JP2596523B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
固体撮像素子及びその製造方法Info
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Description
製造方法に関し、特に、固体撮像素子のマイクロレンズ
構造及びその形成方法に関するものである。
うに構成されている。光信号を受けて電気的な信号に変
換させるフォトダイオードが上下左右に一定の間隔をお
いて複数個のマトリクス状に配列され、たて方向のフォ
トダイオードの列間にフォトダイオードから生成された
電荷を垂直方向に伝送するためのVCCD領域(VCC
D)が形成され、このVCCD領域から伝送されてきた
電荷を水平方向に伝送するためのHCCD領域(HCC
D)が各VCCD領域の出力側に形成され、HCCD領
域の電荷量を検出するためのセンスアンプ(SA)がH
CCD領域の出力側に形成された構造として構成され
る。
の通りである。即ち、入射光によってフォトダイオード
から生成された電荷は、VCCD領域にトランジスタの
ゲートバイアス(15V)がかかる順番に伝送される。
〜0VのVCCDクロック信号により、HCCD領域側
に伝送され、HCCD領域に伝送されてきた電荷は0V
〜5Vのクロック信号により、出力側に伝送され、出力
側で電圧信号に変換されてセンスアンプを通じて出力さ
れる。
る。従来の固体撮像素子はフォトダイオード領域1と電
荷伝送及びポリゲート領域が形成された基板上の電荷伝
送及びポリゲート領域の上側に遮光用金属膜11とを形
成し、パッド部位に金属膜を形成した後、これをパター
ニングしてパッド用金属膜2を形成し、次に、全面に窒
化膜等の絶縁膜3を蒸着してからパッド部分の絶縁膜3
を選択的に除去した後、基板全面に平坦層4を形成し、
平坦層4上にカラーフィルタ層5,6,7を形成した
後、再び平坦化用トップコティング層8を形成し、トッ
プコティング層8の上にフォトダイオード領域1に対応
するように、複数のマイクロレンズ9を形成した後、パ
ッド部分のトップコティング層8と平坦層4とを選択的
に除去してパッド部分を開口することにより、製造され
る。
れる光は、トップコティング層8、カラーフィルタ層
5,6,7、平坦層4を介してフォトダイオード領域1
に照射される。この光はフォトダイオード領域1で映像
信号に変換された後、VCCD領域とHCCD領域とを
介してセンスアンプにより映像信号に再現されることに
なる。
度を向上させるために、カラーフィルタ層の上部にレン
ズアレイを形成し、入射される光を集光するようにした
構造としていたが、従来のレンズアレイは屈折率が1.
6である透明なフォトレジストをパターニングした後、
これを熱処理により溶融させてレンズ形状としていた。
このようなレンズアレイにおいて、レンズとレンズとの
間の領域に入射される光は集光されないので、レンズと
レンズとの間隔は出来るだけ小さくするのが望ましく、
通常、レンズとレンズの間隔は、垂直、水平方向が全て
同一の寸法(一般的に、レジストの解像限界寸法)に設
計される。この時、単位画素(フォトダイオード)の垂
直方向寸法と水平方向寸法とが異なると、レンズ下面の
形状は正方形にならなく、長方形になる(図3a,3b
参照)。従って、レンズの水平、垂直断面において、そ
の曲率が異なるので、焦点距離が異なってしまう。この
ような効果による固体撮像素子の感度劣化は、無視出来
ないものとなる。
のレンズを採用した固体撮像素子が提案された。
ォトダイオード21の垂直方向寸法が水平方向寸法より
も大きい場合において、図3aは、フォトダイオードの
水平方向の列全体を覆うような細長いかまぼこ状又は断
面が部分円状のストライプマイクロレンズ(strip
e microlens)を形成するとともに、そのス
トライプマイクロレンズの上の個々のフォトダイオード
の位置に相当する箇所に個々のレンズ、すなわちモザイ
クマイクロレンズ(mosaic microlen
s)を形成した場合の平面構造を示すものであり、図3
bは、フォトダイオード21の垂直方向の列に対してス
トライプマイクロレンズを形成した場合の平面構造を示
すものである。図3cは図3bのA−A′線による断面
構造を示すものであって、フォトダイオード21の垂直
方向の列にストライプマイクロレンズ32を形成した
後、ストライプマイクロレンズ32上にモザイクマイク
ロレンズ33を形成してレンズを2層に構成した状態を
示す。図3において、35はフォーカシングポイントを
示す。
イを採用した固体撮像素子の製造方法を説明すると、次
の通りである。
ード21及びVCCD22からなる黒白固体撮像素子2
5を形成した後、この上にパッシベーション層として窒
化膜26を形成する。図4において23はパッド部位を
示す。
26の上に平坦層27を形成し、この平坦層27の上に
第1染色層28を形成した後、この染色層を第1色に染
色、固着した後、続けて、第2染色層29を形成し、こ
の第2染色層を第2色に染色、固着させた後、第3染色
層30を形成した後、この第3染色層を第3色に染色し
た後に固着させてカラーフィルタ層28,29,30を
形成する。次に、基板の全面にトップコティング層31
を形成する。
ティング層31の上にストライプマイクロレンズ層の形
成のためのフォトレジストを塗布した後、露光及び現像
を施し、リフローさせてストライプマイクロレンズ層3
2を形成する。図4cにおいて、ストライプマイクロレ
ンズ層32は、丸い形態のレンズ断面(X)を示すため
に、部分的に断面図にして斜視図で示した。
イプマイクロレンズ層32の上にモザイクマイクロレン
ズ層の形成のためのフォトレジストを塗布した後、露光
及び現像を施し、リフローして上記それぞれのフォトダ
イオードに対応するように、図3a及び図3bに示され
た形態の楕円形のモザイクマイクロレンズ層33を形成
する。
面にフォトレジスト34を塗布した後、これを選択的に
露光及び現像してパッド部位を開口させるフォトレジス
トパターン34を形成した後、上記フォトレジストパタ
ーン34をマスクとして上記トップコティング31及び
平坦層27をエッチングして上記パッド部位23を露出
させる。
ことにより、図4fに示すように、2層構造のマイクロ
レンズ層を備えたカラー固体撮像素子を完成する。
た従来の2層構造のマイクロレンズを採用した固体撮像
素子の製造においては、図3cに示すように、凸のレン
ズ状を有するストライプマイクロレンズ32の丸い形状
の上部にモザイクマイクロレンズ33を直接形成するた
め、丸い表面上におけるパターニング及びリフロー工程
が容易ではない。
ングポイント距離も短くなければならなく、これによ
り、マイクロレンズの曲率も短くなることが要求され
る。しかし、上記従来技術におけるマイクロレンズの形
成のためのフォトレジストのリフロー工程だけでは、ス
トライプマイクロレンズの高さの縮小及び曲率の減少を
同時に達成することが出来ないので、次世代固体撮像素
子の製造には適用するのが困難であった。
対応することが出来るように、曲率縮小が容易で、製造
が容易な固体撮像素子のマイクロレンズ構造及びこの形
成方法を提供することにある。
の本発明の固体撮像素子は、基板と、前記基板上に形成
されたマトリクス状に配列された複数のフォトダイオー
ドからなるフォトダイオード領域と、前記フォトダイオ
ード領域を含む基板全面に形成された平坦層と、前記平
坦層上の所定の領域に形成されたカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層を含む基板全面に形成されたトッ
プコティング層と、前記トップコティング層の上部に形
成され、前記フォトダイオード領域の一方向に配列され
たフォトダイオードの列に対応するように配列された平
坦な上面を有するストライプマイクロレンズと、前記フ
ォトダイオード領域のそれぞれのフォトダイオードに対
応するように、前記ストライプマイクロレンズの平坦な
上面に形成されたモザイクマイクロレンズとを含むこと
を特徴とする。
像素子の製造方法は、フォトダイオード、垂直固体撮像
素子と水平固体撮像素子及び金属パッド部が形成された
基板上にパッシベーション層を形成するステップと、前
記パッシベーション層上に平坦層を形成するステップ
と、前記パッシベーション層上にカラーフィルタ層を形
成するステップと、前記カラーフィルタ層を含む基板全
面にトップコティング層を形成するステップと、前記ト
ップコティング層上部に第1フォトレジストを塗布する
ステップと、前記第1フォトレジストを選択的に露光及
び現像して前記フォトダイオード領域の上部にストライ
プマイクロレンズパターンを形成するステップと、前記
第1フォトレジストパターンが形成された基板の全面に
フォトレジストを塗布するステップと、前記フォトレジ
ストを選択的に露光及び現像して所定のパターンを形成
するステップと、前記フォトレジストパターンをマスク
として前記トップコティング層及び平坦層を選択的にエ
ッチングして、前記金属パッド部を露出させると共に、
前記第1フォトレジストパターンの上部を一定厚さにエ
ッチングしてストライプマイクロレンズ層を形成するス
テップと、前記フォトレジストパターンの残り部分を除
去するステップと、前記ストライプマイクロレンズ層上
に第2フォトレジストを塗布するステップと、前記第2
フォトレジストを選択的に露光及び現像して前記ストラ
イプマイクロレンズ層の平坦な上面にモザイクマイクロ
レンズパターンを形成するステップと、前記第2フォト
レジストパターンを熱処理によりリフローしてモザイク
マイクロパターン層を形成するステップとを含むことを
特徴とする。
細に説明する。
クロレンズ構造を示すものである。
ード21の垂直方向の寸法が水平方向の寸法よりも大き
い場合において、フォトダイオード領域21上に水平方
向にストライプマイクロレンズを構成してモザイクレン
ズをその上に形成した場合の平面構造を示すものであ
り、図5bは、フォトダイオード21の垂直方向の寸法
が水平方向の寸法よりも大きい場合において、垂直方向
にストライプマイクロレンズを形成して、モザイクレン
ズをその上に形成した場合の平面構造を示すものであ
り、図5cは、図5bのA−A′線による断面構造を示
すものである。
ズは、フォトダイオード領域上に水平方向または垂直方
向に表面部位37を平坦に形成した細長いストライプマ
イクロレンズ32Aと、このストライプマイクロレンズ
32A上にフォトダイオードのそれぞれに対応するよう
に形成されたモザイクマイクロレンズ33とからなる2
層構造である。図5において、35はフォーカシングポ
イントを示す。
のマイクロレンズは、上部が平坦な形状を有するストラ
イプマイクロレンズ32Aと上記ストライプマイクロレ
ンズ32Aの平坦な上部面37に形成された楕円形のモ
ザイクマイクロレンズ33とからなる。ストライプマイ
クロレンズの平坦な面上にモザイクマイクロレンズが形
成されるので、従来の凸のレンズ形態のストライプマイ
クロレンズ上にモザイクマイクロレンズを形成する場合
よりその製造が容易になる。
像素子の製造方法を説明する。
ード21及びVCCD22等からなる黒白固体撮像素子
25を形成した後、この上にパッシベーション層として
窒化膜26を形成する。図6において23はパッド部位
を示す。
26上に平坦層27を形成し、この平坦層27上に第1
染色層28を形成した後、この第1染色層を第1色に染
色、固着させた後、第2染色層29を形成し、この第2
染色層を第2色に染色、固着した後、第2染色層29を
形成し、この第2染色層を第2色に染色、固着させ、次
に、第3染色層30を形成した後、この第3染色層を第
3色に染色した後に固着させてカラーフィルタ層28,
29,30を形成する。続いて、基板の全面にトップコ
ティング層31を形成する。
ティング層31の上にストライプマイクロレンズ層の形
成のためのフォトレジストを塗布した後、露光及び現像
し、リフローしてストライプマイクロレンズ層32を一
次的に形成する。
全面に透明なフォトレジスト34を塗布した後、上記フ
ォトレジスト34を選択的に露光及び現像してパッド部
位23を開口させた後、その開口を有するフォトレジス
トパターン34をマスクとして上記パッド部位23上の
トップコティング層31及び平坦層27を選択的にエッ
チングして上記パッド部位23を露出させる。この時、
上記トップコティング層31及び平坦層27のエッチン
グ工程時に、上記ストライプマイクロレンズ層32の上
部が一定の厚さだけエッチングされるように、エッチン
グ時間を少し増やして(約20秒〜30秒程度)、オー
バーエッチング36を施して上部が平坦な模様を有する
ストライプマイクロレンズ32Aを形成する。ここで、
ストライプマイクロレンズ32Aの部位は、平坦な上部
面を有するレンズ断面Yを示すために、部分的な断面斜
視図で示した。
るフォトレジスト34を除去した後、上記表面部位が平
坦なストライプマイクロレンズ層32Aにモザイクマイ
クロレンズ層の形成のための透明なフォトレジストを塗
布した後、露光及び現像し、リフローしてモザイクマイ
クロレンズ33を形成することにより、2層構造のマイ
クロレンズ層を有するカラー固体撮像素子を完成する。
クロレンズの上部をエッチング工程により平坦化させた
後、この上にモザイクマイクロレンズを形成するので、
モザイクマイクロレンズの形成が容易になる。また、上
記ストライプマイクロレンズの上部面のエッチング工程
は、上記したようにパッド部位23を露出させるための
エッチング工程時に共に進行されるので、別の工程を追
加することなく、容易に行うことが出来る。
ることにおいて、固体撮像素子の小型化傾向の伴い下部
のストライプマイクロレンズの高さは、低く(1μm)
しなければならない。このように、ストライプマイクロ
レンズの高さを低く形成すると、マイクロレンズの曲率
が大きくなる。フォトダイオード領域に光を集光させる
マイクロレンズの役割を十分に果たすためには、下部の
ストライプマイクロレンズと、その上部のモザイクマイ
クロレンズとの曲率がある程度一致していなければなら
ない。従って、モザイクマイクロレンズのレンズ面に連
続するストライプマイクロレンズの側面部位の曲率をス
トライプマイクロレンズの上部に形成された相対的に小
曲率を有するモザイクマイクロレンズの曲率に一致させ
るためには、ストライプマイクロレンズもある程度以下
の曲率を有しなければならないので、ストライプマイク
ロレンズの高さを低くすることに限界があることにな
る。
クロレンズを形成する際には透明なフォトレジストをリ
フローしてストライプマイクロレンズ層を形成させた後
にそのストライプマイクロレンズの上側部分をエッチン
グすることで所望の曲率を有する高さに形成することが
できる。従って、モザイクマイクロレンズの曲率に一致
させることが出来る程度の曲率を有しつつ、厚さの薄い
ストライプマイクロレンズを容易な工程により製造する
ことが出来る。
本発明による2層構造のマイクロレンズを比較して示
す。図7aは、従来のマイクロレンズの構造を示すもの
であり、図7bは、本発明のマイクロレンズの構造を示
すものである。従来のモザイクマイクロレンズM2と本
発明のモザイクマイクロレンズM2とが同じ曲率を有
し、従来のストライプマイクロレンズM1と本発明のス
トライプマイクロレンズM1との厚さ(t)が同一であ
るとすると、モザイクマイクロレンズM2の曲率と一致
させることが出来る程度の曲率を有するように、ストラ
イプマイクロレンズを形成する場合、図7に示すよう
に、従来のストライプマイクロレンズの曲率が本発明の
ストライプマイクロレンズの曲率よりも大きくなる。従
って、本発明のマイクロレンズのフォーカシングポイン
ト(b)が従来のマイクロレンズのフォーカシングポイ
ント(a)よりも短くなることがわかる。このように、
本発明によれば、マイクロレンズの曲率縮小が容易にな
るので、固体撮像素子の小型化に寄与することが出来
る。
プマイクロレンズ層とモザイクマイクロレンズ層とを全
て形成した後に、フォトレジストを利用したフォトリゾ
グラフィエッチング工程により、パッド部を開口させる
ため、マイクロレンズ層がエッチングされることを防止
するためには、フォトレジストを少なくとも5〜6μm
程度の厚さに厚く塗布しなければならないので、露光工
程時に工程条件を設定するのが難しい。しかし、本発明
によれば、ストライプマイクロレンズ層を形成した後
に、フォトレジストを利用したパッド開口工程を行い、
さらに、パッド開口工程時にストライプマイクロレンズ
層の上部がオーバーエッチングされるのが許容されるの
で、平坦層とのエッチング選択費を考慮してもパッド開
口工程時に必要なフォトレジストの厚さは、3.5〜4
μm程度になるので、露光工程が容易になる。
固体撮像素子のマイクロレンズを容易な工程により製造
することが出来、さらに、マイクロレンズの曲率と高さ
の調節を容易に行うことができるので、固体撮像素子の
感度を向上させることが出来ると共に、固体撮像素子の
小型化に寄与することが出来ることになる。
ある。
体撮像素子のマイクロレンズ構造図である。
体撮像素子の製造方法を示す工程手順図である。
固体撮像素子のマイクロレンズ構造図である。
固体撮像素子の製造方法を示す工程手順図である。
よる2層構造のマイクロレンズとを比較して示すもので
ある。
ド部位、25…黒白固体撮像素子、26…パッシベーシ
ョン層、27…平坦層、28,29,30…カラーフィ
ルタ層、31…トップコティング層、32…ストライプ
マイクロレンズ、33…モザイクマイクロレンズ、34
…フォトレジスト。
Claims (6)
- 【請求項1】 平坦な上部面を有するストライプマイク
ロレンズと、 前記ストライプマイクロレンズの平坦な上部面に形成さ
れたモザイクマイクロレンズとからなる2層構成のマイ
クロレンズを有することを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項2】 基板と、 前記基板上に形成されたマトリクス状に配列された複数
のフォトダイオードからなるフォトダイオード領域と、 前記フォトダイオード領域を含む基板の全面に形成され
た平坦層と、 前記平坦層上の所定の領域に形成されたカラーフィルタ
層と、 前記カラーフィルタ層を含む基板の全面に形成されたト
ップコティング層と、 前記トップコティング層の上部に形成され、前記フォト
ダイオード領域の一方向に配列されたフォトダイオード
列に対応するように配列された平坦な上部面を有するス
トライプマイクロレンズと、 前記フォトダイオード領域のそれぞれのフォトダイオー
ドに対応するように、前記ストライプマイクロレンズの
平坦な上部面に形成されたモザイクマイクロレンズとを
含むことを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項3】 前記モザイクマイクロレンズは、前記ス
トライプマイクロレンズの長軸に長く形成された楕円形
の形状を有することを特徴とする請求項2記載の固体撮
像素子。 - 【請求項4】 基板上に第1フォトレジストを塗布する
ステップと、 前記第1フォトレジストを選択的に露光及び現像してス
トライプマイクロレンズパターンを形成するステップ
と、 前記第1フォトレジストパターンを熱処理により、リフ
ローするステップと、 前記第1フォトレジストパターンの上部を一定厚さだけ
エッチングして平坦な上部面を有するストライプマイク
ロレンズを形成するステップと、 前記ストライプマイクロレンズが形成された基板上に第
2フォトレジストを塗布するステップと、 前記第2フォトレジストを選択的に露光及び現像して前
記ストライプマイクロレンズ層の平坦な上部面にモザイ
クマイクロレンズパターンを形成するステップと、 前記第2フォトレジストパターンを熱処理により、リフ
ローしてモザイクマイクロレンズを形成するステップと
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記基板は、固体撮像素子のカラーフィ
ルタ層であることを特徴とする請求項4記載の固体撮像
素子の製造方法。 - 【請求項6】 フォトダイオード、垂直固体撮像素子と
水平固体撮像素子及び金属パッド部が形成された基板上
にパッシベーション層を形成するステップと、 前記パッシベーション層上に平坦層を形成するステップ
と、 前記平坦層上にカラーフィルタ層を形成するステップ
と、 前記カラーフィルタ層を含む基板の全面にトップコティ
ング層を形成するステップと、 前記トップコティング層の上部に第1フォトレジストを
塗布するステップと、 前記第1フォトレジストを選択的に露光及び現像して前
記フォトダイオード領域の上部にストライプマイクロレ
ンズパターンを形成するステップと、 前記第1フォトレジストパターンを熱処理により、リフ
ローするステップと、 前記第1フォトレジストパターンが形成された基板の全
面にフォトレジストを塗布するステップと、 前記フォトレジストを選択的に露光及び現像して、所定
のパターンを形成するステップと、 前記フォトレジストパターンをマスクとして前記トップ
コティング層及び平坦層を選択的にエッチングし、前記
金属パッド部を露出させると共に、前記第1フォトレジ
ストパターンの上部を一定厚さだけエッチングしてスト
ライプマイクロレンズ層を形成するステップと、 前記フォトレジストパターンの残り部分を除去するステ
ップと、 前記ストライプマイクロレンズ層上に第2フォトレジス
トを塗布するステップと、 前記第2フォトレジストを選択的に露光及び現像して前
記ストライプマイクロレンズ層の平坦な上部面にモザイ
クマイクロレンズパターンを形成するステップと、 前記第2フォトレジストパターンを熱処理によりリフロ
ーしてモザイクマイクロレンズ層を形成するステップと
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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