JP2016225338A - Solid state imaging device - Google Patents

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岡本 真一
Shinichi Okamoto
真一 岡本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state imaging device in which formation of a color filter layer, achieving miniaturization and thinning of a color filter layer along with the progress of miniaturization, is achieved with low defect.SOLUTION: In a solid state imaging device 200 where a planarization layer 13 composed of transparent resin, a color filter layer 14 formed corresponding to a photodiode 12, a smoothing layer 15 and a microlens 16 are formed in this oder, on the photodiode formed in matrix on a substrate 11, a first undercoat layer 17 is formed below a first color filter layer 24, that is formed at first on the planarization layer. The undercoat layer uses a material having the surface free energy larger than that of the planarization layer, and the thickness is 100 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は固体撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a solid-state image sensor.

固体撮像素子は、たとえば、複数の画素が水平方向と垂直方向において、マトリクス状に配置された撮像領域が基板の面に設けられた半導体素子である。この撮像領域では、被写体像による光を受光して信号電荷を生成する光電変換部が、各画素に対応するように複数形成されている。たとえば、フォトダイオードがこの光電変換部として形成されている。   The solid-state imaging device is a semiconductor device in which an imaging region in which a plurality of pixels are arranged in a matrix in the horizontal direction and the vertical direction is provided on the surface of a substrate. In this imaging region, a plurality of photoelectric conversion units that receive light from the subject image and generate signal charges are formed so as to correspond to the respective pixels. For example, a photodiode is formed as the photoelectric conversion portion.

この光電変換部の上層においては、各画素に対応するようにカラーフィルタ層が設けられている。このカラーフィルタ層を通った光を光電変換部が受光するように構成されている。カラーフィルタ層は、一例としては赤、緑、青の3原色の着色層となっており、3原色の着色層が、画素マトリクスにあわせて、例えばベイヤー配列(Bayer arrengement)にて配列されている。   In the upper layer of the photoelectric conversion portion, a color filter layer is provided so as to correspond to each pixel. The photoelectric conversion unit is configured to receive light passing through the color filter layer. As an example, the color filter layer is a colored layer of three primary colors of red, green, and blue, and the colored layers of the three primary colors are arranged in a Bayer arrangement, for example, in accordance with the pixel matrix. .

また、カラーフィルタ層の上層においては、各画素に対応してマイクロレンズが設けられている。このマイクロレンズによって集光された光が、カラーフィルタ層を通って、光電変換部へ入射するように構成されている。   In addition, in the upper layer of the color filter layer, a microlens is provided corresponding to each pixel. The light condensed by the microlens is configured to enter the photoelectric conversion unit through the color filter layer.

図3に従来の固体撮像素子の画素配置図の一例を示す。図3において画素配列はベイヤー配列となっており、画素10(A)、画素10(B)、画素10(C)に3原色のカラーフィルタがそれぞれの画素に対応して配置されている構造をとっている。   FIG. 3 shows an example of a pixel arrangement diagram of a conventional solid-state imaging device. In FIG. 3, the pixel arrangement is a Bayer arrangement, and a structure in which color filters of three primary colors are arranged corresponding to the respective pixels in the pixels 10 (A), 10 (B), and 10 (C). I'm taking it.

図3で示した固体撮像素子100におけるA―A’線で切断した従来の固体撮像素子の場合のカラーフィルタ層とマイクロレンズの概略断面図を図2に示す。半導体基板11には、受光素子としてCMOSやCCDからなるフォトダイオード12が形成されている。そして、半導体基板11の表面には、シリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜(図示せず)が形成されており、半導体基板11上には、透明樹脂からなる平坦化層(PL)13が形成されている。また、平坦化層(PL)13上には、フォトダイオード12に対応して、顔料や染料などの着色材を透明樹脂に分散させたカラーフィルタ層14が形成されている。これらのカラーフィルタ層14上に透明樹脂からなる平滑化層(FL)15が形成され、その上にフォトダイオードに対応してマイクロレンズ16が形成されている。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the color filter layer and the microlens in the case of the conventional solid-state imaging device cut along the line A-A ′ in the solid-state imaging device 100 shown in FIG. 3. On the semiconductor substrate 11, a photodiode 12 made of CMOS or CCD is formed as a light receiving element. A silicon oxide film or a silicon nitrogen oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, and a planarizing layer (PL) 13 made of a transparent resin is formed on the semiconductor substrate 11. ing. On the planarizing layer (PL) 13, a color filter layer 14 in which a coloring material such as a pigment or a dye is dispersed in a transparent resin is formed corresponding to the photodiode 12. A smoothing layer (FL) 15 made of a transparent resin is formed on these color filter layers 14, and a microlens 16 is formed thereon corresponding to the photodiode.

近年、デジタルカメラや携帯電話機等のカメラ付き電子機器の小型化の進展及び、固体撮像素子の多画素化に合わせるようにして、画素の微細化が進展している。   In recent years, miniaturization of pixels has progressed in line with the progress of miniaturization of electronic devices with cameras such as digital cameras and mobile phones, and the increase in the number of pixels of solid-state imaging devices.

固体撮像素子の画素微細化の進展に合せて、カラーフィルタ層のパターニング寸法についても同様に微細化する必要がある。その微細化に伴って、1画素あたりの受光感度特性の低下や、隣接画素から入射されるノイズ割合の増加などが問題となっている。そのため、カラーフィルタ層においては分光透過率の改善と、薄膜化も同時に進展していくことが求められている。   As the pixel miniaturization of the solid-state image sensor progresses, the patterning dimension of the color filter layer needs to be similarly miniaturized. Along with the miniaturization, there are problems such as a decrease in light receiving sensitivity characteristics per pixel and an increase in the ratio of noise incident from adjacent pixels. For this reason, in the color filter layer, it is required that the spectral transmittance is improved and the film thickness is reduced at the same time.

カラーフィルタとしての分光特性を維持又は改善しながら、薄膜化を進めるために、カラーフィルタ層を形成する固形分のうち顔料比率を高め、その他の固形分比率を減らす必要が生じる。減量が必要となる成分は、フォトリソグラフィ特性に関わる成分や着色顔料及びその分散に関わる成分となる。フォトリソ成分の減量は、画素の微細化により難易度
の上昇しているパターニング性をさらに難しくするという問題がある。
In order to reduce the film thickness while maintaining or improving the spectral characteristics of the color filter, it is necessary to increase the pigment ratio of the solid content forming the color filter layer and reduce the other solid content ratio. The components that need to be reduced are components related to photolithography characteristics, color pigments, and components related to dispersion thereof. The reduction of the photolithographic component has a problem that the patterning property, which is increasing in difficulty due to pixel miniaturization, becomes more difficult.

画素寸法が1.5μm角以下や、1.2μm角以下というような微細化を進展させる中で、カラーフィルタ層の分光特性を維持しながら膜厚0.8μm以下、膜厚0.6μm以下というような薄膜化も進展させている。
そのため、カラーフィルタ層を形成する固形分のうち、顔料比率を高くする一方で、アルカリ可溶性樹脂や重合性モノマー、光重合開始剤などのフォトリソ成分の総量を減少させなければいけない状況がある。
With the progress of miniaturization such that the pixel size is 1.5 μm square or less or 1.2 μm square or less, the film thickness is 0.8 μm or less and the film thickness is 0.6 μm or less while maintaining the spectral characteristics of the color filter layer Such thinning is also progressing.
Therefore, there is a situation in which the total amount of photolithography components such as an alkali-soluble resin, a polymerizable monomer, and a photopolymerization initiator must be reduced while increasing the pigment ratio in the solid content forming the color filter layer.

このようなカラーフィルタ層の薄膜化による材料組成の見直しにより、フォトリソグラフィを行う上で必要となる感光性成分の重合性モノマーの減量、光重合開始剤の減量などが生じる。それが下地層との密着性に影響し、剥がれやすくなるという問題が生じている。特に、カラーフィルタ層の中で最初に形成されるカラーフィルタ層において、顕著な問題となっている。   By reconsidering the material composition by thinning the color filter layer as described above, a reduction in the amount of the polymerizable monomer of the photosensitive component and a reduction in the amount of the photopolymerization initiator required for performing photolithography occur. This affects the adhesion with the underlying layer, causing a problem that it tends to peel off. In particular, this is a significant problem in the color filter layer formed first in the color filter layer.

また、パターンの微細化及びアルカリ可溶性樹脂の減量や顔料濃度の上昇に伴い、パターン形成後、アルカリ現像でレジストが除去された箇所における下地層表面への残渣の発生が顕著となっている。   Further, with the miniaturization of the pattern, the decrease in the amount of the alkali-soluble resin, and the increase in the pigment concentration, the occurrence of residues on the surface of the underlayer at the locations where the resist has been removed by alkali development after pattern formation has become prominent.

画素の微細化に伴って生じる膜剥がれの問題に対して、例えば特許文献1では、緑色の層を2層化して、1層目の膜厚を薄くすることで膜剥がれが生じにくくなるという効果を得ている。しかし、そのような方法では画素の微細化に伴う残渣の発生に対処することができないという問題がある。   For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-260707, the film peeling is less likely to occur by making the green layer into two layers and reducing the film thickness of the first layer with respect to the problem of film peeling caused by pixel miniaturization. Have gained. However, such a method has a problem that it is impossible to cope with the generation of residues due to the miniaturization of pixels.

特開2009−152315号公報JP 2009-152315 A

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、画素の微細化の進展に合せ、カラーフィルタ層の微細化及び薄膜化を実現したカラーフィルタ層の形成を、低欠陥で実現した固体撮像素子を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in accordance with the progress of pixel miniaturization, a solid-state imaging device that realizes the formation of a color filter layer that realizes miniaturization and thinning of the color filter layer with low defects. It is an issue to provide.

本発明に係る第1の発明は、半導体基板上にマトリクス状に形成されたフォトダイオードの上に、透明樹脂からなる平坦化層と、フォトダイオードに対応して形成されたカラーフィルタ層と、平滑化層と、マイクロレンズとがこの順に形成されてなる固体撮像素子において、
平坦化層の上に最初に形成するカラーフィルタ層である第1カラーフィルタ層の下には下引き層を有しており、下引き層は表面自由エネルギーが平坦化層の表面自由エネルギーより大きい材料を使用し、且つ下引き層の膜厚は100nm以下であることを特徴とする固体撮像素子である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a planarization layer made of a transparent resin on a photodiode formed in a matrix on a semiconductor substrate, a color filter layer formed corresponding to the photodiode, and a smoothing layer. In the solid-state imaging device in which the formation layer and the micro lens are formed in this order,
The undercoat layer is provided under the first color filter layer, which is a color filter layer that is first formed on the flattening layer, and the undercoat layer has a surface free energy larger than that of the flattening layer. A solid-state imaging device using a material and having a thickness of the undercoat layer of 100 nm or less.

また、本発明に係る第2の発明は、前記下引き層の表面自由エネルギーが、前記平坦化層の表面自由エネルギーより3mJ/m以上大きい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。 The second invention according to the present invention is characterized in that the surface free energy of the undercoat layer is 3 mJ / m 2 or more larger than the surface free energy of the planarization layer. It is an element.

また、本発明に係る第3の発明は、前記第1カラーフィルタ層が緑色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子である。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits green light.

また、本発明に係る第4の発明は、前記第1カラーフィルタ層が青色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子である。   According to a fourth aspect of the present invention, the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits blue light.

また、本発明に係る第5の発明は、前記第1カラーフィルタ層が赤色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子である。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits red light.

また、本発明に係る第6の発明は、前記下引き層の透過率が波長550nmにおいて90%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子である。   Moreover, the 6th invention which concerns on this invention is the solid-state image sensor of any one of Claims 1-5 characterized by the transmittance | permeability of the said undercoat layer being 90% or more in wavelength 550nm. is there.

また、本発明に係る第7の発明は、前記固体撮像素子の画素配列周期が1.2μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子である。   The seventh invention according to the present invention is the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, wherein a pixel arrangement period of the solid-state imaging device is 1.2 μm or less. .

また、本発明に係る第8の発明は、前記固体撮像素子のカラーフィルタ層の膜厚が0.1〜0.8μmであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子である。   The eighth invention according to the present invention is any one of claims 1 to 7, wherein the thickness of the color filter layer of the solid-state imaging device is 0.1 to 0.8 μm. This is a solid-state imaging device.

本発明によれば、微細な寸法の画素に対するカラーフィルタ層の形成において残渣や剥がれといった不具合がないカラーフィルタ層を形成することができる。
その結果、微細画素を備えた固体撮像素子を低欠陥で形成することが可能となる。
According to the present invention, it is possible to form a color filter layer that is free from defects such as residue and peeling in the formation of the color filter layer for pixels with fine dimensions.
As a result, it is possible to form a solid-state imaging device having fine pixels with low defects.

本発明の固体撮像素子の一例を示す概略図断面である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solid-state imaging device of the present invention. 従来の固体撮像素子の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the conventional solid-state image sensor. 固体撮像素子の画素配置の例としてベイヤー配列の例を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the example of a Bayer arrangement as an example of pixel arrangement | positioning of a solid-state image sensor.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し、説明する。
図3で示した固体撮像素子100におけるA―A’線で切断した場合のカラーフィルタ層とマイクロレンズの概略断面図を図2に示す。半導体基板11には、受光素子としてCMOSやCCDからなるフォトダイオード12がマトリクス状に形成されている。そして、半導体基板11の表面には、シリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜(図示せず)が形成されており、半導体基板11上には、透明樹脂からなる平坦化層(PL)13が形成されている。また、平坦化層(PL)13上には、フォトダイオードに対応して、顔料や染料などの着色材を分散させた透明樹脂からなるカラーフィルタ層14が形成されている。これらのカラーフィルタ上に透明樹脂からなる平滑化層(FL)15が形成され、その上にフォトダイオードに対応してマイクロレンズ16が形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the color filter layer and the microlens taken along the line AA ′ in the solid-state imaging device 100 shown in FIG. On the semiconductor substrate 11, photodiodes 12 made of CMOS or CCD as light receiving elements are formed in a matrix. A silicon oxide film or a silicon nitrogen oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, and a planarizing layer (PL) 13 made of a transparent resin is formed on the semiconductor substrate 11. ing. On the planarizing layer (PL) 13, a color filter layer 14 made of a transparent resin in which a coloring material such as a pigment or a dye is dispersed is formed corresponding to the photodiode. A smoothing layer (FL) 15 made of a transparent resin is formed on these color filters, and a microlens 16 is formed thereon corresponding to the photodiode.

図1に図3で示したA―A’線の本発明の固体撮像素子200におけるカラーフィルタ層14とマイクロレンズ16の断面図の一例について示す。半導体基板11には受光素子としてCMOSやCCDからなるフォトダイオード12が形成され、半導体基板11の表面にはシリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜(図示せず)が形成されている。半導体基板11上には、透明樹脂からなる平坦化層(PL)13が形成されている。平坦化層13の上でフォトダイオードに対応し、第1カラーフィルタ層を形成する位置に合わせて第1下引き層17が形成されている。   FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of the color filter layer 14 and the microlens 16 in the solid-state imaging device 200 of the present invention taken along the line A-A ′ shown in FIG. 3. A photodiode 12 made of CMOS or CCD is formed as a light receiving element on the semiconductor substrate 11, and a silicon oxide film or a silicon nitrogen oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. A planarizing layer (PL) 13 made of a transparent resin is formed on the semiconductor substrate 11. A first undercoat layer 17 is formed on the flattening layer 13 so as to correspond to the photodiode and to be positioned at the position where the first color filter layer is formed.

第1下引き層17上には、顔料や染料などの着色材を分散させた透明樹脂からなる、カラーフィルタ層14の中で、最初に形成される第1カラーフィルタ層24が形成されている。第1カラーフィルタ層以外のカラーフィルタ層については平坦化層13の上に形成されている。
これらのカラーフィルタ14上に透明樹脂からなる平滑化層(FL)15が形成され、その上にフォトダイオードに対応してマイクロレンズ16が形成されている。
なお、画素配列や第1カラーフィルタ層24の色についてはこれらに限定するものではない。また、色の組み合わせは、3原色に加えて、黄色やクリア(透明)などのカラーフィルタを設けた組み合わせとしても構わない。
On the first undercoat layer 17, a first color filter layer 24 that is formed first among the color filter layers 14 made of a transparent resin in which a coloring material such as a pigment or a dye is dispersed is formed. . The color filter layers other than the first color filter layer are formed on the planarizing layer 13.
A smoothing layer (FL) 15 made of a transparent resin is formed on these color filters 14, and a microlens 16 is formed thereon corresponding to the photodiode.
Note that the pixel arrangement and the color of the first color filter layer 24 are not limited to these. In addition to the three primary colors, the color combination may be a combination provided with a color filter such as yellow or clear (transparent).

図1に示した本発明の固体撮像素子においては、第1下引き層17の表面自由エネルギーは、平坦化層13に比べて高くなる材料により形成している。
第1下引き層と平坦化層13の表面自由エネルギーの差異は3mJ/m以上あることが好ましく、より好ましくは5mJ/m以上であることが望ましい。
また、第1下引き層17の表面自由エネルギーは20〜80mJ/mの範囲であることが望ましい。第1下引き層として形成する膜の膜厚は、100nm以下の薄膜であることが好ましく、より好ましくは60nm以下で有ることが望ましい。
In the solid-state imaging device of the present invention shown in FIG. 1, the surface free energy of the first undercoat layer 17 is made of a material that is higher than that of the planarizing layer 13.
The difference in surface free energy between the first undercoat layer and the planarizing layer 13 is preferably 3 mJ / m 2 or more, more preferably 5 mJ / m 2 or more.
The surface free energy of the first undercoat layer 17 is desirably in the range of 20 to 80 mJ / m 2 . The thickness of the film formed as the first undercoat layer is preferably a thin film of 100 nm or less, more preferably 60 nm or less.

従来構成においては、画素寸法が1.2μm以下、カラーフィルタ層膜厚が0.8μm以下となっており、微細化、薄膜化が進む中で、カラーフィルタ層中の顔料比率の上昇に伴って、カラーレジストの成分の見直しが図られている。特に、カラーレジスト成分中のフォトリソ成分の減量や、顔料分散剤の減量が必要となり、カラーフィルタ層14を所望のパターン形状で得ることが難しくなっていた。   In the conventional configuration, the pixel size is 1.2 μm or less, and the color filter layer thickness is 0.8 μm or less. With the progress of miniaturization and thinning, the pigment ratio in the color filter layer increases. The color resist components are being reviewed. In particular, it is necessary to reduce the amount of the photolitho component in the color resist component and the amount of the pigment dispersant, and it is difficult to obtain the color filter layer 14 in a desired pattern shape.

特に、カラーフィルタ層の中で最初に形成される第1カラーフィルタ層24は、膜剥がれが生じやすく、残渣の発生が顕著になるなど、フォトリソグラフィによるパターン形成に大きな問題を持っていた。   In particular, the first color filter layer 24 formed first in the color filter layer has a large problem in pattern formation by photolithography, such that film peeling is likely to occur and generation of residue is remarkable.

そこで、本発明では、カラーフィルタ層14の中で最初に形成される第1カラーフィルタ層24の下部に形成される第1下引き層17の表面自由エネルギーを、平坦化層13の表面自由エネルギーよりも高くして、且つ100nm以下の薄膜として形成する。そのようにすることで、第1カラーフィルタ層24の形成時に膜剥がれが無く、残渣の発生も少ない第1カラーフィルタ層24を得ることができる。それにより、カラーフィルタ層の微細化及び薄膜化を、低欠陥で実現することが可能となる。   Therefore, in the present invention, the surface free energy of the first undercoat layer 17 formed below the first color filter layer 24 formed first in the color filter layer 14 is used as the surface free energy of the planarizing layer 13. And a thin film of 100 nm or less. By doing so, it is possible to obtain the first color filter layer 24 with no film peeling when the first color filter layer 24 is formed and with little generation of residue. As a result, the color filter layer can be miniaturized and thinned with low defects.

次に、本発明におけるカラーフィルタ層の着色材は、カラーフィルタ層の形成に従来用いられている有機顔料や染料、分散剤、アルカリ可溶性樹脂、重合性モノマー、光重合開始剤、溶媒を含んだ組成物を好適に選択可能である。なお、従来から使用されている添加剤を必要に応じて添加した材料についても利用可能である。特に、有機顔料を用いる場合、顔料の平均粒子径は20nm〜100nmであることが望ましい。ここで、平均粒子径は、動的光散乱法による体積平均径である。   Next, the coloring material of the color filter layer in the present invention contains an organic pigment or dye, a dispersant, an alkali-soluble resin, a polymerizable monomer, a photopolymerization initiator, and a solvent that are conventionally used for forming the color filter layer. A composition can be suitably selected. In addition, it can utilize also about the material which added the additive currently used conventionally as needed. In particular, when an organic pigment is used, the average particle size of the pigment is desirably 20 nm to 100 nm. Here, the average particle diameter is a volume average diameter by a dynamic light scattering method.

次に、本発明における第1下引き層17の材料は、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エポキシ系樹脂等の樹脂成分を中心とした材料構成となっており、膜形成後に透明性、耐熱性を持つ材料構成であることが求められる。また、波長550nmにおける光透過率が90%以上であることが必要である。   Next, the material of the first undercoat layer 17 in the present invention has a material structure mainly including a resin component such as an acrylic resin, a styrene resin, an epoxy resin, and is transparent and heat resistant after film formation. It is required that the material composition has Further, the light transmittance at a wavelength of 550 nm needs to be 90% or more.

また、本発明における第1下引き層17の材料は、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エポキシ系樹脂等の樹脂成分に加え、重合性モノマー、光重合開始剤、溶媒を含む組成となっており、フォトリソ性と透明性、耐熱性を兼ねた材料組成が選択される。組成物につ
いては、従来からフォトリソグラフィ用途に利用されている組成物を選択可能であり、必要に応じて添加剤を添加した材料についても利用可能である。
In addition, the material of the first undercoat layer 17 in the present invention has a composition containing a polymerizable monomer, a photopolymerization initiator, and a solvent in addition to a resin component such as an acrylic resin, a styrene resin, and an epoxy resin. A material composition having both photolithographic properties, transparency, and heat resistance is selected. As the composition, a composition conventionally used for photolithography can be selected, and a material to which an additive is added can be used as necessary.

なお、第1下引き層17、カラーフィルタ層14の形成には、従来用いられているフォトリソグラフィ法、エッチング法、印刷法をはじめとした製造方法の適応が可能である。また、マイクロレンズの形成には、従来用いられている材料が適応可能である。   In addition, the formation of the first undercoat layer 17 and the color filter layer 14 can be applied by manufacturing methods such as a photolithography method, an etching method, and a printing method that are conventionally used. In addition, conventionally used materials can be applied to the formation of the microlens.

また、本発明における画素寸法は0.1μm〜1.2μmが望ましく、第1カラーフィルタ層24の膜厚は0.1〜0.8μmであることが望ましい。また、画素の配列周期については、1.2μm以下であることが望ましい。   Further, the pixel size in the present invention is desirably 0.1 μm to 1.2 μm, and the film thickness of the first color filter layer 24 is desirably 0.1 to 0.8 μm. The pixel array period is desirably 1.2 μm or less.

<実施例1>
受光素子としてCMOSからなる複数のフォトダイオードが、ベイヤー配列となるように配置される。半導体基板の表面には、シリコン酸化膜が形成されている半導体基板を用いる。ここで、受光素子の画素の配列周期は1.1μmである。
<Example 1>
A plurality of photodiodes made of CMOS as light receiving elements are arranged in a Bayer array. A semiconductor substrate on which a silicon oxide film is formed is used on the surface of the semiconductor substrate. Here, the arrangement period of the pixels of the light receiving element is 1.1 μm.

次に、スピンコート法により、スチレン系の透明樹脂からなる膜を形成後、200℃で10分の加熱処理を行い、平坦化膜を形成する。平坦化膜の膜厚は40nmであった。   Next, after a film made of a styrene-based transparent resin is formed by spin coating, a heat treatment is performed at 200 ° C. for 10 minutes to form a flattened film. The thickness of the planarizing film was 40 nm.

続いてスピンコート法によりアクリル系樹脂、アクリル系重合性モノマー、重合開始剤からなる感光性レジストの塗布を行った。その後、画素と位置合せを行った上でフォトマスクを介して露光を行い、その後アルカリ現像液により現像処理を行った。このようにすることで、次工程にて第1カラーフィルタ層が形成される箇所に所定のパターンが形成される。その後、クリーンオーブンにて加熱処理(200℃、10分間)を行い、第1下引き層を形成した。膜厚は55nm、線幅は1.11μmであった。   Subsequently, a photosensitive resist composed of an acrylic resin, an acrylic polymerizable monomer, and a polymerization initiator was applied by a spin coating method. Then, after aligning with a pixel, it exposed through the photomask and then developed with the alkaline developing solution. By doing in this way, a predetermined pattern is formed in the location in which the first color filter layer is formed in the next step. Then, heat processing (200 degreeC, 10 minutes) was performed in clean oven, and the 1st undercoat layer was formed. The film thickness was 55 nm and the line width was 1.11 μm.

ここで形成した平坦化膜の表面自由エネルギーは、36.4mJ/m、第1下引き層の表面自由エネルギーは、41.5mJ/mであった。 The surface free energy of the planarized film formed here was 36.4 mJ / m 2 , and the surface free energy of the first undercoat layer was 41.5 mJ / m 2 .

続いて、スピンコート法によって緑色の分光特性を有するネガ型顔料分散レジストの塗布を行った。画素と位置合せを行った上でフォトマスクを介して露光を行い、その後アルカリ現像液により現像処理を行い、画素配列にあった所定のパターンが第1下引き層上に形成された。その後、クリーンオーブンにて加熱処理(200℃、10分間)を行い、第1カラーフィルタ層を形成した。膜厚は0.58μm、線幅は1.10μmであった。尚、緑色の分光特性を有するネガ型顔料分散レジストの固形分中の顔料比率は62.1重量%、フォトリソ成分は12.6重量%、分散成分は25.3重量%の材料を使用した。   Subsequently, a negative pigment dispersion resist having a green spectral characteristic was applied by a spin coating method. After alignment with the pixels, exposure was performed through a photomask, followed by development with an alkaline developer, and a predetermined pattern in the pixel array was formed on the first undercoat layer. Then, heat processing (200 degreeC, 10 minutes) was performed in clean oven, and the 1st color filter layer was formed. The film thickness was 0.58 μm and the line width was 1.10 μm. The negative pigment dispersion resist having a green spectral characteristic was a material having a pigment ratio of 62.1% by weight, a photolitho component of 12.6% by weight, and a dispersion component of 25.3% by weight.

次に、第1カラーフィルタ層のパターン形状のSEM観察を行った。その結果、パターンの直進性は良好な結果であり、また半導体基板全体において剥がれも無く、画素中に見られる残渣面積も0.5%という結果が得られた。   Next, SEM observation of the pattern shape of the first color filter layer was performed. As a result, the straightness of the pattern was a good result, the entire semiconductor substrate was not peeled off, and the residue area found in the pixel was 0.5%.

続いて、スピンコート法により赤色の分光特性を有するネガ型顔料分散レジストの塗布を行った。画素と位置合せを行った上でフォトマスクを介して露光を行った。その後、アルカリ現像液により現像処理を行うことで、画素配列にあった所定のパターンを形成した。次に、クリーンオーブンにて200℃10分の加熱処理を行い、カラーフィルタ層を形成した。膜厚は0.63μm、線幅は1.10μmであった。   Subsequently, a negative pigment dispersion resist having red spectral characteristics was applied by spin coating. After alignment with the pixels, exposure was performed through a photomask. Thereafter, development processing was performed with an alkali developer to form a predetermined pattern in accordance with the pixel arrangement. Next, heat treatment was performed at 200 ° C. for 10 minutes in a clean oven to form a color filter layer. The film thickness was 0.63 μm, and the line width was 1.10 μm.

続いてスピンコート法によって青色の分光特性を有するネガ型顔料分散レジストの塗布を行った。画素と位置合せを行った上でフォトマスクを介して露光を行い、その後アルカ
リ現像液により現像処理を行うことで、画素配列にあった所定のパターンを形成した。その後、クリーンオーブンにて200℃10分の加熱処理を行い、カラーフィルタ層を形成した。膜厚は0.62μm、線幅は1.10μmであった。
Subsequently, a negative pigment dispersion resist having a blue spectral characteristic was applied by spin coating. After alignment with the pixels, exposure was performed through a photomask, and then development processing was performed with an alkaline developer, thereby forming a predetermined pattern in accordance with the pixel arrangement. Thereafter, a heat treatment was performed at 200 ° C. for 10 minutes in a clean oven to form a color filter layer. The film thickness was 0.62 μm and the line width was 1.10 μm.

これら3色の画素上に平坦化効果を持ち、かつ、紫外線吸収剤を含有する熱硬化タイプのアクリル樹脂層を、スピンコート法によって塗布して、クリーンオーブンにて200℃10分の加熱処理を行い、カラーフィルタ層を膜厚1.5μmで形成した。   A thermosetting acrylic resin layer having a flattening effect on these three color pixels and containing an ultraviolet absorber is applied by a spin coating method, and is subjected to a heat treatment at 200 ° C. for 10 minutes in a clean oven. The color filter layer was formed to a thickness of 1.5 μm.

続いて、赤と緑と青のカラーフィルタ層の上層にマイクロレンズを形成した。まず、スピンコート法によって、ネガ型顔料分散レジスト(品名、メーカー名)の塗布を行った。フォトマスクを介して、画素と位置合せを行った上で露光後、アルカリ現像液で現像処理を行うことで、画素配列にあった所定のパターンを形成した。ここではフォトマスクにはグレートーンマスクを用い、レンズの中央部分の透過光が最も強く、レンズ端部になるほど透過光が弱くなるように、同心円状に階調をつけたマスクパターンを用いて形成を行った。その後、クリーンオーブンにて200℃10分の加熱処理を行い、第1マイクロレンズを形成した。形成されたマイクロレンズのトップ部分の膜厚は0.42μmであった。   Subsequently, microlenses were formed on the red, green and blue color filter layers. First, a negative pigment dispersion resist (product name, manufacturer name) was applied by spin coating. A predetermined pattern suitable for the pixel array was formed by aligning with the pixel through a photomask, and after exposure, developing with an alkaline developer. Here, a gray-tone mask is used as the photomask, and a mask pattern with concentric gradations is used so that the transmitted light at the center of the lens is the strongest and the transmitted light becomes weaker toward the end of the lens. Went. Thereafter, heat treatment was performed at 200 ° C. for 10 minutes in a clean oven to form a first microlens. The film thickness of the top portion of the formed microlens was 0.42 μm.

<比較例1>
次に、比較例について説明する。
サンプルの作製条件は、第1下引き層を形成しなかった事と第1カラーフィルタ層(緑色)の膜厚が0.60μm、線幅が1.19μm、赤色カラーフィルタ層の膜厚が0.62μm、線幅が1.01μm、青色カラーフィルタ層の膜厚が0.62μm、線幅が1.01μmであったこと以外は実施例1と同じであった。
<Comparative Example 1>
Next, a comparative example will be described.
Sample preparation conditions were that the first undercoat layer was not formed, the film thickness of the first color filter layer (green) was 0.60 μm, the line width was 1.19 μm, and the film thickness of the red color filter layer was 0. .62 μm, line width was 1.01 μm, blue color filter layer thickness was 0.62 μm, and line width was 1.01 μm.

次に、第1カラーフィルタ層のパターン形状をSEM観察にて確認した結果、矩形パターンの直進性が悪くギザギザした状態(鋸歯状態)であり、画素中に見られる残渣面積も9.7%と悪い結果となった。また、半導体基板上の一部の範囲で膜の剥がれによる不具合の発生も確認された。それらの結果を実施例1と結果と一緒に表1に示した。   Next, as a result of confirming the pattern shape of the first color filter layer by SEM observation, the rectilinearity of the rectangular pattern is poor and jagged (sawtooth state), and the residual area seen in the pixel is 9.7%. It was a bad result. In addition, the occurrence of defects due to film peeling was confirmed in a part of the area on the semiconductor substrate. The results are shown in Table 1 together with Example 1 and the results.

Figure 2016225338
Figure 2016225338

10(A)、10(B)、10(C):(固体撮像素子の)画素
11:半導体基板
12:フォトダイオード
13:平坦化層
14:カラーフィルタ層
15:平滑化層
16:マイクロレンズ
17:第1下引き層
24:第1カラーフィルタ層
100:固体撮像素子
200:固体撮像素子
10 (A), 10 (B), 10 (C): pixel 11 (of solid-state imaging device): semiconductor substrate 12: photodiode 13: planarization layer 14: color filter layer 15: smoothing layer 16: microlens 17 : First undercoat layer 24: first color filter layer 100: solid-state image sensor 200: solid-state image sensor

Claims (8)

半導体基板上にマトリクス状に形成されたフォトダイオードの上に、透明樹脂からなる平坦化層と、フォトダイオードに対応して形成されたカラーフィルタ層と、平滑化層と、マイクロレンズとがこの順に形成されてなる固体撮像素子において、
平坦化層の上に最初に形成するカラーフィルタ層である第1カラーフィルタ層の下には下引き層を有しており、下引き層は表面自由エネルギーが平坦化層の表面自由エネルギーより大きい材料を使用し、且つ下引き層の膜厚は100nm以下であることを特徴とする固体撮像素子。
On a photodiode formed in a matrix on a semiconductor substrate, a planarizing layer made of a transparent resin, a color filter layer formed corresponding to the photodiode, a smoothing layer, and a microlens are arranged in this order. In the formed solid-state imaging device,
The undercoat layer is provided under the first color filter layer, which is a color filter layer that is first formed on the flattening layer, and the undercoat layer has a surface free energy larger than that of the flattening layer. A solid-state imaging device using a material and having a thickness of an undercoat layer of 100 nm or less.
前記下引き層の表面自由エネルギーが、前記平坦化層の表面自由エネルギーより3mJ/m以上大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a surface free energy of the undercoat layer is 3 mJ / m 2 or more larger than a surface free energy of the planarization layer. 前記第1カラーフィルタ層が緑色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits green light. 前記第1カラーフィルタ層が青色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits blue light. 前記第1カラーフィルタ層が赤色光を透過するカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first color filter layer is a color filter layer that transmits red light. 前記下引き層の透過率が波長550nmにおいて90%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the undercoat layer has a transmittance of 90% or more at a wavelength of 550 nm. 前記固体撮像素子の画素配列周期が1.2μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a pixel array period of the solid-state imaging device is 1.2 μm or less. 前記固体撮像素子のカラーフィルタ層の膜厚が0.1〜0.8μmであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   The film thickness of the color filter layer of the said solid-state image sensor is 0.1-0.8 micrometer, The solid-state image sensor of any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018193986A1 (en) * 2017-04-17 2018-10-25 凸版印刷株式会社 Solid-state imaging element and method for manufacturing same

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