JP2008130732A - カラー固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状精度及び位置精度に優れたレンズ一体構造の着色画素フィルタを有するカラー固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】光電変換素子１１が設けられた半導体基板１０の所定位置に緑色画素フィルタ部２１Ｂ、赤色画素フィルタ部２１Ｒを形成し、緑色画素フィルタ部２１Ｂ、赤色画素フィルタ部３１Ｒ及び半導体基板１０上に青色感光性樹脂層４１を形成し、露光制御マスク８０Ｃを用いてパターン露光、現像等を行って、青色画素フィルタ部４１Ｂと青色レンズ母型４１ｃを形成し、ドライエッチングにてエッチバックすることにより、レンズ一体構造の着色画素フィルタが形成されたカラー固体撮像素子を得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上に、フォトリソグラフィ法を用いて前記光電変換素子に対応した着色フィルタとマイクロレンズとを作製するカラー固体撮像素子の製造方法に関し、特に、透過率制御露光マスクを用いて着色フィルタとマイクロレンズとを作製するカラー固体撮像素子の製造方法に関する。

近年、カラー固体撮像素子の高画素化が進んでおり、近年では数百万画素にもなっている。
固体撮像素子の光感度を向上させるために、カラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを配置したカラー固体撮像素子が開発されている。
これらマイクロレンズは、フォトリソグラフィ法を用いて前記光電変換素子に対応した着色フィルタ上にマイクロレンズを作製するカラー固体撮像素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記カラー固体撮像素子の製造方法の一例を図７（ａ）〜（ｅ）に示す。
まず、複数の光電変換素子１１が形成された半導体基板１０（図７（ａ）参照）上に、通常の顔料分散レジストを用いたフォトリソグラフィ法にて赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂを作製する（図７（ｂ）参照）。

次に、赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂ上にレジストを塗布し感光性樹脂層１５２を形成し（図７（ｃ）参照）、パターン露光、現像等のパターニング処理を行って、赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂにそれぞれ対応したレジストの立体矩形パターン１５２ａを形成する（図７（ｄ）参照）。

次に、レジストの立体矩形パターン１５２ａを熱フローすることによりレンズ（曲面）形状に変形させることにより、マイクロレンズ１５１ｂを形成する（図７（ｅ）参照）。さらに、必要に応じ、このレンズ母型となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ母型のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成している。

しかしながら、前記特許文献１に記載されるような方法においては、マイクロレンズの形状はレジストのリフローによって決定されるので、非球面レンズ、非軸対称マイクロレンズを形成することができず、かつ、高精度のマイクロレンズを形成するのが困難であるという問題点を有している。

そこで、露光制御マスクを用いたマイクロレンズの製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
以下、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成するカラー固体撮像素子の製造方法について説明する。

図６（ａ）〜（ｅ）は、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成するカラー固体撮像素子の製造方法の一例を示す説明図である。
まず、光電変換素子１１が形成された半導体基板１０（図６（ａ）参照）上に、通常の顔料分散レジストを用いたフォトリソグラフィ法にて赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂを作製する（図６（ｂ）参照）。

次に、赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂ上にレジストを塗布し感光性樹脂層１５１を形成する（図６（ｃ）参照）。

次に、露光制御マスク（特に、図示せず）を用いてパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂにそれぞれ対応した３次元形状の凸型樹脂パターン１５１ａを形成する（図６（ｄ）参照）。
ここで使用する露光制御マスクは、微小領域毎に光学濃度を変化させた露光制御パターンを設けたマスクである。すなわち、露光制御マスクは、フォトリソ法を用いてフォトレジストをパターン内の露光量を部分的に変えることができるようにしたものである。
グレーマスク、濃度分布マスクとも呼称されることがある。

次に、３次元形状の凸型樹脂パターン１５１ａを加熱リフローすることにより、赤色画素フィルタ１２１Ｒ、緑色画素フィルタ１３１Ｇ、青色画素フィルタ１４１Ｂに対応したマイクロレンズ１５１ｂが形成されたカラー固体撮像素子を得る（図６（ｅ）参照）。

上記したように、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成することにより、マイクロレンズの作製精製度は向上するが、着色画素フィルタとマイクロレンズとの位置合わせズレが発生し、カラー固体撮像素子の高画素化が進んでいる状況では、着色フィルタとマイクロレンズとの位置合わせズレが固体撮像素子の光感度低下、光感度バラツキを発生させ、問題になっている。

上記着色画素フィルタとマイクロレンズとの位置合わせズレを解消するための、カラー固体撮像素子の製造方法が提案されている。
それは、一体構造のマイクロレンズと着色フィルタとを光電変換素子が形成された半導体基板上に形成するものである。
以下、露光制御マスクを用いてレンズ一体構造の着色画素フィルタとを光電変換素子が形成された半導体基板上に形成するカラー固体撮像素子の製造法について説明する。

図４（ａ）〜（ｇ）及び図５（ｈ）〜（ｊ）は、露光制御マスクを用いてレンズ一体構造の着色画素フィルタを光電変換素子が形成された半導体基板上に形成するカラー固体撮像素子の製造方法の一例を示す説明図である。
まず、光電変換素子１１が形成された半導体基板１０（図４（ａ）参照）上に、ポジ型感光性樹脂に緑色顔料を分散した緑色感光性溶液を塗布し、ポジ型の緑色感光性樹脂層１２１を形成する（図４（ｂ）参照）。

次に、透明基板（例えば、合成石英基板）８１の所定位置に透過率制御パターン９４が形成された露光制御マスク８０Ｇを用いてパターン露光する（図４（ｃ）参照）。
ここで、露光制御マスク８０Ｇの透過率制御パターン９４は、例えば、透過率制御パターン９４の中心に近づくほど黒ドットの数を増やしており、透過率制御パターン９４の中心に近づくほど同心円状に光の透過率が減少するようになっている。

次に、所定の現像液で現像し、所定厚の緑色画素フィルタ１２１Ｇ上にマイクロレンズ１２１ｇが形成されたレンズ一体構造の緑色画素フィルタを形成する（図４（ｄ）参照）。

次に、レンズ一体構造の緑色画素フィルタが形成された半導体基板１０上にポジ型感光性樹脂に赤色顔料を分散した赤色感光性溶液を塗布し、ポジ型の赤色感光性樹脂層１３１を形成する（図４（ｅ）参照）。

次に、透明基板（例えば、合成石英基板）８１の所定位置に透過率制御パターン９５が形成された露光制御マスク８０Ｒを用いてパターン露光する（図４（ｆ）参照）。

次に、所定の現像液で現像し、所定厚の赤色画素フィルタ１３１Ｒ上にマイクロレンズ１３１ｒが形成されたレンズ一体構造の赤色画素フィルタを形成する（図４（ｇ）参照）。

次に、レンズ一体構造の緑色フィルタとレンズ一体構造の赤色フィルタが形成された半導体基板１０上にポジ型感光性樹脂に青色顔料を分散した青色感光性溶液を塗布し、ポジ型の青色感光性樹脂層１４１を形成する（図５（ｈ）参照）。

次に、透明基板（例えば、合成石英基板）８１の所定位置に透過率制御パターン９６が形成された露光制御マスク８０Ｂを用いてパターン露光する（図５（ｉ）参照）。

次に、所定の現像液で現像し、所定厚の青色画素フィルタ１４１Ｂ上にマイクロレンズ１４１ｂが形成されたレンズ一体構造の青色画素フィルタを形成し、光電変換素子１１が形成された半導体基板１０上にレンズ一体構造の緑色画素フィルタとレンズ一体構造の赤色画素フィルタとレンズ一体構造の青色画素フィルタとが形成されたカラー固体撮像素子を得る（図５（ｊ）参照）。

このように、露光制御マスクを用いてレンズ一体構造の着色画素フィルタを形成することにより、半導体基板の光電変換素子との位置合わせ精度が向上し、カラー固体撮像素子の光感度を向上させることができる。
特開平０９−００８２６６号公報 特開２００６−０５８７２０号公報

しかしながら、上記露光制御マスクを用いたカラー固体撮像素子の製造方法では、着色感光性樹脂層のパターン露光工程で、着色フィルタ数に応じた露光制御マスクが必要になる。
露光制御マスクは、極めて高価であるため、最小限の使用枚数でマイクロレンズ及び着色フィルタを作製できる製造方法が望まれている。

本発明は、上記要望に鑑みてなされたものであり、形状精度及び位置精度に優れたレンズ一体構造の着色画素フィルタを有するカラー固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に於いて上記問題を解決するために、本発明では、光電変換素子が形成された半導体基板上に、フォトリソグラフィ法を用いて前記光電変換素子に対応した着色画素フィルタとマイクロレンズとを形成してカラー固体撮像素子を作製するカラー固体撮像素子の製造方法において、
少なくとも以下の工程を具備することを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法としたものである。
（ａ）光電変換素子が形成された半導体基板上に着色レジストを塗布し、パターン露光、現像等のパターニング処理を順次行って、所定厚よりも厚い１〜（ｎ−１）色の着色画素
フィルタ部を形成する工程。
（ｂ）最終ｎ色目の着色レジストを前記１〜（ｎ−１）色の着色画素フィルタ部及び光電変換素子上に塗布して着色感光層を形成し、露光制御マスクを用いてパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、最終ｎ色の着色画素フィルタ部と１〜ｎ色の着色画素フィルタ部上にｎ色からなるレンズ母型を形成する工程。
（ｃ）前記ｎ色からなるレンズ母型をドライエッチングすることにより、レンズ形状を転写して、光電変換素子が形成された半導体基板上に、１〜ｎ色の着色画素フィルタとマイクロレンズとが形成されたレンズ一体構造の着色画素フィルタを形成する工程。

本発明のカラー固体撮像素子の製造方法によれば、着色画素フィルタの色数に関係なく、露光制御マスクは1枚で済むため、製造工程に占める露光制御マスクの費用を削減でき、且つ形状精度及び位置精度に優れたレンズ一体構造の着色画素フィルタを有するカラー固体撮像素子を作製できる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）及び図２（ｆ）〜（ｇ）は、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一実施例を示す模式構成断面図である。

まず、半導体基板１０の所定位置に光電変換素子１１が設けられた固体撮像素子を準備する（図１（ａ）参照）。
ここで、固体撮像素子の平面視での画素サイズは１〜１０μｍの範囲が適用され、光電変換素子としては公知のＣＭＯＳ光電変換素子、ＣＣＤ光電変換素子が使用できる。

次に、ポジ型感光性樹脂に色材として例えばＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６と、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤と、酸分解性樹脂と、光酸発生剤と、分散剤とを添加して作成したポジ型緑色レジストを光電変換素子１１が形成された半導体基板１０上に、スピンコート等で塗布して緑色感光層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、緑色画素フィルタ部２１Ｇを形成する（図１（ｂ）参照）。
緑色画素フィルタ部２１Ｇの膜厚は、後記するように、マイクロレンズを転写してレンズ一体構造の緑色画素フィルタを形成するため１．０〜２．０μｍの範囲とする。

次に、ポジ型感光性樹脂に色材として例えばＣ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤と、酸分解性樹脂と、光酸発生剤と、分散剤とを添加して作成したポジ型赤色レジストを緑色画素フィルタ２１Ｇが形成された半導体基板１０上に、スピンコート等で塗布して赤色感光層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、赤色画素フィルタ部３１Ｒを形成する（図１（ｃ）参照）。
赤色画素フィルタ３１Ｒの膜厚は、後記するように、マイクロレンズを転写してレンズ一体構造の赤色画素フィルタを形成するため１．０〜２．０μｍの範囲とする。

次に、ポジ型感光性樹脂に色材として例えばＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３と、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤と、酸分解性樹脂と、光酸発生剤と、分散剤とを添加して作成したポジ型青色レジストを緑色画素フィルタ２１Ｇ、赤色画素フィルタ３１Ｒが形成された半導体基板１０上に、スピンコート等で塗布して青色感光層４１を形成する（図１（ｄ）参照）。
ここで、青色感光層４１は、緑色感光層及び赤色感光層のほぼ倍の膜厚とする。

次に、透明基板（たとえば、合成石英ガラス）８１の所定位置に透過制御パターン９１、９２、９３が形成された露光制御マスク８０Ｃを用いて青色感光層４１をパターン露光する（図１（ｅ）参照）。

図３に、露光制御マスク８０Ｃに形成された透過制御パターンの一例を示す。
透過制御パターンは、各色の画素フィルタに対応した位置に同心円上の階調パターンを設けて透過率制御を行うもので、６階調の階調パターンを設けた事例である。
階調の幅、濃度勾配は、レンズ母型、使用するレジスト種類、感度、膜厚等により適宜設定される。

次に、専用の現像液で現像処理してパターニング処理することにより、青色画素フィルタ部４１Ｂと、緑色画素フィルタ部２１Ｇ、赤色画素フィルタ部３１Ｒ及び青色画素フィルタ部４１Ｂ上に青色レンズ母型４１ｃとを形成する（図１（ｆ）参照）。

次に、Ｏ₂／Ｃｌ₂混合ガスを用いたドライエッチング装置にて、青色レンズ母型４１ｃ、緑色画素フィルタ部２１Ｇ、赤色画素フィルタ部３１Ｒ及び青色画素フィルタ部４１Ｂをエッチバックすることにより、所定厚の緑色画素フィルタ２１Ｇ’、赤色画素フィルタ３１Ｒ’及び青色画素フィルタ４１Ｂ’とそれぞれの着色画素フィルタに対応した緑色マイクロレンズ２１ｇ、赤色マイクロレンズ３１ｒ、青色マイクロレンズ４１ｂを形成し、光電変換素子１１が設けられた半導体基板１０上にレンズ一体構造の緑色画素フィルタ、レンズ一体構造の赤色画素フィルタ及びレンズ一体構造の青色画素フィルタとが形成されたカラー固体撮像素子を得ることができる（図１（ｇ）参照）。

本発明のカラー固体撮像素子の製造方法では、マイクロレンズを形成するための高価な露光制御マスクは、着色画素フィルタの色数に関係なく、1枚で済むため、製造工程に占める露光制御マスクの費用を削減でき、且つ形状精度及び位置精度に優れたマイクロレンズ及び着色フィルタを有するカラー固体撮像素子を作製できる。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一実施例の製造工程の一部を示す部分模式構成断面図である。 （ｆ）〜（ｇ）は、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一実施例の製造工程の一部を示す部分模式構成断面図である。 露光制御マスクの露光制御パターンの一例を示す模式平面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成するカラー固体撮像素子の製造方法の一例の工程の一部を示す部分模式構成断面図である。 （ｈ）〜（ｊ）は、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成するカラー固体撮像素子の製造方法の一例の工程の一部を示す部分模式構成断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、露光制御マスクを用いてマイクロレンズを形成するカラー固体撮像素子の製造方法の一例の工程を示す部分模式構成断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、カラー固体撮像素子の製造方法の他の例の工程を示す部分模式構成断面図である。

符号の説明

１０……半導体基板
１１……光電変換素子
２１Ｇ……緑色画素フィルタ部
２１Ｇ’、１２１Ｇ、１３１Ｇ……緑色画素フィルタ
２１ｇ、１２１Ｇ……緑色マイクロレンズ
２１ｒ、１３１ｇ……赤色マイクロレンズ
２１ｂ、１４１ｂ……青色マイクロレンズ
３１Ｒ……赤色画素フィルタ部
３１Ｒ’、１２１Ｒ、１３１Ｒ……赤色画素フィルタ
４１……青色感光性樹脂層
４１Ｂ……青色画素フィルタ部
４１Ｂ’、１４１Ｂ……青色画素フィルタ
４１ｃ……青色レンズ母型
８１……透明基板
９１、９２、９３、９４、９５、９６……露光制御パターン
８０Ｃ、８０Ｇ、８０Ｒ、８０Ｂ……露光制御マスク
１２１……緑色感光性樹脂層
１３１……赤色感光性樹脂層
１４１……青色感光性樹脂層
１５１、１５２……感光性樹脂層
１５１ａ……凸型樹脂パターン
１５２ａ……立体矩形パターン
１５１ｂ、１５２ｂ……マイクロレンズ

Claims (1)

1. 光電変換素子が形成された半導体基板上に、フォトリソグラフィ法を用いて前記光電変換素子に対応した着色画素フィルタとマイクロレンズとを形成してカラー固体撮像素子を作製するカラー固体撮像素子の製造方法において、
   少なくとも以下の工程を具備することを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。
   （ａ）光電変換素子が形成された半導体基板上に着色レジストを塗布し、パターン露光、現像等のパターニング処理を順次行って、所定厚よりも厚い１〜（ｎ−１）色の着色画素フィルタ部を形成する工程。
   （ｂ）最終ｎ色目の着色レジストを前記１〜（ｎ−１）色の着色画素フィルタ部及び光電変換素子上に塗布して着色感光層を形成し、露光制御マスクを用いてパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、最終ｎ色の着色画素フィルタ部と１〜ｎ色の着色画素フィルタ部上にｎ色からなるレンズ母型を形成する工程。
   （ｃ）前記ｎ色からなるレンズ母型をドライエッチングすることにより、レンズ形状を転写して、光電変換素子が形成された半導体基板上に、１〜ｎ色の着色画素フィルタとマイクロレンズとが形成されたレンズ一体構造の着色画素フィルタを形成する工程。