JP2006317776A - 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】カラーフィルタの硬化状態を高めることにより、カラーフィルタの色素混色を低減することができる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を提供する。
【解決手段】カラーフィルタの製造方法では、被処理基板１上に着色感光性樹脂３１ａを形成し、着色感光性樹脂３１ａを露光および現像することによりカラーフィルタ３１のパターンを形成した後、酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中においてカラーフィルタ３１を熱処理して、カラーフィルタ３１を硬化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、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に関し、特に、着色感光性樹脂を用いたカラーフィルタの製造方法、当該カラーフィルタを備える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、着色感光性樹脂を用いたフォトリソグラフィ法がある。

この場合、図６（ａ）に示すように、例えば被処理基板２００上に１色目のポジ型着色感光性樹脂を塗布したのち、露光をおこない、次いで現像処理をすることで、１色目のカラーフィルタ２０１が形成される。その後、図６（ｂ）に示すように、被処理基板２００の全面に２色目のポジ型着色感光性樹脂２０２が塗布される。１色目の形成と同様にして、露光および現像処理を行うことで、２色目のカラーフィルタが形成される。ポジ型着色感光性樹脂の塗布、露光および現像を繰り返すことにより、所望のカラーフィルタが形成される。

上記のカラーフィルタの製造方法では、１色目のカラーフィルタ２０１のパターンを形成した後、２色目のポジ型着色感光性樹脂２０２を塗布する前に、カラーフィルタ同士の混色を抑える目的で、熱処理によりカラーフィルタ２０１を硬化するプロセスが行われる（例えば、特許文献１参照）。２色目のカラーフィルタのパターンの形成後、３色目のポジ型着色感光性樹脂を塗布する前についても、同様に熱処理工程が行われる。
特開平１１−１４８１７号公報

しかしながら、この熱処理によるカラーフィルタ２０１の硬化状態が不十分である為に、２色目のポジ型着色感光性樹脂２０２を塗布した際に、ポジ型着色感光性樹脂２０２中に含有されている溶剤の影響でカラーフィルタ間での色素の溶け出し、溶け込みによる混色が発生するという問題があった。

カラーフィルタ間での混色が発生すると、固体撮像素子の色再現性の悪化を招くことから、色素混色が少ないカラーフィルタ形成技術の確立が望まれてきた。

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、カラーフィルタの硬化状態を高めて、カラーフィルタの色素混色を低減す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、カラーフィルタの色素混色を低減することで、色再現性の向上および画質の向上を図ることができる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、被処理基板上に着色感光性樹脂を形成する工程と、前記着色感光性樹脂を露光する工程と、前記着色感光性樹脂を現像して、カラーフィルタのパターンを形成する工程と、酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理して、前記カラーフィルタを硬化させる工程とを有する。

上記の目的を達成するため、本発明は、被処理基板に形成された受光部毎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着色感光性樹脂を形成する工程と、前記着色感光性樹脂を露光する工程と、前記着色感光性樹脂を現像して、カラーフィルタのパターンを形成する工程と、酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理して、前記カラーフィルタを硬化させる工程とを有する。

上記の本発明では、カラーフィルタのパターンを形成した後、酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中においてカラーフィルタを熱処理する。本願発明者は、酸素がカラーフィルタの硬化阻害要因になることを見出した。このため、５％以下にまで酸素濃度を抑制した雰囲気中においてカラーフィルタを熱処理することにより、優れた硬化状態が得られる。

本発明のカラーフィルタの製造方法によれば、カラーフィルタの硬化状態を高めることができ、色素混色を低減したカラーフィルタを製造することができる。
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、カラーフィルタの色素混色を低減することで、色再現性の向上および画質の向上を図っ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、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。

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３１〜３３が、マトリックス状に配置されている。

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は、例えば、グリーンカラーフィルタ３１（Ｇ）と、レッドカラーフィルタ３２（Ｒ）と、ブルーカラーフィルタ３３（Ｂ）とを有する。各カラーフィルタ３１〜３３の配列に限定はない。また、原色系のカラーコーディング方式に限定されず、補色系のカラーコーディング方式であってもよい。

各カラーフィルタ材料としては、ポジ型着色感光性樹脂を用いる。ポジ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂、色素（グリーン、レッドあるいはブルー）、感光剤、熱硬化剤、溶剤が含まれる。例えば、色素として染料を用いた染料内添型の着色感光性樹脂を用いる。ただし、色素として顔料を用いた顔料分散型の着色感光性樹脂を用いても良い。

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。

上記の各カラーフィルタ３１〜３３は、フォトリソグラフィ法によりパターン形成される。本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法では、フォリソグラフィ法によりパターン加工した後の熱処理（ベーク処理）に特徴を有する。

図２は、熱処理を実施するベーク装置１００の一例を示す図である。

処理室１０１の底部には、ウェーハなどの被処理基板１を加熱するベークプレート１０２が配置されている。処理室１０１には、窒素ガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給ライン１０３が接続されている。また、処理室１０１内の酸素濃度を計測する酸素濃度計（コスモス電機製、ＸＰＯ−３１８）１０４が設けられている。不活性ガス供給ライン１０３からの不活性ガスの供給量の調整により、処理室１０１内の酸素濃度が変更できる。処理室１０１は、処理室１０１の上部に設けられた石英ガラス１０５により密封されている。

処理室１０１の上部には、ランプユニット１１０が設置されている。ランプユニット１１０を設けているのは、被処理基板１を加熱しながら紫外線照射を行うことにより、被処理基板１上のカラーフィルタの硬化状態をより高めることができるからである。ランプユニット１１０は、複数のＵＶランプ１１１を備える。ＵＶランプ１１１としては、例えば高圧水銀灯が用いられる。

上記のベーク装置１００による熱処理の一例について説明する。まず、酸素濃度計１０４により計測される酸素濃度が５％以下、好ましくは１％以下になるまで、不活性ガス供給ライン１０３から不活性ガスを供給する。

処理室１０１内が上記の酸素濃度となった後、カラーフィルタのパターンを形成した被処理基板１を、例えば１００℃に設定したベークプレート１０２上に載せると同時に紫外線照射を行う。ランプユニット１１０からの紫外線の照度は例えば２５ｍＷ／ｃｍ^２に設定する。

そして、紫外線照射を継続させながら、ベークプレート１０２を昇温し、例えば１２０秒後に１８０℃となるようにする。以上のようにして、カラーフィルタの熱処理を行う。

なお、上記のベーク装置１００では、処理室１０１内の酸素濃度調整を不活性ガスの供給量により行っているが、他の酸素濃度低減方法を採用することもできる。例えば、処理室１０１に排気ガスラインを設けて、処理室１０１内のガスを排気して、減圧状態下で熱処理を行ってもよい。

次に、カラーフィルタを備える上記の固体撮像装置の製造方法について、図３〜図４を参照して説明する。

まず、図１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まで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１色目（本例ではグリーン）のポジ型着色感光性樹脂３１ａを塗布する。ポジ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂、染料色素（グリーン）、感光剤、熱硬化剤、溶剤が含まれる。続いて、例えば９０℃で１分間のプリベークを行い、ポジ型着色感光性樹脂３１ａ中の溶剤を除去する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ポジ型着色感光性樹脂３１ａを露光し、ついで現像処理を行うことにより、グリーンカラーフィルタ３１のパターンを形成する。ポジ型着色感光性樹脂３１ａを使用するため、露光工程ではグリーンカラーフィルタ３１として残す領域以外に光を照射する。これにより、後の現像処理により感光部が選択的に除去されて、グリーンカラーフィルタ３１のパターンが形成される。

その後、図２に示すベーク装置１００を用いて、グリーンカラーフィルタ３１の熱処理を行う。当該工程では、酸素濃度が５％以下、好ましくは１％以下に抑制された処理室１０１内において熱処理を行う。その他の熱処理条件については、上記した通りである。この熱処理により、グリーンカラーフィルタ３１が硬化する。

次に、図３（ｃ）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３１を被覆するように、２色目（本例ではレッド）のポジ型着色感光性樹脂３２ａを塗布する。ポジ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂、染料色素（レッド）、感光剤、熱硬化剤、溶剤が含まれる。続いて、例えば９０℃で１分間のプリベークを行い、ポジ型着色感光性樹脂３２ａ中の溶剤を除去する。

次に、図４（ａ）に示すように、ポジ型着色感光性樹脂３２ａを露光し、ついで現像処理を行うことにより、レッドカラーフィルタ３２のパターンを形成する。ポジ型着色感光性樹脂３２ａを使用するため、露光工程ではレッドカラーフィルタ３２として残す領域以外に光を照射する。これにより、後の現像処理により感光部が選択的に除去されて、レッドカラーフィルタ３２のパターンが形成される。

その後、図２に示すベーク装置１００を用いて、レッドカラーフィルタ３２の熱処理を行う。当該工程では、酸素濃度が５％以下、好ましくは１％以下に抑制された処理室１０１内において熱処理を行う。その他の熱処理条件については、上記した通りである。この熱処理により、レッドカラーフィルタ３２が硬化する。

次に、図４（ｂ）に示すように、被処理基板１、グリーンカラーフィルタ３１およびレッドカラーフィルタ３２を被覆するように、３色目（本例ではブルー）のポジ型着色感光性樹脂３３ａを塗布する。ポジ型着色感光性樹脂には、例えばベース樹脂、染料色素（ブルー）、感光剤、熱硬化剤、溶剤が含まれる。続いて、例えば９０℃で１分間のプリベークを行い、ポジ型着色感光性樹脂３３ａ中の溶剤を除去する。

次に、図４（ｃ）に示すように、ポジ型着色感光性樹脂３３ａを露光し、ついで現像処理を行うことにより、ブルーカラーフィルタ３３のパターンを形成する。ポジ型着色感光性樹脂３３ａを使用するため、露光工程ではブルーカラーフィルタ３３として残す領域以外に光を照射する。これにより、後の現像処理により感光部が選択的に除去されて、ブルーカラーフィルタ３３のパターンが形成される。

その後、図２に示すベーク装置１００を用いて、ブルーカラーフィルタ３３の熱処理を行う。当該工程では、酸素濃度が５％以下、好ましくは１％以下に抑制された処理室１０１内において熱処理を行う。その他の熱処理条件については、上記した通りである。この熱処理により、ブルーカラーフィルタ３３が硬化する。なお、最後に形成するカラーフィルタ（本例ではブルーカラーフィルタ３３）の熱硬化処理については、省略可能である。あるいは、最後に形成するカラーフィルタの熱処理では、上記のように酸素濃度を低減した雰囲気下以外での熱処理を行うことも可能である。

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１参照）。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。

次に、上記の本実施形態に係る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の効果について説明する。

窒素ガスの供給量の調整で処理室１０１内の酸素濃度を変化させて繰り返し実験し、酸素濃度と耐溶剤性の確認をおこなった結果を図５に示す。当該実験では、ポジ型着色感光性樹脂を被処理基板上に塗布し、熱処理によりポジ型着色感光性樹脂を硬化させた後、被処理基板をポジ型着色感光性樹脂に含有されているものと同じ溶媒に浸漬させた。そして、耐溶剤性は、浸漬後のポジ型着色感光性樹脂の膜厚／浸漬前のポジ型着色感光性樹脂の膜厚×１００により算出した。耐溶剤性は、硬化後の着色感光性樹脂の溶媒への溶解しにくさを示したものである。

図５に示すように、酸素濃度が高い環境下での熱処理では耐溶剤性が低い傾向にあり、カラーフィルタ（ポジ型着色感光性樹脂）の硬化が不十分であることが確認できる。これに対して、酸素濃度が５％以下の領域では耐溶剤性が９６％程度に向上し、さらに、酸素濃度が１％以下の領域では耐溶剤性はほぼ１００％近くとなり、優れた硬化状態を示した。よって、処理室１０１内の雰囲気の酸素濃度は５％以下とすることが好ましく、さらに０〜１．０％以内とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法では、着色感光性樹脂を露光および現像することにより、カラーフィルタのパターンを形成した後に、酸素濃度が５％以下、より好ましくは１％以下に抑制された雰囲気中においてカラーフィルタを熱処理している。これにより、カラーフィルタが優れた硬化状態となる。

この結果、２色目以降の着色感光性樹脂中に含まれる溶剤に対するカラーフィルタの耐溶剤性を向上させることができることから、カラーフィルタの溶け出しや溶け込みを防止することができ、カラーフィルタ間での色素混色を防止することができる。

なお、本出願人により先に出願された特許文献１の技術においても、不活性雰囲気で熱処理を行っている。しかしながら、この場合の不活性ガスの供給は、ウェーハ面内でのカラーフィルタの硬化状態を均一にする目的で行われており、酸素がカラーフィルタの硬化阻害要因になるとの認識はなかった。このため、当該技術では処理室内の酸素濃度は１０％以上あった。これに対して、本実施形態では酸素を積極的に排除するものである。

上記の本実施形態では、ポジ型着色感光性樹脂を用いる例について説明したが、ネガ型着色感光性樹脂を用いてもよい。ただし、ネガ型よりもポジ型の着色感光性樹脂を用いる方が本発明による効果が大きい。ネガ型では、感光部が硬化して、現像処理後にパターンとして残る。このため、その後の熱処理によりさらに硬化されることとなるため、ネガ型ではカラーフィルタの硬化状態が良好な場合が多いからである。

また、本実施形態では、染料内添型着色感光性樹脂を用いる例について説明したが、顔料分散型の着色感光性樹脂であってもよい。ただし、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。

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、カラーフィルターの硬化状態を高めてカラーフィルタの色素混色を低減することができることから、色再現性の向上および画質の向上を図っ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、着色感光性樹脂として、化学増幅型レジストを用いても良い。また、カラーフィルタ３１〜３３の形成順序や配置には特に限定はない。また、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。また、窒素ガス以外の不活性ガスを用いることも可能である。

さらに、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。
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。

本実施形態に係る固体撮像装置の一例を示す断面図である。 ベーク装置の一例を示す概略構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、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方法において、カラーフィルタの製造工程を示す工程断面図である。 酸素濃度と耐溶剤性との関係を示す図である。 従来例におけるカラーフィルタの製造方法の問題点を説明するための図である。

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、３１ａ…ポジ型着色感光性樹脂、３２…レッドカラーフィルタ、３２ａ…ポジ型着色感光性樹脂、３３…ブルーカラーフィルタ、３３ａ…ポジ型着色感光性樹脂、３４…平坦化膜、３５…オンチップマイクロレンズ、１００…ベーク装置、１０１…処理室、１０２…ベークプレート、１０３…不活性ガス供給ライン、１０４…酸素濃度計、１０５…石英ガラス、１１０…ランプユニット、１１１…ＵＶランプ、２００…被処理基板、２０１…カラーフィルタ、２０２…ポジ型着色感光性樹脂

Claims (7)

1. 被処理基板上に着色感光性樹脂を形成する工程と、
   前記着色感光性樹脂を露光する工程と、
   前記着色感光性樹脂を現像して、カラーフィルタのパターンを形成する工程と、
   酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理して、前記カラーフィルタを硬化させる工程と
   を有するカラーフィルタの製造方法。
2. 前記カラーフィルタを硬化させる工程において、酸素濃度が１％以下に抑制された雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理する
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 前記着色感光性樹脂として、染料内添型の着色感光性樹脂を用いる。
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
4. 前記着色感光性樹脂として、ポジ型の着色感光性樹脂を用いる
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
5. 前記カラーフィルタを硬化させる工程において、熱処理を行う処理室内に不活性ガスを供給して、酸素濃度が５％以下に抑制された不活性ガス雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理する
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
6. 前記カラーフィルタを硬化させる工程において、熱処理を行う処理室内を減圧して、酸素濃度が５％以下に抑制された減圧雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理する
   請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
7. 被処理基板に形成された受光部毎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着色感光性樹脂を形成する工程と、
   前記着色感光性樹脂を露光する工程と、
   前記着色感光性樹脂を現像して、カラーフィルタのパターンを形成する工程と、
   酸素濃度が５％以下に抑制された雰囲気中において前記カラーフィルタを熱処理して、前記カラーフィルタを硬化させる工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
   

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