JP2002107534A - カラー撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カラーフィルタのパターンが３μｍ×３μｍ以
下の微細なパターンであっても、硬膜処理によってパタ
ーン形状（立体形状）が崩れることのない、同時に横方
向にパターン幅が拡がることのないカラー撮像素子の製
造方法を提供すること。 【解決手段】複数の受光素子と、各受光素子の光入射側
に設けられた顔料を用いたカラー撮像素子の製造方法に
おいて、少なくともマゼンタカラーフィルタを設ける工
程の現像処理と硬膜処理の間に紫外線露光処理を行うこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｃ−ＭＯＳ、ＣＣ
Ｄなどに代表される撮像素子に関するものであり、特
に、感度向上に効果のある補色系カラー撮像素子の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤなどの撮像素子の光電変換に寄与
する領域（開口部）は、素子サイズや画素数にも依存す
るが、その全面積に対し２０〜４０％程度に限られてし
まう。開口部が小さいことは、そのまま感度低下につな
がるので、これを補うために受光素子上に集光用のマイ
クロレンズを形成することが一般的である。しかし、高
精細化、高画素化の進展にともないマイクロレンズの集
光効果のみでは、十分な感度を得られなくなってきた。

【０００３】また、撮像素子のカラー化は、その受光素
子上にＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の原色のカラーフ
ィルタをそれぞれ配設することによって行われるのが一
般的であり、カラー化された撮像素子はこのカラーフィ
ルタで色分解をする。この原色のカラーフィルタを用い
ることにより、色分解の容易さと良好な色再現が得られ
るものの、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）のカラーフィ
ルタは、それぞれ主波長付近の狭い範囲での光の透過領
域しかなく感度低下の原因の一つとなっていた。

【０００４】図３は、このような撮像素子の一例を示す
部分断面図である。図３に示すように、撮像素子は、そ
の表面に受光素子（３７）、遮光層（３６）、バリアー
膜（３９）などが形成された半導体基板（３８）上に、
平坦化層（３４）、原色のカラーフィルタ（３３Ｂ、３
３Ｇ、３３Ｒ）、平坦化層（３５）、マイクロレンズ
（３０）が順次形成されたものである。図３に示す撮像
素子を構成する原色のカラーフィルタ（３３Ｂ、３３
Ｇ、３３Ｒ）は、例えば、図４に示すような分光特性を
有しており、各々のカラーフィルタは波長領域４００〜
７００ｎｍの略１／３の領域を光が透過するものであ
る。

【０００５】これに対し、高精細撮像素子では、図５に
示すような補色のＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ
（シアン）を用いることが多くなってきた。この補色
は、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の補色に相当し、補
色のカラーフィルタ（補色顔料を用いたカラーフィル
タ）では、原色のカラーフィルタと異なり波長領域４０
０〜７００ｎｍの略２／３の領域を光が透過するため、
原色のカラーフィルタの略２倍の感度が得られることに
なる。３００万画素、６００万画素と言った高精細撮像
素子、及び、半導体ウェハーに多面付けでコストダウン
を狙う低コスト（小さいチップの素子をできるだけ多く
とる）撮像素子では、補色のカラーフィルタを採用する
方向にある。

【０００６】原色のカラーフィルタ、補色のカラーフィ
ルタともに、透過率の高い有機樹脂に色素を分散、或い
は有機樹脂を色素で染色して目的の分光特性（色目）を
得る。これら有機樹脂には、感光性とアルカリ現像性を
もたせ、公知のフォトリソグラフィー法で各色のカラー
フィルタを形成することが一般的である。カラー撮像素
子には、通常３色ないし４色のカラーフィルタが採用さ
れることが多い。各色のカラーフィルタの形成工程は、
それぞれ露光処理、現像処理を経て、およそ１５０℃〜
２３０℃の温度で硬膜処理を行う。この硬膜処理はカラ
ーフィルタのパターンを硬化させ、耐性の向上及び接着
性の向上を行う処理である。なお、これらカラーフィル
タは、受光素子など半導体デハナイスが形成された６イ
ンチや８インチ径のシリコン基板上に、パッシベーショ
ン膜や平坦化膜を形成したのち、積層されることが一般
的である。半導体ディバイスは、受光素子の他、受光素
子からの出力を容易とし、また小型化のために、周辺回
路を組み込む開発も進んでいる。

【０００７】有機樹脂と色素を用いてカラーフィルタを
製造する方法としては、大きく染色法（染料により樹脂
を染着）と顔料分散法（顔料を樹脂に分散）に分類でき
る。染料は、比較的高い透過率と自由度の高い分光特性
（色目）を得やすい。顔料（有機顔料）は、この点、い
くらか見劣りするものの、染料より高い耐熱性、高い耐
光性を有し、使い勝手や撮像素子の信頼性の点で有利で
ある。近時、ＰＤＡ（パ−ソナルユースの情報端末
機）、屋外用途のデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯
電話などに撮像素子を搭載することが多くなり、このた
め、耐光性をはじめとして高い信頼性をもつ顔料を用い
たカラーフィルタが使われることが次第に多くなってき
た。

【０００８】さて、高精細化、高画素化の進展にともな
い、受光素子上に形成するカラーフィルタのパターンも
５μｍ×５μｍ、或いは３μｍ×３μｍ以下の微細なパ
ターンが要求されている。このような微細なパターンに
おいては、１０μｍ×１０μｍのパターンやＬＣＤ（液
晶ディスプレイ）のような１００μｍ〜３００μｍ程度
の比較的大きいパターンでは、ほとんど問題とならなか
ったカラーフィルタを形成する硬膜処理時のパターン形
状（立体形状）の崩れが大きな問題となってきた。

【０００９】例えば、図７は大きさ約４μｍ×４μｍ、
膜厚約１μｍのマゼンタカラーフィルタの現像処理後
（硬膜処理前）のパターン形状を示すものであるが、大
きさが約４μｍ×４μｍといった微細ながらも、比較的
良好な四角い形状を保持している。しかし、同パターン
を２００℃にて硬膜処理すると図９に示すようにパター
ン形状（立体形状）が崩れ、同時に横方向にパターン幅
が拡がることが確認される。

【００１０】この傾向は、色により多少の差はあるもの
の 他の色のカラーフィルタでも同様である。図１１に
シアンカラーフィルタ、図１３にイエローカラーフィル
タの硬膜処理後のパターン形状を示したが、マゼンタカ
ラーフィルタと類似したパターン形状の崩れが認められ
る。硬膜処理によるパターン形状の崩れ程度は、色によ
って差があり、シアン、マゼンタ、イエローの補色では
マゼンタカラーフィルタの崩れの程度が最も大きく、精
度確保の点で問題である。これらの差は、図９，図１
１，図１３の比較で確認できる。

【００１１】５μｍ×５μｍ、或いは３μｍ×３μｍ以
下といった微細なカラーフィルタのパターンでは、カラ
ーフィルタのパターン間のギャップを、１μｍ以下、場
合によっては０．１μｍときわめて狭いギャップを確保
する必要がある。ところが、このような微細なカラーフ
ィルタのパターン形状（立体形状）に崩れが発生する
と、混色の問題、パターンアライメント精度不良、ま
た、カラーフィルタ膜厚が設計値からシフトすることか
らくる色純度の低下など多くの問題に派生してしまう欠
点があった。前述したように、撮像素子の感度向上に
は、補色のカラーフィルタを採用すると、その効果が高
い。しかしながら、補色の内、マゼンタカラーフィルタ
では、図９に示すように硬膜処理によるパターン形状の
崩れが特に大きく、高精細、高画素の撮像素子には不十
分なところがあった。

【００１２】一方、補色のカラーフィルタに用いる補色
顔料となると、選択できる補色顔料の範囲が極めて狭い
ので、優れた分光特性を有する補色顔料は得にくく、こ
れが補色のカラーフィルタを採用した撮像素子として優
れた色再現性が得にくい理由の一つになっていた。特
に、マゼンタの分光特性（色目）が不十分であり、例え
ば、図６に示すＰＩＮＫ−Ｅと呼ばれるマゼンタ顔料
は、短波長側（４００〜５００ｎｍ）の透過率が低く、
色バランスを崩してしまう傾向にあった。また、補色の
カラーフィルタに用いる染料となると、上記のように、
原色のカラーフィルタに用いる染料と同様にマゼンタに
おいても耐光性が極めて乏しく、高い信頼性が求められ
るＰＤＡ、デジタルカメラなどの用途には不十分であっ
た。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、カラーフィ
ルタのパターンが３μｍ×３μｍ以下の微細なパターン
であっても、そのカラーフィルタのパターン形成工程で
の硬膜処理によってパターン形状（立体形状）が崩れる
ことのない、同時に横方向にパターン幅が拡がることの
ないカラー撮像素子の製造方法を提供することを課題と
するものである。また、分光特性と耐光性の点で従来の
マゼンタ染料より優れたマゼンタ顔料を用いた、上記カ
ラー撮像素子の製造方法を提供することを課題とするも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の受光素
子と、各受光素子の光入射側に設けられた顔料を用いた
カラー撮像素子の製造方法において、少なくともマゼン
タカラーフィルタを設ける工程の現像処理と硬膜処理の
間に紫外線露光処理を行うことを特徴とするカラー撮像
素子の製造方法である。

【００１５】また、本発明は、上記発明によるカラー撮
像素子の製造方法において、前記マゼンタカラーフィル
タに用いるマゼンタ顔料が、ローダミン構造の顔料であ
ることを特徴とするカラー撮像素子の製造方法である。

【００１６】また、本発明は、上記発明によるカラー撮
像素子の製造方法において、前記ローダミン構造の顔料
が、Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ Ｒｈｏｄａｍｉ
ｎｅであることを特徴とするカラー撮像素子の製造方法
である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明によるカラー撮像素
子の製造方法を、その実施形態に基づいて説明する。図
１は、本発明によるカラー撮像素子の製造方法によって
製造されたカラー撮像素子の一実施例を示す部分断面図
である。

【００１８】図１に示すように、カラー撮像素子は、そ
の表面に受光素子（１７）、遮光層（１６）、バリアー
膜（１９）などが形成された半導体基板（１８）上に、
平坦化層（１４）、補色のカラーフィルタ（１３Ｙ、１
３Ｍ、１３Ｃ）、平坦化層（１５）、マイクロレンズ
（１０）が順次形成されたものである。図１に示すカラ
ー撮像素子においては、補色のカラーフィルタ（１３
Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ）は、各補色顔料を用い、Ｃ（シア
ン）、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）の順に配設され
たものである。

【００１９】本発明においては受光素子上に配設するＣ
（シアン）とＹ（イエロー）の形成順序は逆でも良い。
また、上記３色の他に、Ｗ（ホワイト）、Ｇ（グリー
ン）、その他の色を加えても良い。各色の構成比や配置
は、目的によって変えても良い。例えば、Ｇ（グリー
ン）を多く加えても良いし、市松状に交互に入れても良
いし、２色ずつの組で配設しても良い。また、受光素子
が、ＣＣＤの場合、Ｇ（グリーン）を加えて、Ｃ（シア
ン）、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）の４色を正方状
に４個組み合わせこれを一画素（受光素子は４個）とし
ても良い。或いは、Ｇ（グリーン）をＣ（シアン）とＹ
（イエロー）の２色の色重ねで作成しても良い。

【００２０】パターン形状も、四角形、六角形などの多
角形、あるいは円形、ストライプ、その他の形状でも良
い。また、画素ピッチが粗く、開口率が大きい受光素子
や受光感度の著しく高い受光素子の場合はマイクロレン
ズを省いた構成でも良い。また、平坦化層の一部を省い
た構成でも良く、逆に、マイクロレンズ下部に層内レン
ズなどの他の光学機能素子を挿入した構成であっても良
い。

【００２１】本発明においては、現像処理と硬膜処理の
間に紫外線露光処理を行うことを特徴とするものであ
る。この紫外線露光処理を行うことによって、硬膜処理
によるカラーフィルタのパターン形状（立体形状）の崩
れを防ぐことができるものとなる。通常、撮像素子用カ
ラーフィルタのフォトリソグラフィー法でのパターン形
成にあたっては、良好な現像後の形状を確保するため、
十分な光硬化を得るための露光量より幾分少な目の露光
量となる。つまり、十分な露光量では、有効パターン域
外にまで光が、あるいは、光硬化が拡がり、パターン形
状の不良と同時にパターン寸法の拡大（設計寸法よりパ
ターンが大きくなる）が生じるので好ましくない。即
ち、パターン形成を優先するため、必然的に、やや少な
目の露光量となる。露光量がやや少な目であることは、
１０μｍ×１０μｍ以上の大きなカラーフィルタのパタ
ーンでは大きな影響はならないが、許容範囲の狭い１０
μｍ×１０μｍ以下の微細なカラーフィルタのパターン
では、硬膜処理によるパターン形状の崩れにつながるも
のである。

【００２２】現像処理後の紫外線露光処理の露光量は、
用いるカラーレジストの特性、即ち、カラーレジストを
構成する開始剤、ポリマー、モノマー、分散剤、分散助
剤、硬化剤、顔料種、溶剤などによるので一義的に決め
られないが、５ｍＪ／ｃｍ２〜１０００ｍＪ／ｃｍ２
程度、或いはこれ以上の露光量でも良い。スループット
を考慮すると、４０ｍＪ／ｃｍ２ 〜２００ｍＪ／ｃｍ
２ の範囲が好ましい。用いる紫外線は、ｉ線、ｇ線、
ｈ線、エキシマーの単独、或いはこれらの組み合わせ、
または、これら紫外域を含む広い波長域の紫外線などで
あり、カラーレジストの特性に合わせ適宜選択される。
こうした現像処理後の紫外線露光処理によって、パター
ン形状（立体形状）に崩れのない良好なカラーフィルタ
を得ることができる。

【００２３】このような現像処理後の紫外線露光処理
は、各色のカラーフィルタのパターン形成工程において
行われるのが好ましいが、前述のようにマゼンタカラー
フィルタのパターンにおいて、その効果が顕著なことか
ら、少なくともマゼンタカラーフィルタのパターン形成
工程においては行われるものである。

【００２４】前述、補色のカラーフィルタに用いる補色
顔料の内、マゼンタ顔料に関し、本発明者らは、鋭意検
討の結果、ロ一ダミン構造の顔料（不溶化したもの）
が、分光特性と耐光性の点で従来のマゼンタ染料より優
れていることを見いだした。図１４に、本発明者らが製
作したローダミン顔料のカラーフィルタのデータを示し
た。実線のレファレンスは、耐光性試験を施す前の分光
特性を表しているが、短波長側（４００〜５００ｎｍ）
の透過率が高く、マゼンタ顔料として優れた分光特性を
有することが示されている。点線は、耐光性試験を施し
た後の分光特性を表しているが、１０００万ｌｘ・ｈｒ
といった過酷な耐光性試験にも関わらず、高い耐光性を
持っていることが示された。

【００２５】また、図１５は、本発明者らが選択したロ
ーダミン顔料であるＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ
Ｒｈｏｄａｍｉｎｅをアクリル系樹脂に分散させたカラ
ーフィルタの分光特性を表したものであるが、短波長側
（４００〜５００ｎｍ）の透過率が高く、マゼンタ顔料
として優れた分光特性を有することが示されている。

【００２６】

【実施例】以下、本発明によるカラー撮像素子の製造方
法について詳細に説明する。 ＜実施例１＞図２（イ）〜（ホ）は、本発明によるカラ
ー撮像素子の製造方法の実施例を工程順に示す説明図で
ある。まず、受光素子（２７）、遮光膜（２６）、バリ
ヤー膜（保護膜）（２９）が形成された半導体基板（２
８）上に熱硬化性アクリル系の透明樹脂をスピンコート
し、硬膜処理して平坦化層（２４）を設けた。（図２
（イ））

【００２７】次に、図２（ロ）に示すように、１色目の
シアンカラーフィルタ（２１）をフォトリソグラフィー
法で膜厚０．９μｍにて形成した。塗布後のプレベ−ク
は、８０℃、露光は２００ｍＪ／ｃｍ２ 、現像処理に
は有機アルカリを用いた。現像処理後に４０ｍＪ／ｃｍ
２ の紫外線露光処理を行い、続いて２００℃・５分の
ポストベーク（硬膜処理）を行った。次に、図２（ハ）
に示すように、２色目のイエローカラーフィルタ（２
２）を、上記シアンカラーフィルタ（２１）と同様に形
成した。現像処理後の紫外線露光処理の露光量は８０ｍ
Ｊ／ｃｍ２ とした。また、ポストベーク（硬膜処理）
条件はシアンカラーフィルタの際の条件と同様である。
次に、最終色としてマゼンタカラーフイルタ（２３）
を、上記イエローカラーフィルタと同じプロセスで形成
した。（図２（ニ））

【００２８】さらに、図２（ホ）に示すように、透明樹
脂による平坦化層（２５）を形成した後、熱フロー性を
有するノボラック系感光性樹脂を用いて、上記と同様な
フォトリソグラフィー法と、１８０℃の熱フロープロセ
ス及び２００℃の硬膜処理を加えて、マイクロレンズ
（２０）を形成し、カラー撮像素子を得た。上記、本発
明による製造方法で制作したカラーフィルタのパターン
形状を電子顕微鏡で観察したところ、図８、図１０、図
１２に示すようにマゼンタカラーフイルタ、シアンカラ
ーフィルタ、 イエローカラーフィルタとも約４μｍ×
４μｍの良好なパターン形状を確保することができた。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、複数の受光素子と、各受光素
子の光入射側に設けられた顔料を用いたカラー撮像素子
の製造方法において、少なくともマゼンタカラーフィル
タを設ける工程の現像処理と硬膜処理の間に紫外線露光
処理を行うので、カラーフィルタのパターンが３μｍ×
３μｍ以下の微細なパターンであっても、そのカラーフ
ィルタのパターン形成工程での硬膜処理によってパター
ン形状（立体形状）が崩れることのない、同時に横方向
にパターン幅が拡がることのないカラー撮像素子の製造
方法となる。

【００３０】また、本発明は、上記カラー撮像素子の製
造方法において、マゼンタカラーフィルタに用いるマゼ
ンタ顔料が、ローダミン構造の顔料、或いはＣ．Ｉ．Ｐ
ｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ Ｒｈｏｄａｍｉｎｅであるの
で、分光特性と耐光性の点で従来のマゼンタ染料より優
れたマゼンタ顔料を用いたカラー撮像素子の製造方法と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるカラー撮像素子の製造方法によっ
て製造されたカラー撮像素子の一実施例を示す部分断面
図である。

【図２】（イ）〜（ホ）は、本発明によるカラー撮像素
子の製造方法の一実施例を工程順に示す説明図である。

【図３】原色のカラーフィルタを用いた撮像素子の一例
を示す部分断面図である。

【図４】原色のカラーフィルタ分光特性の説明図であ
る。

【図５】補色のカラーフィルタ分光特性の説明図であ
る。

【図６】従来のマゼンタ顔料の分光特性の説明図であ
る。

【図７】マゼンタカラーフィルタの現像処理後（硬膜処
理前）のパターン形状を示す説明図である。

【図８】実施例１におけるマゼンタカラーフイルタのパ
ターン形状の説明図である。

【図９】マゼンタカラーフィルタの硬膜処理後のパター
ン形状を示す説明図である。

【図１０】実施例１におけるシアンカラーフイルタのパ
ターン形状の説明図である。

【図１１】シアンカラーフィルタの硬膜処理後のパター
ン形状を示す説明図である。

【図１２】実施例１におけるイエローカラーフイルタの
パターン形状の説明図である。

【図１３】イエローカラーフィルタの硬膜処理後のパタ
ーン形状を示す説明図である。

【図１４】ローダミン顔料を用いたカラーフィルタの耐
光性の説明図である。

【図１５】Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ Ｒｈｏｄ
ａｍｉｎｅを用いたカラーフィルタの分光特性の説明図
である。

【符号の説明】

１０、２０、３０…マイクロレンズ １３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ…補色のカラーフィルタ １４、１５、２４、２５、３４、３５…平坦化層 １６、２６、３６…遮光層 １７、２７、３７…受光素子 １８、２８、３８…半導体基板 １９、２９、３９…バリアー膜 ２１…シアンカラーフィルタ ２２…イエローカラーフィルタ ２３…マゼンタカラーフィルタ ３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒ…原色のカラーフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H025 AA00 AB13 AB17 AC01 AD01 AD03 CC12 FA03 FA17 FA29 FA30 2H048 BA45 BA47 BA48 BB02 BB07 BB08 BB47 CA04 CA14 CA19 CA23 2H096 AA00 AA27 AA28 BA20 EA02 GA08 HA01 HA03 JA04 4M118 AA10 AB01 BA10 BA14 CA40 FA06 GC08 GC09 GC17 GD04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の受光素子と、各受光素子の光入射側
   に設けられた顔料を用いたカラー撮像素子の製造方法に
   おいて、少なくともマゼンタカラーフィルタを設ける工
   程の現像処理と硬膜処理の間に紫外線露光処理を行うこ
   とを特徴とするカラー撮像素子の製造方法。
2. 【請求項２】前記マゼンタカラーフィルタに用いるマゼ
   ンタ顔料が、ローダミン構造の顔料であることを特徴と
   する請求項１記載のカラー撮像素子の製造方法。
3. 【請求項３】前記ローダミン構造の顔料が、Ｃ．Ｉ．Ｐ
   ｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ Ｒｈｏｄａｍｉｎｅであること
   を特徴とする請求項２記載のカラー撮像素子の製造方
   法。