JPH0927608A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空パッケージ構造を採ることなく、モール
ドパッケージ構造を採用することのできるマイクロレン
ズ構造を有した、固体撮像装置とその製造方法の提供が
望まれている。 【解決手段】 光電変換を行う受光部３と、受光部３の
受光面３ａを覆うことなく設けられた遮光膜８とを備え
た固体撮像装置１１である。受光面３ａを覆ってこれと
反対の側に凹となる凹レンズ１２ａを有した第一の透明
材料からなる透明レンズ層１２が設けられている。透明
レンズ層１２上には、第一の透明材料より高い屈折率を
有する第二の透明材料からなり、少なくともその最上面
が平坦化されてなる透明平坦化層１３が透明レンズ層１
２に接して設けられている。また、この固体撮像装置１
１の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ）等を用いてなる固体撮像装置とその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の固体撮像装置では、転送
レジスタなど光電変換に寄与しない領域が各画素に存在
しているため、画素面全体に占める受光部の受光面の開
口率が通常５０％以下となり、入射光の利用率が十分で
ないといった不満がある。このような不満を解消し、そ
の感度向上を達成するため、例えば画素面全体に占める
受光面の割合を高くするといったことも考えられるが、
受光面の割合を高くすることは構造的に限界があること
から、近年では、受光面の上に凸型のマイクロレンズを
設け、入射した光を受光面に集中させて効率的な集光を
なし、実効的な開口率を高めるようにした、いわゆるオ
ンチップマイクロレンズを有した固体撮像装置が提供さ
れている。

【０００３】図６はこのような凸型マイクロレンズを用
いた従来の固体撮像装置の一例を示す要部側断面図であ
る。図６において符号１は固体撮像装置、２はシリコン
ウエハ等からなる半導体基板である。半導体基板２に
は、その表層部に光電変換を行う受光部３と、転送レジ
スタ４およびチャネルストップ５とが形成されており、
さらにその表面には薄い絶縁膜６が形成されている。ま
た、絶縁膜６の上には、前記転送レジスタ４を駆動させ
る転送電極７が形成され、さらに転送電極７と転送レジ
スタ４への光の入射を防ぐため該転送電極７を覆って遮
光膜８が形成されている。ここで、絶縁膜６上に形成さ
れた遮光膜８は、前記受光部３の受光面３ａを覆うこと
なく形成されたものとなっている。

【０００４】そして、これら各構成要素からなる単位画
素の上には、透明樹脂等からなる凸型のマイクロレンズ
９が、上方に向かって凸に形成されている。このマイク
ロレンズ９は、前記受光部３の受光面３ａをその焦点と
するように形成配置されたものであり、このような構成
によって固体撮像装置１は、図６中矢印で示すように光
が入射すると、マイクロレンズ９の集光効果によって入
射光を受光面３ａに集め、これによりそのその実効開口
率を高めたものとなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記固体撮
像装置１では、マイクロレンズ９に集光効果をもたせる
ため、該レンズ９の上側には空気あるいは該レンズ９の
材料より十分屈折率が低い物質からなる低屈折率層１０
で覆うことが必要となる。したがって、パッケージの構
造としては、チップと封止材との間に空気を挟んだいわ
ゆる中空パッケージ構造が理想となる。ところが、この
中空パッケージ構造は、半導体装置として一般的なモー
ルドパッケージ構造に比べ高い組み立てコストを要する
ことから、そのコスト低減が強く望まれている。

【０００６】一方、モールドパッケージ構造を採用した
場合では、透明度、耐湿度、強度その他のモールド材に
求められる性能にさらに低屈折率の条件が加わるため、
モールド樹脂材料の選択が非常に強い制約を受けること
になり、実際にはその材料として適宜なものが見いだせ
ないのが現状である。本発明は前記事情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、中空パッケージ構
造を採ることなく、モールドパッケージ構造を採用する
ことのできるマイクロレンズ構造を有した、固体撮像装
置とその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置で
は、受光部の受光面を覆って、該受光面と反対の側に向
かって凹となる凹レンズを有した第一の透明材料からな
る透明レンズ層を設け、該透明レンズ層上に、前記第一
の透明材料より高い屈折率を有する第二の透明材料から
なり、少なくともその最上面が平坦化されてなる透明平
坦化層を前記透明レンズ層に接して設けたことを前記課
題の解決手段とした。

【０００８】この固体撮像装置によれば、受光面に対し
てその反対の側に向かって凹となる凹レンズを有した透
明レンズ層を有し、さらにこの透明レンズ層の上に、こ
れに接して該透明レンズ層の材料より高い屈折率の透明
材料からなる透明平坦化層を有しているので、透明平坦
化層と透明レンズ層との屈折率の差によって形成される
前記凹レンズの焦点を、受光面に合うように予め透明レ
ンズ層を形成しておけば、従来のものと同様に実効開口
率が高いものとなる。また、最外層となる透明平坦化層
が屈折率の高い材料で形成されることから、例えばこの
材料として従来公知の透明樹脂等を用いることが可能に
なり、その材料選択の自由度が大きくなるとともに、中
空パッケージ構造を採る必要がなくなるため、その組み
立てコストの低減化が可能になる。さらに、透明平坦化
層を形成する材料としてそのままモールド樹脂を用いる
ことも可能になり、その場合には一層組み立てコストの
低減化を進めることが可能になる。

【０００９】また、本発明の固体撮像装置の製造方法で
は、受光部の受光面および遮光膜を覆って第一の透明材
料からなる第一の透明材料層を形成する工程と、該第一
の透明材料層上にレジスト層を形成するとともに、該レ
ジスト層の、前記受光面の周縁の直上位置近傍に溝を形
成する工程と、前記レジスト層を加熱して軟化・溶融さ
せる工程と、軟化・溶融させたレジスト層上に第一の平
坦化層を形成する工程と、該第一の平坦化層に対してよ
り前記レジスト層に対して大きなエッチングレートを有
するエッチング剤を用いてエッチングし、前記第一の平
坦化層および前記レジスト層を除去して前記第一の透明
材料層を露出させる工程と、露出した第一の透明材料層
上に、これに接して前記第一の透明材料より高い屈折率
を有する第二の透明材料からなる第二の平坦化層を形成
する工程と、を備えたことを前記課題の解決手段とし
た。

【００１０】また、この固体撮像装置の製造方法によれ
ば、受光面上に第一の透明材料層を形成し、この上にレ
ジスト層を形成して該レジスト層の、前記受光面の周縁
の直上位置近傍に溝を形成し、その後該レジスト層を加
熱して軟化・溶融させるので、該レジスト層は、その表
面張力によって前記溝側で低く、該溝から離れた位置で
高くなり、上に凸となる湾曲形状となる。そして、この
レジスト上に第一の平坦化層を形成し、該第一の平坦化
層に対してより前記レジスト層に対して大きなエッチン
グレートを有するエッチング剤を用いてエッチングする
ので、レジスト層が設けられた位置では、第一の平坦化
層がエッチングされた後そのエッチング速度が速まる。

【００１１】よって、レジスト層が設けられていない箇
所で第一の平坦化層のエッチングが終了したときには、
レジスト層が設けられている箇所ではすでにレジスト層
のエッチングを終了し、その下の第一の透明材料層のエ
ッチングに進んでいる。このとき、第一の透明材料層で
のエッチングは、レジスト層の厚さに対応して、すなわ
ちレジスト層が厚い箇所ではより速く進行し、レジスト
層の薄い箇所ではより遅く進行しており、したがって第
一の透明材料層には、エッチングが終了したとき、前記
軟化・溶融後のレジスト層と逆の形状、すなわち上に凹
となる湾曲形状が形成される。そして、このように上に
凹の湾曲形状を第一の透明材料層に形成した後、該第一
の透明材料層上に、これに接して前記第一の透明材料よ
り高い屈折率を有する第二の透明材料からなる第二の平
坦化層を形成するので、前記凹の湾曲形状部を凹レンズ
とし、その上に透明材料からなる透明平坦化層を有し
た、前記の固体撮像装置が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施形態例により
詳しく説明する。図１は本発明の固体撮像装置の第一実
施形態例を示す図であり、図１中符号１１は固体撮像装
置である。この固体撮像装置１１が図６に示した固体撮
像装置１と異なるところは、絶縁膜６および遮光膜８の
上に形成されたマイクロレンズの構造にある。すなわ
ち、図１に示した固体撮像装置１１では、受光部３の受
光面３ａを覆って絶縁膜６の上に透明レンズ層１２が形
成され、該透明レンズ層１２の上には透明平坦化層１３
が形成されている。

【００１３】透明レンズ層１２は、ＣＹＴＯＰ（商品
名；旭硝子社製）等のフッ素系透明樹脂や、屈折率が低
く調整されたアクリル系透明樹脂などの材料（第一の透
明材料）からなるもので、その屈折率が１．２〜１．４
程度のものである。また、この透明レンズ層１２には、
その上面、すなわち受光面３ａと反対の側の面に、該受
光面３ａと反対の側に向かって凹となる凹レンズ１２ａ
が多数形成されている。これら凹レンズ１２ａ…は、そ
れぞれ固体撮像装置１の単位画素毎に一つずつ形成され
たもので、後述するようにその焦点が同じ単位画素にあ
る受光部３の受光面３ａ上に合わされたものとなってい
る。

【００１４】透明平坦化層１３は、屈折率が比較的高く
調整されたエポキシ系透明樹脂あるいはアクリル系透明
樹脂、さらには透明なシリコーン樹脂などの材料（第二
の透明材料）からなるもので、その屈折率が１．５〜
１．７程度に調整されたものである。また、この透明平
坦化層１３は、前記透明レンズ層１２の上面に直に接し
て形成されたものとなっており、したがって前記凹レン
ズ１２ａは、その上側（光入射側）と下側（光出射側）
との屈折率の差により、すなわち光入射側である透明平
坦化層１３の方が屈折率が高く、光出射側である透明レ
ンズ層１２の方が屈折率が低いことにより、透明平坦化
層１３の上から入射した光を図１中矢印で示すように分
散させることなく一箇所に集めるようになっている。

【００１５】次に、このような構成の固体撮像装置１１
の製造方法に基づき、本発明の製造方法の一実施形態例
を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、半導体基
板２に受光部３、転送レジスタ４、チャネルストップ５
等の各構成要素を、フォトレジスト、イオン打ち込み等
の技術によって従来と同様に形成し、さらにその上に絶
縁膜６、転送電極７、遮光膜８を、フォトレジスト、イ
オン打ち込み、熱酸化、デポジションといった技術によ
ってやはり従来と同様に形成しておく。次に、絶縁膜
６、遮光膜８を覆って第一の透明材料からなる第一の透
明材料層１４を形成する。第一の透明材料としては、前
述したように屈折率が１．２〜１．４程度のフッ素系透
明樹脂やアクリル系透明樹脂などが用いられる。なお、
この第一の透明材料層１４の形成にあたっては、従来公
知の方法によってその上面を平坦化しておく。

【００１６】次いで、この第一の透明材料層１４の上に
レジスト層を形成する。レジスト層を形成するためのレ
ジストとしては、特に限定されることなく、例えばポリ
メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）など従来公知のもの
が使用可能である。そして、形成したレジスト層を公知
の露光・現像技術によってパターンニングし、図２
（ｃ）に示すように前記受光面３ａの周縁の直上位置近
傍に溝１６を形成する。そして、得られたレジスト層か
らなるレジストパターン１５…を加熱し、該レジストパ
ターン１５…を軟化・溶融させる。加熱処理としては、
用いたレジストによっても異なるものの、例えば前記ポ
リメチルメタクリレートを用いた場合には約１５０℃で
数分間程度行う。このようにして加熱処理を行うと、レ
ジストパターンは、その表面張力によって前記溝１６側
で低く、該溝１６から離れた位置で高くなり、結果とし
て図２（ｄ）に示すように上に凸となる湾曲形状のレジ
スト１５ａとなる。

【００１７】次いで、軟化・溶融させてなるレジスト１
５ａ上に例えばノボラック樹脂等のレジスト材料などか
らなる層を形成し、さらにこの層の表面を公知の平坦化
技術により平坦化して図２（ｅ）に示すように第一の平
坦化層１７を形成する。続いて、この第一の平坦化層１
７に対して、すなわち該第一の平坦化層１７の形成材料
に対してより、前記レジスト層（レジスト１５ａ）に対
してより大きなエッチングレートを有するエッチング
剤、例えば酸素プラズマを用いてエッチングを行い、図
２（ｆ）に示すように前記第一の平坦化層１７および前
記レジスト１５ａを除去し、前記第一の透明材料層１４
を露出させる。

【００１８】このようなエッチングを行うと、用いたエ
ッチング剤の、第一の平坦化層１７とレジスト１５ａと
に対するエッチングレートの差により、レジスト１５ａ
が形成された位置では、第一の平坦化層１７がエッチン
グされた後そのエッチング速度が速まる。そして、この
ようにレジスト１５ａが形成された箇所と形成されてい
ない箇所との間でエッチング速度に差が生じることによ
り、レジスト１５ａが形成されていない箇所で第一の平
坦化層１７のエッチングが終了したときには、レジスト
１５ａが形成されている箇所ではすでに該レジスト１５
ａのエッチングを終了し、その下の第一の透明材料層１
４のエッチングに進んでいる。このとき、第一の透明材
料層１４でのエッチングは、レジスト１５ａの厚さにほ
ぼ比例して、すなわちレジスト１５ａが厚い箇所ではよ
り速く進行し、レジスト１５ａの薄い箇所ではより遅く
進行しており、したがって第一の透明材料層１４には、
エッチングが終了したとき、前記軟化・溶融後のレジス
ト１５ａと逆の形状、すなわち上に凹の湾曲形状である
凹レンズ１２ａの面が形成される。なお、この凹レンズ
１２ａの面の形成については、予め実験等によって各透
明材料やレジスト、エッチング剤の種類、さらにはレジ
ストの加熱条件等を適宜に決定しておき、該凹レンズ１
２ａの焦点が受光面３ａ上に位置するようにしておく。

【００１９】その後、露出した第一の透明材料層１４の
面上、すなわち凹レンズ１２ａの面が形成された表面上
に、これに接して第二の透明材料からなる層を形成し、
さらに得られた層を従来公知の平坦化技術で平坦化して
図１に示した透明平坦化層（第二の平坦化層）１３を形
成し、固体撮像装置１を得る。第二の透明材料として
は、前記第一の透明材料より十分に高い屈折率、具体的
には１．５〜１．７あるいはこれ以上の屈折率を有する
ものが用いられ、例えば前述したようにエポキシ系透明
樹脂やアクリル系透明樹脂、さらには透明なシリコーン
樹脂などが用いられる。

【００２０】このようにして得られた固体撮像装置１に
あっては、凹レンズ１２ａを有した透明レンズ層１２
と、これに接する透明平坦化層１３とを有し、透明平坦
化層１３と透明レンズ層１２の屈折率の差によって形成
される前記凹レンズ１２ａの焦点を、図１中矢印で示す
ように受光面３ａに合うように形成されているので、従
来のものと同様に実効開口率が高いものとなる。

【００２１】また、このような固体撮像装置１の製造方
法にあっては、最外層となる透明平坦化層１３を屈折率
の高い材料（第二の透明材料）で形成することから、こ
の材料として従来公知の透明樹脂等を用いることがで
き、これによりその材料選択の自由度を大きくすること
ができる。

【００２２】図３は本発明の固体撮像装置の変形例を示
す図であり、図３において符号２０は固体撮像装置であ
る。この固体撮像装置２０が図１に示した固体撮像装置
１１と異なるところは、図１に示した固体撮像装置１１
に加え、透明モールド樹脂層２１を加えた点にある。す
なわち、図３に示した固体撮像装置２０では、透明平坦
化層１３の上に透明モールド樹脂層２１が設けられ、こ
れによりモールドパッケージ構造とされたものである。
このような固体撮像装置２０を得るには、図２（ａ）〜
（ｆ）に示した工程に加え、公知のモールド封止技術に
よって図１に示した固体撮像装置１１を透明なモールド
樹脂で封止し、これによりモールドパッケージ構造を得
る。

【００２３】このような構成の固体撮像装置２０にあっ
ては、最外層となる透明平坦化層１３が屈折率の高い材
料（第二の透明材料）から形成されているので、例えば
エポキシ系透明樹脂など透明平坦化層１３と同程度の屈
折率の透明モールド樹脂を透明平坦化層１３の上に形成
しても凹レンズ１２ａのレンズ機能を損なうことがな
く、したがって実効開口率を高めることができるととも
に、パッケージ構造として一般的であり、組み立てコス
トの安いモールドパッケージ構造を採用することができ
る。

【００２４】なお、前記実施形態例では、透明平坦化層
１３の上に透明なモールド樹脂層２１を形成してモール
ドパッケージ構造としたが、例えば、透明平坦化層１３
に代えて、透明樹脂のポッティング封止などにより透明
モールド樹脂層を直接透明レンズ層１２の上に形成し、
該透明モールド樹脂層の上面（受光面３ａ側の面）を平
坦化して該透明モールド樹脂層を前記透明平坦化層１３
と同様に機能させてもよい。この場合、透明平坦化層１
３の形成工程を省略して直接モールド樹脂封止が行える
ので、その組み立てコストをさらに低減することができ
る。

【００２５】図４は、透明平坦化層１３に代えて、透明
モールド樹脂層を直接透明レンズ層１２の上に形成した
具体例を示す図であり、図４中符号４０は固体撮像装
置、４１は図１に示した固体撮像装置１１から透明平坦
化層１３を除いてなるＣＣＤチップである。ＣＣＤチッ
プ４１には、その表面に形成された透明レンズ層１２の
上を直接覆って透明モールド樹脂層４２が形成され、さ
らにこの透明モールド樹脂層４２上には、その上面を覆
って透明ガラスあるいは透明プラスチックリッドからな
る透明平坦板４３が設けられている。また、ＣＣＤチッ
プ４１には、その表面に形成された電極４４に金バンプ
４５を介してＴＡＢリード４６が接続されている。これ
ら電極４４、金バンプ４５、ＴＡＢリード４６の接続部
は、前記透明モールド樹脂４２に封止され、かつその状
態で前記透明平坦板４３によって覆われている。

【００２６】このような構成の固体撮像装置４０にあっ
ては、これを製造するに際して、前述したように透明平
坦化層１３の形成工程を省略して直接モールド樹脂封止
が行えるので、その組み立てコストを低減することがで
き、しかも、透明モールド樹脂層４２の表面平坦化を、
これの上に透明平坦板４３を設けることによって容易に
行えるため、より一層組み立てコストの低減化を進める
ことができる。

【００２７】図５は本発明の固体撮像装置の第二実施形
態例を示す図であり、図５において符号３０は固体撮像
装置である。この固体撮像装置３０が図１に示した固体
撮像装置１１と異なるところは、絶縁膜６および遮光膜
８と透明レンズ層１２との間にパッシベーション膜３
１、カラーフィルタ膜３２が設けられている点である。
すなわち、図４に示した固体撮像装置３０では、絶縁膜
６および遮光膜８を覆ってパッシベーション膜３１が形
成され、このパッシベーション膜３１の上にカラーフィ
ルタ膜３２が設けられ、さらにこの上に透明レンズ層１
２が形成された構造となっている。したがって、このよ
うな構成の固体撮像装置３０にあっては、入射光のうち
一定の波長範囲のみを選択的に受光し、これを光電変換
することができることから、例えばカラーフィルタ膜３
２として赤、青、緑の波長範囲に対応した三種のものを
用いることにより、カラー表示を行うことができるもの
となる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置は、受光面に対してその反対の側に向かって凹となる
凹レンズを有した透明レンズ層を有し、さらにこの透明
レンズ層の上に、これに接して該透明レンズ層の材料よ
り高い屈折率の透明材料からなる透明平坦化層を有した
ものであるから、透明平坦化層と透明レンズ層との屈折
率の差によって形成される前記凹レンズの焦点を、受光
面に合うように予め透明レンズ層を形成しておけば、従
来のものと同様に高い実効開口率を有したものとなる。
また、最外層となる透明平坦化層が屈折率の高い材料で
形成されることから、例えばこの材料として従来公知の
透明樹脂等を用いることができ、その材料選択の自由度
を大きくすることができる。また、レンズの集光効果が
封止方法に左右されないため、ともに、中空パッケージ
構造を採ることなく、モールドパッケージ構造を採用す
ることができることから、従来に比べ組み立てコストを
低減することができる。

【００２９】さらに、透明平坦化層を形成する材料とし
てそのまま透明モールド樹脂を用いることもできること
から、その場合に一層組み立てコストの低減化を図るこ
とができる。また、透明平坦化層が設けられたことによ
ってその 表面が平坦化されているため、ダイシングま
たは組み立て工程で発生するダストを除去し易く、これ
によりその製造が容易になる。また、本発明の固体撮像
装置の製造方法は、前記の優れた効果を奏する固体撮像
装置を製造することができることから、産業上きわめて
有効なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置の第一実施形態例の概略
構成を示す側断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）は本発明の固体撮像装置の製造
方法を工程順に説明するための要部側断面図である。

【図３】図１に示した固体撮像装置の一変形例の概略構
成を示す側断面図である。

【図４】図１に示した固体撮像装置の他の変形例の概略
構成を示す側断面図である。

【図５】本発明の固体撮像装置の第二実施形態例の概略
構成を示す側断面図である。

【図６】従来の固体撮像装置に概略構成を示す側断面図
である。

【符号の説明】

３ 受光部 ３ａ 受光面 ８ 遮光膜 １１、２０、３０、４０ 固体撮像装置 １２ 透明
レンズ層 １２ａ 凹レンズ １３ 透明平坦化層（第二の平坦
化層） １４ 第一の透明材料層 １５ レジストパターン
１５ａ レジスト １６ 溝 １７ 第一の平坦化層 ４１ ＣＣＤチ
ップ ４２ 透明モールド樹脂層 ４３ 透明平坦板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換を行う受光部と、該受光部の受
   光面を覆うことなく設けられた遮光膜とを備えた固体撮
   像装置において、 前記受光部の受光面を覆って、該受光面と反対の側に向
   かって凹となる凹レンズを有した第一の透明材料からな
   る透明レンズ層を設け、 該透明レンズ層上に、前記第一の透明材料より高い屈折
   率を有する第二の透明材料からなり、少なくともその最
   上面が平坦化されてなる透明平坦化層を前記透明レンズ
   層に接して設けたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 光電変換を行う受光部と、該受光部の受
   光面を覆うことなく設けられた遮光膜とを備えた固体撮
   像装置の製造方法であって、 前記受光部の受光面および遮光膜を覆って第一の透明材
   料からなる第一の透明材料層を形成する工程と、 該第一の透明材料層上にレジスト層を形成するととも
   に、該レジスト層の、前記受光面の周縁の直上位置近傍
   に溝を形成する工程と、 前記レジスト層を加熱して軟化・溶融させる工程と、 軟化・溶融させたレジスト層上に第一の平坦化層を形成
   する工程と、 該第一の平坦化層に対してより前記レジスト層に対して
   大きなエッチングレートを有するエッチング剤を用いて
   エッチングし、前記第一の平坦化層および前記レジスト
   層を除去して前記第一の透明材料層を露出させる工程
   と、 露出した第一の透明材料層上に、これに接して前記第一
   の透明材料より高い屈折率を有する第二の透明材料から
   なる第二の平坦化層を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。