。各遮光部（ドット）は、フォトリソグラフィ法で使用される露光光の波長（例えば、３６５ｎｍ）では解像しない寸法を有し、典型的には、矩形または円形の形状を有しうる。各矩形領域２１０は、当該矩形領域２１０の境界を規定する４つの辺２２１〜２２４を外縁とする枠領域２３０と、枠領域２３０の内縁２２５を境界とする主領域２４０とを含む。枠領域２３０は、４つの辺２２１〜２２４のうちの１つの辺をそれぞれ輪郭線の一部とする４つの帯状領域２３１〜２３４からなる。例えば、帯状領域２３１は、辺２２１を輪郭線の一部としている。枠領域２３０の外縁である辺２２１〜２２４と内縁２２５との間の幅Ｗは、フォトリソグラフィ法において使用する露光光の波長の１／２以下でありうる。帯状領域２３１〜２３４は、図４に例示されるように長細い台形であってもよいし、長方形であってもよいし、他の形状を有してもよい。

フォトマスクデータは、本発明の好適な実施形態の生成方法に従って典型的にはコンピュータによって生成されうる。フォトマスクデータの生成方法あるいは生成工程は、第１工程と、第２工程とを含む。第１工程では、コンピュータは、各矩形領域２１０の主領域２４０における遮光部および非遮光部の配置を決定する。これは、主領域２４０のフォトマスクデータを生成することに相当する。ここで、第１工程では、主領域２４０のほか、枠領域２３０における遮光部および非遮光部の配置を暫定的に決定してもよい。ただし、枠領域２３０における遮光部および非遮光部の配置は、第２工程において最終的に決定される。第２工程では、コンピュータは、例えば、遮光部密度が０以上１５パーセント以下となり、かつ、４つの帯状領域２３１〜２３４の遮光部密度が互いに同一となるように、枠領域２３０における遮光部および非遮光部の配置を決定しうる。これは、枠領域２３０のフォトマスクデータを生成することに相当する。ここで、遮光部密度（ドット密度）は、（遮光部の面積）／（（遮光部の面積）＋（非遮光部の面積））として定義される。フォトマスクデータは、２値のデータ列を含み、遮光部は"１"、非遮光部は"０"として、又は、遮光部は"０"、非遮光部は"１"として表現されうる。

枠領域２３０の幅Ｗが露光光の波長の１／２を越えると、隣接するマイクロレンズの境界部にスペースが形成され、集光率が低下しうる。そこで、枠領域２３０の幅Ｗは、露光光の波長の１／２以下であることが好ましい。また、枠領域２３０の遮光部密度を０以上１５パーセント以下とすることにより、マイクロレンズ間の境界部（或いは、マイクロレンズの周辺部）における感光性レンズ材料の光反応を促進させることができる。これにより、境界部におけるマイクロレンズの形状を目標形状に近づけることができ、集光率を向上させることができる。更に、枠領域２３０を構成する４つの帯状領域２３１〜２３４の遮光部密度を互いに同一とすることによって、それぞれのマイクロレンズの形状を均一にすることができる。

上記の実施形態において、露光装置の解像限界よりも小さな同一寸法のドットの密度を変化させることによって透過光量分布を制御してもよいし、露光装置の解像限界よりも小さなドットの寸法によって透過光量分布を制御してもよい。

Claims (5)

1. 固体撮像装置の製造方法であって、
   複数の光電変換部が形成された半導体基板の上に配置された配線構造の上に、複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層を形成する工程と、
   前記カラーフィルタ層の上に感光性のマイクロレンズ材料層を形成する工程と、
   露光装置の解像限界よりも小さな寸法を有する遮光部の密度に応じた透過光量分布を有するフォトマスクを使用して前記マイクロレンズ材料層を露光することによって前記マイクロレンズ材料層に潜像を形成し、前記マイクロレンズ材料層を現像することによってマイクロレンズを形成する工程とを含み、
   前記カラーフィルタ層は、表面段差を有し、前記マイクロレンズ材料層は、前記カラーフィルタ層の前記表面段差に応じた表面段差を有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記マイクロレンズの表面段差は、最大高さを有するマイクロレンズと最小高さを有するマイクロレンズとの差ΔＨとして評価したときに、０μｍ＜ΔＨ≦０．５μｍを満たす、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記マイクロレンズ材料層は、前記カラーフィルタ層に接触するように形成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記カラーフィルタ層の表面段差は、異なるカラーのカラーフィルタの間における表面の高さの違いによって形成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記フォトマスクは、２次元状に配置された複数の矩形領域のそれぞれに、前記マイクロレンズを形成するための遮光部と非遮光部とからなるマイクロレンズパターンを有し、各矩形領域は、当該矩形領域の４つの辺を外縁とする枠領域と、前記枠領域の内縁を境界とする主領域とを含み、前記枠領域は、前記４つの辺のうちの１つの辺をそれぞれ輪郭線の一部とする４つの帯状領域からなり、前記枠領域の前記外縁と前記内縁との間の幅は、露光光の波長の１／２以下であり、
   （遮光部の面積）／（（遮光部の面積）＋（非遮光部の面積））として定義される遮光部密度が０以上１５パーセント以下となり、かつ、４つの前記帯状領域の前記遮光部密度が互いに同一となるように、前記枠領域における遮光部および非遮光部の配置が決定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。