JP2009016510A - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】材料の解像度や感度特性を向上させたり、下地膜を加工することなく、隣接するカラーフィルタ間の隙間や重なりをなくして分光特性の優れたカラーフィルタを形成する。
【解決手段】パターンニング時に、カラーフィルタ材料間の間隔は、カラーフィルタ材料の特性や熱処理時の溶融量を考慮して、溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定する。また、アライメント精度による位置ずれを考慮して、カラーフィルター６ａ、６ｂおよび６ｃの端部が互いに重ならないような間隔に設定する。このように、カラーフィルタ６ａ’、６ｂ’および６ｃ’を、隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔Ｃが開くように半導体基板１上にパターンニングし、これを加熱処理して流動および硬化させる。
【選択図】図１
【解決手段】パターンニング時に、カラーフィルタ材料間の間隔は、カラーフィルタ材料の特性や熱処理時の溶融量を考慮して、溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定する。また、アライメント精度による位置ずれを考慮して、カラーフィルター６ａ、６ｂおよび６ｃの端部が互いに重ならないような間隔に設定する。このように、カラーフィルタ６ａ’、６ｂ’および６ｃ’を、隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔Ｃが開くように半導体基板１上にパターンニングし、これを加熱処理して流動および硬化させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体基板表面に設けられた各受光部の上方にカラーフィルタが設けられ、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
従来、カラー映像を撮像可能な固体撮像素子においては、入射光を光学的に分光させるために、半導体基板表面に設けられた受光部の上方に、各受光部に対応してカラーフィルターを設けた構造が知られている。
このようなカラーフィルタを有する固体撮像素子の具体的な構造について、図８を用いて詳細に説明する。
図８は、従来の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
図８において、従来の固体撮像素子１００は、半導体基板１０１の表面層に、入射光を光電変換させる受光部１０２がマトリクス状に複数形成されている。半導体基板１０１上には、各受光部１０２により光電変換された信号電荷を読み出して電荷転送するためにポリシリコンからなるゲート膜１０３が受光部１０２に隣接して形成され、さらに、各受光部１０２以外の基板領域、例えばゲート膜１０３上には層間絶縁膜を介して、光が入射されないように遮光膜１０４が形成されている。この遮光膜１０４は各受光部１０２上で開口されている。これらの各受光部１０２が形成された半導体基板１０１および遮光膜１０４には、電気的絶縁を目的として層間絶縁膜１０５ａが形成されている。
さらに、層間絶縁膜１０５ａ上には、層間絶縁膜１０５ａ上の下地形状に起因した凹凸を改善して平坦な面上にカラーフィルタを形成可能なように、層間絶縁膜１０５ｂが形成されている。この層間膜１０５ｂは、カラーフィルタに対する密着性を向上させたり、光透過性を向上させるために、透明アクリル材料などによって形成されている。
この層間絶縁膜１０５ｂ上には、各受光部１０２にそれぞれ対応して、複数色のカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃがそれぞれ配列されて形成されている。このカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃは、理想的には、例えば図９に示すように、市松模様状に順番に形成されている。
図９は、図８に示す従来の固体撮像素子１００において、カラーフィルタの理想的な形成状態を受光部１０２と共に仮想的に示す平面図であって、図９のＡ−Ａ’線部分が図８の左側、図９のＢ−Ｂ’線部分が図８の右側にそれぞれ対応している。
これらのカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ上には、カラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの保護とマイクロレンズ１０７の形成前に表面を平坦化させることを目的として、層間絶縁膜１０５ｃが形成されている。この層間絶縁膜１０５ｃ上には、入射光を屈折させて、無効領域である遮光膜１０４上に入射される光を受光部１０２上に集光させることを目的として、各受光部１０２にそれぞれ対応するように各マイクロレンズ１０７がそれぞれ形成されている。これらの各マイクロレンズ１０７により、各受光部１０２上にそれぞれ入射される光量が増えて受光感度が向上する。
従来、これらの各色のカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの形成は、以下のようにして行われている。
まず、層間絶縁膜１０５ａ上に、感光性を有するカラーフィルタ材料（カラーフィルタ１０６ａの材料）をスピンコート法などにより所望の膜厚に塗布し、各受光部１０２の位置に対応した各領域のうちの所望の領域のみにパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施してカラーフィルタ１０６ａをパターニングする。
次に、層間絶縁膜１０５ａ上に、感光性を有するカラーフィルタ材料（カラーフィルタ１０６ｂの材料）をスピンコート法などにより所望の膜厚に塗布し、各受光部１０２の位置に対応した各領域のうち、他の所望の領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施してカラーフィルタ１０６ｂをパターニングする。さらに同様にして、各受光部１０２の位置に対応した各領域のうち、カラーフィルタ１０６ａおよび１０６ｂを形成して残った各領域にカラーフィルタ１０６ｃをパターニングする。
カラーフィルタ材料としては、顔料もしくは染料を含む感光性材料が用いられ、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の受光部１０２上に所望のカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃがそれぞれ形成される。これらのカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃは、複数色からなり、図８の事例では、これらのカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの順に、グリーン（Ｇ；緑色）、ブルー（Ｂ；青色）およびレッド（Ｒ；赤色）の原色カラーフィルタが形成されている。
このとき、カラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの解像度に起因して、図１０に示すように、矩形状の各カラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃのコーナー部（角部）においてエッジが鈍ったりしている。また、隣接するカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの各間は、パターニング時のアライメント精度によって、図１０に示すような隙間Ｃを生じたり、図８に示すような上下に端部で重なり部Ｄが生じている。
そこで、例えば特許文献１には、パターン形状の矩形性に優れた染料含有ネガ型硬化性組成物を用いてカラーフィルタを形成するカラーフィルタの形成方法が提案されている。この従来のカラーフィルタの形成方法によれば、パターン形状の矩形性に優れたカラーフィルタをコストパフォーマンスよく形成することができるとされている。
また、例えば特許文献２には、新たに開発された光重合開始剤をカラーフィルタ用感光性着色組成物に含有させるカラーフィルタの形成方法が提案されている。このカラーフィルタの形成方法によれば、感光性着色組成物の感度を著しく向上させて、少ない露光量で十分に硬化させることが可能となり、さらに、感光性着色組成物がパターン形成能に優れているために精密なパターンを形成することができるとされている。
さらに、例えば特許文献３には、下地層間絶縁膜のカラーフィルタ形成領域を凹状に加工して、このカラーフィルタのエッジ部を薄膜化させるカラーフィルタの形成方法が提案されている。このカラーフィルタの形成方法によれば、薄膜化された状態におけるカラーフィルタのパターン形成能が優れていることから、精密なパターンを形成することができるとされている。
さらに、例えば特許文献４には、カラーフィルタの赤色フィルタ形成時に、赤色アライメントマークを同時に形成し、カラーフィルタの青色フィルタ形成時に、その赤色アライメントマークを用いて赤色アライメント光によるアライメントを行って青色レジスト材料をパターンニングするカラーフィルタの形成方法が提案されている。このカラーフィルタの形成方法によれば、青色フィルタ形成時に赤色アライメント光を吸収しない赤色アライメントマークにより高いコントラストを得ることが可能となり、フォトリソグラフィ技術のアライメント精度を向上させて、精密なカラーフィルタ加工を実現することができるとされている。
特開２００５−２７４９６７号公報
特開２００５−２０２２５２号公報
特開２００５−１２３２２５号公報
特開２００３−２１５３２１号公報
しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。
上述したように、カラーフィルタ材料は、染料もしくは顔料を含んでいるため、一般的な半導体装置の製造プロセスにおいて使用されているレジストの解像度に比べて、カラーフィルタ材料の解像度は劣っている。このため、図１０に示したように、各カラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの矩形状パターンのコーナー部（角部）において矩形形状が崩れて、隣接するカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの各間に隙間Ｃが発生している。このような隙間Ｃがあると、この隙間Ｃを透過し、カラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃを透過しない白色光が入射されて、層間絶縁膜１０５ａおよび１０５ｂの中を多重反射され、または直接的に受光部１０２上に入射される。これにより、撮像時の画像において色再現性が悪くなり、色が薄くなって白浮きと呼ばれる不良が発生する。このように、隣接するカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの各間に隙間Ｃがあると、その分、実質的にカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの光透過率が高くなり、デバイスの分光特性が劣化することとなる。
この隙間Ｃを最小限に抑えるために、上記特許文献１〜４では、カラーフィルタ材料の改善により解像度や受光感度を向上させて形状の崩れを抑制して上記隙間Ｃを減少させたり、下地パターンの改善により加工精度を向上させたり、アライメント精度を向上させて一定の隙間Ｃを保証しようとしている。
しかしながら、デバイスの高画素化やチップの縮小化によって、一つの受光部１０２を含む１セルサイズが縮小化されているため、微細化技術を導入して解像度を向上させても、その微細加工技術導入による解像度向上がセルサイズ縮小化によって不十分となり、セルサイズに対する相対的な隙間サイズは一定のままとなる。したがって、上記分光特性の劣化は、どの世代においても発生している。また、下地の加工精度向上やアライメント精度向上についても、同様に、その改善効果はセルサイズ縮小化により相殺されてしまう。
一方、カラーフィルタの矩形形状を確保するために、フォトリソグラフィ技術においてマスクパターンを工夫してパターンニング後にカラーフィルタを矩形形状に限りなく近づけても、アライメント精度の限界によって、図８に示すように、隣接するカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ同士の重なり部Ｄが発生する。この重なり部Ｄの領域を、マイクロレンズ１０７によって集光された光が透過した場合、所望のカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの単色の分光が得られずに、混色された色特性となり、デバイスの分光特性が劣化することになる。さらに、隣接するカラーフィルタ１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ同士の重なり部Ｄによるカラーフィルタ層の膜厚差は、層間絶縁膜１０５ｃの平坦性を劣化させ、その上のマイクロレンズ１０７の形成に影響して、各受光部１０２への集光量を変えて画像が不均一になる。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、カラーフィルタ材料の解像度や受光感度特性を向上させたり、カラーフィルタの下地膜を加工したりすることなく、隣接するカラーフィルタ間の隙間をなくし、アライメント精度の限界により隣接するカラーフィルタ同士の重なりも発生させずにカラーフィルタを形成して、分光特性が良好な固体撮像素子を作製することができる固体撮像素子の製造方法および、この固体撮像素子の製造方法により作製された固体撮像素子、さらには、この固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面側に入射光を光電変換させるための複数の受光部が設けられ、該複数の受光部の上方にそれぞれ、該複数の受光部のそれぞれに対応して、入射光を光学的に分光させるための各色のカラーフィルタがそれぞれ設けられた固体撮像素子を製造する方法において、カラーフィルタ材料を、これに隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔が開くようにパターンニングするカラーフィルタパターンニング工程と、パターンニングされたカラーフィルタ材料を加熱処理して流動化させ、さらにこれを硬化させて該各色のカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における加熱処理時に前記所定の間隔を、前記カラーフィルタ材料を溶融させて埋め込みかつ該カラーフィルタ材料が互いに重ならないように該カラーフィルタ材料の膜厚を設定する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記加熱処理により前記カラーフィルタ材料を溶融させて、重力により基板平面方向に沿って広げて前記所定の間隔を該カラーフィルタ材料で埋め込む。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタ形成工程は、前記加熱処理を、前記カラーフィルタ材料をパターンニングした後に各色毎に個別に行うかまたは、複数色のカラーフィルタ材料を順次パターンニングした後に該複数色一括または、該複数色のうちの２色を一括して行う。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における加熱処理を前記各色毎に個別に行う場合には、前記カラーフィルタ材料を溶融させて、所定のカラーフィルタ面積まで広げ、かつ、該カラーフィルタ材料と隣接するカラーフィルタ材料との所定の間隔を完全に埋め込む。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における加熱処理を前記複数色一括または、該複数色のうちの２色を一括して行う場合には、前記加熱処理により前記複数色または前記２色のカラーフィルタ材料を全て同時に溶融させて、前記所定の間隔を完全に前記カラーフィルタの材料で埋め込むまで該カラーフィルタの面積を広げる。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における加熱処理を 摂氏１５０度〜摂氏１６５度の温度で、２〜５分間行う。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタ材料として、顔料または染料が添加されたポリスチレン系樹脂を用いる。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるポリスチレン系樹脂は、レジスト材料にポリヒドロキシスチレンが１ｗｔパーセント以上１０ｗｔパーセント以下含有されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における顔料として、グリーンカラーフィルタには、イエローの顔料を１．５ｗｔパーセント以上３．５ｗｔパーセント以下と、グリーンの顔料を６．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下とを混合させて含有させた材料を用い、レッドカラーフィルタには、レッドの顔料を５．０ｗｔパーセント以上１０．０ｗｔパーセント以下含有させた材料を用い、ブルーカラーフィルタには、α型、β型またはε型結晶形態を有する銅フタロシアニン系ブルーの顔料を４．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下含有させた材料を用いる。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタ材料には、硬化用の熱架橋材が添加されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタ材料には、前記熱架橋材として、エポキシ系化合物およびメラニン系樹脂の両方が添加されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における熱架橋材として、前記エポキシ系化合物または前記メラニン系樹脂は０．１ｗｔパーセント以上２．０ｗｔパーセント以下添加されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、前記カラーフィルタ材料の特性および熱処理時の溶融量により溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、アライメント精度による位置ずれ量の限界値により、隣接したカラーフィルタ材料同士が互いに重ならないような間隔に設定されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、０．１μｍ以上０．２μｍ以下に設定されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるカラーフィルタパターンニング工程は、前記半導体基板上に設けられた層間絶縁膜上に、感光性を有する第１カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、前記複数の受光部に対応した各領域のうちの所望の領域のみにパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第１カラーフィルタをパターニングする第１カラーフィルタパターニング工程と、該層間絶縁膜上に、感光性を有する第２カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、該複数の受光部に対応した各領域のうち、該所望の領域とは別の所望の領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第２カラーフィルタをパターニングする第２カラーフィルタパターニング工程と、
該層間絶縁膜上に、感光性を有する第３カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、該複数の受光部に対応した各領域のうち、残る領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第３カラーフィルタをパターニングする第３カラーフィルタパターニング工程とを有する。
該層間絶縁膜上に、感光性を有する第３カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、該複数の受光部に対応した各領域のうち、残る領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第３カラーフィルタをパターニングする第３カラーフィルタパターニング工程とを有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における第１カラーフィルタは緑色のカラーフィルタであり、前記第２カラーフィルタは赤色および青色の一方のカラーフィルタであり、前記第３カラーフィルタは赤色および青色の他方のカラーフィルタである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における各色のカラーフィルタは、緑色、赤色および青色の３色かまたは、補色系も用いたイエロー、マゼンダ、シアンおよびグリーンの４色である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における各色のカラーフィルタはベイヤー配列である。
本発明の固体撮像素子は、本発明の上記固体撮像素子の製造方法により製造された固体撮像素子であって、半導体基板の表面側に入射光を光電変換させるための複数の受光部が設けられ、該複数の受光部の上方にそれぞれ、該複数の受光部のそれぞれに対応して、入射光を光学的に分光させるための各色のカラーフィルタがそれぞれ設けられ、該各色のカラーフィルタが、隣接するカラーフィルタ間に隙間がなくかつ隣接するカラーフィルタ同士が互いに重ならないように形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子の製造方法により製造された固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
本発明にあっては、カラーフィルタ材料を、隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔が開くように半導体基板上にパターンニングし、これを加熱処理して流動化させ、さらにこれを硬化させる。パターンニング時に、カラーフィルタ材料間の間隔は、カラーフィルタ材料の特性および熱処理時の溶融量を考慮して、溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定する。また、アライメント精度による位置ずれ量を考慮して、溶融後にカラーフィルタ同士が互いに重ならないような間隔に設定する。これにより、カラーフィルタの各間の隙間を埋め込んで、隣接するカラーフィルタ間に隙間がなく、かつ、隣接するカラーフィルタ同士が端部で互いに重ならないように、各カラーフィルタを形成して、分光特性に優れた固体撮像素子を作製する。
以上により、本発明によれば、半導体基板表面に設けられた各受光部の上方にカラーフィルタを形成する際に、隣接するカラーフィルタ間の隙間をなくし、しかも、隣接するカラーフィルタ同士が互いに重ならないようにするため、分光特性に優れた固体撮像素子を実現することができる。また、本発明に用いるカラーフィルタ材料は、セルサイズの縮小化に伴って微細加工技術の向上を必要とする高解像度材料や高感度特性材料でなくてもよい。また、カラーフィルタ材料を加熱処理して溶融・流動化させるため、アライメント精度について一世代前の設備によっても十分に加工することができる。さらに、カラーフィルタの加工精度をカバーするために下地層間絶縁膜などを加工する必要がなくなる。したがって、固体撮像素子の工数および製造コストを大幅に低減することができる。
以下に、本発明の固体撮像素子の製造方法の実施形態をＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の固体撮像素子の製造方法はＣＣＤ型イメージセンサに限らずＣＭＯＳ型イメージセンサにも適用可能である。
図１は、本発明の固体撮像素子の実施形態に係るＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す断面図である。
図１において、本実施形態のＣＣＤ型イメージセンサ１０は、半導体基板１の表面層に、入射光を光電変換させる複数のフォトダイオードからなる各受光部２がマトリクス状に複数形成されている。半導体基板１上には、各受光部２により光電変換された信号電荷を読み出して電荷転送するためにポリシリコンからなるゲート膜３（ゲート電極膜）が形成され、さらに、各受光部２以外の基板領域、例えばゲート膜３に光が入射されないようにタングステンやアルミニウムなどからなる遮光膜４がゲート膜３上に層間絶縁膜を介して形成されている。この遮光膜４は各受光部２上を開口して設けられている。各受光部２が形成された半導体基板１上およびその上の遮光膜４上には、電気的絶縁を目的として層間絶縁膜５ａが形成されている。
この層間絶縁膜５ａ上には、層間絶縁膜５ａ上の下地形状に起因した凹凸を改善して平坦な面上にカラーフィルタを形成可能なように、層間絶縁膜５ｂが更に形成されている。この層間絶縁膜５ｂは、カラーフィルタに対する密着性を向上させたり、光透過性を向上させたりするために透明なアクリル材料などによって形成されている。近年、マイクロレンズ７による集光効率を向上させることを目的として、上下の層間絶縁膜５ａと層間絶縁膜５ｂの間にインナーマイクロレンズ（層内マイクロレンズ）が設けられている場合もある。
この平坦化された層間絶縁膜５ｂ上には、各受光部に対応して、入射光を光学的に分光させるために複数色のカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃが形成されている。カラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃは複数色からなり、図１の事例では、カラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃの順に、グリーン（Ｇ；緑色）、ブルー（Ｂ；青色）およびレッド（Ｒ；赤色）の原色カラーフィルタがそれぞれ形成されている。これらの各色のカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃは、緑色のカラーフィルタ６ａが市松模様状に一つ置きに形成されたベイヤー配列である。
そのカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃ上には、カラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃの保護とマイクロレンズ７の形成前に表面を平坦化させることを目的として、 層間絶縁膜５ｃが形成されている。この層間絶縁膜５ｃ上には、入射光を屈折させて、無効領域である遮光膜４上に入射される光を受光部２に集光させることを目的として、各受光部２にそれぞれ対応するように各マイクロレンズ７がそれぞれ形成されている。このマイクロレンズ７による集光により、受光部２に入射される光量が増えて受光感度を向上させることができる。
上記構成により、以下に、本実施形態のＣＣＤ型イメージセンサ１０の製造方法について、図２〜図７を用いて詳細に説明する。
図２、図４および図６はそれぞれ、本実施形態のＣＣＤ型イメージセンサ１０の製造方法について、カラーフィルタ形成工程（その１〜３）を順次説明するための縦断面図であり、図３、図５および図７はそれぞれ、図２、図４および図６の各工程に相当する平面図である。なお、受光部２、ゲート膜３、遮光膜４、層間絶縁膜５ａ〜５ｃ、マイクロレンズ７の形成工程については、従来から用いられている固体撮像素子の製造方法と同様であるため、ここではその説明を省略し、カラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃの形成工程についてのみ説明する。
図２および図３のカラーフィルタ６ａ’のパターンニング工程（その１）に示すように、層間絶縁膜５ｂが平坦化された後、カラーフィルタ材料をパターンニングして加熱処理前のカラーフィルタ６ａ’を形成する。まず、感光性を有するカラーフィルタ材料をスピンコート法などにより所望の膜厚、例えば厚み０．５μｍ程度に層間絶縁膜５ｂ上に塗布し、各受光部２の位置に対応した所望の島領域（市松状）のみにパターンが一つの領域（受光領域）置きに残されるように露光機を用いて露光し、現像液による現像処理を施して所定形状（図３の島形状で市松形状）にパターニングする。
さらに、信頼性を確保するために、カラーフィルタ材料に、熱架橋材、例えばエポキシ系化合物およびメラニン系樹脂の両方を０．１ｗｔパーセント（重量パーセント）以上２．０ｗｔパーセント（重量パーセント）以下添加させてもよい。エポキシ系化合物およびメラニン系樹脂両方の材料を使用する。メラニン系樹脂が主な架橋材であり、エポキシ系化合物も架橋に寄与するが、エポキシ系化合物によりその架橋スピードをコントロールすることができる。熱だれしながら固まる条件は、この混ぜ方にある。
このように熱架橋材を添加することにより、カラーフィルタ材料を加熱により溶融させて所望の形状にした後、架橋させて後工程の熱処理による影響が生じないようにすることができる。
この状態の断面図は図２、上面図は図３に示すようなものとなる。
次に、図４および図５のカラーフィルタ６ｂ’および６ｃ’のパターンニング工程（その２）に示すように、層間絶縁膜５ｂ上に、カラーフィルタ材料をパターンニングしてカラーフィルタ６ｂ’を形成し、さらに、カラーフィルタ材料をパターンニングしてカラーフィルタ６ｃ’を形成する。
カラーフィルタ６ａ’とは色が異なるカラーフィルタ６ｂ’を、カラーフィルタ６ａ’の場合と同様にパターンニングする。このとき、カラーフィルタ６ｂ’は、他の色のカラーフィルタ６ａ’と所定の間隔が開くようにパターンニングされる。ここで、カラーフィルタ６ａ’とカラーフィルタ６ｂ’との隙間は、カラーフィルタ材料の特性および後工程の熱処理による溶融量やその限界値を考慮して、溶融後に隙間が無くなるような間隔Ｃに設定される。さらに、アライメント精度による位置ずれも考慮して、カラーフィルタ６ａとカラーフィルタ６ｂが重ならないような間隔Ｃに設定される。
例えば、カラーフィルタ６ａ’とカラーフィルタ６ｂ’との間の間隔は、０．１μｍ以上０．２μｍ以下（または０．１μｍ超え０．２μｍ以下）に設定されていることが好ましい。カラーフィルタ材料間の間隔が０．１μｍ未満では、アライメント精度が０．０７μｍ〜０．０９μｍよりも小さくなり、カラーフィルタ材料が溶融前に重なってしまうからである。また、カラーフィルタ材料間が０．２μｍよりも大きいと、溶融後にカラーフィルタの間隔が埋まらないからである。
その後、上記カラーフィルタ６ａ’および６ｂ’とは色が異なるカラーフィルタ６ｃ’をパターンニングする。このときも、上記カラーフィルタ６ａ’とカラーフィルタ６ｂ’の位置関係と同様に、カラーフィルタ材料間の間隔が設定される。この状態の断面図は図４、上面図は図５に示すようなものとなる。
カラーフィルタ材料としては、加熱処理により溶融されて、重力により横方向に広がる性質を有するものが用いられる。例えば、カラーフィルタ材料は、低融点であるポリスチレン系樹脂に顔料または染料が添加され、カラーフィルータとしての特性を有しかつ感光性機能も有している。
上記ポリスチレン系樹脂としては、例えば、レジスト材料にポリヒドロキシスチレンが１ｗｔ％以上１０ｗｔパーセント（重量パーセント）以下含有された材料が用いられる。また、上記顔料としては、グリーンカラーフィルタには、Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔイエロー１５０（カラーフィルタの番号）もしくはＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔイエロー１３８（カラーフィルタの番号）を１．５ｗｔパーセント以上３．５ｗｔパーセント以下とＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔグリーン７（カラーフィルタの番号）もしくはＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ３６（カラーフィルタの番号）を６．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下とを混合させて含有させた材料が用いられる。また、レッドカラーフィルタには、Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔレッド２５４（カラーフィルタの番号）を５．０ｗｔパーセント以上１０．０ｗｔパーセント以下含有させた材料が用いられる。さらに、ブルーカラーフィルタには、α型、β型もしくはε型結晶形態を有する銅フタロシアニン系ブルーを４．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下含有させた材料が用いられる。なお、カラーフィルタの番号について、顔料の色材として規格化されている番号で、それぞれ固有の透過率の色が決定される。
次に、図６および図７のカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃの形成工程（その３）に示すように、加熱処理、例えば、ホットプレートを用いて摂氏１６０度で４分間の加熱処理を行って、カラーフィルタ６ａ’、６ｂ’および６ｃ’を溶融させて流動化させる。これにより、カラーフィルタ６ａ’、６ｂ’および６ｃ’の各間の隙間Ｃが完全に埋められて、隙間のないカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃが形成され、溶融させて流動化しつつ硬化する。
この状態の断面図は図６、上面図は図７に示すようなものとなる。このときには熱架橋で硬化されている。
以上により、本実施形態によれば、パターンニング時に、カラーフィルタ材料間の間隔は、カラーフィルタ材料の特性や熱処理時の溶融量を考慮して、溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定する。また、アライメント精度による位置ずれを考慮して、カラーフィルター６ａ、６ｂおよび６ｃの端部が互いに重ならないような間隔に設定する。このように、カラーフィルタ６ａ’、６ｂ’および６ｃ’を、隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔Ｃが開くように半導体基板１上にパターンニングし、これを加熱処理して流動および硬化させる。これによって、カラーフィルタ材料の解像度や受光感度特性を向上させたり、下地膜を加工することなく、隣接するカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃの各間の隙間Ｃや重なり部Ｄをなくして各受光部２上に、分光特性の優れたカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃを形成することができる。したがって、各受光部２の受光感度特性を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、３原色（Ｒ，Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタ６ａ、６ｂおよび６ｃを設けた場合について説明したが、これに限らず、３原色（Ｒ，Ｇ、Ｂ）の他に補色系の３色（イエロー、シアン、マゼンダ）に原色のグリーンを追加した４色としてもよく、信号処理の方法やデバイスが異なる場合には、任意の色数、例えば４色以上の色数とすることもできる。
また、上記実施形態では、全てのカラーフィルタ材料をパターンニングした後に加熱処理により全てのカラーフィルタ材料を溶融させたが、カラーフィルタ材料間の間隔とカラーフィルタ材料の能力によって、複数のカラーフィルタ材料をパターンニングする途中で、熱処理により溶融させてもよい。
即ち、この加熱処理を、カラーフィルタ材料をパターンニング後に各色毎に個別に行うかまたは、複数色のカラーフィルタ材料を順次パターンニングした後に複数色一括または、この複数色のうちの２色を一括して行うことができる。例えば、加熱処理を各色毎に個別に行う場合には、カラーフィルタ材料を溶融させて、所定のカラーフィルタ面積まで広げ、かつ、このカラーフィルタ材料と隣接するカラーフィルタ材料との所定の間隔Ｃを完全に埋め込むようにすればよい。また、上記実施形態のように加熱処理を複数色（ここでは３色）一括（または、複数色のうちの２色を一括でもよい）して行う場合には、加熱処理により複数色（ここでは３色）のカラーフィルタ材料を全て同時に溶融させて、所定の間隔Ｃを完全にカラーフィルタの材料で埋め込むまでカラーフィルタの面積を広げるようにすればよい。
さらに、上記実施形態では、加熱処理を摂氏１６０度の温度で、４分間行うようにしたが、これに限らず、加熱処理を 摂氏１５０度〜摂氏１６５度の温度範囲で、２〜５分間の時間範囲で行うことができる。摂氏１５０度よりも温度が低く２分間と加熱時間が短いと、カラーフィルタ材料が流動化しにくく、摂氏１６５度を超え、５分間を超えて加熱時間が長いと、カラーフィルタ材料に支障が生じる可能性がある。
さらに、上記実施形態では、固体撮像素子の製造方法について説明したが、これに限らず、液晶表示装置の製造方法にも適用することができる。この場合、カラーフィルタの形成方法として、カラーフィルタ材料を、これに隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔が開くようにパターンニングするカラーフィルタパターンニング工程と、パターンニングされたカラーフィルタ材料を加熱処理して流動化させ、さらにこれを硬化させて該各色のカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程とを有するように構成することもできる。
さらに、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態のＣＣＤ型イメージセンサ１０を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記ＣＣＤ型イメージセンサ１０を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、半導体基板表面に設けられた各受光部の上方にカラーフィルタが設けられ、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、半導体基板表面に設けられた各受光部の上方にカラーフィルタを形成する際に、隣接するカラーフィルタ間の隙間をなくし、しかも、隣接するカラーフィルタ同士が互いに重ならないようにするため、分光特性に優れた固体撮像素子を実現することができる。また、本発明に用いるカラーフィルタ材料は、セルサイズの縮小化に伴って微細加工技術の向上を必要とする高解像度材料や高感度特性材料でなくてもよい。また、カラーフィルタ材料を加熱処理して溶融・流動化させるため、アライメント精度について一世代前の設備によっても十分に加工することができる。さらに、カラーフィルタの加工精度をカバーするために下地層間絶縁膜などを加工する必要がなくなる。したがって、固体撮像素子の工数および製造コストを大幅に低減することができる。
１ 半導体基板
２ 受光部（フォトダイオード）
３ ポリシリコンゲート膜（ゲート電極膜）
４ 遮光膜
５ａ、５ｂ、５ｃ 層間絶縁膜
６ａ’、６ｂ’、６ｃ’ 加熱処理前のカラーフィルタ（パターンニングされたカラーフィルタ材料）
６ａ、６ｂ、６ｃ 加熱処理後のカラーフィルタ
７ マイクロレンズ
１０ ＣＣＤ型イメージセンサ
２ 受光部（フォトダイオード）
３ ポリシリコンゲート膜（ゲート電極膜）
４ 遮光膜
５ａ、５ｂ、５ｃ 層間絶縁膜
６ａ’、６ｂ’、６ｃ’ 加熱処理前のカラーフィルタ（パターンニングされたカラーフィルタ材料）
６ａ、６ｂ、６ｃ 加熱処理後のカラーフィルタ
７ マイクロレンズ
１０ ＣＣＤ型イメージセンサ
Claims (22)
- 半導体基板の表面側に入射光を光電変換させるための複数の受光部が設けられ、該複数の受光部の上方にそれぞれ、該複数の受光部のそれぞれに対応して、入射光を光学的に分光させるための各色のカラーフィルタがそれぞれ設けられた固体撮像素子を製造する方法において、
カラーフィルタ材料を、これに隣接する他の色のカラーフィルタ材料との間に所定の間隔が開くようにパターンニングするカラーフィルタパターンニング工程と、
パターンニングされたカラーフィルタ材料を加熱処理して流動化させ、さらにこれを硬化させて該各色のカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。 - 前記加熱処理時に前記所定の間隔を、前記カラーフィルタ材料を溶融させて埋め込みかつ該カラーフィルタ材料が互いに重ならないように該カラーフィルタ材料の膜厚を設定する請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記加熱処理により前記カラーフィルタ材料を溶融させて、重力により基板平面方向に沿って広げて前記所定の間隔を該カラーフィルタ材料で埋め込む請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタ形成工程は、前記加熱処理を、前記カラーフィルタ材料をパターンニングした後に各色毎に個別に行うかまたは、複数色のカラーフィルタ材料を順次パターンニングした後に該複数色一括または、該複数色のうちの２色を一括して行う請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記加熱処理を前記各色毎に個別に行う場合には、前記カラーフィルタ材料を溶融させて、所定のカラーフィルタ面積まで広げ、かつ、該カラーフィルタ材料と隣接するカラーフィルタ材料との所定の間隔を完全に埋め込む請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記加熱処理を前記複数色一括または、該複数色のうちの２色を一括して行う場合には、前記加熱処理により前記複数色または前記２色のカラーフィルタ材料を全て同時に溶融させて、前記所定の間隔を完全に前記カラーフィルタの材料で埋め込むまで該カラーフィルタの面積を広げる請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記加熱処理を 摂氏１５０度〜摂氏１６５度の温度で、２〜５分間行う請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタ材料として、顔料または染料が添加されたポリスチレン系樹脂を用いる請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記ポリスチレン系樹脂は、レジスト材料にポリヒドロキシスチレンが１ｗｔパーセント以上１０ｗｔパーセント以下含有されている請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記顔料として、グリーンカラーフィルタには、イエローの顔料を１．５ｗｔパーセント以上３．５ｗｔパーセント以下と、グリーンの顔料を６．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下とを混合させて含有させた材料を用い、レッドカラーフィルタには、レッドの顔料を５．０ｗｔパーセント以上１０．０ｗｔパーセント以下含有させた材料を用い、ブルーカラーフィルタには、α型、β型またはε型結晶形態を有する銅フタロシアニン系ブルーの顔料を４．０ｗｔパーセント以上８．０ｗｔパーセント以下含有させた材料を用いる請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタ材料には、硬化用の熱架橋材が添加されている請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタ材料には、前記熱架橋材として、エポキシ系化合物およびメラニン系樹脂の両方が添加されている請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記熱架橋材として、前記エポキシ系化合物または前記メラニン系樹脂は０．１ｗｔパーセント以上２．０ｗｔパーセント以下添加されている請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、前記カラーフィルタ材料の特性および熱処理時の溶融量により溶融後に隙間がなくなるような間隔に設定されている請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、アライメント精度による位置ずれ量の限界値により、隣接したカラーフィルタ材料同士が互いに重ならないような間隔に設定されている請求項１または１４に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタパターンニング工程において、前記所定の間隔は、０．１μｍ以上０．２μｍ以下に設定されている請求項１、１４および１５のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記カラーフィルタパターンニング工程は、
前記半導体基板上に設けられた層間絶縁膜上に、感光性を有する第１カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、前記複数の受光部に対応した各領域のうちの所望の領域のみにパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第１カラーフィルタをパターニングする第１カラーフィルタパターニング工程と、
該層間絶縁膜上に、感光性を有する第２カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、該複数の受光部に対応した各領域のうち、該所望の領域とは別の所望の領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第２カラーフィルタをパターニングする第２カラーフィルタパターニング工程と、
該層間絶縁膜上に、感光性を有する第３カラーフィルタ材料を所望の膜厚に塗布し、該複数の受光部に対応した各領域のうち、残る領域にパターンが残されるように露光機を用いて露光し、これに現像液による処理を施して第３カラーフィルタをパターニングする第３カラーフィルタパターニング工程とを有する請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第１カラーフィルタは緑色のカラーフィルタであり、前記第２カラーフィルタは赤色および青色の一方のカラーフィルタであり、前記第３カラーフィルタは赤色および青色の他方のカラーフィルタである請求項１７に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記各色のカラーフィルタは、緑色、赤色および青色の３原色かまたは、補色系も用いたイエロー、マゼンダ、シアンおよびグリーンの４色である請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記各色のカラーフィルタはベイヤー配列である請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 請求項１〜２０のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法により製造された固体撮像素子であって、
半導体基板の表面側に入射光を光電変換させるための複数の受光部が設けられ、該複数の受光部の上方にそれぞれ、該複数の受光部のそれぞれに対応して、入射光を光学的に分光させるための各色のカラーフィルタがそれぞれ設けられ、該各色のカラーフィルタが、隣接するカラーフィルタ間に隙間がなくかつ隣接するカラーフィルタ同士が互いに重ならないように形成されている固体撮像素子。 - 請求項１〜２０のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法により製造された固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
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