JP2007067384A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズの表面と、マイクロレンズの配置されてない領域の表面とにおける反射光を減少させると共に、鉛フリーリフローに対応する高信頼性を有する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、基板１上に、光を受光する受光部２と、受光部２上に形成されたカラーフィルタ４と、カラーフィルタ４上に形成されたマイクロレンズ７ａとが２次元的に配置された固体撮像装置である。ここで、カラーフィルタ４上に、フッ素含有シリコーン系樹脂からなるマイクロレンズ７ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置、特にカラー固体撮像素子等の画素上に個別にマイクロレンズを有する固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等を用いた固体撮像装置において、小型化及び高解像度化の要請により、受光部であるフォトダイオードの面積が減少して来ている。このような受光部の面積は集光効率の低下を伴うため、これを補う目的でいわゆるマイクロレンズが開発され、用いられている。

マイクロレンズとは、通常は樹脂によって構成され、画素ごとに形成された受光部の上部に配列されるレンズである。これにより、直接は受光部に入射しない光についても、屈折させて受光部に集光することができる。この結果として、固体撮像装置の感度が向上する。

また、近年では、マイクロレンズの表面における光の反射が原因の１つであるフレアやゴーストといったノイズ増加による画質低下も大きな問題となってきている。

このような技術に関して、特許文献１には、フッ素を含むアクリル樹脂によって形成され、高い耐熱性を有する低反射マイクロレンズが提案されている。
特開２００４−３３５５９８

近年、デジタルブームにより固体撮像素子の需要が急増してきている。このため、固体撮像装置についても、リフローによりデジタルカメラ基板に実装するようになってきた。これに加え、環境負荷の軽減のために、リフローに使用する半田材料は、鉛不使用（鉛フリー）の半田材料による置き換えが急速に進行している。

しかし、一般に、鉛を使用しない半田材料は、鉛を使用した半田材料に比べて融点が高い。この結果、リフロー温度についても鉛を含む半田を用いる場合に比べて高くなってきている。このことから、従来のフッ素含有アクリル樹脂では耐熱性が十分ではなく、マイクロレンズの光の透過率が低下する、屈折率が上昇する等の問題が生じている。このように、マイクロレンズの耐熱性を更に向上することが課題となってきている。

以上の課題に鑑みて、本発明の目的は、高耐熱性のマイクロレンズを搭載し且つ高感度な固体撮像装置を提供すること、そのような固体撮像装置を安定に供給することである。

前記の目的を達成するため、本発明の第１の固体撮像装置は、基板上に、光を受光する受光部と、受光部上に形成されたカラーフィルタと、カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズとが２次元的に配置された固体撮像装置において、カラーフィルタ上に、フッ素含有シリコーン系樹脂からなるマイクロレンズが形成されている。

第１の固体撮像装置によると、従来よりも耐熱性の高いマイクロレンズを備える固体撮像装置が実現する。これは、本発明のマイクロレンズの材料であるフッ素含有シリコーン系樹脂は、マイクロレンズの従来の材料、例えばフッ素含有アクリル樹脂よりも耐熱性が高いためである。この結果、鉛フリーリフローによって本発明の固体撮像装置を実装する際にもマイクロレンズの劣化を抑制することができ、製造の信頼性が向上する。ここで、シリコーン系樹脂とは、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を有する樹脂のことである。

尚、フッ素含有シリコーン系樹脂の屈折率は１．４６以下であることが好ましい。

このようにすると、マイクロレンズ表面における光の反射を抑制することができる。この結果、固体撮像装置の感度及び画質が向上する。

また、フッ素含有シリコーン系樹脂は、粒径が４００ｎｍ以下であり且つ中空構造を有する無機フィラーを含むことが好ましい。

このようにすると、可視光の透過を妨げることなくフッ素含有シリコーン系樹脂層の屈折率を更に下げることができる。また、これと同時に、無機フィラーが存在するためにマイクロレンズを構成する材料のうちの樹脂成分が減少することから、更に耐熱性を向上することができる。これらの結果として、固体撮像装置の感度及び画質と信頼性とが向上する。

ここで、無機フィラーとしては、例えば、金属酸化物又はＳｉＯ₂ 等の中空フィラーを用いることができる。

また、前記の目的を達成するため、本発明の第２の固体撮像装置は、基板上に、光を受光する受光部と、受光部上に形成されたカラーフィルタと、カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズとが２次元的に配置された固体撮像装置において、カラーフィルタ上に、フッ素含有フェノール系樹脂、フッ素含有ノボラック系樹脂、フッ素含有スチレン系樹脂又はフッ素含有ポリイミド系樹脂からなるマイクロレンズが形成がされている。

第２の固体撮像装置によると、上記のような材料からなるマイクロレンズを用いることにより、第１の固体撮像装置と同様に耐熱性を向上することができる。また、マイクロレンズの材料を感光性材料とする等が可能であり、マイクロレンズ形成のためのプロセスについて選択肢を広げることができる。

本発明の固体撮像装置は、受光部上に形成されたカラーフィルタがフッ素含有シリコーン系樹脂層によって覆われていると共に、カラーフィルタ上面にフッ素含有シリコーン系樹脂からなるマイクロレンズが形成されている。これにより、感度及び画質を向上させると共に、鉛フリーリフロー半田を用いる場合の高温の処理に対してもマイクロレンズの劣化を抑制することができる。

以下に、本発明の一実施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。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置はＣＣＤ型の固体撮像装置であり、固体撮像素子基板１を用いて形成されている。固体撮像素子基板１には画素毎に凹部が設けられ、これらの凹部の底にはそれぞれ入射光を電気信号に変換する受光部であるフォトダイオード２が形成されている。また、フォトダイオード２が形成された凹部を充填し、固体撮像素子基板１を覆って表面の凹凸を平坦化するために、アクリル樹脂からなる平坦膜３が形成されている。更に、平坦膜３上に、個々のフォトダイオード２に対応して入射光の色分解を行なうカラーフィルタ４が形成されている。また、固体撮像素子基板１上に、カラーフィルタ４を覆うように、フッ素含有シリコーン系樹脂層７が形成されている。

ここで、フッ素含有シリコーン系樹脂層７は、カラーフィルタ４上に位置してフォトダイオード２に対する集光を行なうマイクロレンズ７ａと、カラーフィルタ４同士の隙間を充填し、凹凸を緩和する平坦化領域７ｂとを含んでいる。マイクロレンズ７ａは、固体撮像装置に入射された光をそれぞれの受光部に集光することにより、固体撮像装置の感度を向上する機能を有する。

次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、その各工程を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、画素毎に凹部の底にフォトダイオード２が設けられたＣＣＤ型の固体撮像素子基板１上に、その凹凸のある表面上の全面に亘って、アクリル樹脂からなる平坦膜３を形成する。このためには、例えば、固体撮像素子基板１上にアクリル樹脂を全面回転塗布し、この後に１８０〜２５０℃の温度で６０〜６００秒加熱して乾燥させる。

次に、図２（ｂ）に示すように、平坦膜３上に、個々のフォトダイオード２に対応するように、カラーフィルタ４を形成する。

更に、図２（ｃ）に示すように、カラーフィルタ４上の全面に、カラーフィルタ４間の隙間を埋めるように、フッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５を形成する。このためには、例えば、フッ素含有シリコーン系樹脂を全面に回転塗布した後、１８０〜２５０℃の温度で６０〜６００秒加熱して乾燥させる。本実施形態では、このような塗布工程及び乾燥工程を２〜８回程度繰り返すことにより、平坦性の高いフッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５を形成する。

この際、フッ素含有シリコーン系樹脂からなる材料層の上にフッ素含有シリコーン系樹脂を塗布することになるため、塗布するフッ素含有シリコーン系樹脂が弾かれる、又は、複数のフッ素含有シリコーン系樹脂材料層の間で剥がれが生じることが考えられる。そのような場合、形成したフッ素含有シリコーン系樹脂材料層の表面に対し、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理を５〜５００秒程度行なっても良い。

このようにすると、フッ素含有シリコーン系樹脂材料層の最表面に存在するアルキル変性シロキサン結合（―ＳｉＯ―Ｒ、Ｒはアルキル基）を−ＳｉＯ_X に変えることができる。この結果、前記の弾き及び剥がれを抑制し、十分な塗布性及び界面密着力を得ることができる。

以上のようにして形成したフッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５を形成した後、その最表面についても、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理を、５秒〜５００秒程度行なう。

次に、図２（ｄ）において、フッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５上に、スチレン系のポジ型感光性レジストを例えば０．５μｍ以上の厚さとなるように全面塗布する。続いて、９０〜１２０℃の温度で１０〜６００秒程度低温乾燥させる。その後、前記のレジストに対し、ｉ線の選択露光を、露光エネルギー１００〜１０００ｍＪの範囲において行なう。次に、ＴＭＡＨ（tetramethylammonium hydroxide）溶液を用いて現像を行ない、所定のパターンを形成する。

ここで、該パターンを形成するために用いているスチレン系ポジ型感光性レジストは、ナフトキノンジアジドを感光基とする。このようなレジストは、１２０〜２８０℃の加熱処理により、熱可塑性による形状変化と熱硬化性による形状固定とが同時に進行し、これら両者の進行の違いによって最終的な形状が決定されるという性質を有する。このため、所定のパターンに形成されたスチレン系ポジ型感光性レジストに対し、例えば１２０〜１８０℃の中温で６０〜６００秒加熱することにより、熱可塑性と熱硬化性とを共に制御し、所定の曲率を有するマイクロレンズ６を形成することができる。

次に、図２（ｅ）において、ＣＦ系ガスを主構成成分とするガスを用いてドライエッチングを行ない、マイクロレンズ６の形状をフッ素含有シリコーン系樹脂層７に転写して、フッ素含有シリコーン系樹脂材料からなるマイクロレンズ７ａを形成する。この際、エッチングの条件を調整し、マイクロレンズ７ａが形成されない部分については、フッ素含有シリコーン系樹脂材料の膜をカラーフィルタ４の上面から０．１〜１μｍ程度の厚さに残し、平坦化領域７ｂとしている。

以上のようにして、フッ素含有シリコーン系樹脂を用いてマイクロレンズ７ａが形成されていることにより、従来のようにフッ素含有アクリル樹脂を用いる場合よりも更に高耐熱な低反射マイクロレンズとなっている。ここで、図３に、従来のフッ素含有アクリル樹脂と、本実施形態におけるフッ素含有シリコーン系樹脂との耐熱性を比較して示す。

図３に示されているように、従来用いられていたフッ素含有アクリル樹脂の場合、屈折率は初期には例えば１．４３であるが、熱処理によって変化し、大きくなる。例えば、２００℃の熱処理によって１．４８に、２６０℃の熱処理によっては１．５２となる。

これに対し、本実施形態のマイクロレンズ７ａを形成するフッ素含有シリコーン系樹脂の場合、２００℃〜２６０℃の熱処理によっては屈折率の変化はなく、初期の屈折率と同じ１．４１のままである。このため、鉛フリーリフローの際にもマイクロレンズ７ａの劣化は抑制されている。

ここで、フッ素含有シリコーン系樹脂について、屈折率を１．４６以下とすると、フッ素含有シリコーン系樹脂層７（マイクロレンズ７ａ及び平坦化領域７ｂ）の表面における反射を低減することができる。これは、マイクロレンズ７ａ表面にマイクロレンズ表面反射防止膜を形成した場合と同等以上の反射率低減効果である。また、フッ素含有シリコーン系樹脂には、金属酸化物又はＳｉＯ₂ 等の中空フィラーを分散させても良い。このとき、可視光である波長の光に影響がないように、中空フィラーの粒径は４００ｎｍ未満とする。これにより、マイクロレンズ７ａの屈折率を更に下げることができると共に、中空フィラーの存在によりマイクロレンズ７ａ中の樹脂成分が減少することから、マイクロレンズ７ａの耐熱性を更に向上させることができる。

以上のようにして製造された固体撮像装置について、２６０℃のピーク温度で且つ５分間の鉛フリーリフローを行なったところ、従来の高屈折率なスチレン系のマイクロレンズを形成した固体撮像装置の場合に比べて２〜４％程度、反射率が低減していることが確認された。ここで、比較として、フッ素含有アクリル樹脂を用いてマイクロレンズを形成した場合には、スチレン系のマイクロレンズを形成した場合と同等の反射率であった。

つまり、フッ素含有シリコーン系樹脂からなるマイクロレンズを形成した場合、フッ素含有アクリル樹脂からなるマイクロレンズを形成した場合に比べても２〜４％程度、反射率が低減していることになる。このため、画質及び感度が向上している。

尚、本発明の適用例は、言うまでもなく、以上に説明した実施形態には限定されない。例えば、フッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５に形状を転写するためのマイクロレンズ６の材料として、本実施形態では、ナフトキノンジアジド誘導体を感光剤として含むスチレン系ポジ型レジストを用いた。しかし、この他の材料であっても、下地となるフッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５との密着性が良好であり、選択露光によって微細パターンが形成可能であり、更に、熱処理によって熱可塑性に基づく形状変化と熱硬化性による形状固定とが同時に進行し、これら両者の進行の差によって形状が決定されるポジ型レジストであれば使用可能である。

また、マイクロレンズ６を形成するための露光工程において、露光にはｉ線を用いたが、露光のための紫外線又は可視光として、ｉ線、ｇ線、ｈ線又はこれらの混合した光線を用いることができる。また、更に他の波長の紫外線又は電子線であっても良い。この際、グレイスケールマスクを用いて露光を行なうことも可能である。グレイスケールマスクとは、感光性レンズ材料の被露光部の表面において所望の光強度分布が得られるように、光透過量を段階的に変化させた遮光パターン有するマスクである。

また、カラーフィルタとしては、顔料又は染料を含有する感光性レジストを用いても良いし、顔料又は染料を含有する非感光性レジストを用いても良い。これらの材料により膜を形成し、エッチングによりパターンを形成する。また、使用する顔料又は染料について、補色系であっても良いし、原色系であっても良く、特に限定されない。

また、本実施形態では、カラーフィルタ上に直接マイクロレンズ材料となるフッ素含有シリコーン系樹脂を塗布している。しかし、これには限らず、アクリル樹脂、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等のマイクロレンズとは異なる材料をカラーフィルタ上に塗布した後に、マイクロレンズ材料となるフッ素含有シリコーン樹脂層を形成し、これを用いてマイクロレンズを形成してもよい。

また、本実施形態では、フッ素含有シリコーン系樹脂層７（マイクロレンズ７ａ及び平坦化領域７ｂ）を形成する場合を例として説明している。しかし、フッ素含有シリコーン系樹脂に代えて、フッ素含有フェノール系樹脂、フッ素含有ノボラック系樹脂、フッ素含有スチレン系樹脂又はフッ素含有ポリイミド系樹脂からなる層を形成しても良い。

この場合にも、熱処理によって屈折率が大きく変化することなくマイクロレンズ７ａを形成することができる。更に、製造方法についても、本実施形態において説明したフッ素含有シリコーン樹脂を用いる場合と同様に行なうことが可能である。つまり、フッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜５に代えて、それぞれの材料からなる平坦膜を形成する。フィラーの利用及び屈折率が１．４６以下であることが望ましいことについても、フッ素含有シリコーン系樹脂を用いる場合と同様である。

本発明の固体撮像装置は、フッ素含有シリコーン系樹脂を材料とすることから屈折率が低く且つ耐熱性の高いマイクロレンズを備え、高温の処理となる鉛フリーリフローの際にもマイクロレンズの劣化を抑制することができる。このため、マイクロレンズにおける反射を抑制することができ、ＣＭＯＳ又はＣＣＤ等を含む信頼性及び感度の高い固体撮像装置として有用である。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程断面図である。 図３は、本発明の一実施形態において使用するフッ素含有シリコーン系樹脂と、従来用いられていたフッ素含有アクリル樹脂とについて、熱による屈折率の変化を示す表である。

符号の説明

１ 固体撮像素子基板
２ フォトダイオード
３ 平坦膜
４ カラーフィルタ
５ フッ素含有シリコーン系樹脂平坦膜
６ マイクロレンズ
７ フッ素含有シリコーン系樹脂層
７ａ マイクロレンズ
７ｂ 平坦化領域

Claims (4)

1. 基板上に、光を受光する受光部と、前記受光部上に形成されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズとが２次元的に配置された固体撮像装置において、
   前記カラーフィルタ上に、フッ素含有シリコーン系樹脂からなるマイクロレンズが形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記フッ素含有シリコーン系樹脂の屈折率は１．４６以下であることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記フッ素含有シリコーン系樹脂は、粒径が４００ｎｍ以下であり且つ中空構造を有する無機フィラーを含むことを特徴とする固体撮像装置。
4. 基板上に、光を受光する受光部と、前記受光部上に形成されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズとが２次元的に配置された固体撮像装置において、
   前記カラーフィルタ上に、フッ素含有フェノール系樹脂、フッ素含有ノボラック系樹脂、フッ素含有スチレン系樹脂又はフッ素含有ポリイミド系樹脂からなるマイクロレンズが形成がされていることを特徴とする固体撮像装置。

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