JP2006292870A - カラーフィルタの製造方法および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタパターンの位置精度を向上させることができるカラーフィルタの製造方法、および当該カラーフィルタを備えた固体撮像装置の製造方法を提供する。
【解決手段】被処理基板１上に、パターン非形成領域を取り囲む配置をもつ１色目のカラーフィルタパターン３１を形成する。次に、カラーフィルタパターン３１を被覆するように被処理基板１上に、２色目以降の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａを形成する。次に、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａを露光する。ここで、１色目のカラーフィルタパターン３１で囲まれた領域よりも内側が感光領域３２ｂとなるように露光する。次に、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａに対して加熱処理を行う。その後、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａを現像して、２色目以降のカラーフィルタパターン３２を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、固体撮像装置や表示装置に適用されるカラーフィルタの製造方法、およびカラーフィルタを備えた固体撮像装置の製造方法に関する。

固体撮像装置及び表示装置で用いられるカラーフィルタの製造方法として、着色感光性組成物を用いるフォトリソグラフィ法がある（例えば、特許文献１，２参照）。フォトリソグラフィ法では、カラーフィルタパターンの線幅変動や、ステッパー（投影露光装置）の重ね合わせ精度に起因するカラーフィルタパターンの位置ずれが発生する場合がある。

図５は、従来の固体撮像装置の断面図である。

図５に示すように、フォトダイオードからなる受光部１０１が形成された半導体基板１００上に、転送電極１０２が形成され、さらに上層にカラーフィルタ１０３が形成される。図５では、１色目カラーフィルタパターン１０３−１と、２色目カラーフィルタパターン１０３−２のみを図示している。カラーフィルタ１０３上には、オンチップマイクロレンズ１０４が配置される。各受光部１０１に対してカラーフィルタパターン１０３−１，１０３−２が適切に配置されていることで、最適な集光状態が実現する。
特開２０００−１５６４８５号公報 特開２００１−２４９２１８号公報

しかしながら、上記したように、２色目カラーフィルタパターン１０３−２の位置が、ステッパー（投影露光機）の重ね合わせ精度の影響によりずれてしまう場合がある。この場合には、例えば隣接する画素へのカラーフィルタパターンのはみ出しによる光路混色（図中、Ｂ参照）や、カラーフィルタパターンの位置ずれによる、フィルタ実効膜厚の低減（図中、Ｃ参照）が起きる。その結果、固体撮像装置では色むらや色再現性の悪化に繋がってしまう。

カラーフィルタパターンの位置ずれによる影響は、単位画素サイズの縮小により益々大きくなってきている。このため、固体撮像装置の特性改善、歩留まりの安定化および向上を図るために、カラーフィルタパターンの形成精度を高めることが望まれている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カラーフィルタパターンの位置精度を向上させることができるカラーフィルタの製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、画素サイズが縮小しても、位置精度の良いカラーフィルタパターンを形成することができ、色再現性に優れた固体撮像装置の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のカラーフィルタの製造方法は、被処理基板上に、パターン非形成領域を取り囲む配置をもつ１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程と、前記カラーフィルタパターンを被覆するように前記被処理基板上に、２色目以降の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を形成する工程と、前記１色目のカラーフィルタパターンで囲まれた領域よりも内側における前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を露光する工程と、前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂に対して加熱処理を行う工程と、前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を現像して、２色目以降のカラーフィルタパターンを形成する工程とを有する。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、画素毎に受光部が形成された被処理基板上に、カラーフィルタを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記被処理基板上に、パターン非形成領域を取り囲む配置をもつ１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程と、前記カラーフィルタパターンを被覆するように前記被処理基板上に、２色目以降の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を形成する工程と、前記１色目のカラーフィルタパターンで囲まれた領域よりも内側における前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を露光する工程と、前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂に対して加熱処理を行う工程と、前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を現像して、２色目以降のカラーフィルタパターンを形成する工程とを有する。

上記の本発明では、２色目以降のカラーフィルタパターンの形成では、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を用いる。化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂と、架橋剤と、光酸発生剤と、色素が含まれる。
露光工程では、１色目のカラーフィルタパターンで囲まれた領域よりも内側における化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を露光する。露光が施された感光領域では、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂中の光酸発生剤が励起されて酸が放出される。

次に、加熱処理を行うと、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂に含まれる架橋剤が、酸によってベース樹脂と縮合反応して架橋する結果、現像液に対して不要な分子構造をもつ不溶化領域が形成される。１つの架橋反応が起こると、そこで酸が生成されて、次の反応を引き起こすというように、連鎖反応的に架橋が進む。上記の架橋反応は、隣接する１色目のカラーフィルタパターンによりせき止められる。この結果、現像液に不溶な不溶化領域が、１色目のカラーフィルタパターン間に選択的に形成される。
その後、現像することにより、不溶化領域が残り、２色目以降のカラーフィルタパターンが形成される。

本発明のカラーフィルタの製造方法によれば、カラーフィルタパターンの位置精度を向上させることができる。
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、画素サイズが縮小しても、位置精度の良いカラーフィルタパターンを形成することができ、色再現性に優れた固体撮像装置を製造することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置に用いられるカラーフィルタの製造方法に本発明を適用した例について説明する。ただし、ＭＯＳ型の固体撮像装置や、表示装置のカラーフィルタの製造方法に本発明を適用することもできる。

図１は、本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法により製造されるカラーフィルタのパターン配置の一例を示す平面図である。

カラーフィルタ３０は、グリーンカラーフィルタパターン３１と、レッドカラーフィルタパターン３２と、ブルーカラーフィルタパターン３３とにより構成されている。本実施形態のカラーフィルタ３０は、原色ベイヤー配列のカラーフィルタである。各カラーフィルタパターン３１〜３３は、画素毎に形成されている。

原色ベイヤー配列では、グリーンカラーフィルタパターン３１は、市松状に配置されている。市松状に配置されたグリーンカラーフィルタパターン３１の間の領域（グリーンカラーフィルタパターン３１の非形成領域）に、レッドカラーフィルタパターン３２およびブルーカラーフィルタパターン３３が配置されている。

本実施形態では、市松状に配置されたグリーンカラーフィルタパターン３１の間の領域において、特定の全ての列にはレッドカラーフィルタパターン３２が配置され、当該列に隣接する列には、ブルーカラーフィルタパターン３３が配置される。これにより、グリーンカラーフィルタパターン３１とレッドカラーフィルタパターン３２が交互に繰り返し並んだ列と、グリーンカラーフィルタパターン３１とブルーカラーフィルタパターン３３が交互に繰り返し並んだ列が形成されている。

図２は、カラーフィルタを備える固体撮像装置の一例を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図に相当する。

固体撮像装置では、単位画素は、受光部５と、読み出しゲート部６と、垂直転送部７とを有する。図示はしないが、単位画素はマトリックス状に配置されており、これに対応してカラーフィルタパターン３１〜３３が、マトリックス状に配置されている（図１参照）。

例えば、ｎ型のシリコン基板（以下、半導体基板１０という）に、ｐ型ウェル１１が形成されている。ｐ型ウェル１１は、オーバーフローバリアを形成する。

受光部５は、ｐ型ウェル１１に形成されたｎ型の信号電荷蓄積領域１２によって構成される。信号電荷蓄積領域１２の表層には図示はしないが暗電流を抑制するためのｐ^＋の正孔蓄積領域が形成されている。

受光部５には、信号電荷蓄積領域１２、ｐ型ウェル１１および半導体基板１０により、ｎｐｎ構造が形成されている。このｎｐｎ構造は、受光部５に強い光が入射して過剰に発生した信号電荷がｐ型ウェル１１により形成されるオーバーフローバリアを超えると、当該信号電荷を半導体基板１０側に排出する縦型オーバーフロードレイン構造を構成する。

垂直転送部７は、信号電荷蓄積領域１２と所定間隔を隔ててｐ型ウェル１１に形成されたｎ型の転送チャネル領域１３と、転送チャネル領域１３上に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜２０を介して形成された例えばポリシリコンからなる転送電極２１により構成されている。

読み出しゲート部６は、信号電荷蓄積領域１２と転送チャネル領域１３との間のｐ型ウェル（読み出しゲート領域１４）と、読み出しゲート領域１４上にゲート絶縁膜２０を介して形成された転送電極２１により構成されている。読み出しゲート領域１４は、ｎ型の信号電荷蓄積領域１２と転送チャネル領域１３との間に、電位障壁を形成する。読み出し時には、転送電極に正の読み出し電圧が印加されて、読み出しゲート領域１４の電位障壁が引き下げられて、信号電荷は信号電荷蓄積領域１２から転送チャネル領域１３へと移される。

信号電荷蓄積領域１２に対して読み出し側とは反対側には、ｐ型のチャネルストップ領域１５が形成されている。チャネルストップ領域１５は、信号電荷に対して電位障壁を形成し、信号電荷の流出入を防止する。

転送電極２１上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜２３を介して、転送電極２１を被覆する遮光膜２４が形成されている。遮光膜２４には受光部５を露出させる開口部が形成されている。

遮光膜２４上には、例えばＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate glass）や窒化シリコンからなる平坦化膜２５が形成されている。平坦化膜２５の表面は、平坦化されている。なお、平坦化膜２５内に層内レンズが形成されていてもよい。

平坦化膜２５上には、カラーフィルタ３０が形成されている。カラーフィルタ３０のうち、グリーンカラーフィルタパターン３１と、レッドカラーフィルタパターン３２のみが図示されているが、他の領域においては、ブルーカラーフィルタパターン３３が形成されている。

グリーンカラーフィルタパターン３１は、本実施形態では、市松状に配置されている（図１参照）。グリーンカラーフィルタパターン３１は、本実施形態では、１色目（１番目）に形成される。グリーンカラーフィルタパターン３１の材料に特に限定はない。

レッドカラーフィルタパターン３２およびブルーカラーフィルタパターン３３は、本実施形態では、２色目以降に形成される。これらの２色目以降のカラーフィルタ材料としては、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を用いる。化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂と、架橋剤と、光酸発生剤と、色素（レッドあるいはブルー）が含まれる。色素としては、例えば染料が用いられるが、顔料を用いても良い。

カラーフィルタ３０上には、例えばアクリル熱硬化樹脂からなる平坦化膜３４が形成されている。平坦化膜３４上には、オンチップマイクロレンズ３５が形成されている。

上記の固体撮像装置では、入射光は、オンチップマイクロレンズ３５により集光されて各カラーフィルタパターン３１〜３３に到達する。所定の波長領域の光のみが各カラーフィルタパターン３１〜３３を通過し、受光部５に入射する。受光部５に入射した光は、入射光量に応じた信号電荷に光電変換されて、信号電荷蓄積領域１２に蓄積される。その後、転送チャネル領域１３に読み出されて、垂直転送部７により垂直方向に転送される。

次に、上記の固体撮像装置の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。

まず、図２に示すカラーフィルタ３０の下層までを形成する。すなわち、イオン注入法により、半導体基板１０に、ｐ型ウェル１１、信号電荷蓄積領域１２、転送チャネル領域１３、読み出しゲート領域１４、チャネルストップ領域１５を形成する。続いて、半導体基板１０上にゲート絶縁膜２０を形成した後に、転送電極２１を形成する。なお、転送電極２１を形成した後に、転送電極をマスクとしたイオン注入により、信号電荷蓄積領域１２を形成してもよい。続いて、転送電極２１上に、絶縁膜２３を介して遮光膜２４を形成する。続いて、遮光膜２４上に、例えばＢＰＳＧからなる平坦化膜２５を形成する。これにより、カラーフィルタ３０の下層の構造が形成される。なお、平坦化膜２５が形成された半導体基板１０を被処理基板１とする。

次に、図３（ａ）に示すように、被処理基板１上に、例えば、フォトリソグラフィ法により、１色目として例えばグリーンカラーフィルタパターン３１を形成する。１色目のグリーンカラーフィルタパターン３１の形成方法に関しては、フォトリソグラフィ法に限定するものではなく、例えば染色法を用いても良い。１色目のグリーンカラーフィルタパターン３１は、パターン非形成領域（被処理基板１が露出する領域）を取り囲むパターンとする。例えば、グリーンカラーフィルタパターン３１は、市松状配置とする（図１参照）。

次に２色目のカラーフィルタパターンをフォトリソグラフィ法で作製していくが、この際に化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を用いる。例えば、図３（ｂ）に示すように、被処理基板１およびグリーンカラーフィルタパターン３１を被覆するように、２色目（本例ではレッド）となる化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａを塗布する。化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａには、例えばベース樹脂と、架橋剤と、光酸発生剤と、色素が含まれる。色素としては、例えば染料が用いられるが、顔料を用いても良い。

次に、図３（ｃ）に示すように、被処理基板１上の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａに対して、ステッパー（投影露光機）を用いて２色目のカラーフィルタパターンを露光する。この際に、本来の露光領域である画素サイズ（１色目のグリーンカラーフィルタパターン３１間の領域）よりも任意に縮小したサイズのマスク４０を用い、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａの感光領域３２ｂを狭めておく。例えば、グリーンカラーフィルタパターン３１に対して０．０５〜０．３μｍだけ内側の領域が感光領域３２ｂとなるように露光する。化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａでは、光照射により光酸発生剤が励起されて酸が放出される。

グリーンカラーフィルタパターン３１に対して０．０５μｍ以上としたのは、現在のリソグラフィ技術のアライメント誤差が０．０５μｍ程度であることから、このアライメント誤差を補償するためである。０．３μｍ以下としたのは、０．３μｍ以下であれば後述する処理により、グリーンカラーフィルタパターン３１に対して自己整合的に２色目のカラーフィルタパターンを形成できることが確認されているからである。

次に、熱処理（ＰＥＢ：Post Exposure Bake）処理を行う。図４（ｄ）に示すように、熱処理を行うと、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａに含まれる架橋剤が、酸によってベース樹脂と縮合反応して架橋する結果、現像液に対して不要な分子構造をもつ不溶化領域３２ｃが形成される。１つの架橋反応が起こると、そこで酸が生成されて、次の反応を引き起こすというように、連鎖反応的に架橋が進む。上記の架橋反応は、隣接する１色目のグリーンカラーフィルタパターン３１の側壁まで到達し、アルカリ現像液に不溶な不溶化領域３２ｃが、グリーンカラーフィルタパターン３１間に選択的に形成される。これは、１色目のカラーフィルタパターンによりセルフアライメント的（自己整合）に酸の拡散が制御されるからである。

次に、図４（ｅ）に示すように、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂３２ａをアルカリ水溶液により現像処理することで、２色目としてレッドカラーフィルタパターン３２が形成される。

レッドカラーフィルタパターン３２と同様の方法により、ブルーカラーフィルタパターン３３を形成することにより、セルフアライメント的（自己整合）にカラーフィルタ３０を形成することが可能となる。

カラーフィルタ３０の形成後、カラーフィルタ３０の表面凹凸を平坦化する目的で、カラーフィルタ３０上に透明な平坦化膜３４を形成する（図２参照）。平坦化膜３４としては、例えばアクリル熱硬化樹脂が用いられる。

次に、平坦化膜３４上に、感光性を有するマイクロレンズ材を形成し、フォトリソグラフィ技術によりマイクロレンズ材をパターン加工する。続いて、膜中の残存感光剤を紫外線照射により分解し、短波長領域の透過率を向上させるブリーチング処理を行った後、マイクロレンズ材の熱軟化点以上の熱を加えて、マイクロレンズ形状を得る。これにより、各画素に対応するオンチップマイクロレンズ３５が形成される。

以上のようにして、固体撮像装置が完成する。

本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法では、まず、１色目として、パターン非形成領域を取り囲む例えば市松状のグリーンカラーフィルタパターン３１を形成した後、化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を用いて２色目以降のカラーフィルタパターンを形成する。

２色目以降のブルーあるいはレッドカラーフィルタパターンの形成において、グリーンカラーフィルタパターン３１により囲まれる領域の内側を露光した後に、熱処理を行うことにより、露光のアライメント誤差に影響を受けずに、自己整合的にグリーンカラーフィルタ３１により囲まれる領域に２色目以降のカラーフィルタを形成することができる。この結果、２色目以降のレッドカラーフィルタパターン３２およびブルーカラーフィルタパターン３３の位置精度を向上させることができる。

また、上記のレッドカラーフィルタパターン３２あるいはブルーカラーフィルタパターン３３を形成するための化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂としては、顔料分散型よりも染料内添型が好ましい。色素粒子が固体レベルで分散した顔料よりも、分子レベルで分散した染料を用いることにより、画質のざらつき感をなくして、良好な画質を得ることができるからである。ただし、顔料分散型を用いても良い。

上記のようにカラーフィルタの製造方法によれば、２色目以降のカラーフィルタパターンをセルフアライメント的（自己整合）に形成することができることから、画素サイズが縮小しても、位置精度の向上したカラーフィルタを製造することができる。

従って、上記のカラーフィルタを備えた固体撮像装置の製造方法によれば、カラーフィルタ形成位置のずれや、カラーフィルタの形成線幅変動に起因する特性変化が極めて少なく、色再現性に優れた固体撮像装置を製造することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本発明は、ＣＣＤ型固体撮像装置以外にも、ＭＯＳ型固体撮像装置や、表示装置のカラーフィルタの製造方法に適用することができる。

また、２色目としてブルーカラーフィルタパターン３３を形成した後に、３色目としてレッドカラーフィルタパターン３２を形成してもよい。また、１色目は、グリーンカラーフィルタパターン３１以外のカラーフィルタパターンを形成してもよい。

本実施形態では、原色系のカラーコーディング方式を例に説明したが、補色系のカラーコーディング方式を採用してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

カラーフィルタの配置例を示す平面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造において、カラーフィルタの製造工程を示す工程断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造において、カラーフィルタの製造工程を示す工程断面図である。 従来の固体撮像装置に適用されるカラーフィルタの問題点を示す図である。

符号の説明

１…被処理基板、５…受光部、６…読み出しゲート部、７…垂直転送部、１０…半導体基板、１１…ｐ型ウェル、１２…信号電荷蓄積領域、１３…転送チャネル領域、１４…読み出しゲート領域、１５…チャネルストップ領域、２０…ゲート絶縁膜、２１…転送電極、２３…絶縁膜、２４…遮光膜、２５…平坦化膜、３０…カラーフィルタ、３１…グリーンカラーフィルタパターン、３２…レッドカラーフィルタパターン、３２ａ…化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂、３２ｂ…感光領域、３２ｃ…不溶化領域、３３…ブルーカラーフィルタパターン、３４…平坦化膜、３５…オンチップマイクロレンズ、１００…半導体基板、１０１…受光部、１０２…転送電極、１０３…カラーフィルタ、１０３−１…１色目カラーフィルタパターン、１０３−２…２色目カラーフィルタパターン、１０４…オンチップマイクロレンズ

Claims (4)

1. 被処理基板上に、パターン非形成領域を取り囲む配置をもつ１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程と、
   前記カラーフィルタパターンを被覆するように前記被処理基板上に、２色目以降の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を形成する工程と、
   前記１色目のカラーフィルタパターンで囲まれた領域よりも内側における前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を露光する工程と、
   前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂に対して加熱処理を行う工程と、
   前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を現像して、２色目以降のカラーフィルタパターンを形成する工程と
   を有するカラーフィルタの製造方法。
2. 前記１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程において、市松状のカラーフィルタパターンを形成する
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 画素毎に受光部が形成された被処理基板上に、カラーフィルタを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記被処理基板上に、パターン非形成領域を取り囲む配置をもつ１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程と、
   前記カラーフィルタパターンを被覆するように前記被処理基板上に、２色目以降の化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を形成する工程と、
   前記１色目のカラーフィルタパターンで囲まれた領域よりも内側における前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を露光する工程と、
   前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂に対して加熱処理を行う工程と、
   前記化学増幅系ネガ型着色感光性樹脂を現像して、２色目以降のカラーフィルタパターンを形成する工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
4. 前記１色目のカラーフィルタパターンを形成する工程において、市松状のカラーフィルタパターンを形成する
   請求項３記載の固体撮像装置の製造方法。
   

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