JP4329142B2

JP4329142B2 - Method for forming an in-layer lens

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Publication number: JP4329142B2
Application number: JP33289698A
Authority: JP
Inventors: 祥哲東宮; ひとみ上家
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: JP2000164837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体撮像素子や液晶表示素子等の素子の内部に用いて好適な層内レンズの形成方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子においては、画素の微細化に伴い感度を向上させる必要が生じ、従来のカラーフィルタ上のレンズ（オンチップレンズ）のみでは、充分な感度向上が図れなくなってきている。
そこで、カラーフィルターとセンサの半導体部との間の積層構造の内部にもレンズを形成する、いわゆる層内レンズという技術が併用して用いられている。
【０００３】
そして、上述の層内レンズの形成方法の１つとして、層内レンズの材料層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、層内レンズの材料層を成膜した後、その上に積層したレジストをレンズ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のレンズ形状を層内レンズの材料層に転写する方法である。
【０００４】
従来は、ドライエッチングの際に、上層のレジストのレンズ形状のレンズ厚を正確に転写させるために、レジストと層内レンズ材料とのエッチング選択比が１になるように設定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにエッチング選択比を１に設定していると、層内レンズの厚さが、レジストの厚さ限界の範囲内に制限されてしまう。
レジストの厚さ限界は、例えば良好に成膜できる薄さの限界や、曲面のレンズ形状を正しく形成できる限界、露光による現像が可能な厚さの限界等の条件により規定される。
【０００６】
従って、レンズの焦点距離を所望の距離に調節する等の目的で層内レンズの厚さをレジストの厚さ限界の範囲外にしたい場合、実際に層内レンズを形成することが不可能であった。
【０００７】
上述した問題の解決のために、本発明においては、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を可能にする層内レンズの形成方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の層内レンズの形成方法は、凹部を形成する工程と、この凹部を埋めて層内レンズ材料の層を形成する工程と、その後、層内レンズ材料の層の表面を平坦化する工程と、さらにその上に層内レンズ材料の層を積層形成する工程と、その後積層形成した層内レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストによるマスクを形成する工程と、エッチバックしてマスクのレンズ形状を層内レンズ材料の層に転写して層内レンズを形成する工程とを有し、層内レンズを形成する工程において、レジストの層内レンズ材料に対するエッチング選択比を１より大きくしてレジストの厚さより薄い層内レンズを形成するものである。
【０００９】
本発明の層内レンズの形成方法は、凹部を形成する工程と、この凹部を埋めて層内レンズ材料の層を形成する工程と、その後、層内レンズ材料の層の表面を平坦化する工程と、さらにその上に層内レンズ材料の層を積層形成する工程と、その後積層形成した層内レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストによるマスクを形成する工程と、エッチバックしてマスクのレンズ形状を層内レンズ材料の層に転写して層内レンズを形成する工程とを有し、層内レンズを形成する工程において、レジストの層内レンズ材料に対するエッチング選択比を１より小さくしてレジストの厚さより厚い層内レンズを形成するものである。
【００１０】
上述の本発明方法によれば、レジストの層内レンズ材料に対するエッチング選択比を１より大きくしてレジストの厚さより薄い層内レンズを形成することにより、レジストの厚さの最小限界より薄い層内レンズを形成することが可能になる。
【００１１】
同様に、上記エッチング選択比を１より小さくしてレジストの厚さより厚い層内レンズを形成することによりレジストの厚さの最大限界より厚い層内レンズを形成することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、凹部を形成する工程と、この凹部を埋めて層内レンズ材料の層を形成する工程と、その後、層内レンズ材料の層の表面を平坦化する工程と、さらにその上に層内レンズ材料の層を積層形成する工程と、その後積層形成した層内レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストによるマスクを形成する工程と、エッチバックしてマスクのレンズ形状を層内レンズ材料の層に転写して層内レンズを形成する工程とを有し、層内レンズを形成する工程において、レジストの層内レンズ材料に対するエッチング選択比を１より大きくしてレジストの厚さより薄い層内レンズを形成する層内レンズの形成方法である。
【００１５】
本発明は、凹部を形成する工程と、この凹部を埋めて層内レンズ材料の層を形成する工程と、その後、層内レンズ材料の層の表面を平坦化する工程と、さらにその上に層内レンズ材料の層を積層形成する工程と、その後積層形成した層内レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストによるマスクを形成する工程と、エッチバックしてマスクのレンズ形状を層内レンズ材料の層に転写して層内レンズを形成する工程とを有し、層内レンズを形成する工程において、レジストの層内レンズ材料に対するエッチング選択比を１より小さくしてレジストの厚さより厚い層内レンズを形成する層内レンズの形成方法である。
【００１８】
図１は層内レンズの形成方法に供するＣＣＤ固体撮像素子の一素子の概略断面図を示す。
このＣＣＤ固体撮像素子１は、半導体基体（半導体部）１１内にセンサ（受光部）１２、読み出しゲート部１３、ＣＣＤ転送チャネル１４が形成され、受光部１２以外の半導体部１１即ち読み出しゲート部１３及びＣＣＤ転送チャネル１４上に絶縁膜２を介して転送電極３が形成されている。転送電極３上には層間絶縁膜４を介して遮光膜５が形成され、この遮光膜５は転送電極３への光の入射を防止する。また、遮光膜５には受光部１２上に開口が設けられて、受光部１２に光が入射するようにしている。
【００１９】
そして、遮光膜５を覆って、例えばＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）膜等のリフロー膜或いはＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ膜による第１平坦化層６が形成されている。
この第１平坦化層６は、遮光膜５による段差に対して表面を平坦化させる層である。
【００２０】
さらに、受光部１２の上方の第１平坦化層６上に、例えばプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等の高屈折率材料により上面が曲面による凸部となった層内レンズ７が形成されている。
【００２１】
層内レンズ７上には、例えばアクリル系樹脂膜（屈折率ｎ＝１．３〜１．４）等から成る第２平坦化層８が形成され、この第２平坦化層８を形成することにより表面が平坦化され、その上にカラーフィルタ９が形成されている。
さらにカラーフィルタ９上にはいわゆるオンチップレンズとされたマイクロレンズ１０が形成されている。
【００２２】
この場合、層内レンズ７表面即ち層内レンズ（高屈折率層）７と第２平坦化層８との２層の境界面に入射した光が受光部１２上に集光するように、下地の層間内レンズ７の材料の屈折率は、上層の第２平坦化層８の材料の屈折率より大きくなるようにする。
【００２３】
このように、マイクロレンズ１０によるオンチップレンズの下に層内レンズ７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１２に入射させることができる。
従って、オンチップレンズのみを形成した場合と比較して、ＣＣＤ固体撮像素子の感度を向上させることができるものである。
【００２４】
次に、層内レンズの形成方法の一形態として、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子１の製造工程を図２〜図３に示す。
【００２５】
まず、図２Ａに示すように、半導体部１１内に所要の不純物のイオン注入等を行って、受光部１２、読み出しゲート部１３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）１４をそれぞれ形成した後に、表面に絶縁膜２を介して所定のパターンに転送電極３を形成し、層間絶縁膜４を介してこの転送電極３を覆って遮光膜５を形成する。
そして、遮光膜５が受光部１２上に開口を有するようにパターニングする。
【００２６】
次に、図２Ｂに示すように、遮光膜５上に、リフローにより形成した膜例えばＢＰＳＧ膜やＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ法によって形成した膜により第１平坦化層６を形成し、表面の平坦化を行う。
【００２７】
ＢＰＳＧ膜は、ＢＰＳＧの組成やリフロー温度を規定することにより、リフロー後に平坦な表面を有するようにすることができる。
【００２８】
このとき、第１平坦化層６の材料に用いられる平坦化の方法に対応して、遮光膜５となる材料を選択して、遮光膜５を形成しておくようにする。
例えば、平坦化のために高温でのリフローが必要な場合には、遮光膜５に高融点金属例えばタングステン、タングステンシリサイド、モリブデン、チタン等を形成する。
【００２９】
一方、第１平坦化層６にＨＤＰＣＶＤ膜を使用する場合には、低温で第１平坦化層６を形成することができるので、遮光膜５はアルミニウム膜等でも構わない。
【００３０】
次に、図示しないが周辺部の配線を形成した後、配線を覆って全体に、図２Ｃに示すように層内レンズ７となる高屈折率の層内レンズ材料の層１５、例えばプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を０．５〜２．０μｍの厚さに形成する。
【００３１】
ここで、層内レンズ７の屈折率を１．９〜２．０とする場合には、層内レンズ材料の層１５としてプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を形成する。
また、層内レンズ７の屈折率を１．５〜１．９とする場合には、層内レンズ材料の層１５としてプラズマＣＶＤによるＳｉＯＮ膜を形成する。
【００３２】
次に、図３Ｄに示すように、レンズ材料層１５の上にレジスト１６を塗布し、レジスト１６に対して所望の層内レンズ７を得るためのパターニングを行う。
さらにレンズ形状を得るために、パターニングしたレジスト１６に対して例えば１４０〜１８０℃でリフローを行う。
【００３３】
このレジスト１６には、酸素によりドライエッチングが可能である樹脂、例えばノボラック系樹脂等を用いることができる。
【００３４】
次に、図３Ｅに示すように、ドライエッチングにより、レジスト１６のレンズ形状をレンズ材料層１５に転写して層内レンズ７を形成する。
【００３５】
その後は、層内レンズ７を覆って第２平坦化層８を形成して表面を平坦化した後、カラーフィルタ９及びマイクロレンズ１０を順次形成して、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子１を形成することができる。
【００３６】
そして、特に上述の図３Ｄ〜図３Ｅに示したドライエッチングの際に、レジスト１６と層内レンズ７の材料とのエッチング選択比を１以外の値に変更することにより、凸型の層内レンズ７を任意の厚さに形成することを可能にする。
【００３７】
このとき、ドライエッチング装置及びドライエッチングの条件は、例えばマイクロ波プラズマエッチング装置を用いて、プロセスガス（エッチングガス）としてＳＦ₆及び酸素を混合したガスを用いる。
また、このとき例えばＲＦ（高調波）出力は２０〜１００Ｗ、マイクロ波の出力は１０００〜２０００Ｗ、圧力は０．５〜２Ｐａとする。
【００３８】
このようにＳＦ₆と酸素の混合ガスをエッチングガスとして用いる場合には、エッチングガスの混合比を変更することにより、レジスト１６と層内レンズ７の材料とのエッチング選択比を変えることができる。
【００３９】
次に、層内レンズの形成方法の具体的な形態として、図３Ｄ及び図３Ｅに示したドライエッチング工程の詳細の２つの形態を、図４と図５にそれぞれ示す。
【００４０】
まず、上述の混合ガス中の酸素の比率が多いと、レジスト１６の方がエッチング速度が速く、レジスト１６の層内レンズ７の材料に対するエッチング選択比が１より大きくなるので、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、レンズ形状のレジスト１６の厚さと比較して薄い層内レンズ７が形成される。
【００４１】
一方、酸素の比率が少ないと、レジスト１６の方がエッチング速度が遅く、レジスト１６の層内レンズ７の材料に対するエッチング選択比が１より小さくなるので、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、レンズ形状のレジスト１６の厚さと比較して厚い層内レンズ７が形成される。
【００４２】
そして、ＳＦ₆と酸素との混合比を２対１〜１対２の間で変化させることにより、レジスト１６の層内レンズ７の材料に対するエッチング選択比を０．５〜２．０の間で変化させることができる。
【００４３】
レジスト１６の厚さの限界が例えば０．６〜２．５μｍの範囲である場合に、従来のようにエッチング選択比が１．０のままであると、ドライエッチングで得られる凸型の層内レンズ７の厚さは０．６〜２．５μｍの範囲内しか形成できない。
【００４４】
これに対して、上述の方法により、エッチング選択比が０．５〜２．０の範囲で可変となれば、凸型の層内レンズ７の厚さを０．３〜５．０μｍの範囲で形成することができるようになる。
【００４５】
エッチング装置には、その他平行平板ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置や高圧狭ギャップ型プラズマエッチング装置、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型エッチング装置、マグネトロンＲＩＥ装置、その他の高密度プラズマ型エッチング装置（例えばＴＣＰ（遷移結合型プラズマ），ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ），ＨＤＰ（高密度プラズマ），ヘリコン（ヘリコン波により放電したプラズマ）等のプラズマを利用したエッチング装置）を用いてもよい。
【００４６】
また、エッチングガスは、ＳＦ₆に代えてＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₆，Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₈，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂等のフロン系ガスや、Ｃｌ₂，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＢＣｌ等のハロゲン系を用いて酸素との混合ガスを作製してもよい。
【００４７】
尚、ＳＦ₆の代わりに他のフッ素系ガスを用いた場合には、レジスト１６と層内レンズ７の材料とのエッチング選択比が１になる混合比率が異なる場合がある。
【００４８】
また、エッチングガスは、上述の２種類のガスの混合ガスの他に、例えば酸素と上述のガスの２種類以上を混合したガス等、３種類以上のガスから成る混合ガスを用いてもよい。
【００４９】
尚、上述のドライエッチングを単体のエッチングガスによって行うこともできる。ただし、この場合はレジスト１６と層内レンズ７の材料とのエッチング選択比がエッチングガスによって決まる一定の値になる。
これにより、レンズ形状のレジスト１６の厚さに対して、エッチング選択比により一意的に決まる厚さの層内レンズ７が形成される。
【００５０】
尚、図１のＣＣＤ固体撮像素子１において、層内レンズ７の材料を高屈折率の樹脂により構成することも可能であるが、この場合にはドライエッチングで層内レンズ７を形成する際に、エッチングガスの混合比によらず、レジスト１６と層内レンズ７の材料とのエッチング選択比がほぼ１になる。
即ち、この場合には、層内レンズ７の厚さがレンズ形状のレジスト１６の厚さと同一になり、形成可能な層内レンズ７の厚さの範囲は、レンズ形状のレジスト１６の厚さの範囲となる。
【００５１】
上述の形態によれば、レンズ形状のレジスト１６の層内レンズ７の材料に対するエッチング選択比を１より大きく、或いはこのエッチング選択比を１より小さくすることによって、層内レンズ７の厚さをレンズ形状のレジスト１６の厚さの限界の範囲外とすることが可能となり、これにより入射光の焦点距離の範囲を広げることができる。
これにより、層内レンズ７の焦点距離を、より広い範囲において所望の距離に調節することを可能にする。
【００５２】
従って、多様な寸法のユニットセルサイズを有するＣＣＤ固体撮像素子に対して、感度向上を図ることができる。
【００５３】
次に、本発明方法の一実施の形態について説明する。
図６は本発明の層内レンズの形成方法に供するＣＣＤ固体撮像素子の一素子の概略断面図を示す。
【００５４】
このＣＣＤ固体撮像素子２１は、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子１の層内レンズ７と同様に上に凸なレンズ面１９Ａを有し、さらに下層の層間絶縁層１７の受光部１２上の位置に形成された凹部とこの凹部を埋める（例えばプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜等から成る）層内レンズ材料の層（高屈折率層）１８との境界面によって形成された下に凸なレンズ面１９Ｂを有して成る層内レンズ１９が形成されている。
【００５５】
このように構成することにより、マイクロレンズ１０、層内レンズ１９の上側のレンズ面１９Ａ、層内レンズ１９の下側のレンズ面１９Ｂと３段階で集光がなされ、図１のＣＣＤ固体撮像素子１と比較してさらなる感度の向上を図ることができるものである。
【００５６】
その他の構成は図１のＣＣＤ固体撮像素子１と同様であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５７】
次に、本発明の層内レンズの形成方法の一実施の形態として、図６に示したＣＣＤ固体撮像素子２１の製造工程を図７に示す。
【００５８】
まず、前述の図２Ａと同様に、半導体部１１内に所要の不純物のイオン注入等を行って、受光部１２、読み出しゲート部１３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）１４をそれぞれ形成した後に、表面に絶縁膜２を介して所定のパターンに転送電極３を形成し、層間絶縁膜４を介してこの転送電極３を覆って遮光膜５を形成する。
そして、遮光膜５が受光部１２上に開口を有するようにパターニングする。
【００５９】
次に、遮光膜５による段差を覆って全面的に例えばＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）等による層間絶縁層１７を形成する。
このとき、例えばＢＰＳＧの組成を所定の組成とすることにより、層間絶縁層１７の表面がセンサ部１２上に凹部を有するように形成される。
さらに、図７Ａに示すように、層間絶縁層１７の凹部を埋めて全面的に層内レンズの材料例えばプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜等により高屈折率層１８を形成する。この高屈折率層１８の表面は、層間絶縁層１７の凹部に対応する凹部を有する。
【００６０】
次に、図７Ｂに示すように、高屈折率層１８の表面を覆って平坦化のためのレジスト２０を形成する。
このときレジスト２０の表面はレジスト２０の粘性等の特性により平坦化される。
【００６１】
そして、レジスト２０及び高屈折率層１８に対してドライエッチングを行う。
このドライエッチングにおいては、レジスト２０の高屈折率層（層内レンズ材料）１８に対するエッチング選択比が１（１：１）となるように、エッチングガス等の条件を設定して行う。
これにより、図７Ｃに示すように、高屈折率層１８の表面が平坦化される。
【００６２】
次に、図７Ｄに示すように、平坦化された高屈折率層１８上にさらに高屈折率層１８例えばプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜等を積層形成する。この２層目の高屈折率層１８の表面は平坦に形成される。
【００６３】
次に、高屈折率層１８上にレジストを形成し、このレジストをパターニングした後、リフローを行って、図７Ｅに示すようなレンズ形状のレジスト１６とする。
【００６４】
そして、前述のエッチング選択比を１より大又は１より小とした条件でドライエッチングを行って、図７Ｆに示すように、レジスト１６のレンズ形状を高屈折率層１８に転写する。
【００６５】
尚、上述の製造工程において、層内レンズ１９間の高屈折率層１８、即ちある画素の層内レンズ１９と隣の画素の層内レンズ１９との間の高屈折率層（層内レンズ材料の層）１８の表面は、オンチップレンズ１０で充分に入射光を絞っていて層内レンズ１９間への入射がない場合や、層内レンズ１９間に入射した光はほとんど全て遮光膜５に入射してセンサ部１２に到達しない場合では、必ずしも完全に平坦になっていなくてもよい。
【００６６】
さらに他の形態として、このような場合において有効な、上述の図７に示した製造工程をより簡略化した製造工程の工程図を図８に示す。
まず、図７Ａに示したように、凹部を有する層間絶縁層１７上に高屈折率層１８を形成する。
【００６７】
次に、高屈折率層１８上にレジストを形成し、このレジストをパターニングした後、リフローを行う。
これにより、図８Ｂに示すように、高屈折率層１８の凹部にレンズ形状のレジスト１６が形成される。
【００６８】
次に、レジスト１６の層内レンズの材料に対するエッチング選択比が所望の選択比となるエッチング条件でドライエッチングを行うことにより、レジスト１６のレンズ形状を転写して所望の厚さの層内レンズ１９を形成する。
【００６９】
これにより、図７に示した工程より少ない工程数で層内レンズ１９を形成することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００７０】
尚、この場合には各層内レンズ１９間の高屈折率層１８に多少の凹凸が残ることがあるので、前述したように各層内レンズ１９間への入射光の影響がない場合に適した製造方法である。
【００７１】
尚、上述の実施の形態においては、ＣＣＤ固体撮像素子に適用して説明したが、本発明の層内レンズの形成方法は、ＭＯＳ型撮像素子等の他の固体撮像素子や、液晶表示素子についても適用することができ、上述の実施の形態と同様にエッチング選択比を規定して所望の厚さの層内レンズを得ることができる。
【００７２】
従って、上述の素子において本発明の層内レンズの形成方法を適用することにより、感度や層内レンズの焦点距離を調節して素子の特性の最適化を図ることができる。
【００７３】
本発明の層内レンズの形成方法は、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。
【００７４】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、層内レンズの厚さを上層のレジストの厚さの限界の範囲外とすることが可能となり、これにより入射光の焦点距離の範囲を広げることができる。
層内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を可能にする。
【００７５】
従って、多様な寸法のユニットセルサイズ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。
また、液晶表示素子等において、感度や層内レンズの焦点距離を広範囲に調節して特性の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】層内レンズの形成方法に供するＣＣＤ固体撮像素子の一画素に対応する概略断面図である。
【図２】Ａ〜Ｃ図１のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法の製造工程図である。
【図３】Ｄ、Ｅ図１のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法の製造工程図である。
【図４】Ａ、Ｂ図３Ｄ及び図３Ｅのドライエッチング工程の詳細の一形態を示す製造工程図である。
【図５】Ａ、Ｂ図３Ｄ及び図３Ｅのドライエッチング工程の詳細の他の形態を示す製造工程図である。
【図６】本発明の層内レンズの形成方法に供するＣＣＤ固体撮像素子の一画素に対応する概略断面図である。
【図７】Ａ〜Ｆ図６のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法の製造工程図である。
【図８】Ｂ、Ｃ図６のＣＣＤ固体撮像素子の他の製造方法の製造工程図である。
【符号の説明】
１，２１ＣＣＤ固体撮像素子、２絶縁膜、３転送電極、４層間絶縁膜、５遮光膜、６第１平坦化層、７，１９層内レンズ、８第２平坦化層、９カラーフィルタ、１０マイクロレンズ（オンチップレンズ）、１１半導体基体（半導体部）、１２受光部（センサ）、１３読み出しゲート部、１４ＣＣＤ転送チャネル、１５，１８高屈折率層（層内レンズの材料層）、１６，２０レジスト、１７層間絶縁層、１９Ａ，１９Ｂレンズ面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming an in-layer lens suitable for use in an element such as a solid-state image sensor or a liquid crystal display element.
[0002]
[Prior art]
In a solid-state imaging device, it is necessary to improve sensitivity with the miniaturization of pixels, and sufficient sensitivity improvement cannot be achieved only with a conventional lens (on-chip lens) on a color filter.
Thus, a so-called intra-layer lens technique is also used in which a lens is also formed inside the laminated structure between the color filter and the semiconductor portion of the sensor.
[0003]
As one of the above-described methods for forming the intralayer lens, there is a method of dry etching the laminated film of the material layer of the intralayer lens and the resist.
This is a method of forming a material layer of an in-layer lens, patterning a resist laminated thereon into a lens shape, and then transferring the lens shape of the resist to the material layer of the in-layer lens by dry etching.
[0004]
Conventionally, in dry etching, the etching selectivity between the resist and the in-layer lens material is set to 1 in order to accurately transfer the lens thickness of the upper resist layer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the etching selectivity is set to 1 as described above, the thickness of the inner lens is limited to the range of the resist thickness limit.
The resist thickness limit is defined, for example, by conditions such as a limit of thinness that allows favorable film formation, a limit that can correctly form a curved lens shape, and a limit of thickness that allows development by exposure.
[0006]
Therefore, when it is desired to make the thickness of the in-layer lens out of the resist thickness limit for the purpose of adjusting the focal length of the lens to a desired distance, it is impossible to actually form the in-layer lens. It was.
[0007]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for forming an in-layer lens that enables the focal length of the lens to be adjusted over a wide range to a desired distance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming an in-layer lens of the present invention includes a step of forming a recess, a step of filling the recess and forming a layer of the in-layer lens material, and a step of flattening the surface of the layer of the in-layer lens material thereafter. And a step of laminating and forming a layer of in-layer lens material thereon, a step of subsequently forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of in-layer lens material that has been laminated , and etching back to mask lenses Forming a lens in the layer by transferring the shape to the layer of the lens material in the layer, and in the step of forming the lens in the layer, the etching selectivity of the resist with respect to the lens material in the layer is made larger than 1. An intra-layer lens having a thickness smaller than the thickness is formed.
[0009]
The method for forming an in-layer lens of the present invention includes a step of forming a recess, a step of filling the recess and forming a layer of the in-layer lens material, and a step of flattening the surface of the layer of the in-layer lens material thereafter. And a step of laminating and forming a layer of in-layer lens material thereon, a step of subsequently forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of in-layer lens material that has been laminated , and etching back to mask lenses Forming a lens in the layer by transferring the shape to the layer of the lens material in the layer, and in the step of forming the lens in the layer, the etching selectivity ratio of the resist to the lens material in the layer is made smaller than 1. Intra-layer lenses that are thicker than the thickness of the lens are formed.
[0010]
According to the above-described method of the present invention, the etching selectivity ratio of the resist to the intra-layer lens material is made larger than 1 to form an intra-layer lens thinner than the thickness of the resist, thereby forming an inner layer thinner than the minimum limit of the resist thickness. A lens can be formed.
[0011]
Similarly, it is possible to form an intra-layer lens thicker than the maximum limit of the resist thickness by forming the intra-layer lens thicker than the resist thickness by making the etching selectivity smaller than 1.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention includes a step of forming a concave portion, a step of filling the concave portion to form a layer of an in-layer lens material, a step of flattening the surface of the layer of the intra-layer lens material, and a layer thereon A step of forming a layer of the inner lens material, a step of forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of the inner lens material thus formed , and etching back to change the lens shape of the mask of the inner lens material. And forming an intra-layer lens by transferring to the layer, and in the step of forming the intra-layer lens, the etching selectivity of the resist to the intra-layer lens material is larger than 1, and the intra-layer lens is thinner than the resist thickness. Is a method of forming an in-layer lens.
[0015]
The present invention includes a step of forming a concave portion, a step of filling the concave portion to form a layer of an in-layer lens material, a step of flattening the surface of the layer of the intra-layer lens material, and a layer thereon A step of forming a layer of the inner lens material, a step of forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of the inner lens material thus formed , and etching back to change the lens shape of the mask of the inner lens material. And forming an intra-layer lens by transferring to the layer, and in the step of forming the intra-layer lens, the etching selectivity of the resist to the intra-layer lens material is smaller than 1 and the inner lens is thicker than the resist thickness. Is a method of forming an in-layer lens.
[0018]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one element of a CCD solid-state imaging device used for a method for forming an in-layer lens .
In this CCD solid-state imaging device 1, a sensor (light receiving portion) 12, a reading gate portion 13, and a CCD transfer channel 14 are formed in a semiconductor substrate (semiconductor portion) 11. A semiconductor portion 11 other than the light receiving portion 12, that is, a reading gate portion 13. The transfer electrode 3 is formed on the CCD transfer channel 14 with the insulating film 2 interposed therebetween. A light shielding film 5 is formed on the transfer electrode 3 via an interlayer insulating film 4, and the light shielding film 5 prevents light from entering the transfer electrode 3. The light shielding film 5 is provided with an opening on the light receiving portion 12 so that light enters the light receiving portion 12.
[0019]
Then, a first planarizing layer 6 made of a reflow film such as a BPSG (boron phosphorus silicate glass) film or an HDP (high density plasma) CVD film is formed so as to cover the light shielding film 5.
The first planarization layer 6 is a layer that planarizes the surface with respect to the step caused by the light shielding film 5.
[0020]
Further, on the first planarizing layer 6 above the light receiving portion 12, a convex portion whose upper surface is curved with a high refractive index material such as a SiN film (refractive index n = 1.9 to 2.0) by plasma CVD, for example. The inner lens 7 thus formed is formed.
[0021]
A second planarizing layer 8 made of, for example, an acrylic resin film (refractive index n = 1.3 to 1.4) or the like is formed on the inner lens 7, and the second planarizing layer 8 is formed. Thus, the surface is flattened, and the color filter 9 is formed thereon.
Further, a microlens 10 is formed on the color filter 9 as a so-called on-chip lens.
[0022]
In this case, the light is incident on the surface of the inner lens 7, that is, the boundary surface between the inner lens (high refractive index layer) 7 and the second planarizing layer 8, so that the light is condensed on the light receiving unit 12. The refractive index of the material of the inner lens 7 is made larger than the refractive index of the material of the upper second planarizing layer 8.
[0023]
As described above, by providing the inner lens 7 under the on-chip lens formed by the microlens 10, incident light can be condensed in two stages and more light can be incident on the light receiving unit 12.
Therefore, the sensitivity of the CCD solid-state imaging device can be improved as compared with the case where only the on-chip lens is formed.
[0024]
Next, as one form of the method for forming the intralayer lens , the manufacturing process of the CCD solid-state imaging device 1 shown in FIG. 1 is shown in FIGS.
[0025]
First, as shown in FIG. 2A, ion implantation or the like of required impurities is performed in the semiconductor unit 11 to form the light receiving unit 12, the readout gate unit 13, and the CCD transfer channel (transfer unit) 14, respectively. A transfer electrode 3 is formed in a predetermined pattern via the insulating film 2, and a light shielding film 5 is formed covering the transfer electrode 3 via an interlayer insulating film 4.
Then, the light shielding film 5 is patterned so as to have an opening on the light receiving portion 12.
[0026]
Next, as shown in FIG. 2B, a first planarization layer 6 is formed on the light shielding film 5 by a film formed by reflow, such as a BPSG film or a film formed by HDP (high density plasma) CVD method. Perform flattening.
[0027]
The BPSG film can have a flat surface after reflow by defining the composition of BPSG and the reflow temperature.
[0028]
At this time, the light shielding film 5 is formed by selecting a material to be the light shielding film 5 in accordance with the planarization method used for the material of the first planarization layer 6.
For example, when reflow at a high temperature is necessary for planarization, a refractory metal such as tungsten, tungsten silicide, molybdenum, or titanium is formed on the light shielding film 5.
[0029]
On the other hand, when an HDPCVD film is used for the first planarization layer 6, the first planarization layer 6 can be formed at a low temperature, and therefore the light shielding film 5 may be an aluminum film or the like.
[0030]
Next, although not shown in the figure, after forming the peripheral wiring, the wiring is covered and the entire layer 15 of a high refractive index intra-layer lens material that becomes the intra-layer lens 7 as shown in FIG. 2C, for example, by plasma CVD. A SiN film is formed to a thickness of 0.5 to 2.0 μm.
[0031]
Here, when the refractive index of the inner lens 7 is set to 1.9 to 2.0, an SiN film by plasma CVD is formed as the layer 15 of the inner lens material.
When the refractive index of the inner lens 7 is 1.5 to 1.9, a SiON film by plasma CVD is formed as the layer 15 of the inner lens material.
[0032]
Next, as illustrated in FIG. 3D, a resist 16 is applied on the lens material layer 15, and patterning is performed on the resist 16 to obtain a desired intralayer lens 7.
Further, in order to obtain a lens shape, the patterned resist 16 is reflowed at 140 to 180 ° C., for example.
[0033]
For the resist 16, a resin that can be dry-etched by oxygen, such as a novolac resin, can be used.
[0034]
Next, as shown in FIG. 3E, the lens shape of the resist 16 is transferred to the lens material layer 15 by dry etching to form the in-layer lens 7.
[0035]
Thereafter, the second flattening layer 8 is formed so as to cover the inner lens 7 and the surface thereof is flattened, and then the color filter 9 and the microlens 10 are sequentially formed, and the CCD solid-state imaging device 1 shown in FIG. Can be formed.
[0036]
In particular, in the dry etching shown in FIGS. 3D to 3E described above, by changing the etching selectivity between the resist 16 and the material of the inner lens 7 to a value other than 1, a convex inner lens. 7 can be formed to an arbitrary thickness.
[0037]
At this time, as a dry etching apparatus and dry etching conditions, for example, a microwave plasma etching apparatus is used, and a gas mixed with SF ₆ and oxygen is used as a process gas (etching gas).
At this time, for example, the RF (harmonic) output is 20 to 100 W, the microwave output is 1000 to 2000 W, and the pressure is 0.5 to 2 Pa.
[0038]
Thus, when the mixed gas of SF ₆ and oxygen is used as the etching gas, the etching selectivity between the resist 16 and the material of the in-layer lens 7 can be changed by changing the mixing ratio of the etching gas.
[0039]
Next, two specific forms of the dry etching process shown in FIG. 3D and FIG. 3E are shown in FIG. 4 and FIG.
[0040]
First, when the ratio of oxygen in the above-mentioned mixed gas is large, the etching speed of the resist 16 is faster, and the etching selectivity of the resist 16 to the material of the in-layer lens 7 is larger than 1. Therefore, FIGS. 4A and 4B As shown in FIG. 2, the inner lens 7 that is thinner than the thickness of the lens-shaped resist 16 is formed.
[0041]
On the other hand, when the ratio of oxygen is small, the resist 16 has a slower etching rate, and the etching selectivity of the resist 16 to the material of the in-layer lens 7 is smaller than 1. Therefore, as shown in FIG. 5A and FIG. A thick inner lens 7 is formed as compared with the thickness of the resist 16 having a shape.
[0042]
Then, by changing the mixing ratio of SF ₆ and oxygen between 2: 1 and 1: 2, the etching selectivity of the resist 16 to the material of the inner lens 7 is between 0.5 and 2.0. Can be changed.
[0043]
When the limit of the thickness of the resist 16 is, for example, in the range of 0.6 to 2.5 μm, if the etching selectivity remains 1.0 as in the prior art, the inside of the convex layer obtained by dry etching The thickness of the lens 7 can be formed only within the range of 0.6 to 2.5 μm.
[0044]
On the other hand, if the etching selectivity is variable in the range of 0.5 to 2.0 by the above-described method, the thickness of the convex inner lens 7 is set in the range of 0.3 to 5.0 μm. Can be formed.
[0045]
Etching devices include other parallel plate RIE (reactive ion etching) devices, high-pressure narrow gap plasma etching devices, ECR (electron cyclotron resonance) etching devices, magnetron RIE devices, and other high-density plasma etching devices (for example, TCP). (Transition coupled plasma), ICP (inductively coupled plasma), HDP (high density plasma), helicon (plasma discharged by helicon wave), etc. may be used.
[0046]
The etching gas is replaced with SF ₆ , such as CF ₄ , C ₂ F ₆ , C ₃ F ₈ , C ₄ F ₈ , CHF ₃ , and CH ₂ F ₂ , Cl ₂ , HCl, HBr, A mixed gas with oxygen may be produced using a halogen system such as BCl.
[0047]
Note that when another fluorine-based gas is used instead of SF _6, the mixing ratio at which the etching selectivity ratio between the resist 16 and the material of the in-layer lens 7 becomes 1 may be different.
[0048]
Further, as the etching gas, in addition to the mixed gas of the above two types of gas, a mixed gas composed of three or more types of gas such as a gas obtained by mixing two or more types of oxygen and the above gas may be used.
[0049]
The dry etching described above can also be performed with a single etching gas. However, in this case, the etching selectivity between the resist 16 and the material of the in-layer lens 7 is a constant value determined by the etching gas.
Thereby, the in-layer lens 7 having a thickness uniquely determined by the etching selectivity with respect to the thickness of the lens-shaped resist 16 is formed.
[0050]
In the CCD solid-state imaging device 1 of FIG. 1, the material of the inner lens 7 can be made of a high refractive index resin. In this case, however, the inner lens 7 is formed by dry etching. The etching selection ratio between the resist 16 and the material of the in-layer lens 7 is almost 1 regardless of the mixing ratio of the etching gas.
That is, in this case, the thickness of the inner lens 7 is the same as the thickness of the lens-shaped resist 16, and the range of the thickness of the inner lens 7 that can be formed is the thickness of the lens-shaped resist 16. It becomes a range.
[0051]
According to the above-described embodiment , the etching selectivity of the lens-shaped resist 16 with respect to the material of the in-layer lens 7 is larger than 1, or the etching selectivity is smaller than 1, thereby reducing the thickness of the in-layer lens 7 to the lens. It becomes possible to make it outside the limit of the thickness of the resist 16 having a shape, and thereby the range of the focal length of incident light can be expanded.
This makes it possible to adjust the focal length of the in-layer lens 7 to a desired distance in a wider range.
[0052]
Therefore, the sensitivity can be improved with respect to the CCD solid-state imaging device having unit cell sizes of various dimensions.
[0053]
Next, an embodiment of the method of the present invention will be described.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of one element of a CCD solid-state image sensor used in the method for forming an intralayer lens of the present invention.
[0054]
The CCD solid-state image pickup device 21 has a lens surface 19A that is convex upward like the intra-layer lens 7 of the CCD solid-state image pickup device 1 shown in FIG. 1, and further on the light receiving portion 12 of the lower interlayer insulating layer 17. A downwardly convex lens surface 19B formed by a boundary surface between a concave portion formed at a position and a layer (high refractive index layer) 18 of an in-layer lens material filling the concave portion (for example, made of a plasma CVD SiN film). An in-layer lens 19 is formed.
[0055]
With this configuration, the microlens 10, the lens surface 19A on the upper side of the in-layer lens 19 and the lens surface 19B on the lower side of the in-layer lens 19 are condensed in three stages, and the CCD solid-state imaging device in FIG. Compared with 1, the sensitivity can be further improved.
[0056]
Since other configurations are the same as those of the CCD solid-state imaging device 1 of FIG. 1, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
[0057]
Next, as an embodiment of a method for forming a layer lens of the present invention, Figure 7 shows the manufacturing process of the CCD solid-state imaging device 21 shown in FIG.
[0058]
First, similar to FIG. 2A described above, after ion implantation or the like of required impurities is performed in the semiconductor portion 11 to form the light receiving portion 12, the read gate portion 13, and the CCD transfer channel (transfer portion) 14, respectively, Then, the transfer electrode 3 is formed in a predetermined pattern via the insulating film 2, and the light shielding film 5 is formed so as to cover the transfer electrode 3 via the interlayer insulating film 4.
Then, the light shielding film 5 is patterned so as to have an opening on the light receiving portion 12.
[0059]
Next, an interlayer insulating layer 17 made of, for example, BPSG (boron phosphorus silicate glass) is formed on the entire surface so as to cover the step formed by the light shielding film 5.
At this time, for example, by setting the composition of BPSG to a predetermined composition, the surface of the interlayer insulating layer 17 is formed on the sensor unit 12 so as to have a recess.
Further, as shown in FIG. 7A, the concave portion of the interlayer insulating layer 17 is filled, and the high refractive index layer 18 is formed on the entire surface by the material of the inner lens, for example, a SiN film by plasma CVD. The surface of the high refractive index layer 18 has a recess corresponding to the recess of the interlayer insulating layer 17.
[0060]
Next, as shown in FIG. 7B, a planarizing resist 20 is formed so as to cover the surface of the high refractive index layer 18.
At this time, the surface of the resist 20 is flattened due to characteristics such as the viscosity of the resist 20.
[0061]
Then, dry etching is performed on the resist 20 and the high refractive index layer 18.
In this dry etching, conditions such as etching gas are set so that the etching selectivity of the resist 20 to the high refractive index layer (intra-layer lens material) 18 is 1 (1: 1).
Thereby, as shown in FIG. 7C, the surface of the high refractive index layer 18 is flattened.
[0062]
Next, as shown in FIG. 7D, a high refractive index layer 18 such as a SiN film formed by plasma CVD is further formed on the flattened high refractive index layer 18. The surface of the second high refractive index layer 18 is formed flat.
[0063]
Next, a resist is formed on the high-refractive index layer 18, and after patterning the resist, reflow is performed to obtain a lens-shaped resist 16 as shown in FIG. 7E.
[0064]
Then, dry etching is performed under the condition that the etching selectivity is greater than 1 or less than 1, and the lens shape of the resist 16 is transferred to the high refractive index layer 18 as shown in FIG. 7F.
[0065]
In the above-described manufacturing process, the high refractive index layer 18 between the inner lenses 19, that is, the high refractive index layer between the inner lens 19 of one pixel and the inner lens 19 of the adjacent pixel (inner lens material). The surface of the layer) 18 is formed by the on-chip lens 10 where the incident light is sufficiently narrowed so that there is no incident between the inner lenses 19, or almost all the light incident between the inner lenses 19 enters the light shielding film 5. In the case where the light does not enter and reach the sensor unit 12, it does not necessarily have to be completely flat.
[0066]
Further, as another embodiment , FIG. 8 shows a process diagram of a manufacturing process which is effective in such a case and which is a simplified process shown in FIG.
First, as shown in FIG. 7A, a high refractive index layer 18 is formed on an interlayer insulating layer 17 having a recess.
[0067]
Next, a resist is formed on the high refractive index layer 18, and after this resist is patterned, reflow is performed.
As a result, as shown in FIG. 8B, a lens-shaped resist 16 is formed in the concave portion of the high refractive index layer 18.
[0068]
Next, the lens shape of the resist 16 is transferred and the inner lens 19 having a desired thickness is transferred by performing dry etching under etching conditions in which the etching selectivity with respect to the material of the inner lens of the resist 16 is a desired selectivity. Form.
[0069]
Accordingly, the inner lens 19 can be formed with a smaller number of steps than the steps shown in FIG. 7, and the manufacturing cost can be reduced.
[0070]
In this case, since some irregularities may remain in the high refractive index layer 18 between the lenses 19 in each layer, as described above, it is suitable for the case where there is no influence of incident light between the lenses 19 in each layer. Is the method.
[0071]
In the above-described embodiment , the description has been made by applying to a CCD solid-state imaging device. However, the method for forming an intralayer lens of the present invention is applicable to other solid-state imaging devices such as MOS-type imaging devices and liquid crystal display devices. As in the above-described embodiment, an etching selectivity can be defined to obtain an in-layer lens having a desired thickness.
[0072]
Therefore, by applying the method for forming an intralayer lens of the present invention to the above-described element, it is possible to optimize the characteristics of the element by adjusting the sensitivity and the focal length of the intralayer lens.
[0073]
The method for forming an intralayer lens of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
[0074]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, the thickness of the in-layer lens can be out of the range of the upper resist limit, and the focal length range of incident light can be widened.
The focal length of the intralayer lens can be adjusted over a wide range to the desired distance.
[0075]
Therefore, it is possible to improve the sensitivity for the solid-state imaging device having unit cell sizes of various dimensions.
In addition, in a liquid crystal display element or the like, the sensitivity and the focal length of the intralayer lens can be adjusted over a wide range to optimize the characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view corresponding to one pixel of a CCD solid-state imaging device used for a method for forming an in- layer lens .
FIGS. 2A to 2C are manufacturing process diagrams of a manufacturing method of the CCD solid-state imaging device of FIG. 1;
FIGS. 3D and 3E are manufacturing process diagrams of a manufacturing method of the CCD solid-state imaging device of FIG. 1;
4A and 4B are manufacturing process diagrams showing one embodiment of details of the dry etching process of FIGS. 3D and 3E.
5A and 5B are manufacturing process diagrams showing another embodiment of details of the dry etching process of FIGS. 3D and 3E.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view corresponding to one pixel of a CCD solid-state imaging device used in the method for forming an intralayer lens of the present invention.
7A to 7F are manufacturing process diagrams of the manufacturing method of the CCD solid-state imaging device of FIG.
FIGS. 8B and 8C are manufacturing process diagrams of another manufacturing method of the CCD solid-state imaging device of FIG. 6;
[Explanation of symbols]
1, 21 CCD solid-state imaging device, 2 insulating film, 3 transfer electrode, 4 interlayer insulating film, 5 light shielding film, 6 first planarizing layer, 7, 19 inner lens, 8 second planarizing layer, 9 color filter, 10 microlens (on-chip lens), 11 semiconductor substrate (semiconductor part), 12 light receiving part (sensor), 13 readout gate part, 14 CCD transfer channel, 15, 18 high refractive index layer (material layer of intralayer lens), 16, 20 resist, 17 interlayer insulation layer, 19A, 19B lens surface

Claims

Forming a recess;
Forming a layer of in-layer lens material by filling the recesses;
Then, planarizing the surface of the layer of the lens material in the layer,
Furthermore, a step of laminating and forming a layer of in-layer lens material thereon,
A step of forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of the in-layer lens material formed after lamination;
Etching the back and transferring the lens shape of the mask to the layer of the in-layer lens material to form an in-layer lens ,
In the step of forming the inner lens, the etching selectivity of the resist to the inner lens material is made larger than 1 to form the inner lens thinner than the thickness of the resist. Forming method.

Forming a recess;
Forming a layer of in-layer lens material by filling the recesses;
Then, planarizing the surface of the layer of the lens material in the layer,
Furthermore, a step of laminating and forming a layer of in-layer lens material thereon,
A step of forming a mask with a lens-shaped resist on the layer of the in-layer lens material formed after lamination;
Etching the back and transferring the lens shape of the mask to the layer of the in-layer lens material to form an in-layer lens ,
In the step of forming the inner lens, the etching selectivity of the resist to the inner lens material is made smaller than 1 to form the inner lens thicker than the thickness of the resist. Forming method.