JP2006332407A - 光学素子および光学素子の製造方法ならびに固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズを備えた光学素子において、マイクロレンズ間のギャップをなくすとともに、画素部との距離を短くして効率良く集光できるようにすること。
【解決手段】本発明は、複数の画素部であるフォトダイオード１１の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子において、このレンズとして、特定の分光特性に基づく色を有しており、しかも隣接するレンズの間が隙間無く形成されているカラーレンズＣＬを用いるものである。また、カラーレンズＣＬとしては、化学増幅型ネガ系カラーレジストによって構成され、ハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによって形成されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子および光学素子の製造方法ならびに固体撮像素子に関し、特にレンズとして特定の分光特性に基づく色を備えたカラーレンズを用いるものに関する。

従来、固体撮像素子の上層にカラーフィルタおよびマイクロレンズが積層された2層構造によってカラー化を実現する構成が多く適用されている。マイクロレンズは各画素部に対応して設けられており、外部から入射される光を効率良く画素部に導く役目を果たしている。

このようなマイクロレンズにおいて、カラーフィルタを兼ねたカラーマイクロレンズを用いる構成が特許文献１に記載されている。すなわち、この技術では、フォトリソグラフィ法を用いて透明導電性薄膜がモザイク状に露出した開口部を形成し、赤(緑・青)色用アニオン型電着樹脂組成物の電着浴中に基板を浸漬し、直流電圧印加により半球状のカラーマイクロレンズを形成している。

また、マイクロレンズの表面にカラーフィルタを蒸着する構成が特許文献２に記載されている。すなわち、この技術では、所望の色のカラーフィルタを設けるべきレンズのみを露出させるマスクを形成する工程と、マスク側面を除く全面にカラーフィルタを付着させる工程と、このマスクおよび付着したカラーフィルタを取り除く工程とを繰り返すことでマイクロレンズの表面に各色のカラーフィルタを形成している。

特開２０００−１９６０４９号公報 特開平６−１４０６１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、レンズ曲率半径の調整が困難であり、また、隣接するカラーレンズの間にギャップを形成しない、いわゆるギャップレス構造を達成できず、製造工程も多いという問題がある。さらに、繰り返し作業中には電着浴の汚染により色素電着量が変化し、分光特性悪化を引き起こす問題もある。

また、特許文献１に記載の技術では、マイクロレンズとカラーフィルタとの２層構造によって層膜厚が厚くなる方向にあり、集光率向上が困難となる。また、各色の蒸着毎にマスク形成・マスク除去を繰り返すことで製造工程も多く、その際に発生する可能性のあるアライメントエラーによって色素混色による分光特性の悪化を引き起こす可能性がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子において、このレンズとして、特定の分光特性に基づく色を有しており、しかも隣接するレンズの間が隙間無く形成されているものである。この光学素子としては、主として固体撮像素子に適用されるが、表示素子に適用することもできる。

各レンズは特定の分光特性に基づく色（特定の波長に対して透過率の高い色）、例えば光の三原色である赤、青、緑に各々対応した色によるカラーレンズとなっており、それ自体がレンズとしても、またカラーフィルタとしても機能する。レンズは化学増幅型ネガ系カラーレジストによって構成され、このレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによって形成されている。これにより、レンズ間の隙間（ギャップ）を無くして複数のレンズを構成できるようになる。

また、本発明は、複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子の製造方法において、複数の画素部を基板に形成した後、その基板上にカラーレジストを一様に塗布する工程と、カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを施し、画素部に対応してカラーレジストから成る複数のレンズを形成する工程とを有する方法である。

このような本発明では、カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを施して、画素部に対応してカラーレジストから成る複数のレンズを隙間無く形成できるようになる。

しかも、第１カラーレジストを用いて市松状の並びで第１レンズを形成した後、第１レンズが形成されていない部分に第２カラーレジストを用いた第２レンズを形成することで、第２レンズを形成する際には第１レンズが壁となって隙間無くレンズを形成できるようになる。

特に、少なくとも第２カラーレジストとして化学増幅型ネガ系カラーレジストを用い、この第２カラーレジストに対するフォトリソグラフィでは、露光後に加熱を施した後、現像を行うことで、カラーレジスト内に添加されている酸発生剤からの酸拡散が、先に形成された第１レンズまでセルフアライメントで拡散する。これにより、レンズ間のギャップレスを確実に行うことができる。

したがって、本発明によれば、各画素に対応したカラーフィルタと一体型のレンズをギャップレスで製造することができるとともに、レンズにおける所望の曲率を容易に構成することが可能となる。これにより、微細な画素を複数有する固体撮像装置においても高精度なオンチップレンズを設けることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る光学素子の例である固体撮像素子について説明する模式断面図、図２は、従来の固体撮像素子の例を示す模式断面図である。先ず、本実施形態に係る固体撮像素子を説明するにあたり、比較例として従来の固体撮像素子の構造を簡単に説明する。

図２に示すように、従来の固体撮像素子は、基板１０に形成されたフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１で光電変換して得た電荷を転送する電荷転送部１２と、電荷転送部１２に所定のタイミングで電圧を与えるゲート電極１３と、ゲート電極１３上を絶縁膜１４を介して覆う遮光膜１５と、ＢＰＳＧによって構成されるインナーレンズ１６と、インナーレンズ１６上に形成される平坦化膜１７と、平坦化膜１７の上で各フォトダイオードに対応して形成されるカラーフィルタＣＦと、各色のカラーフィルタＣＦ上に平坦化膜１８を介して形成されるマイクロレンズＭＬとを備えている。

このような固体撮像素子では、入射する光をマイクロレンズＭＬによって確実に集光することができれば、単位画素の受光面積は遮光膜の開口の面積ではなく、マイクロレンズＭＬの入射面積で決まる。また、マイクロレンズＭＬの焦点距離は、f＝nr/(n-1)で表される。ここで、nはレンズを形成している材料の屈折率、rはレンズの曲率半径である。

ところが、平坦化膜１８で平坦化を行うためにはこの平坦化膜１８に所定の膜厚が必要であり、カラーフィルタＣＦにも所定の膜厚が必要である。このため、図２に示す従来の構造では、フォトダイオード１１の表面から見たマイクロレンズＭＬの高さを平坦化膜１８とカラーフィルタＣＦとの合計の所定の膜厚よりも低くすることができず、マイクロレンズＭＬの高さの自由度が小さくなってしまう。

一方、上記数式中の屈折率nはマイクロレンズＭＬを形成している材料で決まるが、曲率半径rは隣接画素におけるマイクロレンズＭＬとの距離等の制約を受けるので、焦点距離fの自由度も小さい。このようにフォトダイオード１１の表面から見たマイクロレンズＭＬの高さと焦点距離fとの双方の自由度が小さいと、マイクロレンズＭＬの高さよりも焦点距離fの方が短い事態が生じ得る。この場合、フォトダイオード１１内へ入射しない光が多くなって感度が低下するとともに、フォトダイオード１１の周縁部から電荷転送部１２である垂直シフトレジスタへ斜めに入射する光も多くなってスミアも増大する。さらにカメラレンズの絞り、すなわち入射光角度に対する感度の依存性も高い。

さらに固体撮像素子の光感度を向上するには、隣り合うマイクロレンズＭＬのスペースをできるだけ小さくして、マイクロレンズＭＬの受光面積を拡大することが望ましい。しかし、従来の構造では、マイクロレンズＭＬを形成する際に、パターン化されたレンズレジスト(レンズパターン)を加熱溶融するので、隣り合うレンズパターンの間のスペースを小さくしすぎると、加熱溶融によりはみ出したレンズパターンが互いに溶融して流れ出し、マイクロレンズＭＬの形状が崩れてしまい、半球状部分の表面積が小さくなる。これにより、フォトダイオード１１部に集められる光量が少なくなり、感度が低下してしまう。

一方、レンズパターンを小さく形成した際にはどうしてもマイクロレンズＭＬ間にギャップが生じてしまうという問題がある。このギャップ部分に入射した光は、集光されずにそのままカラーフィルタＣＦを通って、遮光膜１５が存する段差に入射することになり、フォトダイオード１１へ到達せず、イメージエリア全体に入射する光を有効利用することができない。

このような場合、エッチバック法によりギャップレス化する製法もあるが、曲率の大きなマイクロレンズＭＬを形成するため等の理由でエッチバック量を多くした場合、平坦化膜１８のエッチング速度はレンズ材のエッチング速度に比べて大きいため、配線パッド部の金属が露出した後も長時間エッチング雰囲気に曝されることから、配線パッド部におけるダメージが生じることもある。特にパッド部に測定による針跡があるウエハの場合、パッド部の金属が基板１０に直接接触して製品不良となる問題がある。

そこで、本実施形態に係る固体撮像素子では、図１に示すような構造を適用している。すなわち、本実施形態に係る固体撮像素子は、半導体から成る基板１０に形成されたフォトダイオード１１、フォトダイオード１１で光電変換して得た電荷を転送する電荷転送部１２、電荷転送部１２に所定のタイミングで電圧を与えるゲート電極１３、ゲート電極１３上を絶縁膜１４を介して覆う遮光膜１５、ＢＰＳＧによって構成されるインナーレンズ１６、インナーレンズ１６上に形成される平坦化膜１７までは図２に示す従来構造と同じであるが、平坦化膜１７の上で各フォトダイオード１１に対応してカラーレンズＣＬを設けている点で相違する。

カラーレンズＣＬは、レンズとしての光学的特性とともに特定の波長の光に対する透過率が高くなっている色を有するカラーフィルタとしての分光特性も備えたものである。本実施形態では、このカラーレンズＣＬとして、化学増幅型ネガ系カラーレジストによって構成し、この化学増幅型ネガ系カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによってレンズ形状が形成される。

したがって、従来の固体撮像素子の構造に比べてカラーフィルタおよび平坦化膜の厚さだけカラーレンズＣＬをフォトダイオード１１に近づけることができ、集光効率の向上を図ることが可能となる。また、ハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによってカラーレンズＣＬが形成されるため、レンズ間のギャップをなくした精度の高いレンズ形状を構成することが可能となる。

図３は、本実施形態の固体撮像素子の平面図である。この固体撮像素子では、マトリクス状に配置されるフォトダイオード１１の間における図中縦方向に沿って電荷転送部（垂直シフトレジスタ）１２が設けられている。また、図３に示す例では、２相のゲート電極（第１ゲート電極１３ａ、第２ゲート電極１３ｂ）が電荷転送部１２の上に一部重なった状態で配置されている。図中Ａ−Ａ’線野視断面が図１に示されている。この各フォトダイオード１１に対応してカラーレンズが形成され、カラーレンズアレイを構成している。

図４は、カラーレンズの配置例を説明する平面図である。本実施形態では、色の三原色である赤、青、緑に対応したカラーレンズＣＬがベイヤー配列で形成されたものを用いている。ベイヤー配列では、緑のカラーレンズＣＬが市松状に配置され、その間に赤と青に対応したカラーレンズＣＬが互い違いに配置される。なお、本実施形態では上記三色のカラーレンズＣＬを用いているが、これ以外の色や配列によるカラーレンズＣＬであってもよい。

次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。図５〜図７は、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を順に説明する模式断面図である。この図では、フォトダイオードや電荷転送部が形成された基板を省略して、その上の構成のみを示している。

先ず、図５（ａ）に示すように、個体撮像素子の断面構造におけるゲート電極１３、遮光膜１５、インナーレンズ１６等を形成し、その上にＰ−ＳｉＮ(プラズマＣＶＤ窒化膜)を平坦加工した平坦化膜１７を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、緑のカラーレジストＣＲ（緑）を一様に塗布する。塗布厚は、その後の露光・現像・紫外線照射後に所定の透過分光が得られるよう調整されている。その後、緑のカラーレンズＣＬを形成する部分に露光を行う。この露光では、レンズ形状に対応して中心から周辺にかけて露光量が徐々に変化するハーフトーンマスクを用いている。図８は、ハーフトーンマスクの例を示す模式図であり、一つのレンズに対応した部分を示している。このハーフトーンマスクＨＭでは、レンズに対応した中心部分より外側部分にかけて露光透過率が低下するよう設計されている。特に、中心部分より放射状に透過率が低下するよう設計されているものが望ましい。

ハーフトーンマスクＨＭを用いて露光を行い、カラーレジストＣＲ（緑）を現像すると、図５（ｃ）に示すようなレンズ形状のカラーレンズＣＬ（緑）が形成される。緑のカラーレンズＣＬ（緑）を構成するカラーレジストＣＲ（緑）の材料の組成としては、化学増幅型ネガ系カラーレジスト(染料内添型)として緑色透過分光を得るための複数の染料色素、熱硬化剤、樹脂、酸発生剤、固形分を溶解するための溶媒などが挙げられる。

次に、図６（ａ）に示すように、緑のカラーレンズＣＬ（緑）が形成された平坦化膜１７上に赤のカラーレジストＣＲ（赤）を一様に塗布する。塗布厚は、露光・現像・紫外線照射後に所定の透過分光が得られるよう調整されている。その後、赤のカラーレンズＣＬ（赤）を形成する部分に露光を行う。この露光では、緑のカラーレンズＣＬ（緑）を形成したときと同様のハーフトーンマスク（図８参照）を使用する。

ここで重要な点は、露光後のＰＥＢ(post exposure bake)で酸が拡散される際に、先に形成された緑のカラーレンズＣＬ（緑）でセルフアライメントされる状態で拡散がストップし、現像後には、図６（ｂ）に示すよう、緑のカラーレンズＣＬ（緑）との間に隙間なく赤のカラーレンズＣＬ（赤）が形成されることである。また、セルフアライメント効果によって、露光時の多少の位置ズレも吸収できることになり、露光裕度を持たせることができる。したがって、レンズ曲率半径の調整や生産性向上等の必要に応じて、マスクサイズとＰＥＢ条件(温度・時間)とを調整することができる。なお、耐溶剤性向上のために、最後に紫外線照射処理を施す。

赤のカラーレンズＣＬ（赤）を構成するカラーレジストＣＲ（赤）の材料の組成としては、化学増幅型ネガ系カラーレジスト(染料内添型)として赤色透過分光を得るための複数の染料色素、熱硬化剤、樹脂、酸発生剤、固形分を溶解するための溶媒などが挙げられる。

次に、図７（ａ）に示すように、緑のカラーレンズＣＬ（緑）および赤のカラーレンズ（図示せず）が形成された平坦化膜１７上に青のカラーレジストＣＲ（青）を一様に塗布する。塗布厚は、露光・現像・紫外線照射後に所定の透過分光が得られるよう調整されている。その後、青のカラーレンズＣＬ（青）を形成する部分に露光を行う。この露光では、緑のカラーレンズＣＬ（緑）を形成したときと同様のハーフトーンマスクＨＭ（図８参照）を使用する。

ここで重要な点は、露光後のＰＥＢで酸が拡散される際に、先に形成された緑のカラーレンズＣＬ（緑）でセルフアライメントされる状態で拡散がストップし、現像後には、図７（ｂ）に示すように、緑のカラーレンズＣＬ（緑）との間に隙間なく青のカラーレンズＣＬ（青）が形成されることである。また、セルフアライメント効果によって、露光時の多少の位置ズレも吸収できることになり、露光裕度を持たせることができる。したがって、レンズ曲率半径の調整や生産性向上等の必要に応じて、マスクサイズとＰＥＢ条件(温度・時間)を調整することができる。なお、耐溶剤性向上の為に、最後に紫外線照射処理を施す。

青のカラーレンズＣＬ（青）を構成するカラーレジストＣＲ（青）の材料の組成としては、化学増幅型ネガ系カラーレジスト(染料内添型)として青色透過分光を得るための複数の染料色素、熱硬化剤、樹脂、酸発生剤、固形分を溶解するための溶媒などが挙げられる。

このように、ハーフトーンマスクＨＭを用いたフォトリソグラフィによって３色に対応したカラーレンズＣＬ（緑）、ＣＬ（赤）、ＣＬ（青）が形成される。なお、２、３色目のカラーレンズＣＬ（赤）、ＣＬ（青）としては、赤でも青でも順番は問わない。

以上の工程でカラーレンズアレイが形成された固体撮像素子においては、平坦化膜１７の上に直接カラーレンズＣＬが設けられるため、焦点距離の自由度が大きく、フォトダイオード１１への入射光の角度が浅くなって、電荷転送部１２への斜め入射光を抑制でき、感度の向上およびスミアの抑制を図ることが可能となる。

さらに、ハーフトーンマスクＨＭによるフォトリソグラフィでカラーレンズＣＬが形成されるため、レンズ曲率の設計自由度も高く、また、レジストの溶融を利用したレンズ形成と異なり露光および現像によってレンズ形成されるため、レンズ形状の崩れが発生せず、レンズ表面の平坦度も非常に高いものを実現できる。

また、カラーレンズ間のギャップがないことから、ギャップによる悪影響、すなわちギャップから遮光膜の段差に進入する光による乱光を発生させずにすみ、イメージエリア全体に入射する光を有効利用することが可能となる。

なお、上記説明した実施形態では、光学素子として固体撮像素子を例としたが、本発明は光学素子として発光素子や表示素子など、光を出射する素子でマイクロレンズを備えたものにも適用可能である。

また、上記説明したカラーレンズＣＬは、いずれも半球状のレンズの例を示したが、ハーフトーンマスクＨＭの光透過率変化の設定によって、楕円形状や長円形状、プリズム形状など、種々の形状から成るカラーレンズＣＬに対応でき、また凸レンズや凹レンズ、非球面レンズなど、レンズ曲面の設定も自由に行うことが可能である。さらに、レンズ形成のための露光では、ハーフトーンマスクＨＭを利用した露光のほか、開口面積の異なる複数のマスクによる多重露光によってレンズの中心部分から外側部分にかけて光量の異なる露光を行い、レンズを形成してもよい。

本実施形態に係る固体撮像素子について説明する模式断面図である。 従来の固体撮像素子の例を示す模式断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の平面図である。 カラーレンズの配置例を説明する平面図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を順に説明する模式断面図（その３）である。 ハーフトーンマスクの例を示す模式図である。

符号の説明

１０…基板、１１…フォトダイオード、１２…電荷転送部、１３…ゲート電極、１４…絶縁膜、１５…遮光膜、１６…インナーレンズ、１７…平坦化膜、ＣＬ…カラーレンズ、ＣＲ…カラーレジスト、ＨＭ…ハーフトーンマスク

Claims (7)

1. 複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子において、
   前記レンズは特定の分光特性に基づく色を有しており、隣接するレンズの間が隙間無く形成されている
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記レンズは化学増幅型ネガ系カラーレジストによって構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記レンズはハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによって形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
4. 複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子の製造方法において、
   前記複数の画素部を基板に形成した後、その基板上にカラーレジストを一様に塗布する工程と、
   前記カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを施し、前記画素部に対応して前記カラーレジストから成る複数のレンズを形成する工程と
   を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 複数の画素部の各々に対応して複数のレンズが配置される光学素子の製造方法において、
   前記複数の画素部を基板に形成した後、その基板上に第１の色から成る第１カラーレジストを一様に塗布する工程と、
   前記第１カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを施し、前記複数の画素部のうち市松状の並びに対応して前記第１カラーレジストから成る複数の第１レンズを形成する工程と、
   前記複数の第１レンズが形成された前記基板上に第２の色から成る第２カラーレジストを一様に塗布する工程と、
   前記第２カラーレジストに対してハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを施し、前記複数の画素部のうち前記第１レンズが形成されていない画素部に対応して前記第２カラーレジストから成る複数の第２レンズを形成する工程と
   を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 少なくとも前記第２カラーレジストとして化学増幅型ネガ系カラーレジストを用い、この第２カラーレジストに対するフォトリソグラフィでは、露光後に加熱を施した後、現像を行う
   ことを特徴とする請求項５記載の光学素子の製造方法。
7. 複数の受光部の各々に対応して複数のレンズが配置される固体撮像装置において、
   前記レンズは特定の分光特性に基づく色を有しており、隣接するレンズの間が隙間無く形成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。