JP2006222291A - 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、薄型化が可能であり、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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層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の不要部とその下層の平坦化層をドライエッチングにより、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等に代表される光電変換素子を備える撮像素子及びその製造方法に係り、特に、光電変換素子上に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、固体撮像素子上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％程度に限られており、開口部が小さいことはそのまま感度低下につながるため、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。このような解像性の不足は、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が生じていた。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、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、マイクロレンズ下距離を小さく（薄く）することが必要であった。マイクロ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。第２に、Ｃ−ＭＯＳ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）で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、光電変換素子の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。

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、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樹脂を選択することは困難であり、３色のカラーフィルターの屈折率の相違のため、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、カラーフィルターの膜厚を薄くして固体撮像素子の薄膜化を図ることが困難であった。また、カラーフィルターと光電変換素子との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、剥がれなどを生じさせることなく形成され、薄型化が可能であり、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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層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の不要部とその下層の平坦化層をドライエッチングにより、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等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。

一般的に色フィルターパターンの厚みは、色ごとに求められる分光特性が異なり、用いられる樹脂や顔料も異なることから、厚みが異なる。また、ドライエッチングにより形成される色フィルターパターンは、感光性を持たせる必要がないため顔料濃度を高くすることができる。従って、フォトリソグラフィーによる色フィルターパターンよりも薄くすることができる。

色フィルターパターンをドライエッチングで形成する際、平坦化層までドライエッチングを入れることで、色フィルターパターンごとに異なる厚みの差、特にはフォトリソグラフィーにより形成される色フィルターパターンとの厚みの差を吸収することができ、色による表面の段差が小さく、光電変換素子との距離の小さいカラーフィルターを備えた固体撮像素子を提供することができる。

本発明の第２の態様は、前記所定の色フィルターをドライエッチングによりパターニングする形成工法は、該所定の色フィルター層の不要部とその下層の平坦化層を半導体基板に到達するまでドライエッチングする工法であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法を提供する。

平坦化層表面にはドライエッチング時の表面荒れのため、色フィルターパターンレジストの残渣が残る傾向がある。これらの残渣は光電変換素子との距離が近くなるほどノイズやディフェクトとして画質に影響する可能性があり、好ましくない。平坦化層を全て除去し、フォトリソグラフィーによる色フィルターパターンを直接半導体基板上に設けることでこの残渣の発生を防ぐことができる。具体的にはドライエッチング時に平坦化層を全て取り除くまでエッチングを行い、フォトリソグラフィーで形成する色フィルターパターンの下層には平坦化層が残らないようにすることができる。

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生ずるが、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の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、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請求項１または２に記載の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４の態様は、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、レッドフィルターパターン、ブルーフィルターパターンを含み、該グリーンフィルター及びレッドフィルターのいずれかあるいは両方を前記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請求項１または２記載の固体撮像素子の製造方法を提供する。

フォトリソグラフィー工法では露光不充分になりやすい、顔料濃度の高いグリーンフィルター層及びレッドフィルター層のいずれかあるいは両方をドライエッチングによりパターニングを行うことで、残渣やパターン剥がれのないカラーフィルターとすることができ、高精細で色ムラのない固体撮像素子とすることができる。

本発明の第５の態様は、前記ドライエッチングによりパターニングされる色フィルター層は少なくとも熱硬化性を有する樹脂を含み、前記フォトリソグラフィーによりパターニングされる色フィルター層は少なくとも光硬化性を有する樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法を提供する。

熱硬化性を有する樹脂を含む色フィルターパターンがしっかり半導体基板あるいは平坦化層に密着するため、色フィルターパターンの剥がれが生じない。また、熱硬化性を有する樹脂を含む色フィルターレジストはそれに含まれる色材の濃度を上げることができるので、カラーフィルターを薄くすることができ、入射光の混色を防ぎ、固体撮像素子の薄型化を図ることができる。

本発明の第６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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、
前記複数色のフィルターパターン下の平坦化層は、ある色と他の色との間で厚みが異なることを特徴とする固体撮像素子を提供する。

色フィルターパターン間で異なる厚みを平坦化層で吸収することで、表面の厚みが均一なカラーフィルターを具備する固体撮像素子を提供することができる。

本発明の第７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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、前記カラーフィルターは、前記半導体基板上に、平坦化層を介して形成されている色フィルターパターンと、直接形成されている色フィルターパターンの両方を有するカラーフィルターであることを特徴とする固体撮像素子を提供する。

色フィルターパターン間で異なる厚みを平坦化層で吸収することで、表面の厚みが均一なカラーフィルタを具備し、かつ平坦化層を最小限必要な箇所にのみ設けることで、カラーフィルタと光電変換素子との距離の小さい固体撮像素子を提供することができる。

本発明の第８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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、前記複数色のフィルターパターンのうち一部の色は熱硬化性を有する樹脂を含み、残りの色は光硬化性を有する樹脂を含むことを特徴とする固体撮像素子を提供する。

熱硬化性を有する樹脂を含む色フィルターパターンがしっかり半導体基板あるいは平坦化層に密着するため、色フィルターパターンの剥がれが生じない。また、熱硬化性を有する樹脂を含む色フィルターレジストはそれに含まれる色材の濃度を上げることができるので、カラーフィルターを薄くすることができ、入射光の混色を防ぎ、固体撮像素子の薄型化を図ることができる。

本発明の第９の態様は、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６乃至８のいずれかに記載の固体撮像素子を提供する。

グリーンフィルターパターンに含まれる樹脂の屈折率を他の色フィルターパターンに含まれる樹脂よりも高くすることで、色フィルターパターン間の屈折率を近似させて、マイクロレンズによる集光効果が各色フィルター上で同等な固体撮像素子を得ることができる。

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。

本発明の第１０の態様は、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、当該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６乃至９のいずれかに記載の固体撮像素子を提供する。

マイクロレンズの周辺部をカラーフィルターの一部により構成することで、マイクロレンズ下距離の小さい固体撮像素子を得ることができる。

本発明の第１の態様によると、高精細で、残渣や抜けがなく、エッジがなめらかで、色による表面の段差が小さく、光電変換素子との距離の小さいカラーフィルターを備えた固体撮像素子の製造方法が提供される。

本発明の第２の態様によると、上記本発明の第１の態様と同様の効果をさらに増強し、残渣がなく、かつ光電変換素子との距離のより小さいカラーフィルターを備えた固体撮像素子の製造方法が提供される。

本発明の第１の態様及び第２の態様によれば、カラーフィルターと光電変換素子との距離が小さくなるので、マイクロレンズを具備する固体撮像素子とすれば、マイクロレンズと光電変換素子との距離も小さくすることができる。

本発明の第３の態様によると、上記本発明の第１の態様または第２の態様と同様の効果が得られる。

本発明の第４の態様によると、上記本発明の第１の態様または第２の態様と同様の効果が得られる。

本発明の第５の態様によると、上記本発明の第１の態様または第２の態様と同様の効果に加え、カラーフィルターを薄くすることができるので、入射光の混色を防ぎ、固体撮像素子の薄型化を図ることができる。

本発明の第６の態様によると、高精細で、残渣や抜けがなく、エッジがなめらかな、色による表面の段差が小さく、光電変換素子との距離の小さいカラーフィルターを備えた固体撮像素子が提供される。

本発明の第７の態様によると、上記本発明の第６の態様と同様の効果をさらに増強し、残渣がなく、かつ光電変換素子との距離のより小さいカラーフィルタを備えた固体撮像素子が提供される。

本発明の第６の態様及び第７の態様によれば、カラーフィルターと光電変換素子との距離が小さいので、マイクロレンズを具備する固体撮像素子とすれば、マイクロレンズと光電変換素子との距離も小さくすることができる。

本発明の第８の態様によると、高精細で、残渣や抜けがなく、エッジがなめらかな、厚みの薄いカラーフィルターを備えた固体撮像素子が提供される。

本発明の第９の態様によると、高精細で、残渣や抜けがなく、エッジがなめらかな、色フィルターパターン表面の荒れが少ない、色フィルターパターン間で集光効果が同等なカラーフィルターを備えた固体撮像素子が提供される。

本発明の第１０の態様によると、マイクロレンズ下距離の小さい固体撮像素子が提供される。

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、段差を有する平坦化層１２、この平坦化層１２上に形成された、入射光を色分解するカラーフィルター１３、及びこのカラーフィルター１２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。

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の平坦化層２２を形成する。第１の平坦化層としては、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。

次いで、図２（ｃ）に示すように、第１の平坦化層２２上に、緑レジスト層２３を形成する。緑レジスト層２３は、熱硬化性樹脂を主成分とし、緑色顔料を分散させた樹脂分散液を平坦化層２２上に塗布し、熱硬化することにより形成される。

次に、この緑レジスト層２２上に、例えばフォトリソグラフィーにより、図２（ｄ）に示すように、所定の樹脂パターン２４を形成する。樹脂パターン２４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。

その後、この樹脂パターン２４をマスクとして用いて、ドライエッチングにより緑レジスト層２３をパターニングし、図３（ａ）に示すように、グリーンフィルターパターン２５ａを形成する。ドライエッチングとしては、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、フォトリソグラフィーにより、ブルーフィルターパターン２５ｂ及びレッドフィルターパターン（図示せず）を形成し、図３（ｂ）に示すように、緑、青及び赤のフィルターパターンからなるカラーフィルター２６を形成する。

カラーフィルター２６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。

次いで、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２６上に第２の平坦化層２７を形成する。第２の平坦化層としては、第１の平坦化層と同様、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。

次に、図３（ｄ）に示すように、第２の平坦化層２７上に、周知の技術である熱フロー法によりレンズ母型２８を形成する。レンズ母型２８としては、感光性樹脂が好ましく、アクリル樹脂やフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などのアルカリ可溶性および熱フロー性を有する樹脂を用いることが出来る。

最後に、レンズ母型２８をマスクとして用いてエッチング処理を行い、レンズ母型２８の形状を第２の平坦化層２７に転写して、マイクロレンズ２９を形成する。このとき、カラーフィルター２６の各パターンの境界部分表面から０．０３μｍ〜０．５μｍの深さに除去し、図３（ｅ）に示すように、固体撮像素子が完成する。

以上説明した固体撮像素子の製造方法において、グリーンフィルターパターン２５ａは、緑レジスト層２３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ているため、後のフォトリソグラフィーにおける現像工程において、画素欠損が生ずることはない。

以上説明した実施形態において、グリーンフィルターパターン２５ａは、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、下地との密着性をより強固にすることが出来、画素欠損をより効果的に防止することができる。最も面積の大きいグリーン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しているため、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。

また、マイクロレンズ形成工程において、図３（ｅ）に示すように、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、マイクロレンズの周辺部をカラーフィルター２６の一部により構成しているので、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を越えると、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、本発明の課題の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１
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、アクリル系樹脂を主成分とする塗布液を２０００ｒｐｍの回転数でスピンコートした後、ホットプレートにより２３０℃で６分間ベークし、図２（ｂ）に示すように、第１の平坦化層２２を形成した。この時の第１の平坦化層２２の膜厚は０．４５μｍであった。

次いで、第１の平坦化層２２の上に、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（ｃ）に示すように、グリーンレジスト層２３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０．５μｍ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高屈折率樹脂を用いた。そのため、グリーンレジスト層２３の屈折率は１．６５である。

このように、熱硬化タイプのアクリル系高屈折率樹脂を用いることにより、熱硬化剤が必要になるものの、光重合開始剤などの感剤を無くすことが出来るとともに、アルカリ現像特性や光硬化性などのフォトリソグラフィー特性が必要でないため、顔料濃度を上げることによりグリーンフィルターの薄膜化を達成することが出来た。

次に、グリーンレジスト層２３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（ｄ）に示すように、透明樹脂パターン２４を形成した。このとき、マスクとなる透明樹脂には顔料などの解像性の妨げとなる物質が含まれないものを選択できることから、高精細でパターニングできる。

その後、この透明樹脂パターン２４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２３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２５ａを形成した。このときのグリーンフィルターパターン２５ａの膜厚は０．５μｍであり、第１の平坦化層２２も一部除去されたため、隣接する第１の平坦化層２２との間には０．４μｍの段差が形成されていた。

その後、フォトリソグラフィーにより、図３（ｂ）に示すように、ブルーフィルターパターン２５ｂ及びレッドフィルターパターン（図示せず）を順次形成し、カラーフィルター２６を得た。この時、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．ＰＢ１５：６、Ｃ．Ｉ．ＰＶ２３であり、顔料濃度は３０重量％、膜厚は０．９μｍ、屈折率は１．６４であり、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４０重量％、膜厚は０．９μｍ、屈折率は１．６９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２６上に、ＵＶ吸収剤を添加した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、第２の平坦化層２７を形成した。

次に、図３（ｄ）に示すように、平坦化層２７上に、周知の技術である熱フロー法により感光性、熱フロー性のあるアクリル樹脂からなるレンズ母型２８を形成した。

最後に、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスを用いてレンズ母型２８をマスクとして用いてエッチング処理を行い、レンズ母型２８の形状を第２の平坦化層２７に転写して、マイクロレンズ２９を形成した。このとき、カラーフィルター２６の各パターンの境界部分表面から０．２μｍの深さに除去し、図３（ｅ）に示すように、固体撮像素子を完成した。

以上のような固体撮像素子の製造方法では、グリーンフィルターパターン２５ａをドライエッチングによるパターン形成工法を用いて形成することにより、微細なパターンの膜厚の薄い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が出来た。また、グリーンフィルター層に熱硬化性樹脂を用いたため、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、薄型の固体撮像素子を得ることが出来た。

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。

特に、高屈折率を達成するために、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環を導入したポリマーやモノマーを用いること、及びハロゲン基やイオウ基などをこれらポリマーなどの骨格に導入したアクリル樹脂を用いることが可能である。

これにより、従来、ブルーフィルターパターンやレッドフィルターパターンと比較して最も屈折率が低く、表面反射が大きいグリーンフィルターパターンにおいても、高い屈折率を達成することができ、感度の良好な固体撮像素子を得ることが出来る。

また、以上の実施例では、グリーンフィルターパターンをドライエッチングを用いたパターニングにより形成したが、フォトリソグラフィープロセスによって剥がれの生じやすいブルーフィルターパターンや顔料濃度の高いレッドフィルターパターンをドライエッチングを用いて形成しても構わない。ただし、１色目となるグリーンフィルターパターンの密着性とパターン精度が最も重要であるため、グリーンフィルターパターンをドライエッチング技術による形状転写技術で形成することが必要である。また、グリーンフィルターパターンを形成した後の２色目としてレッドフィルターパターンを形成してもよいが、レッドフィルターパターンは顔料濃度が高いため、残渣が残りやすいので、ブルーフィルターパターンを２色目として形成するのが望ましい。

また、本実施例においては、カラーフィルター２６の下部に配設される第１の平坦化層２２に０．４μｍの段差を設けたが、グリーンフィルターパターン形成の母型となる透明樹脂パターン２４の厚みや材料の選択によるエッチングレートの調整により、０．０３μｍ〜０．５μｍの範囲内で第１の平坦化層をエッチングしても構わない。ここで、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を越える段差をつけると、膜表面があれ、表面散乱による感度低下が生ずるためである。

更に、本実施例においては、ドライエッチングによりマイクロレンズを形成したが、従来の熱フロー法によりマイクロレンズを形成してもよい。ただし、マイクロレンズ下の厚みを薄くするためには、ドライエッチングによる形状転写技術を用いてマイクロレンズを形成する方がより好ましい。

実施例２
図２及び図５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、アクリル系樹脂を主成分とする塗布液を２０００ｒｐｍの回転数でスピンコートした後、ホットプレートにより２３０℃で６分間ベークし、図２（ｂ）に示すように、第１の平坦化層２２を形成した。この時の第１の平坦化層２２の膜厚は０．４μｍであった。

次いで、第１の平坦化層２２の上に、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（ｃ）に示すように、グリーンレジスト層２３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４０重量％、膜厚は０．５μｍ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高屈折率樹脂を用いた。そのため、グリーンレジスト層２３の屈折率は１．６５である。

このように、熱硬化タイプのアクリル系高屈折率樹脂を用いることにより、熱硬化剤が必要になるものの、光重合開始剤などの感剤を無くすことが出来るとともに、アルカリ現像特性や光硬化性などのフォトリソグラフィー特性が必要でないため、顔料濃度を上げることによりグリーンフィルターの薄膜化を達成することが出来た。

次に、グリーンレジスト層２３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（ｄ）に示すように、透明樹脂パターン２４を形成した。このとき、マスクとなる透明樹脂には顔料などの解像性の妨げとなる物質が含まれないものを選択できることから、高精細でパターニングできる。

その後、この透明樹脂パターン２４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２３をエッチング処理し、図５（ａ）に示すように、グリーンフィルターパターン２５ａを形成した。このときのグリーンフィルターパターン２５ａの膜厚は０．５μｍであり、グリーンフィルターパターン２５ａで覆われていない第１の平坦化層２２は完全に除去されていた。

その後、フォトリソグラフィーにより、図５（ｂ）に示すように、ブルーフィルターパターン２５ｂ及びレッドフィルターパターン（図示せず）を順次形成し、カラーフィルター２６を得た。この時、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．ＰＢ１５：６、Ｃ．Ｉ．ＰＶ２３であり、顔料濃度は３０重量％、膜厚は０．９μｍ、屈折率は１．６４であり、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４０重量％、膜厚は０．９μｍ、屈折率は１．６９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２６上に、ＵＶ吸収剤を添加した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５（ｃ）に示すように、第２の平坦化層２７を形成した。

次に、図５（ｄ）に示すように、平坦化層２７上に、周知の技術である熱フロー法により感光性、熱フロー性のあるアクリル樹脂からなるレンズ母型２８を形成した。

最後に、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスを用いてレンズ母型２８をマスクとして用いてエッチング処理を行い、レンズ母型２８の形状を第２の平坦化層２７に転写して、マイクロレンズ２９を形成した。このとき、カラーフィルター２６の各パターンの境界部分表面から０．１μｍの深さに除去し、図５（ｅ）に示すように、固体撮像素子を完成した。

以上のような固体撮像素子の製造方法では、グリーンフィルターパターン２５ａをドライエッチングによるパターン形成工法を用いて形成することにより、微細なパターンの膜厚の薄い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が出来た。また、グリーンフィルタ層に熱硬化性樹脂を用いたため、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、薄型の固体撮像素子を得ることが出来た。

また、本実施例においては、フォトリソグラフィーによるパターン形成工法で形成される色フィルターパターンの下部に配設される第１の平坦化層２２を完全に取り除いたが、グリーンフィルターパターン形成の母型となる透明樹脂パターン２４の厚みや材料の選択によるエッチングレートの調整により、第１の平坦化層を残しても構わない。ただし、２色目以降の色フィルター層の残渣を残さないようにするためには、完全に除去することが好ましい。

更に、本実施例においては、ドライエッチングによりマイクロレンズを形成したが、従来の熱フロー法によりマイクロレンズを形成してもよい。ただし、マイクロレンズ下の厚みを薄くするためには、ドライエッチングによる形状転写技術を用いてマイクロレンズを形成する方がより好ましい。

また、隣接するカラーフィルターの境界部分を表面から０．１μｍの深さでエッチングし、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されるようにしたが、レンズ母型の高さや材料の選択、またレンズ形状を転写される層の層構成、厚みやエッチングレート等から材料を選択することにより、表面から０．０３μｍから０．５μｍの範囲で除去する深さを設定することができる。ここで、下限を０．０３μｍとしたのはＳＥＭやＡＦＭなどで膜厚を識別できる最小の値であるためであり、また上限を０．５μｍとしたのはこれ以上深くドライエッチングを行うと、マイクロレンズ表面が荒れて、表面散乱により感度低下が起こるためである。

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製造方法を工程順に示す断面図である。 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…平坦化層、１３，２６…カラーフィルター、１４，２９…マイクロレンズ、２２…第１の平坦化層、２３…緑レジスト層、２４…樹脂パターン、２５ａ…グリーンフィルターパターン、２５ｂ・・ブルーフィルターパターン、２７…第２の平坦化層、２８…レンズ母型、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 (10)

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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層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の不要部とその下層の平坦化層をドライエッチングにより、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. 前記所定の色フィルターをドライエッチングによりパターニングする形成工法は、該所定の色フィルター層の不要部とその下層の平坦化層を半導体基板に到達するまでドライエッチングする工法であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 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請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 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、レッドフィルターパターン、ブルーフィルターパターンを含み、該グリーンフィルター及びレッドフィルターのいずれかあるいは両方を前記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請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記ドライエッチングによりパターニングされる色フィルター層は少なくとも熱硬化性を有する樹脂を含み、前記フォトリソグラフィーによりパターニングされる色フィルター層は少なくとも光硬化性を有する樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、
   前記複数色のフィルターパターン下の平坦化層は、ある色と他の色との間で厚みが異なることを特徴とする固体撮像素子。
7. 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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、
   前記カラーフィルターは、前記半導体基板上に、平坦化層を介して形成されている色フィルターパターンと、直接形成されている色フィルターパターンの両方を有するカラーフィルタであることを特徴とする固体撮像素子。
8. 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を有するカラーフィルターと、該半導体基板上の一部または全部に形成された平坦化層を具備する固体撮像素子であって、
   前記複数色のフィルターパターンのうち一部の色は熱硬化性を有する樹脂を含み、残りの色は光硬化性を有する樹脂を含むことを特徴とする固体撮像素子。
9. 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６乃至８のいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 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、当該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６乃至９のいずれかに記載の固体撮像素子。

Images