JP2006222290A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状不良や残渣を生じさせることなく形成され、基板との密着性が良好で、画素間での反射率のバラツキのないカラーフィルターを備える固体撮像素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子の製造方法であって、前記複数色のフィルターパターンは、所定の色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法と、他の色フィルター層をフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とによって形成され、前記複数色のフィルターパターンのうち少なくとも最初に形成される色フィルターパターンをドライエッチングにより、残りの色フィルターパターンをフォトリソグラフィーによりパターニングすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の光電変換素子に代表される撮像素子及びその製造方法に係り、特に、光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルターに関する。

デジタルカメラ等に搭載されるＣＣＤやＣ−ＭＯＳなどの固体撮像素子は、近年、高画素化、微細化が進んでおり、特に微細なものでは２μｍ×２μｍを下回るレベルの画素サイズとなっている。

また、固体撮像素子は、光電変換素子と一対にカラーフィルターを有し、カラー化を図っている。カラーフィルターの形成方法は、フォトリソグラフィープロセスによりパターンを形成する手法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

また、固体撮像素子の光電変換素子が光電変換に寄与する領域（開口部）は、固体撮像素子のサイズや画素数に依存するが、固体撮像素子の全面積に対し、２０〜４０％程度に限られている、開口部が小さいことはそのまま感度低下につながることから、これを補うために光電変換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。

しかしながら、近年、６００万画素を超える高精細ＣＣＤ撮像素子への要求が大きくなり、これら高精細ＣＣＤにおいて付随するカラーフィルターの画素サイズが２μｍ×２μｍを下回るレベルのものも多くなっており、フォトリソグラフィープロセスにより形成されたカラーフィルターの解像性の不足が、固体撮像素子の特性に悪影響を及ぼすという問題が生じている。解像性の不足は、２．５μｍ以下、あるいは１．８μｍ近傍の画素サイズでは、パターンの形状不良に起因する色むらとなって現れる。

画素サイズが小さくなると、アスペクト比が大きくなる（幅に対して厚みが大きい）ので、本来除去されるべき部分（画素の有効外部分）を完全に除去することができず、残渣となって他の色の画素に悪影響を及ぼしてしまう。残渣を除去するために現像時間を延長するなどの方法を行っているが、硬化させた必要な画素まで剥がれてしまうという問題もあった。

また、フォトリソグラフィーによるパターニングでは、パターンのエッジが立つ（ツノができる）という現象があり、画素サイズが微細になってくると、このツノが色ムラなどカラーフィルター性能に悪影響を及ぼす。

また、満足する分光特性を得ようとすると、カラーフィルターの膜厚が厚くならざるを得ず、カラーフィルターの膜厚が厚くなると、画素の微細化が進むに従って、パターンの角が丸まるなど解像度が低下する傾向となる。色フィルター層に含まれる顔料濃度が上がると、光硬化反応に必要な光が色フィルター層の底部まで届かないので硬化が不充分となり、フォトリソグラフィーにおける現像工程で剥離し、画素欠陥を生ずるという問題があった。

更に、カラーフィルターが厚い場合、製造工程による問題だけではなく、斜め方向から入射した光が隣接する他の色フィルターパターンを透過して光電変換素子に入光し、混色や感度低下という問題も発生する。この問題はカラーフィルターの画素サイズが小さくなるにつれて顕著になる。

以上のことから、固体撮像素子の画素数を増やすためには、カラーフィルターの高精細パターンに加えて、薄型化も重要な問題である。

なお、入射光の混色という問題は、カラーフィルターと光電変換素子との距離が大きい場合にも生じる。

また、この高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの開口率低下（すなわち感度低下）、及びフレア、スミアなどのノイズ増加による画質低下が大きな問題となってきており、マイクロレンズからの入射光の集光性を向上させ、かつ、光電変換素子でのＳ／Ｎ比を向上させるために、レンズ下距離を小さくすることが必要であった。レンズ下距離が大きい場合には、以下のような２つの問題がある。

第１に、レンズ下距離が大きい場合、入射光の取り込み角度が小さくなり、入射光量が減って全体的に暗い表示になる。また、第２に、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光電変換素子を用いたカメラでは、通常、対物レンズの絞り（Ｆ値）により入射光の角度が変化し、開放側では斜め光が増え、集光性低下により感度が低下することや、光電変換素子が形成された半導体チップの画素領域の中央と端部では入射光の角度が大きく異なるため、端部の画素（光電変換素子）への入射光が低下して、表示画面の端部では暗い表示となっていた。

また、一般に、カラーフィルターは、下地との密着性を良好にするために半導体基板上に平坦化層を形成し、その上に設けられが、上述のレンズ下距離を小さくし、固体撮像素子の小型化を図るためには、平坦化層をなくすことが望ましい。しかし、フォトリソグラフィープロセスに供されるカラーレジストは、半導体基板との密着性に劣り、現像時に剥離してしまうため、平坦化層をなくすことは困難であった。

このような問題を防止するため、半導体基板表面を薬品により処理し、半導体基板表面に樹脂と結合し易い官能基を導入することが提案されているが、この方法によっても、半導体基板とカラーフィルターの十分な密着性を得ることは出来なかった。

一方、グリーンレジストは、レッドレジストやブルーレジストに比べ、色材の性質上、硬化後の屈折率が低く、固体撮像素子の設計上、問題となっていた。即ち、フォトリソグラフィープロセスに供されるカラーレジストは、感光性を必要とするという制約上、硬化後の屈折率が高いものを選択することは困難であるため、このような３色のカラーフィルターの屈折率の相違のため、マイクロレンズによる集光効果が相違し、かつ反射率にバラツキが生じるという問題があった。
特開平１１−６８０７６号公報

上述のように、従来のフォトリソグラフィープロセスにより形成されるカラーフィルターは、十分な解像性が得られない、残渣が残りやすい、画素剥がれが生じやすいという問題があり、固体撮像素子の特性を低下させるという問題があった。また、カラーフィルターと光電変換素子との距離、及びマイクロレンズと光電変換素子との距離（レンズ下距離）が大きいという問題があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、パターン形状不良や残渣剥れなどを生じさせることなく形成され、光電変換素子との距離が小さく、画素間での反射率のバラツキのないカラーフィルターを備える固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子の製造方法であって、前記複数色のフィルターパターンは、所定の色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法と、他の色フィルター層をフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とによって形成され、前記複数色のフィルターパターンのうち少なくとも最初に形成される色フィルターパターンをドライエッチングにより、残りの色フィルターパターンをフォトリソグラフィーによりパターニングすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。

ドライエッチングであれば、マスクとなる樹脂レジストに、カラーレジストよりも解像性の高い半導体用レジストを自由に選択することができるので、微細なパターンの色フィルターパターンをなめらかに、残渣も剥がれもなくパターニングすることができる。

このとき、２色目以降の色フィルターパターンをドライエッチングでパターニングする場合、先に形成されている色フィルターパターン表面を保護する手段を設けないと、せっかく形成された色フィルターパターン表面がドライエッチングで荒らされてしまうという問題が生じる。また、先に形成されている色フィルターパターンの凹凸が後から設けた色フィルター層に響くという問題がある。

そこで、少なくとも１色目の色フィルターパターンをドライエッチングでパターニングし、残りの色の色フィルターパターンをフォトリソグラフィーでパターニングする。特には、１色目の色フィルターパターンをドライエッチングでパターニングする。

こうすれば、１色目の色フィルターパターン表面は特別に保護をしなくても残りの色フィルターのパターニング工程で荒れてしまうことはないし、２色目以降の色フィルターパターンは、下層にしっかり密着している１色目の色フィルターパターンに挟まれることで、現像時に剥がれることも防げる。

また、最初に形成される色フィルターパターンの精度がカラーフィルター全体の精度に大きく影響するため、少なくとも最初に形成する色フィルターパターンはドライエッチングの工法によれば、カラーフィルター全体の精度を高いものとすることができ、色ムラなく画素数の多い固体撮像素子を得ることができる。

本発明の第２の態様は、半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子の製造方法であって、前記複数色のフィルターパターンは、所定の色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法と、他の色フィルター層をフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とによって形成され、前記複数色のフィルターパターンのうち最も面積の広い色フィルターパターンをドライエッチングによりパターニングすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。

最も面積の広い色フィルターパターンを、ドライエッチングによりパターニングをすれば、フォトリソグラフィーによる色フィルターパターンを効率的に保持でき、また最も面積の広い色フィルターパターンの精度がカラーフィルター全体の精度に大きく影響するからである。

また、色フィルターパターンを多層構成とする場合、下層（半導体基板に近い方）に設ける色フィルターパターンをドライエッチングで設ければやはり効果的である。

本発明の第１及び第２の態様に係る固体撮像素子の製造方法では、前記カラーフィルターを、前記半導体基板に直接形成することが出来る。このように、従来、半導体基板上に形成されていた平坦化層をなくすことにより、レンズ下距離を小さくすることが出来る。

なお、半導体基板上にフォトリソグラフィー工法で直接色フィルターパターンを形成すると、フォトレジストが半導体基板と十分な密着性を持たず現像時に剥がれるという問題が起きるが、本発明ではドライエッチングで設けた色フィルターパターンと隣接し、このドライエッチングで設けた色フィルターパターンがアンカーの役目を果たすため、フォトリソグラフィー工法で設けた色フィルターパターンの脱落をも防ぐことができる。

本発明の第３の態様は、半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子において、前記複数色のフィルターパターンは、熱硬化した樹脂を含む所定の色フィルターパターンと、光硬化した樹脂を含む他の色フィルターパターンを有することを特徴とする固体撮像素子を提供する。

以上のように構成される本発明の第３の態様に係る固体撮像素子では、カラーフィルターは、熱硬化した樹脂を含む色フィルターパターンを有しているので、平坦化層がなくても半導体基板との密着性が良好であり、そのため半導体基板に直接形成することにより、レンズ下距離の小さい固体撮像素子を得ることが出来る。特に、熱硬化性樹脂を用いるため固形分中の色材の濃度を上げることが出来るので、カラーフィルターを薄く形成することが出来、入射光の混色を防ぎ、それによってもカラーフィルターと光電変換素子との距離が小さく、マイクロレンズ下の距離が小さく、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。また、カラーフィルターのパターンエッヂの形状に起因する色むらを解消することが出来る。

本発明の第４の態様は、半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子において、前記複数色のフィルターパターンのうち、最も面積の大きい色フィルターパターンは、熱硬化した樹脂を含む色フィルターパターンであり、他の色フィルターパターンは、光硬化した樹脂を含む色フィルターパターンであることを特徴とする固体撮像素子を提供する。

以上のように構成される本発明の第４の態様に係る固体撮像素子では、最も面積の大きい色フィルターパターンが熱硬化した樹脂を含んでいるため、半導体基板との密着性を効果的に保持することができる。また、平坦化層をなくすことが出来るので、レンズ下距離の小さい固体撮像素子を得ることが出来る。特に、熱硬化した樹脂を用いるため固形分中の色材の濃度を上げることが出来るので、カラーフィルターを薄く形成することが出来、入射光の混色を防ぎ、それによってもカラーフィルターと光電変換素子との距離が小さく、マイクロレンズ下の距離が小さく、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。また、カラーフィルターのパターンエッヂの形状に起因する色むらを解消することが出来る。

半導体基板上に光硬化性樹脂（フォトレジスト）で直接色フィルターパターンを形成すると、フォトレジストが半導体基板と十分な密着性を持たず、現像時に剥がれるという問題が生ずるが、本発明の第３及び第４の態様に係る固体撮像素子では、熱硬化した色フィルターパターンと隣接し、この熱効果した色フィルターパターンがアンカーの役目を果たすため、光硬化した色フィルターパターンの脱落をも防ぐことができる。そのため、半導体基板上に直接カラーフィルターを形成することができる。従って、カラーフィルターと光電変換素子の距離、及びマイクロレンズと光電変換素子との距離（レンズ下距離）を小さくすることが出来る。

前記複数色のフィルターパターンは、グリーンフィルターパターンを含み、該グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂は、他のフィルターパターンに含まれる樹脂よりも高い屈折率を有するものとすることが出来る。そうすることにより、複数色のフィルターパターンの屈折率を近似させることが出来、それによってマイクロレンズによる集光効果を同等に出来るため、良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

さらに、屈折率が高い樹脂はエッチングレートが小さい傾向にあることから、屈折率が高い樹脂を添加した層をドライエッチングでパターニングすることで、表面のなめらかな色フィルターパターンを得ることが出来る。

また、前記カラーフィルター表面の凹凸をなくすために、カラーフィルタ上に平坦化層を形成し、この平坦化層上にマイクロレンズを形成することが出来る。

更に、前記カラーフィルター上にマイクロレンズを形成するとともに、このマイクロレンズの周辺部を、前記カラーフィルターの一部により構成することが出来る。このような構成とすることにより、マイクロレンズ下距離を小さくすることができ、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

本発明の第１の態様によれば、少なくとも最初のパターン形成工程が、色フィルター層をドライエッチングによりパターニングすることにより行われるため、高精細パターニングが可能な半導体レジスト等をマスクとして自由に選択できることから、微細なパターンのカラーフィルターを、良好な形状で残渣なしに、画素剥がれを生ずることなく形成することを可能とする固体撮像素子の製造方法が提供される。即ち、このような方法では、熱硬化した色フィルター層をドライエッチングすることにより、最初に密着性の良好な所定の色フィルターパターンを形成することが出来、それに隣接して、その後にフォトリソグラフィーにより他の色フィルターパターンを形成しても、最初に形成された密着性の良好な色フィルターパターンのため、隣接する色フィルターパターンの剥離が防止される。また、最初に形成された色フィルターパターンは完全に硬化しているので、後のフォトリソグラフィーの現像工程において剥離することはない。

本発明の第２の態様によると、最も面積の大きい色フィルターパターンがドライエッチングにより形成されているため、微細なパターンのカラーフィルターを、良好な形状で残渣なしに、画素剥がれを生ずることなく形成することを可能とする固体撮像素子の製造方法が提供される。即ち、このような方法では、熱硬化した色フィルター層をドライエッチングすることにより、最も面積の大きい色フィルターパターンを、良好な密着性で形成することが出来ので、隣接する他の色フィルターパターンをフォトリソグラフィーにより形成しても、最も面積の大きい色フィルターパターンの良好な密着性のため、隣接する色フィルターパターンの剥離が防止される。また、最も面積の大きい色フィルターパターンは完全に硬化しているので、他の色フィルターパターン形成の際のフォトリソグラフィーの現像工程において剥離することはない。

本発明の第３の態様によると、カラーフィルターは、熱硬化した樹脂を含む色フィルターパターンを有しているので、色フィルターパターンの下に平坦化層がなくても半導体基板との密着性が良好であり、そのため半導体基板に直接形成することにより、カラーフィルターと光電変換素子の距離及びレンズ下距離の小さい固体撮像素子が提供される。特に、熱硬化性樹脂を用いるため固形分中の色材の濃度を上げることが出来るので、カラーフィルターを薄く形成することが出来、それによってもマイクロレンズ下の距離が短く、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。また、カラーフィルターのパターンエッヂの形状に起因する色むらを解消することが出来る。

本発明の第４の態様によると、最も面積の大きい色フィルターパターンが熱硬化した樹脂を含んでいるため、半導体基板との密着性が良好であるため平坦化層をなくすことが出来るので、レンズ下距離の小さい固体撮像素子が提供される。特に、熱硬化した樹脂を用いるため固形分中の色材の濃度を上げることが出来るので、カラーフィルターを薄く形成することが出来、それによってもカラーフィルターと光電変換素子の距離及びマイクロレンズ下の距離が短く、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。また、カラーフィルターのパターンエッヂの形状に起因する色むらを解消することが出来る。

以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明中で用いる二通りの色フィルターパターン形成工法について説明する。

本発明で用いるドライエッチングによりパターニングする形成工法とは、目的物形成層上に、目的物の形状の樹脂パターンを形成し、これをマスクとしてドライエッチングを行い目的物の形状を目的物形成層に転写してパターニングを行う工法である。具体的には、図６に示すように、目的物形成層を基材３１上に形成された色フィルター層３２とし、この上に、感光性樹脂層３３をパターニングすることにより形成された、目的物の形状の樹脂パターン３４を感光性樹脂により形成し、これをマスクとして樹脂パターン３４の形状を色フィルター層３２に転写し、目的物である色フィルターパターン３５を形成する。

本発明で用いるフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とは、感光性のある目的物形成層を形成し、これをマスクを介して露光し、光硬化させ、現像を行って不要部を除去してパターニングされた目的物を得る工法である。具体的には、図７に示すように、基材４１上に、感光性樹脂組成物によって目的物形成層である色フィルター層４２を形成し、これをマスクを介して露光・硬化させ、現像液で不要部４２ｂを除去して光硬化部４２ａを残し、必要に応じて加熱硬化を行い、目的物である色フィルターパターン４３を形成する。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の部分断面図である。図２及び図３は、図１に示す固体撮像素子の製造方法を工程順に説明する部分断面図である。図４は、図１の平面図である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子は、図１に示すように、２次元的に配置された、光を電気信号に変換する機能を有する光電変換素子１１を形成した半導体基板１０上に、入射光を色分解するカラーフィルター１２、このカラーフィルター１２の表面を平坦化する平坦化層１３、及びこの平坦化層１３上に配置された複数の転写レンズ１４により構成されている。なお、平坦化層１３は、場合によっては設けなくてもよい。

このような固体撮像素子は、図２及び図３に示す方法によって製造することが出来る。

まず、２次元的に配置された光電変換素子２１を有する半導体基板２０（図２（ａ）参照）上に、図２（ｂ）に示すように、第１のカラーレジスト層２２を形成する。第１のカラーレジスト層２２は、熱硬化性樹脂を主成分とし、顔料を分散させた第１の樹脂分散液を半導体基板２０上に塗布し、熱硬化することにより形成される。

次いで、この第１のカラーレジスト層２２上に、例えばフォトリソグラフィーにより、図２（ｂ）に示すように、所定の樹脂パターン２３を形成する。樹脂パターン２３としては、例えば、
樹脂パターン２３としては、例えば、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系、その他の感光性を有する樹脂を単独でもしくは複数混合あるいは共重合して用いることができる。感光性樹脂をパターニングするフォトリソグラフィープロセスに用いる露光機はステッパー、アライナー、ミラープロジェクションアライナーなどがあるが、高画素化、微細化の必要な固体撮像素子のカラーフィルターを形成するにあたっては通常ステッパーを用いるのが一般的である。

次に、この樹脂パターン２３をマスクとして用いて、ドライエッチングにより第１のカラーレジスト層２２をパターニングし、図３（ａ）に示すように、第１の色フィルターパターン２４ａを形成する。ドライエッチングの手法としては、例えば、ＥＣＲ、平行平板マグネトロン、ＤＲＭ、ＩＣＰ、あるいは２周波タイプのＲＩＥなどを用いることが出来る。

ドライエッチングに用いるガスは、反応性（酸化性・還元性）のある、即ちエッチング性のあるガスであれば、よく、例えば、フッ素、塩素、臭素などのハロゲン元素をその構成に有するガス、同様に酸素やイオウの元素をその構成に有するガスなどを用いることが出来るが、これらには限定されない。

その後、全面に第２のカラーレジスト層を形成した後、第１の色フィルターパターン２４ａと同様にドライエッチングにより、或いはフォトリソグラフィーにより第２のカラーレジスト層をパターニングし、図３（ｂ）に示すように、第２の色フィルターパターン２４ｂを形成する。

次に、全面に第３のカラーレジスト層を形成した後、フォトリソグラフィーにより第３のカラーレジスト層をパターニングし、第３の色フィルターパターン（図示せず）を形成し、第１、第２及び第３の色フィルターパターンからなるカラーフィルター２５を形成する。

カラーフィルター２５の各色フィルターパターンの配列を示す平面図を図４に示す。図４に示す配列は、一画素おきにＧ（緑）フィルターが設けられ、Ｇフィルターの間に一行おきにＲ（赤）フィルターとＢ（青）フィルターが設けられた、いわゆるベイヤー配列である。図４におけるＡ−Ａ’での断面図が図１となる。

次いて、図３（ｃ）に示すように、以上のようにして形成されたカラーフィルター２５上に平坦化層２６を形成する。平坦化層としては、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系、ポリエステル系、ウレタン系、メラミン系、尿素系、スチレン系などの樹脂を一つもしくは複数含んだ樹脂を用いることができる。なお、この平坦化層２６は、必ずしも設けなくてもよい。

最後に、図３（ｄ）に示すように、平坦化層２６上に、周知の技術である熱フロー法によりマイクロレンズ２７を形成し、固体撮像素子を完成する。

以上説明した固体撮像素子の製造方法において、第１の色フィルターパターン２４ａは、第１のカラーレジスト層２２を完全に熱硬化させた後に、ドライエッチングによりパターニングすることにより形成されるため、半導体基板２０との密着性が非常に強い。このように密着性の良好な第１の色フィルターパターン２４ａを設けることにより、第２及び第３の色フィルターパターンがフォトリソグラフィーにより形成されたとしても、第２及び第３の色フィルターパターンは、隣接する第１の色フィルターパターン２４ａにより保持されるため、カラーフィルター２５の密着性は全体として良好となる。そのため、平坦化層を設けることなく、半導体基板２０上に直接形成することが出来る。

この場合、第１の色フィルターパターン２４ａは、複数色の色フィルターパターンの中で、最も面積の大きいものとすることが望ましい。そうすることにより、半導体基板との密着性をより強固にすることが出来る。最も面積の大きい色フィルターパターンの面積は、例えば、最も面積の小さい色フィルターパターンの面積の１〜２倍とすることが出来る。また、最も面積の大きい色フィルターパターンをドライエッチングによりパターニングする形成工法で形成することで、最も広い面積を占める色フィルターパターンを正確にパターニングすることができ、カラーフィルター全体の精度向上となる。具体的にはグリーンフィルターパターンが最も大きい面積である場合が多い。

また、顔料濃度が高い、すなわち、硬化に関与する樹脂の含有率が小さい色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法でパターン形成することで、通常のフォトリソグラフィープロセスでは硬化不充分になってしまう色フィルター層であっても、精度良く、残渣や剥がれもなく、形成することができる。具体的にはレッドフィルターパターンあるいはグリーンフィルターパターンの場合にこの効果がある。

あるいは、フォトリソグラフィーによるパターニングに用いる露光波長の透過率が低いために露光不充分となり、解像度の低下や剥がれが起きる色フィルター層を、ドライエッチングによりパターニングする形成工法でパターン形成することで、やはり、通常のフォトリソグラフィープロセスでは硬化不充分になってしまう色フィルター層であっても、精度良く、残渣や剥がれもなく、形成することができる。特にはブルーフィルターパターンの場合にこの効果がある。

いずれの理由によっても、最初のパターンをドライエッチングの形成工法で形成すれば、下層の基板に密着し、残渣や剥がれがなく、また解像度の高い色フィルターパターンとなり、次いで工程が少なく効率のよいフォトリソグラフィーの形成工法で次の色フィルターパターンを形成すれば、最初に形成した色フィルターパターンが、正確なパターンで、かつ強固に基板に密着しているため、フォトリソグラフィーの形成工法であっても、正確に、剥がれのない色フィルターパターンを形成することができる。

連続してドライエッチングの形成工法で色フィルターパターンを形成すると、最初に形成した色フィルターパターンの凹凸が、後から形成する色フィルター層にひびくという問題があるため、３色からなるカラーフィルターの場合は最初の１色、４色からなるカラーフィルターの場合は最初の１色または最初と２色目までをドライエッチングの工法により、残りの色はフォトリソグラフィーの工法によりパターニングすることが好ましい。

また、グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂を、青及び赤のフィルターパターンに含まれる樹脂よりも高い屈折率を有するものとすることが出来る。従来、グリーンフィルターパターンの屈折率は、他のフィルターパターンの屈折率より低いため、カラーフィルターの反射率が不均一であるという問題があった。グリーンフィルターパターンの屈折率を高くするには屈折率の高い樹脂を用いればよいが、フォトリソグラフィーに供されるという制約のため、樹脂の選択の幅が狭く、屈折率の高い樹脂を選択することは困難であった。

これに対し、本実施形態に係る方法では、グリーンフィルターパターンを、フォトリソグラフィーに依らずに、ドライエッチングにより形成できるため、グリーンフィルターパターンの樹脂として、熱硬化性樹脂の中から屈折率の高いものを広く選択することが可能である。

このように、グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂を、青及び赤のフィルターパターンに含まれる樹脂よりも高い屈折率を有するものとすることにより、３色のフィルターパターンの屈折率を近似させることが出来、それによってマイクロレンズによる集光効果を同等に出来るため、良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

さらに、屈折率が高い樹脂はエッチングレートが小さい傾向にあることから、屈折率が高い樹脂を添加した層をドライエッチングでパターニングすることで、表面のなめらかな色フィルターパターンを得ることが出来る。

本発明のグリーンフィルターパターンには、色フィルターパターンとなった場合に同等の屈折率を得られることから、ブルー及びレッドフィルターパターンに含まれる樹脂の屈折率よりも、０．０５〜０．２程度高い屈折率を有する樹脂が好ましく用いられる。

なお、ブルー及びレッドのフィルターパターンに含まれる樹脂として、１．５〜１．６の屈折率を有するアクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系、ポリエステル系、ウレタン系、メラミン系、尿素系、スチレン系等の樹脂を用い、グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂として、１．５５〜１．７の屈折率を有するアクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系、ポリエステル系、ウレタン系、メラミン系、尿素系、スチレン系及びこれらの共重合物などの樹脂を一つもしくは複数含んだ樹脂を用いることが出来る。特に、高屈折率を達成するためにはフェノール樹脂やポリスチレン樹脂あるいはベンゼン環や芳香族環を導入したポリマーやモノマーを用いることや、ハロゲン基やイオウ原子を有する基などを骨格に導入したアクリル樹脂を用いることができる。

他の実施形態として、図５に示すように、カラーフィルター２５上に直接マイクロレンズ２７を形成し、かつ隣接するフィルターパターンの境界部分を表面から０．０３μｍ〜０．５μｍの深さに除去した構造とすることが出来る。このような構造では、マイクロレンズの周辺部は、カラーフィルター２５の一部により構成されているので、マイクロレンズ下距離を小さくすることができ、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

ここで、隣接するフィルターパターンの境界部分の除去する深さの下限を０．０３μｍとしたのは、ＳＥＭやＡＦＭなどで実効的に膜厚を識別することが出来る最小の値であるためであり、また、上限を０．５μｍとしたのは、０．５μｍを越える段差を形成すると、膜表面が荒れて、表面散乱による感度低下が生ずるためである。更に、０．５μmを越える段差では、実効的なカラーフィルターの膜厚が、例えば１μｍ以上に厚くなることがあり、本発明の課題一つである薄膜化からはずれてしまうからである。

以下、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

実施例
図２及び図３を参照して、本実施例に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。

図２（ａ）に示すような、２次元的に配置された光電変換素子２１を備える半導体基板２０上に、顔料分散グリーンレジストを１０００ｒｐｍの回転数でスピンコートした後、２３０℃で６分間ベークし、図２（ｂ）に示すように、グリーンレジスト層２２を形成した。この時、グリーンの顔料にはカラーインデックスにてＣ．Ｉ．ＰＧ３６を用いており、その顔料濃度は３５重量％、膜厚は０．６μｍである。また、グリーンレジストの主成分である樹脂としては、熱硬化タイプのアクリル系樹脂を用いた。

次いで、グリーンレジスト層２２上に、アクリル系感光樹脂を主成分とする塗布液を３０００ｒｐｍの回転数でスピンコートした後、フォトリソグラフィーによりパターニングし、図２（ｃ）に示すように、樹脂パターン２３を形成した。その後、この樹脂パターン２３をマスクとして用いて、ドライエッチング装置にてフロン系ガスを用いてグリーンレジスト層２２をエッチング処理し、図３（ａ）に示すように、グリーンフィルターパターン２４ａを形成した。このときのグリーンフィルターパターン２４ａの膜厚は０．８μｍであった。

次に、顔料分散ブルーレジストを用いて、グリーンフィルターパターン２４ａと同様にドライエッチングを用いたパターニング方法により、図３（ｂ）に示すように、ブルーフィルターパターン２４ｂを形成した。このとき、ブルーレジストに用いた顔料は、それぞれカラーインデックスにてＣ．Ｉ．ＰＢ１５６、Ｃ．Ｉ．ＰＶ２３であり、顔料濃度は４０重量％、膜厚は０．８μｍである。なお、ブルーレジストの主成分である樹脂としては、熱硬化タイプのアクリル系の樹脂を用いた。

その後、顔料分散レッドレジストを用いて、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、レッドフィルターパターン（図示せず）を形成し、カラーフィルター２５を得た。このとき、レッドレジストに用いた顔料は、それぞれカラーインデックスにてＣ．Ｉ．ＰＲ１１７、Ｃ．Ｉ．ＰＲ４８：１、Ｃ．Ｉ．ＰＹ１３９であり、顔料濃度は４５重量％、膜厚は０．８μｍであった。

更に、このようにして形成されたカラーフィルター２５上にアクリル樹脂を含む塗布液を回転数１０００ｒｐｍでスピンコートし、ホットプレートにて２００℃で１０分間の熱処理を施して、樹脂を硬化し、図３（ｃ）に示すように、平坦化層２６を形成した。

最後に、図３（ｄ）に示すように、平坦化層２６上に、周知の技術である熱フロー法によりマイクロレンズ２７を形成し、固体撮像素子を完成した。

以上のようにして得た固体撮像素子は、カラーフィルター２５が半導体基板２０の表面に直接形成されており、また熱硬化性樹脂を用いているため固形分中の色材の濃度を上げることが出来るのでカラーフィルター２５を薄く形成することが出来、そのため、レンズ下距離が小さく、良好な感度を有するものであった。また、カラーフィルターのパターンエッヂの形状に起因する色むらを生ずることがなかった。

本実施例においては、ドライエッチングによる形状転写技術で形成したグリーンレジスト及びブルーレジストの主成分として熱硬化タイプのアクリル樹脂を用いたが、特にアクリル樹脂にこだわることなく、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノールノボラック樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、及びこれらの共重合体などの樹脂の１つ叉は複数種を含む樹脂を用いることも可能である。

更に、グリーンレジストに高屈折率の樹脂を用いて、グリーンフィルターパターン、レッドフィルターパターン、及びブルーフィルターパターンの屈折率を同程度に設定することにより、表面反射を少なくすることが出来、感度が良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

また、本実施例では、グリーンフィルターパターン及びブルーフィルターパターンをドライエッチングによるパターニング技術を用いて形成し、レッドフィルターパターンをフォトリソグラフィーにより形成したが、グリーンフィルターパターンのみをドライエッチングによるパターニング技術を用いて形成し、ブルーフィルターパターン及びレッドフィルターパターンをフォトリソグラフィーにより形成してもよく、或いはまたグリーンフィルターパターン及びレッドフィルターパターンをドライエッチングによるパターニング技術を用いて形成し、ブルーフィルターパターンをフォトリソグラフィーにより形成してもよい。初めに形成される色フィルターパターンがドライエッチングにより、最後に形成される色フィルターパターンがフォトリソグラフィーにより形成されていればよい。ただし、グリーンフィルターパターン及びブルーフィルターパターンは、フォトリソグラフィープロセスではレッドフィルターパターンよりも剥がれが生じやすいので、ドライエッチング技術によるパターニング技術で形成した方がより好ましい。

更に、本実施例においては、熱フロー法によりマイクロレンズを形成したが、マイクロレンズ下の厚みをより薄く形成することのできるドライエッチングによるパターニング技術を用いてマイクロレンズを形成した方がより好ましい。これは、最終的にマイクロレンズとなる透明樹脂層をカラーフィルター上に形成、その上に熱フロー法によってマイクロレンズの母型（レンズ母型）を形成し、レンズ母型をマスクとして、ドライエッチングの手法によってレンズ母型形状を透明樹脂層に転写するという方法である。このとき、レンズ形状の転写に用いられるレンズ母型の高さや材料の選択によるエッチングレートの調整などにより、０．０３μｍ〜０．５μｍの範囲内で、隣接するフィルターパターンの境界部分を表面から除去し、マイクロレンズの周辺部をカラーフィルターの一部で構成することで、よりレンズ下距離を小さくすることが出来るので好ましい。

なお、本実施例において、グリーンレジストの樹脂として熱硬化タイプのアクリル樹脂を採用したが、レッドレジストやブルーレジストに用いた樹脂と同様の放射線硬化（光硬化）のアクリル樹脂を用いることも可能である。この場合は、薄膜化するために必要なモノマーや光重合開始剤の量を減らすことが好ましく、より好ましくは、熱硬化タイプの樹脂と同様の樹脂材料となる。この場合、露光・現像プロセスには不向きな樹脂材料となる。

本発明の一実施形態に係る製造方法により得た固体撮像素子の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の部分平面図である。 本発明の他の実施形態に係る固体撮像素子の部分断面図である。 本発明で用いるドライエッチングによりパターニングする形成工法を説明する工程断面図である。 本発明で用いるフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法を説明する工程断面図である。

符号の説明

１０，２０…半導体基板、１１，２１…光電変換素子、１２，２５…カラーフィルター、１３，２７…マイクロレンズ、２２・・・第１のカラーレジスト層、２３・・・樹脂パターン、２４ａ・・・第１の色（緑）フィルターパターン、２４ｂ・・・第２の色（青）フィルターパターン、２６…平坦化層、２７・・・マイクロレンズ、３１，４１…基材、３２，４２…色フィルター層、３３…感光性樹脂層、３４…樹脂パターン、３５，４３…色フィルターパターン、４２ａ…光硬化部、４２ｂ…不要部。

Claims (7)

1. 半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記複数色のフィルターパターンは、所定の色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法と、他の色フィルター層をフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とによって形成され、
   前記複数色のフィルターパターンのうち少なくとも最初に形成される色フィルターパターンをドライエッチングにより、残りの色フィルターパターンをフォトリソグラフィーによりパターニングすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記複数色のフィルターパターンは、所定の色フィルター層をドライエッチングによりパターニングする形成工法と、他の色フィルター層をフォトリソグラフィーによりパターニングする形成工法とによって形成され、
   前記複数色のフィルターパターンのうち最も面積の広い色フィルターパターンをドライエッチングによりパターニングすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
3. 半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子において、
   前記複数色のフィルターパターンは、熱硬化した樹脂を含む所定の色フィルターパターンと、光硬化した樹脂を含む他の色フィルターパターンを有することを特徴とする固体撮像素子。
4. 半導体基板に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前記半導体基板上に配設された複数色のフィルターパターンからなるカラーフィルターを具備する固体撮像素子において、
   前記複数色のフィルターパターンのうち、最も面積の大きい色フィルターパターンは、熱硬化した樹脂を含む色フィルターパターンであり、他の色フィルターパターンは、光硬化した樹脂を含む色フィルターパターンであることを特徴とする固体撮像素子。
5. 前記複数色のフィルターパターンはグリーンフィルターパターンを含み、該グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂は他の色フィルターパターンに含まれる樹脂よりも屈折率が高いことを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像素子。
6. 前記カラーフィルター上に平坦化層を具備することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 前記カラーフィルター上に直接又は間接的に、前記光電変換素子のそれぞれに対応して配設されたマイクロレンズを更に具備し、このマイクロレンズの周辺部は、前記カラーフィルターの一部により構成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子。

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