JP2006339376A - 固体撮像装置、その製造方法およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 微細な画素サイズにおいても、解像度を損ねることなく固体撮像装置のカラーフィルタをパターン形成する。また、カラーフィルタの薄膜化を実現する。また、色素蒸着膜を用いることにより顔料粒子径のバラツキを抑え、顔料を微粒子化し、Ｓ／Ｎを良化させる。
【解決手段】 半導体基板１内に形成された複数の受光部２と、各受光部上に配置され、受光部に対応した波長の光を透過させる複数種のカラーフィルタとを備える。複数種のカラーフィルタのうちの一種を構成する第１フィルタ５Ｇは、感光性を有さない材料により形成され、第１フィルタ以外のカラーフィルタ５Ｒは、感光性を有する材料により形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光部上に形成されたカラーフィルタを有する固体撮像装置、その製造方法およびその固体撮像装置を有するカメラに関する。

近年、固体撮像装置のチップサイズの小型化や画素数の増大とあいまって、デジタルカメラ、デジタルムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機等の小型化、高性能化が進んでいる。

従来の固体撮像装置では、カメラの解像度を高めるべく高画素化が図られ、またカメラ光学系の小型化に伴い、チップサイズの小型化もますます加速されてきている。そのため、画素サイズがますます小さくなってきている。これらの要望は強く、今後も更なる縮小化が予想される。

一方、カラー固体撮像装置において、カラーフィルタの膜厚が厚いと、受光部からマイクロレンズまでの距離を短くすることが難しくなり、マイクロレンズで集光した光が、受光部に集光しにくくなる。また、受光部に集光させることができても、カメラレンズのＦ値が小さいと斜入射光に対して、感度低下が大きくなるという問題が生じる。

カラーフィルタは、感光性を備えた染色基材をフォトリソグラフィーによりパターン化して染色を行う、あるいは色素を含有する感光性樹脂をフォトリソグラフィーによってパターン化することで形成される。

しかし、これらの手法では、フォトリソグラフィーのためにかならず所定量の感光剤や硬化剤が染色基材や感光性樹脂に含まれている必要がある。また染色基材中に含有させ得る色素量には上限があり、そして感光性樹脂としての性能を維持するために感光性樹脂中の色素の含有量は制限される。したがって、従来のカラーフィルタの薄膜化には限界がある。

以下に、従来の感光性を有する色素材料を用いた固体撮像装置について、図４（ｆ）を参照しながら説明する。半導体基板１０１には、複数の受光部１０２が形成され、半導体基板１０１上には、受光部１０２の間に転送電極１０３が形成されている。転送電極１０３により形成された凹部を埋めるように、平坦化層１０４が形成されている。平坦化層１０４上には、カラーフィルタ１０５Ｒ、１０５Ｇが形成されている。カラーフィルタ１０５Ｒ、１０５Ｇ上には、マイクロレンズ下平坦化膜１０６が形成されている。マイクロレンズ下平坦化膜１０６上には、マイクロレンズ１０７が形成されている。

図４（ａ）〜（ｆ）は、この固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１に受光部１０２と転送電極部１０３を選択的に形成し、さらにその上に平坦化膜１０４を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、平坦化膜１０４上に、色素が含有された感光性樹脂１１１Ｇ（例えば顔料レジスト）を塗布し、マスク１０８ａを介して露光を行う。さらに、図４（ｃ）に示すように、現像を行い、第１のカラーフィルタ１０５Ｇであるグリーンパターンを形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、平坦化膜１０４および第１のカラーフィルタ１０５Ｇ上に、色素が含有された感光性樹脂１１１Ｒを塗布し、マスク１０８ｂを介して露光を行う。さらに、図４（ｅ）に示すように、現像を行い、第２のカラーフィルタ１０５Ｒであるレッドパターンを形成する。図４では省略されているが、第３のブルーフィルタもレッドフィルタ１０５Ｒと同様に形成する。その後、図４（ｆ）に示すように、マイクロレンズ下平坦化膜１０６および各受光部１０２に対応した位置にマイクロレンズ１０７を形成する。

また、カラーフィルタの薄膜化を実現させるために、感光性を持たない色素材料を蒸着させて色素蒸着膜を形成し、この色素蒸着膜をドライエッチによりパターン化する手法も提案されている（例えば特許文献１参照）。

図５は、感光性を持たない色素材料によりカラーフィルタを形成する固体撮像装置の構成を示す断面図である。カラーフィルタ以外の部分は図４（ｆ）に示した固体撮像装置と同様の構成であり、同一の符号を付して説明を省略する。以下、この装置のカラーフィルタ部分について説明する。

第１のカラーフィルタ２０１は、平坦化膜１０４上に形成されている。第１色目のカラーフィルタ２０１上には、エッチングストッパ膜２０２が形成されている。エッチングストッパ膜２０２上には、第２色目のカラーフィルタ２０３が形成されている。

このフィルタ部分の製造方法は、まず、第１色目の色素材料を形成し、その上にレジストを形成し、等方エッチングを行い第１色目のカラーフィルタを形成する。次に、第１色目のカラーフィルタ２０１上に、エッチングストッパ膜２０２を形成する。次に、エッチングストッパ膜２０２上に、第１色目のカラーフィルタ２０１と同様に、第２色目、第３色目のカラーフィルタ２０３を形成する。

この構成により、フィルタ作成の加工精度が低くても、各フィルタ間の重なりによる凸部を無くし、フィルタの厚さを薄くすることができる。
特開２００２−３０５２９５号公報

しかしながら、図４に示した従来例の固体撮像装置では、カラーフィルタに色素が含有されている感光性樹脂を用いるため、解像度は一般の半導体レジスト材料に比べて悪く、図４（ｆ）に示すように、断面形状でパターンダレが発生する。このことは、画素サイズの縮小化が予想される中、大きな問題となっている。

図６は、図４（ｃ）に示す製造工程中の固体撮像装置をフィルタの表面形状を示す表面図である。図６に示すように、特に第１のカラーフィルタのグリーンパターンはベイヤ配列において、市松状に配列されており、特に第１のカラーフィルタ１０５Ｇの４すみにおいて、解像度不足により、パターンムラやパターンかぶりが顕著に発生し、色むら、ライン濃淡等、画質が悪化するという問題もある。

さらに、カラーフィルタ１０５Ｇ、１０５Ｒを形成する樹脂は、ペースト化された顔料を含有するが、感光性も兼ね備える必要があり、含有できる顔料量が制限される。そのため薄膜化が難しい。また、含有する顔料が多くなると、顔料の凝集が起こりやすくなり、顔料粒子径のバラツキによるＳ／Ｎの悪化も問題となっている。

また、図５に示した従来例の固体撮像装置では、各カラーフィルタ間にエッチングストッパ膜が必要となり、カラーフィルタの薄膜化が出来ない。

本発明の目的は、微細な画素サイズにおいても、解像度を損ねることなく固体撮像装置のカラーフィルタをパターン形成することである。また、カラーフィルタの薄膜化を実現することである。また、色素蒸着膜を用いることにより顔料粒子径のバラツキを抑え、顔料を微粒子化し、Ｓ／Ｎを良化させることである。

本発明の固体撮像装置は、上記課題を解決するために、半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記各受光部上に配置され、前記受光部に対応した波長の光を透過させる複数種のカラーフィルタとを備えた固体撮像装置において、前記複数種のカラーフィルタのうちの一種を構成する第１フィルタは、感光性を有さない材料により形成され、前記第１フィルタ以外のカラーフィルタは、感光性を有する材料により形成されていることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の第１の製造方法は、上記固体撮像装置の製造方法であって、前記第１フィルタを形成する工程が、前記受光部上に感光性を有さないカラー材料を塗布する工程と、前記塗布されたカラー材料上にレジストを塗膜し、パターニングする工程と、前記パターニングされたレジストをマスクとして前記塗布されたカラー材料をエッチングする工程と、前記レジストを除去する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の第２の製造方法は、固体撮像装置の製造方法であって、前記第１フィルタを形成する工程が、前記受光部上に色素を蒸着する工程と、前記蒸着された色素にレジストを塗膜し、パターニングする工程と、前記パターニングされたレジストをマスクとして前記蒸着された色素をエッチングする工程と、前記レジストを除去する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明のカメラは、上記固体撮像装置を備えたことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、第１のカラーフィルタを解像度よくパターニングすることができ、パターンダレを抑えることができる。また、第１のカラーフィルタの薄膜化を実現でき、高感度化を図ることができる。また、エッチングストッパ膜も不要となり、薄膜化を実現でき、高感度化を図ることが出来る。さらには、第１のカラーフィルタに色素蒸着膜を用いることにより、顔料粒子径を微小化することができ、高Ｓ／Ｎを実現することができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法により、このような効果を有する固体撮像装置を製造することができる。

また、本発明のカメラは、このような効果を有する固体撮像装置を有し、色むら、ライン濃淡を抑え、画像の質を向上することができる。

本発明の固体撮像装置は、前記感光性を有さない材料で形成された第１フィルタは、色素蒸着膜により形成されている構成にすることもできる。

また、前記第１フィルタは、ベイヤ配列の市松パターンを形成する構成にすることもできる。

また、本発明の固体撮像装置の第１の製造方法は、前記塗布されたカラー材料をエッチングする工程では、異方性エッチングを用いてもよい。

また、本発明の固体撮像装置の第２の製造方法は、前記蒸着された色素をエッチングする工程では、異方性エッチングを用いてもよい。

以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成について説明する。ここでは、カラーフィルタが原色フィルタのグリーン市松模様のベイヤ配列である固体撮像装置について説明する。図１は、本発明の一実施の形態における固体撮像装置の断面図である。

半導体基板１には、フォトダイオードで形成される受光部２が複数形成されている。半導体基板１上の受光部２の間には、転送電極３が形成されている。転送電極３により生じた凹部を埋めるように、透光性を有する平坦化膜４が形成され、平坦化膜４上に、第１、第２フィルタ５Ｇ、５Ｒが形成されている。第１、第２フィルタ５Ｇ、５Ｒ上に、透光性を有するマイクロレンズ下平坦化膜６が形成され、マイクロレンズ下平坦化膜６上には、受光部２に対応する位置にマイクロレンズ７が形成されている。

図示した断面には現れていないが、平坦化膜４とマイクロレンズ下平坦化膜６の間には、第３フィルタ５Ｂも形成されている。第１、第２、第３フィルタ５Ｇ、５Ｒ、５Ｂは、受光部２に対応して配列され、それぞれ緑、赤、青の光を透過するカラーフィルタである。第１、第２、第３フィルタ５Ｇ、５Ｒ、５Ｂは、グリーン市松模様のベイヤ配列であり、図１は第３フィルタ５Ｂが図示されない方向の断面図である。

次に、以上のような構成の固体撮像装置の製造方法について図２を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、半導体基板１に受光部２と転送電極部３および平坦化膜４を形成した後、感光性を有さないグリーン顔料１１を真空蒸着により膜形成する。その上面に、解像度のよいレジスト１２ａ（例えば、ｉ線ポジ型レジストＰＦＩ）を回転塗布する。次に、マスクを介して露光・現像することにより、図２（ｂ）に示すように、グリーンのカラーフィルタを形成する部分以外のレジストを除去する。その後、酸素プラズマを用いて異方性ドライエッチを行い、グリーンパターンを形成する部分以外のグリーン蒸着膜を除去し、第１のフィルタ５Ｇを形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、レジスト１２ｂをレジスト剥離液（たとえば、メチルイソブチルケトン）で除去する。

次に、図２（ｄ）に示すように、レッド顔料が含有され、感光性を有するカラーレジスト１３を塗布し、マスク８を介して露光する。次に、図２（ｅ）に示すように、現像することにより、第２フィルタ５Ｒを形成する。図２では省略されているが、第３フィルタ５Ｂも第２フィルタ５Ｒと同様に形成する。その後、図２（ｆ）に示すように、マイクロレンズ下平坦化膜６および各受光部２に対応したマイクロレンズ７を形成する。

以上のように、市松状のグリーン部分を高解像度のレジストを用いて異方性のドライエッチングをすることにより、断面のパターンダレも無くフィルタを形成することが出来る。図３は、本実施の形態における、グリーンパターニング後（図２（ｃ）工程後）のフィルタの表面形状を示す平面図である。Ｇと表記された部分が第１フィルタ５Ｇであり、他の部分は平坦化膜４を示す。

図６に示す従来例の第１フィルタ１０５Ｇは、パターンダレが生じ、特に第１フィルタ１０５Ｇの４すみにおいて顕著に表れている。それに対して、図３に示す第１フィルタ５Ｇは、パターンダレが発生せず、市松状に形成されたグリーンパターンの対角部分についても、精度よく形成されている。

なお、本実施の形態において、第１フィルタ５Ｇは、顔料蒸着膜１１を用いて形成する構成としたが薄膜化が実現可能であれば、感光基のない顔料レジストを用いて第１フィルタ５Ｇを形成してもよい。また、Ｓ／Ｎ比を高くすることが可能であれば、感光基のない染料レジストを用いて第１フィルタ５Ｇを形成してもよい。

また、第１フィルタ５Ｇは、感光基が不必要となるため、材料選択性が容易となる。また、顔料もしくは染料を含有できる割合も大きくなるため、所望の分光特性を得るのに、より薄膜化が実現できる。

また、本実施の形態において、カラーフィルタは、原色フィルタ（赤、緑、青の３色）を用いたが、補色フィルタ（イエロ、シアン、マゼンタ、緑の４色）を用いてもよい。その他、様々なフィルタで有効であるのは言うまでもない。

また、本実施の形態において、固体撮像装置がＣＣＤイメージセンサにより構成される場合を示しているが、ＣＭＯＳイメージセンサにより構成される場合に用いることも可能である。

また、本実施の形態に係る固体撮像装置をデジタルスチルカメラ、デジタルムービーカメラに用いることにより、高感度、高Ｓ／Ｎ比、高色再現性、かつ色むら、ライン濃淡およびフリッカの少ないカメラを実現することができる。

以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、カラーフィルタを薄くすることができ、入射光の方向に小型化することができる。

さらに、第１フィルタ５Ｇの形成に異方エッチングを用いることにより、フィルタのパターンダレを防ぐことができる。

なお、実施の形態はあくまで一例を示したものであり、本発明の固体撮像装置がこの実施の形態で示した構成に限定されるものではない。

本発明は、第１フィルタに感光剤を含有させずに解像度の高いレジストを用いてパターニングを行うため、パターンダレを抑えることができるという利点を備えた固体撮像装置として有用であり、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、デジタルスチルカメラなどの分野において利用可能である。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の一構成例を示す断面図 同固体撮像装置の一製造工程例を示す断面図 同固体撮像装置の第１フィルタ５Ｇ形成後の構成を示す平面図 従来例における固体撮像装置の構成を示す断面図 他の従来例における固体撮像装置の構成を示す断面図 従来例における固体撮像装置の第１フィルタ形成後の構成を示す平面図

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光部
３ 転送電極
４ 平坦化膜
５Ｇ、５Ｒ、５Ｂ カラーフィルタ
６ マイクロレンズ下平坦化膜
７ マイクロレンズ
８ マスク
１１ 真空蒸着膜
１２ａ、１２ｂ レジスト
１３ カラーレジスト

Claims (8)

1. 半導体基板内に形成された複数の受光部と、
   前記各受光部上に配置され、前記受光部に対応した波長の光を透過させる複数種のカラーフィルタとを備えた固体撮像装置において、
   前記複数種のカラーフィルタのうちの一種を構成する第１フィルタは、感光性を有さない材料により形成され、
   前記第１フィルタ以外のカラーフィルタは、感光性を有する材料により形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記感光性を有さない材料で形成された第１フィルタは、色素蒸着膜により形成されている請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１フィルタは、ベイヤ配列の市松パターンを形成する請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 請求項１記載の固体撮像装置の製造方法であって、
   前記第１フィルタを形成する工程は、
   前記受光部上に感光性を有さないカラー材料を塗布する工程と、
   前記塗布されたカラー材料上にレジストを塗膜し、パターニングする工程と、
   前記パターニングされたレジストをマスクとして前記塗布されたカラー材料をエッチングする工程と、
   前記レジストを除去する工程とを備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
5. 前記塗布されたカラー材料をエッチングする工程では、異方性エッチングを用いる請求項４記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 請求項１記載の固体撮像装置の製造方法であって、
   前記第１フィルタを形成する工程は、
   前記受光部上に色素を蒸着する工程と、
   前記蒸着された色素にレジストを塗膜し、パターニングする工程と、
   前記パターニングされたレジストをマスクとして前記蒸着された色素をエッチングする工程と、
   前記レジストを除去する工程とを備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
7. 前記蒸着された色素をエッチングする工程では、異方性エッチングを用いる請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置を備えたことを特徴とするカメラ。

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