JP2006108580A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 隣接するカラーフィルタ層からの混色、ライン濃淡、感度ばらつきを改善することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板１１上に、光電変換素子１３と、当該光電変換素子１３上に形成されたカラーフィルタ層２１とを有する画素がマトリクス状に複数配置された固体撮像装置１であって、隣接する光電変換素子１３との境界領域上において、形成面から突出するように形成される樹脂部２０を備え、各カラーフィルタ層２１は、隣接する樹脂部２０の頂部間にわたって形成され、頂部に対応する周辺部における各カラーフィルタ層２１の膜厚は、中央部よりも薄く形成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オンチップカラーフィルタ層を有する固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
近年、画像のカラー化の進展に伴い、単板カラー型の固体撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型を中心としたデジタルスチルカメラ用や、ＣＭＯＳ型を中心としたカメラ付き携帯電話用などにおいて使用される用途の成長が著しく、オンチップカラーフィルタ層を有する固体撮像装置に対する小型化、高画素化への要求も日増しに増大してきている。しかし、このような固体撮像装置に対する要求は、受光センサ部である光電変換素子の受光面積を縮小させる結果、固体撮像装置の主要特性である光電変換特性（光感度）を低下させる一因となりつつある。
例えば、デジタルスチルカメラに搭載される固体撮像装置の光学サイズの主流は１／３インチ型から１／４インチ型が主流となり、さらに１／６インチ型以降の検討もなされている。また、画素数も２００万画素から５００万画素の範囲まで広がりつつあり、さらに５００万画素以上の検討もなされている。こうした受光面積の縮小化、および高画素化においても、固体撮像装置の主要特性である、光感度、および隣接画素との混色、ライン濃淡などの特性を低下させることのない技術の確立が必要となってきている。
つまり、画素サイズを縮小せずに画素数のみを増加させればチップサイズの増大を招き、固体撮像装置を大きくしてしまうため、画素サイズの縮小も平行して実施しなければならない。一般に、画素サイズを縮小すればフォトダイオードに代表される光電変換素子も縮小され、その結果、光感度の低下は逃れられない。光感度を向上させるために、多くの対策が施され、特に、画素上に形成するマイクロレンズに関しては構造、製造方法共、多くの提案がなされている。
また、画素サイズの縮小（微細化）は、感度だけではなく、カラーフィルタ層に起因する様々な色特性も悪化させる要因となる。一般に、画素サイズを微細化すれば、カラーフィルタ層の寸法精度が悪化し、隣接画素フィルタからの混色や、ライン濃淡、感度ばらつき等のため、特性が悪化する。
このため、固体撮像装置におけるオンチップカラーフィルタ層の重要性は益々高まってきており、混色や、ライン濃淡、感度ばらつき等の特性を低下させることのない技術の確立が要望されている。
図５〜図６は従来の固体撮像装置の画素部分の断面図である。
これらの固体撮像装置３０，４０は、第一導電型（例えばＮ型）のシリコン半導体からなる半導体基板１１に第二導電型となるＰ型の半導体ウエル領域１２が形成され、このＰ型半導体ウエル領域１２にマトリクス配列の各光電変換素子１３を構成するための、Ｎ型半導体領域が形成される。
さらに、ゲート絶縁膜１４を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極１５が形成される。転送電極１５上を被覆する層間絶縁膜１６を介して光電変換素子１３の開口を除く他部全面に、例えばＡＬ、Ｗなどによる遮光膜１７が形成され、その後表面保護膜１８で覆われる。
さらに、第１の透明平坦化膜１９が形成され、固体撮像装置３０についてはカラーフィルタ層３１Ｇ，３１Ｂ，３１Ｒが順次形成され、固体撮像装置４０についてはカラーフィルタ層４１Ｇ，４１Ｂ，４１Ｒが順次形成され、これらカラーフィルタ層３１Ｇ，３１Ｂ，３１Ｒやカラーフィルタ層４１Ｇ，４１Ｂ，４１Ｒ上に第２の透明平坦化膜４２が形成され、この平坦化膜４２上に各光電変換素子１３への入射光を集光するオンチップマイクロレンズ４３が形成される。
第１の透明平坦化膜１９は、安定したカラーフィルタ層３１，４１を形成するため、下地の段差をなくすための膜である。第２の透明平坦化膜３２は、精度よくオンチップマイクロレンズ４３を形成するために、下地のカラーフィルタ層３１，４１上を平坦にするための膜である。
カラーフィルタ層３１，４１としては、原色のレッド、グリーン、ブルーからなるカラーフィルタ層や、補色のイエロー、シアン、マゼンタ、グリーンからなるカラーフィルタ層等で構成される。
また、カラーフィルタ層３１に使用されている材料は、耐光性、耐熱性に優れた顔料分散型と呼ばれ、顔料、分散材、感光材、樹脂等を調合したものが主流であり、これらの材料を含有したフォトレジスト膜を選択露光、現像処理を施し、目的のフィルタを形成するカラーレジスト法でカラーフィルタ層３１が形成される。このように固体撮像装置３０では、微細化に対応した画素サイズの縮小に対し、顔料フィルタの薄膜化によりカラーフィルタ層の寸法精度を向上させ、ライン濃淡、感度ばらつき、隣接カラーフィルタ層からの混色を防止し、顔料粒子の微粒子化により、色Ｓ／Ｎの改善が図られつつある。
また、固体撮像装置４０のカラーフィルタ層４１に使用されている材料は、顔料の代わりに顔料化された染料を用いて構成され、これらの材料を含有したフォトレジスト膜を選択露光、現像処理を施し、目的のフィルタを形成するカラーレジスト法でカラーフィルタ層４１が形成される。この材料は、近年、顔料分散型カラーレジストに替わる材料として、微粒子を含まない染料内填型カラーレジストの開発が加速されているものであり、一部実用化の段階に達し、固体撮像装置のカラーフィルタ層に採用され始めている（特許文献１参照。）。
特許文献１に開示された改善例によれば、所望の分光特性を得るために、染料を顔料化させ、工程の簡素化、耐光性、耐熱性の向上を同時に実現するものである。
特開平１１−３３７７１５号公報
しかしながら、従来の固体撮像装置３０に用いられる顔料分散型フィルタの薄膜化は、分光特性を得るためにはある程度の膜厚は確保されなければならず、薄膜化には限界がある。さらに、顔料粒子の微粒子化は非常に困難を伴い、仮に微粒子化が改善されたとしても、再凝集による２次粒径の増大は避けられない。さらに、顔料分散型カラーフィルタ層３１を採用する限り、顔料の粒子が存在するため、カラーフィルタ層３１の寸法精度に依存するライン濃淡、混色、感度ばらつき、色Ｓ／Ｎ等の色特性を根本的に解決するには至っていない。
すなわち、顔料分散型カラーフィルタ層３１に関わる対策としては、材料の薄膜化（顔料含有率の増加）、材料による解像力の向上、製造工程での対策等により、寸法精度は向上しつつあるが、画素サイズの減少に伴い多くのカラーフィルタ層３１の材料として使用されている顔料の粒径の影響も無視できなくなってきた。特に、寸法精度においては顔料そのものが粒子であり、その２次粒径は一般に１００ｎｍ程度と考えられているが、さらに、微粒子化対策を行っても５０ｎｍ程にするまでには大きな技術革新が必要である。また、微粒子化により必要とする分光特性が得られるかの確認も十分とは言えない状況である。さらに、顔料が粒子であるため、顔料の微粒子化対策が施されたとしても、撮像した画像を目視化した時に、画像全体がざらつき、色Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）が悪化する現象は避けられない。これら、顔料分散型カラーレジストを微細化された固体撮像装置にカラーフィルタ層３１として使用するには、既存の技術では、限界に近づいているものと推測される。
つまり、従来の固体撮像装置３０では、画素サイズの縮小にともない、カラーフィルタ層の薄膜化だけでは、光感度低下や隣接画素との混色を抑えることが困難である。具体的には、カラーフィルタ層の断面エッジ形状にも依存性があり、実際の仕上がりはエッジは垂直に切れず、１番目に形成したカラーフィルタ層は台形形状（上底寸法＜下底寸法）となり、２番目、３番目に形成されたカラーフィルタ層は１番目に形成されたカラーフィルタ層パターンのすきまに埋め込まれるため、上底寸法＞下底寸法となる。この結果、図４のように斜めからの入射した光が、隣接画素のカラーフィルタ層エッジ部を透過し、必要とする分光特性が得られず、混色が生じる。
またこれまでの断面形状では、微細化に伴い、アライメントマージンが低下する問題もある。これは、アライメントずれが発生した場合、図４のように隣接画素のカラーフィルタ層の端を透過することにより混色をもたらし、必要とする分光特性が得られないためである。さらに光の入射角度により混色の度合いが変わり、ライン濃淡、フリッカー、色シェーディング、感度バラツキ等の課題がある。
また、色Ｓ／Ｎを改善するために、染料内填型カラーフィルタ層４１を採用した固体撮像装置４０の場合、顔料型カラーフィルタ層３１では露光のための光が顔料粒子表面で乱反射することにより比較的フィルタ内部まで届くのに比べ、染料内填型カラーフィルタ層４１では乱反射がないため、表面近傍のみ光重合反応が進み、フィルタ内部では未反応部分が支配的となる。
フィルタ内部での反応を促進させるために通常ＰＥＢ（Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）と呼ばれる熱処理を露光後に実施するが、この温度が高すぎると現像ができなくなり、低いと未反応部分が支配的になり、現像後の断面形状において窪みが生じる（図５参照）。一般に、これらのことを考慮し、ＰＥＢ条件（温度、時間）が決定される。しかし、断面形状において窪みは若干改善されるものの、既存の技術では解消には至っていない。
この窪みは第二層目に相当するフィルタ材料を塗布した場合、第一層目との境界部分に空洞β（図６参照）を生じることになり、その結果、光が散乱し、混色、ライン濃淡、感度ばらつきが悪化し、さらにその後の熱処理により空洞βに溜まったガスが膨張し、カラーフィルタ層４１層、透明平坦化膜４２、マイクロレンズ４３を変形させ、信頼性にも大きな影響を及ぼすこととなる。
上記課題に鑑み本発明は、隣接するカラーフィルタ層からの混色、ライン濃淡、感度ばらつきを改善することができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを第１の目的とする。
また、さらに色Ｓ／Ｎを改善するとともに、信頼性を向上させることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを第２の目的とする。
上記第１の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置においては、半導体基板上に、光電変換素子と、当該光電変換素子上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素がマトリクス状に複数配置された固体撮像装置であって、隣接する光電変換素子との境界領域上において、形成面から突出するように形成される樹脂部を備え、前記各カラーフィルタ層は、隣接する樹脂部の頂部間にわたって形成され、前記頂部に対応する周辺部における前記各カラーフィルタ層の膜厚は、中央部よりも薄く形成されることを特徴とする。
これにより、カラーフィルタ層の端部エッジ形状が垂直に改善され、寸法精度に優れたカラーフィルタ層を形成できる。したがって、カラーフィルタ層の寸法精度が向上し、斜め光による隣接カラーフィルタ層からの混色が防止でき、寸法精度に依存する混色、ライン濃淡、感度ばらつきが改善される。
また、カラーフィルタ層中央部に比べ、周辺部での分光が淡くなることから、従来構造に比べ、カラーフィルタ層周辺部からの透過光が増加し、その結果、固体撮像装置として、感度の向上が期待できる。
なお、樹脂部の色構成は透明膜でも、色付き膜（黒色をも含む）でもかまわない。また、樹脂部の幅は、境界領域と同じ寸法か、それよりも狭い寸法が望ましい。また、樹脂部の高さは、カラーフィルタ層の中央部上面よりも低い方が望ましい。
また、上記第２の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置においては、前記カラーフィルタ層は、染料内填型のカラーレジストで形成されることを特徴とする。
これにより、染料内填型のカラーレジストでカラーフィルタ層を形成しても、前記樹脂部によりカラーフィルタ層周辺部が薄膜化されるので、周辺部の膜全体に光り重合反応が進み、端部エッジの窪みが改善される。したがって、従来生じていた空洞の発生が抑えられ、混色、ライン濃淡、感度ばらつきが改善され、信頼性を向上させるだけではなく、顔料内填型のようなざらつき発生が抑制され、色Ｓ／Ｎを向上させることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記樹脂部は、隣接する光電変換素子との境界領域上に格子状に形成され、前記カラーフィルタ層は、凹レンズとして機能することを特徴とすることができる。
これにより、前記樹脂部が隣接する光電変換素子との境界領域上に格子状に形成されるため、各カラーフィルタ層は光電変換領域に比べ盛り上がった断面形状となり、微細化された画素サイズでは凹レンズとなる。したがって、周辺部に入射した光を効率よく光電変換素子に集光し、感度を向上させる効果もあり、さらに、斜め光に対しては色むらを改善できる効果も期待できる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記樹脂部は、前記カラーフィルタ層よりも低い屈折率の材料で形成されることを特徴とすることもできる。
これにより、周辺部に入射した斜め光に対し、隣接画素からの入射光を軽減させる効果がある。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記光電変換素子とカラーフィルタ層との間に、前記形成面と面一に形成される第１の透明平坦化膜を備え、前記カラーフィルタ層は、前記第１の透明平坦化膜よりも高い屈折率の材料で形成されることを特徴とすることもできる。
これによっても、周辺部に入射した斜め光に対し、隣接画素からの入射光を軽減させる効果がある。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記カラーフィルタ層上に形成される第２の透明平坦化膜を備え、前記第２の透明平坦化膜は、前記カラーフィルタ層よりも低い屈折率の材料で形成されることを特徴とすることもできる。
これによっても、周辺部に入射した斜め光に対し、隣接画素からの入射光を軽減させる効果がある。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記第２の透明平坦化膜上に形成されるマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズは、前記第２の透明平坦化膜よりも高い屈折率の材料で形成されることを特徴としてもよい。
これにより、カラーフィルタ層のレンズ効果に加えて、さらにその上にマイクロレンズを備えることで、より集光効率を高め、感度を向上させることが可能である。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記マイクロレンズは、前記カラーフィルタ層よりも高い屈折率の材料で形成されることを特徴とすることもできる。
この構成によれば、カラーフィルタ層２１での凹レンズ効果とマイクロレンズ２３による凸レンズ効果により、段階的に効率よく集光することができ、感度の向上が期待できる。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法においては、半導体基板上に、光電変換素子と、当該光電変換素子上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素がマトリクス状に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、隣接する光電変換素子との境界領域上において、形成面から突出するように樹脂部を形成する工程と、隣接する樹脂部の頂部間にわたって、前記頂部に対応する周辺部における膜厚を、中央部よりも薄く前記各カラーフィルタ層を形成する工程とを含むことを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法においては、前記固体撮像装置の製造方法は、さらに前記カラーフィルタ層の上にマイクロレンズを形成する工程を含み、前記樹脂部を形成する工程では、前記マイクロレンズを形成するためのマスクを使用して前記樹脂部を形成することを特徴とすることもできる。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法においては、前記樹脂部はネガ型レジストで、前記マイクロレンズはポジ型レジストで、それぞれ形成されることを特徴とすることもできる。
これにより、１枚のマスクにて樹脂部およびマイクロレンズの形成が可能となり、固体撮像装置を安価に製造することができる。
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、各前記画素のカラーフィルタ層と隣接する画素のカラーフィルタ層との境界部に、前記境界線と垂直方向の断面形状が上に凸状の樹脂部を設けることにより、その後順次形成されるカラーフィルタ層の境界領域が薄膜化されるため各フィルタ層が精度よく形成でき、その結果斜め光に対し隣接するカラーフィルタ層からの影響を受けにくく、混色防止、ライン濃淡の改善、感度ばらつき、および色むらの低減が可能となる。
また、樹脂部上でのカラーフィルタ層の膜厚（樹脂部＋カラーフィルタ層）が厚くなり、結果としてカラーフィルタ層による上に凹状のレンズ形状を実現することができる。
また、各カラーフィルタ層の断面形状（エッジ形状）が改善されることにより、各カラーフィルタ層境界部分での空洞が解消され、固体撮像装置としての信頼性、および色特性が向上する。
図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す図である。なお、同図では、光電変換素子２つ分の断面が示されている。
この固体撮像装置１は、図１に示されるように、第１の伝導型（例えばＮ型）の半導体基板（Ｎ型半導体基板）１１と、第２の伝導型（Ｐ型）の第１半導体ウエル（Ｐウエル層）１２と、複数の光電変換素子１３と、ゲート絶縁膜１４と、転送電極１５と、層間絶縁膜１６と、遮光膜１７と、表面保護膜１８と、第１の透明平坦化膜１９と、樹脂部２０と、カラーフィルタ層２１と、第２の透明平坦化膜２２と、マイクロレンズ２３等とから構成される。
Ｎ型半導体基板１１の表面には、Ｎ型半導体基板１１と逆特性のＰウエル層１２が形成される。Ｐウエル層１２の表面には、Ｎ型半導体領域が複数形成され、これによりマトリクス配列の各光電変換素子１３が構成される。Ｐウエル層１２および各光電変換素子１３の表面には、ゲート絶縁膜１４が形成される。
さらに、光電変換素子１３間の境界領域におけるゲート絶縁膜１４上には、多結晶シリコンからなる転送電極１５が形成され、転送電極１５の表面にはこれを絶縁被覆する層間絶縁膜１６が形成され、層間絶縁膜１６を介する光電変換素子１３の開口を除く他部全面にはタングステン等からなる遮光膜１７が形成され、さらに遮光膜１７およびゲート絶縁膜１４の表面にはＳｉＯＮ膜等からなる表面保護膜１８が形成される。この結果、各光電変換素子１３上には、転送電極１５等によって凹部が形成される。
その後形成するカラーフィルタ層２１層を精度よく形成するために、フェノール系樹脂等を主成分とする感光性透明膜を用い、周知の塗布、露光、現像工程により、凹部に第１の透明平坦化膜１９が表面保護膜１８の頂部上面と面一に形成される。
その後、カラーフィルタ層２１の材料から顔料成分あるいは染料成分を除いたアクリル系ネガ型感光性樹脂（透明樹脂）、または、この透明樹脂に黒色顔料、黒色染料を含んだ色付きアクリル系ネガ型感光性樹脂等を塗布し、遮光膜１７よりも狭く設計されたマスクを用いて露光し、現像する処理を行い、遮光膜１７上に遮光膜１７よりも狭い寸法に仕上げられた樹脂部２０を、光電変換素子１３間の境界領域上の表面保護膜１８表面に枠状に、この表面から突出させて形成する。
その後、第１（例えば緑色）のカラーフィルタ層材料を塗布し、所望の箇所にカラーフィルタ層２１が形成されるように設計されたマスクを用いて露光し、現像する処理を施すことにより、第１のカラーフィルタ層２１Ｇを形成する。なお、カラーフィルタ層２１材料として染料内填型カラーレジストを用いる場合は、露光後、ＰＥＢ処理を行うことにより、カラーフィルタ層２１材料としての安定性、断面形状の改善が可能となる。その後、第２（例えば青色）のカラーフィルタ層２１Ｂ、第３（例えば赤色）のカラーフィルタ層２１Ｒを連続して形成する。つまり、各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒは、隣接する樹脂部２０の頂部間にわたって形成され、頂部に対応する周辺部における各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒの膜厚は、中央部よりも薄く形成される。そして、カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒは、凹レンズとして機能する。
さらに、その後形成するオンチップマイクロレンズ２３を精度よく形成するために、アクリル系樹脂を主成分とする透明樹脂を複数回塗布し、ベークした後、ドライエッチによるエッチバック法にて第２の透明平坦化膜２２を形成する。
そして第２の透明平坦化膜２２を形成後、透明樹脂を塗布し、露光し、現像する工程を経て前記オンチップマイクロレンズ２３形成する。
以上のように樹脂部２０によって、その後に形成される各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒの境界部分を光電変換素子１３上よりも薄膜化されるため、凹レンズとしての効果が期待でき、集効率が増し、感度を向上させることができる。さらに、各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒを精度よく形成することが可能となり、斜め入射光に対し、寸法精度に依存する隣接素子からの混色を防止することができ、ライン濃淡、感度ばらつき、色むらを低減させることができる。
なお、樹脂部２０はカラーフィルタ層２１よりも低い屈折率の材料で、カラーフィルタ層２１は第１の透明平坦化膜１９よりも高い屈折率の材料で、第２の透明平坦化膜２２はカラーフィルタ層２１よりも低い屈折率の材料で、マイクロレンズ２３はカラーフィルタ層２１よりも高い屈折率の材料で、それぞれ形成されている。
したがって、周辺部に入射した斜め光に対し、隣接画素からの入射光を軽減させる効果があるだけでなく、カラーフィルタ層２１での凹レンズ効果とマイクロレンズ２３による凸レンズ効果により、段階的に効率よく集光することができ、感度の向上が期待できる。
次いで、このように構成された固体撮像装置１の製造方法について、図１の他、さらに図２および図３を用いて説明する。
図１は本発明による固体撮像装置の断面図であり、図２，図３は固体撮像装置の断面を、主な製造工程順に示した図である。
図２は、Ｎ型の半導体基板１１上に表面保護膜１８までが形成された工程における断面図である。
同図に示す断面に至る製造工程を次の（１）〜（４）で説明する。
（１） まず、Ｎ型の半導体基板１１上にこのＮ型半導体基板１１と逆特性のＰウエル層１２をマトリクス状に複数形成し、各Ｐウエル層１２の表面にＮ型拡散層（光電変換素子）１３を形成する。Ｐウエル層１２およびＮ型拡散層（光電変換素子）１３は、一般にフォトリソ工程、イオン注入工程、熱拡散工程を繰り返すことにより形成される。
（２） 光電変換素子１３の形成が終わると、Ｐウエル層１２および光電変換素子１３の表面にゲート絶縁膜１４を形成する。そして、光電変換素子１３上を開口させるため、光電変換素子１３間の境界領域におけるゲート絶縁膜１４上に、導電性多結晶シリコンからなる転送電極１５、この転送電極１５上を電気的に絶縁被覆する層間絶縁膜１６、タングステン等からなる遮光膜１７を、順次形成する。
（３） 遮光膜１７の形成が終わると、ゲート絶縁膜１４および遮光膜１７の表面に、例えば熱フロー処理によるＢＰＳＧ膜（ホウ素−リンケイ酸ガラス）や、ＳｉＯＮ膜等によって、表面保護膜１８が形成される。この時点では、光電変換素子１３上に転送電極１５等による凹部（窪み）ができている。
（４） さらに、アルミ等からなる配線（図外）を形成後、例えばＳｉＯＮ膜および電極取り出し用のボンディングパット（図外）が形成される。
図３は、さらに緑色用第１のカラーフィルタ層２１Ｇまでが形成された工程における断面図である。同図に示す断面に至る製造工程を次の（５）〜（８）で説明する。
（５） まず、その後形成するカラーフィルタ層２１を精度よく形成するための前処理として、表面保護膜１８上に、例えばフェノール系樹脂を主成分とする感光性透明樹脂を塗布し、露光し、現像する処理を施し、光電変換素子１３上の窪みに透明平坦化樹脂膜１９を形成する。
（６） 次いで、例えばアクリル系熱硬化型透明樹脂の薄膜を塗布し、熱硬化するか、またはＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）膜の蒸気塗布する。そして、その後形成するカラーフィルタ層２１の端部を精度よく形成するための前処理として、例えば、感光性ネガ型樹脂を塗布し、露光し、現像することにより、後に形成する各カラーフィルタ層２１の境界部となる位置、つまり互いに隣接する光電変換素子１３間に存在する非受光領域、すなわち転送電極１５、遮光膜１７上に、当該非受光領域つまり遮光膜１７の幅と同じかそれ以下の寸法で、断面形状が凸状となる樹脂部２０を枠状に形成する。
なお、この時使用するマスクは、遮光膜１７よりも狭く設計されたマスクであるが、マイクロレンズ２３形成用に設計されたマスクを共用することも可能である。また、この樹脂部２０を形成する材料としては、その後使用するカラーレジストから顔料成分や、染料成分を除いたアクリル系ネガ型感光性樹脂（透明樹脂）、または、これに黒色顔料や、黒色染料を含んだ色付きアクリル系ネガ型感光性樹脂等を用いる。なお、この実施の形態では透明樹脂を用いている。また、樹脂部２０の屈折率は、その後形成する各カラーフィルタ層２１よりも低くすればより効果的である。
（７） 樹脂部２０の形成が終わると、さらに、例えばアクリル系熱硬化型透明樹脂の薄膜を塗布し、熱硬化するか、またはＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）膜の蒸気塗布後、連続して例えば緑色用カラーフィルタ層２１Ｇを形成するためのレジストを塗布する。このレジストは、染料あるいは顔料が、緑色系波長の光を選択的に透過するように調合されている。
（８） 連続して、塗布されたカラーレジストを、所望箇所の光電変換素子１３上に緑色カラーフィルタ層２１Ｇを形成するように設計されたフォトマスクを用いて露光し、現像を行う。以上の処理を施すことにより、断面が凹レンズ状となる緑色カラーフィルタ層２１Ｇを形成する。なお、カラーフィルタ層材料として染料内填型カラーレジストを用いる場合は、露光後、ＰＥＢ処理を行うことにより、カラーフィルタ層材料としての安定性、断面形状の改善が可能となる。
図１は前記緑色カラーフィルタ層２１形成後から、マイクロレンズ２３形成までの断面図を示す。同図に示す断面に至る製造工程を次の（９）〜（１２）で説明する。
（９） 青色カラーフィルタ層２１Ｂ，赤色カラーフィルタ層２１Ｒ形成
緑色カラーフィルタ層２１Ｇの形成が終わると、緑色カラーフィルタ層２１Ｇと同様の方法で青色カラーフィルタ層２１Ｂ、赤色カラーフィルタ層２１Ｒを、それぞれの定められた位置に形成する。
（１０） さらに、その後形成するオンチップマイクロレンズ２３を精度よく形成するために、例えばアクリル系樹脂を主成分とする熱硬化性透明樹脂を各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒの上に複数回塗布し、ベークにより熱硬化する処理を複数回繰り返し、カラーフィルタ層２１形成後の表面を平坦化する第２の透明平坦化膜２２を形成する。
（１１） そして、感度向上を目的として、受光面から各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒ上の表面までの距離を短くするために、周知のエッチバック法により上記第２の透明平坦化膜２２を可能な限り薄くエッチングを施す。
（１２） その後、各光電変換素子１３上の第２の透明平坦化膜２２表面にフェノール系樹脂を主成分とする感光性ポジ型透明樹脂を塗布し、露光し、現像（ブリーチングおよびベークを含む）する工程を経て、上に凸状となるオンチップマイクロレンズ２３を形成する。このオンチップマイクロレンズ２３は紫外線照射により、透過率が高められている。なお、マイクロレンズ２３のポストベーク温度は、カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒの分光特性の劣化を防ぐため、処理温度は２００度以下にする必要がある。また、第１の透明平坦化膜１９の屈折率はカラーフィルタ層２１の屈折率よりも低く、第２の透明平坦化膜２２の屈折率は、カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒよりも低く、オンチップマイクロレンズ２３の屈折率は第２の透明平坦化膜２２よりも高くする必要がある。
上記工程により、図１に示した固体撮像装置１を製造することができる。
以上のように樹脂部２０によって、その後に形成される各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒの境界部分を光電変換素子１３上よりも薄膜化されるため、凹レンズとしての効果が期待でき、集効率が増し、感度を向上させることができる。
さらに、各カラーフィルタ層２１Ｇ，２１Ｂ，２１Ｒを精度よく形成することが可能となり、斜め入射光に対し、寸法精度に依存する隣接素子からの混色を防止することができ、ライン濃淡、感度ばらつき、色むらを低減させることができる。
以上説明してきたように、本発明の実施の形態における固体撮像装置によれば、画素のカラーフィルタ層２１と隣接する画素のカラーフィルタ層２１との境界部に、境界線と垂直方向の断面が上に凸状の頂上部が前記カラーフィルタ層２１上面よりも低い樹脂を形成後、各カラーフィルタ層２１層を形成することにより、断面形状が改善され、寸法精度に優れたカラーフィルタ層２１層が形成できる。
その結果、斜め光による隣接カラーフィルタ層２１からの混色が防止でき、固体撮像装置として精細な画像を得ることができる。
さらに、各画素境界部に形成された樹脂部２０の屈折率は、カラーフィルタ層２１層よりも低くすることにより、隣接画素からの入射光を軽減させる効果がある。
また、カラーフィルタ層２１層が凹レンズ形状をし、かつ第２の平坦化膜よりも屈折率が高いことから、入射光を効率よく光電変換素子１３に集光することができ、その結果、感度を向上させることができる。
さらに、カラーフィルタ層２１層周辺部での膜厚を薄膜化できることから、光電変換素子１３上に精度よくカラーフィルタ層２１層を形成できるため、各画素毎の色ムラがなくなり、その結果、固体撮像装置として、ライン濃淡、色シェーディングが改善される。
また、カラーフィルタ層２１層中心部に比べ、周辺部での分光が淡くなることから、従来構造に比べ、カラーフィルタ層２１周辺部からの透過光が増加し、その結果、固体撮像装置として、感度の向上が期待できる。
さらに、第２の透明平坦化膜２２上に形成するオンチップマイクロレンズ２３の屈折率は、前記第２の平坦化膜よりも高いため、マイクロレンズ２３に入射する光を効率よく光電変換素子１３に集光することができ、その結果、感度が向上する。
なお、前記カラーフィルタ層２１層の下に形成する透明平坦化樹脂膜１９を形成する手段としては、感光性透明膜を塗布後、露光、現像処理を行い下地表面の凹を埋め込む方法、また、透明膜を複数回塗布後、周知のエッチバックにより平坦化する方法、透明膜を塗布後、熱フロー処理により平坦化する方法、さらに、前記処理方法を複合してより平坦性を向上させる方法がある。
前記樹脂部２０を形成する方法としては、黒色顔料分散型カラーレジスト、または、黒色染料内填型カラーレジストを塗布後、マイクロレンズ２３形成用マスク、または、遮光領域よりも狭く設計されたフォトマスクを用い、露光、現像処理を行うことにより得られる。
このような製造方法によれば、上記の構成、作用および効果を有する固体撮像装置を製造することができる。
以上、本発明の実施形態における固体撮像装置および製造方法について説明したが、この発明は、本実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
例えば、カラーフィルタ層２１層の例として、色調が優先される固体撮像装置に用いられる原色方式について説明したが、解像度、感度が優先される固体撮像装置に用いられる補色方式としてもよい。補色方式の場合には、カラーフィルタ層として、マゼンタ光用カラーフィルタ層、緑色光用カラーフィルタ層、黄色光用カラーフィルタ層、シアン光用カラーフィルタ層が周知の色配列におけるそれぞれの定められた位置に形成される。
また、カラーレジスト層を形成する材料としては、染料を含有したカラーレジスト、顔料を含有したカラーレジスト等あるが、いずれの選択も可能である。
また、第１の透明平坦化膜１９の形成には感光性透明樹脂による、周知のフォトリソグラフィ技術について説明したが、熱硬化性透明樹脂材料を複数回塗布、熱硬化を繰り返し、周知のエッチバック法による形成方法もある。
また、第１の透明平坦化膜１９形成後、樹脂部２０、カラーフィルタ層２１との密着性を強化する目的で採用したアクリル系樹脂を主成分とする熱硬化型透明樹脂、またはＨＭＤＳ膜は、密着強度が保証されれば、省略が可能である。
また、上記実施例においてはＣＣＤ型の固体撮像装置として説明したが、これに限定されるものではなくＭＯＳ型等の増幅型固体撮像素子、他の固体撮像装置であっても適用可能である。
本発明は、半導体基板１１上に形成される複数の光電変換素子１３と、その周囲に形成された転送電極と、光電変換素子１３上に形成されるカラーフィルタ層２１層、さらにカラーフィルタ層２１層上に形成されるマイクロレンズ２３を有する固体撮像装置に適している。
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す図である。 Ｎ型の半導体基板１１上に表面保護膜１８までが形成された工程における断面図である。 さらに緑色用第１のカラーフィルタ層２１Ｇまでが形成された工程における断面図である。 従来技術における顔料分散型カラーレジストによるカラーフィルタ層を有する固体撮像装置の断面図である。 従来技術における染料内填型カラーレジストによるカラーフィルタ層を有する固体撮像装置の断面図である。 従来技術における染料内填型カラーレジストによるカラーフィルタ層を有する他の固体撮像装置の断面図である。
符号の説明
１ 固体撮像装置
１１ Ｎ型半導体基板
１２ Ｐウエル層
１３ 光電変換素子
１４ ゲート絶縁膜
１５ 転送電極
１６ 層間絶縁膜
１７ 遮光膜
１８ 表面保護膜
１９ 第１の透明平坦化膜
２０ 樹脂部
２１ カラーフィルタ層
２１Ｇ 緑色カラーフィルタ層
２１Ｂ 青色カラーフィルタ層
２１Ｒ 赤色カラーフィルタ層
２２ 第２の透明平坦化膜
２３ マイクロレンズ

Claims (11)

  1. 半導体基板上に、光電変換素子と、当該光電変換素子上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素がマトリクス状に複数配置された固体撮像装置であって、
    隣接する光電変換素子との境界領域上において、形成面から突出するように形成される樹脂部を備え、
    前記各カラーフィルタ層は、隣接する樹脂部の頂部間にわたって形成され、
    前記頂部に対応する周辺部における前記各カラーフィルタ層の膜厚は、中央部よりも薄く形成される
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記カラーフィルタ層は、染料内填型のカラーレジストで形成される
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記樹脂部は、隣接する光電変換素子との境界領域上に格子状に形成され、
    前記カラーフィルタ層は、凹レンズとして機能する
    ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の固体撮像装置。
  4. 前記樹脂部は、前記カラーフィルタ層よりも低い屈折率の材料で形成される
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置は、さらに前記光電変換素子とカラーフィルタ層との間に、前記形成面と面一に形成される第１の透明平坦化膜を備え、
    前記カラーフィルタ層は、前記第１の透明平坦化膜よりも高い屈折率の材料で形成される
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記固体撮像装置は、さらに前記カラーフィルタ層上に形成される第２の透明平坦化膜を備え、
    前記第２の透明平坦化膜は、前記カラーフィルタ層よりも低い屈折率の材料で形成される
    ことを特徴とする請求項４または５記載の固体撮像装置。
  7. 前記固体撮像装置は、さらに前記第２の透明平坦化膜上に形成されるマイクロレンズを備え、
    前記マイクロレンズは、前記第２の透明平坦化膜よりも高い屈折率の材料で形成される
    ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記マイクロレンズは、前記カラーフィルタ層よりも高い屈折率の材料で形成される
    ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
  9. 半導体基板上に、光電変換素子と、当該光電変換素子上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素がマトリクス状に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、
    隣接する光電変換素子との境界領域上において、形成面から突出するように樹脂部を形成する工程と、
    隣接する樹脂部の頂部間にわたって、前記頂部に対応する周辺部における膜厚を、中央部よりも薄く前記各カラーフィルタ層を形成する工程と
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記固体撮像装置の製造方法は、さらに前記カラーフィルタ層の上にマイクロレンズを形成する工程を含み、
    前記樹脂部を形成する工程では、前記マイクロレンズを形成するためのマスクを使用して前記樹脂部を形成する
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
  11. 前記樹脂部はネガ型レジストで、前記マイクロレンズはポジ型レジストで、それぞれ形成される
    ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
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