JP2006100655A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
アスペクト比が０．１４未満の（薄い厚みの）マイクロレンズ提供することである。
【解決手段】
２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上に積層されたマイクロレンズ部を、熱フローレンズ母型を介してドライエッチング手法による複数の転写レンズを形成するに際し、転写レンズを形成する透明樹脂のエッチングレートを、熱フローレンズの樹脂より小さくすることにより達成できた。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳによる受光素子に代表される撮像素子に関し、特にマイクロレンズが、熱フローレンズを母型レンズとして ドライエッチングの手法で形成する転写レンズであり、かつ、長焦点のＣ−ＭＯＳ受光素子に対応した転写レンズを構成にもつ固体撮像素子に関する。
なお、熱フローで形成されたレンズ母型をドライエッチングで除去、透明樹脂層に形状転写して形成したレンズを、以下の記載で転写レンズと略称する。

Ｃ−ＭＯＳ撮像素子やＣＣＤ撮像素子に用いるマイクロレンズ形成技術については、例えば、特許文献１に示されているように、レンズを丸く半球状に形成する技術として、熱フローによる樹脂の熱流動性（熱フロー）を用いた技術、また、いくつかのエッチング技術によりレンズを加工する技術が開示されている。 さらに、レンズ表面にＰＧＭＡなどの有機膜やＯＣＤ（ＳｉＯ２系）の無機膜の形成なども開示されている。

マイクロレンズをドライエッチング加工する技術は、上記の特許文献１の他、特許文献２にも開示されている。
また、レンズの表面にフッ素系樹脂、フッ素含有樹脂など低屈折率材料を形成する技術は、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載されている。
特開昭６０−５３０７３号公報 特開平０１−１０６６６号公報 特開昭６１−８７３６２号公報 特開昭６１−４２６３０号公報 特開昭５８−４１０１号公報

Ｃ−ＭＯＳ撮像素子は、ＣＣＤ撮像素子と比較し、低消費電力であり、かつ、低コストで製造できるため、近時、携帯電話や小型携帯機器向けに１００万画素を超える高精細Ｃ−ＭＯＳ撮像素子（以下ＣＭＯＳと略称する）への要求が強くなっている。
これら高精細ＣＭＯＳは、そのモジュール（光学レンズ、ＤＳＰなどの回路などを一体化したもの）の小型化のため、画素ピッチ４μｍ、あるいは、３μｍ以下の微細化が要求されている。

本発明が解決しようとする課題には、以下に示す３つの課題がある。
ＣＭＯＳは、その消費電力が小さく駆動回路をＣＭＯＳとともに一体化した省スペースの素子が造れることから、最近注目を集めている。しかし、ＣＭＯＳは、その構造から、受光素子までの距離が大きくなる傾向にあり、上記レンズ下距離を小さくする必要があるために、ＣＣＤと比較して構成上やや不利な構成といえる。
また、低コスト化を目的に、画素ピッチ（受光素子のピッチと同じ）を小さくする傾向にもある。しかし、小さな画素ピッチで、かつ、ＣＭＯＳの場合、レンズ下距離がかなり大きくなるため、マイクロレンズの厚みを０．４μｍ〜０．２μｍの薄いレンズ゛にする必要がある。

この内容を正確に記載すれば、マイクロレンズの径と高さの比、アスペクト比（レンズ／レンズ径）が０．１４未満の薄いレンズは、通常の成形ではレンズ状に丸く形成する事が極めて困難であることが見いだされている。具体的には、画素ピッチ３μｍでは、レンズ高さ０．３９μｍ以下、また、画素ピッチ２．５μｍでは、レンズ高さ０．３３μｍ以下のレンズ形成は困難となる。

なお、上記のレンズ径は、正確に定義すれば、レンズ径＝画素ピッチ−レンズ間ギャップ゜となる。
ここで、レンズ間ギャップは、隣接するマイクロレンズの最も狭い非開口部の幅を表わす。
そして、熱フローと呼ばれるレンズ形成手法では、アスペクト比が、０．１４〜０．３８のレンズ形成可能範囲である。すなわち、マイクロレンズの成形は、一般的に、熱フロー性、感光性、アルカリ可溶性のレンズ材料を、フォトリソグラフィのプロセスでパターン形成し、この後、熱フローで丸く半球状に加工する。
しかし、この場合、薄すぎるレンズパターンは、熱処理をしても膜厚の関係から丸く、半球状になりにくい。
例えば、２．５μｍピッチの画素の場合、量産性を考慮したレンズ膜厚は、０．３５μｍが限界で、０．３３μｍ以下の膜厚では、丸くならず台形状となってしまう問題がある。

本発明の第１の課題は、アスペクト比が０．１４未満の（薄い厚みの）マイクロレンズ形成することである。
図５に、従来技術による固体撮像素子の断面図を示した。マイクロレンズ５６からの入射光の集光性をあげ、かつ、受光部でのＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比を向上させる有力な手段は、レンズ下距離５８を小さく（薄く）することである。

しかしながら、受光素子５２上には、平坦化層５３、５５、カラーフィルター５４、場合により層内レンズなどが形成され、一般的に４〜８μｍ程度の大きめの（厚めの）レンズ下距離５８となっている。
例えば、パッシベーション膜を含むＣＭＯＳ撮像素子では、受光素子（フォトダイオード）表面からカラーフィルター面まで、約６μｍ、カラーフィルター面上には、通常１μｍ厚みの平坦化膜が形成され、その上に熱フローで形成されるマイクロレンズが積層される構成である。
この例では、レンズ下距離は、７μｍとなる。３μｍ画素ピッチのとき、この構成では、０．３μｍ前後の薄いマイクロレンズが必要となってくる。
また、レンズ下距離が、６μｍ、画素ピッチ３．１μｍ、レンズ間ギャップ０．１μｍのとき、マイクロレンズの厚みを、０．３３μｍ前後に設定する事になり、この場合のアスペクト比は、０．１１となる。
レンズ下距離を小さくすることは、撮像素子の集光効率の改善に重要な技術的課題である。

本発明の第２の課題は、上記レンズ下距離を小さくし、集光性改善を図った固体撮像素子を提供することである。
撮像素子のピッチやサイズが３μｍないし２，５μｍ以下の素子の場合、マイクロレンズ間の非開口部（マイクロレンズ間ギャップ、非開口部４９として図４に示す。）からの反射光の影響が大きくなる。
この反射光は、撮像素子の上面に配設されてれいるカバーガラスや、さらにその上の光学レンズ群からの再反射光となって隣接する他の撮像素子に再入射して、画質低下に結びつくノイズ光となる。

本発明の第３の課題は、マイクロレンズ表面やマイクロレンズ間の非開口部４９からの反射光を極力低減して、撮像素子のＳ／Ｎ比改善につなげ、最終的に画質向上を図った個体撮像素子を得ることにある。

本発明は、２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子にそれぞれ対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上に、エッチングレートが、母型の熱フローレンズの樹脂より小さい透明樹脂で形成された、アスペクト比が０．１４未満のマイクロレンズ部を設けたことを特徴とする固体撮像素子である。

また、請求項２に記載の発明は前記カラーフィルターが、前記マイクロレンズ部に対応したレンズ部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子である。

また、請求項３に記載の発明は、前記マイクロレンズ部、および前記カラーフィルターのレンズ部がドライエッチングにより形成された転写レンズであることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子である。

また、請求項４に記載の発明は、前記 マイクロレンズ部が、熱フローレンズを母型レンズとして ドライエッチングにより形成された転写レンズであることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子である。

また、請求項５に記載の発明は、２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上に積層されたマイクロレンズ部を、熱フローレンズ母型を介してドライエッチング手法による複数の転写レンズを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法でる。

また、請求項６に記載の発明は、レンズ母型形成後の、ドライエッチングによる透明樹脂層へのレンズ母型パターンの転写工程が、該透明樹脂層の下地であるカラーフィルターの一部をエッチングすることを含む工程であることを特長とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法である。

また、請求項７に記載の発明は、前記透明樹脂層が、前記熱フローレンズの樹脂材料よりもエッチングレートが低いことを特徴とする請求項５または６に記載の固体撮像素子の製造方法である。

本発明の固体撮像素子は、２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子にそれぞれ対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上にアスペクト比が０．１４未満のマイクロレンズ部を設けた構成としたので、高精細なＣ−ＭＯＳ撮像素子の提供が可能となった。

また、エッチングレートの高い樹脂でレンズ母型を形成し、これよりエッチングレートの低い透明樹脂層に、ドライエッチングの手法で転写レンズを形成するため、０．１４未満の低アスペクトの転写レンズを容易に形成することができるようになった。

また、転写レンズ（マイクロレンズ）間の非開口部に、微小凹凸の形成のあるカラーフィルター表面とすることにより、光の反射を減少させ、高い画質の撮像素子を提供可能となった。

また、レンズ母型を用いて、透明樹脂層（レンズ下地樹脂）に、転写レンズ（マイクロレンズ）をドライエッチングで加工するため、マイクロレンズ開口率をあげ明るい撮像素子を提供することがかのうとなった。

本発明をより具体的に説明すると、図２、図３に示すように、非開口部２９、３９に露出するカラーフィルター表面を、ドライエッチング法によりエッチングすると、その露出されたカラーフィルター表面は、微小凹凸が形成された非開口部となる。
この微小凹凸が形成された非開口部は、微小凹凸のない非開口部と比較して、０．１〜０．５％の反射率低減が得られる。

なお、マイクロレンズ間の非開口部に、例えば、０．３μｍ前後の突起をカラーフィルター表面に形成するためには、構成に含まれるそれぞれカラーフィルター（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の膜厚を、０．２μｍ以下の膜厚差、望ましくは、０，１５μｍ以下の均一な膜厚に揃える必要がある。（カラーフィルターの色間で膜厚差が大きいと、エッチングされた非開口部の表面凹凸に大きな差が生じる。）

また、半径ｒのレンズの焦点距離ｆは、下式で表される。
ｆ＝ｎ１／（ｎ１−ｎ０）×ｒ
ここで、ｎ１は、レンズの屈折率、ｎ０は、空気の屈折率、ｒはレンズの曲率を表す。

ここで、レンズ母型に用いる樹脂のエッチングレートより低いエッチングレートを持つ透明樹脂を、カラーフィルター上に直接形成される透明樹脂層に用いることにより、厚みの薄いマイクロレンズを加工することが可能となった。（レンズの曲率ｒは、大きくなる）

具体的には、アクリル樹脂は、フェノール樹脂（フェノールノボラック樹脂含む）と比較して、１．１倍から１．５倍の範囲で、ドライエッチングのエッチングレートが高い傾向にある。
例えば、レンズ母型をアクリル樹脂とし、レンズの下地樹脂（透明樹脂層）をフェノール樹脂として、透明樹脂層にマイクロレンズを転写すると、転写レンズの厚みが薄くできる。（レンズの曲率が大きくなる。）

転写レンズ径は、もとのレンズ母型よりやや大きくなり、実効的なレンズ開口率を増やすことが同時にできる。
従って、本発明では、例えば、熱フローで形成するレンズ母型に、アクリル樹脂を用い、かつ、レンズ母型とともにエッチングして転写レンズが形成される下地樹脂にフェノール樹脂を用いると、薄い転写レンズ（曲率の大きな転写レンズ）を加工することができる。

本発明では、カラーフィルターの色材に、染料や有機顔料を適宜用いることが可能である。特に、 耐熱性に富む有機顔料を用いた場合、カラーフィルター表面を、軽くドライエッチングすることにより、カラーフィルター表面に０．１〜０．３μｍ前後の微小凹凸を形成しやすい。
この微小凹凸を形成することで、前述の通り、わずかではあるが反射光の低減に効果がある。
図１は、本発明の固体撮像素子の一例を示す。
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
以下に、実施例を用い本発明を説明する。

本発明の固体撮像素子は、図１、図２及び図４に示すように、半導体基板上１１に、受光素子１２、カラーフィルター１４、転写レンズ１５の構成要素を含むものである。
なお、図１は、本発明の固体撮像素子の平面図であり、図４のＡ−Ａ方向の断面図である。また、図２は、Ｂ−Ｂ方向の断面図である。
カラーフィルター１４（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、有機顔料を分散させたアクリル樹脂を用い、それぞれ０．９μｍ膜厚で形成している。また、転写レンズ１５は、フェノール樹脂で形成され、レンズ高さを０．３６μｍとした。

図４に示した転写レンズ１５間の非開口部１６には、０．０５〜０．１μｍの高さの微小突起を形成してある。
以下、図３（ａ）〜図３（ｄ）を用いて、本発明による固体撮像素子の製造方法を詳細に説明する。
図３（ｂ）に示すように、受光素子３２や遮光膜、パッシベーションを形成した半導体基板３１上に 、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化膜３３を形成した。

次に、図３（ｃ）に示すように、カラーフィルター３４を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色にて３回のフォトリソグラフィーの手法で、それぞれ形成した。
Ｇ（緑色）レジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、 Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を色材として、さらに シクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
Ｂ（青色）レジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を色材として、さらに シクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
Ｒ（赤色）レジストの色材は、 Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。 他の組成は、Ｇ（緑色）レジストと同様とした。

次に、図３（ｄ）に示すように、カラーフィルター３４上に、熱硬化タイプのフェノール樹脂の塗布液にて、１．１μｍ膜厚の透明樹脂層３５を、フェノール系樹脂であるレンズ材料を有機溶剤で希釈した塗布液を用いて、 さらに、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもつアクリル樹脂であるレンズ材料を用いて、公知のフォトリソグラフィー、及び熱フローのプロセスにて、レンズ母型３７を、レンズピッチ（画素ピッチ）３μｍ、レンズ母型間ギャップ（レンズ間ギャップ０．３５μｍ、高さ０．３９μｍにて形成した。

このレンズ母型でのアスペクト比は、およそ０．１５となる。レンズ母型３７は、２００℃の熱処理にてフローさせて丸く半球状に形成したものである。
ドライエッチング装置にて、フロン系ガスＣ３Ｆ８とＣＦ４の混合系ガスを用い、レンズ母型をマスクとしエッチング加工し、図１に示した形状の転写レンズ１５を形成した。

この転写レンズ１５の高さは、０．３６μｍであった。また、転写レンズ間のギャップは、０，１μｍの狭いギャップに加工できた。さらに、画素ピッチ３μｍ、転写レンズギャップ０，１μｍの狭ギャップから計算されるアスペクト比は、０．１２４であった。
なお、当実施例の透明樹脂層に用いたフェノール樹脂のエッチングレートは、レンズ母型のアクリル樹脂と比較して、０．８２倍と、遅いエッチングレートを示す。

このように、レンズ母型に用いる下地樹脂である透明樹脂層のエッチングレートが、遅い場合、転写レンズの曲率を大きくできる（レンズ厚みが薄くなる）傾向にある。レンズ母型樹脂のエッチングレートと、その下地樹脂のエッチングレートを同一とすると、転写レンズ形状は、レンズ母型とほぼ同じ大きさ、形状に加工できる。

また、エッチングに用いるフロン系ガスについては、カーボンリッチなガスを用いることでこの傾向（ギャップを狭く加工する）を若干、増長させることができる。
また、本実施例では、エッチング対象の基板を加温などの熱処理をしなかったが、転写レンズ形状や転写レンズの表面平滑性（表面荒れ）を調整するために、熱処理や基板の冷却を行っても良い。ドライエッチング分布改善のため、ヘリウムやアルゴン、一酸化炭素んばどのガスを併用しても良い。ドライエッチングは、装置依存性が強いが、使用する装置それぞれによりエッチング時の条件を適宜調整すればよい。

本発明による固体撮像素子の部分断面図。 本発明による固体撮像素子の部分断面図。 本発明による固体撮像素子の製造法工程を示す説明図 本発明による固体撮像素子の部分平面図。 従来技術による固体撮像素子の部分平面図。

符号の説明

１１、２１、５１・・・半導体基板
１２、２２、５２・・・受光素子
１３、２３、５３・・・平坦化膜
１４、２４、５４・・・カラーフィルター
１５、２５ ・・・転写レンズ
１６ ・・・非開口部
３７ ・・・レンズ母型

Claims (7)

1. ２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子にそれぞれ対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上に、エッチングレートが、母型の熱フローレンズの樹脂より小さい透明樹脂で形成された、アスペクト比が０．１４未満のマイクロレンズ部を設けたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記カラーフィルターが、前記マイクロレンズ部に対応したレンズ部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記マイクロレンズ部、および前記カラーフィルターのレンズ部がドライエッチングにより形成された転写レンズであることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記 マイクロレンズ部が、熱フローレンズを母型レンズとして ドライエッチングにより形成された転写レンズであることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
5. ２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに対応して配設されたカラーフィルターと、該カラーフィルター上に積層されたマイクロレンズ部を、熱フローレンズ母型を介してドライエッチング手法による複数の転写レンズを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. レンズ母型形成後の、ドライエッチングによる透明樹脂層へのレンズ母型パターンの転写工程が、該透明樹脂層の下地であるカラーフィルターの一部をエッチングすることを含む工程であることを特長とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 前記透明樹脂層が、前記熱フローレンズの樹脂材料よりもエッチングレートが低いことを特徴とする請求項５または６に記載の固体撮像素子の製造方法。