JP2008283115A

JP2008283115A - Manufacturing method for solid-state image pickup device

Info

Publication number: JP2008283115A
Application number: JP2007127941A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Ishikawa; 充石川
Original assignee: Toshiba Corp; Iwate Toshiba Electronics Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Semiconductor Corp
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2008-11-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a solid-state image pickup device that achieves thinning of a film thickness while maintaining flatness of the film thickness of a photoelectric conversion part. <P>SOLUTION: The manufacturing method for a solid-state image pickup device is composed of a step for one-dimensionally or two-dimensionally arraying and forming photoelectric conversion elements on a semiconductor substrate, a step for forming each color filter on the photoelectric conversion elements formed by the above step, a step for coating a microlens forming layer on the color filters, a step for exposing the microlens forming layer by using a gray scale mask, a step for developing the microlens forming layer exposed by using the gray scale mask, and a step for subjecting the developed microlens forming layer to heat treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像装置上に形成される光電変換部の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion unit formed on a solid-state imaging device.

一般に、固体撮像装置に形成される光電変換素子上には、光電変換効率を向上させるために、マイクロレンズを形成し、このマイクロレンズを介して外部から得られる光を、光電変換素子上の光電変換に寄与する領域に集光する手法が用いられている。 In general, in order to improve photoelectric conversion efficiency, a microlens is formed on a photoelectric conversion element formed in a solid-state imaging device, and light obtained from the outside through the microlens is converted into a photoelectric conversion element on the photoelectric conversion element. A method of condensing light in a region that contributes to conversion is used.

また、固体撮像装置による出力画像のカラー化は、固体撮像装置に形成される光電変換素子と、マイクロレンズの間に、特定の色（特定の波長）のみを透過させるカラーフィルタ層を設けることで実現されている。 Also, colorization of the output image by the solid-state imaging device is achieved by providing a color filter layer that transmits only a specific color (specific wavelength) between the photoelectric conversion element formed in the solid-state imaging device and the microlens. It has been realized.

以上のような固体撮像装置において、カラーフィルタの分光特性には波長依存性があるため、各色の分光特性を均一にするためには、各色のカラーフィルタを適切な膜厚に積層した後に、各カラーフィルタに光が集光するようにマイクロレンズを設ける必要がある。しかし、カラーフィルタの膜厚が不均一なため、マイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚が不均一になってしまう。そこで、各カラーフィルタ上にマイクロレンズを形成する場合、各カラーフィルタ上に透明樹脂からなる平坦化層を塗布することで平坦化し、この平坦化層の上にマイクロレンズを形成することで、マイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚を均一化していた。 In the solid-state imaging device as described above, since the spectral characteristics of the color filters are wavelength-dependent, in order to make the spectral characteristics of each color uniform, It is necessary to provide a microlens so that light is condensed on the color filter. However, since the film thickness of the color filter is non-uniform, the film thickness from the upper surface of the micro lens to the lower surface of the color filter becomes non-uniform. Therefore, when forming a microlens on each color filter, it is flattened by applying a flattening layer made of a transparent resin on each color filter, and a microlens is formed on the flattening layer to form a microlens. The film thickness from the upper surface of the lens to the lower surface of the color filter was made uniform.

しかし、近年の高画素化に対する要求に伴い、画素サイズの小型化と高感度化を行うためには、光電変換素子上に形成されるマイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚を薄くする必要があるが、カラーフィルタの波長依存性のため、カラーフィルタ上に平坦化層を設けることで全体の膜厚を均一化しなければならず、膜厚を薄くできないという問題があった。 However, due to the recent demand for higher pixels, it is necessary to reduce the film thickness from the upper surface of the microlens formed on the photoelectric conversion element to the lower surface of the color filter in order to reduce the pixel size and increase the sensitivity. However, due to the wavelength dependence of the color filter, there is a problem that the entire film thickness must be made uniform by providing a flattening layer on the color filter, and the film thickness cannot be reduced.

また、カラーフィルタ層上に直接マイクロレンズを形成する固体撮像装置の製造工程も知られている。 A manufacturing process of a solid-state imaging device in which microlenses are directly formed on a color filter layer is also known.

すなわち、カラーフィルタ上に、熱硬化タイプのフェノール樹脂からなる透明樹脂層を形成し、この透明樹脂層上に、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもつアクリル樹脂であるレンズ材料を塗布する。そして、塗布されたアクリル樹脂であるレンズ材に対して露光・現像・熱処理を行うことで、マイクロレンズ母型を形成する。最後に、この母型をマスクとしてドライエッチングを行うことで、前記透明樹脂層にマイクロレンズを転写するものである(特許文献１)。 That is, a transparent resin layer made of a thermosetting phenol resin is formed on the color filter, and a lens material, which is an acrylic resin having alkali solubility, photosensitivity, and heat flow properties, is applied on the transparent resin layer. Then, the microlens matrix is formed by performing exposure, development, and heat treatment on the lens material that is the applied acrylic resin. Finally, by performing dry etching using this matrix as a mask, the microlens is transferred to the transparent resin layer (Patent Document 1).

この工程によって生成された光電変換部は、カラーフィルタ層上に直接マイクロレンズが形成された構造であるが、その目的は、マイクロレンズの厚さを薄くすることにある。さらにその製造方法は、マイクロレンズが形成される透明樹脂層上に、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもち、かつ、前記透明樹脂層よりもエッチングレートの高いアクリル樹脂を塗布し、このアクリル樹脂層にマイクロレンズ母型を形成しなければならないため、製造工程が複雑化するという問題があった。また、マイクロレンズが形成される層とは異なる材料を、マイクロレンズ母型として用いなければならないため、製造コストが増すという問題もあった。
特開２００６−１００６５５号公報 The photoelectric conversion unit generated by this process has a structure in which a microlens is formed directly on the color filter layer, and its purpose is to reduce the thickness of the microlens. Further, the manufacturing method is such that an acrylic resin having alkali solubility, photosensitivity, and heat flow property and having an etching rate higher than that of the transparent resin layer is applied on the transparent resin layer on which the microlens is formed. Since the microlens matrix must be formed on the resin layer, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated. In addition, since a material different from the layer on which the microlens is formed must be used as the microlens matrix, there is a problem that the manufacturing cost increases.
JP 2006-100635 A1

本発明の課題は、固体撮像装置に形成される光電変換部の膜厚の平坦性を維持でき、この固体撮像装置に形成される光電変換部の薄膜化を実現できる製造工程を提供することにある。 The subject of this invention is providing the manufacturing process which can maintain the flatness of the film thickness of the photoelectric conversion part formed in a solid-state imaging device, and can implement | achieve thinning of the photoelectric conversion part formed in this solid-state imaging device. is there.

本発明による固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、光電変換素子を１次元もしくは２次元配列形成する工程と、この工程により形成された光電変換素子上にカラーフィルタを形成する工程と、このカラーフィルタ上にマイクロレンズ形成層を塗布する工程と、このマイクロレンズ形成層を、グレースケールマスクを用いて露光する工程と、このグレースケールマスクを用いて露光されたマイクロレンズ形成層を現像する工程と、この現像されたマイクロレンズ形成層を熱処理する工程を備えることを特徴とするものである。 A method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a one-dimensional or two-dimensional array of photoelectric conversion elements on a semiconductor substrate, a step of forming a color filter on the photoelectric conversion elements formed by this step, A step of applying a microlens forming layer on the color filter, a step of exposing the microlens forming layer using a gray scale mask, and developing the microlens forming layer exposed using the gray scale mask And a step of heat-treating the developed microlens forming layer.

以上に述べたように本発明によれば、固体撮像装置に形成される光電変換部の膜厚の平坦性を悪化させることなく、膜厚の薄膜化が実現できる。 As described above, according to the present invention, the film thickness can be reduced without deteriorating the flatness of the film thickness of the photoelectric conversion unit formed in the solid-state imaging device.

以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態を図１〜図６を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the solid-state imaging device of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

図１は、本実施形態による固体撮像装置の光電変換部を示す上面図である。また、図２は、図１に示す光電変換部の断面図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 FIG. 1 is a top view illustrating the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion unit shown in FIG. 1, FIG. 2 (a) is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. 2 (b) is shown in FIG. It is sectional drawing along broken line BB '.

図１および図２に示すように、半導体基板１１上には、２次元配列された複数の光電変換素子１２が形成される。これらの光電変換素子１２が配列形成された半導体基板１１上には、平坦化層１３が積層される。この平坦化層１３上には、緑色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１４、青色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１５、赤色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１６の波長の光のみが透過されるカラーフィルタがそれぞれ形成される。これにより、この光電変換部をもつ固体撮像装置の出力画像のカラー化が実現される。これらのカラーフィルタ１４、１５、１６それぞれの上面には、半球状のポリヒドロキシスチレン系樹脂からなるマイクロレンズ１７が形成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of photoelectric conversion elements 12 arranged two-dimensionally are formed on a semiconductor substrate 11. A planarization layer 13 is stacked on the semiconductor substrate 11 on which these photoelectric conversion elements 12 are arranged. On the flattening layer 13, only light having the wavelengths of the optical filter 14 having a green transmission wavelength band, the optical filter 15 having a blue transmission wavelength band, and the optical filter 16 having a red transmission wavelength band is transmitted. Each color filter is formed. Thereby, colorization of the output image of a solid-state imaging device having this photoelectric conversion unit is realized. A microlens 17 made of a hemispherical polyhydroxystyrene resin is formed on the upper surface of each of the color filters 14, 15, 16.

本実施形態において、カラーフィルタ１４、１５、１６、及び平坦化層１３の樹脂材料は、光の波長５５０ｎｍの屈折率が１．４９〜１．５１の範囲の、ほぼ同じ屈折率をもつアクリル樹脂を用いた。なお、カラーフィルタ１４、１５、１６は、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定は比較的難しいが、赤色光波長の７００ｎｍでの屈折率は１．７０であった(赤色波長は、５５０ｎｍの緑色波長の光の吸収が大きいため、５５０ｎｍでの正確な屈折率測定は困難)。 In this embodiment, the resin materials of the color filters 14, 15, 16 and the planarizing layer 13 are acrylic resins having substantially the same refractive index in which the refractive index at a light wavelength of 550 nm is in the range of 1.49 to 1.51. Was used. The color filters 14, 15 and 16 are relatively difficult to accurately measure the refractive index because of the color materials contained therein, but the refractive index at 700 nm of the red light wavelength is 1.70 (red wavelength Is difficult to accurately measure the refractive index at 550 nm because of the large absorption of light having a green wavelength of 550 nm).

マイクロレンズ中央部の厚さは、約１．２μｍに設定した。カラーフィルタ１４、１５、１６の厚みは、それぞれ異なる厚さであり、０．６〜０．８μｍの範囲において、赤、青、緑の順に膜厚が薄くなるように設定した。本実施形態におけるレンズ下距離は、約１．３μｍとなる。なお、カラーフィルタ１４、１５、１６は、それぞれ顔料を色材とする富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ（株）製の感光性着色レジストを用いた。 The thickness of the central part of the microlens was set to about 1.2 μm. The thicknesses of the color filters 14, 15, and 16 are different from each other, and are set so that the film thickness decreases in the order of red, blue, and green in the range of 0.6 to 0.8 μm. The under-lens distance in this embodiment is about 1.3 μm. In addition, the color filters 14, 15, and 16 used the photosensitive coloring resist by the Fuji Film Electronics Materials Co., Ltd. which uses a pigment as a color material, respectively.

つぎに、本実施形態である図１および図２に示す固体撮像装置の製造工程を、図３〜図６を用いて説明する。なお、各図において、（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 Next, the manufacturing process of the solid-state imaging device shown in FIGS. 1 and 2 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In each figure, (a) is a cross-sectional view taken along the broken line A-A 'shown in FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along the broken line B-B' shown in FIG.

まず図３（ａ）および同図（ｂ）に示すように、光電変換素子１２や遮光膜および保護膜１８を形成した半導体基板１１上に、平坦化層１３を熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートで形成し、さらに緑、青、赤のそれぞれの感光性着色レジストを用い、３回のフォトリソグラフィでカラーフィルタ１４、１５、１６を形成した。緑、青、赤のそれぞれの感光性着色レジストは、スピンコートの手法で塗布し、露光はステッパ露光機を用いた。また、分光特性より緑、青、赤の膜厚は、各色材毎により異なり０．６〜０．８μｍの厚みとなり、カラーフィルタ層の表面は凹凸形状となる。 First, as shown in FIGS. 3A and 3B, a planarizing layer 13 is applied to a thermosetting acrylic resin coating solution on a semiconductor substrate 11 on which a photoelectric conversion element 12, a light shielding film and a protective film 18 are formed. The color filters 14, 15, and 16 were formed by photolithography three times using the photosensitive coloring resists of green, blue, and red. Each of the photosensitive coloring resists of green, blue, and red was applied by a spin coating method, and a stepper exposure machine was used for exposure. In addition, the film thicknesses of green, blue, and red vary depending on each color material due to spectral characteristics, and the thickness is 0.6 to 0.8 μm, and the surface of the color filter layer is uneven.

次に、図４（ａ）および同図（ｂ）に示すように、カラーフィルタ１４、１５、１６の上に東京応化工業（株）製の感光性ポリヒドロキシスチレン系樹脂を０．８〜１．５μｍスピンコートで塗布し、マイクロレンズ形成層１９を形成した。 Next, as shown in FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), a photosensitive polyhydroxystyrene resin manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. is applied on the color filters 14, 15 and 16 to 0.8 to 1. The microlens forming layer 19 was formed by coating by 0.5 μm spin coating.

次に、図５（ａ）および同図（ｂ）に示すように、マイクロレンズ形成層１９を、グレースケールマスク２０を介して露光、現像し、半球状のマイクロレンズ１７を形成後、１３０〜２２０℃の熱処理によりマイクロレンズ１７を硬化させる。 Next, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the microlens forming layer 19 is exposed and developed through a gray scale mask 20 to form a hemispherical microlens 17, and then 130 to The microlens 17 is cured by heat treatment at 220 ° C.

図６は、図５の工程で用いたグレースケールマスク２０を用いた露光方法を示している。これは、マイクロレンズ１７中心部から周辺部にかけて、順にマスク開口面積が大きくなるようなグレースケールマスク２０を介して行う露光方法である。このグレースケールマスク２０を介して露光を行うことによって、マイクロレンズ１７の中心部から、マイクロレンズ１７の周辺部へ向かうほど、光量が多くなる。このため、グレースケールマスク２０を用いて露光が行われたマイクロレンズ形成層２１を現像すると、マイクロレンズ１７が形成されることになる。この露光方法を用いて形成されたマイクロレンズの平面形状は、従来用いられていた熱フロー法を用いて形成されたマイクロレンズの平面形状と比較して、より円形に近い形状が得られるため、集光率が向上する。 FIG. 6 shows an exposure method using the gray scale mask 20 used in the step of FIG. This is an exposure method performed through the gray scale mask 20 in which the mask opening area increases in order from the center to the periphery of the microlens 17. By performing exposure through the gray scale mask 20, the amount of light increases from the center of the microlens 17 toward the periphery of the microlens 17. For this reason, when the microlens formation layer 21 exposed using the gray scale mask 20 is developed, the microlens 17 is formed. Since the planar shape of the microlens formed using this exposure method is closer to a circular shape compared to the planar shape of the microlens formed using the conventionally used heat flow method, Condensation rate is improved.

以上の工程によって、図２（ａ）および同図（ｂ）に示すような固体撮像装置の光電変換部を得ることができる。 Through the above steps, a photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device as shown in FIGS. 2A and 2B can be obtained.

なお、本実施形態による固体撮像装置の製造方法は、光電変換素子を半導体基板上に１次元配列形成された場合についても、同様に適用できる。さらに、本実施形態においては、緑色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１４と、青色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１５と、赤色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１６の３種類のカラーフィルタを、ベイヤー配列により配置したが、カラーフィルタの透過波長、用いるカラーフィルタの種類、および、カラーフィルタの配置が他の場合においても、同様に適用できる。 Note that the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment can be similarly applied to a case where photoelectric conversion elements are formed in a one-dimensional array on a semiconductor substrate. Furthermore, in the present embodiment, three types of color filters, an optical filter 14 having a green transmission wavelength band, an optical filter 15 having a blue transmission wavelength band, and an optical filter 16 having a red transmission wavelength band, Although the arrangement is based on the Bayer arrangement, the present invention can be similarly applied even when the transmission wavelength of the color filter, the type of the color filter to be used, and the arrangement of the color filter are other.

本実施形態による固体撮像装置の光電気変換部を示す上面図である。It is a top view which shows the photoelectric conversion part of the solid-state imaging device by this embodiment. 図１に示す光電変換部の断面図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。2 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion unit shown in FIG. 1, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。FIG. 2 is a process diagram for explaining a manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. 1, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a broken line BB ′ shown in FIG. 図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。FIG. 2 is a process diagram for explaining a manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. 1, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a broken line BB ′ shown in FIG. 図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。FIG. 2 is a process diagram for explaining a manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. 1, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a broken line BB ′ shown in FIG. グレースケールマスクを用いた露光方法を示す図である。It is a figure which shows the exposure method using a gray scale mask.

符号の説明Explanation of symbols

１１：半導体基板、１２：光電変換素子、１３：平坦化層、１４：緑色波長成分のみを透過させるフィルタ、１５：青色波長成分のみを透過させるフィルタ、１６：赤色波長成分のみを透過させるフィルタ、１７：マイクロレンズ、１８：遮光膜および保護膜、１９：マイクロレンズ形成層、２０：グレースケールマスク、２１：グレースケールマスクを用いて露光が行われたマイクロレンズ形成層 11: Semiconductor substrate, 12: Photoelectric conversion element, 13: Flattening layer, 14: Filter that transmits only the green wavelength component, 15: Filter that transmits only the blue wavelength component, 16: Filter that transmits only the red wavelength component, 17: microlens, 18: light-shielding film and protective film, 19: microlens formation layer, 20: grayscale mask, 21: microlens formation layer exposed using a grayscale mask

Claims

半導体基板上に、光電変換素子を１次元もしくは２次元配列形成する工程と、この工程により形成された光電変換素子上にカラーフィルタを形成する工程と、このカラーフィルタ上にマイクロレンズ形成層を塗布する工程と、このマイクロレンズ形成層を、グレースケールマスクを用いて露光する工程と、このグレースケールマスクを用いて露光されたマイクロレンズ形成層を現像する工程と、この現像されたマイクロレンズ形成層を熱処理する工程を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 A step of forming a one-dimensional or two-dimensional array of photoelectric conversion elements on a semiconductor substrate, a step of forming a color filter on the photoelectric conversion elements formed by this step, and a microlens formation layer applied on the color filter A step of exposing the microlens forming layer using a grayscale mask, a step of developing the microlens forming layer exposed using the grayscale mask, and the developed microlens forming layer. The manufacturing method of the solid-state imaging device characterized by including the process of heat-processing.

前記マイクロレンズ形成層としてポリヒドロスチレン系樹脂を用いる請求項１に記載された固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 1, wherein a polyhydrostyrene resin is used as the microlens forming layer.

前記光電変換素子上に配置される前記カラーフィルタは、異なる透過波長帯域を持つ複数の光フィルタであり、これらの光フィルタのうち、少なくとも１つの膜厚が他の膜厚と異なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載された固体撮像装置の製造方法。 The color filter disposed on the photoelectric conversion element is a plurality of optical filters having different transmission wavelength bands, and among these optical filters, at least one film thickness is formed to be different from other film thicknesses. The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 1.