JP4930539B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ上に層内レンズを形成して成る固体撮像素子の製造方法に係わる。

固体撮像素子の微細化に伴い、感度の向上が求められており、従来技術であるカラーフィルターの上の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）を形成することが考えられている。
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、表面側が凸面とされたレンズを形成する、層内凸レンズがある。

この層内凸レンズを製造方法の一つとして、層内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。

しかしながら、上述のレンズ形状をレンズ材に転写する工程の際に、ドライエッチングのサイドエッチにより層内凸レンズ間のギャップが広がってしまう。
層内凸レンズ間のギャップに入射した光は、層内凸レンズによる集束がなされないためセンサ部に入射することができない。

従って、レンズ間のギャップ部が入射光にとって無効領域となってしまっていた。
このように無効領域が形成されることにより、その分固体撮像素子の感度が低くなってしまう。

上述した問題の解決のために、本発明においては、無効領域を低減することにより、高い感度を有する固体撮像素子を製造することができる固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、各センサ部上に表面側が凸面とされたレンズを有する固体撮像素子を製造するに当たり、平坦化膜上にプラズマＣＶＤ膜により、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜から成る、レンズ材の膜を形成する工程と、このレンズ材の膜上に表面側が凸面とされたレンズ形状のレジストを形成する工程と、このレジストの表面側が凸面とされたレンズ形状をレンズ材の膜に凸レンズ間のギャップが広がるように転写する工程と、レンズ形状が転写されたレンズ材の膜上に、さらにプラズマＣＶＤ膜により同一のレンズ材の膜を成膜してレンズを形成する工程とを有するものである。

上述の本発明製法によれば、レンズ形状が転写されたレンズ材の膜上にさらに同一のレンズ材の膜を成膜してレンズを形成することにより、レンズ形状を転写する際に例えばサイドエッチングにより離れたレンズの間を埋めて、レンズの間隔を縮めることができ、レンズの間の無効領域を低減することができる。

上述の本発明によれば、入射光にとって無効領域となっていた凸レンズ間のギャップを狭めることができるので、有効領域を拡げて感度を向上させることができる。
従って、本発明により、感度の高い固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明により、成膜するレンズ材の膜厚を任意に変更することにより、レンズの間のギャップ長を任意に調節することが可能である。
従って、様々な寸法のユニットセルを有する固体撮像素子に対して感度向上を図ることができる。

Ａ〜Ｃ 本発明の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（断面図）である。 Ｄ〜Ｆ 本発明の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（断面図）である。 本発明を適用するＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。

本発明は、各センサ部上に表面側が凸面とされたレンズを有する固体撮像素子を製造する方法であって、平坦化膜上にプラズマＣＶＤ膜により、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜から成る、レンズ材の膜を形成する工程と、レンズ材の膜上に表面側が凸面とされたレンズ形状のレジストを形成する工程と、レジストの表面側が凸面とされたレンズ形状をレンズ材の膜に凸レンズ間のギャップが広がるように転写する工程と、レンズ形状が転写されたレンズ材の膜上に、さらにプラズマＣＶＤ膜により、同一のレンズ材の膜を成膜してレンズを形成する工程とを有する固体撮像素子の製造方法である。

図３は本発明製法を適用する固体撮像素子として、ＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（断面図）を示す。
このＣＣＤ固体撮像素子１は、例えばシリコンから成る半導体基板４の表面に、フォトダイオードから成るセンサ部２が配され、半導体基板４上の酸化膜５を介して多結晶シリコンから成る転送電極１１が形成されている。
この転送電極１１上には酸化膜５が形成され、これの上に層間絶縁膜６として例えば酸化膜が形成されている。

層間絶縁膜６上には、Ａｌ膜或いは高融点金属膜（例えばタングステン、モリブデン、タンタル）から成る遮光膜３が形成されている。この遮光膜３には、センサ部２上に開口３ａが形成されて、センサ部２に光が入射するようになっている。

遮光膜３を覆って全面的に平坦化膜７が形成され、平坦化膜７上に例えばプラズマＣＶＤにより形成された絶縁膜（ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜）８から成る層内レンズ９が形成されている。この層内レンズ９は表面側の上面９ａが凸面、下面９ｂが平坦面となっており、前述した層内凸レンズを構成している。

層内レンズ９上には平坦化膜１６を介して、カラーフィルタ１７が形成されている。さらにその上には平坦化膜１８を介してオンチップレンズ１９が形成されている。
また、半導体基板４内には、垂直転送レジスタ１０を構成するＣＣＤ転送チャネル１５が形成され、また図示しないがセンサ部２とＣＣＤ転送チャネル１５との間にチャネルストップ領域が形成される。

また、このＣＣＤ固体撮像素子１は、平面構造は図示しないが、画素に対応してセンサ部２が多数マトリクス状に配され、各センサ部２列の一側にそれぞれＣＣＤ転送チャネル１５を有して成るＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１０が配設される。

そして、このＣＣＤ固体撮像素子１の構成によれば、センサ部２上に層内レンズ９が形成されていることにより、オンチップレンズ１９で集光した光をさらに層内レンズ９により集光させて、効率よくセンサ部２に入射させることができる。
即ちオンチップレンズ１９と層内レンズ９とを設けたことにより、入射光を効率よくセンサ部２に入射させることができ、高い感度を有する。

続いて、本発明の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態として、図３に示したＣＣＤ固体撮像素子１を本発明製法により製造する場合の製造工程を、図１及び図２を参照して説明する。

まず、図１Ａに示すように、半導体基板４内に転送チャネル１５やセンサ部２のフォトダイオードを形成し、転送電極１１等遮光膜３までの各層を形成する。遮光膜３にはセンサ部２上に開口３ａを形成する。

次に、図１Ｂに示すように、遮光膜３上を覆って平坦化膜７を形成する。
平坦化膜７としては、リフロー膜やＨＤＰ（高密度プラズマ）−ＣＶＤ膜を用いることができ、これにより表面の平坦化を行うことができる。

尚、平坦化の方法に応じて、遮光膜３となる材料を選択する。
例えばリフロー膜を用いる場合には、平坦化のために高温リフローが必要となるため、遮光膜３に高融点金属を使用する。
一方、ＣＶＤ膜で平坦化する場合には、遮光膜３をアルミ等で形成しても構わない。

続いて、図示しないＣＣＤ固体撮像素子の周辺回路部の配線を形成する。
その後、図１Ｃに示すように、平坦化膜７上にレンズ材となるプラズマＣＶＤ膜８を成膜する。
層内レンズ９の屈折率を１．９〜２．０とする場合にはプラズマＣＶＤ膜８としてプラズマＳｉＮ膜を成膜し、層内レンズ９の屈折率を１．５〜１．９とする場合にはプラズマＣＶＤ膜８としてプラズマＳｉＯＮ膜を成膜する。
そして、必要な層内レンズ９の高さに応じて、プラズマＣＶＤ膜８を０．５〜２．０μｍの膜厚に成膜する。

次に、プラズマＣＶＤ膜８上にレジスト２１を塗布し、所望のパターニングを行う。そして、レンズの形を得るためにレジスト２１のリフローを１４０〜１８０℃で行う。
これにより、図２Ｄに示すレンズ形状のレジスト２１が形成される。

次に、ドライエッチングを行うことにより、レジスト２１のレンズ形状をプラズマＣＶＤ膜８に転写して、図２Ｅに示すように層内レンズ９を形成する。このとき、ドライエッチングのサイドエッチにより、凸レンズ間のギャップが広がる。

そこで、図２Ｆに示すように、層内レンズ９のレンズ材の膜（プラズマＣＶＤ膜８）と同種の膜即ちプラズマＣＶＤ膜２２をプラズマＣＶＤ法により堆積させる。
これにより、凸レンズ間のギャップを狭めることができる。
このとき、プラズマＣＶＤ膜２２の膜厚を任意に設定することが可能であり、ギャップ長を調節することができる。

この後は、層内レンズ９を覆って平坦化膜１６を形成し、さらにカラーフィルタ１７、平坦化膜１８、オンチップレンズ１９を順次形成して、図３に示したＣＣＤ固体撮像素子を製造することができる。

上述の本実施の形態によれば、ドライエッチングによりレジスト２１のレンズ形状をプラズマＣＶＤ膜８に転写した後に、プラズマＣＶＤ膜８と同種のプラズマＣＶＤ膜２２を成膜して層内レンズ９を形成することにより、層内レンズ９の間のギャップを狭めることができる。
そして、入射光にとって無効領域となっていた層内レンズ間のギャップを狭めることができるため、無効領域を低減して、入射光の集光効率を高めることができる。
従って、感度の高い固体撮像素子１を製造することができる。

さらに、プラズマＣＶＤ膜２２の膜厚を任意に変更することにより、層内レンズ９の間のギャップ長を任意に調節することが可能である。
従って、様々な寸法のユニットセルを有する固体撮像素子１に対して、感度向上を図ることができる。

ところで、図３のオンチップレンズ１９のようなオンチップレンズの材料には、通常レジストが用いられ、レジストを塗布してパターニングした後にリフローしてレンズ形状としている。
従って、本発明製法を通常のレジストから成るオンチップレンズに適用しようとすると、レジストをより薄く塗布することが難しく、任意にオンチップレンズのギャップを制御することは困難である。

これに対して、例えばオンチップレンズを無機膜により形成する構成とすれば、レンズ形状とした無機膜上に、容易に同種の無機膜を成膜することができる。
即ち無機膜例えばプラズマＣＶＤ膜にレジストからレンズ形状を転写した後に、その上に同種の無機膜例えばプラズマＣＶＤ膜を成膜して、オンチップレンズのギャップを狭めることができる。
これにより、無機膜を任意の膜厚で成膜して、オンチップレンズのギャップを任意に制御することが可能になる。

図３のＣＣＤ固体撮像素子１においては、オンチップレンズ１９をプラズマＣＶＤ膜等の無機膜により形成することも可能であり、その場合本発明製法による層内レンズの形成方法を、層内レンズ９及びオンチップレンズ１９に適用して、２つのレンズのそれぞれのギャップを狭めて感度を高くすることができる。

上述の実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用したが、その他の構成の固体撮像素子、例えばＭＯＳ型の固体撮像素子においても、同様に本発明を適用することができる。
そして、本発明を適用して層内レンズのギャップを狭めて形成することができ、感度の高い固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明製法による層内レンズは、固体撮像素子の他に、液晶表示素子にも適用することができる。
そして、例えば反射型液晶表示素子では外光の入射側に、透過型液晶表示素子ではバックライト等光源側に本発明製法による層内レンズを形成する。
これにより、液晶表示素子の例えばカラーフィルタの画素間のブラックマトリックス（遮光膜）により遮られていた光を液晶部を通過させて有効に利用することが可能になる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

１ ＣＣＤ固体撮像素子、２ センサ部、３ 遮光膜、４ 半導体基板、５ 酸化膜、６ 層間絶縁膜、７，１６，１８ 平坦化膜、８，２２ プラズマＣＶＤ膜、９ 層内レンズ、１０ 垂直転送レジスタ、１１ 転送電極、１５ ＣＣＤ転送チャネル、１７ カラーフィルタ、１９ オンチップレンズ、２１ レジスト

Claims (2)

1. 各センサ部上に表面側が凸面とされたレンズを有する固体撮像素子を製造する方法であって、
   平坦化膜上に、プラズマＣＶＤ膜により、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜から成る、レンズ材の膜を形成する工程と、
   上記レンズ材の膜上に表面側が凸面とされたレンズ形状のレジストを形成する工程と、
   上記レジストの表面側が凸面とされたレンズ形状を上記レンズ材の膜に凸レンズ間のギャップが広がるように転写する工程と、
   レンズ形状が転写された上記レンズ材の膜上に、さらにプラズマＣＶＤ膜により、同一のレンズ材の膜を成膜して上記レンズを形成する工程とを有する
   固体撮像素子の製造方法。
2. 上記平坦化膜が、リフロー膜又は高密度プラズマＣＶＤ膜である、請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。

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