JP2014103299A

JP2014103299A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2014103299A
Application number: JP2012255104A
Authority: JP
Inventors: Wataru Nozaki; 渉野崎
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】反射による特性劣化を防止するために、遮光膜として、ｂｌａｃｋレジストを用い、その透過率を１％以下に制御してもｂｌａｃｋレジストパターンの剥がれ問題の発生の無い、固体撮像素子を提供する。
【解決手段】フォトダイーオードを配列して配置し、マイクロレンズを持つアレイ部とアレイ外周部からなる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子のマイクロレンズ形成層のマイクロレンズを、フォトダイーオードの配列の外側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成すると共に、アレイ外周部の最外周であるスクライブラインの内側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成したことを特徴とする固体撮像素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイーオードの具備されていないアレイ外周部を遮光した固体撮像素子に関し、特に可視領域から赤外波長域における光の透過を防ぎ、遮光層の剥がれが原因となる特性劣化の無い固体撮像素子に関する。

固体撮像素子としては、デジタルカメラ、ビデオカメラなどで用いられる二次元イメージセンサーがあり、固体撮像素子に具備されるＣＭＯＳやＣＣＤなどのフォトダイーオードが、入射した光を電気信号に変換する。

フォトダイーオードは、人間の視覚感度域である可視光波長域（例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域）外の領域でも高い感度を有し、特に、可視光波長域より長波長側の波長域（以下、「赤外域」という。例えば、７００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長域）についても高い感度を有する。

図２、図４は、従来の固体撮像素子の構成を明確にするために、製造工程及び遮光層のパターン示している。固体撮像素子のアレイ部１０には、フォトダイーオード８が配置されており、フォトダイーオード８に対応して、高さは０．３μｍ〜１．５μｍ程度を有するマイクロレンズ５が設けられている。

オンチップカラーフィルターの形成において、フォトダイーオード８、配線層が形成された下地ウエハ基板からは、固体撮像素子に入射した光のうち、特に配線層からの反射が原因の特性劣化が見られる。これを防止するためにフォトダイーオード８が配置されていないアレイ外周部１１に、青層と緑層を重ねた遮光層６を設けることが行われている。

しかしながら、遮光層６として、青層と緑層を重ねる方法では、赤波長域での光の透過を十分に防ぐことができない。

また、ｂｌａｃｋ（黒色）レジストによる遮光も提案されているが、ｂｌａｃｋレジストを用い透過率を１％以下に制御しようとすると、硬化のための光が、ｂｌａｃｋレジスト膜の底部まで十分には届かず、ネガティブタイプのレジストであるｂｌａｃｋレジストパターンの解像が不十分で、ｂｌａｃｋレジストのパターンが剥がれてしまうという問題あり、ｂｌａｃｋレジストによる方式が採用することができていなかった。

固体撮像素子の高精細化により、画素サイズが微細となり、基板への密着性が問題となっている。そのため、第１の緑色カラーフィルターとその上に第２の緑色カラーフィルターを設け、第２の緑色カラーフィルターの面積を、第１の緑色カラーフィルターよりも面積を小さくして、密着性を改善する提案が成されているが、透過率が起因するｂｌａｃｋレジストの密着性の改善には適さない（特許文献１）。

特開２００９−１５２３１５号公報

本発明は以上の様な事情の下になされ、反射による特性劣化を防止するために、遮光層
として、ｂｌａｃｋレジストを用い、その透過率を１％以下に制御してもｂｌａｃｋレジストパターンの剥がれ問題の発生の無い、固体撮像素子を提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、フォトダイーオードを配列して配置し、マイクロレンズを持つアレイ部とアレイ外周部からなる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子のマイクロレンズ形成層のマイクロレンズを、フォトダイーオードの配列の外側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成すると共に、アレイ外周部の最外周であるスクライブラインの内側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成したことを特徴とする固体撮像素子である。

また、請求項２に記載の発明は、前記マイクロレンズの成形を、Ｃ_３Ｆ_８ガスを用いてエッチングにより形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子である。

また、請求項３に記載の発明は、前記固体撮像素子のアレイ外周部のダミーマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ形成層に、コートされたｂｌａｃｋレジスト膜の、４００〜１１００ｎｍにおける光の透過率が１％以下としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子である。

下地ウエハ基板からの配線層による反射が原因の特性劣化を防ぐために、赤から赤外波長域における光の透過を遮光できるｂｌａｃｋレジスト膜を用い、４００〜１１００ｎｍにおける光の透過率が１％以下に制御しても、接着性が十分に達成でき、ｂｌａｃｋレジスト膜の剥がれの無い、信頼性のある固体撮像素子を提供することができる。

本願発明の、遮光層６のパターンを改善した固体撮像素子の構成を示した概念図である。従来の固体撮像素子における遮光層６のパターン示した概念図である。本願発明の、遮光層６のパターンを改善した固体撮像素子を示した正面概念図である。従来の固体撮像素子における遮光層６のパターン示した正面概念図である。

以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本願発明の固体撮像素子の構成を明確にするために、構成と工程を示している。

配線層１６やフォトダイーオード８を設けた下地ウエハ基板上に、平坦化層１を設け、その上に、ブラックマトリックス及びカラー画素であるＲＧＢをパターニングを行い、レンズ形成層３を塗布する。

図３は本願発明の固体撮像素子の平面図を示しており、フォトダイーオード８の配列の外側に３ピッチ、ダミーとしてマイクロレンズ５を形成すると共に、アレイ外周部１１の最外周であるスクライブライン１４の内側に１ピッチのダミーのマイクロレンズ５が設けられている。

マイクロレンズ５を形成するために、アクリル樹脂の塗布液を用いて０．６〜２μｍの厚みにレンズ形成層３を形成する。

レンズ形成層３の上に、熱硬化性のアクリル樹脂からなる平滑化層９を設け、次に、アルカリ可溶性で、感光性、熱フロー性を持つフェノール樹脂からなるレンズ母型材料を塗布する。次に、公知のフォトリソグラフィーブロセスを使用し、１０，０００Ｊ／ｍ^２〜３０，０００Ｊ／ｍ^２エネルギーにてパターン露光を行い、レンズ母型１５となる領域を残す様にレンズ母型材料をパターニングする。

残されたレンズ母型材料を熱処理して熱リフローさせ、半球状に変形させてレンズ母型１５を形成する。リフロー量を適正量にすることにより、単位レンズ母型１５間のギャップや形状がスムースな半球状にすることができる。

次に、ドライエッチング装置により、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８の混合ガスや、Ｃ_３Ｆ_８ガス１２用い、レンズ母型１５をマスクとしてレンズ形成層３に対してレンズ母型１５の形状の転写処理を行い、マイクロレンズ５を形成する。

レンズ母型１５及びレンズ形成層３を上方から均一にエッチングすると、レンズ母型１５の形状を保ったまま下方にエッチングが進むため、レンズ形成層３の形状をレンズ母型１５の形状と同じ形状にエッチングすることができる。

露光現像によりパターニングを行った後、熱リフローにてレンズ形状とする。高さが０．３μｍ〜１．５μｍμｍのマイクロレンズ５を形成する。この時ダミーマイクロレンズ７は、フォトダイーオード８の配列の外側に１ピッチ以上、形成すると共に、アレイ外周部１１の最外周であるスクライブライン１４の内側に１ピッチ以上、ダミーマイクロレンズ７を形成した。

遮光層は、４００〜１１００ｎｍにおける光の透過率を１％以下でとするため、ｂｌａｃｋレジストとして、ＪＳＲ社製ＢＫ４６１１をスピンコート（主回転９００ｒｐｍ）を行い、１．００μｍ程度の厚みの遮光層を得る。この時、透過率が１％以下と成る様に膜厚を微調節する。

この時、ダミーマイクロレンズ７を設けていない、図４に示す構成では、ｂｌａｃｋレジストを用い、上記の様に、透過率を１％以下に制御しようとすると、露光時の光がｂｌａｃｋレジスト膜の底部まで十分に届かないため、ｂｌａｃｋレジストパターンの、剥がれが発生する危険性がある。

一方フォトダイーオード５の配列の外側に１ピッチ以上、ダミーマイクロレンズ７を形成すると共に、アレイ外周部１１の最外周であるスクライブライン１４の内側に１ピッチ以上、ダミーマイクロレンズ７を形成すると、ｂｌａｃｋレジストの硬化が進むだけでなく、ダミーマイクロレンズ７により、フォトダイーオード８の配列の外側やアレイ外周部１１の最外周といった、剥がれが始まる部分において、ｂｌａｃｋレジストとレンズ形成層との接触面積が増えるため、剥がれが生じなくなる。

フォトダイーオード及び配線層からなるウエハ上に平坦化層１をスピンコートした後、ＲＧＢをパターニングし、その後、レンズ形成層３として、感光性樹脂である東京応化製、Ｃ００７を１．５μｍの厚みに塗布し、さらにフェノール樹脂からなるレンズ母型材料であるＪＳＲ社製ＭＦＲ‐５１１を０．５μｍの厚みに塗布し、４，０００Ｊ／ｍ^２エネルギーにてパターン露光を行い、レンズ母型１５となる領域を残す様にレンズ母型材料をパターニングした。

Ｃ_３Ｆ_８ガス１２により、下部ＲＦ電力２５００Ｗ、Ｃ_３Ｆ_８ガス（ＳＣＣＭ）９５、
チャンバー圧力８．０Ｐａの条件でエッチングを行い、パターニング後、熱リフローにてマイクロレンズ５を形成した。この時マイクロレンズは、フォトダイーオードの配列の外側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成すると共に、アレイ外周部の最外周であるスクライブライン１５の内側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズ５を形成した。

さらに、全面にｂｌａｃｋレジストとして、ＪＳＲ社製ＢＫ４６１１をスピンコート（主回転９００ｒｐｍ）し、露光量として、２０，０００Ｊ／ｍ^２のエネルギーにて露光後、ＴＥＬ（東京エレクトロン）社製現像装置（ＤｅｖＯＤ２１０）を用いた現像により、固体撮像素子のフォトダイーオードの配列の無いアレイ外周部１１に、０．９５μｍの厚みで、透過率が０．９％の遮光層６を設けた。

＜比較例＞
実施例においてアレイ外周部１１に設けたダミーのマイクロレンズ５を設けず、他の工程は、実施例と同じにして、固体撮像素子のフォトダイーオード８の配列の無いアレイ外周部１１に、０．９５μｍの厚みで、透過率が０．９％の遮光層６を設けた固体撮像素子を作製し比較例とした。

作製した実施例、比較例の固体撮像素子を現像後、ｂｌａｃｋレジストの剥がれを観察したところ、本願発明のダミーのマイクロレンズ５設けた固体撮像素子に剥がれは見られなかった。

剥がれが改善された理由に関しての詳細は確実では無いが、ダミーのマイクロレンズ５を設けることにより、ｂｌａｃｋレジストとレンズ形成層３との接触面積が大きくなったことや、マイクロレンズ上のｂｌａｃｋレジスト層が薄くなったことにより光が透過したことで樹脂が硬化しやすくなり、アルカリにとけなくなる。

１・・・平坦化層
２・・・カラー画素
２Ｒ・・・Ｒ画素
２Ｂ・・・Ｂ画素
２Ｇ・・・Ｇ画素
３・・・レンズ形成層
４・・・レンズ層
５・・・マイクロレンズ
６・・・遮光層
７・・・ダミーマイクロレンズ
８・・・フォトダイーオード
９・・・平滑化層
１０・・・アレイ部
１１・・・アレイ外周部
１２・・・Ｃ_３Ｆ_８ガス
１３・・・ウエハ基板
１４・・・スクライブライン
１５・・・レンズ母型
１６・・・配線層

Claims

フォトダイーオードを配列して配置し、マイクロレンズを持つアレイ部とアレイ外周部からなる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子のマイクロレンズ形成層のマイクロレンズを、フォトダイーオードの配列の外側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成すると共に、アレイ外周部の最外周であるスクライブラインの内側に１ピッチ以上、ダミーとしてマイクロレンズを形成したことを特徴とする固体撮像素子。
前記マイクロレンズの成形を、Ｃ_３Ｆ_８ガスを用いてエッチングにより形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子のアレイ外周部のダミーマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ形成層に、コートされたｂｌａｃｋレジスト膜の、４００〜１１００ｎｍにおける光の透過率が１％以下としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。