JP4751753B2 - レンズアレイの製造方法、レンズアレイ、及び固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、多数の集光レンズを配列したレンズアレイの製造方法に関する。

近年、固体撮像素子においては、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでおり、素子の微細化も高まる一方である。このような状況の中で、感度の向上が求められており、カラーフィルタ上に形成される最上層のオンチップレンズのみでは感度向上が図れず、オンチップレンズとセンサ部との間にさらにレンズ（層内レンズ）を形成して集光機能を高める技術が提案されている。この層内レンズの一例として、転送電極等による段差を埋めて平坦化した面上に、光入射側が凸面とされたレンズを形成する、層内上凸レンズがある。

この層内上凸レンズの製造方法の一例として、層内上凸レンズのレンズ材の膜とレジストとの積層膜をドライエッチングする方法がある。これは、レンズ材の膜を堆積し、その上にレジストをレンズの形状にパターニングし、その後ドライエッチングによりレジストによるレンズ形状をレンズ材の膜に転写する方法である。

また、レンズの焦点距離を所望の距離に広範囲で調節することによって高感度化をはかる方法も提案されている（特許文献１参照）。この方法では、層内上凸レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストマスクを形成し、エッチバック法によりこのレジストマスクのレンズ形状を層内上凸レンズ材料の層に転写して層内上凸レンズを形成し、エッチバック量で焦点距離を調整するものである。

このように、マイクロレンズによるオンチップレンズの下に層内上凸レンズを設けることにより、入射光を２段階で集光して、より多くの光を受光部に入射させることができ、オンチップレンズのみを形成した場合と比較して、固体撮像素子の感度を向上させることができる。

特開２０００−１６４８３７号公報

本発明は、層内凸レンズに代表される集光レンズを多数配列したレンズアレイを容易に製造することが可能なレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のレンズアレイの製造方法は、平坦面上に多数の集光レンズを配列したレンズアレイの製造方法であって、前記平坦面上に無機のレンズ材料膜のパターンを形成するレンズパターン形成工程と、不活性ガスにＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより、前記無機のレンズ材料膜のパターンを変形させると共に、前記反応性ガスと前記無機のレンズ材料との反応生成物を前記パターン間に堆積させて前記多数の集光レンズを形成するレンズ形成工程とを含み、前記無機のレンズ材料が酸化シリコン又は窒化シリコンであり、前記不活性ガスがアルゴンガスであり、前記反応性ガスが、ＣＦ _４ とＣＨＦ _３ である。

本発明のレンズアレイは、前記製造方法によって製造されたものである。

本発明の固体撮像素子は、前記レンズアレイを備える。

本発明によれば、層内凸レンズに代表される集光レンズを多数配列したレンズアレイを容易に製造することが可能なレンズアレイの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子の層内レンズである上凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図である。
上凸レンズは、例えば、シリコン基板上に形成した電荷転送電極や遮光膜による段差を絶縁膜によって埋めて平坦化した後、この平坦化された絶縁膜上に形成される。図１の符号１５で示される膜が、上凸レンズの形成面を構成する平坦化された絶縁膜（以下、平坦化膜１５という）である。

まず、平坦化膜１５上に、酸化シリコンや窒化シリコン等の上凸レンズの材料となる無機のレンズ材料膜１６を形成し、これをフォトリソ及びエッチングによってパターニングして、レンズ材料膜１６のパターンを形成する（図１（ａ））。図１（ａ）において、レンズ材料膜１６を、平坦化膜１５の表面と、レンズ材料膜１６の平坦化膜１５の表面から最も遠い面との間の距離を厚みとする平坦な膜として見ると、レンズ材料膜１６は、パターン間に孔部ｋを有する構成となっている。レンズ材料膜１６のパターンは、その下方のフォトダイオードに対応したパターンとなっている。

次に、アルゴン等の不活性ガスにＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより、レンズ材料膜１６のパターンを変形させると共に、添加した反応性ガスとレンズ材料膜１６との反応生成物を、レンズ材料膜１６のパターン間に堆積させる（図１（ｂ））。例えば、レンズ材料膜１６が窒化シリコン膜である場合、アルゴンガスにＣＨＦ_３をトータル流量の５％以上添加したガスを用いると共に、ＲＦ周波数を低周波（１ＭＨｚ以下）に設定してスパッタエッチングを行うことで、レンズ材料膜１６のパターンの変形と、反応生成物の堆積との両方を実現することができる。これは、スパッタ装置においてＲＦ周波数を低周波にすると、不活性ガスに添加するＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガスの種類によっては、スパッタエッチング時に、その反応性ガスとレンズ材料膜１６との反応生成物を孔部ｋに堆積させることが可能となるためである。

スパッタエッチングが終わると、絶縁膜１７を形成して、上凸レンズを保護する（図１（ｃ））。このような方法により、エッチングされたレンズ材料膜１６のパターンが、光入射側に向かって凸となった上凸レンズとなる。この上凸レンズは、光をその下方のフォトダイオードに集光する機能を有する集光レンズとなる。

図１（ａ）の状態から、反応性ガスを添加しない条件でスパッタエッチングを行うと、レンズ材料膜１６のパターンの上端部同士が堆積物によって接触してしまい、上凸レンズ間にＶｏｉｄが発生して、集光効率が低下し感度低下に繋がってしまう。又、綺麗なレンズ形状を得ることが困難である。これに対し、本実施形態の方法によれば、このＶｏｉｄの発生を抑制することができるため、集光効率をアップさせることができ、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。又、ＲＦ周波数を調整して反応生成物を孔部ｋに堆積させることができるため、上凸レンズの形状制御も容易となる。又、孔部ｋに反応生成物を堆積させることができるため、完成した多数の上凸レンズをギャップレスにすることができ、集光効率をより高めることができる。

又、本実施形態の方法によれば、レンズ材料膜１６のパターンを形成した後、スパッタエッチングを行うだけで上凸レンズを形成することができるため、従来の上凸レンズの形成方法に比べ、工程数を削減することができる。

（実施例１）
図１（ａ）において、平坦化膜１５の材料を窒化シリコンとし、レンズ材料膜１６の材料を窒化シリコンとし、レンズ材料膜１６の膜厚を０．４μｍとし、パターン間の距離を０．３μｍとし、次のような条件でスパッタエッチングを行って上凸レンズを作製した。この結果、レンズ材料膜１６のパターン間にＶｏｉｄが発生するのを抑制することができた。又、孔部ｋの底部に反応性生物を堆積させることができ、ギャップレスの上凸レンズを形成することができた。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（７５０ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２５ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（５０ｓｃｃｍ）
圧力：５００ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：９００Ｗ
ＲＦ周波数：０．３８ＭＨｚ
サセプタ温度：０℃

（実施例２）
図１（ａ）において、平坦化膜１５の材料を酸化シリコンとし、レンズ材料膜１６の材料を酸化シリコンとし、レンズ材料膜１６の膜厚を０．６μｍとし、パターン間の距離を０．３μｍとし、次のような条件でスパッタエッチングを行って上凸レンズを作製した。この結果、レンズ材料膜１６のパターン間にＶｏｉｄが発生するのを抑制することができた。又、孔部ｋの底部に反応性生物を堆積させることができ、ギャップレスの上凸レンズを形成することができた。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（３００ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（４０ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２０ｓｃｃｍ）
圧力：５００ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：９００Ｗ
ＲＦ周波数：０．３８ＭＨｚ
サセプタ温度：−１０℃

本発明の実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子の層内レンズである上凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図

符号の説明

１５ 平坦化膜
１６ レンズ材料膜
１７ 絶縁膜
ｋ 孔部

Claims (3)

1. 平坦面上に多数の集光レンズを配列したレンズアレイの製造方法であって、
   前記平坦面上に無機のレンズ材料膜のパターンを形成するレンズパターン形成工程と、
   不活性ガスにＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより、前記無機のレンズ材料膜のパターンを変形させると共に、前記反応性ガスと前記無機のレンズ材料との反応生成物を前記パターン間に堆積させて前記多数の集光レンズを形成するレンズ形成工程とを含み、
   前記無機のレンズ材料が酸化シリコン又は窒化シリコンであり、
   前記不活性ガスがアルゴンガスであり、
   前記反応性ガスが、ＣＦ _４ とＣＨＦ _３ であるレンズアレイの製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法によって製造されたレンズアレイ。
3. 請求項２記載のレンズアレイを備える固体撮像素子。

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