JP2009003329A - オンチップカラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたオンチップカラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の光電変換素子に対応した着色フィルタをフォトリソグラフィー法にて作製するにあたり、第２色（例えば、青色）フィルタ及び第３色（例えば、赤色）フィルタの開口（画素）領域を最大限に確保できるオンチップカラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたオンチップカラーフィルタの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１と、第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１の四隅の連結部に透過率制御領域３２と、遮光パターン３３とで構成されたオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いて緑色フィルタを作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子の光電変換素子に対応した着色フィルタをフォトリソグラフィー法にて作製するために使用するオンチップカラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたオンチップカラーフィルタの製造方法に関し、特に、四角形状の第１色フィルタ用パターンの４隅が接する連結部に透過率制御領域を設けたオンチップカラーフィルタ用フォトマスクに関する。

固体撮像素子の光電変換素子に対応したブルー、グリーン、レッド等の着色フィルタは、パターン精度及びパターン再現性の点から、通常、フォトリソグラフィー法にて作製されるのが一般的で、図１３（ａ）〜（ｆ）に示すような工程で作製される。
ここに示すカラーフィルタは、カラー固体撮像素子等に用いられるカラーフィルタの構成事例で、個々の着色フィルタ間にブラックマトリクスを設けない場合の事例である。

まず、アクリル系の感光性樹脂に緑色顔料を分散した緑色感光性樹脂溶液を光電変換素子及び平坦化層が形成された半導体基板１１上にスピンナー等を用いて塗布し、緑色感光層２４を形成する（図１３（ａ）参照）。
さらに、所定のフォトマスクを使ってパターン露光し、現像、ポストベーク等の一連のパターニング処理を行って、緑色フィルタ２４Ｇを形成する（図１３（ｂ）参照）。

次に、アクリル系の感光性樹脂に青色顔料を分散した青色感光性樹脂溶液を緑色フィルタ２４Ｇが形成された半導体基板１１上にスピンナー等を用いて塗布し、青色感光層２５を形成する（図１３（ｃ）参照）。

次に、所定のフォトマスクを使ってパターン露光し、現像、ポストベーク等の一連のパターニング処理を行って、青色フィルタ２５Ｂを形成する（図１３（ｄ）参照）。

次に、アクリル系の感光性樹脂に赤色顔料を分散した赤色感光性樹脂溶液を緑色フィルタ２４Ｇ及び青色フィルタ２５Ｂが形成された半導体基板上１１にスピンナー等を用いて塗布し、赤色感光層２６を形成する（図１３（ｅ）参照）。

次に、所定のフォトマスクを使ってパターン露光し、現像、ポストベーク等の一連のパターニング処理を行って、赤色フィルタ２６Ｒを形成する（図１３（ｆ）参照）。

以上の工程で固体撮像素子基板上１１上に緑色フィルタ２４Ｇ、青色フィルタ２５Ｂ、赤色フィルタ２６Ｒのオンチップカラーフィルタ作製することができる。
ここで、上記オンチップカラーフィルタの平面視でのカラーフィルタ配列の一例を図４に示す。
このカラーフィルタ配列では、例えば、四角形状の青色フィルタＢの４辺に接するように市松模様状に四角形状の緑色フィルタＧが、四角形状の赤色フィルタＲの４辺に接するように市松模様状に四角形状の緑色フィルタＧが配置さている。

ここで、図４のカラーフィルタ配列で、２行、３列の青色フィルタＢ周辺のカラーフィルタ配列を部分的に取り出したのが図９である。
四角形状の青色フィルタＢの４辺に接するように市松模様状に四角形状の緑色フィルタＧが配列されており、青色フィルタＢの対角に赤色フィルタＲが配列されている。

上記の製造方法で、単純に平面視で市松模様とした四角形状のパターンを有するフォトマスクで作製した緑色フィルタ２４Ｇ、青色フィルタ２５Ｂ、赤色フィルタ２６Ｒ等のオンチップカラーフィルタは、図１０に示すように、各緑色フィルタ２４Ｇ、青色フィルタ２５Ｂ、赤色フィルタ２６Ｒのコーナー部に隙間が発生する。
この隙間が発生したカラー固体撮像素子では、この隙間から白色光が入り込んで、Ａｌ電極に反射してノイズとなり、カラー固体撮像素子の色再現性に支障をきたす。

そこで、緑色フィルタ２４Ｇを作製する時、図１１に示すような、緑色フィルタ用フォトマスク使用する。
緑色フィルタ用フォトマスクは、緑色フィルタ用パターンＧＰの四隅をｄ₁幅のブリッジで連結したものである。なお、図中の白抜け部が光透過部であり網点部は遮光部である。このブリッジの幅ｄ₁は、通常０．０５〜０．３μｍである。
緑色フィルタ用パターンＧＰの四隅をｄ₁幅のブリッジで連結した緑色フィルタ用フォトマスクを用いて、緑色フィルタ２４Ｇを作製し、青色フィルタ２５Ｂ、赤色フィルタ２６Ｒを作製したオンチップカラーフィルタの一例を図１２に示す。
このように、青色フィルタ２５Ｂ及び赤色フィルタ２６Ｒの四隅のコーナー部は緑色フィルタ２４Ｇの四隅のブリッジ部で埋められた形になり、隙間は発生しない。

上記のようなカラー画素の四隅をブリッジ状に繋げた構造にすることにより、剥がれに強いカラーフィルタを得ることができるカラーフィルタ構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このようにカラー画素の四隅をブリッジ状に繋げた構造とすることにより、剥がれに強いカラーフィルタを得ることができるが、カラーフィルタ間の隙間を埋める効果も有する。

しかしながら、画素サイズの微小化により平面視で３μｍ以下の着色フィルタを形成する際、緑色フィルタ用パターンＧＰの四隅が０．０５〜０．３μｍ幅のブリッジで連結された緑色フィルタ用フォトマスクを用いて、緑色フィルタ２４Ｇを作製すると、緑色フィルタ用パターンＧＰのブリッジ幅が０．０５〜０．１μｍでは、形成された緑色フィルタのブリッジ寸法が太り、カラー固体撮像素子の感度が劣化するという問題が生じていた。また、緑色フィルタ用パターンＧＰのブリッジ幅が０．１５〜０．３μｍでは、形成された緑色フィルタのブリッジ寸法が細り、ブリッジが断線状態になるという問題が生じていた。
特開２０００−２４１６１９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、固体撮像素子の光電変換素子に対応した着色フィルタをフォトリソグラフィー法にて作製するにあたり、第２色（例えば、青色）フィルタ及び第３色（例えば、赤色）フィルタの開口（画素）領域を最大限に確保できるオンチップカラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたオンチップカラーフィルタ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課題を達成するために、まず請求項１においては、固体撮像素子の光電変換素子に対応した各々平面視四角形状の着色フィルタをフォトリソグラフィー法にて各色毎に作製するために使用するフォトマスクであって、
前記フォトマスクは、第２色、もしくは第３色フィルタの４辺に接するように市松模様状に配置された第１色フィルタを作製するための第１色フィルタ用フォトマスクであって、
前記第１色フィルタに対応するように配置された四角形状の第１色フィルタ用パターンの４隅が接する連結部に透過率制御領域を設けたことを特徴とするオンチップカラーフィルタ用フォトマスクとしたものである。

また、請求項２においては、前記透過率制御領域の透過率が、光透過部の２０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクとしたものである。

また、請求項３においては、請求項１または２に記載の固体撮像素子カラーフィルタ用フォトマスクを用いて作製したことを特徴とするオンチップカラーフィルタの製造方法としたものである。

また、請求項４においては、前記固体撮像素子カラーフィルタの第１色フィルタの４隅の連結部の膜厚が、第１色フィルタ中央部の膜厚の１０％〜９０％であることを特徴とする請求項３記載のオンチップカラーフィルタの製造方法としたものである。

本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスク及びオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法では、オンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いて第１色カラーフィルタを作製するため、第２色、第３色カラーフィルタ寸法を均一に作製することができ、第１色フィルタと第２色フィルタとの間、第１色フィルタと第３色フィルタとの間で隙間が発生せず、感度特性に優れた固体撮像素子を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態につき説明する。
図１は、本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクの一実施例を示す部分模式平面図である。
本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスク３０は、第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１と、第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１の四隅の連結部に透過率制御領域３２と、遮光パターン３３とで構成されており、カラーフィルタ形成用の着色レジストとしてネガタイプのレジストを使用した場合の事例である。

透過率制御領域３２は、請求項２に記載したように、透過率が２０〜７０％になるように設定されている。
図３は、第１色（例えば、緑色）の緑色レジストを用いて緑色感光層を形成し、透過率を変化させたマスクを用いてパターン露光し、現像処理を行って形成された緑色フィルタの残膜率特性を示す説明図である。
透過率制御領域３２の透過率を光透過部の２０〜７０％にすることにより、開口率の高いフィルタ形成が可能となる。
透過率制御領域３２の透過率が２０％以下では、第１色（例えば、緑色）パターンが形成できず、第１色（例えば、緑色）パターンの四角がつながらないため、ムラ及び感度バラツキが発生する。
透過率制御領域３２の透過率が７０％以上では、図３に示すように、第１色（例えば、緑色）パターンの残膜率が９０％を超えてしまい、第１色（例えば、緑色）パターンのコーナー部が第２色（例えば、青色）、第３色（例えば、赤色）のコーナーと重なってしまい、段差が発生し、感度バラツキが発生する。

透過率制御領域３２は、幅ｄが０．１〜０．４μｍ、長さが０．１〜０．４μｍの矩形
状のパターンで形成されている。
透過率制御領域３２の透過率は、光を遮光するパターンの膜厚を変えて遮光部よりも光を透過させるようにしても良い。または、コーナー部の単位領域中で遮光部と光透過部とが占める比率を変えることで単位領域の透過率を変化させ、遮光部、光透過部とは異なった階調を持たせても良い。
すなわち、単位領域中で遮光部と光透過部とが占める比率を変えることで単位領域の透過率を変化させて階調を持たせる技術は網点マスク（または、濃度分布マスク）と呼称して用いられている技術を用いてもよい。遮光部の膜厚を変えて透過率を変化させるマスクは膜厚の制御が難しく製造に手間が掛かるが、単位領域中で遮光部と光透過部とが占める比率を変えることで単位領域の透過率を変化させて階調を持たせるマスクは製造が容易といえる。
図２は、透過率制御領域３２を網点構造に分割して、透過率５０％の透過率制御領域３２を実現した事例である。

オンチップカラーフィルタ用フォトマスク３０は、低反射クロムブランクスを用いた電子ビームリソグラフィーにて作製されるので、０．１〜０．４μｍの透過率制御領域３２を精度良く再現できる。

オンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いたオンチップカラーフィルタの製造方法について説明する。
図５（ａ）〜（ｆ）は、本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いたオンチップカラーフィルタの製造方法の一実施例を示す模式構成断面図である。
ここで、緑色フィルタＧ、青色フィルタＢ及び赤色フィルタＧのカラーフィルタ配列は図４に示す配列とする。

まず、光電変換素子及び平坦化層が形成された半導体基板１１上に、ネガ型感光性樹脂に着色顔料（例えば、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６及びＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７）と、シクロヘキサノンやＰＧＭＥＡなどの有機溶剤と、酸分解性樹脂と、光酸発生剤と、分散剤とをロールミル等で混練して作製したネガ型緑色レジストをスピンコート等で塗布し、緑色感光層２１を形成する（図５（ａ）参照）。

次に、図１に示す、ガラス等の透明基板上に第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１と、第１色（例えば、緑色）カラーフィルタ形成用の透過パターン３１の四隅の連結部に透過率制御領域３２と、遮光パターン３３とが形成されたオンチップカラーフィルタ用フォトマスク３０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、半導体基板１１上の所定位置に緑色フィルタ２１Ｇと連結部２１ｃとを形成する（図５（ｂ）及び図６参照）。
ここで、緑色フィルタ２１Ｇの連結部２１ｃは、透過率が２０〜７０％の透過率制御領域３２でパターン露光されるため、緑色フィルタ２１Ｇの連結部２１ｃの膜厚は、緑色フィルタ２１Ｇの中央部の膜厚の１０〜９０％になるように設定される。

次に、ネガ型感光性樹脂に青色顔料（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、分散剤等とをロールミル等で混練して作製したネガ型青色レジストをスピンコート等で塗布し、青色感光層２２を形成する（図５（ｃ）参照）。

次に、四角形状のパターンが形成された青色フィルタ用露光マスクを用いてパターン露光し、現像等の一連のパターニング処理を行って、青色フィルタ２２Ｂを形成する（図５（ｄ）及び図７参照）。
ここで、青色フィルタ２２Ｂのコーナー部は、緑色フィルタ２１Ｇの四隅に設けられた連結部２１ｃとオーバーラップされた状態で形成されるので、緑色フィルタ２１Ｇと青色フィルタ２２Ｂとの間で隙間が発生しない。

次に、ネガ型感光性樹脂に赤色顔料（例えば、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１及びＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９）と、分散剤等とをロールミル等で混練して作製したネガ型赤色レジストをスピンコート等で塗布し、赤色感光層２３を形成する（図５（ｅ）参照）。

次に、四角形状のパターンが形成された赤色フィルタ用露光マスクを用いてパターン露光し、現像等の一連のパターニング処理を行って、赤色フィルタ２３Ｒを形成する（図５（ｆ）及び図８参照）。
ここで、赤色フィルタ２３Ｒのコーナー部は、緑色フィルタ２１Ｇの四隅に設けられた連結部２１ｃとオーバーラップされた状態で形成されるので、緑色フィルタ２１Ｇと赤色フィルタ２３Ｒとの間で隙間が発生しない。

以上の工程で、光電変換素子及び平坦化層が形成された半導体基板１１上に、緑色フィルタ２１Ｇと、青色フィルタ２２Ｂと、赤色フィルタ２３Ｒとからなる固体撮像素子カラーフィルタを形成することができる。

本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法では、オンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いて第１色（緑色）カラーフィルタを作製するため、第２色（青色）、第３色（赤色）カラーフィルタ寸法を均一に作製することができ、第１色（緑色）フィルタと第２色（青色）フィルタとの間、第１色（緑色）フィルタと第３色（赤色）フィルタとの間で隙間が発生せず、感度特性に優れた固体撮像素子を得ることができる。

本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクの一実施例を示す部分模式平面図である。 透過率制御領域３２の一例を示す模式平面図である。 第１色（例えば、緑色）の緑色レジストを用いて緑色感光層を形成し、透過率の異なるマスクを用いてパターン露光し、現像処理を行って形成された緑色フィルタの残膜率特性の一例を示す説明図である。 緑色フィルタＧと、青色フィルタＢと、赤色フィルタＲのカラーフィルタ配列の一例を示す説明図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法の工程の一例を示す模式構成断面図である。 本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法で作製された緑色フィルタの配置例を示す部分模式平面図である。 本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法で作製された緑色フィルタと青色フィルタの配置例を示す部分模式平面図である。 本発明のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いた固体撮像素子カラーフィルタの製造方法で作製された緑色フィルタと青色フィルタと赤色フィルタの配置例を示す部分模式平面図である。 緑色フィルタＧと、青色フィルタＢと、赤色フィルタＲのカラーフィルタ配列の一部を示す説明図である。 従来の製造方法で作製された緑色フィルタＧと、青色フィルタＢと、赤色フィルタＲの形状の一例を示す模式平面図である。 従来の緑色用カラーフィルタ用露光マスクの一例を示す模式平面図である。 従来の製造方法で作製された固体撮像素子カラーフィルタの一例を示す模式平面図である。 従来の固体撮像素子カラーフィルタの製造方法の一例を示す模式構成断面図である。

符号の説明

１１……半導体基板
２１、２４……緑色感光層
２１ｃ……連結部
２１Ｇ、２４Ｇ、Ｇ……緑色フィルタ
２２、２５……青色感光層
２２Ｂ、２５Ｂ、Ｂ……青色フィルタ
２３、２６……赤色感光層
３３Ｒ、２６Ｒ、Ｒ……赤色フィルタ
３０……緑色フィルタ用フォトマスク
３１……透過パターン
３２……透過率制御領域
３３……遮光パターン
ｄ……透過率制御領域の幅
ｄ₁……ブリッジ幅
ＧＰ……緑色フィルタ用パターン

Claims (4)

1. 固体撮像素子の光電変換素子に対応した各々平面視四角形状の着色フィルタをフォトリソグラフィー法にて作製するために使用するフォトマスクであって、
   前記フォトマスクは、第２色、もしくは第３色フィルタの４辺に接するように市松模様状に配置された第１色フィルタを作製するための第１色フィルタ用フォトマスクであって、前記第１色フィルタに対応するように配置された四角形状の第１色フィルタ用パターンの４隅が接する連結部に透過率制御領域を設けたことを特徴とするオンチップカラーフィルタ用フォトマスク。
2. 前記透過率制御領域の透過率が、光透過部の２０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載のオンチップカラーフィルタ用フォトマスク。
3. 請求項１または２に記載のオンチップカラーフィルタ用フォトマスクを用いて作製したことを特徴とするオンチップカラーフィルタの製造方法。
4. 前記固体撮像素子カラーフィルタの第１色フィルタの４隅の連結部の膜厚が、第１色フィルタ中央部の膜厚の１０％〜９０％であることを特徴とする請求項３記載のオンチップカラーフィルタの製造方法。