JPH0624232B2

JPH0624232B2 - 固体撮像装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0624232B2
Application number: JP62065134A
Authority: JP
Inventors: 勝久三田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPS63229851A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、各感光部上にマイクロレンズを設けた固体撮
像装置の製造方法に関する。

（従来の技術）固体撮像装置は小型軽量、高信頼性、長寿命等の半導体
素子としての利点の他に、撮像管の欠点である焼き付き
や図形ひすみ等が無く、加えて、低残像である特徴を有
している。このため、カラーコンパクトビデオカメラは
当然のこと、計測器、生産機械、画像情報処理装置等へ
広く利用されている。

従来のカラー固体撮像装置の構造を第６図の断面図を用
いて説明する。半導体基板１上に光電変換素子として機
能するフォトダイオード２が所定ピッチで形成され、こ
の上に酸化膜等から成る絶縁膜３が形成され、更にその
上にパッシベーション膜として機能するＰＳＧ膜４が形
成される。更にこの上に、アルミニウム遮光膜５および
アクリル系レジストから成る平滑層６が形成される。フ
ォトダイオード２が形成された部分は感光部となり、ア
ルミニウム遮光膜５には前記感光部に相当する領域に開
口部が設けられる。そして、ＰＥＰ法（Photo Engravin
g Process ）と染色法により所定の感光部上にシアン染
色層７が形成され、混式防止のための中間層８を介し
て、別の所定感光部上にイエロー染色層９が形成され
る。白色光を検出する感光部上には染色層は設けられな
い。最後にこの上に保護層１０が設けられる。前記の中
間層８および保護層１０も平滑層６と同様にアクリル系
レジストから成る。

（発明が解決しようとする問題点）こうした従来の固体撮像装置では、解像度を増すために
は、画素数を増加させることが必要であるが、そのため
有効画素面積に対する感光部面積は小さくなり、結局感
度低下を招くことになる。感度は、固体撮像装置の重要
な要素であり、この感度低下は、致命的な欠点となり、
性能が低下することになる。

この問題を解決するため、各感光部上にマイクロレンズ
をを設ける提案が今までに種々なされているが、それが
十分にに成功しているとは必ずしも言えない。

例えば、特開昭６０−３８９８９号には、パターン現像
された感光性樹脂を熱処理し、軟化して、凸レンズ状に
成型したマイクロレンズを得る方法が記載されている。
しかしながら、軟化した感光性樹脂が隣のマイクロレン
ズとつながってしまう、製造プロセスが複雑になる等
の、不具合がある。

本発明は、より簡便な製造プロセスで、感度低下防止の
ためのマイクロレンズが、多画素化により精細化された
感光部上で有効にその機能を発揮できるようにした固体
撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方
法は、半導体基板(1) 上に、複数の感光部(2) が行列状
に配列された画素領域(101) が形成されている固体撮像
像装置(2から9)の表面を平滑にするために、第１の感光
性樹脂を基板全体に塗布して平滑層(200) を形成する平
滑層形成過程と、上記平滑層(200) 上に、カゼイン系レ
ジストを第２の感光性樹脂として塗布し、このレジスト
を露光、現像して、上記複数の感光部(2) 上にマイクロ
レンズ層(201) を、レジストの軟化温度以上の熱処理を
加えることなく、形成するマイクロレンズ層形成過程
と、上記マイクロレンズ層(201) 及び上記平滑層(200又
は6)上に、第３の感光性樹脂を塗布して、保護膜(202)
を形成する過程と、を含むことを特徴とする。

（作用）固体撮像装置の表面に第１乃至第３の感光性樹脂によっ
て、平滑層、マイクロレンズ層、表面保護膜が順次に形
成される。マイクロレンズ層となる第２の感光性樹脂
は、カゼイン系レジストである。この材料を塗布し、パ
ターン現像すると、膜のエッジが、第４図に示されるよ
うに、丸みを帯びる。これにより、低温プロセスで、感
光部上に凸状のマイクロレンズを簡便に形成することが
できる。

また、第１及び第３の感光性樹脂によって、平滑層、保
護層を形成している。加熱による軟化処理がない、低温
プロセスでマイクロレンズを形成するので、一旦形成し
た樹脂膜が熱によって変形することはない。このため、
平滑層、中間層、保護層等に、同種の感光性樹脂を用い
ることができる。積層された同種の感光性樹脂は、一回
のパターン現像によって、表面の保護層から平滑層まで
の各層を同時に現像可能である。これにより、従来工程
で必要である、撮像装置のボンディングパット部（第２
図）の開口や、基板のスクライブ（ダイシング）線上の
感光性樹脂の除去を、最終的工程の保護層のパターニン
グ段階で、一括して行うことが可能となる。

この結果、固体撮像装置にマイクロレンズを形成するた
めに必要となる工程が簡便になり、工程数もへる。パタ
ーン現像されたマイクロレズ用のレジストを、熱処理に
よって軟化（流動化）させて、凸レンズ状に成型する工
程が余分に必要となる不具合を回避することができる。
熱処理によって流動化したレジストのパターンが広がる
不具合も回避される。

また、平滑層形成段階では、上記ボンディングパット部
の開口等のために、平滑層をパターン現像しないので、
段差のない平滑層上に次のレジストを塗布でき、レジス
トの塗布ムラ（ストリェーション）が発生しない。これ
により、品質及び歩留の良い製造プロセスが実現でき
る。

（実施例）以下、本発明を図示する一実施例に基づいて詳述する。

第１図（ｄ）に、本発明に基づくカラー固体撮像装置の
一実施例の水平方向の断面図図を示す。

半導体基板１中の表面にフォトダイオード２が所定ピッ
チで形成されており、その上にはフォトダイドーオ２に
対応する部分のみ薄く形成された絶縁膜３、ＰＳＧ膜
４、フォトダイオード２に対応する部分のみ開口された
アルミニウム遮光膜５、平滑層６、所定フォトダイオー
ド２に対応する部分のみに形成されたシアン染色層７、
混色防止用の透明な第１の中間層８、および所定フオト
ダイオード２に対応する部分のみに形成されたイエロー
染色層９が従来装置と同様に形成されている。

イエロー層９の上には、透明の第２の中間層２００が形
成され、その上の各フォトダイオード２に対応する部分
にマイクロレンズ層２０１が形成されている。このマイ
クロレンズ２０１上には、保護層２０２が設けられてい
る。

第２図は、この固体撮像装置の平面図である。

フォトダイオード２（図示省略）は、基板表面の画素領
域１０１に、水平レジスタ（図示省略）に沿う水平方向
Ｘに複数行および垂直レジスタ（図示省略）に沿う垂直
方向Ｙに複数列配列されるように、マトリックス状に形
成されている。

この画素領域１０１の拡大図を第３図に示す。

上述したようにフォトダイオード２（図示省略）の配列
に対応して、遮光膜の開口部１０２が水平方向Ｘおよび
垂直方向Ｙにマトリックス状に配列形成されている。マ
イクロレンズ層２０１は、開口部１０２の垂直方向の各
列に対応する位置に、垂直方向へストライブ状に形成さ
れ、開口部１０２の水平方向Ｘの幅よりも若干大きい幅
を有している。このストライプ状マイクロレンズ層は、
カゼイン系レジストにより形成されている。

次にこのようなカラー固体撮像装置の製造工程を第１図
に示す断面図を参照して説明する。

まず、半導体基板１の表面に、光電変換素子であるフォ
トダイオード２を所定ピッチで形成する。つづいて、基
板１上に、例えば酸化膜等の絶縁膜３、その上にパッシ
ベーション膜、例えばＰＳＧ膜４を形成する。次いで、
このＰＳＧ膜４上にフォトダイオード２に対応する部分
が開口したアルミニウム遮光膜５を蒸着およびパターニ
ングにより形成する。しかる後、スピン塗布により全面
にアクリル樹脂等の透明高分子樹脂層よりなる平滑層６
を２μｍの膜厚で形成する（第１図（ａ））。

次に上記平滑層６の上に水溶性レジストを１．０μｍの
膜厚でスピン塗布する。ここで、水溶性レジスト材料と
しては、ゼラチンやカゼイン等の蛋白質またはポリビニ
ルアルコールに感光剤の重クロム酸アンモニウム１％添
加したしたものがある。つづいて、この水溶性レジスト
を７０℃で４０分間プリベークした後、高圧水銀ランプ
を用いて所定のマスクを介して５０ｍＪ／cm²の条件で
露光する。その後、基板１を純水中に１０秒間浸漬した
後ポストベークを行ない、水溶性レジスト層のうち所定
のフォトダイオード（シアン色感光部となるもの）に対
応する部分のみを残存させる。

続いて基板１を６０℃に保持されたシアン染色液に２分
間浸漬して残存水溶性レジスト層の染色を行ない、これ
を純水洗浄した後、乾燥することにより所定のフォトダ
イオードに対応する部分にシアン染色層７が形成される
（第１図（ｂ））。

続いて、平滑層と同じ方法により、基板全面に０．５μ
ｍの膜厚でアクリル系レジスト製の第１の中間層８を形
成する（第１図（ｂ））。この中間層８は、混色防止膜
として機能する。

次いで、前述のシアン染色層形成工程と同様にして、所
定の感光部（イエロー感光部となるもの）上にのみ水溶
性レジスト層を形成した後、基板１を６０℃に保持した
イエロー染色液中に３分間浸漬し純水洗浄、乾燥を行な
ってイエロー染色層９を形成する（第１図（ｃ））。

ここまでの工程は、従来装置の製造工程と同じである。
以後の工程が本発明の特徴となる部分である。

次に、第１の中間層８の形成工程と同様にして、基板全
面にアクリル系レジストを用いて第２の中間層２００を
形成する（第１図（ｄ））。この中間層２００は、後に
形成されるマイクロレンズ層２０１に対して、平滑層と
しても機能する。続いて、カゼイン系レジスト、例えば
１％の重クロム酸アンモニウムを添加したカゼンインを
基板１上に１．０μｍの膜厚で塗布し、前述の染色層形
成工程と同様にして、プリベーキングの後所定のマスク
を介して露光し、次いで基板ごと純水に浸漬した後ポス
トベークを行なって、第３図に示したようなストライプ
状のマイクロレンズ層２０１を形成する。（第１図
（ｄ））。

最後に、平滑層、中間層の形成工程と同様にして、アク
リル系レジストから成る保護層２０２をＰＥＰ法（Phot
o Engraving Process ）により形成する。前述したよう
に、平滑層、中間層、保護層の各層は、いずれもアクリ
ル系レジストによって形成されるので、表面の保護層に
ＰＥＰ法を行ってパターン現像すると、その下層の中間
層、平滑層も同時に現像される。このため、マイクロレ
ンズの保護膜２０２から基板表面の素子を保護するパシ
ベーション（ＰＳＧ膜）４の上までの不要部分のレジス
ト層を一括して除去することができる。そして、本発明
に係るカラー固体撮像装置が完成する。

第４図は、第１図（ｄ）の主要部分の拡大断面図であ
る。

ストライプパターンに形成されたマイクロレンズ層２０
１は、アルミニウム遮光膜５の開口寸法よりも若干大き
い幅を有している。

第５図は、遮光膜開口寸法に対するマイクロレンズ幅の
（片側当りの）広がり量δが感光部の相対感度に及ぼす
効果の実測結果を示す。ここで、相対感度１００％とは
マイクロレンズが無い場合の感度である。

同図からわかるように、マイクロレンズ層２０１は遮光
膜開口部に対して約１μｍ程度両側へ広がっている場合
に最も高い感度向上効果を発揮する。これは、マイクロ
レンズ層２０１の主としてその断面形状に基づく光学的
機能から、開口部より若干広がっている場合に最も多く
の光を開口部内へ集光するためと考えられる。つまり、
それよりもレンズ幅が小さい場合はレンズへの入射光量
が減少するため、またレンズ幅が大きさ過ぎる場合はレ
ンズの有効部分の断面形状が平板状に近くなりレンズと
しての集光機能が低下するためと考えられる。

第５図に示す最大感度与えるδ＝１μｍという値は、遮
光膜開口部の寸法や開口部とマイクロレンズ層との間隔
などによって多少変化すると考えられるが、とくかくマ
イロレング層の幅を開口寸法より若干大きく形成すると
いうことが肝要である。

このように、高い感度向上効果を得るためには、マイク
ロレンズ層２０１の幅寸法の制御およびマイクロレンズ
層２０１と遮光膜開口部との位置合わせを精度良く行な
うことが必要となる。特に多画素化、高精細化した場合
には極めて高い精度が要求される。

本発明では、マイクロレンズ層２０１をカゼイン系レジ
ストにより形成しているため、カゼイン系レジストは微
細加工の解像度が他のレンズ用材料に比べ高いことか
ら、高い寸法精度をもつマイクロレンズ層を形勢するこ
とができる。さらに、マイクロレンズ層２０１を垂直方
向にストライプ状に形勢するようにしているため、垂直
方向の遮光膜開口部の位置ずれは水平方向に比べほとん
ど無いことから、マイクロレンズ層２０１と遮光膜開口
部との位置合わせを高い精度で行なうことができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法では、カゼイン
系レジストのパターン現像後のエッジが、第４図に示す
ように、丸みを帯びることをマイクロレンズ層の形成に
積極的に利用しており、マイクロレンズをより球面化す
るために、マイクロレンズ層２０１を熱処理して軟化
（リフロー）させることはしない。このため、熱軟化処
理におけるが如き、マイクロレンズの底部が広がってレ
ンズアレー同士が繋がるような不具合は生じない。この
ような熱処理を行わないで、既に積層され、レジストに
よって形成される、平滑層、中間層、保護層、色フィル
タ等が熱変形せずに済む。そして、各層に用いられるレ
ジスト材料間に軟化温度の相違が要求されないので、同
種の感光性樹脂を平滑層、中間層、保護層として共用す
ることが可能である。

このようにして、本発明に係る固体撮像装置は、高精細
化された場合にも高い感度を維持することができる。

なお、上記実施例ではシアン、イエロー、ホワイトから
成る色フィルタを有するカラー固体撮像装置について述
べたが、本発明は例えば、シアン、イエロー、グリー
ン、マゼンタの補色方式、またはレッド、グリーン、ブ
ルーの３原色方式の色フィルタを積層したカラー固体撮
像装置や、モノクロ固体撮像装置にも適用できることは
勿論である。

この場合には、色フィルタを形成するための平滑層６〜
染色層９は、不要となる。またＣＣＤ型の固体撮像装置
だけでなく、ＭＯＳ型、ＢＢＤ型（バケツリレー型撮像
装置）ＣＩＤ型（電荷注入型撮像装置）にも適用可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の固体撮像装置の製造方法
においては、パターン現像された後の、カゼイン系レジ
ストのエッジが丸みを帯びるという性質を活用してマイ
クロレンズ層を形成する。このため、マイクロレンズ層
を熱処理によって軟化させ、凸レンズ状に成型処理する
従来の熱処理工程を回避することができる。

この結果、従来の熱処理工程を行うために、使用する膜
に不可欠の条件、すなわち、「マイクロレンズ層（感光
性樹脂）が軟化しても、その他の層（感光性樹脂）が軟
化しない」という条件が、本発明のプロセスでは、平滑
層、中間層、フィルタ層、マイクロレンズ層、及び保護
層等の各材質に課させることはない。よって、感光性樹
脂材料の選択の自由度が大きい。例えば、第１図に示し
た実施例のように、平滑層、中間層、保護層に同一種類
の感光性樹脂を用いることができる。こうした場合に
は、これ等の同種材質の層を後で一括してパターン現像
することが可能となる利点がある。従って、本発明によ
れば、より簡便な製造プロセスで、寸法制御及び位置合
わせ精度の良いマイクロレンズ層を形成することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る固体撮像装置の製造工程および
構造の一実施例を示す断面図、第２図は第１図の固体撮
像装置の平面図、第３図は第２図の部分拡大図、第４図
は第１図（ｄ）の部分拡大図、第５図は遮光膜開口寸法
に対するマイクロレンズ幅の広がり量が感度向上に及ぼ
す効果を示す図、第６図は従来の固体撮像装置の構造を
示す断面図。１……半導体基板、２……フォトダイオード、３……絶
縁膜、４……パッシベーション膜、５……アルミニウム
遮光膜、６……平滑層、７……シアン染色層、８……中
間層、９……イエロー染色層、１０１……画素領域、１
０２……遮光膜開口部、２０１……マイクロレンズ層、
２０２……保護層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板(1) 上に、複数の感光部(2) が
行列状に配列された画素領域(101) が形成されている固
体撮像像装置(2から9)の表面を平滑にするために、第１
の感光性樹脂を基板全体に塗布し平滑層(200) を形成す
る平滑層形成過程と、前記平滑層(200) 上に、カゼイン系レジストを第２の感
光性樹脂として塗布し、このレジストを露光、現像し
て、前記複数の感光部(2) 上にマイクロレンズ層(201)
を、レジストの軟化温度以上の熱処理を加えることな
く、形成するマイクロレンズ層形成過程と、前記マイクロレンズ層(201) 及び前記平滑層(200) 上
に、第３の感光性樹脂を塗布して、保護膜(202) を形成
する過程と、を含む、ことを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】前記第１及び第３の感光性樹脂は、いずれ
もアクリル系レジストであること特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の固体撮像装置の製造方法。